JP2016220440A

JP2016220440A - 磁力回転装置

Info

Publication number: JP2016220440A
Application number: JP2015104209A
Authority: JP
Inventors: 康▲広▼ 小松; Yasuhiro Komatsu
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-05-22
Filing date: 2015-05-22
Publication date: 2016-12-22
Anticipated expiration: 2035-05-22
Also published as: JP5792411B1

Abstract

【課題】効率の向上と装置の小型化の双方の課題を解決することが可能な磁力回転装置を提供する。【解決手段】磁力回転装置１０は、固定子１２と回転体１４を備える。固定子１２のフレーム２３に複数の電磁石１７が固定されている。電磁石１７のコア３０は、シャフト３７の軸方向に延びる胴部２８と、胴部２８からシャフト３７へ延びる２つの脚部２９とを有している。脚部２９は、シャフト３７の軸方向に長く周方向に短い直方体形状に形成されており、胴部２８は、シャフト３７の径方向に短く周方向に長い直方体形状に形成されている。胴部２８の断面積及びそれぞれの脚部２９の断面積は同じとなっている。【選択図】図５

Description

本発明は、２つの磁極を有する電磁石が設けられた固定子と、上記電磁石の磁極に対して同極性又は異極性の磁極が対向するように界磁体が設けられた回転子と、を具備し、上記電磁石が上記界磁体に作用することによって上記回転子を回転させる磁力回転装置に関する。

永久磁石（界磁体）が配置された回転体（回転子）と、この回転体の永久磁石の磁極に対して反発方向の磁力を生じさせる電磁石とを備えた磁力回転装置が広く知られている（特許文献１及び２参照）。特許文献１及び２に記載の磁力回転装置は、一つの回転軸を中心に回転可能なように設けられた２枚の円盤状の回転体と、各回転体に取り付けられた永久磁石と、各回転体の永久磁石それぞれに向けて磁界を発生する電磁石とを備えている。回転体が回転することによって電磁石に最接近する位置に永久磁石が到達すると、電磁石が通電されて電磁石に磁束が発生する。これにより、電磁石と永久磁石との間に反発力が発生する。この力が回転体を回転させる方向に作用することによって回転体に対して回転トルクが発生し、回転体の回転軸から所望の回転力が得られる。

ここで、上記磁力回転装置に用いられる一般的な電磁石１００を図８に示す。図８は、従来の磁力回転装置に用いられている電磁石１００を示す模式図であり、（Ａ）は電磁石１００の正面図であり、（Ｂ）は、電磁石１００の底面図である。この電磁石１００は、一方側に磁極１０６，１０７（Ｎ極及びＳ極）が配置されるように形成された所謂Ｃ型のコア（鉄心）１０１と、コア１０１の２つの脚部１０２それぞれに設けられたコイル１０４とを備えている。コア１０１は、図示しない支持プレートによって支持されている。なお、磁極１０６，１０７の脚部１０２の断面形状は一辺の長さがｍ［ｃｍ］の正方形である。

特開２００６−１８７０８０号公報特許第３７１３３２７号公報

磁力回転装置の駆動トルクを高める方法としては、例えば、図７に示されるように２つの電磁石１００を回転軸の軸方向に並べるように設け、各電磁石１００の磁極１０６，１０７に対応する永久磁石を配置する構成が考えられる。２つの電磁石１００は合計４つの磁極を有する。これら４つの磁極が、各磁極に対向するように配置された永久磁石に作用することによって、１つの電磁石１００の構成に比べて大きな駆動トルクを得ることができる。しかしながら、２つの電磁石１００を軸方向に並設する構成では、軸方向に装置が大型化するという問題がある。

一方、磁力回転装置の駆動トルクを高める他の方法としては、電磁石１００のコイル１０４の巻数を増やすことにより電磁石１００の起磁力を大きくすることが考えられる。しかしながら、コイル１０４の巻数を増やせば電磁石１００の起磁力が大きくなるが、コイル１０４の巻き厚が大きくなって電線が長くなり、電気抵抗が増加して、磁力回転装置の効率が悪くなる。しかも、コイル１０４の巻数が増えると、コイル１０４の外径が大きくなり、装置が大型化するという問題がある。また、磁力回転装置の駆動トルクを高める別の方法として、コア１０１の断面積を大きくして磁気抵抗を低下させることにより相対的に電磁石１００の磁極の強さを大きくすることが考えられる。しかしながら、従来の電磁石１００において、磁極面形状が正方形のコア１０１を大きくすれば、磁力回転装置の回転軸の軸方向、及び回転軸に直交する方向（回転軸の径方向）に装置が大型化するという問題がある。

そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、効率の向上と装置の小型化の双方の課題を解決することが可能な磁力回転装置を提供することにある。

