JP5695711B2 - 回転型モータ - Google Patents

Description

本発明は、高速移動磁場を利用した回転型モータに関するものである。

特許第３４５２７０９号公報（特許文献１）には、連続鋳造で使用する移動磁界を発生するための移動磁界（磁場）発生装置が開示されている。

特許第３４５２７０９号公報

従来の移動磁場発生装置では、移動磁界の移動速度を高速にすることができなかった。
本発明の他の目的は、高速の移動磁場を利用した回転型モータを提供することにある。

本発明の移動磁場発生装置は、Ｎ極とＳ極とが列をなして交互に並ぶように第１のピッチで配置された複数個の磁石からなる磁石列と、前記磁石列との間に間隔を開け、前記磁石列を間に挟み、前記磁石列に沿って延び且つ相互間に所定の位相差をもって配置された第１及び第２の磁極片列とを備えている。第１の磁極片列は、磁石列の少なくとも隣り合う二つの磁石と対向する長さを有する複数の第１の磁極片が第２のピッチで列をなすように配置されて構成されている。第２の磁極片列は、磁石列の少なくとも隣り合う二つの磁石と対向する長さを有する複数の第２の磁極片が第２のピッチで列をなすように配置されて構成されている。そして第１及び第２の磁極片列並びに磁石列の一方が他方に対して所定の相対移動速度で移動したときに、磁石列中の連続するｎ個（ｎはＮ以下の自然数）の磁石から出た磁束が、ｎ個の磁石と対向する第１の磁極片列中の第１の磁極片と、ｎ個の磁石と対向する第２の磁極片列中の第２の磁極片を順に通る合成磁束を形成することにより、所定の相対移動速度よりも速い速度で移動する高速移動磁場を形成するように、第１及び第２のピッチ並びに位相差が定められている。相対移動速度とは、第１及び第２の磁極片列並びに磁石列の一方が移動する場合、他方が移動する場合、また両者が移動する場合における、第１及び第２の磁極片列並びに磁石列の一方が他方に対して移動する速度を意味する。

本発明の移動磁場発生装置によれば、合成磁束が相対移動速度よりも速い速度で移動することにより高速移動磁場を簡単に形成することができる。

具体的には、１ユニットの基準移動長さをＬと定めたときに、基準移動長さ当りの磁石列の複数の磁石の数を２Ｎとする。ここで基準移動長さとは、回転型の移動磁場発生装置であれば回転する回転部材が機械角で３６０度回転したときの回転部材の移動長さであり、リニア型の移動磁場発生装置であれば回転型の移動磁場発生装置の回転部材が機械角で３６０度回転したときの回転部材の移動長さに相当するリニア移動部材の移動長さである。そして磁石列の第１のピッチτｐが、τｐ＝Ｌ／（２・Ｎ）となり、基準移動長さ当りの第１及び第２の磁極片列中のそれぞれの磁極片の数Ｍが、
Ｍ＝Ｎ＋ａ，ａは０を除く整数（ａ＝・・・−３，−２，−１，１，２，３，・・・）
となり、磁極片の第２のピッチτｓが、τｓ＝Ｌ／Ｍとなる場合に、
合成磁極ピッチτｔは τｔ＝Ｌ／｜（２・ａ）｜となり、
磁極片移動速度をｖｓ、磁石列移動速度をｖｍとすると、
合成磁極移動速度ｖｔはｖｔ＝（Ｍ／ａ）・ｖｓ−（Ｎ／ａ）・ｖｍとなる。

なお合成磁極ピッチτｔとは、磁極片列が速度ｖｓで移動すると、合成磁極の移動速度ｖｔはｖｓの（Ｍ／ａ）倍となり、磁石列が速度−ｖｍで移動すると、合成磁極の移動速度ｖｔはｖｍの（Ｎ／ａ）倍となる。磁極片列と磁石列のうち、どちらか一方が移動しても高速で移動する磁場が得られ、それぞれ移動した場合にはさらに高速で移動する磁場を得ることができる。

なお磁石列、第１及び第２の磁極片列が、それぞれリニアな形状を有していてもよく、また磁石列、第１及び第２の磁極片列が、それぞれ同心の環状形状を有してもよい。

本発明の移動磁場発生装置の第１及び第２の磁極片列の少なくとも一方と対向するように、Ｎ極とＳ極とが列をなして交互に並ぶように所定のピッチで配置された複数個の磁石からなる可動磁石列を有する移動手段を設けると、リニア型または回転型の磁気伝達増減速機が得られる。

また第１及び第２の磁極片列の少なくとも一方と対向するように、複数の磁極を構成する複数のコイルが所定のピッチで配置された磁極列を設けるとリニアモータ、回転型モータ及び回転型またはリニア型の発電機となる電気機器を構成することができる。従来の回転型モータは銅損を減らすために巻線の線径を増やすと、スロット面積が大きく必要になり磁気抵抗が増し、最大推力が飽和してしまう課題があった。これに対して本発明の移動磁場発生装置を利用した回転型モータの場合には、巻線の巻数や線径を増やしても、磁気抵抗はほとんど変らずに巻線の占績を増加させることができ、サイズあたりの定格推力密度および最大推力を大きくでき、省エネに寄与できる高効率の回転型モータを提供することができる。また従来の発電機では、高効率領域即ち高速域での動作をさせるために、増速ギヤを用いて、発電機を高速で回転させるようにしていた。しかし、ギヤの寿命や破損がコスト面やメンテナンスの課題となっていた。また、ギヤが複雑で発電機を小型化できない問題もあった。これに対して本発明の移動磁場発生装置を用いた発電機は、ロータの回転速度に比べ、磁気的回転数が高いために、低速でも高電圧の誘起電圧を生じ、ロータの回転速度が低くても、高効率の発電が可能となり、ギヤを不要とすることができ、メンテナンスや小型化、高効率化に貢献できる。また本発明の移動磁場発生装置を利用して直線状に展開したリニア型発電機も構成できる。

