JP2012151986A - Vibration power generator - Google Patents
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Abstract
Description
往復動を伴う振動による運動エネルギーを電力に変換する振動発電機に関し、小型の筐体であっても電力の変換効率に優れ、出力電圧を高めることができる振動発電機に関する。 The present invention relates to a vibration generator that converts kinetic energy due to vibration accompanied by reciprocation into electric power, and more particularly to a vibration generator that is excellent in power conversion efficiency and can increase output voltage even in a small casing.
運動エネルギーを電力に変換する振動発電機では、人が携帯する場合、あるいは、振動する機器に取り付ける場合に、内部の振動体に往復動の振動を発生させて、その運動エネルギーを高い変換効率で電力に変換することが要望されている。特に、往復動する磁石、または、往復動するコイルを備える振動発電機では、小型化を図る場合に、コイル長、あるいは、磁気回路の構成の制限、等により発電効率が低くなりやすいという不利な点がある。したがって、従来には、これらの問題を解決するために様々な振動発電機が提案されている。 In a vibration generator that converts kinetic energy into electric power, when a person carries it or attaches it to a vibrating device, it generates a reciprocating vibration in the internal vibrating body, and the kinetic energy is converted with high conversion efficiency. There is a demand for conversion to electric power. In particular, a vibration generator including a reciprocating magnet or a reciprocating coil is disadvantageous in that the power generation efficiency tends to be low due to the limitation of the coil length or the configuration of the magnetic circuit when downsizing. There is a point. Therefore, conventionally, various vibration generators have been proposed to solve these problems.
従来には、充電可能なバッテリーと、筒状のコイルと、該コイルの軸芯部分に挿入されると共に軸方向に移動可能にバネで保持された棒状の永久磁石と、整流器とを含み構成し、携帯時の振動や揺動に基づく該永久磁石の軸方向振動により該コイルに発生する交流電圧を該整流器で整流し、該整流された直流電圧で該バッテリーを充電する携帯型発電機において、前記永久磁石と前記バネで構成された永久磁石系の軸方向の共振振動数を、概ね、携帯時に前記軸方向振動を生じしめる主要な振動源の平均周期に合わせたことを特徴とする携帯型発電機がある。(特許文献1)。 Conventionally, the battery includes a rechargeable battery, a cylindrical coil, a rod-like permanent magnet that is inserted into the axial core portion of the coil and is held by a spring so as to be movable in the axial direction, and a rectifier. In the portable generator that rectifies the AC voltage generated in the coil by the axial vibration of the permanent magnet based on vibration and swing when being carried by the rectifier and charges the battery with the rectified DC voltage, A portable type characterized in that an axial resonance frequency of a permanent magnet system composed of the permanent magnet and the spring is approximately matched with an average period of a main vibration source that generates the axial vibration when being carried. There is a generator. (Patent Document 1).
また、非磁性材料で形成され、両端部が閉じられた中空の第1のパイプと、前記第1のパイプの周囲に巻回され、少なくとも1個のソレノイドコイルが設けられた発電コイルと、前記第1のパイプの内部に配置され、前記発電コイルの巻軸方向に沿って移動可能である可動磁石と、を備え、前記可動磁石は、非磁性材料で形成され、両端部が閉じられた中空の第2のパイプと、前記第2のパイプの内部に、封止される複数個の磁石と、を備え、前記可動磁石は、前記第2のパイプの両端部に配置され、前記複数個の磁石を保護する磁石端部材を備えることを特徴とする振動型電磁発電機がある(特許文献2)。 A hollow first pipe formed of a non-magnetic material and closed at both ends; a power generating coil wound around the first pipe and provided with at least one solenoid coil; A movable magnet disposed inside the first pipe and movable along a winding axis direction of the power generation coil, the movable magnet being formed of a nonmagnetic material and closed at both ends. A second pipe and a plurality of magnets sealed inside the second pipe, wherein the movable magnets are disposed at both ends of the second pipe, There is a vibration type electromagnetic generator including a magnet end member that protects a magnet (Patent Document 2).
また、同極同士を微小な距離を有して対向させ、長さ方向に着磁した複数の永久磁石を一体化し、前記一体化した永久磁石の外周に複数のコイルを配置し、前記コイルは適宜の間隔を有し、交互に巻き方向が逆になるように構成し、前記の一体化した永久磁石を移動させることにより発電することを特徴とする振動発電機がある(特許文献3)。特に、複数コイルの各々のコイルの長さは個別の磁石の長さの70%〜90%とする、あるいは、対向する永久磁石間の距離を磁石の長さの10%〜40%とする、あるいは、各々のコイル間の距離を個別の磁石単体の長さの10%〜30%とする、あるいは、コイルの個数を磁石数と同じか磁石数+1個以上とする振動発電機がある。 Further, the same poles are opposed to each other with a minute distance, a plurality of permanent magnets magnetized in the length direction are integrated, and a plurality of coils are arranged on the outer periphery of the integrated permanent magnet, There is a vibration power generator which has an appropriate interval and is configured so that winding directions are alternately reversed, and generates electric power by moving the integrated permanent magnet (Patent Document 3). In particular, the length of each of the plurality of coils is 70% to 90% of the length of the individual magnet, or the distance between the opposing permanent magnets is 10% to 40% of the length of the magnet. Alternatively, there is a vibration generator in which the distance between each coil is 10% to 30% of the length of each individual magnet, or the number of coils is the same as the number of magnets or the number of magnets is +1 or more.
ただし、上記特許文献1〜3のような動電型の振動発電機では、発電効率を向上させるには、十分ではない。上記特許文献1〜3のような動電型の振動発電機では、複数のコイルが相互に間隔を空けて設けられている場合には、往復動する磁石と複数のコイルとの相対的な位置関係によって、極めて起電力が低くなる場合があり効率的ではないという問題がある。 However, the electrodynamic vibration generators as described in Patent Documents 1 to 3 are not sufficient for improving the power generation efficiency. In the electrodynamic vibration generators as described in Patent Documents 1 to 3, when a plurality of coils are provided with a space between each other, the relative positions of the reciprocating magnet and the plurality of coils. Depending on the relationship, there is a problem that the electromotive force may be extremely low and is not efficient.
