磁力回転装置
【課題】コイルの巻数を増やしたり電流値を大きくすることなく、しかも電磁石の大きさを変えることなく、効率を高めることが可能な磁力回転装置を提供する。
【解決手段】磁力回転装置１０は、固定子１２と回転体１４を備える。固定子１２のフレーム２３に複数の電磁石１７が固定されている。２つの電磁石１７が、シャフト３７の軸方向にそって並んで配置されている。各電磁石１７の隣接する磁極３４は磁性が異なるように配置されている。コイル３２の外周面の外側には磁性プレート５０が設けられている。磁性プレート５０はコイル３２と絶縁した状態でコイル３２の外周面を覆うように設けられている。
【解決手段】磁力回転装置１０は、固定子１２と回転体１４を備える。固定子１２のフレーム２３に複数の電磁石１７が固定されている。２つの電磁石１７が、シャフト３７の軸方向にそって並んで配置されている。各電磁石１７の隣接する磁極３４は磁性が異なるように配置されている。コイル３２の外周面の外側には磁性プレート５０が設けられている。磁性プレート５０はコイル３２と絶縁した状態でコイル３２の外周面を覆うように設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石等の界磁体が設けられた回転子と、上記界磁体の磁力に対して反発方向又は吸引方向の磁力を生じさせる電磁石を有する固定子とを具備する磁力回転装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石（界磁体）が配置された回転体（回転子）と、この回転体の永久磁石の磁荷に対して反発方向又は吸引方向の磁力を生じさせる電磁石とを備えた磁力回転装置が広く知られている（特許文献１乃至３参照）。この種の磁力回転装置では、回転体が回転することによって電磁石に最接近する位置に永久磁石が到達すると、電磁石が通電されて電磁石に磁束が発生する。これにより、電磁石と永久磁石との間に反発力又は吸引力が発生する。この力が回転体を回転させる方向に作用することによって回転体に対して回転トルクが発生し、回転体の回転軸から所望の回転力が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１８７０８０号公報
【特許文献２】特開２００９−１１８７０５号公報
【特許文献３】特開２００９−１１８７０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来より、前掲の各特許文献に記載の磁力回転装置の効率を向上させる研究が盛んに行われている。磁力回転装置の回転力を高める単純な方法としては、コイルの巻数を増やしたり、コイルに流す電流を大きくしたりするなどして電磁石の磁力を大きくすることが考えられる。しかしながら、コイルへの通電量（コイルを流れる電流の１周期分の積分量）を多くすることは省電力化に反するため好ましくない。コイルへの通電量を一定にしてコイルの巻数を増やすと、電磁石の磁力が大きくなるが、巻数を増やすことにより電線が長くなって電気抵抗が増加し、却って効率が悪くなる場合がある。しかも、コイルの巻数が増えると、コイルの外径が大きくなり、装置が大型化するという問題がある。なお、本明細書においては、「電磁石の磁力」とは、磁気のクーロンの法則に従い生じるクーロン力と、電磁石のコイルを貫く磁界によってそのコイルに作用するＢＬＩ則（フレミングの左手の法則）に従い生じる電磁力とが複合的に作用する力のことである。
【０００５】
本願発明者は、図９に示される電磁石１００を用いて、コイルの巻数を変えずに、コイル１０４，１０５への通電量を一定にしたままの状態で電磁石１００の磁力が大きくなる機構について鋭意研究を重ねてきた。ここで、図９は、磁力回転装置に用いられている電磁石１００を示す模式図であり、（Ａ）は電磁石１００の正面図であり、（Ｂ）は、電磁石１００の底面図である。この電磁石１００は、一方側に磁極１０６，１０７（Ｎ極及びＳ極）が配置されるように形成された所謂Ｃ型のコア（鉄心）１０１と、コア１０１の脚部１０２，１０３に設けられたコイル１０４，１０５とを備えている。コア１０１は、支持プレート１０８によって支持されている。磁極１０６，１０７の形状は概ね正方形であり、そのサイズは２２ｍｍ×２２ｍｍである。本願発明者は、各磁極１０６，１０７の中央部に測定エリアとし、電磁石１００に様々な構成要素を付加させたうえで各構成毎に上記測定エリアにおける磁束密度をテスラメータ（ガウスメータとも言う。）で測定した。このときに使用したテスラメータは日本電磁測器株式会社製のもの（型番：ＧＶ−３００）である。また、プローブは、検出部の外径が約３ｍｍの同社製のもの（型番：ＣＡＬ９９１ Ｎｏ．３１２７９）を使用した。その結果、従来の電磁石よりも磁束密度が大きくなる新たな電磁石の構造を見出すことができた。
【０００６】
つまり、本発明の目的は、コイルに流す電流値及びコイルの巻数を変えずに従来の電磁石よりも磁力を増加させることが可能な電磁石を採用することにより、効率（単位入力あたりの機械出力）を向上させることが可能な磁力回転装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
(1) 本発明は、界磁体が設けられ回転軸を中心に回転可能な回転子と、上記界磁体の磁極に対して同極性又は異極性の磁極が対向するように電磁石が設けられた固定子と、を具備する磁力回転装置として構成されている。この磁力回転装置は、上記界磁体及び上記電磁石のいずれか一方が他方に作用することによって上記回転子を回転させる。この磁力回転装置において、上記電磁石は、胴部と該胴部から上記回転軸へ延びる２つの脚部とを有するコアと、上記脚部それぞれに設けられたコイルと、上記コイルの外周面の外側に配置された磁性体とから構成されている。なお、コイルは絶縁塗料などで絶縁されているため、コイルと磁性体とは絶縁されている。
【０００８】
本発明の磁力回転装置に用いられる上記電磁石は、上記脚部それぞれにコイルが設けられることによって、脚部の一方側の端部に磁極（Ｎ極又はＳ極）が形成される構成を有している。コアは、鉄或いは鉄の合金などの強磁性体で形成されている。２つの脚部それぞれに設けられたコイルに電流を流すと、一方の脚部の端部にＮ極が生じ、他方の脚部の端部にＳ極が生じる。Ｎ極から出た磁束は、空間を通って他方の脚部のＳ極に入る。しかし、、Ｎ極から出た磁束の全てが他方の脚部のＳ極に入るのではなく、その一部は、Ｎ極の脚部における上記胴部側の端部（以下「第１端部」と称する。）に戻る。このとき、Ｎ極から上記第１端部へ向かう磁束は、磁気抵抗の大きい空間ではなく磁気抵抗の小さい磁性体を通ることになる。また、Ｓ極側では、Ｓ極に入った磁束はコアを通って他方の脚部のＮ極へ向かう。しかし、Ｓ極に入った磁束の全てが他方の脚部のＮ極に向かうのではなく、その一部は、Ｓ極の脚部における上記胴部側の端部（以下「第２端部」と称する。）から出てＳ極に入る。このとき、上記第２端部からＳ極へ向かう磁束は、磁気抵抗の大きい空間ではなく磁気抵抗の小さい磁性体を通ることになる。
【０００９】
このため、各磁極の磁束密度が増大され、電磁石の磁力が大きくなる。これにより、コイルに流す電流値及びコイルの巻数を変えずに、磁力回転装置の効率を向上させることが可能となる。なお、このような磁性体として、絶縁体が外周面に設けられたケイ素鋼板又はその重合板が考えられる。
【００１０】
(2) 上記磁性体は、上記電磁石の磁極面から上記胴部側へ所定間隔を隔てられた位置に設けられていることが好ましい。なお、上記所定間隔としては、例えば、コイルが全体に設けられた上記脚部の半分の長さ、あるいは電磁石のコイル長の半分の長さが考えられる。
【００１１】
これにより、電磁石の磁極から出た磁束がただちに磁性体に引き寄せられないため、電磁石と永久磁石等の界磁体との間に十分な大きさの磁力を生じさせることができる。
【００１２】
(3) 上記磁性体は、上記電磁石の磁極面から上記胴部側へ所定間隔を隔てられた位置に設けられていることが好ましい。
【００１３】
これにより、一般的な部品として市場に流通している巻鉄心を磁性体として流用できることになり、電磁石や磁力回転装置の製造コストを抑制することができる。
