(57)【要約】【課題】複数磁石の移動コイル型トランスデューサ【解決手段】本発明は向上したエネルギー・ハーベスタまたはジェネレータであり、これらは、少なくとも２つの離間した直線状または円形の磁石アレイに配列された複数の磁石に基づくヨークが設けられた磁石アレイ設計に基づいたものである。離間した磁石アレイは、別のアレイ内の対応する磁石と吸引力的に相互作用する１アレイ内の各磁石に対して、小さなギャップを挟んで隣接されている。ギャップを横断する磁束は、各アレイ内の隣接する磁石の磁気方位を反対のものにすることによって、また、各アレイの磁石の、ギャップと対向していない端部に、透磁率を有する材料で作成した磁気ヨークを提供することによってさらに拡張される。ギャップは、コイルの形状をした導体が磁石内に適合するようにするために設けられている。コイルと磁石の間の相対動作のために、コイルによる電力生成が最大化される。【選択図】      図３
2008543254.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
夫々第１支持面と第２支持面とにより、第１の磁石アレイと第２の磁石アレイとをそれぞれ支持する支持構造であって、前記各アレイ内の各磁石は、同アレイ内の隣接した磁石と反対の磁極性を有し、他のアレイの対応する位置にある磁石と同一の極性を有するように配置されており、前記磁石の各々は、第１端部と第２端部を有し、前記磁石の各々は、これの磁軸が前記支持面に対してほぼ直交するように配置されており、この支持構造は、前記第１のアレイの磁石の両端部がこれと対応する前記第２のアレイの磁石の端部からギャップによって離間した状態で、前記第１のアレイが前記第２のアレイと整列および隣接されように形成されている支持構造と、
透磁率の高い材料により形成され、前記ギャップに露出された前記アレイの磁石の第２の端部とは反対側の同アレイの磁石の第１の端部をカバーして磁気血眉宇させるように配置されている少なくとも１つの磁気ヨークと、
前記磁石の前記露出した第２端部に近接して前記ギャップに適合するサイズで、前記ギャップ内に配置されたキャリアとを具備し、このキャリアは、コイルと前記磁石の端部との間の、前記磁軸に対してほぼ直交する相対的移動が、前記コイル内に電子の流れを誘起させるように、前記コイルを支持している、動的な磁石システム。
【請求項２】
前記磁気ヨークは、ミュー金属により形成されている、請求項１に記載の動的な磁石システム。
【請求項３】
前記コイルは、このコイルの前記透磁率を増加するように処置が施されている、請求項１に記載の動的な磁石システム。
【請求項４】
前記コイルの透磁率は、前記コイルにナノフェライト粒子を含めることにより増加されている、請求項３に記載の動的な磁石システム。
【請求項５】
前記第１のアレイと第２のアレイとの間に配置されるように、第１のギャップによって前記第１のアレイから離間し、第２のギャップによって前記第２のアレイから離間した第３の磁石アレイをさらに具備し、この第３のアレイは、前記第１のアレイおよび前記第２のアレイの磁石と整列した磁石を有し、前記第１のアレイの整列した各磁石は、これと対応して整列した前記第２のアレイと前記第３アレイの磁石と同じ極性を有し、前記第３のアレイの磁石の両端部は、前記第１および第２のギャップにほぼ露出している、請求項１に記載の動的な磁石システム。
【請求項６】
前記第１のアレイと同一平面に少なくとも第１の追加の磁石アレイをさらに具備し、また、前記第２のアレイと同一平面に少なくとも第２の追加の磁石アレイをさらに具備し、前記少なくとも第１の追加の磁石アレイが前記少なくとも第２の追加の磁石アレイと整列し、前記ギャップによって互いに離間している、請求項１に記載の動的な磁石システム。
【請求項７】
前記キャリアは、複数のコイルを備えている、請求項１に記載の動的な磁石システム。
【請求項８】
摩擦を低減するためにフェロ流体ベアリングを有する、請求項１に記載の動的な磁石システム。
【請求項９】
前記磁石アレイは、直線状である、請求項１に記載の動的な磁石システム。
【請求項１０】
前記支持構造は、静止し、前記キャリアは、前記支持構造に対して移動する、請求項９に記載の動的な磁石システム。
【請求項１１】
前記動的な磁石システムの往復移動が、前記支持構造に対する前記キャリアの振動を生じさせるように、前記支持構造と前記キャリアとは相対してに往復動可能に係合されている、請求項１０に記載の動的な磁石システム。
【請求項１２】
前記支持構造と前記キャリアとは、少なくとも１つのばねによって係合している、請求項１１に記載の動的な磁石システム。
【請求項１３】
前記支持構造と前記キャリアとは、少なくとも１つのリバウンド磁石によって係合しており、このリバウンド磁石は、これの磁軸が前記アレイの磁石の磁軸とほぼ平行するようにして、配置されている、請求項１１に記載の動的な磁石システム。
【請求項１４】
前記キャリアは静止し、前記支持構造は、前記キャリアに対して移動する、請求項９に記載の動的な磁石システム。
【請求項１５】
前記動的な磁石システムの往復移動が、前記支持構造に対するた前記キャリアの振動を生じさせるように、前記支持構造と前記キャリアとは相対的に往復動可能に係合している、請求項１４に記載の動的な磁石システム。
【請求項１６】
前記支持構造と前記キャリアとは、少なくとも１つのばねによって係合している、請求項１５に記載の動的な磁石システム。
【請求項１７】
前記支持構造と前記キャリアとは、少なくとも１つのリバウンド磁石によって係合されており、このリバウンド磁石は、これの磁軸が、前記アレイの磁石の磁軸とほぼ平行するようにして、配置されている、請求項１５に記載の動的な磁石システム。
【請求項１８】
第１支持面と第２支持面とにより、第１および第２の直線状磁石アレイをそれぞれ支持する磁気支持構造であって、前記各直線状アレイ内の各磁石は、同直線状アレイ内のすぐ隣接した磁石と反対の磁極性を有し、他の直線状アレイ内の対応する位置にある磁石と同一の極性を有するように配置されており、前記磁石の各々は、第１端部と第２端部を有し、前記磁石の各々は、これの磁軸が支持面に対してほぼ直角を成すように配置されており、前記支持構造は、前記第１の直線状アレイが前記第２のアレイと整列し、前記第２のアレイと隣接されるように形成され、前記第１の直線状アレイの磁石の隣接された両端は、前記第２の直線状アレイの前記磁石の対応する端部からギャップによって離間しており、また、各直線状アレイ内の前記磁石の隣接されていない両端は、透磁率の高い材料を備える少なくとも１つの磁気ヨークによってカバーされ、磁気的につながれている磁気支持構造と、
前記磁石の前記露出した第２端部と近接した前記ギャップ内に適合するサイズに設けられて配置された細長いキャリアとを具備し、このキャリアは、前記キャリアに関連した、前記磁軸に直角な方向への前記磁石支持部の移動が、コイル内に電子の流れを誘発するように、コイルを支持し、また、前記キャリアの一端は、リバウンド磁石を有しており、このリバウンド磁石の磁軸は、前記磁石支持部に支持された磁石の磁軸とほぼ平行に方向付けされており、また、前記リバウンド磁石が前記ギャップに入るとき、前記磁石キャリアに動作方向を変更させるように磁気方位が位置される、動的な磁石システム。
【請求項１９】
前記キャリアは、複数のコイルを備えている、請求項１８に記載の動的な磁石システム。
【請求項２０】
摩擦を低減するためにフェロ流体ベアリングが設けられている、請求項１８に記載の動的な磁石システム。
【請求項２１】
前記コイルは、このコイルの透磁率を増加させるように処置されている、請求項１８に記載の動的な磁石システム。
【請求項２２】
前記コイルの透磁率は、前記コイル中にナノフェライト粒子を含めることによって増加されている、請求項２１に記載の動的な磁石システム。
【請求項２３】
動的な磁石システムであって、
第１支持面と第２支持面とにより、第１の磁石円形アレイと第２の磁石円形アレイとをそれぞれ支持する支持構造であって、前記各円形アレイ内の各磁石は、同円形アレイ内のすぐ隣接した磁石と反対の磁極性を有し、他の円形アレイ内の対応する位置にある磁石と同一の極性を有するように配置されており、前記磁石の各々は、第１端部と第２端部を有し、前記磁石の各々は、これの磁軸が支持面に対してほぼ直角を成すように配置されており、前記第１の円形アレイの磁石の端部がこれと対応する前記第２の円形アレイの磁石の端部からギャップによって離間された状態で、前記第１の円形アレイが前記第２の円形アレイと整列および隣接されように形成されている支持構造と、
