JP2014079119A - 発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】空芯コイルの組み付け性を向上すること。
【解決手段】本発明の発電機は、軸部材と、前記軸部材の周方向に環状に配置される複数の第１永久磁石と、各々の前記第１永久磁石に対向して環状に配置される複数の第２永久磁石と、前記第１永久磁石と前記第２永久磁石との間の空間において、前記軸部材の周方向に環状に配置される複数の空芯コイルと、前記軸部材と同軸で前記軸部材に固定され、前記複数の空芯コイルを支持する円板状のコイル支持体と、前記軸部材に回転自在に取り付けられ、前記コイル支持体を収容すると共に前記第１及び第２永久磁石を支持する磁石支持体と、を備え、前記コイル支持体は、前記空芯コイル毎に、該空芯コイルが装着される有底の凹部を有する。
【選択図】図４

Description

本発明は発電機に関する。

比較的小型の風力発電用或いは水力発電用の発電機として、例えば、特許文献１に記載の永久磁石式の発電機が提案されている。この発電機では起動時に必要なトルクを低下するため、空芯コイルが用いられている。一方、風力発電や水力発電の場合、必ずしも常時大きな風力或いは水力を得られないため、比較的低回転での発電が求められる場合が多い。このため、極数及びコイル数が多くなる傾向にある。

特許第４７８２３０３号公報

極数及びコイル数が多くなると、組み付け工数が多くなり生産効率が悪化する。また、永久磁石やコイルの位置が適切でないと発電効率が劣るため、その組み付けに際してはより簡便に位置決めが可能であることが好ましい。

空芯コイルの組み付けに関し、特許文献１のものでは、空芯コイルを支持する基盤に貫通孔を設けて個々の空芯コイルを収容している。組む付けの段階で、空芯コイルが貫通孔の深さ方向に動く可能性があり、その固定のための手間がかかる。

本発明の目的は、空芯コイルの組み付け性を向上することにある。

本発明によれば、軸部材と、前記軸部材の周方向に環状に配置される複数の第１永久磁石と、各々の前記第１永久磁石に対向して環状に配置される複数の第２永久磁石と、前記第１永久磁石と前記第２永久磁石との間の空間において、前記軸部材の周方向に環状に配置される複数の空芯コイルと、前記軸部材と同軸で前記軸部材に固定され、前記複数の空芯コイルを支持する円板状のコイル支持体と、前記軸部材に回転自在に取り付けられ、前記コイル支持体を収容すると共に前記第１及び第２永久磁石を支持する磁石支持体と、を備え、前記コイル支持体は、前記空芯コイル毎に、該空芯コイルが装着される有底の凹部を有する、ことを特徴とする発電機が提供される。

また、本発明によれば、軸部材と、前記軸部材の周方向に環状に配置される複数の第１永久磁石と、各々の前記第１永久磁石に対向して環状に配置される複数の第２永久磁石と、前記第１永久磁石と前記第２永久磁石との間の空間において、前記軸部材の周方向に環状に配置される複数の空芯コイルと、前記軸部材と同軸で前記軸部材に固定され、前記複数の空芯コイルを支持する円板状のコイル支持体と、前記軸部材に回転自在に取り付けられ、前記コイル支持体を収容すると共に前記第１及び第２永久磁石を支持する磁石支持体と、を備え、前記コイル支持体は、前記空芯コイルが着座する底部と、前記底部から起立し、該空芯コイルの空芯部に挿入される突出部と、を有することを特徴とする発電機が提供される。

また、本発明によれば、軸部材と、前記軸部材の周方向に環状に配置される複数の第１永久磁石と、各々の前記第１永久磁石に対向して環状に配置される複数の第２永久磁石と、前記第１永久磁石と前記第２永久磁石との間の空間において、前記軸部材の周方向に環状に配置される複数の空芯コイルと、前記軸部材と同軸で前記軸部材に固定され、前記複数の空芯コイルを支持する円板状のコイル支持体と、前記軸部材に回転自在に取り付けられ、前記コイル支持体を収容すると共に前記第１及び第２永久磁石を支持する磁石支持体と、を備え、前記コイル支持体は、前記空芯コイルが着座する底部と、前記底部から起立し、隣接する前記空芯コイル間に介在する壁部と、を有することを特徴とする発電機が提供される。

