特許 7601978 回転電気装置及び発電装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-09

(45)【発行日】2024-12-17

(54)【発明の名称】回転電気装置及び発電装置

(51)【国際特許分類】

   H02K 35/02 20060101AFI20241210BHJP

【ＦＩ】

H02K35/02

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2023164055

(22)【出願日】2023-09-26

【審査請求日】2023-09-26

(73)【特許権者】

【識別番号】523367819

【氏名又は名称】上野 恵司

(74)【代理人】

【識別番号】100187218

【弁理士】

【氏名又は名称】堀 宏光

(72)【発明者】

【氏名】上野 恵司

【審査官】服部 俊樹

(56)【参考文献】

【文献】実開平０５－０１１７８８（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２００６－２３８５９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１９３３６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－１２０１３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－３０９６３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０１－１７７８６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６２－１８９９７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５８－２２４５５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５６－１１０４８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第６９８５６７１（ＪＰ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｋ ３５／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

中心軸まわりに回転可能に構成された回転子と、
前記中心軸を中心にして周方向に並んだ複数の第１永久磁石と、
前記回転子に固定され、前記複数の第１永久磁石と前記中心軸との間に配置された少なくとも１つの第２永久磁石と、を有し、
前記複数の第１永久磁石は、互いに同一の極性を前記中心軸の方に向けて配置されており、
前記第２永久磁石は、前記極性と同一の極性を前記中心軸とは反対の方に向けて配置されており、
前記回転子は、前記中心軸に交差する方向に揺動可能に構成されている、回転電気装置。

【請求項2】

前記第２永久磁石に隣接し、前記中心軸を中心にして周方向に非対称に設けられた軟磁性体を有する、請求項１に記載の回転電気装置。

【請求項3】

前記第２永久磁石のＮ極とＳ極とを結ぶ線が、前記中心軸を中心とした半径方向に対して傾斜している、請求項１に記載の回転電気装置。

【請求項4】

前記中心軸に沿って延びる軸部材と、
前記軸部材の少なくとも一方の端部を支持する第１弾性部材と、を有する、請求項１に記載の回転電気装置。

【請求項5】

前記中心軸に沿って延びる軸部材と、
前記軸部材の鉛直方向の上部に設けられた重りと、を有する、請求項１に記載の回転電気装置。

【請求項6】

前記中心軸に沿って延びる軸部材と、
前記回転子のまわりに設けられた筐体と、
前記筐体と前記軸部材とを連結する複数の第２弾性部材と、を有する、請求項１に記載の回転電気装置。

【請求項7】

請求項１から６のいずれか１項に記載の回転電気装置と、
前記回転子に固定された少なくとも１つの第３永久磁石と、
前記中心軸に沿った方向において前記第３永久磁石に対向して配置されたコイルと、を有する、発電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回転電気装置及び発電装置に関する。

【背景技術】

【0002】

回転電気装置は、電動装置や発電装置のように、回転可能な回転子を有する装置である。発電装置としては、例えば電磁誘導を利用した発電装置が知られている。以下の特許文献１及び特許文献２は、電磁誘導を利用した発電装置を開示している。

【0003】

特許文献２に記載された発電装置では、円周状に配置された複数のコイルを備えた第１の多層多極コイル板と、偏心錘と、円周状に配置された複数のコイルを備えた第２の多層多極コイル板とが、この順序で配置されている。偏心錘は、回転自在に構成された摺動体と、両面着磁された円盤状ないし扇形状の多極磁石と、を含む。多極磁石の重心位置は、軸心からずれるように配置されている。特許文献１に記載された発電装置は、振動に伴い偏心錘が回転することによって、電磁誘導により発電が行われる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１２－０７０５３５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献２に記載された発電装置では、偏心錘の重量の不均衡によって外部振動が偏心錘の回転に変換され、偏心錘に設けられた磁石とそれに対向するコイルとの間の電磁誘導により、発電が行われる。しかしながら、偏心錘の重量の不均衡を偏心錘の回転に変換する場合、外部振動の周波数と重量の不均衡との関係がマッチしていないと、偏心錘が安定的に回転し難い。

【0006】

したがって、永久磁石を利用する回転子を備えた新規な回転電気装置及び／又は発電装置が望まれる。

【課題を解決するための手段】

【0007】

一態様に係る回転電気装置は、中心軸まわりに回転可能に構成された回転子と、前記中心軸を中心にして周方向に並んだ複数の第１永久磁石と、前記回転子に固定され、前記複数の第１永久磁石と前記中心軸との間に配置された少なくとも１つの第２永久磁石と、を有する。前記複数の第１永久磁石は、互いに同一の極性を前記中心軸の方に向けて配置されている。前記第２永久磁石は、前記極性と同一の極性を前記中心軸とは反対の方に向けて配置されている。

【0008】

一態様に係る発電装置は、上記の回転電気装置と、前記回転子に固定された少なくとも１つの第３永久磁石と、前記中心軸に沿った方向において前記第３永久磁石に対向して配置されたコイルと、を有する。

