JP6148068B2

JP6148068B2 - 発電機

Info

Publication number: JP6148068B2
Application number: JP2013108987A
Authority: JP
Inventors: 洋井出
Original assignee: 洋井出; 松本幸守; 石川明永; 村田考行
Priority date: 2012-05-28
Filing date: 2013-05-23
Publication date: 2017-06-14
Anticipated expiration: 2033-05-23
Also published as: JP2014007947A

Description

本発明は、低速回転及び低トルクで発電機を回転させても充分な発電能力を発揮する発電機に関する。

発電機の回転トルクの軽減、及び発電効率の向上に関して各種提案されている。（例えば特許文献１〜２参照）。

特許文献１には、コア無しコイルを用いることで、コア有りコイルを用いた場合に生じていた起動時のコギングトルクと呼ばれる抵抗を殆ど受けず、低流速の流体を動力源としても十分な発電能力を発揮するようにした発電機が記載されている。特許文献２には、磁界の掛かる１つの中空状のコイルの２辺に、異なる向きの磁束を均等にかけることにより、コア有りコイルを用いた場合に生じていたコアと永久磁石との間の磁気トルクを発生させず、発電効率を向上させた発電機が記載されている。

特開２００２−３２０３６４号公報特開２０１１−５０１３０号公報

特許文献１及び２の発電機では、いずれもコイルをコアレス化して回転トルクを低減させ、発電効率を向上させている。しかしながら、回転トルクの発生原因は他にもあり、回転トルクをさらに低減させることが望まれている。

ｎ巻のコイルに電流ｉが流れると磁束φが生じて、このときの磁束φと電流ｉは比例して下記式（１）となる。
φ ∝ ｎ・ｉ・・・（１）

発電機が回転すると、発電機に繋がれた負荷に発電した電流ｉが流れる。このとき、発電機のコイルの導線から、上記式（１）で算出される磁束φが発電機の永久磁石に掛かる。これにより、永久磁石とコイルの導線との間に磁気トルクが発生して回転トルクが生じる。

本発明は、前記の課題を解決するためになされたもので、発電機に負荷が繋がれたときに流れる電流によって生じる回転トルクを低減すると共に、発電効率を向上させることを目的とする。

前記の目的を達成するためになされた、特許請求の範囲の請求項１に記載された直流発電機は、回転可能に軸支された回転軸に、間隔を開けて固定された少なくとも一対の回転子と、前記一対の回転子の間に配置されていて前記回転軸が挿通されている固定子とを備える発電機であって、前記固定子は、複数の発電基本構成を前記回転軸方向に同じ向きで並べて配置されたものであり、前記発電基本構成は、発電用コイルが設けられたコイル配置板を少なくとも３枚であるＰ枚有し、このＰ枚のコイル配置板を互いに３６０／Ｐ°の角度ずつずらして前記回転軸方向に積層されたものであり、前記コイル配置板は、前記回転軸に対する直交面を略放射状に等分割する複数の仮想線に導体を沿わせた複数の辺部分を有する発電用コイルを備えていて、前記回転子は、１枚の前記コイル配置板における前記複数の辺部分と対向する位置関係に配置された複数の永久磁石を有し、この複数の永久磁石の極性が交互に異なるように並べて配置されたものであり、前記一対の回転子は、互いの前記複数の永久磁石を丁度対面させると共に、対面し合う前記永久磁石の極性が互いに異なる極性となるように前記回転軸に固定され、各々の発電用コイルにダイオードが直列接続されていることを特徴とする。

請求項２に記載された直流発電機は、請求項１に記載のものであり、前記発電用コイルは、隣接し合う一対の前記辺部分を環状に繋げるように導体を巻いたコイル要素を、リング状に接続して形成されたものであることを特徴とする。

請求項３に記載された直流発電機は、請求項１に記載のものであり、前記発電用コイルは、前記複数の辺部分をジグザグ状に繋げるように導体を巻いて形成されたものであることを特徴とする。

請求項４に記載された直流発電機は、請求項１から３のいずれかに記載のものであり、前記発電用コイルは、前記コイル配置板にプリントパターンで形成されたものであることを特徴とする。

請求項５に記載された直流発電機は、請求項１から３のいずれかに記載のものであり、前記発電用コイルは、線状の導体、又は板状の導体で形成されたものであることを特徴とする。

