JP2015177582A - 水力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水路を流れる水の量が少なくても、発電効率の低下を抑制することが可能な水力発電装置を提供する。
【解決手段】この水力発電装置では、水路の中に配置される羽根車と一緒に回転するロータマグネット５の外周面に１２極の磁極が着磁され、ロータマグネット５の外周側を囲むように配置されるステータコア８に９個の突極８ｂが形成されている。また、この水力発電装置では、突極８ｂの先端部を構成する突極先端部８ｄの開き角θ２が、ロータマグネット５の１つの磁極の着磁角θ１の１．３倍以上となっている。
【選択図】図２

Description

本発明は、水の流れを利用して発電を行う小型の水力発電装置に関する。

従来、洗面台等に設置された自動水栓装置に取り付けられる小型の水力発電装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の水力発電装置は、水路が形成されるケース体と、ケース体の中に配置される羽根車と、羽根車に固定されるロータマグネットとを備えている。また、この水力発電装置は、ロータマグネットの外周側を囲むようにケース体の外側に配置されるステータ部を備えている。ステータ部は、コイルと、コイルが巻回されるステータコアとを備えている。この水力発電装置では、水路の中で水が流れると、羽根車と一緒にロータマグネットが回転する。ロータマグネットが回転すると、コイルに起電力が生じてコイルに交流電流が流れる。また、コイルに流れる交流電流は、三相全波整流回路によって直流電流に変換されて電池に充電される。

特開２００２−４４９２２号公報

近年、自動水栓装置の蛇口から排出される水の量を必要最小限にして節水を行うため、自動水栓装置の蛇口から排出される水の量が少なくなっている。すなわち、自動水栓装置に取り付けられる水力発電装置の水路を流れる水の量が少なくなっている。一方で、水力発電装置の水路を流れる水の量が少なくなると、水路の中に配置される羽根車が回転しにくくなり、その結果、水力発電装置での発電効率が低下する。

そこで、本発明の課題は、水路を流れる水の量が少なくても、発電効率の低下を抑制することが可能な水力発電装置を提供することにある。

上記の課題を解決するため、本願発明者は、種々の検討を行った。特に、本願発明者は、ロータマグネットとステータコアとの関係に着目して、種々の検討を行った。その結果、ロータマグネットとステータコアとが所定の関係を満足していると、水路を流れる水の量が少なくても、発電効率の低下を抑制することが可能になることを知見するに至った。

本発明の水力発電装置は、かかる新たな知見に基づくものであり、水路が形成されるケース体と、水路の中に配置される羽根車と、羽根車に固定され羽根車と一緒に回転するロータマグネットと、コイルとコイルが巻回されるステータコアとを有しロータマグネットの外周側を囲むようにケース体の外側に配置されるステータ部とを備え、ステータコアには、ロータマグネットの径方向における内側に向かって突出するとともにその先端面がロータマグネットの外周面に対向する９個の突極が、ロータマグネットの回転中心に対して等角度ピッチで形成され、突極は、コイルが巻回されるコイル巻回部と、コイル巻回部よりも突極の先端側に配置されるとともに先端面が形成される突極先端部とを備え、ロータマグネットの周方向における突極先端部の幅は、周方向におけるコイル巻回部の幅よりも広くなっており、ロータマグネットの外周面には、周方向においてＮ極とＳ極とが交互に着磁されるとともに１２極の磁極が着磁され、軸方向から見たときに、周方向における突極先端部の一端とロータマグネットの回転中心とを結んだ線と、周方向における突極先端部の他端とロータマグネットの回転中心とを結んだ線とがなす角度を突極先端部の開き角とし、軸方向から見たときに、周方向における１つの磁極の一端とロータマグネットの回転中心とを結んだ線と、周方向における１つの磁極の他端とロータマグネットの回転中心とを結んだ線とがなす角度を着磁角とすると、突極先端部の開き角は、着磁角の１．３倍以上となっていることを特徴とする。

