KR20150029730A - 에너지 변환 장치 - Google Patents

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KR20150029730A
KR20150029730A KR20157002794A KR20157002794A KR20150029730A KR 20150029730 A KR20150029730 A KR 20150029730A KR 20157002794 A KR20157002794 A KR 20157002794A KR 20157002794 A KR20157002794 A KR 20157002794A KR 20150029730 A KR20150029730 A KR 20150029730A
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Abstract

(과제) 링 형상으로 배치된 복수의 영구 자석을 구비하는 에너지 변환 장치의 출력을 높이는 것을 가능하게 한다.
(해결 수단) 영구 자석(1)이 수용된 링 형상의 자석 홀더(2)에 커버(3)가 장착된다. 커버(3)의 연장부는 차륜(6)에 의해서 지지된다. 차륜(6)은, 커버(3)의 연장부 및 케이스(5)의 저면에 접한다. 이에 의해, 자석 홀더(2)에 수용되는 영구 자석(1)의 수가 늘어남으로써 자석 홀더(2)의 중량이 증가하더라도, 자석 홀더(2)를 가볍게 회전시킬 수 있다. 따라서, 에너지 변환 장치(100)는 부여된 에너지로부터, 보다 많은 에너지를 뽑아낼 수 있으므로, 그 출력을 높일 수 있다.

Description

에너지 변환 장치{ENERGY CONVERSION DEVICE}
본 발명은, 전기 에너지와 기계 에너지 중 일방(一方)으로부터 타방(他方)으로 변환하는 에너지 변환 장치에 관한 것이다.
발전기는 기계 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 모터는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환한다. 전기 에너지와 기계 에너지 사이에서의 변환 시에, 에너지의 손실이 발생한다. 발전기 또는 모터에 부여된 에너지의 이용 효율을 높이기 위하여, 에너지의 변환 시에 생기는 손실을 가능한 한 작게 하는 것이 요구된다.
예를 들면, 링 형상으로 배치된 복수의 영구 자석이 복수의 코일을 관통하도록 구성된 발전기가 지금까지 제안되어 있다. 예를 들면, 일본 공개특허 특개2010-283983호 공보(특허문헌 1)는, 소형 경량이면서 높은 발전 효율을 갖는 발전기를 개시하고 있다. 이 문헌에 개시된 발전기는, 복수의 영구 자석이 수용된 링과, 링의 회전에 의해서 영구 자석이 통과하도록 배치된 코일과, 링을 회전시키고, 또한 그 링을 지지하기 위한 롤러 컨베이어를 구비한다. 롤러 컨베이어는 링 아래에 배치된다. 이 구성에 의하면, 코일의 철심이 불필요하게 되므로, 발전기의 소형화 및 경량화를 도모할 수 있다. 또한 링을 적은 힘으로 회전시킬 수 있으므로, 기계적 에너지의 손실이 적어진다. 그 결과, 발전기로부터 보다 많은 전기 에너지를 뽑아낼 수 있으므로, 발전 효율을 높일 수 있다.
예를 들면, 일본 공개특허 특개2009-22140호 공보(특허문헌 2)는, 상기한 바와 같은, 링 형상으로 배치된 복수의 영구 자석이 복수의 코일을 관통하는 구성에, 링을 회전시키기 위한 고무 롤러가 추가된 회전형 발전기를 개시한다. 이 고무 롤러는 링의 외측면과 접한다. 따라서, 링은 고무 롤러에 의해서 유지됨과 함께 고무 롤러의 회전에 따라 회전한다.
상기의 특허문헌 2와 유사한 구성이, 예를 들면 일본 공개특허 특개평7-23547호 공보(특허문헌 3) 및 국제공개 제2008/032410호 공보(특허문헌 4)에 개시되어 있다. 즉, 특허문헌 3 및 특허문헌 4의 어느 쪽에 개시된 발전기에 있어서나, 영구 자석을 고정하기 위한 링이 롤러에 접해 있다. 이 롤러에 의해서 링이 유지됨과 함께 회전시켜진다.
일본 공개특허 특개2010-283983호 공보 일본 공개특허 특개2009-22140호 공보 일본 공개특허 특개평7-23547호 공보 국제공개 제2008/032410호 공보
상기 구성의 발전기에 있어서는, 영구 자석의 수를 늘림으로써 발전기의 출력을 높일 수 있다. 또는, 보다 큰 사이즈의 영구 자석에 의해서 자력을 높임으로써, 발전기의 출력을 높이는 것도 생각할 수 있다. 그러나, 영구 자석의 수를 늘리거나 또는 영구 자석의 사이즈를 크게 함으로써, 영구 자석이 설치된 링의 중량이 증대된다는 과제가 발생한다.
상기 특허문헌 1∼4의 각각에 개시된 발전기는, 모두 링의 회전을 가볍게 하기 위한 구조를 구비하고 있다. 그러나, 상기 문헌에 개시된 어느 구성도, 링의 중량이 증대되면, 링에 의해서 롤러 또는 전동체(轉動體)가 위로부터 눌러진다. 이 때문에, 링의 가벼운 회전을 달성하기가 어려워진다. 링을 가볍게 회전시킬 수 없으면, 링의 회전에 따른 운동 에너지의 손실이 커진다. 따라서, 발전기의 출력을 기대했던 만큼 높게 할 수 없게 된다.
예를 들면, 특허문헌 1의 구성에 의하면, 링이 무거워지면, 전동체(금속제의 볼)가 링에 의해서 위로부터 눌러지기 때문에 전동체의 움직임이 둔해진다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 전동체를 크게 하여, 링에 대한 전동체의 접촉 면적을 작게 하는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 전동체를 크게 함으로써 발전기의 사이즈가 대형화된다. 또한, 코일은 링 및 베어링의 주위에 감겨 있으므로, 전동체의 사이즈를 크게 하면, 코일의 직경이 커진다. 그 결과, 코일이 자석으로부터 멀어진다. 코일이 자석으로부터 멀어짐으로써, 발전기로부터 뽑아내어지는 에너지(전력)이 작아진다.
또, 특허문헌 2에 개시된 구성에 의하면, 링이 무거워지면, 링과 고무 롤러와의 접촉 면적이 증대된다. 접촉 면적이 증대됨으로써, 마찰력이 증대된다. 이 때문에 링의 순조로운 움직임이 방해받는다. 또, 링이 무거워짐으로써 고무 롤러로 링을 지탱하기 위한 구조상의 연구가 필요하게 된다는 과제도 발생한다.
특허문헌 3 및 특허문헌 4에 개시된 구성의 경우에도, 링의 중량이 증가하면, 링을 롤러로 지탱하기 위한 구조상의 연구가 필요하게 된다고 생각된다. 또한, 링을 지지하기 위하여 롤러를 튼튼하게 하면, 롤러를 순조롭게 회전시키기가 어려워질 가능성이 있다.
또한, 특허문헌 1∼4에 개시된 발전기를 모터로서 사용하는 경우에도, 동일한 과제가 발생한다. 즉, 특허문헌 1∼4에 개시된 구성에 의하면, 영구 자석의 수의 증가, 또는 영구 자석의 사이즈의 증대에 의해서 링의 중량이 증가하면, 링을 회전시키기 어려워지기 때문에, 모터의 출력을 높이기가 어려워진다. 그러나, 특허문헌 1∼4는, 영구 자석이 설치된 링을 회전 및 유지하는 구조는 나타내고 있기는 하나, 에너지 변환 장치(발전기 또는 모터)의 출력을 보다 높이기 위하여 필요한 구조에 대해서는 하등 구체적으로 기재하고 있지 않다.
본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은, 링 형상으로 배치된 영구 자석을 구비하는 에너지 변환 장치의 출력을 높이는 것을 가능하게 하는 것이다.
본 발명의 어떤 국면에 관련된 에너지 변환 장치는, 전기 에너지와 기계 에너지 중 일방으로부터 타방으로 변환하는 에너지 변환 장치이다. 에너지 변환 장치는 자석 링을 구비한다. 자석 링은, 상부가 개구된 자석 박스가 형성된, 링 형상의 자석 홀더와, 자석 홀더의 자석 박스에 수용되는 영구 자석과, 자석 홀더의 폭보다 넓은 폭을 갖는 링 형상으로 형성되어, 자석 홀더와 동심(同心)으로 자석 홀더의 상(上)표면에 장착되어, 자석 홀더로부터 자석 홀더의 지름 방향으로 연장되는 연장부를 갖는 커버와, 자석 홀더 및 커버와 동심이 되도록 커버 및 자석 홀더에 고정된 기어를 포함한다. 에너지 변환 장치는, 자석 링을 수용하고, 기어의 일부를 외부에 노출시키는 윈도우부가 형성된, 링 형상의 케이스와, 케이스의 내측면과 자석 홀더와의 사이에, 케이스의 저면과 커버의 연장부에 접하도록 배치된 복수의 차륜과, 복수의 차륜의 각각의 회전축이 통과시켜져, 복수의 차륜 사이의 상대적인 거리를 규정하는 규정 부재와, 케이스의 주위에 권회(卷回)된 적어도 하나의 코일을 더 구비한다.
이 구성에 의하면, 자석 링이, 커버의 연장부와 케이스의 저면과의 사이에 끼워진 복수의 차륜에 의해 지지된다. 자석 링의 중량이 복수의 차륜에 분산되기 때문에, 하나의 차륜에 가해지는 힘이 작아진다. 또한, 각 차륜은 커버의 연장부 및 케이스의 저면에 대하여 작은 면적에서 접촉하고 있다. 이 때문에, 자석 링의 중량이 증대되더라도, 차륜을 가볍게 회전시킬 수 있다. 즉, 자석 링의 회전을 가볍게 할 수 있다. 자석 링의 회전이 가벼워지므로, 자석 링의 회전에 따른 에너지의 손실을 적게 할 수 있다. 따라서, 링 형상으로 배치된 영구 자석을 구비하는 에너지 변환 장치의 출력을 높일 수 있다.
상기 구성에 있어서, 에너지 변환 장치는, 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하는 장치(즉, 모터)여도 되고, 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치(즉, 발전기)여도 된다.
자석 링에 형성되는 자석 박스의 수는, 적어도 하나이면 되고, 특별히 한정되지 않는다. 동일하게, 코일은 적어도 하나 있으면 되고, 복수 있어도 된다.
바람직하게는, 복수의 차륜의 각각은, 회전축에 의해서 접속되는, 적어도 두 개의 원판을 포함한다.
