JP2006014568A

JP2006014568A - 磁力回転装置用電子回路

Info

Publication number: JP2006014568A
Application number: JP2004192007A
Authority: JP
Inventors: Kohei Minato; 弘平湊; Nobue Minato; 延江湊
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2004-06-29
Publication date: 2006-01-12

Abstract

【課題】できる限り少ない電気エネルギーで永久磁石から回転エネルギーを効率的に取り出すことができ、その回転制御が比較的容易な磁力回転装置に用いるための電子回路を提供する。
【解決手段】周縁に所定角度傾斜した永久磁石群が埋設された非磁性体で成る回転部と、前記永久磁石群に対向するように前記回転部に近接して配設された電磁石群と、前記永久磁石群の位置を検知する位置センサとを具備し、前記位置センサの検知信号に基づいて前記電磁石に電流を印加して前記回転部を回転駆動するようになっている磁力回転装置に占用の電子回路であり、電源に対して正方向ダイオード及び逆方向ダイオードを介してスイッチング素子を接続すると共に、前記位置センサからの検知信号に基づいて前記スイッチング素子をオンオフするようになっており、前記逆方向デイオードの両端電圧で前記電磁石群を励磁するようになっている。
【選択図】図７

Description

本発明は、磁力の反発力で半永久的にかつ省エネルギーで回転駆動される磁力回転装置に用いる電子回路の構成に関する。

従来の電動機では、回転子としてのアーマチェアが巻線で構成され、固定子としてのフィ―ルドが永久磁石で構成されている。このような電動機では、回転されるアーマチェアとしての巻線に常に電流を供給することが要求され、電流が熱として放出されることから、電流に対する駆動力へのエネルギー変換効率が低いという問題がある。また、永久磁石の磁力を効率的に取り出すことができない問題がある。

更に、従来の電動機では、構造的にアーマチェアが巻線で構成されることから、慣性モーメントをそれほど大きくできず、十分なトルクを得ることができない問題がもある。従来の電動機は磁力追従型であるため、駆動時には常に回転磁力を発生する必要がある。そのため、発熱、騒音、エネルギー消費といった問題がある。

このような従来の電動機の問題点を解決するために、本発明者は磁力反発型の磁力回転装置として特許２９６８９１８号（特開平７−８７７２５号）を取得している。
特許第２９６８９１８号

特許２９６８９１８号の磁力回転装置は、回転可能な回転軸と、回転方向に沿つた円周領域の外周面上に複数の一方の磁極が配置され、その円周領域の内周面上に複数の他方の磁極が配置され、互いに対応する一方及び他方の各磁極対が半径線に対して斜めに配置されている永久磁石装置及び他の円周領域に設けられた回転バランスを取る手段とを備える回転軸に固定された回転体と、この回転体に対向して固定配置され、前記回転体からの磁界に反撥する磁界を発生する電磁石手段と、及び前記回転方向先頭の永久磁石が前記電磁石の対向面を通過した後に前記電磁石手段を付勢し、回転方向後尾の永久磁石が前記電磁石の対向面を通過した後に前記電磁石を消勢する付勢手段とを具備したものである。

上述のような磁力回転装置に対して、その制御を効率的に行うと共に、製造やメンテナンスが容易な電子回路の開発が望まれていた。

本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、できる限り少ない電気エネルギーで永久磁石から回転エネルギーを効率的に取り出すことができ、その回転制御が比較的容易な磁力回転装置に用いるための電子回路を提供することにある。

本発明は磁力回転装置用電子回路に関し、本発明の上記目的は、周縁に所定角度傾斜した永久磁石群が埋設された非磁性体で成る回転部と、前記永久磁石群に対向するように前記回転部に近接して配設された電磁石群と、前記永久磁石群の位置を検知する位置センサとを具備し、前記位置センサの検知信号に基づいて前記電磁石に電流を印加して前記回転部を回転駆動するようになっている磁力回転装置に占用の電子回路であり、電源に対して正方向ダイオード及び逆方向ダイオードを介してスイッチング素子を接続すると共に、前記位置センサからの検知信号に基づいて前記スイッチング素子をオンオフするようになっており、前記逆方向デイオードの両端電圧で前記電磁石群を励磁することによって達成される。

また、本発明の上記目的は、前記スイッチング素子をＦＥＴとすることにより、或いは前記ＦＥＴのゲートに抵抗１及び２を介して前記電源を接続することにより、或いは前記抵抗１及び２の接続点と接地との間に定電圧用のツェナーダイオードを接続することにより、或いは回路全体をモールド化若しくはＩＣ化することにより、より効果的に達成される。

本発明によれば、電子回路をコネクタ等で接続するだけで磁力回転装置を駆動することができるので、配線や回路設計が不要になり、効率的に磁力回転装置を駆動することができる。また、回路をモジュール化若しくはＩＣ化することで小型化を図ることができ、駆動装置全体を小型化することができる。

