JP2013055789A - 電動発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】発電用電磁石の間に空芯コイルを設けることによって、無負荷で電力を取り出して、モータ用電磁石に電力を供給する蓄電池に蓄電することにより電力消費を抑制することができる電動発電機を提供する。
【解決手段】 モータ側の第１の円盤２１に設けられた第１の永久磁石７と、複数のモータ用電磁石８と、発電側の第２の円盤４１に設けられた第２の永久磁石１４と、発電用電磁石９と、第１の円盤２１を回転させるためにモータ用電磁石に直流電力を供給する蓄電池１３と備え、前記発電用電磁石９の間にはそれぞれ配置される空芯コイル１５が設けられ、該空芯コイル１５から取り出した電力の一部を前記蓄電池１３へと蓄電する電動発電機１。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータ用電磁石に直流電力を供給して永久磁石が配置された円盤を回転させることにより発電する交流電圧出力巻線を備えた電動発電機に関する。

従来から、モータ（電動機）と発電機を同軸で直結し、モータを回転させることによって発電を行う電動発電機が知られている。

また、本発明者らは、同一の回転体を用いて、連続的な起電力を得ることができる発電機能を発揮できる交流電圧出力巻線を備えた一方向通電形ブラシレスＤＣモータを発明した（特許文献１参照）。この一方向通電形ブラシレスＤＣモータでは、直流電力が供給されることにより、複数の永久磁石が配置された円盤を回転させるモータ用電磁石と、該モータ用電磁石により回転する円盤上に形成される前記複数の永久磁石の移動に応じて誘導起電力を発生する発電用電磁石とを同一のフレームに固定することによって、モータ（電動機）と発電機を一体形として備えている。これにより、直流電力が供給されるモータ用電磁石により複数の永久磁石が配置された円盤が回転させられ、交流電圧出力巻線に連続的に起電力を得ることができる。

特許第４５６９８３３号公報

しかしながら、特許文献１では、永久磁石とモータ用電磁石との間に反発力及び吸引力を発生させて円盤を回転させるために前記モータ用電磁石に通電を行うことで所定の電力が消費されるため、この電力消費を抑制することが求められている。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、発電用電磁石の間に空芯コイルを設けることによって、無負荷で電力を取り出して、モータ用電磁石に電力を供給する蓄電池に蓄電することにより電力消費を抑制することができる電動発電機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の電動発電機は、第１のフレームと、該第１のフレームに回転軸を介して回転自在に取り付けられた第１の円盤と、第２のフレームと、該第２のフレームに前記回転軸を介して回転自在に取り付けられた第２の円盤と、前記第１の円盤上の周方向に沿って等間隔に配置され表面及び裏面に磁極が形成された複数の第１の永久磁石と、前記第２の円盤上の周方向に沿って等間隔に配置され表面及び裏面に磁極が形成された幅広平板状の複数の第２の永久磁石と、前記複数の第１の永久磁石に対応して前記第１のフレームに固定された第１の磁性体芯と、該第１の磁性体芯のそれぞれに巻きつけられる第１の巻線とを有する複数のモータ用電磁石と、前記第１の円盤を回転させるために、前記第１の巻線に直流電力を供給する蓄電池と、前記複数の第２の永久磁石に対応して前記第２のフレームに固定された第２の磁性体芯と、該第２の磁性体芯に巻きつけられ電力消費装置に接続される第２の巻線とを有し、前記モータ用電磁石により前記複数の第１の永久磁石に磁力を作用させて前記第１の円盤を回転させることにより前記回転軸を介して回転する前記第２の円盤上に形成される前記複数の第２の永久磁石の移動に応じて前記第２の巻線の周囲の磁界が変化することによって誘導起電力を発生する複数の発電用電磁石と、該複数の発電用電磁石の間にそれぞれ配置される空芯コイルと、を備え、前記第１の永久磁石は、前記第１の円盤の中心と当該第１の永久磁石の中心とを通る直線と、当該第１の永久磁石の磁極面の中心における法線とがなす角度が０°より大きく６０°以下となるように配置されることによって、前記第１の巻線に直流一定電流を連続給電した場合に、当該第１の巻線への非給電時に前記第１の磁性体芯と前記第１の永久磁石との吸引力により発生するディテントトルクが０となる安定平衡動作状態の前記第１の永久磁石に対して前記第１の磁性体芯を基準として測った前記第１の永久磁石の回転角度と、前記第１の巻線の電流と前記第１の永久磁石とによる電磁トルクとの特性曲線において、前記第１の円盤を逆方向に回転させる回転角度範囲が狭くて値が大きい大値狭角度トルクが発生するとき又は前記第１の円盤を正方向に回転させる回転角度範囲が広くて値が小さい小値広角度トルクが発生するときのいずれかにおいて前記第１の巻線に前記蓄電池から直流電力を供給し、前記第２の円盤の回転に伴う前記第２の永久磁石の移動に応じて前記空芯コイルに生じる誘導起電力の少なくとも一部を前記蓄電池に蓄電することを特徴としている。

請求項２記載の電動発電機は、前記第２の永久磁石は、前記第２の円盤の中心と当該第２の永久磁石の中心とを通る直線と、当該第２の永久磁石の磁極面の中心における法線とがなす角度が０°となるように配置されていることを特徴としている。

請求項３記載の電動発電機は、前記第１の円盤及び前記第２の円盤がそれぞれ２つずつ前記回転軸に固定され、一方の前記第１の円盤に配置された前記第１の永久磁石と他方の前記第１の円盤に配置された前記第１の永久磁石とは極性が逆となっており、一方の前記第２の円盤に配置された前記第２の永久磁石と他方の前記第２の円盤に配置された前記第２の永久磁石とは極性が逆となっており、前記第１の磁性体芯は、一方の端部が一方の前記第１の円盤に配置された前記第１の永久磁石に対応し、他方の端部が他方の前記第１の円盤に配置された前記第１の永久磁石に対応するように固定され、前記第２の磁性体芯は、一方の端部が一方の前記第２の円盤に配置された前記第２の永久磁石に対応し、他方の端部が他方の前記第２の円盤に配置された前記第２の永久磁石に対応するように固定されていることを特徴としている。

