JP2019216576A - モーター - Google Patents

Abstract

【課題】回転エネルギー増幅装置において回転トルクを向上できるモータを提供する。【解決手段】外側回転子３・中間固定子２・内側回転子１の３層構造で外側回転子に永久磁石を設け、中間固定子は軟磁性体とし、内側回転子に永久磁石を設け、内側回転子の磁力が中間固定子の軟磁性体を通り外側回転子の永久磁石に吸引力と反発力を及ぼすようにして、内側回転子を回転することにより、中間固定子の軟磁性体を通る磁力が内側回転子の回転と連動して回転移動することにより、磁力の吸引力と反発力の移動が外側回転子の回転を誘引することで外側回転子の回転出力を得ることができる。【選択図】図２

Description

本発明は、永久磁石による回転エネルギー増幅装置に関する。

永久磁石を利用し動作する回転と回転エネルギー増幅装置は多く示されているが、特に構造の簡素化と耐久性を求めるとき、従来の永久磁石を軸方向又は半径方向に移動することなく、同心円状の外側・中間・中央の少なくとも３層で構成し動作する回転と回転エネルギー増幅装置は永久磁石相互の吸引力と反発力を応用したモーターが示されている（文献１，２参照）又、同様に３層で構成し永久磁石の外部固定子と手動回転可能な永久磁石の内部固定子の間に設けられた回転子が回転する磁力原動機が示されている（文献３，４参照）

以下、従来のモーターについて説明する。従来は外側固定子・中間回転子・中央回転子に電機子・永久磁石・導体よりいずれかを選択して配置固定し、前記電機子に対し直流又は交流電源を給電することにより、外側固定子内部で中間回転子を回転させ、さらに、中間回転子内部で中央回転子を前記中間回転子と同方向に回転させる（文献１）。又、外側回転子・中間回転子・中央固定子に電機子・永久磁石・導体よりいずれかを選択し組み合わせて配置固定し、前記電機子に対し直流又は交流電源を給電することにより、中央固定子外側で中間回転子を回転させ、さらに、中間回転子外側で外側回転子を前記中間回転子と同方向に回転させる（文献２）モーターが示されている。

以下、従来に磁力原動機について説明する。永久磁石組み合わせモートル（磁力原動機）は電流の流れを交互に変える代わりに回転子へ半永久磁石を多数取り付けその中心へ固定永久磁石コマと回転子の半永久磁石を磨り合わすと半永久磁石はＮからＳに変えられ、次はＳからＮに変わるため馬てい形永久磁石と半永久磁石と要所を吸引し要所を反発し回転子は１８０度回転しこれを繰り返すと円心運動する（文献３）

又、多数の馬てい形永久磁石とそれに応じた数の内部固定永久磁石コマが反発仕合っている中間へギア形軟鉄回転子を入れると内部固定永久磁石コマと磨れ合って回転子と馬てい形磁石が同符号反発力と吸引力で回転子は円心運動する。又、手続き補正書では永久磁石扉をカムで開けそれを次々と繰り返すと記載されている。又、永久磁石を浮かす反発永久磁石も追加されている（文献４）

特開２００７−１８５００３ 特開２００８−１１８８３９ 特開昭５７−１８９５６０ 特開昭５９−４７９８３

以上に述べた従来の文献１のモーターの電機子を外側固定子としたときには、中央回転子からの出力は中間回転子を経由するため最大で外側固定子からの磁力で中央回転子が回転する出力を超えられないことは明らかでありその効果は限られている。又、電機子を中間回転子としたときには、中央回転子は外側固定子の内側で回転する中間回転子の更に内側で回転するため回転速度は増加可能だが出力トルクは中間回転子の電機子との間で生じるので最大中間回転子を電機子とするモータートルクを超えられない。又、電機子を中央回転子としたとき中間回転子は外側固定子の磁力を遮るだけでこのときの出力は最大で中間回転子を固定したときのモーター出力を超えられない。文献２のモーターの電機子を中央固定子としたときには、外側回転子からの出力は中間回転子を経由するため最大で中央固定子からの磁力で中間回転子が回転する出力を超えられないことは明らかでありその効果は限られている。又、電機子を中間回転子としたときには、外側回転子は中央固定子の外側で回転する中間回転子の更に外側で回転するため回転速度は増加可能だが出力トルクは中間回転子の電機子との間で生じるので最大中間回転子を電機子とするモータートルクを超えられない。又、電機子を中央固定子としたとき中間回転子は中央固定子の磁力で回転するが、外側回転子の出力トルクは最大で中間回転子と外側回転子が一体化した構造でのモーター出力を超えられない。

