JPH08331825A - エネルギー変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 永久磁石を利用した効率のよいエネルギー変
換装置を提供すること。 【構成】 永久磁石（２２）の一方の磁極端（２２Ｂ）
に一端面（２４Ａ）が密着して設けられた電磁石装置
（２３）と、永久磁石の一方の磁極端（２２Ｂ）の近傍
における磁束状態を変化させるよう電磁石装置を励磁す
るための励磁制御装置（２６）と、永久磁石に接近、離
反可能に支持、案内されて配置された磁気吸引性を有す
る可動部材（３１）と、磁束状態の変化に応答して生じ
る可動部材と永久磁石との間の磁気吸引力の変化により
可動部材が往復運動できるよう可動部材を永久磁石から
引き離すための所要の戻り力を可動部材に与えるための
戻り力付与部材（３４）とを備えて成る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は永久磁石を利用して電気
的エネルギーを運動エネルギーに変換するためのエネル
ギー変換装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】永久磁石を利用したエネルギー変換装置
として種々の装置が従来から使用されてきている。これ
らの装置のうち電気的エネルギーを運動エネルギーに変
換するものの典型例として、例えば、永久磁石により作
られた磁界内に置かれた回転子コイルに直流電流を流
し、これにより生じる磁界との作用によって回転子を回
転させて回転運動エネルギーを取り出すようにした直流
電動機を挙げることができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した直流
電動機に代表される従来のこの種のエネルギー変換装置
は、永久磁石が有している磁気的エネルギーを外部に取
り出す構成ではないため、装置としての効率が比較的低
いという問題を有している。

【０００４】本発明の目的は、したがって、永久磁石か
らの磁束を電磁石を用いてスイッチングすることにより
永久磁石の有するエネルギーを間歇的に力学的エネルギ
ーとして取り出すことができるようにした、効率のよい
エネルギー変換装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の概要は、永久磁
石を利用して力学的エネルギーを作り出すにあたり、永
久磁石からの磁束をスイッチングするための手段として
電磁石を用い、所要の力学的エネルギーを永久磁石から
間歇的ではあるが継続して取り出すようにした点にあ
る。

【０００６】本発明によるエネルギー変換装置の特徴
は、永久磁石と、該永久磁石の一方の磁極端に一端が密
着して設けられた磁芯部材にコイル部材を設けて成る電
磁石装置と、前記永久磁石の前記一方の磁極端の近傍に
おける磁束状態を変化させるよう前記電磁石装置を励磁
するための励磁制御装置と、前記永久磁石の前記一方の
磁極端の近傍に前記永久磁石に接近、離反可能に支持、
案内されて配置された磁気吸引性を有する可動部材と、
前記磁束状態の変化に応答して生じる該可動部材と前記
永久磁石との間の磁気吸引力の変化により前記可動部材
が往復運動できるよう前記可動部材を前記永久磁石から
引き離すための所要の戻り力を前記可動部材に与えるた
めの戻り力付与部材とを備えて成る点にある。

【０００７】電磁石装置を構成するコイル部材は、通常
の導電性線材、例えば銅、アルミニューム等の公知の材
料を用いてもよいが、電磁石装置を超電導材料を用いた
超電導磁石としてもよい。さらに、コイル部材は単一コ
イルを用いたものを使用できるのは勿論のこと、２つの
独立したコイルをコイル部材として磁芯部材に設けても
よい。

【０００８】単一のコイルを用いて電磁石装置を構成す
る場合には、励磁制御装置からその単一のコイルに例え
ば交流の矩形波信号を供給するようにして磁芯部材の一
端の磁極性の切換を実現することができる。この結果、
永久磁石の一方の磁極端近傍の磁束状態を変化させるこ
とができる。

【０００９】一方、２つの独立したコイルをコイル部材
として用いる場合には、例えば、一方のコイルに流す電
流と他方のコイルに流す電流とを交互に切り換えること
により磁芯部材の一端の磁極性を切り換えるよう、励磁
制御装置を構成することができる。

【００１０】可動部材は、鉄、ニッケル、フェライトの
如き公知の適宜の磁性材料を用いて作ってもよいが、ア
ルミニューム、プラスチックの如き適宜の非磁性部材に
前述の如き適宜の磁性部材を取り付けることにより所要
の磁気吸引性をもたせるように構成してもよい。

