JP4873671B1

JP4873671B1 - 発電装置

Info

Publication number: JP4873671B1
Application number: JP2011155404A
Authority: JP
Inventors: 清彦松下; 正和野上
Original assignee: SHINSEI SHOWJI CO Ltd
Current assignee: SHINSEI SHOWJI CO Ltd
Priority date: 2011-07-14
Filing date: 2011-07-14
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2031-07-14
Also published as: WO2013008838A1; US20140132100A1; EP2733832A4; EP2733832A1; JP2013021888A

Abstract

【課題】発電量に対して回転抵抗が少ない変換効率の高い発電装置を提供する。
【解決手段】本願の発電装置５０は、磁力線を第１の回転板２０ａと第２の回転板２０ｂとの間に横方向に形成し、これを横方向を向いたコイル２６に対して移動させるため、磁力線の疎密の差を従来のものより少なくすることができる。このため、回転によるコイル２６内の磁界の変化量は少ないものの回転抵抗は小さく、その分だけ回転に要する力を少なくすることができる。これにより、変換効率を上げることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高い変換効率を有する発電装置に関するものである。

永久磁石を用いた従来のブラシレス発電装置は、例えば下記［特許文献１］に開示された発明のように、永久磁石の磁極とコイルの巻芯とが対向して配置される構成が一般的である。

特開２００９−１９５０５１号公報

しかしながら、［特許文献１］のように永久磁石の磁極とコイルの巻芯とが対向する従来の発電装置は、コイルに及ぼす磁力が強いため起動時や発電時の回転抵抗が大きく、ある程度の変換効率しか得られないという問題点がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、発電量に対して回転抵抗が少ない変換効率の高い発電装置を提供することを目的とする。

本発明は、
（１）所定の間隔を取って設置され同一回転する第１の回転板２０ａと第２の回転板２０ｂと、前記第１の回転板２０ａと第２の回転板２０ｂとを有する回転部２０と、２つの永久磁石２２ａ、２２ｂが前記第１の回転板２０ａと第２の回転板２０ｂとに同極同士が対向するように設置されて構成される磁石対２２と、複数の前記磁石対２２が同心円状で且つ隣り合う磁極が逆となるように設置されることで構成される磁石部２３と、前記回転部２０を回転させる回転手段２４と、前記磁石部２３の対向する磁極の間に巻芯の方向が前記回転部２０の略回転方向を向くように設置された複数のコイル２６と、を備え、
前記回転部２０が回転することにより前記コイル２６が発電することを特徴とする発電装置において、
前記コイル２６の巻線方向が一定であり、且つ前記コイル２６の巻芯に磁芯１４がそれぞれ個別に設置されていることを特徴とする発電装置５０を提供することにより、上記課題を解決する。
（２）磁石対２２の個数がコイル２６の個数よりも多く、さらに磁芯１４は回転部２０の回転方向と逆側の端面がコイル２６の巻線端面から所定量突出していることを特徴とする上記（１）記載の発電装置５０を提供することにより、上記課題を解決する。

本発明によれば、発電量に対して回転抵抗の少ない変換効率の高い発電装置を実現することができる。

本発明に係る発電装置の概略図である。本発明に係る発電装置に好適な磁芯の例を説明する図である。本発明に係る発電装置の動作を説明する図である。本発明に係る発電装置に好適な磁石対とコイルの配置例を説明する図である。本発明に係る発電装置の好適な配線例を説明する図である。本発明に係る発電装置を多段構成した例を説明する図である。

本発明に係る発電装置について図面に基づいて説明する。図１（ａ）は本発明に係る発電装置５０の側面図である。また、図１（ｂ）は本発明に係る発電装置５０の上面図である。尚、図１（ａ）及び後述の図６においては、コイル保持部１２の記載を省略する。また、図１（ｂ）においては、第１の回転板２０ａを透明とし、破線で示す。さらに、図５以外の図では、電気配線の記載を省略する。

本発明に係る発電装置５０は、所定の間隔を取って設置され同一回転する第１の回転板２０ａと第２の回転板２０ｂと、この第１の回転板２０ａと第２の回転板２０ｂとで主に構成される回転部２０と、２つの永久磁石２２ａ、２２ｂで構成される磁石対２２と、回転部２０に同心円状に設置された複数の磁石対２２で構成される磁石部２３と、回転部２０を回転させる回転手段２４と、コイル保持部１２で保持されることにより磁石部２３の対向する磁極の間に挟まれるように位置し、巻芯の方向が回転部２０の略回転方向を向くように設置された複数のコイル２６と、を有している。尚、本発明に係る発電装置５０は磁石部２３を有する回転部２０側が回転子となり、コイル２６が設置されたコイル保持部１２の側が固定子（発電子）となる。

