(57)【要約】【課題】発電部を小型化した往復動型発電装置１０を提供する。【解決手段】発電部は、筒状の筒部材１８と、筒部材１８の内側空間に軸線方向へ変位自在に配置される往復動部材１９とを中心軸線を一致させて、備えている。筒部材１８は、中心軸線を一致させて環状の環状スペーサ２１と環状の環状電機子巻線２２とを軸線方向へ交互に備え、それらの内側に前述の内側空間を形成している。往復動部材１９は、中心軸線を一致させて界磁磁石４１とスペーサ４２とを軸線方向へ交互に備えている。往復動部材１９は、一端側にローラ２９を、また、他端側に変位側磁石３３を有している。固定側磁石３５は、変位側磁石３３へ反発磁力を及ぼし、これによりローラ２９をカム１６の周部に押圧する。カム１６の回転に伴い、往復動部材１９が筒部材１８に対して往復動する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々の中心軸線を一致させてその軸線方向に一列に配置した複数の環状電機子巻線と、
前記複数の環状電機子巻線の内側空間内で複数の磁石を各々の一極が前記軸線方向の一方側を向くように相互に離間して支持する支持部材と、
前記磁石が前記内側空間内で前記軸線方向に往復動するように該支持部材を駆動する駆動装置と
を備えることを特徴とする発電装置。
【請求項２】
請求項１記載の発電装置において、
隣接磁石の各軸線方向離間寸法はすべてＬに、各磁石の軸線方向寸法はすべて３・Ｌに、隣接環状電機子巻線の各軸線方向離間寸法はすべてＬに、かつ各環状電機子巻線の軸線方向寸法はすべてＬと規定されていることを特徴とする発電装置。
【請求項３】
請求項２記載の発電装置において、
前記駆動装置による前記支持部材のストロークは、Ｌの自然数倍であることを特徴とする発電装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の発電装置において、
前記駆動装置は、
回転により前記支持部材を前記軸線方向一方へ付勢するカムと、
前記カムを回転駆動する駆動源と
を備え、
前記発電装置は、さらに、磁力により前記支持部材を前記カムに押圧する押圧手段を備えることを特徴とする発電装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の発電装置において、
各環状電機子巻線は、その起電圧が相互に同相関係で重畳されて前記発電装置の全体の起電圧を生成するように、相互の接続を規定されてい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、磁石列を往復動させて発電する発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、界磁用磁石及び環状電機子巻線がそれぞれ放射方向内側及び外側の位置関係で配置されるとともに、それら界磁用磁石及び環状電機子巻線が軸線方向へ一列に配置される往復動型の発電装置を開示する（特許文献１の図２）。該発電装置では、磁石の列が環状電機子巻線の列に対して軸線方向へ往復動して、起電圧が環状電機子巻線に生成されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２２３６５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の発電装置では、電機子巻線の軸線は、磁石列の往復動方向ではなく、放射方向となっているとともに、磁石及び電機子巻線は、支持部材に周方向へもそれぞれ複数、配置されるので（特許文献１の図３及び図６）、発電装置の外径が増大する。
【０００５】
本発明の目的は、外径を縮小できる往復動型発電装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１発明によれば、発電装置は、
各々の中心軸線を一致させてその軸線方向に一列に配置した複数の環状電機子巻線と、
前記複数の環状電機子巻線の内側空間内で複数の磁石を各々の一極が前記軸線方向の一方側を向くように相互に離間して支持する支持部材と、
前記磁石が前記内側空間内で前記軸線方向に往復動するように該支持部材を駆動する駆動装置と
を備える。
【０００７】
第１発明では、複数の環状電機子巻線が、それらの中心軸線を一致させつつ軸線方向へ一列に配置されるとともに、磁石列が、それら複数の環状電機子巻線により形成された内側空間を軸線方向へ往復動するようになっているので、発電装置の外径を大幅に縮小することができる。
