JP2019208293A - 回転電機および非接触発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気効率がよく、磁束の漏れも少なく、かつコギングトルクに対する対策を行った回転電機および非接触発電機を提供する。【解決手段】回転電機１は、回転または移動する導体である移動体の一主面上に離隔して対向配置され、移動体の回転または移動方向に応じて発生するローレンツ力によって所定の回転軸回りに回転する永久磁石を有する回転体１１と、回転体が回転停止中に移動体が回転または移動を開始した場合に、回転体に初期回転駆動力を付与する初期駆動力付与部１２と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、非接触で回転する回転電機と、非接触で発電する非接触発電機とに関する。

特許文献１には、非接触で発電する自転車用ダイナモが開示されている。上述した公知文献の自転車用ダイナモは、自転車のホイールの回転軸と直交する方向に延びる回転軸周りに回転する円環状の永久磁石の外周面を、ホイールの外周面に連なる一側面から離隔して配置している。

永久磁石は、複数の磁極を周方向に並べて配置したものであり、隣接する磁極では、磁化方向が逆になっている。例えば、永久磁石のＮ極がホイールの一側面に対向配置された状態でホイールが回転すると、永久磁石からの磁束の変化を妨げる方向に、ホイールの一側面に渦電流が発生する。この渦電流による磁束と永久磁石からの磁束との反発力および誘引力により、永久磁石は、ホイールの回転方向に回転する。

よって、永久磁石の周囲をコイルで巻回して、永久磁石からの磁束がコイルを鎖交するようにすれば、コイルから誘導電力を取り出すことができる。

米国特許公開公報２０１４／０１３２１５５号

１．ホイールの一側面に対向配置される永久磁石の面積が限られているため、ホイールと永久磁石との磁気結合量を大きくできない。よって、ホイールに発生する渦電流が小さくなり、永久磁石の回転力も弱くなる。

２．上述した公知文献では、永久磁石に単一相のコイルを巻回しているが、単一相のコイルでは、コイルが巻回していない部分の永久磁石の磁束を有効利用できないため、鎖交磁束量を増やすことはできない。また、コイルが巻回している部分の永久磁石の極性の向きが、回転軸を中心に対称である場合、常にコイルを鎖交する磁束の総量が打ち消し合ってしまうため、発電できないという問題がある。

３．永久磁石からの磁束は、空気中を伝搬するため、大きな磁気抵抗を受けることになり、磁気効率がよいとはいえない。

４．ヨークを用いていないため、磁束の漏れが生じやすく、また周囲に導電材料または磁性材料があると、磁路が変化してしまい、発電量に影響を与えてしまうおそれがある。

５．ホイールの一側面に対向配置される永久磁石の磁極位置によっては、ホイールを回転させたときに、なかなか永久磁石が回転しない場合がありうる。これは、永久磁石とホイール間に生じるコギングトルクによるものである。特許文献１は、コギングトルクに対する対策を何ら行っていない。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、磁気効率がよく、磁束の漏れも少なく、かつコギングトルクに対する対策を行った回転電機および非接触発電機を提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様では、回転または移動する導体である移動体の一主面上に離隔して対向配置され、前記移動体の回転または移動方向に応じて発生するローレンツ力によって所定の回転軸回りに回転する永久磁石を有する回転体と、
前記回転体が回転停止中に前記移動体が回転または移動を開始した場合に、前記回転体に初期回転駆動力を付与する初期駆動力付与部と、を備える、回転電機が提供される。
前記初期回転駆動力は、前記移動体と前記永久磁石との相対的な形状および位置関係により前記永久磁石に発生するコギングトルクに対抗する力である、請求項１に記載の回転電機。

電気エネルギを蓄電する蓄電器を備え、
前記初期駆動力付与部は、前記蓄電器に蓄電された前記電気エネルギを利用して、前記初期回転駆動力を付与してもよい。

前記回転体の回転による運動エネルギを電気エネルギに変換する発電部を備え、
前記蓄電器は、前記発電部で変換された前記電気エネルギの少なくとも一部を蓄電してもよい。

前記回転体が回転停止中に前記移動体が回転または移動を開始した場合に、前記蓄電器に蓄電された前記電気エネルギを放電させて前記初期駆動力付与部に供給し、前記回転体が回転を開始した後は前記発電部が変換した前記電気エネルギを前記蓄電器に充電させる充放電制御部を備えてもよい。

