(57)【要約】永久磁石を用いて入力よりも大きい電力を得る。  発電装置１０は、回転自在のロータ１２と、ロータ１２上に、回転中心軸線１３を中心として設定した円環帯状面１４に沿って、これと直交する方向で極性が同一方向に備えられ、且つ、円周方向一定間隔で円環列状に設けられた複数の永久磁石１６と、コイル中心軸１９が、前記円環帯状面１４と交差するようにして、前記円環帯状面１４に沿って円環列状に配列して前記固定側部材１１に支持された複数のコアレスコイル１８と、を有してなり、前記ロータ１２がこのロータ１２の下方に配置されたトルク増倍装置２０から中心軸２２を経て入力される回転力により回転されるとき、永久磁石１６がコアレスコイル１８に沿って移動することにより、コアレスコイル１８から出力を得る。
2003094329.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外力により回転駆動される回転自在のロータと、
このロータ上に、ロータの回転面及び回転中心軸線の一方に平行であって、前記回転中心軸線を中心として設定した円環帯状面に沿って、該円環帯状面と直交する方向で、極性が同一方向に揃えられ、且つ、円周方向一定間隔で円環列状に設けられた複数の永久磁石と、
コイル中心軸線が、前記円環帯状面と交差するようにして、前記円環帯状面に沿って円環列状に配列して前記固定側部材に支持された複数のコアレスコイルと、を有してなり、
前記ロータにおける前記円環帯状面の領域は、非磁性材料により形成され、
前記複数のコアレスコイルは、各々が、ロータの回転による前記永久磁石の回転軌道面を、その極性方向両側から隙間をもって挟み込むように配置された一対の分巻きコイルから構成され、これら対をなす分巻きコイルの巻き方向が同一とされたことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
請求項１において、前記一対の分巻きコイルが直列に接続されていることを特徴とする発電装置。
【請求項３】
請求項１において、前記各コアレスコイルにおける、前記回転軌道面に対して同一側の分巻きコイルが、相互に直列に接続されていることを特徴とする発電装置。
【請求項４】
請求項１、２又は３において、前記円環列状に配置された複数の永久磁石の円周方向の配列ピッチＰｍは、該永久磁石の前記円周方向の外径Ｄｍの２倍以上とされたことを特徴とする発電装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかにおいて、円環列状に配置された前記複数のコアレスコイルの円環における円周方向の外径Ｄｃは、前記永久磁石の外径Ｄｍと略等しくされたことを特徴とする発電装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、前記複数のコアレスコイルの、前記円環帯状面に沿う円周方向に一定間隔で配置され、そのコイル巻き方向が同一とされ、前記コアレスコイルの間隔は、その円環における円周方向の外径Ｄｃの１〜１．４倍、１．１〜１．３倍、１．２倍のいずれかとされたことを特徴とする発電装置。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、前記コアレスコイルは、円環の円周方向の外径において相互に密着して偶数個配置され、且つ、隣接するコアレスコイルにおける巻き方向が相互に反対方向とされたことを特徴とする発電装置。
【請求項８】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、前記コアレスコイルは、円環の円周方向の外径において相互に密着して偶数個配置され、且つ、各コアレスコイルの巻き方向が同一とされたことを特徴とする発電装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかにおいて、前記永久磁石を、前記ロータの回転中心軸線に対して異なる複数の半径上に設定された複数の円環帯状面の各々に沿って円周方向一定間隔で円環列状に配置し、各永久磁石は対応する円環帯状面と直交する方向で、極性が同一方向に揃えられてなり、これら複数の円環列状の永久磁石に対応して、前記コアレスコイルを複数の円環列状に配置したことを特徴とする発電装置。
【請求項１０】
請求項９において、前記複数の円環帯状面のうち少なくとも一つが、前記ロータの回転面と平行に設定され、残りが、前記ロータの回転中心軸線と平行に設定されたことを特徴とする発電装置。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれかにおいて、前記ロータにおける前記円環帯状面の領域の厚さが、前記永久磁石の極性方向の厚さと略等しくされ、該永久磁石は、前記円環帯状面の領域に形成された厚さ方向の貫通孔に嵌め込み支持されたことを特徴とする発電装置。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれかにおいて、前記ロータが複数設けられ、これらは相互に同軸的に、且つ、平行に、一体的に連結され、各ロータは、少なくともロータ回転面と平行、且つ、前記回転中心軸線からの半径が同一の円環帯状面を有し、隣接するロータにおける前記コアレスコイルの円環帯状面に沿った円周方向の配置は、同ピッチ、同位相とされ、又、隣接する前記ロータ間の軸方向の距離は、前記円環帯状面の位置で、前記コアレスコイルのコイル中心軸線方向の長さよりもわずかに大きくされたことを特徴とする発電装置。
【請求項１３】