本発明は、上記の従来技術が有する問題を解決するためになされたものであり、その目的は、往復動を伴う振動による運動エネルギーを電力に変換する振動発電機に関し、小型の筐体であっても電力の変換効率に優れ、出力電圧を高めることができる振動発電機を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention relates to a vibration generator that converts kinetic energy due to vibration accompanied by reciprocation into electric power, and is a small casing. However, the object is to provide a vibration generator that is excellent in power conversion efficiency and can increase the output voltage.
本発明の振動発電機は、複数のコイルと、コイルがそれぞれ巻回される筒状の筐体と、筐体の両端にそれぞれ設けられる2つの固定体と、着磁された磁石を含んでそれぞれの固定体との間を筐体の内面に沿って往復動可能に設置される磁石体と、を備え、磁石体が、複数のポールと、ポールに連結する1つ以上の磁石と、を少なくとも有し、複数のコイルのそれぞれが、磁石体のポールの厚みhpに略一致し、かつ、磁石体の磁石の厚みhmのn分の一(n:1以上の整数)に略一致する巻幅hcを有して、磁石体のポールが往復動する範囲に対応して筐体に隙間無く順次巻回され、間にn個の他のコイルを挟む2つのコイル同士が相互に直列接続および/または並列接続されて、(n+1)相の出力端子を形成する。 The vibration generator of the present invention includes a plurality of coils, a cylindrical casing around which the coils are wound, two fixed bodies respectively provided at both ends of the casing, and magnetized magnets. A magnet body installed so as to be capable of reciprocating along the inner surface of the housing, and the magnet body includes at least a plurality of poles and one or more magnets coupled to the poles. Each of the plurality of coils has a winding width that substantially matches the thickness hp of the pole of the magnet body and substantially matches 1 / n of the magnet thickness hm of the magnet body (n is an integer of 1 or more). hc, two coils that are sequentially wound around the casing without gaps corresponding to the range in which the pole of the magnet body reciprocates, and n other coils are sandwiched between them in series and / or Alternatively, they are connected in parallel to form an (n + 1) -phase output terminal.
好ましくは、本発明の振動発電機は、磁石体が、複数のポールと、ポールに連結する複数の磁石と、を少なくとも有し、2つの磁石が、ポールを同じ磁極を示す側で挟み込んで反発磁界を形成する。 Preferably, in the vibration power generator according to the present invention, the magnet body has at least a plurality of poles and a plurality of magnets coupled to the poles, and the two magnets repel each other by sandwiching the poles on the side showing the same magnetic pole. Create a magnetic field.
また、本発明の振動発電機は、間にn個の他のコイルを挟む2つのコイル同士が、相互に逆相に直列接続および/または並列接続されて、間に(2n+1)個の他のコイルを挟む2つのコイル同士が、相互に正相に直列接続および/または並列接続される。 In the vibration generator of the present invention, two coils sandwiching n other coils are connected in series and / or in parallel with each other in reverse phase, and (2n + 1) other coils are interposed between them. Two coils sandwiching the coils are connected in series and / or in parallel with each other in the positive phase.
また、好ましくは、本発明の振動発電機は、振動発電機の複数のコイルからの(n+1)相の出力端子に接続する複数の整流器と、複数の整流器のそれぞれの出力が並列接続される出力端子と、をさらに備える。 Preferably, the vibration generator according to the present invention includes a plurality of rectifiers connected to (n + 1) -phase output terminals from a plurality of coils of the vibration generator, and an output in which outputs of the plurality of rectifiers are connected in parallel. And a terminal.
以下、本発明の作用について説明する。 The operation of the present invention will be described below.
本発明の振動発電機は、複数のコイルと、コイルがそれぞれ巻回される筒状の筐体と、筐体の両端にそれぞれ設けられる2つの固定体と、着磁された磁石を含んでそれぞれの固定体との間を筐体の内面に沿って往復動可能に設置される磁石体と、を備える。移動する磁石体は、複数のポールと、ポールに連結する1つ以上の磁石と、を少なくとも有し、例えば、1つのポールの両端面にそれぞれ連結する2つの磁石を有していてもよく、2つのポールと3つの磁石を有していてもよい。磁石体は、複数のポールと、ポールに連結する複数の磁石と、を少なくとも有している場合には、2つの磁石が、ポールを同じ磁極を示す側で挟み込んで反発磁界を形成する。 The vibration generator of the present invention includes a plurality of coils, a cylindrical casing around which the coils are wound, two fixed bodies respectively provided at both ends of the casing, and magnetized magnets. And a magnet body installed so as to be capable of reciprocating along the inner surface of the housing. The moving magnet body has at least a plurality of poles and one or more magnets connected to the poles. For example, the moving magnet body may have two magnets respectively connected to both end faces of one pole. You may have two poles and three magnets. When the magnet body has at least a plurality of poles and a plurality of magnets connected to the poles, the two magnets sandwich the poles on the side showing the same magnetic pole to form a repulsive magnetic field.
その結果、本発明の振動発電機では、往復動可能に設置される磁石体が移動すると、反発磁界が通過する透磁率の高いポールが往復動する範囲に対応して設けられているそれぞれのコイルに、電磁誘導によりコイル起電力が発生する。複数のコイルのそれぞれは、磁石体のポールの厚みhpに略一致し、かつ、磁石体の磁石の厚みhmのn分の一(n:1以上の整数)に略一致する巻幅hcを有して、磁石体のポールが往復動する範囲に対応して筐体に隙間無く順次巻回されている。さらに、複数のコイルのそれぞれは、間にn個の他のコイルを挟む2つのコイル同士が相互に直列接続および/または並列接続されて、(n+1)相の出力端子を形成する。振動発電機は、振動発電機の複数のコイルからの(n+1)相の出力端子に接続する複数の整流器と、複数の整流器のそれぞれの出力が並列接続される出力端子と、をさらに備えていてもよい。 As a result, in the vibration power generator of the present invention, when the magnet body installed so as to be able to reciprocate moves, each coil provided corresponding to the range in which the high permeability pole through which the repulsive magnetic field passes reciprocates is provided. In addition, a coil electromotive force is generated by electromagnetic induction. Each of the plurality of coils has a winding width hc that substantially matches the thickness hp of the pole of the magnet body and substantially matches 1 / n (n: an integer of 1 or more) of the magnet thickness hm of the magnet body. Then, the magnetic poles are sequentially wound around the casing in a manner corresponding to the range in which the pole of the magnet body reciprocates. Further, in each of the plurality of coils, two coils sandwiching n other coils in between are connected in series and / or in parallel to form an (n + 1) -phase output terminal. The vibration generator further includes a plurality of rectifiers connected to (n + 1) -phase output terminals from a plurality of coils of the vibration generator, and an output terminal to which outputs of the plurality of rectifiers are connected in parallel. Also good.
