JP4614641B2

JP4614641B2 - 運動量増大装置

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Publication number: JP4614641B2
Application number: JP2003208799A
Authority: JP
Inventors: 弘平湊; 延江湊
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-08-26
Filing date: 2003-08-26
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2023-08-26
Also published as: JP2005073312A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、出力電力を得られる運動量増大装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来電力は水力、風力、火力、原子力等をエネルギーとして発電機を回すことによって得られ、水力発電では水車を回転させるためのダムを建設しなければならず、環境破壊と共に水量が常に豊富であるとは限らない。また、土砂が堆積し、ダムが永久的に使用できるわけでもない。風力発電では自然現象の風力を利用するため、発電機設置のコストのみで良いが、自然現象に頼るためにエネルギー確保が安定しないという問題がある。さらに、火力発電は石油や石炭の燃焼で大気を汚染すると共に、熱効率が悪いという問題があると共に、地球温暖化を助長するといった問題がある。原子力発電は設備の建設に費用が嵩むと共に、安全性の面で問題がある。
【０００３】
【特許文献１】
特許第２９６８９１８号
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように従来の発電装置では、設備建設の費用が嵩むと共に、環境汚染や大気汚染、発熱、エネルギーの安定供給の面で問題があった。
【０００５】
本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、環境汚染、大気汚染や発熱の問題もなく、建設コストも嵩むことなく、しかもクリーンな運動量増大装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は運動量増大装置に関するものであり、本発明の上記目的は、非磁性体で成る第一回転部に第一永久磁石群が埋設されて成る第一回転体と、前記第一永久磁石群に対向するように配設された電磁石及び駆動回路と、前記電磁石にスイッチを介して電力を供給する電源とで成る回転駆動部と、非磁性体で成る第二回転部に第二永久磁石群が埋設されて成る第二回転体と、前記第二永久磁石群に対向するように配設された発電機とで成る発電部と、前記発電部から出力される電力を前記電磁石に供給すると共に、前記スイッチをＯＮ／ＯＦＦ制御する制御手段と、を具備し、前記第一回転体と前記第二回転体とが軸受を介した軸で連結されており、前記第一永久磁石群は前記第一回転部の直径に対して両磁極が所定角度傾斜して配設され、前記第二永久磁石群は前記第二回転部の直径に対して両磁極が平行に配設され、前記制御手段は、前記発電機と前記電磁石とにそれぞれ接続されて、入力された交流電流を直流電流に変換して出力する交流直流変換手段を備え、前記スイッチをＯＮすることにより、前記電源で前記駆動回路を駆動することにより前記第一回転体が回転し、前記第一回転体の回転が前記軸を介して前記第二回転体が回転されることによって前記発電部より交流の出力電力を得て、前記交流直流変換手段は、前記発電部より前記交流の出力電力の供給を受けて、交流の電流を直流の電流に変換し、直流の電力を前記電磁石に供給することによって達成される。
【０００７】
