JP5001418B2 - 磁力回転装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転軸の軸方向に沿って配置された複数の磁極を有する多極電磁石が設けられた固定子と、上記多極電磁石の各磁極に対向する位置に配置された１つ又は複数の界磁体からなる界磁体群を有する固定子とを具備する磁力回転装置に関する。

従来より、回転可能な回転軸の円周領域に永久磁石（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が発生する磁界に対して反発力を発生させる磁界を発生す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乃至３参照）。

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。電磁石と対向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界が発生する。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。磁力回転装置はこのような反発力を利用して回転体に対して回転トルクを発生させることにより、回転体を回転させている。

特許文献３に記載の磁力回転装置は、Ｕ字型の電磁石を小値広角度トルクが発生する回転角度領域で通電させ、回転子を負の方向に回転させる大値狭角度トルクが発生する回転角度領域で電磁石への通電を遮断し、回転子を正の方向に回転させる小値広角度トルクが発生する回転角度領域で電磁石を再度通電することにより、電磁石と永久磁石との間に生じる反発力及び吸引力の双方を利用して、回転体を回転させている。

特許第２９６８９１８号公報 特許第３７１３３２７号公報 特許第３８９７０４３号公報

前掲の各特許文献に記載の磁力回転装置では、磁界を発生させる手段として、一方側にＮ極及びＳ極が配置された概ねＵ字状の電磁石が用いられている。この電磁石が複数用いられる場合は、特許文献２に示されるように、隣接する磁極の極性が異なるように各電磁石が配置される（特許文献２の図７参照）。また、特許文献２に記載の磁力回転装置では、より大きな出力を得るために、隣接する磁極の極性が異なるようにＵ字状の永久磁石を各回転体に設けて、軸方向へ所定間隔を隔てられた４列の磁極列を回転体に配置させている。そして、この４つの磁極列それぞれに対してＵ字状の電磁石を２つ並べて設けて、各電磁石の各磁極に磁界を発生させている。

しかしながら、図８に示されるように、従来の磁力回転装置において電磁石８１を複数用いる場合は、隣接する磁極８２の極性が異なるように各電磁石８１が配置されている。この場合、例えば、電磁石８１のＳ極と永久磁石のＳ極との間に生じる反発力を利用して回転力を発生させる機構において、特許文献２の図１０に示されるように、電磁石８１Ａの磁極８２Ａ（Ｓ極）に、隣接する電磁石８１Ｂの磁極８２Ｂ（Ｎ極）を近接して配置させると、磁力回転装置を回転軸の軸方向へコンパクトにすることができる。しかしながら、磁極８２Ｂの磁束によって磁極８２Ａに対向配置された永久磁石のＳ極との間に無視できない大きさの吸引力が発生し、その吸引力によって反発力の一部が打ち消されるため、磁力の利用効率が著しく悪化する。また、磁極８２Ｂに対応する永久磁石も隣接する永久磁石に近接するように配置せざるを得なくなり、この場合、磁極８２Ａは、それに対向するＳ極の永久磁石に近接されたＮ極の永久磁石との間で吸引力を生成するため、反発力が吸引力によって打ち消されてしまい、磁力の利用効率が悪くなるという問題がある。つまり、磁力の利用効率を向上させようとすると装置が大型化し、装置を小型化しようとすると磁力の利用効率が悪化することになる。

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、磁力の利用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、固定子と回転子とを具備する磁力回転装置として構成されている。固定子には、少なくとも一つの多極電磁石が設けられている。多極電磁石はｎ＋１個（ｎは３以上の奇数）の磁極を有する。これらｎ＋１個の磁極は、回転軸の軸方向に隣接する極性が異なるように上記軸方向に沿って配置されている。回転子は、回転軸の周方向に沿って配置された１つ又は複数の界磁体からなる複数の界磁体群を有する。これら複数の界磁体群は、上記多極電磁石の磁極それぞれに対して同極性の磁極が対向するように回転軸の軸方向に並んで設けられている。磁力回転装置は、上記多極電磁石及び上記界磁体の少なくともいずれか一方の磁界が他方に作用することにより回転力又は誘導起電力を生成する。上記多極電磁石は、ｎ個のＣ型コアの脚部同士が連結されることによって形成されたｎ＋１個の脚部を有するコアを備えている。上記多極電磁石に設けられたｎ＋１個の磁極は、回転軸の軸方向に沿って設けられた上記コアから回転軸に直交する方向へ延出された上記ｎ＋１個の脚部それぞれに同じ巻き厚のコイルが設けられたものである。上記回転子は、回転軸の軸方向に並んで設けられた２ｎ個の上記界磁体群を備えている。軸方向両端それぞれに配置された端側界磁体群は、軸方向両端それぞれに配置された端側電磁極と同極性の磁極が対向するように配置されている。また、軸方向中央側に配置された中央側界磁体群のうち隣接する２つの中央側界磁体群それぞれの磁極は互いに軸方向に近接された状態で、軸方向中央側に配置された中央側電磁極に対向するように配置されている。

