永磁式发电机 【技术领域】
本发明涉及一种利用驱动马达发电的永磁式发电机。本发明用于下述目的：发电量的效率更高、窜动(コギング)现象(在马达起动时，由于磁力的牵引现象而旋转晃动)的防止、制作成本的降低和发电机的轻量化等。另外，本发明的永磁式发电机，可以设置在：建筑物，山间小屋、船舶、汽车等活动或不活动的设施中。
背景技术
例如特开平7-184360号公报上登载了现有永磁式发电机的一个例子。该实施例由环状磁铁(转子)和定子(发电绕组)构成，所述环状磁铁为N极和S极在周向交替配置的环状磁铁；所述定子与该环状磁铁相对而具有同极数的硅钢片突起爪(磁轭片)，而且内装环状绕组，前述的突起爪上在突起方向分别形成有间隙，以能够降低电动势。
但是，在上述结构的发电机中，虽说能够降低电动势(抑制窜动现象)，但有以下列举的缺点。
①由于将用硅钢片形成地定子作为结构要件，故发电机重。
②环状磁铁(转子)自身的磁通密度不是(超)强的，所以，不能谋求产生功率的增大。
③转子的旋转效率差。
④另外，不能谋求降低制造成本和装置的小型化。
因此，申请人为了解决上述缺点，提出了图12至图14所示的一例永磁式发电机(本案申请时未公开)。
该永磁式发电机包括：支承部件4，有在基座1上直立设置的左右固定柱4a、4a及横架在这些固定柱4a、4a上端部的支承梁4b；驱动马达5，由该支承部件4的前述支承梁4b固定支承，且相对于永久磁铁转子10的轴芯方向位于中心；细长棒状旋转轴6，其上端部6a通过联轴节7，同轴连接在该驱动马达5的输出轴5a上，而其下端部6b由前述基座1的轴承2的倒圆锥状凹部3轴向支承；前述永久磁铁转子10，环状固定于该旋转轴上，且具有多个永久磁铁12a、12b……；和非磁质定子15，环状设置于前述基座1上，相对于该永久磁铁10形成一定的间隙16，而且在导体安装部18具有定子绕组19。
而且，前述永久磁铁转子10由固定设置在旋转轴6的中央部位的、两端面为车轮状的合成树脂成形体11和环状地装在该合成树脂成形体11的外侧筒状轴部11a内部的多个永久磁铁12a、12b、12c、12d构成。另外，合成树脂成形体11由前述外侧筒状轴部11a、贯通有旋转轴6的内侧筒状固定轴部11b、和将该内侧筒状固定轴部11b与前述外侧筒状轴部11a放射状连结的连结部11c构成。
在上述结构中，首先，当利用电源，使驱动马达5起动时，旋转轴6就与输出轴5a一起旋转。该旋转轴6被以点接触状态向轴承2的凹部3引导，同时，平稳顺畅地旋转。由于永久磁铁转子10的合成树脂成形体11可以说是构成旋转轴6的一部分，所以永久磁铁转子10和旋转轴一起旋转。于是，由于永久磁铁转子10的磁场按交叉方向横切定子15的定子绕组19，故能够产生感应电压，能够从前述定子绕组19取出电。于是，该永磁式发电机能够高效率地取出电量。
本发明的永磁式发电机是为谋求发电量的效率更高而对上述发明的改进。
发明的概述
本发明(第一方面所述的发明)包括：基座21，固定有第一磁性体23；定子部件35，在该基座上方有通过支承部件27水平状态设置的定子支承座36；驱动马达支承座50，在该定子部件上方具有空间部61，水平固定在前述支承部件27上；旋转轴55，通过轴承43、52贯通在前述定子支承座形成的第一中心孔42及在驱动马达支承座形成的第二中心孔51；转子60，固定在旋转轴55上并位于前述空间部61内，且具有和定子部件的固定绕组38相对的环状永久磁铁65；第二磁性体56，固定安装在前述旋转轴的突出下端部55a上，且与前述第一磁性体23的极性对应相互排斥而悬浮；轴承部件80，安装在支承座50上，可支承通过该第二磁性体向上方偏压的旋转轴55；驱动马达70，安装在该支承座50上，而且通过动力传递部件74、75使前述旋转轴旋转。因此，可提高旋转轴的旋转效率，并且可谋求发电量的效率更高。
