JP2010226911A

JP2010226911A - 高効率発電及び動力装置。

Info

Publication number: JP2010226911A
Application number: JP2009073383A
Authority: JP
Inventors: Shigeyuki Iida; 茂幸飯田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2010-10-07

Abstract

【課題】始動性に優れ、高効率エネルギー変換を可能にし、軽量で堅牢な発電及び動力装置を実現する。
【解決手段】頑丈で軽量の反磁性材で製作する円盤型回転子に励磁用永久磁石を埋め込み、円盤の両脇にコイル鉄心の固定極を配置する。コイル鉄心には回転子の永久磁石の磁極と反発するように同極の磁石をそれぞれに取り付け、回転子の永久磁石とコイル鉄心の鉄心部に常に働く吸引力を回転子の永久磁石とコイル鉄心に取り付ける同極の磁石による反発力によって相殺して、回転軸の始動時から回転時にかけて吸引力の負荷を軽減して課題を解決する。
【選択図】図２

Description

本発明は、従来全ての電磁誘導鉄心を有する永久磁石界磁式発電及び動力装置で永久磁石と鉄心の間に常に働く吸引力の負荷を磁石の反発力で相殺し、回転軸が回転する時にかかる負荷を軽減することによって始動時に必要なエネルギーを最小限に抑え、始動後も効率良く回転子を回転させる事が出来る発電、及び動力装置に関する。

従来の殆どの発電装置は、回転軸に取り付ける回転子に磁石を取り付けるか又はコイルを巻き、回転子を回転させて外周に取り付けられた磁石、又はコイル鉄心のいずれかに回転子の張り出した部位が接近と離脱を繰り返す事により、コイル鉄心内の磁束を変化させ交番磁界をつくり発電している。又、従来方式の発電装置のエネルギー変換効率は出力５ＫＷ未満の小型のもので概ね６０％〜８０％、大きなもので概ね８０％〜９８％になり、発電装置の大きさが大きいものほど変換効率が良くなる。

従来方式の動力装置は発電装置と同様に、回転軸に取り付ける回転子に磁石を取り付けるか又はコイルを巻き、コイルに電気エネルギーを流して回転子に磁力の吸引力と反発力を切り替えて与えることで動力エネルギーに変換している。

インターネットフリー辞書・ウィキペディア「原動機」（http://ja.wikipedia.org/wiki/原動機）

一般的な従来技術の発電装置では、磁石が取り付けられた回転子を回転させてコイルで電気が発生しても、発生した電気エネルギーに負荷がかからなければコイル鉄心の磁極変化は磁石の影響による磁束変化のみで、磁石とコイル鉄心が接近と離脱を繰り返す際には磁石とコイル鉄心に働く吸着力の負荷より大きな動力エネルギーを回転軸に与えることで回転子は回転するが、コイルに負荷をかけた場合は渦電流が鉄心内に流れ、コイル鉄心自体が電磁石と同じ状態となりコイル両端の磁力特性が変化して磁気抵抗が発生するので、回転子の先端の磁石がコイル鉄心に近づく時、固定極は接近する磁石の磁極と同極に変化している状態になり反発力が働いて回転子の回転方向に対して負荷がかかり、この時同時に磁石がコイル鉄心の手前の固定極から離れようとした状態で、固定極は離れていく磁極と対極に変化している状態で吸引力の負荷が働く。これらの力に加え磁石と鉄心に常に働く吸着力があり、この力は磁石と鉄心が接近する時は回転軸の回転方向に対しプラスの力が、磁石と鉄心が離脱する時には大きな負荷の力となる。

従来方式の発電装置は発電時、これら吸引力と反発力の２つの大きな負荷を回転軸が受けることになり、これらの負荷より大きな動力エネルギーを回転軸に与えることで発電しているのだが、始動時に磁石と鉄心が強力に引き合っている負荷を超える力で回転軸を回転させなければならないので、従来方式では始動性が悪いものが殆どである。

又、昨今では発電コイルに電磁誘導鉄心を採用しないコアレスの発電装置があり、コアレスの場合非常に軽量なものを製作出来、永久磁石と鉄心に働く吸引力の負荷が存在しないので始動性が非常に優れ、回転軸は回転中も少ない力で回転させる事が出来るので風力発電等の自然エネルギーを利用する場合理想的な動作をするが、発電コイル内に安定した磁束変化を与えることが難しいので発電コイル１つあたりの発電量が少なくなり、結果大きくなる傾向があり発電装置の大きさに対して出力が小さいことと実用的動力装置として使用出来ない欠点を持っている。

