JP2019216530A - 永久磁石発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】コギング及び脈動を最小化し、電圧及び電流の脈動の少ない安定な大電流の直流を発電することができる永久磁石発電機を提供する．【解決手段】回転軸に固定されて回転自在に設けられた円板の一側に、４以上の偶数個の円形薄型磁石が前記円板の円周方向に沿って等間隔に並べられた回転子と、回転子の他側に回転軸に固定されて設けられた第１ヨークと、回転子に対向し、回転子に設けられた磁石の数より１個多いか又は１個少ない数の空芯のコイルが回転軸と同心の円周に沿ってして設けられ、前記コイルの卷回面が前記磁石の磁極と対向するように配備され、回転軸が回転自在に貫通する固定子と、前記固定子の他側に固定して設けられた第２ヨークとを備える永久磁石発電機。【選択図】 図１

Description

本発明は、永久磁石発電機に係り、より詳しくは、コギングトルク及び脈動を減少させ発電量及び発電効率を増大させた永久磁石発電機に関する。

永久磁石を用いた発電機として、特許文献１には、図８に示すように、伝達軸２に固定された円板状の基板７と、この基板の周辺部に設けられたドーナツ状の第１のヨーク８と、第１のヨークの平面部に設けられた複数個の永久磁石９と、永久磁石に対向し装置本体内に設けられたドーナツ状の第２のヨーク１０と、第２のヨーク上に設けられた複数個のコイル１１とを有し、永久磁石の回動によりコイルに誘導電圧を発生させて発電する発電装置が記載されている。

しかし、この形式の発電機は、磁石が１回転する間に各コイルが同時に複数回磁束を切ることになるので、コギングという回転障害が生じて回転が円滑に行われなくなるという課題が特許文献２に提示された。この課題を解決する手段として、特許文献２は、図９ａに示すように、主軸３０と、この主軸に固定されかつ外周に８極に着磁された磁性体２０と、この磁性体の下部に設けられた鉄板１０と、鉄板１０の上に設けられたコイル５０を有し、図９ｂに示すように、鉄板の上に円周に沿って８個のコイルが並べられ、図９ｃに示すよう磁石が８極に着磁され磁石と磁性体との距離が一定となった直流発電装置を開示している。

しかし、特許文献２に記載された発電システムも、磁石が１回転する間にコイルが８回磁束を切ることになるのでコギングを完全に防ぐことができないという問題が残る。
更に、Ｓ極とＮ極が隣接して配置された永久磁石発電機は、コイルが磁束を切る瞬間は発電量が０になり、電圧及び電流の脈動を生じるという問題もある。
直流は変圧及び整流の困難を伴うので、コギングを最小化し、安定した高電圧及び大電流の直流電気を発電する永久磁石発電機を提供することが望まれていた。

特許第４１５２４７６号公報 特願２００２−１０５７３号公報

かかる課題を解決するための本発明は、コギング及び脈動を最小化し、電圧及び電流の脈動の少ない安定な直流を発電することができる永久磁石発電機を提供することを課題とする。
また本発明は、コギング及び脈動を最小化することによって、発電効率の高い永久磁石発電機を提供することを課題とする。

かかる課題を解決するための本発明の永久磁石発電機は、基台と、基台に設けられた軸受に回転自在に軸支された回転軸と、回転軸に固定されて回転自在に設けられた円板状の回転子と、回転子の一側に円周方向に沿って等間隔に並べられ、磁極の方向が回転子の面に直交し且つ隣接する磁石と相互に反対に向くように着磁された複数の磁石と、回転子の他側に設けられ、複数の磁石と接して回転子と共に回転する第１ヨークと、基台に固定されて回転子の一側に対向して設けられ、回転軸が回転自在に貫通する固定子と、固定子の一側に回転子と対向して回転軸を中心とする円周に沿って設けられ、電線が固定子に直交する方向の軸の周りに同じ向きに巻回された複数の空芯のコイルと、固定子の他側に固定して設けられた第２ヨークと、を備え、磁石の数が４以上の偶数であり、コイルの数が前記磁石の数より１多いか又は１少ないことを特徴とする。

また、本発明の他の実施形態に係る永久磁石発は、前記第２ヨークの代わりに、回転子と同一の構成の第２回転子、複数の磁石、並びに前記第１ヨークと同じ構成の第２ヨークが前記固定子の他側と離隔し対向してこの順に、但し磁石の磁性が回転子の磁石の磁性と相互に反対になるように設けられたことを特徴とする。

また、本発明は、磁石の数が８個以上であり、前記コイルの数が７個以上であることが好ましい。
更に本発明は、コイル各々に連結された整流器と、それぞれの整流器からの出力を直列に連結する配線と、出力端子と、を備えることを特徴とする。

