JP3718069B2 - 永久磁石式発電機およびそれを持ったディスケット - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は永久磁石式発電機に関し、特にフロッピーディスクドライブに挿入取り付けられるディスケットに組み込むことができるとともに、そのディスケットにメモリーを組み込んだときに、そのメモリーの入出力電源とすることのできる永久磁石式発電機に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
個人の健康診断結果などの情報をICカードに蓄積しておき、そのICカードを持って医療機関などを訪れたときに、ICカードに入っている情報を基にして医療を行うことができ、また医療を施したときのカルテの内容をICカードに保管することができる。また、電子マネーとしてICカードを使うことも検討されている。すなわち、ICカードに使用する人の銀行口座、暗証番号、必要により口座の残高を記憶させておき、お金を使うたびにICカードを経由して銀行口座との通信決済を行うというものである。
【0003】
またデジタルカメラの撮像情報は比較的情報量が多いので、容量の大きいフラッシュメモリーに保管することが提案されている。フラッシュメモリーは数メガバイトから10メガバイトの容量を持っているのでデジタルカメラの撮像情報をフラッシュメモリーに保管しておき、そのフラッシュメモリーをパソコンに接続することによって、パソコンで処理を行うことができ、その結果をフラッシュメモリーに蓄積することでMOのような追加の外部記憶装置を必要としないというものである。
【0004】
これらのICカードにしてもフラッシュメモリーにしても、それらの入出力装置として独自の機器が必要であり、この必要性のために普及が妨げられている。コンピュータ、特に広く用いられているパソコンの入出力装置としてはフロッピーディスクドライブ特に3.5" フロッピーディスクドライブが一般である。3.5" フロッピーディスクドライブを用いて、ICカードやフラッシュメモリーの入出力が行なえると普及にはずみが付くものと考えられる。3.5" フロッピーディスクドライブを用いてICカードやフラッシュメモリーなどの入出力を行うことも考えられており、3.5" フロッピーディスクドライブに挿入組み込むことのできるアダプターも提案されている。しかし、3.5" フロッピーディスクドライブはそれに挿入する3.5" ディスケット(通常の3.5" フロッピーディスケット)との間には情報の入出力用の磁気ヘッドと、フロッピーディスクを300rpmで回転させるための駆動シャフトは付いているが、給電端子は付いていない。そこで、ディスケット形状をしたアダプターに組み込まれているCPUの電源として、ボタン型の電池をアダプター内に組み込んで使われている。電池は使用するのに伴い消耗するので、長くとも数ヶ月毎にその取替えが必要である。
【0005】
そこで、このディスケット内に発電機を組み込んでおき、3.5" フロッピーディスクドライブの駆動シャフトの回転を用いてその発電機を働かすことができれば、極めて有用なものとなり、ICカードなどが広く利用されるようになるものと考えられる。事実、発電機を3.5" ディスケット内に組み込むことは既に提案されており、日本の特許公報特公平7-86912 号やPCTの国際公表公報特表平7-500238号に記載されている。
【0006】
特公平7-86912 号公報には、3.5" ディスケット内に発電機を組み込むことと、その発電機は回転子と固定子とレギュレータを持つと示されているが、その詳しい構成は示されていない。また、特表平7-500238号公報には、3.5" ディスケットに組み込まれた発電機としてはボスとともに回転する永久磁石が付けられていて、この永久磁石の付いたボスはフロッピーディスクドライブの駆動シャフトによって回転させられることが示されている。またこの永久磁石は円筒形をしており、円筒端面に多数の磁極があるように回転軸方向に磁化されている。固定子ヨークの磁極はこの円筒形永久磁石を挟むように配置されていて、円筒形永久磁石の両側の固定子ヨークの間に固定子コイルが設けられている。この円筒形永久磁石の円周面に磁極を設けた例も示されていて、その場合固定子ヨークの磁極はクローポール型をしている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
