JP4896269B1 - 駆動装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】環境にやさしく、かつ効率良く駆動力を取出すことができる駆動装置を提供する。
【解決手段】駆動装置5は、交番磁界発生部材1と、ピストン部材7と、クランクシャフト部材8とを備えている。交番磁界発生部材1は交番磁界2を発生させるためのものである。ピストン部材7は、交番磁界発生部材1によって発生された交番磁界2によって内部に渦電流3が発生するように構成され、かつ渦電流3によって発生した磁界4と交番磁界2との反発力6によって移動可能に設けられている。クランクシャフト部材8は、ピストン部材7に接続され、ピストン部材7の移動を回転運動に変換可能に設けられている。
【選択図】図1

Description

本発明は、駆動装置に関し、特に、交番磁界を利用した駆動装置に関するものである。
機関内部での燃焼によって熱エネルギーを作り出し、その熱エネルギーにより機械的エネルギーを得るものは、一般的に内燃機関と呼ばれている。
特開平10−115207号公報(特許文献1)には、たとえば芝刈機などに用いられる内燃機関の構成が記載されている。特開平10−115207号公報の内燃機関は、ピストンと、シリンダ部と、接続ロッドと、クランクシャフトとを有している。この内燃機関では、ピストンとシリンダ部材とにより構成された燃料室で、空気と燃料とオイル混合体とが燃焼される。これによりピストンが往復運動をし、その往復運動が接続ロッドを介してクランクシャフトの回転運動に変換される。
また、自動車などに用いられる内燃機関は、たとえば特開平8−86208号公報(特許文献2)に記載されている。
特開平10−115207号公報 特開平8−86208号公報
しかしながら、特開平10−115207号公報および特開平8−86208号公報に記載の内燃機関は、ガソリンなどの化石燃料を燃焼させることによって駆動力を発生させる。化石燃料を燃焼させることによって、二酸化炭素、窒素酸化物、硫黄酸化物が大気中に放出される。たとえば大気中に放出された二酸化炭素は、地表から放射された赤外線の一部を吸収することにより温室効果ガスとして作用するので、地球温暖化の原因の一つと指摘されている。また大気中に放出された窒素酸化物や硫黄酸化物は、雨に溶け込むことによって硝酸や硫酸に変化するため酸性雨の原因の一つとなっている。このように、化石燃料を使用して駆動力を得る内燃機関は、地球温暖化や酸性雨などの環境問題を引き起こしている。
そこで、本発明の主な目的は、環境にやさしく、かつ効率良く駆動力を取出すことができる駆動装置を提供することである。
本発明に係る駆動装置は、交番磁界発生部材と、ピストン部材と、クランクシャフト部材とを備えている。交番磁界発生部材は交番磁界を発生させるためのものである。ピストン部材は、交番磁界発生部材によって発生された交番磁界によって内部に渦電流が発生するように構成され、かつ渦電流によって発生した磁界と交番磁界との反発力によって移動可能に設けられている。クランクシャフト部材は、ピストン部材に接続され、ピストン部材の移動を回転運動に変換可能に設けられている。
本発明に係る駆動装置によれば、化石燃料の代わりに交番磁界発生部材を使用して駆動力を発生させることができる。それゆえ、地球温暖化の原因となる二酸化炭素や酸性雨の原因となる窒素酸化物や硫黄酸化物を発生させずに駆動力が得られるので、地球環境にやさしい。
また、本発明に係る駆動装置によって駆動力を得るためには、交番磁界発生部材を回転させるだけで良い。このため効率的に駆動力を取出すことができる。
さらに、交番磁界発生部材以外の構造は既存の内燃機関の構造とよく似ているために、既存の内燃機関の部品をそのまま利用することができる。
上記の駆動装置において好ましくは、交番磁界発生部材は、N極とS極とが交互に配置された永久磁石を含み、かつピストン部材に対してN極とS極との位置が相対的に変化するように構成されている。
これにより、永久磁石によって交番磁界を発生させることができるので、電磁石により交番磁界を発生させる場合と比べて必要とされる電力が小さくなる。
