JP6545025B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、主に発電機への適用が有効な回転電機に係り、特に脈動トルクを低減した回転電機に関する。

従来、この種の回転電機に代表される発電機では、水力、火力等のエネルギーを回転エネルギーに変換し、変換した回転エネルギーで発電機を駆動して発電を行っている。一般に使用される発電機は、Ｎ極及びＳ極を有する永久磁石を回転軸に取り付けた回転子、永久磁石により形成される磁極数に応じた磁極を有する電機子鉄心、及び電機子鉄心に巻回した発電コイルを備え、回転子を回転駆動することにより、電機子鉄心内に交流磁界を発生し、発生した交流磁界により発電コイルに交流電圧を発生させている。

ところで、発電機や電動機等の回転電機を構成する電機子鉄心は、それに巻回したコイルに十分な磁界を供給するため、回転子に取り付けた永久磁石と近接して配置することが望まれる。永久磁石と電機子鉄心とを近接して配置すると、永久磁石と電機子鉄心との間に吸引力が働く。この吸引力は、回転電機の出力の向上を図るため、強力な永久磁石を用いれば特に大きな値となる。

また、この吸引力は回転子の回転角度に依存して変動し、回転子の回転トルクに影響を及ぼすが、その回転トルク、即ち、電機子鉄心と回転子との間の磁気的吸引力に基づく脈動トルク（コギングトルク）が大きくなると、回転子の回転角速度にばらつきが発生し、一般的な発電機の場合には、異常振動や騒音等の問題が発生する。更に、例えば風力発電等に用いられる発電機の場合には、回転翼が動き始める始動トルクが大きくなるばかりでなく、回転翼を連続して回転させるための抵抗も大きくなり、こうした要因で微風の状態で発電することが困難となってしまう。

そこで、このような脈動トルクによる不具合を抑制するための周知な関連技術として、例えば磁界を供給する手段がヨークを吸着することで発生するコギングトルクにより回転軸に与える影響を減少させる「発電機」（特許文献１参照）や、脈動コイルの回転子に与える影響を抑制し、回転子をスムーズに回転させることができる「回転電機」（特許文献２参照）が挙げられる。

特開２００９−２４０１５９号公報 特開２０１３−１０６４６２号公報

上述した特許文献１に係る技術は、脈動トルクを抑制するための発電手段として、１つの回転軸に複数の起電手段を連結する構造を備え、各起電手段を外部から回転力が供給される回転軸に対して放射状且つ円周方向に沿って交互に磁極を配置した永久磁石と、回転軸の外周にボビンを介して巻回したコイルと、永久磁石から発生する磁束をコイルと鎖交するように誘導するヨークと、回転軸に対して放射状且つ円周方向に沿って配置されて永久磁石によって磁化される複数の被吸着片を備えた引力手段と、から構成し、引力手段によって永久磁石の極と被吸着片との間に働く引力を或る程度打ち消すことにより回転軸に及ぼされる引力である脈動トルクを減少させる機能を持たせたものである。

しかしながら、特許文献１に係る発電機では、発電手段を構成する各起電手段の構成が複雑化され、発電手段を小型化することが困難である上、スムーズな回転性能が要求される回転子持つ回転電機には有効に適用し難いという問題がある。

また、上述した特許文献２に係る技術は、脈動トルクを抑制するための回転電機として、回転軸と同心に且つ回転軸と平行して等間隔で且つ磁化方向が交番するように配置した複数の永久磁石、及び各永久磁石の間に非磁性体を挟んで配置した磁性体を備えた回転子と、各永久磁石の回転軸の軸方向における前面端部と背面端部との間をそれぞれ空隙を介して接続するように配置したステータス鉄心と、ステータス鉄心に券回したコイルと、を備え、回転軸の周方向において隣り合う永久磁石の間には、非磁性体とこの非磁性体の両隣りに各磁性体が配置される構成としたものである。

しかしながら、特許文献２に係る回転電機では、回転子の磁界供給手段が回転軸の延在方向（長さ方向）で単一な円環状の構造体で構成され、磁力発生の性能に限界があるため、脈動トルクの回転子の回転に与える影響を十分に抑制できるとは言えないという問題がある。

本発明は、このような問題点を解消すべくなされたもので、その技術的課題は、脈動トルクの回転子の回転に与える影響を極力抑制できて一層スムーズに回転子を回転させることができる回転電機を提供することにある。

上記技術的課題を解決するため、本発明の回転電機の基本構成は、回転軸と同心に且つ当該回転軸と並行して等間隔で且つ磁化方向が交番するように配置した複数の永久磁石部、及び当該複数の永久磁石部の間に非磁性体を挟んで配置した磁性体を介在させた構成の円板状回転体を含む回転子と、前記回転子の磁路の両端を閉じるように、当該回転軸の周方向に等間隔で当該回転子を囲うように配置した複数のＣ字型ステータ鉄心とを備え、前記複数のＣ字型ステータ鉄心の極数分の鉄心部における少なくとも１箇所には、コイルが巻回されて構成され、前記複数の永久磁石部それぞれは、各々の磁化方向が前記回転軸に対して傾斜した一対の永久磁石を接合して構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、上記構成により、脈動トルクの回転子の回転に与える影響を極力抑制できて一層スムーズに回転子を回転させることができるようになる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。