このように、これらの公報では、3.5" ディスケットに永久磁石式発電機を組み込むことを述べているが、それに使用するのに適した永久磁石の材質、詳細な回転子の構造、固定子の詳細な構造については述べていないので、いかなる出力を得られるようになったのか不明である。
【0008】
特表平7-500238号公報に開示されているような3.5" フロッピーディスケットに組み込むことのできる大きさをした永久磁石式発電機で、その円筒形をした回転子永久磁石で円筒端面に多数の磁極を持つように回転軸方向に磁化されているものを考えてみる。この場合、円筒端面の両側に小さな磁気空隙を介して固定子磁極が配置されている。発電機に許される厚さは2.0〜2.5mmなので永久磁石の厚みとしては0.5〜0.8mmしか許されない。このように磁極間寸法の短い磁石では保磁力の大きなものを使っても起磁力の小さなものとなってしまう。また、磁石の厚さを大として起磁力を大きくした場合、固定子磁極に許される厚さが薄くなって磁束を十分に通すことができなくなってしまう。
【0009】
また、同公報に示されている円筒状永久磁石の円周面に磁極を設けて、それに対向する固定子ヨークをクローポール型とした永久磁石式発電機の場合、クローポールの両磁極の端部ヨークが発電機に許された2.0〜2.5mmの厚さのなかで対向して設けられて、その両端ヨークの間の永久磁石の間に固定子巻線を施すことになる。固定子巻線に許される長さは永久磁石の厚みよりも少し長い1mm以下であり、十分な巻線数を入れることができないために、出力電圧の低いものとなる。
【0010】
発電機の出力をできるだけ大きくして、歪みのないものとするには、円筒型永久磁石の円周面の磁極が等角間隔で配置されているとともに、固定子ヨークの磁極数を回転子永久磁石の磁極数と同じにして、固定子磁極が永久磁石磁極と対向するようにしておく必要がある。このようにすると固定子磁極と回転子磁極との磁気的な吸引と反発の力が大きくなる。いわゆる、コギングトルクが大きいものとなる。3.5" フロッピーディスクドライブのように低トルクの駆動源を用いて発電機を回転させるとその回転にむらが生じることがあり、安定な出力が得られないことがある。
【0011】
そこで、本発明では、ディスケットに組み込むことができるような薄い永久磁石式発電機であって、発電機のコギングトルクを低減することにより、3.5" フロッピーディスクドライブのように低トルクの駆動源によっても回転が円滑に行われて、安定な出力の得られる永久磁石式発電機を提供することを目的としている。
【0012】
本発明では、永久磁石式発電機を組み込んだディスケットを提供することも目的としている。
【0013】
本発明では、磁気カード入出力用ディスケットに組み込んだときの、入出力端子あるいはカードコンタクト端子による干渉をなくした構造をした永久磁石式発電機を持ったディスケットを提供することを他の目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明の永久磁石式発電機は、ボスとともに回転することのできる永久磁石を持ち、この永久磁石は実質的に等角間隔で並んだ複数の回転子磁極を持ち、これらの磁極は円周方向に互いに違った極性をしている回転子と、複数の回転子磁極のうち少なくとも1個を除いた残りの回転子磁極と磁気空隙を介して対向することのできる位置に固定子磁極を一端に有し軟磁性体材料からできた磁極歯を持ち、前記少なくとも1個と対向することのできる位置では磁極歯が欠落しており、連続して隣り合っている各磁極歯は他端では互いにバックヨークで結合されており、また固定子コイルが巻回されている、固定子とを有する永久磁石式発電機であって、固定子磁極を回転子磁極と同時に対向するように回転子を止めた状態で、固定子磁極と対向していない回転子磁極と対向している固定子磁極面には、その回転子磁極の両側にある、回転子磁極と回転子磁極との間のところ同士を結ぶ軟磁性体片が設けられており、前記軟磁性体片の回転子磁極と対向する面には回転子磁極と対向する位置に溝が設けられていることを特徴とする。
【0015】
また前記永久磁石式発電機は、前記軟磁性体に設けられた溝は、回転子永久磁石の磁極幅を2π(360°)/n(ここでnは極数)としたときに、溝の幅が回転子永久磁石の磁極幅の0.14〜0.4であることを特徴とする。
【0016】
