以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。本実施形態例では、高トルクの電力を発電することができ、発電効率の高い発電システムを提供するために、特許文献2に記載の異差動速度連動体を利用して、複数の負荷用発電機の各トルクを、順次高トルクとし、異なるトルクが得られるように構成し、また、負荷トルクの低下発生を防いで供給電力不足を防止するように構成した。
まず、本発明で利用する特許文献2に記載の異差動速度連動体および発電システムの構成を説明する。
図1は特許文献2に記載の発明による発電装置を適用した発電システムのブロック図であり、図2は発電装置の要部構成図であり、図3は発電装置の一部の構成図である。図1において、1はA電動機であり、バッテリ6を電源とする直流電動機、例えば強力なトルクを出力する直巻き型直流モータにより構成される。
2はB電動機であり、交流電動機、例えば誘導モータ(汎用モータ)により構成される。
3は電動機駆動手段であり、バッテリ6からA電動機(直流電動機)1に印加する電圧を制御するスロットル制御装置(可変式直流電圧制御部)や、B電動機(交流電動機)2の周波数制御を行うインバータ等を備えている。このインバータの入力側は図示省略の開閉器を介して後述の電力変換・分配手段4の三相交流電源(200v)に接続され、出力側は前記B電動機2に接続されている。
10は、互いに協働するA連動体減速機10AおよびB連動体減速機10Bを備えた減速手段であり、A電動機1およびB電動機2のうち少なくとも一方の電動機の回転速度を減速し、高トルクの動力をA発電機11およびB発電機12に伝達する。
減速手段10は例えば図2のように構成され、後述する各種動作モードに応じて種々の高トルクの動力をA発電機11およびB発電機12に伝達できるようになっている。
A発電機11は例えば交流発電機から成り、B発電機12は例えばDCアウターロータ型補助発電機から成る。
4は、例えばパワーコンディショナ、電力配電盤を備え、A発電機11およびB発電機12の各発電電力を所望の交流電力に変換し、電動機駆動手段3、充電装置5および負荷7に分配する電力変換・分配手段である。
この電力変換・分配手段4は、A発電機11で発電された交流電力を一旦直流電力に変換してさらにそれを交流電力に変換したり、B発電機12で発電された直流電力を交流電力に変換する機能を有している。
5はバッテリ6を充電する充電装置であり、電力変換・分配手段4から供給された交流電力を直流電力に変換する整流器(順電力変換器)を備えている。
尚、A電動機1は直流電動機に限らず交流電動機で構成されてもよく、B電動機2は交流電動機に限らず直流電動機で構成されてもよい。
次に減速手段10の構成を図2〜図5とともに説明する。図2は、減速手段10を正面から見、減速手段10を構成する異差動速度連動体100とその周辺の要部を断面で図示したものであり、図3は異差動速度連動体100のみを図示したものであり、図4は異差動速度連動体100の斜視図、図5は減速機構の例を示した図である。
これらの図において、101は、内部に収納スペースを有し、外形が例えば図4のように直方体形状に構成された筐体(ケーシング)であり、筐体壁としての、天面板101T、底面板101B、左側面板101L、右側面板101R、正面板101F(図示省略)、背面板101Zを備えている。
前記左側面板101Lの中央部位(第1の部位)を穿設して第1の穴部102Lを形成し、その穴部102Lの外周の左側面板101Lを所定厚みで筐体外側に(左側面板101Lに直交する方向に)突出させて左側筐体回転軸部103L(第1の筐体回転軸部)を形成している。
尚、左側筐体回転軸部103Lの筐体外側突出距離は、後述する支持板202Lの厚みと左側筐体回転軸部プーリ300Lの軸方向厚みの合計の長さ以上とする。
前記右側面板101Rの中央部位(第2の部位)を穿設して第2の穴部102Rを形成し、その穴部102Rの外周の右側面板101Rを所定厚みで筐体外側に(右側面板101Rに直交する方向に)突出させて右側筐体回転軸部103R(第2の筐体回転軸部)を形成している。
