(57)【要約】【課題】リング状に配置された複数の永久磁石を備えるエネルギー変換装置の出力を高めることを可能にする。【解決手段】永久磁石１が収容されたリング状の磁石ホルダ２にカバー３が取り付けられる。カバー３の延在部は、車輪６によって支持される。車輪６は、カバー３の延在部およびケース５の底面に接する。これにより、磁石ホルダ２に収容される永久磁石１の数が増えることにより磁石ホルダ２の重量が増加しても、磁石ホルダ２を軽く回転させることができる。したがってエネルギー変換装置１００は与えられたエネルギーから、より多くのエネルギーを取り出すことができるので、その出力を高めることができる。【選択図】図１
2014011932.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気エネルギーと機械エネルギーとのうちの一方から他方へと変換するエネルギー変換装置であって、
磁石リングを備え、前記磁石リングは、
上部が開口した磁石ボックスが形成された、リング状の磁石ホルダと、
前記磁石ホルダの前記磁石ボックスに収容される永久磁石と、
前記磁石ホルダの幅よりも広い幅を有するリング状に形成されて、前記磁石ホルダと同心に前記磁石ホルダの上表面に取り付けられて、前記磁石ホルダから前記磁石ホルダの径方向に延在する延在部を有するカバーと、
前記磁石ホルダおよび前記カバーと同心になるように前記カバーおよび前記磁石ホルダに固定されたギヤとを含み、
前記エネルギー変換装置は、
前記磁石リングを収容し、前記ギヤの一部を外部に露出させる窓部が形成された、リング状のケースと、
前記ケースの内側面と前記磁石ホルダとの間に、前記ケースの底面と前記カバーの前記延在部とに接するように配置された複数の車輪と、
前記複数の車輪の各々の回転軸が通されて、前記複数の車輪の間の相対的な距離を規定する規定部材と、
前記ケースの周囲に巻回された少なくとも１つのコイルとをさらに備える、エネルギー変換装置。
【請求項２】
前記複数の車輪の各々は、
前記回転軸によって接続される、少なくとも２つの円板を含む、請求項１に記載のエネルギー変換装置。
【請求項３】
前記ケースの内壁面と、前記カバーおよび前記磁石ホルダの少なくとも一方との間に配置された転動体をさらに備える、請求項１または２に記載のエネルギー変換装置。
【請求項４】
前記ギヤの内半径は、前記ケースの内半径よりも大きく、
前記転動体は、前記ギヤと前記ケースの前記内壁面との間に配置される、請求項３に記載のエネルギー変換装置。
【請求項５】
前記ケースの上方に設けられた容器と、
前記容器内で自在に回転可能なように前記容器に収容された球状磁石とをさらに備える、請求項１から４のいずれか１項に記載のエネルギー変換装置。
【請求項６】
前記磁石ホルダの径方向に沿った前記磁石ホルダの断面は、略矩形であり、
前記ケースの径方向に沿った前記ケースの断面は、略矩形であり、
前記コイルの断面は、略矩形である、請求項１から５のいずれか１項に記載のエネルギー変換装置。
【請求項７】
前記エネルギー変換装置は、発電機であり、
前記ギヤは、動力源のギヤと噛み合わされる、請求項１〜６のいずれか１項に記載のエネルギー変換装置。
【請求項８】
前記エネルギー変換装置は、モータであり、
前記モータは、前記ケースに対向して配置された固定子をさらに備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載のエネルギー変換装置。
【請求項９】
前記固定子は、前記ケースに対して外側に設けられ、
前記エネルギー変換装置は、
前記固定子の外側に設けられ、リング状に配置された複数の永久磁石を含む、追加の磁石リングと、
前記追加の磁石リングに通される、追加のコイルと、
前記追加の磁石リングに対して外側に配置される、追加の固定子とをさらに備える、請求項８に記載のエネルギー変換装置。
【請求項１０】
前記固定子は、前記ケースに対して外側に設けられ、
前記エネルギー変換装置は、
前記固定子の外側に設けられ、前記ギヤと同じ歯数を有するギヤが形成され、リング状に配置された複数の永久磁石を含む、追加の磁石リングと、
前記追加の磁石リングに通される、追加のコイルと、
前記磁石リングおよび前記追加の磁石リングの回転を互いに同期させるための同期機構とをさらに備え、
前記同期機構は、
前記ギヤと噛み合う第１のギヤと、
前記追加のギヤと噛み合う第２のギヤと、
前記第１および第２のギヤをつなぐ回転軸とを有し、
前記第１のギヤの歯数と前記第２のギヤの歯数とは等しい、請求項８に記載のエネルギー変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気エネルギーと機械エネルギーとのうちの一方から他方へと変換するエネルギー変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電機は、機械エネルギーを電気エネルギーへと変換する。モータは、電気エネルギーを機械エネルギーへと変換する。電気エネルギーと機械エネルギーとの間での変換の際に、エネルギーの損失が発生する。発電機あるいはモータに与えられたエネルギーの利用効率を高めるために、エネルギーの変換の際に生じる損失をできる限り小さくすることが要求される。
【０００３】
たとえば、リング状に配置された複数の永久磁石が複数のコイルを貫通するように構成された発電機がこれまでに提案されている。たとえば特開２０１０−２８３９８３号公報（特許文献１）は、小型かつ軽量でありながら高い発電効率を有する発電機を開示している。この文献に開示された発電機は、複数の永久磁石が収容されたリングと、リングの回転によって永久磁石が通過するように配置されたコイルと、リングを回転させ、かつそのリングを支持するためのローラコンベアとを備える。ローラコンベアはリングの下に配置される。この構成によれば、コイルの鉄心が不要となるので、発電機の小型化および軽量化を図ることができる。さらにリングを少ない力で回転させることができるので、機械的エネルギーの損失が少なくなる。この結果、発電機からより多くの電気エネルギーを取り出すことができるので、発電効率を高めることができる。
【０００４】
たとえば特開２００９−２２１４０号公報（特許文献２）は、上記のような、リング状に配置された複数の永久磁石が複数のコイルを貫通する構成に、リングを回転させるためのゴムローラが追加された回転型発電機を開示する。このゴムローラは、リングの外側面と接する。したがって、リングはゴムローラによって保持されるとともにゴムローラの回転にともなって回転する。
【０００５】
上記の特許文献２と類似する構成がたとえば特開平７−２３５４７号公報（特許文献３）および国際公開第２００８／０３２４１０号（特許文献４）に開示されている。すなわち、特許文献３および特許文献４のいずれに開示された発電機においても、永久磁石を固定するためのリングがローラに接している。このローラによってリングが保持されるとともに回転させられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２８３９８３号公報
【特許文献２】特開２００９−２２１４０号公報
【特許文献３】特開平７−２３５４７号公報
【特許文献４】国際公開第２００８／０３２４１０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の構成の発電機においては、永久磁石の数を増やすことで発電機の出力を高めることができる。あるいは、より大きなサイズの永久磁石によって磁力を高めることで、発電機の出力を高めることも考えられる。しかしながら、永久磁石の数を増やす、あるいは、永久磁石のサイズを大きくすることによって、永久磁石が実装されたリングの重量が増大するという課題が発生する。
【０００８】
上記の特許文献１〜４の各々に開示された発電機は、いずれもリングの回転を軽くするための構造を備えている。しかしながら、上記文献に開示されたいずれの構成も、リングの重量が増大すると、リングによってローラあるいは転動体が上から押さえつけられる。このために、リングの軽い回転を達成することが難しくなる。リングを軽く回転させることができなければ、リングの回転にともなう運動エネルギーの損失が大きくなる。したがって発電機の出力を期待されたほど高くすることができなくなる。
【０００９】
たとえば、特許文献１の構成によれば、リングが重くなると、転動体（金属製のボール）がリングによって上から押さえつけられるために転動体の動きが鈍くなる。このような問題を解決するため、転動体を大きくして、リングに対する転動体の接触面積を小さくすることが考えられる。しかし転動体を大きくすることによって発電機のサイズが大型化する。さらに、コイルはリングおよびベアリングの周囲に巻かれているので、転動体のサイズを大きくすると、コイルの直径が大きくなる。この結果、コイルが磁石から遠ざかる。コイルが磁石から遠ざかることによって、発電機から取り出されるエネルギー（電力）が小さくなる。
【００１０】
