JP6868926B1

JP6868926B1 - 発電機

Info

Publication number: JP6868926B1
Application number: JP2020194452A
Authority: JP
Inventors: 高良林
Original assignee: Yamauchi Corp
Current assignee: Yamauchi Corp
Priority date: 2020-11-24
Filing date: 2020-11-24
Publication date: 2021-05-12
Anticipated expiration: 2040-11-24
Also published as: JP2022083163A

Abstract

【課題】発電効率のよい発電機を提供する。【解決手段】発電機（１）は、収納空間を有するホルダー（２）と、ホルダーに回転自在に支持され、少なくともその一方端がホルダーの外に露出している回転軸（３）と、ホルダーの収納空間内に配置され、回転軸に固定された回転磁石（４）と、回転磁石に近接して設けられ、ホルダーに保持される非磁性体の筒状部材（７）と、筒状部材の外周に配置されたコイル（８）と、筒状部材内に配置され、回転磁石からの磁力を受けて自転運動する球状磁石（６）とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、発電機に関する。

発電機を用いた技術として、例えば、特開２０１８−１９１４１７号公報（特許文献１）が挙げられる。特許文献１は、自転車のペダル部に固定された外部マグネットと、自転車のボディ部に固定され、内部に球状磁石が収容された電流発生装置とを備える振動ダイナモ発電装置を開示している。特許文献１の振動ダイナモ装置は、外部マグネットの回転軌道上に電流発生装置が配置されているため、ペダル部を回転するだけで電流発生装置内部の球状磁石が振動し、発電することができる。

特開２０１８−１９１４１７号公報

特許文献１に開示された振動ダイナモ装置は、ペダル部の回転軸を中心とする外部マグネットの公転運動により、電流発生装置内部の球状磁石が振動することで発電する。このため、ペダル部の回転に要する労力に対して得られる電力が比較的少なく、発電効率の向上が望まれている。

本発明は、発電効率のよい発電機を提供することを目的とする。

本実施の一態様に係る発電機は、収納空間を有するホルダーと、ホルダーに回転自在に支持され、少なくともその一方端がホルダーの外に露出している回転軸と、ホルダーの収納空間内に配置され、回転軸に固定された回転磁石と、回転磁石に近接して設けられ、ホルダーに保持される非磁性体の筒状部材と、筒状部材の外周に配置されたコイルと、筒状部材内に配置され、回転磁石からの磁力を受けて自転運動する球状磁石とを備える。

好ましくは、球状磁石の回転軸線は、回転軸に対して平行である。

好ましくは、球状磁石の回転軸線は、コイルの円周軌道面に交差している。

好ましくは、回転磁石は、円筒形状の磁石である。

好ましくは、筒状部材の一方端面は、回転磁石に近接しており、筒状部材の中心軸線は、回転軸に直交している。

好ましくは、球状磁石を筒状部材の中心部に位置させるための非磁性材料からなるスペーサが、筒状部材内に配置されている。

好ましくは、筒状部材に巻かれたコイルの外周面は、回転軸に近接しており、筒状部材の中心軸線は、回転軸に交差しない位置で回転軸に対して垂直な方向に延びている。

好ましくは、筒状部材と、コイルと、球状磁石とを含む電流発生部が、回転軸を中心とした回転対称位置に設けられた第１電流発生部と、第２電流発生部とを含み、球状磁石は、第１電流発生部の筒状部材内に配置された第１球状磁石と、第２電流発生部の筒状部材内に配置された第２球状磁石とを含む。

好ましくは、円筒形状の回転磁石は、周方向に２極に着磁されており、球状磁石は、球状磁石の回転軸線を含む平面を境に２極に着磁している。

好ましくは、回転軸は、ホルダーから露出している一方端部分にピニオンが取り付けられている。

本発明の発電機によれば、回転軸を中心に回転する回転磁石と、回転磁石からの磁力を受けて自転運動をする球状磁石とを利用することで、発電効率を向上することができる。

本発明の実施の形態１における発電機の斜視図である。本発明の実施の形態１における発電機の断面図であり、（ａ）は正面縦断面図であり、（ｂ）は図２（ａ）におけるＩＩｂ−ＩＩｂ線に沿った断面図である。本発明の実施の形態２における発電機の斜視図である。本発明の実施の形態２における発電機の断面図であり、（ａ）は縦断面図であり、（ｂ）は図４（ａ）におけるＩＶｂ−ＩＶｂ線に沿った断面図である。

