JP2003079128A - 発電方法及び発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 永久磁石の磁束密度を減衰させず入力電力に
対し大きな出力電力を長時間に亘って発電しえる発電方
法及び発電装置を提供する。 【構成】 所要の磁束密度の永久磁石の両側端を挟んで
対称的にヨークを配位させ、永久磁石の走磁路をそれぞ
れのヨークを経由して閉磁路に形成し、且ヨークの端縁
に永久磁石の走磁路と順行し若しくは逆行する磁路を発
生せしめて、永久磁石の走磁路を閉磁路及び開磁路に制
御する磁化コイルを形成し、且対称的ヨークの側面に電
磁誘導による電力を取り出す誘導コイルを設け、磁化コ
イルに交流電力を入力し交番磁場の発生に伴う閉磁路及
び開磁路で永久磁石の磁束密度を加重させた電磁誘導及
び高周波数の入力により過渡現象による大きな電磁誘導
効果を連続的に発生せしめて、入力電力に比べて大きな
出力電力を発電させる発電方法及び発電装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は所要磁束密度の永久磁石
の走磁路を電磁石の交番磁場により閉磁路及び開磁路と
なしたるうえ電磁誘導し、誘導コイルに入力電力より大
きな出力電力を誘起せしむる発電方法及び発電装置に関
するものである。

【０００２】

【従来技術】電力は産業活動上はもとより生活上におい
ても重要なエネルギーであって、今日までの産業の拡大
発展や生活向上には電力エネルギーに大きく依拠してき
ており、且現在でも極めて膨大な電力エネルギーが消費
されている。ところで現状における電力エネルギーの主
たる供給手段は、誘導コイルを通過する磁束を変化させ
電磁誘導により起電力を発生させる所謂発電機を用いて
なるものであって、該発電機は磁束を変化させるため電
機子や永久磁石を回転させる必要があり、且大電力を発
電させるうえからは発電機自体極めて大型多重なものと
なり、従ってかかる大型多重の発電機を回転せしめ所望
の電力を発電させるための一次エネルギーたる水力や火
力或いは原子力エネルギーも膨大に消費されている実情
にある。

【０００３】而して水力発電においては豊富な水量の確
保のためのダム建設が不可欠となり広大な面積に及ぶ自
然破壊が招来されるばかりか既に立地面からも限界とさ
れており、更に火力発電においても一次エネルギー資源
たる石炭、石油は専ら海外からの輸入に依存しているば
かりか、その燃焼に伴う煤煙や廃ガス或いは焼却灰等に
より環境汚染が拡大化されつつあり、加えて原子力発電
においても狭小な国土においては放射能汚染や地震時等
における安全性が危惧されている。そして他方において
は産業活動における情報化への対処のための情報機器類
の増大や、生活高度化に伴う冷暖房や空調の完備或いは
介護機器類の普及等とが相俟って、電力エネルギーの消
費は更なる増大化が予想されていること等により、電力
エネルギーの供給は重大な問題に直面している。

【０００４】発明者は早くからかかる問題に対処する手
段として省エネルギー省電力による発電方法の研究に取
組み、既に特開平１０−２２３４５７号公報並びに特開
平１１−２０４３５３号公報で開示したように、磁束密
度の高い永久磁石の磁束をヨーク（第一のコア）で挟持
させ、永久磁石の走磁路が該ヨークを経由して閉磁路を
形成するよう配位し、且該永久磁石の挟持された対向側
ヨークに該永久磁石の走磁路を閉磁路及び開磁路となし
えるよう、電磁石の磁束密度で順行若しくは逆行する磁
路を形成しうる磁化コイルを設け、該磁化コイルに交流
を加電して交番磁場を発生せしめ、而も永久磁石が挟持
され且対向側に磁化コイルが設けられたヨーク（第一の
コア）内の中央に、閉磁路及び開磁路の変換に伴い永久
磁石の磁束を加重させた電磁誘導により起電力を取出す
ための誘導コイルが設けられた第二のコアを連接形成若
しくは絶縁形成させ、磁化コイルの入力電力に対して大
きな出力電力を得る静止磁石型発電機を開発している。

