JPH04314310A

JPH04314310A - エネルギー変換装置

Info

Publication number: JPH04314310A
Application number: JP8007691A
Authority: JP
Inventors: Osamu Yoneda; 修米田; Naofumi Hotta; 堀田　直文
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1991-04-12
Filing date: 1991-04-12
Publication date: 1992-11-05

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、永久電流が流れる超電
導無端コイルを利用して、機械エネルギーを電気エネル
ギーに変換するエネルギー変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より各種の機械エネルギー・電気エ
ネルギー変換装置が知られており、特に発電装置として
は、火力、水力、原子力等のエネルギーを一旦回転運動
エネルギーに変換し、これを電気エネルギーに変換する
ものが多く利用されている。

【０００３】そして、この回転運動エネルギーを電気エ
ネルギーに変換するエネルギー変換装置としては、所定
の磁界内で電機子コイルを回転させ、電機子コイルに発
生する誘導電流を取り出すものが一般的である。ところ
が、このようなエネルギー変換装置においては、電機子
コイルの周囲に所定の磁界を形成しなければならない。このために、永久磁石を利用することも考えられるが、
これでは十分な磁界強度が得られないため、通常の場合
界磁コイルを設けここに電流を供給している。

【０００４】しかし、このように界磁コイルに電流を流
通すると、この電流流通に起因したエネルギー消費を避
けることができず、エネルギー変換効率が悪化するとい
う問題があった。

【０００５】そこで、従来より、上述のようなエネルギ
ー変換装置の欠点を除去したものとして、超電導無端コ
イルを利用したものが提案されている。

【０００６】例えば、特開昭６４−７７４５６に開示さ
れた装置では、超電導無端コイルから成る界磁コイルを
利用して、所定の磁界を発生すると共に、固定の電機子
コイルをこの磁界内に配置する。そして、磁界内に超電
導体を挿抜し、これによって電機子コイル内を鎖交する
磁束密度を変化させ、電機子コイルに誘導電流を発生し
、電機エネルギーを得ている。

【０００７】このように、超電導コイルを利用すること
により、界磁コイルにおけるエネルギー消費を０とする
ことができ、エネルギーの変換効率を上昇することがで
きる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の従来例
においては、電機子コイルに発生する起電力は磁界の変
化量に依存する。従って、より大きな起電力を得るため
には磁界内に挿抜する超電導体の移動速度を高速かつ大
ストロークにし、磁界の変化を大きくしなければならな
い。ところが、高速の往復運動を与える機械的機構はそ
の構成が難しく、またエネルギー損失も大きくなってし
まう。このため、電機子を回転することも考えられる。しかし、いずれにしても磁界を高速に変化させることが
大きな電力を得る条件であり、このために機械的な機構
におけるエネルギー損失を避けられないという問題点が
あった。

【０００９】特に、自然界においては、風力、波動、爆
発力等発生力の強度は大きいが、大ストローク、高速ま
たは高速の回転エネルギーには変換し難いものが多くあ
る。従って、これらのエネルギーを効率よく電気エネル
ギーに変換できるエネルギー変換装置が望まれている。

【００１０】本発明は、上記課題に鑑みなされたもので
あり、機械エネルギー供給機構に対する制約を緩和する
ことができる超電導無端コイルを用いたエネルギー変換
装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係るエネルギー
変換装置は、超電導無端コイルの内部に挿抜可能に配置
された磁性体からなるプランジャーと、そのプランジャ
ーを挿抜する駆動機構と、上記超電導無端コイルの永久
電流を取り出す手段とを備えたことを特徴とする。

【００１２】

【作用】上記構成において、超電導無端コイルの内部に
磁性体からなるプランジャーを挿着した状態でそのコイ
ルに永久電流を発生させた後、駆動機構によりプランジ
ャーを引き抜いていくと、そのプランジャーのストロー
クの増大に応じて磁気エネルギーが増大する。そして、
その増大した磁気エネルギーに応じて永久電流が増加す
るため、この永久電流を取り出して負荷に供給する。プ
ランジャーを引き抜くための機械エネルギーが超電導無
端コイルにおいて電気エネルギーに変換されて負荷に供
給されることになる。

