(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアレスコイルで構成された固定子と、
永久磁石で構成され、前記コアレスコイルの空芯部で回転する回転子と、
前記回転子が取り付けられる回転軸と、
前記回転軸の一端部に取り付けられ、流体の力を前記回転子の回転力に変換する変換部材と、
前記回転軸に固定され、前記回転子と前記変換部材との間に位置するフライホイールと
を備え、
前記回転子が棒状であり、
前記回転子が回転したとき、前記回転子の一部が前記コアレスコイルの空芯部に入ったり、その空間から出たりし、
前記コアレスコイルが、コイルを非磁性材料で形成したボビンに巻きつける構造である
ことを特徴とする発電機。
【請求項２】
前記コアレスコイルが前記回転軸を挟んで両側に配置され、それらのコアレスコイルの空芯部が対向していることを特徴とする請求項１記載の発電機。
【請求項３】
前記フライホイールと前記変換部材との間に配置され、前記変換部材の回転数が所定値を超えたとき前記変換部材から前記回転子へ回転力を伝え、前記変換部材の回転数が所定値に達しないとき前記変換部材から前記回転子へ回転力を伝えない遠心クラッチを備えていることを特徴とする請求項１又は２記載の発電機。
【請求項４】
前記遠心クラッチと前記フライホイールとの間に配置され、前記遠心クラッチの働きにより前記変換部材から前記回転子への回転力の伝達が断たれたとき前記回転子に回転力を与える電動機を備えていることを特徴とする請求項３記載の発電機。
【請求項５】
前記電動機と前記フライホイールとの間に配置され、前記電動機から前記回転子へ回転力を断続して伝える電磁クラッチを備えていることを特徴とする請求項４記載の発電機。
【請求項６】
前記電磁クラッチが非接触型電磁クラッチであることを特徴とする請求項５記載の発電機。
【請求項７】
少なくとも前記回転子と前記固定子とが真空状態のケース内に収容されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の発電機。
【請求項８】
前記変換部材が羽根であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載の発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は発電機に関し、特にコアレス型の発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の発電機として、回転軸と、回転ケースと、基盤と、複数（２４個）のコア無しコイルと、複数（３２個）の第１永久磁石と、複数（３２個）の第２永久磁石とを備えている永久磁石発電機がある（下記特許文献参照）。
【０００３】
回転軸は回転ケースを回転可能に支持する。回転ケースには流体の力を受ける羽根が連結されている。
【０００４】
回転ケースには、基盤、複数のコア無しコイル、複数の第１永久磁石及び複数の第２永久磁石が収容される。基盤は回転軸に固定されている。基盤には、その外周に沿って複数のコイル収容孔が設けられている。複数のコイル収容孔にはコア無しコイルがそれぞれ収容されている。コア無しコイルの周囲は合成樹脂で固められている。
【０００５】
回転ケースの対向する２つの内面の一方の内面には、その外周に沿って複数の第１永久磁石が固定され、他方の内面には、その外周に沿って複数の第２永久磁石が固定されている。複数の第１永久磁石と複数の第２永久磁石とは、複数のコア無しコイルを介して、軸方向で対向する。第１永久磁石から第２永久磁石への磁力線はコア無しコイルの空芯部を通る。
【０００６】
隣接する２つの第１永久磁石の間には、一方の第１永久磁石のコア無しコイル側の面の極性と他方の第１永久磁石のコア無しコイル側の面の極性とが常に反対になる関係がある。この関係は隣接する２つの第２永久磁石の間にもあてはまる。また、第１、第２永久磁石の幅はコア無しコイルの幅より小さい。
【０００７】
羽根が流体の力を受けると、羽根と一体に回転軸が回転し、コア無しコイルに誘電電流が流れ、起電力が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−３２０３６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述のように従来の永久磁石発電機の部品点数は多く、構造も複雑である。したがって、製造コストが高くなるという問題があった。
【００１０】