【０００８】
第２発明によれば、第１発明において、隣接磁石の各軸線方向離間寸法はすべてＬに、各磁石の軸線方向寸法はすべて３・Ｌに、隣接環状電機子巻線の各軸線方向離間寸法はすべてＬに、かつ各環状電機子巻線の軸線方向寸法はすべてＬと規定されている。
【０００９】
第２発明では、上記寸法規定により、磁石列の往復動に対して各環状電機子巻線に生成される起電圧の波形を、同相の環状電機子巻線同士又は逆相の環状電機子巻線同士で相互に同一にすることができる。
【００１０】
第３発明によれば、第２発明において、前記駆動装置による前記支持部材のストロークは、Ｌの自然数倍である。
【００１１】
第３発明では、支持部材のストロークがＬの自然数倍（例：１倍、２倍、３番、・・・）とされることにより、ストロークに対する各環状電機子巻線の起電圧の整数倍から１サイクルの正弦波を生成することができる。
【００１２】
第４発明によれば、第１〜第３発明のいずれか１つにおいて、前記駆動装置は、回転により前記支持部材を前記軸線方向一方へ付勢するカムと、前記カムを回転駆動する駆動源とを備え、前記発電装置は、さらに、磁力により前記支持部材を前記カムに押圧する押圧手段を備える。
【００１３】
支持部材は、カムの回転により往復駆動されるとともに、押圧手段からの磁力により、カムとの接触を保持されるので、支持部材の往復動の高速化及び安定化に支障なく対応することができる。
【００１４】
第５発明によれば、第１〜第４発明のいずれか１つにおいて、各環状電機子巻線は、その起電圧が相互に同相関係で重畳されて前記発電装置の全体の起電圧を生成するように、相互の接続を規定されている。
【００１５】
第５発明では、磁石列の往復動に伴う接近、離反する磁極が環状電機子巻線ごとに異なるために、環状電機子巻線の起電圧が逆相関係になることが起こり得ることに対処し、環状電機子巻線の起電圧が逆相関係のために相互に相殺されることなく、発電装置から有効に出力させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】往復動型発電装置をその上から見た構成図。
【図２】往復動型発電装置をその前から見た構成図。
【図３】往復動型発電装置の発電部又は発電部の縦断面における各部寸法を説明する図。
【図４】カムの各部位の寸法を示す図。
【図５】往復動型発電装置の発電部の横断面図。
【図６】筒部材の軸線方向変位位置と環状電機子巻線の起電圧との関係を示す図。
【図７】別の往復動型発電装置をその上から見た構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１及び図２において、往復動型発電装置１０は、中心軸線を一致させて水平方向へ並んで配置された２つの発電部１１，１２を備えている。カム１６は、水平方向へ発電部１１，１２との間に存在し、駆動軸１７と一体回転する。カム１６の回転中心点は、駆動軸１７の中心軸線上に存在するとともに、発電部１１，１２の中心軸線上にも位置している。
【００１８】
発電部１１，１２とは、水平方向へカム１６に対する配置側及び向きが異なるのみであり、構成は同一となっているので、それらの代表として、発電部１１を選択し、発電部１１の構成について説明する。発電部１１は、筒状の筒部材１８と、筒部材１８の内側空間を往復動自在に貫通する往復動部材１９とを備える。筒部材１８及び往復動部材１９の中心軸線は発電部１１の中心軸線でもある。
【００１９】
筒部材１８は、複数の環状スペーサ２１と複数の環状電機子巻線２２とを軸線方向へ交互に有し、軸線方向両端部において支持部１４，１５に固定されている。支持部１４，１５、後述の支持部３４，３８（図２）は、往復動型発電装置１０においてハウジングやフレーム等の共通の静止部を構成している。ローラ２５，２６は、それぞれ支持部１４，１５における往復動部材１９の貫通部に配設され、往復動部材１９を支持部１４，１５に対して軸線方向へ相対移動自在に支持している。ローラ２５，２６は、往復動部材１９の周方向へ適当な角度間隔に複数、配設されており、往復動部材１９が、その往復動中、放射方向へ揺れないように、往復動部材１９を支持する。
【００２０】