【００１３】このように、本発明に係るエネルギー変換
装置では、機械エネルギー供給機構である駆動機構には
、高速度往復運動を行わせる必要がなく、それだけ駆動
機構に対する制約を緩和することができる。

【００１４】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の一実施例を説
明する。

【００１５】図１は、本発明に係るエネルギー変換装置
の構成図であり、超電導無端コイル１を有している。こ
の超電導無端コイル１は、例えばニオブチタン（ＮｂＴ
ｉ）から成り、ヨーク２内に充填した液体ヘリウム３で
冷却することによって超電導状態となる。

【００１６】超電導無端コイル１の内部には、軟鉄等の
磁性体から成るプランジャー４が、コイル１の軸方向に
沿って挿抜可能に挿着されている。そして、このプラン
ジャー４を挿抜（往復移動）させるために、駆動機構５
が設けられている。この駆動機構５は、機械エネルギー
の供給機構であり、例えばプランジャー４に連結したシ
ャフト５ａを往復動させるエアシリンダによって構成さ
れる。なお、駆動源５としては、この他、風力，水力，
内燃機関，外燃機関等各種のものを利用することができ
る。

【００１７】また、このエネルギー変換装置には、上記
超電導無端コイル１に永久電流を供給し、ここに所定の
磁界を生起するための励磁電源６が設けられるとともに
、超電導無端コイル１への永久電流の供給およびこの取
り出し手段として、オン状態ではそのコイル１の超電導
無端コイルの両端を短絡しここに永久電流を通し、オフ
状態では、その永久電流を遮断して、励磁電源６からの
電流を超電導無端コイル１へ供給するかまたは超電導無
端コイル１からの永久電流を負荷７に供給する永久電流
スイッチ８が設けられている。ここで、この永久電流ス
イッチ８には、例えばヒーター９によって超電導状態が
オンオフされる超電導線が利用される。このため、永久
電流スイッチ８は、ヒーター９に通電しないときにはオ
ン状態（超電導状態）にあり、ヒーター電源１０からヒ
ーター９に通電するとオフ状態（非超電導状態）となる
。なお、スイッチ８およびヒータ９は図面においてはヨ
ーク２と別に設けたが、これらはヨーク２内に収容する
とよい。

【００１８】更に、本実施例の場合には、上記超電導無
端コイル１の永久電流を負荷７の種類に応じて定電流あ
るいは定電圧（ＡＣ，ＤＣを含む）に変換する変換器１
１と、上記駆動機構５，励磁電源６，ヒーター電源１０
，変換器１１を制御するＣＰＵなどから成る制御装置１
２が設けられている。従って、この制御装置によって全
体動作を制御して、プランジャー４の機械エネルギーを
負荷に対する電気エネルギーに変換することができる。

【００１９】次に、上記構成のエネルギー変換装置が、
機械エネルギーを電気エネルギーに変換する作用を図２
のフローチャートと図３（ａ），（ｂ）の説明図を用い
て説明する。図３（ａ）は、プランジャー４の引き抜き
量であるストロークＸと、超電導無端コイル１によるプ
ランジャー４の吸引力Ｆとの関係を説明する図、また図
３（ｂ）は、プランジャー４のストロークＸと、出力さ
れるエネルギーＥ（電気エネルギーに対応する）との関
係を説明する図である。

