(57)【要約】  電磁誘導を利用する発電機において、電機子への反回転力の抑圧を可能とすることにより、発電効率の大幅な向上を実現する。  電機子と永久磁石の一方を固定子とし他方を回転子とする発電機において、永久磁石による磁力線をよぎる電機子をらせん状にコイル化した導線部として構成し、負荷電流が電機子のらせん状にコイル化した導線部を流れる際に発生する磁力線を永久磁石による磁力線と直交する向きに偏向させることにより、永久磁石による磁力線と負荷電流による磁力線の間の干渉を抑え、負荷電流による回転抑止力の発生を抑圧するようにする。
2009104618.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電機子と永久磁石の一方を固定子とし他方を回転子とする電磁誘導利用の発電機において、永久磁石による磁力線をよぎる電機子を、らせん状にコイル化した導線部として構成し、負荷電流が電機子のらせん状にコイル化した導線部を流れる際に発生する磁力線を永久磁石による磁力線と直交する向きに偏向させることにより、永久磁石による磁力線と負荷電流による磁力線の間の干渉を抑え、負荷電流による回転抑止力の発生を抑圧したことを特徴とする高効率発電機。
【請求項２】
請求項１記載の高効率発電機において、電機子を固定子とし、永久磁石を回転子とすることを特徴とする高効率発電機。
【請求項３】
請求項２記載の高効率発電機において、軸受けを中心に回転する回転円盤と、回転円盤の円周部分に沿って等間隔に取り付けられた任意の偶数（２ｍ）個の永久磁石と、回転円盤の中心から等角度で伸びる放射線上に設けられ、各永久磁石のそれぞれのＮ極とＳ極の端面間の空隙部分に位置するように固定された電機子を有することを特徴とする高効率発電機。
【請求項４】
請求項３記載の高効率発電機において、隣り合う２つの永久磁石の極性が互いに異なるように配置したことを特徴とする高効率発電機。
【請求項５】
請求項３記載の高効率発電機において、電機子として右巻きコイルまたは左巻きコイルを用いることを特徴とする高効率発電機。
【請求項６】
請求項５記載の高効率発電機において、電機子として偶数（２ｎ）重逆巻きコイルを用いることを特徴とする高効率発電機。
【請求項７】
請求項５または請求項６記載の高効率発電機において、電機子でそれぞれ発生する起電力がすべて同方向に加算されるように電機子コイル間を結線したことを特徴とする高効率発電機。
【請求項８】
請求項７記載の高効率発電機において、電機子コイル間の結線を回転円盤と同心円状に配置するようにしたことを特徴とする高効率発電機。
【請求項９】
電機子と永久磁石の一方を固定子とし他方を回転子とする電磁誘導利用の発電機において、永久磁石による磁力線をよぎる電機子を、右巻きらせん状にコイル化した導線部と左巻きらせん状にコイル化した導線部を組み合わせた同心コイルとして構成し、負荷電流が同心コイルを流れる際に右巻きらせん状にコイル化した導線部によって発生する磁力線と左巻きらせん状にコイル化した導線部によって発生する磁力線を互いに相殺させることにより、負荷電流が同心コイルを流れる際に同心コイル外に生じる磁力線を最小化して永久磁石による該磁力線との干渉を抑え、負荷電流による回転抑止力の発生を抑圧するようにすると共に、前記電機子として二重逆巻きコイル（２ｎ重逆巻きコイルを含む。）を用い、それぞれのコイルが持つ自己インダクタンスを右巻きと左巻きコイル間の相互インダクタンスの作用によって打ち消させることにより電機子の内部インピーダンスを最小化して外部に取り出す電力を最大化できるようにしたことを特徴とする高効率発電機。
【請求項１０】
請求項９記載の高効率発電機において、電機子を固定子とし、永久磁石を回転子とすることを特徴とする高効率発電機。
【請求項１１】
請求項１０記載の高効率発電機において、回転軸を中心に回転する回転円盤と、回転円盤の外縁円周部分に永久磁石保持具を用いて棒状永久磁石を均等間隔に取り付けられ、隣り合う該棒状永久磁石同士では上部と下部の磁極極性が互いに逆となるように配置された任意の偶数（２ｍ）個の棒状永久磁石と、回転円盤とは接触しないように各棒状永久磁石の上部磁極端面に近い位置の回転円盤上側に設けられた上部電機子と、回転円盤とは接触しないように各棒状永久磁石の下部磁極端面に近い位置の回転円盤下側に設けられた下部電機子を有することを特徴とする高効率発電機。
【請求項１２】
請求項１１記載の高効率発電機において、回転円盤上のすべての棒状永久磁石をプラスチック等非磁性体材料のカバーで覆ったことを特徴とする高効率発電機。
【請求項１３】
請求項１１記載の高効率発電機において、各電機子として任意の偶数重（２ｎ重）逆巻きコイルによる同心コイルを用いることを特徴とする高効率発電機。
【請求項１４】
請求項１３記載の高効率発電機において、偶数（２ｍ）個の上部電機子の組、偶数（２ｍ）個の下部電機子の組ごとに、各電機子の同心コイル第ｊ層（ｊ＝１，２，３，・・・２ｎ）の回転円盤回転軸側（内側）端子を隣の電機子の同心コイル第ｊ層の回転円盤回転軸側（内側）端子に接続し、次にその電機子の同心コイル第ｊ層の外側端子をさらに隣の電機子の同心コイル第j層の外側端子に接続する、という順番に各電機子の同心コイルの各層端子を層ごとに直列に接続することにより、起電力を相加させたj個の層別起電ユニット（Ｒｊ）を得るようにしたことを特徴とする高効率発電機。
【請求項１５】
請求項１４記載の高効率発電機において、電機子の同心コイル各層端子間の結線を回転円盤と同心円状に配置するようにしたことを特徴とする高効率発電機。
【請求項１６】
請求項１４記載の高効率発電機において、上部電機子の組によるｊ個の層別起電ユニット（ＲU １），層別起電ユニット（ＲU
２），・・・層別起電ユニット（ＲU ｊ）を直列接続した上部起電ユニットと、下部電機子の組によるｊ個の層別起電ユニット（ＲL
１），層別起電ユニット（ＲL ２），・・・層別起電ユニット（ＲL ｊ）を直列接続した下部起電ユニットを得るようにしたことを特徴とする高効率発電機。
【請求項１７】
請求項１６記載の高効率発電機において、上部起電ユニットおよび下部起電ユニットを直列接続して成ることを特徴とする高効率発電機。
【請求項１８】
請求項１６記載の高効率発電機において、上部起電ユニットおよび下部起電ユニットを並列接続して成ることを特徴とする高効率発電機。
【請求項１９】
請求項１または請求項９記載の高効率発電機において、永久磁石を電磁石に置き換えた構成によることを特徴とする高効率発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電磁誘導を利用する発電効率の高い発電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電磁誘導を利用する発電機の発電方式として、一般には回転子と固定子のいずれかに永久磁石を用い他方に電磁石を用いる方式と、回転子と固定子のいずれも電磁石で構成する方式が知られているが、たとえば公知文献（特許文献１参照）のように、一方を永久磁石とし他方を電磁石とする前者の方式が基本となる。すなわち後者の方式では、前者の方式における永久磁石を電磁石で置き換え、その電磁石に常時給電して永久磁石と同等の動作をさせることにより、前者の方式と等価になる。それゆえ以後の説明では、電磁誘導を利用する発電機は、回転子と固定子のいずれか一方を永久磁石とするものとして説明する。【０００３】
電磁誘導を利用する従来の発電機は、永久磁石を固定子として用い、起電力を生ずる導線（電機子）を回転子として用いる構成の場合、永久磁石（固定子）の磁力線中を回転子としての導線（電機子）がよぎって動くことにより、フレミングの右手の法則に従い電機子導線に起電力が生じることを利用している。【０００４】
