(57)【要約】【課題】  回転電機の効率、特に回転速度変化時の効率を改善する。【解決手段】  回転系を多軸化することで、回転系の慣性モーメントを抑え、回転速度変化時の損失を減らす。また、磁石１１２、１２２を取り付けた回転軸１１１、１２１を平行に配置することで回転軸同士が磁気的に干渉し、回転軸に中性状態が生じる。回転軸を外力により回転させると、中性状態への復元力として、回転に要したエネルギーの一部が電磁エネルギーとして保存される。このエネルギーを回生することで、特に回転速度変化時に効率の良い回動電機となる。【選択図】図１
2017169376.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と、
回転軸に対して垂直な成分の磁力線を発生させる磁石と、
コイルと、
継鉄と、
から成る多軸型回動電機であって、
前記回転軸と前記磁石を用いて磁場発生回転軸を構成し、
前記磁場発生回転軸を互いの磁力が干渉する距離に複数平行配置して磁場発生回転軸群を成し、
前記磁場発生回転軸群を回転させることができる距離、
或いは、
前記磁場発生回転軸群が回転した時の磁力線の変化の影響を受けることができる距離、
に１つ以上の前記コイルを配置し、
前述の位置関係で前記磁場発生回転軸群と前記コイルを保持し、かつそれぞれの前記磁場発生回転軸の発する磁束の磁気回路を構成するよう形成された前記継鉄、
を備えたこと特徴とする多軸型回動電機。
【請求項２】
回転軸と、
回転軸に対して垂直な成分の磁力線を発生させる磁石と、
コイルと、
継鉄と、
磁場発生回転軸と同数の磁場発生回転軸用歯車と、
主軸と、
主軸用歯車と、
から成る多軸型回動電機であって、
前記回転軸と前記磁石を用いて磁場発生回転軸を構成し、
前記磁場発生回転軸を互いの磁力が干渉する距離に複数平行配置して磁場発生回転軸群を成し、
前記磁場発生回転軸群を回転させることができる距離、
或いは、
前記磁場発生回転軸群が回転した時の磁力線の変化の影響を受けることができる距離、
に１つ以上の前記コイルを配置し、
同時に前記磁場発生回転軸それぞれに前記磁場発生回転軸用歯車を取りつけ、
前記主軸にも前記主軸用歯車を取りつけ、
前記主軸の回転に伴い全ての前記磁場発生回転軸が同位相で回転するように前記主軸用歯車と前記磁場発生回転軸用歯車を連結し、
前述の位置関係で前記磁場発生回転軸、前記コイル、前記主軸を保持し、同時に前記主軸用歯車と前記磁場発生回転軸用歯車の連結を構成し、かつ前記磁場発生回転軸それぞれの発する磁束の磁気回路を構成するよう形成された前記継鉄、
を備えたことを特徴とする多軸型回動電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸を複数備えたことを特徴とする多軸型回動電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回転電機の用途は広く、機械的動力と電気エネルギーの変換器として、幅広い分野で応用されている。発電設備における巨大な発電機として、或いは大型機械や産業用ロボット等の電動機としての用途にとどまらず、携帯電話の振動発生器（バイブレータ）や小型ロボット、玩具などに供される小型電動機として、等々、大型、小型の回転電機は特定の用途に向けて様々な構成のものが存在する（例えば、非特許文献１や非特許文献２参照）。
【０００３】
一般に、回転電機はある定速回転時に効率が最大になるように設計されている。多くの用途は定速回転が前提であるため、このような設計で問題が出ることはなかった。
【０００４】
しかしながら、前述の振動発生器（バイブレータ）用の電動機では振動パターンを変化させる等の応用があり（例えば、特許文献１参照）、加減速、停止或いは逆回転を頻繁に行う場合がある。また、自然エネルギーを源泉とした発電では安定した回転力を得ることは難しく、他の機械的部品、即ちはずみ車・クラッチ・ギヤなどと組み合わせたり（例えば、特許文献２参照）、ポンプ等エネルギーの積分器となるような装置と組み合わせて発電機が定速回転するように工夫して使っているのが現状である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−１７６５６２号公報
【特許文献２】特開２０１４−９５３７３号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】一般社団法人 電気学会著  「電気機械工学」改訂版  １９８５年
