JP3763841B1 - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 装置の規模を大きくすることなく、発生させる起電力を大きくすることができる発電装置を提供する。
【解決手段】 コイルＣ内を通る磁束を変化させることにより、コイルＣに起電力を発生させる風力圧電装置であって、コイルＣ内を通る磁束を発生させる永久磁石１３ａ、１３ｂを有する。また、永久磁石１３ａ、１３ｂが発生する磁束により形成される磁気回路Ｂ１内に設置され、永久磁石１３ａ、１３ｂが発生する磁束と同方向の磁束を発生させる永久磁石１２を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、コイルを通る磁束を変化させて、コイルに電流を発生させることにより発電を行う発電装置に関する。

近年、二酸化炭素の排出の抑制や環境対策としての使用電力削減の要求や、電力の自由化による発電装置への期待の高まりを受けて、例えば、太陽光発電、水力発電、廃棄物処理時の熱利用による発電などが始まっている。国も温暖化対策の一環として補助金制度を設けることなどにより、それらの技術の普及を図ろうとしている。

そのような状況の中で、風力発電についても関心が高まっており、全国各地で大型施設を建設して発電を行い、事業化する試みがなされている。この風力発電装置の動向を見ると、大規模な装置や、小規模な装置は数多く存在するが、中規模の発電装置については開発が遅れている。

このような状況は、大型の風力発電装置であれば、事業として成立する可能性が高いが、家庭などで簡便に設置できるのは小型の風力発電装置に限定され、部分的な電力供給、すなわち、補助電源としての利用が主となっていることに起因する。また、家庭での維持管理を考慮した場合には小型でないと維持が難しいことが理由として考えられる。

形状的には小型であるが、一定程度の発電能力を具備させるためには風力発電の機械自体の高効率化が必要である。その方法としては、発電用のコイルを通る磁束を増やして磁束密度を上げることや、コイル内を通る磁束の変化量を大きくするということが基本原則として知られている。

磁束密度を上げる方法としては、従来から数々の方法が提案されている。例えば、発電装置を構成するヨークの形状を工夫したり、磁石部分の形状を設計したり、強磁性体の材料を使用したりすることが行われてきた。近年、磁石に用いる材料が進歩したため、磁気異方性を有する材料が見つかっている。例えば、希土類コバルト磁石は平板形状でありながら、平板に垂直な方向に磁化させることが可能である。

このような技術の進歩から、風力発電装置を構成するヨークの形状についても、従来実現できなかった形状を作製することができるようになり、ヨークの先端の磁石部分に希土類磁石の平板を配することができるようになってきた（特許文献１）。
特開２００２−３２０３６４号公報

しかしながら、従来の技術では、風力発電装置を小規模な形状に保ちつつ、磁気回路内をコイルが通過する空隙における磁束密度を増加させることは難しいという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、装置の規模を大きくすることなく、発生させる起電力を大きくすることができる発電装置を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、コ字状のヨークと、発生する磁束の向きが同一となるように前記コ字状のヨークの両端部の内側に向かい合わせに設置される第１及び第２の永久磁石と、前記第１及び第２の永久磁石との間に発生する磁束を含み前記コ字状のヨーク内を通る１つのループ状の磁気回路内であって前記ループ状の磁気回路内の磁束の向きと同一の向きに磁束を発生させるように前記コ字状のヨークの中央部に設けられる第３の永久磁石と、前記第１及び第２の永久磁石との間で発生する磁束に対して軸が平行になるように設置されるコイルと、前記第１及び第２の永久磁石との間に発生する磁束が前記コイルの軸に対して垂直な方向に前記コイル内を横切るように前記ヨークと前記第１〜第３の永久磁石とを移動させる回転部とを有し、前記コイルを貫く磁束を変化させることにより前記コイルに起電力を発生させることを特徴とする発電装置である。

また、請求項２に記載の発明は、前記第１〜第３の永久磁石として、ネオジウム鉄磁石、鉄ボロン磁石、希土類コバルト磁石のいずれかを用いることを特徴とする請求項１に記載の発電装置である。

