旋转电机及采用该旋转电机的发电 机和电动机 本发明涉及包括一个定子和一对配置在定子两侧位置的转子的旋转电机及采用了该旋转电机的发电机和电动机。
申请人以前曾提出结构如图12和图13所示的发电机(日本公开专利公报 特开平7-123662号)。
该发电机由按一定间隔整体地设置在旋转轴90上的一对转子92N、92S及环绕该转子92N、92S的外周配置的定子91构成。
其中一个转子92N在外周部的对角位置上形成朝外地N极性磁极93a、93b，而另一个转子92S在外周部的对角位置上沿径向形成朝外的S极性磁极94a、94b。
上述定子91的结构是在两个转子92N、92S的外周按圆环形配置4个铁心95a～95d并在各铁心95a～95d的长度中央部分别设置4个线圈96a～96d。各线圈96a～96d的缠绕方向如此设置，如果一个对角位置的线圈96a、96c为顺时针方向，则另一对角位置的线圈96b、96d为反时针方向。
当对该发电机的旋转轴90施加旋转驱动力从而使转子92N、92S转动时，例如，如图14所示，在一个对角位置的线圈96a、96c内产生锯齿形的感应电动势V1，而在另一对角位置的线圈96b、96d内则产生相位不同的同样的感应电动势V2。通过将各线圈96a～96d的感应电动势V1、V2合成，可取出矩形形状的输出功率V，而通过对该输出功率V进行波形整形，可以得到直流的输出功率。
但是，在上述发电机中，由于各转子92N、92S与定子91在旋转轴90的径向上处于相对位置，所以定子91的各铁心95a～95d及各转子92N、92S的各磁极93a、93b、94a、94b均为曲面形状，因而存在着不仅制作困难、而且各磁极93a、93b、94a、94b的磁通分布不均匀、使上述输出功率V发生畸变等问题。
另外，为了将各磁极93a、93b、94a、94b的磁通设定得较大，必须使用轴向尺寸长的永久磁铁，所以还存在着使发电机大型化、磁路全长增加致使铁损增大、漏磁通也增大因而导致效率降低的问题。
本发明是鉴于上述问题而开发的，其目的是提供一种在结构上将一对转子配置在将定子夹在中间的两侧位置从而能将制作上和特性上的问题完全解决的小型旋转电机及采用该旋转电机的发电机和电动机。
根据本发明，提供一种由旋转轴、环绕旋转轴的外周配置的定子、及整体地设置在旋转轴上位于将上述定子夹在中间的两侧位置的一对转子构成的旋转电机。其中一个转子备有多个N极性磁极，另一个转子备有数量相同的S极性磁极，各转子的各磁极，分别按等角度位置配置，使其将定子夹在中间并沿轴向彼此相对。
上述定子备有数量相当于一个转子的磁极数的2倍的铁心、在每个铁心两端形成的磁极部、及缠绕在各铁心上的线圈，位于两端的各磁极部按等角度位置配置，使其隔着空气隙与各转子的各磁极相对。
按照上述结构，由于将一对转子配置在两侧位置而将定子夹在中间，同时使各转子的各磁极与定子铁心的各磁极部沿轴向相对，所以各转子的磁极可以形成平坦面，并能很容易地使磁通均匀化。此外，由于定子在轴向上缩短，所以使磁路全长减小，因而铁损减少，漏磁通也减少。
根据本发明，还提供一种采用上述旋转电机的发电机，通过对上述旋转轴施加旋转驱动力而使转子转动，在上述定子的各线圈内产生锯齿形的感应电动势，且将各线圈的感应电动势合成，从而可以将输出功率取至外部。
在上述结构的发电机中，当从外部施加旋转驱动力时，在定子的各线圈内产生锯齿形的感应电动势，但由于能使转子各磁极的磁通均匀化，所以各线圈的感应电动势不会发生畸变，因而能获得稳定的输出功率。
根据本发明还提供一种采用上述旋转电机的电动机，通过以正反交替的方式使上述定子的各线圈通电，在各铁心两端的磁极部与各转子的各磁极之间同时产生排斥力和吸引力，从而驱动旋转轴使其旋转。