前記両円形アレイの磁石の第２端部を前記ギャップ内でほぼ露出した状態で、前記第１端部をカバーして磁気的に結合するように配置されている、透磁率の高い材料で形成された少なくとも１つの磁気ヨークと、
前記磁石の前記露出した第２端部に近接した前記ギャップ内に適合するサイズに設けられて配置され、前記磁軸に対してほぼ直角を成す、コイルと前記磁石端部との間の相対移動が、前記コイル内に電子の流れを誘発するように、コイルを支持している、されるキャリアと、
を備える動的な磁石システム。
【請求項２４】
前記キャリアは、複数のコイルを備える、請求項２３に記載の動的な磁石システム。
【請求項２５】
前記支持構造は、円形である、請求項２３に記載の動的な磁石システム。
【請求項２６】
前記支持構造は、円形のセグメントまたはセクターとして形作られている、請求項２３に記載の動的な磁石システム。
【請求項２７】
摩擦を低減するためにフェロ流体ベアリングを含む、請求項２３に記載の動的な磁石システム。
【請求項２８】
前記コイルは、このコイルの透磁率を増加させるように処置されている、請求項１８に記載の動的な磁石システム。
【請求項２９】
前記コイルの透磁率は、前記コイル中にナノフェライト粒子を含めることで増加されている、請求項２１に記載の動的な磁石システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（先行する米国出願への相互参照）
本出願は、２００５年５月２３日に出願された仮米国出願６０／６８３，８６３号、２００６年２月２１日に出願された米国実用出願１１／３５９，６７１号の優先権を請求するものである。上記両方の関連出願の内容は、法律で許可された範囲まで参照として本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本出願は、磁気源に対して導体を動かすことで電流を生成する特殊なジェネレータに関連する。
【背景技術】
【０００３】
本発明者は、電力発生能力を有する磁気トランスデューサの技術において幅広い経験を有する。読者の注目は、米国特許６，７６８，２３０号（２００４年７月２４日）、６，７９８，０９０号（２００４年９月２８日）、６，８０９，４２７号（２００４年１０月２６日）、６，８１２，５９８号（２００４年１１月２日）、６，８６１，７７２号(２００５年３月１日)に向けられる。これらの関連特許の全体は、参照として本明細書に組み込まれる。これらの特許において、本特許発明者は、１または複数の磁石を静止導体（１または複数のワイヤコイル）に対して動かすことで、磁石から放出された磁力線がこの導体と直角に交差し、導体内に起電力（即ち電子の流れ）を誘発するという新規の磁気生成システムを多数開示している。これら特許のさらなる態様は、超低摩擦フェロ流体ベアリングシステム上に動作する磁石を配置できるというものである。これにより、水の波状動作や、人物の歩行動作といった単純な動作に応答して磁石が動作する生成システムを構築できるようになる。したがって、装置所有者の動作に応答して携帯電話の電池を充電した状態に保つことが可能な、携帯電話のような電子装置のための個人用ジェネレータを構築することができる。
【０００４】
しかし、動作式磁石ジェネレータは、所望の量の電力を常に生産できるわけではない。電力生成は、磁源と導体（例えばコイル）の相対動作によって達成される。上で参照した発明では、この動作を、磁石を静止導体に対して動かすことで達成している。発明者は、磁石を比較的静止状態に維持ながら、導体をこれに対して動かすことで可能となる構成上の利点を発見した。その結果、現実世界の実用的な構成において過去の装置よりも多くの電力を生成できる構成が得られた。
【発明の概要】
【０００５】
本発明は、ヨーク磁石アレイ設計に基づいた、向上したエネルギー・ハーベスタまたはジェネレータである。このジェネレータは、少なくとも２つの離間した磁石アレイに配列された複数の磁石に基づく。これらの離間した磁石アレイは、１つのアレイ内の磁石が、小さなギャップを挟んだ別のアレイ内の磁石と吸引力的に相互作用する形で隣接されている。このギャップは、コイル形状の導体を磁石内に適合させるために設けられている。磁石は引き付け合う方位に配列されているので（即ち、ギャップを挟んで南磁極が北磁極と面した状態）、コイルを通る磁力線は、コイルを形成している導体に対して本質的に直角を成す。コイルと磁石の間の相対動作のために、コイルによる電力生成が最大化する。各アレイ内の隣接した磁石どうしが反対の磁気方位を有するようにすることで、ギャップにかけての磁束がさらに拡張される。したがって、各アレイに３個の磁石が含まれる場合には、ギャップの上に３個の磁石を配列し、ギャップの下に３個の磁石を配列し、上部アレイ内の最も左側の磁石の南極がギャップに面し、アレイ内の次の磁石の北極がギャップに面し、アレイ内の第３の磁石の南極がギャップに面するように方向付けされる。下方アレイの場合、最も左側の磁石の北極がギャップに面し（さらに、上方アレイの最も左側の磁石の北極と相互作用する）、次の磁石の北極がギャップに面し、第３の磁石の北極がギャップに面する。
【０００６】
各アレイのギャップと面していない磁石端部に、透磁率材料で作成した磁気ヨークを提供することで、ギャップにかけての磁束にさらなる強度が提供される。そのため、各アレイ内の全ての磁石どうしが１つの大型磁石として相互作用する。
【０００７】
離間した磁石アレイは、直線状または湾曲状（例えば円形）のどちらであってもよい。人物の歩行やボートの揺動によって生じるような反復的な動作から電気エネルギーを生成するためには、直線状アレイまたは若干湾曲したアレイが理想的である。歩行から電力生成を行うことを意図した直線状装置の場合には、離間し、ヨークが設けられた磁石の２つの直線状アレイが、磁石キャリアとコイルキャリアとして存在できる。この場合、１または複数のコイルを磁石アレイどうしの間のギャップを占領するサイズに設けることができる。コイルと磁石の間の相対動作によってコイル（１または複数）内に電力が生成される。この相対動作は、アレイ磁石の磁軸に対して直角を成している点を理解するが重要である。このため、磁石に関連したコイルキャリア動作は磁石アレイの長軸と平行する。磁石キャリアを同位置に固定した状態で、コイルキャリアがギャップを通り振動動作を行うか、あるいは、コイルキャリアを同位置に固定した状態で、磁石キャリアがコイルキャリアに対して振動動作を行うようにすることができる。例えば歩行動作に応答して継続した振動動作を確保するためには、圧縮ばねまたは拡張ばねによって、磁石キャリアとコイルキャリアを跳躍的につなぐ必要がある。こうすることで、動作する構成部品（磁石またはコイルキャリア）が移動経路の終点に達すると、ばねが動作する構成部品の方向を反転させる。
【０００８】
このようなリニアジェネレータは携帯電話ホルスター内に使用でき、携帯電話をホルスター内に挿入すると、携帯電話がジェネレータと電気接続する。大抵は、磁石キャリアがホルスターにつながれ、この組み合わせが、ホルスター装備者の例えばベルトに取り付けた静止のコイルキャリアに対して上下に震動するというものである。磁石と携帯電話の合計重量が、装備者が歩行する際のホルスターの上下振動に貢献し、これにより携帯電話が充電されることが理解されるだろう。ＰＤＡまたは他のホルスター付き装置の重量が大きい場合には、ホルスター、ＰＤＡ、コイルキャリアが固定型磁石キャリアに対して動くようにすることが有利である。この選択は、等業者が状況に応じて容易に行うことができる。バッグの搬送用ストラップとバッグ本体のリニアジェネレータを存在させた類似の配列を行うことができ、これにより、所有者が歩行する際にこの所有者の肩に掛けられたバッグが揺れることでストラップに生じた繰り返し力が、バッグ内の充電池または充電式装置を充電するための電力に変換される。
【０００９】
