JP2007312444A - 可変磁気抵抗型発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 発電に必要となるシステムが簡素化でき、かつ、高効率の発電能力を得ること。
【解決手段】 環状に形成されたステータヨーク１の内周部に突出形成された複数のステータ突極２と、前記ステータ突極２に設けられた発電用コイル３と、前記ステータヨーク１に同軸的かつ回転可能に配置されるとともに、回転の所定角度位置において少なくとも２つの前記ステータ突極２間の磁気抵抗を小さくする極部１０ａ並びに磁気抵抗を大きくする非極部１０ｂとを有するロータコア１０と、前記ロータコア１０の極部１０ａにより該ロータコア１０の回転の所定角度位置において磁気抵抗が小さくされるステータ突極２間に磁路を形成する前記ステータヨーク部１上に設けられ、該ステータ突極２に該磁路を介して磁力を印加するための励磁手段５と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、リラクタンス（磁気抵抗）を利用した可変磁気抵抗型発電装置に関する。

可変磁気抵抗を利用したリラクタンスモータは、固定子、回転子共に電磁鋼板を打ち抜き積層して製作され、巻線は固定子極に集中巻され、回転子には施されないとともに、永久磁石も使用しない。そのため、一般的な誘導機や同期機と比較して構造が極めて簡単で堅牢、保守が容易、高速回転に適する、回転子銅損が無いため高効率が期待されるなど、回転機として優れた特長を有している。このような優れた特性により洗濯機や掃除機、油圧ポンプ駆動用モータとして実用化されるなど適用範囲が拡大しつつある。

これらリラクタンスモータは、励磁する固定子極（突極）を、回転子位置に応じて適切に切り替えていく（スイッチングしていく）ことで連続回転を得ることができるが、励磁タイミングによっては負トルクを発生させることも可能である。従って、回転子を外力により強制的に回転させ、励磁タイミングを適切に調整すれば、外力を電力に変換する発電装置としても動作する。

しかしながら、このようなリラクタンスモータを発電装置として用いる可変磁気抵抗型発電装置（リラクタンスジェネレータ）は動作原理上、別途励磁用電源および回転子位置センサや励磁コイルを駆動する駆動回路等が必要であり、発電に必要となるシステムが複雑になる問題があるとともに、例えば、これら可変磁気抵抗型発電装置を風力発電への適用を考えると、特に離島や山間部など励磁用電源の確保やメンテナンスが困難な地域では、設置に際して、これら複雑なシステムや励磁用電源が必要なことが設置の障害となる場合があるという問題があった。

このため、これらの問題を解決するために、例えば、図８に示すように、従来のリラクタンスモータにおいて励磁コイルが配置されている突極に永久磁石を配置して、励磁用電源が不要で簡素な可変磁気抵抗型発電装置を得ようとする考えがあるが、この場合には、発電用コイルも突極に形成されているために該発電用コイル内に、ロータの回転に伴って大きな磁界の変化が生じることがなく、よって大きな電力を得ることができないという問題があった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、発電に必要となるシステムが簡素化でき、かつ、大きな電力を得ることのできる新構造の可変磁気抵抗型発電装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の可変磁気抵抗型発電装置は、
環状に形成されたステータヨークの内周部に該ステータヨークの内方側に突出形成された複数のステータ突極と、
前記ステータ突極に設けられた発電用コイルと、
前記ステータヨークに同軸的かつ回転可能に配置されるとともに、回転の所定角度位置において少なくとも２つの前記ステータ突極間の磁気抵抗を小さくする極部並びに回転の所定角度位置においてこれら各ステータ突極間の磁気抵抗を大きくする非極部とを有するロータコアと、
前記ロータコアの極部により該ロータコアの回転の所定角度位置において磁気抵抗が小さくされるステータ突極間に磁路を形成する前記ステータヨーク部上に設けられ、該ステータ突極に該磁路を介して磁力を印加するための励磁手段と、
を備えることを特徴としている。
この特徴によれば、ロータコアが回転することでロータコアの極部がステータ突極に近接したステータ突極間の磁気抵抗が小さい状態では、励磁手段とヨーク部とステータ突極とロータコアとによる磁気回路が形成されるので、発電用コイルにおける巻線鎖交磁束が大きくなる一方、ロータコアがさらに回転して該ロータコアの非極部がステータ突極に近接したステータ突極間の磁気抵抗が大きい状態では、磁気回路がステータ突極間において切断されるようになるので、発電用コイルにおける巻線鎖交磁束が小さくなり、このように、前記励磁手段により磁力が印加されたステータ突極間の磁気抵抗が、ロータコアが回転することにより大きく変化することにより、該ステータ突極に設けられた発電用コイルにおける巻線鎖交磁束が大きく変化するようになるので、従来のような回転子位置センサや励磁コイルを駆動する駆動回路等を必要とすることなく、より簡素なシステムにて、これらの巻線鎖交磁束の大きな変化により大きな電力を得ることができる。

