JP2013165580A

JP2013165580A - 発電機

Info

Publication number: JP2013165580A
Application number: JP2012027484A
Authority: JP
Inventors: Seiichi Takahashi; 誠一高橋; Koji Shibayama; 浩司柴山; Yosuke Oguma; 洋介小熊
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2012-02-10
Filing date: 2012-02-10
Publication date: 2013-08-22

Abstract

【課題】回転軸の軸方向の移動で間隙を変化させることができ、その上、回転軸の短い移動ストロークで発電機の出力を変化させることができる発電機を提供する。
【解決手段】外力が入力される回転軸４に外挿される回転子５と、この回転子の外周５３との間に磁束が通過可能な間隙Ｇを存して受け入れる固定子６とを備える本発明の発電機Ｅは、回転子の外周５３を軸方向一方に向かって細りのテーパ状に形成すると共に、固定子の内周６２を、回転子の外周に対応するテーパ状に形成している。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電機に関する。

従来、発電機として、風力や水力などの外力が入力される回転軸に外挿される回転子と、この回転子の外周との間に磁束が通過可能な間隙（エアギャップ）を存して受け入れる固定子とを備え、例えば固定子にコイルを有するものが一般に知られている。このような発電機の出力（ＶＡ）は、回転子と固定子との磁気中心を軸方向に相互にずらすと変化するため、回転軸に入力される外力（負荷トルク）に応じて、固定子に対する回転子の軸方向における相対位置を変える機構を設けることも一般に知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

ところで、回転子と固定子との間の間隙は、狭くするほど磁束密度が大きくなるので、磁気吸引力が増大する。このため、回転軸を回転させて発電する場合、例えば始動時のように外力が弱いときには、間隙を拡げてコギングトルクを小さくすれば、出力は小さいものの、弱い力で回転軸を円滑に回転することができる。他方で、外力が大きくなった場合には、回転子と固定子との間隙を狭くすれば、効率よく所定出力で発電することができる。

然しながら、上記従来例のような発電機では、固定子に対する回転子の軸方向における相対位置を変えても間隙が変化せず、しかも、出力を変化させるには、大きなストロークで相対位置を変える必要があり、発電機の大型化を招来するという問題がある。

特開平５−８５４７１号公報特開２００２−３６２４８８号公報

本発明は、以上の点に鑑み、回転軸の軸方向の移動で間隙を変化させることができ、その上、回転軸の短い移動ストロークで発電機の出力を変化させることができる発電機を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、本発明は、外力が入力される回転軸に外挿される回転子と、この回転子の外周との間に磁束が通過可能な間隙を存して受け入れる固定子とを備え、前記回転子の外周を軸方向一方に向かって細りのテーパ状に形成すると共に、前記固定子の内周を、回転子の外周に対応するテーパ状に形成したことを特徴とする。

本発明によれば、回転子の外周と固定子の内周とをテーパ状に形成したため、例えば回転軸を軸方向一方に移動させれば、回転子の外周と固定子の内周とが互いに離間して間隙が拡がる一方で、この回転軸を軸方向他方に移動させれば、回転子の外周と固定子の内周とが互いに近接して間隙が狭くなる。そして、例えば回転軸を軸方向に移動すれば、回転子の外周と固定子の内周とが互いに離間させて間隙を拡げることと、固定子及び回転子の磁気中心がずれることとが相俟って、上記従来例のものより短い移動ストロークで発電機の出力を変化させることが可能となり、発電機が大型化することを抑制できる。

本発明においては、前記回転軸に入力される外力に応じて、回転子を固定子に対して軸方向に相対移動させて回転子と固定子との間の間隙を変化させる間隙調節手段を更に備えることが好ましい。これによれば、例えば始動時のように外力が弱いときには、間隙を拡げてコギングトルクを小さくして回転軸を円滑に回転することができる一方で、外力が所定値より大きくなると、回転子と固定子との間隙を狭くして効率よく所定出力で発電する構成が実現できる。

本発明の実施形態の発電機をその始動時の状態で示す断面図。回転軸が高速回転されている状態を示す断面図。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態の発電機Ｅについて説明する。以下では、図１を基準として、左、右といった方向を示すものとするが、これに限定されるものではない。

図１を参照して、発電機Ｅは、筒状のハウジング１を備え、ハウジング１の左側開口には、当該開口を閉塞する第１ブラケット２ａが装着されている。第１ブラケット２ａの内側中央には、軸受３ａを収容する凹部を形成する環状壁２１が形成されている。他方、ハウジング１の右側開口にも、当該開口を閉塞する第２ブラケット２ｂが装着されている。第２ブラケット２ｂの内側中央には、軸受３ｂを収容する凹部を形成する環状壁２２が形成されている。そして、第２のブラケット２ｂの中央に形成した透孔２３を通して回転軸４がハウジング１内に挿入され、この回転軸４が、両ブラケット２ａ、２ｂに設けた軸受３ａ、３ｂで支承される。

ハウジング１内に位置する回転軸４の部分には回転子５が外挿されている。回転子５は、珪素鋼等の高透磁率材料製で筒状の輪郭を持つように成形されたコア５１を備え、この回転子５から電流を取り出すために図示省略のブラシが設けられている。この場合、回転軸４の外周には左右方向にのびるキー４１，４１が径方向に所定間隔で複数設けられている。また、コア５１の内周面には、各キー４１，４１に対応するキー溝５２が形成されている。そして、各キー溝５２に各キー４１，４１を係合させて回転軸４に回転子５を外挿した状態では、回転子５は回転軸４に対して回転方向に規制される一方で、回転軸４に対して軸方向に相対移動可能となる。また、回転子５の外周面５３は、軸方向一方（図１中、左端から右端）に向かって細りのテーパ状に形成されている。この場合、回転子５の外周面５３に沿う延長線と、回転軸４の軸線ＲＡとのなす角度（テーパ角）とが所定角度になるように設定されている。この場合のテーパ角は、例えば、発電機のサイズ、回転子５及び固定子６の材質、外力の種類（風力、水力、熱、波等）、要求されるコギングトルク、エアギャップを考慮して適宜設定される。

