JP2009148144A - 往復式発電モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】往復式発電モジュールの提供。
【解決手段】ガイドと、二つ以上の相互に排斥する磁性ユニットが接続され構成されて該ガイドに沿って線形移動する磁性体と、該ガイドの外部或いは内部に沿って巻回されたコイルを包含し、該磁性体と該コイルが相対線形移動を発生する時、電磁発電の効果を達成し、二つの磁性ユニットの長さを移動する毎に、一回の完全周期の交流誘導電圧出力を完成する。
【選択図】図３

Description

本発明は一種の往復式発電モジュールに係り、特に、磁石を相互に排斥するように積み重ね並びに多溝コイルを組み合わせた往復式発電モジュールに関する。

発電機は広く各種産業に応用され、電池使用を減らす運動の推進に伴い、マイクロ化高性能発電機の設計はますます重要な課題となっている。小型発電装置はモバイル電子製品の電源とされ、いかに有限な空間内で十分な発電パワーを生成し且つコストを合理的とするかという条件は、マイクロタイプモバイル発電装置にとって大量に販売促進可能であるか否かの重要な鍵となる。このようなマイクロ発電装置は身につけて携行される製品、例えばポケット内、靴のソール或いはアッパー、眼鏡、腕時計等に取り付けられ得るほか、緊急電力使用時に対応し、例えば、照明或いはラジオ及び通信用製品等の電源とされ得る。

往復して手で揺らすことで発電する懐中電灯が市場に出現して久しいが、その発電効果はよくなく、その実用性は高くない。電磁式発電機の駆動方式は、動子の運動形態により連続回転式、揺動式、及び往復式に分けられる。往復式の設計は比較的少ないが、多くの場合、動力駆動が最も直接的である形態は直線往復運動であり、機構を回転運動に変換すると、システム効率が悪くなる。既存の小型往復式発電装置は、磁石を動子とすると、磁石の行程は通常、外部のコイルの長さの２倍以上なければコイルに異なる方向の磁束の変化を感応させられない。このような磁力線とコイルの巻回方向の配置方式は、磁石の磁性指向とコイル軸線が平行であるため、発電効果がよくない。

図１に示されるように、周知の往復手揺らし式懐中電灯は、その発電モジュール中の磁石１０がコイル１２の両端まで移動しなければ最大の発電効果を発生することができない。実際には磁石両端の磁束密度は磁石厚度が一定である時、明らかには増加しない。これによりもともとのモジュールを直列に接続したとしても、その体積は増加するがエネルギー密度はこれにより高くならず、全体装置の外界運動エネルギー入力に対する反応の敏感度もアップしない。

本発明は一種の往復式発電モジュールを提供することを目的とし、それは、磁石ユニットの組合せを利用してコイルと磁石の相対移動の経路を短縮し並びに最良の磁束密度利用率を達成する。往復式発電機の電圧出力と動子移動の速度と磁束量は位置の変化率の二乗に正比例し、本発明は相互に排斥する磁石の配列により形成した比較的密な多極磁束経路の配置により、コイルが位置変化に応じて感応する磁束変化量をアップし、誘導起電力をアップする。

本発明は往復式発電モジュールを提供し、それは磁石の磁性配置とコイルの巻回方式の組合せにより、高い磁束密度利用率と高い巻回密度の目的を達成する。
この目的を達成するため、本発明の往復式発電モジュールは、
ガイドと、
相互に排斥するように接続された複数の磁性ユニットで構成されて、該ガイドに沿って線形移動する磁性体と、
該ガイドの外部或いは内部に沿って巻回されたコイルを包含する。
本発明の実施例において、該磁性ユニットは異方性磁石とされ得る。
本発明の実施例において、該磁性体は該ガイドの収容空間に置かれ、該コイルは該ガイドの外壁に巻回され得る。
本発明の実施例において、該コイルの外部に更に該コイル外部を包囲するコイル背部鉄が設けられ得る。
本発明の実施例において、該ガイドの両端に弾性ユニットと緩衝ユニットのいずれかが設けられ得る。
本発明の実施例において、該ガイドの両端に該磁性体の両端と相互に排斥する磁性物が設けられ得る。
本発明の実施例において、該磁性体の両端にウエイトが設置され得る。
本発明の実施例において、該コイルは多溝のコイルを包含し、これら多溝のコイルは正回転と逆回転方式で該ガイドに巻回され得る。
本発明の実施例において、該コイルは多溝のコイルを包含し、これら多溝のコイルは正回転と逆回転方式で該ガイドに直列に巻回され得る。
本発明の実施例において、該コイルは同方向に巻回された多溝のコイルで構成され、各多溝のコイル間は並列或いは直列のいずれかの方式で接続され得る。
本発明の実施例において、該コイルは単相出力直列巻回方式で形成され得る。
本発明の実施例において、該コイルは内側から外側に舗装されて、２相出力のコイルセットを形成し得る。
本発明の実施例において、該コイルは内側から内側及び外側に舗装されて、３相出力のコイルセットを形成し得る。
本発明の実施例において、各該磁性ユニット間に導磁材料が設けられて磁束経路形態が改変され得る。
本発明の実施例において、各コイル間に導磁材料が設けられて、コイルの受ける磁束変化を増強し得る。

