(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３相の巻線を有する固定子と、少なくとも２個の回転自在に設けられたプーリと、前記プーリ間にかけられた可とう性のある環状の可動体を有し、この環状の可動体は前記固定子に対して相対的に運動可能に設け、前記固定子は、両面に前記可動体が対向し、前記可動体の運動による固定子と可動体との相対運動の向きは、前記両面で相互に逆であり、前記固定子は両面に溝を持つ鉄心を有し、各相の巻線は表側の溝と裏側の溝を連絡して所定のターン数巻かれ、３相の内の２相の巻線は表側の溝と裏側の溝を連絡する部分で交差するように設け、この運動により前記巻線の鎖交磁束を変化させ、前記巻線からの電流の授受により、機械エネルギーと電気エネルギーの交換を行う電気機械。
【請求項２】
可動体は、永久磁石を有し、運動によって巻線は前記永久磁石から受ける磁束の変化による誘導起電力を発生する請求項１に記載の電気機械。
【請求項３】
可動体は、巻線との間に磁気結合を持つ短絡コイルを有する請求項１に記載の電気機械。
【請求項４】
巻線に接続されたインバータ回路を有し、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する請求項１〜３のいずれか１項に記載の電気機械。
【請求項５】
巻線に接続された負荷を有し、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する請求項１〜３のいずれか１項に記載の電気機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、家庭用や業務用に使用され、電気エネルギーから機械エネルギーに変換し、あるいは機械エネルギーから電気エネルギーに変換する電気機械に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種電気機械としては、図７に示すように、固定子１と移動子２を有し、固定子１は珪素鋼板を積み重ねて構成した鉄心３を有し、鉄心３の一方の面には溝４〜８を有しており、３相とした巻線１１〜１６を設けているものとなっている。
【０００３】
一方、移動子２は永久磁石１７〜２４を鉄板２５に接着して構成している。移動子２は、図７においては上下方向のみ自在に運動できるように支持されており、図の奥行き方向や、横方向への動きはできないものとしている。
【０００４】
巻線１１、１４は直列に接続されてＵ相、巻線１２、１５は直列に接続されてＶ相、巻線１３、１６は直列に接続されてＷ相とし、３相のインバータ回路２６に接続されている。
【０００５】
以上の構成において、インバータ回路２６から三相の電力が巻線１１〜１６に供給されると、永久磁石１７〜２４から発せられた磁束が、各巻線と鎖交していることから、フレミングの左手の法則で知られる電磁力が発生し、固定子１と移動子２の間に力が発生し、移動子２は上下方向に運動し、インバータ回路２６から供給された電気エネルギーが、機械エネルギーに変換されるものとなり、一般にリニアモータと呼ばれる直線運動を行うものとなる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の構成の電気機械では、回転運動を行う電動機等とは異なり、運動の終点（端）が存在し、固定子１の長さＬ１と移動子２の長さＬ２との差（Ｌ２−Ｌ１）のみが移動できる部分となる。
【０００７】
ここで、直線の運動を行わせ、直線上の力および速度の積により機械パワーを発生させるという装置の目的上、この部分の長さを大きくしたい場合が多く、例えば図７においては、この部分にある移動子２の永久磁石１７〜２０は固定子１とは対向しておらず、有効に活用されていないものとなる。
【０００８】
また、逆に移動子２の長さＬ２を、固定子１の長さＬ１よりも小として、Ｌ２＜Ｌ１とすることもできるが、その場合には永久磁石が１００％活用されるものとなるが、今度は鉄心および巻線が移動子２と対向せず、よってインバータ回路２６から供給された電流が電磁力を生まずに銅損と鉄損を生じさせるだけのものとなり、やはり有効に利用されないものとなり、装置の効率も低いものとなる。
【０００９】
このように、従来の技術においては、原理的に運動の終点すなわち端が存在すると共に、固定子１と移動子２のいずれかに、対向されない部分が大きく、折角設けた構成要素が動力と電力とのエネルギー変換に活用できない部分が多く存在し、その分パワーに対して装置の形状が大きくなり、重量も大となるという課題を有するものであった。
