(57)【要約】【課題】増速機構を有しながら保守性がよく、水中に投入して使用ができる水力発電機を提供する。【解決手段】低速ローター３０と高速ローター５０が中心軸２１に回転可能に取付けられ、ステーターポール４２を有するステーター４０が低速ローター３０と高速ローター５０の間に回転不能に取付けられ、ステーターポール４２に発電コイル４３が巻回され、低速ローター３０を駆動することにより高速ローター５０が増速回転し発電する磁気ギア方式の水力発電機において、ステーターポール４２を保持するポールホルダー４１にて防水隔壁を構成することにより、ステーター４０の内側を水密構造とする。水密構造としたステーター４０の内側に発電コイル４３、配線基板４５等を収容することにより、水中に投入して使用できる水力発電機が提供できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸まわりに回転しない中心軸と、前記中心軸に同軸に取付けられた低速ローターとステーターと高速ローターを有し、
多い極対数の磁石を有する前記低速ローターと、少ない極対数の磁石を有する前記高速ローターが前記中心軸に回転可能に取付けられ、
前記低速ローターの極対数と前記高速ローターの極対数の和または差の数のステーターポールを有する前記ステーターが、前記ステーターポールが前記低速ローターの磁石と前記高速ローターの磁石に対向するように前記低速ローターと前記高速ローターの間に前記中心軸に回転不能に取付けられ、
前記ステーターポールに発電コイルが巻回され、前記低速ローターを駆動することにより前記高速ローターが増速回転し発電する磁気ギア方式の水力発電機において、
前記ステーターポールを保持するポールホルダーが防水隔壁を構成し、前記ステーターの内側が水密構造となっていることを特徴とする水力発電機。
【請求項２】
前記中心軸は、前記ステーターの内側の範囲に貫通孔が設けられ両端が密閉された中空軸で、発電出力電線が前記貫通孔から前記中心軸の中空部に引き出されていることを特徴とする、請求項１に記載された水力発電機。
【請求項３】
前記発電コイルのリードが前記ステーターの内側方向にでていることを特徴とする、請求項１に記載された水力発電機。
【請求項４】
前記ステーターポールは側面がテーパーとなっている袴部を有し、前記ポールホルダーに外側から圧入する構造であることを特徴とする、請求項１に記載された水力発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中に投入して使用される水力発電機、特に磁気ギアによる増速機構を有する水力発電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水力発電機のうち規模が小さい用途の発電機として小水力発電機がある。
小水力発電機の設置形態は種々様々であるが、簡便な設置方法のひとつに既存の水路等の中に水車を有する発電機を設置し、水車の回転により発電機を駆動し電力を得るという設置方式がある。
【０００３】
この様な設置方式の小水力発電の場合、懸念される2つの課題ある。
第1の課題は、水車の一部または全体が水没するので水車に連結される発電機も水没または被水のおそれがあり、発電機には何らかの防水対策が必要となることである。
第2の課題は、小水力発電機が設置される水路等では水の流速が遅いことが多く、水車の回転速度が低くなりがちで回転増速機構が必要となることである。
【０００４】
発電機の耐水対策としては特許文献１に水車部９０１と発電機９０２を中間連結体９０３で連結し、発電機９０２を水路の最大流量時の水位より高く配置する構造（図８参照）が提示されており、これにより発電機９０２が水没する危険性を回避できるとしている。
【０００５】
しかしながら特許文献１の様な構造では、水車と一体となった発電機を水路中に投入・水没させて発電する場合には、中間連結体で発電機を水位より高くなるように設置することは困難である。
従って、水中に投入して使用される発電機では特許文献１に記載の構造とは異なる防水対策を講じる必要がある。
【０００６】
この様な水中で使用される発電機の防水対策として、特許文献２では図９に示すように、水車９１１と磁石９１２を有する回転体９１３をカップ状部材９１４で覆い、発電機として機能するステッピングモータのステーター部９１５を、ケーシング９１６内を通過する流体から隔離する構成が示されている。しかしながらこの構成では磁石９１２とステーター９１５の間に隔壁としてカップ状部材９１４を追加したため、磁石９１２とステーター９１５間の距離、すなわちギャップをカップ状部材９１４の板厚より狭くすることができず、発電効率が低下するという課題があった。
【０００７】
第２の課題である回転増速機構に関しては、一般的には複数の歯車で構成される歯車機構が用いられることが多い。しかし歯車による増速機構では歯車の歯形同士の接触による損耗や騒音の問題がある。これらを回避するにはグリスや潤滑油を使用するという手段があるが、水力発電機では歯車部分も被水の虞があり、グリスや潤滑油を頻繁に補給する必要が生じ、メンテナンスが煩雑となる。
