永久磁石の反発力を利用した無捲線モータの研究

永久磁石の反発力を利用した無捲線モータの研究

著者 池尻 忠夫, 北川 敏男, 鈴木 福太郎

雑誌名 福井大学工学部研究報告

巻 34

号 2

ページ 239‑245

発行年 1986‑09

URL http://hdl.handle.net/10098/4303

工 学 部 研 究 報 告 第34巻 第 2号 昭和61年9月

永久磁石の反発力を利用した無捲線モータの研究

池 尻 忠 夫 * 北川敏男柿 鈴 木 福 太 郎 *

A Study on the Winding1ess Motor using the  Repu1sive Force of Permanent Magnets 

Tadao  IKEJIRI

， 

(Received Aug.5， 1986) 

A winding1ess motor using the  repu1sive  force of per‑

manent magnets  is  presented. 

By driving on1y one  side permanent magnet using the  micromotor， the motor was rotated  stab1y resu1ting from 

the repu1sive  force of permanent magnets  at  that  time. 

The comparab1e  1arge  torque of motor was derived. 

In spite  of the  scantines of necessary e1ectric power  of micromotor， the  torque of motor reached  to many times  over of that of micromotor. 

However

， 

ged to use  the micromotor. 

At the  present  time， this motor  is  considered  as  the  substitution of stir1ing engine  in the water power ge‑

neration by the  solar energy. 

In that  study

， 

ration is  capab1e  in every times  and the  increase  of  generated energy  is  obtained， as  the power generation  comes  to be not depended upon the  solar energy. 

*電気工学科 紳 オ リ オ ン 電 気

240 

1 緒 言

永 久 磁 石 の 吸 引 力 ま た は 反 発 力 を 利 用 す る の み で 回 転 し 電 気 捲 線 を 用 い な い モ ー タ の 開 発 は ， 無 捲 線 の た め モ ー タ の 構 成 が 簡 単 と な り ， ま た 電 力 を 必 要 と し な い た め ， 特 に 野 外 で の 諸 種 の 機 器 の 駆動源として極めて有用であると考えられる。

本 研 究 は と の よ う な 観 点 に 立 っ て 永 久 磁 石 相 互 間 の 反 発 力 を 利 用 し て モ ー タ 本 体 を 回 転 駆 動 す る 方法を検討したものである。1)

実 験 に お い て は 一 方 の 永 久 磁 石 の み を マ イ ク ロ モ ー タ で 駆 動 さ せ ， そ の と き の 永 久 磁 石 の 反 発 力 に よ っ て モ ー タ の 安 定 駆 動 を 生 じ ， 比 較 的 大 き い モ ー タ の 回 転 力 を 得 る 乙 と が で き た 。 マ イ ク ロ モ

ータの所要電力は僅かであるlとかかわらずモータの回転力はマイクロモータのそれの約十数倍に達

し た 。 し か し な が ら ， 以 上 か ら 知 ら れ る よ う に マ イ ク ロ モ ー タ の 使 用 を 余 儀 な く さ れ て お り ， 乙 れ が本方法の欠点と考えられる。

な お ， 近 年 外 部 の エ ネ ル ギ ー を 用 い ず 磁 石 の 同 じ 極 同 士 が 反 発 し 合 う 力 を 利 用 し て 回 転 運 動 を 生 じ発電する新らしい装置の開発に関する情報が得られた。 2)とれはマイクロモータの使用を必要と せず 2つ の 回 転 ド ラ ム の 外 周 に 配 置 さ れ た 磁 石 の 角 度 が 回 転 を 持 続 す る 秘 密 で あ る と 考 え ら れ て い る 。 し か し な が ら ， 乙 の 場 合 ド ラ ム の 回 転 速 度 は 本 研 究 の 場 合 よ り も 遅 い よ う で モ ー タ と し て の 適用においては充分ではないように思われる。

こ こ で 本 研 究 に お い て は 無 捲 線 モ ー タ そ の も の の 中 に マ イ ク ロ モ ー タ を 含 む の で 厳 密 に は モ ー タ と 称 す る と と は 不 適 当 と 思 わ れ ト ル ク 増 幅 機 と も 考 え ら れ る が ， 磁 気 原 動 機 ま た は 磁 気 エ ン ジ ン の 意味に解釈している。

