JP2019213260A - 磁力回転装置 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石の磁力を利用して回転する磁力回転装置において、磁界の中に蓄えられる磁場のエネルギーを取り出すためには、どのような構造ですればよいのか、どのようにして回転エネルギーを取り出すのかが課題である。【解決手段】同一軸上に固定側と可動側の２個の永久磁石をその極性が同じになるように対峙させ、２個の永久磁石の間に隙間を設け、隙間に直角方向に磁気シールド板上に取り付けた吸引用磁石を２個の永久磁石の間に隙間の間を移動させている。隙間に吸引用磁石を挿入している時には、可動側磁石を下方向に移動させている。隙間に吸引用磁石を挿入していない時には、可動側磁石を上方向に移動させている。可動側磁石の往復運動をクランク機構で回転運動に変え、吸引用磁石を回転させている。【選択図】図１

Description

この発明は、磁力を用いて回転体を回転させる磁力回転装置に関するものである。回転子と固定子の両方に磁石を用いた磁力回転装置において、磁石どうしの回転方向の吸引力と反発力のいずれかを利用して回転エネルギーとする磁力回転装置に関するものである。

特許文献１および２の磁力回転装置は、円周領域に配置された磁石と、この磁石に対し反発力を発生させる磁界を発生する電磁石を備えた磁力回転装置である。

特許文献１に記載の磁力回転装置は、円筒状の回転子と、回転子に取り付けられた電磁石と、回転子の電磁石に対応して磁力による反発力を発生させる磁石を固定子に備えている。特許文献２に記載の磁力回転装置は、円筒状の回転子に取り付けられた磁石と、回転子の磁石に対応し磁力による反発力を発生させる電磁石を固定子に備えている。電磁石に対向する位置に磁石が到達すると、電磁石が通電されて磁力が発生し、電磁石と磁石の間の反発力を利用し回転エネルギーを得ている。

先行発明の磁力回転装置は、回転トルクが発生する位置に電磁石と磁石が到達すると、電磁石で磁界を発生させ回転力を得ているため、純粋に磁石と磁石の反発力を利用するものではない。

電磁石と磁石の間に反発力を利用して回転体に回転トルクを発生させ回転させているもので、電磁石に電流を流し、電磁石と磁石の間で発生する力を回転トルクとして利用するものである。従来の電動機と同じように電気エネルギーを使って機械的な回転力を得ている。

特許公開平９−２３３８７２号公報 特許公開２００５−７３３１０号公報

磁場においてＮ極とＳ極が必ずセットで存在しものポールの存在は無いとされている。そのため電磁石を用いることなしに磁界のエネルギー取り出すことは困難であると言われている。

モータは電磁石を用いて磁石の極性を変え、電磁石と永久磁石の間に働く力を吸引力から反発力に切り換え回転エネルギーを得ている。

本発明の課題は電磁石用いることなしで吸引力と反発力を交互に作り出すか、取り出された磁石の吸引力と反発力のエネルギーを、その力を取り出すために必要とされるエネルギーよりを大きくするかが解決すべき課題である。

本発明では、可動側磁石と固定側磁石を同一軸上に同じ極性が対峙するように配置して可動側磁石と固定側磁石の間に隙間を設けている。固定磁石と可動磁石のなす軸に対して垂直な平面状を磁気シールド板の上に取り付けた吸引用磁石をこの隙間の間に回転させている。

電動機では反発力を吸引力に変えるため、電磁石を用い整流子を用いてコイルに流れる電流の向きを変え電磁石の極性を変えているが、本発明では電磁石を用いていない。磁気シールド板と吸引用磁石を用いて磁石から発生する磁束を制御して、固定側磁石と可動側磁石に働く力が吸引力となるのか反発力になるのかの切り変えを行っている。

