直流電動機
【課題】効率の良い直流電動機を提供できる。
【解決手段】コア８１ａ、コア８１ｂに巻回される磁気コイル８ａ、８ｂに電流を流すことによって、磁極面が形成される固定部と、固定部の磁極面と平行して配置される回転板６と、回転板６の回転中心から垂直方向に伸びるシャフト４と、シャフト４に固着されたカム９ａと、軸受５ａおよび軸受５ｂと、固定部の磁極面の側に磁極面が配置されるように、回転板６に固着された永久磁石７ａ、永久磁石７ｂと、固定部の磁極面と回転板に固着された永久磁石７ａ、永久磁石７ｂの磁極面とが対面する所定時間だけ、磁気コイル８ａ、磁気コイル８ｂに電流を流すようにカム）ａの回転に応じて導通または切断するスイッチ１０と、を備えるようにした。
【解決手段】コア８１ａ、コア８１ｂに巻回される磁気コイル８ａ、８ｂに電流を流すことによって、磁極面が形成される固定部と、固定部の磁極面と平行して配置される回転板６と、回転板６の回転中心から垂直方向に伸びるシャフト４と、シャフト４に固着されたカム９ａと、軸受５ａおよび軸受５ｂと、固定部の磁極面の側に磁極面が配置されるように、回転板６に固着された永久磁石７ａ、永久磁石７ｂと、固定部の磁極面と回転板に固着された永久磁石７ａ、永久磁石７ｂの磁極面とが対面する所定時間だけ、磁気コイル８ａ、磁気コイル８ｂに電流を流すようにカム）ａの回転に応じて導通または切断するスイッチ１０と、を備えるようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
整流子とブラシを有する直流電動機が従来から広く用いられている。回転力を得る直流電動機では、回転部（回転子）が固定部に対して回転するようになされ、両者の間に働く電磁力によって、回転エネルギーは得られる。ここで、従来の直流電動機では、回転周期の全周期に渡り回転エネルギーを得て回転部を回転させるようにしている。
【特許文献１】特開２００６−０３４０８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述した、従来の直流電動機では、回転駆動力（トルク）の大きさは、回転部の回転角度に応じて変化する。すなわち、回転部の磁極と固定部の磁極とが接近しているほど、大きな回転駆動力が得られ、電磁気力の利用効率が高いものである。しかしながら、回転の全周期に渡り回転エネルギーを得るようにしているので、回転部の磁極と固定部の磁極とが離れている場合には、大きな回転エネルギーを得ることができない。このために、１回転に渡り入力された電気エネルギーの平均値と得られる機械エネルギーとの平均値との比として得られる電磁気力の利用効率（以下、単に効率と省略する）は必ずしも高いものとは言えなかった。利用効率を向上するために、回転部と固定部との各々の磁極の数を非常に大きくし、大きな数に分割した整流子とブラシとを用いる方式も採用されているが、構造が複雑となり、装置の価格は効果なものとなった。
【０００４】
本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、直流電動機の効率を簡単な構造によって向上する技術を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の直流電動機は、コアに巻回される磁気コイルに電流を流すことによって、磁極面が形成される固定部と、前記固定部の前記磁極面と平行して配置される回転板と、前記回転板の回転中心から前記回転板の表面に対して垂直方向に伸びるシャフトと、前記シャフトに固着され、前記シャフトの回転角度に対応して回転中心から外周までの距離が異なるように形成されたカムと、前記シャフトを前記固定部に保持し、前記回転板を前記固定部に対して回転可能とする軸受と、前記回転板の一方の表面側に一方の磁極面が配置され、前記回転板の他方の表面側に他方の磁極面が配置される永久磁石と、前記固定部の磁極面と前記回転板に固着された前記永久磁石の磁極面とが対面する所定時間だけ、前記磁気コイルに電流を流すように前記カムの回転に応じて導通または切断するスイッチと、を備える。
【０００６】
本発明の直流電動機では、コアに巻回される磁気コイルに電流を流すことによって、磁極面が形成される固定部を備える、また、回転板に固着された永久磁石を備える。そして、固定部の磁極面と回転板に固着された永久磁石の磁極面とが対面する所定時間だけ、磁気コイルに電流を流すようにカムの回転に応じて導通または切断するスイッチを備える。これによって、効率良く回転板を回転させることができる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の直流電動機によれば、固定部の磁極面と回転板に固着された永久磁石の磁極面とが対面する所定時間だけ、磁気コイルに電流を流すようにして、効率の良い直流電動機を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を引用して実施形態の直流電動機の説明をおこなう。
【０００９】
図１は第１実施形態の直流電動機である２極直流電動機を模式的に示す図である。図１（Ａ）は２極直流電動機の側面図を模式的に示し、図１（Ｂ）は２極直流電動機の平面図を模式的に示すものである。
【００１０】
２極直流電動機は、固定部と可動部とから構成されている。固定部は固定板１（第１固定板）と固定板３（第２固定板）とを有している。固定板１と固定板３との離間距離は、４本の支柱である支柱２ａ、支柱２ｂ、支柱２ｃ、支柱２ｄによって、均一に保たれ、固定板１と固定板３とは平行に配置されている。
【００１１】
固定板３には、磁性体のコア８１ａとコア８１ｂの周りに巻線が巻回されて形成される電磁コイル８ａ（第１電磁コイル）と電磁コイル８ｂ（第２電磁コイル）とが固着されている。電磁コイル８ａと電磁コイル８ｂとは、シャフト４を回転中心として１／２回転(１８０°)回転して元の図形に重なる回転対称性を有する、２回対称の位置に配置されている。また、固定板１にはスイッチ１０が固着されている。電磁コイル８ａと電磁コイル８ｂとは、並列に接続されている。この並列接続された電磁コイル８ａと電磁コイル８ｂとに対して、直流電源１２（例えば電源バッテリー）とスイッチ１０とが直列に接続されている。
【００１２】
回転部は、永久磁石７ａと永久磁石７ｂとを固着した円板状の回転板６とシャフト４によって形成されている。シャフト４は回転板６の表面に対して垂直に伸びるように、溶接、ボルト締め、接着剤等によって固着されている。永久磁石７ａと永久磁石７ｂとは、回転板６に設けた孔部に埋め込むようにして固着されている。永久磁石７ａと永久磁石７ｂとのＮ極が回転板６の一方の表面側に配置されている。また、永久磁石７ａと永久磁石７ｂとのＳ極が回転板６の他方の表面側に配置されている。ここで、永久磁石７ａおよび永久磁石７ｂは、回転板６に埋め込むように配置され、永久磁石７ａおよび永久磁石７ｂの磁極面の位置は、回転板６の表面から出ないように配されている。また、永久磁石７ａと永久磁石７ｂとは、シャフト４を回転中心として１／２回転(１８０°)回転して元の図形に重なる回転対称性を有する２回対称の位置に配置されている。回転板６は、例えば、ステンレスを材料としている。
【００１３】
シャフト４の回転板６の一方の表面側は、ベアリング軸受５ａによって保持され、シャフト４の回転板６の他方の表面側は、ベアリング軸受５ｂによって保持されている。また、ベアリング軸受５ａは固定板１に固着され、ベアリング軸受５ｂは固定板３に固着され、回転部は固定部に対して回転自在とされている。
【００１４】
シャフト４にはカム９ａが固着されている。カム９ａは、シャフト４の回転角度に対応して、カム９ａの回転中心から外周までの距離が異なるようにされた平板である。つまり、シャフト４が回転するにつれて、カム９ａの外周に接する押釦１０ａに周期的な運動を与える。カム９ａも同様に２回対称を有する図形として形成されている。例えば、カム９ａは楕円状とされている。
【００１５】
カム９ａはこのような形状を有するので、１回転で２回、スイッチ１０を導通させる。すなわち、永久磁石７ａまたは永久磁石７ｂが、電磁コイル８ａまたは電磁コイル８ｂと対抗する位置で、スイッチ１０に配された押釦１０ａを押してスイッチ１０を導通とする。このような機能を発揮する形状であれば、カム９ａの形状は、楕円形状に限るものではなく、例えば、２回対称を有する他の図形である平行四辺形であっても良い。
【００１６】
図２は、２極直流電動機の動作を示すための模式図である。図２では、２極直流電動機の動作の説明に必要な範囲で図１に示す各部の一部のみが示されている。図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）、図２（Ｄ）は時間経過に応じた、固定部と回転部との相対位置関係を示すものである。紙面左側の縦一列の図は側面図であり、紙面の右側の縦一列の図は平面図である。また、紙面左側の側面図と紙面の右側の平面図とは、同一時間に対応している。図２（Ａ）〜図２（Ｄ）においては、回転中心（＋で示す）に対して対称な形状を有するカム９ａの回転角度を分かり易くするために、白丸が付されている。
