特開 2023-152219 磁気負荷レス発電装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023152219

(43)【公開日】2023-10-16

(54)【発明の名称】磁気負荷レス発電装置

(51)【国際特許分類】

   H02K 16/00 20060101AFI20231005BHJP

【ＦＩ】

H02K16/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】書面

(21)【出願番号】P 2022069088

(22)【出願日】2022-04-01

(71)【出願人】

【識別番号】594103862

【氏名又は名称】松井 嗣光

(72)【発明者】

【氏名】松井 嗣光

(57)【要約】

【課題】回転軸に発電時において掛かる磁力負荷を速やかに軽減させることにより、少量の動力エネルギーで発電することができる磁気負荷レス発電装置を提供する。
【解決手段】Ｎ極とＳ極が交互に多極着磁化された円板状の第１永久磁石ロータ２ａと、その半径方向中心を通る回転軸３と、第１永久磁石ロータ２ａと同軸上に配された電磁誘導１次コイル４ａと、第１永久磁石ロータ２ａと一対になる第２永久磁石ロータ２ｂと、第２永久磁石ロータ２ｂと同軸上に配された電磁誘導１次コイル４ｂとから構成する。永久磁石ロータ２ａ及び２ｂを、回転軸３の軸方向にＮ極とＳ極が交互に位相するように重ねて取り付け、近接行程の磁力と離反行程の磁力が回転軸３の同一線上に同時行程できるように配列して無負荷磁場を形成する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

固定子側鉄芯とロータ側磁極との間に磁気吸引力によって生ずる近接行程と次の磁気吸引力による発電時の離反行程との２行程の磁場を、回転軸の軸方向へ偶数段にＮ極とＳ極を交互に位相配置し、相対する両磁場の磁束作用によって相殺し合い、無負荷磁場を形成することを特徴とする磁気負荷レス発電装置。

【請求項2】

ロータ側の磁極が、多極着磁された筒型永久磁石又は円環配列型永久磁石であることを特徴とする請求項１記載の磁気負荷レス発電装置。

【請求項3】

回転軸と、回転軸を回転中心とする第１の回転軌道の外周上にＮ極及びＳ極が順次配列される第１の環状磁石列と、回転軸を回転中心とし、第１の回転軌道とは絶縁体を介して連結され、第１の環状磁石列と対向する位置の極性とは反対極性の磁石が順次配列される第２の環状磁石列と、第１の環状磁石列に対して、所定の間隔を保持するように固定される第１の磁気誘導１次鉄芯と、第２の環状磁石列に対して、所定の間隔を保持するよう固定される複数の第２の磁気誘導１次鉄芯と、回転軸方向に沿って対向する第１及び第２の磁気誘導１次鉄芯の間に閉磁気回路を設けたことを特徴とする磁気負荷レス発電装置。

【請求項4】

前記閉磁気回路が、第１及び第２の結合磁気誘導鉄芯と、第１の結合磁気誘導鉄芯に、巻回される第１の反応コイルと、第２の結合磁気誘導鉄芯に、前記第１の反応コイルとは逆巻きに巻回される反応コイルを備えることを請求項３記載の磁気負荷レス発電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は発電装置に関し、特に、電磁誘導作用を利用して、発電中にロータが受ける２次的な逆負荷を無負荷状態、すなわち、ロータの回転に負荷が掛らない状態にして発電効率の向上を図る磁気負荷レス発電装置に関する。

【背景技術】

【0002】

発電装置は、例えば、石油や石炭といった化石燃料、原子力、近年では太陽光、風力、地熱等の自然エネルギーから物理的又は化学的に得られる多様なエネルギー源から発生する熱エネルギーを、沸騰水型蒸気タービン等の駆動エネルギーとして用い、電気エネルギーに変換させるものであって、そのほとんどがロータ回転式の電磁誘導作用によって起電力を発生させている。これは装置の大小、あるいは直流／交流発電装置を問わず共通原理である。

【0003】

発電装置は、磁場を形成するための永久磁石や電磁石のような磁性体と、起電力を発生させる磁気コイル等の電磁誘導体が必要となり、これらの一方が他方のものを基準として回転又は移動することが可能なように構成される。つまり、磁性体及び導体のうちのいずれが回転又は移動するかによって、磁場を回転又は移動させる回転移動磁界型、及び導体が回転又は移動する回転移動電機子型に分けられる。

【0004】

また、磁場としては永久磁石の他、鉄芯に反応コイルを巻き、ここに直流電流が流れるようにする電磁石が広く用いられている。通常、電磁石を使用しても、１個の導体から発生する起電力はそれほど高くないため、発電装置には多数個の導体を入れておき、各導体の発生起電力を直列的に加算して高い電力を得る方式を採ることが一般的である。

