WO2006019058A1

WO2006019058A1 - 可変磁気抵抗型発電装置

Info

Publication number: WO2006019058A1
Application number: PCT/JP2005/014846
Authority: WO
Inventors: Osamu Ichinokura; Kenji Nakamura
Original assignee: Tohoku University
Priority date: 2004-08-19
Filing date: 2005-08-12
Publication date: 2006-02-23
Also published as: JP2007312444A

Abstract

【課題】　発電に必要となるシステムが簡素化でき、かつ、高効率の発電能力を得ること。【解決手段】　環状に形成されたステータヨーク１の内周部に突出形成された複数のステータ突極２と、前記ステータ突極２に設けられた発電用コイル３と、前記ステータヨーク１に同軸的かつ回転可能に配置されるとともに、回転の所定角度位置において少なくとも２つの前記ステータ突極２間の磁気抵抗を小さくする極部１０ａ並びに磁気抵抗を大きくする非極部１０ｂとを有するロータコア１０と、前記ロータコア１０の極部１０ａにより該ロータコア１０の回転の所定角度位置において磁気抵抗が小さくされるステータ突極２間に磁路を形成する前記ステータヨーク部１上に設けられ、該ステータ突極２に該磁路を介して磁力を印加するための励磁手段５と、を備える。

Description

明細書

可変磁気抵抗型発電装置

技術分野

[0001] 本発明は、リラクタンス (磁気抵抗)を利用した可変磁気抵抗型発電装置に関する。

背景技術

[0002] 可変磁気抵抗を利用したリラクタンスモータは、固定子、回転子共に電磁鋼板を打ち抜き積層して製作され、卷線は固定子極に集中巻され、回転子には施されないとともに、永久磁石も使用しない。そのため、一般的な誘導機や同期機と比較して構造が極めて簡単で堅牢、保守が容易、高速回転に適する、回転子銅損が無いため高効率が期待されるなど、回転機として優れた特長を有している。このような優れた特性により洗濯機や掃除機、油圧ポンプ駆動用モータとして実用化されるなど適用範囲が拡大しつつある。

[0003] これらリラクタンスモータは、励磁する固定子極 (突極)を、回転子位置に応じて適切に切り替えていく（スイッチングしていく）ことで連続回転を得ることができるが、励磁タイミングによっては負トルクを発生させることも可能である。従って、回転子を外力により強制的に回転させ、励磁タイミングを適切に調整すれば、外力を電力に変換する発電装置としても動作する。

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] し力しながら、このようなリラクタンスモータを発電装置として用いる可変磁気抵抗型発電装置 (リラクタンスジェネレータ）は動作原理上、別途励磁用電源および回転子位置センサや励磁コイルを駆動する駆動回路等が必要であり、発電に必要となるシステムが複雑になる問題があるとともに、例えば、これら可変磁気抵抗型発電装置を風力発電への適用を考えると、特に離島や山間部など励磁用電源の確保やメンテナンスが困難な地域では、設置に際して、これら複雑なシステムや励磁用電源が必要なことが設置の障害となる場合があるという問題があった。

[0005] このため、これらの問題を解決するために、例えば、図 8に示すように、従来のリラクタンスモータにおヽて励磁コイルが配置されてヽる突極に永久磁石を配置して、励磁用電源が不要で簡素な可変磁気抵抗型発電装置を得ようとする考えがあるが、この場合には、発電用コイルも突極に形成されているために該発電用コイル内に、ロータの回転に伴って大きな磁界の変化が生じることがなぐよつて大きな電力を得ることができな!/、と!/、う問題があった。

[0006] 本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、発電に必要となるシステムが簡素化でき、かつ、大きな電力を得ることのできる新構造の可変磁気抵抗型発電装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0007] 上記課題を解決するために、本発明の請求項 1に記載の可変磁気抵抗型発電装置は、

環状に形成されたステータヨークの内周部に該ステータヨークの内方側に突出形成された複数のステータ突極と、

前記ステータ突極に設けられた発電用コイルと、

前記ステータヨークに同軸的かつ回転可能に配置されるとともに、回転の所定角度位置において少なくとも 2つの前記ステータ突極間の磁気抵抗を小さくする極部並びに回転の所定角度位置においてこれら各ステータ突極間の磁気抵抗を大きくする非極部とを有するロータコアと、

前記ロータコアの極部により該ロータコアの回転の所定角度位置にお、て磁気抵抗が小さくされるステータ突極間に磁路を形成する前記ステータヨーク部上に設けられ、該ステータ突極に該磁路を介して磁力を印加するための励磁手段と、

