(57)【要約】【課題】比較的精微な構造を有しながらも、風力発電と電磁誘導の実験の両方が出来る事で、エネルギー変換の様子を理解できる風力発電装置を提供する事。【解決手段】風力発電装置の駆動回転軸に、クラッチ構造を介する事で、回転羽根による風力発電と、電磁誘導の実験として、発電原理を学ぶ両方が可能である。電磁誘導の実験については、モーター駆動により、任意の回転数に応じた発電量が実験できる。発電コイルと円形型回転磁石の距離をネジ機構により精度よく調整して、発電量の実験が出来る。さらに発電コイルに空洞部を設ける事で、多種の磁気材料を押入して、発電量の変化を実験により確認できる。又、鉄芯に鉄片材料を取り付けた状態での磁気回路を構成しての発電量も実験可能である。この様な実験をパラメータとして、任意の回転数に応じた発電量を実験者が運びながら実験が出来て、理論値との照合もできる。事故防止の安全対策として、棒状部材を設けて、駆動モーターで回転羽根を回転しないようにした。さらに、発電コイルを３個設けて平衡三相交流発電も可能とした。【選択図】    図１
2005016463.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心に駆動回転軸（５）を有する円形型回転磁石（９）の外周面に近接させて発電用コイル（７）を配設したものにおいて、前記駆動回転軸（５）の一方側に風を受けることにより回転可能な回転羽根（１）を着脱固定自在に設け、駆動回転軸（５）の他方側に駆動回転軸への動力を断接可能とするクラッチ機構（６）を介して駆動用モーター（４）を配設したことを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
発電用コイル（７）を円形型回転磁石（９）の外周面に遠近調節固定自在に配設したことを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
【請求項３】
発電用コイル（７）をガイド部材（８）に摺動可能に支持し、ネジ機構（Ｓ）により往復移動自在に構成したことを特徴とする請求項２記載の風力発電装置。
【請求項４】
発電用コイル（７）を、縦方向に貫通する円筒型の空洞部（１０）を有するソレノイド型円形コイルで構成したことを請求項１、２、３記載の風力発電装置。
【請求項５】
空洞部（１０）に棒状の鉄芯（Ｆ）を挿入位置させたことを特徴とする請求項４記載の風力発電装置。
【請求項６】
鉄芯（Ｆ）に、円形型回転磁石（９）の外周面片側若しくは両側に位置する鉄片部材（１１）、（１２）を着脱固定自在に設けたことを特徴とする請求項５記載の風力発電装置。
【請求項７】
駆動用モーター（４）の回転速度を制御機構を介して無段階に任意回転数に設定可能としたことを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
【請求項８】
円形型回転磁石（９）に対して駆動用モーター（４）を前後移動固定自在に構成して動力を断接可能としたことを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
【請求項９】
駆動用モーター（４）を取り付けた台座（１４）に棒状部材（１５）を取り付け、駆動用モーター（４）を円形型回転磁石（９）に対して前進させて動力接続状態にした時に、該棒状部材（１５）の先端が回転羽根（１）の回転軌跡線上に交差位置するように構成したことを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
【請求項１０】
円形型回転磁石（９）の外周面に、３等分位置させて発電用コイル（７）を配設したことを配設したこと請求項１記載の風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、小型の発電装置に係り、例えば回転羽根により風力を円形型回転磁石と発電用コイルによる電磁誘導作用により電気に変換するシステムを外部より視覚で確認できる。さらに電磁誘導に関する実験を円形型回転磁石と発電用コイルの距離の遠近調整及び発電用コイル空洞部への各種材料の押入、さらには駆動モータにより、任意の回転数を制御し計測電圧を計測して実験値と理論計算値との、照合をする事が出来るなど、各種実験に利便ならしめる学習教材用の風力発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
