WO2021085647A2 - デユアルハルバッハ配列磁石を備えた回転機、回転機の製造方法、ドローン用モーターのベアリング冷却システム - Google Patents

デユアルハルバッハ配列磁石を備えた回転機、回転機の製造方法、ドローン用モーターのベアリング冷却システム Download PDF

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拓也 芦田
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株式会社アテック
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K16/00—Machines with more than one rotor or stator
    • H02K16/04—Machines with one rotor and two stators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/02—Details

Definitions

  • the present invention relates to a rotating machine (permanent magnet rotating electric machine such as a generator or a motor) equipped with a dual Halbach array magnet, and a method for manufacturing the same.
  • the present invention also relates to a system for cooling a rotor included in a drone motor to which this rotary machine is applied or a bearing supporting an output shaft connected to the rotor.
  • Halbach array In the field of rotating machines (rotary electric machines) such as generators and motors, a method of arranging permanent magnets called Halbach array is known to increase the magnetic field. If the permanent magnets are arranged so that the north and south poles alternate, a magnetic field is generated on both the front side and the back side of the magnet arrangement, and the magnetic field cannot be effectively used. On the other hand, in the Halbach array, since the magnetic poles of the permanent magnets are arranged while rotating by 90 °, the magnetic field on one side of the magnet array is weakened, and the magnetic field on the other side of the magnet array is correspondingly increased. It becomes stronger and can generate a strong magnetic field on one side of the array of permanent magnets.
  • Patent Document 1 A permanent magnet rotating electric machine (see Patent Document 1) in which an armature coil is arranged between two rows of permanent magnet arrays (dual Halbach array) arranged in Halbach is proposed.
  • a laminated steel plate is used to wind the coil around the iron core, a permanent magnet or an electromagnetic induction magnet is used as the magnet, and aluminum die casting is used for the case. I've done it.
  • the case of the generator and motor is heavy because it is made of die-cast aluminum.
  • the inventor of the present application is considering constructing a drone motor with a rotating machine equipped with a dual Halbach array magnet, and using this motor for a drone (unmanned aerial vehicle).
  • a motor equipped with a dual Halbach array magnet rotates at a much higher speed than a normal motor that does not have a dual Halbach array. Therefore, when a motor equipped with a dual Halbach array magnet is adopted for the drone, the bearings that follow the high-speed rotation may break during flight due to heat generation, and the drone may fall.
  • an object of the present invention is to provide a rotating machine equipped with a dual Halbach array magnet, which is easy to assemble, lightweight and easy to handle, and has high generator / motor efficiency, and a method for manufacturing the same. To do.
  • Another object of the present invention is a system for cooling a rotor provided by the motor or a bearing supporting an output shaft connected to the rotor in a drone motor composed of a rotating machine equipped with a dual Halbach array magnet. Is to provide.
  • the above object is a rotating machine equipped with a dual Halbach array magnet.
  • the rotor of the rotating machine Outer tubular member and An inner tubular member located inside the outer tubular member and An outer permanent magnet array composed of a plurality of permanent magnets having holes for screwing and fixed to the outer tubular member, An array of inner permanent magnets composed of a plurality of permanent magnets having holes for screwing and fixed to the inner tubular member, A screw for screwing the permanent magnet to the outer tubular member through the hole, It has a screw for screwing a permanent magnet to an inner tubular member through the hole.
  • the plurality of permanent magnets screwed to the outer tubular member and the inner tubular member are achieved by a rotating machine characterized in that they constitute a two-row permanent magnet array arranged in a Halbach array. ..
  • the stator of the above rotating machine has a coil that uses a litz wire as the coil winding.
  • stator of the above-mentioned rotating machine has a coreless coil without an iron core.
  • the above-mentioned rotating machine has a case made of resin.
  • tubular member included in the rotor of the rotary machine is made of resin.
  • the above-mentioned rotating machine is a coreless generator provided with a permanent magnet arrangement of a dual Halbach array.
  • the above-mentioned rotating machine is a coreless motor provided with a permanent magnet array of the dual Halbach array.
  • the above-mentioned purpose is A process of fixing a plurality of permanent magnets to the outer tubular member by screwing and fixing the plurality of permanent magnets to the outer tubular member so as to form a Halbach array.
  • the method for manufacturing the rotary machine includes a step of concentrically integrating an outer tubular member in which a plurality of permanent magnets are screwed in a Halbach array and an inner tubular member in which a plurality of permanent magnets are screwed in a Halbach array.
  • the above-mentioned purpose is It is a system for cooling the rotor provided in the drone motor composed of the above-mentioned rotating machine or the bearing supporting the output shaft connected to the rotor.
  • An injection type oil can that contains cooling oil for cooling the bearings, A flow path for guiding the cooling oil injected from the oil can to the bearing, and A solenoid for injecting cooling oil from the injection type oil can, It has a control means for controlling the timing at which the solenoid operates, and has.
  • the control means operates the solenoid at a predetermined timing, and as a result, the cooling oil injected from the injection type oil can is poured into the bearing through the flow path of the motor. Achieved by the bearing cooling system.
