エネルギー貯蔵装置
【課題】環境によって大きく変動する利用可能なエネルギーを、可能な限り有効に運動エネルギーとして貯蔵し、必要に応じて磁気エネルギーを媒体として非接触給電できるエネルギー貯蔵装置を提供する。
【解決手段】一対あるいは複数対の永久磁石１４、１５を、軟磁性材からなる歯車形のスペーサ部材１２を端面間に介在させ、対向配置として一体形成した磁界発生モジュール１０と、コイル部材として空心コイル４２を有する電力回収モジュール４０とを備え、磁界発生モジュール１０は、回転中心軸１１の回りに回転自在に支持され、貯蔵したいエネルギー源を用いて駆動部３０を介して回転させ、空心コイル４２は、磁界発生モジュール１０から発生する交流磁界と鎖交する配置として、スペーサ部材１２に近接する位置と、スペーサ部材１２から離隔した退避位置との間において移動可能に設けられていることを特徴とする。
【解決手段】一対あるいは複数対の永久磁石１４、１５を、軟磁性材からなる歯車形のスペーサ部材１２を端面間に介在させ、対向配置として一体形成した磁界発生モジュール１０と、コイル部材として空心コイル４２を有する電力回収モジュール４０とを備え、磁界発生モジュール１０は、回転中心軸１１の回りに回転自在に支持され、貯蔵したいエネルギー源を用いて駆動部３０を介して回転させ、空心コイル４２は、磁界発生モジュール１０から発生する交流磁界と鎖交する配置として、スペーサ部材１２に近接する位置と、スペーサ部材１２から離隔した退避位置との間において移動可能に設けられていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、環境によって大きく変動する利用可能なエネルギーを、可能な限り有効に運動エネルギーとして貯蔵し、必要に応じて磁気エネルギーを媒体として非接触給電できるエネルギー貯蔵装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エナジーハーベスティングとは、身の回りの光や振動、熱などを電力として回収して利用する技術をいう。
この技術は、利用可能な量に限りのある化石燃料と異なり、無尽蔵に存在する自然エネルギーを利用可能なため、次世代のエネルギー源として近年注目されており、IDTechExによると、エナジーハーベスティング技術の市場は、2020年には$4.4b（2010年では$605m）に急成長すると予測されている。
一方、エナジーハーベスティング技術では、太陽光などの自然エネルギーを用いるため、周囲の天候等によって回収できるエネルギー量が大きく変動するという課題がある。このため、エナジーハーベスティング技術を用いて安定した電力を供給するためには、併せてエネルギー貯蔵技術についても議論される必要がある。
【０００３】
一般的なエネルギー貯蔵技術として、キャパシタに電気エネルギーを蓄える方式が挙げられる。これは必要な設備が簡便であり、また安価であることからこれまでに広く普及している（特許文献１、２）。また、高効率なエネルギー貯蔵技術としては、超伝導を用いて電気を磁気エネルギーとして貯蔵するＳＭＥＳ（超電導磁気エネルギー貯蔵）が挙げられる（特許文献３、４）。また、エネルギーを運動エネルギーとして貯蔵する方式としては、フライホイールが挙げられる。この技術では、エネルギーを回転エネルギーとして貯蔵するため、装置の構成をコンパクトにすることが可能である。また、このエネルギーを、電気エネルギーとして取り出す場合には、装置に発電機を直結しておき、磁気を介してエネルギーを取り出すフライホイールバッテリーという手法が一般的である（特許文献５、６）。
本発明者はこれまで、磁気を用いた装置開発について発明を行っている（特許７、８、９）。エネルギーを電気として取り出す場合、エネルギーを貯蔵する媒体にはキャパシタに代表されるように電界（電気）エネルギーは利用しやすい。一方、絶縁破壊を起こす電界強度が存在するため、体積当たりに貯蔵可能なエネルギー量は磁気に比べてはるかに小さい。磁気もエネルギー源の一つと考えた場合、その利用可能なエネルギーは磁界振幅の大きさに依存する。永久磁石を用いて大きな磁界振幅を利用する方法の一つとして、複数の永久磁石を対向配置（互いに反対の磁極が対抗するように直列に組み合わせて配置）して構成した同軸上の磁石部材により、永久磁石のギャップ周辺において径方向に大きな磁界を発生可能な手法が知られている。これを応用し、磁石部材の周囲を囲む複数のコイルを軸方向に並べたコイル部材を備えたリニアモータ装置が知られている（特許文献１０）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１４５１４３号公報
【特許文献２】特開２０１１−１１９４４０号公報
【特許文献３】特開２００５−３４１７５４号公報
【特許文献４】特開２００８−２３７０１８号公報
【特許文献５】特開２００５−０４８８２９号公報
【特許文献６】特開２００５−１８０３１１号公報
【特許文献７】特開２００４−１７９５５０号公報
【特許文献８】特開２００５−０９３４５２号公報
【特許文献９】特開２００９−３００３９２号公報
【特許文献１０】特開平１０−３１３５６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、一般的なキャパシタは、充放電を繰り返すことにより劣化することや、時間によって自己放電してしまい、長時間の蓄電ができない等の問題がある。また、ＳＭＥＳは、超伝導の状態を維持するために、冷媒を用意する必要があり、また、超伝導コイルは電気の入出力の際に交流損失が発生するため、システム維持に大きなコストが必要となり、大型システムでないと実用的に成立しないという問題がある。また、フライホイールバッテリーは、システムの構成上、発電機を直結させる必要があることから、数ｋＷ以上の大電力を扱うのには適しているが、小さな電力を扱うのが困難であるという問題がある。
【０００６】
本出願は、上記課題を解決するためになされたものであり、低コストであり、かつ小さな電力をロスなく貯蔵、放電することが可能なエネルギー貯蔵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】