本発明は周知の往復式発電モジュールに較べて、以下のような長所を有している。
１．本発明は磁石を相互に排斥するように積み重ね、コイルも逆方向に巻回してなる構造であり、ゆえに磁柱とコイルの相対往復移動の過程で、複数の電圧ピーク値を発生し、相対移動量が小さい発電装置に適合する。本発明は二つ以上の磁石を積み重ね（好ましくは三つ以上の奇数個の磁石を積み重ねる）、もともとは長距離であった磁束経路を改変し、磁極間の距離を縮小し、表面磁束密度を増し、これにより出力するエネルギー密度を高める。
２．一般にモーターのコイルには多極直列巻回方式が採用され、各巻線の中間には空口面積があり、巻回密度が比較的低く、ミニタイプの往復式発電機設計上はこのような捲線配置は達成しにくい。本発明は正逆回転するように直列式に巻き付けられるコイルにより最高の巻回密度を達成し、各コイルの誘導起電力は位相同期であり、コイルを直列に接続追加することができ、簡単で信頼できる。
３．等方性磁石は磁束強度が比較的弱く、もし等方性磁石を採用して注意深く充磁して本発明に類似の磁束経路を形成しようとしても、はっきりとはエネルギー密度をアップできない。本発明は異方性磁石を相互排斥するよう配列した積み重ね方式により最良の磁束分布を形成し、磁石とコイルが相対移動する時に、コイルに対して最良の切り割り効果を有する。

これにより、本発明の往復式発電モジュール中、磁石とコイル間の相対移動はただ二つの単一磁石の長さであれば、一つの完全な交流電圧波形出力を完成でき、これにより小範囲の往復システム発電に用いることができる。

本発明中、該コイルはプラスチック射出成型方式で組付け定型可能で、これにより独立したガイド用外管を省略でき（すなわちコイルと外管が一体成型される）、磁石は定型されたプラスチック内表面或いは外表面を相対移動の案内面となす。このほか、外管の断面は円形、正方形或いはその他の多角形とされ得て、このような形状の選択は使用者の必要により、それはコイルと磁石が相対スライド運動を形成できるものであればよい。また、外管の磁石とのスライド接触面は表面処理されるか或いはマイクロ溝構造が設けられて磁石が接触スライド時に形成する摩擦抵抗或いは騒音を低減する。コイルを巻回する溝の溝幅は単一磁石の長さと同じか或いは異なるものとされる。コイルを巻回する溝数は単一磁石の組合せ数と同じか或いは異なるものとされる。各磁石が接続される時、その相互間には導磁材料を介装して磁束経路形態を変更することも可能である。各溝のコイルの間に導磁材料を介装してコイルの受ける磁束変化を増強することも可能である。

また、本発明は外管両端にバネを設置する代わりに、緩衝材例えばゴム、軟質プラスチック等の弾性を有する緩衝高分子材料を設置してもよい。

二組以上の平行に組み合わされた往復式発電モジュールを運用する時、剛性構造により往復式発電モジュール中の動子部分を一つに連結し、これにより動子の同期運動の効果を達成することができる。もし非直線運動形態のシステム中に運用するなら、二組以上の往復式発電モジュールを不平行に配置し組み合わせて運動エネルギー回収装置となすことができる。