この発明は上述の事情に鑑みなされたもので、その課題は発電機の構造の簡素化を実現し、製造コストを低減させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため請求項１記載の発明は、コアレスコイルで構成された固定子と、永久磁石で構成され、前記コアレスコイルの空芯部で回転する回転子と、前記回転子が取り付けられる回転軸と、前記回転軸の一端部に取り付けられ、流体の力を前記回転子の回転力に変換する変換部材と、前記回転軸に固定され、前記回転子と前記変換部材との間に位置するフライホイールとを備え、前記回転子が棒状であり、前記回転子が回転したとき、前記回転子の一部が前記コアレスコイルの空芯部に入ったり、その空間から出たりし、前記コアレスコイルが、コイルを非磁性材料で形成したボビンに巻きつける構造であることを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の発電機において、前記コアレスコイルが前記回転軸を挟んで両側に配置され、それらのコアレスコイルの空芯部が対向していることを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２記載の発電機において、前記フライホイールと前記変換部材との間に配置され、前記変換部材の回転数が所定値を超えたとき前記変換部材から前記回転子へ回転力を伝え、前記変換部材の回転数が所定値に達しないとき前記変換部材から前記回転子へ回転力を伝えない遠心クラッチを備えていることを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項３記載の発電機において、前記遠心クラッチと前記フライホイールとの間に配置され、前記遠心クラッチの働きにより前記変換部材から前記回転子への回転力の伝達が断たれたとき前記回転子に回転力を与える電動機を備えていることを特徴とする。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項４記載の発電機において、前記電動機と前記フライホイールとの間に配置され、前記電動機から前記回転子へ回転力を断続して伝える電磁クラッチを備えていることを特徴とする。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、請求項５記載の発電機において、前記電磁クラッチが非接触型電磁クラッチであることを特徴とする。
【００１７】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか１項記載の発電機において、少なくとも前記回転子と前記固定子とが真空状態のケース内に収容されていることを特徴とする。
【００１８】
請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のいずれか１項記載の発電機において、前記変換部材が羽根であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
この発明によれば、発電機の構造の簡素化を実現し、製造コストを低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１はこの発明の一実施形態の発電機の概念図である。
【図２】図２はこの発明の一実施形態の発電機の主要部の斜視図である。
【図３】図３はこの発明の一実施形態の発電機の主要部の平面図である。
【図４】図４はこの発明の一実施形態の発電機の主要部の左側面図である。
【図５】図５はこの発明の一実施形態の発電機の主要部の正面図である。
【図６】図６はこの発明の一実施形態の発電機の主要部の右側面図である。
【図７】図７はこの発明の一実施形態の発電機の背面図である。
【図８】図８はこの発明の第１の変形例の発電機の概念図である。
【図９】図９はこの発明の第２の変形例の発電機の概念図である。
【図１０】図１０はこの発明の第３の変形例の発電機の概念図である。
【図１１】図１１はこの発明の第４の変形例の発電機の概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２４】
図１〜７はこの発明の一実施形態の発電機を示す図であり、図１は発電機の構成を示す概念図、図２は図１の発電機の主要部の外観を示す斜視図、図３はその平面図、図４の左側面図、図５はその正面図、図６その右側面図、図７はその背面図である。
【００２５】
図１に示すように、この発電機は、コアレスコイルで構成された固定子１と、永久磁石で構成され回転子２と、回転子２が取り付けられる回転軸３と、回転軸３を回転可能に支持する回転軸支持部材４１，４２と、空気の力（流体の力）を回転子２の回転力に変換する変換部材５と、回転子２に変換部材５又は電動機８の回転力を断続して伝える電磁クラッチ６と、回転子２に変換部材５の回転力を断続して伝える遠心クラッチ７と、回転子２に回転力を与える電動機８と、回転軸３に取り付けられたフライホイール９と、回転子２や固定子１やフライホイール９等を収容するケース１０と、ケース１０が載置される台座２０とを備えている。
【００２６】
