JP2014057502A - コギング力の抑えた発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 コギング力の抑えた発電装置を提供する。
【解決手段】 円板状非磁性体物の外周に沿って周方向にコイル軸方向を合わせて配置された少なくとも１個以上のコイルを持つ回転子と、該回転子の周囲に該コイルのコイル軸方向に磁化方向を合わせて配置された少なくとも１個以上の開口部の有するリング状の磁気を帯びた部材を持つ固定子からなり、該回転子が該固定子に対し回転し、該コイルが該開口部の有するリング状の磁気を帯びた部材を通過することによって該コイルに発電する。
【選択図】図１

Description

本発明は発電装置に係り、特に電磁誘導により発電を行う発電装置に関するものである。

従来の発電機の例として小型携帯用の発電機がある。その一例として非常用懐中電灯は図２に示すように磁石をコイル内で振動させて電磁誘導により電流を発生させ、コンデンサーに充電する振動発電機である。これは、コイルの巻線方向に対しほぼ直角に磁石の磁力線が横切るため１動作当たりの発電量は高いが、磁石が往復直線運動をするためコイルを横切る速度には低い限界があり、高い電圧が望めない。（特許文献１を参照）

また、従来の発電機の別の例として、図３に示すように風力発電などに用いられている発電機で、コイルの開口面を磁石が横切るように回転し、コイルの中には磁力線の磁束密度を増加させるために透磁率の高い鉄などが鉄芯として用いられている。回転運動とコイルや磁石の配置を密にすることにより、磁石がコイルを通過する時間を短くし電圧を高くしている。しかし、同時に磁石と鉄芯の吸引によるコギング力が発生しエネルギー損失を生じる。（特許文献２を参照）

特許公開Ｈ１１−２６２２３４号公報 特許公開２００４−１７３４１５号公報

従来の発電機では、前記振動発電機のように１動作当たりの発電量が高いものは、１動作当たりの時間が長く、前記回転式の発電機のように１動作当たりの時間が短いものは、電圧が高いがコギング力のエネルギー損失が生じている。１動作当たりの発電量が高くコギング力の少ない発電機が望まれる。

発電ではフレミングの右手の法則によると、導線が磁界の方向に対し直角に運動したとき導線内に電流が流れる。磁界の方向と運動の方向と電流の方向は互いに直角になっている。従って、磁石の移動方向と磁力線の方向、コイルの巻線方向が夫々直角になった時に発電効率が最も良い。本発明は、前記２つの従来の発電方式の長所に注目し、磁石の磁力線がコイルの巻線方向にほぼ直角に横切るようにし、かつコイルを通過する時間を短くすることで発電量を高くし、鉄芯の影響を少なくしコギング力の抑えた発電機である。

一般に、コイルに生じる誘導起電力Ｖは、下記の数式１によって求まることがすでにわかっている。

数式１

Ｖ＝−ｎ（ｄφ／ｄｔ）＝−ｎＳ（ｄＢ／ｄｔ）
上記の数式において、ｎはコイルの巻数（回）、φは磁束（Ｗｂ）、Ｓはコイルの断面積（ｍ^２）、Ｂは磁界の磁束密度（Ｔ）、ｔは時間（ｓ）である。このｎ・Ｓは材料条件で決定してしまう値であり、手段により良い状態が得られる。これらは起電力に比例しているが、時間は反比例している。したがって、１動作当たりの発電量を好条件にし、変位時間を小さくすれば良い結果につながる。

請求項１について説明すると、磁石の磁力線がコイルの巻線方向にほぼ直角に横切るようにし、鉄芯を必要としない構成としては、前述の振動発電機のように磁石がコイルの中を通過するものが良い。磁石をコイルの中ですばやく動かすには、磁石がある軸を中心に回転運動すれば良いが、図４に示すように磁石を保持するアームがコイルに当たってしまう。このアームが通過する間隙をコイルに設けるのは困難であるので、図５のようにコイルの外周をリング状磁石が通過するように逆の配置にし、コイル軸とリング状磁石の磁化方向が同一になるようにする。図６のようにコイルにコイル保持部を設け、リング状磁石にその通過する間隙分をスリット加工し開口部を設ける。これは、リング状磁石のＮ極から発してリングの内側を通ってＳ極へ入る磁力線を利用し、コイルの巻線にほぼ直角になるようにしている。

