JP5773362B2

JP5773362B2 - Energy storage device

Info

Publication number: JP5773362B2
Application number: JP2011236368A
Authority: JP
Inventors: 晋久田代
Original assignee: Shinshu University NUC
Current assignee: Shinshu University NUC
Priority date: 2011-10-27
Filing date: 2011-10-27
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2031-10-27
Also published as: JP2013098999A

Description

本出願は、環境によって大きく変動する利用可能なエネルギーを、可能な限り有効に運動エネルギーとして貯蔵し、必要に応じて磁気エネルギーを媒体として非接触給電できるエネルギー貯蔵装置に関する。 The present application relates to an energy storage device capable of storing available energy that varies greatly depending on the environment as kinetic energy as effectively as possible, and, if necessary, non-contact power feeding using magnetic energy as a medium.

エナジーハーベスティングとは、身の回りの光や振動、熱などを電力として回収して利用する技術をいう。
この技術は、利用可能な量に限りのある化石燃料と異なり、無尽蔵に存在する自然エネルギーを利用可能なため、次世代のエネルギー源として近年注目されており、IDTechExによると、エナジーハーベスティング技術の市場は、2020年には$4.4b（2010年では$605m）に急成長すると予測されている。
一方、エナジーハーベスティング技術では、太陽光などの自然エネルギーを用いるため、周囲の天候等によって回収できるエネルギー量が大きく変動するという課題がある。このため、エナジーハーベスティング技術を用いて安定した電力を供給するためには、併せてエネルギー貯蔵技術についても議論される必要がある。 Energy harvesting is a technology that collects and uses light, vibrations, and heat around you as electricity.
Unlike fossil fuels that have a limited amount of available, this technology has been attracting attention as a next-generation energy source in recent years because it can use inexhaustible natural energy. According to IDTechEx, The market is projected to grow rapidly to $ 4.4b in 2020 ($ 605m in 2010).
On the other hand, since energy harvesting technology uses natural energy such as sunlight, there is a problem that the amount of energy that can be recovered varies greatly depending on the surrounding weather. For this reason, in order to supply stable power using energy harvesting technology, energy storage technology needs to be discussed together.

一般的なエネルギー貯蔵技術として、キャパシタに電気エネルギーを蓄える方式が挙げられる。これは必要な設備が簡便であり、また安価であることからこれまでに広く普及している（特許文献１、２）。また、高効率なエネルギー貯蔵技術としては、超伝導を用いて電気を磁気エネルギーとして貯蔵するＳＭＥＳ（超伝導磁気エネルギー貯蔵）が挙げられる（特許文献３、４）。また、エネルギーを運動エネルギーとして貯蔵する方式としては、フライホイールが挙げられる。この技術では、エネルギーを回転エネルギーとして貯蔵するため、装置の構成をコンパクトにすることが可能である。また、このエネルギーを、電気エネルギーとして取り出す場合には、装置に発電機を直結しておき、磁気を介してエネルギーを取り出すフライホイールバッテリーという手法が一般的である（特許文献５、６）。
本発明者はこれまで、磁気を用いた装置開発について発明を行っている（特許７、８、９）。エネルギーを電気として取り出す場合、エネルギーを貯蔵する媒体にはキャパシタに代表されるように電界（電気）エネルギーは利用しやすい。一方、絶縁破壊を起こす電界強度が存在するため、体積当たりに貯蔵可能なエネルギー量は磁気に比べてはるかに小さい。磁気もエネルギー源の一つと考えた場合、その利用可能なエネルギーは磁界振幅の大きさに依存する。永久磁石を用いて大きな磁界振幅を利用する方法の一つとして、複数の永久磁石を対向配置（互いに反対の磁極が対抗するように直列に組み合わせて配置）して構成した同軸上の磁石部材により、永久磁石のギャップ周辺において径方向に大きな磁界を発生可能な手法が知られている。これを応用し、磁石部材の周囲を囲む複数のコイルを軸方向に並べたコイル部材を備えたリニアモータ装置が知られている（特許文献１０）。 As a general energy storage technique, there is a method of storing electric energy in a capacitor. This has been widespread so far because the necessary equipment is simple and inexpensive (Patent Documents 1 and 2). As the highly efficient energy storage technologies, SMES for storing electricity as magnetic energy by using superconducting (superconductivity magnetic energy storage) and the like (Patent Documents 3 and 4). Moreover, a flywheel is mentioned as a system which stores energy as kinetic energy. In this technique, since energy is stored as rotational energy, the configuration of the apparatus can be made compact. Moreover, when taking out this energy as electrical energy, the method of the flywheel battery which connects a generator directly to an apparatus and takes out energy via magnetism is common (patent documents 5 and 6).
The present inventor has so far invented a device development using magnetism (Patents 7, 8, 9). When extracting energy as electricity, electric field (electrical) energy is easy to use as a medium for storing energy, as represented by a capacitor. On the other hand, since there is an electric field strength that causes dielectric breakdown, the amount of energy that can be stored per volume is much smaller than that of magnetism. When magnetism is considered as one of energy sources, the available energy depends on the magnitude of the magnetic field amplitude. As one method of using a large magnetic field amplitude using a permanent magnet, a coaxial magnet member configured by arranging a plurality of permanent magnets facing each other (arranged in series so that opposite magnetic poles oppose each other) is used. A technique is known that can generate a large magnetic field in the radial direction around the gap of the permanent magnet. A linear motor device including a coil member in which a plurality of coils surrounding the periphery of a magnet member are arranged in the axial direction is known (Patent Document 10).