以上から分かるように、本発明の往復式発電モジュールは空気圧、水力等、任意の強制的機械パワーの入力と組み合わせられ、例えば、往復式発電モジュールを、ピストンロッド式潮発電機、或いは動子自身の質量を利用し、外界の運動エネルギーを利用して、モバイル電子製品、例えばマウス及びゲーム機アクセサリ等の製品に組み合わせて自家発電装置の主体とすることができ、これまでになく且つ商業価値を有する技術であり、特許の要件に符合する。

図２は本発明の往復式発電モジュールの原理表示図である。本発明は複数の異方性磁石２０、２１、２２、２３、２４が相互に磁性が相互に排斥する方式で接続され（すなわちＮ極とＮ極が接続され、Ｓ極とＳ極が接続される）、また該複数の異方性磁石２０、２１、２２、２３、２４の外周にコイル２５が巻回され、該コイル２５は正回転と逆回転の方式で分段式に巻回され、すなわち、コイル２５１とコイル２５２の巻回方向が相反し、コイル２５２とコイル２５３の巻回方向が相反し、コイル２５３とコイル２５４の巻回方向が相反する。

このような配置により、磁石の総長は周知の技術よりも短縮され、且つ極数が増加する。このほか、相互に排斥する磁石の積み重ねにより、磁力線束（図中の点線矢印）の方向がコイルと直交させられる。また、コイルに多極直列巻回方式が採用され、ゆえに巻回密度が増し、磁石とコイル間の微弱な相対運動により発生する磁場変化が有効に電気エネルギーに変換されて出力される。

図３は本発明の往復式発電モジュールの構造表示図である。本発明の往復式発電モジュール３は、外管３０、磁柱３１、コイル３２、ヨーク３３、ウエイト３４、バネ３５、エンドキャップ３６、及びコイル背部鉄３７を包含する。

該外管３０は収容空間３００を具えた中空管であり、両端にエンドキャップ３６が取り付けられている。該磁柱３１は複数の異方性磁石３１０、３１１、３１２、３１３、３１４が相互に磁性が相互に排斥する方式で接続されて形成される。該コイル３２は順に正回転、逆回転方式で分段式に該外管３０の外壁に巻回される（すなわちコイル３２０とコイル３２１の巻回方向が相反し、コイル３２１とコイル３２２の巻回方向が相反し、コイル３２２とコイル３２３の巻回方向が相反し、コイル３２３とコイル３２４の巻回方向が相反する。該コイル３２０、３２１、３２２、３２３、３２４相互間は該外管３０周囲に設けられた複数のヨーク３３により分離している。該往復式発電モジュール３の磁柱３１は外管３０に沿って線形移動可能であり、本発明は更に該磁柱３１の両端にウエイト３４が設置され、且つ該ウエイト３４とエンドキャップ３６の間にバネ３５が設置され、該磁柱３１が往復運動時に該バネ３５により回復力を獲得できる。図３の実施例中、導磁を強化するため、コイル３２の外部に該コイル３２を囲むコイル背部鉄３７が設けられている。

このような配置下で、ただ磁柱３１とコイル３２間の相対移動が単一の異方性磁石の長さを達成するだけで、電圧ピーク値を生成可能で、これにより周知の動子長さと行程に較べ、本発明の動子（磁柱３１）行程はその１／３から１／５まで短縮されて瞬間最大電圧出力を達成可能である。

本発明中、これら異方性磁石相互間は接着剤で接着されるか或いはネジで接続される。磁柱とエンドキャップ間にバネを設置して回復力を強化したほか、バネを磁石と排斥する異方性磁石とすることも可能で、それによってもバネ使用に類似の効果を達成できる。
これにより、本発明の往復式発電モジュールは一次元、二次元或いは三次元空間の運動エネルギー回収発電装置に用いられる。図４は二次元空間運動エネルギー回収発電装置４であり、二組の往復式発電モジュール４０、４１を採用し、この往復式発電モジュール４０、４１は相互に垂直に設置され、且つそれぞれ整流電圧安定化モジュール４２に電気的に接続され、該整流電圧安定化モジュール４２は更に蓄電池４３（蓄電コンデンサ或いは二次電池）に電気的に接続されている。こうしてこれら往復式発電モジュール４０、４１の生成する電力を蓄電池４３に蓄電し、その後、該蓄電池４３が出力負荷４４（或いは電源ソケット）に電気的に接続される。

