JPH10136624A - 発電装置および電子機器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ステータ内のロータを回転して発電する発電
装置において、ロータのコギングトルクをほぼ零にし、
ロータを回転し易くして発電効率を高くする。 【解決手段】 ステータと、このステータに接続される
出力コイルと、このステータに対し相対的に回転する多
極着磁されたロータとを有する発電装置において、ステ
ータは、複数の板状の部材を積層して構成され、複数の
板状の部材は各々ロータを回転可能に収納する中空の収
納部を備え、これら複数の板状の部材の少なくとも一つ
の板状の部材の収納部の断面形状を非円形とする。また
は、少なくとも一つの板状の部材の収納部の径が、他の
板状の部材の収納部の径と異なるように構成する。この
ような構成にすることにより、ロータとステータの間に
発生するコギングトルクをほぼ零にできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転錘などによっ
て得られる運動エネルギーによりロータを回転して発電
を行う発電装置、および前記発電装置を有する電子機器
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】腕時計装置のような小型で携帯に適した
電子機器において、発電装置を内蔵することによって電
池の交換をなくし、あるいは電池自体を無くすことがで
きる携帯型の電子機器が考案され、実用化されている。
図９に、その一例として発電装置１０を内蔵した腕時計
装置１の概略構成を示してある。この携帯型電子機器
（腕時計装置）１においては、腕時計装置のケース内で
旋回運動を行う回転錘１１と、回転錘１１の回転運動を
発電装置１０のロータ１３に伝達する伝達手段である輪
列機構１２と、発電装置１０を備えている。発電装置１
０は、２極の永久磁石を備えたディスク状のロータ１３
と、このロータ１３を収納するステータ１４を備えてお
り、ロータ１３が回転するとステータ１４の出力用コイ
ル１５に記電圧が発生し、交流出力が取り出せるように
なっている。さらに、この携帯型電子機器は、発電装置
１０から出力された交流を整流する整流回路２と、発電
装置１０から得られた電力を蓄積するコンデンサ５など
によって構成された供給部４と、この供給部４からの電
力によって動作する計時装置７などの処理装置６を備え
ている。

【０００３】図１０に発電装置１０の概略構成を示して
ある。この発電装置１０は、２極着磁された円盤状のロ
ータ１３と、このロータ１３を回転可能に収納し、ロー
タ１３の回転エネルギーを電気エネルギーに変換して出
力するステータ１４を備えている。ステータ１４は、長
い板状の磁性体からなるヨーク板２０と、このヨーク板
２０と並列に配置され、ヨーク板２０の両端２１ａおよ
び２１ｂに接続された出力コイル１５を備えている。ヨ
ーク板２０のほぼ中央には、ロータ１３を収納するため
の円形に開いた収納部２２が設けられており、ロータ１
３が一定のギャップ２３を保持しながら回転軸１３ａを
中心に収納部２２の内部で回転できるようになってい
る。ヨーク板２０の出力コイル１５の接続された端２１
ａおよび２１ｂの方向が出力コイル１５に繋がる磁路を
形成するための幅の広いヨーク部２４ａおよび２４ｂで
ある。これに対し、磁路幅が狭く磁束密度が増加すると
すぐに飽和する磁束飽和部２５ａおよび２５ｂが形成さ
れている。従って、ロータ１３が回転すると、磁束飽和
部２５ａおよび２５ｂによって磁束をヨーク部２４ａお
よび２４ｂの方向に広げることができ、ロータ１３の回
転エネルギーを電気エネルギーに変えて出力コイル１５
から出力できるようになっている。

【０００４】上記のように、ロータを回転して発電を行
う発電装置においては、ヨーク部の磁束を上げて発電効
率を高めるために急速に磁気飽和できるように磁路幅の
狭い磁気飽和部を設けるようにしている。一方、磁気飽
和部において磁気が急速に飽和するようになるとコギン
グ現象が強く現れ、ロータの回転角度に応じてほぼ正弦
波上にトルクが変動し、回転ムラが発生する。このよう
なトルク変動は、ロータの始動を妨げ、停止を促進して
発電効率を低下させる。また、ロータを回転させるため
の機械的な損失の増加を引き起こすため、発電効率低下
の要因となる。このため、ロータの収納部の内側に内ノ
ッチを設けてコギングトルク（無励磁状態の保持トル
ク）を全体に小さくする、ロータと収納部のギャップを
大きくする、あるいはエネルギーの小さいロータ磁石を
用いる、などの対策がとられている。

【０００５】しかしながら、上記の従来技術の方法で
は、コギングトルクを小さくすることはできるが全く無
くすことはできない、ゴギングトルクを小さくすると出
力コイル内を流れる有効磁束も減少し発電量が減少す
る、などの問題点があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明のうち請
求項１ないし２記載の発明は、出力コイル内を流れる有
効磁束の減少を引き起こすことなくコギングトルクを無
くし、発電効率の高い発電装置を提供することを目的と
したものである。

