JP2016518172A - 固定運動器具発電機 - Google Patents

Abstract

運動装置は、装置を使用する人による運動が、運動の時点で使用される、又は後の使用のために保存される出力電力を生じさせるように電流生成器と機械的に係合される。モータは、装置と係合するロータを回転することにより追加の駆動力を提供し、ロータはロータ上の永久磁石及びステータ上の電磁尺の相対位置に応じた磁気吸引及び磁気反発によって動作する。装置は軽量であり、作り出すのが低コストであり、きわめて耐久性がる。【選択図】図１

Description

本開示は、運動器具の分野に関し、より詳細には電気エネルギーを発生させるため、及び該エネルギーを蓄えるために有効化される運動器具に関する。運動器具は本開示の分野で周知である。しかしながら、装置の出力を改善するために磁気モータと併せて運動器具を使用することは知られていない。以下の開示は、係る統合モータを使用してかなりの出力電流を生じさせることができる装置を定義する。

本開示は、運動装置又はシステム、及び電気エネルギーを発生させ、蓄えるための方法を説明する。一実施形態での装置は、ペダリングにより発電機を回転させるための手段を有する静止自転車である。発電機は、自転車のライダーが売り歩くのに対する抵抗を提供する。代替実施形態では、装置は、トレッドミル、エリプティカルエクササイザ、又は任意の他のパーソナルエクササイズマシンとして構成されてよい。電磁石モータは、自転車が行商回転中の電磁切替えにより作動し、発電機に回転エネルギーを送達し、行商によって提供されるエネルギーを賛辞し、発電機を駆動するために要する力の量を軽減するように自転車に結合される。装置によって発生する電気エネルギーはバッテリーに蓄えられ、発生の時点で局所的に使用され、電力系統に送達されてよい、又は他の方法で使用されてよい。当業者は、目的とする用途に、直接的に又は蓄電池から、装置の出力を整流し、変換し、周波数変換し、反転する方法を知るだろう。

装置の日々の出力は、１時間のサイクリング中で１から３キロワットであってよい。つまり、装置は４台の５００ワットの交流発電機を駆動し得る。これが１つの運動プログラムに従って毎日繰り返される場合、月に合計６２キロワット時が生産（貯蔵及び／又は使用）され得る。米国では、小売電力は、国際エネルギー機関（ＩＥＡ）に従ってキロワット時あたり８セントと１７セントの間である。１キロワット時あたりの住宅のコストが１２セントであり、その場合、１つの住居が付きに電気サービスに対して月に＄５０を支払っていると仮定すると、合計４１７キロワットの電気が消費されている。この例では、住宅の電気コストの約１５％が節約されることが分かる。米本土における電気の多数倍も電気のコストがかかることがあるハワイ等の場所では、装置は住宅電気の家庭用コストの５０％もの削減を提供し得る。

システムは、居住環境又は商業環境で使用されることを目的とする。例えば公共の又は商業的な運動施設の中でのように同時に動作する複数のユニットと使用されるとき、システムの多くのユニットの電気出力が施設に対する電気サービスを完全に支払い、公共の電気系統に電力を載せることも可能にすることが考えられる。

本開示の装置の主要な優位点は、健康のために運動エネルギーを使用し、同時に電力系統から引き出される電力のコストを削減する二重の利点である。他の優位点は、軽量、小型、相対的に低コスト、温室効果ガス又は他の環境を悪化させる生成物の生成がないこと、生成の時点での出力の使用もしくは後の使用のための貯蔵、並びに太陽光発電機及び風力発電機を併用した運転を含む。

これらの概念の１つ又は複数の実施形態の詳細は、添付図面及び以下の説明に明記されている。これらの概念の他の特徴、目的、及び優位点は、説明及び図面から、並びに特許請求の範囲から明らかになる。

多様な図面での類似する参照記号は類似する要素を示す。

説明される本装置の例の概略図である。 装置の実施形態の動作の概念の例のブロック図である。 装置のロータの例の概念立面図である。 装置のステータの例の概念立面図である。 装置の信号の流れの例の電気概略図である。

