JPH1198794A - トルク発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 永久磁石の磁気エネルギーを利用した高効率
高トルクのトルク発生装置を提供する。 【解決手段】 複数の突極１０ａ，２０ａを有するロー
タ１０，２０と、各ロータ１０，２０の外周囲に円環状
に並設された電磁石３２，４２を有するステータ３０，
４０と、前記ロータ１０，２０を前記ステータ３０，４
０の内側で回転自在に支持する回転軸５０と、前記各電
磁石３２，４２に励磁電流を供給する電流制御装置８０
とを備える。回転軸５０に固設された一対の前記ロータ
１０，２０が、前記ステータ３０，４０とそれぞれ組み
合わされて一組の出力ユニットを構成する。各ステータ
３０，４０は互いに独立した磁気回路を有し、各ロータ
１０，２０は永久磁石６０によって互いに異極に磁化さ
れている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はトルク発生装置に
係わり、特に永久磁石の磁気エネルギーを利用して従来
の一般的な電動機より高いエネルギー変換効率を達成す
ることができるトルク発生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電気エネルギーを機械的な力、例
えばトルクとして取り出せるようにした変換システムと
して、種々の電動機が開発されてきている。それら従来
の電動機に共通していることは、ステータ、ロータのい
ずれかに電磁石が用いられており、それらの電磁石によ
って回転磁界を生成してロータを追従させるもの（例え
ば誘導電動機）、あるいは、永久磁石ステータの磁界中
に極性反転制御を可能として設けられたロータを回転自
在に配設し、ロータとステータとの間の磁束の相互作用
によって回転力を得るもの（例えば一般的な直流電動
機）などがある。

【０００３】このような在来の電動機については、永久
磁石から発生する磁束を利用してエネルギー変換効率を
高めようとする試みが種々なされてきた。発明者らは、
特に永久磁石が発生する磁束の分布を適切に制御するこ
とによって、出力トルクに抗して作用する磁気力を可及
的に低減し、出力トルクの増大、電磁エネルギーから力
学的エネルギーへの変換効率向上を達成すべく、さまざ
まな構成を有するトルク発生装置を試作開発してきた。
例えば、本願発明者らによる特開平７−７９０７号公報
は、回転子に永久磁石を付加することによって、エネル
ギー変換効率を高めることができる動力発生装置を提案
している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年長
期的なエネルギー供給事情が不透明さを増すとともに、
大気汚染、温室効果等の環境保護問題の解決が急務とな
っている中で、電気エネルギーを極力有効に機械的エネ
ルギーに変換できるような動力装置の開発は強く社会的
に要請されるところとなっている。

【０００５】この発明は上記の事情に基づいてなされた
もので、その目的は、永久磁石が持つ磁気エネルギーを
有効に利用した高効率高トルクのトルク発生装置を提供
することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本願発明に係わるトルク発生装置は、複数の突極
を有する略円板状に形成されたロータと、前記ロータの
外周囲を取り囲むように円環状に並設された複数の電磁
石を有するステータと、前記ロータを前記ステータの内
周側において回転自在に支持する回転軸と、前記ステー
タの各電磁石に所定のタイミング及び通電方向をもって
励磁電流を供給する励磁制御手段とを備え、前記ロータ
が前記回転軸の軸方向に所定の間隔を隔てて少なくとも
一対並置固設され、前記それぞれのロータについてそれ
と組み合わされるステータが配設されて一組の出力ユニ
ットを構成しており、前記一組の出力ユニットに含まれ
るステータは互いに独立した磁気回路を有するように構
成され、前記一対のロータはそれぞれ反対極性の磁極を
有するように磁化部材によって磁化されていることを特
徴とする。

【０００７】好ましくは、前記磁化部材は、中空円筒状
に形成され軸方向両端部が互いに反対極性を有するよう
に着磁された永久磁石である。

【０００８】また、前記複数の電磁石は、相隣り合う電
磁石が互いに反対極性を有するように励磁され、前記ロ
ータが前記電磁石の配設ピッチにほぼ相当する角度回転
する毎にそれぞれの電磁石の極性が反転するように励磁
電流が供給される構成とすることが好ましい。