先ず、本発明の前提となる磁力回転装置（特許2968918号）の概要を説明する。図１は磁力回転装置を概略的に示しており、フレーム２に回転軸４が軸受５により回転可能に固定されている。回転軸４には、回転力を発生する磁石回転体６及び８が回転軸４と共に回転可能に固定され、回転軸４には、回転力をエネルギーとして取り出すための棒状磁石９がその周囲に取付けられた被回転体１０が、回転軸４と共に回転可能に固定されている。磁石回転体６及び８には、回転に同期して付勢される電磁石１２及び１４が夫々磁気ギャプを介して対向配置されている。電磁石１２及び１４は、磁路を構成するヨーク１６に固定されている。

図２に示すように磁石回転体６及び８の各々には、回転力を発生する磁界を発生する板状磁石２２Ａ〜２２Ｈ及び回転体６、８のバランスを取るための非磁性体で作られたバランサー２０Ａ〜２０Ｈが円盤２４上に配置されている。各板状磁石２２Ａ〜２２Ｈは、図２に示すように、長手軸Iが円盤２４の半径軸線IIに対してある角度Ｄをなすように配置される。角度Ｄは、円盤２４の半径及びこの円盤２４上に配置される板状磁石２２Ａ〜２２Ｈの数によって適宜定められる。磁界を有効利用する観点から、磁石回転体６上では、板状磁石２２Ａ〜２２ＨはＮ極が外方に向けられ、磁石回転体８上では、板状磁石２２Ａ〜２２ＨはＳ極が外方に向けられるように配置されることが好ましい。

磁石回転体６及び８の外側には、電磁石１２及び１４が夫々磁気ギャプを介して対向して配置されているが、電磁石１２及び１４は、付勢された際に電磁石１２及び１４が対向する板状磁石２２Ａ〜２２Ｈの磁極と同極で互いに反発する関係の磁界を発生する。即ち、磁石回転体６上では、板状磁石２２Ａ〜２２Ｈの外方の磁極がＮ極であるので、電磁石１２はその対向面がＮ極となるように付勢され、また、磁石回転体８上では、板状磁石２２Ａ〜２２Ｈの外方の磁極がＳ極であるので、第２の電磁石１４はその対向面がＳ極となるように付勢される。このようにヨーク１６で磁気的に連結された電磁石１２及び１４の板状磁石２２Ａ〜２２Ｈへの対向面が異なる磁極に励磁されることは、電磁石１２及び１４の磁界を効率的に利用することができることとなる。

磁石回転体６及び８の一方には、その回転位置を検出する検出器３０が設けられている。即ち、図２に示すように板状磁石２２Ａ〜２２Ｈの内の回転方向３２に関し、先頭の板状磁石２２Ａが通過した時点で磁石回転体６及び８が付勢される。換言すれば、回転方向３２に関し、先頭の板状磁石２２Ａ及びこれに続く板状磁石２２Ｂ間に始点Ｓ_０が設けられ、この始点Ｓ_０が電磁石１２或は１４の中心点Ｒ_０に一致した際に電磁石１２及び１４が付勢される。また、図２に示すように板状磁石２２Ａ〜２２Ｈの内の回転方向３２に関し、後尾の板状磁石２２Ａが通過した時点で磁石回転体６及び８が消勢される。回転盤２４上で始点Ｓ_０に対称な位置に終点Ｅ_０が定められ、この終点Ｅ_０と電磁石１２或は１４の中心点Ｒ_０とが一致された際に、電磁石１２及び１４が消勢される。回転体６及び８の回転開始時においては、始点Ｓ_０及び終点Ｅ_０間の任意の位置に電磁石１２、１４の中心点Ｒ_０が位置され、電磁石１２、１４と板状磁石２２Ａ〜２２Ｈとが対向されて回転が開始される。

回転位置を検出する検出器３０としてマイクロスイッチが採用される場合には、マイクロスイッチの接点が回転盤２４の周面を摺動され、始点Ｓ_０及び終点Ｅ_０の間でマイクロスイッチの接点が閉じられるように、始点Ｓ_０及び終点Ｅ_０にステップが設けられ、この間の周面上の領域が他の回転盤２４の周面に比べて突出されている。なお、検出器３０は非接触式センサであっても良い。

図３に示すように電磁石１２、１４のコイルは直列接続され、リレー４０の可動接点を介して直流電源４２に接続されている。直流電源４２には、マイクロスイッチとしての検出器３０及びリレー４０のソレノイドの直列回路が接続され、直流電源４２には、省エネルギーの観点からソーラセル等の充電器４４が接続され、太陽エネルギー等で直流電源４２が常に充電可能となっている。

