(57)【要約】      （修正有）【課題】効果的な放熱構造を有するコアレス発電機を提供する。【解決手段】発電機軸と、円周状に複数の永久磁石が配列設置された、発電機軸回りに回転自在な回転体と、樹脂製の固定基板２１と、永久磁石に対向して固定基板２１上に円周状に設置された複数の発電コイル２５と、を有する固定体と、を備えるコアレス発電機において、固定基板２１表面上に発電コイル２５と接触するように形成された、表面に絶縁膜を有する金属箔２２を備え、発電コイル２５から金属箔２２へと熱伝導するように構成されている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機軸と、
円周状に複数の永久磁石が配列設置された、前記発電機軸回りに回転自在な回転体と、
樹脂製の固定基板と、前記永久磁石に対向して前記固定基板上に円周状に設置された複数の発電コイルと、を有する固定体と、を備えるコアレス発電機において、
前記固定基板表面上に前記発電コイルと接触するように形成された、表面に絶縁膜を有する金属箔を備え、前記発電コイルから前記金属箔へと熱伝導するように構成されたことを特徴とするコアレス発電機。
【請求項２】
前記金属箔は、前記発電機軸を中心とする輪帯状に形成されていることを特徴とする請求項１記載のコアレス発電機。
【請求項３】
前記金属箔と面接触するように前記固定基板上に設置される円形の金属製の伝熱放熱板をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２記載のコアレス発電機。
【請求項４】
前記発電機軸方向から見て、金属箔と前記発電コイルとの重畳接触領域は、径方向の内側又は外側において、前記発電コイルの径方向の長さの3分の1以下であることを特徴とする請求項１乃至３何れか１項記載のコアレス発電機。
【請求項５】
前記金属箔は、前記発電コイルとの接触領域において、径方向に切り込まれた多数のスリットが形成されていることを特徴とする請求項２記載のコアレス発電機。
【請求項６】
前記スリットは、前記永久磁石の両側辺との交差角が5〜20°となるように形成されていることを特徴とする請求項５記載のコアレス発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コアレス発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力、水力、波力等を利用した発電分野において、種々の構造の発電機が提供されている。このうち、風力発電等に用いられる小型の発電機においては、低風速時の風車の回転力が弱いため、発電機が回り始める時に必要なトルク（コギングトルク）の小さな発電機が必要であり、コギングの発生しないコアレス発電機が提供されている。
【０００３】
従来のコアレス発電機は、例えば、下記特許文献１乃至３に開示されている。特許文献１，２には、アウターロータ型のコアレス発電機が開示されており、特許文献３には、インナーロータ型のコアレス発電機が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３１７７４８号公報
【特許文献２】国際公開第２０１０／０７９６２７号
【特許文献３】特開２０１７−１６３８１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、コアレス発電機の発電時には、発電コイルが発熱して高温となるが、これを放置しておくと、発電コイルが焼損したり、発電効率が大きく低下したり、耐熱温度の高い永久磁石や基板等の部品を採用する必要性によりコストアップしてしまうといった問題が生じる。
【０００６】
特に、強風時に、短絡等によりブレーキをかける際には、発熱量も大きくなり、発熱による問題が顕在化しやすい。