また、リング状磁石の内側の磁力線を利用するため、内側に磁力線が十分存在しなくてはならない。図７（ａ）のように厚みが薄いと異極が近いため十分に磁力線が得られるが、図７（ｂ）のように厚いと異極が遠く、同極の排斥により内側を通過する磁力線は少ない。よって、リング状磁石の厚みは、図１３（ｂ）指示のコイル回転直径の円周の１／１０以下になっている。

一方、発電におけるリング状磁石とコイルの位置関係は図８のようになっており、リング状磁石がコイルを通過する過程でリング状磁石の中心がコイルの端面にきた時に最大の電圧となり、リング状磁石の中心とコイルのものが重なった時に電圧はほぼ０となる。さらに移動しリング状磁石の中心がコイルのもう１つの端面にきた時に負に最大の電圧となる。また、コイルの長さがリング状磁石より厚いと逆極性の磁束領域にコイルの一部が入り逆の電圧を生じ全体の電圧を引き下げてしまう。そして、リング状磁石がコイルを通過する時間が大きくなってしまう。長いコイルを用いるより、短いコイルを多数分散することが良い。よって、本構成においてはコイルの長さはリング状磁石の厚みの１，５倍以下になっている。

請求項２について説明すると、リング状磁石単品にスリット加工を施すと、磁化力と材質の強度のバランスで自己破壊し磁力の損失をすることがある。この解決方法として図９（ａ）のように、リング状磁石３１の厚み半分が収まる掘り込み加工した非磁性体のホルダー３２をリング状磁石３１の両側から挟みこんで接着後、コイル保持部が通過する間隙をスリット加工する。

請求項３について説明すると、リング状磁石の同極同士を対向させることにより、効率よく磁力線の密度を増加することができる。互いに対向する極から発せられた磁力線は、交差することなく斥けあって自身の異極に向かう。対向する距離が小さいほど磁力線の密度が増加し、発電量増加に貢献する。また、従来の回転式発電機に比べ、磁石の配置を密にすることができる。図１０に示すように、一つの例として直径１５ｍｍ・厚み５ｍｍの磁石を図１０（ａ）のように横にして配置した場合と本発明と同じく図１０（ｂ）のように縦にして配置した場合を比較すると、縦にして配置した場合が多くなり配置の構成の利点がある。磁石の数を多く配置できることは、磁石がコイルを通過する時間を短くすることが可能になり、出力の増加になる。また、本構成においてはコイルの長さはリング状磁石の取り付けピッチ以下にしている。

請求項４について説明すると、内側の磁力線を充実させる手段として、図１１（ａ）のようにリング状磁石３１の両側にコイル通過孔が開いた強磁性体３３を接着させたものが好適である。磁石から発した磁力線は、鉄などの強磁性体の内部を通過し、表面の曲面形状に直角の向きで空気中に出ていき、周りの磁力線の応力を受けながら最寄りの異極に向かう。リング状磁石の磁力線は通常では外側と内側は、互いに応力を及ぼしながらバランスのとれた状態でＮ極からＳ極に向かうが、表面にリング状磁石の中心線上で外側に中心を配置した球曲面形状か回転楕円体形状で凹形状にした強磁性体を装着することで内側に回り込む磁力線増加させることが可能になる。製作方法としては、図９に示した例と同様であり、リング状磁石３１の両側を強磁性体３３ではさみこむ構成となる。強磁性体の鉄などをＮＣ旋盤で前述曲面加工後、コイル保持板が通過する間隙を機械加工し、リング状磁石３１を挟み込み接着後、リング状磁石３１にスリット加工し開口部を設ける。前記非磁性体で補強したものに比べ小型化することが可能で、リング状磁石３１の両側に強磁性体３３が接着されているため同極の排斥力による自己破壊も防止できる。また、表面が平らなプレートを使用しても磁力線の集中効果は薄れるが、コンパクト化が可能になり同極の排斥力による自己破壊も防止できる。