【００１７】
最上段に示す図２（Ａ）は、カム９ａがスイッチ１０の押釦１０ａを押している導通状態を示す図である。カム９ａの回転中心と、細い棒状の押釦１０ａの先端のカム９ａと接する点と、を結ぶ直線を基準線として以下説明をする。楕円形とされるカム９ａの長軸が、基準線に対してなす角度が、微小角度範囲（例えば、±１°〜±１０°）では、カム９ａの形状に起因して、カム９ａがスイッチ１０の押釦１０ａを押している導通状態とされる。ここで、微小角度範囲は、カム９ａの形状をどのようなものにするかによって管理することができる。なお、カム９ａが一回転する角度は言うまでもなく３６０°である。
【００１８】
スイッチ１０の押釦１０ａが押されることによって、電磁コイル８ａと電磁コイル８ｂとには直流電源１２から電流が流れる。これによって、図２（Ａ）に示すように、回転板６の永久磁石７ａのＳ極に対面するコア８１ａにＳ極が発生し、回転板６の永久磁石７ｂのＳ極に対面するコア８１ｂにＳ極が発生する。また、固定板３に接するコア８１ａおよびコア８１ｂの面にＮ極が発生する。そして、固定部のＳ極と回転部のＳ極の反発力によって、回転部は固定部に対してシャフト４を中心とする回転力が生じる。ここで、回転力の生じる方向は、固定部のＳ極と回転部のＳ極がどちらかにずれるとずれた方向に力が働くので、最初に回転力が付与された方向へ以後は、回転板６は回転することとなる。図２（Ａ）〜図２（Ｄ）では、最初の回転力が矢印で示す方向に加わるものとして、その後の回転力の方向を図示している。
【００１９】
最上段から紙面の下方へ下がって１番目の図２（Ｂ）は、カム９ａがスイッチ１０の押釦１０ａを押している導通状態が解除された直後を示す図である。電磁コイル８ａと電磁コイル８ｂとには直流電源１２から電流が流れることはなく、コア８１ａとコア８１ｂに磁極が発生することはなく、固定部と回転部との間で回転駆動力が生じることはない。しかしながら、回転板６の有する回転モーメントによって回転板６は回転を続ける。つまり、回転板６はフライホイールとして機能することとなる。
【００２０】
最上段から紙面の下方へ下がって２番目の図２（Ｃ）では、回転板６の回転に伴いカム９ａは基準線に対して１８０°近く回転している。より正確には、カム９ａの基準線に対する角度は、１８０°から微小角度減算した角度となっている。これ以上（例えば、１８０°-１°〜１８０°-１０°以上）、回転板６が回転するとカム９ａの形状に起因して、カム９ａがスイッチ１０の押釦１０ａを押している導通状態となるが、図２（Ｃ）は、カム９ａがスイッチ１０の押釦１０ａを押す直前の状態を示す図である。図２（Ｂ）から図２（Ｃ）に示す範囲では、スイッチ１０は切断状態である。
【００２１】
最下段の図２（Ｄ）は、カム９ａがスイッチ１０の押釦１０ａを押している導通状態を示す図である。基準線に対して、楕円形とされるカム９ａの長軸が、基準線に対してなす角度が、微小角度範囲（例えば、１８０°±１°〜１８０°±１０°）では、カム９ａの形状に起因して、カム９ａがスイッチ１０の押釦１０ａを押している導通状態とされる。スイッチ１０の押釦１０ａが押されることによって、電磁コイル８ａと電磁コイル８ｂとには直流電源１２から電流が流れる。
【００２２】
これによって、図２（Ｄ）に示すように、回転板６の永久磁石７ｂのＳ極に対面するコア８１ａ（電磁コイル８ａの中心に位置している）にＳ極が発生し、回転板６の永久磁石７ａのＳ極に対面するコア８１ｂ（電磁コイル８ｂの中心に位置している）にＳ極が発生する。また、固定板３に接するコア８１ａおよびコア８１ｂの面にＮ極が発生する。これによって、再び矢印で示す方向に回転力が生じる。
【００２３】
図２（Ａ）〜図２（Ｄ）に示す過程が繰り返されて２極直流電動機の回転部は回転を維持する。そして、シャフト４から得られる回転力を回転動力源として用いることができる。ここで、２極直流電動機においては、１回転（３６０°）の中で、２回、所定角度の間、例えば、±１°〜±１０°の範囲と、１８０°±１°〜１８０°±１０°の範囲とにおいて、電磁コイル８ａと電磁コイル８ｂとには直流電源１２から電流が供給される。つまり、２極直流電動機においては、１回転（３６０°）の中で、２回、所定角度の間において、電磁コイル８ａと電磁コイル８ｂとには直流電源１２から電流が供給される。これによって、１回転の間で、２回、微小角度、すなわち、回転板６が１回転するに必要な時間に対して短時間の所定時間だけ回転駆動力が作用する。
【００２４】
ここで、回転駆動力が作用する範囲は、電磁コイル８ａと電磁コイル８ｂとから発生する磁束と、永久磁石７ａと永久磁石７ｂから発生する磁束とが、拡散することなく、最も磁束密度が高い状態で作用することとなる。よって、直流電動機はもっとも効率良く動作することとなる。
【００２５】
上述したように、所定角度の範囲でスイッチ１０は導通することとなるが、時間に変換する場合には、１回転の時間をＴ（秒）とすると、スイッチ１０が導通する所定時間は、例えば、（２°／３６０°）×２（回）×Ｔ（秒）〜（２０°／３６０°）×２（回）×Ｔ（秒）の範囲となる。
【００２６】
図３（Ａ）〜図３（Ｄ）は、第２実施形態の直流電動機である４極直流電動機の動作を模式的に示す図である。４極直流電動機では、電磁コイル８ａと電磁コイル８ｂとに加えて電磁コイル８ｃと電磁コイル８ｄとが固定部に配置されている。また、電磁コイル８ａと電磁コイル８ｂと電磁コイル８ｃと電磁コイル８ｄとは、シャフト４を回転中心として１／４回転(９０°)回転して元の図形に重なる回転対称性を有する４回対称の位置に配置されている。電磁コイル８ａ〜電磁コイル８ｄは並列に接続され、直流電源１２から電流が供給されるようになされている。
【００２７】
また、回転板６には、永久磁石７ａと永久磁石７ｂとに加えて永久磁石７ｃと永久磁石７ｄとが配置されている。また、永久磁石７ａと永久磁石７ｂと永久磁石７ｃと永久磁石７ｄとは、シャフト４を回転中心として１／４回転(９０°)回転して元の図形に重なる回転対称性を有する４回対称の位置に配置されている。
【００２８】
また、カム９ｂは、４回対称の図形である正四角形とされている。カム９ｂはこのような形状を有するので、１回転で４回、スイッチ１０を導通させる。図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）、図３（Ｄ）は時間経過に応じた、固定部と回転部との相対位置関係を示すものである。紙面左側の縦一列の図は側面図であり、紙面の右側の縦一列の図は平面図である。また、紙面左側の側面図と紙面の右側の平面図とは、同一時間に対応している。図３（Ａ）〜図３（Ｄ）においては、回転中心（+で示す）に対して対称な形状を有するカム９ｂの回転角度を分かり易くするために、白丸が付されている。
【００２９】
最上段に示す図３（Ａ）は、カム９ｂがスイッチ１０の押釦１０ａを押している導通状態を示す図である。カム９ｂの回転中心と、細い棒状の押釦１０ａの先端のカム９ｂと接する点と、を結ぶ直線を基準線として以下説明をする。正四方形とされるカム９ｂの対角線が基準線に対してなす角度が、微小角度範囲（例えば、±１°〜±１０°）では、カム９ｂの形状に起因して、カム９ｂがスイッチ１０の押釦１０ａを押している導通状態とされる。
【００３０】
スイッチ１０の押釦１０ａが押されることによって、電磁コイル８ａと電磁コイル８ｂと電磁コイル８ｃと電磁コイル８ｄとには直流電源１２から電流が流れる。これによって、図３（Ａ）に示すように、永久磁石７ａのＳ極に対面するコア８１ａにＳ極が発生し、永久磁石７ｂのＳ極に対面するコア８１ｂにＳ極が発生し、永久磁石７ｃのＳ極に対面するコア８１ｃにＳ極が発生し、永久磁石７ｄのＳ極に対面するコア８１ｄにＳ極が発生する。また、固定板３に接するコア８１ａ、コア８１ｂ、コア８１ｃおよびコア８１ｄの各面にＮ極が発生する。そして、固定部のＳ極と回転部のＳ極の反発力によって、回転部は固定部に対してシャフト４を中心とする回転力が生じる。ここで、回転力の生じる方向は、固定部のＳ極と回転部のＳ極がどちらかにずれるとずれた方向に力が働くので、最初に回転力が付与された方向へ以後は、回転板６は回転することとなる。図３（Ａ）〜図３（Ｄ）では、最初の回転力が矢印で示す方向に加わるものとして、その後の回転力の方向を図示している。
【００３１】
最上段から紙面の下方へ下がって１番目の図３（Ｂ）は、カム９ｂがスイッチ１０の押釦１０ａを押している導通状態が解除された直後を示す図である。電磁コイル８ａと電磁コイル８ｂと電磁コイル８ｃと電磁コイル８ｄとには直流電源１２から電流が流れることはなく、コア８１ａ〜コア８１ｂに磁極が発生することはなく、固定部と回転部との間で回転駆動力が生じることはない。しかしながら、回転板６の有する回転モーメントによって回転板６は回転を続ける。つまり、回転板６はフライホイールとして機能することとなる。
