JP2017163813A - インナーロータ型ディスク発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、小水力発電等の小規模な発電に適し、低回転でも効率的な発電を行うことができるインナーロータ型で、平板構造によって容易に複数の発電機を連結できるディスク発電機を提供する。【解決手段】発電を行う部分は、発電機の中央部に配置され回転軸に接続された回転子と、回転子の両側に一定の隙間をもって回転子を挟み込むように配置された固定子で構成されるディスク型のインナーロータ型ディスク発電機である。回転子は、回転子円環の両側面に永久磁石を等間隔で配置している。固定子は、固定子円環に発電コイルを等間隔で配置しており、発電機の外壁を構成する側板に固定されている。内部ローターを回転させることにより、発電することができる。回転子を構成する永久磁石は、回転子円環の表面と裏面で配置ピッチが半ピッチずれるように配置することにより、コギングトルクを低減し、始動時からスムーズに回転させることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、水力、風力、波力等を利用した発電分野において、低回転でも効率的に発電でき、容易に複数連結することができるインナーロータ型のディスク発電機に関するものである。

近年、自然を破壊することなく環境に配慮した再生可能エネルギーとして、中小河川、河川堰、用水路等の様々な身近な水資源（水流）を利用して小規模な発電を行う小水力発電が注目されている。例えば、特許文献１では水力発電所等の冷却水放水路内の水流を利用して発電する小水力発電システムに関する技術が開示されている。しかし、この小水力発電に用いられる発電機は、オルタネーターやダイナモや円筒型の回転交流機などの従来型の発電機を水車等に連結して用いられている。この現状に対し、身近な水資源（水流）を用い、低回転の水車等を利用して低回転の水車等から効率よく発電できるインナーロータのディスク型発電機を提供する。

このような電磁発電機として、永久磁石とコイル間の往復移動を利用したもの（特開２０１０−１１５０７６号公報）や、ディスク型ではなく円筒型に関するもの（特開２０１０−９８９４５号公報，特開２００９−９５１５１号公報）が提案されている。
特開２０１０−１１５０７６号公報 特開２０１０−９８９４５号公報 特開２００９−９５１５１号公報 特開２００８−２４５３８１号公報 特開２００５−２１８２６３号公報

川の流れ、河川堰等などを利用した小水力発電では、限定された流量、流速で発電する必要がある。この課題に対し、従来の円筒型の交流発電機では、高速で回転させるために大幅な増速をするか、極数を増やすために大型化して発電する必要があり、効率的に発電させることが困難である。

また、発電機と増速機や発電機同士を連結し、発電量を増大させようとした場合に、設置のためのスペースが増大し、装置全体が大型化、複雑化し、設置の容易さという利便性が損なわれる。

上記の課題に対し、本発明に係る発電機は、低回転で効率的な発電を行うことができるインナーロータ型で、平板構造にすることによって容易に複数の発電機や増速機を連結できるインナーロータ型ディスク発電機を提供することを目的としている。

本発明に係る発電機の発電を行う主要部分が、発電機の中央部に配置され回転軸に接続された回転子と、回転子の両側に一定の隙間をもって回転子を挟み込むように配置された固定子で構成されるディスク型のインナーロータ型ディスク発電機である。

かかる発電機の特徴は、鋼など透磁率の高い材質で作られた円環の両側面に永久磁石を等間隔で配置した回転子の両側に、電磁鋼帯を巻いてリング状した円環（巻鉄心）１０の側面に平型銅線を巻いて作られた発電コイル１１を等間隔で配置した固定子を、一定の隙間を空けて同心状に配置した構造を持つことにある。

かかる発電機において、固定子および回転子の回転軸を保持する発電機の筐体側面を、平端な構造にすることにより、複数の発電機や増速器を直接連結し、増設できるようにしている。

かかる発電機において、回転子は、円形状のネオジウム磁石などの永久磁石を円環の両側に配置している。

回転子を構成する円環は、鋼などの透磁率の高い材質で作られている。

回転子を構成する永久磁石は、円環の両側面に等ピッチで配置され、片側においては、Ｎ極とＳ極が交互になるように偶数個配置される。また、表面と裏面では、配置ピッチが半ピッチずれるように配置する。

かかる発電機において、固定子は、発電コイル１１を円環の片側に等ピッチで配置し、発電コイル１１と永久磁石１３が向かい合うように回転子の両側に同心状に配置する。

固定子を構成する円環（巻鉄心）１０は、薄い電磁鋼帯を巻いてリング状にして作られている。

固定子を構成する発電コイル１１は、平型銅線等を巻いて作られていて、円環の片側面に３の倍数個、等ピッチで配置し、コイル間はスター結線で接続する。このことにより、３相交流電圧を出力する。その後、整流回路を通し直流に変換することができる。

本発明によれば、コギングトルクを低減し、始動時からスムーズに回転させることができ、河川の流れ、河川堰等を利用した小水力発電において、低回転の水車等の回転を利用し、効率的に発電をすることが可能になる。

ディスク型で筐体の側面が平坦であるために、複数の発電機を直接、直列に接続し、発電量を増やすことができるとともに、装置全体を小型化できる。さらに、装置全体を軽量化することができ、持ち運びや設置が容易に行うことが可能になる。

