JP6415029B2 - 電磁誘導装置 - Google Patents

Description

本発明は電磁誘導装置に関し、特に、電動機または発電機として使用される電磁誘導装置に関する。

電動機（モータ）または発電機の磁場を高めるのに、ハルバッハ配列という永久磁石の配列方法がある。永久磁石をＮ極とＳ極とが交互になるように配置した構造だと、磁場が磁石配列の表側と裏側の両方に発生してしまい、磁場を有効に利用できない。これに対して、ハルバッハ配列では、永久磁石の磁極を９０°ずつ回転させながら配列しているので、磁石配列の一方の側の磁場が弱まり、その磁石配列の他方の側では、その分磁場が強くなって、永久磁石の配列の片側に強い磁場を発生させることができる。それぞれハルバッハ配列された２列の永久磁石配列（デュアルハルバッハ配列）の間に電機子コイルを配置した永久磁石回転電機（特許文献１参照）やリニア電動機（特許文献２参照）が提案されている。

特開２００９−２０１３４３号公報 特開２０１０−１５４６８８号公報

永久磁石デュアルハルバッハ配列界磁を用いたコアレスモータやコアレス発電機では、電機子コイルに鎖交する磁束数をできるだけ大きくすることが望ましいが、従来の構造では、鎖交磁束数が最適化されておらず、さらに大きくすることが望まれている。

本発明の主な目的は、電機子コイルに鎖交する磁束数を大きくできる電磁誘導装置を提供することにある。

本発明によれば、
互いに対向して配置された第１の永久磁石列と第２の永久磁石列であって、前記第１の永久磁石列は、所定の方向に２πの整数等分ずつ磁極の方向が変化し、前記第２の永久磁石列側の磁場が強めあい前記第２の永久磁石列側と反対側の磁場が弱めあうように前記所定の方向に配列された複数の第１の永久磁石を有し、前記第２の永久磁石列は、前記所定の方向に２πの整数等分ずつ磁極の方向が変化し、前記第１の永久磁石列側の磁場が強めあい前記第１の永久磁石列側と反対側の磁場が弱めあうように前記所定の方向に配列された複数の第２の永久磁石を有する前記第１の永久磁石列と第２の永久磁石列と、
対向する前記第１の永久磁石列と前記第２の永久磁石列との間の界磁空隙中に配置された電機子コイルと、を備え、
前記第１の永久磁石および前記第２の永久磁石の着磁方向に平行な面内において、前記界磁空隙の中心線と前記第１の永久磁石列との間の空隙断面積と前記界磁空隙の中心線と前記第２の永久磁石列との間の空隙断面積との比が前記第１の永久磁石列の断面積と前記第２の永久磁石列の断面積の比と略等しい関係を有する電磁誘導装置が提供される。

本発明によれば、電機子コイルに鎖交する磁束数を大きくできる電磁誘導装置が提供される。

図１は、等価磁気回路法を適用するデュアルハルバッハ配列界磁の断面図である。 図２は、図１の等価磁気回路を説明するための図である。 図３は、デュアルハルバッハ配列界磁の断面図である。 図４は、ギャップ長と鎖交磁束数との関係を示す図である。 図５は、ギャップ長と鎖交磁束数との関係を示す図である。 図６は、本発明の好ましい第１の実施の形態の円筒型３相リニア同期モータ１００を説明するための概略斜視図である。 図７は、図６のＡ−Ａ線断面図である。 図８は、図６のＢ−Ｂ線断面図である。 図９は、図６のＣ−Ｃ線断面図である。 図１０は、本発明の好ましい第２の実施の形態の三相同期発電機２００を説明するための概略斜視図である。 図１１（Ａ）は、着磁方向に平行な面内における三相同期発電機２００の概略断面図であり、図１１（Ｂ）は、電機子コイルの配線を示す図である。 図１２は、図１１（Ａ）のＶ−Ｖ線断面図であって、単層界磁を具備する発電機を示す図である。 図１３は、図１０〜図１２に示す発電機の変形例であって、多層界磁を具備する発電機を例示する図である。

以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態を説明する。

本発明者達は、磁極を９０度ずつ回転して構成されるデュアルハルバッハ界磁について、磁極間ギャップ中央部の平均磁束密度を等価磁気回路を用いて求めた。デュアルハルバッハ配列界磁では永久磁石列の外側で磁束密度が極端に低くなる。また、永久磁石の比透磁率はほぼ空気と同じである。鉄などの強磁性材料を使用しなければ、磁束集中による磁気飽和も発生しない。このため、等価磁気回路で必要な磁束密度を得ることができる。

