JP2019022427A - 磁気遊星歯車式発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】歯車騒音が発生せず、構造が簡単で経済性の高い発電機を提供する。
【解決手段】風車や水車などの回転体と一体に組み立てられたキャリアを公転させ、磁気遊星歯車と固定磁気歯車により、増速された自転を磁気遊星歯車部に発生させ、発電を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、風車や水車の様に、主に自然エネルギを受けて回転運動をする物体から、発電を行うための装置に関する。

自然環境の立場から、風力や小規模水流型発電などの自然エネルギを利用した発電の要求は強い。発電を行う際には、増速が必要になり、従来は機械式歯車が用いられる事が多かった。それにより、以下の問題が生じていた。
問題点１：歯車騒音が発生する。風力発電などでは、普及の妨げになっている。
問題点２：騒音の問題は、電気使用地から離れた場所での発電に繋がり易く、その間の 送電設備が新たに必要になる場合、設置、維持のためのコストの問題も発生 する。
問題点３：定期的なグリース塗布などの保守が必要になる。
問題点４：歯車の摩耗や破損が発生する。急激に大きな力が加わる強風や鉄砲水などの 時には停止させる事も必要になる。エネルギが大きな状態が活かされないだ けでなく、停止のためのハード面、ソフト面での負担も発生する。
問題点５：増速と発電は完全に別機能であり、別の部分で行われる。このため発電機本 体の大型化・部品増にもつながる。発電機本体の製造コストだけでなく支持 部の大型化、設置場所、設置コスト、安全にも関係する。
問題点６：大増速比が必要な場合は多い。機械式歯車では多歯数高慣性モーメントの歯 車の可動が必要になり、微弱な風力や水力などでは、機能しない事も有る。
上記の欠点を改善するために、非接触式の磁気歯車の使用が考えられる。特許文献１の様な物が提案されている。

特開２０１６−２２３５８１号

しかしながら、磁気歯車は力の伝達に問題が有る。特許文献１では、発電機の入力部に磁気歯車を用いている。そこから先の慣性モーメントに対し、充分な入力エネルギが与えられない場合には、空回りや主動に対し充分な従動が得られない事が発生する。このため磁気歯車の伝動効率は高くない。一方で高増速を得るために、２段で磁気歯車を使用している。例えば伝達効率を７割とした場合、２段では４９％と半分以下になる。エネルギ効率は、低くならざるを得ない。
本発明は上記問題を改善し、低騒音で保守性も高く、経済性に優れた発電機を提供するものである。

上記の課題を解決するために、増速機構としては、キャリア入力型の磁気遊星歯車を用いた。風車や水車の様な回転体とキャリアは一体化する様に組み立てられている。このため滑りを発生させる事無く、同期した回転が伝えられる。キャリアには磁気遊星歯車（極数Ｚ２）が自転可能に接続される。対向面には、回転不能な固定磁気歯車（極数Ｚ１）が、設置されている。キャリア回転により、磁気遊星歯車部は、公転運動するが、固定磁気歯車からの磁力による吸着力と反発力を受ける。このため磁気遊星歯車部は、遊星軸を中心とした自転運動も行う。ここでキャリアを従動させた場合に比して、磁気遊星歯車部の慣性モーメントは非常に小さくできる。このため磁気歯車であっても、比較的、滑りなく回転させる事ができる。これが請求項１である。

磁石は吸着力により近着こうとし、吸着力は近づく程、強力になる。風力発電など間欠的回転の場合には、吸着力が最大なった点で停止する事が多い。次に可動させる場合には、この吸着力以上の力が必要になり、停止状態が長く続いてしまう。また回転動作中においても、吸着力がブレーキとして作用し、効率低下させる事も起き易い。対策として、反発力を常に発生させる事で、吸着力が過大になる事を防ぐ。磁気歯車にはモジュールの概念は無い。相手の複数の磁石に対し、吸着力と反発力を発生させる大きさの磁石を選択する事は容易である。これが請求項２である。

キャリア１公転当たりの自転数を増やそうとすれば、磁気遊星歯車の磁極数は少ない方が良い。一方でそうする事で１自転当たりのＮ極・Ｓ極の切り替わり回数は減る。この問題を解決するために、磁気遊星歯車部に、主に自転を起こさせるための部分（磁極数Ｚ２）と発電のみをさせるための部分（磁極数Ｚ３）に分け、Ｚ３＞Ｚ２とした。ここでＺ２の最小値は２である。１公転当たりの自転数は、Ｚ１／Ｚ２であるが、それにＺ３を乗じた数がＮ極・Ｓ極の切替わり数である。結果、大きな増速比が得られる。これが請求項３である。

