JP6633695B2

JP6633695B2 - 直流発電機

Info

Publication number: JP6633695B2
Application number: JP2018115458A
Authority: JP
Inventors: 皓二反田
Original assignee: 皓二反田
Priority date: 2018-06-18
Filing date: 2018-06-18
Publication date: 2020-01-22
Anticipated expiration: 2038-06-18
Also published as: JP2019221037A

Description

本発明は、例えば、電車などの発電ブレーキなどに利用される直流発電機に関する。

直流発電機は、例えば、電車の発電ブレーキなど、あらゆる分野で使用されている。この直流発電機は、一般に、磁石（固定子）と、コアに巻回したコイル（回転子）を相互逆方向に回転させ、それによってコイルに発生した電流を、該コイルに接続された整流子に摺接するブラシを介して取り出すようにしている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−２０７３４１号公報

しかし、従来の直流発電機はブラシと整流子を使用しており、これらは相互に摺動して摩耗するので、故障の原因となり易いという問題がある。また、コイルはいわゆる剥き出しの状態にあるので、損傷し易い。また、コイルを巻回するコアを使用しているので重量が嵩むといった問題もある。

さらに、これらブラシ、整流子及びコアの使用により直流発電機の製造コストが嵩み、かつ、大型化（肉厚化）してしまうといった問題もある。また、防水性に欠けるので、水中での使用ができないといった不便さをもある。

本発明はこうした問題に鑑み創案されたもので、故障が少なく、コイルが損傷し難く、軽量かつ小型（肉薄）で、製造コストが廉価で、防水性に優れ水中でも使用できる直流発電機を提供することを課題とする。

請求項１に記載の直流発電機１は、回転軸Ｒに同心状に近接して設けた円板状の回転子１Ａ及び固定子１Ｂを備える直流の発電機であって、前記回転子１Ａを、Ｎ極部６ａとＳ極部６ｂを交互に配置した永久磁石体６を複数個設けて構成する。

また、前記固定子１Ｂを、少なくとも、円形リング２と、前記円形リング２の内周側に配置され、第一コイル線４および第二コイル線５で構成され、前記円形リング２の内周面近傍に位置する凸状膨出部３ａおよび前記円形リング２の中心部に位置する凹状膨出部３ｂを交互に連続的に形成して構成され、偶数の極を形成するコイル体３と、前記コイル体３を形成する第一コイル線４の両端部のそれぞれに設けられた第一ダイオード７と、前記コイル体３を形成する第二コイル線５の両端部のそれぞれに設けられた第二ダイオード８と、前記コイル体３を前記円形リング２の内周面に、前記回転子と対向する前記コイル体の面の全面を覆って固定する樹脂部材９とで構成したことを特徴とする。

請求項２に記載の直流発電機１は、回転軸Ｒに同心状に近接して設けた円板状の回転子１Ａ及び固定子１Ｂを備える直流発電機であって、前記回転子１Ａを、少なくとも、Ｎ極部６ａとＳ極部６ｂを交互に配置した永久磁石体６を複数個設けて構成する。

また、前記固定子１Ｂを、少なくとも、円形リング２と、前記円形リング２の内周側に配置され、第一コイル線４および第二コイル線５で構成され、前記円形リング２の内周面近傍に位置する凸状膨出部３ａおよび前記円形リング２の中心部に位置する凹状膨出部３ｂを交互に連続的に形成して構成され、偶数の極を形成する複数のコイル体３と、前記コイル体３を形成する第一コイル線４の両端部のそれぞれに設けられた第一ダイオード７と、前記コイル体３を形成する第二コイル線５の両端部のそれぞれに設けられた第二ダイオード８と、前記複数のコイル体３を、相互に非接触状態で、前記円形リング２の内周面に、前記回転子と対向する前記コイル体の面の全面を覆って固定する樹脂部材９を設けて構成し、前記複数のコイル体３を、その位置を周方向に等間隔でずらした重合状態で配置したことを特徴とする。

請求項１に記載の直流発電機１は、その固定子１Ｂを、円形リング２、コイル体３、磁石体６、第一ダイオード７、第二ダイオード８、および樹脂部材９とで構成し、少なくとも、従来必要としていたコア、ブラシおよび整流子を不要とするので、故障が少なく、軽量かつ小型（肉薄）で、製造コストが廉価である。

また、コイル体３を、樹脂部材９によって、円形リング２の内周面に密封して固定するので、当該コイル本体の損傷を防ぐことができる。また、水中でも使用（発電）できる。さらに、発電時に回転するコイル体３を安定姿勢で保持することができる。

