JP7366425B2

JP7366425B2 - 回転装置

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Publication number: JP7366425B2
Application number: JP2020200026A
Authority: JP
Inventors: 陽久上野
Original assignee: アシスト株式会社
Priority date: 2020-12-02
Filing date: 2020-12-02
Publication date: 2023-10-23
Anticipated expiration: 2040-12-02
Also published as: JP2022087897A

Description

この発明は、永久磁石を備えた回転体を電源装置の電源により回転駆動させる際に、充電コイルに誘導起電力を生じさせて前記電源を充電しながら回転体を回転させる回転装置に関する。

この種の回転装置として、特許文献１には、回転時に永久磁石がコアから受ける抵抗が小さく、ロータの回転負荷トルクを減少させて発電効率を向上させ、ステータコイル間の干渉を防ぎ、コイル毎に生じた電力を加算して大きな発電出力を得るために、回転軸に取り付けられたロータと、ロータの回転方向に沿って端面の磁極が交互に異なるように永久磁石が複数配置された第一界磁部と、永久磁石の端面に固着された第一磁束遮断部材と、端部に第一磁束遮断部材とギャップを介して対向する第一対向面を有し各々が磁気的に絶縁された複数のコアと、コアに巻回されたコイル毎又は同位相の交流起電力が発生するコイル群毎に変圧器又は整流器に接続されたステータコイルと、を備えた発電機と、ステータコイルと変圧器又は整流器との間に並列に接続されステータコイルを短絡する第一のリレースイッチと、変圧器又は整流器の出力電圧を入力して蓄電する蓄電池と、を備えた回転装置が開示されている。

また、特許文献２には、１台の電気回転機で１個のロータを共用して電動態様と発電態様とを同時に採って、持続的に発電することができるようにした電気回転機が開示されている。

特開２０１０－２８８３３６号公報特開２０１５－１７３５８４号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載された回転装置は、エネルギ損失が大きく、効率の面で改善の余地があった。

この発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、エネルギ損失を低減し効率を向上できる回転装置の提供を目的とする。

上記目的は以下の手段によって達成される。
（１）回転体と、
第１のコア及び第２のコアと、前記第１のコアに巻かれた前記回転体の駆動用の駆動コイルと、前記第２のコアに巻かれた充電コイルと、前記第１のコアと第２のコアを磁気的に連結する連結部と、を備えた複数個のコイルユニットと、
前記コイルユニットの駆動コイルに電流を流して、前記第１のコアに電磁石を形成するための電源装置と、
Ｓ極とＮ極を有する複数個の永久磁石であって、前記回転体に備えられ、電磁石が形成された前記第１のコアと前記Ｓ極またはＮ極からなる駆動用磁極との間で作用して、前記回転体の回転駆動力を発生させ、前記回転駆動力が発生して回転体が回転したときに、前記コイルユニットにおける前記充電コイルと前記駆動用磁極とは異なる極性の充電用磁極との間で作用して、充電コイルに誘導起電力を生じさせる複数個の永久磁石と、
を備え、
前記充電コイルに生じた誘導起電力に基づく電力を前記電源装置に還元すると共に、誘導起電力に基づく電流が充電コイルに流れることにより前記第２のコアに発生した磁束を、前記連結部を介して前記第１のコアに導くことによって、前記第１のコアと前記永久磁石の間に回転体に対する補助的な回転駆動力を発生させ、
前記第１のコアに電磁石を形成する際に駆動コイルに流す電流によって前記第１のコアに発生した磁束を、前記連結部を介して前記第２のコアに導くことによって、前記充電コイルに補助的な誘導起電力を生じさせることを特徴とする回転装置。
（２）前記回転体は回転プレートであり、前記永久磁石は、それぞれ前記回転プレートの半径方向の２カ所の位置において、周方向に間隔を開けて環状に配設されており、
前記コイルユニットは、それらの各駆動コイルが、前記回転プレートの一方の環状配置の永久磁石の駆動用磁極に対向し、各充電コイルが、前記回転プレートの他方の環状配置の永久磁石の充電用磁極に対向するように配置されている前項（１）に記載の回転装置。
（３）前記永久磁石は、駆動用磁極が前記回転プレートの厚さ方向の一面に現れ、充電用磁極が厚さ方向の他面に現れるように配置され、前記コイルユニットは、前記回転プレートの厚さ方向の両側に配置されている前項（２）に記載の回転装置。
（４）前記コイルユニットは、前記回転プレートの回転軸心を中心として点対称位置に複数対配置されており、点対称のコイルユニット同士が同期して動作する前項（２）または（３）に記載の回転装置。
（５）全ての前記コイルユニットが同一のタイミングで永久磁石に正対しないように、コイルユニットの周方向の間隔と永久磁石の周方向の間隔が非同期に設定されることにより、前記回転プレートの回転駆動力を連続的に発生可能となされている前項（２）～（４）のいずれかに記載の回転装置。
（６）前記コイルユニットにおける前記第１のコアの前記回転体側の端部に、前記永久磁石の駆動用磁極と反発する態様で、反発用永久磁石が備えられている前項（１）～（５）のいずれかに記載の回転装置。
（７）前記充電コイルの前記回転体側の端部の位置は、前記第２のコアの前記回転体側の端部の位置よりも回転体側に突出している前項（１）～（６）のいずれかに記載の回転装置。

前項（１）に記載の発明によれば、コイルユニットの駆動コイルに電源装置から電流を流して、第１のコアに電磁石を形成することにより、回転体に備えられた複数個の永久磁石のＳ極またはＮ極からなる駆動用磁極と第１のコアとの間で回転駆動力を発生させ、回転体は回転駆動される。回転体が回転したときに、複数個の永久磁石の充電用磁極が作用して、コイルユニットの充電コイルに誘導起電力が生じる。充電コイルに生じた誘導起電力に基づく電力は電源装置に還元される。また、誘導起電力に基づく電流が充電コイルに流れることにより第２のコアに発生した磁束を、連結部を介して第１のコアに導くことによって、第１のコアを磁化し第１のコアと永久磁石の間に回転体に対する補助的な回転駆動力を発生させる。一方、第１のコアに電磁石を形成する際に駆動コイルに流す電流によって第１のコアに発生した磁束を、連結部を介して第２のコアに導くことによって、充電コイルに補助的な誘導起電力を生じさせる。