往復動部材１９は、カム１６側の端部においてローラ２９を備え、ローラ２９は、駆動軸１７の中心線に対して平行な直線の周りに回転自在に往復動部材１９の本体に支持されて、カム１６の回転に伴いカム１６の周部を転動する。変位側磁石３３は、ローラ２９から遠い方の往復動部材１９の端部に固設されている。固定側磁石３５は、その中心軸線を往復動部材１９の中心軸線に揃えて、支持部３４に固定され、変位側磁石３３と同一の磁極を変位側磁石３３の方へ向けている。同一磁極による反発力の結果、往復動部材１９は、カム１６の方へ付勢され、ローラ２９は、カム１６の周部との接触を良好に保持される。なお、変位側磁石３３及び固定側磁石３５は、図１及び図２では、Ｓ極を対峙させているが、Ｎ極を対峙させて両者間に同様の反発力を得ることもできる。変位側磁石３３及び固定側磁石３５は本発明における押圧手段を構成する。
【００２１】
図２において、モータ３７は、カム１６の下方に配置され、支持部３８の上面に本体を固定されている。モータ３７の駆動軸１７は、鉛直方向へ延び、上端部においてカム１６に、それと一体回転するように結合している。モータ３７は、バッテリ等から電力を供給されて、往復動型発電装置１０の駆動源として役目を果たすが、往復動型発電装置１０の駆動源としては、風力や水力で作動する他の動力機械を利用することができる。
【００２２】
図３において、往復動部材１９は、複数の界磁磁石４１と複数のスペーサ４２とを軸線方向へ交互に備えている。各界磁磁石４１は、そのＮ極及びＳ極を軸線方向の向きを同一にして一列にかつ中心軸線を一致させて配置されている。各スペーサ４２は、その中心軸線を往復動部材１９の中心軸線に一致させつつ、軸線方向へ界磁磁石４１の間に配置される。
【００２３】
ここで、界磁磁石４１及びスペーサ４２の軸線方向寸法をそれぞれＬｍ，Ｌａと定義する。また、環状スペーサ２１及び環状電機子巻線２２の軸線方向寸法をそれぞれＬｎ，Ｌｂと定義する。さらに、所定の長さ単位としてＬを定義する。この往復動型発電装置１０では、各界磁磁石４１のＬｍはすべて等しく、各スペーサ４２のＬａもすべて等しく、各環状スペーサ２１のＬｂもすべて等しく、各環状電機子巻線２２のＬｎもすべて等しくなっている。さらに、この往復動型発電装置１０では、Ｌｎ＝Ｌａ＝Ｌｂ＝Ｌであるとともに、Ｌｍ＝３・Ｌとなっている。界磁磁石４１を軸線方向へ３つに等分割した場合には、軸線方向両端の２つの分割部分は磁極部分となり、軸線方向中心の分割部分は、ほぼ磁極無しの部分になる。Ｌは例えば２ｃｍである。
【００２４】
図４は、駆動軸１７の各部の寸法を示している。カム１６は、対称線４３に対して左右対称の形状になっている。Ｌｃ１，Ｌｃ２は、対称線４３に対して平行な方向の寸法として定義される。対称線４３とカム１６の輪郭線との２つの交点の内、それぞれ駆動軸１７の中心点から遠い方及び近い方の交点（図４において左側及び右側の交点）に対し、Ｌｃ１，Ｌｃ２は、駆動軸１７の中心点からそれらの交点までの寸法を示す。Ｌｃ３，Ｌｃ４は、駆動軸１７の中心線及び対称線４３の両方に対して直角方向における駆動軸１７の中心点からカム１６の輪郭線までの寸法を示している。
【００２５】
Ｌｃ１〜Ｌｃ４間には、Ｌｃ１−Ｌｃ２＝Ｌｃ３＝Ｌｃ４の関係が規定される。すなわち、カム１６が駆動軸１７の中心点に対してどのような回転位置にあっても、発電部１１，１２のローラ２９の軸線方向距離が一定となるように、カム１６の輪郭線が規定されている。
【００２６】
図５は発電部１１，１２の種々の横断面形状を示している。環状間隙４５が筒部材１８と往復動部材１９との間に形成されている。往復動部材１９は、その中心軸線に沿って延びる軸状部材４４を有し、界磁磁石４１及びスペーサ４２は、軸状部材４４へ外側から嵌着するように、軸状部材４４に取り付けられる。軸状部材４４への界磁磁石４１の取り付けにおいては、接着等の他に、軸状部材４４を磁性材料にして、軸状部材４４と界磁磁石４１との磁力を利用することもできる。ローラ２９及び変位側磁石３３（図１及び図２）は往復動部材１９の軸状部材４４の両端部に取り付けられている。
【００２７】
図５（ａ）では、筒部材１８の内外周形状及び往復動部材１９の周輪郭は円であり、環状間隙４５の内外周輪郭も円となる。図５（ｂ）では、筒部材１８の内外周形状及び往復動部材１９の周輪郭は正方形であり、環状間隙４５の内外周輪郭も正方形となる。筒部材１８及び往復動部材１９の形状は、正六角形等、その他の種々の形状を採用することができる。また、筒部材１８の内周形状と往復動部材１９の周輪郭とを一致させなくてもよい。
【００２８】
次に、図６を参照して、筒部材１８の往復動と環状電機子巻線２２の起電圧との関係について説明する。図６では、往復動部材１９のストロークが２・Ｌである場合について説明している。なお、往復動部材１９のストロークは、ｎを任意の自然数（１，２，３，・・・）と定義して、ｎ・Ｌとすることができる。