【発明の効果】

【0009】

上記態様によれば、永久磁石を利用する回転子を備えた新規な回転電気装置及び／又は発電装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、第１実施形態に係る回転電気装置の模式的側面図である。

【図2】図２は、第１実施形態に係る回転電気装置の模式的上面図である。

【図3】図３は、第２実施形態に係る回転電気装置の模式的側面図である。

【図4】図４は、第２実施形態に係る回転電気装置の模式的上面図である。

【図5】図５は、第３実施形態に係る回転電気装置の模式的側面図である。

【図6】図６は、第３実施形態に係る回転電気装置の模式的上面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照して、実施形態について説明する。以下の図面において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることがあることに留意すべきである。

【0012】

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る回転電気装置の模式的側面図である。なお、図１では、回転電気装置の構造の説明の都合上、一部の構造が断面で示されていることに留意されたい。図２は、第１実施形態に係る回転電気装置の模式的上面図である。なお、図２では、回転電気装置の構造の説明の都合上、一部の構造は図示されていない、又は透視的に図示されていることに留意されたい。特に、図２では、第１永久磁石３０、第２永久磁石４０及び第３永久磁石５０の配置を説明するため、その他の構造はなるべく省略して示されている。

【0013】

第１実施形態に係る回転電気装置１００は、発電装置として好適に利用できる。回転電気装置１００は、筐体１０と、回転子２０と、複数の第１永久磁石３０と、少なくとも１つの第２永久磁石４０と、少なくとも１つの第３永久磁石５０と、コイル６０と、を有していてよい。ここで、「永久磁石」という用語は、通常使用される意味と同様であり、必ずしも永久的に磁石の性質を保持し続ける部材であることを意味しない。すなわち、「永久磁石」は、電磁石とは異なり、長期的な期間、磁石の性質を保持する部材であればよい。

【0014】

第１永久磁石３０及び第２永久磁石４０の種類としては、鉄・クロム・コバルト磁石、等方性及び異方性フェライト磁石、アルニコ磁石、希土類磁石（サマリウム・コバルト磁石、ネオジウム磁石）等が挙げられる。これらの中でも希土類磁石の内、ネオジウム磁石が高磁場を実現でき、小型軽量化の観点で好適である。

【0015】

回転子２０は、中心軸２２まわりに回転可能に構成されていてよい。回転子２０は、第２永久磁石４０及び第３永久磁石５０を固定可能であれば、どのような形状を有していてもよい。

【0016】

図示した態様では、回転子２０は、上部板２４と下部板２６を含んでいる。上部板２４と下部板２６のそれぞれは、中心軸２２を中心とした円板の形状を有していてよい。上部板２４と下部板２６は、支柱２５によって互いに連結されていてよい。支柱２５は、中心軸２２を中心として円周状に複数並んでいてよい。好ましくは、支柱２５は、中心軸２２から遠く離れた位置、すなわち上部板２４と下部板２６の半径方向Ｒの外側の端部付近に設けられていてよい。

【0017】

筐体１０は、回転子２０を取り囲む筒状の形状を有していてよい。筐体１０は、例えば合成樹脂材料、又は金属材料等によって構成されていてよい。合成樹脂材料は、例えば塩化ビニール樹脂、又はその他の樹脂材料であってよい。好ましくは、筐体１０は、非磁性部材によって構成されている。すなわち、筐体１０は、筒状の非磁性部材によって構成されていてよい。

【0018】

複数の第１永久磁石３０は、中心軸２２を中心にして周方向に並んでいてよい。具体的には、複数の第１永久磁石３０は、中心軸２２に直交する面内で、中心軸２２を中心にして周方向に並んでいてよい。好ましくは、複数の第１永久磁石３０は、周方向に実質的に等間隔に並んでいる。

【0019】

複数の第１永久磁石３０は、互いに同一の極性を中心軸２２の方に向けて配置されている。図示した態様では、各々の第１永久磁石３０のＳ極が中心軸２２の方に向けて配置されている。

【0020】

複数の第１永久磁石３０は、筐体１０に支持されていてよい。前述したように、筐体１０は、非磁性部材によって構成されていることが好ましい。筐体１０が非磁性部材によって構成されている場合、複数の第１永久磁石３０は、筒状の非磁性部材に支持されることになる。この場合、筐体１０が第１永久磁石３０の磁気モーメントに影響をほとんど与えないため、後述する回転子２０の回転に良くない影響を与える可能性を低減させることができる。

【0021】

第１実施形態では、回転電気装置１００は、複数の第２永久磁石４０を有する。第２永久磁石４０は、回転子２０に固定されていてよい。複数の第２永久磁石４０は、複数の第１永久磁石３０と中心軸２２との間に配置されている。

【0022】

第２永久磁石４０は、第１永久磁石３０の、中心軸２２の方に向けられた極性と同一の極性を、中心軸２２とは反対の方に向けて配置されている。すなわち、図示した態様では、各々の第２永久磁石４０のＳ極が、中心軸２２とは反対の方に向けて配置されている。