フレミングの右手の法則による導線中の起電力の発生は、永久磁石による外部磁力線とその中に置かれた導線（電機子）の間の相対運動によるものであるから、起電力を生じる導線（電機子）を固定子とし永久磁石を回転子とするように発電機を構成しても効果は全く同じで、電機子（この場合は固定子となる）の導線に起電力が生じる。そこで以後は説明の簡単のため、特に断るまで、永久磁石を固定子として用い起電力を生ずる導線（電機子）を回転子として用いる構成として説明する。【０００５】
導線（電機子）に生じた起電力が外部に接続された負荷に加えられると負荷電流を生じ、その負荷電流は必然的にその導線（電機子）にも流れる。この負荷電流によりその導線（電機子）の回りに磁力線が発生し、この磁力線は永久磁石が作る磁力線に干渉するので、その結果としてフレミングの左手の法則に従った力が、導線（電機子）に対する反回転力として、発電のための回転の方向とは逆向きに加わる。【０００６】
従って従来の発電機において持続的に発電を続けるためには、この反回転力に抗して常に外部から力を加え続けることにより、強制的に導線（電機子）を回転させなければならなかった。このとき、発電機から大きな発電出力を得ようとすればするほど、必然的に大きな反回転力が発生するので、持続的にこの反回転力に打ち勝つ大きな動力源が必要であった。【０００７】
従来の発電機において発生が避けられず発電効率向上の妨げとなる反回転力の、発生原理を図１により説明する。【０００８】
図１（１）は、永久磁石（固定子）１０１が作る外部磁力線中において回転軸１０２を中心に回転する電機子（回転子）導線１０３により、端子１０４と端子１０５間に起電力が生ずる電機子回転型発電機の原理図である。端子１０４と端子１０５の間に負荷（図示してない）を接続すると負荷電流が電機子導線１０３にも流れる。図１（２）に、電機子導線１０３が紙面垂直方向にあるとした時の、永久磁石（固定子）１０１のＮ極とＳ極間の外部磁力線と、電機子（回転子）導線１０３が作る磁力線の関係を示す。【０００９】
電機子導線１０３の同図左側にある部分では、紙面表側から裏側に向けて電流が流れているので、アンペールの右ネジの法則に従い右巻きの磁力線が発生する。同様に電機子導線１０３の同図右側にある部分では、紙面裏側から表側に向けて電流が流れてくるので左巻きの磁力線が発生する。電機子導線１０３の周りにできる円形の磁力線（同図円形矢印で示す）と、固定子１０１のＮ極とＳ極間の外部磁力線（同図直線矢印で示す）は同一平面上にあり、相互に干渉しあう。同図に「減磁作用が発生」と示される場所では、電機子導線が作る磁力線が固定子１０１のＮ極とＳ極間の外部磁力線に反抗している。いっぽう、同図に「増磁作用が発生」とされる場所では、電機子導線が作る磁力線が固定子１０１のＮ極とＳ極間の外部磁力線を強めている。【００１０】
その結果としての合成磁力線は、図１（３）の曲線矢印で示すように、電機子導線の移動方向に無理やり歪曲されることになる。この現象は、負荷電流が大きければ大きいほど強く現れる。磁力線にはこの歪みを正そうとする作用があり、そのための力（同図に反回転力１０７と記した矢印）が導線に加わる。これがフレミングの左手の法則に従って発生する力である。【００１１】
従来の発電機では、磁力線の歪を正そうとするこの力に抗って、継続的に外部から大きな力を加えて電機子導線を動かすことにより、継続的に起電力を発生していた。以上説明したように、従来の発電機においては発電のために大きな発電機駆動エネルギーを必要としていた。
【特許文献１】特開２００７−３３６７８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述したように、従来の発電機はその動作原理上、電機子導線中を流れる負荷電流により生じる反回転力に打ち勝って電機子を回転させるため、必然的に大きな外部駆動力を必要としていた。本発明が解決しようとする課題は、電磁誘導を利用する発電機において、新規な構造によって従来不可能と考えられていた上記反回転力の抑圧を可能とすることにより、小さな駆動力でより大きな起電力を得ること、すなわち発電効率の大幅な向上を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この課題を解決するための第１の手段として、第１の本発明による高効率発電機は、電機子と永久磁石の一方を固定子とし他方を回転子とする電磁誘導利用の発電機において、永久磁石による磁力線をよぎる電機子を、らせん状にコイル化した導線部として構成し、負荷電流が電機子のらせん状にコイル化した導線部を流れる際に発生する磁力線を永久磁石による磁力線と直交する向きに偏向させることにより、永久磁石による磁力線と負荷電流による磁力線の間の干渉を抑え、負荷電流による回転抑止力の発生を抑圧するようにしたことを特徴とする。【００１４】
この課題を解決するための第２の手段として、第２の本発明による高効率発電機は、電機子と永久磁石の一方を固定子とし他方を回転子とする電磁誘導利用の発電機において、永久磁石による磁力線をよぎる電機子を、右巻きらせん状にコイル化した導線部と左巻きらせん状にコイル化した導線部を組み合わせた同心コイルとして構成し、負荷電流が同心コイルに流れる際に右巻きらせん状にコイル化した導線部によって発生する磁力線と左巻きらせん状にコイル化した導線部によって発生する磁力線を互いに相殺させることにより、負荷電流が同心コイルを流れる際に同心コイル外に生じる磁力線を最小化して永久磁石による磁力線との干渉を抑えて負荷電流による回転抑止力の発生を抑圧するようにすると共に、それぞれのコイルが持つ自己インダクタンスを右巻きと左巻きコイル間の相互インダクタンスの作用によって打ち消させることにより電機子の内部インピーダンスを最小化して外部に取り出す電力を最大化できるようにすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の第１または第２の手段により、電機子と永久磁石の一方を固定子とし他方を回転子とする電磁誘導利用の発電機において、永久磁石による起電力を生むための磁力線と負荷電流による磁力線の間の干渉を最小化できるので、負荷電流による回転抑止力の発生を抑圧でき、その効果として、小さな駆動力でより大きな起電力を得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来の反回転力の発生原理を説明する図であり、同図（１）は電機子回転型発電機の原理図、同図（２）は外部磁力線と電機子導線がつくる磁力線の関係、同図（３）は合成磁力線を示す。
【図２】本発明の第１の手段による発電機の動作原理を説明する図であり、同図（１）はアンペールの右ねじの法則、同図（２）は右巻きコイルの磁界、同図（３）は左巻きコイルの磁界を示す。
【図３】本発明の第１の手段を説明する図であり、同図（１）は従来の発電機の構造、同図（２）は導線の軸方向から見た図、同図（３）は合成磁界、同図（４）は本発明の第１の手段による発電機の構造、同図（５）,（６）はコイル化した導線部の軸方向から見た図を示す。
【図４】電機子として用いられるコイルを説明する図であり、同図（１）は２重逆巻きコイル、同図（２）は２ｎ重逆巻きコイルを示す。
【図５】本発明の発電機の第１の実施例であり、同図（１）は上面図、同図（２）は側面図である。
【図６】図５の電機子の相互結線方法を示す図である。
【図７】図６の等価回路と総合起電力と負荷電流の関係を示し、同図（１）は等価回路、同図（２）は総合起電力と負荷電流の関係を示す図である。
【図８】同図（１）は二重逆巻きコイル使用時の電機子結線図を、同図（２）は同図（１）の発電機等価回路を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施例であり、同図（１）は上面図、同図（２）は側面図である。