【００２０】まず、プランジャー４を超電導無端コイル
１内の初期位置（最も深く超電導無端コイル１内に挿入
した状態）に設置した状態で、超電導無端コイル１に永
久電流を通電する（Ｓ１）。すなわち、ヒータ９への通
電をストップし永久電流スイッチ８をオフした状態で、
励磁電源６より超電導無端コイル１に初期電流を流通す
る。そして、この状態で永久電流スイッチ８をオンし、
この永久電流スイッチ８を介する永久電流を超電導無端
コイル１に流し、その後励磁電源６からの電力供給を停
止する。

【００２１】このＳ１では、プランジャー４のストロー
クＸは０であり、超電導無端コイル１の永久電流Ｉの値
はＩ０となる。この永久電流Ｉ０が流れることにより、
図３（ａ），（ｂ）における点Ａ、Ｂに示すように、プ
ランジャー４に働く吸引力Ｆの値は０からＦ０となり、
磁気エネルギーＥの値は０からＥ０となる。そして、こ
の磁気エネルギーＥ０は、超電導無端コイル１に電流Ｉ
０が流れることによって生じた磁気エネルギーであり、
永久電流によって超電導無端コイル１に貯蔵されること
になる。

【００２２】次いで、駆動機構５により、プランジャー
４に働く吸引力Ｆに抗してプランジャー４をストローク
Ｘ＝ＸＥまで引き抜く。これにによって、機械エネルギ
ーを入力する（Ｓ２）。

【００２３】このプランジャー４の引き抜きにより、永
久電流Ｉの値は、エネルギー保存の法則に従ってＩ０か
らＩＸに増大する。それと同時に、図３（ａ），（ｂ）
における点Ｂから点Ｃへの変化のように、プランジャー
４に働く吸引力Ｆの値はＦ０からＦＸに、また超電導無
端コイル１における磁気エネルギーＥの値はＥ０からＥ
Ｘにそれぞれ増大する。プランジャー４を引き抜く機械
エネルギーが磁気エネルギーに変換されたことになる。

【００２４】上述のようにプランジャー４のストローク
Ｘを増大させたときの永久電流Ｉと吸引力Ｆとの変化を
、モデル実験によって実測した結果を図４の特性図に示
す。図に示すように、このモデル実験の場合には、永久
電流Ｉ，吸引力Ｆともに、ストロークＸが約３０ｍｍま
ではほぼ直線的に増大している。ここで、この実験の場
合、ストロークＸが３０ｍｍを越えた場合に超電導無端
コイル１から離れてしまうためであり、この実験結果よ
りストロークＸと磁気エネルギーＥには直線的な関係が
あることが理解される。

【００２５】また、上記モデル実験において、プランジ
ャー４のストロークＸを増大させることにより入力した
機械エネルギーと、超電導無端コイル１に貯蔵された磁
気エネルギーとを実測データから算出した結果を図５の
特性図に示す。この特性図からも、入力した機械エネル
ギーは、ほとんど磁気エネルギーに変換されることがわ
かる。

【００２６】そして、上記機械エネルギーの入力（プラ
ンジャー４の移動）の後、プランジャー４をストローク
Ｘ＝ＸＥの位置に固定した状態で永久電流スイッチ８を
オフにすることにより、磁気エネルギーを出力させる（
Ｓ３）。すなわち、永久電流スイッチ８をオフにすると
、超電導無端コイル１の永久電流Ｉは変換器１１へ流れ
、それにより、超電導無端コイル１に貯蔵された磁気エ
ネルギーが電気エネルギーに変換されて負荷７に供給さ
れることになる。

【００２７】そして、この電気エネルギーの出力により
、永久電流Ｉが０になるとともに、図３（ａ），（ｂ）
における点Ｃから点Ｄへの変化のように、吸引力Ｆと磁
気エネルギーＥも０となる。

【００２８】磁気エネルギーを出力させた後、プランジ
ャー４をリセットし、駆動機構５により初期位置に戻す
（Ｓ４）。つまり図３（ａ），（ｂ）における点Ｄから
点Ａへの変化のように、プランジャー４のストロークＸ
の値をＸＥから０にする。

