(57)【要約】【課題】磁石や電磁石を使った電動機や発電機の性能向上や効率向上の為に、空隙部の磁束増加をねらった磁石、鉄心の構造・寸法・配置の工夫により狙いの回転電機や移動電機を得る。【解決手段】回転電機として、磁石を使った電動機や発電機の性能向上や効率向上の為に、回転子と固定子の空隙部の磁束増加を行う上で、磁石からなる回転子における磁石を挿入する上で、回転子の磁極形状の一部を、該固定子の磁極に対して、相対的に同極（または異極）に対応するのみならず異極（または同極）に対応する位置まで回転子の回転後端部を配して、同期回転時回転子の磁極の後端部が回転中常に固定子磁極との相対位置を保ち、回転子の磁極の後端部前後に対峙する固定子の磁極により常時吸引および反撥力を働かせるようにして回転駆動力を付加的に増加させるように構成したことを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁石を用いた回転電機において、回転子における磁石を挿入する上で放射状やリング状の磁石を設けた構成とし、該回転子の磁極形状を、該固定子の磁極に対して巾広い構成とし、同期速度にて運転し、回転子の磁極の後端部が回転中常に固定子磁極との相対位置を保ち、回転子の磁極の後端部前後に対峙する固定子磁極により常時吸引および反撥力を働かせるようにし、回転駆動力を付加的に増加させるようにしたことを特徴とする回転電機。
【請求項２】
磁石を用いた回転電機において、磁石からなる回転子の磁極形状は角度等分配置でなく角度ピッチ巾を変化して、電磁結合からなる固定子の磁極に対して、相対的に角度位置を偏位させスキューなしでもコギングを無くすと同時に空隙部の磁束低下を防ぎ、該回転子における磁石を挿入する上で、放射状の磁石およびリング状の磁石を設けた構成とし、該回転子のリング状の磁石の磁束を直接該回転子の磁石に戻らないように該磁石の周辺に空隙または非磁性体部を設け、同期速度にて運転し、回転子の磁極の後端部が回転中常に固定子磁極との相対位置を保ち、回転子の磁極の後端部前後に対峙する固定子前後の磁極により常時吸引および反撥力を働かせるようにし、回転駆動力を付加的に増加させるようにしたことを特徴とする回転電機。
【請求項３】
磁石を用いた回転電機において、回転子における磁石を挿入する上で放射状やリング状の磁石を設けた構成とし、該回転子の軸方向に細分複数化し、回転子の構成の列の一部を回転子の磁極の後端部として独立強化し、同期速度にて運転し、回転子の磁極の後端部が回転中常に固定子磁極との相対位置を保ち、回転子の磁極の後端部前後に対峙する固定子前後の磁極により回転中常時吸引および反撥力を働かせるようにし、回転駆動力を付加的、可及的に増加させるようにしたことを特徴とする回転電機。
【請求項４】
請求項１，２，３において、磁石からなる回転子における磁石を挿入する上で、電磁結合による鉄心からなる固定子の軸方向の長さより長い部分の磁石からなる回転子のはみ出し部分においては、放射状の磁石とリング状の磁石の相対する内側を同極とし、電磁結合による鉄心からなる固定子の軸方向の長さより短い部分の磁石からなる回転子のはみ出さない部分においては放射状の磁石とリング状の磁石との相対する内側を異極とし、空隙部の磁束をはみ出し量に応じて向上し回転駆動力を付加的、可及的に増加させるようにしたことを特徴とする回転電機。
【請求項５】
請求項１，２，３および４において回転子磁石部を超伝導などの電磁コイルに置き換えて大容量の機器やリニアモーターなどの移動機に適用拡大したことを特徴とした回転電機や電磁機器。
【請求項６】
請求項１および３において、放射やリング状磁石部の磁石を一部除去したり、磁石の磁力を調節したりして、該回転子に設けた非対称形状の磁極部の磁界を調整するようにして一層特性改善を可能にしたことを特徴とした回転電機や電磁機器。
【請求項７】
請求項１，２，３，４，５，６において固定子と回転子を逆の構成にして、固定子側を回転可能にして回転子とし、一方固定子と対峙する磁石にて磁極を形成していた回転子側を固定子としたものにおいて、電気をスリップリングにより外部より回転子に供給し、同期速度にて駆動することにより、駆動力を付加的に発生させるようにしたことを特徴とする回転電機および電磁機器。
【請求項８】
請求項１，２，３，４，５，６において固定子の磁極を磁石にて構成し、回転可能にして他の原動機にて同期速度にて駆動することにより、駆動力を付加的に発生させるようにしたことを特徴とする電磁機器。
