JP5856208B2 - 磁力抵抗が発生しない発電機 - Google Patents

Description

本発明は、発電機運転の際、発電機構造内の外側に位置する固定子コイルに発生する電流により派生的に生成されてしまう磁場（磁力線）が発電機中心の回転子磁石の磁場に作用してその回転を妨げてしまわないよう、その負荷を無くすものである。

コイルの中で磁石を回転させると、磁気が変化することで電流が発生する。発電機は電磁誘導の法則を利用して機械エネルギーを電気エネルギーに変換する機械であり、電動機とは逆の原理である。

従来においては、図５あるいは図６が示すような発電機型があり、固定子のコイルに電流を生成している。

特に無し

特に無し

特に無し

発電機内部の中心に位置する回転子磁石が回転する際にその周りに置かれた固定子コイルにはファラデーの右手の法則に従い電流が生成され、そのこと自体は発電機の目的そのものであるのでそれは良いのだが、課題はその電流によりコイルの周りに磁場（磁力線）が発生してしまい、その磁力線が回転子磁石の極（Ｎ極またはＳ極）の磁力線とぶつかり合い、その結果回転子磁石の回転の動きを止めてしまう作用として働くことである。それは従来型の発電機である図５や図６に示されている通りである。しかしながらそれでも尚且つ回転子磁石の回転を止めずに発電機を継続運転させねばならない為、回転子磁石を強制的に回転させようとして原子力や火力、水力、風力などの強大な外部エネルギーを利用しないとならなくなっているのが現状の課題である。

固定子コイルに生成される電流により派生する磁場（磁力線）を無くすことは物理学上不可能であるが、ただその磁力線が中心にある回転子磁石の極の磁力線と作用して磁石の回転を阻止してしまうのを防ぐことは可能である。それにより回転子磁石は殆ど抵抗無しにまた外部の強大なエネルギーの補助無しに軽々と回転出来るようになる。

二つの磁場（磁力線）が作用する形は二通りある。一つは反発であり、互いの磁力線の向きが逆向きに衝突する場合に発生する。それら磁力線が正面衝突すると反発は最大限に強くなる。磁石のＮ極同士、あるいはＳ極同士が近づいた場合がそれに当たる。

もう一つは吸引であり、互いの磁力線の向きが同方向で重なり合う場合である。磁石のＮ極とＳ極が接する場合がそれに当たる。

従来型発電機、例えば図５および図６では回転子磁石の磁場（磁力線）とコイルに派生した磁場（磁力線）がもろ衝突する形になっているので、回転子磁石の動きを阻害してしまっており、それでも尚且つそれを無理矢理動かすために外部からの強大なエネルギーが必要になってしまっている。

図５や図６の従来型発電機では回転子磁石とコイルがそれぞれ１対１の形で向かい合って接触する為、それぞれ図５、図６が示すように回転子磁石のその回転の前後でコイルに発生する磁場により磁石の回転を止めるべく力が働いてしまう。

本発明では、図２が示すように、コイル線のすぐ両隣に「逆向き」の電流が流れるコイル線を持ってくることにより、回転子磁石の回転後方では回転方向に押す力（反発力）を、またその前方では回転方向に引っ張る力（吸引力）を新たに発生させ、結果的に回転子磁石の回転を阻止しようとする力を相殺させるものである。

それには図１の斜視図のようにコイルの巻き方を工夫している。本発明の発電機においては、中心の回転子磁石（永久磁石あるいは電磁石どちらでも良い）をその外側に位置する固定子コイルの中で回転させ、コイルに電流を発生させるのは図６に示された従来型と同じであるが、但しそのコイルは「１本の導線」を図１のような円筒形の固定子の周囲に縦方向に巻き付けていくようにしている。

