(57)【要約】永久磁石の使用量を少なくして小型化・軽量化を図りつつ、周囲に発生する磁束をより多くコアレスコアにより捕捉し、高い発電効率が得られる発電機及び自己発電型モーターを提供する。  本発明の発電機１００は、回転軸１０１と、回転軸１０１に連動して回転可能に構成された回転子１１０と、隣接する永久磁石１１１同士で同極同士が対向するように回転子１１０に周回状に配設した複数の永久磁石１１１と、複数のコアレスコイルを周回状に配設し、回転子１１０の一端面において永久磁石１１１に対向させた第１のコイル集合体１２０と、同様に回転子１１０の他端面において永久磁石１１１に対向させた第２のコイル集合体１３０と、回転子１１０の側面に対向させた第３のコイル集合体１４０を備える。自己発電型モーターは上記発電機１００と回転軸を共通化したモーターを備え、複数台直列に搭載する場合、各段にクラッチ機構２２０を設ける。
2011077599.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と、前記回転軸に連動して回転可能に構成された回転子と、
隣接する永久磁石同士で同極同士が対向するように前記回転子に周回状に並べて配設された複数の永久磁石と、
複数のコアレスコイルを周回状に配設し、前記回転子の一端面において前記永久磁石に対向するように設けた第１のコイル集合体と、
複数のコアレスコイルを周回状に配設し、前記回転子の他端面において前記永久磁石に対向するように設けた第２のコイル集合体と、
複数のコアレスコイルを周回状に配設し、前記回転子の側面に対向するように設けた第３のコイル集合体とを備えた発電機。
【請求項２】
複数個の前記発電機が前記回転軸を共通して直列方向に積層され、各々の前記発電機がクラッチを介して前記回転軸に連結され、前記クラッチの連結・開放を通じて前記回転軸を共通化された前記発電機の台数制御を行うクラッチ制御部を備えたものである請求項１に記載の発電機。
【請求項３】
前記積層方向に隣接し合う前記回転子間において、前記永久磁石の磁極の配置が互いに同極になっていることを特徴とする請求項２に記載の発電機。
【請求項４】
回転軸と、前記回転軸に対して回転可能に構成された回転子と、
隣接する永久磁石同士で同極同士が対向するように前記回転子に周回状に並べて配設された複数の永久磁石と、
複数のコアレスコイルを周回状に配設し、前記回転子の一端面において前記永久磁石に対向するように設けた第１のコイル集合体と、
複数のコアレスコイルを周回状に配設し、前記回転子の他端面において前記永久磁石に対向するように設けた第２のコイル集合体と、
複数のコアレスコイルを周回状に配設し、前記回転子の側面に対向するように設けた第３のコイル集合体とを備えた発電機と、
前記発電機の回転軸を、駆動用の回転軸として共通化せしめたモーターとを備え、前記モーターで生じた回転エネルギーの一部を前記発電機により電気エネルギーに変換する自己発電型モーター。
【請求項５】
複数個の前記発電機が前記回転軸を共通して直列方向に積層され、各々の前記発電機がクラッチを介して前記回転軸に連結され、前記モーターにより前記回転軸に与えられる余剰の回転トルクの大きさに応じて前記クラッチによる前記発電機の前記回転軸への連結・開放制御を動的に行い、前記モーター余剰トルクに応じた前記発電機の台数制御をするクラッチ制御部を備えた請求項４に記載の自己発電型モーター。
【請求項６】
前記積層方向に隣接し合う前記回転子間において、前記永久磁石の磁極の配置が互いに同極になっていることを特徴とする請求項４に記載の自己発電型モーター。
【請求項７】
請求項４から６のいずれか１項に記載の前記自己発電型モーターを組み込んだ電気自動車。
【請求項８】
請求項４から６のいずれか１項に記載の前記自己発電型モーターを組み込んだ電気自動二輪車。
【請求項９】
請求項４から６のいずれか１項に記載の前記自己発電型モーターを組み込んだ電気走行車両。
【請求項１０】
電力入力源と、電力消費部と、電力の入力と消費を制御する電力制御部とを備え、
前記電力入力源が、請求項４から６のいずれか１項に記載の前記自己発電型モーターと、ソーラーパネルと、家庭用電源の３者であり、
前記電力消費部が、電力消費者が利用する電気機器と、前記自己発電型モーターの２者であり、
前記電力制御部が、前記電力消費部から要求される電力を、前記電力入力源から供給する中で、前記家庭用電源からの電力供給量が最小化されるように、前記自己発電型モーターの前記モーター駆動を制御する電力供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機、モーターおよびそれを用いた電力供給システムに関する。モーターとしての用途は限定されず多様な分野に適用される。電力供給システムも用途は限定されず多様な分野に適用される。例えば、家庭での電力供給装置、工場やビルディングでの電力供給装置がある。また、例えば、電気自動車、ハイブリッド型自動車、電気自動二輪車、特殊車両などの車両の電力供給機構などがあり、多様な分野に適用され得る。
【背景技術】
【０００２】
