JP7400520B2 - 発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、発電装置に関する。

電磁誘導を用いた発電装置として、特許文献１に記載された筒状コイル内面上に磁石を転動または摺動可能に搭載した発電装置がある。当該発電装置は円筒に巻かれた筒状コイルの内面上に磁石を入れ、この筒状コイルの傾きによって内部の磁石がコイルの中を転動し発電するものである。特許文献１は、当該発電装置を樹木等に取り付けた場合、風力による樹木の揺動に対応して発電し、海上に当該発電装置のハウジングを浮かべた場合、波動によって発電すると、示唆している。

また、電磁誘導を用いた発電方法として特許文献２には、電子腕時計用発電及び充電装置が開示されている。この装置は永久磁石が中に入った環状の筒（中空環）にコイルを巻いて、腕の振りによって中空環の中の永久磁石が中空環に巻かれたコイルを通過することで発電するものである。

特許2988381号公報 実開昭51-131975号公報

しかしながら、特許文献１に開示の技術の場合、筒状コイル（円柱形）であるため、その芯方向の傾き（高低差）がある場合にしか発電することができず、あらゆる傾きに対応させて発電するためには複数の筒状コイルを組み合わせる必要があるという問題点があった。

また、特許文献２記載の従来技術の場合、筒を環状としてあることで、あらゆる傾きに対応させて発電できるもの、十分な発電量が得られないという問題点があった。

本発明は、以上の従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、さざ波のようなわずかな高低差ででも十分な発電量が得られる発電装置を提供することを目的とする。

本発明の発電装置は、環状の筒体と、前記筒体の外周面に巻かれたコイルと、前記筒体の内周面に沿って間隙を保って伸びる円環状又は円弧状の磁石列と、前記筒体の内部において前記内周面に間隙を保ちつつ前記磁石列を移動可能に保持する保持手段と、を有し、前記磁石列は、前記筒体の内周面に沿って配列される複数の永久磁石及び各々が前記永久磁石の各々の間隙を保つ複数の非磁性体スペーサを有し、前記磁石列は、その長さにおける一部分に他の部分より重い偏倚した重量分布を有することを特徴とする。

本発明の発電装置によれば、重量分布に偏倚があることでさざ波のような揺れすなわちわずかな高低差ででも十分な発電量が得られる効果が得られ、海上における波の揺れ（波力）を用いた波力電磁誘導方式発電に対しても貢献できる。

本発明の実施形態の一例である発電装置を概念的に示す斜視図である。 本発明の実施形態の一例である発電装置の磁石列を概念的に示す上面図である。 本発明の実施形態の一例である発電装置の磁石列を概念的に示す上面図である。 本発明の実施形態の一例である発電装置の磁石列を概念的に示す上面図である。 本発明の実施形態の一例である発電装置の磁石列を概念的に示す上面図である。 本発明の実施形態の一例である発電装置の磁石列を概念的に示す上面図である。 本発明の実施形態の一例である発電装置の磁石列を概念的に示す上面図である。 本発明の実施形態の変形例である発電装置を概念的に示す斜視図である。 本発明による第１の実施例である発電装置を示す一部を切り開いた下面図である。 第１の実施例である発電装置における整流器の回路図である。 第１の実施例である発電装置における変形例の整流器の回路図である。 第１の実施例である発電装置における変形例の整流器の回路図である。 第１の実施例である発電装置を波力電磁誘導方式発電器の円柱筐体に格納した場合の動作を説明する線図である。 第１の実施例である発電装置を波力電磁誘導方式発電器の円柱筐体に格納した場合の動作を説明する、該発電装置を示す一部を切り開いた下面図である。 本発明による実施例の変形例である発電装置を示す下面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明による実施例の発電装置について説明する。なお、実施例において、実質的に同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態の一例である発電装置１０を概念的に示す斜視図である。図２～図６は、発電装置１０の磁石列１５を概念的に示す上面図である。