請求項５について説明すると、リング状磁石とコイルは互いに回転運動をするため、周方向に直線形状であると、回転による干渉を避けるため双方の間隙を大きくする必要がある。この改善として、回転半径に相当する曲がりをリング状磁石の磁軸とコイルのコイル軸に設けることによって、間隙を小さくでき性能向上につながる。

請求項６について説明すると、リング状磁石とコイルの外形が直線形状であると、内径と外径差によるスペースの無駄が生じてしまう。この改善として、回転軸方向の平面上で外形を扇形にすることによって、無駄な空間を小さくできコンパクト化につながる。

請求項７について説明すると、リング状の磁気を帯びた部材の例には、フェライト磁石・ネオジム磁石・サマリウムコバルト磁石などがあるが、保磁力が夫々ほぼ一定のため出力の制御は回転子の回転数によるものになる。これに代わって電磁石を用いると磁力の増減ができ、発電機の出力を制御することが容易になる。図１２（ｂ）に示すように、鉄芯に巻線を施した電磁石３４を複数並べカバー３６で覆い、両側にプレート３５で接着し図１２（ａ）のように組み立てた電磁石ユニット３７をリング状磁石の代わりに使用する。界磁電流は、外部電源から得て夫々の電磁石に供給される。界磁電流の強さを変えると電磁石の強さが変わり、電圧の制御をすることができる。

請求項８について説明すると、以上述べた単位を回転子の回転軸方向に複数連動することにより出力を上げることが可能である。

請求項９について説明すると、リング状磁石の磁力線を効果的にコイルに導く手段として、コイルの中心軸に強磁性体のコアを備えるのが良い。発電量とコギングトルクの発生状況のバランスでコアの仕様を決定する。

発明の効果

磁石の磁力線がコイルの巻線方向にほぼ直角に横切るような構造にすることにより鉄芯の影響を少なくし、コギング力を抑えることが可能となる。

（ａ）本発明の代表的な例の斜視図を示す。（ｂ）図１（ａ）内のＡ−Ａの断面図を示す。 従来の振動発電機の断面を示す。 従来の永久磁石型電動機と断面の模式図を示す。 従来の構成での課題点を示す。 本発明のイメージを示す。 本発明の基本構成を示す。 （ａ）薄いリング状磁石の磁力線イメージ図を示す。（ｂ）厚いリング状磁石の磁力線イメージ図を示す。 コイルとリング状磁石の位置と電圧の関係を示す。 （ａ）リング状磁石の補強の組み合わせ図を示す。（ｂ）リング状磁石の補強の組み合わせ加工後の底面図を示す。 （ａ）磁石を横にして配置した例を示す。（ｂ）磁石を縦にして配置した例を示す。 （ａ）リング状磁石と強磁性体の複合体の斜視図を示す。（ｂ）図１１（ａ）内のＡ−Ａの断面図を示す。 （ａ）電磁石ユニットの組み合わせ図を示す。（ｂ）電磁石ユニットの詳細図を示す。 （ａ）実施例１の斜視図を示す。（ｂ）図１３（ａ）内のＡ−Ａの断面図を示す。 実施例１の回転子の斜視図を示す。 実施例１の組立て仕様を示す。 実施例２の断面図を示す。 実施例３のコイルとリング状磁石の位置関係を示す。 実施例４のリング状磁石と強磁性体の複合体を示す。 （ａ）実施例５のコイルの斜視図を示す。（ｂ）実施例５のコイルとリング状磁石の断面図を示す。 （ａ）実施例６の平面図の一部を示す。（ｂ）実施例６の扇型リング状磁石の斜視図を示す。（ｃ）実施例６の扇型リング状磁石の詳細図を示す。 （ａ）実施例７の電磁石ユニットの組み合わせ図を示す。（ｂ）実施例７の電磁石ユニットの詳細図を示す。（ｃ）実施例７の断面図を示す。 実施例８の使用例を示す。 実施例９の断面図を示す。

