JP2020103018A - 回転装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電用回転装置は、永久磁石とステーターの磁極間間隙をローターの回転速度が最速となる最適磁極間間隙を自動的に成形保持して前記逆起電力発生装置によるスパイク電圧を最適状態で安定発生させることができるスリム化した発電用回転装置を提供する【解決手段】回転駆動軸に軸心を連結したローターにおいてその円周方向に沿い且つ等回転角度間隔で且つ半径方向線上に沿って移動可能に永久磁石を配列し、前記永久磁石と同じ等回転角度間隔で且つ前記永久磁石の円形通過路の内周側において通過する永久磁石に対して前記ローターの静止時の僅少の磁極間間隙で電磁石を対面配置したステーターを設け、前記永久磁石はバネ機構により支持してローターの回転によりその半径方向線上で前記電磁石に対する前記磁極間間隙が自己の遠心力と前記バネ機構により拡張変位可能にしてなることを特徴とする回転装置。【選択図】図１

Description

本発明は、効率よく回転させる発電用又は回転駆動用に最適な回転装置に関するものである。

基本的なモーターや発電機は、回転子（ローター）と固定子（ステーター）で構成される。ローターとステーターのギャップを間隙（または空隙）と呼び、その空間を磁力線が伝わって、電磁誘導による回転運動や発電を行う。
間隙は小さいほど、つまりローターとステーターが近づくほど、モーターは強い力を出し、発電機は大きな電力を生む。ただ、間隙を小さくしすぎると、ローターまたはステーター上に配置された磁石により磁力の不均一な脈動が発生し、回転運動の抵抗となる。回転が高速になるとこの脈動は運動エネルギーの損失となるので、回転速度に応じて最適な間隙の距離に調整することが望ましい。
回転速度に応じた間隙距離の調整には様々な方法が考えられる。回転数を電子的に検出して間隙を調整できるようなソレノイドやギア／モーターのような構造もある。

本発明は最適化調整のための電子回路や駆動装置を必要とせず、回転に伴う永久磁石の遠心力を利用して電磁石と永久磁石との磁極間間隙をローターの回転速度が最速となる最適磁極間間隙に自動的に成形保持する回転装置を提供する。

上記課題を満足させる本発明の回転装置における主な技術構成は、次の（１）〜（４）の通りである。

（１）、回転駆動軸に軸心を連結したローターにおいてその円周方向に沿い且つ等回転角度間隔で且つ半径方向線上に沿って移動可能に永久磁石を配列し、前記永久磁石と同じ等回転角度間隔で且つ前記永久磁石の円形通過路の内周側において通過する永久磁石に対して前記ローターの静止時の僅少の磁極間間隙で電磁石を対面配置したステーターを設け、前記永久磁石はバネ機構により支持してローターの回転によりその半径方向線上で前記電磁石に対する前記磁極間間隙が自己の遠心力と前記バネ機構により拡張変位可能にしてなることを特徴とする回転装置。

（２）、前記電磁石の吸引・反発力＜バネ機構の弾性反発力＜永久磁石の遠心力の関係に設定して、前記永久磁石の遠心力とバネ機構による前記磁極間間隙を前記ローターの最大回転数になる間隙にしたことを特徴とする前記（１）に記載の回転装置。

（３）、回転駆動軸に軸心を連結したローターにおいてその円周方向に沿い且つ等回転角度間隔で且つ半径方向線上に沿って移動可能に永久磁石を配列し、前記永久磁石と同じ等回転角度間隔で且つ前記永久磁石の円形通過路の内周側において通過する永久磁石に対して前記ローターの静止時の僅少の磁極間間隙で電磁石を対面配置したステーターを設け、前記永久磁石はバネ機構により支持してローターの回転によりその半径方向線上で前記電磁石に対する前記磁極間間隙が自己の遠心力と前記バネ機構により拡張変位可能にしてなり、前記バネ機構には前記永久磁石に対する電磁石の吸引・反発力を吸収するダンパーを付設したことを特徴とする回転装置。