請求項２に記載の直流発電機１は、請求項１に記載と同様の効果を発揮する。また、複数のコイル体３を、その位置を周方向に等間隔でずらした重合状態で設けたので、発電能力を高めることができる。

本発明の第一実施形態に係る直流発電機を示す側面構成図である。図１に示す直流発電機の回転子を示す正面図である。図１に示す直流発電機の回転子と固定子の位置関係を示す正面図である。図１に示す直流発電機の固定子を示す正面図である。図１に示す直流発電機の固定子を示す正面図である（樹脂部材を除いた状態）。本発明の第二実施形態に係る直流発電機の固定子を示す正面図である（樹脂部材を除いた状態）。本発明の第三実施形態に係る直流発電機の固定子を示す正面図である（樹脂部材を除いた状態）。本発明の第三実施形態に係る直流発電機の固定子を示す正面図である（樹脂部材を設けた状態）。図８に示す直流発電機の一部断面側面図である。図８に示す直流発電機の配線図である。本発明の第四実施形態に係る直流発電機の固定子を示す正面図である。本発明の第四実施形態に係る直流発電機の固定子を示す側面構成図である。本発明の第五実施形態に係る直流発電機の固定子を示す側面構成図である。

本発明の第一実施形態に係る直流発電機１を、図１乃至図５を参照して説明する。この直流発電機１は、回転軸Ｒに同心状に側面同士を近接して設けた円板状の回転子１Ａと、当該回転子１Ａと同じ外径を有する円板状の固定子１Ｂを備える。回転軸Ｒの両端部にはベアリングＢを設け、一方端部には、動力をベルト（図示せず）を介して外部機構へ伝達するためのプーリーＰを備える。

回転子１Ａは回転軸Ｒに固定されて回転し、固定子１Ｂは回転軸Ｒに固定されておらず、従って回転しない。なお、固定子１Ｂを回転子１Ａと逆方向に回転させる構成とすることもできる。

回転子１Ａは、４個のＵ形永久磁石体６を、それぞれのＮ極部６ａとＳ極部６ｂが対向するように複数等間隔で配置しており、これにより、Ｎ極部６ａとＳ極部６ｂを交互に等間隔で設けている（図１において、図示していないが、Ｎ極６ａの背面側にはＳ極部６ｂが存在し、Ｓ局部６ｂの背面側にはＮ局部６ａが存在する）。この磁石体６の配置は、回転子１Ａのコイル体３の径方向部分に対応するように設定している（図３参照）。なお、磁石体６は、後述する樹脂部材９で固定している。

固定子１Ｂは、円形リング２、一つのコイル体３、磁石体６、第一ダイオード７、第二ダイオード８、および樹脂部材９を備える。

円形リング２は、一つのコイル体３を配置するに必要な肉厚（すなわち、一つのコイル体３とほぼ同じ肉厚）を有する真円形状を形成する。

コイル体３は、円形リング２の内周面側に配置されるものであり、従って、円形リング２の内径より僅かに小さい外径を有する。このコイル体３は、第一コイル線４および第二コイル線５で構成され、円形リング２の内周面近傍に位置する四つの凸状膨出部３ａと、円形リング２の中心部に位置する四つの凹状膨出部３ｂを交互に連続的に形成する。これにより、偶数（四つ）の極を形成する。コイル体３には出力用のリード線１１を二本連結している。

なお、コイル体３を第一コイル線４と第二コイル線５の二本の線で形成したのは、磁石との近接で発生する誘導電流がいわゆる行きと帰りを繰り返すため、それに対応するためである。

第一ダイオード７は二つ設けられ、それぞれが、コイル体３を形成する第一コイル線４の一方端部と他方端部に設けられる。第二ダイオード８も二つ設けられ、それぞれが、コイル体３を形成する第二コイル線５の一方端部と他方端部に設けられる。この第一ダイオード７および第二ダイオード８は、整流作用（電流を一定方向にしか流さない作用）を持つ電子素子であるため、交流を直流に変換するのに有効である。

樹脂部材９は、コイル体３を、円形リング２の内周面に密封して固め、この円形リング２の内周面に固定する。すなわち、型枠の中にコイル体３を配置した後、溶融状態にある樹脂部材９を流し込み、固化させた後、その型枠から抜き取る。そして、抜き取ったものを円形リング２の内部に固定する。なお、溶融状態にある樹脂部材９を円形リング２の内周面側に位置するコイル体３を固定する形態になるように流し込むことによって形成し、コイル体３を円形リング２の内周面に固着させることも可能である。コイル体３は、限定するものではないが、その表面が樹脂部材９の表面から４ｍｍ程度の深さになるように、円形リング２の内部に配置している。