【0023】

ここで、各々の第２永久磁石４０のＳ極が中心軸２２とは反対の方に向けて配置されてはいるが、Ｓ極が中心軸２２を中心とする半径方向Ｒに完全に一致した方に向けられる必要はない。本明細書では、第２永久磁石４０のＳ極とＮ極を結ぶ線が中心軸２２を中心とする半径方向Ｒから傾斜していたとしても、第２永久磁石４０のＳ極がＮ極よりも半径方向Ｒの外側に位置するときには、第２永久磁石４０のＳ極が中心軸２２とは反対の方に向けて配置されてはいると見做す。すなわち、図２に示す態様では、第２永久磁石４０のＳ極が中心軸２２とは反対の方に向けて配置されていると言える。

【0024】

図２に示すように、第２永久磁石４０のＮ極とＳ極とを結ぶ線が、中心軸２２を中心とした半径方向Ｒに対して傾斜していることが好ましい。第２永久磁石４０のＮ極とＳ極とを結ぶ線と半径方向Ｒとの間の角度は、例えば０度より大きく９０度より小さい、好ましくは１０度～８０度の範囲、より好ましくは２０度～７０度の範囲であってよい。これにより、発明者は、第２永久磁石４０により生じる磁束密度の分布が、中心軸２２を中心とする円周方向において非対称となり得るため、後述するように回転電気装置１００の揺れに伴う回転子２０の回転を促進する可能性があると推測した。

【0025】

もっとも、回転子２０の回転が可能であれば、第２永久磁石４０のＮ極とＳ極とを結ぶ線は、中心軸２２を中心とした半径方向Ｒと一致していてもよい。すなわち、第２永久磁石４０は、半径方向Ｒから傾斜していなくてもよい。

【0026】

図示した態様では、複数の第２永久磁石４０は、回転子２０の上部板２４と下部板２６のそれぞれに固定されていてよい。回転子２０の上部板２４に固定された複数の第２永久磁石４０は、中心軸２２を中心にして周方向に並んでいてよい。同様に、回転子２０の下部板２６に固定された複数の第２永久磁石４０は、中心軸２２を中心にして周方向に並んでいてよい。

【0027】

本実施形態では、上部板２４に固定された複数の第２永久磁石４０と、下部板２６に固定された複数の第２永久磁石４０のそれぞれは、周方向に実質的に等間隔に並んでいる。

【0028】

回転電気装置１００は、第２永久磁石４０よりも中心軸２２側に、第４永久磁石４２を有していてよい。各々の第４永久磁石４２は、各々の第２永久磁石４０に伴って配置されている。

【0029】

第４永久磁石４２のＳ極とＮ極を結ぶラインは、中心軸２２を中心とした半径方向Ｒに沿って延びている。また、第４永久磁石４２は、半径方向Ｒにおいて第２永久磁石４０に隣接して設けられている。すなわち、第４永久磁石４２の一方の磁極は、第２永久磁石４０の一方の磁極と対向している。ここで、互いに対向する第４永久磁石４２の一方の磁極と第２永久磁石４０の一方の磁極とは、互いに異なる極性を有する。すなわち、第２永久磁石４０と第４永久磁石４２は、互いに引力を受けるような配置となっている。

【0030】

第２永久磁石４０が半径方向Ｒに対して傾斜している場合、第２永久磁石４０の中心軸２２側に向いた磁極から出た磁束は、中心軸２２から傾斜した方向に延びると考えられる。第４永久磁石４２が設けられていることにより、中心軸２２に向かう磁束は、半径方向Ｒに沿って概ね真っすぐ延び易くなる。これにより、ある第２永久磁石４０の、中心軸２２側に向けられた磁極から中心軸２２に向かう磁束が、隣接する第２永久磁石４０へ与える影響を抑制することができる。

【0031】

第１実施形態では、回転電気装置１００は、複数の第３永久磁石５０を有していてよい。第３永久磁石５０は、回転子２０に固定されていてよい。第３永久磁石５０は、コイル６０に対向するよう配置されていてよい。コイル６０は、中心軸２２に沿った方向において第３永久磁石５０に対向して配置されていてよい。

【0032】

図示した態様では、第３永久磁石５０は、回転子２０の上部板２４の下部と下部板２６の上部それぞれに固定されていてよい。回転子２０の上部板２４の下部と下部板２６の上部それぞれに固定された複数の第３永久磁石５０は、中心軸２２を中心とした週方向に並んでいてよい。

【0033】

コイル６０は、回転子２０の上部板２４に固定された複数の第３永久磁石５０と、回転子２０の下部板２６に固定された複数の第３永久磁石５０との間に設けられていてよい。好ましくは、中心軸２２から第３永久磁石５０までの距離が、中心軸２２からコイル６０までの距離とほぼ等しい（図１参照）。コイル６０は、中心軸２２を中心として周方向に複数設けられていてよい。

【0034】

周方向に隣接する第３永久磁石５０は、互いに磁極の向きが異なるよう配置されていることが好ましい。さらに、上下方向で互いに対向する第３永久磁石５０は、互いに異なる磁極を向かい合わせるよう配置されることが好ましい。

