(57)【要約】【課題】ロータの回転に作用するコギングトルクの影響を抑え小さな回転トルクで発電可能な小型の発電機を提供する。【解決手段】ロータ１の界磁コイル３に通電して形成されるロータ磁極が、隣り合う磁性体ブロック５の中間位置で通電開始し当該ロータ磁極が磁性体ブロック５と対向する位置で通電を遮断するように界磁コイル３への通電又は通電遮断動作を交互に繰り返してロータ１を回転させ、ヨーク６に形成される磁気回路の磁束変化により誘起される誘導電力を出力コイル７から取り出す。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアに界磁コイルが巻き付けられたロータと、該ロータに一端が対向配置される磁性体ブロックと、該磁性体ブロックの他端に近接して磁気回路を形成するヨークと、該ヨークの胴部に巻き付けられた出力コイルを備え、
ロータの界磁コイルに通電して形成されるロータ磁極が、隣り合う磁性体ブロックの中間位置で通電開始し当該ロータ磁極が磁性体ブロックと対向する位置で通電を遮断するように界磁コイルへの通電又は通電遮断動作を交互に繰り返してロータを回転させ、ヨークに形成される磁気回路の磁束変化により誘起される誘導電力を出力コイルから取り出すことを特徴とする発電機。
【請求項２】
前記磁性体ブロックは、一端側がロータを囲んで複数配置され、他端側と近接するヨークとの間に非磁性材若しくは空隙が形成され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】
ロータの回転軸には摺動リングが設けられており、該摺動リングに当接するブラシの摺動範囲により、界磁コイルへの通電又は通電遮断動作が交互に行なわれることを特徴とすることを特徴とする請求項１記載の発電機。
【請求項４】
電源部より、ロータの回転にともない界磁コイルの磁極位置が磁性体ブロックの中間位置で通電開始し当該磁極位置が磁性体ブロックと対向する位置で通電を遮断する矩形波電流を連続して供給することを特徴とする請求項１記載の発電機。
【請求項５】
永久磁石を備えたロータと、該ロータに一端が対向配置される磁性体ブロックと、磁性体ブロックの他端に隣接して磁気回路を形成するヨークと、該ヨークの胴部に巻き付けられた出力コイルと、ロータの回転位置に応じて出力コイルに異なる向きの電流が流れるように通電切替えを行なう通電回路を備え、
ロータ磁極が隣り合う磁性体ブロックの中間位置で出力コイルへの通電回路をＯＮにし当該ロータ磁極が磁性体ブロックと対向する位置で通電回路をＯＦＦする通電又は通電遮断動作を交互に繰り返してロータを回転させ、ヨークに形成される磁気回路の磁束変化により誘起される誘導電力を出力コイルから取り出すことを特徴とする発電機。
【請求項６】
磁性体ブロックは、一端側がロータを囲んで複数配置され、他端側と近接するヨークとの間に非磁性材若しくは空隙が形成されていることを特徴とする請求項５記載の発電機。
【請求項７】
出力コイルにはスイッチング素子が直列に接続されて負荷側へ出力を取り出す通電回路が設けられており、ロータの回転軸に設けられた摺動リングに当接するブラシの摺動範囲により、スイッチング素子をＯＮ・ＯＦＦさせて出力コイルへの通電又は通電遮断動作が交互に行なわれることを特徴とする請求項５記載の発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
化石燃料や原子力燃料の利用が普及した今日において、地球温暖化防止や環境保護の観点から、クリーンエネルギーの有効利用が叫ばれている。特に風力発電、水力発電、潮力発電など電気エネルギーを有効利用の重要性が増している。この電気エネルギーを効率よく生み出す発電機へのニーズが高まっている。
例えば、風力（水力）によりロータを回転させて回転軸と同軸に設けた摺動接点ブラシによりスイッチングを行なって、誘導コイルに発生する誘導起電力を昇圧して取り出す回転式に発電機が提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−３１２９７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、風力、水力は自然条件によって回転するため、必ずしも安定的に電力を供給できるとは限らない。界磁コイルが巻き付けられたロータが回転すると、誘導コイルが巻き付けられた固定子ヨークに生じた逆起電力により回転方向を妨げる向きの磁気反発力が作用する。このため、ロータを安定して回し続けるためには、磁気反発力以上の回転力を要する。特にロータに対向配置される固定子ヨークの間隔が大きくなれば、磁気抵抗が増えるため回転トルクの変動が大きくなる。固定子ヨークの数を増やせば回転トルクの変動を小さくできるが、ロータが大型化する。