従来方式の動力装置の多くは、回転子と固定極の間に発生する磁力の吸引力と反発力により回転軸を回転させるが、永久磁石界磁式動力装置の場合、回転軸が回転する時に永久磁石と鉄心の間に働く吸引力の影響から負荷の損失が出る位置が存在するので、この位置での損失が効率を悪くしてしまうと共に始動時にこの負荷の影響により非常に大きな起動電力を必要とする。

回転子にコイルを巻き、整流子を備える直流モーター等の場合は効率が良いものが多いが、やはり永久磁石と鉄心に働く吸引力の負荷が存在することに変わりないので吸引力の負荷が問題になる。又、ブラシの摩耗による定期的な交換が必要な事と、回転子の構造とブラシの特性上、回転軸を高速回転させる事が出来ない為、総合的な効率が悪くなってしまう。

電磁誘導による磁気抵抗の力を利用したリラクタンスモーター等は、回転子の高速回転に耐えることが出来るものが多く、コイルに流す電気エネルギーが大きいほど回転軸は強大な回転力を得ることが出来ることと永久磁石界磁式動力装置のように永久磁石と鉄心の間に働く吸引力の負荷が無いのだが、与える電気エネルギーを動力エネルギーに変換する効率が悪い欠点を持っているが、現在では回転子に磁石を埋め込み、高効率を達成しているものも存在する。

上記従来方式の動力装置で永久磁石界磁による動力装置の場合、コイル鉄心と磁石の間に常に働く吸引力が始動時と回転時に大きな負荷となっている。

従来の永久磁石界磁式発電、及び動力装置の多くは回転子にコイルを巻いたものか磁石を取り付けたものになるが、回転子の重量が重いので始動性が悪いことに加え、これらの回転子を高速で回転させる場合に遠心力による破損の恐れがある。

回転子にコイルを巻く形式の場合は従来方式の中では効率が良いが、回転子にジュール熱が発生し効率が悪くなることに加え、この熱が軸受けに悪影響を与える恐れがあり、また整流にブラシが必要となりこのブラシによって摩擦抵抗と熱と電磁波が発生し、ブラシと接点は摩耗する為、定期的に交換する必要がある。

又、前記にも記したが、永久磁石と鉄心に働く吸引力の負荷が効率を悪くする原因となっており、磁石の向き等に工夫して負荷を軽減しているものは存在するが、決定的な解決手段になっていないのが現状である。

従来のコアレスを除く永久磁石界磁式の発電、及び動力装置の場合、鉄心と永久磁石の間には常に吸引力が働く為、始動時に回転軸を回転させる為の力は重く、回転時にもこの吸引力が負荷となり、効率を悪くしているのだが、本発明では永久磁石と鉄心に働く吸引力を鉄心に永久磁石と同極の磁石を取り付けることによって反発力を生み出し、この反発力によって吸引力の負荷を軽減する手法を取るもので、又、鉄心に取り付ける磁石の磁束も同時に活用することにより、エネルギー変換効率を向上させるものである。

そして本発明の回転子は反磁性材で加工する軽量の円盤に永久磁石を埋め込む構造である為、従来方式の発電、及び動力装置の回転子と比較して非常に軽量で、堅牢な物も容易に製作出来ることに加え、後に説明する本発明の利点により始動性にとても優れるだけでなく効率も良くなり、高速回転の遠心力にも耐えることが出来る回転機子を持つ発電、及び動力装置になる。

本項以後００４３までに本発明を発電装置とした場合について説明する。

従来のコアレスを除く永久磁石界磁式発電装置（以後単に発電装置と記載）は、回転軸が始動する瞬間から回転している時まで常に磁石と鉄心に作用する吸引力の負荷を受けるので始動性が悪く、回転子が回転して発電する時には回転子は固定極から磁気抵抗により更なる吸引力と反発力の負荷を受ける。この力は発電する時に必ず発生する現象であるが、発電した電気エネルギーの負荷が大きくなる程これに伴い回転子が受ける負荷も増大する。

本発明では回転軸の始動時と発電時に回転子が固定極から常に受ける鉄心と永久磁石に働く吸引力の負荷を軽減（請求項１、請求項２）して、効率良く発電することを目的とする。

