JP2021035084A

JP2021035084A - 交流発電機

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Publication number: JP2021035084A
Application number: JP2019150059A
Authority: JP
Inventors: 冨田　学; Manabu Tomita; 学冨田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-08-19
Filing date: 2019-08-19
Publication date: 2021-03-01

Abstract

【課題】家電機器等に直接的に接続することが可能な電圧波形及び周波数を備え、家庭用の非常用電源として使い易く安価な発電機を提供する。【解決手段】発電機は、二つの永久磁石２を回転軸４の周囲に放射状に複数組配置した回転子と、二つの永久磁石２の間に位置する複数の電機子コイル１を有す固定子とを有する。二つの永久磁石２は互いに引き合う磁性の方向を持つため、その間に磁束を形成し、回転子の外周に隣接する永久磁石２の磁性の方向が交互に配置され、複数の電機子コイル１はそれぞれ略Ｕ字型、且つ正弦波形に近似した形状である。【選択図】図１

Description

この発明は交流発電機に関するものである。

特許文献1等に見られる様に、風力発電機は、風任せのため発電機の回転数が一定しない、すなわち周波数が安定しない、発生する電圧波形も規則的な正弦波にはならず、家庭用の交流電源として直接使用することが出来ない。その為、発生した交流をいったん直流に変換し、その後ＤＣ／ＡＣコンバータ等で交流に再変換して家庭用電源に供給もしくは売電のため送電線に連系するという手段を取らざるを得なかった。

特許文献3においても、発生した単相交流電圧は、家庭用の交流電源として直接使用することが出来ない為、インバータ及び電圧安定化回路により、所定電圧の商用周波数の単相交流電圧に変換する方法を提案している。

特許文献3は、回転子に円形磁石を使用し、固定子である電機子はコアレスの複数の円の渦巻状コイルを平面に配置し、ＤＣモーターによる回転を提案している。しかし、円形磁石と渦巻状の電機子コイルを組み合わせた場合、磁石の移動に伴いコイルの中で打ち消しあう方向に起電力が発生する瞬間があるので、発生電圧の効率が悪く、また波形も正弦波にならない。このため、特許文献3の発明においては、発生電圧を高くするために回転子の回転数を上げているが、これにより発生する交流の周波数も高くなる。その結果、家庭用の交流電源として直接使用することが出来ない為、発生した交流をいったん直流に変換し、その後ＤＣ／ＡＣコンバータ等で交流に再変換せざるを得ない。

特許文献4では、やはり電機子として渦巻状のコイルを平面に配置した水力発電システムを提案しているが、この方法も水力発電なので発電機の回転数が一定しない。すなわち周波数が安定せず、発生する電圧波形も規則的な正弦波にならないため、発生した交流をいったん直流に変換し、ＤＣ／ＡＣコンバータ等で家庭用の交流電源に変換する方法を採用している。発生する交流電圧も、固定子が渦巻状コイルのため、波形が正弦波にならない。

前記いずれの発明も周波数が一定しなかったり、発生する電圧波形が正弦波にならなかったりということから、家庭用の交流電源として使用するためには発生した交流をいったん直流に変換してＤＣ／ＡＣコンバータ等で変換するという手段を選ばざるを得ない。また、発生する交流電圧を高める為に、永久磁石の磁束が固定子である電機子コイルと鎖交する部分に鉄心（コア）を配置すると、永久磁石と鉄心（コア）が引き合う力（コギングトルク）が発生し、回転子がスムーズに回転できないので、電機子コイルはコアレスとせざるを得ないことは共通の課題である。その対策として電機子コイルの形状を扇形やサインカーブに類似した湾曲形のリング状とする方法が提案されているが、コアレスの電機子コイルでは限界がある。