周知の往復式発電モジュールの原理表示図である。 本発明の往復式発電モジュールの原理表示図である。 本発明の往復式発電モジュールの構造表示図である。 本発明の往復式発電モジュールを使用した運動エネルギー回収発電装置である。

符号の説明

３ 往復式発電モジュール ４ エネルギー回収発電装置
１０ 磁石 １２ コイル ２０、２１、２２、２３、２４ 異方性磁石
２５、２５１、２５２、２５３、２５４ コイル ３０ 外管 ３１ 磁柱
３２、３２０、３２１、３２２、３２３、３２４ コイル ３３ ヨーク
３４ ウエイト ３５ バネ ３６ エンドキャップ ３７ コイル背部鉄
４０、４１ 往復式発電モジュール ４２ 整流電圧安定化モジュール
４３ 蓄電池 ４４ 出力負荷 ３００ 収容空間
３１０、３１１、３１２、３１３、３１４ 異方性磁石

Claims (15)

1. 往復式発電モジュールにおいて、
   ガイドと、
   複数の磁性ユニットが相互に排斥するように接続されて構成され、該ガイドに沿って線形移動する磁性体と、
   該ガイドに沿って巻回されたコイルと、
   を包含し、該磁性体と該コイルの配置は、該磁性体が該ガイドの内部にあり且つ該コイルが該ガイドの外部にあるか、該コイルが該ガイドの内部にあり且つ該磁性体が該ガイドの外部にあるものとされる、往復式発電モジュール。
2. 請求項１記載の往復式発電モジュールにおいて、該磁性ユニットが異方性磁石とされたことを特徴とする、往復式発電モジュール。
3. 請求項１記載の往復式発電モジュールにおいて、該磁性体が該ガイドの収容空間に置かれ、該コイルは該ガイドの外壁に巻回されたことを特徴とする、往復式発電モジュール。
4. 請求項３記載の往復式発電モジュールにおいて、該コイルの外部に更に該コイル外部を包囲するコイル背部鉄が設けられたことを特徴とする、往復式発電モジュール。
5. 請求項１記載の往復式発電モジュールにおいて、該ガイドの両端に弾性ユニットと緩衝ユニットのいずれかが設けられたことを特徴とする、往復式発電モジュール。
6. 請求項１記載の往復式発電モジュールにおいて、該ガイドの両端に該磁性体の両端と相互に排斥する磁性物が設けられたことを特徴とする、往復式発電モジュール。
7. 請求項１記載の往復式発電モジュールにおいて、該磁性体の両端にウエイトが設置されたことを特徴とする、往復式発電モジュール。
8. 請求項１記載の往復式発電モジュールにおいて、該コイルは多溝のコイルを包含し、これら多溝のコイルは正回転と逆回転方式で該ガイドに巻回されたことを特徴とする、往復式発電モジュール。
9. 請求項１記載の往復式発電モジュールにおいて、該コイルは多溝のコイルを包含し、これら多溝のコイルは正回転と逆回転方式で該ガイドに直列に巻回されたことを特徴とする、往復式発電モジュール。
10. 請求項１記載の往復式発電モジュールにおいて、該コイルは同方向に巻回された多溝のコイルで構成され、各多溝のコイル間は並列或いは直列のいずれかの方式で接続されたことを特徴とする、往復式発電モジュール。
11. 請求項１記載の往復式発電モジュールにおいて、該コイルは単相出力直列巻回方式で形成されたことを特徴とする、往復式発電モジュール。
12. 請求項１記載の往復式発電モジュールにおいて、該コイルは内側から外側に舗装されて、２相出力のコイルセットを形成することを特徴とする、往復式発電モジュール。
13. 請求項１記載の往復式発電モジュールにおいて、該コイルは内側から内側と外側に舗装されて、３相出力のコイルセットを形成することを特徴とする、往復式発電モジュール。
14. 請求項１記載の往復式発電モジュールにおいて、各該磁性ユニット間に導磁材料が設けられて磁束経路形態が改変されたことを特徴とする、往復式発電モジュール。
15. 請求項１記載の往復式発電モジュールにおいて、各コイル間に導磁材料が設けられて、コイルの受ける磁束変化を増強したことを特徴とする、往復式発電モジュール。

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