JP2011193650A

JP2011193650A - 磁力回転装置

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Publication number: JP2011193650A
Application number: JP2010058235A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Komatsu; 康▲広▼ 小松
Original assignee: Ritsumeikan Trust
Current assignee: Ritsumeikan Trust
Priority date: 2010-03-15
Filing date: 2010-03-15
Publication date: 2011-09-29
Anticipated expiration: 2030-03-15
Also published as: WO2011114982A1; JP5540411B2

Abstract

【課題】銅損を軽減させることにより、効率の良い磁力回転装置を提供する。
【解決手段】表面及び裏面に磁極が形成された平板状の永久磁石２が周方向に沿って等間隔でｎ個（ｎは１以上の整数）配置された回転子３と、前記永久磁石２の磁極と同極性の磁極が対向するように固定子４に固定され、前記永久磁石２に磁力を生じさせて前記回転子３を回転させる複数の電磁石５とを具備し、前記それぞれの永久磁石２は、前記回転子３を周方向にｎ分割したそれぞれの分割角度αに対して４０〜７０％の割合を占めるように配置され、前記永久磁石２が前記電磁石５に対向する間、該電磁石５に通電を行い、前記永久磁石２が前記電磁石５を通過した後、前記電磁石５への電流を遮断することにより、前記回転子３に磁力による回転力を付与することを特徴とする磁力回転装置１。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁力により回転体を回転させる磁力回転装置に関し、特に、永久磁石と電磁石との反発力及び吸引力を利用した磁力回転装置に関する。

従来から、回転可能な回転軸の円周領域に永久磁石を配置した回転体と、該回転体の永久磁石により生成される磁界に対して反発する磁界を発生する電磁石とを備えた磁力回転装置が発明されている（例えば、特許文献１参照）。この磁力回転装置によれば、永久磁石と電磁石との反発力によって回転体を回転させるトルクを発生して回転体を回転させる。

また、本発明者は、これまでに高速回転に適し、より高い電磁トルクを得るために、磁力により生ずる回転トルクと回転子の回転角度との関係において、電磁石に直流一定電流を連続通電した場合に回転子を負の方向に回転させる大値狭角度トルクを発生させる回転角度領域で前記電磁石への電流を遮断し、回転子を正の方向に回転させる小値広角度トルクを発生させる回転角度領域で電磁石へ通電することにより、回転子に磁力による回転力を付与する磁力回転装置を発明した（特許文献２参照）。

特許第２９６８９１８号公報特許第３８９７０４３号公報

特許文献１の磁力回転装置では、回転子に設けられた棒状の永久磁石と固定子に設けられた電磁石との反発力だけを利用している。この磁力回転装置では、永久磁石と電磁石の磁極が接近したときに電磁石にパルス状の電圧を短期間だけ加え、台形波状の電流を流している。永久磁石の磁極表面の磁束密度は大きいので、単位電流当りのトルクは大きい。つまり、トルク定数は大きい。従って、所望のトルクを得るために必要な電流は小さくなる。そのため、銅損は小さくなるように思われるが、この磁力回転装置では、所望の平均トルクを得るために短期間に比較的大きな電流を流さなければならないため、電流の実効値は大きくなる。銅損は、電流実効値の二乗×巻線（コイル）抵抗になるので、単位入力電力当たりの銅損は大きくなる。つまり、特許文献１の磁力回転装置では、銅損が大きくなるため、必ずしも高効率であるとはいえない。

また、特許文献２の磁力回転装置では、特許文献１の磁力回転装置が磁極面積の小さい永久磁石を用いているのに対して、平板状の永久磁石を用いている。また、この磁力回転装置では、上述したように特許文献１の磁力回転装置とは異なるタイミングで電磁石に対して通電を行っており、永久磁石と電磁石による吸引力と反発力を利用している。

