WO2023190035A1

WO2023190035A1 - 発電機

Info

Publication number: WO2023190035A1
Application number: PCT/JP2023/011511
Authority: WO
Inventors: 高良林
Original assignee: ヤマウチ株式会社
Priority date: 2022-03-29
Filing date: 2023-03-23
Publication date: 2023-10-05
Also published as: JP2023146307A

Abstract

発電機１００は、コイル３０と、永久磁石５２と、永久磁石５２の上方に設けられた支持部材１８と、コイル３０の軸方向に伸縮可能な弾性部材５４ａを含みかつ永久磁石５２と支持部材１８とを接続する接続部材５４と、永久磁石５２の下方に配置された錘５６と、永久磁石５２と錘５６とを接続する接続部材５８とを備える。接続部材５８は、錘５６の左右方向の移動に連動して永久磁石５２を下方に引っ張る。

Description

発電機

　本発明は、発電機に関する。

　従来、振動エネルギーを電気エネルギーに変換することができる種々の発電機が提案されている。

　例えば、特許文献１に開示された振動ダイナモ装置は、非磁性体の筒状部材と、筒状部材の外周に配置されたコイルと、筒状部材の延在方向に沿って往復運動できるように筒状部材に収容されたマグネットとを備えている。

特開２０１７－２８８９３号公報

　特許文献１の振動ダイナモ装置では、筒状部材の延在方向に振動が発生した場合に、マグネットがコイルの軸方向に沿って往復運動し、コイルに交流電流が発生する。すなわち、発電が行われる。一方で、筒状部材の延在方向に直交する方向（すなわち、コイルの径方向）に振動が発生しても、効率よく発電することはできない。

　そこで、本発明は、従来より発電効率のよい発電機を提供することを目的としている。

　本発明は、下記の発電機を要旨とする。

（１）筒状に巻回されたコイルと、
　前記コイルの軸方向から見て前記コイルの内側に配置され、かつ前記コイルに対して前記軸方向に移動可能に設けられた永久磁石と、
　前記軸方向において前記永久磁石の一方側に位置するように前記コイルに対して固定された第１支持部材と、
　前記軸方向に伸縮可能な第１弾性部材を含みかつ前記永久磁石と前記第１支持部材とを接続する第１接続部材と、
　前記軸方向において前記永久磁石の他方側に配置され、かつ前記コイルに対して前記軸方向および前記コイルの径方向に移動可能に設けられた錘と、
　前記永久磁石と前記錘とを接続し、かつ前記錘の前記径方向における外側への移動に連動して前記永久磁石を前記軸方向における前記他方側に引っ張る第２接続部材と、
を備える、発電機。

（２）前記軸方向において前記永久磁石と前記第１支持部材との間に位置するように前記コイルの前記一方側に設けられかつ前記軸方向に貫通する第１貫通孔を有する第１ガイド部材をさらに備え、
　前記第１接続部材は、前記第１貫通孔を通るように設けられた第１線状部材を有し、
　前記軸方向から見て、前記第１貫通孔は、前記永久磁石の外縁よりも内側に位置し、
　前記軸方向において、前記第１支持部材と前記第１ガイド部材との間に前記第１弾性部材が設けられ、
　前記第１線状部材を介して、前記永久磁石と前記第１弾性部材とが接続されている、
上記（１）に記載の発電機。

（３）前記軸方向において前記永久磁石と前記錘との間に位置するように前記コイルの前記他方側に設けられかつ前記軸方向に貫通する第２貫通孔を有する第２ガイド部材をさらに備え、
　前記第２接続部材は、前記第２貫通孔を通るように設けられた第２線状部材を有し、
　前記軸方向から見て、前記第２貫通孔は、前記永久磁石の外縁よりも内側に位置している、
上記（１）または（２）に記載の発電機。

（４）前記軸方向において前記錘の他方側に位置するように前記コイルに対して固定された第２支持部材と、
　前記軸方向に伸縮可能な第２弾性部材を含みかつ前記錘と前記第２支持部材とを接続する第３接続部材と、をさらに備える、
上記（１）から（３）のいずれかに記載の発電機。

（５）前記永久磁石を収容する第１筒状部材をさらに備え、
　前記コイルは、前記第１筒状部材の外周を覆うように設けられている、
上記（１）から（４）のいずれかに記載の発電機。

