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公開番号2020141513
公報種別公開特許公報(A)
公開日20200903
出願番号2019036517
出願日20190228
発明の名称磁力回転装置
出願人個人
代理人個人
主分類H02K 1/27 20060101AFI20200807BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】回転駆動状態において逆回転方向に作用する磁力を無くすことが可能であり、長い円弧状の磁束線を生じさせることにより、回転効率を向上させ、且つ回転出力を増大させることが可能な磁力回転装置を提供する。
【解決手段】磁力回転装置10においては、各支持円盤39に、回転方向D10に隣接し且つ回転中に電磁石17の磁極34に対向するように配置された一対の永久磁石19(19A,19B)が設けられており、一対の永久磁石19のうちの一方の永久磁石の外側の磁極は電磁石17の磁極34と同極性であり、他方の永久磁石19の外側の磁極は電磁石17の磁極34と異極性である。また、一対の永久磁石19それぞれの裏面に近接又は接触するように磁性体43が設けられている。また、一対の永久磁石19は、互いの表側の磁極面がV字形状を成すように配置されている。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項1】
円周方向に沿って等間隔となるように複数の電磁石が設けられた固定子と、
回転軸を中心に回転可能に構成され、回転方向に沿って等間隔となるように複数の界磁部が設けられた回転子と、を有し、前記電磁石が前記界磁部に作用することによって前記回転子を回転させる磁力回転装置であって、
前記複数の界磁部それぞれは、
前記回転方向に隣接し且つ回転中に前記電磁石の磁極に対向するように配置された一対の永久磁石を含み、前記一対の永久磁石のうちの一方の永久磁石における前記固定子側の磁極は前記電磁石の磁極と同極性であり、他方の永久磁石における前記固定子側の磁極は前記電磁石の磁極と異極性であり、
前記回転子に設けられ、前記一対の永久磁石それぞれの前記回転軸側の裏面に近接又は接触するように配置され、前記一方の永久磁石の前記裏面と前記他方の永久磁石の前記裏面との間の磁路を構成する磁性体を更に備えることを特徴とする磁力回転装置。
続きを表示(約 180 文字)【請求項2】
前記一対の永久磁石それぞれは、直方体形状であり、前記回転軸の軸方向から見た場合にそれぞれの磁極面の組がV字形状を成すように配置され、且つ、所定の対称面を基準にして面対称となるように配置されている、請求項1に記載の磁力回転装置。
【請求項3】
前記対称面は、前記回転軸の中心線を含まない、請求項2に記載の磁力回転装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、固定子に設けられた電磁石が回転子に設けられた界磁部に作用することによって前記回転子を回転させる磁力回転装置に関する。
続きを表示(約 6,800 文字)【背景技術】
【0002】
従来、永久磁石が配置された回転体(回転子)と、この回転体の永久磁石の磁極に対して回転方向の磁力を生じさせる電磁石とを備えた磁力回転装置が広く知られている(特許文献1及び2参照)。この種の磁力回転装置において、前記回転体は、円盤状に形成されており、回転軸を中心に回転可能に設けられている。前記回転体には磁極が外向きとなるように永久磁石が取り付けられている。また、固定子には、前記回転軸と平行な磁束線を発生するように電磁石が設けられている。回転体が回転することによって電磁石に接近する位置に永久磁石が到達すると、電磁石が通電されて電磁石に磁束が発生し、電磁石の鉄心の磁極の表面に磁荷が生じる。これにより、電磁石の磁極の磁荷と永久磁石による磁場即ち磁力線との作用により電磁力が発生する。なお、磁力線は磁場の様子を表すものである。磁束密度は透磁率と磁場との積であるから、電磁力は、磁化と磁束線との作用によって発生するとも言える。なお、磁束線は、磁束密度を表す曲線である。この力が回転体を回転させる方向に作用することによって回転体に回転トルクが発生し、回転体の回転軸から所望の回転力が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2006−187080号公報
特許第5792411号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、従来の磁力回転装置は、周方向に配置された各永久磁石のいずれかの永久磁石が形成する磁束線によって、電磁石の通電状態において逆回転方向に作用する磁力が生じるおそれがある。この逆回転方向の磁力は、磁力回転装置の回転効率を低下させ、回転出力も低下させる。