【０００８】
これに対し非特許文献１には増速機構として、非接触で動力を伝えるので潤滑油系統が不要で信頼性、保守性の向上が期待でき、騒音がほとんどない「内外の表面磁石型回転子とその間に挟まれたポールピースと呼ばれる固定子で構成された磁気ギア」が紹介されている（図１０参照）。非特許文献１に示された磁気ギアでは、ポールピースの数をNsとし、内外の回転子の磁極対数を各々P，Ns±Pとしたとき、この磁気ギアはギア比Gr= P/（Ns±P）で順転または逆転することが示されており、具体例として外側ローターが14磁極対，内側ローターが34磁極対，ポールピースが48個であった場合にギア比が約2.43倍となることが記載されている。
【０００９】
また、この磁気ギアのポールピースに発電用のコイルを巻回すれば内外の回転子の回転により発電用のコイルに起電力が発生し発電機となる。特に磁極対数の多い側の回転子を外部の水車等に接続すると磁極対数の少ない側の回転子が増速回転し、増速機構を内蔵した発電機となる。
【００１０】
しかしながら、この磁気ギア方式の増速機構を内蔵した発電機では内部への水の浸入を阻止することができず、何らかの防水対策が必要であるという課題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１５−１０５２４号公報
【特許文献２】特開２００２−４４９２２号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】永久磁石式磁気ギアの効率向上に関する一考察 一ノ倉理 他  日本磁気学会誌  Vol. 33, No. 2, pp. 130-134
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、増速機構を有しながら保守性がよく、水中に投入して使用ができる水力発電機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の水力発電機における請求項１に係る発明は、
軸まわりに回転しない中心軸と、前記中心軸に同軸に取付けられた低速ローターとステーターと高速ローターを有し、
多い極対数の磁石を有する前記低速ローターと、少ない極対数の磁石を有する前記高速ローターが前記中心軸に回転可能に取付けられ、
前記低速ローターの極対数と前記高速ローターの極対数の和または差の数のステーターポールを有する前記ステーターが、前記低速ローターと前記高速ローターの間に前記ステーターポールが前記低速ローターの磁石と前記高速ローターの磁石に対向するように前記中心軸に回転不能に取付けられ、
前記ステーターポールに発電コイルが巻回され、前記低速ローターを駆動することにより前記高速ローターが増速回転し発電する磁気ギア方式の水力発電機において、
前記ステーターポールを保持するポールホルダーが防水隔壁を構成し、前記ステーターの内側が水密構造となっていることを特徴とする。
本発明では磁気ギア方式の増速機構を用いたので、機械式増速機構のような磨耗等がなくメンテナンスが容易である。また、磁気ギア構造のステーターの内側を水密構造としステーターの内側に水が浸入しない構造としたので、発電コイルおよび発電コイルに付随する配線基板、制御回路等の電気部品をステーターの内側に収容することにより、電気部品が被水することを回避できる。これらにより、メンテナンスが容易で水中に投入して使用ができる水力発電機を提供することができる。
また、ステーターポールを保持するポールホルダーが防水隔壁を構成する構造としたので、ステーターポールと低速ローターの磁石間の距離およびステーターポールと高速ローターの磁石間の距離を増加させることなく水密構造とすることが可能となる。これにより発電効率を低下させることなく、水中に投入して使用ができる水力発電機を提供することができる。
また、増速されて回転する高速ローターが水密構造となっているステーターの内側に収容されているので、高速ローターを空気中で回転させることができ、増速回転に伴う抵抗を小さく抑えることができるので水力発電機の発電効率が向上する。
【００１５】
また、本発明の請求項２に係る発明は、前記発電コイルのリードが前記ステーターの内側方向にでていることを特徴とする、前記請求項１に記載の水力発電機である。
本発明では発電コイルのリードをステーターの内側に取り出す構造としたので、コイルのリードをステーター内部に収容された配線基板に接続する等の処理をする場合に、コイルのリードが防水隔壁となっているポールホルダーを通過しないので、高い水密性を維持でき、より信頼性の高い水力発電機を提供することができる。
【００１６】
また、本発明における請求項３に係る発明は、前記ステーターポールは側面がテーパーとなっている袴部を有し、前記ポールホルダーに外側から圧入する構造であることを特徴とする、請求項１に記載された水力発電機である。