また、本発明の上記目的は、前記第一永久磁石群が、複数枚の永久磁石板を１組として複数箇所に配設して成っていることにより、或いは前記第一永久磁石群が、複数枚の永久磁石板を１組として複数箇所に配設されて成っていると共に、前記第一回転体の円周面に沿って２列設けられることにより、或いは前記電磁石がコの字状形状であり、前記２列の永久磁石群の磁極を互いに逆極性とし、前記コの字状形状電磁石が前記逆極性永久磁石群と対向することにより、或いは前記第二永久磁石群が複数の板状永久磁石で成り、前記第二回転体の円周に対して等間隔に配列されることにより、或いは前記回転駆動部を複数連結すると共に、前記発電部を複数連結することにより、或いは前記回転駆動部の前記軸受及び前記軸以外の部分を合成樹脂材で構成することにより、或いは前記発電部の前記軸受及び前記軸以外の部分を合成樹脂材で構成することによって、より効果的に達成される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明では、電磁石から発生された磁界と回転体の永久磁石群から発生される磁界とが互いに反発する関係にあり、しかも、永久磁石から発生される磁界が近接する他の永久磁石及び電磁石からの磁界で偏平に変形されることから、回転体を回転するトルクが両者間で発生され、回転体が効率的に回転されることにより、連結されている発電部から電力が出力される。しかも、回転体の慣性力が大きいことから、回転を開始すると、その慣性力及び回転力でその速度が増加されると共に、出力電力も次第に増大していく運動量増大装置である。発熱がないため合成樹脂の利用が可能となり、軽量化と製造のコストダウンを実現している。
【００１０】
先ず、本発明の前提となる磁力回転装置（特許2968918号）の概要を説明する。図１は磁力回転装置を概略的に示しており、フレーム２に回転軸４が軸受５により回転可能に固定されている。回転軸４には、回転力を発生する磁石回転体６及び８が回転軸４と共に回転可能に固定され、回転軸４には、回転力をエネルギーとして取り出すための棒状磁石９がその周囲に取付けられた被回転体１０が、回転軸４と共に回転可能に固定されている。磁石回転体６及び８には、回転に同期して付勢される電磁石１２及び１４が夫々磁気ギャプを介して対向配置されている。電磁石１２及び１４は、磁路を構成するヨーク１６に固定されている。
【００１１】
図２に示すように磁石回転体６及び８の各々には、回転力を発生する磁界を発生する板状磁石２２Ａ〜２２Ｈ及び回転体６、８のバランスを取るための非磁性体で作られたバランサー２０Ａ〜２０Ｈが円盤２４上に配置されている。各板状磁石２２Ａ〜２２Ｈは、図２に示すように、長手軸Iが円盤２４の半径軸線IIに対してある角度Ｄをなすように配置される。角度Ｄは、円盤２４の半径及びこの円盤２４上に配置される板状磁石２２Ａ〜２２Ｈの数によって適宜定められる。磁界を有効利用する観点から、磁石回転体６上では、板状磁石２２Ａ〜２２ＨはＮ極が外方に向けられ、磁石回転体８上では、板状磁石２２Ａ〜２２ＨはＳ極が外方に向けられるように配置されることが好ましい。
【００１２】
磁石回転体６及び８の外側には、電磁石１２及び１４が夫々磁気ギャプを介して対向して配置されているが、電磁石１２及び１４は、付勢された際に電磁石１２及び１４が対向する板状磁石２２Ａ〜２２Ｈの磁極と同極で互いに反発する関係の磁界を発生する。即ち、磁石回転体６上では、板状磁石２２Ａ〜２２Ｈの外方の磁極がＮ極であるので、電磁石１２はその対向面がＮ極となるように付勢され、また、磁石回転体８上では、板状磁石２２Ａ〜２２Ｈの外方の磁極がＳ極であるので、第２の電磁石１４はその対向面がＳ極となるように付勢される。このようにヨーク１６で磁気的に連結された電磁石１２及び１４の板状磁石２２Ａ〜２２Ｈへの対向面が異なる磁極に励磁されることは、電磁石１２及び１４の磁界を効率的に利用することができることとなる。
【００１３】