尚、右側筐体回転軸部103Rの筐体外側突出距離は、後述する支持板202Rの厚みと右側筐体回転軸部プーリ300Rの軸方向厚みの合計の長さ以上とする。
前記天面板101Tの中央部位(第3の部位)には、該天面板101Tの筐体内部に対向する面から所定深さで円筒状に切り欠いて軸受け部104Tが設けられ、前記底面板101Bの中央部位(第4の部位)には、該底面板101Bの筐体内部に対向する面から所定深さで円筒状に切り欠いて軸受け部104Bが設けられている。
前記軸受け部104Tおよび104Bを結ぶ線(左側筐体回転軸部103Lと右側筐体回転軸部103Rを結ぶ筐体回転軸線に直交する線)と第1の穴部102Lとの間には、左サイドギヤ110L(第1の歯車)が回転可能に収納されている。この左サイドギヤ110Lは、その回転軸線と直交する面が第1の穴部102Lに対向し、回転中心部には後述するA電動機1の回転軸先端部をスプライン結合するためのスプライン嵌合穴111Lが設けられ、該スプライン嵌合穴111Lが第1の穴部102Lの直径範囲内となるように配設されている。
前記軸受け部104Tおよび104Bを結ぶ線(左側筐体回転軸部103Lと右側筐体回転軸部103Rを結ぶ筐体回転軸線に直交する線)と第2の穴部102Rとの間には、右サイドギヤ110R(第2の歯車)が回転可能に収納されている。この右サイドギヤ110Rは、その回転軸線と直交する面が第2の穴部102Rに対向し、回転中心部には後述すB電動機2の回転軸先端部をスプライン結合するためのスプライン嵌合穴111Rが設けられ、該スプライン嵌合穴111Rが第2の穴部102Rの直径範囲内となるように配設されている。
前記サイドギヤ110L,110Rは、例えば回転軸方向に直交する外周面の歯を回転軸線に対して斜めに刻んで螺旋状としたはすば歯車や、歯が刻まれる面を円錐面としたかさ歯車等を用いるが、図2、図3の例ではかさ歯車を用いた例を図示している。
左側筐体回転軸部103Lおよび右側筐体回転軸部103Rを結ぶ筐体回転軸線と前記軸受け部104Tとの間には、一方のピニオンギヤ120T(第3の歯車)が回転可能に収納されている。このピニオンギヤ120Tは、その回転軸線と直交する面が軸受け部104Tに対向し、回転中心部は軸受け部104Tの直径よりも若干大きい直径のシャフト挿入穴112Tが設けられ、該シャフト挿入穴112Tが軸受け部104Tの直径範囲内となるように配設され、回転軸方向に直交する外周面の歯が前記サイドギヤ110L,110Rの歯に噛合するように配設されている。
左側筐体回転軸部103Lおよび右側筐体回転軸部103Rを結ぶ筐体回転軸線と前記軸受け部104Bとの間には、他方のピニオンギヤ120B(第4の歯車)が回転可能に収納されている。このピニオンギヤ120Bは、その回転軸線と直交する面が軸受け部104Bに対向し、回転中心部は軸受け部104Bの直径よりも若干大きい直径のシャフト挿入穴112Bが設けられ、該シャフト挿入穴112Bが軸受け部104Bの直径範囲内となるように配設され、回転軸方向に直交する外周面の歯が前記サイドギヤ110L,110Rの歯に噛合するように配設されている。
前記シャフト挿入穴112Tおよび112Bにはピニオンシャフト(軸体)130が挿入され、その一方の先端は前記軸受け部104Tに収められて冠メタル留め固定され、その他方の先端は前記軸受け部104Bに収められて冠メタル留め固定されている。
前記ピニオンギヤ120Tのシャフト挿入穴112Tとピニオンシャフト130の間のスペースにはベアリング140Tが配設され、ピニオンギヤ120Bのシャフト挿入穴112Bとピニオンシャフト130の間のスペースにはベアリング140Bが配設されている。
尚、ピニオンギヤ120T,120Bは、本例では前記サイドギヤ110L,110Rと同様にかさ歯車で構成されている。
