JP2018078801A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で発電機及び駆動装置などの回転電機の効率を向上させる。【解決手段】回転電機１００は、磁気軸受けによって浮上して回転する回転子１８を備えている。そして、この磁気軸受けは、フライホイール１６の外周に形成された内周側磁石４と、これに対向して配設された外周側磁石１３の磁極が反発することにより実現される。このように、フライホイール１６は、回転子１８の回転を安定させるという本来の目的に加えて回転子１８を磁気浮上させて軸支するという磁気軸受けとしての機能を兼ね備えている。このため、回転電機１００は、回転子１８の回転にともなう摩擦を低減するとともに回転子１８の回転を安定させ、更に、回転電機１００を小型化することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、発電機及び駆動装置などの回転電機に関し、例えば、磁気軸受けを有するものに関する。

一般に、発電機は、筐体に固定した固定子の内側で回転子を回転させ、これにより生じる誘導起電力により発電する。
回転子の回転運動は、例えば、水力や火力、原子力、あるいはディーゼルエンジンなどの内燃機関などにより発生するトルクにより駆動される。
これら発電機に入力されるトルクを有効利用して発電効率を高めるには、如何に発電機で回転により発生する摩擦を低減するかが重要である。
このように回転子のような回転体の回転により生じる摩擦を低減する技術として、特許文献１の「磁気浮上装置」がある。
この技術は、磁力による吸引力により回転体を浮上させるものである。

しかし、この技術では、磁力の吸引力の調節により浮上対象物の位置を制御するため、高度な技術を必要とし、構造が複雑になるという問題があった。

特開平８−１５４３８８号公報

本発明は、簡単な構成で発生する摩擦を軽減し、発電機及び駆動装置などの回転電機の効率を向上させることを目的とする。

本発明は、前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、
（ａ）水平方向に伸長する回転軸と、
（ｂ）前記回転軸に取り付けられた回転子と、
（ｃ）前記回転子の外周に配された固定子とを、
有する回転電機において、
（ｄ）前記回転軸から半径外方向に伸長する円板部材と、
（ｅ）前記円板部材の前記回転軸と反対側の端部に接続され、前記回転軸と同軸に形成された内側円筒部材と、
（ｆ）前記内側円筒部材の外周に対向し、かつ前記内側円筒部材の外周から離隔して配された外側円筒部材とを有し、
（ｇ）前記内側円筒部材は、その半径方向の厚みが前記回転軸の外径の２／３より短く設定され、かつ前記回転軸の軸方向と平行に、前記円板部材の前記回転軸の軸方向と平行に伸長する長さの４倍より大きい長さに亘って伸長し、前記円板部材と前記内側円筒部材とはフライホイールを構成し、
（ｈ）前記内側円筒部材の内径は、前記回転子の外径より大きく設定され、
（ｉ）前記外側円筒部材は、前記回転軸の軸方向と平行に、かつ前記内側円筒部材の前記回転軸の軸方向長と同等かそれ以上の距離に亘って伸長し、
（ｊ）前記外側円筒部材の外径は、前記固定子の外径を超えないようあるいは、前記固定子の外径と略同一に設定され、
（ｋ）前記内側円筒部材の外径より前記外側円筒部材の内径が大きく設定され、前記内側円筒部材と前記外側円筒部材は、磁気軸受けを構成することを特徴とする回転電機を提供する。

本発明によれば、磁力の反発力により回転子を軸支するという簡単な構成により摩擦を低減し、これにより発電機及び駆動装置などの回転電機の効率を向上させることができる。

本発明の実施例に係る発電機及び駆動装置などの回転電機の構造を説明するための図である。 本発明の実施例に係る外周側磁石、及び内周側磁石を斜め方向からみた斜視図である。 本発明の実施例に係る磁石の構成をより詳細に説明するための図であり、（ａ）は、磁性材料で構成された単一の部材で外周側磁石と内周側磁石を構成した例であり、（ｂ）は、複数の磁石を貼り合わせて外周側磁石と内周側磁石を構成した例を示した図である。

図１及び図２は、本実施の形態に係る発電機及び駆動装置などの回転電機１００の構造を説明するための図である。
図１は、発電機及び駆動装置などの回転電機１００の回転軸方向の断面を示した図である。
発電機及び駆動装置などの回転電機１００は、円筒形状を有する筐体１２に発電を行うための構成要素を配設することにより構成されている。
筐体１２の中央付近には、電機子巻線が配線された固定子１９が筐体１２の中心軸と同軸に筐体１２の内周面に固定されている。
固定子１９は、回転子１８の外周面に対向して筐体１２に配設された固定子１９として機能している。なお、本実施の形態では固定子１９を電機子巻線とするが、永久磁石を用いるようにしてもよい。

