WO2001086786A1 - Moteur electrique a convergence de flux magnetique - Google Patents

Description

明 細 書 磁束の収束現象を利用した電動機 技術分野

この発明は、 永久磁石が有する磁束を利用した電動機に係わり、 特に永久磁石 に装着された磁性材料内部に生じる磁束の収束現象を回転駆動力の発生に有為 な方向のみへ惹起させ、 高効率高トルクを達成することができる電動機に関する。

背景技術

従来、 電気エネルギーを機械的な出力、 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た。 それら従来の電動機 にあっては、 ステ一夕、 ロータのいずれか又は両方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夕を追従させるもの （例えば誘 導電動機） 、 あるいは、 永久磁石ステ一夕の磁界中に極性反転制御を可能として 設けられた口一夕を回転自在に配設し、 口一夕とステ一夕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。

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ェ ネルギ一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、 これによる出力トルクの増大、 電磁エネ ルギ一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— 7 9 5 5 9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。 この提案に係る一実施例によれば、 第 1図及び第 2図に示 すように、 支持部材 1 0の間に回転出力軸 1 1が軸受 1 1 aを介して回転自在に 装備されており、 この回転出力軸 1 1の軸方向両端側には、 軸方向に着磁された リング状の永久磁石 1 3が配置されている。 回転出力軸 1 1の側板 1 0 aと永久 磁石 1 3との間には、 それぞれ 3個の切欠部 1 4 aと磁歯部 1 4 bとが交互に設 けられた磁性体 1 4がそれぞれ固定されている。 永久磁石 1 3と磁性体 1 4は回 転出力軸 1 1に対して同軸であり、 回転出力軸 1 1とともに回転する回転子 1 2 をなしている。 このような構成を備えた動力発生装置によれば、 無通電状態にあ つては第 4図に示すように、磁歯部 1 4 bと対向する電磁石 1 6 c、 d、 g、 h、 k、 1は、 永久磁石 1 3の磁界中にある単なる磁性体となり （第 4図の薄墨部分 参照） 、 磁歯部 1 4 b部分を吸引し、 回転子 1 2は停止状態にある。 この状態か ら、 第 5図に示すように切欠部 1 4 aと磁歯部 1 4 bとの境界部分 1 4 cl、 1 4 c3及び 1 4 c5に位置する電磁石 1 6 a、 e、 iを同時に励磁すると、 永久磁石 1 3の磁界と電磁石 1 6 a、 e、 iの磁界とが作用し合い、 磁性体 1 4を通る磁束 1 4 dが該電磁石 1 6 a、 e、 i側に瞬時に収束される。 これにより、 回転子 1 2は、 電磁石 1 6 a、 e、 i側に吸引され、 磁束 1 4 dの幅を広げようとする方 向、 すなわち第 5図の時計方向への回転トルクを受ける。 そして、 このように磁 歯部 1 4 bの回転方向に位置する電磁石 1 6を順次励磁していくことによって、 永久磁石 1 3と電磁石 1 6との間に生じる磁束によって磁気吸引力が生起され、 回転子 1 2の回転を持続させることができる。 しかも、 この際、 各磁束 1 4 dの 回転方向後方には、 磁束がほとんど存在しない、 いわば磁束の空白域が生じるた めに、 回転子 1 2の回転運動を妨げるような後方の非励磁電磁石と永久磁石 1 3 の間の相互作用は可及的に低減されるものである。

また、 同様の作用効果を目的として本願発明者らが開発したものとして、 特開 平 1 0— 3 2 9 6 7号公報に記載されたトルク発生装置がある。 この装置におい ては、 ロー夕コア 2 0の周囲にそれぞれ永久磁石 2 2 aと磁性部材のロータ突極 子 2 2 bとを有する複数のロー夕突極 2 2を設け、 これらのロータ突極 2 2をス テ一夕突極 1 2を順次励磁することにより各々連続的に吸引してトルクを得よ うとするものである。

しかしながら、 上記の装置をはじめとする種々の試作機を通じてエネルギー変 換効率、 発生トルク等の性能を検証したところ、 一定の性能向上は認められたも のの、 磁性部材内で予期されたほどの磁束の収束が生じていない可能性があり、 十分な効率の向上が図れない場合があることが判明した。 この傾向は、 各磁性体 突極子の体積が小さい後者のトルク発生装置の場合に、 より顕著であると考えら れる。