【0005】

例えば、発電機の固定子側の内径磁極片の上下又は左右に磁極空間を設けることによって、ロータ側の行程に進入行程に進入行程と退却行程をつくり、交差させた４極（Ｎ極、Ｓ極）２個の電極石ロータで、進入行程と退却行程を２行程同時に行い、発電時の回転負荷を軽減させる２行程発電機が提案されている（特許文献１参照）。

【0006】

また、特許文献２には、発電機の固定子側の内径磁極片の中に、外径磁極片を出力軸と平行方向に交互にずらして配列した双ロータを設け、ロータの固定子に対する吸引行程と反発行程を同時に行わせ、反発子においてもロータを低いトルクで回転させる２行程発電機が提案されている（特許文献２参照。）。

【0007】

他にも、３相交流発電機本体と補助動力機とを同軸上に連結し、それらの回転軸を動力装置により回転させ、３相交流発電機本体の固定端子側には等角度間隔で３箇所に無負荷空間を設けると共に、ロータ側は、交互にＮ極Ｓ極合計６極の電磁石を各２曲ずつ等角度間隔に空間をあけて３箇所に配置し、補助動力機の固定端子側には、半径方向に着磁され且つ内周側が同極となるように着磁された２個又は３個の略半円弧形状の同形の永久磁石を対向させて配置し、その内部に設けられるロータとしては、Ｎ極の一端とＳ極の一端とを固定子の内周面に近い位置で互いに近接させ、当該Ｎ極とＳ極のそれぞれの他端側は固定子の内周面との距離が一端側から次第に増加するように配置した永久磁石の組合せを、回転軸を挟んで反対側に１組ずつ設けることで、発電機の駆動負荷の軽減と、動力装置の燃費の低減を図る３相交流発電機が提案されている（特許文献３参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開平９－３７５２８号公報

【特許文献2】特開平９－２８５０８２号公報

【特許文献3】実用新案登録第３１７２４２９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

上述したように、通常の発電装置は一方が固定され他方が回転又は移動する永久磁石又は電磁石（磁気コイル）を用いて電気を発生させるが、このとき磁気コイルには電磁誘導によって逆電流が発生する。このため、回転方向と逆行する反対磁性が形成されて、電気発生量よりも過大な負荷を受け、発電効率が低下するという課題があった。

【0010】

本発明は、前記のような従来技術の課題に鑑み、発電装置の機械的な負荷以外の２次的な負荷、つまり磁気誘導鉄芯に巻かれた反応磁気コイルの逆電流によって発生する反対磁性による負荷を相殺して高効率な発電が可能な磁気負荷レス発電装置を提供することを目的とする。

【0011】

本発明者は、従来技術の上記課題を解決するために鋭意研究した結果、一対の鉄芯に各々反対方向に巻かれた一対の反応磁気コイルを結束させて、ロータの起電磁気コイルに流れる逆電流（磁気誘導電流）により生成される逆磁性を互いに相殺させるように構成することで、ロータの回転運動を妨げる２次的な負荷が全く作用しないようにし、発電装置を最大に稼働する場合でも発電を行なわないときの機械的な負荷、つまり回転負荷以上の負荷を受けない無負荷機構を考察した。

【0012】

本発明は、発電装置の回転軸に発電時において掛かる磁力負荷を速やかに軽減させることにより、少量の動力エネルギーで発電することができる磁気負荷レス発電装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

そこで、本発明の磁気負荷レス発電装置は、固定子側鉄芯とロータ側磁極との間に磁気吸引力によって生ずる近接行程と次の磁気吸引力による発電時の離反行程との２行程の磁場を、回転軸の軸方向へ偶数段にＮ極とＳ極を交互に位相配置し、相対する両磁場の磁束作用によって相殺し合い、無負荷磁場を形成することを第１の特徴とする。また、ロータ側の磁極が、多極着磁された筒型永久磁石又は円環配列型永久磁石であることを第２の特徴とする。

【0014】

さらに、本発明の磁気負荷レス発電装置は、回転軸と、回転軸を回転中心とする第１の回転軌道の外周上にＮ極及びＳ極が順次配列される第１の環状磁石列と、回転軸を回転中心とし、第１の回転軌道とは絶縁体を介して連結され、第１の環状磁石列と対向する位置の極性とは反対極性の磁石が順次配列される第２の環状磁石列と、第１の環状磁石列に対して、所定の間隔を保持するように固定される第１の磁気誘導１次鉄芯と、第２の環状磁石列に対して、所定の間隔を保持するよう固定される複数の第２の磁気誘導１次鉄芯と、回転軸方向に沿って対向する第１及び第２の磁気誘導１次鉄芯の間に閉磁気回路を設けたことを第３の特徴とする。