このように構成された磁力回転装置において、多極電磁石には、軸方向に沿って交互に異なる極性が現れるようにｎ＋１個の磁極が設けられている。例えば、多極電磁石が有する磁極の数を４個とした場合、回転子には、多極電磁石が有する４つの磁極に対向するように６つの界磁体群（例えば永久磁石）が固定されている。６つの界磁体群は、多極電磁石の磁極の極性と同じ極性の磁極が多極電磁石の磁極に対向するように配置されている。本発明の磁力回転装置においては、軸方向の両端の界磁体群の界磁体（端側界磁体）は、それぞれ、軸方向の両端の端側電磁極に同極性が対向するように配置されている。また、中央側に配置された界磁体群の界磁体それぞれは互いに近接された状態で、軸方向の中央側の２つの中央側電磁極に同極性が対向するように配置されている。このような構成が採用されることにより、中央側の界磁体群が互いに近づけられた分だけ装置の軸方向のサイズを小さくすることが可能となる。また、近接された中央側の界磁体群は、いずれも、同じ極が中央側電磁極に対向するように配置されている。そのため、中央側の界磁体群に対向する中央側電磁極はいずれの界磁体に対しても同極性の磁界を発生させる。このため、双方の対峙空間には吸引力は生じず、反発力のみが生じることになる。これにより、磁界の利用効率が向上する。

また、上記コアは、ｎ個のＣ型コアの脚部同士が連結されて形成されている。上記コアにおいては、隣り合うＣ型コアそれぞれが有する１つの脚部それぞれが連結されることにより、１つの脚部となる。このため、上記コアは、ｎ＋１個の脚部を有する構成となる。上記多極電磁石の磁極は、上記ｎ＋１個の脚部それぞれにコイルが設けられたものである。

このように、汎用性の高い安価なＣ型コアを用いて多極電磁石のコアを形成すれば、コアの製造コストを抑えることができる。また、上記多極電磁石における上記中央側電磁極の脚部の幅が、上記端側電磁極の脚部の幅の２倍となる。そのため、中央側電磁極に対向する位置に、互いに近接された２つの界磁体があるときに、中央側電磁極の磁界を、近接された２つの界磁体それぞれに向けて発生させることができる。また、多極電磁石のコアの中央側の脚部は隣り合うＣ型コアの脚部同士が合わさって構成されており、これら２つの脚部を芯材としてその周囲にコイルが設けられている。そのため、例えば２つのＣ型コアの４つの脚部それぞれに個別にコイルを設ける場合と比べて、コイルの巻線量を省減でき、巻き線抵抗を小さくできる。その結果、磁力回転装置をモータとして用いる場合はモータの効率（モータに入力される電力に対するモータ出力の割合）が向上する。また、磁力回転装置を発電機として用いる場合は、発電機の発電効率が向上する。

また、上記多極電磁石の上記コアは、奇数個の上記Ｃ型コアが連結されたものである。この場合、上記コアの各脚部それぞれには、同じ巻き厚のコイルが設けられている。

このように構成されているため、多極電磁石に設けられた全てのコイルの巻線総量が最も少なくなり、しかも巻き線抵抗が最小となる。これにより、磁力回転装置の効率を更に向上させることができる。また、コイルの巻き厚が均等なので、多極電磁石がコイルの厚み方向に凸凹形状とならない。このため、コイルの巻き厚の差に起因する無駄なスペースが生じない。

(2) 上記界磁体は、表面及び裏面に磁極が形成された平板状の永久磁石である。

本発明の磁力回転装置によれば、２つの中央側界磁体が近接された状態で中央側電磁極に対して対向配置されているから、装置の軸方向のサイズが小さくなり、装置の小型化が実現できる。また、近接された２つの中央側界磁体それぞれが同じ極性の磁極を中央側電磁極に対向するように配置されているため、中央側電磁極は、近接された２つの界磁体それぞれに向けて同極性の磁界を発生することになり、その結果、双方の対峙空間には吸引力は生じず、反発力のみが生じる。このため、軸方向のサイズを小型化しても磁界の利用効率が低減することはない。

