JP2017034992A - 水力発電機、及び水中モーター - Google Patents

Abstract

【課題】少量の水でも十分発電することができる水中発電機、及びシャフトが無い構造にすることで、水流によって発生するシャフト自体の横振動（カルマン渦）を発生させず、リニア方式にすることで回転時に発熱しない水中モーターを提供すること。【解決手段】外側筒体２０が固定されており、内側筒体３０が外側筒体２０に対して、外側筒体２０の端部、及び内側筒体３０の端部に設置した複数の永久磁石の磁力により浮上することにより回転自在に支持されることを特徴とする水力発電機１０、及び水中モーター９０とした。【選択図】図４

Description

本発明は、回転軸（シャフト）を有さず、固定子と回転子がリニア方式（反発浮上式）により作動する水力発電機、及び水中モーターに関する。さらに言えば、流水が中心部を貫通できる構造とし、リニア方式（反発浮上式）にすることで、少量の流水でも効率的に発電することができる水中発電機、及び回転軸（シャフト）が無い構造にすることで、水流により発生する回転軸自体の横振動（カルマン渦）を発生させず、リニア方式にすることでモーター回転時に発生する熱を極力抑えることができる水中モーターに関する。

従来の流水を利用した（小型）水力発電機は、回転軸を有しているので、図８（ａ）に記載したように水の落下エネルギー（流水であっても同様）の流れ方向を変えなければならず、図８（ｂ）に記載したように、水の落下エネルギー（流水であっても同様）をダイレクトに水力発電機に流し込むことができず、その分、落下エネルギーのロスが生じていた。即ち、水の落下エネルギーを充分に利用できていなかった。

一方、従来の水中モーターは、回転軸（シャフト）を有しているため、極低速時は回転軸周囲の水の流れは左右対称となっているが、水中での速度が上昇するにつれその振動は激しくなる。即ち、艇速が上がるとカルマン渦列（列状に左右交互に発生）が発生すると流れは左右対称ではなくなる。その結果、シャフト表面（左右）に揚力を生み、シャフト横振動の原因になる。この振動はモーター本体の回転軸（シャフト）のズレや金属疲労の原因になる。金属疲労が起これば水中モーターは無理に回転してしまうことになるため、異音、振動、ぎこちない回転となり、結果的に無駄に電力を浪費していた。

特許文献１には、「様々な河川等に容易に設置可能にして汎用性及び設置性を高める。製作上のコストダウンを図るとともに、メンテナンス性及び信頼性を高める（特許文献１：課題）。」ことを課題として、「少なくとも、流水により回転するスクリュユニットと、このスクリュユニットの回転運動を電気エネルギーに変換する発電機構とを備えてなるマイクロ水力発電機を構成するに際して、一端部に流水が流入する流入口を有し、かつ他端部に流入した流水が流出する流出口を有する外郭筒体と、この外郭筒体の内部に回動自在に支持され、かつ内部を流水が通過する回動筒部，及びこの回動筒部の内周面に一体に設けたスクリュー羽根部を有するスクリュユニットと、回動筒部の外周面とこの外周面に対向する外郭筒体の内周面間に配設した発電機構とを備える（特許文献１：解決手段）。」発明が開示されている。

特許文献２には、「コイルに発生する熱を、モータケーシングを通じて外部に効率良く放熱させることができ、更には、コイルを傷めることなく長時間に亘って連続運転することができる水中モーターを提供する（特許文献２：課題）。」ことを課題として、「モータケーシングに収容された回転子及び固定子を備える水中モーターにおいて、固定子に装着されたコイルを弾性体で被覆し、該弾性体を樹脂で被覆し、該樹脂をモータケーシングの内面に密着させることによって、コイルに発生した熱を、弾性体，樹脂，モータケーシングを介して外部に放熱させる（特許文献２：解決手段）。」発明が開示されている。