さらに、筐体１２の両端面付近には、それぞれ、円筒状に形成された外周側磁石１３ａ、外周側磁石１３ｂが筐体１２の中心軸と同軸に筐体１２の内周面に固定されている。
以下、外周側磁石１３ａ、外周側磁石１３ｂを特に区別しない場合は、単に外周側磁石１３と記載する。
外周側磁石１３は、半径方向に磁化されており、例えば、内周面がＮ極、外周面がＳ極となっている。

筐体１２の両端面部分の中心部分には、転がり軸受け２０ａ、転がり軸受け２０ｂが固定されている。以下、転がり軸受け２０ａ、転がり軸受け２０ｂを特に区別しない場合は、単に転がり軸受け２０と記載する。
転がり軸受け２０と回転軸１７には、所定間隙の遊びが形成されており、後述するように回転軸１７が磁気により浮上している間は、転がり軸受け２０と回転軸１７は、接触しないようになっている。
転がり軸受け２０は、装置の起動時における軸受けとしての機能、及び外乱などにより回転軸１７が所定量以上ぶれた場合にこれを規制するために設けられている。

筐体１２の中心には、回転軸１７が筐体１２の中心軸と同軸に配設されている。
回転軸１７の軸方向中心部分には、固定子１９の内周面に面する領域にて界磁巻線が巻回された回転子１８が回転軸１７に固定されている。
回転軸１７は、回転軸に固定された回転子として機能している。
そして、回転軸１７の両端部分には、外周側磁石１３ａ、外周側磁石１３ｂの内周面に面する領域にて、それぞれフライホイール１６ａ、フライホイール１６ｂが固定されている。

フライホイール１６ａは、回転軸１７に回転軸１７と同軸に固定された円板部材１５ａと、円板部材１５ａの外周部に固定された内周側磁石１４ａにより構成されている。
フライホイール１６ｂの構成も同様であり、円板部材１５ｂと内周側磁石１４ｂにより構成されている。
以下、フライホイール１６ａ、フライホイール１６ｂ、円板部材１５ａ、円板部材１５ｂ、内周側磁石１４ａ、内周側磁石１４ｂを特に区別しない場合は、単にフライホイール１６、円板部材１５、内周側磁石１４と記載する。

フライホイール１６は、自身の有する慣性モーメントにより回転子１８の回転を安定させる働きを有しており、この目的を達成するためには、なるべく外周側の質量が大きい方が好ましい。
内周側磁石１４は、円筒状に形成された磁石であって、外周面が外周側磁石１３の内周面に所定の距離を隔てて対面するように外径が設定されている。

内周側磁石１４は、内周側磁石１４の外周面の磁極が外周側磁石１３の内周面の磁極と同じになるように半径方向に磁化されている。
例えば、外周側磁石１３の内周面がＮ極である場合、内周側磁石１４の外周面もＮ極になっている。また、外周側磁石１３の内周面がＳ極である場合、内周側磁石１４の外周面もＳ極になっている。

このように、外周側磁石１３の内周側の磁極と内周側磁石１４の外周側の磁極が同じであるため、両者の間には反発力が作用し、回転軸１７は、筐体１２の構成物とは非接触で浮揚（浮上）する。
なお、回転軸１７には、軸方向に移動する力が作用するが、図示しない規制手段により、回転軸１７の軸方向の移動は規制されている。
また、例えば、外周側磁石１３ａの内周面と内周側磁石１４ａの外周面がＮ極で、外周側磁石１３ｂの内周面と内周側磁石１４ｂの外周面がＳ極である、というように、フライホイール１６ａとフライホイール１６ｂで磁石の磁極が逆でもよいし、あるいは、同じでもよい。
さらに、外周側磁石１３と内周側磁石１４の磁力の大きさは特に規定しないが、大きいほどよく、また、両者の磁力の大きさが同程度であるのが望ましい。

このように、フライホイール１６は、本来の弾み車としての機能のほか、回転子１８を磁力の反発力により浮揚させて軸支する磁気軸受けとしての機能も有している。
このように、内周側磁石１４と外周側磁石１３により構成される磁気軸受けは、回転軸１７を磁力の反発力により中心部に向けて浮上させて回転子１８を筐体１２に軸支する軸支手段として機能している。

