JP4861522B1 - 回転装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】互いに平行で磁極を揃えて配置された複数の電磁石3が回転軸9を中心とする円周上に列設された構造を有するステーター2と、前記ステーター2の一端又は両端に配置されるローター5と、電磁石3に流す電流を制御する制御部8からなり、ローター5には、電磁石3の磁極と反発する磁極をステーター2側に向けた前方磁石6f、及び吸引する磁極を向けた後方磁石6rからなる磁石対6が複数対設けられており、制御部8は電磁石3が磁石対6の前方磁石6fと後方磁石6rの間にあるときに通電しており、電磁石3が隣接する磁石対6と磁石対6の間にあるときに電流を遮断しているように電流を制御することを特徴とする回転装置1である。
【選択図】図1
Description
このような直流回転装置において、ローター用の磁石として電磁石が使用されることが多いが、従来のモーターでは該電磁石の二つの磁極(N極とS極)のうちいずれか一方だけしか使用されていないので、更なる高効率化の余地は十分にあると考えられる。このような見地に基づき、電磁石をステーター用の磁石として用い、当該電磁石の両極に永久磁石を用いたローターを配置して、電磁石に入力する電力の有効利用を図った回転装置が提案されている(特許文献1参照)。
本発明者は、電磁石の磁極の向きを揃えることにより、更なる高効率化を図ることができるとの知見に基づき本発明を完成したものである。
また、磁石対の前方磁石と後方磁石の間に入っている電磁石に通電し、前方磁石との間に反発力を生じさせ、且つ後方磁石との間に吸引力を生じさせることにより駆動力(回転力、以下同じ)を得るとともに、隣接する磁石対と磁石対の間(例えば図10における磁石対6−1と磁石対6−2の間)にある電磁石の電流を遮断することにより駆動力とは逆向きの力が生じないようにするので大きいトルクが得られる。
さらに、電流を遮断する際に発生する逆起電力により電磁石の磁極はわずかな間だけ反転するが、後方磁石が電磁石を通過した直後に電源を切れば逆起電力により磁極が反転した電磁石と後方磁石が反発して駆動力と同方向の力が得られるので回転装置のトルクが一層大きくなる。
また、磁石対の前方磁石と後方磁石の間の距離(例えば図7におけるD1)を隣接する磁石対と磁石対の間の距離(例えば図7におけるD2)よりも大きくし、磁石対の数の2倍の電磁石をステーターに等間隔に配列することにより、少なくとも半数の電磁石が常に磁石対の間にあるので、ステーターとローターの位置関係に関わらず始動でき、また制御が容易である。
本発明におけるステーター2は電磁石3が回転軸9を中心とする円周上(周方向)に列設された構造とされ、ローター5を電磁石3の両端側に1個づつ、計2個設置できるようにされている。なお、本発明の回転装置1を駆動するだけなら、ローター5は一つだけでも十分であるが、2個設置したほうが電力の利用効率が高く、トルクも大きくなる。
以下、ローター5を二つ用いる場合に基づいて本発明を説明するが、他端側については同様であるので、煩雑さを避けるために原則として記載を省略する。
なお、本発明においては、電磁石3の磁極は全て揃えられている。このため、ステーター2が全体としてN極とS極に分極されており、本発明ではこのステーター2のN極、S極の部分にローター5、5’を取り付けるように構成される。
なお、鉄芯4として電磁鋼を用いれば、電気エネルギーを効率よく磁力エネルギーに変換できるので好ましく、電磁鋼として珪素鋼を用いればコスト面でも低廉になる。好ましくは、珪素鋼板を矩形状に切断し、これを直方体状に積層したものを鉄芯4とすれば、強い磁力を発する電磁石3が安価に得られる。