磁石回転体６及び８の一方には、その回転位置を検出する検出器３０が設けられている。即ち、図２に示すように板状磁石２２Ａ〜２２Ｈの内の回転方向３２に関し、先頭の板状磁石２２Ａが通過した時点で磁石回転体６及び８が付勢される。換言すれば、回転方向３２に関し、先頭の板状磁石２２Ａ及びこれに続く板状磁石２２Ｂ間に始点Ｓ０が設けられ、この始点Ｓ０が電磁石１２或は１４の中心点Ｒ０に一致した際に電磁石１２及び１４が付勢される。また、図２に示すように板状磁石２２Ａ〜２２Ｈの内の回転方向３２に関し、後尾の板状磁石２２Ａが通過した時点で磁石回転体６及び８が消勢される。回転盤２４上で始点Ｓ０に対称な位置に終点Ｅ０が定められ、この終点Ｅ０と電磁石１２或は１４の中心点Ｒ０とが一致された際に、電磁石１２及び１４が消勢される。回転体６及び８の回転開始時においては、始点Ｓ０及び終点Ｅ０間の任意の位置に電磁石１２、１４の中心点Ｒ０が位置され、電磁石１２、１４と板状磁石２２Ａ〜２２Ｈとが対向されて回転が開始される。回転位置を検出する検出器３０としてマイクロスイッチが採用される場合には、マイクロスイッチの接点が回転盤２４の周面を摺動され、始点Ｓ０及び終点Ｅ０の間でマイクロスイッチの接点が閉じられるように、始点Ｓ０及び終点Ｅ０にステップが設けられ、この間の周面上の領域が他の回転盤２４の周面に比べて突出されている。
【００１４】
図３に示すように電磁石１２、１４の巻線は、直列接続されてリレー４０の可動接点を介して直流電源４２に接続されている。直流電源４２には、マイクロスイッチとしての検出器３０及びリレー４０のソレノイドの直列回路が接続され、直流電源４２には、小エネルギーの観点からソーラセル等の充電器４４が接続され、太陽エネルギー等で直流電源４２が常に充電可能となっている。
【００１５】
図４に示すような磁界分布が、各磁石回転体６、８の板状磁石２２Ａ〜２２Ｈと対応する電磁石１２、１４との間に形成される。電磁石１２、１４が付勢されている際には、電磁石１２、１４に近接した板状磁石２２Ａ〜２２Ｈの磁界は、回転方向に対応する長手方向に歪み、両者間で互いに反発力が生じる。この反発力は、その磁界の歪から明かなようにその長手方向に直角な成分が大きく、矢印３２で示されるような回転トルクが生じる。電磁石１２、１４の磁界に次に侵入する板状磁石２２Ａ〜２２Ｈの磁界は、同様に電磁石１２、１４の磁界によって歪み、先に侵入した板状磁石２２Ａ〜２２Ｈの反対極に向かうことから、その歪がより大きく、偏平となる。従って、既に侵入した板状磁石２２Ａ〜２２Ｈと電磁石１２、１４との間の反発力は、次に侵入する板状磁石２２Ａ〜２２Ｈと電磁石１２、１４との間の反発力よりも大きく、回転盤２４には、矢印３２で示す回転力が作用することとなる。回転力が与えられた回転盤２４は、終点Ｅ０と電磁石１２、１４の中心点Ｒ０とが一致されて電磁石１２、１４が消勢されてもその慣性力で回転を続け、慣性力が大きくなればなるほどスムーズに回転されることとなる。
【００１６】
図５は本発明の一実施例を示しており、大きく分けて回転駆動部１００と発電部２００とが軸３００で連結されて構成されており、回転駆動部１００で回転駆動を行い、発電部２００から電力を得る構成となっている。回転駆動部１００には円柱状の回転体１１０が設けられており、回転体１１０は非磁性体で成る円柱状の回転部１１３の両側を円板１１１及び１１２で挟持して構成されている。回転体１１０の回転部１１３には、円周上２列に整列された永久磁石群１１３Ａ，１１３Ｂが設けられており、回転体１１０近辺の対向部には駆動制御部１２０が設置されている。永久磁石群１１３Ａ，１１３Ｂは３枚ずつが１組となっており、各組が回転部１１３に等間隔に配設されている。そして、回転部１１０の軸３００は、両サイドに設置されている固定部材３０１及び３０２に軸支されている。
【００１７】
また、発電部２００には円柱状の回転体２１０が設けられており、回転体２１０は非磁性体で成る円柱状の回転部２１３の両側を円板２１１及び２１２で挟持して構成されている。回転体２１０の回転部２１３には、所定間隔で板状の永久磁石群２１４が埋設されており、回転体２１０の対向部には電磁誘導で電力を発生する電力発生部２２０が設置されている。また、回転部２１０の軸３００は、両サイドに設置されている固定部材３０３及び３０４に、軸受３００Ａを介して軸支されている。
