(57)【要約】【課題】  電機子に鉄芯を用いるモータや発電機において、回転時に抵抗となる残留磁気の影響を低く抑えることで電力を効率よく動力に変換し、さらに、円滑な回転の妨げとなるコギングを低く抑えることで低い入力においても動力を効率よく電力に変換する高効率モータ及び発電機を提供する。【解決手段】  入力軸または出力軸とする軸を中心に回転し、且つ、鉄芯とコイルからなる電機子と、当該軸を中心に回転するカムを連結し、当該電機子の回転外周に永久磁石を配置し、当該永久磁石の磁極面に滑動機構を配設し、当該永久磁石に当該滑動機構を介してヨークを取り付け、当該ヨークと当該カムを連結する従動節を設けることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸を中心に回転し、且つ、鉄芯とコイルからなる電機子と、当該軸を中心に回転するカムを連結し、当該電機子の回転外周に永久磁石を配置し、当該永久磁石の磁極面に滑動機構を配設し、当該永久磁石に当該滑動機構を介してヨークを取り付け、当該ヨークと当該カムを連結する従動節を設けることを特徴とする高効率モータ及び発電機。
【請求項２】
請求項１において、積層した高透磁率材を用いて、且つ、永久磁石の両極を結ぶ磁気回路を構成するようにヨークを形成することを特徴とする高効率モータ及び発電機。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、回転する電機子が永久磁石の磁極中心から外れた位置である磁極側の端部に最も近づくように配置することを特徴とする高効率モータ及び発電機。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３において、電機子の回転外周に従動節とヨーク並びに永久磁石と滑動機構からなる構成を複数配置し、当該複数の永久磁石の磁極を結ぶ磁気回路を構成するヨークを当該複数の永久磁石の外側に設けることを特徴とする高効率モータ及び発電機。
【請求項５】
請求項１ないし４項において、カム機構をモータを用いる直進駆動機構に置き換えることを特徴とする高効率モータ及び発電機。
【請求項６】
請求項１ないし５項において、電機子の構成であるコイルを省略することを特徴とする高効率モータ及び発電機。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、鉄芯と巻線で構成する電機子と永久磁石からなるモータや発電機に関するものであり、回転により電機子と永久磁石が遠ざかるときに生じる吸引力を低減し効率の向上を計る高効率モータ及び発電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  従来より界磁を構成する永久磁石を固定子とし巻線と鉄芯で電機子を構成し回転子とするモータでは、ブラシや整流子を介して電機子に電流を流し回転磁界を構成し電力を動力に変換している。【０００３】  次に、巻線と鉄芯からなる電機子を固定子とし永久磁石を回転子とする発電機では、永久磁石の回転を電機子の誘起電圧とすることで動力を電力に変換している。
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  前記従来の技術記載のモータと発電機いずれにおいても、鉄芯に生じる残留磁気の作用で回転子と固定子が遠ざかるときに回転の抵抗となる吸引力が生じるため回転効率の向上を計る上で問題となっている。
本発明は以上の欠点を解決するためになされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】  本発明は界磁を構成する永久磁石の磁極面上を移動するヨークを設けることで前記課題の解決手段としている。先ず、本発明の第１の特徴としては、軸を中心に回転し、且つ、鉄芯とコイルからなる電機子と、当該軸を中心に回転するカムを連結し、当該電機子の回転外周に永久磁石を配置し、当該永久磁石の磁極面に滑動機構を配設し、当該永久磁石に当該滑動機構を介してヨークを取り付け、当該ヨークと当該カムを連結する従動節を設ける高効率モータ及び発電機である。
【０００６】  次に、本発明の第２の特徴としては、前記第１の特徴において積層した高透磁率材を用いて、且つ、永久磁石の両極を結ぶ磁気回路を構成するようにヨークを形成する高効率モータ及び発電機である。
【０００７】  次に、本発明の第３の特徴としては、前記第１または２の特徴において回転する電機子が永久磁石の磁極中心から外れた位置である磁極側の端部に最も近づくように配置する高効率モータ及び発電機である。
【０００８】  次に、本発明の第４の特徴としては、前記第１ないし３の特徴において電機子の回転外周に従動節とヨーク並びに永久磁石と滑動機構からなる構成を複数配置し、当該複数の永久磁石の磁極を結ぶ磁気回路を構成するヨークを当該複数の永久磁石の外側に設ける高効率モータ及び発電機である。
【０００９】  次に、本発明の第５の特徴としては、前記第１ないし４の特徴におけるカム機構をモータを用いる直進駆動機構に置き換える高効率モータ及び発電機である。
【００１０】  次に、本発明の第６の特徴としては、前記第１ないし５の特徴において電機子の構成にあるコイルを省略する高効率モータ及び発電機である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】  以下、本発明の実施の形態についての説明である。
