(57)【要約】  風力発電設備等の発電設備において、風車の受風を妨げるような大型の発電機ではなく、受風を妨げず発電電圧を高めることができる発電機を提供する。  発電機シャフトと、該発電機シャフトに結合し、永久磁石が取り付けられた複数の盤状構造物であり、それぞれが該発電機シャフトの長さ方向に配置された少なくとも３段のロータと、該発電機シャフトとは切り離して該ロータが形成する少なくとも２箇所のギャップに配置された、銅線を巻いたステータコイルを有する盤状構造物であるステータとを備え、該ロータとステータが、該発電機シャフトの長さ方向に交互に合計で５段以上配置される永久磁石式発電機を提供する。また、この永久磁石式発電機のシャフトにプロペラを設置して得られる風力発電機を提供する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機シャフトと、
該発電機シャフトに結合し、永久磁石が取り付けられた複数の盤状構造物である、それぞれが該発電機シャフトの長さ方向に配置された少なくとも３段のロータと、
該発電機シャフトとは切り離して該ロータが形成する少なくとも２箇所のギャップに配置された、銅線を巻いたステータコイルを有する盤状構造物であるステータとを備え、
該ロータとステータが、該発電機シャフトの長さ方向に交互に合計で５段以上配置される永久磁石式発電機。
【請求項２】
上記ロータと上記ステータの各々が円盤状であり、各ロータに取り付けられた永久磁石が、４極以上の磁極数で円周方向に等間隔で配置され、ステータコイルが、該ステータ内に３極以上で円周方向に等間隔で配置される請求項１に記載の永久磁石式発電機。
【請求項３】
上記ステータコイルが、単相の位相状態で直列に結合されているか、又は三相の位相状態で直列に結合されている請求項１又は請求項２に記載の永久磁石式発電機。
【請求項４】
上記少なくとも３段のロータのうち上記発電機シャフトの長さ方向の両端のロータが、磁性体からなる盤状のヨークに、上記ステータに対向する側に永久磁石を取り付けたものであり、該磁極から発生する磁束を該ヨーク中に還流させ、該両端のロータからの外部漏洩磁束を減少させる請求項１〜３のいずれかに記載の永久磁石式発電機。
【請求項５】
上記永久磁石が、希土類磁石である請求項１〜４のいずれかに記載の永久磁石式発電機。
【請求項６】
上記永久磁石が、Ｎｄ系希土類異方性焼結磁石である請求項１〜５のいずれかに記載の永久磁石式発電機。
【請求項７】
上記少なくとも３段のロータのうち上記発電機シャフトの長さ方向の両端のロータ以外のロータが、非磁性材に磁石を固着してなるものである請求項１〜６のいずれかに記載の永久磁石式発電機。
【請求項８】
上記請求項１〜７のいずれかに記載の永久磁石式発電機のシャフトにプロペラを設置して得られる風力発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機に関して、特に風力、水力などの低回転型発電機で使用される発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電ではプロペラの回転動作を発電機の回転軸に伝達することによって、回転エネルギーを電気エネルギーに変換している。発電機からの出力は、系統電力に接続されるか、またはバッテリーに貯めて必要なときに電力として使用する。発電される電力は発電機の仕様に左右されるので、発電設備に見合った発電機が選択される。【０００３】
発電機にはいくつかの種類があり、界磁用に永久磁石を用いるタイプやコイルを用いるタイプ、また構造として円柱状ロータの外周にステータが配置されるラジアルタイプや、円盤状ロータと軸方向に対向するようにステータが配置されるアキシャルタイプなどが挙げられる。それぞれに一長一短があるが、発電効率を重視した場合、永久磁石を界磁に用いたタイプが用いられる。それはコイル界磁タイプよりも同じ体格で比べた場合により強磁場を発生することができ、電機子コイルに鎖交する磁束量が多くなり誘起電圧を高くすることができるからである。【０００４】
