(57)【要約】      （修正有）【課題】発電機或いは電動機と称される電気回転機からギャップをなくし界磁に大きな起磁力を必要としない電気回転機を開発すること。【解決手段】噛み合い部分にＮ極Ｓ極が交互に出現するようにした小歯車１３０を、一方は回転可能他方は固定された２枚の歯車１２０，１４０に噛み合わせて回転させることによって、小歯車が持つ磁力を接触した状態で２枚の歯車に伝えることが出来る構造として、小歯車が回転することによって２枚の歯車の磁性を変化させることが出来る磁束転換機を開発した。この磁性の変化によってコイルに生ずる誘導起電力を利用する発電機、逆にコイルによって２枚の歯車に磁性を与えることでこの磁力と小歯車の持つ磁力との間に生ずる吸引力又は反発力を利用する電動機を構成することでギャップを持たない電気回転機の製造を可能ならしめた。【選択図】図１
2013027152.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転に伴い噛み合い部分にＮ極Ｓ極が交互に出現し且つその回転軸に対して対称な部分がそれぞれ反対の極性を示す同一の特性を持つ複数個の小歯車を、軟磁性材料からなる固定された歯車および軟磁性材料からなる回転可能な歯車の双方にその噛み合い部分の位置が該小歯車の回転軸に対して実質的に対称になるようにし、且つそれぞれの小歯車の磁束の方向をそれぞれの小歯車の回転軸に対して実質的に対称な位置にあるそれぞれの小歯車の２個所の噛み合い部分を結ぶ直線とそれぞれの小歯車の磁束の方向とのなす角度がいずれも実質的に等しくなるように噛み合わせた磁束転換機及びこれを用いて構成した電気回転機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発電機或いは電動機と称される電気回転機に関するものであって、永久磁石を用いる電気回転機を構成する部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
通常の電気回転機においては回転子を円滑に回転させるために回転子と固定子との間には必然的にギャップと称する空隙が必要になってくる。しかしこのギャップの存在により磁気抵抗が増大し非特許文献１における計算では発電機の界磁の起磁力の約７０％がこのギャップの部分に費やされているものと記されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】電験問題研究会編  電気機器の計算演習  第１版第６刷  ｐｐ．２２−２４  昭和６３年  電気書院
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電気回転機から磁気抵抗の増大を招くギャップをなくし、界磁に大きな起磁力を必要としない電気回転機を開発することをその課題とした。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
電気回転機においては固定子の中で回転子が回転する構造になっているが、固定子の中で回転子を回転させるとき固定子と回転子とが接触していると摩擦力が発生し回転子は正常に回転することが出来ない。通常の電気回転機はこの問題を回避するため固定子と回転子との間に小さなギャップを設けている。しかしながら上述の如くこのギャップによって磁気抵抗が大きくなり界磁に大きな起磁力が必要となるわけである。
【０００６】
このギャップは直流分が同時に流れる平滑回路のチョークコイルのようなものでは磁気飽和を避けるため必要になる場合があるが磁気飽和が問題にならない場合には必要ないものである。本発明者はこのギャップによる磁気抵抗の増大の問題を解決するためコイルに流れる磁束の方向を切り替えることが出来る磁束転換機を開発し固定子と回転子との間に存在するギャップをなくすようにしたものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によって電気回転機からギャップをなくすことが可能となり界磁に大きな起磁力を必要としない電気回転機を製造することが出来るようになった。
なお、図１ないし図４に磁束転換機を示したがこの装置は単独で電気回転機として機能させることは出来ず、本装置を２台以上組み合わせて使用するもので図５ないし図８にこの接続方法を示した。また図９ないし図１１に記したものは複数の磁束転換機を一体化したもので連接棒及びこの連接棒に巻きつけるコイルを取り付けるだけで電気回転機として機能するものである。
その構造や連結方法等の詳細については後ほど〔発明を実施するための形態〕のところで具体的に説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】遊星歯車方式の磁束転換機を示す正面模式図である。
【図２】遊星歯車方式の磁束転換機を示す断面模式図である。
【図３】差動歯車方式の磁束転換機を示す正面模式図である。
【図４】差動歯車方式の磁束転換機を示す断面模式図である。