学習用の風力発電装置は種々のものが提案されているが機能が単一化されているものでは実験範囲が限られるとか、機能が複合化されているものは構造が複雑であるなどの問題があつた。
【０００３】
例えば、公開特許公報「特開２００１−３３１０９７」には、学習教材用風力発電機製作キット及び学習教材用風力発電機が開示されているが、発電に従い発光体が発光する。しかし、発電に関しての物理的現象を段階的に理解する事などが難しいものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、発電に関しての理論的構成要素を、実験者が仮説を立てながら段階的に体験を通して実証できないという問題点がある。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題点を解決しようとするもので、構造は簡単でありながら種々の機能が確認できる風力発電装置を提供することができる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は第一に、中心に駆動回転軸を有する円形型回転磁石の外周面に近接させて発電用コイルを配設したものにおいて、前記駆動回転軸の一方側に風を受けることにより回転可能な回転羽根を着脱固定自在に設け、駆動回転軸の他方側に駆動回転軸への動力を断接可能とするクラッチ機構を介して駆動用モーターを配設したことを特徴とする風力発電装置を提供することにより上記課題を解決したものである。
第二に、発電用コイルを円形型回転磁石の外周面に遠近調節固定自在に配設したことを特徴とし、第三に、発電用コイルをガイド部材に摺動可能に支持し、ネジ機構により往復移動自在に構成したことを特徴とし、第四に、発電用コイルを、縦方向に貫通する円筒型の空洞部を有するソレノイド型円形コイルで構成したことを特徴とし、第五に、空洞部に棒状の鉄芯を挿入位置させたことを特徴とし、第六に、鉄芯に、円形型回転磁石の外周面片側若しくは両側に位置する鉄片部材を着脱固定自在に設けたことを特徴として、上記課題を解決したものである。
また更に、第七として、駆動用モーターの回転速度を制御機構を介して無段階に任意回転数に設定可能としたことを特徴とし、第八に、円形型回転磁石に対して駆動モーターを前後移動固定自在に構成して動力を断接可能としたことを特徴とし、第九に、駆動用モーターに棒状部材を取り付け、駆動用モーターを円形型回転磁石に対して前進させて動力接続状態にした時に、該棒状部材の先端が回転羽根の回転軌跡線上に交差位置するように構成したことを特徴とし、第十に、円形型回転磁石の外周面に、３等分位置させて発電用コイルを配設したことを配設したことを特徴として、上記課題を解決した風力発電装置を提供するものである。  上記第十の風力発電装置の使用方法においてはモーター駆動により前述の条件のもとに電磁誘導の実験を行う事で、発電に関しての理解と興味関心を喚起する。
この上で実際に回転羽根を風で回転させ発電を行う事で、風から電気へのエネルギー変換過程のプロセスを理解することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の風力発電装置を、図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る斜視図である。正面方向から、風を受ける事により回転する回転羽根（１）と、この回転羽根（１）が回転可能に取り付けられる本体の発電部分（２）と、この本体（２）を支える台座（３）と、駆動用モータ（４）を備えている。尚、図２では台座（３）の下部の図示は省略されている。
【０００８】
上記部品は風力発電装置を構成しており、以下各部品の構成について、順次説明する。図１の回転羽根（１）は図示例では３枚とされており、駆動回転軸（５）に軸架されて、駆動回転軸（５）に対して取り付けナット（１６）で脱着固定自在である。図２は風力発電装置の側面図であり、回転羽根（１）と、駆動用モーター（４）を一直線上に配置している。駆動回転軸（５）は、先端側に回転羽根（１）の取り付け部を有し、中間部に円形型回転磁石（９）を軸架して、後端側にクラッチ機構（６）を有するものであり、クラッチ機構（６）により駆動用モーター（４）の接続を断接して、回転羽根（１）を用いた風力発電実験態様と、回転羽根（１）を取り外して駆動用モーター（４）で行う電磁誘導の実験態様とに切り替え可能に構成されているものである。
【０００９】