また、 回転子に永久磁石を組み込んであるので、 いずれの電磁石にも通電され ていない状態では各永久磁石と近接している特定の電磁石との間に吸引力が作 用していわば回転子が強固に拘束された状態となっている一方、 電磁石に電流を 供給して励磁したとしても、 前記したような磁束の収束が不十分であることによ り、 その回転子の拘束状態が解除できず、 回転子の始動が困難となることがある という問題点も確認された。

この発明は、 上記のような開発過程において見出された問題点を、 あらためて 明らかとなつた永久磁石と磁性材料とを組合せて用いることの重要性に着目し つつ解消するためになされたもので、 その目的は、 永久磁石が持つ磁気エネルギ 一を有効に利用して高効率高トルクを得られるとともに、 始動性にも優れた永久 磁石電動機を提供することである。

発明の開示

上記の目的を達成するために、 本願の第 1の発明に係わる電動機は、 板状に形 成された磁性体よりなり、 その外周縁に沿って少なくとも一の径方向突起部が設 けられた出力部材と、 その出力部材と間隔を隔てて並置された、 磁性体よりなる 磁束統御部材と、 前記出力部材と前記磁束統御部材とのそれぞれの外周縁の間に ほぼ差し渡されるように配設され、 その一端部が前記出力部材の外周縁に、 その 他端部が前記磁束統御部材の外周縁に沿って間隔をおいて配置されて、 各々それ ら出力部材および磁束統御部材と磁気的な相互作用をなすようになっている複 数の電磁石と、 少なくとも前記出力部材を前記複数の電磁石の内方において周方 向に回動自在に支持している支持手段と、 前記出力部材と前記磁束統御部材との 間に、 その出力部材と磁束統御部材とを互いに異極性に磁化するように配設され た磁化手段と、 前記出力部材および前記磁束統御部材の外周縁と対向している前 記電磁石のそれぞれは、 その出力部材と対向している各一端部が前記磁化手段に よつて与えられる出力部材側極性と異極性となるように、 各電磁石に所定の夕ィ ミングで励磁電流を供給する励磁電流供給手段とを備えたことを特徴とする。 また、 本願の第 2の発明に係わる電動機は、 磁性体を用いて板状に形成され、 その一方の面上には周方向に対して磁束を収束させつつ通過させ得るほぼ径方 向に隆起形成された少なくとも一の隆起部を備えた可動子部材を、 一組間隔をお いて並置するとともに、 それら可動子部材を互いに固定して回転子部材を形成し、 前記並置された可動子部材のそれぞれの外周縁の間にほぼ差し渡されるように 配設され、 その各端部が前記各可動子部材の外周縁に沿って間隔をおいて配置さ れて、 各々それら可動子部材と磁気的な相互作用をなすようになっている複数の 電磁石と、 前記回転子部材を前記複数の電磁石の内方において周方向に回動自在 に支持している支承手段と、 前記一組の可動子部材の間に、 それらの可動子部材 を互いに異極性に磁ィヒするように配設された磁化手段と、 前記各可動子部材の外 周縁と対向している前記電磁石のそれぞれの端部が、 それぞれ対向している可動 子部材に前記磁ィヒ手段が与える各極性とそれぞれ異極性となるように、 各電磁石 に所定のタイミングで励磁電流を供給する励磁電流供給手段とを備えたことを 特徴とする。

ここで、 前記磁化手段としては、 永久磁石又はその磁力が調整し得るように構 成された電磁石を用いることができる。

また、 前記第 1の発明において、 電磁石の他端部がそれぞれ前記磁束統御部材 に接続するようにしてもよい。

また、 前記第 1および第 2の発明においては、 各電磁石は、 それぞれが前記出 力部材の周縁に配設された突起部、 あるいは前記可動子部材の周縁に臨む前記隆 起部を連続して吸引するように順次励磁されるように構成する。

上記の構成を備えた前記本願第 1の発明に係る電動機によれば、 前記いずれの 電磁石も励磁されていない状態では、 磁化手段からの磁束は、 （磁化手段の一方 の磁極）→ (出力部材の突起部）→ (非励磁電磁石（この状態では単なる磁性体） ) → (磁性体からなる磁束統御部材） → (磁化手段の他方の磁極） という経路で回 磁しており、 出力部材の各突起部はいずれかの非励磁電磁石に吸引されて拘束さ れた状態にある。 しかし、 励磁電流供給手段からいずれかの電磁石に電流が供給 されて励磁されると、 それまで非励磁の電磁石と磁化手段の一方の極との間で磁 束統御部材を構成する磁性体内にほぼ一様に分布していた磁束は、 その磁束統御 部材の内部において励磁された電磁石と磁化手段との間を結ぶ各領域に十分に 収束し、 無通電状態における出力部材と電磁石との間の拘束状態を解除すること ができる。 そして、 出力部材の回動に応じて励磁電磁石を回転方向に順次切換え ていくことで、 出力部材を持続的に回転させることができる。 すなわち、 本発明 にあっては磁束統御部材を設けたことにより、 いったん所定の電磁石に通電され てこれが励磁されると、 この磁束統御部材の内部で前記のように磁束の収束が起 こり、 通電されていない電磁石に対する磁束の影響はほとんどなくなり、 磁束は 駆動力を発生しょうとする電磁石に集中する。 いわば、 磁束統御部材は駆動力の 発生を妨げるような磁束の動きをその内部で統制するとともに、 回転力に寄与し 得るような磁束の状態を整えているのである。

