JP2005237128A

JP2005237128A - エネルギ変換機構

Info

Publication number: JP2005237128A
Application number: JP2004044108A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Yokoyama; 正明横山; Naoki Mizuno; 直樹水野
Original assignee: Kayaba Industry Co Ltd
Current assignee: KYB Corp
Priority date: 2004-02-20
Filing date: 2004-02-20
Publication date: 2005-09-02

Abstract

【課題】エネルギ損失の少ないエネルギ変換を可能とするエネルギ変換機構を提供することである。
【解決手段】流路Ｐと、流路Ｐの途中に設けた環状凹部１ａと、流路Ｐの途中に回転自在に設けられた羽根車Ｆと、羽根車Ｆの外周に設けられ、かつ、環状凹部１ａに挿入される分割磁極パターンを有する環状永久磁石５と、環状永久磁石５に対向する複数のコイル２とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気エネルギを流体の運動エネルギに変換し、もしくは、流体の運動エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換機構に関する。

この種エネルギ変換機構としては、たとえば、気体の運動エネルギを電気エネルギに変換する風力発電機がある（たとえば、特許文献１参照）。この風力発電機は、円筒形のケース内に回転自在に複数枚の羽根を取付け、この羽根の外周に輪環を設け、さらに、この輪環の外周に複数の永久磁石を取付けるとともに、ケース側に上記永久磁石に対向する電気的に連結される複数のコイルを設けたものである。

したがって、この風力発電機にあっては、羽根が風力を受けてケース内で回転すると、永久磁石も回転し、それにともない、複数のコイルを磁力線が横切ることとなり、コイルに発生する誘導起電力により発電が行われる仕組みである。
特開平１１−２９９１９７号公報（第２頁右欄第４５行目から第３頁左欄第２３行目まで，図１）

しかし、上述した風力発電機では、ケース内に、輪環や永久磁石が配置されているので、これら輪環や永久磁石は、ケースを流体が通過するときに抵抗となって、流体の円滑な移動を妨げるので、エネルギ損失が発生し、効率的なエネルギ変換を妨げてしまう。

そこで、本発明は、上記の不具合を勘案して創案されたものであって、その目的とするところは、エネルギ損失の少ないエネルギ変換を可能とするエネルギ変換機構を提供することである。

上記した目的を達成するため、流路と、流路の途中に設けた環状凹部と、流路の途中に回転自在に設けられた羽根車と、羽根車の外周に設けられ、かつ、環状凹部に挿入される分割磁極パターンを有する環状永久磁石と、環状永久磁石に対向する複数のコイルとを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、電気エネルギから流体の運動エネルギへ、もしくは、流体の運動エネルギから電気エネルギへのエネルギ変換が可能である。

また、環状永久磁石は、流路の途中に設けた環状凹部内に挿入されているので、流路内での流体の移動を妨げることが無い。したがって、エネルギを変換する際のエネルギ損失を軽減することが可能となる。すなわち、従来のエネルギ変換機構に比較して効率の良いエネルギ変換が可能となる。

以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。図1は、一実施の形態におけるエネルギ変換機構の縦断面図である。図２は、環状凹部における側部の斜視図である。図３は、一実施の形態におけるエネルギ変換機構の羽根の正面図である。図４は、環状永久磁石の磁極配置を示した図である。図５は、環状永久磁石の他の磁極配置を示した図である。

図１に示すように、一実施の形態におけるエネルギ変換機構は、流路Ｐが設けられたケース１と、コイル２と、ケース１内に回転自在に設けた軸３と、軸３の外周に設けられた複数の羽根４と、当該羽根４の外周に設けられた環状永久磁石５とで構成されている。

以下、詳細に説明すると、ケース１は、円筒状であって非磁性体で形成されており、また、一端が端部側に向うほど拡径され、その内周側には環状凹部１ａが設けられている。したがって、ケース１により流路Ｐが形成され、この場合、ケース１内が流路Ｐとなり、流路Ｐの一端が端部側に向うほど拡径されていることとなり、環状凹部１ａは流路Ｐの途中に設けられていることとなる。さらに、環状凹部１ａは、側部１ｂ，１ｂと底部１ｃとで構成されている。そして、この側部１ｂ，１ｂのうち図１中右側に位置する側部１ｂ、すなわち、図１中下流側に位置する側部１ｂには、図２に示すように、円周方向に沿って凹凸が設けられている。この凹凸は、詳しくは、鋸歯状になっている。

また、この環状凹部１ａの側部１ｂに対向するコイル２が内設されている。このコイル２は、環状凹部１ａの側部１ｂの図１中左右に配置されて対を成しており、環状凹部１ａの円周に沿って複数対設けられている。なお、当該コイル２には、図示しないコアが挿入されているが、コアはなくても構わないが、大きな磁界を得るためにはコアを挿入するほうが好ましい。