另外，本发明(第五方面所述的发明)中，转子60包括：固定在旋转轴55上的水平状态的旋转板62；环状铁板64，一体设置在该旋转板62的下面，且与定子部件35的导体安装片37相对配置；环状永久磁铁65，与该环状铁板64相结合，一体设置在旋转板62的下面，以非接触状态与导体安装片37的固定绕组38相对。因此，能够加强在空间内产生的磁场，并且谋求发电量的进一步效率化。
而且，本发明(第六方面所述的发明)包括：基座21，固定有第一磁性体23；定子部件35，具有通过支承部件27在该基座的上方设置为水平状态的定子支承座36；驱动马达支承座50B，在该定子部件上方具有空间部61，呈水平状态固定在前述支承部件27上；旋转轴55B，通过轴承43、52贯通在前述定子支承座上形成的第一中心孔42及在驱动马达支承座上形成的第二中心孔51；转子60，固定于旋转轴55B上并位于前述空间部61内，具有与定子部件的固定绕组38相对的环状永久磁铁65；第二磁性体56B，固定安装在前述旋转轴的突出下端部55a上，并且与前述第一磁性体23的极性相对应而排斥悬浮；驱动马达70B，通过驱动马达用支承片71B纵向垂设在前述驱动马达支承座50B的上面中央部位，并且，驱动轴72B与通过前述第二磁性体向上方偏压的旋转轴55B的突出最前端部同轴连结。因此，能够实现和本发明第一方面所述的发明一样的目的。
附图的简单说明如下：
图1至图8是表示本发明第一实施例的各说明图。图9及图10是表示第一实施例重要部分改进例的各概略说明图。图11是表示本发明的第二实施例的概略剖面说明图。图12至图14表示本发明者在先申请的一例的各概略说明图。
图1是表示本发明第一实施例的立体说明图；
图2是图1的平面视图；
图3是图1的从正面看的说明图；
图4是图2的4-4线纵剖面放大概略说明图；
图5是图4的重要部位放大说明图；
图6是图3的从6-6线方向看的缩小的概略说明图；
图7是分解立体图；
图8是重要部分的概略说明图；
图9表示是图8中重要部件改进例的概略说明图；
图10是表示图4中重要部分改进例的概略说明图；
图11是表示本发明的第二实施例的概略剖面说明图；
图12至图14是表示本发明者提出的在先申请的一例的概略说明图。
用于实施发明的最佳形式
以下，根据由图1至图8所示的第一实施例的永磁式发电机X说明本发明的实施形式。首先，标号21是圆板状基座。在该基座21的上面21a大范围形成圆形凹坑22。标号23是固定设置在前述凹坑22内的第一磁性体。该第一磁性体23由正好嵌合在凹坑22内的、断面呈凹坑状的铁制固定架24和固定在该固定架24的内壁底面中央部位的扁平状磁铁25组成。
这样，前述基座21上面的21a、固定架24的周端部上面24a和磁铁25的上面25a大致位于同一平面。
可是，在本实施例中，前述磁铁25的上面25a侧是S极，而下面25b侧是N极。因此，受磁铁25极性(N极)的影响，并且，具有励磁功能的前述固定架24的周端部上面24a是N极。
然后，标号27是呈一体立设于基座21的多个支承部件。支承部件27在本实施例中，在基座21的周端部以一定的间隔合计设有6个。
在此，说明1个支承部件27的结构。标号28是两端部具有外螺纹的支承棒，该支承棒28拧合固定于在基座21的周端部形成的内螺纹上。标号29是在支承棒28的下端部侧滑动嵌合的下部支承管。标号30是通过定子部件35的支承座滑动嵌合于前述支承棒28的上端部侧的上部支承管。标号31是为了将驱动马达支承座固定在前述上部支承管30上而拧合在支承棒28的突出上端部的防松螺母。