【0035】

複数のコイル６０は、中心軸２２を中心とした周方向に並んでいてよい。好ましくは、複数のコイル６０は、周方向に等間隔に並んでいてよい。

【0036】

第２永久磁石４０が、回転子２０の回転中にコイル６０に衝突しないよう、回転子２０の高さ方向の位置を調整可能なスペーサ２８が設けられていてもよい。

【0037】

ここで、コイル６０は、回転子２０には固定されていない。したがって、回転子２０が回転したとしても、コイル６０は回転しないことに留意されたい。そのため、回転子２０の回転に伴い、第３永久磁石５０は、コイル６０の直上又は直下に位置する状態と、コイル６０から周方向に離れた状態と、に移動し得る。これにより、コイル６０内の磁束密度が大きく変化し、誘導起電力が生じる。

【0038】

コイル６０は、外部の蓄電池や電気的負荷２００に電気的に接続されていてよい。具体的には、コイル６０から延びた配線６２は、外部の蓄電池や電気的負荷２００に電気的に接続されていてよい。

【0039】

回転電気装置１００は、中心軸２２に沿って延びる軸部材７０を有していてよい。軸部材７０は、中空の筒状の形状を有していてよい。コイル６０は、軸部材７０に連結されていてよい。具体的には、コイル６０から引き出された配線は、軸部材７０の中空部分を通して、軸部材７０の開口部７２から外側へ延出されていてよい。

【0040】

回転電気装置１００は、軸部材７０の少なくとも一方の端部を支持する第１弾性部材８０を備えていてよい。図示した態様では、軸部材７０の下方側の端部が第１弾性部材８０によって支持されている。

【0041】

より具体的には、軸部材７０は、筐体１０の底板１２には直接連結されていない。軸部材７０は、第１弾性部材８０を介して筐体１０の底板１２に連結されている。これにより、軸部材７０は、外力が作用すると、軸部材７０の中心軸が傾くように揺動可能に構成されている。

【0042】

軸部材７０は、ベアリング７８を介して回転子２０に接続されていてよい。これにより、軸部材７０が回転することなく、回転子２０が中心軸２２まわりに回転可能に構成される。また、回転子２０がベアリング７８を介して軸部材７０に接続されることにより、軸部材７０の揺動に伴って、回転子２０も揺動する。ベアリング７８の具体的な構造は特に制限されない。ベアリング７８は、例えばボールベアリング等であってよい。

【0043】

特に、回転子２０は、軸部材７０の揺動（傾斜するような揺動）により、回転子２０の回転面が傾斜するように揺動する。中心軸２２まわりの周方向に関して静止した状態における回転子２０が揺動すると、回転子２０は、第１永久磁石３０と第２永久磁石４０との磁気による周方向における安定位置からずれ、回転電気装置１００の振動と相まって回転子２０は一方向にある程度回転すると推測される。

【0044】

回転子２０の回転に伴って、第３永久磁石５０とコイル６０の作用（電磁誘導）により、電力が生成される。コイル６０に生成された電力は、配線を通じて外部に取り出すことができる。

【0045】

ここで、前述したように、第２永久磁石４０のＮ極とＳ極とを結ぶ線が、中心軸２２を中心とした半径方向Ｒに対して傾斜している場合、第２永久磁石４０により生じる磁束密度の分布が、中心軸２２を中心とする円周方向において非対称となり得るため、振動に伴う回転子２０の回転は起こりやすくなると推測される。

【0046】

また、第２永久磁石４０により生じる磁束密度の分布の円周方向における非対称性を増大させるため、第２永久磁石４０に隣接して軟磁性体４４が設けられていても良い。軟磁性体４４は、比較的高い透磁率を有する材料である。軟磁性体４４は、第２永久磁石４０に対して中心軸２２を中心にして周方向に非対称に設けられていてよい。図２に示す例では、軟磁性体４４は、第２永久磁石４０の、周方向における一方の側方のみを覆っている。これにより、振動に伴う回転子２０の回転はより起こりやすくなると推測される。

【0047】

軟磁性体４４の材料は、特に制限されないが、鉄、モリブデン、ニッケルなどの強磁性体が挙げられる。この代わりに、軟磁性体４４の材料は、アルミニウムや銅箔の積層体によって構成されていても良い。軟磁性体４４の膜厚は、材料にもよるが、例えば１μｍから１０００μｍの範囲から選択されることが好ましい。

【0048】

回転電気装置１００は、軸部材７０の鉛直方向の上部に設けられた重り１６を有していてよい。これにより、軸部材７０は、振動に伴い水平方向に揺動し易くなる。

【0049】

また、回転電気装置１００は、筐体１０と軸部材７０とを連結する複数の第２弾性部材９０を有していてよい。複数の第２弾性部材９０は、中心軸２２まわりに、周方向に並んで配置されていてよい。第２弾性部材９０は、外力を受けていない場合に、軸部材７０を鉛直方向に安定的に維持するために設けられていてよい。

