(57)【要約】【課題】本発明は、マグネットと電機子コイルとを備え、当該マグネットが所定の外力により回転されることで電機子コイルに起電力を生じさせる発電装置に関し、装置の小型、薄型化を図りつつ起電力発生の増大および効率向上を図ることを目的とする。【解決手段】マグネット２３Ａ〜２３Ｄと電機子コイル３１Ａ〜３１Ｃ，３２Ａ〜３２Ｃとを備えて例えばマグネット部分をロータ１２とする発電装置１１であり、電機子コイル部分のステータ１３が、仮想的な円盤としてのマグネットヨーク２２およびマグネット２３Ａ〜２３Ｄの周側面に対して中空の内部コイル体３１Ａ〜３１Ｃを所定数並列的に配置させた内部コイル群と、当該内部コイル群を覆って中空の外部コイル体３２Ａ〜３２Ｃを所定数並列的に配置させた外部コイル群とし、内部コイル群の周側面と外部コイル群の周側面を同一外周とする構成とする。【選択図】  図１
2005102413.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネットと、電機子コイルとを備え、当該マグネットが所定の外力により回転されることで当該電機子コイルに起電力を生じさせるコアまたはヨークを備える発電装置であって、
前記電機子コイルは、
仮想的な円盤または円盤状のコアの周側面に対して、導体を所定数巻回した所定形状の中空の内部コイル体が所定数並列的に配置される内部コイル群と、
前記内部コイル群を仮想的な円盤とした場合の周側面に対して、導体を所定数巻回した所定形状の中空の外部コイル体が当該内部コイル群を覆って所定数並列的に配置される外部コイル群と、
を有することを特徴とする発電装置。
【請求項２】
請求項１記載の発電装置であって、前記電機子コイルに起電力を生じさせる前記コアまたはヨークは、スロットレスであることを特徴とする発電装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の発電装置であって、前記内部コイル群の周側面と前記外部コイル群の周側面を、同一外周とすることを特徴とする発電装置。
【請求項４】
請求項１〜３の少なくとも何れかに記載の発電装置であって、前記各内部コイル体および各外部コイル体は、中空の略台形状または中空の弓形状とされ、それぞれの当該内部コイル体を１２０度間隔で配置させ、それぞれの当該外部コイル体を当該各内部コイル体に対して６０度ずらせて１２０度間隔で配置させることを特徴とする発電装置。
【請求項５】
請求項１〜４の少なくとも何れかに記載の発電装置であって、前記内部コイル体と前記外部コイル体との互いに対向する相同士で直列または並列に接続され、それぞれがスター結線されることを特徴とする発電装置。
【請求項６】
請求項１〜５の少なくとも何れかに記載の発電装置であって、前記電機子コイルに生じた起電力を直流化する整流回路を備えることを特徴とする発電装置。
【請求項７】
請求項６記載の発電装置であって、前記整流回路は平滑手段を備えることを特徴とする発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネットと電機子コイルとを備え、当該マグネットが所定の外力により回転されることで電機子コイルに起電力を生じさせる発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、発電機は電動機と基本構成を同一とすることで実現することができる。そして発電機は小型のものから、中型、大型のものまで、その用途および負荷電力に応じて種々のものが知られているが、何れの用途にしても起電力発生の増大および効率向上が基本的な課題となっている。
【０００３】
そこで、発電機の一例として以下の特許文献に記載されているものが知られている。下記の特許文献には、無整流子直流電動機及び発電機が示されており、電動機の主要構成として回転子２０と対峙する固定子１０に５つの巻線群１１〜１５が巻回され、各巻線１１〜１５に対して選択的に励磁電流を付与する電力スイッチ部６５が設けられたものである。そして、上記構成において、発電機として使用する場合に、回転子２０を外部からの動力を与えることで、図１５に示すようなタイミングで電流を発生させようとするものである。