また回転型の移動磁場発生装置の第１及び第２の磁極片列の少なくとも一方と対向するように、１以上のホール素子を配置すれば、ホール素子の出力により回転角度を検出することができる磁気エンコーダが得られる。

さらに回転型の移動磁場発生装置の磁石列を有する第１の回転構造体と第１及び第２の磁極片列を有する第２の回転構造体とを、それぞれ独立して回転できるように構成し、第１及び第２の回転構造体の内側に回転磁場を発生する複数の励磁巻線を備えたモータ固定子を配置すれば、第１の回転構造体と第２の回転構造体とが反対方向に回転する二重反転モータが得られる。

そして二重反転モータの第１の回転構造体に第１のインペラを取り付け、第２の回転構造体に第２のインペラを取り付ければ、第１のインペラと第２のインペラとが反対方向に回転する二重反転ファンが得られる。

また回転型の移動磁場発生装置の磁石列を有する第１の回転構造体と第１及び第２の磁極片列を有する第２の回転構造体とを、それぞれ独立して回転できるように構成し、第１及び第２の回転構造体の内側に複数の発電用巻線を設け、第１の回転構造体に第１のインペラを取り付け、第２の回転構造体に第１のインペラとは逆方向に回る第２のインペラを取り付けると二重反転風力発電機が得られる。

さらに回転型の移動磁場発生装置の磁石列を有する第１の構造体と第１及び第２の磁極片列を有する第２の構造体の一方を発電電動機の回転軸に固定し、第１の構造体と第２の構造体の中心部にＮ極とＳ極とが列をなして交互に並ぶように所定のピッチで配置された複数個の磁石からなる磁石列を備えたロータを配置し、ロータにフライホイールを固定すれば、フライホイールの回転でエネルギーを蓄積し、発電電動機からフライホイールに蓄積されたエネルギーを電力として出力することができるフライホイール電力貯蔵装置を得ることができる。

（Ａ）乃至（Ｃ）は、本発明を回転型の移動磁場発生装置に適用した場合の構成と発生する合成磁束の流れ示しており、（Ｄ）乃至（Ｆ）は、（Ａ）乃至（Ｃ）の合成磁束により形成される合成磁極を模式的に示した図である。 支持構造を概略的に示す図である。 リニア型の磁気伝達増減速機の概略構造を示す図である。 （Ａ）乃至（Ｃ）は、図３の実施の形態の動作を説明するために用いる図である。 リニア型の磁気伝達増減速機の概略構造を示す図である。 （Ａ）乃至（Ｃ）は、図５の実施の形態の動作を説明するために用いる図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、回転型の磁気伝達増減速機の概略構造を示す図である。 リニアモータの構造を示す図である （Ａ）及び（Ｂ）は、回転型モータの構造を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、回転型モータの構造を示す断面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、単相発電機の概略構造をそれぞれ示す図である。 高精度磁気エンコーダの構成を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、２つのホール素子の出力波形を示す図である。 ４つのホール素子の配置パターンの一例を示す図である。 二重反転モータの構造の概略を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、図１５の二重反転モータの励磁コイルを２相にした二重反転モータを利用した二重反転ファンの構成を示す断面図と半部断面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、二重反転風力発電機の一部断面にした正面図及び側面図である。 回転型の移動磁場発生装置を増速磁気カップリングとしてフライホイール電力貯蔵装置に適用した実施の形態の概略断面図である。

本発明の移動磁場発生装置の実施の形態と移動磁場発生装置を利用した各種の機器の実施の形態を図面を参照して説明する。図１（Ａ）乃至（Ｃ）は、本発明を回転型の移動磁場発生装置に適用した場合の構成と発生する合成磁束の流れ示しており、図１（Ｄ）乃至（Ｆ）は図１（Ａ）乃至（Ｃ）の合成磁束により形成される合成磁極を模式的に示した図である。本実施の形態の回転型の移動磁場発生装置１は、Ｎ極とＳ極とが列をなして交互に並ぶように第１のピッチτｐで配置された２Ｎ個（具体的には２４個）の磁石３からなる環状の磁石列５と、環状の磁石列５との間に間隔を開け、磁石列５を間に挟み、磁石列に沿って延び且つ相互間に所定の位相差（電気角で１８０度：機械角でτｓ／２）をもって配置された環状の第１及び第２の磁極片列７及び９とを備えている。磁石列５の各磁石は、図中に矢印で示した方向（径方向）に交互に異なる磁極が現れるように着磁されている。なおこのような磁石列５は、円環状の磁性体を部分的に着磁機により着磁することにより簡単に得ることができる。