従来方式の発電装置は、磁石と発電コイルが巻かれたコイル鉄心のどちらかを動かすことによってコイル鉄心内に磁束変化をつくり発電しているが、従来方式の殆どは外周に固定極を設け、固定極の内側を回転子が回転することによって仕事をする。しかし、本発明では、回転させる回転子の両脇にコイル鉄心を向かい合うように配置し、回転子は反磁性材で加工する軽量で頑丈な円盤で、この中に励磁用永久磁石を埋め込む構造とし、この時点で従来方式と理論的構造は同じになるが、本発明では回転子の片脇、又は両脇に配置するコイル鉄心にも磁石（永久磁石、又は電磁石）を取り付ける為、これにより従来方式の発電装置の理論的発電構造の欠点を解消した発電装置を実現する。

本発明では、回転機子の片脇、又は両脇に向かい合わせて設置するコイル鉄心でコイル鉄心を回転子の円盤に対して横向きにして２つの固定極を構成する場合、コイル鉄心のコイルの両脇に永久磁石を取り付け、取り付ける磁石の磁極は向かい合うコイル鉄心に対して異極で、コイルの両脇が同極になるように取り付ける。（請求項１、請求項２（図−４、図−５を参照））

例えば１つのコイル鉄心のコイルの両脇にＮ極とＮ極、向かいあうコイル鉄心のコイルの両脇にはＳ極とＳ極という具合に磁石を取り付ける。これによって、コイル鉄心内で磁束の状態はそれぞれに取り付ける磁石の磁極で充満しているような状態になるが、鉄心の部位によって磁束の向きに差があり、例としてコイル鉄心に取り付ける磁石の磁極がＮ極であった場合で鉄心でのＮ極の磁束を放出しやすい部位をＮ、少ない部位を仮にＳ極として大まかではあるが図−７に記載した。

又、円盤型回転子の片脇、又は両脇に対してコイル鉄心を縦に設置して１つ、又は２つの固定極を構成する場合の内、回転機子の円盤の両脇にコイル鉄心を縦に向かい合わせて配置する場合、コイル鉄心の片側の固定極の裏側に相当する鉄心部分に磁石（永久磁石、又は電磁石）を１つ取り付け、コイル鉄心のもう一方の鉄心部分に磁石（永久磁石、又は電磁石）を１つ取り付けて向かい合ったコイル鉄心を図−６のように接続する。

円盤型回転子に埋め込む永久磁石は、コイル鉄心に取り付けた磁石の磁極に対して同極になるように回転子の磁石の磁極を合わせるので双方で反発力が発生する。

本発明は構造上従来方式のように外周に取り付けるコイル鉄心の中に回転子を配置することが出来ない。これは本発明の回転子に取り付ける永久磁石の１つの磁極は回転子が回転する際、常にコイル鉄心に取り付ける磁石の磁極と同じにならなければならない為で、回転子を円盤型にしてその両脇に本発明のコイル鉄心を配置することにより、回転子に取り付ける永久磁石のＮ極、Ｓ極、この２つの磁極で同時に本発明一連の動作が回転軸を回転させる時に可能になる為である。

本発明では、例えば１つのコイル鉄心のコイルの両脇に取り付けた磁石の磁極がＮ極であった場合、もし近づける磁石の磁極がＳ極であれば、磁極に関係なく磁石が鉄心に吸着しようとする強力な吸引力に加え、コイル鉄心のＮ極の磁束を受け働く強い吸引力が働き、これら２つの吸引力によって磁石は強力にコイル鉄心に吸着しようとするので、負荷が大きくなり効率が悪くなる。

次に本発明の特徴でもあるのだが、近づける磁石の磁極がＮ極であった場合、磁極に関係なく磁石が鉄心に強力に吸着しようとする吸引力は働くが、コイル鉄心のＮ極の磁束を受け働く反発力が強力な吸引力を相殺する（請求項１、請求項２）為、その結果大きな吸引力とはならず、コイル鉄心に取り付ける磁石によって回転子の永久磁石が接近する部位に帯磁する磁束量と回転子の永久磁石の磁束量のバランスが最良の状態であれば、結果吸引力はほぼ無くなる状態になる。

しかし従来方式では、コイル鉄心に磁石を取り付けないので近づける磁石の磁極に関係なく近づける磁石が持っている磁束量の分だけ鉄心が影響を受け強力な吸引力となる。これら磁石と強磁性材であるコイル鉄心に働く吸引力は、回転軸が回転する時に常に発生する負荷になるので、この負荷を軽減出来る本発明は始動時から発電時に至るまで従来方式よりも明らかに軽い力で回転軸を回転させる事が出来るので効率が良い。