（６）前記軸方向において前記第１筒状部材よりも一方側に設けられかつ前記第１弾性部材を収容する第２筒状部材をさらに備える、
上記（５）に記載の発電機。

（７）前記軸方向において前記第１筒状部材よりも他方側に設けられかつ前記錘を収容する第３筒状部材をさらに備える、
上記（５）または（６）に記載の発電機。

　本発明によれば、従来より発電効率のよい発電機が得られる。

図１は、本発明の一実施形態に係る発電機を示す概略断面図である。図２は、上下方向の振動が発生した際の発電機を示す図である。図３は、左右方向の振動が発生した際の発電機を示す図である。

　以下、本発明の一実施形態に係る発電機について図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る発電機の内部構造を示す概略断面図である。なお、図１においては、発電機１００のうち筐体１０の断面を示し、筐体１０内に配置された振動機構５０については断面ではなく外観を示している。

（発電機の構成）
　図１に示すように、本実施形態に係る発電機１００は、筐体１０と、筐体１０に支持されたコイル３０と、筐体１０内に配置された振動機構５０とを備えている。

　筐体１０は、筒状部材１２と、筒状部材１４と、筒状部材１６と、支持部材１８と、支持部材２０と、ガイド部材２２と、ガイド部材２４と、一対のフランジ部材２６とを有している。筐体１０の各部材は、非磁性材料からなる。本実施形態では、筒状部材１２が第１筒状部材に対応し、筒状部材１４が第２筒状部材に対応し、筒状部材１６が第３筒状部材に対応し、支持部材１８が第１支持部材に対応し、支持部材２０が第２支持部材に対応し、ガイド部材２２が第１ガイド部材に対応し、ガイド部材２４が第２ガイド部材に対応する。

　本実施形態では、筒状部材１２、筒状部材１４および筒状部材１６は同軸状に設けられている。筐体１０は、例えば、筒状部材１２、筒状部材１４および筒状部材１６の軸方向が鉛直方向に略一致するように設置される。本実施形態では、筒状部材１２の上方に筒状部材１４が位置付けられかつ筒状部材１２の下方に筒状部材１６が位置付けられるように、筐体１０が設置される。本実施形態では、筐体１０は、環状のゴム足２８を介して図示しない設置面上に支持される。本実施形態では、ゴム足２８は、滑り止め部材として機能する。

　筒状部材１６の内接円の直径は、筒状部材１２の内接円の直径よりも大きい。言い換えると、筒状部材１２の径方向において、筒状部材１６の内部空間は、筒状部材１２の内部空間よりも大きい。本実施形態では、筒状部材１２、筒状部材１４および筒状部材１６はそれぞれ円筒形状を有し、筒状部材１６の直径は、筒状部材１２および筒状部材１４の直径よりも大きい。

　筒状部材１２の外周面に、一対のフランジ部材２６が筒状部材１２の軸方向に間隔をあけて固定されている。一対のフランジ部材２６の間において、筒状部材１２の外周面にコイル３０が巻回されている。すなわち、コイル３０は、筒状部材１２と同軸状に設けられている。

　支持部材１８および支持部材２０は、円板形状を有している。ガイド部材２２は中空円板形状を有し、中心部に貫通孔２２ａが形成されている。同様に、ガイド部材２４は中空円板形状を有し、中心部に貫通孔２４ａが形成されている。本実施形態では、貫通孔２２ａが第１貫通孔に対応し、貫通孔２４ａが第２貫通孔に対応する。

　本実施形態では、筒状部材１４の上端部に支持部材１８が固定され、筒状部材１２の上端部と筒状部材１４の下端部とに挟まれるようにガイド部材２２が固定されている。また、筒状部材１６の下端部に支持部材２０が固定され、筒状部材１２の下端部と筒状部材１６の上端部とに挟まれるようにガイド部材２４が固定されている。

　振動機構５０は、永久磁石５２と、接続部材５４と、錘５６と、接続部材５８と、接続部材６０とを含む。本実施形態では、接続部材５４が第１接続部材に対応し、接続部材５８が第２接続部材に対応し、接続部材６０が第３接続部材に対応する。なお、本実施形態では、振動機構５０が２つの永久磁石５２を有しているが、永久磁石５２の数は１つであってもよく、３つ以上であってもよい。

　本実施形態では、永久磁石５２は球体形状を有している。各永久磁石５２は、Ｎ極とＳ極とが半球ずつ分極着磁されている。本実施形態では、永久磁石５２は、往復運動の方向（コイル３０の軸方向）に分極着磁されている。永久磁石５２の材料は特に限定されないが、例えば、Ｎｄ‐Ｆｅ‐Ｂ焼結磁石を用いることができる。