図２に示すように、磁石列５は円板状の剛性を有する第１の支持体４に支持されて回転構造体（第１の構造体）６を構成している。第１の支持体４は、モータＭの軸に固定されている。環状の第１の磁極片列７は、磁石列５の少なくとも隣り合う二つの磁石３と対向する長さを有する複数の第１の磁極片８が第２のピッチτｓで列をなすように配置されて構成されている。第２の磁極片列９は、磁石列５の少なくとも隣り合う二つの磁石３と対向する長さを有する複数の第２の磁極片１０が第２のピッチτｓで列をなすように配置されて構成されている。第１及び第２の磁極片８及び１０は、それぞれ鉄片により形成されている。第１及び第２の磁極片列７及び９は、径方向に対向する一対の環状壁部１１及び１２を備えた第２の支持体１３に支持されている。第１及び第２の磁極片列７及び９と第２の支持体１３とにより第２の構造体１４が構成されている。

本実施の形態では、第１及び第２の磁極片列７及び９並びに磁石列５の一方が他方に対して所定の相対移動速度で移動したときに、磁石列５中の連続するｎ個（ｎはＮ以下の自然数）の磁石３から出た磁束が、ｎ個の磁石３と対向する第１の磁極片列７中の第１の磁極片８と、ｎ個の磁石３と対向する第２の磁極片列９中の第２の磁極片１０を順に通る合成磁束φが形成される。図１（Ａ）乃至（Ｃ）に示すように合成磁束φは、磁石３→第１の磁極片８→磁石３→第２の磁極片１０→磁石３→第２の磁極片８・・の順に順番に蛇行して流れ、漏れ磁束φ′となってループ状の磁路を構成する。図１の実施の形態では、２つのループ状の磁路が形成されている。この２つのループ状の磁路に磁束が流れることよって、図１（Ｄ）乃至（Ｆ）に示すように、２つの回転する合成磁極Ｍ１及びＭ２が形成される。ここで合成磁極とは、ループ状の磁路に磁束が流れて形成されるものである。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の状態からτｐ／２反時計回り方向に回転した状態を示し、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）の状態からτｐ反時計回り方向に磁石列５が回転した状態を示している。図１（Ａ）乃至（Ｃ）に対応する図１（Ｄ）乃至（Ｆ）を見ると判るように、磁石列５がτｐ／２回転するだけで、合成磁極Ｍ１及びＭ２は機械角度で９０度回転し、磁石列５がτｐ回転するだけで、合成磁極Ｍ１及びＭ２は機械角度で１８０度回転する。すなわち磁石列５の回転速度（所定の相対移動速度）よりも速い速度で移動する高速移動磁場を形成することができる。高速移動磁場の移動速度ｖｔは、相対移動速度ｖｓと、前述の第１及び第２のピッチτｐ及びτｓ並びに第１及び第２の磁極片列の位相差によって定まる。本実施の形態では、磁石列５の回転速度が相対移動速度となるが、第１及び第２の磁極片列７及び９を回転させる場合には、その回転速度が相対移動速度となり、磁石列５と第１及び第２の磁極片列７及び９とをそれぞれ反対方向に回転させる場合には、磁石列５の回転速度と第１及び第２の磁極片列７及び９の回転速度の合計速度が相対移動速度となる。

１ユニットの基準移動長さ（磁石列５が１回転する長さ）をＬとしたときに、基準移動長さＬ当りの磁石列５の複数の磁石の数を２Ｎとすると、磁石列５の第１のピッチτｐは、τｐ＝Ｌ／（２・Ｎ）となり、基準移動長さ当りの第１及び第２の磁極片列の磁極片の数Ｍは、
Ｍ＝Ｎ＋ａ，ａは０を除く整数（ａ＝・・・−３，−２，−１，１，２，３，・・・）
となり、磁極片の第２のピッチτｓが、τｓ＝Ｌ／Ｍとなる場合に、
合成磁極の長さに相当する合成磁極ピッチτｔはτｔ＝Ｌ／｜（２・ａ）｜となり、
磁極片移動速度をｖｓ、磁石列移動速度をｖｍとすると、
合成磁極移動速度ｖｔはｖｔ＝（Ｍ／ａ）・ｖｓ−（Ｎ／ａ）・ｖｍとなる。

磁極片列が速度ｖｓで移動すると、合成磁極の移動速度ｖｔはｖｓの（Ｍ／ａ）倍となり、磁石列が速度−ｖｍで移動すると、合成磁極の移動速度ｖｔはｖｍの（Ｎ／ａ）倍となる。磁極片列と磁石列のうち、どちらか一方が移動しても高速で移動する磁場が得られ、両者のそれぞれが移動した場合にはさらに高速で移動する磁場を得ることができる。

なお磁石列５、第１及び第２の磁極片列７及び９は、それぞれリニアな形状を有していてもよい。

図３は、移動磁場発生装置１０１の第１及び第２の磁極片列１０７及び１０９と対向するように、Ｎ極とＳ極とが列をなして交互に並ぶように所定のピッチで配置された複数個の磁石１１５からなる可動磁石列１１６を有する筒状の移動手段１１７を設けたリニア型の磁気伝達増減速機１１８の概略構造を示す図である。このリニア型の磁気伝達増減速機１１８では、移動磁場発生装置１０１の磁石列１０５を支持した図示しない第１の支持体を固定して第１の構造体とし、第１及び第２の磁極片列１０７及び１０９を支持した図示しない第２の支持体を所定の相対速度で移動する第２の構造体とする。他の基本要素は以下の通りである。