請求項１乃至１１のいずれかにおいて、前記円環帯状面は、前記ロータの回転中心軸線と平行に、且つ、異なる半径で複数設けられ、ロータの半径方向に隣接する円環帯状面での前記永久磁石の配列ピッチは、前記回転中心軸線を中心として円周方向に等角度間隔、且つ、同位相とされ、これらの円環帯状面に対応する前記コアレスコイルの円環帯状面に沿った円周方向の配置は、円周方向に等角度間隔、且つ、同位相とされ、又、隣接する前記円環帯状面間の距離は、前記コアレスコイルのコイル中心軸線方向の長さよりもわずかに大きくされたことを特徴とする発電装置。
【請求項１４】
回転自在の被動ロータと、
この被動ロータ上に、該被動ロータの回転面及び回転中心軸線の一方に平行であって、前記回転中心軸線を中心として設定した円環帯状面に沿って、該円環帯状面と直交する方向で、極性が同一方向に揃えられて、且つ、円周方向一定間隔で円環列状に設けられた複数の被動永久磁石と、
前記被動ロータの回転による前記被動永久磁石の回転軌道面を、その極性方向両側から隙間をもって挟み込むように配置され、且つ、前記被動永久磁石の回転方向に回転自在の一対の磁石車を一組とし、複数組の磁石車を前記被動ロータの円周方向に配置してなる磁石車群と、
これら磁石車群の磁石車を同期して回転駆動させる駆動源と、を有してなり、
前記被動ロータにおける前記円環帯状面の領域は非磁性材料から構成され、前記磁石車は、前記被動ロータの円環帯状面と平行、且つ、該円環帯状面の円周方向と直交する回転中心軸線廻りに回転自在の回転体と、この回転体の外周に、回転方向に等間隔で、且つ、極性が前記回転体の回転中心軸線に対して同一方向になるように取付けられた複数の駆動永久磁石と、を備え、これら駆動永久磁石と前記被動永久磁石とにおける対向面の極性が同一となるように配置されたことを特徴とするトルク増倍装置。
【請求項１５】
請求項１４において、前記駆動永久磁石は、前記回転体の外周に、その回転中心軸線廻りに点対称に配置された板状体であり、この板状体における回転方向先端の前記被動永久磁石の回転軌道面に対する最接近距離が、回転方向後端の最接近距離よりも大きくなるように取付けられたことを特徴とするトルク増倍装置。
【請求項１６】
請求項１４又は１５において、前記複数の磁石車対は、前記ロータの円周方向に等角度間隔に配置されたことを特徴とするトルク増倍装置。
【請求項１７】
請求項１４乃至１６のいずれかにおいて、前記駆動源は各々一つの磁石車を駆動するように磁石車と同数設けられたモータであることを特徴とするトルク増倍装置。
【請求項１８】
請求項１４乃至１７のいずれかにおいて、前記被動永久磁石は、複数の板状磁石を相互に吸着した状態に重ねて形成されたことを特徴とするトルク増倍装置。
【請求項１９】
請求項１４乃至１８のいずれかのトルク増倍装置における前記被動ロータと同軸一体的に回転する出力軸を、請求項１乃至１３のいずれかにおける前記ロータと同軸一体的な入力軸を連結したことを特徴とする発電装置。
【請求項２０】
請求項１乃至１３のいずれかにおいて、
前記ロータの回転による前記永久磁石の回転軌道面を、その極性方向両側から隙間をもって挟み込むように配置され、且つ、前記永久磁石の回転方向に回転自在の一対の磁石車を一組とし、複数組の磁石車を、前記円環列状のコアレスコイルの間の位置で、前記固定側部材に取り付け配置してなる磁石車群と、
これら磁石車群の磁石車を同期して直転駆動させる駆動源と、を有してなり、
前記磁石車は、前記ロータの円環帯状面と平行、且つ、該円環帯状面の円周方向と直交する回転中心軸線廻りに回転自在の回転体と、この回転体の外周に、回転方向に等間隔で、且つ、極性が前記回転体の回転中心軸線に対して同一方向となるように取付けられた複数の駆動永久磁石と、を備え、これら駆動永久磁石と前記ロータ側の永久磁石とにおける対向面の極性が同一となるように配置されたことを特徴とする発電装置。
【請求項２１】
請求項２０において、前記ロータは、前記円環帯状面と略相似形の円環帯状体からなり、前記コアレスコイルは、前記円環帯状体が貫通する閉断面を有するフレームに支持されたことを特徴とする発電装置。
【請求項２２】
請求項２０又は２１において、前記駆動永久磁石は、前記回転体の外周に、その回転中心軸線廻りに点対称に配置された板状体であり、この板状体における回転方向先端の前記被動永久磁石の回転軌道面に対する最接近距離が、回転方向後端の最接近距離よりも大きくなるように取付けられたことを特徴とする発電装置。
【請求項２３】
請求項２０、２１又は２２において、前記複数の磁石車対は、前記ロータの円周方向に等角度間隔に配置されたことを特徴とする発電装置。
【請求項２４】
請求項２０乃至２３のいずれかにおいて、前記被動永久磁石は、複数の板状磁石を相互に吸着した状態に重ねて形成されたことを特徴とする発電装置。
【請求項２５】
請求項２０乃至２４のいずれかにおいて、前記コアレスコイルの出力端に接続され、その出力電流の一部又は前部を整流する整流装置と、この整流装置とから供給される直流電力が充電されるバッテリーと、を有してなり、前記駆動源は、前記バッテリーから電力が供給されるモータであることを特徴とする発電装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
この発明は、永久磁石を利用した発電装置及びこの発電装置を駆動するのに用いて好適なトルク増倍装置に関する。
背景技術
永久磁石を利用し、特に外部からの入力に対してこの入力を上回る出力を得るようにしたトルク増大装置としては、例えば特開平９−２８５１０３号公報に開示された磁力回転装置がある。この磁力回転装置は、永久磁石と電磁石との反発力又は永久磁石同士の反発力を利用したものである。
