JPH10225098A - 発電機および電動機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】エネルギー消費を最小限にして発電を行い，ま
たその発電電力で回転駆動を行う発電システムおよび駆
動システムで，省エネルギーおよび環境保全に寄与す
る。 【構成】回転軸に平行に走る磁束流を作り，この磁束流
に直角に発電コイルを設けて，磁束流あるいは発電コイ
ルのいずれかが回転し，あるいは両方が反転回転するこ
とにより起電力を得て発電を行い，回転駆動は電動駆動
機にて行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，発電機と電動機に関す
るもので，外部からのエネルギー入力を最小限にして発
電し，これによって電動機を駆動する発電機と電動機に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電動機として駆動させるためには，電気
エネルギー源の供給を必要とし，また発電機として稼働
させるためには，回転動力用のエネルギーの供給を必要
としている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】既に

【０００１】に述べたように，発電のために使われる回
転動力用のエネルギーを最小限にして，所期の目的を達
成しようとするものである。また，その発電によって得
られた電気エネルギーを電動機の駆動用電力としても使
うもので，これによって，原動機としての機能をもた
せ，省エネルギーの達成と環境破壊問題の解決に寄与せ
んとするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】磁束によって起電力を得
るためには，フレミングの右手の３本指の法則が原則で
ある。即ち，磁束を導電体で切ることが原則であり，斜
めに切るよりも直角に切る方が当然のこと乍ら効率が良
い。そして，その起電力は，ｅ＝Ｂｌｖ〔Ｖ〕｛Ｂ：磁
束密度（Ｔｅｓｌａ），ｌ：有効発電コイル長（ｍ），
ｖ：磁束を切る速度（ｍ／ｓ）｝で与えられていること
は周知の通りである。即ち，磁束密度の高い磁石を用い
て，できるだけ長い発電コイルを用い，できるだけ高速
で磁束を切れば，より多くの起電力を得ることができ
る。

【０００５】磁石（電磁石，永久磁石，超電導磁石を含
む）には，強磁性体を引きつける吸引力があり，透磁率
の高い材料は強磁性体であるため，磁束を空中に放散さ
せないで有効利用しようとすれば強磁性体を使うことに
なるが，クーロンの法則により磁束密度は空中では距離
の二乗に比例して減衰するため，磁石に近ずける必要が
生じ，このため必ずこの強磁性体への吸引力の影響を受
けることになり，磁束密度を高くすればするほど，この
吸引力も増大する。

【０００６】従来の磁束を切る方式の発電機は，その構
造を要約すれば，回転軸から外側に向かって，回転軸⇒
ヨーク付き電磁石⇒エア・ギャップ⇒スロット固定の導
電線⇒ヨークの順になっていて，ヨーク付き電磁石が回
転しスロット固定導電線とヨークが固定子となってい
て，スロットは通常強磁性体である。この構造では，発
電部の導電線は回転軸に平行に張られていて，即ち発電
部の磁束は回転軸に垂直に移動し，導電線が磁束を切る
ためにヨーク付き電磁石（以降回転子という）は固定子
のスロットとヨークを構成している強磁性体との吸引力
を振り切って回転せねばんならず，そのために多大なエ
ネルギーを消費して，発電を行っているのが，現状であ
る。

【０００７】本発明は，前述のエネルギー損失を最小限
にするため，電力需要のある場所の近くで容易に発電で
き，需給バランスも小型コンピュータあるいはマイクロ
・プロセッサなどで容易に発電量制御にフィード・バッ
クでき，無公害な発電機構造とシステムに係わるもので
ある。また，この発電を利用して，本発明の電動機を軌
道して動力源を得んとするものである。その目的を達す
るために，本発明では，磁気回路を回転軸と平行にと
り，発電コイルをその平行磁気回路に回転軸に対し垂直
になる角度で置きまたＮ極とＳ極で挟む形式をとり，従
ってフレミングの右手３指の法則のうち親指の力の働く
方向Ｆは発電コイル帯の両側で各々反対方向に働き相互
に打ち消し合うため結果的には零となり，発電コイルの
固定には非磁性材料を用いて磁力による吸引力を無く
し，発電コイルの回転軸と同一の回転軸あるいはギア等
の伝達機構を介して動力を伝える回転軸に電動機を設置
して回転を得て，発電を行うシステムである。

【０００８】添付の図では，発電用および駆動用磁石
は，簡易化のために永久磁石で示しているが，本発明で
は，これに限らず強い磁束を出せるもの，たとえば，電
磁石，超電導磁石等を含むものである。また，電磁石を
用いる場合は電力導入線が，また超電導磁石を用いる場
合は外箱全体を覆う保温層と箱内全体を冷却する装置を
付加する必要がある。

【０００９】現在商業的に使える最も透磁性の高い材料
でも２．２〜２．３テスラで磁気飽和となるため，超電
導電流をこれ以上の磁束密度で使おうとすると，空芯コ
イルで使わざるを得ない。従って，添付の図は，超電導
コイルを使った超電導磁石の場合は，制御し易い２．２
〜２．３テスラの磁束密度を１つの目安とし，これ以上
の高い磁束密度で使う場合は，両端部ではＵ字型をした
磁石として使うことが望ましい。また，超電導磁石の場
合も電磁石の場合も同じ使い方であるので，直流電流を
使うことになる。

【００１０】また，本発明の電動発電機の添付の図で
は，第１２図を除き駆動部は発電コイル部の内周側に表
しているが，これは別に意味は無く，駆動部は発電コイ
ル用磁石環の外周側でもかまわない。円周の半径が梃子
の原理でトルクを発生させる構造となっているため，外
周側に駆動部を置けば，その駆動部と被駆動部の比で，
必要とされるトルクが変わるものである。

