JP5792411B1 - Magnetic rotating device - Google Patents
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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5The present invention provides a magnetic rotating device capable of solving both problems of improvement in efficiency and downsizing of an apparatus. A magnetic rotating device includes a stator and a rotating body. A plurality of electromagnets 17 are fixed to the frame 23 of the stator 12. The core 30 of the electromagnet 17 has a body portion 28 extending in the axial direction of the shaft 37 and two leg portions 29 extending from the body portion 28 to the shaft 37. The leg portion 29 is formed in a rectangular parallelepiped shape that is long in the axial direction of the shaft 37 and short in the circumferential direction, and the body portion 28 is formed in a rectangular parallelepiped shape that is short in the radial direction of the shaft 37 and long in the circumferential direction. The cross-sectional area of the trunk | drum 28 and the cross-sectional area of each leg part 29 are the same. [Selection] Figure 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。 The present invention includes a stator provided with an electromagnet having two magnetic poles, and a rotor provided with a field body so that magnetic poles of the same polarity or different polarity face the magnetic poles of the electromagnet. The present invention also relates to a magnetic force rotating device that rotates the rotor by the electromagnet acting on the field body.
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。
2. Description of the Related Art A magnetic force rotating device including a rotating body (rotor) in which a permanent magnet (field body) is disposed and an electromagnet that generates a magnetic force in a repulsive direction with respect to the magnetic pole of the permanent magnet of the rotating body is widely known. (See
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。
Here, the
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。
As a method for increasing the driving torque of the magnetic rotating device, for example, as shown in FIG. 7, two
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。
On the other hand, as another method for increasing the driving torque of the magnetic rotating device, it is conceivable to increase the magnetomotive force of the
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。 Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a magnetic rotating device capable of solving both the problems of improvement in efficiency and miniaturization of the apparatus.
(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。 (1) The present invention provides a stator provided with an electromagnet having two magnetic poles, a rotor provided with a field body so that magnetic poles of the same polarity or different polarity face the magnetic poles of the electromagnet, The magnetic rotating device is configured to rotate the rotor by the electromagnet acting on the field body. The electromagnet is provided on each of the legs, a core having a trunk extending along the rotation axis direction of the rotor, and two legs extending in a direction from the trunk toward the rotation center of the rotor. And a coil. The trunk is formed in a shape that is longer in the circumferential direction of the rotor than in the radial direction of the rotor, and the leg is in a shape that is longer in the rotational axis direction of the rotor than in the circumferential direction. Is formed.
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。 Since it is configured in this manner, the magnetic resistance is reduced and the magnetic flux in the magnetic pole is reduced by increasing the cross-sectional area of the core body and legs without changing the current value flowing through the coil and the number of turns of the coil. Can be increased. As a result, the magnetic force acting on the magnetic pole is increased, and the efficiency of the magnetic rotating device is improved. Moreover, since the trunk | drum is formed in the shape longer in the said circumferential direction rather than the said radial direction, a magnetic rotating apparatus does not enlarge in the said radial direction. Further, compared with the conventional configuration (see FIG. 7) in which two conventional electromagnets are juxtaposed in the direction of the rotation axis of the rotor, a magnetic flux equivalent to that of the conventional configuration is generated while being compact in the direction of the rotation axis. be able to.
(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。 (2) It is preferable that a cross-sectional area perpendicular to the magnetic path in the trunk portion is substantially the same as a cross-sectional area perpendicular to the magnetic path in the leg portion. When the cross-sectional area of the trunk part and the cross-sectional area of the leg part are the same, the area is the same regardless of the cross-section of any part of the core. Thereby, since the magnetic flux density is constant in any part of the magnetic path of the electromagnet, magnetic saturation is difficult to occur. As a result, the magnetic resistance in the magnetic path of the core is reduced. In the configuration in which the trunk portion is formed in a shape that is elongated in the circumferential direction and the leg portion is formed in a shape that is elongated in the rotation axis direction, the cross-sectional area of the trunk portion and the section of the leg portion are cut off. If the area is the same, the body portion naturally becomes flat in the radial direction, and therefore the distance from the center of the body portion to the magnetic pole surface of the leg portion is shortened, and accordingly, the magnetic path of the core. The length is also shortened and the magnetic resistance in the core is reduced. In addition, when the cross-sectional area of the body portion is smaller than the cross-sectional area of the leg portion, the magnetic resistance of the body portion is larger than the magnetic resistance of the leg portion due to the influence of magnetic saturation in the body portion, and the electromagnet Therefore, the cross-sectional area of the body portion is preferably larger than the cross-sectional area of the leg portion.