固定子磁極と対向していない前記回転子磁極は連続して少なくとも2極あり、その連続して少なくとも2極ある回転子磁極の両側にある、回転子磁極と回転子磁極との間のところ同士を結んで前記軟磁性体片が設けられていることが好ましい。
【0017】
本発明の永久磁石式発電機を持ったディスケットは、前記磁石式発電機がディスケット内に設けられていることを特徴とする。
【0018】
前記永久磁石式発電機を持ったディスケットは、ディスケットの入出力端子とカードコンタクト端子の少なくとも一方が、磁石式発電機の前記軟磁性体片の外側で磁極歯の欠落した部分に設けられていることが好ましい。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照しながら、本発明の永久磁石式発電機およびその永久磁石式発電機を組み込んでいるディスケットについて詳細に説明する。
【0020】
図1は本発明の永久磁石式発電機を持ったディスケットで、図1(a)はディスケットの平面図(底面図)、図1(b)は図1(a)の1B-1B 断面図、図1(c)は図1(b)の部分拡大図を示す。図2はそこに組み込まれている永久磁石式発電機の平面図である。
【0021】
本発明の永久磁石式発電機およびそれを組み込んだディスケットの構造を説明する。ここでは最も広く用いられている3.5" フロッピーディスクドライブに取り付けられる構造をしたディスケットを用いて説明するが、それ以外のサイズあるいは構造をしたディスケットについても応用できることは以下の説明から明らかとなるであろう。3.5" ディスケット(通常、3.5" フロッピーディスクと呼ばれているもの)1は、図1(a)に平面図(底面図)で示している構造をしており、その大きさは長さ94mm、幅90mm、厚さが3.5mmのディスケットケースとなっている。ケースの一端に入出力用の磁気ヘッドが入り込むための開口13があり、フロッピーディスクドライブに取り付けられる前方の部分にはスライドできるカバー14が付いており開閉できるようになっている。ケースの略中央部にフロッピーディスクドライブの駆動シャフトの回転を伝えられるようになっているボス211があり、フロッピーディスクの場合、このボスと同軸にフロッピーディスクが取り付けられており、回転できるようになっている。
【0022】
本発明の永久磁石式発電機を組み込んだディスケット1においては、ディスケット1の中央のボス211の周りに永久磁石式発電機2が組み込まれており、発電機2の回転子21はそのボス211と、そのボス211の外周に取り付けられてボス211とともに回転できるようになった円環状の永久磁石212で構成されている。発電機の固定子22は、回転子永久磁石212の外周に、永久磁石212の外周面との間に磁気空隙を持って設けられており、ディスケット内部に取り付けられている。なお、磁気空隙の形態は本例に限定されないが、図に示しているディスケット1は、ICカードあるいは磁気カードなどのように磁気ストライプを持ったカード(以下「磁気カード」と呼ぶ)の入出力装置として使われるものなので、磁気カードを挿入するためのスペース15があり、また磁気カードとの間で情報をやり取りするためのカードコンタクト端子16が設けられている。このディスケットとフロッピーディスクドライブの磁気ヘッドとの間で情報のやり取りをするための入出力ターミナル17が、磁気ヘッドが入り込むために開けられた開口13のところに設けられている。入出力ターミナル17とカードコンタクト端子16の間で情報を処理するために必要によりCPU18が設けられている。永久磁石式発電機2はCPU18の駆動およびカードコンタクト端子16などの駆動用電源として用いられるが、発電機からの電気にはリップル等を含んでいることがあり、整流と安定化を必要としており、安定化電源回路19がディスケット内に設けられた発電機2の出力ラインに組み込まれている。
【0023】
永久磁石式発電機2の回転子21はそのボス211がフロッピーディスクドライブの駆動シャフトと係合して、駆動シャフトが回転することによって回転子21が回転させられる。3.5" フロッピーディスクドライブの場合通常はその回転数は300rpmである。このようにボス211がフロッピーディスクドライブの駆動シャフトと係合するので、ボス211の駆動シャフトとの係合部分の構造は通常のディスケットのボスの構造と同じにしておくことが好ましい。
【0024】
