発電機および時計

【課題】ステーターの内部に発生する磁束密度を十分に確保しつつ、コギングトルクの低減化を図ることが可能となる発電機の提供。
【解決手段】この発明は、ローター１と、ステーター２とを備えた発電機であって、ローター１はローター磁石１１を有する。そして、ステーター２のローター磁石１１を取り囲む部分の厚さを、ローター磁石１１の厚さに比べて厚くした。具体的には、ステーター２のローター磁石１１を取り囲む部分の厚さは、ローター磁石１１の厚さの１．５倍以上であって５倍以下になるようにした。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子時計などの時計に適用される発電機、およびその発電機を備える時計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、時計などに適用される発電機としては、ローターと、ローターを囲むステーターとを備え、ローターに設けたローター磁石が、ステーターの一部に形成される配置孔内に回転可能に配置されるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
ところで、時計などに適用される発電機では、ステーターに巻かれているコイル（巻線）に所定の交流電圧を発生させるために、漏れ磁束を防止してステーターの内部に所定量の磁束を発生させる必要がある。また、ローターはゼンマイが解ける力を利用して回転させるようにしているので、ローターの回転動作の開始時に、ローターの回転を円滑に開始させるには、コギングトルクが小さいことが望まれる。
しかし、従来の発電機では、ステーターの内部に発生する磁束密度を十分に確保しつつ、コギングトルクの低減化を図ることができるような構造になっておらず、その解決が望まれていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２１４６６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで、本発明の幾つかの態様の目的は、ステーターの内部に発生する磁束密度を十分に確保しつつ、コギングトルクの低減化を図ることができる発電機などを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決し本発明の目的を達成するために、本発明の各態様は、以下のように構成される。
本発明の発電機の第１の態様は、ローターと、ステーターとを備えた発電機であって、前記ローターはローター磁石を有し、前記ステーターの前記ローター磁石を取り囲む部分の厚さを、前記ローター磁石の厚さに比べて厚くした。
本発明の発電機の第２の態様は、第１の態様において、前記ステーターの前記ローター磁石を取り囲む部分の厚さは、前記ローター磁石の厚さの１．５倍以上であって５倍以下である。
【０００６】
本発明の発電機の第３の態様は、第１または第２の態様において、前記ローター磁石は２極の永久磁石からなり、前記ステーターはバルク状の金属ガラスからなる。
本発明の時計の態様は、発電機を備えた時計であって、前記発電機は、本発明の発電機の第１〜第３の態様のうちの何れかである。
このような構成の本発明の態様によれば、ステーターの内部に発生する磁束密度を十分に確保しつつ、コギングトルクの低減化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施形態の全体構成を示す平面図である。
【図２】図１の主要部の断面図である。
【図３】実施形態の発電効率の向上を説明する図である。
【図４】実施形態のコギングトルクの低減を説明する図である。
【図５】実施形態の効果を確認するためにシミュレーションを実施した際の発電機の構成例を示す平面図である。
【図６】図５の発電機の主要部の斜視図である。
【図７】ステーターの厚さとステーターの竿部の磁束密度の関係を示すシミュレーション結果である。
【図８】ローター角度とトルクの関係を示し、ステーターの厚さを変化させた場合における、それらの関係を示すシミュレーション結果である。
【図９】図８の結果に基づいて求めた、ステーターの厚さとコギングトルクの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
（発電機の実施形態の構成）
図１は、本発明の発電機の実施形態の構成を示す平面図である。図２は、図１の実施形態の主要部の断面図である。
本発明の実施形態に係る発電機は、例えば時計に適用されるものであり、図１に示すように、ローター１と、ローター１が回転可能に配置されるステーター２と、ステーター２の一部に巻き回されるコイル３Ａ、３Ｂと、を備えている。
