JP6392252B2 - 発電装置および発電装置用電機子構造並びに電機子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電、水力発電、潮力発電等の発電に用いることのできる発電装置および発電装置用電機子構造並びに電機子の製造方法に関する。

原子力発電や火力発電等の枯渇性エネルギー源を利用した発電に対し、近年では、風力発電、水力発電、潮力発電などの再生可能エネルギーを利用した発電が注目され、実用化が図られている。

例えば風力発電の場合、自然エネルギーを用いるため、温室効果ガスや焼却灰を出さず、また放射性廃棄物が出ないなどの利点がある。
その半面、時間帯や季節、天候などの影響を強く受け、安定した電力を得ることが困難であるという欠点がある。

従来からの発電機の構造としては、風車とともに回転する界磁を永久磁石とし、固定子鉄心に設けた突極に巻線を巻いて、電力を取り出す方式のものがある。
しかし、発電機停止時には、界磁の永久磁石と固定子鉄心の突極との間に磁気吸着力が働くため、この吸着力に打ち勝つ強さの風力を受けないと、風車は回転せず、発電ができないという問題があった。また、前記の磁気吸着力は、発電機の回転軸の１回転におけるトルクむら、いわゆるコギングの発生の原因となり、円滑な回転が得られなくなる。

このような問題を解消するものとして、特許文献１、２に開示されたものがある。
特許文献１には、磁束を発生する磁石と、この磁石が発生する磁束の空気中での磁束密度の低下を抑制する磁性体と、前記磁石と前記磁性体との間に配置された、略三角形状の電線巻回部を複数接続したコイルとを備え、前記磁石と前記コイルとが相対移動可能に構成されると共に、この相対移動が行われても前記磁石と前記磁性体との距離が一定となるように構成されている発電装置が開示されている。

特許文献２には、基準軸線上の第一位置に回転軸線を一致させる形で配置され、発電駆動源となる流体の流れを受けて第一方向に回転する第一回転入力部と、前記基準軸線上の前記第一位置とは異なる第二位置に配置されるとともに、同一方向から前記流体の流れを受けたとき、前記第一回転入力部とは逆方向に回転する第二回転入力部と、界磁用マグネットが設けられた第一ロータと、該第一ロータと逆方向に前記第二回転入力部と一体回転するとともに前記界磁用マグネットにより励磁される発電用コイルが設けられた第二ロータとを有した発電機とを備え、前記発電機は、前記発電用コイルと前記界磁用マグネットとが前記回転軸線方向にエアギャップを形成する形で対向するよう、前記第二ロータにおいて、空芯扁平に構成された複数の前記発電用コイルが前記回転軸線周りに各々前記軸線方向が前記回転軸線方向と一致する形で配列し、前記第一ロータにおいて、前記回転軸線周りに複数の前記界磁用マグネットが各々前記回転軸線方向に着磁された形で配列したアキシャルギャップ型発電機として構成されてなる発電装置が開示されている。

特開２００２−１０５７３号公報 特開２００８−８２２５１号公報

前掲の特許文献１，２に開示された発電装置では、発電用コイルは空芯扁平であり、突極を有しないため、コギングが発生しないという特徴がある。しかし、発電用コイルは、通常、被覆電線を多数回巻いて形成されるものであり、手巻きにしても、機械巻きにしても、巻く作業に手間が掛かり、また断面円形の電線を用いる場合、占積率は高々６５％とされており、同じ空間でターン数を稼ぐことには限界がある。

そこで本発明は、発電用のコイルの巻き工程が不要で、占積率が電線よりも向上し、コギングが発生しない発電装置および発電装置用電機子構造並びに電機子の製造方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明の第１の構成の発電装置は、回転軸に固定された円板状の回転子と、
前記回転子に固定され、着磁方向が前記回転軸の軸心に平行であるとともに、着磁方向が交互に入れ替わる永久磁石からなる偶数極数の磁極を同一円周上に有する界磁と、
前記回転子が回転したときに前記界磁が作る磁束を横切るような導電パターンを形成したコイル基板を有する固定子とを備え、
前記固定子の導電パターンは、相数に対応して複数設けられ、各相の発電電力を独立して出力可能としたことを特徴とする。
この第１の構成において、コイル基板に導電パターンが形成されたものを発電用コイルとして用いることにより、巻線で形成した発電用コイルに比べて占積率が向上し、巻線工程も不要となり、コギングの発生もなくなる。これを回転子とセットにして複数相設けることにより、複数層の発電電力を出力することができる。

