WO2004057736A1

WO2004057736A1 - 発電装置

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Publication number: WO2004057736A1
Application number: PCT/JP2002/013346
Authority: WO
Inventors: Tetsuo Okamoto
Original assignee: KUBO KAZUSHI
Current assignee: KUBO KAZUSHI
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2005-06-20
Also published as: US20050140234A1; JPWO2004057736A1; US6975044B2; JP3783141B2

Abstract

外部からの回転力により回転される駆動軸(1)と、駆動軸(1)に取り付けられ且つ永久磁石(6NL,6SL)のN極とS極とを配置した磁極面を有する第1の回転子板(5L)と、第1の回転子板(5L)と空間をあけて駆動軸(1)に取り付けられ且つ第1の回転子板(5L)の磁極面と対向する永久磁石(6NR,6SR)の磁極面を有する第2の回転子板(5R)と、第1の回転子板(5L)と第2の回転子板(5R)の間に設置されたリングコア(11)に第1の巻線(L1～L6)と第2の巻線(L7～L12)とを設けた固定子(10)とを具備する。発電効率と放熱特性を向上できる。

Description

明細書

発電装置技術分野

本発明は、発電装置に関し、更に詳しくは、外部からの回転力により永久磁石を回転させて発電する発電装置であって、発電効率が高く、放熱特性に優れた発電装置に関する。背景技術

従来、外部からの回転力により永久磁石を回転させて発電する発電装置では、永久磁石がドラム形をしている。

しかし、ドラム形永久磁石は回転子の重量が重くなる等の理由により、発電効率が低い問題点がある。また、ドラム形永久磁石の回転子と固定子卷線とは同軸円筒状になるため、放熱特性が悪い問題点がある。

そこで、本発明の目的は、外部からの回転力により永久磁石を回転させて発電する発電装置であって、発電効率が高く、放熱特性に優れた発電装置を提供することにある。発明の開示

第 1 の観点では、本発明は、外部からの回転力により回転される駆動軸（ 1 ) と、前記駆動軸（ 1 ) に取り付けられ且つ永久磁石（ 6 N L , 6 S L ) の N極と S極とを配置した磁極面を有する第 1の回転子板（ 5 L ) と、前記第 1 の回転子板（ 5 L ) と空間をあけて前記駆動軸（ 1 ) に取り付けられ且つ前記第 1 の回転子板（ 5 L ) の磁極面と対向する永久磁石（ 6 N R , 6 S R ) の磁極面を有する第 2の回転子板（ 5 R ) と、前記第 1 の回転子板（ 5 L ) と前記第 2の回転子板（ 5 R) の間に設置されたリングコア ( 1 1 ) に第 1の卷線（ L 1 〜； L 6 ) と第 2の卷線（ L 7〜 L 1 2 ) とを設けた固定子（ 1 0 ) とを具備したことを特徴とする発電装置（ 1 0 0 ) を提供する。

上記第 1 の観点による発電装置（ 1 0 0 ) では、第 1 の回転子板（ 5 L ) および第 2の回転子板（ 5 R ) がディスク形をしているため、回転子の重量が軽くなる。また、負荷電流が流れる巻線をリングコアにトロイダル巻きしているため、負荷電流による磁束が外部へほとんど出ず、電磁ブレーキがほとんど作用しないない。これらの理由等により、高い発電効率が得られる。また、第

1 の回転子板（ 5 L ) およぴ第 2の回転子板（ 5 R ) で固定子（ 1 0 ) を挟むと共に第 1 の回転子板（ 5 L ) の磁極面と対向する第 2 の回転子板（ 5 R ) の磁極面とで磁極配置が同一であるため、第 1の回転子板（ 5 L ) の磁極面に対向する側の巻線部分で発生する起電力と第 2の回転子板（ 5 R ) の磁極面に対向する側の卷線部分で発生する起電力とが互いに加算方向となり、この点でも高い発電効率が得られる。さらに、ディスク形永久磁石の回転子と固定子卷線とは平面的に対向し、同軸円筒状にならないため、優れた放熱特性が得られる。

