電磁回転機
【課題】大口径ファンを回転させる大トルクを発生させながら軽量かつ高エネルギー効率な電磁回転機を得る。
【解決手段】励磁コイルとしてのコイルＡおよびコイルＢはファンの外周端部に対向するファンケーシングの内周面には配設されていると共に電機子コイルとしてのコイルＭは中央部において交差しファンの外周端部に配設されている。そして、コイルＡまたはコイルＢは、電流制御装置４（図示せず）によって、｜Ｉａｉ｜＝｜Ｉａｉ＋１｜かつＩａｉ＝−Ｉａｉ＋１ならびに｜Ｉｂｉ｜＝｜Ｉｂｉ＋１｜かつＩｂｉ＝−Ｉｂｉ＋１であって、なおかつ、コイルＡが形成する実効磁場と、コイルＢがコイルＭに誘起する実効誘導電流との相互作用によって発生する実効電磁力の向きがファンの回転方向に一致するように励磁制御されている。
【解決手段】励磁コイルとしてのコイルＡおよびコイルＢはファンの外周端部に対向するファンケーシングの内周面には配設されていると共に電機子コイルとしてのコイルＭは中央部において交差しファンの外周端部に配設されている。そして、コイルＡまたはコイルＢは、電流制御装置４（図示せず）によって、｜Ｉａｉ｜＝｜Ｉａｉ＋１｜かつＩａｉ＝−Ｉａｉ＋１ならびに｜Ｉｂｉ｜＝｜Ｉｂｉ＋１｜かつＩｂｉ＝−Ｉｂｉ＋１であって、なおかつ、コイルＡが形成する実効磁場と、コイルＢがコイルＭに誘起する実効誘導電流との相互作用によって発生する実効電磁力の向きがファンの回転方向に一致するように励磁制御されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁回転機、特に航空機に組込まれるターボファンに適した電磁回転機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、航空機用ジェット推進装置、例えばターボジェットエンジンは、吸入口から内部に取り込んだ空気を圧縮機で高圧化しその圧縮された空気に燃料を混合し燃焼器で燃焼させ高温・高圧ガスとして後方に噴射させ、その反力を利用して推進力を得るものである。一方、取り込んだ空気の一部分を圧縮機、燃焼器および膨張機から成るコアエンジンに送り込まないで迂回させてファンのみを通過させ、その空気をファンにより流速を高めてそのまま後方に噴出して推進力を得るターボファンエンジン等がある。特に、コアエンジンよりもファンに送り込まれる空気量の多いターボファンエンジンは、高バイパス比ターボファンエンジンとも称され、音速よりも低音速領域で使用され燃料消費効率が高く且つ取り込んだ空気の大部分は燃焼させないため低エミッションであり、更にバイパス空気流が燃焼ガスを覆うため低騒音でもある。そのため、高バイパス比ターボファンエンジンは、省エネルギー、地球温暖化または酸性雨等の脱環境破壊の観点から時代のニーズに応えるものであり、旅客または貨物輸送航空機用エンジンとして多用されている。
【０００３】
また、産業構造がグローバル化またはボーダレス化する中、旅客または貨物輸送に対する需要が増大する傾向にあると共に旅客量または貨物輸送量も増大する傾向にあり、旅客機または貨物輸送機に対して、大口径のファンを有する大推力のターボファンエンジンが求められている。さて、大口径のファンを駆動するには、大トルクを発生させる動力が必要となる。そのため、外部動力装置、例えば電動機を付加し、その電動機のトルクによってファンを駆動する手法がとられている。因みに、特許文献１には電動機から駆動力を得るものが開示されている。
【特許文献１】特開平１０−０１８８６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、電動機でファンを駆動する場合、大トルクを発生させるには、大きな磁場を発生する界磁と電機子コイルに大電流を流す大容量の発電システムが必要である。さらに、電機子の鉄芯構造によりエンジン部の重量が増加する問題がある。
ところで、低消費電力かつ軽量の電動機が考案されると、上記課題は解消されることになる。一般に、電動機において磁場（Ｂ）中で電機子コイルに電流（Ｉ）が流れると、その電流と磁場の外積（Ｉ×Ｂ）に比例した大きさと向きを持った電磁力が発生する。ここで、その磁場を時間変動させるとファラデーの電磁誘導の法則によって、電機子コイルに誘導電流が誘起され、その誘導電流（ｉ）とその磁場（Ｂ）との相互作用によって誘導電流（ｉ）と磁場（Ｂ）の外積（ｉ×Ｂ）に比例した大きさと向きを持った電磁力が発生する。そして、その電磁力によって電機子コイルは回転しながら同軸のシャフトから動力を外部に出力する。しかし、電機子コイルを一定方向に回転させるためにはその電磁力の向きが常に一定とならなければならず、すなわち、電機子コイルに流れる誘導電流（ｉ）と磁場（Ｂ）との外積（ｉ×Ｂ）の結果生じるベクトルの向きが常に一定でなければならない。通常の直流モータの場合、永久磁石または電磁石によって界磁の向きは一定にされ、且つ整流子によって電機子電流の向きは一定にされるため、電磁力は常に一定方向に保たれ電機子は一定方向に回転駆動する。従って、磁場を時間変動させることによって電機子コイルに誘導電流を誘起させる場合、その誘導電流も時間変動することになり、電磁力の向きを一定にするにはその変動する磁場に対して誘導電流の向きを適切に制御しなければならないという問題がある。一方、磁場を時間変動させるためには、コイルに励磁電流を供給しなければならないが、できるだけ少ない電力でコイルを励磁させなければならないという問題がある。
本発明は、上記実情に鑑み創案されたものであって、大口径ファンを回転させる大トルクを発生させながら軽量かつ高エネルギー効率な電磁回転機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的を達成するための第１の発明では、回転体および固定体を具備し且つ電機子コイルおよび励磁コイルの相互誘導作用により発生する電磁力を利用して前記回転体を駆動する電磁回転機であって、前記電機子コイルは該回転体の外周端部に配設され、且つ前記励磁コイルは該電機子コイルが対向する該固定体の内周面に配設されていることを特徴とする。
上記第１の発明の電磁回転機では、電機子コイルが回転側である回転体の外周端部に配設され、励磁コイルは固定側である固定体の内周面に配設されている。これにより、鉄芯、補助磁石およびハウジング等の部品が不要となり、全体重量を軽量にすることができると共に小さい電磁力で大トルクを発生することができるようになる。
【０００６】
第２の発明では、前記励磁コイルはｎ（≧２）個の分割励磁コイルから構成され且つ前記電機子コイルは１又はそれ以上の分割電機子コイルから構成され、該分割電機子コイルは中央部近傍において交差していると共に該交差点を含む中心線において対称形態の閉コイルであり、一の分割電機子コイルの中央部近傍が一の分割励磁コイルの中央部近傍に重なり前記電磁力が発生する時に該分割電機子コイルは両側において他の分割励磁コイルと重なるようにした。
上記第２の発明の電磁回転機では、分割電機子コイルの中央部近傍がいずれかの分割励磁コイルの中央部近傍に重なる時に、両側において別の分割励磁コイルと重複する。この場合、その分割電機子コイルは異なる２個または３個の分割励磁コイルと中央部近傍と一方の側または中央部近傍と両側において重なっているので、これらの分割励磁コイルから個別に電磁誘導作用を受けることになる。そして、分割電機子コイルの中央部近傍に重なっている分割励磁コイルが励磁されると、その分割励磁コイルは分割電機子コイルに磁場を与えると共に誘導電流を誘起することが可能となるが、分割電機子コイルが中央部近傍において交差していることにより、その誘導電流はその分割電機子コイルの中央部近傍において互いに対向する向きに流れる。その結果、その誘導電流は互いに打ち消し合い実効電磁力としては作用しない。他方、分割電機子コイルの一方の側において重なる分割励磁コイルが励磁されると、同じく分割電機子コイルに誘導電流を誘起するが、分割電機子コイルは中央部近傍において交差していることによりその誘導電流は並行して流れ打ち消し合わない。同様に、分割電機子コイルの両側において重なる分割励磁コイルが、例えば互いに１８０°の位相差で励磁されると、各分割励磁コイルが分割電機子コイルの両側で誘起する誘導電流は大きさが同じで互いに１８０°の位相差を有するようになるが、分割電機子コイルが中央部近傍において交差していることによりこれらの誘導電流は分割励磁コイルの中央部近傍において互いに並行して流れる。その結果、その分割電機子コイルの中央部近傍においてはこれらの誘導電流と分割電機子コイルの中央部近傍を貫く磁場の相互作用によって実効電磁力が発生する。
【０００７】
第３の発明では、一の分割電機子コイルの中央部近傍が一の分割励磁コイルの中央部近傍に重なる時に他の分割電機子コイルの中央部近傍は他の分割励磁コイルの中央部近傍に重なるようにした。
上記第３の発明の電磁回転機では、一の分割電機子コイルの中央部近傍が分割励磁コイルの中央部近傍に重なる時は、他の全ての分割電機子コイルの中央部近傍がいずれかの分割励磁コイルの中央部近傍と重なるので、他の分割電機子コイルの中央部近傍においても同様に電磁力が発生し、電磁力は好適に倍増されることになる。
【０００８】
第４の発明では、前記分割励磁コイルは前記分割電機子コイルの中央部近傍が該分割励磁コイルの中央部近傍に重なる時に前記回転体を回転させる実効電磁力に係る実効磁場を該分割電機子コイルに形成し且つ該分割電機子コイルのいずれか一方の端部が該分割励磁コイルに重なる時に同実効電磁力に係る実効誘導電流を該分割電機子コイルに誘起するように励磁制御される手段を備えるようにした。
上記第４の発明の電磁回転機では、分割励磁コイルは分割電機子コイルに対する相対位置に応じて実効電磁力に係る実効磁場を分割電機子コイルに供給し又は実効電磁力に係る実効誘導電流を分割電機子コイルに誘起するので、その実効磁場およびその実効誘導電流の相互作用によって回転体を回転させる実効電磁力が好適に発生する。
【０００９】
第５の発明では、前記分割励磁コイルは前記分割電機子コイルのいずれか一方の端部に重なる時に通電され且つ該分割電機子コイルの他の端部に重なる隣り合う分割励磁コイルは通電方向に関して該分割励磁コイルに対し逆向きとなるように励磁制御される手段を備えるようにした。
上記第５の発明の電磁回転機では、分割電機子コイルを挟んでいる隣り合う分割励磁コイル同士は互いに逆向きに通電されることにより、互いに逆向きの磁場を分割電機子コイルの両側に形成し、その磁場が時間変動した際に誘起される誘導電流は互いに逆向きとなるが、分割電機子コイルが中央部近傍において交差していることによりこれらの誘導電流は分割電機子コイルの中央部近傍において互いに同じ向きとなり、その結果、実効電磁力の発生に関して好適に実効誘導電流となる。
【００１０】
第６の発明では、前記分割励磁コイルは一の分割励磁コイルが前記分割電機子コイルに形成する前記実効電磁力に係る実効磁場のベクトルと隣接する分割励磁コイルが前記分割電機子コイルに誘起する同実効電磁力に係る実効誘導電流のベクトルとの外積の結果生じる力の向きが前記回転体の回転方向に一致するように励磁制御される手段を備えるようにした。
一般に、磁場中で導体に電流が流れると、その電流のベクトルとその磁場のベクトルとの外積に比例する電磁力が発生する。
そこで、上記第６の発明の電磁回転機では、分割電機子コイルの中央部近傍と重なる分割励磁コイルが電機子コイルに形成する実効磁場と、分割電機子コイルの両側で重なる２つの分割励磁コイルによって分割電機子コイルに誘起される実効誘導電流との相互作用によって発生する実効電磁力の向きは、その実効誘導電流の向きから実効磁場の向きへ回転させた時の右ねじの進む向きに一致する。従って、分割電機子コイルの両側で重複する２つの分割励磁コイルの通電方向と、分割電機子コイルの中央部近傍で重複する分割励磁コイルの通電方向を、実効誘導電流のベクトルと実効磁場のベクトルの外積の結果生じる力の向きが、回転体の回転方向に一致するように制御することで、回転体を好適に一定方向に回転させることができるようになる。