ローター１は、図１および図２に示すように、ローター磁石１１と、ローター磁石１１を取り付ける回転軸１２と、を備えている。
【０００９】
ローター磁石１１は、中央に貫通孔を有する円筒形（円板形）の永久磁石であり、所定の径と所定の厚さｈ２を有する。ローター磁石１１の貫通孔には、回転軸１２が取り付けられている。また、ローター磁石１１は、例えば２極の永久磁石であり、アルニコ磁石、フェライト磁石、ボンド磁石、サマリウムコバルト磁石、ネオジム鉄ボロン磁石などが使用でき、必要な性能、例えば保持力、最大エネルギー積などの性能やコストなどによって選択される。
回転軸１２は、図示しない軸受けに回転可能に軸受けされている。また、回転軸１２は、図示しないゼンマイが解ける力を利用して回転するとともに、所定速度に調整されて回転するようになっている。
【００１０】
ステーター２は、図１に示すように、一対のステーター本体２１、２２と、継鉄２３とからなる。
ステーター本体２１、２２の一端側には、ローター１を取り囲んで配置するために、所定の厚さｈ１を有するローター配置部２１Ａ、２１Ｂを備えている（図２参照）。ローター配置部２１Ａ、２１Ｂには、図１に示すように半円弧状の切欠き部がそれぞれ設けられ、その切欠き部によってローター配置孔２４が形成されている。そして、ローター配置孔２４内に、ローター１が回転可能に配置されている。また、ステーター本体２１、２２の他端側は、継鉄２３で接続されている。ステーター本体２１、２２の一部には、コイル３Ａ、３Ｂが巻き回されている。
【００１１】
ステーター本体２１、２２および継鉄２３の各々は、例えばバルク状（塊状）の金属ガラスからなり、金属ガラスの溶融物を鋳造によって成形したものである。金属ガラスとしては、コバルト基金属ガラス合金を使用することができる。
ここで、ステーター２は、図１の例では一対のステーター本体２１、２２と継鉄２３とに分割されているが、これらを一体に形成するようにしても良い。この場合には、ステーター２はバルク状の金属ガラスから構成する。
このように構成される実施形態では、ゼンマイ（図示せず）が解ける力によってローター１が回転すると、この回転によってステーター２に巻き回されるコイル３Ａ、３Ｂに起電力が発生する。この起電力によって図示しない制御回路が動作し、制御回路はローター１の回転速度が一定になるように調整する。
【００１２】
次に、ローター磁石１１の厚さと、ステーター２の厚さの関係について、図２を参照して説明する。
ステーター２のローター磁石１１を取り囲む部分の厚さｈ１、言い換えると、ステーター２のローター配置部２１Ａ、２１Ｂの厚さ（ローター配置孔２４の長さと同じ）ｈ１は、ローター磁石１１の厚さｈ２よりも厚くなるように設定されている。
ここで、ステーター２のローター磁石１１を取り囲む部分の厚さｈ１は、以下では単にステーター２の厚さｈ１と呼ぶことにする。
【００１３】
具体的には、ステーター２の厚さｈ１は、ローター磁石１１の厚さｈ２の１．５倍以上であって５．０倍以下になるように設定されている。これを式で表すと、次の（１）式のようになる。
１．５≦（ｈ１／ｈ２）≦５．０・・・（１）
例えば、ローター磁石１１の厚さｈ２を０．３〔ｍｍ〕とし、ステーター２の厚さｈ１を０．６〔ｍｍ〕とした場合には、（ｈ１／ｈ２）＝２．０となり、上記の設定条件を満たすことになる。
【００１４】
（実施形態の作用効果）
次に、ステーター２の厚さｈ１を、ローター磁石１１の厚さｈ２よりも厚く設定した場合の作用効果について、図３および図４を参照して説明する。
この実施形態では、発電効率が向上させることができるので、この点について図３を参照して説明する。
図３（Ａ）に示すように、厚さｈ１が厚さｈ２よりも薄い場合には、磁束の方向は図示のようになり、ローター磁石１１からステーター２に至る磁束の一部は漏れ磁束となるので、その漏れ磁束の分だけステーター２の内部における総磁束量が減少する。
【００１５】
一方、図３（Ｂ）に示すように、実施形態のように厚さｈ１を厚さｈ２よりも相対的に厚くした場合には、図示のように、ローター磁石１１からの磁束はステーター２の厚み方向の上下に分散してステーター２にトラップ（捕捉）されるようになる。このため、ステーター２とローター磁石１１との間の空隙（エアギャップ）の磁束密度は図３（Ａ）の場合よりも低くなるが、漏れ磁束が減少するようになる。
この結果、ステーター２の内部における総磁束量は図３（Ａ）の場合よりも増加するので、発電効率が大幅に向上する。
