JP5090303B2

JP5090303B2 - 発電装置

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Publication number: JP5090303B2
Application number: JP2008240990A
Authority: JP
Inventors: 陽平鳥海; 松本　　聡; 尊久正代
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2008-09-19
Filing date: 2008-09-19
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2028-09-19
Also published as: JP2010071228A

Description

この発明は、水や空気など流体の持つエネルギーを回転エネルギーに変換するための回転装置の一つであるベーンモーターを用いて発電する発電装置に関する。

従来より、流体のエネルギーを回転エネルギーに変換する回転装置（タービン）として、ベーンモーターが知られている。ベーンモーターは、簡単な構成からなり、流体の圧力を直接回転力に変換するため、小型でありながら大出力を得ることができる回転装置である。

従来のベーンモーターについて、図７を用いて説明する。図７は、従来のベーンモーターについて説明するための図である。なお、図７において、上段の図は、ベーンモーターを上から見た場合の俯瞰図であり、下段の図は、上段の俯瞰図に示すベーンモーターを直線Ａで切断した場合の断面図である。

図７に示すように、従来のベーンモーターとしてのタービン４は、流体の吸入口４５および排出口４６を有し内壁が円形のケーシング４１（外筒部材）と、ケーシング４１の中に偏心されて配置されたローター４２とから構成される。また、ローター４２には、複数のベーン（図７では、ベーン４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ、４３ｅ、４３ｆの６枚）が収納されており、各ベーン４３ａ〜４３ｆは、遠心力もしくはバネによって押されるなど、様々な方法によって引き出されることにより、常にケーシング４１の内壁と接触し、流体の流路を完全に隔絶している。

吸入口４５内の流体と排出口４６内の流体とに圧力差が発生すると、各ベーン４３ａ〜４３ｆに「断面積×圧力」の力がかかり、その力がローター４２の回転力となる。例えば、吸入口４５の圧力が高くなった時、各ベーン４３ａ〜４３ｆに圧力がかかるが、ローター４２の中心は、ケーシング４１に対して偏心の位置にあるため、ローター４２から突出している各ベーン４３ａ〜４３ｆの長さがそれぞれ異なることとなり、各ベーン４３ａ〜４３ｆにおいて力を受ける断面積も異なる。ローター４２は、各ベーン４３ａ〜４３ｆにかかる力の回転方向成分の総和によって回転するため、図７に示す構成において、ローター４２は、結果として時計回りの回転を開始する。

ここで、流体のエネルギーによって回転するローターの中心軸を取り出して回転発電機に接続することにより発電を行なう技術が一般的に知られている（例えば、非特許文献１参照）。

水力発電のしくみ [平成２０年９月１２日], インターネット<URL: http://www.kepco.co.jp/kids/search/page28.html >

ところで、上記した従来の技術は、発電を行なうためにローターの中心軸の一部をケーシング外部に出す必要があり、その際、作動流体が軸と軸受けの隙間から漏れないようにシーリングをする必要がある。しかし、シーリングすることによるトルク損失が発生トルクに対して比較的大きいと、流体の圧力のエネルギーから電気エネルギーへのエネルギー変換効率が悪くなるという課題があった。

また、上記した従来の技術は、ベーンモーター外部に発電機を設置するスペースや、発電機とローターの中心軸とを連結するためのスペースが必要であり、狭い場所では使用が困難であるという課題があった。

そこで、この発明は、上述した従来技術の課題を解決するためになされたものであり、流体の圧力のエネルギーから電気エネルギーへの変換効率が高く、かつ、狭い場所でも使用できるように小型化されたベーンモーター型の発電装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、この装置は、流体の吸入口と排出口とを有する外筒部材と、前記外筒部材の内部に偏心されて設けられ、着磁された、もしくは内部に複数の磁石を有する回転自在のローターと、前記ローターに対して突没自在に設けられたベーンと、それぞれ前記外筒部材の外側に設けられ、前記外筒部材を挟み込むように前記ローターの回転面に対して平行に配置され、前記ローターの回転軸の中心から当該ローターの回転面に平行して放射状に伸びた複数の枝を有し、当該複数の枝の先端それぞれが当該ローターの着磁部分、もしくは前記複数の磁石それぞれの磁極近傍に配置される第一のコイルコアおよび第二のコイルコアと、前記第一のコイルコアおよび前記第二のコイルコアが有する前記複数の枝それぞれに巻かれた複数のコイルと、を備え、前記ローターの着磁部分もしくは前記複数の磁石は、前記ローターの回転軸に対して対向する位置に配置された磁極の向きが互いに反対となるように配置され、前記着磁部分もしくは前記複数の磁石による磁力線が、前記コイルコアの内部を通って前記ローターの回転軸に対して対向する着磁部分もしくは磁石へと導かれ、前記ベーンの先端が前記外筒部材の内壁に接して前記吸入口側と前記排出口側とを隔絶し、前記吸入口側と前記排出口側との流体の圧力差を前記ベーンに受けて前記ローターを回転させ、当該ローターの回転によって生じた交番磁界によって前記複数のコイルを通過する磁束密度を変化させて電圧を発生させることを要件とする。

