(57)【要約】【課題】  コギング力を抑えた高効率の発電装置及び発電方法を提供する。【解決手段】  円柱状非磁性体物の外周に沿って周方向に磁化方向を合わせて配置された少なくとも１個以上の開口部の有するリング状磁性体からなる磁性体ユニットを持つ回転子と、該回転子の周囲に該磁性体ユニットの磁化方向にコイル軸方向を合わせて配置された少なくとも１個以上のコイルを持つ固定子からなり、該回転子が該固定子に対し回転し、該磁性体ユニットが該コイルを通過することによって該コイルに発電する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円柱状非磁性体物の外周に沿って周方向に磁化方向を合わせて配置された少なくとも１個以上の開口部の有するリング状磁性体からなる磁性体ユニットを持つ回転子と、該回転子の周囲に該磁性体ユニットの磁化方向にコイル軸方向を合わせて配置された少なくとも１個以上のコイルを持つ固定子からなり、該回転子が該固定子に対し回転し、該磁性体ユニットが該コイルを通過することによって該コイルに発電させる装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置において、該磁性体ユニットが同極対向に配置された発電装置。
【請求項３】
請求項１から２の記載の装置において、該磁性体ユニットが磁力線を集めるために表面を曲面形状にした強磁性体と開口部の有するリング状磁性体との複合体である発電装置。
【請求項４】
請求項１から３の記載の装置において、該磁性体ユニットおよび該コイルに周方向に回転半径と同じ曲がりがある発電装置。
【請求項５】
請求項１から４の記載の装置において、該磁性体ユニットが電磁石である発電装置。
【請求項６】
請求項１から５の記載の装置において、前記構成が複数連なる発電装置。
【請求項７】
請求項１から６の記載の装置において、前記発電装置を搭載した輸送手段。
【請求項８】
開口部を有するリング状磁性体の内側の磁力線を利用し、該リング状磁性体がコイルを通過することによって発電させる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は発電装置及び発電方法に係り、特に電磁誘導により発電を行う発電装置及び発電方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  従来の発電機の例として小型携帯用の発電機がある。その一例として非常用懐中電灯は図２に示すように磁石をコイル内で振動させて電磁誘導により電流を発生させ、コンデンサーに充電する振動発電機である。これは、コイルの巻線方向に対しほぼ直角に磁石の磁力線が横切るため１動作当たりの発電量は高いが、磁石が往復直線運動をするためコイルを横切る速度には低い限界があり、高い電圧が望めない。（特許文献１を参照）【０００３】  また、従来の発電機の別の例として、図３に示すように風力発電などに用いられている発電機で、コイルの開口面を磁石が横切るように回転し、コイルの中には磁力線の磁束密度を増加させるために透磁率の高い鉄などが鉄芯として用いられている。１動作当たりの発電量は前記程ではないが、回転運動とコイルや磁石の配置を密にすることにより、磁石がコイルを通過する時間を短くし電圧を高くしている。しかし、同時に磁石と鉄芯の吸引によるコギング力が発生しエネルギー損失を生じる。（特許文献２を参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許公開Ｈ１１−２６２２３４号公報
【特許文献２】特許公開２００４−１７３４１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  従来の発電機では、前記振動発電機のように１動作当たりの発電量が高いものは、１動作当たりの時間が長く、前記回転式の発電機のように１動作当たりの時間が短いものは、１動作当たりの発電量は低く、これらを解決する１動作当たりの発電量が高く１動作当たりの時間が短い発電効率の良い発電機が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  発電ではフレミングの右手の法則によると、導線が磁界の方向に対し直角に運動したとき導線内に電流が流れる。磁界の方向と運動の方向と電流の方向は互いに直角になっている。従って、磁石の移動方向と磁力線の方向、コイルの巻線方向が夫々直角になった時に発電効率が最も良い。本発明は、前記２つの従来の発電方式の長所に注目し、磁石の磁力線がコイルの巻線方向にほぼ直角に横切るようにし、かつコイルを通過する時間を短くすることで発電効率を良くし、かつ鉄芯をなくすことによりコギング力を抑えた発電機である。【０００７】  一般に、コイルに生じる誘導起電力Ｖは、下記の数式１によって求まることがすでにわかっている。【０００８】