本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

＜実施の形態１＞
図１，２を参照して、本発明の一実施形態の発電機１について説明する。なお、図２（ａ）において、矢印Ａ１で示す方向を左右方向といい、矢印Ａ２で示す方向を上下方向といい、図２（ｂ）において矢印Ａ３で示す方向を前後方向という。

発電機１は、収納空間２１を有するホルダー２と、ホルダー２に回転自在に支持され、少なくともその一方端がホルダー２の外に露出している回転軸３と、ホルダー２の収納空間２１内に配置され、回転軸３に固定された回転磁石４と、回転磁石４に近接して設けられ、ホルダー２に保持される非磁性体の筒状部材７と、筒状部材７の外周に配置されたコイル８と、筒状部材７内に配置され、回転磁石４からの磁力を受けて自転運動する球状磁石６とを備える。

ホルダー２は、回転磁石４を収容する収納空間２１と、回転軸３を上下方向に挿通する貫通孔２２とを有している。本実施の形態では、収納空間２１の左右に筒状部材７が収容されるための溝部２３をさらに有している。

ホルダー２は、非磁性体で形成されている。非磁性体とは、強磁性体ではない物質で、常磁性体、反磁性体および反強磁性体を含む。非磁性体として、例えば、アルミニウムなどの金属、プラスチックなどの合成樹脂などが挙げられる。本実施の形態では、ホルダー２は、合成樹脂で形成されることが好ましい。

回転軸３は、このホルダー２の貫通孔２２に回転自在に支持されている。回転軸３は、その延在方向に沿った回転軸線Ｏを中心に回転可能に設けられている。回転軸３は、ホルダー２の貫通孔２２および収納空間２１内全体を貫通して延びている。回転軸３は、ホルダー２から露出している一方端部分にピニオン３１が取り付けられている。

ホルダー２の内部に挿通される回転軸３のうち、収納空間２１に位置する部分には、回転磁石４が固定される。回転磁石４は、たとえば接着、圧嵌などの手法で回転軸３に固定されており、回転軸線Ｏを中心にして回転軸３と共に回転する。本実施の形態では、回転磁石４は、円筒形状の磁石である。

回転磁石４として使用する磁石は、永久磁石である。本実施の形態の回転磁石４は、周方向に２極に着磁されているが、回転磁石４の極数は２極以上であれば特に限定されない。なお、「周方向」とは、回転磁石４の外周に沿うように延びる円周方向である。本実施の形態の回転磁石４は、平面断面視リング形状の円筒磁石であるが、その形状または個数については限定されない。たとえば、２つ以上の永久磁石を回転軸３に固定して、周方向の極性が交互に変わる構成としてもよい。回転磁石４は、少なくともその外周面が着磁されていればよいため、片面着磁であってもよく、両面着磁であってもよい。回転磁石４の材料は特に限定されないが、高い磁力を示す観点から、Ｎｄ‐Ｆｅ‐Ｂ焼結磁石（ネオジム磁石）を用いることが好ましい。

この回転磁石４の上下方向両端面と対向するように、ワッシャー３２が配置されている。ワッシャー３２は、リング状の板材であり、中央部分には回転軸３が挿通される。すなわちワッシャー３２は、回転軸線Ｏを中心にして回転可能に配置されている。ワッシャー３２は、たとえばステンレスなどの非磁性体で形成された平ワッシャーである。これにより、回転軸３の回転に伴うホルダー２および回転磁石４の摩耗を防止または抑制することができる。