また、特許文献２に開示された構成によれば、リングが重たくなると、リングとゴムローラとの接触面積が増大する。接触面積が増大することによって、摩擦力が増大する。このためにリングの滑らかな動きが妨げられる。また、リングが重たくなることで、ゴムローラでリングを支えるための構造上の工夫が必要になるという課題も発生する。
【００１１】
特許文献３および特許文献４に開示された構成の場合にも、リングの重量が増加すると、リングをローラで支えるための構造上の工夫が必要になると考えられる。さらに、リングを支持するためにローラを頑丈にすると、ローラを滑らかに回転させることが難しくなる可能性がある。
【００１２】
なお、特許文献１〜４に開示された発電機をモータとして使用する場合にも、同じような課題が発生する。すなわち、特許文献１〜４に開示された構成によれば、永久磁石の数の増加、あるいは永久磁石のサイズの増大によってリングの重量が増加すると、リングを回転させにくくなるために、モータの出力を高めることが難しくなる。しかしながら、特許文献１〜４は、永久磁石が実装されたリングを回転および保持する構造は示しているものの、エネルギー変換装置（発電機あるいはモータ）の出力をより高めるために必要な構造については何ら具体的に記載していない。
【００１３】
本発明は上記の課題を解決するためのものであって、その目的は、リング状に配置された永久磁石を備えるエネルギー変換装置の出力を高めることを可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明のある局面に係るエネルギー変換装置は、電気エネルギーと機械エネルギーとのうちの一方から他方へと変換するエネルギー変換装置である。エネルギー変換装置は磁石リングを備える。磁石リングは、上部が開口した磁石ボックスが形成された、リング状の磁石ホルダと、磁石ホルダの磁石ボックスに収容される永久磁石と、磁石ホルダの幅よりも広い幅を有するリング状に形成されて、磁石ホルダと同心に磁石ホルダの上表面に取り付けられて、磁石ホルダから磁石ホルダの径方向に延在する延在部を有するカバーと、磁石ホルダおよびカバーと同心になるようにカバーおよび磁石ホルダに固定されたギヤとを含む。エネルギー変換装置は、磁石リングを収容し、ギヤの一部を外部に露出させる窓部が形成された、リング状のケースと、ケースの内側面と磁石ホルダとの間に、ケースの底面とカバーの延在部とに接するように配置された複数の車輪と、複数の車輪の各々の回転軸が通されて、複数の車輪の間の相対的な距離を規定する規定部材と、ケースの周囲に巻回された少なくとも１つのコイルとをさらに備える。
【００１５】
この構成によれば、磁石リングが、カバーの延在部とケースの底面との間に挟まれた複数の車輪で支持される。磁石リングの重量が複数の車輪に分散されるため、１つの車輪に加わる力が小さくなる。さらに、各車輪はカバーの延在部およびケースの底面に対して小さな面積で接触している。このため、磁石リングの重量が増大しても、車輪を軽く回転させることができる。つまり、磁石リングの回転を軽くすることができる。磁石リングの回転が軽くなるので、磁石リングの回転にともなうエネルギーの損失を少なくすることができる。したがって、リング状に配置された永久磁石を備えるエネルギー変換装置の出力を高めることができる。
【００１６】
上記の構成において、エネルギー変換装置は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する装置（すなわちモータ）でもよく、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する装置（すなわち発電機）であってもよい。
【００１７】
磁石リングに形成される磁石ボックスの数は、少なくとも１つであればよく、特に限定されない。同じく、コイルは少なくとも１つあればよく、複数あってもよい。
【００１８】
好ましくは、複数の車輪の各々は、回転軸によって接続される、少なくとも２つの円板を含む。
【００１９】
この構成によれば、各々の車輪の回転を軽くすることができるだけでなく、車輪の耐久性を高めることができる。一重の円板によって車輪を構成した場合、各車輪に加わる力（リングの重量による荷重）に耐えるためには、円板の厚みを大きくしなければならない。しかしながら、円板の厚みを大きくすることによって、カバーの延在部およびケースの底面に対する車輪の接触面積が大きくなる。この結果、車輪の回転が悪くなる可能性がある。上記の構成によれば、各車輪に加わる力は、複数の円板に分散されるので、１つの円板に加わる力が小さくなる。円板の回転が軽くなるとともに、円板の耐久性も高められる。したがって、各々の車輪の回転を軽くすることができるだけでなく、車輪の耐久性を高めることができる。
【００２０】
好ましくは、エネルギー変換装置は、ケースの内壁面と、カバーおよび磁石ホルダの少なくとも一方との間に配置された転動体をさらに備える。
【００２１】
この構成によれば、磁石リングの回転を安定させることができる。磁石リングの回転に伴い、磁石リングには遠心力が作用する。磁石リングが水平面内で振動する可能性がある。転動体によって、磁石リングの振動を抑えることができる。さらに、転動体は、磁石リングの回転を補助する。これにより、磁石リングの回転を安定させることができる。
【００２２】
好ましくは、ギヤの内半径は、ケースの内半径よりも大きい。転動体は、ギヤとケースの内壁面との間に配置される。
【００２３】
この構成によれば、磁石リングの回転を安定させることができる。
好ましくは、エネルギー変換装置は、ケースの上方に設けられた容器と、容器内で自在に回転可能なように容器に収容された球状磁石とをさらに備える。
【００２４】
この構成によれば、磁石ホルダに収容された永久磁石と、球状磁石との間の反発力および吸引力を利用することで、磁石リングの回転をより軽くすることができる。
【００２５】
好ましくは、磁石ホルダの径方向に沿った磁石ホルダの断面は、略矩形である。ケースの径方向に沿ったケースの断面は、略矩形である。コイルの断面は、略矩形である。
【００２６】
この構成によれば、磁石ホルダとケースとの間の隙間を小さくすることができる。したがって、ケースの周囲に巻回されたコイルと、磁石ホルダに収容された永久磁石との間の隙間も小さくすることができる。永久磁石とコイルとの間の隙間を小さくすることによって永久磁石とコイルとの間の磁気結合を高めることができる。したがって、エネルギー変換装置の出力を高めることができる。
【００２７】
好ましくは、エネルギー変換装置は、発電機である。ギヤは、動力源のギヤと噛み合わされる。
【００２８】
この構成によれば、高出力の発電機を実現できる。
好ましくは、エネルギー変換装置は、モータである。モータは、ケースに対向して配置された固定子をさらに備える。
【００２９】
この構成によれば、高出力のモータを実現できる。
好ましくは、固定子は、ケースに対して外側に設けられる。エネルギー変換装置は、固定子の外側に設けられ、リング状に配置された複数の永久磁石を含む、追加の磁石リングと、追加の磁石リングに通される、追加のコイルと、追加の磁石リングに対して外側に配置される、追加の固定子とをさらに備える。
【００３０】
この構成によれば、より高出力のエネルギー変換装置を実現できる。
好ましくは、固定子は、ケースに対して外側に設けられる。エネルギー変換装置は、固定子の外側に設けられ、ギヤと同じ歯数を有するギヤが形成され、リング状に配置された複数の永久磁石を含む、追加の磁石リングと、追加の磁石リングに通される、追加のコイルと、磁石リングおよび追加の磁石リングの回転を互いに同期させるための同期機構とをさらに備える。同期機構は、ギヤと噛み合う第１のギヤと、追加のギヤと噛み合う第２のギヤと、第１および第２のギヤをつなぐ回転軸とを有する。第１のギヤの歯数と第２のギヤの歯数とは等しい。
【００３１】
この構成によれば、内側の磁石リングおよび、外側の磁石リング（追加の磁石リング）を同期して回転させることができるので、固定子を２つの磁石リングの間で共通化することができる。２つの磁石リングを同期して回転させることにより、エネルギー変換装置の出力をより高めることができる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、磁石リングを、カバーの延在部とケースの底面との間に挟まれた複数の車輪で支持するとともに回転させる。これにより、磁石リングの重量が増大しても、その磁石リングの回転を軽くすることができる。したがって、リング状に配置された永久磁石を備えるエネルギー変換装置の出力を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るエネルギー変換装置の主要部を概略的に示した上面透視図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ方向に沿った、エネルギー変換装置の断面を示す断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩに沿った、エネルギー変換装置の断面を示す断面図である。
【図４】図１〜図３に示した磁石ホルダの斜視図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ方向に沿った磁石ホルダの断面を示す断面図である。