(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。 (3) The field body includes a first permanent magnet provided to face one magnetic pole of the electromagnet and a second permanent magnet provided to face the other magnetic pole of the electromagnet. ing. In this case, a magnetic body that connects the magnetic pole surface opposite to the magnetic pole surface of the first permanent magnet facing the electromagnet and the magnetic pole surface opposite to the magnetic pole surface of the second permanent magnet facing the electromagnet. Is provided.
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。 For example, the electromagnet of the magnetic rotating device of the present invention has a configuration in which the length of the leg portion in the radial direction is the same as the conventional length, and the length of the leg portion in the rotational axis direction is longer than the conventional length. In some cases, if a coil having the same winding amount as a conventional electromagnet is attached, the magnetic path length of the electromagnet of the magnetic rotating device of the present invention is longer in the direction of the rotation axis than the magnetic path length of the conventional electromagnet. In this case, since the magnetic resistance is proportional to the magnetic path length, the increase in the magnetic path length has an effect, and the magnetic resistance in the magnetic path of the electromagnet of the present invention becomes larger than the conventional configuration. On the other hand, as described above, when the field body is constituted by the first permanent magnet and the second permanent magnet, the permanent magnets are connected by the magnetic body, for example, the first permanent magnet. The magnetic flux penetrating through the magnetic pole surface to the back surface can reach the second permanent magnet through the magnetic material having a small magnetic resistance without passing through a space having a large magnetic resistance. By providing the magnetic material in this way, the decrease in the magnetic flux due to the increase in the magnetic path length of the electromagnet is compensated, and the decrease in the magnetic flux in the magnetic path formed between the electromagnet and the permanent magnet is prevented. Can do.
(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。 (4) The leg portion extends from the center in the circumferential direction toward the rotation center of the rotor in the trunk portion, and the trunk portion has a first flange portion projecting in the circumferential direction. ing.
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。 Thereby, the edge part of a coil can be protected by a 1st collar part. Moreover, since the magnetic flux leaking from the first collar easily returns to the magnetic pole, the magnetic flux in the electromagnet increases, and as a result, the efficiency of the magnetic rotating device can be improved.
(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。 (5) It is preferable that the protrusion dimension of the said 1st collar part is substantially the same as the thickness dimension of the said coil provided in the said leg part. With this configuration, the coil does not protrude outward from the first flange.
(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。 (6) The body portion includes second collar portions that project in the rotational axis direction from both ends of the rotational axis direction of the body portion, and the projecting dimension of the second collar portion is the first collar portion. Are the same projecting dimensions. If it is this structure, a coil will not protrude outside the said rotation center direction. In addition, since the magnetic flux leakage from the second flange portion easily returns to the magnetic pole, the magnetic flux in the electromagnet increases, and as a result, the efficiency of the magnetic rotating device can be improved.
(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W1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W2であり、W2=kW1(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。 (7) the core is the radial length and the circumferential direction of both the same dimension W 1 is the length in the leg portion of the body portion, the circumferential length and the leg in the body portion It is preferable that the lengths in the direction of the rotation axis in the part are the same dimension W 2 and W 2 = kW 1 (where k> 1).
(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。 (8) Moreover, it is preferable that the said electromagnet is provided with two or more along the said circumferential direction.
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。 According to the magnetic rotating device of the present invention, it is possible to increase the drive torque while maintaining high efficiency without increasing the number of turns of the coil and without increasing the size of the device in the radial direction.