発電機は運動エネルギーを電気エネルギーに変換する機器であり、モーターは電気エネルギーを運動エネルギーに変換する機器であり、様々なタイプがある。モーターは一般には、電機子に電力を供給して磁界を発生させ、界磁との間で得られる磁気引力・磁気反発力を得て回転させ、電機子の極性を切り替えることにより連続回転を可能とする機構である。一方、逆に、モーター軸に機械的な回転駆動エネルギーを与えると逆に電気エネルギーを取り出す事が可能となり、発電機としても転用できる。
ハイブリッド電気自動車は、ガソリンの内燃機関により得られる運動エネルギーと、モータージェネレーターにより蓄電・消費する電気エネルギーを効率的に組み合わせて利用するものとなっている。このようにハイブリッド電気自動車が普及するにつれ、近年、運動エネルギーから電気エネルギーへの変換、電気エネルギーから運動エネルギーへの変換の両者を効率良く処理するモータージェネレーターが注目されている。
従来のハイブリッド電気自動車の構成は、内燃機関と電気モーターを備え、両者を動力切替・伝達機構を介して連動させつつ、内燃機関と電気モーターの動力を車輪に伝達するように構成されている。モータージェネレーターをモーターとして動作する時には電力変換装置を介して電気エネルギーを運動エネルギーに変換する電気モーターとして駆動制御される。一方、モータージェネレーターを発電機として動作する時には電力変換装置を介して内燃機関の回転動力を電気エネルギーに変換する発電機として動作させ、電力変換装置を介して蓄電池に充電する。
また、ハイブリッド電気自動車に限らず、地球温暖化防止のために自家発電が注目されている。このような状況の下、必要なときに必要な量だけ発電した電気エネルギーを電気機器類に供給可能な電力供給システムや、普段無意識に消費されている運動エネルギーを電気エネルギーに変換して蓄電しておき、電気エネルギーが必要な時に電力を供給する電力供給システムが注目されている。
発電機としては火力発電のタービンや水力ダムの発電機など大型のものは上記のような自家発電には不向きである。そこで、複数の永久磁石と複数のコイルとから構成された小型の永久磁石発電機が用いられることが多い（例えば、特許文献１参照）。
従来の小型永久磁石発電機の構成は、複数のコアレスコイルを配置した回転子と、そのコアレスコイルを磁束が貫くように周囲に永久磁石が配設された構造となっている。例えば、図１１（ａ）のような構造となっている。従来の小型永久磁石発電機１は、固定軸２と、回転ケース３と、基盤４と、複数個のコアレスコイル５と、複数個の第１永久磁石６と、複数個の第２永久磁石７とからなる構造が示されている。第１永久磁石６と第２永久磁石７は同数個とされ、互いに向かい合う位置に配置される。第１永久磁石６と第２永久磁石７の対向面は互いに反対の極性とされる。これにより、第１永久磁石６から第２永久磁石７へ、或いは、第２永久磁石７から第１永久磁石６へ向けて磁力線が形成される。この磁力線は、コアレスコイル５の空心部１２を貫くことができる。
図１１（ｂ）は図１１（ａ）の構成を分かりやすく書き直した図である。図１１（ｂ）に示すように、上下に対向するように第１永久磁石６（Ｎ極）から第２永久磁石７（Ｓ極）の間をコアレスコイル５が回転しつつ横切る構造となっている。つまり、多数のコアレスコイル５を回転子に配設し、その上下に対向するように第１永久磁石６から第２永久磁石７を配置した構造となっている。
図１１（ａ）に示す回転子１０が回転軸の回転と共に回転すると、コアレスコイル５が対向する第１永久磁石６から第２永久磁石７間に発生している磁束を切るように通過していく。このように構成された電磁発電機に回転運動エネルギーが与えられれば、図１１（ｂ）に示すように、一方の永久磁石１０のＮ極から発生した磁束１１は、その大部分がコアレスコイル５を貫いて他方の永久磁石１０のＳ極へ向って流れ込むため、コアレスコイル５が運動すれば起電力が発生して発電することができる。
なお、上記の関係において、永久磁石が固定されている側、コアレスコイル５が回転する側として説明したが、両者が逆で、第１永久磁石６及び第２永久磁石７が回転する側、コアレスコイル５が固定されている側としても同様に動作して発電することができる。
【特許文献１】特開２００２−３２０３６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
小型永久磁石発電機に限らず、モータージェネレーターには常に発電効率の向上という課題が課されている。回転運動エネルギーが１００％の効率で電気エネルギーに変換できることが理想的である。
上記従来の小型永久磁石発電機を用いて発電量を増やすために、第１永久磁石６及び第２永久磁石７から発生する磁束が他へ漏れることなく確実にコアレスコイル５の芯部を貫くようにコアレスコイル５を挟み込んだ状態で向かい合う上下の第１永久磁石６及び第２永久磁石７の間隔を近づける手法がある。
しかし、上記従来の小型永久磁石発電機を用いる場合、対向する第１永久磁石６及び第２永久磁石７同士の間には何も挟み込まない状態とする必要があり、対向する第１永久磁石６及び第２永久磁石７同士の間に何も挟み込まずに近接させた状態で固定し続けるのは難しく、対向する第１永久磁石６及び第２永久磁石７の間はある程度離さざるを得ない。また、上記従来の小型永久磁石発電機を用いて発電量を増やすために、コアレスコイルの巻数を多くすると、コアレスコイル５の厚みが大きくなるために、その上下に配設される第１永久磁石６及び第２永久磁石７同士の間は拡がらざるを得ない。