特開２０１０−１４５１４３号公報JP 2010-145143 A 特開２０１１−１１９４４０号公報JP 2011-119440 A 特開２００５−３４１７５４号公報JP 2005-341754 A 特開２００８−２３７０１８号公報JP 2008-237018 A 特開２００５−０４８８２９号公報JP 2005-048829 A 特開２００５−１８０３１１号公報JP 2005-180311 A 特開２００４−１７９５５０号公報JP 2004-179550 A 特開２００５−０９３４５２号公報JP 2005-093452 A 特開２００９−３００３９２号公報JP 2009-300392 A 特開平１０−３１３５６６号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-313566

しかし、一般的なキャパシタは、充放電を繰り返すことにより劣化することや、時間によって自己放電してしまい、長時間の蓄電ができない等の問題がある。また、ＳＭＥＳは、超伝導の状態を維持するために、冷媒を用意する必要があり、また、超伝導コイルは電気の入出力の際に交流損失が発生するため、システム維持に大きなコストが必要となり、大型システムでないと実用的に成立しないという問題がある。また、フライホイールバッテリーは、システムの構成上、発電機を直結させる必要があることから、数ｋＷ以上の大電力を扱うのには適しているが、小さな電力を扱うのが困難であるという問題がある。 However, a general capacitor has problems such as deterioration due to repeated charge and discharge, or self-discharge due to time, which prevents long-time power storage. In addition, SMES needs to prepare a refrigerant in order to maintain a superconducting state, and superconducting coils generate AC loss during input / output of electricity, so a large cost is required to maintain the system. Therefore, there is a problem that it cannot be practically used unless it is a large system. In addition, flywheel batteries are suitable for handling large electric power of several kW or more because it is necessary to connect a generator directly to the system configuration, but it is difficult to handle small electric power. There is.

本出願は、上記課題を解決するためになされたものであり、低コストであり、かつ小さな電力をロスなく貯蔵、放電することが可能なエネルギー貯蔵装置を提供することを目的とする。 The present application has been made to solve the above-described problems, and an object of the present application is to provide an energy storage device that is low in cost and can store and discharge a small amount of power without loss.

本発明に係るエネルギー貯蔵装置は、一対あるいは複数対の永久磁石を、同極どうしを対向させるとともに軟磁性材からなる歯車形のスペーサ部材を永久磁石の端面間に介在させて、永久磁石とスペーサ部材とを一体形成した磁界発生モジュールと、コイル部材を有する電力回収モジュールとを備え、前記磁界発生モジュールは、軸線の回りに回転自在に支持され、貯蔵したいエネルギー源を用いて駆動部を介して回転させ、前記コイル部材は、前記磁界発生モジュールから発生する交流磁界と鎖交する配置として、前記スペーサ部材に近接する位置と、前記スペーサ部材から離隔した退避位置との間において移動可能に設けられていることを特徴とする。
なお、複数対の永久磁石とは、スペーサ部材を複数個備える場合で、スペーサ部材ごとに永久磁石が対向配置されているという意味である。また、磁界発生モジュールは直接的に駆動部に連繋して設ける場合と、間接的に連繋して設けられる場合がある。
本発明は、永久磁石を対向配置することにより、中心軸に対して径方向に大きな磁界を発生させることが可能であること、スペーサ部材の形状により周囲の径方向磁界の大きさに変動を持たせることが可能であること、磁界発生モジュールを回転させることで回転中心軸に対して径方向に交流磁界を発生可能であること、磁界空間中に回転中心軸から径方向から近づけたコイル部材を置くことにより高い電力密度で高効率にエネルギーを回収することが可能になるとの知見に基づく。すなわち、自然エネルギーなどを利用して、軸線の回りで回転する回転体として駆動される磁界発生モジュールの回転エネルギーを、コイル部材を介して電気エネルギーとして回収して利用する。なお、コイル部材としては適宜ターン数の空心コイルが好適に使用できる。
An energy storage device according to the present invention includes a permanent magnet and a spacer, with a pair of permanent magnets facing each other with the same polarity facing each other and a gear-shaped spacer member made of a soft magnetic material interposed between the end surfaces of the permanent magnet. comprising a magnetic field generating module which is integrally formed a member, and a power recovery module having a coil member, the magnetic field generation module is rotatably supported about an axis via a drive unit with an energy source to be stored The coil member is rotated and arranged so as to interlink with an alternating magnetic field generated from the magnetic field generating module, and is provided so as to be movable between a position close to the spacer member and a retracted position separated from the spacer member. It is characterized by.
In addition, a plurality of pairs of permanent magnets means that a plurality of spacer members are provided, and the permanent magnets are opposed to each spacer member. Further, the magnetic field generating module may be provided directly connected to the drive unit or indirectly connected to the drive unit.
The present invention can generate a large magnetic field in the radial direction with respect to the central axis by arranging the permanent magnets opposite to each other, and has a variation in the size of the surrounding radial magnetic field depending on the shape of the spacer member. An AC magnetic field can be generated in the radial direction with respect to the rotation center axis by rotating the magnetic field generation module, and a coil member that is close to the rotation center axis in the radial direction in the magnetic field space. It is based on the knowledge that it is possible to recover energy with high power density and high efficiency. That is, by using natural energy or the like, the rotational energy of the magnetic field generating module driven as a rotating body that rotates around the axis is recovered and used as electrical energy via the coil member. In addition, as a coil member, the air core coil of the number of turns can be used suitably suitably.

