JP2009022140A - 回転型電磁発電機及び回転型電磁発電機の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転型電磁発電機の発電効率を高めるための具体的な条件を明らかにするとともに、簡素な構造でありながら小形化が容易で、発電効率の高い電磁発電機を提供すること。
【解決手段】回転型電磁発電機１０は、巻き線を巻回して作成される複数のソレノイドコイル（第１のソレノイドコイル１１ａ〜第４のソレノイドコイル１１ｄ）が直列に接続される発電コイルと、磁石が配置される磁石ホルダ５と、磁石ホルダ５に配置される磁石の同極が対向するように、複数の磁石ホルダ５を組み合わせたリング状の連結磁石６と、発電コイルの内径側に配置される連結磁石６を、発電コイルの巻軸方向に回転させるゴムローラ１２により構成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば、長さ方向に着磁された複数個の磁石を、複数個のソレノイドコイルの中を回転移動させることにより発電電圧を得る回転型電磁発電機及び回転型電磁発電機の製造方法に関するものである。特に、複数個の磁石を同じ極が対向するようにリング状に配置することで発電効率を高めた回転型電磁発電機及び回転型電磁発電機の製造方法に関する。

近年、携帯電話端末やゲーム機などの携帯電子機器の普及が進み、これらに内蔵されている２次電池の量がますます多くなってきている。
一方、地球環境の維持改善のため、できるだけ環境負荷を少なくした電池の研究開発も活発に行われている。このような状況の下、必要なときに必要な量だけ発電した電気エネルギーを電子機器に供給可能な手動発電機や、通常無意識に消費されているエネルギーを電気エネルギーに変換して、充電する充電器が検討されている。このような手動発電機や充電器によって得られる電気エネルギーは、携帯電子機器などの電源として利用することが可能となる。

ここで、複数の磁石と、複数のソレノイドコイルで構成される従来の振動型電磁発電機１００の構成例について図１３を参照して説明する。

図１３は、４個の磁石を一体に連結した連結磁石１０７と、４個のソレノイドコイル（第１のソレノイドコイル１１１ａ〜第４のソレノイドコイル１１１ｄ）を一体成形した発電コイル１０８とで構成される振動型電磁発電機１００の断面図である。
連結磁石１０７は、長さ方向に着磁された４個の磁石（第１の磁石１０１ａ〜第４の磁石１０１ｄ）を、磁石スペーサ１０５を介した上で同じ極が向かい合うように一体に接合して形成される。磁石スペーサ１０５は非磁性体材料からなり、隣り合う磁石の間隔を一定に保つために用いられる。

発電コイル１０８は、直列接続された第１のソレノイドコイル１１１ａ〜第４のソレノイドコイル１１１ｄで形成される。隣り合うソレノイドコイルの巻き線の巻き方向は互いに逆方向である。また、隣り合うソレノイドコイルは、所定の間隔１１５を空けてある。
連結磁石１０７は、発電コイル１０８の中心軸に沿って、前後に移動可能である。連結磁石１０７が発電コイル１０８の内部を移動することによって、振動型電磁発電機１００は発電し、図示しない外部の電子機器に電力を供給することができる。

特許文献１には、隣り合う複数のコイルの極性を逆極性として直列に接続したコイル中に、複数個の永久磁石の同極を微小距離だけ離して対向させて一体化した可動磁石を移動させる振動型電磁発電機が開示されている。また、発電効率を高めるためには、磁石を対向させる微小距離、複数個のコイルのコイル長、および、複数個のコイル間隔を、磁石の長さに対して適切な寸法とすることが重要であると示されている。
特開２００６−２９６１４４号公報

ところで、特許文献１に開示された振動型電磁発電機の発電力を大きくするには、磁石とコイルの数を増やすことが必要である。しかしながら、従来の振動型電磁発電機では、磁石を直線方向に移動させる形態であり、磁石とコイルの数を増やすと、発電機の長さが長くなってしまうため、外形寸法が大型化してしまうという課題が生じていた。

また、中心付近のコイルに磁気結合する磁石の数は多いが、両端付近のコイルに磁気結合する磁石の数は少ない。さらに、コイルから出る位置まで可動磁石を移動させると、コイルの外に位置する磁石はコイルと磁気結合しない。このように、従来の振動型電磁発電機では、コイルと磁石の磁気結合を最大限に利用できないため、発電効率が低いという課題があった。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、電磁発電機の発電効率を高めるための具体的な条件を明らかにするとともに、簡素な構造でありながら小形化が容易で、発電効率の高い電磁発電機を提供することを目的とする。

本発明の回転型電磁発電機は、巻き線を巻回して作成される複数のソレノイドコイルが直列に接続される発電コイルと、磁石が配置される磁石ホルダと、磁石ホルダに配置される磁石の同極が対向するように、複数の磁石ホルダを組み合わせたリング状の連結磁石と、発電コイルの内径側に配置される連結磁石を、発電コイルの巻軸方向に回転させる駆動部と、により構成される。

また、本発明の回転型電磁発電機の製造方法は、磁石を配置する磁石ホルダを作成するステップと、磁石ホルダに磁石を配置するステップと、巻き線を巻回し、ソレノイドコイルを作成するステップと、磁石ホルダ及びソレノイドコイルを組み合わせるステップと、磁石ホルダに配置される磁石の同極が対向するように、磁石ホルダを組み合わせ、リング状の連結磁石を作成するステップと、ソレノイドコイルを直列に接続し、発電コイルを作成するステップと、連結磁石を発電コイルの巻軸方向に回転させる駆動部を取り付けるステップと、を含む。