本発明ではステーターポールをポールホルダーに外側から圧入する構造としたので、発電機が水中に投入され防水隔壁が水圧を受けるとステーターポールはポールホルダーにより強く圧入されて抜けにくくなり、水密性が高くなる。加えて、テーパーになっている袴部の側面がポールホルダーにより強く接触するため水密性がより高くなる。これにより、さらに信頼性の高い水力発電機を提供することができる。
【発明の効果】
【００１７】
また、本発明における請求項４に係る発明は、前記中心軸は、前記ステーターの内側の範囲に貫通孔が設けられ両端が密閉された中空軸で、前記発電コイルに接続された発電出力電線が前記貫通孔から前記中心軸の中空部に引き出されていることを特徴とする、請求項１に記載された水力発電機である。
本発明では中空である中心軸に、水密構造となっているステーターの内側の範囲に貫通孔を設け、発電コイルに接続された発電出力電線をこの貫通孔から中心軸の中空部に引き出す構成としたので、ステーターの内側の水密を維持したまま発電出力電線を発電機の外部に取り出すことが出来る。これにより、さらに信頼性の高い水力発電機を提供することができる。
【００１８】
本発明の水力発電機においては、磁気ギアによる増速機構を有し、磁気ギアの構成を利用してステーターの内側を水密構造としたので、増速機構を有しながら保守性がよく、水中に投入して使用ができる水力発電機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施例の構成を示す部分断面斜視図である。
【図２】本実施例の外観を示す二面図である。
【図３】本実施例の構成を示す断面図である。
【図４】本実施例に係るステーター部の構造を示す斜視図及び詳細図である。
【図５】動作解説用磁気ギアの構成を示す斜視図及び分解斜視図である。
【図６】磁気ギアの動作を説明する図である。
【図７】動作解説用磁気ギア方式発電機の構造を示す部分断面斜視図である。
【図８】従来の発電機の、中間連結体による防水構造を示す図である。
【図９】従来の発電機の、カップ状部材による防水構造を示す図である。
【図１０】従来の磁気ギアの構造を説明する斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明に係る水力発電機は磁気ギア機構を有する発電機で、磁気ギア機構による回転増速動作と、増速されて回転する磁石による発電機構という２つの構成を有している。
発明の効果の理解を容易とするために、発明の実施形態を記載する前に〔磁気ギアの構造と動作解説〕〔磁気ギア方式発電機の構造と動作解説〕を記し、のち本発明による水力発電機の実施の形態を説明する。
【００２１】
〔磁気ギアの構造と動作解説〕
図５（ａ），（ｂ）に代表的な磁気ギアの構造概念図を示す。図５（ａ）は組み立て状態の磁気ギアの外観斜視図で、図５（ｂ）は磁気ギアの構造を示す分解斜視図である。
磁気ギアは主として、回転可能で複数の磁石対を有する２つのローターと、固定され複数のポールを有するステーターよりなり、図５（ａ），（ｂ）に示す様に、最外周に多数の極対の磁石５１１を有し低速で回転する低速ローター５１０、最内周に少数の極対の磁石５３１を有し高速で回転する高速ローター５３０が配置され、低速ローター５１０と高速ローター５３０の中間にステーター５２０が固定配置される。
【００２２】
磁気ギアでは、低速ローター５１０の磁石極対数をＮＬ極対，高速ローター５３０の磁石極対数をＮＨ極対，ステーター５２０のポールの数をＮＳ個とすると、ＮＬ，ＮＨ，ＮＳは
ＮＳ＝ＮＬ±ＮＨ
という関係が成立するように選定する。
図５（ａ），（ｂ）に一例としては記載した磁気ギアでは  ＮＬ＝１３，ＮＨ＝３，ＮＳ＝１６としている。
【００２３】
すなわち、図５に記載した磁気ギアでは、最外周の低速ローター５１０は、隣接する磁石の極方向が互い逆となるように１３極対２６個の磁石５１１が、リング状のバックヨーク５１２の内周側に等間隔で固定され、最内周の高速ローター５３０は、隣接する磁石の極方向が互い逆となるように３極対６個の磁石５３１が、リング状のバックヨーク５３２の外周側に等間隔で固定され、ステーター５２０は１６個のステーターポール５２１が略円筒状のポールホルダー５２２に円周方向に等間隔に固定されている。
なお、ステーターポール５２１は軟磁性体製であり、ポールホルダー５２２は非磁性体である。
この例では、ＮＬ，ＮＨ，ＮＳの関係は
１６＝１３＋３（ＮＳ＝ＮＬ＋ＮＨ）
となっている。
【００２４】
次に図６（ａ），（ｂ），（ｃ）及び（ｄ）を用いて磁気ギアの動作を解説する。図６は図５に記載したＮＬ＝１３，ＮＨ＝３，ＮＳ＝１６の磁気ギアと同じ構成の磁気ギアの回転状態を示す平面図で、磁石側面形状中に記載した白抜き矢印は磁束線の方向を示している。また、高速ローター５３０，低速ローター５１０，ステーター５２０のリング状側面部に記載した丸印，三角印，二重丸印，四角印は、磁石５１１，５３１またはステーターポール５２１の特定位置を示すマークである。