したがって、本発明の振動発電機では、複数のコイルが相互に間隔を空けて設けられている場合に比較して、往復動する磁石と複数のコイルとの相対的な位置関係による起電力の低下が少なく、効率的な発電が可能になる。つまり、筐体に隙間無く順次巻回されている(n+1)相の各コイルの巻幅hcと、磁石体のポールの厚みhpと、磁石体の磁石の厚みhmと、の相対関係が最適化されているので、間にn個の他のコイルを挟む2つのコイルのそれぞれに発生する起電力がほぼ同じタイミングで同相の関係になり最大化するからである。さらに、それぞれの出力が並列接続される複数の整流器を用いることで、(n+1)相の整流した直流電圧を合成すると、往復動する磁石と複数のコイルとの相対的な位置関係によらず、高い起電力を保つことができる。本発明の振動発電機は、小型の筐体であっても電力の変換効率を高めることができ、出力電圧をさらに高めることができる。 Therefore, in the vibration power generator of the present invention, the electromotive force is reduced due to the relative positional relationship between the reciprocating magnet and the plurality of coils, as compared with the case where the plurality of coils are provided with a space therebetween. There is little, and efficient power generation becomes possible. In other words, the relative relationship between the winding width hc of each coil of the (n + 1) phase that is sequentially wound around the housing without any gap, the pole thickness hp of the magnet body, and the magnet thickness hm of the magnet body is optimized. This is because the electromotive force generated in each of the two coils sandwiching the n other coils in between has the same phase relationship and is maximized at substantially the same timing. Furthermore, by using a plurality of rectifiers whose respective outputs are connected in parallel, when the rectified DC voltage of (n + 1) phase is synthesized, regardless of the relative positional relationship between the reciprocating magnet and the plurality of coils, High electromotive force can be maintained. The vibration generator of the present invention can increase the power conversion efficiency even in a small casing, and can further increase the output voltage.
往復動を伴う振動による運動エネルギーを電力に変換する振動発電機に関し、小型の筐体であっても電力の変換効率に優れ、出力電圧を高めることができる振動発電機を提供することができる。 With respect to a vibration generator that converts kinetic energy due to vibration accompanied by reciprocation into electric power, it is possible to provide a vibration generator that is excellent in electric power conversion efficiency and can increase output voltage even in a small casing.
以下、本発明の好ましい実施形態による振動発電機について説明するが、本発明はこれらの実施形態には限定されない。 Hereinafter, although the vibration generator by preferable embodiment of this invention is demonstrated, this invention is not limited to these embodiment.
図1は、本発明の好ましい実施形態による振動発電機1を説明する図である。具体的には、図1は、図示する上下方向の中心軸に沿った断面図であり、振動発電機1では、振動子である磁石体10がこの中心軸の方向に移動して振動する。また、図2は、振動発電機1および整流器を含む振動発電機1Aの接続を説明する図である。なお、後述するように、振動発電機1の一部の構造や、内部構造等は、省略している。 FIG. 1 is a diagram illustrating a vibration generator 1 according to a preferred embodiment of the present invention. Specifically, FIG. 1 is a cross-sectional view along the center axis in the vertical direction shown in the figure. In the vibration power generator 1, the magnet body 10 that is a vibrator moves in the direction of the center axis and vibrates. FIG. 2 is a diagram for explaining connection of the vibration generator 1 and the vibration generator 1A including the rectifier. In addition, as will be described later, a part of the structure of the vibration generator 1 and an internal structure are omitted.
振動発電機1は、コイル2と、コイル2が巻回される筒状の筐体3と、筐体3の両端にそれぞれ設けられる固定体4aおよび4bと、着磁された磁石11を含んでそれぞれの固定体4aおよび4bとの間を筐体3の内面に沿って往復動可能に設置される磁石体10と、を含む振動発電機である。本実施例の振動発電機1は、長径方向長が約101mm、短径直径がφ約27mmの略円筒形状を有する小型で軽量な振動発電機である。例えば、外部の振動により図示する変位Z0で振動発電機1が振動すると、その内部で振動子である磁石体10が変位Z1で振動するので、振動発電機1は、この磁石体10の振動による運動エネルギーを電力に変換することができる。 The vibration generator 1 includes a coil 2, a cylindrical casing 3 around which the coil 2 is wound, fixed bodies 4a and 4b provided at both ends of the casing 3, and a magnetized magnet 11, respectively. The vibration generator includes a magnet body 10 that is installed so as to be capable of reciprocating along the inner surface of the housing 3 between the fixed bodies 4a and 4b. The vibration generator 1 according to the present embodiment is a small and light vibration generator having a substantially cylindrical shape having a major axis length of about 101 mm and a minor axis diameter of about 27 mm. For example, when the vibration generator 1 vibrates at an illustrated displacement Z0 due to external vibration, the magnet body 10 that is a vibrator vibrates at the displacement Z1 therein, so the vibration generator 1 is caused by the vibration of the magnet body 10. Kinetic energy can be converted into electric power.
