JP2014110713A

JP2014110713A - 回転電機

Info

Publication number: JP2014110713A
Application number: JP2012264892A
Authority: JP
Inventors: Toshio Watanabe; 利夫渡辺
Original assignee: DENDO KOGYO KK
Current assignee: DENDO KOGYO KK
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2012-12-04
Publication date: 2014-06-12
Also published as: WO2014087647A1

Abstract

【課題】高効率で回転作用が大きい回転電機を提供する。
【解決手段】本発明の回転電機は、固定子と、固定子から印加される磁界を受けることで、回転軸を中心に回転する回転子と、を備え、前記回転子は、固定子と両極で作用し、回転軸の方向に互いに離間して配置され、回転する向きに所定の位相差を維持しながら共通する回転軸を中心に回転する複数の回転子要素からなる。そして、固定子は、極数Ｐが下記式（１）を満たすことを特徴とする。このような構成とすることで、回転子の両極でトルクを発生させることができ、回転作用を飛躍的に大きくすることができる。
Ｐ＝２×（２ｎ−１）（ｎ：自然数） …式（１）
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機に関し、特に直流モータに適用した場合に、大幅な省電力化を図ることができる回転電機に関する。

現在の一般的な直流モータ（ＤＣモータ）は、回転子が３極以上の奇数となっている。これは、モータの構造上、回転子の極数が偶数では起動力の死点が生じるのに対して、奇数の理由は起動時に死点が生じることなく常に起動が保障されるからである。一部、極数が偶数の回転子を備えるＤＣモータも存在するが、回転子を永久磁石とし、固定子を電磁式とし、さらに、固定子への通電を半導体素子による複雑な制御を行うものが存在する。しかし、このＤＣモータは、起動力が弱く、動力源として用いるのには適していない。

省電力化の観点から、より少ない投入電力で大きな動力（トルク）が得られる高効率なＤＣモータが望まれている。そのために、多くの提案がなされている（例えば、特許文献１）。

特開２０１１−１９９９１８号公報

しかし、従来の３極以上の奇数の回転子を備えるモータでは、以下説明するように、投入された電力を浪費しているため、高効率化を望むのが難しい。
図７に示した従来型ＤＣモータ１００は、２つのアーク状の永久磁石１０１、１０２からなる固定子１０４と、３つの磁極体（１０３ａ〜１０３ｃ）が１２０度の角度をなして、周方向に一体となって形成されている回転子１０３とを備えている。
モータ１００に電力が供給されると、磁極体１０３ａ〜１０３ｃは磁化される。例えば、磁極体１０３ａの固定子１０４に対向する側の極性がＳ極だとすると、永久磁石１０１から受ける吸引力と永久磁石１０２から受ける反発力によって、回転子１０３を時計回りに回転させるトルクが発生する。ここで、磁極体１０３ａは、Ｓ極に磁化された側と対になる側の極性はＮ極となる。ところが、このＮ極に磁化された部分は、固定子１０４に対向していないので、トルクの発生に寄与しない。このように、従来のＤＣモータ１００は、一つの磁極体に生ずる一対の極性（両極）の片方しかトルクの発生に使われていないので、投入した電力を浪費しているとみなすことができる。
また、磁極体１０３ａに加えて、磁極体１０３ｂ、１０３ｃに巻き回されたコイルにも同時に電力が供給されると磁化されるが、磁極体１０３ｂ，１０３ｃはそれぞれＮ極、Ｓ極の範囲内にあるためトルクは発生せず、磁極体１０３ｂ、１０３ｃに対して供給された電力は回転子１０３の回転に寄与しない。つまり、磁極体１０３ｂおよび１０３ｃに巻き回されたコイルに流れている電流は回転子１０３の回転には使用されず浪費されることになる。
本発明は、このような課題に基づいてなされたもので、投入される電力を無駄なく使うことで高効率な回転電機を提供することを目的とする。