本発明では吸引力を得るときには、固定側磁石を磁気シールド物質で覆い、固定側磁石の磁束が可動側磁石に届かないようにしている。また、磁気シールド板の上に薄型の永久磁石取り付け可動側磁石の極性と異なる極性を可動側磁石に面するように取り付けている。この薄型磁石と可動側磁石の間に吸引力が発生するようにしている。

反発力を得る時には、可動側磁石と固定側磁石の間の磁気シールド板と吸引用磁石が来ないようにしている。磁気シールドをする物質が外されると、可動側磁石と固定側磁石の間には、同じ極性の磁石が対峙しているので互いに磁石は反発し合う。この反発力で可動側磁石を移動させている。

同一軸上で吸引力と反発力が交互に繰り返されると可動側磁石が往復運動をする。この往復運動する力を回転力に変えるためクランク機構を用いている。

クランク機構で回転運動に変えた回転エネルギーで、磁気シールド板上の薄型永久磁石を可動側磁石と固定側磁石のなす軸に対し直角方向の回転面を回転するようにしている。

クランク機構で得られた回転運動を傘歯車で磁気シールド板上の吸引用磁石を直接回転する方法ではなく、クランク機構の出力軸を発電機に接続し、発電機の出力を電動機の入力に接続し電動機で磁気シールド板上の吸引用磁石を回転させる方法もある。

磁気シールド板上の吸引用磁石を回転させるために必要なエネルギーは回転部の空気抵抗と軸受部の機械的摩擦だけである。固定側磁石と可動側磁石の間に蓄えられた磁場のエネルギーを取り出している。加えられたエネルギーより大きなエネルギーを作り出すことも可能となる。

本発明の磁力回転装置の構成 本発明の磁力回転装置の各構成に働く力と向きの関係 本発明の電動機を用いた磁力回転装置の構成 永久磁石のみ用いて磁石を移動させた場合の磁石に働く力と向きの関係

本発明の磁力回転装置実施例について説明を行う。図１は本発明の磁力回転装置の構成を示す図、図２は本発明の磁力回転装置の各構成に働く力と向きの関係を表す図、図３は本発明の電動機を用いた磁力回転装置の構成を表す図、図４は永久磁石のみ用いて磁石を移動させた場合の磁石に働く力と向きの関係図である。

図１、図３の１は可動側磁石、２は固定側磁石、３は磁気シールド板、４はヨーク、５は固定台、６はガイドレール、７は吸引用磁石、８は支持金具、９は回転軸、１１は軸受、１2はフライウィール、１3は傘歯車、１４はクランク機構、１５は回転方向磁力補償吸引板、16は回転方向磁力補償用磁石である。図３の１7は発電機、１8は電動機である。

本発明は市販されているマグネットスタンドの原理を応用したものである。マグネットスタンドも吸引するかしないかの動作は、磁束がマグネットスタンドのケースの外に漏れ出すか漏れ出さないかで行っている。

本発明は、互いに反発するような極性で対峙した２個の磁石の間に磁気シールド物質と薄型磁石を挿入するか否かで２個の磁石に働く力が反発力になるのか吸引力になるかを制御している。一方の磁石からの磁束がもう一方の磁石に届くか届かないかで反発力になるのか吸引力になるかが決まることを利用しているものである。

図４は可動側磁石と固定側磁石の間に磁気シールドを行わない永久磁石のみ用いて極性の異なる磁石を並べて配置した場合、可動側磁石の直下に回転させた時にこの磁石に働く力と向きの関係を示すものである。である。

可動側磁石に固定側磁石を移動させると、異なる極性の磁石どうしが近づく場合、移動方向に対し吸引力が発生する。一方、同じ極性の磁石どうしが近づこうとした場合、大きな反発力が働く。

可動側磁石の直下に異なる極性の磁石と同じ極性の磁石が半分ずつ来た時には移動を妨げる大きな力が働く。

図４においてStep４の状態が問題である。Step４の状態以外は回転方向に対し同じ向きの力が働くが、Step４では回転方向に対して反対方向の大きな力が働く。

図４に示すような構成では、固定側磁石を回転するために必要なエネルギーが、可動側磁石の往復運動より取り出されるエネルギーより大きくなり、磁場のエネルギーを取り出すことができない。