筒状の筐体3は、非磁性体からなる中空の筒であって、本実施例では内径直径がφ約12mmの樹脂成型品の直管パイプであり、その内面に沿って磁石体10が往復動可能に設置される。筒状の筐体3の外側面には、複数のコイルからなるコイル2a、コイル2b、および、コイル2cがそれぞれ隙間無く順番に巻回されてコイル2を構成する。例えば、コイル2aは、それぞれ線径がφ約0.11mmの銅線を巻幅hc約2.6mmで約50層巻に巻回して構成された1つのコイル20aを、5つ並列接続して構成するコイルである。また、コイル2bは、コイル20aとほぼ同様に構成された1つのコイル20bを、5つ並列接続して構成するコイルであり、それぞれのコイル20bは、それぞれコイル20aの上側で隙間無く隣り合う位置に、コイル20aと同じ巻線方向に巻回されている。また、コイル2cは、コイル20aおよびコイル20bとほぼ同様に構成された1つのコイル20cを、5つ並列接続して構成するコイルであり、それぞれのコイル20cは、それぞれコイル20aの下側で隙間無く隣り合う位置に、コイル20aと同じ巻線方向に巻回されている。それぞれのコイル20a、20b、および、20cの巻幅hcは、約2.6mmで等しくされている。 The cylindrical housing 3 is a hollow cylinder made of a non-magnetic material. In this embodiment, the cylindrical housing 3 is a straight pipe made of a resin molded product having an inner diameter of about φ12 mm, and the magnet body 10 extends along the inner surface. It is installed so that it can reciprocate. A coil 2a, a coil 2b, and a coil 2c made up of a plurality of coils are wound around the outer surface of the cylindrical housing 3 in order without any gaps, thereby forming the coil 2. For example, each of the coils 2a is formed by connecting in parallel five one coil 20a formed by winding a copper wire having a diameter of about 0.11 mm into a winding width hc of about 2.6 mm and about 50 layers. It is the coil which comprises. The coil 2b is a coil configured by connecting five coils 20b, which are configured in substantially the same manner as the coil 20a, in parallel, and the coils 20b are adjacent to each other on the upper side of the coil 20a without a gap. Are wound in the same winding direction as the coil 20a. Further, the coil 2c is a coil configured by connecting five coils 20c, which are configured in substantially the same manner as the coils 20a and 20b, in parallel, and each coil 20c has a gap below the coil 20a. It is wound in the same winding direction as the coil 20a at adjacent positions. The winding width hc of each of the coils 20a, 20b, and 20c is made equal to about 2.6 mm.
図示するように、コイル2a、2b、および、2cは、上下に隙間無く筐体3に巻回されて、コイル20a、20b、および、20cが構成する一組毎に、上下でそれぞれ逆向きの回転方向に電流が流れる様に並列接続されている。コイル2aは、コイル20aに発生するコイル起電力を出力端子21aに出力する。同様に、コイル2bは、コイル20bに発生するコイル起電力を出力端子21bに出力する。さらに、コイル2cは、コイル20cに発生するコイル起電力を出力端子21cに出力する。出力端子21aには整流器22aが接続され、出力端子21bには整流器22bが接続され、出力端子21cには整流器22aが接続され、これら3相の出力は、出力端子23に並列接続される。 As shown in the drawing, the coils 2a, 2b, and 2c are wound around the casing 3 without any gaps in the vertical direction, and each pair of the coils 20a, 20b, and 20c is configured in the opposite direction in the vertical direction. They are connected in parallel so that current flows in the direction of rotation. The coil 2a outputs the coil electromotive force generated in the coil 20a to the output terminal 21a. Similarly, the coil 2b outputs the coil electromotive force generated in the coil 20b to the output terminal 21b. Furthermore, the coil 2c outputs the coil electromotive force generated in the coil 20c to the output terminal 21c. A rectifier 22a is connected to the output terminal 21a, a rectifier 22b is connected to the output terminal 21b, a rectifier 22a is connected to the output terminal 21c, and these three-phase outputs are connected in parallel to the output terminal 23.
なお、それぞれのコイル20a、20b、および20cは、磁石体10のポール12の厚みhpに略一致し、かつ、磁石体10の磁石11の厚みhmの2分の一に略一致する巻幅hcを有している。コイル20a、20b、および20cは、磁石体10のポール12が往復動する範囲に対応して筐体に隙間無く順次巻回されており、本実施例では、上側から順番にコイル20b、20a、および20cを一組とするコイルが、5組分だけ筐体3に巻回されている。したがって、例えば、コイル20aのそれぞれは、間に2個の他のコイル20bおよび20cを挟む2つのコイル同士が相互に並列接続されて出力端子21aに接続する。同様に、コイル20bのそれぞれは、間に2個の他のコイル20aおよび20cを挟む2つのコイル同士が相互に並列接続されて出力端子21bに接続する。同様に、コイル20cのそれぞれは、間に2個の他のコイル20aおよび20bを挟む2つのコイル同士が相互に並列接続されて出力端子21cに接続する。 Each coil 20a, 20b, and 20c has a winding width hc that substantially matches the thickness hp of the pole 12 of the magnet body 10 and substantially matches one-half of the thickness hm of the magnet 11 of the magnet body 10. have. The coils 20a, 20b, and 20c are sequentially wound around the housing without a gap corresponding to the range in which the pole 12 of the magnet body 10 reciprocates. In this embodiment, the coils 20b, 20a, And the coil which makes 20c 1 set is wound by the housing | casing 3 by 5 sets. Therefore, for example, in each of the coils 20a, two coils sandwiching two other coils 20b and 20c are connected in parallel to each other and connected to the output terminal 21a. Similarly, in each of the coils 20b, two coils sandwiching two other coils 20a and 20c in between are connected in parallel to each other and connected to the output terminal 21b. Similarly, in each of the coils 20c, two coils sandwiching two other coils 20a and 20b in between are connected in parallel to each other and connected to the output terminal 21c.