(1) 本発明は、２つの磁極を有する電磁石が設けられた固定子と、上記電磁石の磁極に対して同極性又は異極性の磁極が対向するように界磁体が設けられた回転子と、を具備し、上記電磁石が上記界磁体に作用することによって上記回転子を回転させる磁力回転装置として構成されている。上記電磁石は、上記回転子の回転軸方向に沿って延びる胴部、及び該胴部から上記回転子の回転中心へ向かう方向へ延びる２つの脚部を有するコアと、上記脚部それぞれに設けられたコイルと、を備えている。上記胴部は上記回転子の径方向よりも上記回転子の周方向に長尺な形状に形成されており、上記脚部は上記周方向よりも上記回転子の回転軸方向に長尺な形状に形成されている。

このように構成されているため、コイルに流す電流値及びコイルの巻数を変えなくても、コアの胴部及び脚部の断面積を大きくすることによって、磁気抵抗を低下させるとともに、磁極における磁束を増加させることができる。その結果、磁極に作用する磁力が増加して、磁力回転装置の効率が向上する。また、胴部が上記径方向よりも上記周方向に長尺な形状に形成されているため、磁力回転装置が上記径方向に大型化しない。また、従来の電磁石を上記回転子の回転軸方向に２つ並設した従来の構成（図７参照）と比べて上記回転軸方向にコンパクトでありながら、従来の構成と同等の磁束を発生させることができる。

(2) 上記胴部において磁路に直交する断面積は、上記脚部において磁路に直交する断面積と略同じであることが好ましい。上記胴部の断面積と上記脚部の断面積とが同じである場合は、コアのいずれの部分の断面をとっても面積が同じになる。これにより、電磁石の磁路のどの部分でも磁束密度が一定となるため、磁気飽和が生じ難くなる。その結果、コアの磁路における磁気抵抗が小さくなる。なお、上記胴部が上記周方向に長尺な形状に形成され、上記脚部が上記回転軸方向に長尺な形状に形成された構成において、上記胴部の断面積と上記脚部の断面積とを同じにすれば、自ずと上記胴部が上記径方向に扁平な形状となるから、上記胴部の中心から上記脚部の磁極面までの距離が短くなり、その分、コアの磁路長も短くなって、コアにおける磁気抵抗が小さくなる。また、上記胴部の断面積が上記脚部の断面積よりも小さい場合は、胴部における磁気飽和などの影響を受けて、胴部の磁気抵抗が脚部の磁気抵抗よりも大きくなり、電磁石で発生する磁束が減少するため、上記胴部の断面積は上記脚部の断面積よりも大きいことが好ましい。

(3) 上記界磁体は、上記電磁石の一方の磁極に対向するように設けられた第１永久磁石と、上記電磁石の他方の磁極に対向するように設けられた第２永久磁石とから構成されている。この場合、上記電磁石に対向する上記第１永久磁石の磁極面とは反対側の磁極面と上記電磁石に対向する上記第２永久磁石の磁極面とは反対側の磁極面とを連結する磁性体が設けられている。

例えば、本発明の磁力回転装置の電磁石が、上記脚部の上記径方向の長さが従来のと同じで、上記脚部の上記回転軸方向の長さが従来よりも長くなっている構成である場合、従来の電磁石と同じ巻き量のコイルを取り付けるとすると、本発明の磁力回転装置の電磁石の磁路長は従来の電磁石の磁路長よりも上記回転軸方向に長くなる。この場合、磁気抵抗は磁路長に比例するため、磁路長の増加分が影響して、本発明の電磁石の磁路における磁気抵抗が従来の構成よりも大きくなる。一方、上述のように、上記界磁体が第１永久磁石と第２永久磁石とによって構成されている場合は、それぞれの永久磁石間を上記磁性体で連結することにより、例えば、第１永久磁石の磁極面を通ってその裏面へ貫いた磁束は、磁気抵抗の大きい空間を通ることなく、磁気抵抗の小さい上記磁性体を通って第２永久磁石に到達することができる。このように上記磁性体を設けることにより、電磁石の磁路長が増加したことによる磁束の減少が補われて、電磁石と永久磁石との間に形成される磁路における磁束の減少を防止することができる。

(4) 上記脚部は、上記胴部において上記周方向の中央から上記回転子の回転中心へ向かう方向へ延出しており、上記胴部は上記周方向へ突出する第１庇部を有している。

これにより、コイルの端部を第１庇部で保護することができる。また、第１庇部からの漏れ磁束が磁極に戻りやすくなるため、電磁石における磁束が増加し、その結果、磁力回転装置の効率を向上させることができる。

(5) 上記第１庇部の突出寸法は、上記脚部に設けられた上記コイルの厚み寸法と略同じであることが好ましい。この構成であれば、第１庇部から外側へコイルがはみ出さなくなる。

(6) 上記胴部は、該胴部における上記回転軸方向の両端それぞれから上記回転軸方向へ突出する第２庇部を有し、該第２庇部の突出寸法は、上記第１庇部と同じ突出寸法である。この構成であれば、上記回転中心方向の外側へコイルがはみ出さなくなる。また、第２庇部からの漏れ磁束が磁極に戻りやすくなるため、電磁石における磁束が増加し、その結果、磁力回転装置の効率を向上させることができる。