また、ケース１内には、ボールベアリング６を介して軸３の両端側を回転自在に軸支する支持体７が設けられている。この支持体７は、中間にボールベアリング６が嵌挿されるリング（付示せず）と、リングの両端から延設される棒状体（付示せず）とで構成されており、上下の棒状体の端部がそれぞれケース１内周に結合されており、流路Ｐの全体を閉塞しないようになっている。

さらに、軸３の中間には、外周に４枚の羽根４が設けられた円筒８が結合されている。なお、羽根４を直接軸３に取付けることができれば、円筒８を省略するとしてもよい。したがって、この場合には、羽根車Ｆは、軸３と羽根４と、円筒８とで構成されている。

なお、羽根４は、上記したところでは、軸３に４枚取付けられているが、４枚に限らず、複数枚であればよい。

そして、この各羽根４の、外周には環状永久磁石５が結合されており、この環状永久磁石５は、図３に示すように、Ｎ極とＳ極が円周に沿って交互に現れる分割磁極パターンを有している。すなわち、図３中時計回りにＳ極とＮ極とが交互に配置されている。

また、各羽根４の外周径は、ケース１の内周径と略同一となるように設定され、この各羽根４の外周に設けられる環状永久磁石５は、ケース１の環状凹部１ａ内に挿入されている。したがって、環状永久磁石５がケース１の内周と干渉することはない。

つづいて、その作用について説明する。まず、流体の運動エネルギを電気エネルギに変換する場合、具体的にたとえば発電機にこのエネルギ変換機構が具現化される場合には、ケース１内に、すなわち、流路Ｐに流体を導く。そして、流体が流路Ｐに導かれると、羽根４が流体を受けて羽根車Ｆが回転する。このとき、羽根車Ｆの回転により環状永久磁石５も軸３を回転軸として回転するので、環状永久磁石５の磁力線も移動し、この磁力線はコイル２を横切ることとなる。すると、コイル２には誘導起電力が生じて流体の運動エネルギが電気エネルギに変換されることとなる。なお、このエネルギ変換機構を流体の運動エネルギが電気エネルギに変換する、いわゆる発電機として使用される場合には、全てのコイル２を直列に接続して外部に出力するとしてもよい。なお、羽根４が流体を受けて回転するときに、羽根４には、軸方向の力が作用するが、下流側の側部１ｂには、円周方向に沿って凹凸が設けられているので、側部１ｂの凸となる部分と環状永久磁石５との間に入り込む流体の圧力は高くなり、この圧力は環状永久磁石５を羽根４に作用する力に対向する方向に押圧することになり、羽根４が上記軸方向の力により弾性変形させられても、環状永久磁石５の下流側の側部１ｂへの接触が防止されている。したがって、この側部１ｂの凹凸により、羽根車Ｆの円滑な回転が保障される。なお、この凹凸は上記したところでは、鋸歯状としているが、鮫歯状に凸部と凸部との間に或る程度間隔を設けるとしたり、凸部や凹部の形状を楔形にせずに円弧状としてもよい。

反対に、電気エネルギを運動エネルギに変換する場合、具体的にたとえばポンプにこのエネルギ変換機構が具現化される場合には、コイル２に電流を流して、複数のコイル２で回転磁界を作り出す。ここで、対を成すコイル２，２は、環状凹部１ａの側部１ｂに対向する側に同一の磁極が発生するようにする。なお、対を成すコイル２同士を接続してコイル２，２に環状凹部１ａの側部１ｂに対向する側に同一の磁極が発生するようにさせてもよい。そして、このコイル２が作り出す回転磁界により、環状永久磁石５は吸引されて軸３を中心に回転することとなり、当然に羽根車Ｆも回転するから、たとえば、流路Ｐの図１中左方から流体を吸込み、流体を流路Ｐの図１中右方へ排出することとができ、これにより電気エネルギが流体の運動エネルギに変換することとなる。この場合にあっても、上記側部１ｂの凹凸により羽根車Ｆの円滑な回転が保障される。

そして、本実施の形態におけるエネルギ変換機構にあっては、環状永久磁石５は、流路Ｐの内径より大きな径であって、環状凹部１ａ内に挿入されているので、流路Ｐ内での流体の移動を妨げることが無い。また、発電および軸駆動に用いるコイルは流路外にあるので、この点でも流体の移動を妨げることはない。したがって、エネルギを変換する際のエネルギ損失を軽減することが可能となる。したがって、従来のエネルギ変換機構に比較して効率の良いエネルギ変換が可能となる。また、上記側部１ｂの凹凸により、羽根車Ｆの円滑な回転が保障され、これにより、より一層効率的なエネルギ変換が保障される。

なお、本実施の形態においては、コイル２がケース１に内設されている、すなわち、コイル２が流路Ｐ外に設けられているので、この点においても、コイル２が流体の移動を妨げることはない。

また、流路の図１中左端は、端部に向うほど拡径されているので、流体を流路Ｐ内に導く場合には、流体は圧縮されつつ流路Ｐ内に導かれることとなり、流速が増速されるのでなお一層効率的なエネルギ変換が行われる。

