JP7421836B1

JP7421836B1 - コマ式発電機

Info

Publication number: JP7421836B1
Application number: JP2023172984A
Authority: JP
Inventors: 豊道遠藤
Original assignee: 株式会社ゲットクリーンエナジー
Priority date: 2023-10-04
Filing date: 2023-10-04
Publication date: 2024-01-25
Anticipated expiration: 2043-10-04

Abstract

【課題】効率的に回転して発電するコマ式発電機を提供する。【解決手段】円筒形磁石１０を固定した回転軸１３が容器２０内で重心方向を向いてコマ状に回転し、円筒形磁石１０に対向する容器２０の内壁位置に配置されたコイル２１に起電力を発生させる。回転軸１３の下端の円錐形状部分１４の少なくとも中心位置が、容器２０の下面板２６に設けた軸受部２７の球状転動体に接触して支えられている。そのため、回転軸１３が回転したときの回転軸１３の接触抵抗が低減でき、高い発電効率が得られる。【選択図】図１

Description

本発明は、効率的に発電することができる発電機に関する。

従来から、発電機は、導線を巻いて形成したコイルと磁石とを近接配置し、コイルに対して磁石を回転させ、又は、磁石に対してコイルを回転させることで、コイルに誘導電流を生じさせ、発電を行っている。
このように、コイルに鎖交する磁束が時間的に変化する場合に、コイルに起電力が発生する。

従来の発電機では、コイル又は磁石を回転させるために、ガスや蒸気のタービンで回転軸を高速回転させたり、水車で回転軸を低速回転させたり、各種のエンジンや風車により回転軸を駆動したりしている。

本発明者は、先に、容器内で回転体が回転する発電機において、回転軸の先端を円錐形又は角錐形に成形し、回転軸の下端を支える容器の底部と回転軸との接触抵抗を小さくした発電機を提案している（下記特許文献１）。
この発電機は、回転体がコマのように回転するため“コマ式発電機”と名付けている。

特許第７３４５７４６号公報

本発明は、コマ式発電機において、更に、接触抵抗を小さくし、高速回転が可能な発電機を提供することを目的としている。

本発明の発電機は、磁石及びコイルの一方が、重力方向と平行な回転軸を中心に回転できるように容器内に支持され、前記磁石及びコイルの他方が、回転する前記磁石又はコイルと対向する前記容器の内壁の位置に配置され、前記磁石又はコイルの回転に伴い、前記コイルの鎖交磁束が時間的に変化して、前記コイルに起電力が発生するコマ式発電機である。

そして、前記回転軸は、その上部が、前記容器の上面を覆う上面板に回転可能に軸支され、前記上面板から突出する前記回転軸の部分には、該回転軸を回転するための回転機構が付設される。

さらに、前記回転軸は、その下部に、下端に近づく程、軸の直径が小さくなる円錐形状部分を有し、前記回転軸の下端部の中心位置が、球状転動体を介して、前記回転軸を支える前記容器の下面板に接触している。

また、本発明のコマ式発電機では、前記回転軸は、前記下部に、先端が丸みを帯びた円錐形状部分を有し、前記球状転動体は、前記回転軸の前記円錐形状部分の中心位置に接触する前記球状転動体と、該球状転動体よりも直径が大きく、前記円錐形状部分の前記中心位置から外れた面に接触する複数の球状転動体とから成る。

本発明のコマ式発電機では、回転軸と容器の下面板との間に球状転動体が介在するため、回転軸の接触抵抗を低減できる。
しかも、球状転動体が存在するのは、回転軸の円錐形状部分であるため、球状転動体と回転軸との接触距離が短い。従って、接触抵抗は更に小さくなり、回転効率の向上を図ることができる。
また、コマ式発電機の回転体を高速で回転させることが可能であり、発電の効率化を図ることができる。

本発明のコマ式発電機は、回転体の回転効率が良好で、高速回転が可能であり、高い発電効率が達成できる。

本発明の第１の実施例における発電機を示す図。図１の発電機における容器側の構成を示す図。図１の発電機における回転体の構成を示す図。（ａ）図１の回転軸の円錐形状部分と球状転動体との関係を示す拡大図、（ｂ）球状転動体を備える軸受部の平面図。第１の実施例における発電機の回路構成を示す図。本発明の第２の実施例における発電機の容器側の構成を示す図。第２の実施例における回転体の構成を示す図。第２の実施例における発電機の回路構成を示す図。第３の実施例における回転軸の円錐形状部分と球状転動体との関係を示す拡大図。

以下、実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明する。

図１は、第１の実施例におけるコマ式発電機の全体構造を示している。
この発電機は、容器２０の中に収容された永久磁石１０が回転することで、容器２０の内壁に固定されたコイル２１に起電力が生じるように構成されている。