そのため、第１永久磁石６及び第２永久磁石７から発生する磁束が他へ漏れることなく確実にコアレスコイル５の芯部を貫くために上下の第１永久磁石６及び第２永久磁石７の間隔を近づける手法には限界がある。
また、上記従来の小型永久磁石発電機を用いて発電量を増やすために磁束量を増やすべく、配設する永久磁石の数を増やす場合、永久磁石の数が多くなるとその重量が大きくなり、引いては小型永久磁石発電機全体の重量が大きくなってしまうという問題が生じる。
また、上記従来の小型永久磁石発電機は、磁束の流れを横切るためにコアレスコイル５が配設された回転子が回転する構造であるが、コアレスコイル５には電気エネルギーを取り出すための電気引き出し線が配線されるためコアレスコイル５は回転しない方が望ましい。
しかしながら、上記従来の小型永久磁石発電機の構成では、コアレスコイル５が回転子１０とともに回転運動する構成となっているため、導電ブラシ等の部材を設けなければならず、引き出し線等の構成が煩雑なものとなる。
逆に、コアレスコイル５側を固定して第１永久磁石６及び第２永久磁石７側を回転させる場合では、上述したように磁石の重量が大きいため、回転軸にかかる重量が大きく、発電特性に悪影響を及ぼすという不具合が生じてしまう。
上記問題点に鑑み、本発明は、永久磁石の使用量を少なくして小型化・軽量化を図りつつ、永久磁石から周囲に発生する磁束をより多くコアレスコアにより捕捉し、高い発電効率が得られる発電機および自己発電型モーターを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を達成するため、本発明の発電機は、回転軸と、前記回転軸に連動して回転可能に構成された回転子と、隣接する永久磁石同士で同極同士が対向するように前記回転子に周回状に並べて配設された複数の永久磁石と、複数のコアレスコイルを周回状に配設し、前記回転子の一端面において前記永久磁石に対向するように設けた第１のコイル集合体と、複数のコアレスコイルを周回状に配設し、前記回転子の他端面において前記永久磁石に対向するように設けた第２のコイル集合体と、複数のコアレスコイルを周回状に配設し、前記回転子の側面に対向するように設けた第３のコイル集合体とを備えた発電機である。
上記構成により、永久磁石が回転することにより、１つの磁極から周囲に発せられた磁束が、第１のコイル集合体と、第２のコイル集合体と、第３のコイル集合体の３つにより効率的に捕捉される。つまり、上面側、下面側、側面側のいずれの方向にもコイルが存在し、磁束を効率的に捉えることができる。なお、上記構成において、永久磁石の磁極の配置が互いに同極になっていることにより、永久磁石の磁束が回転子の外部に向けて広く発射されやすくなる。もし、一方、永久磁石の磁極の配置が互いに異極となっておれば、永久磁石の磁束が回転子の内部に閉じ込められてしまうからである。
ここで、発電機を直列に積層して発電効率を上げることができる。つまり、複数個の前記発電機が前記回転軸を共通して直列方向に積層され、各々の前記発電機がクラッチを介して前記回転軸に連結され、前記クラッチの連結・開放を通じて前記回転軸を共通化された前記発電機の台数制御を行うクラッチ制御部を備えた構成とすることができる。
なお、発電機を直列に積層する場合、隣接する回転子の永久磁石の磁極の配置が互いに同極になっていることにより、永久磁石の磁束が回転子の外部に向けて広く発射されやすくなる。なお、あまり隣接しすぎると磁束が反発し合うので適度な間隔が必要である。もし、永久磁石の磁極の配置が互いに異極となっておれば、永久磁石の磁束が歪んだ形の狭い磁束ループに閉じ込められてしまうからである。
次に、上記目的を達成するため、本発明の自己発電型モーターは、上記本発明の発電機に加えてさらにモーターを備え、前記発電機の回転軸を前記モーターの回転軸とを共通化せしめ、前記モーターで生じた回転エネルギーの一部を前記発電機により電気エネルギーに変換する自己発電型モーターである。
つまり、モーターとして駆動する中、そのうち余剰トルクの運動エネルギーを電気エネルギーに変換するものであり、上記本発明の高効率発電機を利用するものである。
ここで、上記自己発電型モーターの構成において、発電機を直列に積層して発電効率を上げることができる。つまり、複数個の前記発電機が前記回転軸を共通して直列方向に積層され、各々の前記発電機がクラッチを介して前記回転軸に連結され、前記モーターにより前記回転軸に与えられる余剰の回転トルクの大きさに応じて前記クラッチによる前記発電機の前記回転軸への連結・開放制御を動的に行い、前記モーター余剰トルクに応じた前記発電機の台数制御をするクラッチ制御部を備えた構成とすることができる。
直列に積層化することにより、回転軸で得られた回転運動エネルギーをできるだけ無駄なく電気エネルギーに変換することができる。余剰トルクの回転運動エネルギーに比べて発電機の負荷が大きくならないようにクラッチにて台数制限を行うことができる。
なお、自己発電型モーターの発電機を直列に積層するにあたり、積層方向に隣接し合う前記回転子間において、前記永久磁石の磁極の配置が互いに同極になっているものであることが好ましい。
