(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体力により回転する羽根が連結され固定軸に回転自在に支持された回転ケースと、このケース内において前記固定軸に固定される円盤状の基盤と、この基盤の外周に沿ってリング状に並べられ夫々が両面を露出させた状態で該基盤に固定される複数個のコア無しコイルと、前記ケースの内面に固定され前記コア無しコイルの一方の面に臨むようにリング状に並べて配置される複数個の希土類系第１永久磁石と、前記ケースの内面に固定され前記コア無しコイルの他方の面に臨むようにリング状に並べて配置される複数個の希土類系第２永久磁石とからなり、前記第１永久磁石と第２永久磁石は相互に向かい合う位置関係で設けられるとともにこれらの間には前記コア無しコイルの空心部を貫く磁力線が形成され、
前記コア無しコイルは３相に結線されているとともに、各コア無しコイルは夫々一層巻きとされていることを特徴とする永久磁石発電機。
【請求項２】
流体力により回転する羽根が連結された回転軸と、この回転軸を回転自在に保持するケースと、このケース内において前記回転軸に固定される円盤状の基盤と、この基盤の外周に沿ってリング状に並べられ夫々が両面を露出させた状態で該基盤に固定される複数個のコア無しコイルと、前記ケースの内面に固定され前記コア無しコイルの一方の面に臨むようにリング状に並べて配置される複数個の希土類系第１永久磁石と、前記ケースの内面に固定され前記コア無しコイルの他方の面に臨むようにリング状に並べて配置される複数個の希土類系第２永久磁石とからなり、前記第１永久磁石と第２永久磁石は相互に向かい合う位置関係で設けられるとともにこれらの間には前記コア無しコイルの空心部を貫く磁力線が形成され、
前記コア無しコイルは３相に結線されているとともに、各コア無しコイルは夫々一層巻きとされていることを特徴とする永久磁石発電機。
【請求項３】
前記第１永久磁石と前記コア無しコイルの数の比、及び、前記第２永久磁石と前記コア無しコイルの数の比は、共に４対３であることを特徴とする請求項１又は２記載の永久磁石発電機。
【請求項４】
前記第１永久磁石の幅が前記コア無しコイルの幅よりも若干小さく、且つ、前記第２永久磁石の幅が前記コア無しコイルの幅よりも若干小さくなっており、これにより、各永久磁石とコア無しコイルの位置関係に係わらず全てのコア無しコイルに流れる電流の向きが相互に同一となることを特徴とする請求項１又は２に記載の永久磁石発電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石発電機に関し、より詳しくは、低流速の流体を動力源として発電する場合であっても十分な発電能力を発揮する永久磁石発電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
小型風力発電機や小型水力発電機は日本ではあまり普及していないが、欧米では数多く使用されている。
特に、欧米では翼型風力発電機が実用性の高いものとして知られている。この翼型風力発電機は一般的に、その主要部が、永久磁石と、その周りに回転可能に配置されたコイルとからなり、このコイルは、電磁鋼板製コアに電線を分布巻きした構造となっている。
【０００３】
しかしながら、この翼型風力発電機は、風速１２．５ｍ／ｓの風を受けて定格電力（４００ｗ）を発生するように設計されており、風速１２．５ｍ／ｓというかなり強い風が安定して吹く場所でなければ有効な発電をすることができない。
欧米に比べて強い風力を得難い日本では、風力の比較的強い場所でも３ｍ／ｓ程度の風しか得られないので、この翼型風力発電機を使用することは実質的に困難である。
更に、この翼型風力発電機は、コア有りコイルを用いているので起動時に大きな磁場引力が生じ、これによってコギングトルクと呼ばれる大抵抗が生じる。このため、低風速では有効な発電をすることができない。
尚、翼型風力発電機の一例ではコア無しコイルを使用しているものもあるが、フェライト永久磁石を使用したものであるため、発電能力が小さく、風力発電には不向きである。
また、特開平１１−２９９２０２号公報には、風力発電機に関する開示があるが、この風力発電機は発電能力において利用者が十分に満足できるものではなかった。この風力発電機は、風力により回転する伝達軸に固定された円盤状の基盤と、この基盤の片面にドーナツ状に並べられた複数個の永久磁石と、前記基盤を収容する本体と、この本体の内面片側に設けられ前記永久磁石に対向するようにドーナツ状に並べられた複数個のコイルとからなるものである。