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、効果的な放熱構造を有するコアレス発電機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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明に係るコアレス発電機は、円周状に複数の永久磁石が配列設置された、前記発電機軸回りに回転自在な回転体と、樹脂製の固定基板と、前記永久磁石に対向して前記固定基板上に円周状に設置された複数の発電コイルと、を有する固定体と、を備えるコアレス発電機において、前記固定基板表面上に前記発電コイルと接触するように形成された、表面に絶縁膜を有する金属箔を備え、前記発電コイルから前記金属箔へと熱伝導するように構成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係るコアレス発電機においては、発電コイルに接触する金属箔を介して、発電コイルで発生した熱を取り出すことができ、発電時の発電コイルを効果的に冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係るコアレス発電機の構成を示す一部断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態に係る発電コイルの配置構造を示すコイル固定基板の平面図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態に係る銅箔の形状を示すコイル固定基板の平面図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態に係る発電コイルと銅箔の配置構造を重畳して示すコイル固定基板の平面図である。
【図５】図５は、本発明の実施形態に係る永久磁石の配置構造を示す回転ケースの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について説明する。本実施形態では、風力発電装置に用いられるアウターロータ型のコアレス発電機について説明する。図１は、本実施形態に係るコアレス発電機の構造を示す一部断面図であり、一部断面は発電機軸を通る平面による断面図である。
【００１２】
本実施形態に係る風力発電装置は、風車と、アウターロータ型のコアレス発電機１０と、制御器とを備えており、風車の回転力がコアレス発電機１０に伝達されて発電し、制御器はコアレス発電機１０の動作を制御する。
【００１３】
コアレス発電機１０は、固定された発電機軸であるシャフト１１と、発電コイル２５が設置された、シャフト１１に対して固定される固定体２０と、永久磁石３５が設置された、シャフト１１に対して回動自在な回転体３０と、を備えている。シャフト１１には、防水リング１３と、ベアリング１５が設置されている。
【００１４】
固定体２０は、樹脂製の円形基板（高熱伝導基板）であるコイル固定基板２１と、コイル固定基板２１の両面において円周状に整列設置された多数の発電コイル２５と、中心がシャフト１１に固定される鉄製の略円盤状のホルダー２６と、固定基板２１の両面上に設置されるアルミ製で円形の伝熱放熱板２７と、を備えている。もちろん、ホルダー２６の素材や伝熱放熱板２７の素材としては、鉄やアルミ以外の熱伝導性の高い金属を採用することができる。
【００１５】
図２は、本実施形態に係る発電コイルの配置構造を示すコイル固定基板の平面図である。なお、図２においては、銅箔２２等を一部省略して示している。発電コイル２５はコア無しコイルであり、中心が中空でコイル固定基板２１に平行な方向に導線を巻いた構造である。
【００１６】
発電コイル２５は、長軸が径方向に位置するように、接着剤でコイル固定基板２１に固定されている。図示しないが、接着剤は、発電コイル２５の中心中空部及び隣接する発電コイル２５と発電コイル２５との間にも流し込まれており、発電コイル２５は、接着剤の中に埋め込まれるように設置されている。これにより、コイル固定基板２１の強度も補強される。発電コイル２５は、コイル固定基板２１の片面に対して、円周方向に45個が等間隔で設置されており、両面で合計90個設置されている。
【００１７】
ここで、コイル固定基板２１の両側表面上には、シャフト１１を中心とする輪帯状（ドーナツ状）に設置された金属箔である銅箔２２が形成されている。図３は、本実施形態に係る銅箔の形状を示すコイル固定基板の平面図である。図４は、本実施形態に係る発電コイルと銅箔の配置構造を重畳して示すコイル固定基板の平面図である。
【００１８】
なお、図３及び図４に示すように、コイル固定基板２１には、ホルダー２６及び伝熱放熱板２７の取付用穴２１ａと、発電コイル２５の導線取出用穴２１ｂが所定の円周上に形成されている。
【００１９】
銅箔２２は、その外周縁が発電コイル２５の設置領域に重畳し、銅箔２２の表面が発電コイル２５に接触するように形成されている。銅箔２２の表面には、図示しない絶縁膜を貼り付けており、銅箔２２と発電コイル２５とは電気的に絶縁されている。本実施形態では、銅箔２２表面の絶縁膜は、絶縁性塗料を電着することで形成されている。
