(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体通路を備えた本体ケースと、上記流体通路に配設され所定流量の流体通過に伴って回転する水車を備えると共に、この水車に連結され水車と共に回転する回転体をステータ部に対向配置させたロータ部とし、このロータ部を上記流体の通過に伴って上記ステータ部に対して相対回転させることにより電力を発生させる小型水力発電装置において、
上記ステータ部は、上記ロータ部のロータマグネットの外周面に対向するように周方向に等間隔に配置された櫛歯状の極歯を有し、
隣接する極歯間の周方向における隙間を１．１ｍｍ以下に設定すると共に、
隣接する極歯間の周方向における隙間を、各極歯と上記ロータマグネットとの径方向における隙間の１．５倍以下に設定したことを特徴とする小型水力発電装置。
【請求項２】
前記ステータ部は、位相をずらした２層のステータ部から構成されたことを特徴とする請求項１記載の小型水力発電装置。
【請求項３】
前記２層のステータ部の隣り合う内ステータコア間を磁気的に絶縁したことを特徴とする請求項２記載の小型水力発電装置。
【請求項４】
前記２層のステータ部がそれぞれ有するコイルをそれぞれ覆うように配置された２つの外ステータコアを設け、これら２つの外ステータコアは磁気的に接続されていることを特徴とする請求項３記載の小型水力発電装置。
【請求項５】
前記極歯は、各々略台形形状で形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の小型水力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、蛇口を通過する水の流れによって発生する水力を利用した小型水力発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、蛇口の下側に手を差し出すことによってこれをセンサーが感知し、このセンサー感知をもとに蛇口から水を流す自動水栓装置が広く知られている。また、近年においては、このような自動水栓装置の流体流路に小型発電装置を配設し、この小型発電装置で得られた電力を蓄電しておき、上述のセンサー等の回路の消費電力を補う装置等も提案されている（実開平２−６５７７５号参照）。
【０００３】
上述の小型発電装置の構成を簡単に述べると以下のようになる。流水の通路となる流体通路に水車が配設され、流水の水力を受けてこの水車が回転する。水車の回転軸には一体的に固定された回転体が設けられている。この回転体の外周面は、着磁されたロータマグネットとなっており、このロータマグネットが非磁性部材の壁を隔ててステータ部の櫛歯状の極歯に対向配置されている。また、このステータ部には、極歯を通過する磁束と鎖交するようにステータコイルが設けられている。そして、上述の水車が流水の水力を受けて回転することによりロータマグネットがステータ部に対して相対回転する。ロータが多極に着磁されているため、ステータ部に流れる磁束の流れに変化が生じる。この結果、ステータコイルにはこの磁束の流れの変化を妨げる方向に起電力が発生し、この起電力は整流された後、蓄電池に蓄えられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような小型水力発電装置は、水車が流水の水力を受けることにより、水車と共に多極着磁されたロータマグネットが回転する構成となっている。ところで、このロータマグネットとその外側に対向配置された極歯との間にはディテントトルクが発生する。このディテントトルクは、水車の回転に抵抗を与えてしまう。そのため、水車が滑らかに回らなかったり、あるいは流水の流量が少ないと水車が全く回らないという問題が生じる。なお、ロータマグネットと極歯との間の隙間を広げれば、ディテントトルクは低減され、上述の問題は回避できるが、発電を行うために必要な有効な磁束も一緒に減少してしまう。したがって、この間の隙間を必要以上に広げると、効率の良い発電ができない。このような理由から、このタイプの小型水力発電装置では、従来より少量の流水で効率よく発電を行うという命題を解決できなかった。
【０００５】