【０００７】
本発明に係るエネルギー貯蔵装置は、一対あるいは複数対の永久磁石を、軟磁性材からなる歯車形のスペーサ部材を端面間に介在させ、対向配置として一体形成した磁界発生モジュールと、コイル部材を有する電力回収モジュールとを備え、前記磁界発生モジュールは、軸線の回りに回転自在に支持され、貯蔵したいエネルギー源を用いて駆動部を介して回転させ、前記コイル部材は、前記磁界発生モジュールから発生する磁界と鎖交する配置として、前記スペーサ部材に近接する位置と、前記スペーサ部材から離隔した退避位置との間において移動可能に設けられていることを特徴とする。なお、複数対の永久磁石とは、スペーサ部材を複数個備える場合で、スペーサ部材ごとに永久磁石が対向配置されているという意味である。また、磁界発生モジュールは直接的に駆動部に連繋して設ける場合と、間接的に連繋して設けられる場合がある。
本発明は、永久磁石を対向配置することにより、中心軸に対して径方向に大きな磁界を発生させることが可能であること、スペーサ部材の形状により周囲の径方向磁界の大きさに変動を持たせることが可能であること、磁界発生モジュールを回転させることで回転中心軸に対して径方向に交流磁界を発生可能であること、磁界空間中に回転中心軸から径方向から近づけたコイル部材を置くことにより高い電力密度で高効率にエネルギーを回収することが可能になるとの知見に基づく。すなわち、自然エネルギーなどを利用して、軸線の回りで回転する回転体として駆動される磁界発生モジュールの回転エネルギーを、コイル部材を介して電気エネルギーとして回収して利用する。なお、コイル部材としては適宜ターン数の空心コイルが好適に使用できる。
【０００８】
本発明に係るエネルギー貯蔵装置は、二つのモジュールから構成される。第一のモジュールは磁界発生モジュールであり、軸線方向に着磁された永久磁石を対向配置し、その間に歯車形状に加工した軟磁性材からなるスペーサ部材を挟みこむことで、径方向磁界の分布に強弱を持たせた構造を有する。
回転エネルギーを回収するという発想は、水力、風力発電に代表される技術で古くから行われているが、通常、こうした技術は、発電した電力をすぐに系統へ送るか蓄電池に貯めるという手法をとるため、水量、風量が小さい場合には極めて効率が悪いか回転エネルギーを得ることができない。この点、本出願に係る第一のモジュールによれば、理論上空気抵抗と軸受の損失のみで回転エネルギーとして蓄えておくことができ、必要な時に磁界発生モジュール対して非接触でエネルギーを取り出すことが可能になる。
【０００９】
第二のモジュールは電力回収モジュールであり、コイル部材を備える。このモジュールによれば、渦電流による発熱や電力損失を受けにくい低周波磁界を利用することが可能である。この第二のモジュールでは、電力の回収にコイル部材（空心コイル）を用いるため、磁界振幅の２乗に比例する電力を回収することが可能になる。第一のモジュールを回転させることで周囲に変動磁界を発生し、第二のモジュールにより非接触で磁界のエネルギーを回収することが可能になる。
【００１０】
電力回収モジュールとしてコイル部材に負荷を接続することにより、コイル部材により回収された電気エネルギーを負荷に供給できる。
【００１１】
磁界発生モジュールは、この磁界発生モジュールを軸線の回りに回転駆動する駆動部に連繋する構成とする。駆動部のエネルギー源として風力や水力等の自然エネルギーを利用することにより、自然エネルギーを有効活用することができる。
【００１２】
前記一対の永久磁石に円柱磁石あるいは円筒磁石を使用し、磁界発生モジュール全体を円柱状とし、中心に軸を設けて中心の回りに自由回転可能にすることにより効率的に回転エネルギーを保持することができる。永久磁石の大きさは限定されるものではなく、多角柱状、多角筒状とすることもできる。回転体としての慣性を大きくするために錘をつけることも可能である。
【００１３】
本出願に係るエネルギー貯蔵装置は、磁石と磁性材料、コイルから構成されるため、安価であり、構成が容易である。また、磁界発生モジュールは3600rpm以下といった低速回転で利用することを想定しており、渦電流損が小さく、少ない電力ロスで使用することが可能である。また、コイル部材のインピーダンスと負荷のインピーダンスを整合することにより、共振現象を利用できれば、最大電力供給の定理より最適な電気エネルギーの供給が可能である。
【００１４】
なお、低周波磁界を利用することで、生体への影響が懸念される（ICNIRP2010による生体への電磁界ガイドライン値は200μT）が、磁界発生モジュールが発生する磁界は、距離が離れると2つのダイポール磁気モーメントと仮定できるため、距離の３乗で反比例して減衰する。そのため適宜距離を離すことで、生体への磁界曝露の基準を解決できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るエネルギー貯蔵装置によれば、低コストかつ電力ロスの少ない高効率なエネルギー貯蔵、回収を行うことが可能なエネルギー貯蔵装置を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】エネルギー貯蔵装置の構成を示す模式図である。
【図２】磁界発生モジュールの組み立て斜視図である。
【図３】同極を対向して永久磁石を配置した際の磁界を示す説明図である。
【図４】エネルギー貯蔵装置の作用を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（エネルギー貯蔵装置の構成）
図１は、本発明に係るエネルギー貯蔵装置の構成例を示す。本実施形態のエネルギー貯蔵装置は、磁界発生モジュール１０と、電力回収モジュール４０とを主要な構成とする。
磁界発生モジュール１０は、歯車状に形成した軟磁性材からなるスペーサ部材１２と、同極を対向してスペーサ部材１２を端面間に挟む配置（対向配置）に設けた永久磁石１４、１５とを備える。磁界発生モジュール１０は、永久磁石１４、１５の端面にスペーサ部材を介してさらに永久磁石を対向配置して組み立てることもできる。
【００１８】
（磁界発生モジュール）