請求項４記載の電動発電機は、前記第１のフレーム、前記第２のフレーム、前記第１の円盤、及び前記第２の円盤は、それぞれ非金属の材料によって形成されていることを特徴としている。

請求項１記載の電動発電機によれば、複数の発電用電磁石の間にそれぞれ配置される空芯コイルが設けられており、この空芯コイルに生じる誘導起電力をモータ用電磁石に電力を供給する蓄電池に蓄電するので、モータ用電磁石に通電する際に蓄電池が消費する電力を抑制することができる。また、空芯コイルを用いているので、通常の鉄心がある場合と異なり、抵抗がなく無負荷で電力を取り出すことができるので、効率的である。

また、電磁トルクの値が大きい大値狭角度トルクが発生するタイミングで第１の巻線に電力を供給すれば、小さな電力で大きなトルクを得ることができる。そして、発生する回転角度の幅が大きい小値広角度トルクが発生するタイミングで第１の巻線に電力を供給すれば、給電時間を長くすることができるので、第１の磁性体芯と第１の巻線からなる電磁石の自己インダクタンスに起因する第１の巻線に流れる電流の増加及び減少に要する時間が大きくても第１の巻線に流す電流を大きくすることができる。

請求項２記載の電動発電機によれば、幅広平板状に形成された第２の永久磁石は、第２の円盤の中心と当該第２の永久磁石の中心とを通る直線と、当該第２の永久磁石の磁極面の中心における法線とがなす角度が０°となるように配置されているので、発電用電磁石及び空芯コイルによる発電時間を長くすることができる。

請求項３記載の電動発電機によれば、第１の円盤を２つ備え、一方の前記第１の円盤に配置された第１の永久磁石と他方の前記第１の円盤に配置された第１の永久磁石とは極性が逆となっており、第１の磁性体芯は、一方の端部が一方の前記第１の円盤に配置された前記第１の永久磁石に対応し、他方の端部が他方の前記第１の円盤に配置された前記第１の永久磁石に対応するように固定されている。したがって、第１の磁性体芯の２つの端部に発生する電磁力をともに前記第１の円盤の回転に利用することができるので、電力から動力へのエネルギーの変換効率を向上することができる。

請求項４記載の電動発電機によれば、前記第１のフレーム、前記第２のフレーム、前記第１の円盤、及び前記第２の円盤は、それぞれ非金属の材料によって形成されているので、鉄損を軽減して直流電力から交流電力への変換効率を向上させることができる。

本発明に係る電動発電機の構成の一例を示す概略平面図である。 本発明に係る電動発電機の図１のＡ−Ａ線断面図である。 本発明に係る電動発電機の図１のＢ−Ｂ線断面図である。 モータ用電磁石に電力を供給しない場合のθ−Ｔ特性を示す説明図である。 モータ用電磁石に直流一定電流を供給した場合のθ−Ｔ特性を示す説明図である。 小値広角度トルクを利用する場合のモータ用電磁石への非給電時の安定平衡動作状態における第１の永久磁石、モータ用電磁石、位置検出円盤の着色領域及び透明領域、及び位置検出センサの位置関係を直線状に示した説明図である。 着色領域に設けた透明窓領域Ｒについて説明する説明図である。 大値狭角度トルクを利用する場合のモータ用電磁石への非給電時の安定平衡動作状態における第１の永久磁石、モータ用電磁石、位置検出円盤の着色領域及び透明領域、及び位置検出センサの位置関係を直線状に示した説明図である。

以下、本発明に係る電動発電機１について、図面を参照しつつ説明する。図１〜図３に示すように、本発明に係る電動発電機１は、第１の回転体２と、該第１の回転体２を支持する第１のフレーム３と、第２の回転体４と、該第２の回転体４を支持する第２のフレーム５とを備えている。

第１の回転体２は、回転軸となるシャフト６に２枚の第１の円盤２１，２２と、１枚の円盤２３と、１枚の位置検出円盤２４とがスペーサ６０を介してそれぞれ所定間隔あけた状態で回転自在に固定されている。それぞれの第１の円盤２１，２２の一方の面には、第１の円盤２１，２２の周縁に等間隔で４個の第１の永久磁石７，７ａが設けられている。一方、第１のフレーム３には、２個で１組となる４組の第１の永久磁石７のそれぞれに対応して４個のモータ用電磁石８が、第１の支持部材３ａによって固定されている。このモータ用電磁石８は、一方の磁極が一方の第１の円盤２１の永久磁石７（２個で１組の永久磁石７の一方）に対応し、モータ用電磁石８の他方の磁極が他方の第１の円盤２２の永久磁石７ａ（２個で１組の永久磁石７の他方）に対応している。

第１の永久磁石７は、表面及び裏面に磁極が形成された平板状のものであり、具体的にはネオジウム系の希土類磁石である。このように、表面と裏面にＮ極及びＳ極が形成された第１の永久磁石７を用いることにより、各磁極面が広くなり、モータとしての回転体２の回転トルクを向上させることができる。

図１に示すように、各第１の永久磁石７，７ａは、それぞれ第１の円盤２１，２２に数ｍｍ程度埋め込まれている。尚、第１の永久磁石７，７ａの固定方法は特に限定されるものではなく、金具等を用いて第１の円盤２１，２２に固定するようにしても良い。

また、図２に示すように、各第１の永久磁石７，７ａは、それぞれ第１の円盤２１，２２（第１の回転体２）の中心Ｏから第１の永久磁石７，７ａの中心Ｐを通る直線Ｌ１と、第１の永久磁石７，７ａの磁極方向、すなわち第１の永久磁石７，７ａの表面又は裏面における法線方向の直線Ｌ２とが交わる角度αが、第１の円盤２１，２２の中心Ｏから見て、０°＜α≦６０°となるように固定されている。尚、第１の永久磁石７，７ａは、第１の円盤２１，２２の外側方向の磁極面の極性が、モータ用電磁石８の第１の円盤２１，２２に対向する方の磁極の極性と同じになっている。

