JPH11204353A - 静止磁石型発電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 振動や騒音を発生することのない発電機を提
供すること。 【構成】 永久磁石１と、永久磁石１の異極間を連結し
て閉磁路を形成する第一のコア２と、閉磁路に連結して
バイパス閉磁路を形成する第二のコア３と、第一のコア
２の閉磁路のみが形成されている部分に捲回された磁化
コイル４と、第二のコア３に捲回された誘導コイル５と
からなり、磁化コイル４に交番電圧を印加することによ
り閉磁路の磁束の方向を変化させ、閉磁路の磁束の方向
の変化により誘起するバイパス閉磁路の磁束の変化によ
り、前記誘導コイル５に電磁誘導による起電力を発生さ
せる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は誘導コイルを通る磁
束を変化させて電磁誘導による起電力を発生させる発電
機に関し、詳しくは電機子や電磁石を回転させることな
く誘導コイルを通る磁石を変化させる静止磁石型発電機
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在、実用化されている発電機は誘導コ
イルを通る磁束を変化させて電磁誘導による起電力を発
生させる構造となっている。このようにして発電を行う
発電機は水力発電所、火力発電所あるいは原子力発電所
などの発電所で使われる大型のものから、ディーゼルエ
ンジンを備えた小型発電機などの小さなものまで多種多
様に渡っている。

【０００３】そして、上記のいずれの発電機も誘導コイ
ルを通る磁束を変化させるために電機子や電磁石を回転
させ、これにより電磁誘導による起電力を誘導コイルに
発生させている。例えば、水力発電にはおいては水車の
回転力、火力発電や原子力発電では蒸気タービンの回転
力、そして小型発電機ではディーゼルエンジンの回転力
によって電機子や電磁石を回転させている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述のように電磁誘導
による起電力を発生させる発電機は、その発電機の大小
に関わらず、誘導コイルを通る磁束を変化させるため
に、電機子や電磁石を回転させているが、この回転が振
動や騒音を発生するといった問題がある。

【０００５】本発明は上記の各種問題を解決するため回
転力付与手段などの可動部分がなく、振動や騒音を発生
することのない静止磁石型発電機を提供することを目的
とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明に係る
静止磁石型発電機は、少なくとも一つの永久磁石と、該
永久磁石の異極間を連結して閉磁路を形成する軟磁性体
からなる第一のコアと、前記閉磁路の永久磁石を含むよ
うに第一のコアと連結並設してバイパス閉磁路を形成す
る軟磁性体からなる第二のコアと、前記第一のコアの閉
磁路のみが形成されている部分に捲回された磁化コイル
と、前記第二のコアの閉磁路のみが形成されている部分
に捲回された誘導コイルとからなり、前記磁化コイルに
交番電圧を印加することにより前記閉磁路の磁束の方向
を変化させ、前記閉磁路の磁束の方向の変化により誘起
する前記バイパス閉磁路の磁束の変化により、前記誘導
コイルに電磁誘導による起電力を発生させることを要旨
とするものである。

【０００７】また、前記第二のコアの一部に常磁性体を
介在した微少なギャップを設けて該磁路を第一のコアと
共有する磁路部分と開磁路とすることを要旨とするもの
である。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面を参照
して説明する。図１は永久磁石を一つ使用した場合の静
止磁石型発電機の基本構成を示す図、図２、図３および
図４は図１の静止磁石型発電機の発電をする作用を説明
するための図である。

【０００９】図に示すように、永久磁石１と、該永久磁
石１の異極間を環状に連結するように形成された第一の
コア２により、閉磁路が形成されている。そして、この
閉磁路には、永久磁石１と磁性的に平行になるように第
二のコア３が設けられており、永久磁石１と第一のコア
２の一部と第二のコア３とからなるバイパス閉磁路が形
成される。

【００１０】第一のコア２の閉磁路のみが形成されてい
る部分には磁化コイル４が巻かれている。そして、第二
のコア３には電磁誘導により起電力を発生するための誘
導コイル５が巻かれている。