本発明では、回転子の両極にトルクを発生させることにより、回転力の大きい回転電機を得る。回転子の両極にトルクを発生させるためには、固定子と作用する回転子の極が偶数である必要がある。ここで、２極からなる回転子を用いた場合、トルクを発生しない位置が存在してしまうため、回転電機の機能を有するためには、４極以上が必要となる。しかし、例えば、４極を有し、周方向に一体として形成されている回転子を用いた場合、トルクが生じない死点が発生してしまう。この死点に対応する位置で回転子が一旦停止すると、電力の供給を再開しても回転子は起動できない。そのため、半導体素子による複雑な制御をしなければ起動することができない。これは、４極に限らず、偶数の極数を有し、一体として形成されている回転子を用いた場合も同様である。
そこで、本発明では、２極を有する回転子を軸方向に離間させ複数配置する。また、設置する固定子の極数を限定することにより、２極の回転子の両極にトルクを発生させている。

かかる目的のもと、本発明の回転電機は、固定子と、固定子から印加される磁界を受けることで、回転軸を中心に回転する回転子とを備え、回転子は、固定子と両極で作用し、回転軸の方向に互いに離間して配置され、回転する向きに所定の位相差を維持しながら共通する回転軸を中心に回転する複数の回転子要素からなる電動機であって、固定子の極数Ｐが下記式（１）を満たすことを特徴とする。
Ｐ＝２×（２ｎ−１）（ｎ：自然数） …式（１）

本発明における回転電機では、回転子の両極にトルクを発生させ、軸方向に離間して複数の回転子を設け、さらに固定子の極数を限定することにより、飛躍的に大きな回転力を得ることができ、消費電力を低減することができる。

また、本発明における回転電機の固定子は電磁石からなり、回転軸の径方向に複数分割された固定子要素から構成され、固定子要素間に磁気的ギャップが形成されていてもよい。
このような構成により、各固定子要素内でより多くの磁力線を確保することができ、強い磁力を得ることができる。

本発明によれば、回転子の両極にトルクを発生させ、軸方向に離間して複数の回転子を設けるのに加え、固定子の極数を限定することにより、飛躍的に大きな回転力を得ることができ、消費電力を低減する回転電機を提供することができる。

第１実施形態におけるモータの断面図である。第１実施形態におけるモータの正面図である。第１実施形態における各回転子の回転角度と発生トルクの関係を示す図である。第１実施形態の変形例におけるモータの平面図である。第１実施形態の他の変形例における図を示し、（ａ）はモータの断面図を示し、（ｂ）はI−I断面図、（ｃ）はII-II断面図、および（ｄ）はIII-III断面図を示している。電磁石タイプの固定子の平面図であり、（ａ）は従来型のもの、（ｂ）は第２実施形態におけるものを示している。従来の３極回転子型ＤＣモータを説明するための図である。

以下、添付図面と共に本発明によるモータの好適な実施の形態について詳細に説明する。
［第１実施形態］
本実施の形態に係るＤＣモータ１１０（以下、単にモータ１１０）を、図１を参照して説明する。
モータ１１０は、ハウジング１０と、ハウジング１０の内部に回転可能に支持される回転子１１と、ハウジング１０の内部であって、回転子１１の周囲に必要な間隔を空けて配置される固定子１４と、を主な構成要素として備えている。本実施形態は、回転子１１が、９０度の位相差を有する第１回転子１１ａおよび第２回転子１１ｂと２つの回転子要素を有し、また、固定子１４が、以下の式（１）を満足する極数Ｐを有することで、高効率なモータ１１０を提供する。
Ｐ＝２×（２ｎ−１）（ｎ：自然数） …式（１）
以下、モータ１１０を構成する各要素を順に説明する。

［ハウジング１０］
ハウジング１０は、筒状の形態を有し、回転子１１を含むモータ１１０の各構成要素を収容する。ハウジング１０は、仕切り板２７により、前部Ｆと後部Ｒの２つに区分される。前部Ｆには回転子１１および固定子１４が収容され、後部Ｒには整流子１６及びブラシ１７が収容されている。
なお、ハウジング１０を構成する材料は任意であり、外部への磁束の漏洩を防ぐこと、用途によっては耐食性が要求されること、といった要求を考慮して選定すればよい。