【００３２】
最上段から紙面の下方へ下がって３番目の図３（Ｃ）では、回転板６の回転に伴いカム９ｂは基準線に対して９０°近く回転している。より正確には、カム９ｂの基準線に対する角度は、９０°から微小角度減算した角度となっている。これ以上（例えば、９０°-１°〜９０°-１０°以上）、回転板６が回転するとカム９ｂの形状に起因して、カム９ｂがスイッチ１０の押釦１０ａを押している導通状態となる。図３（Ｃ）は、カム９ｂがスイッチ１０の押釦１０ａを押す直前の状態を示す図である。図３（Ｂ）から図３（Ｃ）に示す範囲では、スイッチ１０は切断状態である。
【００３３】
最下段の図３（Ｄ）は、カム９ｂがスイッチ１０の押釦１０ａを押している導通状態を示す図である。正四方形とされるカム９ｂの対角軸が、基準線に対してなす角度が、微小角度範囲（例えば、９０°±１°〜９０°±１０°）では、カム９ｂの形状に起因して、カム９ｂがスイッチ１０の押釦１０ａを押している導通状態とされる。スイッチ１０の押釦１０ａが押されることによって、電磁コイル８ａ〜電磁コイル８ｄには直流電源１２から電流が流れる。
【００３４】
これによって、図３（Ｄ）に示すように、回転板６の永久磁石７ａのＳ極に対面するコア８１ｃ（電磁コイル８ｃの中心に位置している）にＳ極が発生し、回転板６の永久磁石７ｂのＳ極に対面するコア８１ｄ（電磁コイル８ｄの中心に位置している）にＳ極が発生し、回転板６の永久磁石７ｃのＳ極に対面するコア８１ｂ（電磁コイル８ｂの中心に位置している）にＳ極が発生し、回転板６の永久磁石７ｄのＳ極に対面するコア８１ａ（電磁コイル８ａの中心に位置している）にＳ極が発生する。また、固定板３に接するコア８１ａ〜コア８１ｄの各面にＮ極が発生する。これによって、再び矢印で示す方向に回転駆動力が生じる。
【００３５】
図３（Ａ）〜図３（Ｄ）に示す過程が繰り返されて４極直流電動機の回転部は回転を維持する。そして、シャフト４から得られる回転力を回転動力源として用いることができる。つまり、４極直流電動機においては、１回転（３６０°）の中で、４回、所定角度の間、例えば、±１°〜±１０°の範囲と、９０°±１°〜９０°±１０°の範囲と、１８０°±１°〜１８０°±１０°の範囲と、２７０°±１°〜２７０°±１０°の範囲と、において、電磁コイル８ａ〜電磁コイル８ｂとには直流電源１２から電流が供給される。これによって、１回転の間で、４回、微小角度、すなわち、回転板６が１回転するに必要な時間に対して短時間の間だけ回転駆動力が作用する。
【００３６】
ここで、回転駆動力が作用する範囲は、電磁コイル８ａと電磁コイル８ｂと電磁コイル８ｃと電磁コイル８ｄから発生する磁束と、永久磁石７ａと永久磁石７ｂと永久磁石７ｃと永久磁石７ｄとから発生する磁束とが、拡散することなく、最も磁束密度が高い状態で作用することとなる。よって、直流電動機はもっとも効率良く動作することとなる。
【００３７】
上述したように、所定角度の範囲でスイッチ１０は導通することとなるが、時間に変換する場合には、１回転の時間をＴ（秒）とすると、スイッチ１０が導通する所定時間は、例えば、（２°／３６０°）×４（回）×Ｔ（秒）〜（２０°／３６０°）×４（回）×Ｔ（秒）の範囲となる。
【００３８】
図４（Ａ）〜図４（Ｃ）は、第３実施形態の直流電動機である単極（１極）直流電動機の動作を模式的に示す図である。単極（１極）直流電動機では、電磁コイル８ａのみが固定部に配置されている。電磁コイル８ａに直流電源１２から電流が供給されるようになされている。
【００３９】
また、回転板６には、永久磁石７ａが配置されている。また、カム９ｃは正四角形とされている。図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）は時間経過に応じた、固定部と回転部との相対位置関係を示すものである。紙面左側の縦一列の図は側面図であり、紙面の右側の縦一列の図は平面図である。また、紙面左側の側面図と紙面の右側の平面図とは、同一時間に対応している。図４（Ａ）〜図４（Ｃ）においては、回転中心（+で示す）が三角形の中心からずらして配されたカム９ｃの回転角度を分かり易くするために、白丸が付されている。
【００４０】
最上段に示す図４（Ａ）は、カム９ｃがスイッチ１０の押釦１０ａを押している導通状態を示す図である。カム９ｃの回転中心と、細い棒状の押釦１０ａの先端のカム９ｃと接する点と、を結ぶ直線を基準線として以下説明をする。三角形とされるカム９ｃの対角線が基準線に対してなす角度が、微小角度範囲（例えば、±１°〜±１０°）では、カム９ｃの形状に起因して、カム９ｃがスイッチ１０の押釦１０ａを押している導通状態とされる。
【００４１】
スイッチ１０の押釦１０ａが押されることによって、電磁コイル８ａには直流電源１２から電流が流れる。これによって、図４（Ａ）に示すように、永久磁石７ａのＳ極に対面するコア８１ａ（磁気コイル８ａの中心に位置している）にＳ極が発生する。また、固定板３に接するコア８１ａにＮ極が発生する。そして、固定部のＳ極と回転部のＳ極の反発力によって、回転部は固定部に対してシャフト４を中心とする回転力が生じる。ここで、回転力の生じる方向は、固定部のＳ極と回転部のＳ極がどちらかにずれるとずれた方向に力が働くので、最初に回転力が付与された方向へ以後は、回転板６は回転することとなる。図３（Ａ）〜図３（Ｃ）では、最初の回転力が矢印で示す方向に加わるものとして、その後の回転力の方向を図示している。
【００４２】
最上段から紙面の下方へ下がって１番目の図４（Ｂ）は、カム９ｃがスイッチ１０の押釦１０ａを押している導通状態が解除された直後を示す図である。電磁コイル８ａには直流電源１２から電流が流れることはなく、コア８１ａに磁極が発生することはなく、固定部と回転部との間で回転駆動力が生じることはない。しかしながら、回転板６の有する回転モーメントによって回転板６は回転を続ける。つまり、回転板６はフライホイールとして機能することとなる。
【００４３】
最下段の図４（Ｃ）では、回転板６の回転に伴いカム９ｃは基準線に対して３６０°近く回転している。より正確には、カム９ｃの基準線に対する角度は、３６０°から微小角度減算した角度となっている。これ以上（例えば、３６０°-１°〜３６０°-１０°以上）、回転板６が回転するとカム９ｃの形状に起因して、カム９ｃがスイッチ１０の押釦１０ａを押している導通状態となる。図４（Ｃ）は、カム９ｃがスイッチ１０の押釦１０ａを押す直前の状態を示す図である。図４（Ｂ）から図４（Ｃ）に示す範囲では、スイッチ１０は切断状態である。
【００４４】
図４（Ａ）〜図４（Ｃ）に示す過程が繰り返されて単極直流電動機の回転部は回転を維持する。そして、シャフト４から得られる回転力を回転動力源として用いることができる。つまり、単極直流電動機においては、１回転（３６０°）の中で、１回、所定角度の間、例えば、±１°〜±１０°の範囲において、電磁コイル８ａには直流電源１２から電流が供給される。これによって、１回転の間で、１回、微小角度、すなわち、回転板６が１回転するに必要な時間に対して短時間の間だけ回転駆動力が作用する。
【００４５】
ここで、回転駆動力が作用する範囲は、電磁コイル８ａから発生する磁束と、永久磁石７ａから発生する磁束とが、拡散することなく、最も磁束密度が高い状態で作用することとなる。よって、直流電動機はもっとも効率良く動作することとなる。
【００４６】
上述したように、所定角度の範囲でスイッチ１０は導通することとなるが、時間に変換する場合には、１回転の時間をＴ（秒）とすると、スイッチ１０は導通する所定時間は、例えば、（２°／３６０°）×１（回）×Ｔ（秒）〜（２０°／３６０°）×１（回）×Ｔ（秒）の範囲となる。
【００４７】
上述した、第１実施形態〜第３実施形態の種々の変形例が可能である。例えば、永久磁石は回転板に埋め込むのではなく、回転板の表面に固着して、永久磁石のＳ極が磁気コイルの中心に配置されたコアに生じるＳ極と対面するようにもできる。また、永久磁石のＳ極と磁気コイルのコアのＳ極とを対面させるのではなく、永久磁石のＮ極と磁気コイルのコアのＮ極とを対面させるようにもできる。さらに、直流電動機の極数も任意選択事項であり、上述した、単極、２極、４極に限られず自由に極数を選択することが可能である。
【００４８】
一般論として述べれば、ｎを任意整数とした場合、最も効率が良いｎ極直流電動機を形成するには以下の構成を採用すれば良いこととなる。コアに巻回されるｎ個の各磁気コイルは、シャフトの回転中心に対してｎ回対称となる位置にｎ個配置する。回転板に配されるｎ個の永久磁石は、シャフトの回転中心に対してｎ回対称となる位置にｎ個配置する。カムは、ｎ回対称となる平板で形成する。そして、カムによって、スイッチが導通とされる基準線に対するカムの回転角度は、例えば、（３６０°／ｎ）×ｍ±１°から（３６０°／ｎ）×ｍ±１０°の範囲とする。ここで、ｍは１〜ｎまでの値である。
【００４９】