本発明は、上述した問題に鑑み、少量の流水で効率よく発電をすべく、ロータマグネットと極歯間のディテントトルクを低く抑え、かつ発電に有効な磁束のロスの少ない構成の小型水力発電装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、流体通路を備えた本体ケースと、流体通路に配設され所定流量の流体通過に伴って回転する水車を備えると共に、この水車に連結され水車と共に回転する回転体をステータ部に対向配置させたロータ部とし、このロータ部を流体の通過に伴ってステータ部に対して相対回転させることにより電力を発生させる小型水力発電装置において、ステータ部は、ロータ部のロータマグネットの外周面に対向するように周方向に等間隔に配置された櫛歯状の極歯を有し、隣接する極歯間の周方向における隙間を１．１ｍｍ以下に設定すると共に、隣接する極歯間の周方向における隙間を各極歯とロータマグネットとの径方向における隙間の１．５倍以下に設定したことを特徴としている。
【０００７】
上述したように、極歯間の隙間を各極歯とロータマグネットとの間の隙間の１．５倍以下とすることにより極歯間の隙間を従来より大幅に狭くしたため、ディテントトルクが小さくなり、少量の流水でもスムーズに水車及び回転体が回転し、効率よく発電を行うことが可能となる。なお、上述の構成により、各極歯とロータマグネットとの間の径方向における隙間を広げずにディテントトルクを低減できるため、ロータを回転させるための有効な磁束を減少させず、大きなトルクでロータを回転させることができる。
【０００８】
また、他の発明は、上述の小型水力発電装置において、ステータ部は、位相をずらした２層のステータ部から構成されたことを特徴としている。そのため、ディテントトルクがさらに小さくなり、水車及び回転体がよりスムーズに回転可能となる。
【０００９】
また、他の発明は、上述の小型水力発電装置において、２層のステータ部の隣り合う内ステータコア間を磁気的に絶縁したことを特徴としている。そのため、各相のステータ部が互いのディテントトルクを打ち消し合うと共にディテントトルクが正弦波形に近くなり、さらにディテントトルクが小さくなる。このため、水車及び回転体が、さらにスムーズに回転可能となる。
【００１０】
また、他の発明は、上述の小型水力発電装置において、２層のステータ部がそれぞれ有するコイルをそれぞれ覆うように配置された２つの外ステータコアを設け、これら２つの外ステータコアは磁気的に接続されていることを特徴としている。そのため、磁気的に絶縁された各ステータコア間のディテントトルクの打ち消し合いがより強くなり、ディテントトルクのさらなる低減が可能となる。
【００１１】
また、他の発明は、上述の小型水力発電装置において、極歯は、各々略台形形状で形成されていることを特徴としている。そのため、さらにディテントトルクが小さくなると共に、ロータを回転させるための有効な磁束はより大きくなる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態となる小型水力発電装置について、図１から図６を用いて説明する。
【００１３】
図１に示すように、本実施の形態の小型水力発電装置は、流体通路の入路１２及び出路１３を備えた本体ケース１と、本体ケース１内に設けられ流体通路の一部となっている注水用のリング状壁部２と、リング状壁部２の内周側に配置され所定流量の流体通過に伴って回転する水車３と、水車３に連結され水車３と共に回転する回転体４と、回転体４の外周側に配置されると共に本体ケース１にはめ込まれ本体ケース１と協動して内部空間を形成するステンレス製のカップ状ケース５と、このカップ状ケース５の外側に配置されたステータ部６とを備えている。
【００１４】
本体ケース１は、本体部１１と、この本体部１１の外側に突出している筒状の入路１２及び出路１３を備えている。本体部１１は、水車３の外側を囲繞する注水部２と、回転体４を支承する軸７の一端をはめ込んで保持する軸受け孔１１ｂを有している。
【００１５】
