JP5981728B2 - 小型発電機 - Google Patents
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Description
例えば、自転車車輪のハブに内装した小型発電機があり、このような発電機は、軽量でコンパクト化を果たす一方で、増速駆動することなく高い電圧を確保することが要求され、下記特許文献が提案されている。
特許文献1では、車輪側のロータ内周にヨークと永久磁石を設け、車軸側のステータにクローポール型の鉄心(爪形の磁極片が折曲げられた鉄心)と、鉄心に内嵌されるコイルとにより構成した小型発電機が提案されている。
また、特許文献2では、車輪側のロータに車軸方向に磁化した複数の永久磁石を磁極が周回り方向に交互になるように配置して、車軸側のステータに永久磁石と同数の磁束収集片と磁束収集片に巻き回されたコイルが円環状部材に設けられて、円環状部材が永久磁石を挟持するように構成した小型発電機が提案されている。
しかし、ヨークと永久磁石がステータ外側に配置されるので発電機が大径化するため、十分な小型化、軽量化をすることができなかった。
また、クローポール鉄心の折曲角度の管理や反り等の寸法管理が必要な上、鉄心同士の寸法ばらつきによって永久磁石と鉄心のギャップを小さくすることが困難であり、ギャップが大きくなる分だけ永久磁石を大きくしなければならない。
しかし、多数のコイルを必要とするため、コストが増大すると共に、コイル数に応じた端末線処理が必要であるため作業性が悪かった。
このコギングトルクの解消については、自転車のハブに内装された小型発電機だけでなく、歯科医師用のハンドピースにおいて強く要望されている。
(2)請求項2に記載の発明では、前記請求項1に記載の小型発電機を発電機単体とし、当該発電機単体を、前記回転体の軸心方向に複数並列して配置したことを特徴とする小型発電機を提供する。
(3)請求項3に記載の発明では、前記発電機単体を2つ備え、両発電機単体は互いに接した状態で、前記軸方向における前記ロータから前記コイルの方向が、同一方向、又は逆方向を向いて配置され、一方ロータの永久磁石の磁極と、他方のロータの永久磁石の磁極とが逆方向に配設され、一方のコイルと他方のコイルは逆向きに巻回されている、ことを特徴とする請求項2に記載の小型発電機を提供する。
(4)請求項4に記載の発明では、一方の発電機単体により発生するコギングトルクと、他方の発電機単体により発生するコギングトルクとが180度位相がずれるように、一方の発電機単体における第1磁極部の中心と第2磁極部の磁極歯の中心を通り前記軸心と平行な仮想線Aと、他方の発電機単体における第1磁極部の中心と第2磁極部の磁極歯の中心を通り前記軸心と平行な仮想線Bとの位置関係、又は、前記一方の発電機単体における永久磁石の磁極方向の仮想線Cと、前記他方の発電機単体における永久磁石の磁極方向の仮想線Dとの位置関係が、周回り方向に角度πラジアン/pだけずれて配置されている、ことを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の小型発電機を提供する。
(5)請求項5に記載の発明では、発電機単体を、回転体の軸心方向に複数並列して配置した小型発電機であって、前記発電機単体は、複数pの永久磁石を備え前記回転体に固定されるロータと、前記回転体の軸心を中心として円筒状に巻回されたコイルと、前記ロータの永久磁石の磁極方向の両側に所定間隔を隔てて対向配置された第1磁極部と第2磁極部、及び、前記コイル内を通り前記第1磁極部と前記第2磁極部とを接続する接続部とを有する磁路形成部と、を備え、前記ロータは、前記複数の永久磁石が、各々の磁極の方向が周回り方向で交互になるように配設され、前記コイルは、前記ロータに対して軸方向に所定間隔をおいて固定配置され、前記磁路形成部の第1磁極部と第2磁極部は、前記ロータを挟んで対向配置されたp/2個の磁極歯が等間隔で周回り方向に配設され、一方の発電機単体により発生するコギングトルクと、他方の発電機単体により発生するコギングトルクとが180度位相がずれるように、一方の発電機単体における第1磁極部の中心と第2磁極部の磁極歯の中心を通り前記軸心と平行な仮想線Aと、他方の発電機単体における第1磁極部の中心と第2磁極部の磁極歯の中心を通り前記軸心と平行な仮想線Bとの位置関係、又は、前記一方の発電機単体における永久磁石の磁極方向の仮想線Cと、前記他方の発電機単体における永久磁石の磁極方向の仮想線Dとの位置関係が、周回り方向に角度πラジアン/pだけずれて配置されている、ことを特徴とする小型発電機を提供する。