発電用コイル（７）と回転子を有する円形型回転磁石（９）との距離の調整をするネジ機構を図３に側面図として示す。  発電用コイル（７）はネジ機構（Ｓ）によりガイド部材（８）が上部つまみ（Ｔ）の右回転で上方に、左回転で下方に移動し、ガイド部材（８）が取り付けられた発電用コイル（７）が回転小型回転磁石（９）との距離（Ｗ）を、精度よく大小に遠近調整する事で発電電圧と距離との関係についての実験ができる。
【００１０】
発電用コイル（７）と、円形型回転磁石（９）の正面図を図４に示す。発電用コイル（７）は円筒型の中央部に空洞部（１０）を有したソレノイド型円形コイルであり、空洞部（１０）に芯部材をいれない空芯の状態と、空洞部（１０）へ鉄芯（Ｆ）を押入位置させた状態、若しくはアルミ、銅、真鍮等の各種磁性材料を押入させた状態にする事で発生電圧の変化が測定可能である。
さらに、磁気回路構成による、発生電圧の変化を測定する為に、円形型回転磁石（９）の外周面片側若しくは両面に位置させて、円形型回転磁石（９）の上部を取り付け部として、固定ボルト（１３）で鉄片部材（１１）、（１２）を着脱固定自在に設けるように構成されている。
【００１１】
図５は風力発電装置の平面図である。例えば、実験者が誤って、回転羽根（１）を取り付けたままの状態で駆動用モーター（４）を回転させない様に安全性を考慮して、該駆動用モータ（４）を取り付けた台座（１４）に棒状部材（１５）を取り付け、駆動用モーター（４）を前進位置させてクラッチ機構（６）を介して円形型回転磁石（９）と動力接続状態にした時には、棒状部材（１５）の先端が回転羽根（１）の回転軌跡線上に交差位置するように構成して回転羽根（１）を回転しないようにした。尚、回転羽根（１）はナット（１６）を緩めて取り外し電磁誘導に関する実験を駆動モーター（４）で行う時の台座（１４）は長孔（１４Ａ）の範囲内で前進移動してボルト（１７）で位置の固定を行う。又、回転羽根（１）を用いて風力発電の実験を行う態様の時は、ボルト（１７）を緩めて台座（１４）を長孔（１４Ａ）の範囲内で後退移動させてクラッチ機構（６）の接続状態を切り離し、しかる後、駆動用モーター（４）を後方位置にボルト（１７）で固定して行う。
【００１２】
図６は円形回転磁石の（９）の外周面に３等分位置させた発電用コイル（７）（７Ａ）、（７Ａ）を配設して平衡三相誘導起電力の発生実験をも可能とした正面図である。台座（３）に穿設した取り付け孔部（３Ａ）に２個の発電コイル（７Ａ）、（７Ａ）を１２０°の角度で装着したコイル台座（１８）を下方より臨ませてボルト（１９）で台座（３）に固定して装着する。
【００１３】
図７は風力発電装置の台座（３）の下部に取り付けた風力発電装置の運転状態を示す表示板（Ｂ）及び計器類の配置を示す正面図である。計器は駆動モーターの状態を知るため、電圧計（２０）と電流計（２１）を配設した。発電用コイル（７）の出力端子は各２個配置し、３個分の６個（２２）を配置し、予備端子２個（２３）、変換スイッチ（２４）を配置した。該変換スイッチ（２４）で駆動用モーター（４）の回転速度を制御機構を介して無段階若しくは段階的に任意回転数に設定可能とすることができる。また、発電コイル（７）の出力端子にオシロスコープまたは電圧計を接続する事で発電の状態を観察できる。
【００１４】
上記の構成において、駆動用モーター（４）を鎖線図示の後退位置に固定してクラッチ機構（６）と駆動用モーター（４）の接続を断にして、回転羽根（１）を用いた風力発電の実験態様にすると、発電コイル（７）の出力端子に接続したオシロスコープまたは電圧計により発電の状態を視覚観察できる。
次に、回転羽根（１）を取り外して駆動用モーター（４）を実線図示の前進位置にして、クラッチ機構（６）と駆動用モーター（４）の接続を接にした状態の電磁誘導の実験態様に切り替えることにより、表示板（Ｂ）に設けた各種計器類を確認しながら、変換スイッチ（２４）の指令に基づく実験が遂行できる。このときに回転羽根（１）を取り外すことを失念していた場合でも、棒状部材（１５）の先端が回転羽根（１）の回転軌跡線上に交差して臨むので、回転羽根（１）の不測な回転が阻止され、誤作動を防止できる。
【００１５】
更に、発電用コイル（７）の空洞部（１０）に芯部材をいれない空芯の状態と、空洞部（１０）へ鉄芯（Ｆ）を押入位置させた状態との発電状態の比較実験ができ、例えば鉄芯（Ｆ）を押入位置させた状態にすると芯部材をいれない空芯の状態に比較して４倍前後の発生電圧があることが確認できる。また、鉄芯（Ｆ）に換えて、アルミ、銅、真鍮等の各種磁性材料を押入させた状態にする事で各種磁性材料の発生電圧の変化が測定可能である。