本発明の実施形態に係る発電機の主要構成部の斜視図である。 同発電機における回転子の主要部の斜視図である。 同発電機における固定子の模式図である。 （ａ）同発電機における閉磁路の形成を示す模式図である。（ｂ）永久磁石のＮ極、Ｓ極を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る発電機の斜視図である。 本発明の実施形態に係る固定子部の斜視図である。 本発明の実施形態に係る回転子部の斜視図である。 本発明の実施形態に係るスター結線を示す模式図である。

本発明における第１の実施形態を、図を用いて説明する。図１は、第１実施形態における発電機における発電を行う主要部の構成を示す斜視図である。この発電機１の主要部は、鋼など透磁率の高い材質で作られた回転子円環１２の両側面に永久磁石１３を等間隔で配置した回転子１の両側に、一定の隙間を空けて、電磁鋼帯を巻いてリング状にした固定子円環（巻鉄心）１０の側面に平角銅線を巻いて作られた発電コイル１１を等間隔で配置した固定子２ａ、２ｂが配置されている。

図２は、同発電機における回転子１の主要部の斜視図である。回転子１を構成する永久磁石１３は、回転子円環１２の両側面に等間隔で配置され、片側においては、Ｎ極とＳ極が交互になるように偶数個配置される。また、表面と裏面では、配置ピッチが半ピッチずれるように配置されている。

図３は、本発電機における固定子２ａの模式図である。固定子２ａを構成する固定子円環１０ａは、薄い電磁鋼帯を巻いてリング状にして作られており、発電コイル１１ａ，１１ｂは、平角銅線等を巻いて作られていて、固定子円環１０ａの片側面に３の倍数個、等ピッチで配置し、コイル間はスター結線（Ｙ結線）で接続されている。

図４は、同発電機における閉磁路の形成を示す模式図である。第１の実施形態では、回転子１の回転子円環１２の一部と隣り合う永久磁石１３及び固定子２ａ、２ｂの固定子円環１０ａ、１０ｂと隣り合う発電コイル１１ａ、１１ｂの間で閉磁路を形成する。ローターを回転させることにより、この閉磁路が変化し、フレーミングの右手の法則により、発電をすることが可能になる。

発電コイル１１を３個おきにスター結線することにより、３相交流出力電圧を得ることができる。更に、回転子１を構成する永久磁石１３は、回転子円環１２の表面と裏面で配置ピッチが半ピッチずれるように配置することにより、コギングトルクを低減し、始動時からスムーズに回転させることができる。

本発明における第２の実施形態を、図を用いて説明する。図５は、同発電機の外観の一例を示す模式図である。側板１４ａ、１４ｂは、固定子２ａ、２ｂを保持するとともに、回転子１に接続された回転軸１６を支えるための軸受けを保持する役割を果たすことができる。一方で、側板１４ａ、１４ｂの外壁面は平坦な面をしている。このことにより、複数の発電機を直接、連結することが可能になる。

図６は、側板１４ｂに、固定子２ｂを構成する固定子円環１０ｂと発電コイル１１ｂおよび軸受けハウジング１５ｂを取り付けた実施形態例である。側板１４ａ、１４ｂの外形輪郭は、任意の形状にすることができる。

図７は、回転子１に回転軸１６を取り付けた実施形態例である。回転軸１６は、任意の形状にすることができるが、全長を左右の側板の外壁間の距離より短くすることにより、複数の発電機を直接、連結することを容易にしている。

１ 回転子、２ａ、２ｂ 固定子、１０ａ、１０ｂ 固定子円環（巻鉄心）、
１１ａ、１１ｂ 発電コイル、１２ 回転子円環、１３ 永久磁石、
１４ａ、１４ｂ 側板、１５ａ、１５ｂ 軸受けハウジング、１６ 回転軸、
１７ 支柱

Claims (4)

1. インナーロータ型ディスク発電機において、電磁鋼帯を巻いてリング状にして作られた回転子円環と、前記回転子円環の両側に複数の永久磁石をＮ極、Ｓ局面を交互に配置してなる回転子と、電磁鋼帯を巻いてリング状にして作られた固定子円環と、前記固定子円環の一側面に複数の発電コイルを等間隔で配置した固定子と、前記回転子の両側に等間隔で前記固定子の前記発電コイルが前記回転子の前記永久磁石と対面するように２つの前記固定子を配置した構造を有するインナーロータ型ディスク発電機。
2. 請求項１記載のインナーロータ型ディスク発電機において、発電機の筐体側面が、平坦な面で構成されていることを特徴とするインナーロータ型ディスク発電機。
3. 請求項１記載のインナーロータ型ディスク発電機において、前記回転子円環に配置した前記永久磁石の配置間隔が１面と他面で半ピッチずれるように配置していることを特徴とするインナーロータ型ディスク発電機。
4. 請求項１記載のインナーロータ型ディスク発電機の固定子において、発電コイルを３の倍数個配置し、スター結線により出力を得ることを特徴とするインナーロータ型ディスク発電機。