本発明の前提となる回転電機の技術的概要を説明するために示した外観斜視図である。 図１に示す回転電機に適用可能な別構造の回転子を説明するために示す平面図であり、（ａ）は１２極の回転子に関する図、（ｂ）は６極の回転子に関する図である。 図１に示す回転電機に備えられる回転子に働くトルクの一形態を説明するために一部破断して示した要部の概略図である。 図１に示す回転電機に備えられる回転子に働くトルクの他形態を説明するために一部破断して示した要部の概略図である。 図１に示す回転電機に備えられる回転子に働くトルクの別形態を説明するために一部破断して示した要部の概略図である。 図１に示す回転電機に備えられる回転子に働くトルクの更に他の形態を説明するために一部破断して示した要部の概略図である。 図１に示す回転電機に備えられる回転子に別なＣ字型ステータ鉄心を具備させた場合に働くトルクの更に別の形態を説明するために一部破断して示した要部の概略図である。 図１に示す回転電機に備えられる回転子を図７で説明したＣ字型ステータ鉄心としてそれらに巻回したコイルに供給したパルス電流による脈動トルクの抑制動作の一形態を説明するために示した要部の状態推移図である。 図１に示す回転電機に備えられる回転子を図７で説明したＣ字型ステータ鉄心としてそれらに巻回したコイルに供給したパルス電流による脈動トルクの抑制動作の他形態を説明するために示した要部の状態推移図である。 本発明の実施例に係る回転電機の基本構成を説明するために示した外観斜視図である。 図９に示す回転電機の内部構造を説明するための図であり、（ａ）は回転電機の回転軸の軸方向における側面断面図、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ線方向で断面にした図、（ｃ）は（ａ）中のＢ−Ｂ線方向で断面にした図である。

以下、本発明の回転電機について、実施例を挙げ、図面を参照して詳細に説明する。但し、最初は、本発明の回転電機の理解を助けるため、前提となる回転電機の技術的概要について説明する。

図１は、本発明の前提となる回転電機１０の技術的概要を説明するために示した外観斜視図である。図２は、この回転電機１０に適用可能な別構造の回転子を説明するために示す平面図であり、同図（ａ）は１２極の回転子に関する図、同図（ｂ）は６極の回転子に関する図である。

図１を参照すれば、この回転電機１０は、２４極の発電機として機能するもので、回転軸１１と同心に且つ回転軸１１と並行して等間隔で且つ磁化方向が交番するように配置した複数（ここでは２４個）の永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、１２Ｍ−３、…、１２Ｍ−２４）、及びこれらの永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、１２Ｍ−３、…、１２Ｍ−２４）の間に非磁性体板１２Ｃを挟んで配置した磁性体板１２Ｆ、１２Ｒを介在させた構成の円板状回転体による回転子１２と、永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、１２Ｍ−３、…、１２Ｍ−２４）の回転軸１１の延在方向（軸方向と呼ばれても良い）の前面端部（図１中では上側面）と背面端部（図１中では下側面）との間をそれぞれ空隙を介して接続するように配置された複数（ここでは２１個）のＣ字型ステータ鉄心１３（１３−１、１３−２、１３−３、…、１３−２１）と、２１極数分のＣ字型ステータ鉄心１３（１３−１、１３−２、１３−３、…、２１）における鉄心部の各直線部に巻回されたコイル１４（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ）と、を備えて構成される。

但し、ここでのＣ字型ステータ鉄心１３（１３−１、１３−２、１３−３、…、１３−２１）は、図示されないハウジングに収容されるもので、回転子１２を貫通する回転軸１１が図示されない軸受を介してハウジングに支持されている。

このうち、回転子１２の回転軸１１の周方向（回転子１２の回転方向Ｗ）において隣り合う永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、１２Ｍ−３、…、１２Ｍ−２４）の間には、非磁性体板１２Ｃとこの両隣りに配置した各磁性体板１２Ｆ、１２Ｒとが介在される。非磁性体板１２Ｃにはステンレス鋼板、ベークライト板等を用いる場合を例示でき、磁性体板１２Ｆ、１２Ｒには電磁鋼鈑を用いる場合を例示できる。永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、１２Ｍ−３、…，１２Ｍ−２４）と磁性体板１２Ｆ、１２Ｒ及び非磁性体板１２Ｃとの積層体における各部の円周方向に占める角度θは、等しくなるように設定する。

例えば、回転子１２が図２（ａ）に示されるように１２極の場合にはθ１＝θ２、図２（ｂ）に示されるように６極の場合にはθ３＝θ４（但し、θ３＝θ４＞θ１＝θ２なる関係が成立する）となるように設定する。Ｃ字型ステータ鉄心１３（１３−１、１３−２、１３−３、…、１３−２１）の各直線部に巻回したコイル１４（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ）は、例えば直列に接続する。これにより、例えば、回転軸１１を外部から駆動すると、永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、１２Ｍ−３、…、１２Ｍ−２４）→Ｃ字型ステータ鉄心１３（１３−１、１３−２、１３−３、…、１３−２１）→永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、１２Ｍ−３、…、１２Ｍ−２４）を通る磁束が断続し、コイル１４（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ）から交流出力を得ることができる。