隣接する回転子の永久磁石の磁極の配置が互いに同極になっていることにより、永久磁石の磁束が回転子の外部に向けて広く発射されやすくなる。なお、あまり隣接しすぎると磁束が反発し合うので適度な間隔が必要である。もし、永久磁石の磁極の配置が互いに異極となっておれば、永久磁石の磁束が歪んだ形の狭い磁束ループに閉じ込められてしまうからである。
上記本発明の自己発電型モーターの用途は多様である。例えば、本発明の自己発電型モーターは、乗用車、トラック、バス等の自動車のタイヤや、バイクなどの自動二輪車、さらには、航空機や特殊車両など、様々な車両に組み込むことができる。
次に、本発明の電力供給システムは、電力入力源と、電力消費部と、電力の入力と消費を制御する電力制御部とを備え、前記電力入力源が、本発明の自己発電型モーターと、ソーラーパネルと、家庭用電源の３者であり、前記電力消費部が、電力消費者が利用する電気機器と、本発明の自己発電型モーターの２者であり、前記電力制御部が、前記電力消費部から要求される電力を、前記電力入力源から供給する中で、前記家庭用電源からの電力供給量が最小化されるように、前記自己発電型モーターの前記モーター駆動を制御する電力供給システムである。
上記構成により、電力供給源を多様化する中、家庭用電源からの電力供給を小さく低減するものである。なお、自己発電型モーターの駆動は、電力消費と電力発生の２面性があるので、電力制御システムにより電力フィードバックをかけて駆動量を判断すれば良い。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
第１図は、実施例１にかかる発電機の基本構成を模式的に示した図である。
第２図は、実施例１にかかる発電機の内部の構造の正面図、側面図を示した図である。
第３図は、隣接する永久磁石１１１において同極同士が対向するように配置したときの作用効果について示した図である。
第４図は、本発明の発電機１００の回転軸１０１に回転エネルギーが与えられた場合の動作の原理を簡単に説明する図である。
第５図は、実施例２にかかる発電機１００ａの構成を分かりやすく模式的に示した図である。
第６図は、積層方向に隣接し合う回転子１１０間において、永久磁石１１１の磁極の配置が互いに同極に配置する作用効果を示す図である。
第７図は、実施例２にかかる自己発電型モーター２００の基本構成を模式的に示した図である。
第８図は、本発明の電力供給システム３００の構成例を模式的に示す図である。
第９図は、本発明の自己発電型モーター２００、２００ａなどを適用した車両の例を示す図である。
第１０図は、本発明の自己発電型モーター２００ａをバイクなどの自動二輪車５００ａ、衛星探査システムなどの特殊車両５００ｂに適用した例を示す図である。
第１１図は、従来の小型永久磁石発電機の構成を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明を実施するための最良の形態について実施例によって具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【０００７】
実施例１は、本発明の第１の発電機１００の構成例である。第１の発電機１００は、永久磁石の周囲３方向にコイル集合体を配して効率的に誘導電流を得るものである。
図１は、実施例１にかかる発電機の基本構成を模式的に示した図である。シャーシを取り除いて内部の構造が分かりやすいように各要素に分解して示している。発電機の構成要素のうち説明に必要な部分のみを描いており、その他の配線や構造物などの図示は省略している。図２は実施例１にかかる発電機の内部の構造の正面図、側面図を示した図である。
図１に示すように、本発明の発電機１００は、回転軸１０１、回転子１１０、永久磁石１１１、第１のコイル集合体１２０、第２のコイル集合体１３０、第３のコイル集合体１４０を備えた構造となっている。
回転軸１０１は、外部から回転力を受けて、回転可能なように軸受（図示せず）により支えられている。回動する方向は、右回り（時計回り）でも左回り（反時計回り）でも良い。
回転子１１０は、回転継手（図示せず）を介して、回転軸１０１に接続されて、回転軸１０１と連動して回転可能なように接続されている。なお、回転継手は、回転軸１０１を嵌合して、回転軸１０１と回転子１１０とを接続するための部材である。回転継手を設けないで、回転軸１０１と回転子１１０とを一体的に形成することも可能である。
なお、後述するように、発電するためのコアレスコイルを含む第１のコイル体１２０、第２のコイル体１３０、第３のコイル体１４０が、それぞれ回転子１１０の外周に配置されていることを考慮すると、永久磁石１１１からの磁束をより多くコアレスコイルに通過させるために、回転軸１１０及び回転継手は、非磁性体であることが望ましい。
回転子１１０は、円盤状のものであり回転軸に連動するものとなっている。回転子１１０には永久磁石１１１が収まる凹部が設けられており、当該凹部に永久磁石１１１を収めている。つまり、回転子１１０が回転することにより永久磁石１１１が回転することとなる。
なお、永久磁石１１１が当該凹部から落ちないようにする。例えば、凹部の壁面に接着したり、永久磁石１１１を回転子１１０内に樹脂で密封したりすれば良い。