開示の装置によれば、流体の満たされた内部から外部の空気中にローターの回転軸を発電のために取り出す必要が無いため、ローターを外筒部材の中に完全に密閉することができ、Ｏリングなどのシーリングに係るトルク損失をなくすことができ、流体の圧力のエネルギーから電気エネルギーへのエネルギー変換効率を高くすることが可能となる。また、流体エネルギーを回転エネルギーに変換する回転装置（ベーンモーター）と、回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機を一体化させることができ、狭い場所でも使用できるように小型化することが可能となる。

以下に添付図面を参照して、この発明に係る発電装置の好適な実施例について詳細に説明する。

実施例１における発電装置は、ベーンモーターとしてのタービン（回転装置）に発電機能が付加された装置である。以下、これについて、図１〜３を用いて説明する。なお、図１は、実施例１における発電装置の水平方向の断面図であり、図２は、実施例１における発電装置を上から見た場合の概観図であり、図３は、実施例１における発電装置の垂直方向の断面図である。ここで、図３は、実施例１における発電装置を、図１に示す直線Ｂで切断した場合の垂直方向の断面図である。

図１に示すように、実施例１における発電装置としてのタービン１は、内壁が円形のケーシング１１（外筒部材）の中に回転自在のローター１２が偏心されて配置される。ケーシング１１は、流体の吸入口１５と排出口１６を有し、また、ローター１２には、複数のベーン（図１では、ベーン１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆの６枚）が収納されている。ローター１２に対して突没自在に設けられた各ベーン１３ａ〜１３ｆは、例えば、図示しないバネによって押されることにより、常にケーシング１１の内壁と接触し、流体の流路を完全に隔絶している。

そして、図１に示すように、実施例１における発電装置としてのタービン１は、図７に示す従来のベーンモーターとしてのタービン４とは異なり、ローター１２の内部に複数の磁石（図１では、磁石１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆの６個）を有する。ここで、６個の磁石１４ａ〜１４ｆは、図１に示すように、ローター１２の回転軸を中心にして、角度６０度ごとに配置されている。

そして、図２に示すように、実施例１における発電装置としてのタービン１は、ケーシング１１の外側（上面）に放射状に伸びた複数の枝を有する軟磁性体のコイルコア１７が配置される。なお、コイルコア１７が有する複数の枝それぞれは、ローター１２の回転軸を中心にローター１２の回転面に平行して放射状に伸びている。ここで、コイルコア１７が有する６本の枝は、図２に示すように、ローター１２の回転軸を中心にして、角度６０度ごとに放射状に伸びている。

また、図２に示すように、コイルコア１７が有する複数の枝それぞれには、コイル１８が巻かれている。ここで、本実施例では、図２に示すように、コイルコア１７が有する枝が６本であり、６本の枝それぞれに６個のコイル１８が巻かれている場合について説明する。

コイルコア１７が有する６個の枝の先端それぞれは、図１に示した６個の磁石１４ａ〜１４ｆの磁極近傍に配置されている。すなわち、図３に示すように、コイルコア１７が有する枝の先端部は、ケーシング１１を挟んで、ローター１２の内部にある磁石（図中では、磁石１４ｆおよび磁石１４ｃ）の磁極近傍となるように配置されている。