もし、固定磁石を回転するためのエネルギーが限りなく小さくなれば可動側の磁石の往復運動をエネルギーとして取り出すことが可能である。

本発明は、異なる極性の磁石を並べた固定側磁石を用いる代わりに、磁気シールド板の上に吸引用磁石を取り付け、同じ極性の磁石が対峙するようにした固定側磁石と可動側磁石の間に吸引用磁石を挿入したり引き出したりしている。

図１の本発明の実施例の構成において、同一軸上に２の固定側磁石と１の可動側磁石を同じ極性が向き合うように配置し、２の固定側磁石と１の可動側磁石の間に隙間を設け、隙間の間を磁気飽和密度の大きい強磁性体でできた３の磁気シールド板と厚さの薄い７の吸引用磁石を、隙間の間を回転させ通過できるように構成している。

９の回転軸と回転軸に直角に８の支持金具を取り付け、この支持金具は、回転方向に薄くし空気抵抗を少なくした構造になっており、先端に３の磁気シールド板と７の吸引用磁石を取り付けている。

３の磁気シールド板は、磁気飽和密度の高い磁性材料でできており、２の固定側磁石から出てくる磁力線を全て通せるだけの断面積を有している。

３の磁気シールド板と７の吸引用磁石が２の固定側磁石と１の可動側磁石の間に隙間の間にある時には、７の吸引用磁石はその極性が可動側の磁石の極性とは異なるので、１の可動側磁石は、１の可動側磁石は７の吸引用磁石に向かって移動する。

３の磁気シールド板と７の吸引用磁石が２の固定側磁石と１の可動側磁石の間にない時には、２の固定側磁石より出てくる磁束は、磁気シールドされる物がないため１の可動側磁石の方に向かって飛び出していく。１の可動側磁石と２の固定磁石は対峙する極性が同じであるため、１の可動側磁石上方向に向かって移動する。

７の吸引用磁石往復運動すれば１４のクランク機構で回転運動に変換され、１４のクランク機構は１３の傘歯車で９の回転軸に連結しているので、９の回転軸は回転する。３の磁気シールド板と７の吸引用磁石は、９の回転軸に８の支持金具で固定されているので２の固定側磁石と１の可動側磁石の間に隙間の間を回転する。

２の固定側磁石を５の固定台の上に４のヨークを介して固定している。このヨークの目的は、２の固定側磁石の磁束密度を高め磁束の反発力を大きくするものである。

6のガイドレールは、１の可動側磁石に３の磁気シールド板と７の吸引用磁石が近づく時と遠ざかる時、１の可動側磁石に加わる往復運動方向とは直角に働く。この力により１の可動側磁石が引っ張られるのを防止するものである。1の可動側磁石に働く力により7の吸引用磁石の回転面に直角な方向からずれないようにしている。

７の吸引用磁石の回転方向の断面を台形になるようにし、３の磁気シールド板と７の吸引用磁石が可動側磁石に近づく時、力が徐々に増加し、３の磁気シールド板と７の吸引用磁石が可動側磁石から離れていく時には力が徐々に減少するようにしている。

特に、１の可動側磁石に３の磁気シールド板と７の吸引用磁石が遠ざかる時に働く力は回転方向に逆向きの大きな力となる。吸引用磁石の形状を先端が尖った形状にして回転方向と逆の力を小さくしている。

３の磁気シールド板と７の吸引用磁石が回転した時、１の可動側磁石と2の固定側磁石のなす軸と直角方向の１の可動側磁石に働く力を小さくし回転をスムースにするため、本発明では強磁性体または永久磁石でできた１５の回転方向磁力補償吸引板と１６の回転方向磁力補償用磁石を用いている。

