JP2010226799A

JP2010226799A - 発電機

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Publication number: JP2010226799A
Application number: JP2009068680A
Authority: JP
Inventors: Chu Hayashi; 厨林
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-03-19
Filing date: 2009-03-19
Publication date: 2010-10-07
Also published as: WO2010107082A1

Abstract

【課題】発電能力が極めて高く、長寿命であり、又小型であって製造コストが低く設置可能場所が広い発電機を提供する。
【解決手段】発電機１は、コイルディスクローター４１を含むコイルシャフト４と、コイルディスクローター４１を挟むように配置した先端側マグネットディスクローター６３・基端側マグネットディスクローター６４・中間マグネットディスクローター６５を含む筐体６と、筐体６に加えられた回転駆動力を反転してコイルシャフト４に伝達する中間ギア２４を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電や水力発電等に用いられる発電機に関する。

従来の風力発電装置として、下記特許文献１に記載のものが知られている。この発電装置は、外周翼により回転可能な外周輪と、その内側において内周翼により反対方向に回転可能な内周輪とを備えており、外周輪と内周輪との相対運動によって発電を行う。発電された電力は、回転導体と固定ブラシから形成されたスリップリングを介して出力される。

特開２００３−１２９９３６号公報

上記発電装置では、相対運動や外周輪ないし内周輪の大型化により発電能力を高めることができるものの、このような大型化により製造や保守のコストが甚大になるし、寿命も短くなり、設置場所も限定される。又、回転導体と固定ブラシから形成されたスリップリングにより電力を取り出すので、火花やブラシの欠損等が比較的に発生し易く、保守のコストが増大するし、出力させる電力が減少して効率悪化の要因となる。

そこで、請求項１に記載の発明は、発電能力が極めて高く、長寿命であり、又小型であって製造コストが低く設置可能場所が広い発電機を提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、コイルを含むコイル側回転体と、前記コイルを挟むように配置した複数の磁石を含む磁石側回転体と、前記コイル側回転体及び前記磁石側回転体の一方に付与された回転駆動力を反転して他方に伝達する回転駆動力反転伝達機構とを備えたことを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明は、上記目的に加えて、より一層シンプルな機構として長寿命化ないし小型化、低コスト化、設置容易化を図る目的を達成するため、上記発明にあって、前記回転駆動力反転伝達機構は、歯車あるいは歯車群であることを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明は、上記目的に加えて、注油をしなくとも動作を円滑なものとし、メンテナンスの手間が省かれて保守コストの低減が可能となり、又金属と比べて強度や寿命が同等ながら軽量化が可能となって設置が容易となる発電機を提供する目的を達成するため、上記発明にあって、前記歯車、あるいは前記歯車群における少なくとも１つの歯車が、熱硬化性樹脂とフッ素樹脂とを含む複合体を主成分とする熱硬化性樹脂成形材料を成形することで形成されていることを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明は、上記目的に加えて、更に強度を向上する目的を達成するため、上記発明にあって、前記熱硬化性樹脂成形材料は、強化繊維を含有することを特徴とするものである。

請求項５に記載の発明は、上記目的に加えて、より一層動作を確実なものとして効率を向上する目的を達成するため、上記発明にあって、前記コイル側回転体及び／又は前記磁石側回転体は、固定シャフトの周りに設置されており、前記固定シャフトの中心軸と、前記コイル側回転体及び／又は前記磁石側回転体の回転軸とが、同軸とされていることを特徴とするものである。

請求項６に記載の発明は、上記目的に加えて、磁石の使用量を低減して発電量を効率良く増加する目的を達成するため、上記発明にあって、前記コイルが、前記コイル側回転体の回転軸方向に沿って複数並べられており、前記磁石が、当該複数のコイルのそれぞれを挟むように配置されていることを特徴とするものである。

請求項７に記載の発明は、上記目的に加えて、起電力を効率良く安定して取り出し、電力を取り出す部分を長寿命化して保守コストを低減する目的を達成するため、上記発明にあって、更に、前記コイルに発生した電力を取り出すスリップリングを備えており、当該スリップリングは、前記コイル側回転体に設置された回転導体と、当該回転導体に接触する多極電極とを備えていることを特徴とするものである。