【図１０】図９の２組の電機子への磁力線の流れを示す図である。
【図１１】図９の円状に配置された電機子各層毎の結線方法を説明する図であり、同図（１）は上部電機子の結線方法、同図（２）は下部電機子の結線方法を示す。
【図１２】層別起電ユニットの直列接続結線図であり、同図（１）は上部起電ユニットの結線図、同図（２）は下部起電ユニットの結線図である。
【図１３】発電出力の取り出し方法の説明図であり、同図（１）は直列接続、同図（２）は並列接続を示す。
【図１４】二重逆巻きコイルの起電力特性の評価実験を示す図であり、同図（１）は実験装置前面図、同図（２）は実験装置側面図、同図（３）は起電力特性測定系の構成図、同図（４）は起電力特性の測定結果を示す。
【符号の説明】
【００１７】
１０１      永久磁石
１０２      回転軸
１０３      電機子導線
１０４,１０５      端子
１０６      回転力
１０７      反回転力
２０１      導体
２０２      右巻きコイル
２０３      左巻きコイル
２０４      発生磁力線
２０５      発生磁力線
３０１      固定子（永久磁石）
３０２      外部磁力線
３０３      導線
３０４      負荷電流
３０５      負荷電流が作る磁力線
３０６      導線の移動方向
３０７      磁力線の歪
３０８      磁力線の歪を正そうとする力
３０９      固定子（永久磁石）
３１０      外部磁力線
３１１      コイル化した導線部
３１２      負荷電流が作る磁力線
３１３      コイル化した導線部の移動方向
４０１      右巻きコイル化導線部
４０２      左巻きコイル化導線部
４０３      電機子（２重逆巻きコイル）
４０４      ボビン
４０５      ボビン空心部
４０６      第１の２重逆巻きコイル
４０７      右巻き部
４０８      左巻き部
４０９      第２の２重逆巻きコイル
４１０      右巻き部
４１１      左巻き部
４１２      第３の２重逆巻きコイル
４１３      右巻き部
４１４      左巻き部
４１５      ６重逆巻きコイル
５００      回転円盤
５０１〜５０８      永久磁石
５１１〜５１８      電機子
５１９      回転軸
６０１，６０２      結線部分
６０３      電機子５１８の回転円盤外周方向端子
６０４      電機子５１７の回転円盤外周方向端子
６０５      端子間電圧（V）
６０６      スイッチ
６０７      負荷インピーダンス
６０８      負荷電流IL
９００      回転円盤
９０１      回転軸
１００１      棒状永久磁石
１００２，１００３      電機子
１００６      棒状永久磁石からの磁力線
１１０１      電機子U １の外側端子ＳU 
１１０２      電機子U ２の外側端子ＥU 
１１０３      電機子L １の外側端子ＳL 
１１０４      電機子L ２の外側端子ＥL 
１２０１      層別上部起電ユニット１（巻き層１：左巻）
１２０２      層別上部起電ユニット２（巻き層２：右巻）
１２０３      層別上部起電ユニット３（巻き層３：左巻）
１２０４      層別上部起電ユニット４（巻き層４：右巻）
１２１１      層別下部起電ユニット１（巻き層１：左巻）
１２１２      層別下部起電ユニット２（巻き層２：右巻）
１２１３      層別下部起電ユニット３（巻き層３：左巻）
１２１４      層別下部起電ユニット４（巻き層４：右巻）
１４０１      永久（棒）磁石
１４０２      測定用電機子
１４０３      内側右巻コイル
１４０４      外側左巻コイル
１４０５      磁界鎖交方向
１４０６      基準用単線
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下図面を参照しつつ本発明を詳細に説明する。
【００１９】
図２は本発明の第１の手段による発電機の動作原理を説明するための図である。同図（１）は、一本の直線状の導線２０１に電流を流した場合に導線の周りに矢印の方向の磁力線が発生することを示す、アンペールの右ネジの法則としてよく知られた図であり、図１（１）のように、従来の発電機の電機子導線に負荷電流が流れる場合に相当する。
【００２０】
この一本の直線状の導線の代わりに、図２（２）に示すような右巻きコイル２０２に電流を流すと、コイルの断面内を通る同図矢印の向きの磁力線２０４が発生する。この右巻きコイルを１つの棒磁石と考えれば、電流を流し込む方の端がＳ極、電流が流れ出ていく方の端がＮ極となるような磁性を示す。
【００２１】
同様に図２（３）は左巻きコイル２０３に電流を流す場合を示す。発生磁力線２０５はコイル断面内を通り、その方向は同図矢印の向きとなる。すなわちコイルを1つの棒磁石と考えるとき、電流を流し込む方の端がＮ極、電流が流れ出ていく方の端がＳ極となるような磁性を示す。
【００２２】
なお、図２（２）または（３）におけるコイルの直径がコイル長に比し十分小さいとき、コイルから発生する磁力線密度Ｂ［ｗｂ／ｍ2 ］は、コイルの巻数Ｎ［回］とコイルに流す電流ｉ［Ａ］に比例し、次式で与えられる。
Ｂ＝μ・Ｎ・ｉ    ［ｗｂ／ｍ2 ］          （１）
ここにμは透磁率と呼ばれる定数であり、コイルが空芯の場合には真空の透磁率に等しく１．２５７×１０−6である。
【００２３】
従来の発電機では電機子導線を流れる負荷電流により発生する磁力線が図２（１）のようになるので、この磁力線は、図１（２）に示すように、発電のための外部磁力線と相互に干渉しあうが、本発明では電機子導線を図２（２）または図２（３）のようにらせん状にコイル化することにより、図２（２）２０４および図２（３）２０５で示すように、負荷電流により発生する磁力線はコイル部分ではコイルの内側に閉じ込められ、磁力線の向きはコイルの中心軸に沿った方向となる。このらせん状にコイル化した導線部を図１（２
）の電機子導線１０３の代わりに電機子導線部とする新規な構造により、電機子導線部を流れる負荷電流により発生する磁力線は、発電のための外部磁力線と直交することになるので、相互干渉は生じない。
【００２４】
図３により、本発明の第１の手段を詳細に説明する。図３（１）は従来の発電機の構造を示すもので、Ｎ極とＳ極を有する固定子（永久磁石）３０１による外部磁力線３０２の中に置かれた一本の電機子（回転子）導線３０３に負荷電流ｉ３０４が流れており、その導線の周りにアンペールの右ネジの法則に従った磁力線３０５が発生する様子を示している。同じ現象をこの導線の軸方向から見ると図３（２）のようになる。導線３０３は紙面の表側から裏側に垂直にあり、負荷電流ｉ３０４が紙面表側から裏側に向け流れている。導線３０３を流れる負荷電流ｉ３０４が作る磁力線３０５は右回りになる。この円状にできる磁力線３０５と固定子３０１のＮ極とＳ極間の外部磁力線３０２は相互に影響しあう。
【００２５】