【図５】磁束転換機による単相交流発電機の構成概要図である。
【図６】磁束転換機による３相交流発電機の構成概要図である。
【図７】差動歯車方式の磁束転換機による単相交流発電機の構成詳細図である。
【図８】差動歯車方式の磁束転換機による３相交流発電機の構成詳細図である。
【図９】２台の遊星歯車方式の磁束転換機を一体化した断面模式図である。
【図１０】３台の遊星歯車方式の磁束転換機を一体化した断面模式図である。
【図１１】２台の差動歯車方式の磁束転換機を一体化した断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明に使用する磁束転換機の詳細な実施形態及びこれを用いた電気回転機の構成方法を図面およびこれらに付した符号を引用して具体的に説明する。
【００１０】
図１は本発明に使用する遊星歯車方式の磁束転換機の１例を示す正面模式図、図２はそのＡ−Ａ断面模式図である。但し、図２に限らず他の断面図についてもメインシャフトは断面ではなくそのままを模式的に示すとともに、磁性を持つ小歯車（遊星歯車及びピニオン）に対しては磁束の方向を矢印で表記する場合がある関係上、この矢印を見やすくするためにハッチンは割愛することとした。
図１及び図２より明らかな如く本装置は遊星歯車方式の変速機に類似した構造である。中心にメインシャフト１１０が通った１個の太陽歯車１２０がありその周囲に複数個（図１では６個）の遊星歯車１３０と称される小歯車が外接して噛み合っている。（遊星歯車等、同一名称のものに対して同一の符号を付している場合があるので取り違えることがないよう注意願いたい。）
さらにそれらの遊星歯車１３０が内側に歯形を刻んだ１個の固定された外輪歯車１４０に内接して噛み合った構造である。但し小歯車といっても太陽歯車１２０より大きい場合もあり最も小さい歯車というわけではない。
【００１１】
外輪歯車１４０及び太陽歯車１２０はヒステリシス損が少ない軟磁性材料によって作られている。外輪歯車１４０は固定されており動くことはないが、太陽歯車１２０はメインシャフト１１０に固定されてメインシャフト１１０とともに回転する。磁束はメインシャフト１１０と太陽歯車１２０との間を自由に往復できるようになっている。
【００１２】
遊星歯車１３０は回転に伴い噛み合い部分にＮ極Ｓ極が交互に出現するように磁極が形成されている。磁極の形成方法としては、遊星歯車１３０を硬磁性材料によって作りこれに直接着磁する方法、遊星歯車１３０を軟磁性材料または非磁性材料によって作りスロットを設けそこに永久磁石を差し込む形或いは埋め込む形で磁性を付与する方法等がある。
【００１３】
図１で明らかなように外輪歯車１４０と遊星歯車１３０との噛み合い部分及び太陽歯車１２０と遊星歯車１３０との噛み合い部分の２個所の噛み合い部分が遊星歯車１３０の回転軸に対して実質的に対称に向かい合った位置になるが、磁極はこの向かい合った噛み合い部分がお互いに反対の極性となるように形成されていなければならない。この制約のため遊星歯車１３０の磁極の数(歯の数ではない)は奇数の２倍であることが必要になり２極の次は６極となり４極の遊星歯車は作ることが出来ない。図１に記した矢印は遊星歯車１３０の磁極が２極の場合の或る瞬間の遊星歯車１３０内部の磁束の方向を示したものであり矢印の先の方がＮ極である。
なお、今後特に断らない限り遊星歯車やピニオンの磁束の方向といった場合は遊星歯車やピニオン内部の磁束の方向をさすものとする。
【００１４】
このように遊星歯車１３０の磁極は向かい合った部分が反対の極性を示すようになっており、この向かい合った部分に太陽歯車１２０と外輪歯車１４０が噛み合うため遊星歯車１３０の磁束はこの噛み合い部分からギャップなしに接触した状態で太陽歯車１２０と外輪歯車１４０に伝わることとなる。
遊星歯車に対する注意点として、スロットに永久磁石を差し込む形の遊星歯車では、磁束が遊星歯車の中心部で途切れて閉じた磁気回路を形成できなくなることがないようにすることや、遊星歯車の磁極を６極以上にする場合には隣の磁極との間に非磁性材料の隔壁を設け磁束の短絡防止を図ること等があげられる。
【００１５】
遊星歯車１３０の数はこの図では６個になっているが電磁気的には最低限１個あれば目的を達成することが出来る。しかし磁束量を多くするには遊星歯車の数は多いほうが望ましく、またこの遊星歯車１３０を太陽歯車１２０の周りに回転対称に配備することで力のバランスが保たれ機械的な安定性が増加すると言う利点もあることから最低３個は欲しいものである。ただ余り多くすると遊星歯車の直径を小さくせねばならず、遊星歯車が損傷しやすくなることや磁性の付与が困難になるという問題が発生する。さらに太陽歯車１２０と遊星歯車１３０の直径の関係は回転数や周波数にも影響するのでこの点も考慮して決定することが必要である。当然のことながら遊星歯車を複数個装着する場合にはそれらの直径や極数は揃えておく必要がある。
【００１６】