【図６】磁石ホルダにおける永久磁石の配置を説明するための図である。
【図７】永久磁石の第１の構成例を示す図である。
【図８】永久磁石の第２の構成例を示す図である。
【図９】分解可能に構成された磁石ホルダの例を示した図である。
【図１０】磁石ホルダの構成部品同士の接合に関する構造の一例を示した図である。
【図１１】コイルに関する構成を示した第１の図である。
【図１２】コイルに関する構成を示した第２の図である。
【図１３】複数の車輪の配置を示した上面図である。
【図１４】規定部材の構成の一例を示した図である。
【図１５】図１４に示された規定部材および車輪の上面図である。
【図１６】規定部材の構成の別の例を示した図である。
【図１７】車輪による効果を説明するための模式図である。
【図１８】図１７に示された構成の側面図である。
【図１９】一重の円板により構成される車輪を説明した図である。
【図２０】第１の比較例の構成を示した図である。
【図２１】第２の比較例の構成を示した上面図である。
【図２２】図２１に示された比較例の一部を示した立面図である。
【図２３】一般的なコイルの断面を説明した図である。
【図２４】本発明の実施の形態に係る磁石ホルダとコイルとの間の配置関係を模式的に示した断面図である。
【図２５】本発明の第２の実施の形態に係るエネルギー変換装置の主要部を概略的に示した上面透視図である。
【図２６】球状磁石による永久磁石の回転の補助を説明するための図である。
【図２７】本発明の実施の形態に係るエネルギー変換装置の第１の変形例を示した図である。
【図２８】本発明の実施の形態に係るエネルギー変換装置の第２の変形例を示した図である。
【図２９】本発明の実施の形態に係るエネルギー変換装置の第３の変形例を示した図である。
【図３０】本発明の実施の形態に係るエネルギー変換装置が発電機として使用される一実施例を示した図である。
【図３１】図３０に示した構成を模式的に説明した側面図である。
【図３２】本発明の実施の形態に係るエネルギー変換装置がモータ（電動機）として使用される一実施例を示した図である。
【図３３】図３２に示した構成を模式的に説明した側面図である。
【図３４】本発明の実施の形態に係るエネルギー変換装置の別の実施例を示した模式図である。
【図３５】本発明の実施の形態に係るエネルギー変換装置のさらに別の実施例を示した模式図である。
【図３６】２つの磁石リングを同期して回転させる機構の構成例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００３５】
［実施の形態１］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るエネルギー変換装置の主要部を概略的に示した上面透視図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ方向に沿った、エネルギー変換装置の断面を示す断面図である。図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩに沿った、エネルギー変換装置の断面を示す断面図である。
【００３６】
図１から図３を参照して、エネルギー変換装置１００は、水平面に設置される。本明細書では、「水平面」との用語は、重力方向に対して交差する面を意味し、重力方向に対して厳密に９０°の角度で交差する面であると限定されるものではない。ただし、重力方向とのなす角度が９０°にできるだけ近い面にエネルギー変換装置１００を置くほうが、エネルギー変換装置１００の動作の上では好ましい。また、本明細書において上下方向とは、重力方向（鉛直方向）を意味するものとする。
【００３７】
エネルギー変換装置１００は、永久磁石１と、磁石ホルダ２と、カバー３と、ギヤ４と、ケース５と、車輪６と、転動体７と、コイル８とを備える。永久磁石１と、磁石ホルダ２と、カバー３と、ギヤ４とによって磁石リングが構成される。
【００３８】
永久磁石１は、磁石ホルダ２に形成された磁石ボックス２ａに収容される。図１では１０個の永久磁石が磁石ホルダ２に収容されるように示される。ただしこの構成は一例であり、磁石ホルダ２に収容される永久磁石１の個数は少なくとも１個であればよい。
【００３９】
永久磁石１には、希土類磁石が好適に用いられる。一般に、同じ大きさのフェライト磁石に比較して、希土類磁石は強い磁力（保磁力）を有する。希土類磁石としては、たとえばサマリウムコバルト磁石あるいはネオジム磁石を用いることができる。本発明の実施の形態では特にネオジム磁石が好適に用いられる。
【００４０】
ネオジム磁石は一般にサマリウムコバルト磁石に比較して、同じ大きさで強い磁力（保磁力）を有する。したがって、たとえば小型の永久磁石を用いることができる。あるいは、同じサイズのサマリウムコバルト磁石を用いた場合に比べて、ネオジム磁石を用いることによりエネルギー変換装置の出力を高める（大きなエネルギーを取り出す）ことができる。ただし本発明の実施の形態は、希土類磁石以外の永久磁石を排除するものではない。永久磁石１にフェライト磁石を使用することも、もちろん可能である。
【００４１】
磁石ホルダ２は、リング状に形成されて、永久磁石１を保持する。磁石ボックス２ａの上部は開口している。したがって、永久磁石１は、磁石ホルダ２の上方から磁石ボックス２ａに挿入される。磁石ホルダ２には、複数の磁石ボックスが形成されている。磁石ボックス２ａに永久磁石１を挿入することにより、永久磁石１がリング状に配置される。なお、すべての磁石ボックス２ａに永久磁石１が収容されるように限定されるものではなく、複数の磁石ボックス２ａの少なくとも１つに永久磁石１が入っていなくてもよい。
【００４２】
磁石ホルダ２は非磁性材料によって作製される。非磁性材料であれば磁石ホルダ２の材質は特に限定されない。１つの実施形態において、磁石ホルダ２は非磁性金属（たとえばアルミニウム）によって形成される。永久磁石１の温度が高くなりすぎると永久磁石１が減磁する可能性がある。つまり永久磁石１の磁力が弱くなる可能性がある。磁石ホルダ２を非磁性金属によって形成することにより、永久磁石１に生じる熱を効率よく外部に放散することができるので、このような問題が生じる可能性を低減することができる。別の実施の形態において磁石ホルダ２は樹脂材料により形成される。樹脂材料により磁石ホルダ２を形成することで、磁石ホルダ２の重量を軽くすることができる。さらに磁石ホルダ２の成形が容易になるという利点も得ることができる。
【００４３】
カバー３は、リング状に形成されるとともに、磁石ホルダ２の上面を覆う。カバー３は、磁石ホルダ２と同心となるように磁石ホルダ２に取り付けられる。カバー３の幅は、磁石ホルダ２の幅よりも広く形成されている。したがって、カバー３が磁石ホルダ２に取り付けられた状態において、カバー３には延在部３ａが形成される。延在部３ａは、磁石ホルダ２から突出したカバー３の部分である。この実施の形態では、延在部３ａは、磁石ホルダ２の内径方向に延在する。
【００４４】
ギヤ４は、カバー３および磁石ホルダ２に機械的に固定される。ギヤ４は、リング状に形成され、カバー３とともに、磁石ホルダ２と同心に配置される。ギヤ４およびカバー３を固定するためにネジ１１が用いられる。ネジ１１はギヤ４およびカバー３を貫通し、磁石ホルダ２に固定される。
【００４５】
ネジ１１の頭がギヤ４の上表面から突出しないようにギヤ４の上表面が加工される。ギヤ４には、エネルギー変換装置１００の外部のギヤ（図示せず）と噛み合うために外歯が形成される。ギヤ４の外歯は、磁石ホルダ２の回転軸に対して外側に向けられている。
【００４６】
カバー３と同様に、ギヤ４の幅は、磁石ホルダ２の幅よりも広い。ギヤ４をカバー３に取り付けたときに、ギヤ４は磁石ホルダ２から、磁石ホルダ２の内径方向に延在する。ギヤ４の幅はカバー３の幅よりも小さい。具体的には、ギヤ４の内径がカバー３の内径よりも大きい。ギヤ４の外径はカバー３の外径とほぼ同じ大きさである。したがって、ケース５の内側面とギヤ４との間にスペースが形成される。このスペースに転動体７が配置される。
【００４７】
ケース５は、磁石リング、すなわち、永久磁石が収容された磁石ホルダ２とカバー３とギヤ４とを収容する。ケース５は、磁石ホルダ２とカバー３とギヤ４と共通の中心を有するリング状に形成される。点Ｐは、磁石ホルダ２、カバー３、ギヤ４およびケース５の共通の中心を示している。点Ｐで表される中心とは、図２および図３に示した回転軸に対応する。以後説明する図においても、点Ｐと回転軸との間の関係は上記の関係と同じであるので説明は繰り返さない。
【００４８】
ギヤ４の一部を外部に露出させるための窓部５ａがケース５に形成される。窓部５ａにおいて、外部のギヤ（図示せず）をギヤ４に噛みあわせることができる。なお、ギヤ４の一部が露出可能であれば、窓部５ａが形成される箇所は限定されない。また、窓部５ａはケース５の１箇所に形成されるものと限定されず、ケース５の複数の箇所に形成されていてもよい。
【００４９】