［回転子１１］
回転子１１は、通電されることで磁極を発生させる電磁式の回転子であり、第１回転子１１ａと第２回転子１１ｂとから構成されている。
第１回転子１１ａと第２回転子１１ｂは、回転子１１の回転方向に９０度の位相差を有するように、樹脂製のホルダ１８，２８により一体的に保持され、ハウジング１０の内部に回転可能に支持されている。したがって、第１回転子１１ａと第２回転子１１ｂは、この位相差を維持しながら、回転軸を中心にして回転することができる。
第１回転子１１ａは、鉄心１２と、鉄心１２に形成された巻き溝１３に巻き回された電磁コイル２３から構成される。鉄心１２は、複数枚の例えば電磁鋼板が積層されたものであり、電磁コイル２３は、図示を省略するが、整流子１６に電気的に接続されている。
第２回転子１１ｂは、第１回転子１１ａと同様に、鉄心１２と電磁コイル２３とからなり、前述したように第１回転子１１ａに対して９０度の位相差を有するとともに、第１回転子１１ａと離間して同軸上に設置されている。
第１回転子１１ａおよび第２回転子１１ｂを保持するホルダ１８，２８には、各々の中心に支持軸１５ａ、１５ｂが固定されており、これら支持軸１５ａ，１５ｂが軸受１９に回転可能に支持されることで、回転子１１がハウジング１０内に回転可能に支持される。

［固定子１４］
固定子１４は、アーク形状の永久磁石により構成され、本実施形態では、６つのアークセグメント型の磁石Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６を円周上に配列することで固定子１４を構成している（図２）。固定子１４では、正午の位置に置かれる磁石Ｍ１から時計回りに、Ｎ極，Ｓ極，Ｎ極…というように交互に６つの磁極が配列されている。これにより、点対称の位置に置かれる磁石、つまり対向して配置される磁石は、互いに異なる極を有する。なお、ここでいう極とは、回転子に作用する極をいう。
本発明は固定子の極数Ｐは以下の式（１）を満たすことが要求されるため、本実施形態では、極数Ｐ＝６としている。なお、本発明において、極数Ｐが式（１）を満たすことが要求される理由の詳細については、後述する。
Ｐ＝２×（２ｎ−１）（ｎ：自然数）・・・式（１）
本実施形態では、第１回転子１１ａと第２回転子１１ｂの両者に対応する一体のアークセグメント磁石を用いているが、第１回転子１１ａに対応する部分と第２回転子１１ｂに対応する部分に区分した別体のアークセグメント磁石を用いることができる。また、固定子１４に用いる永久磁石としては、磁気特性に優れるＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系、あるいは、Ｓｍ−Ｃｏ系の希土類焼結磁石を用いることが好ましい。

［支持軸１５ａ，１５ｂ］
支持軸１５ａ，１５ｂは、前述したように、回転子１１をハウジング１０に回転可能に支持する。支持軸１５ａは、フロントカバー２６に固定される軸受１９に支持され、支持軸１５ｂは、仕切り板２７に固定される軸受１９に支持される。支持軸１５ａの先端はフロントカバー２６を貫通してハウジング１０の外部に突出して、出力軸として機能する。

［整流子１６，ブラシ１７］
電源から投入される電力は、ブラシ１７及び整流子１６を介して回転子１１の電磁コイル２３に供給される。
整流子１６は、支持軸１５ｂの後端側外周面に止着されることにより、回転子１１（第１回転子１１ａ，第２回転子１１ｂ）と同期して回転する。
ブラシ１７は、一対が電源の正極、負極の各々に１つずつ接続されており、電源から供給される電力を、整流子１６にブラシ１７が接触している間だけ、電磁コイル２３への供給を許容する。
整流子１６は、第１回転子１１ａに対応する整流子１６ａと、第２回転子１１ｂに対応する整流子１６ｂとからなり、また、ブラシ１７は、整流子１６ａに対応するブラシ１７ａと、整流子１６ｂに対応するブラシ１７ｂとからなる。

［ホルダ１８，２８］
ホルダ１８および２８は、前述したように、第１回転子１１ａと第２回転子１１ｂを保持する。なお、ホルダ１８および２８は、絶縁性材料で構成される。仮に金属材料で構成すると、第１回転子１１ａおよび第２回転子１１ｂが発生する磁界により電磁誘導がホルダ１８，２８に生じて誘導加熱されてしまうが、絶縁性材料だとその心配がない。
本実施形態では、ホルダ１８，２８を介して、回転子１１（第１回転子１１ａ，第２回転子１１ｂ）を回転可能に支持しているが、本発明は、ホルダ類を介することなく回転子１１を保持することもできる。