而且，上部支承管30长度约为下部支承管29的2倍，另外，支承棒28分别贯通这些支承管29、30。
然后，说明定子部件35。定子部件35基本上包括：圆形的非磁性定子支承座36，固定支承在支承部件27上；多个非磁性导体安装片37，以所需间隔、呈放射状、且沿圆周方向配置在该定子支承座36的上面；多个固定绕组(作为整体是1个发电绕组)38，分别固定设置在这些导体安装片37上。在这里，所谓“非磁性”或“非磁性导体”，不管是有色金属(例如：钛、不锈钢等)还是非金属(合成树脂、陶瓷、布、纸等)，以其与防止窜动现象这一发明的目的关系，都称为弱磁性体(几乎不存在磁性材料的物质)，并且都是比铁轻的材料。
前述非磁性定子支承座36，在本实施例中，由与基座21的上面21a呈水平状态相对的木制下部支承座40、和一体固定于该下部支承座40的上面的合成树脂制作的上部支承座41构成，这些支承座40、41嵌套在支承棒28上，从而支承在支承部件27的下部支承管29的上端。而且，在定子支承座36上形成有贯通状态的第一中心孔42，在该台阶状第一中心孔42内，设置着第一球轴承43。另外，在前述上部支承座41的上面，呈放射状且沿周向，分别以规定的间隔，形成有多个导体安装片用卡止槽44。
前述非磁性导体安装片37，在本实施例中，作为整体形成上下端面为梯形或稍成扇形的纵长部件。在此，参照图8说明一个导体安装片37的结构。标号45在以后述的旋转轴55为基准时，为沿半径方向(从正面37a到背面37b)形成贯通状态的垂直长孔。该垂直长孔45形成于导体安装片37的大致中央部。标号46是从梯形状上面37c向前述垂直长孔45形成的贯通孔。该贯通孔46与垂直长孔45呈交叉状连通。标号47是突出地形成在导体安装片37的梯形状下面37d上、并且与前述上部支承台41的导体安装片用卡止槽44卡合的卡合部。
前述固定绕组38是两端面形成转向架(トラツク)状的长筒状体(绕线架线圈)，在本实施例中，嵌入前述垂直长孔45中，并且由插入贯通孔46的固定销48固定。因此，固定绕组38具有贯通状态的空洞部49。再有，非磁性导体安装片37在本实施例中为了谋求轻量化以合成树脂形成。
其次，标号50是由支承部27上端部固定的水平状态的驱动马达支承座。该驱动马达支承座50嵌套在支承棒28上，从而支承在支承部件27的上部支承管30的上端，并且，有拧合在支承棒28的上端部的防松螺母31固定。而且，驱动马达支承座50上也和定子支承座36一样，形成有贯通状态的第二中心孔51，在该台阶状中心孔51内，安装着第二球轴承52。再有，驱动马达支承座50在本实施例中为了谋求轻量化也以木材或合成树脂制成。
其次，标号55是由定子支承座36的第一球轴承43及驱动马达支承座50的第二球轴承52分别支承的旋转轴。该旋转轴55的下端部55a贯通定子支承座36的第一中心孔42，一直突出到前述第一磁性体23的磁铁25附近。另一方面，旋转轴的上端部55b贯通驱动马达支承座50的第二中心孔51，其突出最前端部形成圆锥状的尖端。
在旋转轴的突出下端部55a固定安装着与基座21的第一磁性体23的极性对应相互排斥悬浮的第二磁性体56。但是，该第二磁性体56和前述第一磁性体23一样，由断面呈倒凹槽状的铁制悬浮轭铁57和固定在该悬浮轭铁57的内壁面中央部位的扁平状的悬浮磁铁58构成。而且，悬浮轭铁57的周端部下面57a和扁平状悬浮磁铁58的下面58a大致位于同一平面。另外，在本实施例中，悬浮磁铁58的下面58a侧是S极，而上面58b一侧是N极。因此，受到悬浮磁铁58极性(N极)的影响，并且具有励磁功能的前述悬浮轭铁57的周端部下面57a是N极。因此，旋转轴55通过对第一磁性体23排斥的第二磁性体56总是向上方偏压。