図５の表には、特許文献１及び特許文献２の双方の磁力回転装置の比較を示している。その際、両装置の回転速度の一致、両装置の平均トルクの一致及び両装置の入力電力の一致を仮定している。また、電流波形も矩形波と仮定している。この図５に示す表によれば、単位入力電力当りの銅損は、それぞれ最下欄に示すように表される。但し、図５の表に示すように、ｋは特許文献２の通電期間Ｔ_ｏｎに対する特許文献１のコイルへの通電期間の割合を示す定数、ｍは両者のトルク定数の割合を示す定数、ｒは巻線（コイル）の抵抗、ａ_ｐは特許文献２のコイルの並列回路数、Ｕは特許文献２の電磁石の通電期間における逆起電力を表している。尚、損失としては、他に鉄損も考えられるが、ここでは永久磁石の回りに鉄芯がないので、簡単のために鉄損は考えないものとしている。

図５の表の最下欄に表す関係式から、ｋ／ｍ^２の値が小さくなるように構成できれば、単位入力電力当たりの銅損を小さくすることができることが示されている。つまり、ｍの値を大きくして、ｋの値を小さくするように構成できれば、銅損を小さくすることができる。しかしながら、特許文献１の磁力回転装置では通電期間が短い、言い換えれば、ｋの値が大きくなる。また、特許文献２の磁力回転装置では、永久磁石が電磁石から離れている時に電流を流しているため、トルク定数が小さくなる。そのため、ｍの値が小さくなり、単位入力電力当たりの銅損が大きくなるので、特許文献２の磁力回転装置も、必ずしも高効率であるとはいえないという問題がある。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、単位入力電力当たりの銅損を軽減させることにより、効率の良い磁力回転装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明者は、図５の表における単位入力電力当りの銅損を示す関係式から、ｋ／ｍ^２の値が小さくなるように構成することにより、単位入力電力当たりの銅損を小さくし、より効率の良い磁力回転装置を得ることができることを導いた。そこで、通電期間が長く、トルク定数が大きくなるようにするために、請求項１記載の磁力回転装置は、表面及び裏面に磁極が形成された平板状の永久磁石が周方向に沿って等間隔でｎ個（ｎは１以上の整数）同じ向きに配置された回転子と、前記永久磁石の磁極と同極性の磁極が対向するように固定子に固定され、前記永久磁石に磁力を生じさせて前記回転子を回転させる複数の電磁石とを具備し、前記それぞれの永久磁石は、前記回転子を周方向にｎ分割したそれぞれの分割角度に対して４０〜７０％の割合を占めるように配置され、前記永久磁石が前記電磁石に対向する間、該電磁石に通電を行い、前記永久磁石が前記電磁石の磁極付近を通過した後、前記電磁石への電流を遮断することにより、前記回転子に磁力による回転力を付与することを特徴としている。

請求項２記載の磁力回転装置における前記永久磁石は、回転子の中心から永久磁石の重心を結ぶ直線と、永久磁石の磁極方向の直線とが交わる角度が、回転子の中心方向からみた場合に３０°以上６０°以下となるように配置されていることを特徴としている。

請求項３記載の磁力回転装置は、前記電磁石のコイルに電流を供給するための直流電源と、前記コイルに直列に接続され、当該コイルへの電流の供給のオン・オフを行うスイッチ部と、前記コイルに一方向のみの直流電流が流れるように前記スイッチ部にそれぞれ並列に接続される第１のダイオード及び第２のダイオードと、静電容量が１０μＦ以上２００μＦ以下であり、前記スイッチ部に並列に接続されるコンデンサと、該コンデンサに回生電流が流れるように前記直流電源のプラス端子側に接続される逆流阻止用ダイオードとを有するモータドライブ回路を備えることを特徴としている。

