JP2007074878A

JP2007074878A - 発電装置

Info

Publication number: JP2007074878A
Application number: JP2005262131A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Ito; 哲也伊東; Kyoichi Okada; 恭一岡田; Tatsuaki Uchida; 竜朗内田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-09-09
Filing date: 2005-09-09
Publication date: 2007-03-22
Also published as: US7531932B2; US20070057593A1

Abstract

【課題】発電機における鉄損を少なくできて発電効率の向上を図り得る小型の発電装置を提供する。
【解決手段】流体によって回転駆動されるタービン２と、このタービン２と一体に回転する永久磁石形ロータ１２の回転に基づき発電する発電機３とを備えた小型の発電装置１において、発電機３の複数のステータコイル１３をそれぞれ空芯コイルにより構成すると共に、永久磁石形ロータ１２と対向するステータコイル１３の永久磁石形ロータ１２とは反対側（背面側）に位置させて、電気抵抗が大きな磁性体（フェライト）製のバックヨーク１６を配置した構成とする。バックヨーク１６は、永久磁石形ロータ１２と一体回転するように回転軸４に取り付けている。
【選択図】図１

Description

本発明は、タービンと発電機とを備えた小型の発電装置に関する。

例えば特許文献１には、ガス（流体）によりタービンが高速回転駆動されることに伴い、このタービンと一体に、発電機の永久磁石形のロータが高速回転し、このロータの回転に基づき発電機のステータコイルに電圧が誘起されることで発電が行なわれる構成のマイクロタービン発電システムが提案されている
特開２００３−２８６８６２号公報

上記した特許文献１のものでは、発電機のステータは、ステータコイルを鉄心に巻装した構成となっている。しかしながら、このような構成のものでは、鉄心部における鉄損（特に渦電流損）が、発電機のロータの回転速度の増加に従って大きくなる（鉄損は周波数の２乗で大きくなる）。従って、ロータの高速回転時の鉄損が増加するため、高速化を阻害する要因となり、ひいては発電効率の向上を阻害することとなる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、発電機における鉄損を少なくできて発電効率の向上を図り得る発電装置を提供するにある。

上記した目的を達成するために、本発明は、流体によって回転駆動されるタービンと、永久磁石を有し前記タービンと一体に回転する永久磁石形ロータの回転に基づき発電する発電機とを備えた小型の発電装置であって、前記発電機は、これの複数のステータコイルをそれぞれ空芯コイルにより構成すると共に、前記永久磁石形ロータの前記永久磁石と対向する前記ステータコイルの前記永久磁石とは反対側に位置させて、電気抵抗が大きな磁性体製のバックヨークを配置した構成としたことを特徴とする。

上記した手段においては、発電機のステータコイルとしては空芯コイルを採用しているので、従来に比べて鉄損を減らすことができる。この場合、ステータコイルに空芯コイルを用いた場合、鉄損は減らすことができるが、鉄心がないために磁気回路が閉じないため、ステータコイル（空芯コイル）に鎖交する磁束密度を大きくすることができず、発電効率が低下してしまう。そこで、ステータコイルの背面側（永久磁石形ロータの永久磁石とは反対側）に位置させて、電気抵抗が大きな磁性体製のバックヨークを配置することで、そのバックヨークに磁束が流れて磁気回路が閉じる構成とできるから、ステータコイルに鎖交する磁束密度を大きくでき、発電効率の向上を図ることができる。このとき、バックヨークとして電気抵抗が大きな磁性体を用いることで、鉄損を極力小さくすることができる。

本発明によれば、発電機における鉄損を少なくできて発電効率の向上を図ることができる。

（第１実施例）
以下、本発明の第１実施例について図１ないし図３を参照して説明する。
まず、図１において、本発明の発電装置１は、図中、上部のタービン２と下部の発電機３とを備えていて、ユニット化されている。タービン２は、回転軸４の一端部にこれと一体に回転するように取着されている。発電機３の外ケース５は、ほぼ円筒状をなしていて、その上下両端部に軸受６，７を介して上記回転軸４を回転自在に支持している。上記タービン２は、タービンケース８により覆われている。そのタービンケース８には、流入口９と流出口１０が設けられている。流入口９は、タービン２の外周部に対応するように、タービンケース８の上部の外周部に配置されている。流出口１０は、発電機３の外ケース５の近傍に配置されている。

