JP2005312173A - 発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】
発電機の発電効率を高める。
【解決手段】
軸固定台１３には垂直方向に主軸１が固定され、主軸１にはベアリング２を介して上部軸受９が回転可能に取りつけられている。上部軸受９の上部には回転羽根機構が取りつけられている。主軸１には基板１１が固定され、基板１１の下面にはコイル８が設けられている。基板１１の上方には上部回転円盤４が上部軸受９に固定されており、回転円盤４には基板１１側に可動マグネット６が取り付けられている。基板１１の下方には下部軸受１０により下部回転円盤５が回転可能に取り付けられ、下部回転円盤５にはコイル８側に可動マグネット７が設けられている。コイル８は回転円盤４，５が回転することによりマグネット６，７が移動して形成する軌跡と対向する位置に配置されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は風力又は水力により、固定されたコイルに対向して配置されたマグネットを回転させ、その回転磁界によりコイルに起電力を発生させる発電機に関するものである。

風力を利用して発電を行なう風力発電機としては、風力の方向に回転軸をもつプロペラ式のものと、風力の方向にほぼ直交する方向の回転軸をもつ縦型のものが知られている。このうちプロペラ式のものは一般には大型であり、発電機の回転軸とプロペラの回転軸の方向が直交しており、風力を発電機に伝達するための機構においてエネルギーの損失を生じる。

本発明は縦型の発電機に関するものであるが、縦型発電機としては垂直方向に設けたシャフトにプロペラ又は羽を取り付け、シャフトにマグネットを固定し、そのマグネットの周辺部にコイルを配置することにより、マグネットが回転して生じる磁界の変化によって起電力を発生させるものが提案されている（特許文献１，２参照。）。
特開２００１−９９０４８号公報 特開平７−９７９７７号公報

しかし、それらの発電機では羽根の回転軸の軸心のぶれによってマグネットとコイルが接触するのを避けるために、マグネットとコイルの間隔をある程度広く設定しなければならず、発電効率はよくない。
そこで、本発明は、発電効率を高めることを目的とするものである。

本発明は固定コイルと可動マグネットを平面内で対向できるように配置し、回転羽根機構によって可動マグネットを回転させて回転磁界を発生させ、コイルに起電力を発生させる。

すなわち、本発明の発電機は、軸固定台に固定され動力を受ける方向に対してほぼ直交する方向に配置された主軸と、前記主軸に対してベアリングを介して回転可能に取りつけられた軸受と、動力を受ける羽根が取り付けられた回転軸が前記軸受の上部に前記主軸と同軸上に固定されている回転羽根機構と、発電機部とを備えた発電機であり、前記発電機部は、前記主軸に直交する方向に前記主軸に固定された基板、その基板に設けられた固定コイル、前記主軸に直交する方向に前記軸受に固定された回転円盤、及びその回転円盤に設けられた可動マグネットを有し、前記マグネットが移動する軌跡と対向する位置に前記コイルが配置されていることを特徴とするものである。
前記回転羽根機構が固定されている前記軸受は前記主軸に沿って少なくとも２個のベアリングを備えていることが好ましい。

前記少なくとも２個のベアリングは互いに隙間をもって配置されていてもよい。
前記回転円盤には前記基板を挟んで対向する互いに平行な下部回転円盤が配置され、前記発電機部の下部にはベアリングを介して前記主軸に回転可能に支持された下部軸受が設けられており、前記回転円盤と前記下部回転円盤が一体化されているとともに、前記下部回転円盤にも前記コイルに対向する可動マグネットが設けられていてもよい。

また、前記回転羽根機構が固定されている軸受から前記軸固定台までの間に前記主軸に沿って配置されている部材は、前記主軸に沿って互いに隙間なく積み上げられていてもよい。

本発明の発電機は、固定コイルと可動マグネットを平面内で対向できるように配置したので、簡単な構造で両者の接触面積を大きくすることができ、起電力を大きくすることができる。

回転羽根機構が固定されている軸受が主軸に沿って少なくとも２個のベアリングを備えているようにすれば、主軸を片ける方向（横方向）に力を受けたときにベアリングが少なくとも２個あるために主軸に対して軸受けが傾くことが出来ない。したがって、横方向の抗力が主軸、軸受及びそれらのベアリングの強度によって強化され、マグネットを取りつけている回転円盤に傾く力が伝わらないためにマグネットがコイルや基板と接触することが防がれ、そのような接触による破壊が防がれる。このように、簡単な構造で横方向の抗力を強化できて強風下でも安定して回転できる。

それらの少なくとも２個のベアリングを互いに隙間をもって配置すれば、横方向に力に対する抗力がさらに強化される。
下部軸受を介して下部回転円盤を設け、下部回転円盤にも可動マグネットを設ければ、起電力が増す。