本発明において、前方磁石6fとは、当該ローター5が取り付けられる側のステーター2の磁極と同じ磁極が内側(ステーター2と対向する側を意味する。以下同じ)に向けられた永久磁石のことである。即ち、図示する通り、本発明のステーター2にはローター5を取り付ける箇所がステーター2の両側にそれぞれを1箇所づつの計2箇所あり、その内の一箇所はN極となり、残る一箇所はS極となっているが、ステーター2のN極側に取り付けるローター5において前方磁石6fとはN極を内側に向けた永久磁石のことであり、ステーター2のS極側に取り付けるローター5’においてはS極を内側に向けた永久磁石が前方磁石6f’である。
また、本発明において後方磁石6rとは、ステーター2側の磁極とは異なる磁極が内側に向けられた永久磁石のことである。即ち、ステーター2のN極側に取り付けるローター5において後方磁石6rとはS極を内側に向けた永久磁石のことであり、ステーター2のS極側に取り付けるローターにおいてはN極を内側に向けた永久磁石が後方磁石6rである。
なお、本発明において前方磁石6fと後方磁石6rは一対になって機能するため、これらを二つ合わせて磁石対6と称する。磁石対6のうち、いずれが前方磁石6f、後方磁石6rになるかはローター5の回転方向により定まり、回転方向はローター5を取り付けるステーター2の磁極により定まるので、ローター5だけでは前方磁石6f、後方磁石6rの区別はできないが、図6においては、矢示する方向にローター5が回転するものとして前方磁石6f、後方磁石6rを示す。
即ち、図7の模式説明図に示したように、例えば磁石対6−1に着目すると、前方磁石6f1と後方磁石6r1の間に入っている電磁石3A−1及び電磁石3B−2に通電すれば、電磁石3A−1の前方に配置された前方磁石6f1は電磁石3A−1と反発して矢示するように前方に押し出される。また、電磁石3B−2の後方に配置された後方磁石6r1は電磁石3B−2に吸引されて矢示するように前方に引き寄せられる。その結果、ローター5が回転する。
さらに、電流を遮断する際に発生する逆起電力により電磁石3(図8における3B−2と3B−8)の磁極はわずかな間だけ反転するが、後方磁石6rが電磁石3を通過した直後に電流を遮断すれば逆起電力により磁極が反転した電磁石3(3B−2及び3B−8)と後方磁石6r(6r1及び6r4)が反発して駆動力と同方向の力が得られ、この力が付加されることになるので、回転装置のトルクが一層大きくなる。
詳しくは、電磁石3を磁石対6の数個(例えば4個)ごとにまとめてそれぞれをA列、B列とし、それぞれの列に属する電磁石3をA、B、A、B、と順に並べて、等間隔且つ円周上に配列する。通常は磁石対6も等間隔に配列されるので、このようにすれば、A列の電磁石3の位置は各磁石対6に対して同じであり、B列も同様であるから、各列の電磁石3は列ごとにまとめて制御できる。
また、磁石対6の前方磁石6fと後方磁石6rの間の距離(例えば、図7で磁石対6−1の前方磁石6f1と後方磁石6r1の距離)D1を、隣接する磁石対6と磁石対6の間の距離(例えば、図7で磁石対6−1と磁石対6−2の距離)D2よりも大きくし、電磁石3の数を磁石対6の数の2倍にすれば、少なくとも各列のうちいずれかの電磁石3は必ず磁石対6の前方磁石6fと後方磁石6rの間に入るので、電磁石3と磁石対6の位置関係に関わらず駆動力を得ることができる。
橋様体の形状は特に限定されないが、磁石対6の前方磁石6f及び後方磁石6rの上面を覆う程度の幅を有する板状体が好ましい。また、橋様体の材質は強磁性材料であれば特に限定されないが、鉄製とするのがコスト面で好ましい。