(7) 上記コアは、上記胴部における上記径方向の長さ及び上記脚部における上記周方向の長さが共に同じ寸法Ｗ_１であり、上記胴部における上記周方向の長さ及び上記脚部における上記回転軸方向の長さが共に同じ寸法Ｗ_２であり、Ｗ_２＝ｋＷ_１（ただし、ｋ＞１）となるように形成されていることが好ましい。

(8) また、上記電磁石は、上記周方向に沿って複数設けられていることが好ましい。

本発明の磁力回転装置によれば、コイルの巻回数を増やすことなく、また、装置を上記径方向に大型化することなく、高い効率を維持したまま駆動トルクを増大させることが可能になる。

図１は、本発明の実施形態に係る磁力回転装置１０の概略構成を模式的に示す斜視図である。図２は、磁力回転装置１０の概略構成を模式的に示す平面図である。図３は、電磁石１７の構成を示す模式図であり、図２における切断線III−IIIの模式断面図である。図４は、電磁石１７の構成を示す模式図であり、図２における切断線IV−IVの模式断面図である。図５は、電磁石１７及びコア３０の構成を模式的に示す斜視図である。図６は、電磁石１７及びコア３０の構成の変形例を模式的に示す斜視図である。図７は、従来の磁力回転装置に用いられている従来の電磁石１００の構成を示す模式図である。図８は、従来の磁力回転装置における電磁石１００の配置例を示す模式図である。断面図である。

以下、適宜図面を参照して本発明の一実施形態に係る磁力回転装置１０について説明する。

［磁力回転装置１０の概略］
図１及び図２に示されるように、磁力回転装置１０は、主として、複数の電磁石１７（本発明の電磁石の一例）を有する固定子１２（本発明の固定子の一例）と、複数の永久磁石１９（本発明の界磁体の一例）を有する回転体１４（本発明の回転子の一例）と、磁力回転装置１０を制御する制御装置２１（図２参照）とを備えている。電磁石１７は、２つの磁極３４（３４Ａ，３４Ｂ）を有する。制御装置２１は、後述の位置検出センサ４６（図２参照）からの信号に基づいて位置検出円板４５の回転角度を算出し、永久磁石１９が電磁石１７の磁極３４に最も接近したタイミングでコイル３２に電流を一時的に供給する。なお、図１では、位置検出円板４５及び位置検出センサ４６の表示が省略されている。このように構成された磁力回転装置１０では、電磁石１７の磁極３４の磁界と永久磁石１９の磁界とが相互に作用することにより磁気反発力（磁極３４の磁荷と永久磁石１９の磁荷との磁気反発力）が生じる。そして、この磁気反発力が回転体１４の回転方向へ作用することによって、回転体１４が回転する。なお、磁力回転装置１０は、駆動電流が供給されることによって電動機（モータ）として動作し、外力が供給されて回転体１４が回転されることによって発電機として動作する。以下、磁力回転装置１０の各構成要素について詳細に説明する。

［回転体１４］
図２に示されるように、回転体１４は、回転軸の一例であるシャフト３７と、シャフト３７が中心を貫通する２つの支持円盤３９（３９Ａ，３９Ｂ）とを備えている。それぞれの支持円盤３９は同形同大に形成されており、これらはシャフト３７に固定されている。それぞれの支持円盤３９Ａ，３９Ｂは、シャフト３７の一方端（図２において上方向の端部）から順番に配列されており、スペーサ４１を介して所定間隔を隔てて、互いに平行を維持した状態でシャフト３７に固定されている。シャフト３７は、後述する一対の側板２５（２５Ａ，２５Ｂ）によって回転可能に支持されており、これにより、回転体１４は、シャフト３７を中心に回転可能となる。なお、各支持円盤３９の間隔は、電磁石１７の各磁極３４の間隔や永久磁石１９の間隔によって決定される。

図３に示されるように、各支持円盤３９の外縁部には複数の永久磁石１９が取り付けられている。それぞれの支持円盤３９には４個の永久磁石１９が取り付けられている。４個の永久磁石１９は、支持円盤３９の一方の面（片面）のみに配置されている。全ての支持円盤３９において、４個の永久磁石１９は、シャフト３７の円周に沿う周方向（本発明の周方向に相当）に沿って等ピッチに配置されている。具体的には、永久磁石１９は、シャフト３７を中心にして支持円盤３９を周方向に４分割した角度間隔α（＝９０°）で取り付けられている。

また、図３に示されるように、永久磁石１９は、各支持円盤３９の各面において、周方向に４分割した角度間隔α（＝９０°）に対して４０〜７０％の割合の角度βを占めるように配置されている。つまり、角度間隔αが９０°の場合は、角度βが３６°〜６３°になるように永久磁石１９が配置される。図３では、角度βが３６°のときの状態が示されている。なお、シャフト３７の周方向に隣接する永久磁石１９同士による減磁を考慮すると、角度間隔αに対して永久磁石１９の占める割合、つまり角度間隔αにおける角度βの割合を７０％以下にすることが好ましい。