【００１１】
第７の発明では、一の分割励磁コイルが前記分割電機子コイルに形成する実効磁場と他の分割励磁コイルが該分割電機子コイルに誘起する実効誘導電流との電磁的位相差は、該実効磁場と該実効誘導電流の積分値が最大となるように励磁制御される手段を備えるようにした。
上記第７の発明の電磁回転機では、分割電機子コイルの中央部近傍と重複する分割励磁コイルが分割電機子コイルに形成する実効磁場と、分割電機子コイルの両側と重複する分割励磁コイルが分割電機子コイルに誘起する実効誘導電流との積が実効電磁力に比例し、その積分値が最大の時実効電磁力も最大となるので、その積分値が最大となるように各分割励磁コイルの電磁的位相差が設定され、回転体のエネルギー観点での効率が向上する。
【００１２】
第８の発明では、前記分割励磁コイルは、交流電流を供給する電流供給手段と、該交流電流を双方向に導通させるスイッチング手段と、該交流電流を回収する蓄電手段と、該交流電流を補完する充電器とを具備すると共に閉回路を構成するようにした。
上記第８の発明の電磁回転機では、分割励磁コイルに交流電流を供給する電流供給手段によって分割励磁コイルは好適に励磁され磁場を分割電機子コイルに形成するが、分割励磁コイルに通電するその電流は時間変動するので、形成される磁場は時間変動し、その磁場の時間変動は分割電機子コイルに誘導電流を好適に誘起する。また、スイッチング手段によって、双方向にわたり分割励磁コイルに交流電流を通電することが可能になり、その結果、分割電機子コイルに誘起する誘導電流の向き又は分割電機子コイルに形成される磁場の向きを好適に変えることが可能になる。さらに、分割励磁コイルに通電される交流電流は蓄電手段によって回収され、損失分は充電器によって補完される。その結果、分割励磁コイルを励磁するための電力はほとんど消費されない。これにより、外部から電機子コイルに電力を供給することなく且つ励磁コイルを励磁するための電力をほとんど消費することなく、あるいは微少電力で回転体を一定の方向に回転させる実効電磁力を好適に発生することが可能になる。
【００１３】
第９の発明では、前記閉回路はＬＣ回路を構成し且つ該ＬＣ回路の時定数は回転体の回転周期に対して十分に小さく設定されるようにした。
上記第９の発明の電磁回転機では、ＬＣ回路の時定数が回転体の回転周期に対し十分に小さく設定されているので、分割電機子コイルの回転速度が無視できるようになり、分割励磁コイルが通電される際の分割電機子コイルとの相互誘導作用は準静的とみなされる。
【００１４】
第１０の発明では、前記充電器は、小型モータ発電機、小型ガスタービン発電機、燃料電池または超伝導発電機あるいはこれらを組み合わせたものとした。
上記第１０の発明の電磁回転機では、分割励磁コイルを通電する交流電流は蓄電手段によって回収されながら双方向に通電されるので閉回路内部ではほとんど電力が消費されない。従って、小型モータ発電機、小型ガスタービン発電機、燃料電池または超伝導発電機あるいはこれらを組み合わせたもので好適に構成することができる。
【００１５】
第１１の発明では、前記分割励磁コイルおよび前記分割電機子コイルは、所定の温度以下で電気抵抗が限りなく小さくなる又は低電気抵抗性の導電材料から作られているものとした。
上記第１１の発明の電磁回転機では、分割励磁コイルまたは分割電機子コイルは上記導電材料から作られているので、分割励磁コイルまたは分割電機子コイルが励磁される時に電気抵抗損失分を限りなく小さくすることができ、その結果、蓄電器の容量を小さくすることができ全体重量の軽量化に寄与することが可能になる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の電磁回転機によれば、励磁コイルは固定体の内周面に配設され且つ電機子コイルは励磁コイルに対向しながら回転体の外周端部に配設されているので、鉄芯等の重量部品が不要となり全体の重量が大幅に軽減され軽量化されると共に小さな電磁力で大きなトルクを発生させることが可能になる。また、励磁コイルは複数の分割励磁コイルで構成されると共に電機子コイルは複数の分割電機子コイルで構成され、且つ一の分割電機子コイルの中央部近傍が一の分割励磁コイルの中央部近傍に重なる時に、他の分割電機子コイルの中央部近傍は他の分割励磁コイルの中央部近傍と重なり且つ両側においてそれと別個の分割励磁コイルと各々重なるように、各分割励磁コイルは固定体の内周面に配設され且つ各分割電機子コイルは回転体の外周端部に配設されている。そして、各分割励磁コイルは分割電機子コイルとの相対位置に応じて各分割電機子コイルに対する作用が異なるように励磁方向が好適に制御されている。すなわち、分割励磁コイルが分割電機子コイルの中央部近傍に重なる時は、回転体を一定方向に回転させる実効電磁力に係る実効磁場をその各分割電機子コイルに形成する一方、分割励磁コイルが分割電機子コイルのいずれかの端部に重なる時は、その実効電磁力に係る実効誘導電流をその分割電機子コイルに誘起するように、その励磁が好適に制御されている。さらに、その実効誘導電流の向き及びその実効磁場の向きは回転体の回転方向に一致するように、各分割励磁コイルが好適に励磁制御されている。その結果、外部から分割電機子コイルに電流を供給することなく、その実効電磁力を好適に発生させ、回転体を一定方向に回転させることができる。また、分割励磁コイルを励磁した交流電流は蓄電手段によって順方向または逆方向に回収されると共にスイッチング手段によって再び順方向または逆方向に流され、その損失分は充電器によって補完される。また、鉄芯が存在しないためヒステリシス損および渦電流損といった磁気損失は少なくなる。その結果、分割励磁コイルの磁気エネルギーは蓄電手段によって電気エネルギーとして回収されスイッチング手段によって再利用される。従って、本発明の電磁回転機はエネルギー回収機能を有する。これにより、励磁コイルを励磁するための電力をほとんど消費することなく、あるいは微少消費電力で回転体を一定の方向に回転させる実効電磁力を好適に発生することが可能になる。その結果、回転体のエネルギー効率が飛躍的に向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図に示す実施の形態により本発明をさらに詳細に説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本発明の一実施例である電磁駆動ファン１００を示す要部正面図である。
この電磁駆動ファン１００は、取り込んだ空気をそのまま流速を高めて後方へ噴出し、その反動でその噴出方向と逆向きの推力を発生させる回転体としてのファンブレード１と、該ファンブレード１が取り付けられているシャフト２と、ファンブレード１およびシャフト２を収容する固定体としてのファンケーシング３と、ファンブレード１の外周端部に対向してファンケーシング３の内周面に取り付けられ且つファンブレード１を回転させる実効電磁力に係る実効磁場を発生し分割励磁コイルとしてのコイルＡｉ列（ｉ＝１,２,・・・,ｎ）と、同その実効電磁力に係る実効誘導電流を下記分割電機子コイルに誘起する分割励磁コイルとしてのコイルＢｉ列（ｉ＝１,２,・・・,ｎ）と、ファンブレード１の外周端部に取り付けられ上記実効磁場および上記実効誘導電流の相互作用によって上記実効電磁力を発生する分割電機子コイルとしてのコイルＭｉ列（ｉ＝１,２,・・・,ｎ）と、コイルＡｉおよびコイルＢｉに対する電流の制御を行う電流制御装置４と、コイルＭｉの角度または変位を検出する位置検出センサ（図示せず）とを具備して構成されている。なお、分割励磁コイルは、コイルＭｉに対する相対位置に応じて役割を変える、即ちコイルＭｉの中央部に重なる時に上記実効電磁力に係る実効磁場をコイルＭｉに供給し且つコイルＭｉのいずれか一方の端部に重なる時に上記実効電磁力に係る実効誘導電流をコイルＭｉに誘起する。従って、説明の便宜上、上記実効電磁力に係る実効磁場をコイルＭｉに形成する場合をコイルＡｉと、または上記実効電磁力に係る実効誘導電流をコイルＭｉに誘起する場合をコイルＢｉとし区別するが、構造上は全く同一のコイルであり、分割励磁コイルは、コイルＡｉにもなり、コイルＢｉにもなる。
【００１９】
本実施例では、図２に示すように、コイルＭｉの幅長をＬ１とすると、コイルＡｉまたはコイルＢｉの幅長Ｌ２は略Ｌ１／２になるように設定されている。
【００２０】
なお、上記実効磁場とは、分割励磁コイルが分割電機子コイルに形成する磁場の中で上記実効電磁力の発生の原因となっている磁場のことであり、上記実効誘導電流とは、分割励磁コイルが分割電機子コイルに誘起する誘導電流の中で上記実効電磁力の発生の原因となっている誘導電流のことである。
【００２１】
また、電流制御装置４は、上記コイルＡｉ列およびコイルＢｉ列の電流の制御に関し、例えば連続する複数のコイルＡおよびコイルＢを一組として、例えばコイルＡｉ、コイルＢｉ、コイルＡｉ＋１およびコイルＢｉ＋１を一組として制御を行う。
【００２２】
また、上記コイルＭｉ列はファンブレード１の外周端部内に埋設され、上記コイルＡｉ列およびコイルＢｉ列は、ファンケーシング３の内周面内に埋設されていても良い。あるいは、上記コイルＭｉ列はファンブレード１の外周端部の一部分に配設され、上記コイルＡｉ列およびコイルＢｉ列は、ファンケーシング３の内周面の一部分に配設されていても良い
【００２３】
上記電磁駆動ファン１００によれば、電機子コイルとしてのコイルＭｉ列（ｉ＝１,２,・・・,ｎ）がファンブレード１の外周端部に配設され、鉄芯等を要しない構造を採るようにしたため、全体の重量を軽量にすることが可能になる。さらに、コイルＭｉ列（ｉ＝１,２,・・・,ｎ）が回転中心から遠いファンブレード１の外周端部に配設されているので、比較的小さい実効電磁力で大きなトルクを発生させることができ、ファンブレード１を好適に回転させることができるようになる。
【００２４】
図２は、コイルＡｉ列またはコイルＢｉ列のコイルＭｉ列に対する２次元相対位置を示す説明図である。
この図は、コイルＭｉ列をファンケーシング３の内周面に投影し、そのファンケーシング３の内周面を２次元平面として展開した時の状態を示している。なお、コイルＡｉ列またはコイルＢｉ列はファンケーシング３の内周面に配設されているのでコイルＭｉ列に対し静止し、一方、コイルＭｉ列はファンブレード１の外周端部に配設されているのでコイルＡｉ列またはコイルＢｉ列に対し移動するものとなる。
【００２５】
コイルＡｉまたはコイルＢｉは、例えば矩形状かつ単巻き又は複巻きの分割励磁コイルであり、端部にコイルＡｉまたはコイルＢｉと共にＬＣ回路を構成するコンデンサＣと、コイルＡｉまたはコイルＢｉに双方向の電流を導通する第１および第２サイリスタＳＣＲ１,ＳＣＲ２と、コンデンサＣの極性に応じてコンデンサＣのバイアス方向を切り換える切換回路ＳＷと、コンデンサＣに電荷を供給する電源Ｓとを具備している。なお、第１および第２サイリスタＳＣＲ１,ＳＣＲ２のスイッチング制御と切換回路ＳＷの切り換え制御は、コイルＭｉの回転位置を示す位置検出センサからの情報に基づいて電流制御装置４によって行われる。
【００２６】
また、本発明に係る電磁駆動ファン１００の作動については図３から７を参照しながら詳述するが、コイルＡｉおよびコイルＢｉは、コイルＭｉに対してファンブレード１を回転させる実効電磁力の発生に寄与する点においては共通しているが、コイルＭｉがその実効電磁力を発生するメカニズムにおいて、コイルＡｉとコイルＢｉの役割は全く異なるものである。すなわち、コイルＡｉは、実効電磁力に係る実効磁場をコイルＭｉに与えるのに対し、コイルＢｉは実効電磁力に係る実効誘導電流をコイルＭｉに誘起する役割を果たす。そして、コイルＡｉがコイルＭｉに誘起するファンブレード１の回転に寄与しない無効誘導電流は、コイルＭｉの構造上の特徴により好適に打ち消されると共にコイルＢｉがコイルＭｉに及ぼすファンブレード１の回転に寄与しない無効磁場による無効電磁力は、同じく打ち消される。
【００２７】