図２は、この容器２０側の構成を示し、図３は、容器２０の中で磁石１０と共に回転する回転体１００の構成を示している。この回転体１００は、回転軸１３に、円筒形の永久磁石１０が固定されている。

回転体１００の円筒形磁石１０は、上端がＳ極で下端がＮ極の半円筒状永久磁石１０（１）と、上端がＮ極で下端がＳ極の半円筒状永久磁石１０（２）とが組み合わされて円筒形状を構成している。

回転軸１３の上部は、円筒形磁石１０から突出しており、回転軸１３の上端には、回転機構３３の回転力を回転軸１３に伝える回転伝達部材３２が設置されている（図１）。
また、回転軸１３の下方は、円筒形磁石１０から突出し、回転軸１３の下端近傍には、下端に向かって先細になる円錐形状部分１４が形成されている。

円筒状の容器２０には、容器２０の上面を覆う上面板２５に、回転体１００の回転軸１３を軸支する軸受２４が設けられており、容器２０の内周壁には、容器２０内で回転する円筒形磁石１０と対向する位置に、導線を巻いて形成された複数のコイル２１が配置されている。
また、容器２０の下面を覆う下面板２６には、回転軸１３の円錐形状部分１４を軸支する軸受部２７が配置されている。

図４は、軸受部２７と回転軸１３の円錐形状部分１４との関係を模式的に示している。
円錐形状部分１４は、先端が丸みを帯びている。
一方、軸受部２７には、図４（ｂ）に示すように、円筒状の外輪２９の内側に、複数の大径の球状転動体２８（１）が環状に配列され、その環の中心に小径の球状転動体２８（２）が一個配置されている。

この小径の球状転動体２８（２）は、図４（ａ）に示すように、回転軸１３の中心軸の先端（円錐形状部分１４の中心位置）に当接し、複数の大径の球状転動体２８（１）は、この中心位置の周囲に存在する円錐形状部分１４の面に当接する。
換言すれば、小径の球状転動体２８（２）及び大径の球状転動体２８（１）は、円錐形状部分１４の外周面と接触する位置に配置されている。

この発電機は、回転体１００の回転軸１３が重力方向と平行になるように容器２０内に設置される。
回転軸１３の上方は、容器２０の上面板２５に設けられた軸受２４で軸支され、回転軸１３の下方は、容器２０の下面板２６に設けられた軸受部２７で軸支されているため、回転力が付与された回転軸１３は円滑に回転する。
このとき、軸受部２７では、回転軸１３が回転すると、回転軸１３の円錐形状部分１４に接触する小径の球状転動体２８（２）及び複数の大径の球状転動体２８（１）が一斉に回転するため、回転時の摩擦が減少し、滑らかな回転が可能になる。

また、回転軸１３の円錐形状部分１４が球状転動体２８と接触する位置は、回転軸１３の径の小さい箇所であるため、球状転動体２８と回転軸１３との接触距離が短い。従って、接触抵抗は小さく、回転効率の向上を図ることができる。
そのため、回転軸１３の高速回転も可能である。

回転軸１３が回転すると、円筒形磁石１０が回転し、円筒形磁石１０から発せられる磁束が、回転軸１３を中心に回転する。そのため、コイル２１の鎖交磁束が時間的に変化し、コイル２１に起電力が発生する。

図５は、コイル２１に誘起された誘導電流を蓄電池３０に蓄電するための回路を模式的に示している。各コイル２１から発生した交流は、整流器３１で整流されて蓄電池３０に蓄電される。

次に、この発電機の操作の一例について説明する。
（１）回転機構３３を駆動して、回転体１００の回転軸１３を回転し、容器２０内のコイル２１に電磁誘導作用による電気を発生させる。
（２）回転軸１３の回転が所定の最高速度に達した時点で、回転軸１３を回転伝達部材３２から解放して、回転体１００の回転運動を遠心力と惰性（慣性）のみにより行う。
（３）所定時間その状態で発電を続け、回転軸１３の回転が停止する前に、回転伝達部材３２を再び回転軸１３に接続して、回転機構３３による回転体１００の駆動を再開する。
（４）（１）－（３）の動作を繰り返す。

本発明の発電機は、こうした操作を行う場合であっても、回転軸１３が効率的に回転するため、前記（２）の“遠心力と惰性（慣性）のみによる回転”の状態が長期間継続する。

次に、第２の実施例について説明する。
図６は、第２の実施例におけるコマ式発電機の容器２０側を示し、図７は、第２の実施例における回転体１０１を示している。
この容器２０の内壁には、円筒を縦方向に二分した半円筒形状の永久磁石４１，４２が、分断面を向き合わせて配置されている。双方の磁石４１、４２の互いに向き合う分断面は、異なる磁極を有している。
また、容器２０は、図２と同様に、軸受２４及び軸受部２７を有している。

