(57)【要約】【課題】反磁性シート部材６の磁気反発力を利用してトルクを発生し、且つ、その発生トルクを増強できる反磁性モータ１を提供する。【解決手段】反磁性モータ１の回転子３は、非磁性の外筒部材７で保持された複数の反磁性シート部材６が周方向に等間隔に配置され、隣り合う反磁性シート部材６の間には、外筒部材７で形成される非磁性部が配置される。また、反磁性シート部材６の周方向幅は、非磁性部の周方向幅より大きく形成されている。  反磁性シート部材６は、コンマ数ｍｍ程度の膜厚を有するグラファイトシートによって形成され、回転子３の半径方向と直交する平面状に配置されて、反磁性シート部材６の周方向の中央部より周方向の両端部の方が、反磁性シート部材６と固定子２の磁極との間の対向距離が小さく設定されている。【選択図】図１
2013201845.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電機子巻線に多相交流を印加して回転磁界を生成する固定子（２）と、
この固定子（２）と同軸に回転支持されると共に、反磁性の性質を持つ複数の反磁性部材（６）が前記固定子（２）の磁極と対向して周方向に所定の間隔を有して配置され、且つ、周方向に隣り合う前記反磁性部材（６）同士の間に磁束を透過する非磁性部を有する回転子（３）とを備え、
前記回転磁界に対する前記反磁性部材（６）の磁気反発力の作用によって前記回転子（３）が回転する反磁性アクチュエータ（１）であって、
前記回転子（３）は、前記固定子（２）の磁極と前記反磁性部材（６）との間の距離が、前記反磁性部材（６）の周方向の中央部より周方向の両端部の方が小さく設定されていることを特徴とする反磁性アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１に記載した反磁性アクチュエータ（１）において、
前記回転子（３）は、複数の前記反磁性部材（６）が周方向に等間隔に配置されていることを特徴とする反磁性アクチュエータ。
【請求項３】
請求項１または２に記載した反磁性アクチュエータ（１）において、
前記回転子（３）は、前記反磁性部材（６）の周方向幅より、前記非磁性部の周方向幅の方が小さく設定されていることを特徴とする反磁性アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１〜３に記載した何れか一つの反磁性アクチュエータ（１）において、
前記回転子（３）は、前記固定子（２）の内径側にギャップを介して対向配置されていることを特徴とする反磁性アクチュエータ。
【請求項５】
請求項１〜３に記載した何れか一つの反磁性アクチュエータ（１）において、
前記回転子（３）は、前記固定子（２）の外径側にギャップを介して対向配置されていることを特徴とする反磁性アクチュエータ。
【請求項６】
請求項１〜３に記載した何れか一つの反磁性アクチュエータ（１）において、
前記固定子（２）と前記回転子（３）は、軸方向にギャップを介して対向配置されていることを特徴とする反磁性アクチュエータ。
【請求項７】
請求項４に記載した反磁性アクチュエータ（１）において、
前記反磁性部材（６）は、一定の膜厚を有するシート状に形成され、周方向の両端の間が前記回転子（３）の半径方向と直交する平面状に形成されている、あるいは、周方向の両端部に対し周方向の中央部が径方向の反固定子側へ凹む凹状に形成されていることを特徴とする反磁性アクチュエータ。
【請求項８】
請求項５に記載した反磁性アクチュエータ（１）において、
前記反磁性部材（６）は、一定の膜厚を有するシート状に形成され、周方向の両端部に対し周方向の中央部が径方向の反固定子側へ凹む凹状に形成されていることを特徴とする反磁性アクチュエータ。
【請求項９】
請求項６に記載した反磁性アクチュエータ（１）において、
前記反磁性部材（６）は、一定の膜厚を有するシート状に形成され、周方向の両端部に対し周方向の中央部が軸方向の反固定子側へ凹む凹状に形成されていることを特徴とする反磁性アクチュエータ。
【請求項１０】
請求項７〜９に記載した何れか一つの反磁性アクチュエータ（１）において、
前記反磁性部材（６）は、所定の空隙（９）を有して層状に配置される多層構造を形成していることを特徴とする反磁性アクチュエータ。
【請求項１１】
請求項１〜１０に記載した何れか一つの反磁性アクチュエータ（１）において、
