JP2015019491A - 発電ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】従来の回転形電磁発電機では発電時にコギングトルクが発生するため回転子を回転させるための運動エネルギーの消費が大きくなり、発電に必要なエネルギー当たりの発電量で考えた場合の発電効率が悪くなると言う問題があった。例えば発電効率が悪い電磁発電機を使用した防災時の小形発電機では体力的弱者の子供、女性及び高齢者が所定の時間発電機を作動させることは無理であった。
【解決手段】本発明による発電ユニットは、永久磁石４，４・・の磁極が同極同士反発しあうように配列された永久磁石ホルダ３１を回転子３とし、巻線が施されている電磁変換素子６を固定子としてなる。電磁変換素子６を略コの字形の磁気コア６１，６２が略閉磁路形の独立した磁気回路を形成するように構成する。発電コイルの発電量が増えた分、永久磁石４から電磁変換素子６を離して配置しコギングトルクを減少させ発電に必要な回転力を低減するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石を回転子として回転させ、永久磁石が発生する磁束を固定子側のコアに導き、コアに施した巻線に電気を誘導させる形式の発電ユニットに関する。

スマートフォンや携帯端末の普及がいちじるしい昨今、端末機器への充電は勿論のこと防災意識の高まりにより、災害時の小規模発電における使用者の体力的負荷の低減が求められている。特に体力的弱者の子供、女性および高齢者からの要求に答える必要がある。

さらには、環境保護の面から自転車への関心が強まってきており、自転車を取り巻く道交法の改正、端末機器の発達等も相まって、自転車での電力利用の要求も増加している。
この様な市場環境に求められる発電機は、殆ど意識しないで発電でき、体力的負担の少ない小形のものであろう。

特開２００２−３２０３６４号公報 特開２００９−１２４８００号公報

従来技術として、特許文献１，２に代表されるような永久磁石とコイルの組合せによる、いわゆる電磁誘導を利用した多種類の電磁発電機が提案されている。
これらの中で、発電時の負荷が小さい電磁発電機は、コイルの中に磁気コアが無い空芯コイルと空芯コイルを挟んで設置された複数の永久磁石から構成されているものがある。空芯コイルを挟んで設置されている永久磁石は、陽極（Ｎ極）と陰極（Ｓ極）が対向するようになっている。後述するように、これらの従来技術と、本発明の実施形態に係る発電ユニットとの基本的な構成の相違とその相違に基づいて現れるであろう効果の違いを定量的に明らかにするために、従来技術に基づく発電ユニットを本発明の構成になぞらえて図１１〜２０に示し、同一の機能を持つ要素には同一の数字を付して説明する。

本願の図１４の従来装置断面構造図のように、発電コイル（空芯コイル）は陽極（Ｎ極）と陰極（Ｓ極）が対向している永久磁石の間に有り、複数対の永久磁石が配置されている上下の回転子が同時に図の奥側から手前側に向かって回転軸と共に回転する。回転軸は、図の右側に縦方向に存在する。

本願の図１４において、対向する永久磁石４の陽極（Ｎ極）が発生する磁束７は、大部分が発電コイル（空芯コイル）６６の内側を通過して永久磁石４の陰極（Ｓ極）側に到達する様に、発電コイル（空芯コイル）６６の近傍にコイルを挟む様に設置され回転することにより発電する。対向する永久磁石４が発電コイル（空芯コイル）６６近傍を回転するのは、発電能力を高めるためである。

一方、特許文献１の電磁発電機は、本願の図１４における磁束７を発電コイル（空芯コイル）６６内に導くため、発電コイル（空芯コイル）６６の１個当たりに一対の永久磁石が必要であり、永久磁石４の数量が多くなるため高価になり、発電機の重量が増加する等の問題が発生する。

