JP2018108007A - 磁力抵抗を減少させた発電機 - Google Patents

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【課題】磁力抵抗を少なくするだけでなく発電効率に優れた発電機を提供する。【解決手段】ハウジング１に回転可能に支持された回転軸２に取り付けられた円筒状の回転子３と、ハウジング１に固定された回転子１と同心に配置された円筒状の内側固定子４および外側に同心に配置された円筒状の外側固定子５有し、回転子３回転方向に複数の永久磁石３１を磁極が交互に異なる状態に円筒状に配置されているとともに内側固定子４および外側固定子５は回転子に対峙する側に回転子に配置された永久磁石３１に対向する位置にそれぞれが回転子３を回転させたときに交流電圧を発生させる複数のコイル４１，５１が並設されており、内側固定子４および外側固定子５に配置されているコイル４１，５１の少なくとも一方を高インダクタンスコイルとした。【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石を有する円筒状の回転子と、前記回転子と同心に配置された複数のコイルを配置した円筒状の固定子を有し、回転子を回転させたときに交流電圧を発生させる発電機において回転子の回転を阻止するように発生する磁力抵抗を減少させた発電機に関するものである。
従来、磁石の磁力線内でコイルを移動させるとコイル内に起電力（電圧）が発生し、コイル内を電流が流れるという電磁誘導を利用して磁石のエネルギーを電気エネルギーに変換することで発電する発電機が知られている。
ところで、前記従来の発電機では、永久磁石を有する円筒状の回転子が回転してその外側に配置した固定子コイルの横を通過する際に固定子コイル内に発生する電流によりコイルの周りに磁力線が生じ、その磁力線が回転子ローターの永久磁石から出る磁力線と互いに反対方向にぶつかり合う形で反発力を、あるいは同方向に重なり合う形で吸引力を発生させることにより、回転子ローターの動きを止める作用として働いてしまうことになり（これが磁力抵抗）、発電効率の低下を招くことから磁力抵抗を一定の出力電力を得るのに余分な外部エネルギーが必要になり、発電機のエネルギー効率の低下を招いている。
そこで、従来、磁力抵抗をゼロ或いは少なくして発電効率の良好な発電機の開発が進められており、例えば特許第４５２４１１０号公報（特許文献１）には複数の発電機を各々の磁石の位置を軸から均等な角度にずらすことで磁石の引力を相殺させる発電機が提示されており、また、特許第３０４７１８０号公報（特許文献２）、特開２００８−１８７８７２号公報（特許文献３）にはコアレスのコイルを用いた発電機、更には、特開２０１５−３３９２７０号公報（特許文献４）にはコイルにおけるコアを軸芯方向にコイルよりも短くする発電機などが提示されている。
特許第４５２４１１０号公報 特許第３０４７１８０号公報 特開２００８−１８７８７２号公報 特開２０１５−３３９２７０号公報
しかしながら、前記特許文献１に記載された発電機では、多数、例えば少なくとも４台或いは８台の発電機を軸線方向に並設させる必要があり、このような発電機を設置するには軸線方向に多大な空間を要するばかりか経済的にも負担が大きい。また、特許文献２および特許文献３に記載の発電機では磁力抵抗をゼロにすることができるが反面、発電量が磁束が大きく漏れることからコイルを効率よく縦断する磁束が減少して発電効率が低下して発電機としての機能を発揮できない。また、前記特許文献４に記載されている発明では、磁力抵抗を少なくして発電効率の良好な発電を行うためにコイルにおけるコアの長さを定めることが必要であるとともにコイルを配置した筒状の固定子の外側に永久磁石を配置した回転子を配置したものであり発電効率が十分でない、という問題がある。
本発明は、磁力抵抗を少なくするだけでなく発電効率に優れた発電機を提供することを課題とする。