因みに、コイル１４（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ）は、２１極数分のＣ字型ステータ鉄心１３（１３−１、１３−２、１３−３、…、１３−２１）の鉄心部における各直線部に全て設けるのではなく、直線部を選択して少なくとも１箇所としても良く、例えば回転子１２の円板状回転体に近い場所のコイル１４ａ、１４ｅにのみに巻回した構成を例示できる。

ところで、回転子１２の永久磁石１２Ｍの極数は、図１に示すものは２４極、図２（ａ）に示すものは１２極、図２（ｂ）に示すものは６極であり、何れの場合もＣ字型ステータ鉄心１３の極数２１との比が整数とならないように設定されており、これによって回転電機１０の回転子１２をよりスムーズに回転することができる。

図３は、この回転電機１０に備えられる回転子１２に働くトルクの一形態を説明するために一部破断して示した要部の概略図である。また、図４は同様な回転子１２に働くトルクの他形態、図５は同様な回転子１２に働くトルクの別形態、図６は同様な回転子１２に働くトルクの更に他の形態に関する要部の概略図である。尚、図３〜図６は回転電機１０を構成する永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、１２Ｍ−３、…、１２Ｍ−２４）、磁性体板１２Ｆ、１２Ｒ、非磁性体板１２Ｃ、及びＣ字型ステータ鉄心１３（１３−１、１３−２、１３−３、…、１３−２１）の永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、１２Ｍ−３、…、１２Ｍ−２４）と対向する部分を永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、１２Ｍ−３、…、１２Ｍ−２４）の外表面に沿って展開して示した局部の図となっている。

図３を参照すれば、ここでは回転子１２に配置された永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、１２Ｍ−３、…、１２Ｍ−２４）の前面がＣ字型ステータ鉄心１３（１３−１、１３−２、１３−３、…、１３−２１）の前面に全面で対向し、永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、１２Ｍ−３、…、１２Ｍ−２４）の背面がＣ字型ステータ鉄心１３（１３−１、１３−２、１３−３、…、１３−２１）の背面に全面で対向する位置にある様子を示している。

図４を参照すれば、ここでは回転子１２が回転し、永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、１２Ｍ−３、…、１２Ｍ−２４）が左方向に磁石幅の１／２移動した状態を示しており、この状態で永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、１２Ｍ−３、…、１２Ｍ−２４）の移動方向の後半部分を示す永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、１２Ｍ−３、…、１２Ｍ−２４）の右半分と磁性体板１２ＲとがＣ字型ステータ鉄心１３（１３−１、１３−２、１３−３、…、１３−２１）の前面及び背面に対向している様子を示している。

図５を参照すれば、ここでは更に回転子１２が回転し、永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、１２Ｍ−３、…、１２Ｍ−２４）が左方向に磁石幅の１／２移動した状態を示し、この状態で永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、１２Ｍ−３、…、１２Ｍ−２４）はＣ字型ステータ鉄心１３（１３−１、１３−２、１３−３、…、１３−２１）の前面及び背面の何れとも対向していない様子を示している。

図６を参照すれば、ここでは更に回転子１２が回転し、永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、１２Ｍ−３、…、１２Ｍ−２４）が左方向に磁石幅の１／２移動した状態を示し、この状態で永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、１２Ｍ−３、…、１２Ｍ−２４）の回転方向の前半部分と磁性体板１２ＦとがＣ字型ステータ鉄心１３（１３−１、１３−２、１３−３、…、１３−２１）の前面及び背面に対向している様子を示している。

ところで、回転電機１０には、一般に磁石が鉄心等の磁性体を引きつける力に基づくトルクである「リラクタンストルク」と、磁極が互いに反発したり、或いは吸引したりする力に基づくトルクである「マグネットトルク」と、が作用する。

永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、１２Ｍ−３、…、１２Ｍ−２４）が図３に示す位置にあるとき、例えば永久磁石１２Ｍ−２による磁束φｍは、永久磁石１２Ｍ−２→Ｃ字型ステータ鉄心１３−１の前面→Ｃ字型ステータ鉄心１３−１の背面→永久磁石１２Ｍ−２を通り、Ｃ字型ステータ鉄心１３−１に巻回したコイル１４と鎖交する。この鎖交に伴い、コイル１４には起電力ｅが誘起される。

コイル１４に起電力ｅが発生して負荷電流ｉが流れると負荷磁束２φｃが発生する。この負荷磁束２φcは、主として永久磁石１２Ｍ−２の回転方向の前後に配置された磁性体板１２Ｆ、１２Ｒを通過する。例えば永久磁石１２Ｍ−２の比透磁率μｓ＝１、磁性体板１２Ｆ、１２Ｒの比透磁率μｓ＝６０００であれば、負荷磁束２φｃは大部分が磁性体板１２Ｆ、１２Ｒを通ることになる。