特開２０１４−０８４７９９号公報 特開２００４−１６６４１４号公報

特許文献１に係るマイクロ水力発電機（特許文献１：発明の名称）は、外郭筒体の内部に回動自在に支持され、かつ内部を流水が通過する回動筒部、及びこの回動筒部の内周面に一体に設けたスクリュー羽根部を有するスクリュユニットから構成されており、本発明と同様にシャフト軸を有さない構造になっている。しかしながら、特許文献１において外郭筒体と回動筒部は、本発明のようにリニア方式（反発浮上式）を採用しておらず、前後一対のベアリング（軸受）により支持されている。ベアリング（軸受）自体は、どんなに精巧に製造されていたとしても回転時の抵抗があるため発電に必要な十分な回転数が得られないこともある。

特許文献２に係る水中モータ（特許文献２：発明の名称）は、回転軸（シャフト）を有している。出願人らは、水中モーターに関する先行技術を精査したが、本発明のように回転軸（シャフト）を有さない水中モーターに関する先行文献を発見することができなかった。そもそもそのような発想をする人がいなかったものと考えられる。

本発明の目的は、流水が中心部を貫通できる構造とし、回転により発生する抵抗を極めて少なくすることで、少量の流水でも十分発電することができる水中発電機、及び回転軸（シャフト）が無い構造にすることで、水流によって発生する回転軸自体の横振動（カルマン渦）を発生させず、リニア方式（反発浮上式）にすることで回転時に発生する熱を極力抑えることができる水中モーターを提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載された発明は、外側筒体と、該外側筒体と回転自在に設置した内側筒体と、該内側筒体と一体化された羽根状回転体を備えた水力発電機であって、前記外側筒体は、周方向に沿って所定の間隔を置いて配置された複数の巻線コイル、端部に複数の永久磁石を備えており、前記内側筒体は、周方向に沿って所定の間隔を置いて配置された複数の永久磁石、端部に複数の永久磁石を備えており、前記外側筒体が固定されており、前記内側筒体が前記外側筒体に対して、前記外側筒体の端部、及び前記内側筒体の端部に設置した前記複数の永久磁石の磁力により浮上することにより回転自在に支持されており、前記内側筒体の内側に一体化された前記羽根状回転体が流水により生じる回転運動に連動して前記内側筒体が回転することにより発電することを特徴とする水力発電機であることを特徴とするものである。

請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した発明において、前記羽根状回転体の羽根は、長さが異なる羽根を交互に配列した水力発電機であることを特徴とするものである。尚、本明細書で言う羽根の長さとは、内側筒体の内壁から羽根の先端部までの長さのことを言う。

請求項３に記載された発明は、外側筒体と、該外側筒体と回転自在に設置した内側筒体と、該内側筒体と一体化されたスクリューを備えた水中モーターであって、前記外側筒体は、周方向に沿って所定の間隔を置いて配置された複数の巻線コイルを備えており、前記内側筒体は、周方向に沿って配置された永久磁石を備えており、前記外側筒体が固定されており、前記内側筒体が前記外側筒体に対して、前記外側筒体の端部、及び前記内側筒体の端部に設置した前記複数の永久磁石の磁力により浮上することにより回転自在に支持されており、前記内側筒体が前記外側筒体に対して、前記複数の巻線コイルに流れる電流と永久磁石の磁力により回転することを特徴とする水中モーターであることを特徴とするものである。

本願請求項１に係る発明によれば、外側筒体は、周方向に沿って所定の間隔を置いて配置された複数の巻線コイル、端部に複数の永久磁石を備えている。そして、内側筒体は、周方向に沿って所定の間隔を置いて配置された複数の永久磁石、端部に複数の永久磁石を備えている。さらに、内側筒体から羽根状回転体が突き出た構造になっている。このように回転中心軸が無い構造にすることで、即ち、中心部を無くすことで渓流、農業用水路、工場の排水等の小規模な流水を利用して発電することができるようになった。具体的には、図８に記載したように、引力をそのまま利用することで水の落下エネルギーをロスすることなく利用することができるようになった。

