(57)【要約】【課題】コギングトルクが小さい誘導機を提供すること。【解決手段】マグネット１２１を保持する磁性材料よりなるバックヨーク１２と、電線を巻回したコイル１１１を設けた磁性材料よりなるコイルヨーク１１と、を備えるディスク型発電機１では、バックヨーク１２とコイルヨーク１１とが、バックヨーク１２が保持するマグネット１２１の磁極面１２１Ｎ・Ｓに対してコイルヨーク１１が対面する状態を維持しながら相対的に回転可能であり、コイルヨーク１１は、磁極面１２１Ｎ・Ｓに対面する対峙面１１８が周方向に延在して環状をなしている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネットを保持する磁性材料よりなる第１ヨークと、電線を巻回したコイルを設けた磁性材料よりなる第２ヨークと、を備え、
前記第１ヨークと前記第２ヨークとは、前記第１ヨークが保持するマグネットの磁極面に対して前記第２ヨークが対面する状態を維持しながら相対的に回転可能であり、
前記第２ヨークは、前記磁極面に対面する対峙面が周方向に延在して環状をなし、
前記コイルは、環状をなす前記第２ヨークの周方向の一部に電線を巻回して形成されている誘導機。
【請求項２】
請求項１において、前記第１ヨークは、前記第２ヨークとの相対的な回転の軸の方向に前記磁極面が面するように前記マグネットを保持しており、
前記第２ヨークの対峙面は、前記軸の方向において前記磁極面に対面している誘導機。
【請求項３】
請求項２において、前記軸の方向における前記第２ヨークの両側に前記第１ヨークが配置されている誘導機。
【請求項４】
請求項１において、前記第１ヨークは、前記第２ヨークとの相対的な回転の軸を中心とした径方向に前記磁極面が面するように前記マグネットを保持しており、
前記第２ヨークの対峙面は、前記径方向において前記磁極面に対面している誘導機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、回転子に永久磁石を採用した誘導機が知られている。誘導機としては、例えば、周方向に交互にＮ極及びＳ極が現れる外周面を備える回転ロータに対して、励磁コイルを含む円筒状のステータブロックを外挿配置した永久磁石発電機が知られている（例えば特許文献１参照。）。
【０００３】
ステータブロックは、周方向に複数のステータ歯を備える２個１組のステータに対して励磁コイルを組み合わせた部品である。ステータブロックでは、各ステータのステータ歯が周方向に交互に噛み合うように２個１組のステータが組み合わせられ、周方向に沿って配列された複数のステータ歯に対して励磁コイルが外挿配置されている。
【０００４】
このような構成の発電機では、各ステータのステータ歯が、それぞれ、回転ロータの異なる磁極に対面し、これにより、２個のステータが異なる極性に磁化される。回転ロータが回転すれば、各ステータの極性が交互に切り替わり、これにより励磁コイルに磁界が作用して励磁電流が発生する。回転ロータの回転に伴って励磁電流の向きが交互に反転し、これにより交流電流が発電される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−０５０１８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来の誘導機では、次のような問題がある。すなわち、マグネットとステータとの間に作用する磁気的吸引力に起因する位置トルクであるコギングトルクが大きいという問題がある。
【０００７】
本発明は、前記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、コギングトルクが小さい誘導機を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、マグネットを保持する磁性材料よりなる第１ヨークと、電線を巻回したコイルを設けた磁性材料よりなる第２ヨークと、を備え、
前記第１ヨークと前記第２ヨークとは、前記第１ヨークが保持するマグネットの磁極面に対して前記第２ヨークが対面する状態を維持しながら相対的に回転可能であり、
前記第２ヨークは、前記磁極面に対面する対峙面が周方向に延在して環状をなし、