［回転子の特徴部分］
本発明では、回転子の両極にトルクを発生させるため、固定子と作用する回転子の極が偶数である必要がある。しかし、上述した偶数極を有する回転子を用いた場合、起動力の死点が生じる等の問題が生じる。
そこで、本発明では、２極を有する回転子を軸方向に離間させ複数配置する。
初めに、２つの回転子が軸方向に位相差を設けて配置することにより得られる効果について図２を参照して説明する。
本実施形態では、回転子１１を２つの回転子要素である第１回転子１１ａと第２回転子１１ｂとを、その回転方向に９０度の位相差を設けて配置する。なお、固定子の極数Ｐは、後述する式（１）を満たすものとし、ここでは固定子の極数Ｐ＝６とする。
いま、第１回転子１１ａが図２（ａ）のように死角の位置にある場合を考える。ただし、第１回転子１１ａは、固定子１４に対する極性が、図２（ａ）に示すように生じているものとする。第１回転子１１ａは、そのＮ極がＮ極の極性を有する磁石Ｍ１と対向し、また、そのＳ極がＳ極の極性を有する磁石Ｍ４と対向する。このように、第１回転子１１ａは、固定子１４と同極同士が対向するために、トルクを生じさせない。なお、死角とは、回転子にトルクが発生しない角度である。
一方で、第２回転子１１ｂは、図２（ｂ）に示すように、Ｓ極を呈する磁極が磁石Ｍ２と磁石Ｍ３の中間に、また、Ｎ極を呈する磁極が磁石Ｍ５と磁石Ｍ６の中間に位置する。したがって、第２回転子１１ｂのＳ極を呈する磁極は、時計回りに回転するように磁石Ｍ２から反発力を、磁石Ｍ３からは吸引力を、それぞれ受ける。さらに、第２回転子１１ｂは、Ｎ極を呈する磁極は、時計回りに回転するように磁石Ｍ５から反発力を、磁石Ｍ６から吸引力を、それぞれ受ける。
したがって、第２回転子１１ｂは、両方の磁極で時計回りに回転するトルクを発生させる。そうすると、第２回転子１１ｂは第１回転子１１ａの回転を誘起する。反対に、第２回転子１１ｂが死角の位置にある場合には、第１回転子１１ａが第２回転子１１ｂの回転を誘起する。
つまり、２つの回転子を９０度の位相差を設けて配置することによって、一方の回転子が死角の位置になったとしても、もう一方の回転子が回転力を与えるため、常に回転子の回転力を維持することができる。

第１回転子１１aが、死角の位置（図２（ａ））から図２（ｃ）の位置まで時計回りに回転したとする。そうすると、今度は第１回転子１１ａのＮ極を呈する磁極が、磁石Ｍ１から反発力を受け、さらに磁石Ｍ２から吸引力を受けるため、第１回転子１１ａは時計回りのトルクを発生させる。さらに、第１回転子１１ａのＳ極を呈する磁極も、磁石Ｍ４から反発力を受け、磁石Ｍ５から吸引力を受けるため、第１回転子１１ａは時計回りのトルクを発生する。
一方、第２回転子１１ｂは、図２（ｄ）の位置まで回転するが、第１回転子１１ａと同様に両方の磁極で力を受けるため、時計周りのトルクが発生する。
このように、図２（ａ），（ｂ）の状態から図２（ｃ），（ｄ）の状態まで回転する過程で、第１回転子１１ａと第２回転子１１ｂの２つの回転子が、各々、両磁極で時計回りに回転する磁力を受けため、発生させるトルクは飛躍的に大きくなる。

ここで、本実施形態では、第１回転子１１ａ及び第２回転子１１ｂのいずれか一方が死角の位置にある場合、以下説明するように、死角となる回転子に対応する整流子１６aとブラシ１７aは接触しないように構成されている。図２（ｅ），（ｆ）は、第１回転子が死角の位置にある場合（図２（ａ））および第２回転子が図２（ｂ）の状態における整流子とブラシの関係を示している。第１回転子１１ａが死角の位置にある場合、整流子１６とブラシ１７は接触しない。これは、第２回転子１１ｂが死角の位置にある場合も同様である。そうすることで、第１回転子１１ａ又は第２回転子１１ｂが死角の位置にあるときに、当該回転子に電流が流れることが遮断されるので、無駄な電力を供給する必要がなくなる。