図1(a)に破線で永久磁石式発電機2、入出力ターミナル17およびカードコンタクト端子16の位置関係を示しているが、永久磁石式発電機2の固定子ヨークの外周が完全な円となっていると、固定子ヨーク221の外周とこれら入出力ターミナル17やカードコンタクト端子16とが干渉する恐れがある。そこで、発電機の外形をこれらの部分で切り欠いておくことが好ましい。
【0025】
磁気カードの大きさは、通常長さ85mm、幅54mm、厚さ0.8mmである。この磁気カードを入れるスペース15をディスケット1に設けると、図1(a)〜(c)に示しているように組み込んでいる永久磁石式発電機2と重なるので、3.5" ディスケット1の厚さ3.5mmのなかで、両面のディスケットケースカバーの厚さ0.2mmが2枚とすると、磁気カードの厚さが0.8mmで、それの出し入れするための余裕を持たせると、発電機2の厚さは大きくとも2.0mmである。これらのことから、発電機2のサイズは、例えば外径が約55mm、厚さが2mmで、その回転子21のサイズはボス径25mmなので、回転子21の外径は30mm程度のものである。
【0026】
図2に本発明の永久磁石式発電機2の平面図を、図3にその固定子ヨーク221の拡大平面図、図4に図2の4A-4A 断面を(a)に、4B-4B 断面を(b)示している。21は回転子で、ボス211の外周に円環状の永久磁石212が固定されていて、永久磁石212はその外周円周面上に実質的に等角間隔で配置された複数個の回転子磁極を持ち、これらの磁極は円周方向に互いに違った極性、すなわちNSNS………と並んでいる。回転子21のボス211は図示していない発電機ハウジングに付けられた軸に対して回転できるように、銅合金粉末などを焼結して作った含油軸受などで支えられている。
【0027】
永久磁石212の外周に空隙を介して対向するように固定子22に複数個の固定子磁極が設けられている。固定子磁極は、軟磁性体材料で作られた磁極歯223の永久磁石212の外周に対向する側の一端に設けられている。これら磁極歯223の磁極は、回転子磁極のうち少なくとも1個を除いた残りの回転子磁極と同時に対向することのできる位置に設けられている。すなわち、固定子磁極も隣り合っている固定子磁極と実質的に等角間隔で配置されている。連続して隣り合っている固定子磁極を持った磁極歯223は、その他端では互いにバックヨーク224で結合されている。磁極歯223には図1〜3に示しているように、固定子コイル225が巻回されている。磁極歯223に巻かれたコイル225は直列に結線しておくことが好ましい。
【0028】
磁極歯223の回転子外周と対向するところにある固定子磁極は、その隣合っている固定子磁極との間で内ヨーク222で結合されていることが好ましい。回転子磁極に対し固定子磁極が同時に対向することができる位置に設けられているので、コギングトルクが大きなものとなる傾向があるが、内ヨーク222で固定子磁極間を結ぶことによって、磁極間での磁束の漏洩が生じるのでコギングトルクを小さくできている。しかし、コギングトルクを小さくするために、磁極間の漏洩をあまりにも大きくすると、磁極歯の中を通る有効磁束が小さくなるので、固定子磁極間にある内ヨーク222の断面積は、固定子磁極歯223の断面積よりも小さく作られており、例えば磁極歯幅を3mmとして内ヨークの厚さを0.5mmとして、回転子磁極から出た磁束のほとんどは固定子磁極歯の中を通るようになっている。
【0029】
磁極歯の磁極を回転子磁極と同時に対向させたとき、回転子磁極のうちの少なくとも1極は磁極歯(固定子)磁極と対向しないことになる。この対向していない回転子磁極と対向している固定子磁極面には、軟磁性体片228、228′が設けられている。この軟磁性体片228は、回転子磁極の両側にある、回転子磁極と回転子磁極との間のところ同士を結んでいる。図2、3に示している、軟磁性体片228、228′では回転子磁極2極分213と214(213′と214′)の回転子磁極と回転子磁極との間のところ同士を結んでいて、しかも半径方向の長さは図4にあるように通常の磁極歯223よりも小さいものである。図2では、上部にある回転子磁極S213とN214は固定子磁極と対向していない。ここで軟磁性体片228の左端228aは、このS極213とその左隣にあるN極215との間のところ216に位置していて、そこから右に軟磁性体片228が延びている。そして、上部にある対向していないN極214とその右隣にあるS極217との間のところ218まで続いている。この軟磁性体片228には、S極とN極と対向する面上には軸方向に溝229が各々設けられている。