基準移動長さ Ｌ
基準移動長さ当りの磁石列１０５の磁石１０３の個数 ２・Ｎ， Ｎは自然数
磁石列１０５の磁石のピッチτｐ τｐ＝Ｌ／（２・Ｎ）
基準移動長さ当りの磁極片列中の磁極片の数Ｍ
Ｍ＝Ｎ＋ａ，ａは０を除く整数（ａ＝・・・−３，−２，−１，１，２，３，・・・）
磁極片のピッチτｓ τｓ＝Ｌ／Ｍ
合成磁極の磁極ピッチτｔ τｔ＝Ｌ／｜（２・ａ）｜
磁極片移動速度 ｖｓ
磁石列移動速度 ｖｍ
合成磁極移動速度ｖｔ ｖｔ＝（Ｍ／ａ）・ｖｓ−（Ｎ／ａ）・ｖｍ
そして本実施の形態では、各要素を以下のように定めている。

Ｌ ＝３６０
２Ｎ＝２４
τｐ＝１５
Ｍ＝１３，ａ＝１
τｓ＝２７．６９
τｔ＝１８０
Ｍ／ａ＝１３
Ｎ／ａ＝１２
なお、ｖｔ、ｖｓ、ｖｍの値がマイナスになる場合には、移動方向が逆になることを意味する。またＬ及びτｔは、相対的な長さを示すもので、電気角に限定されるものではない。

図４（Ａ）乃至（Ｃ）に示すように、第１及び第２の磁極片列１０７及び１０９をΔｘ移動させると、移動手段１１７は１３Δｘ移動することになる。即ち増速比Ｍ／ａ倍の速度で合成磁界が移動して移動磁場が形成され、その結果移動手段１１７は相対速度のＭ／ａ倍の速度で移動する。

図５は、図３と同様に、移動磁場発生装置１０１の第１及び第２の磁極片列１０７及び１０９と対向するように、Ｎ極とＳ極とが列をなして交互に並ぶように所定のピッチで配置された複数個の磁石１１５からなる可動磁石列１１６を有する筒状の移動手段１１７を設けたリニア型の磁気伝達増減速機１１８′の概略構造を示す図である。このリニア型の磁気伝達増減速機１１８では、移動磁場発生装置１０１の磁石列１０５を支持した図示しない第１の支持体を相対移動する第１の構造体とし、第１及び第２の磁極片列１０７及び１０９を支持した図示しない第２の支持体を固定した第２の構造体とする。他の基本要素は以下の通りである。

基準移動長さ Ｌ
基準移動長さ当りの磁石列１０５の磁石１０３の個数 ２・Ｎ， Ｎは自然数
磁石列１０５の磁石のピッチτｐ τｐ＝Ｌ／（２・Ｎ）
基準移動長さ当りの磁極片列中の磁極片の数 Ｍ
Ｍ＝Ｎ＋ａ，ａは０を除く整数（ａ＝・・・−３，−２，−１，１，２，３，・・・）
磁極片のピッチτｓ τｓ＝Ｌ／Ｍ
合成磁極の磁極ピッチτｔ τｔ＝Ｌ／｜（２・ａ）｜
磁極片移動速度 ｖｓ
磁石列移動速度 ｖｍ
合成磁極移動速度 ｖｔ ｖｔ＝（Ｍ／ａ）・ｖｓ−（Ｎ／ａ）・ｖｍ
そして本実施の形態では、各要素を以下のように定めている。

Ｌ ＝３６０
２Ｎ＝２４
τｐ＝１５
Ｍ＝１３，ａ＝１
τｍ＝２７．６９
τｔ＝１８０
Ｍ／ａ＝１３
Ｎ／ａ＝１２
なお、ｖｔ、ｖｓ、ｖｍの値がマイナスになる場合には、移動方向が逆になることを意味する。

図６（Ａ）乃至（Ｃ）に示すように、磁石列１０５をΔｘ移動させると、移動手段１１７は１２Δｘ移動することになる。即ち増速比Ｎ／ａ倍の速度で合成磁界が移動して移動磁場が形成され、その結果移動手段１１７は相対速度のＮ／ａ倍の速度で移動する。

図７（Ａ）は、移動磁場発生装置２０１の第２の磁極片列２０９と対向するように、Ｎ極とＳ極とが列をなして交互に並ぶように１８０度のピッチで配置された２個の磁石２１５からなる可動磁石列を有する円柱状の移動手段２１７を設けた回転型の磁気伝達増減速機２１８の概略構造を示す図である。円柱状の移動手段２１７は、磁束が流れる材料から形成されて、図示しない軸受け手段により回転可能に支持された軸２１９に固定されている。この回転型の磁気伝達増減速機２１８では、移動磁場発生装置２０１の磁石列２０５を支持した図示しない第１の支持体を第１の構造体とし、第１及び第２の磁極片列１０７及び１０９を支持した図示しない第２の支持体を第２の構造体として、第１の支持体及び第２の支持体の少なくとも一方を相対移動速度で回転させる低速ロータとする。この低速ロータに対して、移動手段２１７が高速ロータとなる。なお本実施の形態の動作は、図３及び図５に示したリニア型の磁気伝達増減速機の動作を回転動作に変えたものである点を除いて動作が同じであるため省略する。この実施の形態では、低速ロータ（２０５又は２０７及び２０９）が回ると内側に高速回転磁場が発生し、高速ロータ（２１７）が速く回転する。この構造では、磁石列２０５を有効利用する割合が大きく、大きな磁気結合トルクを生み出すことができる。

