JP7244830B2 - 発電装置及び送信装置 - Google Patents
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Description
このように、特許文献1に係る発電装置は、適用可能な導線の電流範囲を大きくすることが困難であるという技術的問題があった。
なお、永久磁石の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する他の発電機構を用いる場合であっても、永久磁石の可動範囲は一定範囲に制限されるべきものであり、永久磁石が大きく振動すると、発電機構が破損するおそれがある。従って、上記と同様の問題が生ずる。
交流電流が大きくなると、永久磁石の振幅も大きくなるが、制限部は磁力の反発力を利用して永久磁石の振幅を制限する。従って、交流電流が大きい場合においても変換部が損傷することはなく、発電を行うことができる。また、磁力を用いて非接触で永久磁石の振幅を制限する構成であるため、制限部の機械的損耗もなく、発電装置の長寿命化を図ることができる。また、交流電流が小さい場合、永久磁石の振幅は小さいため、永久磁石に働く制限部の磁力は小さい。従って、永久磁石の振幅が小さくなることが原因で、発電量が小さくなることはない。
このように、本態様に係る発電装置は幅広い電流域に適用することができる。
なお、永久磁石の振動周波数、即ち共振周波数は、交流磁場の周波数に略一致させる構成が好ましい。例えば、交流磁場の周波数が50Hzである場合、永久磁石の振動周波数を50Hzとし、交流磁場の周波数が60Hzである場合、永久磁石の振動周波数を60Hzとする構成が望ましい。但し、所要の電力が得られる範囲で永久磁石の振動周波数を交流磁場の周波数からずらした構成も本発明に含まれる。
また、本態様に係る導線は、電流を通ずることが可能な材料で形成された線状の部材であり、レール状の導通部材、バスバー、角柱状の導体、長手方向を有する板状の導体も導線に含まれる。また、導線は特定の用途のものに限定されるものでは無く、アース線であっても良い。
一方、交流電流が小さく、永久磁石の振幅が小さい場合、永久磁石は、制限部の磁石に接近しない。上記の通り、反発力は、制限部の磁石と、永久磁石との距離の2乗に反比例するため、永久磁石が受ける制限部の磁力は限定的である。
以上の通り、2つの磁石を永久磁石の振動方向外側に配する簡単な構成で、永久磁石3の振幅を交流電流の大きさに応じて制限することができる。
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1に係る発電装置100の斜視図、図2は、発電装置100の平面図、図3は、発電装置100の正面図である。本発明の実施形態1に係る発電装置100は、十Hzオーダの低周波数の交流が流れる導線Wを保持する基部10と、圧電部材を有する弾性体としてのカンチレバー(変換部)1と、カンチレバー1の固定端1aを、導線Wに対して固定する固定部2と、カンチレバー1の自由端1bに設けられた永久磁石3と、カンチレバー1の圧電部材に発生した電圧を出力する出力部4と、永久磁石3の振幅を磁力によって制限する2つの磁石(制限部)5とを備える。
なお、上記導線Wの構成は一例であり、永久磁石3を振動させる交流磁場を形成可能な電流が流れる構成であれば、その形状は特に限定されるものでは無く、レール状の導通部材、バスバー、角柱状の導体、長手方向を有する板状の導体であっても良い。また、導線Wは、部分的に方形板状のような非線状部分を有していても良く、全体として所定方向に交流電流が流れるような形状であれば良い。当該非線状部分に発電装置100を固定する構成も本発明に含まれる。更に、導線Wは、必ずしも直線状である必要は無く、部分的に湾曲していても良い。更にまた、導線Wは特定の用途のものに限定されるものでは無く、アース線であっても良い。以下、本実施形態1では、導線Wが直線状の部材であるものとして説明する。
長板部を構成する部材は、例えばステンレス等の金属である。圧電部材は、例えば圧電セラミックスである。長板部の長手方向一端部は固定部2に固定される固定端1aであり、長板部の長手方向他端部は外力によって変位可能な自由端1bである。自由端1bが変位した場合、2枚の圧電部材はそれぞれ伸張及び伸縮し、電極及び長板部間に電圧が発生する。
なお、ここではバイモルフ型圧電素子を説明したが、片面のみに圧電部材を張り付けたユニモルフ構造であっても良い。圧電部材は、導線Wの周囲に形成される交流磁場によって振動する永久磁石3の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する変換部の一例である。
カンチレバー1に設けられた永久磁石3の振動周波数は、導線Wの周囲に形成される交流磁場の周波数に略一致するように構成されている。例えば、交流磁場の周波数が50Hzである場合、永久磁石3の振動周波数を50Hzとし、交流磁場の周波数が60Hzである場合、永久磁石3の振動周波数を60Hzとする。なお、振動周波数が交流磁場の周波数に略一致するとは、所要の電力が得られる範囲で、振動周波数を交流磁場の周波数からずれた構成も本実施形態1に係る発電装置100に含まれることを意味する。