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２３４９９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献に記載されている発電機やその他公知の発電機は、起電力を増大させようとすると巻線を太くしたり、巻回数を増やさなければならず、その分発電機自体が大型化するという問題を生じ、大きさに対して起電力の発生効率の向上が図れないという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は上記課題に鑑みなされたもので、装置の小型、薄型化を図りつつ起電力発生の増大および効率向上を図る発電装置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】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１の発明では、マグネットと、電機子コイルとを備え、当該マグネットが所定の外力により回転されることで当該電機子コイルに起電力を生じさせるコアまたはヨークを備える発電装置であって、前記電機子コイルは、仮想的な円盤または円盤状のコアの周側面に対して、導体を所定数巻回した所定形状の中空の内部コイル体が所定数並列的に配置される内部コイル群と、前記内部コイル群を仮想的な円盤とした場合の周側面に対して、導体を所定数巻回した所定形状の中空の外部コイル体が当該内部コイル群を覆って所定数並列的に配置される外部コイル群と、を有する構成とする。
【０００８】
請求項２〜７の発明では、「前記電機子コイルに起電力を生じさせる前記コアまたはヨークは、スロットレスである」構成であり、
「前記内部コイル群の周側面と前記外部コイル群の周側面を、同一外周とする」構成であり、
「前記各内部コイル体および各外部コイル体は、中空の略台形状または中空の弓形状とされ、それぞれの当該内部コイル体を１２０度間隔で配置させ、それぞれの当該外部コイル体を当該各内部コイル体に対して６０度ずらせて１２０度間隔で配置させる」構成であり、
「前記内部コイル体と前記外部コイル体との互いに対向する相同士で直列または並列に接続され、それぞれがスター結線される」構成であり、
「前記電機子コイルに生じた起電力を直流化する整流回路を備える」構成であり、
「前記整流回路は平滑手段を備える」構成である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、マグネットを回転させて電機子コイルに起電力を発生させる発電装置であり、当該電機子コイルが、仮想的な円盤または円盤状のコアの周側面に対して中空の内部コイル体を所定数並列的に配置させた内部コイル群と、当該内部コイル群を覆って中空の外部コイル体を所定数並列的に配置させた外部コイル群とで形成されることにより、装置の小型、薄型化を図りつつ起電力発生の増大および効率を向上させることができるものである。特に、電機子コイルに起電力を生じさせるコアまたはヨークをスロットレスタイプとすることで、マグネットの吸引力に対する回転トルクを最小とすることができ、微小な外力で電機子コイルを回転させることができるものである。
【００１０】
また、各内部コイル体および各外部コイル体のそれぞれ対向するコイル体を、並列接続するか、直列接続するかによって全体の電機子コイルの抵抗を選択することができることから、発生起電圧の増大、負荷電流の増大を選択的に対応させることができ、一方で発生起電力に応じたコイル体形成における線材太さ選択の自由度を向上させることができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の最良の実施形態を図により説明する。本発明の発電装置は、インナロータ型、アウタロータ型の何れにも適用することができもので、また、本発明の構成は、小型から大型までの何れのタイプのものでも適用することができるものである。
【００１２】
図１に本発明の第１実施形態に係る発電装置の構成図を示すと共に、図２に図１で示す発電装置の一部断面斜視図を示す。図１および図２はインナロータ形の発電装置を示したもので、図１（Ａ）はハウジング内部の平面構成図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＡ−Ａ断面図、図１（Ｃ）は蓋部を除いた底面からの構成図である。図１（Ａ）〜（Ｃ）および図２において、発電装置１１は、ロータ１２を包含するようにステータ１３が配置され、ハウジング１４に収められる。ハウジング１４は、円筒状で一方が開放され、他方の中央部分に円筒形状の軸支部が形成されたものである。