図１は、等価磁気回路法を適用するデュアルハルバッハ配列界磁１０の断面図である。デュアルハルバッハ配列界磁１０は、永久磁石１３の磁極を第１の直線方向に９０度ずつ回転してハルバッハ配列された永久磁石配列１２と、永久磁石１７の磁極を第１の直線と平行な第２の直線方向に９０度ずつ回転してハルバッハ配列された永久磁石配列１６とを備えている。

永久磁石配列１２では、永久磁石配列１６側の磁場が強めあい、永久磁石配列１６側と反対側の磁場が弱めあうように永久磁石１３が配列されている。永久磁石配列１６では、永久磁石配列１２側の磁場が強めあい、永久磁石配列１２側と反対側の磁場が弱めあうように永久磁石１７が配列されている。

図１は、永久磁石１３、１７の着磁方向に平行な面での断面図である。永久磁石１３、１７は、永久磁石１３、１７の着磁方向に平行な面（紙面に平行な面）内において、共に正方形の形状を有し、同じ断面積を有している。

永久磁石１３、１７の着磁方向に平行な面（紙面に平行な面）内における永久磁石１３、１７の断面積の平方根を１として規格化する。断面積の平方根が１なので、永久磁石１３、１７の断面積も１である。また、永久磁石１３、１７は、永久磁石１３、１７の着磁方向に平行な面内において、共に正方形の形状を有しているので、永久磁石１３、１７の一辺の長さも１となる。永久磁石配列１２と永久磁石配列１６との間１４の間隔（ギャップ長）をａとする。

図１に示す閉曲線は磁束線である。磁束線の形状から極ピッチ毎に同一の磁束経路が存在することがわかる。この磁束経路を点線で示している。

図１に示すデュアルハルバッハ界磁の等価磁気回路の主磁束は図１の磁束経路を通る。また、磁気回路は磁極中心線ＸＸについて対称に存在するので、一つの経路に係る磁気回路は磁極ごとに線対称に連続する。今、一つの磁気回路を図２のように定義する。図２中、Ｒは永久磁石１３、１７の磁気抵抗であり、磁極に垂直な永久磁石の断面積をＳ、永久磁石の磁極方向の長さをｌ_ｍ、真空の透磁率をμ_０として次式で表される。
ここで、永久磁石の比透磁率は１に近似されている。また、図２中、γは磁石の磁極面から縦方向経路までの距離、δは磁極面からギャップ中の最寄りの横方向経路までの距離のギャップ長に対する比率である。縦方向経路の断面積Ｓ_ｖ、ギャップ中の横方向経路の断面積Ｓ_ｒは、
となるから、３つの閉回路主磁束φ_１、φ_２、φ_３は次の回路方程式を満足する。

（２）式よりαを
として、
となる。
したがって、ギャップ中心線ＹＹ上のＮＳ磁極間の平均磁束密度Ｂ_ａｖは次式となる。
ここで、Ｂ_ｒは永久磁石の残留磁束密度である。

図３は、等価磁気回路法を適用する他のデュアルハルバッハ配列界磁２０の断面図である。デュアルハルバッハ配列界磁２０は、永久磁石２３の磁極を周方向に略９０度ずつ回転してハルバッハ配列された永久磁石配列２２と、永久磁石２７の磁極を周方向に略９０度ずつ回転してハルバッハ配列された永久磁石配列２６とを備えている。

永久磁石配列２２では、永久磁石配列２６側の磁場が強めあい、永久磁石配列２６側と反対側の磁場が弱めあうように永久磁石２３が配列されている。永久磁石配列２６では、永久磁石配列２２側の磁場が強めあい、永久磁石配列２２側と反対側の磁場が弱めあうように永久磁石２７が配列されている。

図３は、永久磁石２３、２７の着磁方向に平行な面での断面図である。永久磁石２３、２７は、永久磁石２３、２７の着磁方向に平行な面（紙面に平行な面）内において、共に台形である。永久磁石２３の数と永久磁石２７の数は同じである。永久磁石２３の数および永久磁石２７の数が、例えば、６４個であると、隣り合う永久磁石２３同士、または隣り合う永久磁石２７同士は、１８０度に近い略１７４度の角度で接合することになる。従って、永久磁石２３と、永久磁石２７は略正方形であるとみなすことができる。

そこで、図１の場合と同様に、永久磁石２３、２７の着磁方向に平行な面（紙面に平行な面）内における永久磁石２３、２７の断面積の平方根を１として規格化する。断面積の平方根が１なので、永久磁石２３、２７の断面積も１である。また、永久磁石２３、２７は、永久磁石２３、２７の着磁方向に平行な面内において、共に略正方形の形状を有しているとみなすことができるので、永久磁石２３、２７の一辺の長さも１と近似することができる。永久磁石配列２２と永久磁石配列２６との間の間隔（ギャップ長）をａとする。