文献３の磁力原動機は中心の固定永久磁石コマと回転子の半永久磁石を磨り合わすため、回転子は磁力で固定永久磁石コマに吸着される、このため回転子が固定永久磁石コマの周りを回転するには中心の固定永久磁石コマと回転子の半永久磁石の吸着摩擦に打ち勝つ回転力を得る巨大な慣性力が必要になる、このとき中心の固定永久磁石コマを連続回転させれば回転は可能と考えられるが、連続回転の必要な回転力を得るにはコギング対策で同様に巨大な慣性力が必要になると考えられる。

文献４の磁力原動機は中心の固定永久磁石コマと回転子の半永久磁石を磨り合わせため、回転子は磁力で固定永久磁石コマに吸着される、このため回転子が固定永久磁石コマの周りを回転するのが困難であるのは前記文献３と同様であるが、さらに、永久磁石扉をカムで開けそれを次々と繰り返す構造で、又、永久磁石を浮かす反発永久磁石も追加され構造が複雑になっている。

文献１のモーターの問題は外側固定子・中間回転子・中央回転子の３層構造では、出力トルクは通常の外側固定子・中央回転子の２層構造を超えられない。唯一電機子を中間回転子としたときにだけ中央回転子の回転出力軸の回転速度を増加できる。同様に文献２のモーターも外側回転子の出力トルクは通常の外側回転子・中央固定子の２層構造を超えられない。唯一電機子を中間回転子としたときにだけ外側回転子の回転出力軸の回転速度を増加できる。この文献１，２のモーターの回転速度増加は通常の２層のモーターでも可能であり、特に３層にする必要性はないものと考えられる。

文献３の磁力原動機は回転子が固定永久磁石コマの周りを回転するのは困難であり、連続回転するには巨大な慣性力が必要と考えられ、この場合この磁力原動機は非常に重い装置となりこの磁力原動機は自身回転するだけであり余力を生み出すのは容易ではないと考えられる、又、回転子の摩擦と重量のため騒音や軸受けの耐久性が問題となる。又、中心の固定永久磁石コマの磁力を回転子の半永久磁石を通り外側の馬てい形永久磁石に要所を吸引し要所を反発する外周位置まで通過させるので、回転子の内径から外径まで半径の増加に伴い半永久磁石を通る磁路の断面積は増加するため、中心の固定永久磁石コマの磁力の磁束密度は通過する回転子の内側から外側への磁路の断面積の増加に反比例して減少すると考えられこの対策が求められる。

文献４の磁力原動機の問題は文献３の問題に加えて永久磁石扉をカムで開けそれを次々と繰り返す構造で、又、永久磁石を浮かす反発永久磁石も追加され構造が複雑になっていることにより構造的な複雑性、機構の耐久性が問題となる。

本発明は前記の問題を解決するために、同心円状に配置される内周部、外周部、中間部の少なくとも３部の磁性体により構成され、互いに接触しない様空隙を保ち。内周部には永久磁石を備え、外周部には永久磁石を備え、中間部には内周部からの磁力を透過するための軟磁性体を備え、中間部の形状は内周部側は軸方向に長くして外周部側は軸方向に短くして内周部の磁力が中間部の内部を透過移動して外周部の永久磁石に反発力と吸引力を作用して外周部又は中間部を誘引回転させることができる。

本発明での従来の問題を解決するための例として、外側回転子・中間固定子・内側回転子の３層構造で外側回転子に永久磁石を設け、中間固定子は軟磁性体とし、内側回転子に永久磁石を設け、内側回転子の磁力が中間固定子の軟磁性体を通り外側回転子の永久磁石に吸引力と反発力を及ぼすようにして、内側回転子を回転することで、中間固定子の軟磁性体を通る磁力が内側回転子の回転と連動して回転移動することにより、磁力の吸引力と反発力の移動が外側回転子の回転を誘引することで外側回転子の回転出力を得ることができる。

本発明の例は外側回転子・中間固定子・内側回転子の３層構造の中で電機子を使用せず構造が複雑でなく、又、回転子の磨り合いや重量の増加がなく、永久磁石扉をカムで開ける、又、反発永久磁石を追加する等の複雑な構造を回避することができる。