【００１３】
上記ロータ１２は、シャフト２１が椀状のマグネットヨーク２２に固着され、当該マグネットヨーク２２の外周に例えば４個（４極）のマグネット２３Ａ〜２３Ｄが非接触で固着されたものである。そして、シャフト２１が軸受（例えばボールベアリング）１５Ａ，１５Ｂにより上記ハウジング１４の軸支部に回転自在に取り付けられたものである。上記マグネット２３Ａ〜２３Ｄは、例えばネオジウム・鉄系のマグネット、サマリウム・コバルト系のマグネット等の異方性マグネットが使用され、Ｎ極とＳ極とが交互に配置されて４極に着磁されている。
【００１４】
上記ステータ１３は、起電力発生のために主となる籠形の電機子コイルで形成されたもので、仮想的な円盤となるロータ１２の周側面に対して、導体であるコイルを所定数巻回した略台形状（弓形状でもよい）の中空の内部コイル体３１Ａ〜３１Ｃが並列的に配置される内部コイル群と、当該内部コイル群を仮想的な円盤とした場合の周側面に対して、導体であるコイルを所定数巻回した略台形状（弓形状でもよい）の中空の外部コイル体３２Ａ〜３２Ｃが当該内部コイル群を覆って並列的に配置される外部コイル群とにより構成される（詳細は図３で説明する）。
【００１５】
上記ステータ１３は、ハウジング１４の側部内壁に設けられたスロットレスタイプのコイルヨーク（積層ヨーク）１６と微小間隙（当接でもよい）で配置され、当該ステータ１３の下方（ハウジング１４の開口側）に例えば整流回路基板１７が設けられる。当該コイルヨーク１６は内部コイル群および外部コイル群に起電力を生じさせるためのものである。また、上記整流回路基板１７は詳細を図４で説明するが、発生する起電力を例えば直流に変換してリード線１９Ａ，１９Ｂより外部に出力させるものである。そして、ハウジング１４の開放部分に蓋部２０が設けられて略密閉状態としたものである。なお、当該整流回路１７は、当該発電装置１１の外部に設けてもよく、この場合には当該基板１７は単に上記リード線（後述のａ相、ｂ相、ｃ相、ｎ相に対応）を外部に延出させるだけのものであってもよい。
【００１６】
ここで、図３に、図１に示す発電装置の電機子コイルの説明図を示す。図３（Ａ）において、まず、内部コイル体３１Ａ〜３１Ｃのそれぞれはコイルを整列巻きで往復に巻回した多層構造のもので、中空の略台形状（弓形状でもよい）としたものである。形状を上記略台形や弓形とすることにより、ハウジング１４の軸支部の配置位置を確保することができるものである。なお、外部コイル体３２Ａ〜３２Ｃにおいても大きさを異ならせただけで形状は同様である。
【００１７】
そこで、図３（Ａ）に示すように、ロータ１２を仮想的な円盤としての当該ロータ１２の周側面に対して上記３つの内部コイル体３１Ａ〜３１Ｃのそれぞれを１２０度間隔で並列的に配置させて図３（Ｂ）に示すような内部コイル群としたものである。また、この内部コイル群を仮想的な円盤とした場合の周側面に対して、当該内部コイル群を覆って３の外部コイル体３２Ａ〜３２Ｃのそれぞれを上記内部コイル体３１Ａ〜３１Ｃより６０度ずらせて１２０度間隔で並列的に配置させて図３（Ｃ）に示すような外部コイル群としたものである。この場合、内部コイル群の周側面と前記外部コイル群の周側面を同一外周としている。なお、上記内部コイル体３１Ａ〜３１Ｃおよび外部コイル体３２Ａ〜３２Ｃの結線は、図４で説明する。
【００１８】
ここで、上記発電装置１１の組立を簡単に説明すると、まず、マグネットヨーク２２にシャフト２１を圧入し、当該マグネットヨーク２２の外周に上述のように着磁させたマグネット２３Ａ〜２３Ｄを接着固定する。一方、ハウジング１４の側部内壁にコイルヨーク１６を挿入して接着固定すると共に、軸支部に軸受１５Ａ，１５Ｂを取り付ける。
【００１９】
続いて、マグネット２３Ａ〜２３Ｄ（マグネットヨーク２２）で構成されたロータ１２を微小ギャップで内包させて内部コイル体３１Ａ〜３１Ｃのそれぞれを配置してこれらの当接する部分で接着固定し、当該内部コイル体３１Ａ〜３１Ｃを覆うように外部コイル体３２Ａ〜３２Ｃのそれぞれを上記のように配置してこれらの当接する部分および内部コイル体３１Ａ〜３１Ｃのそれぞれと当接する部分で接着固定する。これにより、ロータ１２を内包したステータ１３のコイルアセンブリが形成される。なお、内部コイル体３１Ａ〜３１Ｃおよび外部コイル体３２Ａ〜３２Ｃの組立には対応の治具が使用される。