【0030】
また同図の右下の回転子磁極S213′,N214′は固定子磁極と対向していない。固定子磁極に代えて、軟磁性体片228′が対向して設けられている。この軟磁性体片228′は、このS極213′とその右上にあるN極215′との間のところ216′から始まって、対向していないN極214′とその右下にあるS極217′との間のところ218′まで続いている。この軟磁性体片228′には、S極213′とN極214′と対向する部分には軸方向に溝229′が各々設けられている。
【0031】
固定子磁極が回転子磁極と対向する位置に来たときに固定子磁極と対向していない回転子磁極に対向する固定子磁極面には、回転子磁極と回転子磁極との間のところ同士をつなぐ軟磁性体片228、228′が設けられている。またこの軟磁性体片228、228′の上には回転子磁極と対向する位置に溝(軸方向に延びた)229、229′がある。そこで、回転子磁極が固定子磁極からずれた位置にあるときに、回転子磁極間を軟磁性体片が短絡することになる。このとき軟磁性体片が、その端部に対向している回転子磁極を吸引する。一方、回転子磁極が固定子磁極に対向する位置にあるときには軟磁性体片に設けられた軸方向に延びた溝と回転子磁極が対向することになって回転子磁極のその位置での静止が不安定となって、回転子を軟磁性体片の端部の方向に動かすように働く。
【0032】
固定子磁極と対向している回転子磁極はその対向している位置に回転子を静止させようとするが、軟磁性体片と対向している回転子磁極はその位置から回転子を動かそうとするので、回転子のコギングトルクが小さくなる。
【0033】
なお、軟磁性体片228、228′が「回転子磁極の両側にある、回転子磁極と回転子磁極との間のところ同士を結んでいる」と述べたが、この「回転子磁極と回転子磁極との間のところ」という用語は、円筒状永久磁石の外周面に多くの磁極を並べた場合、隣り合った異極性の磁極の中間点を必ずしも意味するものではなく、磁極の略中心を除いた周辺部を言っている。回転子磁極のあるもの(本明細書で言う「少なくとも1個を除いた残りの回転子磁極」)が、固定子磁極と対向したときに、その少なくとも1個の回転子磁極が軟磁性体片に設けられた溝と対向すれば、その位置での吸引力が減少し、その溝の側にある軟磁性体片に回転子磁極が吸引されて回転モーメントが与えられる程度に、軟磁性体片の端が回転子磁極からずれていればよい。
【0034】
発電機の出力は回転子磁極と対向することのできるように設けてある固定子磁極歯に巻いた固定子コイルから得ることができるので、回転子磁極の数が16極で、1極が固定子磁極と対向していないときには回転子永久磁石の磁力として1/16だけ損失となるが、コイルの巻数を増やすことによって補償することができる。このように、回転子磁極と対向すべき場所の固定子磁極を取り除いて。それに代えて軟磁性体片を設けている。取り除かれた固定子磁極の数としては少なくとも1極としておくことがよい。好ましいのは、2極以上連続していることである。また、6極以下、好ましくは5極以下である。軟磁性体片に設けている溝の幅としては、回転子永久磁石の磁極幅の0.14〜0.4であることが好ましい。ここで回転子永久磁石の磁極幅は、その極数をnとしたときに、2π(360°)/nとして求めている。溝の深さとしては、回転子と固定子との磁気空隙以上あればよい。
【0035】
図5は本発明の他の実施例の永久磁石式発電機を持ったディスケットの平面図(底面図)である。この永久磁石式発電機3は、図1に示す発電機2と形状が少し違っている。それに伴い、カードコンタクト端子16、CPU18、安定化電源回路19の位置が少しずれている。この図で永久磁石式発電機3およびその固定子32に付けた参照符号を変えている以外は、図1と同じ参照符号を用いて示している。
【0036】
ここで用いている永久磁石式発電機3は、その平面図を図6に示しているように回転子21の外周面と磁気空隙を介して固定子ヨーク321が設けられている。回転子21の構造は図1に使われているものと全く同じなので説明は省略する。固定子ヨーク321はほぼ平行に並んだ磁極歯323を持っており、各磁極歯323が回転子永久磁石212と対向する一端に固定子磁極を持っている。固定子磁極は回転子磁極と対向することができるようにほぼ等角間隔で位置している。磁極歯323は、この図では2つのブロックに分かれている。すなわち左のブロックと右のブロックである。各ブロックにある磁極歯323は、その他端同士をバックヨーク324で接続されている。出力を得るための固定子コイル325が各磁極歯323に巻かれている。