第 2の観点では、本発明は、上記構成の発電装置（ 1 0 0 ) において、前記第 1 の卷線（ L 1 〜 L 6 ) がダイォード（D 1 〜D 5 )を介して直列接続された 6個の卷線（ L 1 〜 L 6 )からなり、前記第 2の卷線（ L 7〜 L 1 2 ) がダイオード（D 7〜D 1 1 ) を介して直列接続された 6個の巻線（L 7〜 L 1 2 ) からなることを特徴とする発電装置（ 1 0 0 ) を提供する。

上記第 2の観点による発電装置（ 1 0 0 ) では、ダイオード（D ：!〜 D 1 2 ) により直流を得ることが出来る。

第 3の観点では、本発明は、上記構成の発電装置（ 1 0 0 ) において、各ダイオード（D 1〜D 5， D 7〜D 1 2 ) を介して充電される蓄電回路（H 1〜H 5 , H 7〜H 1 1 ) を各ダイオード (D 1〜D 5 , D 7〜D 1 2 ) に対応して設けたことを特徴とす. る発電装置（ 1 0 0 ) を提供する。

上記第 3の観点による発電装置（ 1 0 0 ) では、蓄電回路（H 1 〜； H 5 ) の電圧が加算されるため高い直流電圧が得られる。また、蓄電回路（H 7〜H 1 1 ) の電圧が加算されるため高い直流電圧が得られる。

第 4の観点では、本発明は、上記構成の発電装置（ 1 0 0 ) において、前記第 1 の巻線（ L 1〜 L 6 ) を直列接続するダイォード（D 1〜D 5 ) に電流が流れる期間は前記第 1 の巻線（ L 1〜 L 6 ) から出力し、前記第 2 の巻線（ L 7〜 L 1 2 ) を直列接続するダイオード（D 7〜D 1 1 ) に電流が流れる期間は前記第 2 の卷線（ L 7〜 L 1 2 ) から出力するように切り替えるスィッチ回路（ 1 2， 1 3 , 1 4， T 1 , T 2 ) を具備したことを特徴とする発電装置（ 1 0 0 ) を提供する。

上記第 4の観点による発電装置（ 1 0 0 ) では、第 1 の卷線（ L 1〜 L 6 ) から出力する期間と第 2の卷線（ L 7〜 L 1 2 ) から出力する期間とをスィッチ回路（ 1 2， 1 3， 1 4， T 1 , T 2 ) で切り替えるため、第 1 の卷線（ L 1〜 L 6 ) と第 2の卷線（ L 7〜 L 1 2 ) を独立に扱うことが出来る。

第 5 の観点では、本発明は、外部からの回転力により回転される駆動軸と、前記駆動軸に取り付けられ且つ永久磁石の N極と S 極とを交互に m個ずつ配置した磁極面を有する回転子板と、前記回転子板の磁極面と対向するように設置されたリングコアに第 1 から第 2 mまでの巻線を設けた固定子とを具備したことを特徴とする発電装置を提供する。

上記第 5 の観点による発電装置では、回転子板がディスク形をしている。このため、回転子の重量が軽くなる等の理由により、高い発電効率が得られる。さらに、ディスク形永久磁石の回転子と固定子卷線とは平面的に対向し、同軸円筒状にならないため、優れた放熱特性が得られる。

第 6の観点では、本発明は、外部からの回転力により回転される駆動軸と、前記駆動軸に取り付けられ且つ永久磁石の N極と S 極とを交互に m個ずつ配置した磁極面を有する第 1 の回転子板と、前記第 1 の回転子板と空間をあけて前記駆動軸に取り付けられ且つ前記第 1 の回転子板の磁極面と対向する永久磁石の磁極面を有する第 2の回転子板と、前記第 1 の回転子板と前記第 2 の回転子板の間に設置されたリングコアに第 1 から第 2 mまでの卷線を設けた固定子とを具備したことを特徴とする発電装置を提供する。