【００１４】
(4) 上記回転軸の軸方向に沿って磁極が一列に並ぶように少なくとも２つの上記電磁石が設けられられており、上記軸方向に隣接する磁極は、互いに極性が異なるように配置されている構成が考えられる。この場合、上記磁性体は、各電磁石において隣接するコイルとコイルとの間に互いに対向するように設けられていることが好ましい。
【００１５】
これにより、一方の電磁石のＮ極と他方の電磁石のＳ極とが近接するように隣り合わせに配置されていても、これら各磁極それぞれのコイルとコイルとの間に形成された間隙に、互いに対向するように磁性体が設けられることで、これら磁性体が新たな磁路となる。このため、一方の電磁石のＮ極から出た磁束の一部は、他方の電磁石へ入り込まずに、新たな磁路である上記磁性体を通って、胴部におけるＮ極側の端部に戻る。この結果、磁極の磁束密度Ｂが大きくなり、電磁石の磁力が大きくなる。
【００１６】
(5) 本発明の磁力回転装置は、上記電磁石が少なくとも２つ設けられている。これらの電磁石は、上記回転軸の軸方向に沿って磁極が一列に並ぶように設けられている。上記軸方向に隣接する磁極は、互いに極性が異なるように配置されている。この構成において、一方の電磁石の上記胴部と他方の電磁石の上記胴部との間隙に上記磁性体が設けられていることが好ましい。
【００１７】
隣接する磁極の極性が異なるように２つの電磁石が配置された構成においては、一方の電磁石のＮ極と他方の電磁石のＳ極とが隣接する。このＮ極から出た磁束の一部は他方のＳ極に入り込み、そのＳ極の脚部を通って更に磁性体を通って、一方のＮ極に戻る。したがって、電磁石間の間隙に設けられた磁気抵抗の小さい磁性体を磁束が通ることにより、磁極の磁束密度が増大され、電磁石の磁力が大きくなる。隣接する電磁石において、コイルが設けられていない胴部と胴部との間に間隙が形成されるので、この間隙に磁性体を設けることで、電磁石の大きさを変えることなく磁力を大きくすることができる。これにより、コイルに流す電流値及びコイルの巻数を変えずに、磁力回転装置の効率を向上させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の磁力回転装置によれば、コイルの巻数を増やしたり電流値を大きくすることなく、しかも電磁石の大きさを変えることなく、電磁石の磁極面の磁束密度を大きくすることができる。これにより、電磁石の磁力が大きくなり、磁力回転装置の効率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る磁力回転装置１０の概略構成を模式的に示す平面図である。
【図２】図２は、図１における切断線II−IIの模式断面図である。
【図３】図３は、電磁石１７の構成を示す模式図であり、図１における切断線III−IIIの断面図である。
【図４】図４は、電磁石１７の構成を示す模式図であり、図３における矢視IV−IVの底面図である。
【図５】図５は、電磁石１７における一部の磁力線を示す模式図である。
【図６】図６は、電磁石１７の他の構造を示す底面図である。
【図７】図７は、電磁石１７の他の構造を示す底面図である。
【図８】図８は、本発明の変形例に係る磁力回転装置１０の電磁石１７の構成を示す模式断面図である。
【図９】図９は、従来の磁力回転装置に用いられている電磁石１００を示す模式図であり、（Ａ）は電磁石１００の正面図であり、（Ｂ）は、電磁石１００の底面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、適宜図面を参照して本発明の一実施形態に係る磁力回転装置１０について説明する。
【００２１】
［磁力回転装置１０の概略］
図１及び図２に示されるように、磁力回転装置１０は、主として、複数の電磁石１７（本発明の電磁石の一例）を有する固定子１２（本発明の固定子の一例）と、複数の永久磁石１９（本発明の界磁体の一例）を有する回転体１４（本発明の回転子の一例）と、磁力回転装置１０を制御する制御装置２１とを備えている。電磁石１７は、後述するように、２つの磁極３４（３４Ａ，３４Ｂ）を有するものである。この制御装置２１は、後述の位置検出センサ４６からの信号に基づいてセンサ検出盤４５の回転角度を算出し、永久磁石１９が電磁石１７の磁極３４に最も接近したタイミングでコイル３２に電流を一時的に供給する。これにより、電磁石１７の磁極３４の磁界と永久磁石１９の磁界とが相互に作用することにより磁気反発力（磁極３４の磁荷と永久磁石１９の磁荷との磁気反発力）が生じる。そして、この磁気反発力が回転体１４の回転方向へ作用することによって、回転体１４が回転する。なお、磁力回転装置１０は、駆動電流が供給されることによって電動機（モータ）として動作し、外力が供給されて回転体１４が回転されることによって発電機として動作する。以下、磁力回転装置１０の各構成要素について詳細に説明する。
【００２２】
［回転体１４］
図１に示されるように、回転体１４は、回転軸の一例であるシャフト３７と、シャフト３７が中心を貫通する４つの支持円盤３９（３９Ａ〜３９Ｄ）とを備えている。それぞれの支持円盤３９は同形同大に形成されており、これらはシャフト３７に固定されている。それぞれの支持円盤３９Ａ〜３９Ｄは、シャフト３７の一方端（図１において上方向の端部）から順番に配列されており、スペーサ４１を介して所定間隔を隔てて、互いに平行を保持した状態でシャフト３７に固定されている。各支持円盤３９の間隔は、電磁石１７の各磁極３４の間隔によって決定される。各磁極３４の間隔が決まれば、永久磁石１９は、隣の磁極３４の磁界の影響を受けない程度の強度に設定され、電磁石１７の磁極３４は、永久磁石１９に影響を与えない強度に設定される。
【００２３】
図２に示されるように、支持円盤３９の外縁部には複数の永久磁石１９が取り付けられている。それぞれの支持円盤３９には４個の永久磁石１９が取り付けられている。４個の永久磁石１９は、支持円盤３９の一方の面（片面）のみに集約配置されている。全ての支持円盤３９において、４個の永久磁石１９は、シャフト３７の周方向に沿って等ピッチに配置されている。具体的には、永久磁石１９は、シャフト３７を中心にして支持円盤３９を周方向に４分割した角度間隔α（＝９０°）で取り付けられている。
【００２４】
また、図２に示されるように、永久磁石１９は、支持円盤３９の各面において、周方向に４分割した角度間隔α（＝９０°）に対して４０〜７０％の割合の角度βを占めるように配置されている。つまり、角度間隔αが９０°の場合は、角度βが３６°〜６３°になるように永久磁石１９が配置される。図２では、角度βが３６°のときの状態が示されている。なお、周方向に隣接する永久磁石１９同士による永久減磁を考慮すると、角度間隔αに対して永久磁石１９の占める割合を７０％以下にするのが得策である。
【００２５】
なお、この実施形態では、本発明の回転子の一例として、４つの支持円盤３９それぞれに永久磁石１９が取り付けられた回転体１４を例示するが、本発明の回転子はこのような構成に限られない。例えば、両端に回転軸を有する円柱体又は筒状体を備え、その外周面に回転軸の周方向に沿って４個の永久磁石が取り付けられ、更にこの４個の永久磁石１９からなる永久磁石群が軸方向に所定間隔を隔てて４つ設けられた構成の回転体（回転子）であってもかまわない。また、この実施形態では、シャフト３７の周方向に４個の永久磁石１９が配置されているが、永久磁石１９の配置数は４個以上でも４個未満でも良く、６個でも５個でも３個でもよく、少なくとも１個の永久磁石１９が設けられていればよい。ただし、支持円盤３９に永久磁石１９が１個だけ取り付けられた構成の場合は、回転体１４の重量バランスを保つべく、シャフト３７を挟んで反対側に同質量のバランサーを設ける必要がある。
【００２６】
永久磁石１９は、表面及び裏面に磁極が形成された概ね四角形の平板状のものである。この永久磁石１９は、その一方の側端部が支持円盤３９の外周縁において数ｍｍ程度埋め込まれることにより支持円盤３９に固定されている。
【００２７】
