WO1987004576A1

WO1987004576A1 - Dispositif rotatif magnetique

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Publication number: WO1987004576A1
Application number: PCT/JP1987/000039
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Inventors: Kohei Minato
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Description

明細書

磁力回転装置

技術分野

この発明は、磁力を利用して一対のロータを回転駆動するようにした磁力回転装置に関する。

背景技術

従来、磁力を利用した回転装置としては、電動モータが知られている。この種の電動モータとして、交流電動モータを例にとって説明すれば、この交流電動モータは、巻線が巻回されてなるロータと、このロータの回りに配置されたステー夕と、このステ一夕に配置され、回転磁界を発生するための複数の電磁石とからなつている。従って、このような電動モ —夕においては、回転磁界を生起してロータの回転を維持するために、電磁石に常に電力を供铪し続けなければならない。このため、ロータの回転駆動には、外部エネルギ、即ち、電気エネルギを必要とする。

上述した事情から、電磁石の代りに複数の永久磁石を使用し、これら永久磁石が発生する磁力のみを利用して、口一夕の回転を維持できるような磁力回転装置が望まれている。そこで、本出願人は、以下に述べるような磁力回転装置を提案した。即ち、この磁力回転装置は、互いに逆方向に連動して回転可能な一対のロータと、これらロータの外周部の夫々に、周方向等間隔を存して固定して配置された複数の永久磁石とを備えている。各ロータの永久磁石は、同一の極性が径方向外側を向くように配置されているとともに、これら口一タカ連動して回転されるとき、互いに組をなす 2個の永久磁石が周期的に近接して離れるような運動をなすように配置されている。更に、各ロータの永久磁石は、これらロータが連動して回転される際には、一方のロータにおける永久磁石は他方のロータの対応する永久磁石よりも、僅かに回転位相が進んだ状態で、運動するようになっている。上述の磁力回転装置においては、一対のロータの回転の際、互いに組をなす 2個の永久磁石が近接するときに、これら永久磁石に磁気反発力が作用し、この磁気反発力により、一方のロータに回転力が与えられて、この一方のロータは回転されることになる。一方、一対のロータが互いに連動して回転されるようになっていることから、他方のロータには、一方のロータの回転力が伝達され、これにより、他方のロータは、一方のロータに追従して回転される。この結果、一対のロータにおいては、互いに組をなす永久磁石が連続的に近接して、上述した磁気反発力を発生することから、これらロータの回転が維持されることになる。

ところで、上述の磁力回転装置においては、一対のロータが連動して回転されているときに、これらロータの回転を停止しようとすると、ブレーキ装置を設ける必要がある。しかしながら、通常のブレーキ装置を磁力回転装置に単に組込んだ場合には、磁力回転装置自体の構造が複雑になるばなりでなく，ブレーキ装置を作動させるための別の駆動源を必要とする。

この発明は、上述した事情に基づいてなされたもので、口 —タの回転を好適にして制動できるブレーキ装置を備えた磁力回転装置の提供を目的とする。

発明の開示

この発明の磁力回転装置は、上述したように、一対の口一タの互いに組をなす永久磁石の少なくとも 1組の代りに、通常の状態では、他の組の永久磁石と同様に磁気反発力を発生するが、ロータの回転を停止する際には、磁気吸引力を発生する磁力変換手段を備えている。このような磁力変換手段を備えていれば、一対のロータ間に、必要に応じて、磁気吸引力を働かせることができるので、この磁気吸引力により、これら口一夕の回転を停止させることができる。また、上述した磁力変換手段からなるブレーキ装置は、一対のロータの回転を摩擦力を利用して強制的に制動する通常のブレーキ装置とは異なり、磁気反発力を磁気吸引力に変換することにより、一対のロータに働く回転力を低減した状態で、これらロータの制動をなすことができるので、一対のロータの制動を良好に行なうことができる。

図面の簡単な説明

第 1図は、この発明の一実施例を示す磁力回転装置全体の概略的斜視図、第 2図は、第 1及び第 2ロータ相互の関係を示す概略的平面図、第 3図は、 1個の永久磁石の斜視図、第 4図は、電磁石とこの電磁石と組をなす永久磁石、並びに、電磁石の駆動制御回路を示す図、第 5図は、一対のロータの回転原理を説明するための図である。発明を実施するための最良の形態