在上述结构的电动机中，当以正反交替的方式使各线圈通电时，在各铁心两端的磁极部与各转子的各磁极之间同时产生排斥力和吸引力，并驱动旋转轴使其旋转。
在这种情况下，由于使转子各磁极的磁通均匀化，所以能使转子平稳地转动。
另外，在上述结构的电动机中，将上述定子铁芯的各磁极部的两端部形成不同形状，以便使由各铁心两端的磁极部生成的磁通分布相对于中心线为非对称状态。因此，可以使由各磁极部生成的磁通分布相对于中心线变为非对称的，并能在起动时实现自起动。
图1是表示作为本发明一实施例的发电机外观的正视图。
图2是表示图1所示发电机外观的侧视图。
图3是沿图2的Ⅰ-Ⅰ线的剖面图。
图4是表示转子外观的侧视图。
图5是表示铁心的绕线部外观的斜视图。
图6是表示定子的磁极部配置的说明图。
图7是表示线圈的连接方法的说明图。
图8是表示发电机原理的说明图。
图9是表示电动机原理的说明图。
图10是表示驱动控制电路的结构的电气接线图。
图11是表示电动机动作的时间图。
图12是表示现有的发电机结构的剖面图。
图13是沿图12的Ⅱ-Ⅱ线的剖面图。
图14是表示线圈的感应电动势的说明图。
用于实施发明的最佳形态的图1～图3是表示作为本发明一实施例的发电机结构的图，分别在图1和图2中示出发电机的外观、在图3中示出发电机的结构。
图示例的发电机，由旋转轴1、环绕旋转轴1的外周配置的定子2、及整体地设置在旋转轴1上位于将上述定子2夹在中间的两侧位置的一对转子3N、3S构成。
上述定子2，通过一对轴承4、4支承着旋转轴1。在旋转轴1上，在定子2的内侧及定子2与各转子3N、3S之间分别嵌有用于设定轴承4、4的间隔的衬套5及用于设定空气隙的衬套6、7。
此外，如图3所示，定子2及各转子3N、3S被安放在筒形壳体8内。在该筒形壳体8的两端开口上分别盖有端板9a、9b，旋转轴1的两个端部穿过各端板9a、9b伸向外侧。
第1转子3N，如图4所示，通过将2个永久磁铁11a、11b装设在由磁性金属材料构成的转子构件10上构成。
上述转子构件10,在中心位置开有一个用于嵌入上述旋转轴1的轴孔12，并在外周部的对角位置上形成用于装设上述永久磁铁11a、11b的扇形安装部13、13。
各永久磁铁11a、11b，按照安装部13的外形形成大致90°角的扇形，并在与转子构件10的相对侧的平坦面上都构成N极性磁极N1、N2。
第2转子3S,与第1转子3N一样，也通过将永久磁铁16a、16b分别装设在转子构件14外周的各安装部上构成。各永久磁铁16a、16b在与转子构件14的相对侧的平坦面上构成S极性磁极S1、S2。
将各转子3N、3S整体地安装在旋转轴1上，使第1转子3N的各磁极N1、N2与第2转子3S的各磁极S1、S2隔着定子2彼此相对。
上述定子2，由4个铁心20A～20D、及按90°的等角度位置支承各铁心20A～20D的非磁性支承骨架21构成。
各铁心20A～20D的构成方式是，将由大致成90°角的扇形硅钢片层叠而成的磁极部23A～23D、24A～24D分别与由矩形硅钢片层叠而成的方轴状的绕线部22A～22D的两个端面连接。各绕线部22A～22D分别嵌入设在支承骨架21外周的4个安装槽21a内，并如图5所示，在各绕线部22A～22D的外周，沿轴的周向缠绕着线圈25A～25D。
各铁心20A～20D两端的各磁极部23A～23D、24A～24D,如图6所示，形成与第1转子3N的各永久磁铁11a、11b及第2转子3S的各永久磁铁16a、16b形状基本相同的扇形。各磁极部23A～23D、24A～24D，配置在支承骨架21的两个端面上，一边的各磁极部23A～23D,隔着微小空气隙与第1转子3N的磁极N1、N2相对，而另一边的各磁极部24A～24D，隔着微小空气隙与第2转子3S的磁极S1、S2相对。