車輪６は、円板６ａ，６ｂと、円板６ａ，６ｂをつなぐ回転軸６ｃとを有する。車輪６は、ケース５の内側面と磁石ホルダ２との間に配置される。さらに車輪６は、ケース５の底とカバー３の延在部３ａとに接する。すなわち、車輪６は、カバー３の延在部３ａを支持することで、永久磁石１が収容された磁石ホルダ２を支持している。磁石ホルダ２の回転にともない、車輪６が回転する。車輪６の回転に伴い、磁石ホルダ２を滑らかに回転させることができる。
【００５０】
磁石リングの重量、つまり、磁石ホルダ２、カバー３およびギヤ４の重量の合計を分散させるために、車輪６の個数は多いほど好ましい。このため、車輪６の個数は２以上であることが好ましい。さらに、磁石ホルダ２を安定的に回転させるため、車輪６の個数が３以上であることが好ましい。理想的には、車輪６とカバー３とは点で接する。３つの点によって１つの平面が規定される。車輪６の個数が３であれば、各車輪６にカバー３が接することで、カバー３の表面が、上記の「１つの平面」と一致する。したがって、たとえば磁石ホルダ２の回転中にカバー３が傾いたり上下に振動したりすることを防止することができる。
【００５１】
各々の車輪６の回転軸６ｃは規定部材９に通される。これにより、複数の車輪６の間の相対的な距離が規定される。磁石ホルダ２の回転に伴ってカバー３が回転しても、規定部材９によって複数の車輪６の間の相対的な距離は変化しない。これにより、車輪６がカバー３を安定的に支持することができるとともに、磁石ホルダ２を滑らかに回転させ続けることができる。車輪６をできるだけ滑らかに回転させるために、規定部材９は、回転軸６ｃとの接触部分ができるだけ小さくなるように形成されることが好ましい。規定部材９の具体例については後に詳細に説明する。
【００５２】
この実施の形態では、磁石ホルダ２がカバー３に吊下げられるとともに車輪６がカバー３を支持している。したがってカバー３は、ある程度の強度を有することが望ましい。ただし、カバー３の材質は特に限定されず、たとえば金属、樹脂などである。また、車輪６も、磁石ホルダ２、カバー３およびギヤ４の重量に耐えうる強度を有する必要がある。さらに磁石ホルダ２が高速で回転した場合、カバー３の回転により車輪６も高速に回転する。このため高速の回転が可能なように、車輪６は、できるだけ軽量であることが好ましい。したがって車輪６は、たとえば金属（たとえばアルミニウム）により形成される。
【００５３】
転動体７は、非磁性体の球である。転動体７はギヤ４とケース５の内側面とに接する。これにより、磁石ホルダ２の回転の際に、磁石ホルダ２が左右方向（磁石ホルダ２の径方向）に振動することを防止することができる。カバー３は車輪６と接しているが、カバー３と車輪６との間の摩擦力は小さい。したがって磁石ホルダ２の回転の際に、遠心力によってカバー３が左右方向にスライドする可能性がある。ギヤ４とケース５の内側面とに接する転動体７を配置することにより、カバー３が左右方向にスライドすることを防止できるので、磁石ホルダ２が左右方向（磁石ホルダ２の径方向）に振動することを防止することができる。したがって、磁石ホルダ２の回転を安定させることができる。
【００５４】
さらに、ケース５、転動体７およびギヤ４によってボールベアリングが構成される。転動体７が回転することにより、磁石ホルダ２の回転を補助することができる。これによっても磁石ホルダ２の回転を安定させることができる。
【００５５】
転動体７は、ギヤ４およびケース５の内側面に加えて、ケース５の内側の上面（ギヤ４と対向する面）に接する。これにより磁石ホルダ２の回転の際に、左右方向だけでなく、上下方向にも磁石ホルダ２の振動を抑えることができる。
【００５６】
なお、転動体７に円柱（コロ）を用いてもよい。この場合、円柱（コロ）の側面がギヤ４とケース５の内側面に接するように円柱（コロ）が設けられる。この構成によれば、磁石ホルダ２が左右方向（磁石ホルダ２の径方向）に振動することを防止することができる。
【００５７】
コイル８は、巻枠１０に巻回される。巻枠１０は、ケース５に通される。したがってコイル８はケース５の周囲に巻回される。コイル８の線材、巻数は特に限定されるものではない。また、巻枠１０は、エネルギー変換装置１００を平面上に支持するための支持部材としての役割も果たす。
【００５８】
磁石ホルダ２の断面は矩形である。さらにケース５の断面も矩形である。巻枠の断面が円形である場合、磁石ホルダ２とコイル８との間の距離が大きくなる可能性がある。コイル８と永久磁石１との間の距離が大きくなるとコイル８と永久磁石１との間の磁気結合力が低下する。しかし、この実施の形態では、巻枠１０の断面も矩形であるので、磁石ホルダ２とコイル８との間の距離をできるだけ短くすることができる。これにより、コイル８と永久磁石１との間の磁気結合力の低下を抑えることができる。
【００５９】
なお、図２および図３では車輪６の構造を明確に示すため、車輪６が左右方向に大きく描かれている。しかし車輪６の左右方向の幅はできるだけ小さいことが好ましい。
【００６０】
図１では、５個のコイル８が示されている。しかしながらコイル８の個数は最低１つであればよく、特に限定されるものではない。コイル８の個数が複数である場合、それら複数のコイルはケース５によって規定される円周上に等角度で配置されることが好ましい。
【００６１】
本発明の実施の形態に係るエネルギー変換装置１００は、電気エネルギー（電力）と機械エネルギー（運動エネルギー）とのうちの一方から他方へと変換可能なように構成される。１つの実施の形態において、エネルギー変換装置１００は発電機として使用される。この場合、ギヤ４と噛合う外部のギヤを動力源によって回転させる。これにより、磁石ホルダ２を回転させるための運動エネルギーがエネルギー変換装置１００に与えられる。磁石ホルダ２に収容された永久磁石１がコイル８の内部を貫通することで、コイル８に電圧が発生する。したがって、エネルギー変換装置１００から電気エネルギーを取り出すことができる。すなわち、エネルギー変換装置１００は、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する。
【００６２】
他の実施の形態では、エネルギー変換装置１００はモータ（電動機）として用いられる。この場合には、磁石ホルダ２が回転子として機能し、複数のコイル８が固定子として機能する。複数のコイル８の各々に電圧が印加されることによって、エネルギー変換装置１００に電気エネルギーが与えられる。複数のコイル８は、所定の電気角で配置されている。複数の第１のコイルの各々に印加される電圧の極性が電気角に同期して切り替えられる。これにより永久磁石１が収容された磁石ホルダ２が回転する。すなわち、エネルギー変換装置１００は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する。エネルギー変換装置１００の利用形態の一例については、後に詳細に説明する。
【００６３】
図４は、図１〜図３に示した磁石ホルダ２の斜視図である。図５は、図４のＶ−Ｖ方向に沿った磁石ホルダ２の断面を示す断面図である。図４および図５を参照して、磁石ホルダ２には複数の磁石ボックス２ａが形成される。磁石ボックス２ａの上部は開口している。さらに磁石ホルダ２には、図２および図３で示されたネジ１１を固定するためのネジ穴２ｂが形成される。
【００６４】
図６は、磁石ホルダにおける永久磁石の配置を説明するための図である。図６を参照して、１０個の永久磁石１ａ〜１ｊは、磁石ホルダ２の内部において、円周１２に沿うように配置されるとともに保持される。連続的に電気エネルギーを取り出すため、あるいは、連続的に磁石ホルダ２を回転させるため、隣り合う２つの永久磁石は、同じ極（Ｎ極またはＳ極）同士が対向するように磁石ホルダ２の内部で配置される。
【００６５】
機械エネルギーと電気エネルギーとのうちの一方から他方へと変換する機能の観点からは、磁石ホルダ２に収容される永久磁石の個数は最低１つであればよい。ただし、磁石ホルダ２の重量のバランスを取る観点からは、磁石ホルダ２の内部において複数の永久磁石を等方的に配置することが好ましい。これにより、磁石ホルダ２の回転を安定させることができるので、磁石ホルダ２を高速で回転させることが可能となる。
【００６６】
また、同極が対向するように永久磁石が配置されるのであれば、磁石ホルダ２に収納される永久磁石の個数は１０個に限定されるものではない。エネルギー変換装置１００の性能、寸法あるいはコイル８の個数および配置等によって、磁石ホルダ２に収納される永久磁石の個数は適切に定められる。
【００６７】
図７は、永久磁石の第１の構成例を示す図である。図７を参照して、永久磁石１は、各々が扇状に形成された複数の磁石ブロック１．１を含む。磁石ブロック１．１の外周部の長さ（磁石ブロック１．１の厚み）はｔ１である。適切な個数の磁石ブロック１．１を並べることにより、永久磁石１の外周の長さＬ１を、磁石ボックス２ａ（図４参照）の外周の長さにできるだけ近づけることができる。したがって、磁石ボックス２ａの内部に、できるだけ多くの磁石ブロック１．１を並べることができる。隣り合う２つの磁石ブロック同士は、Ｎ極とＳ極とが対向し合うように並べられる。
【００６８】