一方、回転体１０１は、電気絶縁性のボビンに電線を巻回したコイル５０を有している。
また、回転体１０１は、図３と同様に、回転軸１３を有し、回転軸１３の下端に円錐形状部分１４を有している。

この発電機では、磁石４１、４２から発せられる磁束に基づいて、コイル５０の鎖交磁束が生成されている。回転軸１３が回転すると、コイル５０が回転して、コイル５０の鎖交磁束が時間的に変化するため、コイル５０に起電力が発生する。

図８は、コイル５０に誘起された誘導電流を蓄電池３０に蓄電するための回路を模式的に示している。コイル５０に誘起された電流は、スリップリング５１及びブラシ５２によって取り出されて整流器３１に入力し、その後、蓄電池３０に蓄電される。

第２の実施例の発電機においても、回転軸１３の下方部分に円錐形状部分１４を有し、容器２０の下面板２６に軸受部２７を有しているため、第１の実施例の発電機と同様に、効率的な発電が可能である。

次に、第３の実施例について説明する。
図９は、第３の実施例における、回転軸１３の円錐形状部分１４と、球状転動体６１との関係を模式的に示している。
回転軸１３の円錐形状部分１４は、先端に、一個の球状転動体６１を保持する保持部６０を有しており、この球状転動体６１の一部が、保持部６０の先端から露出している。この形態は、ボールペンの先端形状に類似している。

また、容器２０の下面板２６には、保持部６０の先端から露出する球状転動体６１の一部分を受け入れる、凹曲面６２が形成されている。凹曲面６２の曲率半径は、この凹曲面６２内で球状転動体６１が転動できるように、球状転動体６１の球面の曲率半径よりも多少大きく設定されている。

この構造では、回転軸１３が容器の下面板２６に支えられるとき、少なくとも保持部６０の中心位置である回転軸１３の中心位置が球状転動体６０に接触し（なお、保持部６０の中心位置の周囲も球状転動体６０に接触する。）、保持部６０から露出する前記球状転動体６１の部分が下面板６２に接触する。

また、回転軸１３が回転すると、球状転動体６１が回転するため、回転軸１３と下面板２６との間の接触抵抗が減少する。そのため、回転効率が向上し、回転に要するエネルギーを減少させることができる。
また、下面板２６に設けた凹曲面６２は、球状転動体６１を保持する回転軸１３の横ずれを防ぐことができる。

本発明において、回転軸１３を回転する回転機構３３は、ガスや蒸気のタービン、水車、風車等であっても良い。
また、先の操作例では、回転軸１３と回転機構３３との接続を断続的に行う場合を示したが、回転機構３３と回転軸１３とは常時結合されていても良い。

本発明のコマ式発電機は、各種産業分野において発電源として広く利用することができ、また、教育現場において、学習用教材等としても利用することができる。

１０円筒形磁石
１０（１）上面がＳ極の半円筒状磁石
１０（２）上面がＮ極の半円筒状磁石
１３回転軸
１４円錐形状部分
２０容器
２１コイル
２４軸受
２５上面板
２６下面板
２７軸受部
２８球状転動体
２８（１）大径の球状転動体
２８（２）小径の球状転動体
２９外輪
３０蓄電池
３１整流器
３２回転伝達部材
３３回転機構
４１磁石
４２磁石
５０コイル
５１スリップリング
５２ブラシ
６０保持部
６１球状転動体
６２凹曲面
１００回転体
１０１回転体

Claims

磁石及びコイルの一方が、重力方向と平行な回転軸を中心に回転できるように容器内に支持され、前記磁石及びコイルの他方が、回転する前記磁石又はコイルと対向する前記容器の内壁の位置に配置され、前記磁石又はコイルの回転に伴い、前記コイルの鎖交磁束が時間的に変化して、前記コイルに起電力が発生する発電機であって、
前記回転軸は、その上部が、前記容器の上面を覆う上面板に回転可能に軸支され、
前記上面板から突出する前記回転軸の部分には、該回転軸を回転するための回転機構が付設され、
前記回転軸は、その下部に、下端に近づく程、軸の直径が小さくなる、先端が丸みを帯びた円錐形状部分を有し、
前記回転軸の下端部の中心位置が、球状転動体を介して、前記回転軸を支える前記容器の下面板に接触し、
前記球状転動体は、前記回転軸の前記円錐形状部分の中心位置に接触する小径の球状転動体と、該小径の球状転動体よりも直径が大きく、前記円錐形状部分の前記中心位置から外れた面に接触する複数の大径の球状転動体とから成る、コマ式発電機。