しかしながら、この風力発電機は、基盤の片面にしか永久磁石を設けていないため、コイルの中に十分な密度の磁束を形成することができず、その結果、発電能力が今ひとつ十分ではなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたもので、低流速の流体を動力源として発電する場合であっても十分な発電能力を発揮する永久磁石発電機の提供を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、流体力により回転する羽根が連結され固定軸に回転自在に支持された回転ケースと、このケース内において前記固定軸に固定される円盤状の基盤と、この基盤の外周に沿ってリング状に並べられ夫々が両面を露出させた状態で該基盤に固定される複数個のコア無しコイルと、前記ケースの内面に固定され前記コア無しコイルの一方の面に臨むようにリング状に並べて配置される複数個の希土類系第１永久磁石と、前記ケースの内面に固定され前記コア無しコイルの他方の面に臨むようにリング状に並べて配置される複数個の希土類系第２永久磁石とからなり、前記第１永久磁石と第２永久磁石は相互に向かい合う位置関係で設けられるとともにこれらの間には前記コア無しコイルの空心部を貫く磁力線が形成されることを特徴とする永久磁石発電機である。
【０００６】
請求項２記載の発明は、流体力により回転する羽根が連結された回転軸と、この回転軸を回転自在に保持するケースと、このケース内において前記回転軸に固定される円盤状の基盤と、この基盤の外周に沿ってリング状に並べられ夫々が両面を露出させた状態で該基盤に固定される複数個のコア無しコイルと、前記ケースの内面に固定され前記コア無しコイルの一方の面に臨むようにリング状に並べて配置される複数個の希土類系第１永久磁石と、前記ケースの内面に固定され前記コア無しコイルの他方の面に臨むようにリング状に並べて配置される複数個の希土類系第２永久磁石とからなり、前記第１永久磁石と第２永久磁石は相互に向かい合う位置関係で設けられるとともにこれらの間には前記コア無しコイルの空心部を貫く磁力線が形成されることを特徴とする永久磁石発電機である。
【０００７】
請求項３記載の発明は、前記第１永久磁石と前記コア無しコイルの数の比、及び、前記第２永久磁石と前記コア無しコイルの数の比は、共に４対３であることを特徴とする請求項１又は２記載の永久磁石発電機である。
【０００８】
請求項４記載の発明は、前記第１永久磁石の幅が前記コア無しコイルの幅よりも若干小さく、且つ、前記第２永久磁石の幅が前記コア無しコイルの幅よりも若干小さくなっており、これにより、各永久磁石とコア無しコイルの位置関係に係わらず全てのコア無しコイルに流れる電流の向きが相互に同一となることを特徴とする請求項１又は２に記載の永久磁石発電機である。
【０００９】
請求項５記載の発明は、前記コア無しコイルは３相に結線されているとともに、各コア無しコイルは夫々一層巻きとされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の永久磁石発電機である。
これらの発明を提供することにより上記課題を悉く解決する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明に係る永久磁石発電機の第１実施形態を示す断面図である。図２は、図１に示す発電機をＡ方向から見た矢視図であり、一方のケース半体を取り去った状態で示す図である。
尚、図２に示す斜線部は、或る瞬間における各永久磁石の位置を示している。
【００１１】
本発明に係る永久磁石発電機（１）は、主として風力発電や水力発電等の流体力を利用した発電に用いられるものである。
第１実施形態に係る永久磁石発電機（１）は、固定軸（２）と、回転ケース（３）と、基盤（４）と、複数個のコア無しコイル（５）と、複数個の第１永久磁石（６）と、複数個の第２永久磁石（７）とからなる。
以下、これら構成要素について順次、詳説する。
【００１２】
固定軸（２）は、基盤（４）を不動状態で支持するとともに回転ケース（３）を回転自在に支持するものであり、永久磁石発電機（１）の取付場所にその一端が固定されている。
【００１３】
回転ケース（３）は、ベアリング（８）を介して固定軸（２）の先端部に回転自在に支持されている。回転ケース（３）には、流体力により回転する羽根が連結されており、回転ケース（３）はこの羽根から受けた力により回転するようになっている。回転ケース（３）は、円盤状のケース半体（９）を２枚組み合わせた構造となっており、組み合わせた状態でその間に収容空間（１０）が形成されるようになっている。収容空間（１０）内には、固定軸（２）の先端部が収容される他、基盤（４）、コア無しコイル（５）、第１永久磁石（６）、及び第２永久磁石（７）が収容される。
【００１４】
基盤（４）は、回転ケース（３）内において固定軸（２）の先端部に固定される円盤状の部材である。基盤（４）は回転ケース（３）の収容空間（１０）に収容される。回転ケース（３）は流体力によって回転するが、基盤（４）は回転しないので、これらは相対運動することになる。
基盤（４）の外周に沿って複数のコイル収容孔（１１）（図３参照）が貫通状態で形成されており、これらコイル収容孔（１１）は基盤（４）の外周に沿ってリング状に並んでいる。
【００１５】