【請求項９】
請求項１，２，３，４，５，６，７，８において起動用の制御器や原動機を運転中は切り離し、これらの運転損失をなくし、効率を最高に発揮させるようにしたことを特徴とした回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁石を使った回転電機や移動電機としての電動機や発電機において性能向上や効率向上などのための磁極構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の磁石を使った回転電機としての電動機や発電機においては、回転子の磁石の配置が放射状、またはリング状に配置して使用されているが、磁石そのものの磁力が空隙の磁界に充分生かされていなかった。自ずとその出力、効率が決まっていた。省資源、省エネルギー時代にはより高効率、省資源が電動機や発電機分野にも例外なく強く要望されているが充分満足のできるものになっていない。
【０００３】
この改善に関連する技術例として、
【特許文献１】特許公開２０００−１５６９４７磁石式電動機及び発電機がある。本特許では電動機や発電機においては、磁石の配置が放射状に配置して使用されている。さらに、性能向上のために磁石を挿入する回転子の軸方向の長さが巻線を施した固定子の軸方向の長さより大きくし、固定子と回転子間の空隙の磁束を増加できるようにしている。
【特許文献２】特許公開２００２−２３８１９３電動機が他の例としてある。本特許では電動機においては、磁石の配置がリング状に配置して使用されている。複数の永久磁石部を内設したロータを備え、このロータの外周は永久磁石部の端部が隣合う部分に凹部を設けたことを特徴とする。ステータ内周とロータ外周との間の空隙が永久磁石が隣合う部分で大きくなる。つまりその空隙部での磁気抵抗が大きくなることによりステータ内周とロータ外周との磁束分布が正弦波に近づきコギングトルクが低減するとしている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本願発明は、電動機や発電機の回転子と固定子の空隙部の磁束密度の向上および回転磁界と磁石との配置が、特に同期電機が性能向上に直接関係することに着目して、従来の回転力に新たな駆動力を付加的に発生させる課題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明は上記の目的を達成する為に課題の解決手段を順を追って説明する。
第１の発明は、磁石を用いた回転電機において、回転子における磁石を挿入する上で放射状やリング状の磁石を設けた構成とし、該回転子の磁極形状を、該固定子の磁極に対し回転面にそって、巾広い構成とし（固定子の極巾を小さくしてもよい）、同期速度にて運転し、回転子の磁極の後端部が回転中常に固定子磁極との相対位置を保ち、回転子の磁極の後端部前後に対峙する固定子磁極により回転中常時吸引および反撥力を働かせるようにし、回転駆動力を付加的に増加させるように構成したことを特徴する。
【０００６】
第２の発明は、磁石を用いた回転電機において、磁石からなる回転子の磁極形状は角度等分配置でなく角度ピッチ巾を変化して、電磁結合からなる固定子の磁極に対して、相対的に角度位置を偏位させスキューを施さなくてもコギングをなくし、該回転子における磁石を挿入する上で、放射状の磁石およびリング状の磁石を設けた構成とし、該回転子のリング状の磁石の磁束を直接該回転子の磁石に戻らないように該全ての磁石の周辺に空隙または非磁性体部を設け空隙部の磁束を飛躍的に増加させ、同期速度にて運転することにより、回転子の磁極の後端部が回転中常に固定子磁極との相対位置を保ち、回転子の磁極の後端部前後に対峙する固定子の磁極により回転中常時吸引および反撥力を働かせるようにして回転駆動力を付加的に増加させるように構成したことを特徴する。
【０００７】
第３の発明は、磁石を用いた回転電機において、回転子における磁石を挿入する上で放射状やリング状の磁石を設けた構成とし、該回転子の軸方向に輪切り状などの列に細分複数化し、回転子の構成の列の一部を回転子の磁極の後端部のみとして独立強化し、同期速度にて運転し、回転子の磁極の後端部が回転中常に固定子磁極との相対位置を保ち、回転子の磁極の後端部前後に対峙する固定子の磁極により常時吸引および反撥力をより強力に働かせるようにし、回転駆動力を付加的、可及的に増加させるようにしたことを特徴する。
