JP2006340408A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 コンパクトで、経済的な、小型の風力あるいは水力発電に適した発電装置を提供する。
【解決手段】 シャフト２２の方向にロータ３０とステータ４０とを積層し、ステータ４０によりロータ３０を挟み込む構造の発電ユニット２１を提供する。ロータ３０には、希土類の棒磁石３３を、その両極３３ｓおよび３３ｎがステータ４０に面した端面３１に表れるように配置し、それと対峙するようにステータ４０に発電用コイル４３を配置することにより、市販されている磁束密度の高い磁石の磁力を効率良く利用して発電を行なうことができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、小型の風力発電装置あるいは水力発電装置に適した発電装置に関するものである。

ロータとステータとがシャフト方向に積み重ねられた発電装置が知られている。特開２００２−３４２１４号公報には、時計に内蔵するタイプの発電機が開示されている。この発電機は、対向配置された２枚の円盤であって、対向する面に磁石が設けられたロータと、これら円盤の間に配置され、磁石が設けられた面に両側面が向かい合うコイルを備えたステータとを備えている。
特開２００２−３４２１４号公報

特許文献１に開示されたタイプの発電機は、回転中のトルク変動が小さく、また、始動トルクも小さくできるというメリットを備えている。その反面、ロータの径が大きくなるので、高速回転する大型の発電装置には不向きな構造であるとされており、シャフトの延びた方向（軸方向）にロータとステータとが積層される構造は、小型軽量で発電量が非常に限られた発電装置において採用されているだけである。

そこで、本発明においては、軸方向にロータとステータとが積層される構造の発電装置であって、ロータを小型にすることにより高回転に適用できる発電装置を提供することを目的としている。さらに、近年、風力あるいは水力を用いた自家発電装置が普及し始めていることに鑑み、家庭用の電力あるいはキャンプなど一時的な電力要求に対応できる程度の電力を発電するのに適した、小型で簡易な構造の、低コストの発電装置を提供することを目的としている。

本発明の発電装置は、両端面に磁極が表れるように磁化され、円形に配置された複数の磁化区画を備えたロータと、このロータを回転駆動するシャフトと、ロータの両端面を挟むように配置された１組のステータであって、ロータの端面に面した側に円形に配置された複数の発電用コイルを備えたステータとを有する。

軸方向にロータとステータとを積層する構造の発電装置において、ロータによりステータを挟む構造は、ステータのコイルを貫通する磁力密度を向上できる効果を有する反面、ステータの両側でロータを回転する構造になるので、１枚のステータに対して２枚のロータが必要になったり、ステータを外側から挟みこむように回るロータの構造が要求され、ステータよりもロータの重量が大きくなる。したがって、回転速度を上げることが難しい。さらに、発電機を単独で供給することを検討すると、ステータの外側で回るロータをカバーするためのハウジングが必要になり、それも重量を増す要因となる。

本発明の発電装置は、ロータをステータで挟む構造を採用している。したがって、軸方向にロータとステータとを積層する構造の発電装置において、ロータの数をステータの数よりも少なくすることができ、ロータの構造を簡易にでき、また、ロータを大幅に軽量化できる。このため、ある程度の高速回転に対応でき、発電量を増加できる。

ロータの両側にステータが配置される構造なので、ステータを貫通する磁力密度は低下する構造になるが、逆に、ロータの磁化区画の磁力の利用効率は向上する。また、ロータとしては、ディスク状の磁性体を円周方向に区切って磁化したものであっても良いが、複数の磁化区画を構成する複数の棒磁石と、これら複数の棒磁石の両極が両端面に表れるように保持するローターヨークとを備えた構造を採用できる。棒磁石としては、フェライトの６−８倍程度の磁束密度を備えた希土類磁石が市販されており、ロータをステータで挟む構造であれば、少ない数の磁石により、低コストで、高い磁界の中で発電コイルを動かすことができる。したがって、経済的で、発電能力の高い発電装置を提供できる。ローターヨークの一形態は、ディスク状の部材であるが、シャフトから複数のアームが伸びたものであっても良い。