前記反磁性部材（６）は、グラファイト素材をシート状に加工したグラファイトシートによって形成されていることを特徴とする反磁性アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工業用、学習用、遊戯用、家電用、自動車用等の回転アクチュエータに用いて好適な反磁性アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、産業用のブラシレスモータの分野では、レアアース磁石を利用したモータが主流であるが、磁石素材の偏在性から資源リスクや不経済性が叫ばれており、代替技術の開発が緊急の課題である。
代替技術の開発には、さまざまなアプローチで研究が成されているが、これらの研究では、何れの構成でも鉄片や鉄塊を利用しているので、電機子磁界に鉄片や鉄塊が引き寄せられる吸引力に起因するトルク（リラクタンストルク）しか生み出すことができないという問題がある（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３２５２９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
反発力を生じる一つの事例として、グラファイトに代表される反磁性素材を利用すれば、従来の高温超伝導（例えばビスマス系素材であればマイナス２００℃環境下）のマイスナー効果のごとき、強磁界中にて反発力を生む現象が室温環境下でも発生することが知られている。しかし、反磁性体の磁気反発力を利用して推進力やトルクを発生させるアクチュエータの提案はなされていない。
本発明は、上記事情に基づいて成されたものであり、その目的は、反磁性体の磁気反発力を利用してトルクを発生し、且つ、その発生トルクを増強できる反磁性アクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（請求項１の発明）
本発明は、電機子巻線に多相交流を印加して回転磁界を生成する固定子と、この固定子と同軸に回転支持されると共に、反磁性の性質を持つ複数の反磁性部材が固定子の磁極と対向して周方向に所定の間隔を有して配置され、且つ、周方向に隣り合う反磁性部材同士の間に磁束を透過する非磁性部を有する回転子とを備え、回転磁界に対する反磁性部材の磁気反発力の作用によって回転子が回転する反磁性アクチュエータであって、回転子は、固定子の磁極と反磁性部材との間の距離が、反磁性部材の周方向の中央部より周方向の両端部の方が小さく設定されていることを特徴とする。
【０００６】
本発明に係る反磁性アクチュエータは、固定子に回転磁界が発生すると、その回転磁界の極性と反対方向に反磁性部材が磁化される。すなわち、固定子の磁極に対して反磁性部材に反発力が作用する。また、回転子は、周方向に隣り合う反磁性部材同士の間に非磁性部を有しているので、その非磁性部を磁束が通り抜けることにより、周方向に対して回転子に拘束力が働く。その結果、回転子が周方向に揺れ動くことが抑制されて姿勢が安定する。これにより、固定子に発生する回転磁界に同期して回転子が連れ動く（回転磁界と同方向に回転子が回転する）ので、本発明の反磁性アクチュエータを回転機、つまり、トルクを発生するモータとして利用できる。この反磁性部材の磁気反発力を利用してトルクを発生する原理は、本願発明者が先に出願した特願２０１１−２３５９６７の明細書に記載している。
【０００７】
また、本発明の反磁性アクチュエータは、本願発明者の研究によれば、突極構造の回転子を有するリラクタンスモータと同様の磁束−力発生挙動を示すことが明らかになった。  さらに、リラクタンスモータは、突極の回転前方縁の近傍で吸引力を発生して回転するのに対し、本発明の反磁性アクチュエータ（モータ）は、反磁性部材の回転後方縁の近傍で反発力を発生して回転し、そのトルクの大きさは、ｑ軸インダクタンスＬｑとｄ軸インダクタンスＬｄとの差に比例することが分かった。なお、ｄ軸は、反磁性部材を回転子の磁極とした時の中心軸、つまり反磁性部材の周方向中心を半径方向に通る軸であり、そのｄ軸と電気的、磁気的に直交する軸、つまり周方向に隣り合う反磁性部材同士の間を半径方向に通る軸をｑ軸とする（図４参照）。
【０００８】
上記の研究結果を基に、本発明の反磁性アクチュエータは、固定子の磁極と反磁性部材との間の距離が一定ではなく、反磁性部材の周方向の中央部より周方向の両端部の方が小さく設定されている。