特許第3047180号公報特開2005-160197号公報特開2016-92917号公報実用新案第3175706号公報

家電機器等に直接的に接続することが可能な電圧波形及び周波数を備え、家庭用の非常用電源として使い易く安価な交流発電機の提供を目的とする。

本発明の発電機は、二つ直方体状の永久磁石を、前記永久磁石の長手方向が回転軸に略平行または略直交する向きに配置し、かつ、前記回転軸の周囲に放射状に複数組配置した回転子と、前記二つの永久磁石の間に位置する複数の電機子コイルを有す固定子とを有し、前記二つの永久磁石は互いに引き合う磁性の方向を持つため、その間に磁束を形成し、前記回転子の外周に隣接する永久磁石の極磁性の方向が交互に配置され、前記複数の電機子コイルはそれぞれ前記永久磁石の長手方向にコイルの上端と下端を有し、前記永久磁石の長手方向の一端は前記コイルの上端に一致するか、前記上端より前記コイルの外側に配置され、前記永久磁石と前記コイルが対向する範囲の前記コイルの形状は、前記コイルの上端を正弦波（サインカーブ）の尖頭とする前記正弦波の半周期に近い曲線状であることを特徴とする。

本発明によれば、正弦波に近い発電波形が得られ、家電機器等に直接的に接続することが可能な電圧波形及び周波数を備え、家庭用の非常用電源として使い易く安価な交流発電機の提供することができる。

本発明の非常用交流発電機の一実施例を示す斜視図、図１の軸方向断面図、図１の上面図、実施例１の回転子斜視図、フレミングの右手の法則の説明図、三角型コイルの発電説明図、および、三角型コイルの発電波形、台型コイルの発電説明図、および、台型コイルの発電波形、略Ｕ字型コイルの発電説明図、および、略Ｕ字型コイルの発電波形、この発明に関わる実施例１のコイル形状を変形した側面図、この発明に関わる実施例３の側面図、この発明に関わる実施例４の側面図、この発明に関わる実施例５の側面図、この発明に関わる実施例６のドーナツ状永久磁石の斜視図。この発明に関わる実施例７の斜視図、図１４の上面図、

以下、本発明の発電機をそれぞれの実施例に基づいて説明するが、本発明がこれらの実施例に限定されないことは言うまでもない。

まず、発電波形を正弦波形（サインカーブ）に近似した形状にするための方法を説明する。

フレミングの右手の法則を利用した発電機の基本は図５に示す様に、磁束の中を電線が通過することにより、電流が発生するという現象を用いている。例えば、図６（Ａ）の様に対向する永久磁石で形成した磁束を、三角形の形状にした電線に対して、永久磁石を図の右から左方向に移動させると、相対的に三角形の電線が図の左から右に移動したことと同じである為、電線の右側には図６（Ａ）に示した様に図の下から上に向かって電流が発生する。永久磁石が図の右側の入口部分を越えて三角形の頂点を通過すると図６（Ｂ）に示す様に、左側の電線には同じく図の下から上に向かって電流が発生するので、電線の中では電流の向きが逆転する。永久磁石が左側の電線を超えたところで、次の永久磁石がまた右側の電線に対して作用し、この永久磁石は極性が反転しているので右側のコイルには図の上から下に向かって新たに電流が発生する。すなわち、電線の中ではその前に発生した左側の電流と同じ向きに電流が流れる。この現象を繰り返すことにより電線の中では連続的に交流電流が発生し、永久磁石が連続して通過するので、図６（Ｃ）に示す様に、三角波の交流波形となる。

図７（Ａ）の様に電線の形状を台形とした場合は右側の斜め部分の電線に発生する電流は三角形の場合と同じであるが、図７（Ｂ）に示す様に台形の上底部分を永久磁石が通過する際には右手の法則から外れる為、電線には電流が発生しない。図７（Ｃ）に示す様に永久磁石が台形上底部分を過ぎて左側の斜め部分の電線を通過した時点で電流が発生する。電線の形状が台形の場合は図７（Ｄ）に示す様に、部分的に電流がゼロとなる不規則な三角波の交流波形となる。