【００２０】
このように、発電コイル２５に接触する銅箔２２をコイル固定基板２１上に設置することで、発電時に発電コイル２５が発熱すると、高い熱伝導性を有する銅箔２２へと熱が直接伝導され、発電コイル２５を冷却することができる。
【００２１】
ここで、図４に示すように、銅箔２２の形成領域と、発電コイル２５の設置領域の重畳部分、すなわち、銅箔２２と発電コイル２５とが接触する部分は、径方向において発電コイル２５の内周側5分の1程度の領域だけであり、銅箔２２は発電コイル２５全体と接触していない。
【００２２】
発電コイル２５と銅箔２２との間の熱伝導に着目すれば、径方向において発電コイル２５のコイル幅（太さ）程度接触していれば十分である。また、発電時に永久磁石３５が設置された回転体３０が回転して周囲の磁界が変化すると、銅箔２２に渦電流が発生するが、この渦電流は、銅箔２２と発電コイル２５との発電機軸方向に見た重畳領域が大きく、すなわち、銅箔２２と発電コイル２５に対して略同じ領域に対向設置されている永久磁石３５との重畳領域が大きくなると、より大きくなってしまう。
【００２３】
よって、本実施形態では、銅箔２２と発電コイル２５との熱伝導を確保すると共に、渦電流の発生をなるべく抑えるために、銅箔２２と発電コイル２５とを、径方向において発電コイル２５の内周側5分の1程度の部分において接触させる構成とした。
【００２４】
もちろん、銅箔２２と発電コイル２５との径方向における接触長さや接触位置は適宜変更可能であるが、渦電流の発生を抑えるために、発電コイル２５の内径方向の内側又は外側の端部近傍において接触させることが望ましく、発電コイル２５の径方向長さの3分の1以下で重畳接触させるのが望ましい。
【００２５】
また、図３に示すように、銅箔２２は、発電コイル２５との接触部分であるその外周縁において、径方向に内側に切り込まれた多数のスリット２３が形成されている。銅箔２２の発電コイル２５との接触部分、すなわち、銅箔２２の発電機軸方向に見た永久磁石３５との重畳領域にスリット２３を形成することで、上述した渦電流が流れ難くなり、渦電流の発生を大きく抑制することができる。
【００２６】
本発明者らによる試験によれば、銅箔２２のスリット２３を形成した場合、スリット２３が無い場合と比較して、発電コイル２５の温度が20℃程度下がっており、スリット２３の形成により、渦電流の発生を確実に抑えることが裏付けられた。
【００２７】
また、スリット２３は、銅箔２２の径方向放射線に対して完全に平行ではなく、放射線に対して所定の角度傾斜して形成されている。そして、スリット２３は、台形状の永久磁石３５の側辺（脚）に対して傾斜している。本実施形態では、永久磁石３５の一方の側辺に対して6°程度、もう一方の側辺に対して12°程度傾斜するようにスリット２３が形成されている。
【００２８】
これは、後述するように、永久磁石３５は、短い上底が内側に位置するように円周状に整列設置されており、スリット２３が永久磁石３５の側辺に対して平行に形成されていると、渦電流が大きくなってしまうからである。一方、スリット２３の永久磁石３５の側辺に対する交差角が大きくなると、スリット２３の渦電流を抑える作用自体が小さくなってしまう。したがって、スリット２３と永久磁石３５の側辺との交差角は、5〜20°であるのが望ましい。
【００２９】
ホルダー２６は、中心穴に嵌挿されたシャフト１１に固定されている。ホルダー２６の外径は、コイル固定基板２１よりも小さく、ホルダー２６が発電コイル２５に衝突しないように、発電コイル２５が設置されている輪帯領域の内径よりも小さい。ホルダー２６の一方の面には、伝熱放熱板２７を挟んでコイル固定基板２１がネジ留めにより一体に密着固定されている。
【００３０】
伝熱放熱板２７はコイル固定基板２１の両面に2枚設置されており、コイル固定基板２１のホルダー２６側の面に第一伝熱放熱板２７ａが設置され、反対側の面には、第二伝熱放熱板２７ｂが設置されている。円形の伝熱放熱板２７の外径は、ホルダー２６の外径よりも大きく、円帯状の銅箔２２の内径よりも大きい。
【００３１】
よって、コイル固定基板２１とホルダー２６との間に挟まれた第一伝熱放熱板２７ａは、一方の面がコイル固定基板２１上の銅箔２２と面接触し、他方の面がホルダー２６と面接触する。そして、第一伝熱放熱板２７ａは、銅箔２２から直接熱伝導により伝わった熱を主にホルダー２６へと熱伝導により伝熱するように機能する。
