JP2000156947A - 磁石式電動機及び発電機 - Google Patents

磁石式電動機及び発電機

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 磁石を使った電動機や発電機の性能向上や効
率向上の為に、空隙部の磁束増加をねらった磁石、鉄心
の構造・寸法・配置の工夫により狙いの電機を得る。 【解決手段】空隙の磁束増加のため、各極鉄心に磁石を
挿入する放射状のスロットを設け磁石が放射方向や軸方
向に長さを調整できる様にし、特に磁束を強くする時は
強い磁石やスロットいっぱいの磁石を使うようにする。
又着脱自在の構造にすることにより、電動機や発電機の
特性の変更や調整を容易にすることが可能となる。次
に、単一の磁石では構造、磁力に限界がありさらに空隙
の磁力を強くしたい場合に極ごとに複数の磁石を効果的
に組み合わせて行う。また弱い安価な磁石でも軸方向の
長さの調整や空き空間の可及的磁石鉄心配置及び磁極の
立体面をフルに活用して、強い磁石並みの特性が一層可
能となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、磁石を用いる電
動機や発電機において、出力向上や調節及び効率向上等
のための磁極構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、磁石を用いる電動機や発電機にお
いては磁石の配置が円筒状、円盤状の材料に着磁して磁
石を形成したり、分離した磁石を円周状に配置して使用
いている為、磁石そのものの磁力に空隙の磁界が左右さ
れ、自ずと其の出力、効率ガ決まっていた。省資源、省
エネルギー時代にはより高効率、省資源が電動機や発電
機分野にも例外なく強く要望されているが満足のできる
物になっていない。また最近脚光を浴びているネオジユ
ウム磁石等に代表される強力な磁石はフエライト磁石に
比べ非常に高く、用途に限界が有ると同時に資源にも限
りがあり、問題である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】そこでこの発明は、電
動機や発電機の回転子と固定子の空隙部の磁束密度の向
上が性能向上に直接関係することに着目して、空隙の
磁束増加のための磁石の配置、磁束の空隙への集中、
鉄心の形状と生産性などの課題を解決することを目的
とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】この発明は上記の目的を
達成する為に課題の解決手段を順を追って説明する。 空隙の磁束増加のための磁石の配置 空隙の磁束増加のため極毎の単一磁石で行う場合と複数
の磁石を組み合わせて行う場合がある。まず単一磁石に
ついて説明すると、各極鉄心に磁石を挿入する放射状の
スロットを設け磁石が放射方向に長さを調整できる様に
し、特に磁束を強くする時は強い磁石やスロットいっぱ
いの磁石を使うようにする。又着脱自在の構造にするこ
とにより、電動機や発電機の特性の変更や調整を容易に
することが可能となる。次に、単一の磁石では構造、磁
力に限界がありさらに空隙の磁力を強くしたい場合に極
ごとに複数の磁石を用いたり、固定子の軸方向の長さよ
り長くしたり、その他の活用できる空きスペースを利用
してより効果的に磁束を増加が可能である。また、空き
スペースに限りが有る場合には磁極の立体空間を有効に
活用し、全面又は一部の面に磁石を有機的に配置して空
隙部に磁束が集中するようにすることも可能で有る。 磁束の空隙への集中 各極鉄心に磁石を挿入する放射状のスロットを設ける場
合空隙部の一極当たりの円周方向の長さに対しスロット
の放射方向の長さを長くしたり、固定子の軸方向の長さ
より磁石を挿入する鉄心の長さを長くする等して自身の
持つ磁力より強くすることが可能になる。すなわち、一
極当たりの固定子の回転子対峙面積より磁石の磁束発生
側面積が１／２以上になるように軸方向長さを長くする
必要が有る。それには各極の鉄心を分離構造又は機械的
に必要最小限の結合にとどめたり、結合を非磁性体にす
ること等により空隙以外に磁束が出来るだけ漏れないよ
うにすることが肝要となる。鉄心以外を殆ど全て非磁性