また、一方の第１の円盤２１と他方の第１の円盤２２のそれぞれに４個ずつ設けられている第１の永久磁石７と第１の永久磁石７ａの外側方向（又は内側方向）の磁極面の極性は逆になっている。つまり、一方の第１の円盤２１に設けられている第１の永久磁石７はＮ極の磁極面が円盤２１の外側を向いており、他方の第１の円盤２２に設けられている第１の永久磁石７ａはＳ極の磁極面が円盤２２の外側を向いている。これは、モータ用電磁石８の２つの磁極の極性が異なっているからである。１つのモータ用電磁石８の一方の磁極が一方の第１の円盤２１の第１の永久磁石７の外側の磁極面と対向し、当該モータ用電磁石８の他方の磁極が他方の第１の円盤２２の第１の永久磁石７ａの外側の磁極面と対向する。したがって、１つのモータ用電磁石８の一方の磁極に対向する一方の第１の円盤２１の第１の永久磁石７の磁極面の極性と、当該モータ用電磁石８の他方の磁極に対向する他方の第１の円盤２２の第１の永久磁石７ａの磁極面の極性とは異なるのである。２つの第１の円盤２１，２２は、それぞれが備える第１の永久磁石７，７ａの周方向の位置が同じになるようにスペーサ６０をによって重ね合わせて固定されている。したがって、電動発電機１のモータ（電動機）側では、２個で１組の第１の永久磁石７，７ａを４組、合計で８個の第１の永久磁石７，７ａを備えている。一方、電動発電機１のモータ（電動機）側のモータ用電磁石８の数は、４個である。

上述したように、一方の第１の円盤２１と、他方の第１の円盤２２と、１個の円盤２３とは、電動発電機１の回転軸方向に円盤２１、円盤２２、円盤２３の順でスペーサ６０によって固定されている。そして、中央の円盤２２には、位置検出円盤２４が同軸となるように固定されている。位置検出円盤２４は、第１の永久磁石７、７ａの回転位置（回転角度）を検出するためのものである。位置検出円盤２４は、第１の円盤２１，２２及び円盤２３より径が若干大きくなっており、透明の合成樹脂などによって形成されている。位置検出円盤２４の円盤２２の周縁から突出した径大部分の所定の領域は、第１の永久磁石７，７ａの回転位置を特定するために黒色に着色されたマーカーを備えている。そして、第１のフレーム３には位置検出センサ１０が支持部材１０ａによって取り付けられており、この位置検出センサ１０で位置検出円盤２４の当該着色領域（マーカー）を検出することによって、第１の永久磁石７、７ａの回転位置（回転角度）が特定される。このようにして第１の永久磁石７、７ａの回転位置（回転角度）を特定することによって、モータ用電磁石８への通電のタイミングが決定される。尚、第１のフレーム３、支持部材３ａ、スペーサ６０、及び、支持部材１０ａは非金属の材料で形成されており、例えば、合成樹脂によって形成されている。

第１の円盤２１，２２、円盤２３、及び、位置検出円盤２４の中心にはシャフト６が貫通されており、このシャフト６に第１の円盤２１，２２、円盤２３、及び、位置検出円盤２４が固定されて、第１の回転体２として一体に回転する。また、図１に示すように、第１の回転体２の周縁部分には、第１の円盤２１、第１の円盤２２、円盤２３の周縁部分間の全体に渡るようにフィルム１１が貼り付けられている。このフィルム１１により第１の回転体２の内部の空気が封止される。したがって、第１の回転体２が回転した場合に内部の空気が第１の回転体２とともに回転するので、第１の永久磁石７，７ａなどが回転による空気抵抗を受けることがない。そのため、第１の回転体２の空気抵抗を減少させて電動発電機１の電動機側の回転効率を向上させることができる。尚、フィルム１１は、第１の永久磁石７，７ａとモータ用電磁石８との電磁力の作用及び反作用に影響しない素材であって、薄手であることが好ましく、例えば、合成樹脂フィルムなどを用いることができる。

モータ用電磁石８は、図１及び図２に示すように、およそＵ字状の磁性体芯８０に巻線８１が巻かれた集中巻のものである。モータ用電磁石８では、巻線８１に電流が流れることによって磁性体芯８０の両端部にそれぞれ異なる極性の磁極が形成される。このモータ用電磁石８の各巻線８１は適宜、直列、並列または直並列に接続されてまとめられ、その２端子には制御回路１２からの命令に従って蓄電池１３から直流電力が供給される。

図１及び図２に示すように、モータ用電磁石８は、その各磁極が２つの第１の円盤２１，２２に２段に設けられた２個で１組の第１の永久磁石７，７ａに対応するようにして、所定のギャップ長で配置されている。そして、上述したように、モータ用電磁石８の磁極の極性と、該モータ用電磁石８の各磁極に対向する第１の永久磁石７の磁極面の極性とは同じになっており、一方の第１の円盤２１と他方の第１の円盤２２との間では、一方の第１の円盤２１に設けられた第１の永久磁石７の磁極面の極性と他方の第１の円盤２２に設けられた第１の永久磁石７ａの極性とが逆になっている。このように電動発電機１のモータ（電動機）側では、第１の回転体２において、一方の第１の円盤２１に固定する第１の永久磁石７と他方の第１の円盤２２に固定する第１の永久磁石７ａとを設けて２段の構成とし、モータ用電磁石８をＵ字状として２個の磁極のそれぞれを該２段の第１の永久磁石７と永久磁石７ａのそれぞれに対応させている。このようにして第１の永久磁石７と永久磁石７ａの両方の磁束をともに第１の回転体２を回転させるために利用することにより、電動発電機１の電力から動力へのエネルギーの変換効率を向上することができる。

また、モータ用電磁石８は、第１の円盤２１，２２（第１の回転体２）の中心Ｏからモータ用電磁石８の中心を結ぶ直線（不図示）と、モータ用電磁石８の磁束中心軸（不図示）とが交わる角度βが第１の円盤２１の中心Ｏ方向からみた場合に、０°＜β≦２０°となるように第１のフレーム３に固定されている。角度βをこのようにすることにより、β＝０とする場合と比較して、後述のθ−トルク特性が変化するという効果が得られる。なお、図１及び図２では、β＝０の状態を示している。