  • the control means provided in the bearing cooling system may be, for example, a timer configured to operate the solenoid for a predetermined time when a predetermined time arrives.
  • control means provided in the bearing cooling system is, for example, a control circuit configured to operate the solenoid for a predetermined time when the cumulative rotation speed of the motor reaches a predetermined rotation speed. It may be.
  • a jig with a winding core can be made and the coil can be wound quickly. That is, since there is no iron core (coreless), there is no magnetic saturation, the strong magnetic force can be utilized to the maximum, and the efficiency is dramatically improved. Also, because there is no iron core (coreless), there is no cogging. When used as a generator for wind power generation, it rotates smoothly from a breeze of about 1.5 m / s to generate electricity.
  • a rotating machine equipped with a dual Halbach array magnet has very poor workability when arranging magnets due to a strong magnetic force.
  • the permanent magnet and the tubular member are fixed to each other by screwing.
  • the entire rotating machine becomes lighter. Moreover, the manufacturing cost can be reduced to about 1/20 by manufacturing the mold and making it injection molding.
  • a coreless coil is used, a permanent magnet is used, and the coil is made of resin.
  • a rotating machine equipped with a dual Halbach array magnet (generator or a generator) Permanent magnet rotating electric machines such as motors) can be manufactured efficiently.
  • the weight can be reduced to such that it can be mounted on a drone.
  • bearings that constantly follow high-speed rotation during the flight of the drone can be reliably cooled during the flight. Therefore, it is possible to reliably prevent the destruction of the bearing during the flight of the drone, and it is possible to prevent the drone from falling due to the destruction of the bearing.
  • rotating machine permanent magnet rotating electric machine such as a generator or a motor
  • a dual Halbach array magnet will be described with reference to FIGS. 1 to 3.
  • the rotating machine according to the present invention may be a coreless generator having a permanent Halbach array of permanent magnets, or a coreless motor having a permanent magnet array of a dual Halbach array.
  • the rotor according to the present invention has a rotor and a stator.
  • the rotor of the rotating machine is as shown in FIGS. 1 and 3.
  • the outer tubular member 11 and the inner tubular member 13 are both components of the rotor and are made of resin.
  • the inner tubular member 13 is located inside the outer tubular member 11.
  • the inner tubular member 13 and the outer tubular member 11 are connected by a resin plate 15 (see FIG. 4D), which is a circular bottom plate, so that both of them rotate as one.
  • the inner tubular member 13 and the outer tubular member 11 connected and integrated by the resin plate 15 form the main body of the rotor of the rotor.
  • the combination of the inner tubular member 13 and the outer tubular member 11 that rotate integrally is supported by bearings so that both can rotate freely as one.
  • the outer permanent magnet arrangement 23 is composed of a plurality of permanent magnets 21, and each permanent magnet is preformed with a through hole for screwing (see FIG. 8).
  • the inner permanent magnet arrangement 33 is composed of a plurality of permanent magnets 31, and each permanent magnet is preformed with a through hole for screwing (see FIG. 8).
  • the plurality of screws 25 play a role of screwing the permanent magnet 21 to the outer tubular member 11 via the screw holes.
  • the plurality of screws 35 play a role of screwing the permanent magnet 31 to the inner tubular member 13 via the screw holes.
  • the plurality of permanent magnets 21 and 31 screwed to the outer tubular member 11 and the inner tubular member 13 form a two-row permanent magnet array arranged in a Halbach array.
  • the two-row Halbach array as shown in FIG. 2 is referred to as a "dual Halbach array”.
  • the stator of the rotating machine has a coreless coil 41 without an iron core, and a litz wire is used as the coil winding.
  • the coil windings of the dual Halbach array magnet top high efficiency coreless generator / motor have traditionally used round copper wire.
  • a litz wire stranded wire is used for the coil in order to reduce the eddy current flowing through the coil and improve the efficiency of the generator / motor.
  • generators / motors of other companies have been manufactured by winding a coil around an iron core. Since there is an iron core, magnetic saturation occurs, and magnetic force above a certain value cannot be generated.
  • the coil of the dual Halbach array magnet top high efficiency coreless generator / motor has no iron core (coreless) and no magnetic saturation, and the high magnetic force of the magnet can be used as it is, resulting in high efficiency. Therefore, a dual Halbach array magnet top high-efficiency coreless generator / motor made entirely of resin can be made.
  • the automatic machine can replace the alignment, arrangement, and screwing of magnets, which leads to mass production and cost reduction.
  • Step a In manufacturing a rotating machine having the above-mentioned characteristics, first, a plurality of permanent magnets 21 are fixed to the inner peripheral surface (inner wall surface) of the outer tubular member 11 by screwing. At that time, the plurality of permanent magnets 21 are fixed to the outer tubular member 11 so as to form a Halbach array.
  • Step b Next, the plurality of permanent magnets 31 are fixed to the outer peripheral surface (outer wall surface) of the inner tubular member 13 by screwing. At that time, the plurality of permanent magnets 31 are fixed to the inner tubular member 13 so as to form a Halbach array.