また、このとき、スイッチが導通する所定時間は１回の回転時間をＴ（秒）とすると、（２°／３６０°）×ｎ（回）×Ｔ（秒）〜（２０°／３６０°）×ｎ（回）×Ｔ（秒）の範囲となる。
【００５０】
上述した第１実施形態〜第３実施形態では、対面するようにされた、固定部の磁極面の極性と回転板に固着された永久磁石の磁極面の極性とが同一極性となるようにされた。この場合には、回転部と固定部との間で働く反発力によって回転駆動力が発生する。しかしながら、対面するようにされた、固定部の磁極面の極性と回転板に固着された永久磁石の磁極面の極性とが異なる極性となるようにしても回転力を供給できる。この場合には、回転部と固定部との間で働く吸引力によって回転駆動力が発生する。
【００５１】
上述した第１実施形態において、直流電源１２の極性を入れ替えて、直流電源１２から磁気コイルに流れる電流の向きを入れ替えることによって、回転部と固定部との間で働く吸引力によって回転駆動力を発生させるようにすることができる。また、上述した第２実施形態、第３実施形態においても、直流電源１２（図３、図４では図示せず）から磁気コイルに流れる電流の向きを入れ替えることによって、回転部と固定部との間で働く吸引力によって回転駆動力を発生させるようにすることができる。
【００５２】
第４実施形態について図５を参照して説明する。図５は、吸引力によって回転駆動力を発生させるようにする２極直流電動機の動作を示すための模式図である。図５と、図２とでは、固定部の磁極の極性が異なるのみであるので、上述した図２を参照した説明において、固定部のＳ極を固定部のＮ極に読み替えるだけであるので、その詳しい説明は省略する。
【００５３】
要するに固定部の磁極の極性を入れ替えた場合でも、図２（Ａ）〜図２（５）で示すと同様に、図５（Ａ）〜図５（Ｄ）に示す過程が繰り返されて２極直流電動機の回転部は回転を維持する。そして、シャフト４から得られる回転力を回転動力源として用いることができる。ここで、２極直流電動機においては、１回転（３６０°）の中で、２回、所定角度の間、例えば、±１°〜±１０°の範囲と、１８０°±１°〜１８０°±１０°の範囲とにおいて、電磁コイル８ａと電磁コイル８ｂとには直流電源１２から電流が供給される。つまり、２極直流電動機においては、１回転（３６０°）の中で、２回、所定角度の間において、電磁コイル８ａと電磁コイル８ｂとには直流電源１２から電流が供給される。これによって、１回転の間で、２回、微小角度、すなわち、回転板６が１回転するに必要な時間に対して短時間の所定時間だけ回転駆動力が作用する。
【００５４】
ここで、回転駆動力が作用する範囲は、電磁コイル８ａと電磁コイル８ｂとから発生する磁束と、永久磁石７ａと永久磁石７ｂから発生する磁束とが、拡散することなく、最も磁束密度が高い状態で作用することとなる。よって、直流電動機はもっとも効率良く動作することとなる。
【００５５】
上述したように、所定角度の範囲でスイッチ１０は導通することとなるが、時間に変換する場合には、１回転の時間をＴ（秒）とすると、スイッチ１０が導通する所定時間は、例えば、（２°／３６０°）×２（回）×Ｔ（秒）〜（２０°／３６０°）×２（回）×Ｔ（秒）の範囲となる。
【００５６】
第４実施形態において、回転板６に配置された永久磁石の磁極のＳ極とＮ極との極性を反転して、固定部のＳ極とＮ極との極性も同時に反転して、固定部のＳ極と回転板のＮ極とが対面するようにしても、吸引力によって駆動力を与えることができる。さらに、第２実施形態、第３実施形態と同様な構成を有して、吸引力を用いた、４極直流電動機、単極直流電動機を実現できるのみならず、ｎ極直流電動機を実現することもできる。
【００５７】
ここで、本願の願書に記載の発明者（以下、発明者と省略する）の実験結果を以下、簡単にまとめる。
【００５８】
発明者は、反発力によって回転力を得る直流電動機と、吸引力によって回転力を得る直流電動機との差異について検討した。発明者の実験結果によれば、吸引力によって得られる回転力の大きさの方が、反発力によって得られる回転力の大きさよりも大きかった。
【００５９】
また、吸引力によって回転力を得る場合には、回転板に配置された永久磁石の磁極が固定部の磁極に接近する時点で、スイッチを導通とすることが望ましく、反発力によって回転力を得る場合には、回転板に配置された永久磁石の磁極が固定部の磁極から遠ざかる時点で、スイッチを導通とすることが望ましいことが分かった。しかしながら、磁気コイルがインダクタンスと抵抗成分とを有するために、磁気コイルに流れる電流は直流電源から供給される電圧に対して遅れが生じる。このため、スイッチが導通となり、スイッチが切断となるタイミングは、回転数、磁気コイルのインダクタンスおよび抵抗成分、に依存して最適点を設定すべきものである。しかしながら、上述した、１回転の回転時間をＴとして、（２°／３６０°）×ｎ（回）×Ｔ（秒）〜（２０°／３６０°）×ｎ（回）×Ｔ（秒）の範囲において、良好な効率が得られた。
【００６０】
具体的な実施例（実験例）を説明をする。発明者は、例えば、以下のような実験をおこなった。回転板の直径は、３０ｃｍ（センチメートル）、厚みは１ｃｍとして、回転板の材質はステンレスとした。永久磁石は直径３ｃｍ、厚さ１ｃｍの円柱状のネオジム磁石とした。ネオジム磁石は回転板の表面に固着した。ネオジム磁石の個数は４個として、回転板の中心から延びる放射線のなす角度として９０°毎に、回転板の回転中心を中心とする円周上に配置した。すなわち、対称十文字に配置した。磁気コイルも同様に４個設け各磁気コイルの中心に各コアを配した。磁気コイルは、永久磁石と同様に対称十文字に固定部に固着し、磁気コイルの中心に配置されるコアと、永磁石の磁極とが近接して対面できるようにした。対面する磁極の極性は、固定部側の磁極をＮ極とし、回転部側の磁極をＳ極とした。また、磁気コイルの巻線は、直径０．８ｍｍの銅線を用いた。直流電源１２の電圧は、１２Ｖと２４Ｖと切り替えができるようにした。
【００６１】
直流電源の電圧として１２Ｖを用い、無負荷の場合には、回転部は段々と上昇して回転数は、２４０回転／分の定常状態に達した。このときの４個の磁気コイルに流れる電流の総和は、０．１Ａであった。直流電源の電圧として２４Ｖを用いた場合には、４９６回転／分の定常状態に達した。このときの４個の磁気コイルに流れる電流の総和は、０．１５Ａであった。直径７０ｃｍの回転板に５ｃｍ×５ｃｍの立方体形状の１２個のネオジム磁石を固着し、磁気コイルも同数設けた場合についても実験をおこなったが、回転板の回転モーメントが大きくなった分、シャフトから、より大きな回転力が得られることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】２極直流電動機を模式的に示す図である。
【図２】２極直流電動機の動作を示すための模式図である。
【図３】４極直流電動機の動作を模式的に示す図である。
【図４】単極（１極）直流電動機の動作を模式的に示す図である。
【図５】別の２極直流電動機の動作を示すための模式図である。
【符号の説明】
【００６３】
１ 固定板、 ２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ 支柱、 ３ 固定板、 ４ シャフト、 ５ａ、５ｂ ベアリング軸受、 ６ 回転板、 ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ 永久磁石、 ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ 電磁コイル、 ９ａ、９ｂ、９ｃ カム、 １０ スイッチ、 １０ａ 押釦、 １２ 直流電源、 ８１ａ、８１ｂ、８１ｃ、８１ｄ コア
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
整流子とブラシを有する直流電動機が従来から広く用いられている。回転力を得る直流電動機では、回転部（回転子）が固定部に対して回転するようになされ、両者の間に働く電磁力によって、回転エネルギーは得られる。ここで、従来の直流電動機では、回転周期の全周期に渡り回転エネルギーを得て回転部を回転させるようにしている。
【特許文献１】特開２００６−０３４０８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述した、従来の直流電動機では、回転駆動力（トルク）の大きさは、回転部の回転角度に応じて変化する。すなわち、回転部の磁極と固定部の磁極とが接近しているほど、大きな回転駆動力が得られ、電磁気力の利用効率が高いものである。しかしながら、回転の全周期に渡り回転エネルギーを得るようにしているので、回転部の磁極と固定部の磁極とが離れている場合には、大きな回転エネルギーを得ることができない。このために、１回転に渡り入力された電気エネルギーの平均値と得られる機械エネルギーとの平均値との比として得られる電磁気力の利用効率（以下、単に効率と省略する）は必ずしも高いものとは言えなかった。利用効率を向上するために、回転部と固定部との各々の磁極の数を非常に大きくし、大きな数に分割した整流子とブラシとを用いる方式も採用されているが、構造が複雑となり、装置の価格は効果なものとなった。