本発明によれば、コイル側回転体と前記磁石側回転体とを回転駆動力反転伝達機構により反転駆動している。よって、コイルと磁石との速い相対回転をシンプルな機構で実現することができ、発電能力が極めて高く、長寿命であり、又小型であって製造コストが低く設置可能場所が広い発電機を提供することができる、という効果を奏する。

本発明に係る発電機の断面説明図である。

以下、本発明に係る実施の形態の例につき、適宜図面に基づいて説明する。なお、当該形態は、下記の例に限定されない。

図１は当該形態に係る発電機１の中央断面図であって、発電機１は、適宜アーム等を介して地面等に固定された円柱形状のメインシャフト２と、固定シャフトとしてのメインシャフト２の周りにおいて互いに異なる方向に回転（反転）可能に設けられたコイルシャフト４及び筐体６とを備えている。

即ち、メインシャフト２の先端側（図１では左側）の周りには、複数（図１では２個）の第１ベアリング２１を介してコイルシャフト４が設置されている。コイルシャフト４の中心軸は、メインシャフト２の中心軸と同軸とされており、第１ベアリング２１によって、メインシャフト２の中心軸を回転軸として、当該中心軸の周りで回転可能である。

コイルシャフト４の周りには、全体が中央に孔の開いた円盤状となる状態で導線を巻いたコイルディスクローター４１が取り付けられている。

コイルディスクローター４１は、芯を有さないコアレスのコイルであって、コイルシャフト４の回転軸に対し垂直となる状態で固定されている。コイルディスクローター４１の中央の孔の内径は、コイルシャフト４の外径と同じであり、コイルディスクローター４１の中央の孔に、コイルシャフト４が通されている。コイルディスクローター４１においては、導線が、ほぼコイルシャフト４の長手方向に直交する面に沿い、中央の孔の外側から外周にわたるループを含み、このようなループが多数コイルシャフト４の周りで重ねられるように巻かれている。又、コイルディスクローター４１は、複数（図１では２個）設けられており、コイルシャフト４の長手方向（回転軸方向）に沿って並ぶように配置されている（コイルディスクローター４１の多段化）。なお、コイルシャフト４ないし各コイルディスクローター４１が、コイル側回転体を構成する。

更に、コイルシャフト４の先端側には、外周に歯が配置される内ギア４２が設けられている。内ギア４２は、メインシャフト２先端部のフランジ２２に対し第２ベアリング２３を介して回転可能に設けられた、回転駆動力反転伝達機構としての中間ギア２４と噛み合っている。回転駆動力反転伝達機構としての中間ギア２４は、外周に歯が配置された歯車であり、フランジ２２におけるメインシャフト２の長手方向に沿って突出した突出部２５の周りで回転する。又、中間ギア２４は、複数（図１のものでは上下に２個）設置されている。

一方、筐体６は、メインシャフト２の先端側やコイルシャフト４を覆うように（これらと同軸に）配置されている。筐体６は、メインシャフト２（のフランジ２２より）先端側及びコイルシャフト４の基端側（図１では右側）にそれぞれ設置された第３ベアリング６１を介し、メインシャフト２の周りで（メインシャフト２の中心軸と同じ軸を回転軸として）回転可能に設置されている。

筐体６の内側の先端側には、各中間ギア２４と噛み合う外ギア６２が固定されている。外ギア６２は、内面に歯が形成された円筒状の歯車である。内歯である外ギア６２と外歯である内ギア４２との間に、１個以上の外歯である中間ギア２４が配置されており、中間ギア２４が外ギア６２と内ギア４２に介されることにより、外ギア６２と内ギア４２とが反転する。なお、外ギア６２、中間ギア２４及び内ギア４２が回転駆動力反転伝達機構を構成するとみることもできる。

外ギア６２・中間ギア２４・内ギア４２は、それぞれ樹脂製であって、熱硬化性樹脂とフッ素樹脂とを含む複合体を主成分とする熱硬化性樹脂成形材料を成形したもの（複合体成形品）である。熱硬化性樹脂成形材料は好ましくは強化繊維を含有する。この複合体は、熱硬化性樹脂がフッ素樹脂粒子表面の全体又は一部を被覆している構造や、両樹脂が互いにミクロに組み合っている粒子構造、あるいは熱硬化性樹脂粒子の表面にフッ素樹脂が融着した構造や、フッ素樹脂粒子の表面に熱硬化性樹脂が融着した構造等を含み、各粒子が単に静電気的に集合している構造は含まない。