体の材料で纏めるのも一つの方法である。 鉄心の形状と生産性 鉄心は通常、量産の場合一体構造が一般的である。しか
し空隙の磁束の集中をより効果的にするため各極毎の分
離構造にする。また、軸方向長さの異なる回転子と固定
子鉄心は一体生産には経済的ではなく分離構造による個
別生産が必然といえる。また磁石挿入鉄心は一定磁界の
為巻線鉄心の珪素鋼板などの薄い高価な材料は必要とせ
ず、厚い板や鋳物等のブロック材でもよくコスト的にも
有利になる。
【０００５】
【実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図面を参
照して外転型発電機を例に説明する。図１は外転型の発
電機で図１ａが本発明の磁石式回転子２を有する発電機
の断面構造を示し、図１ｂは従来の円筒型磁石回転子
２’を有する発電機の断面構造を示す。回転子を動力源
により外から駆動されると固定子に巻き込んでいるコイ
ルに回転数に応じ電圧が発生し、電気取り出しコード７
に抵抗等負荷をつなげば電流が流れ電力を供給する。コ
イルの発生電圧は固定子と回転子との空隙の磁束密度に
比例し、又回転数にも比例する。空隙の磁束密度をいか
に高めるかが発電機の性能向上、効率向上に大きく関係
していることに着目して、本発明は特性を飛躍的に向上
出来る構造を考案した。また、回転子磁石の軸方向長さ
を長くしたり、電機内部の空き空間を可及的に活用し
て、安価な弱い磁石でも磁石面積を大きくとることによ
り、回転子外径をあまり大きくせずに、強力な磁石を用
いた場合と同じく特性を飛躍的に向上出来る経済的(約
１／３)構造を考案した。
【０００６】次に空隙の磁束密度向上策について図２及
び図３にて説明する。図２は外転型発電機、図３は内転
型発電機の実施例を示す。外転型発電機断面図２ａにお
いて、回転子材質が非磁性体の動力伝達外枠１０、６個
の分割鉄心（本例では６分割）１３及び６個の磁石１４
より構成されている。この際磁石の固定子及び側外枠の
ａ，ｂ部と外枠１０と鉄心１３に挟まれた空間１６は空
気か非磁性体で構成されているか、回転子構成上鉄心や
側板（強磁性体で構成せざるを得ない場合）の一部でこ
の部分を構成せざるを得ない場合も極力磁束の漏洩がな
い様に磁気抵抗を大きくして、磁石端部からの磁束の漏
洩をふせぐ構成になっている。磁石１４の半径方向の長
さの２倍が鉄心１３の空隙部の一極あたりの円周方向の
長さより大きくすることにより磁石１４の磁束より空隙
部の磁束を大きく出来ることになる。また、同様に外径
が大きくできない場合や弱い磁石で強い空隙磁束を得よ
うとする場合磁石鉄心の軸方向長さを長くしたり空き空
間を活用して磁石の有効面積を空隙部の面積より大きく
して、いわゆる本案の磁束集中効果が達成でき，発電機
の飛躍的性能アップに繋がるわけである。磁石１４の極
性は一つの鉄心１３に対し図面に示す如く同極に対峙す
るように隣合わせの２つの鉄心１３により形成されるス
リットに着脱自在に殆ど鉄心１３とのギャップが生じな
いように挿入されている。またギャップが生じる場合は
強磁性体の調整板や粉末状の磁性体（液状の磁性流体で
もよい）で磁気抵抗を極力小さくする。ちなみにａ，ｂ
部に鉄等の強磁性体が有、無の性能差は発電機の一例で
はあるが２〜３倍の出力差のデータがある。有りの場合
６００ｗであったものが無の場合で１８００ｗに向上し
た。又空間１６も大いに磁束集中に一役かっている。磁
石部の着脱自在構造にすることにより、磁力の同じもの
は半径方向の長さを変え、長さの同じものは磁力の強さ
や軸方向の長さを変えて容易に特性の変更や調整が出来
るようになる。図２ｂは強さの異なる磁石１４ａ，ｂを
スリットに入れた例で空隙の磁束分布の変化やより磁力
を強くするのに有効である。図２ｃは空隙の磁束分布を
均質にするのに有効で断面が台形になっている。図２ｄ
は強さの同じ磁石を一極当たり２枚に増し空隙のいっそ
うの磁力アップに有効で、さらに飛躍的な性能向上が期
待出来る。図２ｅは２種類の磁石で主体は１４ａ’で空
隙の磁界は決定し、１４ｂ’で磁界の微調整をおこな
う。図２ｆは従来の円筒磁石に本案の磁石を組み合わせ
ることにより強力な空隙磁界を期待出来る構成例であ