【０００４】
本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、ロータの回転トルクの変動を抑えて小さな回転トルクで発電可能な発電機を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
コアに界磁コイルが巻き付けられたロータと、該ロータに一端が対向配置される複数の磁性体ブロックと、各磁性体ブロックの他端に近接して磁気回路を形成するヨークと、該ヨークの胴部に巻き付けられた出力コイルを備え、ロータの界磁コイルに通電して形成されるロータ磁極が、隣り合う磁性体ブロックの中間位置で通電開始し当該ロータ磁極が磁性体ブロックと対向する位置で通電を遮断するように界磁コイルへの通電又は通電遮断動作を交互に繰り返してロータを回転させ、ヨークに形成される磁気回路の磁束変化により誘起される誘導電力を出力コイルから取り出すことを特徴とする。
また、前記磁性体ブロックは、一端側がロータを囲んで複数配置され、他端側と近接するヨークとの間に非磁性材若しくは空隙が形成されていることを特徴とする。
また、ロータの回転軸には摺動リングが設けられており、該摺動リングに当接するブラシの摺動範囲により、界磁コイルへの通電又は通電遮断動作が交互に行なわれることを特徴とする。
或いは、電源部より、ロータの回転にともない界磁コイルの磁極位置が磁性体ブロックの中間位置で通電開始し当該磁極位置が磁性体ブロックと対向する位置で通電を遮断する矩形波電流を連続して供給することを特徴とする。
【０００６】
他の手段としては、永久磁石を備えたロータと、該ロータに一端が対向配置される複数の磁性体ブロックと、各磁性体ブロックの他端に隣接して磁気回路を形成するヨークと、該ヨークの胴部に巻き付けられた出力コイルと、ロータの回転位置に応じて出力コイルに異なる向きの電流が流れるように通電切替えを行なう通電回路を備え、ロータ磁極が隣り合う磁性体ブロックの中間位置で出力コイルへの通電回路をＯＮにし当該ロータ磁極が磁性体ブロックと対向する位置で通電回路をＯＦＦする通電又は通電遮断動作を交互に繰り返してロータを回転させ、ヨークに形成される磁気回路の磁束変化により誘起される誘導電力を出力コイルから取り出すことを特徴とする。
また、前記磁性体ブロックは、一端側がロータを囲んで複数配置され、他端側と近接するヨークとの間に非磁性材若しくは空隙が形成されていることを特徴とする。
また、出力コイルにはスイッチング素子が直列に接続されて負荷側へ出力を取り出す通電回路が設けられており、ロータの回転軸に設けられた摺動リングに当接するブラシの摺動範囲により、スイッチング素子をＯＮ・ＯＦＦさせて出力コイルへの通電又は通電遮断動作が交互に行なわれることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
上述した発電機を用いれば、ロータを外力で回転させてロータ磁極が隣り合う磁性体ブロックの中間位置で通電開始し当該ロータ磁極が磁性体ブロックと対向する位置で通電を遮断するように界磁コイルへの通電及び通電遮断動作を繰り返す。このとき、ロータ磁極と磁性体ブロックとの間の磁気吸引力による磁界と出力コイルに生ずる逆起電力による磁界の影響を打ち消しあって回転方向に付勢する間だけ界磁コイルに通電するので、小さな回転トルクで効率よくロータを回すことができ、ヨークに形成される磁気回路の磁束変化により誘起される誘導電力を出力コイルから取り出すことができる。
よって、ヨーク側で発生する逆起電力による磁界の影響を抑えることでロータの回転トルクの変動を抑え、ロータを回転方向に付勢する間だけ通電することで省エネルギー化を図ることができ、小さな回転トルクで発電可能な発電機を提供することができる。
また、永久磁石を備えたロータを用い、ロータ磁極が隣り合う磁性体ブロックの中間位置で出力コイルへの通電回路をＯＮにし当該ロータ磁極が磁性体ブロックと対向する位置で通電回路をＯＦＦする通電又は通電遮断動作を交互に繰り返してロータを回転させる場合にも同様である。