本発明の、Ｎ極とＳ極が交互に配置されたｘ個（ｘは４以上の偶数）の磁石が設けられた回転子と、ｘ＋１個又はｘ−１個のコイルが設けられた固定子と、を対向して相対的に回転させる永磁石発電機は、磁石とコイルの数が同数ｘの永久磁石発電機に比べて、一回転のコギング及び脈動の回数が（ｘ＋１）倍又は（ｘ−１）倍に増え、その強度が１／（ｘ＋１）又は１／（ｘ−１）に減少するので、コギングが減少し電圧及び電流の脈動が平坦化された直流を発電することができる。

本発明の第１実施形態に係る永久磁石発電機は、第１ヨークと第２ヨークの間に磁石とコイルとが対向して配置され、磁力線の空気中での磁束密度の低下を抑制することができるので、発電効率を向上させることができる。

本発明の第２実施形態に係る永久磁石発電機は、上記の効果に加えて、２個の第１ヨークの間に、両側に反対の極性に着磁された磁石が配置されたコイルが配置されているので、更に磁束の密度が高くなり、発電効率を向上させることができる。

また、本発明の永久磁石発電機は、磁石とコイルとの距離が近い場合には低電圧大電流の出力が得られ、磁石とコイルとの距離が離れるに従って電圧が上昇し電流
が減少するので、使用条件や目的に応じ磁石とコイルとの距離を変化させて、入力されたトルクに対する発電機の出力の電圧／電流比を変化させることができる。

本発明の第１実施形態に係る永久磁石発電機の構成を概略的に示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係る４個の磁石と５個のコイルとを備える永久磁石発電機の磁石とコイルの関係を例示する要部の斜視図である。である。 本発明の第２実施形態に係る永久磁石発電機の構成を概略的に示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る４個の磁石と５個のコイルとを備える永久磁石発電機の配置関係を例示する要部斜視図である。 本発明の第１実施形態の８個の磁石の配置を概略的に示す配置図である。 本発明の第１実施形態の９個のコイルの配置を概略的に示す配置図である。 本発明の第１実施形態の永久磁石発電機の回転子と固定子の間隔を拡げて示した分解斜視図である。 引用文献１に記載の永久磁石発電機の断面図である。 引用文献２に記載の永久磁石発電機の断面図、平面図、及び配置図である。

以下に、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に記載する。この記載は、本発明を説明するためのものであって、この記載によって本発明の技術範囲を限定するものではない。本発明は、本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で、多様に変更して実施することが可能である。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る永久磁石発電機の構成を概略的に示す断面図であり、図２は、本発明の第１実施形態に係る４個の磁石と５個のコイルとを備える永久磁石発電機の磁石とコイルの関係を例示する要部の斜視図である。
図１、２に示すように、本発明の第１実施例の永久磁石式発電機１は回転子１０と、固定子１２と、回転軸２２と該回転軸２２を回転自在に支持する軸受け２４と、軸受け２４を支持する基台２６とを有し、図示しない筐体に収容されることができる。

回転子１０は、回転軸２２に固定されて回転自在に設けられた回転子円板１１に、４以上の偶数個の磁石１４が円周方向に沿って等間隔に並べられて保持され、磁石１４の着磁方向が回転子円板１１の面と直交し且つ隣接する磁石と磁性が相互に反対になるように配備されることが好ましい。磁石１４は、発電機の軸方向のサイズを小さくするためには薄型であることが好ましく、形状は特に限定されないが円形又は三角形を含む多角型であることができる。また磁石１４の原料は特に限定されないが、高い磁力を有するという観点から、ネオジム磁石又はフェライト磁石であることが好ましい。

回転子１０の一側には、第１ヨーク１８が磁石１４と接し回転軸２２に固定されて回転子１０と一体に回転するように設けられることができる。第１ヨーク１８は、軟鉄で形成されることが好ましい。
回転子１０の磁石１４が設けられた面に近接し対向して、固定子１２が設けられることができる。固定子１２には、基台２６に連結して設けられ、回転軸２２が回転自在に貫通する回転軸貫通孔２３を有する固定子板１３と、回転軸２２を同心とする円周に沿って磁石１４の数より１個多いか又は１個少ない数の空芯のコイル１６と、が設けられることが好ましい。

コイル１６は、固定子板１３と直交する方向を軸として電線が同一の方向に巻回されることが好ましい。コイル１６の形状は特に限定されないが、多くの磁束を集めるためになるべく広い面を覆うことが好ましく、厚さが薄いほうが発電機を小型化することができるという観点から、厚さの薄い円形又は三角形を含む多角型であることができる。