本発明の第２の構成は、第１の構成において、２つの回転子および界磁が、前記回転軸の長手方向に所定の間隔を隔てて設置され、各界磁は、互いに異極同士が対向するように配置され、対向する前記界磁の間に、前記固定子が配置されていることを特徴とする。
この第２の構成により、２つの界磁の間に強力な磁場が形成され、その間に配置される固定子の導電パターンが切る磁束も多くなるため、発電電力を高めることができる。

本発明の第３の構成は、第１または第２の構成において、前記導電パターンは、プリント配線基板上に成層された銅箔をエッチング加工することにより形成されていることを特徴とする。
この第３の構成により、既存のエッチング加工技術を用いて導電パターンを容易に製造することができる。

本発明の第４の構成は、第１から第３の構成において、所定のターン数のコイルを得るために、前記コイル基板を複数枚積層したことを特徴とする。
この第４の構成により、コイル基板の枚数分、ターン数を多くすることができ、発電電力の電圧を高めることができる。

本発明の第５の構成は、第１から第４の構成において、所定のターン数のコイルを得るために、前記コイル基板と前記回転子のセットを複数にしたことを特徴とする。
この第５の構成により、コイル基板の枚数分、ターン数を多くすることができ、発電電力の電圧を高めることができる。

本発明の第６の構成は、第１から第５の構成において、前記固定子および回転子は、筒状のケーシングに収納されていることを特徴とする。
この第６の構成により、固定子および回転子を保護するとともに、固定子のコイル基板をケーシング内部に確実に固定することができる。

本発明の第７の構成は、第６の構成において、前記回転軸は、前記ケーシングにベアリングで回転自在に支承されていることを特徴とする。
この第７の構成により、回転軸に固定されている回転子を円滑に回転させることができる。

本発明の第８の構成は、第１から７の構成において、前記回転子に、前記固定子に設けられたコイル基板を冷却するための空気の流れを起こさせる空気循環孔を形成したことを特徴とする。
この第８の構成により、回転子が回転すると空気の対流が生じ、固定子に設けられたコイル基板が冷却される。

本発明の第９の構成は、第１から８の構成において、前記回転子に、前記固定子に設けられたコイル基板を冷却するための空気の流れを起こさせるフィンまたは溝を形成したことを特徴とする。
この第９の構成により、回転子が回転すると空気の流れが生じ、固定子に設けられたコイル基板が冷却される。

本発明の第１０の構成の発電装置用電機子構造は、
回転軸に固定された円板状の回転子と、
前記回転子に固定され、着磁方向が前記回転軸の軸心に平行であるとともに、着磁方向が交互に入れ替わる永久磁石からなる偶数極数の磁極を同一円周上に有する界磁と、
前記回転子が回転したときに前記界磁が作る磁束を横切る発電コイルからなる電機子を有する固定子とを備えた発電装置の電機子構造であって、
前記発電コイルは、絶縁材からなるコイル基板の表面に形成された導電パターンにより構成され、
前記導電パターンは、相数に対応して複数設けられ、各相の発電電力を独立して出力可能としたことを特徴とする。
この第１０の構成では、コイル基板に導電パターンが形成されたものを発電コイルとして用いることにより、巻線で形成した発電コイルに比べて占積率が向上し、巻線工程も不要となる。これを複数相設けることにより、複数層の発電電力を出力することができる。

本発明の第１１の構成は、第１０の構成において、絶縁層と導電パターンが形成された導電層が交互に複数層、積層され、同一相の各層の導電パターンの巻き終わりと次の層の巻き始めが、スルーホールメッキにより導通されて所定のターン数の導電パターンが形成されていることを特徴とする。
この第１１の構成により、外付けの電線による各層の導電パターンの接続が不要となり、接続の手間の削減と、誤接続を防ぐことができる。

本発明の第１２の構成は、第１１の構成において、導電パターンが４層できるように形成され、最外層の導電パターンには、絶縁層を介して接続ランドを設けた導電層を設けたものである。
この第１２の構成により、外部への発電電力の取り出しのための配線が不要となる。

本発明の第１３の構成は、第１１または１２の構成において、複数層の導電パターンの巻き終わりと次の層の巻き始めあるいは、最外層の導電パターンと接続ランドとを接続するスルーホールを複数個の小孔で構成し、これらの小孔にスルーホールメッキを施して接続ランドで電気的に接続したことを特徴とする。
この第１３の構成により、円周長を大きくすることが可能となり、スルーホールメッキのメッキ厚が薄くても、抵抗とそれによる発熱を低下させることができる。

