JP2010283983A

JP2010283983A - 発電機

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Publication number: JP2010283983A
Application number: JP2009135001A
Authority: JP
Inventors: Katsuyuki Kamibayashi; 勝行上林
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-06-04
Filing date: 2009-06-04
Publication date: 2010-12-16

Abstract

【課題】小型かつ軽量でありながら高い発電効率を有する発電機を提供する。
【解決手段】発電機１は、中心軸が円周に沿うように配置された発電コイル２（コイル２ａ〜２ｄ）と、発電コイル２の内部に配置され、かつ中空の断面を有するリング３と、リングの中空部分に収納された複数の永久磁石と、ローラコンベア４とを備える。ローラコンベア４は、リング３を発電コイル２の内部に支持し、かつリング３を前記円周に沿って回転させるための支持部材である。この構成によれば、コイルの鉄心が不要となるので、発電機の小型化および軽量化を図ることができる。さらにリング３を少ない力で回転させることができるので発電効率を高めることが可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明は発電機に関し、特に発電機の構造に関する。

従来の発電機は、一般に、鉄心の周囲に導線が巻回されることにより形成されたコイルと、そのコイルの内側で回転する永久磁石とを有している。発電機の性能は、一般に固定子の回転数、コイルの巻数および磁力の強さに依存する。コイルを通過する磁力を有効に利用するために、従来の発電機では、透磁率の高い鉄がコイルの芯（コア）として用いられる。このような構成は、たとえば特開２００４−１７３４１５号公報（特許文献１）に開示されている。

図１０は、従来の発電機の構成の一例を示す図である。具体的には、図１０は、特開２００４−１７３４１５号公報に開示された構成を示す。図１０に示されるように、回転子は、永久磁石１０１とヨーク１０４とを含む。固定子は、鉄心１０３および鉄心１０３に巻回された導線１０２とを含む。

特開２００４−１７３４１５号公報

従来の発電機の構成によれば、永久磁石がコイルの鉄心の近くを通過する。このため磁石と鉄心とが互いに引き合う力が発生する。この力によって回転子（永久磁石）のスムーズな回転が妨げられるので、発電機の生成する電圧が小さくなる。すなわち発電効率が低いという課題がある。

磁石と鉄心とが互いに引き合う力を弱くするために、磁力の弱い磁石を用いることが考えられる。しかしながら上述したように、発電機の性能は磁力の強さに依存する。したがって、磁力の弱い永久磁石を使用した場合には、発電機の性能が低下するという課題が生じる。

さらに、コイルは鉄心を含む。このため発電機が重たくなる。また、コイルの鉄心の容積が大きいために、発電機を小型化することが困難である。

この発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、小型かつ軽量でありながら高い発電効率を有する発電機を提供することを目的とする。

本発明に係る発電機は、中心軸が円周に沿うように配置された、少なくとも１つのコイルと、少なくとも１つのコイルの内部に配置され、かつ中空の断面を有するリングと、リングの周方向に沿って並ぶようにリングの中空部分に収納された複数の永久磁石と、リングを少なくとも１つのコイルの内部に支持し、かつリングを円周に沿って回転させるための支持部材とを備える。

この構成によれば、少なくとも１つのコイルの内部を永久磁石が通過することにより発電するため、コイルの鉄心が不要となる。鉄心を用いないことにより、発電機の小型化および軽量化を図ることができる。さらに、鉄心を用いないため、永久磁石と鉄心とが引き合う力が発生しない。また複数の永久磁石を収納するための部材がリングであるため、回転子（すなわちリングおよび複数の永久磁石）を軽量化できる。さらにリングは支持部材によって回転可能に支持される。したがってリングを少ない力で回転させることができる。よって、小型かつ軽量でありながら発電効率の高い発電機を実現することができる。

好ましくは、複数の永久磁石は、同極が対向するようにリングの内部に配置される。
上記構成によれば、複数の永久磁石を配置することによって、コイルから電圧を出力させることが可能となる。