第１のフレーム３は、シャフト６を軸心に第１の回転体２を回転可能に支持するとともに、モータ用電磁石８及び位置検出センサ１０を固定するものであり、図１に示すように、所定の間隔で対向して互いに連結された２枚の板状のものである。この２枚の板状の第１のフレーム３は、第１の回転体２の最大の径、つまり、位置検出円盤２４の径よりも大きくなっている。また、図示しないが、第１のフレーム３のシャフト６の軸を支持する箇所にはベアリングが設けられている。

上述の位置検出センサ１０は、第１の円盤２１とともに回転する位置検出円盤２４の位置（回転角度）を検出できるものであれば任意のものを使用でき、例えば、フォトインタラプタを使用できる。位置検出センサ１０は、蓄電池（直流電源）１３からの電力をモータ用電磁石８の巻線８１に供給するための制御回路１２と接続されており、モータ用電磁石８の巻線８１に給電するタイミングを制御回路１１に与える。本実施の形態の位置検出センサ１０は、位置検出円盤２４の透明領域（着色領域（マーカー）でない部分）を検出している間だけ、透明領域を検出していることを示す検出信号を制御回路１２に送信する。制御回路１２は、位置検出センサ１０からの検出信号の受信に応じたタイミングで、モータ用電磁石８の巻線８１に蓄電池１２から直流電力を供給する。具体的には、制御回路１２は、例えば、位置検出センサ１０としてのフォトインタラプタが光信号を受信している間はスイッチ（不図示）をオンにしてモータ用電磁石８の巻線８１へ給電を行い、光信号を受信していない間はスイッチをオフにして給電を停止する。

上述した着色領域（マーカー）は、第１の円盤２２の周縁から突出した位置検出円盤２４のリング状の径大部分に設けられている。この着色領域の位置を調整し、着色領域が位置検出センサ１０によって検出されるとき、モータ用電磁石８の巻線８１に給電した場合には、第１の回転体２（第１の円盤２１）の逆回転方向（図２における時計回りの方向）のトルクが発生するようにでき、位置検出センサ１０が着色領域（マーカー）を検出してモータ用電磁石８の巻線８１への給電を停止することによって第１の回転体２の逆回転方向へのトルクの発生を防止できる。制御回路１２については詳細には説明しないが、モータ用電磁石８の巻線８１のエネルギーを抵抗で消費するものではなく、電源に回生するタイプが好ましく、例えば、ＳＲＭ（スイッチトリラクタンスモータ）で一般的に用いられている自己消弧形素子を２個だけ用いた回路とすることができる。

次に、電動発電機１の発電機側の構成について説明する。発電機側に設けられる第２の回転体４は、図１及び図３に示すように、第１の回転体２の回転軸と同軸であるシャフト６に２枚の第２の円盤４１，４２と、１枚の円盤４３とがスペーサ６０を介してそれぞれ所定間隔あけた状態で回転自在に固定されている。それぞれの第２の円盤４１，４２の一方の面には、第１の円盤２１，２２と同様にその周縁に等間隔で４個の第２の永久磁石１４，１４ａが設けられている。一方、第２のフレーム５には、２個で１組となる４組の第２の永久磁石１４のそれぞれに対応して４個の発電用電磁石９が、第２の支持部材５ａによって固定されている。この発電用電磁石９は、一方の磁極が一方の第２の円盤４１の永久磁石１４（２個で１組の永久磁石１３の一方）に対応し、発電用電磁石９の他方の磁極が他方の第２の円盤４２の永久磁石１４ａ（２個で１組の永久磁石１４の他方）に対応している。

第２の永久磁石１４は、表面及び裏面に磁極が形成された平板状のものであり、第１の永久磁石７よりも幅広に形成されたものを用いている。この第２の永久磁石１４も第１の永久磁石７と同様にネオジウム系の希土類磁石等から形成されている。このように、表面と裏面にＮ極及びＳ極が形成された第２の永久磁石１４を用いることにより、各磁極面が広くなり、発電機としての発電時間を長くすることができる。また、図１に示すように、各第の永久磁石１４，１４ａも、それぞれ第２の円盤４１，４２に数ｍｍ程度埋め込まれている。尚、この第２の永久磁石１４，１４ａの固定方法も特に限定されるものではなく、金具等を用いて第２の円盤４１，４２に固定するようにしても良い。

また、図３に示すように、各第２の永久磁石１４，１４ａは、それぞれ第２の円盤４１，４２（第２の回転体４）の中心Ｏから第２の永久磁石１４，１４ａの中心Ｑを通る直線Ｌ３と、第２の永久磁石１４，１４ａの磁極方向、すなわち第２の永久磁石１４，１４ａの表面又は裏面における法線方向の直線Ｌ４とのなす角度が、第２の円盤４１，４２の中心Ｏから見て、０°となるように、すなわち直線Ｌ３と直線Ｌ４が重なるように固定されている。これにより、更に発電時間を長くすることができる。尚、第２の永久磁石１４，１４ａは、第２の円盤４１，４２の外側方向の磁極面の極性が、発電用電磁石９の第２の円盤４１，４２に対向する方の磁極の極性と同じになっている。

また、一方の第２の円盤４１と他方の第２の円盤４２のそれぞれに４個ずつ設けられている第２の永久磁石１４と第２の永久磁石１４ａの外側方向（又は内側方向）の磁極面の極性は逆になっている。つまり、一方の第２の円盤４１に設けられている第２の永久磁石１４はＮ極の磁極面が円盤４１の外側を向いており、他方の第２の円盤４２に設けられている第２の永久磁石１４ａはＳ極の磁極面が円盤４２の外側を向いている。これは、発電用電磁石９の２つの磁極の極性が異なっているからである。１つの発電用電磁石９の一方の磁極が一方の第２の円盤４１の第２の永久磁石１４の外側の磁極面と対向し、当該発電用電磁石９の他方の磁極が他方の第２の円盤４２の第２の永久磁石１４ａの外側の磁極面と対向する。したがって、１つの発電用電磁石９の一方の磁極に対向する一方の第２の円盤４１の第１の永久磁石１４の磁極面の極性と、当該発電用電磁石９の他方の磁極に対向する他方の第２の円盤４２の第２の永久磁石１４ａの磁極面の極性とは異なるのである。２つの第２の円盤４１、４２は、それぞれが備える第２の永久磁石１４，１４ａの周方向の位置が同じになるようにスペーサ６０によって重ね合わせて固定されている。したがって、電動発電機１の発電機側では、２個で１組の第２の永久磁石１４，１４ａを４組、合計で８個の第２の永久磁石１４，１４ａを備えている。一方、電動発電機１の発電機側の発電用電磁石９の数は、４個である。