本発明の第１４の構成に係る発電装置用電機子の製造方法は、
絶縁基板の上下面に第１及び第２の金属層を付着させ、
前記第１及び第２の金属層にエッチング処理を施して第１相及び第２相の発電コイルの機能を有する第１及び第２の導電パターンを形成し、
前記第１及び第２の導電パターンの上下に絶縁層を被覆し、
前記被覆した絶縁層の上下面に第３及び第４の金属層を付着させ、
前記第３及び第４の金属層にエッチング処理を施して第３相の発電コイルの機能を有する第３の導電パターン及びリードパターンの機能を有する第４の導電パターンを形成し、
前記第１〜第３の導電パターンの巻き始めまたは巻き終わりを、前記第４の導電パターンと、スルーホールメッキを介して導通することを特徴とする。
この方法により、３相の発電コイルの基本構成を有する電機子が得られる。

本発明の第１５の構成は、第１４の構成の製造方法によって得られた電機子を、必要枚数積層することにより、所定のターン数の発電コイルを得ることを特徴とする。

本発明の第１６の構成は、第１４の構成の製造方法によって得られた電機子の導電パターンの形状が山谷を連続するパターンである場合、前記第１及び第２及び第３の導電パターンの山谷に対して山谷が完全に逆転した第５及び第６及び第７の導電パターンを積層することにより、第１〜第３の導電パターンと第５〜第７の導電パターンの各相を重ねることを特徴とする。
この第１６の構成によって、１単位のコイルユニットを製造することができ、さらに複数のコイルユニットを積層して接続することにより、所定のターン数の発電コイルが得られる。

本発明によれば、発電用のコイルの巻き工程が不要で、占積率が電線よりも向上し、コギングが発生しない発電装置および発電装置用電機子が得られる。

本発明の実施の形態１に係る発電装置の構造を示すものであり、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ断面図、（ｃ）は（ｂ）におけるＢ−Ｂ断面図である。 本発明の実施の形態１における第１基板ｕ相導電パターンを示す正面図である。 本発明の実施の形態１における第１基板ｖ相導電パターンを示す正面図である。 本発明の実施の形態１における第１基板ｗ相導電パターンを示す正面図である。 本発明の実施の形態１における第１基板端子部を示す正面図である。 本発明の実施の形態１における各相合成第１基板を示す正面図である。 本発明の実施の形態１における第２基板ｕ相導電パターンを示す正面図である。 本発明の実施の形態１における第２基板ｖ相導電パターンを示す正面図である。 本発明の実施の形態１における第２基板ｗ相導電パターンを示す正面図である。 本発明の実施の形態１における第２基板端子部を示す正面図である。 本発明の実施の形態１における各相合成第２基板を示す正面図である。 本発明による発電装置用電機子の製造工程を示す説明図である。 本発明の製造方法によって得られた電機子構造を示す説明図である。 基板におけるスルーホールの例を示すものであり、（ａ）は孔ＴＨが１つの場合の拡大平面図、（ｂ）は複数の小孔ＴＨ１〜７で構成した実施の形態２の場合の拡大平面図である。 （ａ）は積層する基板の層数とコスト、発電電圧、抵抗損失の関係を示すグラフ、（ｂ）は層数と最大発電電力との関係を示すグラフである。 空冷構造を備えた発電装置に係る実施の形態３を示すものであり、（ａ）は断面図、（ｂ）は回転子の正面図である。 空冷構造の他の例を示すものであり、（ａ）は空気循環孔を回転軸に対して斜めに形成した断面図、（ｂ）は回転子にフィンまたは溝を設けた例を示す正面図である。

以下、本発明の実施の形態１を、図面を参照しながら具体的に説明する。
図１は本発明の実施の形態１を示すものであり、風力発電用の発電装置の例を示している。この発電装置において、回転軸１の長手方向の中央部には、回転軸１とは独立して固定子２が配置され、固定子２の両側において、回転軸１には第１回転子３および第２回転子４が固定されている。回転軸１の中央部には大径部１ａが設けられていて、大径部１ａよりも内側に第１回転子３および第２回転子４が接近しないように、両回転子の位置が規制されている。これにより、第１回転子３と第２回転子４の間隔が規定される。

