JPH0467744A - 電磁回転機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野１ 本発明は電磁回転機に関し、詳しくは、出力トルクにリ
ップルがなく高効率の直流電動機、もしくは出力電圧が
回転速度に正確に比例する発電機（タコジェネレータ）
で出力にリップル、ノイズのない直流発電機として構成
される電磁回転機に関するものである。

［従来の技術］ 従来の直流電動機ないし直流発電機（タコジェネレータ
）の−射的な構成では、電機子コイルに相が有り、直流
電動機の場合には電機子コイルの励磁相の切り換えが行
なわれ、直流発電機の場合はコイルの相に対応した出力
の整流が行なわれる。この相が有ることによる欠点を解
消するために、無相の直流電動機ないし直流発電機を実
現するための技術が例えば特開昭５３〜８９９１１号な
どにより数多く提案されているが、理論的にＭ誤がある
ものが多く、実用化された例はない。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の電機子コイルの相が有る直流電動機ないし直流発
電機の構成には、次のような解決すべき課題がある。

第１の課題 複数相の直流発電機は、その直流出力にリップル電圧を
含んでいるので、回転数に比例した直流出力を得ること
ができず、リップル電圧をコンデンサで平滑化すると時
間遅れが発生して、回転速度の変化に正確に追従した電
圧が得られず、タコジェネレータとして使用する場合の
欠、屯となる問題点がある。

第２の課題 複数相の直流電動機、特にブラシレス直流電動機の場合
には相数が少ないので、トルクリップルと機械振動が発
生する問題点がある。

第３の課題 ブラシレスの直流発電機、直流電動機の場合には、整流
手段ないし励磁相切り換え手段が半導体回路となり、高
価で相切り替え時に電磁ノイズが発生する問題点がある
。また、機械振動を発生する欠点がある。

第４の課題 ブラシレス直流電動機の場合、相数は１〜３相となるの
で、相切り替え時のコイルのエネルギーの消滅と蓄積に
時間を要する。従って、高速度とすると、反トルクの発
生が増大し、回転速度の上昇に限界があり、また効率が
劣化する問題点がある。

第５の課題 電機子コイルのエネルギーの消滅と蓄積による鉄損があ
り、効率が劣化する問題点がある。高速度となると前述
したように大きい問題点となる。

［課題を解決するための手段］ 上記の課題を解決するため本発明の電磁回転機によれば
、ドーナツ形状で半径方向に着磁されたマグネットと、
円筒形状で内周に前記マグネットを固着し、固定軸に回
転可能に支持された回転ヨークと、ドーナツ形状で前記
マグネットの内周に対向して前記固定軸に支持された固
定ヨークと、該固定ヨークに巻着されて前記マグネット
の内周に対向する電機子コイルとを有し、前記マグネッ
トから発生する磁束の流れる磁路が前記回転ヨーク、固
定軸、及び固定ヨークから形成され、前記電機子コイル
に直流電流を連続して印加することにより前記マグネッ
トを介して前記回転ヨークに対して一方向の出力トルク
が発生する直流電動機、または、回転ヨークをマグネッ
トとともに電機子コイルに対し一方向に回転させること
により電機子コイルに連続して誘起される直流電圧を出
力する直流発電機として構成される。

「作　用］ 上記構成によれば無相の電磁回転機が構成される。直流
電動機として構成される場合には、電機子コイルに直流
電流を連続して印加することにより、即ち励磁相の切り
換えなしに回転駆動が行なわれるので、トルクリップル
がなく、機械的振動が除去される。また励磁相を切り換
える制御手段は不要となる。また励磁相の切り換えがな
く、電機子コイルに蓄積された磁気エネルギーの増減が
ないので磁気エネルギーの放出による反トルクの発生が
ない。さらに磁路を通る磁束量に変化がないので、鉄損
がない。

また直流発電機として構成される場合には、電機子コイ
ルに連続して直流電圧が誘起されてそのまま出力される
。即ち、リップルのない直流電圧が出力され、回転速度
に正確に比例した応答性のよい電圧出力が得られる。整
流手段は不要となる。

このようにして第１〜第５の課題を解決できる。

［実施例］ 以下、図面に示した本発明の実施例の詳細を説明する。

なお、各実施例で共通もしくは対応する部材については
各図中で同一符号で示してあり、重複した説明は省略す
る。

第１実施例 第１図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明の電磁回転機
の第１実施例を説明するものである。第１図（ｂ）は第
１図（ａ）のＡ−Ａ’線に沿って切断した断面を示す。

