JP2014018036A

JP2014018036A - 動力発生装置

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Publication number: JP2014018036A
Application number: JP2012155798A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Aitsu; 清司合津; Hiromoto Watabe; 弘元渡部; Hisayuki Sato; 久幸佐藤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-07-11
Filing date: 2012-07-11
Publication date: 2014-01-30
Also published as: WO2014010104A1

Abstract

【課題】永久磁石が備えられた回転体を設けるとともに、永久磁石に対向して電磁石を配設した動力発生装置において、エネルギを効率良く発生させることにある。
【解決手段】中心部位に回転軸（１５）が連結された回転体（１６）とこの回転体（１６）に円周方向に埋設された複数の永久磁石（１７）とを備えたロータ（３）を設け、回転体（１６）に埋設された永久磁石（１７）が通過する磁石通過用ギャップ（４７）を形成した断面Ｃ字形状の鉄芯（４５）とこの鉄芯（４５）に複数回重合して巻き付けられたコイル（４６）とを備えたステータ（４）を設けている。
【選択図】図１

Description

この発明は、動力発生装置に係り、特にエネルギを効率良く発生させることができる動力発生装置に関する。

従来、動力発生装置としての電動機には、例えば、直流又は交流の電力を供給して電磁石に電磁力を発生させ、この電磁力に永久磁石が埋設された回転体を追従させて、磁気吸引力によって回転体を回転させるものがある。
このような動力発生装置としては、以下のような先行技術文献がある。

特開２００７−３０６７００号公報

特許文献１に記載の磁力発電装置は、ハウジング内において、回転軸が連結された回転体の周縁部位で永久磁石を円周方向に複数個配置し、また、回転体の周辺で永久磁石に対向するように複数の電磁石を配設したものである。

ところが、従来、動力発生装置においては、永久磁石が埋設された回転体の周辺に電磁石を配設している場合に、永久磁石の一端面に対して電磁石の一端面のみが対峙するだけなので、電磁力が比較的小さく、よって、回転体をスムーズに回転させることが難しく、エネルギを効率良く発生させることができなかった。

そこで、この発明の目的は、エネルギを効率良く発生させることが動力発生装置を提供することにある。

この発明は、永久磁石が埋設された回転体を設けるとともに、前記永久磁石に対して電磁石を配設する動力発生装置において、中心部位に回転軸が連結された回転体とこの回転体に円周方向で埋設された複数の永久磁石とを備えたロータを設け、前記回転体が回転した際に前記永久磁石が通過する磁石通過用ギャップを形成した断面Ｃ字形状の鉄芯とこの鉄芯に複数回重合して巻き付けられたコイルとを備えたステータを設けたことを特徴とする。

この発明は、ロータの回転体に埋設された永久磁石をステータの鉄芯の磁石通過用ギャップに通過させることから、回転体をスムーズに回転させて、エネルギを効率良く発生させることができる。

図１は動力発生装置の分解図である。（実施例１）図２は動力発生装置の平面図である。（実施例１）図３は動力発生装置の断面図である。（実施例１）図４は上板の平面図である。（実施例１）図５は図４の上板の側面図である。（実施例１）図６は回転体の平面図である。（実施例１）図７は図６の回転体の側面図である。（実施例１）図８は他の回転体の平面図である。（実施例１）図９は図８の他の回転体の側面図である。（実施例１）図１０は鉄芯の正面図である。（実施例１）図１１は図１０の鉄芯の側面図である。（実施例１）図１２はブラケットの正面図である。（実施例１）図１３は図１２のブラケットの底面図である。（実施例１）図１４は図１２のブラケットの側面図である。（実施例１）図１５は動力発生装置を電動機として利用する場合の概略構成図である。（実施例１）図１６は太陽光エネルギを利用する動力発生装置の概略構成図である。（実施例２）図１７は太陽光エネルギを利用した動力発生装置を発電機として利用する場合の概略構成図である。（実施例３）図１８は動力発生装置の構成図である。（実施例４）図１９は動力発生装置の分解図である。（実施例４）

