JP2006101613A - フライホイール磁石発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 構成が簡単なフライホイール磁石発電装置を提供すること。
【解決手段】 エンジン等の駆動源で回転されるフライホイール１の外周面に対向して鉄心４が配置され、鉄心４には発電コイル８が巻装される。鉄心４の磁極５，７には永久磁石１０が取り付けられる。フライホイール１の外周面には、誘導子１１が設けられ、この誘導子１１は、鉄心４の磁極と対向する領域を通過したときに永久磁石１０による磁束の閉磁路を形成し、発電コイル８に電流が誘導される。フライホイール１の外周にはエンジンの点火用発電コイルを巻装した鉄心１８をさらに設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、フライホイール磁石発電装置に関し、特に、比較的小型のエンジンに使用されるバッテリの充電用や灯火装置用の電源として好適なフライホイール磁石発電装置に関する。

比較的小型のエンジンに使用されるバッテリの充電用や灯火装置用の発電装置において、有底円筒状（椀形）のフライホイールに、その外縁の内周面に沿うように弧状に形成された永久磁石をねじ止めや接着など適当な接合手段で取り付け、さらに永久磁石より内周側に鉄心と発電コイルとを配置した磁石発電装置が知られる（例えば、特公昭６１−２５３４７号公報）。
特公昭６１−２５３４７号公報

特許文献１に記載されたようなフライホイール磁石発電装置では、高速回転するフライホイールに永久磁石を取り付けるので、強固な固定が必要となり取付作業に手間がかかる。

また、大きい発電出力を得るためには、永久磁石の個数を増やしてフライホイールの１回転毎の発電コイル内の磁束変化を増す必要があるし、上述のような永久磁石を取り付ける作業がさらに多くなって大変に手間がかかるという問題がある。

本発明は、この問題に対してなされたものであり、フライホイールに永久磁石を取り付けずに発電出力を得ることができるフライホイール磁石発電装置を提供することを目的とする。

本発明は、フライホイールの回転によって発電するフライホイール磁石発電装置において、前記フライホイールの周面に対向する位置に配置され、発電コイルを巻装した鉄心と、前記鉄心に取り付けられた永久磁石と、前記フライホイールの前記周面に設けられ、前記永久磁石によって生じる磁束の磁路を形成する複数の誘導子を設けた点に第１の特徴がある。

また、本発明は、前記周面が、前記フライホイールの外周面である点に第２の特徴がある。

また、本発明は、前記フライホイールがエンジンのクランク軸に連結されており、このフライホイールの前記周面には、点火用永久磁石が設けられ、この永久磁石の対向位置には、点火用発電コイルが設けられている点に第３の特徴がある。

上記第１の特徴を有する本発明によれば、フライホイールには、誘導子を設けるだけでよいので、構成がきわめて簡単となる。また、誘導子の数を増やすだけで、フライホイールの１回転毎の磁束変化の回数を増やすことができるので容易に大きい発電出力を得ることが可能になる。

第２の特徴によれば、誘導子を回転半径が大きくして周速度を大きくすることができるので、大きい発電出力を取り出すことができる。

第３の特徴によれば、点火用コイルによる発電に影響を与えることなく、誘導子の数を適当に選択して発電コイルによる任意の発電出力を得ることができる。また、点火発電用永久磁石の磁力を発電コイルの発電に利用することもできる。

以下に図面を参照して本発明を詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係るフライホイール磁石発電装置の要部構成を示す正面図である。図１において、フライホイール１は、エンジンのクランク軸２に連結され、エンジンの回転に同期して回転する。フライホイール１は有底円筒状つまり椀形状であり、この円筒部つまり外縁１ａの内周面に対向して発電装置３が配置される。

発電装置３の鉄心４は、一端が互いにつながれ、他端が開放されて全体としてアルファベットの「Ｅ」形状をなす３本の磁極５，６，７を有する。鉄心４は、前記「Ｅ」形状に打ち抜かれた複数枚の電磁鋼板を積層して構成される。鉄心４の中央の磁極６には、発電コイル８が、絶縁性材料からなるボビン９を介して巻装されている。

磁極５，７の先端寄り、つまりフライホイール１の内周面寄りには、永久磁石１０，１０が埋め込まれている。鉄心４を構成する電磁鋼板の打ち抜き時に永久磁石１０を嵌挿可能な孔を同時に成型し、鋼板の積層後に前記成型された孔に永久磁石１０を組み込む。永久磁石１０は、例えば、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系（ネオジウム−鉄−ボロン系）など、希土類磁石であるのが望ましい。永久磁石１０，１０は、互いの極性が逆方向側になるように配置される。例えば、磁極５内の永久磁石１０はフライホイール１に近い側はＮ極とし、フライホイール１から遠い側をＳ極とする一方、磁極７内の永久磁石１０はフライホイール１から遠い側をＮ極とし、フライホイール１に近い側をＳ極とする。