【００２０】
また、ハウジング１４内に、上記コイルアセンブリを挿入（ハウジング１４の軸支部の軸受１５Ａ，１５Ｂにシャフト２１を圧入）し、当該ハウジング１４の上面（開口の反対側）の内壁と上記外部コイル体３２Ａ〜３２Ｃの上部を接着固定する。そして、上記整流回路基板１７を取り付け、蓋部２０をハウジング１４の開口部分にカシメ等により取り付けるものである。
【００２１】
そこで、図４に、図１に示す発電装置の電機子コイルおよび整流回路の説明図を示す。図４（Ａ）、（Ｂ）は上記内部コイル体３１Ａ〜３１Ｃおよび外部コイル体３２Ａ〜３２Ｃの結線状態を示すと共に、発生起電力を直流化するための整流回路の一例を示したものである。
【００２２】
図４（Ａ）において、内部コイル群の各内部コイル体３１Ａ〜３１Ｃのそれぞれはスター結線されると共に、外部コイル群の各外部コイル体３２Ａ〜３２Ｃのそれぞれはスター結線され、互いに対向する相同士（ａ相〜ｃ相および中性点ｎ）で並列に接続されたものである。すなわち、内部コイル体３１Ａと外部コイル体３２Ｂ（ａ相）、内部コイル体３１Ｂと外部コイル体３２Ｃ（ｂ相）、内部コイル体３１Ｃと外部コイル体３２Ａ（ｃ相）、および互いの中性点ｎを接続したもので、これらａ相、ｂ相、ｃ相およびｎ相が整流回路基板１７に接続されるものである。
【００２３】
整流回路基板１７は、三相全波整流回路を一例として示したもので、６つのダイオードによりいわゆるブリッジ回路を形成した場合として示している。そして、上記ブリッジ回路の両端に、起電力を出力するための上記リード線１９Ａ，１９Ｂが接続されるものである。なお、整流回路基板１７において、ブリッジ回路の両端間に発生した起電力を平滑化する平滑手段としてのコンデンサＣを設けてもよく、一方で、当該コンデンサＣを当該整流回路基板１７の外部の回路に設けてもよい。
【００２４】
また、図４（Ｂ）においては、内部コイル体３１Ａと外部コイル体３２Ｂ（ａ相）、内部コイル体３１Ｂと外部コイル体３２Ｃ（ｂ相）、内部コイル体３１Ｃと外部コイル体３２Ａ（ｃ相）を各直列に接続し、これらをスター結線（中性点ｎ）させたもので、これらａ相、ｂ相、ｃ相およびｎ相が整流回路基板１７に接続されるものである。当該整流回路基板１７は、上記説明と同様である。
【００２５】
上記図４（Ａ）に示すコイル接続とすることで出力負荷電流を増大させることができ、また図４（Ｂ）に示すコイル接続とすることで発生起電圧を増大させることができる。すなわち、各内部コイル体３１Ａ〜３１Ｃおよび各外部コイル体３２Ａ〜３２Ｃのそれぞれ対向するコイル体を、並列接続するか、直列接続するかで全体の電機子コイルの抵抗を選択することができ、これにより発生起電力の負荷状態に対応させることができ、一方で発生起電力に応じたコイル体の形成し易い線材太さを選択する幅が広がり、コイル体形成の自由度を向上させることができるものである。
【００２６】
そこで、図５に図４における電機子コイルに生じる起電圧の波形図を示す。図５（Ａ）は、上記図４（Ｂ）に対応した波形図であり、各内部コイル体３１Ａ〜３１Ｃおよび各外部コイル体３２Ａ〜３２Ｃに生じる起電圧の状態を示したものである。すなわち、ロータ１２が風力や水力、または回転体の回転力等の外力により回転すると、図５（Ａ）に示すように、マグネット２３Ａ〜２３Ｄの回転に応じて、内部コイル体３１Ａおよび外部コイル体３２Ｂ（ａ相−ｎ相）、内部コイル体３１Ｂおよび外部コイル体３２Ｃ（ｂ相−ｎ相）、内部コイル体３１Ｃおよび外部コイル体３２Ａ（ｃ相−ｎ相）のそれぞれに起電圧が発生される。
【００２７】
そして、図５（Ｂ）に示すように、整流回路基板１７のブリッジ回路のａ相では内部コイル体３１Ａと外部コイル体３２Ｂに発生した起電圧が全波整流されて重畳され、ｂ相では内部コイル体３２Ａと外部コイル体３２Ｃに発生した起電圧が全波整流されて重畳され、ｃ相では内部コイル体３１Ｃと外部コイル体３２Ａに発生した起電圧が全波整流されて重畳される。
【００２８】
続いて、図５（Ｃ）に示すように、当該整流回路基板１７のブリッジ回路の出力端子にはａ相〜ｃ相の起電圧のそれぞれが重畳されて、脈動した三相全波の起電圧が発生される。そして、図５（Ｄ）に示すように、整流回路基板１７に適宜設けられた平滑コンデンサＣにより平滑化された直流電圧とされてリード線１９Ａ，１９Ｂより出力されるものである。