筒状部材７と、コイル８と、球状磁石６とを含む構成は、電磁誘導により電流を発生させる。そのため、これらの構成はまとめて「電流発生部５」と捉えることができる。電流発生部５は、回転軸３を中心とした回転対称位置に設けられた第１電流発生部５１と、第２電流発生部５２とを含む。第１電流発生部５１は、第１筒状部材７１と、第１筒状部材７１の外周に配置された第１コイル８１と、第１電流発生部５１の筒状部材７１内に配置された第１球状磁石６１とを含む。第２電流発生部５２は、第２筒状部材７２と、第２筒状部材７２の外周に配置された第２コイル８２と、第２電流発生部５２の筒状部材７２内に配置された第２球状磁石６２とを含む。すなわち、第１および第２電流発生部５１，５２は、同様の構成を備えている。以下の説明において、第１電流発生部５１と、第２電流発生部５２とを区別する必要がない場合には、これらを「電流発生部５」と表現する。同様に、第１球状磁石６１および第２球状磁石６２は「球状磁石６」と表現し、第１筒状部材７１および第２筒状部材７２は「筒状部材７」と表現し、第１コイル８１および第２コイル８２は「コイル８」と表現する。

筒状部材７は、内部が中空の棒状であり、両端部はホルダー２に嵌合するように固定されている。本実施の形態の筒状部材７は、図２（ｂ）に示すように前後方向（矢印Ａ３の方向）に延在している。本実施の形態の筒状部材７は、球状磁石６の自転運動容易の観点から円筒部材により形成されており、その外形状及び内形状は断面視において円柱形状である。なお、筒状部材７は、その内部で球状磁石６が自転運動することのできる形状であればよく、特に外形状については限定されない。

筒状部材７は、非磁性体で形成されている。本実施の形態では、形成容易の観点および球状磁石６の回転時に生じる摩擦抵抗の低減の観点から、プラスチックなどの合成樹脂で形成されている。

この筒状部材７の外周には、コイル８が巻回されている。そのため、筒状部材７は、コイル８のボビンの役割も担う。本実施の形態のコイル８は、筒状部材７の外周の一部に設けられているが、筒状部材７の全周に設けられていてもよい。コイル８は、例えばソレノイドコイルである。

第１、第２筒状部材７１，７２の内部には、第１、第２球状磁石６１、６２が設けられている。第１、第２球状磁石６１，６２は、回転磁石４からの磁力を受けて、回転軸線Ｐ_１，Ｐ_２を中心に自転運動をする。第１、第２球状磁石６１，６２は、この回転軸線Ｐ_１、Ｐ_２を含む平面を境に２極に着磁している。すなわち、第１、第２球状磁石６１，６２は、Ｎ極とＳ極とが半球ずつ分極着磁された永久磁石である。

本実施の形態の第１、第２球状磁石６１，６２は、それぞれ１個の球状マグネットで構成されている。これにより、第１、第２球状磁石６１，６２は、支持面に点接触するため、摩擦抵抗が小さくなり、回転軸３の周囲を回転する回転磁石４からの磁力のみで自転運動することができる。

図２（ｂ）に示すように、第１、第２筒状部材７１，７２は、前後方向に延びており、第１、第２筒状部材７１，７２および第１、第２コイル８１，８２の前後方向中央位置は、回転磁石４と略同じ位置である。第１、第２筒状部材７１，７２内部に配置された第１、第２球状磁石６１，６２は、回転磁石４からの吸引力に引き寄せられ、第１、第２コイル８１，８２の前後方向中央位置の内部に配置されるように維持される。これにより、発電機１は、効率的に誘導電流を発生させることができる。また、第１、第２球状磁石６１，６２の外径は、第１、第２筒状部材７１，７２の内径（中空形状の直径）よりもやや小さい。第１、第２球状磁石６１，６２は、回転軸線Ｐ_１、Ｐ_２を中心に自転運動することで、第１、第２コイル８１，８２に電流を発生させる。つまり、第１、第２球状磁石６１，６２から発生する磁力線が第１、第２コイル８１，８２と交差（直交）することで、第１、第２コイル８１，８２に交流電流が発生する。

電流発生部５のコイル８の一端は、整流部（図示せず）に接続されており、整流部（図示せず）によって整流された電流が外部部材（図示せず）に伝達される。これにより、電流発生部５で発生した電流によって外部部材を起動させることができる。なお、コイル８に発生した交流電流を、整流することなく外部部材に伝達してもよい。