（４）、前記電磁石の吸引・反発力＜ダンパーの粘性力＜バネ機構の弾性反発力＜永久磁石の遠心力の関係に設定して、前記永久磁石の遠心力とバネ機構による前記磁極間間隙を前記ローターの最大回転数になる間隙にしたことを特徴とする前記（３）に記載の回転装置。

＜本発明における前記特徴とする技術条件の定義を次に説明する＞
本発明において、前記バネ機構とは、ＪＩＳＢ０１０３（ばね用語）で記載の定義を含むもので、「物体の弾性又は変形によって蓄積されたエネルギーを利用することを主目的とする機械要素」である。
例えば金属、ゴム、プラスチック他に動物の腸・髭・皮等を用いたものや植物では、草・木の皮等の繊維、竹・幹・樹液・蔓等また鉱物ではセラミック等を素材として、材料が持つ弾牲をより有効に利用できる形（：コイル状バネ、棒状バネ、パイプ状バネ等、更にこれ等バネを任意に組み合わせたにつくられた複合バネ等）にしたもので、力を受けて変形した後その力が除かれた時に元の形にもどる復元強さを有する機械要素を総称する。
例えば実施例１及び実施例２に示す板バネ４００、４００−１，４００−２及びバネ機構を言う。この他に図５に示すように弾性コイルバネ４００−４、エアーバネ、或いは図６に示すようにもう一つのバネ用永久磁石４００−５を前記永久磁石３００に対してその背面側（：ローター２００の外周方向端部側）に磁極を反発関係で対面させて間隔をおいて固定配置し、その反発力作用を前記永久磁石３００に作用させるタイプ、もしくは図７に示すようにローター２００自体に永久磁石３００を支持する構造の片支持バネ４００−３を形成してローター２００の半径方向線上を弾性変形作用するタイプ等を利用することなどが例記できる。

本発明において前記ダンパー６００は、前記バネ機構４００のバネ作用を遅延させる粘性のあるものであり例えばクッションゴム、エアー式ショックアブソーバー等を前記バネ機構に単に併設したもの、或いは実施例２に示す如く板バネ４００−１，４００−２間にクッションゴム６００−１をラミネートしたもの、或いはコイルバネにクッション用の合成樹脂を被覆したもの等の合体タイプ等が例示される。

本発明において、前記ローター及びステーターの配置型は水平型、竪型、斜め型等に拘らず自在配置である。

本発明において、ローターにおける永久磁石の配置は、前記電磁石と共に同一回転角度間隔で配列し、且つローターの回転によりその半径方向線上で前記電磁石に対する磁極間間隙を、自己の遠心力でバネ機構を介して変位可能に支持するため、電磁石は前記永久磁石の円形通過路の内周側とするものであるが、この際、永久磁石はローター外周側をＮ極又はＳ極の同極配置しローター内周側を反対のＳ極又はＮ極の同極配置とし、その形状は板状、円盤状、円筒形・多角筒形の筒状ピストン形状にし、そのまま又は実施例２に示すように先端部を除いてケースに収容し、該ローターには該永久磁石又は該永久磁石と前記ケース共々ローター半径方向に移動可能にガイドするシリンダータイプの形成配置が好ましい。

＜本発明の前記特徴とする技術条件による作用効果を次に説明する＞
本発明の回転装置は、前記（１）〜（２）の構成により、「ローターの回転運動」と「永久磁石の遠心力」と「永久磁石ローター力で作用するバネ機構の弾性変形力」を利用して、前記初動時の磁極間間隙をローターの回転速度が最速となる最適磁極間間隙に自動的に成形保持することが可能になる。