る。弱い磁石の組み合わせで強力な空隙磁束を得るのに
有効で、軸方向長さや空き空間等を組み合わせるとさら
に強い経済性に優れた磁石構造を提供できる。
【０００７】図３ａ〜ｆは内転型発電機のものである
が、図２の外転型発電機の反転構造となっていて基本的
には同じなので説明は割愛する。又説明は発電機を例に
行なったが同じ技術はそのまま電動機にも当然適用可能
であることはいうまでもない。又この磁力集中の原理は
他の磁石を用いるあらゆる電機に適用出来るのはいうま
でもない。例えばパンケーキタイプ電機、リニアーモー
ター、磁石機器等。
【０００８】図４は前述の外転型発電機の回転子の分割
鉄心部の一例で平面図を示しているが、固定子との空隙
に面してスロット（図では３個）３１を設けてある。こ
れは同期電動機や推力型プロペラを使用する風車発電機
などに磁石回転子を使う場合、複雑高価な電子回路を使
わなくても、自力で起動出来るようにするため、簡単な
誘導電動機等に使用されている駕篭型ローターや巻線型
ローターを形成するためのものである。起動を単相また
は多相誘導電動機として起動させる。起動トルクを上げ
るためにスロットの形状を種々変えて、例えば深溝スロ
ットなど必要に応じた対応も可能である。
【０００９】図５は図４ａを用いて外転型発電機に駕籠
型ローターを形成した例で、駕籠型ローター部の構成は
図５ｂ、ｃのようになっており、アルミや黄銅等の導体
で作られ、２枚の側板１８と複数のバー１９によりかし
めやダイキャストなどでローターの一体化を図ってい
る。ローターバーをスキュウさせて起動特性を改善した
り、固定子をスキュウさせて改善することも当然可能で
ある。本考案の磁石を軸方向に伸ばした場合に図５ｂの
場合、鉄心を側板１８にて分断することになるが、図５
ｃの如く側板１８の半径方向の長さをできるだけ少なく
し、図５ｃのように其の断面積を同じくして軸方向に伸
ばし、磁石鉄心の内周面に（内転型の場合外周面に）配
置して、両側に延長した磁石からの磁束が固定子空隙に
集中するように、固定子端面からの漏洩を防止するため
設けている回転子鉄心の段差部３２に配置するようにす
ることで磁路への影響を少なくしている。。
【００１０】図６は図２ｆの例などで電動機や発電機な
どで磁極配置の空間に限りが有る場合に、限られた磁極
空間を有効に活用して、立体面の全面または一部に磁石
を有機的に配置し、空隙部に磁束が最大限集中するよう
にした実施例である。組み合わせ磁石は一部構造的に可
能であれば一体構造にしてもよい。例えば磁石１４ａ″
と軸方向の磁極面に配置した磁石１４ｄをリング状に形
成したりして一体構造にして生産性を上げてもよいわけ
である。さらに磁石１４ｃまたは１４ｂ″ｔｏ組み合せ
てキャップ状にしてもよい。１４ｃは磁極の外周部に配
置した円筒状磁石で、その外周に磁束の磁路形成の鉄心
１３ａが配置されている。また、磁石１４ｄの外側に同
じく鉄心１３ｂが配置されており、磁石１４ｄが有効に
働くようにしている。これらの磁石は全て空隙部に磁束
が集中するように各磁石極性が図示のＮ，Ｓのように設
定配置されている。また、各磁石が磁束の短絡や漏洩が
最少になるように比磁性空間を適切の設けることは当然
の手段として行っている。
【００１１】
【発明の効果】以上説明したようにこの発明は磁石式回
転子の磁石、鉄心等の形状及び特に軸方向寸法、配置及
び構成等により空隙の磁束を大幅に向上し、発電機や電
動機の性能や効率を飛躍的に向上した技術を提供出来
る。また、特に外形が制限されている小型機器や磁極配
置空間に限りが有る場合等で、安価で資源的に豊富なフ
エライト磁石等でキド類磁石に代表されるネオジウウム
等の強力な磁石並みの性能や効率を達成できる経済的な
発電機や電動機の画期的な技術を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の軸方向に磁石を伸ばした一実施例を示
す発電機の構造図と従来の発電機の構造説明図
【図２】外転型発電機の磁石式回転子の断面説明図で、
空隙の磁束集中の説明図で６通りの実施例を示めす図。
【図３】内転型発電機の磁石式回転子の断面説明図で、
空隙の磁束集中の説明図で６実施例を示めす図。