【０００８】
第４の発明は、磁石からなる回転子における磁石を挿入する上で、電磁結合による鉄心からなる固定子の軸方向の長さより長い部分の磁石からなる回転子のはみ出し部分においては、放射状の磁石とリング状の磁石の相対する内側を同極とし、電磁結合による鉄心からなる固定子の軸方向の長さより短い部分の磁石からなる回転子のはみ出さない部分においては、放射状の磁石とリング状の磁石との相対する内側を異極とした構成をすることにより、回転子鉄心端部に配した回転子磁極後端部の空隙の磁束を飛躍的に向上し、同期速度にて運転し、回転子の磁極の後端部が回転中常に固定子磁極との相対位置を保ち、回転子の磁極の後端部前後に対峙する固定子の磁極により常時吸引および反撥力をより強力に働かせるようにし、回転駆動力を付加的、可及的に増加させるようにしたことを特徴する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の効果として、第１の発明は、磁石を用いた回転電機において、回転子における磁石を挿入する上で放射状やリング状の磁石を設けた構成とし、該回転子の磁極形状を、該固定子の磁極に対して回転面にそって巾広い構成とし(固定子極幅を小さくしてもよい)、同期速度にて運転することにより、回転子の回転方向に対して磁極の後端部が回転中常に固定子磁極との相対位置を保ち、回転子の磁極の後端部前後に対峙する固定子磁極により回転中常時前方の固定子磁極により吸引され、後方の固定子磁極により反撥されて、常時回転駆動力を付加的に働かせることができ、回転電機の性能および効率を飛躍的に向上する効果が得られることを特徴とする。
【００１０】
第２の発明は、磁石を用いた回転電機において、磁石からなる回転子の磁極形状は角度等分配置でなく角度ピッチ巾を変化して、電磁結合からなる固定子の磁極に対して、相対的に角度位置を偏位させスキューを施さなくてもコギングが出ないようにする同時に磁束の減少を防ぎ、該回転子における磁石を挿入する上で、放射状の磁石およびリング状の磁石を設けた構成とし、該回転子のリング状の磁石の磁束を直接該回転子の磁石に戻らないように該磁石の周辺に空隙または非磁性体部を設け、回転子と固定子の空隙部の磁束の増加を図る構成とし、同期速度にて運転することにより回転子の磁極の後端部が回転中常に固定子磁極との相対位置を保ち、回転子の磁極の後端部前後に対峙する固定子磁極により常時前方の固定子磁極により吸引され、後方の固定子磁極により反撥され、常時回転駆動力を付加的に働かせることができ、回転電機の性能を飛躍的に向上する効果が得られる。
【００１１】
第３の発明は磁石を用いた回転電機において、回転子における磁石を挿入する上で放射状やリング状の磁石を設けた構成とし、該回転子の軸方向に輪切り状などに細分複数化し、回転子の細分化した列の一部を回転子の磁極の後端部として独立強化することにより、同期速度にて運転したとき独立強化した回転子の磁極の後端部が回転中常に固定子磁極との相対位置を保ち、回転子の磁極の後端部前後に対峙する固定子の磁極により回転中常時吸引および反撥力を働かせることができ、回転駆動力を付加的、可及的に増加させる効果が得られる。
【００１２】
第４の発明は、磁石からなる回転子における磁石を挿入する上で、電磁結合による鉄心からなる固定子の軸方向の長さより長い部分の磁石からなる回転子のはみ出し部分においては、放射状の磁石とリング状の磁石の相対する内側を同極とし、電磁結合による鉄心からなる固定子の軸方向の長さより短い部分の磁石からなる回転子のはみ出さない部分においては放射状の磁石とリング状の磁石との相対する内側を異極とした構成としたことにより、回転子と固定子の空隙部の磁束の大幅な増加を図ることを可能とし、回転電機の性能および効率を飛躍的に向上する効果が得られる。
以上の発明をより効果的にするため、同期電動機の運転中の性能および効率を１００%発揮させるため、起動用の制御器や原動機は運転中は切り離して用いるとより効果を可能にする。また、回転子に用いている磁石を巻線にかえたり、逆に固定子の巻き線を磁石に変えて、回転磁界を別の原動機にて行って発明の効果を出すことも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施例を以下説明する。