また、ステータでロータを挟む構造であるとステータをハウジングの一部として使用することができる。このため、本発明の発電装置においては、ステータは、当該発電装置のハウジングの両端壁を兼ねたディスク板と、このディスク板からロータに向かって突き出て発電用コイルの芯となる複数の磁性部材とを備えていることが望ましい。ステータによりハウジングの一部を構成することにより、さらに経済的でコンパクトな発電装置を提供できる。

また、シャフトは１組のステータの両方を貫通していることが望ましい。シャフトの両端に駆動装置または他の発電装置を接続することにより、複数の発電装置をタンデム結合して適当な発電能力を備えた発電装置を提供できる。

さらに、一方のステータに配置された複数の発電用コイルの数に対し、複数の磁化区画の数が多いことが望ましい。本発明の発電装置においては、ロータの磁化区画は棒磁石などにより構成できるので、発電用コイルに対して数を増やすことは容易である。そして、棒磁石の数を増やすことにより、シャフトの回転により発電用コイルを横切る磁極の数が増えるので発電効率が向上する。さらに、ロータが静止したときに、磁化区画と発電用コイルが一対一に対応しないので、静止時における磁力は分散され、始動トルクを低減することができる。

図１に、本発明の発電機を用いた水力発電システムの概要を示してある。この水力発電システム１は、発電本体部分１０と、発電本体部分１０を中心に回転するように組み立てられた水車４とを備えている。水車４は、複数のアーム２を有し、アーム２の先端に水の力を受けるフィン３が取り付けられている。この水力発電システム１は、小川５などの適当な水量がある水辺に支持台９を設置して、その上に発電本体部分１０を搭載することにより水の流れを用いて発電することができる。

図２に、発電本体部分１０の概略構造を、一部断面を用いて示してある。なお、本図および以下で説明する図は、本発明に関わる構造を中心に示しており、その他の詳細な構造については省略している。発電本体部分１０は、支持台９の上に取り付けられるフレーム１１を備えており、種々の部品はこのフレーム１１により支持されている。発電本体部分１０は、水車４の回転を受ける駆動軸１２と、駆動軸１２の回転を増速して発電装置２０に伝達するための遊星ギア１３と、遊星ギア１３に接続されたシャフト２２の回転を受けて発電する発電装置２０とを備えている。本例の発電装置２０は、同一構成の複数の発電ユニット２１がカップリング２９によりタンデムに接続された構成であり、以下においては一つの発電ユニット２１の構成を説明する。

この発電ユニット２１は、シャフト２２に接続された円盤状のロータ３０と、このロータ３０の両方の端面３１に向かい合うように配置された１対のステータ４０と、これらを内蔵したハウジング２５とを備えている。本例のハウジング２５は、角筒状の周壁２６を備えており、周壁２６の両端は、ステータ４０のディスクプレート４１により封止され、ハウジング２５の内部で、１対のステータ４０に挟まれた状態でロータ３０が回転するようになっている。

図３に、ロータ３０の概略構成を示してある。ロータ３０は、シャフト２２により回転する円盤状のローターヨーク３２と、このローターヨーク３２にシャフト２２を中心とする円上に保持された１０本の棒磁石３３とを備えている。これら棒磁石３３は、隣接する棒磁石３３の極配置が互い違いになり、それぞれの磁極となる棒磁石３３の両端３３ｓおよび３３ｎがシャフト２２と平行になり、さらに、両極３３ｓおよび３３ｎがローターヨーク３２の両端面３１から若干突き出た状態で表れるように配置されている。これらの棒磁石３３としては、現状、市販されている永久磁石の中で最も磁束密度の大きい、棒状の希土類磁石を使用している。