このように、図３に示すように、永久磁石２３、２７の磁極を周方向に略９０度ずつそれぞれ回転してリング状にハルバッハ配列した永久磁石配列２２、２６を使用した場合も、近似的に図２の等価磁気回路となり、上述の議論をそのまま当てはめることも可能ではある。（ただし後述するように、図１に基づいて図３の電磁誘導装置を論ずる場合、外側と内側の永久磁石配列２２，２６のそれぞれの永久磁石量を、界磁空隙２４の中心線ＩＩの外側と内側の空隙の体積比と一致させるのが望ましい。）

ギャップ長ａを０．２５、０．５、１．０、１．５、２．０とした場合の直線ＹＹ上のｙ方向磁束密度Ｂ_ｙの磁極間平均値Ｂ_０、γおよびδをパラメータとして（４）式より得られたＢ_ａｖの値を表１に示す。
表１中、γ＝０．２５、δ＝０．２５は幾何学的な中心を磁気回路の経路として選択した場合である。また、γ＝０．１０、δ＝０．２５はＢ_０とＢ_ａｖの誤差を最小にする値、Ｂ_τは２次元有限要素法磁界解析による解析値でＢ_ｙの極ピッチ間平均値である。ここで、極ピッチ間の磁束密度が正弦波状に分布していると仮定すると、その磁束密度平均値Ｂ_ａｖτはＢ_ａｖの１／√２倍である。Ｂ_τとＢ_ａｖτの誤差はγ＝０．２０、δ＝０．２２で最小となる。

図１に示すように、永久磁石１３の磁極を第１の直線方向に９０度ずつ回転してハルバッハ配列された永久磁石配列１２と、永久磁石１７の磁極を第１の直線と平行な第２の直線方向に９０度ずつ回転してハルバッハ配列された永久磁石配列１６とを備え、永久磁石１３と永久磁石１７は正方形の形状を有し、同じ断面積を有しているデュアルハルバッハ配列界磁１０および、図３に示すように、永久磁石２３の磁極を周方向に９０度ずつ回転してハルバッハ配列された永久磁石配列２２と、永久磁石２７の磁極を周方向に９０度ずつ回転してハルバッハ配列された永久磁石配列２６とを備え、永久磁石２３と永久磁石２７は略正方形の形状を有し、同じ断面積を有しているデュアルハルバッハ配列界磁２０では、上述のように、ギャップ中心線ＹＹ上のＮＳ極ピッチ間の平均磁束密度Ｂ_ａｖτは、
となる。ここで、Ｂ_ｒは永久磁石の残留磁束密度であり、αは
である。

デュアルハルバッハ界磁のギャップ中に配置される電機子コイルの鎖交磁束数Φは極ピッチあたりの磁路断面積をＳ、コイル巻回数をＮとすれば
となる。

ギャップ中に配置される電機子コイルは極ピッチの幅でギャップを満たすように製作すると最大の巻回数が得られるので、着磁方向に平行な面内における永久磁石の断面の面積の平方根を１とし、永久磁石が正方形の場合には、正方形の一辺の長さを１とし、永久磁石が略正方形であり、正方形であると近似できる場合には、近似した正方形の一辺の長さを１とした場合、Ｓは界磁の奥行（正方形断面に直行する方向の永久磁石の長さ）ｌに比例し、Ｎはギャップ長ａに比例する。今、比例定数をｋとして、
とすれば、
であるから、式（７）、式（８）を式（６）に代入して鎖交磁束数Φは次式で表せる。

一方、上述のように、式（５）中、γ＝０．２０、δ＝０．２２のとき、式（４）のＢ_ａｖτは実際の磁極ピッチ間平均磁束密度を表す計算式となる。したがって、実際の鎖交磁束は、γ＝０．２０、δ＝０．２２としたときの式（９）で計算できる。ここで、同式中のｋとｌは所定の定数であるから、
で定義される関数ｆ（ａ）が最大となるギャップ長ａの値が存在すれば、そのギャップ長でデュアルハルバッハ配列界磁を構成すると最大の鎖交磁束数を得ることができる。

ｆ（ａ）をグラフ化すると図４のようになる。最大値が存在するので、
よりａを求めると、ａ＝１．２となる。すなわち、着磁方向に平行な面内における永久磁石の断面の面積の平方根の１．２倍、永久磁石が正方形の場合には、正方形の一辺の長さの１．２倍、永久磁石が略正方形であり、正方形であると近似できる場合には、近似した正方形の一辺の長さの１．２倍、のギャップ長とすれば、所定の巻回数に対して最大の鎖交磁束を得ることができる。