図８の様に電線の形状を略Ｕ字型、且つ正弦波形（サインカーブ）に近似した形状とした場合、連続して発生する交流波形は正弦波形に近い波形となる。これまでの説明では電線を単線として扱ってきたが、これを複数回巻いてコイル状にした場合でも、発生する交流波形は同じであることは言うまでもない。

本発明では、図８に示す方法により、コイルの形状を略Ｕ字型、且つ正弦波（サインカーブ）に近似した形状とし、対向する永久磁石で磁束を形成し、隣り合った永久磁石の極性がそれぞれ反転した組合せのものをコイルに対し連続的に通過させることによって、正弦波に近い交流波形を発電するものである。

すなわち、図１に示す様に、回転子である複数組の永久磁石２の間に位置する複数の固定子である電機子コイル１の形状を前記永久磁石の長手方向に上端を有する正弦波形（サインカーブ）に近似した曲線状とすることにより、発生する電圧波形を規則的な正弦波形に近づけることが可能となる。また複数の永久磁石２の数を複数の電機子コイル１の数の２倍の数を配置し、回転子を駆動するモーター３の回転数を適切に一定速度で回転させることにより、発電する周波数は家庭用の交流電源として直接的に使用できる周波数を得ることが可能である。発生する電圧を高くするためには、コギングトルクの力が及ばない永久磁石２の磁束が鎖交する電機子コイル１部分から離れた開口部の位置に磁心６を配置することにより可能となる。

なお、特許文献1は、電機子コイルの形状をサインカーブに類似した湾曲形のリング状に形成する方法を提示している。しかし、段落0007に記載されるように、この目的は円形コイルに比べて誘起起電力が大きくなる為としており、発生する電圧波形を正弦波形に近づける為の手段としている訳ではない。

図１に示した様に本発明は対向する二つの永久磁石２（磁石対）を回転軸４の周囲に放射状に複数組配置した回転子を備え、図２に示した様に前記対向する二つの永久磁石２（磁石対）の間に位置する複数の電機子コイル１を有す固定子を有する。図３に示した様に前記固定子を挟むように配置された磁石対の二つの永久磁石２は互いに引き合う磁性の方向を持ち、且つ、前記回転子の外周に隣接する永久磁石２の磁性の方向を交互に配置して、各磁石対が６０度を基準とする所定角度に配置される。さらに、前記複数の電機子コイル１はそれぞれ１２０度を基準とする所定角度で配置され、一つの電機子コイル１はそのコイル両端が約６０度の角度で配置される様にフォーミングされている。前記回転子はＤＣモーター３等により一定速度で回転することにより、発電を行うものである。

回転子である永久磁石２の回転する円周軌道には３個の電機子コイル１が１２０度を基準とするほぼ等間隔で配置されており前記所定角度で隣り合った、磁性の方向が反転した磁石対が電機子コイル１に対し連続的に通過することによって、交流波形を発電する。発生する電圧波形を正弦波に近づける為には、回転子の磁石対が通過する（磁束が固定子である電機子コイル１と鎖交する）部分の略Ｕ字型のコイル１の形状を正弦波形(「サインカーブ」の正部分（1サイクルの半分＝半周期分）と近い形状にすれば良いことは、図８により説明を行ったとおりである。また、正弦波の半周期に相当する間隔で略Ｕ字型の電機子コイル1を挟んで対向する隣り合った永久磁石２のＮ，Ｓ極性を逆に配置する。（図３）この状態で、対向するＮ,Ｓ極間の永久磁石２（回転子）が固定子である電機子コイル１（形状が正弦波の正部分）を挟んで回転子が回転する方向に移動して、電機子コイル１（正弦波の正部分）の半周期分を磁極方向Ｎ→Ｓによって電流が流れ、その永久磁石２が半周期分を移動し終わった時点で次の対向する永久磁石２が通過するが、この対向する永久磁石２は磁極方向Ｓ→Ｎであるので、先ほど通過した永久磁石２によって流れた方向とは逆方向に電流が流れる。この磁極が互いに引き合う向きの対向する永久磁石２の組合せが連続して一定速度で電機子コイル１の両側を通過することによって、電機子コイル１には交流電流が発生する。電機子コイル１の形状は、完全な正弦波とすることは略Ｕ字型である以上、不可能であるが、その形状をなるべく正弦波に近い形状とすれば、発生する交流電圧の波形も正弦波に近くなる。この発電機で発電した電圧は商用電源から送電線に送って売電するわけではない。あくまでも非常用交流発電機として使用するため、発生する交流電圧が完全な正弦波形でなくても、実用上差し支えない。また、その電圧波形は正弦波と比較して大きな高調波を含んでいるわけではないので、使用する家庭用機器に対してもほとんどダメージを与えない。仮に商用電源として売電等を行うのであれば、発生した交流を直流に変換し、ＤＣ／ＡＣコンバータ等であらためて完全な正弦波の交流に変換すれば可能である。

