JP2010507357A - 閉鎖式磁気回路発電機 - Google Patents

Abstract

本発明は、閉鎖式磁気回路発電機に関し、ステージ（９）、ハウジング（８）、固定子（３）、回転子（５）、回転軸（７）及び伝動輪を含む。固定子には、透磁ネック（１２）が固定的に接続され、固定子におけるコイル巻線部（２）が透磁支持ブラケット（１）に固定されるとともに透磁ネック外側を覆い、透磁支持ブラケットと透磁ネック間には低透磁媒質（１３）が設置される。回転子が回転する時、磁石（４）はそれに応じて回転し、透磁ネックが誘導されて磁力線を通過させ、コイル巻線部内部で磁力線の磁束変化に従って電流が生成され、コイル巻線部の電流が生成した磁場の磁力線は透磁支持ブラケット内を通過する。固定子におけるコイル巻線部と回転子における磁石は、それぞれ磁場の磁力線閉鎖回路を形成し、回転子と固定子の間では非常に小さな磁性引力のみが存在する。
【選択図】図５

Description

本発明は、発電機に関し、特に、回転子に配された磁石と固定子に配されたコイルが作り出す磁力線によってそれぞれ形成される閉鎖式回路を備える新しい構成の閉鎖式磁気回路発電機に関する。

既存の発電機の多くは、原動力装置で回転子を回転し、磁力線を切る又はコイルを磁気誘導することにより電流を生成する。しかしながら、コイルを誘導して生成した磁場は回転子の回転を妨害するので、このような方法で電力エネルギーを獲得することは理想的ではない。したがって、発電機のエネルギー転換効率の向上という課題を解決することは、急務である。特許文献１には、「高品質及び低エネルギー消費の発電機」が提供されている。特許文献１記載の技術は、永久磁石発電機の電圧を調節するという問題は解決しているが、発電機の仕事−エネルギーの転換効率が低いという問題を解決することはできなかった。特許文献２には、「新型のブラッシュレス発電機」が提供されている。特許文献２記載の技術は、発電機の出力電流を向上させた。しかしながら、未だ発電機の固定子と回転子が作動する時に強い磁場斥力と引力が存在するため、原動力装置で回転子を回転するには非常に大きい仕事量を用いて磁場の斥力と引力を越える必要があり、エネルギー転換効率が低いという問題を解決することはできなかった。

中華人民共和国公開公報第１４０５９５５号 中華人民共和国公開公報第１０３６４８４号

本発明の目的は、閉鎖式磁気回路発電機を提供し、これにより既存の発電機が有する仕事−エネルギーの転換効率が低いという問題点を解決することである。

前述の目的を達成するために、本発明は、ステージ、ハウジング、固定子、回転子、回転軸及び伝動輪を含む閉鎖式磁気回路発電機において、回転子が磁石、透磁材料及び固定部で構成されるとともに回転軸に固定的に接続され、回転軸がハウジングに滑動接続部で固定され、回転軸の一端が、動力を入力する伝動輪に固定的に接続され、固定子がハウジングに固定的に接続され、ハウジングが透磁材料で構成されるとともに回転部分の機械的支持体として機能し、コイル巻線部が、固定子に設置されるとともに透磁支持ブラケットに固定され、透磁支持ブラケットの１つの中空フレーム部が固定子における透磁ネックの外側を覆い、透磁支持ブラケットと固定子における透磁ネックとの間に低透磁媒質が設置されることにより、これらを一定間隔に維持し、伝動輪が回転軸を介して回転子を回転させ、固定子における透磁ブートと透磁ネックが回転子における磁石の誘導によって磁力線を通過させ、コイル巻線部内部における磁力線の磁束変化によってコイル巻線部が誘導されて電流を生成し、透磁支持ブラケットと透磁ネックの間に設置された低透磁媒質が、これらを互いに分離させて一定間隔に維持し、磁力線が、最も通過し易い透磁材料を優先的に通過し、コイル巻線部で生成された電流の磁場の磁力線が、透磁支持ブラケット内に集結するとともに透磁支持ブラケットを通過し、固定子に固定された透磁ブートには、コイル巻線部によって生成される回転子の回転を妨害する磁場が存在せず、回転子と固定子の間には、非常に小さな磁性引力のみが存在する閉鎖式磁気回路発電機を提供する。