また、固定体4aおよび4bは非磁性の樹脂成形部品であって、筐体3の両端にネジ又は接着剤等により固定されて設けられている。それぞれの固定体4aおよび4bは、その中央部において磁石体10と接近可能に連結される緩衝体を含んでいてもよい。例えば、緩衝体は、接近する磁石体10と固定体4との間で反発力を作用させる円盤形状の緩衝磁石5を有していてもよい。緩衝体である緩衝磁石5は、磁石体10が移動して筐体3の両端に位置する固定体4に勢いよく衝突して衝撃により破壊されるのを防止する。例えば、この緩衝磁石5は、直径がφ約10.5mmで厚みが約1.0mmの円盤状の希土類磁石である。この緩衝磁石5は、接着剤で固定体4の中央部に取り付けられている。本実施例の場合には、図1に示すように、下側の固定体4aに設けられる緩衝磁石5aと、上側の固定体4bに設けられる緩衝磁石5bとは、振動する磁石体10に近い側にそれぞれ異なる磁極(N極、S極)が現れるように着磁されている。 The fixed bodies 4a and 4b are non-magnetic resin molded parts, and are fixed to both ends of the housing 3 with screws or an adhesive. Each of the fixed bodies 4a and 4b may include a buffer body that is connected to the magnet body 10 so as to be accessible at the center thereof. For example, the buffer may have a disk-shaped buffer magnet 5 that applies a repulsive force between the approaching magnet body 10 and the fixed body 4. The buffer magnet 5 that is a buffer body prevents the magnet body 10 from moving and colliding with the fixed bodies 4 located at both ends of the housing 3 violently and being destroyed by impact. For example, the buffer magnet 5 is a disc-shaped rare earth magnet having a diameter of about 10.5 mm and a thickness of about 1.0 mm. The buffer magnet 5 is attached to the central portion of the fixed body 4 with an adhesive. In the case of the present embodiment, as shown in FIG. 1, the buffer magnet 5a provided on the lower fixed body 4a and the buffer magnet 5b provided on the upper fixed body 4b are close to the vibrating magnet body 10. It is magnetized so that different magnetic poles (N pole and S pole) appear on the sides.
本実施例の磁石体10は、外径直径がφ約11.5mmで長さ(厚み)hmが約6.3mmの円柱状の希土類の磁石を4つ含む。それぞれの磁石11a、11b、11c、11dは、図1に示すように、振動する上下方向にそれぞれ異なる磁極(N極、S極)が現れるように着磁されて、そのうち2つの磁石11がポール12を同じ磁極を示す側で挟み込んで反発磁界を形成するように連結されている。具体的には、ポール12は、外径直径がφ約11.5mmで長さ(厚み)hpが約3.2mmの円柱状の軟鉄の部材である。磁石11aおよび11bの間にポール12aが、磁石11bおよび11cの間にポール12bが、磁石11cおよび11dの間にポール12cが、それぞれ配置されている。なお、希土類磁石とは、Nd−Fe−B系のネオジウム磁石、もしくは、Sm−Co系のサマリウムコバルト磁石であって、磁石の最大エネルギー積(BH)maxが大きな値をとる磁石であり、残留磁化および保磁力がさらに大きく、小さい体積でも保磁力の強いNd−Fe−B系の希土類磁石であってもよい。もちろん、磁石11は、フェライト系磁石であってもよい。 The magnet body 10 of this embodiment includes four cylindrical rare earth magnets having an outer diameter of about φ 11.5 mm and a length (thickness) hm of about 6.3 mm. As shown in FIG. 1, the magnets 11a, 11b, 11c, and 11d are magnetized so that different magnetic poles (N pole and S pole) appear in the vertical direction of vibration, and two of the magnets 11 are poles. 12 are connected to form a repulsive magnetic field by sandwiching them on the side showing the same magnetic pole. Specifically, the pole 12 is a cylindrical soft iron member having an outer diameter of about φ 11.5 mm and a length (thickness) hp of about 3.2 mm. A pole 12a is disposed between the magnets 11a and 11b, a pole 12b is disposed between the magnets 11b and 11c, and a pole 12c is disposed between the magnets 11c and 11d. The rare earth magnet is an Nd—Fe—B type neodymium magnet or an Sm—Co type samarium cobalt magnet, which has a large maximum energy product (BH) max, An Nd—Fe—B rare earth magnet having a larger magnetization and coercive force and a strong coercive force even in a small volume may be used. Of course, the magnet 11 may be a ferrite magnet.
図2に示す振動発電機1Aは、上述の振動発電機1と、整流器22a、22b、および、22cとを含む振動発電機である。振動発電機1では、往復動可能に設置される磁石体10が移動すると、反発磁界が通過する透磁率の高いポール12a、12b、および、12cが往復動する範囲に対応して設けられているので、それぞれのコイル20a、20b、および、20cに、電磁誘導によりコイル起電力が発生する。例えば、整流器22a、22b、および、22cは、4つのダイオードを接続する全波ブリッジ整流回路であり、交流電圧を全波整流して直流電圧に変換する。つまり、振動発電機1Aでは、振動発電機1のコイル2a、2b、および、2cで発生する整流された3相のコイル起電力を、合成して出力端子23から出力することができる。 A vibration power generator 1A shown in FIG. 2 is a vibration power generator including the vibration power generator 1 described above and rectifiers 22a, 22b, and 22c. In the vibration power generator 1, when the magnet body 10 installed so as to be capable of reciprocating is moved, the poles 12a, 12b and 12c having high permeability through which the repulsive magnetic field passes are provided corresponding to the range in which the reciprocating motion is performed. Therefore, a coil electromotive force is generated in each of the coils 20a, 20b, and 20c by electromagnetic induction. For example, the rectifiers 22a, 22b, and 22c are full-wave bridge rectifier circuits that connect four diodes, and full-wave rectifies an AC voltage to convert it into a DC voltage. That is, in the vibration power generator 1 </ b> A, the rectified three-phase coil electromotive force generated in the coils 2 a, 2 b and 2 c of the vibration power generator 1 can be synthesized and output from the output terminal 23.