フライホイール１の内周面には、誘導子１１としての突部が形成される。誘導子１１は、フライホイール１の位置に応じて、磁極５および６間、あるいは磁極６および７間をつないで永久磁石１０の磁束Φ１およびΦ２の閉磁路を形成する。磁束Φ２は図２を参照して後述する。誘導子１１は磁極５，６間、あるいは磁極６，７間の開放磁路が同時に閉磁路とならないように、図１に示す長さに設定される。

図２は、第２の位置におけるフライホイール磁石発電装置の正面図である。図２では、フライホイール１が図１に示した第１位置から図中の反時計方向Ｒに回動して、誘導子１１が磁極６および７間に対向する第２位置に至っている。誘導子１１がこの位置にあるときは、磁極７に埋め込まれた永久磁石１０が磁極７、磁極６、および誘導子１１を通る磁束Φ２を形成する。

図１および図２で説明した通り、永久磁石１０，１０の互いの極性の配置によって、発電コイル８に対する磁束Φ１およびΦ２を形成する磁力の方向は互いに反対になる。したがって、発電コイル８内を通る磁力の向きや磁束数は誘導子１１の位置つまりフライホイール１の回転位置によって変化する。

図３は、発電コイル８を含む充電回路の一例を示す図である。同図において、発電コイル８の両端は全波整流回路１２の入力端子に接続され、全波整流回路１２の出力端子の一方はバッテリ１３のプラス側に接続される。全波整流回路１２の出力端子の他端およびバッテリ１３のマイナス側はいずれも接地される。発電コイル８の発電出力は全波整流回路１２で整流されて、整流された充電電圧でバッテリ１３は充電される。

図４は、上記充電回路の動作を示すタイミングチャートである。図４を参照しながら、充電回路の動作を説明する。スタータモータやリコイルスタータ等周知のエンジン始動操作手段を使ってクランク軸２を図１，２に示すＲ方向に回転させると、フライホイール１が回転する。誘導子１１が鉄心４に接近・離間するのに伴って鉄心４内の磁束が変化する。まず、誘導子１１の回転方向先端が磁極５を通過して磁極６に近づくにつれて、図４（ａ）に示すように、発電コイル８を巻装した磁極６内の磁束Φ１が増大する。そして、誘導子１１の回転方向後端が磁極６から離れていくと磁束Φ１は減少する。これに代わって、誘導子１１の先端が磁極７に近付くので磁束Φ２は増大し始める。そして、誘導子の回転方向後端が磁極７から離れていくにつれて磁束Φ２は減少する。

このような磁束Φ１，Φ２の変化によって発生する発電コイル８両端の電位つまり発電電圧Ｖは、図４（ｂ）に示すように変化する。発電電圧Ｖは磁束Φ１，Φ２の変化率に応じた値である。図４（ｃ）には、全波整流回路１２で全波整流された後の発電電圧Ｖａの変化を示す。発電電圧Ｖａが所定のバッテリ電圧Ｖｂを超えている間は、バッテリ１３へ充電電流Ｉｂ（図４（ｄ））が流れて、バッテリ１３は充電される。

続いて、本発明の第２実施形態を説明する。図５は、第２実施形態に係るフライホイール磁石発電装置の要部構成を示す正面図である。図５において図１と同符号は同一または同等部分である。図５において、誘導子１１は、フライホイール１の内周側ではなく、外周側に形成され、鉄心４も、この誘導子１１に対向できるように、フライホイール１の外周面に対向して設けられている。このように誘導子１１や鉄心４をフライホイール１の外周に配置した場合も第１実施形態と同様に発電出力を得ることができる。むしろ、誘導子１１や鉄心４をフライホイール１の外周に配置することによって、クランク軸２を中心とする回転半径を大きくできるので、誘導子１１の周速を大きくして大きい発電出力を得ることができる。

なお、誘導子１１はフライホイール１の内周側または外周側に一つだけ設けるのに限らず、複数設けることもできる。誘導子１１の個数を多くすることによって、より大きい発電出力を得ることができる。

上記誘導子１１を有するフライホイール１は、種々の方法で種々の形態を有するように製造できる。図６は、第１の製造方法によって製造されたフライホイールの正面図である。フライホイールが複数の誘導子を有する例を説明する。このフライホイール１を鋳造で製造する場合は、誘導子１１を付加した形状で鋳型を製作し、この鋳型を用いてフライホイール１の本体と誘導子１１を一体で成型することができる。フライホイール１の外周面に誘導子１１を設ける場合も同様に製造できる。

