JP2009296869A - 発電電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】直流発電・蓄電・電動による直流送電による電源分散と機能の融合を図る。
【解決手段】界磁電機子組体３を支持しつつ電気的に接続する界磁電機子集電組体１０を備え、界磁電機子組体３が、直流磁場の磁場発生部４ａ，４ｂと、これとともに磁気的に直列の閉磁路を構成する磁気回路部５とを備える界磁体１と、電気回路部６を備える電機子体２とを備え、界磁電機子集電組体１０が、電気回路部６を挟む集電滑動部９と、電気回路部６に固定され、集電滑動部９に対して相対移動可能に接触しつつ電気的に接続される電気滑動部７とを備え、電気回路部６と磁気回路部５とが、電磁誘導交叉部および電磁非誘導交叉部において交叉し、電磁誘導交叉部および電磁非誘導交叉部は、磁気回路部５の磁場配向は互いに反対向きで、かつ、発電時の起電力方向または電動時の電流方向に並んで配列されている発電電動機２０を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流発電機、直流電動機および発電電動蓄電装置のような発電電動機に関する。

直流機は、界磁側が交番磁界と直流磁界によるものがあり、多極交番磁界タイプは整流子付の直流機として交流機と共に今日まで普及して来ている。一方単極非交番磁界タイプは、１８２１年にマイケル・ファラデーが発見した単極電磁誘導による単極発電機が最初である。その後ニコラ・テスラ等が単極機の改善を試みて来たが低電圧・大電流の用途が広がらず、直流送電・直流機器が普及しないまま、交流送電・交流機器が主流となり現在に至った。

しかし、電源としての実使用の段階では直流電源を必要とするので、インバータやコンバータの技術が今日の電力変換の大きな技術革新を生んでいる。
また近年になって環境エネルギーの問題が大きくなるにつれて、分散型電源の普及が望まれるようになってきた。例えば、無停電電源装置ＵＰＳ（Ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ）には交流出力と直流出力のものがあるが、交流出力に比べ、直流出力は小さいので使用範囲が限定されてきた。しかし、ここに来て電源の分散化が進むにつれ直流電源・直流送電の研究・開発が進んできた。

更に環境問題の再生可能エネルギー対応として、太陽熱、太陽光、水力、風力、海洋（波浪・海流・温度差・潮汐）地熱、バイオマス等のエネルギー変換は電気である。電力への変換技術は最近では、発電機以外の２次電池・燃料電池・キャパシタ等が特に分散化エネルギーの要素技術として研究・開発が進み、燃料補給・充放電の技術がエネルギーの分散化と機能の融合化の技術を加速してきている。

米国特許第５２３９９８号明細書（図１、図２） 特開昭５５−１５５５７１号公報（１頁、図１、図２、図３） 特開平９−２３８４５８号公報（４頁、図１、図２、図３） 特許第３１２７６８４号公報（１頁、４頁、図１、図２） 米国特許第３５２２３４号明細書（図１） 米国特許第４０２４４２２号明細書（１頁、図１） 米国特許第７１４８６００号明細書 特許第３０９４９４２号公報（１頁、図１）

しかしながら、現在でも交流の発電と送電が主体になっているが、これでは電力の分散化・機能の融合による環境対応が難しい。
直流発電・直流送電が電力の制御効率から言っても、電力の分散化と電力機能の融合化に適応可能である。

直流発電に対応できる単極発電機は最大の利点は交番磁界が発生しないので電磁ノイズ、つまり高調波ノイズが基本的に発生しない。また直流電源に直結可能な唯一の発電機である。しかし最大の欠点が未だに解決されていない。それは低電圧大電流と電気摺動子磨耗の問題である。個別に改善はされてきてはいるものの、直流送電も含めたシステムとしての改善と統合化は図られて来なかった。これが現在でも普及していない最大の原因である。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、直流を発電し、直流を蓄電し、直流で駆動するという、直流発電・蓄電・電動による直流送電による電源の分散化と機能の融合化を図ることにより環境問題に適応可能な発電電動機を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明は、界磁電機子組体と、該界磁電機子組体を移動可能に支持しつつ電気的な接続を維持する界磁電機子集電組体とを備え、前記界磁電機子組体が、界磁体と、電機子体とを備え、前記界磁体が、一対の磁極を有する直流磁場を発生する磁場発生部と、該磁場発生部とともに磁気的に直列の閉磁路を構成する磁気回路部とを備え、前記電機子体が、電気回路部を備え、前記界磁電機子集電組体が、前記電気回路部を挟む位置に配置された集電滑動部と、前記電気回路部に固定され、前記集電滑動部に対して相対的に移動可能に接触するとともに電気的に接続される電気滑動部とを備え、前記電気回路部と前記磁気回路部とが、電磁誘導交叉部および電磁非誘導交叉部において交叉し、前記電磁誘導交叉部および前記電磁非誘導交叉部における前記磁気回路部の磁場配向は互いに反対向きの関係にあり、かつ前記電磁誘導交叉部および前記電磁非誘導交叉部が、発電時の起電力方向または電動時の電流方向に並んで配列されている発電電動機を提供する。
このようにすることで、界磁電機子組体としては、より少ない電磁非誘導交叉部を構成できる。

上記発明においては、前記界磁電機子組体が、磁気的に並列な複数の前記界磁体を備えていてもよい。
また、上記発明においては、前記電機子体が、相互に平行に配される複数の前記電気回路部と該電気回路部を電気的に直接連結する電気接続部とを備え、隣接する前記電気回路部の前記電磁誘導交叉部で前記電気回路部に交叉する前記磁気回路部の磁場配向は互いに反対向きになっていてもよい。このようにすることで、有効磁束密度を向上させることができる。

また、上記発明においては、前記電磁非誘導交叉部が、前記電気接続部に設けられていてもよい。
また、上記発明においては、前記界磁電機子組体が、軸受により回転自在に支持された回転軸を備えていてもよい。

また、上記発明においては、前記界磁電機子組体が、電気的に直列な複数の前記電気回路部を備えてもよい。これにより、高い誘起電圧を得ることが可能となる。

また、上記発明においては、前記電気接続部が、軸方向に隙間をあけて配置される一対の円筒状に形成され、前記隙間を跨いで前記一対の電気接続部に摺動可能に接触しつつ両電気接続部を電気的に接続する少なくとも１つの電気接続子を備えていてもよい。
また、上記発明においては、前記界磁電機子組体が、前記回転軸回りに周方向に複数配列され、かつ互いに電気的に分離されていてもよい。

また、上記発明においては、前記界磁電機子集電組体が、前記回転軸回りに周方向に複数配列され、かつ互いに電気的に分離されていてもよい。これにより、同時充放電が可能となる。
また、上記発明においては、前記電機子体が導電性材からなり、前記磁気回路部が磁性材からなり、前記磁場発生部が永久磁石からなっていてもよい。

また、上記発明においては、前記磁場発生部が、極異方性磁石からなっていてもよい。
また、上記発明においては、前記磁場発生部が、巻線コイルからなっていてもよい。

また、上記発明においては、前記磁気回路部と前記電気回路部とが交叉する前記電磁非誘導交叉部が、電磁遮蔽部材で遮蔽されていてもよい。このようにすることで、電気と磁気の分離効率を向上することができる。
また、上記発明においては、前記磁場発生部が、超伝導材料からなっていてもよい。