其次，标号60是位于设置在定子部件35的定子支承座36和驱动马达支承座50之间的空间部61内的固定在旋转轴55上的铁制转子。
该转子60在本实施例中包括：旋转板62呈水平状态，固定在靠近前述旋转轴55上端部的部位；筒状部63，固定设置在该旋转板62的下面中央部，并且嵌套在旋转轴55上；多个(合计4个)环状铁板64，以该筒状部63为中心(同心圆)，一体设置在前述旋转板62的下面，并且具有能将前述定子部件35的导体安装片37每两个挟住所需的空间，嵌套状设置；环状永久磁铁65，与这些环状铁板64相结合，以非接触状态，与导体安装片37的固定绕组38交替相对，一体设置在旋转板62的下面。即，如用图6及图7所示，在放射状排列于定子支承座36上、并且在垂直长孔45内具有长筒状的固定绕组38的各导体安装片37之间，多个环状永久磁铁65及环状铁板64以下述顺序轮番交替地装入各导体安装片37的空间内，该顺序为：首先装入环状永久磁铁65，然后装入环状铁板64，然后再次装入永久磁铁65，然后再次装入环状铁板64。因此，至少1个导体安装片37以非接触状态被环状永久磁铁65和环状铁板64夹住。
前述筒状部63，在本实施例中，为了提高了转子60的质量，得到所谓惯性轮的效果，另外为了防止转子60的振动而制成厚壁状。另外，同心圆状配置在旋转板62的下面的环状永久磁铁65，不用特殊符号表示，但是多个弯曲状的永久磁铁板沿圆周方向N极和S极交替形成地(在各永久磁铁板的内面侧及外面两侧同时交互组成N极和S极)组合。另外，各环状永久磁铁65，在本实施例中，分别固定嵌入呈同心圆状地一体设置在旋转板62下面的各铁制环状安装壁66的嵌合窗中。
其次，标号70是通过驱动马达用支承片71固定安装在驱动马达支承座50的上方的驱动马达。该驱动马达70由没有图示的电源(电池、蓄电装置、家用电源等)起动。在本实施例中，驱动马达70和旋转轴55不同轴，在旋转轴55的附近，其驱动轴72向下垂设。
驱动轴72的下端部由在驱动马达支承座50的上面设置的第三球轴承73支承。另外，在靠近驱动轴72的下端部的部位固定设置着驱动齿轮74。而且，该驱动齿轮74与在旋转轴55的突出上端部固定的从动齿轮75啮合。
其次，标号80是安装在驱动马达支承座50上面中央部位的能够接受旋转轴的突出最前端部的轴承部件。该轴承部件80由形成角状或框状的轴承片81和设置在该轴承片81的上方水平壁的内壁面而且支承旋转轴50的尖端状突出最前端部的第四球轴承82构成。
在上述结构中，当例如利用蓄电装置的电源起动驱动马达70时，驱动轴72的驱动齿轮74的驱动力就传递到从动齿轮75，使旋转轴55旋转。这时，回转轴55由于第二磁性体56对应于第一磁性体23的极性而相互排斥，所以以悬浮状态分别由第一球轴承43、第二球轴承52及第四球轴承82支承并旋转。因此，转子60的重量不施加于前述球轴承43、52、82。对第一球轴承43和第二球轴承52只是施加旋转轴55的周向的切线状态的摩擦力。对第四球轴承82，也只是施加旋转轴50的尖端状最前端部接触其上方状态下的摩擦力。因此，旋转轴55如果和普通的机械装置的轴承比较，以和轴承部件的摩擦阻力更小的状态，顺畅地旋转。
当旋转轴55旋转时，由于转子60的各环状铁板64及环状永久磁铁65的磁场，相对于定子部件35的各导体安装片37的固定绕组38，在交叉方向横切，故产生感应电压，可以从该固定绕组38中取出电。实验结果，本发明的永磁式发电机X成功地取出了高效率的电量。