【０００７】請求項３記載の発明は、請求項１ないし２
記載の発電効率の高い発電装置を有する電子機器を提供
することを目的としたものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の第１の手段として、本発明のうち請求項１記載の発明
は、ステータと、このステータに接続される出力コイル
と、このステータに対し相対的に回転する多極着磁され
たロータとを有する発電装置において、ステータは、複
数の板状の部材を積層して構成され、複数の板状の部材
は各々ロータを回転可能に収納する中空の収納部を備
え、これら複数の板状の部材のうち少なくとも一つの板
状の部材の収納部はロータ回転軸に垂直な断面形状が非
円形であることを特徴とする。

【０００９】上記目的を達成するための第２の手段とし
て、本発明のうち請求項２記載の発明は、ステータと、
このステータに接続される出力コイルと、このステータ
に対し相対的に回転する多極着磁されたロータとを有す
る発電装置において、ステータは、複数の板状の部材を
積層して構成され、複数の板状の部材は各々ロータを回
転可能に収納する中空の収納部を備え、これら複数の板
状の部材の収納部はロータ回転軸に垂直な断面形状がほ
ぼ円形であり、これらのうち少なくとも一つの板状の部
材の収納部におけるロータ回転軸に垂直な断面の径は他
の板状の部材の収納部におけるロータ回転軸に垂直な断
面の径と異なることを特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面に基づいて説明する。図１（ａ）および（ｂ）に、そ
れぞれ本発明の発電装置１０の平面図およびＡＢ断面図
を示してある。この発電装置１０は、２極着磁された円
盤状のロータ１３と、このロータ１３を回転可能に収納
し、ロータ１３の回転エネルギーを電気エネルギーに変
換して出力するステータ１４を備えている。ステータ１
４は、２枚の長い板状の磁性体からなるヨーク板２６、
２７と、このヨーク板２６、２７と並列に配置され、ヨ
ーク板２６、２７の両端２８ａ、２８ｂおよび２９ａ、
２９ｂに接続された出力コイル１５を備えている。ヨー
ク板２６、２７のほぼ中央には、各々ロータ１３を収納
するための収納部３０、３１が設けられており、ロータ
１３が回転軸１３ａを中心に収納部３０、３１の内部で
回転できるようになっている。ヨーク板２６、２７の出
力コイル１５の接続された端２８ａ、２８ｂおよび２９
ａ、２９ｂの方向が出力コイル１５に繋がる磁路を形成
するための幅の広いヨーク部３４ａ、３４ｂおよび３５
ａ、３５ｂである。これに対し、磁路幅が狭く磁束密度
が増加するとすぐに飽和する磁束飽和部３６ａ、３６ｂ
および３７ａ、３７ｂが形成されている。従って、ロー
タ１３が回転すると、磁束飽和部３６ａ、３６ｂおよび
３７ａ、３７ｂによって磁束をヨーク部３４ａ、３４ｂ
および３５ａ、３５ｂの方向に広げることができ、ロー
タ１３の回転エネルギーを電気エネルギーに変えて出力
コイル１５から出力できるようになっている。従って、
本例の発電装置を図９に基づき説明したような携帯型の
電子機器の発電装置として採用することができ、回転錘
によってロータを回転させることにより回転錘の捉えた
運動エネルギーを電気エネルギーに変換して計時装置な
どを作動させることができる。