また、各永久磁石１９は、図２に示されるように、支持円盤３９の中心Ｏから永久磁石１９の重心を結ぶ直線Ｌ１と、永久磁石１９の磁極方向すなわち永久磁石１９の表面及び裏面を貫く法線方向を示す直線Ｌ２とが交わる角度γが、３０°以上６０°以下となるように配置されている。
【００２８】
永久磁石１９は、Ｎ極又はＳ極のいずれかが支持円盤３９の外方へ向けられた状態で支持円盤３９の外縁部に取り付けられている。本実施形態では、図３に示されるように、支持円盤３９Ａ及び支持円盤３９Ｃでは、Ｓ極が外方へ向けられた状態で永久磁石１９が取り付けられている。また、支持円盤３９Ｂ及び支持円盤３９Ｄでは、Ｎ極が外方へ向けられた状態で永久磁石１９が取り付けられている。このように永久磁石１９が取り付けられているため、回転体１４が回転して永久磁石１９が電磁石１７に最接近すると、永久磁石１９の磁極と電磁石１７の磁極３４とが互いに向き合った状態となる。
【００２９】
［固定子１２］
図１に示されるように、固定子１２は、回転体１４の外側に設けられている。言い換えると、回転体１４が固定子１２の内側に設けられている。つまり、本実施形態の磁力回転装置１０は、所謂インナーロータタイプの回転装置である。なお、本発明は、インナーロータタイプのものに限られず、アウターロータタイプのものやフラットロータタイプのものにも適用可能である。
【００３０】
固定子１２は、フレーム２３と、フレーム２３に保持された電磁石１７とを備えている。フレーム２３は、支持円盤３９Ａ及び支持円盤３９Ｄそれぞれの更に外側に設けられた互いに平行な一対の側板２５（２５Ａ，２５Ｂ）と、一対の側板２５間に架け渡されて側板２５同士を軸方向に固定する複数の支持プレート３１とを有する。シャフト３７は、各側板２５それぞれに形成されたベアリング（不図示）で回転可能に支持されている。
【００３１】
フレーム２３には、全部で８個の電磁石１７が取り付けられている。後述するように、電磁石１７は、側板２５間に架け渡された４つの支持プレート３１に固定されている。なお、本実施形態では、本発明の固定子の一例として、フレーム２３に８個の電磁石１７が取り付けられた固定子１２を例示するが、本発明の固定子はこのような構成に限られず、少なくとも１つの電磁石１７がフレーム２３に設けられていればよい。
【００３２】
側板２５Ｂの外側には、センサ検出盤４５が設けられている。センサ検出盤４５は各支持円盤３９と同軸で回転可能なように、シャフト３７に固定されている。センサ検出盤４５は、例えば透明なプラスチック板であり、周縁の所定部位に遮光テープ等が貼り付けられている。また、フレーム２３には、フォトインタラプタ等の位置検出センサ４６が設けられている。位置検出センサ４６は、センサ検出盤４５の周縁に検出光を照射するように配置されている。この位置検出センサ４６によって、回転体１４の永久磁石１９の回転位置が制御装置２１に通知される。制御装置２１は、この回転位置に基づいて電磁石１７のコイル３２に通電する。
【００３３】
［電磁石１７］
図１に示されるように、シャフト３７の軸方向に沿って４つの磁極３４が一列に並ぶように２つの電磁石１７が配置されている。２つの電磁石１７は、隣接する磁極３４（３４Ａ，３４Ｂ）の磁性が異なるように配置されており、これにより、４つの磁極３４は、図３に示されるように、Ｎ極３４Ｂ及びＳ極３４Ａが交互となるように軸方向に沿って並んでいる。このように配置された２つの電磁石１７を一組とした場合に、本実施形態では、合計で４組がシャフト３７の周方向に角度間隔９０°のピッチで等間隔に取り付けられている。各電磁石１７は、配置位置が異なる以外は全て同じ構成となっている。
【００３４】
図３に示されるように、電磁石１７は、コア３０（本発明のコアの一例）を有する。コア３０は強磁性体で構成されており、本実施形態では、板状のケイ素鋼板が複数枚重ね合わされたものが用いられている。各ケイ素鋼板には、通電時に渦電流が発生し難いように絶縁塗料が塗布されている。コア３０は、側面から見た形状がアルファベットのＣ字状、Ｕ字形状、又は片仮名のコの字状に形成されたものであり、Ｃ型コア又はＵ型コアとも称されている。このコア３０は、概ねストレート形状の胴部２８と、その胴部２８の両方の端部２８Ａ，２８Ｂそれぞれからシャフト３７に直交する方向へ向けて延びる２つの脚部２９Ａ，２９Ｂ（以下、脚部２９Ａ，２９Ｂを総称して脚部２９とも称する。）とから構成されている。このようなコア３０が用いられることによって、コイル３２が通電されたときに、コア３０の一方側の端面（脚部２９Ｂの端面）にＮ極３４Ｂが現れ、コア３０の他方側の端面（脚部２９Ａの端面）にＳ極３４Ａが現れる。
【００３５】
１つの支持プレート３１には、シャフト３７の軸方向に並ぶ２つの電磁石１７が固定されている。支持プレート３１は、樹脂で形成された厚みのある長尺状の板状部材であり、その長手方向の両端は、一対の側板２５それぞれにネジ等の連結具によって固定されている。支持プレート３１には、電磁石１７の胴部２８側が嵌め入れられる２つの凹陥部（不図示）が長手方向に並んで形成されている。各凹陥部それぞれに電磁石１７が嵌め込まれることによって、２つの電磁石１７が支持プレート３１に固定されている。具体的には、電磁石１７の胴部２８、コイル３２の胴部２８側の端部、及び後述する磁性プレート５０の一部が上記凹陥部に嵌め入れられている。この支持プレート３１は、電磁石１７の胴部２８側を覆うカバーの役割も担っている。
【００３６】
コア３０の各脚部２９のそれぞれには、電線が巻回されてなる２つのコイル３２（本発明のコイルの一例）が設けられている。コイル３２の電線には絶縁塗料が塗布されている。各磁極のコイル３２は、いずれも、同じ巻数となっている。コイル３２の外周面には、絶縁テープ３３が巻き付けられている。したがって、コイル３２の外周面は、電線の絶縁塗料及び絶縁テープ３３によって、外部と絶縁状態が保たれている。
【００３７】
図３に示されるように、コイル３２の外周面の外側には、コイル３２の外周面を覆うように磁性プレート５０（本発明の磁性体の一例）が設けられている。磁性プレート５０は、磁性体で形成されている。磁性プレート５０は、コア３０と同じ材質で形成されている。磁性プレート５０は、断面が概ねＬ字状に形成されており、コイル３２の胴部２８側の端面３２Ａに沿う第１平板部５１と、コイル３２の外周側面３２Ｂに沿う第２平板部５２とを有する。磁性プレート５０は、第１平板部５１が支持プレート３１の凹陥部に嵌め入れられることによって、電磁石１７と一体に支持プレート３１に固定されている。本実施形態では、図４に示されるように、磁性プレート５０は、コイル３２の外周側面３２Ｂのうち、コイル３２同士が隣接する面を除く３面を覆うように、底面から見て概ねコの字形状に形成されている。なお、磁性プレート５０は、コア３０と同じ材質のものに限られず、フェライトなどの強磁性体で形成されたものであればよい。また、磁性プレート５０は、圧粉磁心を形成する手法と同じように、強磁性体の微細な粉末を型枠に入れて加圧成形することにより形成されたものであってもよい。このように形成すれば、立体的な形状の磁性プレート５０を容易に作成することができるし、また、粉末に戻しやすいため、容易に廃棄処理や再利用を行うことができる。
【００３８】
磁性プレート５０は、磁極３４からコア３０の胴部２８側へ距離ｄだけ隔てられた位置に第２平板部５２の下端５２Ａ（磁極３４側の端部）が配置されるように設けられている。言い換えると、第２平板部５２の下端５２Ａは、磁極３４からコア３０の胴部２８側へ距離ｄだけ後退している。距離ｄは、Ｎ極３４Ｂから出た磁束が永久磁石１９に到達する前に磁性プレート５０に引き寄せられない程度の距離に定められている。この距離ｄは、磁極３４と永久磁石１９との離間距離や、磁極３４及び永久磁石１９の磁荷、コイル３２の巻厚などの要素によって決定されるものである。本実施形態では、距離ｄは、コイル３２が巻かれている脚部２９の長さＬ（図３参照）に対して０．５Ｌの長さに設定されている。
【００３９】
［実施形態の作用・効果］