発電量は発電機の効率により大きく左右されるため、より高効率の発電機が望まれている。特に風力発電では回転数がたかだか数百ｒｐｍ程度で使用されることが多く、これは他の発電形態に比べて著しく低回転である。発電電圧は発電機の回転数に比例するため、他の発電形態で使用される発電機を風力発電機にそのまま使用すると発電電圧が低くなってしまう。そのため発電電圧を上げるための昇圧回路が必要となり、コスト高となってしまう。他の方法として、電圧を上げるために発電機の回転数を上げることも考えられる。プロペラ軸と発電機の回転軸との間に増速ギアを介在させる方法があるが、これもコスト高要因となるほか、ギアによるトルクロスも存在し、騒音の発生や装置としての信頼性低下の原因となるため好ましくない。【０００５】
発電電圧は界磁の磁極数にも比例する。よって磁極数を増やすためにロータの磁石数またはコイル数を増やすことになるが、そのために磁石やコイルが小さくなってしまっては逆に界磁磁場が低下してしまう。そこでロータ直径を大きくして界磁磁場を低下させずに同じ大きさの磁石またはコイルを増やして磁極数を増やすことが考えられる。これは現実的な方法である。しかし発電機のロータ直径を大きくすることは発電機全体直径の大型化を意味しており、風力発電での使用を考えた場合、以下の理由により好ましくない。【０００６】
風車には回転軸が風向に対して垂直な垂直軸式と平行な水平軸式の２つがあるが、高風速下での利用効率の高さから水平軸式が主に使用されている。水平軸式ではプロペラ中心にある回転軸に直結された発電機の大きさはプロペラの受風能力に影響する。つまり、図１１の風力発電機に示すように、発電機６２を収納するナセル６１が大きくなるとそれだけプロペラの受風面積が減ってしまいプロペラの回転力を低下させてしまう。つまり発電機が大型化するほど風力発電としての効率が落ちてしまうことになる。特許文献１ではコアレスタイプの発電機を風力発電に用いた例であるが、この発電機の外径をさらに大きくすれば受風面積が大幅に減ってしまうことが明らかである。
【特許文献１】特開２００２−１５３０３６号公報
【特許文献２】特開２００３−３４８８０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、風力発電設備等の発電設備において、風車の受風を妨げるような大型の発電機ではなく、受風を妨げず発電電圧を高めることができる発電機を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、発電機シャフトと、該発電機シャフトに結合し、永久磁石が取り付けられた複数の盤状構造物である、それぞれが該発電機シャフトの長さ方向に配置された少なくとも３段のロータと、該発電機シャフトとは切り離して該ロータが形成する少なくとも２箇所のギャップに配置された、銅線を巻いたステータコイルを有する盤状構造物であるステータとを備え、該ロータとステータが、該発電機シャフトの長さ方向に交互に合計で５段以上配置される永久磁石式発電機を提供できる。
本発明の好ましい一つの実施形態では、上記ロータと上記ステータの各々が円盤状であり、各ロータに取り付けられた永久磁石が、４極以上の磁極数で円周方向に等間隔で配置され、該ステータコイルが、該ステータ内に３極以上で円周方向に等間隔で配置される。
本発明の好ましい他の形態では、上記ステータコイルが、単相の位相状態で直列に結合されているか、又は三相の位相状態で直列に結合されている。
本発明の好ましい別の形態では、上記少なくとも３段のロータのうち上記発電機シャフトの長さ方向の両端のロータが、磁性体からなる盤状のヨークに、上記ステータに対向する側に永久磁石を取り付けたものであり、該磁極から発生する磁束を該ヨーク中に還流させ、該両端のロータからの外部漏洩磁束を減少させる。
本発明の好ましい別の形態では、上記少なくとも３段のロータのうち上記発電機シャフトの長さ方向の両端のロータ以外のロータが、非磁性材に磁石を固着してなるものである。