又、ネオジューム（Ｎｅ−Ｆｅ−Ｂｏ）磁石を用いた発電装置として、特開平１０−１９１６２３号に開示されたような、棒状ネオジューム磁石の両極から強磁性体を介して磁束を導き、円周方向に間欠的に複数の磁石ギャップを形成し、ここに回転するコイルを横切らせて、コイル端から電力を得るようにした発電装置がある。
上記のような、磁力回転装置は、入力よりも出力を大きくすることができるとされているが、多くの永久磁石を複雑に組み合わせて装置が大型となるにも拘らず、入力と出力の差が僅かであり、即ち、トルク増大係数が僅かであり実用的でないという問題点がある。又、電磁石から発電するものではないため、発電のためにはこの磁力回転装置の被動回転体に発電機を接続しなければならない。
又、前記ネオジューム磁石を用いた発電装置は、磁束を強磁性体を介して導くため、コイルが通過するギャップ位置では磁力が低下するのみならず、前記強磁性体に、他の磁性体が接近していると、ここから磁束が漏れてしまうおそれがある。更に、１本の棒磁石からの磁束を利用するので、出力を大きくするには限界がある。
発明の開示
この発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、構造が簡単であり、且つ、増倍係数の大きなトルク増倍装置及び入力に対して、効率よく出力を得ることができるようにした発電装置を提供することを目的とする。
この発明は、外力により回転駆動される回転自在のロータと、このロータ上に、ロータの回転面及び回転中心軸線の一方に平行であって、前記回転中心軸線を中心として設定した円環帯状面に沿って、該円環帯状面と直交する方向で、極性が同一方向に揃えられ、且つ、円周方向一定間隔で円環列状に設けられた複数の永久磁石と、コイル中心軸線が、前記円環帯状面と交差するようにして、前記円環帯状面に沿って円環列状に配列して前記固定側部材に支持された複数のコアレスコイルと、を有してなり、前記ロータにおける前記円環帯状面の領域は、非磁性材料により形成され、前記複数のコアレスコイルは、各々が、ロータの回転による前記永久磁石の回転軌道面を、その極性方向両側から隙間をもって挟み込むように配置された一対の分巻きコイルから構成され、これら対をなす分巻きコイルの巻き方向が同一とされたことを特徴とする発電装置により、上記目的を達成するものである。
又、本発明は、回転自在の被動ロータと、この被動ロータ上に、該被動ロータの回転面及び回転中心軸線の一方に平行であって、前記回転中心軸線を中心として設定した円環帯状面に沿って、該円環帯状面と直交する方向で、極性が同一方向に揃えられて、且つ、円周方向一定間隔で円環列状に設けられた複数の被動永久磁石と、前記被動ロータの回転による前記被動永久磁石の回転軌道面を、その極性方向両側から隙間をもって挟み込むように配置され、且つ、前記被動永久磁石の回転方向に回転自在の一対の磁石車を一組とし、複数組の磁石車を前記被動ロータの円周方向に配置してなる磁石車群と、これら磁石車群の磁石車を同期して回転駆動させる駆動源と、を有してなり、前記被動ロータにおける前記円環帯状面の領域は非磁性材料から構成され、前記磁石車は、前記被動ロータの円環帯状面と平行、且つ、該円環帯状面の円周方向と直交する回転中心軸線廻りに回転自在の回転体と、この回転体の外周に、回転方向に等間隔で、且つ、極性が前記回転体の回転中心軸線に対して同一方向になるように取付けられた複数の駆動永久磁石と、を備え、これら駆動永久磁石と前記被動永久磁石とにおける対向面の極性が同一となるように配置されたことを特徴とするトルク増倍装置により上記目的を達成するものである。
更に、前記のようなトルク倍増装置における前記被動ロータと同軸的に回転する出力軸を、前記ロータと同軸一体的な入力軸と連結した発電装置により上記目的を達成するものである。
発明を実施するための最良の形態
以下本発明の実施の形態の例を図面を参照して詳細に説明する。
この発明の実施の形態の第１例に係る発電装置１０は、図１に示されるように、外力により回転駆動されるように、固定側部材１１（図２参照）に回転自在に支持されたロータ１２と、このロータ１２上に、ロータ１２の回転中心軸線１３を中心として設定した円環帯状面１４に沿って、該円環帯状面１４と直交する方向で、即ちロータ１２の厚さ方向で極性が同一方向に揃えられ、且つ、円周方向一定間隔で円環列状に設けられた複数の永久磁石１６と、コイル中心軸線１９が、前記円環帯状面１４と交差するようにして、前記円環帯状面１４に沿って円環列状に配列して前記固定側部材１１に支持された複数のコアレスコイル１８と、を有してなり、前記ロータ１２がこのロータ１２の下方に配置されたトルク増倍装置２０から中心軸２２を経て入力される回転力により回転されるとき、永久磁石１６がコアレスコイル１８に沿って移動することにより、コアレスコイル１８から出力を得るようにしたものである。
前記永久磁石１６は、円板形状であって、前記円環帯状面１４の円周方向の外径（円板の直径にほぼ等しい）Ｄｍに対して、前記円環帯状面１４の円周方向の配列ピッチＰｍはＰｍ≧２Ｄｍとされている。また、前記コアレスコイル１８は、円形リング状であって、前記円環帯状面１４の円周方向の外径Ｄｃが前記永久磁石１６の外径Ｄｍと等しくされ、円周方向の配列ピッチＰｃは、外径Ｄｃの１〜１．４倍、好ましくは１．１〜１．３倍、更に好ましくは１．２倍となるようにされている。
前記ロータ１２における少なくとも前記円環帯状面１４の領域は、例えばアルミニウム板等の非磁性材料により形成され、前記複数のコアレスコイル１８は、一対の分巻きコイル１８Ａ、１８Ｂから構成され、これら対をなす分巻きコイルの巻き方向が同一とされるとともに、図２に示されるように、ロータ１２の回転による前記永久磁石１６の回転軌道面を、その極性方向両側から隙間をもって挟み込むように配置されている。
