JP4258122B2 - 発電機 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は発電機に関し、特に往復運動する物体の運動エネルギーを効率良く電気エネルギーに変換する発電機に関する。
【0002】
【従来の技術】
現在、往復運動する物体の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するには、一旦回転運動に変換した後、回転型発電機で行うことが多い。しかしその方法では、往復運動を回転運動に変換するのにクランクやギア等が必要となるため、システム全体のサイズが大きくなり、摩擦等による損失も発生する。
【0003】
そのため、往復運動を直接電気エネルギーに変換する提案がこれまでに多数なされている。例として特開平10−66324号公報にて開示されている発電装置を図17に示す。ピストン11及び12の往復運動に伴い、巻線14を挟むように配置された永久磁石P及びNが往復運動すると、前記巻線に鎖交する磁束が時間変化して前記巻線に起電力が生じる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところが上記の従来技術によると、次のような問題があった。すなわち、短いストロークでの往復運動あるいは低速の往復運動に対しては、巻線に鎖交する磁束の時間変化量が小さいため、十分に起電力が生じない。起電力を増やすには磁極ピッチを狭くして磁極数を増やすのが有効であるが、単に従来の発電装置を複数個並べたのでは、巻線数が増えて構造が複雑になり、装置サイズも大きくなる。
【0005】
本発明の目的は、上記の課題を解決するために、巻線数が少なくコンパクトな構造でありながら、複数磁極を備え、磁極ピッチが狭く、短いストロークの往復運動や低速の往復運動を効率良く電気エネルギーに変換できる発電機を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明の発電機は、磁性体で形成されたコアと該コアに巻回した巻線とを有する固定子と、該固定子と空隙を介して相対移動可能に支持された可動子とを備え、前記固定子は前記可動子の移動方向に対して略垂直方向に第1段と第2段とに分けて配列した一方の磁極歯列と、同じく前記可動子の移動方向に対して略垂直方向に第1段と第2段とに分けて配列した他方の磁極歯列とを有し、該一方の磁極歯列の第1段の磁極歯と該他方の磁極歯列の第1段の磁極歯とが前記可動子の移動方向に沿って交互に配列され、同様に該一方の磁極歯列の第2段の磁極歯と該他方の磁極歯列の第2段の磁極歯とが前記可動子の移動方向に沿って交互に配列され、前記第1段に属する磁極歯と前記第2段に属する磁極歯との間に前記可動子が挟持されている。このとき前記一方及び他方の磁極歯列は、任意の曲線に沿って配列されていてもよい。
【0007】
また本発明の発電機は、磁性体で形成されたコアと該コアに巻回した巻線とを有する固定子と、該電機子と空隙を介して相対移動可能に支持された可動子とを備え、前記固定子は前記可動子の移動方向に対して略垂直方向に第1段と第2段とに分けて配列した一方の磁極歯列と、同じく前記可動子の移動方向に対して略垂直方向に第1段と第2段とに分けて配列した他方の磁極歯列とを有し、該一方の磁極歯列の第1段の磁極歯と該他方の磁極歯列の第1段の磁極歯とが前記可動子の移動方向に沿って交互に配列され、同様に該一方の磁極歯列の第2段の磁極歯と該他方の磁極歯列の第2段の磁極歯とが前記可動子の移動方向に沿って交互に配列され、前記一方の磁極歯列と前記他方の磁極歯列との間に前記可動子が挟持されている。このとき前記一方及び他方の磁極歯列は、任意の曲線に沿って配列されていてもよい。
【0008】
さらに本発明の発電機は、前記可動子は巻線又は永久磁石又はその両方を有し、該可動子の移動方向に沿って一方の磁極と他方の磁極とが交互に現れる。
【0009】
さらに本発明の発電機は、前記固定子が固定的に支持され、前記可動子が移動する。あるいは前記可動子が固定的に支持され、前記固定子が移動する。