本発明によれば、空芯コイルの組み付け性を向上することができる。

本発明の一実施形態の係る発電機の断面図。 （Ａ）は第１ユニットの底面図、（Ｂ）は第２ユニットの平面図。 （Ａ）は空芯コイルを支持した状態のコイル支持体の平面図、（Ｂ）は空芯コイルが無い状態のコイル支持体の平面図。 空芯コイル及びコイル支持体の斜視図。 （Ａ）乃至（Ｄ）はコイル支持体の他の構成例の説明図。 （Ａ）乃至（Ｃ）はコイル支持体の他の構成例の説明図。 （Ａ）及び（Ｂ）はコイル支持体の他の構成例の説明図。

図１は本発明の一実施形態に係る発電機Ａの断面図（切断面端面図）である。発電機Ａは、軸部材１と、複数の永久磁石４及び５を支持する磁石支持体２と、空芯コイル６を支持するコイル支持体３と、を備える。本実施形態の場合、軸部材１及びコイル支持体３が固定子を構成し、磁石支持体２が回転子を構成するが、逆の関係であってもよい。なお、本実施形態では、図１の線Ｌ１が上下方向である場合を想定する。

軸部材１は、本体部１１と、フランジ部１２及び１３と、を一体に備える。本体部１１は、中心軸線がＬ１で示される円筒体をなしており、その内部空間１１ａは電気配線の配設空間を形成している。本体部１１の周面には、内部空間１１ａと連通した配線取出用の横孔１５が形成されており、内部空間１１ａ内の電気配線を外部へ導くことが可能となっている。

フランジ部１２及び１３は、本体部１１と同軸の円形をなしており、フランジ部１３はフランジ部１２よりも大径とされて、コイル支持体３との取付部を形成している。フランジ部１２の周面には、内部空間１１ａと連通すると共に、コイル支持体３の溝部３６と連通する配線用の横孔１４が形成されている。後述するように、本実施形態では溝部３６が複数箇所（ここでは３箇所）形成されており、横孔１４は各溝部３６に対応した数だけ設けられている。この横孔１４を介して、空芯コイル６からの配線を内部空間１１ａ内に取り入れることができる。

本実施形態の発電機Ａを垂直軸型の風力発電システムに適用する場合、例えば、本体部１１の下端部が土台に固定され、磁石支持体２には風車が連結される。そして、軸線Ｌ１周りの風車の回転により発電機Ａが発電する。

次に、図１及び図２を参照して磁石支持体２について説明する。磁石支持体２は第１ユニット２１と、第２ユニット２２とを備える。図２（Ａ）は第１ユニット２１の底面図であり、図２（Ｂ）は第２ユニット２２の平面図である。

第１ユニット２１は、ケース部材２１１と、永久磁石４を支持する磁石支持板２１２と、を備える。本実施形態では、ケース部材２１１と磁石支持板２１２とを別部材としたが、これらを一体的に備えた一部材としてもよい。ケース部材２１１は、その中央部に軸部材１の上端部よりも僅かに口径が大きい開口部２１１ａを有する円板状をなし、開口部２１１ａの周囲には軸受２１４が装着される凹部２１１ｂが形成されている。軸受２１４は本実施形態の場合、ボール軸受であり、その内筒に軸部材１１の本体部１１が挿入されると共にフランジ部１２が当接する一方、その外筒が凹部２１１ｂに装着される。軸受２１４は軸線Ｌ１と同軸に配置され、軸受２１４によって第１ユニット２１は軸部材１に回転自在に取り付けられる。

磁石支持板２１２は、中央部が開口した、軸線Ｌ１と同軸の円板状をなしている。磁石支持板２１２の内周縁及び外周縁には複数のねじ孔が形成されており、複数のねじ２１３によりケース部材２１１に固定されている。

複数の永久磁石４は例えば接着剤などにより磁石支持板２１２に固定される。複数の永久磁石４は、軸部材１の周方向に環状に配置されており、軸線Ｌ１と同軸の仮想円上に等ピッチで配置されている。永久磁石４の個数は、発電機Ａの相数や、磁石支持体２の想定回転数等によって適宜設定されるが、本実施形態では、発電機Ａが３相交流発電機で、比較的低速で回転する場合を想定しており、永久磁石４の個数は３２個（３２極）としている。隣接する永久磁石４は互いに極性が異なり、周方向で順にＮ極→Ｓ極→Ｎ極．．．というように配置されている。

第２ユニット２２は、第１ユニット２１を略上下に反転させた構成となっている。第２ユニット２２は、ケース部材２２１と、永久磁石５を支持する磁石支持板２２２と、を備える。第１ユニット２１の場合と同様、ケース部材２２１と磁石支持板２２２とは一部材としてもよい。

