冷却機構を有した回転機
【課題】ローター側の狭いスペースに磁石を設けながら該磁石を透過する磁束を漏れを少なくし有効に出力に結びつけると共に、強制冷却する冷却機構を狭いスペースに効果的に構成した回転機、特には、発電機および電動機を提供する。
【解決手段】回転機２０は、ローターと、ステータと、それらを収納する筐体２１からなり、ローターは円板２とシャフト７からなり、円板は回転時風を発生する溝を有し、ステータはローターが発生した風を筐体２１内に循環させるようにローターに対し所定のギャップを介して対向配置した中間板１４を有する。
【解決手段】回転機２０は、ローターと、ステータと、それらを収納する筐体２１からなり、ローターは円板２とシャフト７からなり、円板は回転時風を発生する溝を有し、ステータはローターが発生した風を筐体２１内に循環させるようにローターに対し所定のギャップを介して対向配置した中間板１４を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却機構を有する回転機に関し、特にはローターと鎖交する磁束を漏れ磁束とならないように構成するとともに、冷却機構を狭いスペースに効率よく配置した回転機、特には、発電機および電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な回転機には、ローター側（回転体）に鉄心があり、鉄心周りにコイルが巻かれ、ケース側に永久磁石が固定されているタイプのものがある。以下、回転機として発電機を例として説明する。
【０００３】
（ローター側にコイルを巻いているタイプ）
一般に使用されている発電機は、ローター（回転体）側に鉄心があり、鉄心周りにコイルが巻かれている。ローター側で発電しているため電気を取り出すブラシが必要となりブラシの摩耗によるメンテナンスが必要となる。さらに、高速回転させるとブラシと電極に隙間ができ放電によるスパークが発生し、電気を無駄なく回収することが困難であると共に、鉄心に巻かれているコイルは狭い空間に密に巻かれており放熱しにくい等の問題がある。また、磁石がケースを構成する鋼板に付いているにも関わらずケース外側にコイルを巻いた発電機は見当たらず、ケース鋼板内を通過する磁束は無駄になり効率が悪い。
【０００４】
磁石は温度が上昇すると性能が低下する。発電機はケースの鋼板に覆われているため放熱しにくく、冷却するにはローター外側からファンを用いて強制的に行う必要がある。また、磁石−コイル間のギャップを調整できる機構を持つ発電機は無く、初期駆動トルクの調整や発熱等に応じた柔軟な発電能力の調整等は行えなかった。
【０００５】
（ローター側に磁石を設けているタイプ）
ローター側に磁石を配置した円板型の発電機は、磁石が円板に貼り付けられていたり、磁石が円板の片面にしか配置されていないため、円板の片面だけしか利用していなかったりして、高速回転および効率の観点からすると問題がある発電機が多い。
また、円板型発電機は円板面から磁石が突出しており、そのため、引張力に弱い磁石が遠心力によって破損しやすく、高速回転に耐えうる構造にはなっていない。
他方、高出力のために磁石を大型化すると磁石を担持するローターシャフトを太くしなければならず、その結果重量が増大し回転慣性が増大し、回転制御がしにくくなる。
【０００６】
このように円板型発電機は、公知であるが、磁石の固定が困難であるため高回転にすることが難しく、出力を上げようとすると全体的に軸方向に伸ばすしかなかった。さらに、例えば、特許文献１では、軽量化のためコアレスコイルが用いられているが、発電に寄与できる磁束はわずかになっている。さらに、円板型発電機においては、ギャップ調整を行える機構を有した発電機は見あたらない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−３３６７８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、上記従来例の問題点に鑑み、ローター側の狭いスペースに磁石を設けながら該磁石を透過する磁束を漏れを少なくし有効に出力に結びつけると共に、強制冷却する冷却機構を狭いスペースに効果的に構成した回転機、特には、発電機および電動機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために以下の解決手段を採用する。
本発明の回転機は、例えば、発電機、電動機を含む。
回転機は、基本的には、ローターと、ステータと、筐体を有する。
ローターには、駆動用の永久磁石と冷却用の溝を設ける。
ステータは、一対の片側ステータ部からなり、ローターを挟むように対向して設け、ローターの溝で発生した冷却風を整流するために中間板を設け、ローターに設けた永久磁石の磁束を漏れないように透過するためにコイルを備えたコ字状のコアを設ける。中間板はコアを冷却するように冷却風を整流する。
上記ローターとステータの組は、複数組連設することができる。
【００１０】
具体的には、
（１）回転機は、ローターと、ステータと、それらを収納する筐体からなり、
前記ローターは円板とシャフトからなり、
前記円板は回転時風を発生する溝を有し、
前記ステータは前記ローターが発生した風を前記筐体内に循環させるように前記ローターに対し所定のギャップを介して対向配置した中間板を有する。
（２）前記中間板は、前記シャフトを遊挿する大径冷却空気循環孔と、前記大径冷却空気循環孔と組み合わせて前記風の流通路を構成する小径冷却空気循環孔を有する。
（３）前記小径冷却空気循環孔を前記中間板の周辺部近傍に設ける。
（４）前記中間板には、１対のコイルを巻回したコイル巻回脚と両前記コイル巻回脚を連結する連結脚からなるコ字状のコアを、複数個、前記中間板のコア固定用孔に前記コイル巻回脚を嵌合固定することにより固定し、
前記ローターには、前記コアと組み合わせて磁路を構成するように、前記コイル巻回脚に対向して永久磁石を嵌合固定する。
（５）前記ローターは、円板とシャフトからなり、
前記円板は複数の磁石取り付け開口にそれぞれ前記永久磁石を嵌合固定すると共に複数の溝を有する。
（６）前記磁石取り付け開口および前記溝を前記円板の中心から放射状に延びる線上に中心を有するように形成する。
（７）前記ステータは一対の片側ステータ部からなり、
前記円板と該円板の両側の前記片側ステータ部の組を任意数シャフトの軸方向へ間隔を設けて配置する。
（８）前記円板は繊維強化プラスチック製とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の回転機は、ステータ１０側にコイル１２を配置しているが、珪素鋼板によるコ字状のコア１１を用いると共に、円板２の両側にギャップを介してコイル１２を配置することで、明確な磁束ループを作ることができ、磁束を有効に利用することができ、しかも回転機が発電機の場合、両側で発電できる効率的な仕組みになっている。コア１１を円板２の両側に配置することで、円板２にかかる磁気的な吸着力は平衡が保たれ、円板２の高速回転時の振動を抑え、ギャップを小さくすることもできる。
【００１２】
多板化した場合の風の流れは単板と同じシステムとなり図１０のような流れとなる。単板同様、複数の円板２を配置しても循環システムの変更はない。強制冷却の場合は、空気吸入孔、排出孔の数を増やすだけで対応できる。
回転円板２の半径方向に対して角度をつけた磁石の配置（図１１（ａ）参照）とそれに対応したコイルの配置（図１２参照）により、円板２の小型化が可能である。
片側ステータ部１０ａをシャフト７の軸方向に移動させることで、永久磁石５−コイル１２を有するコア１１間のギャップを調整し、永久磁石５とコア１１との吸着力を調整し、初期駆動トルクの低減を図ることができる。また、形状記憶合金を利用することで、廃熱を利用したギャップ調整機構を組み込むことができる。
さらに、円板２に溝３を形成することで、円板２回転時に空気の流れが起こり、円板２を円板ファンとした循環冷却機構を構成することができる。
【００１３】
円板２が回転する際に発生する風は中間板１４の外周周辺の小径冷却空気循環孔１３ｂを通り中間板１４の裏側（ローター１と中間板１４を介して反対側）に配置されたコイル１２を冷却しシャフト７を遊挿する大径冷却空気循環孔１３ａから円板２へと戻る構造となっているため、コイル等で発生した熱は冷却することができる。
円板２を多板化することが可能であり、高速化で対応できない出力の増加にも、最小の容積の増加で対応できる。
また、円板材料に繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）を用いることにより、回転質量を軽量化することができ、回転慣性を低減できる。また、曲げ剛性を非鉄金属よりも高く鉄並みにすることが可能であり、円板のたわみを防ぎ、ギャップを小さくすることができる。引張強度も磁石に比して十分大きく、高速回転に伴う高出力が達成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の円板型発電機におけるローターの半径方向断面図である。
【図２】本発明の円板型発電機におけるステータの半径方向断面図である。
【図３】図１及び図２のローターおよびステータで構成する本発明の円板型発電機の軸方向断面図である。
【図４】図３において、風の流れを密閉、循環型とした場合の円板が発生する風の流れを示す図である。
【図５】図４において、強制冷却する場合の円板が発生する風の流れを示す図である。
【図６】本発明の発電機の発電効果を示す電圧／電力−回転数特性図である。
【図７】本発明の発電機における溝３付き円板の送風能力を示す風速−回転数特性図である。
【図８】本発明の発電機における円板及び固定平板の溝３の有無に応じた風速−回転数特性である。
【図９】本発明の発電機において、ローターの円板を複数にし多板化した例の軸方向断面図である。
【図１０】図９において、密閉、循環型とした場合の円板が発生する風の流れを示す図である。
【図１１】図１のローターにおいて、回転円板の半径方向に対して外側の磁石と溝３を内側の磁石を基準として角度をつけて配置した半径方向断面図である。
【図１２】図１１のローターに対向するステータの半径方向断面図である。
【図１３】Ｎｉ−Ｔｉ−Ｃｕ合金コイルばねの２方向素子としての寿命特性（せん断ひずみ０．４５％）を示す。