リング状壁部２は、入路１２から浸入してきた水の流路を絞り、水の勢いを強くして水車３の羽根部材３１に吹き付けてぶつけ、かつ羽根部材３１にぶつかった後の水を出路１３へ導くためのものである。このリング状壁部２は、本体ケース１に一体的に形成された複数の壁（図示省略）と、これらの壁の先端側に被せられるカバー１５から構成される。そして、複数の壁の先端側にカバー１５を被せることにより、その周壁には水車３の羽根部分３１に流量を絞って流体を吹き付ける複数の射出孔２２が形成される。
【００１６】
本体ケース１には、カップ状ケース５及びカップ状ケース５の外側に密着固定されたステータ部６の軸方向一端側をはめ込むための構造を有する凹部が設けられている。凹部の底面は、本体ケース１とカップ状ケース５との間に配置されるドーナツ形状のカバー１５の平面部１５ａを載置するための部位となっている。この底面の中心部位は、本体ケース１側の流体通路とカップ状ケース５の内部空間とを連通するために孔となっており、この孔によってカップ状ケース５の内部空間が流体通路の入路１２及び出路１３と連通されている。
【００１７】
カップ状ケース５は、非磁性のステンレス製部材で形成されており、絞り加工によって最外周部となる鍔部５ｂと、鍔部５ｂの内側に連続して形成された外側円筒状部５ａと、この外側円筒部５ａの内側に配置され水が浸入する内部空間とステータ部６とを隔絶する隔壁部５ｃと、対向壁５ａと隔壁部５ｃとを連結する連結面部５ｄと、底部５ｅとが形成されたものとなっている。
【００１８】
そして、このように構成されたカップ状ケース５は、上述した本体ケース１の凹部内に、カバー１５の平面部１５ａを挟み込みながらはめ込まれる。外側円筒部５ａの外側には、Ｏリング８が配置される。Ｏリング８は、この外側円筒部５ａによって径方向外側に押圧を受けながら、この外側円筒部５ａと凹部の内壁とによって挟持される。底部５ｅには、水車３及び回転体４を支承する軸７の他端をはめ込む軸受け孔５ｆが形成されている。このカップ状ケース５は、本体ケース１内を通過する水からステータ部６を隔離すると共に、本体ケース１外への水の流出を防止するためのものとなっている。
【００１９】
なお、本体ケース１に形成された入路１２、出路１３及びこれらを連結する本体部１１は、蛇口やバルブ等から構成される水栓装置（図示省略）の流体通路の一部に配設されるものとなっており、流体源から入路１２へ入り込んできた流体が本体部１１の内部に配置された注水部２を通過して出路１３から吐出されるようになっている。なお、流体は、この通過の際に水車３に回転力を与える。
【００２０】
なお、上述したように、カップ状ケース５を本体ケース１にはめ込み、その外側にステータ部６を配置した後は、カップ状ケース５及びステータ部６を覆うように樹脂ケース９が被せられる。この樹脂ケース９には、ステータ部６から半径方向外側に突出するように設けられた端子部６ａを覆うフード部９ｂが設けられている。そして、このフード部９ｂには、端子部６ａに一端が接続されたリード線６ｂの他端側を外部へ引き出すための引き出し部９ｃが設けられている。この引き出し部９ｃには、外部とステータ部６とを封止するシール剤（図示省略）が充填され、外部から引き出し部９ｃを通ってステータ部６へ水が浸入するのを防止する構造となる。なお、この樹脂ケース９は、本体ケース１にネジ止め固定されている。この構成は、カップ状ケース５及びステータ部６の本体ケース１からの脱落や固定状態からの位置ズレ等を防止するためのものとなっている。
【００２１】
上述の注水用のリング状壁部２の内側に配置された水車３は、所定流量の流体通過に伴って回転するものとなっている。図２に示すように、水車３は、上述の軸７に挿通された回転中心部３３と、この回転中心部３３に内周端部が接続された羽根部材３１とから構成されている。なお、図２は、水車３及び回転体４を示す図で、（Ａ）が正面図、（Ｂ）が（Ａ）を矢示Ｂから見た平面図、（Ｃ）が（Ａ）を矢示Ｃから見た底面図である。
【００２２】
羽根部材３１は、各射出孔２２から射出される水の圧力を受けやすいように途中部分が湾曲している。このため、水車３は、入路１２に入り込み各射出孔２２で絞られて圧力を高められた流体が羽根部材３１に勢い良くぶつかり、その水力で軸７を回転中心として回転するようになっている。なお、羽根部材３１にぶつけられた水は、上述したように空間内で循環した後、出路１３側へ移動する。
【００２３】