前記発電部および前記初期駆動力付与部は、一体に構成されたモータ発電機兼用装置であってもよい。

前記初期駆動力付与部は、電気力および磁気力の少なくとも一つを利用して、前記回転体に前記初期回転駆動力を付与してもよい。

前記初期駆動力付与部は、流体エネルギ、機械エネルギおよび位置エネルギの少なくとも一つを利用して、前記回転体に前記初期回転駆動力を付与してもよい。

前記回転体は、前記移動体の前記一主面上に前記永久磁石からの磁束の変化を妨げる方向に発生される渦電流に基づいて前記永久磁石に働く反発力および誘引力により、前記第１回転軸周りに回転してもよい。

本発明の他の一態様では、回転または移動する導体である移動体の一主面上に離隔して対向配置され、前記移動体の回転または移動方向に応じて発生するローレンツ力によって所定の回転軸回りに回転する永久磁石を有する回転体と、
前記回転体の回転による運動エネルギを電気エネルギに変換する発電部と、
前記移動体が回転または移動中に前記回転体が停止している場合に、前記回転体に初期回転駆動力を付与する初期駆動力付与部と、を備える非接触発電機が提供される。

本発明によれば、磁気効率がよく、磁束の漏れも少なく、かつコギングトルクに対する対策を行った回転電機および非接触発電機を提供できる。

本発明の第１の実施形態による回転電機の概略構成を示すブロック図。 移動体および回転体の正面図。 回転体の永久磁石の磁極配置と磁化方向を示す図。 移動体の一側面に発生する渦電流により永久磁石が回転する原理を説明する図。 移動体が回転ではなく一方向に移動する場合の回転電機の一例を示す図。 本発明の第２の実施形態による回転電機を備えた非接触発電機のブロック図。 第３の実施形態による回転電機の概略構成を示すブロック図。 図７の回転電機のより詳細なブロック図。 回転エネルギを弾性エネルギに変換して蓄積する回転電機の概略構成を示すブロック図。 回転エネルギを位置エネルギに変換して蓄積する回転電機の概略構成を示すブロック図。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態による回転電機１の概略構成を示すブロック図である。図１の回転電機１は、回転体１１と初期駆動力付与部１２とを備えている。

回転体１１は、回転または移動する導体である移動体５の一主面上に離隔して対向配置されている。また、回転体１１は、移動体５の回転または移動方向に応じて発生するローレンツ力によって所定の回転軸回りに回転する永久磁石２を有する。永久磁石２は、周状に配置された複数の磁極を有する。永久磁石２の磁極数は２以上の任意の数である。

初期駆動力付与部１２は、移動体５が回転または移動中に回転体１１が停止している場合に、回転体１１に初期回転駆動力を付与する。初期回転駆動力とは、移動体５と永久磁石２との相対的な形状および位置関係により永久磁石２に発生するコギングトルクに対抗する力である。

コギングトルクは、移動体５と回転体１１の永久磁石２との吸着力の不均一性が原因となって発生する。すなわち、回転体１１の永久磁石２は、周方向に複数の磁極を有するため、回転体１１の回転角度や回転位置によって移動体５への吸着力に強弱が生じ、これが原因となってコギングトルクが発生する。

コギングトルクが発生すると、移動体５が移動または回転しても、回転体１１はなかなか回転しなくなる。そこで、初期駆動力付与部１２にて回転体１１に初期回転駆動力を付与することで、コギングトルクに打ち勝って回転体１１を回転させることができる。

図２〜図４は移動体５の移動または回転により回転体１１が回転する原理を説明する図である。図２は移動体５および回転体１１の正面図、図３は回転体１１の永久磁石２の磁極配置と磁化方向を示す図である。

図２に示すように、回転体１１は、移動体５から離隔して配置されており、その回転軸２ａ周りに回転する。回転体１１は、回転軸２ａ周りに一方向にのみ回転してもよいし、両方向に回転してもよい。