図２に磁界発生モジュール１０の組み立て斜視図を示す。永久磁石１４、１５は、ともに、同一寸法の円筒形に形成したもので軸線方向に着磁されている。図示例では、永久磁石１４、１５はＮ極を対向させて配置しているが、Ｓ極を対向させて配置してもよい。永久磁石１４、１５を円筒形としているのは磁界発生モジュールを回転支持する非磁性の回転中心軸１１を中心に配置するためである。永久磁石１４、１５を単に円柱形として軸を設けることも可能である。
スペーサ部材１２は、周方向に均等に４個の歯部１２ａを形成したもので、隣接する歯部１２ａの中間は凹部１２ｂとなっている。スペーサ部材１２の、歯部１２ａの外径は永久磁石１４、１５の外径と同一である。
スペーサ部材１２と永久磁石１４、１５との中心を一致させ、永久磁石１４、１５によりスペーサ部材１２を厚さ方向に挟む配置として一体化することにより、全体として円柱体状の磁界発生モジュール１０が得られる。
【００１９】
図３は、同極を対向させて永久磁石１４、１５を配置した場合に、永久磁石の端面間で、径方向に強い磁束密度の磁界が発生することを示している。ネオジウム磁石といった強力な永久磁石を対向配置させて配置することで、１Ｔ程度の磁束密度を発生させることは容易に可能である。
スペーサ部材１２を歯車状としているのは、対向配置とした永久磁石１４、１５の同極間において径方向に発生する磁界の分布を、周方向に強弱が生じるようにするためである。スペーサ部材１２の歯部１２ａを形成した部位における磁束密度は、凹部１２ｂにおける磁束密度よりも強くなり、これによって周方向の磁界強度が周期的に変化する。
【００２０】
スペーサ部材１２は、永久磁石１４、１５の同極間の磁界の分布が周方向に周期的に変化するようにするものであるから、歯部１２ａの個数は複数（２個以上）であればよく、歯数が限定されるものではない。また、歯部１２ａの形状も限定されない。スペーサ部材１２は永久磁石１４、１５の同極間に生じる磁界を効率的に外部に導出する作用をなす。したがって、スペーサ部材１２には軟磁性材を用いればよい。スペーサ部材１２には、安価で飽和磁束密度の高い電磁軟鉄等の磁性材料が好適に用いられる。
【００２１】
（支持部）
本発明に係るエネルギー貯蔵装置においては、全体形状を円柱体状とした磁界発生モジュール１０を回転自在に支持し、磁界発生モジュール１０に加えられた外力をフライホイールのように回転エネルギーとして貯蔵する。
図１において、破線のブロックによって示した支持部２０および２１は磁界発生モジュール１０を回転軸５０ａ、５０ｂの回りに回転自在に支持する支持部である。支持部２０、２１は磁界発生モジュール１０を中間に配し、支持部材５２により相互に連結して固定化されている。回転体を支持する構造（軸受）には、機械的な軸受構造、流体を用いるもの、磁気を利用するもの等、さまざまな構造が知られている。支持部２０および２１は、磁界発生モジュール１０の回転エネルギーのロスをできるだけ抑えて支持する構成とすればよい。
なお、支持部２０あるいは支持部２１の一方のみを用いて磁界発生モジュール１０を回転自在に支持する構成とすることもできる。支持部２０および２１の両者に磁気軸受を利用する場合には理論上安定動作が行えないため、アクティブ制御を行う必要がある。
【００２２】
（駆動部）
図１に示すように、磁界発生モジュール１０は磁界発生モジュール１０を軸線の回りで回転駆動する駆動部３０に連繋して設けられる。駆動部３０に利用できるエネルギー源としては、水力、風力、波力といった自然エネルギーが考えられる。駆動部３０は風力によって回転駆動されるローターのようにエネルギー源の作用により直接的に駆動されるものであってもよいし、エネルギ―を一度電気エネルギーに変換し、ギアやモータ―を用いて間接的に駆動する構成としても良い。駆動源とこれらの自然エネルギーの作用を磁界発生モジュール１０に、直接的あるいは間接的に連繋することにより磁界発生モジュール１０を回転駆動することができ、磁界発生モジュール１０に加えられた駆動力（エネルギー）は磁界発生モジュール１０の回転エネルギーとして貯蔵される。また、磁界発生モジュール１０と駆動部３０との連結を遮断可能とし、適時に駆動部３０と磁気発生モジュール１０とを連繋して駆動部３０による回転力が磁界発生モジュール１０に作用するようにしてもよい。もちろん、駆動部３０のエネルギー源は自然エネルギーに限るものではなく、人工的なエネルギーを利用することも可能である。
図１において、駆動部３０を破線のブロックとして示したのは、駆動部３０のエネルギー源や駆動機構が限定されるものではないことを意図している。
【００２３】
（電力回収モジュール）
電力回収モジュール４０は、磁界発生モジュール１０の回転エネルギーとして蓄えられているエネルギーを回収する手段である。電力回収モジュール４０にはコイル部材を用いる。コイル部材は磁界発生モジュール１０と相互作用して誘導起電力を発生させ、負荷に電流を流す。これによって磁界発生モジュール１０の回転エネルギーを電気エネルギーとして回収する作用をなす。なお，磁界発生モジュールが発生する磁界の周波数に合わせて電力回収モジュールのインピーダンス整合をすることで、共振現象が利用できる。すなわち、最大電力供給の定理により，最適な電気エネルギーを負荷に供給可能である。
図１に示す電力回収モジュール４０は、コイル部材として１ターンの空心コイル４２を使用する例であるが、複数ターンの空心コイルを使用してもよい。
空心コイル４２は磁界発生モジュール１０のスペーサ部材１２の外面に近接する位置（図のＡ位置）、すなわちエネルギーを回収する位置と、磁界発生モジュール１０の作用を受けない退避位置（図のＢ位置）との間を移動可能である。回収位置に空心コイル４２を位置させる際は、磁界発生モジュール１０のスペーサ部材１２による磁界と鎖交する配置とする。
【００２４】
図１では、空心コイル４２の退避位置を近接位置（回収位置）から磁界発生モジュール１０の回転中心軸に対し径方向に遠ざけて示しているが、空心コイル４２の退避位置は磁界発生モジュール１０の作用を受けない位置であれば任意の位置でよい。