回転中心部３３は、軸７に摺動回転する円筒状の小筒部３３ａと、この小筒部３３ａより径の大きい大筒部３３ｂと、両筒部３３ａ，３３ｂを軸方向における両端部分でそれぞれ連結した複数の骨部３３ｃから形成されている。なお、両筒部３３ａ，３３ｂの間は軸方向に貫通された中空となっており、水車３側の各骨部３３ｃ間の隙間を入り口とし、回転体４側の各骨部３３ｃ間の隙間を出口とした貫通空部３３ｄとなっている。この貫通空部３３ｄは、水車３に射出される水を上述の入り口から入れて出口から出すことにより、水車３及び水車３に連結されている回転体４が配置されている空間内に循環させ、水車３及び回転体４の回転を滑らかにする。回転体４は、水車３と一体的に形成されており、水車３と同軸上に配置されている。このため、回転体４は水車３が水力によって回転すると、水車３と一体的に軸７を回転中心として回転する。
【００２４】
このように水車３に連結され水車３と共に回転する回転体４は、ステータ部６に対向配置されたロータ部となっており、その面には円筒状のロータマグネットＭｇがはめ込まれている。このロータマグネットＭｇの外周面には、多極着磁がなされている。そして、この外周面が、カップ状ケース５の隔壁部５ｃを通してステータ部６に対向配置されている。このため、回転体４は、水車３と共に回転する場合、ステータ部６に対して相対回転するようになっている。
【００２５】
ステータ部６は、軸方向に重ねると共に位相をずらして配置された２つの層６ｃ，６ｄで構成されている。このようにステータ部６を２層で構成することにより、各層６ｃ，６ｄが互いのディテントトルクを打ち消し合い、全体としてロータマグネットＭｇとステータ部６との間に発生するディテントトルクを低減するものとなる。なお、各層６ｃ，６ｄは、それぞれ外ステータコア（重ねた状態において外側に配置されている）６１と、内ステータコア（重ねた状態において内側に配置されている）６２と、コイルボビンに巻回されたコイル６３とを備えている。
【００２６】
そして、本実施の形態では、各層６ｃ，６ｄの隣り合って配置される内ステータコア６２，６２同士の間は、磁気的に絶縁されている。また、各層６ｃ，６ｄの各外ステータコア６１，６１は、共に略カップ形状で構成されており、外側の端部同士が接続されて磁気的に連結された状態となっている。これらの構成も、各層６ｃ，６ｄに発生する互いのディテントトルクを打ち消し合う力をより引き出し、ディテントトルクを低減する効果を奏するものとなる。なお、コイル６３の巻き始め部分及び巻き終わり部分は、外ステータコア６１，６１の接続部位に形成された窓（図示省略）から外ステータコア６１，６１の外側に引き出され、それぞれ端子部６ａに接続されている。
【００２７】
外ステータコア６１は、絞り加工によって形成されたカップ形状の部材の中心部分を切り起こして形成した複数の極歯６１ａを有している。これらの各極歯６１ａは略台形形状で形成されていると共に、ロータマグネットＭｇの外周面に対向するように周方向に等間隔に配置された櫛歯状のものとなっている。また、内ステータコア６２も同様に、複数の極歯６２ａを有しており、これらの極歯６２ａは、ロータマグネットＭｇの外周面に対向するように周方向に等間隔に配置された櫛歯状のものとなっている。そして、両ステータコア６１，６２を重ね合わせて配置すると、各ステータコア６１，６２に設けられた各極歯６１ａ，６２ａが千鳥状に交互に周方向に配置される。
【００２８】
このように構成されたステータ部６は、カップ状ケース５の隔壁部５ｃの外側部分にはめ込まれている。このため、このステータ部６の各極歯６１ａ，６２ａと、回転体４の着磁部との間には磁束が流れている。上述したように水車３と共に回転体４が回転すると、この磁束の流れに変化が生じ、この流れの変化を防止する方向にコイル６３に誘起電圧が発生する。この誘起電圧は、端子部６ａから取り出される。このような形で取り出された誘起電圧は、回路により直流に変換され、所定の回路（図示省略）を通して整流され電池に充電される。
【００２９】