複数個の遊星歯車を装着する際には磁束の方向に対する注意が必要である。複数個の遊星歯車１３０を太陽歯車１２０の周りに回転対称に装着するときそれぞれの遊星歯車１３０はどれも同じ磁極が太陽歯車１２０と噛み合うように、したがって外輪歯車１４０とはこれと反対の磁極が噛み合うように極性を揃えて装着或いは着磁する必要がある。勿論、太陽歯車１２０の回転に伴いそれぞれの遊星歯車１３０は回転して移動するためこの磁極は変わることになるが、それぞれの遊星歯車１３０はいずれも同じように回転するため太陽歯車１２０或いは外輪歯車１４０と噛み合っているそれぞれの遊星歯車１３０の磁束の方向は常に揃っていることになる。その角度、すなわちそれぞれの遊星歯車１３０の回転軸に対して実質的に対称な位置にあるそれぞれの遊星歯車１３０の２個所の噛み合い部分を結ぶ直線とそれぞれの遊星歯車１３０の磁束の方向とのなす角度がいずれも実質的に等しくなるように噛み合っていることになる。
【００１７】
外輪歯車１４０はこの磁束転換機のケーシングを兼ねており外側に受け溝１５０が１２０度の間隔で３個所設けられている。この受け溝１５０は本装置を２個或いは３個連結する際にこの部分に軟磁性材料からなる連接棒をはめ込んで複数の磁束転換機にまたがる磁気回路を作るためのものである。この点については後ほど説明する。この受け溝は１箇所でもよいのであるがこのように３個所設けるのは、連接棒を多く取り付けることによって磁気回路の断面積を大きくし磁気抵抗を下げるとともにどの遊星歯車に対しても出来るだけ短い距離で磁気的な結合が出来るようにするためである。従ってこの数は３個に限ったものではなく必要に応じて変更可能である。
【００１８】
外輪歯車１４０、太陽歯車１２０、メインシャフト１１０、及び後で説明する連接棒には交番磁束が流れるため渦電流に対する対策が必要である。これらに用いる素材としては、価格が安く、電気抵抗が高く、ヒステリシスや飽和磁束密度等の磁気特性が優れ、強度的にも靭性が強く欠けたり割れたりしないものが望まれるが、このような材料を見つけることは非常に困難である。通常のフェライトでは強度面や磁気特性面で厳しい性能が要求される場合には使用できない場合が多い。これに代わるものとして薄い磁性鋼板を使いこれを重ねて歯車や連接棒を作る方法や、自動車用オルタネータに採用されているスパイラルラミネート方式とする方法が考えられる。メインシャフト１１０については図には示していないが中心部を非磁性材料のステンレス鋼で作りその部分に強度面を負担させ、その外側に表面を絶縁した軟磁性材料からなる針金を束ねた磁路を設ける等の方法が考えられる。強度面や磁気特性面で優れた性能を持つフェライト或いはこれに代わる磁性材料の出現が待たれるところである。
以上遊星歯車方式の磁束転換機について説明した。
【００１９】
次に別の方式の磁束転換機として差動歯車方式の磁束転換機について説明する。
図３はこの方式の磁束転換機の正面模式図、図４はこのＢ−Ｂ断面模式図である。但し、ここでもメインシャフトは断面ではなくそのままを模式的に示している。またこの図ではサイドギアとピニオンと称される小歯車との噛み合い部およびベアリングの断面のハッチンは省略している。
図４に記した矢印はピニオン３３０の磁極が２極の場合の或る瞬間のピニオン３３０の磁束の方向を示したものである。矢印の先の方がＮ極であるがピニオン３３０の磁束の方向はどれも同じ方向を向くようにセットされている。
【００２０】
この構造は差動歯車に類似した構造をしたものである。この装置が通常の差動歯車と異なる点は、通常の差動歯車は２枚のサイドギアのいずれもが回転可能な構造になっているのに対し、この磁束転換機のサイドギアは一方が固定され片側だけが回転する点である。このため通常の差動歯車では左右のサイドギアが等しく回転すればピニオンが回転することは無いが、この磁束転換機ではピニオン３３０は常に回転するのが特徴である。勿論、ピニオン３３０が磁性を帯びている点も通常の差動歯車にはみられないところである。
【００２１】
差動歯車方式の磁束転換機の基本部分は回転可能な軟磁性材料からなるサイドギア（以下回転サイドギアという）と、それに向き合っているやはり軟磁性材料からなる固定されたサイドギア（以下固定サイドギアという）及びそれらの間に挟まれた硬磁性材料からなる磁性を付与した４個のピニオン３３０である。回転サイドギア３２０はメインシャフト３１０に固定されておりメインシャフト３１０の回転とともに回転する。
４個のピニオン３３０は十字型のピニオンシャフト３３５の先端に取り付けられており回転サイドギア３２０の回転によってピニオンシャフト３３５を軸として回転すると同時にメインシャフト３１０の周りをピニオンシャフト３３５とともに回転する。
【００２２】
この構造では回転サイドギア３２０と固定サイドギア３４０の２個の歯車とその間に位置するピニオン３３０との双方の噛み合い部分がピニオン３３０の回転軸に対して実質的に対称的に向かい合っている。