また、ロータに対向配置される複数の磁性体ブロックがヨークに近接して設けられていると、磁性体ブロックはロータの界磁コイルによる磁界と出力コイル側に発生する逆起電力による磁界の影響を同時に受ける。このとき、磁性体ブロック内では磁界の強さの大きいほうの影響を受けて極性が決まるためロータの回転トルクの変動を抑えることができる。
また、磁性体ブロックの他端側と近接するヨークとの間に非磁性材若しくは空隙が形成されていると、ロータの界磁コイルへの通電を遮断した後、或いは出力コイルへの通電回路をＯＦＦした後、磁性体ブロックから残留磁気による磁束の漏れは少ないため、ロータの回転を妨げるトルクの発生を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明に係る発電機の最良の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。
[第１実施例]
図１乃至図５を参照して発電機の一例について説明する。
ロータ１は、磁束作用面２ａが２箇所に設けられた２極用のコア２が設けられている。このコア２の胴部には界磁コイル３が巻き付けられている。コア２は例えばケイ素鋼板を重ね合わせた積層コアが用いられる。ロータ１は、回転軸４を中心に回転可能に支持されている。尚、ロータ１の界磁コイル３への通電電流は、交流電源（商用電源）を全波整流して得られた直流電源部（図示せず）より公知のインバータ回路やサーボ電源を通じて供給される。
【０００９】
磁性体ブロック５は、ロータ１のコア２の磁束作用面２ａに一端面５ａが対向配置されている。磁性体ブロック５の他端面５ｂはヨーク６の端面に近接して設けられる。ヨーク６はコ字状に形成されており胴部には出力コイル７が巻き付けられている。ヨーク６に形成される磁気回路の磁束変化により誘起される誘導電力を出力コイル７から取り出すようになっている。
【００１０】
磁性体ブロック５は、一端面５ａがロータ１を囲んで配置され、他端面５ｂと近接するヨーク６との間に非磁性材（紙）８が挿入されている。非磁性材８の代わりに空隙が形成されていても良い。この磁性体ブロック５とヨーク６との間にわずかに磁気抵抗を設けることで、界磁コイル３への通電を遮断した後に磁性体ブロック５に残る残留磁気による磁力線がロータ１やヨーク６側へ作用し難くなる。このため、コア２に作用する磁気吸引力が弱まるため、ロータ１の回転を妨げる磁気吸引力を減らすことができる。尚、非磁性材８や空隙を省略してヨーク６の端面と当接していてもよい。
【００１１】
図２において、ロータ１の回転軸４にはコミュテータ（摺動リング）９が一体に設けられている。コミュテータ９は界磁コイル３への通電範囲を規定する円弧状の切替え部１０が設けられている。コミュテータ９の外周にはカーボンブラシ１１ａが常時当接しており、切替え部１０の外周にはカーボンブラシ１１ｂが当接可能に設けられている。図３において、回転軸４が回転すると、ロータ１と共にコミュテータ９も回転する。このとき、ブラシ１１ａとブラシ１１ｂがコミュテータ９及び切替え部１０を通して導通することにより、ロータ１の回転位置に応じた出力コイル７への通電又は通電遮断動作が交互に行なわれる。
尚、ブラシとコミュテータの機械的な通電切替えのほかに回転軸４に設けられた鉄片を近接スイッチにより検出して電源部から界磁コイル３へ流れる通電範囲を規定するように回路構成してもよい。
【００１２】
ここで、界磁コイル３への通電・通電遮断動作の一例について図４（ａ）〜（ｄ）の状態図を参照して説明する。ロータ１を外力により回転させて、ロータ磁極（例えばＮ極）が、隣り合う磁性体ブロック５の中間位置（回転位置；Ａ１）で界磁コイル３へ通電を開始する（図４（ａ）参照）。このとき、磁性体ブロック５とロータ磁極との間に磁気吸引力が作用してロータ１は矢印方向へ回転する。このとき、磁性体ブロック５においてロータ磁極との磁気吸引力による磁界と出力コイル６に生ずる逆起電力による磁界の影響を打ち消し合う。このため、ロータ１は回転方向に付勢されたままロータ磁極（例えばＮ極）が磁性体ブロック５と対向する位置（回転位置；Ａ２）までスムーズに回転する。そして、この回転位置Ａ２で通電を遮断する（図４（ｂ)参照）。通電を遮断しても、磁性体ブロック５には残留磁気による磁束の漏れは少ないためロータの回転を妨げるトルクの発生が抑えられ、ロータ１は更に矢印方向へ回転し易くなる。
【００１３】