なお、本実施の形態では、図３及び図４に示すように、隣接する極歯６１ａ，６２ａ間の周方向における隙間Ｇ２は０．６ｍｍに設定されている。一方、各極歯６１ａ，６２ａと上述したカップ状ケース５の隔壁部５ｃを挟んでその内側に配置されるロータマグネットＭｇの外周面との間に形成される径方向の磁気的な隙間Ｇ１は、０．７ｍｍに設定されている。すなわち、周方向の隙間Ｇ２は径方向の磁気的な隙間Ｇ１よりやや小さい程度の寸法に設定されており、従来の小型水力発電装置における各極歯間の隙間に比して非常に狭く形成されている（従来は、通常、各極歯間の周方向における隙間が１．５ｍｍ以上に設定されている）。
【００３０】
そのため、ディテントトルクが小さいものとなり、少量の流水で水車３がスムーズに回転可能となる。すなわち、図５に示すように、各極歯間の隙間Ｇ２が広くなると、ロータマグネットＭｇとステータ間に発生するディテントトルクが大きくなる。具体的には、上述の磁気的な隙間Ｇ１を０．７ｍｍと設定した際に隙間Ｇ２が約１．１ｍｍ以上となると急激にディテントトルクが大きくなる。そのため、ディテントトルクを低減するという観点から鑑みると、各極歯間の隙間Ｇ２は少なくとも約１．１ｍｍ以下、隙間Ｇ１の寸法の１．５倍以下程度とするのが望ましい。
【００３１】
なお、隙間Ｇ２を狭く構成すると、極歯面積が大きくなり、ロータマグネットＭｇから各極歯６１ａ，６２ａに到達する有効磁束が大となり水車３の回転を効率よく発電力に変化させることが可能となる。すなわち、図６に示すように、各極歯間の隙間Ｇ２が広くなると、具体的には上述の磁気的な隙間Ｇ１を０．７ｍｍと設定した際に隙間Ｇ２が１．６ｍｍ以上となると急激に有効磁束が減少する。そのため、この有効磁束の観点から鑑みて、各極歯間の隙間Ｇ２は、少なくとも１．６ｍｍ以下に設定するのが望ましい。なお、ディテントトルクの低減及び有効磁束の確保を共に満足するためには、周方向の隙間Ｇ２を磁気的な隙間Ｇ１の寸法の１．５倍以下程度とする必要があり、本発明ではこの値を採用するものとする。
【００３２】
また、本実施の形態では、極歯間の隙間Ｇ２を狭めると共に、上述したその他の種々の構成により、ディテントトルクを小さくしている。以下に、このような工夫が施されていない従来のものと、少なくとも各極歯間の隙間Ｇ２を狭めた構成を有する本発明の小型水力発電装置の各実施例との違いを、図７を用いて説明する。
【００３３】
図７の（１）〜（６）で示した各グラフは、以下に示す各タイプの小型水力発電装置の電気角（位相差）とディデントトルクとの関係を示したものである。（１）は、各極歯間の隙間が大きく（１．５ｍｍ以上）かつステータ部を上述の実施の形態のように２層とせず１層で構成した従来の小型水力発電装置のものである。（２）は、各極歯間の隙間が大きく（１．５ｍｍ以上）かつステータ部を上述の実施の形態のように２層とした小型水力発電装置のものである。（３）〜（６）は、それぞれ本発明の実施例の１つであり各極歯間の隙間が狭く（０．６ｍｍ程度）構成されている。（３）は、ステータ部を上述の実施の形態のように２層とせず１層で構成した小型水力発電装置のものである。（４）は、ステータ部を上述の実施の形態のように２層とした小型水力発電装置のものである。（５）は、（４）の構成に加え、２層の各内ステータコア間を磁気的に絶縁したものである。（６）は、（５）の構成に加え、２層の各外ステータコアの外側部分を接触させ磁気的に連結したものである。
【００３４】
図７に示すように、（１）は正弦波形で構成されているもののその波形が大きく、ディテントトルクが非常に大きい。そのため、少量の流水では水車が回転しなかったり、回転したとしてもスムーズには動作がなされない等の不具合が生じる。また、（２）はステータ部を２層にしたため、ステータ部が１層で構成されたものに比して波形自体は小さくなり、ディテントトルクは小さくなるが波形が正弦波とはなっておらず、このためスムーズな回転が期待できない。また、以下に説明する（３）〜（６）と比較すると、ディテントトルクも決して小さいとはいえない。
【００３５】
（３）は２層と比較するとディテントトルクが大きくなる１層タイプではあるが、各極歯間の隙間を小さくしたことによりディテントトルクが大幅に低減されている。加えて、正弦波形に近い形状となっているため、水車３がスムーズに回転可能となる。（４）はステータ部が２層で構成されているため、（３）と比較するとさらにディテントトルクが小さくなっており、水車３がさらにスムーズに回転するようになっている。なお、（５）及び（６）は、（３）及び（４）と比較すると、さらにディテントトルクが低減される。