ケース部材２２１は、その中央部に軸部材１の本体部１１が挿通する開口部２２１ａを有する円板状をなし、開口部２２１ａの周囲には軸受２１４が装着される凹部２２１ｂが形成されている。軸受２２４は本実施形態の場合、ボール軸受であり、その内筒に軸部材１１の本体部１１が挿入されると共にフランジ部１２が当接する一方、その外筒が凹部２２１ｂに装着される。軸受２２４は軸線Ｌ１と同軸に配置され、軸受２２４によって第２ユニット２２は軸部材１に回転自在に取り付けられる。

第１ユニット２１のケース部材２１２の外周部には、ねじ２ａが挿通する複数の孔２１１ｃ（本実施形態の場合、１２個）が形成されており、第２ユニット２２のケース部材２２２の外周部には、複数の孔２１に対応して、ねじ２ａが螺合する複数のねじ孔２２１ｃが形成されている。しかして、複数のねじ２ａによってケース部材２１２とケース部材２２１とが締結され、第１ユニット２１と第２ユニット２２とが一体化された磁石支持体２が構成され、軸部材１に回転自在に取り付けられる。

磁石支持板２２２は、中央部が開口した、軸線Ｌ１と同軸の円板状をなしている。磁石支持板２２２の内周縁及び外周縁には複数のねじ孔が形成されており、複数のねじ２２３によりケース部材２１１に固定されている。

複数の永久磁石５は例えば接着剤などにより磁石支持板２２２に固定される。複数の永久磁石５は、軸部材１の周方向に環状に配置されており、軸線Ｌ１と同軸の仮想円上に等ピッチで配置されている。永久磁石５の個数は、永久磁石４の個数と同数とされ、かつ、各永久磁石５が各永久磁石４と対向するように配置される。永久磁石５の極性は、対向する永久磁石４と逆の極性とされる。このため、永久磁石４の場合と同様に、隣接する永久磁石５は互いに極性が異なり、周方向で順にＳ極→Ｎ極→Ｓ極．．．というように配置されている。

第１ユニット２１と第２ユニット２２との間には、空芯コイル６及びコイル支持体３の収容空間が形成され、ここに空芯コイル６及びコイル支持体３が収容されている。図１、図３及び図４を参照してコイル支持体３について説明する。図３（Ａ）は空芯コイル６を支持した状態のコイル支持体３の平面図、図３（Ｂ）は空芯コイル６が無い状態（取り付け前の状態）のコイル支持体３の平面図である。図４は空芯コイル６及びコイル支持体３の斜視図であり、１つの空芯コイル６がコイル支持体３に未装着の状態を示している。

コイル支持体３は軸線Ｌ１と同軸の円板状をなし、例えば、合成樹脂から一体に成型される。コイル支持体３は、その中央部に軸部材１のフランジ部１２が挿通する、軸線Ｌ１と同軸円形の開口部３１を有する。開口部３１の周囲は、軸部材１のフランジ部１３が取り付けられる装着部３２を形成している。装着部３２は軸線Ｌ１と同軸円弧形状の区画壁３３で区画されている。

装着部３２には取付孔３２ａが形成されている。フランジ部１３には取付孔３２ａに対応する取付孔が形成されており、図１に示すように固定具３０（ここではリベット）によって、互いに固定される。こうして、コイル支持体３は軸部材１に同軸で固定される。

コイル支持体３は、空芯コイル６が装着される、空芯コイル６毎の支持部３４を備える。本実施形態の場合、空芯コイル６は２４個設けられており、支持部３４の数も２４となっている。各支持部３４は、空芯コイル６が永久磁石４と永久磁石５との間の空間において、軸部材１の周方向に環状に配置されるように形成されており、更に詳しくは、各支持部３４は、空芯コイル６が軸線Ｌ１と同軸の仮想円上に等ピッチで配置されているように形成されている。

本実施形態の場合、支持部３４は、底部３４ａと壁部３４ｂとを含む有底の凹部であり、空芯コイル６は底部３４ａに着座し、支持部３４に収容されるようにして、接着剤等によって支持部３４に固定される。支持部３４の深さ或いは底部３４ａの厚さや、装着部３２の軸方向の位置等は、底部３４ａに着座した空芯コイル６が、永久磁石４と永久磁石５との空間の略中央に位置するように設定される。壁部３４ｂは、底部３４ａから起立して形成されており、隣接する空芯コイル６間に介在する部分を含む。これは隣接する空芯コイル６が接触することを防止する。