本発明に係るエネルギー貯蔵装置は、二つのモジュールから構成される。第一のモジュールは磁界発生モジュールであり、軸線方向に着磁された永久磁石を対向配置し、その間に歯車形状に加工した軟磁性材からなるスペーサ部材を挟みこむことで、径方向磁界の分布に強弱を持たせた構造を有する。
回転エネルギーを回収するという発想は、水力、風力発電に代表される技術で古くから行われているが、通常、こうした技術は、発電した電力をすぐに系統へ送るか蓄電池に貯めるという手法をとるため、水量、風量が小さい場合には極めて効率が悪いか回転エネルギーを得ることができない。この点、本出願に係る第一のモジュールによれば、理論上空気抵抗と軸受の損失のみで回転エネルギーとして蓄えておくことができ、必要な時に磁界発生モジュール対して非接触でエネルギーを取り出すことが可能になる。 The energy storage device according to the present invention is composed of two modules. The first module is a magnetic field generation module. A permanent magnet magnetized in the axial direction is arranged oppositely, and a spacer member made of a soft magnetic material processed into a gear shape is sandwiched between them to distribute the radial magnetic field. It has a structure with strength.
The idea of recovering rotational energy has been around for a long time with technologies represented by hydropower and wind power generation, but these technologies usually take the method of immediately sending the generated power to the system or storing it in a storage battery. For this reason, when the amount of water and the amount of air are small, the efficiency is extremely poor or rotational energy cannot be obtained. In this regard, according to the first module according to the present application, theoretically, it can be stored as rotational energy with only air resistance and bearing loss, and when necessary, energy can be taken out from the magnetic field generating module in a non-contact manner. Is possible.

第二のモジュールは電力回収モジュールであり、コイル部材を備える。このモジュールによれば、渦電流による発熱や電力損失を受けにくい低周波磁界を利用することが可能である。この第二のモジュールでは、電力の回収にコイル部材（空心コイル）を用いるため、磁界振幅の２乗に比例する電力を回収することが可能になる。第一のモジュールを回転させることで周囲に変動磁界を発生し、第二のモジュールにより非接触で磁界のエネルギーを回収することが可能になる。 The second module is a power recovery module and includes a coil member. According to this module, it is possible to use a low-frequency magnetic field that is less susceptible to heat generation and power loss due to eddy currents. In this second module, since a coil member (air core coil) is used for power recovery, power proportional to the square of the magnetic field amplitude can be recovered. By rotating the first module, a fluctuating magnetic field is generated around it, and the energy of the magnetic field can be recovered without contact by the second module.

電力回収モジュールとしてコイル部材に負荷を接続することにより、コイル部材により回収された電気エネルギーを負荷に供給できる。 By connecting a load to the coil member as a power recovery module, the electrical energy recovered by the coil member can be supplied to the load.

磁界発生モジュールは、この磁界発生モジュールを軸線の回りに回転駆動する駆動部に連繋する構成とする。駆動部のエネルギー源として風力や水力等の自然エネルギーを利用することにより、自然エネルギーを有効活用することができる。 The magnetic field generation module is configured to be connected to a drive unit that rotationally drives the magnetic field generation module around the axis. By using natural energy such as wind power or hydraulic power as an energy source for the drive unit, natural energy can be effectively used.

前記一対の永久磁石に円柱磁石あるいは円筒磁石を使用し、磁界発生モジュール全体を円柱状とし、中心に軸を設けて中心の回りに自由回転可能にすることにより効率的に回転エネルギーを保持することができる。永久磁石の大きさは限定されるものではなく、多角柱状、多角筒状とすることもできる。回転体としての慣性を大きくするために錘をつけることも可能である。 A cylindrical magnet or a cylindrical magnet is used for the pair of permanent magnets, the entire magnetic field generating module is formed in a cylindrical shape, and an axis is provided at the center so that the rotary energy can be freely rotated around the center to efficiently maintain rotational energy. Can do. The size of the permanent magnet is not limited, and may be a polygonal column shape or a polygonal cylinder shape. A weight can be attached to increase the inertia of the rotating body.

本出願に係るエネルギー貯蔵装置は、磁石と磁性材料、コイルから構成されるため、安価であり、構成が容易である。また、磁界発生モジュールは3600rpm以下といった低速回転で利用することを想定しており、渦電流損が小さく、少ない電力ロスで使用することが可能である。また、コイル部材のインピーダンスと負荷のインピーダンスを整合することにより、共振現象を利用できれば、最大電力供給の定理より最適な電気エネルギーの供給が可能である。 Since the energy storage device according to the present application includes a magnet, a magnetic material, and a coil, the energy storage device is inexpensive and easy to configure. In addition, it is assumed that the magnetic field generating module is used at a low speed of 3600 rpm or less, and the eddy current loss is small, and it can be used with a small power loss. If the resonance phenomenon can be utilized by matching the impedance of the coil member and the impedance of the load, the optimum electric energy can be supplied from the maximum power supply theorem.