上述したように、磁力回転装置１０においては、コア３０の脚部２９のそれぞれにコイル３２が設けられることによって、それぞれの脚部２９の端部に磁極３４（Ｎ極及びＳ極）が配置される構成となっている。コイル３２に電流が供給されると、コイル３２の巻数により決まる起磁力が発生して、磁極３４と永久磁石１９の磁極との間のクーロン力やＢＬＩ則に従う電磁力等が生じる。図５に示されるように、Ｎ極３４Ｂから出た磁束の一部は、電磁石１７のＮ極３４ＢからＳ極３４Ａへ向かう主磁路６２を通らずに、図５の矢印６１で示されるように、コイル３２の外側に配置された磁性プレート５０を通って、胴部２８におけるＮ極３４Ｂ側の端部２９Ｂに戻る。また、胴部２８におけるＳ極３４Ａ側の端部２８Ａから漏れ出た磁束の一部は、図５の矢印６３に示されるように、コイル３２の外側に配置された磁性プレート５０を通って、Ｓ極３４Ａに入る。そのため、各脚部２９それぞれの磁束φが大きくなり、各磁極３４の磁束密度も大きくなる。電磁石１７の起磁力Ｆはコイル３２の巻数Ｎとコイル３２に流れる電流Ｉとの積で決定されるが、起磁力Ｆと磁気抵抗Ｒと磁束φとの間にはＦ＝φＲの関係がある。本実施形態のように磁性プレート５０が設けられると磁気抵抗Ｒが小さくなるため磁束φが大きくなり、その結果、磁極３４の磁束密度Ｂも大きくなる。電磁石１７の磁力は磁束密度Ｂに比例するため、磁束密度Ｂが大きくなれば、電磁石１７の磁力が大きくなる。このように、本発明によれば、コイル３２に流す電流値及びコイル３２の巻数を変えることなく、磁性プレート５０を設けるだけで、電磁石１７の磁力を従来の電磁石よりも増加させることが可能となり、その結果、磁力回転装置１０の効率が向上することになる。
【００４０】
なお、上述の実施形態では、磁性プレート５０がコイル３２の外周面のうちの３面を覆う構成（図４参照）について説明したが、例えば、図６（Ａ）に示されるように、それぞれのコイル３２の外周面のうちの１面を覆うように磁性プレート５０が設けられていてもよい。また、図６（Ｂ）に示されるように、一方の電磁石１７のＮ極３４Ｂと他方の電磁石１７のＳ極３４Ａとが離れて隣り合わせに配置されている場合は、これら各磁極３４それぞれのコイル３２とコイル３２との間に形成された間隙に、互いに対向するように磁性プレート５０が設けられていてもよい。これにより、一方の電磁石１７のＮ極３４Ｂから出た磁束の一部は、他方の電磁石１７のＳ極３４Ａへ入り込まなくても、磁性プレート５０を通って、胴部２８におけるＮ極３４Ｂ側の端部２９Ｂに戻る。このため、磁極３４の磁束密度Ｂが大きくなり、電磁石１７の磁力が大きくなる。
【００４１】
また、図７（Ａ）に示されるように、磁性プレート５０は、コイル３２の外周面のうちの２面を覆うようにコイル３２の外周面の外側に設けられてもよい。また、図７（Ｂ）に示されるように、電磁石１７が有する２つのコイル３２を内部に包み込むように、各コイル３２の外側から覆うように形成された環状の磁性プレート５０を設けてもよい。この場合、環状の磁性プレート５０は、表面を絶縁処理した薄い鋼板を帯状に圧延した所謂巻鉄心を流用することが考えられる。巻鉄心は、一般的な部品として市場に流通しているものであるため、これを流用することにより、電磁石１７や磁力回転装置１０の製造コストを抑制することができる。また、図示しないが、隣合う２つの電磁石１７が有する４つのコイル３２を内部に包み込むように、各コイル３２の外側から覆うように環状の磁性プレートを設けてもかまわない。
【００４２】
また、上述の実施形態では、磁性プレート５０がコイル３２の外周面の外側に設けられた構成について説明したが、例えば、図８に示されるように、一方の電磁石１７と他方の電磁石１７との間に形成された間隙５５に、磁性ブロック５７（本発明の磁性体の一例）が設けられた構成であってもよい。図８に示されるように、隣接するコイル３２が間隙なく配置されている場合は、コア３０の胴部２８と胴部２８との間に各コイル３２の巻厚相当分の間隙５５が形成される。この間隙５５に磁性ブロック５７が設けられている。磁性ブロック５７は、コア３０と同じ材質で形成されている。もちろん、磁性ブロック５７は、コア３０と同じ材質のものに限られず、フェライトなどの強磁性体で形成されたものであればよい。
【００４３】
このように構成されているため、シャフト３７の軸方向に隣接する磁極３４の極性が異なるように２つの電磁石１７が配置された磁力回転装置１０においては、コイル３２に電流が供給されると、コイル３２の巻数により決まる起磁力が発生して、磁極３４と永久磁石１９の磁極との間のクーロン力やＢＬＩ則に従う電磁力等が生じる。図８に示されるように、一方の電磁石１７（図８の右側）のＮ極３４Ｂから出た磁束の一部は、隣接する他の電磁石１７（図８の左側）のＳ極３４Ａに入り、このＳ極３４Ａの脚部２９Ａを通って胴部２８のＳ極３４Ａ側の端部２８Ａから磁性ブロック５７へ引き寄せられる。空間に比べて磁気抵抗が極めて小さい磁性ブロック５７を通った磁束は、一方の電磁石１７の胴部２８のＮ極３４Ｂ側の端部２８Ｂに戻る。そのため、各脚部２９それぞれの磁束φが大きくなり、各磁極３４の磁束密度も大きくなる。電磁石１７の起磁力Ｆはコイル３２の巻き回数Ｎとコイル３２に流れる電流Ｉとの積で決定されるが、起磁力Ｆと磁気抵抗Ｒと磁束φとの間にはＦ＝φＲの関係がある。本実施形態のように磁性ブロック５７が設けられると一方の端部２８Ａから磁性ブロック５７を経て他方の端部２８Ｂに至る部分の磁気抵抗Ｒが小さくなるため磁束が大きくなり、磁極３４の磁束密度Ｂも大きくなる。磁力は磁束密度Ｂに比例するため、磁束密度Ｂが大きくなれば、電磁石１７の磁力が大きくなる。このように、本発明によれば、コイル３２に流す電流値及びコイル３２の巻数を変えることなく、磁性ブロック５７を設けるだけで、電磁石１７の磁力を従来の電磁石よりも増加させることが可能となり、その結果、磁力回転装置１０の効率が向上することになる。
【００４４】
なお、上述の実施形態では、所謂Ｃ型のコア３０を有する電磁石１７を備えた磁力回転装置１０を例示して説明したが、言うまでもなく、Ｃ型のコア３０以外のＥ型のコア或いはくし型のコアを有する電磁石を備えた磁力回転装置であっても、本発明は適用可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１０・・・磁力回転装置
１２・・・固定子
１４・・・回転体
１７・・・電磁石
１９・・・永久磁石
２３・・・フレーム
２８・・・胴部
２９・・・脚部
３０・・・コア
３２・・・コイル
３４・・・磁極
３７・・・シャフト
３９・・・支持円盤
５０・・・磁性プレート
５７・・・磁性ブロック
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石等の界磁体が設けられた回転子と、上記界磁体の磁力に対して反発方向又は吸引方向の磁力を生じさせる電磁石を有する固定子とを具備する磁力回転装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石（界磁体）が配置された回転体（回転子）と、この回転体の永久磁石の磁荷に対して反発方向又は吸引方向の磁力を生じさせる電磁石とを備えた磁力回転装置が広く知られている（特許文献１乃至３参照）。この種の磁力回転装置では、回転体が回転することによって電磁石に最接近する位置に永久磁石が到達すると、電磁石が通電されて電磁石に磁束が発生する。これにより、電磁石と永久磁石との間に反発力又は吸引力が発生する。この力が回転体を回転させる方向に作用することによって回転体に対して回転トルクが発生し、回転体の回転軸から所望の回転力が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１８７０８０号公報
【特許文献２】特開２００９−１１８７０５号公報