このように、充電コイルに生じた誘導起電力に基づいて第２のコアに発生した磁束を利用して、第１のコアと永久磁石の間に回転体に対する補助的な回転駆動力を発生させ、第１のコアに電磁石を形成する際の駆動コイルの電流によって第１のコアに発生した磁束を利用して、充電コイルに補助的な誘導起電力を生じさせるから、第１のコアや第２のコアに生じた磁束を無駄なく有効に利用することができる。その結果、エネルギ損失を抑制して効率を向上することができる。

前項（２）に記載の発明によれば、回転プレートの回転により充電コイルに生じた誘導起電力に基づいて第２のコアに発生した磁束や、駆動コイルの電流によって第１のコアに発生した磁束を、無駄なく有効に利用することができる構成を、確実に実現することができる。

前項（３）に記載の発明によれば、回転プレートの厚さ方向の両側で、充電コイルに生じた誘導起電力に基づいて第２のコアに発生した磁束や、駆動コイルの電流によって第１のコアに発生した磁束を、無駄なく有効に利用することができ、さらにエネルギ損失を低減して効率の向上を図ることができる。

前項（４）に記載の発明によれば、コイルユニットは、回転プレートの回転軸心を中心として点対称位置に複数対配置されており、点対称のコイルユニット同士が同期して動作するから、回転駆動力のさらなるに増大や発電効率の向上を図ることができる。

前項（５）に記載の発明によれば、全てのコイルユニットが同一のタイミングで永久磁石に正対しないように、コイルユニットの周方向の間隔と永久磁石の周方向の間隔が非同期に設定されているから、回転プレートの回転駆動力を連続的に発生可能となる。

前項（６）に記載の発明によれば、コイルユニットにおける第１のコアの回転体側の端部に、永久磁石の磁極と反発する態様で、反発用永久磁石が備えられているから、永久磁石と第１のコアとの間に生じる吸着力を抑制することができ、吸着力が回転体の回転を妨げる方向に作用するのを防止することができる。

前項（７）に記載の発明によれば、充電コイルの回転体側の端部の位置は、第２のコアの回転体側の端部の位置よりも回転体側に突出しているから、充電コイルの発電量をより多く確保することができる。

本発明の一実施形態に係る回転装置の概略構成を示す正面断面図である。同じく側面断面図である。回転プレートの正面図である。磁石ユニットの拡大図である。コイルユニットの回転プレートに対する位置関係を説明するための断面図である。コイルユニットの断面図である。（Ａ）（Ｂ）は充電コイルの端部を第２のコアの端面よりも退入させた場合と突出させた場合とで、作用する磁束の量が異なることを説明するための、充電コイル部分の断面図である。回転装置の電気系統を示す回路図である。複数個のコイルユニットの間隔を磁石ユニットの間隔と同期させ、かつ第１のコアの先端に反発用磁石を取り付けていない状態で、回転プレートが回転したときの第１のコアと磁石ユニット（永久磁石）の間で作用する力関係を説明するためのシーケンス図である。複数個のコイルユニットの間隔を磁石ユニットの間隔に対してずらし、かつ第１のコアの先端に反発用磁石を取り付けていない状態で、回転プレートが回転したときの第１のコアと磁石ユニット（永久磁石）の間で作用する力関係を説明するためのシーケンス図である。複数個のコイルユニットの間隔を磁石ユニットの間隔に対してずらし、かつ第１のコアの先端に反発用磁石を取り付けた状態で、回転プレートが回転したときの第１のコアと磁石ユニット（永久磁石）の間で作用する力関係を説明するためのシーケンス図である。複数個のコイルユニットの間隔を磁石ユニットの間隔に対してずらし、かつ第１のコアの先端に反発用磁石を取り付け、更に駆動コイルに電流を流した状態で、回転プレートが回転したときの第１のコアと磁石ユニット（永久磁石）の間で作用する力関係を説明するためのシーケンス図である。（Ａ）は、複数個のコイルユニットの間隔を磁石ユニットの間隔に対してずらした状態で、各駆動コイルに電流を流すタイミングを示す図、（Ｂ）は、複数個のコイルユニットの間隔を磁石ユニットの間隔に同期させた状態で、各駆動コイルに電流を流すタイミングを示す図である。この発明のさらに他の実施形態を示すもので、（Ａ）は回転プレートにおける磁石ユニットの配置状態の一部を示す正面図、（Ｂ）はコイルユニットの断面図である。この発明のさらに他の実施形態を示すもので、回転プレートにおける磁石ユニットの配置状態の一部を示す正面図である。この発明のさらに他の実施形態を示すもので、（Ａ）は回転プレートの上部部分の正面図、（Ｂ）はコイルユニットの配置部分の側面断面図である。この発明のさらに他の実施形態を示すもので、回転装置の側面断面図である。

以下、本発明の一実施形態について説明する。
［第１の実施形態］
図１は、本発明の一実施形態に係る回転装置の概略構成を示す正面断面図、図２は同じく側面断面図である。

回転装置１は、筐体２と、筐体２内に収容された回転体としての円形の回転プレート１０を備え、この回転プレート１０は回転プレート１０の中心部を厚さ方向に貫通する回転軸１１に軸着されている。また、回転軸１１は筐体２の両側板２ａ、２ａを貫通して回転可能に支承されており、これにより回転プレート１０が筐体２内で回転軸１１を中心に回転可能となっている。

回転プレート１０には、図３に詳細に示すように、半径方向の２カ所の位置において、それぞれ複数の磁石ユニット２０、３０が周方向に沿って等間隔で環状に埋め込まれており、回転プレート１０に内外２重の環状の永久磁石帯２００、３００が形成されている。各永久磁石帯２００、３００を形成する複数の磁石ユニット２０、３０のそれぞれは、図４に示すように、複数個（例えば３個）の円板状の永久磁石２１、３１を備えており、各永久磁石２１、３１は各磁石ユニット２０、３０において、予め設定された例えば三角形の頂点に位置する配置で埋め込まれている。なお、複数個の永久磁石２１、３１により磁石ユニット２０、３０を構成したが、１個の永久磁石２１、３１で構成されていても良く、磁石ユニット２０、３０の形状、永久磁石２１、３１の数や形状等は限定されない。また、磁石ユニット２０と磁石ユニット３０とで、その形状や永久磁石２１、３１の数や形状を変更しても良いし、磁石ユニット２０同士あるいは磁石ユニット３０同士においても、その形状や永久磁石２１、３１の数や形状を異なるものに設定しても良い。