図８は、永久磁石の第２の構成例を示す図である。図８を参照して、永久磁石１は、直方体（角型）の複数の磁石ブロック１．２を含む。磁石ブロック１．２の厚みはｔ２である。図７に示した構成と同様に、適切な個数の磁石ブロック１．１を並べることにより、永久磁石１の長さＬ２を磁石ボックス２ａ（図４参照）の内周の長さにできるだけ近づけることができる。図７に示された構成と同様に、隣り合う２つの磁石ブロック同士は、Ｎ極とＳ極とが対向し合うように並べられる。
【００６９】
上述のように、永久磁石１には、たとえばネオジム磁石など、強い保磁力を有する永久磁石を適用することが可能である。しかしながら単一の磁石ブロックの場合、そのサイズが大きくなるほど、サイズに応じた磁力を得ることが困難となる。本実施の形態では、複数の磁石ブロックが並べて配置されることで１個の永久磁石１が構成される。磁石ブロックの個数を調整することで、磁力を調整することが可能となる。したがって永久磁石１の磁力を強めることができる。
【００７０】
磁石ホルダ２を複数のコイル８に通すために、たとえば磁石ホルダ２が分解可能に構成される。図９は、分解可能に構成された磁石ホルダ２の例を示した図である。図９を参照して、たとえば磁石ホルダ２は、８つの部品２．１〜２．８に分解可能である。部品同士の接合によって、磁石ホルダ２が形成される。
【００７１】
図１０は、磁石ホルダの構成部品同士の接合に関する構造の一例を示した図である。図１０を参照して、部品２．１の接合面には４つのピン穴２ｄと、２つの凹部２ｅと、２つの凸部２ｆとが形成される。一方、部品２．２の接合面側にもピン穴２ｄに対応する位置にピン穴が形成され、そのピン穴にピン２ｇが挿入される。さらに、部品２．２の接合面には、部品２．１の凹部２ｅに嵌合される凸部２ｈと、部品２．１の凸部２ｆに嵌合される凸部２ｉとが形成される。ピン２ｇをピン穴２ｄに差し込み、凹部と凸部とを嵌合させることで部品２．１と部品２．２とが接合される。他の部品同士の接合の構造も図１０に示した構造と同じである。
【００７２】
なお、カバー３、ギヤ４およびケース５もリング状に形成される。したがって、カバー３、ギヤ４およびケース５も磁石ホルダ２と同様に複数の部分に分割可能に構成される。複数の部品を接合するための構成には、磁石ホルダ２における構成と類似の構成を適用できる。
【００７３】
図１１は、コイル８に関する構成を示した第１の図である。図１２は、コイルに関する構成を示した第２の図である。図１１および図１２を参照して、コイル８が巻回された巻枠１０がピン１０ａおよびネジ１０ｂによって土台１５に固定される。土台１５の表面がエネルギー変換装置１００の設置面に対応する。ピン１０ａは土台１５の表面に設置される。
【００７４】
また、土台１５には、ネジ穴が形成される。土台１５の表面と接する巻枠１０の部分では、巻枠１０の内側に向かってピン１０ａが差し込まれるピン穴１０ｃが形成されるとともに、ネジ１０ｂを通すための貫通孔が形成される。ピンおよびネジの両方が必要と限定されるものではなく、ピンおよびネジのいずれか一方によって巻枠１０を土台１５に固定することもできる。
【００７５】
コイル８の巻枠１０がたとえば上下方向に分割可能なように構成されていてもよい。この場合には、ケース５を挟むように巻枠１０を組立てて、その巻枠１０にコイル８が巻き付けられる。巻枠１０にコイル８が巻き付けられた後に、図１１および図１２に示されるように、土台１５に巻枠１０が設置される。さらに、巻枠１０だけでなくコイル８も分割されていてもよい。この構成の場合には、磁石ホルダ２、カバー３、ギヤ４およびケース５の各々を複数の部品に分割しなくてもエネルギー変換装置を組立てることが可能となる。
【００７６】
続いて、磁石ホルダ２を支持および回転させるための構成について詳細に説明する。本発明の実施の形態では、磁石ホルダ２に取り付けられたカバー３を複数の車輪６によって支持する。さらに、複数の車輪６は、磁石ホルダ２の回転（カバー３の回転）に伴って回転する。
【００７７】
図１３は、複数の車輪６の配置を示した上面図である。図１３を参照して、複数の車輪６の回転軸は、規定部材９に通される。規定部材９は円環状に形成される。したがって、複数の車輪６は、円周上に配置される。規定部材９によって、２つの車輪６の間の相対的な距離（図１３に示された距離Ｄ）が一定に保たれる。かつ、複数の車輪６は円周上において等角度に配置される。したがって、カバー３を安定的に保持することができる。これにより、カバー３に取り付けられた磁石ホルダ２を安定的に回転させることができる。なお、カバー３および磁石ホルダ２が回転する際には、複数の車輪６および規定部材９の全体が、規定部材９によって定まる円周に沿って回転する。
【００７８】
図１４は、規定部材の構成の一例を示した図である。図１５は、図１４に示された規定部材および車輪の上面図である。図１４および図１５を参照して、回転軸６ｃは、円板６ａ，６ｂを固定するピンとして形成される。円板６ａ，６ｂには回転軸６ｃを通すための貫通孔が形成される。さらに規定部材９にも、回転軸６ｃ（ピン）を通すための貫通孔９ａが形成される。
【００７９】
図１６は、規定部材の構成の別の例を示した図である。図１６を参照して、規定部材９には切欠き９ｂが形成される。切欠き９ｂが車輪６の回転軸６ｃに引っ掛けられる。回転軸６ｃと規定部材９との間の摩擦力をできるだけ少なくするために、回転軸６ｃと規定部材９との互いの接触部分ができるだけ小さくなるように、貫通孔９ａあるいは切欠き９ｂが形成されることが好ましい。なお、図１４〜図１６に示された構成に限定されず、種々の構成を規定部材に採用することができる。
【００８０】
図１７は、車輪６による効果を説明するための模式図である。図１７を参照して、説明を簡単にするため、磁石ホルダ２が取り付けられたカバー３、およびカバー３に取り付けられたギヤ４を３つの車輪６によって支持するものとする。磁石ホルダ２には永久磁石１が収容されている。また、説明を簡単にするため、規定部材９は図１７には示されていない。
【００８１】
永久磁石１を含む磁石ホルダ２、カバー３およびギヤ４の全体の重量が３つの車輪６に印加される。したがって、車輪６においてカバー３と接する部分には力Ｆ１（荷重）が下向きに印加される。一方、車輪６への荷重に対する反作用によって、車輪６においてケース５と接する部分に、力Ｆ１と同じ大きさの力Ｆ２が上向きに印加される。
【００８２】
力Ｆ１は、永久磁石１を含む磁石ホルダ２の重量、カバー３の重量およびギヤ４の重量を、車輪６の個数で割った大きさに等しい。本発明の実施の形態では、複数の車輪が用いられる。したがって、１つの車輪６にかけられる力Ｆ１は小さくなる。車輪６の個数を増やすほど、力Ｆ１が小さくなる。
【００８３】
図１８は、図１７に示された構成の側面図である。図１８を参照して、接触部１６ａは、円板６ａにおいてカバー３に接する部分である。接触部１６ｂは、円板６ａにおいてケース５に接する部分である。同様に、接触部１６ｃは、円板６ｂにおいてカバー３に接する部分であり、接触部１６ｄは、円板６ｂにおいてケース５に接する部分である。車輪６の幅をＷとし、円板６ａ，６ｂの幅をＷ１とする。
【００８４】
図１８に示されるように、本発明の実施の形態では、力Ｆ１，Ｆ２の各々は、２つの円板６ａ，６ｂに分散されて印加される。したがって、１つの円板に印加される力は、さらに小さくなる。さらに、接触部１６ａ〜１６ｄの幅Ｗ１が小さい。
【００８５】
このように、本発明の実施の形態によれば、磁石リング（磁石ホルダ２、カバー３およびギヤ４）の重量が複数の車輪６に分散されるため、１つの車輪６に加わる力が小さくなる。さらに、各車輪６はカバー３の延在部およびケース５の底面に対して小さな面積で接触している。このため、磁石リングの重量が増大しても、車輪６を軽く回転させることができる。これにより、磁石リングの回転を軽くすることができる。
【００８６】
磁石リングの回転が軽くなるので、磁石リングの回転にともなうエネルギーの損失を少なくすることができる。したがって、エネルギー変換装置１００の出力を高めることができる。
【００８７】
なお、磁石ホルダ２に収められた永久磁石１とコイル（図１８に示さず）との間の磁気結合力を高めるためには、両者の間の距離をできるだけ短くする必要がある。コイルはケース５の周囲に巻かれている。したがって、車輪６の幅をできるだけ短くするために、一重の円板によって車輪６を構成することが考えられる。しかしながら一重の円板を車輪６として用いた場合には、以下に説明されるような課題が発生する。
【００８８】
図１９は、一重の円板により構成される車輪を説明した図である。図１９を参照して、車輪６の幅は、回転軸６ｃの幅Ｗ２となり、図１８に示された幅Ｗよりも小さい。したがって、永久磁石１とコイル（図１９に示さず）との間の距離を短くすることができる。しかしながら、円板６ｂにのみ力Ｆ１，Ｆ２が印加される。したがって図１８に示された構成に比べて、円板６ｂがより大きな力で押しつけられる。接触部１６ａ，１６ｂの幅を小さくしても、円板６ｂに加わる力が大きくなるために、図１８に示された構成に比べて、円板６ｂを軽く回転させることが難しくなる。また、円板６ｂに加わる力が大きいために、円板６ｂの耐久性の問題も懸念される。円板６ａの耐久性を高めるために、円板６ｂの幅を大きくすることが考えられる。しかしながら、接触部１６ａ，１６ｂの幅が大きくなるので、車輪の回転が悪くなる可能性がある。