  • Step c Next, the inner tubular member 13 in which the plurality of permanent magnets 31 are screwed in the Halbach array is inserted into the outer tubular member 11 in which the plurality of permanent magnets 21 are screwed in the Halbach array, and both are concentric. Position so that
  • Step d Next, the outer tubular member 11 in which the plurality of permanent magnets 21 are screwed in the Halbach array and the inner tubular member 13 in which the plurality of permanent magnets 31 are screwed in the Halbach array are concentrically integrated. ..
  • a resin plate 15 (circular bottom plate) is used to integrate the outer tubular member 11 and the inner tubular member 13.
  • the outer tubular member 11 is fixed to the resin plate 15 with screws or an adhesive
  • the inner tubular member 13 is also fixed to the resin plate 15 with screws or an adhesive.
  • outer tubular member 11 and the resin plate 15 may be integrally molded, or the inner tubular member 13 and the resin plate 15 may be integrally molded. Further, as long as it does not interfere with the screwing work of the permanent magnet, the outer tubular member 11, the inner tubular member 13, and the resin plate 15 may all be integrally molded.
  • the bearing cooling system for the motor according to the present invention is a system that is premised on being mounted on a drone.
  • This bearing cooling system is as shown in FIG. -Injection type oil can 61 containing cooling oil for cooling the bearing 71, and A flow path 63 for guiding the cooling oil injected from the oil can 61 to the bearing, and -A solenoid 65 for injecting cooling oil from an injection type oil can 61, and A control means 67 for controlling the timing at which the solenoid 65 operates, and have.
  • the injection type oil can 61 is provided so as to be replaceable. That is, when the remaining amount of cooling oil becomes low, it can be replaced with a new oil can.
  • An injection button with a nozzle is provided on the head of the oil can 61. By pressing this injection button, cooling oil is injected from the nozzle.
  • the solenoid 65 is provided so that the injection button with a nozzle provided on the head of the injection type oil can 61 can be pressed.
  • the control means 67 operates the solenoid 65 at a predetermined timing.
  • the solenoid 65 is operated (in the direction of pressing the injection button of the oil can 61) by the control by the control means 67, the cooling oil is injected from the nozzle of the oil can 61 while the injection button is pressed by the solenoid.
  • the injected cooling oil is poured into the bearing 71 in the bearing housing via the flow path 63 to cool the bearing.
  • the flow path 63 is provided between the injection port of the oil can 61 and the bearing housing accommodating the bearing 71.
  • the control means 67 may be configured by, for example, a timer.
  • the timer constituting the control means 67 operates the solenoid 65 for a predetermined time when a predetermined time arrives. That is, when the predetermined time arrives, the cooling oil is injected from the injection type oil can 61 for a predetermined time to cool the bearing 71. For example, cooling oil is sprayed every 5 minutes for 1 second.
  • control means 67 may be configured by, for example, a control circuit.
  • the control circuit constituting the control means 97 operates the solenoid 65 for a predetermined time when the cumulative rotation speed of the motor 73 reaches a predetermined rotation speed. That is, when the cumulative rotation speed of the motor 73 reaches a predetermined rotation speed, cooling oil is injected from the injection type oil can 61 for a predetermined time to cool the bearing 71. For example, every time the cumulative number of revolutions of the motor 73 reaches 200,000 revolutions, cooling oil is injected for 1 second.
  • FIG. 6 An example of a rotating machine provided with a dual Halbach array magnet according to the present invention is as shown in FIG. As shown in FIG. 6, in the present invention, the case of the rotating machine can be made of resin.
  • FIG. 7 An example of a "coil” used in a rotating machine equipped with a dual Halbach array magnet is as shown in FIG. As shown in FIG. 7, in the rotating machine of the present invention, an air-core coreless coil without an iron core is used. A coil using a litz wire as the winding of the coil may be used.
  • FIG. 8 An example of a "magnet" used in a rotating machine equipped with a dual Halbach array magnet is as shown in FIG. As shown in FIG. 8, in the present invention, through holes for screwing are formed in advance in each permanent magnet for the dual Halbach array. A screw is passed through this through hole to fix each permanent magnet to an object such as a tubular member.
  • Examples of the "outer tubular member” and the “inner tubular member” used in the rotating machine provided with the dual Halbach array magnet are as shown in FIG.
  • the permanent magnets for the dual Halbach array are screwed to the resin tubular member.
  • the screw for screwing passes through a screwing hole formed in a permanent magnet.
  • the plurality of permanent magnets screwed to the tubular member are Halbach. It constitutes a two-row permanent magnet array (Dual Halbach array).
  • the tubular member to which the permanent magnets for the dual Halbach array are fixed is made of resin.
  • the rotary machine according to the present invention can be used as a "motor” used in electric vehicles, electric motorcycles, drones, electric bicycles, electric wheelchairs, electric cleaners, daily household appliances, electric tools, unmanned aerial vehicles, and the like. .. Further, the rotary machine according to the present invention can be used as a "generator” used in wind power generation, hydroelectric power generation, geothermal power generation, wave power generation and the like.