【００３６】
なお、上述の実施の形態は、本発明の好適な実施の形態の例であるが、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述の実施の形態の小型水力発電装置では、両内ステータコア６２，６２間を磁気的に絶縁すると共に、両外ステータコア６１，６１を外周部分で磁気的に接続し、これによってディテントトルクのさらなる低減を実現しているが、これらの両構成はなくても良い。
【００３７】
また、上述の実施の形態では、各極歯６１ａ，６２ａ間の隙間を狭く構成したため、組み立て誤差等により両極歯６１ａ，６２ａが接触してしまう恐れがあるが、この接触を避けるため各極歯６１ａ，６２ａ間にスペーサーを設けるようにしても良い。また、上述の実施の形態では、発電部となるステータ部６を２層式のステッピングモータ式としたが、発電部は１層式でも良い。
【００３８】
また、上述の実施の形態では、図４に示すように、各極歯６１ａ，６２ａを略台形形状とし、これによりさらにディテントトルクを低減させると共により有効磁束を確保したが、各極歯６１ａ，６２ａの形状は、特に略台形形状としなくても良く、矩形や三角形状としても良い。この場合、上述の実施の形態で説明した各極歯を略台形形状としたものと比べると、ディテントトルクの低減及び有効磁束の確保という点で劣るが、各極歯間の周方向における隙間を狭く構成すれば、従来技術の小型水力発電装置と比べると効果が生じる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明の小型水力発電装置によれば、ステータ部の隣接する極歯間の周方向における隙間を各極歯とロータマグネットとの径方向における隙間の１．５倍以下に設定したことを特徴としている。このように極歯間の隙間を従来より大幅に狭くすることにより、ディテントトルクが小さくなり、少量の流水でもスムーズに水車及び回転体が回転し、効率よく発電を行うことが可能となる。また、この構成により有効磁束も大となるため、水車の回転を効率よく発電力に変化させることができ、少量の流量で効率よく発電を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の小型水力発電装置の縦断面図である。
【図２】水車及び回転体の構成を示す図で、（Ａ）は図１と同方向から見た正面図、（Ｂ）は（Ａ）を矢示Ｂ方向から見た平面図、（Ｃ）は（Ａ）を矢示Ｃ方向から見た底面図である。
【図３】図１の矢示ＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。
【図４】図１に示した小型水力発電装置の極歯部分を展開した展開図である。
【図５】小型水力発電装置の各極歯間の周方向における隙間とディテントトルクとの関係を示した図で（１）はステータ部が１層式の場合、（２）はステータ部が２層式の場合をそれぞれ示したグラフである。
【図６】小型水力発電装置の各極歯間の周方向における隙間と有効磁束との関係を示したグラフである。
【図７】従来技術の小型水力発電装置と本発明の各実施例における小型水力発電装置との電気角とディテントトルクとの関係を比較するための図で、（１）は各極歯間の隙間が大きくかつステータ部を１層で構成した従来のタイプ、（２）は各極歯間の隙間が大きくかつステータ部を２層としたタイプ、（３）はステータ部を１層で構成した本発明の小型水力発電装置の一実施例、（４）はステータ部を２層とした本発明の他の実施例、（５）は（４）の構成に加え２層の各内ステータコア間を磁気的に絶縁したタイプ、（６）は（５）の構成に加え２層の各外ステータコアの外側部分を接触させ磁気的に連結したタイプをそれぞれ示したグラフである。
【符号の説明】
１  本体ケース
３  水車
４  回転体（ロータ部）
６  ステータ部
６１  外ステータコア
６２  内ステータコア
６１ａ，６２ａ  極歯
Ｍｇ  ロータマグネット
【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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