熱硬化性樹脂は、未硬化状態において常温で固体であって水に分散し得るものであり、好ましくはフェノール樹脂を始めとする親水性基を有するものである。一方、フッ素樹脂として、特に注油なしでも滑りを良好にすべく低摩擦性とすることに鑑みると、テトラフルオロエチレン重合体を用いることが好ましいが、ヘキサフルオロプロピレン、パーフルオロ（アルキルビニルエーテル）、ビニリデンフルオライド及びビニルフルオロライドから選択されるモノマーの重合体あるいは共重合体、又はこれらモノマーとエチレンとの共重合体等を用いても良い。なお、熱硬化性樹脂は、熱硬化性樹脂成形材料の全質量に対し１０あるいは２０重量パーセント以上、６０あるいは８０重量パーセント以下とするのが好ましい。又、フッ素樹脂は、熱硬化性樹脂成形材料の全質量に対し１，３あるいは５重量パーセント以上、３０あるいは４０重量パーセント以下とするのが好ましい。更に、強化繊維として、ガラス繊維、炭素繊維、金属繊維、セラミック繊維、ポリアミド繊維、ポリエステル系繊維等を用いることができる。

熱硬化性樹脂成形材料は、好ましくは、熱硬化性樹脂及びフッ素樹脂から成る複合体（並びに強化繊維）を水に分散させて抄造することで作製され、これを公知の方法で成形することで外ギア６２・中間ギア２４・内ギア４２が形成される。

又、筐体６の内側であって、先端側のコイルディスクローター４１における先端側の面に対向する部分には、先端側マグネットディスクローター６３が取り付けられている。先端側マグネットディスクローター６３は、中央に孔の開いた円盤状の磁石であり、例えば希土類磁石（ネオジ磁石）である。先端側マグネットディスクローター６３は、筐体６の回転軸に対し垂直に固定されている。

更に、筐体６の内側であって、基端側のコイルディスクローター４１における基端側の面に対向する部分には、先端側マグネットディスクローター６３と同様に成る基端側マグネットディスクローター６４が取り付けられている。

又、筐体６の内側であって、各コイルディスクローター４１の間には、より肉厚であることを除き先端側マグネットディスクローター６３と同様に成る中間マグネットディスクローター６５が取り付けられている。中間マグネットディスクローター６５は、輪状の内枠６６を介して筐体６の内側に固定されており、内枠６６によって、外方から各コイルディスクローター４１の間に入るように設置され、各コイルディスクローター４１の間に配置される。

先端側マグネットディスクローター６３・基端側マグネットディスクローター６４・中間マグネットディスクローター６５にあっては、互いに磁極の向きが揃えられている。例えば、先端側マグネットディスクローター６３の基端側がＳ極であると、中間マグネットディスクローター６５の先端側がＮ極で基端側がＳ極であり、基端側マグネットディスクローター６４の先端側がＮ極である。

更に、筐体６の先端部には、円筒状のカップリング６７が固定されている。カップリング６７には、回転駆動力を発生する図示しない回転シャフトが接続され、カップリング６７により回転駆動力が受け付けられる。なお、回転シャフトの例としては、水平型あるいは垂直型の風車、水車に係るものを挙げることができる。

他方、コイルシャフト４の基端部ないしその周囲には、導体バンド４３と電極ホルダ２７を含むスリップリング４４が配置されている。即ち、コイルシャフト４の外面には、帯状で輪状の導体である導体バンド４３が固定されており、メインシャフト２の外周には、導体バンド４３に接触する分割電極２６を有する電極ホルダ２７が設置されている。電極ホルダ２７は、メインシャフト２の周りで固定されたスカート２８を介して設置されている。又、導体バンド４３は、図示しないコイルシャフト４を通る導線によって、各コイルディスクローター４１と電気的に接続されている。