本実施形態の場合、壁部３４ｂは、空芯コイル６を囲むように、その全周に渡って形成されており、その高さ（凹部の深さ）は、内周側で低く、外周側で高くなっている。これにより、内周側では空芯コイル６の装着容易性や配線容易性を確保する一方、外周側では空芯コイル６の支持性能や保護性能の向上を図れる。

コイル支持体３は、また、支持部３４の内周側において、軸部材１の周方向に環状に形成された配線空間形成部３６を備える。配線空間形成部３６は、区画壁３３で区画されてその外周側に形成されており、底部３４と区画壁３３の上面との中間の高さに形成されている。ここには、空芯コイル６間を結線するための配線を通過させることができる。配線は、基板に形成されていてもよく、この場合は基板を配線空間形成部３６に固着することも可能である。区画壁３３の上面よりも低い位置で配線を通過させることができるので、配線が第１ユニット２１と接触することをより確実に防止できる。また、空芯コイル６を支持部３４に装着した後、コイル支持体３の上面側から結線作業を行うことができ、作業性を向上できる。

コイル支持体３は、また、配線用の溝部３７を備える。溝部３７は、開口部３１から配線空間形成部３６に渡って形成されており、本実施形態の場合、３箇所形成されている。上記の通り、軸部材１のフランジ部１２には、溝部３７と連通する横孔１４が形成されており、配線空間形成部３６における配線を溝部３７でまとめて横孔１４から軸部材１内に導入し、外部に取出すことができる。

係る構成からなる発電機Ａでは、磁石支持体２が軸部材１周りに回転することで、永久磁石４及び５間の磁束が空芯コイル６を横切り、これにより空芯コイル６で電力を発電する。発電機Ａの組み立て作業における、空芯コイル６のコイル支持体３に対する組み付けにおいては、空芯コイル６毎に支持部３４が用意されているので、空芯コイル６を支持部３４に順次差し込めば、その位置決めと共に組み付け作業を行うことができる。その際、支持部３４は底部３４ａを有しているので、空芯コイル６が底部３４ａ上に着座して安定して静止する。その後、接着剤等を順次充填する等して空芯コイル６を固定することができ、組み付け性を向上することができる。

＜他の実施形態＞
以下、支持部３４の他の構成例について説明する。なお、各構成例は適宜互いに組み合わせることも可能である。

上記実施形態では、挿入部３５を設けた構成したが、図５（Ａ)に示すように、挿入部３５を設けない構成も採用可能である。この場合、主として、壁部３４ｂにより空芯コイル６の位置決めを行うことができる。

また、底部３４ａは空芯コイル６が着座可能であれば、例えば、図５（Ｂ）に示すように、底部３４ａを貫通する開口部３４ａ’を一部に有していてもよい。

また、上記実施形態では、挿入部３５を底部３４ａから起立した構成としたが、これに限られない。例えば、図５（Ｃ）に示すように、支持部３４毎の蓋部材３８を設け、蓋部材３８に挿入部３５に代わる挿入部３８ａを設けてもよい。図５（Ｃ）は、蓋部材３８及び空芯コイル６の分解状態と組み付け状態とを示しており、蓋部材３８は空芯コイル６の上面を覆う形状を有している。底部３４ａには挿入部３８ａの下端部が挿入される開口部３４ａ”が形成されており、蓋部材３８及び挿入部３８ａの位置決めを容易なものとしている。蓋部材３８の挿入部３８ａ以外の部分の厚みは底部３４ａの厚みと同じにすることが好ましい。

上記実施形態では、支持部３４を凹部として形成したが、挿入部３５のみの構成としてもよい。図６（Ａ）及び（Ｂ）はその一例を示し、図６（Ａ）は支持部３４の断面図、図６（Ｂ）は支持部３４の平面図を示している。同図の例では、支持部３４は底部３４ａから起立した挿入部３５のみとなっており、支持部３４毎の壁部３４ｂが無い構成である。この構成の場合、主として、挿入部３５により空芯コイル６の位置決めを行うことができる。

上記実施形態では、壁部３４ｂを空芯コイル６を囲むように、その全周に渡って形成したが、隣接する空芯コイル６間に介在する部分のみとしてもよい。図６（Ｃ）及び（Ｄ）はその一例を示し、図６（Ｃ）は支持部３４の断面図、図６（Ｄ）は支持部３４の平面図を示している。同図の例では、支持部３４は底部３４ａから起立した壁部３４ｃ’は、空芯コイル６の側方部分のみに形成されている。この構成の場合、主として、壁部３４ｃ’により空芯コイル６の位置決めを行うことができる。