【特許文献３】特開２００９−１１８７０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来より、前掲の各特許文献に記載の磁力回転装置の効率を向上させる研究が盛んに行われている。磁力回転装置の回転力を高める単純な方法としては、コイルの巻数を増やしたり、コイルに流す電流を大きくしたりするなどして電磁石の磁力を大きくすることが考えられる。しかしながら、コイルへの通電量（コイルを流れる電流の１周期分の積分量）を多くすることは省電力化に反するため好ましくない。コイルへの通電量を一定にしてコイルの巻数を増やすと、電磁石の磁力が大きくなるが、巻数を増やすことにより電線が長くなって電気抵抗が増加し、却って効率が悪くなる場合がある。しかも、コイルの巻数が増えると、コイルの外径が大きくなり、装置が大型化するという問題がある。なお、本明細書においては、「電磁石の磁力」とは、磁気のクーロンの法則に従い生じるクーロン力と、電磁石のコイルを貫く磁界によってそのコイルに作用するＢＬＩ則（フレミングの左手の法則）に従い生じる電磁力とが複合的に作用する力のことである。
【０００５】
本願発明者は、図９に示される電磁石１００を用いて、コイルの巻数を変えずに、コイル１０４，１０５への通電量を一定にしたままの状態で電磁石１００の磁力が大きくなる機構について鋭意研究を重ねてきた。ここで、図９は、磁力回転装置に用いられている電磁石１００を示す模式図であり、（Ａ）は電磁石１００の正面図であり、（Ｂ）は、電磁石１００の底面図である。この電磁石１００は、一方側に磁極１０６，１０７（Ｎ極及びＳ極）が配置されるように形成された所謂Ｃ型のコア（鉄心）１０１と、コア１０１の脚部１０２，１０３に設けられたコイル１０４，１０５とを備えている。コア１０１は、支持プレート１０８によって支持されている。磁極１０６，１０７の形状は概ね正方形であり、そのサイズは２２ｍｍ×２２ｍｍである。本願発明者は、各磁極１０６，１０７の中央部に測定エリアとし、電磁石１００に様々な構成要素を付加させたうえで各構成毎に上記測定エリアにおける磁束密度をテスラメータ（ガウスメータとも言う。）で測定した。このときに使用したテスラメータは日本電磁測器株式会社製のもの（型番：ＧＶ−３００）である。また、プローブは、検出部の外径が約３ｍｍの同社製のもの（型番：ＣＡＬ９９１ Ｎｏ．３１２７９）を使用した。その結果、従来の電磁石よりも磁束密度が大きくなる新たな電磁石の構造を見出すことができた。
【０００６】
つまり、本発明の目的は、コイルに流す電流値及びコイルの巻数を変えずに従来の電磁石よりも磁力を増加させることが可能な電磁石を採用することにより、効率（単位入力あたりの機械出力）を向上させることが可能な磁力回転装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
(1) 本発明は、界磁体が設けられ回転軸を中心に回転可能な回転子と、上記界磁体の磁極に対して同極性又は異極性の磁極が対向するように電磁石が設けられた固定子と、を具備する磁力回転装置として構成されている。この磁力回転装置は、上記界磁体及び上記電磁石のいずれか一方が他方に作用することによって上記回転子を回転させる。この磁力回転装置において、上記電磁石は、胴部と該胴部から上記回転軸へ延びる２つの脚部とを有するコアと、上記脚部それぞれに設けられたコイルと、上記コイルの外周面の外側に配置された磁性体とから構成されている。なお、コイルは絶縁塗料などで絶縁されているため、コイルと磁性体とは絶縁されている。
【０００８】
本発明の磁力回転装置に用いられる上記電磁石は、上記脚部それぞれにコイルが設けられることによって、脚部の一方側の端部に磁極（Ｎ極又はＳ極）が形成される構成を有している。コアは、鉄或いは鉄の合金などの強磁性体で形成されている。２つの脚部それぞれに設けられたコイルに電流を流すと、一方の脚部の端部にＮ極が生じ、他方の脚部の端部にＳ極が生じる。Ｎ極から出た磁束は、空間を通って他方の脚部のＳ極に入る。しかし、、Ｎ極から出た磁束の全てが他方の脚部のＳ極に入るのではなく、その一部は、Ｎ極の脚部における上記胴部側の端部（以下「第１端部」と称する。）に戻る。このとき、Ｎ極から上記第１端部へ向かう磁束は、磁気抵抗の大きい空間ではなく磁気抵抗の小さい磁性体を通ることになる。また、Ｓ極側では、Ｓ極に入った磁束はコアを通って他方の脚部のＮ極へ向かう。しかし、Ｓ極に入った磁束の全てが他方の脚部のＮ極に向かうのではなく、その一部は、Ｓ極の脚部における上記胴部側の端部（以下「第２端部」と称する。）から出てＳ極に入る。このとき、上記第２端部からＳ極へ向かう磁束は、磁気抵抗の大きい空間ではなく磁気抵抗の小さい磁性体を通ることになる。
【０００９】
このため、各磁極の磁束密度が増大され、電磁石の磁力が大きくなる。これにより、コイルに流す電流値及びコイルの巻数を変えずに、磁力回転装置の効率を向上させることが可能となる。なお、このような磁性体として、絶縁体が外周面に設けられたケイ素鋼板又はその重合板が考えられる。
【００１０】
(2) 上記磁性体は、上記電磁石の磁極面から上記胴部側へ所定間隔を隔てられた位置に設けられていることが好ましい。なお、上記所定間隔としては、例えば、コイルが全体に設けられた上記脚部の半分の長さ、あるいは電磁石のコイル長の半分の長さが考えられる。
【００１１】
これにより、電磁石の磁極から出た磁束がただちに磁性体に引き寄せられないため、電磁石と永久磁石等の界磁体との間に十分な大きさの磁力を生じさせることができる。
【００１２】
(3) 上記磁性体は、上記電磁石の磁極面から上記胴部側へ所定間隔を隔てられた位置に設けられていることが好ましい。
【００１３】
これにより、一般的な部品として市場に流通している巻鉄心を磁性体として流用できることになり、電磁石や磁力回転装置の製造コストを抑制することができる。
【００１４】
(4) 上記回転軸の軸方向に沿って磁極が一列に並ぶように少なくとも２つの上記電磁石が設けられられており、上記軸方向に隣接する磁極は、互いに極性が異なるように配置されている構成が考えられる。この場合、上記磁性体は、各電磁石において隣接するコイルとコイルとの間に互いに対向するように設けられていることが好ましい。
【００１５】
これにより、一方の電磁石のＮ極と他方の電磁石のＳ極とが近接するように隣り合わせに配置されていても、これら各磁極それぞれのコイルとコイルとの間に形成された間隙に、互いに対向するように磁性体が設けられることで、これら磁性体が新たな磁路となる。このため、一方の電磁石のＮ極から出た磁束の一部は、他方の電磁石へ入り込まずに、新たな磁路である上記磁性体を通って、胴部におけるＮ極側の端部に戻る。この結果、磁極の磁束密度Ｂが大きくなり、電磁石の磁力が大きくなる。
【００１６】
(5) 本発明の磁力回転装置は、上記電磁石が少なくとも２つ設けられている。これらの電磁石は、上記回転軸の軸方向に沿って磁極が一列に並ぶように設けられている。上記軸方向に隣接する磁極は、互いに極性が異なるように配置されている。この構成において、一方の電磁石の上記胴部と他方の電磁石の上記胴部との間隙に上記磁性体が設けられていることが好ましい。
【００１７】
隣接する磁極の極性が異なるように２つの電磁石が配置された構成においては、一方の電磁石のＮ極と他方の電磁石のＳ極とが隣接する。このＮ極から出た磁束の一部は他方のＳ極に入り込み、そのＳ極の脚部を通って更に磁性体を通って、一方のＮ極に戻る。したがって、電磁石間の間隙に設けられた磁気抵抗の小さい磁性体を磁束が通ることにより、磁極の磁束密度が増大され、電磁石の磁力が大きくなる。隣接する電磁石において、コイルが設けられていない胴部と胴部との間に間隙が形成されるので、この間隙に磁性体を設けることで、電磁石の大きさを変えることなく磁力を大きくすることができる。これにより、コイルに流す電流値及びコイルの巻数を変えずに、磁力回転装置の効率を向上させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の磁力回転装置によれば、コイルの巻数を増やしたり電流値を大きくすることなく、しかも電磁石の大きさを変えることなく、電磁石の磁極面の磁束密度を大きくすることができる。これにより、電磁石の磁力が大きくなり、磁力回転装置の効率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る磁力回転装置１０の概略構成を模式的に示す平面図である。