【非特許文献２】井出萬盛著  「「モータ」のキホン」  ２０１０年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、回転電機の電気エネルギーと機械的エネルギーの変換効率の改善である。特に、従来の回転電機は一定速度（最適な出力）で回転する時に電気エネルギーと機械的エネルギーが効率よく変換できるような構成であり、回転速度が変化するような回転電機の応用では、電気エネルギーと機械的エネルギーの変換効率が低下していた点である。
【０００８】
従って、本発明が解決を図る課題は、回転速度の変化時において、電気エネルギーと機械的エネルギーの変換効率の低下を抑えた多軸型回動電機を構成することである。
【０００９】
なお、回転とは軸を中心に一方向に回る運動を指し、回動とは軸を中心に双方向に回る運動を指すため、本発明の主張する電気エネルギーと機械的エネルギーの変換装置を回動電機と呼ぶ。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、前記課題を解決するために考案されたものであって、回転軸と、回転軸に対して垂直な成分の磁力線を発生させる磁石と、コイルと、継鉄と、を基本構成とする多軸型回動電機であって、回転軸に、回転軸に対して垂直な成分の磁力線を発生させる磁石を取り付け磁場発生回転軸を構成し、その磁場発生回転軸を互いの磁力が干渉する距離に複数平行配置し、磁場発生回転軸群を回転させることができる距離、或いは、磁場発生回転軸群が回転した時の磁力線の変化の影響を受けることができる距離、に１つ以上のコイルを配置し、前述の位置関係で磁場発生回転軸群とコイルを保持し、かつ磁場発生回転軸の発する磁束の磁気回路を構成する継鉄、という構成を特徴とする多軸型回動電機である。
【００１１】
このような構成とすることにより、
装置の回転系の慣性モーメントの総和を抑えることができる、
磁場発生回転軸群の互いの磁力の干渉により軸同士の中性状態が生まれ、中性状態から外れる際に要するエネルギーの一部が磁気エネルギーとして回転系に蓄えられる、
という２つの特徴を有するようになる。
ここで、回転系とは、動作の際にある軸を中心に回転する全ての構成要素であって、従来の回転電機では、回転軸、電気子、電気子鉄心、整流子などが含まれる。
【００１２】
回転に要するエネルギーＫは慣性モーメントＩと角速度ωの２乗の積に比例し（Ｅ＝Ｉω２／２）、慣性モーメントＩは回転系を微小な領域に細分化し、各々の領域の微小質量Δｍと回転軸からの距離つまり回転半径ｒの２乗を取り、全ての領域で総和を取ったものである（Ｉ＝ΣΔｍ・ｒ２）。ゆえに、速度変化に伴う回転系とその外系とのエネルギー収支は慣性モーメントに依存し、従って本発明が主張する慣性モーメントを抑えることができる構成の多軸型回動電機は、速度変化に伴うエネルギー損失を抑えることができる。
【００１３】
また、磁力を発する複数の磁場発生回転軸群を互いの磁力が干渉する距離に平行配置することで、磁気的或いは機械的な外力を与えられない限り、磁場発生回転軸群はある安定した状態を維持するようになる。一般に、安定な状態にある系に対して外力により変化を与えると、その変化のために非保存力の成した仕事は損失となり、保存力として働いた力の成した仕事は系のエネルギーとして蓄えられる。この蓄えられたエネルギーは、系が再び安定状態に戻ろうとする時に回生できる。
【００１４】
従って、当発明が主張する複数の磁場発生回転軸を平行配置するという手段は、複数の磁場発生回転軸に中性状態（安定状態）を持たせ、前述した課題である効率改善に寄与する。
【００１５】
中性状態にある多軸型回動電機を何らかの外力により磁場発生回転軸群を回転させ、中性状態から外れてなお回転させ続けると、ある回転角を境界として、磁場発生回転軸群が中性状態に戻ろうとする復元力の向きが反転する。この、中性状態に向かう復元力の向きが反転する境界となる状態を境界状態と呼ぶこととする。
【００１６】
反時計回りを例に挙げ説明すると、中性状態にある多軸型回動電機を外力により反時計回りに回転させると、境界状態までは時計回りの反発力が働き、回転に対して抵抗力となる。しかし、さらに回転させ続け境界状態を過ぎると、復元力は反時計回り方向に働き、従って回転に対する加速力となる。
【００１７】