【０００５】更に発明者は、米国特許第５９２６０８３
号で開示している如く、ヨーク（第一のコア）の上下に
磁束密度の高い永久磁石を挟持させて該ヨーク（第一の
コア）に閉磁路を形成させ、且該ヨーク（第一のコア）
の二側面に永久磁石の走磁路を閉磁路及び開磁路となす
ための磁束を発生せしめる磁化コイルを設け、且この磁
化コイルに交流を加電せしめて交番磁場を発生せしめる
とともに、このヨーク（第一のコア）内に閉磁路及び開
磁路により永久磁石の磁束を加重させた電磁誘導による
起電力を取り出すための、誘導コイルが設けられた二本
のヨーク（第二のコア）を絶縁配位せしめ、以って磁化
コイルへの入力電力に対して大きな出力電力を起電させ
る発電機も開発済である。

【０００６】発明はかかる先願発明を実用使用に供すべ
く入力／出力効果を少なくとも２．０乃至５．０倍以上
に、及び長時間に亘る連続発電性能の維持を図るべく実
用化試験を重ねた結果、高い磁束密度の永久磁石でも走
磁路の長さにより磁束密度が著しく減衰するためヨーク
は可能な限り短かく形成する必要があり、且磁化コイル
の交番磁場により永久磁石の走磁路の閉磁路及び開磁路
の制御は永久磁石の直近において作用させることが極め
て有効であること、及び入力電力に対する出力電力比は
入力周波数が大きく関与することを究明し本発明に至っ
た。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】即ち本発明は、所要の
磁束密度を有する永久磁石の磁束密度を減衰させること
なく、且少ない入力電力による磁化コイルの交番磁場に
より閉磁路及び開磁路の確実な制御をなし、高い電磁誘
導効果により入力電力に対し出力電力の大きな発電が可
能な発電方法及び発電装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
めに本発明が採用した技術的手段は、所要の磁束密度を
有する永久磁石を中央で狭持しえるよう対称的にヨーク
で該永久磁石の両側端を挟持配位させ、永久磁石の磁束
の走磁路を対称的に配位させたヨークを経由して短かい
閉磁路に形成させ、且ヨークの端縁には永久磁石の走磁
路と順行し若しくは逆行する磁路を形成させて閉磁路及
び開磁路の確実な制御のための交番磁場を発生する磁化
コイルを形成し、而も対称的ヨークの二側面には閉磁路
及び開磁路に伴う永久磁石の磁束を加重させた電磁誘導
により起電力を取り出すための誘導コイルを設け、磁化
コイルに交流電力を入力し誘導コイルより入力電力に比
べて大きな出力電力を発電させる発電方法及び発電装置
の構成に存するものであり、更に磁化コイルの交番磁場
の連続的付加により永久磁石の保磁力低下を防止するう
えから、永久磁石の両側端とヨークとの挟持配位に際し
て薄膜常磁性体を介在させる発電装置の構成、及び永久
磁石の磁束を加重させて高い電磁誘導をなさしむるうえ
から、適宜の高周波に変換しえる周波数変換装置により
周波数変換をなし入力する発電方法の構成に存する。

【０００９】

【作用】本発明はかかる技術的手段を用いてなるから、
以下のような作用を有する。即ち所要の磁束密度に有す
る永久磁石の両側端を挟んで対称的にヨークが配位され
るため、永久磁石の走磁路は該永久磁石と対称的ヨーク
のそれぞれの三辺とを経由して形成されるため、走磁路
内のヨークの実質的長さが従来に比べて略１／２以下と
なり、ヨークにおける磁束の減衰が極めて少なくなる。
加えて該走磁路を経由する永久磁石の磁束の入口及び出
口たるヨーク端縁に、永久磁石の磁束方向と順行し若し
くは逆行する磁束方向の交番磁場を発生させる磁化コイ
ルが設けられてなるから、ヨーク内を走磁する永久磁石
の磁束の閉磁路及び開磁路化が確実に制御され、且かか
る閉磁路及び開磁路の交互の変換により高い電磁誘導作
用が誘導コイルに働く。

【００１０】更に磁化コイルの入力周波数を高周波数で
入力させると閉磁路と開磁路の変換時に瞬時に発生する
過渡現象所謂入力電力による定常時の電磁誘導に比べ高
い電磁誘導値の発生が、高周波数の入力に伴い連続且実
効的電磁誘導作用として誘導コイルに働き大きな出力電
力として取り出すことができる。加えて高い磁束密度の
永久磁石にヨークから直接且繰返し連続して磁化コイル
の交番磁場が付加されることによる永久磁石の減磁化
も、永久磁石の両側端とヨークとの挟時部分に薄膜常磁
性体が介在されることにより、減磁が著しく抑制され長
期連続発電が保持される。