前記課題を解決するためになされた本発明は、ハウジングに回転可能に支持された回転軸に取り付けられた円筒状の回転子と、ハウジングに固定された前記回転子の内側に前記回転子と同心に配置された円筒状の内側固定子および前記回転子の外側に前記回転子と同心に配置された円筒状の外側固定子を有し、前記回転子は回転方向に複数の永久磁石を磁極が交互に異なる状態に円筒状に配置されているとともに前記内側固定子および外側固定子は前記回転子に対峙する側に前記回転子に配置された永久磁石に対向する位置にそれぞれが回転子を回転させたときに交流電圧を発生させる複数のコイルが並設されており、且つ前記内側固定子および外側固定子に配置されているコイルの少なくとも一方が高インダクタンスコイルであることを特徴とする。
インダクションコイルは、流れる電流によって形成される磁場にエネルギーを蓄えることができる受動素子（コイル）であり、蓄えられる磁気エネルギーの量はそのインダクタンスで決定され、電線を何回も巻くことでアンペールの法則に従いコイル内の磁場が強くなる。ファラデーの電磁誘導の法則に従い、コイル内の磁界の変化に比例して誘導起電力が生じ、レンツの法則に従い、誘導電流は磁界の変化を妨げる方向に流れる。また、インダクタは交流電流を遅延させ再形成する能力がある。
また、鎖交磁束が時間と共に変化すると、コイルに起電力が発生（電磁誘導現象）し、このとき発生する起電力を誘導起電力といい、誘導起電力によって回路に流れる電流を誘導電流といい、誘導起電力は、磁束鎖交数（巻数×鎖交磁束）の時間的変化に比例し（ファラデーの法則）、誘導起電力は、鎖交磁束の変化を妨げる方向に発生する（レンツの法則など）。
本発明では、前記内側固定子および外側固定子に配置されているコイルを高インダクタンスコイルとすることにより、発電時のコイル極性で発電機の鎖交磁束と誘導電流の位相について１８０度遅らせることにより磁力抵抗をゼロ或いは少なくすることができる。
また、本発明においては従来の１つの回転子に１つの固定子、或いは１つの固定子に複数の回転子を備えたものと異なり、１つの回転子の両側に誘導電流を生じるコイルを有する内側固定子と外側固定子を備えることにより少なくとも従来の２倍以上の起電力を生じさせることが可能となり磁力抵抗を少なくすることによる起電力の減少を補って余るものである。
また、本発明において、前記内側固定子および外側固定子を形成する磁性体により形成されるヨークがほぼ頂面が対峙する回転子の内側面または外側面に沿って湾曲しているほぼＴ字形でその軸線が前記回転軸の中心に向けて配置されている場合には本発明に必要な高インダクタンスコイルを容易に設定することができる。
更に、本発明において特に前記コイルを形成するヨークがケイ素鋼板で形成されていることにより抵抗が少なく、軸部の幅が３ｍｍ以下で少なくとも２０ｔｕｒｎｓ以上の巻数を有していることにより、鎖交磁束が２０倍となり、発電時のコイル極性で発電機の鎖交磁束と誘導電流の位相について１８０度遅らせることにより磁力抵抗をゼロ或いは少なくすることができるとともに「鎖交磁束Φ×コイルの巻数Ｎ」の時間的変化率に比例するだけの起電力を得ることができる。
本発明によれば、磁力抵抗を少なくするだけでなく発電効率に優れた発電機を提供することができる。
本発明の好ましい実施の形態についての断面概略図。 図１に示した実施の形態についての鎖交磁束、誘導起電力、誘導電流の関係図。 図１に示した実施の形態における高インダクタンスコイルと従来のインダクタンスコイルの概略図。 図１に示した実施の形態において従来のインダクタンスコイルを用いた場合の鎖交磁束、誘導起電力、誘導電流の関係図。
図１は本発明の好ましい実施の形態についての断面概略図を示すものであり、ハウジング１に回転可能に支持された回転軸２に取り付けられた円筒状の回転子３と、ハウジング１に固定された前記回転子３の内側に前記回転子３と同心に配置された円筒状の内側固定子４および前記回転子３外側に前記回転子３と同心に配置された円筒状の外側固定子５を有している。