左サイドギヤ110Lのスプライン嵌合穴111Lには、スプライン加工が施されたA電動機1の回転軸1sの先端部(スプライン軸)が左側筐体回転軸部103Lを通して挿入されてスプライン結合されている。
また、右サイドギヤ110Rのスプライン嵌合穴111Rには、スプライン加工が施されたB電動機2の回転軸2sの先端部(スプライン軸)が右側筐体回転軸部103Rを通して挿入されてスプライン結合されている。
前記第1の穴部102L形成によりくり抜かれた左側面板101L側の面および左側筐体回転軸部103Lの内周面と、A電動機1の回転軸1sの外周面との間にはベアリング141Lが設けられている。
前記第2の穴部102R形成によりくり抜かれた右側面板101R側の面および右側筐体回転軸部103Rの内周面と、B電動機2の回転軸2sの外周面との間にはベアリング141Rが設けられている。
図3に示すように、異差動速度連動体100は、筐体101、左側、右側筐体回転軸部103L,103R、軸受け部104T,104B、左サイドギヤ110L、右サイドギヤ110R、ピニオンギヤ120T,120B、ピニオンシャフト130等を備えている。
上記のように構成された異差動速度連動体100は、例えば図2に示す支持体200によって回転自在に支持されている。すなわち、支持体200は、例えば水平方向に配設される支持台201と、異差動速度連動体100の横幅(天面板101T、底面板101Bの筐体回転軸線方向の一辺の長さ)以上の間隔で互いに対向して支持台201から立設された2枚の支持板202L,202Rとを備えている。
支持板202L,202Rの各上端から所定距離下降した部位には、左側、右側筐体回転軸部103L,103Rの直径よりも若干大きい直径の穴部203L,203Rが各々設けられている。
内部にA、B電動機の回転軸1s、2sが各々挿入された左側、右側筐体回転軸部103L,103Rは、前記穴部203L,203Rに各々挿入されている。
前記穴部203L形成によりくり抜かれた支持板202L側の面と左側筐体回転軸部103Lの外周面との間にはベアリング142Lが設けられている。
前記穴部203R形成によりくり抜かれた支持板202R側の面と右側筐体回転軸部103Rの外周面との間にはベアリング142Rが設けられている。
左側筐体回転軸部103Lの端部、すなわち穴部203Lを通して左側に突出した部位の外周には、左側筐体回転軸部プーリ300L(動力伝達部材)が結合されている(例えばキー溝接合により結合されている)。
右側筐体回転軸部103Rの端部、すなわち穴部203Rを通して右側に突出した部位の外周には、右側筐体回転軸部プーリ300R(動力伝達部材)が結合されている(例えばキー溝接合により結合されている)。
左側筐体回転軸部プーリ300Lの径方向線上に所定距離隔てた部位には、A発電機軸プーリ310L(動力受け部材)が回転自在に配設され、これらプーリ300Lおよび310Lの外周にはタイミングベルト320Lが掛け廻されている(図5(a))。A発電機軸プーリ310Lの回転中心にはA発電機11の回転軸11sが例えばスプライン結合により結合されている。
右側筐体回転軸部プーリ300Rの径方向線上に所定距離隔てた部位には、B発電機軸プーリ310R(動力受け部材)が回転自在に配設され、これらプーリ300Rおよび310Rの外周にはタイミングベルト320Rが掛け廻されている(図5(a))。B発電機軸プーリ310Rの回転中心にはB発電機12の回転軸12sが例えばスプライン結合により結合されている。
左側筐体回転軸部プーリ300LとA電動機1の間に位置する回転軸1sの外周には電磁ブレーキ400Lが配設され、右側筐体回転軸部プーリ300RとB電動機2の間に位置する回転軸2sの外周には電磁ブレーキ400Rが配設されている。
前記A電動機1、B電動機2、A発電機11、B発電機12は図示省略の保持手段(例えば固定台や支持台等)によって各々支持および保持されている。