外力が加わって変位Z0で振動発電機1が振動すると、その内部で振動子である磁石体10が変位Z1で振動する。筐体3の内面に沿って往復動可能に設置される磁石体10は、筐体3に巻回されたコイル2の内側空間をある程度の相対速度で移動する。磁石体10は、直流磁界を形成するように着磁されている2つの磁石11がポール12を同じ磁極を示す側で挟み込んで反発磁界を形成するように連結されているので、磁石体10がコイル20a、20b、および、20cの内側を通過すると、コイル20a、20b、および、20cには、それぞれの位置で磁石体10のポール12が発生する直流磁界の変化を打ち消そうとする起電力が電磁誘導により相対速度にほぼ比例して発生する。 When an external force is applied and the vibration power generator 1 vibrates at the displacement Z0, the magnet body 10 that is a vibrator vibrates at the displacement Z1 therein. The magnet body 10 installed so as to be able to reciprocate along the inner surface of the housing 3 moves at a certain relative speed in the inner space of the coil 2 wound around the housing 3. The magnet body 10 is connected so that two magnets 11 magnetized so as to form a DC magnetic field sandwich a pole 12 on the side showing the same magnetic pole to form a repulsive magnetic field. When passing inside the coils 20a, 20b, and 20c, the coils 20a, 20b, and 20c have an electromotive force that tries to cancel the change in the DC magnetic field generated by the pole 12 of the magnet body 10 at each position. Is generated in proportion to the relative speed by electromagnetic induction.
本実施例の振動発電機1では、コイル20a、20b、および、20cのそれぞれが、磁石体10のポール12a、12b、および、12cの厚みhpに略一致し、かつ、磁石体10の磁石11a、11b、11c、および、12dの厚みhmの2分の一に略一致する巻幅hcを有して、磁石体10のポール12が往復動する範囲に対応して筐体に隙間無く順次巻回されている。さらに、例えば、間に2個の他のコイルを挟む2つのコイル20a同士が相互に並列接続されて、コイル20bおよび20cでも同様にして、その結果、3相の出力端子を形成している。したがって、外部の振動により磁石体10が筐体3の内部を図1に図示する上下方向に繰り返し振動する場合に、磁石体10のポール12a、12b、および、12cが、同時に例えばコイル2aを構成する3つのコイル20aの内部を振動して出入りして通過する。 In the vibration power generator 1 of the present embodiment, each of the coils 20a, 20b, and 20c substantially matches the thickness hp of the poles 12a, 12b, and 12c of the magnet body 10, and the magnet 11a of the magnet body 10 11b, 11c, and 12d having a winding width hc substantially equal to one half of the thickness hm, and sequentially winding around the casing in a manner corresponding to the range in which the pole 12 of the magnet body 10 reciprocates. It has been turned. Further, for example, two coils 20a sandwiching two other coils in between are connected in parallel to each other, and the coils 20b and 20c similarly form a three-phase output terminal. Accordingly, when the magnet body 10 repeatedly vibrates in the vertical direction shown in FIG. 1 due to external vibration, the poles 12a, 12b, and 12c of the magnet body 10 simultaneously form, for example, the coil 2a. The inside of the three coils 20a that vibrate vibrates and enters and exits.
さらに磁石体10が振動すると、同様に、磁石体10のポール12a、12b、および、12cが、同時に、コイル20aと隣り合うように巻回されているコイル2bを構成する3つのコイル20bの内部を振動して出入りして通過する。さらに磁石体10が振動すると、同様に、磁石体10のポール12a、12b、および、12cが、同時に、コイル20bと隣り合うように巻回されているコイル2cを構成する3つのコイル20cの内部を振動して出入りして通過する。このように、振動発電機1は、この磁石体10の振動による運動エネルギーを、3相の交流のコイル起電力として電力に変換することができる。 When the magnet body 10 further vibrates, similarly, the poles 12a, 12b, and 12c of the magnet body 10 are simultaneously arranged in the three coils 20b constituting the coil 2b wound so as to be adjacent to the coil 20a. Vibrate and go in and out. Further, when the magnet body 10 vibrates, similarly, the poles 12a, 12b, and 12c of the magnet body 10 are simultaneously wound inside the three coils 20c constituting the coil 2c wound so as to be adjacent to the coil 20b. Vibrate and go in and out. Thus, the vibration generator 1 can convert the kinetic energy due to the vibration of the magnet body 10 into electric power as a three-phase AC coil electromotive force.
なお、本実施例の振動発電機1は、3つのコイル2a、2b、および、2cによる3相の交流出力が得られる場合であるが、nを1以上の整数とすると、コイルを複数として(n+1)相以上の交流出力を得るものであればよい。つまり、本発明の振動発電機1は、筐体に隙間無く順次巻回されている(n+1)相の各コイルの巻幅hcと、磁石体のポールの厚みhpと、磁石体の磁石の厚みhmと、の相対関係が最適化されているので、間にn個の他のコイルを挟む2つのコイルのそれぞれに発生する起電力がほぼ同じタイミングで同相の関係になり最大化するからである。さらに、それぞれの出力が並列接続される複数の整流器を用いることで、(n+1)相の整流した直流電圧を合成すると、往復動する磁石と複数のコイルとの相対的な位置関係によらず、高い起電力を保つことができる。本発明の振動発電機は、小型の筐体であっても電力の変換効率を高めることができ、出力電圧をさらに高めることができる。なお、コイルの巻幅hcは、磁石体10のポール12の厚みhpに略一致するのが好ましいが、寸法hpの0.8〜1.25倍程度の範囲内であればよい。 The vibration generator 1 of the present embodiment is a case where a three-phase AC output is obtained by the three coils 2a, 2b and 2c. However, when n is an integer of 1 or more, a plurality of coils ( Anything can be used as long as an AC output of n + 1) phase or more is obtained. That is, the vibration generator 1 according to the present invention includes the winding width hc of the (n + 1) -phase coils that are sequentially wound around the casing without gaps, the pole thickness hp of the magnet body, and the magnet thickness of the magnet body. This is because the relative relationship between hm and the hm is optimized, so that the electromotive force generated in each of the two coils sandwiching the n other coils is in-phase and maximized at substantially the same timing. . Furthermore, by using a plurality of rectifiers whose respective outputs are connected in parallel, when the rectified DC voltage of (n + 1) phase is synthesized, regardless of the relative positional relationship between the reciprocating magnet and the plurality of coils, High electromotive force can be maintained. The vibration generator of the present invention can increase the power conversion efficiency even in a small casing, and can further increase the output voltage. The coil winding width hc is preferably substantially equal to the thickness hp of the pole 12 of the magnet body 10, but may be within a range of about 0.8 to 1.25 times the dimension hp.