第 1図に示された磁力回転装置は、フレーム構体 1を備えている。このフレーム構体 1内には、一対の回転軸 2が配置されている。これら一対の回転铀 2は、所定の間隔を存し互いに平行にして垂直方向に延びている。各回転軸の 2の上端及び下端は、フレーム構体 1に夫々拳由受 3を介して回転自在に支持されている。

—方の回転軸 2には、第 1ロータ 4 a が取付けられており、他方の回転軸 2には、第 2ロータ 4b が取付けられている。これら第 1及び第 2ロータ 4a , 4b は、同一の水平面内に配置されている。第 1及び第 2ロータ 4 a , 4 b の夫々は、同様な構造を有し、例えば、回転軸 2の轴方向に所定の間隔を存した 2枚のリング状プレート 5からなつている。

第 1及び第 2ロータ 4a , 4b の下面には、連動手段として、合成樹脂からなるギア 6 a , 6 b が夫々取付けられている。これらギア 6a , 6b は、第 1及び第 2口一夕 4a , 4b の径寸法よりも大きく、且つ、互いに同一の径寸法を有しているとともに、互いに嚙合されている。従って、第 1及び第 2ロー夕 4a ， 4b は、互いに逆方向に連動して回転可能である。第 1図中、参照符号 7は、第 1及び第 2ロータ 4a , 4b を支持するための支持アームを示している。

第 1ロータ 4 a の外周緣部には、ロータ 4a の周方向に等間隔を存して、例えば 16個の磁石が置されている。これら磁石は、 2個のリング状プレー卜 5間に固定して配置されている。この実施例の場合、 16個の磁石は、 1個を除いて、全て永久磁石 8a であり、残りの 1個の磁石は、電磁石 9a である（第 2図参照）。尚、第 2図においては、永久磁石 8 a の一部のみが示されている。

各永久磁石 8 a は、具体的には、第 3図に示されているように、ケース 1 0と、このケース 1 0内に収容された複数の棒状の強磁体 1 1からなつている。この強磁体 1 1は、例えばフユライト磁石である。各永久磁石 8a の複数の強磁体 1 1は、隣接する強磁体の端部の磁極が同極同士となるように、配置されている。そして、第 1ロータ 4a において、各永久磁石 8a は、全体として、一方の磁極、例えば、 N極が第 1ロータ 4a の径方向外側を向き、他方の S極が第 1ロータ 4a の径方向内側を向くような所定の姿勢で配置されている。この実施例の場合、第 2図に示されるように、各永久磁石 8a が 2個の回転軸 2間に位置付けられたとき、その永久磁石 8 a の長手方向軸線 Aと 2個の回転軸 2間を結ぶ中心線 Bとのなす角度 Cは、例えば、 30。に設定されている。一方、上述した電磁石 9a は、第 4図に示されるように、 U 字形をなした鉄心 1 2と、この鉄心 1 2に巻回されたコイル 1 3とからなっている。電磁石 9a は、両方の磁極、即ち、 N極及び S極が共に、第 1ロータ 4a の径方向外側を向き、且つ、各永久磁石 8a と同様に、上述した角度 Cの関係を満足するように配置されている。

第 2ロータ 4b の外周縁部にも、第 1ロータ 4a の磁石 (8a , 9 a ) と同数の永久磁石（8b , 9 b ) が第 2ロー夕 4b の周方向に等間隔を存して固定して配置されている。これにより、第 1及び第 2ロータ 4a , 4b が第 2図中、夫々矢印方向に互いに連動して回転されると、第 1ロータ 4b の各永久磁石は、第 1口一夕 4a の対応する磁石（8a , 9 a ) に対し、周期的に近接して離れるように運動する。第 2口一夕 4b の永久磁石（8b , 9b ) について更に詳述すると、第 1及び第 2口一ァ 4 a , 4 b の回転に伴い、第 1ロータ 4a の永久磁石 8a と周期的に近接して離れる第 2 ロータ 4b の永久磁石 8b は、永久磁石 8a と同様な構造を有するとともに、第 2ロータ 4b の径方向でみて、その径方向外側の磁極は、第 1ロータ 4 a の永久磁石 8 a における径方向外側の磁極と同極になっている。即ち、永久磁石 8b の径方向外側の磁極は、 N極である。