コイル巻線部を固定する透磁支持ブラケットが、少なくとも１種の透磁材料で構成される。

コイル巻線部内部とコイル巻線部外部の透磁支持ブラケットが、透磁材料で互いに固定的に貫通接続された構造である。

ハウジング、及び固定子における透磁ブートと透磁ネックが、少なくとも１種の透磁材料で構成される。

透磁支持ブラケットと透磁ネックの間、透磁支持ブラケットと透磁ブートの間、及び透磁支持ブラケットとハウジングの間の該当部分に少なくとも１種の低透磁媒質を設置することによりこれらを分離させるとともに一定間隔を維持する。

透磁ネックに対応する透磁支持ブラケットのフレームコア部分が、中空構造であり、透磁ネックの外側を覆う。

透磁ネックの一端には透磁ブートが設置され、透磁ブートが、回転子における磁石の１つの磁極面に対応し、透磁ネックの他端が、ハウジングに固定的に接続される。

コイル巻線部中の電流が生成した磁場の磁力線が、透磁支持ブラケット内に集結するとともに透磁支持ブラケットを通過することにより、１つの磁力線閉鎖回路を形成する。

回転子に固定的に接続された磁石が、少なくとも１つの永久磁石もしくは少なくとも１つの電気磁石で構成される、又は少なくとも１つの永久磁石と少なくとも１つの電気磁石を組み合わせて一体化して構成される。

回転子における磁石の各磁極に対応する透磁誘導用のコイル巻線部が少なくとも１つ存在し、コイル巻線部は、少なくとも２つの巻線部が並列又は直列に組合わされたものである。

本発明の閉鎖式磁気回路発電機は、磁力線が、最も通過し易い透磁材料を優先して通過するという特性を利用して、固定子のコイル透磁支持ブラケットが固定子の透磁ネックの外側を覆い、コイル支持ブラケットと固定子透磁ネックの間に存在する媒質が透磁支持ブラケットと透磁ネックの間を一定間隔に維持し、固定子と回転子がそれぞれ磁場磁力線閉鎖回路を形成し、固定子と回転子の間の磁性引力が非常に小さく、原動力装置が非常に小さな力で回転子を回転することにより発電機が電流を生成し、外部に出力するものである。本発明は、設計が合理的であり、汚染を生じさせず、エネルギー転換効率が高く、発電所、自動車及び船などの発電設備に広範囲に応用可能である。

本発明の構造概略図である。 図1中Ｃ−Ｃ線における断面を示す概略図である。 図1の構造の並列連結構造を示す概略図である。 図1の構造の直列連結構造を示す概略図である。 主要モデルを示す構造概略図である。 並列モデルを示す構造概略図である。 直列モデルを示す構造概略図である。 バイアス励磁(bias excitation)モデルを示す構造概略図である。 バイアス励磁並列モデルを示す構造概略図である。 バイアス励磁直列モデルを示す構造概略図である。 図８、図９及び図１０中のＡ−Ａ線における断面を示す概略図である。 半励磁(middle excitation)モデルを示す構造概略図である。 半励磁並列モデルを示す構造概略図である。 半励磁直列モデルを示す構造概略図である。 図１２、図１３及び図１４中のＢ−Ｂ線における断面を示す概略図である。

