特許 7379852 水力発電機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-11-07

(45)【発行日】2023-11-15

(54)【発明の名称】水力発電機

(51)【国際特許分類】

   H02K 1/14 20060101AFI20231108BHJP

   H02K 7/18 20060101ALI20231108BHJP

【ＦＩ】

H02K1/14 C

H02K7/18 Z

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2019071046

(22)【出願日】2019-04-03

(65)【公開番号】P2020099170

(43)【公開日】2020-06-25

【審査請求日】2022-02-25

(31)【優先権主張番号】P 2018234501

(32)【優先日】2018-12-14

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000010087

【氏名又は名称】ＴＯＴＯ株式会社

(72)【発明者】

【氏名】岩尾 恵仁斉

(72)【発明者】

【氏名】古井 直子

(72)【発明者】

【氏名】畠山 真

(72)【発明者】

【氏名】金城 政信

【審査官】中島 亮

(56)【参考文献】

【文献】特開２００２－０８９４２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－０６４９６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－１１６６５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１８９５８４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｋ １／００－ １／１６

Ｈ０２Ｋ １／１８－ １／２６

Ｈ０２Ｋ １／２８－ １／３４

Ｈ０２Ｋ ７／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

流入口と流出口とを連通させる流路と、
前記流路を流れる水の水流の作用を受けて回転する受力体と、
前記受力体に設けられた磁石と、
前記磁石の磁力を受けて発電を行うコイルと、
前記コイルを上下から挟み込む上ヨーク及び下ヨークを備え、
前記上ヨーク及び前記下ヨークが夫々櫛歯を備え、
前記上ヨーク及び前記下ヨークの位置を決める位置決め手段を備え、
前記下ヨークは、前記上ヨークの周縁部に設けられた張り出し部が圧入される凹み部を
備えており、
前記位置決め手段は、上部に前記コイル、前記上ヨーク及び前記下ヨークが載置されたケースを備え、
前記ケースは、前記コイル、前記上ヨーク及び前記下ヨークが載置された面から前記コイルの穴に向けて突出し、その内側で前記磁石が回転するキャンケースを備え、
前記キャンケースの一部が隆起して構成された隆起部が、前記上ヨークの前記櫛歯と前記下ヨークの前記櫛歯の両方と接触し、介在するように固定されることを特徴とする水力発電機。

【請求項2】

流入口と流出口とを連通させる流路と、
前記流路を流れる水の水流の作用を受けて回転する受力体と、
前記受力体に設けられた磁石と、
前記磁石の磁力を受けて発電を行うコイルと、
前記コイルを上下から挟み込む上ヨーク及び下ヨークを備え、
前記上ヨーク及び前記下ヨークが夫々櫛歯を備え、
前記櫛歯の間に磁性を帯びない材料からなるスペーサーを備え、
前記下ヨークは、前記上ヨークの周縁部に設けられた張り出し部が圧入される凹み部を備えており、
前記スペーサーは、上部に前記コイル、前記上ヨーク及び前記下ヨークが載置されたケースを備え、
前記ケースは、前記コイル、前記上ヨーク及び前記下ヨークが載置された面から前記コイルの穴に向けて突出し、その内側で前記磁石が回転するキャンケースを備え、
前記キャンケースの一部が隆起して構成された隆起部が、前記上ヨークの前記櫛歯と前記下ヨークの前記櫛歯の両方と接触し、介在するように固定されることを特徴とする水力発電機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水力発電機に関する発明である。

【背景技術】

【0002】

従来から発電機はコイルを金属製のヨークで挟み込むことで、磁力と電力の変換を行っているものが一般的であった。
このような場合、ヨークの櫛歯同士の距離が短いと不慮に接触してしまい、磁路が短絡してしまうといった問題があった。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、本発明の課題は、ヨークの間隔をなるべく狭くしながら、かつ短絡しないように構成することで効率を向上させることである。

【課題を解決するための手段】

【0004】

上記目的を達成するための請求項１記載の発明は、流入口と流出口とを連通させる流路と、前記流路を流れる水の水流の作用を受けて回転する受力体と、前記受力体に設けられた磁石と、前記磁石の磁力を受けて発電を行うコイルと、前記コイルを上下から挟み込む上ヨーク及び下ヨークを備え、前記上ヨーク及び前記下ヨークが夫々櫛歯を供え、前記上ヨーク及び前記下ヨークの位置を決める位置決め手段を備えたことを特徴とする水力発電機である。
このように構成することにより、ヨーク同士が直接接触することがなくなり短絡を抑制できる。また、短絡の恐れがなくなることから、ヨーク同士の間隔を狭くすることができるようになり、発電効率が向上することが期待できる。