また、フライホイール１６は、回転軸１７において回転子１８の両端側に形成され、外周面に所定の磁極が形成されたフライホイール１６として機能しており、外周側磁石１３は、フライホイール１６の外周面に対向する内周面を有し、当該内周面に前記所定の磁極が形成された磁性部材として機能している。更に、内周側磁石１４と外周側磁石１３の磁極は何れも永久磁石により構成されている。

そして、回転子１８は、浮揚して回転するため、回転に際して生じる摩擦を低減するほか、作用する力が反発力であるため、複雑な制御を必要とせずに回転軸１７を磁力の釣り合いの位置に保持することができ、更にフライホイール機能と磁気軸受け機能を一体化したため装置の小型化を図ることができる。

以上のように構成された発電機及び駆動装置などの回転電機１００において、図示しない駆動手段により、回転子１８を回転すると、固定子１９の電機子巻線に起電力が生じ、図示しない端子より電流を取り出して利用することができる。
このように、発電機及び駆動装置などの回転電機１００は、軸支された回転子１８が固定子１９に対して行う回転により発生する電流を取り出す電流取出手段を備えている。

さらに、例えば、ロータリーポンプを用いた真空系などのように、筐体１２の内部を減圧する減圧手段を備え、筐体１２の内部を減圧状態、あるいは、真空状態にすると、回転子１８、回転軸１７、及びフライホイール１６に発生する空気抵抗を低減し、より摩擦を減らすことができる。

図２は、外周側磁石１３、及び内周側磁石１４を斜め方向からみた斜視図である。
図中の矢線は磁化の方向を示しており、外周側磁石１３の内周面と内周側磁石１４の外周面が同じ磁極となっている。
このため両者が反発し合い、内周側磁石１４は、反発力のバランスする位置に保持される。

即ち、これら磁石の半径方向について考えると、中心方向に向かった磁力の反発力による場合は、釣り合いの位置がポテンシャルエネルギーの山の部分に相当する不安定な釣り合いの位置であるのに対し、吸引力の場合はポテンシャルエネルギーの谷の部分になり、安定な釣り合いの位置となる。
そのため、軸方向の運動を規制すれば、回転軸１７が中心軸からぶれたとしても、釣り合いの位置に自ら復帰する。

図３は、外周側磁石１３と内周側磁石１４の構成をより詳細に説明するための図である。
図３（ａ）は、磁性材料で構成された単一の部材で外周側磁石１３と内周側磁石１４を構成した例である。
外周側磁石１３、内周側磁石１４は、磁性材料を焼成などにより形成した後、着磁を行って作成する。
着磁は、外周側磁石１３の場合は、内周側の面に着磁装置を当てて内側から外側に着磁を全周に渡って行い、内周側磁石１４の場合は、外周側の面に着磁装置を当てて外側から内側に着磁を全周に渡って行う。
これは、外周側磁石１３と内周側磁石１４が対面する面から着磁することにより、より良好な磁極が当該対面する面に形成されるためである。

図３（ｂ）は、複数の磁石を貼り合わせて外周側磁石１３と内周側磁石１４を構成した例である。
内周側磁石１４は、扇型の内周側分割磁石４１を円周方向に繋ぎ合わせて構成されている。
内周側分割磁石４１は、予め半径方向に磁化されており、これを接着剤で繋ぎ合わせたり、あるいは、図示しない治具で固定する。
外周側磁石１３も同様に扇型の外周側分割磁石３１を円周方向に繋ぎ合わせて構成されている。
外周側分割磁石３１は、予め半径方向に磁化されており、内周側分割磁石４１と同様に作成する。
外周側分割磁石３１及び内周側分割磁石４１は、図３（ｂ）では、互いに接触して配置された例を示しているが、実際には、任意の間隔を持って配置される場合もある。

以上のように、発電機及び駆動装置などの回転電機１００は、磁気軸受けによって浮上して回転する回転子１８を備えている。
そして、この磁気軸受けは、フライホイール１６の外周に形成された内周側磁石１４と、これに対向して筐体１２に配設された外周側磁石１３の磁極が反発することにより実現される。
このように、フライホイール１６は、回転子１８の回転を安定させるという本来の目的に加えて回転子１８を磁気浮上させて軸支するという磁気軸受けとしての機能を兼ね備えている。
このため、発電機及び駆動装置などの回転電機１００は、回転子１８の回転にともなう摩擦を低減するとともに回転子１８の回転を安定させ、更に、発電機及び駆動装置などの回転電機１００を小型化することができる。
これらは、磁気回転浮上装置を施したフライホイール１６により、新たに生み出された効果である。

