(57)【要約】  本発明に係る発電機１は、制御装置１０、ロータ１１、１２、ステータ３１、３２、電動モータ３０を備える。ロータ表面には、磁石列１５、１６が軸方向に２列並んで実装され、各磁石の各磁極は周方向に沿って交互に反転配列され、整列した磁石の組で磁極が互いに異なるように配置される。ステータ３１、３２は、複数のステータブロックを備え、各ブロックのコアは、ロータの磁石の組と対向可能な２つのコア端部及びコア中間部を有し、該コア端部にはステータコイル５５、５６、５７、５８が巻装される。ステータブロックは、ブリッジダイオード３６及び発電パルス回路４６を介してキャパシタ５０に接続された発電用ステータブロックと、ブリッジダイオード４０を介してモータパルス回路４８に接続されたモータ用ステータブロックとを含む。モータパルス回路４８は、電気的短絡用スイッチを備える。本発明によれば、発電機の増分効率を大幅に向上させることができる。
2007105319.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機であって、
少なくとも１つのロータであって、該ロータの表面には、軸方向に少なくとも２つ配列された磁石の組が、周方向に複数組配列されており、各磁石の両磁極は前記ロータの径方向に整列されている、前記少なくとも１つのロータと、
前記少なくとも１つのロータに対して配置された少なくとも１つのステータであって、該ステータは、複数のステータブロックを備え、該ステータブロックの各々はコアを有し、各コアは、前記軸方向に配列された少なくとも２つの磁石の各々と対向可能に径方向に延びた少なくとも２つのコア端部と、該コア端部を連結するコア中間部と、を有し、前記少なくとも２つのコア端部に亘ってステータコイルが連続的に巻装されており、前記複数のステータブロックはモータ用ステータブロックと発電用ステータブロックとを含む、前記少なくとも１つのステータと、
前記発電用ステータブロックのステータコイルを電気的負荷に接続するための負荷接続手段と、
前記モータ用ステータブロックのステータコイルを電気的に短絡するための電気的短絡手段と、
を備える、発電機。
【請求項２】
前記軸方向に配列された少なくとも２つの磁石は、磁極が交互に逆向きに配置されている、請求項１に記載の発電機。
【請求項３】
前記軸方向に配列された少なくとも２つの磁石に亘って、該磁石の底部と前記ロータのボディとの間に磁性体が介在されている、請求項２に記載の発電機。
【請求項４】
前記周方向に複数組の磁石は、組毎に磁極が逆向きになるように配置されている、請求項１に記載の発電機。
【請求項５】
前記発電用ステータブロックのステータコイルの各々で発生した誘導電流を整流するための整流手段が、前記ステータコイルと前記電気的負荷との間に設けられている、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発電機。
【請求項６】
前記整流手段と前記電気的負荷との間に、前記電気的負荷への電気的接続を断続的に実行するためのパルス回路が設けられている、請求項５に記載の発電機。
【請求項７】
前記モータ用ステータブロックのステータコイルの各々で発生した電流を整流するための整流手段が、前記ステータコイルと前記電気的短絡手段との間に設けられている、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の発電機。
【請求項８】
前記電気的短絡手段は、電気的短絡を断続的に実行するためのパルス回路を有する、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の発電機。
【請求項９】
制御装置を更に備え、該制御装置は、発電運転するとき、前記モータ用ステータブロックを電気的に短絡しない状態で前記ロータを回転始動させ、該ロータの回転速度が上昇するにつれて前記パルス回路を動作させて前記モータ用ステータブロックの電気的短絡を断続的に実行し、前記ロータの回転速度が所定速度に達したとき、前記モータ用ステータブロックの電気的短絡を維持するように制御する、請求項８に記載の発電機。
【請求項１０】
前記制御装置は、発電運転を開始するとき、前記発電用ステータブロックの前記電気的負荷への電気的接続をオフにした状態で前記ロータを回転始動させ、該ロータの回転速度が上昇するにつれて前記電気的負荷への電気的接続を断続的に実行する、請求項９に記載の発電機。
【請求項１１】
前記ステータコイルは前記少なくとも２つのコア端部に亘ってコイル電流の流れる方向に巻き方向が同一となるように連続的に巻装されている、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の発電機。
【請求項１２】
前記電気的負荷はキャパシタである、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の発電機。
【請求項１３】
前記磁石は、ネオジム磁石である、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の発電機。
【請求項１４】
前記整流手段は、全波整流手段である、請求項５乃至７のいずれか１項に記載の発電機。
【請求項１５】
前記全波整流手段は、ブリッジダイオードである、請求項１４に記載の発電機。
【請求項１６】
前記ステータブロックのコアは、ケイ素鋼板を積層形成してなる、請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の発電機。
【請求項１７】
前記ロータ及び前記ステータは２以上設けられ、