各线圈25A～25D的缠绕方向为，如一个对角位置的线圈25A、25C为顺时针方向，则另一个对角位置的线圈25B、25D为反时针方向。
如图7(1)所示，图示例的各线圈25A～25D串联连接，以便将各线圈的感应电动势相加后输出，但并不限于这种适用于高电压的串联接线方式，也可以采用图7(2)的适用于大电流输出的并联接线方式、图7(3)的将串联接线方式和并联接线方式组合后的串并联接线方式等。
此外，在图7中，T1是各线圈25A～25D的绕线起始端,T2是各线圈25A～25D的绕线末端,26、27是输出端子。
图8是上述结构的发电机的原理图，以下，根据图8和前已提到的图14，说明该发电机的原理。
在图14的时刻t1，如图8所示，对于第1转子3N,N极性的各磁极N1、N2位于与定子2的一个对角位置的各磁极部23A、23C相对的位置，而对于第2转子3S，图中虽未示出，但S极性的各磁极S1、S2位于与定子2的一个对角位置的各磁极部24A、24C相对的位置。
这时，如图3所示，在第1转子3N与第2转子3S之间，形成从第1转子3N的一个磁极N1出发、经空气隙、磁极部23A、铁心20A、磁极部24A、空气隙、到第2转子3S的一个磁极S1的第1磁路、及从第1转子3N的另一个磁极N2出发、经空气隙、磁极部23C、铁心20C、磁极部24C、空气隙、到第2转子3S的另一个磁极S2的第2磁路。流过第1磁路的磁通，与缠绕在铁心20A上的线圈25A交链，流过第2磁路的磁通，与缠绕在铁心20C上的线圈25C交链。
现在，当对旋转轴1施加旋转驱动力而使各转子3N、3S整体地向图8的箭头方向转动时，第1转子3N的各磁极N1、N2逐渐离开定子2的各磁极部23A、23C,另一方面，第2转子3S的各磁极S1、S2逐渐离开定子2的各磁极部24A、24C。因此，与线圈25A、25C的交链的磁通数逐渐减少，其结果是，根据右螺旋定律，在各线圈25A、25C上生成试图在阻碍磁通数减少的方向上产生磁通的感应电动势V1。该感应电动势V1，随交链的磁通数的减少而减小。
在另一方面，随着各转子3N、3S的转动，第1转子3N的各磁极N1、N2逐渐趋近于定子2的各磁极部23B、23D,而第2转子3S的各磁极S1、S2逐渐趋近于定子2的各磁极部24B、24D。因此，与线圈25B、25D的交链的磁通数逐渐增加，其结果是，根据右螺旋定律，在各线圈25B、25D上生成试图在阻碍磁通数增加的方向上产生磁通的感应电动势V2。该感应电动势V2,随交链的磁通数的增加而增大。
图14的时刻t2,表示各转子3N、3S转动了90°的时刻，对于第1转子3N,各磁极N1、N2位于与定子2的各磁极部23B、23D相对的位置，而对于另一个转子3S，各磁极S1、S2位于与定子2的各磁极部24B、24D相对的位置。在该时刻，线圈25A、25C的感应电动势V1变为零，线圈25B、25D的感应电动势V2变为最大值。
接着，图14的时刻t3、t4、t5,分别表示各转子3N、3S的转动角度为180°、270°、360°的时刻，关于时刻t2以后的感应电动势V1、V2的产生原理，与上述相同，这里，其说明从略。
这样，在各线圈25A～25D上产生的感应电动势V1、V2,随着转子3N、3S的转动而按锯齿形变化，所以，可从上述输出端子26、27取出将各线圈25A～25D的感应电动势V1、V2相加合成后的矩形形状的输出功率V。
上述实施例的发电机，可以作为电动机使用，在图9中，示出电动机的结构和原理。
图示例的电动机，其转子3N、3S的各磁极N1、N2、S1、S2的形状以及定子2的各磁极部23A～23D、24A～24D的形状，与发电机在结构上有所不同，除此以外，在一边的转子3N的一侧设置位置传感器30，也是与发电机的不同之处。而在其他结构方面，与发电机相同，在图9中，对相对应的结构标以同一符号，而其具体的说明从略。