【０００４】
本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、直流電動機の効率を簡単な構造によって向上する技術を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の直流電動機は、コアに巻回される磁気コイルに電流を流すことによって、磁極面が形成される固定部と、前記固定部の前記磁極面と平行して配置される回転板と、前記回転板の回転中心から前記回転板の表面に対して垂直方向に伸びるシャフトと、前記シャフトに固着され、前記シャフトの回転角度に対応して回転中心から外周までの距離が異なるように形成されたカムと、前記シャフトを前記固定部に保持し、前記回転板を前記固定部に対して回転可能とする軸受と、前記回転板の一方の表面側に一方の磁極面が配置され、前記回転板の他方の表面側に他方の磁極面が配置される永久磁石と、前記固定部の磁極面と前記回転板に固着された前記永久磁石の磁極面とが対面する所定時間だけ、前記磁気コイルに電流を流すように前記カムの回転に応じて導通または切断するスイッチと、を備える。
【０００６】
本発明の直流電動機では、コアに巻回される磁気コイルに電流を流すことによって、磁極面が形成される固定部を備える、また、回転板に固着された永久磁石を備える。そして、固定部の磁極面と回転板に固着された永久磁石の磁極面とが対面する所定時間だけ、磁気コイルに電流を流すようにカムの回転に応じて導通または切断するスイッチを備える。これによって、効率良く回転板を回転させることができる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の直流電動機によれば、固定部の磁極面と回転板に固着された永久磁石の磁極面とが対面する所定時間だけ、磁気コイルに電流を流すようにして、効率の良い直流電動機を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を引用して実施形態の直流電動機の説明をおこなう。
【０００９】
図１は第１実施形態の直流電動機である２極直流電動機を模式的に示す図である。図１（Ａ）は２極直流電動機の側面図を模式的に示し、図１（Ｂ）は２極直流電動機の平面図を模式的に示すものである。
【００１０】
２極直流電動機は、固定部と可動部とから構成されている。固定部は固定板１（第１固定板）と固定板３（第２固定板）とを有している。固定板１と固定板３との離間距離は、４本の支柱である支柱２ａ、支柱２ｂ、支柱２ｃ、支柱２ｄによって、均一に保たれ、固定板１と固定板３とは平行に配置されている。
【００１１】
固定板３には、磁性体のコア８１ａとコア８１ｂの周りに巻線が巻回されて形成される電磁コイル８ａ（第１電磁コイル）と電磁コイル８ｂ（第２電磁コイル）とが固着されている。電磁コイル８ａと電磁コイル８ｂとは、シャフト４を回転中心として１／２回転(１８０°)回転して元の図形に重なる回転対称性を有する、２回対称の位置に配置されている。また、固定板１にはスイッチ１０が固着されている。電磁コイル８ａと電磁コイル８ｂとは、並列に接続されている。この並列接続された電磁コイル８ａと電磁コイル８ｂとに対して、直流電源１２（例えば電源バッテリー）とスイッチ１０とが直列に接続されている。
【００１２】
回転部は、永久磁石７ａと永久磁石７ｂとを固着した円板状の回転板６とシャフト４によって形成されている。シャフト４は回転板６の表面に対して垂直に伸びるように、溶接、ボルト締め、接着剤等によって固着されている。永久磁石７ａと永久磁石７ｂとは、回転板６に設けた孔部に埋め込むようにして固着されている。永久磁石７ａと永久磁石７ｂとのＮ極が回転板６の一方の表面側に配置されている。また、永久磁石７ａと永久磁石７ｂとのＳ極が回転板６の他方の表面側に配置されている。ここで、永久磁石７ａおよび永久磁石７ｂは、回転板６に埋め込むように配置され、永久磁石７ａおよび永久磁石７ｂの磁極面の位置は、回転板６の表面から出ないように配されている。また、永久磁石７ａと永久磁石７ｂとは、シャフト４を回転中心として１／２回転(１８０°)回転して元の図形に重なる回転対称性を有する２回対称の位置に配置されている。回転板６は、例えば、ステンレスを材料としている。
【００１３】
シャフト４の回転板６の一方の表面側は、ベアリング軸受５ａによって保持され、シャフト４の回転板６の他方の表面側は、ベアリング軸受５ｂによって保持されている。また、ベアリング軸受５ａは固定板１に固着され、ベアリング軸受５ｂは固定板３に固着され、回転部は固定部に対して回転自在とされている。
【００１４】
シャフト４にはカム９ａが固着されている。カム９ａは、シャフト４の回転角度に対応して、カム９ａの回転中心から外周までの距離が異なるようにされた平板である。つまり、シャフト４が回転するにつれて、カム９ａの外周に接する押釦１０ａに周期的な運動を与える。カム９ａも同様に２回対称を有する図形として形成されている。例えば、カム９ａは楕円状とされている。
【００１５】
カム９ａはこのような形状を有するので、１回転で２回、スイッチ１０を導通させる。すなわち、永久磁石７ａまたは永久磁石７ｂが、電磁コイル８ａまたは電磁コイル８ｂと対抗する位置で、スイッチ１０に配された押釦１０ａを押してスイッチ１０を導通とする。このような機能を発揮する形状であれば、カム９ａの形状は、楕円形状に限るものではなく、例えば、２回対称を有する他の図形である平行四辺形であっても良い。
【００１６】
図２は、２極直流電動機の動作を示すための模式図である。図２では、２極直流電動機の動作の説明に必要な範囲で図１に示す各部の一部のみが示されている。図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）、図２（Ｄ）は時間経過に応じた、固定部と回転部との相対位置関係を示すものである。紙面左側の縦一列の図は側面図であり、紙面の右側の縦一列の図は平面図である。また、紙面左側の側面図と紙面の右側の平面図とは、同一時間に対応している。図２（Ａ）〜図２（Ｄ）においては、回転中心（＋で示す）に対して対称な形状を有するカム９ａの回転角度を分かり易くするために、白丸が付されている。
【００１７】
最上段に示す図２（Ａ）は、カム９ａがスイッチ１０の押釦１０ａを押している導通状態を示す図である。カム９ａの回転中心と、細い棒状の押釦１０ａの先端のカム９ａと接する点と、を結ぶ直線を基準線として以下説明をする。楕円形とされるカム９ａの長軸が、基準線に対してなす角度が、微小角度範囲（例えば、±１°〜±１０°）では、カム９ａの形状に起因して、カム９ａがスイッチ１０の押釦１０ａを押している導通状態とされる。ここで、微小角度範囲は、カム９ａの形状をどのようなものにするかによって管理することができる。なお、カム９ａが一回転する角度は言うまでもなく３６０°である。
【００１８】
スイッチ１０の押釦１０ａが押されることによって、電磁コイル８ａと電磁コイル８ｂとには直流電源１２から電流が流れる。これによって、図２（Ａ）に示すように、回転板６の永久磁石７ａのＳ極に対面するコア８１ａにＳ極が発生し、回転板６の永久磁石７ｂのＳ極に対面するコア８１ｂにＳ極が発生する。また、固定板３に接するコア８１ａおよびコア８１ｂの面にＮ極が発生する。そして、固定部のＳ極と回転部のＳ極の反発力によって、回転部は固定部に対してシャフト４を中心とする回転力が生じる。ここで、回転力の生じる方向は、固定部のＳ極と回転部のＳ極がどちらかにずれるとずれた方向に力が働くので、最初に回転力が付与された方向へ以後は、回転板６は回転することとなる。図２（Ａ）〜図２（Ｄ）では、最初の回転力が矢印で示す方向に加わるものとして、その後の回転力の方向を図示している。
【００１９】
最上段から紙面の下方へ下がって１番目の図２（Ｂ）は、カム９ａがスイッチ１０の押釦１０ａを押している導通状態が解除された直後を示す図である。電磁コイル８ａと電磁コイル８ｂとには直流電源１２から電流が流れることはなく、コア８１ａとコア８１ｂに磁極が発生することはなく、固定部と回転部との間で回転駆動力が生じることはない。しかしながら、回転板６の有する回転モーメントによって回転板６は回転を続ける。つまり、回転板６はフライホイールとして機能することとなる。
【００２０】
最上段から紙面の下方へ下がって２番目の図２（Ｃ）では、回転板６の回転に伴いカム９ａは基準線に対して１８０°近く回転している。より正確には、カム９ａの基準線に対する角度は、１８０°から微小角度減算した角度となっている。これ以上（例えば、１８０°-１°〜１８０°-１０°以上）、回転板６が回転するとカム９ａの形状に起因して、カム９ａがスイッチ１０の押釦１０ａを押している導通状態となるが、図２（Ｃ）は、カム９ａがスイッチ１０の押釦１０ａを押す直前の状態を示す図である。図２（Ｂ）から図２（Ｃ）に示す範囲では、スイッチ１０は切断状態である。
