JP2008172911A - 電流供給機構 - Google Patents

Abstract

【課題】複数種類の誘導電流を電力負荷に供給することが出来る電流供給機構の提供。
【解決手段】第１のモータ（１）と、その出力軸（１１）と連結している回転軸（１３）と、該回転軸（１３）に結合している複数のフライホイール（８１、８２）とを有しており、各フライホイール（８１、８２）の上面（８１Ａ、８２Ａ）及び下面（８１Ｂ、８２Ｂ）の各々には周縁部全周に亘って複数の永久磁石（１２０Ａ、１２２Ａ：１２０Ｂ、１２２Ｂ）が埋設されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、入力された電流でモータを駆動し、モータの回転駆動を回転機構において電流に変換し、その電流を負荷（電力負荷）に供給する電流供給機構に関する。

係る電流供給機構においては、磁場内でコイルを回転することにより、誘導電流を発生せしめている。そして従来技術では、単一種類の誘導電流のみを発生している。
ここで、電力負荷によっては、複数種類の誘導電流を発生することが好都合な場合がある。そのため、単一の電流供給機構を介して、複数種類の誘導電流を、電力負荷へ供給することが要請されている。
しかし、従来は、発生する誘導電流は一種類のみであるため、係る要請に応えることは出来なかった。

その他の技術として、ブラシレスモータのシャフトをエンジンの出力軸に連結して、ブラシレスモータをエンジンのスタータ及び発電機として利用し、設置スペースが小さく、大型のスタータリレーを必要としない技術が提案されている（特許文献１参照）。
しかし、係る技術は自動車に搭載されることを前提としており、その他には適用することが出来ないという問題を有している。また、複数種類の電流を電力負荷側に供給することを目的とはしていない。
特開２００１−２７１７２９号公報

本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、複数種類の誘導電流を電力負荷に供給することが出来る電流供給機構の提供を目的としている。

本発明の電流供給機構は、電流が入力される第１のモータ（１）と、クラッチ（ワンウェイクラッチ３）を介して第１のモータ（１）の出力軸（１１）と連結している回転軸（１３）と、該回転軸（１３）に結合している複数のフライホイール（８１、８２）とを有しており、各フライホイール（８１、８２）の上面（８１Ａ、８２Ａ）及び下面（８１Ｂ、８２Ｂ）の各々には周縁部全周に亘って複数の永久磁石（１２０Ａ、１２２Ａ：１２０Ｂ、１２２Ｂ）が埋設されており、各フライホイール（８１、８２）の上面（８１Ａ、８２Ａ）に対向する部材（上方のコイル取付部材１６Ａ、１７Ａ）には、上側の永久磁石（１２０Ａ、１２２Ａ）に対応する半径方向位置に上方のコイル（６Ａ、７Ａ）が円環状に複数配置されており、各フライホイール（８１、８２）の下面（８１Ｂ、８２Ｂ）に対向する部材（下方のコイル取付部材１６Ｂ、１７Ｂ）には、下側の永久磁石（１２０Ｂ、１２２Ｂ）に対応する半径方向位置に下方のコイル（６Ｂ、７Ｂ）が円環状に複数配置されており、１個のフライホイールを挟むように配置された複数の上方のコイル（７Ａ）及び複数の下方のコイル（７Ｂ）は第２のモータ（２）の入力側に接続し、他方のフライホイールを挟むように配置された複数の上方のコイル（６Ａ）及び複数の下方のコイル（６Ｂ）は電力負荷（図示せず）に接続しており、第２のモータ（２）の出力は機械的伝達手段（例えば、ベルト５とプーリ４、２２）により前記回転軸（１３）に伝達される様に構成されていることを特徴としている（請求項１）。