又、これら分巻きコイル１８Ａ、１８Ｂは各コアレスコイル１８において直列に接続され、更に、各コアレスコイル１８は、図１及び図３に示されるように直列に接続されている。
前記コアレスコイル１８の出力端は変圧器２４を経て整流器２６に接続され、コアレスコイル１８における交流出力が最適電圧に変圧された後、整流器２６において直流に整流されるようになっている。
整流器２６に対しては、バッテリー２８、負荷３０及びモータ４２（詳細後述）が並列に接続されている。なおモータ４２はスイッチ４１を介して整流器２６に接続されている。
前記永久磁石１６は、図２に拡大して示されるように、同一サイズの板状円形磁石１７、１７を２枚重ねにして、ロータ１２の前記円環帯状面１４内に予めロータを板厚方向に貫通して形成された貫通孔３２に圧入し、且つ該貫通孔３２の外周端をかしめて取付け固定されている。
又、前記コアレスコイル１８は外周部の断面がコ字形状の円環状フレーム３４に対して、図２に示されるように、コ字形の内側上下に分巻きコイル１８Ａ、１８Ｂがボルト３５により締め付け固定され、これら分巻きコイル１８Ａ、１８Ｂの間の隙間を前記ロータ１２における円環帯状面１４が回転通過できるようにされている。
ここで“コアレスコイル”とは、鉄心等の磁性体からなるコアが設けられない意味であり、図４に示されるように、コアレスコイル１８の巻き形状を安定させるために、例えば硬質樹脂等の非磁性体のコア１９を設けてもよい。
前記円環状フレーム３４は、フレームの一部を構成する前記固定側部材１１に取付け固定されている。図１の符号２２はロータ１２の回転中心軸線１３上に、ロータ１２と一体的に設けられた中心軸を示す。
次に、前記ロータ１２を前記中心軸２２を介して回転駆動するためのトルク増倍装置２０について説明する。
このトルク増倍装置２０は、前記中心軸２２に連結して設けられ、前記ロータ１２と同軸一体的に回転駆動可能とされた円形の被動ロータ３６と、この被動ロータ３６を永久磁石の反発力によって回転駆動させる磁石車群３８と、これら磁石車群３８を構成する８個の磁石車４０を同期して駆動させる８個のモータ４２と、から構成されている。
前記被動ロータ３６は、その回転中心軸線（中心軸２２）を中心として外周に沿って設定された円環帯状面４４と、これに沿って、該円環帯状面４４と直交する方向、即ち被動ロータ３６の厚さ方向で、極性が同一方向に揃えられて、且つ円周方向一定間隔で円環列状に設けられた複数の被動永久磁石４６とを備えている。
前記被動永久磁石４６は後述の駆動永久磁石５８と同一サイズの円板状であって、前記円環帯状面４４上において、前記被動永久磁石４６間の、被動ロータ３６円周方向のピッチが該被動永久磁石４６の円周方向の外径の１．０〜１．４倍、好ましくは１．１〜１．３倍、更に好ましくは１．２倍の隙間が設けられている。
又、前記被動ロータ３６における前記円環帯状面４４の領域は、非磁性材料から構成されている。例えば、被動ロータ３６の全体あるいは円環帯状面４４のみをアルミ板材から構成するなどして、円環帯状面４４を非磁性とする。
前記磁石車群３８は、前記被動ロータ３６の外周に沿って円周方向に等角度間隔で４箇所に配置された各上下一対の磁石車４８Ａ、４８Ｂ、５０Ａ、５０Ｂ、５２Ａ、５２Ｂ、５４Ａ、５４Ｂからなり、こらの磁石車は、前記被動ロータ３６の回転による前記被動永久磁石４６の回転軌道面を、その極性方向両側から隙間を持って挟み込むように配置され（図４参照）、且つ、前記被動永久磁石４６の回転方向に回転自在とされている。前記モータ４２は、前記８個の磁石車に各々連結され、該磁石車を前記方向に回転できるようにされている。
前記磁石車４８Ａ〜５４Ｂは、前記被動ロータ３６における円環帯状面４４と平行、且つ、該円環帯状面４４の円周方向と直交する回転中心軸線５６Ａ廻りに回転自在の回転体５６と、この回転体５６の外周に、回転方向に等間隔で且つ、極性が前記回転体５６の中心軸線に対して同一方向となるように取付けられた４枚の駆動永久磁石５８とを備え、これら駆動永久磁石５８と前記被動永久磁石４６とにおける対向面の極性が同一となるように配置されている。
更に、前記駆動永久磁石５８は、図４に詳細に示されるように、前記回転体５６の外周に、その回転中心軸線５６Ａ廻りに点対称に配置された板状磁石であり、前記被動永久磁石４６の回転軌道面に対する、板状体における前記回転方向先端の最接近距離ｄ１が回転方向後端の最接近距離ｄ２よりも大きくなるように取付けられている。
前記各被動永久磁石４６及び駆動永久磁石５８は、前記ロータ１２に取付けた永久磁石１６と同様に、２枚の板状円形磁石４６Ａ、４６Ｂ及び５８Ａ、５８Ｂをそれぞれ吸着状態で重ね合わせて構成されている。
次に、上記発電装置１０により発電をする過程について説明する。
予めバッテリー２８を充電しておき、スイッチ４１をオンしてモータ４２を駆動させると、モータ４２は、磁石車４８Ａ〜５４Ｂをそれぞれ図１において矢印で示される方向に回転させる。
更に詳細には、磁石車４８Ａ、４８Ｂを例として説明すると、図４に示されるように、被動ロータ３６の上側の磁石車４８Ａは、駆動永久磁石５８が、そのＮ極が外側になるように配列され、又、下側の磁石車４８は、その駆動永久磁石５８が、Ｓ極が外側になるように配置され、これに対して、被動ロータ３６の被動永久磁石４６は、上側がＮ極、下側がＳ極となる極性で配置されている。