【0037】
左の磁極歯ブロックと右の磁極歯ブロックの間に当たる回転子の上部と下部には固定子磁極がない。回転子磁極を固定子磁極と対向するように止めたときには、この上部にある2極の回転子磁極が固定子磁極と対向しない。この対向していない回転子磁極と対向している固定子磁極面には、軟磁性体片328が設けられている。この軟磁性体片328は、回転子磁極の両側にある、回転子磁極と回転子磁極との間のところ同士を結んでいる。また、回転子の下部にある3極の回転子磁極が固定子磁極と対向していないことになる。この対向していない回転子磁極と対向している固定子磁極面には、固定子磁極に代えて軟磁性体片328′が設けられている。この軟磁性体片328′は3極の回転子磁極の両側にある、回転子磁極と回転子磁極との間のところ同士を結んでいる。また軟磁性体片328、328′の回転子磁極と対向するところには軸方向に溝329、329′が設けられている。このように軟磁性体片を設けることによって、回転子のコギングトルクが小さくなる。また、この軟磁性体片に回転子磁極と対向するところに溝を付けることで更に回転子のコギングトルクを小さくすることができる。
【0038】
これら軟磁性体片228、228′、328、328′の設けられているところは発電機の固定子22、32に切り欠き226、226′、326、326′の設けられているところに相当する。これは図1(a)、図5に示したディスケット1のように入出力ターミナル17やカードコンタクト端子16が設けられている場合、これらと固定子ヨーク221、321とが干渉するのを避けるために設けられている。固定子ヨーク221、321に切り欠きが設けられているので、固定子22、32の磁極歯223、323の数は切り欠き226、226' 、326、326′の部分にあるべきものがなくなっているので、それだけ少なくなっている。しかし、残りの磁極歯223、323は回転子永久磁石212の磁極と同時に対向することができるように実質的に等各間隔で設けられている。切り欠かれて少なくなっている固定子磁極歯223、323の数は少なくとも1極であり、通常2から5極である。
【0039】
固定子22、32の磁極歯223、323、内ヨーク222、322およびバックヨーク224、324は、ともに軟磁性体で作られている。飽和磁束密度Bsが大きいことは、部品の断面積を小さくして、発電機全体の大きさを小さくする上から好ましいことなので、飽和磁束密度Bsが1.2T以上の軟鉄、電磁軟鉄、圧粉磁心、4〜6%Siを含む珪素鋼板を使うことができる。各磁極歯223、323には出力を取り出すためのコイル225、325が巻かれている。この発電機2、3は全体として平板状をしており、最も厚いところでも2mm以下にする必要があるので、磁極歯223、323に巻いたコイル225、325の最外径、すなわち回転軸方向での厚さを2mm以下にすることが必要である。
【0040】
回転子21に用いている永久磁石212としては既に述べたように円環状の永久磁石が好ましい。この永久磁石212はボス211の外周に接着剤などで固定されている。この円環状の永久磁石は、回転軸方向に適当な長さ、すなわち厚さを持っている。永久磁石厚さは厚くとも2.0mmであり、0.8〜2.0mmで使用することができるが、好ましくは1.0〜1.8mmである。しかしこの寸法は使われるディスケットの寸法や、一緒に組み込まれる機器の構成によって変わってくることは明らかである。
【0041】
円環状永久磁石212は磁化方向の厚さができるだけ厚いことは起磁力の観点からは望ましい。半径方向に磁化容易軸すなわちラジアル異方性を持つ場合、ボス211を強磁性材料で作っておくと、円周面上の隣り合った磁極から磁石の半径方向に入った磁力線が強磁性体のボス211の中で反対極性の磁極から半径方向に入った磁力線に結び付く。また、極異方性の場合、磁石内部で反対極性の磁極同士を磁力線が結んでいる。いずれの場合も、永久磁石212の半径方向の厚さは磁極間距離の1/3〜1/4以上の厚さがあればよいが、2mm以上あることが好適である。
【0042】