上記回転軸４には、発電機３の外ケース５内に位置させて、円筒状をなす永久磁石形ロータ１２が設けられている。この永久磁石形ロータ１２は、例えば２極の永久磁石により構成されていて、回転軸４と一体に回転する構成となっている。外ケース５内には、複数個、この場合３個のステータコイル１３（図２参照）が、永久磁石形ロータ１２に対して径方向に隙間を形成する状態で、その永久磁石形ロータ１２を囲繞するようにして円環状に配置されている。これら各ステータコイル１３は、空芯コイルにより構成されていて、これの背面側（永久磁石形ロータ１２とは反対側）に配置された円筒状をなす印刷配線板１４に取り付けられていると共に、この印刷配線板１４において電気的に接続されている。これらステータコイル１３は、印刷配線板１４と共に、外ケース５の取付部１５に固定状態に取り付けられている。

そして、上記印刷配線板１４の外周側には、下端部が開口した円筒状をなすバックヨーク１６が配置されていて、このバックヨーク１６は、上部が上記回転軸４にこれと一体に回転するように取り付けられている。ここで、このバックヨーク１６は、電気抵抗が大きな磁性体により構成されていて、上記永久磁石形ロータ１２の永久磁石と対向するステータコイル１３の前記永久磁石とは反対側（背面側）に位置させて配置されている。このバックヨーク１６としては、比抵抗が３［Ωｍ］のフェライトを使用した。

上記構成において、流体（例えばガス）が流入口９からタービンケース８内に流入し、その流体によってタービン２が高速回転駆動されると、回転軸４を介して、発電機３の永久磁石形ロータ１２もタービン２と一体に高速回転する。すると、永久磁石形ロータ１２とバックヨーク１６で形成された磁場に鎖交するステータコイル１３に電圧が誘起されることで発電が行なわれる。

このとき、発電機３のステータコイル１３としては空芯コイルを採用しているので、従来に比べて鉄損を減らすことができる。また、ステータコイル１３の背面側（永久磁石形ロータ１２の永久磁石とは反対側）に位置させて、電気抵抗が大きな磁性体製のバックヨーク１６を配置することで、そのバックヨーク１６に磁束が流れて磁気回路が閉じる構成とできるから、ステータコイル１３に鎖交する磁束密度を大きくでき、発電効率の向上を図ることができる。バックヨーク１６として電気抵抗が大きな磁性体を用いることで、鉄損を極力小さくすることができる。さらに、バックヨーク１６を、永久磁石形ロータ１２と一体に回転するように構成することで、当該バックヨーク１６を冷却できて、温度上昇による損失を少なくできて、発電効率を一層向上させることが可能になる。

また、タービンケース８内に流入した流体は、タービンケース８内を通過する際の膨張過程で温度を下げ、流出口１０から排出される。流出口１０から排出される流体が発電機３の外ケース５に吹き付けられることで、発電機３が冷却され、熱損失を下げる効果がある。

ここで、上記バックヨーク１６に用いる材料の違いによる鉄損の違いを確認するため、次のような実験を行なった。発電装置のサイズは、外形が直径８ｍｍ、軸方向長さが１８．５ｍｍ、発電装置の方式は、コアレス３相発電機（第１実施例と同じ）である。比較例１は、バックヨークとして磁性ステンレス鋼（ＳＵＳ４３０）を使用し、比較例２は、バックヨークとして３％珪素鉄を使用し、実施例は、上記した第１実施例と同様にフェライトを使用した。表１には、各材質の比抵抗を示している。

図３には、実験を行った各例における実験結果を示している。この図３から、本実施例の場合、バックヨークに比抵抗が３［Ωｍ］のフェライトを用いたことにより、比較例１，２に比べて鉄損を大幅に低減することが確認できた。特に回転速度が高くなるほど、その効果が大きいことがわかる。発電装置に用いるバックヨークとしては、比抵抗が１［Ωｍ］以上の磁性体が好ましい。

