JP2017200416A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】巻線の個数を極端に増やすことなく、効率よく駆動力が得られる新規の回転電機を提供する。【解決手段】電動機１０は、Ｎ極またはＳ極のいずれか一方の磁極を回転半径方向の外側に向けて永久磁石２１が回転する回転子２０と、永久磁石２１に軸線Ｘ２を向けた第１巻線３１を有する固定子３０と、永久磁石２１の一方の磁極が対向位置にある第１巻線３１に、一方の磁極と同極の磁界を発生させるための電流を通電する制御回路とを備えている。この回転子２０は、円形状に配置されている。そして、固定子３０は、回転子２０の間のそれぞれに配置されている。そうすることで、どの回転子２０も、両側に位置する固定子３０により駆動することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の回転子を有する回転電機に関するものである。

複数の回転子を備え、電動機として機能したり、発電機とした機能したりする回転電機が知られている。この回転電機は、隣接する回転子同士の間に固定子が配置されているものが知られている。例えば、特許文献１に記載の複合モータは、列状に並べられた回転子において、隣接する回転子の永久磁石が引き合い回転する再接近地点までを、回転子の異磁極が引き合う吸引力により回転させ、それ以降の部分は隔壁と鉄芯に巻いたコイル等で閉塞して、コイルが発生する磁力の反発力により回転させるというものである、

特開２００６−２０４０７８号公報

しかし、この特許文献１に記載の複合モータは、３個の回転子が列状に並べられ、その間に固定子が配置されているため、中央の回転子は両側に位置するコイルによって両方から反発力が得られるが、端に位置する回転子は、隣接する回転子との間の一方のコイルだけからしか反発力を得られない。両端の回転子の外側にそれぞれコイルとする巻線を設ければ、全部の回転子が巻線に挟まれた状態とすることができるが、巻線の個数が増えてしまう。

そこで本発明は、巻線の個数を極端に増やすことなく、効率よく駆動力が得られる新規の回転電機を提供することを目的とする。

本発明の回転電機は、Ｎ極またはＳ極のいずれか一方の磁極を回転半径方向の外側に向けて永久磁石が回転する回転子と、前記永久磁石に軸線を向けた第１巻線を有する固定子とを備え、前記回転子は、円形状に配置され、前記固定子は、前記回転子の間のそれぞれに配置されたことを特徴とする。

本発明の回転電機によれば、円形状に配置された回転子の間に固定子が配置されているため、どの回転子も、両側に位置する固定子により駆動することができる。

前記回転子の２以上の回転軸に取り付けられた回転子用ギヤと、前記回転子用ギヤのそれぞれに噛み合う連結ギヤとを備えることができる。回転子の２以上の回転軸に取り付けられた回転子用ギヤが、連結ギヤに噛み合うことにより、回転子の駆動力が集約されるため、連結ギヤの出力軸から力強い動力を取り出すことができる。また、連結ギヤの回転が、それぞれの回転子に伝達されるため、それぞれの固定子からの電力を取り出すことができる。

前記永久磁石は、前記一方の磁極と反対の磁極となる他方の磁極が、前記一方の磁極が向いた方向と反対方向を向いており、前記永久磁石の一方の磁極が対向位置にある前記第１巻線に、前記一方の磁極と同極の磁界を発生させるための電流を通電する制御回路を備え、前記制御回路は、前記永久磁石の他方の磁極が対向位置にある前記第１巻線に、前記他方の磁極と同極の磁界を発生させるための電流を通電する機能を備えることができる。制御回路が、永久磁石の一方の磁極と対向位置にある前記第１巻線に、前記一方の磁極と同極の磁界を発生させるための電流を通電することにより、本発明の回転電機を電動機として使用することができる。制御回路が第１巻線に一方の磁極を発生させるときに、第１巻線と対向位置にある他の第１巻線に他方の磁極を発生させることで、永久磁石の回転を加速させることができる。

前記第１巻線と同心円に配置された第２巻線を備えることができる。本発明の回転電機を電動機として使用するときに、第１巻線による励磁と共に、回転子の回転により第２巻線にて発電を行うことができる。このとき、第２巻線が第１巻線と同心円に配置されているため、第２巻線に発生する磁界を、第１巻線を助勢するように作用させることができる。

前記第２巻線からの電流を調整する回転速度調整部を備えることができる。第２巻線に発生する磁界が第１巻線を助勢するため、回転速度調整部に流れる電流に応じて永久磁石の回転数を調整することができる。

前記回転速度調整部は、前記第２巻線からの電流を消費する消費部を備えることができる。消費部が第２巻線からの電流を消費する電流に応じて永久磁石の回転数を調整することができ、消費部で電流を有効活用することができる。

前記回転速度調整部は、前記第２巻線に接続され、前記消費部へ電流を流す整流部を備えることができる。整流部を備えることで、消費部に直流を供給することができる。

前記消費部が短絡状態であると、回転数を一定としたとき消費電力を最小に抑えることができる。

前記永久磁石は、回転中心側が軸線位置が太く、回転半径方向の外側に向かって細くなるようにすることができる。永久磁石は、回転中心から回転半径方向の外側に向かって細くなるため、永久磁石からの磁束を回転半径方向の外側に向かって集中させることができる。