さらに、コイルＡｉまたはコイルＢｉは、コンデンサＣと共にＬＣ回路を構成しているので、サイリスタがオンされる時にコイルＡｉまたはコイルＢｉに流れる電流は、時間的に変動する電流、いわゆる交流電流である。これにより、その交流電流が励磁電流としてコイルＡｉまたはコイルＢｉを流れると、その励磁電流によって形成されコイルＭｉを貫く磁場も時間変動するので、その磁場の時間変動によってコイルＭｉにその磁場の時間変動を妨げる方向に誘導電流が流れる。これにより、外部から電流を供給することなく電機子コイルとしてのコイルＭｉに電流を流すことができる。
【００２８】
また、コイルＡｉ＋１に流れる電流をＩａｉ＋１と、コイルＢｉ＋１に流れる電流をＩｂｉ＋１とすると、隣り合うコイルＡ同士またはコイルＢ同士は、その大きさが等しく且つその向きが反対となる。すなわち、｜Ｉａｉ｜＝｜Ｉａｉ＋１｜かつＩａｉ＝−Ｉａｉ＋１または｜Ｉｂｉ｜＝｜Ｉｂｉ＋１｜かつＩｂｉ＝−Ｉｂｉ＋１となる。
【００２９】
一般に、コイルＡｉまたはコイルＢｉの幅長をＬ２とコイルＭｉの幅長をＬ１とすると、Ｌ１およびＬ２の間にはＬ１／２≦Ｌ２＜Ｌ１との関係が成り立っている。これにより、コイルＡｉまたはコイルＢｉを通電することによって発生される磁場をコイルＭｉに効率良く作用することが可能になる。なお、本実施例ではＬ２＝Ｌ１／２の場合である。
【００３０】
コイルＭｉは、中央部において交差し且つ対称形態である８の字コイルであり、図示の都合上、単巻きであるが複巻きでも良い。詳細については図３から７を参照しながら後述するが、この交差により、例えばコイルＡｉがコイルＭｉに誘起する誘導電流は中央部において互いに打ち消し合い、結果的にコイルＡｉは、ファンブレード１の回転に寄与する実効電磁力に係る実効磁場のみをコイルＭｉに与えることになる。一方、例えばコイルＢｉおよびコイルＢｉ＋１がコイルＭｉに誘起する各誘導電流は、中央部において互いに同じ向きに流れ、その誘導電流によって発生される電磁力は加算されるが、コイルＭｉの両端部においてコイルＢｉおよびコイルＢｉ＋１がコイルＭｉ＋１に形成する磁場の向きは互いに逆向きであり且つ各誘導電流は互いに同じ向きに流れるので、その磁場とその誘導電流の相互作用によって発生する電磁力は互いに打ち消し合い、結果的にコイルＢｉおよびコイルＢｉ＋１はコイルＭｉに実効電磁力に係る実効誘導電流のみを誘起することになる。
【００３１】
なお、本実施例では、最良の形態として、コイルＭｉの両側に重なるコイル、例えばコイルＢｉおよびコイルＢｉ＋１の２つの分割励磁コイルを励磁することにより実効電磁力に係る実効誘導電流をコイルＭｉに誘起する構成となっているが、コイルＢｉまたはコイルＢｉ＋１のどちらか一方を励磁することにより、すなわち１つの分割励磁コイルにより実効電磁力に係る実効誘導電流をコイルＭｉに誘起する構成とすることも可能である。
【００３２】
なお、本実施例ではスイッチング手段としてサイリスタが採用されているが、パワートランジスタ，パワーＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子を用いても良い。
【００３３】
また、電源Ｓは、例えば小型モータ発電機，小型ガスタービン発電機，燃料電池または蓄電池である。
【００３４】
また、コイルＡｉ、コイルＢｉおよびコイルＭｉは、所定の温度以下で電気抵抗が限りなく小さくなる又は低電気抵抗性の導電材料から作られているコイルであり、例えば超伝導コイルである。
【００３５】
ここで、図３から７を参照しながらファンブレード１の回転に寄与する実効電磁力を発生するメカニズムについて説明する。説明を容易にするために、コイルＡｉ＋１およびコイルＭｉ＋１の電磁誘導作用と、コイルＢｉおよびコイルＢｉ＋１とコイルＭｉ＋１の電磁誘導作用を個別に説明する。
【００３６】
図３は、コイルＡｉ＋１およびコイルＭｉ＋１の電磁誘導作用を示す説明図である。なお、コンデンサＣａｉ＋１は、図示の極性で充電されているものとする。
横軸を時間とした図７の（ａ）に示すように、分割励磁コイルの中央部が分割電機子コイルＭｉ＋１の中央部に一致するｔ＝０の時に、電流制御装置４は第２サイリスタＳＣＲ２ａｉ＋１をオンにすると、コイルＡｉ＋１に図７の（ｂ）に示す順方向の励磁電流Ｉａｉ＋１が流れ、図３において紙面の裏から表に向かって磁場Ｂａｉ＋１が形成される（図７の（ｃ））。コイルＡｉ＋１はコンデンサＣａｉ＋１と共にＬＣ回路を構成しているので、コイルＡｉ＋１の電位差Ｖａｉ＋１および励磁電流Ｉａｉ＋１は一定の周期Ｔ（＝２π×（ＬＣ）１／２）で振動し、互いに位相がπ／２だけ異なる半波正弦波になる。そして、コイルＡｉ＋１の電位差Ｖａｉ＋１はｔ＝Ｔ／４でゼロになるがコイルＡｉ＋１の自己誘導によって電流を維持する向きに起電力が生じる。そのため励磁電流Ｉａｉ＋１は減少しながらも流れ続ける。コンデンサに初めと逆の電荷がたまるｔ＝Ｔ／２の時に、電流制御装置４は第２サイリスタＳＣＲ２ａｉ＋１をオフとし、コンデンサＣａｉ＋１は逆方向に充電される。図３に戻って、この磁場Ｂａｉ＋１を左磁場ＢＬと右磁場ＢＲに分割すると、左磁場ＢＬの時間変動によって、ｄＢＬ／ｄｔに比例する左誘導起電力ＥＬがコイルＭｉ＋１に誘起され、それに対応する左誘導電流ｉＬがコイルＭｉ＋１内を流れる。他方、右磁場ＢＲの時間変動によって、ｄＢＲ／ｄｔに比例する右誘導起電力ＥＲがコイルＭｉ＋１に誘起され、それに対応する右誘導電流ｉＲがコイルＭｉ＋１内を流れる。なお、励磁電流Ｉａｉ＋１の動作はファンブレード１の回転動作よりも極めて早く、励磁電流Ｉａｉ＋１が流れている間、ファンブレード１すなわちコイルＭｉ＋１は静止しているとみなされる。その結果、その励磁電流Ｉａｉ＋１による左磁場ＢＬと右磁場ＢＲの大きさは等しくなる。従って、左誘導起電力ＥＬと右誘導起電力ＥＲの大きさは等しくなると共に左誘導電流ｉＬと右誘導電流ｉＲの大きさも等しくなる。
【００３７】
ところが、左誘導電流ｉＬおよび右誘導電流ｉＲは、コイルＭｉ＋１が中央部において交差しているため、電流の向きが互いに逆向きとなり、各誘導電流ｉＬ,ｉＲは互いに打ち消し合い、結局、磁場Ｂａｉ＋１の時間変動によって誘導起電力および誘導電流は誘起されず、結果的に、コイルＡｉ＋１は磁場Ｂａｉ＋１のみをコイルＭｉ＋１に与えることになる。
【００３８】
そして、図７の（ａ）に戻り、一定時間（＝Ｔ０）経過後に、分割電機子コイルの中央部が分割励磁コイルの中央部に再度重なる時に、電流制御装置４は、第１サイリスタＳＣＲ１ａｉ＋１をオンにすると、コイルＡｉ＋１に図７の（ｂ）に示す逆方向の励磁電流Ｉａｉ＋１が流れ、図４において紙面の表から裏に向かって磁場Ｂａｉ＋１が形成される（図７の（ｃ））。コイルＡｉ＋１はコンデンサＣａｉ＋１と共にＬＣ回路を構成しているので、コイルＡｉ＋１の電位差Ｖａｉ＋１および励磁電流Ｉａｉ＋１は一定の周期Ｔ（＝２π×（ＬＣ）１／２）で振動し、互いに位相がπ／２だけ異なる半波正弦波になる。そして、その電位差Ｖａｉ＋１はｔ＝Ｔ０＋Ｔ／４でゼロになるがコイルＡｉ＋１の自己誘導によって電流を維持する向きに起電力が生じる。そのため励磁電流Ｉａｉ＋１は減少しながらも流れ続ける。こうして、ｔ＝Ｔ０＋Ｔ／２でコンデンサにはｔ＝Ｔ０と逆の電荷がたまり、電流制御装置４は第１サイリスタＳＣＲ１ａｉをオフとし、コンデンサＣａｉ＋１は順方向に充電される。図４に戻り、図３と同様に、左誘導電流ｉＬおよび右誘導電流ｉＲは、コイルＭｉ＋１は中央部において交差しているため、電流の向きが互いに逆向きとなり、各誘導電流ｉＬ,ｉＲは互いに打ち消し合い、結局、磁場Ｂａｉ＋１の時間変動によって誘導起電力および誘導電流は誘起されず、結果的に、コイルＡｉ＋１は磁場Ｂａｉ＋１のみをコイルＭｉ＋１に与えることになる。以後、これらの動作が繰り返し行われる。
【００３９】
また、各コイルＡ１,Ａ２,・・・,Ａｉ−１,Ａｉ＋１,・・・,Ａｎについても同様な動作になる。
【００４０】
図５は、両側のコイルＢｉおよびコイルＢｉ＋１とコイルＭｉ＋１の電磁誘導作用を示す説明図である。なお、各コンデンサＣｂｉ,Ｃｂｉ＋１は、図示の極性で充電されているものとする。
【００４１】
なお、前述したように同じ構造を持ったコイルＢｉ列の各コイルは図７に示したコイルＡｉ＋１と類似した動作を行うので図７を用いて説明する。図７の（ｄ）に示すように、コイルＡｉ＋１の電位差Ｖａｉ＋１がゼロ、すなわちコイルＡｉ＋１の励磁電流Ｉａｉ＋１が最大となるｔ＝Ｔ／４の時に、電流制御装置４は第１サイリスタＳＣＲ２ｂｉおよび第２サイリスタＳＣＲ２ｂｉ＋１をオンにすると、コイルＢｉ,Ｂｉ＋１に図７の（ｅ）に示す励磁電流Ｉｂｉ,Ｉｂｉ＋１が流れ、図５に示すようにそれぞれ紙面の表から裏に向かって左磁場Ｂｂｉ、紙面の裏から表に向かって右磁場Ｂｂｉ＋１が形成される（図７の（ｆ））。コイルＢｉおよびコイルＢｉ＋１はコンデンサと共にＬＣ回路を構成しているので、各電位差及び対応する各励磁電流は一定の周期Ｔ（＝２π×（ＬＣ）１／２）で振動し、互いに位相がπ／２だけ異なる半波正弦波になる。そして、各コイルの電位差Ｖｂｉ,Ｖｂｉ＋１はｔ＝Ｔ／２でゼロになるが各コイルＢｉ,Ｂｉ＋１の自己誘導によって電流を維持する向きに起電力が生じる。そのため各励磁電流Ｉｂｉ,Ｉｂｉ＋１は減少しながらも流れ続ける。こうして、ｔ＝３Ｔ／４で各コンデンサＣｂｉ,Ｃｂｉ＋１には初めと逆の電荷がたまると、電流制御装置４は第１サイリスタＳＣＲ１ｂｉおよび第２サイリスタＳＣＲ２ｂｉ＋１をオフとし、コンデンサＣｂｉは順方向に充電され、コンデンサＣｂｉ＋１は逆方向に充電される。図５に戻って、励磁電流ＩｂｉおよびＩｂｉ＋１が図示の如く流れる。なお、励磁電流ＩｂｉおよびＩｂｉ＋１の動作時間がファンブレード１の回転時間よりも十分に小さくなるようにＬＣ回路の時定数が決定されているものとする。すなわち、励磁電流ＩｂｉおよびＩｂｉ＋１が流れている間は、ファンブレード１すなわちコイルＭｉ＋１は静止しているとみなされる。
【００４２】
左磁場Ｂｂｉの時間変動によって、ｄＢｂｉ／ｄｔに比例する左誘導起電力ＥｂｉがコイルＭｉ＋１に誘起され、それに対応する左誘導電流ｉｂｉがコイルＭｉ＋１内を流れる。他方、右磁場Ｂｉ＋１の時間変動によって、ｄＢｂｉ＋１／ｄｔに比例する左誘導起電力Ｅｂｉ＋１がコイルＭｉ＋１に誘起され、それに対応する左誘導電流ｉｂｉ＋１がコイルＭｉ＋１内を流れる。ところで、左磁場Ｂｂｉおよび左磁場Ｂｂｉ＋１は、大きさについて等しく且つ向きについて互いに逆向きであるから左誘導電流ｉｂｉと右誘導電流ｉｂｉ＋１は、互いに逆向きに誘起される（図７の（ｇ））。
【００４３】
ところが、コイルＭｉは中央部において交差しているので左誘導電流ｉｂｉおよび右誘導電流ｉｂｉ＋１は、コイルＭｉの中央部または両端部において互いに同じ向きとなるので、各誘導電流ｉｂｉ,ｉｂｉ＋１は中央部において加算される。特に、図７の（ｃ）に示すようにＴ／４≦ｔ≦Ｔ／２においては、コイルＡｉ＋１が形成する上記磁場Ｂａｉ＋１が分割電機子コイルＭｉ＋１の中央部を貫いているので、その誘導電流ｉｂｉ,ｉｂｉ＋１および上記磁場Ｂａｉ＋１の相互作用によって図７の（ｈ）に示す実効電磁力Ｆｉが発生することになる。
【００４４】
ところで、分割電機子コイルの両端部においては、各誘導電流ｉｂｉ,ｉｂｉ＋１および各磁場Ｂｂｉ,Ｂｂｉ＋１の相互作用によってそれぞれ電磁力Ｆｂｉ,Ｆｂｉ＋１が発生するが、電流の向きは互いに同じであり且つ磁場の向きは互いに逆向きであるから、これらの電磁力Ｆｂｉ,Ｆｂｉ＋１は互いに打ち消し合い実効電磁力としては作用しない。
【００４５】