【００３２】
一方、第一伝熱放熱板２７ａと反対側の面に設置された第二伝熱放熱板２７ｂは、一方の面が銅箔２２と面接触し、他方の面は後述する回転ケース３２に挟まれた空間内に露出している。よって、第二伝熱放熱板２７ｂは、銅箔２２から直接熱伝導により伝わった熱を主に空気中へ放熱するように機能する。
【００３３】
次に、回転体３０は、シャフト１１に対してベアリング１５を介して回転自在に設置された回転ケース３２と、アウターリング３３と、回転ケース３２の内面に円周状に整列設置された多数の発電コイル２５と、を備えている。図５は、本実施形態に係る永久磁石の配置構造を示す回転ケースの平面図である。
【００３４】
回転ケース３２は、固定体２０の一方の傍に設置された略円盤状の第一回転ケース３２ａと、他方の傍に設置された、同じく略円盤状の第二回転ケース３２ｂとから構成され、対向設置された第一回転ケース３２ａと第二回転ケース３２ｂにより固定体２０を挟み込んでいる。
【００３５】
アウターリング３３は、第一及び第二回転ケース３２ａ，３２ｂの外周縁に、両者を連結して内部を密封するように設置されている。永久磁石３５は、回転ケース３２の固定体２０に対向する内側の面に円周状に等間隔で60個が整列設置されている。永久磁石３５は、平面視で台形状であり、短い上底が内側に位置している。
【００３６】
永久磁石３５は、発電コイル２５に対向して設置されており、永久磁石３５が設置されている円帯領域と、発電コイル２５が設置されている円帯領域は、発電機軸方向に見て略同じ位置である。永久磁石３５は、その磁力線が発電コイル２５の中空部分を垂直方向（発電機軸方向）に通過するように設置されている。
【００３７】
以上、コアレス発電機１０の構成について説明したが、コアレス発電機１０においては、コイル固定基板２１表面に発電コイル２５と接触する銅箔２２を形成したことで、発電コイル２５で発生した熱は銅箔２２を介して効率良く放熱され、発電コイル２５の放熱性を格段に向上させることができる。
【００３８】
詳細には、第一伝熱放熱板２７ａ側の発電コイル２５において発生した熱は、銅箔２２を介して、第一伝熱放熱板２７ａ、ホルダー２６、シャフト１１へと順次面接触により直接熱伝導され、シャフト１１からコアレス発電機１０の外部へと取り出されると共に、第一伝熱放熱板２７ａ、ホルダー２６、シャフト１１から空気中にも放熱される。
【００３９】
第二伝熱放熱板２７ｂ側の発電コイル２５において発生した熱は、銅箔２２を介して、第二伝熱放熱板２７ｂへと面接触により直接熱伝導され、第二伝熱放熱板２７ｂから空気中に放熱される。
【００４０】
また、本実施形態においては、銅箔２２の発電コイル２５と接触部分を発電コイル２５のコイルの太さと同じ程度と最小限に抑えることで、銅箔２２と発電コイル２５との間の熱伝導性を十分確保しつつ、銅箔２２への渦電流の発生を抑えており、銅箔２２を形成することによる発熱を抑えている。
【００４１】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の実施の形態は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。例えば、コアレス発電機を構成する部材の形状やサイズ、素材は適宜変更することができる。
【００４２】
また、上記実施形態では、アウターロータ型のコアレス発電機に本発明を適用した場合について説明したが、本発明は、インナーロータ型のコアレス発電機にも適用することができる。
【００４３】
また、本発明は、風力発電に限らず、水力発電や波力発電等、他の発電方式に用いられるコアレス発電機にも適用できるのは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４４】
１０  コアレス発電機
１１  シャフト
１３  防水リング
１５  ベアリング
２０  固定体
２１  コイル固定基板
２２  銅箔
２３  スリット
２５  発電コイル
２６  ホルダー
２７  伝熱放熱板
３０  回転体
３２  回転ケース
３３  アウターリング
３５  永久磁石
【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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