ハルバッハ配列界磁と電機子コイルは互いに相対運動するので、界磁の永久磁石と電機子コイルが接触しないよう、実際に電機子コイルを界磁ギャップ中に配置する場合にはある程度の隙間を必要とする。また、電機子コイルは電線をボビンに装巻したり、装巻した電線をモールドにより固着して形成される。このため、コイルの厚みのすべてが導体で占められることはなく、永久磁石の正方形断面の一辺の長さを１ｃｍとすれば、界磁とコイル導体間には界磁と対向する面で１ｍｍ程度の非導電体が存在することになる。

この場合、着磁方向に平行な面内における永久磁石の断面の面積の平方根を１とし、永久磁石が正方形の場合には、正方形の一辺の長さを１とし、永久磁石が略正方形であり、正方形であると近似できる場合には、近似した正方形の一辺の長さを１とした場合、界磁のギャップ中に配置される電機子コイルの巻回数Ｎは、式（７）の場合と同様にして、
で表せる。したがって、鎖交磁束を最大にするギャップ長は
で定義される関数ｇ（ａ）を最大にするギャップ長となる。

ｇ（ａ）をグラフ化すると図５のようになる。最大値が存在するので、
よりａを求めると、ａ＝１．５となる。すなわち、着磁方向に平行な面内における永久磁石の断面の面積の平方根の１．５倍、永久磁石が正方形の場合には、正方形の一辺の長さの１．５倍、永久磁石が略正方形であり、正方形であると近似できる場合には、近似した正方形の一辺の長さの１．５倍、のギャップ長とすれば、所定の巻回数に対して最大の鎖交磁束を得ることができる。

このように、デュアルハルバッハ配列界磁のギャップ長を、着磁方向に平行な面内における永久磁石の断面の面積の平方根の１．２〜１．５倍、永久磁石が正方形の場合には、正方形の一辺の長さの１．２〜１．５倍、永久磁石が略正方形であり、正方形であると近似できる場合には、近似した正方形の一辺の長さの１．２〜１．５倍に設定すると、電機子コイルにおいて大きな鎖交磁束数を得ることができる。
さらに、図１の空隙が直線状であるのに対し、界磁空隙２４は湾曲しており、当該空隙に外形が直方体のコイルを挿入して電機子を形成する場合、コイルの角が界磁２０に接触してはならず、また、仮に接触させた場合でもコイルと当該界磁間に隙間が発生する。
このため、デュアルハルバッハ配列界磁のギャップ長を、着磁方向に平行な面内における永久磁石の断面の面積の平方根の１．２〜２．０倍、永久磁石が正方形の場合には、正方形の一辺の長さの１．２〜２．０倍、永久磁石が略正方形であり、正方形であると近似できる場合には、近似した正方形の一辺の長さの１．２〜２．０倍に設定すると、電機子コイルにおいて大きな鎖交磁束数を得ることができる。

しかし、図３にも示されているように円形の永久磁石列を用いると、リング状の界磁空隙２４の中心線ＩＩより外側の空隙と内側の空隙では、外側の空隙のほうが、断面積（奥行きを考えれば体積）が大きくなる。一方、図１では空隙の中心線ＹＹより上半分の空隙と下半分の空隙の断面積は等しくなる。したがって、図１に基づいて図３の電磁誘導装置を論ずる場合、外側と内側の永久磁石列２２，２６のそれぞれの永久磁石量を、界磁空隙２４の中心線ＩＩの外側と内側の空隙の体積比と一致させることが望ましい。

具体的には本発明の電磁誘導装置では、図３に示すような永久磁石２３，２７の着磁方向に平行な面（紙面に平行な面）内において、
界磁空隙２４の中心線ＩＩと永久磁石列２２との間の空隙断面積ａ_１と界磁空隙２４の中心線ＩＩと永久磁石列２６との間の空隙断面積ａ_２との比が、
永久磁石列２２の断面積Ａ_１と永久磁石列２６の断面積Ａ_２の比と略等しい関係を有する。

この場合、界磁空隙２４の断面積（ａ_１＋ａ_２）が、永久磁石列２２の断面積Ａ_１と永久磁石列２６の断面積Ａ_２の平均値の１．２倍以上２．０倍以下であることが望ましい。

（第１の実施の形態）
本発明の好適な第１の実施の形態は、円筒型３相リニア同期モータである。図６は、本発明の好ましい第１の実施の形態の円筒型３相リニア同期モータ１００を説明するための概略斜視図である。図７は、図６のＡ−Ａ線断面図であり、図８は、図６のＢ−Ｂ線断面図であり、図９は、図６のＣ−Ｃ線断面図である。

円筒型３相リニア同期モータ１００は、円筒状の固定子１０５と、固定子１０５の軸方向に可動し、切欠き部を有する円筒状の可動子１０７と、可動子１０７に外部の電源１０８からの電力を供給する駆動装置１０９とを備えている。

