(57)【要約】      （修正有） 【課題】   回転性能を高めるために固定子と回転子との空隙を狭くした場合において，両者の摩擦による回転不能問題が生じないようにすると同時に不均一磁束分布を利用することにより回転方向を定めるようにした回転機を提供することである。【解決手段】  電磁石を装着した円板磁性体固定子と永久磁石を装着した円板磁性体回転子を同心状に配置し，かつ，上記電磁石の磁極面からの磁束量を磁極面の位置により変化させることにより回転方向を定めるように構成し、不均一磁束分布を利用する回転機。【選択図】図１
2007288826.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個の電磁石を装着した円板磁性体固定子と永久磁石を装着した円板磁性体回転子を同心状に対向させ，かつ，上記電磁石の磁極面からの磁束量を磁極面の位置により変化させることにより回転方向を定めるようにした不均一磁束分布を利用する回転機。
【請求項２】
複数個の電磁石を装着した中空円筒型固定子に永久磁石を装着した円筒型回転子を装着し，かつ，上記電磁石の磁極面からの磁束量を磁極面の位置により変化させることにより回転方向を定めるようにした不均一磁束分布を利用する回転機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気エネルギーを運動エネルギーに変換する電動機，また，運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機を対象とするもので，電磁石と永久磁石を用いる回転機に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動機には多くの種類・形式があり，広い分野で利用されている。電動機の中には直流電動機のように発電機としても使用できるものがある。電動機と発電機は回転機として取り扱われ，近年，回転機のエネルギー変換効率を高めることが重要となっている。これはエネルギーの節減を通して地球環境を守る視点からである。従来，回転機には三相交流による回転磁界を利用する誘導電動機および同期電動機，単相交流からコンデンサによって位相の異なる電流を発生させる仕組みの誘導電動機が実用に供されている。さらに，整流子を有する電動機がある。これらの電動機は構造が複雑であり，複雑な電源を必要とする等の欠陥がある。構造面では円筒型回転子とこの円筒型回転子を装着するための円筒状空間を備えた円筒型固定子とを組み合わせたものが主流である。この理由はエネルギー変換効率がある程度高く，信頼性が確立されているからである。しかし，円筒型固定子と円筒型回転子との間の空隙は機械加工精度，円筒型固定子と円筒型回転子の熱的形状変形，軸受けの磨耗を考慮して決められるものなので，空隙縮小には限界がある。このため円筒型固定子と円筒型回転子との空隙に関する磁気抵抗が低くならないので，回転性能の向上には限界が生じる。従って，上記空隙を小さくして磁気抵抗を低くすることが最優先の課題である。説明を容易にするために，一般の電動機20を示す図4を参照すると，電動機20はＮ極永久磁石２１，Ｓ極永久磁石２２，回転子２４より構成され，さらに，回転子２４は軸２５に装着された３個の電磁石２６および整流子２７から構成される。図4には回転子が３極の場合を示しているが，一般には極数が多いので，回転子は円筒形状となっており，この回転子と組み合わされる固定子の中空部分も円筒形状となっている。従って，図4は円筒形状ではないが，円筒形状と看做して動作原理を説明すると，図4において，磁極２３-１をＳ極になるように設計すると，磁極２３−１はＳ極永久磁石２２から反発力を受け，同時にＮ極永久磁石２１から吸引力を受けて回転子は時計方向に回転する。この回転により磁極２３−２がＮ極永久磁石２１を通り過ぎる時点で磁極２３−２をＮ極に磁化すると磁極２３−２はＮ極永久磁石２１からの反発力とＳ極永久磁石２２からの吸引力を得て時計方向に回転を持続する。磁極２３−２が回転力を得る時点で磁極２３−１の磁化状態を解消する。このような動作が繰り返されて磁極２３−２の磁化状態が解消されるが，磁極２３−２がＳ極永久磁石２２を通り過ぎる時点で今度はＳ極に磁化されて前述の動作が継続して行われる。
【０００３】