本発明の発電機は、Ｐ枚のコイル配置板を互いに３６０／Ｐ°の角度ずつずらして積層した発電基本構成を固定子に設けているので、負過電流が流れることで各コイル配置板（発電用コイル）から発生する磁束もＰ相の位相差を有し、回転子の永久磁石にはＰ相の磁束の合成ベクトルが掛かる。Ｐ相の磁束の合成ベクトルは互いに打ち消し合って僅かな大きさになるため、回転トルクを低減することができる。又、発電した電圧が多相の交流電圧からなっているため、発電用コイルに流れるピーク電流が低く抑えられることから、各発電用コイルから発生する磁束のピークが小さく抑えられて平均化されるため、回転トルクへの負荷電流による影響を抑えることができる。さらに、複数の発電基本構成を設けているので、発電用コイルの導線の密度が下がり、永久磁石と各発電用コイルとの距離が分散する。負荷電流が流れて発電用コイルが発生する磁力（磁場）は距離の２乗に反比例するため、発電用コイルと永久磁石との距離が分散すると、分散せずに集中している場合と比して大幅に低減するので、発電機の回転トルクを大幅に低減することができる。又、複数の発電基本構成を配置することにより、発電基本構成を一つだけ配置する場合よりも、発電機が消費する総電力を低減できると共に発熱を抑えることができるため、発電効率を向上することができる。又、対面する永久磁石の極性が互いに異なるように一対の回転子が回転軸に固定されているため、各発電用コイルには両面に異なる向きの磁束がバランスよく掛かるため、高い電圧を発電でき、発電効率を向上することができる。発電機に設ける固定子及び回転子の数を増加させれば、発電電力を上げることができる。

発電用コイルが隣接し合う一対の辺部分を環状に繋げるように導体を巻いたコイル要素をリング状に接続したものである場合、発電用コイルの巻き数が各コイル要素の巻き数の総和になるので、巻き数を増大でき、発電効率を一層向上することができる。

発電用コイルが複数の辺部分をジグザグ状に繋げるように導体を巻いて形成されたものである場合、コイル要素をリング状に繋げる電気接続配線を無くすことができ、簡便な構造にすることができる。

発電用コイルをコイル配置板にプリントパターンで形成する場合、線材を巻く作業が不要になり、同一品質のものを簡便かつ大量に製造することができる。特にコイル配置板を多層プリント基板で形成し、複数の層に亘って発電用コイルを形成すると、コイルの巻き数が増大するので、発電効率を一層向上することができる。

発電用コイルが線状の導体、又は板状の導体で形成されたものである場合、平巻きや多層巻きなど任意の形状にコイルを形成し易く、発電効率を向上し易い。

本発明を適用する発電機を示す正面図である。発電機の発電基本構成を示す側面図である。発電用コイルの一つのコイル要素を模式的に示す側面図である。回転子を示す側面図である。本発明を適用する発電機の電気的構成図である。固定子及び回転子を増設した発電機を示す正面図である。プリント基板で形成した別のコイル配置板の例を示す側面図及び一部拡大図である。多層プリント基板で形成した別のコイル配置板の層構造を示す分解図である。本発明における固定子が発生する磁場のシミュレーション結果である。本発明適用外の固定子が発生する磁場のシミュレーション結果である。

以下、本発明の実施形態を詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施形態に限定されるものではない。

本発明を適用する発電機１を図１に示す。発電機１は、回転可能に軸支された回転軸８に、間隔を開けて固定具７、７で固定された少なくとも一対の回転子６、６と、一対の回転子６、６の間に配置されていて回転軸８が挿通されている固定子２とを備えている。固定具７と回転子６とは固定されている。

固定子２は、回転子６、６と接触しないように、回転子６、６との間に、均等のギャップ（隙間）を保つように、不図示の筐体ケースに固定されている。ギャップは、発電効率の観点から狭い方が好ましく、一例として１ｍｍ程度に設定する。固定子２は、複数の発電基本構成３（３_１、３_２、３_３・・・３_６）を回転軸８の軸方向に同じ向きで積層して（並べて）配置されたものである。各発電基本構成３はいずれも同様に形成されており、各発電基本構成３同士は接着剤や螺子等で貼り合わせて固定されている。

発電基本構成３は、発電用コイル１５（図２参照）が設けられたコイル配置板４をＰ枚有し、このＰ枚のコイル配置板４を互いに３６０／Ｐ°の角度ずつずらして（回転させて）回転軸８の軸方向に積層したものである。このような角度に各コイル配置板４をずらすことで、発電基本構成３がＰ相の交流電圧を発電する。本例はＰ＝３の場合を示しており、各発電基本構成３は、３枚のコイル配置板４（４ａ，４ｂ，４ｃ）を１２０°の角度ずつずらして積層されていて、３相の交流電圧を発電する。