【0005】

上記目的を達成するための請求項２記載の発明は、流入口と流出口とを連通させる流路と、前記流路を流れる水の水流の作用を受けて回転する受力体と、前記受力体に設けられた磁石と、前記磁石の磁力を受けて発電を行うコイルと、前記コイルを上下から挟み込む上ヨーク及び下ヨークを備え、前記上ヨーク及び前記下ヨークが夫々櫛歯を供え、前記櫛歯の間に磁性を帯びない材料からなるスペーサーを備えたことを特徴とする水力発電機である。
このように構成することにより、ヨーク同士が直接接触することがなくなり短絡を抑制できる。また、短絡の恐れがなくなることから、ヨーク同士の間隔を狭くすることができるようになり、発電効率が向上することが期待できる。

【発明の効果】

【0006】

本発明によれば、ヨーク同士が直接接触することがなくなり短絡を抑制できる。また、短絡の恐れがなくなることから、ヨーク同士の間隔を狭くすることができるようになり、発電効率が向上することが期待できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本発明の実施例における水力発電機１を示す斜視図である。

【図2】本発明の実施例における水力発電機１を示す分解斜視図である。

【図3】本発明の実施例における下ケース４を示す分解斜視図である。

【図4】本発明の実施例におけるロータ８を示す分解斜視図である。

【図5】本発明の実施例におけるロータ８を示す断面図である。

【図6】本発明の実施例における上ケース２を示す分解斜視図である。

【図7】本発明の実施例におけるコイルユニット６を示す分解斜視図である。

【図8】本発明の実施例における水力発電機１を自動水栓装置の機能部１０に取り付けた様子を示した斜視図である。

【図9】本発明の実施例におけるコイルユニット６を示す断面図である。

【図10】本発明の実施例におけるヨーク同士の接続の様子を示した模式図である。

【図11】本発明の水力発電機１の変形例における上ヨーク６２、下ヨーク６４と、上ケース２の勘合の様子を示した模式図である。

【図12】本発明の実施例におけるコネクタ接続部７の上面図を示す。

【図13】本発明の実施例におけるボビン６６の斜視図を示す。

【図14】本発明の変形例１におけるコネクタ接続部７の斜視図を示す。

【図15】本発明の変形例２におけるコネクタ接続部７の斜視図を示す。

【図16】本発明の変形例３における水力発電機１０の外観斜視図を示す。

【図17】本発明の変形例３における水力発電機１０の分解斜視図を示す。

【図18】本発明の変形例３における流路規制部材４８の下面図および下ケース４の上面図を夫々示す。

【発明を実施するための形態】

【実施例】

【0008】

図１に本発明の実施例における水力発電機１の全体図を示す。発電機１は大きく、上ケース２と下ケース４の結合により構成されており、下ケース４に設けられた流入口４０から水を取り入れ、同じく下ケース４に設けられた流出口４２から水を流出させる構造となっている。

【0009】

図２に水力発電機１の分解斜視図を示す。上ケース２と下ケース４は、下ケース４に設けられたねじ部４４に対して、上ケース２に設けられたねじ部２０がねじ込まれることで、互いに結合するように構成されている。この際、上ケース２に取り付けられたＯリング２２が、下ケース４の壁部４６に対して接触することによって互いに水密に軸シールするように構成されている。

【0010】

上ケース２と下ケース４の間に、狭持されるようにしてロータ８が設けられているロータ８は、その上部にマグネット８０を、下部に水流をうけるフィン８２をそれぞれ備えており、水流によって回転するように構成されている。

【0011】

図３に下ケース４の分解斜視図を示す。下ケース４の内部には流路規制部材４８が挿入されており、これらによって流路が形成されている。流入口４０から流入した水は、流路規制部材４８に流入し、図示していないノズルによって加速されてロータ８へと噴流がぶつけられる。また、流路規制部材４８にはシャフト５０が圧入されており、このシャフト５０を軸として、ロータ８が回転するように構成されている。