図４に、ステータ４０の概略構成を示してある。それぞれのステータ４０は、ハウジング２５の端壁を兼ね、シャフト２２が中心を貫通するディスクプレート４１と、シャフト２２を中心とする円上に配置された６つの発電コイル４３とを備えている。ディスクプレート４１は、ハウジング２５の周壁２６にボルト４９により固定されており、それぞれの発電ユニット２１としての区画を形成している。発電コイル４３は、ディスクプレート４１からシャフト２２と平行になるように突き出たフェライト系の棒状の磁性部材を芯材４４として巻かれている。したがって、発電ユニット２１においては、シャフト２２の伸びた方向に、ロータ３０の棒磁石３３の両極３３ｓおよび３３ｎが配置され、これら棒磁石３３のそれぞれの極とコイルの極４３ｐが向かい合うように、ロータ３０の両側のステータ４０に発電コイル４３が形成されている。さらに、ロータ３０の棒磁石３３が配置された円の直径と、発電コイル４３が配置された円の直径は一致している。このため、ロータ３０が回転すると、棒磁石３３の両極３３ｓおよび３３ｎの中心が、発電コイル４３の極４３ｐの中心を通るように移動し、棒磁石３３の両極３３ｓおよび３３ｎから延びた磁界が発電用コイル４３のコア４４を貫通する形で移動する。このため、ローラ３０の回転に伴う磁束密度の変動が大きく、高い発電効率を得ることができる。

図５に、ステータ４０の発電コイル４３の接続例を示してある。この例では、１対のステータ４０に配置された合計１２個の発電コイル４３の内、一方のステータ４０の対角線上の２つの発電コイル４３と、それらに対峙する反対側のステータ４０の２つの発電コイル４３とが直列に接続されて１つのグループを形成し、不図示の他の２つのグループと並列に発電ユニット２１に内蔵された整流回路２８に接続されている。そして、これらの発電コイル４３の交流出力は、整流回路２８を通って、発電ユニット２１から直流として出力されるようになっている。

このように、本例の発電ユニット２１は、シャフト２２の軸方向にロータ３０とステータ４０とを積層する構造の発電装置であって、１枚のロータ３０の両側を挟み込むように２枚のステータ４０を配置している。したがって、シャフトの軸方向にロータ３０とステータ４０とを積層する構造を維持しながら、シャフト２２により回転するロータ３０をコンパクトにすることができ、回転重量を軽減できる。このため、シャフト２２に、その半径方向に広がったロータ３０を取り付ける必要はあるが、ロータの構造を簡易にでき、また、回転モーメントを低減できるので、高速回転に対応した発電量の大きな発電ユニットを提供できる。

また、ロータ３０の両端面３１を挟むように１対のステータ４０が配置される構造なので、ステータを１対のロータで挟む構造に比較すると、ステータ４０の発電コイル４３を貫通する磁力密度は低下する。しかしながら、ロータ３０に取り付けられた棒磁石３３の両方の磁極３３ｓおよび３３ｎに両側のステータ４０の発電コイル４３が面する構造となり、ロータ３０の磁力の利用効率は向上し、発電効率の低下を防止できる。さらに、ロータ３０に棒磁石３３を取り付けて利用できる構造となるので、市販されている高磁束密度の希土類磁石をロータ３０の磁化区画として採用できる。例えば、希土類磁石としては、フェライト系磁石の６−８倍程度の磁束密度を備えたものを簡単に入手することができ、シャフトあるいはディスクを適当な区画に区切って磁化したロータと比較すると数倍の磁束密度を備えたロータを得ることができる。そして、棒磁石の両極を発電に利用できるので、使用する棒磁石の数は少なくて済む。このため、ロータ３０をステータ４０で挟む構造を採用することにより、経済的で高磁束密度のロータ３０を備えた発電ユニットを提供でき、低コストで発電効率の高い発電ユニットを提供できる。

さらに、ステータ４０でロータ３０を挟む構造を採用することにより、本例の発電ユニット２１のように、ステータ４０のディスクプレート４１をハウジング２５の一部として使用できる。このため、発電ユニット２１の構造を簡易にでき、重量および製造コストを低減できる。また、ディスクプレート４１に対し、ロータ３０に向かってフェライト系の芯材４４を突き出るようにボルトなどにより固定し、芯材４４に発電用コイル４３を巻くことにより、発電用コイル４３をディスクプレート４１に対して簡単に固定できる。それと共に、フェライト系の芯材４４をロータ３０の棒磁石３３の磁束が通るので、発電用コイル４３の発電効率も向上する。したがって、この点でも、本例の発電ユニット２１は、コンパクトで発電効率の高い発電装置となっている。