固定子１０５は、リング状の永久磁石１１２の磁極がその中心軸を含む断面において略９０度ずつ回転するように永久磁石１１２を隣接させて構成される第１の永久磁石列としての外側永久磁石列１１１と、リング状の永久磁石１１６の磁極がその中心軸を含む断面において略９０度ずつ回転するように永久磁石１１６を隣接させて構成される第２の永久磁石列としての内側永久磁石列１１５と、内側内面に第１の永久磁石列１１１が固定される第１の円環状固定部材としての外側パイプ１１３と、外側面に内側永久磁石列１１５が固定される第２の円環状固定部材としての内側パイプ１１７と、可動子１０７と干渉しないように切欠きが設けられ外側パイプ１１３と内側パイプ１１７を固定する固定板１２３とを備えている。

さらに、固定子１０５では、外側パイプ１１３の外側上部および外側下部に、ガイド棒１２１がガイド棒支持部材２１１、２１３を介して取り付けられている。ガイド棒１２１の表面にはガイド棒支持部材２１１側の端部から当該ガイド棒支持部材２１１までの範囲で上下に２分割された電極２０３、２０５、２０７、２０９が固着されており、各電極からの引出し線１４１は束ねられてガイド棒支持部材２１１に設けられた導出路１４３を経由して駆動装置１０９に導入されている。

可動子１０７は、三相コイル１３１が巻装された巻装環１３３と、巻装環１３３の両端に固定され切欠き部を有する出力環１３７と、出力環１３７の切欠き部を固定する切欠き固定板１３９と、出力環１３７の端部に取付けられ巻装環１３３をガイド棒１２１に沿って案内するリニアブッシュ１３５とを備えている。リニアブッシュ１３５はガイド棒１２１の表面に設けられた電極２０３、２０５、２０７、２０９のそれぞれに接触する摺動電極２０１を具備しており、片端が三相コイル１３１に接続された引出し線１４１が出力環１３７およびリニアブッシュ１３５に設けられた導出路１４３を介して摺動電極２０１に接続されている。これにより、三相コイル１３１は固定子１０５側の各電極２０３、２０５、２０７、２０９を介して駆動装置１０９と電気的に接続される。ここで、各電極２０３、２０５、２０７、２０９のそれぞれには、駆動装置１０９の発生する三相交流電圧に応じた三相交流電流のＵ相，Ｖ相，Ｗ相および中性点電流が流れ、三相コイル１３１が励磁されて所定の推力で可動子１０７が軸方向に移動する。

外側永久磁石配列１１１の永久磁石１１２の数と内側永久磁石配列１１５の永久磁石１１６の数は同じである、外側永久磁石配列１１１の永久磁石１１２のうち径方向に着磁した永久磁石１１２の磁極方向と、永久磁石配列１１５の永久磁石１１６のうち径方向に着磁した永久磁石１１６の磁極方向は、同じ半径上に配置されているもの同士は同じである。外側永久磁石配列１１１の永久磁石１１２のうち軸方向に着磁した永久磁石１１２の磁極方向と、内側永久磁石配列１１５の永久磁石１１６のうち軸方向に着磁した永久磁石１１６の磁極方向は、同じ半径上に配置されているもの同士は反対である。

外側永久磁石配列１１１では、永久磁石１１２の磁極を軸方向に略９０度ずつ回転させながら配列しているので、配列の一方の側（本実施の形態では外側）の磁場が弱まり、その配列の他方の側（本実施の形態では内側、内側永久磁石配列１１５側）では、その分磁場が強くなって、外側永久磁石配列１１１の片側（本実施の形態では内側）に強い磁場を発生させることができる。また、内側永久磁石配列１１５では、永久磁石１１６の磁極を軸方向に略９０度ずつ回転させながら配列しているので、配列の一方の側（本実施の形態では内側）の磁場が弱まり、その配列の他方の側（本実施の形態では外側、外側永久磁石配列１１１側）では、その分磁場が強くなって、内側永久磁石配列１１５の片側（本実施の形態では外側）に強い磁場を発生させることができる。

このように外側磁石配列１１１と内側永久磁石配列１１５とを構成しているので、外側永久磁石配列１１１と内側永久磁石配列１１５との間の空間の磁場は強くなり、その一方では、外側永久磁石配列１１１の外側と内側永久磁石配列１１５の内側には、磁場は殆ど漏れなくなる。そして、外側永久磁石列１１１と内側永久磁石列１１５との間の空隙中に半径方向の磁束が極めて多く分布するようになる。半径方向の磁束が極めて多く分布するこの空隙中に三相コイル１３１が配置されており、磁束の大部分が三相コイル１３１と直角に鎖交するので、駆動装置１０９から供給される電力を効率よく推力に変換できる。このように、三相コイル１３１が配置される領域の磁場が強くなるので、三相コイル１３１に鉄心を使用しなくても、三相コイル１３１が強く励磁され、大きい推力で可動子１０７を軸方向に移動することができる。そして、鉄心を使用しないので、コギングをなくすかまたは小さくできる。