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Abstract

【課題】組み立てが簡単で、軽量で取り扱い容易であり、発電機/モーターの効率が高い、デユアルハルバッハ配列磁石を備えた回転機を提供する。 【解決手段】本発明は、デユアルハルバッハ配列磁石を備えた回転機（発電機やモーターなどの永久磁石回転電機）に関するものである。この回転機は、例えば樹脂製の筒状部材１１，１３と、ネジ止め用の貫通穴が形成された複数の永久磁石２１，３１と、複数の永久磁石２１，３１を筒状部材１１，１３に対しネジ止めするための複数のネジを２５，３５有している。筒状部材１１，１３に対しネジ止めされた複数の永久磁石２１，３１は、ハルバッハ配列された２列の永久磁石配列（デユアルハルバッハ配列の永久磁石集合体）を構成している。また、この回転機は、鉄心が無いコアレスコイルであって、コイルの巻き線としてリッツ線を使用したコイルを有する。

Description

デユアルハルバッハ配列磁石を備えた回転機、回転機の製造方法、ドローン用モーターのベアリング冷却システム
　本発明は、デユアルハルバッハ配列磁石を備えた回転機（発電機やモーターなどの永久磁石回転電機）と、その製造方法に関するものである。また、本発明は、この回転機を応用したドローン用モーターが具備する回転子又はこれに連結された出力軸を支えるベアリングを冷却するためのシステムに関するものである。
　発電機やモーターなどの回転機（回転電機）の分野では、磁場を高めるのに、ハルバッハ配列という永久磁石の配列方法が知られている。永久磁石をＮ極とＳ極とが交互になるように配置した構造だと、磁場が磁石配列の表側と裏側の両方に発生してしまい、磁場を有効に利用できない。これに対して、ハルバッハ配列では、永久磁石の磁極を９０°ずつ回転させながら配列しているので、磁石配列の一方の側の磁場が弱まり、その磁石配列の他方の側では、その分磁場が強くなって、永久磁石の配列の片側に強い磁場を発生させることができる。それぞれハルバッハ配列された２列の永久磁石配列（デュアルハルバッハ配列）の間に電機子コイルを配置した永久磁石回転電機（特許文献１参照）が提案されている。
特開２００９－２０１３４３号公報
　従来の発電機やモーターなどの回転機（回転電機）では、鉄心に積層鋼板を使用してコイルを巻き、磁石は永久磁石か、電磁誘導磁石を使用して、ケースにアルミダイキャストなどを採用してきた。
　しかしながら、従来の発電機やモーターには、次のような問題があった。
　積層鋼板の鉄心にコイルを巻きつけるのは容易ではない。
　永久磁石を並べて接着して取り付けるとき、磁力が強力である為、作業性が悪く、且つ接着剤の乾燥締結まで次の工程に進めない。
　発電機やモーターのケースがアルミダイキャスト製の為重い。
　また、本願発明者は、デユアルハルバッハ配列磁石を備えた回転機でドローン用モーターを構成し、このモーターをドローン（無人航空機）に用いることを検討している。
　しかしながら、デユアルハルバッハ配列磁石を備えたモーターは、デユアルハルバッハ配列ではない通常のモーターに比べて、遥かに高速で回転する。そのため、デユアルハルバッハ配列磁石を備えたモーターをドローンに採用した場合には、高速回転に従動するベアリングが発熱によって飛行中に壊れ、ドローンが落下する恐れがある。
　また、ドローンには軽量化が求められるため、重量のあるベアリング冷却システムを搭載することができないといった特殊な事情がある。
　そこで、上述した課題に鑑み、本発明の目的は、組み立てが簡単で、軽量で取り扱い容易であり、発電機/モーターの効率が高い、デユアルハルバッハ配列磁石を備えた回転機とその製造方法を提供することにある。
　また、本発明の他の目的は、デユアルハルバッハ配列磁石を備えた回転機からなるドローン用モーターにおいて、このモーターが具備する回転子又はこれに連結された出力軸を支えるベアリングを冷却するためのシステムを提供することにある。
　上記目的は、デユアルハルバッハ配列磁石を備えた回転機であって、
　前記回転機の回転子が、
　外側筒状部材と、
　前記外側筒状部材の内側に位置する内側筒状部材と、
　ネジ止め用の穴が形成された複数の永久磁石で構成され、前記外側筒状部材に対し固定された外側永久磁石配列と、
　ネジ止め用の穴が形成された複数の永久磁石で構成され、前記内側筒状部材に対し固定された内側永久磁石配列と、
　前記穴を介して永久磁石を外側筒状部材に対しネジ止めするためのネジと、
　前記穴を介して永久磁石を内側筒状部材に対しネジ止めするためのネジと、を有し、
　前記外側筒状部材と前記内側筒状部材に対しネジ止めされた複数の永久磁石は、ハルバッハ配列された２列の永久磁石配列を構成している、ことを特徴とする回転機によって達成される。
　上記回転機の固定子は、コイルの巻き線としてリッツ線を使用したコイルを有している。
　また、上記回転機の固定子は、鉄心が無いコアレスコイルを有している。
　また、上記回転機は、樹脂製のケースを有している。