上記の駆動装置において好ましくは、交番磁界発生部材は柱形状を有している。永久磁石のN極とS極とが柱形状の表面において周方向に沿って交互に配置されており、かつ柱形状の軸線を中心として回転可能に設けられている。
これにより、柱状の交番磁界発生部材の周方向に交番磁界が発生する。
上記の駆動装置において好ましくは、ピストン部材は、柱形状の交番磁界発生部材の外周側であって柱形状の交番磁界発生部材の周方向に沿って配置された複数のピストンを含んでいる。
柱形状の交番磁界発生部材の周方向に複数のピストンが配置されることで、周方向に発生する交番磁界が効率良く利用されて駆動力が得られる。
上記の駆動装置において好ましくは、ピストン部材は、柱形状の交番磁界発生部材の外周側であって柱形状の交番磁界発生部材の軸線の方向に沿って配置された複数のピストンを含んでいる。
柱形状の交番磁界発生部材の軸方向に複数のピストンが配置されることで、軸方向に発生する交番磁界が効率良く利用されて駆動力が得られる。
上記の駆動装置において好ましくは、交番磁界発生部材とピストン部材との間に磁気ヨーク部材が設けられている。
磁気ヨークにより交番磁界が効率的に集められるので、効率良く駆動力が得られる。
上記の駆動装置において好ましくは、ピストン部材の移動をガイドするためのシリンダ部材をさらに備えている。シリンダ部材は絶縁性材料により形成されている。
シリンダ部材は絶縁性材料により形成されているので渦電流は発生しない。それゆえ、シリンダ部材が渦電流によって発熱することが防止される。また、渦電流はピストンに集中的に発生するので、交番磁界と交番磁界により発生する渦電流により発生する磁界との反発力がピストン部材に効率的に伝達される。
上記の駆動装置において好ましくは、クランクシャフト部材の回転運動のエネルギーを電気エネルギーに変換するための発電機部をさらに備えている。
これにより、化石燃料の代わりに交番磁界を使用することによって電気エネルギーが得られる。
上記の駆動装置において好ましくは、発電機部によって発電した電気の少なくとも1部が交番磁界の発生に用いられるよう構成されている。
これにより、交番磁界発生部材に使用される電力が低減されることにより効率的に駆動力が得られる。
本発明の駆動装置によれば、ガソリンなどの化石燃料を使用せずに交番磁界によって駆動力が得られる。それゆえ、地球温暖化の原因となる二酸化炭素や酸性雨の原因となる窒素酸化物や硫黄酸化物が発生しないので、地球環境にやさしい。
実施の形態1に係る駆動装置の概略平面図(A)、一部断面正面図(B)、一部断面側面図(C)である。 交番磁界と渦電流により発生した磁界とにより反発力が発生する原理を説明する模式図である。 実施の形態1に係る駆動装置において交番磁界発生部材の周方向に沿って複数のピストンを配置した構成の一部断面正面図である。 実施の形態1に係る駆動装置において交番磁界発生部材の周方向に沿って複数のピストンを配置した構成の一部断面側面図である。 実施の形態1に係る駆動装置において交番磁界発生部材の周方向に沿って複数のピストンを配置した構成の一部断面側面図である。 実施の形態1に係る駆動装置において交番磁界発生部材の周方向に沿って複数のピストンを配置した構成の一部断面側面図である。 実施の形態1に係る駆動装置において交番磁界発生部材とピストンとの間に磁気ヨーク部材が配置された構成の一部断面側面図である。 実施の形態2に係る駆動装置の模式図である。 実施の形態2に係る駆動装置において交番磁界発生部材の周方向に沿って複数のピストンを配置した構成の模式図である。 実施の形態1に係る駆動装置において交番磁界発生部材にタービンを接続した構成の模式図である。 実施の形態1に係る駆動装置においてクランクシャフト部材にトランスミッションを介在して駆動輪を取り付けた構成の模式図である。
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
(実施の形態1)
まず、本発明の実施の形態における駆動装置の構成について、図1(A)〜(C)および図2を用いて説明する。
図1(A)〜(C)に示すように、本実施の形態に係る駆動装置5は、交番磁界発生部材1と、ピストン部材7と、コネクティングロッド部材21と、シリンダ部材10と、クランクシャフト部材8と、フライホイール部材9と、保護部材11とを主に有している。