【００２９】
図６では、複数の環状電機子巻線２２及び界磁磁石４１の中から各１つに着目して、起電圧について説明する。図６の往復動部材１９は、発電部１１の往復動部材１９を想定しており、図６（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）においてそれぞれ反カム１６側の死点、両死点の中間位置、及びカム１６側の死点にある。環状電機子巻線２２における起電圧は、図６（ｄ）に示している。
【００３０】
図６において右向きの速度を正にすると、往復動部材１９の速度は、図６（ａ）では０であり、その後、増速し、図６（ｂ）で最大となり、その後、減速し、図６（ｃ）で０になる。これに対応して、環状電機子巻線２２の起電圧は、図６（ａ）では０であり、その後、増加し、図６（ｂ）でピークとなり、その後、減少し、図６（ｃ）で０になる。結果、環状電機子巻線２２の起電圧は、往復動部材１９の往復動の半サイクルで１／２の正弦波形となる。
【００３１】
往復動部材１９は、その往復動の次の半サイクルでは、向きを逆転させて、すなわち、図６（ｃ）、図６（ｂ）、図６（ａ）の順番に移動するので、次の半サイクルにおける環状電機子巻線２２の起電圧は、図６（ｄ）に一部波形が破線で示されているように、図６（ｄ）の実線の波形を下へ折り返した波形となる。こうして、環状電機子巻線２２の両端からは、往復動部材１９の往復動に伴い１つの正弦波形の起電圧が出力される。
【００３２】
なお、軸線方向へ隣接する２つの環状電機子巻線２２では、往復動部材１９の同一向きの相対移動に対して、それぞれ反対磁極が接近する関係になるので、両環状電機子巻線２２の巻き方向（右巻きと左巻きのこと）が同一であるならば、両環状電機子巻線２２の起電圧は逆相関係になる。各環状電機子巻線２２からのこのような逆相関係の起電圧出力に対して、それらが相殺されないように、発電部１１から出力するためには、各環状電機子巻線２２からの起電圧が、同相関係で重畳されて、発電部１１の両端端子から出力されるように、各環状電機子巻線２２間の接続（各環状電機子巻線２２についての右巻き及び左向きを含めた接続）が設定される。
【００３３】
なお、発電部１１を単相出力ではなく、複相出力にすることもできる。その場合は、例えば、起電圧が同相となっている環状電機子巻線２２の第１のグループと、起電圧が第１のグループの位相に対して逆相になっている環状電機子巻線２２の第２のグループとに分け、第１のグループの環状電機子巻線２２を相互に直列接続して、発電部１１の第１相の出力とし、また、第２のグループの環状電機子巻線２２を相互に直列接続して、発電部１１の第２相の出力とすることができる。
【００３４】
往復動型発電装置１０の全体の作用について説明する。モータ３７が作動すると、駆動軸１７が回転し、カム１６は駆動軸１７と一体回転する。発電部１１，１２の往復動部材１９は、反カム１６側における変位側磁石３３−固定側磁石３５間の反発力によりカム１６側のローラ２９においてカム１６の周部に押圧され、カム１６の回転に伴い、軸線方向へ往復動する。発電部１１，１２の往復動部材１９の往復動は、カム１６の回転中心を基準とする往復動部材１９の変位量において逆相関係（一方の距離が増加すると、他方の距離が減少する。）になる。支持部１４，１５におけるローラ２６は、往復動部材１９の周部を転動して、筒部材１８に対する往復動部材１９の往復動を安定に支持する。同様に、変位側磁石３３−固定側磁石３５間の磁気的な反発力も、筒部材１８に対する往復動部材１９の往復動の揺らぎを抑制して、往復動の安定化に寄与する。なお、筒部材１８における環状スペーサ２１は省略して、環状電機子巻線２２を軸線方向へ密着状態で配置しても、発電部１１，１２の所定の発電を確保することができる。
【００３５】
往復動型発電装置１０の出力は、整流器（図示せず）により所定電圧の直流へ変換することができる。直流電圧は、例えば、家庭等で自家用として直ちに使用されたり、所定のバッテリを充電するのに使用されたりする。さらに、その直流電圧をインバータ（図示せず）により商用周波数の交流へ変換して、余剰の電力を電力会社へ売電することもできる。
【００３６】
図７を参照して、別の往復動型発電装置７０について説明する。この往復動型発電装置７０は、１つのカム１６により計４つの発電部の発電を行うものである。図７に示している要素において、図１及び図２の往復動型発電装置１０において説明済みの要素と同一のものについては、それら同一の要素と同一の符号で指示して、説明を省略する。