转子3N、3S的各磁极N1、N2、S1、S2，如图9所示，形成两端部的形状相同且端缘平行的形状，使之相对于中心线对称。与此不同，定子2的各磁极部23A～23D、24A～24D，将两端部形成不同形状，使磁通分布相对于中心线为非对称状态，由此，在起动时能实现自起动。
在图示例中，各磁极部23A～23D、24A～24D，形成使一个端缘P与另一个端缘Q相互垂直的形状，但并不限定于图示例的形态，只要能使磁通分布相对于中心线为不均衡状态即可。
上述位置传感器30，靠近第1转子3N配置在定子2的磁极部23A、23B的交界处，用于检测转子3N、3S的转角位置。作为位置传感器30，可采用磁传感器，但也可以采用光电传感器或近位开关等。此外，在本实施例中，用一个位置传感器30进行转子位置的检测，但也可以使用两个以上的位置传感器。
图10示出用于对定子2的各线圈25A～25D进行适当通电以驱动电动机的驱动控制电路31的结构。
在该图中，A、B是各自具有两个切换端子a1、a2、b1、b2的切换开关,C1～C4、D1～D4是通断开关。
各切换开关A、B与各通断开关C1～C4、D1～D4之间，以联动的方式进行切换动作和通断动作，即当切换开关A、B切换到一边的切换端子a1和b1一侧、通断开关C1～C4变为“闭合”而通断开关D1～D4变为“断开”时，用于使电流沿实线箭头所示方向流过各线圈25A～25D的第1通电电路32导通。
当切换开关A、B切换到另一边的切换端子a2和b2一侧、通断开关D1～D4变为“闭合”而通断开关C1～C4变为“断开”时，用于使电流沿虚线箭头所示方向流过各线圈25A～25D的第2通电电路33导通。
各切换开关A、B及各通断开关C1～C4、D1～D4,根据上述位置传感器30的位置检测信号进行切换动作和通断动作，在具体实施时，各开关A、B、C1～C4、D1～D4用晶体管等的半导体开关构成。
当使各线圈25A～25D通电时，缠有各线圈25A～25D的铁心20A～20D两端的各磁极部23A～23D、24A～24D,磁化为N、S的任何一种极性。
例如，在第1转子3N一侧的磁极部23A～23D中，磁极部23A如磁化为“N”，则下一个磁极部23B磁化为“S”、接着磁极部23C磁化为“N”、下一个磁极部23D磁化为“S”。而当上述磁极部23A磁化为“N”时，在第2转子3S一侧的磁极部24A～24D中，磁极部24A磁化为“S”、磁极部24B磁化为“N”、磁极部24C磁化为“S”、磁极部24D磁化为“N”。每当上述切换开关A、B及通断开关C1～C4、D1～D4动作时，各线圈25A～25D的通电方向就切换一次，所以，每次都使各磁极部23A～23D、24A～24D的极性发生N、S反转。
图11是表示上述电动机的运行原理的时间图，以下，根据图9～图11说明电动机的运行。
在图11的时刻t1，如图9所示，对于第1转子3N,N极性的各磁极N1、N2位于与定子2的一个对角位置的各磁极部23A、23C相对的位置，而对于第2转子3S,S极性的各磁极S1、S2位于与定子2的一个对角位置的各磁极部24A、24C相对的位置。
在该时刻，位置传感器30感应到第1转子3N的磁极N1，其位置检测信号上升(参照图11(1))。切换开关A、B根据该位置检测信号的上升进行切换动作并切换到切换端子a1、b1侧(参照图11(2))，而与此同时，通断开关C1～C4变为“闭合”，通断开关D1～D4变为“断开”(参照图11(3))，使第1通电电路32导通，并使各线圈25A～25D通电。