また、上記発明においては、前記集電滑動部および前記電気滑動部が、正極または負極の回転電極体および固定電極体からなり、前記回転電極体と前記固定電極体とが、隙間を空けて配置され、該隙間にキャピラリーシールにより形成された空間に電解液が充填されていてもよい。
このようにすることで、隙間をあけて配置された回転電極体と固定電極体との電極間の電解液を介して電解液イオンを流通させ、かつ回転電極体と固定電極体をキャピラリーシールした蓄電組体の内蔵可能となり、発電・制動・電動の本来の電磁エネルギー変換効率を向上させることができる。

また、上記発明においては、前記電解液を挟んで対向する前記回転電極体と固定電極体とが電気二重層を形成していてもよい。
このようにすることで、互いの欠点である低電圧・大電流を介して電流電源内蔵の高速充放電サイクルが可能になる。

本発明によれば、界磁電機子組体は高磁束密度の積層（スタック）で薄型の直列結線化が可能となり、小型高効率で皮相電力がなく高調波ノイズを含まない純粋な直流の動力発電装置が実現できるという効果を奏する。
また本発明によれば、発電・電動・蓄電の融合が図られることにより、システム全体の電力の発生・消費・再生の循環を図ることができるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態の斜視図である。 図１の断面図である。 本発明の複数の界磁電機子組体からなる第１の実施形態の断面図である。 本発明の第２の実施形態の斜視図である。 図４の断面図である。 図５における磁場発生部を極異方性磁石にし、電磁非誘導交叉部を１部電気回路部に設けた場合の第２の実施形態の断面図である。 図５における磁場発生部を極異方性磁石にし、電磁非誘導交叉部を全部電気回路部に設けた場合の第２の実施形態の断面図である。 本発明の複数の界磁電機子組体からなる第２の実施形態の断面図である。 本発明の集電体間の軸線を中心に対称の界磁電機子組体からなる第２の実施形態の断面図である。 本発明の第３の実施形態の断面図である。 図１０のＡ−Ａ矢視を軸方向から見た断面図である。 本発明の第４の実施形態の電磁等価回路断面図である。 図１２のＢ−Ｂ矢視を軸方向から見た断面図である。 本発明の第５の実施形態の断面図である。 図１４のＣ−Ｃ矢視を軸方向から見た断面図である。 本発明の第６の実施形態の断面図である。 図１６のＤ−Ｄ矢視を軸方向から見た断面図である。 図１６、図１７の回転動作図、（Ａ）、（Ｂ）は充放電状態、（Ｃ）はＯＦＦ状態、（Ｄ）、（Ｅ）は逆充放電状態である。 本発明の第７の実施形態の断面図である。 本発明の第８の実施形態の断面図、巻線コイル図（Ａ）は界磁超伝導コイル使用の断面図、（Ｂ）は（Ａ）の１部拡大図、（Ｃ）は角形巻線コイル（Ｄ）は丸形巻線コイルである。 本発明の第９の実施形態の蓄電組体の断面図、（Ａ）は回転電極体が内周側で、（Ｂ）は回転電極体が外周側である。 本発明の第９の実施形態の発電電動蓄電装置の断面図である。

本発明の一実施形態に係る発電電動機について、図面を参照して以下に説明する。
本発明の第１の実施形態を図１〜図３に示す。

図１は発電状態の発電電動機２０の斜視図であり、電機子体２の長方形の電気回路部６を両面から界磁体１で介装して一体化して界磁電機子組体３を構成している。界磁電機子組体３の磁場発生部４ａ，４ｂは電気回路部６の両面に分かれ、一方の磁場発生部４ａと電気回路部６は電気絶縁部１３ａで絶縁されている。磁場発生部４ａの反対側の面には磁束集束部１４ａが設けられ、その磁束集束部１４ａの反対側の面には、磁束通路部１５が連結されている。

その磁束通路部１５は、電気回路部６の連通孔１６を磁気遮蔽部１７で磁気遮蔽保護して電気回路部６の反対側の面に連通し、磁束集束部１４ｂと連結している。その磁束集束部１４ｂの反対側の面にもう１個の磁場発生部４ｂが設けられ、磁場発生部４ｂの反対側の面が電気絶縁部１３ｂで絶縁され、電気回路部６の反対側の面で再び界磁電機子組体３として電気回路部６を挟んで一体的に対向している。そして、磁気回路部５が磁気的に直列連結になるように両側面の磁場発生部４ａ，４ｂを図示のとおりＳ−Ｎ−Ｓ−Ｎの磁極の順に直列に配列している。

なお、図１の場合は、磁場発生部４ａ，４ｂが電気回路部６の両側面にあるが、この磁場発生部４ａ，４ｂはどちらか１個だけでも、磁束集束部１４ａ，１４ｂが電気絶縁部１３ａ，１３ｂを介装して電気回路部６に直接対向しても磁気回路部５として十分機能する。

図１の電気回路部６としては、非磁性金属である銅または銅合金やアルミニウムまたはアルミニウム合金が加工性もよく優れている。磁場発生部４ａ，４ｂは永久磁石であり、フェライト系、アルニコ系、特に最近ではエネルギー積の高い希土類磁石、具体的にはネオジム−鉄−ボロン、サマリウム−コバルト、サマリウム−鉄−窒素やプラセオジウムやジスプロシウムを含んだ異方性磁石が優れている。

磁束集束部１４ａ，１４ｂの材料は特に交流特性を必要としないから、より磁束密度飽和点の高い材料で、防錆も兼ねた磁性材のマルテンサイト系ステンレス鋼材が優れている。電気絶縁部１３ａ，１３ｂは特に耐熱・耐低温に優れた樹脂系の工業用材料がよい。

また、図１の電機子体２の両端２箇所の滑動孔１８の内周面の電気滑動部７と２本の集電体８の集電滑動部９が直線方向にスムーズに運動可能になっている。この電気滑動部７と集電滑動部９は滑動しながら電気を伝える機能も兼ね合わせて、界磁電機子集電組体１０を構成している。つまり、集電体８の一方から他方に電気が流れながら、かつ自在な直線運動を兼ね備える界磁電機子集電組体１０を構成している。集電体８は導電性に優れかつ表面硬化に優れ、焼入れによる硬度を上げる非磁性金属材料がよい。

また、図１、図２において発電状態のときの界磁の磁場配向φと起電力Ｖの方向を説明する。
界磁電機子組体３は、図１に表した矢印Ｆの方向に力が加わり、磁束通路部１５に図示の方向に磁束φが流れると、電気回路部６には図１に示した方向に起電力Ｖが発生する。この起電力Ｖの発生原因は、図２に示すように電磁誘導交叉部１１で電磁変換が行われるからである。

電磁変換が行われたときの様子をさらに詳しく図２に示す。図２は、図１を図面に向かって正面から見た断面図である。電磁誘導交叉部１１の界磁の磁場方向は磁束φの方向で、界磁電機子組体３が図面手前から図面裏側に向かって運動すれば、フレミングの右手則に従って起電力Ｖが図面右から左に向かって発生する。

また、図２の電磁非誘導交叉部１２では磁場配向φが電磁誘導交叉部１１とで逆向きになるので、この電磁非誘導交叉部１２では電磁変換が起きないようにするため、つまり、発生起電力Ｖと磁場配向の磁束φが交叉しないように電磁気的に分離した構造になっている。

具体的には、図１、図２に示したように、電磁非誘導交叉部１２は電気回路部６の連通孔１６と磁束通路部１５の交叉連通する隙間が磁気遮蔽部１７で磁気遮蔽されている。磁気遮蔽部１７は、磁気遮蔽が目的なので珪素鋼板、特に方向性珪素鋼板やパーマロイ（ニッケル合金）の表面を電気絶縁処理して使用することにより、電磁非誘導交叉部１２の磁束通路部１５の交叉連通する部分の漏洩磁束をより少なくすることができる。