(6)請求項6に記載の発明では、前記発電機単体を2つ備え、両発電機単体は互いに接した状態で、前記軸方向における前記ロータから前記コイルの方向が、同一方向、又は逆方向を向いて配置され、一方ロータの永久磁石の磁極と、他方のロータの永久磁石の磁極とが逆方向に配設され、一方のコイルと他方のコイルは逆向きに巻回されている、ことを特徴とする請求項5に記載の小型発電機を提供する。
(1)実施形態の概要
複数pの永久磁石412を備え回転体(ハブ本体31、回転軸6)に固定されるロータ41と、回転体31、6の軸心を中心として円筒状に巻回されたコイル422と、ロータ41の永久磁石412の磁極方向の両側に所定間隔を隔てて対向配置された第1磁極部431と第2磁極部434、及び、コイル422内を通り第1磁極部431と第2磁極部434とを接続する接続部とを有する磁路形成部43と、を備える。
そして、ロータ41は、複数の永久磁石412が、各々の磁極の方向が周回り方向で交互になるように配設され、コイル422は、ロータ41に対して軸方向に所定間隔をおいて固定配置されたコイルボビン421に巻回され、磁路形成部43の第1磁極部431と第2磁極部434は、ロータ41を挟んで対向配置されたp/2個の磁極歯433、436が等間隔で周回り方向に配設される。
図1は第1実施形態における小型発電機を、自転車のハブに内装した場合の断面構成を表したものである。
図1に示すように、ハブ軸1に軸受2を介してハブ体3が回転自在に配設され、このハブ体3内に本実施形態における小型発電機4が配設されている。
ハブ軸1は、その両端にねじ11、11が形成されており、このねじ11、11にナット12、12を螺号することで、内側(ハブ軸1の軸方向の中央側)の座金13、13と、外側(端部側)の座金14、14の間に配設した本体リブ5、5が固定されるようになっている。
なお、以下では各部材の個数分の符号を記すことなく、符号を1つだけ記載することとするが、各部材の個数は図示の通りである。
すなわち、軸受2の外輪21がハブ体3に固定され、内輪22がハブ軸1に固定されている。ハブ体3と外輪21は、ボール23を介し、ハブ軸1及びハブ軸1に固定された本体リブ5に対して回動する。
ハブ本体31は、本体側面部32と本体円筒部33と、本体円筒部33の両端に径の外側方向に張り出して形成されたハブ鍔34とを備え、これら各部は一体形成されている。
ハブ鍔34には、図示しない車輪のスポークを取り付ける複数のスポーク孔35が形成されている。
本体側面32は、円環形状をしており、本体円筒部33の一方の端部に形成されている。本体側面部32の、円環形状内側(本体円筒部33と反対側の端部)には、一方の軸受2(図面では左側の軸受2)の外輪21が固定されている。
ハブキャップ36の円環形状部の外周阿側には、ハブ本体31の内径よりも外径が小さく形成され、ハブ本体31内に収容されるロータ固定筒37が一体形成されている。
以下、第1実施形態における小型発電機4の構成について、図1の断面図に加えて、図2の分解斜視図を参照しながら説明する。
小型発電機4は、ロータ41とコイルユニット42(図2)、磁路形成部43(図1)、及び点消灯切替部材45(図2)を備えており、図1、2に示されるように、各部材はその中心がハブ軸1の軸心15と一致するように、ハブ軸1の外周に対して固定又は回動可能に配設される。
なお、点消灯切替部材45は、後述するように、消灯時における鉄損の発生を回避することで車輪の回転付加の増加を防止するための構成であるが、当該部材の重さ分だけ重量増となるため、配設しない構成の小型発電機4とすることも可能である。
環状部材411は、SUS303又はアルミニウムで形成され、その外周面において、ロータ固定筒37の内側に固定されている。なお、ハブキャップ36にロータ固定筒37を設けず、環状部材411をハブ本体31の内周面に固定する構造とすることも可能である。
環状部材411には、軸心15を中心とする同心円上に、円形の貫通孔がp個(極数pに対応)等間隔に形成されている。
本実施形態では、極数12であり、環状部材411の軸心15と直交する一方の面における磁極が交互になるように永久磁石412が挿入されている。すなわち、一方の面側がN極で他方の面側がS極となる向きで挿入した永久磁石412の両側の永久磁石412は、一方の面側がS極で他方の面側がN極となる向きで挿入される。
このように、ロータ41は、軸心15と平行な方向(アキシャル方向)の磁極を有することになる。
コイルユニット42は、円筒部とその両端の円環板からなるコイルボビン421を備え、このコイルボビン421の円筒部にコイル422が巻回されている。
コイルユニット42は、ロータ41の内側ではなく、図1に示されるように、軸方向(軸心15の方向)に並べて配置しているので、小型発電機4の外径を小さくし小型化すると共に、小型発電機4を収容するハブ体3の径を小さくすることができる。