［従来とのトルクの比較］
本実施形態のモータ１１０が発生するトルクについて、第１回転子１１ａと第２回転子１１ｂの回転角度θに対するトルク変化を示す図３を参照して説明する。なお、図３において、回転角度θは、第１回転子１１ａが死角の位置にあり（図２（ａ））、かつ、第２回転子１１ｂが図２（ｂ）の位置にあるときを０度とする。
回転角度θが０度の場合、第１回転子１１ａではトルクは発生しないのに対し、第２回転子１１ｂは両磁極が回転力を受けるので最大トルク２Ｔを発生する。両回転子が時計回りに回転すると、第１回転子１１ａはその両磁極で受けるトルクが大きくなる一方、第２回転子１１ｂは徐々に発生するトルクが小さくなる。回転角度θが３０度のとき、第１回転子１１ａは最大トルク２Ｔを発生させる。一方、第２回転子１１ｂは死角の位置にありトルクを発生しない。このように、各回転子は３０度毎に最大トルクまたは最小トルクを発生させる。

本実施形態では、第１回転子１１ａと第２回転子１１ｂに生じるトルクは、支持軸１５ａから出力として利用されるが、この出力は第１回転子１１ａと第２回転子１１ｂの各々に生ずるトルクの総和となる。したがって、全角度における各回転子にかかるトルクを加算すると、線Ａとなり、どの角度においても最大トルク２Ｔが生じる。
また、第１回転子１１ａに生じるトルクが小さくなると、それを補うように第２回転子１１ｂに生じるトルクが大きくなり、その逆に、第２回転子１１ｂに生じるトルクが小さくなると、第１回転子１１ａに生じるトルクが大きくなる。そのため、本実施形態に係るモータ１００ではトルク変動が生じないか、生じたとしても小さい。
一方、両極を使用しない従来の３極回転子を使用した場合、片方の磁極のみにトルクが発生するため、発生するトルクは最大でもＴに留まる。さらに、従来の３極回転子は、トルク変動が生じるため、ある回転角度では発生するトルクがＴよりも小さくなる。
そのため、本実施形態における回転子に生じるトルクの平均値は２Ｔであるのに対し、従来の３極回転子に生じるトルクの平均値はＴよりも小さくなる。
したがって、本実施形態で説明した構成とすることにより、２倍以上の回転力を持つモータ１００を得ることができる。

次に、本実施形態における固定子の極数Ｐは式（１）を満たすものでなければいけない理由を、図２を参照して説明する。
本発明は、回転子の両端に磁化するＳ極およびＮ極（両極）にトルクを発生させることにより、モータの回転力を大きくすることが大きな特徴部分である。２極を有する回転子の両極からトルクを得るためには、回転子を挟んで対向する固定子同士の磁極は常に異なるものでなければいけない。この条件は、固定子の極数Ｐが、式（１）を満たすことにより成立する。例えば、極数Ｐ＝６（ｎ＝２）とすると、図２（ｂ）に示したように、第２回転子１１ｂのＳ極を呈する磁極は時計回りに回転するトルクが発生し、さらにＮ極を呈する磁極にも時計周りに回転するトルクが発生する。つまり、回転子の両端でトルクを発生することができる。回転子を挟んで対向する固定子同士の磁極は常に異なるものとすることにより、回転子の両端でトルクを発生させることができ、より大きい回転力を得ることができる。
Ｐ＝２×（２ｎ−１）（ｎ：自然数）・・・式（１）
一方、固定子の極数Ｐが、式（１）を満たさない場合は、回転子を挟んで対向する固定子同士の磁極は同じになる。この場合、回転子の片方でトルクは発生するが、他端ではトルクを発生しない。
したがって、本発明において使用する固定子の極数Ｐは、式（１）を満たすことが必要である。