各永久磁石２１、３１は厚さ方向の一面側が駆動用磁極である例えばＮ極に、他面側が充電用磁極である例えばＳ極に着磁されている。そして、内外２重の環状の永久磁石帯２００、３００のうち、外側の永久磁石帯２００については、回転プレート１０の厚さ方向の一面（表面）側に例えばＮ極が臨み、回転プレートの他面（裏面）側に例えばＳ極が臨むように、回転プレート１０に埋め込まれている。一方、内側の永久磁石帯３００については、回転プレート１０の一面側にＳ極側が臨み、他面側にＮ極側が臨むように、回転プレート１０に埋め込まれている。つまり、回転プレート１０の表裏両面において、外側の永久磁石帯２００と内側の永久磁石帯３００とで、現れる磁極が逆になっている。

筐体２内には複数個のコイルユニット４０が収容されている。

図５は、コイルユニット４０の回転プレート１０に対する位置関係を説明するための、コイルユニット４０の取付部位近傍の側面断面図である。コイルユニット４０は、コア部４１と駆動コイル４２と充電コイル４３を備えている。コア部４１は断面円形のＬ形の第１のコア４１１と、同じく断面円形のＬ形の第２のコア４１２と、第１のコア４１１及び第２のコア４１２を連結して一体化する断面円形の連結部４１３により、全体がコ字形に形成されている。

第１のコア４１１、第２のコア４１２及び連結部４１３は、いずれも磁束を通す電磁鋼板等の鉄系材料によって形成されている。従って、第１のコア４１１に発生した磁束を連結部４１３を介して第２のコア４１２に導き、逆に、第２のコア４１２に発生した磁束を連結部４１３を介して第１のコア４１１に導くことができるようになっている。なお、第１のコア４１１、第２のコア４１２及び連結部４１３を、同一部材で一体形成しても良い。

駆動コイル４２は、第１のコア４１１にそのＬ形形状に沿って巻回される一方、充電コイル４３は、第２のコア４１２にそのＬ形形状に沿って巻回されている。そして、第１のコア４１１の先端部が、内側の永久磁石帯３００の磁石ユニット３０に近接して対向配置され、第２のコア４１２の先端部が、外側の永久磁石帯２００の磁石ユニット２０に近接して対向配置された状態で、筐体２に固定されている。

このような構成のコイルユニット４０の複数個（この実施形態では３個）が、図１に示すように、回転プレート１０の表面側の上部の位置において回転プレート１０の周方向に等間隔で配置されている。各コイルユニット４０の周方向の間隔は、外側の磁石帯２００の各磁石ユニット２０の周方向の間隔や、内側の磁石帯３００の各磁石ユニット３０の周方向の間隔と同期していても良いが、磁石ユニット２０、３０の間隔とは非同期に設定して、全てのコイルユニット４０の第１のコア４１１が磁石ユニット３０に同じタイミングで正対しないようにするのが、回転プレート１０の回転駆動力を連続的に発生しうることから望ましい。この点については後述する。

また、回転プレート１０の下部においても、上部のコイルユニット４０と同数のコイルユニット４０が、回転プレート１０の周方向に、上部のコイルユニット４０の間隔と同じ等間隔で配置されている。これら回転プレート１０の下部の各コイルユニット４０と上部の各コイルユニット４０は、回転プレート１０の回転軸心Ｃを中心として、点対称位置に配置されている。

さらに、各コイルユニット４０における第１のコア４１１の先端部（回転プレート１０側の面）には、第１のコア４１１と対向する内側の永久磁石帯３００の磁石ユニット３０における永久磁石３１の磁極と反発する態様で、円板状の反発用永久磁石４４が備えられている。つまり、反発用永久磁石４４は、内側の永久磁石帯３００の磁石ユニット３０における永久磁石３１の磁極と同じ極性の磁極が回転プレート１０側となり、異なる極性の磁極が第１のコア４１１側となる向きで、第１のコア４１１に一体に取り付けられている。

この反発用永久磁石４４は、詳細な作用については後述するが、電磁鋼板等の鉄系材料からなる第１のコア４１１と永久磁石３１との間に発生する吸着力を打ち消す役割を果たす。一方、同じく鉄系材料からなる第２のコア４１２には反発用永久磁石が設けられないため、第２のコア４１２の先端部と永久磁石２１との距離（隙間）が近いと、両者の間に吸着力が発生する。この吸着力は永久磁石２１の磁力の強さによっても変わるが、回転プレート１０の回転を妨げる損失となる。かといって、吸着力を抑制するため、第２のコア４１２の先端部と磁石ユニット２０の距離を大きくすると、磁石ユニット２０の永久磁石２１から充電コイル４３に作用する磁力が弱くなり、発電効率が低下する。

そこで、この実施形態では、図６に示すように、充電コイル４３を第２のコア４１２の先端部から回転プレート１０側にＸの量だけ突出するように巻いている。これにより、図７（Ａ）のように、第２のコア４１２の先端部が露出している場合の磁石ユニット２０の永久磁石２１との距離Ｌ１よりも、同図（Ｂ）のように、充電コイル４３の先端部と磁石ユニット２０の永久磁石２１との距離Ｌ２を小さくでき、充電コイル４３に作用する永久磁石２１からの磁束２１ａが無効になる量を少なくでき、第２のコア４１２と永久磁石２１の間の吸着力の発生を抑制しながら、充電コイル４３の出力電圧を上げ、発電効率を確保することが可能となる。

なお、充電コイル４３の回転プレート１０側の先端は、反発用永久磁石４４の回転プレート１０側の先端よりも回転プレート１０側に突出していても良いし、同程度であっても良い。