さらに、 出力部材と磁束統御部材との間に磁化部材を配設し、 この磁化部材が 発生する磁束を励磁電磁石から発せられる磁束に重畳して利用することができ るので、 同等の回転トルクを得ようとする場合における所要入力電力が大幅に低 減されることとなる。

また、 前記本願第 2の発明に係る電動機によれば、 前記いずれの電磁石も励磁 されていない状態では、 磁化手段からの磁束は、 主として各可動子部材に形成さ れた隆起部が磁路として機能することにより、 （磁化手段の一方の磁極） → (一 方の可動子部材に隆起形成された隆起部） → (非励磁電磁石 （この状態では単な る磁性体） ） → (他方の可動子部材に隆起形成された隆起部） ― （磁化手段の他 方の磁極） という経路で回磁しており、 可動子部材の各隆起部は、 いずれかの非 励磁電磁石との間に吸引作用が生じて拘束された状態にある。 しかし、 励磁電流 供給手段からいずれかの電磁石に電流が供給されて励磁されると、 それまで非励 磁の電磁石と磁化手段のいずれかの極との間で可動子部材の主として隆起部を 形成する磁性体内に分布していた磁束は励磁された電磁石と磁化手段との間で 可動子部材を構成する磁性体 （上記第 1の発明における磁束統御部材に相当す る） を介して十分に収束し、 前記無通電状態における可動子部材隆起部と非励磁 電磁石との間の拘束状態を解除することができる。 そして、 可動子部材及びこれ を組合せてなる回転子部材の回動に応じて励磁電磁石を回転方向に順次切換え ていくことで、 これを持続的に回転させることができる。 この第 2の発明に係る 電動機の構成によれば、 組み合わされた 2個の可動子部材のいずれもが回転トル クを発生することができるので、 前記第 1の発明に比していっそう効率向上が図 られることになる。

図面の簡単な説明

第 1図は本願第 1の発明の一実施形態に係わる電動機の構成を示す側断面図、 第 2図は本願第 1の発明の一実施形態に係わる電動機の作用を示す図その 1、 第 3図は本願第 1の発明の一実施形態に係わる電動機の作用を示す図その 2、 第 4図は本願第 1の発明の一実施形態に係わる電動機の作用を示す図その 3、 第 5図は本願第 1の発明の一実施形態に係わる電動機の作用を示す図その 4、 第 6図は本願第 1の発明の一実施形態に係わる電動機の作用を示す図その 5、 第 7図は本願第 2の発明の一実施形態に係わる電動機の構成を示す側断面図、 第 8図は本願第 2の発明の一実施形態に係わる電動機に用いる切欠ロー夕の 概略図、

第 9図は本願第 2の発明の一実施形態に係わる電動機の作用を示す図その 1、 第 1 0図は本願第 2の発明の一実施形態に係わる電動機の作用を示す図その 2、

第 1 1図は本願第 2の発明の一実施形態に係わる電動機の作用を示す図その 3、

第 1 2図は本願第 1の発明の一実施形態に係わる電動機の作用を示す図その 4である。

発明を実施するための最良の形態

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。 第 1図は、 本願第 1の発明の一実施形態による電動機の概略構成を模式的に示 す側断面図である。 なお、 この図においては、 本装置の基本的な構成と作用とを 明瞭にするため、 装置のハウジングやフレームなど、 本発明の説明に関して本質 的でないと思われる部分については適宜図示を省略している。

第 1図に示すように、本実施形態の電動機は、出力部材としてのロータ 1 0と、 磁化手段である永久磁石 2 0と、 複数の電磁石 3 0と、 その電磁石 3 0の一端部 と相互に磁気作用を及ぼしうる磁束統御部材であるディスク 4 0とを主として 備えて構成されている。 ロータ 1 0は、 磁性体材料を用いて略円板状に形成され た部材であり、 その外周縁に沿って径方向にそれぞれ中心角 6 0 ° の突起部 1 0 aが 4ケ所等間隔に設けられている。 ディスク 4 0は磁性体材料を用いて形成さ れた単純な円板状の部材である。 口一タ 1 0とディスク 4 0とは、 支持部材であ る回転軸 6 0を介して固接されている。