【００２９】
このように、電機子コイルを内部コイル体３１Ａ〜３１Ｃおよび外部コイル体３２Ａ〜３２Ｃで構成することにより、最小限のスペースで小型、薄型化を図りつつ電機子コイルの巻線数を増加させてこれらの接続状態に応じて発生する発生起電圧や負荷電流を増大させることができるもので、特に上記のように電機子コイルが二重構造であっても内部コイル群の周側面と外部コイル群の周側面を同一外周とすることによってヨークとマグネットとのギャップを、例えば従前の内部コイル群のみを使用した一重構造と同一とさせることができることから当該発電装置１１の大きさに対して起電力の発生効率を向上させることができるものである。
【００３０】
また、電機子コイルに起電力を生じさせるコアまたはヨークをスロットレスタイプとすることで、マグネットの吸引力に対する回転始動のための脱出トルクを最小とすることができ、微小な外力で電機子コイルを回転させることができるものである。すなわち、スロット付きのコイルヨークの場合、ロータ（電機子コイル）１２を回転させるときにマグネット２３Ａ〜２３Ｄの吸引力から脱出するトルクが必要となるが、スロットレスとすることにより当該ロータ１２を回転させるときのいわゆるコギングが解消され、微風や微水力でも回転をスムーズにさせることができるものである。
【００３１】
例えば、本発明の発電装置１１を水洗トイレの電源として使用する場合、水を流す毎に当該発電装置で発電させて蓄電させておくことでセンサや自動弁の動作電力を供給することができるものである。すなわち、従前の水洗トイレで使用されるセンサ用電源等はボタン電池が使用されて年に一度交換する必要があって手間と費用が要すると共に、弁等の駆動電力をコンセント等からの電源で供給していたが、本発明の発電装置を適用することでわずかな水流であっても発電することができ、しかも交換等を要しないと共に、電気配線等を不要とすることができるものである。これらのことは以下の他の実施形態においても同様である。
【００３２】
次に、図６に、本発明の第２実施形態に係る発電装置の構成図を示す。図６はアウタロータ形の発電装置を示したもので、図６（Ａ）はハウジング内部の平面構成図、図６（Ｂ）は図６（Ａ）のＢ−Ｂ断面図、図６（Ｃ）はベースを除いた底面から見た構成図である。図６（Ａ）〜（Ｃ）において、発電装置４１は、ロータ４２がステータ４３を包含するように配置され、ベース４４に軸受４５Ａ，４５Ｂを介して取り付けられたものである。ベース４４は、円板状の中央部分に円筒状の軸支部が形成されたもので、当該軸支部の内壁に上記軸受４５Ａ，４５Ｂが取り付けられる。
【００３３】
上記ロータ４２は、逆椀状のマグネットヨーク５１の中央部分にボス５２が設けられ、当該ボス５２にシャフト５３が固着される。そして、当該マグネットヨーク５１の側部内壁に上記同様の４極のマグネット５４Ａ〜５４Ｄが固着されたものである。当該マグネット５４Ａ〜５４Ｄは、図１に示すマグネット２３Ａ〜２３Ｄと同様である。
【００３４】
上記ステータ４３は、円盤状のスロットレスタイプの積層コア６１がベース４４の軸支部の外周に取り付けられ、当該積層コア６１の周側面に対して、上記図３に示すような中空の内部コイル体６２Ａ〜６２Ｃによる構成の内部コイル群および中空の外部コイル体６３Ａ〜６３Ｃによる構成の外部コイル群が当該内部コイル群を覆って取り付けられたものである。
【００３５】
すなわち、図３と同様に、積層コア６１の周側面に対して上記３つの内部コイル体６２Ａ〜６２Ｃのそれぞれを１２０度間隔で並列的に配置させて内部コイル群とし、この内部コイル群を仮想的な円盤とした場合の周側面に対して、当該内部コイル群を覆って３の外部コイル体６３Ａ〜６３Ｃのそれぞれを上記内部コイル体３１Ａ〜３１Ｃより６０度ずらせて１２０度間隔で並列的に配置させて外部コイル群とし、内部コイル群の周側面と前記外部コイル群の周側面を同一外周としたものである。なお、内部コイル体６２Ａ〜６２Ｃおよび外部コイル体６３Ａ〜６３Ｃは、図４（Ａ）または図４（Ｂ）に示すようにスター結線されて互いに対向する相同士が接続されたものである。
【００３６】
また、ベース４４上であって、ステータ４３の下方には例えば整流回路基板４６が設けられる。この整流回路基板４６は上述と同様に発生する起電力を例えば直流に変換してリード線４８Ａ，４８Ｂより外部に出力させるものである。