［第１実施形態の変形例（１）］
次に、回転子を２つ、固定子の極数を２極（ｎ＝１の場合）とした場合の構成および効果を、図４を参照して説明する。
モータ１３０は、２つのアーク状の永久磁石１０１、１０２が形成する円内部に、略Ｉ字状からなる複数枚の鉄心２４から構成される第１回転子１１ａと第２回転子１１ｂとが設けられ、第１回転子１１ａと、第２回転子１１ｂは、９０度の位相差を設け軸方向に離間して同軸上に配置されている。鉄心２４には電磁コイル２３が巻き回されている。永久磁石１０１および１０２は、対向する極が異なるよう設置されている。
また、各回転子が図４（ａ）〜（ｄ）の状態における、整流子１６とブラシ１７との接触関係はそれぞれ図４（ｅ）〜（ｈ）に対応する。

第２回転子１１ｂの両極が永久磁石１０１、１０２の境界に位置しない、つまり死角の位置にある場合、第１回転子１１ａのＳ極を呈する磁極の中心は永久磁石１０１、１０２の境界の中間に位置する（図４（ａ））。電磁コイル２３に電流が流れると、第１回転子１１ａのＳ極を呈する磁極は、永久磁石１０１から吸引力を、永久磁石１０２から反発力をそれぞれ受ける。一方、Ｎ極を呈する磁極は、永久磁石１０１から反発力を、永久磁石１０２から吸引力をそれぞれ受ける。よって、第１回転子１１ａを時計周りに回転させるトルクが第１回転子１１ａの両極で発生する。この際、第１回転子１１ａが支持軸１５ａを介して、死角の位置にある第２回転子１１ｂに回転力を与えることにより、第２回転子１１ｂは回転する。

第１回転子１１ａのトルクにより４５度（ある角度）回転した場合、第１回転子１１ａは図４（ｃ）に、第２回転子１１ｂは図４（ｄ）に示した状態になる。
この場合、第１回転子１１ａのＳ極を呈する磁極は永久磁石１０１から吸引力を、永久磁石１０２から反発力をそれぞれ受ける。一方、Ｎ極を呈する磁極は、永久磁石１０１から反発力を、永久磁石１０２から吸引力をそれぞれ受ける。よって、第１回転子１１ａの両極でトルクが発生し、第１回転子１１ａは時計回りに回転する。同様に、第２回転子１１ｂの両極にもトルクが発生し、第２回転子１１ｂも時計回りに回転する。
したがって、回転子を２つ、固定子の極数を２極（ｎ＝１）とした場合でも、第１回転子１１ａおよび第２回転子１１ｂの両極でトルクを発生させることができ、より大きい回転力をもつモータを作製することができる。

［第１実施形態の変形例（２）］
上記実施形態では、回転子を２つ用いたモータを説明した。本実施形態では、回転子を３つ使用するモータについて述べる。
本実施形態における固定子は６極（ｎ＝２の場合）とする。
図５（ａ）に示すモータ１４０は、円筒状のハウジング３０と、自在に回転する支持軸１５により固定された回転子１１と、ハウジング１０内周部の各回転子に対応した位置に回転子１１と空隙を設けて配置された固定子１４と、を主な構成要素として備えている。
回転子１１は、第１回転子１１ａと、第２回転子１１ｂと、第３回転子１１ｃとからなり、それぞれ軸方向に並列して配置されている。また、第２回転子１１ｂは第１回転子１１ａに対して反時計周りに１３５度、第３回転子１１ｃは第１回転子１１ａに対して時計周りに１３５度の位相差を設けて、それぞれ軸方向に離間して同軸上に配置されている。