本発明によれば、リング状の連結磁石を複数のソレノイドコイル中で回転させることによって、ソレノイドコイルに発生する出力電圧の位相を足し合わせることができるため、電磁発電機の発電効率を高めることができるという効果がある。

以下、本発明の第１の実施の形態例について、図１〜図９を参照して説明する。本実施の形態では、ソレノイドコイル中に設置された磁石を回転させることによって発電する回転型電磁発電機に適用した例について説明する。

図１は、４個の磁石を内部に一体に連結したリング状の連結磁石６と、４個のソレノイドコイル（第１のソレノイドコイル１１ａ〜第４のソレノイドコイル１１ｄ）が一体に形成された発電コイル８とで構成される回転型電磁発電機１０の外観斜視図である。
連結磁石６は、長さ方向に着磁された４個の磁石（後述する第１の磁石１ａ〜第４の磁石１ｄ）と、これら４個の磁石を内部に配置するリング状の磁石ホルダ５とで形成される。磁石ホルダ５の幅方向の断面形状は円形である。

発電コイル８は、直列接続された第１のソレノイドコイル１１ａ〜第４のソレノイドコイル１１ｄで形成される。隣り合うソレノイドコイルの巻き線の巻き方向は互いに逆方向である。また、隣り合うソレノイドコイルは、所定の間隔を空けてある。

リング状の連結磁石６は、第１のソレノイドコイル１１ａと第４のソレノイドコイル１１ｄの間に設置されたゴムローラ１２の接触回転により、発電コイル８の中心軸、すなわち巻軸方向に回転する。ゴムローラ１２の回転軸には、人の手の動きを回転運動に変換するハンドル１３が接続される。ハンドル１３によって、ゴムローラ１２が回転操作される。ハンドル１３の回転方向は、右回転、左回転のいずれでもよい。

第１のソレノイドコイル１１ａ〜第４のソレノイドコイル１１ｄは、図示しない発電装置の筐体内、あるいはボビンに設置／巻回される。連結磁石６は、ゴムローラ１２と、３つの軸受け（軸受け１４ａ〜１４ｃ）によって支持される。ゴムローラ１２と、円柱状の軸受け１４ａ〜１４ｃの側面は、連結磁石６の外周曲面に沿って湾曲している。連結磁石６は、その外周面を３個の軸受け１４ａ〜１４ｃと、ゴムローラ１２によって支持されるため、４個のソレノイドコイル（第１のソレノイドコイル１１ａ〜第４のソレノイドコイル１１ｄ）の中を回転自在に保持される。

このとき、磁石ホルダ５の外周を凸状にすることでガイドレール機能を付与し、ゴムローラ１２，軸受け１４ａ〜１４ｃに凹状の溝を設けることで、ゴムローラ，軸受けによって磁石ホルダ５を保持することができる。このため、磁石ホルダ５は、「回転ぶれ」を起こさずに回転運動を行うことが可能となる。もちろん、磁石ホルダ５の外周に凹状の溝を形成し、ゴムローラ１２，軸受け１４ａ〜１４ｃに凸状のガイド機能を持たせるようにしてもよい。

なお、ソレノイドコイルと連結磁石６とが、接触して摩擦抵抗を発生させないよう、一定の空間を有しつつ設置される構成であれば、上述の構成に限定されることはなく、例えば、連結磁石６を下方より回転可能に支持するようにゴムローラや軸受けを設置しても本発明の目的を達成することが可能である。

次に、回転型電磁発電機１０の内部構成例について、図２と図３を参照して説明する。
図２は、ゴムローラ１２と軸受け１４ａ〜１４ｃを取り外した状態の回転型電磁発電機１０の断面図である。
回転型電磁発電機１０を構成する隣り合う４個のソレノイドコイル（第１のソレノイドコイル１１ａ〜第４のソレノイドコイル１１ｄ）は、所定の間隔を空けて配置した同じ形状の扇形としてある。このような構成とすることで、ソレノイドコイルを同心円上に配置するにあたって、最も効率よく配置することが可能となる。

また、長さ方向に着磁された４個の弧状の磁石（第１の磁石１ａ〜第４の磁石１ｄ）は、所定の間隔を空けて、リング状の磁石ホルダ５を４等分するほぼ９０度の領域に、対向する磁極が同極となるように配置してある。
このとき、複数の磁石を同極対向させるように配置すれば、磁石の数は４個に限定されず、回転型電磁発電機の寸法と、ソレノイドコイルの配置個数に合わせて、適宜変更が可能である。

ここで、第１の磁石１ａと第１のソレノイドコイル１１ａを例にとり、磁石とソレノイドコイルの長さの関係について説明する。

第１のソレノイドコイル１１ａの内周部の長さ１２ａは、第１の磁石１ａの内周部の長さ１３ａより短い。また、第１のソレノイドコイル１１ａの外周部の長さ１２ｂは、第１の磁石１ａの外周部の長さ１３ｂより短い。このように磁石とソレノイドコイルの長さを定めることで、磁石とソレノイドコイルの磁気結合を効率よく行うことが可能となる。この理由については後述する。第１の磁石１ａと第１のソレノイドコイル１１ａを例にとって定めた磁石とソレノイドコイルの長さの関係は、他の磁石とソレノイドコイルにも同様に適用される。