叉、本発明の回転装置は、前記（３）〜（４）の構成により、「ローターの回転運動」と「永久磁石の遠心力」と「永久磁石の遠心力で作用するバネ機構の弾性変形力」と「ダンパーによる電磁石からの吸引・反発力の吸収でバネ機構の微振動の抑制作用」を利用して、永久磁石に対する電磁石の反発吸引作用による永久磁石の脈動を打消して回転抵抗を減退しながら前記磁極間間隙をローターの回転速度が最速となる最適磁極間間隙に自動的に確実に安定成形保持するものである。
即ち、換言すれば永久磁石の回転に伴う変位は、遠心力だけではなく対向する電磁石からの磁力によっても変化しうる。この変化は、回転に伴って磁石と電磁石が接近・離反を繰り返すタイミングとバネ機構の弾性運動によって不必要な振動を起こすことがある。このような振動は、永久磁石がローター回転による遠心力でスムーズな半径方向線上の移動を阻害する抵抗となりうる。このようなバネ機構自体の有害な振動を抑えるために前記のダンパーを備えるのである。ダンパーは前記脈動を抑えて永久磁石の微振動を防ぐ役割を果たし、円滑最適なローター最高速回転を確保する。

叉、ローター及びステーターの配置を竪型、横型（水平型）、斜め型等自在配置を可能にして、発電用及び駆動用の回転装置のスリム化を実現し、応用範囲を自転車電源又は駆動モーター、自動車電源又は駆動モーター、簡易家庭用発電機又は駆動モーター、各種工業用発電機又は駆動モーター等に利用可能にするなどその用途の汎用性は計り知れず回転装置産業に貢献すること多大なものがある。

磁極間間隙と最大回転数の関係例を示すグラフ。 最適回転数を実現するための実施例１を示す図である。 図２に示す実施例の詳細説明図である。 最適回転数を実現するための実施例２を示す図である。 実施例３を示す図である。 実施例４を示す図である。 実施例５を示す図である。

発明を実施するための形態を図１〜図３に示す実施例１及び図４〜図５に示す実施例２により詳細に説明する。

図１〜図３に示す本実施例１は、回転駆動軸１０に軸心を連結したローター２００においてその円周方向に沿い且つ等回転角度間隔で且つ半径方向線上に沿って移動可能に永久磁石３００を配列し、前記永久磁石３００と同じ等回転角度間隔で且つ前記永久磁石３００の円形通過路の内周側において通過する永久磁石３００に対して前記ローター２００の静止時の僅少の磁極間間隙で電磁石５００を対面配置したステーター１００を設け、前記永久磁石３００はバネ機構４００により支持してローター２００の回転によりその半径方向線上で前記電磁石５００に対する前記磁極間間隙が自己の遠心力と前記バネ機構４００により拡張変位可能にしてなる回転装置である。

そして前記永久磁石３００の遠心力とバネ機構４００とダンパー６００とによる前記磁極間間隙の拡張変位がローター２００の最大回転数との関係を満たすバネ機構４００の弾性反発力と電磁石５００の吸引・反発力と永久磁石３００の遠心力を設定してなる回転装置である。
この設定関係は「電磁石５００の吸引・反発力＜バネ機構４００の弾性反発力＜永久磁石３００の遠心力」の関係に設定することにより、前記永久磁石３００と電磁石５００との前記磁極間間隙を前記ローター２００の最大回転数になる間隙にすることが出来る。

この基本的な構成・作用効果は以下に示す新規な発見に基づくものである。
図１は、図２と図３に示すあるモーターにおけるローター２００の永久磁石３００とステーターの電磁石５００の磁極間間隙とローター２００の回転数（ＲＰＭ）の関係（実測値）を示す。
前記磁極間間隙の最小距離を２ｍｍに定め、その間隙における最速ＲＰＭを、磁極間間隙の値を変えながらそれぞれ計測した。
因みに、
１．ローター２００は半径１８ｃｍ、
２．永久磁石３００の仕様：
ネオジム磁石、直径１ｃｍ、長さ２ｃｍの円筒形、重量１１．５６ｇ
吸引力＝４０６１ｇｆ
表面磁束密度＝５３２７Ｇａｕｓｓ
３．ステーターの半径＝１５ｃｍ、重量＝約２８００ｇ
４．電磁石５００の仕様：
全長＝６ｃｍ、０．６ｍｍ径の銅線７，０００ｃｍ長、コア径＝１．３ｃｍ、コア材質＝軟鉄
５．板バネ４００のバネの弾性係数：
質量（ｍ）１１．５６ｇの磁石が、半径（ｒ）１８ｃｍで毎分７２０回転（ｒｐｍ）の円運動をする場合、遠心力（Ｆｃ）はＦｃ＝１１．８３Ｎ（ニュートン）となる。
本機で用いたバネは近似的に、一端を支持し他方を自由端とする板バネとして、また幅に対する長さを十分に大きく取る形状として、バネの弾性係数Ｅは、数１で求められる。