発電装置１０は、円環状の筒体（中空円環体）１１と、その外周面に巻かれコイル１３と、筒体１１の内面側の円環状又は円弧状の磁石列１５と、筒体１１の内部に磁石列１５を移動可能に保持する保持手段１７と、を有する。円環状の筒体１１と、コイル１３と、円環状又は円弧状の磁石列１５と、磁石列１５の保持手段１７とは、筒体１１の回転対称軸（一点鎖線）の中心に同心円上に配置されている。ここでは回転対称軸の伸長方向を重力における上下方向とする。

円環状の筒体１１は絶縁性の非磁性体の中空円環体からなり、その内部に円環状又は円弧状の磁石列１５を移動可能にするための中空空間を保持している。筒体１１は円環状が好ましいが、磁石列１５が内部で移動可能であるならば円に近い楕円環状でもよい。筒体１１は磁石列１５とコイル１３の間隙は極力少ない方が望ましいので、数ミリ程度以下の厚さであることが好ましい。筒体１１の断面は、円形以外に、楕円、正方形／長方形などでも良い。

コイル１３は、１個以上のソレノイドコイルであり、筒体１１の外周面に巻かれ固着されている。コイル１３の出力端は、整流器ＲＣＴに接続される。コイル１３は単層巻以外に、二層巻、三層巻と多層として重ねても良く、重ねるほど発電量を大きくすることができる。なお、リッツ線を用いると、さらに多くの発電量が得られる。

保持手段１７は、筒体１１の内部において内周面に間隙を保ちつつ磁石列１５を移動可能に保持し、磁石列１５が円環筒体１１の内部を時計周りでも反時計周りでも回転、すなわち、回転対称軸（一点鎖線）中心で回動できるようにする手段である。例えば、保持手段１７は、筒体１１の内周面と磁石列１５との間にて磁石列１５の下に配置され、かつ磁石列１５と筒体１１の内面との摩擦等による運動エネルギーの損失を抑えるボールベアリング１７ａ等の回転体であってもよい。回転体は磁石列１５に直接取り付けた車輪でも良い。磁石列１５が移動しやすい構造であればよく、筒体１１の内部にローラー等の回転体を付けるなど、筒体１１側で磁石列１５が移動しやすく保持する構造（保持手段）としても良い。さらにまた、保持手段１７は、筒体１１の内周面と磁石列１５との間に配置された流体１７Ｂであってもよい。

［磁石列］
円環状又は円弧状の磁石列１５は、筒体１１の内周面に沿って間隙を保って伸びる円柱形状の永久磁石（以下、単に磁石と記す）を有する。例えば、永久磁石としては、ネオジウム磁石が挙げられる。磁石列１５の断面は筒体１１の断面と相似形であり、円形以外に、楕円、正方形／長方形などの筒体１１の断面に合わせて、楕円、正方形／長方形などの断面形状でも良い。磁石列１５と筒体１１の内面との間隙は、磁石列１５とコイル１３の間隙が極力少なくなるように、数ミリ程度以下であることが好ましい。

磁石列１５は、筒体１１の内周面に沿って配列される複数の磁石１５ａ及び各々が磁石１５ａの各々の間隙を保つ複数の非磁性体スペーサ１５ｂを有している。磁石１５ａ及び非磁性体スペーサ１５ｂは接着剤や、材料にもよるが接合（ロウ付け、圧着、固相接合、融着等）によって一体とされる。各磁石１５ａは、筒体１１の内面に合わせた曲率の円柱形状とすることも、磁石長が短ければ単純な円柱形状とすることもできる。各磁石は、形状に関わらず、筒体１１の内面に接触しない範囲で円柱の他に直方体、球体又は円錐台の形状でもよい。各非磁性体スペーサ１５ｂも、筒体１１の内面に合わせた曲率の円柱形状とすることも、スペーサ長が短ければ単純な円柱形状とすることもできる。各スペーサは、形状に関わらず、筒体１１の内面に接触しない範囲で円柱の他に直方体、球体又は円錐台の形状でもよい。非磁性体スペーサ１５ｂは、磁石１５ａの間に存在して磁束密度を確保する。隣接する磁石１５ａの異なる磁極が触れ合うと磁束密度が減少するので、非磁性体スペーサ１５ｂは必要である。