【数式１】
Ｖ＝−ｎ（ｄφ／ｄｔ）＝−ｎＳ（ｄＢ／ｄｔ）
上記の数式において、ｎはコイルの巻数（回）、φは磁束（Ｗｂ）、Ｓはコイルの断面積（ｍ２）、Ｂは磁界の磁束密度（Ｔ）、ｔは時間（ｓ）である。このｎ・Ｓ・Ｂは材料条件で決定してしまう値であり、手段により良い状態が得られる。これらは起電力に比例しているが、時間は反比例している。したがって、１動作当たりの発電量を好条件にし、変位時間を小さくすれば良い結果につながる。
【０００９】  （構成１）  構成１は、請求項１に対応している。
磁石の磁力線がコイルの巻線方向にほぼ直角に横切るようにし、鉄芯を必要としない構成としては、前述の振動発電機のように磁石がコイルの中を通過するものが良い。磁石をコイルの中ですばやく動かすには、磁石がある軸を中心に回転運動すれば良いが、図４に示すように磁石を保持するアームがコイルに当たってしまう。このアームが通過する間隙をコイルに設けるのは困難であるので、図５のようにコイルの外周をリング状磁石が通過するように逆の配置にし、コイル軸とリング状磁石の磁化方向が同一になるようにする。図６のようにコイルにコイル保持部を設け、リング状磁石にその通過する間隙分をスリット加工する。これは、リング状磁石のＮ極から発してリングの内側を通ってＳ極へ入る磁力線を利用し、コイルの巻線にほぼ直角になるようにしている。磁石単品にスリット加工を施すと、円周上の同極の排斥力により自己破壊し磁力のロスが生じる。この解決方法として図７のように、リング状磁石３１の厚み半分が収まる掘り込み加工した非磁性体のホルダー３２をリング状磁石３１の両側から挟みこんで接着後、コイル保持部が通過する間隙をスリット加工する。
【００１０】  また、リング状磁石の内側の磁力線を利用するため、内側に磁力線が十分存在しなくてはならない。図８のように厚みが薄いと異極が近いため十分に磁力線が得られるが、図９のように厚いと異極が遠く、同極の排斥により内側を通過する磁力線は少ない。よって、リング状磁石の厚みは、図１４指示の磁性体回転直径の１／１０以下になっている。
【００１１】  一方、発電におけるリング状磁石とコイルの位置関係は図１０のようになっており、リング状磁石がコイルを通過する過程でコイルの端面にリング状磁石の中心がきた時に最大の電圧となり、コイルの中心線とリング状磁石のものが重なった時に電圧はほぼ０となる。さらに移動しコイルのもう１つの端面にリング状磁石の中心がきた時に負に最大の電圧となる。コイルの長さがリング状磁石より厚いと逆極性の磁束領域にコイルの一部が入り逆の電圧を生じ全体の電圧を引き下げてしまう。また、リング状磁石がコイルを通過する時間が大きくなってしまう。長いコイルを用いるより、短いコイルを多数分散することが良い。よって、本構成においてはコイルの長さはリング状磁石の厚みの１，５倍以下になっている。
【００１２】  （構成２）  構成２は、請求項２に対応している。
リング状磁石の同極同士を対向させることにより、効率よく磁力線の密度を増加することができる。互いに対向する極から発せられた磁力線は、交差することなく斥けあって自身の異極に向かう。対向する距離が小さいほど磁力線の密度が増加し、発電量増加に貢献する。また、従来の回転式発電機に比べ、磁石の配置を密にすることができる。図１１に示すように、直径１５ｍｍ・厚み５ｍｍの磁石を横にして配置した場合と本発明のように縦にして配置した場合を比較すると、縦にして配置した場合が多くなり配置の構成の利点がある。磁石の数を多く配置できることは、磁石がコイルを通過する時間を短くすること可能になり、出力の増加になる。また、本構成においてはコイルの長さはリング状磁石の取り付けピッチ以下にしている。
【００１３】  （構成３）  構成３は、請求項３に対応している。