なお、低周波磁界を利用することで、生体への影響が懸念される（ICNIRP2010による生体への電磁界ガイドライン値は200μT）が、磁界発生モジュールが発生する磁界は、距離が離れると2つのダイポール磁気モーメントと仮定できるため、距離の３乗で反比例して減衰する。そのため適宜距離を離すことで、生体への磁界曝露の基準を解決できる。 In addition, there is a concern about the influence on the living body by using the low-frequency magnetic field (the electromagnetic field guideline value for the living body by ICNIRP2010 is 200μT), but the magnetic field generated by the magnetic field generating module is two dipoles when the distance is long Since it can be assumed to be a magnetic moment, it attenuates in inverse proportion to the cube of the distance. Therefore, the standard of the magnetic field exposure to the living body can be solved by appropriately separating the distance.

本発明に係るエネルギー貯蔵装置によれば、低コストかつ電力ロスの少ない高効率なエネルギー貯蔵、回収を行うことが可能なエネルギー貯蔵装置を提供することが可能である。 According to the energy storage device of the present invention, it is possible to provide an energy storage device capable of performing high-efficiency energy storage and recovery with low cost and low power loss.

エネルギー貯蔵装置の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of an energy storage device. 磁界発生モジュールの組み立て斜視図である。It is an assembly perspective view of a magnetic field generation module. 同極を対向して永久磁石を配置した際の磁界を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows a magnetic field at the time of arrange | positioning a permanent magnet facing the same pole. エネルギー貯蔵装置の作用を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the effect | action of an energy storage apparatus.

（エネルギー貯蔵装置の構成）
図１は、本発明に係るエネルギー貯蔵装置の構成例を示す。本実施形態のエネルギー貯蔵装置は、磁界発生モジュール１０と、電力回収モジュール４０とを主要な構成とする。
磁界発生モジュール１０は、歯車状に形成した軟磁性材からなるスペーサ部材１２と、同極を対向してスペーサ部材１２を端面間に挟む配置（対向配置）に設けた永久磁石１４、１５とを備える。磁界発生モジュール１０は、永久磁石１４、１５の端面にスペーサ部材を介してさらに永久磁石を対向配置して組み立てることもできる。 (Configuration of energy storage device)
FIG. 1 shows a configuration example of an energy storage device according to the present invention. The energy storage device of the present embodiment mainly includes a magnetic field generation module 10 and a power recovery module 40.
The magnetic field generation module 10 includes a spacer member 12 made of a soft magnetic material formed in a gear shape, and permanent magnets 14 and 15 provided in an arrangement (opposing arrangement) in which the same pole is opposed and the spacer member 12 is sandwiched between end faces. Prepare. The magnetic field generation module 10 can also be assembled by further disposing a permanent magnet opposite to the end surfaces of the permanent magnets 14 and 15 via a spacer member.

（磁界発生モジュール）
図２に磁界発生モジュール１０の組み立て斜視図を示す。永久磁石１４、１５は、ともに、同一寸法の円筒形に形成したもので軸線方向に着磁されている。図示例では、永久磁石１４、１５はＮ極を対向させて配置しているが、Ｓ極を対向させて配置してもよい。永久磁石１４、１５を円筒形としているのは磁界発生モジュールを回転支持する非磁性の回転中心軸１１を中心に配置するためである。永久磁石１４、１５を単に円柱形として軸を設けることも可能である。
スペーサ部材１２は、周方向に均等に４個の歯部１２ａを形成したもので、隣接する歯部１２ａの中間は凹部１２ｂとなっている。スペーサ部材１２の、歯部１２ａの外径は永久磁石１４、１５の外径と同一である。
スペーサ部材１２と永久磁石１４、１５との中心を一致させ、永久磁石１４、１５によりスペーサ部材１２を厚さ方向に挟む配置として一体化することにより、全体として円柱体状の磁界発生モジュール１０が得られる。 (Magnetic field generation module)
FIG. 2 shows an assembled perspective view of the magnetic field generation module 10. The permanent magnets 14 and 15 are both formed in a cylindrical shape having the same dimensions and are magnetized in the axial direction. In the illustrated example, the permanent magnets 14 and 15 are disposed with the N poles facing each other, but may be disposed with the S poles facing each other. The reason why the permanent magnets 14 and 15 are cylindrical is that the permanent magnets 14 and 15 are arranged around the non-magnetic rotation center shaft 11 that rotatably supports the magnetic field generation module. It is also possible to provide the shaft with the permanent magnets 14 and 15 simply having a cylindrical shape.
The spacer member 12 is formed by uniformly forming four tooth portions 12a in the circumferential direction, and a middle portion between adjacent tooth portions 12a is a concave portion 12b. The outer diameter of the tooth portion 12 a of the spacer member 12 is the same as the outer diameter of the permanent magnets 14 and 15.
By aligning the centers of the spacer member 12 and the permanent magnets 14 and 15 and integrating the permanent magnets 14 and 15 so that the spacer member 12 is sandwiched in the thickness direction, the magnetic field generating module 10 having a cylindrical body as a whole can be obtained. can get.