【００１８】
なお、軸３００及び軸受３００Ａは金属で構成されているが、他の部分は合成樹脂（例えば強化合成樹脂）で構成されている。このため、装置の軽量化と装置製造のコストダウンを図ることができる。また、回転体１１０の永久磁石群１１３Ａは、回転体２１０の永久磁石群２１４よりも小さくなっている。例えば、永久磁石群１１３Ａの寸法は４×２０×１５ｍｍであるのに対し、永久磁石群２１４の寸法は３０×８０×５０ｍｍである。回転に対して効率的に電力を得るためである。
【００１９】
回転駆動部１００の回転部１１３の構造及び駆動制御部１２０の回路結線は図６に示すようになっており、図６では回転部１１３の永久磁石群１１３Ａに沿った断面を示している。永久磁石群１１３Ａは、本例ではそれぞれ３個の板状の永久磁石１１３Ａ１，１１３Ａ２，１１３Ａ３が１組として整列されて成り、回転部１１３の円周に対称的に配置されると共に、直径に対してそれぞれ所定角度Ｄだけ傾斜して埋設されている。永久磁石群１１３Ａ，１１３Ｂの表面は、回転部１１３の周面とほぼ一致している。回転体１１０（回転部１１３）には電磁石１２１が対向して設置され、電磁石１２１は位置検出スイッチ１２２に同期してバッテリ１２３で励磁されるようになっている。バッテリ１２３は電源スイッチ１２４でオンオフされる。電磁石１２１は永久磁石群１１３Ｂに対しても、反発作用するような構造となっている。なお、図６では、永久磁石群１１３Ａ、１１３Ｂを円周対称に２箇所設けているが、対称４箇所でも、８箇所でも良い。
【００２０】
図７はその構成配置を示しており、１つの電磁石１２１が２列の永久磁石群１１３Ａ及び１１３Ｂに同時に対向するようになっていると共に、電磁石１２１の極（図７ではＮ極）と永久磁石群１１３Ａ及び１１３Ｂの表面極（図７ではＮ極）とが同一極性で対向するように配置されている。励磁電圧Ｖｉ及び励磁電流Ｉｉがそれぞれ電圧計及び電流計で計測され、入力電力Ｐｉ＝Ｖｉ×Ｉｉが計測されるようになっている。
【００２１】
また、電力部２００の回転部２１３の構造及び電力発生部２２０の回路結線は図８に示すようになっており、永久磁石群２１４は円柱状回転部２１３の中心方向に向かって埋設され、その表面が回転部２１３の表面とほぼ合致している。本例では、永久磁石群２１４は回転部２１３の円周を８等分した８箇所に対称的に配置されて埋設されている。回転体２１０（回転部２１３）近辺には、例えば棒状の磁性体２２１にコイル２２２を巻回して成る発電機２２３が対向して設置され、発電機２２３の出力には負荷Ｒ_０が接続されている。負荷Ｒ_０の電圧Ｖｏ及び出力電流Ｉｏがそれぞれ電圧計及び電流計で計測され、出力電力Ｐｏ＝Ｖｏ×Ｉｏが計測されるようになっている。
【００２２】
なお、図６の例では永久磁石群１１３Ａ，１１３Ｂは、３枚１組で回転部１１３の２箇所に等間隔に配設されているが、１組の枚数及び配設個所数は任意である。また、図８の例では永久磁石群２１４は、回転部２１３の８箇所に等間隔に配設されているが、配設個所数は任意である。
【００２３】
このような構成において、駆動制御部１２０の電源スイッチ１２４をオンして電磁石１２１を励磁することにより電磁石１２１の磁極（Ｎ）と、対向している回転部１１３の永久磁石群１１３Ａ及び１１３Ｂの磁極（Ｎ）とが反発することによって回転体１１０が回転を始め、軸３００で連結されている発電部２００の回転体２１０も回転を始める。回転体２１０が回転すると、回転部２１３に埋設されている永久磁石群２１４が、近接配置されている発電機２２３と電磁誘導作用を生じ、発電機２２３から電力が発生されて負荷Ｒｏに電流が流れる。スイッチ１２２は位置センサによってオンオフされ、回転体１１０の回転速度ｎは図９のように時間ｔと共に増加する。
【００２４】