　また、上記回転機の回転子が具備する筒状部材は樹脂製である。
　また、上記回転機は、デユアルハルバッハ配列の永久磁石配列を具備する、コアレス発電機である。
　また、上記回転機は、デユアルハルバッハ配列の永久磁石配列を具備する、コアレスモーターである。
　また、前述した目的は、
　複数の永久磁石を外側筒状部材に対しネジ止めによって固定するとともに、複数の永久磁石がハルバッハ配列をなすように外側筒状部材に対し固定する工程と、
　複数の永久磁石を内側筒状部材に対しネジ止めによって固定するとともに、複数の永久磁石がハルバッハ配列をなすように内側筒状部材に対し固定する工程と、
　を含む回転機の製造方法によって達成される。
　また、上記回転機の製造方法は、更に、
　複数の永久磁石がハルバッハ配列でネジ止めされた外側筒状部材と、複数の永久磁石がハルバッハ配列でネジ止めされた内側筒状部材とを、同心状態で一体化させる工程を含んでいる。
　また、前述した目的は、
　上記回転機からなるドローン用モーターが具備する回転子又はこれに連結された出力軸を支えるベアリングを冷却するためのシステムであって、
　ベアリングを冷却するための冷却オイルを収容する噴射式のオイル缶と、
　前記オイル缶から噴射された冷却オイルを前記ベアリングに導くための流路と、
　前記噴射式のオイル缶から冷却オイルを噴射させるためのソレノイドと、
　前記ソレノイドが作動するタイミングを制御するための制御手段と、を有しており、
　前記制御手段は予め定めたタイミングで前記ソレノイドを作動させ、その結果、噴射式のオイル缶から噴射された冷却オイルが前記流路を介して前記ベアリングに注がれる、ことを特徴とするモーターのベアリング冷却システムによって達成される。
　上記ベアリング冷却システムが具備する制御手段は、例えば、予め定めた時間が到来したときに、予め定めた時間にわたって、前記ソレノイドを作動させるように構成されたタイマーでもよい。
　また、上記ベアリング冷却システムが具備する制御手段は、例えば、モーターの累計回転数が予め定めた回転数に到達したときに、予め定めた時間にわたって、前記ソレノイドを作動させるように構成された制御回路でもよい。
　鉄心がない（コアレス）コイルを採用することにより、巻き芯の治具を作り、早くコイルを巻くことが出来る。
　すなわち、鉄心がない（コアレス）為、磁気飽和がなく、強力な磁力を最大限利用でき、効率が飛躍的に良くなった。又鉄心がない（コアレス）の為、コギングがなくなった。風力発電に発電機として利用すると、微風１．５m/s位からスムーズに回転して発電する。
　従来、デユアルハルバッハ配列磁石を備えた回転機では、強力な磁力の為、磁石を並べるときに非常に作業性が悪かった。本発明では、接着剤の乾燥締結を待たずに次の工程に進むことが出来るようになる。
　すなわち、本発明では、デユアルハルバッハ配列用の永久磁石にネジ穴を予め設けておき、また、永久磁石を取り付ける筒状部材（枠やケースなどの永久磁石の固定対象物）にも予めネジ穴を設けておき、永久磁石と筒状部材を互いにネジ止めにより固定する。
　回転機のケースを樹脂製にすることで回転機全体が軽くなる。且つ、金型を製作して射出成型にすることにより製作原価を約1/20に低減できる。
　すなわち、本発明では前述した課題を解決するべく、鉄心がない（コアレス）コイルを採用し、永久磁石を採用し、樹脂製にした。
　また、本発明に係る回転機の製造方法によれば、接着剤の乾燥締結を待たずに次の工程に進むことが出来るようになるため、デユアルハルバッハ配列磁石を備えた回転機（発電機やモーターなどの永久磁石回転電機）を効率的に製造することが可能になる。
　また、本発明に係るモーターのベアリング冷却システムによれば、ドローンに搭載可能なほどに軽量化することができる。また、ドローンの飛行中に絶えず高速回転に従動するベアリングを、飛行中に確実に冷却することができる。したがって、ドローンの飛行中におけるベアリングの破壊を確実に防止でき、また、ベアリングの破壊に起因するドローンの落下を防止することができる。
本発明に係る回転機の横断面を示す図である。 本発明に係る回転機が具備する永久磁石のデユアルハルバッハ配列を示す図である。 図１のＶ－Ｖ線に沿った回転機の縦断面を示す図である。 本発明に係る回転機の製造工程を示す図である。 本発明に係るベアリング冷却システムの機能的構成を示すブロック図である。 本発明に係る回転機の実施例を示す写真である。 本発明で用いる「コイル」の実施例を示す写真である。 本発明で用いる「磁石」の実施例を示す写真である。 本発明で用いる「樹脂製筒状部材」の実施例を示す写真である。
（回転機）
　はじめに、デユアルハルバッハ配列磁石を備えた回転機（発電機やモーターなどの永久磁石回転電機）の実施形態について、図１～図３に基づいて説明する。
　本発明に係る回転機は、デユアルハルバッハ配列の永久磁石配列を具備するコアレス発電機でもよく、あるいは、デユアルハルバッハ配列の永久磁石配列を具備するコアレスモーターでもよい。