本発明の水力発電装置では、ステータコアに９個の突極が形成され、ロータマグネットの外周面に１２極の磁極が着磁されるとともに、突極先端部の開き角が着磁角の１．３倍以上となっている。そのため、本発明では、水路を流れる水の量が少なくても、水力発電装置の発電効率の低下を抑制することが可能になる。

本発明において、たとえば、突極先端部の開き角は、３３．３°であり、着磁角は、２５°であり、周方向において隣り合う突極先端部間の周方向の隙間は、１ｍｍである。

本発明において、軸方向におけるステータコアの長さは、軸方向におけるロータマグネットの長さの０．８〜０．９倍となっていることが好ましい。このように構成すると、コイル巻回部の断面積を比較的大きくすることが可能になる。したがって、コイル巻回部での磁気飽和を防止することが可能になり、その結果、水力発電装置の発電効率の低下を効果的に抑制することが可能になる。

以上のように、本発明の水力発電装置では、水路を流れる水の量が少なくても、発電効率の低下を抑制することが可能になる。

本発明の実施の形態にかかる水力発電装置の断面図である。 図１に示すロータマグネットおよびステータコアの平面図である。 図２に示すロータマグネットの磁化状態を説明するための図である。 図１に示すコイルが接続される三相全波整流回路の回路図である。 図１に示す水力発電装置の効果を説明するためのグラフおよび表である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。

（水力発電装置の構成）
図１は、本発明の実施の形態にかかる水力発電装置１の断面図である。図２は、図１に示すロータマグネット５およびステータコア８の平面図である。図３は、図２に示すロータマグネット５の磁化状態を説明するための図である。図４は、図１に示すコイル７が接続される三相全波整流回路１８の回路図である。

本形態の水力発電装置１は、洗面台等に設置される自動水栓装置に取り付けられて使用されるものであり、自動水栓装置の水路の途中に配置されている。自動水栓装置は、センサ、電磁弁および充電器等を備えており、センサによって、たとえば、使用者の手が検知されると、電磁弁が一定時間、オンの状態となり、自動水栓装置の蛇口から一定時間、水が流出する。このときには、水力発電装置１に形成される後述の水路２の中で水が流れて、水力発電装置１によって発電が行われる。また、水力発電装置１で発電された電力は、充電器に充電され、充電器に充電された電力は、センサおよび電磁弁に供給される。

水力発電装置１は、内部に水路２が形成されるケース体３と、水路２の中に配置される羽根車４とを備えている。また、水力発電装置１は、ブラシレスモータと同様の構造を有しており、羽根車４に固定され羽根車４と一緒に回転するロータマグネット５と、ロータマグネット５の外周側を囲むようにケース体３の外側に配置されるステータ部６とを備えている。ロータマグネット５は、円筒状に形成されている。ステータ部６は、コイル７と、コイル７が巻回されるステータコア８とを備えており、全体として略円筒状に形成されている。ロータマグネット５とステータ部６とは、その軸中心が一致するように配置されている。

ケース体３には、固定軸１０が固定されている。羽根車４は、２個の軸受１１を介して固定軸１０に回転可能に支持されている。軸受１１は、ロータマグネット５とステータ部６との間の磁気バランスをとりやすくなるように非磁性材料で形成されている。具体的には、軸受１１は樹脂で形成されている。ケース体３の外側に配置されるステータ部６は、カバー１２によって覆われている。以下の説明では、ロータマグネット５の径方向（すなわち、ステータ部６の径方向）を「径方向」、ロータマグネット５の円周方向（すなわち、ステータ部６の円周方向）を「周方向」、ロータマグネット５の軸方向（すなわち、ステータ部６の軸方向）を「軸方向」とする。

ロータマグネット５の外周面には、周方向においてＮ極とＳ極とが交互に着磁されている。また、ロータマグネット５の外周面には、１２極の磁極が着磁されている。図２に示すように、軸方向から見たときに、周方向における１つの磁極の一端とロータマグネット５の回転中心Ｃ（すなわち、ロータマグネット５およびステータ部６の軸中心）とを結んだ線と、周方向におけるこの磁極の他端と回転中心Ｃとを結んだ線とがなす角度を着磁角θ１とすると、着磁角θ１は、２５°となっている。また、本形態では、ロータマグネット５の外径Ｄ１は、１５．５ｍｍとなっている。