第２の円盤４１，４２、及び円盤４３の中心には、シャフト６が貫通されており、このシャフト６に第２の円盤４１，４２、及び円盤４３が固定されて、第２の回転体４として一体に回転する。尚、第２の回転体４は、第１の回転体２とも同軸のシャフト６に固定されているので、第１の回転体２が回転することによって第２の回転体４も回転するようになっている。また、図１に示すように、第２の回転体４の周縁部分には、第２の円盤４１、第２の円盤４２、円盤４３の周縁部分間の全体に渡るようにフィルム１１が貼り付けられており、このフィルム１１により第２の回転体４の内部の空気が封止される。したがって、第２の回転体４が回転した場合に内部の空気が第２の回転体４とともに回転するので、第２の永久磁石１４，１４ａなどが回転による空気抵抗を受けることがない。そのため、第２の回転体４の空気抵抗を減少させて電動発電機１の発電機側の回転効率を向上させることができる。

発電用電磁石９も、モータ用電磁石８と同様にＵ字形状の磁性体芯９０に巻線９１が巻かれた集中巻のものである。この発電用電磁石９は、Ｕ字形状の磁性体芯９０の両端が２個の第２の円盤４１，４２に２段に設けられた第２の永久磁石１４，１４ａに対応するようにして、所定のギャップ長で配置されている。発電用電磁石９においては、磁性体芯９０を含む巻線９１の周囲の磁界が、第２の回転体４の回転によって移動する第２の永久磁石１４、１４ａに応じて変化することによって電磁誘導により巻線９１の両端に誘導起電力が発生する。したがって、巻線９１が交流電圧出力巻線である。また、この発電用電磁石９の各巻線９１は適宜、直列、並列または直並列に接続されて単相巻線または多相巻線として構成され、それらは、交流用電灯、交流モータなどの様々な交流電力消費装置に接続される。尚、交流電圧を整流して直流電圧として直流電力消費装置に接続することもできる。

また、図１及び図３に示すように、電動発電機１の発電側では、４個の発電用電磁石９の各巻線９１の間には、２個の第２の円盤４１，４２に２段に設けられた第２の永久磁石１４，１４ａに対応するようにして、所定のギャップ長で２つずつ空芯コイル１５が設けられている。図１では、説明のために詳しく図示していないが、この空芯コイル１５も発電用電磁石９と同様に第２の支持部材５ａに固定されている。

この空芯コイル１５においては、当該空芯コイル１５の周囲の磁界が、第２の回転体４の回転によって移動する第２の永久磁石１４、１４ａに応じて変化することによる電磁誘導によって誘導起電力が発生する。この発生した誘導起電力の一部は、例えば整流器（不図示）を介して交流電力を直流電力に整流して蓄電池１３へと充電される。これにより、モータ用電磁石８に直流電力を供給する蓄電池１３が消費する電力を抑制することができる。また、空芯コイル１５を用いているので、通常の鉄心がある場合と異なり、抵抗がなく無負荷で電力を取り出すことができるので、効率的である。尚、蓄電池１３の充電に利用される電力以外の電力については、例えば、交流用電灯、交流モータなどの様々な交流電力消費装置に利用するようにしても良い。

以下、本発明の電動発電機１の起動について説明する。上述したように（図２参照）、第１の永久磁石７，７ａは、第１の円盤２１，２２（第１の回転体２）の中心Ｏから第１の永久磁石７，７ａの中心Ｐを通る直線Ｌ１と、第１の永久磁石７，７ａの磁極方向、つまり第１の永久磁石７，７ａの表面又は裏面における法線方向の直線Ｌ２とが交わる角度αが、第１の円盤２１，２２の中心Ｏから見て、０°＜α≦６０°となっている。第１の永久磁石７，７ａの傾きをこのようにした場合、モータ用電磁石８の中心から第１の回転体２（第１の円盤２１，２２）の正回転方向（図３における反時計回りの方向）に測った第１の永久磁石７，７ａの中心までの機械角をθとし、モータ用電磁石８の巻線８１に給電しない場合に磁性体芯８０と第１の永久磁石７，７ａとの間の吸引力により生じる正回転方向のトルクであるディテントトルク（コギングトルク）をＴとすると、θ−Ｔ特性は図４に示すようになる。図４からわかるように、θ＝０°が、つまり、モータ用電磁石８の中心の正面に第１の永久磁石７の中心が位置する状態で、ディテントトルクが０となり第１の円盤２１が停止する安定平衡点である。

一方、モータ用電磁石８の巻線８１に、例えば、直流電源（蓄電池）１３を用いて１．９０Ａの直流電流を供給した場合にモータ用電磁石８と第１の永久磁石７との間に生じる第１の円盤２１の正回転方向の電磁トルクをＴとすると、θ−Ｔ特性は図５に示すようになる。なお、モータ用電磁石８に供給する電流を変更した場合、安定平衡点及び不安定平衡点は変化する。なお、安定平衡点と不安定平衡点とは、モータ用電磁石８に対する第１の永久磁石７，７ａの位置が安定平衡状態にあるひとつの位置（点）と不安定平衡状態にあるひとつの位置（点）とをそれぞれ意味する。安定平衡状態と不安定平衡状態とはいずれもモータ用電磁石８と第１の永久磁石７との吸引力と反発力とが均衡した状態である。安定平衡状態では、第１の円盤２１がいずれの方向に回転してもモータ用電磁石８と第１の永久磁石７との磁力により回転方向と逆向きの力が加わり、再び安定平衡状態に戻る。一方、不安定平衡状態では、第１の円盤２１がいずれかの方向に回転すれば、モータ用電磁石８と第１の永久磁石７との磁力によりその回転方向への力が加わり、再び不安定平衡状態に戻ることはない。