１の可動側磁石に３の磁気シールド板と７の吸引用磁石がと遠ざかろうとする時、回転方向とは逆向きの大きな力が働き始める。この時に１５の回転方向磁力補償吸引板が１６の回転方向磁力補償用磁石に接近するようにしている。１５の回転方向磁力補償吸引板には回転方向の力が働く。１５の回転方向磁力補償吸引板は7の吸引用磁石を回転する9の回転軸に8の支持金具を介して結合されているので、１５の回転方向磁力補償吸引板に加わる回転方向との力と7の吸引用磁石に働く力は互いに打ち消し合う。図２においてFp1=-Fp2が成立する。

9の回転軸に１２のフライウィールを取り付けている。１５の回転方向磁力補償吸引板に加わる回転方向の力と7の吸引用磁石に働く力は互いに打ち消し合うはずであるが、物理的に完全な対称とはならずどうしても力のアンバランスが発生する。

フライウィールは回転方向の力の急峻な変化を抑制し、回転をスムースにする働きがある。１の可動側磁石と７の吸着用磁石が引き合う力の最大となるポイントで停止してしまう問題を解決するものである。

１２のフライウィールは７の吸引用磁石と１５の回転方向磁力補償吸引板の回転慣性モーメント蓄えるものであるが、回転速度が小さくイナーシャが小さい場合は、ギヤーで速度を上げ慣性モーメントを大きくしてもよい。

図２に本発明の磁力回転装置の各構成に働く力と向きの関係を示す。図２は１から４までのStepに分けて７の吸引用磁石と１の可動側磁石の位置関係と１の可動側磁石の動き、7の吸引用磁石に働く力についてStep毎に考察したものである。

Step１は７の吸引用磁石が、２の固定側磁石と１の可動側磁石の間に隙間の間に挿入される直前のStepである。Step２は７の吸引用磁石が、２の固定側磁石と１の可動側磁石の間に隙間の間に浸入しようとしているStep。Step３は７の吸引用磁石が、２の固定側磁石と１の可動側磁石の間に完全に挿入されているStepである。Step４は７の吸引用磁石が、２の固定側磁石と１の可動側磁石の間に隙間から出てこようとしている。

Step１では、２の固定側磁石から出てきた磁束が７の吸引用磁石に届き、１の可動側磁石は上向きの方向に動く。一方、７の吸引用磁石には微弱ではあるが２の固定側磁石に回転方向に吸引され回転方向の力が働く。

Step２では、２の固定側磁石から出てきた磁束が７の吸引用磁石により減少するので、１の可動側磁石は７の吸引用磁石に吸い寄せられ下向きの方向に動く。一方、７の吸引用磁石には２の固定側磁石に回転方向に吸引され、回転方向の力が働く。

Step３では、２の固定側磁石から出てきた磁束は３の磁気シールド板と７の吸引用磁石により完全に遮断されるため、１の可動側磁石は７の吸引用磁石に吸い寄せられ最も７の吸引板側に移動する。一方、７の吸引用磁石は回転方向に磁束の変化がないため回転方向の力は生じない。

Step４では、２の固定側磁石から出てきた磁束が３の磁気シールド板と７の吸引用磁石が出て行こうとしているので増加するので、１の可動側磁石は７の吸引用磁石から離れ上方向に移動する。一方、７の吸引用磁石には２の固定側磁石に回転方向とは逆の方向に吸引され、回転方向とは逆向きの大きな力が働く。

Step４では、1の固定側磁石と７に吸引用磁石が最も接近しているので磁束密度は最大となり、１の可動側磁石に働く力も７の吸引用磁石に働く回転方向と逆向きの力は最大となる。１５の回転方向磁力補償吸引板が１６の回転方向磁力補償用磁石に最も接近するようにしているので、１５の回転方向磁力補償吸引板には回転方向の力が働く。