固定子１はコアレスコイルであり、非磁性材料（例えばプラスチック等）で形成されたボビン１２とボビン１２に巻きつけられたコイル１１とを有する。
【００２７】
ボビン１２は台座２０にねじ止めされている。
【００２８】
回転子２は棒状の永久磁石であり、回転軸３に取り付けられている。ボビン１２が非磁性材料製であり、ボビン１２と永久磁石との間に吸引力が生じないので、コア（鉄芯）を用いる発電機に較べ、回転子２の回転を阻害する要因が極めて少ない。
【００２９】
回転軸３は軸部３１，３２，３３で構成され、軸線方向へ３分割されている。軸部３１，３２，３３は後述する電磁クラッチ６や遠心クラッチ７のオン・オフに応じて、一体的に接続されて一本の回転軸として回転可能となったり、軸部３２，３３の接続が断たれて軸部３３が独立して回転可能となり、軸部３２，３１だけが一体に回転可能となったり、軸部３２，３１の接続も断たれて軸部３１，３２，３３がそれぞれ独立に回転可能となったりする。
【００３０】
回転軸３の軸部３１は回転軸支持部材４１，４２で回転可能に支持され、回転軸３の軸部３２，３３もそれぞれ図示しない回転軸支持部材で回転可能に支持されている。回転軸３の軸部３１はボビン１２のすぐ上に位置する。したがって、回転子２が回転したとき、回転子２の端部が固定子１のコイル１１の空芯部１３に入ったり、空芯部１３から出たりする動作を繰り返す。
【００３１】
変換部材５は例えば風（流体）を受ける羽根である。変換部材５は回転軸３の軸部３３に取り付けられ、風力を回転子２の回転力に変換する。
【００３２】
電磁クラッチ６は非接触型電磁クラッチである。電磁クラッチ６は、コイル６ａと、コイル６ａの空芯部を通る軸部３２と、軸部３２に固定された電磁鋼板６ｂと、軸部３１に固定された電磁鋼板６ｃとで構成されている。コイル６ａにはバッテリ６１と電源スイッチ６２とが接続されている。電磁鋼板６ｂと電磁鋼板６ｃとはケース１０の側面部１０ａを介して軸方向（回転軸３の軸方向）で対向している（図１参照）。
【００３３】
遠心クラッチ７はクラッチシュー７ａとクラッチアウタ７ｂとで構成されている。変換部材５の回転数が所定値(例えば1000RPM)を超えたとき、遠心力によりクラッチシュー７ａとクラッチアウタ７ｂとが接触してクラッチシュー７ａとクラッチアウタ７ｂとの間に大きな接触力が生じ、軸部３２，３３が一体的に接続されて、変換部材５から電磁クラッチ６側への回転力の伝達路が形成される。変換部材５の回転数が所定値を下回ったとき、クラッチシュー７ａとクラッチアウタ７ｂとの間の接触力が小さくなり、軸部３２，３３の接続が断たれ、変換部材５から電磁クラッチ６側への回転力の伝達路は断たれる。遠心クラッチ７の近傍には、クラッチアウタ７ｂの回転数を検知する回転センサ２３が配置されている。回転センサ２３は後述する制御部２２に接続されている。回転センサ２３はクラッチアウタ７ｂの回転数が所定値を下回ったことを検知すると、制御部２２はクラッチシュー７ａとクラッチアウタ７ｂとのつながりが断たれたと判断する。
【００３４】
電動機８は遠心クラッチ７と電磁クラッチ６との間に配置されている。電動機８にはバッテリ８１と電源スイッチ８２とが接続されている。電動機８は、遠心クラッチ７のクラッチシュー７ａとクラッチアウタ７ｂとが分離して変換部材５から電磁クラッチ６側への回転力の伝達路が断たれるとともに、フライホイール９の回転数が所定値を下回ったとき、起動する。電動機８の回転軸は回転軸３の軸部３２である。回転軸３の軸部３２に電磁クラッチ９のコイル６ａが装着され、軸部３２はコイル６ａの鉄心としての役割を持つ。
【００３５】
フライホイール９は回転軸３の軸部３１に固定されている。フライホイール９は電磁クラッチ６と回転子２との間に位置する。フライホイール９は例えば亜鉛や鉛等の比重の大きい金属材料で製造される。フライホイール９の近傍には、フライホイール９の回転数を検出する回転センサ２１が配置されている。回転センサ２１は制御部２２に接続されている。制御部２２は図示しないＣＰＵ、メモリ等で構成され、回転センサ２１，２３からの検出信号に基づいて電源スイッチ６２，８２等のオン・オフを制御して電動機８や電磁クラッチ６等の駆動を制御する。
【００３６】
固定子１のボビン１２と、ボビン１２の両側部に配置される支持板４１１，４２１とは、それぞれ台座２０にねじ２０１，２０２で固定される（図２参照）。支持板４１１，４２１にはそれぞれ３つの孔（図示せず）が形成されている。３つの孔は前後方向ＦＲに沿って並ぶ。中間に位置する孔には回転軸３の軸部３１が通され、その孔の両側の孔にはそれぞれボルト４１３，４２３が通される（図３参照）。
【００３７】
支持板４１１，４２１には図３に示すようにそれぞれ軸受部材４１２，４２２が固定されている。軸受部材４１２，４２２は、回転軸３の軸部３１を回転可能に支持する軸受部４１２ａ，４２２ａと、軸受部４１２ａ，４２２ａに連結され、ボルト４１３，４２３が螺合するねじ穴（図示せず）を有する雌ねじ部４１２ｂ，４２２ｂとで構成されている。雌ねじ部４１２ｂ，４２２ｂのねじ穴に、支持板４１１，４２１の孔に通されたボルト４１３，４２３が螺合されることによって、軸受部材４１２，４２２が支持板４１１，４２１に固定される。