本発明の請求項２に記載の可変磁気抵抗型発電装置は、請求項１に記載の可変磁気抵抗型発電装置であって、
前記励磁手段が永久磁石であることを特徴としている。
この特徴によれば、励磁用電源が不要であり、より一層、発電に必要となるシステムを簡素化できるばかりか、励磁コイルを形成する必要がないので、発電装置自体の構成も簡素化できる。

本発明の請求項３に記載の可変磁気抵抗型発電装置は、請求項１または２に記載の可変磁気抵抗型発電装置であって、
前記励磁手段を、前記ロータコアの回転の所定角度位置において磁気抵抗が小さくされる各ステータ突極からの距離がほぼ均等となる位置に備えることを特徴としている。
この特徴によれば、励磁手段により各ステータ突極に印加される磁力をほぼ均等なものにできるので、ロータコアが各ステータ突極から受ける引力（磁力）の大きさの違いが少なくなり、発電装置の振動等を低減できる。

本発明の実施例を以下に説明する。

本発明の実施例を図面に基づいて説明すると、先ず図1は、本実施例における可変磁気抵抗型発電装置（リラクタンスジェネレータ）の全体像を示す斜視図であり、図２（ａ）は、本実施例における可変磁気抵抗型発電装置（リラクタンスジェネレータ）の後述の開口６’側から見た上面図であり、図２（ｂ）は、、本実施例における可変磁気抵抗型発電装置（リラクタンスジェネレータ）の側断面図である。

本実施例の可変磁気抵抗型発電装置９は、図１に示すように、主に、本発明におけるステータヨークとなる四角環状とされた固定子鉄心１と、該固定子鉄心１に同軸かつ回転可能に配置される本発明のロータコアとなる回転子１０と、これら固定子鉄心１と回転子１０とを収容する有底筒状の外装ケース６とから主に構成されている。

この本実施例に用いた固定子鉄心１は、厚さ０.３５mm 、高さ１２７ｍｍ、幅７８ｍｍの無方向性電磁鋼板を厚さ２０ｍｍに積層することで形成されており、その各隅部には、ボルト部４が形成されており、これらボルト部４を外装ケース６の底部１２に形成された装着孔８に挿通した状態において、ナットＮにより固定子鉄心１が外装ケース６の底部１２に固定される。

この４つの装着孔８の中心部（底部１２の中心に同じ）には、回転子１０の回転軸１１を軸支するためのベアリング７が設けられているとともに、外装ケース６の開口６’を塞ぐ密閉蓋１３にも、底部１２と同様に４つの装着孔８’とこれら４つの装着孔８’の中心（密閉蓋１３の中心に同じ）に回転子１０の回転軸１１を軸支するためのベアリング７’とが設けられており、これらベアリング７、７’に回転子１０の回転軸１１が軸支されるとともに、ボルト部４が装着孔８’に挿通された状態において、ナットＮにより密閉蓋１３が外装ケース６に装着されて開口６’が塞がれることで、回転子１０が固定子鉄心１に同軸かつ回転可能に配置されるようになっている。

この本実施例に用いた固定子鉄心１の内周部には、図１並びに図２に示すように、固定子鉄心１の内方側に突出するように形成された２つの突極２が、互いに対向するように設けられており、これら各突極２の周囲には、巻線が集中巻されて発電用コイル３が形成されている。尚、本実施例では、これら巻線数を１２００とし、その巻線抵抗は5.24 Ω であった。