上記発明の概要に説明されるように、システム１０はユーザに対し、抵抗が発電機及び交流発電機等であるが、それに制限されない１台又は複数の電力生成器２０によって生じる抵抗トレーニングを提供する。図１の概略図では、ペダル又は他の人間駆動インタフェースを提供する人間運動デバイス３０を含んだシステム１０の詳細が示されている。デバイス３０は、例えば一実施形態では運動用静止自転車であってよい。デバイス３０は、電気生成器２０の内の１台または複数に機械的に接続されてよい。交流（ＡＣ）が作り出される場合、交流は単相１１５ボルトで６０ヘルツ、又は２３０ボルトで５０ヘルツであってよく、したがって、例えばライト、トースター、ミキサー、ドリル、及び他の小型又は大型の器具を操作するために住居内で直接的に適用され得る。直流（ＤＣ）が作り出される場合、直流は、コンピュータ、テレビ、増幅器、レコーダ、及び他のＤＣデバイスを操作するために直接的に使用されてよい。言うまでもなく、それぞれのケースで、システム出力電流４０は、インタフェース回路５０によって、電力を供給されているデバイス６０の電圧レベル要件、周波数要件、高調波バランス要件、間欠要件、及び他の要件に適応されなければならない。また、作り出されるエネルギーは、サイズ及びタイプが当業者によって知られている１つ又は複数のバッテリー６２に向けられ、後の使用のために蓄えられてよい。電気当業者は、整流回路、移相回路、周波数制御回路及び周波数安定化回路、インバータ回路、トランスフォーマ回路を使用して、並びに電気回路エンジニアリング分野及び電力エンジニアリング分野の中の他の手段によって係るインタフェースを有効にできる。係る回路は、周知であるように、ＡＣ電流とＤＣ電流との間の変換もできる。出力電力は、考慮事項及び手段も非常によく知られている電力系統に提供されてもよい。出力電力は、運動デバイス３０の制御装置及びディスプレイ等の搭載されているユーティリティに提供されてもよく、係るファシリティーは運動分野で既知の器具及び将来この分野に導入される可能性がある任意の器具のいずれかであってもよい。

電気モータ７０は、図２に概念的に示されるシステム１０の中で統合されてよく、モータ７０の回転の一定速度、したがって生成器２０からの一定の電力出力を維持するためにフライホイール１００も含んでよい。モータ７０は、ロータ７２（図３）及びステータ８２（図４）を有する。ロータ７２はフライホイール１００としても機能してよい、又は１つ又は複数のフライホイール１００が、この種の図で典型的であるように、破線で図２に示される機械ドライブトランスミッションラインに挿入されてよい。ロータ７２は、回転のために車軸７５に取り付けられ、チェーンドライブ、シャフトドライブ、ダイレクトドライブ、又は任意の他の機械的なエネルギー伝達装置を通してデバイス３０によって機械的に駆動されて、機械トランスミッションの当業者によって知られる任意のギヤ装置又はスプロケット装置を通して電力生成器２０だけではなくロータ７２にも回転運動を送達してよい。ロータ７２は、例えばスプロケット、ギヤ、ディスク、又は類似する代替策等の円板形のホイール７４として構築されてよく、アルミニウム合金等の非鉄金属から作られてよい。ロータ７２は、図３に例によって示されるように、選択された位置でロータ７２の上に又はロータ７２の中に固定して取り付けられる複数の高エネルギー永久磁石７６を有してよい。磁石７６は、それぞれの一方の端部に磁北極（北７６）、及び各磁石７６の対向する端部に南磁極（南７６）を有する線形形状であってよい。北７６極は、図示されるように、ロータ７２の回転の方向で南７６極を先導するために位置決めされてよいが、逆も等しく使用されてよい。磁石７６は、図示されるように、ロータ７２の回りのスポーク状の配置で、中心線により示される斜めに分けられた半径方向の列７８に配置され、磁石７６の磁極は図３に示されるように半径方向で一列に並べられてよい。磁石７６は、示されるように、線形形状であってよい、又は円周方向に曲線状の磁石セグメントであってよい。磁石７６は、図３で１つの半径方向の列に示されているが、磁石７６の類似するセットが列７８のすべてに位置決めされ、１列あたりの磁石のより多くの又はより少ない磁石、及び半径方向の列の数が調整されてよいことが理解されるべきである。