이 구성에 의하면, 각각의 차륜의 회전을 가볍게 할 수 있을 뿐만 아니라, 차륜의 내구성을 높일 수 있다. 한 겹의 원판에 의해서 차륜을 구성한 경우, 각 차륜에 가해지는 힘(링의 중량에 의한 하중)을 견뎌내기 위해서는, 원판의 두께를 크게 해야만 한다. 그러나, 원판의 두께를 크게 함으로써, 커버의 연장부 및 케이스의 저면에 대한 차륜의 접촉 면적이 커진다. 그 결과, 차륜의 회전이 나빠질 가능성이 있다. 상기 구성에 의하면, 각 차륜에 가해지는 힘은, 복수의 원판에 분산되므로, 하나의 원판에 가해지는 힘이 작아진다. 원판의 회전이 가벼워짐과 함께, 원판의 내구성도 높여진다. 따라서, 각각의 차륜의 회전을 가볍게 할 수 있을 뿐만 아니라, 차륜의 내구성을 높일 수 있다.
바람직하게는, 에너지 변환 장치는, 케이스의 내벽면과, 커버 및 자석 홀더의 적어도 일방과의 사이에 배치된 전동체를 더 구비한다.
이 구성에 의하면, 자석 링의 회전을 안정시킬 수 있다. 자석 링의 회전에 따라, 자석 링에는 원심력이 작용한다. 자석 링이 수평면 내에서 진동할 가능성이 있다. 전동체에 의해서, 자석 링의 진동을 억제할 수 있다. 또한, 전동체는, 자석 링의 회전을 보조한다. 이에 의해, 자석 링의 회전을 안정시킬 수 있다.
바람직하게는, 기어의 내반경은, 케이스의 내반경보다 크다. 전동체는 기어와 케이스의 내벽면과의 사이에 배치된다.
이 구성에 의하면, 자석 링의 회전을 안정시킬 수 있다.
바람직하게는, 에너지 변환 장치는, 케이스의 상방(上方)에 설치된 용기와, 용기 내에서 자유롭게 회전 가능하도록 용기에 수용된 구 형상 자석을 더 구비한다.
이 구성에 의하면, 자석 홀더에 수용된 영구 자석과, 구 형상 자석과의 사이의 반발력 및 흡인력을 이용함으로써, 자석 링의 회전을 보다 가볍게 할 수 있다.
바람직하게는, 자석 홀더의 지름 방향을 따른 자석 홀더의 단면은, 대략 직사각형이다. 케이스의 지름 방향을 따른 케이스의 단면은, 대략 직사각형이다. 코일의 단면은 대략 직사각형이다.
이 구성에 의하면, 자석 홀더와 케이스와의 사이의 간극을 작게 할 수 있다. 따라서, 케이스의 주위에 권회된 코일과, 자석 홀더에 수용된 영구 자석과의 사이의 간극도 작게 할 수 있다. 영구 자석과 코일과의 사이의 간극을 작게 함으로써 영구 자석과 코일과의 사이의 자기 결합을 높일 수 있다. 따라서, 에너지 변환 장치의 출력을 높일 수 있다.
바람직하게는, 에너지 변환 장치는 발전기이다. 기어는 동력원의 기어와 맞물려진다.
이 구성에 의하면, 고출력의 발전기를 실현할 수 있다.
바람직하게는, 에너지 변환 장치는 모터이다. 모터는, 케이스에 대향하여 배치된 고정자를 더 구비한다.
이 구성에 의하면, 고출력의 모터를 실현할 수 있다.
바람직하게는, 고정자는 케이스에 대하여 외측에 설치된다. 에너지 변환 장치는, 고정자의 외측에 설치되고, 링 형상으로 배치된 복수의 영구 자석을 포함하는, 추가의 자석 링과, 추가의 자석 링에 통과시켜지는, 추가의 코일과, 추가의 자석 링에 대하여 외측에 배치되는, 추가의 고정자를 더 구비한다.
이 구성에 의하면, 보다 고출력의 에너지 변환 장치를 실현할 수 있다.
바람직하게는, 고정자는 케이스에 대하여 외측에 설치된다. 에너지 변환 장치는, 고정자의 외측에 설치되고, 기어와 동일한 톱니 수를 갖는 기어가 형성되고, 링 형상으로 배치된 복수의 영구 자석을 포함하는, 추가의 자석 링과, 추가의 자석 링에 통과시켜지는, 추가의 코일과, 자석 링 및 추가의 자석 링의 회전을 서로 동기시키기 위한 동기 기구를 더 구비한다. 동기 기구는, 기어와 맞물리는 제 1 기어와, 추가의 기어와 맞물리는 제 2 기어와, 제 1 및 제 2 기어를 잇는 회전축을 갖는다. 제 1 기어의 톱니 수와 제 2 기어의 톱니 수는 동일하다.
이 구성에 의하면, 내측의 자석 링 및 외측의 자석 링(추가의 자석 링)을 동기하여 회전시킬 수 있으므로, 고정자를 2개의 자석 링의 사이에서 공통화할 수 있다. 2개의 자석 링을 동기하여 회전시킴으로써, 에너지 변환 장치의 출력을 보다 높일 수 있다.
본 발명에 의하면, 자석 링을, 커버의 연장부와 케이스의 저면과의 사이에 끼워진 복수의 차륜으로 지지함과 함께 회전시킨다. 이에 의해, 자석 링의 중량이 증대되더라도, 그 자석 링의 회전을 가볍게 할 수 있다. 따라서, 링 형상으로 배치된 영구 자석을 구비하는 에너지 변환 장치의 출력을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 형태에 관련된 에너지 변환 장치의 주요부를 개략적으로 나타낸 상면 투시도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 방향을 따른, 에너지 변환 장치의 단면을 나타낸 단면도이다.
도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ을 따른, 에너지 변환 장치의 단면을 나타낸 단면도이다.
도 4는 도 1∼도 3에 나타낸 자석 홀더의 사시도이다.
도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ 방향을 따른 자석 홀더의 단면을 나타낸 단면도이다.
도 6은 자석 홀더에 있어서의 영구 자석의 배치를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 영구 자석의 제 1 구성예를 나타낸 도면이다.
도 8은 영구 자석의 제 2 구성예를 나타낸 도면이다.
도 9는 분해 가능하게 구성된 자석 홀더의 예를 나타낸 도면이다.
도 10은 자석 홀더의 구성 부품끼리의 접합에 관한 구조의 일례를 나타낸 도면이다.
도 11은 코일에 관한 구성을 나타낸 제 1 도면이다.
도 12는 코일에 관한 구성을 나타낸 제 2 도면이다.
도 13은 복수의 차륜의 배치를 나타낸 상면도이다.
도 14는 규정 부재의 구성의 일례를 나타낸 도면이다.
도 15는 도 14에 나타난 규정 부재 및 차륜의 상면도이다.
도 16은 규정 부재의 구성의 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 17은 차륜에 의한 효과를 설명하기 위한 모식도이다.
도 18은 도 17에 나타난 구성의 측면도이다.
도 19는 한 겹의 원판에 의하여 구성되는 차륜을 설명한 도면이다.
도 20은 제 1 비교예의 구성을 나타낸 도면이다.
도 21은 제 2 비교예의 구성을 나타낸 상면도이다.
도 22는 도 21에 나타난 비교예의 일부를 나타낸 입면도이다.
도 23은 일반적인 코일의 단면을 설명한 도면이다.
도 24는 본 발명의 실시 형태에 관련된 자석 홀더와 코일과의 사이의 배치 관계를 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 25는 본 발명의 제 2 실시 형태에 관련된 에너지 변환 장치의 주요부를 개략적으로 나타낸 상면 투시도이다.
도 26은 구 형상 자석에 의한 영구 자석의 회전의 보조를 설명하기 위한 도면이다.
도 27은 본 발명의 실시 형태에 관련된 에너지 변환 장치의 제 1 변형례를 나타낸 도면이다.
도 28은 본 발명의 실시 형태에 관련된 에너지 변환 장치의 제 2 변형례를 나타낸 도면이다.
도 29는 본 발명의 실시 형태에 관련된 에너지 변환 장치의 제 3 변형례를 나타낸 도면이다.
도 30은 본 발명의 실시 형태에 관련된 에너지 변환 장치가 발전기로서 사용되는 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 31은 도 30에 나타낸 구성을 모식적으로 설명한 측면도이다.
도 32는 본 발명의 실시 형태에 관련된 에너지 변환 장치가 모터(전동기)로서 사용되는 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 33은 도 32에 나타낸 구성을 모식적으로 설명한 측면도이다.
도 34는 본 발명의 실시 형태에 관련된 에너지 변환 장치의 다른 실시예를 나타낸 모식도이다.
도 35는 본 발명의 실시 형태에 관련된 에너지 변환 장치의 또 다른 실시예를 나타낸 모식도이다.
도 36은 두 개의 자석 링을 동기하여 회전시키는 기구의 구성예를 나타낸 도면이다.
이하에, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 도면 내의 동일 또는 상당 부분에는 동일한 부호를 붙이고 그 설명은 반복하지 않는다.
[실시 형태 1]
도 1은, 본 발명의 제 1 실시 형태에 관련된 에너지 변환 장치의 주요부를 개략적으로 나타낸 상면 투시도이다. 도 2는, 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 방향을 따른, 에너지 변환 장치의 단면을 나타낸 단면도이다. 도 3은, 도 1의 Ⅲ-Ⅲ에 따른, 에너지 변환 장치의 단면을 나타낸 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하여, 에너지 변환 장치(100)는, 수평면에 설치된다. 본 명세서에서는, 「수평면」이라는 용어는, 중력 방향에 대하여 교차하는 면을 의미하고, 중력 방향에 대하여 엄밀하게 90°의 각도로 교차하는 면이라고 한정되는 것은 아니다. 다만, 중력 방향과의 이루는 각도가 90°에 가능한 한 가까운 면에 에너지 변환 장치(100)를 놓는 것이, 에너지 변환 장치(100)의 동작 상으로는 바람직하다. 또, 본 명세서에 있어서 상하 방향이란, 중력 방향(연직 방향)을 의미하는 것으로 한다.
에너지 변환 장치(100)는, 영구 자석(1)과 자석 홀더(2)와 커버(3)와 기어(4)와 케이스(5)와 차륜(6)과 전동체(7)와 코일(8)을 구비한다. 영구 자석(1)과 자석 홀더(2)와 커버(3)와 기어(4)에 의해서 자석 링이 구성된다.
영구 자석(1)은, 자석 홀더(2)에 형성된 자석 박스(2a)에 수용된다. 도 1에서는 10개의 영구 자석이 자석 홀더(2)에 수용되도록 도시된다. 다만, 이 구성은 일례이며, 자석 홀더(2)에 수용되는 영구 자석(1)의 개수는 적어도 1개이면 된다.