また、図２及び図５に示すように、回転プレート１０の厚さ方向の裏面側にも、表面側のコイルユニット４０と同じ位置に複数個のコイルユニット４０が配置されている。

即ち、第１のコア４１１に巻回された駆動コイル４２は、内側の永久磁石帯３００の磁石ユニット２０に対向して配置され、第２のコア４１２に巻回された充電コイル４３は、外側の永久磁石帯２００の磁石ユニット３０に対向して配置されている。なお、各コイルユニット４０における第１のコア４１１の先端部（回転プレート１０側の面）に、第１のコア４１１と対向する内側の永久磁石帯３００の永久磁石３１の磁極と反発する態様で、円板状の反発用永久磁石４４が備えられている点、充電コイル４３の回転プレート１０側の端部の位置が、第２のコア４１２の回転プレート１０側の端部の位置よりも回転プレート１０側に突出するように、充電コイル４３が第２のコア４１２に巻かれている点については、回転プレート１０の表側のコイルユニット４０と同様である。

ただし、回転プレートの表裏で磁石ユニット３０の永久磁石３１の磁極が異なっているため、反発用磁石４４の磁極は、回転プレート１０の表面側のコイルユニット４０の第１のコア４１１に取り付けられた反発用永久磁石４４の磁極とは逆の極性になっている。

図８は回転装置１の電気系統を示す回路図である。なお、図８では回転プレート１０は省略されている。

駆動コイル４２には、電源５３から駆動回路５１を介して駆動信号が入力される。この駆動信号によって、駆動コイル４２に駆動電流が流れ、第１のコア４１１が電磁石となり、後述するように回転プレート１０が回転する。駆動信号はパルス信号でも良いし、交流信号でも良く、第１のコア４１１が磁石ユニット３０の永久磁石３１と反発する電磁石となる信号であれば良い。回転プレート１０の回転力は、回転軸１１を介して各種の負荷に伝達される。

回転プレート１０が回転すると、後述するように、充電コイル４３に誘導起電力が発生する。発生した誘導起電力は、充電回路５２を介して電源５３を充電する。

次に、内外の環状の永久磁石帯２００、３００を形成する複数個の磁石ユニット２０、３０と、コイルユニット４０の周方向の位置関係について説明する。

この実施形態では、内外の永久磁石帯２００、３００における磁石ユニット２０、３０は、限定はされないが、図３に示すようにθ３＝２２．５度の角度で等間隔に１６箇所、回転プレート１０に埋め込まれている。一方、回転プレート１０の表側及び裏側のコイルユニット４０のうち、上側の３個のコイルユニット４０は図１に示すように、中央のコイルユニット４０ｂを基準にして左側のコイルユニット４０ａがθ１＝－（４５°＋α）、右側のコイルユニット４０ｃが、θ２＝４５°＋αの角度で、それぞれ配置されている。また、下側の３個のコイルユニット４０の間隔も同様である。従って、全てのコイルユニット４０の第１のコア４１１（駆動コイル４２）及び第２のコア４１２（充電コイル４３）が同時に、内外二重の永久磁石帯２００、３００の磁石ユニット２０、３０にそれぞれ正対することはなく、３個のコイルユニット４０の内、１つのコイルユニット４０の第１のコア４１１及び第２のコア４１２が永久磁石帯２００、３００の各磁石ユニット２０、３０に正対しているときは、他の２つのコイルユニット４０の第１のコア４１１及び第２のコア４１２は、永久磁石帯２００、３００の各磁石ユニット２０、３０に対して周方向にずれて対向する構成となっている。

図９は、上側の３個のコイルユニット４０（４０ａ、４０ｂ、４０ｃ）において、中央のコイルユニット４０ｂを基準０°として、両側のコイルユニット４０ａ、４０ｃがθ１＝－４５°、θ２＝４５°の角度で配置されている場合であって、駆動コイル４２を駆動せず、かつ第１のコア４１１の先端に反発用磁石４４を取り付けていない状態で、回転プレート１０が回転したときの第１のコア４１１と永久磁石ユニット３０（永久磁石３１）の間で作用する力関係を説明するためのシーケンス図である。

図９上段の図は、環状に配置された磁石ユニットを直線配置で表示したものであり、回転プレート１０は右方向（矢印Ｒ方向）に回転している。下段の図は、上段の図から回転プレート１０が磁石ユニット３０の１個分回転した状態を示している。また、黒丸印は第１コア４１１の端面を示している。

図９において、３個のコイルユニット４０ａ、４０ｂ、４０ｃの間隔は４５°であり、磁石ユニット３０の間隔２２．５°の２倍である。従って、３個のコイルユニット４０ａ、４０ｂ、４０ｃにおける３個の第１のコア４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃは、同じタイミングで、磁石ユニット３０に１個置きに正対する。今、これら３個の第１コア４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃを、図９上段の図のように、それぞれ磁石ユニット３０ｂ、３０ｄ、３０ｆの回転方向先端側の端部が通過しているものとする。

第１のコア４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃは鉄系材料で構成されているから、磁石ユニット３０（３０ｂ、３０ｄ、３０ｆ）における永久磁石３１の駆動用磁極（例えばＮ極）との間で吸着力を生じる。吸着力を生じる範囲は、各第１のコア４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃの端面を磁石ユニット３０ｂ、３０ｄ、３０ｆが通過する範囲、つまり、同図上段の図のように、磁石ユニット３０ｂ、３０ｄ、３０ｆの回転方向先端側の端部が第１のコア４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃの端面を通過した後、下段の図のように、磁石ユニット３０ｂ、３０ｄ、３０ｆの回転方向後端側の端部が第１のコア４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃの端面を通過するまでである。図９に、吸着力を生じる範囲を吸着範囲として示す。

図１０は、上側の３個のコイルユニット４０ａ、４０ｂ、４０ｃについて、中央のコイルユニット４０ｂとその両側のコイルユニット４０ａ、４０ｃが、θ１＝－（４５°＋α）、θ２＝４５°＋αの角度でそれぞれ配置された状態で、回転プレート１０が回転したときの第１のコア４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃと磁石ユニット３０（永久磁石３１）の間で作用する力関係を説明するためのシーケンス図である。