上記第 6の観点による発電装置では、第 1 の回転子板おょぴ第 2の回転子板がディスク形をしているため、回転子の重量が軽くなる。また、負荷電流が流れる巻線をリングコアにトロイダル卷きしているため、負荷電流による磁束が外部へほとんど出ず、電磁ブレーキがほとんど作用しないない。これらの理由等により、高い発電効率が得られる。また、第 1 の回転子板おょぴ第 2の回転子板で固定子を挟むと共に第 1 の回転子板の磁極面と対向する第 2の回転子板の磁極面とで磁極配置が同一であるため、第 1 の回転子板の磁極面に対向する側の卷線部分で発生する起電力と第 2の回転子板の磁極面に対向する側の卷線部分で発生する起電力とが互いに加算方向となり、この点でも高い発電効率が得られる。さらに、ディスク形永久磁石の回転子と固定子巻線とは平面的に対向し、同軸円筒状にならないため、優れた放熱特性が得られる。

第 7の観点では、本発明は、上記構成の発電装.置において、前記第 i ( = l 〜 2 m ) の卷線がダイオードを介して直列接続された複数個の卷線からなることを特徴とする発電装置を提供する。上記第 7の観点による発電装置では、ダイォードにより直流を得ることが出来る。

第 8の観点では、本発明は、上記構成の発電装置において、各ダイオードを介して充電される蓄電回路を各ダイオードに対応して設けたことを特徴とする発電装置を提供する。

上記第 8の観点による発電装置では、蓄電回路の電圧が加算されるため高い直流電圧が得られる。

第 9の観点では、本発明は、上記構成の発電装置において、前記第 i の卷線に対応するダイォードに電流が流れる期間は前記第 i 'の卷線から出力するように切り替えるスィツチ回路を具備したことを特徴とする発電装置を提供する。

上記第 9の観点による発電装置では、第 i の卷線から出力する期間をスィッチ回路で切り替えるため、第 1から第 2 mの卷線を独立に扱うことが出来る。図面の簡単な説明

第 1 図は、第 1の実施形態に係る発電装置の正面図である。第 2図は、第 1 の実施形態に係る発電装置における左固定子板を示す側面図である。

第 3図は、第 1 の実施形態に係る発電装置における固定子を示す正面図である。

第 4図は、第 1の実施形態に係る発電装置における回転子を示す正面断面図および側面図である。

第 5図は、第 1 の実施形態に係る発電装置における電気的接続を示す回路図である。発明を実施するための最良の形態

以下、図に示す実施の形態により.本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。

一第 1 の実施形態一

第 1 図は、第 1 の実施形態にかかる発電装置（ 1 0 0 ) を示す構成図である。

この発電装置（ 1 0 0 ) は、外部に設けたモータ，エンジン，タービン，水車，風車などの回転力により回転される駆動軸（ 1 ) と、駆動軸（ 1 ) に一体的に取り付けられた左回転子板（ 5 L) と、左回転子板（ 5 L) と空間をあけて駆動軸（ 1 ) に一体的に取り付けられた右回転子板（ 5 R) と、左回転子板（ 5 L ) と右回転子板（ 5 R ) の間に設置された固定子ケース（ 2 0 ) に保持された固定子（ 1 0 ) とを具備してなる。

駆動軸（ 1 ) は、回転子（ 1 0 ) の中央穴を貫通し、左支持板 ( 2 L ) と左軸受（ 3 L ) および右支持板（ 2 R) と右軸受（ 3 R) により回転自在に支承されている。

第 2図に示すように、左回転子板（ 5 L) には、固定子（ 1 0 ) と対向する方向に着磁された半円形の永久磁石（ 6 N L) が、 N 極を固定子（ 1 0 ) に向けて接着されている。また、固定子（ 1 0 ) と対向する方向に着磁された半円形の永久磁石（ 6 S L )が、 S極を固定子（ 1 0 ) に向けて接着されている。

同様に、右回転子板（ 5 R) には、固定子（ 1 0 ) と対向する方向に着磁された半円形の永久磁石（ 6 N R) が、 N極を固定子 ( 1 0 ) に向けて接着されている。また、固定子（ 1 0 ) と対向する方向に着磁された半円形の永久磁石（ 6 S R) が、 S極を固定子（ 1 0 ) に向けて接着されている。