コア無しコイル（５）は複数個有る。これらは、基盤（４）の外周に沿ってリング状に並べられ、夫々が両面を露出させた状態で設けられている。具体的には、基盤（４）に形成したコイル収容孔（１１）に個々に収容固定されている。
コア無しコイル（５）は、巻線部（１３）の周囲が合成樹脂で固められているとともに、コアを有さず、内側に空心部（１２）を有している。
合成樹脂で固めることにより、確実に絶縁することができる。また、コア無しコイルとすることにより、起動時における磁場引力が小さくなり、コギングトルクと称する抵抗が小さくなる。その結果、低流速の流体、例えば低流速の風を動力源として容易に起動することができる。
【００１６】
コア無しコイル（５）は３の倍数個すなわち３ｎ個（ｎは任意の自然数）設けられており、図示例では２４個とされている。また、コア無しコイル（５）は３相に結線されているとともに、各コア無しコイル（５）は夫々一層巻きとされている。３相結線とした場合、３相交流を得ることができ、この場合、２相結線及び単相結線とした場合よりも整流後の有効電力が大きいという利点がある。
また、各コア無しコイル（５）を夫々一層巻きとすることで、製造が容易となる。
【００１７】
コア無しコイル（５）の巻き形状は特に限定されないが、図示例の如く略三角形状とするか、或いは略台形状とすることが好ましい。このような形とした場合、略長方形状、略正方形状とする場合よりも磁束通過面積が大きくなるので、起電力を大きくすることができる。
【００１８】
第１永久磁石（６）は複数個有る（図４参照）。これらは、ケース（３）の内面に固定され、コア無しコイル（５）の一方の面に臨むようにリング状に並べて配置される。第１永久磁石（６）は希土類系永久磁石とされるが、これは、この系の永久磁石が他の系の永久磁石に比して格段に磁力が強いためである。希土類系永久磁石のうち、好ましくは、希土類・鉄・ボロン系永久磁石が用いられ、希土類としては、特にネオジウム（Ｎｄ）が好適に使用される。希土類系永久磁石としては、現在世界最強の磁力を有するとされるＮＥＯＭＡＸ（商品名，住友特殊金属製）を最も好適に使用することができる。
希土類系永久磁石を使用することで、高密度の磁束をコア無しコイル（５）に作用させ、大きな起電力を発生することができる。
【００１９】
第２永久磁石（７）は複数個有る。これらは、ケース（３）の内面に固定され、コア無しコイル（５）の他方の面に臨むようにリング状に並べて配置される。第２永久磁石（７）も希土類系永久磁石とされており、その具体例については第１永久磁石（６）と同様とすることができる。
【００２０】
第１永久磁石（６）と第２永久磁石（７）は同数個とされ、互いに向かい合う位置に配置される。第１永久磁石（６）と第２永久磁石（７）の対向面は互いに反対の極性とされる。これにより、第１永久磁石（６）から第２永久磁石（７）へ、或いは、第２永久磁石（７）から第１永久磁石（６）へ向けて磁力線が形成される。この磁力線は、コア無しコイル（５）の空心部（１２）を貫くことができる。
また、第１永久磁石（６）は、隣り合う磁石の極性が同じ側の面で互いに反対の極性とされ、第２永久磁石（７）においても同様とされる。
【００２１】
第１永久磁石（６）とコア無しコイル（５）の数の比、及び、第２永久磁石（７）とコア無しコイル（５）の数の比は、共に４対３とされている。この比率を採用することにより、コア無しコイル（５）を３相結線することができるので、上記したように、整流後の有効電力を大きくすることができる。
【００２２】
また、図５に示す如く、第１永久磁石（６）の幅（ｗ２）はコア無しコイル（５）の幅（ｗ１）よりも若干小さく、且つ、第２永久磁石（７）の幅（ｗ２）はコア無しコイル（５）の幅（ｗ１）よりも若干小さくなっている。尚、ここで言う幅は、基盤（４）の周方向に沿った長さである。
このような構成とすることにより、各永久磁石（６），（７）とコア無しコイル（５）の位置関係に係わらずコア無しコイル（５）に流れる電流の向きが、全てのコア無しコイル（５）において相互に同一となり、常に安定した起電力を得ることができる。
【００２３】
第１実施形態に係る永久磁石発電機（１）は、羽根が流体力を受けることで羽根と共に回転ケース（３）が回転し、これによってコア無しコイル（５）に誘導電流が流れ、発電を行うことができる。第１実施形態に係る永久磁石発電機（１）は、起動時にコア無しコイルからコギングトルクと称する抵抗を受けることが殆ど無く、また、安定した起電力を効率良く発生するので、低速の風或いは流速が小さい水流からでも十分な発電をすることができる。
【００２４】
次に、本発明の第２実施形態に係る永久磁石発電機について説明する。
上記した第１実施形態では、ケースが回転し、基盤が不動であったが、第２実施形態では逆に、基盤が回転し、ケースが不動である。
図６に示す如く、第２実施形態に係る永久磁石発電機（１）は、回転軸（２０）と、ケース（３０）と、基盤（４０）と、複数個のコア無しコイル（５０）と、複数個の第１永久磁石（６０）と、複数個の第２永久磁石（７０）とからなる。