電機子コイル１の数が３個の場合、回転子の磁極が互いに引き合う向きの対向する永久磁石２はコイルの数の２倍すなわち６組を必要とする。電機子コイル１は回転軸４の軸方向から見てそれぞれが１２０度を基準とする所定角度にあり、一つのコイルの両側の巻線の位置は６０度を基準とするほぼ等間隔で配置されるものとする。回転子である永久磁石２の６組の位置も回転軸４から見て６０度を基準とするほぼ等間隔で配置され、それぞれの隣り合った永久磁石２の極性は逆になっている。（図３）この配置で回転軸４を中心として回転子の永久磁石２が回転し、一つの電機子コイル１の入口側で外側永久磁石２（Ｎ極）から内側永久磁石２（Ｓ極）に向けて磁束が通過する。電機子コイル１の入口側及び出口側の間隔ピッチと回転する永久磁石２の間隔ピッチが同じで、隣り合った永久磁石２の極性が異なるため、電機子コイル１の入口側で図の上から下へ電流が発生するとき、電機子コイル１の出口側では反対向きに電流が発生する。すなわち、一つの電機子コイル１の中では同じタイミングで同じ向きに電流が発生する。この例の場合、電機子コイル１を３個、それぞれ約１２０度間隔で配置しており、回転子の永久磁石２も同様の間隔ピッチで配置され、回転しているため、３個の電機子コイル１にはほぼ同じタイミングで電流が発生する。従って、３個の電機子コイル１を直列に接続すれば、一個あたりの電機子コイル１が発電する電圧の約３倍の電圧が得られる。また、３個の電機子コイル１を並列に接続すれば、一個あたりの電機子コイル１が発電する電流の約３倍の電流が得られる。一個あたりの電機子コイル１は巻数を増やすとそれに比例して得られる電圧が増加するが、回転子の磁極が互いに引き合う向きの対向する永久磁石２に挟まれた内側に配置しなければならない為、寸法上の制約があるので巻数をむやみに増やすことは出来ない。このため、電機子コイル１を直列または並列に接続して、得られた電圧が低い場合はステップアップ変圧器で昇圧することにより、非常用電源として必要な電圧を得ることが可能となる。

回転子である永久磁石２の回転する円周軌道には３個の電機子コイル１が１２０度を基準とするほぼ等間隔で配置されているので、回転子が１周する間に３周期分の発電が行われる。回転子を駆動するＤＣモーター３の回転数を１０００ｒｐｍ（回転／分）とすると、１秒間当たりの回転数は、１０００÷６０＝１６．６６６・・ｒｐｓ（回転／秒）となる。回転子が１周する間に３周期分の発電が行われるので、１秒当たりの発電周期は１６．６６６・・×３＝５０周期分、すなわち５０Ｈｚの発電周波数となり、家庭用交流電源として直接的に接続することが可能な周波数が得られる。また、駆動するＤＣモーター３の回転数を１２００ｒｐｍとすると、発電周波数は６０Ｈｚとなる。