第１ケーシング５ａと第２ケーシング５ｂからなるケーシング５は、ベアリング６を介して回転軸１へ回転自在に取り付けられている。ケーシング５は回転軸１が回転している間に動くことができないように、他の固定部分（図示せず）に固定されている。第１回転子３および第２回転子４の位置がずれないように、ベアリング６と第１回転子３および第２回転子４との間にブッシュ７を設けているが、他の方法で第１回転子３および第２回転子４の位置がずれないようにしてもよい。第１ケーシング５ａのフランジと第２ケーシング５ｂのフランジとの間には固定子２が挟み付けられ、ボルト８で締め付け固定されている。更に、固定子２が回転方向へずれないようにケーシング５と固定子２を櫛型で合わせ込んでもよい。

第１回転子３および第２回転子４には、複数（偶数）の永久磁石９が固着されている。複数の永久磁石９は、磁極方向が回転軸１の長手方向に着磁されており、隣り合う永久磁石９の磁極が交互に入れ替わるように配置されている。本例では、永久磁石９の個数は１０個であり、円周上に、３６度の角度間隔で設けられている。

また、第１回転子３の永久磁石９の磁極と、第２回転子４の永久磁石９の磁極は、異極同士が対向するように位置合わせされ、回転軸１に固定される。
固定子は複数のコイル基板を積層して形成されている。

更に、第１回転子３と第２回転子４と固定軸１のセットを複数にすることで所定のターン数のコイルを得るようにしても良い。

図２は、第１基板１０に形成される３相（ｕ相、ｖ相、ｗ相）のうちｕ相導電パターンＰｕ１の層を示す。このｕ相導電パターンＰｕ１は、巻き始めＰｕ１−ｓから１０個の凹凸パターンが４列形成され、巻き終わりＰｕ１−ｅで、基板積層後スルーホールメッキを介してリードパターンＰｌｕ１により外側に引き出されている。第１基板１０の周囲には、位置合わせのための切り欠き１１が１０個、３６度間隔で設けられている。

図３は、第１基板１０に形成されるｖ相導電パターンＰｖ１の層を示す。このｖ相導電パターンＰｖ１は、巻き始めＰｖ１−ｓから１０個の凹凸パターンが４列形成され、巻き終わりＰｖ１−ｅで、基板積層後スルーホールメッキを介してリードパターンＰｌｖ１により外側に引き出されている。

図４は、第１基板１０に形成されるｗ相導電パターンＰｗ１の層を示す。このｗ相導電パターンＰｗ１は、巻き始めＰｗ１−ｓから１０個の凹凸パターンが４列形成され、巻き終わりＰｗ１−ｅで、基板積層後スルーホールメッキを介してリードパターンＰｌｗ１により外側に引き出されている。

ｕ相導電パターンＰｕ１とｖ相導電パターンＰｖ１とｗ相導電パターンＰｗ１は、電気角では１２０度の位相差を有しており、本例では、１０極であるため、１２度（機械角）の角度差をもって第１基板１０に形成されている。

図５は、各相のリードパターンＰｌｕ１、Ｐｌｖ１、Ｐｌｗ１が形成された層を示すものであり、基端はそれぞれ基板積層後スルーホールメッキを介して各相の巻き終わりＰｕ１−ｅ、Ｐｖ１−ｅ、Ｐｗ１−ｅに接続される。

図６は、各導電パターン及びリードパターンを合成した図である。この図により、各相が１２度の角度差をもって第１基板１０に形成され、各相の導電パターンの巻き始め、巻き終わりが重なることなく引き出されていることが分かる。

図７は、第２基板２０に形成される３相（ｕ相、ｖ相、ｗ相）のうちｕ相導電パターンＰｕ２の層を示す。このｕ相導電パターンＰｕ２は、巻き始めＰｕ２−ｓから１０個の凹凸パターンが４列形成され、巻き終わりＰｕ２−ｅで、基板積層後スルーホールメッキを介してリードパターンＰｌｕ２により外側に引き出されている。第２基板２０の周囲には、位置合わせのための切り欠き２１が１０個、３６度間隔で設けられている。

図８は、第２基板２０に形成されるｖ相導電パターンＰｖ２の層を示す。このｖ相導電パターンＰｖ２は、巻き始めＰｖ２−ｓから１０個の凹凸パターンが４列形成され、巻き終わりＰｖ２−ｅで、基板積層後スルーホールメッキを介してリードパターンＰｌｖ２により外側に引き出されている。

図９は、第２基板２０に形成されるｗ相導電パターンＰｗ２の層を示す。このｗ相導電パターンＰｗ２は、巻き始めＰｗ２−ｓから１０個の凹凸パターンが４列形成され、巻き終わりＰｗ２−ｅで、基板積層後スルーホールメッキを介してリードパターンＰｌｗ２により外側に引き出されている。