図３は、同極を対向させて永久磁石１４、１５を配置した場合に、永久磁石の端面間で、径方向に強い磁束密度の磁界が発生することを示している。ネオジウム磁石といった強力な永久磁石を対向配置させて配置することで、１Ｔ程度の磁束密度を発生させることは容易に可能である。
スペーサ部材１２を歯車状としているのは、対向配置とした永久磁石１４、１５の同極間において径方向に発生する磁界の分布を、周方向に強弱が生じるようにするためである。スペーサ部材１２の歯部１２ａを形成した部位における磁束密度は、凹部１２ｂにおける磁束密度よりも強くなり、これによって周方向の磁界強度が周期的に変化する。 FIG. 3 shows that a magnetic field having a strong magnetic flux density in the radial direction is generated between the end faces of the permanent magnets when the permanent magnets 14 and 15 are arranged with the same poles facing each other. By arranging a strong permanent magnet such as a neodymium magnet so as to face each other, it is possible to easily generate a magnetic flux density of about 1T.
The spacer member 12 has a gear shape so that the distribution of the magnetic field generated in the radial direction between the same poles of the permanent magnets 14 and 15 opposed to each other is increased and decreased in the circumferential direction. The magnetic flux density at the site where the tooth portion 12a of the spacer member 12 is formed becomes stronger than the magnetic flux density at the recess 12b, and the circumferential magnetic field strength changes periodically.

スペーサ部材１２は、永久磁石１４、１５の同極間の磁界の分布が周方向に周期的に変化するようにするものであるから、歯部１２ａの個数は複数（２個以上）であればよく、歯数が限定されるものではない。また、歯部１２ａの形状も限定されない。スペーサ部材１２は永久磁石１４、１５の同極間に生じる磁界を効率的に外部に導出する作用をなす。したがって、スペーサ部材１２には軟磁性材を用いればよい。スペーサ部材１２には、安価で飽和磁束密度の高い電磁軟鉄等の磁性材料が好適に用いられる。 Since the spacer member 12 is to make the distribution of the magnetic field between the same poles of the permanent magnets 14 and 15 periodically change in the circumferential direction, if the number of teeth 12a is plural (two or more), Well, the number of teeth is not limited. Further, the shape of the tooth portion 12a is not limited. The spacer member 12 functions to efficiently lead the magnetic field generated between the same poles of the permanent magnets 14 and 15 to the outside. Therefore, a soft magnetic material may be used for the spacer member 12. The spacer member 12 is preferably made of a magnetic material such as electromagnetic soft iron that is inexpensive and has a high saturation magnetic flux density.

（支持部）
本発明に係るエネルギー貯蔵装置においては、全体形状を円柱体状とした磁界発生モジュール１０を回転自在に支持し、磁界発生モジュール１０に加えられた外力をフライホイールのように回転エネルギーとして貯蔵する。
図１において、破線のブロックによって示した支持部２０および２１は磁界発生モジュール１０を回転軸５０ａ、５０ｂの回りに回転自在に支持する支持部である。支持部２０、２１は磁界発生モジュール１０を中間に配し、支持部材５２により相互に連結して固定化されている。回転体を支持する構造（軸受）には、機械的な軸受構造、流体を用いるもの、磁気を利用するもの等、さまざまな構造が知られている。支持部２０および２１は、磁界発生モジュール１０の回転エネルギーのロスをできるだけ抑えて支持する構成とすればよい。
なお、支持部２０あるいは支持部２１の一方のみを用いて磁界発生モジュール１０を回転自在に支持する構成とすることもできる。支持部２０および２１の両者に磁気軸受を利用する場合には理論上安定動作が行えないため、アクティブ制御を行う必要がある。 (Support part)
In the energy storage device according to the present invention, the magnetic field generating module 10 having a cylindrical shape as a whole is rotatably supported, and external force applied to the magnetic field generating module 10 is stored as rotational energy like a flywheel.
In FIG. 1, support portions 20 and 21 indicated by broken-line blocks are support portions that support the magnetic field generating module 10 so as to be rotatable around the rotation shafts 50a and 50b. The support parts 20 and 21 are arranged with the magnetic field generation module 10 in the middle, and are connected and fixed to each other by a support member 52. Various structures are known as structures (bearings) for supporting a rotating body, such as a mechanical bearing structure, a structure using a fluid, and a structure using magnetism. The support portions 20 and 21 may be configured to support the loss of rotational energy of the magnetic field generation module 10 as much as possible.
Note that the magnetic field generation module 10 may be rotatably supported using only one of the support part 20 or the support part 21. When magnetic bearings are used for both the support portions 20 and 21, theoretically stable operation cannot be performed, so active control must be performed.