この加速力の源泉は、最初の中性状態から境界状態へ至る過程で、外力が復元力（抵抗力）に対して成した仕事であり、エネルギー収支としてはゼロである。しかし、境界状態を過ぎた状態で得られる加速力により回転速度が増し、磁場発生回転軸群がもたらす磁束変化は高速になり、従って磁場発生回転軸群の周囲に配されたコイルに対して、高い起電力を発生させる。コイルに発生する起電力は、磁束密度変化速度に比例するからである。前述のとおり、エネルギー収支としてはゼロであり、コイルの起電力が高電圧化すると同時に低電流化する。
【００１８】
以上述べた特徴により、本発明の主張する多軸型回動電機を用いて発電すると、起電力を高電圧・低電流化させる。一般に、高電圧・低電流の電力のほうが銅損を抑えることができ、系全体でのエネルギー効率は上昇する。同時に、高電圧のほうが直流（ＤＣ）変換効率も高くなる。多軸型回動電機は一定の外力で等速回転させようとしても、高電圧・低電流化により優れた変換効率となる。
【００１９】
当発明の主張する多軸型回動電機は前述のとおり軸を複数備えているが、機械的動力との接点を１つの軸とし、従来の回転電機を用いた発電機・電動機と同等に扱える構成が好ましい応用も考えられる。
【００２０】
すなわち、回転軸と、回転軸に対して垂直な成分の磁力線を発生させる磁石と、コイルと、継鉄と、磁場発生回転軸と同数の磁場発生回転軸用歯車と、主軸と、主軸用歯車と、から成る多軸型回動電機であって、回転軸に、回転軸に対して垂直な成分の磁力線を発生させる磁石を取り付け磁場発生回転軸を構成し、磁場発生回転軸を互いの磁力が干渉するように複数並行配置し、磁場発生回転軸に隣接する位置に１つ以上のコイルを配置し、同時に磁場発生回転軸に、磁場発生回転軸用歯車を取りつけ、主軸にも主軸用歯車を取りつけ、主軸の回転に伴い全ての磁場発生回転軸が同位相で回転するように主軸用歯車と磁場発生回転軸用歯車を連結し、前述の位置関係で磁場発生回転軸、コイル、主軸を保持し、同時に主軸用歯車と磁場発生回転軸用歯車の連結を構成し、かつ磁場発生回転軸の発する磁束の磁気回路を構成する継鉄、という構成を特徴とする多軸型回動電機は、従来の発電機・電動機との置き換えを容易にする。
【００２１】
磁場発生回転軸用歯車、主軸、主軸用歯車を追加することで、従来の発電機・電動機との置き換えが容易になるのみでなく、磁場発生回転軸がより正確に同位相で回転することを機械的に保証できる。磁場発生回転軸が同位相で回転することは、前述の反発力および復元力の発生タイミングが揃うことになり、結果として復元力および反発力の強化をもたらす。これは、得られる電力の高電圧・低電流化という特性をより顕著にするものである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、既存の回転電機が用いられていた発電・電動システムにおいて、回転速度変化時の機械的損失を抑えることで効率を改善できる。また、多軸化により中性状態を持つことで、回転に要したエネルギーの一部を回生しての高効率化、起電力の高電圧化により銅損の低減と、直流変換効率の改善を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、２軸１極の場合の多軸型回動電機の基本構造を示したものである。
【図２】図２は、図１の２軸１極型多軸型回動電機において、コイルに通電し磁化した際の回転軸の状態を例示したものである。
【図３】図３は、図１の２軸１極型多軸型回動電機の中性角と中性境界角、及び磁石同士の復元力を説明するものである。
【図４】図４は、図１の２軸１極型多軸型回動電機を使用する際の応用回路の例である。この回路例はエネルギー回生も可能としている。
【図５】図５は、多軸型回動電機の回転軸の構成例の１つ、３軸１極型の多軸型回動電機である。
【図６】図６は、多軸型回動電機の構成例の１つ、７軸６極型の多軸型回動電機である。
【図７】図７は、図１の多軸型発回動電機に主軸等を加え、発電機とする場合の構成を示したものである。
【図８】図８は、３軸３極の多軸型回動電機の構成を示したものである。
【図９】図９は、図８の多軸型回転電機の中性角と中性境界角の説明図である。
【図１０】図１０は、図８の多軸型回転電機を電動機とする場合のコイル制御の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
［第一実施形態］
本発明が主張する多軸型回動電機の構成の中で、最も簡単な構成となる２軸の多軸型回動電機を図１に示す。以降これを第一実施形態とする。図１において、図１（Ａ）の（ｂ）−（ｂ）断面を示したものが図１（Ｂ）である。
【００２５】