また、本形態のロータマグネット５は、極異方性のマグネットであり、ロータマグネット５の磁化状態は、図３（Ａ）に示すようになっている。なお、ロータマグネット５は、ラジアル異方性のマグネットであっても良い。この場合には、ロータマグネット５の磁化状態は、図３（Ｂ）に示すようになる。また、この場合には、ロータマグネット５の内周側に磁性材料からなるリング１４が配置される。

ステータコア８は、複数の薄い磁性板が積層されて形成された積層コアである。図１に示すように、本形態では、軸方向におけるステータコア８の長さＬ１は、軸方向におけるロータマグネット５の長さＬ２の０．８〜０．９倍となっている。また、本形態では、軸方向におけるロータマグネット５の磁気中心と軸方向におけるステータコア８の磁気中心とが軸方向において一致するように、ロータマグネット５およびステータコア８が配置されている。

ステータコア８は、図２に示すように、円環状に形成されるコア基部８ａと、コア基部８ａから径方向の内側に向かって突出する９個の突極８ｂとを備えている。９個の突極８ｂは、ロータマグネット５の回転中心Ｃ（すなわち、ステータ部６の軸中心）に対して等角度ピッチで形成されている。

突極８ｂは、コイル７が巻回されるコイル巻回部８ｃと、コイル巻回部８ｃよりも突極８ｂの先端側（すなわち、径方向の内側）に配置される突極先端部８ｄとを備えている。本形態の突極８ｂは、コイル巻回部８ｃと突極先端部８ｄとから構成されており、コイル巻回部８ｃの径方向内側端に突極先端部８ｄが繋がっている。コイル巻回部８ｃは、周方向の厚さが薄い略直方体状に形成されている。コイル７は、絶縁性材料からなるカバー１６を介して９個のコイル巻回部８ｃのそれぞれに巻回されている。

突極先端部８ｄは、軸方向から見たときの形状が略円弧状となるように形成されている。具体的には、突極先端部８ｄは、軸方向から見たときに、コイル巻回部８ｃよりも周方向の両側へ広がる略円弧状に形成されている。周方向における突極先端部８ｄの幅は、周方向におけるコイル巻回部８ｃの幅よりも広くなっている。突極先端部８ｄに形成される突極８ｂの先端面（径方向の内端面）８ｅは、凹曲面状に形成されている。具体的には、先端面８ｅは、軸方向から見たときの形状がロータマグネット５の回転中心Ｃを中心とする円弧状をなす凹曲面状に形成されている。この先端面８ｅは、ロータマグネット５の外周面に対向している。具体的には、先端面８ｅは、ケース体３を構成する略円筒状の隔壁部３ａを介してロータマグネット５の外周面に対向している。すなわち、先端面８ｅは、先端面８ｅとロータマグネット５の外周面との間に隔壁部３ａを挟んだ状態でロータマグネット５の外周面に対向している。

軸方向から見たときに、周方向における突極先端部８ｄの一端とロータマグネット５の回転中心Ｃとを結んだ線と、周方向におけるこの突極先端部８ｄの他端と回転中心Ｃとを結んだ線とがなす角度を突極先端部８ｄの開き角θ２とすると、開き角θ２は、着磁角θ１の１．３倍以上となっている。本形態の開き角θ２は、３３．３°であり、開き角θ２は、着磁角θ１の１．３３２倍となっている。また、本形態では、軸方向から見たときに９個の先端面８ｅを通過する仮想円の直径Ｄ２は、１７ｍｍとなっており、周方向において隣り合う突極先端部８ｄ間の周方向の隙間Ｇは、１ｍｍとなっている。

水力発電装置１では、水路２の中で水が流れて、羽根車４と一緒にロータマグネット５が回転すると、コイル７に起電力が生じてコイル７に交流電流が流れる。本形態の水力発電装置１は、三相式の発電装置であり、コイル７は、図４に示すように、３本の導線１７によって構成されている。３本の導線１７の一端は互いに接続されている。すなわち、３本の導線１７は、Ｙ結線で接続されている。また、３本の導線１７の他端は、６個のダイオードと１個の平滑用コンデンサとを有する三相全波整流回路１８に接続されている。そのため、本形態で、コイル７に流れる交流電流が直流電流に変換されて、自動水栓装置の充電器に充電される。