コイルユニット42に巻回されたコイル422は、後述する磁路形成部43に形成された貫通孔(図示しない)及び、ハブ軸1に形成した凹部を通り、リード線423として本体リブ5に配設される自転車用ライトに接続されている。
磁路形成部43は、ハブ軸1に挿通された筒状押え部材44により、一方の側の軸受2(図1では左側)から所定間隔が保持されていることで、第1磁極部431とロータ41間のギャップが形成されるようになっている。
一方、第2磁極部434は、後述する円筒部452の所定位置に固定することで、ロータ41間のギャップが形成されるようになっている。
そして、第1磁極部431の外周端部と第1円筒部437の一端が接続され、第1円筒部437の他端が円環板状をした連結部439の外側周端と接続され、連結部439の軸心側周端が第2円筒部438の一端と接続され、第2円筒部438の他端が第2磁極部434と接続されている。
以上の磁路形成部43は、第2円筒部438の他端と第2磁極部434との接続を除き、他の接続箇所は互いに固定されることにより、又は一体形成されることにより接続されている。そして、後述するように非発電時において第2磁極部434が回動する構成とするために、第2円筒部438の他端面と第2磁極部434の第2円環部435とは、摺動可能に接触配置されている。第2円筒部438の他端面は第2磁極部434との接触面積を確保するために、反対側よりも外径が大きく形成されている。
なお、磁路形成部43は、コイル422の外周側に配置される第1円筒部437、内周側に配置される第2円筒部438、及び側面に配置される連結部439により、第1磁極部431と第2磁極部434とを接続する接続部を構成する。
コイルユニット42の外周側には、所定間隔を隔てて第1円筒部437が配置される。 そして、第1円筒部437と第2円筒部438とが連結部439で連結されることで、コイルユニット42を収容するドーナツ型のコイル室が形成されている。
コイルボビン421は、軸方向両端に形成された円環板の一方が連結部439と接し、他方が第1磁極部431と接することで挟み込まれている。
環状部材432の軸心方向に突出した第1磁極歯433の各先端は、軸心15を中心としロータ41の内径と略同一半径の第1仮想円まで突出している。第1磁極歯433の先端は半円形状に形成されているが、方形であっても良く、上記第1仮想円に沿った形状であってもよい。
第2磁極歯436の先端部は、軸心15を中心とし、ロータ41の外径よりも僅かに小さい半径の第2仮想円まで突出している。
第2円環部435の内径は、後述する点消灯切替部材45を設ける場合には円筒部452に固定される大きさに、設けない場合にはハブ軸1に固定する大きさに形成される。
すなわち、各第1磁極歯433の中心を通り軸心15と平行なm本の第1仮想線(図示しない)と、各第2磁極歯436の中心を通り軸心15と平行なm本の第2仮想線(図示しない)とが一致する。
なお、以上の第1磁極歯433と第2磁極歯436の周方向の位置関係は、点消灯切替部材45を取り付けない場合の位置関係、及び、点消灯切替部材45を取り付ける場合には後述するように発電する場合の位置関係である。
円盤部451の中心には円形孔が形成され、この円形孔部分で円筒部452の一端側に固定又は一体形成されている。円盤部451と円筒部452内には、ハブ軸1が摺動自在に挿通されている。
円筒部452の他端側(円盤部451と反対側の端部)には、第2磁極部434が固定されている。
ハンドル部453は、円筒部452に固定又は一体形成されている。この453をハブ軸1を中心とした周方向に移動させることで、円盤部451と円筒部452を介して、円筒部452に固定されている第2磁極部434が周方向に回動するようになっている。
点消灯切替部材45は、発電状態と非発電状態を切り替えるための部材であり、軸心15を回転軸として、ハンドル部453の操作により、角度2π/p(pは極数)の範囲で動くようになっている。ここでπの単位はラジアンである(以下同じ)。
自転車の走行により車輪が回転すると、スポーク孔35に取り付けたスポークを介してハブ本体31が回転し、ハブ本体31に取り付けたロータ41も回転する。
この際、ステータを構成するコイルユニット42と磁路形成部43は、ハブ軸1に対して直接又は間接に固定されており、ハブ軸1は自転車の本体リブ5に固定されているので、コイルユニット42と磁路形成部43はハブ軸1と共に回転しない。
そのため、図3(a)に示すように、或る瞬間において、全ての第1磁極歯433が永久磁石412のN極と対向し、全ての第2磁極部434がS極と対向した状態となる。すなわち、全p個の永久磁石412のうちの1つ置きの永久磁石412、すなわち、磁極方向が同じである永久磁石412p/2個が、第1磁極歯433及び第2磁極歯436と対向する。