交番磁界発生部材1は、図2に示すようにたとえば円柱形状を有しており、N極とS極とが円柱状のロータの表面において周方向に交互に配置されてなる永久磁石を有している。交番磁界発生部材1に用いられる永久磁石は、たとえばRE2Fe14B(RE:希土類元素)の組成を有するものであることが好ましく、REはたとえばネオジウム(Nd)であることが好ましい。N極およびS極の永久磁石はロータに対して接着剤により固定されており、永久磁石の表面は繊維状の薄いテープで保護されている。交番磁界発生部材1は、軸線Xを中心として回転可能に構成されており、これによりピストン部材7に対してN極とS極との位置が相対的に変化するように構成されている。
交番磁界発生部材1を軸線Xを中心として回転させるために、たとえばモータなどが用いられる。たとえば、交番磁界発生部材1の軸線X方向に沿って延びる支持棒がモータの回転子部分と接続され、モータに外部から電力を供給してモータの回転子を回転させることによって、交番磁界発生部材1が回転可能である。
ピストン部材7は、交番磁界発生部材1によって発生された交番磁界2によって内部に渦電流3が発生するように構成されている。具体的にはピストン部材7の材料として導電率が高く、抵抗率(電気抵抗率)が低い導電性金属を用いることにより、ピストン部材7はその内部に渦電流3が流れるように構成されている。ピストン部材7に用いる導電性金属の材料として、たとえば銀(Ag)、銅(Cu)、金(Au)、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、タングステン(W)などがそれぞれ単体で、またはこれらの任意の組合せで用いられている。表1は、各金属の導電率および抵抗率を示したものである。
Figure 0004896269
またピストン部材7は、上記の渦電流3によって発生した磁界4と交番磁界発生部材1の交番磁界2との反発力によって移動可能に設けられている。具体的には、ピストン部材7をクランクシャフト部材8にコネクティングロッド部材21を介在して接続することにより、ピストン部材7はクランクシャフト部材8に対して上下方向に移動可能である。
クランクシャフト部材8は、ピストン部材7と上記のように接続されることで、ピストン部材7の移動を回転運動に変換可能である。具体的にはクランクシャフト部材8は、偏心部分であるクランクピンを有し、そのクランクピンにコネクティングロッド部材21を介在してピストン部材7が接続されることにより、ピストン部材7の移動を回転運動に変換可能である。
シリンダ部材10は、ピストン部材7の移動をガイドするためのものである。シリンダ部材10は、たとえばピストン部材7の側面を囲むように設けられている。シリンダ部材10の形状はたとえば円筒形状である。シリンダ部材10の材料としては、ピストン部材7とは異なる材料であって、絶縁性の材料を用いることが好ましい。シリンダ部材10の材料として、たとえばデルリン(登録商標)、ジュラゴン(登録商標)、PEEK(登録商標)、テフロン(登録商標)などの硬質樹脂が用いられる。
フライホイール部材9は、クランクシャフト部材8に接続されており、クランクシャフト部材8の回転運動が円滑になるように設けられている。
保護部材11は、交番磁界発生部材1を囲うように設けられており、交番磁界発生部材1を保護するために設けられている。この保護部材11は、パーマロイなどの高い透磁率を有することが好ましい。なお、保護部材11は省略されてもよい。
なお交番磁界発生部材1は、永久磁石に限られず電磁石であってもよい。たとえばソレノイドコイルに交流電流を流すことによって交番磁界が発生可能である。上記においては交番磁界発生部材1の形状は円柱形状を有しているが、交番磁界発生部材1の形状は、柱形状であればよく、たとえば多角柱形状であってもよい。また上記における軸線Xとは柱形状の交番磁界発生部材1が回転するときの回転軸のことである。この軸線Xは、たとえば交番磁界発生部材1が円柱形状の場合は、その円柱の横断面の円の中心を通り柱方向に沿って伸びる直線である。
また交番磁界発生部材1は、柱形状でなくてもよく、ピストン部材7に対してN極とS極との位置が相対的に変化するように構成されていればよい。