を備えることを特徴として、る。

この特徴によれば、ロータコアが回転することでロータコアの極部がステータ突極に近接したステータ突極間の磁気抵抗が小さ、状態では、励磁手段とヨーク部とステータ突極とロータコアとによる磁気回路が形成されるので、発電用コイルにおける卷線鎖交磁束が大きくなる一方、ロータコアがさらに回転して該ロータコアの非極部がステータ突極に近接したステータ突極間の磁気抵抗が大きヽ状態では、磁気回路がステータ突極間において切断されるようになるので、発電用コイルにおける卷線鎖交磁束が小さくなり、このように、前記励磁手段により磁力が印加されたステータ突極間の磁気抵抗が、ロータコアが回転することにより大きく変化することにより、該ステータ突極に設けられた発電用コイルにおける卷線鎖交磁束が大きく変化するようになるので、従来のような回転子位置センサや励磁コイルを駆動する駆動回路等を必要とすることなぐより簡素なシステムにて、これらの卷線鎖交磁束の大きな変化により大きな電力を得ることができる。

[0008] 本発明の請求項 2に記載の可変磁気抵抗型発電装置は、請求項 1に記載の可変磁気抵抗型発電装置であって、

前記励磁手段が永久磁石であることを特徴として、る。

この特徴によれば、励磁用電源が不要であり、より一層、発電に必要となるシステムを簡素化できるばかりか、励磁コイルを形成する必要がないので、発電装置自体の構成も簡素化できる。

[0009] 本発明の請求項 3に記載の可変磁気抵抗型発電装置は、請求項 1または 2に記載の可変磁気抵抗型発電装置であって、

前記励磁手段を、前記ロータコアの回転の所定角度位置において磁気抵抗が小さくされる各ステータ突極力の距離がほぼ均等となる位置に備えることを特徴としている。

この特徴によれば、励磁手段により各ステータ突極に印加される磁力をほぼ均等なものにできるので、ロータコアが各ステータ突極力も受ける引力（磁力）の大きさの違いが少なくなり、発電装置の振動等を低減できる。

図面の簡単な説明

[0010] [図 1]本発明の実施例における可変磁気抵抗型発電装置の構成を示す斜視図である。

[図 2] (a)は、本発明の実施例における可変磁気抵抗型発電装置の構成を示す上面図であり、（b)は、本発明の実施例における可変磁気抵抗型発電装置の構成を示す断面図である。

[図 3]本発明の実施例における可変磁気抵抗型発電装置の動作状況を示す図である。圆 4]本発明の実施例における可変磁気抵抗型発電装置の発電効率を測定するための評価システムの構成を示す図である。

圆 5] (a)〜 (c)は、本発明の実施例における可変磁気抵抗型発電装置に入力される機械入力と出力電力との各回転数における関係を測定した結果を示すグラフである圆 6]本発明のその他の形態を示す図である。

圆 7]本発明のその他の形態を示す図である。

圆 8]従来例の形態を示す図である。

符号の説明

1 固定子鉄心

2 突極

3 発電用コイル

4 ボルト部

5 永久磁石

6 外装ケース

6，開口

7、 7' ベアリング

8、 8 ' 装着孔

9 可変磁気抵抗型発電装置

10 回転子

10a 突部

10b 凹部

11 回転軸

12 底部

13 密閉蓋

15 パワーメータ

17 トルクメータ

18 永久磁石モータ 19 駆動回路

発明を実施するための最良の形態

[0012] 本発明の実施例を以下に説明する。

実施例

[0013] 本発明の実施例を図面に基づいて説明すると、先ず図 1は、本実施例における可変磁気抵抗型発電装置 (リラクタンスジェネレータ)の全体像を示す斜視図であり、図 2 (a)は、本実施例における可変磁気抵抗型発電装置 (リラクタンスジェネレータ)の後述の開口 6'側から見た上面図であり、図 2 (b)は、本実施例における可変磁気抵抗型発電装置 (リラクタンスジェネレータ)の側断面図である。

[0014] 本実施例の可変磁気抵抗型発電装置 9は、図 1に示すように、主に、本発明におけるステータヨークとなる四角環状とされた固定子鉄心 1と、該固定子鉄心 1に同軸かつ回転可能に配置される本発明のロータコアとなる回転子 10と、これら固定子鉄心 1 と回転子 10とを収容する有底筒状の外装ケース 6とから主に構成されている。