なお、第１のソレノイドコイル１１ａの内周部の長さ１２ａと第１のソレノイドコイル１２ａの外周部の長さ１３ｂは、同じ長さであってもよい。また、第１の磁石１ａの内周部の長さ１３ａと第１の磁石１ａの外周部の長さ１３ｂは、同じ長さであっても、回転型電磁発電機の性能に大きな変化はなく、ソレノイドコイルの巻線工程が容易になるという製造上の利点を有する。

図３は、ゴムローラ１２と軸受け１４ａ〜１４ｃを取り付けた状態の回転型電磁発電機１０の断面図である。
操作者が手動でハンドル１３を回すと、ギア機構により回転数が増やされた回転軸に直結したゴムローラ１２により、連結磁石６が発電コイル８の巻軸方向に回転する。
なお、ゴムローラ１２の回転軸は、ハンドル１３の回転軸に直結される以外に、ハンドル１３の回転軸に設けられたギアに噛み合う別のギアの回転軸に直結されるようにしてもよい。さらに、人力によってハンドルを回転させる手段を用いずに、回転運動する動力源に直結することによって回転型電磁発電機１０を回転させ、発電を行ってもよい。

次に、回転型電磁発電機１０と従来の振動型電磁発電機１００によって生じる電圧波形の例について図４を参照して説明する。
図４は、連結磁石６が発電コイル８の内部を回転する場合に、奇数周回（１，３，…）で生じる出力電圧を実線波形で示し、偶数周回（２，４，…）で生じる出力電圧を破線波形で示す。以下、各ソレノイドコイルで発生する電圧波形の振幅の大きさは、説明の便宜上“１”の値とする。

実線波形で表される出力電圧は、従来の振動型電磁発電機１００を用いて得られる出力電圧に置き換えて考えることができる。このため、まず、実線波形に注目して出力電圧について説明する。

従来の振動型電磁発電機１００を用いて、発電コイル１０８の内部に連結磁石１０７を所定の速度で通過させた時に、各ソレノイドコイルに発生する電圧の位相変化は実線波形のように示される。

正弦波状の１波長分の波形２１ａは、第１の磁石１０１ａが、第１のソレノイドコイル１１１ａと磁気結合することで、第１のソレノイドコイル１１１ａに発生する出力電圧を示す。
波形２１ｂは、第２の磁石１０１ｂと第１のソレノイドコイル１１１ａが磁気結合した場合に発生する出力電圧を示す。
波形２１ｃは、第３の磁石１０１ｃと第１のソレノイドコイル１１１ａが磁気結合した場合に発生する出力電圧を示す。
波形２１ｄは、第４の磁石１０１ｄと第１のソレノイドコイル１１１ａが磁気結合した場合に発生する出力電圧を示す。

波形２２ａ〜２２ｄは、第１のソレノイドコイル１１１ａの４個の正弦波状の出力電圧を１／２波長分だけシフトさせた第２のソレノイドコイル１１１ｂの出力電圧を示す。
波形２３ａ〜２３ｄは、第１のソレノイドコイル１１１ａの４個の正弦波状の出力電圧を１波長分だけシフトさせた第３のソレノイドコイル１１１ｃの出力電圧を示す。
波形２４ａ〜２４ｄは、第１のソレノイドコイル１１１ａの４個の正弦波状の出力電圧を３／２波長分だけシフトさせた第４のソレノイドコイル１１１ｄの出力電圧を示す。

第１のソレノイドコイル１１１ａ〜第４のソレノイドコイル１１１ｄは、直列に接続されるため、各ソレノイドコイルで発生する出力電圧は合成されて外部機器に供給される。このときの合成出力電圧の値を、第１の合成出力電圧に示す。

ところで、第１の合成出力電圧に示すように、従来の振動型電磁発電機１００で得られる出力電圧の振幅値は、“１”，“３”，“５”，“７”，“７”，“５”，“３”，“１”である。このように、従来の振動型電磁発電機１００で得られる合成電圧の最大振幅は“７”であり、最大振幅の合成電圧は一時的にしか得られない。合成電圧を高めた状態で維持するためには、操作者が振動型電磁発電機１００を何度も振る必要があるが、得られる合成出力電圧の平均値は低くなる。

一方、第１の実施形態に係る回転型電磁発電機１０では、第１のソレノイドコイル１１１ａ〜第４のソレノイドコイル１１１ｄの組が連続して構成される。磁石ホルダ５に配置された第１の磁石１ａ〜第４の磁石１ｄは、各ソレノイドコイル中を連続して通過する。このため、第１の磁石１ａ〜第４の磁石１ｄは、常に全てのソレノイドコイルと磁気結合する。

図４では、回転型電磁発電機１０によって得られる出力電圧を破線で示し、得られる出力電圧の値を、第２の合成出力電圧として示す。また、第２の合成出力電圧の値から示される電圧波形を第２の合成出力電圧波形２５とする。第２の合成出力電圧波形２５に示されるように、回転型電磁発電機１から得られる合成出力電圧の値は、最大振幅“８”を維持する。

このことから、リング状の連結磁石６の周囲にソレノイドコイルを円形に配置し、ソレノイドコイル中に連結磁石を回転可能に構成することによって、効率的に電圧を発生させ、合成出力電圧を大きく維持した状態で外部機器に電圧を供給できることが示される。