回転子１１０の素材は、成形や加工のしやすさや重量等を考慮すると、プラスチック材料でも良い。
永久磁石１１１はそれぞれ円弧形状を有する棒状磁石であり、長手方向に分極されている。永久磁石１１１は、第１のコイル体１２０、第２のコイル体１３０、第３のコイル体１４０に含まれるコアレスコイルの空芯部を通過させる磁束を励起するための部材である。磁石の素材は限定されないが、例えば、ネオジム、鉄、ホウ素を主成分とする希土類磁石であるネオジム磁石等が挙げられる。
永久磁石１１１は、回転子１１０内において、隣接する永久磁石１１１同士で同極同士が対向するように周回状に並べて配設されている。
ここで、隣接する永久磁石１１１において同極同士が対向するように配置したときの作用効果について、図３を参照して説明する。
図３（ａ）は、１つの永久磁石１１１が励起する磁界を示した図である。１つの永久磁石１１１においてＮ極から発せられＳ極に帰還する磁束は、比較的永久磁石１１１の側方の狭い範囲を通過している。
次に、図３（ｂ）は、隣接する永久磁石１１１において異極同士が対向するように配置したときに永久磁石１１１が励起する磁界を示した図である。異極同士が対向するとほとんどの磁力線は１つの永久磁石１１１のＮ極から隣接する永久磁石１１１のＳ極へ入ってしまい、磁束が回転子１１０の周辺には発射されない。
次に、図３（ｃ）は、隣接する永久磁石１１１において同極同士が対向するように配置したときに永久磁石１１１が励起する磁界を示した図である。隣り合う永久磁石１１１の同極同士を対向させることによって、それぞれのＮ極から発生する磁力線が押し合うように作用し、図３（ｃ）に示すように、磁束が拡がって発射される。このように同極同士を対向させた磁極から、互いに押し合うように拡がった磁束が形成されるため、図３（ｂ）に示した磁束と比べて、磁界伝播領域が広くなり、永久磁石１１１からある程度離れた位置においても、磁束密度を高い状態に保つことができる。
なお、隣り合う永久磁石１１１の間隔が広すぎると、図３（ｃ）に示したような押しあった磁束が生じないので、設計段階で、永久磁石同士の間隔を調整しておけば良い。
次に、コイル集合体について述べる。
第１のコイル集合体１２０は、複数のコアレスコイルを周回状に配設し、回転子１１０の一端面（図１では上面）において永久磁石１１１に対向するように設けたものである。
第２のコイル集合体１３０は、複数のコアレスコイルを周回状に配設し、回転子１１０の他端面（図１では下面）において永久磁石１１１に対向するように設けたものである。
第３のコイル集合体１４０は、複数のコアレスコイルを周回状に配設し、回転子１１０の側面に対向するように設けられたものである。
ここで、用いられるコアレスコイルは、図１、図２の例では、それぞれ、第１のコイル集合体１２０および第２のコイル集合体１３０は略扇形、第３のコイル集合体１４０は略四角形に巻回されている。
このコアレスコイルは、固定状態で設置されている。例えば、一般的なモータの構成部品として用いられているステータ等の構造を応用すれば、容易に設置が可能である。
これらコアレスコイルとして、例えば、絶縁性皮膜銅線を、空芯巻回したものである。これらのコアレスコイルは、出力電圧の位相に合わせて直列で接続されていても、並列で接続されていても、個々に独立した回路としてもよい。このように、コアレスコイルの接続の仕方によって、種々多様の発電用途に対応させることが可能である。
第１のコイル集合体１２０、第２のコイル集合体１３０では、コアレスコイルの巻回の軸が、回転軸１０１に対して略平行になっており、回転子１１０の上面または下面に対向するように、かつ、回転子１１０の永久磁石１１１の回転軌跡に対向するように配置されている。
また、第３のコイル集合体１４０では、コアレスコイルの巻回の軸が回転軸１０１に対して略直角となっており、回転子１１０の側面に対向するように配置されている。
これら要素が図２に示すような正面図、側面図に示す形状に組み合わされている。
次に、本発明の発電機１００の回転軸１０１に回転エネルギーが与えられた場合の動作の概略を示す。
図４は、本発明の発電機１００の回転軸１０１に回転エネルギーが与えられた場合の動作の原理を簡単に説明する図である。
図４では、回転子１１０の外周縁近くの１ヶ所を取り出して示したものとなっている。１つの永久磁石の一部（Ｎ極）と、第１のコイル集合体１２０と第２のコイル集合体１３０と第３のコイル集合体１４０のそれぞれのコアレスコイル１つのみを取り出して示しており、回転子１１０や回転軸１０１等の他の構成の図示を省略している。
回転軸に回転運動エネルギーが与えられると回転子１１０が回転し、回転子に埋め込まれている永久磁石も回転する。永久磁石の磁極からは周囲に磁束が発射されている。
図４（ａ）に示すように、永久磁石１１１の周囲３方向には、上方に第１のコイル集合体１２０、下方に第２のコイル集合体１３０、側方に第３のコイル集合体１４０が対向して配設されており、それぞれ永久磁石１１１に対向している。