図１に示すように、永久磁石２の回転軸２ａと、移動体５の回転軸５ａとは平行に配置されており、永久磁石２の外周面２ｃに連なる一側面２ｄの少なくとも一部は、移動体５の外周面５ｂに連なる一側面５ｃに対向配置されている。より具体的には、永久磁石２が有する複数の磁極２ｂのうち、２つ以上の磁極２ｂが移動体５の一側面５ｃに対向配置されている。これにより、後述するように、永久磁石２と移動体５との磁気結合量を増やすことができ、移動体５の一側面５ｃ上に生じる渦電流を増大させることができる。

移動体５は、例えば車両の車輪やホイールなどである。移動体５は、永久磁石２に対向配置された一側面５ｃに渦電流を発生させる。渦電流を発生できるように、移動体５の少なくとも一側面５ｃは、金属などの導電材料で形成されている必要がある。

本実施形態では、永久磁石２の各磁極２ｂからの磁束により、移動体５の一側面５ｃに渦電流を発生させる。よって、永久磁石２の一側面２ｄと移動体５の一側面５ｃとの間の間隔は、永久磁石２の各磁極２ｂからの磁束が移動体５に到達可能な範囲内に制限される。

永久磁石２の各磁極２ｂは、対向する永久磁石２の一側面２ｄに向かう方向またはその反対方向に磁化されている。また、永久磁石２の隣接する磁極２ｂ同士の磁化方向は逆である。図３では、永久磁石２の各磁極２ｂの磁化方向を矢印で示している。図３に示すように、永久磁石２の一側面２ｄには、周状にＮ極とＳ極が交互に並んでいる。また、永久磁石２の移動体５に対向する一側面２ｄとは反対側の側面２ｅは、一側面とは逆極性になる。

図４は移動体５の一側面５ｃに発生する渦電流６ａ，６ｂにより永久磁石２が回転する原理を説明する図である。永久磁石２の一側面２ｄ上に周状に並ぶ複数の磁極２ｂのうち、移動体５の一側面５ｃに対向配置された磁極２ｂからの磁束は、移動体５の一側面５ｃ方向に伝搬する。永久磁石２の一側面２ｄと移動体５の一側面５ｃとの間は、エアギャップであり、永久磁石２からの磁極２ｂはこのエアギャップを伝搬する。

移動体５が回転すると、移動体５の一側面５ｃには、永久磁石２からの磁束の変化を妨げる方向に渦電流が生じ、この渦電流による磁束と永久磁石２からの磁束との相互作用（反発力および誘引力）により、永久磁石２は回転する。ただし、永久磁石２の一側面２ｄの表面速度は、対向する移動体５の一側面５ｃの表面速度よりも遅くなる。

例えば、永久磁石２のＮ極が移動体５の一側面５ｃに対向配置されている場合、Ｎ極の回転方向前方のエッジｅ１からの磁束が到達する移動体５の一側面５ｃ部分に発生する渦電流６ａの向きと、Ｎ極の回転方向後方のエッジｅ２からの磁束が到達する移動体５の一側面５ｃ部分に発生する渦電流６ｂの向きとは相違している。Ｎ極の回転方向後方のエッジｅ２からの磁束により発生する渦電流６ｂは、Ｎ極からの磁束とは反対方向の磁束を発生させる向きに流れる。一方、Ｎ極の回転方向前方のエッジｅ１からの磁束が到達する移動体５の一側面５ｃ部分に発生する渦電流６ａは、Ｎ極からの磁束と同方向の磁束を発生させる向きに流れる。いずれの渦電流６ａ，６ｂも、移動体５の回転に伴う永久磁石２からの磁束の変化を妨げる方向に流れる。