この構成によれば、固定子の磁極と反磁性部材との間の距離が一定の場合、つまり、反磁性部材の周方向の両端と中央部とで固定子の磁極と対向する距離が同一に設定される場合（図４（ａ）参照）と比較して、トルクが増強できることが分かった。これは、本発明の方が、固定子の磁極と反磁性部材との間の距離が一定の場合よりもｄ軸インダクタンスＬｄが小さくなり、その結果、ｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑとの差が大きくなることに起因する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１に係る反磁性モータの平面図である。
【図２】回転子の平面図である。
【図３】回転子の斜視図である。
【図４】（ａ）先願例に係る磁束の流れを示す説明図、（ｂ）本発明に係る磁束の流れを示す説明図である。
【図５】反磁性シート部材を多層構造とした回転子の一部を示す平面図である。
【図６】反磁性シート部材を多層構造とした回転子の一部を示す平面図である。
【図７】本発明の効果をトルク比で表した図である。
【図８】実施例２に係る反磁性モータの平面図である。
【図９】実施例３に係る反磁性モータの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明を実施するための形態を以下の実施例により詳細に説明する。
【実施例】
【００１１】
（実施例１）
実施例１に示す反磁性アクチュエータは、図１に示す様に、固定子２と回転子３とが径方向にギャップを有して対向するラジアルギャップ型であり、且つ、固定子２の内径側に回転子３を配置した内転型モータに本発明の構成を適用した一例である。以下、本発明の反磁性アクチュエータを反磁性モータ１と呼ぶ。
固定子２は、固定子コア２ａに電機子巻線（図示せず）を巻装して電機子を構成している。固定子コア２ａは、周方向に複数（実施例１では４８個）のスロット２ｂを等ピッチに打ち抜いた円環状の電磁鋼板を複数枚積層して構成される。
【００１２】
電機子巻線は、例えば、位相が１２０度異なる三相のコイルを星形結線して構成され、周知の巻線仕様（集中巻き、分布巻き、全節巻き、短節巻き等）によって固定子コア２ａに巻装される。この電機子巻線は、各相のコイル端部（中性点と反対側のコイル端部）が周知のインバータ（図示せず）に接続され、直流電源（図示せず）から得られる直流電力がインバータにより交流電力（例えば、対称三相交流）に変換されて供給される。
回転子３は、図２、図３に示す様に、円筒状のボス部４と、このボス部４の外周から放射状に延びる８本のスポーク部材５と、このスポーク部材５の先端（反ボス部側の端部）に支持される８枚の反磁性シート部材６と、この８枚の反磁性シート部材６の外周を保持する外筒部材７とで構成される。
【００１３】
ボス部４は、例えば、ポリアミド系のナイロン樹脂（デュポン社の登録商標）やＰＰＳ樹脂（ポリフェニレンサルファイド樹脂）等によって形成され、図１に示す様に、固定子２の径方向中心を通る回転軸８の外周に圧着固定されている。
スポーク部材５は、例えば、ボス部４と同一の材料によりボス部４と一体に形成され、ボス部４の周方向に等間隔に配置されている。なお、スポーク部材５をボス部４と別体に形成して、ボス部４の外周に接着固定する構成を採用することもできる。
反磁性シート部材６は、本発明の反磁性部材であり、例えば、コンマ数ｍｍ程度の膜厚を有するグラファイトシートによって長方形に形成されている。この反磁性シート部材６は、図３に示す様に、長方形の短手方向（図示上下方向）がボス部４の軸心方向に沿って配置され、長方形の長手方向がスポーク部材５と直交する回転子３の周方向に配置され、且つ、長手方向の中央部がスポーク部材５の先端面に接着固定されている。
【００１４】
外筒部材７は、例えば、ポリアミド等の非磁性フィルム材により円筒形に形成されて、回転子３の外径面を構成すると共に、８枚の反磁性シート部材６を周方向に等間隔に保持している。
反磁性シート部材６は、スポーク部材５と直交して平面状に配置され、長手方向の両端が外筒部材７の内周面に接着固定される。周方向に隣り合う反磁性シート部材６同士の間には一定の間隔が確保されている。すなわち、周方向に隣り合う反磁性シート部材６同士の間は、外筒部材７によって形成される本発明の非磁性部となる。
また、反磁性シート部材６の長手方向の長さは、周方向に隣り合うスポーク部材５同士の間に形成される非磁性部の周方向幅より大きく形成されている。
周方向に隣り合うスポーク部材５同士の間、および、反磁性シート部材６と外筒部材７との間は、それぞれ空間となっている。もしくは、これらの空間にフィルム状の非磁性部材（例えばナイロン樹脂）を張ることもできる。
