JP3210921U - 連設式発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転力を電力に変換する発電装置において、コアレス化によりコギングトルクを低減させ、回転開始時に必要なトルクを抑制し、効率よく省スペース内に多数の電磁回路を配置させ、総合的に十分な発電量を確保する発電装置を提供する。【解決手段】回転軸１０とコイル基盤２０と複数のコアレスコイル３０と複数の永久磁石４０と筒状基台５０と固定基盤６０から構成され、コイル基盤２０は、回転軸１０に固定されて該回転軸１０と共に回転し複数のコアレスコイル３０を配置させるための基盤であり、固定基盤６０は、コイル基盤２０を両側から挟むように筒状基台５０に内設され、複数の永久磁石４０を周方向に両端の極性が同一となるように揃えて配置するための基盤であり、筒状基台５０は、回転軸１０を回転自在に軸支し、回転軸１０が外部からの力を受けて回転することによりコアレスコイル３０に誘導電流を発生させる電磁回路を多数連設して発電する。【選択図】図８

Description

本考案は、発電機の技術に関し、詳しくは、コアレスコイルと永久磁石を軸方向へ連続して繰り返し備える連設式の構成を採用することで小さな力で稼働できる連設式発電装置に関する。

近年、エネルギー問題への関心が高まり、再生エネルギーなどの開発、事業化の動きも活発である。また、エネルギーの効率的使用の観点から、磁石の性能の向上改善も進んでおり、希土類磁石を代表するネオジム磁石のように、残留磁束密度と保持力の大きな永久磁石が登場したことから、これらを用いた動力装置や発電機などに関する技術が様々提案されている。

また、地球環境問題やエネルギー枯渇問題への対応として、風力発電システムなどの自然エネルギーを利用して発電機を駆動するものが急激に増えてきている。これらに用いられる発電システムの多くは永久磁石とコイルを使用した発電機が使用されているが、コア付きの永久磁石式発電機の場合であると、発電電圧は高いものの、永久磁石とステータコアとの吸引力に起因するコギングトルクや、コア内で発生する渦電流等の鉄損による制動によって、風車やタービン等の起動性を著しく低下させる問題があり、コギングトルクが風車等の失速トルクよりも低いか、若しくはコギングトルクが発生しない発電機が必要となる。

一方、コアを必要としない、所謂コアレス発電装置機の場合では、始動性が非常に良く、回転数とともに増加する鉄損も存在せず、風力発電等の発電装置としては適しているといえる。しかしながら、コア付きに比べて発電電圧が低く、充分な電力を得ることが難しいという欠点がある。そこで上記のコアレス発電機装置の長所を得ながら発電量を高めるために、コイルと永久磁石との配置をどのような構成とすれば良いかという問題は、発電装置の技術が発達した今日においても未だに改良の余地を残している。

そこで、本考案者は、前記の問題点に鑑み、効率よく大きな有効電力を取り出せる発電装置の開発を課題として、磁気回路を軸方向へ連続的に繰り返して配置し、これを多層化するなどのレイアウトに着目し、本考案を完成させたものである。

また、本考案者以外からも、上記の問題点を解決しようと種々の技術が提案されている。例えば、発明の名称を「永久磁石とコイルを用いた回転型発電機」とする先行技術が公開され公知技術となっている（特許文献１を参照）。係る技術は、解決手段を、内側の一部または全部が円板状にくり抜かれた形状の円環体、および円環体の内周面から一定間隙を有して、円環体内側の円板状空洞に入り込んだ円板体を含み、複数の永久磁石が円環体の内部に配置、固定され、永久磁石の一方の磁極（Ａ極とする）が、円板体の外周面と対向するように配置され、複数の永久磁石が円板体の内部に配置、固定され、永久磁石の一方の磁極（Ｂ極とする）が、円環体の内周面と対向するように配置され、Ａ極とＢ極は逆極であり、Ａ極およびＢ極の間に導線を巻いたコイルが配置され、コイルの軸の方向は半径方向であり、円環体または円板体は、それぞれ円板体または円環体に対して回転することにより、コイルに誘導電圧を発生させて発電することを特徴とする技術である。