なお、図３に示すように、磁石１４ｃは、Ｎ極が上面となっており、磁石１４ｆは、Ｓ極が上面となっている。また、図には示さないが、磁石１４ｃと同様に、磁石１４ａおよび磁石１４ｅは、Ｎ極が上面となっており、磁石１４ｆと同様に、磁石１４ｂおよび磁石１４ｄは、Ｓ極が上面となっている。すなわち、ローター１２内の６個の磁石１４ａ〜１４ｆは、ローター１２の回転軸に対して対向する磁石（例えば、磁石１４ｆおよび磁石１４ｃ）の磁極の向きが互いに反対となるように配置されている。

これにより、ローター１２内部の磁石（例えば、磁石１４ｃ）による磁力線は、コイルコア１７の内部（枝）を通り、ローター１２の回転軸に対して対向する別の磁石（例えば、磁石１４ｆ）へと導かれる。

かかる構成において、吸入口１５内の流体と排出口１６内の流体とに圧力差が発生すると、ローター１２は、各ベーン１３ａ〜１３ｆにかかる力の回転方向成分の総和によって回転し始め（図１においては、時計回り）、ローター１２の内部に組み込まれた磁石１４ａ〜１４ｆも回転し、交番磁界が発生する。この交番磁界により、コイルコア１７の中の磁束密度が変化してコイル１８に誘導起電力が発生し、電力を取り出すことができる。

このようなことから、実施例１における発電装置としてのタービン１は、流体の満たされた内部から外部の空気中に動力軸（ローター１２の回転軸）を発電のために取り出す必要が無いため、ローター１２をケーシング１１の中に完全に密閉することができ、Ｏリングなどのシーリングに係るトルク損失をなくすことができ、流体の圧力のエネルギーから電気エネルギーへのエネルギー変換効率を高くすることが可能となる。

また、実施例１における発電装置としてのタービン１は、流体エネルギーを回転エネルギーに変換するベーンモーターと、回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機を一体化させることができ、狭い場所でも使用できるように小型化することが可能となる。

上述した実施例１では、コイルコアが１つ設置される場合について説明したが、実施例２では、コイルコアが２つ設置される場合について、図４を用いて説明する。なお、図４は、実施例２における発電装置を説明するための図である。

ここで、実施例１にて説明したタービン１の構成においては、ローター１２内部に埋め込まれた磁石１４ａ〜１４ｆと、軟磁性体であるコイルコア１７との間で引力が発生する。このため、実施例１にて説明したタービン１では、ローター１２の回転軸部やローター１２と、ケーシング１１との間に、摩擦が生じ、エネルギー変換効率が低下する可能性がある。

また、実施例１にて説明したタービン１の構成においては、ローター１２内部の磁石１４ａ〜１４ｆにおいて、コイルコア１７に向かい合っていない側の磁極（図３に示すケーシング１１の下側の磁極）では、磁路を形成するような磁性体はないため、磁極から出た磁力線は、空気中を通り、別の磁極へと還ってくる。このような磁力線は、発電システムの外部へと漏れ出し、外部の金属と引き付けあったり、もしくは、外部の電子機器や磁気カードなどへ悪影響を及ぼしたりする可能性がある。このため、外部に漏れる磁束の量を減らすために磁気シールドを設置する必要がある。

これらの課題を解決するために、実施例２における発電装置としてのタービン２は、以下に説明するように構成される。

実施例２における発電装置としてのタービン２は、図１を用いて説明したタービン１と同様の構成（吸入口および排出口を有するケーシング、６個の磁石が埋め込まれたローター、ローターに対して突没自在に設けられた６個のベーン）からなる。

しかし、実施例２においては、図４に示すように、実施例１におけるコイルコア１７と同じ構成からなる２つのコイルコア２７ａおよびコイルコア２７ｂが、ケーシング２１を挟み込むようにローター２２の回転面に対して平行に配置される。ここで、図４は、図１に示す直線Ｂに対応する直線でタービン２を切断した場合の垂直方向の断面図となる。

すなわち、図４に示すように、コイルコア２７ａは、ケーシング２１の上面に配置され、コイルコア２７ｂは、ケーシング２１の下面に配置される。また、コイルコア２７ａおよびコイルコア２７ｂが有する６本の枝それぞれには、６個のコイル２８ａおよび６個のコイル２８ｂが巻かれている。また、コイルコア２７ａおよびコイルコア２７ｂが有する６本の枝それぞれの先端部分は、ローター２１に埋め込まれた６個の磁石（図４においては、磁石２４ｆおよび磁石２４ｃのみが示されている）の磁極近傍に配置される。