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平面図である。 図２は、図１における切断線II−IIの模式断面図である。 図３は、図１における切断線III−IIIの模式断面図である。 図４は、図３においる矢視IVから見た多極電磁石１７の底面図である。 図５は、磁力回転装置１０のモータドライブ回路５０を示す回路図である。 図６は、磁力回転装置１０の磁極間力の作用の仕方を説明するための概略説明図であり、（Ａ）には起動時の磁極間力が示されており、（Ｂ）には起動から少し経過したときの磁極間力が示されている。 図７は、本発明の変形例である多極電磁石１７Ａの底面図である。 図８は、従来の磁力回転装置における電磁石８１の概略構成及び配置位置を模式的に示す模式図であり、（Ａ）には電磁石８１の側断面図が示されており、（Ｂ）には電磁石８１の底面図が示されている。

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、複数の多極電磁石１７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）が設けられた回転体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とを備えている。この磁力回転装置１０は、多極電磁石１７が有する４つの磁極３４（３４Ａ〜３４Ｄ）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生じた磁気反発力によって回転体１４が回転するように構成されている。磁力回転装置１０に駆動電流が供給されることにより、磁力回転装置１０は電動機（モータ）として動作し、磁力回転装置１０に外力が供給されて回転体１４が回転されることにより、磁力回転装置１０は発電機として動作する。以下、各構成要素について詳細に説明する。

［回転体１４］
図１に示されるように、回転体１４は、回転軸であるシャフト３７と、シャフト３７が中心を貫通する４つの支持円盤３９（３９Ａ〜３９Ｄ）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３９は、スペーサ４１を介して所定間隔を隔てた状態で互いに平行を保持した状態でシャフト３７に固定されている。各支持円盤３９の間隔は、永久磁石１９の磁界強度や多極電磁石１７の磁極３４の磁界強度によって設定される要素であり、隣接する支持円盤３９間において隣の磁極３４から永久磁石１９が磁界の影響を受けない程度の距離に設定されている。

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。軸方向の両端に位置する２枚の支持円盤３９Ａ，３９Ｄそれぞれには８個の永久磁石１９がそれぞれ取り付けられている。支持円盤３９Ａ，３９Ｄにおいて、８個の永久磁石１９は、一方の面（片面）のみに集約配置されている。支持円盤３９Ａ，３９Ｄにおいて、８個の永久磁石１９は、シャフト３７の周方向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３９Ａ，３９Ｄを周方向に８分割した角度間隔α（＝４５°）で取り付けられている。なお、各支持円盤３９Ａ，３９Ｄそれぞれに周方向に沿って設けられた８個の永久磁石１９が、本発明の端側界磁体群に相当する。

２枚の支持円盤３９Ａ，３９Ｄによって挟まれた軸方向の中央側に位置する２枚の支持円盤３９Ｂ，３９Ｃそれぞれには１６個の永久磁石１９がそれぞれ取り付けられている。支持円盤３９Ｂの一方の面に８個の永久磁石１９が取り付けられており、他方の面にも８個の永久磁石１９が取り付けられている。このため、支持円盤３９Ｂにおいては、図３に示されるように、一方の面に取り付けられた永久磁石１９Ｂ１と他方の面に取り付けられた永久磁石１９Ｂ２とが支持円盤３９Ｂを挟んで近接した状態で支持円盤３９Ｂに配置されている。また、支持円盤３９Ｃも同様に両面それぞれに８個の永久磁石１９が取り付けられている。支持円盤３９Ｂ，３９Ｃの両面それぞれにおいて、８個の永久磁石１９は、シャフト３７の周方向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３９Ｂ，３９Ｃを周方向に８分割した角度間隔α（＝４５°）で取り付けられている。なお、各支持円盤３９Ｂ，３９Ｃそれぞれの各面に周方向に沿って設けられた８個の永久磁石１９が本発明の中央側界磁体群に相当する。このような４つの支持円盤３９が平行にシャフト３７で固定されることで、回転体１４は、８個の永久磁石１９からなる永久磁石群（界磁体群）が軸方向に６つ並んで設けられた構成となっている。

また、図２に示されるように、永久磁石１９は、支持円盤３９の各面において、周方向に８分割した角度間隔α（＝４５°）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４５°の場合は、角度βが約１８〜３１．５°になるように永久磁石１９が配置される。尚、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の占める割合を７０％以下にするのが得策である。