空心コイル４２を近接位置（回収位置）と退避位置との間で移動させる移動手段としては何らかの外力を利用して移動させる方法が利用できる。手動によって空心コイル４２を移動させることも可能である。
【００２５】
空心コイル４２には負荷４４を接続する。この負荷４４は空心コイル４２によって回収された電力を利用して動作させる機器の意である。負荷４４としてキャパシタ等の電気エネルギーを貯蔵する機器を使用することも可能であるが、磁界発生モジュール１０自体がエネルギーを貯蔵する作用を有しているから、回収した電気エネルギーを利用する装置とするのがよい。
【００２６】
（エネルギー貯蔵装置の作用）
図４は、本実施形態のエネルギー貯蔵装置の作用を示している。
前述したように、磁界発生モジュール１０では、スペーサ部材１２を介して、周方向に強弱に分布する磁界（図の矢印）が発生するから、駆動部３０の作用により磁界発生モジュール１０が回転すると、回収位置で鎖交配置した電力回収モジュール４０である空心コイル４２に交流の誘導起電力が発生し負荷４４に電流を流す。すなわちこの空心コイル４２は磁界エネルギーを電気エネルギーに変換し負荷４４に供給する。
【００２７】
空心コイル４２は回収位置と退避位置との間で移動可能であるから、電力を回収して利用する際に空心コイル４２を回収位置に移動させてエネルギーを回収し、電力を利用しない際には退避位置に置いておけばよい。
空心コイル４２を回収位置に移動させて磁界発生モジュール１０からエネルギーを回収する作用は、磁界発生モジュール１０の回転エネルギーを電気エネルギーとして回収することに他ならない。したがって、駆動部３０によるエネルギーの補充がなされないと、磁界発生モジュール１０は減速する。
本エネルギー貯蔵装置では、磁界発生モジュール１０からエネルギーを回収する際にのみ、空心コイル４２を回収位置に移動させてエネルギーを取り出すから、駆動部３０によりエネルギーを補充しながら、もっとも効率的にエネルギーを回収する構成となっている。
【００２８】
駆動部３０の駆動源として自然エネルギーを利用する場合には、磁界発生モジュール１０には回転エネルギーが永続的に補充されるから、電力回収モジュール４０を介してエネルギーを取り出すことが可能である。一方、自然エネルギーは利用可能なエネルギー供給量が変動するため、エネルギーを供給するはずの駆動部３０がエネルギーを消費してしまう場合がある。磁界発生モジュール１０に安定的にエネルギーを供給するため、複数の自然エネルギー源を用いることが好適である。また、磁界発生モジュール１０の回転数と駆動部３０に供給されるエネルギーを監視するセンサを配置し、その情報を元に駆動部３０と磁界発生モジュール１０との連結を遮断して駆動部３０でのエネルギー消費を避ける。
磁界発生モジュール１０と電力回収モジュール４０を組み合わせてエネルギーを回収するエネルギー貯蔵装置には、いろいろなエネルギー源を利用することが可能であり、複数台のエネルギー貯蔵装置をシステム的に組み合わせて制御しながら利用することが可能である。このように、複合的なエネルギー回収システムを構築することによって、より安定的に、かつ効率的にエネルギーを回収することが可能になる。
【００２９】
本発明に係るエネルギー貯蔵装置は、磁界発生モジュール１０の回転速度としては3600rpm（60Hz）程度を上限として想定している。このような低速回転でのエネルギー回収は、空心コイル４２を用いてエネルギーを回収する際に渦電流ロスを抑えて効率的にエネルギーを回収できるという利点がある。
エネルギー貯蔵装置は、電力回収モジュール４０として空心コイル４２を使用し、磁界発生モジュール１０は永久磁石を組み合わせて構成するという簡易な構成からなり、配線や電池交換が不要であるといったことから、自然エネルギーのような微小なエネルギーを回収する装置として好適に利用することができる。また，災害時等は，手動により駆動部３０を介して磁界発生モジュール１０を回転させ，回転エネルギーを蓄え，必要に応じて手動により電力回収モジュール４０を用いることで電気エネルギーを得ることもできる。
【００３０】
自然エネルギーの活用はこれからの未来に必須な技術であるが、利用可能な自然エネルギーは環境によって大きく変動する。例えば太陽電池の回収可能な体積当たりの電力密度は直射日光の下で15,000μW/cm3、曇りの日の条件下で150μW/cm3、室内では6 μW/cm3程度といった代表値が知られている。本発明はこうした変動の激しい利用可能なエネルギーを、可能な限り有効に運動エネルギーとして貯蔵し、体積当たりのエネルギー密度が高い磁気を媒体として非接触で電力としてエネルギーを伝送するエネルギー貯蔵装置の提案である。
【符号の説明】
【００３１】
１０ 磁界発生モジュール
１２ スペーサ部材
１２ａ 歯部
１２ｂ 凹部
１４、１５ 永久磁石
２０，２１ 支持部
２２ 永久磁石（第２の永久磁石）
２３ 永久磁石（第３の永久磁石）
３０ 駆動部
４０ 電力回収モジュール
４２ 空心コイル
４４ 負荷
５０ａ、５０ｂ 回転軸
５２ 支持部材
【技術分野】
【０００１】
本出願は、環境によって大きく変動する利用可能なエネルギーを、可能な限り有効に運動エネルギーとして貯蔵し、必要に応じて磁気エネルギーを媒体として非接触給電できるエネルギー貯蔵装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エナジーハーベスティングとは、身の回りの光や振動、熱などを電力として回収して利用する技術をいう。
この技術は、利用可能な量に限りのある化石燃料と異なり、無尽蔵に存在する自然エネルギーを利用可能なため、次世代のエネルギー源として近年注目されており、IDTechExによると、エナジーハーベスティング技術の市場は、2020年には$4.4b（2010年では$605m）に急成長すると予測されている。
一方、エナジーハーベスティング技術では、太陽光などの自然エネルギーを用いるため、周囲の天候等によって回収できるエネルギー量が大きく変動するという課題がある。このため、エナジーハーベスティング技術を用いて安定した電力を供給するためには、併せてエネルギー貯蔵技術についても議論される必要がある。
【０００３】