次に，図4において，磁極２３と永久磁石２１および２２との間の空隙は温度変化による形状伸縮，軸受けの磨耗，機械加工精度等に対して十分な余裕が必要であるため磁極２３と永久磁石２１および２２との間の空隙は十分小さくできない。さらに磁極２３と永久磁石２１および２２との間に異物が混入した場合には重大な故障を招くことが考えられる。そのため軸受けの磨耗検査，回転子および固定子の寸法確認等の保守のための負担が増大する結果となる
【０００４】
このことから内部円筒型固定子と円筒型回転子との空隙を小さくすることが困難であった。この理由は回転子の形状伸縮が固定子に直接影響を及ぼし，結果として回転子が固定子に接触する危険があるからである。この改善策として，円筒型回転子および円筒型固定子の代わりに円板型固定子および円板型回転子を使用することである。円板型回転子の円板の直径方向の伸縮があっても円板型回転子が円板型固定子に接触して回転を阻害することがないからである。また，円板型回転子の厚み方向の形状伸縮を軸の遊びにより吸収することができるので，円板型固定子と円板型回転子の空隙を極めて小さくできる。この結果，磁気回路の抵抗が低くなり回転性能が向上すると共に回転子が固定子に接触するような危険がないので安全性の面でも優位である。
【０００５】
さらに図4を参照すると，3個の電磁石２６に流れる電流を制御するために整流子２７を使用するために構造が複雑となり，さらに，信頼性の低下を招くことになる。
【０００６】
図４において，永久磁石２１および２２を電磁石に置き換えることにより交流で使用することが可能となる。しかし，構造の複雑性，信頼性の低下の問題を解決することは困難である。
【特許文献１】特開平11-98720号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
解決しようとする問題点は、円筒型回転子と円筒型固定子との空隙を極めて小さな値にすることができないため，磁気回路の抵抗が低くならないので，回転性能は向上しない。従って、発明が解決しようとする課題は回転子および固定子との空隙を小さくすると共に固定子および回転子の温度変化による形状伸縮によって回転性能に影響が及ばないようにすることであり，単相交流で動作し，構造の簡単な，そして信頼性の高い電動機を実現する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記問題点を解決するために，本発明の回転機は，円板磁性体固定子と円板磁性体回転子を同心状態で対向させて，円板磁性体固定子と円板磁性体回転子との空隙を極めて小さくする。この結果，円板磁性体固定子と円板磁性体回転子とにより形成される磁気回路の磁気抵抗が低くなると共に固定子と回転子の接触によって回転不能になることが回避される。
【０００９】
構造を簡単にする観点から，複数個の電磁石を装着した円板磁性体固定子と永久磁石を装着した円板磁性体回転子を同心状に対向させ，かつ，上記電磁石の磁極面からの磁束量を磁極面の位置により変化させることにより回転方向を定めることにより整流子の使用が回避される。
【発明の効果】
【００１０】
上記のように構成された本発明の回転機は，磁気抵抗が低くなることにより低消費電力において高い回転性能が得られる。さらに，温度変化による固定子および回転子の形状が伸縮しても回転機性能に影響することはなく，さらに整流子を使用しないために構想が簡単となるため，高い信頼性が得られる。従って，軸受けの磨耗検査，回転子および固定子の寸法確認等の保守のための負担が低減される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
円板磁性体固定子と円板磁性体回転子との空隙を狭くしても円板磁性体回転子の回転に支障とならないように両円板の平行度を良好に保つようにすることである。 円板磁性体回転子の回転力がその取り付け軸に十分伝達される条件の下で，その取り付け軸との間にある程度の遊びを持たせることが機械加工精度および軸受けの磨耗の条件を緩和する上で好ましい実施形態である。また，磁気回路の磁気抵抗を低くするためには円板磁性体固定子と円板磁性体回転子との空隙を狭くしなければならないが，回転速度を考慮して円板外周の空隙を円板中心部の空隙より大きくすると総合的に磁気抵抗を低くする上で効果的である。
【実施例１】
【００１２】