図７（Ｂ）は、高速ロータ（２１７′）の磁石２１５′を埋め込み構造（ＩＰＭ構造）にした例である。その他の点は図７（Ａ）の構造と同様である。この構造にすると、図７（Ａ）の構造よりも、より大きな遠心力に耐えることができる。そのため、限界回転数をより大きくできる利点が得られる。

図８は、移動磁場発生装置３０１を固定子の一部と可動子として利用するために、第１及び第２の磁極片列３０７及び３０９と対向するように、複数の磁極を構成する複数のコイル３１５を所定のピッチτｃで配置した磁極列３１６を固定子のヨーク３１７に設けたリニアモータ３１８の構造を示す図である。この実施の形態では、三相Ｕ，Ｗ及びＶ並びに−Ｕ，−Ｗ及び−Ｖの交流電流がそれぞれ各コイル３１５に流れる。移動磁場発生装置３０１を間に挟む一対のコイルには、それぞれＵ相の交流電流と−Ｕ相の交流電流、Ｗ相の交流電流と−Ｗ相の交流電流及びＶ相の交流電流と−Ｖ相の交流電流がそれぞれ順次流れて移動磁界が形成されている。このリニアモータで、磁石列３０５と図示しない第１の支持体とからなる第１の構造体とコイル３１５を備えたヨーク３１７を固定子とした場合には、第１及び第２の磁極片列３０７及び３０９とこれらを支持する第２の支持体とからなる第２の構造体が可動子となる。この場合には、各構成要素の関係は下記のようになる。

基準移動長さ Ｌ
基準移動長さ当りの磁石列３０５の磁石３０３の個数 ２・Ｎ（Ｎは自然数）
磁石列３０５の磁石のピッチτｐ τｐ＝Ｌ／（２・Ｎ）
基準移動長さ当りの磁極片列３０７及び３０９中の磁極片の数 Ｍ
Ｍ＝Ｎ＋ａ，ａは０を除く整数（ａ＝・・・−３，−２，−１，１，２，３，・・・）
磁極片列の磁極片のピッチτｓ τｓ＝Ｌ／Ｍ
合成磁極の磁極ピッチτｔ τｔ＝Ｌ／｜（２・ａ）｜
磁極片列移動速度 ｖｓ
コイルの励磁周波数 ｆ
磁石列移動速度 ｖｍ
コイル磁界移動速度 ｖｃ ｖｃ＝ｆ・２・τｔ
＝（Ｍ／ａ）・ｖｓ−（Ｎ／ａ）・ｖｍ
図８の具体例では、上記構成要素は下記のようになる。

Ｌ＝３６０
２Ｎ＝２４
τｐ＝１５
Ｍ＝１３，ａ＝１
τｓ＝２７．６９
τｔ＝１８０
Ｍ／ａ＝１３
Ｎ／ａ＝１２
この実施の形態では、コイル３１５に移動速度ｖｃの移動磁界を発生させると、磁石列３０５が固定側（磁石列移動速度ｖｍ＝０）の場合、第１及び第２の磁極片列３０７及び３０９の移動速度ｖｓはｖｃ／１３となる。つまり減速比が１／１３となり、高推力のリニアモータを提供することができる。

図８の構造において、磁石列３０５を移動側とし、コイル３１５及び第１及び第２の磁極片列３０７及び３０９を固定側（磁石列移動速度ｖｓ＝０）とした場合、コイル３１５に移動速度ｖｃの移動磁界を発生させると、磁石列３０５の移動速度ｖｍは−ｖｃ／１２となる。つまり減速比が−１／１２となり、高推力のリニアモータを提供することができる（ここで、値がマイナスになるのは、駆動方向が逆になることを示している）。

なお上記実施の形態の３相モータの場合には、τｃ＝τｔ／３であるが、τｃ＝τｔ・２／３でも構成できる。また２相モータの場合は、τｃ＝τｔ／２となる。

図９（Ａ）は、本発明の移動磁場発生装置４０１を固定子の一部と可動子として利用するために、環状の第２の磁極片列４０９と対向するように、６個の磁極を構成する６個のコイル４１５を所定のピッチτｃで配置した磁極列４１６を固定子のヨーク４１７に設けた回転型モータ４１８の構造を示す図である。この実施の形態のモータでは、三相Ｕ，Ｗ及びＶ並びに−Ｕ，−Ｗ及び−Ｖの交流電流がそれぞれ各コイル４１５に流れる。

この実施の形態では、コイルを交流励磁すると回転磁界が発生する。コイルによる回転磁界の回転速度をωｃとし、磁石列４０５の回転速度をωｍ，磁極片列４０７及び４０９の回転速度をωｓとすると、それぞれの関係は、次式で表すことができる。

ωｃ＝（Ｍ／ａ）・ωｓ−（Ｎ／ａ）・ωｍ
図９（Ａ）の具体例での構成要素は下記のようになる。

磁石列一周分の磁石数 ２Ｎ＝２４
片側の磁極片列中の磁極片の数 Ｍ＝１３
ＭとＮの差 ａ＝１
ここで、磁石列４０５が固定され、回転速度ωｍ＝０とした場合、磁極片列４０７及び４０９の回転速度ωｓは、ωｓ＝ωｃ／１３となる。つまり、コイルによる回転磁界に対する減速比が１／１３となり、低速大トルクを高効率で発生させることができる。