[0015] この本実施例に用いた固定子鉄心 1は、厚さ 0.35mm、高さ 127mm、幅 78mmの無方向性電磁鋼板を厚さ 20mmに積層することで形成されており、その各隅部には、ボルト部 4が形成されており、これらボルト部 4を外装ケース 6の底部 12に形成された装着孔 8に挿通した状態において、ナット Nにより固定子鉄心 1が外装ケース 6の底部 12に固定される。

[0016] この 4つの装着孔 8の中心部（底部 12の中心に同じ）には、回転子 10の回転軸 11 を軸支するためのベアリング 7が設けられているとともに、外装ケース 6の開口 6'を塞ぐ密閉蓋 13にも、底部 12と同様に 4つの装着孔 8 'とこれら 4つの装着孔 8 'の中心（密閉蓋 13の中心に同じ）に回転子 10の回転軸 11を軸支するためのベアリング 7'とが設けられており、これらベアリング 7、 7'に回転子 10の回転軸 11が軸支されるとともに、ボルト部 4が装着孔 8'に挿通された状態において、ナット Nにより密閉蓋 13が外装ケース 6に装着されて開口 6'が塞がれることで、回転子 10が固定子鉄心 1に同軸かつ回転可能に配置されるようになって!/、る。

[0017] この本実施例に用いた固定子鉄心 1の内周部には、図 1並びに図 2に示すように、固定子鉄心 1の内方側に突出するように形成された 2つの突極 2が、互いに対向するように設けられており、これら各突極 2の周囲には、卷線が集中卷されて発電用コィル 3が形成されている。尚、本実施例では、これら卷線数を 1200とし、その卷線抵抗は 5.24 Ωであった。

[0018] また、これら各突極 2からの距離がほぼ均等となる固定子鉄心 1上の位置、つまりは、四角環状の固定子鉄心 1の突極 2が形成されていない 2つの辺部のほぼ中央位置には、本発明における励磁手段となる永久磁石 5が 2つ、四角環状の固定子鉄心 1 の一部を置き換える形態にて固定子鉄心 1に接着、固定されて設けられており、これら各永久磁石 5は図面における上下方向、つまりは、固定子鉄心 1の外周に沿う方向に着磁されていて、これら各永久磁石 5の磁力が磁路となる固定子鉄心 1を介して突極 2に印加されるようになっている。尚、本実施例に用いた永久磁石の縦方向の長さは 21mmである。

[0019] このように本実施例では、永久磁石 5を各突極 2からの距離がほぼ均等となる位置に配置するようにしており、このようにすることは、永久磁石 5により各突極 2に印加される磁力をほぼ均等なものにできるので、各突極 2から回転子 10が受ける引力（磁力 )の大きさをほぼ同じものにでき、よって、これら引力（磁力）の大きさの違い（ばらつきに)よる回転子 10の回転のばらつきが少なくなり、可変磁気抵抗型発電装置 9の振動等を低減できることから好ましいが、本発明はこれに限定されるものではなぐ突極 2の数や固定子鉄心 1の形状等により、各突極 2に印加される磁力がほぼ均等になるように、これら励磁手段となる永久磁石 5等の配置位置は適宜に選択すれば良、。

[0020] また、実施例では、 1組の対向する突極 2を有する単相の可変磁気抵抗型発電装置 9を例示している力本発明はこれに限定されるものではなぐこれら単相の可変磁気抵抗型発電装置 9を 1ユニットとして、例えば複数のユニットを互いに回転角度に対して 90或いは 120度ずらせて同軸に組み上げることで、 2相或いは 3相の発電装置としても良いし、更には、図 6 (a)〜（c)に示すように、 2つの永久磁石を備える円形環状の 1つの固定子鉄心の内周に対向する 3組の突極を形成して 3相の発電装置としても良い。

[0021] また、本実施例では、永久磁石を 2つとしている力本発明はこれに限定されるものではなぐ例えば図 7に示すように、永久磁石 5 'を 4つ設けるようにして、励磁手段となる永久磁石と磁気回路との距離が近くなる、或いは磁気回路の長さを小さくできるようにして、できるだけ大きな磁力を各突極 2'に印加できるようにしても良い。

[0022] このように、本発明においては、ステータヨーク内に突設されて発電用コイルを有する突極に磁力を印加するための永久磁石 (励磁手段)を、少なくとも 1つの前記突極を挟んで隣接する各永久磁石 (励磁手段)の磁ィ匕方向が、互いに逆方向となるように該ステータヨーク上に配置すれば良い。