磁石体10とコイル2との間の振動による相対速度の絶対値は、磁石体10が筐体3の中央付近を移動するときに大きくなり、一方で筐体3の端部側である固定体4aおよび4bに達して折り返してくるときに小さくなる。したがって、磁石体10が正弦波的な振動をする場合には、振動発電機1のコイル2に接続する出力端子23に出力されるコイル起電力の波形は、筐体3の中央付近を移動するときに大きくなり(正弦波形の腹)、一方で筐体3の端部側である固定体4aおよび4bに達して折り返してくるとき(速度が最小になるとき)に小さくなる(正弦波形の節)。振動発電機1では、それぞれのコイル2a、2b、および、2cのいずれかが、磁石体10のそれぞれのポール12a、12b、および、12cが往復動する範囲に対応することになる。したがって、振動発電機1は、往復動可能に設置される磁石体10が移動すると、透磁率の高いポール12a、12b、および、12cが往復動する範囲に対応して設けられているので、電磁誘導により、より高いコイル起電力が発生する。 The absolute value of the relative velocity due to vibration between the magnet body 10 and the coil 2 increases when the magnet body 10 moves near the center of the housing 3, while the stationary body on the end side of the housing 3. It becomes smaller when it reaches 4a and 4b and returns. Therefore, when the magnet body 10 vibrates sinusoidally, the waveform of the coil electromotive force output to the output terminal 23 connected to the coil 2 of the vibration power generator 1 moves around the center of the housing 3. On the other hand, it becomes large (sinusoidal antinode), and on the other hand, when it reaches the fixed bodies 4a and 4b on the end side of the housing 3 and turns back (when the speed becomes minimum), it becomes small (sinusoidal node). ). In the vibration power generator 1, any one of the coils 2a, 2b, and 2c corresponds to a range in which the poles 12a, 12b, and 12c of the magnet body 10 reciprocate. Therefore, the vibration power generator 1 is provided corresponding to the range in which the poles 12a, 12b and 12c having high permeability reciprocate when the magnet body 10 installed so as to reciprocate moves. Due to the induction, a higher coil electromotive force is generated.
図3は、本実施例の振動発電機1Aの出力電圧を示すグラフであり、振動発電機1の筐体3の中央点(Z=0mm)に位置させた磁石体10が距離Z1(±約15mm:マイナス方向は省略)の範囲で正弦振動する場合について、整流したコイル起電力の波形を示すグラフである。横軸は、中心軸に沿った筐体3の中央点からの相対位置の距離であり、縦軸は整流器22a、22b、および、22cを経た直流電圧である。図3のグラフは、それぞれのコイル2aの出力に対応する波形101a、コイル2bの出力に対応する波形101b、コイル2cの出力に対応する波形101c、さらに、整流器22a、22b、および、22cを合成した出力端子23における太線で記載する出力波形100を含む。 FIG. 3 is a graph showing the output voltage of the vibration power generator 1A of the present embodiment. The magnet body 10 positioned at the center point (Z = 0 mm) of the housing 3 of the vibration power generator 1 has a distance Z1 (± about 15 mm is a graph showing a waveform of the rectified coil electromotive force in the case of sine vibration in a range of 15 mm (minus direction is omitted). The horizontal axis is the distance of the relative position from the central point of the housing 3 along the central axis, and the vertical axis is the DC voltage that has passed through the rectifiers 22a, 22b, and 22c. The graph of FIG. 3 combines the waveform 101a corresponding to the output of each coil 2a, the waveform 101b corresponding to the output of the coil 2b, the waveform 101c corresponding to the output of the coil 2c, and the rectifiers 22a, 22b and 22c. The output waveform 100 indicated by a thick line at the output terminal 23 is included.
図3のグラフでの位置0は、磁石体10の基準となる静止位置を表し、その点で磁石体10の速度が最も速くなるので、コイル2でのコイル起電力も最も大きくなる。3相コイルであるコイル2は、各コイル2a、2b、および、2cを隙間無くずらして組み合わせているので、電圧のピーク点が磁石体10の位置により異なるものの、出力電圧が極端に低下することがない。また、3相コイルであるコイル2を用いるので、各コイル2a、2b、および、2cの最適位置での最大電圧を出力として取り出すことができる。各コイル2a、2b、および、2cは、インピーダンスを同じにしているため、電力でみても優れている。 A position 0 in the graph of FIG. 3 represents a stationary position as a reference of the magnet body 10, and the speed of the magnet body 10 is the highest at that point, so that the coil electromotive force in the coil 2 is also the largest. In the coil 2 which is a three-phase coil, the coils 2a, 2b, and 2c are combined with no gap, so that the output voltage is extremely lowered although the peak point of the voltage varies depending on the position of the magnet body 10. There is no. Further, since the coil 2 that is a three-phase coil is used, the maximum voltage at the optimum position of each of the coils 2a, 2b, and 2c can be taken out as an output. Since the coils 2a, 2b, and 2c have the same impedance, they are excellent in terms of power.