図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）にコイル配置板４ａ、４ｂ、４ｃの具体例を示す。コイル配置板４ａ、４ｂ、４ｃは、いずれも同様に形成されていて、この例では円板形状に形成された樹脂などの非磁性体製の基材に、発電用コイル１５が設けられている。図２（ａ）に示すように、コイル配置板４ａの例えば発電用コイル１５の巻き始めの位置を基準線Ｋａの位置とする。この基準線Ｋａに相当する位置を、図２（ｂ）に示すようにコイル配置板４ｂでは１２０°回転させて基準線Ｋｂの位置にずらし、図２（ｃ）に示すようにコイル配置板４ｃでは、コイル配置板４ｂよりも１２０°回転させて基準線Ｋｃの位置にずらす。このように１２０°の角度ずつ位置をずらしたコイル配置板４ａ、４ｂ、４ｃを順に積層して、図２（ｄ）に示すように発電基本構成３が形成される。コイル配置板４同士は、接着剤や螺子等で貼り合わせて固定する。この例のように、コイル配置板４を円板形状に形成すると、同様に形成した複数のコイル配置板４をずらして積層しても、円筒状になって突出する角が生じないため好ましい。コイル配置板４を方形などの多角形状に形成してもよい。多角形状に形成する場合、コイル配置板４ａ、４ｂ、４ｃをそれぞれずらして重ねたときに一つの多角柱となるように、コイル配置板４ａ、４ｂ、４ｃに発電用コイル１５の角度をずらして形成することが好ましい。

図２（ｄ）に示すように、円板状の各コイル配置板４（４ａ、４ｂ、４ｃ）と回転軸８とは同軸（同心）となるように配置される。コイル配置板４には、中央部に回転軸８が非接触で挿通される円形の挿通孔１３が形成されている。図２（ａ）に示すように、コイル配置板４の板面は、回転軸８に対する直交面になる。同図に示す複数の仮想線Ｋ（基準線Ｋａを含む）は、コイル配置板４の板面を、回転軸８の軸心を中心として略放射状に等分割したものである。なお、同図では一部の仮想線Ｋだけを図示して、残りの仮想線Ｋの図示は省略している。

発電用コイル１５は、これら複数の仮想線Ｋに、コイルの巻線になる導体を沿わせた複数の辺部分Ｔを有している。発電用コイル１５の辺部分Ｔの数（仮想線Ｋの数）は、２の倍数の数（偶数）とする。また、発電基本構成３が異なるＰ相の交流電圧を発電するように、各コイル配置板４を３６０／Ｐ°の角度ずつずらして積層したときに、発電用コイル１５が板面方向に重ならず、互いにずれる位置関係となるように、辺部分Ｔの数（仮想線Ｋの数）を設定する。

図２では、発電用コイル１５は、複数のコイル要素１４、１４・・・を、コイル配置板４の円周方向に沿うように、リング状に配置して形成されている例を示している。コイル要素１４、１４・・・は、導体で電気的に直列接続されている。発電用コイル１５はコア無しのコイルである。図３に模式的に示すように、各コイル要素１４は、コア無しの巻線コイルになっていて、隣接し合う一対の辺部分Ｔ、Ｔを環状に繋げるような台形、扇型、又は三角形のような形状に、導体を巻いて形成されている。一例として、コイル配置板４に収容孔１１（図２（ａ）参照）を形成し、線状の導体（導線）又は板状の導体を巻いて形成したコイル要素１４を、収容孔１１内に接着剤等の固定部材で固定して、コイル配置板４にコイル要素１４を設ける。又は、コイル配置板４をプリント基板で形成し、プリントパターン（導体パターン）でコイル要素１４となる平巻コイルを形成するようにしてもよい。又は、コイル配置板４の表面に、導線を巻いて平巻コイルを形成し、固定して、コイル要素１４としてもよい。銅板などの板状の導体を平巻コイル状に切出したものをコイル要素１４としてもよい。

図２の例では、α＝２２．５°のピッチでコイル配置板４を１６に等分割して仮想線Ｋを引き、仮想線Ｋ上に辺部分Ｔが位置するように８個のコイル要素１４を配置している。例えば各コイル要素１４を平巻で３０ターン巻いた場合、８個のコイル要素１４が直列接続されて１つの発電用コイル１５になるので、発電用コイル１５は２４０ターンの巻数になる。

図４（ａ）に回転子６を示し、図４（ｂ）に回転子６とコイル配置板４ａとを重ね合わせた状態を示す。図４（ａ）に示すように、樹脂などの非磁性体で円板状に形成された回転子６には、前述した仮想線Ｋに沿う位置関係で、複数の永久磁石２１が設けられている。図４（ｂ）に示すように、複数の永久磁石２１は、相対的に、１枚のコイル配置板４（４ａ）における発電用コイル１５の複数の辺部分Ｔと丁度対向する位置関係で、回転子６に配置されている。永久磁石２１の数は、１枚当たりのコイル配置板４の辺部分Ｔの数と同数になる。複数の永久磁石２１は、Ｓ極、Ｎ極、Ｓ極・・・のように隣り合う極性が交互に異なるように、回転子６の円周に沿って並べて配置されている。