前記複数のフライホイールの内の少なくとも1つ（８２）は他のフライホイール（８１）に対して直径が異なる（請求項２）。

本発明において、前記クラッチ（ワンウェイクラッチ３）は、第２のモータ（２）から回転軸（１３）に伝達された回転が第１の所定回転数（例えば１８０ｒｐｍ）以下では回転を伝達する（「接」状態）が、第２の所定回転数（例えば２００ｒｐｍ）以上では回転の伝達を遮断する（「断」状態）様に構成されているのが好ましい（請求項３）。

上述する構成を具備する本発明によれば、第１のモータ（１）が回転し、回転軸（１３）及びフライホイール（８１、８２）が回転すると、フライホイール上・下面（８１Ａ、８１Ｂ：８２Ａ、８２Ｂ）に取り付けられた永久磁石（１２０Ａ、１２０Ｂ：１２２Ａ、１２２Ｂ）が上方及び下方のコイル（６Ａ、６B：７Ａ、７Ｂ）間を移動し、永久磁石（１２０Ａ、１２０Ｂ：１２２Ａ、１２２Ｂ）の磁場に対して上方及び下方のコイル（６Ａ、６B：７Ａ、７Ｂ）が相対的に移動することになり、上方及び下方のコイル（６Ａ、６B：７Ａ、７Ｂ）に誘導電流が発生する。
一つのフライホイール（８２）に対向する上下面のコイル（７Ａ、７B）に発生する誘導電流は、例えば、第２のモータ（２）に供給されて、第２のモータ（２）を駆動する。第２のモータ（２）を駆動すると、その回転出力は機械的伝達手段（例えば、ベルト５とプーリ４、２２）を介して回転軸（１３）に伝達される。そして、フライホイール（８１、８２）の仕様が異なれば、発生する誘導電流も異なり、複数種類の誘導電流を発生することが可能である。

また、少なくとも１つ以上のフライホイール（８１）に対向する上下面のコイル（６Ａ、６B）に発生する誘導電流は、例えば図示しない電力負荷に供給する事が出来る。
すなわち、第２のモータ（２）を駆動するための電流と、電力負荷に供給するため電流という２種類の誘導電流を発生することが出来る。

このように本発明によれば、第１のモータ（１）に供給される電力が、フライホイール（８１、８２）、永久磁石（１２０Ａ、１２０Ｂ：１２２Ａ、１２２Ｂ）、上方及び下方のコイル（６Ａ、６B：７Ａ、７Ｂ）により、第２のモータ（２）の入力側と図示しない電力負荷側とに分配される。そして、第２のモータ（２）に入力された電流は、フライホイール（８１、８２）の回転に寄与する。

前記複数のフライホイールの内の少なくとも1つ（８２）を他のフライホイール（８１）に対して直径が異なるように構成すれば、或いは、全てのフライホイールの直径を異なるように構成すれば、別種の発電が可能となる。別種の発電が可能となれば、幅広い電力需要に対処できる。さらに、別種の発電が可能であれば、変圧器や変電施設と同様な効果を発揮することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る電力供給機構の全体構成を示している。図１において、電力供給機構は全体を符号１０で示されている。
図２は実施形態におけるフライホイールを立体的に示しており、図３は実施形態におけるコイル支持部材を立体的に示している。

図１において、電力供給機構１０は、第１のモータ１と、第1のモータ１の出力軸１１とワンウェイクラッチ３を介して接続されている回転軸１３と、回転軸１３に結合されているフライホイール８１（２個）及び８２（１個）と、第２のモータ２と、これ等の部材を収容するケーシング１４とを有している。

ケーシング１４は、ケーシング内周面の上下方向６箇所に、円環状の突出部１４ａが形成されている。ケーシングの内周面における各円環状の突出部１４ａから後述のコイル取付部材（１６Ａ、１６Ｂ：１７Ａ、１７Ｂ）の厚み分だけ上方に隔たった位置には、ブラケット１０１が公知の手段、例えば図示しないボルトによって取り付けられるように構成されている。
即ち、隣接する１組の円環状の突出部１４ａとブラケット１０１とが１枚のコイル取付部材（１６Ａ、１６Ｂ、１７Ａ、１７Ｂの何れか）をケーシング１４内に固定するように構成されている。なお、コイル取付部材（１６Ａ、１６Ｂ、１７Ａ、１７Ｂ）は、後述するように、上下２枚（１６Ａと１６Ｂ、或いは、１７Ａと１７Ｂ）が１組となり、１台の発電機構（Ｇ１或いはＧ２）の構成の一部を成す。