【0012】

図４にロータ８の分解斜視図を示す。ロータ８は、フィン８２と底板８４が互いにスナップフィットで固定されて形成されている。フィン８２はその下部に羽板８２２を有しており、この部分に水流が衝突することによって、回転する。また、底板８４は羽板８２２に衝突した水が拡散せず、回転方向に流れやすいように構成されており、これによって水流の力を、ロータ８の回転へと効率よく変換できるように構成されている。

【0013】

また、フィン８２の上部には、マグネット８０が同じくスナップフィットによって固定されている。このように、スナップフィットで固定することによって簡便に、ガタなく固定を行うことができるようになる。

【0014】

図５に、シャフト５０に取り付けられた状態のロータ８の断面図を示す。フィン８２の内部には円筒上の中空空間が設けられており、この部分にシャフト５０を挿入することによって、回転可能に保持されるのである。このとき、ロータ８の両端側をもっとも狭く形成し、その間は、両端部よりも広く形成してある。このように構成することによって、シャフト５０の両端側で接触して軸が大きくぶれるのを抑制できると同時に、中ほどはシャフトとロータ８内部の接触しないように構成することで、摩擦を抑制し、より効率的な回転、発電ができるように構成されている。

【0015】

図６に上ケース２の分解斜視図を示す。上ケース２はその上部にコイルユニット６が載置されるように構成されている。その状態で、上ケース２に対して、樹脂材料にて封止する所謂、ポッティングを行うことで、水密性を確保することが出来る。このとき、コイルユニット６からはコネクタ接続部７がポッティング層を突き抜けて外部に向かって伸びている。

【0016】

図７にコイルユニット６の分解斜視図を示す。コイルユニット６はボビン６６に取り付けられたコイル６０を、上ヨーク６２と下ヨーク６４で挟み込むような構成となっている。ボビン６６の天面にはコイル６０の端部が巻きつけられ、そこへコネクタ接続部７が設けられている。生み出された電力はこのコネクタ接続部７を通じて、外部へと伝達される仕組みとなっている。

【0017】

上ケース２には、先述したコネクタ接続部７を通すためのコネクタ接続部２４が設けられている。このコネクタ接続部２４は略円形の上ケース２の円周部から張り出すように構成されている。

【0018】

図８（ａ）に自動水栓１０の機能部にとりつけられた水力発電機を、図８（ｂ）に水力発電機周辺の拡大図を夫々しめす。水力発電機１が取り付けられた際に、この張り出したコネクタ接続部２４が器具側の当接部１００と接触して、上ケース２の回転を抑制することができる。これにより、上ケース２と下ケース４を相対的に回転することによるねじ固定で構成した場合であっても、使用中に上ケース２と下ケース４が回転してねじ締結が解除されてしまうことを抑制することができるようになる。

【0019】

図９にボビン６６と下ヨーク６４との位置決めの様子を示す。ボビン６６はその柱部６６２に、周方向に並んだ突部６６４を有している。この突部６６２の間に下ヨーク６４の櫛歯６４２がはまりこむことによって、下ヨーク６４とボビン６６とが周方向で位置決めされる。同様の仕組みで、上ヨーク６２とボビン６６も位置決めがなされる。これにより、上ヨーク６２と下ヨーク６４とが互いに相対的な位置決めがなされることになる。つまり、上ヨーク６２の櫛歯６２２と下ヨーク６４の櫛歯６４２の距離が決まる。このような構成とすることによって、櫛歯間の距離をつめながらも、互いの一ずれによって、接触してしまい、磁路が短絡してしまうことを抑制することができる。換言するならば、磁路の短絡を心配することなく、櫛歯間の距離をつめることができるようになり、発電効率の向上に寄与することができるようになる。

【0020】

図１０にヨーク同士の接続の様子を模式的に示す。上ヨーク６２はその周縁部に張り出し部６２４を有している。下ヨーク６４には凹み部６４４が設けられており、この凹み部６４４は上部が狭く、下部が広い、逆台形の断面を有している。上ヨーク６２の張り出し部６２４が、下ヨーク６４に設けられた凹み部６４４に圧入されることによって、お互いに締結される。上ヨーク６２と下ヨーク６４は互いに磁路を形成するために、できる限り密着していることが好ましく、このような構成をとることによって、お互いの密着性を担保することができるようになる。