図２に例示するように、本発明の１実施形態では、回転子１０には４個の磁石１４が設けられ、固定子１２には５個のコイルが設けられ、回転子１０と固定子１２とは、コイル１６の卷回面が磁石１４の磁極面と対向するように配備されることができる。
固定子１２の回転子１０の反対側には、固定子１２に固定された第２ヨーク２０を設けることができる。

本発明の第１実施形態に係る永久磁石発電機１は、第１ヨーク１８と第２ヨーク２０の間に磁石１４とコイル１６が対向して配置されるので、磁力線の空気中での磁束密度の低下を抑制することができるので、発電効率を向上させることができる。なお、空気中での磁力線に磁束密度の低下を抑制する部材であれば、第１ヨーク１８と第２ヨーク２０とは、鉄板以外の部材を用いても良い。
回転軸２２に図示しない駆動装置２８を連結し回転子を回転させることによって、磁石１４とコイル１６とが相対移動して誘導電流が発生して、発電することができる。

（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態に係る永久磁石発電機の構成を概略的に示す断面図であり、図４は、本発明の第２実施形態に係る８個の磁石と５個のコイルとを備える永久磁石発電機の配置関係を例示する要部斜視図である。
図３、４に示すように、本発明の第２実施例の永久磁石式発電機１００は、第１実施形態の永久磁石式発電機１と比較すると、第２ヨークの代わりに、回転子１０と同一の構造を有する第２回転子２１、前記複数の磁石１４、並びに第１ヨークと同じ構成の第２ヨークがこの順に但し磁石の磁性が前記回転子の磁石の磁性と反対になるように対向し前記回転軸に固定して設けられた点で相違する。

具体的には、基台２６に固定して設けられた前記固定子１２の両側それぞれに対向して、同一の構造であって回転軸２２に固定されて回転自在に設けられた回転子１０及び第２回転子２１が設けられ、回転子１０及び第２回転子２１の回転子円板１１それぞれに、４以上の偶数個の磁石１４が円周方向に沿って等間隔に並べられて保持され、磁石１４の着磁方向が回転子円板１１の面と直交し且つ磁性が隣接する磁極及び前記固定子１２を挟んで対向する磁石と相互に反対になるように配備されることが好ましい。磁石１４は、発電機の軸方向のサイズを小さくするためには薄型であることが好ましく、形状は特に限定されないが円形又は三角形を含む多角型であることができる。また磁石１４の原料は特に限定されないが、高い磁力を有するという観点から、ネオジム磁石又はフェライト磁石であることが好ましい。

回転子１０の一側には、第１ヨーク１８が磁石１４と接し回転軸２２に固定されて回転子１０と一体に回転するように設けられることができる。また、第２回転子２１の一側には、第２ヨーク２０が磁石１４と接し回転軸２２に固定されて第２回転子２１と一体に回転するように設けることができる。

図４は、４個の磁石１４を備える回転子と１０、２１と５個のコイル１６を備える固定子１３を例として、本発明の第２実施形態に係る永久磁石発電機１００の配置関係を示す要部の模式斜視図である。
図４に示すように、本発明の第２実施形態の永久磁石発電機１００は、固定子１２に貫通孔２３が設けられ、該貫通孔２３と同心の円周上に、電線が固定子板１３と直交する軸の周りに巻回された空芯のコイル１６が並べて設けられる。また、第１回転子１０と第２回転子２１とのそれぞれは、第１ヨークを外側に向け、磁石１４が設けられた面を内側に向け、且つ磁石のＳ極とＮ極とを対向させて設けられて、回転軸２２に固定されて一体に回転することができる。

回転軸２２に図示しない駆動装置２８を連結し回転子を回転させることによって、２組の複数の磁石１４とコイル１６とが相対移動し発電することができる。
本発明の第２実施形態に係る永久磁石発電機１００は、２個の第１ヨーク１８の間に、反対の極性に着磁された磁石１４が両側に配置されたコイル１６が配置されているので、更に磁力線の磁束密度が高くなり、発電効率を向上させることができる。

本発明の永久磁石発電機１、１００は、４以上の偶数個の磁石１４が円周方向に沿って等間隔に並べられ、磁石１４の数より１個多いか又は１個少ないコイル１６が同心の円周方向に沿って等間隔に並べられた上を通過するので、各々のコイルが磁束を切るタイミングが異なるので、コギング及び脈流を効果的に減少させることができる。

従来の永久磁石発電機は、Ｎ極とＳ極が交互に配置された磁石と同数のコイルとが設けられているので、磁石とコイルとが相対的に１回転する間に、各コイルが配置された磁石の回数だけ、同時に磁束を切ることになるので、コギングという回転障害を生じて回転が円滑に行われなくなり、また軌道に大きなトルクが必要になり、脈動が生じるという問題があった。