従って、図４において、矢印で示されるように、上側の磁石車４８Ａを時計方向に、下側の磁石車４８Ｂを反時計方向にそれぞれ回転させると、被動永久磁石４６のＮ極は上側の磁石車４８Ａにおける永久磁石５８のＮ極が接近することによって、その反発力により左方向に押される。
同様にして、下側の磁石車４８Ｂの駆動永久磁石５８によって、被動永久磁石４６のＳ極側も反発力によって図４において左方向に押される。
このとき、磁石車４８Ａ、４８Ｂにおける駆動永久磁石５８は、被動永久磁石４６の表面に対して、回転方向前端側の最接近距離ｄ１が後端側の最接近距離ｄ２よりも大きくなるように配置されているので、駆動永久磁石５８の回転方向後端側に対する反発力がより大きくなる。従って、被動永久磁石４６は磁石車４８Ａ、４８Ｂの回転により永久磁石間の反発力によって、図４において右方向に駆動されることがない。
被動ロータ３６は中心軸２２を介してロータ１２に一体的に連結されているので、磁石車４８Ａ〜５４Ｂを回転させて被動ロータ３６を駆動させようとしても、モータ４２の始動開始直後はロータ１２、被動ロータ３６の回転抵抗が大きく、磁石が反発力が不足であり磁石車４８Ａ〜５４Ｂの回転に対して、被動ロータ３６は追従できない。
しかしながら、磁石車４８Ａ〜５４Ｂの回転にともなう、駆動永久磁石５８からの反発力によって被動ロータ３６の回転速度が少しずつ増大し、モータ４２の運転開始から一定時間経過後に、磁石車の回転速度と被動ロータ３６の回転速度が同期する。
この過程で、被動ロータ３６に最接近していた駆動永久磁石５８が更に回転して被動ロータ３６から離間し、次の駆動永久磁石５８が接近したとき、この被動永久磁石４６にする磁石間反発力によって、反対方向、即ち図４において右方向に被動ロータ３６を、駆動してしまう恐れがある。
この実施の形態の例のトルク増倍装置２０においては、被動永久磁石４６間の、被動ロータ３６円周方向のピッチが該被動永久磁石４６の円周方向の外径の１．０〜１．４倍、好ましくは１．１〜１．３倍、更に好ましくは１．２倍の隙間があるので、上記のような、次の被動永久磁石４６及び駆動永久磁石５８間に、被動ロータ３６を逆転させる方向の反発力はほとんど生じない。
このようにして、８個のモータ４２によって駆動される駆動永久磁石５８により、被動永久磁石４６を介して被動ロータ３６が定速回転状態となる。
前述のように被動ロータ３６は永久磁石の磁石間反発力により駆動されるが、この反発力は駆動永久磁石５８にも作用し、磁石車４８Ａ〜５４Ｂは、回転加速方向に反発力を受ける。従ってモータ１２は、定速回転状態になったとき、必要な駆動電力が、定速回転状態前よりも低下する。
被動ロータ３６、中心軸２２を介してロータ１２が回転されると、永久磁石１６は各コアレスコイル１８における分巻きコイル１８Ａ、１８Ｂ間を一定速度で間欠的に通過することになる。
これによって、各分巻きコイル１８Ａ、１８Ｂには永久磁石１６が両者間を、１秒当たりに通過する回数を周波数とする交流が発生する。
このとき、各分巻きコイル１８Ａ、１８Ｂは直列に接続されると共に、コアレスコイル１８の全体も直列に接続されているので、分巻きコイルの数の総和分だけの高い電圧を得ることができる。
又、コアレスコイル１８間には、図１に示されるように隙間があり、その隙間の大きさが、コアレスコイル１８（分巻きコイル１８Ａ、１８Ｂ）の、円周方向の外径の１．０〜１．４、好ましくは１．１〜１．３、更に好ましくは１．２倍の大きさとされているので、１つのコアレスコイル１８を通過した永久磁石１６が、隣接するコアレスコイル１８の磁束変化の影響を受けて吸着力や反発力によって回転抵抗を受けることがない。なお、コアレスコイルの巻き数を調整して、出力電圧が例えば１００Ｖ、２００Ｖ等の目標電圧となるようにすれば、変圧器は不要である。
又、コアレスコイル１８は文字通り、鉄心等の磁性体のコアがないので、この磁性体と永久磁石１６間の引張力による回転抵抗もない。更に、鉄心等の内部における渦電流損失による熱が生じることがない。
通常、ネオジューム磁石は、８０℃以上の環境では急速に性能が劣化してしまう。一方、モータ等における電磁コイルは、始動開始後、短時間で１００℃を超えてしまうことが多く、種々の熱対策にもかかわらず、ネオジューム磁石の劣化は抑制できなかった。
又、前記トルク増倍装置２０では、被動ロータ３６が、実質的に、モータにおける回転子となっているが、永久磁石の反発力によってのみ回転されるので、電磁コイルでの発熱がなく、又、モータ４２での発熱も、永久磁石と離間しているので影響がなく、被動永久磁石４６、駆動永久磁石５８の、熱による劣化が無い。
上記のようにして発生した交流は変圧器２４によって所定電圧に降圧された後、整流器２６により整流されて直流となり、バッテリー２８、負荷３０及びモータ４２にそれぞれ供給される。
ここで、後述の実施例の条件では、コアレスコイル１８から得られる出力３ＫＷに対して、モータ４２において消費する電力は０．７５ＫＷであり、差し引き２．２５ＫＷの正味出力を得ることができた。
なお、バッテリー２８は、モータ４２及び負荷３０において消費する電力が余力がある場合は、これに蓄電し、不足がある場合は放電するように設定する。
通常は、バッテリー２８にかかる電圧を浮動充電電圧に設定し、バッテリー２８には、定常状態ではその自己放電を補う程度の僅かの電流を供給するようにしておく。
次に、図５を参照して、本発明の実施の形態の第２例について説明する。
この実施の形態の第２例に係る発電装置６０は、前記ロータ１２及びこれを取り囲む複数のコアレスコイル１８の組合せを２組として中心軸２２に取付けたものである。
このようにすると、トルク増倍装置２０におけるモータ４２の出力を増大するか、又はその設定数を増加することによって、装置容積を大幅に増大することなく、出力を倍増させることができる。