【0021】

図１１（ａ）に本発明の水力発電機１の変形例における上ヨーク６２、下ヨーク６４と、上ケース２の勘合の様子を、図１１（ｂ）に上ケースを示す。上ケース２はそのキャンケース２４の一部が隆起して隆起部２６を構成している。この隆起部２６が上ヨーク６２の櫛歯６２２と下ヨーク６４の櫛歯６４２との両方と接触し、介在するように固定される。このように構成することで、櫛歯同士が物理的に接触することを抑制でき、磁路の短絡を抑制することができる。また、櫛歯間を狭くすることができるようになり、発電効率の向上に寄与することができるようになる。

【0022】

変形例においては、上ヨーク６２の櫛歯６２２と下ヨーク６４の櫛歯６４２との間に、下ケース２の隆起部２６が介在する構成としたが、隆起部２６の変わりに、ボビン６６とは独立した樹脂部材をかませてもよい。また、樹脂に限られるものではなく、磁性を帯びない（磁化されない）材料で構成すればよい。

【0023】

また、このさいに隆起部２６がリブとして作用するので、強度を保ちながらもキャンケース２４の側面を薄く構成することができるようになる。キャンケース２４の側面を薄く構成することによって、内側で回転するマグネット８０とコイル６０との距離が短くなり、発電効率を上昇させることができるようになる。

【0024】

またこのときに、上ケース２のキャンケース２４の天面は側面よりも厚く構成することが好ましい。天面は水圧の力を受ける上に、その外部に補強などが存在しないためである。

【0025】

なお、本変形例においては隆起部２６が、上下の櫛歯に沿うような形として例示したが、隆起部２６は必ずしも櫛歯に沿う必要はなく、上下の櫛歯に点接触する矩形や円形の突起であってもよい。

【0026】

図１２にコネクタ接続部７の上面図を示す。コイル６０で発生した電流を外部に取り出すために、コネクタ接続部７が必要となる。これは、少なくとも、ボビン６６と上ヨーク６２を貫通して外部へと至る流路が必要になる。つまり、上ヨーク６２には、コネクタ貫通部６２４が設けられ、外部へと電流を流すコネクタ接続部７が露出する状態として構成されている。

【0027】

このコネクタ貫通部６２４は、上ヨーク６２の櫛歯６２２と下ヨーク６４の櫛歯６４２の間に形成される磁路にとって抵抗となるため、この間には設けないことが好ましい。具体的には、上ヨーク６２の径方向で、中間付近にコネクタを設ける場合は、櫛歯６２２の背後の領域を避ける。

【0028】

そのほか、上ヨーク６２の径方向で外側（周縁部付近）に設ける場合は、櫛歯６２２の背後に設けることが好ましい。（櫛歯６２２から出発した磁路は、櫛歯６２４へとむけて斜め方向に形成されるためである）

【0029】

そのほかの候補としては、櫛歯６２２から隣接する櫛歯６２２への磁路の短絡を抑制するための切り欠き６２６の後ろ側で、なるべく切り欠き６２６の近くに設けることも好ましい。

【0030】

図１３にボビン６６の斜視図を示す。ボビン６６にはコネクタ接続部７を形成するために、ピン７０が差し込まれている。このピン７０にコイル６０の始端と終端を絡ませることによって、電流が取り出される。また、ピン７０のコイル６０が絡まるのとは逆の短部、ボビン６６外側端部には、リードワイヤ７２がはんだづけによって接続されている。電流はこのリードワイヤ７２を通じて外部へと流れていくのである。

【0031】

図１４（ａ）には、コネクタ接続部７の変形例１を示す。この変形例１においては、ボビン６６の側面方向から、図１４（ｂ）に示すような接続端子７４が挿入して固定される。そして、この接続端子にリードワイヤ７２とコイル６０が夫々接続されることによって、コネクタ接続部７を形成している。このように構成することによって、コネクタ接続部７の電流取り出し方向を側面方向とすることができる。

【0032】

図１５（ａ）には、コネクタ接続部７の変形例２を示す。この変形例２においては、ボビン６６へコネクタ７６が直接固定される。接続する際に、コネクタ７６のピンコンタクト７８を挿入後に折り曲げることによって、コネクタ７６を固定することができるのである。そして、この折り曲げられたピンコンタクト７８にコイル６０の始端と終端を夫々接続することによって、外部へ電流を取り出すコネクタ接続部７が形成される。このように形成することによって、水力発電機１の製造時に、リードワイヤを接続する必要がなくなり、製造が容易になる。