あるいは、連通孔１６と磁束通路部１５が磁気飽和しないだけの飽和磁束密度の高い材料、例えば炭素含有量が少ない純鉄系の材料や、より錆びにくい磁性材であるマルテンサイト系ステンレス鋼材を使用することにより一層磁気と電気の分離が可能になる。直流電磁変換なので、特に交流特性に優れた材料を使う必要はない。あるいは、磁束通路部１５が磁気飽和しないように十分な断面積を持ち、かつ磁束通路部１５の交叉連通する部分の空隙が十分確保されていれば、磁気遮蔽部１７がなくてもよい。

さらに、図１と図２に示したように、電磁誘導交叉部１１と電磁非誘導交叉部１２が発電時の起電力方向または電動時に流れる電流方向に沿った形でほぼ直線上に並んでいる。このことは重要で、電気回路部６に発電時に発生する起電力方向や電動時に流れる電流方向に右ネジの法則に従って発生する磁界が、電気回路部６に発電する起電力回路や通電時流れる電流回路と直角に交叉する場合は、界磁体１の磁界と電気回路部６に発生する誘導磁界の相互誘導作用により、電磁誘導交叉部１１での磁場配向φに磁気的な歪みが生じ、結果として電磁変換にも歪みが生じ、ノイズを含んだ直流電流となり、電磁変換効率も下がることになる。したがって、上記のとおり、電磁誘導交叉部１１と電磁非誘導交叉部１２が起電力方向または電流方向と同列上の配置が単極機にとっては直流電磁変換の効率の向上を図る上で極めて有効な構造となる。

次に、図３は図１，図２の第１の実施形態の界磁電機子組体３を磁気的に並列に２個を直線的に配列した断面図である。このように配列にすることにより、複数の界磁電機子組体３の電気回路部６は発生誘起電圧が加算される直列結線となり、これを繰り返し積層することにより、磁気歪みの少ない高効率の起電力を得ることができる。

次に、本発明の第２の実施形態の発電状態の発電電動機３０を図４〜図９に示す。図４、図５に示す電機子体３２は電気接続部４９の両側に各々の電気回路部３６が直角に連結し、さらにその両側に電気滑動部３７が連結し、図１と同様に集電体３８の集電滑動部３９と自在に接触滑動する。

また電気回路部３６は互いに平行に対向し、その平行の各々の電気回路部３６の間に磁場発生部３４ａ，３４ｂが電気絶縁部４３で絶縁され、さらに各々の磁場発生部３４ａ，３４ｂの内側に磁束集束部４４の両面が各々の磁場発生部３４ａ，３４ｂの同じ磁極と対向して接している。この同じ磁極同士の対向する間に介装される磁束集束部４４の磁性材料の選定と磁束集束部４４の磁極間の厚みを飽和磁束密度に合わせることにより、図５に示した電磁誘導交叉部４１の磁束密度が有効に高められることが本発明の特徴である。

図４、図５に示したように磁束集束部４４に磁束通路部４５が連結している。磁束通路部４５は電気接続部４９の磁気遮蔽部４７で磁気遮蔽した連通孔４６を通り抜けて電気回路部３６各々の両側面の磁束集束部４４につながっている。また電気接続部４９と磁束通路部４５が電磁非誘導交叉部４２で交叉し、磁束集束部４４は電気絶縁部４３を介して再び電気回路部６の各々反対側の面に一体に介装している。

図４に示した発電時の磁場発生部３４ａ，３４ｂの磁場配向φと界磁電機子組体３３の運動方向Ｆによる起電力Ｖの発生方向の関係は図５に示すように電磁誘導交叉部４１の磁束φ方向に対して図面手前側から図面後方の運動方向Ｆ（図４）と磁場配向の磁束φに対してフレミングの右手則に従って起電力Ｖが図面矢印の方向に発生する。

図５の磁場発生部３４ａ，３４ｂの磁石の磁場配向φに合わせて、図６に示した極異方性磁石５０にすることにより磁場発生部は１個に統一されて、かつ、図５の磁場発生部３４ａ，３４ｂ間の磁束集束部４４が必要なくなることにより、さらに薄型化が可能となる。また、図６に示したように極異方性磁石５０を使用することにより、電気接続部４９と磁束通路部４５の交叉する電磁非誘導交叉部４２と、極異方性磁石５０の両側面の電気回路部３６にも電磁非誘導交叉部４２を設けることにより磁気回路全体の磁路長を短くすることができ、図４および図５の磁場発生部３４ａ，３４ｂを含めた界磁体３１の磁気回路の漏洩磁束を少なくすることができる。その結果、電磁誘導交叉部４１での電磁変換に必要な高い磁束密度が得られ、さらに高効率化が実現できる。

なお、極異方性磁石は製造工程で原料に製造装置の電磁界を図６のように配向磁場をかけることにより容易に製造可能である。磁石材料はネオジウム・鉄・ボロン系（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ）、サマリウム・コバルト系（Ｓｍ−Ｃｏ）、サマリウム・鉄・窒素系（Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ）の希土類磁石がよい。他にはプラセオジウム（Ｐｄ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）等の希土類元素を含んだ磁石もある。

図７は、図６の２つの電気回路部３６を繋ぐ電気接続部４９から電磁非誘導交叉部４２を電気回路部３６に設けることより、磁気回路が極異方性磁石５０を中心にして対称構造になることにより、さらに磁気回路の磁気抵抗バランスがとれ、ノイズの少ない直流電流が得られる。

図８は図５の界磁体３１が磁気的に複数並列に、電機子体３２が複数直列に連結した界磁電機子組体３３を示した。こうすることにより積層型が実現できることにより、高い誘起電圧が得られる。

図９は、図４と図５における発電状態の電機子体３２の電気回路部３６を並列回路とした図である。図４、図５の磁束集束部４４は磁束通路部４５が１箇所しかないので、磁束φが漏洩しやすい。そこで図９では一対の集電体３８間を結ぶ軸線を対称にして、磁束通路部４５の反対側にもう１箇所の磁束通路部４５を設けることにより、電磁誘導交叉部４１の磁束密度をさらに向上できる。

つまり、図９に示すように２個の集電体３８を共通にして、１対の集電体３８間の軸線の両側に配置する各々２個の電気回路部３６を並列に連結し、内側の磁束集束部４４は各々２個の電気回路部３６の共通の磁束集束部４４として磁気回路が閉じ、かつ電磁非誘導交叉部４２で電気と磁気を分離するので、磁束φの漏洩が少なく電磁誘導交叉部４１の磁束密度を高く保つことができる。

図９では、さらに１対の集電体３８間の軸線の両側に配置する各々２個の電気回路部３６は、一方の２個の電気回路部３６の界磁を構成する磁場発生部３４ａ，３４ｂと、他方の２個の電気回路部３６の界磁を構成する磁場発生部３４ａ，３４ｂの各々の磁場配向φは図９に示すとおり互いに逆向きの関係にすれば、磁束集束部４４は共通の閉磁気回路として作動可能になる。

次に、本発明の第３の実施形態の発電状態の発電電動機６０を図１０、図１１に示す。これは図９の直線運動から回転運動にしたのが図１０、図１１である。界磁電機子組体６３は回転軸８０と一体的に固定され、軸受８１によって回転自在に支承している。また固定された集電体６８は電気回路部６６の両側の円筒状電気回路端部８２で各々正極と負極として電気的に滑動接触する。