現 在 応 用 面 と し て は ， 太 陽 熱 を 利 用 し た 揚 水 発 電 に お け る ス タ ー リ ン グ エ ン ジ ン め の 代 り に 本 モ ー タ の 使 用 を 考 慮 し て い る 。 と れ に よ れ ば 発 電 は 太 陽 熱 に 依 存 し な い よ う に な る た め 一 日 中 可 能 と なり発電量の増大をはかるζとができるものと考えられる。

2.  実 験 機 の 構 造 お よ び 特 性 2.  1  実 験 機 の 構 造

試 作 し た 実 験 機 の 構 造 を 示 す とFig.lのようで あるo 4つ の 円 板 がFig.lの よ う に 配 置 さ れ て お り，中央の大きな円板がモータ本体である。本体円 板 の 直 径 は200mm，厚さ4rnmで材質はアルミニウ ムである。他の 3つ の 小 型 円 板 は い ず れ も 直 径70 m.m，厚きlOmrnのアクリル樹脂板である。 ζれら の 円 板 に ア ル ニ コ 円 柱 棒 磁 石 を 磁 極 と し てFig.l

の よ う に 配 晋 し ， モ ー タ 本 体 児 お い て は さ ら に 手 前 か ら 同 寸 法 の ア ル ミ ニ ウ ム 円 板 で 磁 石 を は さ み 両 側 か ら ネ ジ で 締 め つ け 固 定 し て い る 。 他 の3つ の 小 型 円 板 に お い て は 側 面 か ら 穴 を あ け 直 接 磁 石 を う め 込 み 聞 定 し て い る 。 磁 石 は す べ て

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151 

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Fig.1  Constitution  of  motor 

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F i g . 3  

comple 悟 viewo f  r n o t o r   ( S i d e  v i e w )  

ダ ク シ ョ ン モ ー タ の そ れ と 同 じ で あ る と 推 察 さ れ る 。 な お ， 小 型 円 板 の 回 転 に は で き る だ け 所 要 電 力 を 少 く す る た め マ イ ク ロモータを使用する。モ ー タ 本 体 は 乙 の 小 型 円 板 lイ聞によっても回転する が ， 一 般 に はFig.6の よ う に モ ー タ 本 体 の 外 部K数 個 配 置 し て 回 転 力 の 増 大 を は か る 必 要 が あ る 。 本 研 究 に お い て は3個配置した。

2.3  モ ー タ の 始 動 特 性

モータ 本 体 を 始 動 す る に 当 り 2.2で 述べた乙とを考慮す る と 小 型 円 板 の 回 転速 度は 遅 い 方 が 反 発

242 

ノ

実 験 機ζl使 川 し た マ イ ク ロ モ ー タ は そ の 時 点 で 回 転 力 は 弱 く ， そ の 磁 附 が 反 発 力 に よ っ て 小 明 円板の11:11転方的!と逆方向IL/J を

う け ， マ イ ク ロ モ ー タ 自 身 が 同 事天しない。したがって ，IJ、可リ円 板 の 間 転 速 度 は あ る 程 度 法 く す

る必要がある。

と乙ろで， 一方 の 磁 柑ζl他 方 の 磁 械 が高 速 度で接近すると，

反 発 力 が 弱 い た め モ ー タ 本 体 が 回 転 を 開 始 し な い。

(a) 

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、1'').、 J〆1:，.>

(b) 

Fig. 5 Principle of motor  revolution 

F i g . 4   A  c 1 ose‑range view 

Fig.6  A new motor having several  outer  sma Lldiscs 

そ の た め モ ー タ 本 体 も あ る 程 度 回 転 さ せ て 小 型 円 板 の 磁 極 の 接 近 す る 相 対 速 度 を 遅 く し て や る 必 要

が あ る。

乙のよ う に し て 始 動 す る とモータ 本 体は回 転 原 理に基 づ き 回 転を 持 続 す る。 2.3 永 久 磁 石 と マ イ ク ロ モ ー タ