まず電磁回転機の構造を説明する。

第１図（ａ）、（ｂ）において符号ｌは回転ヨークであ
り、磁性体から第１図（ａ）中上端側が閉じられ下端側
が開放された円筒形状に形成されており、上端の中心下
側に固着されたベアリング３を介して固定軸４の上端に
回転自在に支持されている。また回転ヨーク１の上端の
中心上側には軸１ａが形成されており、これが電磁回転
機の回転軸となっている。なお固定軸４は磁性体から形
成され、下端が基台５に圧入されて固定されている。基
台５も磁性体からなる。

次に回転ヨークｌの内周にはマグネット２が固着されて
いる。マグネット２はドーナツ形状に形成されており、
半径方向に着磁されており、この場合は内周側がＮ極、
外周側がＳ極に着磁されている。

また固定軸４には磁性体からなる固定ヨーク６が固着さ
れ支持されている。固定ヨーク６はドーナツ形状で固定
軸４に固着するためのアーム６ａ、６ｂを有しており、
マグネット２の内周と対向しで支持される。

更に、アーム６ａ、６ｂにより２等分される固定ヨーク
６の円弧部分のそれぞれに電機子コイル７ａ、７ｂが巻
着されており、マグネット２の内周と対向している。電
機子コイル７ａ、７ｂは固定ヨ〜り６の円弧部分に同じ
方向に巻回され、直列に接続されており、コイル端末７
ａｉ、７ｂｏから駆動電流の印加（電動機の場合）もし
くは出力電圧の導出（発電機の場合）が行なわれる。

次にマグネット２から発生する磁束が流れる磁路を説明
する。分りやすいように第１図（ａ）、（ｂ）中で磁束
の流れを矢印で示してあり、第１図（ａ）中で磁性体を
斜線で示しである。

マグネット２のＮ極から発生した磁束は第１図（ｂ）に
示すように電機子コイル７ａ、７ｂの外周側を貫通し、
磁気抵抗の低い固定ヨーク６の円弧部分からアーム６ａ
、６ｂを通り、固定軸４に達する。更に磁束は、第１図
（ａ）に示すように、固定軸４から回転ヨークｌを通り
、マグネット２に戻り、磁路のループが形成される。ま
た、固定軸４から基台５を通り回転ヨークｌに戻るルー
プも形成される。後者のループにより基台５と回転ヨー
クｌの間に吸引力が発生し、回転ヨークｌを固定軸４上
に保持する保持力となる。

このようにして回転ヨークｌ、固定軸４、固定ヨーク６
から磁路が形成される。

次に、本実施例の電磁回転機を電動機として使用する場
合の回転トルクが発生する仕組を説明する。

電動機として使用する場合、電機子コイル７ａ、７ｂに
対し端末７ａｉから７ｂｏへ向けて直流電流を連続して
流す。この場合のコイル７ａ、７ｂの電流とマグネット
２による磁束との関係を第１図（ｃ）に示しである。

ここでは固定ヨーク６の円弧部分の側断面形状が矩形で
、コイル７ａ、７ｂが矩形に巻回されるものとして、コ
イル７ａ、７ｂの各辺をそれぞれ７　ａ　１〜７　ａ　
４と７ｂ１〜７ｂ４とすると、電流は１〜４の数字の順
に流れ、コイル７ａでは反時計方向、コイル７ｂでは時
計方向に流れる。

一方、前述のように流れる磁束は電機子コイル７ａ、７
ｂのマグネット２内周と対向する外周側の辺７ａｌ、７
ｂｌのみを横切り、他の辺は横切らない。辺７ａｌ、７
ｂｌに対して、Ｆ＝　Ｉ　Ｌ＊Ｂ（＊はベクトル積、■
はコイルを流れる電流、Ｂは磁束密度、Ｌは磁束が横切
る部分のコイルの長さである。）の式で表せるローレン
ツ力Ｆが作用する。その向きを矢じりと失明の記号で示
しである。辺７ａｌ、７ｂｌに対する磁束の向きが反対
であることから、辺７ａｌ、７ｂｌに作用するローレン
ツ力の向きは反対であり、辺Ｔａｌ側では図の紙面裏側
から表側へ、辺Ｔｂｌ側では紙面表側から裏側へ向かっ
て作用する。