上述したように、永久磁石２のＮ極の回転方向前方のエッジｅ１側では、渦電流６ａによる磁束と永久磁石２のＮ極からの磁束との方向が同じになることから、互いに引き寄せ合う誘引力が働く。一方、永久磁石２のＮ極の回転方向後方のエッジｅ２側では、渦電流６ｂによる磁束と永久磁石２のＮ極からの磁束とは反対方向になることから、互いに反発し合う反発力が働く。永久磁石２の一側面２ｄの表面速度が、対向する移動体５の一側面５ｃの表面速度より遅い場合には、上述した、永久磁石２と渦電流６ａ、６ｂの関係が常に成り立つ。これにより、永久磁石２は、対向する移動体５の一側面５ｃの移動表面を追いかけるようにして、対向する移動体５の一側面５ｃの表面速度よりも遅い表面速度で回転することになる。なお、初期駆動力付与部１２にて回転体１１に初期回転駆動力を付与している間は、回転体１１が移動体５よりも速い回転速度で回転する場合がありうる。よって、より正確には、初期駆動力付与部１２が回転体１１への初期回転駆動力の付与を停止して、その後回転体１１が安定して回転している状態での回転体１１の移動体５に対向配置される一側面２ｄの表面速度は、対向配置される移動体５の一主面５ｃの表面速度よりも遅くなる。

図２の例では、永久磁石２の移動体５に対向する一側面２ｄとは反対側の側面２ｅには、コイル３が対向配置されている。コイル３と、対向する永久磁石２の側面２ｅとの間には、エアギャップが設けられている。コイル３は固定されており、回転する永久磁石２からの磁束がコイル３を鎖交する。永久磁石２の周状に配置された複数の磁極２ｂの極性は、交互に変化するため、コイル３を鎖交する磁束はその向きが周期的に変化する交番磁束である。よって、コイル３には、永久磁石２からの磁束の変化を妨げる方向に誘導電流が発生し、この誘導電流を抽出することで、交流からなる誘導電力を生成することができる。このように、コイルを設けることで、移動体５の運動エネルギを電気エネルギに変換することができる。よって、コイルは発電機として機能する。

永久磁石２からの磁束は、図２の矢印ｙ１，ｙ２に示すように、コイル３を鎖交した後、空気中を伝搬して永久磁石２に戻る。磁束の通過する経路は磁路と呼ばれている。磁路の大部分が空気である場合、空気中の磁気抵抗は大きいことから、コイル３を通過する磁束密度が小さくなり、結果として誘導電流も小さくなる。また、磁束が空気中を伝搬している最中に磁束の漏れが生じたり、また、周辺の導電材料または磁性材料の影響で磁路が変化するおそれもある。そこで、２に示すように、コイル３を鎖交した磁束が通過する磁路内にヨーク４を設けるのが望ましい。ヨーク４は、鉄などの透磁率の高い材料で形成されており、例えば、コイル３の永久磁石２に対向する面と反対側の面にヨーク４を密着配置することで、コイル３を鎖交した磁束を漏れなくヨーク４に導いて、ヨーク４内を通って永久磁石２に戻すことができる。これにより、磁束の漏れを防止でき、磁気効率を高くすることができる。

なお、本実施形態による回転電機１においては、コイル３とヨーク４は必須の構成部品ではない。発電機能を持たない回転電機１であっても、図１に示す回転体１１と初期駆動力付与部１２を備えていれば、回転体１１を速やかに回転させるという本実施形態による効果を得ることができる。

上述したように、移動体５が移動または回転すると、移動体５の表面には渦電流が発生し、この渦電流による磁束と永久磁石２の磁束との誘引力および反発力により、回転体１１は移動体５と同じ回転方向に回転する力が発生する。よって、回転体１１は、移動体５が移動または回転を開始すると、回転を開始する。また、移動体５の移動速度または回転速度が速くなるほど、回転体１１を回転させる力も強くなる。

ところが、上述したように、移動体５と回転体１１の永久磁石２との相対的な形状および位置関係によってコギングトルクが発生し、回転体１１の回転停止位置によってコギングトルクの大きさが変化する。コギングトルクが最大の位置で回転体１１が回転を停止すると、その後に回転体１１の回転を開始させるには、その位置でのコギングトルクに打ち勝つだけの回転駆動力が必要となる。この回転駆動力を付与するのが図１に示す初期駆動力付与部１２である。

初期駆動力付与部１２は、コギングトルクが最大の位置で回転体１１が回転を停止した場合でも、回転体１１の回転を再開できる程度の初期回転駆動力を回転体１１に付与する。このように、初期駆動力付与部１２は、回転体１１の回転を促進するためのアシスト機能を有する。