なお、この実施形態では、本発明の回転子の一例として、４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８個の永久磁石が取り付けられ、更にこの８個の永久磁石１９からなる永久磁石群が軸方向に所定間隔を隔てて６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８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８個以上でも８個未満でも良く、６個でも５個でも４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四角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。このような平板状の永久磁石１９を用いることにより、各磁極面積を広くすることができるので、多極電磁石１７の各磁極３４で生じた磁界を受けやすくなり、回転トルクの増加を図ることができる。

また、各永久磁石１９は、図２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、約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３に示されるように、軸方向の一方端に位置する支持円盤３９Ａ及び支持円盤３９Ｃでは、Ｓ極が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及び軸方向の他方端に位置する支持円盤３９Ｄでは、Ｎ極が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。

［固定子１２］
図１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。回転体１４が固定子１２の内側に設けられているため、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に保持された多極電磁石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３９Ｄ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と、一対の側板２５間に架け渡されて側板２５同士を軸方向に固定する複数の架材２７とを有する。シャフト３７は、各側板２５それぞれに形成された軸受け孔（不図示）で回転可能に支持されている。

フレーム２３には、８個の多極電磁石１７が取り付けられている。多極電磁石１７は、側板２５間に架け渡された架材２７に固定されている。図１では、説明の便宜上、紙面中央に位置する多極電磁石１７を固定するための架材２７の図示が省略されている。なお、この実施形態では、本発明の固定子の一例として、フレーム２３に８個の多極電磁石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つの多極電磁石１７がフレーム２３に設けられていればよい。

側板２５の外側には、センサ検出盤４５が設けられている。センサ検出盤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。センサ検出盤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、センサ検出盤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とともに回転するセンサ検出盤４５の所定部位が検出される。

［多極電磁石１７］
図１に示されるように、多極電磁石１７は、シャフト３７の軸方向に沿って一列に配置された４つの磁極３４（３４Ａ〜３４Ｄ）を有する。本実施形態では、８個の多極電磁石１７は、シャフト３７の周方向における配置位置が異なる以外は、全て同じ構成となっている。図３に示されるように、多極電磁石１７は、四角柱状の４つの脚部２９（２９Ａ〜２９Ｄ）を有するコア３０（本発明のコアの一例）と、コア３０の各脚部２９それぞれに電線が巻回されてなる４つのコイル３２（本発明のコイルの一例）とを有している。コア３０は、シャフト３７の軸方向に沿うように設けられており、このコア３０からシャフト３７に直交する方向へ向けて４つの脚部２９が延びている。上記４つの磁極３４（３４Ａ〜３４Ｄ）は、４つの脚部２９それぞれにコイル３２が設けられることによって構成されている。

［コア３０］
図３に示されるように、コア３０は、３つのＣ型コア３３がその長手方向に連結されることによって構成されている。Ｃ型コア３３は、側面から見た形状がアルファベットのＣ字状又は片仮名のコの字状に形成されたものであり、市場において安価で広く流通している周知のものである。Ｃ型コア３３の脚部は、断面が正方形の四角柱状に形成されている。コア３０の長手方向（Ｃ型コア３３の連結方向、図３の紙面左右方向）の中央側に位置する２つの脚部２９Ｂ，２９Ｃは、Ｃ型コア３３の脚部が２つ合わさった構成となっている。このため、長手方向の両端それぞれの脚部２９Ａ，２９Ｄよりも中央側の２つの脚部２９Ｂ，２９Ｃのほうが長手方向の幅が広い。具体的には、図４に示されるように、脚部２９Ｂ，２９Ｃの長手方向の幅Ｌ２（＝２ｂ）は、脚部２９Ａ，２９Ｄの幅Ｌ１（＝ｂ）の２倍となっている。なお、いずれの脚部２９においても、コア３０の短手方向（図４の紙面上下方向）の長さ（＝ｃ）は同じである。このため、多極電磁石１７が有する４つの磁極３４のうち、中央側の磁極３４Ｂ，３４Ｃ（本発明の中央側電磁極の一例）の脚部２９Ｂ，２９Ｃの断面積は、両端側の磁極３４Ａ，３４Ｄ（本発明の端側電磁極の一例）の脚部２９Ａ，２９Ｄの断面積の２倍となっている。

本実施形態では、長手方向の両端それぞれの脚部２９Ａ，２９Ｄのコイル３２の巻き厚（＝ｙ）と、中央側の２つの脚部２９Ｂ，２９Ｃのコイル３２の巻き厚（＝ｘ）とは同じである。つまり、各脚部２９それぞれに設けられたコイル３２の巻き厚は同じである。このため、図３に示されるように、それぞれのコイル３２が厚み方向に凸凹形状とならない。仮に、各コイル３２が厚み方向に凸凹形状だと、厚いコイル３２に合わせて周辺の部材やフレーム２３、ヨーク（不図示）が形成されることになり、装置が大型化してしまうため好ましくない。