また、永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、１２Ｍ−３、…、１２Ｍ−２４）が図４に示す位置にあるとき、例えば永久磁石１２Ｍ−２による磁束φｍの一部αφｍは、永久磁石１２Ｍ−２→Ｃ字型ステータ鉄心１３−１の前面→Ｃ字型ステータ鉄心１３−１の背面→永久磁石１２Ｍ−２を通る。このとき、永久磁石１２Ｍ−２には回転子１２を右方向に回転させようとするリラクタンストルクが働いている。このリラクタンストルクは脈動トルク原因となる。また、上述した磁束φｍの一部αφｍはコイル１４と鎖交し、磁性体板１２Ｆ、１２Ｒを通過して永久磁石１２Ｍ−２に戻る。この鎖交に伴い、Ｃ字型ステータ鉄心１３−１に巻回したコイル１４には起電力ｅが誘起され、コイル１４には負荷電流ｉｃが流れ、負荷磁束２φｃ（φｃ１＋φｃ２）が発生する。

負荷磁束２φcは、主として永久磁石１２Ｍ−２の回転方向の前後に配置された磁性体板１２Ｆ、１２Ｒを通過する。即ち、負荷磁束２φｃの一部φｃ１は磁性体板１２Ｒを通り、他部φｃ２は磁性体板１２Ｆを通る。このようにして、回転子１２の磁性体板１２Ｆ、１２Ｒには、それぞれ磁束φｃ１＋βφｍ、磁束φｃ２−βφｍが通過する。これらの磁束φｃ１＋βφｍ、φｃ２−βφｍにより回転子１２にはそれを左方向に駆動するようなトルクが発生する。

この回転子１２を左方向に駆動するようなトルクは永久磁石１２Ｍ−２とＣ字型ステータ鉄心１３−１との間に働く上述したリラクタンストルクとは逆方向であるため、永久磁石１２Ｍ−２とＣ字型ステータ鉄心１３−１との間に働くリラクタンストルクに基づく脈動トルクが抑制されることになる。

更に、永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、１２Ｍ−３、…、１２Ｍ−２４）が図５の位置にあるとき、例えば永久磁石１２Ｍ−２からＣ字型ステータ鉄心１３−１に流れ込む磁束は、コイル１４内で打ち消し合うため、コイル１４に起電力ｅは誘起されない。

加えて、永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、１２Ｍ−３、…、１２Ｍ−２４）が図６の位置にあるとき、例えば永久磁石１２Ｍ−２による磁束φｍの一部αφｍは、永久磁石１２Ｍ−２→Ｃ字型ステータ鉄心１３−１の前面→Ｃ字型ステータ鉄心１３−１の背面→永久磁石１２Ｍ−２を通る。このとき、永久磁石１２Ｍ−２には回転子１２を左方向に回転させようとするリラクタンストルクが働く。このリラクタンストルクは脈動トルクの原因となる。また、上述した磁束φｍの一部αφｍはコイル１４と鎖交し、磁性体板１２Ｆ、１２Ｒを通過して永久磁石１２Ｍ−２に戻る。この鎖交に伴い、背面Ｃ字型ステータ鉄心１３−１に巻回したコイル１４には起電力ｅが誘起され、コイル１４には負荷電流ｉｃが流れ、負荷磁束２φｃが発生する。

負荷磁束２φcは、主として永久磁石１２Ｍ−２の回転方向の前後に配置された磁性体板１２Ｆ、１２Ｒを通過する。即ち、負荷磁束２φｃの一部φｃ１は磁性体板１２Ｆを通り、他部φｃ２は磁性体板１２Ｒを通る。

このようにして、回転子１２の磁性体板１２Ｆ、１２Ｒには、それぞれ磁束φｃ１＋βφｍ、磁束φＣ２−βφｍが通過する。これらの磁束φｃ１＋βφｍ、φＣ２−βφｍにより回転子１２にはそれを右方向に駆動するようなトルクが発生する。

この回転子１２を右方向に駆動するようなトルクは永久磁石１２Ｍ−２とＣ字型ステータ鉄心１３−１との間に働く上述したリラクタンストルクとは逆方向であるため、永久磁石１２Ｍ−２とＣ字型ステータ鉄心１３−１との間に働くリラクタンストルクに基づく脈動トルクが抑制されることになる。尚、Ｃ字型ステータ鉄心１３（１３−１、１３−２、１３−３、…、１３−２１）の形状は、永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、１２Ｍ−３、…、１２Ｍ−２４）の前面端部（図１中での下側面）と背面端部（図１中での上側面）との間を空隙を介して接続できるものであれば、その他の形状を適用させることが可能である。

以上に説明したように、この回転電機１０によれば、リラクタンストルクに基づく脈動トルクを抑制することができる。

ところで、以上に説明した回転電機１０では、Ｃ字型ステータ鉄心１３（１３−１、１３−２、１３−３、…、１３−２１）を回転子１２の回転方向に間隔を空けて配置している。このため、例えば回転子１２が図５に示す位置あるとき、永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、１２Ｍ−３、…、１２Ｍ−２４）から出る磁束φｍは有効に利用されない。