なお、本実施形態では、本発明の回転子の一例として、２つの支持円盤３９それぞれに永久磁石１９が取り付けられた回転体１４を例示するが、本発明の回転子はこのような構成に限られない。例えば、両端に回転軸を有する円柱体又は筒状体を備え、その外周面に回転軸の周方向に沿って４個の永久磁石が取り付けられ、更にこの４個の永久磁石１９からなる永久磁石群が上記回転軸の軸方向に所定間隔を隔てて２つ設けられた構成の回転体（回転子）であってもかまわない。また、この実施形態では、シャフト３７の周方向に４個の永久磁石１９が配置されているが、永久磁石１９の配置数は４個以上でも４個未満でも良く、６個でも５個でも３個でもよく、少なくとも１個の永久磁石１９が設けられていればよい。ただし、支持円盤３９に永久磁石１９が１個だけ取り付けられた構成の場合は、回転体１４の重量バランスを保つべく、シャフト３７を挟んで反対側に同質量のバランサーを設ける必要がある。

永久磁石１９は、表面及び裏面に磁極が形成された概ね長方形の平板状のものである。この永久磁石１９は、その一方の側端部が支持円盤３９の外周縁において数ｍｍ程度埋め込まれることにより支持円盤３９に固定されている。

また、各永久磁石１９は、図３に示されるように、支持円盤３９の中心Ｏから永久磁石１９の重心を結ぶ直線Ｌ１と、永久磁石１９の磁極方向すなわち永久磁石１９の表面及び裏面を貫く法線方向を示す直線Ｌ２とが交わる角度γが、３０°以上６０°以下となるように配置されている。

永久磁石１９は、Ｎ極又はＳ極のいずれかが支持円盤３９の外方へ向けられた状態で支持円盤３９の外縁部に取り付けられている。本実施形態では、図４に示されるように、支持円盤３９Ａでは、Ｓ極が支持円盤３９又は回転体１４の径方向（本発明の径方向に相当）の外側の方（外方）へ向けられた状態で永久磁石１９が取り付けられている。また、支持円盤３９Ｂでは、Ｎ極がシャフト３７の径方向の外側の方（外方）へ向けられた状態で永久磁石１９が取り付けられている。このように永久磁石１９が取り付けられているため、回転体１４が所定の回転角度まで回転して、永久磁石１９が電磁石１７の磁極３４に最接近すると、永久磁石１９の磁極は、同じ極性の電磁石１７の磁極３４に対向する状態となる（図３及び図４参照）。

また、図１及び図４に示されるように、各支持円盤３９Ａ，３９Ｂに設けられた永久磁石１９は、シャフト３７の軸方向（本発明の回転軸方向に相当）に並んで配置されている。回転体１４が所定の回転角度になると、図４に示されるように、上記軸方向に並設された永久磁石１９Ａ，１９Ｂのうち、永久磁石１９ＡのＳ極が電磁石１７の磁極３４Ａ（Ｓ極）に対向し、永久磁石１９ＢのＮ極が電磁石１７の磁極３４Ｂ（Ｎ極）に対向する。このように配置された永久磁石１９Ａ，１９Ｂは、本発明の第１永久磁石及び第２永久磁石の一例である。永久磁石１９Ａ，１９Ｂは、鉄などの強磁性体で構成された継鉄４３（本発明の磁性体の一例）によって連結されている。具体的には、図１及び図４に示されるように、各永久磁石１９Ａ，１９Ｂの裏面側に継鉄４３が設けられている。継鉄４３の一方端は支持円盤３９Ａに埋め込まれることによって支持円盤３９Ａに支持されている。また、継鉄４３は支持円盤３９Ｂに形成された図示しない貫通孔を上記軸方向に挿通されて、永久磁石１９Ｂの裏面まで延びている。このように配置された継鉄４３に各永久磁石１９Ａ，１９Ｂの裏面が結合している。これにより、永久磁石１９Ａ及び永久磁石１９Ｂが、継鉄４３によって連結されている。なお、本実施形態では、４つの継鉄４３が支持円盤３９Ａ，３９Ｂに支持されており、一つの継鉄４３に、支持円盤３９Ａが有する一つの永久磁石１９と、支持円盤３９Ｂが有する一つの永久磁石１９とが結合されている。

［固定子１２］
図１及び図２に示されるように、固定子１２は、回転体１４の外側に設けられている。言い換えると、回転体１４が固定子１２の内側に設けられている。つまり、本実施形態の磁力回転装置１０は、所謂インナーロータタイプの回転装置である。なお、本発明は、インナーロータタイプのものに限られず、アウターロータタイプのものやフラットロータタイプのものにも適用可能である。