【００１１】また，添付の図では，磁石はＮ極，Ｓ極が
交互に間隙なく配置されているが，極間に間隙をおくこ
とを否定するものでは無い。しかし，間隙があるとその
分だけ磁束の漏洩がありエネルギー源を失うことにな
る。逆に添付の図のように，間隙なく磁石を交互に異極
を配置することにより，両隣間からの磁束漏洩を防止し
ている。

【００１２】本発明では，交流発電と直流発電の２種類
の発電がある。添付図のうち，第１５，１６，１７，１
８，２８，および２９図は直流発電機に関するもので，
それ以外は全て交流発電に係わるものである。本発明の
交流発電システムは，一旦直流に整流して，そのまま直
流で使う場合と交流に直して交流電力として使う場合の
２種類の用途を考慮に入れている。従って，本発明の発
電機の交流発電電力は，正弦波形の必要は全くなく，発
電用磁石からできるだけ多くの電力を取り出せる方式を
採っている。この結果，第８図ＡＡに示す波形の交流波
形が得られ，それを整流すると同図ＢＢの波形の電力が
得られる。第４０図はすでに発表されている文献から引
用した資料であるが，この回路図は無停電電源装置とし
てすでに使われているもので，本発明の電力は，交流電
源として使う場合は，これと同等の回路と組み合わせて
使われる。

【００１３】本発明の発電機の駆動源は，第３３，３
４，３５，および３６図の実施例にて，駆動原理が説明
されているように，発電用磁石あるいは発電用コイルあ
るいはその両方の回転軸につながれていて，小型コンピ
ューターあるいはマイクロ・プロセッサーに制御された
インバータを含む電子回路にて駆動される。この制御
は，発電用としてはおもに回転速度，回転トルク，回転
方向，回転同調性，および最も経済的な駆動電力消費で
あり，この制御は，発電用としては電力需要に対応する
ものである。従来の商業発電に於ては，その地域あるい
は国で使われている交流周波数を正確に守る必要があ
り，従って発電機の回転数を変えることはできないが，
本発明では，一旦整流の上必要な交流電圧と交流周波数
に変換するため，自由に回転速度を調整することがで
き，幅広い電力需要変動に対応することができる。

【００１４】さらに幅広い電力需要変動に対応するため
には，同じ寸法および容量の発電機で，発電用磁石と発
電用コイルを相互に反回転させることにより，同じ回転
数でその発電能力を２倍に増大させることができ，２倍
の電力需要変動に対応することができる。

【００１５】第１〜４，および１０〜１２図の交流発電
機は，第１３〜１４図に例示するごとく発電磁石盤と発
電コイル部を必要に応じて随時増やし，また回転軸と平
行する発電磁路数も円周方向の発電磁石層を増やすこと
により随時増やすことができる。第１３〜１４図は一例
で，磁石盤数と発電コイル部数および円周方向での発電
磁束層数は，必要に応じた設計次第であり，これらの数
が増えるほど機器は大型化する。

【００１６】発電用磁石および駆動用磁石に永久磁石を
使用する場合は，永久磁石の特性として第２３図に１例
を挙げたように，磁石の寸法比（Ｌ／Ｄ）および形状に
より磁荷がかわる。図は円柱型ＮＳＫ（鉄，ニッケル，
コバルト，アルミニウム，チタニウムなどが主成分）磁
石の例であるが，他の永久磁石についても同様の寸法性
能曲線を有する。引用例では，ＮＫＳ−７５０を例にと
ると，磁束密度１２テスラを得ようとするとＬ／Ｄ≒４
を必要とする。すなわち，使用する円形磁極直径の４倍
の磁石長さを必要とする。これでは，寸法と重量が大き
くなりすぎて実務上使用が限定される。従って第２４図
の磁石を第２５図のように，着磁前にＬ／Ｄ特性に合わ
せて細分化し，細分化した着磁前の磁石を接着力の強い
接着剤で第２４図のように合わせ，また各々の細分化し
た磁石が磁気的に独立できるようにし，さらに必要な場
合には形に合わせた型に入れたうえで磁化することによ
り，各々の永久磁石材料が持つ磁力特性を１００％発揮
させることができると同時に，磁石を小型化することが
できる。さらに，使用する側の磁極（片側あるいは両
側）にポール・ピースを設置することにより，均質な磁
束を得ることができる。この永久磁石の磁力強化法は，
本発明の電動発電機および発電電動機以外の用途にも使
用されるべき発明である。

【００１７】発電コイルのある間隙から発電用磁石の磁
束漏洩がある。これを防ぐ方法として，交流発電機では
３０，３１，および３２図に例示のごとく，コイルの上
端および下端に発電用磁石と同等の磁石を配して発電用
磁束と同じ方向の磁束流を得て，発電用磁束の漏洩を防
止するものである。また，直流発電においては，第２８
および２９図に例示の如く，発電コイル束の最外周部お
よび最内周部にコイルを張り，発電機の外に取り出す直
前の発電電流を例示の如くながして，エルステッドの原
理に基ずき例示の如く磁束流を得て，発電用磁束の外部
への漏洩を防止し，発電部を通過する磁束流を増やすこ
とにより起電力を向上させることができる。