第 3図に示すように、左回転子板（ 5 L) および右回転子板（ 5 R) は、磁路となるため、磁気抵抗の小さい材料（例えば鉄）で製作されている。

第 4図に示すように、固定子（ 1 0 ) は、リングコア（ 1 1 ) に、トロイダル卷きした卷線（ L 1 ) 〜卷線（ L 1 2 ) を等角度に設けたものである。また、卷線（ L 1 2 ) と卷線（ L 1 ) の間には、ホールセンサ 1 2が設けられている。

第 5図は、第 1 の実施形態に係る発電装置（ 1 0 0 ) における電気的接続を示す回路図である。

卷線（ L 1 ) 〜卷線（ L 6 ) は、ダイオード（D 1 ) 〜ダイォード（D 5 ) を介して、直列接続されている。また、卷線（ L 6 ) は、ダイオード（D 6 ) を介して、第 1のトライアツク（T 1 ) の第 1端に接続されている。

一方、卷線（ L 7 ) 〜巻線（ L 1 2 ) は、ダイォード（D 7 ) 〜ダイオード（D l 1 ) を介して、直列接続されている。また、卷線（L 1 2 ) は、ダイオード（D 1 2 ) を介して、第 2のトラィアツク（T 2 ) の第 1端に接続されている。

また、各ダイオード（ D 1〜 D 1 2 ) には、それぞれ蓄電回路 ( H 1〜 H 1 2 ) が設けてある。

第 1のトライアツク（T 1 ) は、ホールセンサ（ 1 2 ) が検知する磁束の極性が S極から N極へ反転した時にゲート回路（ 1 3， 1 4 ) により、オンになる。そして、 'ホールセンサ ( 1 2 ) が検知する磁束の極性が N極から S極へ反転した時にオフになる。

—方、第 2のトライアツク（T 2 ) は、ホールセンサ（ 1 2 ) が検知する磁束の極性が N極から S極へ反転した時にグート回路（ 1 3 ) により、オンになる。そして、ホールセンサ（ 1 2 ) が検知する磁束の極性が S極から N極へ反転した時にオフになる。

第 1 のトライアツク（T 1 ) の第 2端は、電流制限抵抗 R 1 を介して、コンデンサ（C) に接続されている。

また、第 2のトライアツク（T 2 ) の第 2端は、電流制限抵抗 R 2を介して、コンデンサ ( C ) に接続されている。

そして、コンデンサ（C) の両端から直流が出力される。

次に動作を説明する。

駆動軸（ 1 ) は、第 2図で時計方向に回転される。駆動軸（ 1 ) の回転により左回転子板（ 5 L ) および右回転子板（ 5 R) が回転すると、やがてホールセンサ（ 1 2 ) が検知する磁束の極性が S極から N極へ反転する。これにより、第 1のトライアック（T 1 ) がオンになり、第 2のトライアツク（T 2 ) がオフになる。

左回転子板（ 5 L) および右回転子板（ 5 R) がさらに回転すると、卷線（ L 1 ) 〜卷線（ L 6 ) で、ダイオード（ D 1 ) 〜ダィオード（D 6 ) の順方向に起電力が発生し、蓄電回路 '（H I ) 〜（H 6 ) が充電される。このとき、蓄電回路（H I ) 〜（H 6 ) の電圧が加算される。そして、蓄電回路（H 6 ) の電圧で、第 1 のトライアツク（ T 1 ) および電流制限抵抗（ R 1 ) を介して、コンデンサ（C) が充電され、コンデンサ（C) の両端から直流が出力される。この間、卷線（ L 7 ) 〜卷線（ L 1 2 ) では、ダィオード（D 7 ) 〜ダイオード（D 1 2 ) の逆方向に起電力が発生するが、第 2のトライアツク（T 2 ) はオフであり、直流の出力に関係しない。

左回転子板（ 5 L ) およぴ右回転子板（ 5 R ) がさらに回転すると、やがてホールセンサ（ 1 2 ) が検知する磁束の極性が N極から S極へ反転する。これにより、第 1のトライアツク（T 1 ) がオフになり、第 2のトライアツク（ T 2 ) がオンになる。

