TW201628318A - 電磁感應裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種電磁感應裝置，其可增大與電樞線圈交鏈的磁通量。在本發明的電磁感應裝置中，在平行於永久磁鐵(23、27)的磁化方向的面內，磁場間隙(24)的中心線(II)和永久磁鐵列(22)之間的間隙截面面積(a1)與磁場間隙(24)的中心線(II)和永久磁鐵列(26)之間的間隙截面面積(a2)的比係具有與永久磁鐵列(22)的截面面積(A1)和永久磁鐵列(26)的截面面積(A2)的比大致相同的關係。較佳為，間隙(24)的截面面積(a1+a2)為永久磁鐵列(22)的截面面積(A1)和永久磁鐵列(26)的截面面積(A2)的平均值的1.2倍以上至2.0倍以下。

Description

電磁感應裝置

本發明涉及一種電磁感應裝置，特別是涉及一種作為電動機或發電機而使用的電磁感應裝置。

為了提高電動機(motor)或發電機的磁場，有被稱為海爾貝克陣列(Halbach Array)的永久磁鐵的排列方法。如果為永久磁鐵的N極和S極交互地配置的結構，磁場產生於磁鐵陣列的表側和裏側這兩側，無法有效地使用磁場。對此，在海爾貝克陣列的場合，由於將永久磁鐵的磁極一邊以90度逐次旋轉一邊排列，故磁鐵陣列的一側的磁場較弱，磁鐵陣列的另一側的磁場則變強，能在永久磁鐵的陣列的一側產生較強的磁場。在以海爾貝克陣列的兩列永久磁鐵陣列(雙層海爾貝克陣列)之間配置有電樞線圈的永久磁鐵旋轉電機(參照專利文獻1)、線性電動機(參照專利文獻2)等提案係以各自被提出。

先前技術文獻

專利文獻1 日本特開2009-201343號公報

專利文獻2 日本特開2010-154688號公報

在使用了永久磁鐵雙層海爾貝克陣列磁場的無鐵芯電動機、無鐵芯發電機的場合，希望盡可能地擴大與電樞線圈交鏈的磁通量，在現有的結構中，無法使交鏈的磁通量最優化，期望進一步地擴大。

本發明的主要的目的在於提供一種電磁感應裝置，該電磁感應裝置能提高與電樞線圈交鏈的磁通量。

根據本發明，提供一種電磁感應裝置，其具備：第1永久磁鐵列和第2永久磁鐵列，該第1永久磁鐵列和第2永久磁鐵列相互面對地配置，其中，上述第1永久磁鐵列具有複數個第1永久磁鐵，該複數個第1永久磁鐵沿規定方向在每2π的整數等分發生磁極的方向改變，按照在上述第2永久磁鐵列側的磁場增強、與上述第2永久磁鐵列側相反一側的磁場減弱的方式，沿上述規定方向配置，上述第2永久磁鐵列具有複數個第2永久磁鐵，該複數個第2永久磁鐵沿上述規定方向在每2π的整數等分發生磁極的方向改變，按照在上述第1永久磁鐵列側的磁場增強、與上述第1永久磁鐵列側相反一側的磁場減弱的方式，沿上述規定方向配置；電樞線圈，該電樞線圈配置於面對的上述第1永久磁鐵列和上述第2永久磁鐵列之間的磁場間隙中， 在平行於上述第1永久磁鐵和上述第2永久磁鐵的磁化方向的面內，上述磁場間隙的中心線和上述第1永久磁鐵列之間的間隙截面面積與上述磁場間隙的中心線和上述第2永久磁鐵列之間的間隙截面面積的比具有與上述第1永久磁鐵列的截面面積和上述第2永久磁鐵列的截面面積的比大致相同的關係。