【００３７】
ここで、上記発電装置４１の組立を簡単に説明すると、まず、マグネットヨーク５１にボス５２をカシメ等により固定し、当該ボス５２にシャフト５３を圧入させる。当該マグネットヨーク５１の側部内壁に上述のように着磁させたマグネット５４Ａ〜５４Ｄを互いに非接触で配置して接着固定する。一方、積層ヨーク６１に内部コイル体６２Ａ〜６２Ｃのそれぞれを配置してこれらの当接する部分および当該積層ヨーク６１との当接部分で接着固定する。
【００３８】
また、当該内部コイル体６２Ａ〜６２Ｃを覆うように外部コイル体６３Ａ〜６３Ｃのそれぞれを上記のように配置してこれらの当接する部分および内部コイル体３１Ａ〜３１Ｃのそれぞれと当接する部分で接着固定する。これにより、積層ヨーク６１を内包したステータ４３のコイルアセンブリが形成される。
【００３９】
続いて、リード線４８Ａ，４８Ｂが接続された整流回路基板４６を上記コイルアセンブリに取り付け対応のタップ等ではんだ付け等が行われる。また、ベース４４に軸受４５Ａ，４５Ｂを取り付け、上記コイルアセンブリをベース４４の軸支部の外周に接着固定する。そして、当該軸受４５Ａ，４５Ｂにロータ４２のシャフト５３を圧入するものである。
【００４０】
このような発電装置４１の起電力発生は上記発電装置１１と同様である。すなわち、上記同様に、電機子コイルを内部コイル体６２Ａ〜６２Ｃおよび外部コイル体６３Ａ〜６３Ｃで構成することにより、最小限のスペースで小型、薄型化を図りつつ電機子コイルの巻線数を増加させてこれらの接続状態に応じて発生する発生起電圧や負荷電流を増大させることができるもので、特に上記のように電機子コイルが二重構造であっても内部コイル群の周側面と外部コイル群の周側面を同一外周とすることによってヨークとマグネットとのギャップを、例えば従前の内部コイル群のみを使用した一重構造と同一とさせることができることから当該発電装置１１の大きさに対して起電力の発生効率を向上させることができるものである。また、コイルヨーク６１をスロットレスタイプとすることで回転始動時の脱出トルクを最小とすることができることから、微小な外力でもロータを回転させることができ、は電力発生の効率を向上させることができるものである。
【００４１】
次に、図７に、本発明の第３実施形態に係る発電装置の構成図を示す。図７はアウタロータ形のブラシ付きコアレスモータを示したもので、図７（Ａ）はブラシ台を除いて底面より見た構成図、図７（Ｂ）は図７（Ａ）のＣ−Ｃ断面図、図７（Ｃ）はブラシ台の構成図である。図７（Ａ）〜（Ｃ）において、発電装置７１は、ステータ７２を包含するようにロータ７３が配置され、ハウジング７４に収められる。ハウジング７４は、円筒状で一方が開放され、他方の中央部分に円筒形状の軸支部が形成されたものである。
【００４２】
上記ステータ７２は、円盤状のマグネットヨーク８１が上記軸支部の内壁に固着され、当該マグネットヨーク８１の外周に界磁束発生の主となる例えば４個のマグネット８２Ａ〜８２Ｄが固着されたものである。当該マグネット８２Ａ〜８２Ｄは上述と同様のものである。
【００４３】
上記ロータ７３は、シャフト９１が円板状のハブ９２の中央を貫通して固着され、当該シャフト９１の一方側のハブ９２に例えば６つの整流子９３Ａ〜９３Ｆ（６セグメント）が固着される。これら整流子９３Ａ〜９３Ｆは対向する整流子同士が短絡される（図８（Ａ）参照）。また、上記ステータ７２およびハブ９２を仮想的な円盤とし、その周側面に対して上記図３に示すような中空の内部コイル体９４Ａ〜９４Ｃによる構成の内部コイル群および中空の外部コイル体９５Ａ〜９５Ｃによる構成の外部コイル群が当該内部コイル群を覆って取り付けられたものである。そして、
【００４４】
すなわち、図３と同様に、ステータ７２およびハブ９２を仮想的な円盤とした場合の周側面に対して上記３つの内部コイル体９４Ａ〜９４Ｃのそれぞれを１２０度間隔で並列的に配置させて内部コイル群とし、この内部コイル群を仮想的な円盤とした場合の周側面に対して、当該内部コイル群を覆って３の外部コイル体９５Ａ〜９５Ｃのそれぞれを上記内部コイル体９４Ａ〜９４Ｃより６０度ずらせて１２０度間隔で並列的に配置させて外部コイル群とし、内部コイル群の周側面と前記外部コイル群の周側面を、同一外周としたものである。
【００４５】