영구 자석(1)에는, 희토류 자석이 바람직하게 이용된다. 일반적으로, 동일한 크기의 페라이트 자석에 비교하여, 희토류 자석은 강한 자력(보자력)을 갖는다. 희토류 자석으로서는, 예를 들면 사마륨 코발트 자석 또는 네오디뮴 자석을 이용할 수 있다. 본 발명의 실시 형태에서는 특히 네오디뮴 자석이 바람직하게 이용된다.
네오디뮴 자석은 일반적으로 사마륨 코발트 자석에 비교하여, 동일한 크기에서 강한 자력(보자력)을 갖는다. 따라서, 예를 들면 소형의 영구 자석을 이용할 수 있다. 또는, 동일한 사이즈의 사마륨 코발트 자석을 이용한 경우에 비하여, 네오디뮴 자석을 이용함으로써 에너지 변환 장치의 출력을 높일(큰 에너지를 뽑아낼) 수 있다. 다만, 본 발명의 실시 형태는, 희토류 자석 이외의 영구 자석을 배제하는 것은 아니다. 영구 자석(1)에 페라이트 자석을 사용하는 것도 물론 가능하다.
자석 홀더(2)는, 링 형상으로 형성되어, 영구 자석(1)을 유지한다. 자석 박스(2a)의 상부는 개구되어 있다. 따라서, 영구 자석(1)은, 자석 홀더(2)의 상방으로부터 자석 박스(2a)에 삽입된다. 자석 홀더(2)에는, 복수의 자석 박스가 형성되어 있다. 자석 박스(2a)에 영구 자석(1)을 삽입함으로써, 영구 자석(1)이 링 형상으로 배치된다. 또한, 모든 자석 박스(2a)에 영구 자석(1)이 수용되도록 한정되는 것이 아니라, 복수의 자석 박스(2a) 중 적어도 하나에 영구 자석(1)이 들어 있지 않아도 된다.
자석 홀더(2)는 비자성 재료에 의해서 제작된다. 비자성 재료이면 자석 홀더(2)의 재질은 특별히 한정되지 않는다. 하나의 실시 형태에 있어서, 자석 홀더(2)는 비자성 금속(예를 들면, 알루미늄)에 의해서 형성된다. 영구 자석(1)의 온도가 너무 높아지면 영구 자석(1)이 감자(減磁)할 가능성이 있다. 즉, 영구 자석(1)의 자력이 약해질 가능성이 있다. 자석 홀더(2)를 비자성 금속에 의해서 형성함으로써, 영구 자석(1)에 생기는 열을 효율적으로 외부에 방산(放散)할 수 있으므로, 이와 같은 문제가 생길 가능성을 저감할 수 있다. 다른 실시 형태에 있어서 자석 홀더(2)는 수지 재료에 의하여 형성된다. 수지 재료에 의하여 자석 홀더(2)를 형성함으로써, 자석 홀더(2)의 중량을 가볍게 할 수 있다. 또한, 자석 홀더(2)의 성형이 용이해진다는 이점도 얻을 수 있다.
커버(3)는, 링 형상으로 형성됨과 함께, 자석 홀더(2)의 상면을 덮는다. 커버(3)는, 자석 홀더(2)와 동심으로 되도록 자석 홀더(2)에 장착된다. 커버(3)의 폭은, 자석 홀더(2)의 폭보다 넓게 형성되어 있다. 따라서, 커버(3)가 자석 홀더(2)에 장착된 상태에 있어서, 커버(3)에는 연장부(3a)가 형성된다. 연장부(3a)는, 자석 홀더(2)로부터 돌출된 커버(3)의 부분이다. 이 실시 형태에서는, 연장부(3a)는, 자석 홀더(2)의 내경 방향으로 연장된다.
기어(4)는, 커버(3) 및 자석 홀더(2)에 기계적으로 고정된다. 기어(4)는, 링 형상으로 형성되고, 커버(3)와 함께, 자석 홀더(2)와 동심으로 배치된다. 기어(4) 및 커버(3)를 고정하기 위하여 나사(11)가 이용된다. 나사(11)는 기어(4) 및 커버(3)를 관통하여, 자석 홀더(2)에 고정된다.
나사(11)의 헤드가 기어(4)의 상표면으로부터 돌출하지 않도록 기어(4)의 상표면이 가공된다. 기어(4)에는, 에너지 변환 장치(100)의 외부의 기어(도시 생략)와 맞물리기 위하여 바깥쪽 톱니가 형성된다. 기어(4)의 바깥쪽 톱니는, 자석 홀더(2)의 회전축에 대하여 외측으로 향해져 있다.
커버(3)와 마찬가지로, 기어(4)의 폭은 자석 홀더(2)의 폭보다 넓다. 기어(4)를 커버(3)에 장착했을 때에, 기어(4)는 자석 홀더(2)로부터 자석 홀더(2)의 내경 방향으로 연장된다. 기어(4)의 폭은 커버(3)의 폭보다 작다. 구체적으로는, 기어(4)의 내경이 커버(3)의 내경보다 크다. 기어(4)의 외경은 커버(3)의 외경과 대략 동일한 크기이다. 따라서, 케이스(5)의 내측면과 기어(4)와의 사이에 공간이 형성된다. 이 공간에 전동체(7)가 배치된다.
케이스(5)는, 자석 링, 즉, 영구 자석이 수용된 자석 홀더(2)와 커버(3)와 기어(4)를 수용한다. 케이스(5)는, 자석 홀더(2)와 커버(3)와 기어(4)와 공통의 중심을 갖는 링 형상으로 형성된다. 점 P는 자석 홀더(2), 커버(3), 기어(4) 및 케이스(5)의 공통의 중심을 나타내고 있다. 점 P로 표현되는 중심이란, 도 2 및 도 3에 나타낸 회전축에 대응한다. 이후에 설명하는 도면에 있어서도, 점 P와 회전축과의 사이의 관계는 상기의 관계와 동일하므로 설명은 반복하지 않는다.
기어(4)의 일부를 외부에 노출시키기 위한 윈도우부(5a)가 케이스(5)에 형성된다. 윈도우부(5a)에 있어서, 외부의 기어(도시 생략)를 기어(4)에 맞물리게 할 수 있다. 또한, 기어(4)의 일부가 노출 가능하면, 윈도우부(5a)가 형성되는 개소는 한정되지 않는다. 또, 윈도우부(5a)는 케이스(5)의 1 개소에 형성되는 것으로 한정되지 않고, 케이스(5)의 복수의 개소에 형성되어 있어도 된다.
차륜(6)은, 원판(6a, 6b)과 원판(6a, 6b)을 잇는 회전축(6c)을 갖는다. 차륜(6)은, 케이스(5)의 내측면과 자석 홀더(2) 사이에 배치된다. 또한 차륜(6)은, 케이스(5)의 바닥과 커버(3)의 연장부(3a)에 접한다. 즉, 차륜(6)은, 커버(3)의 연장부(3a)를 지지함으로써, 영구 자석(1)이 수용된 자석 홀더(2)를 지지하고 있다. 자석 홀더(2)의 회전에 따라, 차륜(6)이 회전한다. 차륜(6)의 회전에 따라, 자석 홀더(2)를 순조롭게 회전시킬 수 있다.
자석 링의 중량, 즉, 자석 홀더(2), 커버(3) 및 기어(4)의 중량의 합계를 분산시키기 위하여, 차륜(6)의 개수는 많을수록 바람직하다. 이 때문에, 차륜(6)의 개수는 2 이상인 것이 바람직하다. 또한, 자석 홀더(2)를 안정적으로 회전시키기 위하여, 차륜(6)의 개수가 3 이상인 것이 바람직하다. 이상적으로는, 차륜(6)과 커버(3)는 점에서 접한다. 세 개의 점에 의해서 하나의 평면이 규정된다. 차륜(6)의 개수가 3이면, 각 차륜(6)에 커버(3)가 접함으로써 커버(3)의 표면이, 상기의 「하나의 평면」과 일치한다. 따라서, 예를 들면 자석 홀더(2)의 회전 중에 커버(3)가 기울어지거나 상하로 진동하거나 하는 것을 방지할 수 있다.
각각의 차륜(6)의 회전축(6c)은 규정 부재(9)에 통과시켜진다. 이에 의해, 복수의 차륜(6)의 사이의 상대적인 거리가 규정된다. 자석 홀더(2)의 회전에 따라서 커버(3)가 회전하더라도, 규정 부재(9)에 의해서 복수의 차륜(6)의 사이의 상대적인 거리는 변화되지 않는다. 이에 의해, 차륜(6)이 커버(3)를 안정적으로 지지할 수 있음과 함께, 자석 홀더(2)를 순조롭게 계속 회전시킬 수 있다. 차륜(6)을 가능한 한 순조롭게 회전시키기 위하여, 규정 부재(9)는, 회전축(6c)과의 접촉 부분이 가능한 한 작아지도록 형성되는 것이 바람직하다. 규정 부재(9)의 구체예에 대해서는 나중에 상세하게 설명한다.
이 실시 형태에서는, 자석 홀더(2)가 커버(3)에 매달려짐과 함께 차륜(6)이 커버(3)를 지지하고 있다. 따라서, 커버(3)는, 어느 정도의 강도를 갖는 것이 바람직하다. 다만, 커버(3)의 재질은 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 금속, 수지 등이다. 또, 차륜(6)도, 자석 홀더(2), 커버(3) 및 기어(4)의 중량에 견딜 수 있는 강도를 가질 필요가 있다. 또한, 자석 홀더(2)가 고속으로 회전한 경우, 커버(3)의 회전에 의해 차륜(6)도 고속으로 회전한다. 이 때문에 고속의 회전이 가능하도록, 차륜(6)은 가능한 한 경량인 것이 바람직하다. 따라서, 차륜(6)은, 예를 들면 금속(예를 들면, 알루미늄)에 의해 형성된다.
전동체(7)는 비자성체의 구(球)이다. 전동체(7)는 기어(4)와 케이스(5)의 내측면에 접한다. 이에 의해, 자석 홀더(2)의 회전 시에, 자석 홀더(2)가 좌우 방향(자석 홀더(2)의 지름 방향)으로 진동하는 것을 방지할 수 있다. 커버(3)는 차륜(6)에 접하고 있으나, 커버(3)와 차륜(6) 사이의 마찰력은 작다. 따라서, 자석 홀더(2)의 회전 시에, 원심력에 의해서 커버(3)가 좌우 방향으로 슬라이드할 가능성이 있다. 기어(4)와 케이스(5)의 내측면에 접하는 전동체(7)를 배치함으로써, 커버(3)가 좌우 방향으로 슬라이드하는 것을 방지할 수 있으므로, 자석 홀더(2)가 좌우 방향(자석 홀더(2)의 지름 방향)으로 진동하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 자석 홀더(2)의 회전을 안정시킬 수 있다.
