JP4339348B2 - 発電機の構造 - Google Patents

Description

本発明は、発電機の構造に関し、特に扁平円形またはその他幾何形状の多極磁石と、鉄心と一体に整合され、ソレノイドコイル外部に被覆されたクローポールセットとを備えた設計となっており、全体の設計が簡単で、製作が容易であり、体積が小さく、低回転速度でも良好な電圧出力を行うことができ、発電機への応用または製造に適用される技術に関する。

電池削減運動の普及に伴い、小型で高性能の発電機の設計が重要な課題となり、製品の実例として、自転車の発電機が挙げられる。ハブ内蔵式の発電機は抵抗力が比較的少なく、見た目が美しい設計方式であることが公認されており、約時速５ｋｍ／ｈに達しさえすれば１２Ωの電球を駆動させて僅かに光らせることができ、高速走行時は電圧上昇を抑制でき、このような多極的な設計が製品形態の主流となっている。

現在のハブ発電機の構造は英国Sturmey-Archer社が開発した複数のクローポールを接合した設計のものを起源とし、例えば、特許文献１の「Epicyclic Change Gear System」および特許文献２の「Epicyclic Change Speed Gear System」はそれぞれ複数のクローポールを接合した発電機の構造を示し、それぞれ英国特許ＧＢ9409844(特許文献３)、ＧＢ9304189(特許文献４)で優先権を主張している。これら複数のクローポールを接合した発電機の特徴として、円管状の磁石がお互いに貫入設置されたクローポールを被覆する基本設計となっており、その基本構造は各種の発電機に広く応用されている。
図１および図２に示す日本特開2001-327139号公報(特許文献５)で優先権を主張する特許文献６の「ハブ発電機および自転車」は、ハブ発電機１０を開示するものであり、ハブ１２内側に永久磁石１４を配置し、ハブ軸１１は永久磁石１４の磁極と反対方向の複数の極片７４、７５を周面上に設置させる二つのステータコア１６、１７と、ステータコア１６、１７間に配置されるコイル２２とを備え、ステータコア１６、１７を挟持することによってハブ軸１１上に設けられる定位部材３０、３１が二つのステータコア１６、１７をハブ軸１１上に定位固定する。
その特徴として、ステータコア１６、１７上にはハブ軸１１を貫通する孔１３から外周縁方向へ向かう凹溝孔１５が設けられ、二つのステータコア１６、１７と定位部材３０、３１との間には絶縁物８０が介在してステータコア１６、１７および凹溝孔１５が部材側部の導電体に定位固定されてステータコア１６、１７と跨接されるのを防ぐ。本構造は複数のクローポールを接合した設計に基づいており、その特徴は凹溝孔１５が設けられている点にだけあり、渦電流の発生を抑制（遮断）することによって発電効率を高めるものであるが、上述の複数のクローポールを接合した設計の発電機の構造は広く使用されているが、以下の問題が存在する。
１．磁石が円管状でステータコア外部に被覆されるので体積が大きく、製作コストが高い。
２．磁力線が極片（クローポール）の誘導によって二回以上幾何学的な方向へ方向転換するので、ソレノイドコイルを通過する磁束量が低下する。
３．ステータコアは３Ｄ形状にする必要があり、磁束誘導の方向転換が二回以上であり、極片（クローポール）間の磁場が容易に干渉し合い、全体の効率を著しく低下させる。