図１０の上段の図と下段の図は、図９の上段の図と下段の図の関係と同じであり、黒丸印は第１コア４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃの端面を示している。

同図上段の図のように、中央のコイルユニット４０ｂにおける第１コア４１１ｂを磁石ユニット３０ｄの回転方向先端側の端部が通過しているものとする。左右のコイルユニット４０ａ、４０ｃは、中央のコイルユニット４０ｂに対して±（４５°＋α）、の間隔で配置されているから、中央のコイルユニット４０ｂの第１のコア４１１ｂを磁石ユニット３０ｄの回転方向先端側の端部が通過しているときに、右側のコイルユニット４０ｃの第１のコア４１１ｃには、磁石ユニット３０ｆが到達しておらず、左側のコイルユニット４０ａの第１のコア４１１ａを磁石ユニット３０ｂの中間部が通過中である。

同図下段の図のように、中央のコイルユニット４０ｂにおける第１コア４１１ｂを磁石ユニット３０ｄの回転方向後端側の端部が通過しているときに、右側のコイルユニット４０ｃの第１のコア４１１ｃを磁石ユニット３０ｆの中間部が通過中であり、左側のコイルユニット４０ａの第１のコア４１１ａを磁石ユニット３０ｂは既に通過している。

このため、各コイルユニット４０ａ、４０ｂ、４０ｃにおける第１コア４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃと磁石ユニット３０ｂ、３０ｄ、３０ｆの永久磁石３１との間で作用する吸着力の範囲は、図１０に示す通りとなる。このような吸着力は、ゴギングトルクの原因となり、駆動損失となる。

そこで、この実施形態では前述したように、磁石ユニット３０と対向する各コイルユニット４０ａ、４０ｂ、４０ｃにおける第１のコア４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃの先端部に、反発用永久磁石４４を取り付けることで、第１のコア４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃと磁石ユニット３０の永久磁石３１との間に作用する吸着力を反発力に変えている。ただし、反発力を弱いものとするために、反発用永久磁石４４は弱い磁力のものとする。

図１１に、各第１のコア４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃの先端部に反発用永久磁石４４を取り付けるとともに、上側の３個のコイルユニット４０ａ、４０ｂ、４０ｃについて、中央のコイルユニット４０ｂとその両側のコイルユニット４０ａ、４０ｃとが、θ１＝－（４５°＋α）、θ２＝４５°＋αの角度でそれぞれ配置された状態で、回転プレート１０が回転したときの各第１のコア４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃと永久磁石３１との間に作用する力関係を説明するためのシーケンス図である。

この状態では、図１０に示した吸着範囲が反発力範囲に変わるが、各コイルユニット４０ａ、４０ｂ、４０ｃに反発力範囲が発生しているタイミングは、図１０に示した吸着力が発生するタイミングと同じである。

このタイミングにおいて、左側のコイルユニット４０ａの第１のコア４１１ａと磁石ユニット３０ｂの永久磁石３１との間には、Ａ点において永久磁石３１が逃げる方向つまり回転プレート１０の回転方向の反発力が発生する。中央のコイルユニット４０ｂの第１のコア４１１ｂと永久磁石３１との間には、Ｂ点において永久磁石３１が逃げる方向つまり回転プレート１０の回転方向の大きな反発力が発生する。右側のコイルユニット４０ｃの第１のコア４１１ｃと永久磁石３１との間には、Ｃ点において永久磁石３１と第１のコア４１１ｃとがぶつかる方向つまり回転プレート１０の回転方向と逆の反発力が発生する。

このように、Ｃ点においてのみ、第１のコア４１１ｃに永久磁石３１が近づくため、反発力の方向が逆になるが、Ａ点及びＢ点での回転方向の反発力により、Ｃ点での逆向きの反発力が打ち消されて、回転方向の反発力が残ることになる。左右のコイルユニット４０ａ、４０ｃは中央のコイルユニット４０ｂに対して、±（４５°＋α）ずらして配置されているため、常時、回転プレート１０の回転方向の反発力が作用することになる。

加えて、駆動コイル４２には、第１のコア４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃの先端が磁石ユニット３０における永久磁石３１の磁極と同一極性となるように駆動電流が流されて、第１のコア４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃは電磁石として動作する。第１のコア４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃを電磁石として動作させる期間は、図１２に示すように、各第１のコア４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃを磁石ユニット３０が通過する期間である。各第１のコア４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃの間隔と磁石ユニット３０の間隔とはずれており、各第１のコア４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃと磁石ユニット３０とは同時に正対しないから、第１のコア４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃを電磁石として動作させる期間も、図１３（Ａ）に示すようにタイミングがずれることになる。このため、反発用磁石４４により磁石ユニット３０に対する吸着力が存在しない（磁気抵抗が無い）状態で、各第１のコア４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃが電磁石として動作することによる反発力が加わる結果、回転プレート１０の回転方向により強い反発力が発生し、この反発力によって回転プレート１０は連続的に回転駆動される。

しかも、この実施形態では、回転プレート１０の上部側のコイルユニット４０ａ、４０ｂ、４０ｃのみならず、回転プレート１０の下部側のコイルユニット４０も、上部側の各コイルユニット４０ａ、４０ｂ、４０ｃに同期して動作するから、より一層強い反発力が発生する。

ちなみに、各第１のコア４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃの間隔が磁石ユニット３０の間隔の２倍の場合は、各第１のコア４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃと磁石ユニット３０とは同時に正対するから、第１のコア４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃを電磁石として動作させる期間も図１３（Ｂ）に示すように同じタイミングとなる。このため、反発力が発生しない期間Ｔが生じることから、回転プレート１０に対する回転駆動力が小さい値となる。従って、この実施形態のように、各第１のコア４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃの間隔と磁石ユニット３０の間隔をずらして、各第１のコア４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃと磁石ユニット３０とが同時に正対しないコイルユニット４０の配置とするのが良い。

さらに、この実施形態では、回転プレート１０の表面側のみならず裏面側にも、表面側のコイルユニット４０と同じ配置でコイルユニット４０が備えられているから、回転プレート１０の表裏両面で回転プレート１０の回転方向に大きな反発力、つまり回転プレート１０の回転駆動力が継続的に発生し、回転プレート１０は連続的に回転する。