【００１１】ここで、永久磁石１は発電効率を上げるた
めに残留磁束密度が高く、保磁力が大きく、そして最大
エネルギー積の大きい磁石を使用する。例えば、ネオジ
ウムホウ素鉄マグネット（Ｎｄ₂ Ｆｅ₁₄Ｂ）、サマリウ
ムコバルトマグネット（Ｓｍ₂ Ｃｏ₁₇）あるいは窒化サ
マリウム鉄マグネット（Ｓｍ₂ Ｆｅ₁₇Ｎ₂ ）などを使用
する。また、第一のコア２と第二のコア３は磁路の磁束
を発電に有効に活用するために初透磁率や最大透磁率な
どの透磁率が高く、残留磁束密度や飽和磁化が高く、そ
して保磁力が小さい高透磁率の軟磁性材料を使用する。
例えば、パーマロイ系合金などである。

【００１２】上記構成の静止磁石型発電機が発電をする
作用について以下に説明する。まず、静止磁石型発電機
は磁化コイル４に電圧が印加されていない状態では、第
一のコア２には永久磁石１のＮ極からＳ極へ向かう方向
に第一の磁束１１が形成される。この状態では第二のコ
ア３にも第一のコア２と同様の磁束が形成されている。

【００１３】磁化コイル４に電圧を印加する形態として
は、以下に説明する三種類の印加形態が考えられる。第
一の印加形態では、図２に示すように、まず永久磁石１
による第一のコア２の第一の磁束１１と反発し合う向き
に、つまり第一の磁束１１と逆の方向に第二の磁束１２
が発生するように磁化コイル４に直流電圧を印加する。

【００１４】これにより、第一の磁束１１と第二の磁束
１２は反発し合うので閉磁路から磁束が漏れやすい状態
となる。閉磁路から漏れやすい状態となった第一の磁束
１１と第二の磁束１２は第二のコア３に入り込み、第二
のコア３に第三の磁束１３が誘起する。そして、この第
三の磁束１３の誘起により誘導コイル５を通る磁束に変
化が生じるので、誘導コイル５に起電力Ｖ１が発生して
発電が行われる。

【００１５】つぎに、磁化コイル４に印加されている直
流電圧を取り去ると、第一のコア２は図１に示す第一の
磁束１１のみが形成された状態に戻ろうとする。このと
き、第二のコア３には第三の磁束１３を打ち消そうとし
て第三の磁束１３と逆方向の磁束、つまり図３に示す第
四の磁束１４が誘起される。そして、この第四の磁束１
４の誘起により誘導コイル５を通る磁束に変化が生じる
ので、誘導コイル５に起電力Ｖ２が発生して発電が行わ
れる。

【００１６】この第一の印加形態の発電では、本発明の
静止磁石型発電機の他に磁化コイル４に直流電圧を印加
するための直流電源と、この直流電源をＯＮ／ＯＦＦす
るスイッチング回路があれば実施可能となる。スイッチ
ング回路としては半導体スイッチング素子、例えばサイ
リスタなどを使用すれば無接点のスイッチング回路が製
作できる。

【００１７】第二の印加形態では、第一の磁束１１と逆
方向に第二の磁束１２が発生するように磁化コイル４に
直流電圧を印加して第三の磁束１３を第二のコア３に誘
起させ、第三の磁束１３の誘起によって誘導コイル５に
起電力Ｖ１を発生させて発電を行うまでは第一の印加形
態と同じである。

【００１８】つぎに、磁化コイル４に印加していた直流
電圧の極性を切り換えると、第一のコア２に永久磁石１
による第一の磁束１１に加えて磁化コイル４によって第
一の磁束と同じ方向の第五の磁束１５が発生する。ここ
で、第一の磁束１１に第五の磁束１５が加わるので、第
二のコア３には図４に示すような第四の磁束１４に加え
て第四の磁束１４と同じ方向で第６の磁束１６が誘起さ
れる。そして、この第四の磁束１４と第六の磁束１６の
誘起により誘導コイル５を通る磁束に変化が生じるの
で、揺動コイルに起電力Ｖ２より大きい起電力Ｖ３を発
生させて発電が行われる。

【００１９】この第二の印加形態での発電では、第一の
印加形態の磁化コイル４に印加する直流電圧をＯＮ／Ｏ
ＦＦするスイッチング回路に代えて直流電圧の極性を切
り換える極性切換回路が必要となる。この極性切換回路
は、第一の印加形態のスイッチング回路と同様に半導体
スイッチング素子を使用して製作することができる。