以上に説明した本実施の形態により、次のような効果を得ることができる。
（１）フライホイール１６の磁力により回転子１８を浮上させ、非接触にて回転させることができるため、摩擦を低減することができ、発電効率を高めることができる。すなわち、回転開始当初は、例えばベアリング等と若干の接触があるが、回転が軌道にのると、磁気浮上しているため、生じる摩擦を限りなくゼロに近づけることができる。
（２）フライホイール１６の磁力の反発により回転子１８を浮上させるため、複雑な制御装置を特に設ける必要ない。
（３）フライホイール１６を磁力により浮上させて磁気軸受けとしての機能も持たせることにより、フライホイール１６による回転子１８の回転の安定と、磁気軸受けによる非接触による回転をフライホイール１６と外周側磁石１３からなる一つの構成にて同時に実現することができ、装置の小型化と低コスト化を図ることができる。
（４）筐体１２の内部を減圧（例えば真空か）することにより、より摩擦抵抗を低減することができる。

以上、外周側磁石１３と内周側磁石１４が、単一、又は組み合わせにより構成される場合について説明したが、このほかに、円筒形状を有する強磁性を有しない部材で外周側磁石１３と内周側磁石１４の形状を作り、外周側磁石１３の内周側と内周側磁石１４の外周側に磁石を埋め込むなどして構成することもできる。

なお、外周側磁石１３と内周側磁石１４は、強力なほどよく、例えば、ネオジム磁石を用いることができる。
更には、外周側磁石１３を超伝導マグネットによって構成することもできる。この場合は、超伝導部材でコイルを複数形成し、各々の磁極が内周面を向くように円周に沿って配設する。そして、場合によっては、液体窒素などで当該コイルをＴｃ（超伝導転移温度）以下に冷却する。
また、発電及び駆動装置１００では、フライホイール１６に内周側磁石１４を設けたが、回転軸１７に内周側磁石１４を設け、フライホイール１６と磁気軸受けを別体としてもよい。
さらに、フライホイール１６は、フライホイール１６に内周側磁石１４を設けてもよいが、回転軸１７に内周側磁石１４を設けることで、フライホイール１６と磁気軸受けを別体として構成してもよい。

以上、本実施の形態について説明したが、本発明に至る本願発明者の着想の過程は、発明者によって「無重力発電及び駆動モータシステム考」と呼ばれており、以下の通りである。
元来、特に発電モータは、回転に多くのトルクを必要とするものが一般的である。そのトルクが大きいが為に、発電モータの回転駆動には、大きなトルク出力の得られる物が求められていた。
しかしながら、この発明ポイントは、「無重力フライホイール」を使うことにより「発電モータ」を「無重力化」することで、限りなく回転が落ちない方向で設計されていくことを意味する、今までとは異なる新たな発想を持った「発電モータ」になるということになる。
「発電モータ」の動力源は、回転が落ちた分だけ、その都度、回転を元に戻す為に回転を加えるという方式に変化した「加回転動力源」でよくなり、そのことは、画期的なエネルギー効率の発電モータのシステム化ができあがることを意味している。

「今までの発電モータ」が必要とした、多くのトルクを必要とするという大きな問題が、画期的に改善され、発電動力源としてのエネルギーが比べられないほどの小さな補助動力源のエネルギーで済むことが「無重力フライホイール」を使用した「無重力発電モータ」の最大の利点である。
それは、回転が落ちてきた時「減速時」に、落ちた分だけ更に回転を加え、元の必要とする回転に戻すという、今までになかった動力源の考え方に変わり、この「減速時」に、動力源は、更なる回転エネルギーを加えるためのエネルギー源としての「加回転動力源」としての考え方になる。
そのため、一度高速回転を始めたモータの減速を補う発電モータのエネルギーは、「加回転動力源」の位置づけとして考えればよくなり、当然、この発電モータの必要条件は、大きなトルクを必要としない「省エネルギーな軽回転」なもので済み、エネルギー効率的にも画期的な「軽回転」「加回転動力源」に変わってくる。

「加回転動力源」の加えるエネルギー特性としては、トルクを必要とするよりも、高回転を保つことを目的とした加回転補助動力源でよいということになる。
そしてこの「高トルクを必要としない」ことは、今までの「火力（原子力）発電」、「水力発電」などの発電システムに比べ、動力源が画期的に小さなもので済み、大出力発電所で発電をして、それを送電線で送電し、一般家庭用まで届けるという発想も根底から変えるものになる。