【００１１】

【作用】励磁制御装置によって電磁石装置の励磁状態が
制御されると、永久磁石の一方の磁極端に密着している
磁芯部材の一端の磁極性が変化し、これにより永久磁石
の一方の磁極端近傍における磁束状態が変化する。この
結果、可動部材と永久磁石との間の磁気吸引力がこれに
従って変化し、戻り力付与部材との協働作用により可動
部材が往復運動を行う。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の一実施例につ
き詳細に説明する。

【００１３】図１は本発明によるエネルギー変換装置を
用いて構成した原動力装置の一実施例を示す構造図であ
る。この原動力装置１０は、本発明により構成されたエ
ネルギー変換装置２０から得られる往復運動エネルギー
をクランクシャフト１１を用いてプーリ１２に伝達し、
これによりプーリ１２を回転させて回転運動エネルギー
を取り出すように構成されたものである。

【００１４】先ず、エネルギー変換装置２０の構成につ
いて詳しく説明する。図１において２１は適宜の剛性に
富む非磁性材料、例えば真鍮からなる固定フレーム、２
２は固定フレーム２１の第１アーム２１Ａにボルト止め
等の適宜の手段で固定されている永久磁石である。本実
施例では、永久磁石２２は、固定フレーム２１の基部２
１Ｃに対してその軸線が略平行に延びるようにしてその
Ｓ磁極端部２２Ａが第１アーム２１Ａに固定されてい
る。

【００１５】永久磁石２２の自由端部となるＮ磁極端部
２２Ｂと基部２１Ｃとの間には、電磁石装置２３が設け
られている。電磁石装置２３は磁芯部材２４及び磁芯部
材２４に設けられたコイル部材２５から成り、コイル部
材２５は２つの励磁コイル２５Ａ、２５Ｂから成ってい
る。本実施例では、磁芯部材２４の軸線が永久磁石２２
の軸線と略直角をなし、磁芯部材２４の一端面２４Ａが
永久磁石２２のＮ磁極端部２２Ｂの側面に密着するよう
にして電磁石装置２３が固定フレーム２１にボルト止め
等の適宜の手段で固定されている。

【００１６】なお、磁芯部材２４は、鉄、ニッケル、フ
ェライト、又はパーマロイの棒状部材或いはそれらの薄
板の積層体として構成することができる。

【００１７】永久磁石２２のＮ磁極端部２２Ｂの近傍に
おける磁束状態を周期的に変化させるよう電磁石装置２
３を励磁するため、励磁制御ユニット２６が設けられて
いる。励磁制御ユニット２６は直流電源であるバッテリ
２７を具えており、バッテリ２７の負極は励磁コイル２
５Ａ、２５Ｂの各一端に接続され、その正極はリレー接
点回路２８を介して励磁コイル２５Ａ、２５Ｂの各他端
に接続されている。

【００１８】このリレー接点回路２８のリレー接点２８
Ａは常閉接点として構成され、もう一方のリレー接点２
８Ｂは常開接点として構成されている。これらのリレー
接点２８Ａ、２８Ｂのオン、オフ操作を行うためのリレ
ーコイル２９にはパルス発生器３０から所定の一定周波
数のパルス電圧Ｐが印加されている。パルス電圧Ｐの周
期はリレーコイル２９による接点２８Ａ、２８Ｂの操作
の応答速度を越えることがないように設定されており、
したがって、パルス電圧Ｐのレベル変化に応答してリレ
ー接点２８Ａ、２８Ｂが交互に閉じられる。この結果、
励磁電流ＩＡ、ＩＢが励磁コイル２５Ａ、２５Ｂに交互
に流れることになる。

【００１９】ここで、励磁コイル２５Ａの巻方向と励磁
コイル２５Ｂの巻方向とは反対になており、励磁コイル
２５Ａに励磁電流ＩＡが流れると磁芯部材２４の一端面
２４ＡにＮ磁極が生じ、励磁コイル２５Ｂに励磁電流Ｉ
Ｂ流れると磁芯部材２４の一端面２４ＡにＳ磁極が生じ
る構成となっている。

【００２０】この結果、電磁石装置２３の一端面２４Ａ
にＳ磁極が生じている場合には、永久磁石２２のＮ磁極
端部２２Ｂからの磁束は、永久磁石２２と電磁石装置２
３との密着配置により漏れ磁束が極めて少なく、殆ど磁
芯部材２４を通って永久磁石２２のＳ磁極端部２２Ａに
戻るので、Ｎ磁極端部２２Ｂから外部に出ていく磁束は
極めて少ない状態となる。反対に電磁石装置２３の一端
面２４ＡにＮ磁極が生じている場合には、永久磁石２２
のＮ磁極端部２２Ｂからの磁束は磁芯部材２４内を通過
しないので、Ｎ磁極端部２２Ｂ近傍の磁束状態は電磁石
装置２３が設けられていない場合の磁束状態と同様の状
態となる。したがって、パルス電圧Ｐのレベル変化に応
じて永久磁石２２のＮ磁極端部２２Ｂの近傍の磁束状
態、すなわち磁束数が変化する。