これらのピニオン３３０はそれぞれのピニオン３３０の回転に伴って噛み合い部分にＮ極Ｓ極が交互に出現し、さらに回転サイドギア３２０と固定サイドギア３４０の２個の歯車との噛み合い部分は常に異なる磁極となるようなっている。この制約のためピニオン３３０の磁極の数は遊星歯車方式と同じく奇数の２倍であることが必要になってくる。ピニオン３３０に磁性を持たせる方法やピニオン３３０の磁極を６極以上にする場合の注意点についても遊星歯車の場合と同じことが言える。
【００２３】
メインシャフト３１０の周りに回転対称に取り付けられているそれぞれのピニオン３３０はどれも同じ磁極が回転サイドギア３２０と、したがって固定サイドギア３４０とはどれもこれとは反対の磁極が噛み合うようになっている。この点についても遊星歯車の場合と同様である。
ピニオン３３０の数はこの図４では２個しか記されていないが十字型のピニオンシャフト３３５を使っているため図に表示されないものが２個あり全部で４個である。最小限１個あれば目的を達成することが出来るが出力を大きくするには多いほうが望ましく、またこのピニオン３３０をメインシャフト３１０の周りに回転対称に置くことで力のバランスが保たれ機械的な安定性が増加するため最低限３個は欲しいところである。ただ余り多くするとピニオン３３０の直径を小さくせねばならず、ピニオン３３０が損傷しやすくなることや磁性の付与が困難になるという問題が発生する。さらに回転サイドギア３２０とピニオン３３０の直径の関係は回転数や周波数にも影響するのでこの点も考慮して決定することが必要である。これらも遊星歯車方式の場合と同じことが言える。
【００２４】
遊星歯車方式の外輪歯車と同様固定サイドギア３４０には受け溝３５０があり連接棒を嵌めコイルを取り付けることが出来る構造になっている。
保持フレーム３５１はメインシャフト３１０が片持ちとなって傾くことがないように保持するためのもので、非磁性材料で出来ていることが必要である。またメインシャフト３１０と固定サイドギア３４０との間のメインベアリング３１６、メインシャフト３１０とピニオンシャフト３３５との間のメインベアリング３１６及びピニオンシャフト３３５の先端に取り付けるピニオンベアリング３３６も非磁性材料で出来ていることが必要である。
【００２５】
この方式の磁束転換機に使用する固定サイドギア３４０及び回転サイドギア３２０は渦電流が流れない素材であることが必要になる。しかしこれを薄い電磁鋼板で製作することは相当困難であり、この形式の磁束転換機は現在の技術では損失が少なく高性能なものを作ることは相当困難であると予想される。遊星歯車方式の場合以上に強度面や磁気特性面で優れた性能を持つ磁気材料の開発が待たれるところである。
【００２６】
以上、遊星歯車方式および差動歯車方式の磁束転換機の構造について説明したが、差動歯車方式の回転サイドギアは遊星歯車方式では太陽歯車に、差動歯車方式の固定サイドギアは遊星歯車方式では外輪歯車に、差動歯車方式のピニオンは遊星歯車方式では遊星歯車に対応しているといえる。磁束は遊星歯車方式では遊星歯車から中心の太陽歯車の方にあるいは外輪歯車の方に出て行き、外輪歯車あるいは太陽歯車から遊星歯車の方に帰ってくる。差動歯車方式では磁束はピニオンから回転サイドギアの方にあるいは固定サイドギアの方に出て行き、固定サイドギアあるいは回転サイドギアからピニオンの方に帰ってくる。
【００２７】
両者に共通する特徴をまとめると以下のことが言える。
いずれの方式のものも回転に伴って噛み合い部分にＮ極Ｓ極が交互に出現し且つその回転軸に対して実質的に対称な部分がお互いに反対の極性を示す小歯車を持っている。この小歯車に噛み合い部分が小歯車の回転軸に対して実質的に対称な位置になるように軟磁性材料からなる２枚の歯車が噛み合っている。この２枚の歯車は片側が固定されもう一方は回転可能になっている。この状態でメインシャフトを回転させるとそれに伴って回転可能な歯車が回転しこれに噛み合っている小歯車が回転する。小歯車は磁性を帯びているため噛み合い部分の磁性が最初はＮ極であったとしても回転するにつれてゼロになり、更に回転するとＳ極になり、更に回転するとゼロになった後再びＮ極に戻るというように回転に伴って変化する。この変化は噛み合っている回転可能な歯車を経てメインシャフトに伝わることになる。
この小歯車と噛み合っている固定歯車もこれとは逆に最初はＳ極であったものが回転するにつれてゼロになり、更に回転するとＮ極になり、更に回転するとゼロになった後再びＳ極に戻るという変化をするこのように磁性を持った小歯車が回転するため小歯車の両端に位置する回転可能な歯車と固定歯車に磁束の変化が伝わることとなる。
【００２８】
以上が１個の磁束転換機の動きであるがこのように磁束の変化は固定歯車と回転可能な歯車との間に現れる。しかしこの状態では一方の極が回転しているため非常に利用しづらいものである。このため同じ方式の磁束転換機をもう１台準備して小歯車の磁極が逆になるように連結する。このようにするともう１方の磁束転換機においてもこれとは逆の極性になって同様のことが起こることとなる。したがってこれら２個の磁束転換機の固定歯車にはそれぞれ反対の極性でＮ極Ｓ極が交互に現れることとなり、この間を連接棒でつなぐと連接棒には交番磁束が流れこれに巻かれているコイルには誘導起電力が発生し電流が流れることになる。
