JPH0454853A - 回転機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野１ 本発明は回転機、特にトロイダルコアによる磁気回路を
有する無相の電動機あるいは発電機として使用される回
転機に関する。

［従来の技術］ トロイダルコアを用いた、無相の電磁回転機を実現する
ための技術は数多く提案されているが、理論的に錯誤が
あるものが多く、実用された例はない。たとえば、特開
昭５３−８９９１１号に記載された技術などがある。

［発明が解決しようとする課題］ 従来より知られている複数相の磁気回路を用いた回転機
には、次のような解決すべき課題がある。

第１の課題 複数相の発電機は、その直流出力にリップル電圧を含ん
でいるので回転数に比例した直流出力を得ることができ
なく、リップル電圧をコンデンサで平滑化すると時間お
くれが発生して１回転速度の変化に正確に追従した電圧
が得られなく、タコジェネレータとして使用する場合の
欠点となる問題点がある。

第２の課題 複数相の直流電動機、特にブラシレス直流電動機の場合
には相数が少ないので、トルクリップルと電子ノイズと
機械振動を発生する問題点がある。

第３の課題 ブラシレスの発電機、直流電動機の場合には、整流装置
が半導体回路となり、高価となり、相切り替え時の電磁
ノイズが発生する問題点がある。

また、機械振動を発生する欠点がある。

第４の課題 直流電動機の場合に、ブラシレスの電動機とした時に、
相数は１〜３相となるので、相切り甘えの時のコイルの
エネルギーの消滅と蓄積に時間を要する。したがって、
高速度とすると、反トルクの発生が増大し、回転速度の
上昇に限界があり、また効率を劣化せしめる問題点があ
る。

第５の課題 電機子コイルのエネルギーの消滅と蓄積による鉄損があ
り、効率が劣化する問題点がある。高速度となると前述
したように大きい問題点となる。

［課題を解決するための手段］ 以上の課題を解決するため、本発明においては、回転機
において、 ほぼ同一の円筒形で、かつ回転対称軸方向にそれぞれ逆
向きに磁化された第１Ｊ５よび第２の回転子と、前記第
１および第２の回転子をそれぞれの磁化方向に離間して
固着する第１および第２の回転子の回転対称軸を貫通す
る非磁性体の回転軸からなる回転体と、 前記第１および第２の回転子の離間距離のほぼ中間部の
前記回転子の外周部、ないし第１および第２の回転子に
より挟持される位置に配置されたドーナツ状の磁性体か
らなる第１の固定ヨークと、この第１の固定ヨークと結
合され、前記回転体の外側を取り囲むように延長された
少なくとも１本以上の第２の固定ヨークと、前記第２の
固定ヨークの端部において、前記回転軸の前記回転体か
らの突出部分を回動自在に支持する軸受は手段からなる
支持手段と、 前記第２の固定ヨークによって分割された第１の固定ヨ
ークの少なくとも１ケ所以上の円弧部に巻回された電機
子コイルとから構成され、前記回転体の回転により、各
電機子コイルに誘起した発電電圧を導出する発電機、も
しくは、各電機子コイルに印加された直流電流により前
記回転体と前記支持手段の間に相対的な１方向性の回転
トルクを発生する直流電動機のいずれかとじて使用され
る構成、 あるいは、上記構成において、回転体のうち一方の回転
子を省略した構成をを採用した。

［作用］ 前述した問題点となる第１〜第５の課題は、周知の１相
、２相、３相の回転機の共通の欠点である。これは相の
概念があるためとも考えられる。

３．２、ｌ、０の概念から推定されることは、相の概念
から脱出して０相すなわち無相の回転機とすることによ
り、上述した問題点が除去されるものである。

本発明装置は、無相の電動機を構成して、第１〜第５の
課題を解決したものである。

次にその作用を説明する。

上記構成によれば、電機子コイルには常に１方向の通電
が設定値で行なわれているので、相切り替えがなく、電
機子コイルの磁気エネルギーの大きい出入りがない。

したがって、発電機として使用した場合に、回転速度に
正確に比例した応答性のよい電圧出力が得られる作用が
あるので前述の第１の課題が解決される。

電動機として使用した場合には、同じ理由により、トル
クリップルがなく、電機的もしくは機械的振動が除去さ
れるので、第２の課題が解決される。

相切り替えをする整流装置が不要なので、その為のホー
ル素子を含む半導体制御回路が不要となり、直流電源よ
り電機子コイルに通電するのみで回転子の駆動力を得る
ことができる。