【0050】

（実験例１）
第１実施形態で説明した回転電気装置１００を実際に製造し、発電実験を行った。筐体１０は、塩化ビニール製の円筒形状である。周方向に６ｍｍの等間隔で筐体１０に複数の貫通穴を形成し、それぞれの貫通穴に第１永久磁石３０が設けられている。第１永久磁石３０は、マグファイン社製の円柱状のネオジウム磁石である。第１永久磁石３０のＳ極が中心軸２２の方に向けられている。

【0051】

第２永久磁石４０は、マグファイン社製の直方体形状のネオジウム磁石である。第４永久磁石４２は、直方体形状のネオジウム磁石である。第２永久磁石４０のＳ極が、半径方向Ｒの外側に向けられている。第２永久磁石４０の長軸と、中心軸２２を中心とした半径方向Ｒとの間の角度は、５０度である。７個の第２永久磁石４０が、周方向に等間隔で配置された。上面視で第２永久磁石４０の右片側に、軟磁性体４４が設けられている。軟磁性体４４は、大同金網社製のパーマロイテープを３層重ねて貼り付けたものである。軟磁性体４４の厚み、つまり３層全体の膜厚は、約１５０μｍであった。

【0052】

第３永久磁石５０は、マグファイン社製の正方形の板状のネオジウム磁石である。８個の第３永久磁石５０が周方向に等間隔に配置されている。８個の第３永久磁石５０は、上部板２４と下部板２６のそれぞれに設けられた。周方向に隣接する第３永久磁石５０は、互いに磁極の向きが異なるよう配置された。さらに、上下方向で互いに対向する第３永久磁石５０は、互いに異なる磁極を向かい合わせるよう配置された。

【0053】

第１弾性部材８０は、０．４１Ｎ／ｍｍのばね定数と５ｃｍの自然長を有するつる巻きばねであった。重り１６は、２００ｇの分銅錘であった。４つの第２弾性部材９０は、ゴム製のバンドであった。

【0054】

コイル６０は、周方向に等間隔に４つ設けられた。中心軸２２の方向に沿ったコイル６０と第２永久磁石４０との間の間隔は、約０．５ｍｍ～１．０ｍｍであった。それぞれのコイル６０は、直径１０ｍｍの樹脂製円筒の周囲に１００回巻かれたエナメル線により構成された。４つのコイル６０は、すべて電気的に直列に接続された。回転子２０の回転に伴い、４個のコイル６０に同時に同相の起電圧が生じるよう構成されている。コイル６０から引き出された配線６２は、外部の電力取り出し回路に接続された。コイル６０に生成された電圧は、電力取り出し回路により測定された。

【0055】

発電実験では、手動で、１０秒間で３０往復（すなわち３Ｈｚの振動数）、前述した回転電気装置１００を揺動させた。これにより、回転子２０が回転し、安定的に約４００ｍＶの起電圧が発生したことを確認できた。回転電気装置１００の揺動を止めると直ちに回転子２０の回転は停止した。

【0056】

ここで、通常の環境下で発生する振動の周波数は、およそ１Ｈｚ～３０Ｈｚ程度であることが知られている。例えば、地震動の周波数は約１０Ｈｚ程度であると考えられる。土木工事の振動の周波数は約２０Ｈｚ程度であると考えられる。自動車等の交通に伴う振動の周波数は、約１Ｈｚ～３０Ｈｚ程度であると考えられる。また、人の歩行や走行に伴う振動の周波数は、約約１Ｈｚ～５Ｈｚ程度であると考えられる。

【0057】

上記の回転電気装置１００は上記の発電実験により３Ｈｚの振動で発電可能であることがわかる。そのため、上記の回転電気装置１００は、通常の環境下で発生する振動の周波数において、発電可能であると考えられる。なお、回転電気装置１００の各構造の設計を調整することにより、３Ｈｚ以外の他の周波数で発電可能な構成にすることも可能と考えられる。

【0058】

ここで、回転電気装置１００から第１永久磁石３０をすべて取り除いて上記と同一の条件下で同様の発電実験（外部からの揺動）を行ったが、回転子２０が回転しないことを確認できた。また、回転電気装置１００から第２永久磁石４０をすべて取り除いて上記と同一の条件下で同様の発電実験（外部からの揺動）を行ったが、回転子２０が回転しないことを確認できた。

【0059】

以上の結果から、本実施形態に係る回転電気装置１００では、外部からの外力、すなわち回転電気装置１００の揺動に起因し、かつ第１永久磁石３０と第２永久磁石４０の両方の作用によって、回転子２０が回転することがわかる。

【0060】

［第２実施形態］
図３は、第２実施形態に係る回転電気装置の模式的側面図である。なお、図３では、回転電気装置の構造の説明の都合上、一部の構造が断面で示されていることに留意されたい。図４は、第２実施形態に係る回転電気装置の模式的上面図である。なお、図４では、回転電気装置の構造の説明の都合上、一部の構造は図示されていない、又は透視的に図示されていることに留意されたい。特に、図４では、第１永久磁石３０及び第２永久磁石４０の配置を説明するため、その他の構造はなるべく省略して示されている。