根據本發明，可提供一種電磁感應裝置，其可增大與電樞線圈交鏈的磁通量。

10、20‧‧‧雙層海爾貝克陣列磁場

12、22‧‧‧永久磁鐵列

13、23‧‧‧永久磁鐵

14、24‧‧‧磁場間隙

16、26‧‧‧永久磁鐵列

17、27‧‧‧永久磁鐵

100‧‧‧圓筒型三相線性同步電動機

105‧‧‧定子

107‧‧‧可動子

108‧‧‧電源

109‧‧‧驅動裝置

111‧‧‧外側永久磁鐵列

112、116‧‧‧永久磁鐵

113‧‧‧外側管

115‧‧‧內側永久磁鐵列

117‧‧‧內側管

121‧‧‧導杆

123‧‧‧固定板

131‧‧‧電樞線圈

133‧‧‧捲繞環

135‧‧‧線性襯套

137‧‧‧輸出環

139‧‧‧缺口固定板

141‧‧‧導線

143‧‧‧導出路

200‧‧‧三相同步發電機

201‧‧‧滑動電極

203、205、207、209‧‧‧電極

210、220‧‧‧永久磁鐵陣列

211、221‧‧‧永久磁鐵

230‧‧‧線圈陣列

231‧‧‧線圈

240‧‧‧軸

250‧‧‧轉子

260‧‧‧定子

301‧‧‧旋轉機構

303‧‧‧轉子

304、305‧‧‧永久磁鐵陣列

307‧‧‧定子

308‧‧‧線圈陣列

341、351‧‧‧永久磁鐵

343、353‧‧‧間隔構件

圖1為表示使用等價磁路方法的雙層海爾貝克陣列磁場的截面圖；圖2為表示說明圖1之等價磁路的圖；圖3為表示雙層海爾貝克陣列磁場的截面圖；圖4為表示間隙長度與交鏈磁通之關係的表示圖；圖5為表示間隙長度與交鏈磁通之關係的表示圖；圖6為表示說明本發明較佳的第1實施方式的圓筒型三相線性同步電動機100的示意性斜視圖；圖7為表示圖6的A-A線截面圖；圖8為表示圖6的B-B線截面圖；圖9為表示圖6的C-C線截面圖；圖10為表示說明本發明較佳的第2實施方式的三相同步發電機200的示意性斜視圖； 圖11之圖11(A)為表示平行磁化方向的截面中的三相同步發電機200的大致截面圖，圖11(B)為表示電樞線圈的配線的示意圖；圖12為表示圖11(A)的V-V線截面圖，為具有單層磁場的發電機的示意圖；圖13為表示圖10~圖12所示的發電機的變形例，為具有多層磁場的發電機的示意圖；圖14為表示圖10~圖12所示的發電機的變形例，為表示具有平行磁化方向的截面為長方形的永久磁鐵的發電機的示意圖；圖15為表示圖14的V-V線截面圖，為具有單層磁場的發電機的示意圖。

下面參照圖式，對本發明較佳的實施方式進行說明。

本案發明人等係針對將磁極以90度逐次旋轉而構成的雙層海爾貝克陣列磁場，使用等價磁路得到磁極間間隙之中央部分的平均磁通密度。在雙層海爾貝克陣列磁場中，永久磁鐵列外側的磁通密度變得極低。另外，永久磁鐵的相對導磁率幾乎與空氣相同。如果不使用鐵等強磁性材料，則不會發生磁通集中所致的磁飽和的情況。因此，能得到等價磁路中為必要的磁通密度。

圖1是表示使用等價磁路方法的雙層海爾貝克陣列磁場10的截面圖。雙層海爾貝克陣列磁場10具有：永久磁鐵列12，該永久磁鐵列12以海爾貝克方式 排列，將永久磁鐵13的磁極向第1直線方向以90度逐次旋轉而得到；永久磁鐵列16，該永久磁鐵列16以海爾貝克方式排列，將永久磁鐵17的磁極向與第1直線平行的第2直線方向以90度逐次旋轉而得到。

在永久磁鐵列12中，按照永久磁鐵列16一 側的磁場增強，與永久磁鐵列16相反一側的磁場減弱的方式配置永久磁鐵13。在永久磁鐵列16中，按照永久磁鐵列12一側的磁場增強，與永久磁鐵列12相反一側的磁場減弱的方式配置永久磁鐵17。

圖1是與永久磁鐵13、17的磁化方向平行的 面的截面圖。永久磁鐵13、17在與永久磁鐵13、17的磁化方向平行的面(與紙面平行的面)上都呈正方形，具有相同的截面面積。

與永久磁鐵13、17的磁化方向平行的面(與 紙面平行的面)中的永久磁鐵13、17的截面面積的平方根設為1從而規格化。由於截面面積的平方根為1，故永久磁鐵13、17的截面面積也為1。另外，永久磁鐵13、17在與永久磁鐵13、17的磁化方向平行的面上都呈正方形的形狀，故永久磁鐵13、17的一邊的長度為1。永久磁鐵陣列12和永久磁鐵陣列16之間14的間隔(間隙長度)設為a。

圖1所示的閉曲線是磁力線。從磁力線形狀 可知，每一極距都存在相同的磁通路徑，將此磁通路徑以虛線表示。

圖1表示的雙層海爾貝克磁場的等價磁路的 主磁通係通過圖1的磁通路徑。另外，因為磁路對稱於磁極中心線XX，故涉及一條路徑的磁路按照與每個磁極以線對稱的方式連續。現在，按照圖2的方式定義一條磁路。在圖2中，R為永久磁鐵13、17的磁阻，S為垂直於磁極的永久磁鐵截面面積，永久磁鐵的磁極方向的長度為l_m，真空磁導率設為μ₀，並以下列公式表示：

此處，永久磁鐵的相對磁導率近似為1。另外，在圖2中，γ為磁鐵的磁極面到縱向路徑的距離，δ為磁極面到間隙中最接近橫向路徑的距離與間隙長度的比例。 S_v為縱向路徑的截面面積，S_r為間隙中橫向路徑的截面面積，由此S_v、S_r係如下式構成

故三個閉合回路的主磁通ψ1、ψ2、ψ3滿足下述回路方程式：

H_m：永久磁鐵的保持力，l_m：磁極間長度(l_m=1)。

根據(2)式，α可表示為：

由此，

因此，間隙中心線YY上的NS磁極間的平均磁通密度B_av表示為下式：

此處，B_r為永久磁鐵的殘留磁通密度。

圖3為適用等價磁路方法的另一個雙層海爾 貝克陣列磁場20的截面圖。雙層海爾貝克陣列磁場20具有：永久磁鐵列22，該永久磁鐵列22以海爾貝克方式排列，將永久磁鐵23的磁極沿周向逐次旋轉約90度而得到；永久磁鐵列26，該永久磁鐵列26以海爾貝克方式排列，將永久磁鐵27的磁極沿周向逐次旋轉約90度而得到。