【実施例１】
【００１４】
本発明の実施例１、実施例２、実施例３、実施例４の回転電機１を同時に図１に示す。２１、２２、２３、２４は回転子、３は固定子、１５は回転軸、１６は巻き線を示す。
本発明の実施例１を図２に示す。２１は回転子、４１は回転子２１の電磁鋼板からなる鉄心の磁極、５は回転子２１の磁石を示す。磁極４１には放射状に磁石５を配置する形状となっている。６は溝を示し、７は取付け穴を示す。
参考までに図３は従来の放射状に磁石を設けた回転子の形状の一例を示す。
回転子２１の磁極４１には放射状に磁石５を配置される形状において、回転子２１の磁極４１の形状の一部８は「突起形状」を非対称に設けてある。従来は図３に示すように対象形状となっている。さらに回転子２１の取付け穴７を介して反転して回転子２１を重ねることが可能となる。従って実質的に回転子２１の磁極４１の角度はさらに広がることになる。この結果、固定子３の磁極に対して、相対的に同極（または異極）に対応するのみならず異極（または同極）に対応する位置までの広がりもっていることになる。
回転電機１が発電機作用または電動機作用において、固定子３と回転子２1とが同極（または異極）が主たる位置の場合は反発（引込み）の作用があり、同時に隣接する固定子３と回転子２1とが異極の一部の位置において引込み（反発）作用があり、固定子３と回転子２1との相対的作用によるつながりが良くなる。これを同期速度で回した場合、回転子後端磁極部８と磁極４１と対峙する固定子磁極で常時吸引力が働き、更に後方の固定子磁極とは常時反発力を発生させることができ、回転電機１の駆動力を付加的に発生させ性能向上を図り、トルクのコギング現象を減らし、振動を抑制する効果が得られる。
【実施例２】
【００１５】
本発明の実施例２を図４に示す。２２は回転子、４２は回転子２２の電磁鋼板からなる鉄心の磁極、５は回転子２２の磁石を示す。さらに、磁極４２には放射状に磁石５を配置する形状とするとともにリング状に磁石９配置する形状とし、さらに磁極４２に溝１０、１１を設けてある。参考までに図５は従来のリング状に磁石を設けた回転子の形状を示す。
該回転子２２のリング状の磁石９は磁束を直接該回転子２２の磁石９に戻らないように該磁石９の周辺の溝１０、１１には空隙または非磁性体部を設ける。係る構成によって、回転子２２と固定子３との空隙部の磁束の大幅な増加を図っている。
【００１６】
さらに、磁石５は相対する隣の磁石に対して同極で対面して設置されている。回転子２１の磁極５は、例えば６極の場合、６０度の角度の等分配置でなく５極は一極ずつ６０度×（１８０〜１８６）／１８０の角度ピッチとしてある。残りの一極は１８０度―５度×６０（１８０〜１８６）／１８０として配置されている。一方の固定子３の磁極はこの６極の場合６０度に等分割されている。従って、電磁的結合からなる固定子３の磁極に対して、相対的に位置を偏位させ回転子の極巾を広くしている。
係る構成にすることによって、これを同期速度で回した場合、回転子後端磁極部８と磁極４１と対峙する固定子磁極で回転中常時吸引力が働き、更に後方の固定子磁極とは常時反発力を発生させることができ、回転電機１の駆動力を付加的に発生させることができ性能向上を図り、トルクのコギング現象を減らし、振動を抑制する効果が得られる。
【００１７】
なお、各磁極鉄心の磁極４１、４２に磁石５を挿入する放射状のスロットを設け磁石５が放射方向に長さを調整できるようにしてあり、磁石５が放射方向に長さを調整できるようにし、また磁石５を挿入する放射状のスロットを設けてあるので、特に磁束を強くする時は強い磁石やスロットいっぱいの磁石を使うようにする。また磁石５、９を着脱自在の構造にすることにより、電動機や発電機の特性の変更や調整を容易にすることが可能となる。
【実施例３】
【００１８】
本発明の実施例３を図６Ａ及び図6Ｂに示す。２３は４極の回転子、４３は回転子２３の電磁鋼板からなる鉄心の磁極を示す。
図６Ａにおいて、回転子２３の磁極４３には、放射状に磁石1７を配置し、リング状に磁石群1９を配置し、磁石１９の周辺の空間１１には空隙または非磁性体部を設けられている。
本構成は磁石のみで磁極４３を構成している例である。この磁極４３は固定子磁極の巾より広く構成すると同時に、後端部に強力な磁界を形成する磁石を直接配して、回転子２３と固定子３との空隙部の磁束の大幅な増加を図っているとともに、回転子２３と固定子３の磁極間の結合を偏位、一部重なりを形成している。