また、これら各突極２からの距離がほぼ均等となる固定子鉄心１上の位置、つまりは、四角環状の固定子鉄心１の突極２が形成されていない２つの辺部のほぼ中央位置には、本発明における励磁手段となる永久磁石５が２つ、四角環状の固定子鉄心１の一部を置き換える形態にて固定子鉄心１に接着、固定されて設けられており、これら各永久磁石５は図面における上下方向、つまりは、固定子鉄心１の外周に沿う方向に着磁されていて、これら各永久磁石５の磁力が磁路となる固定子鉄心１を介して突極２に印加されるようになっている。尚、本実施例に用いた永久磁石の縦方向の長さは２１ｍｍである。

このように本実施例では、永久磁石５を各突極２からの距離がほぼ均等となる位置に配置するようにしており、このようにすることは、永久磁石５により各突極２に印加される磁力をほぼ均等なものにできるので、各突極２から回転子１０が受ける引力（磁力）の大きさをほぼ同じものにでき、よって、これら引力（磁力）の大きさの違い（ばらつきに）よる回転子１０の回転のばらつきが少なくなり、可変磁気抵抗型発電装置９の振動等を低減できることから好ましいが、本発明はこれに限定されるものではなく、突極２の数や固定子鉄心１の形状等により、各突極２に印加される磁力がほぼ均等になるように、これら励磁手段となる永久磁石５等の配置位置は適宜に選択すれば良い。

この永久磁石５として使用する磁石材料は、磁力が強く、保磁力に優れ、しかも劣化に強く安価なものが好ましく、本実施例においてはサマリウム・コバルト（Sm-Co ）を用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、これら磁石材料は、得ようとする発電量や発電装置の規模等から適宜に選択すれば良い。

また、本実施例では、励磁手段として永久磁石５を使用しており、このようにすることは、励磁電源を別途必要としないことから好ましいが、本発明はこれに限定されるものではなく、これら励磁手段として、永久磁石５に代えて励磁コイルを設けて、該励磁コイルを励磁電源にて駆動して、突極２に磁力を印加するようにしても良い。

また、本実施例では、効率良く固定子鉄心１に永久磁石５の磁力を印加できるようにするためや、永久磁石５と固定子鉄心１との接着面積を大きくしてより強い接着強度を得るために、永久磁石５の断面形状を、固定子鉄心１の断面形状とほぼ同一の形状としているが、本発明はこれに限定されるものではなく、これら永久磁石５の断面形状は適宜に選択すれば良い。

次に、本実施例に用いた回転子１０について説明すると、回転子１０も４つの突部１０ａと４つの凹部１０ｂとを交互に有する略十字状に打ち抜かれた無方向性電磁鋼板（0.5 mm）を固定子鉄心１と同様に厚み４２ｍｍに積層して形成され、その中心に回転軸１１が挿通された構成とされており、従来のスイッチトリラクタンスモータと同様に突極構造を有している。この略十字状の対向する突部１０ａ間の長さ、つまりは、突部１０ａにおける回転子１０の直径は、対向配置された前記突極２の間隔よりも若干短いものとされていて、回転子１０の回転位置が、これら突部１０ａが突極２に対向する位置であるときには、各突極２と回転子１０との距離が小さくなるので、各突極２間の磁気抵抗が小さくなり、これら突部１０ａが突極２に対向する位置にないとき、つまりは、凹部１０ｂが突極２に対向する位置にあるときは、各突極２と回転子１０との距離が大きくなるので、各突極２間の磁気抵抗が大きくなる。よって、この突部１０ａが本発明における極部に該当し、凹部１０ｂが本発明における非極部に該当する。尚、本実施例に用いた回転子１０の突部１０ａにおける外径は約４０ｍｍである。

尚、本実施例では、回転子１０を突極構造としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、回転子１０の回転における風力抵抗を低減するために、凹部１０ｂ内に非磁性材料を設けて、回転子１０の外周を円筒状としても良いし、更には、無方向性電磁鋼板を円盤状に打ち抜くとともに、凹部１０ｂに該当する領域に多数のスリットを形成して、非極部を形成するようにしても良い。