すなわち、図３（２）で「減磁作用が生ずる」とされる領域では、導線３０３が作る磁力線３０５が外部磁力線に反抗している。他方「増磁作用が生ずる」とされる領域では、導線３０３が作る磁力線３０５が外部磁力線３０２を強めている。ここで図３（３）に示すように導線３０３に外部から力（発電のための回転力）を加えて同図３０６に示す方向に移動させると、その結果としての合成磁力線は同図３０７に示すように、導線３０３の移動方向（３０６の方向）に無理やり曲げて歪められることになる。磁力線にはこの歪みを正そうとする働きがあるので、この働きによる力（同図３０８で示す力）が導線３０３に加わることになる。これがフレミングの左手の法則として知られている磁界の中で導線に電流を流すと導線に加わる力である。従来の発電機では、この磁力線の歪を正そうとする力（反回転力３０８）に抗って、外部からの大きな力（発電のための回転力）で導線３０３を同図３０６の方向に継続的に動かしてやることにより、起電力を発生し続けるようにしている。なお、図３（１）〜図３（３）には導線３０３として紙面の表側から裏側に電流が流れる部分のみを示しており、図１（２），図１（３）におけるそれぞれ左側半分での動作を説明している。図１（２），図１（３）のそれぞれ右側半分での動作も全く同様なので、ここでは省略する。
【００２６】
これに対し図３（４）は本発明の第１の手段による高効率発電機の構造を示すもので、Ｎ極とＳ極を有する永久磁石３０９（固定子となる）により生じる外部磁力線３１０を、らせん状にコイル化した導線部３１１として構成した電機子が回転子としてよぎるように構成する。この構成により、負荷電流ｉがらせん状にコイル化した導線部３１１を同図に示した向きに流れる際に発生する磁力線３１２はらせん状にコイル化した導線部３１１の内側を通り、らせん状にコイル化した導線部３１１の中心軸に沿った向き、すなわち起電力を生むための永久磁石３０９による外部磁力線３１０と直交する向きに偏向される。
【００２７】
同じ現象をらせん状にコイル化した導線部３１１の軸方向から見ると図３（５）のようになる。すなわち負荷電流iにより発生する磁力線はらせん状にコイル化した導線部３１１の内側を通り、その方向は紙面の表側から裏側に垂直に向かう方向となるので永久磁石３０９による外部磁力線３１０とは９０゜をなし（すなわち直交し）、両磁力線間の相互作用（減磁作用や増磁作用）は生じない。
【００２８】
なお図３（４）〜図３（６）はコイルを右巻きに巻いたときの磁力線の様子を示しているが、左巻きに巻いたコイルを用いる場合は磁力線の方向が紙面の裏側から表側に垂直に向かう方向に１８０゜反転することになり、外部磁力線とはやはり直交するので、この場合も両磁力線間の相互作用は生じない。
【００２９】
図３（４）における負荷電流ｉは、らせん状にコイル化した導線部３１１に力（発電の
ための外部からの回転力）を加えて図３（５）および同図（６）の３１３で示す方向に移動させることにより発生する起電力ｅが、外部に接続される負荷（図には示してない）に加えられることによって必然的に生じるものである。この負荷電流ｉによりらせん状にコイル化した導線部３１１の内部に発生する磁力線が外部磁力線と直交する状態は、この導線部３１１が図３（５）および同図（６）の３１３で示す方向に移動（すなわち回転）しても不変なので、この回転により両磁力線間に相互作用（減磁作用や増磁作用）は生じない。従って磁力線の歪も生じない。その結果、フレミングの左手の法則に従って磁力線の歪を正そうとする力も発生しないので、外部から加える回転力は図３（３）の場合のような大きな反回転力を受けることがない。すなわち負荷電流による磁力線と永久磁石による磁力線の間の干渉が抑えられるので負荷電流による回転抑止力の発生は抑圧され、その結果、小さな回転力でらせん状にコイル化した導線部３１１に起電力を発生させ続けることができる。
【００３０】
図３（２），図３（３）のように直線状の導線３０３を外部磁力線をよぎって移動させることによってその導線部に生じる起電力ｅ［Ｖ］は、外部磁力線３０２をよぎる導線の実質長をｌ［ｍ］、導線がよぎる磁力線の磁力線密度をＢ［ｗｂ／ｍ2
］とし、導線と磁力線間の相対移動速度をｖ［ｍ／ｓ］とすれば、電気磁気学理論の教えるところにより
ｅ＝Ｂ・ｌ・ｖ［ｗｂ／ｍ2 ］          （２）
で与えられるが、図３（５），図３（６）のように直線状の導線の代わりにらせん状にコイル化した導線部３１２を電機子として用いる本発明の発電機の場合、コイルに巻かれた導線の総長ではなくコイルの筒方向の長さをｌ［ｍ］とすることにより、上式をそのまま適用した値の起電力が得られる。このようにコイル化された導線部が磁力線をよぎる場合においても、コイルの筒方向の長さに等しい直線状の導線と同等な起電力が得られることは、図１４に示す後述される実験によっても確認されている。
【００３１】
らせん状にコイル化した導線部３１１を外部からの回転力によって図３(５)，図３(６)３１３で示す方向に移動（回転）させるとき、起電力ｅは図３(５)，図３(６)において紙面表面から裏面に向かう方向（コイルの中心軸に沿う方向）に生じ、その結果、この導線部３１１の両端に外部の負荷（図には示してない）を接続すると、負荷電流ｉが図３（４）に示す向きにこの導線部３１１中を流れる。起電力ｅの向きは、らせん状にコイル化した導線部３１１の巻き方を図３(４)のように右巻きにしても、逆に左巻きにしても変わらない。このことも図１４に示す後述される実験によって確認されている。起電力ｅの向き、従って負荷電流の流れる向きを１８０゜逆にするには、外部からこの導線部３１１に加える回転力を図３(５)，図３(６)３１３で示す方向と１８０゜逆にする、すなわちらせん状にコイル化した導線部３１１を反対方向に回転させればよい。
【００３２】
図１４は、コイルが磁力線をよぎる場合に生ずる起電力がコイルの筒方向の長さと等しい単一導線による起電力と等しいこと、つまり磁力線をよぎる磁力線と直角方向の導線長で起電力が決まること、またその起電力の向き（極性）はコイルの巻き方が右巻きでも左巻きでも変わらないこと、を実証するための実験装置構成と実験結果を示している。
【００３３】
図１４（１）は実験装置の前面図、図１４（ｂ）はその側面図である。回転円盤の円周上に３２個の棒磁石を等間隔で、隣り合う磁石は互いに逆極性となるよう配置されており、この円盤が一定速度で回転させられる。この円盤に接しない最近傍に測定用の電機子１４０２を配置し、この電機子１４０２をよぎる磁力線によって生ずる起電力波形をオシロスコープで観測した。図１４（３）は棒磁石と電機子の相対位置関係を示しているが、棒磁石と電機子コイルは直角に配置されている。この電機子コイルは右巻きコイル１４０３と左巻きコイル１４０４が同心円状に重ねあわされており、さらに中空部分に単一の直線導線（基準用単線１４０６）が挿入されている。基準用単線１４０６も右巻きコイル１４０３も左巻きコイル１４０４も全て長さは同一（約８０ｍｍ）に揃えられている。
【００３４】
棒磁石が図１４（３）で紙面の表から紙面裏に移動すると電機子を直角によぎる磁力線の向きは図中の太い矢印１４０５で示されるように交互に変化する。この時、外側左巻きコイル１４０４に誘起する起電力波形を波形１、内側右巻きコイル１４０３に誘起する起電力波形を波形２、基準用単線１４０６に誘起する起電力波形を波形３とすると、各波形は図１４（４）に示すように位相も電圧もほぼ等しくなることが実測により確認された。このことは右巻きコイルでも左巻きコイルでもそのコイル長に等しい単線と同様な起電力が得られると云う本発明の前提条件が技術的に正しいことを示している。
【００３５】
本発明の第２の手段による高効率発電機は、固定子と回転子から成る電磁誘導利用の発電機において、永久磁石による磁力線をよぎる電機子を、右巻きらせん状にコイル化した導線部と左巻きらせん状にコイル化した導線部を組み合わせた同心コイルとして構成し、負荷電流が同心コイルを流れる際に右巻きらせん状にコイル化した導線部によって発生する磁力線と左巻きらせん状にコイル化した導線部によって発生する磁力線を互いに相殺させることにより、負荷電流が同心コイルを流れる際に同心コイル外に生じる磁力線を最小化して永久磁石による磁力線との干渉を抑え、負荷電流による回転抑止力の発生を抑圧する。
【００３６】