【００８９】
本発明の実施の形態では、車輪６を複数の円板によって構成する。これにより、各車輪に加わる力が、複数の円板に分散されるので、１つの円板に加わる力が小さくなる。さらに、１つの円板がカバー３およびケース５の底面に接触する部分の面積が小さい。したがって、車輪６の回転を軽くすることができる。また、車輪６を構成する円板の耐久性も高めることができる。車輪６の回転を軽くすることによって、エネルギーの損失を小さくすることができる。したがって、エネルギー変換装置の出力を高めることができる。
【００９０】
１つの車輪あたりの円板の個数を増やすことによって１つの円板に印加される力は小さくなるものの、車輪の幅が増大する。したがって、この実施の形態では車輪６が２枚の円板６ａ，６ｂによって構成される。ただし、車輪６の許容される幅に余裕がある場合には、円板の枚数を２より大きくすることができる。
【００９１】
上記構成の特徴を、他の構成との比較により、さらに詳しく説明する。図２０は、第１の比較例の構成を示した図である。なお、この構成は、特許文献１（特開２０１０−２８３９８３号公報）に示された構成と本質的に同じである。図２０を参照して、ベアリング２１はケース５の底面に設置される。磁石ホルダ２は、ベアリング２１に載せられることによって支持される。
【００９２】
ベアリング２１は、支持体２１ａおよびボール２１ｂを含む。磁石ホルダ２が回転する際には、ボール２１ｂが回転する。これにより、磁石ホルダ２の回転を軽くすることができる。しかしながら、磁石ホルダ２の下方に敷き詰められたボール２１ｂに磁石ホルダ２の底面が接触する。磁石ホルダ２に接触するボールの個数が多くなるので、接触面積の合計が大きくなる。
【００９３】
また、磁石ホルダ２に収容される永久磁石１の数を増やすことで、磁石ホルダ２の重量が増大する。磁石ホルダ２の重量が増大すると、ボール２１ｂが磁石ホルダ２に押さえつけられる。磁石ホルダ２の表面粗さなどの理由により、磁石ホルダ２の底面とボール２１ｂとの間の摩擦が大きくなる。したがって、磁石ホルダ２の重量が増大すると、ボール２１ｂが転がりにくくなり、磁石ホルダの回転が鈍くなる。
【００９４】
この問題を解決するために、ボール２１ｂを大きくすることで磁石ホルダ２とボール２１ｂとの接触面積を小さくすることが考えられる。しかし、ボール２１ｂを大きくすると、磁石ホルダ２とベアリング２１との両方をケース５に収容するためにケース５の断面積（ケース５の内部の空間）を大きくしなければならない。しかしながら磁石ホルダ２の断面積は変わらない。このため、ケース５の周囲に巻回されるコイルと、磁石ホルダ２の内部の永久磁石との間の距離が大きくなる。コイルと永久磁石との間の距離が大きくなると、磁気結合力が低下するので、エネルギー変換装置の出力を高めることが難しくなる。
【００９５】
これに対して、本発明の実施の形態によれば、縦置きの車輪６によって、磁石ホルダ２に取り付けられたカバー３を支持する。「縦置き」とは、回転軸が水平方向となるように円板６ａ，６ｂを立てた状態である。図２０の構成に比べて、カバー３のごく一部分にしか車輪６が接触しないため、接触面積が小さい。したがって、磁石ホルダ２を軽く回転させることができる。さらに、車輪６の直径は、磁石ホルダ２の高さとほぼ同じ程度である。したがって、ケース５の内部の空間を特に広げる必要をなくすことができる。これにより、磁石ホルダ２の内部に収容された永久磁石とコイルとの間の距離を短くすることができる。
【００９６】
図２１は、第２の比較例の構成を示した上面図である。図２２は、図２１に示された比較例の一部を示した立面図である。これらの図に示された構成は、特許文献２（特開２００９−２２１４０号公報）、特許文献３（特開平７−２３５４７号公報）、特許文献４（国際公開第２００８／０３２４１０号）に開示された特徴部分の構成を模式的に示したものである。図２１および図２２を参照して、磁石ホルダ２は、ローラ２３によって支持される。さらに、ローラ２３は磁石ホルダ２の回転を補助する。図２２に示されるように、ローラ２３の回転軸２３ａは、上下方向に延びている。言い換えると、ローラ２３は横置きされている。この点で図２１、図２２に示された構成は、本発明の実施の形態に係る構成と本質的に異なっている。
【００９７】
磁石ホルダ２に収容される永久磁石１の数を増やすことで、磁石ホルダ２の重量が増大する。たとえば特許文献２の構成では、ゴムローラが用いられる。したがって、磁石ホルダ２の重量が増大すると、ローラ２３の表面のうち、磁石ホルダ２と接触する部分（接触部２３ｂ）の面積が増大する。これによって、摩擦力が増えるので磁石ホルダ２の回転が鈍くなる。さらに、磁石ホルダ２の重みによって、たとえばローラ２３の回転軸２３ａが上下方向から傾く可能性が考えられる。このようにローラ２３が歪んだ場合にもローラ２３は回転しにくくなる。この結果、磁石ホルダ２の回転が鈍くなる。
【００９８】
これに対して本発明の実施の形態によれば、縦置きの車輪６によって、磁石ホルダ２に取り付けられたカバー３を支持する。車輪の回転軸に対して垂直の方向に力がかかるため、車輪の回転軸が傾くという問題が発生しない。したがって、図２１および図２２の構成に比べて、磁石ホルダ２を軽く回転させることができる。
【００９９】
さらに、本発明の実施の形態によれば、ケース５の断面形状が略矩形である。断面形状とは、リングの径方向の断面の形状である。これにより巻枠１０の断面形状も略矩形とすることができる。同じく磁石ホルダ２の断面形状も略矩形である。
【０１００】
図２３は、一般的なコイルの断面を説明した図である。図２３を参照してコイル８の断面は円形である。コイル８の内部に、永久磁石１を収容した磁石ホルダ２が配置される。しかしながら、コイル８の内部に、無駄な空間が多くなり、永久磁石１とコイル８との間の距離が大きくなる。これにより、永久磁石１とコイル８との間の磁気結合力が低下する。
【０１０１】
図２４は、本発明の実施の形態に係る磁石ホルダとコイルとの間の配置関係を模式的に示した断面図である。図２４を参照して、コイル８の断面が矩形である。すなわちコイル８は、磁石ホルダ２の断面形状に沿うように、磁石ホルダ２の周囲に巻回されている。これにより、永久磁石１とコイル８との間の距離を短くできるので、図２３に示した構成に比較して永久磁石１とコイル８との間の磁気結合力を高めることができる。この結果、エネルギー変換装置１００の出力を高めることができる。
【０１０２】
以上のように、本発明の第１の実施の形態によれば、永久磁石１が収容されたリング状の磁石ホルダ２にカバー３が取り付けられる。カバー３の延在部３ａは、車輪６によって支持される。車輪６は、縦置きにされて、カバー３の延在部３ａおよびケース５の底面に接する。これにより、磁石ホルダ２に収容される永久磁石１の数が増えることにより磁石ホルダ２の重量が増加しても、磁石ホルダ２を軽く回転させることができる。すなわち、磁石ホルダ２の回転に伴うエネルギーの損失（運動エネルギーの損失）を小さくすることができる。したがって、第１の実施の形態によれば、エネルギー変換装置１００は与えられたエネルギーから、より多くのエネルギーを取り出すことができる。すなわち、第１の実施の形態によれば、エネルギー変換装置の出力を高めることができる。
【０１０３】
［実施の形態２］
図２５は、本発明の第２の実施の形態に係るエネルギー変換装置の主要部を概略的に示した上面透視図である。図１および図２５を参照して、第２の実施の形態に係るエネルギー変換装置１０１は、磁石ホルダ２の上方に設けられた容器３１と、容器３１内で自在に回転可能なように容器３１に収容された球状磁石３２とをさらに備える点で第１の実施の形態に係るエネルギー変換装置１００と異なる。なお、エネルギー変換装置１０１の他の部分の構成は、図１に示したエネルギー変換装置１００の対応する部分の構成と同様であるので、以後の説明は繰り返さない。
【０１０４】
容器３１は、２つのコイル８の間に配置される。容器３１は、たとえばケース５をまたぐように設置された支持部材によって支持される。この場合、当該支持部材がケース５の窓部５ａと干渉しないように、容器３１の配置が決定される。ただし容器３１を固定するための方法および手段は特に限定されるものではない。
【０１０５】
球状磁石３２は、永久磁石である。球状磁石３２は、磁石ホルダ２に収容された永久磁石１の回転を補助する役割を果たす。球状磁石３２は、永久磁石であれば、その種類など特に限定されるものではない。また、球状磁石３２の大きさも適切に定めることができる。
【０１０６】
図２６は、球状磁石による永久磁石の回転の補助を説明するための図である。図２６（ａ）は、永久磁石の回転の第１の段階を示す。図２６（ｂ）は、永久磁石の回転の第２の段階を示す。図２６（ｃ）は、永久磁石の回転の第３の段階を示す。なお、図示の都合上、図２６において、複数の永久磁石１は、紙面の左から右に向かって直線的に移動するように示されている。
【０１０７】