逆にコイルに電流を流すと連接棒に磁気が発生し、この磁気が小歯車の磁力と作用して吸引力或いは反発力を生じ歯車が回転することになる。本発明になる磁束転換機はこの現象を利用して電気エネルギーを機械エネルギーに或いは機械エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。
【００２９】
発電機或いは電動機と称される通常の電気回転機の固定子に相当するものが固定歯車であり、回転子に相当するものが遊星歯車或いはピニオンと称される小歯車と回転歯車である。ただ通常の電気回転機と異なり磁極の一方が回転しているためこのままでは閉じた磁気回路を構成することが出来ないため、同じものをもう１台磁性が逆位相になるように連結して、磁束が回転歯車からメインシャフトを経てもう１台の回転歯車に行き、もう１台の小歯車を通り固定歯車に出てくるようにすることが必要になるわけである。小歯車と回転歯車が通常の回転磁界形発電機の回転磁界に相当し、２個の固定歯車が通常の回転磁界形発電機の固定された電機子に相当する。２個の固定歯車を連接棒で接続することにより最初の固定歯車に戻る閉じた磁気回路が形成される。このようにすると磁束は歯車の接触部分を通して流れるためエアーギャップがなくなり冒頭に述べた課題が達成できるわけである。以上は単相交流に対する説明であるが後で述べるように３相交流に対してもこの磁束転換機を３台使用することで実現可能である。
【００３０】
次に連結方法について具体的に説明する。
通常、電気回転機には直流用と交流用があり交流用電気回転機はさらに単相交流用と３相交流用に分けられる。この磁束転換機はこのままでは直流用電動機としては使用出来ないがこの磁束転換機を２台連結し、通常のブラシレス直流モータのように小歯車の磁極を検出する機構を設けそれによって連接棒のコイルの電流を切り替えれば直流用電動機として使用することも可能である。発電機については無理に直流用のものを作る必要はなく交流発電機の出力を整流することで十分である。したがって、ここでは交流電気回転機としての連結方法について説明する。
【００３１】
交流発電機の例として図５に単相交流発電機、図６に３相交流発電機の構成方法を示した。発電機を構成するにはこのように２台又は３台の磁束転換機５０１のメインシャフト５１０及び原動機５８５をジョイント５１１によって連結してマウント５８０に固定し、それぞれの受け溝５５１にコイル５７１を巻いた連接棒５６１を渡すだけの簡単なものである。発電された電気はコイル５７１から取り出すことが出来る。３相交流の場合には３個のコイルをスター接続或いはデルタ接続として利用する。
この構成は遊星歯車方式、差動歯車方式のいずれの磁束転換機に対しても適用できるものである。ただし連結できるのは同じ方式のものだけであり差動歯車方式と遊星歯車方式のものを混在させて連結することは通常不可能である。連結の際注意しなければならないのは小歯車の磁束の方向であるがこの点については次の動作説明のところで詳述する。
【００３２】
図５及び図６では発電機の構成方法の概要を示したがここではその動作を含め図７を用いてより詳細に説明する。
図７は図５に示した単相交流発電機を具体的に記したもので、図３及び図４に示した差動歯車方式の磁束転換機を２台用いた単相発電機の構成を示した詳細図である。これを例にとって発電機としての動作を説明する。ここでは差動歯車方式の磁束転換機を用いて説明しているが作動原理自体は差動歯車方式も遊星歯車方式も基本的に同じである。ただ構成部品名及び磁束の流れ方が若干異なっているが、既に遊星歯車方式と差動歯車方式の対応関係については既に説明しているのでいずれの方式であっても簡単に理解できるものと考える。
図が複雑になるのを避けて見やすくするため連接棒及びコイルは１組分だけ示したが、実際はそれぞれの受け溝ごとに接続されているものである。
【００３３】
Ｎｏ．１磁束転換機７０１とＮｏ．２磁束転換機７０２の２台の磁束転換機をマウント７８０に取り付けメインシャフト７１０をジョイント７１１で連結し原動機７８５により駆動するようにしたものである。この際メインシャフト７１０には磁束が流れるためジョイント７１１の部分で磁気抵抗が大きくならないように注意する必要があるが、原動機７８５のシャフトに対してはその必要はない。Ｎｏ．１固定サイドギア７４１に設けられているＮｏ．１受け溝７５１とＮｏ．２固定サイドギア７４２に設けられているＮｏ．２受け溝７５２の間にはコイル７７１を巻いた連接棒７６１をはめ込みこの連接棒７６１とジョイント７１１とで２台の磁束転換機を磁気的に接続する。
【００３４】
本装置を取り付けるマウント７８０には連接棒７６１とメインシャフト７１０及びジョイント７１１以外のところを通って磁束が短絡することがないように非磁性材料を使用する等の配慮をしなければならない。