内側の磁力線を充実させる手段として、図１２のようにリング状磁石の両側にコイル通過孔が開いた強磁性体を接着させたものが好適である。磁石から発した磁力線は、鉄などの強磁性体の内部を通過し、表面の曲面形状に直角の向きで空気中に出ていき、周りの磁力線の応力を受けながら最寄りの異極に向かう。リング状磁石の磁力線は通常では外側と内側は、互いに応力を及ぼしながらバランスのとれた状態でＮ極からＳ極に向かうが、曲面形状の強磁性体を装着することで内側に回り込む磁力線増加させることが可能になる。製作方法としては、図７に示した例と同様であり、リング状磁石の両側を強磁性体ではさみこむ構成となる。強磁性体の鉄などをＮＣ旋盤で曲面加工後コイル保持板が通過する間隙を機械加工し、リング状磁石を挟み込み接着後、リング状磁石にスリット加工を施す。前記磁性体ユニットに比べ小型化することが可能で、リング状磁石の両側に強磁性体が接着されているため同極の排斥力による自己破壊も防止できる。また、表面が平らなプレートを使用しても磁力線の集中効果は薄れるが、コンパクト化が可能になり同極の排斥力による自己破壊も防止できる。
【００１４】  （構成４）  構成４は、請求項４に対応している。
磁性体ユニットの磁性体とコイルは互いに回転運動をするため、周方向に直線形状であると、回転による干渉を避けるため双方の間隙を大きくする必要がある。この改善として、回転半径に相当する曲がりを磁性体とコイルに設けることによって、間隙を小さくでき性能向上につながる。
【００１５】  （構成５）  構成５は、請求項５に対応している。
磁性体の例には、フェライト磁石・ネオジム磁石・サマリウムコバルト磁石などがあるが、保磁力が夫々ほぼ一定のため出力の制御は回転子の回転数によるものになる。これに代わって電磁石を用いると磁力の増減ができ、発電機の出力を制御することが容易になる。図１３に示すように、鉄芯に巻線を施した電磁石３４を複数並べカバー３６で覆い、両側にプレート３５で接着した電磁石ユニット３７を磁性体ユニットの代わりに使用する。界磁電流は、ブラシにより外部電源から得て、夫々の電磁石に供給される。界磁電流の強さを変えると電磁石の強さが変わり、電圧の制御をすることができる。
【００１６】  （構成６）  構成６は、請求項６に対応している。
以上述べた単位を複数連動することにより出力を上げることが可能である。
【発明の効果】
【００１７】  磁石の磁力線がコイルの巻線方向にほぼ直角に横切るようにし良い発電状態を保ち、かつ磁石がコイルを通過する時間を小さくすることにより、高い電圧が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の代表的な例を示す。
【図２】従来の振動発電機の断面を示す。
【図３】従来の回転式発電機の断面と使用例を示す。
【図４】従来の構成での課題点を示す。
【図５】本発明のイメージを示す。
【図６】本発明の基本構成を示す。
【図７】磁性体ユニットの製作方法を示す。
【図８】薄いリング状磁石の磁力線イメージ図を示す。
【図９】厚いリング状磁石の磁力線イメージ図を示す。
【図１０】コイルとリング状磁石の位置と電圧の関係を示す。
【図１１】磁石の配置比較を示す。
【図１２】リング状磁石と強磁性体の複合体を示す。
【図１３】電磁石ユニットを示す。
【図１４】実施例１の斜視図と断面図を示す。
【図１５】実施例１の固定子のコイル取り付け仕様を示す。
【図１６】実施例１の組立て仕様を示す。
【図１７】実施例２のコイルと磁性体ユニットの位置関係を示す。
【図１８】実施例３の磁性体ユニットを示す。
【図１９】実施例４のコイルと断面を示す。
【図２０】実施例５の電磁石ユニットと断面を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】  以下、本発明を図の具体例を用いて説明する。
【実施例１】
【００２０】  図１４が構成１に対応している。
図１４を参照し説明すると、１は回転軸に装着した回転子、２・３は夫々軸受けを有する一対の側板、５・６は固定子４を支持し側板２・３を繋ぐ枠板、７は回転子コア大、８は回転子コア小、９は磁性体ユニット１０を固定する蓋、１１・１２は端子である。
固定子４を図１５に参照して説明すると、コイル保持板２２に周方向にコイル２０の軸を合わせるように装着する。この例では、コイル２０にコイル軸２１を設けコイル保持板２２に溝を加工しこれに嵌合している。取り付ける間隔および配線は、生成したい電圧の相により決定される。図示２３は、組付けの際の磁性体ユニット１０の挿入の逃がしである。