なお、内部コイル体９４Ａ〜９４Ｃおよび外部コイル体９５Ａ〜９５Ｃは、互いに対向する相同士のコイル同士が並列または直列でスター結線で接続され、結線された状態でそれぞれの開放端子が整流子９３Ａ〜９３Ｆに接続される。本実施形態では、内部コイル体９４Ａの一端が整流子９３Ａに接続され、内部コイル体９４Ｂの一端が整流子９３Ｂに接続され、内部コイル体９４Ｃの一端が整流子９３Ｃに接続され、外部コイル体９５Ａの一端が整流子９３Ｄに接続され、外部コイル体９５Ｂの一端が整流子９３Ｅに接続され、外部コイル体９５Ｃの一端が整流子９３Ｆに接続される。
【００４６】
この場合、内部コイル群と外部コイル群とが所定数の補強リング９６で補強固定される。なお、当該補強リング９６は、電機子コイルの回転時に離脱しないようにするために念のためとして設けたものであるが、本来、内部コイル体９４Ａ〜９４Ｃおよび外部コイル体９５Ａ〜９５Ｃは互いに接着剤等により固着されることから、従前のコイル体同士の接着より強度に固着され、回転による離脱防止が増強されているものである。
【００４７】
そして、シャフト９１が軸受（例えばスリーブ形ベアリングであり、上述のボールベアリングでもよい）７５により上記ハウジング７４の軸支部の内壁に回転自在に取り付けられ、当該シャフト９１のハウジング７４より延出した部分にＥリング７６が設けられたものである。
【００４８】
一方、ハウジング７４の蓋部の役割をもなすブラシ台７７が当該ハウジング７４の開口側に設けられ、対応のブラシ固定部に例えば２つ（４つでもよい）のブラシ７８Ａ，７８Ｂが９０度間隔で配置され、上記整流子９３Ａ〜９３Ｆと当接させて広がらないように固定される。上記ブラシ７８Ａはリード線７９Ａと接続され、上記ブラシ７８Ｂはリード線７９Ｂと接続される。そして、ブラシ台７７をハウジング７４の開口部分に嵌合固定させることで当該ハウジング７４内を略密閉状態としている。なお、ハウジング７４は、コイルヨークの役割をも為し、回転時のコギングに影響するスロットは半ば当然的に形成されない。
【００４９】
ここで、上記発電装置７１の組立を簡単に説明すると、まず、マグネットヨーク８１に軸受７５を圧入（または接着）し、当該マグネットヨーク８１の外周に上述のように着磁させたマグネット８２Ａ〜８２Ｄを互いに非接触で配置して接着固定する。一方、シャフト９１にハブ７７を圧入し、上記マグネット８２Ａ〜８２Ｄを微小ギャップで内包させて内部コイル体９４Ａ〜９４Ｃをハブ７７に接着固定する（これらは専用の治具が使用される）。また、当該内部コイル体９４Ａ〜９４Ｃを覆うように外部コイル体９５Ａ〜９５Ｃのそれぞれを上記のように配置してこれらの当接する部分および内部コイル体９４Ａ〜９４Ｃのそれぞれと当接する部分で接着固定すると共に、補強リング９６で当該内部コイル群と外部コイル群とを接着固定する。
【００５０】
一方、シャフト９１に、適宜対向同士で短絡された整流子９３Ａ〜９３Ｆを取り付け、当該整流子９３Ａ〜９３Ｆのライザに各対応の内部コイル体９４Ａ〜９４Ｃおよび外部コイル体９５Ａ〜９５Ｃの片方のタップをはんだ付け等により接続し、他方のタップを上記補強リング９６にはんだ付け等により固着する。また、マグネットヨーク８１をハウジング７４の軸支部内壁に挿入して接着固定する。
【００５１】
他方、ブラシ台７７にブラシ７８Ａ，７８Ｂを取り付けて対応する同士で接続すると共に、対応のリード線７９Ａ，７９Ｂをはんだ付け等により接続し、当該ブラシ台７７をハウジング７４に当該ブラシ７８Ａ，７８Ｂを広げながら取り付ける。そして、リード線７９Ａ，７９Ｂを電源に接続することでモータとの動作をさせるために電流を供給することによって当該ブラシ台７７を回転させながら適切なタイミング位置に合わせてハウジング７４にカシメまたは接着剤等により取り付けるものである。
【００５２】
そこで、図８および図９に、図７に係る発電装置における発電状態の説明図を示す。図８（Ａ）は整流子とブラシを示した説明図、図８（Ｂ）は各コイル体に生じる起電力の状態を示した波形図である。
【００５３】
図８（Ａ）において、上記各内部コイル体９４Ａ〜９４Ｃと各外部コイル体９５Ａ〜９５Ｃとは並列または直列でスター結線され、これらの各相が上述のように６セグメントの整流子９３Ａ〜９３Ｆにそれぞれ接続されると共に、対向する整流子同士（９３Ａと９３Ｄ、９３Ｂと９３Ｅ、９３Ｃと９３Ｆ）が短絡されたものである。また、このような整流子９３Ａ〜９３Ｆに対して９０度で隣接配置されたブラシ７８Ａ，７８Ｂが当接されたものである。なお、整流子９３Ａ〜９３Ｆ接続された内部コイル体９４Ａ〜９４Ｃおよび外部コイル体９５Ａ〜９５Ｃに対向するマグネット８２Ａ〜８２Ｄを破線で示している。