固定子１２は、フレーム２３と、フレーム２３に保持された電磁石１７とを備えている。フレーム２３は、支持円盤３９Ａ及び支持円盤３９Ｂそれぞれの更に外側に設けられた互いに平行な一対の側板２５（２５Ａ，２５Ｂ）と、一対の側板２５間に架け渡されて側板２５同士を上記軸方向に固定する４つの支持プレート３１とを有する。シャフト３７は、各側板２５それぞれの中央に形成された軸孔（不図示）にベアリング（不図示）を介して支持されており、これにより、回転体１４が回転可能となる。

フレーム２３には、全部で４個の電磁石１７が取り付けられている。後述するように、電磁石１７は、側板２５間に架け渡された４つの支持プレート３１に固定されている。なお、本実施形態では、本発明の固定子の一例として、フレーム２３に４個の電磁石１７が取り付けられた固定子１２を例示するが、本発明の固定子はこのような構成に限られず、少なくとも１つの電磁石１７がフレーム２３に設けられていればよい。

図２に示されるように、側板２５Ｂの内側には、位置検出円板４５が設けられている。位置検出円板４５は各支持円盤３９と同軸で回転可能なように、シャフト３７に固定されている。位置検出円板４５は、例えば透明なプラスチック板であり、周縁の所定部位に遮光テープ等が貼り付けられている。また、フレーム２３には、フォトインタラプタ等の位置検出センサ４６が設けられている。位置検出センサ４６は、発光素子と受光素子とを備えており、位置検出円板４５の周縁に検出光を照射するように配置されている。この位置検出センサ４６によって、回転体１４の永久磁石１９の回転位置が制御装置２１に通知される。制御装置２１は、この回転位置に基づいて電磁石１７のコイル３２に通電する。

［電磁石１７］
図２に示されるように、シャフト３７の軸方向に沿って２つの磁極３４が一列に並ぶように４つ電磁石１７が配置されている。本実施形態では、４つの支持プレート３１のそれぞれに１つの電磁石１７が固定されている。支持プレート３１は、樹脂や非磁性金属などで形成された厚みのある長尺状の板状部材であり、その長手方向の両端は、一対の側板２５それぞれにネジ等の連結具によって固定されている。また、支持プレート３１は、電磁石１７の胴部２８側を覆うカバーの役割も担っている。図３に示されるように、４つの電磁石１７は、シャフト３７の周方向に角度間隔９０°のピッチで等間隔に取り付けられている。なお、各電磁石１７は、配置位置が異なる以外は全て同じ構成である。

図４に示されるように、電磁石１７は、コア３０（本発明のコアの一例）を有する。コア３０は強磁性体で構成されており、本実施形態では、板状のケイ素鋼板が複数枚重ね合わされたものが用いられている。各ケイ素鋼板には、通電時に渦電流が発生し難いように絶縁塗料が塗布されている。コア３０は、一方の側面（図４に示される面）から見た形状がアルファベットのＣ字形状、Ｕ字形状、又は片仮名のコの字状に形成されたものであり、Ｃ型コア又はＵ型コアとも称されている。また、コア３０は、後述するように、他の側面から見た形状がアルファベットのＴ字形状に形成されている（図５参照）。

このコア３０は、シャフト３７の軸方向に沿って真っ直ぐに延びる胴部２８と、その胴部２８の両方の端部２８Ａ，２８Ｂそれぞれからシャフト３７に直交する径方向へ向けて延びる２つの脚部２９Ａ，２９Ｂ（以下、脚部２９Ａ，２９Ｂを総称して脚部２９とも称する。）とから構成されている。

コア３０の各脚部２９のそれぞれには、電線が巻回されてなるコイル３２（本発明のコイルの一例）が設けられている。各脚部２９には、同じ巻回数（ターン数）のコイル３２が設けられている。コイル３２の外周面には、図示しない絶縁テープが巻き付けられている。したがって、コイル３２の外周面は、電線の絶縁塗料及び絶縁テープによって、外部と絶縁状態が保たれている。このコイル３２が通電されると、コア３０の一方側の端面（脚部２９Ａの端面）にＳ極３４Ａが現れ、コア３０の他方側の端面（脚部２９Ｂの端面）にＮ極３４Ｂが現れる。

図５に示されるように、コア３０の胴部２８は、シャフト３７の軸方向（矢印７３参照）に沿って延びる直方体形状に形成されている。胴部２８は、シャフト３７の径方向（矢印７１参照）のサイズＷ_１（以下、単に「サイズＷ_１」と略称する。）よりもシャフト３７の周方向（矢印７２参照）のサイズＷ_２（以下、単に「サイズＷ_２」と略称する。）の方が長尺となる形状に形成されている。具体的には、胴部２８のサイズＷ_２が、サイズＷ_１の２倍となるように形成されている。例えば、胴部２８の上記サイズＷ_１をｍ［ｃｍ］とした場合に、上記サイズＷ_２は２Ｗ_１（＝２ｍ［ｃｍ］）である。つまり、胴部２８の上記サイズＷ_１と上記サイズＷ_２は、Ｗ_２＝２Ｗ_１（＝２ｍ）の関係を満たしている。なお、図５において、シャフト３７の径方向は矢印７１で示す方向に一致し、シャフト３７の周方向は矢印７２で示す方向に一致し、シャフト３７の軸方向は矢印７３で示す方向に一致しており、以下においても同様とする。