本発明によれば、さらに、この永久磁石式発電機のシャフトにプロペラを設置して得られる風力発電機を提供できる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、主に風力、水力発電などの比較的に低回転速度、具体的には０ｒｐｍより大きく、２０００ｒｐｍ以下、好ましくは０ｒｐｍより大きく、１０００ｒｐｍ以下で発電機を回して発電させる場合に従来よりも大幅に発電電圧と発生電力を上げることができる発電機を提供するものであり、本発明の発電機を風力発電設備に用いれば、受風面積を減らさず、つまり風のエネルギーを十分に受けながら、発電電圧を上げることができ、発電機の回転数を上げるための増速機や発電電圧を昇圧するための回路を不要とする。また、磁石を効率的に配列して、磁石使用量が少なくても大きな磁場を取り出すことができ、発電の効率が高い。
発電は、ステータコイルにおいて発生するが、従来の単段のステータの場合と違い、本発明の複段ステータではステータ間のコイル接続を可変にできる。つまり高電圧を得たい場合には全てのステータを直列に接続すればよいし、低電圧大電流を得たい場合には一部又は全てのステータを並列に接続すればよい。よって、本発明によれば発電機仕様を容易に変更できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】（Ａ）は、本発明の発電機の一例をプロペラ等と結合可能な側から見た図であり、（Ｂ）は、そのａ−ａの断面図を示す。
【図２】本発明の端部ロータの一態様を示す。
【図３】本発明のロータの一態様を示す。
【図４】本発明のステータの一態様を示す。
【図５】モータで発電機を回転数４５０ｒｐｍで回転させたときに得られた発電電圧の波形を示す。
【図６】ステータ段数と発電電圧との関係を示す。
【図７】磁石の総重量が同じで、（Ａ）２段のロータと１段のステータの３段の場合、（Ｂ）３段のロータと２段のステータの５段の場合を示す。
【図８】コイル数６のステータを示す。
【図９】ロータ回転角度と発電電圧との関係を示す。
【図１０】（Ａ）は、本発明の永久磁石式発電機をシャフト軸方向から見た図であり、（Ｂ）は、そのｂ−ｂ断面から見た磁力線の概念図を示す。
【図１１】風力発電機を示す。
【図１２】（Ａ）は、従来の発電機をシャフト軸方向から見た図であり、（Ｂ）は、そのｂ−ｂ断面から見た磁力線の概念図を示す。
【符号の説明】
【００１１】
１    シャフト
２    ケース
１０、２０、３０、１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ  ロータ
４０、５０  ステータ
１１、２１  磁石
１２  ヨーク
１４ａ，１４ｂ  端部のロータ
１５ａ，１５ｂ  両端部以外のロータ
１９，１０９  磁力線
２３  非磁性材
４３、５３  コイル枠
４４、５４  コイル
６１  ナセル
６２  発電機
１０２  ヨークのみのロータ
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の一つの実施形態を図１に示す。図１（Ａ）は、本発明の発電機の一例をプロペラ等と結合可能な側から見た図であり、そのａ−ａの断面図を図１（Ｂ）に示す。回転力を伝えるシャフト１は発電機のケース２にベアリング３を介して回転自在に支持されている。シャフト１の一端はプロペラ等に結合可能であり、回転力が発電機に伝達される。シャフト１には複数のロータ１０、２０、３０が締結されておりシャフトと同期してロータ１０、２０、３０が回転する。すなわち、この発電機は、発電機シャフト１と直結する盤状構造物に永久磁石を配置したロータ１０、２０、３０と、この永久磁石の回転軌道と対向する位置に複数のコイルを配列したステータ４０を有し、これらロータとステータが交互に多段で積層された構造である。【００１３】
１つのロータには、例えば、図２や図３に示すように、複数の永久磁石１１、２１がシャフト回転軸を中心とした円形状に等間隔に並べられている。本発明によれば、各ロータに配置された永久磁石の作る磁極の数は、大型化すれば極数を多くすることが可能であるが、好ましくは４極以上、より好ましくは４極以上４８極以下であって、これに対向するステータコイルの数は、好ましくは３個以上、より好ましくは４個以上４８個以下である。磁石の極数は４極未満のときは、充分な発電電圧が得られない場合がある。磁石の極性は軸方向を向いており円周方向に隣り合う磁石同士は極性が逆になって配置されている。