また、各脚部２９それぞれのコイル３２の巻き厚を同じにすることにより、全てのコイルの巻線総量が最も少なくなる。すなわち、脚部２９Ａ，２９Ｄのコイル３２の巻き厚をｙ、脚部２９Ｂ，２９Ｃのコイル３２の巻き厚をｘ、コイル３２間の隙間をｄ（＝０）、脚部２９Ａ，２９Ｄの長手方向の長さをｂ、脚部２９Ｂ，２９Ｃの長手方向の長さを２ｂ、各脚部２９の短手方向の長さをｃ、Ｃ型コア３３の脚部２９間の空隙（以下「コア窓」と称する。）の長手方向の長さ（以下「窓幅」と称する。）をａ、Ｃ型コア３３の個数をｎ（但しｎは３以上の奇数）とすると、４つ全てのコイル３２の断面面積の総和Ｓ_Ｔは以下の式（１）で表すことができ、これをｘ＋ｙ＝ａで整理すると式（２）のように表すことができる。ただし、図面の理解を容易にするため、図４では、コイル３２間に隙間ｄが存在するように記載されているが、本実施形態では、隙間ｄ＝０のとき、つまり隙間ｄを生じないようにコイル３２を巻いたときのｘの最適解を以下の各式に示している。ｄ＝０の場合、磁極３４Ａ，３４Ｄに付随するコイル３２の巻数と、磁極３４Ｂ，３４Ｃに付随するコイル３２の巻数との和は、上記窓幅が一定の場合に一定となる。したがって、各コイル３２に同じ大きさの電流が流れると、各コイル３２に対応する磁路の起磁力は一定となる。したがって、全てのコイル３２の巻線総量が最小になる巻線構成とすることが、銅損を最小にできるという点で最適である。以上のことから、以下の各式に基づいてｘの最適解を求めている。

上記式（２）から明らかなように、ｘ＝ｙ＝ａ／２（ただしｄ＝０）のときに、全てのコイル３２の断面面積の総和Ｓ_Ｔは、以下の式（３）に示される最小値となる。

なお、本実施形態では、Ｃ型コア３３の個数ｎは３つなので、上記式（３）にｎ＝３を代入して得られた以下の式（４）が４つのコイル３２の断面面積の総和Ｓ_Ｔとなる。

つまり、各脚部２９それぞれのコイル３２の巻き厚を同じにすることにより、コイル３２の断面面積の総和Ｓ_Ｔが最小値となり、このときの巻線総量が最小となる。言い換えると、Ｃ型コア３３の個数ｎが奇数の場合に、全てのコイル３２の厚みが同じになり、それぞれのコイル３２が厚み方向に凸凹形状とならない。

多極電磁石１７は、コイル３２に電流が流れることにより、脚部２９の端部に磁極３４が形成される。多極電磁石１７の４つの磁極３４は、その長手方向に隣接する磁極３４の極性が異なるように配置されている。この実施形態では、図３に示されるように、磁極３４ＡはＳ極、磁極３４ＢはＮ極、磁極３４ＣはＳ極、そして磁極３４ＤはＮ極となるように配置されている。

［永久磁石１９の位置関係］
次に、図３を参照して、多極電磁石１７の磁極３４と永久磁石１９との位置関係について説明する。図３に示されるように、４つの支持円盤３９は、多極電磁石１７の各磁極３４と永久磁石１９とが対向するようにシャフト３７の軸方向に並んで配置されている。具体的には、支持円盤３９Ａは、磁極３４ＡのＳ極の磁極面に対して永久磁石１９ＡのＳ極の磁極面が対向する位置に配置されている。また、支持円盤３９Ｂは、磁極３４ＢのＮ極の磁極面に対して２つの永久磁石１９Ｂ１及び永久磁石１９Ｂ２それぞれのＮ極の磁極面が対向する位置に配置されている。また、支持円盤３９Ｃは、磁極３４ＣのＳ極の磁極面に対して２つの永久磁石１９Ｃ１及び永久磁石１９Ｃ２それぞれのＳ極の磁極面が対向する位置に配置されている。また、支持円盤３９Ｄは、磁極３４ＤのＮ極の磁極面に対して永久磁石１９ＤのＮ極の磁極面が対向する位置に配置されている。このように支持円盤３９が配置されているため、永久磁石１９は、磁極３４の極性と同じ極性の磁極が磁極３４に対向するように配置されている。換言すると、シャフト３７の軸方向両端それぞれに配置された支持円盤３９Ａ，３９Ｄの永久磁石１９は、軸方向両端それぞれに配置された磁極３４Ａ，３４Ｄの極性と同じ極性の磁極が対向するように配置されており、また、軸方向中央側に配置された支持円盤３９Ｂ，３９Ｄの永久磁石１９は、互いに軸方向に近接された状態で、軸方向中央側に配置された磁極３４Ｂ，３４Ｃの極性と同じ極性の磁極が対向するように配置されている。