図４に示されるステータ８２は、点８５で固定して取り付けられた円板形の剛性支持構造８４を有してよい、又はそれ以外の場合、ステータ８２が移動できないように、及びアルミニウム合金等の非鉄金属から作られてよい。構造８４は、構造８４の上又は構造８４の中に複数の電磁石８６を取り付けていることがある。磁石８６は、それぞれの一端に名目磁北極、北８６、及び各電磁石８６の対向する端部に南磁極、南８６を有する線形形状であってよい。磁極、つまり北８６及び南８６は、磁極の中を流れる電流の方向を逆転することによって瞬時に逆転できる。構造８４がロータ７２に対して相互に同心で、平行に、及び近接して配置された状態で、ロータ７２及びステータ８２の磁石の極の磁場が引力及び反発力を生じさせるように、構造８４上の電磁石８６の物理的な位置はロータ７２上の永久磁石配置と同一であってよい。ステータ８２は、電磁石８６が説明された同一の方法で構造８４上に固定して取り付けられた、ただ１つの又は１組の上述の構造８４を含んでよい。構造８４がロータ７０の両側に位置決めされるとき、磁石７６は、その磁場が構造８４上の電磁石８６の場に両側で係合するように、ホイール７４上の開口内に取り付けられてよい。ロータ７２が回転するにつれ、磁石７６及び８６の地場が互いと相互に作用して、ロータ７２に対して回転駆動力を生じさせることは明らかである。

磁石７６及び８６は、磁石７６と８６の間の磁気相互作がより密接であるだけではなく、より有効な持続時間も有するように円周方向に曲線状のセグメントであってよい。電磁石８６の電流方向の変化の時間を定めることによって、磁気吸引力及び磁気反発力が導き出されて回転インパルスをロータ７２に提供してよいことは、標準的なモータ動作から明らかであるはずである。電磁石８６の極の極性を確立し、変更する際に相対的に少ないが、わずかではない電流が消費されるため、このプロセスでは相対的にほとんどエネルギーが使用されない。ロータ７２に加えられる推進力は、磁気吸引力及び磁気反発力が磁石８６を通過するときに磁石７６が経験する磁気吸引力及び磁気反発力によって生成される。特に磁石モータを含んだモータエンジニアリングの当業者は、ロータ７２が回転を完了するたびに、磁石７６及び８６の相対的な位置に関していつ電磁石８６内の電流を逆転するのかだけではなく、本装置での磁石の最良の近接を決定できる。電磁石８６によってロータ７２に磁力を提供するための多様な種類の代替手段は、それぞれの磁石をロータ７２の回転中の相互近接に機械的に入れる又は外す１つ又は複数のスイングアームを含んだ本装置に適用され得る。目的は、多くの高エネルギー永久磁石、及び対応する高電流電磁石を可能な限り近接して適用して、可能な限り強力な磁気吸引及び磁気反発を達成することである。

図５に示される切替え回路９０は、ロータ７２の瞬間的な位置に関係する電気出力信号９３を生じさせるためにロータ７２に係合する、タコメータ、デジタル回転センサ、パルスモータ、又は類似する計器９２を使用する。この位置信号９３は、出力、周波数がロータ７２の回転速度及び位置に関係する正弦波電流が、磁石７６、８６の相対的な位置と同期してステータ（複数の場合がある）上の電磁石８６を駆動する信号発生器９４及び増幅器９５に伝えられる。回路９０の構築、つまり、実践するための削減は、当業者の能力の範囲内にあるが、今回路の概念は範囲内にない。回路９０は、ロータ７２の回転のありとあらゆる速度で電力の操作及び発生を可能にする。この回路は、説明される本装置を用いるその操作及び操作の方法を鑑みて新規且つ非自明であると見なされる。