外側永久磁石配列１１１は、半径方向と厚み方向に着磁された断面が略正方形のリング状永久磁石１１２を積み重ねて構成されている。また、内側永久磁石配列１１５は、半径方向と厚み方向に着磁された断面が略正方形のリング状永久磁石１１６を積み重ねて構成されている。外側永久磁石配列１１１で構成される外側円筒界磁と、内側永久磁石配列１１５で構成される内側円筒界磁でデュアルハルバッハ界磁が構成されている。外側円筒界磁と内側円筒界磁、それぞれの円筒界磁の中心軸は重なっている。外側円筒界磁の内面と前記内側円筒界磁の外面との間は界磁空隙となっている。そして、永久磁石１１２，１１６の着磁方向に平行な面（Ｃ−Ｃ断面に平行な面）内において、前記界磁空隙の中心線と外側永久磁石配列１１１との間の空隙断面積と界磁空隙の中心線と内側永久磁石配列１１５との間の空隙断面積との比が、外側永久磁石配列１１１の断面積と内側永久磁石配列１１５の断面積の比と略等しい関係を有している。この面積比の関係は、図３を引用して前述した関係と同様である。なお、界磁空隙の断面積は、外側永久磁石配列１１１の断面積と内側永久磁石配列１１５の断面積の平均値の１．２倍以上〜２．０倍以下であることが望ましい。

上述の実施の形態では、三相コイル１３１が、半径方向の磁束が極めて多く分布する空隙中に配置されるので磁束の大部分が三相コイル１３１と直角に鎖交し、より少ない電流で大きな推力が発生する。外側永久磁石配列１１１では、永久磁石１１２の磁極を軸方向に略９０度ずつ回転させながら配列して、外側永久磁石配列１１１の外側の磁場が弱まり、外側永久磁石配列１１１の内側では、その分磁場が強くなって、外側永久磁石配列１１１の内側に強い磁場を発生させ、また、内側永久磁石配列１１５では、永久磁石１１６の磁極を軸方向に略９０度ずつ回転させながら配列して、内側永久磁石配列１１５の内側の磁場が弱まり、内側永久磁石配列１１５の外側では、その分磁場が強くなって、内側永久磁石配列１１５の外側に強い磁場を発生させたが、磁極を軸方向に９０度ずつ回転させなくても、例えば、４５度ずつ回転させてもよく、軸方向に２πの整数等分ずつ磁極の方向が変化するように複数の第１の永久磁石を軸方向に配列して、第１の永久磁石の配列の内側の磁場が強めあい、外側の磁場が弱めあうようにし、軸方向に２πの整数等分ずつ磁極の方向が第１の永久磁石の配列とは反対方向に変化するように複数の第２の永久磁石を軸方向に配列して、第１の永久磁石の配列の内側に配置し、第２の永久磁石の配列の外側の磁場が強めあい、内側の磁場が弱めあうように配置してもよい。

（第２の実施の形態）
本発明の好適な第２の実施の形態は、三相同期発電機である。図１０は、本発明の好ましい第２の実施の形態の三相同期発電機２００を説明するための概略斜視図である。図１１（Ａ）は、着磁方向に平行な面内における断面図であり、図１１（Ｂ）は、電機子コイルの配線を示す図である。

本実施の形態の発電機２００は、回転子２５０と固定子２６０とを備えている。回転子２５０にシャフト２４０を取り付け、シャフト２４０を回転させるようにすれば、発電機を構成することができる。回転子２５０は、永久磁石配列２１０、２２０を備えている。固定子２６０は、コイル配列２３０を備えている。永久磁石配列２１０、２２０はそれぞれリング状に構成され、コイル配列２３０もそれぞれリング状に構成されている。永久磁石配列２１０、２２０およびコイル配列２３０は同心円状に配置されている。永久磁石配列２２０は、永久磁石配列２０の内側に設けられている。