図５の符号６２Ａ、６２Ｂは前記中心軸２２の上端及び下端を回転自在に支持するための軸受を示す。他の構成は、前記図１〜図４に示される実施の形態の第１例と同様であるので、同一部分には同一符号を付することにより説明を省略するものとする。
次に、図６に示される、本発明の実施の形態の第３例に係る発電装置７０について説明する。
この発電装置７０は、前記実施の形態の第１例に係る発電装置１０における、各間の隙間に、このコアレスコイル１８と巻き方向が逆向きの第２コアレスコイル７２を、隣接する永久磁石１６に対して直列になるように配置したものである。
この第２コアレスコイル７２においても、ロータ１２の上側及び下側の分巻きコイル７２Ａ、７２Ｂを直列に接続することによって構成されている。
この発電装置７０においては、コイルの巻き方向が逆向きの永久磁石１６と第２コアレスコイル７２が交互に配置されているので、これらの分巻きコイル１８Ａ、１８Ｂ間及び分巻きコイル７２Ａ、７２Ｂ間を永久磁石１６が通過するとき、これら分巻きコイル１８Ａ、１８Ｂ内を通る永久磁石１６からの磁束は、零から極大まで増大し、更に零に戻り、次に、隣接する分巻きコイル７２Ａ、７２Ｂ間を通過するとき、これら分巻きコイルの巻き方向が逆向きであるので、磁束も逆方向にゼロから極大まで増大し、且つ零まで減少する。
従って、相互に逆向きのコアレスコイル１８と第２コアレスコイル７２を隣接して設けることによって、２倍の電圧を得ることができる。
但し、この場合は、永久磁石１６がコアレスコイル１８の位置から第２コアレスコイル７２に移動するとき、あるいはその逆のときに、各コイルにおいて磁束の変化と逆向きの電磁力が発生し、これによって永久磁石１６が引張られて、ロータ１２の回転抵抗が増大する。
次に図７に示される本発明の実施の形態の第３例に係る発電装置８０（全体図示省略）について説明する。
図７は、コアレスコイル、バッテリー、負荷及びモータのみを示しているが、他の構成は、前記発電装置１０あるいは６０と同一であるので、図示及び説明を省略する。
この発電装置８０は、直流発電型であり、図１に示される発電装置１０における各コアレスコイル１８間の隙間に、該コアレスコイル１８と同一巻き方向の直流用コアレスコイル８２を直列に配置したものである。
従って、図７に示されるように、この発電装置８０においては、変圧装置や整流器は設けられていない。
上記のように、コアレスコイル１８とこれと同一巻き方向の直流用コアレスコイル８２を直列に且つ隙間無く円環列状に配置すると、ロータ１２の円環帯状面１４上に間欠的に配置された永久磁石１６がこれらコイルを通過するとき、図８に一点鎖線及び二点鎖線で示されるように、コアレスコイル１８と直流用コアレスコイル８２とでは、位相が１８０°異なる正弦波の出力が得られるので、最高電圧が変動するが、実線で示されるように、両出力の和として擬似的な直流が得られる。
なお、このとき、コイルに対して永久磁石１６を大きくするか、又は永久磁石１６に対して、コアレスコイル１８と直流用コアレスコイル８２とを、円環帯状面１４の円周方向の外径が小さくなるようにすれば、前記位相のズレが小さくなって、より最高電圧の変動が小さい直流を得ることができる。
次に、図９に示される、本発明の実施の形態の第５例に係る発電装置９０について説明する。
この発電装置９０は、前記磁石車群３８を、ロータ１２の周囲に、前記コアレスコイル１８の間の位置に配置し、ロータ１２が、トルク増倍装置における被動ロータを兼ねたものである。
更に詳細には、磁石車群３８における磁石車４８Ａ〜５４Ｂの駆動永久磁石５８が、前記ロータ１２の円環帯状面１４に取付けられた永久磁石１６を、厚さ方向に両側から挟み込むように配置したものである。
従って、この発電装置９０においては、永久磁石１６は、磁石車４８Ａ〜５４Ｂに取付けられている駆動永久磁石５８によって一方向に回転駆動されると共に、磁石車群３８の間に配置された前記コアレスコイル１８における分巻きコイル１８Ａ、１８Ｂ間を通過するときに、これらの分巻きコイル１８Ａ、１８Ｂに電力を発生させるものである。
この発電装置９０の場合は、図１の発電装置１０と比較して、コアレスコイル１８の設置数が減少するが、ロータ１２が被動ロータを兼ねているので、全体としての装置容積を小さくすることができる。
又、同一の永久磁石１６を、トルク増倍用及び発電用の両方に兼用することができる。
前記のように、ロータが被動ロータを兼ね、且つ同一の永久磁石がトルク増倍用及び発電用の両方に兼用する場合は、図１０に示される発電装置９２のように、円環帯状面９４を含み、且つこれと相似形の円環帯状ロータ９６を用いるとよい。
この場合、図２の、分巻コイル１８Ａ、１８Ｂを支持するための円環状フレーム３４に相当する円環状フレーム９８は、図１１に示されるように、前記円環帯状ロータ９６が貫通する閉断面９９を形成することができる。
従って、図２においては片持ち状に支持されていた分巻コイル１８Ａ、１８Ｂは、図１１においては両持ちで閉断面９９内に支持されることになる。
又、図２に示される円環状フレーム３４の構造では、板状円形磁石１７と分巻コイル１８Ａ、１８Ｂが引張り合うことによって分巻コイル１８Ａ、１８Ｂがロータ１２に接近する方向に変位する恐れがあるので、分巻コイル１８Ａ、１８Ｂとロータ１２の間の隙間は大きめに設定する必要がある。このため、板状円形磁石１７からの磁束が分巻コイル１８Ａ、１８Ｂ外に漏れることがある。