このように電機子コイル７ａ、７ｂに逆向きにローレン
ツ力が作用する。即ち、回転トルクがかかるが、コイル
７ａ、７ｂが固定されているため、その反作用によりマ
グネット２が回転ヨーク１とともに第１図（ｂ）の矢印
Ｃ方向（＠記トルクの作用方向の逆方向）へ回転する。

このようにコイル７ａ、７ｂに直流電流を連続して印加
することにより、即ち励磁相の切り換えを行なわずに１
回転ヨークｌが回転する無相の直流電動機が構成される
。

この直流電動機の駆動時において、その磁路を通る磁束
の量は変らないので鉄損はなく、損失は銅損と機械損の
みとなるので、効率の良好な電動機が得られる。また励
磁相の切り換えがないので、トルクリップルのない優れ
た駆動特性が得られるとともに、反トルクの発生がなく
高速度の電動機が得られる。さらに励磁相の切り換えを
行なうだめの位置検知素子や半導体回路などの手段を用
いないので、耐熱性があり安価なブラシレス電動機が得
られる。

一方、上記と逆に外力により回転ヨークｌをマグネット
２とともに電機子コイル７ａ、７ｂに対して一方向に回
転させれば、上記と逆の作用でコイル７ａ、７ｂに直流
電圧が連続して誘起され、これをそのまま導出して直流
出力を行なえる６即ち、整流を行なわずにリップルのな
い直流出力が得られ、回転速度の変化に正確に追従した
直流出力電圧が得られる無相の直流発電機を構成できる
。

第２実施例 次に第２図（ａ）は電磁回転機の第２実施例の構造を示
している。第１実施例と異なる点として本実施例では、
前述した第１実施例の回転ヨークｌ、マグネット２、固
定ヨーク６、及び電機子コイル７ａ、７ｂからなる機構
が基台５を挟んで２組対向して設けられている。両機種
を支持する固定軸４は基台５を上下に貫通して固定され
、円筒状に形成されており、その穴に回転軸８が挿通さ
れ、上下両端部がベアリング３．３により回転可能に軸
受されている。その回転軸８の上下両端部のそれぞれに
上記２組の機構の回転ヨークｌが結合されている。

回転ヨーク１のそれぞれは円板部材１１と円筒部材１２
から構成され、円筒部材の内周にマグネット２が固着さ
れている。マグネット２はそれぞれ第１実施例と同様に
半径方向に着磁されており、ここでは内周側がＮ極、外
周側がＳ極として２つのマグネットで同極性に着磁され
ている。

そしてマグネット２の内周に対向して電機子コイル７ａ
、７ｂを巻回した固定ヨーク６が第１実施例と同様に設
けられる。コイル７ａ、７ｂの２組４個のコイルは直列
に接続される。基台５に形成された穴５ａ、５ｂを介し
て前記コイルの結線がなされる。

このような構造のもとに、電動機として使用する場合、
上下の電機子コイル７ａ、７ｂにたいして例えば上側の
コイル７ａの端末７ａｉから下側のコイル７ａの端末７
ａｏに向かって直流電流を連続して印加する。その場合
のコイル７ａ、７ｂの電流とマグネット２による磁束と
の関係を第２図（ｂ）に示しである。その関係は上下２
組とも第１実施例の場合と同じであり、上下２組のコイ
ル７ａ、７ｂに対して第１実施例と同様にローレンツ力
Ｆが作用し、同様に回転トルクがかかり、その反作用で
上下のマグネット２がそれぞれの回転ヨーク１及び回転
軸８とともに前記トルクの作用方向と逆方向に回転する
。

このように本実施例でも無相の直流電動機を構成できる
。本実施例では磁気回路が２つであるから第１実施例よ
り大きな回転トルクが得られる。

また外力によって回転ヨークｌを回転させることにより
コイル７ａ、７ｂに直流電圧が誘起され、同様に無相の
直流発電機を構成でき、その場合第１実施例より大きな
出力が得られることは勿論である。