　接続部材５４は、永久磁石５２と支持部材１８とを接続するように設けられている。本実施形態では、接続部材５４は、一対の永久磁石５２のうち上方側の永久磁石５２と支持部材１８とを接続している。本実施形態では、接続部材５４は、支持部材１８に支持された弾性部材５４ａと、永久磁石５２に接着された保持部材５４ｂと、弾性部材５４ａと保持部材５４ｂとを接続する線状部材５４ｃとを含む。本実施形態では、弾性部材５４ａが第１弾性部材に対応し、線状部材５４ｃが第１線状部材に対応する。

　弾性部材５４ａは、コイル３０の軸方向（本実施形態では上下方向）に伸縮可能に構成されている。弾性部材５４ａとしては、例えば、コイルばね等の公知のばねを用いることができる。保持部材５４ｂは、例えば、鉄を含む磁性材料からなる。本実施形態では、一対の永久磁石５２は、接続部材５４の保持部材５４ｂと接続部材５８の後述する保持部材５８ａとによって挟まれて保持されている。線状部材５４ｃは、ガイド部材２２の貫通孔２２ａを通って弾性部材５４ａと保持部材５４ｂとを接続している。線状部材５４ｃとしては、例えば、てぐす等の糸を用いることができる。

　錘５６は、例えば、鉛等の非磁性材料からなる。錘５６は、一対の永久磁石５２の下方において、上下方向および左右方向に移動可能に設けられている。接続部材５８は、永久磁石５２と錘５６とを接続するように設けられている。本実施形態では、接続部材５８は、一対の永久磁石５２のうち下方側の永久磁石５２と錘５６とを接続している。本実施形態では、接続部材５８は、永久磁石５２に接着された保持部材５８ａと、保持部材５８ａと錘５６とを接続する線状部材５８ｂとを含む。本実施形態では、線状部材５８ｂが第２線状部材に対応する。

　保持部材５４ｂと同様に、保持部材５８ａは、鉄を含む磁性材料からなる。本実施形態では、保持部材５４ｂ，５８ａはヨークとして機能する。線状部材５８ｂは、ガイド部材２４の貫通孔２４ａを通って保持部材５８ａと錘５６とを接続している。線状部材５４ｃと同様に、線状部材５８ｂとしては、例えば、てぐす等の糸を用いることができる。

　接続部材６０は、錘５６と支持部材２０とを接続するように設けられている。本実施形態では、接続部材６０は、弾性部材６０ａを含む。本実施形態では、弾性部材６０ａが第２弾性部材に対応する。弾性部材６０ａは、コイル３０の軸方向（本実施形態では上下方向）に伸縮可能に構成されている。弾性部材５４ａと同様に、弾性部材６０ａとしては、例えば、コイルばね等の公知のばねを用いることができる。

（作用効果）
　本実施形態に係る発電機１００では、永久磁石５２は、コイル３０の軸方向から見てコイル３０の内側に配置され、かつ上下方向（コイル３０の軸方向）に移動可能に設けられている。また、永久磁石５２は、上下方向（コイル３０の軸方向）に伸縮可能な弾性部材５４ａを含む接続部材５４を介して支持部材１８に接続されている。支持部材１８は、永久磁石５２の上方に位置するようにコイル３０に対して固定されている。本実施形態では、支持部材１８は、筒状部材１４、ガイド部材２２および筒状部材１２を介してコイル３０に対して固定されている。また、本実施形態では、錘５６は、永久磁石５２の下方において、コイル３０に対して上下方向（コイル３０の軸方向）および左右方向（コイル３０の径方向）に移動可能に設けられている。

　上記の構成において、発電機１００に対して上下方向の振動が生じた場合、図２に示すように、永久磁石５２は、弾性部材５４ａを伸縮させつつ、コイル３０に対して上下方向に往復運動する。これにより、コイル３０に交流電流が発生する。

　また、発電機１００に対して左右方向の振動が生じた場合、図３に示すように、錘５６が、コイル３０に対して左右方向に往復運動する。接続部材５８は、コイル３０の径方向における錘５６の外側への移動に連動して、永久磁石５２を下方に引っ張る。したがって、錘５６が左右方向に往復運動することによって、弾性部材５４ａが伸縮しつつ、永久磁石５２がコイル３０に対して上下方向に往復運動する。これにより、コイル３０に交流電流が発生する。