前記２以上のロータに亘って前記軸方向に配列された少なくとも２つの磁石は、交互に磁極が逆向きになるように配置されている、請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の発電機。
【請求項１８】
前記軸方向に配列された少なくとも２つの磁石は互いに間隔を隔てられている、請求項３に記載の発電機。
【請求項１９】
前記磁性体は、前記周方向に複数組の磁石の組毎に分離されている、請求項３に記載の発電機。
【請求項２０】
前記複数のステータブロックは、各々、非磁性又は反磁性の材料のフレームに固定される、請求項１乃至１９のいずれか１項に記載の発電機。
【請求項２１】
前記複数のステータブロックは、各々、電気的及び又は磁気的に独立に構成されている、請求項１乃至２０のいずれか１項に記載の発電機。
【請求項２２】
前記発電用ステータブロックと前記モータ用ステータブロックとは、前記ロータの磁石に対向するロータ位置が所定の位相ずれている、請求項１乃至２１のいずれか１項に記載の発電機。
【請求項２３】
前記ロータを回転させるための電動モータと、該電動モータを前記キャパシタに接続するための接続手段と、を更に備える、請求項１２項に記載の発電機。
【請求項２４】
発電機を用いた発電方法であって、
前記発電機は、
少なくとも１つのロータであって、該ロータの表面には、磁石が軸方向に少なくとも２つ、周方向に複数、設けられており、各磁石の両磁極は前記ロータの径方向に整列されている、前記ロータと、
前記少なくとも１つのロータに対して配置された少なくとも１つのステータであって、該ステータは、複数のステータブロックを備え、該ステータブロックの各々はコアを有し、各コアは、前記軸方向に配列された少なくとも２つの磁石の各々と対向可能に径方向に延びた少なくとも２つのコア端部と、該コア端部を連結するコア中間部と、を有し、前記少なくとも２つのコア端部に亘ってステータコイルが連続的に巻装されており、前記複数のステータブロックはモータ用ステータブロックと発電用ステータブロックとを含む、前記ステータと、
を有し、
前記発電方法は、
前記ロータを回転させる工程と、
前記発電用ステータブロックのステータコイルを電気的負荷に接続する工程と、
前記モータ用ステータブロックのステータコイルを電気的に短絡する工程と、
を備える、発電方法。
【請求項２５】
前記軸方向に配列された少なくとも２つの磁石は、磁極が交互に逆向きになるように配置されている、請求項１に記載の発電方法。
【請求項２６】
前記軸方向に配列された少なくとも２つの磁石に亘って、該磁石の底部と前記ロータのボディとの間に磁性体が介在されている、請求項２５に記載の発電方法。
【請求項２７】
前記周方向に複数組の磁石は、組毎に磁極が逆向きになるように配置されている、請求項２４に記載の発電方法。
【請求項２８】
前記発電用ステータブロックのステータコイルの各々で発生した誘導電流を整流する工程を更に備え、前記ステータコイルを電気的負荷に接続する工程では、整流された誘導電流を該電気的負荷に印加する、請求項２４乃至２７のいずれか１項に記載の発電方法。
【請求項２９】
前記発電用ステータブロックのステータコイルを電気的負荷に接続する工程は、該電気的負荷への電気的接続を断続的に実行する、請求項２８に記載の発電方法。
【請求項３０】
前記モータ用ステータブロックのステータコイルの各々で発生した電流を整流する工程を更に備える、請求項２４乃至２９のいずれか１項に記載の発電方法。
【請求項３１】
前記モータ用ステータブロックのステータコイルを電気的に短絡する工程は、電気的短絡を断続的に実行する、請求項２４乃至３０のいずれか１項に記載の発電方法。
【請求項３２】
前記ロータの回転速度が所定速度に達したとき、前記モータ用ステータブロックの電気的短絡の断続を停止し、電気的短絡状態を維持する、請求項３１に記載の発電方法。
【請求項３３】
前記電気的負荷は、キャパシタであり、前記発電機は、前記ロータを回転させるための電動モータを更に備え、
前記キャパシタに充填された電気を前記電動モータに供給する工程を更に備える、請求項２４乃至３２のいずれか１項に記載の発電方法。
【請求項３４】
モータであって、
少なくとも１つのロータであって、該ロータの表面には、磁石が軸方向に少なくとも２つ、周方向に複数、設けられており、各磁石の両磁極は前記ロータの径方向に整列されている、前記少なくとも１つのロータと、
前記少なくとも１つのロータに対して配置された少なくとも１つのステータであって、該ステータは、複数のステータブロックを備え、該ステータブロックの各々はコアを有し、各コアは、前記軸方向に配列された少なくとも２つの磁石の各々と対向可能に径方向に延びた少なくとも２つのコア端部と、該コア端部を連結するコア中間部と、を有し、前記少なくとも２つのコア端部に亘ってステータコイルが連続的に巻装されている、前記少なくとも１つのステータと、
前記ステータブロックのステータコイルを電気的に短絡するための電気的短絡手段と、
を備える、モータ。
【請求項３５】
モータであって、
少なくとも１つのロータであって、該ロータの表面には、磁石が軸方向に少なくとも２つ、周方向に複数、設けられており、各磁石の両磁極は前記ロータの径方向に整列されている、前記少なくとも１つのロータと、
前記少なくとも１つのロータに対して配置された少なくとも１つのステータであって、該ステータは、複数のステータブロックを備え、該ステータブロックの各々はコアを有し、各コアは、前記軸方向に配列された少なくとも２つの磁石の各々と対向可能に径方向に延びた少なくとも２つのコア端部と、該コア端部を連結するコア中間部と、を有し、前記少なくとも２つのコア端部に亘ってステータコイルが連続的に巻装されており、前記複数のステータブロックはモータ用ステータブロックと発電用ステータブロックとを含む、前記少なくとも１つのステータと、