この時１５の回転方向磁力補償吸引板に加わる回転方向の力と7の吸引用磁石に働く回転方向に対して逆向きの力は大きさが等しく向きが逆になるので互いに打ち消し合う。そのため、回転中の９の回転軸を回転させる力は空気抵抗と回転軸の摩擦抵抗のみとなり極めて小さい値となる。

9の回転軸は１３の傘歯車で１４のクランク機構の出力軸に連結されているので、Step１からStep４の状態を繰り返し、７の吸引用磁石と１５の回転方向磁力補償吸引板は回転する。

１５の回転方向磁力補償吸引板が１６の回転方向磁力補償用磁石に接近する時、大きな回転方向の力が必要とされるが、１５の回転方向磁力補償吸引板が１６の回転方向磁力補償用磁石から遠ざかる時には大きな力は必要ない。１５の回転方向磁力補償吸引板の断面形状は「へ」の字に屈曲させることにより、接近する時には１５の回転方向磁力補償吸引板と１６の回転方向磁力補償用磁石のギャップが小さくして磁束密度が大きくし、遠ざかる時にはこのギャップを大きくし磁束密度を小さくしている

１５の回転方向磁力補償吸引板の断面を「へ」の字形にすることにより、１５の回転方向磁力補償吸引板が１６の回転方向磁力補償用磁石に接近する時に大きな力が働き、１５の回転方向磁力補償吸引板が１６の回転方向磁力補償用磁石から遠ざかる時にはほとんど力が働かないようにしている。

図３は、本発明の電動機を用いた磁力回転装置の構成である。１４のクランク機構の回転力を、１３の傘歯車で９の回転軸に連結して直接7の吸引用磁石の回転力として伝えるのではなく、１４のクランク機構の回転力で１７の発電機を回し電気エネルギーに変換して、その電気エネルギーで18の電動機を回している。18の電動機で９の回転軸を回し7の吸引用磁石を回転している。

図１の本発明の磁力回転装置の構成では、初期状態では回転させることはできない。この始動をどうして行うかが問題である。この回転を始動せるためには、何らかの方法で外部から力を加えて９の回転軸を回転させてやり、１２のフライウィールに一定の慣性エネルギーを蓄えさせてやる必要がある。図３の本発明の電動機を用いた磁力回転装置の構成であれば、始動時外部から電気エネルギーを供給してやることにより回転させることができる。

図１の本発明の実施例の磁力回転装置の構成では１の可動側磁石と２の固定側磁石の組み合わせを３個とし、７の吸引用磁石と１５の回転方向磁力補償吸引板の数を２組としている。これらの組み合わせの数を多くすることができる。

１の可動側磁石と２の固定側磁石の組み合わせの数と、７の吸引用磁石と１５の回転方向磁力補償吸引板の組み合わせの数の数を多くすると、出力を大きくするだけでなくコギングトルクを小さくすることができ、７の吸引用磁石と１５の回転方向磁力補償吸引板の回転がスムースになる。

また、組み合わせの数が増えることにより出力として取り出されるエネルギーは大きくなるが、７の吸引用磁石と１５の回転方向磁力補償吸引板の回転に要するエネルギーは、組み合わせの数に比例しては増えない。そのため組み合わせの数が増えるとエネルギーの取出し効率も良くなる。

組み合わせの数を増やす場合、１の可動側磁石と２の固定側磁石の組み合わせの数を、７の吸引用磁石と１５の回転方向磁力補償吸引板の組み合わせの数より少なくする必要がある。

１の可動側磁石と２の固定側磁石の組み合わせの数をＮ個とすると、７の吸引用磁石と１５の回転方向磁力補償吸引板の組み合わせの数は、Ｎ−Ｍ個とする必要がある。７の吸引用磁石と１５の回転方向磁力補償吸引板の組み合わせの数より少なくすることによりコギングトルクを小さくすることができる。