（動作について）
続いて、図２（ａ），（ｂ）を参照して、本実施の形態の発電機１の動作について説明する。

まず、ラックや歯車などの駆動部材（図示せず）の運動がピニオン３１に伝わることで、回転軸３が回転する。駆動部材は、たとえばドアの回転軸などの部材である。回転軸３の回転に伴って、回転軸３に固定された回転磁石４が回転軸線Ｏを中心に回転する。電流発生部５のうち筒状部材７およびコイル８はホルダー２に固定されているので、回転軸３の回転に伴って回転しない。このため、電流発生部５のうち球状磁石６のみがその場で受ける回転磁石４の磁力により、回転軸線Ｐ_１、Ｐ_２を中心に自転運動をする。コイル８には、回転磁石４の磁力および球状磁石６からの磁力が作用するため、電磁誘導が生じ、起電力（誘導電流）が発生する。この起電力は、コイル８に接続された配線（図示せず）を介して整流回路（図示せず）に伝達される。

本実施の形態の発電機１は、回転軸３および回転磁石４が反時計回りに回転すると、回転磁石４からの磁力を受けた第１球状磁石６１および第２球状磁石６２が、各々の回転軸線Ｐ_１、Ｐ_２を中心に時計回りに自転運動する。ここで、特許文献１の振動ダイナモ装置は、球状磁石が筒状部材内部をスライド移動することで発電する。そのため、筒状部材の両端部には、球状磁石を跳ね返すための部材が必要となる。これに対し本願発明は、回転磁石４と、第１球状磁石６１と、第２球状磁石６２の相対的な位置関係が、運動時（発電時）であっても変わらず、球状部材を跳ね返すための部材も不要である。そのため、発電機１の大きさを小型化することができる。

また、本実施の形態の発電機１は、回転磁石４と球状磁石６とが常に近接した位置にあるため、漏れ磁束を低減することができる。つまり、発電機１は、回転磁石４および球状磁石６の両方から発生する磁力を有効利用できるからこそ、少ない動きであっても十分な発電量を確保することができる。換言すれば、本実施の形態の発電機１は、動きに対する発電効率がよいという特徴を備える発電機である。

（回転磁石と電流発生部との位置関係について）
図２（ｂ）に示すように、本実施の形態の電流発生部５は、筒状部材７に巻かれたコイル８の外周面８３が回転軸３に近接しており、筒状部材７の中心軸線Ｒ_１、Ｒ_２が回転軸３に交差しない位置で回転軸３に対して垂直な方向に延びるように、位置決めされている。

図２（ａ）に示すように、本実施の形態の球状磁石６の回転軸線Ｐ_１，Ｐ_２は、回転軸３に対して平行である。これにより、発電機１自体をコンパクトな構造にすることができる。

また、球状磁石６の回転軸線Ｐ_１，Ｐ_２は、コイル８の円周軌道面８３に交差している。これにより、球状磁石６の自転運動時の回転方向とコイル８の巻回方向とが同じ向きとならないため、効率的に電磁誘導を発生することができる。

（効果）
以上説明したように、本実施の形態によれば、回転軸３と、回転磁石４と、球状磁石６とを「回転体」と見做した場合、ホルダー２と、筒状部材７と、コイル８とは「固定体」と見做すことができる。つまり、筒状部材７自体を回転、揺動、あるいは振動させなくても、回転する回転磁石４の磁力によって球状磁石６を軽やかに自転運動させることができる。

その結果、本実施の形態によれば、低トルクでありながら、効率的に電流を発生させることができる。つまり、電流発生部５の発電効率を向上させることができる。また、特許文献１のように筒状部材内部で球状磁石が振動する必要がなく、また球状磁石が振動するための部材も必要ないため、発電機１を簡易かつ小型な構造にすることができる。