磁石列１５は、その長さにおける一部分に他の部分より重い偏倚した重量分布を有している。すなわち、磁石列１５は、その回転中心（一点鎖線）から偏倚した重心を備えているので、筒体１１のあらゆる傾きに応じて容易に移動できる。例えば、図２に示すように、複数の磁石の内の少なくとも１つの磁石（重い磁石１５ａｂ）が他の磁石１５ａより重いことにより偏倚した重量分布を形成することができる。図３に示すように、偏倚した一部分に重量分布は、隣り合う磁石を例えば３つの重い磁石１５ａｂとすることで形成することもできる。

磁石列１５の一部（重い磁石１５ａｂ）が他の部分（磁石１５ａ）より質量が重くなっているとしたが、磁石そのものが重くても良いし、磁石に取り付けた非磁性体スペーサが重くても良い。例えば、図４に示すように、複数の磁石１５ａの間の非磁性体スペーサの少なくとも１つ（隣り合う２つの重い非磁性体スペーサ１５ｂｂ）が他の非磁性体スペーサ１５ｂより重いことにより偏倚した重量分布を形成することができる。また、図５に示すように、非磁性体スペーサ１５ｂの隣り合う２つの重い非磁性体スペーサ１５ｂｂ及びこれらを挟む３つの重い磁石１５ａｂを設けることにより偏倚した重量分布を形成することもできる。すなわち、重い磁石１５ａｂと重い非磁性体スペーサ１５ｂｂとが繋がることにより偏倚した重量分布を形成することもできる。

さらに、図６に示すように、磁石列１５において非磁性体スペーサ１５ｂの隣り合う２つの重い非磁性体スペーサ１５ｂｂ及びこれらを挟む３つの重い磁石１５ａｂを設け、全体を円環状磁石列１５から一部欠けた円弧状の磁石列１５として、偏倚した重量分布を形成することもできる。

また、図７（ａ）に示すように、磁石列１５において、複数の磁石１５ａは、それらの磁極が筒体１１の内周面に沿って揃うように接続されている。更に、図７（ｂ）に示すように、複数の磁石１５ａは、それらの磁極が筒体１１の内周面に沿って交互になるように接続されていてもよい。図７における黒矢印は先端がＮ極を後端がＳ極を示す。以下の図に現れる黒矢印も同様である。

図７（ｂ）に示す磁石列１５（複数の磁石１５ａの磁極が交互に配列される場合）を含む変形例において、図８に示すように、磁石１５ａを密封した中空円環体の非磁性体スペーサ１５ｃを用いて磁石１５ａの各々の間に磁石１５ａそれぞれが反発した空間１５をスペーサとして設けることもできる。当該変形例は非磁性体スペーサ１５ｃを用いた以外、図１に示す実施の形態と同一である。

（構成の説明）
図９は、本発明による第１の実施例である発電装置を示す一部を切り開いた下面図である。

本実施例の発電装置は、円環状の筒体１１と、その外周面に巻かれ１８個のコイルＬ１～Ｌ１８（上記のコイル１３に相当）と、筒体１１の内面側の円環状の磁石列１５（磁石１５ａ、重い磁石１５ａｂ及び非磁性体スペーサ１５ｂ）と、筒体１１の内部に磁石列１５を移動可能に保持するボールベアリング１７ａ（保持手段）と、を有する。コイルＬ１～Ｌ１８の各々は磁石１５ａの各々の長さ以内（本例ではコイルＬ１～Ｌ１８の各々のコイル長は磁石１５ａの各々の磁石長と同等）で離れて配置されている。これにより、磁石１５ａの各々がコイルＬ１～Ｌ１８の各々を通過する際に、コイルＬ１～Ｌ１８のそれぞれの出力端に１波長分の電圧変化の交流電流が生じ、それらを回収することができる。

磁石列１５の一部（重い磁石１５ａｂ）は他の部分より質量が重くなっており、円環状筒体１１の傾きによって、必ず筒体１１の最も位置の低いところに質量の重い磁石１５ａｂが移動（回動）できるようになっている。これにより、コイルＬ１～Ｌ１８の各々の中に磁石１５ａの各々が次ぎ次ぎに通過できる。