【００３８】
回転子２、固定子１、回転軸支持部材４１，４２、フライホイール９、電磁鋼板６ｃ、回転センサ２１等は、ケース１０内に収容されている。ケース１０は例えばプラスチック、アルミニュウム等の非磁性材料で箱形に形成されている。ケース１０内は真空状態に保たれている。
【００３９】
次に、この発電機の動作を説明する。
【００４０】
まず、電磁クラッチ６の電源スイッチ６２をオンにする。電源スイッチ６２がオンになると、バッテリ６１からコイル６ａに電力が供給され、鉄芯としての軸部３２及び電磁鋼板６ｂが励磁され、電磁鋼板６ｃがケース１０の側面部１０ａを介して電磁鋼板６ｂに吸引される。その結果、電磁鋼板６ｂと電磁鋼板６ｃとの間に隙間は存在するが、軸部３２と軸部３１とが一体回転可能に接続されることになる。
【００４１】
変換部材５が風を受けて回転し、その回転数が所定値を超えると、遠心クラッチ７のクラッチシュー７ａに働く遠心力によりクラッチシュー７ａがクラッチアウタ７ｂに接触し、その接触力が所定値を超えたとき、軸部３２，３３が一体的に接続される。その結果、軸部３１，３２，３３は一本の回転軸として回転し、変換部材５から回転子２への回転力の伝達路が形成されるので、フライホール９と回転子２とが回転する。
【００４２】
回転子２が回転すると、回転子２の端部が固定子１のコイル１１の空芯部１１ａに入ったり、空芯部１１ａから出たりする動作が繰り返される。このときコイル１１が回転子２の磁束を相対的に切るため、コイル１１に起電力が発生する。電力はコイル１１に接続されたバッテリ１３に蓄積される。蓄積された電力の一部は電動機８のバッテリ８１に供給される。
【００４３】
風力が小さくなり、変換部材５の回転数が所定値を下回ると、クラッチシュー７ａに働く遠心力が小さくなり、クラッチシュー７ａがクラッチアウタ７ｂから離れ、クラッチシュー７ａとクラッチアウタ７ｂとの間の接触力が所定値を下回ったとき、軸部３２，３３の接続は断たれる。その結果、変換部材５から電磁クラッチ６側への回転力の伝達路が断たれる。
【００４４】
また、回転センサ２３がクラッチアウタ７ｂの回転数が所定値を下回ったことを検出したとき、制御部２２は、変換部材５の回転数が小さくなってクラッチシュー７ａとクラッチアウタ７ｂとのつながりが断たれたと判断し、電磁クラッチ６の電源スイッチ６２をオフにする。その結果、電磁クラッチ６はオフになり、軸部３２，３１の接続は断たれ、軸部３２から軸部３１への回転力の伝達路が断たれる。このとき、フライホール９はしばらく回転し続けるので、フライホール９の回転が止まるまでの間、回転子２も回転し続け、コイル１１に起電力が生じる。
【００４５】
フライホール９の回転数が所定値を下回ったことを回転センサ２１が検出したとき、制御部２２は電源スイッチ６２，８２をオンにする。電源スイッチ６２がオンになると、電磁クラッチ６がオンになり、再び軸部３２と軸部３１とが一体回転可能に接続される。また、電源スイッチ８２がオンになると、バッテリ８１から電動機８に電力が供給され、電動機８が起動し、軸部３２と軸部３１とが一体に回転し、電動機８の回転力によって回転子２が回転し、発電状態が維持される。
【００４６】
電動機８の回転力によって回転子２が回転しているとき、風力が上昇し、変換部材５が再び回転し、クラッチシュー７ａがクラッチアウタ７ｂに接触したことを回転センサ２３が検出したとき、制御部２２は電源スイッチ８２をオフにする。その結果、軸部３１，３２，３３は一本の回転軸として回転し、再び風力によって回転子２が回転し、発電状態が維持される。固定子１のコイル１１からの出力は直流電流に変換され、電気エネルギーがバッテリ１３に蓄えられる。使用に際しては、商用周波数の５０又は６０Ｈｚに変換される。
【００４７】
この実施形態によれば、固定子１としてコイル１１を非磁性材料で形成したボビン１２に巻きつけるだけのコアレスコイルを採用し、そのコアレスコイルの空芯部１３で永久磁石で構成された棒状の回転子２を回転させて起電力を発生させるようにしたので、発電機の構成を簡素することができ、製造の容易化、コストの低減を実現することができる。
【００４８】
また、風力が小さくなったとき回転子２の駆動源が風力から電動機８の回転力に切り替わるので、電力を安定的に発生させることができる。
【００４９】
更に、回転軸３の軸部３１にフライホイール９が装着されているので、電磁クラッチ６がオフになり、軸部３２と軸部３１との接続状態が解除された後しばらくの間、回転子２は回転し続け、発電状態が維持される。すなわち、外部からの間歇的なトルク供給でも安定的な発電を持続させることができるのである。