【0061】

第２実施形態において、第１実施形態と同様の構成については、同一の符号が付されており、その説明を省略することがあることに留意されたい。

【0062】

第２実施形態に係る回転電気装置１００は、筐体１０と、回転子２０と、複数の第１永久磁石３０と、少なくとも１つの第２永久磁石４０と、を有していてよい。

【0063】

回転子２０は、中心軸２２まわりに回転可能に構成されていてよい。回転子２０は、第２永久磁石４０を固定可能であれば、どのような形状を有していてもよい。図示した態様では、回転子２０は、円盤状の形状を有する。

【0064】

複数の第１永久磁石３０の配置については、第１実施形態と同様である。第２実施形態では、回転電気装置１００は、１つの第２永久磁石４０を有する。第２永久磁石４０は、回転子２０に固定されていてよい。複数の第２永久磁石４０は、複数の第１永久磁石３０と中心軸２２との間に配置されている。第２永久磁石４０の磁極の向きや、第２永久磁石４０の配向（半径方向からの傾斜角）等については、第１実施形態と同様である。

【0065】

第１実施形態と同様、第２永久磁石４０のＮ極とＳ極とを結ぶ線が、中心軸２２を中心とした半径方向Ｒに対して傾斜していることが好ましい。第２永久磁石４０のＮ極とＳ極とを結ぶ線と半径方向Ｒとの間の角度φは、例えば０度より大きく９０度より小さい、好ましくは１０度～８０度の範囲、より好ましくは２０度～７０度の範囲であってよい（図４も参照）。もっとも、回転子２０の回転が可能であれば、第２永久磁石４０のＮ極とＳ極とを結ぶ線は、中心軸２２を中心とした半径方向Ｒと一致していてもよい。すなわち、第２永久磁石４０は、半径方向Ｒから傾斜していなくてもよい。

【0066】

回転電気装置１００は、中心軸２２に沿って延びる軸部材７０を有していてよい。軸部材７０は非磁性材料によって構成されていることが好ましい。第２実施形態では、軸部材７０は、回転子２０とともに回転可能に構成されている。軸部材７０は、下部基板１８と上部基板１９との間を延びていてよい。ここで、下部基板１８と上部基板１９は、回転子２０の回転に伴って回転しない。

【0067】

軸部材７０の上部に、一対の第１軸受け磁石７４が設けられている。一対の第１軸受け磁石７４は、互いに反発するよう同じ極性を向かい合わせて配置されている。さらに、一対の第１軸受け磁石７４は、上部基板１９を挟んで両側に配置されている。これにより、回転子２０が回転したときに軸部材７０が上部基板１９に接触して摩擦損失が生じる可能性を抑制できる。

【0068】

同様に、軸部材７０の下部に、一対の第２軸受け磁石７５が設けられている。一対の第２軸受け磁石７５は、互いに反発するよう同じ極性を向かい合わせて配置されている。さらに、一対の第２軸受け磁石７５は、下部基板１８を挟んで両側に配置されている。これにより、回転子２０が回転したときに軸部材７０が下部基板１８に接触して摩擦損失が生じる可能性を抑制できる。

【0069】

第２実施形態では、第２弾性部材９０は、筐体１０と上部基板１９とを連結している。第２弾性部材９０は、複数設けられていてよい。具体的には、上部基板１９は、第２弾性部材９０により支持されている。外力（揺動する力）が回転電気装置１００に加えられると、第２弾性部材９０の作用により、上部基板１９が揺動する。すなわち、上部基板１９は、第１実施形態で説明した重り１６と同様の機能を有する。

【0070】

上部基板１９の揺動に伴い、軸部材７０の中心軸が傾くように揺動し、回転子２０は、回転子２０の回転面が傾斜するように揺動する。これにより、第１実施形態と同様に、回転子２０は、回転電気装置１００の振動と相まって回転子２０は一方向にある程度回転すると推測される。

【0071】

図３及び図４に示す態様では、第２永久磁石４０は１つのみ設けられている。この代わりに、第１実施形態と同様、複数の第２永久磁石４０が回転子２０に固定されていてもよい。

【0072】

回転電気装置１００を発電装置として利用する場合には、第１実施形態と同様に、第３永久磁石５０やコイル６０が設けられていてもよい。

【0073】

（実験例２）
第２実施形態で説明した回転電気装置１００を実際に製造し、実験を行った。筐体１０は、塩化ビニール製の円筒形状である。４つの第２弾性部材９０が週方向に等間隔に設けられた。

【0074】

周方向に５ｍｍの等間隔で筐体１０に複数の貫通穴を形成し、それぞれの貫通穴に第１永久磁石３０が設けられている。第１永久磁石３０は、マグファイン社製の円柱状のネオジウム磁石である。第１永久磁石３０のＳ極が中心軸２２の方に向けられている。

【0075】

１つの第２永久磁石４０は、マグファイン社製の直方体形状のネオジウム磁石である。第２永久磁石４０の長軸と、中心軸２２を中心とした半径方向Ｒとの間の角度φは、５０度である。上面視で第２永久磁石４０の右片側に、軟磁性体４４が設けられている。軟磁性体４４は、大同金網社製のパーマロイテープを３層重ねて貼り付けたものである。軟磁性体４４の厚み、つまり３層全体の膜厚は、約１５０μｍであった。