図２と図３の例では極数８（磁石８個）のロータを形成している。
単相交流の場合は磁石の極数とコイルの個数の比率は１：１であるが、三相交流の場合は４：３、２：３、８：９、１０：９、１０：１２、１２：１５等が挙げられ、特には４：３や２：３が好ましい。【００１４】
ロータは、複数段（３段以上）存在し、各ロータに取り付けられている磁石は、好ましくは、数量が同じであり、同じ極数を持ち、形状が扇形や矩形である。さらにロータ上の磁石の極性はすべてのロータにおいて同じ配列になっている。つまりひとつのロータのＮ極磁石とちょうど向かい合う位置にある他のロータの磁石もＮ極になっており、ロータ間のギャップに生じる磁場は強めあうことになる。【００１５】
これらの永久磁石が配列された盤状のロータは、少なくとも３段以上配置し、それらのロータが形成する少なくとも２箇所以上の各ギャップにステータコイルを有するステータを配置し、ロータとステータとを合計で少なくとも５段以上交互に積層する。形状が大きくなれば段数も増加し、特に上限の制限はないが、１０１段以下が好ましい。このように、複数の磁石を配列させたロータを複数段、磁石の極性を揃えて配列すると、発電機における磁気回路のパーミアンスは大きくなって、永久磁石から大きな磁束を取り出すことができる。
この段状の配列構造により、同じ量の磁石質量で同じ極数を配列した単段あるいは２段の磁石ロータ形式と比較して、電圧を高くするだけでなく、ギャップに得られる磁束量を大きくすることができる。【００１６】
本発明の好ましい形態として、少なくとも３段のロータのうち両端のロータが、磁石の磁極面のうちステータに対向していない面に貼り付けたられた、磁性体からなるヨーク（好ましくは円盤状）を備える。これにより、磁極から発生する磁束をヨーク中に還流させ、両端のロータから外部漏洩磁束を減少させることによって、漏洩磁束が発電機ケースに発生させる渦電流によるロストルクを軽減し、同時にこれに対応するギャップの磁束量を増大して発電性能を高性能化できる。
複数段のロータのなかで両端に置かれる２つの端部ロータ１０と３０は他のロータと異なり、図２の端部ロータ１０の例に示すように、好ましくは、強磁性材のヨーク１２上に永久磁石１１が接着剤（例えば、エポキシ樹脂、アクリル系樹脂）により貼り付けられている。これにより、端部ロータとこれと対向するロータとの間の磁場は強められ、また同時にケース側への磁場漏洩が抑制される。その結果、ケース内に発生する渦電流が最小限に抑えられ、渦電流による回転に対する制動力を受けない。
ヨークは、磁性材であれば特に限定されないが、例えば、鉄、磁性ＳＵＳが挙げられる。【００１７】
両端部以外のロータ２０は、好ましくは、非磁性材（Ａｌ，ＳＵＳ、樹脂等）に磁石を固着している。更に好ましくは、図３に示すように、非磁性材２３の枠のなかに磁石２１がはめ込まれている。これにより該ロータの両側のギャップに同じ磁場を発生することができ、枠に非磁性材を用いることで磁石からの磁場を弱めることがない。
また別の態様としては、磁石の片側又は両側に非磁性材を固着させることもできる。【００１８】
以下に非磁性材を採用することで磁石からの磁場が強められる理由について従来技術の態様との対比をしつつ詳細に説明する。
特開２００３−３４８８０５号公報等に代表される従来技術の態様では、通常、本願願書に添付の図１２に示すように１つの円形ヨーク１２の上に複数の磁石１１を貼り付けたロータ１１０が存在し、このロータを複数段積層し（１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ）、ロータと隣のロータとの間には図示しないステータが入るすきまが設けられている。この場合、１つのロータと１つのステータの組み合わせで１つの発電機とみなしており、これを複数段重ねることで複数段の発電機を構成している。重ねる際には、積層後の末端においてステータがむき出しにならないように、つまりステータがヨークで挟み込まれるようにヨークのみのロータ１０２が最後に設けられる。