【００３７】
往復動型発電装置７０は矩形の枠型支持部材７１を備える。枠型支持部材７１は、長辺部７２、短辺部７３、連絡部７５、張り出し部７６、及び支持棒部８０から成る。長辺部７２及び短辺部７３は、各２つずつ設けられ、枠型支持部材７１の矩形の外枠を構成する。２つの連絡部７５は、カム１６の近傍において短辺部７３に対して平行に延び、両端において長辺部７２に結合している。張り出し部７６は、各連絡部７５の両端部からカム１６の方へ三角状に張り出し、各ローラ２９は、張り出し部７６の張り出しの先端部に回転自在に取り付けられて、カム１６の回転に伴い、カム１６の周部を転動する。
【００３８】
短辺部７３と連絡部７５との各対では、２つの支持棒部８０が、長辺部７２に対して平行の延びて、両端部において短辺部７３及び連絡部７５に結合している。支持棒部８０は、往復動型発電装置１０の往復動部材１９（図１及び図２）の役割を果たし、往復動部材１９の場合と同じ構造で界磁磁石４１及びスペーサ４２（図３）を備えている。各筒部材１８は、往復動型発電装置１０の筒部材１８の場合と同様に、所定の静止部に固定され、支持棒部８０の往復動に対して静止状態を保持する。
【００３９】
長辺部７２の外側側面には、案内溝（図示せず）が長辺部７２の全長にわたって延びている。ローラ７４は、各長辺部７２の各外側に長辺部７２の両端部と中心部との計３つずつ配設され、往復動型発電装置７０のハウジング等の静止部に回転自在に支持されて、長辺部７２の側面の前述の案内溝内に一部を嵌入させて、枠型支持部材７１の往復動に伴い、該案内溝を転動して、枠型支持部材７１を支持する。
【００４０】
往復動型発電装置７０では、各支持棒部８０は共通の枠型支持部材７１に形成されているので、各支持棒部８０は一体に往復動し、４つのローラ２９は、特にカム１６の方へ付勢されなくても、カム１６の周部への接触を保持される。しかしながら、枠型支持部材７１の往復動を安定化させるために、さらに、変位側磁石８５及び固定側磁石８６が往復動型発電装置７０に装備されている。各変位側磁石８５は、短辺部７３への支持棒部８０の結合部位に相当する位置にそれぞれ取り付けられている。固定側磁石８６は、変位側磁石８５と同一磁極側を変位側磁石８５に向けて、静止部に固定されている。変位側磁石８５と固定側磁石８６との相互の反発力は、往復動中の枠型支持部材７１の揺らぎを抑制して、往復動を安定化させる。
【００４１】
往復動型発電装置７０の全体の作用について説明する。モータ３７が作動すると、駆動軸１７が回転し、カム１６は、駆動軸１７と一体回転して、その周部を転動しているローラ２９を軸線方向へ連行して、枠型支持部材７１を軸線方向へ往復動させる。枠型支持部材７１の往復動は、枠型支持部材７１の長辺部７２の側部に対するローラ７４の転動、及び変位側磁石８５−固定側磁石８６間の磁力反発により、安定化される。
【００４２】
各発電部の支持棒部８０は、枠型支持部材７１の往復動に伴い、筒部材１８に対して往復動するので、各筒部材１８の各環状電機子巻線２２には、往復動型発電装置１０の場合と同様に、起電圧が生成される。各環状電機子巻線２２から取り出された起電圧は、同相関係になるように、重畳され、各発電部ごとの起電圧として、又は往復動型発電装置７０全体の起電圧として出力される。この出力起電圧は、往復動型発電装置１０の場合と同様に、所定電圧の直流に変換されたり、さらに、インバータを介して所定周波数の交流へ変換されたりする。
【００４３】
以上、本発明を実施例について説明したが、本発明は、その要旨の範囲内で種々に変更したものを包含する。
【符号の説明】
【００４４】
１０・・・往復動型発電装置、１１，１２・・・発電部、１４，１５・・・支持部、１６・・・カム、１７・・・駆動軸、１８・・・筒部材、１９・・・往復動部材、２１・・・環状スペーサ、２２・・・環状電機子巻線、３３・・・変位側磁石、３４・・・支持部、３５・・・固定側磁石、３７・・・モータ、３８・・・支持部、４１・・・界磁磁石、４２・・・スペーサ、７０・・・往復動型発電装置、８０・・・支持棒部、８５・・・変位側磁石、８６・・・固定側磁石。
【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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【図７】
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