【００１１】

【実施例】以下に本発明実施例を本発明発電装置の図に
基づき説明すれば、図１は永久磁石とヨークの挟持配位
説明図、図２は薄膜常磁性体が介された永久磁石とヨー
クの挟持配位説明図であって、永久磁石１はその高い磁
束密度による電磁誘導効果を高めるうえから、高磁束密
度で且長期に亘って減磁率の少ないのものが好適であっ
て、具体的にはその残留磁束密度（ＫＧ）が略８．２乃
至１１．２程度のサマリウムコバルト磁石や、残留磁束
密度（ＫＧ）が略１１．５のアルニコ磁石或いは残留磁
束密度が略１０．５乃至１３．０のＮｄ鉄磁石等が挙げ
られる。そしてこの永久磁石１は該永久磁石１が形成す
る走磁路の磁束密度が挟持配位されるヨーク２内におい
て減衰されることを防止するために、該永久磁石１とヨ
ーク２とにより形成される走磁路のヨーク２内の実質的
走磁距離を短かく形成させるうえからも、該永久磁石１
の両側端１Ａ、１Ｂがヨーク２の端縁２Ａ、２Ｂと挟持
される長さのものが用いられる。

【００１２】更に該永久磁石１の両側端１Ａ、１Ｂに挟
持配位されるヨーク２との挟持配位に際しては、該ヨー
ク２の端縁２Ａ、２Ｂに設けられる磁化コイル３におい
て発生させる、永久磁石１の磁束方向に対して順行し若
しくは逆行する磁束方向の交番磁場の直接的付加により
永久磁石１の磁束密度が短期に減磁されることを防止す
るうえから、薄膜常磁性体２０を介在配位させることが
提案されるもので、該薄膜常磁性体２０の具体的素材と
しては雲母、石英、ガラス等の無機質材やポリエステ
ル、フェノール、アクリル、ポリカーボネート等の合成
樹脂材、或いは銅、アルミ、クローム等の非鉄金属材が
挙げられ、且該薄膜常磁性体２０の厚さとしては略０．
０１乃至０．１ｍｍ程度が望まれる。

【００１３】永久磁石１に挟持配位されるヨーク２は、
永久磁石１の走磁路の磁束方向に対して該ヨーク２の端
縁２Ａ、２Ｂに設けられる磁化コイル３による順方向若
しくは逆方向の磁束発生により、閉磁路及び開磁路を瞬
時に且確実に変換せしむるうえからは、該ヨーク２の素
材としては高透磁率材料即ち透磁率μの値が初期透磁率
μｉに比べてその最大透磁率μｍが極めて高いものが望
ましく、具体的な素材としては４５パーマロイ、７８パ
ーマロイ、Ｄｅｌｔａｍａｘ、Ｓｕｐｅｒｍａｌｌｙ及
び高周波数入力電力にはソフトフェライト等が挙げられ
るが、実用上より大きな入力／出力比を実現するうえか
らは、更に高透磁率で且ヒステリシス損の少ない素材の
開発が待たれる。加えてヨーク２の大きさは出力電力に
よっても異るが、略１０乃至３０Ｗ程度の場合において
は、ヨーク２の全長で略４０乃至６０ｃｍ程度、ヨーク
厚３０乃至６０ｍｍ程度が提案される。

【００１４】永久磁石１に挟持配位されるヨーク２の端
縁２Ａ、２Ｂには、永久磁石１の磁束密度がヨーク２を
経由して走磁形成される二つの走磁路の磁束方向に対し
て、順行し若しくは逆行する磁束方向の交番磁場を発生
せしめ、この二つの走磁路を瞬時に且確実に閉磁路及び
開磁路に変換せしめて、高い電磁誘導作用を創出させる
磁化コイル３が設けられている。この磁化コイル３には
交番磁場の発生のために交流電力が入力されるものであ
って、該交流電力による交番磁場により永久磁石１の磁
束方向と順行する閉磁路が形成された場合には永久磁石
１の高い磁束密度の走磁がなされ且逆行する開磁路が形
成された場合には、該永久磁石１の高い磁束密度の走磁
が減殺遮断される必要があり、これがためには該磁化コ
イル３により発生させる交番磁場の磁束密度としては、
永久磁石１の走磁磁束密度に対して略１／２乃至同等の
磁束密度が要請される。