　以上のように、本実施形態に係る発電機１００によれば、上下方向（コイル３０の軸方向）に発生する振動および左右方向（コイル３０の径方向）に発生する振動の両方を利用して発電を行うことができる。これにより、一方向の振動に基づいて発電を行うことを想定して設計された従来の発電機に比べて、効率よく発電を行うことができる。なお、詳細な説明は省略するが、コイル３０には、例えば、整流器および充電器等が接続されてもよく、通信機器等が接続されてもよい。

　また、本実施形態では、永久磁石５２と支持部材１８との間にガイド部材２２が設けられている。弾性部材５４ａは、支持部材１８とガイド部材２２との間に設けられ、線状部材５４ｃは、ガイド部材２２の貫通孔２２ａを通るように設けられている。発電機１００の基準状態（図１に示す状態。外部から発電機１００に力が作用していない状態。）において、貫通孔２２ａは、コイル３０の軸方向から見て、永久磁石５２の外縁よりも内側に位置している。なお、発電機１００が基準状態の場合には、コイル３０の軸方向から見て、永久磁石５２および錘５６は、コイル３０の軸線上に位置している。

　上記のような構成により、発電機１００に左右方向の振動が発生した場合に、線状部材５４ｃが貫通孔２２ａの内面に接触することによって、永久磁石５２が左右方向に大きく振動することを防止することができる。その結果、発電機１００に左右方向に振動が発生した場合に、永久磁石５２を上下方向に適切に往復運動させることが可能になり、効率よく発電を行うことができる。なお、線状部材５４ｃの摩耗を抑制する観点から、貫通孔２２ａの上縁および下縁はそれぞれ面取りされていることが好ましい。

　また、本実施形態では、永久磁石５２と錘５６との間にガイド部材２４が設けられている。線状部材５８ｂは、ガイド部材２４の貫通孔２４ａを通るように設けられている。コイル３０の軸方向から見て、貫通孔２４ａは、永久磁石５２の外縁よりも内側に位置している。このような構成により、図３に示すように、発電機１００に左右方向の振動が発生した場合に線状部材５８ｂが貫通孔２４ａの内面に接触することによって、永久磁石５２が左右方向に大きく振動することを防止しつつ、錘５６を左右方向に適切に振動させることができる。その結果、発電機１００に左右方向に振動が発生した場合に、永久磁石５２を上下方向に適切に往復運動させることが可能になり、効率よく発電を行うことができる。なお、線状部材５８ｂの摩耗を抑制する観点から、貫通孔２４ａの上縁および下縁はそれぞれ面取りされていることが好ましい。

　また、本実施形態では、錘５６は、上下方向（コイル３０の軸方向）に伸縮可能な弾性部材６０ａを含む接続部材６０を介して支持部材２０に接続されている。支持部材２０は、錘５６の下方に位置するようにコイル３０に対して固定されている。本実施形態では、支持部材２０は、筒状部材１６、ガイド部材２４および筒状部材１２を介してコイル３０に対して固定されている。

　上記の構成において、発電機１００において上下方向および左右方向の振動が発生した場合、図２および図３に示すように、錘５６は、上下方向および左右方向に振動するが、弾性部材６０ａの復元力によって、錘５６には、基準状態の位置に戻る方向の力が作用する。これにより、錘５６を上下方向および左右方向に効率よく振動させることができる。その結果、永久磁石５２を上下方向に効率よく振動させることができ、発電効率を向上させることができる。

　また、本実施形態では、永久磁石５２を収容するように筒状部材１２が設けられ、筒状部材１２の外周を覆うようにコイル３０が設けられている。この場合、筒状部材１２によって永久磁石５２を保護しつつ、コイル３０を巻回するためのボビンとして筒状部材１２を利用することができる。

　また、弾性部材５４ａを収容するように筒状部材１４が設けられ、錘５６を収容するように筒状部材１６が設けられている。これにより、弾性部材５４ａおよび錘５６を保護することができる。なお、本実施形態では、コイル３０の径方向において、筒状部材１６の内部空間は、筒状部材１２の内部空間よりも大きい。このため、発電機１００に左右方向の振動が発生した場合に、左右方向の十分な範囲において錘５６を振動させることができる。その結果、上下方向の十分な範囲において永久磁石５２を振動させることができ、効率よく発電を行うことができる。

（変形例）
　上述の実施形態では、発電機１００が筒状部材１２、筒状部材１４および筒状部材１６を備える場合について説明したが、発電機１００が筒状部材１２、筒状部材１４および筒状部材１６を備えていなくてもよい。なお、筒状部材１２、筒状部材１４および筒状部材１６を設けない場合には、例えば、コイル３０として、自己融着線からなる空芯コイルを用いることが考えられる。この場合には、何らかの部材を介して、コイル３０に対して支持部材１８、支持部材２０、ガイド部材２２およびガイド部材２４を固定すればよい。