以下添付の図面を参照して本発明の詳細を説明する。
図１は、本発明の構造概略図である。図２は図１中Ｃ−Ｃ線における断面を示す概略図である。一般的に知られているように、磁力線は、最も通過し易い透磁材料を優先的に通過する。本発明では磁力線のこの特性を利用して、１つのコイル巻線部（２）を透磁支持ブラケット（１）に固定する。コイル巻線部（２）内部とコイル巻線部（２）外部の両方に、透磁材料が固定及び貫通されている。この透磁材料は、コイル巻線部の透磁支持ブラケット（１）を構成している。透磁支持ブラケット（１）の１つの中空フレーム(hollow frame)部は、透磁材料で構成された透磁ネック(neck)（１２）に対応しつつその上を覆う。透磁支持ブラケット（１）と透磁ネック（１２）の該当部分にある低透磁媒質（１３）は、透磁支持ブラケット（１）と透磁ネック（１２）を分離し且つ一定距離を維持する。透磁ネック（１２）の一端には透磁ブート（６）があり、透磁ブート（６）は磁石（４）のＮ極側に対応する。透磁ネック（１２）の他端は透磁材料（１１）に固定的に接続され、透磁材料（１１）中のＥ区域は磁石（４）のＳ極側に対応する。図1に示すように、磁石（４）は絶えず左右運動する。磁石（４）の磁力線はN極から出発し、透磁ブート（６）を通過し、透磁材料（１１）内を通って透磁材料（１１）中のＥ区域に到逹し、磁石（４）のS極まで戻り、磁石（４）に入る。このようにして、１つの磁石（４）の磁力線通過閉鎖回路が形成される。磁石（４）が絶えず運動することにより、コイル巻線部（２）の内部の磁力線の磁束が絶えず変化し、コイル巻線部（２）が誘導されて電流を生成する。透磁支持ブラケット（１）と透磁ネック（１２）の間の該当部分に低透磁媒質（１３）が配されることによりこれらが互いに一定距離に維持されること、且つ磁力線が最も通過し易い透磁材料を優先的に通過することにより、コイル巻線部（２）中の電流によって生じた磁場の磁力線は透磁支持ブラケット（１）内に集結され、透磁支持ブラケット（１）のａ区域、ｂ区域及びｃ区域を通過して１つの磁力線閉鎖回路を形成する。ここで、磁石（４）の磁力線は透磁材料（１１）のＡ区域、Ｂ区域、Ｃ区域、Ｄ区域とＥ区域を通じて磁石（４）まで戻り、１つの磁石（４）の磁力線閉鎖回路を形成する。したがって、磁石（４）は、運動時に、コイル巻線部（２）中の電流によって生じた磁場の斥力−引力の作用を受けない。よって、磁石（４）の運動は、磁石（４）自体に備わる透磁ブート（６）材料に対する磁性引力と、運動中に生成された摩擦力を越えればよいだけである。

透磁材料（１１）、透磁ブート（６）と透磁支持ブラケット（１）において磁力線を正常に通過可能とする、即ち２つの磁力線閉鎖回路において磁力線を正常に通過可能とすることは、磁束及び磁力線密度を調節することにより解決できる。まず、透磁ブート（６）は磁力線が通過するための十分な形状と領域を有すること、透磁材料（１１）のＡＢ部分が十分な形状と体積を有すること、及び磁石（４）の磁力線がＡＢ部分で最大通過量に到達する時に、ＡＢ部分の透磁材料が完全に飽和することを保障する必要がある。レンツ法則によると、コイル巻線部（２）の誘導により生じた磁場は、コイル巻線部（２）中の元の磁場の磁束を維持しようとすることにより、磁束が同じである磁場に相反する磁場をコイル巻線部（２）中で生成し、この磁場の大きさは磁場を通過する磁束に正比例する。また、この磁場は透磁ブート（６）を通じて磁石（４）に対する磁性斥力と引力を生成し、磁石（４）の運動を妨害する。この問題が、本発明が解決しようとする課題である。発明者は、磁力線が最も通過し易い透磁材料を優先的に通過するという特性を利用し、前記図中の透磁支持ブラケット（１）と透磁材料（１1）を設計、実験、加工製造することにより、透磁支持ブラケット（１）材料における磁束の通過能力を、透磁材料（１１）の最大磁束よりも大きくすることを可能にした。磁石（４）が透磁ブート（６）に磁力線を通過させる過程において、透磁材料（１１）中の磁力線密度が透磁支持ブラケット（１）中の磁力線密度よりも常に大きいため、コイル巻線部（２）の誘導によって生成された磁場の磁力線は、磁力線密度が相対的に低い通過しやすい透磁支持ブラケット（１）を通過する。言い換えれば、コイル巻線部（２）の誘導によって生成された磁場の磁力線は透磁支持ブラケット（１）中のａ、ｂ及びｃを通過する。透磁支持ブラケット（１）と透磁ネック（１２）の間に低透磁媒質が存在することにより、透磁支持ブラケット（１）中の磁力線は透磁ネック（１２）を通過することができず、この結果、透磁ブート（６）には磁石（４）の運動に影響を与える磁性斥力と引力が生じない。