続けて、モータ１４０の作用効果について説明する。
第２回転子１１ｂが死角の位置にある場合（図５（ｃ））、Ｓ極を呈する磁極は磁石Ｍ１と磁石Ｍ６の間に、Ｎ極を呈する磁極は磁石Ｍ３と磁石Ｍ４の間に位置する。電磁コイル２３に電流が流れると、第１回転子１１ａのＳ極を呈する磁極は磁石Ｍ６から反発力を受け、磁石Ｍ１から吸引力を受け、第１回転子１１ａを時計周りに回転させようとするトルクが発生する。さらに、Ｎ極を呈する磁極でも、磁石Ｍ３から反発力を受け、磁石Ｍ４から吸引力を受けるため、同様に第１回転子１１ａを時計周りに回転させようとするトルクが発生する。このように第１回転子１１ａでは両極にトルクを発生し、時計周りに回転する力が加わる。
一方、第３回転子１１ｃは、Ｓ極を呈する磁極の中心線が、磁石Ｍ２と磁石Ｍ３との間の空隙の中心を通る位置となる。この場合、第３回転子１１ｃのＳ極を呈する磁極は磁石Ｍ２から反発力を、磁石Ｍ３から吸引力をそれぞれ受ける。さらに、Ｎ極を呈する磁極でも、磁石から反発力を受け、磁石から吸引力をそれぞれ受ける。このように第３回転子１１ｃの両極でトルクが発生し、時計周りに回転する力が加わる。
したがって、第２回転子１１ｂが死角の位置にある場合であっても、第１回転子１１ａおよび第３回転子１１ｃに発生するトルクによって、支持軸１５は回転する。
これは、第２回転子１１ｂが死角の位置にある場合に限らず、第１回転子１１ａまたは第３回転子１１ｃが死角の位置にある場合であっても、同様な効果が生じる。
なお、回転子の位相角は上記に限定されず、二つ以下の回転子が死角の位置にある場合、少なくとも一つの回転子にトルクが発生する角度であればよい。
以上、回転子を３つ、固定子の極数を６極（ｎ＝２）とした場合でも、各回転子の両極でトルクを発生させることができ、より大きい回転力をもつモータを作製することができる。

［第２実施形態］
第１実施形態では、回転子に電磁石を使用するものを示したが、本実施形態では、固定子に電磁石を使用するモータについて説明する。
初めに、固定子に電磁石を使用した好ましい実施形態について、図６を参照して説明する。なお、本実施形態では、固定子の極数Ｐ＝６（ｎ＝２）の場合を示している。また、回転子は図示しないが、第１実施形態と同様な構成をとる。

本実施形態における固定子３００は、３つの固定子要素３００ａ、３００ｂおよび３００ｃから構成される。
固定子要素３００ａは、ヨーク３２１ａと、このヨーク３２１ａの内周面から内側へ突出する第１ティース３１１Ａおよび第２ティース３１１Ｂと、第１ティース３１１Ａおよび第２ティース３１１Ｂに巻き回される電磁コイル２３ａ，２３ｂと、を主な構成要素として備えている。なお、電気的に接続される第１電磁コイル２３ａと第２電磁コイル２３ｂは、逆向きに巻き回されているとともに、電源に直列に接続されている。各固定子要素３００ａ〜３００ｃは、各電磁コイルに電流が流れると、Ｎ極とＳ極の磁極をそれぞれ発現する（図６（ａ））。固定子要素３００ｂおよび３００ｃは、固定子要素３００ａと同じ構成を有している。

固定子３００は、各固定子要素３００ａ〜３００ｃを構成するヨーク３２１ａ，３２１ｂ，３２１ｃの間に磁気的なギャップが設けられているところに特徴を有している。つまり、ヨーク３２１ａとヨーク３２１ｂの間に間隙が設けられており、この間隙が磁気ギャップを構成する。ヨーク３２１ｂとヨーク３２１ｃの間、ヨーク３２１ｃとヨーク３２１ａの間も同様である。このような構成とすると、隣接する固定子要素の間で磁束の漏洩が生じるのを防ぐことができる。そのため、各固定子要素３００ａ〜３００ｃは発生した磁力を無駄なく使用することができる。

一方、図６（ｂ）に示す固定子２００は、金属からなる円環状のヨーク２２１と、このヨーク２２１の内周面から内側へ突出するように形成される６本のティース２１１と、を主な構成要素として備えている。そして、各ティース２１１（２１１Ａ〜２１１Ｆ）には、第１ティース２１１Ａ、第３ティース２１１Ｃおよび第５ティース２１１Ｅの回転子に対向する部位にＮ極が、第２ティース２１１Ｂ、第４ティース２１１Ｄおよび第６ティース２１１Ｆの回転子に対向する部位にＳ極が磁化するように電磁コイル２３が巻かれており、各ティース２１１から所定の磁界が発生するようになっている。第１電磁コイル２３ａと第２電磁コイル２３ｂは電気的に接続されており、それぞれ電源に接続されている。