コイルＬ１～Ｌ１８のすべての出力端は、例えば図１０に示す整流器ＲＣＴに接続される。図１０は整流器ＲＣＴの回路図である。コイルＬ１～Ｌ１８の各々の２つの端子は、整流器ＲＣＴの単相のブリッジダイオード回路ＢＤに接続されている。このブリッジダイオード回路ＢＤの群の出力は、抵抗負荷ＬＤの端子に接続されている。コイルＬ１～Ｌ１８の回転駆動によりコイルＬ１～Ｌ１８の各々から発生した電荷は、ブリッジダイオード回路ＢＤによって整流され、抵抗負荷ＬＤに供給される。また、各磁石１５ａ及び重い磁石１５ａｂと各コイルＬ１～Ｌ１８の相対位置を揃えると、脈流が大きくなるため、ブリッジダイオード回路ＢＤに抵抗負荷ＬＤを接続したときの抵抗負荷ＬＤの端子間の脈動成分を減らすために、平滑コンデンサ（図示せず）を整流回路群の出力端子間に挿入してもよい。一方、各磁石１５ａ及び重い磁石１５ａｂと各コイルＬ１～Ｌ１８の相対位置を少しずつずらすと、位相の異なる電圧が出力され、これらの電圧を合成すると、脈流が小さくなるため、十分脈流が小さい場合には、平滑コンデンサを整流回路群の出力端子間に挿入しなくてもよい。

図１０に示す整流器ＲＣＴに代えて、図１１に示す変形例の整流器ＲＣＴにコイルＬ１～Ｌ１８のすべての出力端が接続されてもよい。図１０に示す整流器ＲＣＴでは隣接のブリッジダイオード回路ＢＤの出力の一方を他方のものに結線しているのでブリッジダイオード回路ＢＤの抵抗分の損失が生じるが、図１１に示す整流器ＲＣＴでは、コイルＬ１～Ｌ１８のすべての出力端を並列に抵抗負荷ＬＤへ接続しているので、当該抵抗分の損失を抑えることができる。

図１１に示す整流器ＲＣＴに代えて、図１２に示す変形例の整流器ＲＣＴにコイルＬ１～Ｌ１８のすべての出力端が接続されてもよい。図１２に示す整流器ＲＣＴでは図１１の単相のブリッジダイオード回路ＢＤに代えて３相のブリッジダイオード回路ＢＤ３を用いているので、部品点数を抑えることができる。

（動作の説明）
図１３は、本実施例の発電装置は整流器等を波力電磁誘導方式発電器の円柱筐体１００に格納した動作を説明する線図である。この場合、波力電磁誘導方式発電器の筐体において、発電装置の円環状筒体は静止状態で水平となるように設置される。

波力電磁誘導方式発電器を海上に置いた場合、海面の波の動きによって、発電装置の円環状筒体は絶対的な水平を維持することはなく、必ずどこかが高く、また多くの場合、その反対側が低くなる。そして、その高くなる場所、低くなる場所は波の動きに合わせて常に変動する。

図１３はある瞬間の発電装置の入った浮力のある円柱筐体１００が海に浮かんでいる場合を示している。波の傾きによって、図１３に示す円柱筐体１００の左側が最下点、その内部にある発電装置の最下点となる。

このとき、図１４に示す矢印のように発電装置１０の下側が図１３における最下点であったとすると、該最下点にない質量の重い磁石１５ａｂは最下点に向かって移動を始める。すると、該質量の重い磁石１５ａｂは質量の重くない磁石１５ａと数珠つなぎの輪になっているため、結局、すべての磁石列１５が移動することになる。

円環状筒体１１にはコイルＬ１～Ｌ１８が巻かれているため、複数の磁石からなる磁石列の移動によって電磁誘導による発電し、コイルＬ１～Ｌ１８のそれぞれの出力端子から電力が得られる。

（効果の説明）
以上のように第１の実施例によれば、複数の磁石（磁石１５ａｂ、磁石列１５）を連結させているため、さざ波のようなわずかな高低差で磁石列１５がゆっくり移動した場合でも十分な発電量が得られる。