図５からわかるように、θ＝−２０°，θ＝７０°が安定平衡点であり、θ＝−８０°，θ＝１０°が不安定平衡点である。そして、電磁トルクＴが負となる角度幅は３０°であり、Ｔが正となる角度幅は６０°である。Ｔの平均はゼロとなるので、図５からもわかるように、Ｔが負となる部分では角度幅が狭くＴの絶対値が大きい。そこで、Ｔが負となる部分のＴを“大値狭角度トルク”と呼ぶ。一方、Ｔが正となる部分では角度幅が広くＴの絶対値は小さい。そこで、Ｔが正となる部分の電磁トルクＴを“小値広角度トルク”と呼ぶ。

ここで、小値広角度トルクを利用する場合を考える。図６は、モータ用電磁石８への非給電時の安定平衡状態（つまり、ディテントトルクがゼロで第１の円盤２１，２２が停止している状態）における第１の永久磁石７、モータ用電磁石８、位置検出円盤２４の着色領域及び透明領域、及び、位置検出センサ１０の位置関係を直線状に示した説明図である。図６において、角度βは、モータ用電磁石８の正面を０°とした、第１のフレーム３などの固定子上に印された角度であり、第１の回転体２（第１の円盤２１，２２）である回転子の正方向回転を正の向きとしている。また、正回転領域と逆回転領域は、モータ用電磁石８に対して固定された、つまり、角度βに関して固定された領域である。正回転領域は、第１の永久磁石７，７ａが第１の円盤２１，２２の回転に応じて移動して当該領域に位置したときに、第１の円盤２１，２２に正回転方向の電磁トルクＴが生じる領域である。つまり、図６の正回転領域は、図５において“小値広角度トルク”が発生するθの角度範囲に対応している。そして、逆回転領域は、第１の永久磁石７，７ａが第１の円盤２１，２２の回転に応じて移動して当該領域に位置したときに、第１の円盤２１，２２に逆回転方向の電磁トルクＴが生じる領域である。つまり、図６の逆回転領域は、図５において“大値狭角度トルク”が発生するθの角度範囲に対応している。図６において、図面の左方向が第１の円盤２１の正回転の方向であり、第１の永久磁石７が左に移動すると位置検出円盤２４の着色領域及び透明領域も左に移動する。また、正回転領域の角度幅と透明領域の角度幅は同じ６０°であり、逆回転領域の角度幅と着色領域の角度幅は同じ３０°である。そして、正回転領域及び逆回転領域、と、透明領域及び着色領域は連続しており、正回転領域及び透明領域は３０°間隔で存在し、逆回転領域及び着色領域は６０°間隔で存在する。尚、第１の永久磁石７，７ａが逆回転領域内に位置する場合に位置検出センサ１０は着色領域内にあり、第１の永久磁石７，７ａが正回転領域内に位置する場合に位置検出センサ１０は透明領域内にあるように、位置検出円盤２４と位置検出センサ１０を設定する。図６の例では、位置検出センサ１０は、β＝５０°の場所に位置している。

図６からわかるように、モータ用電磁石８に給電をしない安定平衡状態では、第１の永久磁石７は逆回転領域に位置するので、位置検出円盤２４の位置検出センサ１０がセンシングする場所は着色領域である。したがって、位置検出センサ１０からは検出信号が制御回路１２に送信されるので、制御回路１２は、蓄電池１３からの電力をモータ用電磁石８に供給しない。それゆえ、モータ用電磁石８に給電されない安定平衡状態から第１の円盤２１を回転させて電動機発電機１のモータ側を起動させるためには、ある種の工夫が必要となる。電動機発電機１のモータ側を起動させるための工夫としては、大きく分けて、非給電時の安定平衡点を正回転領域に移動させる第１の方法と、起動時に第１の永久磁石７を一旦強制的に正回転領域に移動させる第２の方法とがある。

非給電時の安定平衡点を正回転領域に移動させる第１の方法とは、モータ用電磁石８の巻線８１に電力が供給されず第１の円盤２１，２２がディテントトルク０の安定平衡状態で停止しているときのモータ用電磁石８と第１の永久磁石７との位置関係が、モータ用電磁石８の巻線８１への電力の供給が開始されたときに第１の円盤２１，２２の正方向のトルクが第１の円盤２１，２２の所定の回転角度だけ連続して発生する関係となるように、隣のモータ用電磁石８（８ａ）の位置を現在の位置、すなわち、モータ用電磁石８から９０°離れた位置から移動させることによって、ディテントトルク（θ−Ｔ特性）を変化させて、安定平衡状態において、第１の永久磁石７，７ａが正回転領域に位置するようにする。第１の永久磁石７，７ａが正回転領域に位置すれば、位置検出センサ１０のセンシング位置は透明領域となるので給電が開始され第１の円盤２１，２２、つまり、電動発電機１のモータ側を起動して正回転させることができる。