本発明の例は磁力の通過する軟磁性体中間固定子の内側から外側への半径の増加に伴う磁束密度の減少を防ぐため外側外周断面積と内側内周断面積を略等しくするため、外側外周部の軸方向の長さを小とし、内側内周部の軸方向の長さを大とすることができる。

円周断面積は円周率（π）×直径（ｄ）×軸方向長さ（ｌ）で表される。次にｎを整数とすると、中間固定子の外側外周径が内側内周径のｎ倍であるとき、外側外周部の軸方向の長さは内側内周部の軸方向の長さの１／ｎ倍で外側外周断面積と内側内周断面積を略等しくすることができる。これは、内側から外側までの任意の直径の円周部でも同様である。

前述したように本発明の例のモーターは外側回転子・中間固定子・内側回転子の３層構造で外側回転子に永久磁石を備え、中間固定子は軟磁性体とし、内側回転子に永久磁石を備え、内側回転子の磁力が中間固定子の軟磁性体を通り外側回転子の永久磁石に吸引力と反発力を及ぼすようにして、内側回転子を回転することにより、中間固定子の軟磁性体を通る磁力が内側回転子の回転と連動して回転移動することにより、磁力の吸引力と反発力の移動が外側回転子の回転を誘引することで外側回転子の回転出力を得ることができるため中間固定子の内側径と外側径の差で回転トルクを増大させることができる。

また、本発明の例のモーターの中間固定子の内側内周部を軸方向に長くして、外側外周部を短くすることにより中間固定子内部の円周断面積を略均一とすることで磁路の均一化を計り磁束密度の略均一化で磁力の減衰を防ぐことで内側回転子の永久磁石の磁力を効果的に外側回転子の永久磁石に吸引力と反発を及ぼすことができる。尚、中間固定子内部の円周断面積の略均一化は必ずしもこれにこだわることなく内側回転子と中間固定子内側内周部をより長くして円周断面積を大きくしてより強く多くの磁束・磁力を集め、中間固定子外側外周部ではより短くして円周断面積を小さくして通過する磁束密度を高めより効果的に内側回転子の永久磁石の磁力を外側回転子の永久磁石に吸引力と反発力を及ぼすことができる。

図１、図２は本発明のモーターの一例を示す。図２はモーターの断面図、図１は外側回転子・中間固定子・内側回転子の３層構造を示す断面図。図１で回転出力は出力軸（１０）から取り出すが、外側回転子（３）は複数の極性を持つ永久磁石を備えており、永久磁石は組込み・貼付け・着磁等何れでもよく、中間固定子（２）の外周（２ｂ）を空隙を保ち出力軸（１０）を中心として回転自在とする。

中間固定子（２）は透磁率のよい珪素鋼、電磁鋼板、電磁鋼等で表記される軟磁性体で構成される。図（１）では破線で図示している分割線（２ｄ）で、内側回転子（１）による磁力の移動をより反映させるため半径方向・放射状に切り込み・分割をして構成・一体化することは可能である。切り込み・分割数・分割幅は適宜設定できる。又、図２で示すように、内周部で軸方向に長く、外周部で軸方向に短くなるような形状が望ましい。

内側回転子（１）は複数の極性を持つ永久磁石を備えており、永久磁石は組込み・貼付け・着磁等何れでもよく、中間固定子（２）の内周（２ａ）と空隙を保ち出力軸（１０）の軸心の周りを回転する。

外側回転子（３）と内側回転子（１）の複数の極性は同数が望ましい。又、この場合外側回転子（３）と内側回転子（１）の回転数は等しく同期回転する。

内側回転子（１）は回転入力用として備えている入力モーター（１１）にスリーブ（１２）で連結し出力軸（１０）の軸心の周りを回転する。回転する内側回転子（１）の磁力は中間固定子（２）の軟磁性体を通り内側回転子（１）の回転と連動して中間固定子（２）の内部を回転移動することにより、磁力の吸引力と反発力の移動が外側回転子（３）の回転を誘引することで外側回転子（３）が回転し、外側回転子（３）と出力軸（１０）とを結合しているホイール（３１）を経由して出力軸（１０）から回転出力を得ることができる。

出力軸（１０）からの回転出力トルクは、内側回転子（１）の回転入力トルクに対し中間固定子（２）の内周（２ａ）径と外周（２ｂ）径との差の分増幅される。尚、中間固定子（２）と外側回転子（３）・内側回転子（１）との空隙と、中間固定子（２）内を通過することでの磁力の減衰分は考慮される。又、出力軸（１０）への負荷回転トルクの増加で外側回転子（３）の磁力が内側回転子（１）の入力回転トルクに影響を与える場合中間固定子（２）の内周（２ａ）径と外周（２ｂ）径との差の分影響は減少する。