この発明は、エネルギを効率良く発生させる目的を、ロータの回転体に埋設された永久磁石が通過する磁石通過用ギャップをステータに形成して実現するものである。

図１〜図１５は、この発明の実施例１を示すものである。
図１〜図３において、１は動力発生装置である。
この動力発生装置１は、例えば、電動機として利用されるものであって、枠体２内で、ロータ３とステータ４とを備える。
枠体２は、一側板としての上板５と他側板としての下板６とを上下方向で所定に離間して配置するとともに、上板５と下板６との対応するそれぞれ４つの隅部位を４本の枠支持部材７（図１では１本のみ記載する）でそれぞれ連結して構成される。
上板５は、図４、図５に示すように、所定厚さであって、例えば、四角形状に形成されている。なお、下板６は、上板５と同様に構成されているので、ここでは、その詳細な説明を省略する。

枠支持部材７の上端部位は、ねじ部８を備え、このねじ部８が上板５に形成した上側隅取付孔９へ下方から挿入されて且つ上板５の上方から取付ナット１０がねじ部８へ締め付けられることで、上板５に取り付けられる。
枠支持部材７の下端部位は、下端面から内部にねじ穴１１を備え、下板６の上面に接して配置される。そして、枠支持部材７の下端部位は、下端に防振パット１２を備えたねじ棒１３の上端が下板６に形成した下側隅取付孔１４へ下方から挿入され且つねじ穴１１へねじ込まれることで、下板６に取り付けられる。

図１、図３、図６、図７に示すように、ロータ３は、中心部位に回転軸１５が連結される回転体１６と、この回転体１６に円周方向で埋設された複数の永久磁石１７とからなる。
回転体１６は、非磁性材料からなり、中心部位に軸取付孔１８を形成している。
回転軸１５は、回転体１６の軸取付孔１８に嵌装した軸支持部材１９に形成された軸挿通孔２０へ挿通されている。
軸支持部材１９には、図３に示すように、円周方向等間隔に４つのボルト挿通孔２１が形成されている。軸支持部材１９は、図１に示すように、上方からボルト挿通孔２１へ挿入された固定ボルト２２が回転体１６のねじ穴２３へねじ込まれて固定されることで、回転軸１５を回転可能に支持している。

回転体１６は、図６、図７に示すように、所定厚さで円板形状に形成され、中心部位に前記軸取付孔１８を形成するとともに、永久磁石１７として、例えば、４つの永久磁石１７、１７、１７、１７を、周縁部位で円周方向等間隔に貫通して形成された円形状の磁石埋設孔２４、２４、２４、２４に埋設している。永久磁石１７は、例えば、回転体１６のと同一厚さであって、所定直径の円形状に形成され、回転体１６の磁石埋設孔２４に埋設される。
なお、図８、図９に示すように、永久磁石１７の回転体１６への埋設構造としては、上部で回転体１６の上面から深さＴで永久磁石１７と同径Ｄ１の第１磁石埋設孔２５Ａを形成するとともに、下部では内径Ｄ１よりも小さな内径Ｄ２として内部で磁石載置部２５Ｂを形成し、上方から永久磁石１７を磁石載置部２５Ｂに安定して取り付けることも可能である。

回転軸１５の一端部としての上端部は、上板５に上側取付部２６によって回転自在に取り付けられる。
上側取付部２６は、図１、図３に示すように、上側ベアリングホルダ２７と上側ベアリング固定カラー２８とを備え、回転軸１５を回転自在に支持する。
上側ベアリングホルダ２７は、図３に示すように、中心部位に回転軸１５が挿通する軸挿通孔２９を形成するとともに、上板５の下面に接し且つ上板５の中心部位に形成した上側取付孔３０に挿着される。
上側ベアリングホルダ２７は、円周方向等間隔で４つのねじ穴３１を形成している。この上側ベアリングホルダ２７は、上板５の上側取付孔３０の周辺で円周方向等間隔に形成した４つのホルダ取付用孔３２へ上方から挿通された４本のホルダ取付ボルト３３をねじ穴３１へそれぞれねじ込むことで、上板５に取り付けられる。
上側ベアリング固定用カラー２８は、中心部位に回転軸１５が挿通する軸挿通孔３４を形成するとともに、上側ベアリングホルダ２７の上面に接して取り付けられる。