ｕ相導電パターンＰｕ２とｖ相導電パターンＰｖ２とｗ相導電パターンＰｗ２は、第１基板１０と同様に、１２度の角度差をもって第２基板２０に形成されている。

図１０は、各相のリードパターンＰｌｕ２、Ｐｌｖ２、Ｐｌｗ２が形成された層を示すものであり、基端はそれぞれ基板積層後スルーホールメッキを介して各相の巻き終わりＰｕ２−ｅ、Ｐｖ２−ｅ、Ｐｗ２−ｅに接続される。

図１１は、各導電パターン及びリードパターンを合成した図である。この図により、各相が１２度の角度差をもって第２基板２０に形成され、各相の導電パターンの巻き始め、巻き終わりが重なることなく引き出されていることが分かる。

第１基板１０と第２基板２０とは、各相の導電パターンが０．５サイクル（１８度）回転したパターンであり、例えばｕ相の場合、第１基板１０のリードパターンＰｌｕ１の先端の位置と、第２基板２０のｕ相導電パターンＰｕ１の巻き始めＰｕ１−ｓの先端の位置が一致しており、スルーホールメッキにより導電パターンが直列接続できるようになっている。

なお、第２基板２０におけるｕ相の導電パターンＰｕ２の巻き終わりに接続されているリードパターンＰｌｕ２の先端の位置と、第１基板１０におけるｕ相の導電パターンＰｕ１の巻き始めＰｕ１−ｓの位置は、３６度ずれているので（他の相も同じ）、第２基板２０の次の層に第１基板１０を３６度ずらしたものを積層し、スルーホールメッキによって接続することにより、導電パターンは直列接続されていき、ターン数を多くすることができる。この３６度ずらして積層する操作を３６０度まで繰り返すことにより、各層で２０層、全体で６０層の導電パターンを直列接続することができる。

ここで、第１基板１０、第２基板２０は、それぞれ３６度毎に切り欠き１１，２１が設けられており、３６度ずらして積層する際に、切り欠き１１，２１の位置が揃うため、各基板の位置合わせを容易に行うことができる。ケーシング５ａと５ｂの内側の、固定子２を挟み付ける部分に、切り欠き１１，２１に嵌り込む凸部を設けることにより、固定子２の回転軸１回りの回転を抑止することができる。

上記構成の発電装置の回転軸１の軸方向に風車を取り付けることにより、コギングのない、微風から回転することが可能な風力発電機を実現することができる。
また、コイルの占積率がよいことと界磁が効率よく得られるように薄型のコイルを形成できるため、風車による回転力を高効率で電力に変換することが実現できる。

図１２は、本発明の実施の形態１に係る電機子を製造する工程を示すものである。
まず、図１２（ａ）に示すように、絶縁基板３１、たとえばプリプレグの基板の上下面に、銅箔３２，３３を積み重ね、図１２（ｂ）に示すようにプレス等により一体に成型する。なお、プリプレグとは、ガラス繊維に樹脂を含浸した成形用中間材料であり、強度、絶縁性に優れている。本例では、絶縁基板３１は１００μｍ厚、銅箔３２，３３は７０μｍとした。

次に、図１２（ｃ）に示すように、銅箔３２，３３の表面に３０μｍの銅メッキ３４，３５を施し、銅箔と銅メッキを合わせた厚みを１００μｍとする。但し、本実施の形態１の場合、銅部分の厚みが１００μｍであれば効果は同じであるため、銅箔＋銅メッキの代わりに１００μｍの銅箔を用いてもよい。

次に、図１２（ｄ）に示すように、エッチング処理により、銅箔３２，３３および銅メッキ３４，３５を施した部分に導電パターンを形成する。これは、上述したｕ相の導電パターンＰｕ１とｖ相の導電パターンＰｖ１に相当する。

次に、図１２（ｅ）に示すように、導電パターンＰｕ１，Ｐｖ１の上下に、絶縁基板３６，３７を貼り付け、さらにその上下に銅箔３８，３９を貼り付け、プレス加工で一体化する。

次に、図１２（ｆ）に示すように、前述の導電パターンの巻き終わりと、リードパターンの基端との間を貫通する孔ＴＨを穿孔する。

次に、図１２（ｇ）に示すように、銅箔３８，３９の表面に３０μｍの銅メッキ４０，４１を施し、銅箔７０μｍと銅メッキ３０μｍで１００μｍの銅の部分を形成し、さらに孔ＴＨの内部にスルーホールメッキを施す。