永久磁石212の材質としては、焼結したNdFeB磁石が好適である。厚さが比較的薄い(磁化方向の厚さの比較的薄い)永久磁石であるにもかかわらず、大きな逆磁界が印加される上に、形状的に反磁界係数の大きいものなので、NdFeB磁石のように保磁力が大きく、大きな磁束密度を持っているものがよい。焼結のNdFeB磁石は磁気異方性を持っているが、半径方向に磁化容易軸を持つ、すなわちラジアル異方性を持つもの、および円周面上にある隣り合った異極性の磁極間をつなぐ方向に磁化容易軸を持つ、すなわち極異方性を持つものがよい。NdFeBのボンド磁石と呼ばれているNdFeB磁石粉をプラスチックバインダーなどで結合したものも使用することができるが、ボンド磁石の場合焼結NdFeB磁石と比して磁石分の比率が小さいので、発生する磁束は小さくなる。しかし、必要とする出力の小さい場合はボンド磁石を用いて作った永久磁石式発電機でも十分なことがある。
【0043】
本発明の永久磁石式発電機の永久磁石として、NdFeB磁石以外に、(1)窒化物磁石例えばSmFeN磁石、(2)交換スプリング磁石と呼ばれているSmFeNにα鉄を含む磁石、NdFeBにα鉄を含む磁石やNdFeBにFe3 Bを含む磁石等、(3)NdFeBやSmFeNなどのHDDR(水素化・分解・脱水素・再結合)磁石、(4)SmCo磁石なども、要求される特性との兼ね合いで使用することができる。
【0044】
図では、円環状永久磁石212の外周面上に16極の磁極を持ったものを示しているが、本発明においては極数として12〜24極とすることが好ましく、16〜20極とすることは更に好ましいことである。極数が少ないと、1極当たりの磁束量は大きくなるが、発電機の出力の最も大きくなるのが16〜24極である。しかし、極数を多くしていくと、固定子の半径方向に延びた磁極歯間の空間が小さくなり、磁極歯のコイルの巻き数が少なくなってくる。その上、固定子の製作に困難が伴い、また出力の電圧波形に歪みが生じるなどの問題があるので、16〜20極が最適である。
【0045】
固定子磁極歯223、323の磁極厚さは、永久磁石212の回転軸方向長さ、すなわち厚さよりも小さくすることが必要である。すなわち、回転子軸方向長さよりも固定子磁極歯厚さが大きいか、同等の厚みの場合、固定子巻線の厚み分以上固定子が回転子よりも厚くなる事になる。軸方向長さの制約がはなはだしい本発明のような発電機の場合、限られた軸方向長さに対し空間の利用効率を高くするには、固定子の磁極厚みと、それに巻回された巻線との全体の軸方向長さを回転子の軸方向長さとほぼ同じ長さとする事が重要である。この高い空間の利用効率を実現するには、固定子磁極の歯厚みを回転子の厚みに比べて薄くし、巻線を含めた固定子全体の厚みを固定子の軸方向長さに近づけることが有効である。このように固定子磁極歯223、323の厚さを永久磁石厚さよりも小さくすることによって、発電機2、3として大きな出力が得られる。しかし、この固定子磁極歯223、323の磁極厚さは永久磁石212から出る磁力線によって飽和しないだけの厚みを持っている必要がある。図4(a)に永久磁石式発電機2の固定子22と回転子21の主要部の断面を示し、固定子磁極歯の厚さt1と磁石厚みt2を示している。この図でt1<t2であることが必要である。これは固定子22を構成している磁極歯223の中に永久磁石212の磁極から出た磁力線を集中させて磁極歯内の磁束密度を大きくするためである。永久磁石212の持っている磁束密度と、固定子磁極歯223の飽和磁束密度を比較してみると、既に述べたように固定子磁極歯223は軟磁性材料で作られていて、その飽和磁束密度は1.2T以上であるのに対して、永久磁石212は最も磁力の強い焼結NdFeB磁石であってもその残留磁束密度が1.2〜1.3Tなので作動点での磁束密度は1.0T程度である。焼結したNdFeB磁石を回転子永久磁石212として用いて、1.2T以上の飽和磁束密度を持った固定子22を用いている場合、永久磁石厚みの30%〜70%の厚さを持った磁極歯223、323が好ましい。
【0046】
【実験例】
本発明の永久磁石式発電機を、以下に示す実験によって更に詳しく説明するとともに、その実施条件などを明らかにする。
【0047】
表1に示す設計条件に基づいて作製した図2に示す永久磁石式発電機について、軟磁性体片に設けた溝(深さ1.5mm)の幅を0mmから2.2mmまで変えて、その時のコギングトルクと出力電圧を測定した。その結果を表2に示す。
【0048】
コギングトルクは表2から明らかなように、軟磁性体片を設けることによって小さくすることができ、軟磁性体片に設けた溝の幅を3.1から8.6°の間とすることによって、コギングトルクが更に小さくすることができた。回転子の磁極幅は360°/16極から求めると22.5°/極なので、その0.14〜0.4の溝を設けるとよいことがわかる。このときの出力は変化せず4.2Vであった。