【図１４】ローターとステータの間のギャップ調節機構を組み込んだ発電機の軸方向断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、回転機全般を対象としているが、実施の形態の説明の都合上、発電機を対象として以下説明する。当然、電動機等においても同じ特徴を有する。
まず、本発明の発電機の基本的な特徴を説明する。なお、以下の図面中で使用される同じ符号は同じ意味として説明を省略することがある。
図１は本発明の円板型発電機におけるローターの半径方向断面図である。図１（ａ）はシャフトの軸方向と直角を成す円板面の構成図、図１（ｂ）は図１（ａ）の円板が２枚の場合のＡ−Ａ断面図の１例、図１（ｃ）は図１（ａ）の円板が１枚の場合のＡ−Ａ断面図の１例を示す。
図２は本発明の円板型発電機における片側ステータ部の半径方向断面図である。
本発明の発電機は、図１に示すようにローター１の磁石５を埋め込んだ円板２を回転させ、図２に示す片側ステータ部１０ａ側に設置したコイル１２により電力を取り出す円板型の発電機であり、磁石５の埋め込み方、磁石５及びコイル１２の配置の仕方、円板２構成材料、そして自発的冷却機構に特徴を有する。上述の特徴を順次説明する。
【００１６】
（１．１）構造、発電上の特徴
図１に示す円板２における特徴について説明する。
ｉ）円板２は、例えば、軽量かつ高剛性な性質を持つＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）等のＦＲＰ（繊維強化プラスチック）製円板を１枚のみの構造（例えば、図１（ｃ）参照）又は２枚（各円板２ａ、２ａ）張り合わせた構造（例えば、図１（ｂ）参照）としている。円板２は厚みの程度にもよるが１枚でも実用上問題ない。以下、円板が２枚の例について説明する。
ｉｉ）２枚の円板２ａ、２ａの中に永久磁石５がシャフト７に垂直な方向に並べられている（図１（ｂ）参照）。
ｉｉｉ）磁石取り付け開口４、４ａ、４ｂは、貫通孔でも底のある穴でもよく、永久磁石５を円板２ａ、２ａから抜け止め固定できる手段であればよい。
【００１７】
磁石取り付け開口４が底のある穴の場合には、２枚の円板２ａ、２ａの穴を対向させ、その穴の中に永久磁石を収納するようにして両円板２ａ、２ａを接合する。
磁石取り付け開口４が図１（ｂ）に示す貫通孔の場合には、円板２ａ、２ａの接合面からシャフトの軸方向に向けて半径の小さくなるテーパー状の開口部分（円板の板厚の一部分でも可能）を設けた開孔とし、２枚の円板２ａ、２ａの穴の広口側を対向して、両穴間にこの穴の形状に整合した永久磁石５を挿入配置し、磁石挿入後穴孔径が大きい面を張り合わせ接着剤で固定することで永久磁石５が円板２から飛び出すのを防止している。
磁石取り付け開口４が半径一定で板厚方向に貫通する図１（ｃ）に示す開孔の場合には、同じ半径の開口に、この開口に整合する形状の永久磁石５を挿入し、かしめ止め状態に係止固定する。この状態の円板２ａ、２ａの２枚を張り合わせる。いずれにしても、磁石５の固定ができる手段であれば適宜採用できる。
ｉｖ）円板２には溝３が掘ってあり、高速回転させることで風が発生し、この風を循環させることで発熱するコイル１２を冷却する。溝３は、図１（ｂ）に示すように各円板２ａ毎に形成するか、又は、図１（ｃ）に示すように２枚で１つ形成することができる。溝３の板厚方向（シャフトの軸方向でもある）の断面形状は、風が発生する溝形状であればよい。更には、成形のしやすさから、溝３は、Ｕ字状、半円状や角のある凹状が好ましい。
ｖ）発電コイル（コイル１２）と磁石５の数を変えることで起動時トルクの低減を図っている。
【００１８】
（１．２）溝３だけをつけた円板２で空気の流れを起こすことができる原理について：
溝３の長さ方向は円板２の半径方向なので、円板２の回転方向（周方向）に対して垂直方向になる。円板２が回ると、溝３の中の空気は円板２と一緒に回転し、遠心力によって溝３に沿って外側へ流れていく。外側に流れた空気は溝３から飛び出し、そのまま円板２の外へと流れ、空気の流れが生じる。
また、溝３内の空気が外側に流れていくことで、ベルヌーイの定理により溝３内は低圧になり、溝３の上の空気が溝３に空気が巻き込まれるように入ってくるものと考えられる。
これらが連続して起こることにより、溝３のある円板２が回転するだけで空気の流れが起こるものと考えられる。
【００１９】
図２に示す中間板に設置された発電コイル１２における特徴について説明する。
ｉ）発電コイル１２はシャフト７に垂直な方向に中間板１４および筐体２１に固定されている。本発電機２０はコア付きコイル１２が回転しないため集電用ブラシは必要としない。
ｉｉ）中間板１４には空気循環用の穴１３が開けられていてローター１の中央の大径冷却空気循環孔１３ａから円板２に沿って円板２外周へと風が発生し、循環型の場合、中間板１４端部に開けられている小径冷却空気循環孔１３ｂを通りコア付きコイル１２を冷却するシステムとなっている。
ｉｉｉ）磁石５・コア１１間のギャップと円板２・中間板１４の間のギャップは後節で述べるが効率よく発電、冷却しようとするとギャップ長は等しくなく、個々のギャップ調整はコア長さを調整することで得るようにしている。
【００２０】
発電機全体２０の断面を図３に示す。この断面図は円板１枚の場合である。ローター１には円板２ａが２枚固定され、ローター１を外力により駆動することで円板２を回転し、図３に示した磁石５も回転させる。交互に配置したＳ極、Ｎ極磁石がコア１１を同時に横切ることで図３下に示される磁束フローが生じ発電が行われる。発電機としての特徴を示すと
ｉ）ローター１側には集電のためのブラシや配線はない。すなわち、ブラシ等で生じる抵抗がない。
ｉｉ）コイル１２のコア１１の珪素鋼板をコの字形とすることで円板２両側にコイル１２を配置することができ、漏洩磁束が少なく明確な磁束ループを作ることができる。すなわち、磁束を有効に利用し、両側で発電できる効率的な仕組みになっている。
ｉｉｉ）珪素鋼板のコア１１を円板２の両サイドに配置することで、円板２にかかる吸着力は平衡が保たれ、円板２の高速回転時の振動を抑え、上記ギャップを小さくすることもできる。
【００２１】
図３に示されている溝３が風を発生し、その風が円板２円周方向へと流れる。風の流れを密閉、循環型とした場合の円板２が発生する風の流れを図４に示す。
図４に示したローター１の開口３から円板面に沿って風が流れ、中間板１４端部に設置した空気循環孔１３ｂからコア付きコイル１２へと風が流れコイル１２を冷却する。図には示していないが、たまった熱は筐体２１外壁内部の冷却用フィン（図示省略）を加熱し、外壁冷却フィンにより放熱する。
強制冷却する場合は図５に示すように中間板１４端部の空気循環孔１３ｂを廃止し、直接、図５の吸い込み孔２５および吹き出し孔２６から吸排気する。
筐体の外部より冷却空気を供給（例えば、強制ファンは円板ファンとする）し、冷却を行えば良い。
内部循環型を考えた理由は、永久磁石５に希土類磁石であるネオジウムの使用を想定しており、ネオジウム磁石は錆び易く、高温になると磁力が著しく低下するため密閉循環型を考えた。
【００２２】
（１．３）繊維強化複合材料の使用：
本発明では、円板２材料に繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）を用いる。ＦＲＰとすることにより、回転質量を軽量化することができ、回転慣性を低減できる。また、曲げ剛性を非鉄金属よりも高く鉄並みにすることが可能であり、円板２のたわみを防ぎ、前記ギャップを小さくすることに寄与している。引張強度も磁石に比して十分大きく、高速回転すなわち高出力が可能となっている。
【００２３】
（１．４）その他：
本発明の回転機は、片側ステータ部１０ａ側にコイル１２を配置しているが、珪素鋼板によるコ字状のコア１１を用いると共に、円板２の両側にギャップを介してコイル１２を配置することで、明確な磁束ループを作ることができ、磁束を有効に利用することができ、しかも回転機が発電機の場合、両側で発電できる効率的な仕組みになっている。コア１１を円板２の両側に配置することで、円板２にかかる磁気的な吸着力は平衡が保たれ、円板２の高速回転時の振動を抑え、ギャップを小さくすることもできる。
【００２４】
（多板構造）
図３のように、ローター１を挟むように両側に片側ステータ部１０ａを対向配置する単板構造を単位として、この単位を図９および図１０に示すようにシャフト７方向に連設することで多板構造とする。
図９に示すようにローター１を多板化した場合の風の流れは単板の場合と同じシステムとなり図１０のような流れとなる。単板同様、複数の円板２を配置しても循環システムの変更はない。図１０の例でも、図４および図５の場合と同様に、強制冷却の場合は、空気吸入孔、排出孔の数を増やすだけで対応できる特徴を有する。
【００２５】
（小型化）
回転円板２の半径方向に対して角度をつけた磁石５の配置（図１１（ａ）参照）とそれに対応したコイルの配置（図１２参照）により、円板２の小型化が可能である。
図１２の片側ステータ部１０ｂの場合も図１１のローター１ａの場合と同じ原理であるから、図１１で説明する。図１１（ｂ）は図１の例を示している。図１１（ｂ）の内側磁石取り付け開口４ｂの中心を基点として、外側磁石取り付け開口４ａの中心をローターの中心から延ばした直線上から任意の角度θだけ回転させた位置へ移動させる。前記基点はローターの中心から等距離の円周上に位置する。他の溝も同じように前記基点を基準として任意角度回転させることで移動できる。
図１１（ａ）は前記角度θを４５度として傾斜させた例であり、要部となる磁石５、溝３、コア付きコイルを全て同じ原理で中心からの放射線上から４５度傾斜させている。
【００２６】
（ギャップ調整）
片側ステータ部１０ａをシャフト７の軸方向に移動させることで、永久磁石５−コイル１２を有するコア１１間のギャップを調整し、永久磁石５とコア１１との吸着力を調整し、初期駆動トルクの低減を図ることができる。また、後記するように形状記憶合金を利用することで、廃熱を利用したギャップ調整機構を組み込むことができる。
さらに、円板２に溝３を形成することで、円板２回転時に空気の流れが起こり、円板２を円板ファンとした循環冷却機構を構成することができる。
【００２７】