交番磁界発生部材1を回転させるための他の方法として、たとえば図10に示すように交番磁界発生部材1の軸線X方向に沿って延びた支持棒の先端にタービン22が接続されていてもよい。この構成では、水蒸気などの流体(気体、液体、超臨界流体)によってタービン22が回転することで、交番磁界発生部材1を回転させることができる。具体的には、風力発電、水力発電や火力発電などに使用されているようなタービン22が使用可能である。
図1(A)および図1(B)に示すように、ピストン部材7は、柱形状の交番磁界発生部材1の軸線X方向に沿って配置された複数のピストン7aを有していることが好ましい。本実施の形態においては、交番磁界発生部材1の軸線X方向に沿って4つのピストン7aが配置されている。また上記4つのピストン7aの移動をガイドするためのシリンダ部材10も、それぞれのピストン7aの移動をガイドするための4つのシリンダ10aを有している。さらに上記4つのピストン7aの上下運動をクランクシャフト部材8に伝達するためのコネクティングロッド部材21も、それぞれのピストン7aに接続するために4つのコネクティングロッド21aを有している。
次に、本実施の形態の駆動装置の動作について図1(A)、(B)および図2を用いて説明する。
図1(A)、(B)および図2を参照して、まず、永久磁石のN極とS極とが周方向に交互に配置された円筒状の交番磁界発生部材1が軸線Xを中心軸として回転される。すると、交番磁界発生部材1の外周側のある位置において、N極とS極とが交互に変化する交番磁界2が発生する。その位置に導電性金属により構成されたピストン部材7が配置されると、ピストン部材7の表面に渦電流3が発生する。渦電流3は、交番磁界発生部材1により発生した交番磁界2を打ち消すようにピストン部材7の内部を流れるように生じる。そのため、渦電流3により発生する磁界4は交番磁界発生部材1により発生する交番磁界2と反発する。ピストン部材7はこの反発力6によって移動する。
ピストン部材7は、コネクティングロッド部材21に接続されており、コネクティングロッド部材21は、クランクシャフト部材8の偏心部分であるクランクピンと接続されている。ピストン部材7は上記反発力6によってシリンダ部材10の壁面に沿って上下方向に移動する。ピストン部材7の上下方向の動作は、コネクティングロッド部材21を通じてクランクシャフト部材8を駆動させる。このように、ピストン部材7の上下方向の直線運動がコネクティングロッド部材21とクランクシャフト部材8を通じて回転運動に変換される。この回転運動は、たとえば自動車の駆動輪の回転に利用される。
本実施の形態の駆動装置5とは、たとえば自動車やオートバイの車輪を駆動する装置のことである。また、本発明に係る駆動装置5は、たとえば電車の車輪、航空機のプロペラ、船舶のスクリューなどを回転させる駆動装置5などでもよい。
次に、本実施の形態の駆動装置5の作用効果について説明する。
本実施の形態の駆動装置5は、ガソリンなどの化石燃料を使用せずに交番磁界2によって駆動力が得られる。それゆえ、地球温暖化の原因となる二酸化炭素や酸性雨の原因となる窒素酸化物や硫黄酸化物が発生しないので、本実施の形態の駆動装置5は地球環境にやさしい。
また、本実施の形態の駆動装置5によって駆動力を得るためには、交番磁界発生部材1を回転させるだけでよい。このため効率的に駆動力を取出すことができる。
さらに、交番磁界発生部材1以外の構造は既存の内燃機関の構造とよく似ているために、既存の内燃機関の部品をそのまま利用することができる。
また、本実施の形態の駆動装置5の交番磁界発生部材1は、N極とS極とが交互に配置された永久磁石を含み、かつピストン部材7に対してN極とS極との位置が相対的に変化するように構成されている。これにより、永久磁石によって交番磁界2を発生させることができるので、電磁石により同様の交番磁界2を発生させる場合と比べて必要とされる電力が小さくなる。
また、本実施の形態の駆動装置5の交番磁界発生部材1は円柱形状を有しており、永久磁石のN極とS極とが柱形状の表面において周方向Cに沿って交互に配置されており、かつ円柱形状の軸線Xを中心として回転可能に設けられている。これにより、柱状の交番磁界発生部材1の周方向Cに交番磁界2が発生可能である。