そして、外側筒体の端部に設置された永久磁石と、内側筒体の端部に設置された永久磁石は、互いの磁力により浮上することで（反発浮上式）、回転時に生じる抵抗を無くすことができるようになった。要するに内側筒体（回転子）を外側筒体（固定子）に対して回転させるために介在する軸受等を必要としないので、軸受等に対して行うべきメンテナンスも不要であり、しかも、回転抵抗がほぼゼロであるため、水流が低流速であっても内側筒体（回転子）を発電可能なレベルで回転させることができるようになった。

本願請求項２に係る発明によれば、羽根状回転体の羽根は、長さが異なる羽根を交互に配列している。このような構成にすることで、羽根の先端同士が干渉しないので、同じ長さの羽根を配列した時よりも、より多くの枚数の羽根を配列することができるようになる。パイプ管内部を水が垂直方向に流れ落ちて来る時、パイプ管の壁面付近に水が多く流れるという性質があるのだが、長さが異なる羽根を交互に配列することで、壁面付近を通る流水のエネルギーを、より多く水力発電における回転エネルギーとして活用することができるため、より効率的に発電することができる。

本願請求項３に係る発明によれば、外側筒体は、周方向に沿って所定の間隔を置いて配置された複数の巻線コイルを備えており、内側筒体は、周方向に沿って配置された永久磁石を備えている。そして、外側筒体が固定されており、内側筒体が外側筒体に対して、複数の巻線コイルに流れる電流と永久磁石の磁力により回転する構造になっている。即ち、回転軸（シャフト）が無い構造にすることで、激しい水流によって発生する回転軸（シャフト）自体の横振動（カルマン渦）を発生させない水中モーターを提供することができるようになった。

そして、外側筒体の端部に設置された永久磁石と、内側筒体の端部に設置された永久磁石は、互いの磁力により浮上することで（反発浮上式）、回転時に生じる抵抗をほぼ無くすことができるようになった。要するに、回転時に生じる抵抗（軸受等との回転摩擦抵抗）が無いため、発熱が殆ど無い水中モーターを提供することができるようになった。

本発明に係る水力発電機の外側筒体の斜視図である。 水力発電機の内側筒体の斜視図である。 水力発電機の内側筒体に配列された羽根を表す上面図である。 水力発電機、及び水中モーターの作動原理を示す説明図（断面図）である。 水力発電機の設置状態を表す図である。 本発明に係る水中モーターの外側筒体の斜視図である。 水中モーターの内側筒体の斜視図である。 水中モーターの変更例に係る内側筒体の正面図である。 従来の水力発電機と本発明に係る水力発電機の設置状態を比較説明するための図である。

＜水力発電機の構造＞
以下、本発明に係るマイクロ水力発電機１０の一実施形態について、図１〜図９に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明に係る水力発電機１０の外側筒体２０の斜視図である。図２は、水力発電機１０の内側筒体３０の斜視図である。図３は、水力発電機の内側筒体に配列された羽根を表す上面図である。

本発明に係る水力発電機１０は、固定子としての外側筒体２０（図１参照）を備えている。そして、回転子としての内側筒体３０と、内側筒体３０と一体化された羽根状回転体４０（図２参照）を備えている。外側筒体２０は、図１に記載したように、周方向に沿って所定の間隔を置いて配置された複数の巻線コイル５０、端部に複数の永久磁石（浮上用）６０を備えている。内側筒体３０は、図２に記載したように、周方向に沿って所定の間隔を置いて配置された複数の永久磁石（発電用）７０、端部に複数の永久磁石（浮上用）６０を備えている。内側筒体３０は、周方向に沿って所定の間隔を置いて配置された複数の永久磁石（発電用）７０は、Ｓ極とＮ極が交互に外側筒体２０に対面するように設置されている。さらに、外側筒体２０は、外カバー（図示しない）にて覆われている。