一般的なエネルギー貯蔵技術として、キャパシタに電気エネルギーを蓄える方式が挙げられる。これは必要な設備が簡便であり、また安価であることからこれまでに広く普及している（特許文献１、２）。また、高効率なエネルギー貯蔵技術としては、超伝導を用いて電気を磁気エネルギーとして貯蔵するＳＭＥＳ（超電導磁気エネルギー貯蔵）が挙げられる（特許文献３、４）。また、エネルギーを運動エネルギーとして貯蔵する方式としては、フライホイールが挙げられる。この技術では、エネルギーを回転エネルギーとして貯蔵するため、装置の構成をコンパクトにすることが可能である。また、このエネルギーを、電気エネルギーとして取り出す場合には、装置に発電機を直結しておき、磁気を介してエネルギーを取り出すフライホイールバッテリーという手法が一般的である（特許文献５、６）。
本発明者はこれまで、磁気を用いた装置開発について発明を行っている（特許７、８、９）。エネルギーを電気として取り出す場合、エネルギーを貯蔵する媒体にはキャパシタに代表されるように電界（電気）エネルギーは利用しやすい。一方、絶縁破壊を起こす電界強度が存在するため、体積当たりに貯蔵可能なエネルギー量は磁気に比べてはるかに小さい。磁気もエネルギー源の一つと考えた場合、その利用可能なエネルギーは磁界振幅の大きさに依存する。永久磁石を用いて大きな磁界振幅を利用する方法の一つとして、複数の永久磁石を対向配置（互いに反対の磁極が対抗するように直列に組み合わせて配置）して構成した同軸上の磁石部材により、永久磁石のギャップ周辺において径方向に大きな磁界を発生可能な手法が知られている。これを応用し、磁石部材の周囲を囲む複数のコイルを軸方向に並べたコイル部材を備えたリニアモータ装置が知られている（特許文献１０）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１４５１４３号公報
【特許文献２】特開２０１１−１１９４４０号公報
【特許文献３】特開２００５−３４１７５４号公報
【特許文献４】特開２００８−２３７０１８号公報
【特許文献５】特開２００５−０４８８２９号公報
【特許文献６】特開２００５−１８０３１１号公報
【特許文献７】特開２００４−１７９５５０号公報
【特許文献８】特開２００５−０９３４５２号公報
【特許文献９】特開２００９−３００３９２号公報
【特許文献１０】特開平１０−３１３５６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、一般的なキャパシタは、充放電を繰り返すことにより劣化することや、時間によって自己放電してしまい、長時間の蓄電ができない等の問題がある。また、ＳＭＥＳは、超伝導の状態を維持するために、冷媒を用意する必要があり、また、超伝導コイルは電気の入出力の際に交流損失が発生するため、システム維持に大きなコストが必要となり、大型システムでないと実用的に成立しないという問題がある。また、フライホイールバッテリーは、システムの構成上、発電機を直結させる必要があることから、数ｋＷ以上の大電力を扱うのには適しているが、小さな電力を扱うのが困難であるという問題がある。
【０００６】
本出願は、上記課題を解決するためになされたものであり、低コストであり、かつ小さな電力をロスなく貯蔵、放電することが可能なエネルギー貯蔵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】
【０００７】
本発明に係るエネルギー貯蔵装置は、一対あるいは複数対の永久磁石を、軟磁性材からなる歯車形のスペーサ部材を端面間に介在させ、対向配置として一体形成した磁界発生モジュールと、コイル部材を有する電力回収モジュールとを備え、前記磁界発生モジュールは、軸線の回りに回転自在に支持され、貯蔵したいエネルギー源を用いて駆動部を介して回転させ、前記コイル部材は、前記磁界発生モジュールから発生する磁界と鎖交する配置として、前記スペーサ部材に近接する位置と、前記スペーサ部材から離隔した退避位置との間において移動可能に設けられていることを特徴とする。なお、複数対の永久磁石とは、スペーサ部材を複数個備える場合で、スペーサ部材ごとに永久磁石が対向配置されているという意味である。また、磁界発生モジュールは直接的に駆動部に連繋して設ける場合と、間接的に連繋して設けられる場合がある。
本発明は、永久磁石を対向配置することにより、中心軸に対して径方向に大きな磁界を発生させることが可能であること、スペーサ部材の形状により周囲の径方向磁界の大きさに変動を持たせることが可能であること、磁界発生モジュールを回転させることで回転中心軸に対して径方向に交流磁界を発生可能であること、磁界空間中に回転中心軸から径方向から近づけたコイル部材を置くことにより高い電力密度で高効率にエネルギーを回収することが可能になるとの知見に基づく。すなわち、自然エネルギーなどを利用して、軸線の回りで回転する回転体として駆動される磁界発生モジュールの回転エネルギーを、コイル部材を介して電気エネルギーとして回収して利用する。なお、コイル部材としては適宜ターン数の空心コイルが好適に使用できる。
【０００８】
本発明に係るエネルギー貯蔵装置は、二つのモジュールから構成される。第一のモジュールは磁界発生モジュールであり、軸線方向に着磁された永久磁石を対向配置し、その間に歯車形状に加工した軟磁性材からなるスペーサ部材を挟みこむことで、径方向磁界の分布に強弱を持たせた構造を有する。
回転エネルギーを回収するという発想は、水力、風力発電に代表される技術で古くから行われているが、通常、こうした技術は、発電した電力をすぐに系統へ送るか蓄電池に貯めるという手法をとるため、水量、風量が小さい場合には極めて効率が悪いか回転エネルギーを得ることができない。この点、本出願に係る第一のモジュールによれば、理論上空気抵抗と軸受の損失のみで回転エネルギーとして蓄えておくことができ、必要な時に磁界発生モジュール対して非接触でエネルギーを取り出すことが可能になる。
【０００９】