図１に、一対の回転子６、６に配置した一部の永久磁石２１を破線で示している。同図に示すように、一対の回転子６、６は、互いの複数の永久磁石２１を丁度対面させると共に、対面し合う永久磁石２１の極性が互いに異なる極性となるように回転軸８に固定されている。一対の回転子６、６に配置する永久磁石２１はいずれも同様のものである。

図５に、発電機１の電気的構成図を示す。発電機１では、各発電基本構成３の同じ角度（同相）のコイル配置板４の発電用コイル１５同士が並列接続されている。つまり、発電基本構成３_１、３_２・・・３_６の各コイル配置板４ａの発電用コイル１５同士が並列接続され、各コイル配置板４ｂの発電用コイル１５同士が並列接続され、各コイル配置板４ｃの発電用コイル１５同士が並列接続されている。並列接続された各コイル配置板４ａの発電用コイル１５は交流電圧Ｖａ（位相０°）を発電し、各コイル配置板４ｂの発電用コイル１５は交流電圧Ｖｂ（位相１２０°）を発電し、各コイル配置板４ｃの発電用コイル１５は交流電圧Ｖｃ（位相２４０°）を発電する。交流電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃは多相交流であるので、同図に示すように交流電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ（全ての発電用コイル１５）の一端側を接続すれば、三相三線式の交流電圧になる。

発電機１を直流発電機とする場合、発電機１は、交流を直流に変換（整流）する変換回路５を、筐体ケース内に備えている。例えば同図に示すように、変換回路５は、交流電圧Ｖａを全波整流するダイオードＤ１ａ、Ｄ２ａ、交流電圧Ｖｂを全波整流するダイオードＤ１ｂ、Ｄ２ｂ、及び、交流電圧Ｖｃを全波整流するダイオードＤ１ｃ、Ｄ２ｃを備えている。変換回路５は、交流電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃを相ごとに直流電圧に整流したのち並列接続して、１つの直流電圧としている。変換回路５の出力は発電機１の正電圧出力端子ＤＣ＋、及び、負電圧出力端子ＤＣ−に接続されており、そこに装置外の負荷Ｒが接続されて使用される。図示しないが、発電機１は、コンデンサやフィルターなどの公知の平滑回路を、変換回路５と共に備えていてもよい。

変換回路５としては、公知の回路を用いればよい。例えば、交流電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃを三相三線式とせず、交流電圧Ｖａを生じる発電用コイル１５の両端にダイオードブリッジを接続して直流電圧に整流し、同様に交流電圧Ｖｂをダイオードブリッジで直流電圧に整流し、交流電圧Ｖｃをダイオードブリッジで直流電圧に整流して、各直流電圧を並列接続する変換回路を用いてもよい。しかしながら、図５に示す回路で整流する形式の方が、ダイオードブリッジで整流する形式よりも高い直流電圧を得ることができるため、同じ電力を得る場合、電圧が高い分だけ電流を小さく抑えることができるので、回転トルクをより小さくできるので好ましい。

本実施形態の作用を説明する。
外部からの回転力で回転軸８を回転させると、一緒に回転子６が回転する。回転子６には永久磁石２１、２１・・・の磁極が交互に逆極性になるように環状に配置されているので、固定子２の各発電用コイル１５には周期的に向きが変わる磁束が通過する。これにより各発電用コイル１５の両端に交流電圧が発生する。コイル配置板４ａ、４ｂ、４ｃのそれぞれの発電用コイル１５、１５、１５からは、０°、１２０°、２４０°のように、１２０°の角度ずつ位相差を有する交流電圧が発生する。

一対の回転子６、６には、異なる磁極が対面し合うように永久磁石２１が配置されているので、各発電用コイル１５には両側面から異なる向きの磁束がバランスよく掛かるため、高い電圧の起電力を発生させることができ、発電効率が向上する。