好ましくは、複数の永久磁石の各々は、希土類磁石である。
上記構成によれば、複数の永久磁石の磁力を強くすることができるので、発電機から高い電圧を出力することが可能となる。

好ましくは、希土類磁石は、ネオジム磁石である。
上記構成によれば、複数の永久磁石の磁力を強くすることができるので、発電機から高い電圧を出力することが可能となる。

好ましくは、ネオジム磁石は、異なる極が対向するように前記リングの内部に配置された複数の磁石ブロックを含む。

上記構成によれば、複数の永久磁石の各々の磁力を強くすることができるので、発電機から高い電圧を出力することが可能となる。

本発明によれば、小型かつ軽量でありながら発電効率の高い発電機を実現することができる。

本発明の実施の形態に係る発電機の外観斜視図である。図１に示した発電機１の断面図である。図１に示したコイル２ａおよびリング３の断面を模式的に示す図である。コイルおよび永久磁石の形状の他の例を説明するための図である。永久磁石の第１の構成例を示す図である。永久磁石の第２の構成例を示す図である。図１に示したリング３を回転させる方法を説明するための図である。永久磁石およびコイルを直線状に配置した発電機の構成を示す模式図である。回転子を囲むように配置されたコイルを有する発電機の構成を示す模式図である。従来の発電機の構成の一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、本発明の実施の形態に係る発電機の外観斜視図である。図１を参照して、発電機１は、発電コイル２と、リング３と、ベアリング４とを備える。

発電コイル２は、コイル２ａ〜２ｄを含む。図１には４つのコイルを示してあるが、コイルは少なくとも１つあればよく、その個数は４個に限定されるものではない。隣り合う２つのコイルは、適切な間隔を設けて配置される。

各コイルは、中空に形成された芯材およびその芯材の周囲に巻回される導線を含む。具体的には、コイル２ａは、芯材５ａおよび芯材５ａの周囲に巻回される導線６ａを含む。コイル２ｂは、芯材５ｂおよび芯材５ｂの周りに巻回される導線６ｂを含む。コイル２ｃは、芯材５ｃおよび芯材５ｃの周りに巻回される導線６ｃを含む。コイル２ｄは、芯材５ｄおよび芯材５ｄの周りに巻回される導線６ｄを含む。導線６ａ〜６ｄの巻き方向は、互いに同一の方向である。

芯材５ａ〜５ｄは非磁性体（たとえばアルミニウム）により形成される。導線６ａ〜６ｄの素材はたとえば銅であるが、これに限定されるものではない。また導線６ａ〜６ｄの巻き数は特に限定されないが、巻き数が多いほど高電圧を発生させることができる。

リング３は、発電コイル２（コイル２ａ〜２ｄ）の内部、すなわち芯材５ａ〜５ｄの中空部に配置される。リング３は断面が中空のリングである。後述するように、リング３の内部（中空部分）に複数の永久磁石が配置される。リング３は非磁性体（たとえばアルミニウム）により形成される。

ベアリング４は、リング３を発電コイル２の内部に支持するとともにそのリング３を回転させるための部材である。ベアリング４も非磁性体により形成される。なおリング３を発電コイル２の内部に支持し、かつリング３を回転させることが可能な部材であれば、たとえばローラコンベアなど、ベアリング以外の他の部材を用いてもよい。

リング３の外周部分には、歯車と噛み合うために外歯が形成される。リング３は、２つのコイルの隙間部分（たとえばコイル２ａとおよびコイル２ｄとの間のギャップ１０）において歯車と噛み合う。その歯車を動力源により回転させることによって、リング３が回転する。これにより発電機１が発電する。

次に、図２および図３を参照して、本発明の実施の形態に係る発電機１の構成についてより詳しく説明する。

図２は、図１に示した発電機１の断面図である。図２を参照して、４つのコイル２ａ〜２ｄは、中心軸が円周１１に沿うように配置される。できるだけ多くのコイルを効率的に配置することができるよう、コイル２ａ〜２ｄの形状は、互いに同一の扇型である。