【０００９】このように構成することによって、それぞ
れのステータに含まれる電磁石が励磁されると電磁石の
各磁極から放出される磁束は開放状態、いわゆるオープ
ンフラックスの状態となり、近接する異極性のロータ突
極に対して電磁石の一方の磁極からの磁束が容易に収束
するので、ステータ同士の間に閉じた磁気回路が形成さ
れることによる電磁エネルギーの損失は可及的に低減さ
れる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、この発明の一実施形態につ
いて、添付図面を参照して詳細に説明する。図１及び図
２は、本発明の一実施形態に係わるトルク発生装置の概
略構成を示す正面図及び断面図である。本発明の一実施
形態に係るトルク発生装置は、ロータ１０，２０、ステ
ータ３０，４０、回転軸５０，永久磁石６０，及び電流
制御装置８０を備えて構成される。

【００１１】ロータ１０，２０は、それぞれその外周縁
に沿って６０゜ピッチで形成された６個の突極１０ａ，
２０ａを有する略円板状の磁性部材であり、軸受７０を
介してトルク発生装置のフレームＦ（部分のみ図示す
る）に回転可能に支持された回転軸３０に所定の間隔を
隔てて固設されている。この実施形態にあっては、ロー
タ１０，２０は、動作中に内部で生ずる渦電流損失を低
減するために、鋼材で形成された同一形状の薄板を積層
して構成されている。

【００１２】ロータ１０とロータ２０との間には、回転
軸５０に嵌装されるように中空円筒状の永久磁石６０が
配設されている。この永久磁石６０は、それぞれのロー
タ１０及び２０を互いに相異なる磁極を有するように磁
化するための磁化部材であって、軸方向の両端部がそれ
ぞれＮ極及びＳ極に着磁されている。永久磁石６０の軸
方向端部は図２に示すように、それぞれ相対向するロー
タ１０，２０に密接されており、ロータ１０をＮ極に、
ロータ２０をＳ極に磁化している。

【００１３】前記各ロータ１０，２０の外周囲には、ス
テータ３０，４０が設けられている。それぞれのステー
タ３０と４０とは、円環状に１５゜ピッチで配設された
１２個の電磁石３２，４２からなる。各電磁石３２，４
２は強磁性体で形成されたアーマチャー３２ａ，４２ａ
と、各アーマチャー３２ａ，４２ａの周囲に巻回された
コイル３２ｂ，４２ｂとからなり、それぞれのコイル３
２ｂ，４２ｂは後述する電流制御装置８０に電気的に接
続されている。なお、添付図においては各電磁石３２が
互いに独立して設けられているが、各電磁石３２のアー
マチャー３２ａが互いに接続されるようにしてもよい。
例えば、円環状のヨークに１２個の内方へ突設される突
起を形成し、それらをアーマチャー３２ａとしてそれぞ
れにコイル３２ｂを巻回して電磁石３２を形成するよう
にしてもよい。

【００１４】ステータ３０とステータ４０とは、互いに
独立した磁気回路を形成するように間隔を隔てて設置さ
れる。これは、ステータ３０の電磁石３２とステータ４
０の電磁石４２とから放出された磁束が閉じた磁気回路
を構成することによって、それらの磁束の一部がロータ
１０，２０との間の相互作用に寄与しなくなるのを防ぐ
ためである。これら一対のロータ１０，２０及びステー
タ３０，４０とが組み合わされて、一つの出力ユニット
を構成する。

【００１５】前記電磁石３２，４２への励磁電流を制御
する手段である電流制御装置８０は、前記それぞれの電
磁石３２，４２のコイル３２ｂ，４２ｂに供給される励
磁電流の向きとその切換タイミングを制御するための電
流スイッチング装置であり、トランジスタ、サイリスタ
等の電流スイッチング素子と、それらのオンオフを制御
するための制御回路とから構成されている。この実施形
態で一方のロータ１０の突極１０ａの近傍に配設されて
いる回転角センサ９０は、ロータ１０の回転角度を検出
するために設けられており、例えば所定の切欠き形状の
遮光板（図示せず）と組合せた光センサなどが用いられ
る。回転角センサ９０の出力信号は前記電流制御装置８
０の制御回路に入力されて、ロータ１０の回転角度に応
じて前記電流スイッチング素子のオンオフを制御するた
めのトリガ信号として使用される。