回転軸１５の他端側としての下端部は、下側取付部３５によって下板６に回転自在に取り付けられる。この下側取付部３５は、上記の上側取付部２６と同様に構成されている。
下側取付部３５は、図３に示すように、下側ベアリングホルダ３６と下側ベアリング固定カラー３７とを備え、回転軸１５を回転自在に支持する。
下側ベアリングホルダ３６は、中心部位に回転軸１５が挿通する軸挿通孔３８を形成するとともに、下板６の上面に接し且つ下板６の中心部位に形成した下側取付孔３９に挿着される。
下側ベアリングホルダ３６には、円周方向等間隔で４つのボルト挿通孔４０が形成されている。下側ベアリングホルダ３６は、図３に示すように、ボルト挿通孔４０へ挿通されたホルダ取付ボルト４１を下板６の下側取付孔３９の周辺で円周方向等間隔に形成したホルダ取付ねじ孔４２へねじ込むことで、下板６に取り付けられる。
下側ベアリング固定用カラー３７は、中心部位に回転軸１５が挿通する軸挿通孔４３を形成するとともに、下側ベアリングホルダ３６の上面に接して取り付けられる。

ステータ４は、回転体１６の各永久磁石１７に対応した箇所に配置された複数の電磁石４４からなる。
この電磁石４４は、回転体１６の４つの永久磁石１７に対向してそれぞれ配置されている。つまり、この実施例１では、例えば、４つの電磁石４４は、回転体１６の周辺で円周方向等間隔に配置され、枠体２に固定される。
電磁石４４は、鉄芯４５にコイル４６を巻き付けて構成され、直流又は交流の電力が供給されると電磁力を発生するものである。
鉄芯４５は、図１０、図１１に示すように、磁性材料からなって、断面Ｃ字形状に形成され、回転体１６に埋設された永久磁石１７が通過する磁石通過用ギャップ４７を形成している。この磁石通過用ギャップ４７は、水平方向で回転する回転体１６の永久磁石１７を通過させるように、上下方向で所定の距離Ｓに形成されている。
鉄芯４５は、磁性材料としての鉄板（板厚が０．５ｍｍ程度）４８が複数枚（例えば６４枚）重合して複数のカシメピン４９によって一体に構成され、磁石通過用ギャップ４７とは反対側で上下方向に指向する中央部５０と、この中央部５０の一側に連設する一側部としての上側部５１と、中央部５０の他側に連設する他側部としての下側部５２とを備える。また、電磁石４４は、所要の電磁力を発生するように、所定の透磁率及び所定の断面積に構成されている。

また、鉄芯４５には、磁石通過用ギャップ４７の上方向で、上側フランジ５３と、この上側フランジ５３に連設してコイル４６が巻き付けられていない上側面部５４とが形成されている。また、鉄芯４５には、磁石通過用ギャップ４７の下方向で、下側フランジ５５と、この下側フランジ５５に連設してコイル４６が巻き付けられていない下側面部５６とが形成されている。
ステータ４の鉄芯４５は、回転体１６が回転して永久磁石１７が磁石通過用ギャップ４７内を通過する際に、永久磁石１７の一方の面である上面１７Ａに対して一定距離Ｌ（２ｍｍ程度）で対峙する上側面部５４の表面である一側ギャップ形成面４７Ａと、永久磁石１７の他方の面である下面１７Ｂに対して一定距離Ｌ（２ｍｍ程度）で対峙する下側面部５６の表面である他側ギャップ形成面４７Ｂとを備える。
上記の一側ギャップ形成面４７Ａと他側ギャップ形成面４７Ｂとは、同一の所定面域に形成されている。なお、この一側ギャップ形成面４７Ａと他側ギャップ形成面４７Ｂとの面域は、所要により、種々変更可能である。
上記の一定距離Ｌ、Ｌは、永久磁石１７の上面１７Ａが上側面部５４の一側ギャップ形成面４７Ａに対峙し、且つ永久磁石１７の下面１７Ｂが上側面部５４の他側ギャップ形成面４７Ｂに対向した際に、磁気抵抗を少なくする距離であって、磁束密度（磁束の単位当たりの面密度：磁場）を大きくして磁気吸引力を増加し、所要の電磁力（磁界と電流との相互作用で発生する力）を確保させ、回転トルクを上昇させて回転体１６をスムーズに回転、つまり、少ない電気エネルギで機械エネルギを効率良く発生させるものである。
コイル４６は、鉄芯４５の上側フランジ５３と下側フランジ５５間の中央部５０と上側部５１と下側部５２とで複数回重合して巻き付けられ、例えば、従来が２００ｍの長さであったのに対して、この実施例では、６００ｍの長さである。このように、コイル４６を鉄芯４５に重合して多く巻き付けることにより、電磁石４４が発生する電磁力を、従来よりも大きくすることが可能となる。
なお、鉄芯４５へのコイル４６の巻き付けにあっては、鉄芯４５の中央部５０のみにコイル４６を巻き付けたり、あるいは、上側部５１・下側部５２のみにコイル４６を巻き付けることも可能である。