第 1ロータ 4 a の電磁石 9 a と周期的に近接して離れる第 2ロータ 4b の永久磁石 9b は、第 4図に示される構造を有している。即ち、永久磁石 9b は、永久磁石 8a と同様な搆造を有しているが、しかしながら、電磁石 9 a においては、その両方の磁極が第 1ロータ 4 a の径方向外側に共に向いていることから、永久磁石 9 b は、電磁石 9 a の両磁極に対して対応するように、第 2ロータ 4b の径方向外側に向いた 2 個の磁極を有しており、これら磁極の極性は、互いに異なつている。

永久磁石 8b , 9 b は、これらが夫々 2個の回転軸 2間に位置付けられたとき、第 ·2図に示されるように、その永久磁石（8b , 9 b ) の長手方向軸線 Dと上述した中心線 Bとのなす角度 Eが例えば 56。になるように設定されている。こ更に、第 1及び第 2ロータ 4 a ， 4b が夫々第 2図中矢印方向に連動して回転されるとき、第 1ロータ 4a の磁石

(8a ， 9 a ) は、第 2ロータ 4b の対応する永久磁石

(8b , 9b ) に対して、これらが周期的に近接する領域において、永久磁石（8b , 9 b ) よりも、僅かに先行して回転運動されるように設定されている。これを換言すれば、第 1ロータ 4 a の磁石（8a , 9a ) は、第 2ロータ 4b の対応する永久磁石（8b ， 9 b ) に対して、回転位相角が所定の角度だけ進んだ状態で回転運動される。

第 1ロータ 4 a の電磁石 9a は、第 4図に示されるように、駆動回路 14に電気的に接続されている。この駆動回路 14 は、電磁石 9a のコイル 1 3に通電するための電源を含んでいる。第 1及び第 2ロータ 4 a ， 4b が連動して回転されるとき駆動回路 14は、電磁石.9a と永久磁石 9b とが周期的に近接する第 1領域にあるときのみ、第 1センサ 1 5からの信号を受けて、この電磁石 9a に通電するようになつている。即ち、第 1センサ 1 5は、発光素子と受光素子とを組合せた光学式のセンサである。第 1センサ 1 5は、第 1図に示されるように、第 1ロータ 4a の上方に位置するフレーム構体 1の部位に取付けられている。第 1センサ 1 5は、下方に向けて光を出射する。そして、この光が第 1口一夕 4a の内縁から径方向内側に突出して設けられた反射プレート部 1 6 により反射され、この反射光が第 1センサ 1 5に受取られたとき、この第 1センサ 1 5は、駆動回路 14に対し電磁石 9 a への通電をなすォン信号を出力するようになつている。こで、反射プレート部 1 6は、上述した第 1領域の周方向の長さに等しい周方向の長さを有し、且つ、磁石 9 a , 9 b が第 1領域に侵入したとき、第 1センサ 1 5をォ.ン作勤させ、 —方、磁石 9 a ， 9 b が第 1領域から退出したとき、第 1センサ 1 5をオフ作動させるような位置に配置されている。更に、第 1センサ 1 5からの出力信号を受けて、駆動回路 1 4 により、電磁石 9 a への通電がなされると、この電磁石 9 a は、その両方の磁極が第 2ロータ 4 b の永久磁石 9 b における径方向外側の磁極と同極同士となるように励磁される。

駆動回路 1 4には、切換え回路 1 7が電気的に接続されている。この切換え回路 1 7は、駆動回路 1 4による電磁石 9 a への通電方向を逆方向にするために設けられており、切換え回路 1 7 < 作動は、ブレーキスィツチ 1 8によってなされる。切換え回路 1 7により、駆動回路 1 4による電磁石 9 a への通電方向が逆方向に切換えられると、駆動回路 1 4 は、第 2センサ 1 9からの出力信号を受けている間だけ、電磁石 9· a への通電をなすようになっている。即ち、第 2センサ 1 9は、第 1センサ 1 5と同様な構造をなし、第 1センサ 1 5よりも第 1 口一夕 4 a の径方向内側に位置してフレーム構体 1に取付けられている。また、第 2センサ 1 9の配置に対応して、この第 2センサ 1 9と組をなす反射プレート部 2 0は、上述した反射プレー卜部 1 6の内縁に連なって形成されている。ここで、反射プレート部 2 0は、反射プレート 1 6部に比べ、第 2図に示されるように、第 1 ロータ 4 a の矢印で示された回転方向に長く形成されている。次に、上述した磁力回転装置の作動を第 5図を参照しながら説明する。