図４（１）は、本発明の第２の手段による高効率発電機において用いる、右巻きらせん状にコイル化した導線部４０１と左巻きらせん状にコイル化した導線部４０２を組み合せた同心コイルとして構成した電機子４０３の構成例を示すもので、電気絶縁性の高い単一のボビン４０４上に、電気伝導性の高い導体（たとえば銅または銅合金）でできた導線を、左巻きと右巻きにそれぞれ密に巻いて２つのコイルを構成した同心コイルであり、便宜上２重逆巻きコイルと呼ぶことにする。なお、これらの導線はコイル状に巻かれる際互いに接触するので、この接触により相互間に直接電流が流れないようにするため、それぞれの導線として絶縁性の高い外被で覆われたもの、いわゆるエナメル被覆線等、を使用する。これらのコイルのボビン４０４は、図４（１）４０５に示すように空心とするのが良い。
【００３７】
図４（１）の電機子（２重逆巻きコイルとしての同心コイル）４０３において、同じ負荷電流が右巻きらせん状にコイル化した導線部４０１と左巻きらせん状にコイル化した導線部４０２に流れる際に発生する磁力線は、共にボビン４０４の内側（すなわちボビン４０４の空芯部４０５）に集中し、かつ互いに逆向きになる。このためこれらの磁力線は互いにほぼ相殺され、最小化される。その結果、負荷電流が右巻きらせん状にコイル化した導線部４０１と左巻きらせん状にコイル化した導線部４０２を流れる際に同心コイル４０３外に出て行く磁力線も最小化されて、永久磁石による磁力線との干渉が抑えられ、負荷電流による回転抑止力の発生が抑圧される。
【００３８】
図４（１）では右巻きらせん状にコイル化した導線部４０１の内側に左巻きらせん状にコイル化した導線部４０２が巻かれる構成例を示したが、この順番を逆に構成しても、永久磁石による磁力線と負荷電流による磁力線の間の干渉を最小化する効果が変わらないことは、これまでの説明から自明であろう。
【００３９】
２重逆巻きコイル４０３の右巻きらせん状にコイル化した導線部４０１と左巻きらせん状にコイル化した導線部４０２に同じ負荷電流を流すには、これら２つのコイルを直列に接続すればよいが、発電機としての総合起電力を大きくするため通常は複数（偶数）個の電機子を使用するので、その場合はまず使用するすべての電機子の右巻きコイルを直列に接続し、同様にすべての電機子の左巻きコイルを直列に接続し、その上で両者を直列に接続する、という構成としてもよい。
【００４０】
従来の発電機では、１つの電機子あたりの起電力を増す手段として、図１（１）に示した外部磁力線をよぎる導線の長さｌを実効的に出来るだけ長くするため、同一の導線が同じ磁力線中をｎ回よぎるように導線をコイル状にｎ回巻いて、実効的な導線長をｎ×ｌ［ｍ］にしている。
【００４１】
これに対し、本発明の第２の手段を用いる発電機においては、１つの電機子あたりの起電力を増す手段として、図４（２）に示すように２重逆巻きコイルを複数（ｎ）個同心状に重ねた２ｎ重逆巻きコイルの構造にする方法により、発電のための実効的な導線部の長さを２ｎ×ｌ［ｍ］に増加させることができる。図４（２）はｎ＝３の場合の例を示し、右巻き部４０７と左巻き部４０８から成る第１の２重逆巻きコイル４０６と、右巻き部４１０と左巻き部４１１から成る第２の２重逆巻きコイル４０９と、右巻き部４１３と左巻き部４１４から成る第３の２重逆巻きコイル４１２の３つの２重逆巻きコイルを同心コイル状に重ねて６重逆巻きコイル４１５を構成する構造を示す。
【実施例１】
【００４２】
図５は、永久磁石を回転子として用い、電機子を固定子として用いる場合の、本発明による発電機の第１の実施例を示し、図５（１）はその上面図、図５（２）は側面図である。本実施例の発電機は、軸受けを中心に回転する回転円盤５００、回転円盤の円周部分に沿って等間隔に取り付けられた８個の永久磁石５０１〜５０８、回転円盤５００の中心から等角度で８方に伸びる放射線に沿い永久磁石５０１〜５０８のそれぞれのＮ極とＳ極の端面間の空隙部分に位置するように固定された８個の電機子５１１〜５１８を有する。構成を単純にするため８個の永久磁石はすべて同一形状で同一特性を持つものとし、８個の電機子もすべて同一形状で同一特性をもつものとする。なお図５の本発明の第１の実施例では電機子８個、永久磁石８個の場合を例示しているが、この数に限るものではなく、一般に永久磁石２ｍ（ｍは任意の自然数）個、電機子ｓ（ｓは２ｍ以下の任意の自然数）個、として構成することができる。【００４３】
回転円盤５００は、その中心に取り付けられた回転軸５１９をコロガリ軸受等で受けてできるだけ少ない摩擦抵抗で回転するように作られ、外部からの駆動機構（図示してない）を通して回転力が与えられる。永久磁石５０１〜５０８の形状は、図５（２）の側面図に示すように、それぞれの永久磁石のＮ極とＳ極の端面が、適切な余裕間隙を維持しつつ各電機子５１１〜５１８を挟み込むように構成する。また回転円盤５００の円周部分に沿って配置される永久磁石５０１〜５０８は、図５（１）上面図に示すように、隣り合う２つの永久磁石の極性が互いに異なるように配置する。【００４４】
本発明の第１の手段により本発明の第１の実施例を実施する場合、図５における電機子５１１〜５１８として、図２（２）に示す右巻きコイルあるいは図２（３）に示す左巻きコイルを用いる。このとき永久磁石５０１〜５０８のそれぞれのＮ極とＳ極間の磁力線と、各永久磁石が回転することによって各電機子（コイル）の内部に発生する磁力線とは互いに直交するので、すでに説明したように、各永久磁石を取り付けた回転円盤５００の回転を妨げる反回転力は生じない。【００４５】
いま図５において、回転円盤５００が時計回りに回転し永久磁石５０１が電機子５１１をよぎる場合を考える。このとき相対的に電機子５１１から見れば、電機子５１１が永久磁石５０１のＮ極からＳ極に向かう磁力線を反時計方向によぎることになるから、フレミングの右手の法則により電機子５１１には円盤中央に向かう電流を流すような起電力ｅが生じる。この起電力の向きを図６の電機子５１１のそばに矢印で表示している。このとき同時に永久磁石５０２が電機子５１２をよぎるが、永久磁石５０２の磁力の向きが逆であるので、電機子５１２には回転円盤の外側方向に向かう起電力ｅが生じる。同様にして、電機子５１３では回転円盤内側方向、電機子５１４では回転円盤外側方向、電機子５１５では回転円盤内側方向、電機子５１６では回転円盤外側方向、電機子５１７では回転円盤内側方向、電機子５１８では回転円盤外側方向に向かう、同じ大きさの起電力ｅがそれぞれ生じる。【００４６】
したがって、図６に示すようにこれら８個の電機子５１１〜５１８を相互結線することにより、これら８個の電機子がそれぞれ発生する起電力ｅがすべて同方向に加算されるので、最大の発電出力（図５および図６に示した本発明の第１の実施例の場合は８ｅ）が得られる。【００４７】
なお図５および図６に示した本発明の第１の実施例において、各電機子間を結ぶ結線部分が、回転する各永久磁石のＮ極，Ｓ極間の磁力線をよぎると、その結線部分でも起電力が生じ、各電機子における起電力を相殺する恐れがあるので、このような起電力が生じないようにするため、各電機子コイル間の結線は、図６の結線部分６０１，６０２のように、回転円盤５００と同心円状になるような形状で配線する。【００４８】
出力電力を取り出す位置は原則的に回路中のどこでも良いが、前述のように回転円盤上の永久磁石からの影響が少ない配線になる方が良いので、回転円盤外周方向にある電機子端子から取り出す方が望ましい。図６に示す本発明の第１の実施例では、電機子５１８の回転円盤外周方向端子６０３と電機子５１７の回転円盤外周方向端子６０４から取り出すようにしている。【００４９】