【００２１】この磁束数の変化を電磁吸引力の変化にし
て力学的エネルギーとしてとりだすため、Ｎ磁極端部２
２Ｂの近傍には可動部材３１が設けられている。本実施
例では、可動部材３１は磁気吸引性を持たせるため磁性
材料である鉄で図示の如く形成されており、そこに形成
された支持案内溝３１Ａ内に、固定フレーム２１に垂設
された支持脚３２、３３の上端部の案内ローラ３２Ａ、
３３Ａが係入している。これにより、可動部材３１の軸
線は永久磁石２２の軸線と略整列するように支持脚３
２、３３により支持されると共に、可動部材３１はその
軸線方向に往復動可能に案内されている。しかし、可動
部材３１を非磁性部材と磁性部材とから構成しその磁性
部材に依って所要の磁気吸引性を持たせるようにしても
よい。この場合、磁性部材は永久磁石２２に成るべく近
くなるように可動部材３１を構成するのが好ましい。

【００２２】一方、可動部材３１と永久磁石２２との間
に働く磁気吸引力の変化に従って可動部材３１が往復運
動するように可動部材３１を永久磁石２２から引き離す
ための所要の戻り力を可動部材３１に与えるため、可動
部材３１と固定フレーム２１の第２アーム２１Ｂとの間
には収縮コイルばね３４が介装されている。この収縮コ
イルばね３４の力は、リレー接点２８Ａが閉じられてお
り永久磁石２２のＮ磁極端部２２Ｂから磁束が外部に出
ている状態においては、可動部材３１が永久磁石２２の
磁気吸引力により矢印Ｘ方向に移動するのを許すが、リ
レー接点２８Ｂが閉じられており永久磁石２２のＮ磁極
端部２２Ｂからの磁束が外部に出ずに磁芯部材２４を通
ってそのＳ磁極端部２２Ａに戻る状態にあっては可動部
材３１を矢印Ｙ方向一杯に引き戻すことができるように
設定されている。したがって、収縮コイルばね３４に代
えて板ばね、天然又は合成のゴム部材、その他の適宜の
弾性部材を用いることも可能である。

【００２３】可動部材３１上には支柱３５が固設されて
おり、この支柱３５にクランクシャフト１０の一端が枢
支され、その他端は第１アーム２１Ａに固着された支柱
３６に回動自在に支持されているプーリ１２の外周縁付
近に枢支されている。

【００２４】次に図１に示した原動力装置１０の作動に
ついて説明する。

【００２５】励磁制御ユニット２６においてパルス電圧
Ｐに応答して一対のリレー接点２８Ａ、２８Ｂが交互に
閉じられると、バッテリ２７から励磁電流ＩＡ、ＩＢが
励磁コイル２５Ａ、２５Ｂに交互に供給され、磁芯部材
２４の一端面２４ＡにＮ磁極とＳ磁極とが交互に生じ
る。一端面２４ＡにＳ磁極が生じると、永久磁石２２の
Ｎ磁極端部２２Ｂからの磁束はそれに対抗して設けられ
た可動部材３１に向かうことなく、磁芯部材２４を通っ
てそのＳ磁極端部２２Ａに戻ることになる。したがっ
て、永久磁石２２と可動部材３１との間には大きな磁気
吸引力は働かず、可動部材３１は収縮コイルばね３４の
収縮力によって矢印Ｙ方向一杯に引き戻されることにな
る。

【００２６】一方、一端面２４ＡにＮ磁極が生じると、
永久磁石２２のＮ磁極端部２２Ｂからの磁束はそれに密
着して設けられた磁芯部材２４内を通ることができない
ので、電磁石装置２３からの磁束と共にそれに対向して
いる可動部材３１の方に向かう。これにより永久磁石２
２と可動部材３１との間には大きな磁気吸引力が働き、
収縮コイルばね３４の収縮力に打ち勝って可動部材３１
が矢印Ｘ方向に移動することになる。このように、一端
面２４Ａに積極的にＮ磁極を形成して磁芯部材２４内を
永久磁石２２からの磁束が通らないようにすると、永久
磁石２２からの磁束は殆ど可動体３１を通るので、すな
わち、漏れ磁束がなくなるので、効率の改善に極めて役
立つものである。