例えば、ディテントトルク（θ−Ｔ特性）を変化させることによって、安定平衡状態において、モータ用電磁石８の近傍の第１の永久磁石７がβ＝１１°に位置するようにすると、図６からわかるように、第１の永久磁石７，７ａは正回転領域に含まれ、位置検出センサ１０のセンシング位置は透明領域に含まれる。第１の円盤２１の正回転方向には７０°−１１°＝５９°に渡り正回転領域が存在し続け、同様に、５９°に渡り透明領域が存在し続ける。したがって、第１の円盤２１，２２が５９°だけ回転する間だけモータ用電磁石８に給電されて第１の円盤２１，２２は正回転する。第１の円盤２１，２２の回転角度が６０°に達してβ＝７１°となると第１の永久磁石７，７ａは逆回転領域に含まれる。しかし、位置検出センサ１０のセンシング位置も着色領域に含まれるのでモータ用電磁石８への給電が停止される。すると、モータ用電磁石８による電磁トルクＴはゼロとなり、ディテントトルクＴが現れる。逆回転領域におけるディテントトルクＴは概ね正の値であり、また、第１の円盤２１，２２には慣性モーメントが存在するため、第１の円盤２１，２２は正回転を続ける。角度幅が３０°の逆回転領域を過ぎると再び第１の永久磁石７，７ａは角度幅６０°の正回転領域に入るので第１の円盤２１，２２は正回転を続ける。モータ用電磁石８に給電しないディテントトルクＴの安定平衡状態で、モータ用電磁石８の近傍の第１の永久磁石７，７ａをβ＝１１°に位置させるためには、両隣のモータ用電磁石８（８ａ）をそれぞれ第１の円盤２１，２２の正回転方向に２２°だけ移動させればよい。つまり、モータ用電磁石８（８ａ）をβ＝９０°の位置からβ＝１１２°の位置に移動させればよい。ただし、β＝１１２°が適当であるのは、モータ用電磁石８が２つでモータ用電磁石８（８ａ）が２つの場合である。

一方、起動時に第１の永久磁石７を一旦強制的に正回転領域に移動させる第２の方法としては、位置検出センサ１０による着色領域の検出にかかわらずモータ用電磁石８に一時的に給電する方法（２−１）と、着色領域に幅の狭い透明領域を設ける方法（２−２）がある。

位置検出センサ１０による着色領域の検出にかかわらずモータ用電磁石８に一時的に給電する方法（２−１）においては、蓄電池１３の直流電力をモータ用電磁石８に供給する前述の制御回路１２に、例えば、押しボタンＢ（不図示）を押した場合に所定の期間だけ直流電力をモータ用電磁石８に供給する制御回路（不図示）を追加することによって実現する。より具体的には、電動発電機１の起動時に、押しボタンＢを押すことによってモータ用電磁石８に給電して、図６に示す安定平衡状態で停止している第１の円盤２１，２２（第１の永久磁石７，７ａ）を一時的に逆方向に回転させることにより、逆回転領域に位置する第１の永久磁石７，７ａが正回転領域に移動し、そのまま逆回転方向の逆回転領域に達することなく、当該正回転領域内で第１の円盤２１，２２を正回転に転じさせる。つまり、押しボタンＢを押した場合には、第１の円盤２１，２２が逆回転して第１の永久磁石７，７ａが正回転領域に達し、当該第１の永久磁石７，７ａがその正回転領域内にあるうちに第１の円盤２１，２２が正回転に転じるに必要な期間（回転角度分）だけモータ用電磁石８に給電される。

着色領域に幅の狭い透明領域を設ける方法（２−２）では、モータ用電磁石８の巻線８１に電力が供給されず第１の円盤２１がディテントトルクＴの安定平衡状態で停止している状態における位置検出センサ１０のセンシング位置の位置検出円盤２４に所定の幅の透明領域を設ける。つまり、図７に示すように、３０°の角度幅の着色領域内に所定の角度幅の透明窓領域Ｒを設ける。透明窓領域Ｒは、位置検出センサ１０の中央のセンシング位置から第１の円盤２２（位置検出円盤２４）の正回転方向に幅を持っている。このように、位置検出センサ１０のセンシング位置に透明窓領域Ｒが位置するので、制御回路１２を動作させると、直ちに一定の期間（回転角度分）だけモータ用電磁石８の巻線８１に給電される。このようにしてモータ用電磁石８に給電することにより、第１の円盤２１，２２（第１の永久磁石７，７ａ）を逆方向に回転させ、逆回転領域に位置する第１の永久磁石７，７ａが正回転領域に移動し、そのまま逆回転方向の逆回転領域に達することなく、当該正回転領域内で第１の円盤２１を正回転に転じさせる。したがって、透明窓領域Ｒの角度幅は、第１の円盤２１，２２が逆回転して第１の永久磁石７，７ａが正回転領域に達し、当該第１の永久磁石７，７ａがその正回転領域内にあるうちに第１の円盤２１，２２が正回転に転じるに必要な期間だけモータ用電磁石８に給電される角度幅である。なお、通常の回転時に、位置検出センサ１０の過渡特性の悪さにより、透明窓領域Ｒは検出されず、制御動作は生じない。

次に、大値狭角度トルクを利用する場合を考える。この場合、小値広角度トルクを利用する場合の位置検出円盤２４と位置検出センサ１０の設定を示す図６において、位置検出円盤２４の着色領域を透明領域に、透明領域を着色領域に変更すればよい。この変更を行った様子を示すのが図８である。図８はモータ用電磁石８への非給電時の安定平衡状態（つまり、ディテントトルクがゼロで第１の円盤２１，２２が停止している状態）を示している。図８からわかるように、第１の永久磁石７，７ａは逆回転領域に存在し、位置検出センサ１０は透明領域内にあるため、位置検出センサ１０から検出信号が制御回路１２に送信され、制御回路１２は、蓄電池１３からの電力をモータ用電磁石８に給電する。それゆえ、電動発電機１は逆回転方向に回転する。このように、大値狭角度トルクを利用する場合には、電動発電機１を起動させるための工夫は特に必要ない。ただし、モータ用電磁石８（８ａ）の配置を定位置からずらすような場合、非給電時の安定平衡状態において第１の永久磁石７，７ａが逆回転領域の外に移動しないように注意すれば良い。

このような本発明の電動発電機１によれば、モータ側の第１の回転体２（第１の円盤２１，２２）をモータとして機能させて回転させることにより、同軸のシャフト６に固定されている発電機側の第２の回転体４（第２の円盤４１，４２）が回転する。これにより、第２の円盤４１，４２にそれぞれ設けられた第２の永久磁石１４，１４ａの移動することにより、発電機側に設けられる発電用電磁石９及び空芯コイル１５の周囲の磁界が変化することによる電磁誘導によって誘導起電力が発生する。また、本発明の電動発電機１では、発電用電磁石９で発電された電力は、交流電力消費装置に利用され、空芯コイル１５で発電した電力の一部は、蓄電池１３へと蓄電される。