本発明で回転子に取り付ける永久磁石の磁極と向き合うコイル鉄心に取り付ける磁石の磁極は同極で反発力を生み出すことにより、回転子の永久磁石とコイル鉄心の間に働く吸引力を相殺してこの負荷を軽減するが、コイル鉄心に取り付ける磁石の磁束の働きは回転子の永久磁石とコイル鉄心の間に働く吸引力を相殺するだけでなく、コイル鉄心内に発生する回転子の永久磁石によって発生する磁束変化と共に同時にコイル鉄心に取り付ける磁石の磁束の一部もコイル鉄心内で変化する為、従来のようにコイル鉄心に磁石を取り付けない場合と比較して発電量が増える。

これは回転子の永久磁石が鉄心に接近と離脱する時、本来コイル鉄心に取り付けられている磁石によって鉄心に帯磁している部位の磁極が永久磁石の磁極の影響を受け磁束が移動することにより変化して、その一部がコイル鉄心のコイル内を通過する為であり、この現象により発電量が増えても回転子に負荷を与える事が無い。これらの理由から本発明は従来方式と比較して非常にエネルギー変換効率が優れるものとなる。

前記００２７〜００３１に説明したことは簡単な実験材料でも実証することが出来る。

電磁誘導鉄心にコイルを３００回程度巻いたもので、電磁誘導鉄心は永久磁石を取り付けることが出来る大きさで、このコイル鉄心を２つ、ある程度強力な永久磁石を３つ、１つの永久磁石を乗せて滑らせることが出来る樹脂板を１枚、交流を直流に変換する為のブリッジ型整流子を１つ、テスターを１つ、１００又は２００Ｖ交流の電圧を自由に無段階変圧することのできる変圧器を１つ、配線材を１組準備する。従来の回転軸が回転する動力エネルギーを電気エネルギーに変換する全ての発電構造はコイル鉄心に磁束を与える、切る、を繰り返すことによって発電するのだが、この時に鉄心と磁石の間には必ず吸引力が働く。

これを再現するには１つのコイル鉄心の発電コイルにテスターを接続し、もう一つのコイル鉄心のコイルに変圧器と整流子を接続して断続的（家庭用電源であれば５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）に直流を流し電磁石とする。この電磁石の片側をテスターに接続しているコイル鉄心の片側に接近させるとテスターの針は振れ、発電コイルで発電している様子を見て取れる。そしてこの時、電磁石とコイル鉄心の間には吸引力が働き、この力が従来方式全ての永久磁石界磁式発電装置で回転軸を回転させる時に常にかかる負荷となっている。

次に本発明の構造を再現する為に、先の従来方式を再現する為にセットしたもので、テスターを接続しているコイル鉄心の両脇に同極の永久磁石を取り付ける。その他は従来方式の発電構造を再現した構成で電磁石に電気を流し、電磁石の片側を接近させるとやはり発電コイルで発電している様子をテスターで確認することが出来る。

又、円盤型回転子に対してコイル鉄心を縦に配置する場合の再現としてコイル鉄心に取り付けた永久磁石のうち、電磁石を近づける極の永久磁石を取り外しても同じ動作を確認出来る。ここで接近させる電磁石の磁極がコイル鉄心に取り付けている永久磁石の磁極と異極であった場合、電磁石とコイル鉄心は従来方式以上に吸引力が働き、本発明でもあるコイル鉄心の磁極と同極であった場合、電磁石に流す電流の量によりコイル鉄心と電磁石の間に吸引力は殆ど無くなり、電流の量が多い場合はまた吸引力が働きコイル鉄心と電磁石は吸着しようとする。

そして最も重要であるのが発電容量になるのであるが、電磁石に流す電圧を統一する為、本発明のコイル鉄心に取り付けられた永久磁石と電磁石の磁極が同極であった場合で、コイル鉄心と電磁石の間に吸引力が殆ど存在しなくなる時の電圧を電磁石のコイルにかけて電磁石の片極とコイル鉄心の片極をつけた状態で説明する。

従来方式と本発明を再現した状態では発電容量に明確な差があり、本発明は従来方式よりも発電容量が多くなるが、逆に本発明を再現した状態でも電磁石の磁極がコイル鉄心と異極であった場合は逆に若干発電容量が減少してしまう。減少してしまう理由としては、永久磁石が接近する部位の鉄心に帯磁している磁極が異極で、永久磁石が接近しても鉄心に帯磁している磁束に変化を与えることが出来ないことと、この時吸引力による損失が出ていることが考えられる。

