JP2012161229A - 回転装置 - Google Patents

Abstract

【課題】効率が高く、トルクが大きい回転装置を提供する。
【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

本発明は、直流電流を用いた回転装置に関し、更に詳しくは、効率が高くトルクが大きい回転装置に関する。

従来より、直流電流を用いた回転装置は電流や電圧を変化させることによりトルクや回転数を制御しやすく、さらに効率が高いと一般に考えられていることから、制御用モーター等として広く使用されている。
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）。

特開２００６−２５４６９号公報

しかしながら、特許文献１で提案された回転装置では、ステーター内で使用する電磁石の磁極の向きが不揃いなため、一部の磁力が隣接する電磁石の磁力により打ち消されてしまい、その効率化には限界がある。
本発明者は、電磁石の磁極の向きを揃えることにより磁力が打ち消されることがなくなり、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。

即ち、本発明は、電磁石の磁極の向きを揃えることにより、効率が一層高く、トルクが大きい回転装置を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するためになされたもので、本発明の特徴の第１は、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（例えば整流子）からなり、ローターには、電磁石の磁極（例えばＮ極）と反発する磁極（例えばＮ極）をステーター側に向けた前方磁石、及び吸引する磁極（例えばＳ極）を向けた後方磁石からなる磁石対（永久磁石を使用）が複数対設けられており、制御部は電磁石が磁石対の前方磁石と後方磁石の間（電磁石が前方磁石又は後方磁石と対峙している場合を含む）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（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を内容とする。

本発明の特徴の第２は、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）よりも大きくすることを特徴とする上記回転装置を内容とする。

本発明の特徴の第３は、磁石対の数の２倍の電磁石が、ステーターに等間隔に配列されていることを特徴とする上記回転装置を内容とする。

本発明の特徴の第４は、磁石対の前方磁石と後方磁石の反対極側を強磁性材料からなる橋様体で架橋したことを特徴とする上記回転装置を内容とする。

本発明の特徴の第５は、制御部が整流子又はＩＣドライバーであることを特徴とする上記回転装置を内容とする。

本発明の特徴の第６は、制御部が２個（Ａ列用とＢ列用）の整流子であり、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、一の整流子に接続された（Ａ列と称する）電磁石と、他の整流子に接続された（Ｂ列と称する）電磁石は交互に配置されており、磁石対の前方磁石と後方磁石の間にＡ列の電磁石とＢ列の電磁石が両方とも入った際には、整流子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上記回転装置を内容とする。

本発明の回転装置は、電磁石が磁極を揃えて配置されているので、複数の電磁石から発揮される磁力がお互いに打ち消しあう斥力がなくなるので、効率が高くなる。
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。

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）よりも大きくすることにより、磁石対の前方磁石と後方磁石の間に複数の電磁石が入り、この複数の電磁石による反発力、吸引力でローターが駆動されるので、トルクがさらに大きくなる。
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。

磁石対の前方磁石と後方磁石の反対極側を強磁性材料からなる橋様体で架橋することにより、架橋した磁石対の前方磁石と後方磁石の間で磁束密度が高まるので、この間にある電磁石との間で反発力、吸引力が強まり、一層効率が高くなる。