発電装置５０を構成する磁石部２３は複数の磁石対２２で構成されている。また、この磁石対２２は２つの永久磁石２２ａ、２２ｂで構成されている。永久磁石２２ａ、２２ｂは、一方が第１の回転板２０ａに設置され、他方が第２の回転板２０ｂに設置される。よって、永久磁石２２ａと永久磁石２２ｂとの間には、第１の回転板２０ａと第２の回転板２０ｂとの間隔に準じた間隙が形成される。また、永久磁石２２ａと永久磁石２２ｂとは同極同士が対向する方向で設置される。そして、コイル２６はこの永久磁石２２ａ、２２ｂの対向する磁極間に設置される。

さらに、永久磁石２２ａは回転部２０（第１の回転板２０ａ）の回転軸１０を中心に略同心円状に設置される。同じく永久磁石２２ｂも回転部２０（第２の回転板２０ｂ）の回転軸１０を中心に略同心円状に設置される。これにより、磁石対２２は回転部２０の回転軸１０を中心に略同心円状に配列することになる。よって、磁石部２３は回転軸１０を中心とした略リング状を呈する。また、磁石対２２を設置する際には、隣り合う磁石対２２を磁極の方向が逆となるように設置する。よって、磁石対２２の内側の磁極は、（Ｎ：Ｎ）−（Ｓ：Ｓ）−（Ｎ：Ｎ）−（Ｓ：Ｓ）・・・と、Ｎ極の磁石対２２とＳ極の磁石対２２とが交互に位置することとなる。尚、第１の回転板２０ａと第２の回転板２０ｂとは固定され、回転軸１０を中心に同一回転する。従って、回転によりこれらの位置関係が変化することはない。

永久磁石２２ａと永久磁石２２ｂとは略同等の磁力を有する周知の永久磁石を用いる。永久磁石２２ａ、２２ｂに使用する永久磁石は磁力の強いものが好ましく、よって、周知の希土類磁石等を用いることが好ましい。

コイル２６は略同心円状に形成された磁石部２３の間に設置される。よって、コイル２６も略同心円状に配列される。尚、コイル２６を保持するコイル保持部１２は図示しない外部筐体等に固定され、回転部２０が回転してもコイル２６が回転することはない。コイル２６の設置方向は、コイル２６の巻芯の方向が回転部２０の略回転方向、即ち回転部２０の略接線方向もしくは略周方向を向くように設置される。コイル２６の線材は断面円形のものを使用しても良いが、巻密度の向上及び表皮効果による表層電流向上の観点から断面矩形のものを用いることが好ましい。

また、コイル２６には、透磁率向上の観点から磁芯１４を挿入する。磁芯１４としてはフェライトコアや金属等の周知の磁性体材料を用いることができる。中でも透磁率の高い珪素鋼を用いることが特に好ましい。また、合成樹脂等の非磁性体で周面が覆われた鉄等の磁性体材料を複数束ねて磁芯１４としても良い。さらに、磁芯１４は、図２に示すように、回転部２０の回転方向と逆側（磁石対２２が向って来る方向側）の端面を、コイル２６の巻線端面から所定量突出させることが好ましい。この突出量は隣り合う磁石対２２間の距離Ｌの値から距離Ｌの１／３の値程度とすることが好ましい。

回転部２０を回転させる回転手段２４としては、周知の水車、風車、エンジン等の内燃機関、タービン、モータ、自転車や自動車の車輪等の回転部分、ペダルやハンドル等の人力による回転機構等が挙げられる。

次に、本発明に係る発電装置５０の発電動作を説明する。先ず、永久磁石２２ａと永久磁石２２ｂとは同じ磁極同士が対向するように設置されている。よって、Ｎ極からの磁力線は、図３（ａ）に示すように斥力によって湾曲し、第１の回転板２０ａと第２の回転板２０ｂとの間を略横方向に進み、隣に位置する永久磁石２２ａ、２２ｂのＳ極に至る。これらの磁石対２２は回転部２０に同心円状に配置しているため、磁石対２２間の磁力線は磁石部２３の間に概ね集中し、磁石部２３と同様に略リング状を呈する。そして、コイル２６は磁石部２３の間に設置されているから、磁石対２２の多くの磁力線はコイル２６の磁芯１４を通ることとなる。

次に、回転手段２４が回転すると回転部２０が回転し、これに伴い第１の回転板２０ａ及び第２の回転板２０ｂが同一回転する。第１の回転板２０ａ及び第２の回転板２０ｂが回転すると、図３（ｂ）に示すように、永久磁石２２ａ、２２ｂが移動する。これにより、コイル２６内の磁界が変化し、この際の電磁誘導によりコイル２６が発電する。そして、回転部２０が回転し続けることで磁石対２２が順次移動し、コイル２６内の磁界が変化し続けることでコイル２６は交流電力を継続して発電する。