まず、図２６（ａ）に示されるように、第１の段階において、球状磁石３２のＳ極が下に向いているものとする。複数の永久磁石１の移動の際に、ある永久磁石のＳ極が球状磁石３２のＳ極と近づく。したがって、その永久磁石と球状磁石３２とが反発する。永久磁石１は磁石ホルダ２内に保持されているので、球状磁石３２が反発力の影響を受ける。したがって球状磁石３２が回転する。球状磁石３２の回転によって、球状磁石３２のＮ極が下に向けられる。
【０１０８】
次に、図２６（ｂ）に示されるように、第２の段階において、永久磁石のＳ極と球状磁石３２のＮ極との間に吸引力が発生する。この吸引力のうち、複数の永久磁石１の前進方向の成分によって、複数の永久磁石１の回転が補助される。
【０１０９】
続いて、図２６（ｃ）に示されるように、第３の段階において、上記の永久磁石、あるいは、その次の永久磁石のＮ極が球状磁石３２のＮ極と近づく。これによって、反発力が再度発生し、球状磁石３２が再び回転する。球状磁石３２の回転により、球状磁石３２のＳ極が下に向けられる。永久磁石のＮ極と球状磁石３２のＳ極との間に吸引力が発生するので、複数の永久磁石１の前進方向の成分が発生する。以後、図２６（ａ）〜図２６（ｃ）に示された状態が繰り返される。
【０１１０】
なお、説明を分かりやすくするため、図２６には、磁石ホルダ２の磁石ボックス２ａに収容された永久磁石１が示される。上記のように、永久磁石１は、複数の磁石ブロックによって構成される（図７および図８を参照）。複数の磁石ブロックの各々と球状磁石３２との間に働く効果は、図２６に示された効果と同じである。
【０１１１】
以上のように、第２の実施の形態によれば、球状磁石によって、永久磁石が収容された磁石ホルダ２の回転をより一層軽くすることができる。
【０１１２】
＜エネルギー変換装置の構成の変形例＞
本発明の実施の形態に係るエネルギー変換装置の構成は、上記の構成に限定されるものではない。以下において、磁石ホルダ２を軽く回転させるための上記の構成の変形例を説明する。なお、上記の構成に以下の変形例を適宜組み合わせることも可能である。
【０１１３】
図２７は、本発明の実施の形態に係るエネルギー変換装置の第１の変形例を示した図である。図２７を参照して、ケース５の内部に、車輪６に加えて車輪３６が設けられる。車輪３６は、車輪６と同様の構成を有し、円板３６ａ，３６ｂと、円板３６ａ，３６ｂをつなぐ回転軸３６ｃとを備える。なお、車輪６と同様に、車輪３６も複数設けられることが好ましい。このため、複数の車輪３６の間の相対的な距離を規定するための規定部材３９が設けられる。車輪３６の回転軸３６ｃは、規定部材３９に通される。規定部材３９の構成については、図１４〜図１６に示された規定部材９の構成と同様の構成を採用することができる。
【０１１４】
車輪３６は、磁石ホルダ２に対して車輪６の反対側、すなわち、磁石ホルダ２に対して外側に位置する。図２７に示された構成では、カバー３の径方向に沿って磁石ホルダ２に対して外側に延在する延在部３ｂがカバー３に形成される。車輪３６は、カバー３の延在部３ｂとケース５の底面とに接する。
【０１１５】
この構成によれば、複数の車輪６および複数の車輪３６によって、磁石ホルダ２が取り付けられたカバー３が支持される。これにより、磁石ホルダ２、カバー３およびギヤ４のすべての重量が、より多くの車輪に分散される。したがって、１つの車輪に印加される力がより小さくなるので、車輪の回転が軽くなる。したがって、磁石ホルダ２の回転を軽くすることができる。磁石ホルダ２の回転を軽くすることができるので、たとえば磁石ホルダ２に収容される永久磁石の数を増やすこともできる。これによって、エネルギー変換装置の出力をより一層高めることができる。
【０１１６】
図２８は、本発明の実施の形態に係るエネルギー変換装置の第２の変形例を示した図である。図２８を参照して、磁石ホルダ２の底部は、転動体７ａ，７ｂと接するように加工されている。転動体７ａ，７ｂは、ケース５の底面に配置されて、磁石ホルダ２の回転を補助する。
【０１１７】
上記のように、車輪６がない場合には、磁石ホルダ２、カバー３およびギヤ４のすべての重量が転動体７ａ，７ｂに印加される。このため、磁石ホルダ２の重量が増大すると磁石ホルダ２の回転が鈍くなる可能性がある。しかしながら、本発明の実施の形態では、車輪６によって磁石ホルダ２が取り付けられたカバー３が支持されている。したがって、転動体７ａ，７ｂに印加される力は小さい。なお、磁石ホルダ２の底部の２箇所の両方に転動体が配置されるように限定する必要はない。図２８に示された磁石ホルダ２の底部の２箇所のうちいずれか１箇所にのみ転動体が設けられていてもよい。
【０１１８】
図２９は、本発明の実施の形態に係るエネルギー変換装置の第３の変形例を示した図である。図２９を参照して、ギヤ４の歯が磁石ホルダ２の回転軸側に向けられている。したがって、ケース５の窓部５ａは、磁石ホルダ２の回転軸側に向けて形成されている。このようにギヤ４の歯がケース５の外径側、ケース５の内径側のいずれの側にあってもよい。
【０１１９】
＜応用例＞
図３０は、本発明の実施の形態に係るエネルギー変換装置が発電機として使用される一実施例を示した図である。図３１は、図３０に示した構成を模式的に説明した側面図である。
【０１２０】
図３０および図３１を参照して、ギヤ４は、外部のギヤ４１と噛合う。ギヤ４１は動力源としてのモータ４２の回転軸に接続される。電源４３からモータ４２に電力が供給されることによってギヤ４１が回転する。これにより、エネルギー変換装置１００のギヤ４が回転させられる。つまり、エネルギー変換装置１００に機械エネルギーが与えられる。ギヤ４の回転によって磁石ホルダ２が回転するので、永久磁石１がコイル８を通過する。これによりコイル８から電力が取り出される。
【０１２１】
発電機の用途およびコイル８から取り出された電力の用途は特に限定されるものではない。また、図３１には、ギヤ４１を回転させるための動力源としてモータ４２が示されている。しかし、ギヤ４１を回転させるための動力源、すなわち機械エネルギーの供給源は特に限定されない。たとえば内燃機関（エンジン）を動力源とすることも可能である。また、たとえば人の力を利用した回転機構によってギヤ４１が回転してもよい。
【０１２２】
図３２は、本発明の実施の形態に係るエネルギー変換装置がモータ（電動機）として使用される一実施例を示した図である。図３３は、図３２に示した構成を模式的に説明した側面図である。図３２および図３３を参照して、磁石ホルダ２の外側に複数の固定子４５が所定の電気角で配置される。所定の電気角は、複数のコイル８の配置に従って決定される。なお、図３２に示されるように、平面的に見た場合、２つのコイル８の間に１つの固定子４５が配置される。固定子４５は、コアおよびそのコアに巻かれたコイルによって構成される。
【０１２３】
ケース５の窓部５ａは、固定子４５と干渉しないように、たとえばケース５の上部に形成される。ギヤ４は、外部のギヤ４６と噛合う。複数の固定子４５の電流の極性が切り替えられることにより、磁石ホルダ２にリング状に配置された複数の永久磁石１が回転する。
【０１２４】
各々の固定子４５の電流の極性は、たとえば整流子（図示せず）によって切替られる。この場合、整流子を磁石ホルダ２に連動して回転させる。たとえばギヤ４６と連動して整流子が回転してもよい。あるいは、複数の固定子４５に回転磁界を生じさせるように固定子４５のコイルに電流を印加してもよい。各種の公知の技術を適用して複数の固定子４５に発生する磁界を順次切り替えることで、複数の永久磁石１が収容された磁石ホルダ２を回転させることができる。
【０１２５】
この構成によれば、磁石ホルダ２の回転によって、機械エネルギーをエネルギー変換装置１００から取り出すことができる。さらに、複数のコイル８に電力を発生させることもできる。複数のコイル８に発生した電力は、種々の目的で活用することができる。
【０１２６】
なお、複数のコイル８に回転磁界を生じさせるように複数のコイル８の各々に、極性が切り替わる電流を流してもよい。この場合には、固定子４５に依存せずに磁石ホルダ２を回転させることができる。
【０１２７】
図３４は、本発明の実施の形態に係るエネルギー変換装置の別の実施例を示した模式図である。図３４を参照して、エネルギー変換装置２０１は、エネルギー変換装置１００に、固定子４５と、磁石リング５１と、コイル５２と、固定子５５とが追加される。複数の固定子４５は、エネルギー変換装置１００の外側に配置される。複数の固定子４５を囲むように、磁石リング５１が配置される。磁石リング５１は、リング状に配置された複数の永久磁石から構成される。たとえば磁石ホルダ２と同様の構成を有する磁石ホルダと、その磁石ホルダに挿入される複数の永久磁石とによって磁石リング５１を構成することができる。
【０１２８】
コイル５２は、磁石リング５１の周囲に巻き回される。固定子５５は、磁石リング５１およびコイル５２の外側に配置される。固定子４５，５５の各々に極性が切り替わる電流を流すことで、内側の磁石リング（エネルギー変換装置１００の磁石ホルダ２）および外側の磁石リング５１（追加の磁石リング）を回転させることができる。これにより、エネルギー変換装置１００（コイル８）およびコイル５２（追加のコイル）から電力を取り出すことができる。したがってエネルギー変換装置の出力をより一層高めることができる。