또한, 케이스(5), 전동체(7) 및 기어(4)에 의해서 볼 베어링이 구성된다. 전동체(7)가 회전함으로써, 자석 홀더(2)의 회전을 보조할 수 있다. 이에 의해서도 자석 홀더(2)의 회전을 안정시킬 수 있다.
전동체(7)는, 기어(4) 및 케이스(5)의 내측면에 부가하여, 케이스(5)의 내측의 상면(기어(4)와 대향하는 면)에 접한다. 이에 의해 자석 홀더(2)의 회전 시에, 좌우 방향뿐만 아니라, 상하 방향으로도 자석 홀더(2)의 진동을 억제할 수 있다.
또한, 전동체(7)에 원주(圓柱)(롤러)를 이용해도 된다. 이 경우, 원주(롤러)의 측면이 기어(4)와 케이스(5)의 내측면에 접하도록 원주(롤러)가 설치된다. 이 구성에 의하면, 자석 홀더(2)가 좌우 방향(자석 홀더(2)의 지름 방향)으로 진동하는 것을 방지할 수 있다.
코일(8)은 스풀(10)에 권회된다. 스풀(10)은 케이스(5)에 통과시켜진다. 따라서, 코일(8)은 케이스(5)의 주위에 권회된다. 코일(8)의 선재, 감는 횟수는 특별히 한정되는 것은 아니다. 또, 스풀(10)은, 에너지 변환 장치(100)를 평면 상에 지지하기 위한 지지 부재로서의 역할도 한다.
자석 홀더(2)의 단면은 직사각형이다. 또한, 케이스(5)의 단면도 직사각형이다. 스풀의 단면이 원형인 경우, 자석 홀더(2)와 코일(8) 사이의 거리가 커질 가능성이 있다. 코일(8)과 영구 자석(1) 사이의 거리가 커지면 코일(8)과 영구 자석(1) 사이의 자기 결합력이 저하된다. 그러나, 이 실시 형태에서는, 스풀(10)의 단면도 직사각형이므로, 자석 홀더(2)와 코일(8) 사이의 거리를 가능한 한 짧게 할 수 있다. 이에 의해, 코일(8)과 영구 자석(1) 사이의 자기 결합력의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 도 2 및 도 3에서는 차륜(6)의 구조를 명확하게 나타내기 위하여, 차륜(6)이 좌우 방향으로 크게 그려져 있다. 그러나, 차륜(6)의 좌우 방향의 폭은 가능한 한 작은 것이 바람직하다.
도 1에서는 5개의 코일(8)이 도시되어 있다. 그러나, 코일(8)의 개수는 최저 하나이면 되고, 특별히 한정되는 것은 아니다. 코일(8)의 개수가 복수인 경우, 그들 복수의 코일은 케이스(5)에 의해서 규정되는 원주 상에 등각도로 배치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시 형태에 관련된 에너지 변환 장치(100)는, 전기 에너지(전력)와 기계 에너지(운동 에너지) 중 일방으로부터 타방으로 변환 가능하게 구성된다. 하나의 실시 형태에 있어서, 에너지 변환 장치(100)는 발전기로서 사용된다. 이 경우, 기어(4)와 맞물리는 외부의 기어를 동력원에 의해서 회전시킨다. 이에 의해, 자석 홀더(2)를 회전시키기 위한 운동 에너지가 에너지 변환 장치(100)에 부여된다. 자석 홀더(2)에 수용된 영구 자석(1)이 코일(8)의 내부를 관통함으로써, 코일(8)에 전압이 발생한다. 따라서, 에너지 변환 장치(100)로부터 전기 에너지를 뽑아낼 수 있다. 즉, 에너지 변환 장치(100)는 기계 에너지를 전기 에너지로 변환한다.
다른 실시 형태에서는, 에너지 변환 장치(100)는 모터(전동기)로서 이용된다. 이 경우에는, 자석 홀더(2)가 회전자로서 기능하고, 복수의 코일(8)이 고정자로서 기능한다. 복수의 코일(8)의 각각에 전압이 인가됨으로써, 에너지 변환 장치(100)에 전기 에너지가 부여된다. 복수의 코일(8)은, 소정의 전기각으로 배치되어 있다. 복수의 제 1 코일의 각각에 인가되는 전압의 극성이 전기각에 동기하여 전환된다. 이에 의해 영구 자석(1)이 수용된 자석 홀더(2)가 회전한다. 즉, 에너지 변환 장치(100)는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환한다. 에너지 변환 장치(100)의 이용 형태의 일례에 대해서는, 나중에 상세하게 설명한다.
도 4는 도 1∼도 3에 나타낸 자석 홀더(2)의 사시도이다. 도 5는, 도 4의 Ⅴ-Ⅴ 방향을 따른 자석 홀더(2)의 단면을 나타낸 단면도이다. 도 4 및 도 5를 참조하여, 자석 홀더(2)에는 복수의 자석 박스(2a)가 형성된다. 자석 박스(2a)의 상부는 개구되어 있다. 또한, 자석 홀더(2)에는, 도 2 및 도 3에서 나타난 나사(11)를 고정하기 위한 나사 구멍(2b)이 형성된다.
도 6은, 자석 홀더에 있어서의 영구 자석의 배치를 설명하기 위한 도면이다. 도 6을 참조하여, 10개의 영구 자석(1a∼1j)은, 자석 홀더(2)의 내부에 있어서, 원주(12)를 따르도록 배치됨과 함께 유지된다. 연속적으로 전기 에너지를 뽑아내기 위하여, 또는 연속적으로 자석 홀더(2)를 회전시키기 위하여, 이웃하는 두 개의 영구 자석은, 동일한 극(N극 또는 S극)끼리가 대향하도록 자석 홀더(2)의 내부에 배치된다.
기계 에너지와 전기 에너지 중 일방으로부터 타방으로 변환하는 기능의 관점에서는, 자석 홀더(2)에 수용되는 영구 자석의 개수는 최저 하나이면 된다. 다만, 자석 홀더(2)의 중량의 밸런스를 잡는다는 관점에서는, 자석 홀더(2)의 내부에 있어서 복수의 영구 자석을 등방적으로 배치하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 자석 홀더(2)의 회전을 안정시킬 수 있으므로, 자석 홀더(2)를 고속으로 회전시키는 것이 가능하게 된다.
또, 동일한 극이 대향하도록 영구 자석이 배치되는 것이라면, 자석 홀더(2)에 수납되는 영구 자석의 개수는 10개에 한정되는 것은 아니다. 에너지 변환 장치(100)의 성능, 치수 또는 코일(8)의 개수 및 배치 등에 의해서, 자석 홀더(2)에 수납되는 영구 자석의 개수는 적절하게 정해진다.
도 7은, 영구 자석의 제 1 구성예를 나타낸 도면이다. 도 7을 참조하여, 영구 자석(1)은, 각각이 부채 형상으로 형성된 복수의 자석 블록(1.1)을 포함한다. 자석 블록(1.1)의 외주부의 길이(자석 블록(1.1)의 두께)는 t1이다. 적절한 개수의 자석 블록(1.1)을 늘어세움으로써, 영구 자석(1)의 외주의 길이 L1을, 자석 박스(2a)(도 4 참조)의 외주의 길이에 가능한 한 근접시킬 수 있다. 따라서, 자석 박스(2a)의 내부에, 가능한 한 많은 자석 블록(1.1)을 늘어세울 수 있다. 이웃하는 2개의 자석 블록끼리는, N극과 S극이 서로 대향하도록 늘어세워진다.
도 8은, 영구 자석의 제 2 구성예를 나타낸 도면이다. 도 8을 참조하여, 영구 자석(1)은, 직육면체(각형)의 복수의 자석 블록(1.2)을 포함한다. 자석 블록(1.2)의 두께는 t2이다. 도 7에 나타낸 구성과 마찬가지로, 적절한 개수의 자석 블록(1.1)을 늘어세움으로써, 영구 자석(1)의 길이 L2를 자석 박스(2a)(도 4 참조)의 내주의 길이에 가능한 한 근접시킬 수 있다. 도 7에 나타난 구성과 마찬가지로, 이웃하는 두 개의 자석 블록끼리는, N극과 S극이 서로 대향하도록 늘어세워진다.
상술한 바와 같이, 영구 자석(1)에는, 예를 들면 네오디뮴 자석 등, 강한 보자력을 갖는 영구 자석을 적용하는 것이 가능하다. 그러나, 단일의 자석 블록의 경우, 그 사이즈가 커질수록, 사이즈에 따른 자력을 얻기가 곤란하게 된다. 본 실시 형태에서는, 복수의 자석 블록이 나란히 배치됨으로써 하나의 영구 자석(1)이 구성된다. 자석 블록의 개수를 조정함으로써, 자력을 조정하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 영구 자석(1)의 자력을 강하게 할 수 있다.
자석 홀더(2)를 복수의 코일(8)에 통과시키기 위하여, 예를 들면 자석 홀더(2)가 분해 가능하게 구성된다. 도 9는, 분해 가능하게 구성된 자석 홀더(2)의 예를 나타낸 도면이다. 도 9를 참조하여, 예를 들면 자석 홀더(2)는, 8개의 부품(2.1∼2.8)으로 분해 가능하다. 부품끼리의 접합에 의해서, 자석 홀더(2)가 형성된다.
도 10은, 자석 홀더의 구성 부품끼리의 접합에 관한 구조의 일례를 나타낸 도면이다. 도 10을 참조하여, 부품(2.1)의 접합면에는 네 개의 핀 구멍(2d)과, 두 개의 오목부(2e)와, 두 개의 볼록부(2f)가 형성된다. 한편, 부품(2.2)의 접합면측에도 핀 구멍(2d)에 대응하는 위치에 핀 구멍이 형성되고, 그 핀 구멍에 핀(2g)이 삽입된다. 또한, 부품(2.2)의 접합면에는, 부품(2.1)의 오목부(2e)에 감합(嵌合)되는 볼록부(2h)와, 부품(2.1)의 볼록부(2f)에 감합되는 볼록부(2i)가 형성된다. 핀(2g)을 핀 구멍(2d)에 꽂고, 오목부와 볼록부를 감합시킴으로써 부품(2.1)과 부품(2.2)이 접합된다. 다른 부품끼리의 접합의 구조도 도 10에 나타낸 구조와 동일하다.