この場合、図3(a)に矢印で示したように、永久磁石412の磁束は、N極→第1磁極部431→第1円筒部437→連結部439→第2円筒部438→第2磁極部434→S極の方向に流れ、第2円筒部438部分でコイル422に鎖交する。
この状態では、図3(b)に矢印で示したように、永久磁石412の磁束は、N極→第2磁極部434→第2円筒部438→連結部439→第1円筒部437→第1磁極部431→S極の方向に流れ、第2円筒部438部分でコイル422に鎖交する。
発電が不要である場合、点消灯切替部材45の位置を発電位置から非発電位置まで移動することで、円筒部452に固定されている第2磁極部434を回転させる。この第2磁極部434の回転角は、2π/p(=π/m)である。
このため、点消灯切替部材45が発電位置にある場合に、各第1磁極歯433の中心を通る第1仮想線と、各第2磁極歯436の中心を通る第2仮想線とが一致していたのに対し、点消灯切替部材45を非発電位置に移動させると、第2仮想線は2本の第1仮想線の中央に移動する。
すなわち、発電時において第1磁極歯433と第2磁極歯436がロータ41を介して互いに対向配置されていたのに対し、非発電時には、各第2磁極部434は、第1磁極歯433の間に位置する。
このため、第1磁極歯433が永久磁石412のN極と対向している場合、第2磁極歯436は、第1磁極歯433が対向していない永久磁石4のN極と対向することになり、ロータ41の回転によっても磁路形成部43に磁束が流れず、車輪の回転負荷が増加することが回避される。
この第2〜第4実施形態では、第1実施形態で説明した1つの小型発電機4を発電機単体とし、2つの小型発電機4をハブ体3内に配置したものである。
発電機単体1(以下小型発電機4という)を複数配置し各々のコイル422を直列に接続することで高い電圧を得ることができる。
なお、以下の説明では小型発電機4を2つ配置する場合について説明するが、収容可能であれば3つ以上の小型発電機4を配置するようにしてもよい。
以下に説明する第2〜第4実施形態では、小型発電機4を配置するハブ軸1、軸受2、ハブ体3、本体リブ5等については第1実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
第1実施形態における小型発電機4は、ハブ体3内に1つ配置したのに対し、第2実施形態では軸方向に2つの小型発電機4aと小型発電機4bを同じ向きで配置したものである。
なお、第1実施形態の小型発電機4では、リード線423を連結部439に形成した貫通孔を通すようになっているが、この第2実施形態ではリード線423aは第2円筒部438aの貫通孔を、リード線423bは第2円筒部438bの貫通孔をそれぞれ通り、更に、ハブ軸1に設けた軸方向の凹部内を通って、本体リブ5まで導かれている。
但し、第1実施形態、第2実施形態、後述する第3、第4実施形態においても、リード線423を通す貫通孔は連結部439、第2円筒部438の何れでも良く、また、第1円筒部437に形成するようにしてもよい。
そして、同一の仮想線上に並んだ永久磁石412aと永久磁石412bの磁極の向きは、第2実施形態と第3実施形態の場合同逆方向で、第4実施形態の場合同一方向となるように配置される。
また、磁極の向きが同一方向である場合には2つのコイル422の巻き方向が同一で、磁極の向きが逆方向である場合には2つのコイル422の巻き方向がそれぞれ逆方向になる。
第2実施形態では2つの小型発電機4a、4bを同じ向きに配置したが、この第3実施形態では、2つの小型発電機4c、4dを逆向きに配置したものである。
すなわち、コイル422cとコイル422dが内側に、ロータ41cとロータ41dが外側にくるように配置されている。
図5に示されるように、第1円筒部437cと第2円筒部438c、及び、第1円筒部437dと第2円筒部438dを、共通する連結部439cdで連結している。
なお、図5においては、第1円筒部437c、第1円筒部437d及び連結部439が一体形成されているが、2つ又は3つの別体に形成した各々を固定するようにしてもよい。
すなわち、ロータ41cとロータ41dが内側で、コイル422cとコイル422dが外側となるように配置する。
この場合、磁路形成部43cと磁路形成部43dとが互いに接触状態となるので、この両者を一体に形成するようにしてもよい。
この第4実施形態では、第3実施形態と同様に、コイル422cとコイル422dが内側に、ロータ41cとロータ41dが外側にくるように配置されている。
一方、第3実施形態ではロータ41cとロータ41dにおける磁極の向きが同一方向であるのに対して、第4実施形態ではロータ41cとロータ41dにおける磁極の向きが逆向きに形成されている。このため、第4実施形態では、第1円筒部437cと第2円筒部438cとを連結し、第1円筒部437dと第2円筒部438dとを連結する連結部が不要であるため存在しない。