前記コイルは、環状をなす前記第２ヨークの周方向の一部に電線を巻回して形成されている誘導機にある（請求項１）。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の誘導機は、前記第１ヨークと前記第２ヨークとが対面する状態を維持しながら相対的に回転する構造を有し、凸極部として作用する構成を持たない。凸極部として作用する構成を持たない本発明の誘導機では、マグネットと第２ヨークとの間に作用する磁気的吸引力に起因する位置トルクが抑制され、コギンホールドトルクが小さくなっている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例１における、ディスク型発電機の回転軸に沿う断面の構造を示す断面図。
【図２】実施例１における、ディスク型発電機の回転軸に直交する断面の構造を示す断面図（図１中のＡ−Ａ線矢視断面）。
【図３】実施例１における、コイルヨーク側からディスク型発電機の内部構造を見込む正面図。
【図４】実施例１における、ディスク型発電機のシミュレーション結果。
【図５】実施例１における、その他のディスク型発電機の構成を示す断面図（図１中のＡ−Ａ線矢視断面に相当する断面）。
【図６】実施例２における、ロータ型発電機を示す斜視図。
【図７】実施例２における、ロータ型発電機の構造を示す分解図。
【図８】実施例２における、ロータ型発電機の回転軸に直交する断面の構造を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の好適な態様について説明する。
前記第１ヨークは、前記第２ヨークとの相対的な回転の軸の方向に前記磁極面が面するように前記マグネットを保持しており、
前記第２ヨークの対峙面は、前記軸の方向において前記磁極面に対面していると良い（請求項２）。
例えば、円板状の第１ヨークに対して円環板状の第２ヨークが対面する構成を採用できる。第１ヨークを回転子としても良いし、第２ヨークを回転子としても良い。
【００１２】
さらに、前記軸の方向における前記第２ヨークの両側に前記第１ヨークが配置されていると良い（請求項３）。
この場合には、前記第２ヨークに流れる磁束を大きくできる。これにより、誘導機がモータであれば回転トルクが大きくなり、発電機であれば発電量を拡大できる。
【００１３】
前記第１ヨークは、前記第２ヨークとの相対的な回転の軸を中心とした径方向に前記磁極面が面するように前記マグネットを保持しており、
前記第２ヨークの対峙面は、前記径方向において前記磁極面に対面していることも良い（請求項４）。
例えば、円柱状の外周面に磁極面を設けた第１ヨークに対して、円筒状の第２ヨークを外挿配置した構成や、円筒状の第２ヨークに対して、円筒形状の内周面に磁極面を設けた第１ヨークを外挿配置した構成等を採用できる。第１ヨークを回転子としても良いし、第２ヨークを回転子としても良い。
【実施例】
【００１４】
（実施例１）
本例は、誘導機の一例をなすディスク型発電機１の例である。この内容について、図１〜図５を用いて説明する。
本例のディスク型発電機１は、図１のごとく、冷間圧延鋼板のプレス加工品である筐体１８に、Ｎ極及びＳ極の磁極面１２１Ｎ・Ｓを設けた円板状のバックヨーク（第１ヨーク）１２と、円環板状のコイルヨーク（第２ヨーク）１１と、を収容した誘導機である。
【００１５】
有底筒状のカップ１８１と鍋蓋状のキャップ１８４とを組み合わせた筐体１８の内部では、表面にマグネット１２１が配置された円板状のバックヨーク１２に対して、周方向の一部にコイル１１１が形成された円環板状のコイルヨーク１１が若干の隙間を空けて対面している。ディスク型発電機１は、回転子をなすバックヨーク１２の回転に応じて、コイルヨーク１１に巻回されたコイル１１１に励磁電流が発生するように構成されている。
【００１６】
バックヨーク１２は、図１及び図２のごとく、軟質磁性粉末を成型した圧粉成型品である。直径１００ｍｍ、厚さ４〜５ｍｍ程度の円板状のバックヨーク１２では、中心を介して対向して位置する２箇所にマグネット１２１が配置されている。
【００１７】