ここで、Ｐはバネにかかる重量（Ｎ）で近似的に遠心力による荷重（Ｐ≒Ｆｃ）、１は固定端から荷重点までの距離（ｍｍ）、ｂとｈはそれぞれ板バネの幅と厚み（ｍｍ）、そしてνはポアソン比で一般的に約０．３の値となる。
ゆえにバネの弾性係数Ｅ＝１８４×１０^３Ｎ／ｍｍ^２となり、通常のステンレス鋼の特性と同等となる。ここではδ＝３ｍｍ、ｂ＝４０ｍｍ、ｈ＝１ｍｍ、そしてｌ＝８０ｍｍの値を用いた。
ローター２００が停止中の或いは回転初動時の該磁極間間隙の必要最小値を２ｍｍとすると、最大の磁束密度のため強力なトルクを持つが、前述の脈動抵抗のため最大回転数は低い領域となる。
磁極間間隙をその距離における最大回転数を確認しながら広げていくと、最大回転数はほぼ線形に増加し、磁極間間隙が約４．５ｍｍのところで回転数が最大値７２０ＲＰＭを示し、さらに磁極間間隙を広げると該最大値から回転数は低下する。
このことは、電磁石５００の磁極が永久磁石３００から遠ざかり、磁束密度が高くなることでの現象である。

前記の「磁極間間隙と最大回転数」の関係から、ローター２００の回転始動時には磁極間間隙を狭く取り、磁束密度を最大限に利用して大きなトルク（または発電の場合には発電量）が得られるようにし、回転数が増加するにつれて磁極間間隙を徐々に広げ、永久磁石３００及び電磁石５００による反発吸引の脈動の力学的損失を軽減するように回転を効率化させ、最大回転数を得ることが望ましい。

このことを実現するために図２のような装置構造で回転装置の最適化が実現する。
図２に示す本例の回転装置は、回転駆動軸１０に軸心を連結したローター２００の円周方向に等回転角度間隔で永久磁石３００を配列し、前記永久磁石３００の円形通過路の内周側において、通過する永久磁石３００に対してローター２００の静止時に最大回転トルクを発生する僅少磁極間間隙Ｘ_０で電磁石５００を対面配置したステーター１００を設け、前記永久磁石３００はローター２００の回転によりその半径方向線上で前記電磁石５００に対する磁極間間隙を永久磁石３００の遠心力Ｆｃとバネ機構４００により変位可能に支持し、前記永久磁石３００の遠心力Ｆｃをバネ機構４００による磁極間間隙の変位がローター２００の最大回転数との関係を満たすバネ機構４００の弾性反力（：バネ係数）と永久磁石３００及び電磁石５００の磁力を前述の関係に設定してなる．

このようにステーター１００の周りをローター２００が囲み、永久磁石３００はローター２００に組み込まれたバネ機構としての板バネ４００に取り付けられ、回転速度が増すと永久磁石３００の遠心力により永久磁石３００と電磁コイル５００の磁極間間隙は拡張変化するが、
（１）初動時には最大トルクとなる磁極間間隙Ｘ_０
（２）高速回転時には脈動による損失が最小の磁極間間隙Ｘｃ、
となり回転の最適化が実現できる。

図３では、ローター２００の初動時と高速回転時における磁極間間隙の変化を拡大して示す。モデル的に簡略図示しているが永久磁石３００及び電磁コイル５００は例えば僅少の配置間隔で且つ１８度の等回転角度間隔で２０個配置してある。
回転の初動では、磁極間間隙は最小値のＸ_０で、磁束密度が最大の状態となり、最大のトルクを生み出す。
ローターの回転速度が上がるにつれ、永久磁石３００の遠心力Ｆｃは数２で算出できる。