特許文献１によれば、一組の円盤体と円環体によるものであることから、与えられる回転が小さくても、有効電力の取り出しは可能と考えられる。しかしながら、誘導電圧を発生させる磁石がコイルと周方向に一列という制限の中では配置数に限界があり、大きな電力の発生を得る発電機には向かないものといえ、前記課題を全て解決するには至っていない。

また、発明の名称を「発電機」とする先行技術が公開され公知技術となっている（特許文献２を参照）。係る技術は、解決手段を、電気的に接続された複数のコイルと、複数のコイルを同一軸上に離間させて支持するコイル支持体と、各コイルの外側にそれぞれ配置された外側磁石と、各コイルの内側にそれぞれ配置された内側磁石と、内側磁石が外側磁石と対向するように固定された柱状の軸ヨークと、外側磁石が内側磁石と対向する位置にて対向するもの同志が異極性となるように固定された外部ヨークと、を備え、軸方向に隣り合う２つの外側磁石は隣同志の極性を逆にして配置され、外側磁石は、コイルを周方向に取り囲むように配設されていることを特徴とする技術である。

特許文献２によれば、連設式発電装置により、本考案と同様にコギングトルクを抑制し、コアレス発電を行うものが掲載されているが、位相が同一であり、コギングトルクの抑制を行うものとは言い切れず、前記問題の解決には至っていない。

本考案者は、それらの問題を解決しようと、回転軸と並行に磁気回路を直列的に配置することで、コンパクトに多数の電磁回路を備え、微弱な力で駆動できるコアレスコイルに着目し、本考案に係る連設式発電装置の提案に至るものである。

特開２０１５−１９５７０８号 特開２０１６−０２５８１８号

本考案は、回転力を電力に変換する発電装置において、コアレス化によりコギングトルクを低減させ、回転開始時に必要なトルクを抑制し、効率よく省スペース内に多数の電磁回路を配置させ、総合的に十分な発電量を確保する発電装置を提供する。

本考案は、回転軸と、コイル基盤と、複数のコアレスコイルと、複数の永久磁石と、筒状基台と、固定基盤と、から構成される発電装置であって、前記コイル基盤は、前記回転軸に固定されて該回転軸と共に回転し複数の前記コアレスコイルを配置させるための基盤であり、前記固定基盤は、前記コイル基盤を両側から挟むように前記筒状基台に内設され、複数の前記永久磁石を周方向に両端の極性が同一となるように揃えて配置するための基盤であり、前記筒状基台は、前記回転軸を回転自在に軸支し、前記回転軸が外部からの力を受けて回転することにより前記コアレスコイルに誘導電流を発生させる電磁回路を多数連設して発電する構成を採用した。

また、本考案は、前記固定基盤に備えられる前記永久磁石の数と、前記コイル基盤に備えられる前記コアレスコイルの数が、異なる構成の電磁回路を含む構成を採用することもできる。

また、本考案は、前記固定基盤に備えられる前記永久磁石と、前記コイル基盤に備えられる前記コアレスコイルによる電磁回路が、回転軸から周方向に前記永久磁石の極性を同一となるように連続して連設され、周方向毎の電磁回路が独立した発電を行なう構成を採用することもできる。

また、本考案は、前記コイル基盤を固定し、前記固定基盤が回転する構成を採用することもできる。

本考案に係る連設式発電装置によれば、コアレスコイルを複数設けることにより、発電機の発電に係るコギングトルク変動を抑制するとともに、限られた領域の中で複数のコイルと永久磁石を効率よく配置することで、回転開始時の発電に係る起動トルクを抑制し、低水力発電等、低トルクしか得られない環境の動力源であっても効率よく発電を維持できるという優れた効果を発揮するものである。

本考案に係る連設式発電装置によれば、コアレスコイルが備えられるコイル基盤と、永久磁石が備えられる固定基盤を連設することで、発電量の増加を図ることが可能であるという優れた効果を発揮するものである。