図３は、特許文献７の「発電ハブ」を示すものであり、発電ハブは、本体２、コイルボビン３、コイルセット４、鉄心５、爪部６、二つの磁石７およびベアリング軸８から構成される。この技術は、また従来技術の発電ハブ１の構造を開示しており、図４に示すように、本体１１、コイルボビン１２、コイルセット１３、鉄心１４、爪部１５、環状磁石１６およびベアリング軸１７から構成される。従来技術の発電ハブ１は二つの大きな欠点が存在し、一つは鉄心１４、コイルボビン１２、コイルセット１３、爪部１５および環状磁石１６が内層から外層に向かって本体１１内に環状に被覆され、発電ハブ１の体積を縮小できなくしている点、もう一つは従来技術による鉄心１４を取り付けるとき、一枚一枚の珪素鋼１４１を積層する必要があり、その工程は複雑で時間が掛かり、経済効率に優れない点である。従って、特許文献４の構造特徴の一つ（特許請求の範囲の請求項１）として、従来技術の円管状の磁石を採用せず、軸線方向Ｘに沿って爪部６の両軸の側部にそれぞれ磁石７が貼合され、それによって本体２の径幅および体積を縮小する目的を達成している。
このことから分かるように、本体２が実際に縮小できる径幅は磁石の厚さの二倍であるが、注意しなければならないことは、図３と図４とを対比させてみると、環状磁石１６を磁石７に変えた以外に、爪部６、１５の外形は完全に違い、爪部６には複数の径方向に延伸されたクローポールが環状に設けられるが、クローポールは湾曲しておらず、二つの爪部６はコイルセット４の軸向きの両側に分離して設置されており、そのクローポールはお互いに貫入しておらず、従来技術による爪部１５の構造と異なる。
本案の明細書内において提示されていないが、当該技術に熟知するものであれば容易に知ることのできることとして、爪部６の構造は重大な欠点を有し、実施性を持たない。その原因はクローポールが間隔を空けて設置されており、両端の磁石７の各半分の表面積しか利用できず、その他の爪部６と対応していない磁石７は回路の問題が発生し、発電効率を著しく低下させることにある。また、従来技術による鉄心１４の取り付け問題に対して、本案は出荷前に予め固定孔５２によって珪素鋼５１を定位して鉄心５とすることが開示され、これによって組立てを簡単にし、組立て時間を短縮するが、同様に、当該技術に熟知するものから言えば、この方法は実施性を備えない。その原因は、図４に示す従来技術による珪素鋼１４１を積み重ねた後の厚さの方向は磁力線（軸線方向Ｘ）と垂直であり、これによって有効的な磁束誘導効果を達成することができ、この積層方式は一般の変圧器、モータなどの装置に広く応用されており、基本的な電磁気原理に基づくものである。しかし、図３に示す珪素鋼５１の場合、その積層方向および形成される厚さは磁力線（軸線方向Ｘ）と平行であり、逆にヒステリシスおよび渦電流発熱を引き起こす。このことから分かるように、積層を縮小し、組立てを簡単にするために発電効率が著しく低下することは業者の望むことではなく、本案の構造は実際に進歩性を備えないので、市場において本案と同一または類似の構造の発電ハブは見られない。

図５は特許文献８の「Flat Rotary Electric Generator」を示すものであり、本発明は、扁平式回転発電機の構造を提供するものである。各対応する磁極セット２が一つのソレノイドコイル１と組み合わさる。ソレノイドコイル１の巻線には一定のサイズ制限があるので、多極的な設計配置を採用する場合、中空部分の直径等分後のサイズを考慮する必要があり、全体の直径を縮小することは難しい。発電効率を高める場合、体積を大きくする必要があるので、本構造では電池の微小化およびパワー密度の向上の両方を達成することはできない。

上述の各特許の構造から分かるように、ハブ発電機はローラブレーキと一体に整合させやすいので、自転車の組立工場での大量組立てに適合する。従って、従来技術によるハブ発電機の効率を改良し、コストを低下させることには大きな意義が存在し、さらには自己発電液晶テレビなどの研究項目に応用することもできる。さらに、サイクリングマシンなどの製品に使用される電磁石抵抗力制御システムには通常発電機が内蔵され、仮にこの種の高効率の自転車発電機の設計をこの種の製品に使用できるなら、発電効率およびコストの問題を解決することができる。また、小型発電装置は例えば、ポケット内、靴底または靴表面、メガネ、腕時計などに設置して携帯型電子製品の電源としたり、例えば、照明またはラジオおよび通信装置などの電源など、緊急時の電力源としたりすることができ、如何に限りある空間内において十分な発電効率および合理的なコストを達成するかは、携帯型発電装置を大量に普及できるかどうかの鍵となっている。
米国特許５，７６９，７５０ 米国特許５，８１３，９３７ 英国特許９４０９８４４ 英国特許９３０４１８９ 特開２００１−３２７１３９号公報 台湾専利申請号第９４１０９７４０号 台湾専利申請号第９２１３７０８８号 米国特許２００４０１３５４５２

本発明の主な目的は、扁平円形またはその他幾何形状の多極磁石と、鉄心と一体に整合され、ソレノイドコイル外部を被覆するクローポールセットとを備え、全体の設計が簡単で、製作が容易であり、体積が小さく、相対的に低回転速度でも良好な電圧を出力することができる発電機の構造を提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明は、中心軸のまわりに一つのクローポールセットの爪と少なくとも一つの磁石とが軸方向に対向して配置される発電機の構造を提供するものであり、二極以上の極数を備える少なくとも一つの磁石と、前記クローポールセットは、磁束の誘導に使用され、一組の内クローポールおよび一組の外クローポールから構成され、前記内クローポールおよび前記外クローポールはお互いに貫入設置され、前記内クローポールと接続され、内クローポールおよび外クローポールの回路の導通に使用される鉄心と、該鉄心外部に巻設されるソレノイドコイルとを備える。