【００２０】第三の印加形態では、第二の印加形態で磁
化コイル４に直流電圧をその極性を切り換えて印加する
ことに代えて、磁化コイル４に交流電圧を印加する。磁
化コイル４に交流電圧を加えることにより発生する磁束
は、図２における第二の磁束１２と図４における第五の
磁束１５を交互に繰り返す交番磁束となる。

【００２１】そして、第二のコア３に誘起される磁束は
第二の磁束１２が発生しているときは図２における第三
の磁束１３であり、第五の磁束１５が発生しているとき
は図４における第六の磁束１６と第三の磁束１３を打ち
消そうとする第四の磁束１４である。つまり、当然なが
ら第二のコア３に誘起される磁束も交番磁束となる。

【００２２】この第三の印加形態の発電では、磁化コイ
ル４に交流電圧を印加するので第一の印加形態および第
二の印加形態で必要であったスイッチング回路あるいは
極性切換回路が不要となり装置が簡略化される。さら
に、第一のコア２および第二のコア３に誘起される磁束
は交流電圧による交番磁束となり、発電機としての機能
の他に変圧器としての機能も発揮する。したがって、電
磁誘導によって誘導コイル５に発生する起電力Ｖをさら
に大きくすることが可能である。

【００２３】つぎに、本発明の静止磁石型発電機の発電
効率について説明する。静止磁石型発電機は永久磁石１
を取り除くと変圧器として考えることができる。変圧器
においてはコアの渦電流損失Ｗｖ、ヒステリシス損失Ｗ
ｈおよびコイルの電気抵抗分による損失Ｗｒがあり、 全損失Ｗ１＝Ｗｖ＋Ｗｈ＋Ｗｒ ………… （１） となる。そして、入力：Ｗin、出力：Ｗo とするとき、
Ｗinは全損失と同じになるから変圧器としての変換効率
は、 Ｅff＝Ｗo ／Ｗin＝Ｗo （Ｗv +Ｗh ＋Ｗr ）＜１ ……… （２） となる。

【００２４】実際には図１において、第一のコア２で形
成する閉磁路には永久磁石１が介在しており、この永久
磁石１の磁束が発電に寄与する。したがって、図１にお
いて、入力：Ｗin2 、出力：Ｗo2とすると、 Ｗo2＝Ｗｐ＋Ｗin2 ……… （３） となる。ここで、Ｗｐは永久磁石１の磁束が発電に寄与
することによって得られる電力である。

【００２５】したがって、発電効率は、 Ｅff＝Ｗo2／Ｗin2 ＝（Ｗｐ＋Ｗin2 ）／Ｗin2 ＝（Ｗｐ／Ｗin2 ）＋１ ……… （４） となる。ここで、Ｗｐ／Ｗin2 は正数であるから発電効
率は１以上となり、発電機としての機能を発揮すること
ができる。

【００２６】そこで、図２に示す第三の磁束１３を誘起
させる際に永久磁石１の磁束がどの程度寄与しているか
を以下のようにして調べた。まず、図１に示す基本構成
の静止磁石型発電機において、永久磁石１を備えたもの
と永久磁石１を取り除いたものを用意する。そして、そ
れぞれの第二のコア３に同じ磁束密度の磁束を誘起させ
るために必要な電力、すなわち磁化コイル４に供給する
電力を比べた。

【００２７】その結果、永久磁石１を備えたものでは磁
化コイル４に供給する電力は非常に小さくて済み、試験
条件によって異なるが、永久磁石１を取り除いたものに
対して１／４０以下になることが確認されている。した
がって、本発明の静止磁石型発電機では発電効率を１以
上とすることが可能と考えられる。

【００２８】

【実施例】〔実施例１〕次に、他の実施例を図５につい
て説明する。本実施例は、前記図１の基本構成におい
て、永久磁石１と、該永久磁石１の異極間を環状に連結
するように形成された第一のコア２により構成した閉磁
路と、該閉磁路に設けたバイパス閉磁路を常磁性体を介
して連結したものである。該バイパス閉磁路は、永久磁
石１と第一のコア２の一部と第二のコア３とからなるバ
イパス閉磁路は厚み１０μｍから５ｍｍまでの常磁性
体、すなわち、比透磁率が真空とほぼ同じもの、例えば
空気、銅、アルミなどを介在する。

【００２９】そして、常磁性体として空気を使う場合、
つまり第一のコア２と第二のコア３の間にギャップＧを
設ける場合は第二のコア３を固体の常磁性体で保持す
る。図ではギャップＧを設けた場合を示し、第二のコア
３を保持するための固体の常磁性体は図示していない。