在永久磁鐵列22中，按照永久磁鐵列26一 側的磁場增強，與永久磁鐵列26相反一側的磁場減弱的方式配置永久磁鐵23。在永久磁鐵列26中，按照永久磁鐵陣列22一側的磁場增強，與永久磁鐵列22相反一側的磁場減弱的方式配置永久磁鐵27。

圖3是平行於永久磁鐵23、27的磁化方向的 面的截面圖。在平行於永久磁鐵23、27的磁化方向的面 中(與紙面平行的面)，永久磁鐵23、27均為梯形。永久磁鐵23和永久磁鐵27的數量相同。永久磁鐵23的數量和永久磁鐵27的數量，舉例來說如果為64個，則彼此相鄰的永久磁鐵23之間或者彼此相鄰的永久磁鐵27之間會以接近180度的約174度的角度接合。因此，永久磁鐵23與永久磁鐵27可被視為近似正方形。

因此，與圖1的場合相同，與永久磁鐵23、 27的磁化方向平行的面(與紙面平行的面)中的永久磁鐵23、27的截面面積的平方根設為1以規格化。由於截面面積的平方根為1，故永久磁鐵23、27的截面面積也為1。另外，永久磁鐵23、27在與永久磁鐵23、27的磁化方向平行的面上均可視為呈近似正方形的形狀，故永久磁鐵23、27的一邊的長度也可近似為1。永久磁鐵列22和永久磁鐵列26之間的間隔(間隙長度)設為a。

如圖3所示，在使用永久磁鐵22、26的場合也與圖2的等價磁路近似，可以直接套用上述理論，上述永久磁鐵列22、26呈環狀的海爾貝克方式排列，將各永久磁鐵23、27的磁極沿周向逐次旋轉約90度而得到。(但是如後述，基於圖1而評述圖3的電磁感應裝置的情況下，較佳為將外側和內側的永久磁鐵陣列22、26各自的永久磁鐵量與磁場空隙24的中心線II的外側和內側的間隙的體積比呈一致。)

間隙長度a為0.25、0.5、1.0、1.5、2.0的場合，將直線YY上的y方向磁通密度B_y的磁極間平均值 B₀、γ以及δ作為參數代入(4)，將求得的B_av值以表1表示，

表1中，γ=0.25，δ=0.25是選擇幾何中心作為磁路的路徑的場合。另外，γ=0.10，δ=0.25是將B₀與B_av誤差最小化的值，B_τ是根據二維有限元素法磁場解析的解析值，為B_y的極距間平均值。在這裏，如果假設磁距間的磁通密度為呈正弦波狀分佈，則其磁通密度平均值B_avτ為B_av的1/√2倍。B_τ與B_avτ的誤差在γ=0.20，δ=0.22為最小。

如圖1所示，雙層海爾貝克陣列磁場10具有：永久磁鐵列12，該永久磁鐵列12以海爾貝克方式排列，將永久磁鐵13的磁極向第1直線方向90度逐次旋轉而得到；永久磁鐵列16，該永久磁鐵列16以海爾貝克方式排列，將永久磁鐵17的磁極向與第1直線平行的第2直線方向90度逐次旋轉而得到，永久磁鐵13和永久磁鐵17具有正方形的形狀，具有相同的截面面積。以及如圖3所示，雙層海爾貝克陣列磁場20具有：永久磁鐵列22，該永久磁鐵列22以海爾貝克方式排列，將 永久磁鐵23的磁極沿周向逐次旋轉約90度而得到；永久磁鐵列26，該永久磁鐵列26以海爾貝克方式排列，將永久磁鐵27的磁極沿周向逐次旋轉約90度而得到，永久磁鐵23和永久磁鐵27具有近似正方形的形狀，具有相同的截面面積。該雙層海爾貝克陣列磁場10及該雙層海爾貝克陣列磁場20，如上述那樣，間隙中心線YY上的NS磁極間的平均磁通密度B_avτ為：

其中，Br為永久磁鐵的殘留磁通密度，而α為：

配置於雙層海爾貝克陣列磁場的間隙中的電樞線圈交鏈磁通量Φ如果以每個極距的磁路截面面積為S，線圈匝數為N，則為：Φ=NSB _avτ (6)

間隙中配置的電樞線圈如果按照極距寬填滿間隙的方式製作，則可得到最大的匝數，故在平行磁化方向的面中的永久磁鐵的截面面積的平方根為1；永久磁鐵為正方形的場合，正方形邊長為1；永久磁鐵為大致正方形，能近似為正方形的場合，近似的正方形的邊長為1的場合，此時，S與磁場的深度(向正方形截面直行的方向的永久磁鐵的長度)l成比例，N與間隙長度a成比例。以k為比例定數，如果N=ka (7)

則，S=2l (8)

將式(7)、式(8)代入式(6)，則交鏈磁通量Φ可由下述式表示。

另一方面，如上述那樣，式(5)中γ=0.20、 δ=0.22時，式(4)的B_avτ成為表示實際的磁極距間平均磁通密度的計算式。因此，實際的交鏈磁通可以由γ=0.20、δ=0.22時的式(9)計算出來。此處，由於式中k和l為規定的定數，故