マグネット１２１は、バックヨーク１２の表面の円環状の領域のうち、周方向１２０度に渡る２箇所のマグネット領域に配置されている。なお、本例では、円環の一部をなす円弧状のマグネット領域に対して同形状のマグネットを配置するのではなく、短冊状の複数のマグネット１２１を放射状に配置している。各マグネット１２１は、内周側において隣合うマグネット１２１と接し、外周側ほど隣り合うマグネット１２１との隙間が拡大するように配列され、全体として円弧状が形成されている。各マグネット１２１は、内周側の端部が直径６０ｍｍの仮想円に外接し、外周側の端部が直径９５ｍｍの仮想円に内接するように配置されている。
【００１８】
一般に、大判のマグネットは、縁部ほど磁気が強くなり、内周部ほど磁気が弱くなる傾向にある。上記のように小さなマグネットに分割すれば、マグネット領域の内周部で磁気が弱くなる度合いを抑制でき、これにより、マグネット全体で外部に作用する磁気強度を確保し易くなる。
【００１９】
本例では、マグネット１２１として平板状のネオジウム磁石を採用している。平板状のマグネット１２１は、一方の表面がＮ極、他方の表面がＳ極となっている。バックヨーク１２では、一方のマグネット領域のマグネット１２１が、Ｎ極の磁極面１２１Ｎを呈するようにＳ極をバックヨーク１２側にして配置されている。他方のマグネット領域のマグネット１２１は、Ｓ極の磁極面１２１Ｓを呈するようにＮ極をバックヨーク１２側にして配置されている。
【００２０】
バックヨーク１２の中心に設けらた孔１２６（図１参照。）には、回転軸１２５を貫通配置する軸孔を設けたカラー１２７が取り付けられている。バックヨーク１２は、カラー１２７を介在して回転軸１２５に固定されて一体的に回転する。回転軸１２５の両端は、筐体１８の軸孔１８０により回転可能に軸支され、一方の端部側は筐体１８の外部に延長されている。この延長部分は、例えば風車や水車や可搬型の小型エンジン等の駆動源の回転運動を入力するよう、図示しない駆動源の回転出力軸に接続されている。例えば自転車トレーニング用のローラ台の回転ローラの軸や、エクササイズバイクの回転軸等に、上記の延長部分を接続すれば自家発電が可能になる。このような自家発電は、災害時等の発電機としても有用である。
【００２１】
コイルヨーク１１は、図１及び図３のごとく、バックヨーク１２と同様、軟質磁性粉末を円環板状に成型した圧粉成型品である。コイルヨーク１１は、外径１１０ｍｍ、内径５０ｍｍの円環板状を呈し、バックヨーク１２よりも若干大径となっている。この円環板状のコイルヨーク１１の周方向の２箇所には、放射状をなすように径方向に電線（銅線）を巻回したコイル１１１が設けられている。コイルヨーク１１の一方の表面が、回転軸１２５の方向においてバックヨーク１２の磁極面１２１Ｎ・Ｓに対面する対峙面１１８となっている。
【００２２】
コイル１１１は、バックヨーク１２のマグネット領域と同様、中心を介して対向する２箇所に形成され、その形成範囲は周方向１２０度に渡る範囲となっている。一方のコイル１１１の巻き始めの巻回端が出力端子と電気的に接続され、巻き終わりの巻回端は他方のコイル１１１の巻き始めの巻回端と電気的に接続されている。そして、この他方のコイル１１１の巻き終わりの巻回端は出力端子と電気的に接続されている。
【００２３】
コイルヨーク１１は、筐体１８の内部で固定されており、マグネット１２１を含むバックヨーク１２に対して２ｍｍ程度のギャップを介して対面している。このようにバックヨーク１２に対してコイルヨーク１１が対面しているディスク型発電機１では、バックヨーク１２のＮ極の磁極面１２１Ｎからコイルヨーク１１を経由してバックヨーク１２のＳ極の磁極面１２１Ｓに戻り、バックヨーク１２を経由してＮ極の磁極面１２１Ｎをなすマグネット１２１に至るという磁気的な経路が形成されている。
【００２４】
次に、以上のような構成のディスク型発電機１の発電動作について説明する。
ディスク型発電機１の回転軸１２５が回転するとバックヨーク１２が一体的に回転し、これにより、Ｎ極及びＳ極の磁極面１２１Ｎ・Ｓがコイルヨーク１１の対峙面１１８に対面する状態を維持しながら回動する。そうすると、コイルヨーク１１に対面するＮ極の磁極面１２１Ｎ及びＳ極の磁極面１２１Ｓの位置が交互に入れ替わり、コイルヨーク１１を通過する磁束の向きが交互に切り替わる。これにより、コイル１１１を貫く磁束の向きが交互に切り替わるように変化し、コイル１１１に励磁電流が発生する。コイルヨーク１１を通過する磁束の向きの切替に応じて励磁電流の電流方向が入れ替わるため、ディスク型発電機１では交流が発電される。
【００２５】