次に、連結磁石６の構成例と、回転型電磁発電機１０の製造方法について、図５と図６を参照して説明する。
連結磁石６は、リング状であるため、ソレノイドコイルの中を貫通させることは出来ない。そのため、分解した状態の連結磁石６を、ソレノイドコイルに貫通させて、再びリング状に復元する必要がある。以下、回転型電磁発電機１０の製造方法について説明する。

（１）磁石を配置する磁石ホルダ５ａ〜５ｄを作成する。このとき作成される磁石ホルダ５ａ〜５ｄは、リング状の樹脂棒を４分割した形状である。
図５には、連結磁石６を分解した磁石ホルダ５ａ〜５ｄの例を示す。

（２）次に、磁石ホルダ５ａ〜５ｄに磁石を配置する。
磁石ホルダ５ａ〜５ｄの一方の端部には突起３１ａ〜３１ｄが形成される。磁石ホルダ５ａ〜５ｄの他方の端部には、孔部３２ａ〜３２ｄが形成される。突起３１ａ〜３１ｄと孔部３２ａ〜３２ｄは、互いにはめ込むことが可能な形状としてある。

上述の構成からなる連結磁石を製造する際は、磁石に対して樹脂による封止成型手段を用いてもよいし、磁石ホルダを分割状態に製造しておき磁石を配置した後に嵌め合わせて作成する手段を用いてもよい。上述のいずれの手段を用いても安定した製造技術によって製造することが可能である。

（３）次に、巻き線を巻回し、ソレノイドコイルを作成する。
ソレノイドコイルは、磁石ホルダ５ａ〜５ｄの外周に合わせて巻き線が巻回されて作成される。
（４）次に、磁石ホルダ５ａ〜５ｄとソレノイドコイルを組み合わせる。
このとき、ソレノイドコイルの内径側に磁石ホルダ５ａ〜５ｄを挿通する。あるいは、磁石ホルダ５ａ〜５ｄに巻き線を巻き付けることで、ソレノイドコイルの作成と、磁石とソレノイドコイルの組合せを同時に行ってもよい。

ここで、ソレノイドコイルの製造方法、または磁石ホルダとソレノイドコイルの組み合わせ工程としてその他の変形例について説明する。
一例として、溶着樹脂皮膜が被服された、いわゆる自己融着ワイヤを空芯巻回した後に、有機溶剤の噴霧または加熱環境中へ投入することによって溶着樹脂皮膜を溶融固化させソレノイドコイルを製造する方法、または、予め所望の形状を有するボビン部材に巻き線を施し連結磁石の周囲に配置させる方法等が採用可能である。特にボビン部材を用いることで、複数のソレノイドコイルの巻回状態や、ソレノイドコイル長等を均一に保つことができる。
しかしながら、上述のいずれの手段においても、安定した製造技術によって製造することが可能である。

（５）次に、磁石ホルダ５ａ〜５ｄに配置された磁石の同極が対向するように、磁石ホルダ５ａ〜５ｄを組み合わせ、リング状の連結磁石６を作成する。
磁石ホルダ５は、５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの順に、互いの突起と穴部をはめ込んでリング状に組み立てられる。磁石ホルダ５ａ〜５ｄの内部に一体成形された第１の磁石１ａ〜第４の磁石１ｄは、磁石の極性が互いに対向するように組み合わせられる。

ここで、磁石ホルダ５ａ〜５ｄを組み合わせた状態の例について、図６の断面図を参照して説明する。
磁石ホルダ５ａ〜５ｄは、突起３１と、孔部３２とを嵌め込むことによって、連結磁石６として形成される。多くの場合、連結磁石６を再び分割することはない。このため、リング状に連結磁石６を組み立てた後に、接着剤を用いて、組み合わせ部分を接着する。組合せ部分を接着固定することにより、連結磁石６が分解する可能性が低くなり、回転型電磁発電機１０の信頼性を高めることができる。
また、突起３１ａ〜３１ｄの先端を矢尻形状に形成し、穴部３２ａ〜３２ｄをその矢尻形状に対応するよう形成しておけば、接着剤を用いなくとも、はめ込んだ後の抜け防止効果を得ることが可能になる。

（６）次に、ソレノイドコイル（第１のソレノイドコイル１１ａ〜第４のソレノイドコイル１１ｄ）を直列に接続し、発電コイル８を作成する。
（７）最後に、連結磁石６を発電コイル８の巻軸方向に回転させる駆動部を取り付ける。駆動部には、例えば、連結磁石６に摩擦接触し、回転駆動力を加える部材としてゴムローラ１２が用いられる。
上述のゴムローラ１２とその回転軸とが接触する箇所に、ボールベアリング等の回転摩擦軽減手段を設置することによって、操作者または動力源が過度の力を与えることなく、効率のよい発電を行うことが可能となる。
このようにして、回転型電磁発電機１０を製造することができる。

次に、磁石長とソレノイドコイル長（以下、簡単にコイル長と称する。）の関係について図７〜図９を参照して説明する。
まず、柱状磁石２０が空間に作る磁界の分布について、図７を参照して説明する。
図７より、磁石の端面付近の磁界は柱状磁石２０の長さよりも長い方向まで漏れており、磁石端面付近の磁界の向きは磁石の長さ方向に対して平行になっていないことが示される。従って、コイル長を磁石長よりも短くして磁石の長さ方向と平行の磁界とを効率よく結合させる必要がある。