しかし、本発明のようにコイル鉄心と電磁石の磁極が同極であった場合、電磁石の磁束は全て発電コイルの手前で留まることなく発電コイルの先まで運ぶことが出来ることは勿論、永久磁石が接近する部位の鉄心に帯磁している磁極にも変化が起こり、この変化した磁束分がコイル内を通過することとなり、発電容量が減少する事がないばかりでなく、逆に発電容量が増えるのである。

テスターを接続しているコイル鉄心に永久磁石を非鉄金属又は樹脂板の上に乗せて接近、離脱を繰り返すことによっても上記動作を確認することが出来る。

従来方式のようにコイル鉄心に磁石を取り付けなければ、永久磁石を接近、離脱させる時に永久磁石が鉄心に吸着しようとする強力な吸引力が働くので、永久磁石をスライドさせる為には大きな力を必要とし、本発明のコイル鉄心の両脇に同極の磁石を取り付けた場合、接近と離脱をさせる永久磁石の磁極がコイル鉄心の磁極と同極であった場合、永久磁石を樹脂板の上でスライドさせる時小さな力でスライドさせることが出来る。そしてスライドさせる磁石を一定の速度で往復させた時、発電コイルで発電される電気量は、従来方式と本発明でほぼ同じであることが確認出来る。それ故、上記の簡単な実験でも理解できることであるのだが、本発明が従来方式よりも小さな力で回転子を回転させる事が出来るので効率が良い。

前記に本発明の発電構造について実験を交えて説明した中で、電磁石を永久磁石に置き換えて回転子としたものが本発明になるのであるが、コイル鉄心に取り付ける磁石と回転子の永久磁石の磁束量のバランスをとり、コイル鉄心と回転子の間に磁石による吸引力がほぼ無くなる状況にすることが出来れば、回転軸を回転させる瞬間から回転時にかけてこの負荷が殆ど発生しないこととなる。

但し、本発明の構造上磁石の磁束の強さによってはコイル鉄心と回転子の永久磁石が離れた位置では反発力、近付いた位置では吸引力の負荷を受けることがあるが、従来の界磁式発電装置の吸引力の負荷よりも相対的に明らかに小さいものであるので、本発明は従来方式よりも非常に軽い力で回転軸を回転させて発電出来る。

従来方式の中で始動時と回転時の負荷を軽減する為に回転子に取り付ける磁石の角度を変えたり、回転子を増やし取り付け角度に工夫をしたり様々な試みの中で現在始動性と効率を改善したものは多数存在するが、永久磁石界磁式発電及び動力装置で磁石と鉄心に働く吸引力の負荷を軽減できるものはまだ存在しないのだが、本発明はこの重要な問題を解消出来るので従来方式よりも効率が良いものを製作出来る。

又、始動性に関してはコアレス発電装置が本発明よりも明らかに優れたものであり、特に小さな自然流体エネルギーを利用して発電する場合に本発明よりも優位であるが、本発明の発電装置はコアレス発電装置よりも始動性は劣るものの大きな差は無く、本発明の発電装置の回転軸を回転させる事の出来る流体エネルギーを得ることが出来る環境下では本発明のエネルギー変換効率はコアレス発電装置と比較して非常に優れているので、長期的に見ても多くの電気エネルギーを発生させる事が出来る。

次に本発明を動力装置とした場合について説明する。

動力装置とする場合は前記本発明の発電装置に説明した基本構成の中で、間に円盤型回転子を挟み向かいあうコイル鉄心の取り付け位置をずらせば、コイル鉄心のコイルにインバーター等の制御装置を使用して電気エネルギーを与えれば、本発明の基本構造単体でも永久磁石界磁式同期モーターとして機能するようになる。

但し、より大きなトルクを得る為には向かいあうコイル鉄心の取り付け位置を合わせる必要があり、この場合本発明の基本構造単体では動力装置として機能しないので、本発明の基本構造体を複数設置し、回転軸に取り付ける回転子の角度を調整すれば、効率良く大きなトルクを得ることが出来る動力装置となる。（請求項３）

本発明を永久磁石界磁式動力装置とした場合の特徴として、始動性に優れるので起動電流を抑えることが出来ることに加え、起動後も効率良く大きな動力エネルギーを得ると共に、堅牢で軽量のものを製作出来るようになる。これらの理由のうち堅牢で軽量になる理由については前記の中で記載したのでここでは省略する。

始動性と効率が良くなる理由として、本発明を発電装置とした場合と重複するのであるが、本発明の回転子はコイル鉄心から永久磁石による吸引力の負荷を殆ど受けないので、コイル鉄心のコイルにある程度の電流を流せば、直ぐに回転軸は回転を始めることが出来るので始動性に優れ、起動電流を抑えることが出来る。