Ｎ極、Ｓ極の磁極面１２１Ｎ・Ｓが２箇所のコイル１１１の間隙に対面するとき、コイル１１１を貫く磁束が最大あるいは最小のピークとなる。そして、磁極面１２１Ｎ・Ｓがコイル１１１に対面して位置したとき、コイル１１１を貫く磁束がゼロとなる。また、Ｎ極の磁極面１２１Ｎ及びＳ極の磁極面１２１Ｓの位置が反転する毎にコイル１１１を貫く磁束の向きが反転する。回転子であるバックヨーク１２が１回転すると、磁束がゼロから立ち上がって最大のピークとなり、その後、減少してゼロクロスを経て最小のピークとなった後、ゼロに戻るという図４（ａ）に例示する１周期の変動が発生する。
【００２６】
コイル１１１を流れる電流、及び直列に接続した２つのコイル１１１の両端の電圧は、図４（ｂ）、（ｃ）のように変動する。電流及び電圧は、コイル１１１を貫く磁束の変化に応じて生じ、磁束のピークを迎えたときにゼロとなる一方、磁束の変化度合いが最も大きくなるゼロクロスに対応して最大あるいは最小のピークとなる。このように電流及び電圧の波形は、コイル１１１を貫く磁束の変動波形に対して位相が９０度ずれる一方、変動周期が同じ波形となる。例えば毎分３６００回転でバックヨーク１２が回転すれば、１秒間に６０周期が発生し６０ヘルツの交流を発電できる。
【００２７】
以上のように、本例のディスク型発電機１は、円環板状のコイルヨーク１１に対面して円板状のバックヨーク１２が回転することで交流を発電する誘導機である。このディスク型発電機１は、例えばステータ歯等の凸極部となり得る構成を有していない。また、コイル１１１の電線をなす銅は、磁石に吸着しない特性を備えている。そのため、ディスク型発電機器１では、ホールドトルクやコギングトルクが抑制され、コイルヨーク１１に対面してバックヨーク１２を相対回転させるためのトルクの変動が少なくなっている。ホールドトルクやコギングトルクが小さいディスク型発電機１であれば、小さな回転トルクで発電が可能となり発電効率が良好である。このような特性は、例えば風車や水車などトルク変動が大きい駆動源にも適している。
【００２８】
本例では、誘導機の一例としてディスク型発電機１を例示している。このディスク型発電機１の磁気的な構成は、電動機（モータ）にも応用可能である。誘導機は、本例の磁気的な構成を採用した電動機であっても良い。コギングトルクが小さいモータであれば、トルクリップル等を抑制でき、出力トルクの変動を小さくできる。
【００２９】
極数を２極としたが、用途や要求仕様に応じて極数を適宜変更すると良い。１極であっても良く、３極以上であっても良い。
本例では、バックヨーク１２におけるマグネット領域に複数のマグネット１２１を配置しているが、これに代えて、マグネット領域の全体を１つのマグネットでカバーすることも可能である。
【００３０】
磁極面１２１を設けたバックヨーク１２を回転子とし、コイルヨーク１１が筐体１８側に固定されたディスク型発電機１を例示したが、コイルヨーク１１を回転子とし、バックヨーク１２が固定された構成を採用しても良い。また、コイルヨーク１１の両側にバックヨーク１２を配置しても良い。この構成を採用すれば、コイルを貫く磁束が大きくなり、理論上では発電出力が４倍となる。
【００３１】
図５のように、コイルヨーク１１におけるコイル１１１の周方向位置の精度を高く確保できるよう、周方向におけるコイル１１１の間隙にコイルスペーサ１１９を配置することも良い。コイルスペーサ１１９は、例えば円環板部材の周方向の一部をなす円弧状の樹脂製の部材であっても良く、コイルヨーク１１（図１）の表裏両面に配置しても良く、片面のみに配置しても良い。
バックヨーク１２には、マグネット１２１の位置精度を確保するためのマグネットスペーサ１２９を取り付けることも良い。マグネットスペーサ１２９は、マグネット領域の間隙に対応する形状の円弧状の部材であっても良く、さらには、マグネット領域において隣合うマグネット１２１の間隙に対応するマグネットスペーサ１２９であっても良い。
【００３２】
（実施例２）
本例は、実施例１のディスク型発電機に基づいてバックヨークやコイルヨークの構成を変更した例である。この内容について、図６〜図８を用いて説明する。
本例の誘導機は、図６及び図７のごとく、外周面にマグネット２２１を配置した円柱状のロータ（第１ヨーク）２２に対して、第２ヨークをなす円筒状のコイルヨーク２１を外挿配置したロータ型発電機２である。
【００３３】