【００２１】
最下段の図２（Ｄ）は、カム９ａがスイッチ１０の押釦１０ａを押している導通状態を示す図である。基準線に対して、楕円形とされるカム９ａの長軸が、基準線に対してなす角度が、微小角度範囲（例えば、１８０°±１°〜１８０°±１０°）では、カム９ａの形状に起因して、カム９ａがスイッチ１０の押釦１０ａを押している導通状態とされる。スイッチ１０の押釦１０ａが押されることによって、電磁コイル８ａと電磁コイル８ｂとには直流電源１２から電流が流れる。
【００２２】
これによって、図２（Ｄ）に示すように、回転板６の永久磁石７ｂのＳ極に対面するコア８１ａ（電磁コイル８ａの中心に位置している）にＳ極が発生し、回転板６の永久磁石７ａのＳ極に対面するコア８１ｂ（電磁コイル８ｂの中心に位置している）にＳ極が発生する。また、固定板３に接するコア８１ａおよびコア８１ｂの面にＮ極が発生する。これによって、再び矢印で示す方向に回転力が生じる。
【００２３】
図２（Ａ）〜図２（Ｄ）に示す過程が繰り返されて２極直流電動機の回転部は回転を維持する。そして、シャフト４から得られる回転力を回転動力源として用いることができる。ここで、２極直流電動機においては、１回転（３６０°）の中で、２回、所定角度の間、例えば、±１°〜±１０°の範囲と、１８０°±１°〜１８０°±１０°の範囲とにおいて、電磁コイル８ａと電磁コイル８ｂとには直流電源１２から電流が供給される。つまり、２極直流電動機においては、１回転（３６０°）の中で、２回、所定角度の間において、電磁コイル８ａと電磁コイル８ｂとには直流電源１２から電流が供給される。これによって、１回転の間で、２回、微小角度、すなわち、回転板６が１回転するに必要な時間に対して短時間の所定時間だけ回転駆動力が作用する。
【００２４】
ここで、回転駆動力が作用する範囲は、電磁コイル８ａと電磁コイル８ｂとから発生する磁束と、永久磁石７ａと永久磁石７ｂから発生する磁束とが、拡散することなく、最も磁束密度が高い状態で作用することとなる。よって、直流電動機はもっとも効率良く動作することとなる。
【００２５】
上述したように、所定角度の範囲でスイッチ１０は導通することとなるが、時間に変換する場合には、１回転の時間をＴ（秒）とすると、スイッチ１０が導通する所定時間は、例えば、（２°／３６０°）×２（回）×Ｔ（秒）〜（２０°／３６０°）×２（回）×Ｔ（秒）の範囲となる。
【００２６】
図３（Ａ）〜図３（Ｄ）は、第２実施形態の直流電動機である４極直流電動機の動作を模式的に示す図である。４極直流電動機では、電磁コイル８ａと電磁コイル８ｂとに加えて電磁コイル８ｃと電磁コイル８ｄとが固定部に配置されている。また、電磁コイル８ａと電磁コイル８ｂと電磁コイル８ｃと電磁コイル８ｄとは、シャフト４を回転中心として１／４回転(９０°)回転して元の図形に重なる回転対称性を有する４回対称の位置に配置されている。電磁コイル８ａ〜電磁コイル８ｄは並列に接続され、直流電源１２から電流が供給されるようになされている。
【００２７】
また、回転板６には、永久磁石７ａと永久磁石７ｂとに加えて永久磁石７ｃと永久磁石７ｄとが配置されている。また、永久磁石７ａと永久磁石７ｂと永久磁石７ｃと永久磁石７ｄとは、シャフト４を回転中心として１／４回転(９０°)回転して元の図形に重なる回転対称性を有する４回対称の位置に配置されている。
【００２８】
また、カム９ｂは、４回対称の図形である正四角形とされている。カム９ｂはこのような形状を有するので、１回転で４回、スイッチ１０を導通させる。図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）、図３（Ｄ）は時間経過に応じた、固定部と回転部との相対位置関係を示すものである。紙面左側の縦一列の図は側面図であり、紙面の右側の縦一列の図は平面図である。また、紙面左側の側面図と紙面の右側の平面図とは、同一時間に対応している。図３（Ａ）〜図３（Ｄ）においては、回転中心（+で示す）に対して対称な形状を有するカム９ｂの回転角度を分かり易くするために、白丸が付されている。
【００２９】
最上段に示す図３（Ａ）は、カム９ｂがスイッチ１０の押釦１０ａを押している導通状態を示す図である。カム９ｂの回転中心と、細い棒状の押釦１０ａの先端のカム９ｂと接する点と、を結ぶ直線を基準線として以下説明をする。正四方形とされるカム９ｂの対角線が基準線に対してなす角度が、微小角度範囲（例えば、±１°〜±１０°）では、カム９ｂの形状に起因して、カム９ｂがスイッチ１０の押釦１０ａを押している導通状態とされる。
【００３０】
スイッチ１０の押釦１０ａが押されることによって、電磁コイル８ａと電磁コイル８ｂと電磁コイル８ｃと電磁コイル８ｄとには直流電源１２から電流が流れる。これによって、図３（Ａ）に示すように、永久磁石７ａのＳ極に対面するコア８１ａにＳ極が発生し、永久磁石７ｂのＳ極に対面するコア８１ｂにＳ極が発生し、永久磁石７ｃのＳ極に対面するコア８１ｃにＳ極が発生し、永久磁石７ｄのＳ極に対面するコア８１ｄにＳ極が発生する。また、固定板３に接するコア８１ａ、コア８１ｂ、コア８１ｃおよびコア８１ｄの各面にＮ極が発生する。そして、固定部のＳ極と回転部のＳ極の反発力によって、回転部は固定部に対してシャフト４を中心とする回転力が生じる。ここで、回転力の生じる方向は、固定部のＳ極と回転部のＳ極がどちらかにずれるとずれた方向に力が働くので、最初に回転力が付与された方向へ以後は、回転板６は回転することとなる。図３（Ａ）〜図３（Ｄ）では、最初の回転力が矢印で示す方向に加わるものとして、その後の回転力の方向を図示している。
【００３１】
最上段から紙面の下方へ下がって１番目の図３（Ｂ）は、カム９ｂがスイッチ１０の押釦１０ａを押している導通状態が解除された直後を示す図である。電磁コイル８ａと電磁コイル８ｂと電磁コイル８ｃと電磁コイル８ｄとには直流電源１２から電流が流れることはなく、コア８１ａ〜コア８１ｂに磁極が発生することはなく、固定部と回転部との間で回転駆動力が生じることはない。しかしながら、回転板６の有する回転モーメントによって回転板６は回転を続ける。つまり、回転板６はフライホイールとして機能することとなる。
【００３２】
最上段から紙面の下方へ下がって３番目の図３（Ｃ）では、回転板６の回転に伴いカム９ｂは基準線に対して９０°近く回転している。より正確には、カム９ｂの基準線に対する角度は、９０°から微小角度減算した角度となっている。これ以上（例えば、９０°-１°〜９０°-１０°以上）、回転板６が回転するとカム９ｂの形状に起因して、カム９ｂがスイッチ１０の押釦１０ａを押している導通状態となる。図３（Ｃ）は、カム９ｂがスイッチ１０の押釦１０ａを押す直前の状態を示す図である。図３（Ｂ）から図３（Ｃ）に示す範囲では、スイッチ１０は切断状態である。
【００３３】
最下段の図３（Ｄ）は、カム９ｂがスイッチ１０の押釦１０ａを押している導通状態を示す図である。正四方形とされるカム９ｂの対角軸が、基準線に対してなす角度が、微小角度範囲（例えば、９０°±１°〜９０°±１０°）では、カム９ｂの形状に起因して、カム９ｂがスイッチ１０の押釦１０ａを押している導通状態とされる。スイッチ１０の押釦１０ａが押されることによって、電磁コイル８ａ〜電磁コイル８ｄには直流電源１２から電流が流れる。
【００３４】
これによって、図３（Ｄ）に示すように、回転板６の永久磁石７ａのＳ極に対面するコア８１ｃ（電磁コイル８ｃの中心に位置している）にＳ極が発生し、回転板６の永久磁石７ｂのＳ極に対面するコア８１ｄ（電磁コイル８ｄの中心に位置している）にＳ極が発生し、回転板６の永久磁石７ｃのＳ極に対面するコア８１ｂ（電磁コイル８ｂの中心に位置している）にＳ極が発生し、回転板６の永久磁石７ｄのＳ極に対面するコア８１ａ（電磁コイル８ａの中心に位置している）にＳ極が発生する。また、固定板３に接するコア８１ａ〜コア８１ｄの各面にＮ極が発生する。これによって、再び矢印で示す方向に回転駆動力が生じる。
【００３５】
図３（Ａ）〜図３（Ｄ）に示す過程が繰り返されて４極直流電動機の回転部は回転を維持する。そして、シャフト４から得られる回転力を回転動力源として用いることができる。つまり、４極直流電動機においては、１回転（３６０°）の中で、４回、所定角度の間、例えば、±１°〜±１０°の範囲と、９０°±１°〜９０°±１０°の範囲と、１８０°±１°〜１８０°±１０°の範囲と、２７０°±１°〜２７０°±１０°の範囲と、において、電磁コイル８ａ〜電磁コイル８ｂとには直流電源１２から電流が供給される。これによって、１回転の間で、４回、微小角度、すなわち、回転板６が１回転するに必要な時間に対して短時間の間だけ回転駆動力が作用する。
【００３６】
ここで、回転駆動力が作用する範囲は、電磁コイル８ａと電磁コイル８ｂと電磁コイル８ｃと電磁コイル８ｄから発生する磁束と、永久磁石７ａと永久磁石７ｂと永久磁石７ｃと永久磁石７ｄとから発生する磁束とが、拡散することなく、最も磁束密度が高い状態で作用することとなる。よって、直流電動機はもっとも効率良く動作することとなる。