次に、図１２（ｈ）に示すように、銅箔３８，３９および銅メッキ４０，４１を施した部分に、エッチング処理により導電パターン（接続ランド）を形成する。これは、上述したｗ相の導電パターンとリードパターンＰｌｕ１、Ｐｌｖ１、Ｐｌｗ１に相当する。

以上の工程で製造した第一基板Ａ１と同様に、図１２（ｊ）に示す第二基板Ａ２を製造し、間に、図１２（ｉ）に示す絶縁板４２を介してプレスで一体化し、導電パターンＰｕ１，Ｐｖ１，Ｐｗ１，Ｐｕ２，Ｐｖ２，Ｐｗ２の３相、２系統分の電機子ユニットを製造する。この電機子ユニットは、導電パターンのみでカウントすると６層となる。

この電機子ユニットを１０個、３６度ずつ角度をずらして積層することにより、導電パターン６０層の電機子を製造することができる。リードパターン（接続ランド）の層も入れると８０層となり、さらに、全体の巻き始めと巻き終わりのリードパターンも入れて、８２層となる。

図１３は本発明の実施の形態１に係る電機子を製造する工程で最終のプレス状態を示すものである。

図１２で示した基板を最終的に接合するため、図１３に示すように、積層した基板の上下をＳＵＳプレート５０，５１で挟み込み、更にＳＵＳプレート５０，５１を絶縁板５２，５３で挟み込み、位置決めと支えのため複数本のポール５４を通し、クラフト紙５５，５６で絶縁板５２，５３の上下を挟み込みプレスを行う。基板接合後はクラフト紙５５，５６、絶縁板５２，５３、複数本のポール５４、ＳＵＳプレート５０，５１を取り外すと、整合された最終基板となる。

上記構成の発電装置の回転軸１の軸方向に風車を取り付けることにより、コギングのない、微風から回転することが可能な風力発電機を実現することができる。
また、コイルの占積率がよいことと界磁が効率よく得られるように薄型のコイルを形成できるため、風車による回転力を高効率で電力に変換することが実現できる。

図１２の実施の形態１では、複数の基板における導電パターンの巻き終わりとリードパターン間を貫通する孔ＴＨを形成し、その孔ＴＨにスルーホールメッキを施して複数の基板の導電パターンと最外層の基板のリードパターン（接続ランド）Ｐｌｕ１、Ｐｌｖ１、Ｐｌｗ１を導通させるようにしている。その孔ＴＨは、図１４（ａ）の拡大平面図に示すように、通常は１個である。この孔ＴＨが形成される最外層の基板の表面には円形のランド部Ｌおよび内周面にスルーホールメッキＴＰが施される。しかし、本発明の発電用のコイルのように電流が例えば１０〜２０Ａと大電流の場合、通常のメッキ厚が２５μｍ程度であると、抵抗損失が大きくなり、電気変換効率が悪い。
そこで、本実施の形態２では、図１４（ｂ）に示すように基板に複数（本例では７個）の小孔ＴＨ１〜７を開け、この小孔ＴＨ１〜７を全て含むような銅メッキによるランド部Ｌと小孔ＴＨ１〜７の内周を覆うメッキからなるスルーホールメッキＴＰを形成する。これにより、積層された複数の基板の表面と裏面間で、小孔ＴＨ１〜７によるスルーホールメッキＴＰが並列接続されたことになり、抵抗が５７％に減少し、電気変換効率が向上する。
ちなみに、図１４（ａ）の単一孔では、直径５ｍｍのランドに直径４ｍｍのスルーホールを開けた場合、円周長さ＝２５．１２ｍｍとなる。一方、図１４（ｂ）の７つの小孔ＴＨ１〜７を設ける例では、直径５ｍｍのランドに直径１ｍｍのスルーホールを７個あけた場合、円周長さ（合計）＝４３．９６ｍｍとなり、１．７５倍の円周長となって、円周長の分、電気抵抗が低下することが理論的にも裏付けられる。

次に、上述の実施の形態１では、電機子ユニットを１０個、３６度ずつ角度をずらして積層することにより、導電パターン６０層、最外層のリードパターンの層も入れると８０層の電機子を製造する例を示した。基本的には、３６度ずつ角度をずらして基板を積層して一相分を形成するには１０個（３６０度）が１単位であり、３相では合計で導電パターン３０層が基本層数（最外層のリードパターンの層も入れると４０層）である。ここで、層数とコスト、発電電圧、抵抗損失の関係を図１５（ａ）に示している。一般的には、層数が増えると発電電圧は増えるが、同時に抵抗損失も増え、これにより発熱量が増え、温度上昇が大きくなる。同時に、コストも高くなる。そこで、層数を４０層とした場合と、実施の形態１に示した８０層とした場合の最大発電電力の関係を調べたところ、図１５（ｂ）に示すように、層数を増やしても、最大発電電力は頭打ちとなることがわかった。コストの面では層数が少ないほうが有利であるので、電機子として層数を４０層とすることが好ましいことが判明した。