本発明のモーターの主要構造の軸直角断面を示す図である。内側回転子（１）の外側に空隙を持ち中間固定子（２）を設け、さらに、中間固定子（２）の外側に空隙を持ち外側回転子（３）が設けられている。又、中間固定子（２）には分割線（２ｄ）が破線で示されている。 本発明のモーターの軸平行断面を示す図である。内側回転子（１）と連結しているスリーブ（１２）は軸受け（１２ａ）と軸受け（１２ｂ）を備え、入力モーター（１１）に連結して入力モーター（１１）の回転に伴い出力軸（１０）の周りを回転する。中間固定子（２）は複数の支柱（２３）によって外側ケース（４）に固定されている。又、中間固定子（２）に設けられたブラケット（２１）に設けられた軸受け（２２）とケース（４）に設けられた軸受け（２５）により、出力軸（１０）を回転自在に支持している。外側回転子（３）はホイール（３１）に設けられており、ホイール（３１）は中心部で出力軸（１０）に連結している。尚、入力モーター（１１）の構造と配線等の詳細は省略してある。 本発明のモーターの一例を示す図であり断面図を示す。内側回転子（１）は外部からの入力軸（９）と連結して回転する。中間固定子（２）は軸方向面外周部（２ｃ）を外側回転子（３）の軸 方向面（３ａ）に対面状態で間隙を設けて複数の支柱（２３）によって外側ケース（４）に固定されている。又、中間固定子（２）に設けられたブラケット（２１）に設けられた軸受け（２２）とケース（４）に設けられた軸受け（２５）により、入力軸（９）を回転自在に支持している。外側回転子（３）と出力軸（１０）とを結合しているホイール（３１）を経由して出力軸（１０）から回転出力を得ることができる。出力軸（１０）はケース（４）に設けられた軸受け（４３）に回転自在に支持されている。 本発明のモーターの一例を示す図であり断面図を示す。内側回転子（１）と連結しているスリーブ（１２）は軸受け（１２ａ）と軸受け（１２ｂ）を備え、入力モーター（１１）に連結して入力モーター（１１）の回転に伴い回転軸（１４）の周りを回転する。中間固定子（２）は複数の支柱（２３）によってケース（４）に固定されている。又、中間固定子（２）に設けられたブラケット（２１）に設けられた軸受け（２２）とケース（４）に設けられた軸受け（２５）により、回転軸（１４）を回転自在に支持している。外側回転子（３）はホイール（３１）に設けられており、ホイール（３１）は中心部で回転軸（１４）に連結している。ホイール（３１）には永久磁石（３３）が円筒状に設けられており、空隙を挟んで対向部に固定電機子（５）がケース（４）に設けられている、固定電機子（５）は透磁率のよい珪素鋼、電磁鋼板、電磁鋼等で表記される軟磁性体で構成される。固定電機子（５）には複数のスロットが設けられこれに電導線の巻き線が設けられている。ホイール（３１）の回転と共に永久磁石（３３）が回転すると固定電機子（５）の巻き線に電流が発生し発電され出力として得ることができる。入力モーター（１１）を回転させる電力に対し発電される電力が大きければエネルギーは増幅されることになる。尚、図（４）では図示していないが、入力モーター（１１）の構造と配線等の詳細と固定電機子（５）の構造と巻き線及び出力電線・配線等の詳細は省略してある。

以下、本発明の実施例の形態を図１〜図４に基づいて説明する。

軟磁性体で構成される中間固定子（２）の内側を空隙を設けて入力として永久磁石を備えた内側回転子（１）を回転させ、前記中間回転子（２）の外側を空隙を設けて永久磁石を備えた外側回転子（３）を回転させ、前記内側回転子（１）の外周径と前記外側回転子（３）の内周径との径差による回転トルクの差を発生出力として得る。

入力は入力モーター（１１）や入力軸（９）の回転により行い、出力は外側回転子（３）と一体で回転するホイール（３１）に結合する出力軸（１０）から得ることができる。又、ホイール（３１）に永久磁石（３３）を設け固定電機子（５）とで発電を行い出力とすることができる。