【００２７】上記説明から判るように、電磁石装置２３
の一端面２４Ａに生じる磁極の磁極性が上述の如く交互
にＮ、Ｓと変化することにより可動部材３１は収縮コイ
ルばね３４と協働して往復運動を行ない、これによりプ
ーリ２１から回転出力を得ることができる。

【００２８】ここで、電磁石装置２３による永久磁石２
２からの磁束のスイッチングに必要な電磁石装置２３の
強さを決める磁束数Φは、励磁コイルの巻数Ｎとそこに
流す電流値Ｉの積に比例するので Φ∝Ａ×Ｎ となる。上記磁束のスイッチングに必要な磁束数Φの値
は所定の一定値であるから、励磁コイルの巻数Ｎを大き
くすれば励磁のための電流値Ｉの値は小さくて済むこと
なる。ところで、電磁石装置２３への直流供給エネルギ
ーは、バッテリ２７の出力電圧をＶとすればＶ×Ｉであ
るから、Ｉの値を小さくすれば直流供給エネルギーを小
さくすることができ、装置を極めて良好な効率で作動さ
せることができる。

【００２９】なお、上記実施例では、通常の電磁石を用
いた場合について説明したが、電磁石装置２３として超
電導磁石を用いれば、より一層効率を高めることができ
る。また、上記実施例では永久磁石２２の磁極の向きを
可動部材３１に対向する方をＮ磁極としたが、これは一
例でありＳ磁極としてもよいことは勿論である。ただ
し、この場合には、電磁石装置２３の一端面２４ＡがＳ
磁極となった場合に可動部材３１が永久磁石２２によっ
て吸引されることになる。さらに、電磁石装置２７の励
磁コイル２５Ａ、２５Ｂの巻き方向は必ずしも反対方向
にする必要はなく、巻き方向を同一とし、それらに流す
励磁電流の方向をそれに合わせて逆方向となるように励
磁制御ユニットの回路を変更するようにしてもよいこと
は勿論である。

【００３０】この実施例に示した原動力装置の応用例と
して、発電機用原動機、高効率のソーラーカー、家庭用
高効率ソーラー発電装置、無停電装置、ソーラーポン
プ、灯台ソーラー電源等を挙げることができる。また、
太陽光発電との組合せも可能であり、電気の供給が困難
な場合、化石燃料の供給が困難な場合において小発電出
力でもよい場合には、電磁石装置の励磁制御に太陽光発
電によるエネルギーを用いて発電機を高効率で運転する
ことができる。

【００３１】図２には本発明の他の実施例が示されてい
る。図２において符号４０で示されるのは、本発明によ
り構成されたエネルギー変換装置５０により得られる往
復運動エネルギーをそのまま利用したエアコンプレッサ
装置である。

【００３２】先ず、エネルギー変換装置５０について説
明すると、非磁性材料から成る固定フレーム５１に、永
久磁石５２及び磁芯部材５４にコイル部材５５が設けら
れて成る電磁石装置５３が図示の如く取り付けられてい
る。この取り付け構成は図１に示したエネルギー変換装
置２０の場合と基本的に同一である。電磁石装置５３の
コイル部材５５は単一のコイルであり、このコイル部材
５５は電磁石装置５３の励磁を制御するための励磁制御
ユニット５６に接続されている。

【００３３】励磁制御ユニット５６は、交流電源５７か
ら交流電力の供給を受け０〜６０〔Ｈｚ〕の交流矩形波
電圧Ｅを出力できるインバータ５８を備えている。本実
施例では、、インバータ５８からは交流矩形波電圧Ｅが
出力されており、交流矩形波電圧Ｅはコイル部材５５に
印加されている。したがって、電磁石装置５３の磁芯部
材５４の一端面５４Ａには、この交流矩形波電圧Ｅの周
期に応じてＮ磁極とＳ磁極とが生じ、これにより永久磁
石５２のＮ磁極端部５２Ｂの近傍の磁束の状態が図１に
示した実施例の場合と同様の原理で変化する。

【００３４】永久磁石５２のＮ磁極端部５２Ｂの近傍に
は、磁性材料である鉄から成る可動部材５９が配設され
ている。本実施例においては、固定フレーム５１の第２
アーム５１Ｂと第３アーム５１Ｃとによって支持、固定
されているエアシリンダ６１内に摺動可能に設けられた
ピストン６２のロッド６２Ａの自由端に可動部材５９が
固着されている。