本発明で使用できる制御部8としては、電磁石3が磁石対6の間にあるときに電磁石3に通電できるものであれば特に限定されず、通常はローター5の回転軸9と連動する2個の整流子が使用されるが、ICドライバーも使用できる。なお、ICドライバーとしては前述の整流子と同様に通電を制御するとともに、全ての電磁石3に通電する際にそれぞれの電磁石3における電圧が落ちないように、全体としての電圧を上げる機能を有するものが好ましい。
詳しくは、電磁石3はA列とB列にグループ分けされ、A列の電磁石3AとB列の電磁石3Bが交互に配置されている。また、図7及び図8に模式的に示すごとく、磁石対6の設置周期と、A列用の電磁石3Aの設置周期と、B列用の電磁石3Bの設置周期とはそれぞれ等しいが、磁石対6の前方磁石6fと後方磁石6rの距離D1はA列用の電磁石3AとB列用の電磁石3Bの間の距離D3よりも大きく、隣接する磁石対6と磁石対6の間隔D2は電磁石3Aと電磁石3Bの間の距離D3よりも小さくされている。
なお、図9に示すように、A列の電磁石3A及びB列の電磁石3Bはそれぞれ直列に接続されている。
例えば、ドーナツ状導電体8dの周面の一部に設けた凹部を非通電部8nとし、凹部を設けていない部分を通電部8cとし、ブラシ8bが非通電部8n上にある時にブラシ8bとドーナツ状導電体8dの間に隙間を作ることにより、ブラシ8bとドーナツ状導電体8dの接触を妨げるようなものも本発明における整流子8として使用できる。
この場合、一の整流子相当部(A列用の整流子)8Aは、図10(b)に示すように、ブラシ8bが通電部8cと接触しているので、電流はドーナツ状導電体8dを通ってA列の電磁石3Aに流れる。
一方、他の整流子相当部(B列用の整流子)8Bは、図10(c)に示すように、ブラシ8bは非通電部8nと接触しているので、電流はブラシ8bとドーナツ状導電体8dの間で遮断され、B列の電磁石3Bには電流が流れない。
一方、一の整流子相当部(A列用の整流子)8Aは、図11(b)に示すとおり、ブラシ8bと通電部8cが接触したままなので通電状態にあり、後方磁石6rを吸引している。
一方、他の整流子相当部(B列用の整流子)8Bは、図12(c)に示すとおり、ブラシ8bと通電部8cが接触したままなので通電状態にある。従って、電磁石3Bは前方磁石6fと反発するとともに後方磁石6rを吸着して前方方向へのトルクを発生させている。
この回転装置1は、8本の電磁石3が等間隔に配列されたステーター2と、4対の磁石対6が設けられ、一対の前方磁石6fと後方磁石6rの反対極側が強磁性材料(鉄)からなる橋様体7で架橋されたローター5を有する。図13にはステーター2の両側にローター5が2つ設けられた状態が記載されているが、1つだけでも駆動は可能である。
この回転装置1において、制御部8はICドライバーであるが、回転装置1の回転軸に固定された一の整流子(A列用の整流子)8Aと他の整流子(B列用の整流子)8Bを用いた場合と機能はほぼ同じなので、以下、整流子に置き換えて説明する。なお、この実施例で用いるICドライバーは全ての電磁石3に電流が流れている際にも、A列用の電磁石3A又はB列用の電磁石3Bのいずれか一方に電流が流れている場合と同じ電圧を保つ機能を有している。
この制御部8において、一の整流子相当部(A列用の整流子)8Aの通電部8cにブラシ8bが接触したとき(図14(a)上側)に、電磁石3A−1・3・5・7に通電され、通電部8cとブラシ8bが離れたとき(図14(c)上側)に通電が遮断される。同様に、他の整流子相当部(B列用の整流子)8Bの通電部8cにブラシ8bが接触したとき(図14(c)下側)に、電磁石3B−2・4・6・8に通電され、通電部8cとブラシ8bが離れたとき(図14(a)下側)に通電が遮断される。
(1)電磁石3のN・S両極を使用すること、