所定義的函數f(a)達到最大的間隙長度a值如果存在的話，則若用該間隙長度構成雙層海爾貝克陣列磁場，可以得到最大的交鏈磁通量。

如果將函數f(a)圖形化，則變為圖4的情況。 由於存在最大值，故如果透過

求a，則a=1.2。即，若為下述間隙長度，則相對於規定的匝數，可獲得最大的交鏈磁通，即，在平行於磁化方向的面內的永久磁鐵的截面面積的平方根的1.2倍；永久磁鐵為正方形的場合，為正方形邊長的1.2倍；永久磁鐵為大致正方形，能近似為正方形的場合，近似正方形的一邊的長度的1.2倍。

由於海爾貝克陣列磁場與電樞線圈為相對運 動的關係，為了不讓磁場的永久磁鐵與電樞線圈接觸，實際上在將電樞線圈配製在磁場間隙中的場合需要留有一定程度的空間。另外，電樞線圈是將電線捲繞在線軸(bobbin)上並且將捲好的電線藉由模型而固定形成的。因此線圈的厚度並非全部由導體填滿，如果永久磁鐵的正方形截面的一邊長度為1釐米，則在磁場與線圈導體間，面對磁場的面上存在約1毫米的非導電體。

在該場合，將平行磁化方向的面內的永久磁 鐵的截面面積的平方根設為1；在永久磁鐵為正方形的場合，正方形邊長為1；永久磁鐵為大致正方形，能近似為正方形的場合，近似的正方形的邊長為1的場合，此時，磁場的間隙中所配置的電樞線圈的匝數N與式(7)的場合相同，由N=k(a-0.2) (11)

表示。因此，使交鏈磁通最大化的間隙長度為，使由

定義的函數g(a)為最大化的間隙長度。

將函數g(a)圖形化，即為圖5。由於存在最大值，如果透過

求a，則a=1.5。即，若為下述的間隙長度，則相對於規定的匝數，可獲得最大的交鏈磁通，即，在平行於 磁化方向的面內的永久磁鐵的截面面積的平方根的1.5倍；永久磁鐵為正方形的場合，為正方形邊長的1.5倍；永久磁鐵為大致正方形，可近似為正方形的場合，為近似正方形的一邊的長度的1.5倍。

按照這種方式，若將雙層海爾貝克陣列磁場 的間隙長度設為下述值，則在電樞線圈中可得到最大的交鏈磁通量。即，平行磁化方向的面內的永久磁鐵的截面面積的平方根的1.2~1.5倍；永久磁鐵為正方形的場合，設定為正方形邊長的1.2~1.5倍；永久磁鐵基本為正方形、可近似為正方形的場合，設定為近似正方形的邊長的1.2~1.5倍。

進一步地，相對於圖1的空隙為直線狀，磁場空隙24為彎曲狀，在向該空隙中插入外形為立方體的線圈並形成電樞的場合，線圈的角沒有與磁場20接觸，另外，即使是假設在接觸的場合，線圈與該磁場之間也有間隙。

由此，若將雙層海爾貝克陣列磁場的間隙長度設為下述值，則在電樞線圈中可得到最大的交鏈磁通量。即，平行磁化方向的面內的永久磁鐵的截面面積的平方根的1.2~2.0倍；永久磁鐵為正方形的場合，設定為正方形邊長的1.2~2.0倍；永久磁鐵為大致正方形，可近似為正方形的場合，設定為近似正方形的邊長的1.2~2.0倍。

但是，也如圖3所示，如果使用圓形的永久 磁鐵陣列，則在環狀的磁場空隙24的中心線II的外側的空隙與內側的空隙中，外側的空隙的截面面積(如果考慮到深度則為體積)較大。另一方面，在圖1中，空隙的 中心線YY的上半部分的空隙和下半部分的空隙的截面面積相等。因此，基於圖1而評述圖3的電磁感應裝置的場合，較佳為將外側和內側的永久磁鐵列22、26各自的永久磁鐵量與磁場空隙24的中心線II的外側和內側的間隙的體積比呈一致。

具體來說，在本發明的電磁感應裝置中，在 圖3所示的平行永久磁鐵23、27的磁化方向的面(與紙面平行的面)內，磁場間隙24的中心線II和永久磁鐵列22之間的間隙截面面積a₁與磁場間隙24的中心線II和永久磁鐵列26之間的間隙截面面積a₂的比具有與永久磁鐵列22的截面面積A₁和永久磁鐵列26的截面面積A₂的比基本相同的關係。

在該場合，較佳為磁場間隙24的截面面積 (a₁+a₂)為永久磁鐵列22的截面面積A₁和永久磁鐵列26的截面面積A₂的平均值的1.2倍以上至2.0倍以下。

(第1實施例)

本發明適合的第1實施例為圓筒型三相線性同步電動機，圖6為表示說明本發明較佳為第1實施方式的圓筒型三相線性同步電動機100的大致斜視圖，圖7為表示圖6的A-A線截面圖，圖8為表示圖6的B-B線截面圖，圖9為表示圖6的C-C截面圖。

圓筒型三相線性同步電動機100具有：圓筒狀的定子105；可動子107，該可動子107可在定子105的軸向移動，且具有缺口部的圓筒狀；驅動裝置109，該驅動裝置109向可動子107供給來自外部的電源108的電力。