第二のモジュールは電力回収モジュールであり、コイル部材を備える。このモジュールによれば、渦電流による発熱や電力損失を受けにくい低周波磁界を利用することが可能である。この第二のモジュールでは、電力の回収にコイル部材（空心コイル）を用いるため、磁界振幅の２乗に比例する電力を回収することが可能になる。第一のモジュールを回転させることで周囲に変動磁界を発生し、第二のモジュールにより非接触で磁界のエネルギーを回収することが可能になる。
【００１０】
電力回収モジュールとしてコイル部材に負荷を接続することにより、コイル部材により回収された電気エネルギーを負荷に供給できる。
【００１１】
磁界発生モジュールは、この磁界発生モジュールを軸線の回りに回転駆動する駆動部に連繋する構成とする。駆動部のエネルギー源として風力や水力等の自然エネルギーを利用することにより、自然エネルギーを有効活用することができる。
【００１２】
前記一対の永久磁石に円柱磁石あるいは円筒磁石を使用し、磁界発生モジュール全体を円柱状とし、中心に軸を設けて中心の回りに自由回転可能にすることにより効率的に回転エネルギーを保持することができる。永久磁石の大きさは限定されるものではなく、多角柱状、多角筒状とすることもできる。回転体としての慣性を大きくするために錘をつけることも可能である。
【００１３】
本出願に係るエネルギー貯蔵装置は、磁石と磁性材料、コイルから構成されるため、安価であり、構成が容易である。また、磁界発生モジュールは3600rpm以下といった低速回転で利用することを想定しており、渦電流損が小さく、少ない電力ロスで使用することが可能である。また、コイル部材のインピーダンスと負荷のインピーダンスを整合することにより、共振現象を利用できれば、最大電力供給の定理より最適な電気エネルギーの供給が可能である。
【００１４】
なお、低周波磁界を利用することで、生体への影響が懸念される（ICNIRP2010による生体への電磁界ガイドライン値は200μT）が、磁界発生モジュールが発生する磁界は、距離が離れると2つのダイポール磁気モーメントと仮定できるため、距離の３乗で反比例して減衰する。そのため適宜距離を離すことで、生体への磁界曝露の基準を解決できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るエネルギー貯蔵装置によれば、低コストかつ電力ロスの少ない高効率なエネルギー貯蔵、回収を行うことが可能なエネルギー貯蔵装置を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】エネルギー貯蔵装置の構成を示す模式図である。
【図２】磁界発生モジュールの組み立て斜視図である。
【図３】同極を対向して永久磁石を配置した際の磁界を示す説明図である。
【図４】エネルギー貯蔵装置の作用を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（エネルギー貯蔵装置の構成）
図１は、本発明に係るエネルギー貯蔵装置の構成例を示す。本実施形態のエネルギー貯蔵装置は、磁界発生モジュール１０と、電力回収モジュール４０とを主要な構成とする。
磁界発生モジュール１０は、歯車状に形成した軟磁性材からなるスペーサ部材１２と、同極を対向してスペーサ部材１２を端面間に挟む配置（対向配置）に設けた永久磁石１４、１５とを備える。磁界発生モジュール１０は、永久磁石１４、１５の端面にスペーサ部材を介してさらに永久磁石を対向配置して組み立てることもできる。
【００１８】
（磁界発生モジュール）
図２に磁界発生モジュール１０の組み立て斜視図を示す。永久磁石１４、１５は、ともに、同一寸法の円筒形に形成したもので軸線方向に着磁されている。図示例では、永久磁石１４、１５はＮ極を対向させて配置しているが、Ｓ極を対向させて配置してもよい。永久磁石１４、１５を円筒形としているのは磁界発生モジュールを回転支持する非磁性の回転中心軸１１を中心に配置するためである。永久磁石１４、１５を単に円柱形として軸を設けることも可能である。
スペーサ部材１２は、周方向に均等に４個の歯部１２ａを形成したもので、隣接する歯部１２ａの中間は凹部１２ｂとなっている。スペーサ部材１２の、歯部１２ａの外径は永久磁石１４、１５の外径と同一である。
スペーサ部材１２と永久磁石１４、１５との中心を一致させ、永久磁石１４、１５によりスペーサ部材１２を厚さ方向に挟む配置として一体化することにより、全体として円柱体状の磁界発生モジュール１０が得られる。
【００１９】
図３は、同極を対向させて永久磁石１４、１５を配置した場合に、永久磁石の端面間で、径方向に強い磁束密度の磁界が発生することを示している。ネオジウム磁石といった強力な永久磁石を対向配置させて配置することで、１Ｔ程度の磁束密度を発生させることは容易に可能である。
スペーサ部材１２を歯車状としているのは、対向配置とした永久磁石１４、１５の同極間において径方向に発生する磁界の分布を、周方向に強弱が生じるようにするためである。スペーサ部材１２の歯部１２ａを形成した部位における磁束密度は、凹部１２ｂにおける磁束密度よりも強くなり、これによって周方向の磁界強度が周期的に変化する。
【００２０】
スペーサ部材１２は、永久磁石１４、１５の同極間の磁界の分布が周方向に周期的に変化するようにするものであるから、歯部１２ａの個数は複数（２個以上）であればよく、歯数が限定されるものではない。また、歯部１２ａの形状も限定されない。スペーサ部材１２は永久磁石１４、１５の同極間に生じる磁界を効率的に外部に導出する作用をなす。したがって、スペーサ部材１２には軟磁性材を用いればよい。スペーサ部材１２には、安価で飽和磁束密度の高い電磁軟鉄等の磁性材料が好適に用いられる。
【００２１】
（支持部）
本発明に係るエネルギー貯蔵装置においては、全体形状を円柱体状とした磁界発生モジュール１０を回転自在に支持し、磁界発生モジュール１０に加えられた外力をフライホイールのように回転エネルギーとして貯蔵する。
図１において、破線のブロックによって示した支持部２０および２１は磁界発生モジュール１０を回転軸５０ａ、５０ｂの回りに回転自在に支持する支持部である。支持部２０、２１は磁界発生モジュール１０を中間に配し、支持部材５２により相互に連結して固定化されている。回転体を支持する構造（軸受）には、機械的な軸受構造、流体を用いるもの、磁気を利用するもの等、さまざまな構造が知られている。支持部２０および２１は、磁界発生モジュール１０の回転エネルギーのロスをできるだけ抑えて支持する構成とすればよい。