回転盤２４が所定位置、つまり電磁石１２，１４と板状磁石２２Ａ〜２２Ｈのいずれかが対向した位置になると検出器３０がオンし、リレー４０を経て直流電源４２から電磁石１２，１４に電流が供給される。電磁石１２，１４に電流が供給されると、電磁石１２，１４に磁界が発生して次のような原理で回転盤２４が回転する。

即ち、図４に示すような磁界分布が、各磁石回転体６、８の板状磁石２２Ａ〜２２Ｈと対応する電磁石１２、１４との間に形成される。電磁石１２、１４が付勢されている際には、電磁石１２、１４に近接した板状磁石２２Ａ〜２２Ｈの磁界は、回転方向に対応する長手方向に歪み、両者間で互いに反発力が生じる。この反発力は、その磁界の歪から明かなようにその長手方向に直角な成分が大きく、矢印３２で示されるような回転トルクが生じる。電磁石１２、１４の磁界に次に侵入する板状磁石２２Ａ〜２２Ｈの磁界は、同様に電磁石１２、１４の磁界によって歪み、先に侵入した板状磁石２２Ａ〜２２Ｈの反対極に向かうことから、その歪がより大きく、偏平となる。従って、既に侵入した板状磁石２２Ａ〜２２Ｈと電磁石１２、１４との間の反発力は、次に侵入する板状磁石２２Ａ〜２２Ｈと電磁石１２、１４との間の反発力よりも大きく、回転盤２４には、矢印３２で示す回転力が作用することとなる。回転力が与えられた回転盤２４は、終点Ｅ_０と電磁石１２、１４の中心点Ｒ_０とが一致されて電磁石１２、１４が消勢されてもその慣性力で回転を続け、慣性力が大きくなればなるほどスムーズに回転されることとなる。

図５は本発明の原理を示す断面機構図であり、回転軸１０１には円柱状若しくは円板の非磁性体で成る回転部１１０が取付けられており、回転部１１０の周縁部４箇所には前述した永久磁石１１１〜１１４がそれぞれ所定の傾斜（図２で示すような傾斜）をもって配設されていると共に、永久磁石１１１〜１１４に近接して対向するように、パルス電流を所定のタイミングで印加される電磁石１２１〜１２４が配設されている。電磁石１２１〜１２４で発生される磁極は、永久磁石１１１〜１１４の対向磁極と反対になっている。

なお、停止状態においては、永久磁石１１１〜１１４の磁極と電磁石１２１〜１２４のヨークとが磁力吸引の関係となるので、図５に示すように永久磁石１１１〜１１４の磁極と電磁石１２１〜１２４とが対向する位置関係になっている。

図５に示す状態では、永久磁石１１１〜１１４と電磁石１２１〜１２４とがそれぞれ対向しており、電磁石１２１〜１２４にパルス電流が印加されることにより永久磁石１１１〜１１４との間にそれぞれ磁界の反発作用が生じ回転部１１０が矢印Ａ方向に回転される。

図６は本発明の結線図を示しており、電磁石１２１〜１２４内にはそれぞれコイル１２１Ｃ〜１２４Ｃが巻回されており、パルス電流が印加されたときに対向した永久磁石１１１〜１１４に対して磁力反発作用を生じる磁界を発生するようになっている。回転部１１０の周縁には、永久磁石１１１〜１１４の回転位置を検知するための識別部材１１５Ａ〜１１５Ｄが永久磁石１１１〜１１４に対応して配設されており、回転部１１０の外側には近接して非接触式の位置センサ（例えばホールセンサ）１３０が設けられている。

電磁石１２１〜１２４及び位置センサ１３０はコントローラ１５０に接続されており、コントローラ１５０はバッテリ（例えば２４Ｖ）ＢＴで駆動される。バッテリＢＴは順方向ダイオードＤ１を経て電磁石１２１〜１２４のコイル１２１Ｃに接続され、更にスイッチング手段としてパルス電流を生成するＦＥＴトランジスタＴｒ、フューズＦ及び電源スイッチＳＷを経て接続されている。また、位置センサ１３０にもバッテリＢＴの電源が供給され、位置センサ１３０の検知信号によってトランジスタＴｒをオン／オフするようになっている。更に、電源ラインとトランジスタＴｒのゲートラインとの間には抵抗Ｒ１が接続され、電源ラインとトランジスタＴｒの出力ラインとの間には逆方向ダイオードＤ２が接続されている。