ここで、回転型電磁発電機１０の発電効率を高めるために、磁石長とコイル長を決定する方法について、従来の振動型電磁発電機１００の構成を例にとって説明する。

図８は、磁石長が異なる４種類の円筒形磁石を、一定のコイル長としたソレノイドコイル中に速度１．２ｍ／ｓで通過させたときの出力電圧特性の実測値の例を示している。この実験で用いる円筒形磁石の個数は、１個である。
４種類の円筒形磁石の構成は、直径が同じ４ｍｍであるが、磁石長が異なる８ｍｍ，１６ｍｍ，２４ｍｍ，３２ｍｍである。
ソレノイドコイルの構成は、内径６ｍｍ、単位長さ当たりの巻数６０回、コイル長３０ｍｍの構成である。

図８より、磁石長が増えた場合における出力電圧の立ち上がり特性は、いずれの磁石長の場合もほとんど同じであることが示される。そして、出力電圧の最大値は、磁石長が８ｍｍから１６ｍｍに増えたときは増加するが、磁石長が１６ｍｍから３２ｍｍまで増えたときはほとんど一定である。ただし、磁石長が長くなるにつれて出力電圧の最大値が継続する時間が長くなることが示される。

また、図８に示すように、立ち上がり特性は、磁石長によりほとんど変化していない。このことから、立ち上がり特性を決める要因は、磁石の直径とソレノイドコイルの寸法、特にソレノイドコイルの内径と考えられる。このため、ソレノイドコイルの内径を、磁石の直径に近づけることにより、立ち上がり時間をより短くすることができる。

ここで、最大出力電圧を発生している長さ１６ｍｍ，２４ｍｍ，３２ｍｍの円筒形磁石に注目する。そして、図８に示す出力電圧の立ち上がり特性より、出力電圧が最大値の１０％から９０％に達する時間を求める。この場合、図中に示したように約５ｍｓであることが示される。このとき、磁石の移動速度は１．２ｍ／ｓなので、立ち上がり時間５ｍｓの２倍に対応する移動距離は、１．２（ｍ／ｓ）×５（ｍｓ）×２＝１２ｍｍとなる。
つまり、磁石長を１２ｍｍとすることが、出力電圧をほぼ最大値に等しくし、同時に磁石長を最も短くできる条件であると言える。

図９は、一定の磁石長の円筒形磁石を、コイル長が異なる３種類のソレノイドコイル中に通過させたときの出力電圧特性の実測値の例を示している。
円筒形磁石は、直径４ｍｍ、磁石長８ｍｍの構成としている。
ソレノイドコイルは、単位長当りの巻数が等しく、コイル長が異なる７ｍｍ、１０ｍｍ、３０ｍｍの構成としている。

図９から、磁石長８ｍｍの場合、コイル長が７ｍｍから１０ｍｍに長くなったとしても、出力電圧がわずかに増加するだけである。また、コイル長が７ｍｍから３０ｍｍになっても、出力電圧の最大振幅は、ほとんど一定の値（約０．５Ｖ）になっている。
つまり、長さ８ｍｍの一個の磁石に対しては、コイル長を磁石長と同じ長さの８ｍｍとすれば、出力電圧がほぼ最大値（飽和電圧）となる。

図８と図９を参照して、円筒形磁石が１個である場合に振動型発電機を例として説明した。しかし、形状が円弧状であって、複数個の磁石（少なくとも２つ以上）で構成される連結磁石と、同じく円弧状であって、複数個のソレノイドコイルとで構成される回転型発電機１０においても、同様の条件をもって、所定のコイル寸法に対して出力電圧が最大となる最短の磁石長を選定できる。

このようにして、複数個の磁石と複数個のソレノイドコイルからなる回転型電磁発電機１０では、所定のソレノイドコイル寸法に対して出力電圧が最大となる最も短い磁石長を選定することができる。
このため、寸法を小さくすることができるにもかかわらず、最も高い発電効率を得ることができる回転型電磁発電機１０が得られる。

以上の実験結果を踏まえた上で、発電効率を高めた最適な磁石長は、以下の手順により求めることができる。
（１）まず、所定のコイル径と所定の単位長当たりの巻数を有し、コイル長がコイル径の少なくとも３倍以上のソレノイドコイルを製作する。この場合、条件選定の簡略化を図るために、振動型電磁発電機の構成を採用してもよい。
（２）次に、このソレノイドコイル中を、所定の磁石径を有し、コイル長とほぼ同じ長さの磁石を一定の速度で通過させて、そのときの出力電圧の立ち上がり特性を測定する。
（３）この立ち上がり特性において、最大振幅の１０％から９０％に達するまでの時間を求める。
（４）この結果、求めた時間と通過速度から求めた距離のほぼ２倍の長さを、求める磁石長とする。
この手順によって磁石長が求められた後、コイル長よりも、磁石長を長くするという条件の下、コイル間隔と磁石間隔の寸法条件を設定する。こうすることで、最大出力に近い電圧を獲得しつつ発電機の寸法を小さくすることが可能な振動型電磁発電機を得ることができる。
なお、所定のコイル径，所定の単位長当たりの巻数、所定の磁石径とは、振動型電磁発電機に用いられる寸法を意味する。その後、得られた振動型電磁発電機の寸法条件を基に、リング状の回転型電磁発電機１０の設計条件に変換すればよい。

以上説明したように、回転型電磁発電機１０の発電効率を高めるための具体的な条件を明らかとしたため、回転型電磁発電機１０の磁石長とコイル長を適切に設計することが可能である。このことから、最も小形でありながら最も発電効率の高い、回転型電磁発電機１０が得られるという効果がある。