さらに、環状永久磁石５の両面にコイル２を対面させることができるから、運動エネルギから電気エネルギに変換する用途で使用される際には変換可能な電気エネルギの量が従来のエネルギ変換機構より多くなり、また、電気エネルギを流体の運動エネルギに変換する用途で使用される際には大きな軸トルクを出力することが可能である。

また、コイル２は流路Ｐに設ける必要はなく、流路Ｐ内には、羽根車Ｆと、支持体７と、ボールベアリング６のみを収納すればよいので構造が簡単である。

なお、このエネルギ変換機構を、たとえば、ポンプとして使用する場合には、従来のポンプのようにモータ等の回転運動を伝達する運動伝達機構が不要となり、ポンプを小形化することが可能となる。また、上記した運動伝達機構が不要となるので、構造を簡単にすることができ、ポンプ製造コストが低減される。さらに、運動伝達機構を介さず直接羽根車Ｆを回転させることができるので、動力ロスが少なくなる。そして、さらに、ケース１は筒状でよく、流路を閉じたまま非接触で羽根車Ｆを駆動できるので、このエネルギ変換機構を流路の任意の位置に可動部分に特別シールを設けることなく設置することができる。したがって、可動部分からの流体漏れ等の心配もない。また、流体漏れの心配がないので、流体をクリーンな状態に保つことが可能である。

なお、本実施の形態においては、環状凹部１ａの側部１ｂに対向するようにコイル２を設けているが、底部１ｃに対向するようにコイル２を設けるとしてもよく、また、側部１ｂおよび底部１ｃの両方、もしくは、側部１ｂの一方のみにコイル２を対向させて設けるとしても差し支えない。ただし、特に発電機として使用する場合、すなわち、運動エネルギを電気エネルギに変換する場合には、側部１ｂだけでなく底部１ｃにもコイル２を対向させて設けるほうが効率的である。

また、本実施の形態では、環状永久磁石５は、一体的に形成されるものとして説明しているが、複数の磁石を接着等して環状となるように形成してもよく、磁極配置についても、交互に磁極が現れるようにしておけばよい。すなわち、この場合には、図４に示すような磁極配置でもよいし、図５に示すような磁極配置でもよい。なお、当然のことではあるが、図４に示すような磁極配置にあっては、コイル２は環状凹部１ａの底部に対抗するように設けられ、図５に示すような磁極配置であれば、電気エネルギを流体の運動エネルギに変換する際には対を成すコイル２，２は、環状凹部１ａの側部１ｂに対向する側に異なる磁極が発生するようにされる。

さらに、コイル２はケース１の内部に設けられるとしているが、環状凹部１ａの側部１ｂないし底部に対向させることが可能であれば、ケース１の外方に設けるとしてもよく、この場合にも、コイル２がケース１外方に設けられるので、流路Ｐ中にコイル２が配置されておらず、この点においても、コイル２が流体の移動を妨げることはない。なお、本実施の形態においては、環状凹部１ａの図１中左右幅を大きくするか、深さを深くしておけば、環状凹部１ａ内にコイル２を設けることができるが、特に流体が液体である場合にはケース１に内設されるか、ケース１外方に設けられるほうが、漏電、流体の汚染等の弊害がない点で有利となる。

また、ケース１についてであるが、羽根車Ｆおよび環状凹部１ａが設けられる部位については筒状とした方が流路抵抗の観点から好ましいが、他の形状とされてもよい。

以上で、本発明の実施の形態についての説明を終えるが、本発明の範囲は図示されまたは説明された詳細そのものには限定されないことは勿論である。

一実施の形態におけるエネルギ変換機構の縦断面図である。環状凹部における側部の斜視図である。一実施の形態におけるエネルギ変換機構の羽根の正面図である。環状永久磁石の磁極配置を示した図である。環状永久磁石の他の磁極配置を示した図である。

符号の説明

１ケース
１ａ環状凹部
１ｂ側部
２コイル
３軸
４羽根
５環状永久磁石
６ボールベアリング
７支持体
８円筒
Ｆ羽根車
Ｐ流路

Claims

流路と、流路の途中に設けた環状凹部と、流路の途中に回転自在に設けられた羽根車と、羽根車の外周に設けられ、かつ、環状凹部に挿入される分割磁極パターンを有する環状永久磁石と、環状永久磁石に対向する複数のコイルとを備えたことを特徴とするエネルギ変換機構。
環状凹部の下流側の側部に円周方向に沿って凹凸を設けたことを特徴とする請求項１に記載のエネルギ変換機構。
流路断面が円形であって、羽根車の外周径が流路の内周径と略同径であることを特徴とする請求項１または２に記載のエネルギ変換機構。
コイルが環状凹部を挟んで対を成して設けられることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のエネルギ変換機構。
コイルが環状凹部の底部に対向するように設けられることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のエネルギ変換機構。
コイルが流路外に設けられること特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のエネルギ変換機構。
流路の一端または両端が端部側に向うほど拡径されることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のエネルギ変換機構。