回転体１１に初期回転駆動力を付与することで、回転体１１は回転しやすくなり、移動体５が移動または回転を開始すると、速やかに回転体１１は回転を開始するようになる。

図２〜図４では、移動体５が回転する例を示したが、移動体５は所定方向に移動するものであってもよい。

図５は移動体５が回転ではなく一方向に移動する場合の回転電機１の一例を示す図である。移動体５の一主面８ａと永久磁石２の一側面２ｄとが離隔して配置されている。移動体５は、例えば、図５の矢印の向きに移動する。あるいは、移動体５は、矢印の向きとその反対側の向きとの双方向に移動してもよい。移動体５の少なくとも一主面８ａは、渦電流を発生させる導電材料で形成されている。図５の場合の動作原理は、図４と同じである。永久磁石２の一側面２ｄに対向配置された移動体５の一主面８ａ上に、永久磁石２からの磁束の変化を妨げる向きに渦電流が発生する。この渦電流による磁束と永久磁石２からの磁束との相互作用（反発力および誘引力）により、永久磁石２は移動体５の移動方向に応じた方向に回転する。

移動体５は、それ自身が移動する場合だけでなく、永久磁石２に対して相対的に移動するものでもよい。例えば、移動体５を列車が走行するレールとし、回転自在の永久磁石２と、固定されたコイル３およびヨーク４とを備えた列車をレール上で走行させ、レールの一側面に永久磁石２の一側面２ｄを対向配置させる場合にも本実施形態を適用可能である。このように、移動体５は、永久磁石２に対して相対的に移動するものでもよい。

初期駆動力付与部１２は、例えば、電気力および磁気力の少なくとも一つを利用して、回転体１１に初期回転駆動力を付与する。電気力および磁気力を発生させる一代表例は、モータである。例えば、モータの回転軸を回転体１１の回転軸と一体化することで、モータの回転駆動力を直接回転体１１の回転駆動に利用することができる。

このように、第１の実施形態では、回転体１１の永久磁石２にコギングトルクが発生したとしても、回転体１１に初期駆動力を付与することで、回転体１１を回転しやすくすることができる。よって、移動体５が移動または回転を開始すると迅速に、すなわち、移動体５の移動速度または回転速度が遅い間であっても、回転体１１は回転を行うようになり、移動体５の運動エネルギを回転体１１の回転エネルギに効率よく変換できる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、回転体１１にモータおよび発電機として機能する電気機械を接続するものである。
図６は本発明の第２の実施形態による回転電機１を備えた非接触発電機１０のブロック図である。第２の実施形態による非接触発電機１０は、図２のコイル３を省略する代わりに、回転体１１の永久磁石２の回転軸２ａに接続されたモータ発電機兼用装置１３と、蓄電器１４と、駆動制御部１５とを備えている。回転体１１の永久磁石２は、回転軸２ａの軸端に配置された不図示のヨークに接合されている。回転体１１、ヨークおよび回転軸２ａは、一体に回転自在とされている。

モータ発電機兼用装置１３は、回転軸２ａを回転させる駆動力を発生するモータと、回転軸２ａの回転エネルギを電気エネルギに変換する発電機とを兼用する装置である。モータ発電機兼用装置１３の内部構成は問わないが、例えば、回転軸２ａとともに回転する不図示のロータおよびステータと、ステータに巻回されたコイルとを有する。

モータ発電機兼用装置１３をモータとして動作させる場合は、ロータを回転させて回転軸２ａを回転させる。モータ発電機兼用装置１３を発電機として動作させる場合は、ステータに巻回されたコイルにて発生した誘導起電力を蓄電器１４に蓄電する。このように、移動体５の運動エネルギは、モータ発電機兼用装置１３にて電気エネルギに変換され、この電気エネルギが蓄電器１４に蓄電される。

モータ発電機兼用装置１３をモータとして動作させる場合の駆動電源は、蓄電器１４に蓄電された電気エネルギである。モータ発電機兼用装置１３は、図１の初期駆動力付与部１２の機能を具備している。具体的には、モータ発電機兼用装置１３をモータとして動作させることにより、初期駆動力付与部１２の動作を行うことになる。