また、この発電ユニット２１は、ロータ３０が１０個の棒磁石３３を備えているのに対し、一方のステータ４０には６つの発電用コイル４３が配置されている。この配置は、ステータ４０においては、芯材４４の周囲にコイルを巻くスペースを確保できる点で優れている。それと同時に、発電用コイル４３に対してロータ３０の磁化区画の数を増やすことができるので、シャフト２２の回転により発電用コイル４３を横切る磁極の数が増え、発電効率が向上する。さらに、ロータ３０が静止したときに、発電用コイル４３と棒磁石３３とが一対一に対応しないので、静止時において発電コイル４３に作用する磁力は分散される。このため、発電ユニット２１の始動トルクを低減でき、エネルギー密度の低い、風力あるいは水力などにより発電する小型の自家用発電設備に適した発電ユニットを提供できる。

なお、上記のロータ３０のローターヨーク３２は円盤状であるが、ローターヨーク３２は棒磁石３３を、シャフト２２を中心とする所定の直径の円上に配置できれば良いので、円盤に限らず、アームが星型などの広がった形状を成すように、軸中心から突き出た構造であっても良い。また、回転モーメントを低減するために、ディスク状のローターヨーク３２の強度が許せば、適当な位置に適当な径の孔を開けることも有効である。また、ロータ３０は棒磁石３３を使用する代わりに、フェライト系のディスクを部分的に磁化して複数の磁化区画を形成しても良い。しかしながら、棒状の希土類磁石３３を採用したものが、低コストで、高磁束密度を得ることができるので、本発明の発電ユニットに適していることは上述した通りである。

また、本例の発電装置２０は、シャフト２２が貫通したタイプの同一構成の複数の発電ユニット２１を、カップリング２９で接続して所望の発電量を確保している。したがって、要求される電力が小さい場合は、１つの発電ユニット２１により発電装置２０を構成することが可能であり、要求される電力がさらに大きい場合は、さらに多くの発電ユニット２１をタンデムに繋いで、より出力の大きな発電装置２０を提供することができる。

水力発電システムの一例を示す図である。 シャフトに沿った方向の断面図により、本発明の発電装置の概略構成を示す図である。 シャフトに垂直な方向の断面図により、ロータの概略構成を示す図である。 シャフトに垂直な方向の断面図により、ステータの概略構成を示す図である。 発電ユニットの回路図である。

符号の説明

１ 水力発電システム
１０ 発電本体部分
２０ 発電装置、 ２１ 発電ユニット、 ２５ ハウジング
３０ ロータ、 ３１ ロータの両端面、
３２ ローターヨーク（ローターディスク）、 ３３ 棒磁石
４０ ステータ、 ４１ ディスクプレート
４３ 発電用コイル、 ４４ コイル芯材

Claims (5)

1. 両端面に磁極が表れるように磁化され、円形に配置された複数の磁化区画を備えたロータと、
   このロータを回転駆動するシャフトと、
   前記ロータの前記両端面を挟むように配置された１組のステータであって、前記ロータの端面に面した側に円形に配置された複数の発電用コイルを備えたステータとを有する発電装置。
2. 請求項１において、前記ロータは、前記複数の磁化区画を構成する複数の棒磁石と、これら複数の棒磁石の両極が前記両端面に表れるように保持するローターヨークとを備えている、発電装置。
3. 請求項１において、前記ステータは、当該発電装置のハウジングの両端壁を兼ねたディスク板と、このディスク板から前記ロータに向かって突き出て前記発電用コイルの芯となる複数の磁性部材とを備えている、発電装置。
4. 請求項１において、前記シャフトは前記１組のステータの両方を貫通しており、前記シャフトの両端に駆動装置または他の発電装置を接続可能である、発電装置。
5. 請求項１において、前記複数の磁化区画の数に対し、一方の前記ステータに配置された前記複数の発電用コイルの数が少ない、発電装置。

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