このロータ 1 0及びディスク 4 0の外周縁の間に差し渡されるようにして、 複 数の電磁石 3 0が所定の間隔を隔てて延設されている。 各電磁石 3 0は、 略棒状 のコアの外周側部に励磁用コイル 3 6が巻回されてなっており、 そのコアの一端 部 3 2がロータ 1 0の外周縁部と、 他端部 3 4がディスク 4 0の外周縁部とそれ ぞれ近接して対向するように配設されている。 本実施形態においては、 その作用 に関して後述するように、 1 2個の電磁石 3 0が 3 0 ° ピッチでロータ 1 0及び ディスク 4 0を取り囲むように並設されている。 前記回転軸 6 0は、 図示しない 軸受によって支持されて、 ロー夕 1 0及びディスク 4 0が環状に並設された電磁 石 3 0の内方において回動自在となるようにしている。

なお、 この場合、 各電磁石 3 0と口一夕 1 0及びディスク 4 0とは互いに近接 して連続した磁気回路を構成しうるようになっていればよい。 したがって、 電磁 石 3 0のコアとディスク 4 0とを固定的に連接するような構成を採用すること も可能である。 言うまでもなく、 このような構成とする際には、 公知の構成によ つてディスク 4 0と回転軸 6 0との間で相対回転が可能となるようにしておく ことになる。

ディスク 4 0と口一夕 1 0との間には、 永久磁石 2 0が設けられている。 永久 磁石 2 0はほぼ円筒状であって、 ロータ 1 0及びディスク 4 0とほぼ同心状に設 けられている。 この実施形態にあっては、 円板状のディスク 4 0の中心軸とほぼ 同軸状に位置するように、 ディスク 4 0側が S極となるように固接されている。 また、 永久磁石 2 0の N極側には前記ロータ 1 0が配設される。 なお、 この実施 形態では、 永久磁石 2 0の各端部と磁性材料からなるロータ 1 0のボス部 1 0 b 及びディスク 4 0のボス部 4 0 bとがそれぞれ別部材として密接するように構 成されているが、 永久磁石 2 0と各ボス部 1 0 b、 4 0 bとを糸駒状に形成され た一体的な永久磁石として構成しても構わない。

制御装置 7 0は、 適宜の電源に接続されて、 1 2個の電磁石 3 0にそれぞれ設 けられたコイル 3 6に励磁用出力電流を順次供給するものであり、 一般に、 リレ ―、 トランジスタ、 サイリスタ等の電流スイッチング機器又は素子と、 それらの スイッチング素子等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。 この制御装置 7 0によって、 電源電流は適宜整流されるとともに、 所定の出 力周波数及び出力電流を有する信号として各コイル 3 6に供給される。 なお、 本 発明に係る電動機では、 基本的には各電磁石 3 0の順次励磁制御にロータ 1 0が 同期駆動されるため、 駆動制御の面からはオープンループ構成としてさしつかえ ない。 ただし、 ロータ 1 0の回転角度を検出するために、 例えば所定の切欠き形 状を備えた遮光板 （図示省略） と組合せた光センサやロータリエンコーダのよう な、 既存の種々のセンサを適宜用いてロータ 1 0の速度制御を行うことができる。 本実施形態にあっては、 ロータ 1 0の回転角を検出する回転センサ 8 0が設けら れ、 その出力信号は、 前記制御装置 7 0の制御回路に入力され、 例えばロータ 1 0の回転角度に応じて前記電流スィツチング素子等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。