図１では、回転軸１３に沿って、独立した発電機構が３台（Ｇ１が２台、Ｇ２が１台）設けられている。即ち、１台の発電機構Ｇ１或いはＧ２は、隣接する２枚のコイル取付部材１６Ａ、１６Ｂ或いは１７Ａ、１７Ｂと、１枚のフライホイール８１或いは８２とにより構成されている。
３台の発電機構の内、上２段（Ｇ１）は同じ仕様であり、下段の発電機構（Ｇ２）は、上２段のフライホイール８１に対して、フライホイール８２の直径が小さく形成されている。
何れのフライホイール８１、８２も、図示の例では、アルミニウムで構成されている。

図２をも参照して、フライホイール８１の上面８１Ａには、周縁部８１Ｒ全周にわたって、上方の永久磁石１２０Ａが複数（例えば７２個）埋設されている。フライホイール８１の下面８１Ｂには、周縁部８１Ｒ全周にわたって、下方の永久磁石１２０Ｂが複数（例えば７２個）埋設されている。

上方の永久磁石１２０Ａ及び下方の永久磁石１２０Ｂは、フライホイール８１の厚みの中心に対して、上下対称の位置に配置されている。上方の永久磁石１２０Ａと下方の永久磁石１２０Ｂとは、磁極は異なるが、概略フライホイールの周縁部８１Ｒ側が開いた扇状で同じ形状に形成されている。即ち、上方の永久磁石１２０Ａと下方の永久磁石１２０Ｂとは、アルミニウムを挟んで引付け合うように構成されている。

フライホイール８１の周縁部８１Ｒ近傍においては、上方の永久磁石１２０Ａ及び下方の永久磁石１２０Ｂの厚みと、上下双方の永久磁石１２０Ａ、１２０Ｂによって挟まれたアルミホイール８１の板厚を合計した寸法（フライホイール厚さ方向の寸法）は、フライホイール８１の永久磁石が埋設されていない領域の厚みと同じ寸法となるように構成されている。

図２のような斜視図としては示していないが、フライホイール８２の上面８２Ａには、周縁部全周にわたって、上方の永久磁石１２２Ａが複数（例えば１６個）埋設されている。フライホイール８２の下面８２Ｂには、周縁部全周にわたって、下方の永久磁石１２２Ｂが複数（例えば１６個）埋設されている。
フライホイール８２におけるフライホイール（アルミニウム板）８２と上方の永久磁石１２２Ａ及び下方の永久磁石１２２Ｂとの配置、厚みに関しては、フライホイール８１と同様に構成されている。

図４は、フライホイール８１の第１変形例に係るフライホイール８１１を示す。
図２のフライホイール８１に埋設された上方の永久磁石１２０Ａ及び下方の永久磁石１２０Ｂは、フライホイールの周縁部８１Ｒに永久磁石１２０Ａ、１２０Ｂの一部（外縁）が露出している。
それに対して、図４の第１変形例に係るフライホイール８１１は、永久磁石１２０Ａ、１２０Ｂの外縁１２０Ａｒ、１２０Ｂｒが、フライホイール８１１の周縁部８１１Ｒよりも、半径方向の内方に埋設されている。

図４のフライホイール８１１において、上記以外の構成及び作用効果については、図２のフライホイール８１と同様である。

図５は、フライホイール８１の第２変形例に係るフライホイール８１２を示す。
図５の第２変形例に係るフライホイール８１２は、アルミホイールに埋設された永久磁石１２０Ａ、１２０Ｂのアルミホイール８１２との境界面（永久磁石１２０Ａ、１２０Ｂの外周面）を、枠体（隔壁）Ｗで被覆している。