このようにして構成された本実施例の可変磁気抵抗型発電装置９の発電動作について、図３に基づいて説明すると、図３（ａ）に示すように、回転子１０（ロータコア）が回転することで本発明の極部となる突部１０ａがステータ突極となる突極２に対向して近接した状態となると、対向する突極２間の磁気抵抗が小さくなるので、励磁手段となる永久磁石５→固定子鉄心１→突極２→回転子１０→突極２→固定子鉄心１→永久磁石５という磁気回路が形成されることで、突極２に設けられた発電用コイル３における巻線鎖交磁束が大きくなる一方、図３（ｂ）に示すように、回転子１０（ロータコア）がさらに回転して本発明の非極部となる凹部１０ｂがステータ突極となる突極２に対向して近接した状態となると、磁気抵抗が大きくなることにより、前記にて形成された永久磁石５→固定子鉄心１→突極２→回転子１０→突極２→固定子鉄心１→永久磁石５という磁気回路が切断されるようになるので、発電用コイル３における巻線鎖交磁束が小さくなり、このように、永久磁石５により磁力が印加された突極２間の磁気抵抗が、回転子１０（ロータコア）が回転することにより大きく変化することで、該突極２に設けられた発電用コイル３における巻線鎖交磁束が大きく変化するようになるので、これらの巻線鎖交磁束の大きな変化により大きな電力を得ることができる。

これら発電される電力や発電効率を測定するために、図４に示すように、負荷（Ｒ）１６とパワーメータ１５が接続された本実施例の可変磁気抵抗型発電装置９の回転軸１１に、トルクメータ１７を介して永久磁石モータ１８に接続し、該永久磁石モータ１８を駆動回路１９により所定回転数にて駆動することで、可変磁気抵抗型発電装置９へ入力される機械入力と、該可変磁気抵抗型発電装置９から出力される出力電力との各回転数における関係を測定した結果を図５（ａ）〜（ｃ）に示す。尚、機械入力Ｐ（ｍ）の値は、トルクメータの測定値τ と、可変磁気抵抗型発電装置９の回転数ω から、図４に示す式を用いて求めた。

回転数としては、毎分１２００回転（図５（ａ））、毎分３００２回転（図５（ｂ））、毎分４７６５回転（図５（ｃ））の３種類の回転にて測定を実施し、その結果として、毎分１２００回転において７０％を越える変換効率が得られ、その出力電力は約５Ｗ（０．２Ａ）が得られているとともに、毎分３００２回転や毎分４７６５回転の高速においても、最大６０％程度の変換効率が得られ、その出力電力も最大１２Ｗや２０Ｗが得られていることが判る。

尚、本実施例の可変磁気抵抗型発電装置９によれば、実験値としても大きな電力が得られているが、有限要素法による計算値では、更に大きな出力電力、具体的には毎分３０００回転において約５０Ｗ程度が得られることが算出されており、本実施例における出力電力がこれら計算結果より小さくなった理由は、使用した磁石の特性低下が大きな要因であると考えられることを付記しておくとともに、これら理論値において、図８に示す、突極２に永久磁石を配置した場合における出力電力は、本実施例と同一の大きさの固定子鉄心１と回転子１０（ロータコア）を用いても、最大でも５〜６Ｗ程度の発電しか得られないことが算出されており、これら突極２に永久磁石を配置した場合における出力電力はこれら５〜６Ｗよりも更に小さくなるものと推定される。

以上、本実施例によれば、従来のような回転子位置センサや励磁コイルを駆動する駆動回路等を必要とすることなく、より簡素なシステムにて、これらの巻線鎖交磁束の大きな変化により効率良く大きな電力を得ることができる。

また、本実施例によれば、励磁用電源が不要であり、より一層、発電に必要となるシステムを簡素化できるばかりか、励磁コイルを形成する必要がないので、発電装置自体の構成も簡素化できる。