また、図１０と図１１を比較すれば分かるように、図９の場合は磁場発生部３４ａの磁場配向と３４ｂの磁場配向φの関係は磁束集束部４４を挟んで各々逆向きになっているが、図１０の場合は磁場発生部６４ａの磁場配向φと６４ｂの磁場配向φの関係は、各々同じ向きになっている。これは、直線運動と回転運動の違いにより磁気回路部６５の磁場配向φが異なってくる。また、回転軸８０は界磁体６１の磁束通路部７５の共通の磁気回路部６５として磁束集束部７４と共に磁気回路を構成している。この回転軸８０の材料は磁性で錆・腐食に耐える材料が好ましいので、マルテンサイト系、フェライト系のスレンレス鋼材が優れている。また磁場発生部６４ａ，６４ｂは永久磁石で第１の実施形態の図１、図２と同様の磁石材料がよい。

図１１は図１０のＡ−Ａ矢視断面である。この図では界磁電機子組体６３の４個が円周放射方向に等分に配置されているが、界磁電機子組体６３は少なくとも１個あれば動作可能である。したがって必要に応じて複数個の界磁電機子組体６３を配置可能である。

また上記複数個の界磁電機子組体６３は回転軸８０を中心として回転するので、界磁電機子組体６３同士の回転強度と回転バランスをとるために回転体８３で強度補強してある。この回転体８３の材料は、電気絶縁性と非磁性に優れている材料ならよい。

例えば、真空含浸の樹脂モールドで成形すれば回転バランスがとれコンパクトな回転体となる。また耐熱性も考慮に入れればセラミックスや脆性も含め複合材料が考えられる。コストを考慮して金属の非磁性のアルミニウム合金またはオーステナイト系のステンレス鋼材の場合は表面を電気絶縁処理して使用する。ただしオーステナイト系ステンレス鋼は強い冷間加工を施すと磁性を帯びるので注意を要する。軽くかつ高強度を狙う場合はチタン合金がよい。

次に、本発明の第４の実施形態の発電状態の発電電動機９０を図１２、図１３に示す。図１２は、発電電動機９０の電磁等価回路断面図である。図１３は、図１２のＢ−Ｂ矢視を軸方向から見た断面図である。図１０、図１１の電気回路部６６が並列回路を構成しているのに対して、本実施形態の目的は、図１２、図１３に示した電気回路部９６ａ，９６ｃ，９６ｅ，９６ｇ，９６ｉ，９６ｋと電気回路部９６ｂ，９６ｄ，９６ｆ，９６ｈ，９６ｊ，９６ｌが回転軸９２の円周方向に交互に等分配置し、さらに電気回路部９６ａは電気回路端部９７ａと接続し、電気回路部９６ｌは電気回路端部９７ｂに接続し、上記他の各電気回路部は、電気回路接続部９１によって直列に結線することにより、電気接続部９４の個数を最小限度に維持しながら電気回路の直列化を実現することにある。

従来の単極機には、高い誘起電圧を得ることが難しい問題があった。誘起電圧を高くするために、電機子の直列結線の電気回路数を多くすると電機子の構造が複雑になり漏洩する有効磁束が増え、また電機子の組み立てが難しくなる。一般に電機子電気回路の直列結線には２種類の方法がある。１つの方法は、直列に連結した複数個の電機子を備えた電源端子間を、電気回路が波状に重複して往復する直列結線方法である。もう１つの方法は、１個の電機子を同心状に重複を繰り返す電気回路を備えた複数の電機子を直列に連結する方法である。しかしどちらの方法にせよ、電機子電気回路の往路と復路が磁界の中で混在して交叉することにより、漏洩する有効磁束が多くなり、構造も複雑になる。

本実施形態は、上記の問題を次のような電気回路の順路により解決する。図１３に示した電気回路部９６ａに回転力ＦがＣＷ（時計回り）方向に作用することにより、発生する起電力Ｖが、図１２に示した集電体９８の正極（＋）から集電体９８の負極（−）の方向に、図１３の電気回路端部９７ａを通り、図１２の電気回路部９６ａを通り、電気回路接続部９１を通り、図１２、図１３の回転軸９２の円周方向にずれて分割配置した電気回路部９６ｂを通る。

ここで重要なことは、最初の電気回路部９６ｂを通る起電力Ｖが、界磁体９５ａから入らずに、界磁体９５ｂから入ることにより、回転力Ｆの方向と起電力Ｖの方向がフレミングの右手則と一致することである。さらに起電力Ｖが、電気回路部９６ｂを進み、そして最後の電気回路部９６ｂが、上記同様の理由で界磁体９５ｅは通らずに、界磁体９５ｄから出ることで１往復する。

２往復以降の順路は、同様に電気回路接続部９１、電気回路部９６ｃ、電気回路接続部９１、電気回路部９６ｄの順序で起電力Ｖが通り、以下同様に往復を繰り返すことにより、電気回路接続部９１、電気回路部９６ｋ、電気回路接続部９１、電気回路部９６ｌを通り、電気回路端部９７ｂを通り、集電体９８の負極（−）に達することで完了する。

上記電気回路の順路により、各々の界磁体９５ａ〜９５ｅにおいて、上部か下部の１個の電気接続部９４を維持しつつ電気回路の直列化が実現し、回転体としてのバランスもとれ、界磁電機子組体９３の磁路長を短くすることが出来、漏洩する有効磁束が少なく、電気回路の銅損も少なく出力密度の高い発電電動機が実現する。

第４の実施形態では、界磁電機子組体９３が５層の界磁体９５ａ〜９５ｅを備えているが、さらに界磁体の積層数を増やすことにより、積層両端の界磁体が電気回路部を通さないことよる電気的アンバランスの影響は小さくなる。

図１３に示した電気回路接続部９１と電気回路端部９７ａ，９７ｂは電気絶縁部９９によって回転軸９２と電気的に絶縁分離されている。また電気回路部９６ａと電気回路接続部９１と電気回路部９６ｂの外皮表面も電気絶縁処理が施され互いに電気絶縁分離されている。

したがって本発明の第４の実施形態は回転軸９２の円周方向に、１列１２分割配置の直列結線の電気回路形態を示したが、本実施形態に拘らず電気回路形態は各界磁体において、複数の電気回路部、複数の電気回路接続部を、交互に直列結線をして、回転軸９２方向に、多層に重ねることにより、さらに高い誘起電圧を得ることが可能である。また上記多層重ねに拘らず、回転軸９２円周方向において、上記電気回路結線を自由に分割配置することで、界磁体の全表面を有効に使用することが可能である。

また、等価的に電気回路部を挟む集電体９８の正極（＋）と集電体９８の負極（−）の位置関係は、図１２に示したとおり界磁電機子組体９３の回転軸９２の方向両側に分かれて位置してもよいし、または片側にのみに一緒に位置してもよい。片側のみに集電体９８の正極と負極が位置する構造は後述する第７実施形態の図１９の構造を踏襲すれば二重絶縁構造で実施可能である。

次に、本発明の第５の実施形態の発電状態の発電電動機１００を図１４、図１５に示す。図１４、図１５は円筒状の界磁電機子組体１０３の円形の電気回路部１０６は回転軸１２０に同心状に固定されている。磁場発生部１０４と磁束集束部１１４も同様に円形にすることにより第３の実施形態の図１０、図１１に示した界磁電機子組体６３のような構造上の複雑さを単純化できる。例えば磁石は円形なら成形加工が容易で、磁束集束部は円形のプレスの絞り加工が容易になる。