実施例について図面を参照して説明する。図１は本発明による円板磁性体回転子を用いる回転機を示す図で，軸６に装着された円板磁性体回転子１，複数個の電磁石３および円板磁性体固定子２，ブランケット４より構成される。軸受け６および８はそれぞれブランケット４および円板磁性体固定子２の中心に設けられている。ここで磁気回路７について述べると，矢印点線で示すように，電磁石３が発生する磁束は電磁石磁極９，円板磁性体回転子１，軸５および円板磁性体固定子２を経て電磁石3に戻る。磁気回路７を通る磁束を増やして回転性能を高めるためには，磁気回路７の磁気抵抗を下げればよい。このためには円板磁性体回転子１と電磁石磁極９との空隙を狭くするのが効果的である。さらに，温度変化による円板磁性体回転子１および円板磁性体固定子２の厚み方向の形状伸縮を吸収するため，軸６に遊びを設けてある。
【００１３】
次に図２を参照して動作原理を説明すると，図２(a)および(b)はそれぞれ図１のＩ―Ｉ線矢視断面図およびＩＩ-ＩＩ線矢視断面図である。図１と図２において同じ部品、部材のところには同じ参照数字が用いられる。  図２(a)において，６個の電磁石３（ｎ１ーｎ6）が円板磁性体固定子２に装着されており，これらの電磁石は同時に交流駆動される。図２(ｂ)は6個の永久磁石１０が装着された円板磁性体回転子１であり，同じ磁化方向の３個の永久磁石は磁化方向の異なる3個の永久磁石と交互に配置される。図２(ｃ)はＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視断面図であり，電磁石n1と永久磁石S1の中心が一致している場合を示す。電磁石ｎ１の磁極がN極に磁化されていると，ｎ１とS1の吸引力は最大となるがS1には回転力は働かない。しかし，図２(ｃ)に示すように電磁石n1と永久磁石S1の中心が一致していない場合には，電磁石ｎ１と永久磁石S１との間の空隙が不均一であるため，空隙の小さい部分の磁束密度は高くなり，永久磁石S1は電磁石ｎ１に吸引される。結果として，図２(ｄ)において永久磁極S1は時計方向に回転する。図２(a)において，電磁石n1がN極からS極に変化するとｎ１とS1との間に反発力が働き，結果として図２(ｂ)に示すS1は時計方向に回転する。この理由について説明すると，電磁石ｎ１と永久磁石S１との間に働く反発力が小さくなる方向，すなわち，S1は時計方向に回転するのである。
【００１４】
以上の説明で明らかなように，ｎ１とS１との間に働く吸引力,反発力は円板磁性体回転子１を時計方向，すなわち，電磁石の磁極面からの磁束量が増加する方向に回転する。従来の円筒型の場合には固定子と回転子との空隙を狭くすることが困難であることは前述した通りであり，さらに，この空隙に混入した異物は遠心力を受けて固定子に張り付き外部に追い出すことが困難である。一方，円板型では異物への遠心力は異物を外部に追い出すように作用するので，故障確率は低くなる。この発明による回転機は整流子および三相交流を必要としないので，構造が簡単となり信頼性の高い，製造容易な回転機が提供できる。
【実施例２】
【００１５】
次に他の実施例について図３を参照して説明する。図２と共通の目的，作用を有するところには同じ参照数字を用いることにする。円板磁性体回転子２に装着される電磁石の磁極面からの磁束量を磁極面の位置により変化させる他の方法は図３に示すように磁極を楔型にすることである。この実施例による回転機も実施例１と同様の利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施例による円板磁性体回転子を用いる回転機を示す図である。
【図２】(a)および(b)それぞれは図１のＩ−Ｉ線矢視断面図およびＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である。(c)および(d)は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視断面図である。
【図３】本発明の他の実施例による円板磁性体回転子を示す図である。
【図４】従来の電動機を示す図である。
【符号の説明】
【００１７】
１は円板磁性体回転子
２は円板磁性体固定子
３は電磁石
４はブランケット
５は軸
６および８は軸受
７は磁気回路
９は電磁石磁極
10 は永久磁石
20は直流電動機
21はN極永久磁石
22はS極永久磁石
23(23-1,23-2,23-3)は電磁石磁極
24は回転子
25は軸
26は電磁石
27は整流子
【図１】
2007288826.tif 000003
【図２】
2007288826.tif 000004
【図３】
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【図４】
2007288826.tif 000006