【図２】図２は、図１における切断線II−IIの模式断面図である。
【図３】図３は、電磁石１７の構成を示す模式図であり、図１における切断線III−IIIの断面図である。
【図４】図４は、電磁石１７の構成を示す模式図であり、図３における矢視IV−IVの底面図である。
【図５】図５は、電磁石１７における一部の磁力線を示す模式図である。
【図６】図６は、電磁石１７の他の構造を示す底面図である。
【図７】図７は、電磁石１７の他の構造を示す底面図である。
【図８】図８は、本発明の変形例に係る磁力回転装置１０の電磁石１７の構成を示す模式断面図である。
【図９】図９は、従来の磁力回転装置に用いられている電磁石１００を示す模式図であり、（Ａ）は電磁石１００の正面図であり、（Ｂ）は、電磁石１００の底面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、適宜図面を参照して本発明の一実施形態に係る磁力回転装置１０について説明する。
【００２１】
［磁力回転装置１０の概略］
図１及び図２に示されるように、磁力回転装置１０は、主として、複数の電磁石１７（本発明の電磁石の一例）を有する固定子１２（本発明の固定子の一例）と、複数の永久磁石１９（本発明の界磁体の一例）を有する回転体１４（本発明の回転子の一例）と、磁力回転装置１０を制御する制御装置２１とを備えている。電磁石１７は、後述するように、２つの磁極３４（３４Ａ，３４Ｂ）を有するものである。この制御装置２１は、後述の位置検出センサ４６からの信号に基づいてセンサ検出盤４５の回転角度を算出し、永久磁石１９が電磁石１７の磁極３４に最も接近したタイミングでコイル３２に電流を一時的に供給する。これにより、電磁石１７の磁極３４の磁界と永久磁石１９の磁界とが相互に作用することにより磁気反発力（磁極３４の磁荷と永久磁石１９の磁荷との磁気反発力）が生じる。そして、この磁気反発力が回転体１４の回転方向へ作用することによって、回転体１４が回転する。なお、磁力回転装置１０は、駆動電流が供給されることによって電動機（モータ）として動作し、外力が供給されて回転体１４が回転されることによって発電機として動作する。以下、磁力回転装置１０の各構成要素について詳細に説明する。
【００２２】
［回転体１４］
図１に示されるように、回転体１４は、回転軸の一例であるシャフト３７と、シャフト３７が中心を貫通する４つの支持円盤３９（３９Ａ〜３９Ｄ）とを備えている。それぞれの支持円盤３９は同形同大に形成されており、これらはシャフト３７に固定されている。それぞれの支持円盤３９Ａ〜３９Ｄは、シャフト３７の一方端（図１において上方向の端部）から順番に配列されており、スペーサ４１を介して所定間隔を隔てて、互いに平行を保持した状態でシャフト３７に固定されている。各支持円盤３９の間隔は、電磁石１７の各磁極３４の間隔によって決定される。各磁極３４の間隔が決まれば、永久磁石１９は、隣の磁極３４の磁界の影響を受けない程度の強度に設定され、電磁石１７の磁極３４は、永久磁石１９に影響を与えない強度に設定される。
【００２３】
図２に示されるように、支持円盤３９の外縁部には複数の永久磁石１９が取り付けられている。それぞれの支持円盤３９には４個の永久磁石１９が取り付けられている。４個の永久磁石１９は、支持円盤３９の一方の面（片面）のみに集約配置されている。全ての支持円盤３９において、４個の永久磁石１９は、シャフト３７の周方向に沿って等ピッチに配置されている。具体的には、永久磁石１９は、シャフト３７を中心にして支持円盤３９を周方向に４分割した角度間隔α（＝９０°）で取り付けられている。
【００２４】
また、図２に示されるように、永久磁石１９は、支持円盤３９の各面において、周方向に４分割した角度間隔α（＝９０°）に対して４０〜７０％の割合の角度βを占めるように配置されている。つまり、角度間隔αが９０°の場合は、角度βが３６°〜６３°になるように永久磁石１９が配置される。図２では、角度βが３６°のときの状態が示されている。なお、周方向に隣接する永久磁石１９同士による永久減磁を考慮すると、角度間隔αに対して永久磁石１９の占める割合を７０％以下にするのが得策である。
【００２５】
なお、この実施形態では、本発明の回転子の一例として、４つの支持円盤３９それぞれに永久磁石１９が取り付けられた回転体１４を例示するが、本発明の回転子はこのような構成に限られない。例えば、両端に回転軸を有する円柱体又は筒状体を備え、その外周面に回転軸の周方向に沿って４個の永久磁石が取り付けられ、更にこの４個の永久磁石１９からなる永久磁石群が軸方向に所定間隔を隔てて４つ設けられた構成の回転体（回転子）であってもかまわない。また、この実施形態では、シャフト３７の周方向に４個の永久磁石１９が配置されているが、永久磁石１９の配置数は４個以上でも４個未満でも良く、６個でも５個でも３個でもよく、少なくとも１個の永久磁石１９が設けられていればよい。ただし、支持円盤３９に永久磁石１９が１個だけ取り付けられた構成の場合は、回転体１４の重量バランスを保つべく、シャフト３７を挟んで反対側に同質量のバランサーを設ける必要がある。
【００２６】
永久磁石１９は、表面及び裏面に磁極が形成された概ね四角形の平板状のものである。この永久磁石１９は、その一方の側端部が支持円盤３９の外周縁において数ｍｍ程度埋め込まれることにより支持円盤３９に固定されている。
【００２７】
また、各永久磁石１９は、図２に示されるように、支持円盤３９の中心Ｏから永久磁石１９の重心を結ぶ直線Ｌ１と、永久磁石１９の磁極方向すなわち永久磁石１９の表面及び裏面を貫く法線方向を示す直線Ｌ２とが交わる角度γが、３０°以上６０°以下となるように配置されている。
【００２８】
永久磁石１９は、Ｎ極又はＳ極のいずれかが支持円盤３９の外方へ向けられた状態で支持円盤３９の外縁部に取り付けられている。本実施形態では、図３に示されるように、支持円盤３９Ａ及び支持円盤３９Ｃでは、Ｓ極が外方へ向けられた状態で永久磁石１９が取り付けられている。また、支持円盤３９Ｂ及び支持円盤３９Ｄでは、Ｎ極が外方へ向けられた状態で永久磁石１９が取り付けられている。このように永久磁石１９が取り付けられているため、回転体１４が回転して永久磁石１９が電磁石１７に最接近すると、永久磁石１９の磁極と電磁石１７の磁極３４とが互いに向き合った状態となる。
【００２９】
［固定子１２］
図１に示されるように、固定子１２は、回転体１４の外側に設けられている。言い換えると、回転体１４が固定子１２の内側に設けられている。つまり、本実施形態の磁力回転装置１０は、所謂インナーロータタイプの回転装置である。なお、本発明は、インナーロータタイプのものに限られず、アウターロータタイプのものやフラットロータタイプのものにも適用可能である。
【００３０】
固定子１２は、フレーム２３と、フレーム２３に保持された電磁石１７とを備えている。フレーム２３は、支持円盤３９Ａ及び支持円盤３９Ｄそれぞれの更に外側に設けられた互いに平行な一対の側板２５（２５Ａ，２５Ｂ）と、一対の側板２５間に架け渡されて側板２５同士を軸方向に固定する複数の支持プレート３１とを有する。シャフト３７は、各側板２５それぞれに形成されたベアリング（不図示）で回転可能に支持されている。
【００３１】
フレーム２３には、全部で８個の電磁石１７が取り付けられている。後述するように、電磁石１７は、側板２５間に架け渡された４つの支持プレート３１に固定されている。なお、本実施形態では、本発明の固定子の一例として、フレーム２３に８個の電磁石１７が取り付けられた固定子１２を例示するが、本発明の固定子はこのような構成に限られず、少なくとも１つの電磁石１７がフレーム２３に設けられていればよい。
【００３２】
側板２５Ｂの外側には、センサ検出盤４５が設けられている。センサ検出盤４５は各支持円盤３９と同軸で回転可能なように、シャフト３７に固定されている。センサ検出盤４５は、例えば透明なプラスチック板であり、周縁の所定部位に遮光テープ等が貼り付けられている。また、フレーム２３には、フォトインタラプタ等の位置検出センサ４６が設けられている。位置検出センサ４６は、センサ検出盤４５の周縁に検出光を照射するように配置されている。この位置検出センサ４６によって、回転体１４の永久磁石１９の回転位置が制御装置２１に通知される。制御装置２１は、この回転位置に基づいて電磁石１７のコイル３２に通電する。