【０１２９】
図３５は、本発明の実施の形態に係るエネルギー変換装置のさらに別の実施例を示した模式図である。図３５を参照して、エネルギー変換装置２０２は、エネルギー変換装置１００に、固定子４５と、磁石リング５１と、コイル５２とが追加された構成を有する。磁石リング５１にはギヤ５６が形成される。たとえば磁石ホルダ２、カバー３およびギヤ４と同様の構成によって磁石リング５１を構成する。
【０１３０】
固定子４５は、エネルギー変換装置１００と、磁石リング５１との間に配置される。すなわち、図３５の構成では、内側の磁石リング（エネルギー変換装置１００の磁石ホルダ２）および、外側の磁石リング５１（追加の磁石リング）に共通する固定子４５が設けられる。
【０１３１】
磁石リング５１のギヤ５６の歯数は、エネルギー変換装置１００のギヤ４の歯数と同じである。磁石リング５１は、ギヤ４、すなわちエネルギー変換装置１００の磁石ホルダ２と同期して回転する。このために、たとえば以下に説明する同期機構が用いられる。なお、図が煩雑になるのを防ぐために図３５では、エネルギー変換装置１００の一部分のみにギヤ４を示し、磁石リング５１の一部分のみにギヤ５６を示している。ただし、エネルギー変換装置１００の構成については上述のとおりであり、磁石リングの全周にわたりギヤ４が形成される。同じくギヤ５６は磁石リング５１の全週にわたり形成される。
【０１３２】
図３６は、２つの磁石リングを同期して回転させる機構の構成例を示した図である。図３６を参照して、同期機構６１は、ギヤ６２，６３と、回転軸６４と、支持部材６５とを備える。ギヤ６２は、エネルギー変換装置１００のギヤ４と噛合する。ギヤ６３は、ギヤ５６と噛合する。なお図３６は、ギヤ４，５６の一部分を示すものである。ギヤ６２，６３は回転軸６４に接続される。回転軸６４の両端は、２つの支持部材６５によってそれぞれ支持される。ギヤ６２，６３の歯数は互いに同じである。
【０１３３】
図３５，図３６に示された構成によれば、１つの固定子４５によって、エネルギー変換装置１００の磁石ホルダおよび磁石リング５１の両方を回転させることができる。２つの磁石リングを同時に回転させることによって、エネルギー変換装置１００のコイル８および、コイル５２から電力を取り出すことができる。したがって、エネルギー変換装置の出力をより一層高めることができる。
【０１３４】
なお、図３５および図３６に示された構成において、エネルギー変換装置２０２は、エネルギー変換装置１００に代えて、第２の実施の形態に係るエネルギー変換装置１０１を含んでもよい。また、図３５に示されたエネルギー変換装置２０２を複数準備し、それら複数のエネルギー変換装置２０２を上下方向（図３５の紙面垂直に相当）方向に積んでもよい。このように構成することで、より多くの出力を得ることができる。
【０１３５】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１３６】
１  永久磁石、２  磁石ホルダ、１．１，１．２  磁石ブロック、２  磁石ホルダ、２．１〜２．８  部品、２ａ  磁石ボックス、２ｂ  ネジ穴、２ｄ，１０ｃ  ピン穴、２ｅ  凹部、２ｆ，２ｈ，２ｉ  凸部、２ｇ  ピン、３  カバー、３ａ，３ｂ  延在部、４，４１，４６，５６，６２，６３  ギヤ、５  ケース、５ａ  窓部、６，３６  車輪、６ａ，６ｂ，３６ａ，３６ｂ  円板、６ｃ，２３ａ，３６ｃ，６４  回転軸、７  転動体、８，５２  コイル、９，３９  規定部材、９ａ  貫通孔、１０  巻枠、１０ｂ，１１  ネジ、１２  円周、１５  土台、１６ａ〜１６ｄ，２３ｂ  接触部、２１  ベアリング、２１ａ  支持体、２１ｂ  ボール、２３  ローラ、３１  容器、３２  球状磁石、４２  モータ、４３  電源、４５，５５  固定子、４７  整流子、５１  磁石リング、６１  同期機構、６５  支持部材、１００，１０１，２０１，２０２  エネルギー変換装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
2014011932.tif 000034
【図３３】
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【図３４】
2014011932.tif 000036
【図３５】
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【図３６】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年10月31日(2012.10.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気エネルギーと機械エネルギーとのうちの一方から他方へと変換するエネルギー変換装置であって、
中心軸の方向が鉛直方向となるように配置された磁石リングを備え、前記磁石リングは、
上部が開口した複数の磁石ボックスが形成された、リング状の磁石ホルダと、
前記磁石ホルダの前記複数の磁石ボックスに収容され、前記磁石ホルダの周方向に沿って着磁された少なくとも１つの永久磁石と、
前記磁石ホルダの幅よりも広い幅を有するリング状に形成されて、前記磁石ホルダと同心に前記磁石ホルダの上表面に取り付けられて、前記磁石ホルダから前記磁石ホルダの径方向に延在する延在部を有するカバーと、
前記磁石ホルダおよび前記カバーと同心になるように前記カバーおよび前記磁石ホルダに固定されたギヤとを含み、
前記少なくとも１つの永久磁石が複数の永久磁石である場合、隣り合う２つの永久磁石の同じ極同士が向かい合うように、前記複数の永久磁石の各々が、前記複数の磁石ボックスのうちの対応する磁石ボックスに配置され、
前記エネルギー変換装置は、
前記磁石リングと共通の中心軸を有するように配置され、前記磁石リングを収容し、前記ギヤの一部を外部に露出させる窓部が形成された、リング状のケースと、
前記ケースの内側面と前記磁石ホルダとの間に、前記ケースの底面と前記カバーの前記延在部とに接するように配置された複数の車輪と、
前記複数の車輪の各々の回転軸が通されて、前記複数の車輪の間の相対的な距離を規定する規定部材と、
前記ケースの周囲に巻回された少なくとも１つのコイルとをさらに備える、エネルギー変換装置。
【請求項２】
前記複数の車輪の各々は、
前記回転軸によって接続される、少なくとも２つの円板を含む、請求項１に記載のエネルギー変換装置。
【請求項３】
前記ケースの内壁面と、前記カバーおよび前記磁石ホルダの少なくとも一方との間に配置された転動体をさらに備える、請求項１または２に記載のエネルギー変換装置。
【請求項４】
前記ギヤの内半径は、前記ケースの内半径よりも大きく、
前記転動体は、前記ギヤと前記ケースの前記内壁面との間に配置される、請求項３に記載のエネルギー変換装置。
【請求項５】
前記ケースの上方に設けられた容器と、
前記容器に収容され、一方の半球がＮ極に着磁され、他方の半球がＳ極に着磁され、前記磁石ボックスに収容された前記複数の永久磁石の各々との間の吸引力および反発力によって前記容器内で自在に回転する球状磁石とをさらに備える、請求項１から４のいずれか１項に記載のエネルギー変換装置。
【請求項６】
前記磁石ホルダの径方向に沿った前記磁石ホルダの断面は、略矩形であり、
前記ケースの径方向に沿った前記ケースの断面は、略矩形であり、
前記コイルの径方向に沿った前記コイルの断面は、略矩形である、請求項１から５のいずれか１項に記載のエネルギー変換装置。
【請求項７】
前記エネルギー変換装置は、発電機であり、
前記ギヤは、動力源のギヤと噛み合わされる、請求項１〜６のいずれか１項に記載のエネルギー変換装置。
【請求項８】
前記エネルギー変換装置は、モータであり、
前記モータは、前記ケースに対向して配置された固定子をさらに備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載のエネルギー変換装置。
【請求項９】
前記固定子は、前記ケースに対して外側に設けられ、
前記エネルギー変換装置は、
前記固定子の外側に設けられ、リング状に配置された複数の永久磁石を含む、追加の磁石リングと、
前記追加の磁石リングに通される、追加のコイルと、
前記追加の磁石リングに対して外側に配置される、追加の固定子とをさらに備える、請求項８に記載のエネルギー変換装置。
【請求項１０】
前記固定子は、前記ケースに対して外側に設けられ、
前記エネルギー変換装置は、
前記固定子の外側に設けられ、前記ギヤと同じ歯数を有するギヤが形成され、リング状に配置された複数の永久磁石を含む、追加の磁石リングと、
前記追加の磁石リングに通される、追加のコイルと、
前記磁石リングおよび前記追加の磁石リングの回転を互いに同期させるための同期機構とをさらに備え、
前記同期機構は、
前記ギヤと噛み合う第１のギヤと、
前記追加のギヤと噛み合う第２のギヤと、
前記第１および第２のギヤをつなぐ回転軸とを有し、
前記第１のギヤの歯数と前記第２のギヤの歯数とは等しい、請求項８に記載のエネルギー変換装置。