永久磁石配列２１０、２２０は、図３に示す態様と同様に、それぞれ永久磁石２１１、２２１の磁極を略９０°ずつ回転させながら配列したハルバッハ配列となっている。

永久磁石配列２１０の永久磁石２１１の数と永久磁石配列２２０の永久磁石２２１の数は同じである、永久磁石配列２１０の永久磁石２１１のうち径方向に着磁した永久磁石２１１の磁極方向と、永久磁石配列２２０の永久磁石２２１のうち径方向に着磁した永久磁石２２１の磁極方向は、同じ半径上に配置されているもの同士は同じである。永久磁石配列２１０の永久磁石２１１のうち周方向に着磁した永久磁石２１１の磁極方向と、永久磁石配列２２０の永久磁石２２１のうち周方向に着磁した永久磁石２２１の磁極方向は、同じ半径上に配置されているもの同士は反対である。

永久磁石配列２１０では、永久磁石２１１の磁極を周方向に略９０°ずつ回転させながら配列しているので、配列の一方の側（本実施の形態では外側）の磁場が弱まり、その配列の他方の側（本実施の形態では内側）では、その分磁場が強くなって、永久磁石２１１の配列２１０の片側（本実施の形態では内側）に強い磁場を発生させることができる。また、永久磁石配列２２０では、永久磁石２２１の磁極を周方向に略９０°ずつ回転させながら配列しているので、配列の一方の側（本実施の形態では内側）の磁場が弱まり、その配列の他方の側（本実施の形態で外側）では、その分磁場が強くなって、永久磁石２２１の配列２２０の片側（本実施例では外側）に強い磁場を発生させることができる。

このように永久磁石配列２１０と永久磁石配列２２０とを構成しているので、永久磁石配列２１０と永久磁石配列２２０との間の空間の磁場は強くなり、その一方では、永久磁石配列２１０の外側と永久磁石配列２２０の内側には、磁場は殆ど漏れなくなる。そして、この永久磁石配列２１０と永久磁石配列２２０との間にコイル配列２３０を配置しているので、高い電圧を発生することができる。このように、コイル配列２３０が配置される領域の磁場が強くなるので、コイル配列２３０を構成するコイル２３１に鉄心を使用しなくても、高い電圧を発生することができるようになる。そして、鉄心を使用しないので、コギングをなくすかまたは小さくできる。なお、図１１（Ｂ）に示すように、コイル配列２３０は複数のコイル２３１がＵ相−Ｖ相−Ｗ相の順に巻かれてＹ結線しており、３相交流を発生する。

本実施の形態では、回転軸２４０の周囲に永久磁石２１１、２２１をハルバッハ配列にして構成される内、外の２組の磁石列２０１、２２０でデュアルハルバッハ配列界磁が構成されている。個々の永久磁石２１１、２２１は半径方向断面（着磁方向に平行な面内における断面）でその面積が略等しく、外側磁石列２１０を構成する永久磁石２１１の内面と内側磁石列２２０を構成する永久磁石２２１の外面は互いに対向している。外側磁石列２１０を構成する永久磁石２１１および内側磁石列２２０を構成する永久磁石２２１の個々の半径方向断面がともに台形であり、それぞれ６４個でデュアルハルバッハ配列界磁を構成している。電機子コイル２３１はデュアルハルバッハ配列界磁のギャップ中に配置されるが、外側磁石列２１０と内側磁石列２２０はともに６４角形であり、隣り合う永久磁石２１１、２２１同士のギャップ面には接続角度が存在する。本実施の形態の三相同期発電機２００では、電機子コイル２３１の半径方向断面は外形が長方形であり、その幅が回転軸中心から永久磁石２１１、２２１の２つを見込む角度である。また、電機子コイル２３１は絶縁被膜丸銅線を鍔付ボビンに巻装して構成されている。外側磁石列２１０を構成する永久磁石２１１の内面と内側磁石列２２０を構成する永久磁石２２１の外面との間は界磁空隙となっている。そして、永久磁石２１１，２２１の着磁方向に平行な面内において、前記界磁空隙の中心線と外側磁石列２１０との間の空隙断面積と界磁空隙の中心線と内側磁石列２２０との間の空隙断面積との比が、外側磁石列２１０の断面積と内側磁石列２２０の断面積の比と略等しい関係を有している。この面積比の関係は、図３を引用して前述した関係と同様である。なお、界磁空隙の断面積は、外側磁石列２１０の断面積と内側磁石列２２０の断面積の平均値の１．２倍以上〜２．０倍以下であることが望ましい。