本発明における制御部としては、整流子やＩＣドライバーが好適である。

図１は本発明の回転装置の実施例を示す斜視図である。 図２は図１の実施例の正面図である。 図３は図１の実施例の側面図である。 図４は図１の実施例の断面図である。 図５は磁心及び磁心に電線を巻きつけてなる電磁石を示す斜視図である。 図６はローターを示す斜視図である。 図７は電磁石と磁石対の位置関係と電磁石のＯＮ−ＯＦＦを示す模式説明図である。 図８は図７より時間が進んだ際の電磁石と磁石対の位置関係と電磁石のＯＮ−ＯＦＦを示す模式説明図である。 図９はステーターにおける制御部と電磁石の接続を示す配線図である。 図１０（ａ）は磁石対に対する電磁石の位置を示す説明図であり、（ｂ）は（ａ）の状態におけるＡ列用の整流子を示す説明図であり、（ｃ）は同じくＢ列用の整流子を示す説明図である。 図１１（ａ）は図１０の場合より時間が進んだ状態の磁石対及び電磁石を示す説明図であり、（ｂ）は（ａ）の状態におけるＡ列用の整流子を示す説明図であり、（ｃ）は同じくＢ列用の整流子を示す説明図である。 図１２（ａ）は図１１の場合よりさらに時間が進んだ状態の磁石対及び電磁石を示す説明図であり、（ｂ）は（ａ）の状態におけるＡ列用の整流子を示す説明図であり、（ｃ）は同じくＢ列用の整流子を示す説明図である。 図１３は本発明の実施例における電磁石と磁石対の関係を示す模式説明図である。 図１４は本発明の実施例における制御部（整流子）の状態を示す模式説明図である。 図１５はローターを１つ使用した場合のトルクの測定方法を示す説明図である。 図１６はローターを２つ使用した場合のトルクの測定方法を示す説明図である。

本発明の回転装置１は、図１乃至図４の実施例に示すように、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、図１０乃至図１２に示すように、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。

本発明の回転装置１は、図１乃至図４に示すように、電磁石３を複数（図示した実施例では８本）備えたステーター２と、磁石対６を複数対（図示した実施例では４対）備えたローター５と、制御部８（図示した実施例では２個（Ａ列用とＢ列用）の整流子）を有する。
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。

電磁石３はローター５の回転軸９を通す軸受けを中心とした円周上に配置されるが、ローター５の回転速度やトルクを制御しやすくするため、電磁石３同士の間隔を等しくするのが好ましい。
なお、本発明においては、異なる磁極を近接することによる磁力の打ち消し合いを防ぐため、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。

本発明で用いる電磁石３は棒状である限り特に限定されず、例えば図５に示したような、鉄芯４に電線を巻回した一般的なものが全て好適に利用できる。
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。

本発明におけるローター５は、例えば図６に示したように、前方磁石６ｆと後方磁石６ｒを一対にした磁石対６を複数対（図６では４対）備えている。
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。

本発明では、磁石対６の前方磁石６ｆと後方磁石６ｒの間に電磁石３が入っている（位置している）ときに当該電磁石３に通電して磁力を発揮させ、磁石対６の前方磁石６ｆと後方磁石６ｒの間から電磁石３が出ているときに電流を遮断することによりローター５を駆動（回転、以下同じ）する。
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。

また、図８に示したように、時間が進んで後方磁石６ｒ１が電磁石３Ｂ−２を通り過ぎている状態では、後方磁石６ｒ１に乗り越えられた電磁石３Ｂ−２の電流を遮断する。このようにすることにより、後方磁石６ｒ１が後方の電磁石３Ｂ−２に吸引されて後側に引っ張られることがない。
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。

上記した通り、本発明では磁石対６の前方磁石６ｆと後方磁石６ｒの間に入っている電磁石３（図７の例では３Ａ−１及び３Ｂ−２）に通電し、隣接する磁石対６と磁石対６の間（例えば図１０における磁石対６−１と磁石対６−２の間）に入っている電磁石３（図１０の例では３Ｂ−２）の電流を遮断するように通電が制御されているが、電磁石３の数を磁石対６の数（例えば４対）の整数倍（例えば２倍の８個）とし、磁石対６の数個（例えば４個）ごとにまとめて電磁石３の通電を制御するのが簡便で好ましい。
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。

また、図７及び図８に示したように、磁石対６の前方磁石６ｆと後方磁石６ｒの間の距離Ｄ１を、隣接する磁石対６と磁石対６の間の距離Ｄ２よりも大きくすれば、電磁石３に通電できる時間を長く、電流を遮断している時間を短くすることができ、また同時に通電できる電磁石３の数も多くなるので、その分トルクが大きくなる。

また、図示したように、磁石対６の前方磁石６ｆと後方磁石６ｒの反対極側を強磁性材料からなる橋様体７で架橋すれば、架橋した前方磁石６ｆと後方磁石６ｒの間で磁束密度が高くなるので、電磁石３との反発力、吸引力も強まり、トルクが一層大きくなる。
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。