そして磁束の流れは、永久磁石412cのN極→第2磁極部434c→第2円筒部438c→第2円筒部438d→第2磁極部434d→永久磁石412dのS極の流れと、永久磁石412dのN極→第1磁極部431d→第1円筒部437cd→第1磁極部431c→永久磁石412cのS極の流れ、及びこの逆の流れが形成される。
なお、図6に示した例では、小型発電機4cの第1円筒部と、小型発電機4dの第1円筒部を一体形成により共通化して第1円筒部437cdと表示しているが、それぞれ別体として形成してもよい。
なお、説明した図6では、コイルユニット42cとコイルユニット42dとが離れて配置されているが、両者を接触させた状態で並べて配置するようにしてもよい。
更に、コイルボビン421cとコイルボビン421dを共通化した1つのコイルボビン421を採用するようにしてもよい。この場合、共通化したコイルボビン421は、円筒部を長く(例えば2倍の長さ)することで、コイル422cとコイル422dの両者分のコイルを巻回できるようにする。これにより、1つの共通化したコイルボビン421の両側に2つのロータ41c、41dが配置される構成となる。
この第5実施形態では、2つの小型発電機4が配置された第2〜第4実施形態を対象とし、コギングトルクの解消を目的にしたものである。
図7は、2つの小型発電機におけるロータ41と磁極部431、434の分解斜視図である。図7では、ロータ41a、第1磁極部431a、第2磁極部434aを第1発電ユニット4Aとしている。また、ロータ41b、第1磁極部431b、第2磁極部434bを第2発電ユニット4Bとしている。
第5実施形態では、第1の実施形態で説明したのと同様に、小型発電機4a、bの各第1磁極歯433a、bと各第2磁極歯436a、bはロータ41a、bを介して対向するように配置されている。また、軸心15と平行な仮想線が第1磁極歯433aの中心と第2磁極歯436aの中心を通るように(第1仮想線と第2仮想線が一致するように)配置されている。また、軸心15と平行な仮想線が第1磁極歯433bの中心と第2磁極歯436bの中心を通るように(第1仮想線と第2仮想線が一致するように)配置されている。
角度θは、1/2磁極ピッチ、すなわち、π/p(=(1/2)×(2π/p))である。
そして、同一の仮想線C上に並んだ永久磁石412aと永久磁石412bの磁極の向きは、第5実施形態で対象とする第2〜第4実施形態、変形例の構成で採用する向きと同じ向きである。例えば、図7では、第2実施形態の構成を採用しているので、磁極の向きは逆向きである。
第5実施形態では、第1発電ユニット4Aの仮想線Aと、第2発電ユニット4Bの仮想線Bとが、1/2磁極ピッチの角度θずらして取り付けられているので、それぞれのコギングトルクの位相が180度ずれることで、両コギングトルクが相殺されることになる。
このように、コギングトルクの相殺により振動を解消することができ、特に、2つの小型発電機4を歯科医師用のハンドピースに配置する場合に有効である。
第1〜第5実施形態では、回転体を構成するハブ体3の内周面にロータ41の外周面を固定配置する場合について説明したが、この実施形態では回転軸(回転体)の外周側にロータ41を固定配置する構成としたものである。
図9は第6実施形態における小型発電機4eの断面構成図である。
この図9に示されるように、回転体を構成する回転軸6の両端に2つの軸受2eの内輪22eが固定され、両軸受2eの外輪21eに側壁部材62、63が固定されている。
本実施形態の小型発電機4eでは、ロータ41eが回転軸6に固定され、側壁部材62、63を含むステータ部は回転軸6に軸受2eで軸支されている。
一方、本実施形態のロータ41eと第1〜第5実施形態のロータ41とでは、円環形状の外周面と内周面における、固定状態と開放状態とが逆になっている。
すなわち、第1〜第5実施形態のロータ41は、外周面が回転体を構成するハブ本体31の内周面に固定され、内周面とハブ軸1(非回転)との間には隙間が存在(開放状態)する構成となっている。これに対し、本実施形態のロータ41eは、外周面が開放状態であり、内周面が回転体を構成する回転軸6に固定されている。
一方、第1磁極部431eは、ロータ41eの手前まで延びた第2円筒部438とその内周側で固定され、外周側が開放状態となっている。
第2円筒部438eは、その内側に回転軸6が非接触状態で挿通されている。
そして、第2磁極部434eと第1磁極部431eは、側壁部材62に固定された連結部439eに固定されることで連結されている。
以上の構成により、第1磁極部431e、第2円筒部438e、連結部439e、第1円筒部437e、第2磁極部434eの順、又はその逆順に磁路が形成される。