前記モータ用ステータブロックのステータコイルを電気的に短絡するための電気的短絡手段と、
前記発電用ステータブロックのステータコイルを電気的負荷に接続する負荷接続手段と、
前記ロータを回転可能に構成された予備電動モータと、
を備える、モータ。
【請求項３６】
前記電気的負荷は、キャパシタであり、
前記予備電動モータを前記キャパシタに接続するための接続手段を更に備える、請求項３５に記載のモータ。
【請求項３７】
請求項１乃至２３のいずれか１項に記載の発電機の構成要素を備え、
前記ロータの回転トルクを外部に出力可能に構成されたモータ。
【請求項３８】
発電機であって、
少なくとも１つのロータであって、該ロータの表面には、磁石が軸方向に少なくとも２つ、周方向に複数、設けられており、各磁石の両磁極は前記ロータの径方向に整列されている、前記少なくとも１つのロータと、
前記少なくとも１つのロータに対して配置された少なくとも１つのステータであって、該ステータは、複数のステータブロックを備え、該ステータブロックの各々はコアを有し、各コアは、前記軸方向に配列された少なくとも２つの磁石の各々と対向可能に径方向に延びた少なくとも２つのコア端部と、該コア端部を連結するコア中間部と、を有し、前記少なくとも２つのコア端部に亘ってステータコイルが連続的に巻装されている、前記少なくとも１つのステータと、
前記テータブロックのステータコイルを電気的負荷に接続する負荷接続手段と、
を備える、発電機。
【請求項３９】
前記キャパシタは、電気二重層キャパシタである、請求項１２に記載の発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機、発電方法及びモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の発電システムは、外部エネルギー源（水力、火力、原子力、風力等）を用いて発電機のロータを回転させ、その機械的な回転エネルギーを電気的エネルギーに変換する方式が主流を占めている。従来の発電機は、一般に、複数の永久磁石を配置したロータと、該ロータの周囲に配置された複数のコイルからなるステータと、ロータの回転角を検出するセンサーと、該センサーにより検出されたロータ回転角に応じて、ステータコイルに誘導起電力を発生させるようにステータコイルの巻き線の結線態様を切り替えるためのスイッチング回路と、を備えている。なお、従来の発電機では、ステータの複数のコイルは互いに結線されており、電気的及び磁気的に独立していない。【０００３】
この主流の発電機の発電原理は、１８３１年、マイケル・ファラディーによって発見された電磁誘導の法則に基づいている。電磁誘導の法則は、周知されているように、巻き数ｎのコイルと磁石との相対的位置が変化するとき、コイル内を貫通する鎖交磁束が時間の経過と共に変化し、その変化率に比例した起電力がコイルが発生して誘導電流が流れるというものである。この起電力Vは、貫通する鎖交磁束をφ、時間をｔ、コイルに生じる起電力をVとしたとき、次式によって表される。【０００４】
V=−ｎｄφ／ｄｔ                                    （１）
この式の右辺の項にマイナスの符号がつくのは、所謂レンツの法則を意味しており、コイル内の磁場の変化を妨げる方向に電流が流れるように起電力が発生するということを示している。即ち、誘電電流により発生したコイル磁場がロータの永久磁石の回転を妨げるように逆トルクを発生させ、この逆トルクに逆らってロータを回転させると、その機械的エネルギーが電気的エネルギーに変換される。【０００５】
従って、従来の発電機では、大きな電力を得ようとロータの回転速度を上げても、これに応じて逆トルクが増大して機械的エネルギーの消費が増えるため、増分効率を向上できず、よってシステム効率を増大させることが困難であるという問題があった。なお、増分効率とは、発電機に与えた入力エネルギーの増分に対する発電機から出力された出力エネルギーの比率であり、システム効率とは、発電機に与えた総入力エネルギーに対する発電機から出力された出力エネルギーの比率である。【０００６】
ところで、ファラディーは、翌１８３２年に、単極誘導と呼ばれる、上記誘導法則とは異なる誘導現象も発見している（非特許文献１）。この単極誘導を引き起こす発電機を図９に示す。同図に示すように、単極誘導発電機は、ディスク状の磁石円板９０と、シャフト９２と、磁石円板９０の外周囲側面に接触するブラシ９４と、シャフト９２に接触するブラシ９６と、を備える。図示のように、磁石円板９０は、ＮＳ極を軸方向に整列させている。磁石円板９０をシャフト９２の周りに回転させると、磁石円板９０の中心部と周辺部との間に誘導起電力Ｖが発生し、ブラシ９４及び９６を介して取り出すことができる。誘導起電力Ｖは、磁石円板９０の回転角速度をω、磁石円板９０の軸に垂直な断面を貫く磁束をΦとすると、次式で表される。【０００７】
Ｖ＝Φω／２π                                              （２）
この単極誘導発電機は、逆トルクがかからないという特性があり、よって増分効率の顕著な増大を示すものであることが知られている。しかし、単極誘導発電機は、通常、発生する電圧がきわめて低く（０．６〜０．７V）、大きな電圧を得るためには、高速回転させなければならない。しかし、高速回転時にはブラシ９４、９６の接点の摩擦でブラシが機械的に破損するという問題があった。このため、単極誘導の発電原理は主流とはなり得ず、（１）式のファラディーの電磁誘導の法則に基づいた発電方法が採用されて現在に至っている。【０００８】