上記透磁材料中の磁束は、単位面積あたりの磁力線密度である。実際の使用時は、図1に示すように、単に、透磁材料（１１）の透磁ネック（１２）中のＡ’部分の材料の形状と体積を保障する必要があり、磁石（４）が透磁ブート（６）に対して磁力線を通過させる過程で磁束が最大の時にＡ’部分が飽和になることを保障する必要がある。そして、Ａ’部分における磁力線が通過する磁力線密度を、透磁支持ブラケット（１）内の磁力線密度よりも大きくする、すなわち、透磁支持ブラケット（１）の材料体積内の磁束通過能力が、Ａ’部分が磁気飽和である時の磁束通過能力よりも大きいことを保障する必要がある。この意味において、透磁支持ブラケット（１）と透磁材料（１１）に使用される材料は、同じ透磁率を持つ透磁材料であってもよく、異なる透磁率を持つ透磁材料であってもよい。したがって、設計、生産、加工中に透磁材料を選択する時は、単に、透磁ネック（１２）のＡ’部分の材料の磁気飽和を正確に把握できる材料を選択する。

上記原理に基づき、図３は、図１の構造の並列連結構造を示す図である。図４は図１の構造の直列連結構造を示す図である。図３と４に示す構造は、図1に示した原理に基づいて発展させた並列及び直列モデル構造である。図５―図１５は、主要モデル構造、並列モデル構造及び直列モデル構造である。これらのモデルは、発電して電流を生成する原理は同じであり、相違点は、需要に基づき空間配置を変更したことだけである。実際に使用する際には、社会活動の需要に応じて、本発明で上述した技術案中の１つの空間配置を選択して使うことができる。

図５−図１５に示すように、本発明にかかる閉鎖式磁気回路発電機は、ステージ（９）、ハウジング（８）、固定子（３）、回転子（５）と回転軸（７）を含む。回転子（５）は磁石（４）、透磁材料及び固定部を含む。磁石（４）、透磁材料及び固定部は回転軸（７）に固定的に接続される。回転軸（７）とハウジング（８）は滑動接続部で固定される。回転軸（７）の一端には動力を入力する伝動輪（１０）が固定的に接続される。固定子（３）はハウジング（８）に固定的に接続される。ハウジング（８）は透磁材料で構成され、回転部分の機械的支持体として機能する。固定子（３）にはコイル巻線部（２）が設置される。コイル巻線部（２）は透磁支持ブラケット（１）に固定される。透磁支持ブラケット（１）は、少なくとも１種の透磁材料で構成され、コイル巻線部（２）内部を通過して、コイル巻線部（２）外部の透磁材料と互いに固定的に貫通接続する。透磁支持ブラケット（１）の１つの中空フレームコア(hollow frame core)部は、固定子（３）における透磁ネック（１２）の周りを覆う。ハウジング（８）、及び固定子（３）における透磁ブート（６）と透磁ネック（１２）は、少なくとも１種の透磁材料により構成される。透磁支持ブラケット（１）と透磁ネック（１２）の間、透磁支持ブラケット（１）と透磁ブート（６）の間、及び透磁支持ブラケット（１）とハウジング（８）の間の該当する重合部分に、少なくとも１つの低透磁媒質（１３）が設置されることにより、これらが分離され且つ一定距離が維持される。透磁ネック（１２）の一端には透磁ブート（６）があり、透磁ブート（６）は磁石（４）の１つの磁極面に対応する。透磁ネック（１２）の他端にはハウジング（８）が固定的に接続される。回転子（３）に固定的に接続された磁石（４）は少なくとも１つの永久磁石で構成されてもよく、少なくとも１つの電気磁石で構成されてもよく、少なくとも１つの永久磁石と少なくとも１つの電気磁石を組み合わせて一体化して構成されてもよい。原動力装置は回転子（５）を回転し、磁石（４）はそれに従って運動する。磁石（４）は、固定子（３）における透磁ブート（６）と透磁ネック（１２）に対して磁力線を通過させる。コイル巻線部（２）内部の磁力線の磁束が変化することによって、コイル巻線部（２）が誘導されて電流を生成する。透磁支持ブラケット（１）と透磁ネック（１２）の間の該当部分に低透磁材料媒質（１３）が設置されることによりこれらが分離されて一定距離が維持されること、且つ磁力線が最も通過し易い透磁材料を優先的に通過することにより、コイル巻線部（２）中の電流が作り出した磁場の磁力線が透磁支持ブラケット（１）の透磁材料に集結して通過し、１つの磁力線閉鎖回路を形成する。磁石（４）の磁力線はＮ極から出発し、透磁ブート（６）を通過し、透磁材料（１１）に沿って透磁ブート（６）の他端に到逹し、磁石（４）のＳ極に戻り、磁石（４）に入り、１つの磁石（４）の磁力線閉鎖回路を形成する。これによって、固定子（３）及び回転子（５）はそれぞれ磁力線通過閉鎖回路を形成する。透磁支持ブラケット（１）中の磁力線が固定子（３）における透磁ネック（１２）を通過しないため、透磁ブート（６）が磁石（４）と回転子（５）の回転運動に影響を与えるような磁性斥力と引力を生成することはない。回転子（５）が回転して磁石（４）を運動させる時、コイル巻線部（２）の電流によって生じた磁場斥力と引力の作用を受けることはない。回転子（５）は、回転するには、磁石（４）自体によって生じる透磁ブート（６）の材料に対する磁性引力と運動中に生成された摩擦力とを越えればよいだけである。