또한, 커버(3), 기어(4) 및 케이스(5)도 링 형상으로 형성된다. 따라서, 커버(3), 기어(4) 및 케이스(5)도 자석 홀더(2)와 마찬가지로 복수의 부분으로 분할 가능하게 구성된다. 복수의 부품을 접합하기 위한 구성에는, 자석 홀더(2)에 있어서의 구성과 유사한 구성을 적용할 수 있다.
도 11은, 코일(8)에 관한 구성을 나타낸 제 1 도면이다. 도 12는, 코일에 관한 구성을 나타낸 제 2 도면이다. 도 11 및 도 12를 참조하여, 코일(8)이 권회된 스풀(10)이 핀(10a) 및 나사(10b)에 의해서 토대(15)에 고정된다. 토대(15)의 표면이 에너지 변환 장치(100)의 설치면에 대응한다. 핀(10a)은 토대(15)의 표면에 설치된다.
또, 토대(15)에는 나사 구멍이 형성된다. 토대(15)의 표면과 접하는 스풀(10)의 부분에서는, 스풀(10)의 내측을 향하여 핀(10a)이 꽂히는 핀 구멍(10c)이 형성됨과 함께, 나사(10b)를 통과하게 하기 위한 관통 구멍이 형성된다. 핀 및 나사의 양방이 필요하다고 한정되는 것은 아니고, 핀 및 나사 중 어느 일방에 의해서 스풀(10)을 토대(15)에 고정할 수도 있다.
코일(8)의 스풀(10)이 예를 들면 상하 방향으로 분할 가능하도록 구성되어 있어도 된다. 이 경우에는, 케이스(5)를 사이에 두도록 스풀(10)을 조립하여, 그 스풀(10)에 코일(8)이 감긴다. 스풀(10)에 코일(8)이 감긴 후에, 도 11 및 도 12에 나타난 바와 같이, 토대(15)에 스풀(10)이 설치된다. 또한, 스풀(10)뿐만 아니라 코일(8)도 분할되어 있어도 된다. 이 구성의 경우에는, 자석 홀더(2), 커버(3), 기어(4) 및 케이스(5)의 각각을 복수의 부품으로 분할하지 않더라도 에너지 변환 장치를 조립하는 것이 가능하게 된다.
계속해서, 자석 홀더(2)를 지지 및 회전시키기 위한 구성에 대하여 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 형태에서는, 자석 홀더(2)에 장착된 커버(3)를 복수의 차륜(6)에 의해서 지지한다. 또한, 복수의 차륜(6)은, 자석 홀더(2)의 회전(커버(3)의 회전)에 따라서 회전한다.
도 13은, 복수의 차륜(6)의 배치를 나타낸 상면도이다. 도 13을 참조하여, 복수의 차륜(6)의 회전축은 규정 부재(9)에 통과시켜진다. 규정 부재(9)는 원환 형상으로 형성된다. 따라서, 복수의 차륜(6)은 원주 상에 배치된다. 규정 부재(9)에 의해서, 2개의 차륜(6)의 사이의 상대적인 거리(도 13에 나타난 거리 D)가 일정하게 유지된다. 또한, 복수의 차륜(6)은 원주 상에 있어서 등각도로 배치된다. 따라서 커버(3)를 안정적으로 유지할 수 있다. 이에 의해, 커버(3)에 장착된 자석 홀더(2)를 안정적으로 회전시킬 수 있다. 또한, 커버(3) 및 자석 홀더(2)가 회전할 때에는, 복수의 차륜(6) 및 규정 부재(9)의 전체가, 규정 부재(9)에 의해서 정해지는 원주를 따라 회전한다.
도 14는, 규정 부재의 구성의 일례를 나타낸 도면이다. 도 15는, 도 14에 나타난 규정 부재 및 차륜의 상면도이다. 도 14 및 도 15를 참조하여, 회전축(6c)은 원판(6a, 6b)을 고정하는 핀으로서 형성된다. 원판(6a, 6b)에는 회전축(6c)을 통과시키기 위한 관통 구멍이 형성된다. 또한, 규정 부재(9)에도, 회전축(6c)(핀)을 통과시키기 위한 관통 구멍(9a)이 형성된다.
도 16은, 규정 부재의 구성의 다른 예를 나타낸 도면이다. 도 16을 참조하여, 규정 부재(9)에는 절결부(9b)가 형성된다. 절결부(9b)가 차륜(6)의 회전축(6c)에 걸린다. 회전축(6c)과 규정 부재(9) 사이의 마찰력을 가능한 한 적게 하기 위하여, 회전축(6c)과 규정 부재(9)의 서로의 접촉 부분이 가능한 한 작아지도록, 관통 구멍(9a) 또는 절결부(9b)가 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 도 14∼도 16에 나타난 구성에 한정되지 않고, 여러 가지 구성을 규정 부재에 채용할 수 있다.
도 17은, 차륜(6)에 의한 효과를 설명하기 위한 모식도이다. 도 17을 참조하여, 설명을 간단하게 하기 위하여, 자석 홀더(2)가 장착된 커버(3), 및 커버(3)에 장착된 기어(4)를 세 개의 차륜(6)에 의해서 지지하는 것으로 한다. 자석 홀더(2)에는 영구 자석(1)이 수용되어 있다. 또, 설명을 간단하게 하기 위하여, 규정 부재(9)는 도 17에는 나타나 있지 않다.
영구 자석(1)을 포함하는 자석 홀더(2), 커버(3) 및 기어(4)의 전체의 중량이 세 개의 차륜(6)에 인가된다. 따라서, 차륜(6)에 있어서 커버(3)와 접하는 부분에는 힘 F1(하중)이 아래쪽 방향으로 인가된다. 한편, 차륜(6)으로의 하중에 대한 반작용에 의해서, 차륜(6)에 있어서 케이스(5)와 접하는 부분에, 힘 F1과 동일한 크기의 힘 F2가 위쪽 방향으로 인가된다.
힘 F1은, 영구 자석(1)을 포함하는 자석 홀더(2)의 중량, 커버(3)의 중량 및 기어(4)의 중량을, 차륜(6)의 개수로 나눈 크기와 동일하다. 본 발명의 실시 형태에서는 복수의 차륜이 이용된다. 따라서, 하나의 차륜(6)에 걸리는 힘 F1은 작아진다. 차륜(6)의 개수를 늘릴수록 힘 F1이 작아진다.
도 18은 도 17에 나타난 구성의 측면도이다. 도 18을 참조하여, 접촉부(16a)는, 원판(6a)에 있어서 커버(3)에 접하는 부분이다. 접촉부(16b)는, 원판(6a)에 있어서 케이스(5)에 접하는 부분이다. 마찬가지로, 접촉부(16c)는, 원판(6b)에 있어서 커버(3)에 접하는 부분이고, 접촉부(16d)는, 원판(6b)에 있어서 케이스(5)에 접하는 부분이다. 차륜(6)의 폭을 W로 하고, 원판(6a, 6b)의 폭을 W1으로 한다.
도 18에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시 형태에서는 힘 F1, F2의 각각은 두 개의 원판(6a, 6b)에 분산되어 인가된다. 따라서, 하나의 원판에 인가되는 힘은 더 작아진다. 또한, 접촉부(16a∼16d)의 폭 W1이 작다.
이와 같이, 본 발명의 실시 형태에 의하면, 자석 링(자석 홀더(2), 커버(3) 및 기어(4))의 중량이 복수의 차륜(6)에 분산되기 때문에, 하나의 차륜(6)에 가해지는 힘이 작아진다. 또한, 각 차륜(6)은 커버(3)의 연장부 및 케이스(5)의 저면에 대하여 작은 면적에서 접촉하고 있다. 이 때문에, 자석 링의 중량이 증대되더라도, 차륜(6)을 가볍게 회전시킬 수 있다. 이에 의해, 자석 링의 회전을 가볍게 할 수 있다.
자석 링의 회전이 가벼워지므로, 자석 링의 회전에 따른 에너지의 손실을 적게 할 수 있다. 따라서, 에너지 변환 장치(100)의 출력을 높일 수 있다.
또한, 자석 홀더(2)에 수납된 영구 자석(1)과 코일(도 18에 도시하지 않음) 사이의 자기 결합력을 높이기 위해서는, 양자 간의 거리를 가능한 한 짧게 할 필요가 있다. 코일은 케이스(5)의 주위에 감겨 있다. 따라서, 차륜(6)의 폭을 가능한 한 짧게 하기 위하여, 한 겹의 원판에 의해서 차륜(6)을 구성하는 것을 생각할 수 있다. 그러나 한 겹의 원판을 차륜(6)으로서 이용한 경우에는, 이하에 설명되는 바와 같은 과제가 발생한다.
도 19는, 한 겹의 원판에 의해 구성되는 차륜을 설명한 도면이다. 도 19를 참조하여, 차륜(6)의 폭은, 회전축(6c)의 폭 W2가 되고, 도 18에 나타난 폭 W보다 작다. 따라서, 영구 자석(1)과 코일(도 19에 도시하지 않음) 사이의 거리를 짧게 할 수 있다. 그러나, 원판(6b)에만 힘 F1, F2가 인가된다. 따라서, 도 18에 나타난 구성에 비하여, 원판(6b)이 보다 큰 힘으로 눌러진다. 접촉부(16a, 16b)의 폭을 작게 하더라도, 원판(6b)에 가해지는 힘이 커지기 때문에, 도 18에 나타난 구성에 비하여, 원판(6b)을 가볍게 회전시키기가 어렵게 된다. 또, 원판(6b)에 가해지는 힘이 크기 때문에, 원판(6b)의 내구성의 문제도 우려된다. 원판(6a)의 내구성을 높이기 위하여, 원판(6b)의 폭을 크게 하는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 접촉부(16a, 16b)의 폭이 커지므로, 차륜의 회전이 나빠질 가능성이 있다.
본 발명의 실시 형태에서는 차륜(6)을 복수의 원판에 의해서 구성한다. 이에 의해, 각 차륜에 가해지는 힘이 복수의 원판에 분산되므로, 하나의 원판에 가해지는 힘이 작아진다. 또한, 하나의 원판이 커버(3) 및 케이스(5)의 저면에 접촉하는 부분의 면적이 작다. 따라서 차륜(6)의 회전을 가볍게 할 수 있다. 또, 차륜(6)을 구성하는 원판의 내구성도 높일 수 있다. 차륜(6)의 회전을 가볍게 함으로써, 에너지의 손실을 작게 할 수 있다. 따라서, 에너지 변환 장치의 출력을 높일 수 있다.
하나의 차륜당의 원판의 개수를 늘림으로써 하나의 원판에 인가되는 힘은 작아지기는 하나, 차륜의 폭이 증대한다. 따라서, 이 실시 형태에서는 차륜(6)이 2매의 원판(6a, 6b)에 의해서 구성된다. 다만, 차륜(6)의 허용되는 폭에 여유가 있는 경우에는, 원판의 매수를 2보다 크게 할 수 있다.