永久磁石２１の仮想線Ｋに沿う方向の長さＬ_Ｍ（図４（ａ）参照）、及び発電用コイル１５（コイル要素１４）の辺部分Ｔの仮想線Ｋに沿う方向の長さＬ_Ｔ（図３参照）は、適宜設定すればよいが、永久磁石２１の磁界が発電用コイル１５の辺部分Ｔ全体に均一に掛かるように、永久磁石２１の長さＬ_Ｍが、発電用コイル１５の辺部分Ｔの長さＬ_Ｔとほぼ同じ長さに形成されていることが好ましい。又、発電用コイル１５の辺部分Ｔの幅（コイルの巻幅）Ｗ_Ｔ（図３参照）に対向する永久磁石２１の幅Ｗ_Ｍ（図４（ａ）参照）は、幅Ｗ_Ｔよりも幅を広くしても狭くしてもよく、適宜設定すればよい。本例では、永久磁石２１の幅Ｗ_Ｍを、コイルの幅Ｗ_Ｔよりも狭く形成した例を示しており、辺部分Ｔの幅Ｗ_Ｔの２／３程度の幅に形成している。これは、永久磁石２１の磁界は環状に放射されるため樽型に発電用コイル１５に掛かるので、永久磁石２１から遠い位置の発電用コイル１５にも均一な磁界が掛かるようにと考え、幅Ｗ_Ｍを幅Ｗ_Ｔより狭くしたものである。永久磁石２１の形状により発電した交流波形が歪む場合があり、出力波形に対する影響、及び発電効率を考慮して、永久磁石２１の形状、幅を適宜決定すればよい。交流波形の歪を抑えるために、永久磁石２１の形状を長方形から台形（扇型）等に形状変更してもよい。永久磁石２１の形状を台形（扇形）にする場合、回転子６の中心側から外周側に広がる向きで永久磁石２１を配置することが好ましい。永久磁石２１の形状、長さ、幅、及び高さを調整することで、歪が補正でき、一層の効率アップが図れる。発電機１を直流発電機とする場合、発電する交流波形を正弦波よりも台形波にしたほうが、発電効率を良くできるため好ましい。

直線導線に生じる誘導起電力ｅの大きさは、長さＬの導線が磁界Ｂを垂直に横切って速度ｖで進むときに、下記式（２）となる。
ｅ＝ｖ・Ｂ・Ｌ・・・（２）
出力電圧は回転軸８の回転速度で調整するが、上記式（２）から磁束の影響を受ける辺部分Ｔの長さＬ_Ｔや、リング状に配置するコイル要素１４及び回転子６に固定する永久磁石２１の数で調整することができる。出力電圧を高くするためには、辺部分Ｔの長さＬ_Ｔが長いほど好ましく、又、コイル要素１４及び永久磁石２１の数が多いほど好ましい。

発電機１に負荷を接続すると、負荷抵抗と出力電圧に応じて各発電用コイル１５に負荷電流が流れる。この負荷電流により、従来の発電機では上記式（１）で算出される磁束φが発生して、回転子６の永久磁石２１に対し、回転子６の回転を停止する方向に力が発生し、これが回転トルクの発生の一要因となっていた。本発明に係る発電機１では、発電基本構成３のコイル配置板４ａ、４ｂ、４ｃの各発電用コイル１５に流れる交流電流はＰ相（３相）の位相差を有している。このため、発電基本構成３の各発電用コイル１５の発生する磁束の位相も同相ではなく、互いに位相差を有している。発電基本構成３から永久磁石２１に掛かる磁束は、この位相差を有するＰ相の磁束をベクトル合成したものになる。Ｐ相の磁束は、位相が均等にずれているため、互いに打ち消し合い、合成した磁束のベクトルは僅かな大きさになる。

又、発電機１（発電基本構成３）が発電する電圧は、多相の交流電圧からなっているので、出力電圧を一定とした場合、多相にするほど各発電用コイル１５に流れるピーク電流を低く抑えられる。ピーク電流が抑えられると、上記式（１）により各発電用コイル１５から発生する磁束のピークは小さく抑えられ平均化されるため、回転トルクへの負荷電流による影響を抑えることができる。このため、発電基本構成３が有するコイル配置板４の数Ｐ、すなわち発電基本構成３が発電する交流電圧の相の数Ｐは大きいほうが好ましい。例えばＰ＝３〜９のように適宜設定する。

さらに、コイル配置板４ａ、４ｂ、４ｃを積層して発電基本構成３が構成されており、この発電基本構成３を複数積層して固定子２が構成されているので、回転子６の永久磁石２１に対し、多数の発電用コイル１５が等しい距離に配置されているのではなく、順に遠くなるように分散されて配置されている。
電流ｉが流れている導線の長さΔＳの部分から距離ｒ離れた場所の磁場Ｈは下記式（３）となる。
Ｈ＝ｉ・ΔＳ・ｓｉｎθ／４πｒ^２・・・（３）

各発電用コイル１５に流れる負荷電流により発生する磁力は、上記式（３）に示されたように距離の２乗に反比例する。永久磁石２１に掛かる磁力は、各発電用コイル１５に対してそれぞれ上記式（３）から算出される磁場Ｈをベクトル合成（積分）した値になる。本発明の固定子２のように、発電用コイル１５が永久磁石２１から順に遠くなるように分散されて配置されていると、導線の密度が極度に下がるため、永久磁石２１に掛かる磁場Ｈを積分した大きさも小さくなって、回転トルクが一層小さくなる。