なお、振動発電機1では、コイル2を構成するコイル2a、2b、および、2cは、それぞれ巻幅hcのコイル20a、20b、および20cを複数直列接続して構成しても良く、さらに複数のコイルを加えても良い。コイル2は、複数のコイルの巻線方向、あるいは、直列接続および/または並列接続する極性は、磁石体からの磁束の向きに応じて反転させることができる。磁石体の磁束が有効に鎖交する位置、つまり、磁束密度が高い位置に複数のコイルを設けることで、コイルにおける出力電圧をさらに高めることができる。コイル2は、コイル2a、2b、および、2cに発生するコイル起電力を、打ち消しあうことなく出力端子21に出力するように極性を揃えて接続すればよい。 In the vibration power generator 1, the coils 2a, 2b, and 2c constituting the coil 2 may be configured by connecting a plurality of coils 20a, 20b, and 20c each having a winding width hc in series, and a plurality of coils A coil may be added. In the coil 2, the winding direction of a plurality of coils, or the polarity of series connection and / or parallel connection can be reversed according to the direction of the magnetic flux from the magnet body. By providing a plurality of coils at a position where the magnetic flux of the magnet body is effectively interlinked, that is, a position where the magnetic flux density is high, the output voltage at the coil can be further increased. The coil 2 may be connected with the same polarity so that the coil electromotive force generated in the coils 2a, 2b, and 2c is output to the output terminal 21 without canceling each other.
また、振動発電機1は、振動子である磁石体10が中心軸の方向に移動して振動する場合に、接近する磁石体10と固定体4aおよび4b(あるいは、緩衝磁石5aまたは5b)との間でそれぞれ弾性力を作用させる弾性部材をさらに有してもよい。弾性部材は、非磁性の金属バネ、弾性を有する樹脂、あるいは、気泡を含むフォーム材、等であってもよい。弾性部材は、その両端が、振動子である磁石体10と、固定体4と、に固定される。弾性部材は、磁石体10が移動して筐体の両端に位置する固定体4に勢いよく衝突して衝撃により破壊されるのを防止する。また、移動する磁石体10Cが緩衝磁石5aまたは5bと密着してしまうのを防止することができる。 The vibration power generator 1 also includes a magnet body 10 and fixed bodies 4a and 4b (or buffer magnets 5a or 5b) that approach each other when the magnet body 10 that is a vibrator moves and vibrates in the direction of the central axis. You may further have an elastic member which makes an elastic force act between each. The elastic member may be a nonmagnetic metal spring, an elastic resin, or a foam material containing bubbles. Both ends of the elastic member are fixed to the magnet body 10 as a vibrator and the fixed body 4. The elastic member prevents the magnet body 10 from moving and colliding with the fixed bodies 4 located at both ends of the casing vigorously and being destroyed by impact. Further, it is possible to prevent the moving magnet body 10C from coming into close contact with the buffer magnet 5a or 5b.
本発明の振動発電機は、整流器、蓄電池、充電回路等を含む発電機、あるいは、充電電池、充電器にも適用が可能である。また、本発明の振動発電機を備える電子機器は、可搬性に優れるので、使用者が持ち運ぶモバイル機器、または、振動が多く発生する車両に取り付ける発電機として、特に適する。 The vibration generator of the present invention can also be applied to a generator including a rectifier, a storage battery, a charging circuit, etc., a charging battery, and a charger. In addition, since the electronic device including the vibration generator of the present invention is excellent in portability, it is particularly suitable as a mobile device carried by a user or a generator attached to a vehicle that generates a lot of vibrations.
1、1A 振動発電機
2、2a、2b、2c、20a、20b、20c コイル
3 筐体
4a、4b 固定体
5a、5b 緩衝磁石
10 磁石体
11a、11b、11c、11d 磁石
12a、12b、12c ポール
21a、21b、21c、23 出力端子
22a、22b、22c 整流器
1, 1A Vibration generator 2, 2a, 2b, 2c, 20a, 20b, 20c Coil 3 Housing 4a, 4b Fixed body 5a, 5b Buffer magnet 10 Magnet bodies 11a, 11b, 11c, 11d Magnets 12a, 12b, 12c Pole 21a, 21b, 21c, 23 Output terminals 22a, 22b, 22c Rectifier
Claims (4)
該磁石体が、複数のポールと、該ポールに連結する1つ以上の磁石と、を少なくとも有し、
複数の該コイルのそれぞれが、該磁石体の該ポールの厚みhpに略一致し、かつ、該磁石体の該磁石の厚みhmのn分の一(n:1以上の整数)に略一致する巻幅hcを有して、該磁石体の該ポールが往復動する範囲に対応して該筐体に隙間無く順次巻回され、間にn個の他の該コイルを挟む2つの該コイル同士が相互に直列接続および/または並列接続されて、(n+1)相の出力端子を形成する、
振動発電機。 A plurality of coils, a cylindrical casing around which each of the coils is wound, two fixed bodies respectively provided at both ends of the casing, and each fixed body including magnetized magnets. A magnet body installed so as to be capable of reciprocating along the inner surface of the housing,
The magnet body has at least a plurality of poles and one or more magnets coupled to the poles;
Each of the plurality of coils substantially coincides with the thickness hp of the pole of the magnet body and substantially coincides with 1 / n of the magnet thickness hm of the magnet body (n is an integer of 1 or more). Two coils having a winding width hc, which are sequentially wound around the housing without a gap corresponding to the range in which the pole of the magnet body reciprocates, and sandwiching the n other coils therebetween. Are connected in series and / or in parallel to form an output terminal of (n + 1) phase,
Vibration generator.
請求項1に記載の振動発電機。 The magnet body has at least a plurality of the poles and a plurality of the magnets connected to the poles, and the two magnets sandwich the poles on the side showing the same magnetic pole to form a repulsive magnetic field.
The vibration generator according to claim 1.
請求項1または2に記載の振動発電機。 The two coils sandwiching n other coils in between are connected in series and / or in parallel with each other in opposite phase, and the two coils sandwiching (2n + 1) other coils in between Are connected in series and / or in parallel with each other in positive phase,
The vibration generator according to claim 1 or 2.
請求項1から3のいずれかに記載の振動発電機。
A plurality of rectifiers connected to the output terminals of the (n + 1) phase from the plurality of coils of the vibration generator; and an output terminal to which outputs of the plurality of rectifiers are connected in parallel.
The vibration generator according to any one of claims 1 to 3.
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KR101861255B1 (en) * | 2017-01-03 | 2018-05-25 | 광운대학교 산학협력단 | electroner energy harvester using magnet spring |
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2011
- 2011-01-18 JP JP2011008214A patent/JP2012151986A/en active Pending
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