前記の問題を解決するために、特許文献２の様な永久磁石ホルダ３１（本願の図１５，１６参照）の外周部に同極同士が対向し反発し合うように複数の永久磁石４が配置された回転子３と、回転子３の周囲に配置された発電コイル（空芯コイル）６６からなる固定子で構成され、固定子の内側で回転子３を回転させ電気を誘起する発電機に関する発明が提案されている。
永久磁石４の同極同士を対抗させて配置することにより、回転子３の直径方向に磁束を生じさせることができ、回転子の直径方向と垂直に設置された発電コイル（空芯コイル）６６に対し磁束を通過させることができる。従って、十分な発電量の確保と永久磁石４の数量を減らすことが可能になり、軽量化につながる。

さらに、特許文献２（特に本願の図１７，１８）は、発電コイル６５内を貫通するように固定子５に磁性部材の突起部をヨーク１１として設けることにより、永久磁石４から発生される磁束をヨーク１１に集め発電コイル６５の発電能力を高めている。

特許文献２（本願の図１９，２０）では、発電能力をより高めるため回転子３の永久磁石ホルダ３１の数を増やし、それぞれの永久磁石ホルダ３１の外周部に発電コイル６５を設けている。

特許文献２の回転形電磁発電機は、発電能力を高めるための磁性部材のヨーク１１が有るため、回転子３の永久磁石４と磁性部材（ヨーク）１１の間で吸着が発生し、コギングトルクの抵抗による負荷が増加すると言う問題が生じる。負荷の増加は発電時の体力的負担が増えることに他ならない。

この様な状況から、従来の電磁発電機では、永久磁石の陽極（Ｎ極）から発生された磁束が、磁気抵抗の低い最短磁路を形成して陰極（Ｓ極）に帰還するため、磁気抵抗が高い永久磁石の外部（大気中）に漏れ出る量は少なかった。
図１４は、従来の発電コイルに空芯コイルを用い、上下から永久磁石で挟むタイプの電磁発電機の断面概略図であるが、永久磁石４の陽極（Ｎ極）からの漏れ磁束をより多く外部に引き出す方法としては、図１４に記載するように一対の永久磁石の陽極（Ｎ極）と陰極（Ｓ極）が対抗するように配置することと、図１５，１６（従来技術）のように永久磁石４の同極同士が対抗するように配列し磁極の反発を利用して磁束を永久磁石の外部に向かわせる方法がある。

さらに、図１７，１８（従来技術）に示すように、永久磁石を同極同士が反発する配列にし、永久磁石からの漏れ磁束を多くした上で発電コイル内に磁性部材のヨークを貫通させ、増加した漏れ磁束を効率よく発電コイル内に導くことで発電能力を高めようとするものであった。

これらの方法では、発電コイル数の倍の永久磁石が必要になり、電磁発電機が高価になり、発電機の重量も重くなる等の問題があった。
さらに、図１７，１８においては、発電コイル内に設けた磁性部材のヨークが回転子の永久磁石に引き付けられ、コギングトルクが発生し回転が重くなる現象が起こる。コギングトルクが発生すると、回転子を回転させるための運動エネルギーの消費が大きくなり、発電に必要なエネルギー当たりの発電量で考えた場合の発電効率が悪くなると言う問題があった。こうした発電効率の悪い電磁発電機を使用した小形発電機（防災用）では、体力的弱者の子供、女性及び高齢者が、所定の時間発電機を作動させることは無理であった。

本発明の目的は、回転子の永久磁石を同極同士が反発しあう配列とし、永久磁石の磁束を積極的に外部に漏らした上で、永久磁石に近い外周部に電磁変換効率が良好な電磁変換素子を設け、磁束を電磁変換素子に集め発電能力が更に高まった分を、永久磁石と電磁変換素子に働く吸着力が低下する距離まで電磁変換素子を離すことにより、コギングトルクが減少し発電エネルギーが少なくても発電できる発電ユニットを提供することにある。