図５の第２変形例に係るフライホイール８１２の、上記以外の構成及び作用効果については、図４のフライホイール８１１と同様である。

図３において、フライホイール８１の上面８１Ａに対向する上方のコイル取付部材１６Ａには、上方の永久磁石１２０Ａ（図２参照）に対応する半径方向位置に、上方のコイル６Ａが円環状に複数（図示の例では５４個）配置されている。
図３のような斜視図としては描いてはいないが、フライホイール８１の下面８１Ｂに対向するコイル取付部材１６Ｂ（下方のコイル取付部材）には、下方の永久磁石１２０Ｂに対応する半径方向位置に、下方のコイル６Ｂが円環状に複数（図示の例では５４個）配置されている（図１参照）。
図示の実施形態では、上方及び下方のコイル取付部材１６Ａ、１６Ｂ及び１７Ａ、１７Ｂは樹脂によって構成されている。

フライホイール８２の上面８２Ａに対向する上方のコイル取付部材１７Ａには、上方の永久磁石１２２Ａに対応する半径方向位置に、上方のコイル７Ａが円環状に複数（図示の例では１２個）配置されている（図１参照）。
フライホイール８２の下面８２Ｂに対向する下方のコイル取付部材１７Ｂには、下方の永久磁石１２２Ｂに対応する半径方向位置に、下方のコイル７Ｂが円環状に複数（図示の例では１２個）配置されている（図１参照）。

ケーシング１４の底部１４ｂにおける中心部の上面には、円盤状のフランジと円筒状の突出部とを有する軸受１９が、公知の手段によって取り付けられている。軸受１９は、回転軸１３の下端近傍を、回転自在に支持している。

フライホイール８１を有する上段の発電機構Ｇ１において、発電の仕組みを説明する。発電機構Ｇ１のフライホイール８１が回転すると、フライホイール８１の上下面に埋設された永久磁石１２０Ａ、１２０Ｂが円周方向へ移動して、上方と下方のコイル６Ａ、６Ｂの間を横切る様に移動するので、コイル６Ａ、６Ｂに誘導電流が発生する。

上２段の発電機構Ｇ１のコイル６Ａ、６Ｂに発生した誘導電流は、コイル６Ａ、６Ｂに接続した第１のケーブルＣ１によって、図示しない電力負荷に接続されている。
同様に、下段の発電機構Ｇ２のコイル７Ａ、７Ｂに発生した誘導電流は、コイル７Ａ、７Ｂに接続した第２のケーブルＣ２によって、第２のモータ２の入力側に接続されている。

ここで、第２のモータ２は、ラインＧＰ−１を介して外部からエネルギ（駆動電力）を供給することが可能である。
また、回転軸１３は、伝達系ＧＰ−２を介して、外部から回転動力を供給可能である。

第１のモータ１は、伝達系ＧＰ−０によって、商用電源Ｅと接続されている。商用電源Ｅにより第１のモータ１を駆動すると、第1のモータ２の出力軸１１は例えば１８０ｒｐｍ程度で回転する。その回転は、ワンウェイクラッチ３、回転軸１３を介して各フライホイール８１、８２に伝達される。

図示の実施形態によれば、第１のモータ１に供給される電流が、各フライホイール８１、８２を回転させ、永久磁石１２０Ａ、１２０Ｂ、１２２Ａ、１２２Ｂが、上方、下方のコイル６Ａ、６Ｂ、７Ａ、７Ｂの間を横切ることにより、誘導電動が発生する。
発生した誘導電流は、第２のモータ２の入力側と、図示しない電力負荷側とに分配される。

第２のモータ２の回転は、モータの出力軸２１から、プーリ４、ベルト５、プーリ２２を介して、回転軸１３に伝達される。
回転軸１３が回転すると共にフライホイール８１、８２が回転し、その結果、下段の発電機構Ｇ２のコイル７Ａ、７Ｂに誘導電流が発生する。
発生した電流は、第２のモータ２に供給される。第２のモータ２の回転は、回転軸１３の回転を促進するように作用する。