図３には、中間板１４に取り付けたコア１１付きコイル１２の配置および冷却空気循環孔１３が示してある。円板２が回転する際に発生する風は中間板１４の外周周辺の小径冷却空気循環孔１３ｂを通り中間板１４の裏側（ローター１と中間板１４を介して反対側）に配置されたコイル１２を冷却しシャフト７を遊挿する大径冷却空気循環孔１３ａから円板２へと戻る構造となっており、筐体２１の外壁に冷却フィン（図示省略）を取り付けることで熱は外部空間へと放出することができる。
本発明では、後記するように円板２を多板化することが可能であり、高速化で対応できない出力の増加にも、最小の容積の増加で対応できる。
また、円板材料に繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）を用いている。ＦＲＰとすることにより、回転質量を軽量化することができ、回転慣性を低減できる。また、曲げ剛性を非鉄金属よりも高く鉄並みにすることが可能であり、円板２のたわみを防ぎ、ギャップを小さくすることに寄与している。引張強度も磁石５に比して十分大きく、高速回転に伴う高出力が達成できる。
【実施例】
【００２８】
（１）構造、出力特性上の特徴点
本発明は、回転機全般を対象としているが、実施例の説明の都合上、以下、発電機、特に円板型発電機を対象として説明する。
【００２９】
図１は本発明の円板型発電機におけるローターの半径方向断面図である。図１は図３のＡ−Ａ断面図である。
図２は本発明の円板型発電機における片側ステータ部の半径方向断面図である。図２は図３のＢ−Ｂ断面図である。
図３は図１及び図２のローターおよび片側ステータ部で構成する本発明の円板型発電機の軸方向断面図である。
本発明の発電機は、図１〜３に示すように円板２に永久磁石５を埋め込んだ円板型のローター１を回転させ、ステータ側に設置したコイル１２により電力を取り出す円板型発電機であり、永久磁石５の埋め込み方、永久磁石５及びコイル１２の配置の仕方、ローター１構成材料、および後記する冷却機構に主な特徴を有する。
【００３０】
（ローター）
ローター１は、図１に示すように、非磁性材の円板２とシャフト７からなる。円板２には、円形のシャフト用開孔６、複数の円形の磁石取り付け開口４、および複数の長尺状の溝３が円板２の半径方向に形成されている。円板２は、上記のように、１枚の円板であっても、また、２枚の円板２ａ、２ａを張り合わせた円板であってもよい。
円形の磁石取り付け開口４は、外側磁石取り付け開口４ａと内側磁石取り付け開口４ｂからなる。
磁石取り付け開口４および溝３の数および形状は、基本的に、その回転機としての出力（例えば、発電機であれば発電電力、また、電動機であれば回転トルクおよび回転数等の出力）、動作時の設定温度等の目標に応じた冷却能力に応じて自由に設定することができる。これに応じて、永久磁石５は、円形の板状体として形成され、外側磁石取り付け開口４ａに嵌合固定される外側永久磁石５ａと内側磁石取り付け開口４ｂに嵌合固定される内側永久磁石５ｂからなる。永久磁石５は円板２の板厚方向（シャフト用開孔６に嵌合するシャフト７の軸方向でもある）にＮＳ又はＳＮと着磁される。
【００３１】
円板２の材料は、形状を維持する性質の高い非磁性材料一般が適用可能で、例えばＦＲＰ（繊維強化プラスチック（Fiber Reinforced Plastics, FRP））や非磁性ステンレスとする。
磁石取り付け開口４は、円板２のシャフト用開孔６の中心を全体の中心として、中心角４５度（任意の磁石取り付け開口４ａと４ｂの１組を基準として）の線上に半径方向外方に向けて複数個離間して形成されている。
溝３は、円板２のシャフト用開孔６の中心を全体の中心として、その磁石取り付け開口４に対して円周方向に離間すると共に中心角４５度（任意の１つの溝３を基準として）の線上に互いに離間して形成される。溝３は、円板２の両側面側又は片側面側に形成する。
この例では、永久磁石５は、円形の磁石取り付け開口４に嵌合するように円形に形成され、溝３は長尺状に形成されているが、磁石取り付け開口４と溝３の形状およびサイズは、互いに接触せず、且つ、円板２の機械的強度が保てる範囲で自由とする。また、円板２の板厚サイズは、上記磁石取り付け開口４と溝３および開孔６を形成しても、加わる力に対して変形しない範囲とする。
【００３２】
シャフト用開孔６にはシャフト７が嵌合固定されている。
上記各サイズは、参考までに例示すると、円板２の半径を１とすると、図１〜３の例では、磁石取り付け開口４ａおよび４ｂの中心位置は円板２の中心から０．５５（４ａの場合）と０．９０（４ｂの場合）となり、磁石取り付け開口４ａおよび４ｂの径は０．２となる。
また、同じく、溝３の半径方向の長さは０．５３、溝３の円周方向の幅は０．０５３、溝３の内側端（円板２中心に最も近い）から円板２中心までの距離は０．４３となる。
【００３３】
（ステータ）
ステータ１０は、全体として、図２の片側ステータ部１０ａが、図１のローター１を挟むように一対組になって対向して配置される構成をとる。
図２の片側ステータ部１０ａは、図３のＢ−Ｂ断面図に示すように、中間板１４、断面四角形で一対のコイル巻回用脚１１ａと１１ｂを連結脚１１ｃで連結したコ字形のコア１１、コイル巻回用脚１１ａと１１ｂに巻回したコイル１２ａと１２ｂから構成される。
中間板１４は、四辺形の平板からなり、複数の冷却空気循環孔１３とコア固定用開孔１５が平板を貫通して開孔されている。
【００３４】
冷却空気循環孔１３は、中間板１４の各辺に沿った周辺に複数個離散配置される小径冷却空気循環孔１３ｂと、中間板の中心部に設けられる大径冷却空気循環孔１３ａからなる。大径冷却空気循環孔１３ａ内には、シャフト７が挿通配置される。
コア固定用開孔１５は、それぞれコア１１の断面形状の四角形に形成され、１対のコイル巻回用脚に対向して２個１組として設けられる。コア固定用開孔１５は、中間板の中心から中心角６０度毎に放射状に延びる線上に１対形成される。
【００３５】
冷却空気循環孔１３は、コイルを巻回したコアをコア固定用開孔１５に嵌合固定したとき、このコイルを巻回したコアにより覆われない位置に形成する。
冷却空気循環孔１３は、中心に大径冷却空気循環孔１３ａから出た冷却空気がコイルを冷却しながら周辺の小径冷却空気循環孔１３ｂに吸い込まれ、又は、その逆の経路で吸い込まれる（又は吐き出される）ような位置に形成される。
【００３６】
図２の例では、コア１１は、６極対応となっているが、任意の極数でも可能である。
図１のように、シャフト７の軸方向に垂直な方向に永久磁石５を並べることで、円板２上に多数の永久磁石５を配置でき、回転機としての出力を上げることができる。
永久磁石５は、前記嵌合手段以外に、２分割し対向面側に向けて半径が増加するテーパーを付けた穴を有する一対の円板間に配置し、両円板２ａ、２ａを張り合わせることにより、円板２から飛び出すことなく固定できる。これによれば、円板２表面とほぼ同じ面に磁石面を持ってくることができ、コイルとのギャップを非常に小さくすることで発電能力をあげることが可能となる。
【００３７】
（組立体）
図３は、組み立てた組立体の断面図である。筐体２１は、ステータ１０およびローター１を収容し、図示省略したが任意の分割形態で分割するように構成される。
筐体２１内に一対の片側ステータ部１０ａを対向配置し、両片側ステータ部１０ａ間にローター１を所定のギャップを介して配置し、ローター１のシャフト７を筐体２１のベアリング２２で回動自在に軸支する。
【００３８】
片側ステータ部１０ａは、中間板１４の周囲の辺とコア１１の連結脚１１ｃにより筐体２１の内壁に位置決め保持される。中間板１４は、筐体２１の内部収容空間を画成する内側壁に圧接係止される。中間板１４は、大径冷却空気循環孔１３ａにシャフト６を遊挿し、断面コ字状のコア固定用開孔１５に断面コ字状のコア１１のコイル巻回用脚１１ａ、１１ｂの先端近傍（コイル巻回部分より先端へ向かう部分）を嵌合固定している。
このように組み立てられる際、中間板１４の小径冷却空気循環孔１３ｂはコイル１２を巻回したコア１１により覆われることが無い位置に形成されている。
【００３９】
ローター１の永久磁石５がローター１の板厚方向（シャフト７の軸方向）にＮＳと磁化されている場合、永久磁石５の磁束２３は、図３に例示するように、（内側の）永久磁石５のＳ極→（右側の）コア１１の一端にＮ→（右側の）コア１１の他端にＳ→（外側の）永久磁石５のＮ極→（外側の）永久磁石５のＳ極→（左側の）コア１１の一端にＮ→（左側の）コア１１の他端にＳ→（内側の）永久磁石５のＮ極→（以下、同じ順路）の順路で形成される。
【００４０】
このように、ローター１の永久磁石５から出た磁束は、対向して設ける片側ステータ部
１０ａのコ字状コア１１中を透過して元の永久磁石５へ戻る閉磁路を形成するので、漏れ磁束が極めて少なくなり、従来のような永久磁石に対して片側だけの磁路を設ける回転機に比べ、発生磁束の有効利用効率が格段に良くなる効果がある。これに伴って、本願発明の回転機の出力特性が、前記従来例に比べ、格段に改善される。
【００４１】
（発電、送風の検証）
個々のパーツとして発電、送風の検証実験を行った結果を説明する。
発電機としての仕様としては、直径１００ｍｍ円板に直径９ｍｍのネオジウム磁石２４個６対（２個重ね６０度間隔）を取り付けモータにより回転を与える。発電を行うコア付きコイルはコ型のコア（珪素鋼板２０枚重ね）に０．５ｍｍφのエナメル線を２６０巻き＊２式（コ型上下の珪素鋼板に１個づつ）及び０．４ｍｍφのエナメル線を５００巻きが２基（円周０度、１８０度の位置）とした。
【００４２】
発電効果を図６に示す。縦軸は電圧（Ｖ）／電力（Ｗ）、横軸は回転数（ＲＰＭ）を示す。図６の特性を表１、表２に示す。
０．５ｍｍφのエナメル線の場合、１対のコア付きコイルの発電量は２００００ｒｐｍで４０．８Ｗ、０．４ｍｍφのエナメル線の場合は２００００ｒｐｍで１８．５４Ｗとなった。２個のコア付きコイルのエナメル線を直列配線すると５０Ｖ８０Ｗの発電となる。図には示していないが磁石径を１５ｍｍφを８個２対（２個重ね１８０度間隔）、エナメル線を０．７ｍｍφ１３２巻きと１００巻きを両サイドのコアに取り付け２個のコイルを直列配線とした場合は、２００００ｒｐｍで電圧が７３．７Ｖ、電力は７３．７Ｗとなった。この数値は実験段階のため磁石径、線径、巻き線数等は試行錯誤により得られたデータであることを付記する。上記のことから磁石径を大きくし、配置を４５度間隔、線径、巻き線数を最適化することで目標値の三相数百Ｗの発電は計算上可能である。（両面発電することで倍増する）。