なお、ステーターポール５２１は軟磁性体であるため、磁束線はいずれの方向にも通過し得る。
【００２５】
図６（ａ）は磁気ギアが停止している状態である。この時、低速ローター５１０の丸印のついた磁石および丸印のついたステーターポールおよび高速ローター５３０の丸印のついた磁石が全て水平線上で一列に並び、低速ローター５１０の丸印のついた磁石および高速ローター５３０の丸印のついた磁石の磁束線の方向は同一線上で回転中心を向く方向で一致している。この様に低速ローターの磁石，ステーターポール，高速ローターの磁石の３つが一直線上に並び、低速ローターの磁石と高速ローターの磁石の磁束線の方向が同一である状態が安定状態である。
【００２６】
次に、内側の高速ローター５３０を時計回り方向に回転させ、高速ローター５３０の丸印のついた磁石が、三角印のついたステーターポールと一致したときを考える。このとき外側の低速ローター５１０はまだ回転していないとすると、磁気ギアは図６（ｂ）のようになる。すなわち高速ローター５３０の丸印のついた磁石と三角印のついたステーターポールは一致しているが、三角印のついたステーターポールと一致する低速ローター５１０の磁石はない。
このため低速ローター５１０は安定状態となるように、低速ローター５１０の磁石５１１のうち磁束線の方向が回転中心を向く方向である磁石５１１、すなわち丸印のついた磁石または三角印のついた磁石の何れかが三角印のついたステーターポールを一致する位置まで回転しようとする。このとき、丸印のついた磁石より三角印のついた磁石のほうが三角印のついたステーターポールに近いため、低速ローター５１０は三角印のついた磁石が三角印のついたステーターポールに一致する位置まで反時計方向に回転する。
この結果、図６（ｃ）のように、低速ローター５１０の三角印のついた磁石，三角印のついたステーターポール，高速ローター５３０の丸印のついた磁石の３つが一直線上に並び、低速ローターの磁石と高速ローターの磁石の磁束線の方向は同一線上で回転中心を向く方向となり、安定状態になる。
【００２７】
以上の動作にて、高速ローター５３０はステーターポール５２１の１ピッチ分の角度だけ回転する。また、低速ローター５１０は、低速ローター５１０の磁石５１１の磁極対の１ピッチ分の角度と、ステーターポール５２１の１ピッチ分の角度の、差の角度だけ回転する。
【００２８】
図６に記載の磁気ギアは ＮＬ＝１３，ＮＨ＝３，ＮＳ＝１６ という構成であるから、高速ローター５３０は２２．５度（＝３６０／１６）回転し、低速ローター５１０は５．１９２度（＝３６０／１３−３６０／１６）回転する。
従って、高速ローター５３０の回転角と低速ローター５１０の回転角の比率、すなわち磁気ギアのギア比は２２．５／５．１９２ ＝ ４．３３４となる。これは低速ローター５１０の磁極対数ＮＬ（＝１３）と高速ローター５３０の磁極対数ＮＨ（＝３）の比率１３／３（＝４．３３３・・・）である。
【００２９】
上記のギア比を一般式にて算出すると、以下のようになる。ただし算出過程の簡略化のため、上記ギア比の逆数を求め、また回転角度は時計回り方向を正とする。
高速ローター５３０の回転角度は３６０／ＮＳ（度）で、低速ローター５１０の回転角度は（３６０／ＮＳ）−（３６０／ＮＬ）＝３６０（１／ＮＳ−１／ＮＬ）である。
従ってギア比の逆数（低速ローター５１０の回転角度÷高速ローター５３０の回転角度）は
３６０（１／ＮＳ−１／ＮＬ）／（３６０／ＮＳ）
＝（１／ＮＳ−１／ＮＬ）／（１／ＮＳ）
＝ＮＳ×（１／ＮＳ−１／ＮＬ）
＝ＮＳ×（（ＮＬ−ＮＳ）／（ＮＳ×ＮＬ））
＝１×（ＮＬ−ＮＳ）／（１×ＮＬ）
＝（ＮＬ−ＮＳ）／ＮＬ
ところでＮＳ＝ＮＬ＋ＮＨ（図５，図６の磁気ギアでは１６＝１３＋３）であるからギア比の逆数は
（ＮＬ−ＮＳ）／ＮＬ
＝（ＮＬ−（ＮＬ＋ＮＨ））／ＮＬ
＝−ＮＨ／ＮＬ
となる。従ってギア比は  −ＮＬ／ＮＨ  となり、図５，図６の磁気ギアでは
−ＮＬ／ＮＨ＝−１３／３＝−４．３３３・・・となる。
上記でギア比にマイナスがつくのは回転方向が逆であることを示している。
【００３０】
なお、上記に記載の動作、すなわち内側の高速ローター５３０が回転し、のち外側の低速ローター５１０が回転すると言う動作は、磁気ギアの動作説明のための手順である。
実際には高速ローター５３０が回転すると低速ローター５１０も同時に回転する。
【００３１】
内側の高速ローター５３０が時計回り方向に更に回転させられステーターポール５２１の２ピッチ分の角度回転し、高速ローター５３０の丸印のついた磁石が二重丸印のついたステーターポールと一致する位置まですすむと、図６（ｄ）に示すように、低速ローター５１０は反時計回りに回転し、低速ローター５１０の二重丸印のついた磁石が二重丸印のついたステーターポールと一致する位置まですすむ。このときの高速ローター５３０および低速ローター５１０の回転角度は各々４５度，１０．３８５度で、ギア比は４５／１０．３８５ ＝ ４．３３３である。