ヨークが設けられた磁石アレイは、フェロ流体ベアリングとの使用に理想的に適している。これは、繰返し動作から電力を生成する上でより効果的な非常に低摩擦の設計を作成する。フェロ流体を最適に使用するためには、装置を密封して、フェロ流体が逃げたり気化できないようにする必要がある。このような密封型装置は、例えば懐中電灯において、自己充電型の充電池代用品として容易に使用できる。磁石キャリアとコイルキャリアは、１つまたは１対の伝統的な乾電池のサイズおよび形状に設けられたシリンダ内部に隔離される。磁石キャリアはフェロ流体ベアリングを装備しているので、簡単に、シリンダの長さに亘り走行しているコイルキャリアにかけて前後に滑動できる。電子構成部品は、コイルから生成された電力を組み合わせ、そして蓄積するために提供される。出力がシリンダの頂部と底部に接続されているため、平凡な電池の代わりに挿入することができる。「電池」は、シリンダの長軸と平行する方向に前後に揺らすことによって充電される。これに応答して、コイルを組み込んだコイルキャリアの長さに沿って前後に移動する磁石キャリアが、磁石間のギャップを迅速に通過する。ギャップ内の各磁石表面上に１滴のフェロ流体を提供することで、摩擦がさらに低減し、コイル上への磁束の集束がさらに高まる。これにより、磁石とコイルの間の空気が占める小さな空間に代わる流体のメニスカスが形成される。磁石キャリア内の離間した磁石アレイの重要な特徴は、磁石キャリアがコイルキャリアの端部に接近すると、かなりの距離にかけて徐々に減速することなく、運動エネルギーを反転させるリバウンド磁石と協働できるこの配列の能力である。リバウンド磁石は、コイルキャリア内のキャリア端部付近に組み込まれる。リバウンド磁石は磁石アレイの磁石と平行して、しかし、磁気方位がアレイ端部に在る離間した磁石の対と反発する形で方向付けされる。磁石キャリアがコイルキャリアの端部に接近するにつれて、この端部の磁石の対がリバウンド磁石の上を通過し始め、キャリアが反発力によって方向を変更する。リバウンド磁石は磁石キャリアの移動方向に対して垂直に方向付けされているため、これにより磁石キャリアが影響を受けることは、リバウンド磁石が端部のアレイ磁石の間に到達するまでは本質的にはない。
【００１０】
また、磁石アレイを湾曲させて円形を形成することも可能である。これは、運搬荷物の車輪のような車輪ベースのジェネレータにとって理想的な配列である。固定型のコイルキャリアをリング状にし、このリングの円周に一連のコイルを分散させて設けることができる。離間しヨークが設けられた磁石アレイは、２つのリング型のヨークが設けられたアレイの形状をしている。この２つのリング型のヨークが設けられたアレイは、これらの内周に設けられたギャップはコイルキャリアを収容するために残した状態で、外周に設けた接続部によって離間し、連結されている。便利な配列は、磁石キャリアの外周が車輪の接触面として作用することで、車輪が回ると磁石がコイル周囲および上で回転できるようにし、これによりコイル内に電気エネルギーを生成させるというものである。
【００１１】
円形アレイの代替の実施形態は、低摩擦フェロ流体設計に適合可能である。この実施形態では、円形磁石キャリアをすぐ上で説明したとおりに、しかし、円の１つのセグメント、例えば１/８のみを占領する形で構築する。磁石キャリアはフェロ流体ベアリングを装備しており、さらに、ベアリングを装備した水平に方向付けされた軸を装備している密封されたディスク型容器内で自由に動作する。そのため、ディスク型容器は、自転車の車輪と同様に回転可能に方向付けされる。コイルは、ディスク型容器の一部として内部に設置されているため、容器が回転すると、コイルが磁石ギャップを通って動作する。磁石アレイは、重力を強化するために、回転容器の底部に安定磁石に沿って重力的に設置されている。
【００１２】
ヨークが設けられ、離間した磁石アレイ配列の主な目的は、平行する磁力線がコイルの直径に対して垂直に走行する状態で、磁石ギャップを通過するコイルが最大磁束密度を確実に経験できるようにすることである。磁束密度と磁力線の平行方位とは、コイルの透磁率を増大させることでさらに拡張できる。これは、コイルの空間内にナノフェライト粒子を浸透させることで達成できる。透磁率を拡張したコイルを磁気ギャップ内のフェロ流体メニスカスと組み合わせると、生成電力量が著しく増加する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以降の説明は、等業者が本発明を製造並びに使用できるようにするために提供されたものであり、発明者がなした本発明を実施する最良モードを説明している。しかし、ここでは、電流を生成するトランスデューサシステムを提供するという目的で本発明の全体的な原理を明確に定義しているため、等業者にはさらに多様な変更が明白となるだろう。
【００１４】
本発明者は、小型の電力生成システムの問題への取り組みを継続し、新規の様々なジェネレータ構成を開発した。このジェネレータ構成では、最適化されていない原器が、ジェネレータを装備した人物が単に歩行しているときに、容易に得られるタイプの往復動作（例えば、５．５Ｈｚで２ｃｍの移動）に応答して、７０ｍＷよりも優れた電力を発生することができる。これは、著しく多数の別々の磁石を採用した場合の可動磁石構成よりも遥かに効率的である。本発明の一実施形態の原器は、わずか長さ約３インチ（８ｃｍ）、幅１．５インチ（４ｃｍ）、厚さ０．５インチ（１ｃｍ）未満である。サイズは、まだ最適ではないが、これは既に携帯電話およびＰＤＡへの給電の範囲内に入る。
【００１５】
本発明者は、新規構成の作成において、殆どの磁気ジェネレータに伴う制限態様が、磁力線が磁石の一方の極から、急な曲線を描いて同じ磁石の他方の極に至る傾向があることを認識した。このため、磁石を導体（例えばコイル）に非常に接近させた場合でも、磁力線は同じ磁石の反対側の磁極へ急速に戻り閉ループを形成するため、実際に導体と直角に交差する磁力線の数は比較的少ない。この結果、比較的少数の磁力線を交差させても最大の電流の発生を得るためには、コイルのワイヤループの数を大幅に増加させなければならない。この結果、コイルが大型で重くなる。ここで開示する新規構成は全て同一の性質、即ち、隣接したアレイ間のギャップに強力な磁束を生じさせるように配置された、ヨークを有する磁石アレイに依存してい。磁気相互作用を磁石に生じさせるように、各磁石アレイの個々の磁石が磁石ヨークによって結合されている。磁石アレイにおいて、この相互作用を促進させるために、は、互いに隣接した磁石の磁極性が異なっている。アレイの個々の磁石は、これを相補する磁石アレイから分離されている（さらにヨークで連結されている）。これら磁石アレイは、ほぼ直線的な磁力線が、第１の協働磁石アレイの磁極を第２の協働磁石アレイの極性から離間させている狭いギャップを横切るように選定されている。これらアレイには２つの基本構成、即ち直線形と円形とが存在する。さらに、導体を通る磁束の変化により、導体内に電力が発生される。これは、磁束の変化は、導体に対する磁石の相対的移動にによって達成できるためである。この場合、ヨークを有するアレイまたはコイルを移動させることにより、電力を発生させることが可能である。
【００１６】
直線状の磁石アレイ