図７は第２の製造方法によって製造されたフライホイールの正面図である。このフライホイール１は鋼板をプレス成形して製造される。フライホイール１の本体と誘導子１１となる突出部とを同時にプレス成形してもよいし、まず、有底円筒のフライホイール１の本体をプレス成形し、次の工程で誘導子１１となる突出部をフライホイール１の内周側へ押し出してもよい。

図８Ａおよび図８Ｂは第３の製造方法によって製造されたフライホイールの図であり、図８Ａは正面図、図８Ｂは側面図である。このフライホイール１は複数枚の平板を打ち抜いて、この打ち抜かれた平板を積層して成形されたものである。フライホイール１は、誘導子１１となる突出部を有して環状に打ち抜かれた平板が積層されてなる円筒部１ａと、円板状に打ち抜かれた平板が積層されてなる底部１ｂとからなる。

図９は、第４の製造方法によって製造されたフライホイールの正面図である。このフライホイール１はアルミニューム等の非磁性体をダイキャストにより成形したものである。フライホイール１を非磁性体で形成する場合、誘導子１１となる磁性材はフライホイール１の内周面に形成した溝にインサート成型で埋め込まれる。この場合、磁性体である誘導子１１は非磁性体であるフライホイール１の内周面から突出させなくても鉄心４と共に閉磁路を形成できる。

図６〜図９では、誘導子１１がフライホイール１の内周側に設けられた例のみを述べたが、誘導子１１がフライホイール１の外周側に設けられるものも、同様の製造方法によって製造できる。

また、鉄心４を種々変形可能である。図１０，図１１は磁極を二つに変形した鉄心の例を示す正面図である。図１０において、鉄心４は二つの磁極５，６を備え、永久磁石１０を埋め込んでいる磁極６に発電コイル８を巻装している。

図１１の鉄心４はフライホイール１の円弧状の縁に対応する円弧状部分を有し、全体として長尺である。この鉄心４の両端に磁極１４，１５を備え、これら磁極１４，１５間を連結するコア部分１６に発電コイル８が巻かれている。フライホイール１には、誘導子１１に代えて凹部１１ａを設けている。この凹部１１ａが鉄心４の磁極１４，１５の対向領域を通過するときに鉄心４内に磁束変化が生じる。磁極１４，１５はフライホイール１の内周面の周方向に沿って、広い範囲で拡張されているので、永久磁石１０，１０はフライホイール１の内周面の周方向に沿って大きいサイズに形成される。

図１２は、２磁極の鉄心を有する発電装置の磁束変化と、発電電圧の変化を示す図である。磁極を二つにした鉄心４と発電コイル８とによる発電装置では、図１２（ａ）に示すように磁束Φの変化は一方向にだけ表れる。そして、発電電圧Ｖは図１２（ｂ）に示すように、磁束Φの変化率に対応して変化する。

図１３は、永久磁石１０の設置位置を変形した例を示す発電装置の正面図である。図１３において、永久磁石１０，１０は磁極５，７内に埋め込まれるのではなく、磁極５，７の先端面に接着等で接合される。

上述の発電装置によってバッテリを充電するシステムを先に述べたが、灯火装置としても構成できる。バッテリの充電では発電コイルの出力電圧を全波整流してバッテリに入力するが、例えば、灯火装置用の発電装置では、発電コイル８を電灯に直接接続して発電出力を電灯による照明に使用できる。

また、本発明の発電装置は、エンジンの点火装置と組み合わせて使用することができる。図１４は、点火装置を組み合わせたフライホイール磁石発電装置の構成図である。同図において、フライホイール１は、その外周面に誘導子１１としての複数の突出部を備えるとともに、さらに同外周面に点火発電用の永久磁石１７を備える。フライホイール１の外周には、発電装置用の鉄心４および発電コイル８と、点火装置用の鉄心１８およびイグニッションコイル１９が設けられる。

発電装置用の鉄心４および発電コイル８は、図１等に関して上述したものと同一または同等のものである。つまり、鉄心４は三つの磁極を有しており、そのうちの二つの磁極５，７には永久磁石１０がそれぞれ設けられ、残りの一つの磁極６に発電コイル８が巻かれている。発電コイル８の出力でバッテリ１３を充電する回路は図３に関して説明したものと同一または同等のものである。一方、イグニッションコイル１９は、後述するように、一次側コイルと点火プラグに接続される二次側コイルとからなる。