もちろん、本発明の閉鎖式磁気回路発電機の回転子（５）における磁石（４）は、少なくとも１つの磁石で構成されてもよい。また、磁石の磁極ごとに対応するコイル巻線部（２）が少なくとも１つ存在する。コイル巻線部間は、少なくとも１つ以上の巻線部が並列に組合わさった構造あるいは直列に組合わさった構造によって構成してもよい。このようにすれば、エネルギーが異なる発電機のグループを構成でき、電力を必要とする各場所の希望に沿ったものとなる。

本発明にかかる閉鎖式磁気回路発電機の作動過程を以下に示す。
原動力装置が伝動輪（１０）及び回転軸（７）を介して回転子（５）と磁石（４）を回転する時、磁石（４）の磁性極面は透磁ブート（６）と透磁ネック（１２）に対して磁力線を通過させる。コイル巻線部（２）内部で磁力線が磁束変化するのにしたがって、コイル巻線部（２）が誘導され、電流を生成する。回転子（５）の速度が一定回転速度で安定すると、上記閉鎖式磁気回路発電機が生成した電流も一定の値になる。原動力装置が回転を停止すると、回転子（５）も回転を停止し、上記閉鎖式磁気回路発電機も電流の生成を停止し、外部に対する電流出力も停止して、仕事を停止する。

１ 透磁支持ブラケット
２ コイル巻線部
３ 固定子
４ 磁石
５ 回転子
６ 透磁ブート
７ 回転軸
８ ハウジング
９ ステージ
１０ 伝動輪
１１ 透磁材料
１２ 透磁ネック
１３ 低透磁媒質

Claims (10)