そして、図７の（ｄ）に戻り、一定時間（＝Ｔ０＋Ｔ／４）経過後に、電流制御装置４は、第２サイリスタＳＣＲ２ｂｉおよび第１サイリスタＳＣＲ１ｂｉ＋１をオンにすると、各コイルＢｉ,Ｂｉ＋１に図７の（ｅ）に示す各励磁電流Ｉｂｉ,Ｉｂｉ＋１が流れ、図６に示すように紙面の裏から表に向かって左磁場Ｂｂｉ、紙面の表から裏に向かって右磁場Ｂｂｉ＋１が形成される（図７の（ｆ））。各コイルＢｉ,Ｂｉ＋１はコンデンサと共にＬＣ回路を構成しているので、各コイルＢｉ,Ｂｉ＋１の各電位差および対応する励磁電流は一定の周期Ｔ（＝２π×（ＬＣ）１／２）で振動し、互いに位相がπ／２だけ異なる半波正弦波になる。そして、各電位差はｔ＝Ｔ０＋Ｔ／２でゼロになるが各コイルＢｉ,Ｂｉ＋１の自己誘導によって電流を維持する向きに各々起電力が生じる。そのため各励磁電流Ｉｂｉ,Ｉｂｉ＋１は減少しながらも流れ続ける。こうして、ｔ＝Ｔ０＋３Ｔ／４で各コンデンサＣｂｉ,Ｃｂｉ＋１にはｔ＝Ｔ０＋Ｔ／４と逆の電荷がたまり、電流制御装置４は第２サイリスタＳＣＲ２ｂｉおよび第１サイリスタＳＣＲ１ｂｉ＋１をオフとする。図６に戻り、図５と同様に、左誘導電流ｉｂｉおよび右誘導電流ｉｂｉ＋１は、コイルＭｉ＋１が中央部において交差しているため、コイルＭｉ＋１の中央部において各誘導電流の向きは互いに同じ向きとなり、各誘導電流ｉｂｉ,ｉｂｉ＋１は互いに加算し合う。特に、図７の（ｃ）に示すようにＴ０＋Ｔ／４≦ｔ≦Ｔ０＋Ｔ／２においては、コイルＡｉ＋１が形成する上記磁場Ｂａｉ＋１が分割電機子コイルＭｉ＋１の中央部を貫いているので、その誘導電流ｉｂｉ,ｉｂｉ＋１および上記磁場Ｂａｉ＋１の相互作用によって図７の（ｈ）に示す実効電磁力Ｆｉが発生することになる。
【００４６】
ところで、分割電機子コイルの両端部においては、各誘導電流ｉｂｉ,ｉｂｉ＋１および左磁場Ｂｂｉ,Ｂｂｉ＋１の相互作用によってそれぞれ電磁力Ｆｂｉ,Ｆｂｉ＋１が発生するが、電流の向きは互いに同じであり且つ磁場の向きは互いに逆向きであるから、これらの電磁力Ｆｂｉ,Ｆｂｉ＋１は互いに打ち消し合い実効電磁力としては作用しない。結局、各磁場Ｂｂｉ,Ｂｂｉ＋１の時間変動によって、コイルＢｉおよびコイルＢｉ＋１は誘導電流のみをコイルＭｉ＋１に与えることになる。以後、これらの動作が繰り返し行われる。
【００４７】
また、各コイルＢ１,Ｂ２,・・・,Ａｉ−１,Ｂｉ＋２,・・・,Ａｎについても同様な動作になる。
【００４８】
なお、コイルＡｉ列およびコイルＢｉ列の各コイルには、ＬＣ回路の時定数に対応する交流電流が流れ、各発生磁場および各誘導電流の向きを反転させるが、これらはサイリスタの切替えタイミングで同期されており、電磁力の方向が常時一方向となるように制御されている。
【００４９】
また、本実施例の電流制御装置４は、コイルＡｉ＋１がコイルＭｉ＋１に形成する実効磁場Ｂａｉ＋１とコイルＢｉおよびコイルＢｉ＋１がコイルＭｉ＋１に誘起する各誘導電流ｉｂｉ,ｉｂｉ＋１との外積の積分値（実効電磁力）が最大となるように、各サイリスタをオン／オフ制御してコイルＡｉ＋１、コイルＢｉおよびコイルＢｉ＋１に対し電磁的位相差を持たせるように励磁制御している。
【００５０】
以上のように、コイルＡｉ列およびコイルＢｉ列はファンケーシングの内周面に配設され且つコイルＭｉ列はコイルＡｉ列またはコイルＢｉ列に対向しながらファン外周端部に配設されているので、鉄芯等の重量部品を用いない構成なので全体の重量が大幅に軽減され軽量化されると共に小さな電磁力で大きなトルクを発生させることが可能になる。また、コイルＡｉ列は一のコイルＭｉの中央部が一のコイルＡｉの中央部に重なる時に、他のコイルＭｉの中央部は他のコイルＡｉの中央部と重複し且つ両端部においてそれと別個のコイルＢｉと各々重複するように、コイルＡｉ列およびコイルＢｉ列はファンケーシングの内周面に配設され且つコイルＭｉ列はファン外周端部に配設されている。そして、コイルＡｉがコイルＭｉの中央部に重なる時は、ファンを一定方向に回転させる実効電磁力に係る実効磁場をその各コイルＭｉに形成し、あるいはコイルＢｉがコイルＭｉのいずれかの端部に重なる時は、その実効電磁力に係る実効誘導電流をそのコイルＭｉに誘起するように、電流制御装置４はその励磁を好適に制御する。さらに、電流制御装置４は、その実効誘導電流の向き及びその実効磁場の向きがファンの回転方向に一致するように、コイルＡｉおよびコイルＢｉの励磁を好適に制御する。その結果、外部から電機子コイルとしてのコイルＭｉ列に電流を供給することなく、その実効電磁力を好適に発生させ、ファンを一定方向に回転させることができる。また、コイルＡｉ列およびコイルＢｉ列を励磁した交流電流はコンデンサによって順方向または逆方向に回収されると共にサイリスタによって再び順方向または逆方向に流され、その損失分は充電器によって補完される。また、鉄芯が存在しないためヒステリシス損および渦電流損といった磁気損失は少なくなる。その結果、コイルＡｉ列およびコイルＢｉ列の磁気エネルギーはコンデンサによって電気エネルギーとして回収されサイリスタによって再利用される。従って、電磁駆動ファン１００はエネルギー回収機能を有する。これにより、励磁コイルとしてのコイルＡｉ列およびコイルＢｉ列を励磁するための電力をほとんど消費することなく、あるいは微少消費電力でファンを一定の方向に回転させる実効電磁力を好適に発生することが可能になる。その結果、ファンのエネルギー効率が飛躍的に向上する。
【実施例２】
【００５１】
図８は、本発明の他の実施例である電磁回転機械２００を示す要部断面図である。
この電磁回転機械２００は、実効電磁力によって回転する回転体としての回転構体部１１と、回転構体部１１が取り付けられているシャフト２と、回転構体部１１と対向する固定体としての固定構体部３３と、回転構体部１１の外周端部に対向して固定構体部３３の内周面に取り付けられ且つ回転構体１１を回転させる実効電磁力に係る実効磁場を発生し分割励磁コイルとしてのコイルＡｉ列と、同実効電磁力に係る実効誘導電流を下記分割電機子コイルに誘起する分割励磁コイルとしてのコイルＢｉ列と、回転構体部１１の外周端部に取り付けられ上記実効磁場および上記実効誘導電流の相互作用によって上記実効電磁力を発生する分割電機子コイルとしてのコイルＭｉ列と、コイルＡｉおよびコイルＢｉに対する電流の制御を行う電流制御装置４と、コイルＭｉの角度または変位を検出する位置検出センサ（図示せず）とを具備して構成されている。
【００５２】
また、上記コイルＭｉ列は回転構体部１１の外周端面に配設され、上記コイルＡｉ列およびコイルＢｉ列は、ファンケーシング３の内周面に配設されていても良い。
【００５３】
なお、分割励磁コイルとしてのコイルＡｉ列およびコイルＢｉ列並びに分割電機子コイルとしてのコイルＭｉ列は、実施例１と同様な作動を行い実効電磁力を発生させて回転構体部１１を回転させるが、上記電磁回転機械２００では、コイルＭｉが回転構体部１１の外周端部の一部分にのみ配設され、なお且つコイルＡｉおよびコイルＢｉが回転構体部１１の外周端部の一部分に対向するように固定構体部３３に配設されているので、コイルＡｉおよびコイルＢｉならびにコイルＭｉの相互誘導作用によって発生する実効電磁力は間欠的に回転構体部１１に作用する。従って、上記電磁回転機械２００における実効電磁力の平均値は実施例１の電磁駆動ファン１００に比べ小さくなる。
【００５４】
上記電磁回転機械２００によれば、実施例１の電磁駆動ファン１００と同様な効果に加え、回転体に対して実効電磁力を間欠的に作用することが可能となる。従って、低速で回転する大径の回転機械、例えば観覧車またはベルトコンベア等の回転駆動源に好適に適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の電磁回転機は、ジェット推進装置のターボファンまたはその他の航空機用エンジン、電動機または発電機、その他の回転駆動される機械またはそれらを必要とするシステムに好適に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の一実施例である電磁駆動ファンを示す要部正面図である。
【図２】コイルＡｉ列またはコイルＢｉ列のコイルＭｉ列に対する２次元相対位置を示す説明図である。
【図３】コイルＡｉ＋１およびコイルＭｉ＋１の電磁誘導作用を示す説明図である。
【図４】コイルＡｉ＋１およびコイルＭｉ＋１の電磁誘導作用を示す説明図である。
【図５】コイルＢｉおよびコイルＢｉ＋１とコイルＭｉ＋１の電磁誘導作用を示す説明図である。
【図６】コイルＢｉおよびコイルＢｉ＋１とコイルＭｉ＋１の電磁誘導作用を示す説明図である。
【図７】コイルＡｉ＋１、コイルＢｉおよびコイルＢｉ＋１の励磁を示す説明図である。
【図８】本発明の他の実施例である電磁回転機械を示す要部断面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１ ファンブレード
２ シャフト
３ ファンケーシング
４ 電流制御装置
Ａｉ 分割励磁コイル
Ｂｉ 分割励磁コイル
Ｍｉ 分割電機子コイル
１００ 電磁駆動ファン
２００ 電磁回転機械
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁回転機、特に航空機に組込まれるターボファンに適した電磁回転機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、航空機用ジェット推進装置、例えばターボジェットエンジンは、吸入口から内部に取り込んだ空気を圧縮機で高圧化しその圧縮された空気に燃料を混合し燃焼器で燃焼させ高温・高圧ガスとして後方に噴射させ、その反力を利用して推進力を得るものである。一方、取り込んだ空気の一部分を圧縮機、燃焼器および膨張機から成るコアエンジンに送り込まないで迂回させてファンのみを通過させ、その空気をファンにより流速を高めてそのまま後方に噴出して推進力を得るターボファンエンジン等がある。特に、コアエンジンよりもファンに送り込まれる空気量の多いターボファンエンジンは、高バイパス比ターボファンエンジンとも称され、音速よりも低音速領域で使用され燃料消費効率が高く且つ取り込んだ空気の大部分は燃焼させないため低エミッションであり、更にバイパス空気流が燃焼ガスを覆うため低騒音でもある。そのため、高バイパス比ターボファンエンジンは、省エネルギー、地球温暖化または酸性雨等の脱環境破壊の観点から時代のニーズに応えるものであり、旅客または貨物輸送航空機用エンジンとして多用されている。
【０００３】
また、産業構造がグローバル化またはボーダレス化する中、旅客または貨物輸送に対する需要が増大する傾向にあると共に旅客量または貨物輸送量も増大する傾向にあり、旅客機または貨物輸送機に対して、大口径のファンを有する大推力のターボファンエンジンが求められている。さて、大口径のファンを駆動するには、大トルクを発生させる動力が必要となる。そのため、外部動力装置、例えば電動機を付加し、その電動機のトルクによってファンを駆動する手法がとられている。因みに、特許文献１には電動機から駆動力を得るものが開示されている。
【特許文献１】特開平１０−０１８８６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、電動機でファンを駆動する場合、大トルクを発生させるには、大きな磁場を発生する界磁と電機子コイルに大電流を流す大容量の発電システムが必要である。さらに、電機子の鉄芯構造によりエンジン部の重量が増加する問題がある。
ところで、低消費電力かつ軽量の電動機が考案されると、上記課題は解消されることになる。一般に、電動機において磁場（Ｂ）中で電機子コイルに電流（Ｉ）が流れると、その電流と磁場の外積（Ｉ×Ｂ）に比例した大きさと向きを持った電磁力が発生する。ここで、その磁場を時間変動させるとファラデーの電磁誘導の法則によって、電機子コイルに誘導電流が誘起され、その誘導電流（ｉ）とその磁場（Ｂ）との相互作用によって誘導電流（ｉ）と磁場（Ｂ）の外積（ｉ×Ｂ）に比例した大きさと向きを持った電磁力が発生する。そして、その電磁力によって電機子コイルは回転しながら同軸のシャフトから動力を外部に出力する。しかし、電機子コイルを一定方向に回転させるためにはその電磁力の向きが常に一定とならなければならず、すなわち、電機子コイルに流れる誘導電流（ｉ）と磁場（Ｂ）との外積（ｉ×Ｂ）の結果生じるベクトルの向きが常に一定でなければならない。通常の直流モータの場合、永久磁石または電磁石によって界磁の向きは一定にされ、且つ整流子によって電機子電流の向きは一定にされるため、電磁力は常に一定方向に保たれ電機子は一定方向に回転駆動する。従って、磁場を時間変動させることによって電機子コイルに誘導電流を誘起させる場合、その誘導電流も時間変動することになり、電磁力の向きを一定にするにはその変動する磁場に対して誘導電流の向きを適切に制御しなければならないという問題がある。一方、磁場を時間変動させるためには、コイルに励磁電流を供給しなければならないが、できるだけ少ない電力でコイルを励磁させなければならないという問題がある。