【００１８】本発明の発電機は，構造上大型化すると断
面形状は回転中心軸から細長く伸びた円盤あるいは円筒
状をしており，特に発電コイル部はほとんどが巻コイル
であり，また支持元以外の３面は発電磁石および中心回
転軸あるいはその延長部でこれらの全てが回転している
ため，発電コイル部の支持構造は脆弱になり易い。そこ
で，本発明ではこの発電コイル部の先端に非接触磁力回
転体支持機構を設け，その支持構造をより強固にしてい
る。この非接触磁力回転体支持機構は，第１９，２０，
および２１図に示すごとく，片面がＮ極でもう一方の面
がＳ極をした中空円盤状の磁石体を，もう一方の固定体
あるいは回転体に固定された一ケ所に２組の磁石を，中
空円盤状の磁石のＮ極に対しＮ極をまたＳ極に対しＳ極
を対峙させて，そのような対峙個所と対峙面積を必要に
応じた個所と対峙面積とし，その斤力あるいは反発力に
より，発電コイル部を非接触で固定する。前記の中空円
盤状磁石の両対面の組磁石は，中空円盤状磁石とするこ
ともできる。また，この中空円盤状磁石は，型に組み込
んだ磁石片の集合体とすることもできる。この磁石の斤
力あるいは反発力による非接触回転体支持装置は，本発
明の主目的である発電機および電動機以外の用途にも使
用されるべき考案である。

【００１９】本発明の電動機および発電電動機は，第１
図の４に示すように駆動用磁石を回転軸と同じ円中心点
をもった一定の円周に沿って交互に磁極を１つの環とな
るように並べ，回転軸と平行に磁束層流を走らせて，駆
動用電磁石も同様に同寸法の円周上に磁石と同じあるい
は類似の円周幅をもって環となるように並べ，第２図の
３，４，５，おび６に示すように，固定された電磁石環
を両端にヨークの付いた２組の磁石環がエア・ギャップ
を設けて両側に挟むように設置され，その２組のヨーク
付き磁石環は回転軸に固定され，あるいは第１０，１
１，および１２図の３，４，５，および６に示されるよ
うに，１組の磁石環を２組のヨーク付き電磁石環が挟む
ように固定設置され第３３，３４，３５，および３６図
にて説明のように，電磁石に電流を流して交番磁界をつ
くり，斤力と引力を得て磁石環を駆動し回転軸を回転さ
せるものである。従って，駆動用電磁石環を固定してい
るため，回転軸には電気を伝えるスリップ・リングは無
い。以上の説明は，電磁石環を固定しているが，逆に電
磁石環を回転軸に結んで駆動することもできるが，この
場合は電力供給のための配線とスリップ・リング・セッ
トが必要となる。

【００２０】本発明の駆動装置は，駆動用磁束を回転軸
と平行にして走らせる構造に特徴があり，このために駆
動磁石環の円周を大きくすれば，梃子の原理で，比例し
てより大きなトルクを得ることができる。更に，第３７
および３８図に示すように，容易に駆動磁石環を多層化
することができ，また，磁路を継いで同一回転軸に単層
あるいは多層の駆動磁石環をもった回転体あるいは回転
盤を複数設置することが容易で，大出力化することが容
易である。

【００２１】後記の「実施例」の項で詳述しているが，
交番磁界を得る交流はサイリスタあるいは同等のパルス
電流波形，パルス幅変調，パルス速度調整，電圧，電流
等を調整可能な電動機駆動電子回路を使い，また運転制
御のためにフォト・エンコーダー，ホール素子，等を使
った回転位置検出器を装備して駆動状況を検出して，マ
イクロ・プロセッサーあるいは小型コンピューターに入
力してデータ処理し，その結果を駆動運転に戻して制御
するものである。更に，電動発電機の場合は，現在の発
電状況と需要との差異を検出しデータ入力して駆動運転
制御を行う。それでも間に合わない急激な電力需要増加
のために，また起動あるいは急激な回転速度上昇のため
に，第４０図に示すごとく，蓄電池をシステム内に装備
して浮動充電を行い，そのような急激かつ一時的な電力
需要上昇に対応するものである。

【００２２】本発明の電動機は，その特性上従来の直流
電動機に極似しており，そのために可変速運転にも適
し，急速な回転速度上昇や速度低下に良い特性を発揮
し，更に消費電力は出力に概ね比例する。

【００２３】

【作用】本発明は，前述のごとく，Ｎ極からＳ極へ発電
コイル部の空間を磁束を横断させて，発電コイル部を固
定した場合は，Ｎ極およびＳ極を有する複数の磁石が回
転し，Ｎ極およびＳ極を有する磁石が固定されている場
合は，発電コイル環が回転し，あるいは一方に遊星ギア
を施して残る一方を回転させることにより，相互に反転
回転させることにより，磁束を切って起電力を得る方法
のため，磁石による吸引力は働かない。また，フレミン
グの右手３本指の法則の親指の方向にコイルが動こうと
する力Ｆは，磁石に面するコイル環の両側に異なった方
向に働くため，相互に力が働いて結果的にはＦの力は零
となる。このため，駆動に要する力は，回転体質量の回
転に要するエネルギーが，回転駆動に要するトルクとな
る。発電用磁石および駆動用磁石に永久磁石を用いれ
ば，駆動用交番磁界を作る電力が消費エネルギーであ
る。また，発電用磁石および駆動用磁石の超電導磁石を
用いた場合も同様である。発電用磁石，駆動用磁石およ
び駆動用交番磁界用磁石に電力を用いた場合は，この消
費電力が即ち消費エネルギーである。この必要回転トル
クに要する電力と起電力の差が，起電力の方が大きるな
るように設計すると電動発電機となり，起電力と消費電
力の均衡のとれた設計をすれば，発電電動機となる。発
電電動機として，仮に起電力が消費電力よりも少ない場
合でも，起電力を得た部分は，外部からの電力供給を必
要としないため，相応の省エネルギーとなる。