（変形例）
第１の実施例では複数のコイルＬ１～Ｌ１８（コイル１３）を円環状筒体１１に巻装しているが、図１５に示すように、コイルＬＬを円環状筒体１１全体に単一で巻いた構成でも良い。変形例は、コイルＬ１～Ｌ１８に代えてコイルＬＬを円環状筒体１１全体に単一に巻装した以外、第１の実施例と同一である。また、磁石列１５が複数の磁石１５ａ及び複数の非磁性体スペーサ１５ｂで一体化されている他に、磁石１５ａ毎に台車に固定して、複数台車を屈曲可能なジョイントで連結して、磁石列１５とすることもできる。また、本実施例の発電装置を空中を飛行するドローンのような無人航空機に搭載してもよい。

１０ 発電装置
１１ 円環状筒体（中空円環体）
１３、Ｌ１～Ｌ１８、ＬＬ コイル
１５ 磁石列
１５ａ 磁石
１５ａｂ 重い磁石
１７ 保持手段
ＲＣＴ 整流器

Claims (8)

1. 環状の筒体と、
   前記筒体の外周面に巻かれたコイルと、
   前記筒体の内周面に沿って間隙を保って伸びる円環状又は円弧状の磁石列と、
   前記筒体の内部において前記内周面に間隙を保ちつつ前記磁石列を移動可能に保持する保持手段と、を有し、
   前記磁石列は、前記筒体の内周面に沿って配列される複数の永久磁石及び各々が前記永久磁石の各々の間隙を保つ複数の非磁性体スペーサを有し、
   前記磁石列は、その長さにおける一部分に他の部分より重い偏倚した重量分布を有し、
   前記複数の永久磁石の内の少なくとも１つの永久磁石が他の永久磁石より重いことにより前記偏倚した重量分布を形成することを特徴とする発電装置。
2. 環状の筒体と、
   前記筒体の外周面に巻かれたコイルと、
   前記筒体の内周面に沿って間隙を保って伸びる円環状又は円弧状の磁石列と、
   前記筒体の内部において前記内周面に間隙を保ちつつ前記磁石列を移動可能に保持する保持手段と、を有し、
   前記磁石列は、前記筒体の内周面に沿って配列される複数の永久磁石及び各々が前記永久磁石の各々の間隙を保つ複数の非磁性体スペーサを有し、
   前記磁石列は、その長さにおける一部分に他の部分より重い偏倚した重量分布を有し、
   前記複数の永久磁石の間の前記非磁性体スペーサの少なくとも１つが他の非磁性体スペーサより重いことにより前記偏倚した重量分布を形成することを特徴とする発電装置。
3. 環状の筒体と、
   前記筒体の外周面に巻かれたコイルと、
   前記筒体の内周面に沿って間隙を保って伸びる円環状又は円弧状の磁石列と、
   前記筒体の内部において前記内周面に間隙を保ちつつ前記磁石列を移動可能に保持する保持手段と、を有し、
   前記磁石列は、前記筒体の内周面に沿って配列される複数の永久磁石及び各々が前記永久磁石の各々の間隙を保つ複数の非磁性体スペーサを有し、
   前記磁石列は、その長さにおける一部分に他の部分より重い偏倚した重量分布を有し、
   前記複数の永久磁石の内の少なくとも１つの永久磁石が他の永久磁石より重く、かつ前記少なくとも１つの永久磁石に繋がる非磁性体スペーサが他の非磁性体スペーサより重いことにより前記偏倚した重量分布を形成することを特徴とする発電装置。
4. 前記保持手段は、前記筒体の前記内周面と前記磁石列との間に配置された回転体であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発電装置。
5. 前記保持手段は、前記筒体の前記内周面と前記磁石列との間に配置された流体であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発電装置。
6. 前記複数の永久磁石は、それらの磁極が前記筒体の前記内周面に沿って交互になるように接続されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の発電装置。
7. 前記複数の永久磁石は、それらの磁極が前記筒体の前記内周面に沿って揃うように接続されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の発電装置。
8. 前記コイルは各々が前記永久磁石の各々の長さ以内で離れた複数のコイルからなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の発電装置。

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