駆動制御部１５は、回転体１１が回転停止中に移動体５が回転または移動を開始した場合に、蓄電器１４に蓄電された電気エネルギを放電させてモータ発電機兼用装置１３に供給し、回転体１１が回転を開始した後はモータ発電機兼用装置１３で変換した電気エネルギを蓄電器１４に充電させる制御を行う。また、駆動制御部１５は、モータ発電機兼用装置１３が負荷１６を駆動する制御を行う。

図６は、移動体５の運動エネルギを電気エネルギに変換して蓄電器１４に蓄電する例を示したが、蓄電器１４に蓄電する電気エネルギは、移動体５の運動エネルギを変換した電気エネルギとは無関係の電気エネルギであってもよい。例えば、蓄電器１４は、予め蓄電されたバッテリであってもよいし、太陽光や風力などの自然エネルギを電気エネルギに変換して蓄電してもよいし、車両等の回生エネルギを電気エネルギに変換して蓄電してもよい。

このように、第２の実施形態によるモータ発電機兼用装置１３は、蓄電器１４に蓄電された電気エネルギを利用して、モータ発電機兼用装置１３を駆動して、回転体１１に初期駆動力を付与する。すなわち、本実施形態によれば、非接触発電機１０に備わっているモータ発電機兼用装置１３を用いて、回転体１１に初期駆動力を付与するため、別個に専用の初期駆動力付与部１２を設ける必要がなくなり、構成を簡略化できる。また、移動体５の運動エネルギを電気エネルギに変換して蓄電器１４に蓄電し、その蓄電電力を利用して、回転停止中の回転体１１に対して初期回転駆動力を付与することもできる。これにより、外部電源を用いることなく、回転体１１に初期回転駆動力を付与でき、外部電源を確保することが困難な環境下であっても、コギングトルクの影響を受けずに、回転体１１を速やかに回転させることができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態は、電気エネルギ以外のエネルギを蓄積して、蓄積したエネルギを用いて回転体１１に初期駆動力を付与するものである。電気エネルギ以外のエネルギとは、流体エネルギや、弾性エネルギなどの機械エネルギや、位置エネルギである。第３の実施形態は、流体エネルギ、機械エネルギまたは位置エネルギを蓄積して、その蓄積エネルギを用いて回転体１１に初期駆動力を付与する。

図７は第３の実施形態による回転電機１の概略構成を示すブロック図である。図７の回転電機１は、移動体５の移動による運動エネルギに応じた回転体１１の回転エネルギを流体エネルギに変換する流体エネルギ変換器２１と、変換された流体エネルギに応じた圧力を蓄圧する蓄圧器２２と、移動体５の移動による運動エネルギに応じた回転体１１の回転エネルギを流体エネルギ変換器２１に伝達するか否かを切り替えるエネルギ伝達切替器２３と、駆動制御部２４とを備えている。

流体エネルギ変換器２１は、回転体１１の回転エネルギを、気体または液体からなる各種の流体のエネルギに変換する。より具体的には、流体エネルギ変換器２１は、回転体１１の回転エネルギを、風圧、蒸気圧、水圧、油圧などの流体エネルギに変換する。流体エネルギ変換器２１は、流体が気体の場合にはコンプレッサを有し、流体が水等の液体の場合にはポンプを有する。

蓄圧器２２は、流体の圧力を蓄圧するアキュムレータである。流体エネルギ変換器２１が変換した流体エネルギが大きいほど、蓄圧器２２に蓄圧される流体の圧力は高くなる。蓄圧器２２には、後述するように弁が設けられており、この弁を閉じることで、蓄圧器２２に蓄圧された流体の圧力を保持する。

エネルギ伝達切替器２３は、蓄圧器２２が最大圧力に達してそれ以上蓄圧できない場合に、流体エネルギ変換器２１の出力を解放するか、回転体１１との接続を物理的に切り離す。解放した流体エネルギは、例えば負荷１６を駆動するために用いられる。

駆動制御部２４は、回転体１１の回転エネルギを流体エネルギ変換器２１にて流体エネルギに変換させ、変換された流体エネルギに応じた圧力を蓄圧器２２に蓄積する制御を行う。また、駆動制御部２４は、回転体１１が回転停止中に移動体５が回転または移動を開始した場合に、蓄圧器２２に蓄積された圧力を利用して、回転体１１に初期駆動力を付与する。