なお、支持部２０あるいは支持部２１の一方のみを用いて磁界発生モジュール１０を回転自在に支持する構成とすることもできる。支持部２０および２１の両者に磁気軸受を利用する場合には理論上安定動作が行えないため、アクティブ制御を行う必要がある。
【００２２】
（駆動部）
図１に示すように、磁界発生モジュール１０は磁界発生モジュール１０を軸線の回りで回転駆動する駆動部３０に連繋して設けられる。駆動部３０に利用できるエネルギー源としては、水力、風力、波力といった自然エネルギーが考えられる。駆動部３０は風力によって回転駆動されるローターのようにエネルギー源の作用により直接的に駆動されるものであってもよいし、エネルギ―を一度電気エネルギーに変換し、ギアやモータ―を用いて間接的に駆動する構成としても良い。駆動源とこれらの自然エネルギーの作用を磁界発生モジュール１０に、直接的あるいは間接的に連繋することにより磁界発生モジュール１０を回転駆動することができ、磁界発生モジュール１０に加えられた駆動力（エネルギー）は磁界発生モジュール１０の回転エネルギーとして貯蔵される。また、磁界発生モジュール１０と駆動部３０との連結を遮断可能とし、適時に駆動部３０と磁気発生モジュール１０とを連繋して駆動部３０による回転力が磁界発生モジュール１０に作用するようにしてもよい。もちろん、駆動部３０のエネルギー源は自然エネルギーに限るものではなく、人工的なエネルギーを利用することも可能である。
図１において、駆動部３０を破線のブロックとして示したのは、駆動部３０のエネルギー源や駆動機構が限定されるものではないことを意図している。
【００２３】
（電力回収モジュール）
電力回収モジュール４０は、磁界発生モジュール１０の回転エネルギーとして蓄えられているエネルギーを回収する手段である。電力回収モジュール４０にはコイル部材を用いる。コイル部材は磁界発生モジュール１０と相互作用して誘導起電力を発生させ、負荷に電流を流す。これによって磁界発生モジュール１０の回転エネルギーを電気エネルギーとして回収する作用をなす。なお，磁界発生モジュールが発生する磁界の周波数に合わせて電力回収モジュールのインピーダンス整合をすることで、共振現象が利用できる。すなわち、最大電力供給の定理により，最適な電気エネルギーを負荷に供給可能である。
図１に示す電力回収モジュール４０は、コイル部材として１ターンの空心コイル４２を使用する例であるが、複数ターンの空心コイルを使用してもよい。
空心コイル４２は磁界発生モジュール１０のスペーサ部材１２の外面に近接する位置（図のＡ位置）、すなわちエネルギーを回収する位置と、磁界発生モジュール１０の作用を受けない退避位置（図のＢ位置）との間を移動可能である。回収位置に空心コイル４２を位置させる際は、磁界発生モジュール１０のスペーサ部材１２による磁界と鎖交する配置とする。
【００２４】
図１では、空心コイル４２の退避位置を近接位置（回収位置）から磁界発生モジュール１０の回転中心軸に対し径方向に遠ざけて示しているが、空心コイル４２の退避位置は磁界発生モジュール１０の作用を受けない位置であれば任意の位置でよい。
空心コイル４２を近接位置（回収位置）と退避位置との間で移動させる移動手段としては何らかの外力を利用して移動させる方法が利用できる。手動によって空心コイル４２を移動させることも可能である。
【００２５】
空心コイル４２には負荷４４を接続する。この負荷４４は空心コイル４２によって回収された電力を利用して動作させる機器の意である。負荷４４としてキャパシタ等の電気エネルギーを貯蔵する機器を使用することも可能であるが、磁界発生モジュール１０自体がエネルギーを貯蔵する作用を有しているから、回収した電気エネルギーを利用する装置とするのがよい。
【００２６】
（エネルギー貯蔵装置の作用）
図４は、本実施形態のエネルギー貯蔵装置の作用を示している。
前述したように、磁界発生モジュール１０では、スペーサ部材１２を介して、周方向に強弱に分布する磁界（図の矢印）が発生するから、駆動部３０の作用により磁界発生モジュール１０が回転すると、回収位置で鎖交配置した電力回収モジュール４０である空心コイル４２に交流の誘導起電力が発生し負荷４４に電流を流す。すなわちこの空心コイル４２は磁界エネルギーを電気エネルギーに変換し負荷４４に供給する。
【００２７】
空心コイル４２は回収位置と退避位置との間で移動可能であるから、電力を回収して利用する際に空心コイル４２を回収位置に移動させてエネルギーを回収し、電力を利用しない際には退避位置に置いておけばよい。
空心コイル４２を回収位置に移動させて磁界発生モジュール１０からエネルギーを回収する作用は、磁界発生モジュール１０の回転エネルギーを電気エネルギーとして回収することに他ならない。したがって、駆動部３０によるエネルギーの補充がなされないと、磁界発生モジュール１０は減速する。
本エネルギー貯蔵装置では、磁界発生モジュール１０からエネルギーを回収する際にのみ、空心コイル４２を回収位置に移動させてエネルギーを取り出すから、駆動部３０によりエネルギーを補充しながら、もっとも効率的にエネルギーを回収する構成となっている。
【００２８】
駆動部３０の駆動源として自然エネルギーを利用する場合には、磁界発生モジュール１０には回転エネルギーが永続的に補充されるから、電力回収モジュール４０を介してエネルギーを取り出すことが可能である。一方、自然エネルギーは利用可能なエネルギー供給量が変動するため、エネルギーを供給するはずの駆動部３０がエネルギーを消費してしまう場合がある。磁界発生モジュール１０に安定的にエネルギーを供給するため、複数の自然エネルギー源を用いることが好適である。また、磁界発生モジュール１０の回転数と駆動部３０に供給されるエネルギーを監視するセンサを配置し、その情報を元に駆動部３０と磁界発生モジュール１０との連結を遮断して駆動部３０でのエネルギー消費を避ける。