そして、前記回転子３は回転方向に複数の永久磁石３１を磁極Ｓ，Ｎが交互に異なる状態に円筒状に配置されているとともに前記内側固定子４および外側固定子５は前記回転子３に対峙する側に前記回転子３に配置された永久磁石３１に対向する位置にそれぞれが回転子３を回転させたときに交流電圧を発生させる複数のコイル４１，５１が並設されている。
本実施の形態では回転子３を形成する永久磁石３１は１２個が軸心に対して互いに３０度の角度に設置されている。各永久磁石３１は高い誘導起電力を得る必要がある場合には高磁気を発揮する材質のものを選択して使用することが好ましい。
また、前記内側固定子４および外側固定子５は、それぞれ軸心に対して１８個のコイル４１およびコイル５１が互いに２０度の角度を有して軸線を同軸にして放射状に隣接配置されている。
加えて、本実施の形態では前記内側固定子４および外側固定子５を構成するコイル４１およびコイル５１は高インダクタンスコイルであり、例えば図３（ａ）に示すように頂面を回転子３を構成する磁石３１の内周面または外周面に沿って湾曲させた例えばケイ素鋼板で形成されている軸部の幅が３ｍｍ以下の太さを有するＴ字形のヨークを有しており、且つ少なくとも２０ｔｕｒｎｓ以上の巻数を有していることが好ましい。
図４は前記図３（ｂ）に示した軸部が本実施の形態と異なって細くない通常のコイルを用いて図１に示した本発明の実施例と同様に形成した発電機（図示せず）における鎖交磁束、誘導起電力、誘導電流の関係を示すものであり、誘導電流Ｉは誘導起電圧ｅに対して少し遅れた位相を生じる。コイル内の磁界の変化に比例して誘導起電力が生じ、レンツの法則に従い、誘導電流は磁界の変化を妨げる方向に流れる。また、インダクタは交流電流を遅延させ再形成する能力があり、鎖交磁束が時間と共に変化すると、コイルに起電力が発生（電磁誘導現象）し、このとき発生する誘導起電力によって回路に流れる誘導起電力は、磁束鎖交数（巻数×鎖交磁束）の時間的変化に比例し（ファラデーの法則）、誘導起電力は、鎖交磁束の変化を妨げる方向に発生することから磁束抵抗が生じる。
これに対して、本実施の形態では図２に示すように、前記内側固定子４および外側固定子５に配置されているコイル４１およびコイル５１を高インダクタンスコイルとすることにより、発電時のコイル極性で発電機の鎖交磁束と誘導電流の位相について１８０度遅らせることにより磁力抵抗をゼロ或いは少なくすることができるものである。
また、本実施の形態における内側固定子４および外側固定子５に配置されているコイル４１およびコイル５１は軸芯（ヨーク）がないコイルだけで形成せずに抵抗が少ないケイ素鋼板で形成されている軸部の幅が３ｍｍ以下の太さを有するＴ字形のヨークを用いて且つ少なくとも２０ｔｕｒｎｓ以上の巻数を有していることにより形成する高インダクタンスコイルを用いたことにより発電時のコイル極性で発電機の鎖交磁束と誘導電流の位相について１８０度遅らせることにより磁力抵抗をゼロ或いは少なくすることだけでなく通常のコイルを用いる場合に比べては減少しているが発電容量も確保できるようにしており、特に、回転子３を挟むようにして内側と外側にそれぞれ高インダクタンスのコイルを用いた内側固定子４と外側固定子５を配置したことから少ない占有体積でも多くの発電量を確保することができるものである。
また、本実施の形態では以上のように内側固定子４および外側固定子５に配置されているコイル４１およびコイル５１を高インダクタンスコイルとする場合を示したが、例えば内側固定子のコイルのインダクタンスと外側固定子のインダクタンスを変えて磁束抵抗を減らすためのコイルの高インダクタンス化に差を設けることにより、或いは内側固定子４および外側固定子５の一方を高インダクタンスコイルとすることも可能である。