［ドライブ回路５０］
図５は、多極電磁石１７のコイル３２に電流を供給するためのモータドライブ回路５０（以下、回路５０と略す。）である。回路５０は制御装置２１に組み込まれている。位置検出センサ４６は回路５０と接続されており、コイル３２に電流を供給するタイミングを回路５０に与えている。回路５０としては、多極電磁石１７の各コイル３２に電流を供給するための直流電源５２と、コイル３２に直列に接続され、コイル３２への電流の供給のオン・オフを行うスイッチ部５４Ａ，５４Ｂと、スイッチ部５４Ａ，５４Ｂに並列に接続されるコンデンサ５６と、コイル３２の有する電磁エネルギーがコンデンサ５６に回生されるようにスイッチ部５４Ｂに並列に接続されるダイオード５８Ｂと、スイッチ部５４Ａに並列に接続されるダイオード５８Ａと、コンデンサ５６に回生電流が流れるように直流電源５２のプラス端子に接続される逆流阻止用のダイオード５８Ｃとを備える

回路５０のコンデンサ５６には、通常は静電容量が大きいものを用いるが、この実施形態では、静電容量が１０μＦ以上２００μＦ以下のコンデンサ５６が用いられている。これにより、コイル３２への通電期間の始めにおいて永久磁石１９がコイル３２に接近する際に発生する逆起電力が電源電圧よりも大きくなることにより逆向きの誘導電流（誘導ブレーキ電流）がコンデンサ５６へ流れる。この電流は負のトルクを発生する。この電流により、コンデンサ電圧Ｖｃが上昇していき、誘導電流は減少して零となり、更に正になる。この誘導ブレーキ電流は銅損や鉄損を増加させる。回路５０は、銅損，鉄損を増加させる誘導ブレーキ電流を抑制するので、磁力回転装置１０の効率を向上させることができる。尚、回路５０は、例えば、一方向通電形モータであるＳＲＭ（スイッチトリラクタンスモータ）に適用することもできる。

［回転動作の説明］
次に、この磁力回転装置１０において、磁力による付勢力を与えて回転体１４を回転させる動作について説明する。この磁力回転装置１０では、図２に示されるように永久磁石１９は、円盤５を周方向に８分割した角度間隔α（＝４５°）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。永久磁石１９が多極電磁石１７の磁極３４に対向している間、各コイル３２に回路５０による通電を行い、永久磁石１９が磁極３４を通過した後、各コイル３２への電流を遮断することにより、回転体１４に磁力による回転力を付与する。つまり、永久磁石１９の回転方向先端が磁極３４と対向する際に、回路５０により各コイル３２に通電を行い、その後、回転体１４が角度β回転して永久磁石１９の回転方向後端が磁極３４を通過するまでの間、通電を続ける。そして、永久磁石１９の回転方向後端が磁極３４を通り過ぎると、回路５０による電流の供給を遮断する。磁力回転装置１０が動作する場合には、このような一連の動作が繰り返し行われる。本実施形態では、磁極面積の大きな平板状の永久磁石１９が用いられているため、磁力回転装置１０は、通電期間を長くすることができ、しかも、トルク定数を大きくすることができる。このため、単位入力電力当たりの銅損を小さくし、より効率を良くすることができる。

また、図６（Ａ）に示されるように、磁力回転装置１０の通電初期には、永久磁石１９の内側（裏面側）の磁極Ｓに磁極間力Ｆ１が生じ、これは矢印６５で示す正方向のトルクの発生に寄与する。その際、永久磁石１９の外側（表面側）の磁極Ｎには反発力Ｆ２が生じるが、これはトルクにはほとんど寄与しない。また、図６（Ｂ）に示されるように、通電してから少し経過した際には、外側の磁極Ｎの磁極間力Ｆ４が矢印６６で示す正方向のトルクの発生に寄与する。その際、内側の磁極Ｓには磁極間力Ｆ３が生じるが、これはトルクにはほとんど寄与しない。従って、永久磁石１９の表面側の磁極Ｎ及び裏面側の磁極Ｓによるトルクの合成トルクは、通電電流が一定であるならば、通電時間の全域において略一定の大きさのトルクを発生させることができる。また、磁極間力は磁極間の距離の二乗に反比例するものであるが、磁力回転装置１０では磁極間距離を短くできるので、発生トルクを大きくすることができる。