図10は、小型発電機4eを歯科医師用ハンドピース7に取り付けた状態を示す断面図である。
歯科医師用ハンドピース7は、エアーを駆動力として治療用工具を回転させることで、歯科治療を行う歯科医療用具である。
図10に示されるように、歯科医師用ハンドピース7は、把持部71とヘッド部72を備え、ヘッド部72には治療内容に応じた各種治療用工具73が着脱可能になっている。
把持部71内には、回転軸6を含む小型発電機4eが取り付けられている。小型発電機4eは、把持部71の内筒74の内周面に第1円筒部437eが固定されている。
回転軸6の一端側は、図示しないエアタービンに接続され、エアタービンから回転力が得られるようになっている。回転軸6の回転は、他端側に形成した斜交かさ歯車75を介して、先端軸76に伝達され、更に、ヘッド部72内のかさ歯車(図示しない)を介して治療用工具73に伝達される。
この際、回転軸6に固定された小型発電機4eのロータ41も回転することで発電し、その電力がリード線423eから照明具77に供給されることで、治療工具73による治療箇所周辺が照明される。
この場合、各小型発電機4eの向きや、永久磁石412の磁極の向きを含め、各部材の位置関係については第2〜第4実施形態と同様に配置する。
そして、第2〜第4実施形態と同様に配置した小型発電機4e、4eを対象として、第5実施形態で説明したように、第1発電ユニット4Aと第2発電ユニット4Bにおける磁極部、又はロータ41を1/2磁石ピッチの角度θ(=π/p)だけずらして取り付けることで、コギングトルクの発生を解消するようにしてもよい。歯科医師用ハンドピース7においてコギングトルクを解消することで、治療者、被治療者に対する大きな効果を得ることができる。
図11は、第1実施形態と同様に、第6実施形態の小型発電機4fを自転車のハブに内装した場合の断面構成を表したものである。
第1〜第6実施形態においては、ロータ41における永久磁石412を、その磁極の向きが回転体(ハブ体3、回転軸6)の回転軸と平行な方向となる方向に配設している。
これに対して、第7実施形態の小型発電機4fでは、ロータ41fにおける永久磁石412fを、その磁極の向きが回転体(ハブ体3、回転軸6)の回転軸と直交する方向(径方向)となる方向に配設したものである。
円環板413は、その外周面でロータ固定筒37に固定され、軸方向コイルユニット42側の側面に環状部材411fが固定されている。
そして、環状部材411fには、軸心と直交する平面上において、径方向の貫通孔がp個環状部材411fに等間隔に形成され、この貫通孔のそれぞれに磁極が交互になるように永久磁石412fが固定配置される。永久磁石412fの両端面は、ロータ41の外周面、内周面に合わせて曲面に加工されている。
なお、使用する永久磁石としては、第1実施形態で説明した何れでもよい。
第1実施形態の第1円環部432と第1磁極歯433では、図2に示されるように、第1円環部432の内周面に径方向内側(中心方向)に向けて、m個の第1磁極歯433が等間隔に突出形成されている。
これに対して、第7実施形態の第1磁極部431fでは、第1円環部432fの軸方向の一端側が第1円環部437fに固定され、他端側から軸心と平行な方向で、第1円環部437fと反対側の方向に、m個の第1磁極歯433fが等間隔に突出形成されている。
そして、m個の第1磁極歯433fの径方向内側の面はロータ41の外周面と所定ギャップで対向配置されるように湾曲した形状に形成されている。すなわち、第1磁極歯433fのロータ41と対向する側の内周面は、ロータ41の外周の外径よりもγ1だけ大きな径の仮想円筒と一致するように形成されている。
第1実施形態の第2円環部435と第2磁極歯436では、図2に示されるように、第2円環部435の外周面に径方向外側に向けて、m個の第2磁極歯436が等間隔に突出形成されている。
これに対して、第7実施形態の第2磁極部434fでは、第2円環部435fの軸方向の一端側(第1円環部432fの一端側と同じで、コイルユニット42が配設されている側)から、軸心と平行な方向で、第2円環部435の反対側の方向(第1磁極歯433fとは反対の方向)に、m個の第2磁極歯436fが等間隔に突出形成されている。
そして、m個の第2磁極歯436fの径方向外側の面はロータ41の内周面と所定ギャップで対向配置されるように湾曲した形状に形成されている。すなわち、第2磁極歯436fのロータ41と対向する側の内周面は、ロータ41の内周の内径よりもγ2だけ小さな径の仮想円筒と一致するように形成されている。
そして、第2磁極歯436の内周側の面と第2円筒部438の外周面とが、また、第2円環部435fの側端面と第2円筒部438の軸方向の端面とが、それぞれ摺動可能に接触している。