尚、本実施の形態では内側固定子４および外側固定子５に配置されているコイル４１およびコイル５１をケイ素鋼板で形成されている軸部の幅が３ｍｍ以下の太さを有するＴ字形のヨークを用いて且つ少なくとも２０ｔｕｒｎｓ以上の巻数を有していることにより高インダクタンスコイルとする場合を示したが、本発明はハウジングに回転可能に支持された回転軸に取り付けられた円筒状の回転子と、ハウジングに固定された前記回転子の内側に前記回転子と同心に配置された円筒状の内側固定子および前記回転子の外側に前記回転子と同心に配置された円筒状の外側固定子を有し、前記回転子は回転方向に複数の永久磁石を磁極を交互に異なる状態に円筒状に配置されているとともに前記内側固定子および外側固定子は前記回転子に対峙する側に前記回転子に配置された永久磁石に対向する位置にそれぞれが回転子を回転させたときに交流電圧を発生させる複数のコイルが並設されており、且つ前記内側固定子および外側固定子に配置されているコイルの少なくとも一方が発電時のコイル極性で発電機の鎖交磁束と誘導電流の位相について１８０度遅らせることにより磁力抵抗をゼロ或いは少なくすることができる高インダクタンスコイルであればよく、他の構成による高インダクタンスコイルであってもよいことは言うまでもない。
１ ハウジング、２ 回転軸、３ 回転子、４ 内側固定子、５ 外側固定子、３１ 永久磁石、４１ コイル、５１ コイル
前記課題を解決するためになされた本発明は、ハウジングに回転可能に支持された回転軸に取り付けられた円筒状の回転子と、ハウジングに固定された前記回転子の内側に前記回転子と同心に配置された円筒状の内側固定子および前記回転子の外側に前記回転子と同心に配置された円筒状の外側固定子を有し、前記回転子は回転方向に複数の永久磁石を磁極が交互に異なる状態に円筒状に配置されているとともに前記内側固定子および外側固定子は前記回転子に対峙する側に前記回転子に配置された永久磁石に対向する位置にそれぞれが回転子を回転させたときに交流電圧を発生させる複数のコイルが並設されており、且つ前記内側固定子および外側固定子に配置されているコイルの少なくとも一方が高インダクタンスコイルであって、前記内側固定子または外側固定子における発電時のコイル極性で前記回転子との間に形成される発電機の鎖交磁束と誘導電流の位相について１８０度遅らせることにより磁力抵抗を少なくすることができることを特徴とする。

Claims (3)

  1. ハウジングに回転可能に支持された回転軸に取り付けられた円筒状の回転子と、ハウジングに固定された前記回転子の内側に前記回転子と同心に配置された円筒状の内側固定子および前記回転子の外側に前記回転子と同心に配置された円筒状の外側固定子を有し、前記回転子は回転方向に複数の永久磁石を磁極が交互に異なる状態に円筒状に配置されているとともに前記内側固定子および外側固定子は前記回転子に対峙する側に前記回転子に配置された永久磁石に対向する位置にそれぞれが回転子を回転させたときに交流電圧を発生させる複数のコイルが並設されており、且つ前記内側固定子および外側固定子に配置されているコイルの少なくとも一方が高インダクタンスコイルであることを特徴とする磁力抵抗を減少させた発電機。
  2. 前記内側固定子および外側固定子を形成する磁性体により形成されるヨークがほぼ頂面が対峙する回転子の内側面または外側面に沿って湾曲しているほぼＴ字形でその軸線が前記回転軸の中心に向けて配置されていることを特徴とする請求項１記載の磁力抵抗を減少させた発電機。
  3. 前記コイルを形成するヨークがケイ素鋼板で形成されているとともに軸部の幅が３ｍｍ以下で少なくとも２０ｔｕｒｎｓ以上の巻数を有していることを特徴とする請求項２記載の磁力抵抗を減少させた発電機。
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