従来技術では、永久磁石２の磁束が固定子である電機子コイル１と鎖交する部分に鉄心（コア）を配置すると、永久磁石２と鉄心（コア）が引き合う力（コギングトルク）が発生し、回転子がスムーズに回転できない為、電機子コイル１はコアレスとせざるを得ず、その対策として電機子コイル１の形状を扇形やサインカーブに類似した湾曲形のリング状とする方法を提案している。しかるに、本発明ではコギングトルクの影響が及ばない位置、すなわち回転子である永久磁石２と鎖交する部分から離れた位置である開口部に磁心６を配置することにより、コギングトルクの発生を回避している。コアレスの電機子コイル１の周回する内部に磁心６を配置すると、電機子コイル１のインダクタンスが増加する。回転子である永久磁石２により、電機子コイル１に電流が発生するわけであるが、電機子コイル１のインダクタンスが高い方が電機子コイル１に発生する電圧は高くなる。1個の電機子コイル１をリアクトルとして見た場合、巻線の両端に発生する電圧Ｖは

Ｖ＝２πｆＬＩが成立する。

ここで、ｆ：周波数（Ｈｚ）、Ｌ：インダクタンス（Ｈ）、Ｉ：電流（Ａ）である。すなわち、電機子コイル１の周回する内部に磁心６を配置するので、電機子コイル１のインダクタンスが大きくなる。よって、電機子コイル１の両端に発生する電圧は高くなる。尚、電機子コイル１の形状を図９の様に下部分を斜めに変形しても発生する電圧に変化は無い。

本発明では電機子コイル１を３個配置しており、それぞれの電機子コイル１を直列に接続すれば、発生する電圧は一個の電機子コイル１の３倍の電圧が得られる。また、それぞれの電機子コイル１を並列に接続すれば、発生する電流は一個の電機子コイル１の３倍の電流が得られる。直列接続及び並列接続のどちらの場合でも周波数は変わらない。

尚、回転子の対向する永久磁石２を固定するホルダーはコの字型をした鉄板等、磁束を通す金属のヨーク５に固定することにより、電機子コイル１に作用する磁束量を強めることが期待できる。

回転子の対向する永久磁石２はネオジム磁石等を採用することにより、電機子コイル１に作用する磁束の量が強まることは言うまでもない。

本発明では回転子を一定速度で回転させる為にＤＣモーター３を使用しており、このＤＣモーター３を駆動するには乾電池もしくはバッテリー等の直流電源が必要である。乾電池もしくはバッテリーが消耗するまでの間は発電を継続する。発電機の出力電圧は家庭用として使用出来る様に、ステップアップ変圧器により昇圧させることは前述したが、このステップアップ変圧器に中間タップを設けて直流変換すればＤＣモーター３のバッテリーの充電用として使用することも可能である。なお、ＤＣモーターに限定せず、一般的なエンジン等を使用して回転子を一定速度で回転させても同様に発電できることは言うまでもない。

設置場所の水平方向に寸法的余裕があるならば、実施例１で示した電機子コイル１を３個、約１２０度間隔で配置し、回転子である永久磁石２は６組を交互に配置しているものを、その２倍、すなわち電機子コイル１を６個、約６０度間隔で配置し、回転子である永久磁石２を１２組配置することも可能である。電機子コイル１を６個配置するので、回転子の直径が大きくなる。この場合も電機子コイル１に流れる電流が同じタイミングの電機子コイル１同士を並列または直列に接続することにより、電機子コイル１が３個の場合と比較して２倍の電流または電圧が得られる。

設置場所の垂直方向に寸法的余裕があるならば、実施例１の発電機を垂直方向に２段重ねもしくは複数段を重ねることも可能である。（図１０）この場合、電機子コイル１と回転子である永久磁石２の垂直方向の位置関係を同じくしておけば、同じ縦位置関係の電機子コイル１同士を並列または直列に接続することにより、電機子コイル１が１段の場合と比較して２倍の電流または電圧が得られる。