（駆動部）
図１に示すように、磁界発生モジュール１０は磁界発生モジュール１０を軸線の回りで回転駆動する駆動部３０に連繋して設けられる。駆動部３０に利用できるエネルギー源としては、水力、風力、波力といった自然エネルギーが考えられる。駆動部３０は風力によって回転駆動されるローターのようにエネルギー源の作用により直接的に駆動されるものであってもよいし、エネルギ―を一度電気エネルギーに変換し、ギアやモータ―を用いて間接的に駆動する構成としても良い。駆動源とこれらの自然エネルギーの作用を磁界発生モジュール１０に、直接的あるいは間接的に連繋することにより磁界発生モジュール１０を回転駆動することができ、磁界発生モジュール１０に加えられた駆動力（エネルギー）は磁界発生モジュール１０の回転エネルギーとして貯蔵される。また、磁界発生モジュール１０と駆動部３０との連結を遮断可能とし、適時に駆動部３０と磁気発生モジュール１０とを連繋して駆動部３０による回転力が磁界発生モジュール１０に作用するようにしてもよい。もちろん、駆動部３０のエネルギー源は自然エネルギーに限るものではなく、人工的なエネルギーを利用することも可能である。
図１において、駆動部３０を破線のブロックとして示したのは、駆動部３０のエネルギー源や駆動機構が限定されるものではないことを意図している。 (Drive part)
As shown in FIG. 1, the magnetic field generation module 10 is provided so as to be linked to a drive unit 30 that rotationally drives the magnetic field generation module 10 around an axis. As an energy source that can be used for the drive unit 30, natural energy such as hydraulic power, wind power, and wave power can be considered. The drive unit 30 may be directly driven by the action of an energy source, such as a rotor driven to rotate by wind power. Alternatively, the drive unit 30 converts energy into electrical energy and uses a gear or a motor. It may be configured to be indirectly driven. The magnetic field generating module 10 can be rotationally driven by directly or indirectly connecting the drive source and the action of these natural energies to the magnetic field generating module 10, and the driving force (energy) applied to the magnetic field generating module 10. ) Is stored as rotational energy of the magnetic field generating module 10. In addition, the connection between the magnetic field generating module 10 and the driving unit 30 can be cut off, and the driving unit 30 and the magnetic generating module 10 are connected in a timely manner so that the rotational force by the driving unit 30 acts on the magnetic field generating module 10. Also good. Of course, the energy source of the drive unit 30 is not limited to natural energy, and artificial energy can also be used.
In FIG. 1, the drive unit 30 shown as a broken-line block is intended not to limit the energy source or the drive mechanism of the drive unit 30.

（電力回収モジュール）
電力回収モジュール４０は、磁界発生モジュール１０の回転エネルギーとして蓄えられているエネルギーを回収する手段である。電力回収モジュール４０にはコイル部材を用いる。コイル部材は磁界発生モジュール１０と相互作用して誘導起電力を発生させ、負荷に電流を流す。これによって磁界発生モジュール１０の回転エネルギーを電気エネルギーとして回収する作用をなす。なお，磁界発生モジュールが発生する磁界の周波数に合わせて電力回収モジュールのインピーダンス整合をすることで、共振現象が利用できる。すなわち、最大電力供給の定理により，最適な電気エネルギーを負荷に供給可能である。
図１に示す電力回収モジュール４０は、コイル部材として１ターンの空心コイル４２を使用する例であるが、複数ターンの空心コイルを使用してもよい。
空心コイル４２は磁界発生モジュール１０のスペーサ部材１２の外面に近接する位置（図のＡ位置）、すなわちエネルギーを回収する位置と、磁界発生モジュール１０の作用を受けない退避位置（図のＢ位置）との間を移動可能である。回収位置に空心コイル４２を位置させる際は、磁界発生モジュール１０のスペーサ部材１２による磁界と鎖交する配置とする。 (Power recovery module)
The power recovery module 40 is means for recovering energy stored as rotational energy of the magnetic field generation module 10. A coil member is used for the power recovery module 40. The coil member interacts with the magnetic field generation module 10 to generate an induced electromotive force, and a current flows through the load. As a result, the rotational energy of the magnetic field generating module 10 is recovered as electric energy. The resonance phenomenon can be used by matching the impedance of the power recovery module in accordance with the frequency of the magnetic field generated by the magnetic field generating module. In other words, the optimum electric energy can be supplied to the load by the maximum power supply theorem.
The power recovery module 40 shown in FIG. 1 is an example in which an air-core coil 42 of one turn is used as a coil member, but an air-core coil of a plurality of turns may be used.
The air-core coil 42 is positioned near the outer surface of the spacer member 12 of the magnetic field generating module 10 (A position in the figure), that is, a position where energy is recovered, and a retracted position (B position in the figure) that is not affected by the magnetic field generating module 10. It is possible to move between. When the air-core coil 42 is positioned at the recovery position, the air-core coil 42 is arranged so as to interlink with the magnetic field generated by the spacer member 12 of the magnetic field generation module 10.

図１では、空心コイル４２の退避位置を近接位置（回収位置）から磁界発生モジュール１０の回転中心軸に対し径方向に遠ざけて示しているが、空心コイル４２の退避位置は磁界発生モジュール１０の作用を受けない位置であれば任意の位置でよい。
空心コイル４２を近接位置（回収位置）と退避位置との間で移動させる移動手段としては何らかの外力を利用して移動させる方法が利用できる。手動によって空心コイル４２を移動させることも可能である。 In FIG. 1, the retracted position of the air-core coil 42 is shown as being radially away from the proximity position (collection position) with respect to the rotation center axis of the magnetic field generating module 10. Any position may be used as long as the position is not affected.
As a moving means for moving the air-core coil 42 between the proximity position (recovery position) and the retracted position, a method of moving using some external force can be used. It is also possible to move the air-core coil 42 manually.

