(57)【要約】【課題】直流発電機には、発電量の脈動、回転トルクの不均一（コギング）及び消耗部品が必要等、性能の低下、信頼性の低下や稼働率の低下に結び付く種々の課題がある。【解決手段】界磁磁石を円盤状またはドーナツ形状とし、同じくドーナツ形状の電機子鉄心及び電機子コイルとを、同回転軸上にそれぞれが対向する位置に配置されるている構造を特徴とする、安定で大きな発電量が得られ、コギングの発生が無く、回転トルクが小さく、メンテナンスの必要が無い等のメリットを有する直流発電機を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円盤状またはドーナツ形状の界磁磁石、ドーナツ形状の電機子鉄心及び電機子コイルとからなり、発電電圧の変動が全くなく、コギングも全く起こさず、低回転トルクであることを特徴とする直流発電機。
【請求項２】
請求項1の発電機の電機子鉄心に、磁界を遮蔽するアイソレータを、もう一つ別の鉄心で挟んだ構造と、もう一つの界磁磁石を請求項1の界磁磁石の反対側に持つ、同一コイルで発電量を2倍にできる特徴を持つ直流発電機。
【請求項３】
請求項２の発電機に、さらに同様の一組以上の電機子コイル、電機子鉄心（アイソレータ挿入あり）及び界磁磁石を追加することで、請求項2の発電機の発電量より、追加した段数倍の発電量が得られる直流発電機。
【請求項４】
請求項4の発電機において、各段毎、別々に出力させるようにした、並列出力型直流発電機。
【請求項５】
請求項１〜４の発電機において、界磁磁石を回転させることにより、ブラシ等の消耗部品を必要としないメンテナンスフリーな直流発電機。
【請求項６】
電機子コイル及び界磁磁石それぞれを逆回転させれるようにした、同一構造で発電量が2倍になる直流発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フレミングの右手の法則に常に則った発電が行え、発電時にコギングが全く発生せず、回転トルクも小さい理想的な直流発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石を使用した発電機（永久磁石式発電機）は、電磁石式発電機と比べ、界磁励磁のための電源回路が不要であることから、構造が簡単で、メンテナンスの必要もほとんどない、等の利点がある。また、誘導型発電機と比べると、系統投入時の突入電流が小さく、力率の調整が可能である特徴を有している。
【０００３】
また、永久磁石式発電機は、他方式の発電機と比べ、重量当たり及び体積当たりの発電量が大きいという優位性を有する発電機である。しかし、永久磁石は電磁石に比べ、起磁力を大きくすることが難しく、また励磁電流の増減による無効電力の調整も不可能であるため、比較的小型の発電機として利用されることが多かった。
ところが、近年技術の進歩から大型で起磁力が大きい永久磁石が製造できるようになり、大規模発電設備や軍用の発電機としても使用されるようになってきている。
【０００４】
発電機の基本的な構造は、磁界を作る電磁石あるいは永久磁石と、導体で作られる電機子巻線（コイル）と、電機子鉄心とからなる。従来の発電機では、永久磁石式／電磁石式問わず、必ず電機子巻線を磁石のN極／S極を交互に通過させて発電する構造であった。どちらかといえば回転子を界磁（磁石）にする回転界磁形が一般的である。
【０００５】
従来の発電機は、どの方式どの構造でも起電力が変動し、回転のトルクも変動してしまう発電機である。また従来の発電機の構造では、交流を発生させる構造のため、直流を出力するには、整流子（ブラシ）を用いる必要があるため、構造が複雑となり、摩耗による部品交換や故障、信頼性の低下問題につながっている。また、直流と言っても電圧が変化する脈流であって、電源品質としては高くない。さらに、交流の場合でも、発生させる電圧波形は擬似正弦波形であり、使用用途によっては、AC→DC→AC変換が必須で、電源品質は決して高いとは言えない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
発電機が最も理論的な発電を行うのは、電機子・磁界・移動方向それぞれが直交するときである（フレミングの右手の法則）。しかし、従来の発電機では、理論的な位置関係にない状態が長く、発電量が小さくなる課題があった。このような発電量の低下を交流として利用しているが、その波形は理想的な正弦波には程遠い擬似正弦波であり、電源品質は低く、一部の使用方法を除いて、インバータ／コンバータの回路を用いて正弦波波形の品質の高い交流に変換して利用しているのが実情である。
【０００７】
また、電機子には軟磁性体を用いた鉄心を使用するのが一般的であるが、発電の際、電機子鉄心と磁石が引き合うため、磁気抵抗によりコギングが生じ、脈動の多い不安定な発電になってしまう。そのため、回転系の振動対策が必要となり、設計や製造を困難なものにしている課題があった。
【０００８】
また、前項の課題を解決する手段の一つとして、電機子鉄心を用いないコアレス発電機があるが、回転トルクの低減やコギングの低減には効果が見られるが、コア有りと比べ発電量が小さくなってしまうという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、従来の課題を解決するため、電機子／磁界／運動方向それぞれが如何なる時も常に直交しているように配置した構造を特徴とする発電機である。この構造により、起電力の変動がない安定な発電が行え、またコギングを発生させない、低回転トルクの発電機を提供することである。
【００１０】
具体的には、ドーナツ形状の鉄芯に導電体を巻き付けた電機子巻線(コイル)と、同じくドーナツ形状あるいは円盤状の界磁磁石とを対向に配置した構造であり、界磁磁石あるいは電機子コイル、またはその両方を逆方向に回転（周方向）させることで発電することである。