図１６は、固定子２に積層されている複数のコイル基板に発生する熱を冷却するための空冷構造を備えた発電装置に係る実施の形態３を示すものである。この実施の形態では、永久磁石９を取り付けた第１回転子３と第２回転子４に固定子２と反対側が大径となる空気循環孔３ａ，４ａを設けている。この構成とすることにより、回転軸１ｎ回転により第１回転子３と第２回転子４が回転したとき、孔の両側の圧力差により空気が流れ、空気循環孔３ａ，４ａから空気が取り入れられ、対流を助ける。これにより、コイルが冷却される。なお、ケーシング５にも通気孔５ｃを設けて外気を取り入れ、また高温となった空気を排熱することができる。このような通気孔５ｃを設けない場合でも、ケーシング５に冷却フィンを設けて空冷することもできる。

図１７は、空冷構造の他の例を示すものであり、図１７（ａ）は第１回転子３，第２回転子４に形成する空気循環孔３ｂ，４ｂを回転軸１に対して斜め方向とし、第１回転子３と第２回転子４の回転により空気の対流を効率的に起こすようにしている。

図１７（ｂ）はまた別の例を示すものであり、第１回転子３，第２回転子４のコイル基板（固定子２）側に放射状のフィン（突起）１２または溝１３を設け、第１回転子３，第２回転子４の遠心力により空気の流れを発生させるようにしたものである。このフィン１２または溝１３は、一方のみでもよく、また両方設けてもよい。

このように、固定子２に積層されている複数のコイル基板に発生する熱を、第１回転子３，第２回転子４の回転による空気の対流により冷却することで、発電効率の低下を抑えることが可能となる。

本発明は、発電用のコイルの巻き工程が不要で、占積率が電線よりも向上し、コギングが発生しない発電装置および発電装置用電機子として、風力発電、水力発電、潮力発電等の発電に好適に利用することができる。

１ 回転軸
１ａ 大径部
２ 固定子
３ 第１回転子
３ａ，３ｂ 空気循環孔
４ 第２回転子
４ａ，４ｂ 空気循環孔
５ ケーシング
５ａ 第１ケーシング
５ｂ 第２ケーシング
５ｃ 通気孔
６ ベアリング
７ ブッシュ
８ ボルト
９ 永久磁石
１０ 第１基板
１１ 切り欠き
１２ フィン
１３ 溝
２０ 第２基板
２１ 切り欠き
３１ 絶縁基板
３２，３３ 銅箔
３４，３５ 銅メッキ
３６，３７ 絶縁基板
３８，３９ 銅箔
４０，４１ 銅メッキ
５０，５１ ＳＵＳプレート
５２，５３ 絶縁板
５４ ポール
５５，５６ クラフト紙
ＴＨ スルーホール
ＴＨ１〜７ 小孔
Ｌ 接続ランド

Claims (16)