外周側円筒状の第１電気接続部１１９ａを円周軸方向に２分割し、一方の第１電気接続部１１９ａと他方の第１電気接続部１１９ａに分割した隙間部１２４を電気絶縁部１１３で電気的に分離固定し、不図示の固定物に固定された電気接続子１２５は分割された一方の第１電気接続部１１９ａから他方の第１電気接続部１１９ａを滑動運動しながら起電力または電流を接続する。これにより、図１４の矢視断面Ｃ−Ｃの図１５に示すように電磁誘導交叉部１１１と電磁非誘導交叉部１１２の間の直線上の起電力Ｖが高くなり、さらに図１４の外周円筒状の第１電気接続部１１９ａと内周円筒状の第２電気接続部１１９ｂが電気回路部１０６を交互に連結する九十九折状直列結線の積層スタックにより、発電の場合は高い逆起電力電圧が得られ、電動駆動の場合は供給電流密度が上がることにより磁気ノイズの少ない直流起電力または直流電流が得られる。

図１５は、図１４のＣ−Ｃ矢視断面図である。電気回路部１０６の外周を不図示固定部に固定された電気接続子１２５が滑動接触し、電気回路部１０６の外周と内周には磁気遮蔽部１１７で磁気遮蔽された複数の磁束通路部１１５が電気回路部１０６を貫通して等分に配列している。

回転力Ｆが図示方向に働くと磁束φは図面手前から図面後方に回転力Ｆ方向と直交しているので、電磁誘導交叉部１１１においては電気接続子１２５の方向に起電力Ｖが発生し、電気回路部１０６と磁束通路部１１５の交叉する電磁非誘導交叉部１１２においては発生起電力Ｖが相殺しないように起電力Ｖと磁束φを分離している。
なお、電気回路部１０６の内外周の複数の磁束通路部１１５の数を多くした方が、電磁誘導交叉部１１１と電磁非誘導交叉部１１２を起電力Ｖ方向に対して直線ラインに乗せることができるので、起電力変換効率が向上する。

次に、本発明の第６の実施形態の発電電動機２００の発電・充電と放電・電動の２サイクルの状態を図１６、図１７、図１８（Ａ）〜（Ｅ）に示す。図１６は電気的に互いに分離独立した界磁電機子組体２３０，２３１を回転軸２２０に中心に対称に配置してある。図１６に示した状態は、一方の界磁電機子組体２３０は放電電流による電動機能として、他方の界磁電機子組体２３１は充電電荷を蓄電するための発電機能としての構成を示している。

次に、上記２サイクルの動作順序を説明する。第１サイクルは、図１６に示したように集電体２４０と界磁電機子組体２３０の半円筒状の電気回路端部２５０は接続状態にあり、集電体２４１と界磁電機子組体２３０の半円筒状の電気回路端部２５１は接続状態にある。また、図１６の外付けの充電済みの蓄電器２６０の一端の電極２６０ａは切り替えスイッチＳＷ１により集電体２４０に接続されている。また、他端の電極２６０ｂは切り替えスイッチＳＷ２により集電体２４１に接続されている。これにより、界磁電機子組体２３０は蓄電器２６０から放電電流Ｉが流れることにより電動機として図１６の回転体２２３が図１８（Ａ）、図１８（Ｂ）に示したようにＣＷ（時計回り）方向に回転する。

また、図１６に示したように集電体２４２と界磁電機子組体２３１の半円筒状の電気回路端部２５２は接続状態にあり、かつ集電体２４３と界磁電機子組体２３１の半円筒状の電気回路端部２５３は接続状態にある。また、図１６の外付けの未充電の蓄電器２６１の一端の電極２６１ａは切り替えスイッチＳＷ３により集電体２４２に接続されており、また蓄電器の他端の電極２６１ｂは切り替えスイッチＳＷ４により集電体２４３に接続されている。

そして、上記一方の界磁電機子組体２３０が図１６の右方向から見てＣＷ方向に電動駆動回転しているので、他方の界磁電機子組体２３１は連動回転して発電状態となり、発電の起電力Ｖによる導体の移動電荷は蓄電器２６１に充電される。
回転体２２３が、さらにＣＷ方向に回転すると電動も発電もない図１６に示した集電体２４０と集電体２４２が電気的にＯＦＦ、集電体２４１と集電体２４３がＯＦＦ、ＳＷ１〜ＳＷ４がＯＦＦの状態すなわち図１８（Ｃ）の状態になる。

回転体２２３は慣性があるのでさらにＣＷ方向に回転が進むと、ここで第２サイクルに入ると 図１８（Ｄ）、図１８（Ｅ）の状態になり、電動状態と発電状態が反転する。つまり今度は界磁電機子組体２３０が電動状態となり、界磁電機子組体２３１が発電状態となる。

第２サイクルは、図１６に示した逆の接続になる。つまり、図１６に示したように一方では、集電体２４２と界磁電機子組体２３０の電気回路端部２５０が接続状態になり、集電体２４３と界磁電機子組体２３０の電気回路端部２５１が接続状態になる。

また、図１６の外付けの充電された蓄電器２６１の一端の電極２６１ａが切り替えスイッチＳＷ３により集電体２４３に接続される。また、蓄電器２６１の他端の電極２６１ｂが切り替えスイッチＳＷ４により集電体２４２に接続される。これにより、蓄電器２６１の電極の極性が反転接続したことになる。界磁電機子組体２３０は蓄電器２６１から放電電流Ｉが流れることにより第２サイクルでは電動機として作動し回転体２２３が図１８（Ｄ）、図１８（Ｅ）に示したようにＣＷ（時計回り）方向に回転する。

他方では、図１６の集電体２４０と界磁電機子組体２３１の電気回路端部２５２が接続状態になり、集電体２４１と界磁電機子組体２３１の電気回路端部２５３が接続状態になる。また、図１６の外付けの放電した蓄電器２６０の一端の電極２６０ａが切り替えスイッチＳＷ１により集電体２４１に接続され、また、他端の電極２６０ｂが切り替えスイッチＳＷ２により集電体２４０に接続されるので、蓄電器２６０の電極の極性が反転接続したことになる。

上記一方の界磁電機子組体２３１がＣＷ方向に電動駆動回転しているので、他方の界磁電機子組体２３０は連動回転して第２サイクルでは発電状態となり、発電の起電力Ｖによる導体の移動電荷は蓄電器２６１に充電される。この第１サイクルと第２サイクルの交互の繰り返しによって２サイクルの電動発電機が実現可能となる。

ここで、２サイクルによる回転体としての回転方向の同一性を図１８（Ａ）〜図１８（Ｅ）に従って説明する。図１８（Ａ）、図１８（Ｂ）の界磁電機子組体２３０は、図１６の蓄電器２６０の放電により、電動状態になるので図１８（Ａ）の電磁誘導交叉部２１１ａは放電電流Ｉによる電荷が図面手前から図面裏側に向かう直交磁場φのストレスを受けることにより、図面左方向に力Ｆを受ける。これにより、フレミング左手則に従ってＣＷ（時計回り）方向に回転する。

一方、界磁電機子組体２３１は、界磁電機子組体２３０のＣＷ方向の回転力Ｆにより、図１８（Ａ）の電磁誘導交叉部２１１ｂの導電体内の電荷が図面手前から図面裏側に向かう直交磁場φのストレスを受けることにより、こちらはフレミング右手則に従って起電力Ｖが矢印方向に発生し、移動電荷が図１６の蓄電器２６１に充電する。