また、回転型電磁発電機１０は、簡易に構成されている。このため、組み付け時の工程が容易になるとともに、壊れにくく、信頼性の高い回転型電磁発電機１０が得られるという効果がある。
また、ゴムローラ１２の回転により、連結磁石６を容易に回転させることができる。このため、回転型電磁発電機１０の発電効率を高めることができるという効果がある。

次に、本発明の第２の実施の形態に係る回転型電磁発電機の例について、図１０〜図１２を参照して説明する。本実施の形態においても、ソレノイドコイル中に設置された磁石を回転させることによって発電する回転型電磁発電機に適用した例について説明する。

図１０は、１２個の磁石を内部に一体成形したリング状の連結磁石５６と、９個のソレノイドコイル（第１のソレノイドコイル５１ａ〜第９のソレノイドコイル５１ｉ）からなる発電コイル５８とで構成される回転型電磁発電機５０の外観斜視図である。
連結磁石５６は、長さ方向に着磁された１２個の磁石（後述する第１の磁石５１ａ〜第１２の磁石５１ｌ）と、１２個の磁石を内部に配置したリング状の磁石ホルダ５５とで形成される。
発電コイル５８は、直列接続された第１のソレノイドコイル５１ａ〜第９のソレノイドコイル５１ｉで形成され、隣り合うソレノイドコイルは、所定の間隔を空けてある。

連結磁石５６は、第１のソレノイドコイル５１ａと第９のソレノイドコイル５１ｉの間に設置されたゴムローラ６２の接触回転により、発電コイル５８の中心軸、すなわち巻軸方向に回転する。ゴムローラ６２の回転軸には、人の手の動きを回転運動に変換するハンドル６６が接続される。ハンドル６６によって、ゴムローラ１２が回転操作される。ハンドル６６の回転方向は、右回転、左回転のいずれでもよい。

第１のソレノイドコイル５１ａ〜第９のソレノイドコイル５１ｉは、図示しない発電装置の筐体内、あるいはボビンに設置／巻回される。連結磁石５６は、ゴムローラ６２と、円柱状の２つの軸受け５４ａ，５４ｂによって支持される。ゴムローラ６２と、軸受け５４ａ，５４ｂの側面は、連結磁石５６の外周曲面に沿って湾曲している。連結磁石５６は、その外周面を２個の軸受け５４ａ，５４ｂと、回転駆動力を伝えるためのゴムローラ６２によって支持されるため、９個のソレノイドコイル（第１のソレノイドコイル５１ａ〜第９のソレノイドコイル５１ｉ）の中を回転自在に保持される。
なお、ソレノイドコイルと連結磁石５６とが、接触して摩擦抵抗を発生させないよう、一定の空間を有しつつ設置される構成であれば、上述の構成に限定されることはなく、例えば、連結磁石５６を下方より回転可能に支持するようにゴムローラや軸受けを設置しても本発明の目的を達成することが可能である。

次に、回転型電磁発電機５０の内部構成例について、図１１を参照して説明する。
図１１は、回転型電磁発電機５０の断面図である。
回転型電磁発電機５０を構成する隣り合う９個のソレノイドコイル（第１のソレノイドコイル５１ａ〜第９のソレノイドコイル５１ｉ）は、所定の間隔を空けて配置した同じ形状の扇形としてある。このような構成とすることで、ソレノイドコイルを同心円上に配置するにあたって、最も効率よく配置することが可能となる。

また、長さ方向に着磁された１２個の弧状の磁石（第１の磁石５１ａ〜第１２の磁石５１ｌ）は、所定の間隔を空けて、リング状の磁石ホルダ５を１２等分するほぼ３０度の領域に、対向する磁極が同極となるように配置される。
このとき、複数の磁石を同極対向させるように配置すれば、磁石の数は１２個に限定されず、回転型電磁発電機の寸法と、ソレノイドコイルの配置個数に合わせて、適宜変更が可能であるが、隣り合う磁石は、対向する磁極が同極となるように配置される必要があるため、磁石の個数は偶数個とする。

以降、回転型電磁発電機のソレノイドコイルの巻き方向を決定する条件について説明する。
上述した通り、本発明に係る回転型電磁発電機は磁石を偶数個用いている。このとき、図１１に示されるように、複数のソレノイドコイルを磁石に対応するように配置させた状態で、第１の磁石５１ａを基準とし、奇数番目に配置される磁石に対応するソレノイドコイル（ソレノイドコイル５１ａ，５１ｃ，５１ｄ，５１ｆ，５１ｇ，５１ｉ）を一方向の巻き方向とし（正巻き）、偶数番目に配置される磁石に対応するソレノイドコイル（ソレノイドコイル５１ｂ，５１ｅ，５１ｈ）を他方向の巻き方向とする（逆巻き）。
ここで、ある磁石に対応する配置にゴムローラや軸受けが位置する場合は、その部位に限り上記条件を無視してよい。