電磁石４４は、図１に示すように、複数個のブラケット５７を用いた電磁石取付機構５８によって上板５及び下板６に取り付けられる。
ブラケット５７は、図１２〜図１４に示すように、長手部５９とこの長手部５９から直角に曲がった短手部６０との断面Ｌ字形状であって、長手部５９の先端側にコイル側取付孔６１を形成するとともに、短手部６０には一対の固定用ねじ孔６２・６２を形成している。
電磁石４４において、鉄芯４５には、図１０に示すように、上側面部５４で上側取付用孔６３が水平方向に形成されているとともに、下側面部５６では下側取付用孔６４が水平方向で形成されている。

図１、図３に示すように、上側取付用孔６３には、上側介在管材６５が挿入して設けられる。この上側介在管材６５には、上側取付用棒６６が挿通して設けられる。上側取付用棒６６は、両端にねじ部６７が形成されており、このねじ部６７が電磁石４４の両側に配置されたブラケット５７のコイル側取付孔６１へそれぞれ挿通され、そして、ねじ部６７へ取付ナット６８をねじ込むことで、ブラケット５７に取り付けられる。
そして、電磁石４４の両側に配置されたそれぞれブラケット５７は、短手部６０が上板５の下面に接し、上板５に形成した一対のボルト挿通孔６９へ上方から一対の固定ボルト７０を挿通して一対の固定用ねじ孔６２に螺着することで、上板５に固定される。
また、下側取付用孔６４には、下側介在管材７１が挿入して設けられる。この下側介在管材７１は、上記の上側介在管材６５と同様に構成されている。この下側介在管材７１には、下側取付用棒７２が挿通して設けられる。下側取付用棒７２は、上記の上側取付用棒６６と同様に構成され、両端にねじ部７３が形成されており、このねじ部７３が電磁石４４の両側に配置されたブラケット５７のコイル側取付孔６１へそれぞれ挿通され、そして、ねじ部７３に取付ナット７４をねじ込むことで、ブラケット５７に取り付けられる。
そして、電磁石４４の両側ブラケット５７は、短手部６０が下板６の上面に接し、図１に示すように、下板６に形成した一対のボルト挿通孔７５へ下方から一対の固定ボルト７６を挿通して一対の固定用ねじ孔６２にねじ込むことで、下板６に固定される。

図１５に示すように、電磁石４４には、電線７７・７７の一端が接続している。この電線７７・７７の他端は、外部の電力供給制御装置７８に接続している。この電力供給制御装置７８は、電力源７８Ａと電力供給調整部７８Ｂとを備え、電磁石４４への電力（直流又は交流）の供給を制御する。