また、それぞれの脚部２９は、胴部２８においてシャフト３７の周方向の中央からシャフト３７の径方向へ真っ直ぐに延びており、該径方向に長い直方体形状に形成されている。脚部２９は、シャフト３７の周方向のサイズＷ_３（以下、単に「サイズＷ_３」と略称する。）よりもシャフト３７の軸方向のサイズＷ_４（以下、単に「サイズＷ_４」と略称する。）の方が長尺となる形状に形成されている。具体的には、脚部２９の上記サイズＷ_４が、上記サイズＷ_３の２倍となるように形成されている。例えば、脚部２９の上記サイズＷ_３をｍ［ｃｍ］とした場合に、上記サイズＷ_４は２Ｗ_３（＝２ｍ［ｃｍ］）である。つまり、脚部２９の上記サイズＷ_３と上記サイズＷ_４は、Ｗ_４＝２Ｗ_３（＝２ｍ）の関係を満たしている。なお、胴部２８における上記軸方向のサイズ、及び脚部２９における上記径方向のサイズは、脚部２９に設けられるコイル３２の巻厚などによって任意に決定される。

本実施形態では、上述したように、胴部２８の上記サイズＷ_１と脚部２９の上記サイズＷ_３とが同じ寸法ｍ［ｃｍ］であり、胴部２８の上記サイズＷ_２と脚部２９の上記サイズＷ_４とが同じ寸法２ｍ［ｃｍ］であり、また、胴部２８と脚部２９はいずれも直方体形状であるため、胴部２８の断面の面積と脚部２９の断面の面積とは同じである。

コア３０の胴部２８及び２つの脚部２９が上述のように構成されているため、図５に示されるように、コア３０の胴部２８は、脚部２９からシャフト３７の周方向へ庇状に突出する２つの庇状部５１（本発明の第１庇部の一例）を有する。図５（Ｂ）に示されるように、庇状部５１の突出長さは、脚部２９に設けられたコイル３２の厚みと概ね同じ長さとなっており、したがって、コイル３２は、その側面が庇状部５１から周方向の外側へはみ出すことなく、脚部２９に設けられている。

［実施形態の作用・効果］
上述したように、磁力回転装置１０においては、電磁石１７のコア３０の胴部２８が上記サイズＷ_１よりも上記サイズＷ_２の方が長尺となる形状に形成されており、また、２つの脚部２９それぞれが上記サイズＷ_３よりも上記サイズＷ_４の方が長尺となる形状に形成されている。そのため、脚部の一辺がｍ［ｃｍ］の正方形状である従来の電磁石１００（図７及び図８参照）を用いた従来の磁力回転装置に比べて、コア３０の断面積を大きくして磁気抵抗を低下させることにより、コイル３２に流す電流値及びコイルの巻回数を変えなくても、電磁石１７の磁極の強さを大きくすることができる。その結果、磁力回転装置１０の効率が向上する。また、胴部２８がシャフト３７の径方向に扁平な形状に形成されているため、上記径方向に大型化させることなく高効率の磁力回転装置１０を実現することができる。また、従来の電磁石１００を複数用いて回転トルクを高める従来方法に比べて、コイルの巻量を減らすことができる。

また、胴部２８の断面積と脚部２９の断面積とが同じであり、胴部２８がシャフト３７の径方向に扁平な形状に形成されているから、胴部２８の中心から脚部２９の磁極３４の磁極面までの距離が短くなり、その分、コア３０の中心を通る磁路の長さ（磁路長）も短くなって、コア３０における磁気抵抗が小さくなる。

なお、脚部２９の上記サイズＷ_３よりも上記サイズＷ_４の方が長尺となる形状に形成されているため、電磁石１７のコイル３２を従来の電磁石１００（図７及び図８参照）のコイル１０４と同じ巻回数にした場合、電磁石１７の磁極間の間隔４９（図５（Ｂ）参照）が従来の電磁石１００の磁極間の間隔１０９（図８参照）よりも長くなる。これにより、電磁石１７の磁路長の総和は、従来の電磁石１００の磁路長の総和よりも長くなり、特に、空間を通る磁路の長さ（以下「空間磁路長」という。）が従来構成よりも長くなる。空間磁路長が長くなると、空間磁路長の増加分の影響によって、電磁石１７の磁気抵抗が従来の電磁石１００の磁気抵抗よりも大きくなる。しかしながら、上述したように永久磁石１９Ａ及び永久磁石１９Ｂが継鉄４３によって連結されているため、永久磁石１９Ｂの磁極面を通ってその裏面に貫いた磁束は、磁気抵抗の大きい空間を通ることなく、磁気抵抗の小さい継鉄４３を通って永久磁石１９Ａに到達する。これにより、電磁石１７において磁路長が増加したことによる磁束の減少が補われて、電磁石１７と永久磁石１９との間に形成される磁路における磁束の減少を防止することができる。