【００３５】ピストン６２の外周面６２Ｂとエアシリン
ダ６１の内周面６１Ａとの間は気密状態が保たれるよう
になっており、エアシリンダ６１内に加圧室６１Ｂが区
劃されている。エアシリンダ６１には、加圧室６１内に
外部から空気を導入するための吸気弁６３と、加圧室６
１Ｂ内で加圧された加圧空気を出力管６４へ排出するた
めのチェック弁６５とが設けられており、これにより公
知の構成の空気加圧装置７０が構成されている。この空
気加圧装置７０は、ピストン６２が矢印Ａ方向に移動す
る場合に外気が吸気弁６３から加圧室６１Ｂ内に吸入さ
れ、次にピストン６２が矢印Ｂ方向に移動する場合に吸
入された空気が加圧室６１Ｂ内で加圧され、その加圧力
が所定値を越えた場合にチェック弁６５が開き出力管６
４に圧縮空気が排出される公知の構成である。

【００３６】空気を吸入して圧縮するために必要なピス
トン６２の上述の往復運動をエネルギー変換装置５０に
よって得るため、可動部材５９が直接ピストン６２に連
結されているのである。可動部材５９とエアシリンダ６
１との間には収縮コイルばね６０が介装されており、こ
の収縮コイルばね６０の収縮力により可動部材５９を矢
印Ｂ方向に戻すための戻り力が与えられている。

【００３７】上述の構成によれば、電磁石装置５３の一
端面５４ＡにＳ磁極とＮ磁極とが交互に生じることによ
り、図１に示した実施例の場合と同様にして、間歇的に
発生する永久磁石５２の磁気吸引力と収縮コイルばね６
０の戻し力とによって可動部材５９が交流矩形波電圧Ｅ
の周期と同じ周期で往復運動を行ない、これによりピス
トン６２を往復させることができる。この結果、エアコ
ンプレッサ４０は、励磁制御ユニット５６からの交流矩
形波電圧Ｅによる電磁石装置５３の励磁制御により、出
力管６４から圧縮空気を取り出すことができる。なお、
図２に示すエアコンプレッサ４０と同様にして、揚水ポ
ンプを構成することもできる。

【００３８】

【発明の効果】本発明による効果は以下の通りである。 １．永久磁石の磁極より発生している磁束を外部系から
のエネルギー供給を断った状態で力学的エネルギーとし
て活用できる。 ２．原動力装置等として駆動させる必要な直流電源から
の入力があたかもガソリンエンジンにおける点火プラグ
の電気入力と同様に発生動力に比較して極めて小さくて
よく、大きなエネルギー交換効率が期待できる。 ３．力学的エネルギーの取り出し構造として、往復運転
機関の構造を利用することが出来る。従って、運動系の
摩擦損失を実用的な水準にまで低下させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるエネルギー変換装置の一実施例を
示す構造図。

【図２】本発明によるエネルギーの変換装置の他の一実
施例を示す構造図。

【符号の説明】

２０、５０ エネルギー変換装置 ２２、５２ 永久磁石 ２２Ｂ、５２Ｂ Ｎ磁極端部 ２３、５３ 電磁石装置 ２４、５４ 磁芯部材 ２４Ａ、５４Ａ 一端面 ２５、５５ コイル部材 ２６、５６ 励磁制御ユニット ３１、５９ 可動部材 ３４、６０ 収縮コイルばね

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 荻野 三四郎 東京都品川区二葉２丁目20番１号 第２梅 田ビル407

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 永久磁石と、 該永久磁石の一方の磁極端に一端が密着して設けられた
   磁芯部材にコイル部材を設けて成る電磁石装置と、 前記永久磁石の前記一方の磁極端の近傍における磁束状
   態を変化させるよう前記電磁石装置を励磁するための励
   磁制御装置と、 前記永久磁石の前記一方の磁極端の近傍に前記永久磁石
   に接近、離反可能に支持、案内されて配置された磁気吸
   引性を有する可動部材と、 前記磁束状態の変化に応答して生じる該可動部材と前記
   永久磁石との間の磁気吸引力の変化により前記可動部材
   が往復運動できるよう前記可動部材を前記永久磁石から
   引き離すための所要の戻り力を前記可動部材に与えるた
   めの戻り力付与部材とを備えて成ることを特徴とするエ
   ネルギー変換装置。