上記したように、本発明では電磁石３の通電を制御することによりローター５を駆動するが、通電の制御は制御部８により行われる。
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。

以下、本発明における電磁石３への通電制御の一例について、図９乃至図１２に基づいて説明する。なお、図９は図１乃至図４に示した本発明の回転装置に用いるステーター２の配線図であり、図１０乃至１２は磁石対６と電磁石３の位置関係、及びそのときの整流子（制御部）８の状態を示す説明図である。また、図９において電磁石３は縦一列に記載されているが、これは作図上の都合であり、実際には図１乃至図４に示したように、円周上に列設されていることは云うまでもない。

この例では、上記と同様に、ローター５に４対の磁石対６が設けられ、ステーター２には８本の電磁石３が設けられ、この電磁石３はローター５の回転軸９と連動する２個の整流子（制御部）８により制御されている。
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。

このようなステーター２とローター５において、各磁石対６に対する各Ａ列の電磁石３Ａの位置関係は同期して変化するので、Ａ列の電磁石３Ａは４個まとめて制御することができる。Ｂ列の電磁石３Ｂについても同様で、４個まとめて制御することができる。従って、本実施例においても、Ａ列の電磁石３Ａは全てＡ列用の整流子８Ａと接続され、Ｂ列の電磁石３Ｂは全てＢ列用の整流子８Ｂと接続されている。
なお、図９において、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が、勿論、並列に接続することもできる。

一方、制御部８はＡ列用の整流子８ＡとＢ列用の整流子８Ｂからなり、図１０乃至図１２に示すように、整流子８Ａ、８Ｂはそれぞれドーナツ状導電体８ｄ及びブラシ８ｂからなり、ドーナツ状導電体８ｄの表面に通電部８ｃと非通電部８ｎが４箇所ずつ交互に設けられている。また、Ａ列用の整流子８ＡとＢ列用の整流子８Ｂは互いに４５度ずらして回転軸９に取り付けられている。なお、ドーナツ状導電体８ｄと回転軸９の間は、漏電またはショートを防ぐため絶縁されている。

本実施例においてはドーナツ状導電体８ｄは金属製であり、その表面に金属製の通電部８ｃと合成樹脂製又はゴム製の非通電部８ｎが接着されているが、本発明において通電部８ｃはブラシ８ｂと接触してドーナツ状導電体８ｄに通電できれば十分であるとともに、非通電部８ｎはブラシ８ｂとドーナツ状導電体８ｄの接触を妨げることができれば十分である。
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。

上記のように構成された回転装置１において、図１０に示すように、磁石対６の前方磁石６ｆと後方磁石６ｒの間にある電磁石３（例えば、図１０（ａ）における磁石対６−１の前方磁石６ｆ１と後方磁石６ｒ１の間にある電磁石３Ａ−１）には通電されており、隣接する磁石対６と磁石対６の間にある電磁石３（例えば、図１０（ａ）における磁石対６−１の後方磁石６ｒ１と隣接する磁石対６−２の前方磁石６ｆ２の間にある電磁石３Ｂ−２）の電流は遮断されているように電流が制御される。
この場合、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、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。

時間が進み、図１１（ａ）に示すように、前方磁石６ｆがＢ列の電磁石３Ｂと対峙する位置に達すると、図１１（ｃ）に示すように、ブラシ８ｂがＢ列用の整流子８Ｂの通電部８ｃと接触し始める。なお、図１１（ｃ）では通電部８ｃの端部のみがブラシ８ｂの端部と接触しているが、ドーナツ状導電体８ｄは矢示する方向に回転しているので、この位置から通電が開始され、前方磁石６ｆはＢ列の電磁石３Ｂと反発し始める。
一方、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。

更に時間が進み、図１２（ａ）に示すように、後方磁石６ｒがＡ列の電磁石３Ａを乗り越える位置に達すると、図１２（ｂ）に示すように、ブラシ８ｂがＡ列用の整流子８Ａの通電部８ｃから外れて電流が遮断される。なお、図１２（ｂ）では通電部８ｃの端部がブラシ８ｂの端部と接触しているが、ドーナツ状導電体８ｄは矢示する方向に回転しているので、この位置で通電が終了し、以後、後方磁石６ｒと電磁石３Ａの吸引力が殆ど無くなる（永久磁石である後方磁石６ｒが強磁性体としての鉄芯等を吸引するので、完全なゼロにはならない）。これにより、回転方向と逆向きの力の発生が抑えられる。
一方、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。