【0049】
【表1】
【0050】
【表2】
【0051】
【発明の効果】
以上詳しく説明したように、本発明によって3.5" ディスケットに組み込むことのできる全体として平板状をしており、コギングトルクの小さい永久磁石式発電機が得ることができた。この発電機では、ディスケットに組み込む際に問題となる入出力端子およびカードコンタクト端子を避けるために切り欠きを付けており、その部分でコギングトルクを小さくするようにすることができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の永久磁石式発電機を持ったディスケットで、(a)はディスケットの平面図(底面図)、(b)は(a)の1B-1B 断面図、(c)は(b)の部分拡大図を示す。
【図2】図1のディスケットに使用している、本発明の永久磁石式発電機の平面図である。
【図3】図2の永久磁石式発電機に用いている固定子ヨークの平面図である。
【図4】図2に示す永久磁石式発電機の4A-4A 断面を(a)に、4B-4B 断面を(b)に示す。
【図5】本発明の他の実施例の永久磁石式発電機を持ったディスケットの平面図(底面図)である。
【図6】図5のディスケットに使用している、本発明の永久磁石式発電機の平面図である。
【符号の説明】
1 ディスケット
13 開口
14 カバー
15 (磁気カード)スペース
16 カードコンタクト端子
17 入出力ターミナル
18 CPU
19 安定化電源回路
2、3 (永久磁石式)発電機
21 回転子
211 ボス
212 永久磁石
213、213′、217、217′ S極
214、214′、215、215′ N極
22、32 固定子
221、321 固定子ヨーク
222、322 内ヨーク
223、323 磁極歯
224、324 バックヨーク
225、325 コイル
226、226’、326、326′ 切り欠き
228、228′、328、328′ 軟磁性体片
228a 左端
229、229′、329、329′ 溝
Claims (5)
- ボスとともに回転することのできる永久磁石を持ち、この永久磁石は実質的に等角間隔で並んだ複数の回転子磁極を持ち、これらの磁極は円周方向に互いに違った極性をしている回転子と、複数の回転子磁極のうち少なくとも1個を除いた残りの回転子磁極と磁気空隙を介して対向することのできる位置に固定子磁極を一端に有し軟磁性体材料からできた磁極歯を持ち、前記少なくとも1個と対向することのできる位置では磁極歯が欠落しており、連続して隣り合っている各磁極歯は他端では互いにバックヨークで結合されており、また固定子コイルが巻回されている、固定子とを有する永久磁石式発電機であって、固定子磁極を回転子磁極と同時に対向するように回転子を止めた状態で、固定子磁極と対向していない回転子磁極と対向している固定子磁極面には、その回転子磁極の両側にある、回転子磁極と回転子磁極との間のところ同士を結ぶ軟磁性体片が設けられており、前記軟磁性体片の回転子磁極と対向する面には回転子磁極と対向する位置に溝が設けられていることを特徴とする永久磁石式発電機。
- 前記軟磁性体に設けられた溝は、回転子永久磁石の磁極幅を2π(360°)/n(ここでnは極数)としたときに、溝の幅が回転子永久磁石の磁極幅の0.14〜0.4であることを特徴とする請求項1記載の永久磁石式発電機。
- 固定子磁極と対向していない前記回転子磁極は連続して少なくとも2極あり、その連続して少なくとも2極ある回転子磁極の両側にある、回転子磁極と回転子磁極との間のところ同士を結んで前記軟磁性体片が設けられていることを特徴とする請求項1あるいは2記載の永久磁石式発電機。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の磁石式発電機がディスケット内に設けられていることを特徴とする永久磁石式発電機を持ったディスケット。
- ディスケットの入出力端子とカードコンタクト端子の少なくとも一方が、磁石式発電機の前記軟磁性体片の外側で磁極歯の欠落した部分に設けられていることを特徴とする請求項4に記載の永久磁石式発電機を持ったディスケット。
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