実 験 機K使 用 し た 永 久 磁 石 は ア ル ニ コ 棒 磁 石 AR‑l， A M‑50 Nの2種である。 ま た ， マ イ ク ロ モ ー タ は D. C. MAGNET  MOTER RS540 Sを用いた。

3.  実 験 機 の 性 能 3.  1 回 転 数

回転数測定にはストロボスコープを使用した。

測 定 は 小 型 円 板 l個 の と き に つ い て 行 っ たo ( 

マイクロモータ l個 ， 電 圧0.8γ)回転数として は700rpm以 上 の 値 が 得 ら れ たo またマイクロ モ ー タ の 数 を 増 加 し ， 電 圧 も 増 し て 回 転 数 を 増 加 さ せ れ ば モ ー タ 本 体 の 回 転 数 は さ ら に 増 大 す

700  ε e :   600 

8 

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号 4001

z 

z 

1

∞ 

Oo l  0.1  02  03  04  05 ・ ーー

A仰il吋vollage(V)

Ta凶eI Relation between the  number  and the applied  voltage  of mにro‑

motor and the  number of revolu‑ tion  of  motor 

0.55  ま氾

叩 Nurrb吋 revoul

…

るととがTable1か ら 推 察 さ れ る 。 な お 参 考 の た めFig.7陀 マ イ ク ロ モ ー タ の 電 源 電 圧 に 対 す る モ ータ本体の回転数を示す。

3.2 卜}I，.ク

トルク測定法としてFig.8Il.示すようにモータ本体の軸に糸を回転方向と逆方向に捲きつけて，

一 端 を ば ね ば か り に 他 端 比 重 り を つ る す 方 法 を 用 い た 。 重 り を 変 化 さ せ る と と に よ っ て 速 度 が 変 化 し ， そ の と き の ト ル ク は 軸 の 左 端K着目して，

Tニ r ( W ‑WO ) …一一…・………...・H ・..(I)  と乙で

T 角 速 度 がωの と き の ブ レ ー キ ト ル ク r 軸の半径， W 重 り の 重 さ ( ま た は 力 )， 

Wo:ば ね ば か り の 読 み の 重 き ( ま た は 力 )

(1)式のトルク TIl.軸受摩擦トルクだとか風損トルクなどを加えたものがモータの発生トルクと な る が ， 乙 乙 で は マ イ ク ロ モ ー タ の ト ル ク と モ ー タ 本 体 の ト ル ク と の 比 較 を 目 的 と す る た めTを発 生トルクと考える。

Fig.81L基 づ き マ イ ク ロ モ ー タ お よ び モ ー タ 本 体 の ト ル ク を 測 定 し た 結 果Tabユell の よ う に な っ た 。 同 表 よ り モ ー タ 本 体 の ト ル ク は マ イ ク ロ モ ー タ の ト ル ク の15倍 以 上 と い う 結 果 を 得 た が ， 回 転 数 は マ イ ク ロ モ

Tablell  Torgues in micromotor and present 

円1otor

244 

ータに比べて少なく， トルク測定時において300rpmで あ っ た 。 測 定 時 マ イ ク ロ モ ー タ 電 源 電 圧 は 0.4γ，電流はl.1Aである。

次 tζ

P=2πT

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・

1 HP 

= 

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によってモータ本体の出力を求めると1.伺Wであり，馬力le換算すると1.45X10‑³ HPであった。

4.  性 能 増 強 の た め の 改 善 の 要 点

本 実 験 機 に お い て は モ ー タ 本 体 の 磁 極 数 は 8個 と し た が ， そ の 理 由 は 磁 極 数 が 多 い 場 合 に は ， 磁 極 閣 の 間 隔 が 狭 く な り ， マ イ ク ロ モ ー タ 側 の 磁 極 が 接 近 し た と き に 回 転 持 続 肢 態 を 空 じ や す く な る が ， す ぐ 次 の 磁 極 ( モ ー タ 本 体 側 ) が 接 近 し て い て ， そ れ が 回 転 方 向 と 逆 方 向 の 反 発 力 を 受 け て 回 転力が増加しない。このような事情より 8個を最良と判断した。