磁石5は、例えばフェライト磁石、ネオジウム磁石、サマリウムコバルト磁石等であるが、その種類は特に限定されるものではない。また、磁石5の形状、磁極の形成方法も特に限定されるものではない。
図4は、導線Wの周囲に配された永久磁石3に働く力を説明するための概念図である。導線Wに電流を流すとアンペールの法則に従って、導線Wの周囲に磁界が形成される。図4中、x軸、y軸及びz軸は直交座標系の座標軸であり、z軸の正方向(紙面手前方向)に電流が流れるものとする。導線W周辺の磁界はx軸方向及びy軸方向に勾配を有する。y軸方向を向いた磁気双極子を有する永久磁石3を導線Wの近傍に配した場合、永久磁石3が受ける磁気力は下記式(1)及び(2)で表される。
カンチレバー1の自由端1bに永久磁石3を設けてなる圧電振動発電素子の支配方程式は、図6中、導線Wの上下、即ちy軸上に永久磁石3を配した場合、下記式(3)及び(4)で表される。なお、導線Wの左右、即ちx軸上に永久磁石3を配した場合の支配方程式も同様にして表される。
永久磁石3と、磁石5との間に生ずる反発力は、永久磁石3と磁石5との距離の2乗に反比例する。導線Wを流れる電流が大きくなると、永久磁石3の振幅が大きくなり、磁石5との距離が小さくなる。そうすると、永久磁石3と、磁石5との間に反発力が発生し、永久磁石3の振幅を抑える方向に力が働く。従って、交流電流が大きい場合、永久磁石3の振幅を制限することができる。
導線Wに流れる電流が小さい場合、永久磁石3の永久磁石3の振幅は小さく、磁石5との距離が大きくなる。そうすると、永久磁石3と、磁石5との間に働く力は2乗に反比例して小さくなる。従って、永久磁石3の振動を妨げるような力は働かず、発電量が低下するおそれはない。
以上の通り、本実施形態1に係る発電装置100によれば、導線Wの周囲に形成される十Hzオーダの低周波数の交流磁場を用いて発電することができ、しかも幅広い電流域に適用することができる。
また、ゴム、スプリング等を永久磁石3の振動方向外側に配し、衝撃を吸収することによって、永久磁石3の振幅を制限する構成に比べて、永久磁石3の固定部2に負荷がかかることなく、長期信頼性が得られる。
図7は本実施形態2に係る発電装置200の平面図である。実施形態2に係る発電装置200は、永久磁石3と、図7中左側に配された第1の磁石5との間を隔てる第1の隔壁206を備える。また、発電層値200は、図7中右側に配された永久磁石3と、第2の磁石5との間を隔てる第2の隔壁206とを備える。隔壁206は非磁性体材料からなる板状の部材であり、隔壁206は、永久磁石3と、磁石5の間を隔てるように、基部10に固定されている。隔壁206の配置箇所は、永久磁石3の振動を妨げない構成であれば特に限定されるものではない。
本実施形態3に発電装置300は永久磁石3の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する構成が実施形態1と異なるため、以下では主に上記相違点を説明する。その他の構成及び作用効果は実施形態1と同様であるため、対応する箇所には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。
図9は、本実施形態4に係る電圧調整装置を示すブロック図である。実施形態4に係る電圧調整装置は、系統に接続された導線Wの電圧を調整するための電圧調整機407と、電圧調整機407の状態を検出する検出装置408と、当該検出装置408にて検出された検出情報を外部へ無線送信する送信装置409とを備える。電圧調整機407は、例えば、SVR(Step Voltage Regulator)、SVC(static var compensator)等であり、検出情報は、電圧調整機407の上流側及び下流側の電圧、電流、電圧調整内容等である。
また、永久磁石3を変位可能に支持する構成としてカンチレバー1を例示したが、振動磁場によって永久磁石3が移動できる構成であれば、支持機構は特にカンチレバー1に限定されるものではない。
Claims (2)
- 交流が流れる導線に対して変位可能に設けられた永久磁石と、
前記導線の周囲に形成される交流磁場によって前記永久磁石が振動した場合、該永久磁石の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する変換部と、
前記永久磁石の振幅を磁力によって制限する制限部と
を備え、
前記制限部は、
前記永久磁石の振動方向両外側にそれぞれ配置された2つの磁石を備え、
前記磁石は、
前記永久磁石に対向する面に該永久磁石と同極の磁極を有し、
更に、前記永久磁石に対する前記2つの磁石の距離を調整する調整部と、
非磁性体材料からなり、前記永久磁石と、前記磁石との間を隔てる隔壁と
を備える発電装置。 - 請求項1に記載の発電装置と、
信号を送信する送信部と
を備え、
前記送信部は、
前記発電装置から出力される電圧にて駆動する送信装置。
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