電極ホルダ２７の分割電極２６は、電極が複数設置された多極の電極であり、一塊の電極を分けて形成しても良いし、電極を複数配置して互いに電気的に接続して形成しても良い。分割電極２６は、電力出力側に電気的に接続され、例えば整流装置やインバータを介して交流送電系統に接続される。なお、分割電極２６の各電極は、電力出力側に対し並列に接続されている。又、分割電極２６や電極ホルダ２７は、複数（図１では上下に２個）配置されている。

このような発電機１は、主に以下に説明するように動作する。

即ち、カップリング６７に回転駆動力が与えられると、第３ベアリング６１の周りで筐体６が回転し、これと一体の先端側マグネットディスクローター６３・基端側マグネットディスクローター６４・中間マグネットディスクローター６５も回転する。

又、筐体６と一体の外ギア６２も回転し、外ギア６１と噛み合っている各中間ギア２４が第２ベアリング２３の周りで回転する。各中間ギア２４は、噛み合っている内ギア４２ないしこれと一体のコイルシャフト４を、第１ベアリング２１の周りで、筐体６とは反対の回転方向において回転させる。コイルシャフト４は、これと一体の各コイルディスクローター４１を、筐体６ないし先端側マグネットディスクローター６３・基端側マグネットディスクローター６４・中間マグネットディスクローター６５とは反対の方向に回転させる。

即ち、各中間ギア２４は、筐体６ないし先端側マグネットディスクローター６３・基端側マグネットディスクローター６４・中間マグネットディスクローター６５における回転駆動力を反転させ、コイルシャフト４ないし各コイルディスクローター４１に伝達する。

各コイルディスクローター４１は、回転する先端側マグネットディスクローター６３と中間マグネットディスクローター６５の間、あるいは基端側マグネットディスクローター６４と中間マグネットディスクローター６５の間でこれらと逆方向に回転し、先端側マグネットディスクローター６３・基端側マグネットディスクローター６４・中間マグネットディスクローター６５に対して相対的に高速に（これらがメインシャフト２に固定されていると仮定した場合の速度の２倍の速度で）回転する。各コイルディスクローター４１と、先端側マグネットディスクローター６３・基端側マグネットディスクローター６４・中間マグネットディスクローター６５とは、メインシャフト２の中心軸やコイルシャフト４・筐体６の回転軸に対し垂直であり、互いに平行であるため、回転時においても互いに接触することはない。なお、コイルディスクローター４１を３段以上設けた場合、両端以外のコイルディスクローター４は、各中間マグネットディスクローター６５の間を回転する。

このような各コイルディスクローター４１及び先端側マグネットディスクローター６３・基端側マグネットディスクローター６４・中間マグネットディスクローター６５の回転により、先端側マグネットディスクローター６３・基端側マグネットディスクローター６４・中間マグネットディスクローター６５の形成する磁場内で各コイルディスクローター４１が相対回転することとなる。そして、このような相対回転により、各コイルディスクローター４１の導線のループ内において上記磁場が変化して、各コイルディスクローター４１に起電力が発生する。当該起電力は、スリップリング４４により取り出される。即ち、当該起電力は、コイルシャフト４と一体に回転する導体バンド４３に伝達され、これに接触する固定された分割電極２６により取り出される。

以上の発電機１は、コイルディスクローター４１を含むコイルシャフト４と、コイルディスクローター４１を挟むように配置した先端側マグネットディスクローター６３・基端側マグネットディスクローター６４・中間マグネットディスクローター６５を含む筐体６と、筐体６に加えられた回転駆動力を反転してコイルシャフト４に伝達する中間ギア２４を備えている。

発電機１において、筐体６に回転駆動力が付与されると、中間ギア２４により、各コイルディスクローター４１と先端側マグネットディスクローター６３・基端側マグネットディスクローター６４・中間マグネットディスクローター６５とが互いに反転されることとなる。このような反転により、各コイルディスクローター４１は、先端側マグネットディスクローター６３・基端側マグネットディスクローター６４・中間マグネットディスクローター６５に対して相対的に高速に回転する。そして、このような相対的回転により、各コイルディスクローター４１に電力が発生する。