本発明は、上記実情に鑑み創案されたものであって、大口径ファンを回転させる大トルクを発生させながら軽量かつ高エネルギー効率な電磁回転機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的を達成するための第１の発明では、回転体および固定体を具備し且つ電機子コイルおよび励磁コイルの相互誘導作用により発生する電磁力を利用して前記回転体を駆動する電磁回転機であって、前記電機子コイルは該回転体の外周端部に配設され、且つ前記励磁コイルは該電機子コイルが対向する該固定体の内周面に配設されていることを特徴とする。
上記第１の発明の電磁回転機では、電機子コイルが回転側である回転体の外周端部に配設され、励磁コイルは固定側である固定体の内周面に配設されている。これにより、鉄芯、補助磁石およびハウジング等の部品が不要となり、全体重量を軽量にすることができると共に小さい電磁力で大トルクを発生することができるようになる。
【０００６】
第２の発明では、前記励磁コイルはｎ（≧２）個の分割励磁コイルから構成され且つ前記電機子コイルは１又はそれ以上の分割電機子コイルから構成され、該分割電機子コイルは中央部近傍において交差していると共に該交差点を含む中心線において対称形態の閉コイルであり、一の分割電機子コイルの中央部近傍が一の分割励磁コイルの中央部近傍に重なり前記電磁力が発生する時に該分割電機子コイルは両側において他の分割励磁コイルと重なるようにした。
上記第２の発明の電磁回転機では、分割電機子コイルの中央部近傍がいずれかの分割励磁コイルの中央部近傍に重なる時に、両側において別の分割励磁コイルと重複する。この場合、その分割電機子コイルは異なる２個または３個の分割励磁コイルと中央部近傍と一方の側または中央部近傍と両側において重なっているので、これらの分割励磁コイルから個別に電磁誘導作用を受けることになる。そして、分割電機子コイルの中央部近傍に重なっている分割励磁コイルが励磁されると、その分割励磁コイルは分割電機子コイルに磁場を与えると共に誘導電流を誘起することが可能となるが、分割電機子コイルが中央部近傍において交差していることにより、その誘導電流はその分割電機子コイルの中央部近傍において互いに対向する向きに流れる。その結果、その誘導電流は互いに打ち消し合い実効電磁力としては作用しない。他方、分割電機子コイルの一方の側において重なる分割励磁コイルが励磁されると、同じく分割電機子コイルに誘導電流を誘起するが、分割電機子コイルは中央部近傍において交差していることによりその誘導電流は並行して流れ打ち消し合わない。同様に、分割電機子コイルの両側において重なる分割励磁コイルが、例えば互いに１８０°の位相差で励磁されると、各分割励磁コイルが分割電機子コイルの両側で誘起する誘導電流は大きさが同じで互いに１８０°の位相差を有するようになるが、分割電機子コイルが中央部近傍において交差していることによりこれらの誘導電流は分割励磁コイルの中央部近傍において互いに並行して流れる。その結果、その分割電機子コイルの中央部近傍においてはこれらの誘導電流と分割電機子コイルの中央部近傍を貫く磁場の相互作用によって実効電磁力が発生する。
【０００７】
第３の発明では、一の分割電機子コイルの中央部近傍が一の分割励磁コイルの中央部近傍に重なる時に他の分割電機子コイルの中央部近傍は他の分割励磁コイルの中央部近傍に重なるようにした。
上記第３の発明の電磁回転機では、一の分割電機子コイルの中央部近傍が分割励磁コイルの中央部近傍に重なる時は、他の全ての分割電機子コイルの中央部近傍がいずれかの分割励磁コイルの中央部近傍と重なるので、他の分割電機子コイルの中央部近傍においても同様に電磁力が発生し、電磁力は好適に倍増されることになる。
【０００８】
第４の発明では、前記分割励磁コイルは前記分割電機子コイルの中央部近傍が該分割励磁コイルの中央部近傍に重なる時に前記回転体を回転させる実効電磁力に係る実効磁場を該分割電機子コイルに形成し且つ該分割電機子コイルのいずれか一方の端部が該分割励磁コイルに重なる時に同実効電磁力に係る実効誘導電流を該分割電機子コイルに誘起するように励磁制御される手段を備えるようにした。
上記第４の発明の電磁回転機では、分割励磁コイルは分割電機子コイルに対する相対位置に応じて実効電磁力に係る実効磁場を分割電機子コイルに供給し又は実効電磁力に係る実効誘導電流を分割電機子コイルに誘起するので、その実効磁場およびその実効誘導電流の相互作用によって回転体を回転させる実効電磁力が好適に発生する。
【０００９】
第５の発明では、前記分割励磁コイルは前記分割電機子コイルのいずれか一方の端部に重なる時に通電され且つ該分割電機子コイルの他の端部に重なる隣り合う分割励磁コイルは通電方向に関して該分割励磁コイルに対し逆向きとなるように励磁制御される手段を備えるようにした。
上記第５の発明の電磁回転機では、分割電機子コイルを挟んでいる隣り合う分割励磁コイル同士は互いに逆向きに通電されることにより、互いに逆向きの磁場を分割電機子コイルの両側に形成し、その磁場が時間変動した際に誘起される誘導電流は互いに逆向きとなるが、分割電機子コイルが中央部近傍において交差していることによりこれらの誘導電流は分割電機子コイルの中央部近傍において互いに同じ向きとなり、その結果、実効電磁力の発生に関して好適に実効誘導電流となる。
【００１０】
第６の発明では、前記分割励磁コイルは一の分割励磁コイルが前記分割電機子コイルに形成する前記実効電磁力に係る実効磁場のベクトルと隣接する分割励磁コイルが前記分割電機子コイルに誘起する同実効電磁力に係る実効誘導電流のベクトルとの外積の結果生じる力の向きが前記回転体の回転方向に一致するように励磁制御される手段を備えるようにした。
一般に、磁場中で導体に電流が流れると、その電流のベクトルとその磁場のベクトルとの外積に比例する電磁力が発生する。
そこで、上記第６の発明の電磁回転機では、分割電機子コイルの中央部近傍と重なる分割励磁コイルが電機子コイルに形成する実効磁場と、分割電機子コイルの両側で重なる２つの分割励磁コイルによって分割電機子コイルに誘起される実効誘導電流との相互作用によって発生する実効電磁力の向きは、その実効誘導電流の向きから実効磁場の向きへ回転させた時の右ねじの進む向きに一致する。従って、分割電機子コイルの両側で重複する２つの分割励磁コイルの通電方向と、分割電機子コイルの中央部近傍で重複する分割励磁コイルの通電方向を、実効誘導電流のベクトルと実効磁場のベクトルの外積の結果生じる力の向きが、回転体の回転方向に一致するように制御することで、回転体を好適に一定方向に回転させることができるようになる。
【００１１】
第７の発明では、一の分割励磁コイルが前記分割電機子コイルに形成する実効磁場と他の分割励磁コイルが該分割電機子コイルに誘起する実効誘導電流との電磁的位相差は、該実効磁場と該実効誘導電流の積分値が最大となるように励磁制御される手段を備えるようにした。
上記第７の発明の電磁回転機では、分割電機子コイルの中央部近傍と重複する分割励磁コイルが分割電機子コイルに形成する実効磁場と、分割電機子コイルの両側と重複する分割励磁コイルが分割電機子コイルに誘起する実効誘導電流との積が実効電磁力に比例し、その積分値が最大の時実効電磁力も最大となるので、その積分値が最大となるように各分割励磁コイルの電磁的位相差が設定され、回転体のエネルギー観点での効率が向上する。
【００１２】
第８の発明では、前記分割励磁コイルは、交流電流を供給する電流供給手段と、該交流電流を双方向に導通させるスイッチング手段と、該交流電流を回収する蓄電手段と、該交流電流を補完する充電器とを具備すると共に閉回路を構成するようにした。
上記第８の発明の電磁回転機では、分割励磁コイルに交流電流を供給する電流供給手段によって分割励磁コイルは好適に励磁され磁場を分割電機子コイルに形成するが、分割励磁コイルに通電するその電流は時間変動するので、形成される磁場は時間変動し、その磁場の時間変動は分割電機子コイルに誘導電流を好適に誘起する。また、スイッチング手段によって、双方向にわたり分割励磁コイルに交流電流を通電することが可能になり、その結果、分割電機子コイルに誘起する誘導電流の向き又は分割電機子コイルに形成される磁場の向きを好適に変えることが可能になる。さらに、分割励磁コイルに通電される交流電流は蓄電手段によって回収され、損失分は充電器によって補完される。その結果、分割励磁コイルを励磁するための電力はほとんど消費されない。これにより、外部から電機子コイルに電力を供給することなく且つ励磁コイルを励磁するための電力をほとんど消費することなく、あるいは微少電力で回転体を一定の方向に回転させる実効電磁力を好適に発生することが可能になる。
【００１３】
第９の発明では、前記閉回路はＬＣ回路を構成し且つ該ＬＣ回路の時定数は回転体の回転周期に対して十分に小さく設定されるようにした。
上記第９の発明の電磁回転機では、ＬＣ回路の時定数が回転体の回転周期に対し十分に小さく設定されているので、分割電機子コイルの回転速度が無視できるようになり、分割励磁コイルが通電される際の分割電機子コイルとの相互誘導作用は準静的とみなされる。
【００１４】
第１０の発明では、前記充電器は、小型モータ発電機、小型ガスタービン発電機、燃料電池または超伝導発電機あるいはこれらを組み合わせたものとした。
上記第１０の発明の電磁回転機では、分割励磁コイルを通電する交流電流は蓄電手段によって回収されながら双方向に通電されるので閉回路内部ではほとんど電力が消費されない。従って、小型モータ発電機、小型ガスタービン発電機、燃料電池または超伝導発電機あるいはこれらを組み合わせたもので好適に構成することができる。
【００１５】
第１１の発明では、前記分割励磁コイルおよび前記分割電機子コイルは、所定の温度以下で電気抵抗が限りなく小さくなる又は低電気抵抗性の導電材料から作られているものとした。