尚、本実施形態では、電動発電機１のモータ側及び発電側にそれぞれ４個ずつモータ用電磁石８と発電用電磁石９を設けたが、この数はこれに限定されるものではなく、適宜変更しても良い。ただし、隣り合うモータ用電磁石８同士又は隣り合う発電用電磁石９同士が電磁的な結合をしないような間隔になる数であることが好ましい。また、上述の実施形態では、モータ側及び発電側では、それぞれ第１の円盤２１，２２及び第２の円盤４１，４１の２つ（２段）備える構成としたが、第１の円盤２１及び第２の円盤４１は、１つ（１段）であっても良い。しかし、電動発電機１のモータとしてのエネルギー効率を高めるためには、２つずつ備えることが好ましい。

さらに、上述の実施の形態では、図５において電磁トルクＴが正の値をとるタイミング、つまり、小値広角度トルクが発生するタイミングでモータ用電磁石８の巻線８１に給電を行うこととしたが、これに限らず、電磁トルクＴが負の値をとるタイミング、つまり、大値狭角度トルクが発生するタイミングでモータ用電磁石８の巻線８１に給電を行うようにしてもよい。

尚、本発明の実施の形態は上述の形態に限るものではなく、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更することができるものである。

本発明に係る電動発電機は、直流電力を交流電力に効率良く変換して家庭電気製品等に交流電力を供給するための電動発電機等として有効に利用することができる。

１ 発電機
２ 第１の回転体
２１、２２ 第１の円盤
３ 第１のフレーム
４ 第２の回転体
４１、４２ 第２の円盤
５ 第２のフレーム
６ シャフト（回転軸）
７、７ａ 第１の永久磁石
８ モータ用電磁石
８０ 磁性体芯（第１の磁性体芯）
８１ 巻線（第１の巻線）
９ 発電用電磁石
９０ 磁性体芯（第２の磁性体芯）
９１ 巻線（第２の巻線）
１３ 蓄電池（直流電源）
１４、１４ａ 第２の永久磁石
１５ 空芯コイル

Claims (4)

1. 第１のフレームと、
   該第１のフレームに回転軸を介して回転自在に取り付けられた第１の円盤と、
   第２のフレームと、
   該第２のフレームに前記回転軸を介して回転自在に取り付けられた第２の円盤と、
   前記第１の円盤上の周方向に沿って等間隔に配置され表面及び裏面に磁極が形成された複数の第１の永久磁石と、
   前記第２の円盤上の周方向に沿って等間隔に配置され表面及び裏面に磁極が形成された幅広平板状の複数の第２の永久磁石と、
   前記複数の第１の永久磁石に対応して前記第１のフレームに固定された第１の磁性体芯と、該第１の磁性体芯のそれぞれに巻きつけられる第１の巻線とを有する複数のモータ用電磁石と、
   前記第１の円盤を回転させるために、前記第１の巻線に直流電力を供給する蓄電池と、
   前記複数の第２の永久磁石に対応して前記第２のフレームに固定された第２の磁性体芯と、該第２の磁性体芯に巻きつけられ電力消費装置に接続される第２の巻線とを有し、前記モータ用電磁石により前記複数の第１の永久磁石に磁力を作用させて前記第１の円盤を回転させることにより前記回転軸を介して回転する前記第２の円盤上に形成される前記複数の第２の永久磁石の移動に応じて前記第２の巻線の周囲の磁界が変化することによって誘導起電力を発生する複数の発電用電磁石と、
   該複数の発電用電磁石の間にそれぞれ配置される空芯コイルと、を備え、
   前記第１の永久磁石は、前記第１の円盤の中心と当該第１の永久磁石の中心とを通る直線と、当該第１の永久磁石の磁極面の中心における法線とがなす角度が０°より大きく６０°以下となるように配置されることによって、
   前記第１の巻線に直流一定電流を連続給電した場合に、当該第１の巻線への非給電時に前記第１の磁性体芯と前記第１の永久磁石との吸引力により発生するディテントトルクが０となる安定平衡動作状態の前記第１の永久磁石に対して前記第１の磁性体芯を基準として測った前記第１の永久磁石の回転角度と、前記第１の巻線の電流と前記第１の永久磁石とによる電磁トルクとの特性曲線において、前記第１の円盤を逆方向に回転させる回転角度範囲が狭くて値が大きい大値狭角度トルクが発生するとき又は前記第１の円盤を正方向に回転させる回転角度範囲が広くて値が小さい小値広角度トルクが発生するときのいずれかにおいて前記第１の巻線に前記蓄電池から直流電力を供給し、
   前記第２の円盤の回転に伴う前記第２の永久磁石の移動に応じて前記空芯コイルに生じる誘導起電力の少なくとも一部を前記蓄電池に蓄電することを特徴とする電動発電機。
2. 前記第２の永久磁石は、前記第２の円盤の中心と当該第２の永久磁石の中心とを通る直線と、当該第２の永久磁石の磁極面の中心における法線とがなす角度が０°となるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電動発電機。
3. 前記第１の円盤及び前記第２の円盤がそれぞれ２つずつ前記回転軸に固定され、
   一方の前記第１の円盤に配置された前記第１の永久磁石と他方の前記第１の円盤に配置された前記第１の永久磁石とは極性が逆となっており、
   一方の前記第２の円盤に配置された前記第２の永久磁石と他方の前記第２の円盤に配置された前記第２の永久磁石とは極性が逆となっており、
   前記第１の磁性体芯は、一方の端部が一方の前記第１の円盤に配置された前記第１の永久磁石に対応し、他方の端部が他方の前記第１の円盤に配置された前記第１の永久磁石に対応するように固定され、
   前記第２の磁性体芯は、一方の端部が一方の前記第２の円盤に配置された前記第２の永久磁石に対応し、他方の端部が他方の前記第２の円盤に配置された前記第２の永久磁石に対応するように固定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電動発電機。
4. 前記第１のフレーム、前記第２のフレーム、前記第１の円盤、及び前記第２の円盤は、それぞれ非金属の材料によって形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電動発電機。

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