本考案に係る連設式発電装置のコアレスコイル及び永久磁石の基本的な配置を説明する配置構成説明図である。 本考案に係る連設式発電装置のコアレスコイル及び永久磁石の基本的な配置を説明する断面図である。 本考案に係る連設式発電装置のコアレスコイル及び永久磁石の別の配置を説明する配置構成説明図である。 本考案に係る連設式発電装置のコアレスコイル及び永久磁石の別の配置を説明する断面図である。 本考案に係る連設式発電装置のコアレスコイル及び永久磁石の数が異なる場合の配置を説明する配置構成説明図である。 本考案に係る連設式発電装置のコアレスコイル及び永久磁石の数が異なる場合の配置を説明する断面図である。 本考案に係る連設式発電装置のコアレスコイル及び永久磁石を周方向に拡張した場合の配置を説明する配置構成説明図である。 本考案に係る連設式発電装置のコアレスコイル及び永久磁石を周方向に拡張した場合の配置を説明する断面図である。

本考案に係る連設式発電装置１は、コアレスコイル３０と永久磁石４０によってコギングトルクを抑制し、小さな機動力で発電を可能とし、効率よく多数配置した磁気回路によって大きな出力を発揮させることを最大の特徴とする。以下、図面に基づいて詳細に説明をする。なお、以下の説明中に記載される形状、寸法、材質等については特に限定されるものではなく、本考案の創作の範囲、即ち技術的思想の創作として同一の効果を発揮し得る範囲において変更可能である。

図１は、本考案に係る連設式発電装置１のコアレスコイル３０及び永久磁石４０の基本的な配置を説明する配置構成説明図であり、図２は、本考案に係る連設式発電装置１のコアレスコイル３０及び永久磁石４０の基本的な配置を説明する断面図である。

図１（ａ）は、固定基盤６０に配置される永久磁石４０の配置構成を示し、図１（ｂ）は、コイル基盤２０に配置されるコアレスコイル３０の配置構成を示している。本考案に係る連設式発電装置１は、回転軸１０の軸方向に対して直線的に電磁回路を備えるため、図１に示すように、回転軸１０を中心として周方向に少なくとも４つの電磁回路を備えることが必要であり、図１（ａ）に示す通り、係る４つの電磁回路は隣り合う電磁回路と極性を交互に異なるように配置する。

図２は、本考案に係る連設式発電装置１の全体構成を説明する断面図であり、該連設式発電装置１は、回転軸１０と、コイル基盤２０と、複数のコアレスコイル３０と、複数の永久磁石４０と、筒状基台５０と、固定基盤６０とを基本構成とし、前記固定基盤６０と前記コイル基盤２０が交互に複数連設させることにより、それぞれの前記固定基盤６０は前記筒状基台５０に対して外部から回転力を与えられることによって、前記コアレスコイル３０に誘導電流を発生させて発電する装置である。

また、図２に示される直線状に連続して配置される一つの電磁回路は、小さな永久磁石４０と、小さなコアレスコイル３０とから成るため、一つの電磁回路から発生する誘導電流は、小さなものであるが、本考案の特徴は小さな電磁回路を軸方向に直列的に拡張し、多数の電磁回路を効率よく配置することで、その総和は個々の電磁回路から発生する誘導電流はその数に応じて比例して大きくなる。また、コアレス化による大きなメリットとして、コギングトルクの発生を解消できるという点から、特に発電初期に必要な起動トルクは小さくすることができる。従って、従来の風力発電や水力発電に本考案にかかる連設式発電装置１を用いれば、高い風速を常に得られない地域や、低水位における河川での発電を可能とするというメリットがある。他方、コアレス化することのデメリットとしては、大きな電力を取り出すことができないという点がある。このようなメリット、デメリットを踏まえた上で、使用目的に応じ、永久磁石４０とコアレスコイル３０の配置構成を連続配置することで拡張可能とし、小さな発電から大きな発電まで広く対応可能な発電装置として利用できる構成としている。

回転軸１０は、固定基盤６０を固定し、筒状基台５０を回転自在に軸受けして、本考案に係る連設式発電装置１の全体を軸支する役割を果たすものである。また、回転軸１０は、外部からの力を受けて回転し、固定された筒状基台５０に内設されるコイル基盤２０に固定されたコアレスコイル３０を固定基盤６０に固定された永久磁石４０に対して、周方向に回転させ、誘導電流を発生させるための主軸である。