すなわち、図7におけるコイルユニット42と環状部材411との間を縮めることで、軸方向の長さを短くして小型発電機4の一層の小型化を図ることができる。
(1)コイルユニット42とロータ41を径方向に配置するのではなく、軸方向に配置する構成とした。
これにより、小型発電機4の外径を小さくすることができるため、小型化することができる。
また、ロータ41の外径が小さくなることから、永久磁石の使用量を少なくすることができ、その分軽量化が図られる。
(2)第1〜第6実施形態およびその変形例では、磁極の向きが軸方向となる向きに永久磁石412を配置している。すなわち、環状部材411形成した貫通孔を軸方向に形成し、当該貫通孔に永久磁石412を配設しているので、径方向の貫通孔に永久磁石412を配置する場合に比べて、遠心力に耐えられるような強力な固定や、構造を必要としなため、製造が容易になる。
(3)第1磁極部431と第2磁極部434が永久磁石412の両極面と対向配置する構成であり、クローポールによらないため、永久磁石412とのギャップを狭くすることができるので、低速の回転数であっても高電圧の発電が可能となる。
(4)コイル422は、ロータ41の回転軸心回りに巻回されているため、簡単な構造のコイルユニット42とすることができ、小型発電機4も簡単な構成となる。
(5)2つの磁極部431、434から伸延する2つの円筒部437、438が1つの連結部423で接続されることで磁路形成部43が構成されるのため、部品点数が削減できて簡易で安価に提供することができる。
(6)複数の発電機単体を軸方向に配置する実施形態とその変形例によれば、複数のコイルを直列接続することで高い電圧を得ることができる。
(7)複数の発電機単体を軸方向に配置する実施形態とその変形例によれば、一方の発電機単体により発生するコギングトルクと、他方の発電機単体により発生するコギングトルクとが180度位相がずれるように、各部材を配置したので、コギングトルクが相殺されるため、スムーズな回転を得ることができる。
(8)点消灯切替部材45を軸心回りに移動させることで、発電時において永久磁石412を介して対向配置されていた第1磁極部431の第1磁極歯433と、第2磁極部434の第2磁極歯436とが、対向配置しない状態となる。すなわち、第1磁極歯433と第2磁極歯436は、永久磁石412の同局同士と対向する位置関係となるため、永久磁石412の磁束がコイル422を鎖交して磁路形成部43を流れることがなくなる。その結果ため、鉄損を大きく低減することができて、発電不要時の負荷トルクを小さくすることができる。
例えば、図1、2で説明したロータ41は、環状部材411に棒状の永久磁石412を軸方向に挿入することで構成する場合について説明したが、ロータ41全体を永久磁石で構成するようにしてもよい。
すなわち、円環板状の磁性材を、軸心15に対して垂直方向の面の一方が、周方向に極数pに分割して、異なる極に交互に平面着磁した永久磁石をロータ41として、ロータ固定筒37又は本体円筒部33の内周面に固定するようにしてもよい。
例えば、互いに固定されている部材については一体形成としても良く、また一体形成されている部材を別体で形成し互いに固定するようにしてもよい。
この場合、点消灯切替部材45の円筒部452は、連結部439又は第2円筒部438に固定される。
そして、円筒部452が連結部439に固定される場合、点消灯切替部材45の動きに応じて、連結部439、第1円筒部437を介して第1磁極部431が動くことになり、連結部439と第2円筒部438とが摺動可能な状態で接触し、第2円筒部438と第2磁極部434が固定される。連結部439と第1円筒部437は一体形成又は固定され、第1円筒部437と第1磁極部431は固定される。
一方、円筒部452が第2円筒部438に固定される場合、第2円筒部438と第2磁極部434は摺動可能な状態で接触し、可動部である第2円筒部438に対して第2磁極部434はハブ軸1に固定される。第2円筒部438に対して、連結部439、第1円筒部437は固定又は一体形成される。
これに対して仮想線Aと仮想線Bとが一致するように第1磁極部431a、第2磁極部434a、第1磁極部431b、第2磁極部434bを配置し、仮想線Cと仮想線Dとが周回り方向に角度θだけずれるように配置してもよい。
また、仮想線Aと仮想線Bとを任意の角度αだけずらし、仮想線Cと仮想線Dを角度(α+θ)だけずらしても良い。
更に、仮想線Cと仮想線Dとを任意の角度βだけずらし、仮想線Aと仮想線Bを角度(β+θ)だけずらしても良い。
11 ねじ
12 ナット
13 座金
14 座金
15 軸心
2 軸受
21 外輪
22 内輪
23 ボール
3 ハブ体
31 ハブ本体
32 本体側面部
33 本体円筒部
34 ハブ鍔
35 スポーク孔
36 ハブキャップ
37 ロータ固定筒
4 小型発電機
41 ロータ
