コアの長さを23mm、60mmの2種類で発電量を検証
弱い風でも発電できるものを目指しているので「家庭用扇風機の強の風で回り始める」ことを条件に試作品の設定をしています
コイル両端4mmは固定のためにコイルは巻いていないのでコイルの範囲は15㎜と52㎜
コイルにはφ0.4のポリウレタン線を使用し、2種類とも9重巻きとしました（手巻きなのでバラツキ有り）
コイル一個当たり 15㎜÷φ0.4×9重＝337.5 330巻を目標
コイル一個当たり 52㎜÷φ0.4×9重＝1170 1170巻を目標
コイルはすべて直列に結線し、ダイオードブリッジで直流にしました
コイル12個を直列に結線した時のポリウレタン線の常温での抵抗値の実測値は
コア23㎜：19.9Ω
コア60㎜：68.9Ω
ダイオード：1N4007 4個
磁石の種類 コイルと反対側にヨーク ヨークからの磁気
ネオジム磁石
Φ6t3 砂鉄+エポキシ樹脂 少し有り
Φ10t3 SS400 ほぼ無し
Φ16t2.5 SS400 ほぼ無し
Φ16t2.5 無し 有り
フェライト磁石
Φ18t5 SS400 ほぼ無し
回転数
360r.p.m.、720r.p.m.
ギヤ比3:1の手回しで時計の秒針に目視で合わす
正確さに欠けるとは思いますが、他に選択肢がありませんでした
磁石とコギング抑制板（コア）の距離
Φ6t3以外は扇風機の強の風だけでプロペラが回り始める距離
Φ6t3は風だけで回り始めないが、回り続けることができる距離
| 条件 | Neo6 | Neo10 | Neo16 | Neo16 | Ferrite19 |
|---|---|---|---|---|---|
| Core 23mm（360/720rpm 共通） | 2.5 | 6 | 2.5 | 5 | 2 |
| Core 60mm（360/720rpm 共通） | 2.5 | 4.5 | 2.5 | 5 | 2 |
結果
| Resistance (Ω) | Neo6 SandIron | Neo10 SS400 | Neo16 No Yoke | Neo16 SS400 | Ferrite19 SS400 |
|---|---|---|---|---|---|
| 9910.0 | 0.2017 | 2.386 | 1.656 | 2.598 | 1.645 |
| 6740.0 | 0.1964 | 2.327 | 1.612 | 2.498 | 1.551 |
| 4745.0 | 0.1723 | 2.278 | 1.592 | 2.476 | 1.486 |
| 2128.0 | 0.1314 | 2.263 | 1.486 | 2.428 | 1.398 |
| 990.0 | 0.1251 | 2.115 | 1.394 | 2.362 | 1.318 |
| 473.4 | 0.1053 | 2.084 | 1.279 | 2.236 | 1.277 |
| 267.7 | 0.0937 | 2.051 | 1.202 | 2.138 | 1.234 |
| 197.3 | 0.0723 | 1.923 | 1.194 | 2.057 | 1.158 |
| 102.4 | 0.0635 | 1.667 | 1.082 | 1.823 | 1.03 |
| 46.4 | 0.0324 | 1.324 | 0.802 | 1.406 | 0.789 |
| 22.8 | 0.0201 | 0.995 | 0.5657 | 1.001 | 0.5397 |
| 10.6 | 0.0097 | 0.5102 | 0.3072 | 0.5376 | 0.2987 |
| Resistance (Ω) | Neo6 SandIron | Neo10 SS400 | Neo16 No Yoke | Neo16 SS400 | Ferrite19 SS400 |
|---|---|---|---|---|---|
| 9910.0 | 0.831 | 5.692 | 4.186 | 6.11 | 3.96 |
| 6740.0 | 0.806 | 5.664 | 4.083 | 6.098 | 3.912 |
| 4745.0 | 0.752 | 5.484 | 4.05 | 5.986 | 3.874 |
| 2128.0 | 0.713 | 5.423 | 3.986 | 5.602 | 3.798 |
| 990.0 | 0.652 | 5.173 | 3.845 | 5.598 | 3.602 |
| 473.4 | 0.632 | 5.139 | 3.716 | 5.386 | 3.442 |
| 267.7 | 0.5483 | 4.871 | 3.498 | 5.182 | 3.332 |
| 197.3 | 0.5236 | 4.712 | 3.394 | 5.046 | 3.104 |
| 102.4 | 0.4476 | 3.998 | 2.852 | 4.546 | 2.723 |
| 46.4 | 0.2943 | 2.912 | 2.016 | 3.08 | 1.901 |
| 22.8 | 0.1875 | 1.772 | 1.212 | 1.853 | 1.153 |
| 10.6 | 0.0996 | 0.904 | 0.627 | 0.948 | 0.5876 |