更に時間が進んで、前方磁石６ｆがＡ列の電磁石３Ａと対峙する位置に進めば、図１１に示した状態と同様、電磁石３Ａの通電が開始されて強いトルクが発生する。本実施例の回転装置１は、このような通電制御のサイクルを繰り返して回転を続ける。

図１３、図１４に模式的に示す回転装置１の実施例を用いて、本発明の回転装置１のトルクを測定した。なお、本発明はこの実施例には限定されない。
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Ａ列用の整流子８Ａと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、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、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。

この回転装置１は、下記の特徴を有する。
（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。

本発明の回転装置１のトルクは図１５及び図１６に示した方法で測定した。即ち、木製の机Ｄの表面に長さ３６ｃｍのヒノキ製の角材Ｔの一端Ｆを蝶番を用いて取り付け、蝶番から７ｃｍの位置Ａで机Ｄと角材Ｔの間に回転軸９を挟むように回転装置１を設置し、位置Ａから２８ｃｍの位置Ｌに重りＷを吊るして回転軸９に負荷をかけた。測定は、ローター５を１つだけ用いた状態（図１５）と、２つとも用いた状態（図１６）の２通りについて行った。回転装置１の駆動に使用した電源は、ローター５が１つの場合は１０Ｖ１．８Ａ、ローター５が２つの場合は１０Ｖ１．６Ａであった。
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。

上記したとおり、本発明の回転装置は、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、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（例えば図１０における磁石対６−１と磁石対６−２の間）にあるときに電流を遮断しているように電流を制御するように構成されているので、効率が一層高く、トルクが大きい回転装置として、極めて有用性の高いものである。

１ 回転装置
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（整流子）
８Ａ Ａ列用の整流子
８Ｂ Ｂ列用の整流子
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

しかしながら、特許文献１で提案された回転装置では、ステーター内で使用する電磁石の磁極の向きが不揃いなため、その効率化には限界がある。
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。

本発明は上記目的を達成するためになされたもので、本発明の特徴の第１は、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（例えば整流子）からなり、ローターには、電磁石の磁極（例えばＮ極）と反発する磁極（例えばＮ極）をステーター側に向けた前方磁石、及び吸引する磁極（例えばＳ極）を向けた後方磁石からなる磁石対（永久磁石を使用）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（例えば図７におけるＤ１）は、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、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（電磁石が前方磁石又は後方磁石と対峙している場合を含む）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（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（Ａ列用とＢ列用）の整流子又はこれと同等の機能を有するＩＣドライバーであり、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（ＩＤドライバーうち１個の整流子と同等の機能を有する部分を含む、以下同じ）に接続された（Ａ列と称する）電磁石と、他の整流子に接続された（Ｂ列と称する）電磁石は交互に等間隔に配置されており、一の整流子及びＡ列の電磁石は直列に接続されているとともに、他の整流子及びＢ列の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Ａ列の電磁石とＢ列の電磁石が両方とも入った際には、整流子は両方とも通電状態となるように構成される回転装置を内容とする。

本発明の回転装置は、電磁石が磁極を揃えて配置されているので、効率が高くなる。
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。

本発明の回転装置１は、図１乃至図４の実施例に示すように、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、図７に示すように、磁石対の前方磁石６ｆと後方磁石６ｒの間の距離Ｄ１は、隣接する磁石対６と磁石対６の間の距離Ｄ２よりも大きく、且つ、磁石対の前方磁石６ｆと後方磁石６ｒの反対極側は強磁性材料からなる橋様体７で架橋されており、図１０乃至図１２に示すように、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８が２個（Ａ列用とＢ列用）の整流子又はこれと同等の機能を有するＩＣドライバーであり、ステーター２の電磁石３の数がローター５の前方磁石６ｆと後方磁石６ｒからなる磁石対６の数の２倍であり、一の整流子８Ａ（ＩＤドライバーうち１個の整流子と同等の機能を有する部分を含む、以下同じ）に接続された（Ａ列と称する）電磁石３と、他の整流子８Ｂに接続された（Ｂ列と称する）電磁石３は交互に等間隔に配置されており、一の整流子８Ａ及びＡ列の電磁石３は直列に接続されているとともに、他の整流子８Ｂ及びＢ列の電磁石３は直列に接続されており、磁石対の前方磁石６ｆと後方磁石６ｒの間にＡ列の電磁石３とＢ列の電磁石３が両方とも入った際には、整流子８Ａ、８Ｂ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。