図１の本発明の実施例の磁力回転装置の構成では１の可動側磁石と２の固定側磁石を円周上に配置し、７の吸引用磁石と１５の回転方向磁力補償吸引板を回転させていたが、複数個の１の可動側磁石と２の固定側磁石を直線上に配置し、７の吸引用磁石と１５の回転方向磁力補償吸引板を直線的に移動することも可能である。

本発明では、磁気シールド板上に取り付けた吸引用磁石を回転することにより強力な磁石の大きな反発力と吸引力を作り出し、この反発力と吸引力を回転運動として取り出している。モータに比べて大形になることは止むを得ないし、高速回転を得ることはできないが、加えられたエネルギーよりも大きなエネルギーを出力として取り出すことも期待できる。したがって、小型化や高速回転を要求しない回転機の動力として産業上の様々な分野で利用されることが予想される。

１ 可動側磁石
２ 固定側磁石
３ 磁気シールド板
４ ヨーク
５ 固定台
６ ガイドレール
７ 吸引用磁石
８ 支持金具
９ 回転軸
１１ 軸受
１２ フライウィール
１３ 傘歯車
１４ クランク機構
１５ 回転方向磁力補償吸引板
１６ 回転方向磁力補償用磁石
１７ 発電機
１８ 電動機

Claims (6)

1. 回転軸に直角に複数個の支持金具を取り付け、前記支持金具の先端に複数個の強磁性体でできた磁気シールド板と吸引用磁石を取り付け、前記磁気シールド板と前記吸引用磁石を回転するように構成し、前期回転軸で回転する回転面に直角な軸上に複数個の固定側磁石と可動側磁石を磁石どうしが反発し合うように配置し、前記固定側磁石と前記可動側磁石の間に隙間を設け、隙間の間を前記磁気シールド板と前記吸引用磁石が通過できるように構成し、前記固定側磁石を固定台の上にヨークを介して固定し、前記可動側磁石にクランク機構を接続し、前記クランク機構の回転軸に歯車を取り付け、前記磁気シールド板上に取り付けた前記吸引用磁石の回転軸を回転するようにした磁力回転装置。
2. 前記可動側磁石と前記固定側磁石の組み合わせの数を、前記吸引用磁石と前記の回転方向磁力補償吸引板の組み合わせの数より少なくしたことを特徴とする請求項１に記載の磁力回転装置。
3. 前記磁気シールド板と前記吸引用磁石を回転する前記回転軸にフライウィールを取り付けたことを特徴とする請求項１に記載の磁力回転装置。
4. 前記固定側磁石の近傍に同数個の回転方向吸引力補償用磁石を設け、前記磁気シールド板と前記吸引用磁石を回転する回転軸に強磁性体または永久磁石でできた回転方向吸引力補償板を設け、前記固定側磁石から前記吸引用磁石が出て行こうとする時、前記回転方向吸引力補償板が前記回転方向吸引力補償用磁石の上に浸入するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の磁力回転装置。
5. 前記支持金具の先端に前記磁気シールド板と前記吸引用磁石の形状を矩形とし、一組の前記磁気シールド板と前記吸引用磁石において、前記固定側磁石と前記磁気シールド板と前記吸引用磁石が前記固定側磁石と前記可動側磁石に浸入しようとする時、もう一方の一組の前記磁気シールド板と前記吸引用磁石が前記固定側磁石と前記可動側磁石から出て行くように構成し、磁気シールド板と前記吸引用磁石が前記固定側磁石と前記可動側磁石から受ける力の方向が互いに逆になるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の磁力回転装置。
6. 前記クランク機構の出力軸を発電機の回転軸に取り付け、前記クランク機構により得られた回転エネルギーで前記発電機でき電気エネルギーに変換し、前記磁気シールド板と前記吸引用磁石の回転軸を電動機の出力軸に接続し、前記発電機の出力を前記電動機の入力とするように構成したことを特徴とする請求項１に記載の磁力回転装置。