一方、磁極片列４０７及び４０９を固定側とし、回転速度をωｓ＝０とした場合、磁石列４０５の回転速度ωｍは、ωｍ＝−ωｃ／１２となる。つまり、コイルによる回転磁界に対する減速比が−１／１２となり、低速大トルクを高効率で発生させることができる（ここで、値がマイナスになるのは、回転方向が逆になることを示している）。

本実施の形態によれば、磁石列を有効利用する割合が大きく、大きなトルクを生み出すことができる。この構造において、ロータを入力側にすると、発電機になる。磁場が高速で回転するため、誘起電圧が高く効率が高い発電機となる。

図９（Ｂ）はコイル４１５を３相コイルを３個にした例であり、その他は図９（Ａ）の構成と同じである。

図１０（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の移動磁場発生装置５０１を固定子の一部と可動子として利用するために、環状の第１及び第２の磁極片列５０７及び５０９と磁石列５０５と、６個の磁極を構成する６個のコイル５１５を所定のピッチτｃで外周部に配置した磁極列５１６を固定子のヨーク５１７とが、アキシャルギャップ方向で対向するタイプの回転型モータ５１８の概略構造を示す平面図及び側面図である。この実施の形態のモータでも、三相の交流電流がそれぞれ各コイル５１５に流れる。このモータでは、磁石列５０５と第１及び第２の磁極片列５０７及び５０９のうち、どちらか一方を固定側とし、他方をロータ（可動子）とする。コイル５１５を励磁し回転磁界を発生させると、低速高トルクで高効率なモータが得られ、ロータを外力によって回すと、移動磁場発生装置５０１の内側に高速回転磁場が発生する。高速回転磁場が、コイル５１５に誘起する電圧を高くするため、高効率な発電機が得られる。

図１１（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ本発明の移動磁場発生装置６０１を構成する環状の磁石列６０５と環状の第１及び第２の磁極片列６０７及び６０９の内側に、発電機用のコイル６１５が配置された単相発電機６１８の概略構造をそれぞれ示している。この実施の形態の発電機では、磁石列６０５と第１及び第２の磁極片列６０７及び６０９のうち、どちらか一方を固定側とし、他方をロータ（可動子）とする。ロータが回ると、移動磁場発生装置６０１の内側に高速回転磁場が発生し、この高速回転磁場がコイル６１５と鎖交して発電が行われる。従来の発電機では、高効率領域即ち高速域での動作をさせるために、増速ギヤを用いて、発電機を高速で回転させるようにしていた。しかし、ギヤの寿命や破損がコスト面やメンテナンスの課題となっていた。また、ギヤが複雑で発電機を小型化できない問題もあった。これに対して本発明の移動磁場発生装置を用いた発電機は、ロータの回転速度に比べ、移動磁場の回転数が高いために、低速でも高電圧の誘起電圧を生じ、ロータの回転速度が低くても、高効率の発電が可能となり、ギヤを不要とすることができる。図１１（Ｂ）に示す発電機のように、磁極片列６０７及び６０９を固定側とし、磁石列６０５をロータとする場合には、コイル６１５内側に配置した鉄芯６１７と第２の磁極片列６０９の磁極片６１０の一部が結合されていてもよい。このような構造では、ロータが回ると内側に高速回転磁場が発生する。そのため磁石列６０５を有効利用する割合が大きくなり、しかも磁場が高速で回転するため、誘起電圧が高く効率が高い発電機となる。

図１２は、回転型の移動磁場発生装置７０１の環状の第２の磁極片列７０９の内側に２つのホール素子Ｈ１及びＨ２を配置した高精度磁気エンコーダ７１８の構成を示す図である。２つのホール素子Ｈ１及びＨ２は、磁気の検出方向がｘ方向とｙ方向に９０度異なるように配置位置が定められている。このエンコーダ７１８において、磁石列７０５と第１及び第２の磁極片列７０７及び７０９のうち、どちらか一方を固定側とし、他方をロータとする。ロータが回ると、移動磁場発生装置７０１の内側に高速回転磁場が発生する。図１２の実施の形態の場合、磁極片列７０７及び７０９が１回転すると、図１３（Ａ）に示すように内側の磁場は、１３回転する。そして磁石列７０５が１回転すると、図１３（Ｂ）に示すように、内側の磁場は、１２回転することになる。そのため、高分解能な磁気センサを簡素な検出素子で構成できる。また、本実施の形態では、全ての磁石の磁気が合成されたものを検出するため、磁石１個の誤差の影響が僅かであり、高い精度が得られる。

図１４に示すように、ｘ方向に２つのホール素子Ｈ１１及びＨ１２を配置し、ｙ方向に２つのホール素子Ｈ２１及びＨ２２を配置すると、２つのホール素子の出力を平均化することができ、さらに高精度の磁気エンコーダを得ることができる。

図１５は、二重反転モータの構造の概略を示している。このモータでは、回転型の移動磁場発生装置８０１の磁石列８０５を有する第１の回転構造体と第１及び第２の磁極片列８０７及び８０９を有する第２の回転構造体とを、それぞれ独立して回転できるように構成し、第１及び第２の回転構造体の内側に回転磁場を発生する三相の励磁コイル８１５を備えたモータ固定子８１７を配置して、第１の回転構造体と第２の回転構造体とが反対方向に回転する二重反転モータが得られる。