在第一实施例的永磁式发电机X中，定子部件35的定子支承座36由木制的下部支持座40和合成树脂制的上部支承座41构成，但将两个支持座40、41用合成树脂或陶瓷材料形成一体也可以。
另外，根据设计情况，也可以用合成树脂或陶瓷材料将定子部件35的定子支承座36和导体安装片37形成一体。另外，旋转轴60的突出最前端部形成了圆锥状的尖端，但使支承该圆锥状的前端部的轴承82形成倒圆锥状的凹槽3也可以。
而且，如从图9所示，也可以通过环状固定板85将在周向以规定间隔配置于定子部件35的定子支承座36上面的多个导体安装片37连结为一体。这种情况下，环状固定板85通过将固定销48A插入到以规定的间隔形成的安装贯通孔86内而固定在周向的各导体安装片37的上面37c上。
而且，在此之上，如图10所示，为了使转子60A的环状铁板64之至少一个具有惯性轮效果，也可以使其壁厚形成比其他环状铁板64的厚。在图10中，理想的是最外侧的环状铁板64A壁厚稍厚能充分取得惯性力矩和惯性轮效果。因此，这种情况下，转子60A因能得到大的惯性力矩，所以即使驱动马达70停止，也可利用所谓转子60A的惯性力矩的惯性轮效果抑制由发电时的反电动势引起的阻抗。
再有，转子60(60A)的永久磁铁65的BHmax采用例如41．1MGOe的钕系磁铁。
其他实施例
以下，在该栏中，说明和第一实施例目的相同的其他实施例。再有，在说明其他实施例时，对和第一实施例相同的结构部分赋予相同或同样的符号，省略重复说明。
在图11所示的第二实施例的永磁式发电机X1中，和第一实施例的主要不同点是：旋转轴55B的突出上端部和通过驱动马达用支承片71B纵向垂设于驱动马达支承座50B的上面中央部的驱动马达70B的驱动轴72B连设在同一轴线上。
在驱动马达70B的驱动轴72B的突出前端部固定安装着具有向下的方形嵌合孔91的联轴节90，在该联轴节90的前述方形嵌合孔91中平时嵌入有由于第二磁性体56B的排斥力而悬浮的旋转轴55B的方形突出上端部。
产业上利用的可能性
由以上说明可知，本发明的永磁式发电机由于和旋转轴成为一体的第二磁性体对应于基座侧的第一磁性体的极性而悬浮，所以旋转轴的相对于轴承的摩擦阻力非常小。因此，提高了旋转轴的旋转效率，其结果是，能够谋求发电量更高的效率化。
另外，由于可考虑转子的质量(重量)，所以可以得到大的惯性力矩。因此，例如即使驱动马达停止，也可利用所谓转子惯性力矩的惯性轮效果抑制由发电时的反电动势引起的阻抗。
而且，具有能够价格低廉地制作、不需要运行成本、能够谋求小型化等效果。
并且，在转子具有与定子部件的固定绕组相对的环状铁板的实施例的情况下，在空间内产生的磁场变强。因此，能够谋求发电量的增加。另外，在将长筒状固定绕组(绕线架线圈)安装在定子部件的导体安装片的实施例的情况下，能实现发电机的轻量化。另外，在定子部件除固定绕组外以非磁性的材料形成的实施例的情况下，所谓的窜动非常小。
因此，本发明的永磁式发电机适合设置在建筑物、山中小屋、船舶、汽车等固定设施或活动设施中使用。
符号说明如下：
X、X1…永磁式发电机
21…基座
23…第一磁性体
27…支承部件
35…定子部件
36…定子支承座
37…导体安装片
38…固定绕组
42…第一中心孔
50…驱动马达支承座
51…第二中心孔
55、55B…旋转轴
56、56B…第二磁性体
60、60A…转子
61…空间部
64、64A…环状铁板
65…环状永久磁铁
70、70B…驱动马达
71、71B…驱动马达用支承片
72、72B…驱动轴，80…轴承部件。