（本形態の主な効果）
以上説明したように、本形態では、ロータマグネット５の外周面に１２極の磁極が着磁され、ステータコア８に９個の突極８ｂが形成されるとともに、開き角θ２が着磁角θ１の１．３倍以上となっている。そのため、本形態では、水力発電装置１の発電効率を高めることが可能になる。以下、この本形態の効果をシミュレーション結果に基づいて説明する。

図１に示す水力発電装置１において、開き角θ２が変わったときに水力発電装置１に発生する磁束量および水力発電装置１のディテントトルクがどのように変化するのかを確かめるためのシミュレーションを行った。具体的には、開き角θ２が変わることで突極先端部８ｄ間の隙間Ｇが変わったときに水力発電装置１に発生する磁束量および水力発電装置１のディテントトルクがどのように変化するのかを確かめるためのシミュレーションを行った。シミュレーションでは、着磁角θ１を２５°とし、ロータマグネット５の外径Ｄ１を１５．５ｍｍとし、先端面８ｅを通過する仮想円の直径Ｄ２を１７ｍｍとした。また、このシミュレーションにおける開き角θ２と隙間Ｇとの関係は、図５（Ｂ）の表のようになる。なお、このシミュレーションにおける磁束量とは、「１回巻きの閉回路（コイル）内の回路に鎖交する磁束が１秒間で均一に変動したときに、電磁誘導により１Ｖの起電力が誘起される磁束量」のことであり、実際の水力発電装置１では、フラックスメータによって測定される値である。

シミュレーションでは、図５（Ａ）に示すように、隙間Ｇが大きくなるにしたがって（すなわち、開き角θ２が小さくなるにしたがって）、水力発電装置１のディテントトルクが大きくなった。また、シミュレーションでは、隙間Ｇが０．２ｍｍ〜１．１ｍｍの間にあるときには、水力発電装置１に発生する磁束量の低下は見られないが、隙間Ｇが１．１ｍｍを超えると、水力発電装置１に発生する磁束量が次第に低下した。すなわち、開き角θ２が３２．６°以上であるときには、水力発電装置１に発生する磁束量の低下は見られないが、開き角θ２が３２．６°よりも小さくなると、水力発電装置１に発生する磁束量が次第に低下した。すなわち、このシミュレーションでは、開き角θ２が着磁角θ１の１．３倍以上となっていれば、水力発電装置１に発生する磁束量が低下しないことが確認できた。

このように、ロータマグネット５の外周面に１２極の磁極が着磁され、ステータコア８に９個の突極８ｂが形成された水力発電装置１において、開き角θ２が着磁角θ１の１．３倍以上となっていれば、水力発電装置１に発生する磁束量は低下しないため、本形態では、水力発電装置１の発電効率を高めることが可能になる。したがって、本形態では、水路２を流れる水の量が少なくても、水力発電装置１の発電効率の低下を抑制することが可能になる。なお、隙間Ｇが１ｍｍよりも小さくなると、コイル７への巻線作業が困難になるため、本形態のように、開き角θ２は、３３．３°であることが好ましい。ただし、コイル７の巻線作業ができるのであれば、開き角θ２は、３３．３°より大きくなっていても良い。

また、本形態では、軸方向におけるステータコア８の長さＬ１が、軸方向におけるロータマグネット５の長さＬ２の０．８〜０．９倍となっているため、コイル巻回部８ｃの断面積を比較的大きくすることが可能になる。したがって、本形態では、コイル巻回部８ｃでの磁気飽和を防止することが可能になり、その結果、水力発電装置１の発電効率の低下を効果的に抑制することが可能になる。

（他の実施の形態）
上述した形態は、本発明の好適な形態の一例ではあるが、これに限定されるものではなく本発明の要旨を変更しない範囲において種々変形実施が可能である。