また、上述のように永久磁石１９の裏面に継鉄４３が設けられているため、シャフト３７やシャフト３７を支持しているベアリングに永久磁石１９の裏面からでる磁束が影響し難くなる。このため、シャフト３７やベアリングが磁化されなくなり、磁化による鉄粉の付着が防止される。また、継鉄４３が設けられていない構成では、磁束の影響によってシャフト３７に電圧が発生し、シャフト３７の両端の電位差によって電流が生じる場合がある。この場合、上記ベアリングに付着した鉄粉と発生した電流とによって、ベアリング付近でアーク放電が生じ、上記ベアリングが故障することになる。しかしながら、本実施形態では、永久磁石１９の裏面に継鉄４３が設けられているため、アーク放電が生じなくなり、アーク放電による上記ベアリングの故障を防止することができる。

また、胴部２８がシャフト３７の径方向に扁平な形状となっているため、例えば図４に示されるようにシャフト３７の周方向に複数（本実施形態では４つ）の電磁石１７を設けても、シャフト３７から最も遠い位置に胴部２８が配置されるので、隣接する電磁石１７同士が干渉し難くなる。上述の実施形態では、電磁石１７を４つだけ設けた例を示したが、例えば、シャフト３７の周方向に多数の電磁石１７を設けた場合に、隣接する電磁石１７間で干渉させずにより多くの電磁石１７を配置することができる。特に、三相の磁力回転装置のように、シャフト３７の周方向に密に電磁石１７が配置された構成では、周方向に隣り合う脚部２９のコイル３２が近接することになる。このような構成において本発明が適用されることにより、同じ出力の磁力回転装置同士を比較した場合は、脚部２９が周方向に扁平な形状であるため、隣接する脚部２９のコイル３２同士の間隔に余裕を持たせることができる。また、胴部２８が径方向に扁平な形状であるため、装置が径方向に大型化しない。また、脚部２９のコイル３２間に余裕ができた分だけ脚部２９を周方向にサイズアップすることにより、従来の磁力回転装置と径方向のサイズが同じでありながら、磁力回転装置の駆動トルクを増大させることができる。

また、図７に示されるように、一辺の長さがｍ［ｃｍ］の正方形の脚部１０２を有する従来の電磁石１００が２つ並べられた構成と比較すると、両者の電磁石の断面積が同じでありながら、従来の電磁石１００では、２つの電磁石１００の脚部１０２の外周の総合計が１６ｍ［ｃｍ］であるのに対して、上述の電磁石１７の脚部２９の外周の総合計が１２ｍ［ｃｍ］である。そのため、コイルの巻き回数が同じであれば、上述の電磁石１７を用いたほうがコイルの巻量を４分の３に減らすことができる。これにより、コイルにおける銅損が低下する。なお、上述の実施形態では、脚部２９の上記サイズＷ_３をｍ［ｃｍ］とし、脚部２９の上記サイズＷ_４を２Ｗ_３（＝２ｍ［ｃｍ］）としたが、これらのサイズは、磁力回転装置１０に求められる出力に応じて適宜決定することができる。例えば、脚部２９の上記サイズＷ_３をｍ［ｃｍ］とした場合に、脚部２９の上記サイズＷ_４を３Ｗ_３（＝３ｍ［ｃｍ］）とすることも可能であり、このように構成することにより、更に大きな出力を得ることができる。もちろん、脚部２９の上記サイズＷ_３を０．５ｍ［ｃｍ］とした場合に、脚部２９の上記サイズＷ_４を２Ｗ_３（＝１．０ｍ［ｃｍ］）又は３Ｗ_３（＝１．５ｍ［ｃｍ］）とすることも可能である。つまり、脚部２９のサイズＷ_３とサイズＷ_４との間に、Ｗ_３＝ｋＷ_４（但し、ｋ＞１）の関係を有するものであればよい。また、上述の実施形態では、胴部２８の上記サイズＷ_１をｍ［ｃｍ］とし、胴部２８の上記サイズＷ_２を２Ｗ_１（＝２ｍ［ｃｍ］）としたが、脚部２９の例と同様に、胴部２８の上記サイズＷ_１をｍ［ｃｍ］とした場合に、胴部２８の上記サイズＷ２を３Ｗ_１（＝３ｍ［ｃｍ］）とすることも可能である。もちろん、胴部２８のサイズＷ_１とサイズＷ_２との間に、Ｗ_１＝ｋＷ_２（但し、ｋ＞１）の関係を有するものであればよい。