さらに、回転がＣＷ方向に進み図１８（Ｃ）の状態が電気的にＯＦＦ状態である。この状態は完全ＯＦＦ状態にしなければならないので、図１７は図１６のＤ−Ｄ矢視断面図である。回転軸２２０に２個の界磁電機子組体２３０，２３１が回転体２２３として固定してある。

界磁電機子組体２３０，２３１に各々連結した半円筒状の電気回路端部２５０，２５２が電気絶縁部２１３によって等分に介装固定され、それぞれ図示のとおり集電体２４０，２４２と滑動接触している。図１７に示したように集電体２４０，２４２の集電滑動部２２９の中心角θｅと半円筒の電気回路端部２５０，２５２間の電気絶縁部２１３によって絶縁されたギャップ中心角θｇは、θｇ＞θｅの関係になければならない。
また、図１６に示したとおり、もう一方の電気回路端部２５１，２５３及び集電体２４１，２４３も上記同様の関係を維持している。

このとき、図１６の蓄電器２６０の電極切り替えスイッチＳＷ１と蓄電器２６１の電極切り替えスイッチＳＷ２はＯＦＦ状態である。これは、電気休止による次の電気反転動作のための条件でもある。

さらに、ＣＷ方向に回転が進むと図１８（Ｄ）、図１８（Ｅ）の界磁電機子組体２３１が、今度は図１６の蓄電器２６１の放電により、電動状態になるので図１８（Ｄ）の電磁誘導交叉部２１１ｂは放電電流Ｉによる電荷が図面手前から図面裏側に向かう直交磁場φのストレスを受けることにより、図面左方向に力Ｆを受ける。これにより、フレミング左手則に従ってＣＷ（時計回り）方向に回転する。

一方、界磁電機子組体２３０は、界磁電機子組体２３１のＣＷ方向の回転力Ｆにより、図１８（Ｄ）の電磁誘導交叉部２１１ａの導電体内の電荷が図面手前から図面裏側に向かう直交磁場φのストレスを受けることにより、こちらはフレミング右手則に従って起電力Ｖが矢印方向に発生し、移動電荷が今度は図１６の蓄電器２６０に充電する。

ここで、注目すべきことは電動時の蓄電器２６０，２６１の印加電圧Ｖｃは電動時の電機子回転速度により発生する逆起電力電圧Ｖｇよりも大きくなければならない。つまり回転体の回転速度と半回転中の発電量と蓄電器に蓄電された電荷量と蓄電器の容量がある関係を持っているということである。また、実使用時の定速回転速度制御で使用する場合は、発電負荷トルク以上の電動発生トルクを必要とする。

そのためには当然のことながら電動機主体で使用する場合は外部蓄電器の放電深度を調整しながら補充目的の電力を供給するか、または、発電機主体で使用する場合は外部駆動装置を本発明の発電電動機２００の軸に連結して使用すればよい。全体の入力と出力の関係は本発明を実施することにより高効率が期待できる。ただし、これは設計事項であり、重要なのは印加電圧Ｖｃ＞逆起電力電圧Ｖｇを保つように本発明の界磁電機子組体の磁気回路設計と電気回路設計と蓄電器２６０，２６１の蓄電特性の選定が重要になる。

実使用の上で、上記に適した蓄電器２６０，２６１は電気二重層キャパシタが優れている。電気二重層キャパシタは充放電が極めて速いのでエネルギー密度は小さいが、出力密度が大きく、内部抵抗が小さいのが特徴である。ただし電圧は有機系電解液の場合でも３〜４Ｖと低いのが欠点である。

しかし、単極機の欠点は誘起電圧が低く内部抵抗の小さい電源がなかったことが普及しない一因なので、電気二重層キャパシタと単極機の相補関係は以前から知られてきてはいるが、本発明による発電電動機の１回転中の発電から電気二重層キャパシタへの充電と放電による電動駆動は、従来の電圧電源としてではなく、両者の欠点である電流電源としての高効率の充放電という、恰もボルトとナットの関係が実現可能となった。

ボルトとナットの関係だからこそ１回転中に充電と発電の２サイクルが実現可能となる。もともと電磁変換のモータはモータ３態と称して、発電・電動・制動の３つの状態で成り立っている。電気を起こし、電気で動かし、電気をセーブする技術こそ電気エネルギーの分散と融合の古くて新しい技術である。

なお、図１６の切り替えスイッチＳＷ１〜ＳＷ４の実使用時は半導体スイッチング素子を使用すればよい。すなわち、バイポーラ型トランジスタ、パワーＭＯＳＦＥＴや直流から交流変換のインバータによく使用されるＩＧＢＴのゲート電流制御によるコレクタ／エミッタ間の電流の切り替えＯＮ／ＯＦＦで可能である。

次に、本発明の第７の実施形態の発電電動機３００の発電／充電と放電／電動の状態を図１９に示す。図１９は電気的に互いに分離独立した界磁電機子組体３３０，３３１を軸中心で対称に配置してある点では第６の実施形態と同じであるが、第６の実施形態の場合は回転体が１回転中の発電・充電と放電・電動の２サイクルの制限があり、蓄電器の選定や電動発電機としての設計の制限もある。

また、発電量を増やし、高出力の高速回転で使用したい場合はどうしても制限が出てくる。これに対して、第７の実施形態の発電電動機３００はそのような制限なしで動作可能である。図１９に示した状態は、一方の界磁電機子組体３３０は放電・電動として、もう一方の界磁電機子組体３３１は発電・充電として機能する構成を示している。

次に、動作順序を説明する。図１９に示したように集電体３４０と界磁電機子組体３３０の円筒状の電気回路端部３５０は接続状態にあり、かつ、電気回路端部３５０は円筒状の電気回路端部３５２と回転軸３２０の間を電気絶縁部３１３で絶縁保護されて電気回路部３０６に接続されている。また、集電体３４１と界磁電機子組体３３０の円筒状の電気回路端部３５１は接続状態にあり、かつ、電気回路端部３５１は円筒状の電気回路端部３５３と回転軸３２０の間を電気絶縁部３１３で絶縁保護されて電気回路部３０６に接続されている。

また、図１９の外付けの充電済みの蓄電器３６０の一端の電極３６０ａは切り替えスイッチＳＷ５により集電体３４０に接続されており、また他端の電極３６０ｂは切り替えスイッチＳＷ６により集電体３４１に接続されている。したがって、界磁電機子組体３３０は蓄電器３６０から放電電流Ｉが流れることにより、電動機として回転体３２３が第６の実施形態の図１６の電流方向と磁場配向φが同じなので、同様に図１９の回転体３２３は回転軸３２０を図面右側から見てＣＷ方向（時計回り）に回転する。

また、図１９に示したように集電体３４２と界磁電機子組体３３１の円筒状の電気回路端部３５２は接続状態にある。また、集電体３４３と界磁電機子組体３３１の円筒状の電気回路端部３５３は接続状態にある。また、図１９の外付けの未充電の蓄電器３６１の一端の電極３６１ａは切り替えスイッチＳＷ７により集電体３４２に接続されている。また、蓄電器３６１の他端の電極３６１ｂは切り替えスイッチＳＷ８により集電体３４３に接続されている。これにより、上記一方の界磁電機子組体３３０の回転体３２３は、回転軸３２０を図１９の図面右側から見てＣＷ方向に電動回転しているので、他方の界磁電機子組体３３１は発電状態となり、発電の起電力Ｖによる導体の移動電荷は蓄電器３６１に充電される。