1. 回転軸に固定された円板状の回転子と、
   前記回転子に固定され、着磁方向が前記回転軸の軸心に平行であるとともに、着磁方向が交互に入れ替わる永久磁石からなる偶数極数の磁極を同一円周上に有する界磁と、
   前記回転子が回転したときに前記界磁が作る磁束を横切るような導電パターンを形成した各相毎のコイル基板と、
   前記各相毎のコイル基板の前記導電パターンのそれぞれの端部を全相分、外部に引き出すための引出し配線用基板と、
   前記コイル基板を相数分と前記引出し配線用基板１枚とを積層したものを整数組積層した固定子とを備え、
   前記各相のコイル基板は、前記回転軸が内部を貫通する穴を有する円板状であり、かつ各導電パターンは、前記回転軸に対して放射方向の直線パターンと円周方向の円弧パターンが交互につながる、前記極数Ｎ個の歯を有する平歯車状の凹凸パターンを、複数列直列接続したものであり、かつ前記各相のコイル基板の導電パターンは各相の発電電力を独立して出力可能としたことを特徴とする発電装置。
2. ２つの回転子および界磁が、前記回転軸の長手方向に所定の間隔を隔てて設置され、各界磁は、互いに異極同士が対向するように配置され、対向する前記界磁の間に、前記固定子が配置されていることを特徴とする請求項１記載の発電装置。
3. 前記導電パターンは、プリント配線基板上に成層された銅箔をエッチング加工することにより形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の発電装置。
4. 所定のターン数のコイルを得るために、前記コイル基板を複数枚積層したことを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載の発電装置。
5. 所定のターン数のコイルを得るために、前記コイル基板と前記回転子のセットを複数にしたことを特徴とする請求項１から４のいずれかの項に記載の発電装置。
6. 前記固定子および回転子は、筒状のケーシングに収納されている請求項１から５のいずれかの項に記載の発電装置。
7. 前記回転軸は、前記ケーシングにベアリングで回転自在に支承されている請求項６記載の発電装置。
8. 前記回転子に、前記固定子に設けられたコイル基板を冷却するための空気の流れを起こさせる空気循環孔を形成した請求項１から７のいずれかの項に記載の発電装置。
9. 前記回転子に、前記固定子に設けられたコイル基板を冷却するための空気の流れを起こさせるフィンまたは溝を形成した請求項１から８のいずれかの項に記載の発電装置。
10. 回転軸に固定された円板状の回転子と、
    前記回転子に固定され、着磁方向が前記回転軸の軸心に平行であるとともに、着磁方向が交互に入れ替わる永久磁石からなる偶数極数の磁極を同一円周上に有する界磁と、
    前記回転子が回転したときに前記界磁が作る磁束を横切る発電コイルからなる電機子を有する固定子とを備えた発電装置の電機子構造であって、
    前記発電コイルは、絶縁材からなるコイル基板の表面に形成された導電パターンにより構成され、
    前記導電パターンは、相数に対応して複数設けられ、
    前記各相毎のコイル基板の前記導電パターンのそれぞれの端部を全相分、外部に引き出すための引出し配線用基板が、相数毎に１枚設けられ、
    前記固定子は前記コイル基板を相数分と前記引出し配線用基板１枚とを積層したものを整数組積層して形成され、
    各導電パターンは、前記回転軸に対して放射方向の直線パターンと円周方向の円弧パターンが交互につながる、前記極数Ｎ個の歯を有する平歯車状の凹凸パターンを、複数列直列接続したものであり、かつ前記各相のコイル基板の導電パターンは、各相の発電電力を独立して
    出力可能とした発電装置用電機子構造。
11. 絶縁層と導電パターンが形成された導電層が交互に複数層、積層され、同一相の各層の導電パターンの巻き終わりと次の層の巻き始めが、スルーホールメッキにより導通されて所定のターン数の導電パターンが形成されている請求項１０記載の発電装置用電機子構造。
12. 導電パターンが４層できるように形成され、最外層の導電パターンには、絶縁層を介して接続ランドを設けた導電層が設けられている請求項１１記載の発電装置用電機子構造。
13. 複数層の導電パターンの巻き終わりと次の層の巻き始めあるいは、最外層の導電パターンと接続ランドとを接続するスルーホールを複数個の小孔で構成し、これらの小孔にスルーホールメッキを施して接続ランドで電気的に接続した請求項１１または１２に記載の発電装置用電機子構造。
14. 絶縁基板の上下面に第１及び第２の金属層を付着させ、
    前記第１及び第２の金属層にエッチング処理を施して第１相及び第２相の発電コイルの機能を有する第１及び第２の導電パターンを形成し、
    前記第１及び第２の導電パターンの上下に絶縁層を被覆し、
    前記被覆した絶縁層の上下面に第３及び第４の金属層を付着させ、
    前記第３及び第４の金属層にエッチング処理を施して第３相の発電コイルの機能を有する第３の導電パターン及びリードパターンの機能を有する第４の導電パターンを形成し、
    前記第１〜第３の導電パターンの巻き始めまたは巻き終わりを、前記第４の導電パターンと、スルーホールメッキを介して導通することを特徴とする発電装置用電機子の製造方法。
15. 請求項１４記載の製造方法によって得られた電機子を、必要枚数積層して所定のターン数の発電コイルを得ることを特徴とする発電装置用電機子の製造方法。
16. 請求項１４記載の製造方法によって得られた電機子の導電パターンの形状が山谷を連続するパターンである場合、前記第１及び第２及び第３の導電パターンの山谷に対して山谷が完全に逆転した第５及び第６及び第７の導電パターンを積層することにより、第１〜第３の導電パターンと第５〜第７の導電パターンの各相を重ねることを特徴とする発電装置用電機子の製造方法。