上述した形態では、軸方向におけるステータコア８の長さＬ１は、軸方向におけるロータマグネット５の長さＬ２の０．８〜０．９倍となっている。この他にもたとえば、ステータコアの長さＬ１は、ロータマグネットの長さＬ２の０．８倍の長さより短くても良いし、ロータマグネットの長さＬ２の０．９倍の長さより長くても良い。また、上述した形態では、水力発電装置１は、三相式の発電装置であるが、水力発電装置１は、単相式の発電装置であっても良い。この場合には、コイル７は、１本の導線によって構成され、この導線は、たとえば、単相全波整流回路に接続される。また、上述した形態では、ロータマグネット５は、羽根車４に直接固定されているが、ロータマグネット５は、所定の部材を介して羽根車４に固定されても良い。

なお、上述した形態では、ロータマグネット５の外周面に１２極の磁極が着磁されているが、ロータマグネット５の外周面に８極の磁極が着磁されても良い。この場合には、ステータコア８は、上述した形態と同様に、円環状に形成されるコア基部８ａと、コア基部８ａから径方向の内側に向かって突出する９個の突極８ｂとを備えている。また、この場合には、コイル巻回部８ｃに巻回されるコイル７の、各突極８ｂに対する巻回方向を変える必要があり、さらに、コイル７の引き出し線の処理も変える必要がある。

１ 水力発電装置
２ 水路
３ ケース体
４ 羽根車
５ ロータマグネット
６ ステータ部
７ コイル
８ ステータコア
８ｂ 突極
８ｃ コイル巻回部
８ｄ 突極先端部
８ｅ 先端面
Ｃ ロータマグネットの回転中心
Ｇ 突極先端部間の周方向の隙間
Ｌ１ 軸方向におけるステータコアの長さ
Ｌ２ 軸方向におけるロータマグネットの長さ
θ１ 着磁角
θ２ 突極先端部の開き角

Claims (3)

1. 水路が形成されるケース体と、前記水路の中に配置される羽根車と、前記羽根車に固定され前記羽根車と一緒に回転するロータマグネットと、コイルと前記コイルが巻回されるステータコアとを有し前記ロータマグネットの外周側を囲むように前記ケース体の外側に配置されるステータ部とを備え、
   前記ステータコアには、前記ロータマグネットの径方向における内側に向かって突出するとともにその先端面が前記ロータマグネットの外周面に対向する９個の突極が、前記ロータマグネットの回転中心に対して等角度ピッチで形成され、
   前記突極は、前記コイルが巻回されるコイル巻回部と、前記コイル巻回部よりも前記突極の先端側に配置されるとともに前記先端面が形成される突極先端部とを備え、
   前記ロータマグネットの周方向における前記突極先端部の幅は、前記周方向における前記コイル巻回部の幅よりも広くなっており、
   前記ロータマグネットの外周面には、前記周方向においてＮ極とＳ極とが交互に着磁されるとともに１２極の磁極が着磁され、
   前記軸方向から見たときに、前記周方向における前記突極先端部の一端と前記ロータマグネットの回転中心とを結んだ線と、前記周方向における前記突極先端部の他端と前記ロータマグネットの回転中心とを結んだ線とがなす角度を突極先端部の開き角とし、
   前記軸方向から見たときに、前記周方向における１つの前記磁極の一端と前記ロータマグネットの回転中心とを結んだ線と、前記周方向における１つの前記磁極の他端と前記ロータマグネットの回転中心とを結んだ線とがなす角度を着磁角とすると、
   前記突極先端部の開き角は、前記着磁角の１．３倍以上となっていることを特徴とする水力発電装置。
2. 前記突極先端部の開き角は、３３．３°であり、
   前記着磁角は、２５°であり、
   前記周方向において隣り合う前記突極先端部間の前記周方向の隙間は、１ｍｍであることを特徴とする請求項１記載の水力発電装置。
3. 前記軸方向における前記ステータコアの長さは、前記軸方向における前記ロータマグネットの長さの０．８〜０．９倍となっていることを特徴とする請求項１または２記載の水力発電装置。

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