図１９に示した界磁電機子組体３３０，３３１が互いに電気的に分離独立している点では第６の実施形態と同様であるが、第６の実施形態では回転軸片側における各々独立した半円筒状の電気回路端部と１個の集電体が共有されているが、第７の実施形態ではそのような電気回路部と集電体の共有はなく、集電体も含めて電気的に完全に分離独立した界磁電機子集電組体３７０、３７１として共通回転の下で入力・出力が各々自由な制御が可能となる。

そして、発電／充電や放電／電動の切り替えは第６の実施形態の説明と同様に可能である。図１９の切り替えスイッチＳＷ５／ＳＷ６は蓄電器３６０の電極３６０ａと３６０ｂのスイッチングで集電体３４０，３４１の切り替え、スイッチＳＷ７／ＳＷ８は蓄電器３６１の電極３６１ａと３６１ｂのスイッチングで集電体３４２，３４３の切り替えが可能になる。

蓄電器３６０，３６１はさらに高容量の電気二重層キャパシタが使用でき、２次電池ではリチウムイオン電池や燃料電池でも使用可能である。また、第３の実施形態の図１０、図１１の界磁電機子組体６３が４個並列結線になっているが、これを第７の実施形態では直列結線が可能になる。

例えば、発電機として使用する場合には、図１９の集電体３４０と集電体３４３を接続し、集電体３４１と集電体３４２を出力端子にすれば直列結線にすることができる。つまり設計次第で軸円周方向の界磁と電機子の回路を複数多数本に増やすことができ、軸方向に多層に積層にすることにより高電圧対応の誘起電圧が確保できる。

次に、本発明の第８の実施形態を図２０（Ａ）〜図２０（Ｄ）で説明する。図２０（Ａ）に示した界磁電機子組体４０３の界磁巻線４３０は磁場発生部として機能する。この界磁巻線４３０は２種類の形状があり、図２０（Ｃ）の角形巻線コイル４３１は、例えば、第３の実施形態の図１０、図１１の磁場発生部は永久磁石を使用しているが、この角形磁石の代わりに角形巻線コイル４３１を使用することができる。また、図２０（Ｄ）の丸形巻線コイル４３２は、例えば、第５の実施形態の図１４、図１５の円形永久磁石ではなく円形電磁石用の巻線コイル４３２を使用することができる。

また、図２０（Ａ）とＡ部詳細の図２０（Ｂ）は界磁巻線を超伝導材料にしたときの構造と冷却システムの模式図である。２個の界磁巻線４３０は、同じ磁極同士が対向するような磁場配向になるように結線し回転軸４２０の導通孔４４５通って回転軸４２０の両端の接触子４４０から固定側の摺動子４４１と接触導通し、引き出し線４３３から不図示の外部電源または外部負荷につながっている。

また、超伝導の界磁巻線４３０を冷却するため、一方の液体窒素タンク４４９から供給され、冷却ガスは接触子４４０の通気孔４４６を通り回転軸４２０の導通孔４４５を通り、密閉構造の界磁電機子組体４０３内部の界磁巻線４３０を冷却してから、回転軸４２０の反対側の接触子４４０の通気孔４４６を通り反対側他方の液体窒素タンク４４９に回収される。なお、回転軸４２０と固定軸受４２１で回転自在になっている固定側のシールホルダ４４７の空隙部は磁性流体４４８で回転シールする。シールホルダ４４７は永久磁石と磁性部材で上記空隙部を挟んで閉磁回路を構成することにより、真空シール等でよく使われる方法である。また、界磁巻線４３０の材料は例えばイットリウム系（Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）の高温超伝導材料が優れている。

次に本発明の第９の実施形態の蓄電組体５１０を図２１（Ａ）、図２１（Ｂ）、図２２で説明する。 図２１（Ａ）および図２１（Ｂ）は従来の単極機 が抱えていた固定側の集電部と回転側の電気摺動部の機械的磨耗による寿命信頼性の問題を解決する蓄電組体５１０である。

図２１（Ａ）に示した蓄電組体５１０は回転電極体５３０と固定電極体５４０との隙間に充填した電解液５８０と電解液漏れを防ぐための電極の両側に接合したキャピラリーシール部５３１で構成されている。

図２１（Ａ）の回転軸５２０の両端に各々回転電極体５３０が固定結合され電気的にも導通している。各々の回転電極体５３０の外周面には集電極５６０が導電性接着剤により接合しており、集電極５６０の外周面には分極性電極５５０が導電性接着剤により接合しており、さらに分極性電極５５０の外周面にはセパレータ５７０が導電性接着剤により接合している。

また、固定電極体５４０は逆に外周側から内周面に向けて、集電極５６０、分極性電極５５０、セパレータ５７０の順序で回転電極体５３０と同様に各々が導電性接着剤により接合している。そして、回転電極体５３０の外周面と固定電極体５４０の内周面の隙間には電解液５８０が充填してある。このようにすることにより、第６の実施形態の図１６の外部接続の蓄電器２６０、２６１および第７の実施形態の図１９の外部接続の蓄電器３６０、３６１が発電電動機内に充放電可能な蓄電組体５１０として内蔵が実現可能となる。

図２１（Ｂ）は回転電極体５３０の内周面と固定電極体５４０の外周面が電解液５８０を挟んで各々の電極体が内周と外周で逆になっている。また図２１（Ａ）、図２１（Ｂ）は各々集電体としての固定電極体５４０は界磁電機子組体５０３に接続し充電／放電が可能となる。なお回転電極と固定電極の間の電解液は電極間の相互回転（運動）により電解液が均一に保たれ、電極電位が安定し電極表面の劣化防止にもなり繰り返し寿命の向上にもなる。また電気二重層キャパシタの課題である膨潤防止としても優れている。

電気二重層とは、電極面に接する電解液面が溶媒分子層とその外側にイオン分子拡散層の二重層を形成する界面現象である。溶媒分子層には特異吸着分子が含まれることにより、電極と電解液との間に電位が生じる。これにより、電極電荷が静電界の相互作用で吸引と反発すなわち充電と放電という化学反応を伴わない現象であるが故に、電解液中のイオン速度が極めて速く、急速大電流の充放電とその寿命サイクル・出力密度・充放電効率が高く、内部抵抗が小さいなどの特性に優れている。

分極性電極５５０は微結晶炭素からなる活性炭を正極と負極として電荷を蓄積する。集電極５６０は外部に忠実に電気接続するのが目的なので白金箔が好ましいがコストの関係で酸化皮膜のないアルミニウム箔がよい。分極性電極５５０と集電極５６０は導電性接着剤で接合されるが、集電効率を上げるため分極性電極５５０と集電極５６０との接合面にはアルミ溶着を施すことよい。

セパレータ５７０は自己放電特性と内部抵抗に関与し、正負の各電極間に密着介装され、電気短絡防止と電解液イオンの通過促進を目的とし、ガラス繊維、ポリオレフィン、ポリアミドイミド、ポリエステル、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などが適している。

イオン伝導体である電解液５８０は溶媒と電解質から構成されており、水溶液系電解質と非水溶液系電解質があり、水溶液系は硫酸・水酸化カリウム等で急速充電が良好で、非水溶液系電解液は、電解質として有機系のテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート（４フッ化硼酸テトラエチルアンモニウム）があり、溶媒はポリプロピレンカーボネートが一般的である。