特に限定するわけではないが、回転子を界磁磁石（永久磁石）とすることで、ブラシ等の消耗部品のないメンテナンスフリーで、従来の発電機の課題すべてが解決できる発電機が提供できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明による発電機は直流発電機であるが、従来のような脈流ではなく、起電力の変動が全くない、常に理論的な発電量が得られる直流発電機である。また同時にコギングが全く発生せず、しかも回転トルクも小さいという効果が得られる。
【００１２】
また、複雑な電機子巻線を必要とせず、発電機自体の構造が簡単であり、そのうえ、複雑な制御回路も必要としないことから、高い耐久性や信頼性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】基本構造概念図
【図２】実施例2  構造概念図
【図３】実施例3  構造概念図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図1に示す通り、従来の発電機と同様、界磁磁石11、12と電機子コイル13、電機子鉄心14とで構成される。しかし、従来の発電機のように界磁磁石と電機子コイルが同心円の円筒形状ではなく、ドーナツ状あるいは円盤状である。
【００１５】
ドーナツ状あるいは円盤状の界磁磁石11、12（図1ではドーナツ状を例示）で、平面側がN極／S極となるものを使用する。界磁磁石は永久磁石でも電磁磁石でも構わないが、設計、構造、制御やメンテナンス等を考慮すると、永久磁石の方が優れている。
【００１６】
界磁磁石は、ドーナツ形状あるいは円盤形状であるが、1個の界磁磁石である必要はなく、分割されたものを配置しても構わない。分割数も設計上、製造上、コスト上等の理由から任意の分割数が可能である。但し、単純に発電量を大きくする目的では、分割数が少ないほど適していると言える。
【００１７】
次に電機子コイル13は、ドーナツ状の軟磁性体14（主に鉄製）に、外周と内周で導電体（主に被覆絶縁した銅導線を用いる）を巻く。その巻き方は、一重でも二重でもそれ以上でも、また交差するような巻き方でもよい。
【００１８】
上記の界磁磁石11、12と電機子コイル13を同回転軸上に対向に設置し、どちらか一方を回転あるいは両方を逆回転させることで発電を行う。永久磁石を用いた場合、永久磁石を回転させることで、ブラシ等の消耗部品が不必要になるメリットがある。電磁石を用いる場合は、どちらを回転させても大きな違いはない。
また、両方を回転させる場合は、ブラシ等の消耗部品が必要になるデメリットがあるが、その分、界磁磁石と電機子コイルの相対速度が2倍になるため、発電量が2倍に増加するメリットがある。
【実施例】
【００１９】
図2に両面型発電機の概念図を示す。
電機子コイル一つに対して、両側を励磁できるようにした実施例である。単位長さあたりの磁束数が2倍となり、発電量が基本構造である片面型に比べ2倍にできる発電機である。
【００２０】
一コイルの両面で発電するため、コイルの表裏で磁束方向を反対にする必要がある。そのため、電機子鉄心（軟磁性体）14、16を2枚一組とし、その間に磁界を遮断するアイソレータ15を挿入する。これにより、一コイルの両面に有効な磁界を生じさせることができ、発電量を2倍にすることができる。
【００２１】
図3に多段式発電機の概念図を示す。
これは、多段式の1例を示したもので、図3では2段両面型を例示してあるが、実際には用途や仕様に合わせた段数を組むことが可能で、段数に制限はない。
【００２２】
図3の発電機では、磁界磁石3個11、12、17、18、23、24、電機子コイル2個13、19で構成されており、単段片面式に比べ、4倍の発電量が得られる。図3においても、図2と同様、電機子鉄心の間にアイソレータ15、21を組み込んである。
また、界磁磁石の両面（N極側、S極側ともに）でそれぞれ発電することから、部品点数を増やすことなく発電量を増加させることができる特徴を有する。
【００２３】
図3のような多段式の場合、各段ごとの起電力を直列で取り出しても、個々段ごとに取り出してもよく、用途、仕様に合わせた自由度を持たせることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明の発電機は、従来の直流発電機の用途すべてに利用可能である。
【００２５】
また、従来の交流発電機がAC→DC→AC変換していることから、本発明の発電機でもDC→AC変換することにより、交流発電機としても利用可能である。
再生可能エネルギーの代表的な存在である太陽光発電は直流発電であることを考えれば、本発明の直流発電機をDC→AC変換で、交流発電機として使用することに課題は存在しない。
【符号の説明】
【００２６】
11 ・・・・ 上面側界磁磁石N極
12 ・・・・ 上面側界磁磁石S極
13 ・・・・ 一段目電機子コイル
14 ・・・・ 一段目上面電機子鉄心
15 ・・・・ 電機子鉄心アイソレータ
16 ・・・・ 一段目下面電機子鉄心
17 ・・・・ 下面側界磁磁石S極
18 ・・・・ 下面側界磁磁石N極
19 ・・・・ 二段目電機子コイル
20 ・・・・ 二段目上側電機子鉄心
21 ・・・・ 電機子鉄心アイソレータ
22 ・・・・ 二段目下面電機子鉄心
23 ・・・・ 二段目下面側界磁磁石N極
24 ・・・・ 二段目下面側界磁磁石S極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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