【００３７】
上述したように、所定角度の範囲でスイッチ１０は導通することとなるが、時間に変換する場合には、１回転の時間をＴ（秒）とすると、スイッチ１０が導通する所定時間は、例えば、（２°／３６０°）×４（回）×Ｔ（秒）〜（２０°／３６０°）×４（回）×Ｔ（秒）の範囲となる。
【００３８】
図４（Ａ）〜図４（Ｃ）は、第３実施形態の直流電動機である単極（１極）直流電動機の動作を模式的に示す図である。単極（１極）直流電動機では、電磁コイル８ａのみが固定部に配置されている。電磁コイル８ａに直流電源１２から電流が供給されるようになされている。
【００３９】
また、回転板６には、永久磁石７ａが配置されている。また、カム９ｃは正四角形とされている。図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）は時間経過に応じた、固定部と回転部との相対位置関係を示すものである。紙面左側の縦一列の図は側面図であり、紙面の右側の縦一列の図は平面図である。また、紙面左側の側面図と紙面の右側の平面図とは、同一時間に対応している。図４（Ａ）〜図４（Ｃ）においては、回転中心（+で示す）が三角形の中心からずらして配されたカム９ｃの回転角度を分かり易くするために、白丸が付されている。
【００４０】
最上段に示す図４（Ａ）は、カム９ｃがスイッチ１０の押釦１０ａを押している導通状態を示す図である。カム９ｃの回転中心と、細い棒状の押釦１０ａの先端のカム９ｃと接する点と、を結ぶ直線を基準線として以下説明をする。三角形とされるカム９ｃの対角線が基準線に対してなす角度が、微小角度範囲（例えば、±１°〜±１０°）では、カム９ｃの形状に起因して、カム９ｃがスイッチ１０の押釦１０ａを押している導通状態とされる。
【００４１】
スイッチ１０の押釦１０ａが押されることによって、電磁コイル８ａには直流電源１２から電流が流れる。これによって、図４（Ａ）に示すように、永久磁石７ａのＳ極に対面するコア８１ａ（磁気コイル８ａの中心に位置している）にＳ極が発生する。また、固定板３に接するコア８１ａにＮ極が発生する。そして、固定部のＳ極と回転部のＳ極の反発力によって、回転部は固定部に対してシャフト４を中心とする回転力が生じる。ここで、回転力の生じる方向は、固定部のＳ極と回転部のＳ極がどちらかにずれるとずれた方向に力が働くので、最初に回転力が付与された方向へ以後は、回転板６は回転することとなる。図３（Ａ）〜図３（Ｃ）では、最初の回転力が矢印で示す方向に加わるものとして、その後の回転力の方向を図示している。
【００４２】
最上段から紙面の下方へ下がって１番目の図４（Ｂ）は、カム９ｃがスイッチ１０の押釦１０ａを押している導通状態が解除された直後を示す図である。電磁コイル８ａには直流電源１２から電流が流れることはなく、コア８１ａに磁極が発生することはなく、固定部と回転部との間で回転駆動力が生じることはない。しかしながら、回転板６の有する回転モーメントによって回転板６は回転を続ける。つまり、回転板６はフライホイールとして機能することとなる。
【００４３】
最下段の図４（Ｃ）では、回転板６の回転に伴いカム９ｃは基準線に対して３６０°近く回転している。より正確には、カム９ｃの基準線に対する角度は、３６０°から微小角度減算した角度となっている。これ以上（例えば、３６０°-１°〜３６０°-１０°以上）、回転板６が回転するとカム９ｃの形状に起因して、カム９ｃがスイッチ１０の押釦１０ａを押している導通状態となる。図４（Ｃ）は、カム９ｃがスイッチ１０の押釦１０ａを押す直前の状態を示す図である。図４（Ｂ）から図４（Ｃ）に示す範囲では、スイッチ１０は切断状態である。
【００４４】
図４（Ａ）〜図４（Ｃ）に示す過程が繰り返されて単極直流電動機の回転部は回転を維持する。そして、シャフト４から得られる回転力を回転動力源として用いることができる。つまり、単極直流電動機においては、１回転（３６０°）の中で、１回、所定角度の間、例えば、±１°〜±１０°の範囲において、電磁コイル８ａには直流電源１２から電流が供給される。これによって、１回転の間で、１回、微小角度、すなわち、回転板６が１回転するに必要な時間に対して短時間の間だけ回転駆動力が作用する。
【００４５】
ここで、回転駆動力が作用する範囲は、電磁コイル８ａから発生する磁束と、永久磁石７ａから発生する磁束とが、拡散することなく、最も磁束密度が高い状態で作用することとなる。よって、直流電動機はもっとも効率良く動作することとなる。
【００４６】
上述したように、所定角度の範囲でスイッチ１０は導通することとなるが、時間に変換する場合には、１回転の時間をＴ（秒）とすると、スイッチ１０は導通する所定時間は、例えば、（２°／３６０°）×１（回）×Ｔ（秒）〜（２０°／３６０°）×１（回）×Ｔ（秒）の範囲となる。
【００４７】
上述した、第１実施形態〜第３実施形態の種々の変形例が可能である。例えば、永久磁石は回転板に埋め込むのではなく、回転板の表面に固着して、永久磁石のＳ極が磁気コイルの中心に配置されたコアに生じるＳ極と対面するようにもできる。また、永久磁石のＳ極と磁気コイルのコアのＳ極とを対面させるのではなく、永久磁石のＮ極と磁気コイルのコアのＮ極とを対面させるようにもできる。さらに、直流電動機の極数も任意選択事項であり、上述した、単極、２極、４極に限られず自由に極数を選択することが可能である。
【００４８】
一般論として述べれば、ｎを任意整数とした場合、最も効率が良いｎ極直流電動機を形成するには以下の構成を採用すれば良いこととなる。コアに巻回されるｎ個の各磁気コイルは、シャフトの回転中心に対してｎ回対称となる位置にｎ個配置する。回転板に配されるｎ個の永久磁石は、シャフトの回転中心に対してｎ回対称となる位置にｎ個配置する。カムは、ｎ回対称となる平板で形成する。そして、カムによって、スイッチが導通とされる基準線に対するカムの回転角度は、例えば、（３６０°／ｎ）×ｍ±１°から（３６０°／ｎ）×ｍ±１０°の範囲とする。ここで、ｍは１〜ｎまでの値である。
【００４９】
また、このとき、スイッチが導通する所定時間は１回の回転時間をＴ（秒）とすると、（２°／３６０°）×ｎ（回）×Ｔ（秒）〜（２０°／３６０°）×ｎ（回）×Ｔ（秒）の範囲となる。
【００５０】
上述した第１実施形態〜第３実施形態では、対面するようにされた、固定部の磁極面の極性と回転板に固着された永久磁石の磁極面の極性とが同一極性となるようにされた。この場合には、回転部と固定部との間で働く反発力によって回転駆動力が発生する。しかしながら、対面するようにされた、固定部の磁極面の極性と回転板に固着された永久磁石の磁極面の極性とが異なる極性となるようにしても回転力を供給できる。この場合には、回転部と固定部との間で働く吸引力によって回転駆動力が発生する。
【００５１】
上述した第１実施形態において、直流電源１２の極性を入れ替えて、直流電源１２から磁気コイルに流れる電流の向きを入れ替えることによって、回転部と固定部との間で働く吸引力によって回転駆動力を発生させるようにすることができる。また、上述した第２実施形態、第３実施形態においても、直流電源１２（図３、図４では図示せず）から磁気コイルに流れる電流の向きを入れ替えることによって、回転部と固定部との間で働く吸引力によって回転駆動力を発生させるようにすることができる。
【００５２】
第４実施形態について図５を参照して説明する。図５は、吸引力によって回転駆動力を発生させるようにする２極直流電動機の動作を示すための模式図である。図５と、図２とでは、固定部の磁極の極性が異なるのみであるので、上述した図２を参照した説明において、固定部のＳ極を固定部のＮ極に読み替えるだけであるので、その詳しい説明は省略する。
【００５３】
要するに固定部の磁極の極性を入れ替えた場合でも、図２（Ａ）〜図２（５）で示すと同様に、図５（Ａ）〜図５（Ｄ）に示す過程が繰り返されて２極直流電動機の回転部は回転を維持する。そして、シャフト４から得られる回転力を回転動力源として用いることができる。ここで、２極直流電動機においては、１回転（３６０°）の中で、２回、所定角度の間、例えば、±１°〜±１０°の範囲と、１８０°±１°〜１８０°±１０°の範囲とにおいて、電磁コイル８ａと電磁コイル８ｂとには直流電源１２から電流が供給される。つまり、２極直流電動機においては、１回転（３６０°）の中で、２回、所定角度の間において、電磁コイル８ａと電磁コイル８ｂとには直流電源１２から電流が供給される。これによって、１回転の間で、２回、微小角度、すなわち、回転板６が１回転するに必要な時間に対して短時間の所定時間だけ回転駆動力が作用する。
【００５４】
ここで、回転駆動力が作用する範囲は、電磁コイル８ａと電磁コイル８ｂとから発生する磁束と、永久磁石７ａと永久磁石７ｂから発生する磁束とが、拡散することなく、最も磁束密度が高い状態で作用することとなる。よって、直流電動機はもっとも効率良く動作することとなる。