【0015】

さらにまた、前記閉磁気回路が、第１及び第２の結合磁気誘導鉄芯と、第１の結合磁気誘導鉄芯に、巻回される第１の反応コイルと、第２の結合磁気誘導鉄芯に、前記第１の反応コイルとは逆巻きに巻回される反応コイルを備えることを第４の特徴とする。

【発明の効果】

【0016】

（１）ロータの回転時に逆電流による逆磁性が発生しないので、ロータの重量及びロータの力学的エネルギー以外の他のエネルギーの負荷が排除された無負荷状態となるので、わずかな動力エネルギーを付与するだけで発電することができる。
（２）本発明の発電装置は多様な動力機関における従来の発電機と代替することとすれば、エネルギー効率を向上することができる。
（３）電力生産の増大及び動力機関の省エネルギー化に資し、社会インフラの経済的効果を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の一実施例に係る（ａ）は磁気負荷レス発電装置の要部断面側面図、（ｂ）は永久磁石ロータの磁気配列を示す模式図である。

【図2】閉磁気回路の磁気の流れを示す模式図である。

【図3】本発明の他の実施例を示す（ａ）は模式的ブロック図、（ｂ）はロータの電磁気的負荷の発生と相殺を示す概念図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、図面に示す実施例にしたがって本発明に係る磁気負荷レス発電装置の構成及び動作について説明する。

【実施例0019】

図１（ａ）は、本発明に係る磁気負荷レス発電装置１０の回転軸３に平行な断面の構造の一部を示す。そして、図１（ｂ）においては、回転軸３と同軸上に配置された第１永久磁石ロータ（磁石列又は多磁極磁石）２ａと、第１永久磁石ロータ（磁石列又は多磁極磁石）２ａと一対になる第２永久磁石ロータ（磁石列又は多磁極磁石）２ｂを抜き出して模式的に示す。

【0020】

本発明に係る磁気負荷レス発電装置１０は、アルミニウム製の円筒ケーシング１内に、Ｎ極とＳ極が交互に多極着磁（本実施例では８極）化された円板状の第１永久磁石ロータ２ａと、その半径方向中心を通る回転軸３と、第１永久磁石ロータ２ａと同軸上に配された電磁誘導１次コイル４ａから延出された長短８本のヨーク６ａ及び６ｂと、第１永久磁石ロータ２ａと一対になる第２永久磁石ロータ２ｂと、第２永久磁石ロータ２ｂと同軸上に配された電磁誘導１次コイル４ｂから延出された長短８本のヨーク６ａ及び６ｂとからなることを基本の構成としている。回転軸３は円筒ケーシング１にベアリング９を介して回動自在に固定される。

【0021】

尚、本実施例は、電磁誘導１次コイル４ａ，４ｂが永久磁石ロータ２ａ，２ｂを囲むインナーロータ型としているが、勿論、永久磁石が電磁誘導コイルを囲むアウターロータ型としてもよい。

【0022】

そして、回転軸３を、後述するプロペラやモーター等による機械的動力手段１２により回動あるいはわずかな動力を一旦付与すると、ヨーク５ａ及び５ｂに永久磁石ロータ２ａ，２ｂ側磁極のＮ極とＳ極が各々近接離反する。本装置では、その際に、回転軸３に生ずる負荷を、回転軸３の軸方向にＮ極とＳ極が交互に位相するように重ねて取り付けた一対の永久磁石ロータ２ａ及び２ｂを使用し、近接行程の磁力と離反行程の磁力が回転軸の同一線上に同時行程できるように配列して無負荷磁場を形成する。

【0023】

図１（ｂ）に示すように、磁極の位相が交互になるように配置することで、永久磁石ロータ２ａ側の磁性ベクトルαと永久磁石ロータ２ｂ側の磁性ベクトルα´、永久磁石ロータ２ａ側の磁性ベクトルβと永久磁石ロータ２ｂ側の磁性ベクトルβ´、すなわち、相対する両磁場の磁束作用によって相殺し合い、無負荷磁場が形成される。つまり、各々のロータ２ａ，２ｂの永久磁石列は、左右側で互いに相反するように設けられて磁束の流れを構成し、各々のロータ２ａ，２ｂは、磁石のＮ極とＳ極を交互に配置する方式とし、尚、本実施例では極数を８極にしているがこれに限定されない。

【0024】

さらに、磁気誘導１次コイル４ａ，４ｂの各ヨーク５ａ及び５ｂに電気的に接続された一対の磁気誘導２次鉄芯７ａ及び７ｂに、各々互いに相反する方向に巻回された反応コイル８ａ及び８ｂからなる閉磁気回路１６が設けられている。すなわち、第１及び第２の磁気誘導１次鉄芯の間に閉磁気回路１６を設け、回転軸３を回転させると、永久磁石ロータ２ａと永久磁石ロータ２ｂが回転して、反応コイル８ａ，８ｂに電磁誘導電流が発生し、発生した電流を外部に取出して用いることができる。