請求項１記載の磁力回転装置によれば、回転子に配置される永久磁石が回転子を周方向にｎ分割したそれぞれの分割角度に対して４０〜７０％の割合を占めるように配置され、且つ、この永久磁石が電磁石と対向する間、通電を行うように構成されている。これにより、通電期間を長くすることができるとともに、トルク定数を大きくすることができるので、単位入力電力当たりの銅損を小さくし、より効率を良くすることができる。また、平板状の永久磁石を用いているので、棒磁石を用いる場合よりもギャップ長は必然的に長くなるため、永久磁石は減磁し難くなる。また、各永久磁石による磁束が両隣の永久磁石の磁束を強め合う構成になるということからも減磁し難くなる。

請求項２記載の磁力回転装置によれば、永久磁石は、回転子の中心から永久磁石の重心を結ぶ直線と、永久磁石の磁極方向の直線とが交わる角度が、回転子の中心方向からみた場合に３０°以上６０°以下となるように配置されているので、隣同士の永久磁石が減磁し合うのを抑制することができる。また、このような構成によれば、磁力回転装置の起動時には永久磁石の裏面側の磁極間力（電磁力）がトルクの発生に寄与し、起動してから少し経つと、永久磁石の表面側の磁極間力がトルクの発生に寄与する。従って、永久磁石の表面側の磁極及び裏面側の磁極によるトルクの合成トルクは、通電電流が一定であるならば、通電時間の全域において略一定の大きさのトルクを発生させることができる。また、磁極間距離も短いので、発生トルクを大きくできる。

請求項３記載の磁力回転装置によれば、電磁石のコイルに通電を行うためのモータドライブ回路に静電容量が１０μＦ以上２００μＦ以下という小さな静電容量のコンデンサを利用している。これにより、通電期間において永久磁石がコイルに接近する際に発生する逆起電力が電源電圧よりも大きくなることにより逆向きに流れる誘導電流（誘導ブレーキ電流）がコンデンサへと流れる。そのため、コンデンサ電圧が上昇して、誘導電流は減少して零となり、更に正になる。従って、コンデンサ電圧が上昇して、銅損を増加させる誘導ブレーキ電流を抑制するので、より効率を向上させることができる。

本発明に係る磁力回転装置の構成の一例を示す概略平面図である。本発明に係る磁力回転装置の図１のＡ−Ａ線断面図である。本発明に係る磁力回転装置のモータドライブ回路の一例を示す回路図である。本発明に係る磁力回転装置の磁極間力の作用の仕方を説明するための概略説明図であって、（ａ）は起動時の磁極間力、（ｂ）は起動から少し経過した際の磁極間力を示すものである。特許文献１と特許文献２の磁力回転装置の比較表である。

以下、本発明に係る磁力回転装置１について、図面を参照しながら説明する。この磁力回転装置１は、図１及び図２に示すように、平板状の永久磁石２がｎ個配置された回転体（回転子）３と、該回転子３を軸支するフレーム（固定子）４と、該フレーム４に固定される複数の電磁石５とを備えている。

回転子３は、回転軸となるシャフト６に２枚の円盤７と１枚の円盤７１がスペーサ６０を介して所定間隔で固定されており、各円盤７の下面に周方向に等間隔で８個の平板状の永久磁石２が配設されている。また、フレーム４には永久磁石２に対応して８箇所に電磁石５が固定されている。

永久磁石２は、表面及び裏面に磁極が形成された平板状のものであり、具体的にはネオジウム系の希土類磁石からなる。このように、表面と裏面にＮ極及びＳ極が形成された平板状の永久磁石２を用いることにより、各磁極面積を広くすることができるので、回転トルクの増加を図ることができる。

図１に示すように、永久磁石２は、円盤７に数ｍｍ程度埋め込まれることにより固定されており、図２に示すように、１枚の円盤７に対して周方向に等間隔となるように８個固定されている。つまり、各永久磁石２は、円盤７の周縁部分に周方向に４５°の角度間隔をあけて配設されている。この永久磁石２の固定方法は特に限定されるものではなく、適宜金具等を用いて円盤７へ固定すれば良い。また、各永久磁石２は、円盤５を周方向に８分割した角度間隔α＝４５°に対して４０〜７０％の割合の角度βを占めるように配置されている。つまり、分割角度間隔αが４５°の場合には、βが約１８〜３１．５°になるように永久磁石６が配置される。尚、隣接する永久磁石２同士による減磁を考慮すると、分割角度間隔αに対して永久磁石２の占める割合を７０％以下にするのが得策である。

