(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の吸入口と排出口とを有する外筒部材と、
前記外筒部材の内側に設けられ、複数の領域が着磁された、もしくは内部に複数の磁石を有する回転自在の環状ローターと、
前記環状ローターに対し、外側方向に突没自在に設けられたベーンと、
前記環状ローターの内側に設けられた複数のコイルと、
を備え、
前記複数の磁石または着磁された複数の領域によって環状ローターに生ずる複数の磁極が、当該環状ローターの周方向に回転対称性を持つように、前記複数の磁石または前記複数の領域が配置され、前記複数のコイルは、コイルコアが前記環状ローターの回転軸に対して垂直方向に、かつ、前記環状ローターの周方向に回転対象性を持つように配置され、
前記ベーンの先端が前記外筒部材の内壁に接して前記吸入口側と前記排出口側とを隔絶し、前記吸入口側と前記排出口側との流体の圧力差をベーンに受けて前記環状ローターの回転に変換し、前記複数のコイルの数が前記磁極の数の約数であることにより、ローターの回転による交番磁界によって全てのコイルで同位相、または逆位相の電圧を発生させ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】
この発明は、水や空気など流体の持つエネルギーを回転エネルギーに変換するための回転装置の一つであるベーンモーターを用いて発電する技術に関するものであり、特にベーンモーターと発電機構を一体化することにより、エネルギー変換効率を高めると同時に小型な流体発電装置を作成可能にするための技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
流体の持つエネルギーを回転エネルギーに変換する回転装置として、ベーンモーターがある。ベーンモーターはシンプルな構成で流体の圧力を直接回転力に変換するため、小型で大出力を得ることを得意とする回転装置である。
【０００３】
図１は、従来のベーンモーターの原理を説明する説明図であり、横断面とＡ−Ａ線での断面を示している。この従来のベーンモーターでは、タービン１は円形のケーシング（外筒）１１の中にローター１２が偏心されて配置されている。ローター１２には複数のベーン（同図では１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆ）が収納されていて、各ベーンは遠心力もしくはバネによって押されるか、その他の方法によって引き出されることにより常にケーシング１１の内壁と接触し、流体の流路を完全に隔絶している。
【０００４】
吸入口１５内の流体と排出口１６内の流体に圧力差が発生すると、各ベーンに断面積×圧力の力がかかり、その力がローター１２の回転力となる。例えば、吸入口１５の圧力が高くなった時、各ベーンに圧力がかかるが、ローターはケーシングに対して中心が偏心の位置にあるため、ローターから突出している長さがそれぞれ異なり、力を受ける断面積も異なる。ローターは各ベーンにかかる力の回転方向成分の総和によって回転するため、結果として図では反時計回りに回りだす。
【０００５】
このようなローターの回転を用いて発電する場合、ローターの中心軸を取り出して、回転発電機に接続する方法が一般的である（例えば非特許文献１参照。）。
【０００６】
【非特許文献１】水力発電のしくみ  http://www.kepco.co.jp/tokai/sikumi/sikumi.htm
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら従来技術では、ローターの中心軸の一部をケーシング外部に出す必要があり、その際、作動流体が軸と軸受けの隙間から漏れないようにシーリングをする必要がある。そして、このシーリングに関わるトルク損失が発生トルクに対して比較的大きいと、エネルギー変換効率が悪くなるという問題があった。
【０００８】
また、ベーンモーター外部に発電機を設置するスペースと軸を連結するためのスペースが必要であり、狭い場所では使用が困難であるという問題があった。
【０００９】
さらに、発電機の問題として、低回転時には電圧が低いといった問題があった。
【００１０】
本発明は、上述した従来技術における問題点を解消し、課題を解決するためになされたものであり、流体の圧力のエネルギーから電気エネルギーへの変換効率が高く、かつ小型で出力電圧の高いベーンモーター型の発電装置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】