次に、 第 2図〜第 6図を参照して、 上記の構成を有する本発明の一実施形態に 係わる電動機の作用を説明する。

まず、 第 2図は、 電磁石 3 0のコイル 3 6のいずれにも制御装置 7 0から励磁 電流が供給されておらず、 いずれの電磁石 3 0も励磁されていない状態、 すなわ ち電源オフの状態を示している。 この状態では、 永久磁石 2 0の N極は、 口一夕 1 0の各突起部 1 0 aを介してそれぞれ対向する電磁石 3 0の一端部 3 2 a、 3 2 c、 3 2 d、 3 2 f 、 3 2 g、 3 2 i、 3 2 j、 3 2 1との間に磁気吸引力を 及ぼしている。 したがって、 各ロータ突起部 1 0 aには、 その径方向外方へ向け て吸引力が作用しているのみで、 口一夕 1 0の中心に揷通固定されている回転軸 60についてみると、 各ロータ突起部 10 aに作用する外方への吸引力は実質的 にパランスがとれているとともに、 各ロータ突起部 10 aはそれぞれ対向する電 磁石 30の一端部 32との間でいわば拘束された状態となっている。 これは、 デ イスク 40側を含めて考えると、 （永久磁石 20の N極） → (口一夕突起部 10 a)→ (電磁石 30の一端部 32)→ (電磁石 30の他端部 34 )→ (ディスク 40) → (永久磁石 20の S極） の経路で磁束が回磁しており、 この磁束による 吸引力が、 各口一夕突起部 10 aを電磁石 30に対して固定させるように作用し ているためである。

次に、 第 3図に示すように、 12個の電磁石 30のうち、 等間隔に配置されて いる 4個に、 すなわち電磁石 30 a、 30 d、 30 g、 30 jに制御装置 70か ら電流を供給して、 そのロー夕 10側の端部 32 a、 32 d、 32g、 32 jが S極となるように励磁する。 このとき、 第 2図に示した無通電状態では永久磁石 20の N極から電磁石 30 a、 30 c、 30 d、 30 f、 30 g、 30 i、 30 j、 30 1を通って回磁していた磁束は、異極性に励磁された前記電磁石 30 a、 30 d、 30 g、 30 jに収束され、 この磁気吸引力によってロータ 10には時 計回りに回転トルクが作用することになる。

この際に、 ロータ 10の始動性を改善する上で、 ディスク 40内における磁束 の挙動が重要な役割を果たしている。すなわち、第 2図の無通電状態においては、 永久磁石 20の S極に入る磁束は、 電磁石 30 a、 30 c、 30 d、 30 f、 3 0 g、 30 i、 30 j、 30 1を通って回磁しており、 ロータ 10の突起部 10 aを拘束させる作用をしていた。 しかし、 第 3図に示すように、 電磁石 30 a、 30 d、 30 g、 30 jに電流を供給してこれを励磁すると、 永久磁石 20の S 極に入る磁束はこれらの電磁石の他端部 34 a、 34d、 34g、 34 jに収束 され、それまで口一夕 10を拘束させる作用をなしていた電磁石 30 c、 30 f、 30 i、 30 1を介してロータ 10及び永久磁石 20の N極と回磁していた磁束 は消滅し、 前記電磁石 3 0 a、 3 0 d、 3 0 g、 3 0 jが励磁されると同時に、 第 2図に示したロータ 1 0の拘束状態は完全に解除される。 したがって、 ロータ 1 0は前記電磁石に通電された直後から、 時計方向に作用する回転トルクによつ て円滑に回転動作を開始することができるのである。

第 4図、 第 5図は、 第 3図の状態に引き続いてロータ 1 0が時計方向に磁気吸 引力による回転トルクを受けながら回転駆動される様子を示している。 この間も、 ディスク 4 0内における磁束の収束状態は、 第 3図に示した状態と変わらず、 永 久磁石 2 0の S極と励磁されている電磁石の他端部 3 4 a、 3 4 d、 3 4 g、 3 4 j との間に集中して存在するため、 ロータ 1 0の各突起部 1 0 aは、 回転方向 前方に位置している励磁電磁石の一端部 3 2 a、 3 2 d、 3 2 g、 3 2 jからの 磁気吸引力のみを受け、 回転を妨げるような他の非励磁電磁石 3 2 c等との間の 磁気的相互作用は存在しないこととなる。 言い換えれば、 非励磁状態の各電磁石 の端部 3 2、 3 4に対向するロータ 1 0の磁性体内部は、 実質的に磁束が存在し ない空白域 （図示のロータ 1 0内薄墨以外の部分） とされているのである。 この ことから、 前記したような始動性の改善とともに、 効率の向上を図ることができ る。