図１に基づいて、第一実地形態の構成を説明する。２つの回転軸１１１、１２１と、その前記回転軸それぞれに、回転軸に対して垂直方向の成分を有する磁束を発生させる磁石１１２、１２２が取り付けられた磁場発生回転軸１１、１２（つまり磁場発生回転軸１１は前記回転軸１１１と前記磁石１１２から成り、磁場発生回転軸１２は前記回転軸１２１と前記磁石１２２から成る）を２本平行配置し、その２つの前記磁場発生回転軸１１、１２に面する形で１つのコイル２１を配置し、それら前記磁場発生回転軸１１、１２と前記コイル２１を保持し、かつ前記磁場発生回転軸１１、１２の発する磁力線との磁気回路を形成する継鉄３１から成る。なお、図１では磁石１１２、１２２は円筒形であるが、それぞれの前記磁場発生回転軸の軸に対して垂直な成分の磁場を発生させるものであればよく、形状は円筒型に限定されない。
【００２６】
加えて、図１では図面の複雑化を避けるため省略してあるが、継鉄３１は回転軸１１１、１２１を軸受けにより支持することが効率上好ましい。回転系を支持する際に軸受けを用いることは、回転電機のみならず多種の機械で見られる効率改善の構成であるため、第一実施形態以外の構成の説明図でも省略し、特に説明も行わない。
【００２７】
多軸化により、本発明が主張する多軸型回動電機の第一の特徴である、慣性モーメント低減という効果を得られる。磁石を用いる装置において、磁石の磁束数を定めた場合に、磁石のために最低限必要となる容積が定まる。全ての磁石を１つの回転軸に収める構成（つまり、ある容積を１つの軸の周りに配する場合）と比して、多数の軸に分散して磁石を収める（つまり、ある容積を多数の軸に分散して配する）構成のほうが、回転系で見た時の慣性モーメントを低くできる（細長い回転軸とする構成も慣性モーメントの低減を図れるが、回転電機の場合は付随するコイルも細長くなり効率が悪化するなどの短所がある）。回転系の慣性モーメントが低く抑えられることで、回転系の回転速度変化に対する機械的エネルギー損失を抑えることができる。
【００２８】
続いて、第一実施形態の多軸型回動電機の動作を説明する。図１（Ａ）の状態にある多軸型回動電機において、コイル２１に通電し、図２に示すように磁場発生回転軸１１、１２に面するほうがＳ極となるようにコイル２１を磁化したとする。このとき、２つの磁場発生回転軸１１、１２のＮ極は磁化したコイル２１のＳ極に引き付けられる方向に回転する。図１の状態から図２の状態に移行する際、コイル２１と磁場発生回転軸１１、１２の間には電磁力による引力が発生しており、従ってコイル２１とそれを固定する継鉄３１は磁場発生回転軸１１、１２の方向に力を受け、それが振動力となる。
【００２９】
図２の状態にてコイル２１の磁化を解くと、磁場発生回転軸１１、１２が再び図１（Ａ）の状態に戻ろうとする。磁化を解いた瞬間は、磁場発生回転軸１１、１２より出る磁束はコイル２１を貫くものが図１（Ａ）の状態にあったときより多くなっているが、やがて２つの磁場発生回転軸１１、１２は『中性状態』（この中性状態の詳細は図３を用いて後に説明する）である図１（Ａ）の位置関係に戻り、それに伴いコイル２１を貫いていた磁束も減り、コイル２１には起電力が発生する。
【００３０】
中性状態にない磁場発生回転軸１１、１２は互いの磁力の干渉により中性状態に戻ろうとする復元力が働くが、コイル２１を磁化して磁場発生回転軸群１１、１２を回転させるのに要したエネルギーのうち、機械的動力として使われたエネルギー及び非保存力として成された仕事以外のエネルギーはこの復元力の形で蓄えられている。これを、以降は非中性状態エネルギーと呼ぶ。この非中性状態エネルギーを回生することが、当発明が主張する従来型の回転電機に対する効率改善を可能としている。
【００３１】
中性状態の詳細と非中性状態エネルギーの原理を図３を用いて説明する。図３には磁場発生回転軸１１、１２の状態を４つ示してある。状態＜Ｎ０００＞と状態＜Ｎ１８０＞は中性状態であり、＜Ｎ０００＞から磁場発生回転軸１１、１２が１８０度回転した状態が＜Ｎ１８０＞である。この２状態の間には、復元力Ｆｒ（磁場発生回転軸１１、１２の磁力干渉による復元力）の働く向きが変わる境界角があり、以降これを『中性境界角』と呼ぶ。
【００３２】
図３に示したとおり、磁場発生回転軸を２つ並べた構成では、状態＜Ｎ０００＞を基準として、もう一つの中性状態＜Ｎ１８０＞とのちょうど中間にあたる、９０度、２７０度の角度に中性境界角がある（図３の＜Ｂ０９０＞と＜Ｂ２７０＞はその中性境界角を示している）。なんらかの外力を用いて磁場発生回転軸１１、１２を中性状態から外れた状態にすると、磁場発生回転軸１１、１２の磁力干渉を源泉とする復元力の形でエネルギーを蓄えた状態となる。第一実施形態において、振動力を得るために図１（Ａ）のコイル２１を磁化して磁場発生回転軸１１、１２との間に引力を発生させ磁場発生回転軸１１、１２を回転させると、回転に要したエネルギーの一部は非中性状態エネルギーとなる。