本実施の形態の発電機１は、たとえば回転体が１８０°回転するだけで無線リモコンの動作に十分な電力を発電することができるように設計した場合、ピニオン３１と無線リモコンの入力部とを接続し、回転磁石４の外周を２極着磁とすれば、回転体が１８０°回転する間に、回転磁石４と球状磁石６とは互いに吸引→反発→吸引されることになる。つまり、無線リモコンの入力部を１回押下するだけで、磁石同士の吸引・反発動作のために程よいクリック感を得ることができる。「クリック感」とは、スイッチを押下した際に感じる音または手応えである。すなわち、本実施の形態の発電機１は、たとえば無線リモコンなどの小型機材の発電機として好適に用いることができる。

＜実施の形態２＞
図３，４を参照して、本発明の実施の形態２の発電機１Ａについて説明する。図３は、本実施の形態における発電機１Ａの斜視図であり、図４は、本実施の形態における発電機１Ａの断面図であり、（ａ）は縦断面図であり、（ｂ）は図４（ａ）におけるＩＶｂ−ＩＶｂ線に沿った断面図である。実施の形態２の発電機１Ａは、基本的には実施の形態１の発電機１と同様の構成を備えているが、図３に示すように、主に回転軸３に対する電流発生部５Ａの相対的な位置関係について異なる。

図３，４に示すように、本実施の形態における発電機１Ａは、回転軸３を中心とした回転対称位置に設けられた第１電流発生部５１Ａと、第２電流発生部５２Ａとを含む。第１、第２電流発生部５１Ａ，５２Ａは、第１、第２筒状部材７１Ａ，７２Ａの一方端面が回転磁石４に近接しており、第１、第２筒状部材７１Ａ，７２Ａの中心軸線Ｓ_１，Ｓ_２が回転軸３と直交している。これにより、発電機１Ａを小型化することができる。

筒状部材７Ａは、一方端面が回転磁石４に近接するようホルダー２Ａに固定されており、他方端面が開放されている。本実施の形態の球状磁石６Ａは、回転磁石４の磁力により回転軸線Ｏ方向に吸引されるように支持されており、回転磁石４の回転によってその場で自転運動するため、必ずしも他方端面を覆う必要はない。しかしながら、球状磁石６Ａの脱落防止の観点から、他方端面に図示しないキャップ部材を設けてもよい。

筒状部材７Ａを上記のように固定すると、その内部に配置された球状磁石６Ａは回転磁石４の磁力のため、筒状部材７Ａの一方端面に引き寄せられてしまう。これを防止するために、本実施の形態では、球状磁石６Ａを筒状部材７Ａの中心部に位置させるための非磁性材料からなるスペーサ９が、筒状部材７Ａ内に配置されている。スペーサ９は、球状磁石６Ａがコイル８Ａの中心部に位置するように支持できるものであればよく、その形状については特に限定されない。これにより、コイル８Ａは、その左右方向中心位置において、球状磁石６Ａからの磁力による電磁誘導を発生させることができ、コイル８Ａの左右方向端部位置で電磁誘導を発生させるよりも起電力を大きくすることができる。すなわち、スペーサ９を備える発電機１Ａは、効率的に発電することができる。なお、スペーサ９は、球状磁石６Ａとの接触抵抗を小さくする観点から、硬質で滑らかな材料で形成されることが好ましく、たとえば樹脂で形成される。

（動作について）
本実施の形態の発電機１Ａは、回転軸３および回転磁石４が反時計回りに回転すると、回転磁石４からの磁力を受けて、第１球状磁石６１Ａが回転軸線Ｑ_１を中心に時計回りに自転運動し、第２球状磁石６２Ａが回転軸線Ｑ_２を中心に時計回りに自転運動する。すなわち、本実施の形態における発電機１Ａは、回転磁石４、第１球状磁石６１Ａ、および第２球状磁石６２Ａの各々がその場で自転運動するだけで、第１および第２電流発生部５１Ａ、５２Ａに誘導電流が発生することにより発電する。また、発電機１Ａは、特許文献１の振動ダイナモ装置のように、筒状部材内部に配置された球状磁石が振動する必要がなく、振動のための部材も必要としない。つまり、発電機１Ａの回転磁石４と、第１球状磁石６１Ａと、第２球状磁石６２Ａは、運動時（発電時）であっても各々の相対的な位置関係が変わらない。そのため、発電機１Ａの大きさを小型化することができる。