その巻き方は、図１で説明しているように、最初は外から来る入力導線位置から円筒形（あるいは球形かそれに近い形でも良い）固定子の反対側に向けて縦方向に１回転する形で巻く。図１で言うと、▲１▼−▲２▼−▲３▼−▲４▼−▲１▼の順に巻くが、最終的に発電機として必要な大きさの電流を得るべくコイル線としてその巻き数の増減を調整する。次に図１の▲４▼の位置から▲５▼の位置に導線を持って行き、その▲５▼の位置から図１に示すように▲５▼−▲６▼−▲７▼−▲８▼−▲５▼の順に必要な巻き数だけ巻く。必要な巻き数だけ巻いたら▲８▼の位置から▲９▼の位置に導線を持って行きその▲９▼の位置から同様に▲９▼−▲１０▼−▲１１▼−▲１２▼−▲９▼の順に必要な巻き数だけ巻き、巻き終わったら▲１２▼の位置から出力導線として外部に持って行く。

最終的に発電機として図１で示した１本の導線から成る固定子コイルに電流が流れるのであるが、図１を見て分かるように、電流の向きは縦線コイルのそれぞれ隣同士では反対向きになる。その点が本発明の一つのキー要素である。

図１では６本の縦方向に巻いたコイルが図３の平面図で見た時の正六角形の形になるように巻いているが、（正）六角形でなくても奇数の倍数の（正）多角形の形で巻けば互いに隣の縦方向巻きコイルには反対向きの電流が流れることになるのでそれでも良い。多角形とは、３の倍の六角形、５の倍の１０角形、以下７の倍の１４角形等々である。

ここで、図２あるいは図３を見れば分かるように、それぞれ縦方向に巻かれたコイルは固定子（円筒形あるいは球形等）の反対側の縦方向に巻かれたコイルと対になって、いわゆる「ソレノイド・コイル」を形成している事に留意する。

発電作用によりコイルに電流が流れると、電流の流れる方向を右回りに囲む形で磁場（磁力線）が発生するのは既知の事実である。その磁場により回転子磁石の回転を阻止すべく力が発生してしまうのは従来型発電機である図５あるいは図６から明らかである。本発明ではその力を弱めることにより回転子磁石を楽に回転させることを可能にするものである。その理由を次に、図３に示しているように回転子磁石が回転していく順を追って、磁石のＮ極側について説明する。勿論Ｓ極側でも同様の動きが成立している。図３の中では回転子磁石は右回転しているものとする。