【0010】
さらに本発明の発電機は、前記固定子のコアに巻回した巻線に替えて、前記固定子のコアに固着された永久磁石を有する。
【0011】
また本発明の発電機は、前記固定子のコアが、前記可動子の移動方向に対して略垂直方向に該可動子を挿入するのに十分な幅の開口部を有する。
【0012】
さらに本発明の発電機は、前記可動子を前記開口部方向に変位させた状態で支持し、前記可動子に加わる荷重を相殺するような磁気吸引力を可動子と固定子との間に発生させることで、可動子支持機構に加わる負荷を軽減する。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図1は、本発明の一実施形態(実施例1と称する)による発電機の基本構成図である。本実施例の発電機は、磁性体で形成されたコア21と該コアの一箇所に環状に巻回した巻線22とを有する固定子20と、該固定子と空隙を介して相対移動可能に支持された可動子30とを備える。コア21を形成する磁性体としては、一般的には鉄が使用されるが、他の材料でもよい。また巻線22は図1ではコア21の一箇所に巻回しているが、幾何学的構造が変わらない範囲で複数箇所に分割して巻回してもよい。
【0014】
前記固定子20は、前記可動子30の移動方向に対して略垂直方向に第1段と第2段とに分けて配列した一方の磁極歯列23と、同じく前記可動子30の移動方向に対して略垂直方向に第1段と第2段とに分けて配列した他方の磁極歯列24とを有し、該一方の磁極歯列の第1段の磁極歯23aと該他方の磁極歯列の第1段の磁極歯24aとが前記可動子の移動方向に沿って交互に配列され、同様に該一方の磁極歯列の第2段の磁極歯23bと該他方の磁極歯列の第2段の磁極歯24bとが前記可動子の移動方向に沿って交互に配列されている。前記可動子30は、前記第1段に属する磁極歯23a及び24aと前記第2段に属する磁極歯23b及び24bとの間に挟持される。
【0015】
前記可動子30には永久磁石31が固着されており、該可動子の移動方向に沿って一方の磁極31aと他方の磁極31bとが交互に現れている。該可動子が図中の矢印の方向に往復運動すると、磁極ピッチPだけ移動する毎に、巻線22を鎖交する総磁束量の符号が反転する。それにより該巻線22に起電力が生じる。
【0016】
図2は、コア21を部分的に表示した概念図である。矢印は、可動子30の磁極(図示していない)とコア21の磁極とが略重なったときの磁場のおおよその向きを示す。このように全ての磁極において、巻線22を貫く磁場の向きは同一となる。よって図2の状態から可動子30が移動すると、巻線22には図中に示した向き(×印は紙面奥に向かう向き、黒丸印は紙面手前に向かう向きを示す)に起電力が生じる。
【0017】
ここで前記可動子30に固着された永久磁石31の代わりに、図3に示すように、巻線32を設置し該巻線に電流を流すことで磁極を生じさせてもよい。その場合、巻線32の芯として磁性体を設置してもよい。あるいは永久磁石と巻線を併用してもよい。また巻線32は、互いに一部重なり合うように設置されていてもよい。また巻線32は、基板上にプリントされた配線であってもよい。
【0018】
あるいはまた、固定子のコア21に巻回した巻線22に電流を流して磁極を生じさせ、前記可動子30に設置した巻線32に起電力を生じさせてもよい。その場合はさらに、図4に示すように、固定子のコア21に巻回した巻線22に替えて、一方向に着磁された永久磁石25をコア21に固着させてもよい。
【0019】
さらに可動子30の断面形状は、矩形以外の形状、例えば円形や楕円形であってもよい。
【0020】
また本実施例の発電機では、固定子20が固定的に支持されて可動子30が移動してもよいし、可動子30が固定的に支持されて固定子20が移動してもよい。
【0021】
あるいは図5乃至図7に示すように、往復運動の軌道に合わせて、コア21の一方及び他方の磁極歯列を任意の曲線に沿って配列してもよい。
【0022】