前記目的を達成するために本発明の請求項１記載の発電ユニットは、永久磁石の磁極が同極同士反発しあうように配列した永久磁石ホルダを回転子とし、巻線が施されている電磁変換素子を固定子としてなる発電ユニットにおいて、前記電磁変換素子は略コの字形の磁気コアからなる略閉磁路形の独立した磁気回路を含むものとし、発電コイルの発電量が増えた分永久磁石から電磁変換素子を離して配置し、コギングトルクを減少させ、発電エネルギーを低減するように構成してある。

本発明の請求項２記載の発電ユニットは、請求項１記載の発電ユニットにおいて、前記固定子は外側に設けられ、前記固定子側に配置される略コの字形磁気コアの両サイドに、巻線が巻回され磁気コアとした閉磁路形のコアを有する電磁変換素子を１以上設けて構成してある。

本発明の請求項３記載の発電ユニットは、請求項１記載の発電ユニットにおいて、前記固定子は内側に設けられ、前記固定子がインナーステータであるときは、前記固定子側に配置される略コの字形磁気コアの先端部に、４５度を越えないスキュー角を形成し、永久磁石の吸引力を低減して構成してある。

本発明の請求項４記載の発電ユニットは、請求項３記載の発電ユニットにおいて、前記固定子側に配置される略コの字形磁気コアの永久磁石側の先端部に、４５度を越えないスキュー角を形成し、スキュー開始領域は、１ｍｍ以下としてある。

本発明の請求項５記載の発電ユニットは、請求項１〜４記載の発電ユニットにおいて、前記回転子に使用される永久磁石は、フェライト磁石、Ｓｍ−Ｃｏ磁石、またはネオジム磁石から選定された一以上の磁石の組合せとしてある。

本発明の請求項６記載の発電ユニットは、請求項１〜４記載の発電ユニットにおいて、前記固定子側に配置される略コの字形磁気コアの材質は、高透磁率材、高飽和磁束密度材の積層材、または両者の混合積層材のいずれかとしてある。

本発明の発電ユニットは、永久磁石を同極同士反発する方向に複数対抗するように配列された永久磁石ホルダが、回転軸に固着され同一に回転する構造の回転子と、回転子の周囲に配置された少なくとも一対以上の発電コイルを備える電磁変換素子が、複数個配置された固定子からなる。

前述の本発明の発電ユニットによれば、永久磁石ホルダに配列された永久磁石において、磁極の同極同士が対向する隣接しあう２個以上の永久磁石の回転方向と略垂直方向に磁束を生じることになる。このように本発明の発電ユニットに使用した永久磁石の一部の配列と、その漏れ磁束の状態を図１０に拡大して示してある。この回転方向と略垂直に発生した永久磁石の磁束を、永久磁石ホルダと回転軸が固着され一体となって回転する回転子の周囲に配置された、発電コイルが巻回された電磁変換素子に効率よく通過させることで発電コイルには、より大きな発電量が得られる。
電磁変換素子は、磁性材料からなり回転子の陽極（Ｎ極）から漏れ出る磁束を効率良く拾い導き、発電コイルの内側を通過させて陰極（Ｓ極）側に戻す役割をするため、略コの字形の磁気コアを２個突き合わせ固着した略閉磁路構造となっている。
電磁変換素子と永久磁石の結合関係を強めるため、固着された２個の略コの字形の磁気コアを一対毎に独立した電磁変換素子としており、磁束が磁気抵抗の小さい最短磁路を通過するため、より一層大きな発電量が得られる。

発電コイルが施された複数の電磁変換素子が配置された固定子と、上述の回転子の組み合わせの本発明において、電磁変換素子で積極的に発電量を稼ぎ出した分を永久磁石と電磁変換素子との距離に振り向けることで、コギングトルクの少ない発電を可能としている。

本発明によれば、回転子の永久磁石を同極同士反発し合う方向で配置することで、個々の永久磁石から発生される磁束が反発し合い、磁石の外部に漏れる磁束が増えると同時に磁極面から到達する距離が伸びるだけでなく、閉磁路形の磁気コアを有する電磁変換素子を回転子の外周部に配置し、外部への漏れ磁束が増え、到達距離が伸びた磁束を効率良く発電コイルに導くことで、発電量はさらに大きくなる。