【００２４】

【実施例】本発明をより詳細に説述するために，添付の
図面に従ってこれを説明する。第１図は，電動発電機に
基本図で第２図Ａ−Ａの断面図であるが，回転軸８の外
周側に回転軸から距離をおいて磁石列４が一定の中心角
度と幅をもって，Ｎ極Ｓ極が交互に配列されている。こ
の磁石列４は，回転体の駆動用で，第２図に示すよう
に，電磁石５と６で電気的に駆動される。第１図の磁石
環１は，発電用の磁石環で，第２図の断面図でも解るよ
うに，環状発電コイル２を異なった磁極で挟んでいる。
この発電磁石列が発電コイルを挟んでいる状況は，第１
図のＢ−Ｂ断面図である第３図に更に詳しく描かれてい
る。そして，その磁束流の模式を第４図に示している。
第１図の１１は，回転体の飛散防止用の防護板で，回転
体が高速で回転し，発電磁石環の直径が大きくなると，
非常に強い回転遠心力を受けるので，そのための飛散防
止板である。第１図の１３は通風口で，第２図からも解
るよううに，発電コイル部への通風口は第２図７のエア
・ギャップしか無いので，発電コイルおよび駆動電磁石
のコイルの通電による発熱を冷却するもので，図には記
載されていないが送風あるいは吸引扇をこの通風口に設
置することにより，強制通風を可能にする。第１図１５
は，システム付属機材を組み込むスペースである。第１
図１４は，外箱で内部で発生する磁気を外部に出さない
ためのもので，強磁性体材料を用いるのが有効である。
また，第１図は据付用基板であるが，内部の構造は設置
方向を選ばないので，どの方向あるいは位置にも設ける
ことができる。

【００２５】第２図は，前述のごとく第１図Ａ−Ａの断
面図である。３は磁石のヨークで，第１図のＢ−Ｂ断面
図は第３図のごとくで，磁束の動きは第４図に示すよう
に１極の磁束は両隣の異極に１／２ずつ左右に分かれて
移動するため，Ｕ字型ヨークに比べ１／２の厚みで済
む。矢印のように磁束は移動して，この環をぐるぐる廻
りする。磁極を飛び出した磁束は，磁極正面から見て全
角方向に飛散し同じ磁石のＳ極に戻って来るが，両隣に
磁石があり磁束が反対方向に流れているため，両隣方向
には拡散できないので，より多くの磁束が発電コイル部
を横断して対面の異極に吸引されることになり，ここを
横切る発電コイルはより多くの磁束を切ることになるた
め，発電量が多くなる。第５図は，その様子を模式図化
したものである。

【００２６】また，第６図は本発明の発電コイル中心線
部の磁束密度を模式化した図で，第７図は現在使われて
いる交流を発電するときの１極の正弦波用磁束密度の模
式図である。この結果，１相当りの発電される交流電力
波形は第８図ＡＡのようになり，これを整流すると第８
図ＢＢのようになる。この整流後の直流は，現在使われ
ている１相当りの正弦波の整流後の直流波形と較べる
と，非常に大きな差異を生ずる。この波形差は，即ち電
流差であるから，本発明の方式の優位さがはっきりす
る。

【００２７】本発明では回転軸に平行に走る磁束流を使
って発電しているため，第１図に示すごとく，発電コイ
ルは回転軸の中心点を中心基点とした円周を使うことに
なる。その結果，発電コイルは第９図のごとく，２つの
円周の間に放射線状に張られコイルが磁束を切る発電コ
イルの実効部分となる。交流発電では，発電用磁石のピ
ッチに合わせてあるいはその前後でコイルが巻かれる
が，本発明の発電用磁石１個の角度をΘとすると，その
Θ角に張られた発電コイルのコイル１層の状況は第９図
のようになり，２つの円周はＲ１とＲ２で示されてお
り，その間隔が ｅ＝Ｂｌｖ〔Ｖ〕の式のｌに当てはま
る。普通は発電コイルとして同じ幅の平角線あるいは丸
線を使うが，第９図のように，２つの円周が異なるた
め，Ｗ２幅のコイルを使うとＲ１に隙間ができて磁束損
失につながるため第９図ではＷ１とＷ２に合わせた発電
コイルを示している。第１０図は，駆動用磁石環が１つ
で，これを回転させる電磁石環が２つとした例でこの駆
動用磁石環に２環の発電用磁石とそのヨークが取り付け
られている点が第２図と異っている。

【００２８】第１１図は，駆動用磁石環に発電コイルが
取り付けられた例で，この例では発電用磁石と駆動用電
磁石が固定され，発電コイルが回転する。従って，発電
された電力を取り出すのにスリップ・リング・セットが
必要となる。

【００２９】第１２図は，発電コイル環に駆動用磁石環
を取り付けて回転軸を廻し，この回転軸から遊星ベアリ
ングを介して２式のヨーク付き発電用磁石環を反転させ
る機構を示している。これと同様に，２式のヨーク付き
発電用磁石環を駆動して回転軸を廻し，遊星ベアリング
を介して発電コイルを反転させることもできる。第１２
図は，この様な発電用コイルと発電用磁石を反転回転さ
せることのできる例を示している。

【００３０】第１３図は，円周の異なる発電用磁石環を
２環列と駆動用磁石１環列を１つ回転体に組み込み，両
端の回転体にはこの他にヨークを加えて，この回転体５
組を発電コイル部と駆動用電磁石環を取り付ける空隙を
空けて，１つの回転軸に取り付け，回転軸と平行に片側
３列の磁束流層をつくり，この磁束流層の１つは駆動用
とし，残る２層に発電コイル環を取り付けたい一例を示
している。この例は，磁束流の多層化と発電コイル盤の
複数化を示した一例である。第１４図は第１３図のＡ−
Ａ断面に於る磁束流の流れを模式図化したものである。