［実施形態の作用・効果］
上述したように磁力回転装置１０が構成されているため、支持円盤３９Ｂ及び３９Ｃそれぞれにおいて、２つの永久磁石１９が軸方向に近接された分だけ、磁力回転装置１０の軸方向のサイズが小さくなり、装置自体をコンパクトにすることができる。また、近接された２つの永久磁石１９の双方は、同じ極性の磁極が多極電磁石１７の磁極３４に対向するように配置されているため、支持円盤３９Ｂ及び３９Ｃそれぞれに設けられた永久磁石１９に対向する多極電磁石１７の磁極３４はいずれの永久磁石１９に対しても同極性の磁界を発生させることができる。このため、双方の対峙空間には吸引力は生じず、反発力のみが生じることになる。これにより、多極電磁石１７の磁界の利用効率が向上する。

また、多極電磁石１７のコア３０として軸方向に連結された３つのＣ型コア３３が用いられているので、コア３０の製造コストを抑えることができる。また、多極電磁石１７の磁極３４Ｂ，３４Ｃの脚部２９Ｂ，２９Ｃの軸方向の幅が、磁極３４Ａ，３４Ｄの脚部２９Ａ，２９Ｄの幅の約２倍となるので、磁極３４Ｂに対して２つの永久磁石１９Ｂ１，１９Ｂ２の磁極が対向配置され、磁極３４Ｃに対して２つの永久磁石１９Ｃ１，１９Ｃ２の磁極が対向配置されても、磁極３４の磁界を永久磁石１９に対して十分に発生させることができる。また、脚部２９Ｂ，２９Ｃは、隣り合うＣ型コア３３の脚部同士が合わさって構成されており、これら２つの脚部を芯材としてその周囲にコイル３２が設けられているため、Ｃ型コア３３の２つの脚部それぞれに個別にコイルを設ける場合に比べて、コイル３２の電線長さ（コイル長）を省減でき、巻き線抵抗を小さくできる。その結果、磁力回転装置１０をモータとして用いる場合はモータの効率（モータに入力される電力に対するモータ出力の割合）が向上する。また、磁力回転装置１０を発電機として用いる場合は、発電機の発電効率が向上する。

また、上述の実施形態では、支持円盤３９に平板状の永久磁石１９が固定された例について説明したが、例えば、特許文献１及び２に記載されたＵ字形状の永久磁石が用いられた構成や、棒状の永久磁石が用いられた構成などについても、本発明は適用可能である。また、上述の実施形態では、界磁体の一例として永久磁石１９を例示したが、この永久磁石１９に代えて、支持円盤３９に電磁石を取り付け、この電磁石に対して適宜の電流制御をすることにより永久磁石１９と同じ磁力を生じさせるようにしてもよい。

また、本発明の磁力回転装置は、上述の磁力回転装置１０のみならず、モータと発電機とが一体化された電動発電機にも適用可能である。また、特許文献３として例示した特許第３８９７０４３号公報に記載された、永久磁石と電磁石との反発力及び吸引力を利用した磁力回転装置にも本発明は適用可能であるし、また、吸引力のみで回転する磁力回転装置にも本発明は適用可能である。

なお、上述した実施形態は本発明の磁力回転装置が具体化された単なる一実施例であり、本実施形態は、本発明の要旨を変更しない範囲で適宜変更可能である。例えば、上述の実施形態では、コア３０が３つのＣ型コア３３で構成された例について説明したが、コア３０は、２つのＣ型コア３３で構成されていてもよい。

［変形例］
以下、図７を用いて、２つのＣ型コア３３が連結されたコア３０Ａを有する多極電磁石１７Ａ（本発明の多極電磁石の変形例）について説明する。多極電磁石１７Ａは、２つのＣ型コア３３が連結されたコア３０Ａを有する点が上述の実施形態で示された多極電磁石１７と相違しており、その他の構成は同じである。つまり、多極電磁石１７Ａは、図７に示されるように、シャフト３７の軸方向に沿って一列に配置された３つの磁極３４を有しており、これらの磁極３４は、コア３０Ａの３つの脚部２９それぞれにコイル３２が設けられることによって構成されている。なお、多極電磁石１７Ａの各構成は、上述の多極電磁石１７の各構成と同じであるため、多極電磁石１７Ａの各構成の詳細な説明は省略する。