上記第１１の発明の電磁回転機では、分割励磁コイルまたは分割電機子コイルは上記導電材料から作られているので、分割励磁コイルまたは分割電機子コイルが励磁される時に電気抵抗損失分を限りなく小さくすることができ、その結果、蓄電器の容量を小さくすることができ全体重量の軽量化に寄与することが可能になる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の電磁回転機によれば、励磁コイルは固定体の内周面に配設され且つ電機子コイルは励磁コイルに対向しながら回転体の外周端部に配設されているので、鉄芯等の重量部品が不要となり全体の重量が大幅に軽減され軽量化されると共に小さな電磁力で大きなトルクを発生させることが可能になる。また、励磁コイルは複数の分割励磁コイルで構成されると共に電機子コイルは複数の分割電機子コイルで構成され、且つ一の分割電機子コイルの中央部近傍が一の分割励磁コイルの中央部近傍に重なる時に、他の分割電機子コイルの中央部近傍は他の分割励磁コイルの中央部近傍と重なり且つ両側においてそれと別個の分割励磁コイルと各々重なるように、各分割励磁コイルは固定体の内周面に配設され且つ各分割電機子コイルは回転体の外周端部に配設されている。そして、各分割励磁コイルは分割電機子コイルとの相対位置に応じて各分割電機子コイルに対する作用が異なるように励磁方向が好適に制御されている。すなわち、分割励磁コイルが分割電機子コイルの中央部近傍に重なる時は、回転体を一定方向に回転させる実効電磁力に係る実効磁場をその各分割電機子コイルに形成する一方、分割励磁コイルが分割電機子コイルのいずれかの端部に重なる時は、その実効電磁力に係る実効誘導電流をその分割電機子コイルに誘起するように、その励磁が好適に制御されている。さらに、その実効誘導電流の向き及びその実効磁場の向きは回転体の回転方向に一致するように、各分割励磁コイルが好適に励磁制御されている。その結果、外部から分割電機子コイルに電流を供給することなく、その実効電磁力を好適に発生させ、回転体を一定方向に回転させることができる。また、分割励磁コイルを励磁した交流電流は蓄電手段によって順方向または逆方向に回収されると共にスイッチング手段によって再び順方向または逆方向に流され、その損失分は充電器によって補完される。また、鉄芯が存在しないためヒステリシス損および渦電流損といった磁気損失は少なくなる。その結果、分割励磁コイルの磁気エネルギーは蓄電手段によって電気エネルギーとして回収されスイッチング手段によって再利用される。従って、本発明の電磁回転機はエネルギー回収機能を有する。これにより、励磁コイルを励磁するための電力をほとんど消費することなく、あるいは微少消費電力で回転体を一定の方向に回転させる実効電磁力を好適に発生することが可能になる。その結果、回転体のエネルギー効率が飛躍的に向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図に示す実施の形態により本発明をさらに詳細に説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本発明の一実施例である電磁駆動ファン１００を示す要部正面図である。
この電磁駆動ファン１００は、取り込んだ空気をそのまま流速を高めて後方へ噴出し、その反動でその噴出方向と逆向きの推力を発生させる回転体としてのファンブレード１と、該ファンブレード１が取り付けられているシャフト２と、ファンブレード１およびシャフト２を収容する固定体としてのファンケーシング３と、ファンブレード１の外周端部に対向してファンケーシング３の内周面に取り付けられ且つファンブレード１を回転させる実効電磁力に係る実効磁場を発生し分割励磁コイルとしてのコイルＡｉ列（ｉ＝１,２,・・・,ｎ）と、同その実効電磁力に係る実効誘導電流を下記分割電機子コイルに誘起する分割励磁コイルとしてのコイルＢｉ列（ｉ＝１,２,・・・,ｎ）と、ファンブレード１の外周端部に取り付けられ上記実効磁場および上記実効誘導電流の相互作用によって上記実効電磁力を発生する分割電機子コイルとしてのコイルＭｉ列（ｉ＝１,２,・・・,ｎ）と、コイルＡｉおよびコイルＢｉに対する電流の制御を行う電流制御装置４と、コイルＭｉの角度または変位を検出する位置検出センサ（図示せず）とを具備して構成されている。なお、分割励磁コイルは、コイルＭｉに対する相対位置に応じて役割を変える、即ちコイルＭｉの中央部に重なる時に上記実効電磁力に係る実効磁場をコイルＭｉに供給し且つコイルＭｉのいずれか一方の端部に重なる時に上記実効電磁力に係る実効誘導電流をコイルＭｉに誘起する。従って、説明の便宜上、上記実効電磁力に係る実効磁場をコイルＭｉに形成する場合をコイルＡｉと、または上記実効電磁力に係る実効誘導電流をコイルＭｉに誘起する場合をコイルＢｉとし区別するが、構造上は全く同一のコイルであり、分割励磁コイルは、コイルＡｉにもなり、コイルＢｉにもなる。
【００１９】
本実施例では、図２に示すように、コイルＭｉの幅長をＬ１とすると、コイルＡｉまたはコイルＢｉの幅長Ｌ２は略Ｌ１／２になるように設定されている。
【００２０】
なお、上記実効磁場とは、分割励磁コイルが分割電機子コイルに形成する磁場の中で上記実効電磁力の発生の原因となっている磁場のことであり、上記実効誘導電流とは、分割励磁コイルが分割電機子コイルに誘起する誘導電流の中で上記実効電磁力の発生の原因となっている誘導電流のことである。
【００２１】
また、電流制御装置４は、上記コイルＡｉ列およびコイルＢｉ列の電流の制御に関し、例えば連続する複数のコイルＡおよびコイルＢを一組として、例えばコイルＡｉ、コイルＢｉ、コイルＡｉ＋１およびコイルＢｉ＋１を一組として制御を行う。
【００２２】
また、上記コイルＭｉ列はファンブレード１の外周端部内に埋設され、上記コイルＡｉ列およびコイルＢｉ列は、ファンケーシング３の内周面内に埋設されていても良い。あるいは、上記コイルＭｉ列はファンブレード１の外周端部の一部分に配設され、上記コイルＡｉ列およびコイルＢｉ列は、ファンケーシング３の内周面の一部分に配設されていても良い
【００２３】
上記電磁駆動ファン１００によれば、電機子コイルとしてのコイルＭｉ列（ｉ＝１,２,・・・,ｎ）がファンブレード１の外周端部に配設され、鉄芯等を要しない構造を採るようにしたため、全体の重量を軽量にすることが可能になる。さらに、コイルＭｉ列（ｉ＝１,２,・・・,ｎ）が回転中心から遠いファンブレード１の外周端部に配設されているので、比較的小さい実効電磁力で大きなトルクを発生させることができ、ファンブレード１を好適に回転させることができるようになる。
【００２４】
図２は、コイルＡｉ列またはコイルＢｉ列のコイルＭｉ列に対する２次元相対位置を示す説明図である。
この図は、コイルＭｉ列をファンケーシング３の内周面に投影し、そのファンケーシング３の内周面を２次元平面として展開した時の状態を示している。なお、コイルＡｉ列またはコイルＢｉ列はファンケーシング３の内周面に配設されているのでコイルＭｉ列に対し静止し、一方、コイルＭｉ列はファンブレード１の外周端部に配設されているのでコイルＡｉ列またはコイルＢｉ列に対し移動するものとなる。
【００２５】
コイルＡｉまたはコイルＢｉは、例えば矩形状かつ単巻き又は複巻きの分割励磁コイルであり、端部にコイルＡｉまたはコイルＢｉと共にＬＣ回路を構成するコンデンサＣと、コイルＡｉまたはコイルＢｉに双方向の電流を導通する第１および第２サイリスタＳＣＲ１,ＳＣＲ２と、コンデンサＣの極性に応じてコンデンサＣのバイアス方向を切り換える切換回路ＳＷと、コンデンサＣに電荷を供給する電源Ｓとを具備している。なお、第１および第２サイリスタＳＣＲ１,ＳＣＲ２のスイッチング制御と切換回路ＳＷの切り換え制御は、コイルＭｉの回転位置を示す位置検出センサからの情報に基づいて電流制御装置４によって行われる。
【００２６】
また、本発明に係る電磁駆動ファン１００の作動については図３から７を参照しながら詳述するが、コイルＡｉおよびコイルＢｉは、コイルＭｉに対してファンブレード１を回転させる実効電磁力の発生に寄与する点においては共通しているが、コイルＭｉがその実効電磁力を発生するメカニズムにおいて、コイルＡｉとコイルＢｉの役割は全く異なるものである。すなわち、コイルＡｉは、実効電磁力に係る実効磁場をコイルＭｉに与えるのに対し、コイルＢｉは実効電磁力に係る実効誘導電流をコイルＭｉに誘起する役割を果たす。そして、コイルＡｉがコイルＭｉに誘起するファンブレード１の回転に寄与しない無効誘導電流は、コイルＭｉの構造上の特徴により好適に打ち消されると共にコイルＢｉがコイルＭｉに及ぼすファンブレード１の回転に寄与しない無効磁場による無効電磁力は、同じく打ち消される。
【００２７】
さらに、コイルＡｉまたはコイルＢｉは、コンデンサＣと共にＬＣ回路を構成しているので、サイリスタがオンされる時にコイルＡｉまたはコイルＢｉに流れる電流は、時間的に変動する電流、いわゆる交流電流である。これにより、その交流電流が励磁電流としてコイルＡｉまたはコイルＢｉを流れると、その励磁電流によって形成されコイルＭｉを貫く磁場も時間変動するので、その磁場の時間変動によってコイルＭｉにその磁場の時間変動を妨げる方向に誘導電流が流れる。これにより、外部から電流を供給することなく電機子コイルとしてのコイルＭｉに電流を流すことができる。
【００２８】
また、コイルＡｉ＋１に流れる電流をＩａｉ＋１と、コイルＢｉ＋１に流れる電流をＩｂｉ＋１とすると、隣り合うコイルＡ同士またはコイルＢ同士は、その大きさが等しく且つその向きが反対となる。すなわち、｜Ｉａｉ｜＝｜Ｉａｉ＋１｜かつＩａｉ＝−Ｉａｉ＋１または｜Ｉｂｉ｜＝｜Ｉｂｉ＋１｜かつＩｂｉ＝−Ｉｂｉ＋１となる。
【００２９】
一般に、コイルＡｉまたはコイルＢｉの幅長をＬ２とコイルＭｉの幅長をＬ１とすると、Ｌ１およびＬ２の間にはＬ１／２≦Ｌ２＜Ｌ１との関係が成り立っている。これにより、コイルＡｉまたはコイルＢｉを通電することによって発生される磁場をコイルＭｉに効率良く作用することが可能になる。なお、本実施例ではＬ２＝Ｌ１／２の場合である。
【００３０】
コイルＭｉは、中央部において交差し且つ対称形態である８の字コイルであり、図示の都合上、単巻きであるが複巻きでも良い。詳細については図３から７を参照しながら後述するが、この交差により、例えばコイルＡｉがコイルＭｉに誘起する誘導電流は中央部において互いに打ち消し合い、結果的にコイルＡｉは、ファンブレード１の回転に寄与する実効電磁力に係る実効磁場のみをコイルＭｉに与えることになる。一方、例えばコイルＢｉおよびコイルＢｉ＋１がコイルＭｉに誘起する各誘導電流は、中央部において互いに同じ向きに流れ、その誘導電流によって発生される電磁力は加算されるが、コイルＭｉの両端部においてコイルＢｉおよびコイルＢｉ＋１がコイルＭｉ＋１に形成する磁場の向きは互いに逆向きであり且つ各誘導電流は互いに同じ向きに流れるので、その磁場とその誘導電流の相互作用によって発生する電磁力は互いに打ち消し合い、結果的にコイルＢｉおよびコイルＢｉ＋１はコイルＭｉに実効電磁力に係る実効誘導電流のみを誘起することになる。
【００３１】
なお、本実施例では、最良の形態として、コイルＭｉの両側に重なるコイル、例えばコイルＢｉおよびコイルＢｉ＋１の２つの分割励磁コイルを励磁することにより実効電磁力に係る実効誘導電流をコイルＭｉに誘起する構成となっているが、コイルＢｉまたはコイルＢｉ＋１のどちらか一方を励磁することにより、すなわち１つの分割励磁コイルにより実効電磁力に係る実効誘導電流をコイルＭｉに誘起する構成とすることも可能である。
【００３２】
なお、本実施例ではスイッチング手段としてサイリスタが採用されているが、パワートランジスタ，パワーＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子を用いても良い。
【００３３】
また、電源Ｓは、例えば小型モータ発電機，小型ガスタービン発電機，燃料電池または蓄電池である。
【００３４】
また、コイルＡｉ、コイルＢｉおよびコイルＭｉは、所定の温度以下で電気抵抗が限りなく小さくなる又は低電気抵抗性の導電材料から作られているコイルであり、例えば超伝導コイルである。
【００３５】
ここで、図３から７を参照しながらファンブレード１の回転に寄与する実効電磁力を発生するメカニズムについて説明する。説明を容易にするために、コイルＡｉ＋１およびコイルＭｉ＋１の電磁誘導作用と、コイルＢｉおよびコイルＢｉ＋１とコイルＭｉ＋１の電磁誘導作用を個別に説明する。
【００３６】
図３は、コイルＡｉ＋１およびコイルＭｉ＋１の電磁誘導作用を示す説明図である。なお、コンデンサＣａｉ＋１は、図示の極性で充電されているものとする。