図２は、直線状磁石アレイを有する本発明の単純な装置の線図的断面図を示す。ケーシング材１０は、２連、即ち２のアレイの磁石を有しており、第１のアレイ２０（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ）は第２のアレイ３０（３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ）から離間している。これら磁石は、グレード３８のＮｄＦｅＢ（ネオジウム鉄ボロン）磁石である。当業者には明白であるように、これ以外にも、希土類サマリウムコバルト磁石のような強力磁石が適している。この場合には、磁石は厚さ約１/８インチ（約３ｍｍ）のコイン型であるが、正方形または長方形の磁石も有利に使用できる。図２の断面図では、磁石どうしの間のギャップ１２は、磁石自体の数倍の厚さで示されている。これは図示のみを目的としているためであり、実際のギャップ１２は、或る原器においては、磁石のほぼ倍の厚さである０．２６インチ（約６ｍｍ）であった。当業者には、これよりも狭いギャップ１２が性能を向上させることができ、また、様々な厚さの磁石の使用が可能であることが明白であろう。ギャップ１２内で導体（コイル）を磁石２０、３０を越えて移動させる必要があるため、ギャップ１２をどれだけ狭くできるかについては実用上制限がある。コイルは、実用上最小のギャップ１２を、恐らくは通常の磁石の厚さとほぼ同じ、即ち１／８インチ（６ｍｍ）にするために、有限厚さを有する。別の実用的な考察では、磁石を、第１連の磁石２０が第２連の磁石３０を強力に引きるように極性を有して配列さされている。図中の矢印は、磁石の北指向極（以降では、単純にするために北極または北磁極と呼ぶ）を指している。したがって、磁石２０ａの北極はギャップ１２と、磁石３０ａの南極とに向いている。このため、これらの磁石は互いに強力に引き付け合う。この引き付け合う方位は、各アレイ中の５個全ての磁石について該当する。ケーシング１０は、磁石の吸引力によって歪んだり撓むことのないよう、十分な強度を持った材料からなっている必要がある。吸引力はギャップ距離の第４の力に関連するため、若干広いギャップを使用することで、吸引力を低減させ、ケースの捻じ曲がる傾向を減少させることができる。ケースには可能な限り軽量の材料を使用することが望ましく、この材料には、例えばポリカーボネートやポリサルフォンといった強力な有機ポリマー（プラスチック）が挙げられる。あるいは、高強度で軽量の金属合金の使用が可能である。以降で論じているように、また、ギャップ１２と交差し、シャトル１８のスロット１５を通過する「支持ピラー」１４によって装置を構築し、構造の硬性を確保することも可能である。
【００１７】
１アレイの夫々の磁石は、対向するアレイの夫々の磁石を引き付けるように配列されているだけでなく、各アレイの夫々の磁石は、隣接したもの同士が反対の極性を有するように、即ち別のアレイの磁石の極性を有するように方向付けされている。磁石どうしは、ミュー（μ）金属でできたヨーク１６によって連結している。ミュー金属は、非常に高い透磁率を有する特別な鉄ニッケル合金である。当業者は、これ以外にも、透磁率の高い特殊な材料（例えば「パーマロイ」）、さらには軟鉄を使用してヨークを形成できることを理解するだろう。通例、ミュー金属は磁気シールドを提供するために使用される。図示した原器では、ミュー金属製のヨーク１６の厚さは僅か０．０６インチ（１．５ｍｍ）であるが、磁束の大部分を吸収する。このヨークは、装置の強力な磁場が装置外部に存在することがないよう、完全な磁気シールドをもたらすように構成することが理想的である。ミュー金属製ヨークの透磁率が非常に高いために、一方の磁石からの磁力線が隣接する磁石に効率的に伝導される。隣接した磁石は１つ置きに異なる方位で配列されているため、１つの磁石からの磁力線が近隣の磁石に容易に吸収される。したがって、ミュー金属製ヨーク１６の効果は、１アレイ中の複数の磁石を実質的な「超」磁石に組み入れると、この「超」磁石が、束線をギャップ１２にかけて、対応するアレイと共有するというものである。
【００１８】
図３は、導体シャトル１８を挿入した装置を示す。導体シャトル１８は、１または複数の導電コイル２４（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ）を挿入したキャリアシート２２から成る。原器において、キャリアシートの厚さは、僅か約０．０３インチ（０．７ｍｍ）であり、両側のコイルから約０．２インチ（約５ｍｍ）のギャップ（即ち、導体と、対向する磁石アレイの表面との間）で離間している。図示のとおりに、強度３８のＮｄＦｅＢ磁石を使用して構成された単コイル原器は、７０ｍＷのピーク電力を発生することができた。この装置の単コイルは、ＡＷＧ＃３８銅線を３３０ターン巻いたものである。当業者には、図３に示した実施形態は、１個のコイルではなく３個のコイルを有するため、単一のコイルの場合よりも大きな電力を発生させることができることが明白であろう。全てのコイル２４は、キャリアシート２２によって一緒に移動するように抑制されている。所定のコイルが、すぐ隣接したコイルと比べて、所与のコイルは対向する極性の磁力線を横断するため、１つのコイル内での電流の方向は隣接したコイル内での電流の方向の反対となる。したがって、コイルを直列ではなく平行に巻くことが重要である。直列巻きにした場合、隣接したコイル内に誘導された電流どうしが相殺し合う傾向にある。平行巻きにした場合には、隣接したコイルから銅線を交換することで電流の極性を逆転できるため、全てのコイルからの電流を合わせて追加することが可能となる。あるいは、ダイオードや、技術上知られた他の半導体装置を使用して、複数のコイルの電力出力を効率的に組み合わせることができる。
【００１９】
図１は、図３の装置の斜視図を、部品どうしの関係を理解できるようにするために、一部をファントム画法で示す。
【００２０】
図４は、連結した磁石のキャリア２２に対する動作の摩擦を低減するために磁気ベアリングを採用していることを除き、図１の装置と類似している実施形態のヨーク側を示す。磁石２０ａ〜ｅは、ヨーク１６の下におけるこれらの位置を示すためにファントム画法で表されている。以下で図５を参照して説明しているように、離間したさらなる磁石３２ａ〜ｄ、３４ａ〜ｄが磁気ベアリングとして提供されていることに留意されたい。
【００２１】
図５は、本装置に伴う問題の解決法を図示するための、ギャップ１２内のキャリア２２とコイル２４の線図的な断面図である。この図から、離間した磁石３２、３４はキャリア２２の狭い縁と整列していることが明白である。磁石３２、３４に配置した小滴のフェロ流体３６により、キャリア２２が磁石キャリア１０に対して、本質的に摩擦のない方式で動作できるようになる。フェロ流体の使用は技術上よく知られており、特に望ましいフェロ流体の組成が本発明者によって開示されている（米国特許６，７６８，２３０号、６，８０９，４２７号、６，８１２，５８３号を参照できる。これら特許の内容は本明細書に組み込まれる）。キャリア２２が若干突出した磁石３２、３４の上に乗るように、キャリア２２の縁に溝（図示せず）を機械工作することで、磁石２０ａ、３０ａの間に、ギャップに関連したキャリア２２、コイル２４の整列を維持することが可能となる。これに加え、主磁石２０、３０のそれぞれに対し、磁石キャリア界面でメニスカスを形成するフェロ流体４２を提供できるようになる。これにより、キャリア２２がギャップ１２と整列しなくなると、如何なる摩擦も排除されるようになる。これに加え、メニスカス４２がレンズとして機能し、コイル２４上に磁力線を集束させる。また、縦長（コイル動作の方向。ここでは、紙の表面の入口から出口への方向。）スロット１５をキャリア２２に提供し、このスロット１５内に補強ピラー１４を通過させることで、ケーシング材が磁力によってねじ曲がらないようにすることも可能である。
【００２２】
図６で表すように、磁石を数アレイ並べることもできる。平面図（図６Ａ）は、ｘ軸に沿った３つの直線状アレイを示しており、各アレイの磁石がｙ軸に沿って配列されている。ヨークはファントム画法で示され、２つのコイルが磁石の間で離間して示されている（コイルが組み込まれたキャリア２２は示されていない）。側面図（図６Ｂ）の「中間」アレイの磁石アレイは、各磁石の両極が隣接したアレイの磁石と相互作用するため、ヨークを有していない。この構成では、このようなアレイの各磁石位置が、実際には各位置において２個の磁石の間にヨークを挟設した２個の磁石である場合には、各「中間」アレイにつき１つの主ミュー金属製ヨークを有することが可能である。無論、各磁石がヨークを通る磁力線の共用を促進する極性を持った磁石で包囲される形になるように、隣接した行の極性が交互になっている必要がある。このために装置がより幅広くなるが（図６Ａのｚ軸に沿って測定した場合）、しかし、より大容量の電力生成に変換されるより大きな磁束が得られるようになる。各キャリア２２は２列のコイルを有し（各列は図６Ｂのｚ軸に沿って配列されている）、各行が１対の磁石アレイと相互作用する状態で示されている。キャリア２２が移動する距離に従ってコイルの行を追加することで、装置の電力出力を大きく増加することができる。全てのキャリア２２（図には２個を示す）を、共に動作するように機械でつなぐことが考案される。これにより、１つおきのコイルにおいて生成された電流は同調するため、１つおきのコイルどうしを直列または平行に配線する作業が単純化される。あるいは、各キャリア２２が別々に動作するようにすることも可能である。この場合には、複数の異なる電子機器によって様々なコイルの電流を組み合わせることが必要となる。本装置では、図５で単キャリアについて示しているように、複数のキャリアのそれぞれがフェロ流体ベアリングを有することも可能である。