【0005】
本発明の目的は、回転駆動状態において逆回転方向に作用する磁力を弱めることが可能であり、長い円弧状(ドーム状)の磁束線を生じさせることにより、回転効率を向上させ、且つ、回転出力を増大させることが可能な磁力回転装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
(1) 本発明は、円周方向に沿って等間隔となるように複数の電磁石が設けられた固定子と、回転軸を中心に回転可能に構成され、回転方向に沿って等間隔となるように複数の界磁部が設けられた回転子と、を備え、前記電磁石が前記界磁部に作用することによって前記回転子を回転させる磁力回転装置である。本発明の磁力回転装置において、前記複数の界磁部それぞれは、前記回転方向に隣接し且つ回転中に前記電磁石の磁極に対向するように配置された一対の永久磁石を含み、前記一対の永久磁石のうちの一方の永久磁石における前記固定子側の磁極は前記電磁石の磁極と同極性であり、他方の永久磁石における前記固定子側の磁極は前記電磁石の磁極と異極性である。また、本発明の磁力回転装置は、前記回転子に設けられ、前記一対の永久磁石それぞれの前記回転軸側の裏面に近接又は接触するように配置され、前記一方の永久磁石の前記裏面と前記他方の永久磁石の前記裏面との間の磁路を構成する磁性体を更に備える。
【0007】
このように本発明が構成されているため、非通電時に電磁石の鉄心と一対の永久磁石それぞれに作用する吸引力に加え、通電時に電磁石の磁極に生じた磁荷が一方の永久磁石に作用する磁極間反発力(磁力)と、他方の永久磁石に作用する磁極間吸引力(磁力)とが生じる。また、磁性体が設けられることによって、一対の永久磁石の裏面側の空間に磁束が生じない。つまり、一対の永久磁石の裏面側の二つの磁極が実質的に消滅する。これにより、一対の永久磁石の裏面の磁束が電磁石に作用することによって逆回転方向の磁力が生じることを防止できる。また、一対の永久磁石の表側の面(径方向外側の面)の二つの磁極間には円弧状(又はドーム状)の磁束線だけが形成される。このため、各表側の面の磁極から裏面の磁極に磁束が回り込むことが防止される。また、通電時に電磁石の磁極に磁荷が生じ、これが前記磁束線と作用することにより磁力が増加し、磁力回転装置の回転効率が向上する。また、通電時間を長くすることができるので、回転出力も増大する。
【0008】
(2) また、前記一対の永久磁石の二つの磁極面の組がV字形状を成すように配置されている。より詳細には、前記一対の永久磁石それぞれは、直方体形状であり、前記回転軸の軸方向から見た場合にそれぞれの磁極面の組がV字形状を成すように配置され、且つ、所定の対称面を基準にして面対称となるように配置されている。この対称面は、回転軸中心と平行である。例えば、前記一対の永久磁石それぞれの外側の各磁極面が成す角度θが、90°<θ<180°に定められており、より好ましくは、120°<θ<150°に定められている。
【0009】
これにより、一対の永久磁石において、一方の磁極面から他方の磁極面に至る空間の磁束密度が大きくなり、接する他の一対の永久磁石との間で磁束線の回り込みが軽減する。その結果、回転駆動状態におけるトルク定数を大きくすることができる。
【0010】
(3) また、前記対称面は、前記回転軸の中心線を含まないことが好ましい。
【0011】
これにより、電磁石が通電されていない状態、つまり、磁力回転装置が停止した状態では、仮に、前記一対の永久磁石が前記電磁石に対向した位置に配置された場合、前記一対の永久磁石のそれぞれと電磁石の鉄心との距離に差が生じる。即ち、この場合、前記一対の永久磁石のうちの一方の永久磁石は、他方の永久磁石よりも電磁石の鉄心に近くなる。したがって、このような構成であれば、前記一対の永久磁石のうち、前記鉄心に近いほうの特定の永久磁石と前記鉄心との吸引力が他方との吸引力よりも勝る。これにより、適切な向きの始動トルクを得ることができる。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、回転駆動状態において逆回転方向に作用する磁力を無くすことが可能であり、長い円弧状(又はドーム状)の多数の磁束線を生じさせることにより、回転効率を向上させ、且つ、回転出力を増大させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0013】
図1は、本発明の実施形態に係る磁力回転装置10の構成を示す斜視図である。
図2は、磁力回転装置10の概略構成を模式的に示す平面図である。