【００１５】磁化コイル３におけるかかる交番磁場の磁
束密度を発生せしむるための巻線数や線径、コイル抵抗
等は入力電力や周波数、交番磁場に要請される磁束密
度、ヨーク２内の素材や大きさ等により具体的に決定さ
れるものであるが、ヨーク２の走磁における磁束密度の
減衰を阻止するうえからは走磁路を形成するヨーク２の
実質的長さは可能な限り短かく形成されるべきものであ
るから、該磁化コイル３も望ましくはその幅が５乃至１
０ｍｍ程度の細幅な輪形や角形が好適である。

【００１６】加えて肝要なことは、磁化コイル３への入
力電力は交流電力が使用されるが、図３に示すように該
磁化コイル３は入力電力の電流方向で発生磁束方向が変
化しえるものであり、且永久磁束１と挟持配位されるヨ
ーク２により二つの走磁路が形成され、且磁化コイル３
がこのヨーク２の端縁２Ａ、２Ｂに設けられるから二つ
の走磁路を同時に閉磁路となし若しくは一方の走磁路を
閉磁路、他方の走磁路を開磁路となすよう入力電力の入
力により設定することが可能となる。

【００１７】図４は本発明発電装置６の説明図であっ
て、永久磁石１を挟持して配位されるヨーク２と、該ヨ
ーク２の端縁２Ａ、２Ｂに磁化コイル３が設けられてな
るヨーク２のそれぞれの側面には、永久磁石１の磁束密
度の走磁路を閉磁路及び開磁路となすことにより創出さ
れる電磁誘導作用により起電力を取り出すための誘導コ
イル４が、それぞれ４Ａ、４Ｂの如く形成されている。
この誘導コイル４の具体的巻線数や使用線径、コイル抵
抗等は電磁誘導効果並びに要求される出力電力等により
決定される。

【００１８】そして留意すべきことは磁化コイル３の交
番磁場の発生による閉磁路及び開磁路の変換に伴う電磁
誘導作用では、閉磁路時の高い磁束密度の走磁による強
い電磁誘導と、且開磁路時では低い磁束密度の走磁によ
る弱い電磁誘導とが混交し、従って一般的入力電力であ
る５０乃至６０Ｈｚ程度の周波数による閉磁路及び開磁
路による電磁誘導においては、永久磁石１の磁束密度を
初めヨーク２内の走磁磁束密度、閉磁路及び開磁路を確
実且瞬時に変換しえる磁化コイル３の交番磁場における
発生磁束密度及び電磁誘導に伴う効率的な起電力の取り
出し等が著しく限定された条件を満足する設計がなされ
ぬと、入力電力／出力電力比の大きな発電が実現されに
くい。

【００１９】他方誘導コイル４が形成されてなるヨーク
２の磁束方向の変換時には、該誘導コイル４内には定常
的電磁誘導作用に基づく起電力（発生電流）に対して大
きな発生電流が現出する所謂過渡現象が発見されるが、
該過渡現象は数拾乃至数百μ秒内に消失するために、一
般的入力電力における５０若しくは６０Ｈｚの低周波数
の入力電力による電磁誘導においては、実効的誘導効果
としての出力には至らない。そこで図５に示す如く磁束
方向の変換サイクルを著しく高めて変換サイクル時に現
出する過渡現象で発生する大きな発生電流を連続して促
え実効的誘導効果として起電させる手段が好適であるこ
とから、磁化コイル３への入力電力の周波数をサイクル
チェンジャー若しくはインバーターの如き周波数変換装
置５により高周波数に変換して入力させることが望まれ
る。かかる場合に高い実効的誘導効果を得るには本発明
発電装置６の設計条件によっても異るが、実用化テスト
においては略３，０００乃至３０，０００Ｈｚの高周波
入力電力の場合で、入力電力／出力電力比が１．４乃至
２．６倍程度まで確認されている。

【００２０】本発明は携帯機器等の電力としてその電源
に乾電池を使用する場合には前述のインバーターを介在
させて交流変換のうえ入力電力として入力させて使用さ
れるが、産業用電力として使用する場合には高電力が要
請される。かかる場合における本発明の使用においては
図６に示すように、所定の交流電力を磁化コイル３に入
力し誘導コイル４からの出力電力を適宜数の本発明発電
装置６の磁化コイル３に入力させて、その誘導コイル４
からの出力電力を更に別の本発明発電装置６の磁化コイ
ル３に入力させる方法により所望の高電力の発電が実現
される。