図８は図７の回転電機１のより詳細なブロック図であり、流体が気体の例を示している。図８の回転電機１は、エネルギ伝達切替器２３に対応するクラッチ２５と、流体エネルギ変換器２１に対応する圧縮器２６と、駆動制御部２４に対応する蓄放圧制御部２７と、圧縮器２６と蓄圧器２２との間で気体を開閉する第１弁２８と、圧縮器２６と蓄放圧制御部２７との間で気体を開閉する第２弁２９とを備えている。

図８の回転電機１の始動時には、第１弁２８を閉から開に、第２弁２９を閉にして、クラッチ２５をオンする。これにより、蓄圧器２２に蓄圧された圧力により、圧縮器２６から気体が解放されて、その際の気圧により回転体１１に初期駆動力が付与される。

蓄圧器２２への蓄圧時は、始動時と同様に、第１弁２８を閉から開に、第２弁２９を閉にして、クラッチ２５をオンする。これにより、回転体１１の回転エネルギに応じて圧縮器２６は気体を圧縮し、その圧縮された気圧により蓄圧器２２は蓄圧処理を行う。

蓄圧器２２への蓄圧を行わない通常時は、第１弁２８は閉に、第２弁２９は開に、クラッチ２５はオンする。あるいは、第１弁２８は閉に、第２弁２９は開または閉に、クラッチ２５はオフする。

蓄圧器２２に蓄圧されたエネルギが一定以上になると、それ以上蓄圧する必要はなくなる。この場合、回転体１１からのエネルギをできるだけ負荷のみに供給したい。そこで、まず第１弁２８を閉じて、蓄圧器２２に蓄圧されたエネルギを保持する。また、圧縮器２６が圧縮した気体を逃がすために第２弁２９を開いて、大気中に放出する。この状態では、蓄圧器２２は蓄圧処理を行わないため、圧縮器２６の回転による機械損や配管内を流体が流れることによる損失のみとなり、回転体１１からのエネルギが負荷に供給される。この場合、クラッチ２５をオフした方が、圧縮器２６の損失がなくなるため有利である。なお、第１弁２８と第２弁２９の機能をまとめた３方向弁を設けてもよい。

図９は移動体５の移動による運動エネルギに応じた回転体１１の回転エネルギを弾性エネルギに変換して蓄積する回転電機１の概略構成を示すブロック図である。図９の回転電機１は、回転体１１の回転エネルギを弾性エネルギに変換して蓄積する弾性エネルギ蓄積器３１と、移動体５の移動による運動エネルギに応じた回転体１１の回転エネルギを弾性エネルギ蓄積器３１に伝達するか否かを切り替えるエネルギ伝達切替器３２と、駆動制御部３３とを備えている。

弾性エネルギ蓄積器３１は、例えばぜんまいバネで構成可能である。また、ボールネジとバネやゴムなどの弾性部材とを組み合わせることで、回転体１１の回転方向を直線方向に変換して、弾性部材を伸縮させることができる。弾性部材を伸縮させた状態でロックさせる機構を設けることで、弾性部材の弾性エネルギを保持することができる。駆動制御部３３は、回転体１１の始動時には、弾性エネルギ蓄積器３１に蓄積された弾性エネルギを利用して、回転体１１に初期駆動力を付与する。

図１０は移動体５の移動による運動エネルギに応じた回転体１１の回転エネルギを位置エネルギに変換して蓄積する回転電機１の概略構成を示すブロック図である。図１０の回転電機１は、回転体１１の回転エネルギを位置エネルギに変換して蓄積する位置エネルギ蓄積器４１と、移動体５の移動による運動エネルギに応じた回転体１１の回転エネルギを位置エネルギ蓄積器４１に伝達するか否かを切り替えるエネルギ伝達切替器４２と、駆動制御部４３とを備えている。