前記回転子の回転軸を、前記固定子が配置された円形水平平面と直交する方向に向けることができる。

また、前記回転子の回転軸を、前記固定子が配置された円形水平平面の半径に沿った方向に向けることができる。

本発明の回転電機によれば、円形状に配置された回転子の間に固定子が配置されているため、どの回転子も、両側に位置する固定子により駆動することができるので、巻線の個数を極端に増やすことなく、効率よく駆動力が得られる。

本発明の実施の形態１に係る回転電機としての電動機を説明するための図であり、筐体を省略した平面図である。 図１に示す電動機の筐体を省略した底面図である。 図１に示す電動機の側面図である。 図１に示す回転子の永久磁石を説明するための図である。 図１に示す固定子を説明するための図である。 図１に示す電動機の制御回路および回転速度調整部を説明するための図である。 図１に示す電動機のセンサ部の状態と、回転子および固定子の状態を説明するための図である。 図７から続くセンサ部の状態と、回転子および固定子の状態を説明するための図である。 図８から続くセンサ部の状態と、回転子および固定子の状態を説明するための図である。 図９から続くセンサ部の状態と、回転子および固定子の状態を説明するための図である。 図１０から続くセンサ部の状態と、回転子および固定子の状態を説明するための図である。 第１巻線への入力電圧を一定にして、第２巻線からの出力電流を０Ａから増加させたときの回転数の増減を説明するための表である。 出力軸の回転数を一定にして、第２巻線からの出力電流を０Ａから増加させたときの消費電力の増減を説明するための表である。 本発明の実施の形態２に係る回転電機としての電動機を説明するための図であり、筐体を省略した平面図である。 図１４に示す電動機の一部拡大図である。 図１４に示す電動機を固定子が配置された円形水平平面の半径方向から見た一部拡大図である。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る回転電機として電動機を例に、図面に基づいて説明する。なお、図１から図３、図７から図１１においては、ギヤの歯は省略されている。
図１から図３に示す電動機１０は、出力軸Ｏ１を中心とした円形状に配置された回転子２０（回転子２０ａ〜２０ｆ）と、回転子２０の間のそれぞれに配置された固定子３０（固定子３０ａ〜３０ｆ）とが、仮想的な円形水平平面の上に配置されている。
回転子２０の回転軸２３は、固定子３０が配置された円形水平平面と直交する方向に向いている。
図３に示すように、電動機１０は、回転子２０の回転軸２３と固定子３０とを挟みこむようにして保持する筐体部１１を備えている。

回転子２０は、永久磁石２１と、永久磁石を保持する円柱状の回転子本体２２とを備えている。
永久磁石２１は、回転子２０の軸線Ｘ１が、出力軸Ｏ１を中心とした円周方向に沿った状態を基本位置として配置され、それぞれが同期して回転する。
永久磁石２１は、回転子２０の軸線Ｘ１を中心に直径方向に沿って配置されていることで、一方の磁極（例えば、Ｎ極。）が回転半径方向の外側を向いていると共に、一方の磁極と反対の磁極となる他方の磁極（例えば、Ｓ極。）が一方の磁極が向いた方向と反対方向を向いている。
図４に示すように永久磁石２１は、回転軸２３（回転中心）に位置する中央部の第１部分２１１が太く、回転半径方向の外側に向かって第２部分２１２、第３部分２１３と細く、短くなるように形成されている。永久磁石２１は、磁力が他の磁石より強いネオジム磁石が使用できる。

図３に示すように、回転子本体２２は、軸線位置の上端および下端に回転軸２３が突出して形成され、筐体部１１に回転自在に保持される。図１および図２に示すように、回転子２０は、６０度ごとに配置されていることで６個設けられている。

固定子３０は、回転子２０と同様に、固定子３０の軸線Ｘ２が、出力軸Ｏ１を中心とした円周方向に沿って配置されている。図５に示すように、固定子３０は、永久磁石２１（図１参照）に軸線Ｘ２を向けて配置された第１巻線３１（電動用巻線）と、第１巻線３１の外周面に同心円で配置された第２巻線３２（発電用巻線）と、第１巻線３１と第２巻線３２との軸線Ｘ２に配置されたコア３３とを備えている。

図１および図２に示すように、第１巻線３１は、６０度ごとに配置されていることで６個設けられている。第２巻線３２も、第１巻線３１と同軸に配置されていることで、６個が設けられている。第１巻線３１には、図６に示す制御回路４０が接続されている。

図６に示すように、制御回路４０は、センサ部４１と、励磁回路部４２とを備えている。
図６に示す制御回路４０は、１個の第１巻線３１および第２巻線３２について図示しており、センサ部４１は全体で１セット設けられ、励磁回路部４２は、固定子３０ごとに設けてもよいが、本実施の形態１では、固定子３０ａ，３０ｃ，３０ｄ用として１つ、固定子３０ｂ，３０ｄ，３０ｆ用として１つ設けられている。