1. ステージ（９）、ハウジング（８）、固定子（３）、回転子（５）、回転軸（７）及び伝動輪（１０）を含む閉鎖式磁気回路発電機において、
   前記回転子が、磁石（４）、透磁材料（１１）及び固定部で構成されるとともに前記回転軸（７）に固定的に接続され、
   前記回転軸（７）が、前記ハウジング（８）に滑動接続部で固定され、
   前記回転軸（７）の一端が、動力を入力する前記伝動輪（１０）に固定的に接続され、
   前記固定子（３）が、前記ハウジング（８）に固定的に接続され、
   前記ハウジング（８）が、透磁材料で構成されるとともに回転部分の機械的支持体として機能し、
   コイル巻線部（２）が、前記固定子（３）に設置されるとともに透磁支持ブラケット（１）に固定され、
   前記透磁支持ブラケット（１）の１つの中空フレーム部が、前記固定子（３）における透磁ネック（１２）の外側を覆い、
   前記透磁支持ブラケット（１）と前記固定子（３）における前記透磁ネック（１２）との間に低透磁媒質（１３）が設置されることにより、これらを一定間隔に維持し、
   前記伝動輪（１０）が、前記回転軸（７）を介して前記回転子（５）を回転させ、
   前記固定子（３）における透磁ブート（６）と前記透磁ネック（１２）が、前記回転子（５）における前記磁石の誘導によって磁力線を通過させ、
   前記コイル巻線部（２）内部における磁力線の磁束変化によって、前記コイル巻線部（２）が誘導されて電流を生成し、
   前記透磁支持ブラケット（１）と前記透磁ネック（１２）との間に設置された前記低透磁媒質（１３）が、これらを互いに分離させて一定間隔に維持し、
   前記磁力線が、最も通過し易い透磁材料を優先的に通過し、
   前記コイル巻線部（２）で生成された電流の磁場の磁力線が、前記透磁支持ブラケット（１）内に集結するとともに前記透磁支持ブラケット（１）を通過し、
   前記固定子（３）に固定された前記透磁ブート（６）には、前記コイル巻線部（２）によって生成される前記回転子（５）の回転を妨害する磁場が存在せず、
   前記回転子（５）と前記固定子（３）の間には、非常に小さな磁性引力のみが存在することを特徴とする閉鎖式磁気回路発電機。
2. 前記コイル巻線部（２）を固定する前記透磁支持ブラケット（１）が、少なくとも１種の前記透磁材料で構成されることを特徴とする請求項１記載の閉鎖式磁気回路発電機。
3. 前記コイル巻線部（２）内部と前記コイル巻線部（２）外部の前記透磁支持ブラケット（１）が透磁材料で互いに固定的に貫通接続された構造であることを特徴とする請求項１記載の閉鎖式磁気回路発電機。
4. 前記ハウジング（８）、及び前記固定子（３）における前記透磁ブート（６）と前記透磁ネック(１２）が、少なくとも１種の前記透磁材料で構成されることを特徴とする請求項１記載の閉鎖式磁気回路発電機。
5. 前記透磁支持ブラケット（１）と前記透磁ネック（１２）の間、前記透磁支持ブラケット（１）と前記透磁ブート（６）の間、及び前記透磁支持ブラケット（１）と前記ハウジング（８）の間に該当する部分に、少なくとも１種の前記低透磁媒質（１３）を設置することにより、これらを分離させるとともに一定間隔を維持することを特徴とする請求項１記載の閉鎖式磁気回路発電機。
6. 前記透磁ネック（１２）に対応する前記透磁支持ブラケット（１）のフレームコア部分が中空構造であり、前記透磁ネック（１２）の外側を覆うことを特徴とする請求項１記載の閉鎖式磁気回路発電機。
7. 前記透磁ネック（１２）の一端には、前記透磁ブート（６）が設置され、
   前記透磁ブート（６）が、前記回転子（５）における前記磁石（４）の１つの磁極面に対応し、
   前記透磁ネック（１２）の他端が、前記ハウジング（８）に固定的に接続されることを特徴とする請求項１記載の閉鎖式磁気回路発電機。
8. 前記コイル巻線部（２）中の電流が生成した磁場の磁力線が、前記透磁支持ブラケット（１）内に集結するとともに前記透磁支持ブラケット（１）を通過することにより、１つの磁力線閉鎖回路を形成することを特徴とする請求項１記載の閉鎖式磁気回路発電機。
9. 前記回転子（５）に固定的に接続された前記磁石（４）が、少なくとも１つの永久磁石もしくは少なくとも１つの電気磁石で構成される、又は少なくとも１つの永久磁石と少なくとも１つの電気磁石を組み合わせて一体化して構成されることを特徴とする請求項１記載の閉鎖式磁気回路発電機。
10. 前記回転子（５）における前記磁石（４）の各磁極に対応する透磁誘導用の前記コイル巻線部（２）が少なくとも１つ存在し、
    前記コイル巻線部（２）が、少なくとも２つの巻線部が並列又は直列に組合わされたものであることを特徴とする請求項１記載の閉鎖式磁気回路発電機。

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