なお、上記単極誘導発電機又は逆トルクを軽減させることができる発電機において、増分効率が１より大きくても、システム効率が必ずしも１を超えることを意味するものではない。換言すれば、システム効率が１より小さい場合であっても、増分効率が１を超える場合もあり得る。
【非特許文献１】「岩波理化学辞典  第５版」（岩波書店）  「単極誘導」の項目
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記事実に鑑みなされたもので、ロータ及びステータを有する発電機並びに該発電機を用いた発電方法において、逆トルクの影響を抑えることにより、増分効率を大幅に向上させることを目的とする。また、このような発電機を利用した高い効率のモータ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】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る発電機は、少なくとも１つのロータであって、該ロータの表面には、磁石が軸方向に少なくとも２つ、周方向に複数、設けられており、各磁石の両磁極は前記ロータの径方向に整列されている、前記少なくとも１つのロータと、該少なくとも１つのロータに対して配置された少なくとも１つのステータであって、該ステータは、複数のステータブロックを備え、該ステータブロックの各々はコアを有し、各コアは、前記軸方向に配列された少なくとも２つの磁石の各々と対向可能に径方向に延びた少なくとも２つのコア端部と、該コア端部を連結するコア中間部と、を有し、前記少なくとも２つのコア端部に亘ってステータコイルが連続的に巻装されており、前記複数のステータブロックはモータ用ステータブロックと発電用ステータブロックとを含む、前記少なくとも１つのステータと、前記発電用ステータブロックのステータコイルを電気的負荷に接続するための負荷接続手段と、前記モータ用ステータブロックのステータコイルを電気的に短絡するための電気的短絡手段と、を備えて構成したものである。【００１１】
ここで、「軸方向に整列（配列）」及び「径方向に整列」という用語は、軸方向（又は径方向）に完全に整列していることだけではなく、軸方向（又は径方向）に所定の角度範囲に収まっていることを意味している。例えば、前記軸方向に２つに並んだ磁石は、１つ目の磁石と２つ目の磁石とを結ぶ直線が、ロータ軸線に対して所定の角度の範囲内で傾いていてもよい。また、「電気的に短絡」とは、事実上抵抗ゼロを介して短絡することだけを意味するものでなく、少なくとも前記電気的負荷よりも小さい負荷を介して接続することも網羅している。【００１２】
本発明によれば、複数のステータブロックを、発電用ステータブロックと、モータ用ステータブロックとに分け、モータ用ステータブロックのステータコイルを電気的に短絡可能に構成したので、誘導電流をステータコイル内に発生させると共に、ロータの磁石とステータコイルとの間にモータ作用を促す反発磁場を形成することが可能となった。この反発磁場の上を滑るようにしてステータコイルに対してロータが回転するため、逆トルクを大幅に軽減できる。このモータ用ステータブロックによるモータ作用でロータの回転が援助されている間に、発電用ステータブロックのステータコイルに誘導電流が発生し、電気的負荷を通して仕事を行う。従って、本発明の発電機は、従来技術の発電機よりも大幅に増分効率を増大させることができる。発電用及びモータ用ステータブロックのステータコイルに流れる電流は、通常の誘導電流のような単一の正弦波を示さず、互いに略９０°位相が異なる２つの正弦波の重なりを示しており、モータ作用及び反発磁場の存在を示している。更に、本発明では、従来の発電機のようにセンサーによりロータの位置を検出し、ロータの位置に応じてステータコイルを切り替えたりする必要はなく、非常に簡単な構成で高い効率の発電機を実現することができる。【００１３】
上記作用効果をもたらすため、好ましくは、軸方向に配列された少なくとも２つの磁石は、磁極が交互に逆向きになるように配置され、軸方向に配列された少なくとも２つの磁石に亘って、該磁石の底部とロータのボディとの間に磁性体が介在されている。この場合、軸方向に配列された少なくとも２つの磁石は互いに間隔を隔てられているのが好ましい。これによって、１列目（又は２列目）の磁石から磁性体を介して磁極が逆の２列目（又は１列目）の磁石まで磁力線が貫通する。即ち、磁性体に沿って軸方向に延びる磁力線が発生する。なお、磁性体として鉄等を用いることができる。また、周方向に複数組の磁石は、組毎に磁極が逆向きになるように配置されるのが好ましい。この配置により、ロータが回転したときステータコイルに交互に逆向きの誘導電流が流れる。また、ステータコイルは少なくとも２つのコア端部に亘ってコイル電流の流れる方向に巻き方向が同一となるように連続的に巻装されているのが好ましい。【００１４】
好ましくは、発電用ステータブロックのステータコイルの各々で発生した誘導電流を整流するための整流手段が、ステータコイルと前記電気的負荷との間に設けられている。これにより、発電機の力率を改善することができる。好ましくは、整流手段と電気的負荷との間に、電気的負荷への電気的接続を断続的に実行するためのパルス回路が設けられている。これによって、発電用ステータブロックのステータコイルで発生した誘導電流を電気的負荷に効率的に供給することができる。【００１５】
モータ用ステータブロックに関しても、そのステータコイルの各々で発生した電流を整流するための整流手段が、該ステータコイルと電気的短絡手段との間に設けられていてもよい。【００１６】