次に、この実施例１の作用を説明する。
電力供給制御装置７８からステータ４の電磁石４４に電力としての電流（１つの電磁石に対して０．５Ａ：４つで２Ａ、１１０Ｖ）を供給すると、電磁石４４付近に在る永久磁石１７の磁界が電磁石４４に収束され、そして、永久磁石１７が電磁石４４に吸引されることで、回転体１６が回転する。
この回転体１６の回転により、図１０に示すように、断面Ｃ字形状に形成された電磁石４４の磁石通過用ギャップ４７内を永久磁石１７が通過する際に、永久磁石１７の上面１７Ａが上側面部５４の一側ギャップ形成面４７Ａに一定距離Ｌで対峙し、且つ永久磁石１７の下面１７Ｂが下側面部５６の他側ギャップ形成面４７Ｂに一定距離Ｌで対峙する。これにより、磁束密度（磁束の単位当たりの面密度）は、大きくなる。
そして、永久磁石１７の磁界が電磁石４４の磁界によって回転体１６の回転方向に歪み、電磁石４４と永久磁石１７との間で互いに反発力が生じる。この反発力は、上記のように、永久磁石１７の上面１７Ａが上側面部５４の一側ギャップ形成面４７Ａに一定距離Ｌで対峙し、且つ永久磁石１７の下面１７Ｂが下側面部５６の他側ギャップ形成面４７Ｂに一定距離Ｌで対峙してあったことから、従来のように、単に永久磁石の一端面と電磁石の一端面とが対向している場合と比べて大きくなり、大きな回転トルクを生じさせる。
その後、次に侵入する永久磁石１７の磁界は、電磁石４４の磁界によって歪み、先に侵入した永久磁石１７の反対極に向かって、その歪みがより大きくなる。従って、先に侵入した永久磁石１７と電磁石４４との間の反発力は、次に侵入する永久磁石１７と電磁石４４との間の反発力よりも大きくなる。
上記のような状況は、回転体１６が回転している際に、各電磁石４４の配置部位（例えば、４箇所）で同時に存在する。
これにより、先に侵入した永久磁石１７には磁石通過用ギャップ４７内から押し出されるような力が働き、そして、回転体１６には大きな回転力が作用する。そして、この回転力が与えられた回転体１６は、慣性力で回転をし続け、このとき、上記の大きな回転トルクにより、スムーズな回転になる。
このように、永久磁石１７が磁石通過用ギャップ４７内を通過するときには、磁束密度を大きくして、所要の電磁力を確保させる等で、回転トルクを従来よりも大きくして、回転体１６をスムーズに回転させ、これにより、少ない電気エネルギで機械エネルギを効率良く発生させることができる。
また、ステータ４の鉄芯４５に磁石通過用ギャップ４７を形成するだけなので、構造が簡単で、取り扱いも良く、しかも、廉価とすることができる。

図１６は、この発明の実施例２を示すものである。
以下の実施例においては、上述の実施例１と同一機能を果たす箇所には、同一符号を付して説明する。
この実施例２の特徴とするところは、以下の点にある。即ち、ステータ４の電磁石４４には、電力供給制御装置７８と並列に、太陽光システムを構成する太陽光パネル７９を連絡する。この太陽光パネル７９には、途中に太陽光エネルギで得た電力を蓄積する太陽光エネルギ蓄積部８０が備えられた電線８１の一端が接続している。また、電力供給制御装置７８の電線７７と太陽光パネル７９の電線８１の他端とは、電力切換装置８２に接続している。この電力切換装置８２は、電磁石４４に電線８３で接続し、通常、太陽光エネルギ蓄積部８０からの電力（電流）を優先的に電磁石４４に供給するが、太陽光エネルギ蓄積部８０からの電力（電流）が無くなった場合に、電力供給制御装置７８からの電力（電流）を電磁石４４に供給するものである。なお、電力切換装置８２は、電力供給制御装置７８によって電力を電磁石４４に供給している際に、電力供給制御装置７８からの電力を補うように、太陽光エネルギ蓄積部８０からの電力を電磁石４４に供給することも可能である。
この実施例２の構造によれば、上述の実施例１と同様な作用効果を得るとともに、太陽光パネル７９から得た電力（電流）を優先して電磁石４４に供給し、外部の電力供給制御装置７８を太陽光パネル７９で得た電力によってアシストすることから、電力供給制御装置７８の電力の使用量を減少させ、節減を図ることができる。
また、永久磁石１７の経年変化等により、回転体１６の回転トルクが減少しようとした際に、この回転体１６の回転に太陽光パネル７９の電力によってアシストを実行し、電力供給制御装置７８からの電力が一定の場合でも、回転体１６をスムーズに回転させることができる。