第３実施例 ところで、上記の第２実施例で２つのマグネット２はと
もに内周側がＮ極で外周側がＳ極というように同極性で
着磁されたものとしたが、第３図（ａ）に第３実施例と
して示すように、上側のマグネット２と下側のマグネッ
ト２で逆極性に着磁してもよい。この場合、第３図（ｂ
）に示すように、上下のマグネット２による磁束の向き
が逆になるので、上側のコイル７ａ、７ｂと下側のコイ
ル７ａ、７ｂで電流の回る向きが逆向きになるようにコ
イルの巻き方向を考慮すれば、上側と下側で作用する回
転トルクの方向が同じになり、第２実施例と同様に回転
駆動を行なえる。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように本発明の電磁回転機によ
れば、ドーナツ形状で半径方向に着磁されたマグネット
と、円筒形状で内周に前記マグネットを固着し、固定軸
に回転可能に支持された回転ヨークと、ドーナツ形状で
前記マグネットの内周に対向して前記固定軸に支持され
た固定ヨークと、該固定ヨークに巻着されて前記マグネ
ットの内周に対向する電機子コイルとを有し、前記マグ
ネットから発生する磁束の流れる磁路が前記回転ヨーク
、固定軸、及び固定ヨークから形成され、前記電機子コ
イルに直流電流を連続して印加することにより前記マグ
ネットを介して前記回転ヨークに対して一方向の出力ト
ルクが発生する直流電動機、または、回転ヨークをマグ
ネットとともに電機子コイルに対し一方向に回転させる
ことにより電機子コイルに連続して誘起される直流電圧
を出力する直流発電機として構成される。

このような構成によれば、励磁相の切り換えのない無相
の直流電動機、もしくは整流が不要の無相の直流発電機
が構成され、以下のような効果が得られる。

１）トルクリップルのない平坦なトルク特性の直流電動
機、もしくはリップル電圧がなくタコジェネレータとし
て優れた直流発電機が得られる。

２）励磁相を切り換える制御手段もしくは整流手段が不
要で構成が簡単、安価となり、耐久性も向上する。

３）反トルクの発生がないので、高速度回転が可能な電
動機を得ることができる。

４）鉄損がなく、反トルクの発生がないので効率の良好
な電動機もしくは発電機を得ることができる。

５）電機子コイルの通電量に変化がなく、また通電方向
も変らないので、電磁ノイズと機械振動が著しく小さな
電動機が得られる。

６）鉄損がないので、磁路構成部材の材料として軟鋼材
もしくは、軟鋼粉、珪素鋼粉の焼結したものを使用でき
、構成が簡単、安価になる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の第１実施例による電磁回転機の
構造を示す側断面図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）のＡ
−Ａ’線に沿った断面図、第１図（Ｃ）は同回転機にお
けるトルク発生ないし電圧誘起に関わるコイルの電流と
マグネットの磁束の関係を示す説明図、第２図（ａ）は
第２実施例による電磁回転機の側断面図、第２図（ｂ）
は同回転機におけるコイルの電流とマグネットの磁束の
関係を示す説明図、第３図（ａ）は第３実施例による電
磁回転機の側断面図、第３図（ｂ）は同回転機における
コイルの電流とマグネットの磁束の関係を示す説明図で
ある。 ■・・・回転ヨーク　　２・・−マグネット３・・・ベ
アリング　　４・・・固定軸５・・・基台　　　　　６
−・・固定ヨーク７ａ、７ｂ・・−電機子コイル ８・・・回転軸 ユ４１しの電）灸とマグ７．７Ｆの湊ム束の占位βｆｌ
ｅ第２図（ｂ） 酢へ田す律鵠頌・）断面Ｃ 第３図（Ｑ） １件株軸 コ／１１しのミノしと１りオー汁の石ｔｒｉ−ｖ　を所
ｙｑ。 第３図（ｂ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）ドーナツ形状で半径方向に着磁されたマグネットと
   、 円筒形状で内周に前記マグネットを固着し、固定軸に回
   転可能に支持された回転ヨークと、ドーナツ形状で前記
   マグネットの内周に対向して前記固定軸に支持された固
   定ヨークと、 該固定ヨークに巻着されて前記マグネットの内周に対向
   する電機子コイルとを有し、 前記マグネットから発生する磁束の流れる磁路が前記回
   転ヨーク、固定軸、及び固定ヨークから形成され、 前記電機子コイルに直流電流を連続して印加することに
   より前記マグネットを介して前記回転ヨークに対して一
   方向の出力トルクが発生する直流電動機、 または、回転ヨークをマグネットとともに電機子コイル
   に対し一方向に回転させることにより電機子コイルに連
   続して誘起される直流電圧を出力する直流発電機として
   構成されたことを特徴とする電磁回転機。 ２）前記マグネット、回転ヨーク、固定ヨーク、及び電
   機子コイルからなる機構が２組対向して設けられ、該２
   組の機構の回転ヨークどうしが１本の回転軸の両端部に
   結合されたことを特徴とする請求項第１項に記載の電磁
   回転機。