JP2011223850A - コアレス発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 導体を巻回したコイルの中心を貫く強い磁束をつくる必要があるため、コイルの中に鉄芯を入れ、起電効率を上げている。しかし、この鉄芯と永久磁石間に強力な引力が生じるために、起動の回転運動が妨げられていた。
【解決手段】 例えば導線１をステーターとし、ＮＳと磁極を交互に配置した磁石２をローターとし、磁界の方向（人差指）を回転軸に平行にする。該ローター２を回転させれば、電流の流れる方向（中指）は遠心方向３ａと求心方向３ｂに交互に流れる（図１）。よって電気子の導線は電流の流れる径方向（放射方向）に配線し、ある磁極を遠心方向へ横切り、外周で周方向に沿わせ、次の磁極を求心方向へ横切る。これにより出来た扇形の回路を、順次複数繰り返す電気的回路を作る。
【選択図】図１

Description

この発明は、交流発電機に係わり、特に鉄芯を持たないコアレス発電機に関する。

一般的な多くの発電機は電磁誘導の原理を基にする発電機である。つまり導体で囲まれた、コイル（閉回路）内を通過する磁束の変化が導体内に電気を起こす。導体を巻回したコイルの中心を貫く強い磁束をつくる必要があるため、コイルの中に鉄芯を入れ、起電効率を上げている。しかし、この鉄芯と永久磁石間に強力な引力が生じるために、起動の回転運動が妨げられていた。この抵抗力（コギングトルク）を無くすために鉄芯を無くした発電機がコアレス発電機で、既に多くの特許考案が開示されてある。コアレス発電機は、コギングトルクがなく起動抵抗が小さいため、風力発電機などでは、微風から起電することができる。コアレス発電機は強い磁束をもてない反面、鉄損がないので発電効率が良く、更に鉄芯が無い分、発電機の軽量化が図れるという特徴を持っている。しかし、導体の巻回するコイル内に強い磁束を作る必要は残る。

特開２００５−１６０１９７号広報 特許３０４７１８０号広報 特開平成１１−１９６５５８号広報

特許文献１の開示している発電機はコギングトルクを無くすため電機子のコイルの鉄芯をなくしているが、他の多くのコアレス発電機と同じように電気子は巻回されたコイル形状を保っている。その為、コイルの空芯部に磁束が最も強く集中するのはコイルと永久磁石の磁極が重なり合った瞬間だけである。更に磁極がＮＳと交互に並んだ磁界の中ではコイル内を貫通する磁場の方向（Ｎ→Ｓ）が交互に反転するため、コイル内に起電される電流の流れる方向は、時計方向と反時計方向と交互に反転する。その為各コイルの電流の流れる方向を一方向に流す為には、並列する各コイルの巻回方向を時計方向と反時計方向とに交互に反転する必要があった。

また特許文献２ではコイルは波形部をもつように環状の平板形状に巻かれたコイルを用いているが（図３）、回転軸を中心とした周上に永久磁石の磁極がＮＳと交互に成るように並べ、該磁石の磁極を通過するコイルは波形の波頭、つまり外周方向の凸部７だけであり、内周方向の凹部８は磁極の上を通過しなく、起電する部分は波形のコイルの凸部７だけのように開示されている。図３は特許文献２が開示する波形の電機子と磁石の位置関係を示してある。電機子の外周方向の凸部８も、内周部の凹部９も閉じた回路、つまり巻回したコイル（閉回路）状でなく、半開してあるため、発電効率が高くならない問題がある。波状の導線を円形の回路にすると、特に内周部の凹部９は大きく開く問題は避けられない。

本発明は以上の問題を鑑み、コギングトルクが発生しない、発電効率の良いコアレス発電機を課題とする。

図４に本発明の原理を説明する「フレミングの右手の法則」を示す。磁界の磁力線方向（人差指）、導線の磁力線に対する相対的運動方向（親指）、及び導線内の電流の流れる方向（中指）は、互いに直角に交わり、巻回するコイルを必要としない。つまり鉄芯を必要としない。

例えば導線１をステーターとし、ＮＳと磁極を交互に配置した磁石２をローターとし、磁界の方向（人差指）を回転軸に平行にする。該ローター２を回転させれば、電流の流れる方向（中指）は遠心方向３ａと求心方向３ｂに交互に流れる（図１）。よって電気子の導線は電流の流れる径方向（放射方向）に配線し、ある磁極を遠心方向へ横切り、外周で周方向に沿わせ、次の磁極を求心方向へ横切る。これにより出来た扇形の回路を、順次複数繰り返す電気的回路を作る。