上記した「無重力発電モータシステム」の内容と同様に、駆動モータにおいても「無重力フライホイール」を用いた「無重力駆動モータシステム」が考えられる。
駆動モータに於いても同様に、必要回転数が落ちた分だけの回転を加える考え方で、また、その時、加える回転力は無重力状態に回転を加えるので大変小さいエネルギーを加えるだけで済むという利点は、駆動モータに於いても同様に得ることができる。そのため、回転させる為のエネルギーのとても少ない高効率モータになり、「無重力駆動モータシステム」を提供することができる。
更に同様に、この「無重力フライホイール」を利用した応用は多岐に渡り、その一例として、大型無停電電源装置（USP・Uninterruuptible Power Supply)などには、高効率化に絶好の手段となる。

回転軸の固定のために取り付けられているボールベアリングは、今までの「発電モータ」の重さを支えながら、回転を滑らかにするという考えよりも、「無重力フライホイール」による特性により、高速回転での回転時点では、ボールベアリングにおいてもベアリングの中心で、回転軸の中心に向かって回転しているので、ボールベアリングにおける抵抗負荷が、限りなく解放され、あたかも「無重力ベアリング」と呼べる状態になる。その状態を有効に生かすために、摩擦抵抗の極力少ないボールベアリングが必要とされる。
「超強力磁石」ネオジムに代表される新たに開発された磁性体と今後開発される超強力磁性体と、超伝導体化した磁性体を含むものを意味する。

１２ 筐体
１３ 外周側磁石
１４ 内周側磁石
１５ 円板部材
１６ フライホイール
１７ 回転軸
１８ 回転子
１９ 固定子
２０ 転がり軸受け
３１ 外周側分割磁石
４１ 内周側分割磁石
１００ 発電機及び駆動装置などの回転電機

Claims (6)

1. （ａ）水平方向に伸長する回転軸と、
   （ｂ）前記回転軸に取り付けられた回転子と、
   （ｃ）前記回転子の外周に配された固定子とを、
   有する回転電機において、
   （ｄ）前記回転軸から半径外方向に伸長する円板部材と、
   （ｅ）前記円板部材の前記回転軸と反対側の端部に接続され、前記回転軸と同軸に形成された内側円筒部材と、
   （ｆ）前記内側円筒部材の外周に対向し、かつ前記内側円筒部材の外周から離隔して配された外側円筒部材とを有し、
   （ｇ）前記内側円筒部材は、その半径方向の厚みが前記回転軸の外径の２／３より短く設定され、かつ前記回転軸の軸方向と平行に、前記円板部材の前記回転軸の軸方向と平行に伸長する長さの４倍より大きい長さに亘って伸長し、前記円板部材と前記内側円筒部材とはフライホイールを構成し、
   （ｈ）前記内側円筒部材の内径は、前記回転子の外径より大きく設定され、
   （ｉ）前記外側円筒部材は、前記回転軸の軸方向と平行に、かつ前記内側円筒部材の前記回転軸の軸方向長と同等かそれ以上の距離に亘って伸長し、
   （ｊ）前記外側円筒部材の外径は、前記固定子の外径を超えないようあるいは、前記固定子の外径と略同一に設定され、
   （ｋ）前記内側円筒部材の外径より前記外側円筒部材の内径が大きく設定され、前記内側円筒部材と前記外側円筒部材は、磁気軸受けを構成することを特徴とする回転電機。
2. 前記内側円筒部材と前記外側円筒部材は、それぞれネオジム磁石を有するか、あるいはネオジム磁石により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記内側円筒部材は、磁化された磁性材料により構成するか、あるいは永久磁石を一部に含む構成であり、また、前記外側円筒部材は、磁化された磁性材料により構成するか、あるいは永久磁石又は超伝導磁石を一部に含む構成であり、さらに前記外側円筒部材の内周側の極性と前記内側円筒部材の外周側の極性が同一であるよう構成されたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
4. 前記外側円筒部材が静止部材に固定されていて、前記回転軸が静止時において、前記内側円筒部材と前記外側円筒部材との間に生じる磁気反発力により受ける鉛直上方向の浮力より、前記内側円筒部材の重量と前記回転軸の自重を少なくとも含む前記回転軸が受ける合計荷重が大きいときに、前記回転軸に接触し、かつ前記回転軸が安定的に回転しているときは、前記回転軸が接触しないように前記回転軸の外周との間に遊びがある軸受けが前記静止部材に設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の回転電機。
5. 前記回転電機が発電機であるか、あるいは前記回転電機が駆動モータであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の回転電機。
6. 前記円板部材と前記内側円筒部材と前記外側円筒部材が、前記回転子を間に挟むように、前記回転軸の両端近傍にそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の回転電機。