【００４３】
【表１】
【００４４】
【表２】
【００４５】
つぎに、図７に溝３付き円板の送風能力について示す。縦軸は風速（ｍ／ｓ）、横軸は回転数（ＲＰＭ）を示す。
図７の特性を表３、表４、表５に示す。
１００ｍｍφの円板２に半円溝３を８本（４５度間隔）削り、固定平板との間隔を変化させた実験結果を図７に示す。溝３は球形エンドミル（１．５Ｒ）で研削を行い幅３ｍｍ、深さ１．５ｍｍ、長さ２３ｍｍとし、軸から放射状に４５度間隔８本研削している。固定平板・円板２間のギャップを大きくすることで送風能力は高まり２ｍｍから２．５ｍｍで最大となり、さらにギャップを増やすことで送風能力は劣化する。計測した最大値はギャップ２．５ｍｍ、１５６２４ｒｐｍで中心最大風速８．８ｍ／ｓとなっている。平均風速としては最大風速の１／２なので４．４ｍ／ｓの平均風速となり冷却能力を有していることがわかる。
【００４６】
【表３】
【００４７】
【表４】
【００４８】
【表５】
【００４９】
図８は円板２及び固定平板に溝３無し、円板２及び固定平板に０．５Ｒの溝３付き、円板２に１．５Ｒの溝３及び固定平板は溝３無しの３種類の実験結果を示している。
縦軸は風速（ｍ／ｓ）、横軸は回転数を示す。図８の特性を表６、表７、表８に示す。
溝３無しで円板２の抵抗だけで送風を行うと中心最大値は４ｍ／ｓ（平均風速２ｍ／ｓ）の送風能力しかない。また、幅１ｍｍ、深さ０．５ｍｍ（０．５Ｒ）の溝３の場合は、溝３無しよりは若干良い傾向を示しているが１６０４９ｒｐｍで４．１５ｍ／ｓの最大風量しかなく溝３の大きさは大きい方が高い風量となっている。
【００５０】
【表６】
【００５１】
【表７】
【００５２】
【表８】
【００５３】
以上の結果から、発電するための磁石−コア間のギャップは少ない方が良く、風量を高めるためには最適なギャップが存在するため、ギャップ調整はコアの長さと中間板でそれぞれのギャップ調整を行う方法を採用する。中間板からコアが出て抵抗となるが中間板を狭くしてコイル温度の上昇を招き、永久磁石の磁束密度劣化、発電効率を低下させるよりも冷却送風し温度を低下させることが重要なファクターである。
【００５４】
（円板の多板化）
本発電機は図９に示すようにローターに円板２を複数設置し多板化することが可能である。中間板を固定金具とし、コア付きコイルを固定し円板磁石がコアを横切ることで磁束が閉ループを組み直列に配置した各コイルが起電力を発生する。そのときの磁束の流れを示すと図下に示した流れとなり磁石とコアが直列となったとき各コイルは最大の電圧を発生する。横切る磁石の極が反転することで反転した電圧・電流が発生し交流電源となる。
この場合、中間のコイルコアはコ型ではなく直方体で良く上下のコイルを集電すればよい。多板化した場合の風の流れは単板と同じシステムとなり図１０のような流れとなる。単板同様、複数の円板２を配置しても循環システムの変更はない。強制冷却の場合は、空気吸入孔、排出孔の数を増やすだけで対応できる特徴を有する。
【００５５】
（発電機の小型化）
回転円板２の半径方向に対して角度をつけた磁石の配置（図１１（ａ）参照）とそれに対応したコイルの配置（図１２参照）により、円板２の小型化が可能である。
図１１（ａ）は要部を４５度傾斜させた場合であり、要部となる磁石、溝３、コア付きコイルを全て放射線上から４５度傾斜させている。
具体的な作成過程を図１１（ｂ）に基づいて説明する。
【００５６】
図１１、図１２における永久磁石等の配置について
図１に対応する図１１（ｂ）において、ローター中心を中心とし、内側の永久磁石の中心を通る円を描いたものが図１１（ｂ）の破線です。これが溝３と交差する点及び内側の永久磁石の中心（図１１（ｂ）の×印）、図１１（ｂ）においては内側のコイルの中心を中心にして、永久磁石の内側外側の１セット、溝３１本、コイルの内側外側のそれぞれ１セット毎に４５度回転させたものが、図１１（ａ）、図１２における、永久磁石、溝３、コイルの配置となります。
【００５７】
コイル数は３相電源対応となるように１２０度ごとに設置している。永久磁石は同数の場合、静止時に珪素鋼板と引き合うため大きな駆動トルクがかかるためコイル数より多く配置している。図からも明らかなように傾斜させることで半径が小さくできコイルスペースの余裕により角度を調整すればよい。
【００５８】
（形状記憶合金の応用）
形状記憶合金を利用することで、廃熱を利用したギャップ調整機構を組み込むことができる。
【００５９】
（形状記憶合金を使った仕組みの実現性について）
図１３は、Ｎｉ−Ｔｉ−Ｃｕ合金コイルばねの２方向素子としての寿命特性（せん断ひずみ０．４５％）を示し、温度−発生力曲線の変化を表す。
一般の合金では歪みを与えたとき結晶状態は変わらず、すべりによって変形するため力を除いても元には戻らない。一方形状記憶合金では、まず冷却によって母相であるオーステナイト相からマルテンサイト相へと相変化する。この状態である程度の歪みを与えてもすべりは生じずにせん断変形する。
【００６０】
ここで温度を上げるとマルテンサイト相から母相に相変化してせん断変形がなくなり、元の形状に戻る。すべりが生じない程度の歪み（１％程度）に抑えるためには、合金をばね状にして合金の総距離を長くすれば良い。力の調節はばね線の太さを変えるかばねの本数を変えることでできる。図１３（ａ），（ｂ），（ｃ）に剪断応力−温度特性として示すように、繰り返しにおいても有効な力の発生を維持できる。
発電機への応用では、発電させる前はギャップが広がった状態にしておき、運転して温度が上昇した場合にギャップが狭まるようにすることで、運転開始に必要なトルクを軽減し、かつ高効率に発電できるようになる。
【００６１】
図１４に示すように、コイルばね３３と形状記憶合金、例えば線状の形状記憶合金３１を組み合わせ、廃熱温度によりギャップ３２を増減させることで温度感応型安全装置となる。
通常、形状記憶合金（チタンとニッケルの配合が５０％の場合）の総変態温度は５０℃から６０℃であり、５０℃を越えると形状記憶合金３１の伸縮力がコイルバネ３３のバネ状数を越え形状記憶合金３１は縮む。逆に形状記憶合金３１は６０℃を下回ると伸縮力が弱まりコイルバネ３３の力で延ばされ元の長さへ戻る。ギャップ３２間隔は高温になった場合広げれば良いので反転装置（例えば、てこのようなもの（図示省略））を組み込むことで実現は可能でありエネルギーを使わないパッシブな安全装置となる。
図１４は起動時の吸着力を低減させるよう形状記憶合金３１が暖まった場合にギャップ３２を小さくするように設計したものであるが、てこ等を組み込むことで反転させることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明は低速回転から高速回転まで幅広く対応可能な技術であり、発電機を利用する産業一般に利用することが可能である。特に、風力発電における発電機が考えられる。また、ＦＲＰを用いることで軽量化していることから、自動車用発電機としての利用も可能である。
【符号の説明】
【００６３】
１、１ａ ローター
２ 円板
３、３ａ 溝
４ 磁石取り付け開口
４ａ 外側磁石取り付け開口
４ｂ 内側磁石取り付け開口
５ 永久磁石
６ シャフト用開孔
７ シャフト
１０ ステータ
１０ａ、１０ｂ 片側ステータ部
１１ コア
１１ａ、１１ｂ コイル巻回用脚
１１ｃ 連結脚
１２ ステータコイル
１２ａ 外側ステータコイル
１２ｂ 内側ステータコイル
１３ 冷却空気循環孔
１３ａ 大径冷却空気循環孔
１３ｂ 小径冷却空気循環孔
１４ 中間板
１５ コア固定用開孔
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ 発電機
２１ 筐体
２２ ベアリング
２３ 磁束
２４ 風の流れ
２４ａ、２４ｂ 風の流れ（強制）
２５ 吸い込み孔
２６ 吹き出し孔
３１ 形状記憶合金部材
３２ ギャップストッパー
３３ バネ
３４ 変態温度に達すると収縮する方向
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却機構を有する回転機に関し、特にはローターと鎖交する磁束を漏れ磁束とならないように構成するとともに、冷却機構を狭いスペースに効率よく配置した回転機、特には、発電機および電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な回転機には、ローター側（回転体）に鉄心があり、鉄心周りにコイルが巻かれ、ケース側に永久磁石が固定されているタイプのものがある。以下、回転機として発電機を例として説明する。
【０００３】
（ローター側にコイルを巻いているタイプ）
一般に使用されている発電機は、ローター（回転体）側に鉄心があり、鉄心周りにコイルが巻かれている。ローター側で発電しているため電気を取り出すブラシが必要となりブラシの摩耗によるメンテナンスが必要となる。さらに、高速回転させるとブラシと電極に隙間ができ放電によるスパークが発生し、電気を無駄なく回収することが困難であると共に、鉄心に巻かれているコイルは狭い空間に密に巻かれており放熱しにくい等の問題がある。また、磁石がケースを構成する鋼板に付いているにも関わらずケース外側にコイルを巻いた発電機は見当たらず、ケース鋼板内を通過する磁束は無駄になり効率が悪い。
【０００４】
磁石は温度が上昇すると性能が低下する。発電機はケースの鋼板に覆われているため放熱しにくく、冷却するにはローター外側からファンを用いて強制的に行う必要がある。また、磁石−コイル間のギャップを調整できる機構を持つ発電機は無く、初期駆動トルクの調整や発熱等に応じた柔軟な発電能力の調整等は行えなかった。
【０００５】
（ローター側に磁石を設けているタイプ）
ローター側に磁石を配置した円板型の発電機は、磁石が円板に貼り付けられていたり、磁石が円板の片面にしか配置されていないため、円板の片面だけしか利用していなかったりして、高速回転および効率の観点からすると問題がある発電機が多い。
また、円板型発電機は円板面から磁石が突出しており、そのため、引張力に弱い磁石が遠心力によって破損しやすく、高速回転に耐えうる構造にはなっていない。