【００２３】
実験結果
図１の装置の基礎構造を有する原器を構造した。この装置は、０．６６ｃｍのギャップを間に設けた対向する２アレイの磁石を有している。各アレイを、四角形の１辺が１．９ｃｍ、厚さ０．３２ｃｍのＮｄＦｅＢ（グレード３８）磁石４個で形成した。各アレイをパーマロイ（ニッケルコバルト合金）製のヨークで裏打ちした。上述したように、対向する磁石どうし（別々のアレイのもの）は同じ磁石方位を有し、隣接した磁石どうし（同じアレイのもの）は反対の方位を有する。隣接した磁石どうしの中心から中心までの間隔は２．１ｃｍであった。キャリアは、それぞれ長さ２．５４ｃｍ、厚さ０．５ｃｍのコイルを２個有している。これらコイルの各々は、ＡＷＧ＃３５ワイヤを１２００ターン巻いたものであり、４９オームの抵抗を有する。コイルどうしの中心から中心までの距離は４．２ｃｍであり、これは、４個の磁石の中心から中心までの距離のちょうど２倍である。
【００２４】
キャリアをギャップ内部で前後に移動させることによって電流を生成した。各コイルの出力端子を負荷抵抗器に接続し、キャリアが動作する度に、この抵抗器にかけての電圧を測定した。次の公式を使用して平均電力を計算した。
【数１】
2008543254.tif 000003
【００２５】
ここで、Ｖは単位ボルトで表す電圧、Ｒｌｏａｄは単位オームで表す負荷抵抗、ｔ１、ｔ２は測定の時間間隔を定義し、＜Ｐ＞は単位ｍＷで表す平均電力である。測定の設定において、コイルの電力出力をインピーダンス整合抵抗負荷に接続した。１度に、接続しているコイルを１個だけ用いて測定を行ったところ、第１コイルが３７Ｍｗの平均電力出力を生産し、第２コイルが３３ｍＷの平均電力出力を生産した。接続された（しかし１度に１個のみのコイルを使用して）両方のコイルによって測定を繰り返したところ、第１コイルが３７ｍＷの出力を生産し、第２コイルが３３ｍＷの出力を生産した。これらの結果は、コイルどうしの相互作用が重要でないことを示す。
【００２６】
コイルどうしの間隔は、アレイ内の磁石の位置と一致する。したがって、２個のコイルの出力は同期し、図７は、コイル出力がほぼ正確に同期していることを示す。２個のコイルからの出力を、次に、１個のコイルに使用する負荷を２回使用して直列接続した。この結果を図８に示す。合計測定電力は８３ｍＷであった。コイルどうしを、１個のコイルに使用する半分の負荷を使用して平行接続することも可能である。この結果を図９に示す。この構成での合計測定電力は７８ｍＷであった。
【００２７】
リニアジェネレータ
本発明は、携帯電話、ＰＤＡ、または類似のユニットの充電に理想的に適している。本発明は、例えば使用者のベルトから垂り下げたホルスター内に、また、搬送用ストラップと電子装置を有したケースとの間の接続部分の一部として容易に含めることができる。こうした実施形態では、磁石アレイとキャリアを、垂直（即ち上下）方向に動作するように方向付けする。ばね機能を提供して、装置の搬送に関与した通常の動作に反応し、コイルキャリア２２と磁石アレイ１０が互いに上下に振動するようにしている。この相対動作を提供する上で、キャリアが静止磁石アレイを超えて動作できるか、あるいは、磁石アレイが静止キャリアに対して動くことができる。ばね機能が実際のばねによって、または、磁石アレイ１０がキャリア２２の頂部または底部に接触することを防止するべく反発的に配列した磁石によって提供される。
【００２８】
これは、１対のリニアジェネレータ５２がケーブル５４の手段によりブリーフケース５８の取っ手５６の一部に接続している図１０か、または、直線状ジェネレータ５２がブリーフケース５８と搬送用ストラップ６２の間の接続部を形成している図１１を参照することで最もよく理解できる。無論、ブリーフケースはラップトップコンピュータのケース、バッグ、その他類似の搬送用容器であってよい。これらの実施形態では、キャリア２２または磁石アレイ組立品１０のいずれかをブリーフケース５８に固定する一方で、固定されていない構成部品を、固定された構成部品に対して垂直方向に振動できるようにすることができる。図１０を例にとると、取っ手５６に付加した上昇力がケーブル５４を引くことにより、固定されていない構成部品に引張力が付加される。図１２では、固定された構成部品は、ブリーフケース５８の側部に固定されているフレーム６６に取り付けたコイルキャリア２２である。磁石アレイ組立品１０はケーブル５４に取り付けられており、羽根６８を有する。この羽根６８は、滑動的に取り付けられる方法でフレーム６６上に乗る。圧縮ばね６４が、磁石キャリア１０がフレーム６６の頂部を超えて動作することを防止する（フレーム６６の底部とキャリア１０の底部縁の間に、図示にはない延長ばねを取り付けることによっても、類似の効果を提供できる）。取っ手５６を持ってブリーフケースを搬送する際に、揺動動作がケーブル５４を通って伝播し、これが、磁気組立品１０をキャリア２２内のコイル２４に対して上下に動かすことで、電力が生成される。図１３は、キャリア２２とフレームが自由に動作でき、磁石アレイ組立品１０がブリーフケース５８に固定されている点を除いて、上述と本質的に同一の構成である。この場合には、ケーブル５４はキャリア２２に取り付けられており、上方ばね６４がフレーム６６の頂部と羽根６８の頂部の間の延長ばねである（羽根６８の底部とフレーム６６の底部の間に、図示にはない下方圧縮ばねを設けることもできる）。これらと同一の応用を図１１の構成に、あるいは携帯電話、ＰＤＡ、その他のための様々なタイプのホルスターおよびホルダーに適用することができる。使用者のベルトとホルスターとの間の接続は、装置の上方縁で行われる。そのため、ホルスターと電子装置の重量によってホルスターが下方へ引き下げられる（この際、これにより、コイルと磁石とは、相対的に移動する）。ホルスターとホルスター内部の装置との重量が、磁石アレイまたはキャリアを装置の最短部にまで移動させてしまう重量とならないようにばね機能の強度を選択する。即ち、キャリアまたは磁石アレイがばね引張力によって「浮く」ようにする。装備者が歩行すると、磁石アレイとキャリアとが互いに小刻みに上下に動き、ホルスターと電子装置の慣性質量を使用して逆起電力を無力化する運動量が提供され、電力が生成される。
【００２９】
当業者には、これらの装置にいくつかの単純な変更を加えられることが明白であろう。正確な磁石とギャップのサイズ／空間と、キャリアの重量とを、電力生成に使用するそれぞれの共振に「調整」させる必要がある。使用者が歩行すると携帯電話が充電されるように最適化された装置の共振機械周波数は、海の波から電力を生成するように最適化された装置の共振機械周波数とは異なる。予測される相互動作の距離に従って、磁石の個数を有利に増加することができる。磁石アレイにおいて好ましい１つおきの極性を維持するために、各アレイの磁石の個数を奇数にして、最後の磁石が同じ極性を有するようにすることが好ましいが、しかしこれは必須ではない。
【００３０】
本発明による高電力リニアジェネレータの別の使用は、懐中電灯などにおける電池の代用品としての使用である。低摩擦の実施形態（例えば図５に示したもの）を、成型および寸法付けされた円筒形内に封入し、従来の電池の代用とすることが可能である。懐中電灯のような多くの装置では１対の電池を直線的に配列して使用するので、円筒形は、電池２個分の空間を占めるように寸法でき有利である。ブリーフケースとホルスターを用いた先行の例と同様に、磁石アレイまたはコイル（実際には、コイル（１または複数）を有したキャリア）のいずれかの動作によって、コイルに関連した磁石アレイの相対動作を生産することができる。この先行例と同様、キャリア７６と磁石アレイ７４は、揺れまたは類似の動作に応答して電力を生成するために跳躍的に接続している。フェロ流体ベアリングを使用して、磁石アレイがキャリアへと移動する際の摩擦を最小化している。図１４は、１対の従来の「Ｄ」サイズの電池の代用となるように寸法付けされた円筒形の装置７２を示す。（このユニットは、予め測定することにより、例えば「Ｃ」サイズの電池のような別の電池サイズの代用品とすることもできる）。