本発明における第１の実施形態であるインナーロータ形発電ユニットの平面図である。 図１の発電ユニットの側面断面図である。 本発明における第１の実施形態のインナーロータ形の変形例である多連発電ユニットの平面図である。 図３の発電ユニットの側面断面図である。 本発明における第２の実施形態であるアウターロータ形発電ユニットの平面図である。 図５の発電ユニットの側面断面図である。 本発明における第２の実施形態のアウターロータ形発電ユニットに使用した磁気コアの概略形状図である。 本発明における第２の実施形態のアウターロータ形変形例である多連発電ユニットの概略平面図である。 図８の発電ユニットの側面断面図である。 本発明の発電ユニットに使用した永久磁石配列と、その漏れ磁束の状態を示す説明図である。 従来の発電ユニットに使用されていた永久磁石配列と、その漏れ磁束の状態を示す説明図である。 従来のインナーロータ形発電ユニットの平面図である。 図１２の発電ユニットの側面断面図である。 従来の発電コイルに空芯コイルを用い、上下から永久磁石で挟むタイプの電磁発電機の断面概略図である。 従来の発電コイルに空芯コイルを用い、回転子の外周部に配置したタイプの回転形電磁発電機の平面図である。 図１５の回転形電磁発電機の側面断面図である。 従来の発電コイル内に磁性部材のヨークを貫通させたタイプの回転形電磁発電機の平面図である。 図１７の回転形電磁発電機の側面断面図である。 図１７タイプの多連回転形電磁発電機の平面図である。 図１９の多連回転形電磁発電機の側面断面図である。 各電磁発電機のタイプ別出力電圧（相対値）の比較グラフである。 各電磁発電機を用いて作製した手回し発電機における、手回し回転軸の回転トルクを相対比較したグラフである。

以下、図面を参照して発明の実施の形態を詳しく説明する。
図１は、本発明による発電ユニットの第１の実施形態の平面図であり、図２は図１のＡ−Ａ’断面図である。発電ユニット１の固定子５は以下の構成の電磁変換素子６を４個支持している。
電磁変換素子６は、略コの字形の厚み０．１ｍｍの薄板の磁性体を、所定の厚みになるように積層した第１の磁気コア６１に第１の発電コイル６３を巻回したものと、同じ構成の第２の磁気コア６２に第２の発電コイル６４を巻回したものとを組み合わせ固定したものである。
永久磁石４は、永久磁石ホルダ３１に、同極同士反発し合う位置関係を保って１２個配置されて固着されており、回転軸２に固着され、一体に回転可能に設けられている。１２個の永久磁石４の発生する磁束の分布については図１０を参照されたい。

固定子５側の電磁変換素子６に使用されている磁性材料としては、鉄、ケイ素鋼、パーマロイ、アモルファス等あるいはそれらを複合積層して使用できるが、この実施例ではパーマロイを使用した。
回転子３に使用される永久磁石４は、フェライト磁石、Ｓｍ−Ｃｏ磁石、ネオジム磁石等、発電ユニットに求められる発電特性により選択可能であるが、実施例ではネオジム磁石を使用した。
電磁変換素子６には、永久磁石４に吸引される方向の力が働くが、発電コイル６３，６４からは十分すぎるだけの発電量が得られるため、電磁変換素子６と永久磁石４の距離を離して吸着力が小さく、かつ必要な発電量が得られる位置にする。

図３，図４（第１の実施形態の変形例）は、図２の本発明の回転子３の永久磁石４の長さを長くし、長くした永久磁石４に合わせた永久磁石ホルダ３１に固着したものである。電磁変換素子６の配置は図１の状態とし、固定子５に多段状態の電磁変換素子６の固定配置部を設け、平面図上の配置は同一として固定子５の中心で回転子３を回転させる。この変形例では、電磁変換素子６を３層にした発電ユニットにし、発電量を増加させることができた。