（ここで、ｍは永久磁石３００の質量、ｒはローター２００の回転半径、ωはローター２００の回転速度。）
永久磁石３００の遠心力Ｆｃが板バネ４００の変位（Ｘｃ−Ｘ_０）に釣り合うように該磁極間間隙が広がる。ただし、永久磁石３００と電磁石５００の吸引・反発の影響で、多少該間隙変位の値は修正する必要はある。
この磁極間間隙の変位が、前記ローター２００の最大回転数と磁極間間隙の関係を満たすように、板バネ４００のバネ係数や永久磁石３００と電磁石５００の磁力の修正を行うと、回転装置は外部からの制御機構なしに自己最適化を行うことができる。
本発明における前記実施例１ではバネ機構として板バネ４００を例示したが他の例として前述定義で紹介した各種のバネ機構においても同様な前記作用効果が享受された。

実施例２は、図４に示すように、回転駆動軸１０に軸心を連結したローター２００においてその円周方向に沿い且つ等回転角度間隔で且つ半径方向線上に沿って移動可能に永久磁石３００を配列し、前記永久磁石３００と同じ等回転角度間隔で且つ前記永久磁石３００の円形通過路の内周側において通過する永久磁石３００に対して前記ローター２００の静止時の僅少の磁極間間隙で電磁石５００を対面配置したステーター１００を設け、前記永久磁石３００はバネ機構４００−１，４００−２により支持してローター２００の回転によりその半径方向線上で前記電磁石５００に対する前記磁極間間隙が自己の遠心力と前記バネ機構４００により拡張変位可能にしてなり、前記バネ機構４００−１，４００−２にはそのバネ作用を吸収するダンパー６００を付設した回転装置である。

そして前記永久磁石３００の遠心力とバネ機構４００−１，４００−２とダンパー６００とによる前記磁極間間隙の拡張変位がローター２００の最大回転数との関係を満たすバネ機構４００の弾性反発力とダンパー６００の粘性力と電磁石５００の吸引・反発力と永久磁石３００の遠心力を設定してなる回転装置である。
この設定関係は「前記ダンパー６００の粘性力＜電磁石５００の吸引・反発力＜バネ機構４００−１，４００−２の弾性反発力＜永久磁石３００の遠心力」の関係に設定することにより、前記永久磁石３００と電磁石５００との前記磁極間間隙を前記ローター２００の最大回転数になる最適間隙にすることが出来る。

図４の（１）において、ステーター１００には外周に等回転角度間隔で１２個の電磁石５００を配置し、ローター２００には電磁石５００と同等の等角度間隔で１２個の永久磁石３００が固定ケース２０で保持され固定ケース２０の両側各々を板バネ４００−１，４００−２を介してローター２００に接続し支持されている。つまり永久磁石３００は固定ケース２０と共に安定したローター半径方向の変位が可能に取り付けられている。
前記図４の（１）の模式図を拡大して見ると、ローター２００の回転静止中を示す図４（２）のように永久磁石３００を支持した板バネ４００−１，４００−２がダンパー機能を有する樹脂や空気コンテナ等のダンパー６００を挟む。これでローター２００の回転中は永久磁石３００に電磁石５００から吸引・反発力を受けるとダンパー６００がその振動を吸収して板バネ４００−１，４００−２と永久磁石３００の微脈動を防止する。
図４の（３）（４）は回転中に永久磁石３００がその遠心力によりローターの半径方向線上で変位している状態を示す。
この場合の遠心力による変位は、
遠心力Ｆｃは、負荷質量ｍ＝１０ｇ、
回転速度ω＝２π×６００（ＲＰＭ）／６０秒＝６２．８ｓ^−１
半径ｒ＝０．１４ｍ の場合
Ｆｃ＝ｍｒω^２＝５，５２Ｎ＝０．５６ｋｇ重
となり、板バネ４００−１，４００−２による永久磁石３００の変位は、約３ｍｍになるように板バネ４００−１，４００−２の材質（弾性係数）と長さを選び、さらにダンパー材の粘性力（：粘性係数）を調整する。