他方、高出力のために磁石を大型化すると磁石を担持するローターシャフトを太くしなければならず、その結果重量が増大し回転慣性が増大し、回転制御がしにくくなる。
【０００６】
このように円板型発電機は、公知であるが、磁石の固定が困難であるため高回転にすることが難しく、出力を上げようとすると全体的に軸方向に伸ばすしかなかった。さらに、例えば、特許文献１では、軽量化のためコアレスコイルが用いられているが、発電に寄与できる磁束はわずかになっている。さらに、円板型発電機においては、ギャップ調整を行える機構を有した発電機は見あたらない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−３３６７８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、上記従来例の問題点に鑑み、ローター側の狭いスペースに磁石を設けながら該磁石を透過する磁束を漏れを少なくし有効に出力に結びつけると共に、強制冷却する冷却機構を狭いスペースに効果的に構成した回転機、特には、発電機および電動機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために以下の解決手段を採用する。
本発明の回転機は、例えば、発電機、電動機を含む。
回転機は、基本的には、ローターと、ステータと、筐体を有する。
ローターには、駆動用の永久磁石と冷却用の溝を設ける。
ステータは、一対の片側ステータ部からなり、ローターを挟むように対向して設け、ローターの溝で発生した冷却風を整流するために中間板を設け、ローターに設けた永久磁石の磁束を漏れないように透過するためにコイルを備えたコ字状のコアを設ける。中間板はコアを冷却するように冷却風を整流する。
上記ローターとステータの組は、複数組連設することができる。
【００１０】
具体的には、
（１）回転機は、ローターと、ステータと、それらを収納する筐体からなり、
前記ローターは円板とシャフトからなり、
前記円板は回転時風を発生する溝を有し、
前記ステータは前記ローターが発生した風を前記筐体内に循環させるように前記ローターに対し所定のギャップを介して対向配置した中間板を有する。
（２）前記中間板は、前記シャフトを遊挿する大径冷却空気循環孔と、前記大径冷却空気循環孔と組み合わせて前記風の流通路を構成する小径冷却空気循環孔を有する。
（３）前記小径冷却空気循環孔を前記中間板の周辺部近傍に設ける。
（４）前記中間板には、１対のコイルを巻回したコイル巻回脚と両前記コイル巻回脚を連結する連結脚からなるコ字状のコアを、複数個、前記中間板のコア固定用孔に前記コイル巻回脚を嵌合固定することにより固定し、
前記ローターには、前記コアと組み合わせて磁路を構成するように、前記コイル巻回脚に対向して永久磁石を嵌合固定する。
（５）前記ローターは、円板とシャフトからなり、
前記円板は複数の磁石取り付け開口にそれぞれ前記永久磁石を嵌合固定すると共に複数の溝を有する。
（６）前記磁石取り付け開口および前記溝を前記円板の中心から放射状に延びる線上に中心を有するように形成する。
（７）前記ステータは一対の片側ステータ部からなり、
前記円板と該円板の両側の前記片側ステータ部の組を任意数シャフトの軸方向へ間隔を設けて配置する。
（８）前記円板は繊維強化プラスチック製とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の回転機は、ステータ１０側にコイル１２を配置しているが、珪素鋼板によるコ字状のコア１１を用いると共に、円板２の両側にギャップを介してコイル１２を配置することで、明確な磁束ループを作ることができ、磁束を有効に利用することができ、しかも回転機が発電機の場合、両側で発電できる効率的な仕組みになっている。コア１１を円板２の両側に配置することで、円板２にかかる磁気的な吸着力は平衡が保たれ、円板２の高速回転時の振動を抑え、ギャップを小さくすることもできる。
【００１２】
多板化した場合の風の流れは単板と同じシステムとなり図１０のような流れとなる。単板同様、複数の円板２を配置しても循環システムの変更はない。強制冷却の場合は、空気吸入孔、排出孔の数を増やすだけで対応できる。
回転円板２の半径方向に対して角度をつけた磁石の配置（図１１（ａ）参照）とそれに対応したコイルの配置（図１２参照）により、円板２の小型化が可能である。
片側ステータ部１０ａをシャフト７の軸方向に移動させることで、永久磁石５−コイル１２を有するコア１１間のギャップを調整し、永久磁石５とコア１１との吸着力を調整し、初期駆動トルクの低減を図ることができる。また、形状記憶合金を利用することで、廃熱を利用したギャップ調整機構を組み込むことができる。
さらに、円板２に溝３を形成することで、円板２回転時に空気の流れが起こり、円板２を円板ファンとした循環冷却機構を構成することができる。
【００１３】
円板２が回転する際に発生する風は中間板１４の外周周辺の小径冷却空気循環孔１３ｂを通り中間板１４の裏側（ローター１と中間板１４を介して反対側）に配置されたコイル１２を冷却しシャフト７を遊挿する大径冷却空気循環孔１３ａから円板２へと戻る構造となっているため、コイル等で発生した熱は冷却することができる。
円板２を多板化することが可能であり、高速化で対応できない出力の増加にも、最小の容積の増加で対応できる。
また、円板材料に繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）を用いることにより、回転質量を軽量化することができ、回転慣性を低減できる。また、曲げ剛性を非鉄金属よりも高く鉄並みにすることが可能であり、円板のたわみを防ぎ、ギャップを小さくすることができる。引張強度も磁石に比して十分大きく、高速回転に伴う高出力が達成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の円板型発電機におけるローターの半径方向断面図である。
【図２】本発明の円板型発電機におけるステータの半径方向断面図である。
【図３】図１及び図２のローターおよびステータで構成する本発明の円板型発電機の軸方向断面図である。
【図４】図３において、風の流れを密閉、循環型とした場合の円板が発生する風の流れを示す図である。
【図５】図４において、強制冷却する場合の円板が発生する風の流れを示す図である。
【図６】本発明の発電機の発電効果を示す電圧／電力−回転数特性図である。
【図７】本発明の発電機における溝３付き円板の送風能力を示す風速−回転数特性図である。
【図８】本発明の発電機における円板及び固定平板の溝３の有無に応じた風速−回転数特性である。
【図９】本発明の発電機において、ローターの円板を複数にし多板化した例の軸方向断面図である。
【図１０】図９において、密閉、循環型とした場合の円板が発生する風の流れを示す図である。
【図１１】図１のローターにおいて、回転円板の半径方向に対して外側の磁石と溝３を内側の磁石を基準として角度をつけて配置した半径方向断面図である。
【図１２】図１１のローターに対向するステータの半径方向断面図である。
【図１３】Ｎｉ−Ｔｉ−Ｃｕ合金コイルばねの２方向素子としての寿命特性（せん断ひずみ０．４５％）を示す。
【図１４】ローターとステータの間のギャップ調節機構を組み込んだ発電機の軸方向断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、回転機全般を対象としているが、実施の形態の説明の都合上、発電機を対象として以下説明する。当然、電動機等においても同じ特徴を有する。
まず、本発明の発電機の基本的な特徴を説明する。なお、以下の図面中で使用される同じ符号は同じ意味として説明を省略することがある。
図１は本発明の円板型発電機におけるローターの半径方向断面図である。図１（ａ）はシャフトの軸方向と直角を成す円板面の構成図、図１（ｂ）は図１（ａ）の円板が２枚の場合のＡ−Ａ断面図の１例、図１（ｃ）は図１（ａ）の円板が１枚の場合のＡ−Ａ断面図の１例を示す。
図２は本発明の円板型発電機における片側ステータ部の半径方向断面図である。
本発明の発電機は、図１に示すようにローター１の磁石５を埋め込んだ円板２を回転させ、図２に示す片側ステータ部１０ａ側に設置したコイル１２により電力を取り出す円板型の発電機であり、磁石５の埋め込み方、磁石５及びコイル１２の配置の仕方、円板２構成材料、そして自発的冷却機構に特徴を有する。上述の特徴を順次説明する。
【００１６】
（１．１）構造、発電上の特徴
図１に示す円板２における特徴について説明する。
ｉ）円板２は、例えば、軽量かつ高剛性な性質を持つＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）等のＦＲＰ（繊維強化プラスチック）製円板を１枚のみの構造（例えば、図１（ｃ）参照）又は２枚（各円板２ａ、２ａ）張り合わせた構造（例えば、図１（ｂ）参照）としている。円板２は厚みの程度にもよるが１枚でも実用上問題ない。以下、円板が２枚の例について説明する。
ｉｉ）２枚の円板２ａ、２ａの中に永久磁石５がシャフト７に垂直な方向に並べられている（図１（ｂ）参照）。
ｉｉｉ）磁石取り付け開口４、４ａ、４ｂは、貫通孔でも底のある穴でもよく、永久磁石５を円板２ａ、２ａから抜け止め固定できる手段であればよい。
【００１７】
磁石取り付け開口４が底のある穴の場合には、２枚の円板２ａ、２ａの穴を対向させ、その穴の中に永久磁石を収納するようにして両円板２ａ、２ａを接合する。
磁石取り付け開口４が図１（ｂ）に示す貫通孔の場合には、円板２ａ、２ａの接合面からシャフトの軸方向に向けて半径の小さくなるテーパー状の開口部分（円板の板厚の一部分でも可能）を設けた開孔とし、２枚の円板２ａ、２ａの穴の広口側を対向して、両穴間にこの穴の形状に整合した永久磁石５を挿入配置し、磁石挿入後穴孔径が大きい面を張り合わせ接着剤で固定することで永久磁石５が円板２から飛び出すのを防止している。
磁石取り付け開口４が半径一定で板厚方向に貫通する図１（ｃ）に示す開孔の場合には、同じ半径の開口に、この開口に整合する形状の永久磁石５を挿入し、かしめ止め状態に係止固定する。この状態の円板２ａ、２ａの２枚を張り合わせる。いずれにしても、磁石５の固定ができる手段であれば適宜採用できる。