ここで、プーリ４、ベルト５、プーリ２２を介して回転軸１３に伝達される回転が、例えば２００ｒｐｍとなれば、ワンウェイクラッチ３は第１のモータ１の出力軸１１と、回転軸１３との機械的な接続を遮断する。それ以降、第１のモータ１の回転は、各フライホイール８１、８２には伝達されない。
なお、図１の例では、プーリ２２側にもクラッチ３０を装備しているが、クラッチ３０を省略することも可能である。

上述した様なワンウェイクラッチ３、クラッチ３０については、公知、市販のものをそのまま適用することが出来る。

プーリ４、ベルト５、プーリ２２を介して回転軸１３に伝達される回転が、例えば１８０ｒｐｍ程度まで低下すると、ワンウェイクラッチ３により、第１のモータ１の出力軸１１と回転軸１３とは、再び機械的に接続される。

図１では、下段の発電機構Ｇ２のコイル７Ａ、７Ｂ側で発生した電流がケーブルＣ２経由で第２のモータ２に供給され、上２段の発電機構Ｇ１のコイル６Ａ、６Ｂ側で発生した電流がケーブルＣ１経由で図示しない電力負荷に供給されているが、これを逆にしても良い。
すなわち、上２段の何れかの発電機構Ｇ１のコイル６Ａ、６Ｂ側で発生した電流を第２のモータ１に供給し、残る２台Ｇ１、Ｇ２で発生した電流を図示しない電力負荷に供給しても良い。

ここで、フライホイール８１、８２は、摩擦抵抗を小さくするために、アルミニウムのような軽量部材で構成されるのが好ましい。そして、フライホイール８１、８２がアルミニウムのような非磁性体金属材料で構成されている場合には、フライホイール８１、８２に渦電流を発生せしめ、「アラゴの円盤」の原理でフライホイール８１、８２が回転するように構成することも可能である。

各フライホイール８１、８２の下面側における半径方向内側の領域で、回転軸１３近傍には、永久磁石２４が環状に配置されている。一方、下方のコイル取付部材１６Ｂ、１７Ｂの上面側で、回転軸１３近傍には、永久磁石２６が環状に配置されている。
永久磁石２４、２６は同一極が対向する様に配置されており、永久磁石２４、２６間で反撥力が作用するように構成されている。永久磁石２４、２６の反撥力は、フライホイール８１、８２を浮上しようとする方向へ作用して、フライホイール８１、８２の回転の抵抗を低減する。

図示の実施形態によれば、第１のモータ１が回転することにより、下方の発電機構Ｇ２のコイル７Ａ、７Ｂに誘導電流が発生し、その誘導電流は、例えば、第２のモータ２に供給されて、第２のモータ２を駆動する。第２のモータ２を駆動すると、その回転出力はベルト５とプーリ４、２２を介して回転軸１３に伝達される。

上方の発電機構Ｇ１のフライホイール８１が回転すると、上方の発電機構Ｇ１のコイル６Ａ、６Ｂに誘導電流が発生し、この誘導電流は、例えば図示しない電力負荷に供給される。

このように、第１のモータ１に供給される電力が、フライホイール８１、８２を回転させ、各フライホイールを有する発電機構Ｇ１、Ｇ２は誘導電流を発生させ、その誘導電流は、第２のモータ２の入力側と図示しない電力負荷側とに分配される。そして、第２のモータ２に入力された電流は、フライホイール８１、８２の回転に寄与する。

すなわち、発生した誘導電流は電力負荷に供給されると共に、磁場に対してコイルが相対的に回転移動するのを促進するために利用することが可能である。

図示の例では、下段の発電機構Ｇ２に生じた誘導電流を第２のモータ２に入力しているが、上段の発電機構で生じた誘導電流を第２のモータ２に入力することも可能である。

ここで、３段の発電機構Ｇ１、Ｇ２の仕様を全て共通にすることも出来る。その場合、各フライホイールに独立したクラッチ機構を装備し、夫々のフライホイールを順に作動させれば、電力供給機構１０全体を２４時間継続運転しても、各発電機構の寿命は大幅に延びる。