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。
Hereinafter, a magnetic
[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。
[Outline of Magnetic Rotation Device 10]
As shown in FIGS. 1 and 2, the magnetic
[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。
[Rotating body 14]
As shown in FIG. 2, the rotating
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。
As shown in FIG. 3, a plurality of
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。
As shown in FIG. 3, the
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。
In this embodiment, as an example of the rotor of the present invention, the rotating
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。
The
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。
Further, as shown in FIG. 3, each
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)。
The
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。
As shown in FIGS. 1 and 4, the
[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。
[Stator 12]
As shown in FIGS. 1 and 2, the
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。
The
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。
A total of four
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。
As shown in FIG. 2, a
[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。
[Electromagnet 17]
As shown in FIG. 2, the four
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)。
As shown in FIG. 4, the
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。
The
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。
Each
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W1(以下、単に「サイズW1」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W2(以下、単に「サイズW2」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W2が、サイズW1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W1をm[cm]とした場合に、上記サイズW2は2W1(=2m[cm])である。つまり、胴部28の上記サイズW1と上記サイズW2は、W2=2W1(=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。
As shown in FIG. 5, the
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W3(以下、単に「サイズW3」と略称する。)よりもシャフト37の軸方向のサイズW4(以下、単に「サイズW4」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W4が、上記サイズW3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W3をm[cm]とした場合に、上記サイズW4は2W3(=2m[cm])である。つまり、脚部29の上記サイズW3と上記サイズW4は、W4=2W3(=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。
Further, each
本実施形態では、上述したように、胴部28の上記サイズW1と脚部29の上記サイズW3とが同じ寸法m[cm]であり、胴部28の上記サイズW2と脚部29の上記サイズW4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。
In the present embodiment, as described above, the size W 1 of the
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。
Since the
[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W1よりも上記サイズW2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W3よりも上記サイズW4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。
[Operations and effects of the embodiment]
As described above, in the magnetic
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。
Further, since the cross-sectional area of the
なお、脚部29の上記サイズW3よりも上記サイズW4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。
Since the size W 4 of the
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。
Moreover, since the
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。
Further, since the
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W3をm[cm]とし、脚部29の上記サイズW4を2W3(=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W3をm[cm]とした場合に、脚部29の上記サイズW4を3W3(=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W3を0.5m[cm]とした場合に、脚部29の上記サイズW4を2W3(=1.0m[cm])又は3W3(=1.5m[cm])とすることも可能である。つまり、脚部29のサイズW3とサイズW4との間に、W3=kW4(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W1をm[cm]とし、胴部28の上記サイズW2を2W1(=2m[cm])としたが、脚部29の例と同様に、胴部28の上記サイズW1をm[cm]とした場合に、胴部28の上記サイズW2を3W1(=3m[cm])とすることも可能である。もちろん、胴部28のサイズW1とサイズW2との間に、W1=kW2(但し、k>1)の関係を有するものであればよい。
Further, as shown in FIG. 7, compared with a configuration in which two
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。
Moreover, since the cross-sectional area of the trunk | drum 28 and the cross-sectional area of the
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。
Further, since the
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。
In the above-described embodiment, the configuration in which the
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
DESCRIPTION OF
Claims (8)
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。 A stator provided with an electromagnet having two magnetic poles;
A rotor provided with a field body so that magnetic poles of the same polarity or different polarity face the magnetic poles of the electromagnet,
A magnetic rotating device that rotates the rotor by the electromagnet acting on the field body,
The electromagnet
A core having a trunk extending along the rotation axis direction of the rotor, and two legs extending in a direction from the trunk toward the rotation center of the rotor;
A coil provided on each of the legs,
The trunk is formed in a shape that is longer in the circumferential direction of the rotor than in the radial direction of the rotor, and the leg is in a shape that is longer in the rotational axis direction of the rotor than in the circumferential direction. Magnetic rotation device formed in the.
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。 The field body includes a first permanent magnet provided to face one magnetic pole of the electromagnet and a second permanent magnet provided to face the other magnetic pole of the electromagnet,
A magnetic body is provided that connects a magnetic pole surface opposite to the magnetic pole surface of the first permanent magnet facing the electromagnet and a magnetic pole surface opposite to the magnetic pole surface of the second permanent magnet facing the electromagnet. The magnetic rotating apparatus according to claim 1 or 2.
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