図１２にかかる態様では、ひとつのロータはヨークと磁石によって構成される。そのロータを多段にした場合の磁力線１０９の流れは、図１２に示すように隣のヨークの中を通って還流しており、その結果、ステータが入るロータ間にはロータひとつ分の起磁力による磁力線が通ることになる。複数段の発電機それぞれにおいて同じことが言え、それぞれの発電機において同様の磁力線の流れとなり隙間部の磁場も同様となる。各ロータにヨークが存在するため、磁石から出た磁力線が隣のロータのヨークの磁場遮蔽効果によってそのヨークを貫通して隣のロータの隙間部まで到達することができず、その結果、隙間部の磁場が低下してしまう。
逆に言えばヨークは２枚しか存在しないため従来と比較して軸方向寸法が小さくでき、より軽量化が図られる。よって従来よりもコストを下げることが可能となる。
一方本発明の態様では、図１０に示すように円形ヨークに複数の磁石を貼り付けたロータが発電機シャフトの長さ方向の端部２箇所に設けられ、その間に複数枚のロータが積層され、これらの端部以外のロータ１５ａ，１５ｂは非磁性材２３に磁石２１を固着されてなるものであり、ヨークは存在しない。すなわち本発明では端部のロータ１４ａ，１４ｂ以外にヨーク１２は存在せず、この場合の磁力線１９は各ロータの磁石を貫通して端部ヨーク１２で還流して形成される。よって各ロータ間のすきま部を各ロータの磁石からの起磁力が足し合わされた磁力線１９が通ることになり、上述した従来技術と比較してすきま部の磁場強度が大幅に上昇する。いわば全てのロータの磁石がお互いに磁場を強め合って隙間部の磁場を強めているといえる。
つまり本発明では１組の発電機を複数段重ねた構成ではなく、２つの端部ロータ、その間に配置される複数のロータ、そして各ロータ間に配置されるステータ、これらすべてによって１つの高性能発電機が構成されているといえる。
以上のように本発明にかかる発電機では従来よりも磁場強度を大幅に上げることができ、発電電圧は磁場強度にほぼ比例するため、本発明では従来に比べて発電電圧を大幅に高めることができる。このようにして本発明にかかる発電機において各ロータ間のすきまには多極で非常に強い磁場が形成される。【００１９】
各ロータ間のすきまは、小さいほど強磁場が得られるのでできるだけ小さくすることが望ましい。
従来では各ロータにヨークが存在するために、このロータを複数段重ねた場合には当然ながらヨークのトータル厚みは各ヨーク厚みの段数倍になるが、本発明ではヨークは端部ロータにのみに配置されるので段数がどれだけ増えてもヨークのトータル厚みは１つのヨーク厚みの２倍にしかならない。したがってヨークのトータル厚みが薄く抑えられ、段数が増えても発電機本体の軸方向サイズをコンパクトに維持できる結果、重量も減りコストを抑えることができるという利点がある。【００２０】
図４に示すように、複数のコイルを備えたステータ４０は、各ロータ間のギャップに配置される。ステータ４０は、例えば収納用のケース２に固定されている。ステータ４０には、好ましくは各コイル４４がコイル枠４３にはめ込まれている。コイル枠４３は、渦電流が発生しないように樹脂などの絶縁材料で作られる。各ステータは、好ましくはすべて同じコイル数で形成される。各コイルの形状は、好ましくは概ね磁石形状と同じである。単相の場合は、好ましくは、各コイルは隣同士で逆向きに巻かれて直列に接続されている。三相の場合は、好ましくは、円周方向に二つおきのコイルを直列に接続されたものを三組つくり、三相巻線とする。【００２１】
本発明によれば、回転軸の軸方向にロータおよびステータを交互に配置する。両端の端部ロータの厚さをヨークの厚さとヨークから回転軸方向に突出する永久磁石の軸方向の長さとの合計とすると、ロータ間のギャップはすべて同じであることが好ましい。そのギャップに配置されるステータは、挟まれる二つのロータとの間隔において、すべて同じであることが好ましく、ロータの回転を妨げない範囲であればよい。
ロータとステータとは、好ましく円盤状であり、その直径は、好ましくは５０〜６０００ｍｍである。永久磁石を含めたロータの回転軸方向の厚さは、配置する永久磁石の質量によって異なるが、好ましくは２〜４００ｍｍ、端部ロータについては、好ましくは３〜６００ｍｍである。ステータコイルを含めたステータの回転軸方向の厚さは、好ましくは１〜５００ｍｍである。【００２２】