上述した事情は発電機の場合も同様である。

したがって、前述の第３の課題が解決される。

電機子コイルに蓄積された磁気エネルギーの増減がない
ので一級の電動機の場合のように通電を絶った時の磁気
エネルギーの放出による反トルクの発生がない。したが
って、高速度（毎分ｌＯ万回転以上）の電動機を得るこ
とができるので、第４の課題が解決される作用が含ある
。

電機子コイルに磁芯はあるが、これを通る磁束量に変化
がないので、鉄損がなく、効率の良好な電動機を得るこ
とができる。

したがって、第５の課題を解決する作用がある。

［実施例］ 以下、図面に示す実施例について本発明装置の詳細を説
明する。なお、各実施例において、図中の同一記号は同
一部材を示しており、これら部材についての重複した説
明は省略するものとする。

第１実施例 第１図（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）は、本発明の第１
の実施例の電磁回転機の説明図である。

第１図（ｂ）は第１図（ａ）においてＡ−Ａ　’面で切
断したときの断面図を示す。

第１図（ａ）、（ｂ）において、回転体ｌは、回転対称
軸に位置する回転軸２に固着され、第１の固定ヨークを
保持する第２の固定ヨーク４ａ、４ｂに対してベアリン
グ３ａ、３ｂを介して回動自在に支持される。

第２の固定ヨーク４ａ、４ｂは、回転軸２の支持部を中
心に放射状にアームが回転子１を囲むようにのび、リン
グ状の第１の固定ヨーク５にその両側から結合している
。

第２の固定ヨーク４ａ、４ｂのアームによって分割され
た第１の固定ヨークの円弧の部分に、電機子コイル６ａ
、６ｂ、６ｃ、６ｄが巻回される。電機子コイル６ａ、
６ｂ、６ｃ、６ｄは、第１の固定ヨーク５の回りに同じ
方向に巻かれ、６ａと６ｂ、６ｂと６ｃ、６ｃと６ｄが
それぞれ直列に接続され、電機子コイル６ａと６ｄの端
子６ａｉ、６ｄｏは不図示の電流駆動回路に接続されて
いる。

次に回転体ｌの構成を説明する。回転軸２の両端に円板
状の上蓋１０１ａと下蓋１０１ｂが固着され、その相対
する面には円筒状のマグネット１０２ａ、１０２ｂが固
着されている。

上蓋１０１ａと下！１０１ｂはたとえば軟鉄のような磁
性体で構成される。

第１図（ｂ）に示すように、マグネット１０２ａ、１０
２ｂは互いに反対方向に着磁されている。第１図（ｂ）
においてはＮ極が向き合っている。

マグネットｌ０２ａ、１０２ｂの外周には外筺７がマグ
ネットを囲むように固着され、円筒形の回転体１を構成
している。外筺７はたとえばアルミニウムのような非磁
性体で構成される。

次に、以上の構成における磁路を説明する。分りやすい
ように磁力線は矢印で示し、第１図（ｂ）において、磁
性体は斜線で示しである。

図示するように、マグネット１０２ａと１０２ｂの磁化
方向は相対しているので、回転体ｌのの上下端から中心
に向かって磁力線が延び、中央でぶつかり外周方向へ向
きを変え第１の固定ヨーク５へ達している。この時、電
機子コイル６ａ〜６ｄの１辺を横切る。

磁力線は更に第１の固定ヨーク５の中を円周方向に走り
第２の固定ヨークに達する。この様子を第１図（ａ）に
矢印で示す、その後磁力線は第２の固定ヨーク４ａ、４
ｂの中をそれぞれ走り上蓋１０１ａと１０１ｂを通りそ
のループを形成している。

以上説明した磁路は、回転体ｌと第１ｇよび第２の固定
ヨーク５．４ａ、４ｂで構成される磁気回路の磁気抵抗
を考慮するとその正しさが証明される。

次に、上記構成における回転トルクの発生メカニズムに
つき説明する。

電動機としての駆動時には、端子６ａｉから６ｄｏへ向
けて、コイル６８〜６ｄに直流電流を流す。

第１図（ａ）のように、電流は外周側で紙面裏側から表
側へ、内周側で紙面表側から裏側へ向かって流れる（第
１図（ｂ）も参照）。

第１図（ａ）において、Ｂ−Ｂ’で切断した面内での磁
力線とコイルおよび電流の関係を第１図（ｄ）に示す。

コイルの各頂点をそれぞれ６ｂ１．６ｂ２゜６ｂ３．６
ｂ４また６ｄｌ、６ｄ２．６ｄ３゜６ｄ４とすると、電
流は６ｂ　ｌ−６ｂ２−６ｂ３−６ｂ４および６ｄｌ−
６ｄ２−６ｄ３−６ｄ４の方向に流れる。