このように構成することによって、それぞれのソレノイドコイルから発生する出力電圧が理想的に重畳され、効率のよい発電効果を得ることができる。

次いで、第１の磁石５１ａと第１のソレノイドコイル５１ａを例にとり、磁石とソレノイドコイルの長さの関係について説明する。

第１のソレノイドコイル５１ａの内周部の長さ５２ａは、第１の磁石５１ａの内周部の長さ５３ａより短い。また、第１のソレノイドコイル５１ａの外周部の長さ５２ｂは、第１の磁石５１ａの外周部の長さ５３ｂより短い。このように磁石とソレノイドコイルの長さを定めることで、磁石とソレノイドコイルの磁気結合を効率よく行うことが可能となる。第１の磁石５１ａと第１のソレノイドコイル５１ａを例にとって定めた磁石とソレノイドコイルの長さの関係は、他の磁石とソレノイドコイルにも同様に適用される。

なお、第１のソレノイドコイル５１ａの内周部の長さ５２ａと、第１のソレノイドコイル５１ａの外周部の長さ５２ｂは、同じ長さであってもよい。また、第１の磁石５１ａの内周部の長さ５３ａと、第１の磁石５１ａの外周部の長さ５３ｂは、同じ長さであっても、回転型電磁発電機の性能に大きな変化はなく、ソレノイドコイルの巻線工程が容易になるという製造上の利点を有する。

操作者が手動でハンドル６６を回すと、ギア機構により回転数が増やされた回転軸に直結したゴムローラ６２により、連結磁石５６が発電コイル５８の巻き軸方向に回転する。
なお、ゴムローラ６２の回転軸は、ハンドル６６の回転軸に直結される以外に、ハンドル６６の回転軸に設けられたギアに噛み合う別のギアの回転軸に直結されたりするようにしてもよい。さらに、人力によってハンドルを回転させる手段を用いずに、回転運動する動力源に結合させることによって回転型電磁発電機５０を回転させ、発電を行ってもよい。

９個のソレノイドコイルは、第１のソレノイドコイル５１ａから順に、正・逆・正、正・逆・正、正・逆・正の方向に巻き線が巻回されて、直列に接続されている。
これは、連結磁石５６を、２個の軸受け５４ａ，５４ｂと、ゴムローラ６２により１２０度の角度で支持したためであるが、上述の条件によってソレノイドコイルの巻き方向を決定していることから、それぞれのソレノイドコイルおよび結合磁石が効率的に磁気結合し、結果、出力電圧が重畳され、優れた発電特性を得ることが可能となる。

また、回転型電磁発電機５０を構成する磁石の長さに対して、ソレノイドコイルの長さを短くしてある。このため、磁石とソレノイドコイルとの磁気結合を効率よく行うことが可能となる。

ここで、平板面を有する磁石ホルダ７５を備える回転型電磁発電機７０の構成例について、図１２を参照して説明する。なお、上述した図１１で既に説明した部材については同一符号を付し、詳細な説明を省略する。
回転型電磁発電機７０は、既に説明した回転型電磁発電機５０と同様に、磁石ホルダ７５の内部に図示しない１２個の磁石を備える。連結磁石５６は、長さ方向に着磁された１２個の磁石と、これら１２個の磁石を内部に配置するリング状の磁石ホルダ７５とで形成される。磁石ホルダ７５は、リング状でありながら幅方向の断面形状は四角形としている。そして、磁石ホルダ７５には、巻き線が巻回され、９個のソレノイドコイル７１ａ〜７１ｉが形成される。磁石ホルダ７５に摩擦接触するゴムローラ７２の中心軸には、操作者が回転可能なハンドル８６を取り付けている。操作者は、ハンドル８６を回転させることで、連結磁石７６を、ソレノイドコイルの巻き軸方向に回転させることができる。

このように回転型電磁発電機７０を構成とすることで、磁石ホルダ７５を容易に作成することができる。また、磁石ホルダ７５の外周とゴムローラ７２との接触面積が大きくなるため、空滑りすることなく、磁石ホルダ７５を回転させることが可能である。
なお、磁石ホルダ７５の外周にギアを設け、ゴムローラ７２の代わりにギアを用いるようにしてもよい。

本発明に係る回転型電磁発電機は、従来の振動型電磁発電機に比べ、磁石とソレノイドコイルとの磁気結合を効率的に行うことができる。

以上説明した実施の形態例に係る回転型電磁発電機によれば、回転型電磁発電機の発電効率を高めるための具体的な条件を明らかにした。もし、この条件を満たさない場合には、複数個のコイルに発生した電圧の位相がずれ、合成の出力電圧が打ち消されて小さくなってしまう。最も効率よく磁石とソレノイドコイルを磁気結合させるためには、偶数個の磁石を同じ極が対向するように、所定の間隔を空けて、磁石ホルダに一体成形し、所定の間隔を空けて等間隔に並べた複数のコイルの中を移動させることが望ましい。この結果、回転型電磁発電機を構成する磁石とソレノイドコイルの内周部と外周部の長さを適切に設計することが可能である。このため、小形でありながら発電効率の高い、回転型電磁発電機が得られるという効果がある。

また、リング状の連結磁石を、ベアリングや摺動部材により回転可能に支持している。また、リング状の連結磁石の外周部あるいは内周部に、手動のハンドルと直結したゴムローラあるいはギアなどを通して回転駆動力を加える構成としている。このため、操作者の力の損失を抑えた状態で、連結磁石を回転させることができるという効果がある。

また、回転型電磁発電機は、簡易に構成されている。このため、組み付け時の工程が容易になるとともに、壊れにくく、信頼性の高い回転型電磁発電機が得られるという効果がある。

また、回転型電磁発電機の回転速度は遅くても十分な電圧が得られる。また、ギアとの組み合わせにより、連結磁石をより速く回転させることも可能である。そして、ある程度一定の電圧を継続して得ることが可能である。