【００３３】
第一実施形態の多軸型回動電機において、コイル２１が磁化されることによって蓄えられた磁気エネルギーと、非中性状態エネルギーは、コイル２１の磁化を解いた際に再び電気エネルギーとして回生することができる。回生は、多軸型回動電機９０１、電源９０２、スイッチング素子９０３、制御装置９０４（スイッチング素子９０３を制御するためのマイコンなど）、ダイオード９０５、コンデンサ９０６からなる図４のような昇圧型スイッチングレギュレータ形式のほか、多軸型振動発生器９０１をコイルとみなしたスイッチングレギュレータ構成で可能である。
【００３４】
以上、第一実施形態で述べた多軸型回動電機は、２つの回転軸１１１、１２１と、その前記回転軸それぞれに、回転軸に対して垂直方向の成分を有する磁束を発生させる磁石１１２、１２２が取り付けられた磁場発生回転軸１１、１２（つまり磁場発生回転軸１１は前記回転軸１１１と前記磁石１１２から成り、磁場発生回転軸１２は、前記回転軸１２１と前記磁石１２２から成る）を２本平行配置し、その２つの前記磁場発生回転軸１１、１２に面する形で１つのコイル２１を配置し、それら前記磁場発生回転軸１１、１２と前記コイル２１を保持し、かつ前記磁場発生回転軸１１、１２の発する磁力線との磁気回路を形成する継鉄３１から成る多軸型回動電機であって、次のような効果を得られる。
【００３５】
第一実施形態の多軸型回動電機は、回転系の慣性モーメントを抑えた構成が可能となり、回転系の回転速度が変化するような回転電機の応用事例において、機械的損失を抑えることで、その応用システムの機械・電機エネルギーの変換効率を上げることができる。また、磁石を備える２つの軸（磁場発生回転軸）の磁力が干渉することにより軸同士に中性状態が生まれ、軸の状態をこの中性状態から外れた状態にする際に要する仕事の一部が非中性状態エネルギーとして蓄えられ、再びこれを回生することで従来の回転電機よりも優れた効率の多軸型回動電機を実現できる。
【００３６】
［第二実施形態］
続いて、図５に基づき、第一実施形態の応用型である３軸１極型の多軸型回動電機の構成を説明する。以降、これを第二実施形態とする。
【００３７】
第二実施形態の構成は、基本的に第一実施形態（図１）を踏まえたものとなっている。即ち、第一実施形態では２軸であった磁場発生回転軸１１、１２に加えて３軸目となる磁場発生回転軸１３（回転軸１３１と磁石１３２より成る）を加えた３軸構成となっているのが第二実施形態の特徴であり、磁場発生回転軸３つは直線状に並んでいる。３軸目（磁場発生回転軸１３）の追加により、磁場発生回転軸群１１、１２、１３に隣接配置されるコイル２１は第一実施形態に比べて大きくなり、同時に継鉄３１も大きくなる。なお、図５では磁石１１２、１２２、１３２は円筒形であるが、それぞれの磁場発生回転軸の軸に対して垂直な成分の磁場を発生させるものであればよく、形状は円筒型に限定されない。
【００３８】
第二実施形態の動作原理なども第一実施形態に準ずる。第二実施形態では第一実施形態に比べて、磁束の増加、コイルの断面積の増大により、第一実施形態と第二実施形態の厚みを同等としても、より強力な振動力を発生しうる。装置の厚みに制約がある場合は、３軸に限らず、厚みの制約の中で軸数を４軸以上から適宜選択することで、最適な構成を選択できる。
【００３９】
［第三実施形態］
続いて、図６に基づき、第一実施形態の応用型である７軸６極型の多軸型回動電機の構成を説明する。以降、これを第三実施形態とする。
【００４０】
第三実施形態の構成も、基本的には第一実施形態（図１）を踏まえたものであるが、第二実施形態が直線状に軸を追加したものであったのに対して、第三実施形態は平面的に、かつ軸をいわゆる六方最密構造で配置する。この構成は、第一実施形態で述べた多軸化の利点を得つつ、同一の体積で最大の機械的、あるいは電気的出力を得る際に最適な構成となる。
【００４１】