磁界発生モジュール１０と電力回収モジュール４０を組み合わせてエネルギーを回収するエネルギー貯蔵装置には、いろいろなエネルギー源を利用することが可能であり、複数台のエネルギー貯蔵装置をシステム的に組み合わせて制御しながら利用することが可能である。このように、複合的なエネルギー回収システムを構築することによって、より安定的に、かつ効率的にエネルギーを回収することが可能になる。
【００２９】
本発明に係るエネルギー貯蔵装置は、磁界発生モジュール１０の回転速度としては3600rpm（60Hz）程度を上限として想定している。このような低速回転でのエネルギー回収は、空心コイル４２を用いてエネルギーを回収する際に渦電流ロスを抑えて効率的にエネルギーを回収できるという利点がある。
エネルギー貯蔵装置は、電力回収モジュール４０として空心コイル４２を使用し、磁界発生モジュール１０は永久磁石を組み合わせて構成するという簡易な構成からなり、配線や電池交換が不要であるといったことから、自然エネルギーのような微小なエネルギーを回収する装置として好適に利用することができる。また，災害時等は，手動により駆動部３０を介して磁界発生モジュール１０を回転させ，回転エネルギーを蓄え，必要に応じて手動により電力回収モジュール４０を用いることで電気エネルギーを得ることもできる。
【００３０】
自然エネルギーの活用はこれからの未来に必須な技術であるが、利用可能な自然エネルギーは環境によって大きく変動する。例えば太陽電池の回収可能な体積当たりの電力密度は直射日光の下で15,000μW/cm3、曇りの日の条件下で150μW/cm3、室内では6 μW/cm3程度といった代表値が知られている。本発明はこうした変動の激しい利用可能なエネルギーを、可能な限り有効に運動エネルギーとして貯蔵し、体積当たりのエネルギー密度が高い磁気を媒体として非接触で電力としてエネルギーを伝送するエネルギー貯蔵装置の提案である。
【符号の説明】
【００３１】
１０ 磁界発生モジュール
１２ スペーサ部材
１２ａ 歯部
１２ｂ 凹部
１４、１５ 永久磁石
２０，２１ 支持部
２２ 永久磁石（第２の永久磁石）
２３ 永久磁石（第３の永久磁石）
３０ 駆動部
４０ 電力回収モジュール
４２ 空心コイル
４４ 負荷
５０ａ、５０ｂ 回転軸
５２ 支持部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対あるいは複数対の永久磁石を、軟磁性材からなる歯車形のスペーサ部材を端面間に介在させ、対向配置として一体形成した磁界発生モジュールと、コイル部材を有する電力回収モジュールとを備え、
前記磁界発生モジュールは、軸線の回りに回転自在に支持され、貯蔵したいエネルギー源を用いて駆動部を介して回転させ、
前記コイル部材は、前記磁界発生モジュールから発生する交流磁界と鎖交する配置として、前記スペーサ部材に近接する位置と、前記スペーサ部材から離隔した退避位置との間において移動可能に設けられていることを特徴とするエネルギー貯蔵装置。
【請求項２】
前記電力回収モジュールは、前記コイル部材により回収された電気エネルギーを利用する負荷を備えることを特徴とする請求項１記載のエネルギー貯蔵装置。
【請求項３】
前記電力回収モジュールは、前記磁界発生モジュールが発生する磁界の周波数に合わせて、前記コイル部材のインピーダンスと前記負荷のインピーダンスとを整合する機能を備えることを特徴とする請求項２記載のエネルギー貯蔵装置。
【請求項４】
前記磁界発生モジュールは、前記駆動部との連繋を遮断可能に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のエネルギー貯蔵装置。
【請求項５】
前記磁界発生モジュールは全体として円柱状に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のエネルギー貯蔵装置。
【請求項１】
一対あるいは複数対の永久磁石を、軟磁性材からなる歯車形のスペーサ部材を端面間に介在させ、対向配置として一体形成した磁界発生モジュールと、コイル部材を有する電力回収モジュールとを備え、
前記磁界発生モジュールは、軸線の回りに回転自在に支持され、貯蔵したいエネルギー源を用いて駆動部を介して回転させ、
前記コイル部材は、前記磁界発生モジュールから発生する交流磁界と鎖交する配置として、前記スペーサ部材に近接する位置と、前記スペーサ部材から離隔した退避位置との間において移動可能に設けられていることを特徴とするエネルギー貯蔵装置。
【請求項２】
前記電力回収モジュールは、前記コイル部材により回収された電気エネルギーを利用する負荷を備えることを特徴とする請求項１記載のエネルギー貯蔵装置。
【請求項３】
前記電力回収モジュールは、前記磁界発生モジュールが発生する磁界の周波数に合わせて、前記コイル部材のインピーダンスと前記負荷のインピーダンスとを整合する機能を備えることを特徴とする請求項２記載のエネルギー貯蔵装置。
【請求項４】
前記磁界発生モジュールは、前記駆動部との連繋を遮断可能に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のエネルギー貯蔵装置。
【請求項５】
前記磁界発生モジュールは全体として円柱状に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のエネルギー貯蔵装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−９８９９９（Ｐ２０１３−９８９９９Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３６３６８（Ｐ２０１１−２３６３６８）
【出願日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【出願人】（５０４１８０２３９）国立大学法人信州大学 (759)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【出願人】（５０４１８０２３９）国立大学法人信州大学 (759)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]