上述の実施の形態では、発電機２００の永久磁石配列２１０では、永久磁石２１１の磁極を周方向に略９０°ずつ回転させながら配列して、配列の外側の磁場が弱まり、その配列の内側では、その分磁場が強くなって、永久磁石２１１の配列２１０の内側に強い磁場を発生させ、また、永久磁石配列２２０では、永久磁石２２１の磁極を周方向に略９０°ずつ回転させながら配列して、配列の内側の磁場が弱まり、その配列の外側では、その分磁場が強くなって、永久磁石２２１の配列２２０の外側に強い磁場を発生させたが、磁極を周方向に略９０°ずつ回転させなくても、例えば、略４５°ずつ回転させてもよく、周方向に２πの整数等分ずつ磁極の方向が変化するように複数の第１の永久磁石を周方向に配列して、第１の永久磁石の配列の内側の磁場が強めあい、外側の磁場が弱めあうようにし、周方向に２πの整数等分ずつ磁極の方向が第１の永久磁石とは反対方向に変化するように複数の第２の永久磁石を周方向に配列して、第１の永久磁石の配列の内側に配置し、第２の永久磁石の配列の外側の磁場が強めあい、内側の磁場が弱めあうように配置してもよい。

また上述の実施の形態では、発電機２００を、図１２の断面図（図１１(A)のＶ−Ｖ線断面図）に示すように一層の界磁を具備するものとして構成したが、図１３に示すような多層界磁を具備する発電機として構成し、それぞれの界磁に対して本発明を適用してもよい。また、図１２に示すような単層界磁または図１３に示すような多層界磁を上下方向に複数段具備する、多段式界磁の発電機にも本発明を適用可能である。

以上説明したように、円形の永久磁石列を具備する電磁誘導装置を製造する場合、第１の永久磁石および第２の永久磁石の着磁方向に平行な面内において、界磁空隙の中心線と前記第１の永久磁石列との間の空隙断面積と前記界磁空隙の中心線と前記第２の永久磁石列との間の空隙断面積との比が、前記第１の永久磁石列の断面積と前記第２の永久磁石列の断面積の比と等しくなるようにすることで、電機子コイルにおいて大きな鎖交磁束数を得ることができる。その結果、発電機の場合、最小の磁石量で最大の電圧を発生する。また、モータでは最小の磁石量で最大のトルクが発生する。また、デュアルハルバッハ配列界磁の永久磁石量を最小化できるので装置の低コスト化および省資源化に貢献できる。

以上、本発明の種々の典型的な実施の形態を説明してきたが、本発明はそれらの実施の形態に限定されない。従って、本発明の範囲は、次の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。

１１２ 永久磁石
１１１ 永久磁石配列
１１６ 永久磁石
１１５ 永久磁石配列
１３１ 電機子コイル

Claims (6)

1. 互いに対向して配置されたリング状の第１の永久磁石列とリング状の第２の永久磁石列であって、前記第１の永久磁石列の個々の断面積が等しくかつ前記第２の永久磁石列の個々の断面積が等しく、前記第１の永久磁石列は、所定の方向に２πの整数等分ずつ磁極の方向が変化し、前記第２の永久磁石列側の磁場が強めあい前記第２の永久磁石列側と反対側の磁場が弱めあうように前記所定の方向に配列された複数の第１の永久磁石を有し、前記第２の永久磁石列は、前記所定の方向に２πの整数等分ずつ磁極の方向が変化し、前記第１の永久磁石列側の磁場が強めあい前記第１の永久磁石列側と反対側の磁場が弱めあうように前記所定の方向に配列された複数の第２の永久磁石を有する前記第１の永久磁石列と第２の永久磁石列と、
   対向する前記第１の永久磁石列と前記第２の永久磁石列との間の界磁空隙中に配置された電機子コイルと、を備え、
   前記第１の永久磁石および前記第２の永久磁石の着磁方向に平行な面内において、前記界磁空隙の中心線と前記第１の永久磁石列との間の空隙断面積と前記界磁空隙の中心線と前記第２の永久磁石列との間の空隙断面積との比が前記第１の永久磁石列の断面積と前記第２の永久磁石列の断面積の比と略等しい関係を有する電磁誘導装置。
2. 前記空隙断面積が、前記第１の永久磁石列と前記第２の永久磁石列の断面積の平均値の１．２倍以上２．０倍以下である請求項１記載の電磁誘導装置。
3. 前記複数の第１の永久磁石の磁極の方向が前記所定の方向に略９０度ずつ回転するように前記複数の第１の永久磁石が前記所定の方向に配列され、
   前記複数の第２の永久磁石の磁極の方向が前記所定の方向に略９０度ずつ回転するように前記複数の第２の永久磁石が前記所定の方向に配列され、
   前記複数の第１の永久磁石の磁極の方向と前記複数の第２の永久磁石の磁極の方向が、前記所定の方向と垂直な方向については同じ方向であり、前記所定の方向の磁極の方向については反対方向である請求項１記載の電磁誘導装置。
4. 前記所定の方向が直線方向である請求項１または３記載の電磁誘導装置。
5. 前記所定の方向が周方向である請求項１または３記載の電磁誘導装置。
6. 前記電磁誘導装置が電動機または発電機である請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電磁誘導装置。