【００３１】第１５，１６，１７，および１８図は，直
流発電機の断面構造を示したもので，各々の構造に於
て，発電用磁石の磁極はどの角度の断面を同一である。
交流発電機と異なって発電用磁石は，第１５および１６
図に示す構造では中空円盤形であり，第１７および１８
図では円筒形であり，また発電コイル部を切る磁束流
は，回転軸の対して垂直である。本発明の直流発電機
は，１極の磁極面積が大きくなり易く，それに比例して
ヨークの厚さも増える。

【００３２】第１９，２０，および２１図は，非接触回
転体支持機構に関するもので，第１９図は第１７図およ
び第２８図のＡ部分を，また第２０図は第１８図のＡ部
分を拡大して説明した図である。第２１図は上視図であ
る。この非接触回転体支持機構は永久磁石の同極を向か
い合わせてその斤力で接触を防ぐ方法であり，決めた位
置を保持できるだけの外部支持が必要である。そして，
ここに加わるぶれの力に対抗できる力は磁石の磁束密度
と面積の積であるから，より大きい対抗力をえるにはよ
り強い磁束密度を有する磁石と面積を必要とする。

【００３３】第２３図は，アルニコ永久磁石の１つであ
るＮＳＫ 磁石（主成分：鉄，ニッケル，コバルト，ア
ルミニウム，チタニウム）の円柱形永久磁石の長さＬに
対する直径Ｄの比率に対する磁束密度ＢＲ（単位＝テス
ラＴ）を製造会社のカタログから引用した図である。図
から明らかなごとく，たとえば１２テスラの磁束密度を
得るには，ＮＳＫ−７５０でＬ／Ｄ≒４ すなわち Ｌ
≒４Ｄ 直径の４倍の磁石長が必要である。他の永久磁
石も類似のＬ／Ｄ特性を持っている。

【００３４】第２４，２５，および２６図は，この永久
磁石の特性を改良する手法に係わり，第２４図は，製造
方法により異なるが説明用として，着磁前の磁石母材お
よび第２５図に示すように細分化され１個の独立磁石と
して磁壁加工を施した後再集合させた形を示している。
第２５図は，第２４図の磁石母材を細分化した１個の独
立磁石とする単体磁石材，あるいは第２４図の集合磁石
を作るべく粉末成形された磁石材である。第２６図は，
第２４図のごとく細分化した独立磁石材を集合させ一体
化して着磁した完成磁石の側面図で磁石の両極にポール
・ピースを施した例を示している。図には表現されてい
ないが，集合磁石の物理的強度保持に必要な場合は，側
壁部あるいは全体を高透磁性材料，たとえばパーメンジ
ュール材等でケーシングすることもできる。

【００３５】第２７および２８図は，直流発電機の発電
コイル部に於る発電用磁束の漏洩防止法に関するもの
で，第２７図は第１７図の発電コイル部分を拡大して利
用した図であり，第２７図は第２６図の磁束の流れを説
明している。第２７図のように，発電コイル環の内径端
と外径端にコイルを張り，発電して外部に取り出す直前
の電流を流すと，第２８図に示す磁束流がコイル周りに
できるため，発電部の発電用磁束は漏洩を防止される。

【００３６】第２９，３０，および３１図は，交流発電
機の発電コイル部の発電用磁束の漏洩防止法に係わる。
発電用磁石を第２９図のような断面形状にすることによ
り空隙部が小さくなり漏洩空隙面積が減少すること，お
よび空隙部が小さいとその部分の磁束流が増えまた磁束
密度が高くなることの２つの理由により発電用磁束漏洩
を最小限に減らすことができる。第３１図は第３０図の
Ａ部分の拡大図で，この方法も効果は第２９図の場合と
ほぼ同じである。

【００３７】第３２，３３，３４，および３５図は，本
発明の駆動メカニズムに係わる。第３２図は駆動用電磁
石を固定し，エア・ギャップを挟んでその電磁石の両側
にある駆動用磁石および付帯するヨークを白抜き矢印の
方向に回転させる場合のメカニズムで，ＭＣＬは磁束中
心線を示し，Ｇはギャップを示し，Ｐはピッチを示し，
ＤおよびＥは電磁石でＸＹＺと示されている列に位置し
ている。ＭＣＬ−１からＭＣＬ−４は回転する磁石の磁
束中心線で，ＭＣＬ−５およびＭＣＬ−６は電磁石の磁
束中心線である。電磁石ＤおよびＥのＭＣＬがそれぞれ
ＸおよびＹにあるとき，電磁石ＤのＡ磁極はＮ電磁石Ｅ
のＢ磁極はＳとなるように電流をながし，電磁石Ｄおよ
びＥのＭＣＬがそれぞれＹおよびＺにあるときＡ磁極は
ＳでＢ磁極はＮとなるよう電流を流すことにより，駆動
磁石列は交番磁界の切り替え速度に従って，白抜き矢印
の方向に回転する。

【００３８】第３３図は，駆動磁石列Ｄ，Ｅが両側に挟
まれた電磁石列ＡＢＣおよびａｂｃにより駆動される形
式のメカニズムで，ＭＣＬ−１からＭＣＬ−４は電磁石
の磁束中心線を示し，ＭＣＬ−５およびＭＣＬ−６は駆
動される磁石列の磁石ＤおよびＥの磁束中心線を示す。
ＧおよびＰは，第３３図と同じである。磁石ＤおよびＥ
のＭＣＬがそれぞれＹおよびＺにあるとき，電磁石Ｂお
よびｃの駆動される磁石列に面した磁極はＳ電磁石Ｃお
よびｂの駆動される磁石列に面した極はＮを，同様に，
磁石ＤおよびＥがそれぞれＸおよびＹにあるとき，電磁
石の駆動磁石列面の極は，ＡおよびｂがＳを，またＢお
よびａがＮとなるよう電流を流して交番磁界をつくる
と，磁石列ＤＥは白抜き矢印の方向に，交番磁界の変わ
る速さに従って回転駆動する。