連接棒７６１は通常のトランスの鉄心と同じように表面を絶縁した薄い磁性鋼板を重ねて棒状にして渦電流に対する対策を施したもので、これにコイル７７１が巻いてある。図３に示したようにこの磁束転換機では連接棒７６１をはめ込むＮｏ．１受け溝７５１及びＮｏ．２受け溝７５２がそれぞれ３個所設けられているためコイル７７１も３個出来ることになる。これらのコイル７７１は巻き数等の特性を揃えておけば、直列、並列の何れの方法でも接続が可能となり、直列或いは並列に接続したコイルは１個のコイルとみなして取り扱うことができる。
【００３５】
２台の磁束転換機を連結する場合注意しなければならないのは双方のピニオンの磁束の方向である。
一方の磁束転換機のピニオンの磁束の方向がピニオンと回転サイドギアとの噛み合い部分からピニオンと固定サイドギアとの噛み合い部分に向いている場合にもう一方の磁束転換機のピニオンの磁束の方向はピニオンと固定サイドギアとの噛み合い部分からピニオンと回転サイドギアの噛み合い部分に向いているように、すなわち１８０度の位相差を持つようにメインシャフト７１０を連結することが大切である。この１８０度というのはＮｏ．１ピニオン７３１の磁力線とＮｏ．２ピニオン７３２の磁力線のなす角度であってＮｏ．１ピニオンシャフト７３５とＮｏ．２ピニオンシャフト７３６間の角度ではない点に注意する必要がある。これは後に述べる３相接続の場合の角度についても同じである。図７に記した矢印はある瞬間のピニオンの磁束の方向を示したものである。
【００３６】
２台の磁束転換機の接続によって
Ｎｏ．１ピニオン７３１〜Ｎｏ．１固定サイドギア７４１〜連接棒７６１（コイル７７１）〜Ｎｏ．２固定サイドギア７４２〜Ｎｏ．２ピニオン７３２〜Ｎｏ．２回転サイドギア７２２〜メインシャフト７１０〜Ｎｏ．１回転サイドギア７２１〜Ｎｏ．１ピニオン７３１
にいたる閉じた磁気回路が形成される。
ピニオンの磁極数が２極の場合１８０度の位相差をつけようとするには角度差も同じ１８０度とすればよいが、６極の場合にはこの３分の１の６０度の角度差としなければならないことになる。しかし６極の場合には１２０度の角度が１サイクルとなるため１８０度（１２０度＋６０度）の角度差と６０度の角度差は位相的に同じであり１８０度の角度差としてもよいことになる。
【００３７】
今、メインシャフト７１０が外部の原動機７８５によって回されるとこれによってＮｏ．１回転サイドギア７２１及びＮｏ．２回転サイドギア７２２が回転しＮｏ．１ピニオン７３１及びＮｏ．２ピニオン７３２が回転する。最初Ｎｏ．１固定サイドギア７４１の方を向いていたＮｏ．１ピニオン７３１の磁力線が９０°回転すると連接棒７６１に流れていた磁力線は流れなくなる。Ｎｏ．１ピニオン７３１がさらに９０°回転すると連接棒７６１に流れる磁力線は最初とは逆方向に流れることになる。連接棒７６１を流れる磁束の大きさと方向が変化するため連接棒７６１に巻かれているコイル７７１には誘導起電力が発生する。Ｎｏ．２ピニオン７３２の磁束はＮｏ．１ピニオン７３１の磁束と直列に接続した状態で同様に変化しコイル７７１の出力はさらに大きくなる。
【００３８】
このようにピニオンの磁力線による作用でコイル７７１に電流が発生するが逆にこの電流による反作用で外部の原動機７８５のエネルギーが消費されることになる。これらの点は通常の発電機と何ら異なるところはない。以上の説明によりこの磁束転換機を２台連結することによって発電機が構成されるという点は容易に理解できるものと考える。なお、後ほど説明するが磁束転換機は必ず２台或いは３台を個別に連結して使用しなければならないというものではなく２台分或いは３台分を一体化することも可能である。
【００３９】
本図は外部の原動機７８５によりメインシャフト７１０を回転させて電気を取り出す発電機としたものであるが、同一の構成で発電機の場合とは逆に原動機７８５のところに負荷を接続しコイル７７１に電気を流すと、連接棒７６１に磁束が発生しこれがピニオンの磁極に作用して吸引力或いは反発力が働きピニオンを回転させてメインシャフト７１０から動力を取り出す同期電動機として機能することになる。但し、起動するに当たっては通常の同期電動機と同様、起動トルクが期待出来ないため使用するにあたっては注意が必要である。
【００４０】
図５及び図７では２台の磁束転換機を使用しているが、これらのうち少なくとも１台は起磁力をもつ必要がある。しかしもう１台は単なる転がり軸受けとすることも可能である。但し若干の注意が必要であり簡単に説明する。