図７は、上述した回転電機１０に備えられる回転子１２に別なＣ字型ステータ鉄心（１３−１′、１３−２′、１３−３′、…、１３−２１′）を具備させた場合に働くトルクの更に別の形態を説明するために一部破断して示した要部の概略図である。

図７を参照すれば、ここでは第１のステータ鉄心となるＣ字型ステータ鉄心１３（１３−１、１３−２、１３−３、…、１３−２１）と同一形状の第２のステータ鉄心となる別なＣ字型ステータ鉄心（１３−１′、１３−２′、１３−３′、…、１３−２１′）を用意し、これを第１のステータ鉄心となるＣ字型ステータ鉄心１３（１３−１、１３−２、１３−３、…、１３−２１）の間に挿入する。こうした構成にすれば、回転子１２の永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、１２Ｍ−３、…、１２Ｍ−２４）は、Ｃ字型ステータ鉄心１３（１３−１、１３−２、１３−３、…、１３−２１）、（１３−１′、１３−２′、１３−３′、…１３−２１′）の何れかに影響を及ぼす位置に置かれることになるため、回転電機１０の出力を増大することができる。

また、以上に説明した回転電機１０では、リラクタンストルクに基づく脈動トルクを抑制するのに、回転子１２の磁性体板１２Ｆ、１２Ｒを通る磁束φｃ１＋βφｍ、及び磁束φｃ２−βφｍにより発生する反抗トルクを利用したが、この反抗トルクをＣ字型ステータ鉄心１３（１３−１、１３−２、１３−３、…、１３−２１）、（１３−１′、１３−２′、１３−３′、…、１３−２１′）に巻回したコイル１４を励磁することにより生成することができる。

図８−１は、上述した回転電機１０に備えられる回転子１２を図７で説明したＣ字型ステータ鉄心１３（１３−１、１３−２、１３−３、…、１３−２１）、（１３−１′、１３−２′、１３−３′、…、１３−２１′）としてそれらに巻回したコイル１４に供給したパルス電流による脈動トルクの抑制動作の一形態を説明するために示した要部の状態推移図である。また、図８−２は同様なコイル１４に供給したパルス電流による脈動トルクの抑制動作の他形態に関するものである。尚、図８−１、図８−２では、回転電機１０の回転子１２及び電機子部分を周方向に展開した図として示す他、（１）〜（５）、（６）〜（１０）を各時点毎の回転子１２の移動位置を示すものとする。

図８−１（２）〜（３）、図８−２（６）〜（７）に示されるように、例えば永久磁石１２Ｍ−１に対向するＣ字型ステータ鉄心１３−１、１３−１′の辺のうち、回転方向（図示の例では左方向）に先行するＣ字型ステータ鉄心１３−１の辺ａと永久磁石１２Ｍ−１との対向面積が、回転方向に後行するＣ字型ステータ鉄心１３−１′の辺ｂと永久磁石１２Ｍ−１との対向面積よりも少ないとき、即ち、回転方向に先行するＣ字型ステータ鉄心１３−１の辺ａと永久磁石１２Ｍ−１との間に働くリラクタンストルクが、回転方向に後行するＣ字型ステータ鉄心１３−１′の辺ｂと永久磁石１２Ｍ−１との間に働くリラクタンストルクよりも少ないとき（このような場合には、回転電機１０の回転子１２は回転方向に後行するＣ字型ステータ鉄心１３−１′の辺ｂと永久磁石１２Ｍ−１との間に働くリラクタンストルクにより、回転方向とは逆の方向に駆動される）、回転方向に先行するＣ字型ステータ鉄心１３−１に巻回したコイル１４に永久磁石１２Ｍ−１を吸引する方向に磁極が生成されるようにパルス電流を供給するか、或いはＣ字型ステータ鉄心１３−１′に巻回したコイル１４に永久磁石１２Ｍ−１を反発する方向に磁極が生成されるようにパルス電流を供給する。因みに、ここでの脈動抑制用のコイル１４は発電用としても共用することができる。

ここで、図８−１、図８−２において、Ｃ字型ステータ鉄心１３（１３−１、１３−２、１３−３、…１３−２１）、（１３−１′、１３−２′、１３−３′、…、１３−２１′）上に「Ｎ」、「Ｓ」で示した位置にある磁極は、磁極に巻回したコイル１４に供給したパルス電流により形成された磁極を示す。このように磁極を生起させることにより、例えば永久磁石１２Ｍ−１と回転方向に後行するＣ字型ステータ鉄心１３−１′の辺ｂとの間に働くリラクタンストルクを抑制して、係るリラクタンストルクに基づく脈動トルクを抑制することができる。

また、永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、１２Ｍ−３、…、１２Ｍ−２４）を吸引あるいは反発する方向に磁極が生成されるようにパルス電流を供給して回転子１２を駆動することによっても同様に脈動トルクを抑制することができる。