【００３９】上記駆動メカニズムを第３４図にて更に詳
しく説明する。Ａは駆動を受ける磁石列を示し，Ｂは交
番磁界をつくる固定された電磁石列を示す。ＭＣＬと表
示されている破線は電磁石のＭＣＬである。また，駆動
を受ける磁石のＭＣＬは表示無しの破線で示されてい
る。Ｉは被駆動磁石列のＭＣＬが電磁石のＭＣＬを通過
したところで電磁石は図に示した極性になったところで
ある。示した電磁石の斤力と引力により磁石列は白抜き
矢印の方向に駆動される。ＩＩでは，まだＩの状況が続
くが，この後すぐに電磁石の電流がきれて，ＩＩＩの状
況，即ち電磁石に極性がなくなる。磁石列のＭＣＬが電
磁石列のＭＣＬを惰性で超えると，すぐにＩＶのごとく
電磁石は表示の極性にかわることにより，磁石列は進行
方向に駆動され，以上の工程を繰り返すことにより回転
駆動を得る。以上の説明は，駆動原理の説明であり，駆
動磁石と電磁石のＭＣＬが全部同時に重なり合うように
説明しているが，回転を更に円滑に行うには，磁石によ
って，あるいは磁石列の部分を分割して，あるいは磁石
列あるいは磁石環により，ＭＣＬの重なり合う位置ある
いは角度をずらすことのより，より円滑な回転を得るこ
とができる。

【００４０】第３５図は，第３４図の駆動電力を送るパ
ルス電力例である。Ｅを除いたＡのパルス電力波は従来
の直流電動機の入力電力と同じで最も駆動力の高いパル
ス波である。Ｅは第３４図のＩＩＩにおいて電力は切れ
ても磁芯に残留磁気が残っているため，この残留磁気を
消去するパルス電流である。Ｄのパルス電流で駆動され
れば最も電力消費の少ない運転となり，駆動トルクも小
さくなり高速回転になったときこれに近い運転が可能に
なる。Ｂは正弦波交流に代わるパルス波である。

【００４１】第３６図および第３７図は，発電電動機の
一例である。第３７図では，Ａが発電部でＢが駆動部で
あり，駆動部には回転軸に平行に，一例として３層の磁
束流を走らせまた３層の磁石あるいは磁石とヨークを備
えた回転体を３盤の例を示している。発電部は同軸上に
別置きしている。第３８図は，同じ回転体に一層の発電
用磁束流と２層の駆動用磁束流を設けて４盤の磁石ある
いは磁石とヨークを備えた回転体の例を示しており，Ａ
は駆動部をまたＢは発電部を示している。単に駆動のみ
の場合は，駆動用の必要トルク，回転数等を考慮して最
大消費電力を計算し，それに見合う発電を行うのが得策
である。なお，既に述べたように，本発明では，回転軸
と駆動部の半径が設計次第で自由に変えることでき，駆
動トルクは梃子の原理で駆動部の半径に比例して増加さ
せることができる。

【００４２】第３８図は，現在既に使われている無停電
電源装置の整流回路および直流から正弦波交流をつくる
回路と主要部での電力波形を示している。Ａは整流器，
Ｂは直流リアクトル，Ｃは蓄電池，Ｄは直流フィルタ
ー，Ｅは逆変換器，Ｆは変圧器，Ｇは交流フィルター，
ＨはＤ〜Ｇをユニットにしたインバーターである。この
インバーターの設計次第で交流電圧と交流周波数を自由
に選択することができる。

【００４３】

【発明の効果】上記のように構成された発電機および電
動機を組み合わせ，磁力の強い永久磁石たとえば希土類
磁石のような磁石を使い，起動時に蓄電池から起動用電
力を得て駆動を始めるとすぐに発電を始めるので，一定
の回転速度に達すれば，駆動用電力消費よりも発電量を
多くすることができる。発電機として使う場合は，この
ようにして駆動電力よりも発電量を多くして発電機と
し，駆動用動力源として使う場合は発電量のほとんどを
駆動用として消費することにより，大きな動力源とな
る。また蓄電池は浮動充電を行い乍ら使用するものであ
る。

【００４４】

【図面の簡単な説明】

【第１図】 第２図のＡ−Ａ断面図で，主に電動発電機
の磁石の配置状況を示している

【第２図】 第１図のＡ−Ａ断面図で，主に本発明の基
本となる電動発電機の回転機構を示している。

【第３図】 第１図のＢ−Ｂ断面図で，主に磁石の配置
状況と極性を示している。

【第４図】 第３図に於ける磁束の流れを磁束線で示し
ている。

【第５図】 第４図の部分を拡大して磁束の流れをもう
少し詳細に示している。

【第６図】 本発明に使われている発電磁石の磁束強度
を示した模擬図である。

【第７図】 従来使われている正弦波交流電気をつくる
発電磁石の磁束強度を示した模式図である。

【第８図】 本発明に係わる電力波形で，ＡＡは発電さ
れた交流波形，ＢＢは整流された直後の直流フィルター
処理前の直流波形である。

【第９図】 本発明の回転軸と平行に走る磁束流に使わ
れる発電コイルの平角導線の横幅のサイジングの一案を
示している。

【第１０図】 第２図と異なった機構で２組の発電用磁
石盤が回転する電動発電機の第２図相当の断面図であ
る。

【第１１図】 発電磁石盤が固定され，発電コイル部が
回転する機構を持った電動発電機の第２図相当の断面図
である。

【第１２図】 発電用磁石盤と発電コイル部が反回転す
る機構を持った電動発電機の第２図相当の断面図であ
る。

【第１３図】 複数の発電コイル盤と複数の発電用磁路
層を有する電動発電機の一例で，図では発電用磁路層が
２層で発電コイル盤が４盤の例を示している第２図相当
の断面図である。