図１７は、この発明の実施例３を示すものである。
この実施例３の特徴とするところは、以下の点にある。即ち、動力発生装置１を発電機として利用するように、回転軸１５に回転機構８４を設け、この回転機構８４を駆動するアクチュエータ８５を設け、このアクチュエータ８５を太陽光パネル８６で得た太陽光エネルギを蓄積した太陽光エネルギ蓄積部８７からの電力で駆動する構造とした。また、電磁石４４には、蓄電池８８や、機械器具８９を、電線９０・９０で接続している。
この実施例３の構造によれば、太陽エネルギを利用して回転体１６を回転させ、この回転体１６の回転によって電磁石４４では効率良く電気力を生じさせて、よって、機械エネルギから電気エネルギを効率良く発生させることができる。そして、この電気エネルギを、蓄電池８８へ蓄電したり、機械器具８９を駆動することができる。

図１８、図１９は、この発明の実施例４を示すものである。
この実施例４の特徴とするところは、以下の点にある。即ち、動力発生装置１において、ロータ３は、ケース９１内で、複数（例えば４つ）の永久磁石１７を円周方向等間隔に埋設した回転体としての円環体９２と、この円環体９２を支持して回転軸１５が備えられた円板状の支持体９３とから構成される。
円環体９２は、所定厚さで輪状に形成され、軸心Ｃの方向が水平方向になるように配置されている。支持体９３は、側面９３Ａに円環体９２の側面９２Ａを所定の固定手段で固設することにより、円環体９２が電磁石４４の磁石通過用ギャップ４７を通過できるように、円環体９２を支持している。また、支持体９３には、中心部位で回転軸１５が水平方向に延びるように貫通して備えられている。電磁石４４は、円環体９２に沿って複数個（例えば４個）配置され、ケース９１に電磁石取付機構５８によって取り付けられている。
そして、回転体１６の回転により、断面Ｃ字形状に形成された電磁石４４の磁石通過用ギャップ４７内においては、永久磁石１７の一面である外側面１７Ｃが電磁石４４の一側ギャップ形成面４７Ａに一定距離Ｌで対峙し、且つ永久磁石１７の他面である内側面１７Ｄが電磁石４４の他側ギャップ形成面４７Ｂに一定距離Ｌで対峙する。
この実施例４の構成によれば、上記の実施例１と同様の作用効果を得るとともに、駆動力を水平方向にも取り出させ、よって、駆動力の取り出す方向を変更することができ、使い勝手を向上することができる。

なお、この発明においては、枠体は、箱形状等の他の形状とすることも可能である。また、動力発生装置を２つ以上連結して利用することも可能である。更に、永久磁石の形状は、円形状のみならず四角形状等の他の形状とすることも可能である。

この発明に係る動力発生装置からの動力を、各種機器の駆動に利用可能である。

１動力発生装置
２枠体
３ロータ
４ステータ
５上板
６下板
１５回転軸
１６回転体
１７永久磁石
１７Ａ永久磁石の上面
１７Ｂ永久磁石の下面
４４電磁石
４５鉄芯
４６コイル
４７磁石通過用ギャップ
４７Ａ一側ギャップ形成面
４７Ｂ他側ギャップ形成面
５３上側フランジ
５４上側面部
５５下側フランジ
５６下側面部
５７ブラケット
５８電磁石取付機構
Ｓ磁石通過用ギャップの距離
Ｌ永久磁石の面と電磁石のギャップ形成面間の距離

Claims

永久磁石が埋設された回転体を設けるとともに、前記永久磁石に対して電磁石を配設する動力発生装置において、中心部位に回転軸が連結された回転体とこの回転体に円周方向で埋設された複数の永久磁石とを備えたロータを設け、前記回転体が回転した際に前記永久磁石が通過する磁石通過用ギャップを形成した断面Ｃ字形状の鉄芯とこの鉄芯に複数回重合して巻き付けられたコイルとを備えたステータを設けたことを特徴とする動力発生装置。
前記ステータは、前記回転体が回転して前記永久磁石が前記磁石通過用ギャップ内を通過する際に、前記永久磁石の一方の面に対して一定距離で対峙する一側ギャップ形成面と、前記永久磁石の他方の面に対して一定距離で対峙する他側ギャップ形成面とを備えることを特徴とする請求項１に記載の動力発生装置。