また、各永久磁石２は、図２に示すように、円盤７（回転子３）の中心Ｏから永久磁石２の重心を結ぶ直線Ｌ１と、永久磁石２の磁極方向、即ち表面及び裏面上の法線方向の直線Ｌ２とが交わる角度γが、円盤７の中心Ｏ方向からみた場合に約３０°以上６０°以下となるように配置されている。永久磁石２のＮ極又はＳ極のうちいずれかの面が円盤７の外方へ向けられており、永久磁石２に対して所定の磁気ギャップを隔てて設けられる電磁石５の極性は対向する永久磁石２の外方の磁極と同極になっている。尚、本実施形態では円盤７に固定される永久磁石の数が８個の場合を用いて説明しているが、この数は特に限定されるものではない。

同様にして、別の円盤７にも先と逆の極を外方に向けられた８個の永久磁石２が固定され、各８個の永久磁石２が固定され２枚の円盤７を互いの永久磁石２が周方向に同位置となるようにスペーサ６０を介して重ね合わされている。すなわち、永久磁石２は、磁力回転装置１に合計１６個８対設けられている。また、２枚の円盤７と１枚の円盤７１の計３枚の円盤もスペーサ６０を介して重ね合わされている。

また、円盤７１には、センサ検出盤８が同軸となるように固定されている。センサ検出盤８は、円盤７１よりも若干大径の透明なプラスチック板であり、円盤７１の周縁から突出した部分の所定部位にテープ等を貼り付けることにより、該部位を位置検出センサ９が検出するように構成されている。

各円盤７、７１の中心にはシャフト６が貫通されており、これらシャフト６、円盤７、７１、永久磁石２、及びセンサ検出盤８が固定されて、回転子３として一体に回転するようになっている。また、図１に示すように、回転子３の周縁部分には、各円盤７、７１の周縁部間に渡るようにフィルム１０が貼り付けられている。このように回転子３の周縁をフィルム１０で封止することにより、回転子３が回転した場合にフィルム１０で封止された回転子３の内部の空気が回転子３とともに回転するため、永久磁石２等が空気抵抗を受けることが少なくなる。これにより、回転子３の空気抵抗を減少させて磁力回転装置１の回転効率を向上させることができる。尚、フィルム１０は、永久磁石２と電磁石５との磁力の作用に影響しない素材であって、薄手のものが好ましく、例えばプラスチックフィルム等を用いることができる。

電磁石５は、図１に示すように、Ｕ字の鉄芯５０にコイル５１が巻かれたものであり、コイル５１に電流が流れることにより鉄芯５０の両端部に夫々磁極が形成される。これにより、永久磁石２に磁力を発生させて回転子３を回転させる。図１に示すように、電磁石５は、その各磁極が各円盤７間に二段に構成された永久磁石２に対応するようにして、所定の磁気ギャップ長で配置されている。また、対応する二段の永久磁石２は、電磁石５の磁極と同極で対面するように、すなわち、電磁石５のＮ極に対応する永久磁石２はＮ極を外方へ向けて円盤７に固定されており、電磁石５のＳ極に対応する永久磁石２はＳ極を外方へ向けて円盤７に固定されている。このような電磁石５が、図２に示すように、回転子３の永久磁石２の配置に対応して、フレーム４に周方向に４５°異なる位置に８個固定されている。このように、回転子３に固定する一組の永久磁石２を二段の構成とし、電磁石５をＵ字状として該二段の永久磁石２に対応させて、電磁石５の両極から発生する磁束をともに回転子３を回転させるための磁力発生に用いることにより、磁力回転装置１の電力から動力へのエネルギーの変換効率が向上する。