即ち、７つの磁場発生回転軸（１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７）はそれぞれ回転軸（１１１、１２１、１３１、１４１、１５１、１６１、１７１）と磁石（１１２、１２２、１３２、１４２、１５２、１６２、１７２）から成り、また６つのコイル（２１、２２、２３、２４、２５、２６）を前記磁場発生回転軸（１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７）に隣接配置する。継鉄３１は前記構成に伴い六角柱状となる。なお、図６では磁石１１２、１２２、１３２、１４２、１５２、１６２、１７２は円筒形であるが、それぞれの磁場発生回転軸の軸に対して垂直な成分の磁場を発生させるものであればよく、形状は円筒型に限定されない。
【００４２】
第三実施形態の軸の配置は、前述のとおり、同一体積において多軸化の利点を得ながら磁場発生回転軸群（１１、１２、１３、１４、１５，１６、１７）の磁束数を最大にするものであるが、前記磁場発生回転軸群の干渉により、中性角および中性境界角（中性角と中性境界角については第一実施形態において図３を用いて説明した）は３０度おきとなるが、電力回生などの原理は第一実施形態に準ずる。軸数の増加が許される場合、六方最密構造を基本として軸数を増やすほど、多軸化の利点の一つである慣性モーメントの低減が図れるため、コストや装置形状、装置の応用の観点から軸数を適宜選択することで最適な変換効率が得られる。
【００４３】
［第二実施形態と第三実施形態の組合せ］
また、第二実施形態で述べた軸の直線状配置と、第三実施形態で述べた軸の六方最密配置を組み合わせることで、目的の装置形状という制約の中で、最適な多軸型回動電機を構成できる。
【００４４】
［第四実施形態］
続いて、図７に基づき、多軸型回動電機を、回転エネルギーから電気エネルギーを得られる発電機として用いるための構成を図７に示す。これを以降は第四実施形態とする。なお、図７において、図７（Ａ）の（ｂ）−（ｂ）断面を示すものが図７（Ｂ）であり、同様に図７（Ａ）の（ｃ）−（ｃ）断面を示すものが図７（Ｃ）である。
【００４５】
第四実施形態は、第一実施形態に主軸４１を加え、発電機として扱いやすいように機械的動力との接点を１つの軸としたものである。即ち第四実施形態は、第一実施形態の磁場発生回転軸１１、１２それぞれに磁場発生回転軸用歯車１１３、１２３をつけ、前記磁場発生回転軸用歯車１１３、１２３と、主軸用歯車４２を介して前記主軸４１と接続する。この際、２つの前記磁場発生回転軸用歯車１１３、１２３は同じ歯数とし、前記主軸４１の回転に伴う前記磁場発生回転軸１１、１２の回転は同位相となるようにする。継鉄３１は、前記磁場発生回転軸用歯車１１３、１２３と前記主軸用歯車４２が正常に噛み合い、前記主軸４１を支持できるように拡張する。
【００４６】
第四実施形態の動作を説明する。前記主軸４１を回転させると、前記磁場発生回転軸１１、１２は同位相で回転し始める。図３で詳しく説明したように、隣接配置された２つの前記磁場発生回転軸１１、１２はお互いの磁力により互いに干渉するため図３の中性状態＜Ｎ０００＞、＜Ｎ１８０＞が安定であり、その状態から外れても、角度的に近い中性状態に戻ろうとする復元力が働く。
【００４７】
より動作を詳しく説明するために、図３の状態＜Ｎ０００＞にある第四実施形態の多軸型回動電機を反時計回りに回転させた場合を例とする。図３＜Ｎ０００＞から図３＜Ｂ０９０＞までは、前記磁場発生回転軸１１、１２を＜Ｎ０００＞に戻そうとする復元力となるため、前記磁場発生回転軸１１、１２を９０度回転させるまでは、回転に対して反発力が働くことになる。この反発力に対してなされた仕事は、機械的損失を除いて非中性状態エネルギーとして蓄えられる。
【００４８】
その状態からさらに前記主軸４１を回転させ続け、前記磁場発生回転軸１１、１２の状態が、図３＜Ｂ０９０＞を越えたとする。このとき、回転に対して反発力であった前記磁場発生回転軸１１、１２の復元力は、＜Ｂ０９０＞を越えた瞬間から、回転に対する加速力となる。この加速力は、＜Ｎ０００＞から＜Ｂ０９０＞までの間に蓄えられた非中性状態エネルギーを源泉とするものであり、装置の外部から主軸４１に加えられている回転力に加えて、さらに回転を加速させる作用をもたらす。
【００４９】
従って、第四実施形態の多軸型回動電機は、＜Ｎ０００＞から＜Ｂ０９０＞までに蓄えたエネルギーを、＜Ｂ０９０＞から＜Ｎ１８０＞までの加速度という形で放出する、一種のエネルギー積分器様の作用を持つ。
【００５０】