　本発明に係る回転機は、図３に示すように、回転子と固定子を有している。
　回転機の回転子は、図１、図３に示すように、
・樹脂製の外側筒状部材１１と、
・樹脂製の内側筒状部材１３と、
・外側筒状部材１１の内周面に対し固定された外側永久磁石配列２３と、
・内側筒状部材１３の外周面に対し固定された内側永久磁石配列３３と、
・永久磁石２１を外側筒状部材１１に対しネジ止め固定するための複数のネジ２５と、
・永久磁石３１を内側筒状部材１３に対しネジ止め固定するための複数のネジ３５と、
　を有している。
　外側筒状部材１１と内側筒状部材１３は、いずれも回転子の構成要素であって、樹脂製の部材である。内側筒状部材１３は外側筒状部材１１の内側に位置している。
　内側筒状部材１３と外側筒状部材１１は、両者が一体となって回転するように、円形状の底板である樹脂プレート１５（図４（ｄ）参照）によって連結されている。この樹脂プレート１５によって連結され一体化した内側筒状部材１３と外側筒状部材１１は、回転機の回転子の本体を構成している。一体回転する内側筒状部材１３と外側筒状部材１１の組合せは、両者が一体となって自在に回転できるように、ベアリングによって支えられている。
　外側永久磁石配列２３は複数の永久磁石２１で構成されており、各永久磁石にはネジ止め用の貫通穴（図８参照）が予め形成されている。
　内側永久磁石配列３３は複数の永久磁石３１で構成されており、各永久磁石にはネジ止め用の貫通穴（図８参照）が予め形成されている。
　複数のネジ２５は、ネジ穴を介して永久磁石２１を外側筒状部材１１に対しネジ止めする役割を担っている。
　複数のネジ３５は、ネジ穴を介して永久磁石３１を内側筒状部材１３に対しネジ止めする役割を担っている。
　外側筒状部材１１と内側筒状部材１３に対しネジ止めされた複数の永久磁石２１，３１は、図２に示すように、ハルバッハ配列された２列の永久磁石配列を構成している。この出願では、図２に示すような２列のハルバッハ配列を「デユアルハルバッハ配列」と称している。
　回転機の固定子は、鉄心が無いコアレスコイル４１を有しており、コイルの巻き線としてリッツ線を使用している。
　従来技術では、デユアルハルバッハ配列磁石トップ高効率コアレス発電機/モーターの組み立て時に使用する磁石のアルミ枠への取り付けの際、接着剤のみでは強力な磁石の磁力が邪魔をして、接着作業に大変な労力が必要で、且つ完全に乾燥締結するまで24時間以上待つ必要があり、作業性が悪い。
　これに対し、本発明では、デユアルハルバッハ配列用の各永久磁石に穴を設け、筒状部材（例えばアルミ枠や樹脂製枠部材など）にタップネジを設けて、ネジ止めする。これにより、簡単に、早く組み立てることが出来る。
　従来技術では、デユアルハルバッハ配列磁石トップ高効率コアレス発電機/モーターのコイルの巻き線は、従来銅線の丸線を使用してきた。
　これに対し、本発明では、コイルに流れる渦電流を少なくして発電機/モーターの効率を上げるため、コイルにリッツ線（撚り線）を使用する。
　従来他社の発電機/モーターは鉄心にコイルを巻いて製作していた。鉄心があるため磁気飽和を起こして、ある値以上の磁力が出なくなる。
　これに対し、本発明では、デユアルハルバッハ配列磁石トップ高効率コアレス発電機/モーターのコイルは鉄心がなく（コアレス）磁気飽和がなく、磁石の高磁力をそのまま利用出来て高効率になる。そのため材料を全部樹脂製にしたデユアルハルバッハ配列磁石トップ高効率コアレス発電機/モーターが出来る。
　なお、巻き芯治具を沢山製作することで、量産効果が上がる。
　また、磁石の整列、並べ配置、ネジ止めは自動機が取って代わることが出来、これによって、量産化、原価低減になる。
　また、射出成型機を複数台設置することで、量産化、原価低減になる。
（回転機が具備する回転子の製造方法）
　次に、前述した特徴を具備する回転機の回転子の製造方法について、図４に基づいて説明する。なお、以下述べる工程ａ～工程ｄは、それぞれ、図４に示す（ａ）～（ｄ）に対応している。
　工程ａ：
　前述した特徴を具備する回転機の製造にあたっては、はじめに、複数の永久磁石２１を外側筒状部材１１の内周面（内壁面）に対しネジ止めによって固定する。その際、複数の永久磁石２１がハルバッハ配列をなすように外側筒状部材１１に対し固定する。
　工程ｂ：
　次に、複数の永久磁石３１を内側筒状部材１３の外周面（外壁面）に対しネジ止めによって固定する。その際、複数の永久磁石３１がハルバッハ配列をなすように内側筒状部材１３に対し固定する。
　工程ｃ：
　次に、複数の永久磁石２１がハルバッハ配列でネジ止めされた外側筒状部材１１の内部に、複数の永久磁石３１がハルバッハ配列でネジ止めされた内側筒状部材１３を挿入し、両者が同心になるように位置決めする。
　工程ｄ：