なお、上述した実施の形態に係る回転型電磁発電機は、複数個の磁石と複数個のソレノイドコイルの組合せで構成したが、２個の磁石と２個のソレノイドコイルの組み合わせであったり、２個以上の磁石と３個以上のソレノイドコイルの組み合わせであったりしてもよい。ただし、隣り合う磁石は、対向する磁極が同極となるように配置される必要がある。このため、磁石の個数は偶数個とする。

また、上述した実施の形態では、ハンドル又はギアを用いて連結磁石を回転するようにした。しかし、連結磁石を回転させる駆動部としては、様々な応用例が考えられる。例えば、回転軸を有効利用するものとして、自転車のホイール等に取り付けてライトの電源に用いてもよい。また、室内歩行器具の回転軸に取り付けて電力を得られるようにしてもよい。

また、上述した実施の形態では、弧状の磁石、扇形のソレノイドコイルを組み合わせて回転型電磁発電機を構成したが、磁石とソレノイドコイルの形状は直線状であってもよい。磁石とソレノイドコイルの形状を簡素に形成することで、回転型電磁発電機の作成が一層容易になるという効果がある。

また、上述した実施の形態では、連結磁石と発電コイルの幅方向の断面形状を円形、又は四角形としたが、楕円形、多角形、曲線と直線を組み合わせた形状としてもよい。
また、上述した実施の形態では、隣り合ったソレノイドコイルの間隔を空けるようにしたが、樹脂等の部材でスペーサを形成してもよい。
また、上述した実施の形態では、１つの磁石ホルダに一つの磁石を配置するようにしたが、１つの磁石ホルダに複数の磁石を配置するようにしてもよい。また、各磁石ホルダに配置する磁石の個数は同数でなく、用途に応じて増減させてもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る回転型電磁発電機のうち、４個の磁石と４個のソレノイドコイルを円形に配置した発電機の例を示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係る回転型電磁発電機の例を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る４個の磁石と４個のソレノイドコイルからなる電磁発電機の構造例を示す断面図である。 連結磁石がソレノイドコイル中を一定の速度で通過する場合に、各ソレノイドコイルに発生する電圧の位相変化の例を示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態に係る電磁発電機のうち、連結磁石の構造例を示す分解断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る電磁発電機のうち、連結磁石の構造例を示す断面図である。 柱状磁石が空間に作る磁界の分布の例を示す断面図である。 磁石長が異なる４種類の円筒形磁石を、一定のコイル長としたソレノイドコイル中に通過させたときの出力電圧波形の実測値の例を示す説明図である。 一定のコイル長の円筒形磁石を、コイル長が異なる３種類のソレノイドコイル中に通過させたときの出力電圧特性の実測値の例を示す説明図である。 本発明の第２の実施の形態に係る回転型電磁発電機のうち、１２個の磁石と９個のソレノイドコイルを円形に配置した発電機の例を示す斜視図である。 本発明の第２の実施の形態に係る１２個の磁石と９個のソレノイドコイルからなる回転型電磁発電機の構造例を示す断面図である。 本発明の他の実施の形態に係る１２個の磁石と９個のソレノイドコイルからなる回転型電磁発電機の構造例を示す断面図である。 本発明に係る回転型電磁発電機の動作原理を説明するための従来の振動型電磁発電機の概略を示す断面図である。

符号の説明

１ａ…第１の磁石、１ｂ…第２の磁石、１ｃ…第３の磁石、１ｄ…第４の磁石、５…磁石ホルダ、６…連結磁石、８…発電コイル、１０…回転型電磁発電機、１１ａ…第１のソレノイドコイル、１１ｂ…第２のソレノイドコイル、１１ｃ…第３のソレノイドコイル、１１ｄ…第４のソレノイドコイル、１２…ゴムローラ、１３…ハンドル、１４ａ〜１４ｃ…軸受け、５０，７０…回転型電磁発電機

Claims (3)

1. 巻き線を巻回して作成される複数のソレノイドコイルが直列に接続される発電コイルと、
   磁石が配置される磁石ホルダと、
   前記磁石ホルダに配置される前記磁石の同極が対向するように、複数の前記磁石ホルダを組み合わせたリング状の連結磁石と、
   前記発電コイルの内径側に配置される前記連結磁石を、前記発電コイルの巻軸方向に回転させる駆動部と、を備えたことを特徴とする
   回転型電磁発電機。
2. 前記連結磁石を支持する複数の支持部を備え、
   前記ソレノイドコイルの内周部の長さは、前記磁石の内周部の長さより短く形成され、前記ソレノイドコイルの外周部の長さは、前記磁石の外周部の長さより短く形成されることを特徴とする請求項１に記載の回転型電磁発電機。
3. 磁石を配置する磁石ホルダを作成するステップと、
   前記磁石ホルダに磁石を配置するステップと、
   巻き線を巻回し、ソレノイドコイルを作成するステップと、
   前記磁石ホルダ及び前記ソレノイドコイルを組み合わせるステップと、
   前記磁石ホルダに配置される前記磁石の同極が対向するように、前記磁石ホルダを組み合わせ、リング状の連結磁石を作成するステップと、
   前記ソレノイドコイルを直列に接続し、発電コイルを作成するステップと、
   前記連結磁石を前記発電コイルの巻軸方向に回転させる駆動部を取り付けるステップと、を含むことを特徴とする
   回転型電磁発電機の製造方法。
   

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