【００３２】
以降同様にして、図６の磁気ギアは高速ローター５３０が時計回り方向に回転させられると、低速ローター５１０はギア比４．３３３で反時計回りに回転する。
【００３３】
以上の磁気ギア動作の説明では、高速ローター５３０が飛びとびの角度で回転するかのように記載したが、実際には高速ローター５３０は連続的に回転し、これに対応して低速ローター５１０も連続的に回転する。
【００３４】
また上記の説明では、高速ローター５３０が回転させられた場合に低速ローター５１０が追従して回転する減速動作を記述したが、磁気ギアは低速ローター５１０を回転させると高速ローター５３０が追従して回転し増速動作を行う。すなわち、磁気ギアは増速機または減速機のいずれとしても使用可能である。
【００３５】
なお詳細は記さないが、ＮＳ＝ＮＬ−ＮＨ 例えば低速ローター５１０の磁極対数が１３で、高速ローター５３０の磁極対数が３で、ステーターのポール数が１０の場合、ギア比は１３／３（＝４．３３３）で、低速ローター５１０と高速ローター５３０の回転方向は同一となる。
【００３６】
以上のように、回転可能でＮＬ極対の磁石５１１を有する低速ローター５１０と、回転可能でＮＨ極対の磁石５３１を有する高速ローター５３０と、固定されＮＳ（＝ＮＬ±ＮＨ）個のステーターポール５２１を有するステーター５２０よりなる磁気ギアは、ギア比  −ＮＬ／ＮＨ  で増速または減速動作を行う。
【００３７】
〔磁気ギア方式発電機の構造と動作解説〕
図７に代表的な磁気ギア式発電機の構造概念図を示す。図７に示す磁気ギア式発電機では、図５に記載の磁気ギアと同数の、ＮＬ＝１３，ＮＨ＝３，ＮＳ＝１６ という構成で、１６個のステーターポール５２１に計１６個の発電コイル５２３を各々巻回した構造となっている。
【００３８】
図７に記載の磁気ギア式発電機では、最外周の低速ローター５１０が駆動させられると、前記の磁気ギアの動作により最内周の高速ローター５３０が増速回転する。例えば低速ローター５１０が６０ｒｐｍ（１秒に１回転）程度の低速で駆動させられると、図５，図６で例示したギア比４．３３３と同じギア比の磁気ギアであれば、高速ローター５３０は増速され２６０ｒｐｍ（１秒間に４．３３３回転）で回転する。
【００３９】
上記の例に記載した低速ローター５１０の回転数が６０ｒｐｍの場合、低速ローター５１０は１秒間に１回転するので、低速ローター５１０の磁石５１１は発電コイル５２３が巻回されたステーターポール５２１の前を毎秒１３（＝ＮＬ）極対通過する。
【００４０】
これに対し高速ローター５３０は磁気ギアにより増速されて２６０ｒｐｍで回転するため、高速ローター５３０は１秒間に４．３３３回転する。ところで高速ローター５３０の磁石数は３（＝ＮＨ）極対であるため、ステーターポールの前を通過する高速ローター５３０の磁石数は４．３３３×３＝１３極対となり、低速ローター５１０の磁石５１１の通過数と同じである。従って低速ローター５１０の磁石５１１と高速ローター５３０の磁石のいずれの磁石でも、単位時間当たりに発電コイル５２３が巻回されたステーターポール５２１の前を通過する極対数は同一で、磁極の変化速度も同一である。
【００４１】
しかしながら低速ローター５１０の磁石５１１と高速ローター５３０の磁石５３１では、磁石の大きさ（体積）が異なり、一般的に極対数の多い低速ローター５１０の磁石５１１より、極対数の少ない高速ローター５３０の磁石５３１の方が体積は大きい。例えば図７に記載した磁気ギア式発電機では高速ローター５３０の磁石５３１の体積は低速ローター５１０の磁石５１１の体積の約４．７倍となっている。
【００４２】
磁石の体積が大きいと磁石の全磁束も増加し、発電コイルの起電力は時間当たりの磁束変化に比例するので、磁気ギア式発電機の場合、ステーターポール５２１の前を通過する単位時間当たりの磁石対の数は同一でも、体積が大きく全磁束量が大きい高速ローター５３０の磁石５３１により大きな磁束変化が得られ、発電コイル５２３は大きな起電力を発生する。
【００４３】
なお、磁気ギア式発電機としては他に発電コイルを巻回したステーターを最外周に配置した構造等  種々のバラエティーが可能である。
【実施例】
【００４４】
以下図１〜図４を参照に、本発明に係る水力発電機の第１の実施例を詳細に説明する。
はじめに、本実施例の水力発電機の外観および概略構造を、図２，図３を参照して説明する。図２は本実施例の二面図、図３は中心断面図である。
【００４５】
本実施例の水力発電機１００は、図２に示すように、円周上に複数の水車翼１１を有する水車１０と、水車１０から突出する中心軸２１を有し、水車１０の内部に発電機構９０を有する。なお、本実施例の水力発電機１００は中心軸突出側が水流の下流側になるように設置される。
【００４６】
中心軸２１は発電機１００を保持する中空の棒で、図３に示すように、両端がエンドキャップ２５で密閉され、発電出力電線７２を通すための２つの配線孔２１ａが設けられている。