【００５０】
また、回転子２、固定子１、回転軸支持部材４１，４２、フライホイール９及び電磁鋼板６ｃを収容するケース１０内は真空状態に保たれ、空気抵抗という回転子２やフライホイール９の回転を阻む要因がないので、その分回転子２やフライホイール９は回転しやすい。
【００５１】
なお、回転子２の駆動する流体の力として風力を用いたが、水力を用いてもよい。
【００５２】
また、変換部材５として羽根を用いたが、流体の力を受けて回転する部材であれば、羽根以外のどのような形状・構造の変換部材でもよい。
【００５３】
図８はこの発明の第１の変形例の発電機の概念図である。上述の実施形態と共通する部分については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５４】
上述の実施形態では、発電機の主要な構成要素として、固定子１、回転子２の他に電磁クラッチ６、遠心クラッチ７、電動機８、フライホイール９、回転センサ２１，２３等を採用するとともに、軸方向へ３分割（軸部３１，３２，３３）可能な回転軸３を採用したが、第１の変形例では、発電機の主要な構成要素として、電磁クラッチ６、遠心クラッチ７、電動機８、フライホイール９、回転センサ２１，２３等を採用せず、軸方向へ３分割できない回転軸１０３を採用した。
【００５５】
図９はこの発明の第２の変形例の発電機を示す概念図である。上述の実施形態と共通する部分については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５６】
第２の変形例では、発電機の主要な構成要素として、固定子１、回転子２、回転変換部材５の他にフライホイール９だけを採用するとともに、軸方向へ３分割できない回転軸１０３を採用した。
【００５７】
図１０はこの発明の第３の変形例の発電機を示す概念図である。上述の実施形態と共通する部分については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５８】
第３の変形例では、発電機の主要な構成要素として、固定子１、回転子２、回転変換部材５の他に電磁クラッチ６、遠心クラッチ７、電動機８、回転軸３を採用したが、フライホイール９、回転センサ２１等を採用していない。この変形例では、制御部２２は回転センサ２３からクラッチシュー７ａがクラッチアウタ７ｂから離れたことをあらわす検出信号を入力したとき、電源スイッチ６２，８２をオンにし、電磁クラッチ６、電動機８をそれぞれ駆動させる。
【００５９】
図１１はこの発明の第４の変形例を示す概念図である。上述の実施形態と共通する部分については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００６０】
第４の変形例では、固定子１０１のコアレスコイルとして２つのコイル１１，１１´を回転軸３を挟んで配置した。それらのコイル１１，１１´の空芯部１３は上下方向で対向している。したがって、回転子２が回転したとき、回転子２の端部は回転軸３の上下でコイル１１，１１´の空芯部１３に入る。各コイル，１１´からの出力は直流電流に変換されて電気エネルギーがバッテリに蓄えられる。この変形例によれば、発電量を増やすことができる。
【００６１】
なお、上述の実施形態及び変形例では固定子１、回転子２等を収容するケース１０を用いたが、必ずしも用いる必要はない。
【００６２】
また、電磁クラッチとして非接触型の電磁クラッチを採用したが、非接触型の電磁クラッチに代えて接触型の電磁クラッチを採用してもよい。
【符号の説明】
【００６３】
１  固定子
２  回転子
１１，１１´  コイル
１３  空芯部
３，１０３  回転軸
４１，４２  回転軸支持部材
５  変換部材
６  電磁クラッチ
７  遠心クラッチ
８  電動機
９  フライホイール
１０  ケース
【要約】
【課題】発電機の構造の簡素化を実現し、製造コストを低減させると共に、間歇的且つ低トルクでの回転の持続を可能な構造にする。
【解決手段】固定子１としてコイル１１を非磁性材料で形成したボビン１２に巻きつけたコアレスコイルを採用し、そのコアレスコイルの空芯部１３で、永久磁石で構成された棒状の回転子２を回転させて、起電力を発生させるようにした。その結果、発電機の構成の簡素化、製造の容易化、コストの低減を実現することができ、且つフライホイールの搭載により、外部からの回転トルクを間歇的に与えることでも発電を安定的に持続可能な発電機を実現することができた。また、風力に応じて回転子２の駆動源（風力か電動機８の回転力）を切り替えるようにした。その結果、電力を安定的に発生させることができた。
【選択図】図２【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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