電気的短絡手段は、電気的短絡を断続的に実行するためのパルス回路を有するのが好ましい。この場合、制御装置を更に備え、該制御装置は、発電運転するとき、モータ用ステータブロックを電気的に短絡しない状態でロータを回転始動させ、該ロータの回転速度が上昇するにつれてパルス回路を動作させてモータ用ステータブロックの電気的短絡を断続的に実行し、ロータの回転速度が所定速度に達したとき、モータ用ステータブロックの電気的短絡を維持するように制御するのが好ましい。【００１７】
更に、制御装置は、発電運転を開始するとき、発電用ステータブロックの電気的負荷への電気的接続をオフにした状態で前記ロータを回転始動させ、該ロータの回転速度が上昇するにつれて電気的負荷への電気的接続を断続的に実行してもよい。【００１８】
好ましい例では、電気的負荷はキャパシタ、より好ましくは電気二重層キャパシタであり、磁石は、ネオジム磁石である。また、整流手段は、全波整流手段、特にブリッジダイオードである。ステータブロックのコアは、残留磁気が少ない材料、例えばケイ素鋼板を積層形成して構成するのが好ましい。【００１９】
好ましい態様の複数のステータブロックは、各々、電気的及び／又は磁気的に独立に構成されている。複数のステータブロックを電気的に独立に構成するためには、例えば、ステータブロックの各々に、夫々別個の負荷接続手段、電気的負荷、電気的短絡手段並びに整流手段等を接続する。また、複数のステータブロックを磁気的に独立に構成するためには、前記磁性体は、周方向に複数組の磁石の組毎に分離され、複数のステータブロックは、各々、非磁性又は反磁性の材料のフレームに固定される。【００２０】
発電電力を増大させるために、好ましい態様では、ロータ及びステータは２以上設けられ、２以上のロータに亘って軸方向に配列された少なくとも２つの磁石は交互に磁極が逆向きになるように配置されている。ロータ及びステータを例えば同軸に２以上設けることにより、ロータ及びステータの数に比例して発電電力を増大させることができる。また、発電効率を更に向上させるため、発電用ステータブロックと前記モータ用ステータブロックとは、前記ロータの磁石に対向するロータ位置が所定の位相ずれているのが好ましい。【００２１】
本発明の発電機は、ロータを回転させるための電動モータと、該電動モータを電気的負荷としてのキャパシタに接続するための接続手段と、を更に備えていてもよい。【００２２】
本発明の別の態様に係る発電機は、少なくとも１つのロータであって、該ロータの表面には、磁石が軸方向に少なくとも２つ、周方向に複数、設けられており、各磁石の両磁極は前記ロータの径方向に整列されている、少なくとも１つのロータと、少なくとも１つのロータに対して配置された少なくとも１つのステータであって、該ステータは、複数のステータブロックを備え、該ステータブロックの各々はコアを有し、各コアは、前記軸方向に配列された少なくとも２つの磁石の各々と対向可能に径方向に延びた少なくとも２つのコア端部と、該コア端部を連結するコア中間部と、を有し、前記少なくとも２つのコア端部に亘ってステータコイルが連続的に巻装されている、前記少なくとも１つのステータと、
前記テータブロックのステータコイルを電気的負荷に接続する負荷接続手段と、を備える。【００２３】
本発明の発電機を用いた発電方法では、発電機は、少なくとも１つのロータであって、該ロータの表面には、磁石が軸方向に少なくとも２つ、周方向に複数、設けられており、各磁石の両磁極は前記ロータの径方向に整列されている、前記ロータと、前記少なくとも１つのロータに対して配置された少なくとも１つのステータであって、該ステータは、複数のステータブロックを備え、該ステータブロックの各々はコアを有し、各コアは、前記軸方向に配列された少なくとも２つの磁石の各々と対向可能に径方向に延びた少なくとも２つのコア端部と、該コア端部を連結するコア中間部と、を有し、前記少なくとも２つのコア端部に亘ってステータコイルが連続的に巻装されており、前記複数のステータブロックはモータ用ステータブロックと発電用ステータブロックとを含む、前記ステータと、を有し、前記発電方法は、前記ロータを回転させる工程と、前記発電用ステータブロックのステータコイルを電気的負荷に接続する工程と、前記モータ用ステータブロックのステータコイルを電気的に短絡する工程と、を備えて構成したものである。【００２４】
本発明の発電方法で使用される発電機の構成は、本発明の上記した発電機の各態様と同様に構成することができる。【００２５】
好ましい態様の発電方法は、発電用ステータブロックのステータコイルの各々で発生した誘導電流を整流する工程を更に備え、ステータコイルを電気的負荷に接続する工程では、整流された誘導電流を該電気的負荷に印加する。好ましくは、発電用ステータブロックのステータコイルを電気的負荷に接続する工程は、該電気的負荷への電気的接続を断続的に実行する。【００２６】
本発明の発電方法は、モータ用ステータブロックのステータコイルの各々で発生した電流を整流する工程を更に備えていてもよい。好ましくは、モータ用ステータブロックのステータコイルを電気的に短絡する工程は、電気的短絡を断続的に実行する。【００２７】
好ましい態様の発電方法は、ロータの回転速度が所定速度に達したとき、前記モータ用ステータブロックの電気的短絡の断続を停止し、電気的短絡状態を維持する。【００２８】
好ましくは、電気的負荷は、キャパシタであり、発電機は、ロータを回転させるための電動モータを更に備え、キャパシタに充填された電気を前記電動モータに供給する工程を更に備える。【００２９】
本発明に係る発電機は、ロータの回転を介して外部に回転トルクを提供するモータとしても機能することができる。【００３０】