由此，分别将第1转子3N一侧的磁极部23A磁化为“N”、磁极部23B磁化为“S”、磁极部23C磁化为“N”、磁极部23D磁化为“S”(参照图11(4))。此外，图中虽未示出，但对于第2转子3S一侧的磁极部24A～24D,则分别将磁极部24A磁化为“S”、磁极部24B磁化为“N”、磁极部24C磁化为“S”、磁极部24D磁化为“N”。
如上所述，通过将定子2的各磁极部23A～23D、24A～24D交替地磁化为N、S，对于第1转子3N，在N极性磁极N1、N2与磁化为“N”的磁极部23A、23C之间作用有排斥力，在N极性磁极N1、N2与磁化为“S”的磁极部23B、23D之间作用有吸引力。另一方面，对于第2转子3S，在S极性磁极S1、S2与磁化为“S”的磁极部24A、24C之间作用有排斥力，在S极性磁极S1、S2与磁化为“N”的磁极部24B、24D之间作用有吸引力。在上述电磁力的作用下，第1、第2转子3N、3S开始转动。
图11的时刻t2，表示各转子3N、3S转动了90°的时刻，对于第1转子3N,各磁极N1、N2位于与定子2的各磁极部23B、23D相对的位置，对于第2转子3S，各磁极S1、S2位于与定子2的各磁极部24B、24D相对的位置。
当到达该时刻t2时，位置传感器30不再对第1转子3N的磁极N1产生感应，其位置检测信号下降(参照图11(1))。切换开关A、B根据该位置检测信号的下降进行切换动作而切换到切换端子a2、b2侧(参照图11(2))，而与此同时，通断开关D1～D4变为“闭合”，通断开关C1～C4变为“断开”(参照图11(3))，使第2通电电路33导通，并使各线圈25A～25D反向通电。由此，分别将第1转子3N一侧的磁极部23A磁化为“S”、磁极部23B磁化为“N”、磁极部23C磁化为“S”、磁极部23D磁化为“N”(参照图11(4))。此外，图中虽未示出，但对于第2转子3S一侧的磁极部24A～24D，则分别将磁极部24A磁化为“N”、磁极部24B磁化为“S”、磁极部24C磁化为“N”、磁极部24D磁化为“S”。
如上所述，通过使定子2的各磁极部23A～23D、24A～24D的N、S反转，对于第1转子3N，在N极性磁极N1、N2与磁化为“N”的磁极部23B、23D之间作用有排斥力，在N极性磁极N1、N2与磁化为“S”的磁极部23A、23C之间作用有吸引力。另一方面，对于第2转子3S，在S极性磁极S1、S2与磁化为“S”的磁极部24B、24D之间作用有排斥力，在S极性磁极S1、S2与磁化为“N”的磁极部24A、24C之间作用有吸引力。在上述电磁力的作用下，使第1、第2转子3N、3S继续转动。
接着，图11的时刻t3、t4、t5，分别表示各转子3N、3S的转动角度为180°、270°、360°的时刻，关于时刻t2以后的旋转驱动力的产生原理，与上述相同，这里，其说明从略。
这样，通过使各线圈25A～25D进行正反交替的通电，使电磁力持续地作用于转子3N、3S，从而使旋转轴1持续转动。
此外，在上述各实施例中，各转子3N、3S的磁极数为2个、定子2的铁心数为4个，但并不限于此，也可以将各转子3N。3S的磁极数增加为3个、4个，在这种情况下，将定子2的铁心数设定为磁极数的2倍。
产业上的应用可能性如上所述，通过将一对转子3N、3S配置在将定子2夹在中间的两侧位置，同时使各转子3N、3S的各磁极N1、N2、S1、S2与定子2的铁心的各磁极部23A～23D、24A～24D沿轴向相对，可以将各转子3N、3S的各磁极N1、N2、S1、S2形成平坦面，因而能很容易地使磁通均匀化。此外，由于能使定子2在轴向上缩短，所以可以使磁路全长减小，因而铁损减少，漏磁通也能减少。
因此，可以很容易地制作特性改善且小型化的旋转电机，通过将该旋转电机用作发电机，可以使各线圈的感应电动势不发生畸变，并能获得稳定的输出功率。而通过将该旋转电机用作电动机，可以提供转子转动平稳的小型电动机。