円形型回転磁石（９）の外周面片側に鉄片部材（１１）を配置した状態にすると、より大きな発生電圧が得られることが確認できる。更に、鉄片部材（１１）を円形型回転磁石（９）の両面に位置させると更に大きな発生電圧が得られることが確認できる。
【００１６】
上記は一相の発電状態を種々可能にしたもので、平衡三相誘導起電力の発生実験をする場合には、台座（３）に穿設した取り付け孔部（３Ａ）に２個の発電コイル（７Ａ）、（７Ａ）を１２０°の角度で装着したコイル台座（１８）を下方より臨ませてボルト（１９）で台座（３）に固定装着することで、簡単に実験ができることとなる。
尚、上記のように各種磁性材料の材質変更に伴って発生電圧がそれぞれ異なる現象に鑑みて、不明材料の材質を確認したいときには、発電用コイル（７）の空洞部（１０）に材質不明の材料を芯部材として押入して発電することにより、発生電圧より逆探知して材質を特定することが可能である。
このように、各種の実験が態様切り替えが簡単でかつ安全な状態で視覚的に若しくは計器類を使用して遂行できるものであり、学校等の教材として有効的に活用できる。本発明の装置は小型、軽量に構成することも可能で運搬等も軽便にできる。
【００１７】
【発明の効果】
請求項１に係る発明の風力発電装置によれば、風を受けての風力発電の実験と駆動モーターで任意の回転における発生電圧の実験の２種類がクラッチ機構により簡単な操作により実験が出来る。請求項２に係る、発明の風力装置によれば、発電用コイルと円形型回転磁石との距離を変化する事で発電量の実験が出来る。請求項３に係る発明の風力発電装置によれば、ネジ機構で精度良く発電量の実験が出来る。請求項４に係る発明の風力発電装置によれば、発電用コイルに空洞部を有する事で各種材料を押入しやすいので材料を換えての発電量の変化が要易に認識できる。請求項５に係る発明の風力発電装置によれば、鉄材料を押入した時の発電量が容易に実験できる。請求項６に係る発明の風力発電装置によれば、鉄片部材を取り付けての実験を行う事で、磁気回路の認識を高める事が出来る。請求項７に係る発明の風力発電装置によれば、駆動モーターの回転を電圧制御により簡単で確実に制御出来る。請求項８に係る発明の風力発電装置によれば、クラッチ機構で簡単で確実に駆動モーターを断接出来る。請求項９に係る発明の風力発電装置によれば、駆動モーターで羽根を回転する事がない様に棒状部材を設けて安全性を確実にした。請求項１０に係る発明の風力発電装置によれば、発電用コイルを円形型回転磁石の外周面に３等分位置させた事で、平衝三相誘導起電力を発生させ幾可学的位置と電気の発生メカニズムを、実験者が理解して興味をより一層強く引き付ける事が可能となり、学習効果を向上させる事が出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る風力発電装置の斜視図である。
【図２】図１の要部側面図である。
【図３】ネジ機構の側面図である。
【図４】発電用コイルと円形型回転磁石の正面図である。。
【図５】風力発電装置の要部平面図である。
【図６】円形回転磁石の外周面に三等分位置させて発電コイルを配置した概略正面図である。
【図７】表示板及び各種計器類の正面図である。
【符号の説明】
１．回転羽根
２．発電部分本体（回転軸及び回転軸に装着した回転小型回転磁石）
３．台座
４．駆動用モーター
５．駆動回転軸
６．クラッチ機構
７．発電用コイル
８．ネジ機構により上下移動する  ガイド部材
９．回転小型回転磁石
１０．発電用コイルの空洞部
１１．鉄片部材（片側）
１２．鉄片部材（両側）
１３．固定ボルト
１４．駆動モーター取り付け台座
１５．棒状部材
１６．羽根の取り付けナット
１７．駆動モーター取り付け台座固定ボルト
１８．コイル台座
１９．コイル台座固定ボルト
２０．電圧計
２１．電流計
２２．コイルの出力端子
２３．予備端子
２４．駆動モーター変換スイッチ
【図１】
2005016463.tif 000003
【図２】
2005016463.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005016463.tif 000006
【図５】
2005016463.tif 000007
【図６】
2005016463.tif 000008
【図７】
2005016463.tif 000009