【００１０】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、パワーに対して装置の形状が小さく、重量が小さい電気機械を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の電気機械は、３相の巻線を有する固定子と、少なくとも２個の回転自在に設けられたプーリと、前記プーリ間にかけられた可とう性のある環状の可動体を有し、この環状の可動体は前記固定子に対して相対的に運動可能に設け、前記固定子は、両面に前記可動体が対向し、前記可動体の運動による固定子と可動体との相対運動の向きは、前記両面で相互に逆であり、前記固定子は両面に溝を持つ鉄心を有し、各相の巻線は表側の溝と裏側の溝を連絡して所定のターン数巻かれ、３相の内の２相の巻線は表側の溝と裏側の溝を連絡する部分で交差するように設け、この運動により前記巻線の鎖交磁束を変化させ、前記巻線からの電流の授受により、機械エネルギーと電気エネルギーの交換を行う構成とする。
【００１２】
これによって、運動の終点を原理的になくし、固定子と可動体とが対向しない部分を少なくし、構成要素を有効に活用することにより、パワーに対して装置の形状が小さく、重量が小さいものとするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、３相の巻線を有する固定子と、少なくとも２個の回転自在に設けられたプーリと、前記プーリ間にかけられた可とう性のある環状の可動体を有し、この環状の可動体は前記固定子に対して相対的に運動可能に設け、前記固定子は、両面に前記可動体が対向し、前記可動体の運動による固定子と可動体との相対運動の向きは、前記両面で相互に逆であり、前記固定子は両面に溝を持つ鉄心を有し、各相の巻線は表側の溝と裏側の溝を連絡して所定のターン数巻かれ、３相の内の２相の巻線は表側の溝と裏側の溝を連絡する部分で交差するように設け、この運動により前記巻線の鎖交磁束を変化させ、前記巻線からの電流の授受により、機械エネルギーと電気エネルギーの交換を行う構成とすることにより、運動の端を原理的になくすものである。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、可動体は、永久磁石を有し、運動によって巻線は前記永久磁石から受ける磁束の変化による誘導起電力を発生する構成とすることにより、永久磁石により電力の消費なしに励磁が行われ、特に効率の高い装置を実現することができるものとなる。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、可動体は、巻線との間に磁気結合を持つ短絡コイルを有する構成とすることにより、簡単な構成で可動体を構成することができ、コストの低い装置を実現することが可能となる。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、巻線に接続されたインバータ回路を有し、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する構成とすることにより、小型・軽量で高効率の電動機能をもった装置を実現するものである。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、巻線に接続された負荷を有し、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する構成とすることにより、小型・軽量で高効率の発電機能をもった装置を実現するものである。
【００１８】
【実施例】
以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００１９】
（実施例１）
図１、図２は本発明の実施例１における電気機械を示すものである。図において、固定子１０１と可動体１０２を有しており、固定子１０１は鉄心１０３を有し、鉄心１０３は表面に溝１０４〜１０９を持っており、裏面に溝１１０〜１１５を持っている。
【００２０】
巻線１１６〜１２１は、各溝に巻かれたものであり、巻線１１６、１１９はＵ相、巻線１１７、１２０はＶ相、巻線１１８、１２１はＷ相とした３相のものとなっている。ここで、Ｕ、Ｖ、Ｗの３つの相の各巻線は、いずれも表側の溝と裏側の溝を連絡して巻かれたものとなっている。
【００２１】