従って、風力発電等の自然力を利用するときのように、回転駆動力に係る回転速度が比較的に遅い場合であっても、各コイルディスクローター４１を相対的に高速に回転させることができ、発電の効率を良好なものとすることができる。更に、回転駆動力に係る回転速度が低速であって、この回転速度のままコイルを磁石に対し回転させたのではコイルに十分な起電力が生じずに発電ができないようなときであっても、相対的高速回転を行う発電機１においては発電が実行可能である場合があり、このことにより超低速回転から発電可能として更に発電効率を良好にすることができる。又、このような相対回転を、中間ギア２４による反転により実行しているため、相対的な高速回転をシンプルな構成により実現して長寿命とすることができるし、効率を良好としながら装置をコンパクトにして低コストとすることができて、設置が可能な場所を広げることができる。なお、このような相対回転を中間ギア２４による反転により実行することで、回転駆動力を筐体６のみに入力するだけで発電可能となり、このことも構成のシンプル化やコンパクト化等に寄与する。

又、中間ギア２４（外ギア６２・内ギア４２）を、熱硬化性樹脂とフッ素樹脂とを含む複合体を主成分とする熱硬化性樹脂成形材料を成形することで形成しているため、中間ギア２４につき、金属と同等の高い強度を有しながら、重量を軽くし、又低摩擦性を付与することができ、発電機１を軽量化して設置可能場所を広げることができるし、回転駆動力反転伝達機構の寿命を延ばすことができるし、注油をしなくとも円滑に回転駆動力反転伝達機構を作動させて、動作の信頼性ないし効率の向上や、保守コストの低減を図ることができる。更に、熱硬化性樹脂成形材料に強化繊維を含めると、中間ギア２４（外ギア６２・内ギア４２）をより高強度とすることができる。

更に、コイルシャフト４及び筐体６は、固定されたメインシャフト２の周りに設置されており、メインシャフト２と、コイルシャフト４及び筐体６とが、同軸とされているため、コイルシャフト４や筐体６につき動作を確実で円滑なものとしながらコンパクトに設置することができる。

加えて、各コイルディスクローター４１が、コイルシャフト４の回転軸方向に沿って複数並べられており、先端側マグネットディスクローター６３・基端側マグネットディスクローター６４・中間マグネットディスクローター６５が、コイルディスクローター４１のそれぞれを挟むように配置されている（コイルや磁石の多段化）。よって、発電機１の１台当たりの発電量を増加させることができ、しかも発電量の増加に当たりコイルディスクローター４１と中間マグネットディスクローター６５を設置するだけで良くコンパクトにすることができ、又１個の中間マグネットディスクローター６５によって前後のコイルディスクローター４１に磁力を与えることが可能となって、磁石の使用量を低減することができる。磁石の使用個数（使用量）について、コイルの段数が増える程多く低減することができ、例えば、各コイルディスクローター４１の両側にそれぞれ１組（２４個）の磁石を設置する場合と比較して、本発明では２段（中央の２組の磁石を１組で共用）で２５パーセント（％）程度低減し、３段で３２％程度低減し、５段では４０％程度低減することができる。

又、各コイルディスクローター４１に発生した電力を取り出すスリップリング４４を備えており、スリップリング４４が、コイルシャフト４に設置された回転導体４３と、回転導体４３に接触する分割電極２６とを備えている。よって、メインシャフト２に対してコイルシャフト４が僅かに傾いて、導体バンド４３に対し分割電極２６が傾いたとしても、分割電極２６の内の少なくとも何れかの電極が導体バンド４３に接触する状態を維持することができ、コイルシャフト４が回転していても確実に電力を取り出すことができるし、電極が導体バンド４３から瞬間的に完全に離れて火花が発生し、電力が損失したり分割電極２６や導体バンド４３等が損傷したりする事態を防止することができる。更に、常態では分割電極２６の複数の電極が導体バンド４３に接触することとなり、電力の取り出しにおける抵抗値を低減して効率を良好なものとすることができる。又、導体バンド４３に対する分割電極２６の押さえを比較的に緩くしても確実に電力を取り出すことができ、分割電極２６や導体バンド４３の摩耗を防止してスリップリング４４の寿命を延ばすことができる。更に、コイルシャフト４と筐体６を互いに反転させて相対速度が高まることで、回転駆動力が比較的に低速であっても十分に発電を行うことができることから、導体バンド４３の回転速度が低速となり、スリップリング４４の寿命が延びることとなる（例えば、従来の１０〜２０倍程度の寿命が見込める）。