左回転子板（ 5 L ) およぴ右回転子板（ 5 R) がさらに回転すると、卷線（ L 1 ) 〜卷線（ L 6 ) で、ダイォード（D 1 ) 〜ダィオード（D 6 ) の逆方向に起電力が発生するが、第 1 のトライアツク（T 1 ) はオフであり、直流の出力に関係しない。一方、卷線（ L 7 ) 〜卷線（ L 1 2 ) では、ダイオード（ D 7 ) 〜ダイオード（D 1 2 ) の順方向に起電力が発生し、蓄電回路（H 7 ) 〜（H I 2 ) が充電される。このとき、蓄電回路（H 7 ) 〜（H 1 2 ) の電圧が加算される。そして、蓄電回路（H I 2 ) の電圧で、第 2のトライアツク（T 2 ) および電流制限抵抗（R 2 ) を介して、コンデンサ（C ) が充電され、コンデンサ（C ) の両端から直流が出力される。

上記第 1 の観点による発電装置（ 1 0 0 ) によれば、左回転子板（ 5 L ) および右回転子板（ 5 R) がディスク形をしており、回転子の重量が軽くなる等の理由により、高い発電効率が得られる。また、左回転子板（ 5 L ) および右回転子板（ 5 R) で固定子（ 1 0 ) を挟むと共に左回転子板（ 5 L ) の磁極面と対向する右回転子板（ 5 R) の磁極面とで同極性の磁極配置であるため、左回転子板（ 5 L ) の磁極面に対向する側の巻線部分で発生する起電力と右回転子板（ 5 R) の磁極面に対向する側の卷線部分で発生する起電力とが互いに加算方向となり、この点でも高い発電効率が得られる。さらに、左回転子板（ 5 L ) およぴ右回転子板 ( 5 R) と固定子（ 1 0 ) とは平面的に対向し、同軸円筒状にならないため、優れた放熱特性が得られる。

一第 2の実施形態一

第 1 の実施形態では、固定子（ 1 0 ) を 2つの回転子板（ 5 L , 5 R) で挟んだが、一方の回転子板を省略してもよい。

一第 3の実施形態一

第 1 の実施形態では、一つの回転子板について略 1 / 2円形の永久磁石を 2個としたが、略 1 / 2 k円形の永久磁石を 2 k ( k は 2以上の整数）個としてもよい。なお、磁極面に N極と S極とが同一周期で交互に現れるように配置するならば、必ずしも 1個ずつ N極と S極が交互に反転するように配置しなくてもよい。例えば、略 1 / 4円形の永久磁石を 4個とし、 1個ずつ N極と S極が交互に反転するように円周状に配置してもよいし、 2個を続けて N極とし、他の 2個を続けて S極としてもよい。ただし、 2個を続けて N極とし、他の 2個を続けて S極とするのは、略 1 / 2 円形の永久磁石を 2個とする場合と実質的に等価である。

また、磁極面に N極と S極とが同一周期で交互に現れるように着磁した 1個の円形の永久磁石を用いてもよい。

磁極面が 1回転する間にホールセンサ（ 1 2 ) で S極から N極への反転を m回検出するならば、リングコア（ 1 ) に 2 m個の卷線（ここでいう 1個の巻線が複数個の卷線からなるようにしてもよい）を設け、それら卷線に対応するトライアツクを択一的にォンにして出力を取り出せばよい。例えば、略 1 Z 4円形の永久磁石を 4個とし、 1個ずつ N極と S極が交互に反転するように円周状に配置したならば、 m = 2であるため、リングコア（ 1 ) に 4 個の卷線を設け、それらにトライアツクを割り当て、 4個のトラィアツクを択一的にオンにして出力を取り出せばよい。ここでいう 1個の卷線は、ダイオードを介して直列接続した隣接する例えば 3個の卷線としてもよい（この場合、実際には、リングコア（ 1 ) に 1 2個の卷線を設けることになる）。産業上の利用可能性