（回転磁石と電流発生部との位置関係について）
本実施の形態の第１、第２球状磁石６１Ａ、６２Ａの回転軸線Ｑ_１，Ｑ_２は、回転軸３の回転軸線Ｏと平行である。これにより、発電機１Ａ自体をコンパクトな構造とすることができる。また、第１、第２球状磁石６１Ａ、６２Ａの回転軸線Ｑ_１，Ｑ_２は、第１、第２コイル８１Ａ、８２Ａの円周軌道面８３Ａに交差している。これにより、球状磁石６Ａの自転運動時の回転方向とコイル８の巻回方向とが同じ向きとならないため、効率的に電磁誘導を発生することができる。

なお、本実施の形態１，２の第１電流発生部５１，５１Ａおよび第２電流発生部５２，５２Ａは、回転軸３を中心とした回転対称位置に２個設ける構成であるとしたが、外部部材を作動させるのに十分な発電量を確保できるのであれば、電流発生部５，５Ａは１個設けるのみでもよい。

以上、図面を参照してこの発明の実施の形態を説明したが、この発明は、図示した実施の形態のものに限定されない。図示した実施の形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

１，１Ａ発電機、２，２Ａホルダー、３回転軸、４回転磁石、５，５Ａ電流発生部、６，６Ａ球状磁石、７，７Ａ筒状部材、８，８Ａコイル、９スペーサ、５１，５１Ａ第１電流発生部、５２，５２Ａ第２電流発生部、６１，６１Ａ第１球状磁石、６２，６２Ａ第２球状磁石、７１，７１Ａ第１筒状部材、７２，７２Ａ第２筒状部材、８１，８１Ａ第１コイル、８２，８２Ａ第２コイル。

Claims

収納空間を有するホルダーと、
前記ホルダーに回転自在に支持され、少なくともその一方端が前記ホルダーの外に露出している回転軸と、
前記ホルダーの収納空間内に配置され、前記回転軸に固定された回転磁石と、
前記回転磁石に近接して設けられ、前記ホルダーに保持される非磁性体の筒状部材と、
前記筒状部材の外周に配置されたコイルと、
前記筒状部材内に配置され、前記回転磁石からの磁力を受けて自転運動する球状磁石とを備える、発電機。
前記球状磁石の回転軸線は、前記回転軸に対して平行である、請求項１に記載の発電機。
前記球状磁石の回転軸線は、前記コイルの円周軌道面に交差している、請求項１に記載の発電機。
前記回転磁石は、円筒形状の磁石である、請求項１〜３のいずれかに記載の発電機。
前記筒状部材の一方端面は、前記回転磁石に近接しており、
前記筒状部材の中心軸線は、前記回転軸に直交している、請求項１〜４のいずれかに記載の発電機。
前記球状磁石を前記筒状部材の中心部に位置させるための非磁性材料からなるスペーサが、前記筒状部材内に配置されている、請求項５に記載の発電機。
前記筒状部材に巻かれたコイルの外周面は、前記回転軸に近接しており、前記筒状部材の中心軸線は、前記回転軸に交差しない位置で前記回転軸に対して垂直な方向に延びている、請求項１〜４のいずれかに記載の発電機。
前記筒状部材と、前記コイルと、前記球状磁石とを含む電流発生部が、
前記回転軸を中心とした回転対称位置に設けられた第１電流発生部と、第２電流発生部とを含み、
前記球状磁石は、前記第１電流発生部の筒状部材内に配置された第１球状磁石と、前記第２電流発生部の筒状部材内に配置された第２球状磁石とを含む、請求項１〜７のいずれかに記載の発電機。
前記円筒形状の回転磁石は、周方向に２極に着磁されており、
前記球状磁石は、前記球状磁石の回転軸線を含む平面を境に２極に着磁している、請求項４に記載の発電機。
前記回転軸は、前記ホルダーから露出している一方端部分にピニオンが取り付けられている、請求項１〜９のいずれかに記載の発電機。