411 環状部材
412 永久磁石
42 コイルユニット
421 コイルボビン
422 コイル
423 リード線
43 磁路形成部
431 第1磁極部
432 第1円環部
433 第1磁極歯
434 第2磁極部
435 第2円環部
436 第2磁極歯
437 第1円筒部
438 第2円筒部
439 連結部
44 筒状押え部材
45 点消灯切替部材
451 円盤部
452 円筒部
453 ハンドル部
454 内座金
455 外座金
46 隔離筒
4A 第1発電ユニット
4B 第2発電ユニット
5 本体リブ
6 回転軸
Claims (6)
- 複数pの永久磁石を備え回転体に固定されるロータと、
前記回転体の軸心を中心として円筒状に巻回されたコイルと、
前記ロータの永久磁石の磁極方向の両側に所定間隔を隔てて対向配置された第1磁極部と第2磁極部、及び、前記コイル内を通り前記第1磁極部と前記第2磁極部とを接続する接続部とを有する磁路形成部と、
を備え、
前記ロータは、前記複数の永久磁石が、各々の磁極の方向が周回り方向で交互になるように配設され、
前記コイルは、前記ロータに対して軸方向に所定間隔をおいて固定配置され、
前記磁路形成部の第1磁極部と第2磁極部は、前記ロータを挟んで対向配置されたp/2個の磁極歯が等間隔で周回り方向に配設され、
前記第1磁極部と前記第2磁極部の何れか一方を、他方に対して、周回り方向に角度2πラジアン/pだけ回動させる磁極部回動手段と、
を備えたことを特徴とする小型発電機。 - 前記請求項1に記載の小型発電機を発電機単体とし、当該発電機単体を、前記回転体の軸心方向に複数並列して配置したことを特徴とする小型発電機。
- 前記発電機単体を2つ備え、両発電機単体は互いに接した状態で、前記軸方向における前記ロータから前記コイルの方向が、同一方向、又は逆方向を向いて配置され、
一方ロータの永久磁石の磁極と、他方のロータの永久磁石の磁極とが逆方向に配設され、
一方のコイルと他方のコイルは逆向きに巻回されている、
ことを特徴とする請求項2に記載の小型発電機。 - 一方の発電機単体により発生するコギングトルクと、他方の発電機単体により発生するコギングトルクとが180度位相がずれるように、
一方の発電機単体における第1磁極部の中心と第2磁極部の磁極歯の中心を通り前記軸心と平行な仮想線Aと、他方の発電機単体における第1磁極部の中心と第2磁極部の磁極歯の中心を通り前記軸心と平行な仮想線Bとの位置関係、
又は、
前記一方の発電機単体における永久磁石の磁極方向の仮想線Cと、前記他方の発電機単体における永久磁石の磁極方向の仮想線Dとの位置関係が、
周回り方向に角度πラジアン/pだけずれて配置されている、
ことを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の小型発電機。 - 発電機単体を、回転体の軸心方向に複数並列して配置した小型発電機であって、
前記発電機単体は、
複数pの永久磁石を備え前記回転体に固定されるロータと、
前記回転体の軸心を中心として円筒状に巻回されたコイルと、
前記ロータの永久磁石の磁極方向の両側に所定間隔を隔てて対向配置された第1磁極部と第2磁極部、及び、前記コイル内を通り前記第1磁極部と前記第2磁極部とを接続する接続部とを有する磁路形成部と、
を備え、
前記ロータは、前記複数の永久磁石が、各々の磁極の方向が周回り方向で交互になるように配設され、
前記コイルは、前記ロータに対して軸方向に所定間隔をおいて固定配置され、
前記磁路形成部の第1磁極部と第2磁極部は、前記ロータを挟んで対向配置されたp/2個の磁極歯が等間隔で周回り方向に配設され、
一方の発電機単体により発生するコギングトルクと、他方の発電機単体により発生するコギングトルクとが180度位相がずれるように、
一方の発電機単体における第1磁極部の中心と第2磁極部の磁極歯の中心を通り前記軸心と平行な仮想線Aと、他方の発電機単体における第1磁極部の中心と第2磁極部の磁極歯の中心を通り前記軸心と平行な仮想線Bとの位置関係、
又は、
前記一方の発電機単体における永久磁石の磁極方向の仮想線Cと、前記他方の発電機単体における永久磁石の磁極方向の仮想線Dとの位置関係が、
周回り方向に角度πラジアン/pだけずれて配置されている、
ことを特徴とする小型発電機。 - 前記発電機単体を2つ備え、両発電機単体は互いに接した状態で、前記軸方向における前記ロータから前記コイルの方向が、同一方向、又は逆方向を向いて配置され、
一方ロータの永久磁石の磁極と、他方のロータの永久磁石の磁極とが逆方向に配設され、
一方のコイルと他方のコイルは逆向きに巻回されている、
ことを特徴とする請求項5に記載の小型発電機。
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