また用途に応じて、図8のようにコア21に開口部を設け、可動子30を該開口部から挿入できるようにしてもよい。
【0023】
図9は、本発明の他の実施形態(実施例2と称する)による発電機の基本構成図である。本実施例の発電機は、磁性体で形成されたコア21と該コアの一箇所に環状に巻回した巻線22とを有する固定子20と、該固定子と空隙を介して相対移動可能に支持された可動子30とを備える。コア21を形成する磁性体としては、一般的には鉄が使用されるが、他の材料でもよい。
【0024】
前記固定子20は、前記可動子30の移動方向に対して略垂直方向に第1段と第2段とに分けて配列した一方の磁極歯列23と、同じく前記可動子30の移動方向に対して略垂直方向に第1段と第2段とに分けて配列した他方の磁極歯列24とを有し、該一方の磁極歯列の第1段の磁極歯23aと該他方の磁極歯列の第1段の磁極歯24aとが前記可動子の移動方向に沿って交互に配列され、同様に該一方の磁極歯列の第2段の磁極歯23bと該他方の磁極歯列の第2段の磁極歯24bとが前記可動子の移動方向に沿って交互に配列されている。前記可動子30は、前記第1段に属する磁極歯23a及び24aと前記第2段に属する磁極歯23b及び24bとの間に挟持される。
【0025】
前記可動子30には永久磁石31が固着されており、該可動子の移動方向に沿って一方の磁極31aと他方の磁極31bとが交互に現れている。該可動子が図中の矢印の方向に往復運動すると、磁極ピッチPだけ移動する毎に、巻線22を鎖交する総磁束量の符号が反転する。それにより該巻線22に起電力が生じる。
【0026】
実施例1との相違点は、前記固定子のコア21が、前記可動子30の移動方向に対して略垂直方向に該可動子を挿入するのに十分な幅の開口部を有することである。そのため、組立時の可動子30の挿入は、該可動子の移動方向に行っても開口部方向に行ってもよい。なお本実施例では、巻線22がコア21に囲まれていて傷つきにくいという利点もある。
【0027】
図10は、コア21を部分的に表示した概念図である。矢印は、可動子30の磁極(図示していない)とコア21の磁極とが略重なったときの磁場のおおよその向きを示す。このように全ての磁極において、巻線22を貫く磁場の向きは同一となる。よって図2の状態から可動子30が移動すると、巻線22には図中に示した向き(×印は紙面奥に向かう向き、黒丸印は紙面手前に向かう向きを示す)に起電力が生じる。
【0028】
ここで前記可動子30に固着された永久磁石31の代わりに、図11に示すように、巻線32を設置し該巻線に電流を流すことで磁極を生じさせてもよい。その場合、巻線32の芯として磁性体を設置してもよい。あるいは永久磁石と巻線を併用してもよい。また巻線32は、互いに一部重なり合うように設置されていてもよい。また巻線32は、基板上にプリントされた配線であってもよい。
【0029】
あるいはまた、固定子のコア21に巻回した巻線22に電流を流して磁極を生じさせ、前記可動子30に設置した巻線32に起電力を生じさせてもよい。その場合はさらに、図12に示すように、固定子のコア21に巻回した巻線22に替えて、一方向に着磁された永久磁石25をコア21に固着させてもよい。
【0030】
さらに可動子30の断面形状は、矩形以外の形状、例えば円形や楕円形であってもよい。
【0031】
また本実施例の発電機では、固定子20が固定的に支持されて可動子30が移動してもよいし、可動子30が固定的に支持されて固定子20が移動してもよい。
【0032】
あるいは図13乃至図15に示すように、往復運動の軌道に合わせて、コア21の一方及び他方の磁極歯列を任意の曲線に沿って配列してもよい。特に図16に示すように、コア21の一方及び他方の磁極歯列を円周に沿って配列し、可動子30をリング状にしてもよい。
【0033】