　上述の実施形態では、支持部材１８から永久磁石５２が垂れさがるようにコイル３０の軸方向が鉛直方向に略一致するように発電機１００を設置する場合について説明したが、発電機１００の設置方法は上述の例に限定されない。例えば、図１に示す発電機１００を、上下反転させて使用してもよく、コイル３０の軸方向が鉛直方向に略直交するように発電機１００を設置してもよい。

　上述の実施形態では、球体形状の永久磁石５２を用いる場合について説明したが、永久磁石の形状は球体形状に限定されず、円柱形状等の他の形状の永久磁石を用いてもよい。

　本発明によれば、コイルの軸方向に発生する振動およびコイルの径方向に発生する振動の両方を利用して効率よく発電を行うことができる。したがって、本発明に係る発電機は、例えば、地震の振動で発電して通信機器等を駆動する際に好適に利用できる。

　１０　筐体
　１２，１４，１６　筒状部材
　１８，２０　支持部材
　２２，２４　ガイド部材
　２２ａ，２４ａ　貫通孔
　２６　フランジ部材
　２８　ゴム足
　３０　コイル
　５０　振動機構
　５２　永久磁石
　５４，５８，６０　接続部材
　５６　錘
　５４ａ，６０ａ　弾性部材
　５４ｂ，５８ａ　保持部材
　５４ｃ，５８ｂ　線状部材
　１００　発電機

Claims

　筒状に巻回されたコイルと、
　前記コイルの軸方向から見て前記コイルの内側に配置され、かつ前記コイルに対して前記軸方向に移動可能に設けられた永久磁石と、
　前記軸方向において前記永久磁石の一方側に位置するように前記コイルに対して固定された第１支持部材と、
　前記軸方向に伸縮可能な第１弾性部材を含みかつ前記永久磁石と前記第１支持部材とを接続する第１接続部材と、
　前記軸方向において前記永久磁石の他方側に配置され、かつ前記コイルに対して前記軸方向および前記コイルの径方向に移動可能に設けられた錘と、
　前記永久磁石と前記錘とを接続し、かつ前記錘の前記径方向における外側への移動に連動して前記永久磁石を前記軸方向における前記他方側に引っ張る第２接続部材と、
を備える、発電機。
　前記軸方向において前記永久磁石と前記第１支持部材との間に位置するように前記コイルの前記一方側に設けられかつ前記軸方向に貫通する第１貫通孔を有する第１ガイド部材をさらに備え、
　前記第１接続部材は、前記第１貫通孔を通るように設けられた第１線状部材を有し、
　前記軸方向から見て、前記第１貫通孔は、前記永久磁石の外縁よりも内側に位置し、
　前記軸方向において、前記第１支持部材と前記第１ガイド部材との間に前記第１弾性部材が設けられ、
　前記第１線状部材を介して、前記永久磁石と前記第１弾性部材とが接続されている、
請求項１に記載の発電機。
　前記軸方向において前記永久磁石と前記錘との間に位置するように前記コイルの前記他方側に設けられかつ前記軸方向に貫通する第２貫通孔を有する第２ガイド部材をさらに備え、
　前記第２接続部材は、前記第２貫通孔を通るように設けられた第２線状部材を有し、
　前記軸方向から見て、前記第２貫通孔は、前記永久磁石の外縁よりも内側に位置している、
請求項１または２に記載の発電機。
　前記軸方向において前記錘の他方側に位置するように前記コイルに対して固定された第２支持部材と、
　前記軸方向に伸縮可能な第２弾性部材を含みかつ前記錘と前記第２支持部材とを接続する第３接続部材と、をさらに備える、
請求項１から３のいずれかに記載の発電機。
　前記永久磁石を収容する第１筒状部材をさらに備え、
　前記コイルは、前記第１筒状部材の外周を覆うように設けられている、
請求項１から４のいずれかに記載の発電機。
　前記軸方向において前記第１筒状部材よりも一方側に設けられかつ前記第１弾性部材を収容する第２筒状部材をさらに備える、
請求項５に記載の発電機。
　前記軸方向において前記第１筒状部材よりも他方側に設けられかつ前記錘を収容する第３筒状部材をさらに備える、
請求項５または６に記載の発電機。