回転羽根機構が固定されている軸受から軸固定台までの間に配置されている部材が互いに隙間なく積み上げられているようにすることにより、発電機の上部につける羽根の重量が直接下に伝わるようになり、羽根の重量が大きくなっても耐えることができるようになり、構造上無理がなくなる。

図１から図４に本発明の一実施例を示す。
図１は発電機部の垂直断面図、図２（Ａ）は全体の正面図であり、図２（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線位置における羽根の断面形状を表わしたものである。

基台２０に軸固定台１３が固定され、軸固定台１３には垂直方向、すなわち、風力により動力を受ける方向に対してほぼ直交する方向、に主軸１が配置されて固定されている。
主軸１にはベアリング２を介して上部軸受９が回転可能に取りつけられている。

上部軸受９の上部には回転羽根機構が取りつけられ、その回転羽根機構で風力を受ける羽根１７が取り付けられた回転軸１８が上部軸受９の上部に主軸１と同軸上に固定されている。基台２０にはこの発電機を安定に支持するための支持枠１６が設けられ、支持枠１６の上端部で例えばベアリングを介して回転軸１８を回転可能に支持している。

羽根１７の断面形状は円筒の一部を切った曲線を向かい合わせたような形をしており、風がどの方向から来ても回転力を発生できる形状となっている。ただし、羽根１７の形状はこれに限らず、どの方向からの風も受けることのできる形状であけばよい。

主軸１にはベアリング２の下側に基板保持金具１４が固定され、基板保持金具１４には主軸１に直交する方向に基板１１が取りつけられ、基板１１の下面にはコイル８が設けられている。コイル８からの配線は主軸１内を通って外部に導かれている。

基板１１の上方には主軸１に直交する方向の上部回転円盤４が上部軸受９に固定されており、回転円盤４には基板１１側に可動マグネット６が取り付けられている。
基板保持金具１４の下側には、主軸１に下部ベアリング３を介して下部軸受１０が回転可能に取りつけられており、下部軸受１０には基板１１の下方で主軸１に直交する方向に下部回転円盤５が固定されている。下部回転円盤５にはコイル８側に可動マグネット７が設けられている。

上部回転円盤４と下部回転円盤５は外周枠１２によって一体化されている。
コイル８は回転円盤４，５が回転することによりマグネット６，７が移動して形成する軌跡と対向する位置に配置されている。コイル８とマグネット６，７の配置についてさらに詳細に説明すると、マグネット６，７は図３（Ａ）に示されるように円周に沿って１６個が配列され、コイル８は図４（Ａ）に示されるように１２個が同心円状に配置されている。コイル８はＸ、Ｙ、Ｚの３組に分けられ、図４（Ｃ）のようにデルタ接続されていることにより、三相交流が発電されるようになっている。

マグネット６，７と基板１１又はコイル８との間隔は狭い方が発電効率がよい。しかしあまり狭く設定すると回転円盤４，５が傾いたときに接触する可能性が高くなる。その間隔は回転円盤４，５の傾きの範囲を考慮して、数ｍｍ以下、例えば０．５ｍｍ程度に設定する。この間隔は、後で図６、図７を参照して説明する実施例のように回転円盤４，５の傾きを抑えることができる場合には狭く設定して発電効率をより高めることができる。

回転羽根機構が固定されている軸受９から軸固定台１３までの間に主軸１に沿って配置されている部材、すなわち、軸受９、ベアリング２、基板保持金具１４、下部ベアリング３及び軸固定台１３、は主軸１に沿って互いに隙間なく積み上げられている。

この実施例において、羽根１７に風が当たると、軸受９を介して回転円盤４，５が回転し、それらの回転円盤４，５に取り付けられているマグネット６，７が回転して、その回転磁界によりコイル８に起電力が生じ、リード線により外部に取り出される。

また、軸受９から軸固定台１３までの間に配置されている部材が互いに隙間なく積み上げられているので、上からの重量がそれらの部材を介して下に伝わり、大きな重量に耐えることができる。
下部ベアリング３は必ずしも必要ではないが、防水対策と回転円盤５などの機械的寸法誤差を吸収してスムーズに回転させるために設けている方がよい。

この実施例において、上部軸受９に取り付けられた羽根に強い風力が作用すると横方向の力が働く。このとき上部ベアリング２ではベアリングの性質上、図５に矢印で示されるように少し傾く方向に自由に動く。上部軸受９、上部回転円盤４、外周枠１２、下部回転円盤５、下部軸受１０及び下部ベアリング３へと力が伝わって横方向の力に対して抗力を発揮するが、その効力が十分でない場合には、上部ベアリング２が傾くと軸受９も傾き、回転しているマグネット７とコイル８、マグネット６と基板１１が接触する可能性が出てくる。