プロペラからシャフトに回転力が伝わると全てのロータはシャフトと同期して回転し、各ロータ間のギャップ（すきま部）に形成される磁場も同期して回転する。その結果、各ステータには同期した回転磁場が与えられ誘起される起電力も各ステータ間で同期する。各ステータのコイル数を各ロータの磁極数と同じにすれば単相交流の起電力が得られ、０．７５倍にすれば三相交流の起電力が得られる。各ステータ内のコイルは全てお互いに直列に結線されており、さらに各ステータ間でも全て直列に結線されている。こうすることで総合の起電力はステータの段数に比例するので、ステータ段数を増やすことで容易に高い発電電圧を得ることができる。すなわち、外形を大きくして極数を増やすことなく、段を重ねることによって磁極数が増え、出力電圧を上げることができる。発電機から得られた交流の起電力は整流器を介することで直流化されバッテリーに蓄えられたり、送電される。【００２３】
このように回転軸の軸方向にロータおよびステータを増やしていくことは、発電機本体の軸方向サイズを大きくするが、これを水平軸式風車のナセルに収納した場合、受風面積を減らすことにはならない。発電機の直径を大きくすることは受風面積を減らすことにつながるが、本発明の発電機では直径を増やすことなく、軸方向サイズを増やして発電電圧を上げているので受風には影響せず、よって風力エネルギーを回転エネルギーにロスなく変換できる。風力発電機としては、一般に用いられている強化プラスチックからなるプロペラを用いて、風向にしたがって、３６０°回転可能になっていることが望ましい。【００２４】
本発明に用いる永久磁石は、特に限定しないが、好ましくは希土類元素を含む高性能希土類磁石である。いわゆる希土類金属間化合物からなる希土類焼結磁石あるいは希土類ボンド磁石が好ましい対象となるが、より好ましくはＮｄ系異方性焼結磁石が用いられる。エネルギー積が高く、発生磁場が大きいので発電性能を向上させるのに好ましく、磁石コストも低廉である。
以上述べた本発明による多極の磁石ロータ及びステータを何段か重ねた構造の発電機であれば、回転数の上がらない風力発電であっても、発生電圧を高くすることができ、効率の高い発電を行うことができる。さらに水力発電にも本願の発電機は応用可能である。
【実施例】
【００２５】
実施例１
本発明の実施例として図１に示す発電機を製作した。製作した発電機ではロータおよびステータの段数を変更できる構造とし、段数を変えた場合のそれぞれの発電電圧を測定した。シャフトはステンレス材で直径１５ｍｍとした。端部ロータは、直径１００ｍｍで厚さ２ｍｍの鉄ヨークに８個のＮｄＦｅＢ系永久磁石（磁極は軸方向、厚さ４ｍｍ）を円形状で等間隔の磁極の向きが交互になるような配置になるよう接着剤（エポキシ樹脂）にて固着した。また、内部ロータは、直径１００ｍｍで厚さ４ｍｍのステンレス材に磁石をはめ込むための穴８個を等間隔に開け、それぞれの穴に同じＮｄＦｅＢ系永久磁石（厚さ４ｍｍ）をはめ込み接着剤（エポキシ樹脂）を用いて固着した。それぞれのロータはすきまが８ｍｍ（端部ロータの厚さは、永久磁石の厚さとヨークの厚さの合計とする。）になるように間隔をあけてシャフトに取り付けられた。これらロータはキーによって滑り止めされておりシャフトと一体化して回転する。また、ステータは、直径１２０ｍｍで樹脂製としコイルをはめ込むための穴を等間隔に設けて、別途製作した銅線コイル（巻数３０ターン）をステータにあけた穴にはめ込み接着固定した。はめ込んだ各コイルはすべて直列に接続された。さらに複数のステータ間の接続もすべて直列とした。ケースは直径１３０ｍｍ長さ１１０ｍｍでアルミ製とし、本ケースに各ステータをボルト固定した。シャフトはケースに取り付けられたベアリングを介して回転自在に支持されている。本発電機を別に用意したモータに直結して、本モータで発電機のシャフトを回転することによって発電電圧を発生させ測定した。