励磁コイル８１５に三相電流を流すと回転磁界が発生し、磁石列８０５を有する第１の回転構造体と第１及び第２の磁極片列８０７及び８０９を有する第２の回転構造体がそれぞれ逆方向に回転する。それぞれ回転する速度は、回転磁界に比べ低速・高トルクになるため、高静圧で高効率のファンモータを得ることができる。

なお本実施の形態の場合、励磁コイル８１５が作る磁場が左回転とすると、第１及び第２の磁極片列８０７及び８０９を備えたロータ（第２の回転構造体）は左回転し、磁石列８０５を備えたロータ（第２の回転構造体）は右回転する。

図１６（Ａ）及び（Ｂ）は、図１５の二重反転モータの励磁コイルを２相にした二重反転モータを利用した二重反転ファン９１８の構成を示す断面図と半部断面図である。この二重反転ファン９１８では、磁石列９０５を備えた第１の回転構造体９０４に第１のインペラ９２１を取り付け、第１及び第２の磁極片列９０７及び９０９を備えた第２の回転構造体９１４に第２のインペラ９２２を取り付けている。符号９２３及び９２４で示す部材は、それぞれベアリングである。なお第１のインペラ９２１に設けた複数枚のブレードと第２のインペラ９２２に設けた複数枚のブレードは、それぞれ吐き出す風の回転方向が逆になるように形状が定められている。内側の２相コイル９１５に２相電流を流すと、２相コイル９１５が作る磁場が回転する。それに伴い、磁石列９０５が設けられた第１の回転構造体９０４と第１及び第２の磁極片列９０７及び９０９が設けられた第２の回転構造体９１４とが逆方向に回転する。風圧は同一方向に発生し、高風量，高風圧のファンを実現できる。なお従来は、正転と逆転を別々のモータで構成していたが、本実施の形態によれば、一つのモータとモータ駆動回路を用いて構成できるので、軸線方向の寸法を小さくすることができ、ファンの価格を低減することができる。なおインペラ９２１とインペラ９２２の回転数は任意であり、それぞれの負荷に合わせ、それぞれが回転することで、騒音を抑制し、最適な流れを実現できる。

また移動磁場発生装置９０１の磁気減速機構により、高トルクを発生できるため、自起動周波数が高く、動作が安定し、高静圧となる利点が得られる。

図１７（Ａ）及び（Ｂ）は、回転型の移動磁場発生装置１００１の磁石列１００５を有する第１の回転構造体１００４と第１及び第２の磁極片列１００７及び１００９を有する第２の回転構造体１０１４とを、それぞれ独立して回転できるように構成し、第１及び第２の回転構造体１００４及び１０１４の内側に複数の発電用のコイル１０１５を設け、第１の回転構造体１００４に第１のインペラ１０２１を取り付け、第２の回転構造体１０１４に第１のインペラ１０２１とは逆方向に回る第２のインペラ１０２２を取り付けた二重反転風力発電機の一部断面にした正面図及び側面図である。この風力発電機１０１８は、風を受けると、第１のインペラ１０２１と第２のインペラ１０２２とが逆方向に回転する。そうすると、コイル１０１５に発生する磁界は、高速回転磁界となり、コイル１０５には、高い誘起電圧が誘起され、高い効率で発電することが可能になる。本実施の形態では、「第２のインペラ１０２２の回転数の１３倍＋第１のインペラ１０２１の回転数の１２倍」の回転速度で、内側の磁場が回転する。本実施の形態は２相発電機であるが、コイルを単相構成にすれば単相発電機になり、３相構成にすれば、３相発電機になる。第１のインペラ１０２１と第２のインペラ１０２２の回転数は必ずしも一致している必要はなく、それぞれの風圧に応じて回転する。両回転数がずれることで、共振振動による騒音を抑制することができる。

図１８は、回転型の移動磁場発生装置１１０１を増速磁気カップリングとしてフライホイール電力貯蔵装置１１１８に本発明を適用した実施の形態の概略断面図である。フライホイール電力貯蔵装置１１１８は、磁石列１１０５を有する第１の構造体１１０４を発電電動機１１３１の回転軸１１３１Ａに固定している。第１及び第２の磁極片列１１０７及び１１０９は、ケース本体となる第２の構造体１１１４に固定されている。そして第１の構造体１１０４と第２の構造体１１１４の中心部にＮ極とＳ極とが列をなして交互に並ぶように所定のピッチで配置された複数個の磁石からなる磁石列を備えたロータ１１３６を配置し、このロータ１１３６が固定された軸１１３７にフライホイール１１３４が固定されている。軸１１３７は垂直方向軸受け１１３３及び径方向軸受け１１３５によって軸支されている。この装置では、フライホイール１１３４の回転でエネルギを蓄積し、フライホイール１１３４に蓄積されたエネルギを発電電動機１１３１から電力として出力することができる。本実施の形態のように、移動磁場発生装置１１０１からなる増速磁気カップリングを介して発電電動機１１３１でフライホイール１１３４を回転させると、回転数の二乗に比例して運動エネルギーを蓄積できる。特に、増速機構により、モータ回転数の数倍〜数十倍の回転速度でフライホイールを回すことができる。そのため、同じ装置体積で、より多くのエネルギーを蓄積できるため、装置の小型化が可能となる。