以上の発明により、歯車の接触が無くなり、騒音、摩耗、破損の問題が解決する。騒音問題が無くなり、市街地などでも使用できるため、送電設備への負担も軽減される。摩耗、破損が無くなる事で長寿命し、グリース塗布などの保守も不要になる。簡略な構造になり、製造コストも下がる。以上から、ランニングコストが低く、経済性の高い発電機が提供できる。

以下、図面を参照して説明する。

図１、図２、図３は請求項１、２に基づき、風力発電に用いた実施例である。風により、回転体５が回転動作する。入力回転軸１０に対し、回転体５とキャリア２は、ネジにより一体化される様に組立られている。故にキャリア２は、回転体５と同期して回転（公転）する。キャリア２には、Ｎ極、Ｓ極が交互に配置されたＺ２個の永久磁石３１、遊星軸３２、抜け止め３３により構成された磁気遊星歯車部３が、遊星軸３２を中心に自転可能に取り付けられている。ケースＡ８には、Ｚ１個の永久磁石４１が、Ｎ極、Ｓ極交互に固定された固定磁気歯車部４が構成されている。磁気遊星歯車部３は、永久磁石４１による吸着力と反発力を受け、自転も発生する。
ケースＡ８に固定されたコイルＡ６は、磁気遊星歯車部３の自転公転により、滑りが発生しない場合には、Ｚ１回分のＮ極、Ｓ極切替による電磁誘導により、発電し外部出力される。 図３から分かる様に、いかなる自転・公転位置においても、永久磁石３１は、永久磁石４１から、吸着力と反発力の両方を受ける様に、設計されている。

図４、５、６は、に請求項１、２、３に基づく実施例を示す。磁気遊星歯車部３に公転・自転を起こさせる原理は、実施例１と同じである。永久磁石３１、永久磁石４１間で、常時、吸着力と反発力を発生させる設計も同じである。永久磁石３１とは、別に極数Ｚ３の永久磁石３４が、ＭＧ軸３５に取り付けられている。ＭＧ軸３５は、遊星軸３２に圧入カシメされ、両者は一体化されているため、同じ自転運動を行う。例えば、Ｚ１＝４０、Ｚ２＝２、Ｚ３＝１２とする。キャリア２が１公転すると、滑りが発生しない場合には、永久磁石３４の、Ｎ極、Ｓ極の切り替わりは２４０回行われ、コイルＢ７、コイルＣ１５は電磁誘導が発生し発電される。永久磁石３４の極数は、特別な理由が無い限り偶数で、１８０°ずれた位置では、Ｎ極同士かＳ極同士になる。図６に示される様に、コイルＢ７は、反対側からも磁力を受ける事ができる。その反面、外周側に隙間が大きくなり易いため、片側だけから磁力を受けるコイルＣ１５と併用されている。両方のコイルは、永久磁石３４より、僅かに幅が狭い。そのため、磁力の最大値を高められるとともに、一瞬にして、減少に転じさせる事ができる。以上の工夫により、電力量を大きくしている。

請求項１、２に基づく発電機の組立図である。 図１のＢ−Ｂ断面図である。 図１のＡ−Ａ断面図を基に、各磁石及びコイルの位置関係を示した図である。 請求項１、２、３に基づく発電機の組立図である。 図４のＣ−Ｃ断面図である。 図４のＤ−Ｄ断面図を基に、永久磁石及びコイルの位置関係を示した図である。

１ 発電機
２ キャリア
３ 磁気遊星歯車部
３１ 永久磁石
３２ 遊星軸
３３ 抜け止め
３４ 永久磁石
３５ ＭＧ軸
４ 固定磁気歯車部
４１ 永久磁石
５ 回転体
６ コイルＡ
７ コイルＢ
８ ケースＡ
９ ケースＢ
１０ 入力回転軸
１１ 軸受Ａ
１２ 軸受Ｂ
１３ 軸受Ｃ
１４ 軸受Ｄ
１５ コイルＣ
１０１ 発電機

Claims (3)

1. 風力、水力等の外力を受ける回転体と一体になる様に組み立てられたキャリア、回転不能な固定磁気歯車（極数Ｚ１）、キャリアに取り付けられ自転公転可能な磁気遊星歯車部及び発電のためのコイルを有し、磁気遊星歯車部は、増速と発電の役割を兼用する事を特徴とする発電機。
2. 増速に寄与する固定磁気歯車部と磁気遊星歯車部には、常に吸着力と反発力が作用している事を特徴とする請求項１記載の発電機。
3. 磁気遊星歯車部は、主に増速のため永久磁石（極数Ｚ２）と発電用の永久磁石（極数Ｚ３）を有し、Ｚ３＞Ｚ２とした事を特徴とする請求項１記載の発電機。

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