しかし、従来方式の永久磁石界磁式動力装置の場合、永久磁石とコイル鉄心の間には常に強力な吸引力が働いている。この状態で回転軸を回転させる為にはこの吸引力を打ち消しさらに大きなエネルギーを必要とするので、従来方式では始動時、非常に大きな起動電流を必要とする。

そして回転時にも本発明では永久磁石とコイル鉄心自体が吸引し合う力によって生じる負荷が殆ど無いが、従来方式ではこの時もこの負荷がかかるので効率が悪くなる為、本発明が従来方式よりも効率が良いことになる。

前記までに本発明を発電装置とした場合と動力装置とした場合についてそれぞれに説明したが、本発明は磁石と電磁鋼板等の強磁性体の間に働く吸引力に注目し、この吸引力を磁石の磁極が同極の時に働く反発力によって相殺するという発想から生まれている。

磁石と強磁性体が接近する時、強磁性体には磁石の磁束が流れ込み、強磁性体は磁石と同じ向きの磁極で帯磁しようとする。この時同時に吸引力が磁石と強磁性体の間に生まれ、磁石と強磁性体を切り離す時にはこの吸引力より大きな力を加えなければ切り離すことが出来ない。

従来方式でコアレスを除く永久磁石界磁式発電、及び動力装置では常にこの吸引力が働いているので、特に始動時にはこの吸引力により回転軸が受ける負荷よりも大きなエネルギーを回転軸に与えなければ始動することが出来ないので、従来型では始動時大きな起動エネルギーを必要とする。

これはモーターの出力が大きいものほど強力な励磁用永久磁石が取り付けられるのでこの吸引力の負荷も非常に大きいものとなるが、本発明はコイル鉄心には回転子に取り付ける磁石と鉄心に働く吸引力を相殺する為の磁石を取り付けるので、始動時に少ないエネルギーで回転軸を回転させる事が出来るのである。

この構造は同じ磁石の磁極を常にコイル鉄心の固定極に接近と離脱させる必要があり、従来型の殆どのモーターで採用されている外周に固定極、内側に回転子といった構成も不可能ではないが、磁石の磁極を１つ犠牲にしなければならなくなるので非常に効率が悪いものとなってしまう。その為本発明では回転子を円盤型としてその両脇に固定極を設けることにより常に回転軸が受ける吸引力の負荷を常に反発力によって相殺することを実現する。

又、前記に記した従来方式と本発明の発電構造を説明する為に実施した実験結果で分かっている事は、コイル鉄心の片側の極に電磁石を当てた状態で電磁石に断続的に流す直流の電圧により従来方式と本発明では発電コイルで発電される電気量に差が出ることが分かっている。

電磁石に流す電気量を少なくして本発明を再現した状態でコイル鉄心と電磁石にある程度吸引力が働いている状態であれば、従来方式を再現したものの方が若干発電コイルでの発電量が多い。とは言えデジタルテスターで確認しなければ分からないほど殆ど差はない状態であるが、本発明で電磁石とコイル鉄心の間に吸引力がほぼ無くなる状態まで電磁石に流す電気量を増やした時は、従来方式よりも本発明の方が発電コイルで発電される電気量が明らかに大きくなる。

これらのことは指針で振れるテスターでも確認出来るほどで、当然デジタルテスターではその数値に明らかな差があることを認識できるものである。この現象に於いてはまだ前例が無いので理論付けて詳しく説明するのは難しいが、前期までの中に記した理由により本発明は従来方式と比較して回転軸にかかる負荷が少なく、効率が良い発電、及び動力装置となるのである。

本発明で使用する回転子の円盤には永久磁石を埋め込むが、永久磁石を複数埋め込む時に開ける間隔で永久磁石の間に電磁誘導鉄心を埋め込む（請求項４）ことで向かい合うように取り付ける異極に帯磁しているコイル鉄心の磁束の通過点を作ることにより、異極に帯磁しているコイル鉄心の間で磁束の受け渡しが可能になり、向かい合うコイル鉄心の間を永久磁石が通過する時と電磁誘導鉄心が通過する時で、発電コイル内に流れる磁束の向きに変化を与えることが出来、又、磁束量も大きく変化させる事で、より多くの電気エネルギーを発電コイルで発生させる事が出来る。

コイル鉄心を向かい合わせず回転機子の片脇に設置する場合でもコイル鉄心に取り付けた磁石の磁束は電磁誘導鉄心に流れるのでコイル鉄心内の磁束変化を大きくすることが出来る。