先ず、第 5図において、第 1ロータ 4a の回転軸 2は、 01 で示されており、第 2ロータ 4b の回転拳由 2は、 02 で示されている。そして、第 1及び第 2ロータ 4a , 4b の磁石においては、ロータの径方向外側に位置する磁極、即ち、 N極のみを代表して示してある。電磁石 9a ，永久磁石 9b においては、両方の磁極がロータの径方向外側に—位置付けられているが、ここでは、説明を簡単にするため、一方の N極のみを示す。

第 1及び第 2ロータ 4a ， 4b が第 5図に示される回転位置にあるときから、これら第 1及び第 2口一夕 4a ， 4b の回転駆動について説明する。ここで、 01 と 02 とを結ぶ線上に第 2ロータ 4b の 1個の永久磁石、つまり、 1個の磁極 N blが位置付けられていると仮定すると、この磁極 Nblと組をなす第 1ロータ 4a の磁極 Nalは、磁極 Nblよりも、第 1 ロータ 4 a の回転方向に僅かに先行した位置に位置付けられることになる。例えば、このとき、磁極 Nalは、第 2図に示されるように、回転角でみて、 X。だけ磁極 Nblよりも先行されているとする。このような状態において、磁極 Nal, Nbtには、互いに逆向きで、且つ、大きさの等しい磁気反発力 F 1 が磁極 Nalと磁極 Nblとを結ぶ線 L上に作用することになる。また、この場合、 01 から上記線 Lに下ろした垂線 Mと、 01 及び磁極 Nalとを結ぶ半径線 Kとのなす角度を Y とし、半径線 Kの長さを Rとすれば、上記磁気反発力 F 1 により、第 1及び第 2口一夕 4 a ， 4 b に働ぐ回転トルク T al， Tblは、夫々、次式で表わされる。

Tai= F 1 ♦ R · eos ( Y - X )

T bl= F 1 · R · cos Y

ここで、 cos ( Y - X) > cos Yであることから、

Tal〉Tblとなる。即ち、磁極 Nalが第 2図に示されるように、回転角でみて X。だけ磁極 NMよりも、回転方向に先行されていることに起因して、第 1ロータ 4a は、第 2ロータ 4b よりも大きな回転トルクを受け、これにより、第 1ロータ 4a は、第 5図中、矢印方向に正回転しょうとする。

次に、磁極 Nal及び磁極 Nblの近傍に位置する第 1及び第 2ロータ 4a , 4b の互いに組をなす磁極について考えてみる。第 1ロータ 4a において、磁極 Nalよりも回転方向に進行した位置にある磁極 Nan, Nan-1には、上述の説明から推測されるように、これら磁極 Nan, Nan-1と互いに組をなす第 2ロータ 4b の磁極 Nbn，磁極 N bn-1との間に働ぐ磁気反発力に起因して第 1ロータ 4a に正回転力を与える回転トルクが働くが、この回転トルクは、第 5図でみて、磁極 N alの位置から磁極 Nan, 磁極 Nan-1が遠ぐ離れれば離れる程小さくなる。即ち、磁極 Nan, 磁極 Nan-1に働く第 1ロータ 4 a の回転トルクは、互いに組を組をなす磁極 Na と磁極 Nb との間の距離に 2乗に反比例して小さぐなることが知られてい

—方、第 1ロータ 4a において、磁極 Nalよりも正回転方向でみて、後方に位置する磁極 Na2，磁極 Na3には、第 1口ータ 4a を逆方向に回転させようとする逆回転トルクが働くことになるが、これらの逆回転トルクは、磁極 Nan，磁極 an-1に働く正の回転トルクによって相殺されると考えられる。