[0023] この永久磁石 5として使用する磁石材料は、磁力が強ぐ保磁力に優れ、し力も劣化に強く安価なものが好ましぐ本実施例においてはサマリウム 'コバルト (Sm-Co )を用いているが、本発明はこれに限定されるものではなぐこれら磁石材料は、得ようとする発電量や発電装置の規模等力適宜に選択すれば良い。

[0024] また、本実施例では、励磁手段として永久磁石 5を使用しており、このようにすることは、励磁電源を別途必要としないことから好ましいが、本発明はこれに限定されるものではなぐこれら励磁手段として、永久磁石 5に代えて励磁コイルを設けて、該励磁コイルを励磁電源にて駆動して、突極 2に磁力を印加するようにしても良!、。

[0025] また、本実施例では、効率良く固定子鉄心 1に永久磁石 5の磁力を印加できるようにするためや、永久磁石 5と固定子鉄心 1との接着面積を大きくしてより強い接着強度を得るために、永久磁石 5の断面形状を、固定子鉄心 1の断面形状とほぼ同一の形状としている力本発明はこれに限定されるものではなぐこれら永久磁石 5の断面形状は適宜に選択すれば良、。

[0026] 次に、本実施例に用いた回転子 10について説明すると、回転子 10も 4つの突部 1 Oaと 4つの凹部 10bとを交互に有する略十字状に打ち抜かれた無方向性電磁鋼板（ 0.5 mm)を固定子鉄心 1と同様に厚み 42mmに積層して形成され、その中心に回転軸 11が挿通された構成とされており、従来のスィッチトリラタタンスモータと同様に突極構造を有している。この略十字状の対向する突部 10a間の長さ、つまりは、突部 10 aにおける回転子 10の直径は、対向配置された前記突極 2の間隔よりも若干短いものとされていて、回転子 10の回転位置が、これら突部 10aが突極 2に対向する位置であるときには、各突極 2と回転子 10との距離が小さくなるので、各突極 2間の磁気抵抗が小さくなり、これら突部 10aが突極 2に対向する位置にないとき、つまりは、凹部 10bが突極 2に対向する位置にあるときは、各突極 2と回転子 10との距離が大きくなるので、各突極 2間の磁気抵抗が大きくなる。よって、この突部 10aが本発明における極部に該当し、凹部 10bが本発明における非極部に該当する。尚、本実施例に用いた回転子 10の突部 10aにおける外径は約 40mmである。

[0027] 尚、本実施例では、回転子 10を突極構造とした力本発明はこれに限定されるものではなぐ例えば、回転子 10の回転における風力抵抗を低減するために、凹部 10b 内に非磁性材料を設けて、回転子 10の外周を円筒状としても良いし、更には、無方向性電磁鋼板を円盤状に打ち抜くとともに、凹部 10bに該当する領域に多数のスリツトを形成して、非極部を形成するようにしても良い。

[0028] このようにして構成された本実施例の可変磁気抵抗型発電装置 9の発電動作について、図 3に基づいて説明すると、図 3 (a)に示すように、回転子 10 (ロータコア）が回転することで本発明の極部となる突部 10aがステータ突極となる突極 2に対向して近接した状態となると、対向する突極 2間の磁気抵抗が小さくなるので、励磁手段となる永久磁石 5→固定子鉄心 1→突極 2→回転子 10→突極 2→固定子鉄心 1→永久磁石 5という磁気回路が形成されることで、突極 2に設けられた発電用コイル 3における卷線鎖交磁束が大きくなる一方、図 3 (b)に示すように、回転子 10 (ロータコア）がさらに回転して本発明の非極部となる凹部 10bがステータ突極となる突極 2に対向して近接した状態となると、磁気抵抗が大きくなることにより、前記にて形成された永久磁石 5→固定子鉄心 1→突極 2→回転子 10→突極 2→固定子鉄心 1→永久磁石 5という磁気回路が切断されるようになるので、発電用コイル 3における卷線鎖交磁束が小さくなり、このように、永久磁石 5により磁力が印加された突極 2間の磁気抵抗力回転子 10 (ロータコア）が回転することにより大きく変化することで、該突極 2に設けられた発電用コイル 3における卷線鎖交磁束が大きく変化するようになるので、これらの卷線鎖交磁束の大きな変化により大きな電力を得ることができる。