リング３の内部（中空部分）には、８個の永久磁石７ａ〜７ｈがリング３の周方向（すなわち円周１１）に沿うように配置される。隣り合う２つの永久磁石は同じ極（Ｎ極またはＳ極）が対向するように配置される。このように複数の永久磁石を配置することにより、リング３を回転させたときに、コイル２ａ〜２ｄの各々から連続的に電圧を発生させることができる。

同極が対向するように永久磁石が配置されるのであれば、リング３に収納される永久磁石の個数は８個に限定されるものではない。発電機１の性能、寸法あるいはコイルの個数および配置等によってリング３に収納される永久磁石の個数は適切に定められる。

コイルと同様に、永久磁石７ａ〜７ｈの各々は扇型である。したがって、リング３の内部に効率的に複数の永久磁石を配置することができる。

図３は、図１に示したコイル２ａおよびリング３の断面を模式的に示す図である。図３を参照して、リング３は、ベアリング４によって回転可能に支持される。リング３の上面と芯材５ａの内面との間隔はｄ１である。また、リング３の側面と芯材５ａの内面（側面）との間隔はｄ２である。磁気結合の観点からは、間隔ｄ１，ｄ２はできるだけ小さいことが好ましい。

なお、コイル２ａの芯材５ａとリング３とが接触したり、あるいはリング３の回転中にリング３が位置ずれを起こさないようにリング３の位置を制御するガイドあるいは軸受等が芯材５ａの内部に設けられてもよい。

ベアリング４は支持体４ａおよびボール４ｂを含む。支持体４ａおよびボール４ｂのそれぞれは非磁性体である。ボール４ｂは支持体４ａに支持される。ボール４ｂの回転、あるいはリング３とボール４ｂとの摩擦による抵抗をできるだけ小さくするため、たとえばボール４ｂの表面に潤滑油を注油するための機構がさらに設けられてもよい。

本発明の実施の形態では、ベアリングの転動体はボールである。この構成によればリング３とボール４ｂとの接触面積が小さいため、摩擦抵抗を小さくできる。したがって摩擦熱によるリング３の温度上昇を抑制できる。リング３の温度上昇を抑制することによって、リング３の内部に収納された永久磁石の温度が上昇することを抑制できるので、永久磁石の減磁を防止できる。

図２に示した構成では、コイル２ａ〜２ｄおよび永久磁石７ａ〜７ｈの形状はいずれも扇型である。したがって、コイルおよび永久磁石の内周部の長さは、各々の外周部の長さよりも短い。ただし、図４に示すように、各コイル（図４では代表的にコイル２ａを示す）の内周部の長さおよび外周部の長さが同じであってもよい。また永久磁石（図４では永久磁石７ａ〜７ｃを示す）も、その外周部の長さと内周部の長さが同じであってもよい。

本発明の実施の形態においては、永久磁石として希土類磁石が好適に用いられる。一般に、同じ大きさのフェライト磁石に比較して、希土類磁石は強い磁力（保磁力）を有する。したがって本発明の実施の形態によれば発電機の出力を高める（たとえば高電圧を発生させる）ことが可能になる。

希土類磁石としては、たとえばサマリウムコバルト磁石あるいはネオジム磁石を用いることができる。本発明の実施の形態では特にネオジム磁石が好適に用いられる。ネオジム磁石は一般にサマリウムコバルト磁石に比較して同じ大きさで強い磁力（保磁力）を有するので、発電機の出力を高めることが可能になる。リング３に収納される永久磁石（ネオジム磁石）の磁力を表面磁束密度によって表わすと、その永久磁石の磁力は、たとえば１Ｔ（テスラ）である。

図５および図６はリング３の内部に収納される永久磁石の構成例を示す図である。図５は、永久磁石の第１の構成例を示す図である。図６は、永久磁石の第２の構成例を示す図である。なお、図５および図６においては、永久磁石７ａ〜７ｈをまとめて永久磁石７と表わす。