タービン２において、コイルコア２７ａおよびコイルコア２７ｂの形状は、それぞれ同一であり、コイル２８ａおよびコイル２８ｂにおける発電量は、それぞれ等しいことから、コイルコアと磁石との間に働く力は、全く等しく対称になり相殺されて零になる。

このようなことから、実施例２における発電装置としてのタービン２は、ローター２２の回転軸部やローター２２とケーシング２１との間で摩擦が発生することが回避でき、流体の圧力のエネルギーから電気エネルギーへのエネルギー変換効率をさらに高くすることが可能となる。

また、タービン２において、磁石から出た磁力線は、そのほとんどがコイルコア２７ａおよびコイルコア２７ｂの中を通ることにより、磁力線が外部へと漏れることはない。

このようなことから、実施例２における発電装置としてのタービン２は、磁力線の外部への漏れを防止でき、磁気シールドを設置する必要がなくなる。

また、タービン２において、コイルコア２７ａおよびコイルコア２７ｂそれぞれに巻かれたコイル２８ａおよびコイル２８ｂそれぞれにおいて発電が行なわれる。

このようなことから、実施例２における発電装置としてのタービン２は、コイル２８ａおよびコイル２８ｂを直列につなげれば、実施例１の構成と比較して２倍の発電電圧を得ることができ、コイル２８ａおよびコイル２８ｂを並列につなげれば、２倍の電流を得ることができ、発電量と発電電圧とを増大することが可能になる。

上述した実施例２では、２つのコイルコアがケーシングを挟んで対称に配置される場合について説明したが、実施例３では、２つのコイルコアがケーシングを挟んで非対称に配置される場合について、図５および図６を用いて説明する。なお、図５は、実施例３における発電装置を上から見た場合の概観図であり、図６は、実施例３における発電装置を下から見た場合の概観図である。

実施例２において説明したように、コイルコアと磁石との間には、磁力による引力が発生するが、この引力は、ローター回転時、磁石とコイルコア先端の距離に応じて変化する。すなわち、磁石とコイルコア先端とが再接近するときに最大となるような引力のむらが発生する。この引力のむらは、コギングトルクとなり、回転が円滑でなくなったり、騒音が発生したりする原因となる。

ここで、実施例２にて説明したタービン２の構成においては、コイルコア２７ａと、コイルコア２７ｂとが上下対称（ローター２２の回転軸に対して同一角度）で配置されている。このため、コイルコア２７ａ先端およびコイルコア２７ｂ先端は、磁石に対して同時に再接近することとなり、コギングトルクが顕著に発生する。

この課題を解決するために、実施例３における発電装置としてのタービン３は、以下に説明するように構成される。

実施例３における発電装置としてのタービン３は、実施例２における発電装置としてのタービン２と同様の構成からなる。すなわち、タービン３は、吸入口３５および排出口３６を有するケーシング３１、コイル３８ａが巻かれたコイルコア３７ａおよびコイル３８ｂが巻かれたコイルコア３７ｂ（以上、図５および図６参照）と、６個の磁石が埋め込まれたローターおよびローターに対して突没自在に設けられた６個のベーン（図示せず）からなる。

しかし、実施例３においては、上面のコイルコア３７ａに対して下面のコイルコア３７ｂがローターの回転軸を軸にしてある程度回転した状態で配置される。例えば、図５および図６に示すように、コイルコア３７ａに対してコイルコア３８ｂが、３０度回転されて配置される。これにより、上面のコイルコア３７ａと下面のコイルコア３８ｂとの位置関係が非対称となり、ローターの回転にともなってコイル３８ａで発生される電圧とコイル３８ｂで発生される電圧とでは、位相が異なることとなる。

このようなことから、実施例３における発電装置としてのタービン３は、上面のコイルコア３７ａ先端と、下面のコイルコア３７ｂ先端とが同時に再接近することがなくなり、コギングトルクを減らすことができ、ローターの回転を円滑にしてローター回転時における騒音を低減することが可能になる。

なお、実施例３では、コイルコア３７ａに対してコイルコア３７ｂが、３０度回転されて配置される場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、上面のコイルコア３７ａと下面のコイルコア３７ｂとの位置関係が非対称であることで、コイル３８ａにより発生される電圧の位相とコイル３８ｂにより発生される電圧の位相とが異なるのであれば、任意の角度を適用することが可能である。