なお、本発明の第９の実施形態の回転電極体５３０と固定電極体５４０は回転シール構造なので電解液５８０としてはイオン性液体が優れている。１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレートは空気雰囲気でも使用可能で、非結晶性・難燃性・不揮発性、そして比較的低粘度で広い電位窓を持ち、さらに導電率の高いイオン液体（常温溶融塩）は陽イオンの種類でピリジン系・脂環族アミン系・脂肪族アミン系があり、ジエチルメチル２メトキシメチルアンモニウムテトラフルオロボレート、１ブチル３メチルイミダゾリウムイオン等があり、特性としては親水性・疎水性・有機溶媒難溶性等がある。

図２２は、本発明の第９の実施形態の発電電動蓄電装置（発電電動機）５００の発電蓄電状態を示した全体の断面図である。界磁電機子組体５０３は、回転軸５２０に固定され、回転軸５２０両端の軸受５２１によりハウジング５３７と回転自在に支承している。また界磁電機子組体５０３の両端の蓄電組体５１０の電気回路端部５２２の外周面には回転電極体５３０が接合し、回転電極体５３０の外周面と固定電極体５４０の内周面の隙間には電解液５８０が充填してある。

電解液５８０は、固定電極体５４０の両端面のキャピラリーシール板５３２のテーパ面で毛細管現象を利用して回転シールしている。キャピラリーシール板５３２のテーパ面は接触角の大きいフッ素系の撥油剤を塗布することによりシール効果が増す。固定電極体５４０の外周面は接続芯５３８の一方の端面が接続固定され、他方の端面は電気絶縁体からなるブッシュ５３３とハウジング５３７の穴を電気絶縁保持して貫通して、ハウジング５３７の外周側に固定している保持器５３６の接続保持棒５３４で引き出し線５３５と接続固定している。引き出し線５３５は外部の不図示の電源装置、負荷装置、制御回路と接続して使用され、回転軸５２０は不図示の発電負荷装置または動力負荷装置に連結して使用される。

従来の単極機の欠点である、低電圧・大電流による電力効率の問題および電力供給の信頼性の問題が、本発明を実施することにより、電力の入出力の回転接触部に蓄電機能を持たせることにより解決できる。

１ 界磁体
２ 電機子体
３ 界磁電機子組体
４ａ，４ｂ 磁場発生部
５ 磁気回路部
６ 電気回路部
７ 電気滑動部
８ 集電体
９ 集電滑動部
１０ 界磁電機子集電組体
１１ 電磁誘導交叉部
１２ 電磁非誘導交叉部
１３ａ，１３ｂ 電気絶縁部
１４ａ，１４ｂ 磁束集束部
１５ 磁束通路部
１６ 連通孔
１７ 磁気遮蔽部
１８ 滑動孔
２０ 発電電動機
４９ 電気接続部
８０ 回転軸
８１ 軸受
８２ 電気回路端部
８３ 回転体
９１ 電気回路接続部
１１９ａ 第１電気接続部
１１９ｂ 第２電気接続部
１２４ 隙間部
１２５ 電気接続子
２６０，２６１，３６０，３６１ 蓄電器
４３０ 界磁巻線
４３１ 角形巻線コイル
４３２ 丸形巻線コイル
４４０ 接触子
４４１ 摺動子
５００ 発電電動蓄電装置
５１０ 蓄電組体
５３０ 回転電極体
５４０ 固定電極体
５５０ 分極性電極
５６０ 集電極
５７０ セパレータ
５８０ 電解液
φ 磁束、磁場、磁場配向
Ｖ 起電力
Ｉ 電流方向
Ｆ 運動方向、力、回転力
ＳＷ１〜ＳＷ８ 切り替えスイッチ

Claims (16)

1. 界磁電機子組体と、該界磁電機子組体を移動可能に支持しつつ電気的な接続を維持する界磁電機子集電組体とを備え、
   前記界磁電機子組体が、界磁体と、電機子体とを備え、
   前記界磁体が、一対の磁極を有する直流磁場を発生する磁場発生部と、該磁場発生部とともに磁気的に直列の閉磁路を構成する磁気回路部とを備え、
   前記電機子体が、電気回路部を備え、
   前記界磁電機子集電組体が、前記電気回路部を挟む位置に配置された集電滑動部と、前記電気回路部に固定され、前記集電滑動部に対して相対的に移動可能に接触するとともに電気的に接続される電気滑動部とを備え、
   前記電気回路部と前記磁気回路部とが、電磁誘導交叉部および電磁非誘導交叉部において交叉し、前記電磁誘導交叉部および前記電磁非誘導交叉部における前記磁気回路部の磁場配向は互いに反対向きの関係にあり、かつ前記電磁誘導交叉部および前記電磁非誘導交叉部が、発電時の起電力方向または電動時の電流方向に並んで配列されていることを特徴とする発電電動機。
2. 前記界磁電機子組体が、磁気的に並列な複数の前記界磁体を備えることを特徴とする請求項１に記載の発電電動機。
3. 前記電機子体が、相互に平行に配される複数の前記電気回路部と該電気回路部を電気的に直接連結する電気接続部とを備え、隣接する前記電気回路部の前記電磁誘導交叉部で前記電気回路部に交叉する前記磁気回路部の磁場配向は互いに反対向きになることを特徴とする請求項２に記載の発電電動機。
4. 前記電磁非誘導交叉部が、前記電気接続部に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の発電電動機。
5. 前記界磁電機子組体が、軸受により回転自在に支持された回転軸を備えることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の発電電動機。
6. 前記界磁電機子組体が、電気的に直列な複数の前記電気回路部を備えることを特徴とする請求項５に記載の発電電動機。
7. 前記電気接続部が、軸方向に隙間をあけて配置される一対の円筒状に形成され、
   前記隙間を跨いで前記一対の電気接続部に摺動可能に接触しつつ両電気接続部を電気的に接続する少なくとも１つの電気接続子を備えることを特徴とする請求項５に記載の発電電動機。
8. 前記界磁電機子組体が、前記回転軸回りに周方向に複数配列され、かつ互いに電気的に分離されていることを特徴とする請求項５から請求項７のいずれかに記載の発電電動機。
9. 前記界磁電機子集電組体が、前記回転軸回りに周方向に複数配列され、かつ互いに電気的に分離されていることを特徴とする請求項５から請求項７のいずれかに記載の発電電動機。
10. 前記電機子体が導電性材からなり、
    前記磁気回路部が磁性材からなり、
    前記磁場発生部が永久磁石からなることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載の発電電動機。
11. 前記磁場発生部が、極異方性磁石からなることを特徴とする請求項１０に記載の発電電動機。
12. 前記磁場発生部が、巻線コイルからなることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載の発電電動機。
13. 前記磁気回路部と前記電気回路部とが交叉する前記電磁非誘導交叉部が、電磁遮蔽部材で遮蔽されていることを特徴とする請求項１０から請求項１２のいずれかに記載の発電電動機。
14. 前記磁場発生部が、超伝導材料からなることを特徴とする請求項１２に記載の発電電動機。
15. 前記集電滑動部および前記電気滑動部が、正極または負極の回転電極体および固定電極体からなり、
    前記回転電極体と前記固定電極体とが、隙間を空けて配置され、該隙間にキャピラリーシールにより形成された空間に電解液が充填されていることを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれかに記載の発電電動機。
16. 前記電解液を挟んで対向する前記回転電極体と固定電極体とが電気二重層を形成していることを特徴とする請求項１５に記載の発電電動機。

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