本発明の一態様に係るモータは、少なくとも１つのロータであって、該ロータの表面には、磁石が軸方向に少なくとも２つ、周方向に複数、設けられており、各磁石の両磁極は前記ロータの径方向に整列されている、前記少なくとも１つのロータと、前記少なくとも１つのロータに対して配置された少なくとも１つのステータであって、該ステータは、複数のステータブロックを備え、該ステータブロックの各々はコアを有し、各コアは、前記軸方向に配列された少なくとも２つの磁石の各々と対向可能に径方向に延びた少なくとも２つのコア端部と、該コア端部を連結するコア中間部と、を有し、前記少なくとも２つのコア端部に亘ってステータコイルが連続的に巻装されている、前記少なくとも１つのステータと、前記ステータブロックのステータコイルを電気的に短絡するための電気的短絡手段と、を備えて構成したものである。【００３１】
本発明の別の態様に係るモータは、少なくとも１つのロータであって、該ロータの表面には、磁石が軸方向に少なくとも２つ、周方向に複数、設けられており、各磁石の両磁極は前記ロータの径方向に整列されている、前記少なくとも１つのロータと、前記少なくとも１つのロータに対して配置された少なくとも１つのステータであって、該ステータは、複数のステータブロックを備え、該ステータブロックの各々はコアを有し、各コアは、前記軸方向に配列された少なくとも２つの磁石の各々と対向可能に径方向に延びた少なくとも２つのコア端部と、該コア端部を連結するコア中間部と、を有し、前記少なくとも２つのコア端部に亘ってステータコイルが連続的に巻装されており、前記複数のステータブロックはモータ用ステータブロックと発電用ステータブロックとを含む、前記少なくとも１つのステータと、前記モータ用ステータブロックのステータコイルを電気的に短絡するための電気的短絡手段と、前記発電用ステータブロックのステータコイルを電気的負荷に接続する負荷接続手段と、前記ロータを回転可能に構成された予備電動モータと、を備えて構成したものである。好ましくは、前記電気的負荷は、キャパシタであり、前記予備電動モータを前記キャパシタに接続するための接続手段を更に備える。【００３２】
また、好ましい態様に係るモータは、本発明の上記した発電機のいずれかの態様の構成要素を備え、ロータの回転トルクを外部に出力可能に構成される。【００３３】
本発明の更なる態様は、添付図面、並びに、発明の詳細な実施例を参照することにより、更に明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、本発明の一実施例に係る発電機のシステム構成例を示す概略図である。
【図２】図２は、図１のラインI−Iに沿って取られたロータの断面図である。
【図３】図３は、本実施例に係る発電機のロータ及びステータブロックの斜視図である。
【図４】図４は、本実施例に係る発電機の第１のロータ及び第２のロータの間の位置関係を示す斜視図である。
【図５】図５は、本実施例に係る発電機のステータブロックのコイルの巻き方及び全波整流器の回路構成を示す概略図である。
【図６】図６は、ステータブロックの頂面図である。
【図７】図７は、本実施例に係る発電機の外観図である。
【図８】図８は、本実施例に係る発電機の発電シーケンスを示すフローチャートである。
【図９】図９は、従来の単極発電機の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１      発電機／モータ
１０    制御装置
１１、１２  第１及び第２のロータ
１３、１４  第１及び第２のロータボディ
１５、１６、１７、１８    磁石列
２０    磁性体プレート
２３    シャフト
３１、３２  第１及び第２のステータ
３７    コア
３６、４０    ブリッジダイオード
４６    発電パルス回路
４８    モータパルス回路
５０    電気二重層キャパシタ
５１    コア端部
５３    コア中間部
５５、５６  ステータコイル
７０    固定フレーム
７２    ハウジング
７４    操作計器盤
【実施例】
【００３６】
図１には、本発明の一実施例に係る発電機１の構成が示されている。同図に示すように、発電機１は、発電シーケンスを制御するための制御装置１０と、第１及び第２のロータ１１、１２と、該ロータ１１、１２の周囲に各々配置された第１及び第２のステータ３１、３２と、直流モータ３０と、ステータから出力された電気的エネルギーを蓄える電気二重層キャパシタ５０と、を備える。【００３７】
第１及び第２のロータ１１、１２は、共通のシャフト２３を回転軸として一緒に回転可能に構成されている。シャフト２３にはプーリー２４が取り付けられ、該プーリー２４と直流モータ３０の出力軸に取り付けられたプーリー２８との間にはベルト２６が張設されている。従って、直流モータ３０の回転によって第１及び第２のロータ１１、１２は共に回転する。【００３８】
第１のロータ１１には、各々、ロータ周方向に沿って配列された複数の磁石からなる第１及び第２の磁石列１５、１６が軸方向に２列並んで実装されている。同様に、第２のロータ１２には、各々、ロータ周方向に沿って配列された複数の磁石からなる第１及び第２の磁石列１７、１８が軸方向に２列並んで実装されている。なお、これらの磁石は、ネオジム磁石であるのが好ましい。【００３９】
図２には、図１のラインI−Iに沿って取られた第１のロータ１１及び該ロータ１１の周囲に配置された第１のステータ３１の断面が示されている。図２から理解できるように、第１のロータ１１の第１の磁石列１５は、ロータ周方向に沿って磁石１５−１、１５−２、．．．１５−８が配列されたものである。磁石１５−１、１５−２、．．．１５−８は、各磁石のN極及びS極を結ぶ線がロータの径方向に整列されるようにロータボディ１３に取り付けられ、各磁石の径方向外側の磁極が周方向に沿って交互に反転するように配列されている。即ち、磁石１５−１、１５−２、．．．１５−８の径方向外側の磁極は、N、S、N、S、N、S、N、S（径方向内側の磁極は、図示のようにS、N、S、N、S、N、S、N）となる。第２の磁石列１６に関しても、その断面が図２と同様になるように構成されるが、後述されるように、第２の磁石列１６の磁石の磁極は、第１の磁石列１５の磁石の磁極とは極性が逆になるように配列されている。【００４０】