しかしながら、図１０、図１１の構成では、分巻コイル１８Ａ、１８Ｂを閉断面９９を有する円環状フレーム９８によって両持ちで支持しているので、分巻コイル１８Ａ、１８Ｂの、円環帯状ロータ９６方向への変形量を少なく抑制できる。従って、上記隙間を小さく設定して、磁束の漏れをより少なくすることができる。
又、この発電装置９２の場合は、円環帯状ロータ９６を磁石車の駆動永久磁石５８と永久磁石１６との間の反発力によって円環帯状ロータ９６を浮遊支持することができる。
このため、円環帯状ロータ９６は周囲の部材とほとんど接触することなく回転駆動されるので、摩耗が少なく、従って機械寿命が長く、又メンテナンスコストも非常に小さくなる。
図１１の符号９７は、円環帯状ロータ９６をその厚さ方向及び半径方向に一定値以上変位することを抑制するためのローラ軸受を示す。このローラ軸受９７は、円環帯状ロータ９６の内周に沿って円周方向少なくとも３箇所に設けられ、且つ円環帯状ロータ９６の内周角部に斜めに対向して配置されている。
上記各実施の形態の例において、ロータ１２における円環帯状面１４は、該ロータ１２の一部であり、その回転面と平行であるが、本発明はこれに限定されるものでなく、永久磁石を取付けるための円環帯状面は、例えば図１２に示される実施の形態の第７例に係る発電装置１１０のように、回転面に対して垂直の円環帯状面１０２Ａ、１０２Ｂを備えたロータ１０２としてもよい。
この場合、円環帯状面１０２Ａ、１０２Ｂは、円板状のロータの外周端を直角に且つ厚さ方向両側に延在して形成されたフランジ形状となっている。この円環帯状面１０２Ａ、１０２Ｂには、永久磁石１６が前記発電装置１０の円環帯状面１４におけると同様に埋め込み固定されている。
又、この回転面と直角な円環帯状面１０２Ａ、１０２Ｂ及び永久磁石１６に対応して、コアレスコイル１０４（一部のみ図示）も、円環帯状面１０２Ａ、１０２Ｂを内外から挟み込むようにして、且つコアレスコイルを構成する分巻きコイルが、ロータ１０２の回転中心軸線１０３から放射状に配置されている。
この発電装置１００においては、図１の発電装置１０と比較して、ほぼ同一形状のロータに対して倍数の永久磁石１６を取付けることができるので、当然、得られる電力も２倍となる。又、発電装置６０と比較して、得られる電力はほぼ等しいが、装置容積を小さくすることができる。
更に、前記ロータの回転面と直角方向の円環帯状面の数を、半径方向に増大して、同一サイズのロータから得られる電力を増大させることができる。
例えば、図１３に示される本発明の実施の形態の第８例に係る発電装置１１０においては、ロータ１１２に、その回転中心軸線１１３に対して、半径の異なる円環帯状面１１２Ａ、１１２Ｂ、１１４Ａ、１１４Ｂを設けることができる。
この発電装置１１０の場合は、前記図１２の発電装置１００と比較して、１つのロータ当たりの発電能力を更にほぼ倍増することができる。
なお、図１３の発電装置１１０の場合も、コアレスコイルの一部の図示は省略してある。又、図１２及び図１３の発電装置１００及び１１０において、トルク増倍装置は図示が省略されている。
更に又、図９、１０の発電装置９０、９２のように、同一のロータに対してコアレスコイルと磁石車を配置する場合は、図１２において二点鎖線で示されるように、前記直角に立ち上がったあるいは立ち下がった円環帯状面１０２Ａ、１０２Ｂをその厚さ方向に挟み込むように、磁石車１０６Ａ、１０６Ｂを設ける。なお、他の磁石車は図示省略されている。
又、図５に示される発電装置６０のように、ロータを多段に構成したり、図１３に示される発電装置１１０のように、円環帯状面を多段構成する場合は、図１４、図１５に示されるように、厚さ方向に隣接する永久磁石及びコアレスコイルのピッチ、位相を一致させると、永久磁石の磁束を更に有効に利用して、発電効率を増大させることができる。
図１４の発電装置１２０において、複数のロータ１２２、１２４が相互に同軸的に、且つ、平行に、一体的に連結され、各ロータは１２２、１２４は、少なくともロータ回転面と平行、且つ、前記回転中心軸線１２６からの半径が同一の円環帯状面１２３、１２５を有し、隣接するロータ１２２、１２４における前記コアレスコイル１８の円環帯状面１２３、１２５に沿った円周方向の配置は、同ピッチ、同位相とされ、又、隣接する前記ロータ間の軸方向の距離は、前記円環帯状面１２３、１２５の位置で、コアレスコイル１８のコイル中心軸線方向の長さ、すなわち分巻きコイル１８Ａ、１８Ｂの長さの和よりもわずかに大きくされている。
又、図１５の発電装置１３０において、ロータ１３２の回転中心軸線１３３を中心として、２つの円環帯状面１３４、１３６は、前記ロータ１３２の回転中心軸線と平行に、且つ、異なる半径で設けられ、ロータ１３２の半径方向に隣接する円環帯状面１３４、１３６での永久磁石１６の配列ピッチは、前記回転中心軸線１３３を中心として円周方向に等角度間隔、且つ、同位相とされ、これらの円環帯状面１３４、１３６に対応する前記コアレスコイル１８の円環帯状面１３４、１３６に沿った円周方向の配置は、円周方向に等角度間隔、且つ、同位相とされ、又、隣接する前記円環帯状面１３４、１３６間の距離は、前記コアレスコイル１８のコイル中心軸線方向の長さよりもわずかに大きくされている。
前記発電装置１２０、１３０では、コイル中心軸線方向に隣接するコアレスコイルが、永久磁石１６に対して同ピッチ、同位相であるので、永久磁石１６の磁束が、対応するコアレスコイルのみならず隣接するコアレスコイルをも通って、発電効率を更に向上させることができる。