これを固定子の磁極巾を少なくすることを併用するとより効果的であることは明らかである。
係る構成にすることによって、これを同期速度で回転した場合、回転子後端磁極部８と磁極４１と対峙する固定子磁極で常時吸引力が働き、更に後方の固定子磁極とは常時反発力を発生させることができ、回転電機１の駆動力を付加的、飛躍的に発生させ大幅な性能向上を図り、トルクのコギング現象を減らし、振動を抑制する効果が得られる。
図６Ｂは図６Ａの磁石１７にて形成している回転子磁極４５の後端部８の磁界をより強化するために専用の独立した鉄心２３で磁石群１７により構成されている。図６Ａの鉄心２３と組み合わせて軸方向に種々編成することにより、同期回転時の付加的駆動力を調整し、飛躍的向上を可能にしたものである。
【実施例４】
【００１９】
本発明の実施例４を図７、図８に示す。１は回転電機、２４、２４a、２４ｂは回転子、３は固定子、４４は回転子２４a、２４ｂの電磁鋼板からなる鉄心の磁極を示す。回転電機１において、磁石５、９からなる回転子２４における磁石５，９を挿入する上で、巻き線１６の電磁結合による鉄心からなる固定子３の軸方向の長さより長い部分の磁石５、９からなる回転子２４の「はみ出し部分」２４aにおいては放射状の磁石５とリング状の磁石９の相対する内側を同極とし、電磁結合による鉄心からなる固定子３の軸方向の長さより短い部分の磁石５、９からなる回転子２４の「はみ出さない部分」２４ｂにおいては放射状の磁石５とリング状の磁石９との相対する内側を異極とした構成とされている。係る構成により、回転子２４の「はみ出し部分」２４aの磁束は矢印の方向となり、回転子２４の「はみ出さない部分」２４ｂの磁束は矢印の方向となっている。従って回転子２４の「はみ出し部分」２４aの磁束と「はみ出さない部分」２４ｂの磁束は重畳される。係る構成の結果、「はみ出し部分」２４aの長さにほぼ比例して回転子２４と固定子３の空隙部の磁束の大幅な増加を図ることを可能とし、回転電機１の格段と性能向上をより大幅に図り、トルクのコギング現象を減らし、振動を抑制し、より一層大きな効果が得られる。これを実施例の回転子磁極４５の後端部８の磁界をより強化するために専用の独立した鉄心２３を固定子の鉄心部に対峙する軸方向の端部に配して、はみ出し部から磁束を付加的に強化すれば同期回転時の付加的駆動力の飛躍的向上が可能になる。
この結果、回転電機１は小型の電動機でも付加的効率アップで３〜５％が可能で、９５〜９８％の高効率を得ている。また同出力容量の回転電機１の場合従来に比較し、より一層小型化が図られうる。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明の活用例として、一般産業用機器、家庭用電機器、自動車・車両用機器、医療機器、風力・水力・火力等の電機器等、応用範囲は極めて広く利用されうる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明実施例１の回転電機
【図２】本発明実施例１の回転子２１の図
【図３】従来の回転子の例の図
【図４】本発明実施例２の回転子２２の図
【図５】従来の回転子の他の例の図
【図６Ａ】本発明実施例３の回転子２３の図
【図６Ｂ】本発明実施例３の回転子２３の図
【図７】本発明実施例４の回転子２４a、２４ｂの磁束、および固定子３の磁束
【図８】本発明実施例４の回転子２４aの図
【符号の説明】
【００２２】
１：回転電機
５、１７：磁石
６：溝
７：取付け穴
８：突起形状，磁極後端部
９、１９：磁石
１０：溝
１１：空間
１５：シャフト
１６：巻き線
２１：回転子
２２：回転子
２３：回転子
２４：回転子
２４ａ：回転子
２４ｂ：回転子
３：固定子
４１：磁極
４２：磁極
４３：磁極
４４：磁極
４５：磁極
Ｎ，Ｓ：磁石の極性
【図１】
2005218183.tif 000003
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
2005218183.tif 000009
【図７】
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【図８】
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