多極電磁石１７Ａにおいて、全てのコイル３２の巻線総量が最も少なくなる条件は、以下の通りである。すなわち、両端側の脚部２９Ｅ，２９Ｇのコイル３２の巻き厚をｙ、中央の脚部２９Ｆのコイル３２の巻き厚をｘ、コイル３２間の隙間をｄ（＝０）、脚部２９Ｅ，２９Ｇの長手方向の長さをｂ、脚部２９Ｆの長手方向の長さを２ｂ、各脚部２９の短手方向の長さをｃ、Ｃ型コア３３の脚部２９間の空隙（以下「コア窓」と称する。）の長手方向の長さ（以下「窓幅」と称する。）をａ、Ｃ型コア３３の個数をｎ（但しｎは２以上の偶数）とすると、３つ全てのコイル３２の断面面積の総和Ｓ_Ｔは以下の式（５）で表すことができ、これをｘ＋ｙ＝ａで整理すると式（６）のように表すことができる。ただし、図面の理解を容易にするため、図７では、コイル３２間に隙間ｄが存在するように記載されているが、本実施形態では、隙間ｄ＝０のとき、つまり隙間ｄを生じないようにコイル３２を巻いたときの最適解を以下の各式に示している。

上記式（６）から明らかなように、ｘが以下の式（７）の値（ただしｄ＝０）のときに、全てのコイル３２の断面面積の総和Ｓ_Ｔは、以下の式（８）に示される最小値となる。

また、このとき、ｙは、以下の式（９）に示される値となる。

なお、本変形例では、Ｃ型コア３３の個数ｎは２つなので、上記式（８）にｎ＝２を代入して得られた以下の式（１０）が３つのコイル３２の断面面積の総和Ｓ_Ｔとなる。

このように、式（７）及び式（９）に示されるように、Ｃ型コア３３の個数ｎが偶数の場合は、コイル３２の断面面積の総和Ｓ_Ｔを最小値にすると、ｘ≠ｙとなり、各コイル３２の厚みが異なる。つまり、各コイル３２が厚み方向に凸凹形状となる。

このような多極電磁石１７Ａを有する磁力回転装置１０であっても、上述した実施形態と同様の効果を奏する。ただし、多極電磁石１７に凹凸を生じさせず、しかも巻き線抵抗を最小にするには、３つ以上の奇数個のＣ型コア３３でコア３０が構成されている必要がある。

１０・・・磁力回転装置
１２・・・固定子
１４・・・回転体
１７・・・多極電磁石
１９・・・永久磁石
２３・・・フレーム
２９・・・脚部
３０・・・コア
３２・・・コイル
３３・・・Ｃ型コア
３４・・・磁極
３７・・・シャフト
３９・・・支持円盤

Claims (2)

1. 回転軸の軸方向に隣接する極性が異なるように上記軸方向に沿って配置されたｎ＋１個（ｎは３以上の奇数）の磁極を有する少なくとも一つの多極電磁石が設けられた固定子と、
   回転軸の周方向に沿って配置された１つ又は複数の界磁体からなる複数の界磁体群を有し、これら複数の界磁体群が上記多極電磁石の磁極それぞれに対して同極性の磁極が対向するように回転軸の軸方向に並んで設けられた回転子と、を具備し、
   上記多極電磁石及び上記界磁体の少なくともいずれか一方の磁界が他方に作用することにより回転力又は誘導起電力を生成する磁力回転装置であって、
   上記多極電磁石は、ｎ個のＣ型コアの脚部同士が連結されることによって形成されたｎ＋１個の脚部を有するコアを備えており、
   上記多極電磁石のｎ＋１個の磁極は、回転軸の軸方向に沿って設けられた上記コアから回転軸に直交する方向へ延出された上記ｎ＋１個の脚部それぞれに同じ巻き厚のコイルが設けられたものであり、
   上記回転子は、回転軸の軸方向に並んで設けられた２ｎ個の上記界磁体群を備えており、
   軸方向両端それぞれに配置された端側界磁体群は、上記多極電磁石において軸方向両端それぞれに配置された端側電磁極と同極性の磁極が対向するように配置され、
   軸方向中央側に配置された中央側界磁体群のうち隣接する２つの中央側界磁体群それぞれの磁極は互いに軸方向に近接された状態で、軸方向中央側に配置された中央側電磁極に対向するように配置されている磁力回転装置。
2. 上記界磁体は、表面及び裏面に磁極が形成された平板状の永久磁石である請求項１に記載の磁力回転装置。
   

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