上記実施形態では、凹部状の支持部３４の内周面（壁部３４ｃの表面）を平滑な面である場合を想定したが、内側に突出した凸部を設けてもよい。図７（Ａ）はその一例を示しており、支持部３４の平面図を示している。同図に示すように、壁部３４ｃは凸部Ｐを有しており、その先端部が空芯コイル６の外周面に接触している。この構成によれば、空芯コイル６を支持部３４に装着する際の抵抗が小さくなり、空芯コイル６の位置決め性能を維持しながら、組み付け性を更に向上できる。

同様の考えで、挿入部３５の側周面に外方に突出した凸部を設けてもよい。図７（Ｂ）はその一例を示しており、挿入部３５の平面図を示している。同図に示すように、挿入部３５の側周面に凸部Ｐが形成されており、その先端部が空芯コイル６の空芯部６ａの内周面に接触している。この構成によれば、空芯コイル６を支持部３４に装着する際の抵抗が小さくなり、空芯コイル６の位置決め性能を維持しながら、組み付け性を更に向上できる。

Claims (8)

1. 軸部材と、
   前記軸部材の周方向に環状に配置される複数の第１永久磁石と、
   各々の前記第１永久磁石に対向して環状に配置される複数の第２永久磁石と、
   前記第１永久磁石と前記第２永久磁石との間の空間において、前記軸部材の周方向に環状に配置される複数の空芯コイルと、
   前記軸部材と同軸で前記軸部材に固定され、前記複数の空芯コイルを支持する円板状のコイル支持体と、
   前記軸部材に回転自在に取り付けられ、前記コイル支持体を収容すると共に前記第１及び第２永久磁石を支持する磁石支持体と、
   を備え、
   前記コイル支持体は、
   前記空芯コイル毎に、該空芯コイルが装着される有底の凹部を有する、
   ことを特徴とする発電機。
2. 前記コイル支持体は、
   前記凹部の内周側において、前記軸部材の周方向に環状に形成された配線空間形成部を備えた、
   ことを特徴とする請求項１に記載の発電機。
3. 前記コイル支持体は、
   前記軸部材が挿通する開口部と、
   前記開口部から前記配線空間形成部に渡って形成された配線用の溝部と、を備え、
   前記軸部材は筒体であると共に、その内部空間と前記溝部とを連通する横孔を有する、ことを特徴とする請求項２に記載の発電機。
4. 前記凹部は、その底部から起立して前記空芯コイルの空芯部に挿入される挿入部を有する、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発電機。
5. 前記凹部は、
   凸部が形成された内周面を有する、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発電機。
6. 軸部材と、
   前記軸部材の周方向に環状に配置される複数の第１永久磁石と、
   各々の前記第１永久磁石に対向して環状に配置される複数の第２永久磁石と、
   前記第１永久磁石と前記第２永久磁石との間の空間において、前記軸部材の周方向に環状に配置される複数の空芯コイルと、
   前記軸部材と同軸で前記軸部材に固定され、前記複数の空芯コイルを支持する円板状のコイル支持体と、
   前記軸部材に回転自在に取り付けられ、前記コイル支持体を収容すると共に前記第１及び第２永久磁石を支持する磁石支持体と、
   を備え、
   前記コイル支持体は、
   前記空芯コイルが着座する底部と、
   前記底部から起立し、該空芯コイルの空芯部に挿入される挿入部と、
   を有することを特徴とする発電機。
7. 前記挿入部は、
   凸部が形成された側周面を有する、
   ことを特徴とする請求項４又は６に記載の発電機。
8. 軸部材と、
   前記軸部材の周方向に環状に配置される複数の第１永久磁石と、
   各々の前記第１永久磁石に対向して環状に配置される複数の第２永久磁石と、
   前記第１永久磁石と前記第２永久磁石との間の空間において、前記軸部材の周方向に環状に配置される複数の空芯コイルと、
   前記軸部材と同軸で前記軸部材に固定され、前記複数の空芯コイルを支持する円板状のコイル支持体と、
   前記軸部材に回転自在に取り付けられ、前記コイル支持体を収容すると共に前記第１及び第２永久磁石を支持する磁石支持体と、
   を備え、
   前記コイル支持体は、
   前記空芯コイルが着座する底部と、
   前記底部から起立し、隣接する前記空芯コイル間に介在する壁部と、
   を有することを特徴とする発電機。

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