上記の構成において、好ましくは、磁石は扁平円板形を呈し、その磁極は中心に環設され、径方向に分かれて設置される。

好ましくは、鉄心の外径は磁石の外径より小さく、内クローポールは鉄心を中心として径方向に外部に延伸する。

好ましくは、磁石は一枚設置され、内クローポールと外クローポールとの間には
連接部材が設けられ、連接部材は環体であり、環体はお互いに接続された内環側および外環側を備え、内環側は鉄心と接続され、外環側は外クローポールと接続され、それによって磁石、外クローポール、内クローポールおよび鉄心によって磁力回路が構成される。

好ましくは、接続部材の内環側と外環側との間には空間が形成され、その空間にソレノイドコイルが収容される。

好ましくは、磁石は多極磁化される。

好ましくは、磁石は二枚設置され、二枚の磁石間には一定の距離が設けられ、各磁石はそれぞれ一組のクローポールセットに対応している。

好ましくは、二枚の磁石は中空管状の第１の接続部材の軸方向の両端に接続され、第１の接続部材によって二枚の磁石を同時に回動させることができ、二組のクローポールセットの外クローポールは中空管状の第２の接続部材の軸方向の両端に接続され、第２の接続部材の外径は第１の接続部材の内径よりも小さく、第２の接続部材によって二組の外クローポールを同時に回動させることができる。

好ましくは、第２の接続部材と鉄心との間には空間が形成され、その空間にソレノイドコイルが収容される。

好ましくは、クローポールセットおよび鉄心は、純鉄、珪素鉄または珪素鋼などの材質の中の一つ、或いはその組み合わせである。

好ましくは、外クローポールおよび内クローポールは、打ち出しまたは鋳造などの金属加工方式を採用でき、外管または内管は一体成形または積層などの組み合わせ方式が採用されて製造される。

好ましくは、外クローポールおよび内クローポールは珪素鋼片の積層によって構成される。

好ましくは、外クローポールおよび内クローポールの延伸の幅、厚さまたは長さは同一でなくてもよく、外クローポールおよび内クローポールの幅、厚さまたは長さは同一でなくてもよい。

好ましくは、外クローポールは外管の辺縁から外管の軸心の方向に幅が徐々に狭くなる錐形を呈し、内クローポールは内管の辺縁から内管外部の方向に幅が徐々に広くなる扇形を呈する。

好ましくは、磁石はＮｄ‐Ｆｅ‐Ｂ、Ｓｍ‐Ｃｏ、フェライトまたはアルニコなどの磁石材料の中の一つ、或いはそれらを組み合わせて製作された多極磁石である。

好ましくは、外クローポールおよび内クローポールの爪数はそれぞれ磁体磁極数の半分である。

好ましくは、磁石は片面磁化構造または両面磁化構造とすることができる。

好ましくは、磁石の各磁極の幾何形状は外クローポールまたは内クローポールの形状とほぼ一致する。

好ましくは、外クローポールまたは内クローポールは、半径方向に螺旋角度を備えた回動をし、磁石の各磁極はそれに合わせて半径および角度方向にねじれた磁極磁化がなされる。

好ましくは、さらに少なくとも一つの背鉄セットを備え、背鉄セットは、磁石のクローポールセットから離れた一面に設置され、磁力線の封止に使用される背鉄と、磁石および背鉄の中心に軸設され、一端が鉄心に支持される固定ナットと、固定ナット外部に嵌設される軸受と、軸受外部に被覆される軸受蓋とを備え、ボルトが軸受蓋を背鉄に螺合することによって磁石、背鉄、軸受、軸受蓋および固定ナットが一体に組立てられる。

好ましくは、固定ナットは軸向に延伸した長さを有し、固定ナットを内クローポール部材の内管鉄心に支持させるとき、磁石は外クローポールと内クローポールとの間に一定の距離を形成することができる。

好ましくは、背鉄は、純鉄、鉄コバルト合金、ニッケル鉄合金または珪素鉄などの導磁材料の中の一つ、或いはその組み合わせである。

好ましくは、複数のクローポールセットが直列に設置され、背鉄セットは軸向きの両外側端に位置する磁石外部に設置される。

好ましくは、背鉄と軸受蓋とは一体成形される。

好ましくは、クローポールセットの磁石から離れた面上には金属棒またはその他金属の長細い構造物が嵌入され、クローポールが集める磁力線の一部を金属の長細い構造物に流すのに使用され、コイルに強い磁束密度を感受させる。