その他の例

回転体の最適化は、回転とそれに伴う遠心力を利用して、ローター２００とステーター１００の間隙調整を自動的に行うものであるが、それを実現するための機構としては、実施例１及び実施例２以外に様々なバリエーションが多義に亘る。そのいずれもが「回転運動」と「遠心力」を利用した調整方法となる。
ローター２００に取り付けられた永久磁石３００を、運動する円軌道に対して法線方向に変異させる機構は、前記板バネ機構４００、４００−１，４００−２以外に、図５に示す実施例３のようにローター２００自体に片支持式のバネアーム４００−３を形成しこれに永久磁石３００を装着しバネアーム４００−３の弾性作用を利用する場合、また図６に示す実施例４のようにもう一つの永久磁石式バネ機構４００−５による反発バネ作用の利用、もしくは、図７に示す実施例５のようにコイル状のスプリング機構４００−４とエアーシリンダ式のショックアブソーバ６００−１（防振ダンパー）との組み合わせ機構の採用により、実施例２と同様に電磁石からスプリング機構４００−４自体が受ける有害な脈動による永久磁石３００の振動を防ぐ役割を果たす。

本発明は、前述の優れた作用効果を呈して応用範囲を自転車電源及び駆動モータ、自動車電源及び駆動モータ、簡易家庭用発電機及び回転機器モータ、各種工業用発電機及び駆動モータ等に利用可能して、発電及び電機器の回転駆動モータ産業界に寄与と発展に貢献すること多大なものがある。

１００：ステーター
２００：ローター
３００：永久磁石
４００、４００−１，４００−２，４００−３，４００−４、４００−５：バネ機構例
５００：電磁石
６００、６００−１：ダンパー
７００：ホルダー
Ｘ_０：初動時には最大トルクとなる最少磁極間間隙
Ｘｃ：最高速回転時には脈動による損失が最小となる最適磁極間間隙

Claims (4)

1. 回転駆動軸に軸心を連結したローターにおいてその円周方向に沿い且つ等回転角度間隔で且つ半径方向線上に沿って移動可能に永久磁石を配列し、前記永久磁石と同じ等回転角度間隔で且つ前記永久磁石の円形通過路の内周側において通過する永久磁石に対して前記ローターの静止時の僅少の磁極間間隙で電磁石を対面配置したステーターを設け、前記永久磁石はバネ機構により支持してローターの回転によりその半径方向線上で前記電磁石に対する前記磁極間間隙が自己の遠心力と前記バネ機構により拡張変位可能にしてなることを特徴とする回転装置。
2. 前記電磁石の吸引・反発力＜バネ機構の弾性反発力＜永久磁石の遠心力の関係に設定して、前記永久磁石の遠心力とバネ機構による前記磁極間間隙を前記ローターの最大回転数になる間隙にしたことを特徴とする請求項１に記載の回転装置。
3. 回転駆動軸に軸心を連結したローターにおいてその円周方向に沿い且つ等回転角度間隔で且つ半径方向線上に沿って移動可能に永久磁石を配列し、前記永久磁石と同じ等回転角度間隔で且つ前記永久磁石の円形通過路の内周側において通過する永久磁石に対して前記ローターの静止時の僅少の磁極間間隙で電磁石を対面配置したステーターを設け、前記永久磁石はバネ機構により支持してローターの回転によりその半径方向線上で前記電磁石に対する前記磁極間間隙が自己の遠心力と前記バネ機構により拡張変位可能にしてなり、前記バネ機構には前記永久磁石を介して伝達される電磁石の吸引・反発力による振動を吸収するダンパーを付設したことを特徴とする回転装置。
4. 電磁石の吸引・反発力＜ダンパーの粘性力＜バネ機構の弾性反発力＜永久磁石の遠心力の関係に設定して、前記永久磁石の遠心力とバネ機構による前記磁極間間隙を前記ローターの最大回転数になる間隙にしたことを特徴とする請求項３に記載の回転装置。