一方、回転プレート１０の回転により、各コイルユニット４０の第２のコア４１２には、外側の永久磁石帯２００における各磁石ユニット２０の永久磁石２１が、順に近付き、対向し、離間していく。各第２のコア４１２には、各磁石ユニット２０の永久磁石２１からの磁束が横切るように作用し、この磁束変化に応じて、充電コイル４３には誘導起電力が発生する。この際に、充電コイル４３の回転プレート１０側の端部は、第２のコア４１２の端部よりも回転プレート１０側に突出しているから、磁石ユニット２０の永久磁石２１からの磁束２１ａのうち充電コイル４３に作用する磁束の量を多く確保でき、充電コイル４３の大きな起電力を確保することができる。充電コイル４３は電源装置５０の充電回路５２に接続されており、発生した誘導起電力により充電回路５２を介して電源５３が充電される。

また、発生した誘導起電力によって充電コイル４３に電流が流れると、図５に示すように、この電流によって第２のコア４１２には磁束４３ａが発生し、この磁束４３ａは連結部４１３を介して第１のコア４１１に導かれ、第１のコア４１１の先端部は、第１のコア４１１が臨む磁石ユニット３０の永久磁石３１に対して反発するように磁化される。従って、この反発力の合計によって回転プレート１０の回転駆動力が補助され、ますます効率よく回転プレート１０を回転駆動することができる。つまり、充電コイル４３に発生した起電力に基づいて、第２のコア４１２で発生した磁束４３ａを第１のコア４１１側で利用することができるから、エネルギ損失を可及的に抑制でき、効率を向上することができる。

また、駆動コイル４２に電流を流して、第１のコア４１１を電磁石として動作させるときに、図５に示すように、第１のコア４１１に発生した磁束４２ａは連結部４１３を介して第２のコア４１２に導かれる。この第２のコア４１２に導かれた磁束４２ａに応じて、充電コイル４３には補助的な誘導起電力が発生する。この誘導起電力によっても電源５３が充電される。つまり、駆動コイル４２への通電により発生した磁束４２ａを第２のコア４１２側で利用することができるから、さらにエネルギ損失を可及的に抑制でき、効率を向上することができる。
［第２の実施形態］
図１４はこの発明の第２の実施形態を示すもので、図１４（Ａ）は回転プレート１０における磁石ユニットの配置状態の一部を示す正面図、同図（Ｂ）はコイルユニット４０の断面図である。この実施形態では、第１の実施形態に較べて、外側の永久磁石帯２００の磁石ユニット２０に加え新たな磁石ユニット２２が配置され、内側の永久磁石帯３００の磁石ユニット３０に加え新たな磁石ユニット３２が配置されており、磁石ユニットの数が増加している。

即ち、第１の実施形態における外側の永久磁石帯２００に配置された磁石ユニット２０の隣り合うもの同士の周方向の中間位置に、磁石ユニット２２が配置され、従って磁石ユニット２０及び磁石ユニット２２の合計数は、第１の実施形態の磁石ユニット２０の合計数の２倍になっている。しかも、磁石ユニット２２の永久磁石２３の厚さ方向の極性が、磁石ユニット２０の永久磁石２１の厚さ方向の極性とは逆の極性となっている。

さらに、内側の永久磁石帯３００についても、第１の実施形態における内側の永久磁石帯３００に配置された磁石ユニット３０の隣り合うもの同士の周方向の中間位置に、磁石ユニット３２が配置され、従って磁石ユニット３０及び磁石ユニット３２の合計数は、第１の実施形態の磁石ユニット３０の合計数の２倍になっている。しかも、磁石ユニット３２の永久磁石３３の厚さ方向の極性が、磁石ユニット３０の永久磁石３１の厚さ方向の極性とは逆の極性となっている。

なお、図１４では、永久磁石２１、３３の極性をシングルハッチングで、永久磁石２３、３１の極性をダブルハッチングで示すことで、永久磁石２１と２３の極性、永久磁石３１と３３の極性がそれぞれ異なっていることを示している。

一方、各コイルユニット４０は、第１のコア４１１に取り付けられた反発用永久磁石４４の構成のみが第１の実施形態とは相違している。即ち、第１のコア４１１は、回転プレート１０の回転に伴い、内側の永久磁石帯３００の各磁石ユニット３０及び３２と順に接近、正対、離間を繰り返すことになる。しかし、内側の永久磁石帯３００の磁石ユニット３０の永久磁石３１と磁石ユニット３２の永久磁石３３は極性が逆であるから、反発用永久磁石４４として、両面多極着磁により、厚さ方向の両面のそれぞれにＮ極とＳ極のうちの一方の磁極４４ａと他方の磁極４４ｂが形成された構成のものが使用されている。これによって、一方の磁極４４ａが磁石ユニット３２の永久磁石３３に対して反発し、他方の磁極４４ｂが磁石ユニット３０の永久磁石３１に対して反発するように構成されている。なお、反発用永久磁石４４の厚さ方向の各面に形成される磁極４４ａ、４４ｂのそれぞれの数は、１個でも良いし２個以上であっても良い。

この第２の実施形態では、第１の実施形態と同様に、各コイルユニット４０と磁石ユニット３０の永久磁石３１の間での反発力による駆動力に加えて、各コイルユニット４０と磁石ユニット３２の永久磁石３３との間でも反発力による駆動力が発生するから、より大きな回転駆動力を得ることができる。また、第１の実施形態と同様に、磁石ユニット２０の永久磁石２１による充電コイル４３の発電出力に加えて、磁石ユニット２２の永久磁石２３による充電コイル４３の発電出力が発生するから、より大きな発電出力を得ることができる。
［第３の実施形態］
図１５はこの発明の第３の実施形態を示すもので、回転プレート１０における磁石ユニットの配置状態の一部を示す正面図である。この実施形態では、第１の実施形態に較べて、外側の永久磁石帯２００の磁石ユニット２０に加え新たな磁石ユニット２２が配置されており、外側の永久磁石帯２００の磁石ユニットの数が増加している。