センサ部４１は、永久磁石２１のＮ極の位置を検出する第１センサ部４１１と、永久磁石２１のＳ極の位置を検出する第２センサ部４１２とを備えている。センサ部４１は、図３に示すように出力軸Ｏ１に設けられている。図６および図７に示すように、第１センサ部４１１は、固定子３０ａ，３０ｃ，３０ｄ用の第１センサ４１１ａと、固定子３０ｂ，３０ｄ，３０ｆ用の第１センサ４１１ｂとが上下の位置関係となるように設けられている。同様に、第２センサ部４１２は、固定子３０ａ，３０ｃ，３０ｄ用の第２センサ４１２ａと、固定子３０ｂ，３０ｄ，３０ｆ用の第２センサ４１２ｂとが上下の位置関係となるように設けられている。

第１センサ部４１１および第２センサ部４１２は、出力軸Ｏ１を挟んだ回転盤４１ｃの直径方向の両側の２ヵ所に配置され、図３に示すように発光ダイオードとフォトダイオードとによる透過型のフォトインタラプタ４１ａと、回転子２０と共に回転して、透過型のフォトインタラプタ４１ａの発光ダイオードとフォトダイオードとの間を通過する遮蔽板４１ｂとを備えている。

第１センサ部４１１および第２センサ部４１２の遮蔽板４１ｂは、遮蔽板４１ｂがドグとしてフォトインタラプタ４１ａを通過することで、永久磁石２１の位置を検出する機能を備えている。
第１センサ部４１１の遮蔽板４１ｂは、永久磁石２１のＮ極の位置に対応させて配置され、第２センサ部４１２の遮蔽板４１ｂは、永久磁石２１のＳ極の位置に対応させて配置されている。

励磁回路部４２は、同じ回転半径方向に位置する第１センサ部４１１部と第２センサ部４１２とを一組として、第１巻線３１への通電方向を制御するものである。
励磁回路部４２は、第１ＦＥＴ４２１ａ，４２１ｂから第３ＦＥＴ４２３ａ，４２３ｂまでのトランジスタにより、第１巻線３１への通電方向を制御している。
第１ＦＥＴ４２１ａと第３ＦＥＴ４２３ａとはｎ型ＦＥＴである。第２ＦＥＴ４２２ａ，４２２ｂは、ｐ型ＦＥＴである。

第１ＦＥＴ４２１ａ，４２１ｂは、ゲート端子Ｇが抵抗Ｒ１１，Ｒ１２を介してフォトインタラプタ４１ａに接続されている。また、第１ＦＥＴ４２１ａ，４２１ｂは、ソース端子Ｓが接地されている。

第２ＦＥＴ４２２ａ，４２２ｂは、ソース端子ＳがダイオードＤ１１，Ｄ１２を介して電源に接続されていると共に、コンデンサＣ１１，Ｃ１２を介して接地されている。また、第２ＦＥＴ４２２ａ，４２２ｂのゲート端子Ｇは、抵抗Ｒ２１，Ｒ２２を介して第１ＦＥＴ４２１ａ，４２１ｂのドレイン端子Ｄに接続されていると共に、抵抗Ｒ３１，Ｒ３２を介して第２ＦＥＴ４２２ａ，４２２ｂのソース端子Ｓに接続されている。第２ＦＥＴ４２２ａ，４２２ｂのドレイン端子Ｄは、ダイオードＤ２１，Ｄ２２のアノード端子Ａに接続されていると共に、第３ＦＥＴ４２３ａ，４２３ｂのドレイン端子Ｄに接続されている。

第３ＦＥＴ４２３ａ，４２３ｂは、ゲート端子Ｇが抵抗Ｒ４１，Ｒ４２を介してフォトインタラプタ４１ａに接続されている。第３ＦＥＴ４２３ａ，４２３ｂのソース端子Ｓは接地されている。
第１巻線３１の一方の配線は、第２ＦＥＴ４２２ａのドレイン端子Ｄに接続されていると共に、第３ＦＥＴ４２３ａのドレイン端子Ｄに接続されている。
第１巻線３１の他方の配線は、第２ＦＥＴ４２２ｂのドレイン端子Ｄに接続されていると共に、第３ＦＥＴ４２３ｂのドレイン端子Ｄに接続されている。

第２巻線３２には、回転速度調整部５０が接続されている。
回転速度調整部５０は、整流部５１と、消費部５２とを備えている。整流部５１は、ダイオードブリッジにより構成することができる。図６に示す回転速度調整部５０では、整流部５１に消費部５２が１対１で接続されているが、回転速度調整部５０は、他の第２巻線３２にも整流部５１が接続され、他の複数の整流部５１も１個の消費部５２に対して接続されている。

消費部５２は、可変抵抗器とすることができるが、可変抵抗器の代わりに電気エネルギーを有効利用する負荷を接続してもよい。例えば、バッテリの充電回路としたり、照明器具としたり、電動機としたりすることができる。消費部５２は、短絡状態から開放状態までに抵抗値を設定できるものとすることができる。