実際の計測データは下記表１の通りである。
【００２５】
【表１】

入力電力Ｐｉは電磁石１２１に印加される電力であり、図６の回路で示されるようにＰｉ＝Ｖｉ×Ｉｉで計測でき、図１０の特性図に示されるように時間ｔの経過にもほぼ同一値を保持している。一方、出力電力Ｐｏは発電機２２３から出力される電力であり、図８の回路で示されるようにＰｏ＝Ｖｏ×Ｉｏで計測できる。出力電力Ｐｏは図１０の特性図に示されるように、最初は０であるが時間ｔの経過に従って増大し、遂には入力電力Ｐｉよりも大きくなる。
【００２６】
負荷Ｒｏが１００Ωの場合の実際の計測データは、下記表２の通りである。
【００２７】
【表２】

図１１は実際の計測データを示しており、図１１（Ａ）は電磁石１２１に印加される８９ｍｓ間隔の電圧パルス波形を示しており、同図（Ｂ）はその平均値電圧を示している。図１１（Ｄ）は電磁石１２１に印加される８９ｍｓ間隔の電流パルス波形を示しており、同図（Ｅ）はその平均値を示している。また、図１１（Ｃ）は出力電圧Ｖｏを示し、同図（Ｆ）は出力電流Ｉｏを示している。
【００２８】
上述の実施例では、１つの電磁石（１極）１２１で２列の永久磁石群１１３Ａ，１１３Ｂと反発作用させるようになっているが、図１２に示すように電磁石１３０のヨーク１３１をコの字状に屈曲させ、ヨーク１３１に巻回されたコイル１３２を励磁すると、ヨーク１３１の両端部にＮ極及びＳ極が形成される。従って、回転部１１３の永久磁石群１１３Ａの表面極を例えばＮ極とし、永久磁石群１１３Ｂの表面極を例えばＳ極となるように設けることによって、小型化にして反発力を大きくすることができる。
【００２９】
また、図１３に示すように回転駆動部１００Ａ，１００Ｂを２連にすると共に、発電部２００Ａ，２００Ｂを２連にすることによって、更に大きな出力電力Ｐｏを得ることができる。図１３では2連ずつの連結であるが、更に連数を増やすことも可能である。
【００３０】
図１４は本発明の他の例を示しており、発電部２００の出力電力Ｐｏが入力電力Ｐｉより大きいことを利用して、一旦回転が始まってから出力電力Ｐｏの一部を入力電力Ｐｉとして利用する例である。つまり、発電部２００の回転部２１３が回転すると発電機２２３からは交流電力が出力され、この交流電力を交流／直流変換部２３０で直流電力に変換して電磁石１２１に印加する。出力電力が入力電力（バッテリ１２３）より大きくなったことを検知して、制御部（図示せず）からスイッチ信号ＳＷを出力し、電源スイッチ１２４をオフする。これにより以後、電磁石１２１への電力供給は発電機２２３で出力される電力を利用することができ、バッテリ１２３の消耗を避けることができる。それと共に、発電機２２３から出力される電力は別途利用することが可能である。
【００３１】
図１５は本発明の更に他の実施例を示しており、回転駆動部１００にフライホイール４００を連結した例を示している。回転部１１３の径が１５０φで、フライホイール４００の径が２５０φで重量が約３Ｋｇの場合、実験によれば回転部１１３を１０分駆動して停止してもフライホイール４００は約４０分回転し続けた。また、回転部１１３を２０分駆動して停止した場合、フライホイール４００は約８０分回転し続けた。この結果、一時的には、フライホイール４００の回転力によって無電力で駆動力を得ることができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように本発明の運動量増大装置によれば、電磁石に供給される電流をできる限り制限して永久磁石の電磁エネルギーを回転力として取り出すようにしていることから、電磁石に供給される電気エネルギーを必要最小限に留めることができ、永久磁石から回転エネルギーを効率的に取り出すことができることとなる。
【００３３】
また、本発明の運動量増大装置によれば、クリーンで発熱のない電力を効率的に得ることができる。発熱がないことから、軸や軸受を除いて合成樹脂材を利用することができ、小型化を図れると共に、製造コストを安価にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】磁力回転装置の一例を示す概略外観図である。