また、図1(A)、(B)に示すように、本実施の形態の駆動装置5のピストン部材7は、円柱形状の交番磁界発生部材1の軸線Xの方向に沿って配置された複数のピストン7aを含んでいる。これら複数のピストン7aは1つのクランクシャフト部材8に接続されている。円柱形状の交番磁界発生部材1の軸線X方向に複数のピストン7aを配置することで、軸線X方向に発生する交番磁界2を効率良く利用して駆動力を得ることができる。
また、本実施の形態の駆動装置5は、ピストン部材7の移動をガイドするためのシリンダ部材10をさらに有しており、シリンダ部材10は絶縁性材料により形成されている。このように、シリンダ部材10は絶縁性材料により形成されているのでシリンダ部材10には渦電流3は発生しない。それゆえ、シリンダ部材10が渦電流3によって発熱することが防止される。また、渦電流3はピストン部材7に集中的に発生するので、交番磁界2と交番磁界2により発生する渦電流3により発生する磁界4との反発力6がピストン部材7に効率的に伝達される。
また、本実施の形態の駆動装置5は、クランクシャフト部材8に接続されたフライホイール部材9をさらに有している。このフライホイール部材9により、ピストン部材7の往復運動が効率的に回転運動に変換される。
また図3〜図6に示すように、ピストン部材7は、柱形状の交番磁界発生部材1の周方向Cに沿って配置された複数のピストン7aを有していることが好ましい。図3および図4に示す駆動装置5は、円柱状の交番磁界発生部材1の外周側12に2つのピストン7aが対向して配置されている。それぞれのピストン7aは、円柱状の交番磁界発生部材1の軸線X方向に沿ってたとえば4つのピストン7aを有している。図5に示すように、ピストン7aが円柱状の交番磁界発生部材1の周方向に沿って90度ずつ離れた状態で4つ配置されていてもよい。また、図6に示すように、ピストン7aが円柱状の交番磁界発生部材1の周方向Cに沿って45度ずつ離間した状態で8つ配置されていてもよい。
このように円柱形状の交番磁界発生部材1の周方向Cに複数のピストン7aを配置することで、1つの交番磁界発生部材1から、周方向Cに発生する交番磁界2を効率良く利用して駆動力が得られる。なお、交番磁界発生部材1の軸線Xの方向に沿って複数のピストン7aが配置されるとともに、交番磁界発生部材1の周方向Cに沿って複数のピストン7aが配置されてもよい。
また図7に示すように、駆動装置5は、交番磁界発生部材1とピストン部材7との間に磁気ヨーク部材14を有していてもよい。磁気ヨーク部材14は、高い透磁率を有する材料からなり、たとえばパーマロイなどからなっている。このように交番磁界発生部材1とピストン部材7との間に磁気ヨーク部材14が設けられることによって、磁気ヨーク部材14により交番磁界2が効率的に集められるので、効率良く駆動力が得られる。
また図11に示すように、駆動装置5は、クランクシャフト部材8に接続されたトランスミッション19と、駆動輪20とを有していてもよい。
トランスミッション19は、クランクシャフト部材8の回転を、所望の回転数、所望のトルクなどに変換可能に設けられている。駆動輪20は、トランスミッション19と接続されており、クランクシャフト部材8の回転によって回転可能に設けられている。駆動輪20は、たとえば自動車の車輪のことである。
(実施の形態2)
次に、本発明の実施の形態2における駆動装置の構成について、図8および図9を用いて説明する。
図8および図9に示すように、本実施の形態に係る駆動装置5の構成は、図1(A)、(B)に示す実施の形態1の構成と比較して、発電機15と、インバータ16と、バッテリー17と、モータ18とが追加されている点において異なっている。
発電機15は、クランクシャフト部材8と接続されており、クランクシャフト部材8の回転運動のエネルギーを電気エネルギーに変換することができる。インバータ16は、発電機15と接続されており、発電機15で発電された交流電力を直流電力に変換可能である。バッテリー17は、インバータ16に接続されており、発電機15により発電され、インバータ16で変換された直流電力を蓄電可能である。バッテリー17は、バッテリー17に蓄えられた電力の一部をモータ18に戻すことができるように設けられている。