【００５４】
そして、シャフト９１を介してロータ７３（内部コイル体９４Ａ〜９４Ｃおよび外部コイル体９５Ａ〜９５Ｃ）が回転されると、図８（Ｂ）に示すように、各内部コイル体９４Ａ〜９４Ｃおよび外部コイル体９５Ａ〜９５Ｃのそれぞれはマグネット８２Ａ〜８２ＤのＮ極とＳ極の境界で最大の起電力が、マグネット８２Ａ〜８２Ｄの極性の切り替わり時に起電力は発生されない。すなわち、図８（Ｂ）の斜線で示す起電力が各内部コイル体９４Ａ〜９４Ｃおよび外部コイル体９５Ａ〜９５Ｃのそれぞれに発生する。
【００５５】
この場合、整流子９３Ａ〜９３Ｆは上述のように対向する同士が短絡されていることから、当該短絡された整流子同士では、図９（Ａ）に示すように、それぞれの起電力が重畳された状態となる。また、これら整流子同士で重畳された起電力が、図９（Ｂ）に示すように、リード線７９Ａ，７９Ｂ間で重畳されたものとなり、その最小から最大までのものが図９（Ｃ）で示すようにリード線７９Ａ，７９Ｂ間に生じた起電力Ｐとなるものである。
【００５６】
このように、６セグメントの整流子を備えるアウタロータ形のブラシ付きの発電装置７１であっても、上記同様に、電機子コイルを内部コイル体３１Ａ〜３１Ｃおよび外部コイル体３２Ａ〜３２Ｃで構成することにより、最小限のスペースで小型、薄型化を図りつつ電機子コイルの巻線数を増加させてこれらの接続状態に応じて発生する発生起電圧や負荷電流を増大させることができるもので、特に上記のように電機子コイルが二重構造であっても内部コイル群の周側面と外部コイル群の周側面を同一外周とすることによってヨークとマグネットとのギャップを一重構造と同一とさせることができることから当該発電装置１１の大きさに対して起電力の発生効率を向上させることができるものである。また、マグネットの吸引力に対する回転始動時の脱出トルクを最小とすることができ、微小な外力で電機子コイルを回転させることができることから、回転時のコギングが解消されて微風や微水力でも回転をスムーズにさせることができるものである。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明の発電装置は、風力や水力等の外力や、回転体等の外部からの回転力（外力）により起電力を発生させ、内蔵電源として、また送電困難な場所や自動車のダイナモ等の種々の用途に使用される場合に適している。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る発電装置の構成図である。
【図２】図１に示す発電装置の一部断面斜視図である。
【図３】図１に示す発電装置の電機子コイルの説明図である。
【図４】図１に示す発電装置の電機子コイルおよび整流回路の説明図である。
【図５】図４における電機子コイルに生じる起電圧の波形図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る発電装置の構成図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る発電装置の構成図である。
【図８】図７に係る発電装置における発電状態の説明図（１）である。
【図９】図７に係る発電装置における発電状態の説明図（２）である。
【符号の説明】
【００５９】
１１，４１，７１            発電装置
１２                        ロータ
１３                        ステータ
１６                        コイルヨーク
２２                        マグネットヨーク
２３Ａ〜２３Ｄ              マグネット
３１Ａ〜３１Ｃ              内部コイル体
３２Ａ〜３２Ｃ              外部コイル体
【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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