以下、本発明を図の具体例を用いて説明する。

請求項１の実施例で図１３（ｂ）を参照しながら説明すると、１は回転軸に装着した回転子、２・３は夫々軸受けを有する一対の側板、４・５はリング状磁石３１の支持材１９を支持する位置決め、６は側板２・３を繋ぎリング状磁石３１の支持材１９を固定する枠板、７は接触板、８はブラシ、９は端子、１１は導線である。
回転子１を図１４に参照して説明すると、回転子１の周方向にコイル２０の軸を合わせるように装着する。この例では、コイル２０にコイル軸２１を設け回転子１に溝を加工しこれに嵌合している。取り付ける間隔および配線は、生成したい電圧の相により決定される。回転軸の周囲に接触板７が取り付けられ、コイル２０と導線１１で電通している。
取り付けに関して図１５を参照し説明する。位置決め４とブラシ８と端子９を予め取り付けた側板２を回転軸に取り付け後、回転子１を回転軸に挿入し、位置決め５とブラシ８と端子９を予め取り付けた側板３を回転軸に取り付ける。この時点で、回転子１は、側板２と側板３に対し回転軸を中心に回転できる状態になっている。位置決め４と位置決め５は、リング状磁石３１を含む支持材１９が挿入可能な溝２２が加工されている。支持材１９は、リング状磁石３１単品では位置を決めにくいので補助するものである。支持材１９は、溝２２に沿って挿入され、枠板６で固定する。他も同様にリング状磁石３１を含む支持材１９を挿入し固定する。この取り付ける間隔は、異極を対向するように装着する場合は直近の異極と引き合わないような距離をとる必要がある。
よって、図１３（ｂ）で回転子１が回転軸を中心に回転し、コイル２０がリング状磁石３１を通過する時に磁力線が横切りコイル内に電圧を発生させ、導線１１を通り接触板７に伝わり、ブラシ８を通り端子９から電流を取り出す。

請求項２の実施例で図１６を参照しながら説明すると、リング状磁石３１に非磁性体のホルダー３２で補強したものを使用している。

請求項３の実施例で図１７を参照しながら説明すると、図１７は実施例１のリング状磁石とコイルについて特記している。リング状磁石３１は同極を対向して装着し、回転子のコイル２０は得られる電圧の相に従い配置・接続される。同極同士対向しているため、磁力線の密度を高められ高い出力になる。図示の例では、リング状磁石４８個とコイル３６個で３相の平準化した電圧を生成するものである。

請求項４の実施例で図１８を参照しながら説明すると、図１８は実施例１の固定子を簡略化し一部を示している。リング状磁石３１が強磁性体３３に挟み込まれている構造で、強磁性体には鉄などが用いられていて、その表面には中央の孔に磁力線を集めるために球曲面形状か回転楕円体形状が施されている。内側の磁束密度が増加するとともに固定子のコンパクト化につながる。

請求項５の実施例で図１９を参照しながら説明すると、図１９（ａ）で図１３（ｂ）内のコイル回転直径と同一直径の環状に銅線を巻きコイルを作ることにより、コイル２０の外形がコイル回転直径に準ずる曲率を持ち、図１９（ｂ）のようにリング状磁石３１にも同じ処置を施すことにより、コイルとリング状磁石の間隙を小さくでき、性能が向上する。

請求項６の実施例で図２０を参照しながら説明すると、図２０（ｂ）は実施例１の固定子を簡略化し一部を示している。図２０（ｂ）のように扇型リング状磁石４１を両側から扇型用プレート４２で挟み込んだ構造となっている。図２０（ｃ）でリング状磁石を図２０（ａ）のように扇形に加工後、扇型用プレート４２を両側から接着し、スリット加工し開口部を設ける。コイルも図２０（ａ）のように扇形にする。円周方向は実施例５で述べたようなコイル回転直径に準ずる曲率を持っているが、条件によっては直線でも良い。周方向にスペースを無駄なく使用でき、コンパクト化につながる。