しかも、第 5図でみて、磁極 Naiと磁極 Na2との間の領域に着目すれば、第 1ロータ 4a の正回転につれ、磁極 Na2に働く回転トルクの作用方向は、この磁極 Na2が磁極 Nalの位置に達する前に、正方向から逆方向に変換されることになる。従って、笫 1口一夕 4a には、逆方向に回転させようとする逆回転トルクよりも、正方向に回転させようとする正の回転トルクの方が大きく作用することから、第 1ロータ 4a は、第 2図中矢印方向に確実に回転されようとする。

一方、第 2ロータ 4b について見れば、第 1口一夕 4a で .の ¾明から明らかなように、この第 2ロータ 4 b には、全体として、第 2図に示された矢印方向とは逆方向の回転トルクを受けるものと考えられる。しかしながら、第 2ロータ 4b に最も大きな逆方向の回転トルクを与える磁極 Nb の位置は、磁極 Nblの位置であることは明らかであるが、この場合、前記の 2式から理解されるように、第 2ロータ 4b を矢印方向とは反対の逆方向に回転させようとする回転トルク TMは、第 1ロータ 4 a に働く正の回転トルク T aiよりも小さい。従つて、これら回転トルク Tai， Tblの大小関係を適宜に設定することにより、第 2ロータ 4b は、第 1ロータ 4a の回転駆動力をギア 6a , 6 b を介して受けることから、第 2ロータ 4 b は、逆方向の回転トルクに抗して、第 1口一夕 4a とは反対の方向に連動して回転されることになる。この結果、第 1ロータ 4 a の各磁極 N a が 01 と 02 との間を結ぶ中心線を通過する毎に、第 1及び第 2ロータ 4a , 4b を互いに連動して回転させようする回転トルクが発生されることから、これら第 1及び第 2ロータ 4a , 4b の回転は、継統されることになる。

第 5図中、右端に示した特性図について説明すると、実線は、第 1ロータ 4a に働く回転小ルクを示し、破線は、第 2 ロータ 4 b に働く回転トルクを示す。また、特性図において、縱铀は、第 1及び第 2ロータ 4a ， 4b の 01 と 02 との間を結ぶ線分からの各磁極の位置を表わす。従って、第 1ロータ 4 a の電磁石 9a に通電する第 1領域は、第 1ロータ 4 a に正の回転トルクを働かせることのできる領域、即ち、特性図において、少なくとも Z.で示される範囲に設定すればよいことが分る。 - 次に、第 1及び第 2ロータ 4 a ， 4 b が連動して回転されている状態から、これら第 1及び第 2ロータ 4 a , 4 b の回転を停止する場合には、ブレーキスィッチ 18により、切換え回路 1 7を作動させ、これにより、駆動回路 14による電磁石 9 a への通電方向を今までとは、逆にする。このようにすると、電磁石 9a の両方の磁極の極性が逆になることから、この状態では、今まで電磁石 9 a に働いていた正の回転トルクがなくなるばなりでなく、電磁石 9 a が永久磁石 9 b と近接する場合には、これら磁石 9a , 9b 間に磁気吸引力が発生する。この結果、第 1及び第 2ロータ 4a ， 4b は、上記磁気吸引力を利用して効果的に制動され、これにより、第 1 及び第 2ロータ 4 a , 4 b の回転を停止することが出来る。更に、制動の際においては、電磁石 9 a に通電する第 2領域が第 1領域よりも大きな範囲に設定されているので、このことからも、大きな制動力が磁気吸引力により得られることは明らかである。

上述した実施例によれば、電磁石 9 a への通電は、必要な領域のみしか行われないので、電磁石 9 a の励磁に対して大きな消費電力を必要とせず、また、第 1及び第 2ロータ 4 a , 4 b の回転駆動にも使用される電磁石 9 a を第 1及び第 2口 —タ 4 a , 4 b の制動にも利用するようにしたから、磁力回転装置全体の構造の複雑化を伴うことなく、この磁力回転装置に好適した制動機構を得ることができる。