ここで、 第 6図に示すように、 ロータ 1 0の各突起部 1 0 aの回転方向に対す る前端縁部がそれぞれ各励磁電磁石に対して回転方向前方に隣接する非励磁の 電磁石 3 2 b、 3 2 e、 3 2 h、 3 2 kと近接する位置にまで到達したら、 それ まで励磁されていた電磁石 3 0 a、 3 0 d、 3 0 g、 3 0 jに対する電流供給を 停止して、それまで非励磁であった前記隣接する電磁石 3 0 b、 3 0 e、 3 0 h、 3 O kに電流を供給してこれらを励磁する。 この状態は、 第 3図に示した起動初 期状態と同等の状態に相当し、 各口一夕突起部 1 0 aは、 時計方向前方に位置す る励磁電磁石の端部 3 2 b、 3 2 e、 3 2 h、 3 2 kと永久磁石 2 0の S極との 間に収束する磁束によって磁気吸引力を受け、 引き続き時計回りの回転トルクを 発生させることになる。 このとき、 ディスク 4 0内における磁束の挙動は、 第 3 図乃至第 5図について説明したように、 永久磁石 2 0の S極と新たに励磁された 電磁石の他端部 3 4 b、 3 4 e、 3 4 h、 3 4 kとの間に収束され、 非励磁とさ れた電磁石 3 0 a、 3 0 d、 3 0 g、 3 0 jに回磁する磁束は消滅する。 以下、 制御装置 7 0によって各電磁石 3 0に上記した手順で励磁電流を供給すること により、 ロータ 1 0は連続的に回転トルクを発生することができる。

次に、 本願第 2の発明を実施するための実施形態について説明する。

第 7図は、 本願第 2の発明の一実施形態による電動機の概略構成を模式的に示 す側断面図であり、 前記第 1の実施形態における第 1図に対応している。 本装置 の基本的な構成と作用とを明瞭にするため、 装置のハウジングやフレームなど、 本発明の説明に関して本質的でないと思われる部分については適宜図示を省略 している点も同様である。

第 7図に示す第 2の実施形態に係る電動機が第 1の実施形態に係る装置と異 なるのは、 ロータ 1 0及びディスク 4 0に代えて、 可動子部材としての切欠口一 夕 Rを備えていることである。この切欠口一夕 R単体の斜視図を、第 8図に示す。 第 8図からわかるように、 切欠口一夕 Rは、 第 1の実施形態におけるロー夕 1 0 とディスク 4 0とを一体的に接合して得られる形状を有している。 すなわち、 こ の切欠ロータ Rは、 全体として略円板状の磁性体部材として形成されているもの の、 その厚み方向の 1 / 2程度が所定の形状をもって切欠かれており、 その外周 縁に沿って径方向にそれぞれ中心角 6 0 ° の突起部 R aが 4ケ所等間隔に設け られた構成となるように形成されているのである。 そして、 突起部 R aが設けら れない側の 1 Z 2厚み程度は、 磁性体による円板状部 R c (本願第 1の発明にお ける磁束統御部材に相当する） として形成されている。 なお、 ボス部 R bは後述 する回転軸 6 0が各切欠ロータ Rと接合される部分であり、 本実施形態では小径 の円板状部材が別途嵌設されるようにしているが、 もちろんこのような構成に限 定されるわけではない。 例えば、 前記第 1の実施形態において説明したのと同様 に、 永久磁石 2 0と各ボス部 R bとを一体の糸駒状の永久磁石として形成するよ うにしてもよい。

本実施形態では、 第 7図に示すように、 一組の切欠ロータ Rを突起部 R aの側 が対向するように並置し、 それを支承部材としての回転軸 6 0によって固接して 回転子部材である回転子 R Rを構成している。 ただし、 切欠ロータ Rを組合せる 際の突起部 R aの向きはこの実施形態の構成に限定されるものではない。 並置さ れた切欠ロータ Rの間に略円筒状の永久磁石 2 0が配設される構成、 及び各切欠 口一タ Rの外周縁部の間に差し渡されるように複数の電磁石 3 0が並設される 構成は第 1の実施形態の場合と同様であり、 また、 電磁石 3 0に励磁電流を順次 供給する制御装置 7 0、 及び回転子 R Rの回転を制御するための回転センサ 8 0 を設ける構成も、 第 1実施形態と同様であるため、 詳細な説明は省略する。

次に、 第 9図〜第 1 2図を参照して、 上記の構成を有する本発明の第 2の実施 形態に係わる電動機の作用を説明する。

電源オフの状態 （第 1の実施形態における第 2図に相当する状態。 図示略） か ら、 第 9図に示すように、 1 2個の電磁石 3 0のうち、 等間隔に配置されている 4個に、 すなわち電磁石 3 0 a、 3 0 d、 3 0 g、 3 0 jに制御装置 7 0から電 流を供給して、 その一方の切欠ロータ R側の端部 3 2 a、 3 2 d、 3 2 g、 3 2 jが S極となるように、 他方の切欠ロー夕 R側の端部 3 4 a、 3 4 d、 3 4 g、 3 4 jが N極となるように励磁する。 このとき、 前記第 1の実施形態の場合と異 なるのは、 いずれの切欠ロータ Rにおいても、 その突起部 R aを介して永久磁石 2 0の各磁極との間に磁束の収束が起こり、 回転子 R Rにおける回転トルクの発 生に寄与しうることである。