ｉｖ）円板２には溝３が掘ってあり、高速回転させることで風が発生し、この風を循環させることで発熱するコイル１２を冷却する。溝３は、図１（ｂ）に示すように各円板２ａ毎に形成するか、又は、図１（ｃ）に示すように２枚で１つ形成することができる。溝３の板厚方向（シャフトの軸方向でもある）の断面形状は、風が発生する溝形状であればよい。更には、成形のしやすさから、溝３は、Ｕ字状、半円状や角のある凹状が好ましい。
ｖ）発電コイル（コイル１２）と磁石５の数を変えることで起動時トルクの低減を図っている。
【００１８】
（１．２）溝３だけをつけた円板２で空気の流れを起こすことができる原理について：
溝３の長さ方向は円板２の半径方向なので、円板２の回転方向（周方向）に対して垂直方向になる。円板２が回ると、溝３の中の空気は円板２と一緒に回転し、遠心力によって溝３に沿って外側へ流れていく。外側に流れた空気は溝３から飛び出し、そのまま円板２の外へと流れ、空気の流れが生じる。
また、溝３内の空気が外側に流れていくことで、ベルヌーイの定理により溝３内は低圧になり、溝３の上の空気が溝３に空気が巻き込まれるように入ってくるものと考えられる。
これらが連続して起こることにより、溝３のある円板２が回転するだけで空気の流れが起こるものと考えられる。
【００１９】
図２に示す中間板に設置された発電コイル１２における特徴について説明する。
ｉ）発電コイル１２はシャフト７に垂直な方向に中間板１４および筐体２１に固定されている。本発電機２０はコア付きコイル１２が回転しないため集電用ブラシは必要としない。
ｉｉ）中間板１４には空気循環用の穴１３が開けられていてローター１の中央の大径冷却空気循環孔１３ａから円板２に沿って円板２外周へと風が発生し、循環型の場合、中間板１４端部に開けられている小径冷却空気循環孔１３ｂを通りコア付きコイル１２を冷却するシステムとなっている。
ｉｉｉ）磁石５・コア１１間のギャップと円板２・中間板１４の間のギャップは後節で述べるが効率よく発電、冷却しようとするとギャップ長は等しくなく、個々のギャップ調整はコア長さを調整することで得るようにしている。
【００２０】
発電機全体２０の断面を図３に示す。この断面図は円板１枚の場合である。ローター１には円板２ａが２枚固定され、ローター１を外力により駆動することで円板２を回転し、図３に示した磁石５も回転させる。交互に配置したＳ極、Ｎ極磁石がコア１１を同時に横切ることで図３下に示される磁束フローが生じ発電が行われる。発電機としての特徴を示すと
ｉ）ローター１側には集電のためのブラシや配線はない。すなわち、ブラシ等で生じる抵抗がない。
ｉｉ）コイル１２のコア１１の珪素鋼板をコの字形とすることで円板２両側にコイル１２を配置することができ、漏洩磁束が少なく明確な磁束ループを作ることができる。すなわち、磁束を有効に利用し、両側で発電できる効率的な仕組みになっている。
ｉｉｉ）珪素鋼板のコア１１を円板２の両サイドに配置することで、円板２にかかる吸着力は平衡が保たれ、円板２の高速回転時の振動を抑え、上記ギャップを小さくすることもできる。
【００２１】
図３に示されている溝３が風を発生し、その風が円板２円周方向へと流れる。風の流れを密閉、循環型とした場合の円板２が発生する風の流れを図４に示す。
図４に示したローター１の開口３から円板面に沿って風が流れ、中間板１４端部に設置した空気循環孔１３ｂからコア付きコイル１２へと風が流れコイル１２を冷却する。図には示していないが、たまった熱は筐体２１外壁内部の冷却用フィン（図示省略）を加熱し、外壁冷却フィンにより放熱する。
強制冷却する場合は図５に示すように中間板１４端部の空気循環孔１３ｂを廃止し、直接、図５の吸い込み孔２５および吹き出し孔２６から吸排気する。
筐体の外部より冷却空気を供給（例えば、強制ファンは円板ファンとする）し、冷却を行えば良い。
内部循環型を考えた理由は、永久磁石５に希土類磁石であるネオジウムの使用を想定しており、ネオジウム磁石は錆び易く、高温になると磁力が著しく低下するため密閉循環型を考えた。
【００２２】
（１．３）繊維強化複合材料の使用：
本発明では、円板２材料に繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）を用いる。ＦＲＰとすることにより、回転質量を軽量化することができ、回転慣性を低減できる。また、曲げ剛性を非鉄金属よりも高く鉄並みにすることが可能であり、円板２のたわみを防ぎ、前記ギャップを小さくすることに寄与している。引張強度も磁石に比して十分大きく、高速回転すなわち高出力が可能となっている。
【００２３】
（１．４）その他：
本発明の回転機は、片側ステータ部１０ａ側にコイル１２を配置しているが、珪素鋼板によるコ字状のコア１１を用いると共に、円板２の両側にギャップを介してコイル１２を配置することで、明確な磁束ループを作ることができ、磁束を有効に利用することができ、しかも回転機が発電機の場合、両側で発電できる効率的な仕組みになっている。コア１１を円板２の両側に配置することで、円板２にかかる磁気的な吸着力は平衡が保たれ、円板２の高速回転時の振動を抑え、ギャップを小さくすることもできる。
【００２４】
（多板構造）
図３のように、ローター１を挟むように両側に片側ステータ部１０ａを対向配置する単板構造を単位として、この単位を図９および図１０に示すようにシャフト７方向に連設することで多板構造とする。
図９に示すようにローター１を多板化した場合の風の流れは単板の場合と同じシステムとなり図１０のような流れとなる。単板同様、複数の円板２を配置しても循環システムの変更はない。図１０の例でも、図４および図５の場合と同様に、強制冷却の場合は、空気吸入孔、排出孔の数を増やすだけで対応できる特徴を有する。
【００２５】
（小型化）
回転円板２の半径方向に対して角度をつけた磁石５の配置（図１１（ａ）参照）とそれに対応したコイルの配置（図１２参照）により、円板２の小型化が可能である。
図１２の片側ステータ部１０ｂの場合も図１１のローター１ａの場合と同じ原理であるから、図１１で説明する。図１１（ｂ）は図１の例を示している。図１１（ｂ）の内側磁石取り付け開口４ｂの中心を基点として、外側磁石取り付け開口４ａの中心をローターの中心から延ばした直線上から任意の角度θだけ回転させた位置へ移動させる。前記基点はローターの中心から等距離の円周上に位置する。他の溝も同じように前記基点を基準として任意角度回転させることで移動できる。
図１１（ａ）は前記角度θを４５度として傾斜させた例であり、要部となる磁石５、溝３、コア付きコイルを全て同じ原理で中心からの放射線上から４５度傾斜させている。
【００２６】
（ギャップ調整）
片側ステータ部１０ａをシャフト７の軸方向に移動させることで、永久磁石５−コイル１２を有するコア１１間のギャップを調整し、永久磁石５とコア１１との吸着力を調整し、初期駆動トルクの低減を図ることができる。また、後記するように形状記憶合金を利用することで、廃熱を利用したギャップ調整機構を組み込むことができる。
さらに、円板２に溝３を形成することで、円板２回転時に空気の流れが起こり、円板２を円板ファンとした循環冷却機構を構成することができる。
【００２７】
図３には、中間板１４に取り付けたコア１１付きコイル１２の配置および冷却空気循環孔１３が示してある。円板２が回転する際に発生する風は中間板１４の外周周辺の小径冷却空気循環孔１３ｂを通り中間板１４の裏側（ローター１と中間板１４を介して反対側）に配置されたコイル１２を冷却しシャフト７を遊挿する大径冷却空気循環孔１３ａから円板２へと戻る構造となっており、筐体２１の外壁に冷却フィン（図示省略）を取り付けることで熱は外部空間へと放出することができる。
本発明では、後記するように円板２を多板化することが可能であり、高速化で対応できない出力の増加にも、最小の容積の増加で対応できる。
また、円板材料に繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）を用いている。ＦＲＰとすることにより、回転質量を軽量化することができ、回転慣性を低減できる。また、曲げ剛性を非鉄金属よりも高く鉄並みにすることが可能であり、円板２のたわみを防ぎ、ギャップを小さくすることに寄与している。引張強度も磁石５に比して十分大きく、高速回転に伴う高出力が達成できる。
【実施例】
【００２８】
（１）構造、出力特性上の特徴点
本発明は、回転機全般を対象としているが、実施例の説明の都合上、以下、発電機、特に円板型発電機を対象として説明する。
【００２９】
図１は本発明の円板型発電機におけるローターの半径方向断面図である。図１は図３のＡ−Ａ断面図である。
図２は本発明の円板型発電機における片側ステータ部の半径方向断面図である。図２は図３のＢ−Ｂ断面図である。
図３は図１及び図２のローターおよび片側ステータ部で構成する本発明の円板型発電機の軸方向断面図である。
本発明の発電機は、図１〜３に示すように円板２に永久磁石５を埋め込んだ円板型のローター１を回転させ、ステータ側に設置したコイル１２により電力を取り出す円板型発電機であり、永久磁石５の埋め込み方、永久磁石５及びコイル１２の配置の仕方、ローター１構成材料、および後記する冷却機構に主な特徴を有する。
【００３０】
（ローター）
ローター１は、図１に示すように、非磁性材の円板２とシャフト７からなる。円板２には、円形のシャフト用開孔６、複数の円形の磁石取り付け開口４、および複数の長尺状の溝３が円板２の半径方向に形成されている。円板２は、上記のように、１枚の円板であっても、また、２枚の円板２ａ、２ａを張り合わせた円板であってもよい。
円形の磁石取り付け開口４は、外側磁石取り付け開口４ａと内側磁石取り付け開口４ｂからなる。
磁石取り付け開口４および溝３の数および形状は、基本的に、その回転機としての出力（例えば、発電機であれば発電電力、また、電動機であれば回転トルクおよび回転数等の出力）、動作時の設定温度等の目標に応じた冷却能力に応じて自由に設定することができる。これに応じて、永久磁石５は、円形の板状体として形成され、外側磁石取り付け開口４ａに嵌合固定される外側永久磁石５ａと内側磁石取り付け開口４ｂに嵌合固定される内側永久磁石５ｂからなる。永久磁石５は円板２の板厚方向（シャフト用開孔６に嵌合するシャフト７の軸方向でもある）にＮＳ又はＳＮと着磁される。
【００３１】