【００３３】
［電磁石１７］
図１に示されるように、シャフト３７の軸方向に沿って４つの磁極３４が一列に並ぶように２つの電磁石１７が配置されている。２つの電磁石１７は、隣接する磁極３４（３４Ａ，３４Ｂ）の磁性が異なるように配置されており、これにより、４つの磁極３４は、図３に示されるように、Ｎ極３４Ｂ及びＳ極３４Ａが交互となるように軸方向に沿って並んでいる。このように配置された２つの電磁石１７を一組とした場合に、本実施形態では、合計で４組がシャフト３７の周方向に角度間隔９０°のピッチで等間隔に取り付けられている。各電磁石１７は、配置位置が異なる以外は全て同じ構成となっている。
【００３４】
図３に示されるように、電磁石１７は、コア３０（本発明のコアの一例）を有する。コア３０は強磁性体で構成されており、本実施形態では、板状のケイ素鋼板が複数枚重ね合わされたものが用いられている。各ケイ素鋼板には、通電時に渦電流が発生し難いように絶縁塗料が塗布されている。コア３０は、側面から見た形状がアルファベットのＣ字状、Ｕ字形状、又は片仮名のコの字状に形成されたものであり、Ｃ型コア又はＵ型コアとも称されている。このコア３０は、概ねストレート形状の胴部２８と、その胴部２８の両方の端部２８Ａ，２８Ｂそれぞれからシャフト３７に直交する方向へ向けて延びる２つの脚部２９Ａ，２９Ｂ（以下、脚部２９Ａ，２９Ｂを総称して脚部２９とも称する。）とから構成されている。このようなコア３０が用いられることによって、コイル３２が通電されたときに、コア３０の一方側の端面（脚部２９Ｂの端面）にＮ極３４Ｂが現れ、コア３０の他方側の端面（脚部２９Ａの端面）にＳ極３４Ａが現れる。
【００３５】
１つの支持プレート３１には、シャフト３７の軸方向に並ぶ２つの電磁石１７が固定されている。支持プレート３１は、樹脂で形成された厚みのある長尺状の板状部材であり、その長手方向の両端は、一対の側板２５それぞれにネジ等の連結具によって固定されている。支持プレート３１には、電磁石１７の胴部２８側が嵌め入れられる２つの凹陥部（不図示）が長手方向に並んで形成されている。各凹陥部それぞれに電磁石１７が嵌め込まれることによって、２つの電磁石１７が支持プレート３１に固定されている。具体的には、電磁石１７の胴部２８、コイル３２の胴部２８側の端部、及び後述する磁性プレート５０の一部が上記凹陥部に嵌め入れられている。この支持プレート３１は、電磁石１７の胴部２８側を覆うカバーの役割も担っている。
【００３６】
コア３０の各脚部２９のそれぞれには、電線が巻回されてなる２つのコイル３２（本発明のコイルの一例）が設けられている。コイル３２の電線には絶縁塗料が塗布されている。各磁極のコイル３２は、いずれも、同じ巻数となっている。コイル３２の外周面には、絶縁テープ３３が巻き付けられている。したがって、コイル３２の外周面は、電線の絶縁塗料及び絶縁テープ３３によって、外部と絶縁状態が保たれている。
【００３７】
図３に示されるように、コイル３２の外周面の外側には、コイル３２の外周面を覆うように磁性プレート５０（本発明の磁性体の一例）が設けられている。磁性プレート５０は、磁性体で形成されている。磁性プレート５０は、コア３０と同じ材質で形成されている。磁性プレート５０は、断面が概ねＬ字状に形成されており、コイル３２の胴部２８側の端面３２Ａに沿う第１平板部５１と、コイル３２の外周側面３２Ｂに沿う第２平板部５２とを有する。磁性プレート５０は、第１平板部５１が支持プレート３１の凹陥部に嵌め入れられることによって、電磁石１７と一体に支持プレート３１に固定されている。本実施形態では、図４に示されるように、磁性プレート５０は、コイル３２の外周側面３２Ｂのうち、コイル３２同士が隣接する面を除く３面を覆うように、底面から見て概ねコの字形状に形成されている。なお、磁性プレート５０は、コア３０と同じ材質のものに限られず、フェライトなどの強磁性体で形成されたものであればよい。また、磁性プレート５０は、圧粉磁心を形成する手法と同じように、強磁性体の微細な粉末を型枠に入れて加圧成形することにより形成されたものであってもよい。このように形成すれば、立体的な形状の磁性プレート５０を容易に作成することができるし、また、粉末に戻しやすいため、容易に廃棄処理や再利用を行うことができる。
【００３８】
磁性プレート５０は、磁極３４からコア３０の胴部２８側へ距離ｄだけ隔てられた位置に第２平板部５２の下端５２Ａ（磁極３４側の端部）が配置されるように設けられている。言い換えると、第２平板部５２の下端５２Ａは、磁極３４からコア３０の胴部２８側へ距離ｄだけ後退している。距離ｄは、Ｎ極３４Ｂから出た磁束が永久磁石１９に到達する前に磁性プレート５０に引き寄せられない程度の距離に定められている。この距離ｄは、磁極３４と永久磁石１９との離間距離や、磁極３４及び永久磁石１９の磁荷、コイル３２の巻厚などの要素によって決定されるものである。本実施形態では、距離ｄは、コイル３２が巻かれている脚部２９の長さＬ（図３参照）に対して０．５Ｌの長さに設定されている。
【００３９】
［実施形態の作用・効果］
上述したように、磁力回転装置１０においては、コア３０の脚部２９のそれぞれにコイル３２が設けられることによって、それぞれの脚部２９の端部に磁極３４（Ｎ極及びＳ極）が配置される構成となっている。コイル３２に電流が供給されると、コイル３２の巻数により決まる起磁力が発生して、磁極３４と永久磁石１９の磁極との間のクーロン力やＢＬＩ則に従う電磁力等が生じる。図５に示されるように、Ｎ極３４Ｂから出た磁束の一部は、電磁石１７のＮ極３４ＢからＳ極３４Ａへ向かう主磁路６２を通らずに、図５の矢印６１で示されるように、コイル３２の外側に配置された磁性プレート５０を通って、胴部２８におけるＮ極３４Ｂ側の端部２９Ｂに戻る。また、胴部２８におけるＳ極３４Ａ側の端部２８Ａから漏れ出た磁束の一部は、図５の矢印６３に示されるように、コイル３２の外側に配置された磁性プレート５０を通って、Ｓ極３４Ａに入る。そのため、各脚部２９それぞれの磁束φが大きくなり、各磁極３４の磁束密度も大きくなる。電磁石１７の起磁力Ｆはコイル３２の巻数Ｎとコイル３２に流れる電流Ｉとの積で決定されるが、起磁力Ｆと磁気抵抗Ｒと磁束φとの間にはＦ＝φＲの関係がある。本実施形態のように磁性プレート５０が設けられると磁気抵抗Ｒが小さくなるため磁束φが大きくなり、その結果、磁極３４の磁束密度Ｂも大きくなる。電磁石１７の磁力は磁束密度Ｂに比例するため、磁束密度Ｂが大きくなれば、電磁石１７の磁力が大きくなる。このように、本発明によれば、コイル３２に流す電流値及びコイル３２の巻数を変えることなく、磁性プレート５０を設けるだけで、電磁石１７の磁力を従来の電磁石よりも増加させることが可能となり、その結果、磁力回転装置１０の効率が向上することになる。
【００４０】
なお、上述の実施形態では、磁性プレート５０がコイル３２の外周面のうちの３面を覆う構成（図４参照）について説明したが、例えば、図６（Ａ）に示されるように、それぞれのコイル３２の外周面のうちの１面を覆うように磁性プレート５０が設けられていてもよい。また、図６（Ｂ）に示されるように、一方の電磁石１７のＮ極３４Ｂと他方の電磁石１７のＳ極３４Ａとが離れて隣り合わせに配置されている場合は、これら各磁極３４それぞれのコイル３２とコイル３２との間に形成された間隙に、互いに対向するように磁性プレート５０が設けられていてもよい。これにより、一方の電磁石１７のＮ極３４Ｂから出た磁束の一部は、他方の電磁石１７のＳ極３４Ａへ入り込まなくても、磁性プレート５０を通って、胴部２８におけるＮ極３４Ｂ側の端部２９Ｂに戻る。このため、磁極３４の磁束密度Ｂが大きくなり、電磁石１７の磁力が大きくなる。
【００４１】