コイル基盤２０は、円盤状の平坦な基盤に、複数のコアレスコイル３０を周方向に連続して配置するための基盤である。本考案に係る連設式発電装置１では、回転軸１０の方向に並行に直線的に電磁回路を備える構成としているため、可能な限りコイル基盤２０は回転軸１０から電磁回路を構成するに必要な面積に抑えることが望ましい。なお、小さな永久磁石４０に挟まれるように小さなコアレスコイル３０を配置するため、コイル長に対応した厚さが必要であり、小型化するとこれに比例して薄くしなければならないため、比強度の高い金属素材や強化ブラスチック等を基材として実装できる材料を選択することが望ましい。

コアレスコイル３０は、コイル基盤２０によって固定され、コアレスコイル３０の周囲を回転する永久磁石４０の両極間に生ずる電磁誘導によって発生する電流を得るためのものであり、本願考案ではコギングトルクの発生を防止することを目的とするため、コアレスコイル３０を採用することとしている。但し、コアレスにする目的は、小さな回転力でも電力を発生させるためであり、コギングトルクによる回転負荷を十分に凌駕する回転力を供給することが可能であるならば、発電能力並びに放熱特性にも配慮したコア材料を用いることも有用である。

永久磁石４０は、希土類永久磁石を用いることが望ましく、特にネオジム磁石は、強磁性特性を有していることから発電に適しているといえる。但し、ネオジム磁石は、熱に弱く、温度上昇により磁力が低下するキュリー点が低いため、これを超えると磁性特性が戻らないという特性を有している。従って、例えば、サマリウムコバルト磁石のように高温下での条件下でも耐えられる特性の磁石を用いる等、温度環境等に応じた磁石材料を適宜選択することが望ましい。

また、図２に示した永久磁石４０では、極性（Ｎ極及びＳ極）を揃えた状態を示すために縦方向に長い棒磁石のような形状で表したが、薄い円盤状の軸方向に極性を持つ永久磁石４０を用いれば、一つ当りの電磁回路の厚みを薄くすることができ、同一長さにおける積層数を増やすことが可能となる。なお、極性を揃えるとは、一つコイル基盤２０を挟んで配置される二つの固定基盤６０において、片側に配置される永久磁石４０の極性が、全てＮ極かＳ極で統一され、他の片側に配置される永久磁石４０の極性が、前記統一された極性と異なる極性で統一される配置を意味するものである。

筒状基台５０は、固定基盤６０を内設するとともに、回転軸１０に固定されたコイル基盤２０を回転自在となるように回転軸１０に軸受けされ、複数のコイル基盤２０をそれぞれ挟むように、固定基盤６０を配置するための基台及び本体収納ケースとしての役割を兼ねる部材である。基本構成としては、筒状基台５０は、固定されて回転軸１０からの回転力を受ける基台となるが、回転軸１０を固定して、筒状基台５０を回転させる構成を除くものではない。

固定基盤６０は、永久磁石４０を回転軸１０と並行となるように極性を向けて配置する基盤であり、回転軸１０と固定されてともに回転し、コイル基盤２０を挟むように連続して配置することで、一つの電磁回路を構成する二つの永久磁石４０を並列する他の電磁回路に用いる永久磁石４０の一つとして共有させることを可能とする部材である。

図３は、本考案に係る連設式発電装置１のコアレスコイル３０及び永久磁石４０の別の配置例を説明する配置構成説明図であり、図４は、本考案に係る連設式発電装置１のコアレスコイル３０及び永久磁石４０の別の配置例を説明する断面図である。

本考案に用いられるコアレスコイル３０と永久磁石４０は、小型のものを用いることでよりコギングトルクを軽減させることが可能となるが、得られる発電容量は小さくなってしまうため、可能な限り電磁回路の数を増やす構成とし、図３では、コアレスコイル３０と永久磁石４０の配置を１２個で組み合わせた配置とし、図３（ａ）は、係る構成における永久磁石４０の配置構成を示し、図３（ｂ）は、コアレスコイル３０の配置構成を示している。但し、係る１２組という数に限定されるものではなく、極性を揃えて配置可能なであれば、実施可能な限りにおいて特に限定されるものではない。