一方、 本実施形態においては、 回転子 R Rの始動性を改善する上で、 各切欠口 —夕 Rの円板状部 R c内における磁束の挙動が、 第 1実施形態におけるディスク 40内におけると同様の重要な役割を果たしている。 すなわち、 無通電状態にお いて各切欠ロータ Rの突起部 R aとそれぞれ対向した電磁石を通って回磁して いた磁束は、 その各切欠ロータ Rの突起部 R aを互いに拘束させる作用をしてお り、円滑な始動を困難にする原因となっていたのであるが、第 9図に示すように、 電磁石 30 a、 30 d、 30 g、 30 jに電流を供給してこれを励磁すると、 永 久磁石 20の各磁極に出入りする磁束はこれらの励磁電磁石の各端部 32 a、 3 2d、 32g、 32 j及び 34 a、 34d、 34g、 34 jに収束され、 それま で突起部 R aを拘束させる作用をなしていた磁束の回磁は消滅し、 前記回転子 R Rの拘束状態は完全に解除される。 したがって、 第 1の実施形態と同様に、 切欠 ロータ R及び回転子 RRは前記電磁石 30 a、 30 d、 30 g、 30 jに通電さ れた直後から、 各切欠ロータ Rの突起部 R aについて時計方向に作用する回転ト ルクによって、 円滑に回転動作を開始することができるのである。

第 10図、 第 11図は、 第 9図の状態に引き続いて各切欠口一夕 Rが時計方向 に励磁電磁石からの磁気吸引力による回転トルクを受けながら回転駆動される 様子を示している。 この間も、 各切欠ロー夕 Rの円板状部 Rc内における磁束の 収束状態は、 第 9図に示した状態と変わらないので、 切欠ロータ Rの各突起部 R aは、回転方向前方に位置している励磁電磁石の各端部 32 a、 32 d、 32 g、 32」'及び34 &、 34d、 34g、 34 jからの磁気吸引力のみを受け、 回転 を妨げるような他の非励磁電磁石 30 c等との間の磁気的相互作用は存在しな いこととなる。 このことから、 第 1の実施形態と同様の始動性の改善とともに、 いっそうの効率向上を図ることができる。

また、 回転子 RRに連続的に回転トルクを発生させるためには、 第 12図に示 すように、 それまで励磁されていた電磁石 30 a、 30 d、 30 g、 30 jに対 する電流供給を停止して、 それまで非励磁であった回転方向前方に隣接する電磁 石 30 b、 30 e、 30 h、 30 kに電流を供給してこれらを励磁する。 この状 態は、 第 9図に示した起動初期状態と同等の状態に相当し、 各切欠ロータ Rの突 起部 Raは、 時計方向前方に位置する各励磁電磁石の端部 32 b、 32 e、 32 h、 32 k及び 34 b、 34 e、 34h、 34 kと永久磁石 20の各磁極との間 に収束する磁束によって磁気吸引力を受け、 引き続き時計回りの回転トルクを発 生させる。 このとき、 各切欠ロータ Rの円板状部 Rc内における磁束の挙動は、 第 9図乃至第 11図について説明したように、 永久磁石 20の各磁極と新たに励 磁された電磁石 30 b、 30 e、 30h、 30 kとの間に収束され、 非励磁とさ れた電磁石 30 a、 30 d、 30 g、 30 jに回磁していた磁束は消滅する。 そ して、 以後、 制御装置 70によって各電磁石 30に上記した手順で励磁電流を順 次供給することにより、 切欠ロータ R及び回転子 RRは連続的に回転トルクを発 生することができる。

以上説明した本願発明の第 1及び第 2の実施形態において、 口一夕 10又は回 転子 RRの回転速度制御を行う場合、 各電磁石 30への励磁電流を切換えるタイ ミングは、 ロータ 10又は切欠ロータ Rの周囲に環設される電磁石 30の数、 す なわち固定子側の極数 nによって定まり、 (36 OZn) 。 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固定子側の極数 n=l 2であるか ら、 （360ノ 12) =30° 毎に励磁される電磁石 30を切り換えていけばよ レ^ 励磁する電磁石 30を切り換えていく方向は、 所望の回転方向にしたがって 定めればよい。