図５，図６（第２の実施形態）は、回転子３の永久磁石４の配置は第１の実施形態の回転子３と同じにし、固定子５を中心として回転子３が回転するアウターロータ形の発電ユニットにしたものである。回転子３の内側に固定子５が配置されている。発電コイル６３，６４が施された電磁変換素子６は固定子５の所定の位置に４個固定配置されている。

図７は、第２の実施形態の電磁変換素子の詳細を示す説明図である。図７の（ｂ）は、アウターロータ形の発電ユニットに使用した電磁変換素子６の形状の例であり、第１の磁気コア６１と第２の磁気コア６２は、図１の場合と同様に作製される。略コの字形の第１，第２の磁気コア６１，６２の先端には、永久磁石４との吸着力を更に小さくするため、スキュー角が設けられている。
この実施例では、スキュー角の開始位置を第１の磁気コア６１と第２の磁気コア６２の先端の対抗ギャップ端面から１ｍｍ以下（図７の（ｂ）の右側の電磁変換素子６のスキュー角の開始位置は０ｍｍ）、スキュー角を３０度にした電磁変換素子６を使用している。

図８および図９（第２の実施形態の変形例）は、図５〜７に示したアウターロータ形発電ユニットにおいて、回転子３の永久磁石４の長さを長くし、長くした永久磁石４に合わせた永久磁石ホルダ３１に固着したものである。電磁変換素子６の配置は図５〜７の状態とし、固定子５に多段状態の電磁変換素子６の固定配置部を設け、平面図上の配置は同一として固定子５を中心に回転子３を回転させる。
この変形例では、電磁変換素子６を３層にした発電ユニットにし、発電量を増加させたものである。

（本発明の第１の実施形態と比較例との性能の対比）
性能の比較ができるように、第１の実施形態と比較例の回転子と固定子の関係配列を以下のようにした。

本発明の第１の実施形態（図１）の諸元は次のとおりである。
回転子３の外形 ６０ｍｍ 磁石４の個数 １２ 磁極の配列 図１０参照
固定子５の内径 ６６ｍｍ 電磁変換素子６の個数 ４

比較例（図１２）の諸元は次のとおりである。
回転子３の外形 ６０ｍｍ 磁石４の個数 １２ 磁極の配列 図１１参照
固定子５の内径 ６６ｍｍ 電磁変換素子６の個数 ４

比較例（図１４）の諸元
比較すべき他の例との関係では形式が相当異なるものであるから略同仕様の発電コイルを用いて試作したものを用いた。

比較例（図１７）の諸元は次のとおりである。
回転子３の外形 ６０ｍｍ 磁石４の個数 １２ 磁極の配列 図１０参照
固定子５の内径 ６６ｍｍ 発電コイル６５の個数 ４

図２１は、第１の実施形態（図１，２）記載の発電ユニットと、比較例（図１２，１４，１７）の構成の発電ユニットとの出力電圧を比較して示したグラフであり、電磁変換素子を回転子の永久磁石磁極端部から、所定の距離離した場合の各電磁発電機の相対出力電圧のグラフである。
本発明の図１，図２の構成のものが相対出力電圧値が最も大きく、図１７，１４，１２の順に出力が低下していることが分かる。図２１より、本発明の電磁変換素子を用いた発電ユニットの出力電圧が飛び抜けて大きいことが理解できる。大きくなった分の発電量を、永久磁石から電磁変換素子の距離を離す方向に振り向けることにより、永久磁石と電磁変換素子の吸着力が少なくなりコギングトルクの抵抗が小さい、発電エネルギーロスの少ない高効率発電ができる。
図２２は、各発電ユニットを用いて手回し発電機を作製し、手回し発電を行った場合の手回し軸の回転トルクを測定した時の相対結果を示すグラフである。回し初めは空芯コイルタイプの発電機（図１４）でも初期摩擦等でトルクは高くなるが、回し続けると低い値で一定となる。
図２２より、本発明の発電ユニット（図１，２）では、空芯コイルタイプ（図１４）のトルクまでは低下しないものの、従来タイプ（図１７）に比較すると軸トルクも大幅に低減され、発電エネルギーロスの少ない高効率発電が可能となっている。