図２および図３に示すように、回転子２０は、回転軸２３の一方の端部に、第１駆動ギヤ６１が連結されている。これらの第１駆動ギヤ６１は、隣接する第１駆動ギヤ６１と互いに咬み合っている。また、図１に示すように、一つ置きの回転子２０（回転子２０ａ，２０ｃ，２０ｅ）には、回転軸２３の他方の端部に、回転子用ギヤである第２駆動ギヤ６２が取り付けられている。出力軸Ｏ１には、連結ギヤである出力ギヤ６３が設けられている。出力ギヤ６３は、それぞれの第２駆動ギヤ６２に外接して噛み合っている。

以上のように構成された本発明の実施の形態１に係る電動機の動作を図面に基づいて説明する。図６に示す制御回路４０に電源が供給される。
例えば、永久磁石２１のＮ極が第１巻線３１に位置することで、センサ部４１のうち、第１センサ部４１１のフォトインタラプタ４１ａに遮蔽板４１ｂが位置する。
フォトインタラプタ４１ａの光の透過が遮られることで、第１センサ部４１１のフォトインタラプタ４１ａのフォトトランジスタが通電する。フォトトランジスタが通電することで、フォトインタラプタ４１ａに、抵抗Ｒ１１，Ｒ４１を介して接続された第１ＦＥＴ４２１ａのゲート端子Ｇと、第３ＦＥＴ４２３ａのゲート端子Ｇとは、第１ＦＥＴ４２１ａと第３ＦＥＴ４２３ａとがオン状態となる、第１電圧となる。

また、第１センサ部４１１のフォトインタラプタ４１ａに遮蔽板４１ｂが位置するときには、第２センサ部４１２のフォトインタラプタ４１ａには遮蔽板４１ｂが位置しないので、フォトインタラプタ４１ａは非通電状態にある。従って、第２センサ部４１２のフォトインタラプタ４１ａに、抵抗Ｒ１２，Ｒ４２を介して接続された第１ＦＥＴ４２１ｂのゲート端子Ｇと、第３ＦＥＴ４２３ｂのゲート端子Ｇとは、第１ＦＥＴ４２１ｂと第３ＦＥＴ４２３ｂがオフ状態となる、第１電圧より低電圧の第２電圧（０Ｖ）となる。

第１ＦＥＴ４２１ｂがオフ状態であるときには、第１ＦＥＴ４２１ｂのドレイン端子Ｄに抵抗Ｒ２１を介して接続された第２ＦＥＴ４２２ａのゲート端子Ｇは、電源Ｖｓｓに接続された抵抗Ｒ３１により第２ＦＥＴ４２２ａがオフ状態となる第１電圧となる。

第１ＦＥＴ４２１ａがオン状態であるときには、抵抗Ｒ２２が第１ＦＥＴ４２１ａのドレイン端子Ｄに接続されているため、第２ＦＥＴ４２２ｂのゲート端子Ｇは、第２ＦＥＴ４２２ｂがオン状態となる、第２電圧になる。

このようにして、第１ＦＥＴ４２１ａ，４２１ｂ〜第３ＦＥＴ４２３ａ，４２３ｂのオン状態とオフ状態とが決定されると、電源Ｖｓｓからの電流が、第２ＦＥＴ４２２ｂのソース端子ＳにダイオードＤ１２を介して流れ込み、第２ＦＥＴ４２２ｂのドレイン端子Ｄから第１巻線３１へ流れる。そして、第１巻線３１の反対側から電流が、第３ＦＥＴ４２３ａのドレイン端子Ｄからソース端子Ｓへ流れることで、第１巻線３１は、永久磁石２１のＮ極と反発する同極の磁界を発生する。
第１巻線３１が発生した磁界により、永久磁石２１のＮ極が反発して、回転子２０が回転する。

一方、永久磁石２１のＳ極側では、センサ部４１のうち、第２センサ部４１２のフォトインタラプタ４１ａに遮蔽板４１ｂが位置する。
フォトインタラプタ４１ａの光の透過が遮られることで、第２センサ部４１２のフォトインタラプタ４１ａのフォトトランジスタが通電する。フォトトランジスタが通電することで、フォトインタラプタ４１ａに、抵抗Ｒ１２，Ｒ４２を介して接続された第１ＦＥＴ４２１ｂのゲート端子Ｇと、第３ＦＥＴ４２３ｂのゲート端子Ｇとは、第１ＦＥＴ４２１ｂと第３ＦＥＴ４２３ｂとがオン状態となる、第１電圧となる。

また、第２センサ部４１２のフォトインタラプタ４１ａに遮蔽板４１ｂが位置するときには、第１センサ部４１１のフォトインタラプタ４１ａには遮蔽板４１ｂが位置しないので、フォトインタラプタ４１ａは非通電状態にある。従って、第１センサ部４１１のフォトインタラプタ４１ａに、抵抗Ｒ１１，Ｒ４１を介して接続された第１ＦＥＴ４２１ａのゲート端子Ｇと、第３ＦＥＴ４２３ａのゲート端子Ｇとは、第１ＦＥＴ４２１ａと第３ＦＥＴ４２３ａがオフ状態となる、第２電圧となる。