【００１１】本例の発電装置１０のステータは、図１
（ｂ）に示すように、ステータ１４のヨーク板２６の収
納部３０のロータ回転軸１３ａに垂直な断面の形状が楕
円形状であり、その短軸がステータの上側磁気飽和部３
６ａと下側磁気飽和部３６ｂを結ぶ方向と一致するよう
に収納部３０は形成されている。また、その短軸と長軸
の中心はロータの回転軸１３ａと一致するように配置さ
れている。ヨーク板２７の収納部３１のロータ回転軸１
３ａに垂直な断面の形状はほぼ円形であり、その中心は
ロータの回転軸１３ａと一致するように配置されてい
る。また、収納部３０および３１のヨーク部からロータ
１３までのギャップ長は、収納部３０のヨーク部３４
ａ、３４ｂからロータ１３までのギャップ長の方が収納
部３１のヨーク部３５ａ、３５ｂからロータ１３までの
ギャップ長より相対的に大きくなるように構成されてい
る。本例の発電装置１０のコギングトルクは、ロータ１
３とヨーク板２６の間に発生するトルク波形と、ロータ
１３とヨーク板２７の間に発生するトルク波形の合成波
形である。図１（ｃ）に、ロータ１３の着磁方向がステ
ータの上側磁気飽和部３６ａ、３７ａと下側磁気飽和部
３６ｂ、３７ｂを結ぶ方向と一致した状態から、ロータ
１３が３６０度回転したときのトルク波形を示す。図中
実線はロータ１３とヨーク板２６の間に発生するトルク
波形であり、図中破線はロータ１３とヨーク板２７の間
に発生するトルク波形である。これらの波形は波高値が
同じで位相が９０度ずれた波形であるため、この二つの
波形の合成波形はロータの回転角度によらず常にほぼ零
となる。従って、発電装置として理想的なコギングトル
ク波形が得られることができる。ここで重要なことは、
図中実線と破線の位相が９０度ずれていることである。
すなわちロータ１３の静的安定位置が９０度ずれている
ことである。図２（ａ）に、ロータ１３とヨーク板２６
で構成された磁気回路におけるロータ１３の静的安定位
置とそのときの磁束の流れを示す。本例のように、収納
部２６のヨーク部３４ａ、３４ｂからロータまでのギャ
ップ長が比較的大きい場合は、ロータ１３の着磁方向が
収納部３０の長軸方向と一致する位置が静的安定位置と
なる。このとき、ロータ１３のＮ極から出た磁束は一方
のヨーク部３４ａからコイル内を通り他方のヨーク部３
４ｂを経由してロータ１３のＳ極に戻る。一方、収納部
３１のヨーク部３５ａ、３５ｂからロータ１３までのギ
ャップ長が比較的小さい場合は、ロータ１３の着磁方向
が収納部３１の短軸方向と一致する位置が静的安定位置
となる。このとき、ロータ１３のＮ極から出た磁束は一
方の磁束飽和部３７ａからヨーク部３５ａあるいは３５
ｂを通り反対側の磁気飽和部３７ｂを経由してロータ１
３のＳ極に戻る。

【００１２】図２のように、ロータ１３の回転角度によ
らずコギングトルクを常にほぼ零とする収納部３０、３
１のロータ回転軸１３ａに垂直な断面の形状の組み合わ
せは、図２に示す組み合わせだけではない。ロータ１３
の回転角度によらずコギングトルクを常に零とする収納
部３０、３１のロータ回転軸１３ａに垂直な断面の形状
の組み合わせの例と、そのときのトルク波形を図３から
図７に示す。図３から図６までは、ステータ１４を構成
する二つのヨーク板２６、２７のうち少なくとも一方の
ヨーク板の収納部のロータ回転軸１３ａに垂直な断面の
形状が非円形を成している。図７は、二つのヨーク板の
収納部３０、３１のロータ回転軸１３ａに垂直な断面の
形状がともに円形を成している。ただし、二つの円形は
径が異なるため、ロータ１３と各ヨーク板の間に働くト
ルク波形の位相を９０度ずらすことが可能となる。

【００１３】上記のように、本例の発電装置において
は、コギングトルクが無いので、回転錘のわずかな動き
でもロータは回転を始め、さらにひとたび回転錘が回転
を始めた後は止まりにくくなるため、微弱な運動エネル
ギーを電気エネルギーに変換することができ、発電効率
の高い発電装置を提供できる。

【００１４】図８に、図９の電子装置において回転錘が
回転した場合に得られる半波整流の波形を示してある。
回転錘１１が回転を始めると、徐々に回転速度が増加す
るので起電力も大きくなる。そして、回転の終わりで
は、徐々に回転速度が減少するので起電力も弱くなる。
しかしながら、回転錘１１の動きの少ない状態では、起
電力として得られる最後の一山を得られるか否かにより
トータルの発電量に１０％以上の差が生ずることもあ
る。また、ゴギングトルクが大きい場合には、回転錘１
１が回転開始すらできない場合もある。本例の発電装置
１０においては、コギングトルクがほとんど無いため、
コギングトルクによって回転が止められることがない。
また、コギングトルクがほとんど無いため、わずかな運
動エネルギーでも回転を開始することができる。従っ
て、回転錘１１の運動エネルギーをより有効に活かした
発電効率の高い発電を行うことができる。図９に示した
携帯用電子機器は、ユーザーの腕の動きなどを捉えて発
電を行うようになっているので、回転錘１１の微小な動
きであっても発電を効率よく行えることが重要であり、
本例の発電装置１０はこのようなようとに非常に適して
いる。

【００１５】また、本例ではステータを構成するヨーク
板が２枚の場合について説明したが、２枚以上であれば
その数とは無関係に、本発明と同様の考え方によりコギ
ングトルクをほぼ零にすることが可能である。また、本
例では、計時装置に適した１相の発電装置を例に説明し
ているが、２相以上の発電装置に対しても本発明を同様
に適用することができることはもちろんである。また、
本例では、ステータに対しロータが回転する発電装置を
例に説明しているが、ロータに対してステータが回転す
る発電装置であっても良いことはもちろんである。