【００１５】
（実施例１の作用および効果）
実施例１の反磁性モータ１は、電機子巻線に対称三相交流が供給されて固定字２に回転磁界が発生すると、回転磁界の極性と反対方向に反磁性シート部材６が磁化されるため、固定子２の磁極に対して反磁性シート部材６に反発力が作用し、この反発力によって回転子３に回転力が発生する。
回転子３が発生するトルクＴの大きさは、下記（１）式で示される様に、ｑ軸インダクタンスＬｑとｄ軸インダクタンスＬｄとの差に比例する。
Ｔ∝（Ｌｑ−Ｌｄ）  ………………………（１）
なお、図４に示す様に、反磁性シート部材６の周方向中心を半径方向に通る軸をｄ軸、そのｄ軸と電気的、磁気的に直交する軸、つまり、周方向に隣り合う二枚の反磁性シート部材６の間を半径方向に通る軸をｑ軸とする。
【００１６】
さらに、実施例１の反磁性モータ１は、固定子２の磁極と反磁性シート部材６との間の距離が一定ではなく、図１に示す様に、反磁性シート部材６の周方向の中央部より周方向の両端部の方が小さく設定されている。この構成によれば、図４（ａ）に示す先願例の場合より、ｄ軸インダクタンスＬｄが小さくなり、ｑ軸インダクタンスとの差が大きくなることからトルクが増強する。なお、上記の先願例は、本願発明者が先に出願した特願２０１１−２３５９６７の明細書に記載された一実施例に相当するもので、固定子２の磁極と反磁性シート部材６との間の距離が一定、つまり、反磁性シート部材６が回転子３の中心から等距離の円弧状に湾曲して形成されている。
【００１７】
詳述すると、図４（ａ）に示す先願例の場合は、固定子２からのｄ軸磁束Φｄａに対し、反磁性シート部材６の端部が発生する反磁界Ｈｒがｄ軸磁束Φｄａを半径方向に遠ざけようとする方向に作用する。これに対し、本実施例の構成、つまり、反磁性シート部材６の周方向の両端部より周方向の中央部の方が固定子２の磁極との間の距離が大きくなっている構成では、図４（ｂ）に示す様に、固定子２からのｄ軸磁束Φｄｂに対向する方向成分を含む方向に反磁界Ｈｒが発生する。この反磁界Ｈｒは、反磁性シート部材６の表面に垂直方向に発生する。その結果、ｑ軸を横断（直交）する磁路の磁気抵抗が大きくなって、ｑ軸を横断する磁束、すなわち、ｄ軸磁束Φｄｂが減少し、相対的に反磁性シート部材６の内径側（反固定子側）を通過するｑ軸磁束が増加する。このため、周方向に隣り合う二枚の反磁性シート部材６の間、つまり非磁性部（ｑ軸）の磁界強度が増大して、反磁性シート部材６に作用する反発力も大きくなるのである。
【００１８】
上記の効果（反発力の増大によるトルクの増強効果）を一層引き出すには、例えば、図５に示す様に、複数枚の反磁性シート部材６を一定の空隙９（非磁性部）を有して層状に配置した多層構造とする構成が有効である。この場合、多層に配置された反磁性シート部材６は、ボス部４から延びる２本のスポーク部材５の間に挟まれて接着保持される。なお、図５では４枚の反磁性シート部材６を層状に配置しているが、４枚に限定するものではない。
また、反磁性シート部材６は、図６に示す様に、周方向の中央部が両端部に対し回転子３の内径方向、言い換えると、径方向の反固定子側へ湾曲した凹曲形状とし、その凹曲形状の反磁性シート部材６を一定の空隙９を有して層状に配置した多層構造とすることもできる。
【００１９】
上記の図５および図６に示す例、すなわち、複数枚の反磁性シート部材６を一定の空隙９を有して層状に配置した多層構造の場合は、反磁性シート部材６を単層（１枚）とした場合より、前記反磁界Ｈｒを増強することができ、ｄ軸インダクタンスＬｄを一層小さくできることが本願発明者の研究で明らかとなった。
ここで、反磁性モータ１の発生トルクを計測したシミュレーション結果を図７に示す。  なお、このシミュレーションには、上記の先願例の構成に対応するモデルＡ、平面状の反磁性シート部材６を単層とした実施例１の構成に対応するモデルＢ、平面状の反磁性シート部材６を多層構造とした図５の構成に対応するモデルＣ、凹曲形状の反磁性シート部材６を多層構造とした図６の構成に対応するモデルＤを使用した。
【００２０】
図７に示す測定結果は、モデルＡに対するモデルＢ、モデルＣ、モデルＤのトルク比を棒グラフで表示したものであり、モデルＢで約１．５倍、モデルＣで約３倍、モデルＤで７倍超のトルク増加を確認できた。