この究明は、上述した一実施例に制約されるものではない。ロー ^の各永久磁石は、電磁石及びこの電磁石に組合される永久磁石を除き、いずれも同じ極性の磁極を径方向外側に位置付けるようにしたが、これに限らず、 1つのロータにおいて、各永久磁石の径方向外側の磁極の極性を隣接する永久磁石の径方向外側の磁極の極性とを異ならせてもよい。要は、第 1 ロータの各磁石の径方向外側の磁極と、この磁極と組をなす第 2ロータの磁石の径方向外側の磁極とが同極同士であればよい。また、ロータにおいて、各磁石の磁力を異ならしても良いし、更に、ロータの回転駆動、又は、永久磁石の回転により得られる回転磁界を利用して発電し、この発電により得られた電力を電磁石に供袷するようにしてもよい。

また、前述した角度 C , Eは、夫々、 3 0 。， 5 6。の組合わせに限らず、これらの角度の組合わせは、永久磁石の磁力の大きさ、互いに組みをなす磁石間に得られる最少間隔、角度 X等 w考慮して決定することができる。更に、口一夕に配置される磁石の数もまた任意に選択できることは勿論である 0

産業上の利用可能性

以上述べたように、この発明の磁力回転装置は、電動モー夕の代りに使用される駆動源としても有用であるとともに、発電機としても有用である。

Claims

請求の範囲

( 1 ) 回転自在に支持された第 1 ロータと；第 1 口一夕に対し並列的に近接して配置され、且つ、回転自在に支持された第 2ロータと；第 1及び第 2ロータの相互を互いに逆方向に連動して回転可能とする連動手段と；第 1及び第 2 ロー夕の各々の外周部に、周方向に等間隔を存して同数個置された複数の磁石要素とを備えてなり、

各ロータにおける夫々の磁石要素は、少なくとも一方の磁極が口一夕の径方向外側を向いており、また、第 1及び第 2 ロータが連動して回転される際には、第 1及び第 2口一夕の互いに組みをなす 2個の磁石要素は、互いに同極同士の磁極が周期的に近接して離れるように運動し、更に、互いに組みをなす 2個の磁石要素のうち一方のロータの磁石要素は、他方のロータの磁石要素よりも、回転位相が僮かに進んだ状態で運動する，これにより、第 1及び第 2ロータの互いに組みをなす 2個の磁石要素が互いに近接した際、これら磁石要素間に磁気反発力が発生され、この磁気反発力により、第 1 口ータに一方向の回転力を与えて、第 1 ロータを回転させ、一方、この第 1 ロータの回転力を連動手段を介して第 2 口一夕に伝達することにより、この第 2ロータを上記磁気反発力により第 2ロータに作用される回転力に抗して回転させる；更に、第 1及び第 2ロータの互いに組みをなす磁石要素のうち、少なくとも 1組みの磁石要素において、これら 2個の磁石要素の一方に、磁極の極性を変えるための磁力切換え手段を設けてなる磁力回転装置。

( 2 ) 連動手段は、第 1及び第 2ロータの夫々に設けられ、互いに嚙み合う一対のギアからなる請求の範囲第 1項に記載の磁力回転装置。

( 3 ) 磁力切換え手段は、互いに組みをなす磁力要素のうち、一方の磁石要素としての電磁石と、この電磁石を励磁する励磁手段と、励磁手段による電磁石の通電方向を変えて電磁石の磁極を変えるスィツチ手段とからなり、上記電磁石を除く他の磁石要素は全て永久磁石である請求の範囲第 2項の記載の磁力回転装置。

( 4 ) —方のロータの電磁石は、ロータの径方向外側に夫々向いて配置された両方の磁極を有し、この電磁石と組みをなす他方のロータの磁石要素は、 · ロータの径方向外側に配置され、電磁石の両方の磁極と対応する一対の磁極を有してなる永久磁石であって、この永久磁石の一対の磁極の極性は、互いに異なっている請求の範囲第 3項に記載の磁力回転装置。

( 5 ) 各ロータの永久磁石は、電磁石と組みをなす永久磁石を除いて、一方の磁極がロータの径方向外側を向き、他方の磁極がロータの径方向内側を向いて配置されている請求の範囲第 4項に記載の磁力回転装置。

( 6 ) 各ロータの永久磁石は、電磁石と組み合わされる永久磁石を除いて、径方向外側に位置する磁極は、同極である請求の範囲第 5項に記載の磁力回転装置。