磁性体ユニット１０の構造は、図７で説明したので省略し、取り付けに関して図１６を参照し説明する。回転子コア大７を回転軸に取り付け後，固定子４を枠板５に固定し、回転子コア小８を回転軸に挿入し回転子コア大７と合わせて両者を固定する。この時点で、回転子コア大７・小８は、枠板５と固定子４に対し回転軸を中心に回転できる状態になっている。回転子コア大７と回転子コア小８は、固定子４の通る固定子通過空間２４が設けられている。また、磁性体ユニット１０の挿入可能な空間が両者に施されており、回転子コア大７には磁性体ユニット挿入袋状空間２５、回転子コア小８には磁性体ユニット挿入貫通空間２６があり、磁性体ユニット１０は、磁性体ユニット挿入逃がし部２３と磁性体ユニット挿入袋状空間２５と磁性体ユニット挿入貫通空間２６を合わせて挿入し、回転子コアに固定する。回転子コアを１ピッチ回転させ、同様に磁性体ユニット１０を挿入し固定する。この取り付ける間隔は、異極を対向するように装着する場合は直近の異極と引き合わないような距離をとる必要がある。磁性体ユニット１０をすべて挿入後、蓋９を取り付ける。
よって、図１４で回転子１が回転軸を中心に回転し、磁性体ユニット１０がコイル２０を通過する時に磁力線が横切りコイル内に電圧を発生させ、これを端子１１・１２で取り出す。
【実施例２】
【００２１】  図１７が構成２に対応している。
図１７は、実施例１の磁性体ユニットとコイルについて特記している。磁性体ユニット１０は同極を対向して装着し、固定子のコイル２０は得られる電圧の相に従い配置・接続される。同極同士対向しているため、磁力線の密度を高められ高い出力になる。図示の例では、磁性体ユニット４８個とコイル３６個で３相の平準化した電圧を生成するものである。
【実施例３】
【００２２】  図１８が構成３に対応している。
図１８は実施例１の回転子を簡略化し磁性体ユニットの部分の一部を示している。強磁性体３３にリング状磁石３１が挟み込まれている構造で、強磁性体には鉄などが用いられていて、その表面には中央の孔に磁力線を集めるために曲面形状が施されている。内側の磁束密度が増加するとともに回転子のコンパクト化につながる。
【実施例４】
【００２３】  図１９が構成４に対応している。
図１９を参照し説明すると、回転半径と同一の環状に銅線を巻きコイルを作ることにより、コイルの外形が回転半径に準ずる曲率を持ち、磁性体ユニットにも同じ処置を施すことにより、コイルと磁性体ユニットの間隙を小さくでき、性能が向上する。
【実施例５】
【００２４】  図２０が構成５に対応している。
図２０は実施例１の回転子を簡略化し磁性体ユニットの部分の一部を示している。磁性体ユニット１０の代わりに電磁石ユニット３７を用い、これは鉄芯に巻線を施した電磁石３４を複数個図のように並べカバー３６で覆い、両側をプレート３５で接着したものである。
界磁電流は、外部電源からブラシ３８を通過し、夫々の電磁石に供給される。界磁電流の強さを変えると電磁石の強さが変わり、電圧の制御をすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】  電気エネルギーは他のエネルギーに比べ効率が良く伝送が容易なため、社会では広く利用されており、本発明はその電気を効率よく発生するものであり、風力発電などの新エネルギーや既存の発電所の省化石燃料化またはハイブリッド自動車の発電機の高効率化など産業上の幅広い分野で利用される可能性を有する。
【符号の説明】
【００２６】  １          回転子
２、３      側板
４          固定子
５、６      枠板
７          回転子コア大
８          回転子コア小
９          蓋
１０        磁性体ユニット
１１、１２  端子
２０        コイル
２１        コイル軸
２２        コイル保持板
２３        磁性体ユニット挿入逃がし部
２４        固定子通過空間
２５        磁性体ユニット挿入袋状空間
２６        磁性体ユニット挿入貫通空間
３１        リング状磁石
３２        ホルダー
３３        曲面形状付き強磁性体
３４        電磁石
３５        プレート
３６        カバー
３７        電磁石ユニット
３８        ブラシ
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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