図５を参照して、永久磁石７は、各々が扇状に形成された複数の磁石ブロック８を含む。複数の磁石ブロック８は、リング３の周方向、すなわち、図２に示す円周１１の周方向に沿うように配置される。磁石ブロック８の外周部の長さ（磁石ブロック８の厚み）はｔ１である。適切な個数の磁石ブロック８をリング３の周方向に沿って配置することにより、外周部の長さがＬ１の永久磁石７を構成することができる。隣り合う２つの磁石ブロックはＮ極とＳ極とが対向し合うように並べられる。

図６を参照して、永久磁石７は、直方体（角型）の複数の磁石ブロック９を含む。複数の磁石ブロック９は、リング３の周方向、すなわち、図２に示す円周１１の周方向に沿うように配置される。磁石ブロック９の厚みはｔ２である。図５に示した構成と同様に、適切な個数の磁石ブロック９をリング３の周方向に沿って配置することにより、長さがＬ２の永久磁石７を構成することができる。隣り合う２つの磁石ブロックはＮ極とＳ極とが対向し合うように並べられる。

図５および図６から理解されるように、図５に示す永久磁石７は、図２に示した構成において適用される。また図６に示した永久磁石７は、図４に示した構成において適用される。

上述のように、ネオジム磁石は、強い保磁力を有する永久磁石である。しかしながら、単一のブロックでは、そのサイズが大きくなるほど、サイズに応じた磁力を得ることが困難となる。本実施の形態では、複数の磁石ブロックが並べて配置されることで１つの永久磁石が構成される。すなわち磁石ブロックの個数を調整することで、磁力を調整することが可能となる。したがって永久磁石のサイズを大きくすることにより強い磁力を得ることができる。

図７は、図１に示したリング３を回転させる方法を説明するための図である。図７を参照して、歯車１３は、駆動軸１４に連結される。駆動軸１４は、図示しない動力源に連結される。駆動軸１４の回転により歯車１３が回転する。これにより歯車１３と噛合うリング３が回転する。

本発明の実施の形態に係る発電機１の用途は特に限定されるものではない。たとえば発電機１は、ハイブリッド自動車の発電機、電気自動車の発電機、自家発電機、風力発電機、水力発電機等に使用することが可能である。したがって駆動軸１４を回転させるための動力源も、特に限定されるものではない。

たとえばエンジンとモータとを搭載したハイブリッド自動車に発電機１を使用する場合、エンジンにより駆動軸１４を回転させる。これにより歯車１３およびリング３が回転して発電機１が発電する。発電機１により発生した電力は、車載の負荷に供給される。

また、たとえば電気自動車に発電機１を使用する場合、バッテリから電力を受けたモータにより駆動軸１４を回転させる。これにより歯車１３およびリング３が回転して発電機１が発電する。発電機１により発生した電力は、車載の電気負荷に供給される。

発電機１は、円周に沿って配置された少なくとも１つのコイルを備える。より具体的には、発電機１は、複数のコイルを備える。したがって、複数の負荷に同時に電力を供給することができる。また、複数のコイルを直列に接続することによって、より高電圧を発生させることも可能である。

本発明の実施の形態によれば、複数の永久磁石を収納する収納部材は、円環状に形成され、かつ断面が中空のリングである。リングは少なくとも１つのコイルの内部を通るように配置される。

図８に示すように、永久磁石１７ａ，１７ｂが直線状に配置され、かつ複数のコイル（コイル２２ａ〜２２ｃ）が直線状に配置された場合、永久磁石１７ａ，１７ｂを往復運動させる必要がある。永久磁石およびコイルの数が増えると、永久磁石およびコイルの配置方向に発電機の長さが大きくなる。さらに、永久磁石を往復運動させた場合、１つのコイルから電圧を連続的に発生させることが困難である。さらに、中心付近のコイル（コイル２２ｂ）は多くの永久磁石が通過する一方で、両端付近のコイル（コイル２２ａ，２２ｃ）を通過する永久磁石の数が少なくなる。したがって中心付近のコイルが発生する電圧に比較して、両端付近のコイルが発生する電圧が低くなりやすい。このような問題を解決するためには、両端付近のコイルを通過する永久磁石の数が中心付近のコイルを通過する永久磁石の数と同じとなるように、永久磁石の移動距離を長くしなければならない。しかしながら永久磁石の移動距離を長くすることにより、発電機がさらに大型化する。