Ａ）回転子磁石が「位置Ａ」のとき
回転子磁石の極がコイルの▲１０▼と▲３▼の中間位置に達している為、実質回転子磁石の磁場がどのコイルも切らないのでコイルには電流が流れない状態になっている。以下、回転子磁石の位置それぞれについての関係とそれに伴う作用を説明する。
Ｂ）「位置Ｂ」のとき
回転子磁石の極が一部▲３▼のコイルに架かり始め、それに伴いその極の磁場が▲３▼のコイルを切り始める。すると▲３▼のコイルには図３で示した方向に電流が流れ始めるが、それにより▲３▼のコイルの周りには図３で示した向きに磁力線が発生し、それが磁石の回転をその回転方向とは逆向きに持って行こうとする力として作用する。ところが一方ではその左隣の▲１０▼のコイルにも同じ大きさの電流が、▲３▼のコイルとは逆向きに流れる為、その電流で発生する磁力線は▲３▼で発生する磁力線とは逆向きになり、その結果その磁力線が回転子磁石をその回転方向に押しやる力として働く。それは図２が示しているように、回転子磁石のＮ極が隣の▲１０▼のソレノイド・コイルのＮ極に反発されてその回転方向に押しやられると言うことでもある。さらに右隣の▲６▼のコイルは、回転子磁石からはまだ少し離れてはいるが、そこにはやはり▲３▼のコイルとは逆向き且つ同じ大きさの電流が流れ、それにより発生する磁力線が回転子磁石を回転方向に引っ張る力として働く。それは回転子磁石のＮ極が右隣の▲６▼のソレノイド・コイルのＳ極に吸引されてその回転方向に向かう助けとなると言うことでもある。それらのコイル▲３▼の両側に発生する回転子磁石の回転を助ける磁力により▲３▼のコイルで発生する回転子磁石の回転阻害を相殺し、その結果回転子磁石は楽に回転出来る。
Ｃ）「位置Ｃ」のとき
回転子磁石の極が▲３▼のコイルを最も強く切る位置に来ている為全コイルには最も強い電流が流れる。この時▲３▼のコイルで発生する磁場の磁力線が回転子磁石をその回転方向とは逆向きに持って行こうとする力も最も強く作用する。ところが左隣の▲１０▼のコイルにも同じ大きさの強い電流が▲３▼のコイルとは逆向きに流れるためその磁力線の向きも▲３▼とは逆向きであり、従って▲１０▼のコイルに発生する磁力線は回転子磁石をその回転方向に強く押しやる助けとして働く。それは回転子磁石のＮ極が隣の▲１０▼のソレノイド・コイルのＮ極に反発され回転方向に押しやられると言う事でもあると言うのは上の「位置Ｂ」での説明と同じである。さらに同時に、右隣の▲６▼のコイルにも同じ強さの強い電流が▲３▼のコイルとは逆向きに流れ、そのコイルに発生する磁力線が回転子磁石の極を強く引っ張り（つまり回転子磁石のＮ極が▲６▼のソレノイド・コイルのＳ極に強く吸引され）、その磁石の回転を助ける力として作用することになる。これら３つのコイルに発生する磁場（磁力線）、特に両隣のソレノイド・コイルによって生成される回転を助ける磁力の作用により、回転子磁石の回転はそのまま楽に回転を継続することになる。
Ｄ）「位置Ｄ」のとき
回転子磁石の極が▲３▼のコイルから離れていく位置で、この時コイルに流れる電流の強さも徐々に弱まってくる。それぞれのコイルの周りに発生している磁場（磁力線）も弱まってくるが、それらの力の作用は「位置Ｃ」で説明しているのと同じである。但しこの位置では回転子磁石の極が▲６▼のコイルに近づいて来ているのでその▲６▼のコイルの周りに発生した磁力線の効果、すなわち回転子磁石の極をその回転方向に引っ張る力が▲３▼のコイルで発生した回転子磁石の回転を阻止する力より勝って来る。さらに▲１０▼のコイルに発生している磁力線が回転子磁石をその回転方向に押しやる力もまだ存在しているので、回転子磁石はそのまま楽に回転を継続できる。
Ｅ）「位置Ｅ」のとき
回転子磁石の極がコイルの▲３▼と▲６▼の中間点に達する時で、コイルには電流が流れない状態になる。回転子磁石が回転しようとするのを阻む力も消える。

回転子磁石はさらに回転を続け、次に▲６▼のコイル位置に近づいて来るが、その時の作用は上で説明した「位置Ｂ」についての説明と同様である。但し▲６▼のコイルに流れる電流はその時点では回転子磁石が▲３▼のコイルを切っていた場合とは逆向きに流れる。ということは各コイルの電流の向きは全てそれまでとは逆向きに流れることになる。つまり回転子磁石の極がコイルを次々に切って行く毎に電流の向きは反転する。つまり図４で示したようにそのタイミング毎でのサイクルの交流が発生することになる。

図３の平面図で示しているように固定子コイルを（正）六角形の各角の位置に巻いていった場合、回転子磁石が一回転する毎に３サイクルの（単相）交流が発生する。従って１秒間に２０回転させた場合には６０Ｈｚ（ヘルツ）の単相交流が得られることになる。

３相交流を得るには、今図１あるいは図３のような平面図で見たときの（正）六角形の角ごとにそれぞれ６０度ずらして固定子コイルを巻いている場合、もう一つ別な導線を２系統目の固定子コイルとして最初の１系統目コイルから同じ平面図で見てそれぞれ４０度ずらして巻いていけばそれは２系統目の固定子コイルとしてそこに生成される電流は位相が１２０度ずれた（単相）交流になる。同様に２系統目コイルからさらに４０度ずらして巻いて行くとそこに生成される電流は２系統目からさらに位相が１２０度ずれた（単相）交流になる。それら３系統の固定子コイルのそれぞれの単相交流を合わせて３相交流として利用出来る。同様にコイルの系統を増やしていけばさらに多相交流を得ることも可能である。