先ず、本発明の構成を図１ないし図３を参照し説明すれば、コイル１を巻装した鉄芯９とカム４を保持台１５に軸支される軸３に取り付け、鉄芯９の回転外周に永久磁石ａ７を配置し、連結アーム５をヨークａ２に固着し、コロａ８を永久磁石ａ７の磁極両側に当接するように配置し、コロａ８にヨークａ２を取り付け、保持台１５に軸支されるロッカアーム６を介してカム４と連結アーム５を連結する構成である（請求項１記載）。【００１２】  なお、ヨークａ２については積層されたケイ素鋼板などの高透磁率材を用いて成形し永久磁石ａ７の両極を結ぶ磁気回路を構成する形状に形成するものである（請求項２記載）。【００１３】  また、図２に示す永久磁石ａ７の磁極面上を転動するコロａ８については、玉やメタルなどを用いる滑動機構とすることもできる。【００１４】  次に、図３に示す永久磁石ａ７の配置位置については、鉄芯９が回転し永久磁石ａ７の磁極中心から外れた位置である磁極側の端部に最も近づくように配置する（請求項３記載）。【００１５】  次に、連結アーム５については、永久磁石ａ７の磁気を遮らないようにアルミニウムなどの非磁性体で形成しヨークａ２に固着する。【００１６】  次に、本発明の機能について図３ないし図５を参照し説明すれば、回転方向Ｄへ回転する鉄芯９が図３の位置にあるとき、永久磁石ａ７の磁気の作用である回転力Ａと回転力Ｂはヨークａ２が介在するため等しい力となる。この図のときヨークａ２はロッカアーム６や連結アーム５を介してカ厶４に従動し直進方向Ｅへ動き始め、鉄芯９の回転に同調する動きとなる。また、ヨークａ２は永久磁石ａ７の両極を結ぶ磁気回路を構成するため、図４に示すように鉄芯９に作用する回転力Ａと回転力Ｂを等しい力に保ちつつ永久磁石ａ７の端部まで移動する。【００１７】  次に、図５に示すように鉄芯９が永久磁石ａ７から遠ざかるときの残留磁気の作用を低く抑えることができるため、鉄芯９の回転時の抵抗を低く抑えることができる。【００１８】  次に、ヨークａ２の動きについて説明すれば、図３及び図４に示す直進方向Ｅへの動きは磁極の中心に吸着する吸引力Ｃに抗する動きであり、吸引力Ｃはヨークａ２の残留磁気による作用も含めた力である。次に、図５はヨークａ２の吸引力Ｃによる戻り運動を示す図であり、この動きは連結アーム５を介してロッカアーム６に伝動し回転力Ｆとなりカム４の回転力となる。なお、図３及び図４間の位置における吸引力Ｃは鉄芯９にも磁束が集中するため図５の位置における吸引力Ｃより低い力にすることができる。【００１９】  従って、従来の鉄芯と巻線で構成する電機子と永久磁石からなるモータや発電機において回転の抵抗となる主な要素は鉄芯が永久磁石から遠ざかるときの残留磁気による作用であるが、本発明における回転の抵抗となる要素はヨークａ２の残留磁気による作用と転動部の摩擦等であり、これらは比較的低い抵抗力であるためモータ及び発電機の効率を高めることができる。【００２０】  なお、本発明をモータとして利用する場合はブラシと整流子を軸３に設け、これらを介してコイル１に電流を流すことで軸３を出力軸とすることができ、さらに軸３を入力軸とする場合は発電機とすることができる。【００２１】  加えて���コロａ８とコロｂ１７についてはヨークａ２とロッカアーム６の動きを滑らかにし抵抗となる摩擦を低減するためのものであり、永久磁石ａ７やカム４並びに連結アーム５の転動面を滑らかに加工することで更に摩擦を低減することができる。【００２２】  次に、図６に示す構成は界磁磁石である永久磁石ａ７を増設する例であり、それに伴いヨークａ２や従動節を増設するものであり、この場合の永久磁石ａ７については、鉄芯９の両端に異なる磁極が位置するように配置する。さらに、図７に示す構成は前記図６に示す構成の永久磁石ａ７の磁極を結ぶ磁気回路を構成するヨークｂ１６を設ける例である（請求項４記載）。【００２３】  この構成により永久磁石ａ７の磁力を高めることができ、さらに永久磁石ａ７とそれに付属するヨークａ２や従動節を鉄芯９の回転外周に配置する数を増すことで、より出力や発電力の高いモータや発電機とすることができる。【００２４】  加えて、この構成では前記図３及び図４間の位置において鉄芯９もまた磁極を結ぶ磁気回路を構成するため、多くの磁束が鉄芯９に集中しヨークａ２に作用する吸引力Ｃを低くすることができる。【００２５】  次に、図８及び図９に示す構成は前記カム機構をリニアモータ１２に置き換えヨークａ２の直進駆動を行う例であり、鉄芯９や永久磁石ｂ１４の磁気を検出するホール素子ａ１０とホール素子ｂ１１に制御回路と電源及び駆動回路を接続し、さらに駆動回路にリニアモータ端子１３を接続する構成である。なお、図９に示すリニアモータ端子１３と電源を電圧変換回路を介して接続する例は、前記ヨークａ２の吸引力Ｃによる戻り運動の際に発生する誘起電圧を充電する接続例である。加えて、リニアモータ１２についてはボールねじやリードスクリュウ或いはカムとステッピングモータ等の回転型モータを組み合わせた直進駆動機構に置き換えることも可能である（請求項５記載）。【００２６】  また、この構成のコイル１を省略しモータの駆動によるヨークａ２の動きで鉄芯９を回転し軸３を出力軸とすることも可能であり、小型なモータの回転をトルクの高い回転に変換する場合に有効な手段である（請求項６記載）。【００２７】  このカム機構の代わりにモータを用いる構成では、摩擦による動力の損失を低く抑えることができ、さらに前記カム機構では図４と図５に示す位置の間ヨークａ２をカム４で保持しており、これは永久磁石を用いたモータの保持機能を利用することで同様の機能とすることができる。