磁力線は前述した説明により、電機子コイル６ａと６ｄ
のそれぞれの１辺６ｂ２−６ｂ３と６ｄ２−６ｄ３のみ
を横切り他の辺は横切らない。電機子コイル６ａと６０
についても事情は同じである。

ローレンツの力は、Ｆ＝ＩＬ＊Ｂ　（＊はベクトル積、
■はコイルを流れる電流、Ｂは磁束密度、Ｌは磁束が横
切る部分のコイルの長さである。）で表せるから、辺６
ｂ２−６ｂ３では紙面裏側から表側へ、辺６ｄ２−６ｄ
３では紙面表側から裏側へ力が働く。

固定ヨーク４ａ、４ｂ、５と電機子コイル６ａ〜６ｄか
らなる構造物が固定されていれば、回転体ｌは第１図（
ａ）において矢印Ｃの方向へ回転する。

以上の構成によれば、第１の固定ヨーク５、第２の固定
ヨーク４ａ、４ｂ、上蓋１０１ａ、下蓋１０１ｂを通る
磁束密度は変らないので鉄損はなＩ／Ｘ０ また、直流電源より各電機子コイルに発通電すると直流
電動機として回転し、損失は銅損と機械損のみとなるの
で、効率の良好な電動機が得られる効果がある。

また、本実施例では、磁気回路は無相なので、トルクリ
ップルのない優れた駆動特性が得られる効果がある。位
置検知素子と半導体回路がないので、耐熱性があり廉価
なブラシレス電動機が得られる効果がある。

相の切り替えがないので、反トルクの発生がない。した
がって、高速度の電動機が得られる効果がある。

回転体ｌを駆動源により１方向に駆動すると、各電機子
コイルには誘起電圧が発生するので、発電機となる。

効果は電動機として使用した場合と同様である。出力電
圧にリップル分がないので、有効な手段となる。第１実
施例の各部材の配置はあくまでも一例にすぎず、第２実
施例以降に示すような変形例が考えられる。

第２実施例 第２図（ａ）は１本発明装置の第２の実施例である。第
１の実施例と異なるところは、外筺７が７Ａと７Ｂに分
割され、マグネット１０２ａと１０２ｂに挟まれる空間
に、第１の固定ヨーク５とそれに巻回されている電機子
コイル６ａ。

６ｂ、６ｃ、６ｄが入り込んでいる構成となっているこ
とである。

第２図（ｂ）に示すように、磁束は電機子コイルの辺６
ｂｌ−６ｂ２．６ｂ２−６ｂ３゜６ｂ３−６ｂ４を横切
り、電機子コイルに矢印の方向に電流を流すと、紙面の
裏側から表側に向かってローレンツ力を発生する。

ローレンツ力をＦとして力が働く方向を矢印で示す６ほ
かのコイルも同様である。第２図（ｂ）から分るように
、磁束が横切るコイルの線長が長い分だけ、第１の実施
例と比較して、トルクが余分に発生する。

第３実施例 第３図（ａ）は、本発明の第３の実施例である。

回転軸方向の高さｈを低くするために固定ヨーク５８よ
び電機子コイル６ａ、６ｂ、６ｃ。

６ｄの厚さと幅の寸法比を変え固定ヨーク５０１、電機
子コイル６ａ、６ｂ、６ｃ。

６ｄ　（６ｃと６ｄは図示せず）とし、マグネット１０
２ａとｌ　０２ｂで挟まれる空間において、内周まで固
定ヨークが延びている構成としている。

第３図（ｂ）に電機子コイルと磁束の関係を示６０１ｂ
３−６０１の３辺を横切り、電機子コイルに矢印の方向
に電流を流すと、紙面裏側から表側に向かってローレン
ツ力Ｆを発生する。以上の構成により薄型の電動機また
は発電機を構成できる。