第１ＦＥＴ４２１ａがオフ状態であるときには、第１ＦＥＴ４２１ａのドレイン端子Ｄに抵抗Ｒ２２を介して接続された第２ＦＥＴ４２２ｂのゲート端子Ｇは、電源Ｖｓｓに接続された抵抗Ｒ３２により第２ＦＥＴ４２２ｂがオフ状態となる第１電圧となる。

第１ＦＥＴ４２１ｂがオン状態であるときには、抵抗Ｒ２１が第１ＦＥＴ４２１ｂのドレイン端子Ｄに接続されているため、第２ＦＥＴ４２２ａのゲート端子Ｇは、第２ＦＥＴ４２２ａがオン状態となる、第２電圧になる。

このようにして、第１ＦＥＴ４２１ａ，４２１ｂ〜第３ＦＥＴ４２３ａ，４２３ｂのオン状態とオフ状態とが決定されると、電源Ｖｓｓからの電流が、第２ＦＥＴ４２２ａのソース端子ＳにダイオードＤ１１を介して流れ込み、第２ＦＥＴ４２２ａのドレイン端子Ｄから第１巻線３１へ流れる。そして、第１巻線３１の反対側から電流が、第３ＦＥＴ４２３ｂのドレイン端子Ｄからソース端子Ｓへ流れことで、第１巻線３１は、永久磁石２１のＳ極と反発する同極の磁界を発生する。
第１巻線３１が発生した磁界により、永久磁石２１のＳ極が反発して、回転子２０が回転する。

次に、図７から図１１に基づいて、回転子２０の回転について詳細に説明する。
図７に示すように、回転子２０ａ，２０ｃ，２０ｅのＮ極が、固定子３０ａ，３０ｃ，３０ｅから離れようとするタイミングで、第１センサ部４１１ａの遮蔽板４１ｂがフォトインタラプタ４１ａへ進入する。これにより、回転子２０ａ，２０ｃ，２０ｅ側に向いた固定子３０ａ，３０ｃ，３０ｅが回転子２０ａ，２０ｃ，２０ｅのＮ極に対して、同極を発生する。従って、固定子３０ａ，３０ｃ，３０ｅが発生する同極に、回転子２０ａ，２０ｃ，２０ｅの永久磁石２１が反発して回転が加速される。

また、固定子３０ａ，３０ｃ，３０ｅを挟んで、回転子２０ａ，２０ｃ，２０ｅと反対側の回転子２０ｂ，２０ｄ，２０ｆのＳ極は、固定子３０ａ，３０ｃ，３０ｅのＳ極に向いているため、回転子２０ｂ，２０ｄ，２０ｆは、回転子２０ａ，２０ｃ，２０ｅと反対方向に反発して回転する。

次に、図８に示すように、第１センサ部４１１ｂの遮蔽板４１ｂがフォトインタラプタ４１ａへ進入する。これにより、回転子２０ｂ，２０ｄ，２０ｆのＮ極が離れようとする固定子３０ｂ，３０ｄ，３０ｆに通電される。通電により固定子３０ｂ，３０ｄ，３０ｆは、回転子２０ｂ，２０ｄ，２０ｆのＮ極に向けて同極を発生する。従って、固定子３０ｂ，３０ｄ，３０ｆが発生する同極に、回転子２０ｂ，２０ｄ，２０ｆの永久磁石２１が反発して回転が加速される。

このとき、固定子３０ｂ，３０ｄ，３０ｆを挟んで、回転子２０ｂ，２０ｄ，２０ｆと反対側の回転子２０ａ，２０ｃ，２０ｅのＳ極は、固定子３０ｂ，３０ｄ，３０ｆのＳ極に向いているため反発して加速される。
また、固定子３０ａ，３０ｃ，３０ｅは図７の状態を維持して、回転子２０ａ，２０ｃ，２０ｅに向けてＮ極を発生したままであるため、固定子３０全体で、それぞれの回転子２０が駆動される。

次に、図９に示すように、第１センサ部４１１ａの遮蔽板４１ｂがフォトインタラプタ４１ａから外れ離れると、固定子３０ａ，３０ｃ，３０ｅの通電が解除される。
次に、図１０に示すように、回転子２０ａ，２０ｃ，２０ｅのＳ極が、固定子３０ａ，３０ｃ，３０ｅから離れようとするタイミングで、第２センサ部４１２ａの遮蔽板４１ｂがフォトインタラプタ４１ａに進入する。これにより、回転子２０ａ，２０ｃ，２０ｅ側に向いた固定子３０ａ，３０ｃ，３０ｅに、これまでと反対方向に電流が流れることで、固定子３０ａ，３０ｃ，３０ｅは、回転子２０ａ，２０ｃ，２０ｅのＳ極に対して、同極を発生する。従って、固定子３０ａ，３０ｃ，３０ｅが発生する同極に、回転子２０ａ，２０ｃ，２０ｅの永久磁石２１が反発して回転が加速される。