すなわち、Ｕ相の巻線１１６は、表面の溝１０９と裏面の溝１１５を連絡するようにして所定のターン数巻いたものであり、Ｕ相の巻線１１９は、表面の溝１０６と裏面の溝１１２を連絡するようにして所定のターン数巻いたものであり、Ｖ相の巻線１１７は、表面の溝１０８と裏面の溝１１３を連絡するようにして所定のターン数巻いたものであり、Ｖ相の巻線１２０は、表面の溝１０５と裏面の溝１１０を連絡するようにして所定のターン数巻いたものであり、Ｗ相の巻線１１８は、表面の溝１０７と裏面の溝１１４を連絡するようにして所定のターン数巻いたものであり、Ｗ相の巻線１２１は、表面の溝１０４と裏面の溝１１１を連絡するようにして所定のターン数巻いたものである。
【００２２】
そして、Ｕ、Ｖ、Ｗの３相の内の２相である、Ｖ相の巻線１１７とＷ相の巻線１１８は表側の溝と裏側の溝を連絡する部分で交差し、Ｖ相の巻線１２０とＷ相の巻線１２１も表側の溝と裏側の溝を連絡する部分で交差している。
【００２３】
可動体１０２は、可とう性のある環状のものであって、回転自在に設けられたプーリ１３０、１３１の間にベルトのようにかけられている。プーリ１３０、１３１は、それぞれ軸１３２、１３３を中心に回転が可能としているものである。
【００２４】
これにより、環状の可動体１０２は固定子１０１に対して相対的に運動可能であり、図１の矢印で示しているように、向かって左側の可動体１０２が上向きに動くと、右側の可動体１０２は下向きに動き、プーリ１３０、１３１は時計方向に回転する。したがって、固定子１０１は、表裏の両面に可動体１０２が対向し、かつ可動体１０２の運動による固定子１０１と可動体１０２との相対運動の向きは、両面で相互に逆となっている。
【００２５】
可動体１０２は、可とう性のあるゴム磁石を用いた永久磁石１４０〜１５３を、フェライト入りのゴムを用いて可とう性のある磁性体ベルト１５４に接着して構成している。
【００２６】
本実施例では、永久磁石１４０、１４２、１４４、１４６、１４８、１５０、１５２は内側、すなわち固定子１０１と対向する側がＳ極となるように接着され、永久磁石１４１、１４３、１４５、１４７、１４９、１５１、１５３は内側、すなわち固定子１０１と対向する側がＮ極となるように接着されており、各巻線には対向している永久磁石から磁束が鎖交し、かつ運動によって各巻線の鎖交磁束が変化するものとなっている。
【００２７】
このため、運動に応じて、３相の各巻線には誘導起電力が発生するものとなり、各巻線からの電流の授受により、機械エネルギーと電気エネルギーの交換を行うものとなるが、特に本実施例においては、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する一般にモータ、あるいは電動機と呼ばれるものとしている。
【００２８】
図２は本実施例の回路図を示している。巻線１１６〜１２１に接続され、Ｕ、Ｖ、Ｗの３相を出力するインバータ回路１６０は、直流電源１６１、ＩＧＢＴによって構成したスイッチング素子１６２〜１６７、および各スイッチング素子のオンオフを制御する制御回路１６８を有している。
【００２９】
本実施例においては、直流電源１６１は、１００Ｖ６０Ｈｚの交流電源１７０、交流電源１７０の出力に接続された整流器１７１、さらにその出力電圧を平滑し安定化するためのチョークコイル１７２とコンデンサ１７３によって構成しているものを用いている。
【００３０】
さらに、本実施例では、制御回路１６８には固定子１０１に電気角１２０度ずつ隔てた位置に設けたホールＩＣ１８０〜１８２からなる位置検知回路１８３の出力を接続しており、固定子１０１と可動体１０２の相対位置を検知するものとなっている。
【００３１】
これにより、本実施例の電気機械は、いわゆるブラシレスＤＣモータと同様の動作が行われ、可動体１０２の左側には上向きの力が、また右側には下向きの力が発生して、環状の可動体１０２がプーリ１３０、１３１間で循環するものとなる。
【００３２】
本実施例では、１４枚の永久磁石を使用しているが、その内ほぼ８枚の永久磁石１４２〜１４５、１４８〜１５１が固定子１０１の鉄心１０３に対向しており、電気エネルギーから機械エネルギーへの変換に利用できる状態となっている。
【００３３】
すなわち永久磁石の利用率が、６０％程度と高い値となっている状態であり、環状の可動体１０２を用いていることから、従来の技術のリニアモータにあったような運動の終点が存在しない無端（エンドレス）であり、連続して循環させる運動も可能である。
【００３４】
また、このようなループの帯状の運転をさせる応用機器では、プーリ１３０、１３１の間で、かつ往復するベルトの間の部分は、デッドスペースとなってしまう場合もあるが、本実施例では、その部分に固定子１０１を位置させていることから、デッドスペースとならず、動力発生源を合理的に組み込んだ形とすることができるものとなっている。