【0076】

上記の回転電気装置１００に、回転トルクを測定する測定装置を取り付けた（図３も参照）。図３に示す測定装置３００は、測定装置３００は、軸部材７０に取り付けられた第１ギア２０５と、第１ギア２０５に連結された複数のギア（減速ギア群）２１０と、を有する。減速ギア群２１０に取り付けられた回転軸２２０には、ゼンマイばね２４０が取り付けられている。

【0077】

回転子２００の回転に伴い軸部材７０が回転すると、第１ギア２０５及び減速ギア群２１０が回転する。減速ギア群２１０の回転に伴い回転軸２２０が回転し、これによりゼンマイばね２４０が巻かれる。このゼンマイばね２４０の巻き数によって、回転トルクの大きさを算出することができる。

【0078】

また、ゼンマイばね２４０と減速ギア群２１０との間に不図示のクラッチを設けておき、クラッチによりゼンマイばね２４０と減速ギア群２１０との接続を切り離すことによって、巻かれたゼンマイばね２４０が解放される。この解放時の回転エネルギーを発電モータ２５０に与えることで、回転トルクの大きさに応じた電力が発生する。この電力を電圧計２６０で測定することによって、回転トルクの大きさを間接的に算出した。

【0079】

実際に、上記の回転電気装置１００を手動で揺動させることで回転子２００を回転させ、ゼンマイばね２４０の復元力と回転のトルクとがつり合うまで、ゼンマイばね２４０を巻いた。このときのゼンマイばね２４０の最大の巻き数から回転トルクを算出した（以下の表１参照）。回転トルクＴｒは、ゼンマイばね２４０の巻き総数をＮに比例するため、実測された巻き総数から算出することができる。

【0080】

次に、クラッチを解放し、ゼンマイばね２４０が元の状態に巻き戻るまでの時間に発電モータで発生した瞬間の最大起電圧を測定した（以下の表１参照）。実験例２において回転トルクは１０１［Ｎ・ｍｍ］であり、最大起電圧は１．５８［Ｖ］であった。

【0081】

（実験例３）
第２永久磁石４０の長軸と中心軸２２を中心とした半径方向Ｒとの間の角度φを９０度にした以外は実験例２と同じ構成及び同じ条件で実験が行われた。実験例３において回転トルクは１４［Ｎ・ｍｍ］であり、最大起電圧は０．３［Ｖ］であった。

【0082】

（実験例４）
第２永久磁石４０の長軸と中心軸２２を中心とした半径方向Ｒとの間の角度φを０度にした以外は実験例２と同じ構成及び同じ条件で実験が行われた。実験例４において回転トルクは６［Ｎ・ｍｍ］であり、最大起電圧は０．１［Ｖ］であった。

【0083】

（表１）

【0084】

表１に示す結果から、第２永久磁石４０のＮ極とＳ極とを結ぶ線は中心軸２２を中心とした半径方向Ｒに対して傾斜していることが好ましいことがわかる。この観点から、角度φは、例えば０度より大きく９０度より小さい、１０度～８０度の範囲、２０度～７０度の範囲であることが好ましい。もっとも、第２永久磁石４０のＮ極とＳ極とを結ぶ線が傾斜していなくても、回転トルク及び最大起電力は生じているため、角度φが０°及び９０°であってもよいことに留意されたい。

【0085】

（実験例５）
実験例４の回転電気装置１００から軟磁性体４４を取り除いたことを除き、実験例４と同じ構成及び同じ条件で実験を行った。この場合、測定された回転トルクと最大起電圧の値は、実験例４のものと比較して小さいことが確認できた。

【0086】

［第３実施形態］
図５は、第３実施形態に係る回転電気装置の模式的側面図である。なお、図５では、回転電気装置の構造の説明の都合上、一部の構造が断面で示されていることに留意されたい。図６は、第３実施形態に係る回転電気装置の模式的上面図である。なお、図６では、回転電気装置の構造の説明の都合上、一部の構造は図示されていない、又は透視的に図示されていることに留意されたい。特に、図６では、第１永久磁石３０及び第２永久磁石４０の配置を説明するため、その他の構造はなるべく省略して示されている。

【0087】

第３実施形態において、第１実施形態と同様の構成については、同一の符号が付されており、その説明を省略することがあることに留意されたい。

【0088】

第３実施形態に係る回転電気装置１００は、回転子２０と、複数の第１永久磁石３０と、少なくとも１つの第２永久磁石４０と、を有していてよい。回転子２０は、中心軸２２まわりに回転可能に構成されていてよい。回転子２０は、第２永久磁石４０を固定可能であれば、どのような形状を有していてもよい。図示した態様では、回転子２０は、円盤の形状を有する。