２系統目以降の固定子コイルを１系統目と同じ固定子上で巻く場合はそれぞれの系統のコイルは位相で表される角度だけずれていることを除けば、回転子磁石とそれぞれの固定子コイル間の磁力線の力の作用は上で説明した場合と同じになる。そのそれぞれの系統毎に回転子磁石と固定子コイル間の作用・反作用は同一固定子円形線上での力のベクトルとして独立に作用しているわけであるから各系統同士のコイル間での力の相互作用は特に考える必要はない。

さらに、当発明の最大の利点はその中の回転子磁石がその周りの固定子コイルに生成される磁場によって磁力抵抗を受けないで楽に回転できると言うことであるので、その為回転子磁石の「同軸上に」本発明の発電機を複数個直列に繋げてもそれぞれの発電機ユニットの中の回転子磁石を同時に回転させるのに特別な外部エネルギーを必要とせずにそれが可能となる。その直列に並べた発電機ユニットを３個そのそれぞれの固定子コイルに１系統だけ巻き、但しそれぞれを上で説明したように互いに４０度ずらして巻いて行けばやはりそれら３ユニットのそれぞれの（単相）交流を合わせて３相交流として利用出来る。

またそれら回転子磁石の回転軸上に直列に並べた複数個の発電機ユニットの一部から得た電力を回転子磁石の回転モーター用に利用すれば、そのモーターだけでその他の直列に並べた発電機ユニットをすべて稼動することも可能となる。なぜなら本発明の発電機では回転子磁石を回転させるのに特別に大きなエネルギーを必要としないからである。そして発電機ユニットが稼動している間はその回転用モーターの電力が賄える、と同時に他の発電機ユニットも稼動出来ているが故にユーザー用電力もまた同時に賄えることが出来るという一石二鳥の事が実現出来る。発電機が壊れるとか回転子の永久磁石の磁力が弱まるとか無い限り、当発明の発電機は稼動し続け、その得られる電力を長期的に継続利用することが可能となる。

当発明の発電機において一つ気をつける点は、同じ系統コイルに於いて縦向きに巻いたコイルと隣のコイルとの間隔、それと回転子磁石の極の幅の関係についてである。

回転子磁石の極の横幅が広過ぎるとか、あるいは隣同士の縦向きに巻いた２本のコイルの間隔が狭すぎて回転子磁石の極の磁場が隣同士の２本のコイルを両方ともそっくり全て覆ってしまうほどになると、両コイルを同時に切ってしまい、そうなると電流が流れなくなってしまうのでそれは避ける。その理由は、固定子コイルは１本の導線から成るものでありその巻き方は図１で示すように工夫がしてあるので、隣同士のコイルに同時に同じ向きの電流が流れてしまう、ということはつまり１本の導線に２箇所のコイルで逆向きの電流が流れようとして克ちあってしまうからである。

回転子磁石の極が隣同士の２本のコイルの真ん中に来た時に回転子磁石の磁場がそれぞれのコイルの端の一部を同時に覆ってしまう場合は、問題は生じない。その場合両隣同士のコイルには逆向き電流が流れ結果的に電流が流れなくなるが、いずれにしろその時点ではコイルに流れる電流がゼロになる時点であるから影響はない。

また、逆に隣同士のコイルの間隔が開き過ぎると回転子磁石の回転後方コイルに発生する磁力線が回転子磁石を回転方向に押しやる力、及び回転前方のコイルに発生する磁力線が回転子磁石をその回転方向に引っ張る力が弱くなってしまう為、回転子磁石の回転の助けにならなくなってしまうことになり兼ねない。