このエネルギー積分器様の作用により、第四実施形態の多軸型回動電機を前述の方向に回転させた場合、外力により得られる回転速度の期待値に対して、反発力により回転が低速になる領域＜Ｎ０００＞−＜Ｂ０９０＞及び＜Ｎ１８０＞−＜Ｂ２７０＞区間（以降『低速回転区間』）と、加速力により回転が高速になる区間＜Ｂ０９０＞−＜Ｎ１８０＞及び＜Ｂ２７０＞−＜Ｎ０００＞区間（以降『高速回転区間』）が存在する。従って、『低速回転区間』に蓄えたエネルギーを『高速回転区間』で放出して磁場発生回転軸を高速回転させ、つまりはコイル２１の磁束変化の部分的な高速化をもたらし、第四実施形態の多軸型回動電機から得られる電気エネルギーは高電圧低電流となる。
【００５１】
以上、第四実施形態で述べた多軸型回動電機は、２つの回転軸１１１、１２１と、その前記回転軸それぞれに、回転軸に対して垂直方向の成分を有する磁束を発生させる磁石１１２、１２２、および磁場発生回転軸用歯車１１３、１２３が取り付けられた磁場発生回転軸１１、１２（つまり磁場発生回転軸１１は前記回転軸１１１と前記磁石１１２と前記磁場発生回転軸用歯車１１３から成り、磁場発生回転軸１２は前記回転軸１２１と前記磁石１２２と前記磁場発生回転軸用歯車１２３から成る）を２本平行配置し、その２つの前記磁場発生回転軸１１、１２の前記磁石１１２と１２２に面する形で１つのコイル２１を配置し、また主軸用歯車４２を取り付けた主軸４１を、前記磁場発生回転軸用歯車１１３、１２３と前記主軸用歯車４１が噛み合うように配置し、それらの前記磁場発生回転軸１１、１２と前記コイル２１および前記主軸４１を保持し、かつ前記磁場発生回転軸１１、１２の発する磁力線との磁気回路を形成する継鉄３１から成る多軸型回動電機であって、次のような効果を得られる。
【００５２】
第四実施形態の多軸型回動電機は、発電機として扱いやすいように機械的動力との接点を１つの軸（主軸４１）とし、得られる電気エネルギーが高電圧低電流という特性から銅損を抑え、機械的エネルギーから電気的エネルギーへの変換効率を高めることができる。また、高電圧の電気エネルギーとなるため、特に直流（ＤＣ）変換などを前提としたシステムでは高変換効率となる。
【００５３】
［第五実施形態］
次に、図８から図１０を用いて、多軸型回動電機を電動機として扱うための構成や原理、手段を説明する。以降、図８に基づく構成の多軸型回動電機を第五実施形態とする。
【００５４】
まず図８により、第五実施形態の構成を説明する。３つの回転軸１１１、１２１、１３１と、前記回転軸それぞれに、回転軸に対して垂直方向の成分を有する磁束を発生させる磁石１１２、１２２、１３２が取り付けられた磁場発生回転軸１１、１２、１３（つまり磁場発生回転軸１１は前記回転軸１１１と前記磁石１１２から成り、磁場発生回転軸１２は、前記回転軸１２１と前記磁石１２２から成り、磁場発生回転軸１３は前記回転軸１３１と前記磁石１３２から成る）を正三角形状に３本平行配置し、その３つの前記磁場発生回転軸１１、１２、１３に面する位置に３つのコイル２１、２２、２３を配置し、それら前記磁場発生回転軸１１、１２、１３と前記コイル２１、２２、２３を保持し、かつ前記磁場発生回転軸１１、１２、１３の発する磁力線との磁気回路を形成する継鉄３１から成る。なお、図８では磁石１１２、１２２、１３２は円筒形であるが、軸に対して垂直な成分の磁場を発生させるものであればよく、形状は円筒型に限定されない。
【００５５】
続いて、第五実施形態の原理を、図９を用いて説明する。３つの前記磁場発生回転軸１１、１２、１３を正三角形状に配置した場合、中性状態は図９の＜Ｎ０００＞の状態を基準として、６０度おきに存在する。即ち、図９中の＜Ｎ０００＞、＜Ｎ０６０＞、＜Ｎ１２０＞、＜Ｎ１８０＞、＜Ｎ２４０＞、＜Ｎ３００＞が中性状態である。また、前述した６つの中性状態の中間地点、即ち図９中の＜Ｂ０３０＞、＜Ｂ０９０＞、＜Ｂ１５０＞、＜Ｂ２１０＞、＜Ｂ２７０＞、＜３３０＞は、復元力Ｆｒの向きが反転する中性境界角である。
【００５６】
中性状態および中性角、中性境界角の詳細については第一実施形態のなかで説明しているが、この３軸の系に対して外力が働かない状態ではいずれかの中性状態にて安定し、また何らかの外力によりこの系が中性状態から外れた状態となった場合には、中性状態に戻そうとする復元力Ｆｒが働く。中性境界角を越えると復元力Ｆｒの向きは反転する。
【００５７】
引き続き、第五実施形態の多軸型回動電機を電動機として用いる場合のコイル２１、２２、２３の制御方法を、図１０とともに説明する。図１０には６つの中性状態と、それに対応するコイルの磁化状態を示している。図１０において、コイル２１、２２、２３は磁場発生回転軸１１、１２、１３側をＳ極とするように磁化させてあるが、これは第一実施形態の説明で述べたように、電力回生用の回路（図４）を簡略化するためであり、コイル２１、２２、２３を双方向に磁化できるようにした場合は制御は単純化されるが、以降は図１０のように、磁場発生回転軸側をＳ極とするようにのみコイル２１、２２、２３は磁化できるものとして説明する。