【００３１】
図１５は、外部カバーを除去した状態の本装置を示す。内部には、ヨークを有する磁石アレイ７４が固定されたコイルキャリア７６の上で往復移動するように設計されている。固定されたキャリア７６は、電池代用装置のための端子として機能する負端部キャップ７８と正端部キャップ８２とに取り付けられている。正端部キャップ７８と固定されたキャリアとの間には、電子機器パッケージ８４が挟設されている。この電子機器パッケージは、複数のコイル２４からの電力を組み合わせて、これを、キャパシタまたは従来型の充電池内に蓄積する。
【００３２】
図１６は、磁石アレイ７４の展開図を示す。この構造は、図５の構造と実質的に同一である。ここでは、３対の四角形磁石２０が、キャリア７６の本体内に挿入され、透磁率の高い材料から成るヨークシート１６でカバーされている。キャリア７６の側縁内には、４個のベアリング磁石３２、３４が挿入されている。図５の装置が、固定的にヨークが設けられた磁石アレイ１０に対して移動するコイル２４を内部に有しているコイルキャリア２２を有するように設計されているのとは異なり、ここでは、コイルキャリア７６が固定されており、コイルの上を、揺れ動作に応答して磁石アレイ７４が前後に振動する。先に説明したように、フェロ流体とベアリング磁石３４とによって、こうした動作を実質的に摩擦がなく行えるようになっている。しかし、固定されたコイルキャリア７６とヨークが設けられた磁石アレイ７６の間に、何らかのタイプのばねまたは弾性関係を提供することが必要である。
【００３３】
図１７は、磁石アレイ７４と固定されるコイルキャリア７６を、これら以外の構成部品を除去した状態にて示している。これにより、固定キャリア７６の端部のスロット内に設置されたリバウンド磁石８６を見ることができる。キャリア７６の両側にリバウンド磁石８６がある。これらリバウンド磁石８６の目的は、磁石アレイ７４が装置の単部キャップ７８、８２に衝突して、運動エネルギーを無駄にしてしまうことを防止するためである。ばねまたはバンパーを設けることで、この目的に対処することもの可能である。上で説明したように、アレイ内の各対の磁石は、隣接する磁石２０が逆の極性を有する形で配列されている。例えば、最も左側にある１対の磁石のそれぞれの北極は下を向いていてよい。この場合には、中間にある１対の磁石のそれぞれの北極は上を向き、最も右にある１対の磁石の北極は下を向いているはずである。リバウンド磁石８６は、磁石アレイがキャリア７６のいずれかの端部に接近すると、最後の磁石２０の対のギャップ内への侵入を開始できるように設置されている。またリバウンド磁石８６は、アレイ内の最後の磁石の対の極性と反対の極性を有するように方向付けされる。提示したばかりのこの例では、最後の磁石の対の各磁石は、北極が下を指すように方向付けされている。したがって、リバウンド磁石８６の北極は上を指し、即ち、アレイ磁石２０と反発する構成となるように方向付けられる。アレイ磁石間のギャップにおける磁束は非常に強力であるため、この反発力も相当に強力である。磁石キャリア７４がコイルキャリアのいずれかの端部へ移動すると、磁石キャリア７４は停止し、リバウンド磁石８６が複数対の磁石のうち１対の間のギャップへの侵入を開始し次第、逆方向に方向転換する。これは、電池代用品装置の断面図である図１８で最も容易にみることができる。リバウンド磁石８６は、コイルキャリア７６の両方の最端部に位置していることに留意されたい。磁石アレイがコイルキャリア７６の絶対端部に到達しても、アレイ磁石２０、３０の間のギャップに入ったリバウンド磁石８６の長さは、アレイ磁石２０、３０のうち一方の長さの半分にも満たない。殆どの場合、リバウンド磁石の反発力によって磁石キャリアが停止し、逆方向に方向転換するが、リバウンド磁石が磁石キャリア７４の停止に失敗した場合には、弾性バンパー８８によって激しい衝突を回避する。
【００３４】
いくつかの従来技術の装置は、対向する磁石を使用することで、作動磁石を「浮動させ」、また、作動磁石が移動経路の最後に達することを防止している。これらの場合、作動磁石の磁軸は移動方向と平行するように方向付けられている。同様に、はね返される、または浮動する磁石の磁軸も移動方向と平行するように方向付けされなければならない。これにより、磁石の磁束が移動方向に沿って延びるため、作動磁石は、はね返される側の磁石に接近する際に、この磁石から出された徐々に増加する磁束と遭遇する。これにより、動作中の磁石が減速し、最終的に、はね返される側の磁石に当たって「はね返る」（即ち、方向転換する）。生成される電力量は導体を横断する磁束の変更率に関連するため、減速期間が延長すると電力生成の効率が低下する。本発明では、全ての磁軸は移動方向に対して直角に方向付けされている。さらに、直線でなければならない磁力線が、１つの磁石から別の磁石へとギャップを横断して通過できるようにするために、動作アレイ７４内の磁石どうしを連結している。これにより、リバウンド磁石８６が磁石間のギャップ内への侵入を開始するまで、リバウンド磁石８６からの磁束がヨークが設けられた磁石アレイ７４と相互作用することはない。そのため、反発効果はほぼ瞬間的であり、移動方向と平行した磁軸を有するシステムに固有の減速がさらに延長されることがない。これは、磁束を磁軸と平行する分岐線として図示し、また、磁気反発力を典型的なベクトル矢印として図示した図１９にて、線図的に図示されている。リバウンド磁石８６が磁石間のギャップに侵入すると、ｙ軸に沿った反発力が平衡する一方で、ｘ軸に沿った力は非平衡となり、この結果、右側における力が著しく大きくなり、磁石キャリア７４を逆方向へ向かわせる。
【００３５】
低摩擦ベアリングを設けた、移動するヨークが設けられた磁石アレイ７６も、これ以外の、循環動作を変換することが望ましい状況に対して適合可能である。例えば、緊急エンジンまたはジェネレータをスタートさせることなく航海船の電池を再充電する必要性が著しい。伝統的には、航海船は電気システムを全く有していなかった。ごく最近になって、安全性の目的で電子通信およびナビゲーション機器が追加された。これらのユニットは、ソーラーパネルで再充電できる電池、またはエンジンに接続したジェネレータによって走行する。ＧＰＳのようなナビゲーションによる補助に頼ることが多くなるにつれて、電池消費が増加した。夜間および嵐の最中にはソーラー電力に頼ることができないため、ジェネレータ燃料が不足する問題に加え、ジェネレータを始動させる際に非常に不便である。これへの答えは、ここで電池代用品として記述したものと類似のリニアジェネレータである。図２０は、舷縁の付近またはこれの若干下の船殻に沿って被覆されたリニアジェネレータ細片９６を設けた航海ボート９４を示す。リニアジェネレータ９６は、船殻の外形と一致するように若干湾曲していることが理想的である。船殻の湾曲部分は通常特に船の中央に位置しているため、比較的短いリニアジェネレータ９６を使用する場合は、湾曲せずに直線であってよい。リニアジェネレータは、海水との接触に耐性を有する非腐食材料で構造した、密封された管状構造であることが最適である。図２１は、ボートにより接近した図である。図２２に示すように、リニアジェネレータ９６の内部構造は、図１４の電池代用品装置と非常に類似している。コイルキャリア７６はジェネレータ９６の全長に亘って延びており、また、１対の磁石から成る移動するアレイ７４が、フェロ流体ベアリング３６に補助されてコイルキャリア７６の上を滑動する。配線１００が、ジェネレータから蓄電池（図示せず）を含んだ電気システムへと続いている。この電気システムは多数の装置９８に給電を行う。図２３は、ボートで本発明のリニアジェネレータを別使用した図を示す。この場合には、ボートは波止場に係留されている。これらの状況下では、ボートは、ジェネレータ９６が効率的に機能できるほどに著しく揺れ動くことはない。ここでは、小型のジェネレータ９３を係留線９５に取り付けることができる。ジェネレータは、図１２または図１３に示したものと類似の方式で構造されている。係留線９５の引張が増減すると、跳躍的に接続された構成部品が前後に動作することで弾性が生成され、ボート上の電池充電が維持される。この装置９５はさらに、ネジ締め金具や、これ以外の、係留線をボートに取り付けるために使用される付属品の一部として含まれる。