但し、これらの場合は電磁誘導鉄心とコイル鉄心の間に吸引力の負荷が発生するので、回転子に永久磁石と共に電磁誘導鉄心を埋め込む場合は永久磁石のみ埋め込む場合と比較して回転軸を回転させる為に必要な力は大きくなるが効率良く発電出来る発電装置になる。

本発明の発電、及び動力装置は始動時の負荷が非常に少ないことと、従来方式のものより効率比で軽量化が可能であるので貴重な資源を節約できる。又、エネルギー変換効率も優れており、回転子の円盤にはディスクブレーキも装着可能であるので頻繁に制動を繰り返す用途には向かないが、一時的に制動が必要な場合などには十分実用性がある。

本発明を発電装置とした場合は風力発電等の自然流体エネルギーを活用して発電する設備に最適で、動力装置とした場合家電製品や自動車、機械産業等幅広く活用することが出来、環境に配慮したものとなる。

従来方式の基本的な発電構造を示した平面図である。本発明の基本的な発電構造を示した平面図である。本発明の一例として回転子に埋め込む永久磁石の数が３個であった場合の形状を示した平面図である。本発明の一例として図−３の回転子に対してコイル鉄心の配置の様子を示した平面図である。本発明の一例として回転軸に回転子の円盤を１枚取り付けて発電、及び、動力装置のとして製作する場合のモーターの形状を示した平面図である。本発明でコイル鉄心を円盤型回転子に対して縦に設置する場合の基本形を示した平面図である。本発明で１つのコイル鉄心に固定極を２つ設ける場合で鉄心に帯磁する磁石の磁束の様子を簡易に示した平面図である。本発明を発電装置とした場合で、尚且つ１つのコイル鉄心に固定極を１つ設けて回転機子の片脇又は両脇に固定子として設置する時に使用する回転機子で、永久磁石とコア（電磁誘導鉄心）を回転機子の円盤に交互に埋め込んだ時の形状を一例として示した平面図である。

本発明の発電、及び動力装置（図−５、図−６）を製作する為に一例を挙げて説明する。

先ず、発電装置の場合は目標出力を定め、これに合わせ回転子に取り付ける永久磁石（３）の磁束量と大きさを決める必要があり、これに合わせてコイル鉄心（２）の大きさとコイル（１）の巻き数、コイルの太さ、コイル鉄心に取り付ける磁石（永久磁石、又は電磁石）（４）の磁束量と大きさを選定する。

回転子に埋め込む永久磁石（３）は円筒形のものが理想的で、円盤（５）の幅に対しての磁石の長さ（厚さ）は適度な大きさにする必要がある。これは磁石が小さ過ぎて回転子の円盤の厚さが薄くなってしまうと、円盤の両脇に配置する磁石を取り付けたコイル鉄心が互いに磁束の影響により干渉してしまう為で、逆に大きくなり過ぎると円盤も大きくなるので回転子の重量も増えて効率が悪くなってしまう為である。

尚、回転子の円盤の材料はチタンやアルミ合金等の丈夫で軽量の非鉄金属か合成樹脂等で丈夫なものを使用する。又、必要に応じて埋め込む永久磁石の間にも電磁誘導鉄心のコアを埋め込むことにより発電装置とした場合発電容量を増やすことが出来るようになる。

回転子に埋め込む磁石、コイル鉄心、コイル鉄心に取り付ける磁石の大きさが決まれば、あとは回転子に埋め込む磁石の個数により円盤の大きさが決まり、当然コイル鉄心等の個数も必然的に決まる。

例えば図−３のように回転子の円盤に永久磁石を３つ埋め込む場合、円盤の両脇に配置するコイル鉄心（２）の数は６個、コイル鉄心に取り付ける磁石（永久磁石、又は電磁石）（４）は１２個、（４）の磁石の性能を引き出す為、向かいあうコイル鉄心に取り付ける磁石を接続する電磁誘導鉄心（７）を６個使用して基本構成とし、動力装置を製作する場合等では必要に応じて基本構成を複数組み込むみ回転軸の同軸上に取り付ける回転子の位置（角度）をずらせば、動力装置として高性能なものを製作出来る。

又、１枚の回転子で上記基本構成の動力装置を製作する場合、向かい合うコイル鉄心の取り付け位置をずらせば可能であり、又、コイル鉄心を回転子に対して縦に配置してコイル鉄心の数を倍に増やしても１枚の回転子で動力装置とすることが出来る。