電磁石３はローター５の回転軸９を通す軸受けを中心とした円周上に配置されるが、ローター５の回転速度やトルクを制御しやすくするため、電磁石３同士の間隔を等しくするのが好ましい。
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。

このようなステーター２とローター５において、各磁石対６に対する各Ａ列の電磁石３Ａの位置関係は同期して変化するので、Ａ列の電磁石３Ａは４個まとめて制御することができる。Ｂ列の電磁石３Ｂについても同様で、４個まとめて制御することができる。従って、本実施例においても、Ａ列の電磁石３Ａは全てＡ列用の整流子８Ａと接続され、Ｂ列の電磁石３Ｂは全てＢ列用の整流子８Ｂと接続されている。
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。

本発明は、直流電流を用いた回転装置に関し、更に詳しくは、効率が高くトルクが大きい回転装置に関する。

従来より、直流電流を用いた回転装置は電流や電圧を変化させることによりトルクや回転数を制御しやすく、さらに効率が高いと一般に考えられていることから、制御用モーター等として広く使用されている。
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）。

特開２００６−２５４６９号公報

しかしながら、特許文献１で提案された回転装置では、ステーター内で使用する電磁石の磁極の向きが不揃いなため、その効率化には限界がある。
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。

即ち、本発明は、電磁石の磁極の向きを揃えることにより、効率が一層高く、トルクが大きい回転装置を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するためになされたもので、本発明の特徴の第１は、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（例えば整流子）からなり、ローターには、電磁石の磁極（例えばＮ極）と反発する磁極（例えばＮ極）をステーター側に向けた前方磁石、及び吸引する磁極（例えばＳ極）を向けた後方磁石からなる磁石対（永久磁石を使用）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（例えば図７におけるＤ１）は、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、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（電磁石が前方磁石又は後方磁石と対峙している場合を含む）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（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（Ａ列用とＢ列用）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を内容とする。

本発明の回転装置は、電磁石が磁極を揃えて配置されているので、効率が高くなる。
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。

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）よりも大きくすることにより、磁石対の前方磁石と後方磁石の間に複数の電磁石が入り、この複数の電磁石による反発力、吸引力でローターが駆動されるので、トルクがさらに大きくなる。
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。

磁石対の前方磁石と後方磁石の反対極側を強磁性材料からなる橋様体で架橋することにより、架橋した磁石対の前方磁石と後方磁石の間で磁束密度が高まるので、この間にある電磁石との間で反発力、吸引力が強まり、一層効率が高くなる。

本発明における制御部としては、整流子やＩＣドライバーが好適である。

図１は本発明の回転装置の実施例を示す斜視図である。 図２は図１の実施例の正面図である。 図３は図１の実施例の側面図である。 図４は図１の実施例の断面図である。 図５は磁心及び磁心に電線を巻きつけてなる電磁石を示す斜視図である。 図６はローターを示す斜視図である。 図７は電磁石と磁石対の位置関係と電磁石のＯＮ−ＯＦＦを示す模式説明図である。 図８は図７より時間が進んだ際の電磁石と磁石対の位置関係と電磁石のＯＮ−ＯＦＦを示す模式説明図である。 図９はステーターにおける制御部と電磁石の接続を示す配線図である。 図１０（ａ）は磁石対に対する電磁石の位置を示す説明図であり、（ｂ）は（ａ）の状態におけるＡ列用の整流子を示す説明図であり、（ｃ）は同じくＢ列用の整流子を示す説明図である。 図１１（ａ）は図１０の場合より時間が進んだ状態の磁石対及び電磁石を示す説明図であり、（ｂ）は（ａ）の状態におけるＡ列用の整流子を示す説明図であり、（ｃ）は同じくＢ列用の整流子を示す説明図である。 図１２（ａ）は図１１の場合よりさらに時間が進んだ状態の磁石対及び電磁石を示す説明図であり、（ｂ）は（ａ）の状態におけるＡ列用の整流子を示す説明図であり、（ｃ）は同じくＢ列用の整流子を示す説明図である。 図１３は本発明の実施例における電磁石と磁石対の関係を示す模式説明図である。 図１４は本発明の実施例における制御部（整流子）の状態を示す模式説明図である。 図１５はローターを１つ使用した場合のトルクの測定方法を示す説明図である。 図１６はローターを２つ使用した場合のトルクの測定方法を示す説明図である。