【００１６】次に、図１及び図３〜図６を参照して、上
記の構成を有する本発明の一実施形態に係わるトルク発
生装置の作用を説明する。図１は、ステータ３０を構成
する電磁石３２のいずれにも電流が供給されていない状
態、すなわちいずれの電磁石３２も励磁されていない状
態であって、いわば電源オフの時の状態を示している。
この状態にあっては、ロータ１０に流れ込む永久磁石６
０のＮ極からの磁束がほぼロータ１０全体に分布してい
る。なお、もう一方のロータについても、Ｎ極とＳ極と
の関係が入れ替わるだけで、以下に説明する作用は共通
である。また、図１及び図３〜図６に「細かいドットの
集合」で示す磁束分布は説明のための模式的なものであ
る。

【００１７】図３は、それぞれのロータ突極１０ａがい
ずれかのステータ側電磁石３２と対向している状態を示
している。この実施形態の装置では、ステータ３０側の
電磁石３２が１２個、ロータ１０側の突極１０ａが６
個、それぞれ等ピッチで設けられているので、図示のと
おり、ステータ３０の電磁石３２は１個おきにロータ突
極１０ａと向かい合うことになる。ステータ側電磁石３
２のうち、ロータ突極１０ａと向き合っているものはそ
のロータ突極１０ａと同じＮ極に励磁されており、ロー
タ突極１０ａ同士の間に位置する電磁石３２はロータ１
０とは反対極であるＳ極に励磁されている。この状態で
は、対向している電磁石３２とロータ突極１０ａとが同
極を有しているので、ロータ１０はきわめて不安定な状
態となっている。図３の状態では、電磁石３２に対向し
ているロータ突極１０ａが、電磁石３２に対してわずか
に時計回りにずれているので、ロータ突極１０ａは時計
方向に位置する電磁石３２の異極からの磁気吸引力をよ
り多く受けて、時計方向に回転し始める。

【００１８】このように、それぞれのロータ突極１０ａ
は時計方向に隣接する電磁石３２の異なる磁極から受け
る磁気吸引力を受けるので、ロータ１０は時計方向に回
転する。この際、電磁石３２に通電されていなかった図
１の状態ではロータ全体に分布していた永久磁石６０か
らの磁束は、異なる磁極に励磁されている電磁石３２に
向けて収束されるとともに、この収束されたそれぞれの
磁束の回転方向後方における磁束分布は非常に疎になっ
て、磁束の空白域が生じている。

【００１９】ロータ１０が時計方向に１５゜回転する
と、図４に示す状態になる。ロータ１０のそれぞれの突
極１０ａはステータ３０側の電磁石３２同士の中間に位
置しており、引き続き時計方向前方に位置する異なる磁
極の電磁石３２に吸引されて回転し続ける。この際、回
転方向の前方の電磁石３２に向けて収束された磁束の後
方においては、前記のとおり磁束分布が非常に疎になっ
ているが、回転方向後方側に位置する電磁石３２はロー
タ突極１０ａの極性とは反対極性であるから、回転方向
後方の電磁石３２からは、同極間の反発力がわずかに作
用し、これはロータの回転を補助するように作用する。