即ち、第１の実施形態における外側の永久磁石帯２００に配置された磁石ユニット２０の隣り合うもの同士の周方向の中間位置に、磁石ユニット２２が配置され、従って磁石ユニット２０及び磁石ユニット２２の合計数は、第１の実施形態の磁石ユニット２０の合計数の２倍になっている。しかも、磁石ユニット２２の永久磁石２３の厚さ方向の極性が、磁石ユニット２０の永久磁石２１の極性とは逆の極性となっている。

なお、内側の永久磁石帯３００の磁石ユニット３０の配置及び厚さ方向の極性は、第１の実施形態と同じである。また、コイルユニット４０の構成及び数も第１の実施形態と同じである。

この実施形態では、各コイルユニット４０と磁石ユニット３０の永久磁石３１との反発力による駆動力は第１の実施形態と同じであるが、外側の永久磁石帯２００の磁石ユニットの数が磁石ユニット２２の分だけ増加しているから、充電コイル４３による発電出力を増大することができる。
［第４の実施形態］
図１６（Ａ）はこの発明の他の実施形態を示す要部の正面図、同図（Ｂ）は回転プレート１０を断面で示す要部の側断面図である。この実施形態では、コイルユニット４０は、第１のコア４１１と第２のコア４１２が、回転プレート１０の厚さ方向の両側から対向できるように間隔を開けて配置され、第１のコア４１１と第２のコア４１２の回転プレート１０と反対側の端部同士を、下向きコ字形の連結部４１３で連結すると共に、第１のコア４１１に駆動コイル４２が、第２のコア４１２に充電コイル４３が、それぞれ巻回されている。第１のコア４１１、第２のコア４１２及び連結部４１３の材料は、第１実施形態における第１のコア４１１、第２のコア４１２及び連結部４１３の材料と同じである。

一方、回転プレート１０には、外周近くにおいて、複数個の磁石ユニット２０が等間隔で埋め込まれることにより、環状の永久磁石帯が形成されている。各磁石ユニット２０は、１個または複数個の永久磁石２１を有し、回転プレート１０の厚さ方向の表面側に駆動用磁極（例えばＮ極）、裏面側に充電用磁極（例えばＳ極）が現れている。

回転プレート１０の上部において、複数個（この例では３個）のコイルユニット４０ａ、４０ｂ、４０ｃが配置されている。各コイルユニット４０ａ、４０ｂ、４０ｃは、それぞれの第１のコア４１１が回転プレート１０の表面側の磁石ユニット２０における永久磁石２１の駆動用磁極に対向し、第２のコア４１２が回転プレート１０の裏面側の永久磁石２１の充電用磁極に対向するように、回転プレート１０の周縁部を跨いだ状態で、等間隔で配置されている。また、各コイルユニット４０ａ、４０ｂ、４０ｃの間隔と磁石ユニット２０の間隔の関係は、第１の実施形態と同様である。

また、図示は省略したが、回転プレート１０の下部側にも、複数個（この例では３個）のコイルユニット４０が配置されている。上部側のコイルユニット４０と下部側のコイルユニット４０は、回転軸心Ｃを中心に点対称位置に配置され、各点対称のコイルユニット４０同士が同期して動作するものとなされている。

また、各コイルユニット４０の第１のコア４１１の先端には、対向する回転プレート１０側の永久磁石２１の磁極と反発する態様で反発用永久磁石４４が取り付けられている。

この第２の実施形態に係る回転装置１においても、各コイルユニット４０の駆動コイル４２に通電するタイミングは第１の実施形態と同じである。従って、第１のコア４１１と磁石ユニット２０における永久磁石２１との間に、回転プレート１０の回転方向の反発力が継続的に発生し、この反発力によって回転プレート１０は回転する。

また、回転プレート１０の回転により充電コイル４３には誘導起電力が発生し、発生した誘導起電力により充電回路５２を介して電源５３が充電される点、発生した誘導起電力によって充電コイル４３に電流が流れると、第１のコア４１１の先端部が磁化されて、回転プレート１０の回転駆動力を補助する方向の反発力を生じる点、駆動コイル４２に電流を流して、第１のコア４１１を電磁石として動作させるときに、充電コイル４３に誘導起電力が発生する点、については第１の実施形態と同じである。従って、この第２の実施形態によっても、エネルギ損失を可及的に抑制でき、効率を向上することができる。
［第５の実施形態］
図１７は、この発明のさらに他の実施形態を示すもので、回転装置１の側断面図である。この実施形態では、回転プレート１０の回転を補助するために、回転プレート１０の回転軸１１は例えばＤＣモータ等のモータ６０に連結されている。このモータ６０により、特に回転始動時に回転プレート１０をスムーズに回転起動させることができる。なお、回転プレート１０の回転起動後もモータ６０を継続駆動すると、モータ６０の回転速度と回転プレート１０の回転速度がほぼ同期した状態では、モータ６０の消費電力はゼロに近くなる。回転プレート１０の回転軸１１に大きな負荷が加わったときには、モータ６０と回転装置１とで負荷を分担すれば良い。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることはない。

例えば、磁石ユニット２０、２２、３０、３２の個数や配置、コイルユニット４０の個数や配置、さらには各磁石ユニットの永久磁石２１、２３、３１、３３の形状、個数、磁極の強さ（磁束密度の大きさ）等は、上記実施形態に限定されることはなく、要求される回転装置の出力容量などに応じて適宜変更が可能である。具体的には、出力容量の変更は、永久磁石２１、２３、３１、３３の磁束密度の変更、磁石ユニット２０、２２、３０、３２の数の変更、コイルユニットの数の変更、のうちの少なくともいずれかにより行うことができる。例えば、永久磁石２１、２３、３１、３３の磁束密度を上げ、磁石ユニット２０、２２、３０、３２の数を増やし、コイルユニットの数を増やすことで、出力容量を増大することができる。