【００１６】
また、この実施形態では、コギングトルクを低減できるので、この点について図４を参照して説明する。
図４（Ａ）に示すように、厚さｈ１が厚さｈ２よりも薄い場合には、磁束の方向は図示のようになり、ローター磁石１１からステーター２に至る磁束の一部は漏れ磁束となる。このため、ローター磁石１１とステーター２との間の磁束は、その漏れ磁束の分だけ減少するが、その間の磁束密度は比較的大きい。
【００１７】
一方、図４（Ｂ）に示すように、実施形態のように厚さｈ１を厚さｈ２よりも相対的に厚くした場合には、図示のように、ローター磁石１１からの磁束はステーター２の厚み方向の上下に分散してステーター２にトラップされるようになる。このため、ステーター２とローター磁石１１との間の空隙の磁束密度は図４（Ａ）の場合よりも小さくなる。
この結果、この実施形態ではコギングトルクを大幅に低減することができる。このため、ゼンマイなどの外部の力によってローター１を回転させる際に、その回転の初期に必要な力を従来に比べて大幅に低減することができる。
【００１８】
（シミュレーションの結果）
次に、この実施形態の上記の作用効果を確認するためにシミュレーションを行ったので、その結果について、図５〜図９を参照して説明する。
このシミュレーションは、時計の発電機に適用した場合であり、発電機は図５および図６に示すような構成とした。
そして、ステーター２の磁気特性（材料）は（Ｃｏ_６６Ｆｅ_４Ｓｉ_１５Ｂ_１４Ｎｂ_１）を使用し、ローター磁石１１の磁気特性（材料）は（Ｓｍ_２Ｃｏ_１７）を使用した。また、ローター磁石１１の厚さｈ２は０．３〔ｍｍ〕で一定とし、ローター磁石１１とステーター２との間の空隙（エアギャップ）なども一定とした。ここで、空隙は０．６５〔ｍｍ〕とした。
このような条件の下で、ステーター２の厚さｈ１を、０．２５〔ｍｍ〕、０．５０〔ｍｍ〕、１．００〔ｍｍ〕、および１．５０〔ｍｍ〕と順次変化させ、以下のようなシミュレーション結果を得た。
【００１９】
図７は、ステーター２の厚さｈ１を変化させた場合に、その変化とステーター２の竿部２４の磁束密度の変化の関係を示す結果である。
図７によれば、ステーター２の厚さｈ１が増加すると、この増加に伴ってステーター２の竿部２４の磁束密度も増加することがわかる。これは、ステーター２の厚さｈ１を増加すると、ローター磁石１１から出る磁束がステーター２の厚くなる部分でトラップされ（図３（Ｂ）参照）、その分だけ漏れ磁束が減少する。この結果、その漏れ磁束の減少分に応じて、ステーター２の竿部２５の磁束密度が増加するからであると考えられる。
図８は、ローター角度（ローター磁石１１の電気角）とトルクの関係を示し、ステーター２の厚さｈ１を変化させた場合における、それらの関係を示す結果である。図９は、図８の結果に基づいて求めた、ステーター２の厚さｈ１の厚さとコギングトルクの関係を示している。
【００２０】
図８および図９によれば、ステーター２の厚さｈ１が増加すると、この増加に伴ってコギングトルクが減少することがわかる。これは、ステーター２の厚さｈ１を増加すると、図４（Ｂ）に示すように、ローター磁石１１からの磁束はステーター２の厚み方向の上下に分散してステーター２にトラップされるようになる。
このため、ステーター２の厚さｈ１が増加するに伴い、ローター磁石１１とステーター２との間の空隙では、図７に示すように磁束の総量が増加するが、磁束密度は減少する。本実施形態の要求性能上、ステーター２に流れる磁束量は多くする必要がないため、ステーター２を厚くすることによって増加する磁束量は一定量以上必要ない。
【００２１】
そこで、ローター磁石１１の着磁量を減少させて、ステーター２に流れる磁束量を一定量に調整することにより、ローター１とステーター２間の空隙部におけるより一層の磁束密度の低減が可能となり、コギングトルクを大幅に低減できる。
この例によれば、ステーター２の厚さｈ１が０．２５〔ｍｍ〕の場合と比較すると、その厚さｈ１が１．５０〔ｍｍ〕の場合には磁束密度を２５〔％〕増加できた。また、コギングトルクは、１８〔％〕程度まで低減でき、最大で８２〔％〕低減できた。
【００２２】
次に、上記のシミュレーションの結果に基づき、ステーター２の厚さｈ１と、ローター磁石１１の厚さｈ２との関係について、以下に検討する。
この例では、ローター磁石１１の厚さｈ２を０．３０〔ｍｍ〕とした場合に、ステーター２の厚さｈ１の実用上の範囲を決定する場合について、図７および図９を参照して説明する。