상기 구성의 특징을, 다른 구성과의 비교에 의해, 더 자세하게 설명한다. 도 20은 제 1 비교예의 구성을 나타낸 도면이다. 또한, 이 구성은, 특허문헌 1(일본 공개특허 특개2010-283983호 공보)에 나타난 구성과 본질적으로 동일하다. 도 20을 참조하여, 베어링(21)은 케이스(5)의 저면에 설치된다. 자석 홀더(2)는, 베어링(21)에 얹혀짐으로써 지지된다.
베어링(21)은 지지체(21a) 및 볼(21b)을 포함한다. 자석 홀더(2)가 회전할 때에는 볼(21b)이 회전한다. 이에 의해, 자석 홀더(2)의 회전을 가볍게 할 수 있다. 그러나, 자석 홀더(2)의 하방에 빈틈없이 깔린 볼(21b)에 자석 홀더(2)의 저면이 접촉한다. 자석 홀더(2)에 접촉하는 볼의 개수가 많아지므로, 접촉 면적의 합계가 커진다.
또, 자석 홀더(2)에 수용되는 영구 자석(1)의 수를 늘림으로써, 자석 홀더(2)의 중량이 증대한다. 자석 홀더(2)의 중량이 증대하면, 볼(21b)이 자석 홀더(2)에 눌린다. 자석 홀더(2)의 표면 거칠기 등의 이유에 의해, 자석 홀더(2)의 저면과 볼(21b) 사이의 마찰이 커진다. 따라서, 자석 홀더(2)의 중량이 증대하면, 볼(21b)이 구르기 어려워져, 자석 홀더의 회전이 둔해진다.
이 문제를 해결하기 위하여, 볼(21b)을 크게 함으로써 자석 홀더(2)와 볼(21b)과의 접촉 면적을 작게 하는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 볼(21b)을 크게 하면, 자석 홀더(2)와 베어링(21)의 양방을 케이스(5)에 수용하기 위하여 케이스(5)의 단면적(케이스(5)의 내부 공간)을 크게 해야만 한다. 그러나, 자석 홀더(2)의 단면적은 바뀌지 않는다. 이 때문에, 케이스(5)의 주위에 권회되는 코일과, 자석 홀더(2)의 내부의 영구 자석과의 사이의 거리가 커진다. 코일과 영구 자석과의 사이의 거리가 커지면, 자기 결합력이 저하되므로, 에너지 변환 장치의 출력을 높이기가 어렵게 된다.
이에 대하여, 본 발명의 실시 형태에 의하면, 수직 배치의 차륜(6)에 의해서, 자석 홀더(2)에 장착된 커버(3)를 지지한다. 「수직 배치」란, 회전축이 수평 방향이 되도록 원판(6a, 6b)을 세운 상태이다. 도 20의 구성에 비하여, 커버(3)의 매우 일부분에밖에 차륜(6)이 접촉하지 않기 때문에, 접촉 면적이 작다. 따라서, 자석 홀더(2)를 가볍게 회전시킬 수 있다. 또한, 차륜(6)의 직경은, 자석 홀더(2)의 높이와 대략 동일한 정도이다. 따라서, 케이스(5)의 내부의 공간을 특별히 넓힐 필요를 없앨 수 있다. 이에 의해, 자석 홀더(2)의 내부에 수용된 영구 자석과 코일과의 사이의 거리를 짧게 할 수 있다.
도 21은 제 2 비교예의 구성을 나타낸 상면도이다. 도 22는, 도 21에 나타난 비교예의 일부를 나타낸 입면도이다. 이들 도면에 나타난 구성은, 특허문헌 2(일본 공개특허 특개2009-22140호 공보), 특허문헌 3(일본 공개특허 특개평7-23547호 공보), 특허문헌 4(국제공개 제2008/032410호 공보)에 개시된 특징 부분의 구성을 모식적으로 나타낸 것이다. 도 21 및 도 22를 참조하여, 자석 홀더(2)는 롤러(23)에 의해서 지지된다. 또한, 롤러(23)는 자석 홀더(2)의 회전을 보조한다. 도 22에 나타난 바와 같이, 롤러(23)의 회전축(23a)은, 상하 방향으로 연장되어 있다. 환언하면, 롤러(23)는 수평 배치되어 있다. 이 점에서 도 21, 도 22에 나타난 구성은, 본 발명의 실시 형태에 관련된 구성과 본질적으로 다르다.
자석 홀더(2)에 수용되는 영구 자석(1)의 수를 늘림으로써, 자석 홀더(2)의 중량이 증대한다. 예를 들면, 특허문헌 2의 구성에서는, 고무 롤러가 이용된다. 따라서, 자석 홀더(2)의 중량이 증대하면, 롤러(23)의 표면 중, 자석 홀더(2)와 접촉하는 부분(접촉부(23b))의 면적이 증대한다. 이에 의해서, 마찰력이 늘어나므로 자석 홀더(2)의 회전이 둔해진다. 또한, 자석 홀더(2)의 무게에 의해서, 예를 들면 롤러(23)의 회전축(23a)이 상하 방향으로부터 기울어질 가능성을 생각할 수 있다. 이와 같이 롤러(23)가 왜곡된 경우에도 롤러(23)는 회전하기 어려워진다. 그 결과, 자석 홀더(2)의 회전이 둔해진다.
이에 대하여 본 발명의 실시 형태에 의하면, 수직 배치의 차륜(6)에 의해서, 자석 홀더(2)에 장착된 커버(3)를 지지한다. 차륜의 회전축에 대하여 수직의 방향으로 힘이 가해지기 때문에, 차륜의 회전축이 기울어진다는 문제가 발생하지 않는다. 따라서, 도 21 및 도 22의 구성에 비하여, 자석 홀더(2)를 가볍게 회전시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 형태에 의하면, 케이스(5)의 단면 형상이 대략 직사각형이다. 단면 형상이란, 링의 지름 방향의 단면의 형상이다. 이에 의해 스풀(10)의 단면 형상도 대략 직사각형으로 할 수 있다. 동일하게 자석 홀더(2)의 단면 형상도 대략 직사각형이다.
도 23은 일반적인 코일의 단면을 설명한 도면이다. 도 23을 참조하여 코일(8)의 단면은 원형이다. 코일(8)의 내부에, 영구 자석(1)을 수용한 자석 홀더(2)가 배치된다. 그러나, 코일(8)의 내부에, 쓸데없는 공간이 많아져, 영구 자석(1)과 코일(8) 사이의 거리가 커진다. 이에 의해, 영구 자석(1)과 코일(8) 사이의 자기 결합력이 저하된다.
도 24는, 본 발명의 실시 형태에 관련된 자석 홀더와 코일 사이의 배치 관계를 모식적으로 나타낸 단면도이다. 도 24를 참조하여, 코일(8)의 단면이 직사각형이다. 즉, 코일(8)은, 자석 홀더(2)의 단면 형상을 따르도록, 자석 홀더(2)의 주위에 권회되어 있다. 이에 의해, 영구 자석(1)과 코일(8) 사이의 거리를 짧게 할 수 있으므로, 도 23에 나타낸 구성에 비교하여 영구 자석(1)과 코일(8) 사이의 자기 결합력을 높일 수 있다. 그 결과, 에너지 변환 장치(100)의 출력을 높일 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 제 1 실시 형태에 의하면, 영구 자석(1)이 수용된 링 형상의 자석 홀더(2)에 커버(3)가 장착된다. 커버(3)의 연장부(3a)는, 차륜(6)에 의해서 지지된다. 차륜(6)은, 수직 배치로 되어, 커버(3)의 연장부(3a) 및 케이스(5)의 저면에 접한다. 이에 의해, 자석 홀더(2)에 수용되는 영구 자석(1)의 수가 늘어남으로써 자석 홀더(2)의 중량이 증가하더라도, 자석 홀더(2)를 가볍게 회전시킬 수 있다. 즉, 자석 홀더(2)의 회전에 따른 에너지의 손실(운동 에너지의 손실)을 작게 할 수 있다. 따라서, 제 1 실시 형태에 의하면, 에너지 변환 장치(100)는 부여된 에너지로부터, 보다 많은 에너지를 뽑아낼 수 있다. 즉, 제 1 실시 형태에 의하면, 에너지 변환 장치의 출력을 높일 수 있다.
[실시 형태 2]
도 25는, 본 발명의 제 2 실시 형태에 관련된 에너지 변환 장치의 주요부를 개략적으로 나타낸 상면 투시도이다. 도 1 및 도 25를 참조하여, 제 2 실시 형태에 관련된 에너지 변환 장치(101)는, 자석 홀더(2)의 상방에 설치된 용기(31)와, 용기(31) 내에서 자유롭게 회전 가능하도록 용기(31)에 수용된 구 형상 자석(32)을 더 구비하는 점에서 제 1 실시 형태에 관련된 에너지 변환 장치(100)와 다르다. 또한, 에너지 변환 장치(101)의 다른 부분의 구성은, 도 1에 나타낸 에너지 변환 장치(100)의 대응하는 부분의 구성과 마찬가지이므로, 이후의 설명은 반복하지 않는다.
용기(31)는, 두 개의 코일(8)의 사이에 배치된다. 용기(31)는, 예를 들면 케이스(5)에 걸치도록 설치된 지지 부재에 의해서 지지된다. 이 경우, 당해 지지 부재가 케이스(5)의 윈도우부(5a)와 간섭하지 않도록, 용기(31)의 배치가 결정된다. 다만, 용기(31)를 고정하기 위한 방법 및 수단은 특별히 한정되는 것은 아니다.
구 형상 자석(32)은 영구 자석이다. 구 형상 자석(32)은, 자석 홀더(2)에 수용된 영구 자석(1)의 회전을 보조하는 역할을 한다. 구 형상 자석(32)은, 영구 자석이라면, 그 종류 등이 특별히 한정되는 것은 아니다. 또, 구 형상 자석(32)의 크기도 적절하게 정할 수 있다.
도 26은, 구 형상 자석에 의한 영구 자석의 회전의 보조를 설명하기 위한 도면이다. 도 26 (a)는 영구 자석의 회전의 제 1 단계를 나타낸다. 도 26 (b)는 영구 자석의 회전의 제 2 단계를 나타낸다. 도 26 (c)는, 영구 자석의 회전의 제 3 단계를 나타낸다. 또한, 도시하는 면에서의 사정상, 도 26에 있어서, 복수의 영구 자석(1)은, 지면(紙面)의 왼쪽으로부터 오른쪽을 향하여 직선적으로 이동하도록 도시되어 있다.