【００２０】ロータ１０がさらに１５゜時計方向に回転
すると、図５の状態となる。それぞれのロータ突極１０
ａは、異極性に励磁された電磁石３２に対向する位置に
達している。この状態ではロータ突極１０ａと電磁石３
２との間に働く磁気吸引力はロータ１０の半径方向であ
り、もはやロータ１０を回転させるための駆動力として
有効に機能しない。そこで、電磁石３２の各コイル３２
ｂへの通電方向を反転させて励磁極性を変えると、図６
の状態となる。これは前記図３の状態を３０゜時計方向
にずらした状態となり、各ロータ突極１０ａには時計方
向前方に位置する異極性の電磁石３２との間に作用する
磁気吸引力によって再び回転駆動力が付与されることと
なり、時計方向の回転を持続することができる。なお、
ステータ側電磁石３２への励磁電流切換タイミングは、
ステータ３０の極数（電磁石３２の数）ｎによって定ま
り、一般に（２π／ｎ）ラジアン毎に切り替える必要が
ある。したがって、この実施形態にあってはステータ３
０の極数ｎ＝１２であるから、上記の説明のように３０
゜毎にステータ側電磁石３２の極性を反転させることに
なる。上記説明の中では、ロータ突極１０ａが異極に励
磁された電磁石３２と対向したときに励磁電流を反転さ
せるものとしたが、より厳密には、異極の電磁石３２に
ロータ突極１０ａが接近していく際の磁束分布を有限要
素法を用いて解析するなどの手法をとることによって、
出力トルクの増大や変換効率の向上だけでなく、トルク
変動抑制等の他の要素を加味して最適な励磁電流切換タ
イミングを見出すことが可能である。そして、ロータ１
０の回転角を検出する前記回転角センサ９０の出力信号
がその最適化条件を満たすように、センサ９０の設定条
件を合わせればよいのである。

【００２１】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明に係
わるトルク発生装置によれば、それぞれのステータに含
まれる電磁石が励磁されると電磁石の各磁極から放出さ
れる磁束は開放状態、いわゆるオープンフラックスの状
態となり、近接する異極性のロータ突極に対して電磁石
の一方の磁極からの磁束が容易に収束するので、ステー
タ同士の間に閉じた磁気回路が形成されることによる電
磁エネルギーの損失を可及的に低減することができ、出
力トルク、エネルギー変換効率の一層の向上を達成する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係わるトルク発生装置の
構成を示す図その１である。

【図２】本発明の一実施形態に係わるトルク発生装置の
構成を示す図その２である。

【図３】本発明の一実施形態に係わるトルク発生装置の
作用を示す図その１である。

【図４】本発明の一実施形態に係わるトルク発生装置の
作用を示す図その２である。

【図５】本発明の一実施形態に係わるトルク発生装置の
作用を示す図その３である。

【図６】本発明の一実施形態に係わるトルク発生装置の
作用を示す図その４である。

【符号の説明】

１０，２０ ロータ １０ａ，２０ａ ロータ突極 ３０，４０ ステータ ３２，４２ 電磁石 ３２ａ，４２ａ アーマチャー ３２ｂ，４２ｂ コイル ５０ 回転軸 ６０ 永久磁石（磁化部材） ７０ 軸受 ８０ 電流制御装置（励磁制御手段） ９０ 回転角センサ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の突極を有する略円板状に形成され
   たロータと、 前記ロータの外周囲を取り囲むように円環状に並設され
   た複数の電磁石を有するステータと、 前記ロータを前記ステータの内周側において回転自在に
   支持する回転軸と、 前記ステータの各電磁石に所定のタイミング及び通電方
   向をもって励磁電流を供給する励磁制御手段とを備え、 前記ロータが前記回転軸の軸方向に所定の間隔を隔てて
   少なくとも一対並置固設され、前記それぞれのロータに
   ついてそれと組み合わされるステータが配設されて一組
   の出力ユニットを構成しており、 前記一組の出力ユニットに含まれるステータは互いに独
   立した磁気回路を有するように構成され、 前記一対のロータはそれぞれ互いに反対極性の磁極を有
   するように磁化部材によって磁化されていることを特徴
   とするトルク発生装置。
2. 【請求項２】 前記磁化部材は、中空円筒状に形成され
   軸方向両端部が互いに反対極性を有するように着磁され
   た永久磁石であることを特徴とする請求項１に記載のト
   ルク発生装置。
3. 【請求項３】 前記複数の電磁石は、相隣り合う電磁石
   が互いに反対極性を有するように励磁され、前記ロータ
   が前記電磁石の配設ピッチにほぼ相当する角度回転する
   毎にそれぞれの電磁石の極性が反転するように励磁電流
   が供給されることを特徴とする請求項１に記載のトルク
   発生装置。