なお、樹脂部材９の形成手法は限定されないが、本実施形態では、図４に示すように、樹脂部材９に、コイル体３の径方向部分が進入できる幅の溝９ａを径方向に形成している。この溝９ａにより、コイル体３を保持することができる。なお、こうした溝９ａを設けないで、コイル体３を樹脂部材９に密接させることもできる。また、樹脂部材９の構成材料は限定されるものではないが、本実施形態では、樹脂とフェライト粉末を１：９の割合で混合して構成している。なお、この混合割合も限定されない。

本発明の第二実施形態に係る直流発電機１を、図６に示す。この直流発電機１の特徴は、コイル体３を二つ設けていることである。この二つのコイル体３は、円形リング２の内周面側において、それぞれの位置を周方向に等間隔でずらした重合状態で配置している。これにより、二つのコイル体３によって八つの極を形成しており、その発電能力を、第一実施形態の直流発電機１の二倍としている。

なお、円形リング２の肉厚は、二つのコイル体３を重ねた状態の肉厚とほぼ同じに設定しており、これにより、当該直流発電機１の小型化（肉薄化）を図っている。

本発明の第三実施形態に係る直流発電機１を、図７乃至図９に示す。この直流発電機１の特徴は、コイル体３を三つ設けていることである。この三つのコイル体３は、第二実施形態と同様に、円形リング２の内周面側において、それぞれの位置を周方向に等間隔でずらした重合状態で配置している。これにより、三つのコイル体３によって１２の極を形成し、その発電能力を、第一実施形態の直流発電機１の３倍としている。

なお、本実施形態の円形リング２の肉厚は、第二実施形態の場合と同じ様に、三つのコイル体３を重ねた状態の肉厚とほぼ同じに設定し、小型化（肉薄化）を実現している（図９参照）。

第三実施形態に係る直流発電機１における三つのコイル体３を樹脂部材９で固めた状態を、図８および図に示す。三つのコイル体３は全て樹脂部材９によって密封状態で固められ、円形リング２の内部に固着されているので、当該コイル体３の損傷を未然に防止できる。

また、コイル本体は密封されているので破損せず、水中での使用にも適用できる。さらに、発電時における回転の際の遠心力や振動による破損や位置ずれも未然に防止できる。なお、このコイル体３の中心には、回転軸Ｒが貫通する貫通孔１０を形成している。

第三実施形態に係る直流発電機１の回路図を、図１０に示す。これは、三つのコイル体３（従って三相）を備え、各コイル体３（相）を直列的に結線したものである。各相は４極交流発電を行う。すなわち、この図に示すように、三つのコイル体３のそれぞれが相を形成し、また、各コイル体３が四極を形成し、合計１２極で発電する。各コイル体３の第一コイル線４の両端部のそれぞれには第一ダイオード７を配置し、第二コイル線５の両端部のそれぞれには第二ダイオード８を配置している。

第一ダイオード７および第二ダイオード８は、前述したように、電流を一定方向に規制するはたらきを担う電子素子であるため、第一コイル線４および第二コイル線５を通る電流は同一方向に流される（直流となる）。

各コイル体３における第一コイル線４および第二コイル線５を通る電流は、第一ダイオード７および第二ダイオード８によって同一の方向に流されて出力部Ｓに集められ、そこから出力される。

第四実施形態に係る直流発電機１を図１１及び図１２に示す。この直流発電機１の特徴は、略矩形状の磁石体６を８個使用していることである。各磁石体６は、その前面側と後面側にＮ局部６ａとＳ局部６ｂを備え、そのＮ局部６ａとＳ局部６ｂが交互に並ぶように配置している。この磁石体６も、第一乃至第三実施形態に係る磁石体６と同様の作用効果を発揮することができる。

第五実施形態に係る直流発電機１を図１３に示す。この直流発電機１の特徴は、前記第二実施形態及び第三実施形態と同様に、複数のコイル体３を重合状態で設け、それによって複数のコイル体３の重合部分に必然的に生じる肉厚部分３ｃに対応した構造としていることである。すなわち、固定子１Ｂに、第一段差部Ｓ１を形成すると共に、回転子１Ａに第一段差部Ｓ１に合致する形状の第二段差部Ｓ２を形成している。そして、第一段差部Ｓ１の凸部分に肉厚部分３ｃを配置し、第二段差部Ｓ２の凸部分に磁石体６を配置している。第二段差部Ｓ２の凸部分に磁石体６を配置することで、当該磁石体６をコイル体３に近接させることができるので、その磁力を効果的に作用せることができる。これにより、発電能力を高めることができる。