| Resistance (Ω) | Neo6 SandIron | Neo10 SS400 | Neo16 No Yoke | Neo16 SS400 | Ferrite19 SS400 |
|---|---|---|---|---|---|
| 9910.0 | 1.621 | 11.23 | 7.52 | 10.58 | 6.28 |
| 6740.0 | 1.56 | 10.85 | 7.32 | 10.53 | 6.01 |
| 4745.0 | 1.468 | 10.52 | 7.28 | 10.13 | 5.77 |
| 2128.0 | 1.334 | 10.39 | 7.03 | 10.05 | 5.55 |
| 990.0 | 1.302 | 9.62 | 6.03 | 9.14 | 5.081 |
| 473.4 | 1.078 | 7.65 | 5.067 | 7.4 | 4.073 |
| 267.7 | 0.794 | 5.934 | 3.645 | 5.497 | 3.058 |
| 197.3 | 0.691 | 4.722 | 3.017 | 4.456 | 2.486 |
| 102.4 | 0.3984 | 2.734 | 1.742 | 2.615 | 1.437 |
| 46.4 | 0.2046 | 1.326 | 0.91 | 1.241 | 0.694 |
| 22.8 | 0.1023 | 0.651 | 0.4406 | 0.6096 | 0.3434 |
| 10.6 | 0.0472 | 0.2997 | 0.2015 | 0.2812 | 0.1581 |
| Resistance (Ω) | Neo6 SandIron | Neo10 SS400 | Neo16 No Yoke | Neo16 SS400 | Ferrite19 SS400 |
|---|---|---|---|---|---|
| 9910.0 | 4.086 | 22.9 | 15.44 | 22.5 | 13.26 |
| 6740.0 | 3.945 | 22.53 | 15.02 | 21.23 | 13.01 |
| 4745.0 | 3.836 | 22.02 | 14.67 | 21.98 | 12.48 |
| 2128.0 | 3.364 | 21.46 | 13.92 | 20.66 | 11.6 |
| 990.0 | 2.953 | 17.12 | 11.67 | 16.72 | 9.62 |
| 473.4 | 2.009 | 11.52 | 7.53 | 10.97 | 6.21 |
| 267.7 | 1.365 | 7.46 | 4.812 | 7.0 | 4.023 |
| 197.3 | 1.061 | 5.694 | 3.698 | 5.378 | 3.073 |
| 102.4 | 0.5873 | 3.08 | 1.988 | 2.88 | 1.656 |
| 46.4 | 0.2726 | 1.419 | 0.841 | 1.324 | 0.759 |
| 22.8 | 0.1326 | 0.686 | 0.4162 | 0.64 | 0.368 |
| 10.6 | 0.0612 | 0.3142 | 0.1904 | 0.2929 | 0.1684 |
抵抗値–電圧グラフ
360 rpm の全データ
720 rpm の全データ
抵抗値–電力グラフ
φ6ネオジム磁石
φ10ネオジム磁石
φ16ネオジム磁石 ヨーク無し
φ16ネオジム磁石 ヨーク有り
φ19フェライト磁石
抵抗値–電力グラフ ヨークの有無による電力の比較
φ16ネオジム磁石 コア23㎜
φ16ネオジム磁石 コア60㎜
コア長さ23mm・360rpm・負荷46.4Ωでの発電結果
| 磁石の種類 | ヨーク | エアギャップ[mm] | 出力電圧[V] | 出力電力[W] |
|---|---|---|---|---|
| ネオジムφ10 | SS400 | 6.0 | 1.324 | 0.0378 |
| ネオジムφ16 | SS400 | 5.0 | 1.406 | 0.0426 |
| フェライトφ19 | SS400 | 2.0 | 0.789 | 0.0134 |
コア長さ60mm・360rpm・負荷46.4Ωでの発電結果
| 磁石の種類 | ヨーク | エアギャップ[mm] | 出力電圧[V] | 出力電力[W] |
|---|---|---|---|---|
| ネオジムφ10 | SS400 | 4.5 | 1.326 | 0.0379 |
| ネオジムφ16 | SS400 | 5.0 | 1.241 | 0.0332 |
| フェライトφ19 | SS400 | 2.0 | 0.694 | 0.0104 |
試作品の精度が悪くバラツキが有り、上記エアギャップはおおよその値です
磁石の種類による発電量の比較（コア23mm）
360rpm・46.4Ω負荷で測定した発電量を比較
磁石の種類による発電量の比較（コア60mm）
360rpm・46.4Ω負荷で測定した発電量を比較
参考
LEDの抵抗は不明ですが、扇風機の風のほうが高い電圧が発生しているので回転数は高いと思います
ネオジム磁石Φ16ｔ2.5 コア60㎜ SS400 LED20個で41.2V発生
AIによる推定回転数：1300～1500r.p.m.