本発明の発電装置によれば、回転子がディスク形をしている。このため、回転子の重量が軽くなる等の理由により、高い発電効率が得られる。さらに、ディスク形永久磁石の回転子と固定子卷線とは平面的に対向し、同軸円筒状にならないため、優れた放熱特性が得られる。

Claims

請求の範囲

1. 外部からの回転力により回転される駆動軸（1 ) と、前記駆動軸（1) に取り付けられ且つ永久磁石（6 NL， 6 S L) の N極と S極とを配置した磁極面を有する第 1の回転子板（5 L) と、前記第 1 の回転子板（5 L) と空間をあけて前記駆動軸（1 ) に取り付けられ且つ前記第 1の回転子板（5 L) の磁極面と対向する永久磁石（6 NR, 6 SR) の磁極面を有する第 2の回転子板（5 R) と、前記第 1の回転子板（5 L) と前記第 2の回転子板（5 R) の間に設置されたリングコァ（ 1 1 ) に第 1の卷線（L 1〜L 6) と第 2の卷線（ L 7〜 L 1 2) とを設けた固定子（1 0) とを具備したことを特徴とする発電装置（1 00)。

2. 請求の範囲第 1項に記載の発電装置（ 1 0 0) において、前記第 1の卷線（L 1〜L 6) がダイオード（D 1〜D 5) を介して直列接続された 6個の巻線（L 1〜L 6) からなり、前記第 2の卷線（L 7〜L 1 2) がダイォード（D 7〜D 1 1) を介して直列接続された 6 個の卷線（L 7〜L 1 2)からなることを特徴とする発電装置（1 00)。

3. 請求の範囲第 2項に記載の発電装置（ 1 0 0) において、各ダイォード（D 1〜D 5， D 7〜D 1 2) を介して充電される蓄電回路（H 1〜： H 5 , H 7〜H 1 1 ) を各ダイォード（D 1〜D 5， D 7〜 D 1 2) に対応して設けたことを特徴とする発電装置（1 0 0)。

4. 請求の範囲第 2項または第 3項に記載の発電装置（1 00) において、前記第 1の卷線（L 1〜L 6)を直列接続するダイォード（D 1〜D 5) に電流が流れる期間は前記第 1の卷線（L 1〜L 6) から出力し、前記第 2の卷線（L 7〜L 1 2) を直列接続するダイオード（D 7〜D 1 1 ) に電流が流れる期間は前記第 2の卷線（L 7〜L 1 2) から出力するように切り替えるスィッチ回路（1 2 , 1 3， 1 4， T l， Τ 2 ) を具備したことを特徴とする発電装置（1 0 0 )。

5 . 外部からの回転力により回転される駆動軸と、前記駆動軸に取り付けられ且つ永久磁石の Ν極と S極とを交互に m個ずつ配置した磁極面を有する回転子板と、前記回転子板の磁極面と対向するように設置されたリングコアに第 1から第 2 mまでの卷線を設けた固定子とを具備したことを特徴とする発電装置。

6 . 外部からの回転力により回転される駆動軸と、前記駆動軸に取り付けられ且つ永久磁石の N極と S極とを交互に m個ずつ配置した磁極面を有する第 1の回転子板と、前記第 1の回転子板と空間をあけて前記駆動軸に取り付けられ且つ前記第 1の回転子板の磁極面と対向する永久磁石の磁極面を有する第 2の回転子板と、前記第 1の回転子板と前記第 2の回転子板の間に設置されたリングコアに第 1から第 2 m までの卷線を設けた固定子とを具備したことを特徴とする発電装置。

7 . 請求の範囲第 5項または第 6項に記載の発電装置において、前記第 i ( = l〜2 m) の卷線がダイオードを介して直列接続された複数個の卷線からなることを特徴とする発電装置。

8 . 請求の範囲第 7項に記載の発電装置において、各ダイォードを介して充電される蓄電回路を各ダイォードに対応して設けたことを特徴とする発電装置。

9 . 請求の範囲第 7項または第 8項に記載の発電装置において、前記第 iの卷線に対応するダイォードに電流が流れる期間は前記第 i の卷線から出力するように切り替えるスィツチ回路を具備したことを特徴とする発電装置。