そして、図１１に示すように、第２センサ部４１２ｂの遮蔽板４１ｂがフォトインタラプタ４１ａへ進入する。これにより、回転子２０ｂ，２０ｄ，２０ｆのＳ極が離れようとする固定子３０ｂ，３０ｄ，３０ｆに、これまでと反対方向の電流が流れることで、固定子３０ｂ，３０ｄ，３０ｆは、回転子２０ｂ，２０ｄ，２０ｆのＳ極に向けて同極を発生する。従って、固定子３０ｂ，３０ｄ，３０ｆが発生する同極に、回転子２０ｂ，２０ｄ，２０ｆの永久磁石２１が反発して回転が加速される。
以上のようにして、固定子３０（固定子３０ａ〜３０ｆ）のそれぞれの第１巻線３１が励磁（通電）されることで、円形に配置された回転子２０がそれぞれ回転し続ける。

このように、円形状に配置された回転子２０の間に固定子３０が配置されているため、どの回転子２０でも、両側に位置する固定子３０により駆動することができる。従って、極端に固定子となる巻線を増やすことなく、効率よく回転子２０を回転させることができる。
また、回転子２０の回転軸２３は、固定子３０が配置された円形水平平面と直交する方向に向いているため、回転子２０の永久磁石２１を水平回転させることができる。従って、永久磁石２１を反発により回転させるときに、重力方向と反対方向に反発させることがある垂直回転と比較して、永久磁石２１に安定した回転を付与することができる。

永久磁石２１は、回転半径方向の外側に向かって細くなるため、永久磁石２１からの磁束を回転半径方向の外側に向かって集中させることができるので、第１巻線３１に対する磁界をより強力なものとすることができる。

それぞれに回転する回転子２０は、第１駆動ギヤ６１により同期して回転する。また、回転子２０ａ，２０ｃ，２０ｅの回転により、回転軸２３に設けられた第２駆動ギヤ６２が回転する。そして、第２駆動ギヤ６２が回転することで、第２駆動ギヤ６２に外接した出力ギヤ６３が回転するため、それぞれの回転子２０の駆動力が集約され、出力ギヤ６３の出力軸Ｏ１から力強い動力を取り出すことができる。

それぞれに回転する回転子２０が、図１に示すような基本位置の状態にあるときには、回転子２０（永久磁石２１）の軸線Ｘ１と、固定子３０（第１巻線３１）の軸線Ｘ２とが円周状に並び、円形状に磁束が繋がる。従って、回転子２０と固定子３０とが円形状に配置されていることで、磁界を強めることができる。

なお、本実施の形態１に係る電動機１０では、６個の回転子２０から１つの出力軸Ｏ１により出力を得ているが、６個の回転子２０のそれぞれの回転軸２３から動力を得てもよい。出力ギヤ６３は、第１駆動ギヤ６１と第２駆動ギヤ６２とにより全部の回転子２０からの駆動力が集約されているが、出力ギヤは、２以上の回転子２０から集約されるようにしてもよい。

次に、発電用巻線として機能する第２巻線３２からの電流を調整する回転速度調整部５０の動作について詳細に説明する。
図６に示すように、第１巻線３１が通電されることで第２巻線３２に電力が発生する。第２巻線３２からの電流は整流部５１により全波整流され、消費部５２に流れる。消費部５２では、第２巻線３２からの電力を、設定された抵抗値によって消費する。

消費部５２の消費電流が大きくなると、第１巻線３１に同軸に配置された第２巻線３２は、第１巻線３１による電磁誘導よりも回転子２０の永久磁石２１による電磁誘導の方が大きくなり、発生した電流は第１巻線３１を助勢する磁界を発生する。

このとき、第１巻線３１への入力電圧を一定にして、消費部５２が第２巻線３２から取り出す出力電流を大きくすると、消費部５２への出力電圧は低下するが、回転子２０の回転数は消費電流（出力電流）０Ａからある電流までは低下するものの、その後、徐々に早くなる。

このように、電動機１０の回転速度調整部５０により消費電流を調整することで、回転数を調整することができるので、電動機１０は回転数を制御できる新規の電動機とすることができる。

ここで、電動機１０を作製して、第１巻線３１への入力電圧および入力電流と、第２巻線３２からの出力電圧および出力電流と、出力軸Ｏ１の回転数との関係を測定した。
第１巻線３１は、銅線（Φ１．４ｍｍ）を６５０回巻いたものを使用した。また、第２巻線３２は銅線（φ１．４ｍｍ）を巻き数１３００回巻いたものを使用した。
永久磁石２１は、第１部分２１１が直径８０ｍｍ、長さ５０ｍｍであり、第２部分２１２が直径５０ｍｍ、長さ２０ｍｍ、第３部分２１３が直径２０ｍｍ、長さ１０ｍｍである。

第１巻線３１へ供給する電源ＶＳＳとして、菊水電子工業株式会社製のデジタルプログラマブル直流安定化電源「ＰＶＤ１５０−４０Ｔ」を使用した。また、第１センサ部４１１および第２センサ部４１２への電源ＶＥＥとして株式会社高砂製作所製「ＧＰ０３５−１０」を使用した。更に、消費部５２として、株式会社計測技術研究所製の多機能電子負荷装置「ＬＮ−１０００Ｃ−Ｇ７」を使用した。