また、請求項３に記載の発明は、前記コイルは、空芯コイルであることを特徴とする請求項１又は２に記載の発電装置である。

また、請求項４に記載の発明は、前記第１及び第２の永久磁石は、板状の永久磁石であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの項に記載の発電装置である。

また、請求項５に記載の発明は、前記コ字状のヨークの材質が鉄であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの項に記載の発電装置である。

本発明では、コイル内を通る磁束を発生させる第１及び第２の永久磁石を設けるだけでなく、第１及び第２の永久磁石により発生される磁束と同方向の磁束を発生させる第３の永久磁石を、磁気回路内に設置するようにした。
これにより、磁気回路内をコイルが通過する空隙における磁束密度を増加することができるため、装置の規模を大型化することなくコイルに発生する起電力を増加させることができる。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態による風力発電装置のヨークＹの構成を示す断面図である。ヨークＹは、バックヨークブロック１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）、永久磁石１２、１３（１３ａ、１３ｂ）により構成されている。
バックヨークブロック１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの材質としては、強磁性体である鉄などを用いることができる。また、永久磁石１２、１３ａ、１３ｂの材質としては、ネオジウム鉄磁石、鉄ボロン磁石、希土類コバルト磁石などを用いることができる。

図２は、本実施形態によるヨークＹの分解斜視図である。
バックヨークブロック１１ａは、長方形の板状の形状をしている。また、バックヨークブロック１１ｄは、バックヨークブロック１１ａと同じ形状をしている。
バックヨークブロック１１ｂは、直方体の柱状の形状をしている。また、バックヨークブロック１１ｃは、バックヨークブロック１１ｂと同じ形状をしている。
永久磁石１２は、円柱状の形状をしている。永久磁石１３ａは、長方形の板状の形状をしている。また、永久磁石１３ｂは、永久磁石１３ａと同じ形状をしている。

バックヨークブロック１１ａの面ｍ１は、永久磁石１３ａのＳ極の面ｍ２と接着されている。また、バックヨークブロック１１ｄの面ｍ３は、永久磁石１３ｂのＮ極の面ｍ４と接着されている。
また、永久磁石１２のＮ極の面ｍ５には、バックヨークブロック１１ｂの面ｍ６が接着されており、永久磁石１２のＳ極の面ｍ７には、バックヨークブロック１１ｃの面ｍ８が接着されている。

バックヨークブロック１１ａの面ｍ９と、バックヨークブロック１１ｄの面ｍ１０は、永久磁石１３ａの面ｍ１１と、永久磁石１３ｂの面ｍ１２とを向かい合わせた状態で、バックヨークブロック１１ｂの面ｍ１３と、バックヨークブロック１１ｃの面ｍ１４に、それぞれ接着される。

図１に戻り、バックヨークブロック１１ａ〜１１ｄは、非磁性ブラケット１４（１４ａ、１４ｂ）、連結リング１５によりそれぞれ風力発電装置に固定されている。
バックヨークブロック１１ａ〜１１ｄ、永久磁石１２、１３ａ、１３ｂの内部には、図１に示すように、永久磁石１３ａ、１３ｂが発生する磁束により、ループ状の磁気回路Ｂ１が形成される。また、永久磁石１２が発生する磁束により、ループ状の磁気回路Ｂ２が形成される。磁気回路Ｒ１と磁気回路Ｒ２の磁束の向きが同じになるように、永久磁石１２は設置されている。よって、バックヨークブロック１１ａ〜１１ｄ、永久磁石１２、１３ａ、１３ｂの内部の磁束密度は大きくなる。

バックヨークブロック１１ａとバックヨークブロック１１ｄに挟まれた領域には、空隙１６が存在する。本実施形態では、ヨークＹが移動することにより、空隙１６の間を風力発電装置に固定されたコイルＣ、コイルホルダ１８が通過する。これにより、コイルＣの内部を、永久磁石１３ａのＮ極と永久磁石１３ｂのＳ極の間に生じる磁束が横切ることになる。よって、起電力が発生し、コイルＣに電流が流れる。風力発電装置は、この電流を利用して外部に電力を供給する。