図３に記載したように、内側筒体３０の内側に一体化された羽根状回転体４０の羽根は、長さが異なる羽根を交互に配列している。端的に言えば、長い羽根と長い羽根の間に短い羽根が配列されているとも言える。具体的には、内側筒体３０の内径の１／３程度の長い羽根と、内側筒体３０の内径の１／６程度の短い羽根が交互に配列されている（長い羽根と短い羽根の長さの比は２：１程度である）。図３には、内側筒体３０の内径の１／３程度の長い羽根が９枚配列されており、内側筒体３０の内径の１／６程度の短い羽根が１０枚配列されている。尚、繰り返しになるが、本明細書で言う羽根の長さとは、内側筒体３０の内壁から羽根の先端部までの長さのことを言う。

＜水中モーターの構造＞
図６は、本発明に係る水中モーター９０の外側筒体２０の斜視図であり、図７は、水中モーター９０の内側筒体３０の斜視図である。

本発明に係る水中モーター９０は、固定子としての外側筒体２０（図６参照）を備えている。そして、回転子としての内側筒体３０と、内側筒体３０と一体化されたスクリュー１００（図７参照）を備えている。そして、外側筒体２０は、図６に記載したように、周方向に沿って所定の間隔を置いて配置された複数の巻線コイル５０、端部に複数の永久磁石（浮上用）６０を備えており、内側筒体３０は、図７に記載したように、周方向に沿って配置された永久磁石（回転用）８０、端部に複数の永久磁石（浮上用）６０を備えている。内側筒体３０の周方向に沿って所定の間隔を置いて配置された複数の永久磁石（回転用）８０は、Ｓ極とＮ極が交互に外側筒体２０に対面するように設置されている。そして、外側筒体２０が船舶本体等に固定されており、内側筒体３０が外側筒体２０に対して、複数の巻線コイル５０を流れる電流と永久磁石（回転用）８０の磁力の作用により回転する。

＜水力発電機、及び水中モーターの作動原理＞
図４は、本発明に係る水力発電機１０、及び水中モーター９０の作動原理を示す説明図（断面図）である。本発明に係る水力発電機１０、及び水中モーター９０は、固定子としての外側筒体２０とリニア方式（反発浮上式）により回転自在に設置した回転子としての（中空の）内側筒体３０に特徴がある。

水力発電機１０として使用する際は、外側筒体２０が配管等に固定されており（図５、図９参照）、内側筒体３０が外側筒体２０に対して、外側筒体２０の端部、及び内側筒体３０の端部に設置した複数の永久磁石（浮上用）６０の磁力により浮上することにより回転自在に支持されている。そして、内側筒体３０の内側に一体化された羽根状回転体４０が流水により生じる回転運動に連動して内側筒体３０が回転する。それに伴い、内側筒体３０の略中央の周方向に沿って所定の間隔を置いて配置された複数の永久磁石（発電用）７０も回転し、外側筒体２０の略中央の周方向に沿って所定の間隔を置いて配置された複数の巻線コイル５０内を通過する磁力線量が変化することにより発電する仕組みになっている。

一方、水中モーター９０として使用する際は、外側筒体２０が船舶本体等に固定されており、内側筒体３０が外側筒体２０に対して、外側筒体２０の端部、及び内側筒体３０の端部に設置した複数の永久磁石（浮上用）６０の磁力により浮上することにより回転自在に支持されている。そして、内側筒体３０の内側に一体化されたスクリュー１００が、船舶本体等に固定された外側筒体２０に対して、外側筒体２０に設置された複数の巻線コイル５０を流れる電流と、内側筒体３０の周方向に沿って所定の間隔を置いて配置された複数の永久磁石（回転用）８０による磁界の作用により回転する。

内側筒体３０の周方向に沿って所定の間隔を置いて配置された複数の永久磁石（発電用）７０（永久磁石（回転用）８０）は、Ｓ極とＮ極が交互に外側筒体２０に対面するように設置されている。図３に記載したように、外側筒体２０の端部の形状は、外側筒体２０と４５°の角度を有しており、内側筒体３０の端部の形状は、前記内側筒体と４５°の角度を有しており、外側筒体２０の端部に設置された永久磁石（浮上用）６０と、内側筒体３０の端部に設置された永久磁石（浮上用）６０は、同じ極同士（例えばＳ極同士、又はＮ極同士）が対向しているので、内側筒体３０は外側筒体２０に対して、磁力により浮上している。