【第１４図】 第１３図のＡ−Ａ断面の磁束流を示した
説明図である。

【第１５図】 電動直流発電機の一例で第２図相当の断
面図で示している。

【第１６図】 電動直流発電機の一例で第１５図とは異
なった機構を示した第２図相当の断面図である。

【第１７図】 電動直流発電機の一例で第１５および１
６図と異なり発電部の磁路は回転軸に対して垂直とした
機構を有する第２図相当の断面図である。

【第１８図】 電動直流発電機の一例で発電部の磁路は
回転軸に対し垂直であるが第１７図とは異なったヨーク
磁路を有する第２図相当の断面図である。

【第１９図】 回転体接触防止支持機構の一例を示した
第２１図Ａ−Ａの断面図である。

【第２０図】 第１９図と異なった機構を有する回転体
接触防止支持装置の一例を示した断面図である。

【第２１図】 第１７図の部分上視図で第１９図の回転
体接触防止支持機構の部分を示している。

【第２２図】 （削除）

【第２３図】 永久磁石のＬ／Ｄ特性を示す一例でＮＳ
Ｋ磁石の例を示した図である。

【第２４図】 着磁前の永久磁石を細分化し，また細分
化された磁石材の各々の磁壁を独立化処理した後再集合
させた状況を説明する説明図である。

【第２５図】 第２４図の細分化された１個の磁石材を
示す説明図である。

【第２６図】 第２４図のごとく再集合の上，個々の磁
石が接合されて１個の磁石となった時の第２４図の側面
図で磁極の両面にポール・ピースを装着した一例を示し
た説明図である。

【第２７図】 第１７図の直流発電機の発電コイル部の
拡大詳細図で発電用磁束の漏洩を防止するコイルの巻き
方を示す説明図である。

【第２８図】 第２７図の磁束線図で，発電用磁束の漏
洩防止を説明している。

【第２９図】 第２，１０，１１，１２，および１３図
の交流発電機に適用される発電用磁束の漏洩防止方法の
一例を示す説明図で，機能的には第３１図と同じであ
る。

【第３０図】 第２９図とは異なる磁石構成をした交流
発電用磁束漏洩防止方法を示した一例で漏洩防止部の拡
大図は第３２図の通りである。

【第３１図】 第３０図の磁束漏洩防止部の拡大図であ
る。

【第３２図】 第２図のＣ−Ｃ断面の磁束線図で駆動の
メカニズムを説明する説明図である。

【第３３図】 第３２図とは異なり駆動用永久磁石盤を
２組の電磁石盤が挟んだ形式を有する駆動方式の駆動メ
カニズムを説明する説明図である。交流発電機では第１
０，１１，および１２図の断面図の駆動部がこれに相当
する。

【第３４図】 この駆動メカニズムを更に詳細に説明し
ている説明図である。

【第３５図】 駆動に使われるパルス電流の一例で，駆
動用パルス電流を説明している説明図である。

【第３６図】 発電電動機の一例で，発電部と駆動部が
回転軸に対し垂直に分かれている例を，駆動部に２組の
電磁石盤と回転軸に対し３層の磁路層を持った例を示し
た第２図相当の断面図である。

【第３７図】 発電電動機の一例で，発電部と駆動部が
回転軸に対し平行に分かれている例を，駆動用電磁石と
発電コイル部を同じ盤に組み，１つの盤の外周側に駆動
部を２層設け円周の内側に発電部を１層設けた盤を１組
として合計３組を設けた例を示した第２図相当の断面図
である。

【第３８図】 既に市販されている無停電電源装置の回
路説明図

【符号の説明】

１：発電用磁石 ２：発電用コイル ３：ヨーク ４：駆動用磁石 ５：駆動用電磁石芯 ６：電磁石コイル ７：エア・ギャプ ８：回転軸 ９：ベアリング １０：機構保持兼用半径調整体 １１：磁石保持用外殻 １２：電磁石・発電コイル等支持体 １３：通風口 １４：外箱 １５：システム部材収納スペース １６：取付板あるいは取付台 １７：スリップ・リング・セット １８：遊星ベアリング １９：磁石およびヨーク保持体 ２０：磁束漏洩防止用磁石 ２１：駆動力取出軸 ２２：非接触回転体支持磁石 ２３：発電用磁束漏洩防止用コイル Ｎ：Ｎ極 Ｓ：Ｓ極