また、電磁石５は、円盤８（回転子３）の中心Ｏから電磁石５の重心を結ぶ直線（不図示）と、電磁石５の磁束中心軸（不図示）とが交わる角度が円盤７の中心Ｏ方向からみた場合に０°以上２０°以下となるようにフレーム４に固定されている。これにより、前記角度を０°とする場合と比較して、平均電磁トルクが増大するという利点がある。図２では、前記角度が０°の状態を示しているが、前述のように電磁石５は、０°以上２０°以下となるように固定されていれば良い。尚、永久磁石２の固定角度の変更は、磁力回転装置１を分解する必要があるため困難であるが、電磁石５の固定角度の変更は、容易に行うことができる。

フレーム４は、回転子３を軸支するとともに、電磁石５及び位置検出センサ９を固定するものであり、図１に示すように、２枚のフレーム板４０が所定間隔で互いに対向するように連結されている。回転子３は、対向するフレーム板４０間において、シャフト６が軸支されていることにより、フレーム４に回転自在に設けられている。従って、２枚のフレーム板４０は、回転子３の外径より十分に大きなものである。また、図には示していないが、シャフト６を軸支する各フレーム板４０にはベアリングが適宜設けられている。

また、フレーム４には、センサ検出盤８に対応して位置検出センサ９が設けられている。この位置検出センサ９としては、回転子３とともに回転するセンサ検出盤８の所定部位を検出できれば周知且つ任意のものを使用できる。また、位置検出センサ９は、電磁石５に電圧を供給するために各電磁石５に接続される回路（モータドライブ回路）１１と接続されており、電磁石５に電圧を供給するタイミングを回路１１に与えている。

この回路１１としては、例えば、図３に示すように、電磁石５の各コイル５１に電流を供給するための直流電源１２と、コイル５１に直列に接続され、コイル５１への電流の供給のオン・オフを行うスイッチ部ＳＷ１、ＳＷ２と、コイル５１の有する電磁エネルギーがコンデンサ１３に回生されるようにスイッチ部ＳＷ２に並列に接続される第１のダイオードＤ１及びスイッチ部ＳＷ１に並列に接続される第２のダイオードＤ２と、スイッチ部ＳＷ１、ＳＷ２に並列に接続されるコンデンサ１３と、該コンデンサ１３に回生電流が流れるように直流電源１２のプラス端子に接続される逆流阻止用ダイオードＤ３とを備えるものを用いる。

この回路１１のコンデンサ１３には、通常は静電容量が大きいものを用いるが、ここでは、静電容量が１０μＦ以上２００μＦ以下であるコンデンサ１３を用いている。これにより、コイル５１への通電期間の始めにおいて永久磁石２がコイル５１に接近する際に発生する逆起電力が電源電圧よりも大きくなることにより逆向きの誘導電流（誘導ブレーキ電流）がコンデンサ１３へと流れる。この電流は負のトルクを発生する。この電流により、コンデンサ電圧Ｖｃが上昇していき、誘導電流は減少して零となり、更に正になる。この誘導ブレーキ電流は銅損や鉄損を増加させる。回路１１は、銅損，鉄損を増加させる誘導ブレーキ電流を抑制するので、磁力回転装置１の効率を向上させることができる。尚、回路１１を、例えば、一方向通電形モータであるＳＲＭ（スイッチトリラクタンスモータ）に適用することもできる。