上記第一乃至第五実施形態に係る直流発電機１は、以下の作用効果を発揮する。

（イ）固定子１Ａを、円形リング２、コイル体３、磁石体６、第一ダイオード７、第二ダイオード８、および樹脂部材９とで構成し、少なくとも、従来必要としていたコア、ブラシおよび整流子を不要とするので、故障が少なく、軽量かつ小型（肉薄）で、製造コストが廉価となる。

（ロ）コイル体３を、樹脂部材９によって、円形リング２の内周面と共に密封して固め、当該円形リング２の内周面に固定するので、水中でも使用（発電）できると共に、発電時に回転するコイル体３を安定姿勢で保持することができる。

（ハ）第二および第三実施形態の直流発電機１では、複数のコイル体３を、それぞれの位置を周方向に等間隔でずらした重合状態で設けているので発電能力を高めることができる。

なお、第一実施形態乃至第三実施形態は、コイル体の数を、それぞれ一つ、二つおよび三つとしているが、これに限定されるものではなく、必要とされる発電容量に応じてそれ以上とすることができる。

本発明の直流発電機は、直流電動機として応用することもできる。

１直流発電機
１Ａ回転子
１Ｂ固定子
２円形リング
３コイル体
３ａ凸状膨出部
３ｂ凹状膨出部
３ｃ肉厚部分
４第一コイル線
５第二コイル線
６磁石体
６ａＮ極部
６ｂＳ極部
７第一ダイオード
８第二ダイオード
９樹脂部材
９ａ溝
１０貫通孔
１１リード線
Ｂベアリング
Ｐプーリー
Ｒ回転軸
Ｓ出力部
Ｓ１第一段差部
Ｓ２第二段差部

Claims

回転軸Ｒに同心状に近接して設けた円板状の回転子（１Ａ）及び固定子（１Ｂ）を備える直流の発電機であって、
前記回転子を，少なくとも，Ｎ極部（６ａ）とＳ極部（６ｂ）を交互に配置した磁石体（６）を複数個設けて構成し、
前記固定子を，少なくとも，
円形リング（２）と、
前記円形リングの内周側に配置され，第一コイル線（４）および第二コイル線（５）で構成され，前記円形リングの内周面近傍に位置する凸状膨出部（３ａ）および前記円形リングの中心部に位置する凹状膨出部（３ｂ）を交互に連続的に形成して構成され，偶数の極（Ｐ）を形成するコイル体（３）と、
前記コイル体を形成する第一コイル線の両端部のそれぞれに設けられた第一ダイオード（７）と、
前記コイル体を形成する第二コイル線の両端部のそれぞれに設けられた第二ダイオード（８）と、
前記コイル体を前記円形リングの内周面に、前記回転子と対向する前記コイル体の面の全面を覆って固定する樹脂部材（９）とを設けて構成したことを特徴とする直流発電機。
回転軸Ｒに同心状に近接して設けた円板状の回転子（１Ａ）及び固定子（１Ｂ）を備える直流の発電機であって、
前記回転子を，少なくとも，Ｎ極部（６ａ）とＳ極部（６ｂ）を交互に配置した磁石体（６）を複数個設けて構成し、
前記固定子を，少なくとも，
円形リング（２）と、
前記円形リングの内周側に配置され，第一コイル線（４）および第二コイル線（５）で構成され，前記円形リングの内周面近傍に位置する凸状膨出部（３ａ）および前記円形リングの中心部に位置する凹状膨出部（３ｂ）を交互に連続的に形成して構成され，偶数の極（Ｐ）を形成する複数のコイル体（３）と、
前記コイル体を形成する第一コイル線の両端部のそれぞれに設けられた第一ダイオード（７）と、
前記コイル体を形成する第二コイル線の両端部のそれぞれに設けられた第二ダイオード（８）と、
前記複数のコイル体を相互に非接触状態で，前記円形リングの内周面に、前記回転子と対向する前記コイル体の面の全面を覆って固定する樹脂部材（９）を設けて構成し、
前記複数のコイル体を，その位置を周方向に等間隔でずらした重合状態で配置したことを特徴とする直流発電機。