(2)配列された電磁石3の右側が全てS極に揃えられ、左側が全てN極に揃えられていること、
(3)ある電磁石3から数えて奇数番目がA直列、偶数番目がB直列とされ、A直列の電磁石3とB直列の電磁石3は交互に用いられるが、少しの間だけ全ての電磁石3を同時に使用すること(制御部8の状態が図14(a)のときにA直列3Aが使用され、(b)のときに全ての電磁石3が同時に使用され、(c)のときにB直列3Bが使用される)、
(4)隣接する2つの電磁石3(即ちA直列とB直列)の間隔と、一対の磁石対6の中の前方磁石6fと後方磁石6rの間隔を比較すれば、前方磁石6fと後方磁石6rの間隔のほうが長い。
なお、このような回転装置1は大型化も容易であり、例えば、本実施例の5倍のトルクを有する回転装置1を得るには、電磁石3や磁石対6の数を5倍にすればよく、即ち、電磁石3を40本、磁石対6を20対の回転装置1を用いて、20本のA直列電磁石3Aと20本のB直列電磁石3Bが交互に働くようにすれば良い。このようにすれば、大型にした場合でも永久磁石の使用が可能で、1つの電磁石3に過大な電流が流れることもなく、発熱量が小さい優れた大型の回転装置1が得られる。
その結果、ローター5を1つだけ用いた場合は重りWを800gにしたときに回転装置1が静止したが、ローター5を2つとも用いた場合は重りWを1600gにしても回転装置は止まらなかった。
2 ステーター
3 電磁石
4 鉄芯
5 ローター
6 磁石対
6f 前方磁石
6r 後方磁石
7 橋様体
8 制御部
8A A列用の整流子相当部(一の整流子相当部)
8B B列用の整流子相当部(他の整流子相当部)
8b ブラシ
8d ドーナツ状導電体
8c 通電部
8n 非通電部
9 回転軸
D1 磁石対の前方磁石6fと後方磁石6rの間の距離
D2 隣接する磁石対6と磁石対6の間の距離
D3 電磁石3Aと電磁石3Bの距離
D 机
T 角材
W 重り
L 重りを吊るした位置
A 回転軸を挟んだ位置
Claims (1)
- 互いに平行で磁極を揃えて配置された複数の電磁石が回転軸を中心とする円周上に列設された構造を有するステーターと、前記ステーターの一端又は両端に配置されるローターと、電磁石に流す電流を制御する制御部からなり、
ローターには、電磁石の磁極と反発する磁極をステーター側に向けた前方磁石、及び吸引する磁極を向けた後方磁石からなる磁石対が複数対設けられており、
磁石対の前方磁石と後方磁石の間の距離は、隣接する磁石対と磁石対の間の距離よりも大きく、且つ、磁石対の前方磁石と後方磁石の反対極側は強磁性材料からなる橋様体で架橋されており、
制御部は電磁石が磁石対の前方磁石と後方磁石の間にあるときに通電しており、電磁石が隣接する磁石対と磁石対の間にあるときに電流を遮断しているように電流を制御する回転装置において、
制御部が2個の整流子相当部からなり、1個の整流子相当部は1個の整流子又はこれと同等の機能を有するICドライバーの部分であり、
ステーターの電磁石の数がローターの前方磁石と後方磁石からなる磁石対の数の2倍であり、一の整流子相当部に接続された電磁石と、他の整流子相当部に接続された電磁石は交互に等間隔に配置されており、
一の整流子相当部及び当該一の整流子相当部に接続された電磁石は直列に接続されているとともに、他の整流子相当部及び当該他の整流子相当部に接続された電磁石は直列に接続されており、
磁石対の前方磁石と後方磁石の間に一の整流子相当部に接続された電磁石と他の整流子相当部に接続された電磁石が両方とも入った際には、整流子相当部は両方とも通電状態となるように構成されることを特徴とする回転装置。
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