本発明の回転装置１は、図１乃至図４の実施例に示すように、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、図７に示すように、磁石対の前方磁石６ｆと後方磁石６ｒの間の距離Ｄ１は、隣接する磁石対６と磁石対６の間の距離Ｄ２よりも大きく、且つ、磁石対の前方磁石６ｆと後方磁石６ｒの反対極側は強磁性材料からなる橋様体７で架橋されており、図１０乃至図１２に示すように、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８が２個（Ａ列用とＢ列用）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２の電磁石３の数がローター５の前方磁石６ｆと後方磁石６ｒからなる磁石対６の数の２倍であり、一の整流子相当部８Ａに接続された電磁石３と、他の整流子相当部８Ｂに接続された電磁石３は交互に等間隔に配置されており、一の整流子相当部８Ａ及び当該一の整流子相当部に接続された電磁石３は直列に接続されているとともに、他の整流子相当部８Ｂ及び当該他の整流子相当部に接続された電磁石３は直列に接続されており、磁石対の前方磁石６ｆと後方磁石６ｒの間に一の整流子相当部に接続された電磁石３と他の整流子相当部に接続された電磁石３が両方とも入った際には、整流子相当部８Ａ、８Ｂ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。

本発明の回転装置１は、図１乃至図４に示すように、電磁石３を複数（図示した実施例では８本）備えたステーター２と、磁石対６を複数対（図示した実施例では４対）備えたローター５と、制御部８（図示した実施例では２個（Ａ列用とＢ列用）の整流子）を有する。
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。

電磁石３はローター５の回転軸９を通す軸受けを中心とした円周上に配置されるが、ローター５の回転速度やトルクを制御しやすくするため、電磁石３同士の間隔を等しくするのが好ましい。
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。

本発明で用いる電磁石３は棒状である限り特に限定されず、例えば図５に示したような、鉄芯４に電線を巻回した一般的なものが全て好適に利用できる。
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。

本発明におけるローター５は、例えば図６に示したように、前方磁石６ｆと後方磁石６ｒを一対にした磁石対６を複数対（図６では４対）備えている。
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。

本発明では、磁石対６の前方磁石６ｆと後方磁石６ｒの間に電磁石３が入っている（位置している）ときに当該電磁石３に通電して磁力を発揮させ、磁石対６の前方磁石６ｆと後方磁石６ｒの間から電磁石３が出ているときに電流を遮断することによりローター５を駆動（回転、以下同じ）する。
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。

また、図８に示したように、時間が進んで後方磁石６ｒ１が電磁石３Ｂ−２を通り過ぎている状態では、後方磁石６ｒ１に乗り越えられた電磁石３Ｂ−２の電流を遮断する。このようにすることにより、後方磁石６ｒ１が後方の電磁石３Ｂ−２に吸引されて後側に引っ張られることがない。
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。

上記した通り、本発明では磁石対６の前方磁石６ｆと後方磁石６ｒの間に入っている電磁石３（図７の例では３Ａ−１及び３Ｂ−２）に通電し、隣接する磁石対６と磁石対６の間（例えば図１０における磁石対６−１と磁石対６−２の間）に入っている電磁石３（図１０の例では３Ｂ−２）の電流を遮断するように通電が制御されているが、電磁石３の数を磁石対６の数（例えば４対）の整数倍（例えば２倍の８個）とし、磁石対６の数個（例えば４個）ごとにまとめて電磁石３の通電を制御するのが簡便で好ましい。
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。