図３は、本実施形態による風力発電装置の回転部１９の構成を示す正面断面図である。回転部１９は、円形の形状をしており、中心軸２０を軸として回転できるようになっている。回転部１９には、中心軸２０から所定距離離れた円周上に、等間隔を離れて放射状に複数のヨークＹ（Ｙ１〜Ｙ２４）が設置されている。

本実施形態では回転部１９に、ヨークＹが合計２４個設置されている場合について説明する。ヨークＹ１、Ｙ３、Ｙ５、Ｙ７、Ｙ９、Ｙ１１、Ｙ１３、Ｙ１５、Ｙ１７、Ｙ１９、Ｙ２１、Ｙ２３は、バックヨークブロック１１ａ側の側面を紙面上方に向けて回転部１９に設置されている。よって、これらのヨークＹは、図３の紙面表側から紙面裏側に向かう磁束が発生する。

一方、ヨークＹ２、Ｙ４、Ｙ６、Ｙ８、Ｙ１０、Ｙ１２、Ｙ１４、Ｙ１６、Ｙ１８、Ｙ２０、Ｙ２２、Ｙ２４は、バックヨークブロック１１ｄ側の側面を紙面上方に向けて回転部１９に設置されている。よって、これらのヨークＹは、図３の紙面裏側から紙面表側に向かう磁束が発生する。

また、複数のコイルＣが、コイルＣの軸が紙面と垂直な方向と平行になるように、風力発電装置に設置されている。本実施形態では風力発電装置に、コイルＣ（Ｃ１〜Ｃ１２）を合計１２個設置する場合について説明する。コイルＣは、丸みを帯びた台形状の開口部を有しており、台形の上底側を中心軸２０に向けて、風力発電装置に設置されている。本実施形態のコイルＣは風力発電装置に固定されており、回転部１９が回転しても、コイルＣは動かないようになっている。

回転部１９には、図示を省略した羽根が取り付けられており、その羽根に風を受けると、回転部１９が中心軸２０の周りを回転する。これにより、ヨークＹの空隙１６を、コイルＣが通過する。回転部１９が中心軸２０の周りを１５度回転するたびに、コイルＣ内を通る磁束が、「図３の紙面表側から紙面裏側に向かう磁束」と「図３の紙面裏側から紙面表側に向かう磁束」を交互に繰り返し、コイルＣを通る磁束が時間と共に変化するため、コイルＣに起電力が生じる。コイルＣに生じた電力は、図示を省略した回路を介して、風力発電装置の外部に取り出される。

図４は、本実施形態による風力発電装置の回転部１９の構成を示す側面断面図である。この図は、図３のＡ−Ａ断面の構成を示している。なお、回転部１９の構造は、回転軸２０を挟んで同じ構造をしているため、ここでは、回転部１９から上半分の具体的な構造のみを示し、下半分の具体的な構造については図示を省略している。

次に、本実施形態による風力発電装置を用いた場合の効果について説明する。
本実施形態の風力発電装置（図３及び図４）を作動させた時に空隙１６に発生する磁束の磁束密度と、従来の構造を有する風力発電装置を作動させた時に空隙に発生する磁束の磁束密度とを比較した。なお、従来の風力発電装置としては、図３及び図４に示した本実施形態による風力発電装置において、ヨークＹに永久磁石１２を設けず、本実施形態で永久磁石１２を設けている領域をバックブロックヨーク１１ａ〜１１ｄの材質と同じ材質で構成した装置を用いて実験を行った。なお、永久磁石１２、１３ａ、１３ｂとしては、ネオジウム鉄磁石を用いた。

その結果、従来の風力発電装置では、空隙の磁束密度は、５２００（ガウス）であった。それに対して、本実施形態による風力発電装置では、空隙の磁束密度は、６７７５（ガウス）であった。この結果から分かるように、本実施形態による風力発電装置を使用すると、従来の風力発電装置に比べて、磁束密度が約３０パーセント程度増加する。