好ましくは、外クローポールと鉄心との間には複数の接続部材が相互に接続され、接続部材上にはそれぞれコイルが巻設され、並列または直列の発電出力の構成に使用される。

好ましくは、接続部材の材質は、純鉄、珪素鉄または珪素鋼などの材質の中の一つ、或いはその組み合わせである。

本発明によれば、下記のような種々の効果を奏する。
１．扁平円板状磁石の磁化方向は鉄心の軸向きと平行であり、磁石表面から放出される磁力線は内、外クローポールを通過した後、一回の幾何学的な方向転換だけをすれば有効的に鉄心に進入することができ、磁石の使用量を減少させることができ、全体の設計の外観のサイズ比例を扁平にすることができ、特殊な空間制限に適用させることができる。
２．多極扁平円板状磁石および内外クローポールの設計によって、磁束をコイル内部に有効的に誘導でき、多極磁石の回動に伴って、クローポールと磁石の各極の相対位置が変化し、ソレノイドコイル内の磁束方向が常に順方向と逆方向とに切り換わり、この直接コイルの磁束量が時間変化する設計は、従来技術による磁力線を直交切断する方式（図３に示す）とは全く異なり、感応電圧出力効率が増加すると同時に、磁気吸引力抵抗を減少させることができる。
３．クローポールの磁束は全て統一して鉄心管内に導入されるので、コイル数を減少させることができ、単一セットのコイルを使用すれば磁石表面の残留磁束量を有効的に利用できる。
４．扁平円板状の磁石は磁化させやすい。
５．低抵抗力、高回転効率である。
６．低回転速度で良好な電圧出力を行うことができる。
７．全体の体積を縮小でき、軽量化できる。
８．設計が簡単で、コストが低い。

本発明の構造の目的および効果をさらに詳細に説明する実施例を図面に沿って下記に示す。以下の図面に挙げた実施例は説明の補足を行うためのものであり、本発明の技術手段は図式に挙げられた形態だけに制限されない。

図６、７、８は、本発明の好適な一実施例を示し、発電機の構造１０は片面磁石構造となっており、主に、クローポールセット２０、中心軸３０、鉄心４０、連接部材５０、ソレノイドコイル６０（図６には図示せず）、磁石７０および背鉄セット８０から構成される。

クローポールセット２０は、外クローポール部材２１および内クローポール部材２２を備え、外クローポール部材２１は外部の磁回路を構成するのに使用され、外管２１１および複数の外クローポール２１２から構成される。外クローポール２１２は外管２１１の軸方向端に設置され、外管２１１の辺縁から外管２１１の軸心に向かって延伸する。内クローポール部材２２は内部の磁回路を構成するのに使用され、内管２２１および複数の内クローポール２２２から構成される。本実施例において、鉄心４０は内管２２２と一体に連結され、鉄心４０が内クローポール部材２２の内管となっており、内クローポール２２２は外クローポール２１２に対応して内管２２１の軸方向端に設置され、内管２２１の軸心径方向から外部に延伸し、外クローポール２１２に貫入設置される。外クローポール２１２および内クローポール２２２の数量およびその外形は、図８の実施例に示すように、それぞれ十本の外クローポール２１２および内クローポール２２２が設置され、外クローポール２１２は外管２１１の辺縁から外管２１１の軸心に向かって幅が徐々に狭くなる錐形を呈し、内クローポール２２２は内管２２１の辺縁から内管２２１の外部に向かって幅が徐々に広くなる扇形を呈する。このように外クローポール２１２および内クローポール２２２を図８に示すように相互に嵌合することができる。
しかし、電圧波形および製作方式の調整に合わせて外クローポール２１２および内クローポール２２２そのもの、または外クローポール２１２と内クローポール２２２との間の延伸の幅、厚さまたは長さなどは変更することができ、同じ幅の矩形または部分的に円弧形にするなどの外観の修正をしたり、同じ厚さの設計にしたり、磁束方向に合わせて厚さを徐々に変えたり、図７に示すように、外クローポール２１２および内クローポール２２２の末端を薄くして、外管２１１および内管２２１との接続部位を厚くした設計にしたりすることができる。
また、外クローポール部材２１および内クローポール部材２２の材質は純鉄、珪素鉄、炭鋼または珪素鋼などの材質の中の一つまたはその組み合わせとすることができ、外クローポール２１２を例とすると、外クローポール２１２は打ち出しまたは鋳造などの金属加工方式を利用して外管２１１と一体成形したり、或いは外クローポール２１２および外管２１１をそれぞれ単独で成形した後、嵌合して組み合わせたりすることができる。また、外クローポール２１２は珪素鋼片を積層させた後、プラスチック射出によって外管２１１と一体成形することができ、同様に、内クローポール２２２と内管２２１（または鉄心４０）との成形方式は前述の外クローポール２１２と外管２１１の成形方式と同一とすることができ、その原則は、対向磁極間で導通が形成されればよい。

図６、７に示すように、外クローポール部材２１および内クローポール部材２２の外管２１１および内管２２１には軸向きに中心軸３０が貫通しており、鉄心４０が内管２２１と軸向きに一体に連結されているので、鉄心４０を中心軸３０外部に覆設することができる。外管２１１の内径は鉄心４０の外径よりも大きいので、異なる磁束方向が相互干渉を起こすことを避けることができ、同時に外管２１１と鉄心４０との間に空間が形成され、ソレノイドコイル６０が鉄心４０外部に巻設されるのに使用され、鉄心４０外部にコイルが巻設される。