発電装置としても本発明の基本構成を複数組み合わせれば、発電した電気エネルギーを整流することにより直流の電気エネルギーを、整流しなくても２相、又は３相等の交流の電気エネルギーを容易に取り出すことが出来、又、エネルギー変換容量の大きなものを製作出来るようになる。

本発明を永久磁石界磁式同期モーターとして機能させる為にはインバーター等の制御装置が必要になり、電流と電圧の量、周波数をコントロールすれば効率の良い同期モーターとして機能するようになる。

本発明は発電装置として軽量で始動性、耐久性、堅牢性に優れ、効率が良いので、自然流体エネルギーを利用する風力発電等の発電設備、移動体への搭載に最適なものとなる。

本発明は動力装置として軽量、高出力で始動性、耐久性、堅牢性にも非常に優れたものを製作出来、又、回転子も軽量で堅牢であるので従来機よりも速い回転速度で回転軸を回転させることを実現出来るので、電気自動車、産業機械等様々な機器に搭載可能になる。

１発電コイル、又は鉄心を電磁石とする時のコイル２コイル鉄心３回転子に取り付ける永久磁石４コイル鉄心に取り付ける永久磁石、又は電磁石５非鉄金属か樹脂等の反磁性材で丈夫な材料を使用して製作する回転子の円盤６回転軸、又は回転子の軸穴７コイル鉄心に取り付ける磁石の性能を引き出す為に取り付ける電磁鋼等の軟磁性材８空冷ファン９軸受け１０コア（電磁誘導鉄心）Ｎ磁極Ｓ磁極

Claims

固定子として回転機子の脇に設置するコイル鉄心の発電コイルの両端、又は片端に永久磁石又は電磁石を取り付ける。取り付ける磁石の磁極で発電コイルの両端に磁石を取り付ける場合は同極の磁極の磁石を取り付ける。回転機子の形状は円盤型とし、円盤は非鉄金属や樹脂等の非磁性材で形成する。回転機子の円盤には永久磁石を固定子のコイル鉄心に取り付けた磁石の磁極と同極が向かい合うように埋め込み、回転機子が始動する時と回転している時に本来鉄心と磁石の間に働く吸引力で回転軸に対して負荷となる力を固定子のコイル鉄心に取り付けた永久磁石、又は電磁石と回転機子の円盤に埋め込む永久磁石の間に働く反発力によって相殺することにより、回転軸が回転を始める時と回転している時に回転軸が受ける負荷を軽減することによって効率良く動力、又は電気エネルギーを電気、又は動力エネルギーに変換すると共に、始動時に従来型より軽い動力、又は電気エネルギーで回転軸を回転させる事が出来る発電、及び動力装置。
請求項１に説明した固定子として回転機子の円盤の脇に設置するコイル鉄心を回転機子の円盤を挟みもう一つ向かい合わせて設置し、向かい合わせて設置するコイル鉄心にはそれぞれ異極の永久磁石、又は電磁石を取り付け、回転機子の円盤に埋め込む永久磁石はその磁極を両脇に設置するコイル鉄心の磁極とそれぞれ同極になるようにすることによって、回転機子の両脇に向かい合うように設置する２つのコイル鉄心と回転機子で同時に請求項１の動作を可能にすることでより多くのエネルギー変換を可能にする発電及び動力装置。
請求項１と請求項２で、固定子として設置するコイル鉄心の取り付け方法のうち１つのコイル鉄心で固定極を１つ形成する場合と、１つのコイル鉄心で２つの固定極を形成する場合で、２つの異極の磁極のコイル鉄心を２つ向かい合わせて設置する時、これらをずらして設置した場合は回転機子１枚、固定子として設置するコイル鉄心を回転機子の片脇に設置する場合と、回転機子の両脇にコイル鉄心を完全に向き合う形で設置する場合は、請求項１と請求項２で構成するもので複数の組み合わせとして回転機子の取り付け位置を変えて、インバーター等の制御装置を使用してコイル鉄心のコイルに流す電気量と周波数を制御することにより、動力エネルギーを得ることが出来る動力装置。
請求項１と請求項２で回転機子の円盤に埋め込むのが複数の永久磁石であった場合、１つ１つの埋め込む永久磁石の間隔の間にも電磁誘導鉄心のコアを埋め込むことにより、回転機子に埋め込む永久磁石の磁束のみならず、固定子のコイル鉄心に取り付けた永久磁石、又は電磁石の磁束も活用することでコイル鉄心内の磁束変化を大きくして効率良く発電することが出来る発電装置。