更に、上記実施の形態の各例において、分巻きコイルは円環帯状面を挟み込む対をなす分巻きコイル間で直列に接続されているが、本発明はこれに限定されるものでなく、例えば図１６に示されるように、円環帯状面の一方の側の分巻きコイル１１８Ａを直列に、同様に他の側の分巻きコイル１１８Ｂも直列に接続した上で、更にこれらから並列あるいは直列に出力を取り出すようにしてもよい。この場合、対をなす分巻きコイルを個々に直列に接続する必要がないので、コアレスコイルの配置が容易となる。
又、複数コアレスコイルを適宜グループ分けして、各グループ毎に直列に接続し、各グループ間は並列にして出力を得るようにしてもよい。
更に、上記永久磁石１６、被動永久磁石４６、駆動永久磁石５８は、いずれも２枚重ね、且つ、円形であるが、本発明はこれに限定されるものでなく、１枚又は３枚重ね以上でもよく、形状は四角形、台形等任意である。特にロータの半径が小さい場合は、例えば図１７（Ａ）に示されるように回転中心側の上底が外周側の下底よりも小さい台形に近似した扇形永久磁石１４０が好ましい。コアレスコイル１４２も、当然永久磁石１４０の形状と略一致させる。又、ロータ径が大きい場合や、円環帯状面が、図１２、１３のようなフランジ状の場合は、図１７（Ｂ）に示されるように、四角形状の永久磁石１４４、コアレスコイル１４６がよい。
更に又、上記各発電装置は、ロータを、モータ駆動の磁石車を介して駆動しているが本発明は、これに限定されるものでなく、例えば風車、水車、エンジン等の他の駆動源の出力軸に磁石車を接続して、駆動するようにしてもよい。
【例】
ロータを、直径が１２０ｃｍ、厚さ２０ｍｍのアルミニウム製の円板×２枚、トルク増倍装置における被動ロータを直径が１２０ｃｍ、厚さ２０ｍｍのアルミニウム製の円板、各ロータ、被動ロータ及び磁石車に取り付けた永久磁石は、住友特殊金属（株）製のネオジューム（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂｏ）磁石（商品名ネオマックス）の、外径が７６ｍｍ、内径が４２ｍｍのドーナツ形状で、厚さが６ｍｍのものを３枚重ねとして構成した。前記永久磁石の磁石性能は、磁束密度ＫＧが３．５、吸着力が５５ｋｇである。又、円環帯状面は、各ロータの外周に沿ってその幅方向中心の回転半径を５５ｃｍに想定し、永久磁石は円環帯状面内に等間隔で、ロータでは７２個所、被動ロータでは６０個所設けた。磁石車は８基で各々、図１に示されると同様の四角形状、且つ、四角形の各面に３枚重ねで、３×４＝１２枚の前記と同一のドーナツ形状の永久磁石を取り付けた。
又、コアレスコイルは、線径が１ｍｍでそれぞれの分巻きコイルは、巻き数を１０００、コイル外径を７５φ、コイル軸方向長さを３０ｍｍとした。又、分巻きコイルとロータ表面との隙間は１０ｍｍに設定した。モータは、日本サーボ（株）製直流モータであり、各々の作動電圧２４Ｖ、電流３．２Ａ、消費電力が５０Ｗ、回転速度は２０００ｒｐｍ、のものを用いた。
このような構成で、トルク増倍装置の被動ロータ及びロータを３００ｒｐｍの回転速度で回転駆動したところ、コアレスコイルの出力端からは、２ＫＷの交流出力を得ることができた。即ち、２ＫＷ（出力）−８×５０Ｗ（モータ消費電力）＝１．６ＫＷの正味出力を得ることができた。
なお、この実施例では、コアレスコイルを支持するフレームの剛性が小さく、コアレスコイルを永久磁石との間の吸着力のＯＮ・ＯＦＦにより振動が生じて、分巻きコイルとロータとが衝突するおそれがあったので、前述のように分巻きコイルとロータ表面との隙間は１０ｍｍに限定したが、前記支持フレームの剛性を大きくして、前記隙間を小さくすれば更に大きな出力を得ることができる。
産業上の利用の可能性
本発明は上記のように構成したので、永久磁石を用いて、入力よりも大幅に高い出力を得ることができるという優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施の形態の第１例に係る発電装置を示す分解斜視図である。
図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う拡大断面図である。
図３は、同発電装置の電気系統を示すブロック図である。
図４は、図１のＩＶ−ＩＶ線に沿う拡大断面図である。
図５は、本発明の実施の形態の第２例に係る発電装置を示す略示断面図である。
図６は、本発明の実施の形態の第３例に係る発電装置を示す分解斜視図である。
図７は、本発明の実施の形態の第４例に係る発電装置電気系統を示すブロック図である。
図８は、同発電装置の出力波形を示す線図である。
図９は、本発明の実施の形態の第５例に係る発電装置を示す斜視図である。
図１０は、本発明の実施の形態の第６例に係る発電装置の要部を示す斜視図である。
図１１は、図１０のＸＩ−ＸＩ線に沿う拡大断面図である。
図１２は、本発明の実施の形態の第７例に係る発電装置の要部を示す斜視図である。
図１３は、本発明の実施の形態の第８例に係る発電装置の要部を示す斜視図である。
図１４は、本発明の実施の形態の第９例に係る発電装置を示す斜視図である。
図１５は、本発明の実施の形態の第１０例に係る発電装置の要部を示す斜視図である。
図１６は、本発明の発明装置における分巻きコイルの他の接続態様を示すブロック図である。
図１７は、永久磁石及びコアレスコイルの他の形状の例を示す略示平面図である。
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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2003094329.tif 000021
2003094329.tif 000022
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