なお、これ以外の本実施の形態の構成は、上述した実施の形態1の構成とほぼ同じであるため、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
次に、実施の形態2の駆動装置5の作用効果について説明する。
実施の形態2の駆動装置5は発電機15を有している。そのため、交番磁界2を使用することによって電気エネルギーが得られる。また、駆動装置5はバッテリー17を有しているために、発電機15によって発電した電力をバッテリー17に蓄えることができる。さらに、バッテリー17に蓄えられた電力の一部がモータ18に戻される。そのため、交番磁界発生部材1の回転に使用される電力を低減することができる。
また図9に示すように交番磁界発生部材1の周方向に複数のクランクシャフト部材8が配置される場合には、各クランクシャフト部材8毎に発電機15と、インバータ16と、バッテリー17とが設けられていてもよい。そして、複数のバッテリー17のうち少なくとも1つのバッテリー17に蓄えられた電力の一部がモータに戻されるように構成されていてもよい。
また図10に示す構成において、クランクシャフト部材8に発電機15を接続することによりタービン22の回転から電力を得ることもできる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明は、交番磁界を用いる駆動装置に好適に利用することができる。
1 交番磁界発生部材、2 交番磁界、3 渦電流、4 渦電流により発生した磁界、5 駆動装置、6 反発力、7 ピストン部材、7a ピストン、8 クランクシャフト部材、9 フライホイール、10 シリンダ部材、10a シリンダ、11 保護部材、12 外周側、13 内周側、14 ヨーク部材、15 発電機、16 インバータ、17 バッテリー、18 モータ、19 トランスミッション、20 駆動輪、21 コネクティングロッド部材、21a コネクティングロッド、22 タービン、X 軸線、C 周方向。

Claims (9)

  1. 交番磁界を発生させるための交番磁界発生部材と、
    前記交番磁界発生部材によって発生された交番磁界によって内部に渦電流が発生するように構成され、かつ前記渦電流によって発生した磁界と前記交番磁界との反発力によって移動可能に設けられたピストン部材と、
    前記ピストン部材に接続され、前記ピストン部材の移動を回転運動に変換可能に設けられたクランクシャフト部材とを備えた、駆動装置。
  2. 前記交番磁界発生部材は、N極とS極とが交互に配置された永久磁石を含み、かつ前記ピストン部材に対して前記N極と前記S極との位置が相対的に変化するように構成されている、請求項1に記載の駆動装置。
  3. 前記交番磁界発生部材は柱形状を有しており、
    前記永久磁石の前記N極と前記S極とが前記柱形状の表面において周方向に沿って交互に配置されており、かつ前記柱形状の軸線を中心として回転可能に設けられている、請求項2に記載の駆動装置。
  4. 前記ピストン部材は、前記柱形状の前記交番磁界発生部材の外周側であって前記柱形状の前記交番磁界発生部材の周方向に沿って配置された複数のピストンを含む、請求項3に記載の駆動装置。
  5. 前記ピストン部材は、前記柱形状の前記交番磁界発生部材の外周側であって前記柱形状の前記交番磁界発生部材の前記軸線の方向に沿って配置された複数のピストンを含む、請求項3に記載の駆動装置。
  6. 前記交番磁界発生部材と前記ピストン部材との間に磁気ヨーク部材が設けられている、請求項1〜5のいずれかに記載の駆動装置。
  7. 前記ピストン部材の前記移動をガイドするためのシリンダ部材をさらに備え、
    前記シリンダ部材は絶縁性材料により形成されている、請求項1〜6のいずれかに記載の駆動装置。
  8. 前記クランクシャフト部材の前記回転運動のエネルギーを電気エネルギーに変換するための発電機部をさらに備えた、請求項1〜7のいずれかに記載の駆動装置。
  9. 前記発電機部によって発電した電気の少なくとも一部が前記交番磁界の発生に用いられるよう構成されている、請求項8に記載の駆動装置。
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