【００３５】
さらに、プーリ１３０、１３１に動力を伝達していないことから、機械的負荷はプーリ１３０、１３１と可動体１０２との摩擦力とはならないため、スリップを防止するためのスプロケットなどを設けることも必要ではなく、よって静かで高効率の運転ができ、摩擦によるすり減らしも防止することができるという効果もあげられるものとなっているものである。
【００３６】
なお、本実施例では、可動体１０２に可とう性を持たせるため、磁性体ベルト１５４および永久磁石１４０〜１５３は、いずれも可とう性に富んだ材質で構成したが、材質そのものに可とう性がなくてもよく、例えば剛性の高いネオジ焼結磁石などを、ちょうど戦車のキャタピラのごとく、折れ曲がりが効くように、小区分したものをつなげたようなものであっても良い。
【００３７】
（実施例２）
図３、図４は本発明の実施例２における電気機械を示している。この実施例において、固定子１０１の構成は実施例１と全く同じである。
【００３８】
可動体１０２は、銅線を等間隔で配置した短絡コイル１９０を設けている。磁性ゴム１９１は、ベルト状の形状を保つとともに、磁束を通しやすくする効果を上げており、磁性ゴム１９１には短絡コイル１９０を通すための穴がベルトの幅方向に貫通して設けてある。
【００３９】
図４は特に短絡コイル１９０のみの接続を示したものであり、銅線の短絡コイル１９０は、ベルトの幅よりも若干長い長さのものが通されていて、その上で各短絡コイルの両端は、細い銅線をよって構成した可とう性のある短絡環１９２、１９３によってベルトの両側面ですべて電気的に接続されているものとなっている。
【００４０】
したがって、短絡コイル１９０に誘導によって電圧が発生すると、ベルト側面で短絡環１９２、１９３によって接続された他の短絡コイル１９０によって、短絡されたものとなり、一般の誘導電動機によく見られるカゴ形の構成となっている。
【００４１】
この構成において、実施例１と同様に巻線１１６〜１２１に、３相の相順が、Ｕ、Ｖ、Ｗの順になるように、電圧が印加されると、固定子１０１の左側では上向き、右側では下向きの移動磁界が発生し、それよって短絡コイル１９０には二次電流が流れて、電磁力が発生するものとなるので、矢印に示した方向に可動体１０２が運動するものとなり、電気エネルギーが機械エネルギーに変換されるものとなる。
【００４２】
本実施例では、一般の誘導電動機と同様の原理により運転することができ、永久磁石を用いずに銅線で短絡コイルを構成して実現していることから、とりわけ低コストであり、インバータ回路を用いても用いなくても運転を行わせることができる。
【００４３】
また、実施例１のような永久磁石を用いる構成の場合には、固定子１０１と可動体１０２の両方の極ピッチを合わせることが必要となり、そのため可動体１０２の長さは、１極当たりの永久磁石長さの２倍に整数を乗じた長さとする必要があり、設計の自由度がやや少なくなるが、本実施例の場合には固定子１０１の極ピッチと可動体１０２の１周の長さの関係は、自由に設計できるものとなる。
【００４４】
本実施例は、電動機すなわち電気エネルギーを機械エネルギーに変換するものであるが、可動体１０２に短絡コイル１９０を用いた構成で、各巻線に交流電源を接続した場合、同期速度よりも大きい速度で運転するようにすれば、機械エネルギーが電気エネルギーに変換されるようになり、すなわち発電機として動作させることもできるものとなる。
【００４５】
なお、その場合の交流電源は、半導体のスイッチング素子を有するインバータ回路を用いたものなどでもよい。
【００４６】
このような、誘導電動機の動作原理の他にも、可動体１０２に磁気的な凹凸を設けて固定子１０１の巻線のインダクタンス値が、可動体１０２の運動に応じて変化する構成とすれば、一般のリラクタンス形の電気機械として動作するものとなり、やはり電力と動力との変換を行わせることができるものとなる。
【００４７】
また、磁気的なヒステリシスが大きい磁気材料を可動体１０２に用いた場合には、負荷に必要な力の大きさが一定値よりも小さい場合には、同期モータとして動作し、負荷に必要な力が大きい場合には、磁気材料のヒステリシスにより、移動する磁界に引きずられるような向きにほぼ一定の力を発生する電動機として動作するものとなる。
【００４８】
（実施例３）
図５は本発明の実施例３における電気機械を示している。図においては、２つの固定子２０１、２０２をくの字形に配置し、可とう性のある環状の可動体２０３を、プーリ２０４〜２０７にかけて設けている。
【００４９】