図3は、一対の永久磁石19及び電磁石17の配置を示す図であり、図2における切断線III−IIIの模式断面図である。
図4は、電磁石17が非通電時の永久磁石19の静止姿勢を示す部分拡大図である。
図5は、一対の永久磁石19及び電磁石17の配置と磁束の影響を説明するための部分拡大図である。
図6は、一対の永久磁石19の他の構成、及び電磁石17の配置と磁束の影響を説明するための部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、適宜図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、以下に説明される実施形態は本発明を具体化した一例にすぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【0015】
[磁力回転装置10]
図1及び図2に示すように、本発明の実施形態に係る磁力回転装置10は、単相式であり、主として、複数の電磁石17を有する固定子12と、一対の永久磁石19(19A,19B)等を含む電磁石17と同数の複数の界磁部18を有する回転体14(回転子の一例)と、を備えている。磁力回転装置10は制御装置21(図2参照)に電気的に接続されており、制御装置21によって磁力回転装置10の回転駆動が制御される。
【0016】
電磁石17は、二つの磁極34(34A,34B、図2参照)を有する。制御装置21は、回転体14の回転軸37(回転軸の一例)に取り付けられたロータリーエンコーダーなどの位置検出センサー46(図2参照)からの信号に基づいて、回転軸37の回転角度を算出し、後述の永久磁石19が電磁石17の磁極34に接近したタイミングでコイル32に電流を一時的に供給する。このように構成された磁力回転装置10では、磁極34の磁荷と永久磁石19の磁束線との作用による力が生じる。そして、この電磁力が回転体14の回転方向D10へ作用することによって、回転体14が回転する。
【0017】
本実施形態では、磁力回転装置10は、直流電源からの駆動電圧が供給されることによって電動機(モーター)として動作する。以下、磁力回転装置10の各構成要素について詳細に説明する。
【0018】
[回転体14]
図2に示すように、回転体14は、回転軸37と、回転軸37が中心を貫通する二つの支持円盤39(39A,39B)とを備えている。それぞれの支持円盤39は同形同大に形成されており、これらは回転軸37に固定されている。それぞれの支持円盤39は、スペーサー41(図1,図3参照)を介して所定間隔を隔てて、互いに平行を維持した状態で回転軸37に固定されている。回転軸37は、後述する一対の側板25によって回転可能に支持されており、これにより、回転体14は、回転軸37を中心に回転可能となる。なお、各支持円盤39の間隔は、電磁石17の各磁極34(34A,34B)の間隔や永久磁石19(19A,19B)のサイズなどによって決定される。
【0019】
支持円盤39は、合成樹脂材料によって一定厚みの円盤状に形成された部材である。具体的には、支持円盤39は、エンジニアリングプラスチックの一種であるポリアセタール(POM)で形成されている。なお、支持円盤39の材質はポリアセタールに限られず、エンジニアリングプラスチックであるポリカーボネートなどを用いることも可能である。
【0020】
図3は、支持円盤39Aに設けられた界磁部18と固定子12(図1及び図2参照)に設けられた電磁石17との位置関係を示す図である。図3は、通電された電磁石17と界磁部18との間で回転方向D10に最大のトルクが生じている状態を示す。図3に示すように、支持円盤39Aの一方(片方)の側面外縁部391に複数の界磁部18が取り付けられている。界磁部18は、一対の永久磁石19A,19Bと、これらを支持する磁性体からなる板状の磁性体43と、を有する。なお、界磁部18については後述する。各界磁部18は、側面外縁部391付近に取り付けられている。本実施形態では、それぞれの支持円盤39の側面外縁部391に4つの界磁部18が取り付けられている。4つの界磁部18は、支持円盤39の一方の側面外縁部391のみに配置されている。
【0021】
全ての支持円盤39において、4つの界磁部18は、回転軸37の円周に沿う周方向に沿って等角度で且つ等間隔に配置されている。言い換えると、4つの界磁部18は、回転方向D10に沿って等角度で且つ等間隔に配置されている。具体的には、界磁部18は、回転軸37を中心にして支持円盤39を周方向に4分割した角度間隔α(=90度)で取り付けられている。
【0022】
図1乃至図3に示すように、界磁部18は、一対の永久磁石19A,19Bと、板状の磁性体43と、を有する。