一方、本発明の実施の形態によれば、複数のコイルを円周に沿って配置することにより、発電機を小型化できる。さらに、リング３を回転させることによって、複数のコイル（２ａ〜２ｄ）は、連続的に電圧を発生することができるとともに、各コイル間でほぼ同じ電圧を発生させることができる。

さらに、本発明の実施の形態によれば、コイルの内部を永久磁石が通過するように構成される。したがってコイルの鉄心が不要となるので発電機の小型化および軽量化を図ることができる。

従来の発電機においては、回転子の永久磁石とコイルの鉄心とが引き合うことで、永久磁石を備える回転子のスムーズな回転が妨げられていた。これに対して、本発明の実施の形態によれば、少ない力で回転子（すなわちリング３およびその中に収納された永久磁石７ａ〜７ｈ）を回転させることができる。つまり、回転子の回転におけるエネルギの損失を小さくできる。さらに、コイルに鉄心が設けられていないので永久磁石の磁力をより強くすることができる。したがって、発電効率を高めることができる。

さらに、本発明の実施の形態によれば、隣り合う２つのコイルの隙間部分において回転子を回転体（具体的には図７に示す歯車１３）に接触させることにより回転子が回転する。

図９に示すように、回転子３２を囲むようにコイル３３を配置する場合には、回転子３２を回転させるために、回転子３２の中心に駆動軸３１を取り付けなければならない、さらに、回転子３２の中央部分には、駆動軸３１を支持するための構造が必要となる。これに対して本発明の実施の形態によれば、回転子（リング３および永久磁石７ａ〜７ｈ）をその外側から回転させるため、回転子をリング（円環）状に形成することができる。よって、回転子を軽量化できる。

回転子を軽量化することにより発電機を軽量化することができる。さらに、回転子を支持しかつ回転させるための支持部材（ベアリング４）によって、少ない力で回転子を回転させることができる。これにより、回転子を高速で回転させることができるので発電効率を高めることができる。

さらに本発明の実施の形態によれば、永久磁石には、希土類磁石、より特定的にはネオジム磁石が用いられる。ネオジム磁石は、複数の磁石ブロックにより構成される。これにより永久磁石の磁力が高められるので、発電機の出力を高めることができる。

したがって以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、小型かつ軽量ながら発電効率の高い発電機を実現することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１発電機、２発電コイル、２ａ〜２ｄ，２２ａ〜２２ｃ，３３コイル、３リング、４ベアリング、４ａ支持体、４ｂボール、５ａ〜５ｄ芯材、６ａ〜６ｄ，１０２導線、７，７ａ〜７ｈ，１７ａ，１７ｂ，１０１永久磁石、８，９磁石ブロック、１０ギャップ、１１円周、１３歯車、１４，３１駆動軸、３２回転子、１０３鉄心、１０４ヨーク、ｄ１，ｄ２間隔。

Claims

中心軸が円周に沿うように配置された、少なくとも１つのコイルと、
前記少なくとも１つのコイルの内部に配置され、かつ中空の断面を有するリングと、
前記リングの周方向に沿って並ぶように前記リングの中空部分に収納された複数の永久磁石と、
前記リングを前記少なくとも１つのコイルの内部に支持し、かつ前記リングを前記円周に沿って回転させるための支持部材とを備える、発電機。
前記複数の永久磁石は、同極が対向するように前記リングの内部に配置される、請求項１に記載の発電機。
前記複数の永久磁石の各々は、希土類磁石である、請求項２に記載の発電機。
前記希土類磁石は、ネオジム磁石である、請求項３に記載の発電機。
前記ネオジム磁石は、異なる極が対向するように前記リングの内部に配置された複数の磁石ブロックを含む、請求項４に記載の発電機。