空心コイル４２には負荷４４を接続する。この負荷４４は空心コイル４２によって回収された電力を利用して動作させる機器の意である。負荷４４としてキャパシタ等の電気エネルギーを貯蔵する機器を使用することも可能であるが、磁界発生モジュール１０自体がエネルギーを貯蔵する作用を有しているから、回収した電気エネルギーを利用する装置とするのがよい。 A load 44 is connected to the air core coil 42. The load 44 is a device that operates by using the electric power collected by the air-core coil 42. Although it is possible to use a device such as a capacitor for storing electrical energy as the load 44, the magnetic field generating module 10 itself has an action of storing energy, so that the device that uses the recovered electrical energy is used. It is good.

（エネルギー貯蔵装置の作用）
図４は、本実施形態のエネルギー貯蔵装置の作用を示している。
前述したように、磁界発生モジュール１０では、スペーサ部材１２を介して、周方向に強弱に分布する磁界（図の矢印）が発生するから、駆動部３０の作用により磁界発生モジュール１０が回転すると、回収位置で鎖交配置した電力回収モジュール４０である空心コイル４２に交流の誘導起電力が発生し負荷４４に電流を流す。すなわちこの空心コイル４２は磁界エネルギーを電気エネルギーに変換し負荷４４に供給する。 (Operation of energy storage device)
FIG. 4 shows the operation of the energy storage device of this embodiment.
As described above, in the magnetic field generation module 10, a magnetic field (arrow in the figure) distributed in the circumferential direction is generated via the spacer member 12. Therefore, when the magnetic field generation module 10 is rotated by the action of the driving unit 30, An AC induced electromotive force is generated in the air core coil 42 which is the power recovery module 40 arranged in a chain at the recovery position, and a current flows through the load 44. That is, the air-core coil 42 converts magnetic field energy into electric energy and supplies it to the load 44.

空心コイル４２は回収位置と退避位置との間で移動可能であるから、電力を回収して利用する際に空心コイル４２を回収位置に移動させてエネルギーを回収し、電力を利用しない際には退避位置に置いておけばよい。
空心コイル４２を回収位置に移動させて磁界発生モジュール１０からエネルギーを回収する作用は、磁界発生モジュール１０の回転エネルギーを電気エネルギーとして回収することに他ならない。したがって、駆動部３０によるエネルギーの補充がなされないと、磁界発生モジュール１０は減速する。
本エネルギー貯蔵装置では、磁界発生モジュール１０からエネルギーを回収する際にのみ、空心コイル４２を回収位置に移動させてエネルギーを取り出すから、駆動部３０によりエネルギーを補充しながら、もっとも効率的にエネルギーを回収する構成となっている。 Since the air core coil 42 can move between the recovery position and the retracted position, when the electric power is recovered and used, the air core coil 42 is moved to the recovery position to recover the energy and when the electric power is not used. Just place it in the retracted position.
The action of moving the air-core coil 42 to the recovery position and recovering energy from the magnetic field generating module 10 is nothing but recovering the rotational energy of the magnetic field generating module 10 as electric energy. Therefore, if energy is not replenished by the drive unit 30, the magnetic field generation module 10 decelerates.
In the present energy storage device, only when the energy is recovered from the magnetic field generating module 10, the air core coil 42 is moved to the recovery position and the energy is taken out. It is configured to collect.

駆動部３０の駆動源として自然エネルギーを利用する場合には、磁界発生モジュール１０には回転エネルギーが永続的に補充されるから、電力回収モジュール４０を介してエネルギーを取り出すことが可能である。一方、自然エネルギーは利用可能なエネルギー供給量が変動するため、エネルギーを供給するはずの駆動部３０がエネルギーを消費してしまう場合がある。磁界発生モジュール１０に安定的にエネルギーを供給するため、複数の自然エネルギー源を用いることが好適である。また、磁界発生モジュール１０の回転数と駆動部３０に供給されるエネルギーを監視するセンサを配置し、その情報を元に駆動部３０と磁界発生モジュール１０との連結を遮断して駆動部３０でのエネルギー消費を避ける。
磁界発生モジュール１０と電力回収モジュール４０を組み合わせてエネルギーを回収するエネルギー貯蔵装置には、いろいろなエネルギー源を利用することが可能であり、複数台のエネルギー貯蔵装置をシステム的に組み合わせて制御しながら利用することが可能である。このように、複合的なエネルギー回収システムを構築することによって、より安定的に、かつ効率的にエネルギーを回収することが可能になる。 When natural energy is used as a drive source of the drive unit 30, rotational energy is permanently supplemented to the magnetic field generation module 10, so that energy can be taken out via the power recovery module 40. On the other hand, since the available energy supply amount of natural energy varies, the drive unit 30 that should supply the energy may consume the energy. In order to stably supply energy to the magnetic field generation module 10, it is preferable to use a plurality of natural energy sources. In addition, a sensor for monitoring the rotational speed of the magnetic field generation module 10 and the energy supplied to the drive unit 30 is arranged, and based on the information, the connection between the drive unit 30 and the magnetic field generation module 10 is cut off and the drive unit 30 Avoid energy consumption.
Various energy sources can be used for the energy storage device that recovers energy by combining the magnetic field generation module 10 and the power recovery module 40, and a plurality of energy storage devices are combined and controlled systematically. It is possible to use. Thus, by constructing a composite energy recovery system, it becomes possible to recover energy more stably and efficiently.