[0029] これら発電される電力や発電効率を測定するために、図 4に示すように、負荷 (R) 1 6とパワーメータ 15が接続された本実施例の可変磁気抵抗型発電装置 9の回転軸 1 1に、トルクメータ 17を介して永久磁石モータ 18に接続し、該永久磁石モータ 18を駆動回路 19により所定回転数にて駆動することで、可変磁気抵抗型発電装置 9へ入力される機械入力と、該可変磁気抵抗型発電装置 9から出力される出力電力との各回転数における関係を測定した結果を図 5 (a)〜（c)に示す。尚、機械入力 P (m)の値は、トルクメータの測定値 τ と、可変磁気抵抗型発電装置 9の回転数 ω力ら、図 4 に示す式を用いて求めた。

[0030] 回転数としては、毎分 1200回転（図 5 (a) )、毎分 3002回転（図 5 (b) )、毎分 4765 回転（図 5 (c) )の 3種類の回転にて測定を実施し、その結果として、毎分 1200回転において 70%を越える変換効率が得られ、その出力電力は約 5W(0. 2A)が得られているとともに、毎分 3002回転や毎分 4765回転の高速においても、最大 60%程度の変換効率が得られ、その出力電力も最大 12Wや 20Wが得られていることが判る。

[0031] 尚、本実施例の可変磁気抵抗型発電装置 9によれば、実験値としても大きな電力が得られているが、有限要素法による計算値では、更に大きな出力電力、具体的には毎分 3000回転において約 50W程度が得られることが算出されており、本実施例における出力電力がこれら計算結果より小さくなつた理由は、使用した磁石の特性低下が大きな要因であると考えられることを付記しておくとともに、これら理論値において、図 8に示す、突極 2に永久磁石を配置した場合における出力電力は、本実施例と同一の大きさの固定子鉄心 1と回転子 10 (ロータコア）を用いても、最大でも 5〜6W 程度の発電し力得られないことが算出されており、これら突極 2に永久磁石を配置した場合における出力電力はこれら 5〜6Wよりも更に小さくなるものと推定される。

[0032] 以上、本実施例によれば、従来のような回転子位置センサや励磁コイルを駆動する駆動回路等を必要とすることなぐより簡素なシステムにて、これらの卷線鎖交磁束の大きな変化により効率良く大きな電力を得ることができる。

[0033] また、本実施例によれば、励磁用電源が不要であり、より一層、発電に必要となるシステムを簡素化できるばかりか、励磁コイルを形成する必要がないので、発電装置自体の構成も簡素化できる。

[0034] また、本実施例によれば、回転子 10 (ロータコア）の回転抵抗のばらつきが少なくなり、発電装置の振動等を低減できる。

[0035] また、本実施例によれば、励磁手段である永久磁石 5或いは励磁コイルを突極 2ではなぐ固定子鉄心 1上に形成するようになるので、例えばこれら永久磁石 5や励磁コィルを形成する場合の作業性が向上するとともに、メンテナンス時においてもこれら永久磁石 5や励磁コイルへのアクセス性を向上でき、更には、交換が必要な場合にぉ、ても容易に交換できるようになる。

[0036] 以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなぐ本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追力卩がぁつても本発明に含まれる。

[0037] また、これら永久磁石や鉄心を備える励磁コイルを、例えば固定子鉄心 1に装着用のポケット等を設けることで、固定子鉄心 1に着脱自在としても良ぐこのようにすれば

、本発明においてはこれら永久磁石や励磁コイルに容易にアクセスでききるので、更に簡便に永久磁石や励磁コイルを交換することができ、メンテナンス性に優れた発電装置を提供できる。

産業上の利用可能性

[0038] 本発明の活用例として、風力発電装置への適用も可能であり、またマイクロガスタ一ビンなどへの適用も可能である。

Claims

請求の範囲

[1] 環状に形成されたステータヨークの内周部に該ステータヨークの内方側に突出形成された複数のステータ突極と、

前記ステータ突極に設けられた発電用コイルと、

を備えることを特徴とする可変磁気抵抗型発電装置。

[2] 前記励磁手段が永久磁石であることを特徴とする請求項 1に記載の可変磁気抵抗型発電装置。

[3] 前記励磁手段を、前記ロータコアの回転の所定角度位置において磁気抵抗が小さくされる各ステータ突極力の距離がほぼ均等となる位置に備えることを特徴とする請求項 1または 2に記載の可変磁気抵抗型発電装置。