定子105具有：外側永久磁鐵列111，其作 為第1永久磁鐵列，其中，按照環狀的永久磁鐵112的磁極，在包含其中心軸的截面上，以大致90度逐次旋轉的方式，使永久磁鐵112鄰接地形成；內側永久磁鐵列115，其作為第2永久磁鐵列，其中，按照環狀的永久磁鐵116的磁極，在包含其中心軸的截面上，以大致90度逐次旋轉的方式，使永久磁鐵116鄰接地形成；外側管113，其作為第1環狀固定構件，其內側內面上固定有第1永久磁鐵111；內側管117，其作為第2環狀固定構件，其外側面上固定有內側永久磁鐵列115；固定板123，為了不干涉可動子107，具有缺口，固定外側管113與內側管117。

進一步地，在固定子105中，在外側管113 的外側上部和外側下部，介由導杆支撐構件211、213安裝有導杆121。在導杆121的表面上，在從導杆支撐構件211側的端部到該導杆支撐構件211的範圍內，分為上下兩段地固定電極203、205、207、209，從各電極引出的導線141被捆綁，並經由設置於導杆支撐構件211上的導出路143導入驅動裝置109。

可動子107具有：捲繞有三相線圈131的捲 繞環133；輸出環137，該輸出環137固定於捲繞環133的兩端，具有缺口部；缺口固定板139，該缺口固定板139固定輸出環137的缺口部；線性襯套135，該線性襯套135安裝於輸出環137的端部，沿導杆121導向捲繞環133。線性襯套135具有滑動電極201，該滑動電極 201與設置於導杆121的表面上的電極203、205、207、209接觸。一端與三相線圈131連接的導線141，介由設置於輸出環137和線性襯套135上的導出路143，與滑動電極201連接。由此，三相線圈131介由固定子105側的各電極203、205、207、209，與驅動裝置109電性連接。在此，在各電極203、205、207、209之每一者中，驅動裝置109所產生之與三相交流電壓相對應的三相交流電流U相、V相、W相以及中性點電流流動，三相線圈131被激勵，以既定的推力使可動子107沿軸向移動。

外側永久磁鐵陣列111的永久磁鐵112的數 量與內側永久磁鐵陣列115的永久磁鐵116的數量相同。外側永久磁鐵陣列111的永久磁鐵112中沿徑向磁化的永久磁鐵112的磁極方向、與永久磁鐵陣列115的永久磁鐵116中沿徑向磁化的永久磁鐵116的磁極方向相同，配置於同一半徑上的永久磁鐵的磁極方向彼此相同。外側永久磁鐵陣列111的永久磁鐵112中沿軸向磁化的永久磁鐵112的磁極方向、與內側永久磁鐵陣列115的永久磁鐵116中沿軸向磁化的永久磁鐵116的磁極方向相反，配置於同一半徑上的永久磁鐵的磁極方向相反。

在外側永久磁鐵陣列111中，由於永久磁鐵 112的磁極一邊沿軸向逐次旋轉約90度一邊排列，故陣列一側(本實施例中的外側)的磁場較弱，在該陣列的另一側(在本實施例中為內側，內側永久磁鐵陣列115側)，該部分的磁場變得較強，能在外側永久磁鐵陣列111的一側(本實施方式中的內側)產生強磁場。在內側永久磁 鐵陣列115中，由於永久磁鐵116的磁極一邊沿軸向逐次旋轉約90度一邊排列，故陣列一側(本實施例的內側)的磁場較弱，在該陣列的另一側(在本實施例中為外側，外側永久磁鐵陣列111側)，該部分的磁場變得較強，能在內側永久磁鐵陣列115的一側(本實施方式中的外側)產生強磁場。

由於按照這種方式構成外側磁鐵陣列111和 內側永久磁鐵陣列115，故外側永久磁鐵陣列111和內側永久磁鐵陣列115之間的空間的磁場變強，另一方面，外側永久磁鐵陣列111的外側和內側永久磁鐵陣列115的內側幾乎無法磁漏。而且，外側永久磁鐵列111和內側永久磁鐵列115之間的空隙中的半徑方向分佈非常多的磁通。半徑方向分佈非常多的磁通的該空隙中配置有三相線圈131，由於磁通的大部分與三相線圈131直角交鏈，故可高效地將驅動裝置109所供給的電力轉換為推力。按照這種方式，由於配置有三相線圈131的區域的磁場增強，故即使不在三相線圈131中使用鐵芯，三相線圈131也能較強地被激勵，能以較大的推力將可動子107向軸向移動。而且，由於不使用鐵芯，就可消除或減少齒槽效應(cogging)。

外側永久磁鐵陣列111按照下述方式構成， 該方式為，堆疊徑向與厚度方向磁化的截面為大致正方形的環狀永久磁鐵112。另外，內側永久磁鐵陣列115按照下述方式構成，該方式為，堆疊徑向與厚度方向磁化的截面為大致正方形的環狀永久磁鐵116。外側永久 磁鐵陣列111所構成的外側圓筒磁場和內側永久磁鐵陣列115所構成的內側圓筒磁場，構成雙層海爾貝克陣列磁場。外側圓筒磁場與內側圓筒磁場各自的圓筒磁場的中心軸互相重疊。外側圓筒磁場的內面和上述內側圓筒磁場的外面之間為磁場空隙。而且，在與永久磁鐵112、116的磁化方向平行的面(與C-C截面平行)內，上述磁場空隙的中心線和外側永久磁鐵陣列111之間的空隙截面面積、與磁場空隙的中心線和內側永久磁鐵陣列115之間的空隙截面面積的比有下述關係，該關係為外側永久磁鐵陣列111的截面面積和內側永久磁鐵陣列115的截面面積的比大致相同。該面積比的關係引用了圖3，與上述關係相同。另外，較佳為磁場空隙的截面面積為外側永久磁鐵陣列111的截面面積與內側永久磁鐵陣列115的截面面積的平均值的1.2倍以上至2.0倍以下。