【0025】

図２に示すように、磁気誘導１次鉄芯５ａ，５ｂにおいて、永久磁石ロータ２ａと永久磁石ロータ２ｂのＳ極及びＮ極の回転運動によって磁気誘導２次鉄芯７ａの反応コイル８ａにより発生する逆電流磁場は矢視Ｍ１の方向になるのに対し、磁気誘導２次鉄芯７ｂの観応コイル８ｂにより発生する逆電流磁場は、矢視Ｍ２の方向になる。つまり、電流の流れによる逆磁場を相互消滅させる。したがって、永久磁石ロータ２ａと永久磁石ロータ２ｂの磁場は電流の流れ方向に関係なく、誘導磁化現象による負荷は消滅し、永久磁石ロータ２ａと永久磁石ロータ２ｂには、それ自身の機械的な負荷に対向して回転するために必要な運動エネルギーが付与される。

【0026】

例えば、永久磁石ロータ２ａと永久磁石ロータ２ｂを１回転させる場合、永久磁石のＳ極及びＮ極が連続して誘導１次鉄芯５ａ又は５ｂに磁場を供給し、永久磁石ロータ２ａと永久磁石ロータ２ｂの一方側の軌道から誘導１次鉄芯５ａ又は５ｂ、誘導２次鉄芯７ａ又は７ｂ、永久磁石ロータ２ａと永久磁石ロータ２ｂの他方側の軌道に沿って磁場が形成される。そして、磁場の影響を受けたコイルに電流が発生する。

【0027】

この電流を発電電力として使用又は蓄電すると、コイルに流れる電流によって逆磁場が形成される。しかし、磁気誘導２次鉄芯５ａ，５ｂの両端において、それぞれＳ極，Ｎ極及びＮ極，Ｓ極の同一磁束の逆磁場が相殺し合うため、ロータ自体の重量及び力学的な抵抗以外の他の抵抗を受けない無負荷の状態となる。

【0028】

すなわち、永久磁石の交番によってＳ極及びＮ極が代わる都度、Ｍ１及びＭ２矢印方向に相反して左右に逆磁性が生じ相殺し合って完全消滅するようになる。この逆電流による逆磁性は、永久磁石によって影響を受けないようになるので、機械的な１次負荷以外の何の負荷もかからないことになる。

【実施例0029】

図３（ａ）に発電装置の他の実施例を模式的に示す。同軸上に永久磁石ロータ２ａと永久磁石ロータ２ｂを各々複数個連結させて、永久磁石ロータ２ｂの一端側にプロペラ１２、他端と永久磁石ロータ２ａの一端側の軸同士を絶縁体１１が全長の中点位置となるように介し、スプライン接合して同軸上に固定する。そして、プロペラ１２に付与される機械的動力により回転して発生する永久磁石ロータ２ａ側からの電流を単体充電バッテリー器１３に、永久磁石ロータ２ｂ側からの電流を単体充電バッテリー器１４に蓄電し、さらに、これらの合成電流を複合バッテリー充電器１５に蓄電する。

【0030】

前記したスプライン接合とは、円筒状の外周に等間隔にキー状の凹凸をつけ、この軸の内面にキー溝を掘ったボス（軸を包む部分）付の機械部品に挿入して結合し、トルクを伝達するもので、回転中に軸方向に多少移動してもキーと軸が一体になっているので結合力が強く、軸とボスとの偏芯が起こらない。

【0031】

図３（ａ）に示すように、本実施例においても、永久磁石ロータ２ａ側の＋極と永久磁石ロータ２ｂ側の－極、永久磁石ロータ２ａ側の－極と永久磁石ロータ２ｂ側の＋極、すなわち、相対する両電磁場は相殺し合い、無負荷磁場が形成される。例えば、上り坂と下り坂における機械的動力の相殺と同様の作用効果が生じると考えれば分かりやすい。

【0032】

以上説明したように、本発明の磁気負荷レス発電装置においては、装置自身の機械的な負荷以外の２次的な負荷、つまり磁気誘導鉄芯に巻かれた感応コイルに流れる逆電流によって発生する負荷はゼロとすることができる。したがって、電磁誘導によって発生する電流を全て使用したとしても、機械的な１次負荷以外に逆電流による磁気的な２次負荷は全く作用しない。尚、上記各実施例の構成では、ロータ側の磁石は永久磁石としたが、これに限定されるものでもなく、ロータ側の磁石は電磁石でもよく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で限定されない。