例えば、第１電磁コイル２３ａと第２電磁コイル２３ｂに電流が流れた場合、第１ティース２１１Ａが、回転子（図示しない）と対向する位置にはＮ極が磁化し、第１電磁コイル２３ａを挟んだヨーク２２１側にはＳ極が磁化する。一方、第２ティース２１１Ｂは第１ティース２１１Ａとは反対に磁化される。
固定子２００は、金属で一体となって形成されているため、第２ティース２１１Ｂで磁化されたＮ極からの磁力線は、ヨーク２２１へ漏洩する。この際、Ｎ極から発生した全ての磁力線は、第１ティース２１１ＡのＳ極には収束せず、磁力線の一部はヨーク２２１内に漏洩してしまう。それによって、第１ティース２１１Ａと第２ティース２１１Ｂ間の磁力は固定子に間隙を設けた場合と比べると小さくなってしまう。
以上説明した通り、固定子に電磁石を使用した場合であっても、固定子３００に磁気ギャップとして作用する間隙を設けることによって、一つのコイル（例えば、電気的に繋がれている電磁コイル２３ａと２３ｂ）を使用することによって、隣接する固定子要素の間で発生した全磁力を無駄なく利用することができ、より強い磁界を発生させることができる。また、このことは、同じ強さの磁界を発生させるために必要な電力を低減できることを示している。

なお、ヨーク３２１ａ〜３２１ｃの大きさ又は形状は、任意に変更することができる。例えば、ヨーク３２１ａの面積を広くすると、その分だけ当該ヨークを通過する磁力線の数が多くなるため、より強い磁力を得ることができる。

本実施形態のように固定子に磁気ギャップとして作用する間隙を設けたり、磁力線の通過するヨークの面積を広くすることにより、低電力で強い磁界を得ることができ、回転力の大きいモータを作製することができる。

上記実施形態では電源からの電流を整流子およびブラシを利用することによって、電磁コイルへの電流のＯＮ・ＯＦＦを制御しているが、本発明では、それらに代えて半導体素子を利用したスリップリング式を採用することもできる。スリップリング式では、整流子の代わりに、コイルに電気的に接続されている金属製リングを、回転軸とブラシとの間に設ける。ブラシに流す電流を、半導体素子を用いて制御することにより、電流の流れる向きを制御することができる。スリップリング式は、整流子方式と比べてリングとブラシの接触面積を広くすることができ、さらにスパークは発生しない。そのため、モータの寿命を延ばすことができる。

なお、これ以外にも本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

１０，３０ハウジング
１１回転子
１１ａ第１回転子
１１ｂ第２回転子
１１ｃ第３回転子
１２鉄心
１３巻き溝
１４固定子
１５ａ，１５ｂ支持軸
１６，１６ａ，１６ｂ整流子
１７，１７ａ，１７ｂブラシ
１８，２８ホルダ
１９軸受
２３電磁コイル
２３ａ〜２３ｆ第１電磁コイル〜第６電磁コイル
２４鉄心
２６フロントカバー
２７仕切り板
１００，１１０，１３０，１４０モータ
１０１，１０２永久磁石
１０３回転子
１０３ａ〜１０３ｃ磁極体
１０５整流子
１０６ブラシ
２００，３００固定子
２１１Ａ〜２１１Ｆ第１ティース〜第６ティース
２２１ヨーク
３００ａ，３００ｂ，３００ｃ固定子要素
３１１Ａ〜３１１Ｆ第１ティース〜第６ティース
３２１ａ〜３２１ｃヨーク
Ｍ１〜Ｍ６磁石
Ｆ前部
Ｒ後部
θ 回転角度

Claims

固定子と、
前記固定子から印加される磁界を受けることで、回転軸を中心に回転する回転子と、を備え、
前記回転子は、前記固定子と両極で作用し、
前記回転軸の方向に互いに離間して配置され、前記回転する向きに所定の位相差を維持しながら共通する前記回転軸を中心に回転する複数の回転子要素からなり、
前記固定子は、
極数Ｐが下記式（１）を満たす、
ことを特徴とする回転電機。
Ｐ＝２×（２ｎ−１）（ｎ：自然数） …式（１）
電磁石からなる前記固定子は、前記回転軸の径方向に複数に分割された固定子要素からなり、
隣接する前記固定子要素間に磁気的ギャップが形成されている、
請求項１に記載の回転電機。