なお、発電用コイル１５は、巻線同士の隙間が空かないように密巻きされている場合、インダクタンスが高くなり、電圧と電流の位相差が出るため、交流の力率が悪化する。力率の観点から、発電用コイル１５は、インダクタンスを下げるように、巻線同士の間隔を多少開けるように疎巻きして形成されていることが好ましい。

消費電力については、抵抗Ｒに電流ｉが流れたとき、抵抗で消費される電力Ｗは下記式（４）となる。
Ｗ＝Ｒ・ｉ^２・・・（４）
ｍ個の抵抗を並列に接続したものに電流ｉを流した時、全ての抵抗で消費される電力Ｗｍは下記式（５）となる。
Ｗｍ＝Ｒ・（ｉ／ｍ）^２・ｍ＝（Ｒ・ｉ^２）／ｍ・・・（５）
つまり、発電機１の出力する電流ｉが同じ場合、発電基本構成３の総数ｍを増やすことで、上記式（４）・（５）から、発電機１で消費する総電力が低減でき、発熱を抑えることができるため、発電効率が向上する。

固定子２として発電基本構成３を積層する数は任意であり、コイル配置板４の板厚や相数にもよるが、一例として２〜２０組程度にする。発電基本構成３（発電用コイル１５）の積層数が多くなり固定子２の厚みが厚くなりすぎると、永久磁石２１から離れすぎる部位が生じてしまうため好ましくない。そのため、固定子２の厚さが厚くなりすぎる場合、図６に示す発電機１ａのように、固定子２及び回転子６を発電機１に増設すればよい。同図の中央部（固定子２、２の間）に位置する回転子６は、１つで左端側の回転子６と一対の組をなすと共に、右端側の回転子６とも一対の組をなしている。固定子２や回転子６の増設数は任意である。発電機１ａのように増設することで発電電力を上げることができる。

図７に、本発明におけるコイル配置板の別の例として、コイル配置板４０を示す。コイル配置板４０はプリント基板で構成されており、基材４１の表面に発電用コイル５１がプリントパターンで形成されているものである。

発電用コイル５１は、コイル配置板４と同様のピッチαでコイル配置板４を１６に等分割して仮想線Ｋを引き、仮想線Ｋに導体を沿わせた複数の辺部分Ｔを有するコイルであり、辺部分Ｔをジグザグ状に繋げるような形状（蛇行形状）で周回するように導体を巻いて形成されている。この例では、発電用コイル５１として、基材４１の一面側（図の観察面側）に、プリントパターンで平巻コイルが形成されている。発電用コイル５１の一端は、基材４１の一面側で電極５３ａにプリントパターンで接続され、発電用コイル５１の他端は、基材４１の他面側（紙面の反対面側）のプリントパターン５２の一端にスルーホールで接続されて、プリントパターン５２の他端が電極５３ｂにスルーホールで接続されている。電極５３ａ，５３ｂは、同相に配置した他のコイル配置板４０の発電用コイル５１と電気配線で並列接続するため端子である。

基材４１は、公知のプリント基板用材料によって、一例として円板状に形成されている。基材４１には、中央部に回転軸８が非接触で挿通する挿通孔４２、発電用コイル５１以外の部分に孔開けした複数の抜き孔４３、接続用の端子部４４、及びＰ個の位置決め目印４５が形成されている。抜き孔４３は形成されていなくてもよいが、有った方が放熱性を良くでき、軽量化できるため好ましい。端子部４４は、他のコイル配置板４０と接続し易いように基材４１の外周方向に突出させて形成されている。端子部４４には、前述した電極５３ａ，５３ｂがパターンで形成されている。

Ｐ個の位置決め目印４５は、複数のコイル配置板４０を３６０／Ｐ°で回転させて積層するための目印であり、一例として基材４１の外周縁に、等間隔でＰ個、円弧状に切り欠いた切り欠き部が形成されている。位置決め目印４５は、シルク印刷等で形成したマークであってもよい。コイル配置板４０を３６０／Ｐ°で回転させて積層すると、位置決め目印４５の位置が丁度合う。このため、コイル配置板４０を積層していくときに、１枚ずつコイル配置板４０を回転させて、位置決め目印４５の位置を合わせていくことで、発電基本構成３や固定子２を簡便に製造することができる。本例では、発電基本構成３が、Ｐ＝５、つまり５枚のコイル配置板４０を３６０／５°＝７２°の角度ずつずらして積層して形成される場合の例を示している。コイル配置板４０が５層積層されることで、発電基本構成３が５相の交流電圧を発電する。５枚のコイル配置板４０で形成される発電基本構成３を同じ向きで複数積層して、固定子２が形成される。コイル配置板４のようにＰ＝３の場合には、コイル配置板４の外周縁に等間隔に３個の位置決め目印４５を形成すればよい。

