JP5252532B2

JP5252532B2 - 半球面発電機

Info

Publication number: JP5252532B2
Application number: JP2007200554A
Authority: JP
Inventors: 勉水野; 穎剛卜; 慎一福澤; 誠柄澤
Original assignee: Shinshu University NUC
Current assignee: Shinshu University NUC
Priority date: 2007-08-01
Filing date: 2007-08-01
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2027-08-01
Also published as: JP2009038881A

Description

この発明は多方向の振動エネルギーを電気エネルギーに変換できる構造を有する発電機に関するものである。

携帯して使用する小形の電気製品が多くなっている。このような製品は外部電源を常時接続して使用することはなく、製品に内蔵された一次電池や二次電池を電源として利用している。製品によっては電池の交換が煩わしいものなどもある。

そこで、一回の電池交換もしくは充電によって長期にわたって使用できることが要求されている。電気製品に小形の発電機を搭載することで、発電機からの電源供給が可能となって、電気製品の長期使用が実現できる。

図8は従来の単方向発電機である（特許文献1）。ケース25は筒状であり、ケース25の両端には固定永久磁石27が配置してある。この固定永久磁石27はケース25内部の揺動永久磁石28と斥力が働くように配置している。固定永久磁石27の表面には緩衝部材29が配置してある。紙面上下方向に振動エネルギーを受けると揺動永久磁石28が振動する。揺動永久磁石28がケース25内部で振動すると、コイル26の鎖交磁束数が変化してコイル26の端子間に起電力Vが発生する。しかし、紙面左右方向に振動をしてもコイル26の鎖交磁束数が変化しないために発電することができない。すなわち、この発電機では単一の方向の振動しか電気エネルギーに変換できない。
特開2002-281727

図9は従来の回転式単方向発電機である（特許文献2）。ピン33上を滑るラックバー31に取り付けた重錘30が紙面左右方向の振動エネルギーを受けると発電ユニット32内に配置された増速手段34を通して、振動エネルギーが回転エネルギーに変換される。回転エネルギーが着磁されたロータ35に伝達することで、ヨーク36内を通る磁束が変化して、発電コイル37の端子間に起電力が発生する。紙面上下方向の振動をした場合には、ピン33と増速手段34が三点でラックバー31を支持しているので、ラックバー31の紙面上下方向の運動が制限されて発電することはできない。すなわち、単一の方向だけの発電しかできない。
特開2004-260896

多方向の振動エネルギーを効率的に変換するためには、単一の方向の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機では不十分である。

本発明に係る発電機は、半円球状の可動子ヨークと、前記可動子ヨークの半球面状の表面に配置された永久磁石と、前記可動子ヨークを支持する支持用ポールと、前記支持用ポールが固定されるケースと、前記永久磁石と対面して配置されたコイルと、半球面の凹状の内面に前記永久磁石と対面して前記コイルが、包み込むように配置された凹形の固定子ヨークとを有する発電機であって、前記永久磁石は、前記可動子ヨークの平面方向から見て扇型に形成された永久磁石が、磁化方向が交互となるように配置され、前記支持用ポールは、前記可動子ヨークを前記固定子ヨークの内面から離間して支持するとともに、発電機にｘ−ｙ平面方向の外部振動が作用した際に前記可動子ヨークをθ、φ方向に傾動可能に支持すべく設けられ、前記コイルは、コイルの巻線の向きが直角に交差する、θ方向コイルとφ方向コイルとからなることを特徴とする。
また、前記永久磁石は、前記可動子ヨークの平面方向から見て扇型となる４個の永久磁石を備える構成とすることにより、可動子ヨークの任意方向の傾動により効果的に発電することができる。

本発明によれば、多方向の振動エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換することが可能となる。従来の単一の方向の振動エネルギーだけしか電気エネルギーに変換できない発電機よりも大きな発電量が得られる。

［発明の実施例1］半球面発電機

実施例1では、半球面発電機の構造について説明する。図1は、半球面発電機1の正面図を示したものである。コイル3は半球面の凹状の磁性体からなる固定子ヨーク4の内側に固定されている。また、半球面状の可動子ヨーク6の表面には永久磁石5が取り付けられており、支持用ポール7を介してケース8と連結されている。x-y平面方向に外部振動aが半球面発電機に作用すると支持用ポール7はしなって、永久磁石5がθ、φ方向に回転する。この回転によって、コイル3に起電力が発生して、発電機外部に電気エネルギーを供給する。ただし、可動子2、コイル3と永久磁石5の形状および配置は半球面状に限定されるものではなく、可動子2、コイル3と永久磁石5が球面状に配置されていればよい。

図2は、図1 に示した固定子ヨーク4の半球面状の凹部のA-A断面図を示したものである。永久磁石5は扇型のものを用いており、4個の永久磁石5を曲面になるようにそれぞれ配置してある。さらに、永久磁石5の磁化方向が交互になるように配置している。また、θ方向コイル9とφ方向コイル10とは直角に交差している。たとえば、θ方向に可動子ヨーク6が回転した場合には、θ方向コイル9の鎖交磁束数が変化して、θ方向コイル9の端子間に起電力eθが発生する。またφ方向に回転した場合にはφ方向コイル10の端子間に起電力eφが発生する。さらに、外部振動エネルギーを受けて可動子2がどの方向に回転しても、θ方向コイル9よびφ方向コイル10端子間にはそれぞれ電圧が生じて、外部振動エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能となる。