図４（ｂ）に示すように、回転子１１０が回転すると、複数の永久磁石１１１のＮ極から発せられた磁束が、上方において第１のコイル集合体１２０のコアレスコイル、下方においては第２のコイル集合体１３０のコアレスコイル、側方においては第３のコイル集合体１４０のコアレスコイルの芯部を貫くように通過する。回転子１１０が回転して永久磁石１１１が回転するとそれぞれのコアレスコイルが磁束を切るように移動し、誘導電流が生じる。回転子１１０が回転して次の永久磁石１１１の磁極が来ると同じ動作で誘導電流が発生する。このように回転子１１０が回転を続ける限り、誘導電流が発生し続ける。
これが、本発明に係る発電機１００の基本的な発電原理である。
以上、本実施形態１の発電機１００によれば、構造が簡略であり、少ない磁石数で、１回転の間に３方向から誘導起電力が得られ、優れた発電効果を得ることができる。
以上、本発明の実施例１にかかる発電機の構成例を示したが、上記構成は一例であり種々の変更が可能である。
【実施例２】
【０００８】
実施例２は、実施例１に示した発電機１００を直列に複数段設けた構成例である。
図５は、実施例２にかかる発電機１００ａの構成を分かりやすく模式的に示したものである。
図５に示すように、実施例１に示した発電機１００の構成要素が直列に並べられ、それぞれの回転軸１０１が共通化されて１本化されている。なお、図５の構成例では、３段の直列構成となっている。
このように回転軸１０１が共通化されて１本化されているので、回転軸１０１に外部から与えられた回転力によりそれぞれの回転子１１０が回転することとなり、各段の発電機１００において回転運動エネルギーが電気エネルギーに変換されることとなる。
なお、ここで、各段の発電機１００の直列接続において、回転子１１０に埋設された永久磁石の磁極の並びにおける工夫について説明する。
実施例１において説明したように、各段の回転子１１０に埋設される永久磁石１１１は、隣接する永久磁石１１１同士で同極同士が対向するように周回状に並べて配設されている。
ここで、発電機１００を直列に積層するにあたり、積層方向に隣接し合う回転子１１０間において、永久磁石１１１の磁極の配置が互いに同極になっているように配置する。その作用効果について、図６を参照して説明する。
図６（ａ）は、１つの永久磁石１１１が励起する磁界を示した図である。１つの永久磁石１１１においてＮ極から発せられＳ極に帰還する磁束は、比較的永久磁石１１１の側方の狭い範囲を通過している。
次に、図６（ｂ）は、積層方向に隣接し合う永久磁石１１１の異極同士が対向するように配置したときに永久磁石１１１が励起する磁界を示した図である。積層方向に異極同士が対向すると、やはり、ほとんどの磁力線は永久磁石１１１のＮ極から発射された磁束は、積層方向に隣接する永久磁石１１１のＳ極へ入ってしまい、磁束が回転子１１０の周辺には発射されない。
次に、図６（ｃ）は、積層方向に隣接し合う永久磁石１１１の同極同士が対向するように配置したときに永久磁石１１１が励起する磁界を示した図である。積層方向に隣接し合う永久磁石１１１の同極同士を対向させることによって、それぞれのＮ極から発生する磁力線が押し合うように作用し、図６（ｃ）に示すように、磁束が拡がって発射される。このように同極同士を対向させた磁極から、互いに押し合うように拡がった磁束が形成されるため、図６（ｂ）に示した磁束と比べて、磁界伝播領域が広くなり、永久磁石１１１からある程度離れた位置においても、磁束密度を高い状態に保つことができる。
なお、積層方向に隣接し合う永久磁石１１１の間隔が広すぎると、図６（ｃ）に示したような押し合った磁束が生じないので、設計段階で、回転子１１０の積層方向の間隔を調整しておけば良い。
各段の発電機１００における発電原理は実施例１と同様であるのでここでの説明は省略する。
以上、本発明の実施例２にかかる発電機の構成例を示したが、上記構成は一例であり種々の変更が可能である。
【実施例３】
【０００９】
実施例３は、本発明の自己発電モーター２００の構成例である。
図７（ａ）は、実施例２にかかる自己発電型モーター２００の基本構成を模式的に示した図である。図７（ａ）は内部の構造が分かりやすいように模式的に説明している。自己発電型モーター２００の構成要素のうち説明に必要な部分のみを描いており、その他の配線や構造物などの図示は省略している。
図７（ａ）に示すように、本発明の自己発電型モーター２００は、本発明の自己発電モーター２００は、実施例１で説明した本発明の発電機１００とモーター２１０を備え、それぞれの回転軸が共通化して設けられており、１つの筐体に収めたものとなっている。
実施例１の発電機１００は、外部から回転軸１０１に対して与えられる回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置であったが、自己発電型モーター２００は、モーター２１０で回転軸１０１に発生した回転運動エネルギーのうち一部を余剰分として発電機１００により電気エネルギーに再変換する自己発電型モーターである。
つまり、モーター２１０として駆動する中、そのうち余剰の回転運動エネルギーを電気エネルギーに再変換して蓄積するものであり、発電に当たっては実施例１に示した本発明の高効率の発電機１００を利用するものである。