円板２の材料は、形状を維持する性質の高い非磁性材料一般が適用可能で、例えばＦＲＰ（繊維強化プラスチック（Fiber Reinforced Plastics, FRP））や非磁性ステンレスとする。
磁石取り付け開口４は、円板２のシャフト用開孔６の中心を全体の中心として、中心角４５度（任意の磁石取り付け開口４ａと４ｂの１組を基準として）の線上に半径方向外方に向けて複数個離間して形成されている。
溝３は、円板２のシャフト用開孔６の中心を全体の中心として、その磁石取り付け開口４に対して円周方向に離間すると共に中心角４５度（任意の１つの溝３を基準として）の線上に互いに離間して形成される。溝３は、円板２の両側面側又は片側面側に形成する。
この例では、永久磁石５は、円形の磁石取り付け開口４に嵌合するように円形に形成され、溝３は長尺状に形成されているが、磁石取り付け開口４と溝３の形状およびサイズは、互いに接触せず、且つ、円板２の機械的強度が保てる範囲で自由とする。また、円板２の板厚サイズは、上記磁石取り付け開口４と溝３および開孔６を形成しても、加わる力に対して変形しない範囲とする。
【００３２】
シャフト用開孔６にはシャフト７が嵌合固定されている。
上記各サイズは、参考までに例示すると、円板２の半径を１とすると、図１〜３の例では、磁石取り付け開口４ａおよび４ｂの中心位置は円板２の中心から０．５５（４ａの場合）と０．９０（４ｂの場合）となり、磁石取り付け開口４ａおよび４ｂの径は０．２となる。
また、同じく、溝３の半径方向の長さは０．５３、溝３の円周方向の幅は０．０５３、溝３の内側端（円板２中心に最も近い）から円板２中心までの距離は０．４３となる。
【００３３】
（ステータ）
ステータ１０は、全体として、図２の片側ステータ部１０ａが、図１のローター１を挟むように一対組になって対向して配置される構成をとる。
図２の片側ステータ部１０ａは、図３のＢ−Ｂ断面図に示すように、中間板１４、断面四角形で一対のコイル巻回用脚１１ａと１１ｂを連結脚１１ｃで連結したコ字形のコア１１、コイル巻回用脚１１ａと１１ｂに巻回したコイル１２ａと１２ｂから構成される。
中間板１４は、四辺形の平板からなり、複数の冷却空気循環孔１３とコア固定用開孔１５が平板を貫通して開孔されている。
【００３４】
冷却空気循環孔１３は、中間板１４の各辺に沿った周辺に複数個離散配置される小径冷却空気循環孔１３ｂと、中間板の中心部に設けられる大径冷却空気循環孔１３ａからなる。大径冷却空気循環孔１３ａ内には、シャフト７が挿通配置される。
コア固定用開孔１５は、それぞれコア１１の断面形状の四角形に形成され、１対のコイル巻回用脚に対向して２個１組として設けられる。コア固定用開孔１５は、中間板の中心から中心角６０度毎に放射状に延びる線上に１対形成される。
【００３５】
冷却空気循環孔１３は、コイルを巻回したコアをコア固定用開孔１５に嵌合固定したとき、このコイルを巻回したコアにより覆われない位置に形成する。
冷却空気循環孔１３は、中心に大径冷却空気循環孔１３ａから出た冷却空気がコイルを冷却しながら周辺の小径冷却空気循環孔１３ｂに吸い込まれ、又は、その逆の経路で吸い込まれる（又は吐き出される）ような位置に形成される。
【００３６】
図２の例では、コア１１は、６極対応となっているが、任意の極数でも可能である。
図１のように、シャフト７の軸方向に垂直な方向に永久磁石５を並べることで、円板２上に多数の永久磁石５を配置でき、回転機としての出力を上げることができる。
永久磁石５は、前記嵌合手段以外に、２分割し対向面側に向けて半径が増加するテーパーを付けた穴を有する一対の円板間に配置し、両円板２ａ、２ａを張り合わせることにより、円板２から飛び出すことなく固定できる。これによれば、円板２表面とほぼ同じ面に磁石面を持ってくることができ、コイルとのギャップを非常に小さくすることで発電能力をあげることが可能となる。
【００３７】
（組立体）
図３は、組み立てた組立体の断面図である。筐体２１は、ステータ１０およびローター１を収容し、図示省略したが任意の分割形態で分割するように構成される。
筐体２１内に一対の片側ステータ部１０ａを対向配置し、両片側ステータ部１０ａ間にローター１を所定のギャップを介して配置し、ローター１のシャフト７を筐体２１のベアリング２２で回動自在に軸支する。
【００３８】
片側ステータ部１０ａは、中間板１４の周囲の辺とコア１１の連結脚１１ｃにより筐体２１の内壁に位置決め保持される。中間板１４は、筐体２１の内部収容空間を画成する内側壁に圧接係止される。中間板１４は、大径冷却空気循環孔１３ａにシャフト６を遊挿し、断面コ字状のコア固定用開孔１５に断面コ字状のコア１１のコイル巻回用脚１１ａ、１１ｂの先端近傍（コイル巻回部分より先端へ向かう部分）を嵌合固定している。
このように組み立てられる際、中間板１４の小径冷却空気循環孔１３ｂはコイル１２を巻回したコア１１により覆われることが無い位置に形成されている。
【００３９】
ローター１の永久磁石５がローター１の板厚方向（シャフト７の軸方向）にＮＳと磁化されている場合、永久磁石５の磁束２３は、図３に例示するように、（内側の）永久磁石５のＳ極→（右側の）コア１１の一端にＮ→（右側の）コア１１の他端にＳ→（外側の）永久磁石５のＮ極→（外側の）永久磁石５のＳ極→（左側の）コア１１の一端にＮ→（左側の）コア１１の他端にＳ→（内側の）永久磁石５のＮ極→（以下、同じ順路）の順路で形成される。
【００４０】
このように、ローター１の永久磁石５から出た磁束は、対向して設ける片側ステータ部
１０ａのコ字状コア１１中を透過して元の永久磁石５へ戻る閉磁路を形成するので、漏れ磁束が極めて少なくなり、従来のような永久磁石に対して片側だけの磁路を設ける回転機に比べ、発生磁束の有効利用効率が格段に良くなる効果がある。これに伴って、本願発明の回転機の出力特性が、前記従来例に比べ、格段に改善される。
【００４１】
（発電、送風の検証）
個々のパーツとして発電、送風の検証実験を行った結果を説明する。
発電機としての仕様としては、直径１００ｍｍ円板に直径９ｍｍのネオジウム磁石２４個６対（２個重ね６０度間隔）を取り付けモータにより回転を与える。発電を行うコア付きコイルはコ型のコア（珪素鋼板２０枚重ね）に０．５ｍｍφのエナメル線を２６０巻き＊２式（コ型上下の珪素鋼板に１個づつ）及び０．４ｍｍφのエナメル線を５００巻きが２基（円周０度、１８０度の位置）とした。
【００４２】
発電効果を図６に示す。縦軸は電圧（Ｖ）／電力（Ｗ）、横軸は回転数（ＲＰＭ）を示す。図６の特性を表１、表２に示す。
０．５ｍｍφのエナメル線の場合、１対のコア付きコイルの発電量は２００００ｒｐｍで４０．８Ｗ、０．４ｍｍφのエナメル線の場合は２００００ｒｐｍで１８．５４Ｗとなった。２個のコア付きコイルのエナメル線を直列配線すると５０Ｖ８０Ｗの発電となる。図には示していないが磁石径を１５ｍｍφを８個２対（２個重ね１８０度間隔）、エナメル線を０．７ｍｍφ１３２巻きと１００巻きを両サイドのコアに取り付け２個のコイルを直列配線とした場合は、２００００ｒｐｍで電圧が７３．７Ｖ、電力は７３．７Ｗとなった。この数値は実験段階のため磁石径、線径、巻き線数等は試行錯誤により得られたデータであることを付記する。上記のことから磁石径を大きくし、配置を４５度間隔、線径、巻き線数を最適化することで目標値の三相数百Ｗの発電は計算上可能である。（両面発電することで倍増する）。
【００４３】
【表１】
【００４４】
【表２】
【００４５】
つぎに、図７に溝３付き円板の送風能力について示す。縦軸は風速（ｍ／ｓ）、横軸は回転数（ＲＰＭ）を示す。
図７の特性を表３、表４、表５に示す。
１００ｍｍφの円板２に半円溝３を８本（４５度間隔）削り、固定平板との間隔を変化させた実験結果を図７に示す。溝３は球形エンドミル（１．５Ｒ）で研削を行い幅３ｍｍ、深さ１．５ｍｍ、長さ２３ｍｍとし、軸から放射状に４５度間隔８本研削している。固定平板・円板２間のギャップを大きくすることで送風能力は高まり２ｍｍから２．５ｍｍで最大となり、さらにギャップを増やすことで送風能力は劣化する。計測した最大値はギャップ２．５ｍｍ、１５６２４ｒｐｍで中心最大風速８．８ｍ／ｓとなっている。平均風速としては最大風速の１／２なので４．４ｍ／ｓの平均風速となり冷却能力を有していることがわかる。
【００４６】
【表３】
【００４７】
【表４】
【００４８】
【表５】
【００４９】
図８は円板２及び固定平板に溝３無し、円板２及び固定平板に０．５Ｒの溝３付き、円板２に１．５Ｒの溝３及び固定平板は溝３無しの３種類の実験結果を示している。
縦軸は風速（ｍ／ｓ）、横軸は回転数を示す。図８の特性を表６、表７、表８に示す。
溝３無しで円板２の抵抗だけで送風を行うと中心最大値は４ｍ／ｓ（平均風速２ｍ／ｓ）の送風能力しかない。また、幅１ｍｍ、深さ０．５ｍｍ（０．５Ｒ）の溝３の場合は、溝３無しよりは若干良い傾向を示しているが１６０４９ｒｐｍで４．１５ｍ／ｓの最大風量しかなく溝３の大きさは大きい方が高い風量となっている。
【００５０】
【表６】
【００５１】
【表７】
【００５２】
【表８】
【００５３】
以上の結果から、発電するための磁石−コア間のギャップは少ない方が良く、風量を高めるためには最適なギャップが存在するため、ギャップ調整はコアの長さと中間板でそれぞれのギャップ調整を行う方法を採用する。中間板からコアが出て抵抗となるが中間板を狭くしてコイル温度の上昇を招き、永久磁石の磁束密度劣化、発電効率を低下させるよりも冷却送風し温度を低下させることが重要なファクターである。
【００５４】
（円板の多板化）
本発電機は図９に示すようにローターに円板２を複数設置し多板化することが可能である。中間板を固定金具とし、コア付きコイルを固定し円板磁石がコアを横切ることで磁束が閉ループを組み直列に配置した各コイルが起電力を発生する。そのときの磁束の流れを示すと図下に示した流れとなり磁石とコアが直列となったとき各コイルは最大の電圧を発生する。横切る磁石の極が反転することで反転した電圧・電流が発生し交流電源となる。
この場合、中間のコイルコアはコ型ではなく直方体で良く上下のコイルを集電すればよい。多板化した場合の風の流れは単板と同じシステムとなり図１０のような流れとなる。単板同様、複数の円板２を配置しても循環システムの変更はない。強制冷却の場合は、空気吸入孔、排出孔の数を増やすだけで対応できる特徴を有する。