【図２】磁力回転装置の回転体の一例を示す平面図である。
【図３】磁力回転装置の駆動系を示す回路図である。
【図４】磁力回転装置の回転トルクの様子を示す図である。
【図５】本発明の一実施例を示す外観図である。
【図６】回転駆動部の回転体の構造例及び駆動制御部の回路結線図である。
【図７】電磁石と永久磁石群との配置関係を示す図である。
【図８】電力部の回転体の構造例及び電力発生部の回路結線図である。
【図９】回転部の回転速度特性例を示す図である。
【図１０】入力電力と出力電力の関係を示す特性図である。
【図１１】入力電力と出力電力の実際の測定データを示す図である。
【図１２】本発明の他の実施例を示す概略構成図である。
【図１３】本発明の他の実施例を示す外観図である。
【図１４】本発明の更に他の実施例を示す結線図である。
【図１５】本発明の更に他の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１００回転駆動部
１１０回転部
１１１、１１２円板
１１3 回転部
１１３Ａ，１１３Ｂ永久磁石群
１２０駆動制御部
１２１電磁石
１２２位置検出スイッチ
１２３バッテリ
２００発電部
２１０回転部
２１４永久磁石
２２０電力発生部
２２１磁性体
２２２コイル
２２３発電機
３００軸
４００フライホイール

Claims

非磁性体で成る第一回転部に第一永久磁石群が埋設されて成る第一回転体と、前記第一永久磁石群に対向するように配設された電磁石及び駆動回路と、前記電磁石にスイッチを介して電力を供給する電源とで成る回転駆動部と、非磁性体で成る第二回転部に第二永久磁石群が埋設されて成る第二回転体と、前記第二永久磁石群に対向するように配設された発電機とで成る発電部と、
前記発電部から出力される電力を前記電磁石に供給すると共に、前記スイッチをＯＮ／ＯＦＦ制御する制御手段と、を具備し、
前記第一回転体と前記第二回転体とが軸受を介した軸で連結されており、
前記第一永久磁石群は前記第一回転部の直径に対して両磁極が所定角度傾斜して配設され、
前記第二永久磁石群は前記第二回転部の直径に対して両磁極が平行に配設され、
前記制御手段は、前記発電機と前記電磁石とにそれぞれ接続されて、入力された交流電流を直流電流に変換して出力する交流直流変換手段を備え、
前記スイッチをＯＮすることにより、前記電源で前記駆動回路を駆動することにより前記第一回転体が回転し、前記第一回転体の回転が前記軸を介して前記第二回転体が回転されることによって前記発電部より交流の出力電力を得て、
前記交流直流変換手段は、前記発電部より前記交流の出力電力の供給を受けて、交流の電流を直流の電流に変換し、直流の電力を前記電磁石に供給することを特徴とする運動量増大装置。
前記第一永久磁石群が、複数枚の永久磁石板を１組として複数箇所に配設されて成っている請求項１に記載の運動量増大装置。
前記第一永久磁石群が、複数枚の永久磁石板を１組として複数箇所に配設されて成っていると共に、前記第一回転体の円周面に沿って２列設けられている請求項１に記載の運動量増大装置。
前記電磁石がコの字状形状であり、前記２列の永久磁石群の磁極を互いに逆極性とし、前記コの字状形状電磁石が前記逆極性永久磁石群と対向するようになっている請求項３に記載の運動量増大装置。
前記第二永久磁石群が複数の板状永久磁石で成り、前記第二回転体の円周に対して等間隔に配列されている請求項１に記載の運動量増大装置。
前記回転駆動部を複数連結すると共に、前記発電部を複数連結して成る請求項１乃至５のいずれかに記載の運動量増大装置。
前記回転駆動部の前記軸受及び前記軸以外の部分が合成樹脂材で構成されている請求項１乃至５のいずれかに記載の運動量増大装置。
前記発電部の前記軸受及び前記軸以外の部分が合成樹脂材で構成されている請求項７に記載の運動量増大装置。