また、図７及び図８に示したように、磁石対６の前方磁石６ｆと後方磁石６ｒの間の距離Ｄ１を、隣接する磁石対６と磁石対６の間の距離Ｄ２よりも大きくすれば、電磁石３に通電できる時間を長く、電流を遮断している時間を短くすることができ、また同時に通電できる電磁石３の数も多くなるので、その分トルクが大きくなる。

また、図示したように、磁石対６の前方磁石６ｆと後方磁石６ｒの反対極側を強磁性材料からなる橋様体７で架橋すれば、架橋した前方磁石６ｆと後方磁石６ｒの間で磁束密度が高くなるので、電磁石３との反発力、吸引力も強まり、トルクが一層大きくなる。
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。

上記したように、本発明では電磁石３の通電を制御することによりローター５を駆動するが、通電の制御は制御部８により行われる。
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。

以下、本発明における電磁石３への通電制御の一例について、図９乃至図１２に基づいて説明する。なお、図９は図１乃至図４に示した本発明の回転装置に用いるステーター２の配線図であり、図１０乃至１２は磁石対６と電磁石３の位置関係、及びそのときの制御部８（一の整流子相当部８Ａ及び他の整流子相当部８Ｂ。）の状態を示す説明図である。また、図９において電磁石３は縦一列に記載されているが、これは作図上の都合であり、実際には図１乃至図４に示したように、円周上に列設されていることは云うまでもない。

この例では、上記と同様に、ローター５に４対の磁石対６が設けられ、ステーター２には８本の電磁石３が設けられ、この電磁石３はローター５の回転軸９と連動する２個の整流子相当部８Ａ、８Ｂからなる制御部８により制御されている。
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。

このようなステーター２とローター５において、各磁石対６に対する各Ａ列の電磁石３Ａの位置関係は同期して変化するので、Ａ列の電磁石３Ａは４個まとめて制御することができる。Ｂ列の電磁石３Ｂについても同様で、４個まとめて制御することができる。従って、本実施例においても、Ａ列の電磁石３Ａは全てＡ列用の整流子相当部８Ａと接続され、Ｂ列の電磁石３Ｂは全てＢ列用の整流子相当部８Ｂと接続されている。
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。

一方、制御部８は一の整流子相当部（Ａ列用の整流子）８Ａと他の整流子相当部（Ｂ列用の整流子）８Ｂからなり、図１０乃至図１２に示すように、整流子相当部８Ａ、８Ｂはそれぞれドーナツ状導電体８ｄ及びブラシ８ｂからなり、ドーナツ状導電体８ｄの表面に通電部８ｃと非通電部８ｎが４箇所ずつ交互に設けられている。また、一の整流子相当部（Ａ列用の整流子）８Ａと他の整流子（Ｂ列用の整流子）８Ｂは互いに４５度ずらして回転軸９に取り付けられている。なお、ドーナツ状導電体８ｄと回転軸９の間は、漏電またはショートを防ぐため絶縁されている。

本実施例においてはドーナツ状導電体８ｄは金属製であり、その表面に金属製の通電部８ｃと合成樹脂製又はゴム製の非通電部８ｎが接着されているが、本発明において通電部８ｃはブラシ８ｂと接触してドーナツ状導電体８ｄに通電できれば十分であるとともに、非通電部８ｎはブラシ８ｂとドーナツ状導電体８ｄの接触を妨げることができれば十分である。
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。

上記のように構成された回転装置１において、図１０に示すように、磁石対６の前方磁石６ｆと後方磁石６ｒの間にある電磁石３（例えば、図１０（ａ）における磁石対６−１の前方磁石６ｆ１と後方磁石６ｒ１の間にある電磁石３Ａ−１）には通電されており、隣接する磁石対６と磁石対６の間にある電磁石３（例えば、図１０（ａ）における磁石対６−１の後方磁石６ｒ１と隣接する磁石対６−２の前方磁石６ｆ２の間にある電磁石３Ｂ−２）の電流は遮断されているように電流が制御される。
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。