먼저, 도 26 (a)에 나타난 바와 같이, 제 1 단계에 있어서, 구 형상 자석(32)의 S극이 아래로 향하고 있는 것으로 한다. 복수의 영구 자석(1)의 이동 시에, 어떤 영구 자석의 S극이 구 형상 자석(32)의 S극과 가까워진다. 따라서, 그 영구 자석과 구 형상 자석(32)이 반발한다. 영구 자석(1)은 자석 홀더(2) 내에 유지되어 있으므로, 구 형상 자석(32)이 반발력의 영향을 받는다. 따라서, 구 형상 자석(32)이 회전한다. 구 형상 자석(32)의 회전에 의해서, 구 형상 자석(32)의 N극이 아래로 향해진다.
다음으로, 도 26 (b)에 나타난 바와 같이, 제 2 단계에 있어서, 영구 자석의 S극과 구 형상 자석(32)의 N극 사이에 흡인력이 발생한다. 이 흡인력 중, 복수의 영구 자석(1)의 전진 방향의 성분에 의해서, 복수의 영구 자석(1)의 회전이 보조된다.
계속해서, 도 26 (c)에 나타난 바와 같이, 제 3 단계에 있어서, 상기의 영구 자석, 또는, 그 다음의 영구 자석의 N극이 구 형상 자석(32)의 N극과 가까워진다. 이에 의해서, 반발력이 다시 발생하고, 구 형상 자석(32)이 다시 회전한다. 구 형상 자석(32)의 회전에 의해, 구 형상 자석(32)의 S극이 아래로 향해진다. 영구 자석의 N극과 구 형상 자석(32)의 S극과의 사이에 흡인력이 발생하므로, 복수의 영구 자석(1)의 전진 방향의 성분이 발생한다. 이후, 도 26 (a)∼도 26 (c)에 나타난 상태가 반복된다.
또한, 설명을 이해하기 쉽게 하기 위하여, 도 26에는, 자석 홀더(2)의 자석 박스(2a)에 수용된 영구 자석(1)이 도시된다. 상기와 같이, 영구 자석(1)은, 복수의 자석 블록에 의해서 구성된다(도 7 및 도 8을 참조). 복수의 자석 블록의 각각과 구 형상 자석(32) 사이에 작용하는 효과는, 도 26에 나타난 효과와 동일하다.
이상과 같이, 제 2 실시 형태에 의하면, 구 형상 자석에 의해서, 영구 자석이 수용된 자석 홀더(2)의 회전을 한층더 가볍게 할 수 있다.
< 에너지 변환 장치의 구성의 변형례 >
본 발명의 실시 형태에 관련된 에너지 변환 장치의 구성은, 상기의 구성에 한정되는 것은 아니다. 이하에 있어서, 자석 홀더(2)를 가볍게 회전시키기 위한 상기 구성의 변형례를 설명한다. 또한, 상기의 구성에 이하의 변형례를 적절하게 조합하는 것도 가능하다.
도 27은, 본 발명의 실시 형태에 관련된 에너지 변환 장치의 제 1 변형례를 나타낸 도면이다. 도 27을 참조하여, 케이스(5)의 내부에, 차륜(6)에 부가하여 차륜(36)이 설치된다. 차륜(36)은, 차륜(6)과 마찬가지의 구성을 갖고, 원판(36a, 36b)과 원판(36a, 36b)을 잇는 회전축(36c)을 구비한다. 또한, 차륜(6)과 마찬가지로, 차륜(36)도 복수 설치되는 것이 바람직하다. 이 때문에, 복수의 차륜(36) 사이의 상대적인 거리를 규정하기 위한 규정 부재(39)가 설치된다. 차륜(36)의 회전축(36c)은 규정 부재(39)에 통과시켜진다. 규정 부재(39)의 구성에 대해서는, 도 14∼도 16에 나타난 규정 부재(9)의 구성과 마찬가지의 구성을 채용할 수 있다.
차륜(36)은, 자석 홀더(2)에 대하여 차륜(6)의 반대측, 즉, 자석 홀더(2)에 대하여 외측에 위치한다. 도 27에 나타난 구성에서는, 커버(3)의 지름 방향을 따라 자석 홀더(2)에 대하여 외측에 연장되는 연장부(3b)가 커버(3)에 형성된다. 차륜(36)은, 커버(3)의 연장부(3b)와 케이스(5)의 저면에 접한다.
이 구성에 의하면, 복수의 차륜(6) 및 복수의 차륜(36)에 의해서, 자석 홀더(2)가 장착된 커버(3)가 지지된다. 이에 의해, 자석 홀더(2), 커버(3) 및 기어(4)의 모든 중량이, 보다 많은 차륜에 분산된다. 따라서, 하나의 차륜에 인가되는 힘이 보다 작아지므로, 차륜의 회전이 가벼워진다. 따라서, 자석 홀더(2)의 회전을 가볍게 할 수 있다. 자석 홀더(2)의 회전을 가볍게 할 수 있으므로, 예를 들면 자석 홀더(2)에 수용되는 영구 자석의 수를 늘릴 수도 있다. 이에 의해서, 에너지 변환 장치의 출력을 한층더 높일 수 있다.
도 28은, 본 발명의 실시 형태에 관련된 에너지 변환 장치의 제 2 변형례를 나타낸 도면이다. 도 28을 참조하여, 자석 홀더(2)의 저부는, 전동체(7a, 7b)와 접하도록 가공되어 있다. 전동체(7a, 7b)는, 케이스(5)의 저면에 배치되어, 자석 홀더(2)의 회전을 보조한다.
상기와 같이, 차륜(6)이 없는 경우에는, 자석 홀더(2), 커버(3) 및 기어(4)의 모든 중량이 전동체(7a, 7b)에 인가된다. 이 때문에, 자석 홀더(2)의 중량이 증대되면 자석 홀더(2)의 회전이 둔해질 가능성이 있다. 그러나, 본 발명의 실시 형태에서는, 차륜(6)에 의해서 자석 홀더(2)가 장착된 커버(3)가 지지되어 있다. 따라서, 전동체(7a, 7b)에 인가되는 힘은 작다. 또한, 자석 홀더(2)의 저부의 2 개소의 양방에 전동체가 배치되도록 한정할 필요는 없다. 도 28에 나타난 자석 홀더(2)의 저부의 2 개소 중 어느 1 개소에만 전동체가 설치되어 있어도 된다.
도 29는, 본 발명의 실시 형태에 관련된 에너지 변환 장치의 제 3 변형례를 나타낸 도면이다. 도 29를 참조하여, 기어(4)의 톱니가 자석 홀더(2)의 회전축측으로 향해져 있다. 따라서, 케이스(5)의 윈도우부(5a)는, 자석 홀더(2)의 회전축측을 향하여 형성되어 있다. 이와 같이 기어(4)의 톱니가 케이스(5)의 외경측, 케이스(5)의 내경측 중 어느 측에 있어도 된다.
< 응용례 >
도 30은, 본 발명의 실시 형태에 관련된 에너지 변환 장치가 발전기로서 사용되는 일 실시예를 나타낸 도면이다. 도 31은, 도 30에 나타낸 구성을 모식적으로 설명한 측면도이다.
도 30 및 도 31을 참조하여, 기어(4)는, 외부의 기어(41)와 맞물린다. 기어(41)는 동력원으로서의 모터(42)의 회전축에 접속된다. 전원(43)으로부터 모터(42)에 전력이 공급됨으로써 기어(41)가 회전한다. 이에 의해, 에너지 변환 장치(100)의 기어(4)가 회전시켜진다. 즉, 에너지 변환 장치(100)에 기계 에너지가 부여된다. 기어(4)의 회전에 의해서 자석 홀더(2)가 회전하므로, 영구 자석(1)이 코일(8)을 통과한다. 이에 의해 코일(8)로부터 전력이 뽑아 내어진다.
발전기의 용도 및 코일(8)로부터 뽑아 내어진 전력의 용도는 특별히 한정되는 것은 아니다. 또, 도 31에는, 기어(41)를 회전시키기 위한 동력원으로서 모터(42)가 도시되어 있다. 그러나, 기어(41)를 회전시키기 위한 동력원, 즉 기계 에너지의 공급원은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 내연 기관(엔진)을 동력원으로 하는 것도 가능하다. 또, 예를 들면 사람의 힘을 이용한 회전 기구에 의해서 기어(41)가 회전해도 된다.
도 32는, 본 발명의 실시 형태에 관련된 에너지 변환 장치가 모터(전동기)로서 사용되는 일 실시예를 나타낸 도면이다. 도 33은, 도 32에 나타낸 구성을 모식적으로 설명한 측면도이다. 도 32 및 도 33을 참조하여, 자석 홀더(2)의 외측에 복수의 고정자(45)가 소정의 전기각으로 배치된다. 소정의 전기각은, 복수의 코일(8)의 배치에 따라서 결정된다. 또한, 도 32에 나타난 바와 같이, 평면적으로 보았을 경우, 두 개의 코일(8)의 사이에 하나의 고정자(45)가 배치된다. 고정자(45)는, 코어 및 그 코어에 감긴 코일에 의해서 구성된다.
케이스(5)의 윈도우부(5a)는, 고정자(45)와 간섭하지 않도록, 예를 들면 케이스(5)의 상부에 형성된다. 기어(4)는, 외부의 기어(46)와 맞물린다. 복수의 고정자(45)의 전류의 극성이 전환됨으로써, 자석 홀더(2)에 링 형상으로 배치된 복수의 영구 자석(1)이 회전한다.
각각의 고정자(45)의 전류의 극성은, 예를 들면 정류자(도시 생략)에 의해서 전환된다. 이 경우, 정류자를 자석 홀더(2)에 연동하여 회전시킨다. 예를 들면, 기어(46)와 연동하여 정류자가 회전해도 된다. 또는, 복수의 고정자(45)에 회전 자계를 생기게 하도록 고정자(45)의 코일에 전류를 인가해도 된다. 각종의 공지된 기술을 적용하여 복수의 고정자(45)에 발생하는 자계를 순차적으로 전환함으로써, 복수의 영구 자석(1)이 수용된 자석 홀더(2)를 회전시킬 수 있다.
이 구성에 의하면, 자석 홀더(2)의 회전에 의해서, 기계 에너지를 에너지 변환 장치(100)로부터 뽑아낼 수 있다. 또한, 복수의 코일(8)에 전력을 발생시킬 수도 있다. 복수의 코일(8)에 발생한 전력은, 여러 가지 목적으로 활용할 수 있다.