各電機子で発生する起電力のピーク値ｅは基本的に式（２）で表され、図５および図６のように電機子を配置することにより全ての起電力が同じ方向を向くから、総合起電力Ｅ（ピーク値）はＥ＝８ｅと表わされる。図６における端子６０３と６０４間の端子間電圧Ｖ（６０５）は、スイッチ６０６が開放されているとき（無負荷時）、この総合起電力Ｅに等しい。スイッチ６０６が閉じられると負荷電流ＩL
が流れる。この時の等価回路を図7（１）に示す。各電機子の内部インピーダンスが純抵抗のみで且つ負荷インピーダンスも純抵抗であれば負荷電流は電圧と同相になるが、実際には各電機子がコイル化されているためインダクタンスを有し内部インピーダンスは純抵抗のみでなく誘導性リアクタンスを含むことになり、純抵抗負荷に対しても誘導性リアクタンス負荷に対しても、総合起電力Ｅに対する負荷電流ＩL
の位相は遅れ角となり、両者の関係は図７（２）に示すようになる。もし負荷が容量性リアクタンスであれば、図７（２）の電流ベクトルは上に持ち上げられ、電機子内部インピーダンスの誘導性リアクタンスを打ち消す程の容量性リアクタンスであれば図７（２）の電流ベクトルはｘ軸（横軸）の上に来る。【００５０】
本発明の第１の手段により図５，図６の構成の本発明による発電機の第１の実施例を実施する場合、外部に取り出せる最大電力は、８個の電機子コイルの持つ内部インピーダンス値と、電機子コイル間を結ぶ配線部分の抵抗値の総和で制限されるので、各電機子コイルの導線部には導電率の高い銅または銅合金による線径の太い導線を用い、導線径はできるだけ太くする必要がある。
なお、この場合、上記導線部に超伝導コイルを用いると、その内部抵抗が極めて小さくなるのでより好ましい。【００５１】
本発明の第２の手段により本発明による発電機の第１の実施例を実施する場合、図５における電機子５１１〜５１８として、図４（１）に示す２重逆巻きコイルあるいは図４（２）に示す２ｎ重逆巻きコイルによる同心コイルを用いる。このときも永久磁石５０１〜５０８のそれぞれのＮ極とＳ極間の磁力線と、各永久磁石が回転することによって各電機子（同心コイル）の内部に発生する磁力線は互いに直交するが、さらに各電機子が２重逆巻きコイルまたは２ｎ重逆巻きコイルであるため右巻きコイルと左巻きコイルによって発生する磁力線の向きが互いに逆となり打ち消しあうために、各電機子（同心コイル）の内部に発生する磁力線自体が初めからきわめて小さいことになる。このため本発明の第１の手段を用いる場合と同様かそれ以上に回転円盤５００に対する反回転力を最小化することができ高効率の発電機を構成できる。【００５２】
本発明の第２の手段による発電機においてさらに重要な特徴は、導線のコイル化によって発生するインダクタンスが結果的に抑圧でき、発電機の内部インピーダンスを最小化し出力可能電力を最大化できることである。
右巻きコイルと左巻きコイルは同心状に巻かれるので、電磁気学が教えるように、二つのコイル間で電磁結合による相互誘導作用が生じる。この相互誘導によるインダクタンス分が相互インダクタンスであり、それぞれのコイルが有する自己インダクタンスに相互インダクタンスが加わって全体のインダクタンスとなる。【００５３】
電磁気学の基礎理論によれば、相互インダクタンスＭ［ヘンリー］は、コイル１の自己インダクタンスをＬ1 ［ヘンリー］、コイル２の自己インダクタンスをＬ2
［ヘンリー］とすると、
【数１】
2009104618.tif 000003
で表わされる。ここにｋは二つのコイルの結合状態によって決まる定数で、電磁的結合度が最も高い場合に１、電磁的結合度が皆無の場合に０となる。
コイル１とコイル２が直列接続される場合の総合インダクタンスＬ［ヘンリー］は、二つのコイルが発生する磁力線が同一方向を向くか、逆方向を向くかにより、それぞれ
Ｌ＝Ｌ1 ＋Ｌ2 ＋２Ｍ
または
Ｌ＝Ｌ1 ＋Ｌ2 −２Ｍ
となる。前者はコイルの和動接続の場合、後者はコイルの差動接続の場合の合成インダクタンスを表わす式である。【００５４】
本発明で用いる二重逆巻きコイル（２ｎ重逆巻きコイルも同じ）は磁力線の向きを互いに逆とするためのものであるから、合成インダクタンスは差動接続の式で表わされる。
ここで今一度図４の２ｎ重逆巻きコイルを見てみると、コイル1もコイル2も同じ長さで同心構造を為しているので、Ｌ1≒Ｌ2
で且つｋ≒１と想定できる。
その結果
Ｌ＝Ｌ1 ＋Ｌ2 −２Ｍ
≒Ｌ1 ＋Ｌ1 −２Ｌ1 ＝０
となり、起電回路の合成インダクタンスは殆ど０に近い値に抑圧できることになる。【００５５】
したがい、本発明の第２の手段を本発明による発電機の第１の実施例に適用する場合のあるべき電機子結線図は図８（１）のようになる。これはｎ＝１の場合であるが、ｎが複数の場合も容易に拡張できる。電機子第１層と第２層のコイルをそれぞれ別に図６で説明したように結線した後、電機子８の第１層コイルからの出力を電機子１の第２層コイルの入力とするように接続し、電機子１の第１層コイルの入力と電機子８の第２層コイル出力の間に負荷をつなぐことで倍増された起電力が得られる。【００５６】
また、上述のように第１層と第２層は互いに逆巻きであるがそこに同じ負荷電流が流れるためそれぞれのコイルが発生する磁力線は打ち消しあうことになり、電機子コイルからは殆ど磁力線が外部に出ないことになる。さらにコイルを使用しているにも拘らずインダクタが生じないことになる。結果としてこの発電機の等価回路は図８（２）に示すように、内部インダクタンスは実質上なしと想定し得ることになる。起電力は電機子に用いる層数を増やすとほぼ比例的に増加できる。内部インダクタンスは上述のようにほぼ０にできるが、導線の抵抗値による発電機の内部抵抗は外側コイルほど使用する導線長が長くなるので層数比例よりは大きく増加する。このため導線の単位長当たりの抵抗値を可及的に小さく抑えることが本発明による発電機の実現上大きな課題となる。【００５７】
本発明の第１の手段により本発明による発電機の第１の実施例を実施する場合、起電力（出力電圧）を増加させるには、
（１）永久磁石の磁力（磁力線密度B）を高める、
（２）磁力線をよぎる電機子の実質コイル長（ｌ）を長くする、
（３）磁力線をよぎる速度（ｖ）を高める、
（４）回転円盤が一回転するときに通過する磁極数を増やす、
などの方法があり、（１）として適切な永久磁石材料の選択、（２）として電機子コイル長と永久磁石サイズの増加、（３）として回転円盤の回転数や直径の増加、などが具体的な設計項目となる。【００５８】
また、本発明の第２の手段により本発明による発電機の第１の実施例を実施する場合は、電機子コイルボビン当りの２ｎ重逆巻きコイルの多重数の増加により上記（２）の効果を更に増すことができる。
いずれの場合も、上記（４）項も含めた工学的見地から利点、欠点を総合的に検討し、最適な設計を行なうことができる。
なお、超伝導材料を用いると、電機子巻線の内部抵抗を極端に小さくできるとか、永久磁石の代わりに超伝導電磁石を用いると非常に大きな磁力が得られる等の可能性が生じるので、今後の検討課題である。【００５９】
本発明の発電機の第１の実施例における各電機子は、回転円盤の回転につれて交互に逆向きの永久磁石磁力線をよぎることになるので、発電電圧出力は交流電圧となり、その周波数は回転円盤の回転速度と回転円盤が１回転するとき１つの電機子が通過する永久磁石極数で決まる。回転速度をＮ［回／秒］、回転円盤が１回転するとき１つの電機子が通過する永久磁石の極数をＰとすれば、出力電圧の周波数Ｆ［Ｈｚ］は、
Ｆ＝ＮＰ／２  ［Ｈｚ］          （３）
で与えられる。
例えば、円盤の回転数を６００ｒｐｍとし、円盤周辺の磁石数を３２個とすれば、出力の周波数は約１６０Ｈｚとなる。【００６０】
本発明の発電機の第１の実施例において、発電出力を高めるために回転円盤の回転数を増やす設計手法を採用した場合、出力電圧の周波数も上式に従って上昇する。もし周波数が高くなりすぎて応用上不都合を生じる場合は、外部にインバータを付加して適切な出力周波数に変換することができる。【００６１】