【００２５】
回転軸（２０）には、風力、水力等の流体力により回転する羽根（図示せず）が連結されている。回転軸（２０）は、流体力によって羽根と共に回転し、その回転力を基盤（４０）に伝達することができる。
【００２６】
ケース（３０）は、ベアリング（８０）を介して回転軸（２０）を回転自在に保持する。また、ケース（３０）は、円盤状のケース半体（９０）を２枚組み合わせた構造となっており、組み合わせた状態でその間に収容空間（１００）が形成されるようになっている。収容空間（１００）内には、回転軸（２）の先端部が収容される他、基盤（４０）、コア無しコイル（５０）、第１永久磁石（６０）、及び第２永久磁石（７０）が収容される。
【００２７】
基盤（４０）は、ケース（３０）内において回転軸（２）の先端部に固定される円盤状の部材である。基盤（４０）はケース（３０）の収容空間（１００）に回転可能に収容される。基盤（４０）の外周に沿って複数のコイル収容孔（図示せず）が貫通状態で形成されており、これらコイル収容孔は基盤（４０）の外周に沿ってリング状に並んでいる。
【００２８】
コア無しコイル（５０）、第１永久磁石（６０）、第２永久磁石（７０）の構造、取り付け方については、第１実施形態の場合と同様とすることができるので、その説明を省略する。
【００２９】
第２実施形態に係る永久磁石発電機（１）は、羽根が流体力を受けることで羽根と共に基盤（４０）が回転し、これによってコア無しコイル（５０）に誘導電流が流れ、発電を行うことができる。第２実施形態においても、起動時にコア無しコイルからコギングトルクと称する抵抗を受けることが殆ど無く、また、安定した起電力を効率良く発生するので、低速の風或いは流速が小さい水流からでも十分な発電をすることができる。
【００３０】
【発明の効果】
請求項１及び２記載の発明によれば、起動時にコア無しコイルからコギングトルクと称する抵抗を受けることが殆ど無く、また、安定した起電力を効率良く発生するので、低流速の流体を動力源として発電する場合であっても十分な発電能力を発揮することができる。
【００３１】
請求項３記載の発明は、前記第１永久磁石と前記コア無しコイルの数の比、及び、前記第２永久磁石と前記コア無しコイルの数の比は、共に４対３であることを特徴とする請求項１又２に記載の永久磁石発電機であるから、以下の効果を奏する。
すなわち、コア無しコイルを３相結線することができるので、整流後の有効電力を大きくすることができる。
【００３２】
請求項４記載の発明は、前記第１永久磁石の幅が前記コア無しコイルの幅よりも若干小さく、且つ、前記第２永久磁石の幅が前記コア無しコイルの幅よりも若干小さくなっており、これにより、各永久磁石とコア無しコイルの位置関係に係わらず全てのコア無しコイルに流れる電流の向きが相互に同一となることを特徴とする請求項１又は２に記載の永久磁石発電機であるから、常に安定した起電力を得ることができる。
【００３３】
請求項５記載の発明は、前記コア無しコイルは３相に結線されているとともに、各コア無しコイルは夫々一層巻きとされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の永久磁石発電機であるから、以下の効果を奏する。
すなわち、３相結線とすることで３相交流を得ることができ、２相結線及び単相結線とした場合よりも整流後の有効電力が大きくなる。また、各コア無しコイルを夫々一層巻きとすることで、製造が容易であるという利点が生じる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る永久磁石発電機を示す断面図である。
【図２】図１に示す発電機のＡ方向矢視図であり、一方のケース半体を取り去った状態で永久磁石とコア無しコイルの位置関係を示す図である。
【図３】図１に示す発電機のＡ方向矢視図であり、一方のケース半体を取り去った状態で示す図である。
【図４】本発明における永久磁石の、ケース半体への取付状態を示す図である。
【図５】本発明におけるコア無しコイルを示す図（ａ）と、永久磁石を示す図（ｂ）である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る永久磁石発電機を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・永久磁石発電機
２・・・・・固定軸
２０・・・・回転軸
３・・・・・回転ケース
３０・・・・ケース
４，４０・・基盤
５，５０・・コア無しコイル
６，６０・・第１永久磁石
７，７０・・第２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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【図６】
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