［平板状発電機］

以下では、平板状発電機の構造について説明する。図3は平板状発電機11の平面図を示したものである。永久磁石12は、ばね15によってケース14に支持されており、ばね15は永久磁石12の側面に固定されている。たとえば、x方向に永久磁石12が振動するとコイル13の鎖交磁束数が変化してコイル13の端子間に起電力が発生する。またy方向に永久磁石12が振動しても同様に起電力が発生する。x-y平面方向に外部振動aが平板状発電機11に作用すると永久磁石12がx-y方向にばね15の作用によって振動する。さらに、外部振動によって任意のx-y平面方向に永久磁石12が振動した場合も起電力が発生して、発電機外部に電気エネルギーを供給する。ただし、ばね15の形状はこれに限るものではない。また、永久磁石12は、ばねによって支持されることに限定されるものではなく、液体やゲルまたはゴムなどの弾性体によって支持されていてもよい。

図4は平板状発電機11のA-A断面図を示したものである。コイル13はコイル固定板16の内側に配置されている。さらに、コイル13は永久磁石12をはさむように上下に配置されている。永久磁石12の側面にばね15が固定されている。ケース14にはばね15が滑るようにばね用レール17が設けられている。こうすることで、永久磁石12が動いたときにばね15がスライドしてばね15がしなり、永久磁石12を振動させることができる。平板状発電機11が紙面上下方向に振動を受ける場合には、ケース14が永久磁石12とコイル13間のギャップ長を保つ役割を有する。

上記の項で述べた事項では、x-y平面方向の動きに対して発電が可能である。そこで、この平板状発電機11に回転機構を加えることで、x-y平面方向およびそれ以外の振動エネルギーを電気エネルギーに変換させることができる。

図5は多方向の振動エネルギーを電気エネルギーに変換することを可能とさせる回転機構を示したものである。平板状発電機11を中心から一方に偏らせて支持する。支持部は回転軸18となっており、支持用ポール19と連結されている。こうすることで平板状発電機11は斜め方向に傾く。外部から振動エネルギーが加わった際に、回転軸18が回転をする。すると、振動の方向にあわせて平板状発電機11の永久磁石12が動いて多方向の振動エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能となる。

［立方体形発電機］

以下では、立方体形発電機の構造について説明する。図6は立方体形発電機20の平面図を示したものである。立方体の各面にはそれぞれコイル21が固定されている。コイル21は対面するコイル21同士が直列に接続されている。このコイル21が固定されている立方体の中に永久磁石22が内蔵されている。この永久磁石22は立方体形ヨーク24の表面に配置されている。内蔵されている永久磁石22が配置された立方体形ヨーク24の各頂点は、それぞれ、ばね23で支持されている。たとえば、xyz空間の任意の方向の外部振動aが作用した場合には、コイル21の鎖交磁束数が変化して、コイル21の端子間に起電力が発生して、発電機外部に電気エネルギーを供給する。ただし、コイルとばねの形状および配置はこれに限るものではない。また、永久磁石12は、ばねによって支持されることに限定されるものではなく、液体やゲルまたはゴムなどの弾性体によって支持されていてもよい。

図7は立方体形発電機20のA-A断面図を示したものである。立方体形のコイル21と立方体形ヨーク24の各頂点は、ばね23を介して連結されている。外部から振動エネルギーを受けると、ばね23が伸縮して可動子がxyz方向に動き、外部振動エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能となる。

本発明の実施例1における半球面発電機の構造図1におけるA-A断面図本発明の実施例2における平面状発電機の構造図3におけるA-A断面図本発明の実施例2における回転機構本発明の実施例3における立方体形発電機図6におけるA-A断面図従来の単方向発電機従来の回転式単方向発電機

符号の説明

本発明の実施例1における半球面発電機の構造を示す説明図である。図1におけるA-A断面図である。平面状発電機の構造を示す説明図である。図3におけるA-A断面図である。平面状発電機の回転機構を示す説明図である。立方体形発電機の構造を示す説明図である。図6におけるA-A断面図である。従来の単方向発電機の構造を示す説明図である。従来の回転式単方向発電機の構造を示す説明図である。

Claims

半円球状の可動子ヨークと、前記可動子ヨークの半球面状の表面に配置された永久磁石と、前記可動子ヨークを支持する支持用ポールと、前記支持用ポールが固定されるケースと、前記永久磁石と対面して配置されたコイルと、半球面の凹状の内面に前記永久磁石と対面して前記コイルが、包み込むように配置された凹形の固定子ヨークとを有する発電機であって、
前記永久磁石は、前記可動子ヨークの平面方向から見て扇型に形成された永久磁石が、磁化方向が交互となるように配置され、
前記支持用ポールは、前記可動子ヨークを前記固定子ヨークの内面から離間して支持するとともに、発電機にｘ−ｙ平面方向の外部振動が作用した際に前記可動子ヨークをθ、φ方向に傾動可能に支持すべく設けられ、
前記コイルは、コイルの巻線の向きが直角に交差する、θ方向コイルとφ方向コイルとからなることを特徴とする発電機。
前記永久磁石は、前記可動子ヨークの平面方向から見て扇型となる４個の永久磁石を備えることを特徴とする請求項１記載の発電機。