ここで、永久磁石の磁極とコイルの巻芯とが対向する図３（ｃ）に示す従来の構成の場合、対向する永久磁石２２ａ’、２２ｂ’の磁極は逆となる。この場合、磁石対２２’の磁力線は対向する永久磁石２２ａ’、２２ｂ’間の領域に集中し、その他の領域との磁力線の疎密の差が大きくなる。そして、磁力線が密の領域をコイル２６’が通過するときに発電量は最大となり、このとき回転抵抗も最大となる。反対に磁力線が疎の領域をコイル２６’が通過するときにはほとんど発電はされず、回転抵抗も小さい。これに対して、本願の発電装置５０は磁力線を第１の回転板２０ａと第２の回転板２０ｂとの間に横方向に形成し、これを横方向を向いたコイル２６に対して移動させるため、磁力線の疎密の差を従来のものより少なくすることができる。このため、回転によるコイル２６内の磁界の変化量は少ないものの回転抵抗は小さく、その分だけ回転に要する力を少なくすることができる。そして、両者の変換効率を比較したところ、発電装置５０の変換効率の方が優れていることが判明した。

また、発電装置５０は図４に示すように、回転部２０が回転していない静止状態において、隣り合う４乃至５つの磁石対２２の間に隣り合う３つのコイル２６が位置していることが好ましい。ここでの“位置する”とは隣り合う３つのコイル２６の両端が４乃至５つの磁石対２２に少しでも掛かっている状態を指すものとする。この構成によれば、磁石対２２の位置がコイル２６毎にずれることとなり、その結果、コイル２６ごとの発電量に差が生じる。これにより、発電装置５０の全体としての発電量を平均化することができ、更なる変換効率の向上を図ることができる。

次に、発電装置５０の電気配線の例を図５に示す。尚、この配線例は発電装置５０の好適な一例であるから、これに限定されるものではない。先ず、各コイル２６をそれぞれ整流部１６に接続し、コイル２６からの出力を直流化する。整流部１６としては変換効率の観点から全波整流のものを使用することが好ましい。そして、コイル２６は整流部１６を介して３個を１ユニットとして直列に接続される。各ユニット（図中では５ユニット）からの出力はそれぞれ並列に接続されインバータ１８の入力に接続される。インバータ１８は発電装置５０からの出力を要求される電力出力、例えば３相交流に変換し負荷５に出力する。この構成によれば、インバータ１８が発電装置５０からの出力を要求される電力出力に変換して出力するため、例えば３相交流を出力することのできない図４に示す構成であっても、３相交流を要求する電気機器に対応することができる。尚、２次電池への充電やＬＥＤ灯、電球等の３相交流が必要ない負荷５への電力供給はインバータ１８を介さずに直接行っても良い。

また、本発明に係る発電装置５０は、図６に示すように、回転部２０、磁石部２３、コイル２６等を多段構成として大出力化を図っても良い。

以上のように、本発明に係る発電装置５０によれば、優れた変換効率で発電を行うことができる。また、回転抵抗が小さいため少ない力でも発電を行うことができる。そして本発明に係る発電装置５０は、大規模な発電設備から自転車や手回し懐中電灯等の小規模な発電機までほぼ全ての発電装置に適用が可能である。尚、本発明に係る発電装置５０の各部の構成、形状、動作、コイルや磁石対の個数等は特に上記の例に限定されるものではなく、本発明は本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更して実施することが可能である。

２０回転部
２０ａ第１の回転板
２０ｂ第２の回転板
２２ａ、２２ｂ永久磁石
２２磁石対
２３磁石部
２４回転手段
２６コイル
５０発電装置

Claims

所定の間隔を取って設置され同一回転する第１の回転板と第２の回転板と、
前記第１の回転板と第２の回転板とを有する回転部と、
２つの永久磁石が前記第１の回転板と第２の回転板とに同極同士が対向するように設置されて構成される磁石対と、
複数の前記磁石対が同心円状で且つ隣り合う磁極が逆となるように設置されることで構成される磁石部と、
前記回転部を回転させる回転手段と、
前記磁石部の対向する磁極の間に、巻芯の方向が前記回転部の略回転方向を向くように設置された複数のコイルと、を備え、
前記回転部が回転することにより前記コイルが発電する発電装置において、
前記コイルの巻線方向が一定であり、且つ前記コイルの巻芯に磁芯がそれぞれ個別に設置されていることを特徴とする発電装置。
磁石対の個数がコイルの個数よりも多く、さらに磁芯は回転部の回転方向と逆側の端面がコイルの巻線端面から所定量突出していることを特徴とする請求項１記載の発電装置。