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係る発電装置は、流体の吸入口と排出口とを有する外筒部材と、前記外筒部材の内側に設けられ、着磁された、もしくは内部に磁石を有する回転自在の環状ローターと、前記環状ローターに対し、外側方向に突没自在に設けられたベーンと、前記環状ローターの内側に設けられたコイルと、を備え、前記ベーンの先端が前記外筒部材の内壁に接して前記吸入口側と前記排出口側とを隔絶し、前記吸入口側と前記排出口側との流体の圧力差をベーンに受けて前記環状ローターの回転に変換し、当該環状ローターの回転によって生じた交番磁界によって前記コイルを通過する磁束密度を変化させて電圧を発生させることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る発電装置は、前記磁石または着磁された環状ローターに生ずる磁極と前記コイルとは、それぞれ回転対象性を持つように配置され、前記コイルの数は前記磁極の数の約数であることにより、ローターの回転による交番磁界によって全てのコイルで同位相、または逆位相の電圧を発生させることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る発電装置は、前記磁石または着磁された環状ローターに生ずる磁極は、前記環状ローターの回転面に対して垂直方向であり、前記コイルのコイルコアは前記磁極のローター表面近傍に延びる枝を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば発電装置は、軸を外部に取り出す事が無いため、シーリングに関わる損失が無く、エネルギー変換効率を高くすることが出来る。また、発電するためのコイルが回転装置の中にあるため、小型化することができ、狭い場所にも設置することができる発電装置を得ることができるという効果を奏する。
【００１５】
また、本発明によれば発電装置は、全てのコイルで同位相、または逆位相の電圧を発生させるため、これらのコイルを直列に接続することによって、低い回転数においても高い電圧を得る発電装置を得ることができるという効果を奏する。
【００１６】
また、本発明によれば発電装置は、単純な構成で発電機構を構築でき、中心部分の空間を効率よく使用できるため、特に小型化に適した発電装置を得ることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に添付図面を参照して、この発明に係る発電装置の好適な実施例について詳細に説明する。
【実施例１】
【００１８】
図２は、本発明の実施例１である回転型の発電装置（タービン）の概要構成を示す概要構成図であり、横断面図およびＢ−Ｂ線断面図を示している。このタービン２は、図１に示した従来のタービン１に発電機構を付加したものである。
【００１９】
ローター２２は、図１に示したローター１２の中心部分をくりぬいた円筒形の輪の形状（環状、ドーナッツ形状）であり、磁石を内部に有している。ケーシング２１も中心部分は空洞になるような、すなわちローターを包み込むような形状（ドーナッツ形状）である。そして中心部分にはコイル２８を配置している。このケーシング２１、タービン２２、コイル２８の関係を図３に示す。
【００２０】
コイルコアは、ケーシングを挟んでローターと向かい合っており、ローター２２内部の磁石２７による磁力線が効率よくコイル２８を貫くように配置されている。
【００２１】
かかる構成において、流体に圧力差が発生してローター２２が回転し始めると、ローター２２に組み込まれた磁石２８も回転し、交番磁界が発生する。この交番磁界により、コイルコアの中の磁束密度が変化し、コイル２８に誘導起電力が発生し、電力を取り出すことができる。
【００２２】
この構成では、流体エネルギーを回転エネルギーに変換するタービンと、回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機を一体化させることにより、小型化することができ、狭い場所に組み込むのに最適になる。
【００２３】
また、流体の満たされたタービン内部から外部の空気中に動力軸を取り出す必要が無いため、ローターをケーシングの中に完全に密閉することができ、Ｏリングなどのシーリングに係る損失をなくすことができる。
【００２４】
図４は、コイルと磁石の配置の具体例を説明する説明図である。一般的な発電システムでは、回転装置のローターの回転数が低い場合、ギアやプーリーを用いて回転数を増速して発電機を回転させるが、タービン２ではローター２２の回転数を増速させる手段が無いため、回転数が低いと電圧が求める電圧に達しない可能性がある。図４に示したコイルの構成例は、この問題を解決するものである。
【００２５】
同図に示したように、磁石は磁極がローター内円周上に回転対称性を持つように並んでおり、かつコイルも回転対称性を持つように配置されている。さらにコイルの数が磁極の数の約数であることにより、全てのコイルで同位相または逆位相の電圧を得ることができる。
【００２６】
例えば、磁極の数が６、コイルの数が６である場合、コイル（３８１ａ，３８１ｃ，３８１ｅ）はローターが回転中、互いに常に同位相であり、コイル（３８１ｂ，３８１ｄ，３８１ｆ）とは常に逆位相になる。また、磁極の数が６、コイルの数が３である場合、コイル（３８２ａ，３８２ｂ，３８２ｃ）はローター回転中、常に同位相である。そして、磁極の数が６、コイルの数が２である場合、コイル３８３ａとコイル３８３ｂは常に逆位相になる。