【００２１】更に本発明発電装置６の長時間稼動におい
ても発明者の実験においては、アルニコ磁石からなりそ
の残留磁束密度が８．４５ＫＧの永久磁石１を用いソフ
トフェライト素材で厚さ１０ｍｍ幅１５ｍｍヨーク２の
長さ２５ｃｍのコ形ヨーク２の２本をその厚さが０．０
３ｍｍのアルミ板からなる薄膜常磁性体２０を介して挟
持配位させ、且入力電力によりその交番磁場の磁束密度
が６．２ＫＧとなる磁化コイル３をヨーク２の端縁に設
け、この磁化コイル３にその周波数が１６００Ｈｚ、２
４Ｖ２．６Ｗの交流電力を入力し、出力３２Ｖ３．１Ｗ
の発電を２４０時間連続させた後、永久磁石１の残留磁
束密度を測定した結果ではその低下率は０．１％以下で
あり、長時間稼動も十分に可能である。

【００２２】

【発明の効果】本発明は以上述べたように所要の磁束密
度を有する永久磁石の走磁路が、該永久磁石の両側端に
ヨークを挟持配位させて形成されるため、ヨークによる
実質的走磁路が著しく短かくなり、走磁する永久磁石の
磁束密度の減衰が防止され、而も走磁する永久磁石の磁
束密度の入口及び出口となるヨークの端縁に走磁する磁
束方向に対し、順行し若しくは逆行する交番磁場を発生
させて閉磁路及び開磁路化を図る磁化コイルが設けられ
てなるから、閉磁路及び開磁路の変換が確実に且瞬時に
制御され、而も高周波数の交番磁場においても変換が確
実になされ誘導コイルへの電磁誘導効果が著しく高ま
る。加えて入力電力に高周波電力が使用されることによ
り過渡現象として現出する大きな電力（電流）も誘導コ
イルにおいて連続した実効電力として出力されること等
により、入力電力に対し大きな出力電力が発電しえる画
期的な発電方法及び発電装置といえる。

【図面の簡単な説明】

【図１】永久磁石とヨークとの挟持配位説明図である。

【図２】薄膜常磁体が介在された永久磁石とヨークの挟
持配位説明図である。

【図３】入力電流と走磁路の説明図である。

【図４】本発明発電装置の説明図である。

【図５】周波数変換装置を用いた発電装置の説明図であ
る。

【図６】大電力発電のための接続説明図である。

【符号の説明】

１ 永久磁石 １Ａ 永久磁石の両側端 １Ｂ 永久磁石の両側端 ２ ヨーク ２Ａ ヨークの端縁 ２Ｂ ヨークの端縁 ２０ 薄膜常磁性 ３ 磁化コイル ４ 誘導コイル ５ 周波数変換装置 ６ 本発明発電装置

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所要磁束密度の永久磁石の両側端を挟ん
   で対称的にヨークを配位させ、永久磁石の走磁路をそれ
   ぞれのヨークを経由して閉磁路を形成し、且このヨーク
   の端縁に永久磁石の走磁路と順行し若しくは逆行する磁
   路を発生せしめて、永久磁石の走磁路を閉磁路及び開磁
   路に制御しえる磁化コイルを形成し、且対称的ヨークの
   側面に電磁誘導による起電力を取り出す誘導コイルを設
   け、磁化コイルに交流電力を入力し交番磁場により永久
   磁石の走磁路の閉磁路及び開磁路によって永久磁石の磁
   束密度が加重された電磁誘導を創出せしめ、以って入力
   電力より大きな出力電力を発電させることを特徴とする
   発電方法。
2. 【請求項２】 所要の磁束密度の永久磁石と該永久磁石
   の両側端に対称的に配位されるヨークと、該ヨークの端
   縁に形成され且永久磁石の走磁路と順行し若しくは逆行
   する磁路を発生せしめて該走磁路を閉磁路及び開磁路に
   制御しえる電磁石による磁束密度を発生する磁化コイル
   と、電磁誘導により起電力を取出すためにヨークの側面
   に形成される誘導コイルとからなる発電装置。
3. 【請求項３】 磁化コイルに入力される交流電力が、適
   宜の周波数変換装置により高周波数に変換され入力され
   る請求項１記載の発電方法。
4. 【請求項４】 永久磁石の両側端とヨークとが、薄膜常
   磁性体を介して配位される請求項２記載の発電装置。