ここで、ロータ１１及びステータ３１の斜視図である図３を参照する。なお図３では、図を簡単にして説明するため、第１及び第２の磁石列のうち各々１個の磁石しか示されておらず、これに対応してステータブロックも１つしか示されていない。図３に示されるように、第１の磁石列１５の一つの磁石１５−１（１５−２、．．．１５−８）は、第２の磁石列１６の一つの磁石１６−１（１６−２、．．．１６−８）と軸方向に整列されており、更に、整列した磁石の組で磁極が互いに異なるように配置されている。例えば、磁石１５−１の径方向外側の磁極がＮ極なので、これと整列した磁石１６−１の径方向外側の磁極はＳ極となる。また、ロータ１１には、ロータ外周面上に周方向に互いに分離したプレート２０−１、２０−２、．．．２０−８が実装されており、各プレート２０−１，．．．２０−８上に、整列した磁石の組（１５−１、１６−１）、．．．（１５−９、１６−８）が各々取り付けられている。これらのプレート２０は、磁気的な性質を有する材料、例えば鉄等の磁性体から作られ、隣接するプレート間は間隙が形成される。【００４１】
図４には、第１のロータ１１と第２のロータ１２との間の位置関係を示す。第１のロータ１１の第２の磁石列１６の一つの磁石１６−１（１６−２、．．．１６−８）は、第２のロータ１２の第１の磁石列１７の一つの磁石１７−１（１７−２、．．．１７−８）と整列されており、更に、整列した磁石の組で磁極が互いに異なるように配置されている。例えば、磁石１６−１の径方向外側の磁極がＮ極なので、これと整列した磁石１７−１の径方向外側の磁極はＳ極となる。これ以外の点では、第２のロータ１２の構成は、第１のロータ１１の構成と同様である。なお、ここでいう磁石の組の整列とは、完全に軸方向に一致させて整列することだけではなく、周方向に所定角度をずれた状態も包含している。【００４２】
図２に戻ると、第１のステータ３１は、互いに独立したステータブロック３１−１、３１−２、．．３１−８を備えて構成されている。第１のステータ３１のステータブロックの各々は、図５に示されるように、コア３７を有する。コア３７は、ケイ素鋼板を積層形成して構成されるのが好ましい。各コア３７は、ロータの整列した磁石の組（１５、１６）の各々と対向可能に径方向に延びた２つのコア端部５１、５２と、該２つのコア端部５１、５２を軸方向に連結するコア中間部５３と、を有する。２つのコア端部５１、５２にはステータコイル５５、５６が各々巻装されている。該ステータコイル５５、５６は、図示のように、該２つのコア端部５１、５２に亘ってコイル電流の流れる方向に巻き方向が同一となるように一本の巻き線を連続的に巻いて形成されている。図の例では、コア端部５１、５２から見て右回りの巻き方向であるが、左回りに巻いてもよい。図３には、ステータブロックの斜視図、図６には、ステータブロックの頂面図が各々示されている。第２のステータ３２の各ステータブロックも上述したものと同様に構成されている。【００４３】
ステータブロックは、電気的エネルギーを供給するための発電用ステータブロック（３１−１、３１−３、３１−５、３１−７）と、ロータにモータ作用を及ぼすためのモータ用ステータブロック（３１−２、３１−４、３１−６、３１−８）と、に分けられる。図１に示すように、発電用ステータブロック（３１−１、３１−３、３１−５、３１−７）の各々は、全波整流回路３６及び発電パルス回路４６を介してキャパシタ５０に接続されている。モータ用ステータブロック（３１−２、３１−４、３１−６、３１−８）の各々は、全波整流回路４０を介してモータパルス回路４８に接続されている。【００４４】
図５に詳細に示すように、全波整流回路３６、４０は、ステータコイル５５、５６からのリード線５７、５８に接続された４つのダイオード６０、６１、６２、６３から構成されている。この回路構成は、所謂ブリッジ回路として知られたもので、ステータコイル５５、５６に誘起された誘導電流を全波整流する作用を有する。全波整流回路３６、４０からのリード線６４、６５は、パルス回路４６、４８に各々接続される。【００４５】
発電パルス回路４６は、例えば、全波整流回路３６のリード線６４又は６５（図５）からキャパシタ５０の端子への電流経路に設けられたスイッチ（図示せず）と、このスイッチのオン（キャパシタへの電力供給）とオフ（キャパシタへの電力供給無し）とをパルス的に切り替えるパルス発振回路と、を備える。このスイッチは、トランジスタ等で構成することができる。パルスの幅及びパルスの周波数は、後述するように調節可能となっている。【００４６】
モータパルス回路４８は、全波整流回路４０のリード線６４及び６５（図５）を電気的に短絡させるスイッチ（図示せず）と、この電気的短絡スイッチのオン（電気的短絡）とオフ（解放）とをパルス的に切り替えるパルス発振回路と、を備える。このスイッチは、トランジスタ等で構成することができる。パルスの幅及びパルスの周波数は、後述するように調節可能となっている。【００４７】
図１に示す発電機１の外観を図７に示す。図７では、ステータ３１、３２が省略されているが、各ステータブロックを取り付けるための固定フレーム７０と、ハウジング７２とが示されている。この固定フレーム７０は、アルミニウム等の非磁性材料又は反磁性材料で作られ、これによって、各ステータブロックを磁気的に独立させることができる。なお、ハウジング７２もアルミニウム等の非磁性材料又は反磁性材料で作られるのが好ましい。ハウジング７２には、操作計器盤７４が取り付けられており、発電機１の制御と、直流モータ３０の電流、電圧等の監視とが可能となっている。【００４８】