［変更例］
なお、主に上記形態を変更して成る、本発明の他の形態を例示する。

回転駆動力をコイルシャフトに与える。あるいは、筐体にコイルディスクローターを固定し、メインシャフトと筐体の間のシャフトにマグネットディスクローターを配置する。第１ベアリングを１個あるいは３個以上としたり、第３ベアリングを全てメインシャフトに配置したりする等、各種ベアリングの数や位置等を変更する。

コイルディスクローターを１個とし、マグネットディスクを先端側マグネットディスク及び基端側マグネットディスクの２個としたり、コイルディスクローターを３個以上とし、マグネットディスクローターを先端側マグネットディスクローター及び基端側マグネットディスクローター並びにコイルディスクローターより１個少ない数の中間マグネットディスクローターとしたりする等、コイルの段数を変更する。コイルにつき、芯を設けたり、導線の巻き方を変えたりする。又、先端側マグネットディスクローター及び基端側マグネットディスクローターとして互いに異なる形状ないし性質の磁石を用いたり、各マグネットディスクローターとして同じ磁石を用いたり、複数のコイルディスクローターの内の一部に、他とは異なる形状ないし巻線方式等のコイルディスクローターを用いたりする。中間マグネットディスクローターの設置に関し、内枠を省略する。

コイルディスクローターや各種マグネットディスクローターとして中央に孔の開いた多角形の板を用いる等、各種部材の形状を変更する。中間ギアにつき、数を１個あるいは３個以上としたり、奇数個の歯車列あるいはこのような歯車列の複数組の配置等によって外ギアと内ギアをつなぐものとしたり、自転と共に公転を行うもの（遊星ギア）としたりする。筐体や各種シャフトやベアリングの少なくとも何れかを上記複合体成型品とする等、各種部材の材質を変更する。

１発電機
２メインシャフト（固定シャフト）
４コイルシャフト（コイル側回転体）
６筐体（磁石側回転体）
２４中間ギア（回転駆動力反転伝達機構）
２６分割電極（多極電極）
４１コイルディスクローター（コイル）
４２内ギア
４３回転導体
４４スリップリング
６２外ギア
６３先端側マグネットディスクローター（磁石）
６４基端側マグネットディスクローター（磁石）
６５中間マグネットディスクローター（磁石）

Claims

コイルを含むコイル側回転体と、
前記コイルを挟むように配置した複数の磁石を含む磁石側回転体と、
前記コイル側回転体及び前記磁石側回転体の一方に付与された回転駆動力を反転して他方に伝達する回転駆動力反転伝達機構と
を備えたことを特徴とする発電機。
前記回転駆動力反転伝達機構は、歯車あるいは歯車群である
ことを特徴とする請求項１に記載の発電機。
前記歯車、あるいは前記歯車群における少なくとも１つの歯車が、熱硬化性樹脂とフッ素樹脂とを含む複合体を主成分とする熱硬化性樹脂成形材料を成形することで形成されている
ことを特徴とする請求項２に記載の発電機。
前記熱硬化性樹脂成形材料は、強化繊維を含有する
ことを特徴とする請求項３に記載の発電機。
前記コイル側回転体及び／又は前記磁石側回転体は、固定シャフトの周りに設置されており、
前記固定シャフトの中心軸と、前記コイル側回転体及び／又は前記磁石側回転体の回転軸とが、同軸とされている
ことを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れかに記載の発電機。
前記コイルが、前記コイル側回転体の回転軸方向に沿って複数並べられており、
前記磁石が、当該複数のコイルのそれぞれを挟むように配置されている
ことを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れかに記載の発電機。
更に、前記コイルに発生した電力を取り出すスリップリングを備えており、
当該スリップリングは、
前記コイル側回転体に設置された回転導体と、
当該回転導体に接触する多極電極と
を備えている
ことを特徴とする請求項１ないし請求項６の何れかに記載の発電機。