永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、１２Ｍ−３、…、１２Ｍ−２４）と対向するＣ字型ステータ鉄心１３（１３−１、１３−２、１３−３、…、１３−２１）、（１３−１′、１３−２′、１３−３′、…、１３−２１′）の間に働く吸引力による回転子１２の回転方向が回転子１２の回転方向（駆動方向）と異なるとき、例えば図４に示すように永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、１２Ｍ−３、…、１２Ｍ−２４）の中心がＣ字型ステータ鉄心１３（１３−１、１３−２、１３−３、…、１３−２１）の中心よりも回転方向前方にずれており、回転子１２に回転方向とは逆方向にトルクが発生するとき、Ｃ字型ステータ鉄心１３（１３−１、１３−２、１３−３、…、１３−２１）、（１３−１′、１３−２′、１３−３′、…、１３−２１′）に巻回したコイル１４に永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、１２Ｍ−３、…、１２Ｍ−２４）を吸引又は反発する方向のパルス電流を供給すれば、脈動トルクに反抗するトルクを生成して脈動トルクを抑制することができる。

尚、脈動抑制用のコイル１４は、Ｃ字型ステータ鉄心１３（１３−１、１３−２、１３−３、…、１３−２１）の１箇所（例えばＣ字型ステータ鉄心１３−１）に巻回すれば良い、別なＣ字型ステータ鉄心（１３−１′、１３−２′、１３−３′、…、１３−２１′）の全てに巻回してこれらを直列に接続した回路にパルス電流を供給しても良い。因みに、脈動抑制用のコイル１４に供給するパルス電流の供給タイミングは、回転子１２の回転位置を検出する周知な位置センサ等から取得することができる。

以上に説明した回転電機１０は、本発明者によって提案された特許文献２に係る構成のものであるが、この場合には回転子１２の磁界供給手段となる永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、１２Ｍ−３、…、１２Ｍ−２４）が回転軸１１の延在方向で単一な円環状の構造体で構成され、磁力発生の性能に限界があるため、脈動トルクの回転子１２の回転に与える影響を十分に抑制できるとは言えない。そこで、本発明では、脈動トルクの回転子１２の回転に与える影響を極力抑制できて一層スムーズに回転子１２を回転させることができる回転電機を提供することを技術的課題としている。

図９は、本発明の実施例に係る回転電機１００の基本構成を説明するために示した外観斜視図である。図１０は、この回転電機１００の内部構造を説明するための図であり、同図（ａ）は回転電機１００の回転軸１１の軸方向における側面断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）中のＡ−Ａ線方向で断面にした図、同図（ｃ）は同図（ａ）中のＢ−Ｂ線方向で断面にした図である。

図９を参照すれば、この回転電機１００は、１２極の発電機として機能するもので、回転軸１１と同心に且つ回転軸１１と並行して等間隔で且つ磁化方向が交番するように配置した複数の永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、…、１２Ｍ−１２）、及びこれらの永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、…、１２Ｍ−１２）の間に非磁性体板１２Ｃを挟んで配置した磁性体板１２Ｆ、１２Ｒを介在させた構成の複数（ここでは３個）の円板状回転磁石体１５ａ、１５ｂ、１５ｃを回転軸１１上に回転軸１１の延在方向で複数（ここでは２個）の円板状ステータ鉄心１６ａ、１６ｂを介在させて積層するように配置して構成される回転子１２０と、各円板状回転磁石体１５ａ、１５ｂ、１５ｃを構成する各永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、…、１２Ｍ−１２）のうち、最前面に配置される箇所での回転軸１１の延在方向における前面端部と最背面に配置される箇所での回転軸１１の延在方向における背面端部との間をそれぞれ空隙を介して接続すると共に、回転子１２０における各円板状回転磁石体１５ａ、１５ｂ、１５ｃと円板状ステータ鉄心１６ａ、１６ｂとにより形成される磁路の両端を閉じるように回転軸１１の周方向で等間隔で回転子１２０を囲うように配置した複数（ここでは１４個）のＣ字型ステータ鉄心１３（１３−１、１３−２、…、１３−１４）と、を備え、円板状ステータ鉄心１６ａ、１６ｂが各円板状回転磁石体１５ａ、１５ｂ、１５ｃのうち、最前面を除く前面側に配置される箇所での各永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、…、１２Ｍ−１２）の回転軸１１の延在方向における背面側端部と最背面を除く背面側に配置される箇所での各永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、…、１２Ｍ−１２）の回転軸１１の延在方向における前面側端部との間をそれぞれ空隙を介して接続するように配置され、円板状ステータ鉄心１６ａ、１６ｂの回転軸１１の周方向で等間隔に配置された１４極数分の鉄心部にはそれぞれコイル１７ａ、１７ｂが巻回され、１２極数分の各Ｃ字型ステータ鉄心１３（１３−１、１３−２、…、１３−１４）における鉄心部における各直線部の選択された箇所にはコイル１４、１４ａ、１４ｅが巻回（但し、図９中では回転子１２０の露呈箇所の近傍箇所のみの巻回状態を示している）されて構成されている。

但し、ここでのＣ字型ステータ鉄心１３（１３−１、１３−２、…、１３−１４）についても、図７で説明したような別なＣ字型ステータ鉄心（１３−１′、１３−２′、…、１３−１４′）を適用する構成にできる他、回転電機１００自体は図示されないハウジングに収容され、回転子１２０を貫通する回転軸１１が図示されない軸受を介してハウジングに支持されるようになっている。尚、ここでのＣ字型ステータ鉄心１３（１３−１、１３−２、…、１３−１４）は、図１に示したＣ字型ステータ鉄心１３（１３−１、１３−２、１３−３、…、１３−２１）、（１３−１′、１３−２′、１３−３′、…、１３−２１′）と比べ、回転軸１１の延在方向の寸法が背高になっている。