【0023】
一対の永久磁石19A,19Bは、それぞれ、表面及び裏面に磁極が形成された概ね正方形の平板状のものである。言い換えると、永久磁石19A,19Bは平板状の直方体形状に形成されたものである。永久磁石19A,19Bは、その一方の側端部が支持円盤39の外周縁において数mm程度埋め込まれることにより支持円盤39に固定されている。
【0024】
永久磁石19A,19Bそれぞれの一辺のサイズは、電磁石17の磁極34の長さと同等のサイズに定められている。
【0025】
永久磁石19A,19Bは、回転方向D10に沿う周方向に互いに隣接しており、前記周方向に近接する端部同士が接触している。また、永久磁石19A,19Bは、回転体14の回転中に電磁石17の磁極34に対向するように配置されている。なお、図3に示すように、支持円盤39Aに設けられた一対の永久磁石19A,19Bは、回転体14の回転中に電磁石17の一方の磁極34A(N極)に対向する。また、支持円盤39Bに設けられた一対の永久磁石19A,19Bは、回転体14の回転中に電磁石17の他方の磁極34B(S極)に対向する。なお、本実施形態では、図3乃至図5に示すように永久磁石19A,19Bにおいて前記周方向に近接する端部同士が接触した構成を例示するが、各端部同士が微小な間隙を隔てて離間していてもよい。
【0026】
図3に示すように、支持円盤39Aの側面外縁部391においては、一対の永久磁石19A,19Bのうち、回転方向D10の下流側に位置する一方の永久磁石19Aの外側の磁極はN極であり、電磁石17の磁極34(N極)と同極性である。一方、回転方向D10の上流側に位置する他方の永久磁石19Bの外側の磁極はS極であり、電磁石17の磁極34(N極)とは異なる極性(異極性)である。
【0027】
また、支持円盤39Bの側面外縁部392においては、一対の永久磁石19A,19Bは、支持円盤39Aの一対の永久磁石19A,19Bの配置位置とは逆の位置に配置されている。つまり、支持円盤39Bの側面外縁部392においては、一対の永久磁石19A,19Bのうち、永久磁石19Bが回転方向D10の下流側の位置に配置されており、この永久磁石19Bは、電磁石17の磁極34B(S極)と同極性である。また、永久磁石19Aが回転方向D10の上流側の位置に配置されており、この永久磁石19Aは、電磁石17の磁極34B(S極)とは異なる極性(異極性)である。
【0028】
図1に示すように、各支持円盤39A,39Bに設けられた永久磁石19A,19Bは、回転軸37の軸方向に並んで配置されている。回転体14が所定の回転角度になると、支持円盤39Aの永久磁石19Aの外側の磁極(N極)が電磁石17の磁極34A(N極)に対向し、支持円盤39Bの永久磁石19Bの外側の磁極(S極)が電磁石17の磁極34B(S極)に対向する。
【0029】
界磁部18は、永久磁石19A,19Bそれぞれの回転軸37側の裏面に近接又は接触するように板状の磁性体43が設けられたものである。磁性体43は、軟鉄などの強磁性体で構成されており、永久磁石19A,19Bの裏面側に設けられることによって、永久磁石19Aの裏面と永久磁石19Bの裏面との間の磁路を構成する。永久磁石19A,19Bは、磁性体43によって裏面側で互いに連結されている。界磁部18は、各支持円盤39上に設置されている。なお、支持円盤39は、回転軸37に直交している。磁性体43の一端は支持円盤39に埋め込まれることによって支持円盤39に支持されている。各支持円盤39には四つの磁性体43が支持されており、一つの磁性体43に一対の永久磁石19(19A,19B)の裏面が結合されている。
【0030】
図3に示すように、本実施形態では、互いに隣接する永久磁石19A,19Bは、回転軸37の軸方向から見た場合に、互いの外側の磁極面がV字形状を成すように配置されている。より詳細には、図3の拡大図に示すように、本実施形態では、一対の永久磁石19A,19Bそれぞれは、回転軸37の軸方向から見た場合に、それぞれの磁極面がV字形状を成すように配置されており、且つ、後述する所定の対称面P2に対して面対称となるように配置されている。永久磁石19A,19Bの各磁極面が成す角度θは、磁力回転装置10において要する電磁石17の磁力や永久磁石19A,19Bの磁束分布などに応じて適宜定められるが、90°<θ<180°の範囲内で選択された任意の角度に定められており、より好ましくは、120°<θ<150°の範囲内で選択された任意の角度に定められている。
(【0031】以降は省略されています)

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