発電のために回転円盤を回転させるには外部の駆動系からの回転力が必要になる。外部駆動系がこの回転円盤に与える必要のある負荷トルクは、一般的に、（ａ）摩擦抵抗に対抗するトルクＴｆ、（ｂ）回転円盤の慣性に対抗するトルクＴj
、（ｃ）発電機の動作時の反回転力に対抗するトルクＴwの３種類に分類できる。【００６２】
本発明の発電機においては、従来の発電機では不可避だった負荷電流による反回転力の発生が抑止されるので、上記（ｃ）のトルクＴw はほぼ０とみなせる。いっぽう本発明の第１の実施例による発電機では多数の永久磁石を回転円盤の円周上に配置して取り付けるため、（ｂ）のトルクＴjは従来の発電機に比べかなり大きくなる。しかしこのトルクは起動時あるいは回転速度を増減する時に必要となる力であって、回転円盤が一旦定常回転速度に達し回転を継続している時にはほぼ０になるので、実用上大きな障害とはならない。【００６３】
更に、起動時や加減速時に大きな外部トルクを必要とするということは回転円盤の慣性モーメントが大きいことを意味し、慣性モーメントが大きいことは発電機が安定な回転を維持する上で効果的だから、むしろ望ましいことと言える。【００６４】
したがって（ａ）のトルクＴｆ が、本発明の発電機が発電のために定常回転をするのに必要な駆動トルクであり、その大きさは軸受け部や駆動力伝達機構の摩擦抵抗、回転円盤の空気抵抗などによって決まる。とりわけ空気抵抗を如何に抑えるかが本発明の発電機の設計上の課題となる。
上記空気抵抗を減らすには、前記円盤の回転する環境を真空状態、もしくは真空状態に近い減圧状態とすることが望ましい。
また、上記軸受け部の摩擦抵抗を減らすためには、磁気浮上式無接触軸受けを用いることが望ましい。この場合、前記超伝導型のものを用いる可能性も検討される。【００６５】
本発明の発電機の第１の実施例においては、永久磁石の形状が図５（２）のように馬蹄形をしているため上記の空気抵抗が大きくなりがちという難点があり、またその形状から重量も増加しがちで慣性モーメントＴj
が必要以上に増大し、起動時に大きな駆動力が必要となる恐れがある。更に、このような特殊形状の永久磁石は製造コストの上昇を招く。
【実施例２】
【００６６】
本発明の発電機の第１の実施例における上記のような難点を解決する１つの方法として、図９に、永久磁石を回転子として用い電機子を固定子として用いる場合の、本発明による発電機の第２の実施例を示す。【００６７】
本発明による発電機の第２の実施例は、回転軸を中心に回転する回転円盤と、回転円盤の外縁に永久磁石保持具を用いて均等間隔に取り付けられ、隣り合う該棒状永久磁石同士では上部と下部の磁極極性が互いに逆となるように配置された任意の偶数（２ｍ）個の棒状永久磁石と、回転円盤とは接触しないように各棒状永久磁石の上部磁極端面に近い位置に取り付けられたｓ（ｓは２ｍ以下の任意の自然数）個の上部電機子（例えば、図９（２）の電機子U
３，U ７）と、回転円盤とは接触しないように各棒状永久磁石の下部磁極端面に近い位置に取り付けられたｓ個の下部電機子（例えば、図９（２）の電機子L
３，L ７）を有する。【００６８】
図９（１）は、本発明による発電機の第２の実施例の上面図、図９（２）は、本発明による発電機の第２の実施例の側面図である。図９（１），図９（２）に示すように、回転円盤９００に取り付けるそれぞれの永久磁石の形状は単純な棒状（丸棒に限らず断面が長方形であっても良い）とする。外部駆動系（図示してない）からの駆動力により回転軸９０１を中心に回転する回転円盤９００の外縁に、任意の偶数個（２ｍ個、図９の例では８個）の棒状永久磁石を、永久磁石保持具を用いて均等間隔に取り付ける。簡単のため、これら棒状永久磁石の形状や特性はすべて同じものとする。【００６９】
この際、隣り合う棒状永久磁石同士（例えば、図９の磁石１と磁石２）で、上部と下部の磁極極性が互いに逆となるように配置する。回転円盤９００とは接触しないように、各棒状永久磁石の上部磁極端面に近い位置に電機子U
１，電機子U ２，電機子U ３，・・・・電機子U８を、各棒状永久磁石の下部磁極端面に近い位置に電機子L
１，電機子L ２，電機子L ３，・・・・電機子L８を、それぞれ取り付ける。簡単のため、これら電機子の形状や特性はすべて同じものとする。【００７０】
図１０は、本発明による発電機の第２の実施例において、各棒状永久磁石が発生する磁力線が各電機子をよぎる（相対的に各電機子が各棒状永久磁石が発生する磁力線をよぎるのと等価）ことにより起電力を発生する様子を説明する図であり、図９（２）の側面図における回転円盤９００上の棒状永久磁石３（図１０の１１０１）が、図９（２）の２個の電機子U
３（図１０の１００２）、電機子L ３（図１０の１００３）の位置を通過する瞬間の磁力線１００６の様子を示している。図９において回転円盤９００を外部駆動系（図示してない）によって回転させ、この回転によって図１０において棒状永久磁石１００１が紙面裏から表に向かう方向に移動しているものとすれば、相対的に各電機子（１００２、１００３）が紙面表から裏方向に移動しているのと等価であるから、フレミングの右手の法則に従い、これら２個の電機子のそれぞれにおいて、図１０にｅと記した矢印方向の起電力が生じる。【００７１】
回転円盤の回転につれ、次の瞬間には２個の電機子１００２、１００３の位置に磁極の向きが反対の棒状永久磁石（図９（１）の永久磁石６）が通過することになり、このときは各電機子に逆向きの起電力が発生する。このように回転円盤の回転につれて交互に極性が反転した棒状永久磁石が各２個の電機子の位置を通過して、各２個の電機子に、向きの揃った交流起電力が得られることになる。【００７２】
本発明の第２の実施例において、永久磁石として図９，図１０に示したような単純な棒状のものを用いることにより、コストの低減が可能になるだけでなく空気抵抗も軽減できる。更に、回転円盤上のすべての棒状永久磁石をプラスチック等の薄い非磁性体材料で作ったカバーで覆うことにより、磁力線への影響無しに、回転時の空気抵抗を一層軽減できる。【００７３】
本発明の第１の手段により本発明の第２の実施例を実施しようとすると、図９の各電機子として図２（２）に示す右巻きコイルまたは図２（３）に示す左巻きコイルを用いることになる。この場合、図１０の各電機子１００２，１００３のコイルに負荷電流が流れる際各コイルの外に出て行く磁力線（図示していない）に、回転円盤上の棒状永久磁石からの磁力線（図１０の１００６）と直交しなくなる部分が生じて相互作用が発生し、そのため各棒状永久磁石と各電機子間に吸引力あるいは反発力が働いて、回転円盤の円滑な回転が妨げられる可能性がある。従って、本発明の第２の実施例を実施するにあたっては、各電機子からの磁力線の発生そのものをできるだけ押さえる必要があり、そのためには本発明の第２の手段によることが有用である。【００７４】
本発明の第２の手段により本発明の第２の実施例を実施する場合は、図９の各電機子として図４（１）に示す２重逆巻きコイルまたは図４（２）に示す２ｎ重逆巻きコイル（任意の偶数重逆巻きコイル）による同心コイルを用いる。個々の電機子コイルを２ｎ重巻きとすることで電機子１個当りの起電力を高めることができる。なお以下では簡単のため同心コイルの層数を４（ｎ＝２）として説明するが、一般にはｎの値を任意に増やして各電機子の起電力を更に増すことができる。【００７５】
本発明の第２の手段により図９の本発明の第２の実施例を実施する場合、各電機子の起電力を相加し発電機全体として最大の起電力を取り出すため、各電機子として同一ボビン上に巻かれた多層（２ｎ層）の同心コイルの、各層ごとに図１１（１），（２）のような結線を行なう。【００７６】