＜水力発電機、及び水中モーターの効果＞
本発明に係る水力発電機１０は、渓流、農業用水路、工場の排水等の小規模な流水を利用して発電することができることに特徴がある。また本発明に係る水中モーター８０は、回転軸（シャフト）が無い構造にすることで、水流によって発生するシャフト自体の横振動（カルマン渦）を発生させず、リニア方式にすることで回転時に発生する熱を極力抑えることができることに特徴がある。

本発明に係る水力発電機１０は、回転軸が無い構造にすることで、要するに、中心部を無くすことで渓流、農業用水路、工場の排水等の小規模な流水を利用して発電することができるようになった。具体的には、図５に記載したように、流水を方向転換させること無くダイレクトに利用することで水の落下エネルギーを無駄なく利用することができるようになった。

本発明に係る水力発電機１０を構成する羽根状回転体４０の羽根は、内側筒体３０から先端部までの距離（羽根の長さ）が異なる羽根を交互に配列している。パイプ管の内部を流水が垂直方向に流れ落ちて来る際、流れる水量が少なくなると、パイプ管の壁面付近に流水が集まって来るという性質がある。かかる構成にすることで、内側筒体３０に多くの羽根を配列させる必要がある場合（要するに、流水のエネルギーから羽根の回転エネルギーを抽出したい場合）であっても、短い羽根と長い羽根を隣同士に配列すれば、羽根の先端同士が干渉しないので、より多くの枚数の羽根を配列することができるようになる。即ち、長さが異なる羽根を交互に配列することで、壁面付近を通る流水のエネルギーを、より多く水力発電における回転エネルギーとして活用することができるため、より効率的に発電することができる。

そして、内側筒体３０の周方向に沿って所定の間隔を置いて配置された複数の永久磁石（回転用）７０は、Ｓ極とＮ極が交互に表側になるように設置されているので、磁力線の変化量を大きくすることで電流量を増やすことができるようになった。

さらに、図４に記載したように、外側筒体２０の端部の形状は、外側筒体２０と４５°の角度を成しており、内側筒体３０の端部の形状は、内側筒体３０と４５°の角度を成しており、外側筒体２０の端部に設置された永久磁石（浮上用）６０と、内側筒体３０の端部に設置された永久磁石（浮上用）６０は対向している（当然ながら同じ極が向き合っている）ので互いの磁力により浮上することで、回転時に生じる抵抗を無くすことができるようになった。さらに言えば、内側筒体３０（回転子）と外側筒体２０（固定子）に介在する軸受等を必要としないので軸受に対して行うべきメンテナンスも不要である。

図５は、本発明に係る水力発電機１０の設置状態を表す図である。本発明に係る水力発電機１０は、流水により回転する部分に関し、内側筒体３０からダイレクトに羽根状回転体４０が突き出る構造にすることで軽量、かつ、コンパクト化を図っている。図５に記載したように配管の途中にそのまま取り付けることができるため、設置面積を必要としない（図９参照）ので、既設の配管にも設置が容易である。要するに、工業用配管・雨水等の各種の配管に設置可能であり、点検時は、バルブを閉めずに実施することができ、取り替え等のメンテナンスも容易に行うことができる。本発明に係る水力発電機１０よって、今まで利用されることが無かった（捨てられていた）工場、住宅、都心のビル等における落水による水のエネルギーを有効に利用することができるようになった。