また、胴部２８の断面積と脚部２９の断面積とが同じであるため、コア３０のいずれの部分の断面をとっても面積が同じになる。これにより、電磁石１７の磁路のどの部分でも磁束密度が一定となるため、安定した起磁力を発生させることができる。なお、上述の実施形態では、胴部２８の断面積と脚部２９の断面積とが同じ例について説明したが、胴部２８の断面積が脚部２９の断面積よりも大きければ十分である。仮に、胴部２８の断面積が脚部２９の断面積よりも小さい場合は、胴部２８の磁気抵抗が脚部２９の磁気抵抗よりも大きくなり、電磁石１７の起磁力を低下させることになるため、胴部２８の断面積は脚部２９の断面積よりも大きいことが好ましい。

また、コア３０の胴部２８に庇状部５１が設けられているため、庇状部５１からコア３０に磁束が戻りやすくなり、漏れ磁束が増える。これにより、電磁石１７における磁束が増加して起磁力が増えるため、磁力回転装置１０の効率を向上させることができる。また、庇状部５１の突出長さが、脚部２９に設けられたコイル３２の厚みと概ね同じ長さになっているため、コイル３２の側面が庇状部５１から周方向の外側へはみ出すことがない。なお、上述の実施形態では、シャフト３７の周方向に突出した庇状部５１を例示したが、例えば、図７に示されるように、庇状部５１に加えて、胴部２８の両端部２８Ａ，２８Ｂそれぞれからシャフト３７の軸方向へ突出する庇状部５２（本発明の第２庇部の一例）を有する構成であってもよい。この構成であれば、庇状部５２からコア３０に磁束が戻りやすくなって漏れ磁束が増えるだけでなく、上記軸方向の外側へコイル３２の側面がはみ出さなくなる。

なお、上述の実施形態では、電磁石１７の磁極３４に対して同極性の永久磁石１９を対向するように配置させる構成を例示したが、電磁石１７の磁極３４に対して異極性の永久磁石１９を対向するように配置させることにより、回転体１４に駆動トルクを生じさせるようにした磁力回転装置に対しても本発明は適用可能である。

１０・・・磁力回転装置
１２・・・固定子
１４・・・回転体
１７・・・電磁石
１９・・・永久磁石
２８・・・胴部
２９・・・脚部
３０・・・コア
３２・・・コイル
３４・・・磁極
３７・・・シャフト
５１，５２・・・庇状部

Claims

２つの磁極を有する電磁石が設けられた固定子と、
上記電磁石の磁極に対して同極性又は異極性の磁極が対向するように界磁体が設けられた回転子と、を具備し、
上記電磁石が上記界磁体に作用することによって上記回転子を回転させる磁力回転装置であって、
上記電磁石は、
上記回転子の回転軸方向に沿って延びる胴部、及び該胴部から上記回転子の回転中心へ向かう方向へ延びる２つの脚部を有するコアと、
上記脚部それぞれに設けられたコイルと、を備え、
上記胴部は上記回転子の径方向よりも上記回転子の周方向に長尺な形状に形成されており、上記脚部は上記周方向よりも上記回転子の回転軸方向に長尺な形状に形成されている磁力回転装置。
上記胴部において磁路に直交する断面積は、上記脚部において磁路に直交する断面積と略同じである請求項１に記載の磁力回転装置。
上記界磁体は、上記電磁石の一方の磁極に対向するように設けられた第１永久磁石と、上記電磁石の他方の磁極に対向するように設けられた第２永久磁石とからなり、
上記電磁石に対向する上記第１永久磁石の磁極面とは反対側の磁極面と上記電磁石に対向する上記第２永久磁石の磁極面とは反対側の磁極面とを連結する磁性体が設けられている請求項１又は２に記載の磁力回転装置。
上記脚部は、上記胴部において上記周方向の中央から上記回転子の回転中心へ向かう方向へ延出しており、上記胴部は上記周方向へ突出する第１庇部を有している請求項１から３のいずれかに記載の磁力回転装置。
上記第１庇部の突出寸法は、上記脚部に設けられた上記コイルの厚み寸法と略同じである請求項４に記載の磁力回転装置。
上記胴部は、該胴部における上記回転軸方向の両端それぞれから上記回転軸方向へ突出する第２庇部を有し、該第２庇部の突出寸法は、上記第１庇部と同じである請求項４又は５のいずれかに記載の磁力回転装置。
上記コアは、上記胴部における上記径方向の長さ及び上記脚部における上記周方向の長さが共に同じ寸法Ｗ_１であり、上記胴部における上記周方向の長さ及び上記脚部における上記回転軸方向の長さが共に同じ寸法Ｗ_２であり、Ｗ_２＝ｋＷ_１（ただし、ｋ＞１）となるように形成されている請求項１から６のいずれかに記載の磁力回転装置。
上記電磁石は、上記周方向に沿って複数設けられている請求項１から７のいずれかに記載の磁力回転装置。