また、マグネット１０２ａまたは１０２ｂのどちらか一
方とそれを囲む第２の固定ヨークを削除しても薄型化で
きる。

第４実施例 以上の各実施例では、回転体１の上下にマグネットｌ　
０２ａ、１０２ｂを設けた構成を例示したが、図示の構
造を図の上下に２分した一方のみの構造においても同一
の原理により回転駆動、あるいは発電が可能である。こ
のような観点から第５図（ａ）、（ｂ）に示すような構
造（第４実施例）が考えられる。

第３の実施例と比較すると、マグネット１０２ｂ、下蓋
１０　ｌ　ｂ、外筺７ｂ、第２の固定ヨーク４ｂが削除
されている。第１の固定ヨーク５０２は中央部で軸受け
３０１を保持する構造とし、回転軸ｌを回動自在に支持
している。

第５図（ｂ）は第５図（ａ）を下から見た図であり、第
１の固定ヨーク５０２の、第２の固定ヨーク４ａによっ
て分割された円弧の部分に、電機子コイル６０１ａ、６
０１ｂ、６０１ｃ。

６０１ｄが巻回されている。

ｃ−ｃ’断面での電機子コイルと磁束の関係を第５図（
ｃ）に示す。磁束は電機子コイル６０１ｂの辺６０１ｂ
ｌ−６０１ｂ２゜６０　ｌ　ｂ２−６０１　ｂ３を横切
り、≠肴電機子コイルに矢印の方向に電流を流すと、紙
面裏側から表側に向かってローレンツ力Ｆを発生する。

第５実施例 第４図に第５の実施例を示す。第３図と比較すると、マ
グネット１０２ａ、１０２ｂのかわりに、磁束を発生す
る手段として電磁石を使用している。

磁束を発生するコイル１０３ａは第２の固定ヨーク４ａ
に、１０３ｂは４ｂに固着している。

磁芯１０４ａと１０４ｂは離間して回転軸２に固着して
おり、ベアリング３ａ、３ｂにより回動自在に支持され
ている。

コイル１０３ａ、１０３ｂにより発生した磁束は磁芯１
０４ａ、１０４ｂを磁化し、電機子コイルを横切りロー
レンツ力を発生している。マグネットの代りに電磁石を
使用すれば、材料費が安くなるため、安価な電動機を提
供できる。

第２〜第５実施例のいずれにおいても、例示した回転機
はそのまま発電機としても利用可能であるのはいうまで
もない６ ［発明の効果］ 以上のように、本発明においては、回転機において、 ほぼ同一の円筒形で、かつ回転対称軸方向にそれぞれ逆
向きに磁化された第１および第２の回転子と、前記第１
および第２の回転子をそれぞれの磁化方向に離間して固
着する第１および第２の回転子の回転対称軸を貫通する
非磁性体の回転軸からなる回転体と、 前記第１および第２の回転子の離間距離のほぼ中間部の
前記回転子の外周部、ないし第１および第一２の回転子
により挟持される位置に配置されたドーナツ状の磁性体
からなる第１の固定ヨークと、この第１の固定ヨークと
結合され、前記回転体の外側を取り囲むように延長され
た少なくとも１本以上の第２の固定ヨークと、前記第２
の固定ヨークの端部において、前記回転軸の前記回転体
からの突出部分を回動自在に支持する軸受は手段からな
る支持手段と、 前記第２の固定ヨークによって分割された第１の固定ヨ
ークの少なくとも１ケ所以上の円弧部に巻回された電機
子コイルとから構成され、前記回転体の回転により、各
電機子コイルに誘起した発電電圧を導出する発電機、も
しくは、各電機子コイルに印加された直流電流により前
記回転体と前記支持手段の間に相対的な１方向性の回転
トルクを発生する直流電動機のいずれかとして使用され
る構成、 あるいは、上記構成において、回転体のうち一方の回転
子を省略した構成を採用するため、ｌ）トルクリップル
のない平坦なトルク特性のある電動機もしくはリップル
電圧のない発電機が得られる。

２）無相で駆動されるため、整流装置が不要となり、ブ
ラシレスとなり、また電機子電流制御のための通電制御
回路が除去される。

３）反トルクの発生がないので、高速度回転が可能な回
転機を得ることができる。

４）鉄損がなく、反トルクの発生がないので効率の良好
な電動機もしくは発電機を得ることができる。

５）電機子コイルの通電量に変化がなく、また通電方向
も変らないので、電磁ノイズと機械振動が著しく小さく
なる。

６）相の切り替えがないので、鉄損がない。したがって
磁芯として軟鋼材もしくは、軟鋼粉、珪素鋼粉の焼結し
たものを使用するとことができる。したがって構成が著
しく簡単安価となる。