【0089】

第３実施形態では、複数の第１永久磁石３０は、筐体の底板１２と、筐体の上板１４のそれぞれに設けられている。筐体の底板１２に設けられた複数の第１永久磁石３０は、中心軸２２を中心にして周方向に並んでいてよい。筐体の上板１４に設けられた複数の第１永久磁石３０は、中心軸２２を中心にして周方向に並んでいてよい。周方向における複数の第１永久磁石３０の配置や磁極の向きは、第１実施形態と同様である（図６も参照）。

【0090】

第２永久磁石４０は、回転子２０に固定されていてよい。第３実施形態では、複数の第２永久磁石４０は、円盤状の回転子２０の上部と、円盤状の回転子２０の下部と、に設けられている。回転子２０の上部と下部のそれぞれに設けられた複数の第２永久磁石４０は、中心軸２２を中心にして周方向に並んでいてよい。周方向における複数の第２永久磁石４０の配置や磁極の向きは、第１実施形態と同様である（図６も参照）。

【0091】

第３実施形態では、回転子２０の上部と下部に設けられたそれぞれの第２永久磁石４０が、筐体の上板１４と底板１２に設けられたそれぞれの第１永久磁石３０に対向する。これにより、第１永久磁石３０と第２永久磁石４０の磁力の作用をより強化することができる。

【0092】

また、回転子２００は、第１永久磁石３０と第２永久磁石４０との反発力によって、中心軸２２の方向において底板１２と上板１４から離間していてよい。この場合、回転子２００は軸部材７０に固定されていなくてもよい。すなわち、回転子２００の中心に設けられた貫通孔に軸部材７０が通されているだけでよい。

【0093】

第３実施形態では、軸部材７０は、第２実施形態と同様に、回転子２０とともに回転可能に構成されている。そのため、軸部材７０は、ベアリング７９を介して筐体の上板１４と底板１２に取り付けられている。

【0094】

ベアリング７９としては、例えばボール軸受、油軸受、空気軸受、磁気軸受、流体軸受などが用いられ得る。また、回転方向とは反対方向への回転を規制するため、不図示のワンウェイが設けられていてもよい。

【0095】

第３実施形態に係る回転電気装置１００は、底板１２及び／又は上板１４を中心軸２２の方向に移動させる駆動装置４００を備えていても良い。駆動装置４００は、例えば、ギア４１０と、駆動部４２０と、不図示のクラッチ機構と、を有していてよい。ギア４１０は、例えばラックピニオンギアであってよい。

【0096】

ギア４１０は、底板１２及び／又は上板１４に設けられた不図示のギアとかみ合わせられていてよい。クラッチ機構は、ギア４１０と底板１２及び／又は上板１４との接続を切る装置である。

【0097】

図５に示す態様では、ギア４１０は、上板１４に設けられた不図示のギアとかみ合わせられている。この状態で駆動部４２０がギア４１０を駆動させることにより、上板１４は、軸方向２２に沿って移動可能になる。

【0098】

これにより、軸方向２２に沿った方向における第１永久磁石３０と第２永久磁石４０との間隔を変えることができる。また、駆動装置４００は、第１永久磁石３０と第２永久磁石４０（回転子２００）の設置及び／又は取り外し時にも利用できる。

【0099】

第３実施形態では、回転子２０や軸部材７０は、第１実施形態及び第２実施形態で説明したようには揺動しない。この場合であっても、第１永久磁石３０と第２永久磁石４０による回転子２０の回転機構は、様々な用途に利用可能と考えられる。

【0100】

もっとも、第３実施形態においても、回転子２０や軸部材７０は、第１実施形態及び第２実施形態で説明したようには揺動可能に構成されていても構わない。

【0101】

回転電気装置１００を発電装置として利用する場合には、第１実施形態と同様に、第３永久磁石５０やコイル６０が設けられていてもよい。

【0102】

上記態様によれば、回転電気装置１００は、各種の機械の動力源や発電装置などに利用できる。特に、自然環境下における振動を利用した振動発電装置としての応用も期待できる。

【0103】

上述したように、実施形態を通じて本発明の内容を開示したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替の実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなる。したがって、本発明の技術的範囲は、上述の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

【符号の説明】

【0104】

１００ 回転電気装置
１６ 重り
２０ 回転子
２２ 中心軸
３０ 第１永久磁石
４０ 第２永久磁石
４４ 軟磁性体
５０ 第３永久磁石
６０ コイル
７０ 軸部材
８０ 第１弾性部材
９０ 第２弾性部材
Ｒ 半径方向

【要約】

【課題】永久磁石を利用する回転子を備えた新規な回転電気装置を提供する。
【解決手段】回転電気装置１００は、中心軸２２まわりに回転可能に構成された回転子２０と、中心軸２２を中心にして周方向に並んだ複数の第１永久磁石３０と、回転子２０に固定され、複数の第１永久磁石３０と中心軸２２との間に配置された少なくとも１つの第２永久磁石４０と、を有する。複数の第１永久磁石３０は、互いに同一の極性を中心軸２２の方に向けて配置されている。第２永久磁石４０は、前記極性と同一の極性を中心軸２２とは反対の方に向けて配置されている。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】