（第２実施例）
図４は本発明の第２実施例を示したものであり、この第２実施例は上記した第１実施例とは次の点が異なっている。第１実施例における発電機３は、永久磁石形ロータ１２とステータコイル１３とが径方向（ラジアル方向）に隙間を存する状態で配置されたラジアルギャップ型のものを採用したが、この第２実施例では、発電機は、アキシャルギャップ型のものを採用している。

すなわち、発電装置２０における発電機２１の外ケース２２は、第１実施例の外ケース５よりも軸方向の長さが短く設定されている。タービン２と一体に回転する回転軸２３は、軸方向長さが短く設定されていて、外ケース２２の上下両端部に軸受６，７を介して回転自在に支持されている。永久磁石形ロータ２４は、下面が開口した浅底容器状をなすロータヨーク２５と、このロータヨーク２５の内面に固着された環状をなす永久磁石２６とから構成されていて、外ケース２２内においてロータヨーク２５が上記回転軸２３にこれと一体に回転するように取り付けられている。

外ケース２２内において、永久磁石２６の下面と対向して軸方向に隙間を存する状態で複数のステータコイル２７が配置されている。各ステータコイル２７は、空芯コイルにより構成されていて、これの背面側（永久磁石形２６とは反対側）に配置された印刷配線板２８の上面に取り付けられていると共に、この印刷配線板２８において電気的に接続されている。これらステータコイル２７は、印刷配線板２８と共に外ケース２２に固定状態に取り付けられている。

そして、上記印刷配線板２８の下方には、環状をなすバックヨーク２９が配置されていて、このバックヨーク２９は、上記回転軸２３にこれと一体に回転するように取り付けられている。このバックヨーク２９も電気抵抗が大きな磁性体より構成されていて（第１実施例と同様なフェライト）、上記永久磁石形ロータ２４の永久磁石２６と対向するステータコイル２７の前記永久磁石２６とは反対側（背面側）に位置させて配置されている。

上記した第２実施例においても、上記した第１実施例と同様な作用効果を得ることができる。また、特にこの第２実施例においては、発電機２１、ひいては発電装置２０の軸方向寸法を小さくできる利点がある。

（その他の実施例）
本本発明は、上記した両実施例にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張できる。
バックヨーク１６，２９を、ステータコイル１３，２７の背面側に固定状態に設けるようにしても良い。

本発明の第１実施例を示す縦断側面図図１のＸ−Ｘ線に沿う横断平面図実験結果を示す特性図本発明の第２実施例を示す図１相当図

符号の説明

図面中、１は発電装置、２はタービン、３は発電機、４は回転軸、１２は永久磁石形ロータ（永久磁石）、１３はステータコイル（空芯コイル）、１４は印刷配線板、１６はバックヨーク、２０は発電装置、２１は発電機、２３は回転軸、２４は永久磁石形ロータ、２５はロータヨーク、２６は永久磁石、２７はステータコイル（空芯コイル）、２８は印刷配線板、２９はバックヨークを示す。

Claims

流体によって回転駆動されるタービンと、永久磁石を有し前記タービンと一体に回転する永久磁石形ロータの回転に基づき発電する発電機とを備えた小型の発電装置であって、
前記発電機は、これの複数のステータコイルをそれぞれ空芯コイルにより構成すると共に、前記永久磁石形ロータの前記永久磁石と対向する前記ステータコイルの前記永久磁石とは反対側に位置させて、電気抵抗が大きな磁性体製のバックヨークを配置した構成としたことを特徴とする発電装置。
前記バックヨークは、前記発電機の前記永久磁石形ロータと一体に回転することを特徴とする請求項１記載の発電装置。
複数のステータコイルは、可撓性を有する印刷配線板に取り付けられ、かつ当該印刷配線板において電気的に接続されていることを特徴とする請求項１または２記載の発電装置。
前記バックヨークは、比抵抗が１［Ωｍ］以上の材料により構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の発電装置。