ロータ型発電機２では、帯状のステンレス製の平板部材の折曲げ加工等により形成された矩形環状の保持構造２８により、回端子をなすロータ２２及びコイルヨーク２１が保持されている。帯状の平板部材をコの字状に折り曲げたうえ両端を鍋の持ち手のように外側に折り曲げた屈曲部材２８５と、細長い矩形状の平板部材２８１と、を組み合わせた保持構造２８では、屈曲部材２８５の両端の外側に屈曲された連結部２８６（鍋の持ち手に当る部分）が平板部材２８１にネジや溶接等で固定され、これにより矩形環状が形成されている。
【００３４】
屈曲部材２８５では、平板部材２８１に対面する壁面に軸孔２８０が穿設されている。この軸孔２８０は、平板部材２８１に穿設された軸孔２８０との組み合わせにより、ロータ２２に貫通固定された回転軸２２５を両持ちで軸支する。また、屈曲部材２８５の相互に対向する内壁面は、コイルヨーク２１の固定面となっている。
【００３５】
ロータ２２は、軟質磁性粉末を円柱状に成型した圧粉成型品である。ロータ２２の外周面における周方向の２箇所には、マグネット２２１が配置されている。実施例１と同様、２つのマグネット２２１は、ロータ２２の回転中心を介して対向配置されている。各マグネット２２１は、１２０度に渡る断面円弧状を呈し、一方はＮ極の磁極面２２１Ｎをなし、他方はＳ極の磁極面２２１Ｓをなすようにロータ２２に保持されている。
【００３６】
コイルヨーク２１は、短冊状の平板に曲げ加工を施して断面半円状とした２つの半円部材２１３を円筒状をなすように組み合わせたものである。なお、本例では、半円部材２１３をなす平板として磁性材料である鋼板ＳＰＣＥを採用している。各半円部材２１３の両端は、屈曲部材２８５の上記の固定面にそれぞれ溶接され、これにより円筒状をなすコイルヨーク２１が形成されている。
【００３７】
ロータ型発電機２の組立作業にあっては、例えば、予めコイル２１１を設けた２つの半円部材２１３を屈曲部材２８５の内壁面に溶接し、これにより円筒状のコイルヨーク２１を形成する。次に、コイルヨーク２１を設けた屈曲部材２８５に対して、その軸孔２８０に回転軸２２５が貫通配置されるようにロータ２２を組み合わせる。さらに、回転軸２２５の他端が平板部材２８１の軸孔２８０に貫通配置されるよう、屈曲部材２８５に対して平板部材２８１を組み合わせる。その後、屈曲部材２８５の両端の連結部２８６に対して平板部材２８１をネジ等で固定すれば、ロータ型発電機２の組立作業を完了できる。
【００３８】
以上のような構成のロータ型発電機２のロータ２２は、回転軸２２５に直交する断面の構造を示す図８のごとく、回転軸２２５を中心とした径方向に磁極面２２１Ｎ・Ｓが面するようにマグネット２２１を保持している。そして、コイルヨーク２１の対峙面２１８は、径方向において磁極面２２１Ｎ・Ｓに対面している。
【００３９】
ロータ型発電機２では、円筒状のコイルヨーク２１の内周面が対峙面２１８となっており、実施例１のディスク型発電機と同様、凸極部が形成されていない。したがって、このロータ型発電機２では、ホールドトルクやコギングトルクが抑制され、小さな回転トルクによる効率的な発電が可能となっている。
なお、その他の構成及び作用効果については実施例１と同様である。
【００４０】
以上、実施例のごとく本発明の具体例を詳細に説明したが、これらの具体例は、特許請求の範囲に包含される技術の一例を開示しているにすぎない。言うまでもなく、具体例の構成や数値等によって、特許請求の範囲が限定的に解釈されるべきではない。特許請求の範囲は、公知技術や当業者の知識等を利用して前記具体例を多様に変形、変更あるいは適宜組み合わせた技術を包含している。
【符号の説明】
【００４１】
１  ディスク型発電機（誘導機）
１１  コイルヨーク（第２ヨーク）
１１１  コイル
１１８  対峙面
１２  バックヨーク（第１ヨーク）
１２１  マグネット
１２１Ｎ、１２１Ｓ  磁極面
１２５  回転軸
１８  筐体
２  ロータ型発電機
２１  コイルヨーク（第２ヨーク）
２１１  コイル
２１８  対峙面
２２  ロータ（第１ヨーク）
２８  保持構造
【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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