【００３０】〔実施例２〕さらに第二の実施例として基
本構成の静止磁石型発電機を二つ組み合わせ、加えて永
久磁石の相対位置を代えて変様したた形態の静止磁石型
発電機について図６を参照して説明する。

【００３１】静止磁石型発電機は、二つの永久磁石１と
一方の永久磁石１と他方の永久磁石１の異極間を環状に
連結するように形成された二つの第一のコア２とから閉
磁路が形成される。そして、この閉磁路に第二のコア３
が設けられている。これにより、永久磁石１と第一のコ
ア２の一部と常磁性体と第二のコア３とからなるバイパ
ス閉磁路が形成される。

【００３２】そして、それぞれの第一のコア２の閉磁路
のみが形成されている部分には磁化コイル４が巻かれて
いる。さらに、それぞれの第二のコア３には電磁誘導に
より起電力を発生する誘導コイル５が巻かれている。

【００３３】この静止磁石型発電機は磁化コイル４に電
圧が印加されていない状態にて、第一のコア２に永久磁
石１のＮ極からＳ極へ向かう方向へ第一の磁束１１が形
成されている。そして、磁化コイル４に印加して、誘導
コイル５に電磁誘導による起電力が発生して発電をする
作用については基本構成の静止磁石型発電機と同様であ
る。

【００３４】上記永久磁石１を二つ使用した場合の静止
磁石型発電機は磁路がバランスして構成されており、永
久磁石１の磁束を有効に活用できるので、発電効率が基
本構成の静止磁石型発電機よりも良くなる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明してきたように本発明の静止磁
石型発電機は永久磁石と閉磁路を形成する第一のコア
と、常磁性体を介してバイパス閉磁路を形成する第二の
コアと、第一のコアの閉磁路のみが形成されている部分
に捲回された磁化コイルと、第二の磁路に捲回された誘
導コイルとからなり、磁化コイルに交番電圧を印加する
ことにより第一のコアの磁束の方向を変化させ、第一の
コアの磁束の方向の変化により誘起する第二のコアの磁
束の変化により、誘導コイルに電磁誘導による起電力を
発生させる構造になっている。

【００３６】このことにより、回転力付与手段などの可
動部分がなくても誘導コイルを通る磁束を変化させるこ
とができ、誘導コイルに電磁誘導による起電力を発生す
ることができるので振動や騒音を発生することなく、発
電をすることができる特徴を有するものであり、本発明
実施後の効果は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の静止磁石型発電機の基本構成を示す図
である。

【図２】磁化コイルに永久磁石の磁束と逆向きの磁束が
発生した状態を示す図である。

【図３】磁化コイルに永久磁石の磁束と逆向きの磁束が
消滅した状態を示す図である。

【図４】磁化コイルに永久磁石の磁束と同じ向きの磁束
が発生した状態を示す図である。

【図５】本発明の静止磁石型発電機の第一の実施例を示
す図である。

【図６】本発明の静止磁石型発電機の第二の実施例を示
す図である。

【符号の説明】

１ 永久磁石 ２ 第一のコア ３ 第二のコア ４ 磁化コイル ５ 誘導コイル

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも一つの永久磁石と、 該永久磁石の異極間を連結して閉磁路を形成する軟磁性
   体からなる第一のコアと、 前記閉磁路の永久磁石を含むように第一のコアと連結並
   設してバイパス閉磁路を形成する軟磁性体からなる第二
   のコアと、 前記第一のコアの閉磁路のみが形成されている部分に捲
   回された磁化コイルと、 前記第二のコアの閉磁路のみが形成されている部分に捲
   回された誘導コイルとからなり、 前記磁化コイルに交番電圧を印加することにより前記閉
   磁路の磁束の方向を変化させ、前記閉磁路の磁束の方向
   の変化により誘起する前記バイパス閉磁路の磁束の変化
   により、前記誘導コイルに電磁誘導による起電力を発生
   させることを特徴とする静止磁石型発電機。
2. 【請求項２】 前記第二のコアの一部に常磁性体を介在
   した微少なギャップを設けて該磁路を第一のコアと共有
   する磁路部分と開磁路としたことを特徴とする請求項１
   記載の静止磁石型発電機。