このように、本実施形態による風力発電装置を使用すれば、永久磁石１３ａ、１３ｂにより形成される磁気回路Ｂ１に、永久磁石１２により形成される磁気回路Ｂ２が加わるので、コイルＣが通過する空隙１６における磁束密度を増加させることができ、これに伴い、コイルＣに発生する起電力を大きくすることができる。よって、風力発電装置から大きな起電力を得るために、装置を中規模、大規模にする必要がなくなり、風力発電装置の製造コストを抑えることができる。
また、本実施形態による風力発電装置では、コイルＣを固定しておき、永久磁石１２、１３ａ、１３ｂが設置されている回転部１９を回転させるようにした。よって、永久磁石１２、１３ａ、１３ｂを固定しておき、コイルＣを回転させる場合に比べて、コイルＣに生じる起電力を容易に利用することができる。

なお、上述した実施形態では、風力発電装置にヨークＹを設置する場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、水力発電装置などのその他の発電装置にヨークＹを設置することにより、大きな起電力を得ることもできる。
また、上述した実施形態では、ループ状に形成された磁気回路Ｂ１、Ｂ２の空隙１６から最も離れたコ字状のヨークＹの中央部に、永久磁石１２を設置する場合について説明したが、このような構成に限定されるものではない。例えば、磁気回路Ｂ１、Ｂ２の任意の位置に永久磁石１２を設置するようにしてもよい。また、コ字状のヨークＹの両端部に設置されている永久磁石１３ａ、１３ｂ以外に、磁気回路Ｂ１、Ｂ２上に設ける永久磁石１２の数は１つに限定されるものではなく、複数個設置するようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、バックブロックヨーク１１ｂと１１ｃの間に、永久磁石１２を設置する場合について説明したが、このような構成に限定されるものではない。例えば、永久磁石１２もバックブロックヨークにより構成し、そのバックブロックヨークの周囲にコイルを巻きつけるようにしてもよい。そして、そのコイルに電流を流すことにより、バックブロックヨーク内に磁束を発生させて、空隙１６の磁束密度を増加させるようにしてもよい。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

本発明の実施形態による風力発電装置のヨークＹの構成を示す断面図である。 本実施形態によるヨークＹの分解斜視図である。 本実施形態による風力発電装置の回転部１９の構成を示す正面断面図である。 本実施形態による風力発電装置の回転部１９の構成を示す側面断面図である。

符号の説明

１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ）・・・バックヨークブロック、１２（１２、１３ａ、１３ｂ）・・・永久磁石、Ｙ・・・ヨーク、１４（１４ａ、１４ｂ）・・・非磁性ブラケット、１５・・・連結リング、１６・・・空隙、１８・・・コイルホルダ、１９・・・回転部、２０・・・中心軸、Ｃ（Ｃ１〜Ｃ１２）・・・コイル、Ｙ（Ｙ１〜Ｙ２４）・・・ヨーク

Claims (5)

1. コ字状のヨークと、
   発生する磁束の向きが同一となるように前記コ字状のヨークの両端部の内側に向かい合わせに設置される第１及び第２の永久磁石と、
   前記第１及び第２の永久磁石との間に発生する磁束を含み前記コ字状のヨーク内を通る１つのループ状の磁気回路内であって前記ループ状の磁気回路内の磁束の向きと同一の向きに磁束を発生させるように前記コ字状のヨークの中央部に設けられる第３の永久磁石と、
   前記第１及び第２の永久磁石との間で発生する磁束に対して軸が平行になるように設置されるコイルと、
   前記第１及び第２の永久磁石との間に発生する磁束が前記コイルの軸に対して垂直な方向に前記コイル内を横切るように前記ヨークと前記第１〜第３の永久磁石とを移動させる回転部とを有し、
   前記コイルを貫く磁束を変化させることにより前記コイルに起電力を発生させることを特徴とする発電装置。
2. 前記第１〜第３の永久磁石として、ネオジウム鉄磁石、鉄ボロン磁石、希土類コバルト磁石のいずれかを用いることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
3. 前記コイルは、空芯コイルであることを特徴とする請求項１又は２に記載の発電装置。
4. 前記第１及び第２の永久磁石は、板状の永久磁石であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの項に記載の発電装置。
5. 前記コ字状のヨークの材質が鉄であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの項に記載の発電装置。

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