位置エネルギ蓄積器４１は、簡易な構成としては、滑車と錘を用いて構成することができる。例えば、滑車の回転軸２ａが回転体１１の回転軸２ａと同期して回転するようにする。これにより、回転体１１が回転すると、錘が持ち上がり、錘が持ち上がることによる位置エネルギが位置エネルギ蓄積部に蓄積される。持ち上がった錘をその位置に保持するロック機構を設けることで、位置エネルギを利用して、回転体１１に初期駆動力を付与することができる。

このように、第３の実施形態は、移動体５の移動による運動エネルギに応じた回転体１１の回転エネルギを、電気エネルギ以外のエネルギの形態で蓄積して、蓄積されたエネルギを動力源として、回転体１１に初期駆動力を付与する。これにより、第２の実施形態と同様に、外部電源を確保できない場所であっても、回転体１１に初期駆動力を付与でき、回転体１１の回転効率を向上できる。

本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

１ 回転電機、２ 永久磁石、３ コイル、４ ヨーク、５ 移動体、１１ 回転体、１２ 初期駆動力付与部、１３ モータ発電機兼用装置、１４ 蓄電器、１５ 駆動制御部、２１ 流体エネルギ変換器、２２ 蓄圧器、２３ エネルギ伝達切替器、２４ 駆動制御部、２５ クラッチ、２６ 圧縮器、２７ 蓄放圧制御部、２８ 第１弁、２９ 第２弁、３１ 弾性エネルギ蓄積器、３２ エネルギ伝達切替器、３３ 駆動制御部、４１ 位置エネルギ蓄積器、４２ エネルギ伝達切替器、４３ 駆動制御部

Claims (10)

1. 回転または移動する導体である移動体の一主面上に離隔して対向配置され、前記移動体の回転または移動方向に応じて発生するローレンツ力によって所定の回転軸回りに回転する永久磁石を有する回転体と、
   前記回転体が回転停止中に前記移動体が回転または移動を開始した場合に、前記回転体に初期回転駆動力を付与する初期駆動力付与部と、を備える、回転電機。
2. 前記初期回転駆動力は、前記移動体と前記永久磁石との相対的な形状および位置関係により前記永久磁石に発生するコギングトルクに対抗する力である、請求項１に記載の回転電機。
3. 電気エネルギを蓄電する蓄電器を備え、
   前記初期駆動力付与部は、前記蓄電器に蓄電された前記電気エネルギを利用して、前記初期回転駆動力を付与する、請求項１または２に記載の回転電機。
4. 前記回転体の回転による運動エネルギを電気エネルギに変換する発電部を備え、
   前記蓄電器は、前記発電部で変換された前記電気エネルギの少なくとも一部を蓄電する、請求項３に記載の回転電機。
5. 前記回転体が回転停止中に前記移動体が回転または移動を開始した場合に、前記蓄電器に蓄電された前記電気エネルギを放電させて前記初期駆動力付与部に供給し、前記回転体が回転を開始した後は前記発電部が変換した前記電気エネルギを前記蓄電器に充電させる充放電制御部を備える、請求項４に記載の回転電機。
6. 前記発電部および前記初期駆動力付与部は、一体に構成されたモータ発電機兼用装置である、請求項４または５に記載の回転電機。
7. 前記初期駆動力付与部は、電気力および磁気力の少なくとも一つを利用して、前記回転体に前記初期回転駆動力を付与する、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の回転電機。
8. 前記初期駆動力付与部は、流体エネルギ、機械エネルギおよび位置エネルギの少なくとも一つを利用して、前記回転体に前記初期回転駆動力を付与する、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の回転電機。
9. 前記回転体は、前記移動体の前記一主面上に前記永久磁石からの磁束の変化を妨げる方向に発生される渦電流に基づいて前記永久磁石に働く反発力および誘引力により、前記第１回転軸周りに回転する、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の回転電機。
10. 回転または移動する導体である移動体の一主面上に離隔して対向配置され、前記移動体の回転または移動方向に応じて発生するローレンツ力によって所定の回転軸回りに回転する永久磁石を有する回転体と、
    前記回転体の回転による運動エネルギを電気エネルギに変換する発電部と、
    前記移動体が回転または移動中に前記回転体が停止している場合に、前記回転体に初期回転駆動力を付与する初期駆動力付与部と、を備える非接触発電機。

Images