横軸を時間とした図７の（ａ）に示すように、分割励磁コイルの中央部が分割電機子コイルＭｉ＋１の中央部に一致するｔ＝０の時に、電流制御装置４は第２サイリスタＳＣＲ２ａｉ＋１をオンにすると、コイルＡｉ＋１に図７の（ｂ）に示す順方向の励磁電流Ｉａｉ＋１が流れ、図３において紙面の裏から表に向かって磁場Ｂａｉ＋１が形成される（図７の（ｃ））。コイルＡｉ＋１はコンデンサＣａｉ＋１と共にＬＣ回路を構成しているので、コイルＡｉ＋１の電位差Ｖａｉ＋１および励磁電流Ｉａｉ＋１は一定の周期Ｔ（＝２π×（ＬＣ）１／２）で振動し、互いに位相がπ／２だけ異なる半波正弦波になる。そして、コイルＡｉ＋１の電位差Ｖａｉ＋１はｔ＝Ｔ／４でゼロになるがコイルＡｉ＋１の自己誘導によって電流を維持する向きに起電力が生じる。そのため励磁電流Ｉａｉ＋１は減少しながらも流れ続ける。コンデンサに初めと逆の電荷がたまるｔ＝Ｔ／２の時に、電流制御装置４は第２サイリスタＳＣＲ２ａｉ＋１をオフとし、コンデンサＣａｉ＋１は逆方向に充電される。図３に戻って、この磁場Ｂａｉ＋１を左磁場ＢＬと右磁場ＢＲに分割すると、左磁場ＢＬの時間変動によって、ｄＢＬ／ｄｔに比例する左誘導起電力ＥＬがコイルＭｉ＋１に誘起され、それに対応する左誘導電流ｉＬがコイルＭｉ＋１内を流れる。他方、右磁場ＢＲの時間変動によって、ｄＢＲ／ｄｔに比例する右誘導起電力ＥＲがコイルＭｉ＋１に誘起され、それに対応する右誘導電流ｉＲがコイルＭｉ＋１内を流れる。なお、励磁電流Ｉａｉ＋１の動作はファンブレード１の回転動作よりも極めて早く、励磁電流Ｉａｉ＋１が流れている間、ファンブレード１すなわちコイルＭｉ＋１は静止しているとみなされる。その結果、その励磁電流Ｉａｉ＋１による左磁場ＢＬと右磁場ＢＲの大きさは等しくなる。従って、左誘導起電力ＥＬと右誘導起電力ＥＲの大きさは等しくなると共に左誘導電流ｉＬと右誘導電流ｉＲの大きさも等しくなる。
【００３７】
ところが、左誘導電流ｉＬおよび右誘導電流ｉＲは、コイルＭｉ＋１が中央部において交差しているため、電流の向きが互いに逆向きとなり、各誘導電流ｉＬ,ｉＲは互いに打ち消し合い、結局、磁場Ｂａｉ＋１の時間変動によって誘導起電力および誘導電流は誘起されず、結果的に、コイルＡｉ＋１は磁場Ｂａｉ＋１のみをコイルＭｉ＋１に与えることになる。
【００３８】
そして、図７の（ａ）に戻り、一定時間（＝Ｔ０）経過後に、分割電機子コイルの中央部が分割励磁コイルの中央部に再度重なる時に、電流制御装置４は、第１サイリスタＳＣＲ１ａｉ＋１をオンにすると、コイルＡｉ＋１に図７の（ｂ）に示す逆方向の励磁電流Ｉａｉ＋１が流れ、図４において紙面の表から裏に向かって磁場Ｂａｉ＋１が形成される（図７の（ｃ））。コイルＡｉ＋１はコンデンサＣａｉ＋１と共にＬＣ回路を構成しているので、コイルＡｉ＋１の電位差Ｖａｉ＋１および励磁電流Ｉａｉ＋１は一定の周期Ｔ（＝２π×（ＬＣ）１／２）で振動し、互いに位相がπ／２だけ異なる半波正弦波になる。そして、その電位差Ｖａｉ＋１はｔ＝Ｔ０＋Ｔ／４でゼロになるがコイルＡｉ＋１の自己誘導によって電流を維持する向きに起電力が生じる。そのため励磁電流Ｉａｉ＋１は減少しながらも流れ続ける。こうして、ｔ＝Ｔ０＋Ｔ／２でコンデンサにはｔ＝Ｔ０と逆の電荷がたまり、電流制御装置４は第１サイリスタＳＣＲ１ａｉをオフとし、コンデンサＣａｉ＋１は順方向に充電される。図４に戻り、図３と同様に、左誘導電流ｉＬおよび右誘導電流ｉＲは、コイルＭｉ＋１は中央部において交差しているため、電流の向きが互いに逆向きとなり、各誘導電流ｉＬ,ｉＲは互いに打ち消し合い、結局、磁場Ｂａｉ＋１の時間変動によって誘導起電力および誘導電流は誘起されず、結果的に、コイルＡｉ＋１は磁場Ｂａｉ＋１のみをコイルＭｉ＋１に与えることになる。以後、これらの動作が繰り返し行われる。
【００３９】
また、各コイルＡ１,Ａ２,・・・,Ａｉ−１,Ａｉ＋１,・・・,Ａｎについても同様な動作になる。
【００４０】
図５は、両側のコイルＢｉおよびコイルＢｉ＋１とコイルＭｉ＋１の電磁誘導作用を示す説明図である。なお、各コンデンサＣｂｉ,Ｃｂｉ＋１は、図示の極性で充電されているものとする。
【００４１】
なお、前述したように同じ構造を持ったコイルＢｉ列の各コイルは図７に示したコイルＡｉ＋１と類似した動作を行うので図７を用いて説明する。図７の（ｄ）に示すように、コイルＡｉ＋１の電位差Ｖａｉ＋１がゼロ、すなわちコイルＡｉ＋１の励磁電流Ｉａｉ＋１が最大となるｔ＝Ｔ／４の時に、電流制御装置４は第１サイリスタＳＣＲ２ｂｉおよび第２サイリスタＳＣＲ２ｂｉ＋１をオンにすると、コイルＢｉ,Ｂｉ＋１に図７の（ｅ）に示す励磁電流Ｉｂｉ,Ｉｂｉ＋１が流れ、図５に示すようにそれぞれ紙面の表から裏に向かって左磁場Ｂｂｉ、紙面の裏から表に向かって右磁場Ｂｂｉ＋１が形成される（図７の（ｆ））。コイルＢｉおよびコイルＢｉ＋１はコンデンサと共にＬＣ回路を構成しているので、各電位差及び対応する各励磁電流は一定の周期Ｔ（＝２π×（ＬＣ）１／２）で振動し、互いに位相がπ／２だけ異なる半波正弦波になる。そして、各コイルの電位差Ｖｂｉ,Ｖｂｉ＋１はｔ＝Ｔ／２でゼロになるが各コイルＢｉ,Ｂｉ＋１の自己誘導によって電流を維持する向きに起電力が生じる。そのため各励磁電流Ｉｂｉ,Ｉｂｉ＋１は減少しながらも流れ続ける。こうして、ｔ＝３Ｔ／４で各コンデンサＣｂｉ,Ｃｂｉ＋１には初めと逆の電荷がたまると、電流制御装置４は第１サイリスタＳＣＲ１ｂｉおよび第２サイリスタＳＣＲ２ｂｉ＋１をオフとし、コンデンサＣｂｉは順方向に充電され、コンデンサＣｂｉ＋１は逆方向に充電される。図５に戻って、励磁電流ＩｂｉおよびＩｂｉ＋１が図示の如く流れる。なお、励磁電流ＩｂｉおよびＩｂｉ＋１の動作時間がファンブレード１の回転時間よりも十分に小さくなるようにＬＣ回路の時定数が決定されているものとする。すなわち、励磁電流ＩｂｉおよびＩｂｉ＋１が流れている間は、ファンブレード１すなわちコイルＭｉ＋１は静止しているとみなされる。
【００４２】
左磁場Ｂｂｉの時間変動によって、ｄＢｂｉ／ｄｔに比例する左誘導起電力ＥｂｉがコイルＭｉ＋１に誘起され、それに対応する左誘導電流ｉｂｉがコイルＭｉ＋１内を流れる。他方、右磁場Ｂｉ＋１の時間変動によって、ｄＢｂｉ＋１／ｄｔに比例する左誘導起電力Ｅｂｉ＋１がコイルＭｉ＋１に誘起され、それに対応する左誘導電流ｉｂｉ＋１がコイルＭｉ＋１内を流れる。ところで、左磁場Ｂｂｉおよび左磁場Ｂｂｉ＋１は、大きさについて等しく且つ向きについて互いに逆向きであるから左誘導電流ｉｂｉと右誘導電流ｉｂｉ＋１は、互いに逆向きに誘起される（図７の（ｇ））。
【００４３】
ところが、コイルＭｉは中央部において交差しているので左誘導電流ｉｂｉおよび右誘導電流ｉｂｉ＋１は、コイルＭｉの中央部または両端部において互いに同じ向きとなるので、各誘導電流ｉｂｉ,ｉｂｉ＋１は中央部において加算される。特に、図７の（ｃ）に示すようにＴ／４≦ｔ≦Ｔ／２においては、コイルＡｉ＋１が形成する上記磁場Ｂａｉ＋１が分割電機子コイルＭｉ＋１の中央部を貫いているので、その誘導電流ｉｂｉ,ｉｂｉ＋１および上記磁場Ｂａｉ＋１の相互作用によって図７の（ｈ）に示す実効電磁力Ｆｉが発生することになる。
【００４４】
ところで、分割電機子コイルの両端部においては、各誘導電流ｉｂｉ,ｉｂｉ＋１および各磁場Ｂｂｉ,Ｂｂｉ＋１の相互作用によってそれぞれ電磁力Ｆｂｉ,Ｆｂｉ＋１が発生するが、電流の向きは互いに同じであり且つ磁場の向きは互いに逆向きであるから、これらの電磁力Ｆｂｉ,Ｆｂｉ＋１は互いに打ち消し合い実効電磁力としては作用しない。
【００４５】
そして、図７の（ｄ）に戻り、一定時間（＝Ｔ０＋Ｔ／４）経過後に、電流制御装置４は、第２サイリスタＳＣＲ２ｂｉおよび第１サイリスタＳＣＲ１ｂｉ＋１をオンにすると、各コイルＢｉ,Ｂｉ＋１に図７の（ｅ）に示す各励磁電流Ｉｂｉ,Ｉｂｉ＋１が流れ、図６に示すように紙面の裏から表に向かって左磁場Ｂｂｉ、紙面の表から裏に向かって右磁場Ｂｂｉ＋１が形成される（図７の（ｆ））。各コイルＢｉ,Ｂｉ＋１はコンデンサと共にＬＣ回路を構成しているので、各コイルＢｉ,Ｂｉ＋１の各電位差および対応する励磁電流は一定の周期Ｔ（＝２π×（ＬＣ）１／２）で振動し、互いに位相がπ／２だけ異なる半波正弦波になる。そして、各電位差はｔ＝Ｔ０＋Ｔ／２でゼロになるが各コイルＢｉ,Ｂｉ＋１の自己誘導によって電流を維持する向きに各々起電力が生じる。そのため各励磁電流Ｉｂｉ,Ｉｂｉ＋１は減少しながらも流れ続ける。こうして、ｔ＝Ｔ０＋３Ｔ／４で各コンデンサＣｂｉ,Ｃｂｉ＋１にはｔ＝Ｔ０＋Ｔ／４と逆の電荷がたまり、電流制御装置４は第２サイリスタＳＣＲ２ｂｉおよび第１サイリスタＳＣＲ１ｂｉ＋１をオフとする。図６に戻り、図５と同様に、左誘導電流ｉｂｉおよび右誘導電流ｉｂｉ＋１は、コイルＭｉ＋１が中央部において交差しているため、コイルＭｉ＋１の中央部において各誘導電流の向きは互いに同じ向きとなり、各誘導電流ｉｂｉ,ｉｂｉ＋１は互いに加算し合う。特に、図７の（ｃ）に示すようにＴ０＋Ｔ／４≦ｔ≦Ｔ０＋Ｔ／２においては、コイルＡｉ＋１が形成する上記磁場Ｂａｉ＋１が分割電機子コイルＭｉ＋１の中央部を貫いているので、その誘導電流ｉｂｉ,ｉｂｉ＋１および上記磁場Ｂａｉ＋１の相互作用によって図７の（ｈ）に示す実効電磁力Ｆｉが発生することになる。
【００４６】
ところで、分割電機子コイルの両端部においては、各誘導電流ｉｂｉ,ｉｂｉ＋１および左磁場Ｂｂｉ,Ｂｂｉ＋１の相互作用によってそれぞれ電磁力Ｆｂｉ,Ｆｂｉ＋１が発生するが、電流の向きは互いに同じであり且つ磁場の向きは互いに逆向きであるから、これらの電磁力Ｆｂｉ,Ｆｂｉ＋１は互いに打ち消し合い実効電磁力としては作用しない。結局、各磁場Ｂｂｉ,Ｂｂｉ＋１の時間変動によって、コイルＢｉおよびコイルＢｉ＋１は誘導電流のみをコイルＭｉ＋１に与えることになる。以後、これらの動作が繰り返し行われる。
【００４７】
また、各コイルＢ１,Ｂ２,・・・,Ａｉ−１,Ｂｉ＋２,・・・,Ａｎについても同様な動作になる。
【００４８】
なお、コイルＡｉ列およびコイルＢｉ列の各コイルには、ＬＣ回路の時定数に対応する交流電流が流れ、各発生磁場および各誘導電流の向きを反転させるが、これらはサイリスタの切替えタイミングで同期されており、電磁力の方向が常時一方向となるように制御されている。
【００４９】
また、本実施例の電流制御装置４は、コイルＡｉ＋１がコイルＭｉ＋１に形成する実効磁場Ｂａｉ＋１とコイルＢｉおよびコイルＢｉ＋１がコイルＭｉ＋１に誘起する各誘導電流ｉｂｉ,ｉｂｉ＋１との外積の積分値（実効電磁力）が最大となるように、各サイリスタをオン／オフ制御してコイルＡｉ＋１、コイルＢｉおよびコイルＢｉ＋１に対し電磁的位相差を持たせるように励磁制御している。
【００５０】
以上のように、コイルＡｉ列およびコイルＢｉ列はファンケーシングの内周面に配設され且つコイルＭｉ列はコイルＡｉ列またはコイルＢｉ列に対向しながらファン外周端部に配設されているので、鉄芯等の重量部品を用いない構成なので全体の重量が大幅に軽減され軽量化されると共に小さな電磁力で大きなトルクを発生させることが可能になる。また、コイルＡｉ列は一のコイルＭｉの中央部が一のコイルＡｉの中央部に重なる時に、他のコイルＭｉの中央部は他のコイルＡｉの中央部と重複し且つ両端部においてそれと別個のコイルＢｉと各々重複するように、コイルＡｉ列およびコイルＢｉ列はファンケーシングの内周面に配設され且つコイルＭｉ列はファン外周端部に配設されている。そして、コイルＡｉがコイルＭｉの中央部に重なる時は、ファンを一定方向に回転させる実効電磁力に係る実効磁場をその各コイルＭｉに形成し、あるいはコイルＢｉがコイルＭｉのいずれかの端部に重なる時は、その実効電磁力に係る実効誘導電流をそのコイルＭｉに誘起するように、電流制御装置４はその励磁を好適に制御する。さらに、電流制御装置４は、その実効誘導電流の向き及びその実効磁場の向きがファンの回転方向に一致するように、コイルＡｉおよびコイルＢｉの励磁を好適に制御する。その結果、外部から電機子コイルとしてのコイルＭｉ列に電流を供給することなく、その実効電磁力を好適に発生させ、ファンを一定方向に回転させることができる。また、コイルＡｉ列およびコイルＢｉ列を励磁した交流電流はコンデンサによって順方向または逆方向に回収されると共にサイリスタによって再び順方向または逆方向に流され、その損失分は充電器によって補完される。また、鉄芯が存在しないためヒステリシス損および渦電流損といった磁気損失は少なくなる。その結果、コイルＡｉ列およびコイルＢｉ列の磁気エネルギーはコンデンサによって電気エネルギーとして回収されサイリスタによって再利用される。従って、電磁駆動ファン１００はエネルギー回収機能を有する。これにより、励磁コイルとしてのコイルＡｉ列およびコイルＢｉ列を励磁するための電力をほとんど消費することなく、あるいは微少消費電力でファンを一定の方向に回転させる実効電磁力を好適に発生することが可能になる。その結果、ファンのエネルギー効率が飛躍的に向上する。