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発電用磁束流の複数の磁路環を回転軸と平
   行にとり，Ｎ極とＳ極を対峙させた空間を設け，その空
   間と反対側の磁極は両側に隣接する磁極とヨークで結ん
   で磁路環を形成し，またその空間に発電用コイルを設置
   し，発電用コイルを固定してＮ極とＳ極および磁路が同
   一回転軸で磁路をずらさずに一緒に回転することによ
   り，あるいは磁極と磁路を固定して発電用コイルを回転
   させ，あるいはその両方を反転回転させることにより，
   起電力を得ることを特徴とする発電機。
2. 【請求項２】請求項１にあって，複数の磁路環の回転軸
   と平行して磁束が走る部分に，円周と磁石配列が磁束流
   の流れに合致する磁石列を有する盤を１盤あるいは複数
   盤挿入し，各盤間に発電用コイルを設置できるだけの空
   間をつくり，その空間に発電用コイルを挿入設置するこ
   とにより，より大きな起電力を得ることを特徴とする発
   電機。
3. 【請求項３】請求項１および２にあって，回転軸に対し
   垂直方向に１および２と同じ磁石，ヨーク，および発電
   用コイルを磁束流に合わせて磁路環を形成できるように
   増設し，更に大きな起電力を得ることを特徴とする発電
   機。
4. 【請求項４】中空円盤状の円盤面の表裏を磁極とした２
   盤の磁石の間に空間を設け，その空間に発電用コイルを
   配し，対面する磁石面は互いに異極とし，対面と反対側
   の２盤の磁極をヨークで結んで磁束環をつくり，２盤の
   磁石あるいは発電用コイルのいずれかを回転させ，ある
   いは２磁石盤と発電用コイルを反転回転させることによ
   り，起電力を得ることを特徴とする直流発電機。
5. 【請求項５】円筒状の内面および外面を磁極とした円筒
   直径の異なる磁石の直径の大きい円筒状磁石内に直径の
   小さい円筒状磁石を挿入し，２つの磁石の間に中空部を
   設け，その中空部に面した磁極は互いに異極とし，その
   中空部に発電コイルを設け，また２つの磁石の中空部と
   反対側を互いにヨークで結んで環状磁路を形成し，その
   ヨークと２つの磁石あるいは発電コイルのいずれかを回
   転させ，あるいはその両方を各々反転させることにより
   起電力を得ることを特徴とする直流発電機。
6. 【請求項６】請求項１，２，３，４，および５にあっ
   て，その回転駆動力を，同一の回転軸あるいは回転伝達
   機構によって結ばれた回転軸に，１，２，３，４，ある
   いは５にて発電した電力の一部を用いて，電磁石を利用
   して回転駆動力を得ることを特徴とする電動発電機。
7. 【請求項７】回転軸に垂直に２組あるいはそれ以上の組
   を持つ盤状体を設け，その盤状体に回転軸と同一の円周
   中心点を有する一定の円周上に同じ寸法と磁束密度を有
   する磁石を一定の円周角で，極性をＮ極Ｓ極交互にまた
   磁束流が回転軸と平行に走るように配列し，両端の盤状
   体の最外端部には両隣の磁石に磁束が流れ易いようにヨ
   ークを設け，各組の盤状体の磁石列が中空部を挟んで向
   かい合う対面の盤状体に配置された磁石の磁極はＮ対
   Ｓ，Ｓ対Ｎのごとく磁束が良く流れる向きおよび同じ円
   周および円周角位置に配置し，中空部には盤状体の磁石
   列との間に微小なエア・ギャップを設けて固定した電磁
   石列を磁石列と対応するように配列し，この電磁石の極
   性を磁石列の磁石との間で斤力引力の働くように，かつ
   駆動時に引力で駆動が停止しないように，交番磁界をつ
   くる電流を流すことにより回転駆動力を得ること，およ
   び電流を流す角位置をずらせて，磁石列の回転を制動す
   る斤力と引力の働きをする磁極と磁束密度を発生させ得
   ることを特徴とする電動機。
8. 【請求項８】回転軸に垂直に１組あるいは複数組の盤状
   体を設け，その盤状体に回転軸と同一の円周中心点を有
   する一定の円周上に同じ寸法と磁束密度を有する磁石を
   一定の円周角で，極性をＮ，Ｓ交互にまた磁束流が回転
   軸と平行に走るように配列し，その両対面にエア・ギャ
   ップを挟んで固定した電磁石列を設置し，その電磁石の
   交番磁極が対面の磁石に斤力と引力が働き，かつ駆動時
   に引力で駆動が停止しないように，交番磁界をつくる電
   流を流すことにより回転駆動力を得ること，および電流
   を流す角位置をずらせて，磁石列の回転を制動する斤力
   と引力の働きをする磁極と磁束密度を発生させ得ること
   を特徴とする電動機。
9. 【請求項９】請求項７および８にあって，７および８に
   て得られた回転駆動力の一部を使って，１，２，３，
   ４，および５のいずれかの発電機を稼働させて，その発
   電電力を回転駆動用電力とする発電電動機。
10. 【請求項１０】永久磁石の磁束密度を強化するために，
    磁材の断面形状と面積に対する磁石長さの比率に対する
    磁束密度特性に関し，最適の磁石長さに合致する磁石長
    を選んで細分化のうえ独立磁材とし，これを集合させ
    て，必要ならば外枠とポール・ピースをもうけて，１個
    の磁石とした永久磁石。
11. 【請求項１１】第１９，２０，２１図に例示するよう
    に，回転部に固定された一枚の中空あるいは非中空円盤
    永久磁石の両対面をエア・ギャップをもって挟む形で設
    置する固定部に固定された磁石の相対峙する面の磁極を
    中空円盤磁石と同じ磁極とし，あるいは回転部に２枚の
    中空あるいは非中空円盤永久磁石を空隙をもって固定
    し，固定部に対称的に配置された磁石を固定してこの磁
    石を２枚の磁石の空隙にエア・ギャップをもって挿入で
    きるようにし，相対峙する面の磁極を同じにして，回転
    部および固定部は他の部分で支持し，斤力により非接触
    で回転を可能にする非接触磁力回転体支持装置。
12. 【請求項１２】直流発電機にあっては第２８および２９
    図に例示するように，発電コイル部の２個の磁石の空隙
    部に，直流発電機にあっては発電コイル部の主たる磁束
    の流れる左右端あるいは上下端に導電線をコイルに沿っ
    て巻き，その導電線に発電した最終電力を図に示すよう
    に流すことにより，また交流発電機にあっては，第３０
    および３１図に例示するように，発電コイル部の空隙部
    に磁石を張り出して小さい空隙にすることにより空隙部
    に磁流を増やして，主たる発電用磁束の漏洩を防止した
    ことを特徴とする発電機。
13. 【請求項１３】回転軸と平行した磁束流を利用した発電
    機にあって，その発電コイル部の内径と外径が異なるた
    め，第９図に示すように，内径側と外径側とコイル幅の
    異なるコイルを使用した発電機。