中間固定子（２）は内周部で軸方向に長く、外周部で軸方向に短くして、透過する磁束・磁力の有効利用を計り、中間固定子（２）の内側径と外側径の差をより大きくすることで、外側回転子（３）の回転トルクを増大させることができる。

他に応用の一例として。本発明のモーターは外側回転子・中間固定子・内側回転子の３層構造で外側回転子に永久磁石を設け、中間固定子は軟磁性体とし、内側回転子に永久磁石を設け、内側回転子の磁力が中間固定子の軟磁性体を通り外側回転子の永久磁石に吸引力と反発力を及ぼすようにしているが、特許文献３に示される「固定子の馬てい形永久磁石」を本発明の外側回転子に、「回転子の半永久磁石」を中間固定子に、「永久磁石コマ」を内側回転子にそれぞれ置き換えて、前記外側回転子と前記内側回転子相互の磁極ＮとＳの回転位置を適宜設定できるようにして、前記外側回転子と前記内側回転子を連動・連結同時回転するようにすれば、前記中間固定子（２）の内側径と外側径の差で生じる回転トルクの差により自力回転が可能と考えられる。この場合、本発明では外側回転子と内側回転子の磁極数は適宜設定できる。

ここで、内側回転子（１）を入力モーター（１１）や入力軸（９）等で回転した場合この入力トルクに前記中間固定子（２）の内側径と外側径の差で生じる回転トルクがプラスされ回転エネルギーを増幅できる。

本発明のモーターの「外側回転子」・「中間固定子」・「内側回転子」と「入力モーター」のそれぞれを、文献３で示されている「固定子の馬てい形永久磁石」・「回転子の半永久磁石」・「回転子の中心へ固定させている永久磁石コマ」と「固定永久磁石コマを少し回すと停止する馬力の調整ハンドル」の機能に置き換え、前記「中間固定子」の外側外周部の軸方向の長さを小とし、内側内周部の軸方向の長さを大とする形状を前記「回転子の半永久磁石」に適用することができる。尚、この形状によって文献３記述の「中心の固定永久磁石コマと回転子の半永久磁石を磨り合わす」ことによる吸着摩擦等の問題が解決される。

１ 内側回転子
２ 中間固定子
２ａ 内周
２ｂ 外周
２ｃ 軸方向面外周部
２ｄ 分割線
３ 外側回転子
３ａ 軸方向面
４ ケース
５ 固定電機子
９ 入力軸
１０ 出力軸
１１ 入力モーター
１２ スリーブ
１２ａ 軸受け
１２ｂ 軸受け
１４ 回転軸
２１ ブラケット
２２ 軸受け
２３ 支柱
２４ スラスト受け
２５ 軸受け
２６ スラスト受け
２７ スラスト受け
３１ ホイール
３２ 配線基盤
３３ 永久磁石
４１ スラスト受け
４２ スラスト受け
４３ 軸受け
４４ スラスト受け

Claims (3)

1. 同心円状に配置される内周部、外周部、中間部の少なくとも３部の磁性体により構成され、互いに接触しない様空隙を保ち。内周部には永久磁石を備え、外周部には永久磁石を備え、中間部には内周部からの磁力を透過するための軟磁性体を備え、中間部の形状は内周部側は軸方向に長くして外周部側は軸方向に短くして内周部の磁力が中間部の内部を透過移動して外周部の永久磁石に反発力と吸引力を作用して外周部又は中間部を誘引回転させることを特徴とするモーター。
2. 同心円状に配置される内周部の内側回転子（１）、外周部の外側回転子（３）、中間部の中間固定子（２）の少なくとも３部の磁性体により構成され。内周部の内側回転子（１）には永久磁石を備え、外周部の外側回転子（３）には永久磁石を備え回転可能であり、回転しない中間部の中間固定子（２）には内側回転子（１）からの磁力を透過するための軟磁性体を備え、内側回転子（１）の回転に伴い内側回転子（１）の磁力が中間固定子（２）の内部を透過移動して外側回転子（３）の永久磁石に反発力と吸引力を作用して外側回転子（３）を誘引回転させることを特徴とする請求項１、３のいずれかに記載のモーター。
3. 前記中間固定子（２）は透過する磁束を効果的に作用させるために、前記内側回転子（１）と空隙を介して面する内周（２ａ）を軸方向に延長し、前記外側回転子（３）と空隙を介して面する外周（２ｂ）を軸方向に短縮したことを特徴とする請求項１、２のいずれかに記載のモーター。