【実施例２】
【００５１】
図８は、本発明の他の実施例である電磁回転機械２００を示す要部断面図である。
この電磁回転機械２００は、実効電磁力によって回転する回転体としての回転構体部１１と、回転構体部１１が取り付けられているシャフト２と、回転構体部１１と対向する固定体としての固定構体部３３と、回転構体部１１の外周端部に対向して固定構体部３３の内周面に取り付けられ且つ回転構体１１を回転させる実効電磁力に係る実効磁場を発生し分割励磁コイルとしてのコイルＡｉ列と、同実効電磁力に係る実効誘導電流を下記分割電機子コイルに誘起する分割励磁コイルとしてのコイルＢｉ列と、回転構体部１１の外周端部に取り付けられ上記実効磁場および上記実効誘導電流の相互作用によって上記実効電磁力を発生する分割電機子コイルとしてのコイルＭｉ列と、コイルＡｉおよびコイルＢｉに対する電流の制御を行う電流制御装置４と、コイルＭｉの角度または変位を検出する位置検出センサ（図示せず）とを具備して構成されている。
【００５２】
また、上記コイルＭｉ列は回転構体部１１の外周端面に配設され、上記コイルＡｉ列およびコイルＢｉ列は、ファンケーシング３の内周面に配設されていても良い。
【００５３】
なお、分割励磁コイルとしてのコイルＡｉ列およびコイルＢｉ列並びに分割電機子コイルとしてのコイルＭｉ列は、実施例１と同様な作動を行い実効電磁力を発生させて回転構体部１１を回転させるが、上記電磁回転機械２００では、コイルＭｉが回転構体部１１の外周端部の一部分にのみ配設され、なお且つコイルＡｉおよびコイルＢｉが回転構体部１１の外周端部の一部分に対向するように固定構体部３３に配設されているので、コイルＡｉおよびコイルＢｉならびにコイルＭｉの相互誘導作用によって発生する実効電磁力は間欠的に回転構体部１１に作用する。従って、上記電磁回転機械２００における実効電磁力の平均値は実施例１の電磁駆動ファン１００に比べ小さくなる。
【００５４】
上記電磁回転機械２００によれば、実施例１の電磁駆動ファン１００と同様な効果に加え、回転体に対して実効電磁力を間欠的に作用することが可能となる。従って、低速で回転する大径の回転機械、例えば観覧車またはベルトコンベア等の回転駆動源に好適に適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の電磁回転機は、ジェット推進装置のターボファンまたはその他の航空機用エンジン、電動機または発電機、その他の回転駆動される機械またはそれらを必要とするシステムに好適に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の一実施例である電磁駆動ファンを示す要部正面図である。
【図２】コイルＡｉ列またはコイルＢｉ列のコイルＭｉ列に対する２次元相対位置を示す説明図である。
【図３】コイルＡｉ＋１およびコイルＭｉ＋１の電磁誘導作用を示す説明図である。
【図４】コイルＡｉ＋１およびコイルＭｉ＋１の電磁誘導作用を示す説明図である。
【図５】コイルＢｉおよびコイルＢｉ＋１とコイルＭｉ＋１の電磁誘導作用を示す説明図である。
【図６】コイルＢｉおよびコイルＢｉ＋１とコイルＭｉ＋１の電磁誘導作用を示す説明図である。
【図７】コイルＡｉ＋１、コイルＢｉおよびコイルＢｉ＋１の励磁を示す説明図である。
【図８】本発明の他の実施例である電磁回転機械を示す要部断面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１ ファンブレード
２ シャフト
３ ファンケーシング
４ 電流制御装置
Ａｉ 分割励磁コイル
Ｂｉ 分割励磁コイル
Ｍｉ 分割電機子コイル
１００ 電磁駆動ファン
２００ 電磁回転機械
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体および固定体を具備し且つ電機子コイルおよび励磁コイルの相互誘導作用により発生する電磁力を利用して前記回転体を駆動する電磁回転機であって、前記電機子コイルは該回転体の外周端部に配設され、且つ前記励磁コイルは該電機子コイルが対向する該固定体の内周面に配設されていることを特徴とする電磁回転機。
【請求項２】
前記励磁コイルはｎ（≧２）個の分割励磁コイルから構成され且つ前記電機子コイルは１又はそれ以上の分割電機子コイルから構成され、該分割電機子コイルは中央部近傍において交差していると共に該交差点を含む中心線において対称形態の閉コイルであり、一の分割電機子コイルの中央部近傍が一の分割励磁コイルの中央部近傍に重なり前記電磁力が発生する時に該分割電機子コイルは両側において他の分割励磁コイルと重なっている請求項１に記載の電磁回転機。
【請求項３】
一の分割電機子コイルの中央部近傍が一の分割励磁コイルの中央部近傍に重なる時に他の分割電機子コイルの中央部近傍は他の分割励磁コイルの中央部近傍に重なっている請求項２に記載の電磁回転機。
【請求項４】
前記分割励磁コイルは前記分割電機子コイルの中央部近傍が該分割励磁コイルの中央部近傍に重なる時に前記回転体を回転させる実効電磁力に係る実効磁場を該分割電機子コイルに形成し且つ該分割電機子コイルのいずれか一方の端部が該分割励磁コイルに重なる時に同実効電磁力に係る実効誘導電流を該分割電機子コイルに誘起するように励磁制御される手段を備えている請求項２又は３に記載の電磁回転機。
【請求項５】
前記分割励磁コイルは前記分割電機子コイルのいずれか一方の端部に重なる時に通電され且つ該分割電機子コイルの他の端部に重なる隣り合う分割励磁コイルは通電方向に関して該分割励磁コイルに対し逆向きとなるように励磁制御される手段を備えている請求項２から４のいずれかに記載の電磁回転機。
【請求項６】
前記分割励磁コイルは一の分割励磁コイルが前記分割電機子コイルに形成する前記実効電磁力に係る実効磁場のベクトルと隣接する分割励磁コイルが前記分割電機子コイルに誘起する同実効電磁力に係る実効誘導電流のベクトルとの外積の結果生じる力の向きが前記回転体の回転方向に一致するように励磁制御される手段を備えている請求項２から５のいずれかに記載の電磁回転機。
【請求項７】
一の分割励磁コイルが前記分割電機子コイルに形成する実効磁場と他の分割励磁コイルが該分割電機子コイルに誘起する実効誘導電流との電磁的位相差は、該実効磁場と該実効誘導電流の積分値が最大となるように励磁制御される手段を備えている請求項２から６のいずれかに記載の電磁回転機。
【請求項８】
前記分割励磁コイルは、交流電流を供給する電流供給手段と、該交流電流を双方向に導通させるスイッチング手段と、該交流電流を回収する蓄電手段と、該交流電流を補完する充電器とを具備すると共に閉回路を構成している請求項２から７のいずれかに記載の電磁回転機。
【請求項９】
前記閉回路はＬＣ回路を構成し且つ該ＬＣ回路の時定数は回転体の回転周期に対して十分に小さく設定されている請求項８に記載の電磁回転機。
【請求項１０】
前記充電器は、小型モータ発電機、小型ガスタービン発電機、燃料電池または超伝導発電機あるいはこれらを組み合わせたものである請求項８に記載の電磁回転機。
【請求項１１】
前記分割励磁コイルおよび前記分割電機子コイルは、所定の温度以下で電気抵抗が限りなく小さくなる又は低電気抵抗性の導電材料から作られている請求項２から１０のいずれかに記載の電磁回転機。
【請求項１】
回転体および固定体を具備し且つ電機子コイルおよび励磁コイルの相互誘導作用により発生する電磁力を利用して前記回転体を駆動する電磁回転機であって、前記電機子コイルは該回転体の外周端部に配設され、且つ前記励磁コイルは該電機子コイルが対向する該固定体の内周面に配設されていることを特徴とする電磁回転機。
【請求項２】
前記励磁コイルはｎ（≧２）個の分割励磁コイルから構成され且つ前記電機子コイルは１又はそれ以上の分割電機子コイルから構成され、該分割電機子コイルは中央部近傍において交差していると共に該交差点を含む中心線において対称形態の閉コイルであり、一の分割電機子コイルの中央部近傍が一の分割励磁コイルの中央部近傍に重なり前記電磁力が発生する時に該分割電機子コイルは両側において他の分割励磁コイルと重なっている請求項１に記載の電磁回転機。
【請求項３】
一の分割電機子コイルの中央部近傍が一の分割励磁コイルの中央部近傍に重なる時に他の分割電機子コイルの中央部近傍は他の分割励磁コイルの中央部近傍に重なっている請求項２に記載の電磁回転機。
【請求項４】
前記分割励磁コイルは前記分割電機子コイルの中央部近傍が該分割励磁コイルの中央部近傍に重なる時に前記回転体を回転させる実効電磁力に係る実効磁場を該分割電機子コイルに形成し且つ該分割電機子コイルのいずれか一方の端部が該分割励磁コイルに重なる時に同実効電磁力に係る実効誘導電流を該分割電機子コイルに誘起するように励磁制御される手段を備えている請求項２又は３に記載の電磁回転機。
【請求項５】
前記分割励磁コイルは前記分割電機子コイルのいずれか一方の端部に重なる時に通電され且つ該分割電機子コイルの他の端部に重なる隣り合う分割励磁コイルは通電方向に関して該分割励磁コイルに対し逆向きとなるように励磁制御される手段を備えている請求項２から４のいずれかに記載の電磁回転機。
【請求項６】
前記分割励磁コイルは一の分割励磁コイルが前記分割電機子コイルに形成する前記実効電磁力に係る実効磁場のベクトルと隣接する分割励磁コイルが前記分割電機子コイルに誘起する同実効電磁力に係る実効誘導電流のベクトルとの外積の結果生じる力の向きが前記回転体の回転方向に一致するように励磁制御される手段を備えている請求項２から５のいずれかに記載の電磁回転機。
【請求項７】
一の分割励磁コイルが前記分割電機子コイルに形成する実効磁場と他の分割励磁コイルが該分割電機子コイルに誘起する実効誘導電流との電磁的位相差は、該実効磁場と該実効誘導電流の積分値が最大となるように励磁制御される手段を備えている請求項２から６のいずれかに記載の電磁回転機。
【請求項８】
前記分割励磁コイルは、交流電流を供給する電流供給手段と、該交流電流を双方向に導通させるスイッチング手段と、該交流電流を回収する蓄電手段と、該交流電流を補完する充電器とを具備すると共に閉回路を構成している請求項２から７のいずれかに記載の電磁回転機。
【請求項９】
前記閉回路はＬＣ回路を構成し且つ該ＬＣ回路の時定数は回転体の回転周期に対して十分に小さく設定されている請求項８に記載の電磁回転機。
【請求項１０】
前記充電器は、小型モータ発電機、小型ガスタービン発電機、燃料電池または超伝導発電機あるいはこれらを組み合わせたものである請求項８に記載の電磁回転機。
【請求項１１】
前記分割励磁コイルおよび前記分割電機子コイルは、所定の温度以下で電気抵抗が限りなく小さくなる又は低電気抵抗性の導電材料から作られている請求項２から１０のいずれかに記載の電磁回転機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−２１１７３９（Ｐ２００６−２１１７３９Ａ）
【公開日】平成１８年８月１０日（２００６．８．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１６５３７（Ｐ２００５−１６５３７）
【出願日】平成１７年１月２５日（２００５．１．２５）
【出願人】（５０３３６１４００）独立行政法人 宇宙航空研究開発機構 (453)
【出願人】（８９９００００５７）学校法人日本大学 (650)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月１０日（２００６．８．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１月２５日（２００５．１．２５）
【出願人】（５０３３６１４００）独立行政法人 宇宙航空研究開発機構 (453)
【出願人】（８９９００００５７）学校法人日本大学 (650)
【Ｆターム（参考）】
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