また、上述の実施例１〜３に示した構成および動作はあくまで一例であり、本発明は実施例に限定されること無く適宜変形して利用することができるものである。例えば、実施例１〜３では、ローター内部に磁石を埋め込む構造を例に説明を行ったが、ローター自身を着磁することによって、磁場を作りだす構成としても本発明を実施することは可能である。このほか、磁石とコイルの数、細かい形状などは実際の使用状況によって変更可能である。

このように、本発明にかかわる発電装置は、流体の圧力のエネルギーから効率よく電気エネルギーへの変換することができるので、摩擦抵抗を無視できるくらい大きな圧力や高回転を得るための大きな流量が得られないために利用することができなかった様々なエネルギーを利用して発電できるようになる。それは例えば、風力や、波力や、人の運動などに起因する力である。

また、本発明にかかわる発電装置は、その大きさを小型化、特に薄型化ができるので、これまでタービンを設置できなかった狭い場所（水道管の中や、ガス管の中、狭い壁の中など）でも利用できるようになる。また、小型軽量化して人体の身体に取り付け、人の運動によって流体が入ったタンクに圧力をかけてタービンを回転させ、その回転力を利用して発電を行なって、携帯機器に電力を供給することなどにも用いることができる。

以上のように、本発明に係る発電装置は、流体の持つエネルギーを回転エネルギーに変換して発電する場合に有用であり、特に、流体の圧力のエネルギーから電気エネルギーへの変換効率が高く、かつ、狭い場所でも使用できることに適する。

実施例１における発電装置の水平方向の断面図である。実施例１における発電装置を上から見た場合の概観図である。実施例１における発電装置の垂直方向の断面図である。実施例２における発電装置を説明するための図である。実施例３における発電装置を上から見た場合の概観図である。実施例３における発電装置を下から見た場合の概観図である。従来のベーンモーターについて説明するための図である。

符号の説明

１、２、３、４タービン
１１、２１、３１、４１ケーシング
１２、２２、３２、４２ローター
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ、４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ、４３ｅ、４３ｆベーン
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆ、２４ｃ、２４ｆ磁石
１５、３５、４５吸入口
１６、３６、４６排出口
１７、２７ａ、２７ｂ、３７ａ、３７ｂコイルコア
１８、２８ａ、２８ｂ、３８ａ、３８ｂコイル

Claims

流体の吸入口と排出口とを有する外筒部材と、
前記外筒部材の内部に偏心されて設けられ、着磁された、もしくは内部に複数の磁石を有する回転自在のローターと、
前記ローターに対して突没自在に設けられたベーンと、
それぞれ前記外筒部材の外側に設けられ、前記外筒部材を挟み込むように前記ローターの回転面に対して平行に配置され、前記ローターの回転軸の中心から当該ローターの回転面に平行して放射状に伸びた複数の枝を有し、当該複数の枝の先端それぞれが当該ローターの着磁部分、もしくは前記複数の磁石それぞれの磁極近傍に配置される第一のコイルコアおよび第二のコイルコアと、
前記第一のコイルコアおよび前記第二のコイルコアが有する前記複数の枝それぞれに巻かれた複数のコイルと、
を備え、
前記ローターの着磁部分もしくは前記複数の磁石は、前記ローターの回転軸に対して対向する位置に配置された磁極の向きが互いに反対となるように配置され、前記着磁部分もしくは前記複数の磁石による磁力線が、前記コイルコアの内部を通って前記ローターの回転軸に対して対向する着磁部分もしくは磁石へと導かれ、
前記ベーンの先端が前記外筒部材の内壁に接して前記吸入口側と前記排出口側とを隔絶し、前記吸入口側と前記排出口側との流体の圧力差を前記ベーンに受けて前記ローターを回転させ、当該ローターの回転によって生じた交番磁界によって前記複数のコイルを通過する磁束密度を変化させて電圧を発生させることを特徴とする発電装置。
前記第一のコイルコアが有する前記複数のコイルで発生される電圧の位相と、前記第二のコイルコアが有する前記複数のコイルで発生される電圧の位相とが異なるように、当該第二のコイルコアが当該第一のコイルコアに対して前記ローターの回転軸を中心として回転された状態で配置されることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。