本発明に係る水中モーター９０の外側筒体２０は、周方向に沿って所定の間隔を置いて配置された複数の巻線コイル５０を備えており、内側筒体３０は、周方向に沿って配置された永久磁石（回転用）７０を備えており、外側筒体２０が船舶等に固定されており、内側筒体３０が外側筒体２０に対して、複数の巻線コイル５０と永久磁石（浮上用）６０の磁力により非接触状態で回転する構造にすることにより、シャフトが無い構造にすることが可能となる。従って、水流によって発生するシャフト自体の横振動（カルマン渦）を発生させないことができるようになった。さらに、リニア方式（反発浮上式）にすることでモーター回転時に発生する熱を極力抑えることができるようになった。

＜水力発電機、及び水中モーターの変更例＞
本発明に係る水力発電機、及び本発明に係る水中モーターの構成は、上記した各実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、外側筒体、内側筒体、羽根状回転体、巻線コイル、永久磁石（浮上用）、永久磁石（発電用）、永久磁石（回転用）、スクリュー等の構成を、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更することができる。

例えば、図８に記載したように、内側筒体の略中央に周方向に沿って連続して永久磁石（発電用）、永久磁石（回転用）を設置しても良いし、外側筒体の略中央の周方向に沿って所定の間隔を置いて配置された複数の巻線コイルは、巻線コイルに鉄心を挿入した、いわゆるチョークコイルであっても良い。

さらに、外側筒体と内側筒体は、外側筒体の端部の内側筒体に対面するように永久磁石のＳ極、及び永久磁石のＮ極を設置し、内側筒体の端部に外側筒体に対面するように永久磁石のＮ極を設置することで、永久磁石の反発力（内側筒体のＮ極と外側筒体のＮ極）、及び引き合う力（内側筒体のＮ極と外側筒体のＳ極）により、内側筒体を外側筒体から浮上させることで回転自在に支持されている構成であっても良い。

本発明に係る水力発電機、及び水中モーターは、上記の如く優れた効果を奏するものであるので、回転軸を有さず、固定子と回転子がリニア方式（反発浮上式）による水力発電機、及び水中モーターに関する分野で好適に用いることができる。

１０・・水力発電機
２０・・外側筒体
３０・・内側筒体
４０・・羽根状回転体
５０・・巻線コイル
６０・・永久磁石（浮上用）
７０・・永久磁石（発電用）
８０・・永久磁石（回転用）
９０・・水中モーター
１００・・スクリュー

Claims (3)

1. 外側筒体と、該外側筒体と回転自在に設置した内側筒体と、該内側筒体と一体化された羽根状回転体を備えた水力発電機であって、
   前記外側筒体は、周方向に沿って所定の間隔を置いて配置された複数の巻線コイル、端部に複数の永久磁石を備えており、
   前記内側筒体は、周方向に沿って所定の間隔を置いて配置された複数の永久磁石、端部に複数の永久磁石を備えており、
   前記外側筒体が固定されており、前記内側筒体が前記外側筒体に対して、前記外側筒体の端部、及び前記内側筒体の端部に設置した前記永久磁石の磁力により浮上することにより回転自在に支持されており、
   前記内側筒体の内側に一体化された前記羽根状回転体が流水により生じる回転運動に連動して前記内側筒体が回転することにより発電することを特徴とする水力発電機。
2. 前記羽根状回転体の羽根は、長さが異なる羽根を交互に配列したものであることを特徴とする請求項１に記載の水力発電機。
3. 外側筒体と、該外側筒体と回転自在に設置した内側筒体と、該内側筒体と一体化されたスクリューを備えた水中モーターであって、
   前記外側筒体は、周方向に沿って所定の間隔を置いて配置された複数の巻線コイル、端部に複数の永久磁石を備えており、
   前記内側筒体は、周方向に沿って所定の間隔を置いて配置された複数の永久磁石、端部に複数の永久磁石を備えており、
   前記外側筒体が固定されており、前記内側筒体が前記外側筒体に対して、前記外側筒体の端部、及び前記内側筒体の端部に設置した前記永久磁石の磁力により浮上することにより回転自在に支持されており、
   前記内側筒体が前記外側筒体に対して、前記複数の巻線コイルに流れる電流と永久磁石の磁力により回転することを特徴とする水中モーター。

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