同様に、ロータ１のロータ磁極（例えばＮ極）が、隣り合う磁性体ブロック５の中間位置（回転位置；Ａ３）で通電を開始し（図４（ｃ）参照）、当該ロータ磁極（例えばＮ極）が磁性体ブロック５と対向する位置（回転位置；Ａ４）で通電を遮断する（図４（ｄ）参照）。尚、界磁コイル３にインバータ回路やサーボ電源などの電源部を通じて流れる電流波形を図４（ｅ）に示す。このようにロータ１の回転位置に応じた通電範囲（Ａ１〜Ａ２、Ａ３〜Ａ４）で矩形波（方形波）状のパルス電流が供給される。このように、ロータ１の回転位置に応じて界磁コイル３への通電又は通電遮断動作を交互に繰り返してさせ、ヨーク６に形成される磁気回路の磁束変化により誘起される誘導電力を出力コイル７から取り出すようになっている。
【００１４】
また、図５（ａ）（ｂ）は、ヨーク６と共に磁気回路を形成する磁性体ブロック５をロータ１の周囲に４箇所設けた場合の界磁コイル３への通電・通電遮断動作の一例を示す。
ロータ１を外力により回転させて、ロータ磁極（例えばＮ極）が隣り合う磁性体ブロック５の中間位置（回転位置；Ａ２）で通電を開始し（図５（ａ）参照）、当該ロータ磁極（例えばＮ極）が磁性体ブロック５と対向する位置（回転位置；Ａ３）で通電を遮断する（図５（ｂ）参照）。同様に、ロータ磁極（例えばＮ極）が、隣り合う磁性体ブロック５の中間位置（回転位置；Ａ４、Ａ６、Ａ８）で通電を開始し当該ロータ磁極（例えばＮ極）が磁性体ブロック５と対向する位置（回転位置；Ａ５、Ａ７、Ａ１）で通電を遮断する。このように、ロータ１に対向する磁性体ブロック５の数が増えるほど、通電時間は短くなる。
よって、ヨーク６側で発生する逆起電力による磁界の影響を抑えることでロータ１の回転トルクの変動を抑え、ロータ１を回転方向に付勢する間だけ通電することで省エネルギー化を図ることができ、小さな回転トルクで発電可能な発電機を提供することができる。
【００１５】
［第２実施例］
次に図６乃至図９を参照して発電機の他例について説明する。第１実施例と同一部材には同一番号を付して説明を援用するものとする。本実施例では図６において、ロータ１は永久磁石１２を備えている。また、ロータ１を外力により回転させて、ロータ磁極が隣り合う磁性体ブロック５の中間位置で出力コイル７への通電回路をＯＮにし当該ロータ磁極が磁性体ブロック５と対向する位置で通電回路をＯＦＦする通電又は通電遮断動作を交互に繰り返してロータ１を回転させる点は第１実施例と同様である。磁性体ブロック５は、一端面５ａがロータ１を囲んで複数配置され、他端面５ｂと近接するヨーク６との間に非磁性材８若しくは空隙が形成されている。尚、非磁性材８や空隙を省略してヨーク６の端面と当接していてもよい。
【００１６】
また、図７において、出力コイル７にはスイッチング素子１４ａ、１４ｂが直列に接続されて負荷側へ出力を取り出す通電回路が設けられている。スイッチング素子１４ａ、１４ｂとしては、バイポーラトランジスタ、ＦＥＴなどが好適に用いられる。この通電回路は、ロータ１の回転位置に応じてスイッチング素子１４ａ、１４ｂをＯＮ・ＯＦＦさせて、出力コイル７に異なる向きの電流が流れるようになっている。具体的には、ロータ１の回転軸４には永久磁石１２と共にコミュテータ（摺動リング）９が設けられている。コミュテータ９は界磁コイル３への通電範囲を規定する円弧状の切替え部１０が設けられている。コミュテータ９の外周にはカーボンブラシ１１ａが常時当接しており、切替え部１０の外周にはカーボンブラシ１１ｂ、カーボンブラシ１１ｃが当接可能に設けられている。カーボンブラシ１１ａは直流電源１３の＋端子へ接続されている。カーボンブラシ１１ｂはスイッチング素子１４ａの＋端子へ接続され、カーボンブラシ１１ｃはスイッチング素子１４ｂの＋端子へ接続されている。また、直流電源１３の−端子はスイッチング素子１４ａ、１４ｂの−端子と接続されている。
【００１７】
ロータ１が回転すると同軸に設けられたコミュテータ９も回転する。このとき、ブラシ１１ａとブラシ１１ｂがコミュテータ９及び切替え部１０を通して導通するとスイッチング素子１４ａがＯＮして出力コイル７には実線矢印Ｐ方向に電流が流れる。また、ブラシ１１ａとブラシ１１ｃがコミュテータ９及び切替え部１０を通して導通するとスイッチング素子１４ｂがＯＮして出力コイル７には破線矢印Ｑ方向に電流が流れる。
【００１８】