また、３段の発電機構Ｇ１、Ｇ２の仕様（例えばフライホイールの直径及びフライホイールに埋設した永久磁石の個数等）を全て異なるように設定することにより、それぞれ別種の発電が可能となる。別種の発電が可能となれば、幅広い電力需要に対処できる。
さらに、別種の発電が可能であれば、変圧器や変電施設と同様な効果を発揮することができる。

格段の発電機構Ｇ１、Ｇ２毎に結線を変更し、例えば、単相と３相を発電することが出来ると同時に、直列と並列の組合せによって、より大きな電圧の電気装置をも駆動可能となる。

また、フライホイール８１（或いは８２）の周縁部における上方の永久磁石１２０Ａ（或いは１２２Ａ）及び下方の永久磁石１２０Ｂ（或いは１２２Ｂ）の厚みと、上下双方の永久磁石１２０Ａ（或いは１２２Ａ）、１２０Ｂ（或いは１２２Ｂ）によって挟まれたアルミホイールの板厚の合計は、フライホイール８１（或いは８２）の永久磁石が埋設されていない領域の厚みと同じ厚さ寸法となる様に構成されているので、フライホイールが回転する際の空気抵抗は極めて少ない。

図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではないことを付記する。

本発明の実施形態の全体構成を示す一部断面側面図。 図１の実施形態におけるフライホイールの斜視図。 図１の実施形態におけるコイル支持部材の斜視図。 フライホイールの第１変形例の斜視図。 フライホイールの第２変形例の斜視図。

符号の説明

１・・・第１のモータ
２・・・第２のモータ
３・・・クラッチ／ワンウェイクラッチ
４・・・プーリ
５・・・ベルト
６Ａ・・・上方のコイル
６Ｂ・・・下方のコイル
７Ａ・・・上方のコイル
７Ｂ・・・下方のコイル
１０・・・電力供給機構
１１・・・モータの回転軸
１４・・・ケーシング
１６Ａ・・・上方のコイル取付部材
１６Ｂ・・・下方のコイル取付部材
１７Ａ・・・上方のコイル取付部材
１７Ｂ・・・下方のコイル取付部材
１９・・・軸受
２１・・・モータの回転軸
２２・・・プーリ
１２０Ａ、１２０Ｂ：１２２Ａ、１２２Ｂ・・・永久磁石

Claims (3)

1. 電流が入力される第１のモータと、クラッチを介して第１のモータの出力軸と連結している回転軸と、該回転軸に結合している複数のフライホイールとを有しており、各フライホイールの上面及び下面の各々には周縁部全周に亘って複数の永久磁石が埋設されており、各フライホイールの上面に対向する部材には、上側の永久磁石に対応する半径方向位置に上方のコイルが円環状に複数配置されており、各フライホイールの下面に対向する部材には、下側の永久磁石に対応する半径方向位置に下方のコイルが円環状に複数配置されており、１個のフライホイールを挟むように配置された複数の上方のコイル及び複数の下方のコイルは第２のモータの入力側に接続し、その他のフライホイールを挟むように配置された複数の上方のコイル及び複数の下方のコイルは電力負荷に接続しており、第２のモータの出力は機械的伝達手段により前記回転軸に伝達される様に構成されていることを特徴とする電流供給機構。
2. 前記複数のフライホイールの少なくとも1つは他のフライホイールに対して直径が異なる請求項1の電流供給機構。
3. 前記クラッチは、第２のモータから回転軸に伝達された回転が第１の所定回転数以下では回転を伝達するが、第２の所定回転数以上では回転の伝達を遮断する様に構成されている請求項１の電流供給機構。

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