図６、７に示すように、連接部材５０は環体であり、環体はお互いに接続された外環側５１および内環側５２を備える。外環側５１は外クローポール部材２１の外管２１１の外クローポール２１２が設置されない軸方向端と接触し、内環側５２は鉄心４０の内クローポール２２２から離れた軸方向端と接触する。それによって、外クローポール部材２１と内クローポール部材２２とを接続関係にすることができ、この接続関係からわかるように、連接部材５０は外管２１１および鉄心４０と一体成形することができ、外クローポール２１２および内クローポール２２２と相互に接続される。連接部材５０のクローポールセット２０から離れた面上には固定ナット５３が設けられ、固定ナット５３は中心軸３０外部に螺合固定され、固定ナット５３の一端は連接部材５０に支持され、連接部材５０は外管２１１および鉄心４０と緊密に接触する。

図６、７、８に示すように、磁石７０は中心軸３０上に嵌設され、外クローポール２１２および内クローポール２２２に近い位置に設置される。ここでの磁石７０は扁平円板状を呈しているが、その他の幾何形状でもよく、磁石７０は径方向に二極以上の磁極が分布設置される。図８の点線区域に示すように、磁石７０は２０個の磁極７１に等分に磁化され、２０個の磁極７１は間隔を空けて設置された１０個のＮ磁極７１１および１０個のＳ磁極７１２である。Ｎ磁極７１１およびＳ磁極７１２の幾何形状は外クローポール２１２または内クローポール２２２の形状とほぼ一致しており、外クローポール２１２および内クローポール２２２の爪数はそれぞれ磁極７１の数量の半分である。また、１０本の外クローポール２１２および１０本の内クローポール２２２がそれぞれ設置され、必要に応じて磁石７０は、Ｎｄ‐Ｆｅ‐Ｂ、Ｓｍ‐Ｃｏ、フェライトまたはアルニコなどの各式の磁石材料の中の一つ、或いはそれらを組み合わせて製作された多極磁石とすることができる。
また、ソレノイドコイル６０の巻き位置と二種の磁極７１１、７１２の磁束誘導距離が異なることを避けるために、磁石７０に多極磁化を行うとき、偏磁極設計を行うことができる。また、発電機の技術に熟知する者なら知ることであるが、磁石７０は片面磁化または両面磁化を採用することができ、外クローポール２１２または内クローポール２２２が半径方向に螺旋角度を有して回動するとき、磁石７０の各磁極７１はそれに合わせて半径および角度方向にねじれた磁極磁化を行うことができる。外クローポール２１２および内クローポール２２２の磁石７０から離れた面上に金属棒またはその他の長細い構造物（図示せず）を嵌入することができ、それは外クローポール２１２および内クローポール２２２が集める磁力線の一部を金属の長細い構造物に流すのに使用され、ソレノイドコイル６０に強い磁束密度を感受させる。

図６、７、８に示すように、磁石７０の外部には背鉄セット８０が設置され、背鉄セット８０は背鉄８１を備え、背鉄８１は円板状を呈し、磁石７０の外クローポール２１２および内クローポール２２２から離れた一面に設置される。磁石７０および背鉄８１の中心には固定ナット８２が設けられ、固定ナット８２は軸設されて中心軸３０外部に固定され、固定ナット８２外部の中心軸３０上には軸受８３が設置され、軸受８３外部には軸受蓋８４が設置される。軸受蓋８４は中心軸３０外部に覆設され、軸受８３外部を被覆し、ボルト８５が軸受蓋８４を背鉄８１に螺合することによって、磁石７０、背鉄８１、軸受８３、軸受蓋８４および固定ナット８２が一体に組み立てられる。固定ナット８２のクローポールセット２０方向の軸方向端は内クローポール部材２２の内管２２１に支持され、図７に示すように、固定ナット８２は軸方向延伸長さＬを有し、固定ナット８２を内管２２１に支持させるとき、磁石７０は外クローポール２１２と内クローポール２２２との間に一定の距離Ｄを形成することができる。背鉄８１が磁力線を封止することによって、磁束損失を減少させ、クローポール側の磁束密度の誘導を増加させることができる。背鉄８１は純鉄、鉄コバルト合金、ニッケル鉄合金または珪素鉄などの導磁材料の中の一つ、或いはその組み合わせとすることができる。軸受８３の設置によって、磁石７０は中心軸３０上で回動状態を形成することができる。また、中心軸３０上には複数のソレノイドコイル６０、クローポールセット２０および磁石７０を直列に設置することができ、連接部材５０から最も離れた磁石７０外部に背鉄８１を設置すればいい。また、背鉄８１と軸受蓋８４とを一体成形して簡素化した構造にすることもできる。