【００４７】
発電機１００は、先端が略円錐形に閉じ他方が開口し、円周方向に複数の水車翼１１が設けられたフロントカバー１２と、略円錐台形で一方に底部を有する略筒形状のテールカバー１３と、からなる水車１０により外形が形成され、水車１０は２つのすべり軸受け２２を介して中心軸２１に回転可能に取り付けられる。
【００４８】
水車１０の内部には中心軸２１に同軸に取付けられた低速ローター３０、ステーター４０、高速ローター５０からなる発電機構９０が収容されている。最外周の低速ローター３０は中心軸２１に回転可能に取付けられるとともに水車１０に連結され、水車１０とともに回転する。
【００４９】
ステーター４０は低速ローター３０の内側に位置し、中心軸２１に回転不能に取付けられ、最内周には高速ローター５０が中心軸２１に対して回転可能に取付けられる。
【００５０】
発電機構９０からの発電出力電線７２は、ステーター４０に設けた配線孔４１ｅを通り、中心軸２１の２つの配線孔２１ａの一方から中心軸２１の中空部に挿入され他方の配線孔２１ａから中心軸２１の外に取り出され、図示しない発電機保持構造物内に配線される。
【００５１】
以下、図１を参照して、発電機１００の構造を説明する。図１は本実施例の構成を示す部分断面斜視図である。
【００５２】
フロントカバー１２は先端が略円錐形状であるシェル状の部品で、内部に中間壁１２ａを有し中間壁１２ａの中央には軸受け取付け穴が設けられている。また、後端開口部近傍の最大径部に複数の水車翼１１が設けられ、開口部にはテールカバー１３との連結部を有し、連結部の近傍に低速ローター３０を連結するローター取付け壁１２ｂを有する。
テールカバー１３は有底の略円錐形状であるシェル状の部品で、底部中央に軸受け取付け穴が設けられ、開口部側にはフロントカバー１２との連結部を有する。
【００５３】
フロントカバー１２とテールカバー１３は互いの連結部で連結され一体の水車１０となる。フロントカバー１２の中間壁１２ａの軸受け取付け穴と、テールカバー１３の底部中央の軸受け取付け穴にはすべり軸受け２２が各々組み込まれ、水車１０はこの２つのすべり軸受け２２により中心軸２１に回転可能に保持される。
【００５４】
フロントカバー１２とテールカバー１３を連結してなる水車１０では、軸方向全長の先端側付近と後端部に各々すべり軸受け２２が設けられる。この水車１０では、水車１０の軸方向の両端間に近い距離を隔てて設けられた２つのすべり軸受け２２の間に水車翼１１が設けられた配置となっているので、水車翼１１が水流等により回転力を加えられ、また水流等により水車が軸方向または軸方向に垂直な方向の力を受けても、安定して動作することができる。
【００５５】
水車１０の内部に収容されている発電機構９０のうち、最外周の低速ローター３０は有底円筒状のローターケース３１と、ローターケース３１の円筒部の内側に固定された軟磁性体にて製作された略円筒状のバックヨーク３２と、径方向に着磁され、隣接する磁石の極方向が互い逆となるようにバックヨークの内周側に等間隔で固定された複数の磁極対の磁石３３を有する。
ローターケース３１の底部中央には軸受け取付け穴を有し、開口部端にはローターケース３１をフロントカバー１２のローター取付け壁１２ｂに連結するためのフランジ部３１ａを有する。このフランジ部３１ａにてローターケース３１とテールカバー１３が連結され、水流により水車１０が回転すると低速ローター３０も回転する。
【００５６】
次にステーター４０の構造を、図４を参照しながら、より詳細に説明する。
図４は本実施例におけるステーター４０の構造を示す図で、図４（ａ）はホルダープレート４４を省略した状態のステーターを開口部側から見た斜視図、図４（ｂ）は開口部側から見た部分断面分解斜視図、図４（ｃ）はポールホルダー４１へのステーターポール４２の組み込み構造を説明する詳細斜視図、図４（ｄ）は発電コイル４３の組み込み構造を説明する詳細斜視図、図４（ｅ）はステーターポール袴部４２ａ側面のテーパー形状の効果を説明する部分断面図である。
【００５７】
ステーター４０は、ポールホルダー４１，複数のステーターポール４２，複数の発電コイル４３およびホルダープレート４４（図１参照）を有し、必要に応じて配線基板４５をステーター４０の内側に収容する。
ポールホルダー４１は非磁性体にて有底円筒状に製作され、図４（ａ）に記載のように、底部の中央には中心軸が入る穴が設けられ、この穴を内径とする中央筒部４１ａが開口側に延出している。また、中央筒部４１ａの根元付近には発電出力電線７２を取り出すための配線孔４１ｅが設けられる（図１，図３参照）。
【００５８】
ポールホルダー４１の円筒形状部には、図４（ｃ）に示すように、ステーターポール４２を圧入する角型のポール圧入孔４１ｂが複数設けられ、ポール圧入孔４１ｂの円筒外周側にはステーターポール４２の袴部４２ａが入る拡大部４１ｃが設けられ、拡大部４１ｃの側面部はテーパー面となっている。また、ポール圧入孔４１ｂの円筒内周側には、図４（ｄ）に示すように、発電コイル４３と発電コイルのリード４３ａが入るためのコイル逃げ部４１ｄが設けられている。