【００３６】
円形アレイ
ここまで、直線状磁石アレイを設けた装置について記述してきた。しかし、本発明は湾曲したおよび／または円形の構造にも向いている。伝統的な「コイルに通した磁石」設計では、円形の、または湾曲した実施形態を構成することが困難である。なぜなら、これらの構成には、かさばり、構造が困難な湾曲した磁石とドーナツ形のコイルが必要であるためである。しかし、本発明による連結した磁石／ギャップ設計であれば、ほぼ全ての形状に適合可能である。図２２のリニアジェネレータ９６は、いくつかの湾曲部部分を設けた密封型ジェネレータのよい例である。湾曲が適度なものである場合には、湾曲の放射状部分はヨークが設けられた磁石アレイ７４の全長からすれば重要でないため、コイルキャリア７６のみを湾曲させればよい。しかし、図２４は、完全に円形のジェネレータを表す線図である。コイルキャリア７６は、ディスクの放射状部分に沿ってコイル２４を配置した円形ディスクである。連結した磁石アレイ７４は、コイルキャリア７６の円周と一致するべく湾曲している点を除いて図１４の直線状アレイ７４と類似している。連結した磁石アレイ７４はまた、ディスクブレーキがそのロータに係合するのと同様、図２５に示すように、ディスク形のコイルキャリア７６と係合できるよう、片側に沿って解放型（ｃ字型）になっている。
【００３７】
一実施形態では、特に、ブイの遠隔ナビゲーションを行うべく給電するように適合されており、また、コイルキャリア７６と磁石アレイ７４の両方が、磁石アレイ７４がフェロ流体ベアリング３６上でコイルキャリア７６の円周に沿って自由に動作できる状態で、車輪形容器１０２内に密封されている。図２６は、潮の波の動作から電力を生成するように適合された円形のフェロ流体ベアリングジェネレータを図示している。ここでは、浮遊およびクランク機構（図示せず）が、支持構造１０８に取り付けられたセラミックベアリングによって低摩擦方式で支持された軸１０４に結合している。軸１０４は、円形ジェネレータを保持する車輪形容器１０２（ここでは断面にて示す）に溶接されるか、あるいは接続されている。波または潮の動作により、浮遊機構が垂直方向へ移動し、この動作がクランクによって回転動作に転換されることで軸１０４が回転する。最も可能性のある用途は海水に近接しているため、装置全体は非腐食性材料から作成される。セラミックベアリング１０６は海水の影響を比較的受け難く、磁石とコイルは容器１０２内に完全に密封されている。車輪形容器１０４が回転すると、これと共にディスク形のコイルキャリア７６が回転する。各コイル２４からの配線が、容器１０２の中心範囲内にある電子機器モジュール（図示せず）へと走行している。軸１０４上の整流装置によって、容器１０２から電気を伝導させることができる。容器１０２が回転すると、コイルキャリア７６が磁石アレイ７４を通って自由に動作することで電力が生成される。磁石アレイ７４と容器１０４の間の低摩擦結合により、磁石とコイル２４の間の吸引力が、磁石アレイ７４をコイルキャリア７４と共に移動させる。この傾向には、磁気吸引力によって磁石アレイ７４を容器１０４の底部に留めておく対向する磁石の対１１０を用いることで抵抗することができる。
【００３８】
図２７は、車輪付きの荷物などに有効な別バージョンの円形ジェネレータを示す。この装置では、スーツケースまたはブリーフケース５４は、軸１０４上で個々に回転する車輪１１２を有する。図２８に示すように、この装置の断面は、車輪１１２（タイヤ１１４が付属している）がレースベアリング１１６上で回転する外部チューブを形成していることを示す。ヨークが設けられた円形磁石アレイ７４が車輪１１２に取り付けられているため、車輪１１２が回転すると、円形の磁石アレイ７４と磁石２０がこれと共に動作する。コイル２４が内部に組み込まれているディスク形のコイルキャリアが非回転軸１０４につながれているため、車輪が回転すると、磁石アレイ７４がコイルキャリアに対して移動し、コイル２４内で電流が生成される。コイルキャリアは静止しているので、電線１２０を、コイル２４から中空軸１０２を通って電子機器モジュールへと引き、複数のコイルからの電力が電子機器モジュールにて組み合わされ、蓄積されるようにすることができる。ケース５４に内部（または外部）コネクタ１１９を従来どおりに装備して、過剰に多い携帯型装置に対し給電および再充電を行うことができる。これにより、空港までの行き帰り、あるいは商談の約束場所への行き帰りにエネルギーを集めて装置を再充電できるため、出張中の多忙なビジネスマンは、忙しい移動スケジュールにもかかわらず、常に電子機器を充電された状態に保つことができる。
【００３９】
コイルの透磁率
本発明は、電力を生成する導体（コイル）を受容するための磁石ギャップを設けた、連結した磁石アレイにより、従来技術の装置にかけて効率が大幅に向上していることを示す。このヨークとギャップの配列により、コイルを通過する磁束が最大化され、また、磁力線が分岐するのではなく直線化される。電力の生成は、導体で包囲された範囲に対して垂直で、この範囲内に留められる磁束の変化率の２乗に比例する。磁束の強度を増加させることで、磁力線が導体に対して直角な状態に可能な限り近づき、潜在的な変化率が増加する。空気の透磁率は低いので、ギャップを特別に小さくしない限り、磁束は分岐する傾向にある。コイル材料の透磁率は空気よりも高いため、磁石間のギャップをコイル材料で完全に充填することで、ギャップの磁束がさらに高くなる。例えば、標準的な厚さのコイルを磁石どうしの間に空隙を全く設けずに置いた場合、コイル内の平均的な磁場強度は約８．４キロガウスとなる。しかし、コイルの上下に０．１インチ（２．５４ｍｍ）の空隙を追加した場合には、透磁率の減少により、コイル内の平均磁場強度は５．０キロガウスにまで減少する。空隙をそれぞれ０．１５インチ（３．８１ｍｍ）に増加させた場合には、コイル内の平均磁場密度は約３．０〜４．０キロガウスの範囲内となる。磁石をコイルに対して動かすために必要な空隙によって、平均磁場強度が減少し、これによりシステムによって生成される電力も減少することが明らかである。
【００４０】
これに対する１つの解決法に、このギャップをフェロ流体で充填するというものがある。フェロ流体は、空気の１μの値よりも遥かに高い約１０μの透磁率を有する。さらに、装置のどこかにフェロ流体ベアリングを使用した場合には、意図しなくても、フェロ流体が磁石のギャップ内に侵入する可能性がある。さらに、フェロ流体が存在することにより、磁石とコイルの間が保護されて摩擦が生じなくなる。
【００４１】
別の可能性は、何らかの方法でコイルの透磁率を増加させて、コイル内部の磁場強度を増加させるというものである。例えば銅のような反磁的な導体は空気よりも透磁率が若干低いため、こういった材料の透磁率を高めることができる人物は殆どいない。しかし、コイルは単線導体ではなく、銅線の周囲に薄い絶縁層を巻着させて形成されたコイルである。コイルのターンどうしの間には、絶縁コーティングの他にも大量の空気が存在している。そのため、空気が占めている空間に透磁率のより高い材料を浸透させることで、コイルの全体の透磁率を増加させることができる。さらに、絶縁コーティングを透磁率の高い材料に交換することも可能である。マグネットワイヤ上のニスコーティングは非常に薄いため、絶縁コーティングを交換した場合に得られる結果は、空気が占める空間に透磁率の高い材料を浸透させた場合に得られる結果ほど著しいものではない。フェロ流体は、このような浸透を達成するための理想的な手段を提供する。コイルをフェロ流体に浸し、力（例えば穏やかな遠心力または排気力）を付加することで浸透を促進させるこの手段はかなり単純なものである。コイルの込み入った部分にまで流体が均等に浸み込んだら、溶液を気化させてナノフェライト粒子（直径約５〜１０ｎｍ）を残す。浸透後に容易に気化させることができる超臨界二酸化炭素内の粒子を懸濁させることも可能である。粒子の方位性が望ましい場合には、外部磁石によって、またはコイルの電力付勢によって提供された磁場内で気化を生じさせることが可能である。最良の結果を得るためには、コイル使用時に、フェライト粒子を移動または再方向付けできるようにするべきではない。これは、フェロ流体に微量の可溶樹脂を追加して、ナノフェライト粒子を「接着」することで達成できる。さらに、重合可能なマトリックス内のナノフェライト粒子の高密度溶液を作成して、コイルを完全に浸透させた後に、マトリックスを重合化して粒子を同位置で「凍結」させるようにすることも可能である。