本発明の発電ユニットによれば、コギングトルクによる抵抗負荷を少なくすることができ、発電時のエネルギーロスを小さくできるため、自転車走行時のモバイル機器、端末機器への充電は勿論、体力的弱者の子供、女性及び高齢者も楽に発電可能な発電機能付き防災用品に利用することができる。
また、環境保護の高まりで、自然界、周辺環境に存在するあまり大きくない運動エネルギーから、自分で消費する小電力を自前で賄うマイ発電用の発電機として利用できる。
本発明の発電ユニットのサイズをもう少し大形化した場合、回転子を回転させるだけの運動エネルギーが有る風力は勿論、水力、波力等の自然界のエネルギーを使った軽発電にも利用可能である。
以上詳しく説明した実施形態は例示であり、本発明の範囲内で種々の変形をすることができる。スキュー角は４５度を越えないものとし、スキュー角の開始位置、ギャップの大きさの組み合わせにより、電磁変換素子の特性を調整することができる。

１ 発電ユニット
１０１ 多連発電ユニット
１０２ 従来の多連回転形電磁発電機
２ 回転軸（シャフト）
３ 回転子
３１ 永久磁石ホルダ
４ 永久磁石
４１ 陽極（Ｎ極）
４２ 陰極（Ｓ極）
５ 固定子
６ 電磁変換素子
６１ 第１の磁気コア
６２ 第２の磁気コア
６３ 第１の発電コイル
６４ 第２の発電コイル
６５ 発電コイル
６６ 発電コイル（空芯コイル）
７ 磁束（漏れ磁束）
８ 従来の発電ユニット
９ 従来の電磁発電機
１０ 従来の回転形電磁発電機
１１ 磁性部材（ヨーク）

Claims (6)

1. 永久磁石の磁極が同極同士反発しあうように配列した永久磁石ホルダを回転子とし、巻線が施されている電磁変換素子を固定子としてなる発電ユニットにおいて、
   前記電磁変換素子は略コの字形の磁気コアからなる略閉磁路形の独立した磁気回路を含むものとし、
   発電コイルの発電量が増えた分永久磁石から電磁変換素子を離して配置し、コギングトルクを減少させ、
   発電エネルギーを低減するように構成したことを特徴とする発電ユニット。
2. 請求項１記載の発電ユニットにおいて、
   前記固定子は外側に設けられ、
   前記固定子側に配置される略コの字形磁気コアの両サイドに、巻線が巻回され磁気コアとした閉磁路形のコアを有する電磁変換素子を１以上設けて構成したことを特徴とする発電ユニット。
3. 請求項１記載の発電ユニットにおいて、
   前記固定子は内側に設けられ、
   前記固定子がインナーステータであるときは、前記固定子側に配置される略コの字形磁気コアの先端部に、４５度を越えないスキュー角を形成し、永久磁石の吸引力を低減して構成したことを特徴とする発電ユニット。
4. 請求項３記載の発電ユニットにおいて、
   前記固定子側に配置される略コの字形磁気コアの永久磁石側の先端部に、４５度を越えないスキュー角を形成し、スキュー開始領域は、１ｍｍ以下としたことを特徴とする発電ユニット。
5. 請求項１〜４記載の発電ユニットにおいて、
   前記回転子に使用される永久磁石は、フェライト磁石、Ｓｍ−Ｃｏ磁石、またはネオジム磁石から選定された一以上の磁石の組合せであることを特徴とする発電ユニット。
6. 請求項１〜４記載の発電ユニットにおいて、
   前記固定子側に配置される略コの字形磁気コアの材質は、高透磁率材、高飽和磁束密度材の積層材、または両者の混合積層材のいずれかとしたことを特徴とする発電ユニット。

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