ここで、ロータ１の回転位置と出力コイル７への通電・通電遮断動作の一例について図７の回路図及び図８の状態図を参照して説明する。ロータ１を外力により回転させて、ロータ１の永久磁石１２の磁極（例えばＮ極）が、隣り合う磁性体ブロック５の中間位置（回転位置；Ａ１）でスイッチング素子１４ａがＯＮして出力コイル７に矢印Ｐ方向へ通電を開始する（図７、図８（ａ)参照）。このとき、磁性体ブロック５においてロータ磁極との磁気吸引力による磁界と出力コイル６に生ずる逆起電力による磁界の影響を打ち消し合う。このため、ロータ１は回転方向に付勢されたままロータ磁極（例えばＮ極）が磁性体ブロック５と対向する位置（回転位置；Ａ２）までスムーズに回転する。そして、回転位置Ａ２でスイッチング素子１４ａがＯＦＦして通電を遮断する（図８（ｂ)参照）。通電を遮断しても、磁性体ブロック５には残留磁気による磁束の漏れは少ないためロータの回転を妨げるトルクの発生が抑えられ、ロータ１は更に矢印方向へ回転し易くなる。
【００１９】
同様に、永久磁石１２の磁極（例えばＮ極）が、隣り合う磁性体ブロック５の中間位置（回転位置；Ａ３）でスイッチング素子１４ｂがＯＮして出力コイル７に矢印Ｑ方向へ通電を開始し（図７、図８（ｃ）参照）、当該磁極（例えばＮ極）が磁性体ブロック５と対向する位置（回転位置；Ａ４）でスイッチング素子１４ｂがＯＦＦして通電を遮断する（図８（ｄ）参照）。
このようにロータ１の回転位置に応じてスイッチング素子１４ａ、１４ｂをＯＮ・ＯＦＦし、出力コイル７への通電又は通電遮断動作を交互に繰り返し、このときヨーク６に形成される磁気回路の磁束変化により誘起される誘導電力を出力コイル７から取り出すようになっている。
【００２０】
また、図９はヨーク６と共に磁気回路を形成する磁性体ブロック５をロータ１の周囲に４箇所設けた場合の出力コイル７への通電・通電遮断動作の一例を示す。
ロータ１を外力により回転させて、ロータ１の永久磁石１２の磁極（例えばＮ極）が、隣り合う磁性体ブロック５の中間位置（回転位置；Ａ２）でスイッチング素子１４ａがＯＮして出力コイル７に矢印Ｐ方向へ通電を開始する（図７、図９（ａ)参照）。このとき、磁性体ブロック５と永久磁石１２との間に磁気吸引力が作用しロータ１は矢印方向へ回転する。そして、当該磁極（例えばＮ極）が磁性体ブロック５と対向する位置（回転位置；Ａ３）で通電を遮断する（図９（ｂ）参照）。通電を遮断しても、磁性体ブロック５には残留磁気による磁束の漏れは少ないためロータの回転を妨げるトルクの発生が抑えられ、ロータ１は更に矢印方向へ回転し易くなる。
【００２１】
同様に、ロータ磁極（例えばＮ極）が、隣り合う磁性体ブロック５の中間位置（回転位置；Ａ４、Ａ６、Ａ８）で通電を開始し（図９（ｃ）参照）、当該ロータ磁極（例えばＮ極）が磁性体ブロック５と対向する位置（回転位置；Ａ５、Ａ７、Ａ１）で通電を遮断する（図９（ｄ）参照）。このように、ロータ１に対向する磁性体ブロック５の数が増えるほど、出力コイル７への通電時間は短くなり、誘導起電力が安定的に供給することができる。
【００２２】
上述したロータ１を回転させる外力は、水力、風力、潮力など自然現象から得られる力であっても、機械的な力を加えて回しても、あるいは他の駆動源から提供される力などいずれでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１実施例に係る発電機の原理図である。
【図２】ロータ及び摺動リングの正面図である。
【図３】図３の左側面図である。
【図４】ロータ回転位置と界磁コイルへの通電切替え動作を示す説明図及び通電波形の説明図である。
【図５】磁性体ブロックを４極配置した場合のロータ回転位置と界磁コイルへの通電切替え動作を示す説明図である。
【図６】第２実施例に係る発電機の原理図である。
【図７】出力コアへ通電・通電遮断を行う通電回路の説明図である。
【図８】ロータ回転位置と出力コイルへの通電切替え動作を示す説明図である。
【図９】磁性体ブロックを４極配置した場合のロータ回転位置と出力コイルへの通電切替え動作を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２４】
１  ロータ
２  コア
３  界磁コイル
４  回転軸
５  磁性体ブロック
６  ヨーク
７  出力コイル
８  非磁性材
９  コミュテータ
１０  切替え部
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ  ブラシ
１２  永久磁石
１３  直流電源
１４ａ、１４ｂ  スイッチング素子
【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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