【００５５】
（発電機の小型化）
回転円板２の半径方向に対して角度をつけた磁石の配置（図１１（ａ）参照）とそれに対応したコイルの配置（図１２参照）により、円板２の小型化が可能である。
図１１（ａ）は要部を４５度傾斜させた場合であり、要部となる磁石、溝３、コア付きコイルを全て放射線上から４５度傾斜させている。
具体的な作成過程を図１１（ｂ）に基づいて説明する。
【００５６】
図１１、図１２における永久磁石等の配置について
図１に対応する図１１（ｂ）において、ローター中心を中心とし、内側の永久磁石の中心を通る円を描いたものが図１１（ｂ）の破線です。これが溝３と交差する点及び内側の永久磁石の中心（図１１（ｂ）の×印）、図１１（ｂ）においては内側のコイルの中心を中心にして、永久磁石の内側外側の１セット、溝３１本、コイルの内側外側のそれぞれ１セット毎に４５度回転させたものが、図１１（ａ）、図１２における、永久磁石、溝３、コイルの配置となります。
【００５７】
コイル数は３相電源対応となるように１２０度ごとに設置している。永久磁石は同数の場合、静止時に珪素鋼板と引き合うため大きな駆動トルクがかかるためコイル数より多く配置している。図からも明らかなように傾斜させることで半径が小さくできコイルスペースの余裕により角度を調整すればよい。
【００５８】
（形状記憶合金の応用）
形状記憶合金を利用することで、廃熱を利用したギャップ調整機構を組み込むことができる。
【００５９】
（形状記憶合金を使った仕組みの実現性について）
図１３は、Ｎｉ−Ｔｉ−Ｃｕ合金コイルばねの２方向素子としての寿命特性（せん断ひずみ０．４５％）を示し、温度−発生力曲線の変化を表す。
一般の合金では歪みを与えたとき結晶状態は変わらず、すべりによって変形するため力を除いても元には戻らない。一方形状記憶合金では、まず冷却によって母相であるオーステナイト相からマルテンサイト相へと相変化する。この状態である程度の歪みを与えてもすべりは生じずにせん断変形する。
【００６０】
ここで温度を上げるとマルテンサイト相から母相に相変化してせん断変形がなくなり、元の形状に戻る。すべりが生じない程度の歪み（１％程度）に抑えるためには、合金をばね状にして合金の総距離を長くすれば良い。力の調節はばね線の太さを変えるかばねの本数を変えることでできる。図１３（ａ），（ｂ），（ｃ）に剪断応力−温度特性として示すように、繰り返しにおいても有効な力の発生を維持できる。
発電機への応用では、発電させる前はギャップが広がった状態にしておき、運転して温度が上昇した場合にギャップが狭まるようにすることで、運転開始に必要なトルクを軽減し、かつ高効率に発電できるようになる。
【００６１】
図１４に示すように、コイルばね３３と形状記憶合金、例えば線状の形状記憶合金３１を組み合わせ、廃熱温度によりギャップ３２を増減させることで温度感応型安全装置となる。
通常、形状記憶合金（チタンとニッケルの配合が５０％の場合）の総変態温度は５０℃から６０℃であり、５０℃を越えると形状記憶合金３１の伸縮力がコイルバネ３３のバネ状数を越え形状記憶合金３１は縮む。逆に形状記憶合金３１は６０℃を下回ると伸縮力が弱まりコイルバネ３３の力で延ばされ元の長さへ戻る。ギャップ３２間隔は高温になった場合広げれば良いので反転装置（例えば、てこのようなもの（図示省略））を組み込むことで実現は可能でありエネルギーを使わないパッシブな安全装置となる。
図１４は起動時の吸着力を低減させるよう形状記憶合金３１が暖まった場合にギャップ３２を小さくするように設計したものであるが、てこ等を組み込むことで反転させることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明は低速回転から高速回転まで幅広く対応可能な技術であり、発電機を利用する産業一般に利用することが可能である。特に、風力発電における発電機が考えられる。また、ＦＲＰを用いることで軽量化していることから、自動車用発電機としての利用も可能である。
【符号の説明】
【００６３】
１、１ａ ローター
２ 円板
３、３ａ 溝
４ 磁石取り付け開口
４ａ 外側磁石取り付け開口
４ｂ 内側磁石取り付け開口
５ 永久磁石
６ シャフト用開孔
７ シャフト
１０ ステータ
１０ａ、１０ｂ 片側ステータ部
１１ コア
１１ａ、１１ｂ コイル巻回用脚
１１ｃ 連結脚
１２ ステータコイル
１２ａ 外側ステータコイル
１２ｂ 内側ステータコイル
１３ 冷却空気循環孔
１３ａ 大径冷却空気循環孔
１３ｂ 小径冷却空気循環孔
１４ 中間板
１５ コア固定用開孔
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ 発電機
２１ 筐体
２２ ベアリング
２３ 磁束
２４ 風の流れ
２４ａ、２４ｂ 風の流れ（強制）
２５ 吸い込み孔
２６ 吹き出し孔
３１ 形状記憶合金部材
３２ ギャップストッパー
３３ バネ
３４ 変態温度に達すると収縮する方向
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ローターと、ステータと、それらを収納する筐体からなり、
前記ローターは円板とシャフトからなり、
前記円板は回転時風を発生する溝を有し、
前記ステータは前記ローターが発生した風を前記筐体内に循環させるように前記ローターに対し所定のギャップを介して対向配置した中間板を有することを特徴とする回転機。
【請求項２】
前記中間板は、前記シャフトを遊挿する大径冷却空気循環孔と、前記大径冷却空気循環孔と組み合わせて前記風の流通路を構成する小径冷却空気循環孔を有することを特徴とする請求項１記載の回転機。
【請求項３】
前記小径冷却空気循環孔を前記中間板の周辺部近傍に設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の回転機。
【請求項４】
前記中間板には、１対のコイルを巻回したコイル巻回脚と両前記コイル巻回脚を連結する連結脚からなるコ字状のコアを、複数個、前記中間板のコア固定用孔に前記コイル巻回脚を嵌合固定することにより固定し、
前記ローターには、前記コアと組み合わせて磁路を構成するように、前記コイル巻回脚に対向して永久磁石を嵌合固定したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の回転機。
【請求項５】
前記ローターは、円板とシャフトからなり、
前記円板は複数の磁石取り付け開口にそれぞれ前記永久磁石を嵌合固定すると共に複数の溝を有することを特徴とする請求項４記載の回転機。
【請求項６】
前記磁石取り付け開口および前記溝を前記円板の中心から放射状に延びる線上に中心を有するように形成したことを特徴とする請求項５記載の回転機。
【請求項７】
前記ステータは一対の片側ステータ部からなり、
前記円板と該円板の両側の前記片側ステータ部の組を任意数シャフトの軸方向へ間隔を設けて配置したことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の回転機。
【請求項８】
前記円板は繊維強化プラスチック製としたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の回転機。
【請求項１】
ローターと、ステータと、それらを収納する筐体からなり、
前記ローターは円板とシャフトからなり、
前記円板は回転時風を発生する溝を有し、
前記ステータは前記ローターが発生した風を前記筐体内に循環させるように前記ローターに対し所定のギャップを介して対向配置した中間板を有することを特徴とする回転機。
【請求項２】
前記中間板は、前記シャフトを遊挿する大径冷却空気循環孔と、前記大径冷却空気循環孔と組み合わせて前記風の流通路を構成する小径冷却空気循環孔を有することを特徴とする請求項１記載の回転機。
【請求項３】
前記小径冷却空気循環孔を前記中間板の周辺部近傍に設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の回転機。
【請求項４】
前記中間板には、１対のコイルを巻回したコイル巻回脚と両前記コイル巻回脚を連結する連結脚からなるコ字状のコアを、複数個、前記中間板のコア固定用孔に前記コイル巻回脚を嵌合固定することにより固定し、
前記ローターには、前記コアと組み合わせて磁路を構成するように、前記コイル巻回脚に対向して永久磁石を嵌合固定したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の回転機。
【請求項５】
前記ローターは、円板とシャフトからなり、
前記円板は複数の磁石取り付け開口にそれぞれ前記永久磁石を嵌合固定すると共に複数の溝を有することを特徴とする請求項４記載の回転機。
【請求項６】
前記磁石取り付け開口および前記溝を前記円板の中心から放射状に延びる線上に中心を有するように形成したことを特徴とする請求項５記載の回転機。
【請求項７】
前記ステータは一対の片側ステータ部からなり、
前記円板と該円板の両側の前記片側ステータ部の組を任意数シャフトの軸方向へ間隔を設けて配置したことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の回転機。
【請求項８】
前記円板は繊維強化プラスチック製としたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の回転機。
【図６】
【図７】
【図８】
【図１３】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１４】
【図７】
【図８】
【図１３】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１４】
【公開番号】特開２０１１−１９９９８２（Ｐ２０１１−１９９９８２Ａ）
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６２３９６（Ｐ２０１０−６２３９６）
【出願日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
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