出力軸Ｏ１の回転数は、横河メータ＆インスツルメンツ株式会社製のオシロスコープ「ＤＬＭ２０３４」により測定したセンサ部４１の波形に基づいた周波数から算出した。
なお、オシロスコープに接続されたプローブは、横河電機株式会社製のパッシブプローブ７０１９３９および差動プローブ７００９２４と、ピコテクノロジー社製の電流プローブＴＡ０１８を使用した。

（実施例１）
まず、励磁回路部４２への電源ＶＳＳとして、１３８Ｖを一定に印加し、消費部５２から取り出す出力電流を０Ａから２１Ａまで増加させて、出力軸Ｏ１の回転数を測定した。
出力電流
図１２に示すように、第２巻線３２からの出力電流が０Ａのときでは１０８０回転／分であったが、消費部５２として機能する多機能電子負荷装置の抵抗値を低下させ、出力電流を１０Ａまで増加させると、回転数は徐々に低下した。

しかし、消費部５２の抵抗値を更に低下させると、出力電流が徐々に増加すると共に回転数は増加する。
消費部５２を短絡状態としたときには、第２巻線３２が負荷となる。また、整流部５１も僅かだが負荷となる。この状態では、第２巻線３２からの出力電流は２１Ａであり、回転数は最大となる約１５７５回転／分であった。
このように、第２巻線３２から取り出し、消費部５２によって消費される出力電流によって、電動機１０の回転を変化させることができる。

（実施例２）
次に、出力軸Ｏ１の回転数を一定とし、第２巻線３２からの出力電流を０Ａから増加させたときの消費電力の変動について測定した。
図１３に示すように、第２巻線３２からの出力電流が０Ａのときでは消費電力が１８９０．６Ｗであった。
次に、第１巻線３１への入力電圧を調整すると共に、消費部５２として機能する多機能電子負荷装置の抵抗値を低下させ、第２巻線３２からの出力電流を増加させると、消費電力は徐々に増加し、出力電流が１０Ａのときに消費電力が２１０２．８Ｗで最大となった。
しかし、更に、第２巻線３２からの出力電流が増加するように、消費部５２の抵抗値を低下させると、消費電力は徐々に低下する。
そして、消費部５２を短絡状態としたときには、第２巻線３２からの出力電流は２１Ａであり、消費電力は１７５０．８Ｗと急激に低下した。

従って、出力軸Ｏ１の回転数を一定とし、最大電流を第２巻線３２から取り出した電動機１０は、最小の消費電力となった。従って、電動機１０は、回転数を一定とし、消費部５２を短絡状態としたときに、消費電力を最小限に抑えることができる。

なお、消費部５２として機能する多機能電子負荷装置は、整流部５１を介して接続されていたが、消費部５２を短絡状態とするときには整流部５１は省略することができる。

なお、本実施の形態１では、回転電機を電動機１０として使用していたが、回転子２０の回転軸２３を回転させたり、出力ギヤ６３の出力軸Ｏ１を回転させたりして、電動機１０を発電機として使用することも可能である。
また、本実施の形態１では、回転速度調整部５０が整流部５１を備えているが、第２巻線３２からの電力をそのまま消費できるのであれば、消費部５２を直接第２巻線３２に接続してもよい。

更に、本実施の形態１では、第１駆動ギヤ６１により、それぞれの回転子２０が同期して回転し、回転子２０ａ，２０ｃ，２０ｅの回転により第２駆動ギヤ６２が回転し、そして、第２駆動ギヤ６２が回転することで、出力ギヤ６３が回転して、出力軸Ｏ１から出力が得られると共に、センサ部４１により各回転子２０の回転位置を検出していた。しかし、それぞれの回転子２０の回転軸２３にセンサ部４１を設け、回転軸２３のそれぞれから出力を得るようにするときには、第１駆動ギヤ６１、第２駆動ギヤ６２および出力ギヤ６３は省略することができる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る電動機を図面に基づいて説明する。なお、図１４〜図１６においては、図１と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
図１４に示すように、電動機１１０は、回転子２１０と固定子３０とが、仮想的な円形水平平面の上に円形状に交互に配置されている。
本実施の形態２では、回転子２１０と固定子３０とがそれぞれ３０度ごとに１２個ずつ配置されている。

回転子２１０は、球状の永久磁石２１４を備えている。永久磁石２１４は、第１実施の形態１の電動機１０（図１参照）と異なり、Ｎ極とＳ極とが回転半径方向の外側を向くように回転軸２３に取り付けられている。永久磁石２１４が球状に形成されていることで、永久磁石２１４は、回転中心側が太く、回転半径方向の外側に向かって細くなるように形成されているため、永久磁石からの磁束を回転半径方向の外側に向かって集中させることができる。
回転軸２３は、固定子３０が配置された円形水平平面の半径に沿った方向に向いている。