【００５９】
ステーターポール４２は軟磁性体で略角柱形状に製作され、一方側に外寸がわずかに広がった袴部４２ａを有し、袴部４２ａの側面はテーパーとなっている。またステーターポール４２の袴部側の外側端面はポールホルダー４１の外形と同一半径のＲ形状としてある。
【００６０】
発電コイル４３はマグネットワイヤを略四角形状に巻回したコイルで、巻き始めおよび巻き終わりのリード４３ａが同一方向に引き出されている。
【００６１】
ステーターポール４２は、図４（ｃ）（ｅ）に示すように、ポール圧入孔４１ｂにポールホルダー４１の外側から圧入され、ステーターポール４２の袴部４２ａがポール圧入孔４１ｂの拡大部４１ｃに入る。
【００６２】
ステーターポール４２をポールホルダー４１の外側から圧入し、ステーターポール４２の袴部４２ａの側面とポール圧入孔４１ｂの拡大部４１ｃの側面をいずれもテーパー面としたので、本実施例の水力発電機が水中に投入されステーターポール４２に水圧がかかった場合ステーターポール４２は、より強くポールホルダー４１に圧入され、加えてステーターポール４２の袴部４２ａの側面とポール圧入孔４１ｂの拡大部４１ｃの側面がより強く接触するため、水密性がより高くなる。
【００６３】
発電コイル４３は、図４（ｄ）に示すように、ポールホルダー４１にステーターポール４２が圧入された状態で、ポール圧入孔４１ｂのコイル逃げ部４１ｄにポールホルダー４１の内側より挿入する。この時リード４３ａがステーター４０の内側に向いた状態にして挿入することにより、リード４３ａが防水隔壁となっているポールホルダー４１を通過することが回避できるので、高い水密性を維持でき、より信頼性の高い水力発電機を提供することができる。
【００６４】
ポールホルダー４１の開口部には、図１に示すように、ホルダープレート４４が取付けられる。ホルダープレート４４は略円板状で、中央には中心軸が入る穴が設けられこの穴を内径とする筒形状が延出している。
【００６５】
ポールホルダー４１にステーターポール４２を圧入し、開口部にホルダープレート４４を取り付けた状態で中心軸２１に組み込むと、ポールホルダー４１の底部，ステーターポール４２が圧入されたポールホルダー４１の円筒部およびホルダープレート４４が隔壁となり、ポールホルダー４１とホルダープレート４４で囲まれる領域、すなわちステーター４０の内側は水密状態になる。
これにより、本実施例の水力発電機は水中に投入された状態でもステーター４０の内側は被水しないので、電気部品すなわち発電コイル４３，配線基板４５，制御回路等をステーター４０の内側に収容することにより、水中に投入しても支障なく動作する発電機１００が提供できる。
【００６６】
なお、ステーターポール４２が圧入されたポールホルダー４１の円筒部を隔壁としたので、隔壁の厚さをステーターポール４２の高さと同一にできるため、低速ローター３０の磁石３３とステーターポール４２の間の距離、およびステーターポール４２と高速ローター５０の磁石５３との間の距離、すなわちギャップが隔壁により拡大することがない。これにより隔壁を設けても発電効率が低下しない水力発電機を提供することができる。
【００６７】
ステーター４０の内側にはさらに高速ローター５０が収容される。高速ローター５０は、図１に示すように、略円筒状のローターホイール５１と、ローターホイール５１の外周に取付けられた軟磁性体にて製作された略円筒状のバックヨーク５２と、径方向に着磁され、隣接する磁石の極方向が互い逆となるようにバックヨーク５２の外周側に等間隔で固定された複数の磁極対の磁石５３を有する。ローターホイール５１は内径部に取付けられたベアリングを介してステーター４０のポールホルダー４１に回転可能に取付けられる。これにより高速ローター５０は中心軸２１に対して回転可能となる。
【００６８】
以上の構成にて、中心軸２１に固定され複数のステーターポール４２を有し内側が水密となったステーター４０と、ステーター４０の外側に複数の磁極対の磁石３３を有する低速ローター３０が中心軸２１に回転可能に取付けられ、水密構造となったステーター４０の内側に、ステーターポール４２に取付けられた発電コイル４３と、複数の磁極対の磁石５３を有する高速ローター５０が中心軸２１に回転可能に取付けられた、磁気ギアによる増速機構を有し水中に投入して使用ができる水力発電機が提供できる。
【００６９】
図１に記載の磁気ギア方式の発電機１００において、低速ローター３０の磁石３３の極対数（ＮＬ）を３８、高速ローター５０の磁石５３の極対数（ＮＨ）を４、ステーター４０のステーターポール４２の数（ＮＳ）を４２とすると、磁気ギア部分のギア比は９．５となり、例えば水車１０が６０ｒｐｍ（１秒に１回転）で回転した場合、高速ローター５０は５７０ｒｐｍで回転する。図１に記載のモデルの場合、高速ローター５０の磁石５３の体積は低速ローター３０の磁石３３の約１７倍と大きく、磁石の体積増加に伴い全磁束も増加する。これにより、図１に記載の磁気ギア方式発電機では磁気ギア方式発電の効果により、単に水車１０の回転のみで発電した場合に比べ大きな起電力がえられる。