また、 上記説明の中では、 口一夕 10の突起部 10 aあるいは各切欠ロータ R の突起部 R aの回転方向前端部がそれまでの励磁電磁石の前方に隣接する各非 励磁電磁石に近接する位置に達したときに励磁電流を切り換える構成をとつて いた。 しかし、 より厳密には、 ロータ 10あるいは切欠ロータ Rが回転していく 際の磁束分布の変化を有限要素法を用いて逐次解析するなどの手法を採用した り、 電磁石 30に対する励磁切換タイミングをパラメ一夕として出力特性を測定 比較したりすることによって、 出力トルクの増大やエネルギー変換効率の向上だ 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あるいは切欠口一夕 Rの回転 角を検出する前記回転センサ 8 0の出力信号がその最適化条件を満たすように、 センサの設定条件を調整すればよいのである。

産業上の利用可能性

以上詳細に説明したように、 上記の構成を備えた本発明に係る電動機によれば、 無通電状態において出力部材又は可動子部材の突起部に対向する電磁石を介し て磁化手段の各磁極間を回磁する磁束によって拘束されていた前記出力部材及 び可動子部材は、 その磁束が磁束統御部材あるいは可動子部材円板状部を介して 新たに励磁された電磁石のみに収束されることによって拘束状態が解除され、 励 磁電磁石から受ける磁気吸引力によって円滑に始動させることができる。

そして、 前記出力部材及び可動子部材は、 もっぱら前記励磁電磁石からの磁気 吸引力のみを受け、 他の非励磁電磁石との間には前記磁束の収束現象によって回 転を阻害するような磁気力は作用しないこととなるから、 出力効率の向上を図る ことができる。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 板状に形成された磁性体よりなり、 その外周縁に沿って少なくとも一の径方 向突起部が設けられた出力部材と、

その出力部材と間隔を隔てて並置された、 磁性体よりなる磁束統御部材と、 前記出力部材と前記磁束統御部材とのそれぞれの外周縁の間にほぼ差し渡さ れるように配設され、 その一端部が前記出力部材の外周縁に、 その他端部が前記 磁束統御部材の外周縁に沿って間隔をおいて配置されて、 各々それら出力部材ぉ よび磁束統御部材と磁気的な相互作用をなすようになつている複数の電磁石と、 少なくとも前記出力部材を前記複数の電磁石の内方において周方向に回動自 在に支持している支持手段と、

前記出力部材と前記磁束統御部材との間に、 その出力部材と磁束統御部材とを 互いに異極性に磁化するように配設された磁化手段と、

前記出力部材および前記磁束統御部材の外周縁と対向している前記電磁石の それぞれは、 その出力部材と対向している各一端部が前記磁ィヒ手段によって与え られる出力部材側極性と異極性となるように、 各電磁石に所定のタイミングで励 磁電流を供給する励磁電流供給手段と

を備えた電動機。

2 . 磁性体を用いて板状に形成され、 その一方の面上には周方向に対して磁束を 収束させつつ通過させ得るほぼ径方向に隆起形成された少なくとも一の隆起部 を備えた可動子部材を、 一組間隔をおいて並置するとともに、 それら可動子部材 を互いに固定して回転子部材を形成し、

前記並置された可動子部材のそれぞれの外周縁の間にほぼ差し渡されるよう に配設され、 その各端部が前記各可動子部材の外周縁に沿って間隔をおいて配置 されて、 各々それら可動子部材と磁気的な相互作用をなすようになっている複数 の電磁石と、

前記回転子部材を前記複数の電磁石の内方において周方向に回動自在に支持 している支承手段と、 '

前記一組の可動子部材の間に、 それらの可動子部材を互いに異極性に磁化する ように配設された磁化手段と、

前記各可動子部材の外周縁と対向している前記電磁石のそれぞれの端部が、 そ れぞれ対向している可動子部材に前記磁化手段が与える各極性とそれぞれ異極 性となるように、 各電磁石に所定のタイミングで励磁電流を供給する励磁電流供 給手段と

を備えた電動機。

3 . 前記磁化手段は永久磁石である請求項 1又は請求項 2に記載の電動機。

4. 前記磁化手段はその磁力が調整し得るように構成された電磁石を含んでいる 請求項 1又は請求項 2に記載の電動機。

5 . 前記電磁石の他端部がそれぞれ前記磁束統御部材に接続されている請求項 1 に記載の電動機。

6 . 前記各電磁石は、 それぞれが前記出力部材の周縁に配設された突起部を連続 して吸引するように順次励磁される請求項 1に記載の電動機。

7 . 前記各電磁石は、 それぞれが前記可動子部材の周縁に臨む前記隆起部を連続 して吸引するように順次励磁される請求項 2に記載の電動機。