回転軸２３の円形水平平面の中心側の先端には、小径の傘歯車６４が設けられている。これらの傘歯車６４は、固定子３０が配置された円形水平平面の中心を出力軸Ｏ２とした大径の傘歯車６５に噛み合っている。
１２個の回転子２１０のうち１個の回転子２１０の回転軸２３の基端には、センサ部４１が設けられている。

このように電動機１１０が形成されていることで、センサ部４１からの信号に基づいて図示しない制御回路４０より、円形状に配置された固定子３０の第１巻線３１に、順次、通電されることにより、それぞれの固定子３０の間に配置された回転子２１０が回転する。
回転子２１０の回転により、それぞれ回転子２１０に連結した傘歯車６４が回転する。そして、傘歯車６４の回転により、傘歯車６５が回転するため、出力軸Ｏ２から出力を得ることができる。

また、回転軸２３が、垂直方向に延びておらず、固定子３０が配置された円形水平平面の半径に沿った方向に向いているため、電動機１１０の厚みを薄くできる。
更に、回転軸２３の円形水平平面の中心側の先端には、小径の傘歯車６４が設けられているため、傘歯車６４によって駆動され、回転する傘歯車６５の直径を小さいものとすることができる。

なお、本実施の形態２に係る回転子２１０では、球状の永久磁石２１４を使用していたが、円柱状の永久磁石の軸線方向を、回転軸２３の長さ方向に沿って配置するようにしてもよい。

本発明は、複数の回転子により効率よく駆動力を得ることができるため、電動機が用いられる機械であれば好適である。

１０，１１０ 電動機
１１ 筐体部
２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ，２０ｆ，２１０ 回転子
２１ 永久磁石
２１１ 第１部分
２１２ 第２部分
２１３ 第３部分
２１４ 永久磁石
２２ 回転子本体
２３ 回転軸
３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅ，３０ｆ 固定子
３１ 第１巻線
３２ 第２巻線
３３ コア
４０ 制御回路
４１ センサ部
４１１，４１１ａ，４１１ｂ 第１センサ部
４１２，４１２ａ，４１２ｂ 第２センサ部
４１ａ フォトインタラプタ
４１ｂ 遮蔽板
４１ｃ 回転盤
４２ 励磁回路部
４２１ａ，４２１ｂ 第１ＦＥＴ
４２２ａ，４２２ｂ 第２ＦＥＴ
４２３ａ，４２３ｂ 第３ＦＥＴ
Ｇ ゲート端子
Ｓ ソース端子
Ｄ ドレイン端子
Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ３１，Ｒ３２，Ｒ４１，４２ 抵抗
Ｃ１１，Ｃ１２ コンデンサ
Ｄ１１，Ｄ１２，Ｄ２１，Ｄ２２ ダイオード
５０ 回転速度調整部
５１ 整流部
５２ 消費部
６１ 第１駆動ギヤ
６２ 第２駆動ギヤ
６３ 出力ギヤ
６４，６５ 傘歯車
Ｏ１，Ｏ２ 出力軸
Ｘ１，Ｘ２ 軸線

Claims (11)

1. Ｎ極またはＳ極のいずれか一方の磁極を回転半径方向の外側に向けて永久磁石が回転する回転子と、
   前記永久磁石に軸線を向けた第１巻線を有する固定子とを備え、
   前記回転子は、円形状に配置され、
   前記固定子は、前記回転子の間のそれぞれに配置された回転電機。
2. 前記回転子の２以上の回転軸に取り付けられた回転子用ギヤと、前記回転子用ギヤのそれぞれに噛み合う連結ギヤとを備えた請求項１記載の回転電機。
3. 前記永久磁石は、前記一方の磁極と反対の磁極となる他方の磁極が、前記一方の磁極が向いた方向と反対方向を向いており、
   前記永久磁石の一方の磁極が対向位置にある前記第１巻線に、前記一方の磁極と同極の磁界を発生させるための電流を通電する制御回路を備え、
   前記制御回路は、前記永久磁石の他方の磁極と対向位置にある前記第１巻線に、前記他方の磁極と同極の磁界を発生させるための電流を通電する機能を備えた請求項１または２記載の回転電機。
4. 前記第１巻線と同心円に配置された第２巻線を備えた請求項３記載の回転電機。
5. 前記第２巻線からの電流を調整する回転速度調整部を備えた請求項４記載の回転電機。
6. 前記回転速度調整部は、前記第２巻線からの電流を消費する消費部を備えた請求項５記載の回転電機。
7. 前記回転速度調整部は、前記第２巻線に接続され、前記消費部へ電流を流す整流部を備えた請求項６記載の回転電機。
8. 前記消費部は、短絡状態である請求項６または７記載の回転電機。
9. 前記永久磁石は、回転中心側が太く、回転半径方向の外側に向かって細くなる請求項１から７のいずれかの項に記載の回転電機。
10. 前記回転子の回転軸は、前記固定子が配置された円形水平平面と直交する方向に向いた請求項１から９のいずれかの項に記載の回転電機。
11. 前記回転子の回転軸は、前記固定子が配置された円形水平平面の半径に沿った方向に向いた請求項１から９のいずれかの項に記載の回転電機。

Images