図１５は、イグニッションコイル１９が点火用発電コイルを兼用する自己トリガ式点火装置の回路の一例を示す図である。同図において、一次側コイル１９ａの両端間に抵抗２０，２１が直列接続され、これらの抵抗２０，２１に並列にトランジスタ２２および抵抗２３からなる直列回路が接続され、さらに一次側コイル１９ａの両端間にはトランジスタ２４が接続される。抵抗２０，２１の接続点がトランジスタ２２のベースに接続され、トランジスタ２２および抵抗２３の接続点がトランジスタ２４のベースに接続される。二次側コイル１９ｂは点火プラグ２５に接続される。

フライホイール１が回転して永久磁石１７が鉄心１８の磁極１８ａ，１８ｂの対向領域を通過すると、鉄心１８には、磁束が生じ、この磁束の向きが通過途中で反転する。このときに一次側コイル１９ａ間の電圧が高くなりトランジスタ２４が導通する。その結果一次電流Ｉ１が流れる。この一次電流Ｉ１が上昇して、所定値になったときにトランジスタ２２が導通してトランジスタ２４が遮断し、一次電流Ｉ１は急激に遮断されて鉄心４に急激な磁束変化が生じて一次側コイル１９ａに高電圧が発生する。この高電圧により一次側コイル１９ａとの巻き数比に応じたさらなる高電圧を二次側コイル１９ｂに誘起し、点火プラグ２５にスパークを生じさせ、エンジンを点火する。このとき、フライホイール１の外周面の誘導子は点火動作に何の悪影響をおよぼすことはなく、一方、点火装置用の永久磁石１７が鉄心４の磁極５，７を通過するときには発電コイル８に誘起されるため、磁石１７も発電電力用として利用することができる。

上記点火装置では、フライホイール１の外周面に点火用発電コイルを兼用するイグニッションコイル１９を巻装した鉄心１８を配置した例を示したが、このイグニッションコイル１９に代えて点火用発電コイルを鉄心１８に巻装した構成とすることができる。

なお、上述の実施形態では本発明をエンジンで駆動される発電装置に適用した例を示したが、本発明はこれに限定されず、エンジン以外の駆動源によって駆動される発電装置にも同様に適用できる。また、前記誘導子１１はフライホイール１の外周面に設けるのに限定されず、外周側面等、外周近くの面（周面）であればよい。

発明の一実施形態に係るフライホイール磁石発電装置の要部構成を示す正面図（その１）である。 発明の一実施形態に係るフライホイール磁石発電装置の要部構成を示す正面図（その２）である。 発電コイル８を含む充電回路の一例を示す図である。 充電回路の動作を示すタイミングチャートである。 第２実施形態に係るフライホイール磁石発電装置の要部構成を示す正面図である。 第１の製造方法によって製造されたフライホイールの正面図である。 第２の製造方法によって製造されたフライホイールの正面図である。 第３の製造方法によって製造されたフライホイールの正面図である。 第３の製造方法によって製造されたフライホイールの側面図である。 第４の製造方法によって製造されたフライホイールの正面図である。 磁極を二つに変形した鉄心の第１の例を示す正面図である。 磁極を二つに変形した鉄心の第２の例を示す正面図である。 ２磁極の発電装置の磁束変化と発電電圧の変化を示す図である。 永久磁石の設置位置を変形した例を示す発電装置の正面図である。 点火装置を組み合わせたフライホイール磁石発電装置の構成図である。 イグニッションコイルを含む点火回路の一例を示す図である。

符号の説明

１…フライホイール、 ２…クランク軸、 ３…発電装置、 ４…鉄心、 ５，６，７…磁極、 ８…発電コイル、 １０…永久磁石、 １１…誘導子、 １２…全波整流回路、 １３…バッテリ、 １７…点火発電用永久磁石、 １９…イグニッションコイル、 ２５…点火プラグ、 ３０…点火用発電コイル、 ３８…ゲート回路

Claims (3)

1. フライホイールの回転によって発電するフライホイール磁石発電装置において、
   前記フライホイールの周面に対向する位置に配置され、発電コイルを巻装した鉄心と、
   前記鉄心に取り付けられた永久磁石と、
   前記フライホイールの前記周面に設けられ、前記永久磁石によって生じる磁束の磁路を形成する複数の誘導子を設けたことを特徴とするフライホイール磁石発電装置。
2. 前記周面が、前記フライホイールの外周面であることを特徴とする請求項１記載のフライホイール磁石発電装置。
3. 前記フライホイールがエンジンのクランク軸に連結されており、
   前記フライホイールの前記周面には、前記エンジンの点火用永久磁石が設けられ、この永久磁石の対向位置には、点火用発電コイルが設けられていることを特徴とする請求項１記載のフライホイール磁石発電装置。
   

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