このような構成において、電源スイッチＳＷをオンし、位置センサ１３０が識別部材１１５Ａ〜１１５Ｄのいずれかを検知するとトランジスタＴｒがオンし、ダイオードＤ１を経て電磁石１２１〜１２４のコイル１２１Ｃ〜１２４Ｃに電流が流れ、電磁石１２１〜１２４から磁力が発生されることにより永久磁石１１１〜１１４との間に磁力の反発を生じ、矢印Ａ方向に回転部１１０が回転する。この回転により永久磁石１１１〜１１４がそれぞれ電磁石１２１〜１２４位置から電磁石１２２，１２３．１２４，１２１位置方向へ回転し、更に永久磁石１１１，１１２，１１３，１１４がそれぞれ電磁石１２２，１２３，１２４，１２１位置に達すると電磁石の磁力により回転を増幅する。

図７は本発明の電子回路をブロック化した回路の一例を示しており、外部端子１〜６を有しており、外部端子１及び４には電源電圧＋Ｖｃｃが印加され、外部端子２及び３には位置センサからの検知信号が入力されるようになっている。電源電圧＋ＶｃｃとＧＮＤ（接地）との間には抵抗Ｒ１と定電圧用のツェナーダイオードＤ３が接続され、その接続点がセンサの基準電圧（外部端子２）となっている。また、電源電圧＋ＶｃｃとＧＮＤ（接地）との間には順方向ダイオードＤ１を経て、逆方向ダイオードＤ２及びスイッチング素子としてのＦＥＴが接続されており、抵抗Ｒ１及びツェナーダイオードＤ３の接続点とＦＥＴのゲートとの間には抵抗Ｒ２が接続され、センサの検知信号は外部端子３を経てＦＥＴのゲートに入力される。ＦＥＴのアノード出力（外部端子６）と、ダイオードＤ１及びＤ２の接続点（外部端子５）とがコイルに接続される。

このようなブロック化された回路をコネクタを介して磁力回転装置に接続すれば、位置センサから検知信号が外部端子３に入力されたときにＦＥＴがオンするので、コイルへ電流が供給される。これによって磁力回転装置の回転体が上述した原理で回転され、その回転によって位置センサが識別部材を検知しなくなると、検知信号も消失してＦＥＴはオフとなる。ＦＥＴがオフになっても回転体は回転を続け、次の電磁石位置に達すると、また位置センサが識別部材を検知してＦＥＴがオンされ、回転を続けることになる。

回路は上述のような結線になっているが、その構造はモールド化されるか若しくはＩＣ化されて小型化され、図８に示すようなブロック構成の外観となっている。外部端子（１〜６）をコネクタ（図示せず）に接続することによって、容易に磁力回転装置を駆動することができる。

なお、上述では回転部に４個の永久磁石を配設（４極）し、回転部の外側に近接して４個の電磁石を設けているが、永久磁石と電磁石の対数（極数）は任意であり、両者同数の関係であれば良い。更に、上述では電磁石にパルス電流を印加して駆動するようにしているが、パルス電流に限定されるものではない。

本発明によれば、磁力回転装置に対して専用の電子回路を提供できるので、磁力回転装置の駆動が容易となり、その普及に寄与できる。

磁力回転装置の一例を示す概略外観図である。磁力回転装置の回転体の一例を示す平面図である。磁力回転装置の駆動系を示す回路図である。磁力回転装置の回転トルクの様子を示す図である。本発明の原理を説明するための断面機構図である。本発明の一実施例を示す結線図である。本発明の電子回路の一例を示す結線図である。本発明の外観図である。

符号の説明

２フレーム
４回転軸
５軸受
６，８磁石回転体
９棒状磁石
１０被回転体
１２，１４電磁石
１６ヨーク
１００回転機構造体
１０１回転軸
１１０回転部
１１１〜１１４永久磁石
１１５Ａ〜１１５Ｄ識別部材
１２１〜１２４電磁石
１３０位置センサ

Claims

周縁に所定角度傾斜した永久磁石群が埋設された非磁性体で成る回転部と、前記永久磁石群に対向するように前記回転部に近接して配設された電磁石群と、前記永久磁石群の位置を検知する位置センサとを具備し、前記位置センサの検知信号に基づいて前記電磁石に電流を印加して前記回転部を回転駆動するようになっている磁力回転装置に占用の電子回路であり、電源に対して正方向ダイオード及び逆方向ダイオードを介してスイッチング素子を接続すると共に、前記位置センサからの検知信号に基づいて前記スイッチング素子をオンオフするようになっており、前記逆方向ダイオードの両端電圧で前記電磁石群を励磁するようになっていることを特徴とする磁力回転装置用電子回路。
前記スイッチング素子がＦＥＴである請求項１に記載の磁力回転装置用電子回路。
前記ＦＥＴのゲートに抵抗１及び２を介して前記電源が接続されている請求項２に記載の磁力回転装置用電子回路。
前記抵抗１及び２の接続点と接地との間に定電圧用のツェナーダイオードが接続されている請求項３に記載の磁力回転装置用電子回路。
回路全体がモールド化若しくはＩＣ化されている請求項１乃至４のいずれかに記載の磁力回転装置用電子回路。