図６は横方向の力に対する抗力を高めた実施例を示したものである。図１の実施例と比較すると、主軸１に上部軸受９を支持する上部ベアリングが異なる。
すなわち、図６の実施例では、主軸１には主軸１に沿って２個のベアリング２ａ，２ｂを介して上部軸受９が回転可能に取りつけられている。ベアリング２ａ，２ｂは互いに密着した配置されている。他の構造は図１の実施例と同じである。

この実施例においては、上部軸受９が横方向に力を受けても２個のベアリング２ａ，２ｂによって主軸１に力が逃げ、回転円盤４，５が傾くことが防止され、マグネット６，７と基板１１やコイル８との接触が防止される。そのため、マグネット６，７と基板１１又はコイル８との間隔をより狭く設定して発電効率を高めることができる。

図６の実施例は上部軸受９のベアリング２ａ，２ｂを密着させて配置しているので、全体の高さを低くするのに適している。また、軸受９から軸固定台１３までの間に配置されている部材が互いに隙間なく積み上げられているので、上からの重量がそれらの部材を介して下に伝わり、大きな重量に耐えることができる。

図７はさらに他の実施例における上部軸受９とそのベアリング２ａ，２ｂを示したものである。
この実施例では、ベアリング２ａ，２ｂは互いに隙間をもって配置されている。このように、上部軸受９のベアリング２ａ，２ｂを、隙間をもって配置することにより、横方向に力に対する抗力がさらに強化される。その隙間は広い方が横方向に力に対する抗力が大きくなる反面、高さが高くなる。その隙間は使用するベアリングの外径寸法程度までが適当である。

以上に示した実施例は風力発電機に本発明を適用したものであるが、上部軸受９に取り付けられる回転羽根機構を水力用羽根機構にすれば、水力発電機としても適用することができる。
なお、実施例では図示のように垂直方向に立てて配置して使用するように説明しているが、横向きに配置しても、下向きに配置しても使用することができる。

本発明は風力発電機又は水力発電機として利用することができる。

一実施例における発電機部近傍を示す垂直断面図である。 同実施例を示す図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）はそのＡ−Ａ線位置における羽根の断面図である。 同実施例におけるマグネットの配置を示す図であり、（Ａ）は回転円盤のマグネット側の平面図、（Ｂ）は回転中心とマグネット位置を示すための正面図である。 同実施例におけるコイルの配置を示す図であり、（Ａ）は基板のコイル側の平面図、（Ｂ）は正面断面図、（Ｃ）はコイルの接続を示す結線図である。 同実施例における上部軸受のずれを示す断面図である。 他の実施例の発電機における発電機部近傍を示す垂直断面図である。 さらに他の実施例における上部軸受部を示す断面図である。

符号の説明

１ 主軸
２，２ａ，２ｂ 上部ベアリング
３ 下部ベアリング
４ 上部回転円盤
５ 下部回転円盤
６，７ 可動マグネット
８ コイル
９ 上部軸受
１０ 下部軸受
１１ 基板
１２ 外周枠
１３ 軸固定台
１７ 回転羽根機構の羽根
１８ 回転羽根機構の回転軸
２０ 基台

Claims (5)

1. 軸固定台に固定され動力を受ける方向に対してほぼ直交する方向に配置された主軸と、
   前記主軸に対してベアリングを介して回転可能に取りつけられた軸受と、
   動力を受ける羽根が取り付けられた回転軸が前記軸受の上部に前記主軸と同軸上に固定されている回転羽根機構と、
   発電機部と、を備え、
   前記発電機部は、前記主軸に直交する方向に前記主軸に固定された基板、その基板に設けられた固定コイル、前記主軸に直交する方向に前記軸受に固定された回転円盤、及びその回転円盤に設けられた可動マグネットを有し、前記マグネットが移動する軌跡と対向する位置に前記コイルが配置されていることを特徴とする発電機。
2. 前記回転羽根機構が固定されている前記軸受は前記主軸に沿って少なくとも２個のベアリングを備えている請求項１に記載の発電機。
3. 前記少なくとも２個のベアリングは互いに隙間をもって配置されている請求項２に記載の発電機。
4. 前記回転円盤には前記基板を挟んで対向する互いに平行な下部回転円盤が配置され、前記発電機部の下部にはベアリングを介して前記主軸に回転可能に支持された下部軸受が設けられており、前記回転円盤と前記下部回転円盤が一体化されているとともに、前記下部回転円盤にも前記コイルに対向する可動マグネットが設けられている請求項１から３のいずれかに記載の発電機。
5. 前記回転羽根機構が固定されている軸受から前記軸固定台までの間に前記主軸に沿って配置されている部材は、前記主軸に沿って互いに隙間なく積み上げられている請求項１，２又は４に記載の発電機。
   

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