【００２７】
同位相のコイルの巻き線を直列に接続すれば、容易に電圧を上げることができる。また、逆位相のコイルについては巻き線を逆にして直列に接続すれば、同じく容易に電圧を上げることができる。
【実施例２】
【００２８】
図５は、本発明の実施例２である回転型の発電装置（タービン）の概要構成を示す概要構成図であり、横断面図およびＣ−Ｃ線断面図を示している。同図に示したタービン４では、ローター４２の内部に磁石４７を磁極が縦方向になるように複数埋め込んでいる。
【００２９】
そして、ケーシング４１の中心部分にはコイル４８が縦向きに配置されている。コイル４８のコアは図６に示したように上部と下部で枝分かれをし、複数の磁極から磁力線を取り込めるように、磁極の上下まで伸びている。
【００３０】
磁石４７の磁極は交互に入れ替わるように配置される。すなわち、磁石４７ａ、４７ｃ、４７ｅは上がＮ極で下がＳ極、磁石４７ｂ、４７ｄ、４７ｆは上がＳ極で下がＮ極である。枝分かれしたコイルコアから入った磁束は集約されコイル４８内部を通過し、また枝分かれした反対側のコイルコアを通り磁石へと戻る。本実施例２の場合、磁石３つ分の磁束がコイルを貫通する。
【００３１】
この構成では、巻き線を巻いたコイルは円筒形であり、ケーシング中心部も円筒形であるため、中心部分のスペースを効率よく活用でき、巻き線のターン数を多くしやすい形状である。
【００３２】
上述してきたように、本発明に係る発電装置は、発電機構を回転装置の中に埋め込み一体化することにより、軸を取り出すためのシーリングに関わる損失を減らすことができる。
【００３３】
また、コイルの配置を最適化することにより、低回転時にも高電圧を得ることが可能である。
【００３４】
そのため、摩擦抵抗を無視できるくらい大きな圧力、高回転を得るための大きな流量が得られないために利用することができなかった様々なエネルギーを利用できるようになる。それは例えば、風力や、波力、人の運動などに起因する力などである。
【００３５】
また、本発明により小型、特に薄型化が可能となり、これまでタービンを設置できなかった狭い場所（水道管の中や、ガス管の中、狭い壁の中）で利用できる。また、小型軽量化によって利用者の身体にとりつけ、人の運動によって流体が入ったタンクに圧力をかけてタービンを回転させることで発電をして携帯機器に電力を供給することなどにも用いることができる。
【００３６】
なお、上述の実施例１，２に示した構成および動作はあくまで一例であり、本発明は実施例に限定されること無く適宜変形して利用することができるものである。たとえば、実施例１，２では、ローター内部に磁石を埋め込む構造を例に説明を行ったが、ローター自身を着磁することによって、磁場を作りだす構成としても本発明を実施することは可能である。このほか、磁石とコイルの数、細かい形状などは実際の使用状況によって変更可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
以上のように、本発明に係る発電装置は、流体の持つエネルギーを効率よく回転エネルギーに変換して発電する装置として有用であり、特に小型で高電圧の出力を行う電源に適している。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】従来の回転型の発電装置の概要構成を示す概要構成図である。
【図２】本発明の実施例１である回転型の発電装置の概要構成を示す概要構成図である。
【図３】ケーシング、タービン、コイルの関係を説明する説明図である。
【図４】コイルと磁石の配置の具体例を説明する説明図である。
【図５】本発明の実施例２である回転型の発電装置の概要構成を示す概要構成図である。
【図６】コイルの形状について説明する説明図である。
【符号の説明】
【００３９】
１，２，４  タービン
１１，２１，４１  ケーシング
１２，２２，４２  ローター
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆ，２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ，２３ｅ，２３ｆ，４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄ，４３ｅ，４３ｆ  ベーン
１５，２５，４５  吸入口
１６，２６，４６  排出口
２７，４７ａ，４７ｂ，４７ｃ，４７ｄ，４７ｅ，４７ｆ  磁石
２８，３８１ａ，３８１ｂ，３８１ｃ，３８１ｄ，３８１ｅ，３８１ｆ，３８２ａ，３８２ｂ，３８２ｃ，３８２ｄ，３８２ｅ，３８２ｆ，４８  コイル
【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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