【００４２】
十分な量のナノフェライト粒子をコイルに追加して、全体の透磁率を増加させることはかなり単純である。例えば、コイルの全体の透磁率を１０μにまで上昇させた場合、０．１インチの空隙または０．１５インチ空隙のいずれかの平均磁場強度は５．０キロガウスである。いずれの場合にも、ナノフェライトを浸透させていないコイルと比べて、磁場がより均等になり、磁力線がより平行化する。ナノフェライトの浸透により透磁率が著しく高まったコイルは、容易に達成できることが予測される。ナノフェライトを浸透させたコイルを、フェロ流体で充填したギャップと組み合わせた場合には、さらに劇的な結果が得られる。０．１インチまたは０．１５インチのギャップを設けた装置の場合、磁場強度は８．２ガウスであり、これは空隙のない状況とほぼ同じ高さである。この結果は、フェライト浸透させた（即ち、より高い透磁率を有する）コイルを、フェロ流体を充填したギャップと組み合わせることで、空隙の影響を本質的に排除できることを示す。ギャップ内にフェロ流体を使用して有限空隙の影響を低減させることは、磁束がフェロ流体の磁気飽和よりも遅い場合に効果的である。未最適化の試験装置を構造した場合には、ナノフェライトを浸透させたコイルを、フェロ流体で充填した空隙共に使用する。このユニットは、コイル内にナノフェライト粒子を浸透させていない同一のユニットよりも電力生産量が４０％高かった。
【００４３】
これらの予備的結果は、サイズの異なる多数の試験コイルを構造し、上述したばかりの技術と類似の技術を使用して、これらのコイルに磁気粒子を浸透させることで調査したものである。コイルは、３２ＡＷＧマグネットワイヤを使用し、コイル巻着ボビンシステム上に巻着させた。大型のコイルではワイヤのターン数をより多くして、様々なコイル直径を生産した。コイルの込み入った部分に強磁性粒子を含有したマトリックスを充填した結果を図示するために、１組のコイルを生産した。この粒子はフェロテック（米国）社（Ｆｅｒｒｏｔｅｃ（ＵＳＡ）Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）（ニューハンプシャー州ナシュア）（製品ＥＭＧ１２００）製のもの、あるいは磁鉄鉱のいずれかであった。粒子を、デブコン（Ｄｅｖｃｏｎ）社製の３０−ミニッツエポキシと５０：５０の容量比率で、または同エポキシと３０：７０の容量比率で混合した。この混合物を、ボビンに巻着されている最中のコイルに対して可能な限り均等に付加した。粒子を含有した液体状の溶液をコイルに浸透させ、溶液を同位置で密封して「液体」コイルを準備した。最後に、超臨界二酸化炭素の手段によってコイル内に磁気粒子を押し流すことで乾燥コイルを準備した。圧力を開放すると二酸化炭素が気化し、磁気粒子が同位置に残った。
【００４４】
上述のとおりに磁石アレイとヨークで構造したギャップのある磁場に試験コイルを通過させてコイルの試験を行った。試験コイルを、２または３ヘルツいずれかの速度で、ギャップ内に繰り返し出し入れさせて反復動作を行った。各コイルについて、負荷抵抗器にかけての平均電圧を測定した。各測定で複数の反復を行った。エポキシを染み込ませたコイルの場合、電力出力の向上は、個々のコイルとコイルのサイズに従って、約１０〜２７％の範囲内で異なった。初期の試験装置とこれ以降の試験装置の相異は、初期の実験と同じだけ多くの磁気粒子を、初期の実験と同じだけ均等に導入することができなかったことにより生じた可能性がある。磁気液体および液体が密封されたコイルは、約１５〜２５％の向上を提供した。二酸化炭素を浸透させたコイルを用いた実験の結果は非常に一貫性のないものであった。「制御」コイルは処置を施されたコイルと同じでないため、総体結果を容易に比較することはできないことが暗示されている。総体的に、この実験は、乾燥またはマトリックスにおいて磁気粒子を置くことが効果的であることを示した。コイル内にフェロ流体を残すことも効果的である。コイルの性能を向上させる上で、市販の低摩擦フェロ流体ナノ粒子は磁鉄鉱粒子にかけて利点が全くないか、あるいはごく僅かであることが明らかである。
【００４５】
したがって、特許請求項は、明確に図示され上述されたもの、概念上同等なもの、明らかに代替可能なもの、さらに、本発明の本質的な概念が本質的に組み込まれたものを含むものとして了解されるべきである。当業者は、本発明の範囲から逸脱しない限り、上で説明したばかりの好ましい実施形態の様々な改作物および改造物を構成できることを理解するだろう。図示された実施形態は、例としての目的のみで述べられたものであり、本発明の制限として解釈されるべきではない。したがって、添付の特許請求項の範囲内でなら、本発明をここで明確に説明した以外の形態にて実施できることが了解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明による一実施形態の実際の原器の斜視図を示す。
【図２】本発明の単純な直線状装置の線図的断面図を示す
【図３】導電コイルを有したシャトルを含む図１の装置を示す。
【図４】図１の装置の上方面または下方面の線図を示す。
【図５】フェロ流体ベアリングの使用を図示する実施形態の線図的断面図を示す。
【図６】図６Ａは、複数の磁石アレイと、コイルを設けた複数のキャリアとを有する実施形態を示す透明な平面図であり、図６Ｂは、複数の磁石アレイと、コイルを設けた複数のキャリアとを有する実施形態を示す断面図である。
【図７】実験装置における２つのコイルの出力がほぼ正確に同期している状態を示す。
【図８】２個のコイルを直列接続した実験装置によって電力が生成される状態を示す。
【図９】実験装置の総電力測定値を示す。
【図１０】ブリーフケースと共に使用したリニアジェネレータの線図を示す。
【図１１】バッグまたはブリーフケースの搬送用ストラップと共に使用したリニアジェネレータの線図を示す。
【図１２】固定型コイルキャリアを設けたリニアジェネレータを示す。
【図１３】固定型磁石アレイ組立品を設けたリニアジェネレータを示す。
【図１４】１対の従来型電池（電気機械電池）の代用品となるリニアジェネレータの斜視図を示す。
【図１５】図１４の装置の作動構成部品を示す。
【図１６】図１４の装置の磁石アレイの展開図を示す。
【図１７】図１４の装置のコイルキャリアと磁石アレイの斜視図を示す。
【図１８】図１４の装置の断面図を示す。
【図１９】図１４の装置に反発力が生じた結果、リバウンド磁石から放出された磁束を表す線図を示す。
【図２０】リニアジェネレータを装備した航海ボートを示す。
【図２１】図２０のボートにより接近した図を示す。
【図２２】図２０のジェネレータにより接近した図を示す。
【図２３】ボートと共に使用する別タイプのリニアジェネレータを示す。
【図２４】本発明による円形ジェネレータの線図を示す。
【図２５】図２４の円形ジェネレータと共に使用する、湾曲した磁石アレイの斜視図を示す。
【図２６】波によって始動する円形ジェネレータの線図を示す。
【図２７】車輪付きカート上の円形ジェネレータを示す。
【図２８】図２７の車輪型ジェネレータの断面図を示す。
【図２９】図２８の平面に対して垂直な平面に沿って取った、図２７の車輪型ジェネレータの断面図を示す。
【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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【国際調査報告】
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