固定子２０１、２０２は、いずれも実施例１に示した固定子１０１と同じ構成のものを用いており、可動体２０２も実施例１に示した可動体１０２と同じ構成のものが使用されている。
【００５０】
本実施例では、単なる直線の運動や往復運動ではなく、自由な経路での運動が実現できるものとなり、例えば工事現場で土砂などを運搬するのに使用されるベルトコンベアや、エスカレータなどの運搬機に適している。
【００５１】
特に運搬の経路が長い場合などには、中間に適宜プーリを追加することにより、可動体２０３の安定した支持が可能となり、また例えばムービングウォークなどでも、プーリの配置などにより、登りや下りの勾配部分を部分的に設けることも可能となる。
【００５２】
なお、可動体２０３は、実施例２に示した短絡コイルを有する構成のものを用いても良く、低コストで実現できるほか、固定子２０１、２０２の配置について、極ピッチを考慮した間隔である必要がなくなることから、自由な設計とすることができるというメリットもある。
【００５３】
（実施例４）
図６は本発明の実施例４における電気機械を示している。本実施例の電気機械は、機械エネルギーを電気エネルギーに変換して利用する、発電機として動作するものである。
【００５４】
図において、固定子２１１は、実施例１の固定子１０１と同等のものを使用し、可動体２１２も実施例１の可動体１０２と同等の構成のものを用い、プーリ２１３、２１４間にかけている。プーリ２１３、２１４は、それぞれ軸２１５、２１６を中心に回転自在に設けられている。
【００５５】
可動体２１２には、水を受けるためのバケット２１７が多数取り付けられており、装置上部に設けられた給水管２１８、下部に設けた排水池２１９を設けていて、水の位置エネルギーを利用して発電させるものとなっている。
【００５６】
３相の巻線には、電気エネルギーを消費する負荷２２０が接続されており、３相の整流器２２１を６本のダイオード２２２〜２２７で構成した上で、抵抗２２８を接続している。
【００５７】
水の重量によって、右側のバケット２１７は可動体２１２の右側を下向きに押すことになり、機械的な仕事がなされるものとなるが、これによって固定子２１１に誘導起電力が発生して、３相の交流電圧が負荷２２０へと供給されるものとなる。
【００５８】
負荷２２０は、３相の交流電力をダイオード２２２〜２２７からなる整流器２２１によって整流して、抵抗２２８に供給するものとなり、抵抗２２８に直流の電力が供給されて発熱するものとなる。
【００５９】
なお、熱として利用する場合には、整流器２２１を用いずに、３相の出力をそのまま線間に接続した抵抗に供給することもできる。
【００６０】
また、単なる整流器２２１を接続するのではなく、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子を用いた６石のインバータ回路と同様の構成のものを用いても良く、その場合には各スイッチング素子のオン期間とタイミングを制御することにより、より有効に電力を取り出すことができるものとなる。
【００６１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、運動の終点をなくし、構成要素を有効に利用することができ、パワーに対して装置を小型・軽量とすることができる。また、所定ターン数巻かれた１つのコイルで固定子の表側と裏側で、逆向きの運動方向に対する効率の良い誘導起電力の発生や動力の発生、すなわち電気エネルギーと機械エネルギーの高効率での交換が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例１における電気機械の断面図
【図２】  同電気機械の回路図
【図３】  本発明の実施例２における電気機械の断面図
【図４】  同短絡コイルの構成図
【図５】  本発明の実施例３における電気機械の構成図
【図６】  本発明の実施例４における電気機械の構成図
【図７】  従来の技術における電気機械の構成図
【符号の説明】
１１６〜１２１  巻線
１０１  固定子
１０２  可動体
１３０、１３１  プーリ
１４０〜１５３  永久磁石
１９０  短絡コイル
１０４〜１１５  溝
１０３  鉄心
１６０  インバータ回路
２２０  負荷
【図１】
0003832340.tif 000002
【図２】
0003832340.tif 000003
【図３】
0003832340.tif 000004
【図４】
0003832340.tif 000005
【図５】
0003832340.tif 000006
【図６】
0003832340.tif 000007
【図７】
0003832340.tif 000008