また、本実施例によれば、回転子１０（ロータコア）の回転抵抗のばらつきが少なくなり、発電装置の振動等を低減できる。

また、本実施例によれば、励磁手段である永久磁石５或いは励磁コイルを突極２ではなく、固定子鉄心１上に形成するようになるので、例えばこれら永久磁石５や励磁コイルを形成する場合の作業性が向上するとともに、メンテナンス時においてもこれら永久磁石５や励磁コイルへのアクセス性を向上でき、更には、交換が必要な場合においても容易に交換できるようになる。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

例えば、前記実施例では、１組の対向する突極２を有する単相の可変磁気抵抗型発電装置９を例示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、これら単相の可変磁気抵抗型発電装置９を１ユニットとして、例えば複数のユニットを互いに回転角度に対して９０或いは１２０度ずらせて同軸に組み上げることで、２相或いは３相の発電装置としても良いし、更には、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、２つの永久磁石を備える円形環状の１つの固定子鉄心の内周に対向する３組の突極を形成して３相の発電装置としても良い。

また、本実施例では、永久磁石を２つとしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば図７に示すように、永久磁石５’を４つ設けるようにして、励磁手段となる永久磁石と磁気回路との距離が近くなる、或いは磁気回路の長さを小さくできるようにして、できるだけ大きな磁力を各突極２’に印加できるようにしても良い。

また、これら永久磁石や鉄心を備える励磁コイルを、例えば固定子鉄心１に装着用のポケット等を設けることで、固定子鉄心１に着脱自在としても良く、このようにすれば、本発明においてはこれら永久磁石や励磁コイルに容易にアクセスでききるので、更に簡便に永久磁石や励磁コイルを交換することができ、メンテナンス性に優れた発電装置を提供できる。

本発明の活用例として、風力発電装置への適用も可能であり、またマイクロガスタービンなどへの適用も可能である。

本発明の実施例における可変磁気抵抗型発電装置の構成を示す斜視図である。 （ａ）は、本発明の実施例における可変磁気抵抗型発電装置の構成を示す上面図であり、（ｂ）は、本発明の実施例における可変磁気抵抗型発電装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施例における可変磁気抵抗型発電装置の動作状況を示す図である。 本発明の実施例における可変磁気抵抗型発電装置の発電効率を測定するための評価システムの構成を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施例における可変磁気抵抗型発電装置に入力される機械入力と出力電力との各回転数における関係を測定した結果を示すグラフである。 本発明のその他の形態を示す図である。 本発明のその他の形態を示す図である。 従来例の形態を示す図である。

符号の説明

１ 固定子鉄心
２ 突極
３ 発電用コイル
４ ボルト部
５ 永久磁石
６ 外装ケース
６’ 開口
７、７’ ベアリング
８、８’ 装着孔
９ 可変磁気抵抗型発電装置
１０ 回転子
１０ａ 突部
１０ｂ 凹部
１１ 回転軸
１２ 底部
１３ 密閉蓋
１５ パワーメータ
１７ トルクメータ
１８ 永久磁石モータ
１９ 駆動回路

Claims (3)

1. 環状に形成されたステータヨークの内周部に該ステータヨークの内方側に突出形成された複数のステータ突極と、
   前記ステータ突極に設けられた発電用コイルと、
   前記ステータヨークに同軸的かつ回転可能に配置されるとともに、回転の所定角度位置において少なくとも２つの前記ステータ突極間の磁気抵抗を小さくする極部並びに回転の所定角度位置においてこれら各ステータ突極間の磁気抵抗を大きくする非極部とを有するロータコアと、
   前記ロータコアの極部により該ロータコアの回転の所定角度位置において磁気抵抗が小さくされるステータ突極間に磁路を形成する前記ステータヨーク部上に設けられ、該ステータ突極に該磁路を介して磁力を印加するための励磁手段と、
   を備えることを特徴とする可変磁気抵抗型発電装置。
2. 前記励磁手段が永久磁石であることを特徴とする請求項１に記載の可変磁気抵抗型発電装置。
3. 前記励磁手段を、前記ロータコアの回転の所定角度位置において磁気抵抗が小さくされる各ステータ突極からの距離がほぼ均等となる位置に備えることを特徴とする請求項１または２に記載の可変磁気抵抗型発電装置。

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