一例を示すと、基材４１は直径２４０ｍｍ、板厚０．６ｍｍである。発電用コイル５１は銅箔厚０．２ｍｍのプリントパターンによる１７ターンの平巻コイルである。

同図のコイル配置板４０は、発電用コイル５１を基材４１の片面側だけに形成した例であるが、基材４１の両面に発電用コイル５１、５１を形成し、スルーホールで直列接続して一つの発電用コイルとしてもよい。両面に発電用コイル５１を形成すると、巻き数が２倍になるので、発電効率が向上するため、より好ましい。また、多層プリント基板の複数層に亘って発電用コイルを形成して、コイル配置板としてもよい。

図８に、６層プリント基板で形成したコイル配置板６０の各層の構成を示す。図８（１）は１層目、図８（２）は２層目、図８（３）は３層目、図８（４）は４層目、図８（５）は５層目、図８（６）は６層目を示す。コイル配置板６０は、これら各層を積層して、１枚に形成されている。２〜５層目の基材６２〜６５に、プリントパターンでコイル要素７１〜７４が形成されている。２層目のコイル要素７１と３層目のコイル要素７２とがスルーホール８１で環状に繋がり、その最終端がスルーホール８２で４層目のコイル要素７３に繋がって、４層目のコイル要素７３と５層目のコイル要素７４とがスルーホール８３で環状に繋がり、その最終端がスルーホール８４で２層目の電極用パターン８５に繋がることで、これらコイル要素７１〜７４の全てが直列に繋がれて、１つの発電用コイル７０になっている。スルーホール８１〜８４は、互いに接触しないように位置をずらして形成されている。同図では仮想線Ｋの記載を省略しているが、いずれのコイル要素７１〜７４も、前述した発電用コイル１５と同様の辺部分Ｔを有している。表面層となる１層目の基材６１と６層目の基材６６とには、保護のために発電用コイル７０（コイル要素）を形成していない。

各基材６１〜６６には、外周方向に突出させた端子部６８が形成されている。又、本例では、３枚のコイル配置板６０を積層して発電基本構成３を構成する場合の例として、各基材６１〜６６に各々３個の位置決め目印６９が形成されている。位置決め目印６９の位置が合うように３枚のコイル配置板６０を１２０°の角度ずつずらして積層して、発電基本構成３として、さらに複数の発電基本構成３を同じ向きで積層し、固定子２とする。このように複数層に形成したコイルで一つの発電用コイル７０を形成すると、発電電力を増大させることができる。

〔磁場Ｈのシミュレーション〕
固定子２の発生する磁場Ｈを、コンピュータによりシミュレーションして求めた。シミュレーションには、ａｎｓｏｆｔ社製の「ＭａｘｗｅｌｌＳＶ」を使用した。シミュレーション条件として、図２（ａ）に示すような形状のコイル配置板４を想定した。図９に示すように、各コイル要素１４を、５ターンの平巻コイルとした。同図に示すように、５枚のコイル配置板４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅを３６０／５°の角度ずつずらして積層して発電基本構成３として、さらに５枚の発電基本構成３_１、３_２、３_３、３_４、３_５を同じ向きで積層して固定子２とした。同図では、円筒状の固定子２を帯状に展開し、その一部を、コイル要素１４のＸ−Ｘ線の位置に相当する断面図で示している。コイル配置板４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅの各々の発電用コイルには、３６０／５°の角度ずつ位相をずらした交流電流が流れるものとした。

シミュレーション結果として、図９（ａ）に、固定子２の発生する磁場Ｈの強さを図示し、図９（ｂ）に、固定子２の発生する磁場Ｈの方向及び強度をベクトル（矢印）で図示する。図９（ａ）、（ｂ）は共に、同図の固定子２の同じ位置を示している。

比較対象として、コイル配置板４をずらさずに同じ向きで２５枚積層した本発明適用外の固定子１００の発生する磁場Ｈをシミュレーションで求めた。各発電用コイルに流れる電流等の他の条件は、実施例のシミュレーションと同じにした。図１０（ａ）に、固定子１００の発生する磁場Ｈの強さを図示し、図１０（ｂ）に、固定子１００の発生する磁場Ｈの方向及び強度をベクトルで図示する。

図９（ａ）と図１０（ａ）とを比較すると、本発明における固定子２付近の磁場Ｈが、本発明外の固定子１００付近の磁場Ｈよりも、６０％小さくなっている。図９（ｂ）と図１０（ｂ）とを比較すると、本発明における固定子２の発生する磁場Ｈのベクトルの大きさが、本発明外の固定子１００の発生する磁場Ｈのベクトルよりも小さくなることが一目瞭然に判る。このシミュレーション結果から、本発明に係る発電機は発生する磁場が小さいので回転トルクを小さくできることが確認できた。