何度も言っているがこの電気回転機を効率よく動かそうとすると閉じた磁気回路を完成させることが必要である。このため軸受けは単に回転軸を支えるだけではなく磁力線を通すことができることが必要になる。この場合軸受けとしてすべり構造の軸受けを用いると摺動面に強い吸引力が働き機械的な摩擦抵抗が大きくなり都合が悪く転がり軸受けが必要となる。磁束を良く通しヒステリシス損や渦電流損が発生しない素材と構造を持ったボールベアリング或いはローラーベアリングがあれば好都合であるが、通常そこまで考えて作られているベアリングはない。これに代わるものとして遊星歯車に軟磁性材料を使用したものが使用できる。この場合回転角がずれても問題はないので歯車でなくローラーでも良いがこれはローラーベアリングと構造的に同じである。ただ、遊星歯車にしてもローラーにしても渦電流損の観点から問題があり余り推奨できる方法ではない。
【００４１】
図８はＮｏ．１磁束転換機８０１、Ｎｏ．２磁束転換機８０２、Ｎｏ．３磁束転換機８０３の３台の差動歯車方式の磁束転換機を組み合わせて構成した３相交流発電機の詳細図である。矢張り連接棒及びコイルは１組分だけ示した。
３台の磁束転換機を単相交流発電機の場合と同様にマウント８８０に取り付けそれぞれのメインシャフト８１０をジョイント８１１でつなぎこれを別に設けた原動機８８５により駆動するようにしてある。メインシャフト８１０の回転によりＮｏ．１回転サイドギア８２１、Ｎｏ．２回転サイドギア８２２、Ｎｏ．３回転サイドギア８２３が回転し、それと噛み合っているＮｏ．１ピニオン８３１、Ｎｏ．２ピニオン８３２、Ｎｏ．３ピニオン８３３が回転する。
マウント８８０の磁気特性に対しては２台連結した場合と同様に磁束の短絡に対する注意が必要である。
【００４２】
それぞれの固定サイドギアの外に設けられた受け溝８５０には連接棒８６０がはめ込まれこの連接棒にはコイルが巻かれている。単相交流発電機の場合と異なり、Ｎｏ．１固定サイドギア８４１とＮｏ．２固定サイドギア８４２との間及びＮｏ．２固定サイドギア８４２とＮｏ．３固定サイドギア８４３との間にコイル８７０を巻いた連接棒８６０が渡されているほかＮｏ．３固定サイドギア８４３とＮｏ．１固定サイドギア８４１との間にもコイル８７０を巻いた連接棒８６０が渡されている。
【００４３】
それぞれの磁束転換機のメインシャフト８１０を連結するに当たってピニオンの磁極数が２極の場合には、Ｎｏ．１ピニオン８３１の磁束の方向を回転サイドギアから固定サイドギアの方向に向けた場合を基準として、Ｎｏ．２ピニオン８３２の磁束の方向はＮｏ．１ピニオン８３１より１２０度進んだ方向を向き、Ｎｏ．３ピニオン８３３の磁束の方向はＮｏ．２ピニオン８３２よりさらに１２０度進んだ方向を向くように連結すればよい。ピニオンの磁極数が６極の場合にはこの３分の１の４０度の角度差をつけることとなるが、３６０度の位相差は１２０度の角度差になるため、０度、４０度、８０度の角度差とする代わりに０度、１６０度（４０度＋１２０度）、８０度の角度差としても位相的には同じである。磁束の方向が１８０度の場合は矢印でその方向を表示したが１２０度を断面図に表示することは難しいため割愛した。
【００４４】
Ｎｏ．１固定サイドギア８４１とＮｏ．２固定サイドギア８４２を結ぶ連接棒８６０、Ｎｏ．２固定サイドギア８４２とＮｏ．３固定サイドギア８４３を結ぶ連接棒８６０、Ｎｏ．３固定サイドギア８４３とＮｏ．１固定サイドギア８４１を結ぶ連接棒８６０がそれぞれ３本ずつありそれぞれの連接棒８６０にコイル８７０が巻かれているためコイルの数は全部で９個になる。これらのコイルの接続方法は単相交流発電機のときと同様、Ｎｏ．１固定サイドギア８４１とＮｏ．２固定サイドギア８４２との間に渡されている３本の連接棒８６０に巻かれている３個のコイル８７０はすべてを直列に接続するかすべてを並列に接続することによって１個のコイルと見なすことが出来る。
【００４５】
同様にＮｏ．２固定サイドギア８４２とＮｏ．３固定サイドギア８４３との間に渡されている３本の連接棒８６０に巻かれている３個のコイル８７０及びＮｏ．３固定サイドギア８４３とＮｏ．１固定サイドギア８４１との間に渡されている３本の連接棒８６０に巻かれている３個のコイル８７０もそれぞれすべてを直列又は並列に接続することによってそれぞれを１個のコイルと見なすことが出来る。これら３個の合成コイルに発生する起電力は磁界が１２０度ずつずれているため発生する誘導起電力も１２０度ずつ位相がずれた交流となる。したがってこれら３個の合成コイルを通常の３相機器の場合と同様にスター接続またはデルタ接続とすることで３相交流発電機を作ることができる。
【００４６】
３相交流発電機の場合もコイルに３相電源を接続すると電動機になる点は単相交流発電機の場合と同じである。
【００４７】
図９は図２に示した遊星歯車方式の磁束転換機の太陽歯車２台分を共通にして１台の単相交流発電機として構成した断面模式図である。基本的には図５に示したものと同じであるが、太陽歯車が共通化されて２連太陽歯車９２１となっているため一方の太陽歯車に伝わった磁束が直接もう一方の太陽歯車に伝わりメインシャフト９２０は機械的な力の伝達をするだけとなり非磁性材料であっても良い。それぞれの外輪歯車９２３に連接棒９２５を渡してコイル９２７を巻いて出力を得ることが出来る。図１、図２からの類推により分かると思うが上下にある外輪歯車９２１は同一のものであるが遊星歯車９２２は別個のものである。遊星歯車９２２の磁束の方向等に対する注意は２台をジョイントによって連結するときと同じであるが、図５のように後で連結する場合に比べるとジョイントで双方の遊星歯車の磁束の角度を調整することが出来ないため組み込み時の困難さはこちらの方が大きくなる。図中の矢印は遊星歯車９２２の磁極が２極の場合のある瞬間の遊星歯車９２２の磁束の方向を示したもので矢印の先の方がＮ極である。