【実施例】
【００２８】  次に、本発明の実施例について説明すれば、図１０に示すように鉄芯９を保持台１５に軸支される軸３に取り付け、鉄芯９の回転外周に永久磁石ａ７を配置し、滑動機構とするメタルを永久磁石ａ７の磁極両側に固着し、メタルを介してヨークａ２を永久磁石ａ７に取り付け、さらに軸３の回転力を測定するためプーリと錘を吊した糸を取り付けた構成である。【００２９】  次に、図１０ないし図１５に示す回転力Ａ及び回転力Ｂは磁気の作用による鉄芯９の回転力を示す矢印であり、吸引力Ｃは永久磁石ａ７の磁極中心に吸着するヨークａ２の吸引力を示す矢印である。また、直進方向Ｅは手でヨークａ２を動かす方向を示す矢印である。次に、図１６に示すグラフは測定結果を示すものであり、このグラフから回転力Ａ及び回転力Ｂを示すことができる。【００３０】  次に、図１６に示すグラフの測定方法については、鉄芯９を１０°ずつ回転した位置で軸３の回転力が釣り合うように錘の重量を調整し行ったものである。なお、図１２及び図１３のヨークａ２の位置は鉄芯９に作用する回転力Ａ及び回転力Ｂが釣り合う位置である。【００３１】  次に、図１６に示す測定結果から考察すれば回転力Ａ及び回転力Ｂの力の差はヨークａ２の直進方向Ｅへ動く力であることがわかる。従って、本発明はヨークａ２の直進方向Ｅへの動きで鉄芯９の回転時に生じる磁気の作用による抵抗を低く抑えるものである。【００３２】  上記したように本発明は軸３を入力軸とする際にコギングを低く抑え鉄芯９の回転を円滑に行うことができ、さらに、ヨークａ２の機能により残留磁気を低く抑えることができるため、コイル１を省略し本発明を鉄芯９を消磁する消磁装置としても利用することができる。この場合はヨークａ２の形状や鉄芯９の回転速度などを調整することで鉄芯９の残留磁気を消磁する効果を高めることができる（請求項６記載）。
【発明の効果】
【００３３】  以上の説明にあるように、本発明の鉄芯の残留磁気を低く抑える機能はモータや発電機の回転効率を高める点で有用であり、本発明をモータとして利用する場合は効率よく電力を動力に変換することができ、エネルギーを有効に利用することができる。また、本発明を発電機として利用する場合も効率よく動力を電力に変換することができ、風力発電等では比較的低い外力を電力に変換する必要があり、本発明のコギングを低く抑え低い入力で発電する機能を有効に利用することができる。従って、動力と電力の変換を効率よく行うモータや発電機とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態を示す斜視図である。
【図２】  本発明の実施形態を示す要部分解斜視図である。
【図３】  本発明の回転方向及び回転力を示す実施形態の、要部平面図である。
【図４】  本発明の図３の位置から１５°回転した状態における回転方向及び回転力を示す実施形態の、要部平面図である。
【図５】  本発明の図４の位置から２５°回転した状態における回転方向及び回転力を示す実施形態の、要部平面図である。
【図６】  本発明の界磁磁石の構成の増設例を示す実施形態の、要部平面図である。
【図７】  本発明のヨークの設置例を示す実施形態の、要部平面図である。
【図８】  本発明の直進駆動機構の変化例を示す実施形態の、要部平面図である。
【図９】  本発明の直進駆動機構の接続例を示す図である。
【図１０】  本発明の実施例を示す平面図である。
【図１１】  本発明の図１０の位置から２０°回転した状態における実施例を示す平面図である。
【図１２】  本発明の図１１の位置から２０°回転した状態における実施例を示す平面図である。
【図１３】  本発明の図１２の位置から１０°回転した状態における実施例を示す平面図である。
【図１４】  本発明の図１３の位置から１０°回転した状態における実施例を示す平面図である。
【図１５】  本発明の図１４の位置から１０°回転した状態における実施例を示す平面図である。
【図１６】  本発明の実施例における測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１  コイル
２  ヨークａ
３  軸
４  カム
５  連結アーム
６  ロッカアーム
７  永久磁石ａ
８  コロａ
９  鉄芯
１０  ホール素子ａ
１１  ホール素子ｂ
１２  リニアモータ
１３  リニアモータ端子
１４  永久磁石ｂ
１５  保持台
１６  ヨークｂ
１７  コロｂ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2004320973.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2004320973.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
2004320973.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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