図７、８に示すように、上述の各部材の組み合わせによって、磁石７０、クローポールセット２０および鉄心４０は磁力回路を形成することができ、鉄心４０の外径は磁石７０の外径より小さく、磁石７０が回転してクローポールセット２０と相対的な回転運動を行うとき、外クローポール２１２、内クローポール２２２および磁石７０の各磁極７１の相対位置の変化によって、ソレノイドコイル６０内の磁束方向は常に順方向と逆方向との切り換えが行われ、外クローポール２１２および内クローポール２２２と、磁石７０の相対運動が一周したときのソレノイドコイル６０内の磁束方向が通過する変化の回数が磁石７０が磁化された磁極数である。

図９は本発明のコイルの巻き線のもう一つの形態を示す図である。外管２１１と鉄心４０との間に複数の径方向接続部材４１が設けられ、径方向接続部材４１の材質は外管２１１および鉄心４０と同一の純鉄、珪素鉄または珪素鋼などの材質の中の一つまたはその組み合わせとすることができる。径方向接続部材４１上には副コイル６１が設けられ、それによって並列または直列の発電出力が構成され、その作用は前述のソレノイドコイル６０と同一である。また、副コイル６１の一部は本発明の外クローポール（図６に示す外クローポール２１２を参照）上に巻設し、このようにして外部磁回路を利用して発電量を増加させることができる。

図６に示す片面磁石構造の発電機の構造１０を基礎として、図１０に示す両面磁石構造を製作することができる。本実施例の発電機の構造１００はクローポールセット２００、中心軸３００、鉄心４００、ソレノイドコイル６００、二つの磁石７００および二つの背鉄セット８００から構成される。上述の各部材によって達成される作用および機能は図６に示す片面磁石構造の発電機の構造１０が備えるクローポールセット２０、中心軸３０、鉄心４０、ソレノイドコイル６０、磁石７０および背鉄セット８０と同一であるので説明は行わない。本実施例の特徴として、各磁石７００が全て外クローポール２１２０および内クローポール２２２０に対応しており、同様に、二組の内クローポール２２２０は鉄心４００の軸向き両端に接続され、二枚の磁石７００中空管状の第１の接続部材７２０の軸向き両端に接続され、第１の接続部材７２０によって二枚の磁石７００を同時に回動させることができる。
二組の外クローポール２１２０が中空管状の第２の接続部材２１１０の軸向き両端に接続され、第２の接続部材２１１０の外径は第１の接続部材７２０の内径よりも小さく、第２の接続部材２１１０によって二組の外クローポール２１２０を同時に回動させることができる。第２の接続部材２１１０と鉄心４００との間には空間が形成され、ソレノイドコイル６００が収容される。本実施例において、内クローポール部材２２０は嵌合積層方式によって鉄心４００の両軸方向端に組み合わされるが、図６の内クローポール部材２２のように、内クローポール部材２２と鉄心４００とを一体に加工成形し、鉄心４００を両内クローポール部材２２０の共用の内管とすることができる。外クローポール２１２０と内クローポール２２２０との貫入設置の形態は図８を参考にすることができる。同様に、中心軸３００上に直列に複数のソレノイドコイル６００、クローポールセット２００を設置することができ、各組のソレノイドコイル６００およびクローポールセット２００との間には磁石７００が設置され、両外側端方向を向いた磁石７００だけ背鉄８１０を組み合わせる必要があり、その他の中段に位置する磁石７００は背鉄８１０を組み合わせる必要がない。
電磁界解析ソフト（Ansoft）を使用して本発明の異なる実施例の異なる回転速度時におけるシミュレーションをしたが、本発明の片面磁石構造のそれぞれ回転速度３０ＲＰＭおよび１２０ＲＰＭのとき、鉄心部分がクローポールと比較してその磁束密度が飽和に近いことが判り、本発明の両面磁石構造のそれぞれ回転速度６０ＲＰＭ、９０ＲＰＭのとき、鉄心部分の磁束密度が飽和に達しており、両面磁石構造の磁束経路は短く、伝導効率に優れていることが判り、上述のシミュレーション実験から分かるように、本発明は確実に有効的に発電に応用できるという目的を達成できることが分かる。