本発明の発電機はフレミングの右手の法則（図４）の原理に基づいたもので、巻回するコイルを必要としないため、鉄芯は不要となる。因ってコギングトルクが発生しないのでスムーズに起動し、鉄損が無くなるので、発電効率が上がり、発電機の軽量化を図れる。つまり入力エネルギーが小さくても発電機の回転運動が起動しスムーズに発電が始まり、風力発電機等の小型化が図れるだけでなく、ハイブリッド型自動車等のバッテリーやキャパシターの充電用コアレス発電機としても有効である。

電機子である導線１、永久磁石２及び導線内を流れる電流の方向３及び位置関係を示した概念図。 回転軸４を垂直方向から見た概念図。磁石２をローターとし、電機子１はステーターとしてある。 特許文献２の開示した電機子と磁石の関係を示した概念図。 本発明の原理であるフレミングの右手の法則を説明した概念図。

本発明の一例を示す。図１は本発明の電機子（導線）１と永久磁石２の位置関係と、電機子である導線１内の電流の流れる方向３を示した概念図である。回転軸４方向に着磁された永久磁石２を周方向にＮＳと交互に成るように並べ、例えばアルミニューム等の非磁性体の支持体５に固着し、該支持体５を回転軸４に固定する。

各磁石の磁界を横切るように導線１を内周から外周へと放射状に径方向に配し、磁界の外周に出ると周方向に沿わせ、次は隣接する磁界内を、内周方向に導線を配し、また同じように隣の磁石の磁界を通過し外周方向へと順次導線を配する。つまり、其々の磁石の磁界を横切る導線は径方向に対して常に平行（放射状）になるように導線を配し、複数の扇形の連続する回路をつくる。

例えば導線１の電機子をステーターとし、磁石２をローターとし、回転軸４を中心としてローターを回転させれば、図４のフレミングの右手の法則の通り、磁界の磁力線を直角に横切る導線１内に起電する電流は導線１の配置方向の遠心方向３ａか求心方向３ｂに流れる。この電流の流れる方向に導線を沿わすことが重要である。

図２は該発電機を回転軸に垂直に見た概念図である。磁石２を非磁性体からなる支持体５に固着し、回転軸４に固定させてある。導線１は非磁性体の樹脂等で固定、成型し、図示されていない筐体に、支持体７を介して固定させてある。両外側の磁石２のローターは、其々外側から磁性体、特に軟磁性体の円盤６に固着されてある。各磁石２のローターの間に少しの隙間を開けて、電機子１のステーターを配置すると、各磁石２の作り出す磁束は回転軸４に平行になり、其々のステーターの導線１を貫く。ステーターとローターからなる段落を複数段落該回転軸４に積層し、図示していない軟磁性体の筐体で覆えば、漏れ磁界が減少し、筐体内に強い磁界ができ、更に発電効果が高まる。

図１では導線１は外周と内周で直角や鋭角で折れているが、丸みを帯びて導線１を曲げることも勿論できる。また図１及び２で説明した永久磁石２の並びは其々接しているが、隙間（スリット）を開けてもコギングトルクは発生しないので、隙間を設けることもできる。最も重要な点は磁界の方向と、導線が磁界に対して相対的に運動する方向と、電流の流れる方向を互いに直角にすることである。よって本発明は磁界を横切る導線を径方向、つまり回転軸４を中心に遠心方向３ａと求心方向３ｂに配することを特徴とするコアレス発電機である。

記号の説明

１ 導線（電気子）
２ 永久磁石
３ 電流の流れる方向
４ 回転軸
５ （ローター）支持体
６ 軟磁性体円盤
７ （ステーター）支持体
８ 電気子（コイル）の凸部（特許文献２）
９ 電気子（コイル）の凹部（特許文献２）

Claims (4)

1. フレミングの右手の法則に基づく交流発電機であって、回転軸方向に着磁した偶数個の永久磁石を交互に磁極が異なるように配置したローターと、電気子の導線を径方向（放射方向）に配し、ある磁極を遠心方向へ横切り、外周で周方向に沿わせ、次の異なる磁極を求心方向へ横切り、これにより出来る扇形の回路を、順次、周方向に繰り返す電気的回路をもつ電気子のステーターとを備えたコアレス発電機。
2. 請求項１の発電機であって、永久磁石をステーターとし、電機子をローターとするコアレス発電機。
3. 請求項１又は２の発電機であって、バッテリー及び／又はキャパシターの充電用コアレス発電機。
4. 請求項１又は２の発電機であって、筐体の全部、または一部を磁性体、特に軟磁性体を用いたコアレス発電機。

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