このうち、回転子１２０の回転軸１１の周方向（回転子１２０の回転方向Ｗ）において隣り合う永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、…１２Ｍ−１２）の間には、非磁性体板１２Ｃとこの両隣りに配置した各磁性体板１２Ｆ、１２Ｒとが介在される。ここでも非磁性体板１２Ｃにはステンレス鋼板、ベークライト板等を用いる場合を例示でき、磁性体板１２Ｆ、１２Ｒには電磁鋼鈑を用いる場合を例示できる。

また、図９及び図１０（ｂ）に示されるように、ここでの各円板状回転磁石体１５ａ、１５ｂ、１５ｃを構成する各永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、…、１２Ｍ−１２）の円周方向幅は、各永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、…、１２Ｍ−１２）の間に介在される非磁性体板１２Ｃを挟んで配置した磁性体板１２Ｆ、Ｒの積層体の円周方向幅以上となっており、図２（ａ）に示す関係ではθ１≧θ２、図２（ｂ）に示す関係ではθ３≧θ４となるように設定されている。

更に、図１０（ｂ）及び図１０（ｃ）に示されるように、円板状ステータ鉄心１６ａ、１６ｂの極数は各Ｃ字型ステータ鉄心１３（１３−１、１３−２、…、１３−１４）、（１３−１′、１３−２′、…、１３−１４′）の極数と同数の１４であるが、ここでも各円板状回転磁石体１５ａ、１５ｂ、１５ｃを構成する各永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、…、１２Ｍ−１２）の極数の１２との比が整数とならないように設定されている。これにより、回転電機１００の回転子１２０をよりスムーズに回転することができる。

この回転電機１００では、回転子１２０について各円板状回転磁石体１５ａ、１５ｂ、１５ｃを構成する各永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、…、１２Ｍ−１２）が各円板状回転磁石体１５ａ、１５ｂの間、並びに各円板状回転磁石体１５ｂ、１５ｃの間にそれぞれ配置した円板状ステータ鉄心１６ａ、１６ｂと共に回転軸１１に並行する磁路を形成する積層体構造とし、積層体における最前面(図９中での上側面）に配置された各永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、…、１２Ｍ−１２）の前面端部と、最背面（図９中での下側面）に配置した各永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、…、１２Ｍ−１２）の背面端間をＣ字型ステータ鉄心１３（１３−１、１３−２、…、１３−１４）、（１３−１′、１３−２′、…、１３−１４′）を介して磁気的に連結することで磁路の両端を閉じ、Ｃ字型ステータ鉄心１３（１３−１、１３−２、…、１３−１４）、（１３−１′、１３−２′、…、１３−１４′）及び円板状ステータ鉄心１６ａ、１６ｂにおけるそれぞれの極数分の鉄心部にはコイル１４、１４ａ、１４ｂ、１７ａ、１７ｂを巻回し、これらのコイル１４、１４ａ、１４ｂ、１７ａ、１７ｂについては、例えば直列に接続してパルス電流を供給することで回転子１２０に働く脈動トルクを抑制するようにすれば、永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、１２Ｍ−３、…、１２Ｍ−１２）が回転軸１１の延在方向で多段な円環状の構造体（円板状回転磁石体１５ａ、１５ｂ、１５ｃ）で構成され、磁力発生の性能が向上されるため、脈動トルクの回転子１２０の回転に与える影響を極力抑制することが可能となり、結果として磁路に巻回されたコイル１４、１４ａ、１４ｂ、１７ａ、１７ｂから効率良く起電力ｅを取得できるようになる。

即ち、係る積層体構造の回転子１２０を持つ回転電機１００では、例えば回転軸１１を外部から駆動すると、各円板状回転磁石体１５ａ、１５ｂの永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、…１２Ｍ−１２）→円板状ステータ鉄心１６ａ→各円板状回転磁石体１５ｂ、１５ｃの永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、…１２Ｍ−１２）→円板状ステータ鉄心１６ｂ→各円板状回転磁石体１５ａ、１５ｃの永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、…１２Ｍ−１２）→Ｃ字型ステータ鉄心１３（１３−１、１３−２、…、１３−１４）、（１３−１′、１３−２′、…、１３−１４′）を通る磁束が断続され、コイル１４、１４ａ、１４ｂ、１７ａ、１７ｂから効率良く交流出力を得ることができる。特に、磁路に巻回されたコイル１４、１４ａ、１４ｂ、１７ａ、１７ｂに対して特許文献２の技術で説明した場合と同様な手法でパルス電流を供給すれば、回転子１２０に働く脈動トルクの影響が顕著に抑制され、回転子１２０が一層スムーズに回転する。