時間が進み、図１１（ａ）に示すように、前方磁石６ｆがＢ列の電磁石３Ｂと対峙する位置に達すると、図１１（ｃ）に示すように、ブラシ８ｂが他の整流子相当部（Ｂ列用の整流子）８Ｂの通電部８ｃと接触し始める。なお、図１１（ｃ）では通電部８ｃの端部のみがブラシ８ｂの端部と接触しているが、ドーナツ状導電体８ｄは矢示する方向に回転しているので、この位置から通電が開始され、前方磁石６ｆはＢ列の電磁石３Ｂと反発し始める。
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。

更に時間が進み、図１２（ａ）に示すように、後方磁石６ｒがＡ列の電磁石３Ａを乗り越える位置に達すると、図１２（ｂ）に示すように、ブラシ８ｂが一の整流子相当部（Ａ列用の整流子）８Ａの通電部８ｃから外れて電流が遮断される。なお、図１２（ｂ）では通電部８ｃの端部がブラシ８ｂの端部と接触しているが、ドーナツ状導電体８ｄは矢示する方向に回転しているので、この位置で通電が終了し、以後、後方磁石６ｒと電磁石３Ａの吸引力が殆ど無くなる（永久磁石である後方磁石６ｒが強磁性体としての鉄芯等を吸引するので、完全なゼロにはならない）。これにより、回転方向と逆向きの力の発生が抑えられる。
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。

更に時間が進んで、前方磁石６ｆがＡ列の電磁石３Ａと対峙する位置に進めば、図１１に示した状態と同様、電磁石３Ａの通電が開始されて強いトルクが発生する。本実施例の回転装置１は、このような通電制御のサイクルを繰り返して回転を続ける。

図１３、図１４に模式的に示す回転装置１の実施例を用いて、本発明の回転装置１のトルクを測定した。なお、本発明はこの実施例には限定されない。
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。

この回転装置１は、下記の特徴を有する。
（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。

本発明の回転装置１のトルクは図１５及び図１６に示した方法で測定した。即ち、木製の机Ｄの表面に長さ３６ｃｍのヒノキ製の角材Ｔの一端Ｆを蝶番を用いて取り付け、蝶番から７ｃｍの位置Ａで机Ｄと角材Ｔの間に回転軸９を挟むように回転装置１を設置し、位置Ａから２８ｃｍの位置Ｌに重りＷを吊るして回転軸９に負荷をかけた。測定は、ローター５を１つだけ用いた状態（図１５）と、２つとも用いた状態（図１６）の２通りについて行った。回転装置１の駆動に使用した電源は、ローター５が１つの場合は１０Ｖ１．８Ａ、ローター５が２つの場合は１０Ｖ１．６Ａであった。
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。

上記したとおり、本発明の回転装置は、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、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（例えば図１０における磁石対６−１と磁石対６−２の間）にあるときに電流を遮断しているように電流を制御するように構成されているので、効率が一層高く、トルクが大きい回転装置として、極めて有用性の高いものである。

１ 回転装置
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 (6)

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、
   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ことを特徴とする回転装置。
2. 磁石対の前方磁石と後方磁石の間の距離を、隣接する磁石対と磁石対の間の距離よりも大きくすることを特徴とする請求項１に記載の回転装置。
3. 磁石対の数の２倍の電磁石が、ステーターに等間隔に配列されていることを特徴とする請求項２に記載の回転装置。
4. 磁石対の前方磁石と後方磁石の反対極側を強磁性材料からなる橋様体で架橋したことを特徴とする請求項１乃至３に記載の回転装置。
5. 制御部が整流子又はＩＣドライバーであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の回転装置。
6. 制御部が２個の整流子であり、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、一の整流子に接続された（Ａ列と称する）電磁石と、他の整流子に接続された（Ｂ列と称する）電磁石は交互に配置されており、
   磁石対の前方磁石と後方磁石の間にＡ列の電磁石とＢ列の電磁石が両方とも入った際には、整流子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請求項１乃至５のいずれかに記載の回転装置。

Images