つまり、各縦巻き固定子コイル間の間隔が、回転子磁石の極の横幅に比べて、あまりくっつき過ぎないこと、且つあまり離れ過ぎないことを、図３を参考に調節することが必要である。それには、回転子磁石の磁力の強さ、コイルに生成される磁力の強さ、及び発電機の大きさを考慮して発電機のコイルの巻き方を図３の平面図的に見て（正）六角形にするか、１０角形あるいは１４角形等々にするかを決める。それぞれのコイル部分の巻き方のその幅については、特に回転子磁石が最も接近しているコイルのその両隣のコイルからの磁力の回転を補助する効果が出来るだけ出るような形でコイルを巻き、その多角形を決めれば良い。具体的に且つ簡単に言えば、両隣コイルからの磁力の回転補助効果を得易くする方法は、コイルの巻き幅を広めにしてそれが作るソレノイド・コイルの幅を結果的に広めに取り、互いのコイル同士を接近させるようにすればコイル間の距離があまり開かないような形になり、隣の（ソレノイド・）コイルからの磁力の影響を最大限に得ることが出来る。従って調整はそれほど神経質にならなくても大丈夫である。

さらに、回転子磁石とコイルとの間の隙間は全て、極度という程にではないが、適度に狭くする。その隙間とは、回転子磁石の極の先端とその先にあるコイル間との隙間、および回転子磁石とその上部コイルおよび下部コイルとの間の隙間のことである。それら隙間を狭くした方が回転子磁石のより強い磁場によってそれらコイル部分をより強く切ることが出来るようになる為、結果的に強い電流を得ることが出来るからである。但し余りにも狭くし過ぎるとコイルに発生した磁場の抵抗を受け易くなるので注意が必要である。但しこれは従来の発電機でも同じことであるので本発明に限った事ではない。

発電機内の回転子磁石を殆ど抵抗無く回転させて電力を得ることが出来るのが本発明の最大の特徴であり長所である。それにより従来のような原子力、火力、水力、風力、あるいはガソリン・エンジン等といった大掛かりな装置や外部エネルギーを必要とせず、例えば家庭内でも気軽に電力を得ることが出来るようになる。

「本発明の発電機内の固定子コイルの巻き方を示した斜視図である。」 「図１の上部の一部を拡大した斜視図である。」 「本発明の発電機の平面図である。中心の回転子磁石が回転していく各々の段階でのコイルの電流の向き、磁石とコイルの磁力線の関係を合わせて示している。」 「本発明の発電機で得られるのが交流であるという説明グラフである。」 「従来の発電機の模式図その１である。」 「従来の発電機の模式図その２である。」

本発明は、得られる電力の大きさに拠るが、大型発電機から家庭用の簡易型発電機まで、いずれにしろ原子力、火力、水力、風力あるいはガソリン・エンジンなど、大掛かりな装置や外部エネルギーの補助無しに、用いることが出来る。

特に家庭用の簡易型発電機としての利用は無限の可能性がある。

特に家庭用の簡易型発電機として利用するマーケットの大きさは計り知れない。

特に無し

特に無し

Claims (4)

1. 一本の導線により形成されているとともに発電機周辺に巻かれている複数の固定子コイル線束からなる固定子コイルを備えた発電機において、前記導線は、回転子磁石の回転軸に垂直な上面と下面に対し垂直な周囲側面から、当該周囲側面上を上部に向かい、回転軸に垂直な面の上面上を一端から他端へと向かい、周囲側面上の前記上部に向かう位置と対向する位置にて下部に向かい、回転軸に垂直な下面上を他端から一端へと向っており、これにより固定子コイル線束が形成されており、さらに前記固定子コイル線束は３以上の奇数の２倍の数形成されているとともに、発電によって生成される出力電流は、固定子コイル線束の隣通しでは互いに逆向きに流れるようになっていることを特徴とする発電機。
2. 請求項１記載の発電機において、前記固定子コイルは複数備えられており、各固定子コイル同士は位相がずれるよう巻かれていることを特徴とする発電機。
3. 請求項１または請求項２記載の発電機を１つのユニットとし、回転子磁石の回転軸と同軸上に、当該ユニットが複数連結されていることを特徴とする発電機。
4. 請求項１、請求項２または請求項３の発電機において、得られる電力の一部が回転子磁石の回転用モーターに使用されることを特徴とする発電機。