【００５５】
上述したように、所定角度の範囲でスイッチ１０は導通することとなるが、時間に変換する場合には、１回転の時間をＴ（秒）とすると、スイッチ１０が導通する所定時間は、例えば、（２°／３６０°）×２（回）×Ｔ（秒）〜（２０°／３６０°）×２（回）×Ｔ（秒）の範囲となる。
【００５６】
第４実施形態において、回転板６に配置された永久磁石の磁極のＳ極とＮ極との極性を反転して、固定部のＳ極とＮ極との極性も同時に反転して、固定部のＳ極と回転板のＮ極とが対面するようにしても、吸引力によって駆動力を与えることができる。さらに、第２実施形態、第３実施形態と同様な構成を有して、吸引力を用いた、４極直流電動機、単極直流電動機を実現できるのみならず、ｎ極直流電動機を実現することもできる。
【００５７】
ここで、本願の願書に記載の発明者（以下、発明者と省略する）の実験結果を以下、簡単にまとめる。
【００５８】
発明者は、反発力によって回転力を得る直流電動機と、吸引力によって回転力を得る直流電動機との差異について検討した。発明者の実験結果によれば、吸引力によって得られる回転力の大きさの方が、反発力によって得られる回転力の大きさよりも大きかった。
【００５９】
また、吸引力によって回転力を得る場合には、回転板に配置された永久磁石の磁極が固定部の磁極に接近する時点で、スイッチを導通とすることが望ましく、反発力によって回転力を得る場合には、回転板に配置された永久磁石の磁極が固定部の磁極から遠ざかる時点で、スイッチを導通とすることが望ましいことが分かった。しかしながら、磁気コイルがインダクタンスと抵抗成分とを有するために、磁気コイルに流れる電流は直流電源から供給される電圧に対して遅れが生じる。このため、スイッチが導通となり、スイッチが切断となるタイミングは、回転数、磁気コイルのインダクタンスおよび抵抗成分、に依存して最適点を設定すべきものである。しかしながら、上述した、１回転の回転時間をＴとして、（２°／３６０°）×ｎ（回）×Ｔ（秒）〜（２０°／３６０°）×ｎ（回）×Ｔ（秒）の範囲において、良好な効率が得られた。
【００６０】
具体的な実施例（実験例）を説明をする。発明者は、例えば、以下のような実験をおこなった。回転板の直径は、３０ｃｍ（センチメートル）、厚みは１ｃｍとして、回転板の材質はステンレスとした。永久磁石は直径３ｃｍ、厚さ１ｃｍの円柱状のネオジム磁石とした。ネオジム磁石は回転板の表面に固着した。ネオジム磁石の個数は４個として、回転板の中心から延びる放射線のなす角度として９０°毎に、回転板の回転中心を中心とする円周上に配置した。すなわち、対称十文字に配置した。磁気コイルも同様に４個設け各磁気コイルの中心に各コアを配した。磁気コイルは、永久磁石と同様に対称十文字に固定部に固着し、磁気コイルの中心に配置されるコアと、永磁石の磁極とが近接して対面できるようにした。対面する磁極の極性は、固定部側の磁極をＮ極とし、回転部側の磁極をＳ極とした。また、磁気コイルの巻線は、直径０．８ｍｍの銅線を用いた。直流電源１２の電圧は、１２Ｖと２４Ｖと切り替えができるようにした。
【００６１】
直流電源の電圧として１２Ｖを用い、無負荷の場合には、回転部は段々と上昇して回転数は、２４０回転／分の定常状態に達した。このときの４個の磁気コイルに流れる電流の総和は、０．１Ａであった。直流電源の電圧として２４Ｖを用いた場合には、４９６回転／分の定常状態に達した。このときの４個の磁気コイルに流れる電流の総和は、０．１５Ａであった。直径７０ｃｍの回転板に５ｃｍ×５ｃｍの立方体形状の１２個のネオジム磁石を固着し、磁気コイルも同数設けた場合についても実験をおこなったが、回転板の回転モーメントが大きくなった分、シャフトから、より大きな回転力が得られることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】２極直流電動機を模式的に示す図である。
【図２】２極直流電動機の動作を示すための模式図である。
【図３】４極直流電動機の動作を模式的に示す図である。
【図４】単極（１極）直流電動機の動作を模式的に示す図である。
【図５】別の２極直流電動機の動作を示すための模式図である。
【符号の説明】
【００６３】
１ 固定板、 ２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ 支柱、 ３ 固定板、 ４ シャフト、 ５ａ、５ｂ ベアリング軸受、 ６ 回転板、 ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ 永久磁石、 ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ 電磁コイル、 ９ａ、９ｂ、９ｃ カム、 １０ スイッチ、 １０ａ 押釦、 １２ 直流電源、 ８１ａ、８１ｂ、８１ｃ、８１ｄ コア
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアに巻回される磁気コイルに電流を流すことによって、磁極面が形成される固定部と、
前記固定部の前記磁極面と平行して配置される回転板と、
前記回転板の回転中心から前記回転板の表面に対して垂直方向に伸びるシャフトと、
前記シャフトに固着され、前記シャフトの回転角度に対応して回転中心から外周までの距離が異なるように形成されたカムと、
前記シャフトを前記固定部に保持し、前記回転板を前記固定部に対して回転可能とする軸受と、
前記回転板の一方の表面側に一方の磁極面が配置され、前記回転板の他方の表面側に他方の磁極面が配置される永久磁石と、
前記固定部の磁極面と前記回転板に固着された前記永久磁石の磁極面とが対面する所定時間だけ、前記磁気コイルに電流を流すように前記カムの回転に応じて導通または切断するスイッチと、を備える直流電動機。
【請求項２】
前記固定部の磁極面に生じる磁極の極性と、前記固定部の磁極面に対面する前記永久磁石の磁極面とが異なる極性となるように前記磁気コイル電流を流すことを特徴とする請求項１に記載の直流電動機。
【請求項３】
前記コアに巻回される磁気コイルは、前記シャフトの回転中心に対してｎ回対称となる位置にｎ個配置され、
前記永久磁石は、前記シャフトの回転中心に対してｎ回対称となる位置にｎ個配置され、
前記カムは、ｎ回対称となる平板で形成される、ことを特徴とする請求項１に記載の直流電動機。
【請求項４】
前記所定時間は、
１回転の回転時間をＴとして、（２°／３６０°）×ｎ（回）×Ｔ（秒）〜（２０°／３６０°）×ｎ（回）×Ｔ（秒）の範囲とする請求項２に記載の直流電動機。
【請求項１】
コアに巻回される磁気コイルに電流を流すことによって、磁極面が形成される固定部と、
前記固定部の前記磁極面と平行して配置される回転板と、
前記回転板の回転中心から前記回転板の表面に対して垂直方向に伸びるシャフトと、
前記シャフトに固着され、前記シャフトの回転角度に対応して回転中心から外周までの距離が異なるように形成されたカムと、
前記シャフトを前記固定部に保持し、前記回転板を前記固定部に対して回転可能とする軸受と、
前記回転板の一方の表面側に一方の磁極面が配置され、前記回転板の他方の表面側に他方の磁極面が配置される永久磁石と、
前記固定部の磁極面と前記回転板に固着された前記永久磁石の磁極面とが対面する所定時間だけ、前記磁気コイルに電流を流すように前記カムの回転に応じて導通または切断するスイッチと、を備える直流電動機。
【請求項２】
前記固定部の磁極面に生じる磁極の極性と、前記固定部の磁極面に対面する前記永久磁石の磁極面とが異なる極性となるように前記磁気コイル電流を流すことを特徴とする請求項１に記載の直流電動機。
【請求項３】
前記コアに巻回される磁気コイルは、前記シャフトの回転中心に対してｎ回対称となる位置にｎ個配置され、
前記永久磁石は、前記シャフトの回転中心に対してｎ回対称となる位置にｎ個配置され、
前記カムは、ｎ回対称となる平板で形成される、ことを特徴とする請求項１に記載の直流電動機。
【請求項４】
前記所定時間は、
１回転の回転時間をＴとして、（２°／３６０°）×ｎ（回）×Ｔ（秒）〜（２０°／３６０°）×ｎ（回）×Ｔ（秒）の範囲とする請求項２に記載の直流電動機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−６３２１４（Ｐ２０１０−６３２１４Ａ）
【公開日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２２４１７７（Ｐ２００８−２２４１７７）
【出願日】平成２０年９月１日（２００８．９．１）
【出願人】（５０１４５６５９３）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月１日（２００８．９．１）
【出願人】（５０１４５６５９３）
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]