図１１、１２は、本発明の自転車発電機の需要に対して設計した発電機の異なる回転速度における開回路電圧データ表および効率曲線図である。図に示すように、同一の回転速度および車速のとき、片面磁石および両面磁石の構造が取得できる感応電圧は異なるが、言い換えると、片面磁石であれ、両面磁石であれ、異なる回転速度の下、必要な電圧に達することができ、本発明はその効果を達成できることを証明できる。図１２の曲線Ｌ１、Ｌ２はそれぞれ片面磁石および両面磁石構造の発電機の異なる発電機の回転速度の下での開回路電圧の変化趨勢を示す。この他、発明者の行った実験でも本発明を応用した自転車ハブ発電機は回転速度が１５０ＲＰＭのとき、パワー密度は４５ｍＷ／cm³以上に達することができ、仮にサイクリングマシンに応用した場合、車輪が５００ＲＰＭに達したとき、パワー密度は４０ｍＷ／cm³以上にすることができる。

以上のことから、本発明の提供する発電機の構造は下記の長所を備える。
１．扁平円板状磁石の磁化方向は鉄心の軸向きと平行であり、磁石表面から放出される磁力線は内、外クローポールを通過した後、一回の幾何学的な方向転換だけをすれば有効的に鉄心に進入することができ、磁石の使用量を減少させることができ、全体の設計の外観のサイズ比例を扁平にすることができ、特殊な空間制限に適用させることができる。
２．多極扁平円板状磁石および内外クローポールの設計によって、磁束をコイル内部に有効的に誘導でき、多極磁石の回動に伴って、クローポールと磁石の各極の相対位置が変化し、ソレノイドコイル内の磁束方向が常に順方向と逆方向とに切り換わり、この直接コイルの磁束量が時間変化する設計は、従来技術による磁力線を直交切断する方式（図３に示す）とは全く異なり、感応電圧出力効率が増加すると同時に、磁気吸引力抵抗を減少させることができる。
３．クローポールの磁束は全て統一して鉄心管内に導入されるので、コイル数を減少させることができ、単一セットのコイルを使用すれば磁石表面の残留磁束量を有効的に利用できる。
４．扁平円板状の磁石は磁化させやすい。
５．低抵抗力、高回転効率である。
６．低回転速度で良好な電圧出力を行うことができる。
７．全体の体積を縮小でき、軽量化できる。
８．設計が簡単で、コストが低い。

以上の詳細な説明は本発明の好適な実施例を示すものであり、本発明の実施範囲を制限するものではない。本発明の特許請求の範囲の記述に基づく変更および修飾はすべて本発明の範囲に含まれる。

従来技術によるハブ発電機を半分切開した状態示す断面図である。 図１のハブ発電機のステータの左側面図である。 従来技術による発電ハブを示す立体分解図である。 従来技術による発電ハブを示す立体分解図である。 従来技術による扁平式回動発電機を示す斜視図である。 本発明の第１の実施例を示す立体分解図である。 本発明の第１の実施例の組み立て後の状態を示す断面図である。 本発明の外クローポールと内クローポールとをお互いに貫入させた状態を示す正面図である。 本発明のコイルのもう一つの形態を示す模式図である。 本発明の第２の実施例の組み立て後の状態を示す断面図である。 本発明の自転車発電機の需要に対して設計した発電機の異なる回転速度における開回路電圧データ表である。 本発明の自転車発電機の需要に対して設計した発電機の異なる回転速度における効率曲線図である。

符号の説明

１０、１００ 発電機の構造
２０、２００ クローポールセット
２１、２１０ 外クローポール部材
２１１ 外管
２１１０ 第２の接続部材
２１２、２１２０ 外クローポール
２２、２２０ 内クローポール部材
２２１、２２１０ 内管(鉄心)
２２２、２２２０ 内クローポール
３０、３００ 中心軸
４０、４００ 鉄心
４１ 径方向接続部材
５０、５００ 連接部材
５１ 外環側
５２ 内環側
５３ 固定ナット
６０、６００ ソレノイドコイル
７０、７００ 磁石
７１ 磁極
７１１ Ｎ磁極
７１２ Ｓ磁極
７２０ 第１の接続部材
８０、８００ 背鉄セット
８１、８１０ 背鉄
８２、８２０ 固定ナット
８３ 軸受
８４ 軸受蓋
８５ ボルト
Ｄ 距離
Ｌ 固定ナットの軸方向延伸長さ

Claims (18)