　次に、複数の永久磁石２１がハルバッハ配列でネジ止めされた外側筒状部材１１と、複数の永久磁石３１がハルバッハ配列でネジ止めされた内側筒状部材１３とを、同心状態で一体化させる。図４（ｄ）に示す実施形態では、樹脂プレート１５（円形状の底板）を使い、外側筒状部材１１と内側筒状部材１３とを一体化させている。外側筒状部材１１は樹脂プレート１５に対しネジ止めや接着剤によって固定され、また、内側筒状部材１３も樹脂プレート１５に対しネジ止めや接着剤によって固定されている。このように樹脂プレート１５を介して外側筒状部材１１と内側筒状部材１３を一体化させることで、外側筒状部材１１と内側筒状部材１３は一体回転することができる。
　なお、外側筒状部材１１と樹脂プレート１５が一体成型されたものを用いてもよく、あるいは、内側筒状部材１３と樹脂プレート１５が一体成型されたものを用いてもよい。また、永久磁石のネジ止め作業を妨げないのであれば、外側筒状部材１１と内側筒状部材１３と樹脂プレート１５のすべてが一体成型されたものを用いてもよい。
（モーターのベアリング冷却システム）
　次に、前述した回転機からなるドローン用モーターが具備する回転子を支えるベアリングを冷却するためのシステムについて、図５に基づいて説明する。
　本発明に係るモーターのベアリング冷却システムは、ドローンに搭載することを前提とするシステムである。
　このベアリング冷却システムは、図５に示すように、
・ベアリング７１を冷却するための冷却オイルを収容する噴射式のオイル缶６１と、
・オイル缶６１から噴射された冷却オイルをベアリングに導くための流路６３と、
・噴射式のオイル缶６１から冷却オイルを噴射させるためのソレノイド６５と、
・ソレノイド６５が作動するタイミングを制御するための制御手段６７と、
　を有している。
　噴射式のオイル缶６１は、交換可能に設けられている。すなわち、冷却オイルの残量が少なくなってきた場合には、新しいオイル缶に交換することができる。オイル缶６１の頭部には、ノズル付き噴射ボタンが設けられている。この噴射ボタンを押圧することで、ノズルから冷却オイルが噴射する。
　ソレノイド６５は、噴射式のオイル缶６１が頭部に備えるノズル付き噴射ボタンを押圧可能に設けられている。
　制御手段６７は予め定めたタイミングでソレノイド６５を作動させる。制御手段６７による制御によってソレノイド６５が（オイル缶６１の噴射ボタンを押圧する方向に）作動すると、ソレノイドによって噴射ボタンが押圧されている間、オイル缶６１のノズルから冷却オイルが噴射される。
　噴射された冷却オイルは、流路６３を介してベアリングハウジング内のベアリング７１に注がれて、該ベアリングを冷却する。流路６３は、オイル缶６１の噴射口と、ベアリング７１を収容するベアリングハウジングと、の間に設けられている。
　なお、制御手段６７は、例えばタイマーで構成してもよい。この場合、制御手段６７を構成するタイマーは、予め定めた時間が到来したときに、予め定めた時間にわたって、ソレノイド６５を作動させる。すなわち、予め定めた時間が到来したときに、予め定めた時間にわたって、噴射式のオイル缶６１から冷却オイルが噴射されて、ベアリング７１が冷却される。例えば、５分間ごとに、１秒間、冷却オイルを噴射する。
　また、制御手段６７は、例えば制御回路で構成してもよい。この場合、制御手段９７を構成する制御回路は、モーター７３の累計回転数が予め定めた回転数に到達したときに、予め定めた時間にわたって、ソレノイド６５を作動させる。すなわち、モーター７３の累計回転数が予め定めた回転数に到達したときに、予め定めた時間にわたって、噴射式のオイル缶６１から冷却オイルが噴射されて、ベアリング７１が冷却される。例えば、モーター７３の累計回転数が２０万回転に達するたびに、１秒間、冷却オイルを噴射する。
　本発明に係るデユアルハルバッハ配列磁石を備えた回転機の実施例は、図６に示すとおりである。
　図６に示すとおり、本発明では、回転機のケースを樹脂製とすることができる。
　デユアルハルバッハ配列磁石を備えた回転機で用いる「コイル」の実施例は、図７に示すとおりである。
　図７に示すとおり、本発明の回転機では、鉄心が無い空芯のコアレスコイルとする。なお、コイルの巻き線としてリッツ線を使用したコイルとしてもよい。
　デユアルハルバッハ配列磁石を備えた回転機で用いる「磁石」の実施例は、図８に示すとおりである。
　図８に示すとおり、本発明では、デユアルハルバッハ配列用の各永久磁石には、ネジ止め用の貫通穴を予め形成されている。この貫通穴にネジを通して、各永久磁石を、筒状部材などの対象物に対して固定する。
　デユアルハルバッハ配列磁石を備えた回転機で用いる「外側筒状部材」及び「内側筒状部材」の実施例は、図９に示すとおりである。
　図９に示すとおり、本発明の回転機では、デユアルハルバッハ配列用の永久磁石を、樹脂製の筒状部材に対しネジ止めしている。ネジ止め用のネジは、永久磁石に形成したネジ止め穴を通っている。
　なお、複数の永久磁石がネジ止めされた外側筒状部材及び内側筒状部材を同心状に組み合わせると、図２に示すように、筒状部材に対しネジ止めされた複数の永久磁石は、ハルバッハ配列された２列の永久磁石配列（デユアルハルバッハ配列）を構成することになる。
　また、デユアルハルバッハ配列用の永久磁石の固定対象である筒状部材を樹脂製としている。