主題の装置及び方法の実施形態が本明細書に説明されている。それにも関わらず、多様な修正が本開示の精神及び理解から逸脱することなく加えられてよいことが理解される。したがって、他の実施形態及び手法は、続く特許請求の範囲の範囲内にある。

Claims (20)

1. 電気エネルギーを生成するための運動システムであって、
   人間運動装置が操作されるときに電気を発生させるための電力生成器と係合する機械駆動装置を有する該運動装置であって、前記電力生成器による前記機械駆動装置に対する抵抗が克服するために人間の労作を要し、それによって人間のオペレータを働かせる人間運動装置と、
   前記機械駆動装置と係合するモータがステータ及びロータ有し、前記ロータが前記ロータ上にパターンで配列される永久磁石を有し、前記ステータが前記ステータの上に電磁石を有し、前記電磁石が前記永久磁石の前記パターンで配置され、前記永久磁石及び前記電磁石の電場が相互に作用するように位置決めされる、
   前記ロータと係合する切替え回路であって、前記回路が前記電磁石に伝えられる正弦波出力電流を提供し、前記電磁尺の前記電流切替え極性が、前記ロータの回転運動、並びに前記永久磁石及び前記電磁尺の相対的な位置に対応して、前記磁石間に引力及び反発力を生じさせ、前記力が選択された方向で前記ロータを駆動する傾向がある、切替え回路と
   を備えるシステム。
2. 前記運動装置が静止自転車である、請求項１に記載のシステム。
3. 前記発生器が発電機又は交流発電機である、請求項１に記載のシステム。
4. 前記駆動装置が人間によって駆動されるデバイス、モータ、フライホイール、及び前記発生器を相互接続するチェーンを使用する、請求項１に記載のシステム。
5. 前記人間によって駆動されるデバイスがペダル駆動スプロケットである、請求項４に記載のシステム。
6. 前記モータが、ロータの上に又はロータの中に永久磁石を有するロータと、ステータの上に又はステータの中に電磁石を有するステータとを有する、請求項４に記載のシステム。
7. 前記永久磁石及び前記電磁石が共通のパターンで配置される、請求項６に記載のシステム。
8. 前記永久磁石及び前記電磁石が近接している、請求項７に記載のシステム。
9. 前記フライホイールが前記モータのロータの一部である、請求項４に記載のシステム。
10. 前記永久磁石が高エネルギー磁石である、請求項６に記載のシステム。
11. 前記永久磁石が半径方向のアレイでグループで配置され、前記グループが斜めに分けられる、請求項１に記載のシステム。
12. 前記電磁石が半径方向のアレイでグループで配置され、前記グループが前記永久磁石に対応して斜めに分けられる、請求項１に記載のシステム。
13. 前記切替え回路が、タコメータ、デジタル回転センサ、及びパルスモータの内の１つを使用して、前記ロータの相対位置を信号発生器に知らせる、請求項１に記載のシステム。
14. 前記切替え回路が、タコメータ、デジタル回転センサ、及びパルスモータの内の１つを使用して、前記ロータの回転速度を知らせる、請求項１に記載のシステム。
15. 前記切替え回路が１つ増幅器を使用して、電磁石に送達される出力電流を生じさせる、請求項１に記載のシステム。
16. 前記出力電流が前記電磁尺の極性を切り替えるために正弦波である、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記電磁石の前記極性が、前記永久磁石と前記電磁石との間の吸引又は反発を決定する、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記吸引及び前記反発の両方が共通の回転向きで前記ロータを駆動する、請求項１７に記載のシステム。
19. 電気を作り出すための方法であって、
    人間の筋力を使用して機械駆動装置を回転させることと、
    前記機械駆動装置を用いて電力生成器を回転させることと、
    電気装置に電流を送達することと、
    前記機械駆動装置を用いてモータを回転させることと、
    磁気手段によって前記モータへの回転力を生じさせることと
    を含む方法。
20. 電磁石内部の電流の逆転を用いて永久磁石と前記電磁石の間の調整相対位置によって前記永久磁石と前記電磁石の間で引力と反発力を生じさせることをさらに含む、請求項１９に記載の方法。

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