本発明に係るエネルギー貯蔵装置は、磁界発生モジュール１０の回転速度としては3600rpm（60Hz）程度を上限として想定している。このような低速回転でのエネルギー回収は、空心コイル４２を用いてエネルギーを回収する際に渦電流ロスを抑えて効率的にエネルギーを回収できるという利点がある。
エネルギー貯蔵装置は、電力回収モジュール４０として空心コイル４２を使用し、磁界発生モジュール１０は永久磁石を組み合わせて構成するという簡易な構成からなり、配線や電池交換が不要であるといったことから、自然エネルギーのような微小なエネルギーを回収する装置として好適に利用することができる。また，災害時等は，手動により駆動部３０を介して磁界発生モジュール１０を回転させ，回転エネルギーを蓄え，必要に応じて手動により電力回収モジュール４０を用いることで電気エネルギーを得ることもできる。 The energy storage device according to the present invention assumes an upper limit of about 3600 rpm (60 Hz) as the rotational speed of the magnetic field generating module 10. Such energy recovery at low speed rotation has an advantage that energy can be efficiently recovered while suppressing eddy current loss when energy is recovered using the air-core coil 42.
The energy storage device uses an air-core coil 42 as the power recovery module 40, and the magnetic field generation module 10 has a simple configuration in which a permanent magnet is combined. It can be suitably used as an apparatus for recovering such minute energy. Further, in the event of a disaster or the like, electric energy can also be obtained by manually rotating the magnetic field generating module 10 via the drive unit 30 to store rotational energy and manually using the power recovery module 40 as necessary.

自然エネルギーの活用はこれからの未来に必須な技術であるが、利用可能な自然エネルギーは環境によって大きく変動する。例えば太陽電池の回収可能な体積当たりの電力密度は直射日光の下で15,000μW/cm³、曇りの日の条件下で150μW/cm³、室内では6 μW/cm³程度といった代表値が知られている。本発明はこうした変動の激しい利用可能なエネルギーを、可能な限り有効に運動エネルギーとして貯蔵し、体積当たりのエネルギー密度が高い磁気を媒体として非接触で電力としてエネルギーを伝送するエネルギー貯蔵装置の提案である。 Utilization of natural energy is an indispensable technology for the future, but available natural energy varies greatly depending on the environment. For example the power density per volume possible recovery of solar cells 150μW / cm ^3, the representative value such as about 6 μW / cm ³ at room known under conditions in direct sunlight 15,000μW / cm ^3, cloudy day ing. The present invention proposes an energy storage device that stores such fluctuating available energy as kinetic energy as effectively as possible, and transmits energy as electric power in a contactless manner using magnetism with a high energy density per volume as a medium. is there.

１０磁界発生モジュール
１２スペーサ部材
１２ａ歯部
１２ｂ凹部
１４、１５永久磁石
２０，２１支持部
２２永久磁石（第２の永久磁石）
２３永久磁石（第３の永久磁石）
３０駆動部
４０電力回収モジュール
４２空心コイル
４４負荷
５０ａ、５０ｂ回転軸
５２支持部材 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Magnetic field generation module 12 Spacer member 12a Tooth part 12b Recessed part 14,15 Permanent magnet 20,21 Support part 22 Permanent magnet (2nd permanent magnet)
23 Permanent magnet (third permanent magnet)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 30 Drive part 40 Power recovery module 42 Air core coil 44 Load 50a, 50b Rotating shaft 52 Support member

Claims

A magnetic field generating module in which a permanent magnet and a spacer member are integrally formed by interposing a pair of or multiple pairs of permanent magnets with opposite poles facing each other and interposing a gear-shaped spacer member made of a soft magnetic material between the end faces of the permanent magnet. And a power recovery module having a coil member,
The magnetic field generation module is rotatably supported around an axis, and is rotated through a drive unit using an energy source to be stored,
The coil member is provided so as to be movable between a position close to the spacer member and a retracted position separated from the spacer member, as an arrangement interlinking with an alternating magnetic field generated from the magnetic field generating module. Energy storage device characterized by.

The energy storage device according to claim 1, wherein the power recovery module includes a load that uses electrical energy recovered by the coil member.

The energy storage device according to claim 2, wherein the power recovery module has a function of matching the impedance of the coil member and the impedance of the load in accordance with a frequency of a magnetic field generated by the magnetic field generation module. .

The energy storage device according to any one of claims 1 to 3, wherein the magnetic field generation module is provided so as to be able to block connection with the drive unit.

The energy storage device according to claim 1, wherein the magnetic field generation module is formed in a columnar shape as a whole.