図には示していないがこれとは逆に太陽歯車を共通化する代わりに外輪歯車を共通化する方法もある。この場合はメインシャフトの両端に太陽歯車を取り付けて回転しないように固定し、メインシャフトの中央部にコイルを巻き、外輪歯車を共通化して回転させることでコイルに発生する誘導起電力を出力として取り出すことになる。
【００４８】
図１０は図２に示した遊星歯車方式の磁束転換機３台分をまとめて１台の３相交流発電機として構成したものの断面模式図である。この場合も磁束は３連太陽歯車９３１の内部を直接流れるためメインシャフト９３０は機械的な力の伝達をするだけとなり非磁性材料であっても良い。それぞれの外輪歯車９３３には連接棒９３４を渡してコイル９３７を巻いて出力を得ることが出来る。遊星歯車９３２の磁束の方向等に対する注意は３台をジョイントによって連結するときと同じくそれぞれ１２０度の位相差を持たせている。
外輪歯車の共通化は３相の場合にはメインシャフトの二重化等を図らねばならず、装置が極めて複雑になる。
【００４９】
図１１は図３に示した差動歯車方式の磁束転換機２台分をまとめて１台の単相交流発電機として構成したものの断面模式図である。片方を鏡像となるように反対においたうえで回転サイドギアを共通としたもので、共通回転サイドギア９５１は１枚の円板の両面に歯形を切った形である。共通回転サイドギア９５１の一方に伝わった磁束が直接共通回転サイドギア９５１の反対面に伝わるため、メインシャフト９５０は遊星歯車方式と同様に機械的な力の伝達をするだけとなり非磁性材料であっても良い。磁束の方向等に対する注意は２台をジョイントによって連結するときと同じであるが、片側が鏡像状態になっているためピニオン９５２の磁極が２極の場合には図中に矢印で示したように或る瞬間のピニオン９５２の磁束の方向は同一の方向を向くことになる。出力の取り出し等はこれまでのものと特に変わったところはない。
【符号の説明】
【００５０】
１１０  メインシャフト  
１２０  太陽歯車
１３０  遊星歯車
１４０  外輪歯車
１５０  受け溝
３１０  メインシャフト
３１６  メインベアリング
３２０  回転サイドギア
３３０  ピニオン
３３５  ピニオンシャフト
３３６  ピニオンベアリング
３４０  固定サイドギア
３５０  受け溝
３５１  保持フレーム
５０１  磁束転換機
５１０  メインシャフト
５１１  ジョイント
５５１  受け溝
５６１  連接棒
５７１  コイル
５８０  マウント
５８５  原動機
７０１  Ｎｏ．１磁束転換機
７０２  Ｎｏ．２磁束転換機
７１０  メインシャフト
７１１  ジョイント
７２１  Ｎｏ．１回転サイドギア
７２２  Ｎｏ．２回転サイドギア
７３１  Ｎｏ．１ピニオン
７３２  Ｎｏ．２ピニオン
７３５  Ｎｏ．１ピニオンシャフト
７３６  Ｎｏ．２ピニオンシャフト
７４１  Ｎｏ．１固定サイドギア
７４２  Ｎｏ．２固定サイドギア
７５１  Ｎｏ．１受け溝
７５２  Ｎｏ．２受け溝
７６１  連接棒
７７１  コイル
７８０  マウント
７８５  原動機
８０１  Ｎｏ．１磁束転換機
８０２  Ｎｏ．２磁束転換機
８０３  Ｎｏ．３磁束転換機
８１０  メインシャフト
８１１  ジョイント
８２１  Ｎｏ．１回転サイドギア
８２２  Ｎｏ．２回転サイドギア
８２３  Ｎｏ．３回転サイドギア
８３１  Ｎｏ．１ピニオン
８３２  Ｎｏ．２ピニオン
８３３  Ｎｏ．３ピニオン
８４１  Ｎｏ．１固定サイドギア
８４２  Ｎｏ．２固定サイドギア
８４３  Ｎｏ．３固定サイドギア
８５０  受け溝
８６０  連接棒
８７０  コイル
８８０  マウント
８８５  原動機
９２０  メインシャフト
９２１  ２連太陽歯車
９２２  遊星歯車
９２３  外輪歯車
９２５  連接棒
９２７  コイル
９３０  メインシャフト
９３１  ３連太陽歯車
９３２  遊星歯車
９３３  外輪歯車
９３４  連接棒
９３７  コイル
９５０  メインシャフト
９５１  共通回転サイドギア
９５２  ピニオン
【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】
2013027152.tif 000009
【図８】
2013027152.tif 000010
【図９】
2013027152.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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