[発電の検証実験]
実施例として、図１、２に示すような固定子２を備える本発明に係る発電機を製造した。固定子２の同相の交流出力ごとに並列接続して全波整流し、相ごとの直流電圧を並列接続して直流出力とした。発電用コイル１５の各コイル要素１４としては、φ０．８ｍｍのエナメル線を３７ターン平巻きした台形型コイルを用いた。コイル配置板４の基材としては厚紙を使用した。比較例として、コイル配置板４の位相をずらさずに、全て同じ向きで積層した以外は、実施例と同様に製造した固定子を備える本発明外の発電機を製造した。各コイル要素１４などの条件は、実施例で同様である。

実施例の発電機の回転軸と比較例の発電機の回転軸とを順番に同一のモータで回転させ、各発電機の出力電圧が概ね同じになるように、モータの回転数を制御して、モータの消費電流を測定した。負荷条件は同表に示す。

比較例の回転数を１００％とした場合に、いずれの負荷条件でも、実施例では回転数が２７％下がって７３％の回転数となった。この結果から、実施例は低回転で効率よく発電できることを検証できた。

比較例のモータの消費電力（消費電流）を１００％とした場合に、実施例では、無負荷時には５３％下がって４７％の消費電力、３Ω負荷時には６２％下がって３８％の消費電力となった。モータの消費電力が小さいということは発電機の回転トルクが小さいということを表すので、実施例は比較例よりも回転トルクが小さくなることを検証できた。

１・１ａは発電機、２は固定子、３_１・３_２・３_３・３_４・３_５・３_６は発電基本構成、４・４ａ・４ｂ・４ｃ・４ｄ・４ｅはコイル配置板、５は変換回路、６は回転子、７は固定具、８は回転軸、１１は収容孔、１３は挿通孔、１４はコイル要素、１５は発電用コイル、２１は永久磁石、４０はコイル配置板、４１は基材、４２は挿通孔、４３は抜き孔、４４は接続用端子部、４５は位置決め目印、４６はスルーホール、５１は発電用コイル、５２はプリントパターン、５３ａ・５３ｂは電極、６０はコイル配置板、基材６１〜６６は基材、６８は端子部、６９は位置決め目印、７０は発電用コイル、７１〜７４はコイル要素、８１〜８４はスルーホール、８５は電極用パターン、１００は固定子、αは仮想線Ｋのピッチ、Ｄ１ａ・Ｄ１ｂ・Ｄ１ｃ・Ｄ２ａ・Ｄ２ｂ・Ｄ２ｃはダイオード、ＤＣ＋は正電圧出力端子、ＤＣ−は負電圧出力端子、Ｋは仮想線、Ｋａ・Ｋｂ・Ｋｃは基準線、Ｌ_Ｔは辺部分Ｔの仮想線Ｋに沿った長さ、Ｌ_Ｍは永久磁石２１の仮想線Ｋに沿った長さ、Ｒは負荷、Ｔは辺部分、Ｖａ・Ｖｂ・Ｖｃは交流電圧、Ｗ_Ｔは辺部分Ｔの幅、Ｗ_Ｍは永久磁石２１の幅、Ｘは断面線である。

Claims

回転可能に軸支された回転軸に、間隔を開けて固定された少なくとも一対の回転子と、前記一対の回転子の間に配置されていて前記回転軸が挿通されている固定子とを備える発電機であって、
前記固定子は、複数の発電基本構成を前記回転軸方向に同じ向きで並べて配置されたものであり、
前記発電基本構成は、発電用コイルが設けられたコイル配置板を少なくとも３枚であるＰ枚有し、このＰ枚のコイル配置板を互いに３６０／Ｐ°の角度ずつずらして前記回転軸方向に積層されたものであり、
前記コイル配置板は、前記回転軸に対する直交面を略放射状に等分割する複数の仮想線に導体を沿わせた複数の辺部分を有する発電用コイルを備えていて、
前記回転子は、１枚の前記コイル配置板における前記複数の辺部分と対向する位置関係に配置された複数の永久磁石を有し、この複数の永久磁石の極性が交互に異なるように並べて配置されたものであり、前記一対の回転子は、互いの前記複数の永久磁石を丁度対面させると共に、対面し合う前記永久磁石の極性が互いに異なる極性となるように前記回転軸に固定され、
各々の発電用コイルにダイオードが直列接続されていることを特徴とする直流発電機。
前記発電用コイルは、隣接し合う一対の前記辺部分を環状に繋げるように導体を巻いたコイル要素を、リング状に接続して形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の直流発電機。
前記発電用コイルは、前記複数の辺部分をジグザグ状に繋げるように導体を巻いて形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の直流発電機。
前記発電用コイルは、前記コイル配置板にプリントパターンで形成されたものであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の直流発電機。
前記発電用コイルは、線状の導体、又は板状の導体で形成されたものであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の直流発電機。