このシミュレーション結果からも明らかな様に、反磁性シート部材６の周方向の両端より周方向の中央部で固定子２の磁極との対向距離を大きく確保した方が、固定子２の磁極と反磁性シート部材６との間の距離が一定の場合（モデルＡ）と比較して、トルクの増強を図ることができ、さらに、反磁性シート部材６を多層化することによって、より大きなトルクを発生することが可能となる。
なお、実施例１では、回転子３の反磁性シート部材６を磁極とする８極、固定子２のスロット数が４８個の事例を記載しているが、これに限定されるものではない。
【００２１】
（実施例２）
この実施例２に係る反磁性モータ１は、図８に示す様に、固定子２と回転子３とが径方向にギャップを有して対向するラジアルギャップ型であり、且つ、固定子２の外径側に回転子３を配置した外転型モータに本発明を適用した一例である。なお、実施例１と同一の構成および機能を有する部品には同一の番号を付している。
【００２２】
この実施例２に示す回転子３は、回転子３の外径面を形成する外筒部材７と、回転子３の内径面を形成する内筒部材１０と、外筒部材７と内筒部材１０との間に配置される反磁性シート部材６と、この反磁性シート部材６の両端を支持するスポーク部材５とで構成される。反磁性シート部材６は、周方向の両端部に対し周方向の中央部が径方向の反固定子側、つまり、回転子３の径方向外側へ湾曲する凹曲形状を有し、且つ、複数枚（図８では３枚）の反磁性シート部材６が非磁性部を形成する一定の空隙９を有して層状に配置されている。
【００２３】
スポーク部材５は、回転子３の半径方向に配置されて、外周端が外筒部材７の内周面に接着固定され、内周端が内筒部材１０の外周面に接着固定されている。また、周方向に隣り合う二枚の反磁性シート部材６の間は、隣り合うスポーク部材５とスポーク部材５との間に空間（非磁性部）が設けられている。
この実施例２に示す反磁性モータ１においても、実施例１で説明した同様の原理で回転子３にトルクを発生でき、且つ、実施例１に記載した先願例（モデルＡ）の構成より、発生トルクを増強できる。
【００２４】
（実施例３）
この実施例３に係る反磁性モータ１は、図９に示す様に、固定子２と回転子３とが軸方向（図示上下方向）にギャップを有して対向するアキシャルギャップ型モータに本発明を適用した一例である。なお、実施例１と同一の構成および機能を有する部品には同一の番号を付している。また、図９に示す反磁性モータ１は、回転子３の反磁性シート部材６で形成される磁極数が６、固定子２のスロット数が３６個の事例を記載しているが、これに限定されるものではない。
【００２５】
この実施例３に示す回転子３は、固定子２の磁極と対向して配置される円盤プレート１１と、この円盤プレート１１の反固定子側（図示上側）に配置される反磁性シート部材６と、この反磁性シート部材６の両端を支持するスポーク部材５とで構成される。
円盤プレート１１は、例えば、ポリアミド等の非磁性フィルム材により、外周が円形を有する円盤状に形成され、径方向の中央部で回転軸８に接着固定されている。
【００２６】
反磁性シート部材６は、円盤プレート１１の内径側から外径に向かって周方向の幅が次第に拡がる扇状に形成され、且つ、周方向の両端部に対し周方向の中央部が軸方向の反固定子側へ湾曲する凹曲形状に形成されている。また、複数枚（図９では２枚）の反磁性シート部材６が非磁性部を形成する空隙９を有して層状に配置されている。
スポーク部材５は、反磁性シート部材６の周方向両側を回転子３の半径方向に延びて配置され、円盤プレート１１の表面に接着固定される。なお、スポーク部材５を円盤プレート１１と一体に設けることも可能である。
【００２７】
周方向に隣り合う反磁性シート部材６同士の間は、隣り合うスポーク部材５とスポーク部材５との間に空間（非磁性部）が設けられている。
この実施例３に示す反磁性モータ１においても、実施例１で説明した同様の原理で回転子３にトルクを発生でき、且つ、実施例１に記載した先願例（モデルＡ）の構成より、発生トルクを増強できる。
【符号の説明】
【００２８】
１  反磁性モータ（反磁性アクチュエータ）
２  固定子
３  回転子
６  反磁性シート部材（反磁性部材）
７  外筒部材（非磁性部）
【図１】
2013201845.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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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