在上述的實施例中，三相線圈131配置於半 徑方向分佈非常多的磁通的空隙中，故磁通的大部分與三相線圈131直角交鏈，故可以更少的電流產生較大的推力。在外側永久磁鐵陣列111中，由於永久磁鐵112的磁極一邊沿軸向逐次旋轉約90度一邊排列，外側永久磁鐵陣列111的外側的磁場較弱，在外側永久磁鐵陣列111的內側，該部分的磁場變得較強，能在外側永久磁鐵陣列111的內側產生強磁場。另外，在內側永久磁鐵陣列115中，永久磁鐵116的磁極一邊沿軸向逐次旋轉約90度一邊排列，內側永久磁鐵陣列115的內側的磁場較弱，在內側永久磁鐵陣列115的外側，該部分的磁場 變得較強，能在內側永久磁鐵陣列115的外側產生強磁場，但是即使不將磁極沿軸向逐次旋轉90度，例如可以逐次旋轉45度，亦可按照沿軸向的每2π的整數等分使磁極的方向發生改變的方式，將複數個第1永久磁鐵沿軸向排列，第1永久磁鐵的排列的內側的磁場增強，外側的磁場減弱，按照沿軸向的每2π的整數等分的磁極的方向與第1永久磁鐵的排列相反方向進行改變的方式，將複數個第2永久磁鐵沿軸向排列，配置在第1永久磁鐵的排列的內側，第2永久磁鐵的排列的外側的磁場增強，內側的磁場減弱。

(第2實施例)

本發明適合的第2實施例為三相同步發電機。圖10為表示說明本發明較佳的第2實施方式的三相同步發電機200的大致斜視圖。圖11(A)為表示平行磁化方向的截面中的截面圖，圖11(B)為表示電樞線圈的配線的示意圖。

本實施例的發電機200具有轉子250和定子260。在轉子250上安裝有軸240，如果使軸240旋轉，則可構成發電機。轉子250具有永久磁鐵陣列210、220。定子260具有線圈陣列230。永久磁鐵陣列210、220各自以環狀構成，線圈陣列230也分別以環狀構成。永久磁鐵陣列210、220以及線圈陣列230按照同心圓的方式配置。永久磁鐵陣列220設置在永久磁鐵陣列20的內側。

永久磁鐵陣列210、220與圖3所示的狀態相同，分別是將永久磁鐵211、221的磁極一邊逐次旋轉約90度一邊排列的海爾貝克陣列。

永久磁鐵陣列210的永久磁鐵211的數量與 永久磁鐵陣列220的永久磁鐵221的數量相同，外側永久磁鐵陣列210的永久磁鐵211中沿徑向磁化的永久磁鐵211的磁極方向、與永久磁鐵陣列220的永久磁鐵221中沿徑向磁化的永久磁鐵221的磁極方向相同，配置於同一半徑上的永久磁鐵的磁極方向彼此相同。永久磁鐵陣列210的永久磁鐵211中沿周向磁化的永久磁鐵211的磁極方向、與永久磁鐵陣列220的永久磁鐵221中沿周向磁化的永久磁鐵221的磁極方向相反，配置於同一半徑上的永久磁鐵的磁極方向相反。

在永久磁鐵陣列210中，由於永久磁鐵211 的磁極一邊沿周向逐次旋轉約90度一邊排列，故陣列一側(本實施例的外側)的磁場較弱，在該陣列的另一側(在本實施例中為內側)，該部分的磁場變得較強，能在永久磁鐵211的陣列210的一側(本實施方式中的內側)產生強磁場。另外，在永久磁鐵陣列220中，由於永久磁鐵221的磁極一邊沿周向逐次旋轉約90度一邊排列，故陣列一側(本實施例的內側)的磁場較弱，在該陣列的另一側(在本實施例中為外側)，該部分的磁場變得較強，能在永久磁鐵221的陣列220的一側(本實施方式中的外側)產生強磁場。

由於按照這種方式構成永久磁鐵陣列210和 永久磁鐵陣列220，故永久磁鐵陣列210和永久磁鐵陣列220之間的空間的磁場變強，另一方面，在永久磁鐵陣列210的外側和永久磁鐵陣列220的內側，磁場幾乎 無法磁漏。而且，由於永久磁鐵陣列210和永久磁鐵陣列220之間配置有線圈陣列，故可產生較高的電壓。按照這種方式，由於配置有線圈陣列230的區域的磁場增強，故即使不在構成線圈陣列230的線圈231中使用鐵芯，也產生較高的電壓。而且，由於不使用鐵芯，就可消除或減少齒槽效應。另外，像圖11(B)所示，線圈陣列230是由複數個線圈231按照U相-V相-W相的順序纏繞而形成Y接線，產生三相交流。