ネオジム磁石Φ16ｔ2.5 コア60㎜ 無し LED15個で30.5V発生
AIによる推定回転数：1500～1700r.p.m.
ネオジム磁石Φ10ｔ3 コア23㎜ SS400 LED2個で3.01V発生
AIによる推定回転数：400～450r.p.m.
ネオジム磁石Φ6ｔ3 コア60㎜ SS400 LED2個で3.61V発生
AIによる推定回転数：900～1000r.p.m.
フェライト磁石Φ19ｔ3 SS400 LED5個で9.11V発生
AIによる推定回転数：400～450r.p.m.
ネオジム磁石Φ6ｔ3 コア60㎜ 砂鉄 LED5個で9.52V発生
AIによる推定回転数：1700～1800r.p.m.
ネオジム磁石Φ16ｔ2.5 コア60㎜ SS400 100V5W球で22.41V発生
大まかな構造
コイルと磁石の間のものがコギング抑制板です
フェライトロッドを砕いてエポキシ樹脂で固めたもの
磁石部
コイル、コギング抑制板
抵抗、LED、電球、手回し
考察
コギングが消えない理由
コギング抑制板の磁気容量が十分ではなく、磁石がコアに引き付
けられる力が完全には打ち消されていないため、わずかなコギン
グが残っています
磁石の大きさや磁力に応じて、抑制板の材質・厚み・断面積を最
適化すれば、さらにコギングを低減できると考えています
抵抗値ー電圧のグラフより
抵抗値と電圧はほぼ比例関係にあり、コアが磁気飽和している兆
候は見られません
一方で、ポリウレタン線の抵抗が大きいため、内部抵抗の影響は
無視できないと考えています
抵抗値ー電力のグラフより
コイルの巻き数は約 3.5 倍、回転数は約 2 倍の差がありますが、
内部抵抗や磁石の磁束密度の違いを考慮すると、電力が単純比例
しないのは自然な挙動です
また、コア長さ 60mm の場合でも、電圧の増加傾向から磁束の時
間変化は中央部まで十分に届いており、磁気飽和は起きていないと
判断しています
磁石によって磁束が届く距離は異なりますが、磁束が届く範囲で
コアを長くすれば、発電量の増加が期待できます
抵抗値ー電力 ヨークの有無より
抵抗値–電力グラフから、ヨークを付けることで電力が全体にほ
ぼ 2 倍に増加しており、磁束漏れを大幅に抑える効果が確認できま
した
磁束漏れが少ないため、金属ケースに収めても渦電流による損失
はほとんど発生しないと考えています
負荷46.4Ωでのエアーギャップのグラフより
今回の実験では、ネオジム φ10 磁石が最も大きな電力を得られ
ましたが、これは 「扇風機の風だけで自力回転できること」を最
優先にしたため、エアギャップを大きく取らざるを得なかったこ
とが影響しています
本来、エアギャップは小さいほど磁束の時間変化が大きくなり、
発電量は増えます。しかしギャップを小さくするとコギングが増
え、今回の条件では回転を開始できなくなります
また、φ16 磁石は φ10 より大きいにも関わらず発電量が少なか
ったのは、磁束の広がり方やヨークの磁気容量との相性により、
コアに届く磁束が十分でなかったためと考えています
コギング抑制板の厚みや断面積、コア形状を最適化すれば、コギ
ングをさらに低減し、エアギャップを小さくできる可能性があり
ます
ギャップを小さくできれば、同じ磁石でもより大きな磁束変化が
得られ、発電量の増加が期待できます
実用化に向けて
以上の実験結果と考察を踏まえると、実用化には以下の点を検討する必要があります
磁石・コギング抑制板・コア・ヨークの形状や容積を最適化し、
最も効率の良い組み合わせを検証する
試作品は精度が低くエアギャップのバラツキも大きいため、強度
と加工精度を向上させる
発電した電気は直接使用するより、DC-DC コンバータや FET によ
る負荷制御でバッテリーに充電し、その後出力するほうが効率的
垂直軸型では低回転で実用化するには大型化が必要
水平軸型で強力な磁石と大きなプロペラを組み合わせれば、現在
のコイルでも実現可能
フェライト磁石でも、全体を大型化すれば LED ライト程度の電源
として実用化可能
コギングを完全に無くすより、多少残してでも発電量を増やすほう
が有利な場合がある
ここまで一人で試作・検証を続けてきましたが、さらなる改良には精度の高い加工や追加の検証が必要だと感じています
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