【0033】

なお、本発明において上ケース２は、コイルユニット６を載置した後に、全体をポッティングすることで、コイルユニット６を防水、防滴するような構造としている。このように、コイルユニット６と水との接触を遮断することによって、コイルユニット６が錆びてしまうことを抑制できるようになる。また、ポッティング以外の手段として、上ケース２にコイルユニット６を載置した後に、パッキンつきの蓋体をかぶせることによって防水構造としてもよい。

【0034】

なお、本発明においてシャフト５０の摩擦を低減するために、両もち構造としているが、シャフト５０の摩擦低減のためには、そのほかにも点接触、線接触として接触面積を減らすことが考えられる。さらには、シャフトの周囲に球状をいれたり、ボールベアリング他の摺動構造を採用したりすることによって、摩擦を低減してもよい。

【0035】

また、ロータ８の上下方向の摩擦に関しても、ワッシャを利用して摩擦を低減したり、ビードをたてて摩擦を低減したりしてもよい。

【0036】

図１６に本発明の変形例３における水力発電機１０の外観斜視図を示す。実施例における水力発電気１と同一の部材については、同一の符号を付し、説明は省略する。
水力発電機１０においては、ポッティング層の変わりに、防水カバー３が設けられている点で実施例と相違する。また、水力発電機１では、上ケース２のねじ部２０と、下ケース４のねじ部４４とが互いに螺合することによって結合していたが、変形例３における水力発電機１０では、ビス２１によって上ケース２と下ケース４とが結合されている。

【0037】

図１７に本発明の水力発電機１０の分解斜視図を示す。先述したように、上ケース２の上に、防水カバー３を設けている。このとき、防水カバー３は、金型内に上ケース２及びその内部に位置するコイルユニット６を位置させた状態で射出成形を行う、所謂モールド成形によって、上ケース２と一体的に形成される。

【0038】

上ケース２と一体成形した防水カバー３には、ビス貫通孔３０が、下ケース４には、ビスがねじ込まれるビス穴４１が、夫々設けられている。両者は対応する位置に設けられており、上ケース２と一体成形した防水カバー３と下ケース４とを、接合させた状態で、ビス貫通孔３０を貫通して、ビス孔４１へと図示していないビス２１を螺合させることによって、上ケース２と一体成形した防水カバー３と下ケース４とが結合される。

【0039】

図１８（ａ）に流路規制部材４８の下面図を、図１８（ｂ）に下ケース４の上面図を夫々示す。流路規制部材４８はその外周面が略円形に設けられており、下ケース４内部で回転してしまう恐れがある。これを回避するために、流路規制部材４８には位置決め凹部４８６が、下ケース４には位置決め凸部４９が夫々設けられており、互いに対応する位置で挿入することによって、互いの流路が接続されて水を正しく導くことが出来るように構成されるのである。なお、位置決め凹部４８６と位置決め凸部４９は互いに回転非対象の位置に設けられており、円周方向で一義的に位置決めが出来るように構成されている。なお、位置決め凹部４８６は、流路規制部材４８全体を均肉化するための、いわゆる肉盗みをかねている。

【符号の説明】

【0040】

１ 発電機
２ 上ケース
２０ ねじ部
２１ ビス
２２ Ｏリング
２４ コネクタ接続部
２６ キャンケース
２８ 隆起部（スペーサー）
３ 防水カバー
３０ ビス貫通孔
４ 下ケース
４０ 流入口
４１ ビス孔
４２ 流出口
４４ ねじ部
４６ 壁部
４８ 流路規制部材
４８０ 流路
４８２ 噴流ノズル
４８４ 軸受け
４８６ 位置決め凹部
４９ 位置決め凸部
５０ シャフト
６ コイルユニット
６０ コイル
６２ 上ヨーク
６２２ 櫛歯
６２４ コネクタ貫通部
６４ 下ヨーク
６６ ボビン
６６２ 柱部
６６４ 突部
６８ キャンケース
７ コネクタ接続部
７０ ピン
７２ リードワイヤ
７４ 接続端子
７６ コネクタ
７８ ピンコンタクト
８ ロータ（受力体）
８０マグネット
８２ フィン
８４ 底板
８６ 逆流防止フィン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】