【００７０】
加えて、図１に記載の磁気ギア方式発電機は非接触で増速するため、ギア磨耗等の虞がなく、部分がないため保守性に優れている。
【００７１】
本実施例の磁気ギア方式の発電機１００では、複数の発電コイル４３は配線基板４５で適時接続され、必要に応じて制御回路等を設ける。これらの配線基板４５や制御回路は発電コイル４３とともに、水密構造となったステーター４０の内側に収容されるため、漏電やショートの虞がなく、信頼性の高い水力発電機を提供することができる。
【００７２】
また、ポールホルダー４１の中央筒部の一部には配線孔４１ｅを設け、ステーター４０を中心軸２１に固定した状態で、ポールホルダー４１の配線孔４１ｅと中心軸２１の配線孔２１ａが一致する構成とした。これにより、発電コイル４３または制御回路からの発電出力電線７２は、水密構造となっているステーター４０の内側から両端が密閉された中空の中心軸２１へと配線されるため、被水の虞がなく信頼性の高い水力発電機を提供することができる。
【００７３】
また、本実施例の磁気ギア方式発電機では、水車１０とともに回転する低速ローター３０は水中にて回転するが、磁気ギア機構にて高速回転する高速ローター５０は水密構造となったステーター４０の内側で回転するため空気中での回転とできる。高速ローター５０は高速で回転するため、水中で回転すると非常に大きな抵抗を受けるが、本実施例の磁気ギア方式発電機では高速ローター５０は空気中で回転するので回転時の抵抗が低く抑えられ、発電効率が向上する。
【００７４】
なお、本実施例の磁気ギア方式発電機では、ステーターポール４２の外側端面はポールホルダー４１の外形と同一半径のＲ形状としてあるので、ステーターポール４２をポールホルダー４１に圧入した状態でステーターポール４２の端面とポールホルダー４１の外形は同一面となり、ステーター４０と低速ローター３０間のギャップを一定に保つことができ、ギャップが変動した場合の不安定動作等を回避できる。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明は、発電機が水没、被水する虞がある流量が少ない水路等で使用される各種水力発電機に利用でき、発電効率がよく信頼性が高い水力発電機の提供が可能となる。
【００７６】
なお、本発明は前記実施の形態に記載された事項に限定されるものではなく、本発明の分野における通常の知識を有する者であれば想到し得る各種変形，修正を含む、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても、本発明に含まれることは勿論である。
【符号の説明】
【００７７】
１０    水車
１１    水車翼
１２    フロントカバー
１２ａ  中間壁
１２ｂ  ローター取付壁
１３    テールカバー
２１    中心軸
２１ａ  配線孔
２２    すべり軸受け
２５    エンドキャップ
３０    低速ローター
３１    ローターケース
３１ａ  フランジ部
３２    バックヨーク
３３    磁石
４０    ステーター
４１    ポールホルダー
４１ａ  中央筒部
４１ｂ  ポール圧入孔
４１ｃ  拡大部
４１ｄ  コイル逃げ部
４１ｅ  配線孔
４２    ステーターポール
４２ａ  袴部
４３    発電コイル
４３ａ  リード
４４    ホルダープレート
４５    配線基板
５０    高速ローター
５１    ローターホイール
５２    バックヨーク
５３    磁石
７２    発電出力電線
９０    発電機構
１００    水中発電機
５００    磁気ギア
５１０    低速ローター
５１１    磁石
５１２    バックヨーク
５２０    ステーター
５２１    ステーターポール
５２２    ポールホルダー
５２３    発電コイル
５３０    高速ローター
５３１    磁石
５３２    バックヨーク
９０１    水車部
９０２    発電機
９０３    中間連結体
９１１    水車
９１２    磁石
９１３    回転体
９１４    カップ状部品
９１５    ステーター部
９１６    ケージング
【図１】
2017225209.tif 000003
【図２】
2017225209.tif 000004
【図３】
2017225209.tif 000005
【図４】
2017225209.tif 000006
【図５】
2017225209.tif 000007
【図６】
2017225209.tif 000008
【図７】
2017225209.tif 000009
【図８】
2017225209.tif 000010
【図９】
2017225209.tif 000011
【図１０】
2017225209.tif 000012