設置場所の水平方向に寸法的余裕があるならば、実施例１の発電機を水平方向に展開することも可能である。（図１１）この場合の電機子コイル１の配置は実施例１，２と同様の考え方が成立する。

実施例４の水平方向に展開した回転子である永久磁石２と電機子コイル１を縦方向に複数段重ねることも可能であり、実施例３と同様の考え方が成立する。（図１２）

実施例１で示した、回転子の磁極が互いに引き合う向きに対向する永久磁石２は６組を必要とし、回転子の永久磁石２の６組の位置は回転軸から見て６０度を基準とするほぼ等間隔で配置され、隣り合った永久磁石２の極性は逆になっているが、この永久磁石２は外周側と内周側に大小２個のドーナツ状の一体型永久磁石に置き換えることも可能である。このドーナツ状の一体型永久磁石は回転軸から見て約６０度間隔で隣り合った極性が逆向きとなっており、外側と内側の対向する位置の極性は互いに引き合う磁性を持つ。（図１３）

実施例１で示した、回転子の磁極が互いに引き合う向きに対向する永久磁石２は６組を必要とし、回転子の永久磁石２の６組の位置は回転軸４から見て６０度を基準とするほぼ等間隔で配置される。さらに、複数の電機子コイル１はそれぞれ１２０度を基準とする所定角度で配置され、一つの電機子コイル１はそのコイル両端が約６０度の角度で配置される様にフォーミングされている。図１４、図１５に示すように、電機子コイル１が１２０度の所定角度で配置されているが、隣接する電機子コイル１の隙間に新たに第二の巻線として電機子コイル８を矢印で示すように配置して第一の巻線である電機子コイル１と同様に１２０度の角度で配置する。なお、電機子コイル1と8の各コイルの形状は概略同形状である。電機子コイル１の３個のコイルと電機子コイル８の３個のコイルは発電する際の位相が異なるため、電機子コイル１（第一の巻線）と電機子コイル８（第二の巻線）を直列または並列に接続することは出来ないが、それぞれを分離して独立に使用することは問題ない。これにより、第一の巻線の回路及び第二の巻線の回路として独立した２回路の発電回路を形成することができる。

１電機子コイル

２永久磁石

３モーター

４シャフト（回転軸）

５ヨーク

６磁心

７コイル押さえ

８第二の電機子コイル

Claims

二つの直方体状の永久磁石（２）を、前記永久磁石の長手方向が回転軸（４）に略平行または略直交する向きに配置し、かつ、前記回転軸の周囲に放射状に複数組配置した回転子と、前記二つの永久磁石の間に位置する第一の複数の電機子コイル（１）を有す固定子とを有し、前記二つの永久磁石は互いに引き合う磁性の方向を持たせて前記二つの永久磁石の間に磁束を形成し、前記回転子の外周に隣接する永久磁石の前記磁性の方向を交互に配置し、前記第一の複数の電機子コイルはそれぞれ、前記永久磁石の長手方向にコイルの上端と下端を有し、前記永久磁石の長手方向の一端は前記コイルの上端に一致するか、前記上端より前記コイルの外側に配置され、前記永久磁石と前記コイルが対向する範囲の前記コイルの形状は、前記コイルの上端を正弦波の尖頭とする前記正弦波の半周期に近い曲線状であることを特徴とする交流発電機。
前記二つの永久磁石の組数は前記複数の電機子コイルの数の２倍であり、前記回転子の回転数は発電周波数によって決定されることを特徴とする請求項１に記載された交流発電機。
前記複数の電機子コイルそれぞれの開口部の前記磁束と鎖交する部分から離れた位置に磁心（６）を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載された交流発電機。
前記回転子の回転方向に隣接する前記第一の複数の電機子コイルの間に、前記第一の複数の電機子コイルと同数かつ略同形状のコイルを有する第二の複数の電機子コイルを配置したことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載された交流発電機。