【００２９】以上の４つのステップＳ１〜４を１サイク
ルとする一連の動作は、制御装置１２によって自動的に
繰り返すように制御される。なお、上述のプランジャー
４の移動は有意の誘導電流が超電導無端コイル１に発生
しない程度の低速で行った。そして、上記ステップＳ１
〜４の一連の動作により、図３（ａ）の４つの点Ａ〜Ｄ
で囲まれた面積に相当する機械エネルギーを磁気エネル
ギーを介し電気エネルギーとして取り出すことができる
。また、図３（ｂ）の磁気エネルギーＥの変化で見れば
、ストロークＸ＝ＸＥのときの磁気エネルギーＥ＝ＥＸ
と、励磁電源６から超電導無端コイル１へ初期電流とし
て与えた磁気エネルギーＥ＝Ｅ０との差がエネルギー収
支ということになり、そのエネルギー差（ＥＸ−Ｅ０）
だけの磁気エネルギーを取り出すことができる。

【００３０】このように、このエネルギー変換装置では
、出力される電気エネルギーの大きさは、プランジャー
４の引き抜き量に依存する。従って、機械エネルギー供
給機構であるプランジャー４の駆動機構５には、高速度
運動を行わせる必要がなく、それだけ駆動機構４に対す
る制約を緩和することができる。すなわち、風力、蒸気
圧力、水圧などを移動力に変換した高トルク、低速度の
エネルギーを効果的に電気エネルギーに変換することが
できる。

【００３１】図６に超電導無端コイル１の収納状態およ
びプランジャー４の挿入状態について示す。超電導無端
コイル１は円筒状に巻回されており、ステンレス製のド
ーナツ状のヨーク２内に収容されている。このヨーク２
内は、液体ヘリウム供給源２１からの液体ヘリウム３に
よって満たされている。また、このヨーク２の周囲は断
熱材２２によって覆われている一方、プランジャー４は
、シャフト５ａおよびピストン５ｂを有するエアシリン
ダ５に接続されており、このエアシリンダ５に圧縮空気
を供給することによって、プランジャー４を移動する。なお、超電導無端コイル１と負荷６との間に設けられた
電源・電力変換器２３は、スイッチ８のオフに従い、供
給される電力を平準化して負荷に供給するためのもので
ある。

【００３２】また、このエネルギー変換装置では、超電
導無端コイル１に貯蔵された磁気エネルギーを直ぐには
、出力せずにそのまま保持させることも可能である。従って、エネルギー貯蔵装置として機能させることがで
きる。

【００３３】なお、上記実施例においては、超電導無端
コイル１をＮｂＴｉによって構成したが、超電導材はこ
れに限られることは無く、酸化物系の超電導材など各種
のものが採用できる。そして、臨界温度が高温のものを
用いれば、その冷却を液体窒素等によって行うこともで
きる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明に係るエネ
ルギー変換装置によれば、機械エネルギーの供給機構に
対する制約を緩和することができ、各種のエネルギー源
からの機械エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換
することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す構成図。

【図２】実施例におけるエネルギー変換作用を説明する
フローチャート。

【図３】（ａ），（ｂ）は、実施例におけるエネルギー
変換作用の説明図。

【図４】モデル実験の結果を示す特性図。

【図５】モデル実験の結果を示す他の特性図。

【図６】実施例の超電導無端コイルの収容状態を示す構
成図。

【符号の説明】

１　　超電導無端コイル４　　プランジャー５　　駆動機構６　　励磁電源８　　永久電流スイッチ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】永久電流が流れる超電導無端コイルを用い
て、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するエネル
ギー変換装置において、上記超電導無端コイルの内部に
挿抜可能に配置された磁性体からなるプランジャーと、
このプランジャーを挿抜する駆動機構と、上記超電導無
端コイルの永久電流を取り出す手段と、を備えたことを
特徴とするエネルギー変換装置。