ここで、実施例２に示したように、発電機１００を直列に多段に接続する構成が可能である。しかし、発電機１００を単に直列に多段に接続した場合、回転軸１０１に対して発電機１００によりかかる負荷が増加してしまい、モーター２１０で発生する回転運動エネルギーの余剰分が少ない場合、回転軸１０１に対して発電機１００によりかかる負荷の方が大きくなってしまい、モーターが停止してしまうおそれがある。
そこで、図７（ｂ）に示すように、各段の発電機に対してクラッチ機構２２０を設ける工夫も望ましい。図７（ｂ）はクラッチ機構２２０を搭載した発電機１００ａを複数段直列に備えた自己発電型モーター２００ａの構成例を示す図である。なお、図７（ｂ）にはクラッチ機構２２０の機械的構造については図示を省略した。
図７（ｂ）に示すように、自己発電型モーター２００ａは、クラッチ機構２２０の連結・開放制御を動的に行うクラッチ制御部２３０を備えた構成とすることが好ましい。つまり、クラッチ制御部２３０により、モーター２１０により回転軸１０１に与えられる余剰の回転トルクの大きさに応じてクラッチ機構２２０による発電機１００ａの回転軸１０１への連結・開放制御を動的に行い、モーター余剰トルクに応じた発電機１００ａの台数制御をする。
各段の発電機１００に対してクラッチ機構２２０およびクラッチ制御部２３０を設けた場合、クラッチ制御部２３０の制御により、モーター２１０で発生する回転トルクの運動エネルギーの余剰分の過多に併せて回転軸に連動させる発電機１００の数を調整する台数制御を行うことができ、電気エネルギーに変換して取り出す電力量を可変とすることができる。つまり、クラッチ制御部２３０は、モーター２１０で発生する回転トルクの運動エネルギーの余剰分が多いと検知した場合には、各段のクラッチ２２０を操作して回転軸１０１に接続する発電機１００の数を増やし、クラッチ制御部２３０がモーター２１０で発生する回転運動エネルギーの余剰分が小さい場合と検知した場合には、各段のクラッチ２２０を操作して回転軸１０１に接続する発電機１００の数を減らすという操作が可能である。
以上、発電機１００を直列に積層化することにより、回転軸１０１で得られた回転運動エネルギーをできるだけ無駄なく電気エネルギーに変換することができる。余剰の回転運動エネルギーに比べて発電機の負荷が大きくならないようにクラッチ２２０にて台数制限を行う工夫を盛り込むことができる。
以上、本発明の実施例３にかかる自己発電型モーターの構成例を示したが、上記構成は一例であり種々の変更が可能である。
【実施例４】
【００１０】
実施例４として、本発明の電力供給システム３００について説明する。
図８は、本発明の電力供給システム３００の構成例を模式的に示す図である。図８に示すように、本発明の電力供給システム３００は、大別して、電力入力源と、電力消費部と、電力の入力と消費を制御する電力制御部３４０を備えた構成となっている。
電力入力源としては、図８の構成例では、３種類のものが挙げられており、実施例３で説明した本発明の自己発電型モーター２００と、ソーラーパネルや風力発電などの自家発電装置３１０と、商用電源３２０である。
自己発電型モーターは１段構成のものでも良く、３段直列構成でクラッチ付きのものでも良い。ここでは、３段直列構成でクラッチ付きの自己発電型モーター２００ａとする。クラッチ付きのものであれば、発電量を細かく制御することができるので好適である。
商用電源３２０は、電力会社などが提供する電力源であり、例えば、一般の家庭用ＡＣ電源などで良い。
自家発電装置３１０は特に限定されず、一般に普及しているソーラーパネルや風力発電システムなどがある。
上記のように、本発明の電力入力源は、商用電源３２０をメイン電源とし、補助電源として、自己発電型モーター２００ａと、一般技術として利用可能なソーラーパネル等の自家発電源３１０の２つを搭載したものとなっている。
バッテリ３３０は、ソーラーパネルなどの自家発電装置３１０、自己発電型モーター２００ａにより供給された電力を蓄電しておくものである。バッテリ３３０を用いることにより、自家発電装置３１０や自己発電型モーター２００ａにおいて得られる電力供給量が、電力消費部が消費する電力より多い場合に一時的に蓄積することができる。一般家庭などで家人が外出している場合などは電力消費量が少なくなるものの、ソーラーパネルや風力発電などの自家発電装置３１０で得られる電力量は家人が留守中でも大きく得られる場合があるからである。また、自家発電装置３１０において発生する電力量などは細かく変化するおそれもあるので、バッテリ３３０を介して電力消費部に電力を安定供給できる。
電力消費部として、図８の構成例では、電力消費者が利用する設備４００と、本発明の自己発電型モーター２００ａの２種類が示されている。電力消費者は特に限定されず、一般家庭、集合住宅、商用オフィス、店舗、オフィスビルディング、小規模な工場など多様なものがある。もっとも、電力消費者の規模により、本発明の電力供給システム３００のスケールを調整する必要がある。また、本発明の自己発電型モーター２００ａもモーター２１０は電力を消費する部分であるため、電力消費部としての性質も併せ持つ。
電力制御部３４０は、電力の供給と消費を制御する部分である。電力制御部３４０は、電力消費部から要求される電力を、電力入力源から供給する中で、自家発電装置３１０、自己発電型モーター２００から得られる電力供給量と、バッテリ３３０に蓄積されている電力量を動的に考慮しつつ、足りない分を商用電源３２０から電力を供給し、商用電源３２０からの電力供給量が最小化されるように、自己発電型モーター２００のモーター駆動を制御する。