在本實施例中，在旋轉軸240的周圍，永久 磁鐵211、221按照海爾貝克陣列構成，由內外兩組的磁鐵列201、220構成雙層海爾貝克陣列磁場。各個永久磁鐵211、221的徑向截面(與磁化方向平行的面的截面)其之面積幾乎相等，構成外側磁鐵列210的永久磁鐵211的內面、與構成內側磁鐵列220的永久磁鐵221的外面互相面對。各個構成外側磁鐵列210的永久磁鐵211和構成內側磁鐵列220的永久磁鐵221的徑向截面均為梯形，各以64個永久磁鐵構成雙層海爾貝克陣列磁場。電樞線圈231配置在雙層海爾貝克陣列磁場的間隙中，但是外側磁鐵列210和內側磁鐵列220均為64邊形，相鄰的永久磁鐵211、221之間的間隙面存在連接角度。在本實施例的三相同步發電機200中，電樞線圈231的徑向截面的外形為長方形，電樞線圈231的寬度為從轉軸中心觀察到的兩個永久磁鐵211、221的角度。另外，電樞線圈231按照絕緣被覆膜圓銅線纏繞帶有鍔部的線圈的方式構成。構成外側磁鐵列210的永久磁鐵211的內面 與構成內側磁鐵列220的永久磁鐵221的外面之間，形成磁場間隙。而且，在與永久磁鐵211、221的磁化方向平行的面內，上述磁場空隙的中心線和外側磁鐵列210之間的空隙截面面積與磁場空隙的中心線和內側磁鐵列220之間的空隙截面面積的比具有與外側磁鐵列210的截面面積和內側磁鐵列220的截面面積的比大致相同的關係。該面積比的關係引用了圖3，與上述關係相同。 另外，較佳為磁場空隙的截面面積為外側磁鐵列210的截面面積與內側磁鐵列220的截面面積的平均值的1.2倍以上至2.0倍以下。

上述的實施例中，也可按照下述方式配置， 該方式為，在發電機200的永久磁鐵陣列210中，由於永久磁鐵211的磁極一邊沿周向逐次旋轉約90度一邊排列，陣列的外側的磁場較弱，在該陣列的內側，該部分的磁場變得較強，能在永久磁鐵211的陣列210的內側產生強磁場，另外，在永久磁鐵陣列220中，永久磁鐵221的磁極一邊沿周向逐次旋轉約90度一邊排列，陣列的內側的磁場較弱，在該陣列的外側，該部分的磁場變得較強，在永久磁鐵221的陣列220的外側產生強磁場，但是即使不將磁極沿周向逐次旋轉約90度，例如逐次旋轉約45度，按照沿周向的每2π的整數等分的磁極的方向發生改變的方式，將複數個第1永久磁鐵沿周向排列，使得第1永久磁鐵的排列的內側的磁場增強，外側的磁場減弱，按照沿周向的每2π的整數等分的磁極的方向與第1永久磁鐵相反方向改變的方式，將複數個第2 永久磁鐵沿周向排列，配置在第1永久磁鐵的排列的內側，第2永久磁鐵的排列的外側的磁場增強，內側的磁場減弱。

另外，在上述實施例中，如圖12的截面圖(圖 11(A)的V-V線截面圖)所示，發電機200按照具有一層磁場的方式構成，但是，也可像圖13所示，以具有多層磁場的發電機的方式構成，本發明也可適合各種磁場。 另外，也可將如圖12所示的單層磁場或圖13所示的多層磁場沿上下方向設置複數個級，本發明也可用作多級式磁場的發電機。

(第3實施例)

本發明適合的第3實施例為三相同步發電機，其中，將上述第1永久磁鐵陣列和上述第2永久磁鐵陣列構成旋轉機構的磁場的場合，永久磁鐵的形狀設為長方形。下面，基於圖14和圖15，對本發明的旋轉機構的實施例進行說明。

旋轉機構301具有轉子303和定子307。在轉子303上安裝有軸，如果使軸旋轉，則可構成發電機。轉子303具有構成雙層海爾貝克排列磁場的永久磁鐵陣列304、305。定子307具有線圈陣列308。

永久磁鐵陣列304、305各自以環狀構成，線圈陣列308也以環狀構成。永久磁鐵陣列304設置在永久磁鐵陣列305的內側。永久磁鐵陣列304、305以及線圈陣列308以同心圓的方式被配置。

構成雙層海爾貝克陣列磁場的永久磁鐵陣列 304、305，像圖14所示，分別是將永久磁鐵的磁極一邊沿周向逐次旋轉約90度一邊呈環狀排列的“海爾貝克陣列”。永久磁鐵陣列304與永久磁鐵陣列5的磁鐵數量相同。構成永久磁鐵陣列304的各個永久磁鐵341、341…在與其磁化方向平行的截面(與紙面平行的面)，截面形狀均為長方形。構成永久磁鐵陣列5的各個永久磁鐵351、351…的截面形狀也為長方形。

具有這樣的長方形截面的相同形狀的永久磁 鐵341由於以相同的角度間隔呈環狀地排列，故鄰接的永久磁鐵341、341之間有楔形空隙。在這些楔形的空隙中，有填充該間隙的楔形狀的間隔構件343。同樣地，在鄰接的永久磁鐵351、351之間也存在楔形的空隙，在這些楔形的空隙中有填充該間隙的楔形狀的間隔構件353。