次に、この磁力回転装置１において、磁力による付勢力を与えて回転子３を回転させる動作について説明する。この磁力回転装置１では、図２に示すように、永久磁石２は、円盤５を周方向に８分割した角度間隔α＝４５°に対して４０〜７０％の割合の角度βを占めるように配置されている。このような永久磁石２が電磁石５に対向する間、該電磁石５に回路１１による通電を行い、永久磁石２が電磁石５の磁極付近を通過した後、電磁石５への電流を遮断することにより、回転子３に磁力による回転力を付与する。つまり、永久磁石２の回転方向先端が電磁石５と対向する際に、回路１１により電磁石５に通電を行い、その後、回転子３が角度β回転して永久磁石２の回転方向後端が電磁石５を通過するまでの間、通電を続ける。そして、永久磁石２の回転方向後端が電磁石５を通過すると、回路１１による電流の供給を遮断する。磁力回転装置１が動作する場合には、このような一連の動作を繰り返し行われる。このように、磁極面積の大きな平板状の強力な永久磁石２を用いることにより磁力回転装置１は、通電期間を長くすることができるとともに、トルク定数を大きくすることができるので、単位入力電力当たりの銅損を小さくし、より効率を良くすることができる。

また、図４の（ａ）に示すように、磁力回転装置１の通電初期には、永久磁石２の内側（裏面側）の磁極Ｓに磁極間力Ｆ１が生じ、これは矢印で示す正方向のトルクの発生に寄与する。その際、永久磁石２の外側（表面側）の磁極Ｎには反発力Ｆ２が生じるが、これはトルクにはほとんど寄与しない。また、図４の（ｂ）に示すように、通電してから少し経過した際には、外側の磁極Ｎの磁極間力Ｆ４が矢印で示す正方向のトルクの発生に寄与する。その際、内側の磁極Ｓには磁極間力Ｆ３が生じるが、これはトルクにはほとんど寄与しない。従って、永久磁石３の表面側の磁極Ｎ及び裏面側の磁極Ｓによるトルクの合成トルクは、通電電流が一定であるならば、通電時間の全域において略一定の大きさのトルクを発生させることができる。また、磁極間力は磁荷間の距離の二乗に反比例するものであるが、本発明では磁極間距離が短くなるので、発生トルクを大きくすることができる。

尚、本発明の実施の形態は上述の形態に限るものではなく、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更することができることは云うまでもない。

１磁力回転装置
２永久磁石
３回転体（回転子）
４フレーム（固定子）
５電磁石
５１コイル
１１回路（モータドライブ回路）
１２直流電源
１３コンデンサ
ＳＷ１、ＳＷ２スイッチ部
Ｄ１第１のダイオード
Ｄ２第２のダイオード
Ｄ３逆流阻止用ダイオード

Claims

表面及び裏面に磁極が形成された平板状の永久磁石が周方向に沿って等間隔でｎ個（ｎは１以上の整数）配置された回転子と、前記永久磁石の磁極と同極性の磁極が対向するように固定子に固定され、前記永久磁石に磁力を生じさせて前記回転子を回転させる複数の電磁石とを具備し、
前記それぞれの永久磁石は、前記回転子を周方向にｎ分割したそれぞれの分割角度に対して４０〜７０％の割合を占めるように配置され、
前記永久磁石が前記電磁石に対向する間、該電磁石に通電を行い、前記永久磁石が前記電磁石を通過した後、前記電磁石への電流を遮断することにより、前記回転子に磁力による回転力を付与することを特徴とする磁力回転装置。
前記永久磁石は、回転子の中心から永久磁石の重心を結ぶ直線と、永久磁石の磁極方向の直線とが交わる角度が、回転子の中心方向からみた場合に３０°以上６０°以下となるように配置されていることを特徴とする請求項１記載の磁力回転装置。
前記電磁石のコイルに電流を供給するための直流電源と、前記コイルに直列に接続され、当該コイルへの電流の供給のオン・オフを行うスイッチ部と、前記コイルに一方向のみの直流電流が流れるように前記スイッチ部にそれぞれ並列に接続される第１のダイオード及び第２のダイオードと、静電容量が１０μＦ以上２００μＦ以下であり、前記スイッチ部に並列に接続されるコンデンサと、該コンデンサに回生電流が流れるように前記直流電源のプラス端子側に接続される逆流阻止用ダイオードとを有するモータドライブ回路を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の磁力回転装置。