また、第１～第５の実施形態では、回転体が回転プレート１０である場合を示したが、回転体は周方向に回転可能な円柱状または円筒状のドラムであっても良く、ドラムの長さ方向の異なる位置においてドラムの表面に周方向に複数個の磁石ユニットを取り付けて、複数個の環状の永久磁石帯を形成し、第１の実施形態と同様に、複数個のコイルユニットを２つの永久磁石帯に跨がる態様で配置し、コイルユニットの駆動コイルが巻かれた第１のコアを一方の永久磁石帯の磁石ユニットに対向配置し、第２のコアに巻かれた充電コイルを他方の永久磁石帯の磁石ユニットに対向配置させても良い。この場合も、第１の実施形態と同様に、コイルユニットの間隔と磁石ユニットの間隔を非同期配置にし、全てのコイルユニットが同時に磁石ユニットに正対しないようにして、回転ドラムに連続的な回転力を発生させたり、第１のコアの先端に反発用永久磁石を取り付けることが望ましい。

また、回転装置１の回転軸１１に負荷を接続する他、回転装置１を発電装置として用い、電源５３の電力を回転装置１以外の負荷に供給しても良い。

また、第１～第５の実施形態では、駆動コイル４２及び第１のコア４１１が、内側の永久磁石帯３００の磁石ユニット３０側に位置し、誘導コイル４３及び第２のコア４１２が、外側の永久磁石帯２００の磁石ユニット２０側に位置する配置としたが、駆動コイル４２及び第１のコア４１１が、外側の永久磁石帯２００の磁石ユニット２０側に位置し、誘導コイル４３及び第２のコア４１２が、内側の永久磁石帯３００の磁石ユニット３０側に位置する配置としても良い。また、駆動コイル４２及び第１のコア４１１が、内側の永久磁石帯３００の磁石ユニット３０側に位置するコイルユニット４０と、外側の永久磁石帯２００の磁石ユニット２０側に位置するコイルユニット４０が混在していても良い。

１回転装置
２筐体
２ａ側板
１０回転プレート
１１回転軸
２００、３００永久磁石帯
２０、２２、３０、３２磁石ユニット
２１、２３、３１、３３永久磁石
４０、４０ａ、４０ｂ、４０ｃコイルユニット
４１コア部
４２駆動コイル
４２ａ磁束
４３充電コイル
４３ａ磁束
４４反発用永久磁石
４４ａ磁束
５０電源装置
５１駆動回路
５２充電回路
５３電源
４１１、４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃ第１のコア
４１２第２のコア
４１３連結部

Claims

回転体と、
第１のコア及び第２のコアと、前記第１のコアに巻かれた前記回転体の駆動用の駆動コイルと、前記第２のコアに巻かれた充電コイルと、前記第１のコアと第２のコアを磁気的に連結する連結部と、を備えた複数個のコイルユニットと、
前記コイルユニットの駆動コイルに電流を流して、前記第１のコアに電磁石を形成するための電源装置と、
Ｓ極とＮ極を有する複数個の永久磁石であって、前記回転体に備えられ、電磁石が形成された前記第１のコアと前記Ｓ極またはＮ極からなる駆動用磁極との間で作用して、前記回転体の回転駆動力を発生させ、前記回転駆動力が発生して回転体が回転したときに、前記コイルユニットにおける前記充電コイルと前記駆動用磁極とは異なる極性の充電用磁極との間で作用して、充電コイルに誘導起電力を生じさせる複数個の永久磁石と、
を備え、
前記充電コイルに生じた誘導起電力に基づく電力を前記電源装置に還元し、
前記第１のコアに電磁石を形成する際に駆動コイルに流す電流によって前記第１のコアに発生した磁束を、前記連結部を介して前記第２のコアに導くことによって、前記充電コイルに補助的な誘導起電力を生じさせ、
前記コイルユニットにおける前記第１のコアの前記回転体側の端部に、前記永久磁石の駆動用磁極と反発する態様で、反発用永久磁石が備えられていることを特徴とする回転装置。
回転体と、
第１のコア及び第２のコアと、前記第１のコアに巻かれた前記回転体の駆動用の駆動コイルと、前記第２のコアに巻かれた充電コイルと、前記第１のコアと第２のコアを磁気的に連結する連結部と、を備えた複数個のコイルユニットと、
前記コイルユニットの駆動コイルに電流を流して、前記第１のコアに電磁石を形成するための電源装置と、
Ｓ極とＮ極を有する複数個の永久磁石であって、前記回転体に備えられ、電磁石が形成された前記第１のコアと前記Ｓ極またはＮ極からなる駆動用磁極との間で作用して、前記回転体の回転駆動力を発生させ、前記回転駆動力が発生して回転体が回転したときに、前記コイルユニットにおける前記充電コイルと前記駆動用磁極とは異なる極性の充電用磁極との間で作用して、充電コイルに誘導起電力を生じさせる複数個の永久磁石と、
を備え、
前記充電コイルに生じた誘導起電力に基づく電力を前記電源装置に還元し、
前記第１のコアに電磁石を形成する際に駆動コイルに流す電流によって前記第１のコアに発生した磁束を、前記連結部を介して前記第２のコアに導くことによって、前記充電コイルに補助的な誘導起電力を生じさせ、
前記充電コイルの前記回転体側の端部の位置は、前記第２のコアの前記回転体側の端部の位置よりも回転体側に突出していることを特徴とする回転装置。
前記回転体は回転プレートであり、前記永久磁石は、それぞれ前記回転プレートの半径方向の２カ所の位置において、周方向に間隔を開けて環状に配設されており、
前記コイルユニットは、それらの各駆動コイルが、前記回転プレートの一方の環状配置の永久磁石の駆動用磁極に対向し、各充電コイルが、前記回転プレートの他方の環状配置の永久磁石の充電用磁極に対向するように配置されている請求項１または２に記載の回転装置。
前記永久磁石は、駆動用磁極が前記回転プレートの厚さ方向の一面に現れ、充電用磁極が厚さ方向の他面に現れるように配置され、前記コイルユニットは、前記回転プレートの厚さ方向の両側に配置されている請求項３に記載の回転装置。
前記コイルユニットは、前記回転プレートの回転軸心を中心として点対称位置に複数対配置されており、点対称のコイルユニット同士が同期して動作する請求項３または４に記載の回転装置。
全ての前記コイルユニットが同一のタイミングで永久磁石に正対しないように、コイルユニットの周方向の間隔と永久磁石の周方向の間隔が非同期に設定されることにより、前記回転プレートの回転駆動力を連続的に発生可能となされている請求項３～５のいずれかに記載の回転装置。