另外在本實施例中，長方形截面永久磁鐵之 間的間隙中也可不配置間隔構件，也可採用填充有空氣的方式，較佳為像上述那樣夾設有間隔構件。並不限定間隔構件343、353的材質，譬如，可以由鋁等的非磁性材料構成，更佳為樹脂等非磁性、非導電性材料為佳。

並不限定在永久磁鐵之間的間隙中夾設間隔 構件的方法，只要在旋轉機構的完成狀態下存在夾設在永久磁鐵之間的間隙中的任意構件，則可採用任何方法。例如，在按照環狀排列永久磁鐵之後，可以在鄰接的永久磁鐵之間的間隙中插入或填充一些材料(不同於 磁鐵的材料)即可。或者，也可按照下述方式配置，該方式為，在預先以等角度間隔配置的固定的間隔構件之間，插入永久磁鐵。

按照上述說明，在製造具有圓形的永久磁鐵陣列的電磁感應裝置的場合，在與第1永久磁鐵和第2永久磁鐵的磁化方向平行的面中，磁場空隙的中心線和上述第1永久磁鐵列之間的空隙截面面積與上述磁場空隙的中心線和上述第2永久磁鐵列之間的空隙截面面積的比具有與上述第1永久磁鐵列的截面面積和上述第2永久磁鐵列的截面面積的比相等的關係，由此，在電樞線圈中能獲得較大的交鏈磁通量。其結果為，在為發電機的場合，以最小的磁鐵量產生最大的電壓。另外，在為電動機的場合，以最小的磁鐵量產生最大的轉矩(torque)。另外，由於可使雙層海爾貝克陣列磁場的永久磁鐵數量最小化，故可有助於降低成本、節約資源。

以上，說明了本發明的各種典型的實施例，但是本發明並不限於這些實施例。因此，本發明的範圍僅由申請專利範圍作限定。

20‧‧‧雙層海爾貝克陣列磁場

22‧‧‧永久磁鐵列

23‧‧‧永久磁鐵

24‧‧‧磁場間隙

26‧‧‧永久磁鐵列

27‧‧‧永久磁鐵

Claims (9)

1. 一種電磁感應裝置，其具備：第1永久磁鐵列和第2永久磁鐵列，該第1永久磁鐵列和第2永久磁鐵列相互面對地配置，其中，上述第1永久磁鐵列具有複數個第1永久磁鐵，該複數個第1永久磁鐵沿規定方向在每2π的整數等分發生磁極的方向改變，按照在上述第2永久磁鐵列側的磁場增強、與上述第2永久磁鐵列側相反一側的磁場減弱的方式，沿上述規定方向配置，上述第2永久磁鐵列具有複數個第2永久磁鐵，該複數個第2永久磁鐵沿上述規定方向在每2π的整數等分發生磁極的方向改變，按照在上述第1永久磁鐵列側的磁場增強、與上述第1永久磁鐵列側相反一側的磁場減弱的方式，沿上述規定方向配置；電樞線圈，該電樞線圈配置於面對的上述第1永久磁鐵列和上述第2永久磁鐵列之間的磁場間隙中，在平行於上述第1永久磁鐵和上述第2永久磁鐵的磁化方向的面內，上述磁場間隙的中心線和上述第1永久磁鐵列之間的間隙截面面積與上述磁場間隙的中心線和上述第2永久磁鐵列之間的間隙截面面積的比具有與上述第1永久磁鐵列的截面面積和上述第2永久磁鐵列的截面面積的比大致相同的關係。
2. 如請求項1的電磁感應裝置，其中，上述間隙截面面積為上述第1永久磁鐵列和上述第2永久磁鐵列的截面面積的平均值的1.2倍以上至2.0倍以下。
3. 如請求項1的電磁感應裝置，其中，按照上述複數個第1永久磁鐵的磁極方向沿上述規定的方向以逐次旋轉約90度的方式，使上述複數個第1永久磁鐵沿上述規定的方向排列，按照上述複數個第2永久磁鐵的磁極方向沿上述規定的方向以逐次旋轉約90度的方式，使上述複數個第2永久磁鐵沿上述規定的方向排列，上述複數個第1永久磁鐵的磁極方向和上述複數個第2永久磁鐵的磁極方向，在與上述規定的方向所垂直的方向上為相同方向；上述複數個第1永久磁鐵的磁極方向和上述複數個第2永久磁鐵的磁極方向，在與上述規定的方向的磁極的方向為相反方向。
4. 如請求項1或3的電磁感應裝置，其中，上述規定的方向為直線方向。
5. 如請求項1或3的電磁感應裝置，其中，上述規定的方向為周向。
6. 如請求項1至5中任一項的電磁感應裝置，其中，上述電磁感應裝置為電動機或者發電機。
7. 如請求項5的電磁感應裝置，其中，上述第1和第2永久磁鐵列按照與磁極方向所平行的截面為長方形的永久磁鐵的方式構成。
8. 如請求項7的電磁感應裝置，其中，具有按照夾設於鄰接的上述永久磁鐵之間的間隙的方式設置的構件。
9. 如請求項8的電磁感應裝置，其中，夾設於鄰接的上述永久磁鐵之間的間隙的上述構件由非磁性材料構成。