次に、本発明の実施例に係る発電機１の発電シーケンスを図８のフローチャートを用いて説明する。【００４９】
図８に示すように、最初に、初期条件が設定される（ステップ３００）。この初期設定では、モータパルス回路４８の電気的短絡スイッチをオフにし、発電パルス回路４６のスイッチをオフにすることにより発電開始時に電気的に負荷をかけないようにする。なお、予めパルス回路４６、４８のパルス幅及びパルス周波数は最適な値に設定される。最適なパルス幅及びパルス周波数は、事前に実験的に定めたもので操作計器盤７４の調整器を用いて調整することができる。【００５０】
次に、直流モータ３０を始動させてロータ１１、１２を回転させる。このとき、キャパシタ５０が十分に充電されている場合には、制御装置１０は、キャパシタ５０から供給される電力を用いて直流モータ３０を回転させる。キャパシタ５０の充電量が十分でない場合には、制御装置１０は、外部のAC電源からの電流を直流に変換して直流モータ３０に供給する。【００５１】
ロータの回転が上昇するに伴い、モータパルス回路４８の動作を実行する。モータパルス回路４８の動作開始は、例えばロータの回転速度がある一定の速度（後述する所定速度よりも遅い速度）を超えたときに実行する。このとき、モータ用ステータブロックのステータコイル５５、５６には、相互誘導作用により起電力が発生する。回転速度が十分に速くなるとモータ用ステータブロックのステータコイルの整流前の電流には、通常の誘導起電力の第１の波形と、この波形から位相が遅れた第２の波形とが現れることが確認された。これは、ロータに対して逆トルクを作用させるのではなく積極的に回転させるモータ作用が現れたことを示している。【００５２】
次に、発電パルス回路４６を動作させ、キャパシタ５０の充電を開始する（ステップ３０６）。キャパシタ５０にパルス的に電力供給が行われるため、円滑にキャパシタ５０が充電される。なお、発電パルス回路４６の動作開始は、モータパルス回路４８の動作開始より遅いタイミングで開始してもよい。【００５３】
次に、制御装置１０は、ロータ回転速度が所定速度に達したか否かを判定する（ステップ３０８）。ロータ回転速度が所定速度に達していない場合（ステップ３０８否定判定）、所定速度に達するまで待機する。この間、ロータの回転速度は、上昇していく。なお、この所定速度は、最大の発電効率が得られるように予め実験的に決定されたものである。例えば８００〜１０００回転／分であることが実験的に得られている。ロータの回転速度は、センサー等で直接検出してもよいが、直流モータ３０の消費電流で推定することもできる。【００５４】
ロータ回転速度が所定速度に達した場合（ステップ３０８肯定判定）、モータ用ステータブロックのステータコイルを電気的に短絡させ（ステップ３１０）、ロータ回転速度を所定速度に維持制御する（ステップ３１２）。この状態で、発電機１のロータ回転負荷は、大幅に減少し、１００Vで１〜２Aで動作することが実験的に確認された。発電機１は増大された効率で発電するため、キャパシタ５０は速やかに充電される。制御装置１０は、キャパシタ５０からの電力を利用して、直流モータ３０を回転させると共に、外部に電力供給する（ステップ３１４）。また、この状態では、発電機１は、シャフト２３を介して外部に回転トルクを提供するモータとしても機能することができる。【００５５】
以上が本発明の実施例であるが、本発明は上記例にのみ限定されるものではない。【００５６】
例えば、実施例では、第１及び第２のロータの２連構成としたが、１つのロータだけを使用してもよい。また、ロータを３連以上の構成とすることにより、より大きな電力を得ることができる。また、２つのロータボディ１３、１４の各々に２列の磁石列を設けた構成は、１つのボディに４列の磁石列を設けたものと本質的に何ら変ることがないのは明らかである。【００５７】
また、本実施例のようにロータを内側に、ステータを外側に配置する態様が好ましいが、その逆にステータを内側にロータを外側に配置する態様も考えられる。【００５８】
更に、１つの磁石列の磁石数と、これに対応したステータブロックの数とは、任意好適に変更可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、ロータ回転開始時には、大きな負荷がかかるが、最適なロータ回転速度で発電したとき、きわめて少ない電流消費量でロータの回転を持続しつつキャパシタへの充電を長期間に亘って継続することができる。即ち、増分効率が顕著に増大したことを示しており、このことは実験データによって明確に裏付けられている。従って、本発明によれば、産業上利用可能性の観点で非常に有用な発電機及びモータを提供することができる。
【図１】
2007105319.tif 000003
【図２】
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【図３】
2007105319.tif 000005
【図４】
2007105319.tif 000006
【図５】
2007105319.tif 000007
【図６】
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【図７】
2007105319.tif 000009
【図８】
2007105319.tif 000010
【図９】
2007105319.tif 000011
【国際調査報告】
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