【００５８】
第五実施形態の磁場発生回転軸１１、１２、１３を中性状態＜Ｎ０００＞にするには、コイル２１、２２を磁化する。同様に、＜Ｎ０６０＞の状態にするにはコイル２２を磁化、＜Ｎ１２０＞とするにはコイル２２、２３を磁化、＜Ｎ１８０＞とするにはコイル２３を磁化、＜Ｎ２４０＞とするにはコイル２３、２１と磁化、＜Ｎ３００＞とするにはコイル２１を磁化する。
【００５９】
従って、各中性状態に対応するコイル２１、２２、２３の磁化の組み合わせによって、磁場発生回転軸１１、１２、１３は、中性状態＜Ｎ０００＞、＜Ｎ０６０＞、＜Ｎ１２０＞、＜Ｎ１８０＞、＜Ｎ２４０＞、＜Ｎ３００＞のいずれの状態にも制御することができる。その制御状態を連続的に切り替えることで電動機としての持続的な回転動作を実現できるほか、任意のタイミングで各中性状態にすることで、６０度刻みの１種のステッピングモータとしての動作なども実現できる。
【００６０】
また、電動機は機械的動力を供するものであるが、このとき多軸型回動電機との機械的動力の接点が１つであることが望ましければ、第四実施形態のように、主軸と主軸用歯車と磁場発生回転軸用歯車を加えた構成とし、それらも保持するように継鉄３１を拡張すればよい。
【００６１】
以上、第五実施形態で述べた多軸型回動電機は、３つの回転軸１１１、１２１、１３１と、前記回転軸それぞれに、回転軸に対して垂直方向の成分を有する磁束を発生させる磁石１１２、１２２、１３２が取り付けられた磁場発生回転軸１１、１２、１３（つまり磁場発生回転軸１１は前記回転軸１１１と前記磁石１１２から成り、磁場発生回転軸１２は、前記回転軸１２１と前記磁石１２２から成り、磁場発生回転軸１３は前記回転軸１３１と前記磁石１３２から成る）を正三角形状に３本平行配置し、その３つの前記磁場発生回転軸１１、１２、１３に面する位置に３つのコイル２１、２２、２３を配置し、それら前記磁場発生回転軸１１、１２、１３と前記コイル２１、２２、２３を保持し、かつ前記磁場発生回転軸１１、１２、１３の発する磁力線との磁気回路を形成する継鉄３１から成り、次のような効果を得られる。
【００６２】
図１０を用いて説明したように、磁場発生回転軸１１、１２、１３の６つの中性状態＜Ｎ０００＞、＜Ｎ０６０＞、＜Ｎ１２０＞、＜Ｎ１８０＞、＜Ｎ２４０＞、＜Ｎ３００＞と、３つのコイル２１、２２、２３の磁化の状態は対応しており、３つのコイルの状態を制御することで、磁場発生回転軸を任意の中性状態にできる。従って、３つのコイルの状態を連続的に変化させることで、定常回転する電動機としての動作や、任意のタイミングで６０度刻みのの角度の回転が得られるステッピングモータ様の動作をさせることができる。加えて、多軸型回動電機の利点である、回転速度変化時の損失が少ないという特徴も有している。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明によれば、回転電機の応用のうち、回転速度の変化を伴う振動発生器（バイブレータ）や回転速度を安定させにくい自然エネルギーを源泉とする発電機などにおいて、機械・電機エネルギーの変換効率の向上や装置の簡素化を図れる。
【符号の説明】
【００６４】
１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７：磁場発生回転軸
１１１、１２１、１３１、１４１、１５１、１６１、１７１：回転軸
１１２、１２２、１３２、１４２、１５２、１６２、１７２：磁石
１１３、１２３：磁場発生回転軸用歯車
２１、２２、２３、２４、２５、２６：コイル・電磁石
３１：継鉄
４１：主軸
４２：主軸用歯車
９０１：多軸型回転電機
９０２：電源
９０３：スイッチング素子
９０４：制御装置（マイコンなど）
９０５：ダイオード
９０６：コンデンサ或いは電池
【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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【図９】
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【図１０】
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