尚、実施例に係る回転電機１００では、回転子１２０を構成する３個の円板状回転磁石体１５ａ、１５ｂ、１５ｃの相互間に２個の円板状ステータ鉄心１６ａ、１６ｂを介在させて回転軸１１の延在方向で積層した構成を説明したが、回転子１２０は２個の円板状回転磁石体１５ａ、１５ｂの間に１個の円板状ステータ鉄心１６ａを介在させて回転軸１１の延在方向で積層する構成としたり、４個以上の円板状回転磁石体の相互間に３個以上の円板状ステータ鉄心を介在させて回転軸１１の延在方向で積層する構成とすることも可能である。また、実施例に係る回転電機１００では、図９及び図１０（ｂ）に示されるように、永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、…、１２Ｍ−１２）の磁化方向を回転軸１１と並行に設定した場合を説明したが、永久磁石１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、…、１２Ｍ−１２）の単体構造を一対の永久磁石を組み付けて接合するようにした上、回転軸１１に対して磁化方向を傾斜させて勾配させる（但し、この場合には単体構造が実施例で説明したような同一体の場合にも同様に適用できる他、捩じれ方向を含むものとする）ようにしたり、或いは磁化方向を回転軸１１の延在方向と左右対称に斜交するように設定する（ここでも捩じれ方向を含むものとする）ことが有効であり、こうした場合には回転電機１００の回転子１２０をよりスムーズに回転維持させることができる。更に、実施例に係る回転電機１００では、Ｃ字型ステータ鉄心１３（１３−１、１３−２、…、１３−１４）、（１３−１′、１３−２′、…、１３−１４′）及び円板状ステータ鉄心１６ａ、１６ｂにおけるそれぞれの極数分の鉄心部を対象にしてコイル１４、１４ａ、１４ｂ、１７ａ、１７ｂを巻回した構成を説明したが、これらの極数分の鉄心部における少なくとも１箇所にコイルを巻回した構成としても回転子１２０を基本機能上で回転動作させることができ、同様に脈動トルクの回転子１２０の回転に与える影響を適度に抑制できるので、係る構成にしても良い。加えて、実施例に係る回転電機１００では、発電機としての適用を例示して説明したが、その他にも電動機にも同様に適用することができる。従って、本発明の回転電機は実施例で開示して説明した形態に限定されない。

１０、１００ 回転電機
１１ 回転軸
１２、１２０ 回転子
１２Ｃ 非磁性体板
１２Ｆ、１２Ｒ 磁性体板
１２Ｍ（１２Ｍ−１、１２Ｍ−２、１２Ｍ−３、…、１２Ｍ−２４） 永久磁石
１３（１３−１、１３−２、１３−３、…、１３−２１）、（１３−１′、１３−２′、１３−３′、…、１３−２１′） Ｃ字型ステータ鉄心
１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１７ａ、１７ｂ コイル
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ 円板状回転磁石体
１６ａ、１６ｂ 円板状ステータ鉄心

Claims (6)

1. 回転軸と同心に且つ当該回転軸と並行して等間隔で且つ磁化方向が交番するように配置した複数の永久磁石部、及び当該複数の永久磁石部の間に非磁性体を挟んで配置した磁性体を介在させた構成の円板状回転体を含む回転子と、
   前記回転子の磁路の両端を閉じるように、当該回転軸の周方向に等間隔で当該回転子を囲うように配置した複数のＣ字型ステータ鉄心とを備え、
   前記複数のＣ字型ステータ鉄心の極数分の鉄心部における少なくとも１箇所には、コイルが巻回されて構成され、
   前記複数の永久磁石部それぞれは、各々の磁化方向が前記回転軸に対して傾斜した一対の永久磁石を接合して構成されていることを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記複数の永久磁石部それぞれは、各々の磁化方向が前記回転軸の延在方向と左右対称に斜交した一対の永久磁石を接合して構成されていることを特徴とする回転電機。
3. 請求項１または２に記載の回転電機において、
   前記回転子は、
   前記回転軸の延設方向に沿って配置される複数の前記円板状回転体と、
   前記回転軸の延設方向に隣接する前記円板状回転体の間において、前記円板状回転体との間に前記回転軸の延設方向の空隙を介して配置される円板状ステータ鉄心とを含み、
   前記複数のＣ字型ステータ鉄心は、
   前記回転軸の延設方向の一方側端部に配置された前記円板状回転体に、前記回転軸の延設方向の空隙を介して対面する第１部分と、
   前記回転軸の延設方向の他方側端部に配置された前記円板状回転体に、前記回転軸の延設方向の空隙を介して対面する第２部分と、
   前記第１部分及び前記第２部分を接続する接続部分とでＣ型に形成されていることを特徴とする回転電機。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の回転電機において、
   前記コイルにはパルス電流が供給されて前記回転子に働く脈動トルクを抑制することを特徴とする回転電機。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の回転電機において、
   前記円板状回転体を構成する前記複数の永久磁石部の円周方向幅は、当該複数の永久磁石部の間に介在される前記非磁性体を挟んで配置した磁性体の円周方向幅以上であることを特徴とする回転電機。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の回転電機において、
   前記複数のＣ字型ステータ鉄心の極数は同数であると共に、前記円板状回転体を構成する前記複数の永久磁石部の極数との比は整数とならないことを特徴とする回転電機。