すなわち、図９の本発明の第２の実施例においては、回転円盤上に取り付けられる棒状永久磁石の極性が隣り合う棒状永久磁石同士は逆向きになっているから、隣り合う電機子同士での起電力の向きは互いに逆向きとなる。そこで２ｍ個の上部電機子の組、２ｍ個の下部電機子の組ごとに、図１１に示されるように、或る電機子の同心コイル第ｊ層（ｊ＝１，２，３，４［＝２ｎ］）の回転円盤回転軸側（内側）端子を隣の電機子の同心コイル第ｊ層の回転円盤回転軸側（内側）端子に接続し、次にその電機子の同心コイル第ｊ層の外側端子を更に隣の電機子の同心コイル第j層の外側端子に接続する、という順番に各電機子の同心コイルの各層端子を層ごとに直列に接続することにより、起電力を相加させる。このとき各電機子の同心コイル端子間の接続線は、第１実施例の場合と同様に、回転円盤の回転軸を中心とする同心円に沿って配線し、各電機子の同心コイル端子間の接続線が棒状永久磁石の磁力線をよぎって逆起電力が発生することを防ぐ。【００７７】
図１１（１）は、２ｍ＝８として、この相加接続を上部電機子について行なった例、図１１（２）は２ｍ＝８として、この相加接続を下部電機子について行なった例である。各層別の相加起電力は、このようなリング状の結線の任意の１箇所を開放し、その両端間の電圧として得られる。たとえば図１１（１）における上部電機子の組では電機子U
１の外側端子ＳU （１１０１）と電機子U２の外側端子ＥU （１１０２）間、図１１（２）における下部電機子の組では電機子L
１の外側端子ＳL（１１０３）と電機子L ２の外側端子ＥL （１１０４）間の電圧としてそれぞれ出力を取り出す。【００７８】
２ｍ個の上部電機子の組および２ｍ個の下部電機子の組ごとに、電機子の同心コイルを層ごとに直列接続したものを便宜上「層別起電ユニット」と名づけ、上部電機子が構成する層別起電ユニットＲU
ｊの開放端子を便宜上「始点側端子」ＳU ｊおよび「終点側端子」ＥUjと名づける。本発明の第２の実施例においては同心コイルの層数を４としたのでｊ＝１，２，３，４のいずれかとなる。【００７９】
このようにして得られる層別起電ユニットを直列接続して大きな起電圧を得る。すなわち、上部電機子の組によるｊ個の層別起電ユニットＲU １，層別起電ユニットＲU
２，・・・・層別起電ユニットＲUｊをこの順番に直列接続した上部起電ユニットと下部電機子の組によるｊ個の層別起電ユニットＲL
１，層別起電ユニットＲL２，・・・・層別起電ユニットＲL ｊをこの順番に直列接続した下部外側起電ユニットを得る。【００８０】
図１２（１）は上部電機子の組（図９の本発明の第２の実施例においては８個）で構成される上部起電ユニットとしての出力を得るための結線図である。同図の層別起電ユニットＲU
１（巻層１：左巻）１２０１は上部電機子の組の同心コイル第１層（左巻きに巻かれている）による起電ユニットであり、その入力端子はＳU１、出力端子はＥU
１である。同様に同図の層別起電ユニットＲU ２（巻層２：右巻）１２０２は上部電機子の組の同心コイル第２層（右巻きに巻かれている）による起電ユニットであり、その入力端子はＳU２、出力端子はＥU
２である。同様に同図の層別起電ユニットＲU ３（巻層３：左巻）１２０３は上部電機子の組の同心コイル第３層（左巻きに巻かれている）による起電ユニットであり、その入力端子はＳU３、出力端子はＥU
３である。同様に同図の層別起電ユニットＲU ４（巻層４：右巻）１２０４は上部電機子の組の同心コイル第４層（右巻きに巻かれている）による起電ユニットであり、その入力端子はＳU４、出力端子はＥU
４である。【００８１】
同様に、図１２（２）は下部電機子の組で構成される下部起電ユニットとしての出力を得るための結線図である。図１２は各電機子が左巻き２層と右巻き２層の合計４層の同心コイルである場合を例示しているが、既に述べたように起電力増加のためには層数を増やすほうが良く、４層に限るものではない。【００８２】
最終的な発電出力としては、図１３に示すように、各起電ユニットを直列接続するか並列接続するかによって得られる。高い出力電圧を得たい場合は図１３（１）のように各起電ユニットを直列に接続し、出力電圧は増やさず発電機の内部インピーダンスを減らしたい場合は図１３（２）のように各起電ユニットを並列に接続する。【００８３】
本発明の発電機では、電機子を構成する導線の全長に対し起電力発生に寄与する部分が従来の発電機に比べると相対的に少なくなるため、所望の高電圧を得ようとすると電機子の内部インピーダンスが大きくなりがちである。発電機を電圧源として使用する場合、内部インピーダンスは一般に小さいことが望ましい。そのためには図１３（１）のように構成して、発電機の起電力を高くしたのち変圧器で所望の電圧まで降圧するか、図１３（２）のように構成して、変圧器を使わずにほぼ同等の効果を得るようにすればよい。【００８４】
以上説明した第１の実施例および第２の実施例においては電機子を固定子とし永久磁石を回転子とする構成を説明したが、永久磁石を固定子とし電機子を回転子とする構造を用いながら本発明の第１の手段または第２の手段を実施することによっても、同等の効果を有する発電機を構成することができる。【００８５】
また、以上説明した第１の実施例および第２の実施例においては永久磁石により発電のための外部磁界を発生させているが、永久磁石の代わりに、永久磁石と同等の外部磁界を発生する電磁石を用いてもよい。
本発明の第１および第２の実施例として単相発電機の例を示したが、本発明は３相発電機に容易に拡張できる。すなわち電機子コイルを１相用、２相用、３相用にグループ化し、１相用の電機子グループが磁石をよぎった後に２相用の電機子グループ、続いて３相用電機子グループが磁石をよぎるように、電機子グループを配置し、これら個々のグループごとに第１および第２の実施例で説明した配線を行うことで、１２０度ずつ位相がずれた３つの単相電力が得られる。これをデルタ結線、あるいはＹ結線することで３相交流が得られる。このような単相−３相変換技術は既存の発電技術として確立されたものであるので改めて図面を用いた説明は行わないが、本発明が３相交流発電機にも適用できることは明白であろう。【００８６】
以上詳細に説明したように、本発明の第１の手段または本発明の第２の手段により、従来の発電機では避けられなかった負荷電流による反回転力の発生を抑圧できるので、負荷電流が流れた場合においても無負荷時とほとんど変わらない小さな駆動力で発電でき、従来の発電機に比べ大幅な発電効率の改善が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
従来の発電機の駆動動力源は主に水力、火力、原子力などであるが、水力発電は電力需要の全てを賄うだけの水源や立地条件に不足するため、現在では火力や原子力を熱源とし蒸気タービンを動力源とする発電が主力となっている。本発明を火力や原子力を駆動力とする発電機に適用することにより発電効率が大幅に向上し、省エネルギー化や環境破壊の防止に大きく貢献できるので産業上の利用性が大である。また、本発明を水力発電に適用すれば、小さな力で従来より大きな発電出力が得られるので、従来発電には効率が悪くて使えないとされていた水圧源でも使えるようになり、水力発電への依存率を増加させることができる。これは化石燃料への依存を下げることにつながり、地球環境保護の観点から意義が大きい。
また本発明の発電機は自動車等の輸送機械をはじめとするあらゆる産業機械装置で使用する発電機に適用でき、発電の高効率化による装置の小型軽量化、省資源化に寄与するところ大である。
【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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【国際調査報告】
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