図７によれば、ステーター２の厚さｈ１を０．５０〔ｍｍ〕にした場合に、その厚さｈ１を０．３０〔ｍｍ〕にした場合と比較すると、磁束密度が１０％程度増加する。また、図９によれば、同じ条件の下では、コギングトルクは急激に減少する。
【００２３】
このため、ローター磁石１１の厚さｈ２が０．３０〔ｍｍ〕の下で、上記の磁束密度の増加とコギングトルクの減少の両者を満足するには、ｈ１／ｈ２＝０．５０／０．３０≒１．６７となる。
さらに、図７によれば、ステーター２の厚さｈ１をさらに厚くしていけば、これに伴って磁束密度も増加していき、ステーター２の厚さｈ１を１．５０〔ｍｍ〕にした場合には、磁束密度が図示の値になり、磁束密度の増加はその後に飽和すると推定される。
【００２４】
一方、図９によれば、ステーター２の厚さｈ１をさらに厚くしていけば、これに伴ってコギングトルクも減少するが、ステーター２の厚さｈ１が１．５０〔ｍｍ〕以上になると、コギングトルクの減少はなくなると推定される。
そこで、ローター磁石１１の厚さｈ２が０．３０〔ｍｍ〕で、ステーター２の厚さｈ１を１．５０〔ｍｍ〕とすると、ｈ１／ｈ２＝１．５０／０．３０＝５．０となり、ｈ１／ｈ２の上限はｈ１／ｈ２＝５．０となる。
【００２５】
以上の検討により、図７および図９によれば、ローター磁石１１の厚さｈ２が０．３０〔ｍｍ〕の場合には、ステーター２の厚さｈ１と、ローター磁石１１の厚さｈ２の関係は以下の（２）式に示す範囲が実用的な範囲となる。
１．６７≦（ｈ１／ｈ２）≦５．０・・・（２）
ここで、図７や図９に示すシミュレーションの結果は、ローター磁石１１の厚さｈ２が０．３０〔ｍｍ〕の場合であるが、例えばローター磁石１１の厚さｈ２を０．２０〔ｍｍ〕あるいは０．４０〔ｍｍ〕のように増減する場合には、同じような傾向の結果が得られると推定される。一方、時計の発電機では、薄型化、小型化が要請されるので、ステーター２の厚さｈ１を考慮する必要がある。さらには、ｈ１／ｈ２の設定には、ある程度の余裕を持たせる必要がある。
【００２６】
そこで、これらの点を勘案し、この実施形態では、ステーター２の厚さｈ１と、ローター磁石１１の厚さｈ２の関係は、上述の（１）式を満たすようにした。
以上をまとめると、ｈ１／ｈ２の決定には、以下の点を考慮すれば良い。すなわち、ステーター２の内部の磁束密度の増加が飽和しない有効な範囲（図７参照）、ステーター２の厚さｈ１を厚くしてもコギングトルクの減少が一定とならない有効な範囲（図９参照）、および時計の構造上ステーター２の厚さｈ１が必要以上に厚くならない実用的な範囲を考慮して決定すれば良い。
【００２７】
（時計の実施形態）
次に、本発明の時計の実施形態について説明する。
この実施形態に係る時計は、上記の実施形態に係る発電機、この発電機のローター１を回転させるためのゼンマイ（図示せず）、発電機が発生する起電力（電圧）によって駆動する制御回路（図示せず）など、を備えている。
このような構成の時計では、ゼンマイが解ける力によって発電機のローター１が回転すると、この回転によってステーター２に巻き回されるコイル３Ａ、３Ｂに起電力が発生する。この起電力によって制御回路が動作し、制御回路はローター１の回転速度が一定になるように調整する。
このように、実施形態に係る時計では、上述したようにコギングトルクが低減された発電機を備えるようにした。このため、ゼンマイの力によってローター１を回転させる際に、その回転の初期に必要な力を従来に比べて大幅に低減することができる。
【符号の説明】
【００２８】
１・・・ローター、２・・・ステーター、３Ａ、３Ｂ・・・コイル、１１・・・ローター磁石、１２・・・回転軸、２１、２２・・・ステーター本体、２１Ａ、２２Ａ・・・ローター配置部、２３・・・継鉄、２４・・・ローター配置孔

【特許請求の範囲】
【請求項１】
ローターと、ステーターとを備えた発電機であって、
前記ローターはローター磁石を有し、
前記ステーターの前記ローター磁石を取り囲む部分の厚さを、前記ローター磁石の厚さに比べて厚くしたことを特徴とする発電機。
【請求項２】
前記ステーターの前記ローター磁石を取り囲む部分の厚さは、前記ローター磁石の厚さの１．５倍以上であって５倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の発電機。
【請求項３】
前記ローター磁石は２極の永久磁石からなり、前記ステーターはバルク状の金属ガラスからなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発電機。
【請求項４】
発電機を備えた時計であって、
前記発電機は、請求項１乃至請求項３のうちの何れか１項に記載の発電機であることを特徴とする時計。

【図１】