【図４】外転型発電機の磁石式回転子の分割鉄心構造の
実施例を示す図。
【図５】外転型発電機の駕籠型回転子を形成した例を示
す図。
【図６】
【符号の説明】
１、１’ ： 回転子 ２ ： 磁石回転子 ２’ ： 円筒型磁石回転子 ３、３’ ： 固定子 ４、４’ ： シャフト ５、５’ ： 軸受け ６、６’ ： 軸受け保持パイプ ７、７’ ： 電源コード ８、８’ ： エンドブラケット １０ ： 外枠 １２ ： 固定子 １３ ，１３ａ，１３ｂ ： 分割鉄心 １４、１４’，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４
ａ’，１４ｂ’，１４ａ”，１４ｂ” ：磁石 １５ ： シャフト １６，ａ，ｂ：非磁性空間 １８ ： 側板 １９ ： バー Ｎ，Ｓ ： 磁石の極性 ２０ ： ハウジング ２１ ： 非磁性ホルダー ２２ ： 固定子 ２３ ： 分割鉄心 ２４、２４’，２４ａ，２４ｂ，２４ａ’，２４ｂ’，
２４ａ”，２４ｂ” ：磁石 ２５ ： シャフト ２６、ａ，ｂ：非磁性空間 ３０：分割鉄心 ３１ ： スロット ３２ ： 鉄心切り欠き部

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】磁石による固定子と回転子間の空隙の磁束
    の増加や調節のため、各極鉄心に単数または複数の磁石
    を挿入する放射状のスリットを設け、磁石の放射方向の
    長さや軸方向の長さの調節や磁石の着脱が自在に出来る
    ようにし、磁石の強さや長さの変更、放射、軸方向共に
    磁力の異なる複数の磁石の組み合わせ等により電動機及
    び発電機の特性の変更や調節を容易に出来るように構成
    したことを特徴とする磁石式電動機及び発電機。
  2. 【請求項２】磁石を挿入する放射状のスリットの軸方向
    の長さが巻線を施した固定子又は回転子の軸方向の長さ
    より大きくし、固定子と回転子間の空隙の磁束を増加し
    た長さに比例して増加できるようにすると同時に、その
    長さや面積の差を数倍大きくとることにより、安いフエ
    ライト磁石などでもネオジユウム磁石並みの空隙磁束を
    実現できるようにしたことを特徴とする磁石式電動機及
    び発電機。
  3. 【請求項３】磁石配置にスペースが限られる場合に各極
    の複数の磁石を磁極の立体面の全て又は一部を使って有
    機的に配置することにより、空隙部の磁束の集中を最大
    限に発現するようにしたことを特徴とする磁石式電動機
    及び発電機。
  4. 【請求項４】空隙部の磁束を有効に発生させるため、磁
    石配置部の鉄心を完全に分離構造とし、さらに、空隙部
    より軸方向にはみ出した部分に段差を設け空隙以外から
    の磁束の漏洩を極力少なくした構造とし、軸方向長さの
    異なる巻線用鉄心とは独自に、しかも経済的に製作でき
    るようにしたことを特徴とする請求項１記載の磁石式電
    動機及び発電機。
  5. 【請求項５】回転磁界により駆動させる為の導体部を形
    成するためのスロットを設け、磁石を挿入する放射状の
    スリットの軸方向の長さを長くした場合にも起動用の回
    転子が形成できるように鉄心の軸方向端部の片側又は両
    端を切り欠き、その部分に回転子導体部の側板や巻線端
    末を配置できるようにしたことを特徴とする請求項３の
    分離鉄心。
  6. 【請求項６】分離鉄心構造での磁石のロスを少なくする
    ため、放射状スリットと磁石の間のギャップ調節に強磁
    性体の薄いシート・磁粉末・磁性流体等を用いたことを
    特徴とする磁石式電動機及び発電機。
  7. 【請求項７】外形寸法に制限の有る場合に高出力や安い
    弱い磁石で比較的高性能な特性を得ようとした場合に磁
    束鉄心以外は殆どの部品は非磁性体で構成し、空きスペ
    ースはすべて磁石鉄心で占めるようにしたことを特徴と
    する磁石式電動機及び発電機。
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