ハウジング１内周面には、回転子５の外周５３との間に磁束が通過可能な間隙Ｇを存して回転子５を受け入れる固定子６が支持部材６１を介して設けられている。固定子６は、例えば永久磁石の複数を筒状の輪郭をなすように組み付けて構成されている。固定子６の内周面にはコイル６２が設けられ、このコイル６２の内周面６３が、回転子５の外周に対応するテーパ状、例えば、内周面６３に沿う延長線と回転軸４の軸線ＲＡとのなす角度を上記と一致させて形成されている。固定子６の構成については公知のものが利用できるため、ここでは詳細な説明を省略する。そして、回転軸４を外力で回転させると、回転子５のコイル６２が磁束中を移動することで、このコイル６２に起電力が発生する。なお、図１及び図２中、Ｃは、制御回路基板である。

また、ハウジング１内に位置する回転軸４の第１ブラケット２ａ側の部分には、円板からなる基準板７が設けられている。基準板７の第２ブラケット２ｂ側の面には、スライダウエイト８が設けられ、スライダウエイト８がリンク８１を介して回転子５に連結されている。また、基準板７の第２ブラケット２ｂ側の面と回転子５との間には所定のばね定数を有するコイルばね９が縮設されている。回転軸４の停止状態では、コイルばね９により回転子５が軸方向左端位置に保持され、この状態では、回転子５と固定子６との間の間隙Ｇが最大（Ｇｍａｘ）となる。

次に、回転軸４に入力される外力で回転軸４が回転されると、スライダウエイト８に加わる遠心力に応じて、コイルばね９に抗して回転子５が固定子６に対して軸方向右側に向かって相対移動する。更に、回転軸４の回転数が増加し、リンク８１が略線状に延びた状態になると、回転子５と固定子６との間の間隙Ｇが最小（Ｇｍｉｎ）となる。この場合、これらの基準板７、スライダウエイト８及びコイルばね９が、回転軸４に入力される外力に応じて、回転子５を固定子６に対して軸方向に相対移動させて回転子５と固定子６との間の間隙Ｇを変化させる間隙調節手段を構成する。

上記実施形態によれば、回転子５の外周面５３と固定子６に設けられたコイル６２の内周面６３とをテーパ状に形成したため、回転軸４を軸方向左側に移動させれば、回転子５の外周面５３とコイル６２の内周面６３とが互いに離間して間隙Ｇを拡がることができる一方で、回転軸４を軸方向右側に移動させれば、回転子５の外周面５３とコイル６２の内周面６３とが互いに近接して間隙Ｇが狭くなる。そして、例えば回転軸４を軸方向に移動すれば、間隙Ｇを拡げることと、固定子５及び回転子６の磁気中心がずれることとが相俟って、上記従来例のものより短い移動ストロークで発電機Ｅの出力を変化させることが可能となる。

ここで、回転子５の外周面５３及びコイル６２の内周面６３のテーパ角をθとすると、回転子５を固定子６に対して軸方向に移動ストロークＡだけ相対移動した場合、間隙Ｇは、Ａｓｉｎθで変化する。このため、θが小さい程、回転子５及び固定子６を相対移動させても間隙Ｇの変化量が小さく、また、磁力は、間隙Ｇの２乗に反比例するので、相対移動のストロークより間隙Ｇの変化量の方が小さいため、間隙Ｇの調節による出力調整が容易になる。このため、発電機Ｅが大型化することを抑制できる。また、間隙調節手段７，８，９を備えたため、始動時のように外力が弱いときには、間隙Ｇを拡げてコギングトルクを小さくして回転軸４を円滑に回転することができる一方で、外力が所定値より大きくなると、回転子５と固定子６との間隙Ｇを自動的に狭くして効率よく所定出力で発電する構成が実現できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態のものに限定されるものではない。上記実施形態では、固定子６の内周面６３にコイル６２を設けたものを例に説明したが、コイルは、例えば、回転子５の外周面に設けてもよく、この場合、固定子６の内周面と回転子５の外周に設けたコイルの外周面とをテーパ状にすればよい。また、固定子６を軸方向に移動させる構成を採用してもよく、他のどんな公知の構成も採用できる。更に、上記実施形態では、基準板７、スライダウエイト８及びコイルばね９で間隙調節手段を構成したものを例に説明したが、回転軸に加わる外力で固定子に対して回転子を軸方向に相対移動し得るものであれば、上記に限定されるものではない。

Ｅ…発電機、４…回転軸、５…回転子、５３…外周（面）、６…固定子、６２…外周（面）、７…基準板（間隙調節手段）、８…スライダウエイト（間隙調節手段）、９…コイルばね（間隙調節手段）、Ｇ…間隙。

Claims

外力が入力される回転軸に外挿される回転子と、この回転子の外周との間に磁束が通過可能な間隙を存して受け入れる固定子とを備え、
前記回転子の外周を軸方向一方に向かって細りのテーパ状に形成すると共に、前記固定子の内周を、回転子の外周に対応するテーパ状に形成したことを特徴とする発電機。
前記回転軸に入力される外力に応じて、回転子を固定子に対して軸方向に相対移動させて回転子と固定子との間の間隙を変化させる間隙調節手段を更に備えることを特徴とする請求項１記載の発電機。