本発明の永久磁石発電機１は、Ｎ極とＳ極が交互に配置されたｘ個（ｘは４以上の偶数）の磁石１４が設けられた回転子１０が、ｘ＋１個又はｘ−１個のコイル１６が設けられた固定子１２と対向して回転されるので、各コイル１６が磁束を切るタイミングがそれぞれ異なるようになる。

即ち、コイル１６の数がｘ＋１である場合には、各コイルには１／（ｘ＋１）だけ位相の異なったｘ＋１種類の交流が発電されるから、コギング及び脈動の回数が（ｘ＋１）倍に増えその強度が１／（ｘ＋１）になり、コイル１６の数がｘ−１である場合には、各コイルには１／（ｘ−１）だけ位相の異なったｘ−１種類の交流が発電されるから、コギング及び脈動の回数が（ｘ−１）倍に増えその強度が１／（ｘ−１）になる。
各コイルに整流器を連結し、整流された電流を直列に連結することによって、コギング及び脈動が平滑化された直流を得ることができる。
なお、磁極１４は、Ｎ極とＳ極が対になるので偶数であり、コイルは磁石１４の数より１個多いか又は１個少ない数であるので奇数である。

本発明の磁石１４の数は４以上であることが好ましい。磁石１４の数が２以下であると、コギング及び脈流を効果的に減少させることができない。磁石１４及びコイル１６の数が増えれば増えるほど、コギング及び脈流を効果的に減少させることができる。
より好ましくは、磁石１４の数が８以上であり、コイル１６の数が９以上であることできるが好ましい。
本発明は、磁石１４及びコイル１６の数が増えれば増えるほど、コギング及び脈流を効果的に減少させることができるので、磁石及びコイルの数の上限は定めない。

（実施例）
図７〜９に示す基本構造を有する永久磁石発電機、具体的には、８個の磁石と９個のコイルを備える構造であって、回転子１０の直径が１００ｍｍであり、磁石１４の直径が１５ｍｍ、厚さ１０ｍｍで吸引力が７ｋｇであるネ円型オジム磁石であり、各コイル１６が０．７ｍｍのフォルマル線を２５０回卷回したコイルである永久磁石発電機を製造した。

駆動装置２８として直流ブラシレスモーターを連結し、１２．０Ｖ、０．２Ａの直流電気を印加し、発電機の出力端末に負荷を連結して試験用したところ、１０．２Ｖ、０．１６Ａの出力を得た。出力電流はコギング及び脈動は示さなかった。

以上、本発明に関する好ましい実施形態を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の属する技術範囲を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。

１、１００ 永久磁石発電機
１０ 回転子
１１ 回転子円板
１２ 固定子
１３ 固定子板
１４ 磁石
１６ コイル
１８ 第１ヨーク
２０ 第２ヨーク
２１ 第２回転子
２２ 回転軸
２３ 回転軸貫通孔
２４ 軸受
２５ 回転軸中心線
２６ 基台
２８ 駆動装置
・・・（改ページ）・・・

Claims (4)

1. 基台と、
   前記基台に設けられた軸受に回転自在に軸支された回転軸と、
   前記回転軸に固定されて回転自在に設けられた円板状の回転子と、
   前記回転子の一側に円周方向に沿って等間隔に並べられ、磁極の方向が前記回転子の面に直交し且つ隣接する磁石と相互に反対に向くように着磁された複数の磁石と、
   前記回転子の他側に設けられ、前記複数の磁石と接して前記回転子と共に回転する第１ヨークと、
   前記基台に固定されて前記回転子の一側に対向して設けられ、前記回転軸が回転自在に貫通する固定子と、
   前記固定子の一側に前記回転子と対向して前記回転軸を中心とする円周に沿って設けられ、電線が前記固定子に直交する方向の軸の周りに同じ向きに巻回された複数の空芯のコイルと、
   前記固定子の他側に固定して設けられた第２ヨークと、
   を備え、
   前記磁石の数が４以上の偶数であり、前記コイルの数が前記磁石の数より１多いか又は１少ないことを特徴とする磁石発電機。
2. 前記第２ヨークの代わりに、前記回転子と同一の構成の第２回転子、前記複数の磁石、並びに前記第１ヨークと同じ構成の第２ヨークが前記固定子の他側と離隔し対向してこの順に、但し磁石の磁性が前記回転子の磁石の磁性と相互に反対になるように設けられたことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石発電機。
3. 前記磁石の数が８個以上であり、前記コイルの数が７個以上であることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石発電機。
4. 前記コイル各々に連結された整流器と、それぞれの整流器からの出力を直列に連結する配線と、出力端子と、を更に備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の永久磁石発電機。
   
   
   

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