また、図７（Ａ）に示されるように、磁性プレート５０は、コイル３２の外周面のうちの２面を覆うようにコイル３２の外周面の外側に設けられてもよい。また、図７（Ｂ）に示されるように、電磁石１７が有する２つのコイル３２を内部に包み込むように、各コイル３２の外側から覆うように形成された環状の磁性プレート５０を設けてもよい。この場合、環状の磁性プレート５０は、表面を絶縁処理した薄い鋼板を帯状に圧延した所謂巻鉄心を流用することが考えられる。巻鉄心は、一般的な部品として市場に流通しているものであるため、これを流用することにより、電磁石１７や磁力回転装置１０の製造コストを抑制することができる。また、図示しないが、隣合う２つの電磁石１７が有する４つのコイル３２を内部に包み込むように、各コイル３２の外側から覆うように環状の磁性プレートを設けてもかまわない。
【００４２】
また、上述の実施形態では、磁性プレート５０がコイル３２の外周面の外側に設けられた構成について説明したが、例えば、図８に示されるように、一方の電磁石１７と他方の電磁石１７との間に形成された間隙５５に、磁性ブロック５７（本発明の磁性体の一例）が設けられた構成であってもよい。図８に示されるように、隣接するコイル３２が間隙なく配置されている場合は、コア３０の胴部２８と胴部２８との間に各コイル３２の巻厚相当分の間隙５５が形成される。この間隙５５に磁性ブロック５７が設けられている。磁性ブロック５７は、コア３０と同じ材質で形成されている。もちろん、磁性ブロック５７は、コア３０と同じ材質のものに限られず、フェライトなどの強磁性体で形成されたものであればよい。
【００４３】
このように構成されているため、シャフト３７の軸方向に隣接する磁極３４の極性が異なるように２つの電磁石１７が配置された磁力回転装置１０においては、コイル３２に電流が供給されると、コイル３２の巻数により決まる起磁力が発生して、磁極３４と永久磁石１９の磁極との間のクーロン力やＢＬＩ則に従う電磁力等が生じる。図８に示されるように、一方の電磁石１７（図８の右側）のＮ極３４Ｂから出た磁束の一部は、隣接する他の電磁石１７（図８の左側）のＳ極３４Ａに入り、このＳ極３４Ａの脚部２９Ａを通って胴部２８のＳ極３４Ａ側の端部２８Ａから磁性ブロック５７へ引き寄せられる。空間に比べて磁気抵抗が極めて小さい磁性ブロック５７を通った磁束は、一方の電磁石１７の胴部２８のＮ極３４Ｂ側の端部２８Ｂに戻る。そのため、各脚部２９それぞれの磁束φが大きくなり、各磁極３４の磁束密度も大きくなる。電磁石１７の起磁力Ｆはコイル３２の巻き回数Ｎとコイル３２に流れる電流Ｉとの積で決定されるが、起磁力Ｆと磁気抵抗Ｒと磁束φとの間にはＦ＝φＲの関係がある。本実施形態のように磁性ブロック５７が設けられると一方の端部２８Ａから磁性ブロック５７を経て他方の端部２８Ｂに至る部分の磁気抵抗Ｒが小さくなるため磁束が大きくなり、磁極３４の磁束密度Ｂも大きくなる。磁力は磁束密度Ｂに比例するため、磁束密度Ｂが大きくなれば、電磁石１７の磁力が大きくなる。このように、本発明によれば、コイル３２に流す電流値及びコイル３２の巻数を変えることなく、磁性ブロック５７を設けるだけで、電磁石１７の磁力を従来の電磁石よりも増加させることが可能となり、その結果、磁力回転装置１０の効率が向上することになる。
【００４４】
なお、上述の実施形態では、所謂Ｃ型のコア３０を有する電磁石１７を備えた磁力回転装置１０を例示して説明したが、言うまでもなく、Ｃ型のコア３０以外のＥ型のコア或いはくし型のコアを有する電磁石を備えた磁力回転装置であっても、本発明は適用可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１０・・・磁力回転装置
１２・・・固定子
１４・・・回転体
１７・・・電磁石
１９・・・永久磁石
２３・・・フレーム
２８・・・胴部
２９・・・脚部
３０・・・コア
３２・・・コイル
３４・・・磁極
３７・・・シャフト
３９・・・支持円盤
５０・・・磁性プレート
５７・・・磁性ブロック
【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁体が設けられ回転軸を中心に回転可能な回転子と、
上記界磁体の磁極に対して同極性又は異極性の磁極が対向するように電磁石が設けられた固定子と、を具備し、
上記界磁体及び上記電磁石のいずれか一方が他方に作用することによって上記回転子を回転させる磁力回転装置であって、
上記電磁石は、
胴部と該胴部から上記回転軸へ延びる２つの脚部とを有するコアと、
上記脚部それぞれに設けられたコイルと、
上記コイルの外周面の外側に配置された磁性体とから構成されている磁力回転装置。
【請求項２】
上記磁性体は、上記電磁石の磁極面から上記胴部側へ所定間隔を隔てられた位置に設けられている請求項１に記載の磁力回転装置。
【請求項３】
上記磁性体は、表面を絶縁処理した薄い鋼板を帯状に圧延した巻鉄心であり、該巻鉄心は、上記電磁石に設けられた２つのコイルを内部に覆うように設けられている請求項１又は２に記載の磁力回転装置。
【請求項４】
上記回転軸の軸方向に沿って磁極が一列に並ぶように少なくとも２つの上記電磁石が設けられ、上記軸方向に隣接する磁極は、互いに極性が異なるように配置されており、
上記磁性体は、各電磁石において隣接するコイルとコイルとの間に互いに対向するように設けられている請求項１から３のいずれかに記載の磁力回転装置。
【請求項５】
上記回転軸の軸方向に沿って磁極が一列に並ぶように少なくとも２つの上記電磁石が設けられ、上記軸方向に隣接する磁極は、互いに極性が異なるように配置されており、
一方の電磁石の上記胴部と他方の電磁石の上記胴部との間隙に上記磁性体が設けられている請求項１から４のいずれかに記載の磁力回転装置。
【請求項１】
界磁体が設けられ回転軸を中心に回転可能な回転子と、
上記界磁体の磁極に対して同極性又は異極性の磁極が対向するように電磁石が設けられた固定子と、を具備し、
上記界磁体及び上記電磁石のいずれか一方が他方に作用することによって上記回転子を回転させる磁力回転装置であって、
上記電磁石は、
胴部と該胴部から上記回転軸へ延びる２つの脚部とを有するコアと、
上記脚部それぞれに設けられたコイルと、
上記コイルの外周面の外側に配置された磁性体とから構成されている磁力回転装置。
【請求項２】
上記磁性体は、上記電磁石の磁極面から上記胴部側へ所定間隔を隔てられた位置に設けられている請求項１に記載の磁力回転装置。
【請求項３】
上記磁性体は、表面を絶縁処理した薄い鋼板を帯状に圧延した巻鉄心であり、該巻鉄心は、上記電磁石に設けられた２つのコイルを内部に覆うように設けられている請求項１又は２に記載の磁力回転装置。
【請求項４】
上記回転軸の軸方向に沿って磁極が一列に並ぶように少なくとも２つの上記電磁石が設けられ、上記軸方向に隣接する磁極は、互いに極性が異なるように配置されており、
上記磁性体は、各電磁石において隣接するコイルとコイルとの間に互いに対向するように設けられている請求項１から３のいずれかに記載の磁力回転装置。
【請求項５】
上記回転軸の軸方向に沿って磁極が一列に並ぶように少なくとも２つの上記電磁石が設けられ、上記軸方向に隣接する磁極は、互いに極性が異なるように配置されており、
一方の電磁石の上記胴部と他方の電磁石の上記胴部との間隙に上記磁性体が設けられている請求項１から４のいずれかに記載の磁力回転装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−５１８０１（Ｐ２０１３−５１８０１Ａ）
【公開日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８８０５４（Ｐ２０１１−１８８０５４）
【出願日】平成２３年８月３０日（２０１１．８．３０）
【特許番号】特許第４９８８９５１号（Ｐ４９８８９５１）
【特許公報発行日】平成２４年８月１日（２０１２．８．１）
【出願人】（５０５００１０６３）
【公開日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月３０日（２０１１．８．３０）
【特許番号】特許第４９８８９５１号（Ｐ４９８８９５１）
【特許公報発行日】平成２４年８月１日（２０１２．８．１）
【出願人】（５０５００１０６３）
[ Back to top ]