1. 中心軸のまわりに一つのクローポールセットの爪と少なくとも一つの磁石とが軸方向に対向して配置される発電機の構造であって、
   前記クローポールセットは、磁束の誘導に使用され、一組の内クローポールおよび一組の外クローポールから構成され、前記内クローポールおよび前記外クローポールはお互いに貫入設置され、前記内クローポールと接続され、内クローポールおよび外クローポールの回路の導通に使用される鉄心と、該鉄心外部に巻設されるソレノイドコイルとを備え、
   前記磁石は、二極以上の極数を備え、扁平円板形を呈し、その磁極は中心に環設され、径方向に分かれて設置され、
   且つ、前記鉄心の外径は、前記磁石の外径より小さく、前記内クローポールは前記鉄心を中心として径方向に外部に延伸され、
   前記外クローポールおよび内クローポールの爪数は、それぞれ磁極数の半分であり、前記磁石の各磁極の幾何学形状は前記外クローポールまたは内クローポールの形状とほぼ一致することを特徴とする発電機の構造。
2. 前記磁石は、一枚設置され、前記内クローポールと前記外クローポールとの間には連接部材が設けられ、前記連接部材は環体であり、前記環体はお互いに接続された内環側および外環側を備え、前記内環側は鉄心と接続され、前記外環側は外クローポールと接続され、それによって前記磁石、外クローポール、内クローポールおよび鉄心によって磁力回路が構成されることを特徴とする請求項１記載の発電機の構造。
3. 前記磁石は、多極磁化されることを特徴とする請求項２記載の発電機の構造。
4. 前記磁石は、二枚設置され、前記二枚の磁石間には一定の距離が設けられ、各磁石はそれぞれ一組のクローポールセットに対応していることを特徴とする請求項１記載の発電機の構造。
5. 前記二枚の磁石は、中空管状の第１の接続部材の軸方向の両端に接続され、前記第１の接続部材によって二枚の磁石を同時に回動させることができ、
   前記二組のクローポールセットの外クローポールは、中空管状の第２の接続部材の軸方向の両端に接続され、前記第２の接続部材の外径は第１の接続部材の内径よりも小さく、前記第２の接続部材によって二組の外クローポールを同時に回動させることができることを特徴とする請求項４記載の発電機の構造。
6. 前記クローポールセットおよび鉄心は、純鉄、珪素鉄または珪素鋼の中の一つ、或いはその組み合わせであることを特徴とする請求項１記載の発電機の構造。
7. 前記クローポールセットは、打ち出しまたは鋳造などの金属加工方式を採用でき、一体成形または積層などの組み合わせ方式が採用されて製造されることを特徴とする請求項１記載の発電機の構造。
8. 前記外クローポールおよび内クローポールは、珪素鋼片の積層によって構成されることを特徴とする請求項１記載の発電機の構造。
9. 前記外クローポールおよび内クローポールの延伸の幅、厚さまたは長さは同一でなくてもよく、外クローポールおよび内クローポールの幅、厚さまたは長さは同一でなくてもよいことを特徴とする請求項１記載の発電機の構造。
10. 前記磁石は、Ｎｄ‐Ｆｅ‐Ｂ、Ｓｍ‐Ｃｏ、フェライトまたはアルニコなどの磁石材料の中の一つ、或いはそれらを組み合わせて製作された多極磁石であることを特徴とする請求項１記載の発電機の構造。
11. 前記磁石は、片面磁化構造または両面磁化構造であることを特徴とする請求項１記載の発電機の構造。
12. 前記外クローポールまたは内クローポールは、半径方向に螺旋角度を備えた回動をし、磁石の各磁極はそれに合わせて半径および角度方向にねじれた磁極磁化がなされることを特徴とする請求項１記載の発電機の構造。
13. さらに少なくとも一つの背鉄セットを備え、前記背鉄セットは、
    前記磁石とクローポールセットから離れた一面に設置され、磁力線の封止に使用される背鉄と、
    前記磁石および前記背鉄の中心に軸設され、一端が鉄心に支持される固定ナットと、
    前記固定ナット外部に嵌設される軸受と、
    前記軸受外部に被覆される軸受蓋とを備え、
    ボルトが軸受蓋を背鉄に螺合することによって磁石、背鉄、軸受、軸受蓋および固定ナットが一体に組み立てられることを特徴とする請求項１記載の発電機の構造。
14. 前記背鉄は、純鉄、鉄コバルト合金、ニッケル鉄合金または珪素鉄などの導磁材料の中の一つ、或いはその組み合わせであることを特徴とする請求項１３記載の発電機の構造。
15. 前記中心軸上には、複数のクローポールセットが直列に設置され、前記背鉄セットは軸向きの両外側端に位置する磁石外部に設置されることを特徴とする請求項１３記載の発電機の構造。
16. 前記クローポールセットの磁石から離れた面上には、金属棒またはその他金属の長細い構造物が嵌入され、クローポールが集める磁力線の一部を金属の長細い構造物に流すのに使用され、コイルに強い磁束密度を感受させることを特徴とする請求項１記載の発電機の構造。
17. 前記外クローポールと前記鉄心との間には、複数の接続部材が相互に接続され、接続部材上にはそれぞれコイルが巻設され、並列または直列の発電出力の構成に使用されることを特徴とする請求項１記載の発電機の構造。
18. 前記接続部材の材質は、純鉄、珪素鉄または珪素鋼などの材質の中の一つ、或いはその組み合わせであることを特徴とする請求項１７記載の発電機の構造。

Images