したがって， ζれ以外に何等かの方法によって反発力の増大をはかる必要がある。

4.1  U字 型 永 久 磁 石 の 利 用

実 験 機 に お い て 構 造 上 棒 磁 石 の S極のみを磁極として使用したが， N  極 を も 有 効 に 利 用 す る た め U字型磁石の利用が考えられる。 Fig.9のよ

うにU字型磁石を2枚 の 円 板 で は さ み 画 定 し た も の を モ ー タ 本 体 お よ び マ イ ク ロ モ ー タ 側 磁 極 回 転 体 と し て 用 い る と と に よ り ， モ ー タ 本 体 はS， N両 極 の 反 発 を 同 時 に う け る ζとが可能となり，棒磁石の場合の2倍の 反 発 力 を う け て 回 転 す る こ と に な る 。 し た が っ て 回 転 数 お よ び ト ル ク の 増大が可能となるであろう。

4.2  磁 極 の 多 重 層 化

前 節 で はN極 を 使 用 す る た め のU字型永久磁石の利用について述べた。

しかしながら， U字 型 永 久 磁 石 で は 同 磁 極 の 反 発 力 増 大 は 2倍 で し か な い。そこでFig.10の よ う な 棒 磁 石 の 多 重 層 化 が 考 え ら れ る 。 こ の 方 式 で あ れ ば 磁 極 に お け る 反 発 力 は マ イ ク ロ モ ー タ の 回 転 力 が ゆ る す 限 り 増 加できる。

E モータの変形および応用

5.  1 永 久 磁 石 の 吸 引 力 に よ る 無 捲 線 モ ー タ

N  S 

N  5 

日♀9Moter  havin 9  U letter  type  permanent  magnet 

永久磁石の反発力はきるζとながら吸引力もまた強大であ る。したがって吸引力による回転駆動もFig.llのような構 成 に お い て 可 能 で あ る と 衰 え ら れ る 。 し か し 吸 引 力Kよって 回 転 方 向 と 逆 方 向 へ う け る 力 の 強 さ は 反 発 力 に よ る そ れ よ り も 強 い と み ら れ ， 回 転 数 の 多 き で は 反 発 力 の 利 用 の 方 が 有 利 で あ る と 思 え る 。 し か し な が ら ， 乙 の 方 法 は 構 想 の 段 階 で あ

り明瞭なととは言えない。

51  151  151  151  151  15 

5115115  5115115 

Fig.l0  Multilayer  permanent  magnet 

Fig.ll  Conception of windingtess motor  due to the attracting force of perma‑

nent magnets 

5.2  本モータの応用

Fig.12  Pumping‑up powe了 generation system used fresnelユense.

本実験機の応用として揚水発電方式におけるポンプ駆動の動力源としての利用が考えられる。

Fig.12は乙れまで本学電力工学実験室で研究されていたスターリングエンジン使用による揚水 発 電 方 式2)の原理図である。スターリングエンジンは大陽熱の供給が不十分な秋，冬または夜間な どにその効用が認められないため，その代用としての本実験機の利用が考えられる。 Fig.12のス ターリングエンジンの部分に本モータを置換えるわけである。ポンプ1基について本モータを使っ て揚水した結果では約2mの揚程がえられた。

6. 結 言

本研究において実験機を試作し，モータ本体が永久磁石の反発力だけで回転駆動するととができ た。さらに，乙の実験機を使ってトルクの増大巻計り，今後野外での諸曹の機器の原動機としての 可能性を確みるととができた。しかし今後さらに反発力を増大させるなどの改善を行い性能の向上 を目指す必要がある。

参 考 文 献

1)池尻忠夫，特許出願 61 ‑016495 

2) た と え ば 福 井 新 聞 昭和61年 1月17日 記 事 、 大 出 力 も 可 能 磁 石 発 電 装 置9

3) 池 尻 忠 夫 他3名，福井大工報， 34， 107 (1986) 

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