또한, 복수의 코일(8)에 회전 자계를 생기게 하도록 복수의 코일(8)의 각각에, 극성이 전환되는 전류를 흐르게 해도 된다. 이 경우에는, 고정자(45)에 의존하지 않고 자석 홀더(2)를 회전시킬 수 있다.
도 34는, 본 발명의 실시 형태에 관련된 에너지 변환 장치의 다른 실시예를 나타낸 모식도이다. 도 34를 참조하여, 에너지 변환 장치(201)는, 에너지 변환 장치(100)에, 고정자(45)와 자석 링(51)과 코일(52)과 고정자(55)가 추가된다. 복수의 고정자(45)는, 에너지 변환 장치(100)의 외측에 배치된다. 복수의 고정자(45)를 둘러싸도록 자석 링(51)이 배치된다. 자석 링(51)은, 링 형상으로 배치된 복수의 영구 자석으로 구성된다. 예를 들면, 자석 홀더(2)와 동일한 구성을 갖는 자석 홀더와, 그 자석 홀더에 삽입되는 복수의 영구 자석에 의해서 자석 링(51)을 구성할 수 있다.
코일(52)은 자석 링(51)의 주위에 권회된다. 고정자(55)는, 자석 링(51) 및 코일(52)의 외측에 배치된다. 고정자(45, 55)의 각각에 극성이 전환되는 전류를 흐르게 함으로써, 내측의 자석 링(에너지 변환 장치(100)의 자석 홀더(2)) 및 외측의 자석 링(51)(추가의 자석 링)을 회전시킬 수 있다. 이에 의해, 에너지 변환 장치(100)(코일(8)) 및 코일(52)(추가의 코일)로부터 전력을 뽑아낼 수 있다. 따라서, 에너지 변환 장치의 출력을 한층더 높일 수 있다.
도 35는, 본 발명의 실시 형태에 관련된 에너지 변환 장치의 또 다른 실시예를 나타낸 모식도이다. 도 35를 참조하여, 에너지 변환 장치(202)는, 에너지 변환 장치(100)에, 고정자(45)와 자석 링(51)과 코일(52)이 추가된 구성을 갖는다. 자석 링(51)에는 기어(56)가 형성된다. 예를 들면, 자석 홀더(2), 커버(3) 및 기어(4)와 동일한 구성에 의해서 자석 링(51)을 구성한다.
고정자(45)는, 에너지 변환 장치(100)와 자석 링(51) 사이에 배치된다. 즉, 도 35의 구성에서는, 내측의 자석 링(에너지 변환 장치(100)의 자석 홀더(2)) 및 외측의 자석 링(51)(추가의 자석 링)에 공통되는 고정자(45)가 설치된다.
자석 링(51)의 기어(56)의 톱니 수는, 에너지 변환 장치(100)의 기어(4)의 톱니 수와 동일하다. 자석 링(51)은, 기어(4), 즉 에너지 변환 장치(100)의 자석 홀더(2)와 동기하여 회전한다. 이 때문에, 예를 들면 이하에 설명하는 동기 기구가 이용된다. 또한, 도면이 번잡해지는 것을 방지하기 위하여 도 35에서는, 에너지 변환 장치(100)의 일부분에만 기어(4)를 도시하고, 자석 링(51)의 일부분에만 기어(56)를 도시하고 있다. 다만, 에너지 변환 장치(100)의 구성에 대해서는 상술한 바와 같고, 자석 링의 전체 둘레에 걸쳐 기어(4)가 형성된다. 동일하게 기어(56)는 자석 링(51)의 전체 둘레에 걸쳐 형성된다.
도 36은, 두 개의 자석 링을 동기하여 회전시키는 기구의 구성례를 나타낸 도면이다. 도 36을 참조하여, 동기 기구(61)는, 기어(62, 63)와 회전축(64)과 지지 부재(65)를 구비한다. 기어(62)는, 에너지 변환 장치(100)의 기어(4)와 맞물린다. 기어(63)는 기어(56)와 맞물린다. 또한, 도 36은 기어(4, 56)의 일부분을 나타낸 것이다. 기어(62, 63)는 회전축(64)에 접속된다. 회전축(64)의 양단(兩端)은, 두 개의 지지 부재(65)에 의해서 각각 지지된다. 기어(62, 63)의 톱니 수는 서로 동일하다.
도 35, 도 36에 나타난 구성에 의하면, 하나의 고정자(45)에 의해서, 에너지 변환 장치(100)의 자석 홀더 및 자석 링(51)의 양방을 회전시킬 수 있다. 두 개의 자석 링을 동시에 회전시킴으로써, 에너지 변환 장치(100)의 코일(8) 및, 코일(52)로부터 전력을 뽑아낼 수 있다. 따라서, 에너지 변환 장치의 출력을 한층더 높일 수 있다.
또한, 도 35 및 도 36에 나타난 구성에 있어서, 에너지 변환 장치(202)는, 에너지 변환 장치(100) 대신에, 제 2 실시 형태에 관련된 에너지 변환 장치(101)를 포함해도 된다. 또, 도 35에 나타난 에너지 변환 장치(202)를 복수 준비하고, 그들 복수의 에너지 변환 장치(202)를 상하 방향(도 35의 지면 수직에 상당) 방향으로 쌓아도 된다. 이와 같이 구성함으로써, 보다 많은 출력을 얻을 수 있다.
금회 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시로서, 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 설명은 아니고 특허 청구 범위에 의해서 나타나며, 특허 청구 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
1 : 영구 자석
2 : 자석 홀더
1.1, 1.2 : 자석 블록
2 : 자석 홀더
2.1∼2.8 : 부품
2a : 자석 박스
2b : 나사 구멍
2d, 10c : 핀 구멍
2e : 오목부
2f, 2h, 2i : 볼록부
2g : 핀
3 : 커버
3a, 3b : 연장부
4, 41, 46, 56, 62, 63 : 기어
5 : 케이스
5a : 윈도우부
6, 36 : 차륜
6a, 6b, 36a, 36b : 원판
6c, 23a, 36c, 64 : 회전축
7 : 전동체
8, 52 : 코일
9, 39 : 규정 부재
9a : 관통 구멍
10 : 스풀
10b, 11 : 나사
12 : 원주
15 : 토대
16a∼16d, 23b : 접촉부
21 : 베어링
21a : 지지체
21b : 볼
23 : 롤러
31 : 용기
32 : 구 형상 자석
42 : 모터
43 : 전원
45, 55 : 고정자
47 : 정류자
51 : 자석 링
61 : 동기 기구
65 : 지지 부재
100, 101, 201, 202 : 에너지 변환 장치

Claims (10)

  1. 전기 에너지와 기계 에너지 중 일방으로부터 타방으로 변환하는 에너지 변환 장치로서,
    자석 링을 구비하고, 상기 자석 링은,
    상부가 개구된 자석 박스가 형성된, 링 형상의 자석 홀더와,
    상기 자석 홀더의 상기 자석 박스에 수용되는 영구 자석과,
    상기 자석 홀더의 폭보다 넓은 폭을 갖는 링 형상으로 형성되어, 상기 자석 홀더와 동심으로 상기 자석 홀더의 상표면에 장착되어, 상기 자석 홀더로부터 상기 자석 홀더의 지름 방향으로 연장되는 연장부를 갖는 커버와,
    상기 자석 홀더 및 상기 커버와 동심이 되도록 상기 커버 및 상기 자석 홀더에 고정된 기어를 포함하며,
    상기 에너지 변환 장치는,
    상기 자석 링을 수용하고, 상기 기어의 일부를 외부에 노출시키는 윈도우부가 형성된, 링 형상의 케이스와,
    상기 케이스의 내측면과 상기 자석 홀더와의 사이에, 상기 케이스의 저면과 상기 커버의 상기 연장부에 접하도록 배치된 복수의 차륜과,
    상기 복수의 차륜의 각각의 회전축이 통과시켜져, 상기 복수의 차륜의 사이의 상대적인 거리를 규정하는 규정 부재와,
    상기 케이스의 주위에 권회된 적어도 하나의 코일을 더 구비하는, 에너지 변환 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 차륜의 각각은,
    상기 회전축에 의해서 접속되는, 적어도 2개의 원판을 포함하는, 에너지 변환 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 케이스의 내벽면과, 상기 커버 및 상기 자석 홀더의 적어도 일방과의 사이에 배치된 전동체를 더 구비하는, 에너지 변환 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 기어의 내반경은, 상기 케이스의 내반경보다 크고,
    상기 전동체는, 상기 기어와 상기 케이스의 상기 내벽면과의 사이에 배치되는, 에너지 변환 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 케이스의 상방에 설치된 용기와,
    상기 용기 내에서 자유롭게 회전 가능하도록 상기 용기에 수용된 구 형상 자석을 더 구비하는, 에너지 변환 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자석 홀더의 지름 방향을 따른 상기 자석 홀더의 단면은, 대략 직사각형이고,
    상기 케이스의 지름 방향을 따른 상기 케이스의 단면은, 대략 직사각형이며,
    상기 코일의 단면은, 대략 직사각형인, 에너지 변환 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에너지 변환 장치는, 발전기이고,
    상기 기어는, 동력원의 기어와 맞물려지는, 에너지 변환 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에너지 변환 장치는, 모터이고,
    상기 모터는, 상기 케이스에 대향하여 배치된 고정자를 더 구비하는, 에너지 변환 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 고정자는, 상기 케이스에 대하여 외측에 설치되고,
    상기 에너지 변환 장치는,
    상기 고정자의 외측에 설치되고, 링 형상으로 배치된 복수의 영구 자석을 포함하는, 추가의 자석 링과,
    상기 추가의 자석 링에 통과시켜지는, 추가의 코일과,
    상기 추가의 자석 링에 대하여 외측에 배치되는, 추가의 고정자를 더 구비하는, 에너지 변환 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 고정자는, 상기 케이스에 대하여 외측에 설치되고,
    상기 에너지 변환 장치는,
    상기 고정자의 외측에 설치되고, 상기 기어와 동일한 톱니 수를 갖는 기어가 형성되고, 링 형상으로 배치된 복수의 영구 자석을 포함하는, 추가의 자석 링과,
    상기 추가의 자석 링에 통과시켜지는, 추가의 코일과,
    상기 자석 링 및 상기 추가의 자석 링의 회전을 서로 동기시키기 위한 동기 기구를 더 구비하며,
    상기 동기 기구는,
    상기 기어와 맞물리는 제 1 기어와,
    상기 추가의 기어와 맞물리는 제 2 기어와,
    상기 제 1 및 제 2 기어를 잇는 회전축을 갖고,
    상기 제 1 기어의 톱니 수와 상기 제 2 기어의 톱니 수는 동일한, 에너지 변환 장치.
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