請求項７の実施例で図２１を参照しながら説明すると、図２１（ａ）（ｂ）は実施例１の固定子を簡略化し一部を示している。図２１（ｂ）に示すように、鉄芯に巻線を施した電磁石３４を複数並べカバー３６で覆い、両側にプレート３５で接着し図２１（ａ）のように組み立てた電磁石ユニット３７をリング状磁石の代わりに使用する。図２１（ｃ）のように界磁電流は、外部電源から入力端子３８で受け夫々の電磁石に供給される。界磁電流の強さを変えると電磁石の強さが変わり、電圧の制御をすることができる。

請求項８の実施例で図２２を参照しながら説明すると、図２２は本発明のユニットを５台連続してつなげ発電量の増加を図っている。

請求項９の実施例で図２３を参照しながら説明すると、コイル２０の中心軸にコア３９が挿入されている。リング状磁石３１の磁力線を効果的にコイル２０に導く手段として、コイル２０の中に強磁性体のコア３９を備えるのが良い。コア３９の仕様は、発電量とコギングトルクの発生状況のバランスで決定される。回転子１が回転し、リング状磁石３１がコイル２０を通過することで発電する。

電気エネルギーは他のエネルギーに比べ効率が良い伝送が容易なため、社会では広く利用されており、本発明はその電気を効率よく発生するものであり、風力発電などの新エネルギーや既存の発電所の省化石燃料化またはハイブリッド自動車の発電機の高効率化など産業上の幅広い分野で利用される可能性を有する。

１ 回転子
２、３ 側板
４、５ 位置決め
６ 枠板
７ 接触板
８ ブラシ
９ 端子
１１ 導線
２０ コイル
２１ コイル軸
２２ 溝
３１ リング状磁石
３２ ホルダー
３３ 形状付き強磁性体
３４ 電磁石
３５ プレート
３６ カバー
３７ 電磁石ユニット
３８ 入力端子
３９ コア
４０ 扇型コイル
４１ 扇型リング状磁石
４２ 扇型用プレート

Claims (9)

1. 円板状非磁性体物の外周に沿って周方向にコイル軸方向を合わせて配置された少なくとも１個以上のコイルを持つ回転子と、該回転子の周囲に該コイルのコイル軸方向に磁化方向を合わせて配置された少なくとも１個以上の開口部の有するリング状の磁気を帯びた部材を持つ固定子からなり、該回転子が該固定子に対し回転し、該コイルが該開口部の有するリング状の磁気を帯びた部材を通過することによって該コイルに発電させる装置。
2. 該開口部の有するリング状の磁気を帯びた部材のまわりを非磁性体の部材で補強した発電装置。
3. 該開口部の有するリング状の磁気を帯びた部材が同極対向に配置された請求項１から２の記載の装置においていずれか一つの発電装置。
4. 該開口部の有するリング状の磁気を帯びた部材の両側を、表面に該開口部の有するリング状の磁気を帯びた部材の中心線上で外側に中心を配置した球曲面形状か回転楕円体形状の凹形状を施した強磁性体で挟んだ請求項１から３の記載の装置においていずれか一つの発電装置。
5. 該コイルのコイル軸と該開口部の有するリング状の磁気を帯びた部材の磁軸とに周方向に回転半径と同じ曲がりがある請求項１から４の記載の装置においていずれか一つの発電装置。
6. 該コイルのコイル軸と該開口部の有するリング状の磁気を帯びた部材の磁軸とに周方向に回転半径と同じ曲がりがあり回転軸方向からみて扇型である請求項１から５の記載の装置においていずれか一つの発電装置。
7. 該開口部の有するリング状の磁気を帯びた部材が電磁石である請求項１から６の記載の装置においていずれか一つの発電装置。
8. 前記構成が回転子の回転軸方向に複数連なる請求項１から７の記載の装置においていずれか一つの発電装置。
9. 該コイルの中心軸に強磁性体のコアを有する請求項１から８の記載の装置においていずれか一つの発電装置。

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