図５は、本考案に係る連設式発電装置１のコアレスコイル３０及び永久磁石４０の数が異なる場合の配置例を説明する配置構成説明図であり、図６は、本考案に係る連設式発電装置１のコアレスコイル３０及び永久磁石４０の数が異なる場合の配置例を説明する断面図である。

本考案の特徴的な構成として、回転軸１０の軸方向に電磁回路を連設可能としているため、一部追加や一部撤去が自由にできるものである。従って、図５に示すように、コアレスコイル３０と永久磁石４０による数が合わない構成、或いはコアレスコイル３０と永久磁石４０の数が奇数と偶数の組み合せであっても利用できるものであり、図５（ａ）では、永久磁石４０の数５個の配置構成を示し、これに対応するコイルの数が４個という実施例を図５（ｂ）に示す。

図７は、本考案に係る連設式発電装置１のコアレスコイル３０及び永久磁石４０を周方向に拡張した場合の配置例を説明する配置構成説明図であり、図８は、本考案に係る連設式発電装置１のコアレスコイル３０及び永久磁石４０を周方向に拡張した場合の配置例を説明する断面図である。

図７及び図８に記載した構成は、軸の周方向に配置される同一円周上の電磁回路を、その外周に拡張して別の電磁回路を連続して配置する実施例を示している。係る構成を採用することにより、円周内において可能な限りの電磁回路を個別に構成し、固定基代５０内の容積を効率良く多数配置し、これを回転軸１０方向に連続して構成することから、最小のスペースで最大の発電を可能とする構成例を示したものである。なお、円周の異なる電磁回路を切り替えて利用することで、小さな発電から大きな発電まで、同じ発電装置で対応可能となり、また、風力発電等に用いる場合では、風力に応じて各円周毎の電磁回路を選択的に利用することで、発電効率や発電量を図りやすくすることができる構成である。

本考案に係る連設式発電装置は、コアレスによるコギングトルク低減を図るとともに、多数のコイルと永久磁石を配置することが可能であり、大型の風力発電装置のブレードや水力発電装置の水車等のように、これらを駆動するための起動動力に大きなエネルギーを必要とせず、小さな起動動力で個々の時期回路から発生する小さな有効電力を総合して必要な電力が供給できることから、風や水といった自然エネルギーの存在する有効な場所を選ばず、産業上の利用可能性は大きいと思慮される。

１ 連設式発電装置
１０ 回転軸
２０ コイル基盤
３０ コアレスコイル
４０ 永久磁石
５０ 筒状基台
６０ 固定基盤

Claims (4)

1. 回転軸１０と、
   コイル基盤２０と、
   複数のコアレスコイル３０と、
   複数の永久磁石４０と、
   筒状基台５０と、
   固定基盤６０と、
   から構成される発電装置であって、
   前記コイル基盤２０は、前記回転軸１０に固定されて該回転軸１０と共に回転し複数の前記コアレスコイル３０を配置させるための基盤であり、
   前記固定基盤６０は、前記コイル基盤２０を両側から挟むように前記筒状基台５０に内設され、複数の前記永久磁石４０を周方向に両端の極性が同一となるように揃えて配置するための基盤であり、
   前記筒状基台５０は、前記回転軸１０を回転自在に軸支し、
   前記回転軸１０が外部からの力を受けて回転することにより前記コアレスコイル３０に誘導電流を発生させる電磁回路を多数連設して発電することを特徴とする連設式発電装置１。
2. 前記固定基盤６０に備えられる前記永久磁石４０の数と、
   前記コイル基盤２０に備えられる前記コアレスコイル３０の数が、
   異なる構成の電磁回路を含むことを特徴とする請求項１に記載の連設式発電装置１。
3. 前記固定基盤６０に備えられる前記永久磁石４０と、
   前記コイル基盤２０に備えられる前記コアレスコイル３０による電磁回路が、
   前記回転軸１０から周方向に前記永久磁石４０の極性を同一となるように連続して連設され、
   周方向毎の電磁回路が独立した発電を行なうことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の連設式発電装置１。
4. 前記コイル基盤２０を固定し、前記固定基盤６０が回転する構成としたことを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の軸方向連設式発電装置１。