【００１６】本例の発電装置１０は、図９に示した腕装
着型の計時装置に限定されることはなく、ユーザーの脚
部に装着されたり、さらに、車両に搭載され、その振動
などによってロータを回転させて発電を行う機器などの
ように様々な機器に適応することができる。また、本発
明の発電装置から電力を供給されて処理を行う処理装置
として、上述した計時装置に限らず、例えばページャ
ー、電話機、無線機、補聴器、万歩計、電卓、電子手帳
などの情報端末、ＩＣカード、ラジオ受信機などがあ
り、これらの携帯型機器に本発明の発電装置を適用する
ことによって、これらの処理装置に対し十分な電力を供
給することが可能である。そして、これらの携帯型の電
子機器に本発明の発電装置を携帯することにより、人間
の動きなどを捉えて効率よく発電を行い、電池の消耗を
抑制したり、あるいは電池そのものを不要にすることも
可能である。従って、ユーザーは電池切れを心配せず
に、これらの携帯型機器を使用することができ、電池切
れによってメモリーに記憶した内容が失われるなどのト
ラブルも未然に防止できる。さらに、電池や充電装置が
容易に入手できない地域や場所、あるいは災害などによ
って電池の補充が困難な事態であっても電子機器の機能
を発揮させることが可能となる。

【００１７】

【発明の効果】このように、本発明においては、ロータ
とステータの間に発生するコギングトルクを、ロータの
回転角度によらず零にすることができるため、微小な運
動エネルギーでも回転錘が回転できる発電効率の高い発
電装置を提供することができる。

【００１８】さらに、本発明の高効率の発電装置を用い
ることにより、発電装置と共に収納された処理装置の機
能をいつでもどこでも十分に発揮させることが可能な携
帯型に適した電子機器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の発電装置とそのコギングトルクカーブ
を模式的に示す図である。

【図２】図１に示した発電装置の磁束の流れを示す図で
ある。

【図３】本発明におけるその他の発電装置とそのコギン
グトルクカーブの例を模式的に示す図である。

【図４】本発明におけるその他の発電装置とそのコギン
グトルクカーブの例を模式的に示す図である。

【図５】本発明におけるその他の発電装置とそのコギン
グトルクカーブの例を模式的に示す図である。

【図６】本発明におけるその他の発電装置とそのコギン
グトルクカーブの例を模式的に示す図である。

【図７】本発明におけるその他の発電装置とそのコギン
グトルクカーブの例を模式的に示す図である。

【図８】回転錘の回転によって発電された電流の変化を
示す図である。

【図９】発電装置を備えた携帯型電子機器の概要を示す
図である。

【図１０】本発明のために従来の発電装置を模式的に示
す図である。

【符号の説明】

１・・電子機器 ２・・整流回路 ４・・供給部 ５・・コンデンサ ６・・処理装置 ７・・計時装置 １０・・発電装置 １１・・回転錘 １２・・輪列機構 １３・ロータ １３ａ・・ロータ回転軸 １４・・ステータ １５・・出力用コイル ２０、２６、２７・・ヨーク板 ２１ａ、２１ｂ、２８ａ、２８ｂ、２９ａ、２９ｂ・・
コイルとの接続部 ２２、３０、３１・・収納部 ２３、３２、３３・・ギャップ部 ２４ａ、２４ｂ、３４ａ，３４ｂ，３５ａ，３５ｂ・・
ヨーク部 ２５ａ，２５ｂ、３６ａ，３６ｂ，３７ａ，３７ｂ・・
磁束飽和部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ステータと、このステータに接続される
   出力コイルと、このステータに対し相対的に回転する多
   極着磁されたロータとを有し、 前記ステータは、複数の板状の部材を積層して構成さ
   れ、前記複数の板状の部材は各々前記ロータを回転可能
   に収納する中空の収納部を備え、これら複数の板状の部
   材のうち少なくとも一つの板状の部材の前記収納部はロ
   ータ回転軸に垂直な断面形状が非円形であることを特徴
   とする発電装置。
2. 【請求項２】 ステータと、このステータに接続される
   出力コイルと、このステータに対し相対的に回転する多
   極着磁されたロータとを有し、 前記ステータは、複数の板状の部材を積層して構成さ
   れ、前記複数の板状の部材は各々前記ロータを回転可能
   に収納する中空の収納部を備え、これら複数の板状の部
   材の前記収納部はロータ回転軸に垂直な断面形状がほぼ
   円形であり、これらのうち少なくとも一つの板状の部材
   の前記収納部におけるロータ回転軸に垂直な断面の径は
   他の板状の部材の前記収納部におけるロータ回転軸に垂
   直な断面の径と異なることを特徴とする発電装置。
3. 【請求項３】 請求項１ないし請求項２のいずれかに記
   載の発電装置を有することを特徴とする電子機器。