上記2つの実施例で示したような本発明による発電機は、エンジンにより往復運動するピストンに連結されて用いられるほか、潮力発電や波力発電のための大型発電機から携帯機器用小型発電機に至るまで、広く電子機器を含む電気機器へ搭載可能又は応用可能である。例えば携帯電話に組み込んだ応用例を図18に示す。図18(a)のような発電機ユニット40は、コア21,巻線22,可動子30、該可動子30に取りつけられたスプリング33、及び整流回路41を備える。外部からの振動を受けると可動子30はスプリング33から力を受けながら往復運動する。それにより巻線22には起電力が生じ、その起電力は整流回路41を経由して直流電圧として外部に取り出される。前記発電機ユニット40は、図18(b)のように携帯電話の胴体部分、あるいは図18(c)のように蝶番部分に埋め込まれ、バッテリー42と接続される。前記発電機ユニットからの直流電圧は、バッテリー42の充電及び携帯電話の駆動に用いられる。
【0034】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、巻線数が少なくコンパクトな構造でありながら、複数磁極を備え、磁極ピッチが狭く、短いストロークの往復運動や低速の往復運動を効率良く電気エネルギーに変換できるような発電機が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1による発電機の基本構成図。
【図2】本発明の実施例1による発電機において、コアを部分的に表示した概念図。
【図3】本発明の実施例1の第1変形案による発電機の基本構成図。
【図4】本発明の実施例1の第2変形案による発電機の基本構成図。
【図5】磁極歯列を曲線に沿って配列した、本発明の実施例1による発電機の概念図(タイプ1)。
【図6】磁極歯列を曲線に沿って配列した、本発明の実施例1による発電機の概念図(タイプ2)。
【図7】磁極歯列を曲線に沿って配列した、本発明の実施例1による発電機の概念図(タイプ3)。
【図8】本発明の実施例1の別の変形案による発電機において、コアを部分的に表示した概念図。
【図9】本発明の実施例2による発電機の基本構成図。
【図10】本発明の実施例2による発電機において、コアを部分的に表示した概念図。
【図11】本発明の実施例2の第1変形案による発電機の基本構成図。
【図12】本発明の実施例2の第2変形案による発電機の基本構成図。
【図13】磁極歯列を曲線に沿って配列した、本発明の実施例2による発電機の基本構成図(タイプ1)。
【図14】磁極歯列を曲線に沿って配列した、本発明の実施例2による発電機の基本構成図(タイプ2)。
【図15】磁極歯列を曲線に沿って配列した、本発明の実施例2による発電機の基本構成図(タイプ3)。
【図16】磁極歯列を円周に沿って配列した、本発明の実施例2による発電機の平面図。
【図17】従来技術による発電機の概念図。
【図18】本発明による発電機を携帯電話に組み込んだ概念図。
【符号の説明】
11,12…ピストン、13…連結棒、14…巻線、20…固定子、21…コア(固定子)、22…巻線(固定子)、23,24…磁極歯列、25…永久磁石(固定子)、30…可動子、31…永久磁石(可動子)、32…巻線(可動子)、P,N…永久磁石、33…スプリング、40…発電機ユニット、41…整流回路、42…バッテリー。
Claims (1)
- 磁性体で形成されたコアと該コアに巻回した巻線とを有する固定子と、該固定子と空隙を介して相対移動可能に支持された可動子とを備えた発電機で、前記固定子は前記可動子の移動方向に対して略垂直方向に第1段と第2段とに分けて配列した一方の磁極歯列と、同じく前記可動子の移動方向に対して略垂直方向に第1段と第2段とに分けて配列した他方の磁極歯列とを有し、該一方の磁極歯列の第1段の磁極歯と該他方の磁極歯列の第1段の磁極歯とが前記可動子の移動方向に沿って交互に配列され、同様に該一方の磁極歯列の第2段の磁極歯と該他方の磁極歯列の第2段の磁極歯とが前記可動子の移動方向に沿って交互に配列され、前記第1段に属する磁極歯と前記第2段に属する磁極歯との間に前記可動子が挟持されることを特徴とする発電機。
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