本発明の移動磁場発生装置によれば、合成磁束が相対移動速度よりも速い速度で移動することにより高速移動磁場を簡単に形成することができる。

１ 移動磁場発生装置
３ 磁石
４ 支持体
５ 磁石列
７ 第１の磁極片列
８ 第１の磁極片
９ 第２の磁極片列
１０ 第２の磁極片
１１ 環状壁部
１３ 支持体
１４ 構造体

Claims (4)

1. Ｎ極とＳ極とが列をなして交互に並ぶように第１のピッチで配置された複数個の磁石からなる磁石列と、
   前記磁石列との間に間隔を開け、前記磁石列を間に挟み、前記磁石列に沿って延び且つ相互間に所定の位相差をもって配置された第１及び第２の磁極片列とを備え、
   前記第１の磁極片列は、少なくとも隣り合う二つの前記磁石と対向する長さを有する複数の第１の磁極片が第２のピッチで列をなすように配置されて構成され、
   前記第２の磁極片列は、少なくとも隣り合う二つの前記磁石と対向する長さを有する複数の第２の磁極片が第２のピッチで列をなすように配置されて構成され、
   前記第１及び第２の磁極片列並びに前記磁石列の一方が他方に対して所定の相対移動速度で移動したときに、前記磁石列中の連続するｎ個（ｎはＮ以下の自然数）の前記磁石から出た磁束が、前記ｎ個の磁石と対向する前記第１の磁極片列中の前記第１の磁極片と、前記ｎ個の磁石と対向する前記第２の磁極片列中の前記第２の磁極片を順に通る合成磁束を形成することにより移動する合成磁極を形成し、且つ前記移動する合成磁極が前記所定の相対移動速度よりも速い速度で移動する高速移動磁場を形成するように、前記第１及び第２のピッチ並びに前記位相差が定められており、
   前記磁石列、前記第１及び第２の磁極片列が、それぞれ同心の環状形状を有しており、
   前記第１及び第２の磁極片列の少なくとも一方と対向するように、複数の磁極を構成する複数のコイルが所定のピッチで配置された磁極列を有し、
   前記第１及び第２の磁極片列並びに前記磁石列の一方が固定子となり、他方が回転子となることを特徴とする回転型モータ。
2. １ユニットの基準移動長さをＬと定めたときに、基準移動長さ当りの前記磁石列の前記複数の磁石の数を２Ｎとすると、
   前記磁石列の前記第１のピッチτｐが、τｐ＝Ｌ／（２・Ｎ）となり、
   基準移動長さ当りの前記第１及び第２の磁極片列中のそれぞれの磁極片の数Ｍが、
   Ｍ＝Ｎ＋ａ，ａは０を除く整数（ａ＝・・・−３，−２，−１，１，２，３，・・・）
   前記磁極片の前記第２のピッチτｓが、τｓ＝Ｌ／Ｍとなり、
   磁極片移動速度をｖｓ、磁石列移動速度をｖｍとしたときに、前記高速移動磁場の移動速度ｖｔがｖｔ＝（Ｍ／ａ）・ｖｓ−（Ｎ／ａ）・ｖｍと定まるように、
   前記Ｌ、Ｎ及びａ並びに前記位相差が定められていることを請求項１に記載の回転型モータ。
3. Ｎ極とＳ極とが列をなして交互に並ぶように第１のピッチで配置された複数個の磁石からなる磁石列と、
   前記磁石列との間に間隔を開け、前記磁石列を間に挟み、前記磁石列に沿って延び且つ相互間に所定の位相差をもって配置された第１及び第２の磁極片列とを備え、
   前記第１の磁極片列は、少なくとも隣り合う二つの前記磁石と対向する長さを有する複数の第１の磁極片が第２のピッチで列をなすように配置されて構成され、
   前記第２の磁極片列は、少なくとも隣り合う二つの前記磁石と対向する長さを有する複数の第２の磁極片が第２のピッチで列をなすように配置されて構成され、
   前記第１及び第２の磁極片列並びに前記磁石列の一方が他方に対して所定の相対移動速度で移動したときに、前記磁石列中の連続するｎ個（ｎはＮ以下の自然数）の前記磁石から出た磁束が、前記ｎ個の磁石と対向する前記第１の磁極片列中の前記第１の磁極片と、前記ｎ個の磁石と対向する前記第２の磁極片列中の前記第２の磁極片を順に通る合成磁束を形成することにより移動する合成磁極を形成し、且つ前記移動する合成磁極が前記所定の相対移動速度よりも速い速度で移動する高速移動磁場を形成するように、前記第１及び第２のピッチ並びに前記位相差が定められており、
   前記磁石列、前記第１及び第２の磁極片列が、それぞれ同心の環状形状を有しており、
   前記磁石列を有する第１の回転構造体と前記第１及び第２の磁極片列を有する第２の回転構造体とが、それぞれ独立して回転できるように構成され、
   前記第１及び第２の回転構造体の内側に回転磁場を発生する複数の励磁巻線を備えたモータ固定子が配置されてなる二重反転モータ。
4. 請求項３に記載の二重反転モータの前記第１の回転構造体に取り付けられた第１のインペラと、前記第２の回転構造体に取り付けられた第２のインペラとを有する二重反転ファン。

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