　本発明に係る回転機は、電気自動車、電気オートバイ、ドローン、電動自転車、電動車いす、電気掃除器、日用家電品、電動工具、無人飛行機などで用いる「モーター」として利用することが可能である。
　また、本発明に係る回転機は、風力発電、水力発電、地熱発電、波力発電などで用いる「発電機」として利用することが可能である。
１１　　樹脂製の外側筒状部材
１３　　樹脂製の内側筒状部材
１５　　樹脂プレート（円形状の底板）
２１　　永久磁石（外側用）
２３　　外側永久磁石配列
２５　　ネジ
３１　　永久磁石（内側用）
３３　　内側永久磁石配列
３５　　ネジ
４１　　コアレスコイル
６０　　ベアリング
６１　　噴射式のオイル缶
６３　　流路
６５　　ソレノイド
６７　　制御手段
７１　　ベアリング
７３　　モーター

Claims (12)

  1. 　デユアルハルバッハ配列磁石を備えた回転機であって、
    　前記回転機の回転子は、
    　外側筒状部材と、
    　前記外側筒状部材の内側に位置する内側筒状部材と、
    　ネジ止め用の穴が形成された複数の永久磁石で構成され、前記外側筒状部材に対し固定された外側永久磁石配列と、
    　ネジ止め用の穴が形成された複数の永久磁石で構成され、前記内側筒状部材に対し固定された内側永久磁石配列と、
    　前記穴を介して永久磁石を外側筒状部材に対しネジ止めするためのネジと、
    　前記穴を介して永久磁石を内側筒状部材に対しネジ止めするためのネジと、を有し、
    　前記外側筒状部材と前記内側筒状部材に対しネジ止めされた複数の永久磁石は、ハルバッハ配列された２列の永久磁石配列を構成している、ことを特徴とする回転機。
  2. 　前記回転機の固定子は、
    　コイルの巻き線としてリッツ線を使用したコイルを有する、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の回転機。
  3. 　前記回転機の固定子は、
    　鉄心が無いコアレスコイルを有する、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の回転機。
  4. 　樹脂製のケースを有する、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の回転機。
  5. 　前記筒状部材は樹脂製である、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の回転機。
  6. 　前記回転機は、デユアルハルバッハ配列の永久磁石配列を具備する、コアレス発電機である、ことを特徴とする請求項１に記載の回転機。
  7. 　前記回転機は、デユアルハルバッハ配列の永久磁石配列を具備する、コアレスモーターである、ことを特徴とする請求項１に記載の回転機。
  8. 　請求項１に記載の回転機の製造方法であって、
    　複数の永久磁石を外側筒状部材に対しネジ止めによって固定するとともに、複数の永久磁石がハルバッハ配列をなすように外側筒状部材に対し固定する工程と、
    　複数の永久磁石を内側筒状部材に対しネジ止めによって固定するとともに、複数の永久磁石がハルバッハ配列をなすように内側筒状部材に対し固定する工程と、
    　を含むことを特徴とする回転機の製造方法。
  9. 　複数の永久磁石がハルバッハ配列でネジ止めされた外側筒状部材と、複数の永久磁石がハルバッハ配列でネジ止めされた内側筒状部材とを、同心状態で一体化させる工程を、
    　を更に含むことを特徴とする、請求項８に記載の回転機の製造方法。
  10. 　請求項１に記載の回転機からなるドローン用モーターが具備する回転子又はこれに連結された出力軸を支えるベアリングを冷却するためのシステムであって、
    　ベアリングを冷却するための冷却オイルを収容する噴射式のオイル缶と、
    　前記オイル缶から噴射された冷却オイルを前記ベアリングに導くための流路と、
    　前記噴射式のオイル缶から冷却オイルを噴射させるためのソレノイドと、
    　前記ソレノイドが作動するタイミングを制御するための制御手段と、を有しており、
    　前記制御手段は予め定めたタイミングで前記ソレノイドを作動させ、その結果、噴射式のオイル缶から噴射された冷却オイルが前記流路を介して前記ベアリングに注がれる、ことを特徴とするモーターのベアリング冷却システム。
  11. 　前記制御手段は、予め定めた時間が到来したときに、予め定めた時間にわたって、前記ソレノイドを作動させるように構成されたタイマーである、ことを特徴とする請求項１０に記載のモーターのベアリング冷却システム。
  12. 　前記制御手段は、モーターの累計回転数が予め定めた回転数に到達したときに、予め定めた時間にわたって、前記ソレノイドを作動させるように構成された制御回路である、ことを特徴とする請求項１０に記載のモーターのベアリング冷却システム。
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