なお、自己発電型モーター２００ａの駆動は、電力消費と電力発生の２面性があるので、電力制御システム３００により自己発電型モーター２００ａに対して電力フィードバックをかけて駆動量を判断すれば良い。つまり、自己発電型モーター２００ａの駆動を大きくすると発電機における発電量も大きくなるが、モーターにおける電力消費量も大きくなるため、自家発電装置３１０での電力発生量やバッテリの蓄電量により、自己発電型モーター２００ａの発電量がどの程度が有利であるかの判断は難しい場合がある。そこで、自己発電型モーター２００ａに対して電力フィードバックをかけることにより自己発電型モーター２００ａの発電量を調整することができる。
以上、本発明の電力供給システム３００は、電力供給源を多様化する中、商用電源３２０からの電力供給を小さく低減するものである。
【実施例５】
【００１１】
上記本発明の自己発電型モーターの用途は多様である。例えば、本発明の自己発電型モーターは、乗用車、トラック、バス等の自動車のタイヤや、バイクなどの自動二輪車、さらには、航空機や特殊車両など、様々な車両に組み込むことができる。ハイブリッド電気自動車のモーターとして組み込んでも良く、内燃機関を持たない電気自動車のモーターとして組み込んでも良い。
実施例５として、本発明の自己発電型モーター２００、２００ａなどを適用した車両の例を挙げておく。
図９（Ａ）は、電気自動車に適用した例である。図９（Ａ）に図示したタイプの車両に限定されず、多種多様な車両のタイヤに適用することができる。なお、電気自動車としては内燃機関を持たない電気自動車、内燃機関を併用するハイブリッド電気自動車のいずれであっても適用することができる。
なお、図９（ｂ）は、内燃機関も併用するハイブリッド電気自動車５００のブロック図である。車両５２０には、エンジン５１０、バッテリ５２０に加え、実施例３で示した本発明の自己発電型モーター２００または２００ａが搭載されている。本発明の自己発電型モーター２００または２００ａはエンジン５１０と回転軸を共通化し、エンジンによる動力の一部を自己発電型モーター２００または２００ａの回転軸１０１の回転運動エネルギーとして取り込み、発電機１００により発電できる仕組みとなっている。また、動力伝達切替装置５３０が設けられており、車両のシャフトへのトルク伝達元をエンジン５１０か自己発電型モーター２００または２００ａかを切り替えられる仕組みとなっている。
車両５４０がエンジン駆動するときには、動力伝達切替装置５３０がトルク伝達元をエンジン５１０に切り替えて車両を駆動しつつ、エンジン５１０の動力の一部を自己発電型モーター２００の回転軸１０１の回転運動エネルギーとして取り込み、発電機１００により発電し、発電した電力をバッテリ５２０に蓄積する。車両がモーター駆動するときには動力伝達切替装置５３０がトルク伝達元を本発明の自己発電型モーター２００または２００ａに切り替えて車両を駆動する。自己発電型モーター２００または２００ａにはバッテリ５２０から電力供給がある。
次に、図１０（Ａ）は、本発明の自己発電型モーター２００ａをバイクなどの自動二輪車５００ａに適用した例である。なお、図１０（Ａ）に図示したタイプの自動二輪車に限定されず、多種多様な自動二輪車のタイヤに適用することができる。
図１０（Ｂ）は衛星探査機５００ｂに適用した例である。なお、図示しないがその他の重機などの特殊車両であっても、本発明の自己発電型モーター２００、２００ａを適用することは可能である。
以上、本発明の実施例５にかかる自己発電型モーターの構成例を示したが、上記構成は一例であり種々の変更が可能である。
以上、自己発電型モーターの構成例における好ましい実施例を図示して説明してきたが、本発明の技術的範囲を逸脱することなく種々の変更が可能であることは理解されるであろう。
以上、本発明の好ましい実施形態を図示して説明してきたが、本発明の技術的範囲を逸脱することなく種々の変更が可能であることは理解されるであろう。従って本発明の技術的範囲は添付された特許請求の範囲の記載によってのみ限定されるものである。
【図１】
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【図２】
2011077599.tif 000004
【図３】
2011077599.tif 000005
【図４】
2011077599.tif 000006
【図５】
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【図６】
2011077599.tif 000008
【図７】
2011077599.tif 000009
【図８】
2011077599.tif 000010
【図９】
2011077599.tif 000011
【図１０】
2011077599.tif 000012
【図１１】
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【国際調査報告】
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