２段のロータと１段のステータの組み合わせで発電機を構成し、モータで発電機を回転数４５０ｒｐｍで回転させたときに得られた発電電圧の波形を図５に示す。図５から分かるようにほぼ正弦波の電圧波形が得られておりピーク値は約１０Ｖであった。同じような測定を４段のロータと３段のステータの場合、および６段のロータと５段のステータの場合で行った結果のピーク電圧を横軸をステータ段数としてプロットしたものを図６に示す。この結果から分かるように発電電圧はステータ段数に比例して増加した。【００２６】
実施例２
図７に示すように、磁石の総重量が同じで、（Ａ）２段のロータと１段のステータの３段の場合、（Ｂ）３段のロータと２段のステータの５段の場合を比較した（ステータは不表示）。ロータの磁石構成及びステータは実施例１と同一とした。ステータ仕様は共通とし、ロータ直径１００ｍｍ、極数８、ロータ間すきま８ｍｍも共通とした。また、５段の場合は磁石厚みを４ｍｍ、３段の場合は磁石厚みを６ｍｍとした。この２つをいずれも回転数４５０ｒｐｍで回したときの発電電圧を測定した結果、５段の場合ではピーク電圧１８Ｖであったが、３段の場合ではピーク電圧１１Ｖであった。つまり同じ重量の磁石を使用しても５段にした方が３段の場合よりも大幅に発生電圧を高めることができた。【００２７】
実施例３
別の比較として、ロータ直径を大きくして極数も増やした２段のロータと１段のステータの３段タイプと実施例２の５段タイプを比較した。ロータの磁石構成及びステータは実施例１と同一であった。３段タイプはロータ直径１３０ｍｍ極数１０とし、磁石総重量を５段タイプと同じにするために磁石厚みを４．８ｍｍとした。この３段タイプを回転数４５０ｒｐｍで回した結果、発生した電圧のピーク値は１７Ｖであった。つまりこの３段タイプは実施例２の５段タイプよりも直径が３０％、面積では６９％大きくなったにもかかわらず、同等かむしろより低いピーク電圧となった。【００２８】
実施例４
３段のロータと２段のステータの５段で、ロータ極数８（磁石数８、ＮｄＦｅＢ系焼結磁石）、ステータのコイル数６の場合に三相交流の起電力が得られる例を示す。その他は、実施例１と同一の構成であった。ロータは実施例１と同じものを使用し、図８示すように各コイル５４をコイル枠５３にはめ込んだコイル数が６のステータ５０（厚さ５ｍｍ）を使用した。回転軸を挟んで向かい合う２つのコイルは直列に結線され、また隣のステータにおいても同様な結線とし、２つのステータ間ではちょうど軸方向に向かい合うコイルが直列に結線されている。この発電機を４５０ｒｐｍで回転させたときに３組のコイルに発生した発電電圧を測定した結果を図９に示す。このようにステータ数を磁石極数の０．７５倍もしくは０．７５×整数倍すれば三相交流が得られる。【００２９】
参考例
従来の構成である図１２と本発明の構成である図１０との比較を行った。いずれの例もステータは同一であり、実施例１と同一のステータを３箇所のすきまに配置した。ロータはいずれも８極で、鉄ヨークは直径１００ｍｍ、厚み３ｍｍ、磁石厚みは６ｍｍで共通とした。非磁性材の枠としては、材質をＳＵＳ、直径１００ｍｍ、厚さを６ｍｍとした。図１０および図１２における各ロータは、隙間が８ｍｍになるように間隔をあけてシャフトに取り付けられた。図１０における両端のロータ１４ａ，１４ｂ、ならびに、図１２におけるロータ１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃの厚さは、永久磁石の厚さとヨークの厚さとの合計とした。また図１０の態様における両端のロータ以外のロータ１５ａ，１５ｂの厚さは、永久磁石の厚さとした。
この２つの発電機の発電電圧を測定した結果、従来の構成では２４Ｖであったが、本発明の構成では３３Ｖであり、約１．４倍の高い発電電圧が得られた。本発明の構成の方がより高い電圧を発生できることが分かった。【００３０】
以上のように本発明の発電機を用いれば、全体直径を大きくすること無く、また磁石重量を増やすことなく発電電圧を高めることが可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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