などの優れた利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は、本発明による回転機の第１実施例の上
面図、第１図（ｂ）は、本発明の第１実施例の縦断面図
、第１図（ｃ）は、本発明の第１実施例の側面図、第１
図（ｄ）は第１実施例に右けるトルク発生と誘起電圧発
生の原理の説明図、第２図（ａ）は、本発明による回転
機の第２実施例の縦断面図、第２図（ｂ）は第２実施例
におけるトルク発生と誘起電圧発生の原理の説明図、第
３図（ａ）は、本発明による回転機の第３実施例の縦断
面図、第３図（ｂ）は第３実施例におけるトルク発生と
誘起電圧発生の原理の説明図、第４図は、本発明による
回転機の第５実施例の縦断面図、第５図（ａ）は、本発
明による回転機の第４実施例の縦断面図、第５図（ｂ）
は第４実施例の下面図、第５図（ｃ）は本発明の第４会
実施例のトルク発生と誘起電圧発生原理の説明図である
。 ｌ・・・回転体　　　　　２・・・回転軸４ａ、４ｂ−
・・第２の固定ヨーク ５・・・第１の固定ヨーク ６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ−電機子コイル１０２ａ、１０
２ｂ＝−マグネット １０１ａ、１０１ｂ−−−上蓋と下蓋（磁性体）７−・
・外筺（非磁性体） １０３ａ、１０３ｂ−・・磁束発生のためのコイル１０
４ａ、１０４ｂ−電磁石の磁芯 第１実施例の上面図 第１図（ａ） 第１実施例の縦断面図 第１図（ｂ） 第２実施例の縦断面図 第２図（ａ） 第２実施例の動作原理の説明図 第２図（ｂ） 第１実施例の側面図 第１図（Ｃ） 第１実施例の動作原理の説明図 第１図（ｄ） 第３図（ａ） 第５実施例の縦断面図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）ほぼ同一の円筒形で、かつ回転対称軸方向にそれぞ
   れ逆向きに磁化された第１および第２の回転子と、前記
   第１および第２の回転子をそれぞれの磁化方向に離間し
   て固着する第１および第２の回転子の回転対称軸を貫通
   する非磁性体の回転軸からなる回転体と、 前記第１および第２の回転子の離間距離のほぼ中間部の
   前記回転子の外周部、ないし第１および第２の回転子に
   より挟持される位置に配置されたドーナツ状の磁性体か
   らなる第１の固定ヨークと、この第１の固定ヨークと結
   合され、前記回転体の外側を取り囲むように延長された
   少なくとも１本以上の第２の固定ヨークと、前記第２の
   固定ヨークの端部において、前記回転軸の前記回転体か
   らの突出部分を回動自在に支持する軸受け手段からなる
   支持手段と、 前記第２の固定ヨークによって分割された第１の固定ヨ
   ークの少なくとも１ケ所以上の円弧部に巻回された電機
   子コイルとから構成され、前記回転体の回転により、各
   電機子コイルに誘起した発電電圧を導出する発電機、も
   しくは、各電機子コイルに印加された直流電流により前
   記回転体と前記支持手段の間に相対的な１方向性の回転
   トルクを発生する直流電動機のいずれかとして構成され
   たことを特徴とする回転機。 ２）円筒形で、回転対称軸方向に磁化された回転子と、
   この回転子の回転対称軸を貫通する非磁性体の回転軸か
   らなる回転体と、 前記回転体の１つの端部近傍に配置されたドーナツ状の
   磁性体からなる第１の固定ヨークと、この第１の固定ヨ
   ークと結合され、前記回転体の外側を取り囲むように延
   長された少なくとも１本以上の第２の固定ヨークと、前
   記第２の固定ヨークの端部において、前記回転軸の前記
   回転体からの突出部分を前記回転軸を回動自在に支持す
   る軸受け手段からなる支持手段と、 前記第２の固定ヨークによって分割された第１の固定ヨ
   ークの少なくとも１ケ所以上の円弧部に巻回された電機
   子コイルとから構成され、前記回転体の回転により、各
   電機子コイルに誘起した発電電圧を導出する発電機、も
   しくは、各電機子コイルに印加された直流電流により前
   記回転体と前記支持手段の間に相対的な１方向性の回転
   トルクを発生する直流電動機のいずれかとして構成され
   たことを特徴とする回転機。