尚、前記動力伝達部材は、左側、右側筐体回転軸部プーリ300L,300Rおよびタイミングベルト320L,320Rに代えて、左側、右側筐体回転軸部103L,103Rの各外周に取り付けた動力伝達側ギヤ(例えば図5(b)のギヤ350L(R))を用い、前記動力受け部材は、A,B発電機軸プーリ310L,310Rに代えて、前記動力伝達側ギヤ(350L(R))の歯と噛合する動力受け側ギヤ(例えば図5(b)のギヤ360L(R))を用いて構成してもよい。
前記筐体101の天面板101Tとピニオンギヤ120Tの間、底面板101Bとピニオンギヤ120Bの間、左側面板101Lと左サイドギヤ110Lの間、右側面板101Rと右サイドギヤ110Rの間は、各々若干のクリアランスを持たせ、前記各ギヤのスムーズな回転が行えるように構成している。
筐体101の内部には潤滑油が注入されるが、本例ではピニオンシャフト130の先端部分を軸受け部104T,104Bに挿入し冠メタル留め固定しているので、左側、右側筐体回転軸部103L,103Rを軸として筐体101が例えば高速に回転しても、潤滑油が筐体101の外部に漏れ出すことはない。
尚、筐体101の底面板101Bの、例えば両側2箇所には開閉可能なドレインコック150a,150bが設けられ、ここを介して潤滑油の交換を行う。
前記ベアリング140T,140Bは、前記ピニオンギヤ120T,120Bの回転を滑らかとし、該ギヤ120T,120Bとピニオンシャフト130の磨耗を防ぐ。
前記ベアリング141L,141Rは、前記回転軸1s、2sの回転を滑らかとし、該回転軸1s、2sと左側、右側筐体回転軸部103L,103Rの各内周の磨耗を防ぐ。
前記ベアリング142L,142Rは、前記筐体101の回転を滑らかとし、左側、右側筐体回転軸部103L,103Rの各外周と前記支持板202L,202Rの磨耗を防ぐ。
上記のように構成された減速手段10において、図2、図3の異差動速度連動体100は、後述する第2の動作モードにて、A電動機1又はB電動機2のいずれかの回転速度を1/2に減速し2倍のトルクの動力を左側、右側筐体回転軸部103L,103Rに出力する。
また、後述する異差動速度連動体100の他の動作モードにおいても、A電動機1、B電動機2の回転速度を減速させる動作が行われ、それに応じた高トルクの動力が出力される。
また、この異差動速度連動体100の動作に基づく高トルク取得動作に加えて、さらに動力伝達部材(左側、右側筐体回転軸部プーリ300L,300Rおよびタイミングベルト320L,320R)と動力受け部材(A、B発電機軸プーリ310L,310R)の回転数比による高トルク取得動作が行われる。
すなわち、左側筐体回転軸部103L側であれば、左側筐体回転軸部プーリ300LとA発電機軸プーリ310Lの回転数比が例えば3対1になるように両プーリの直径を設定しておく。
これによって、左側筐体回転軸部プーリ300Lが3回転する毎にA発電機軸プーリ310Lが1回転して回転数は1/3に減速され、その逆数倍のトルクが得られる。
したがって、前記異差動速度連動体100が2倍トルクを出力した場合は、合力された2+3=5倍のトルクの動力がA発電機11に伝達される。
また、右側筐体回転軸部プーリ300RとB発電機軸プーリ310Rの回転数比を、前記と異なる例えば4対1になるように両プーリの直径を設定しておけば、前記と同様の合力動作で2+4=6倍のトルクの動力がB発電機12に伝達される。
尚、前記動力伝達部材および動力受け部材を各々ギヤ(例えば図5(b)のギヤ350L,350R,360L,360R)で構成する場合は、両ギヤの回転数比が例えば3対1であれば各々のギヤ歯数の比(又はピッチ円径(歯車の噛み合う位置から中心までの距離の2倍)の比)を1対3に構成するものである。
減速手段10は図2のように構成されるため、図1のA連動体減速機10Aは、本例では異差動速度連動体100と、左側筐体回転軸部プーリ300L、タイミングベルト320L、A発電機軸プーリ310Lとを含み、図1のB連動体減速機10Bは、本例では異差動速度連動体100と、右側筐体回転軸部プーリ300R、タイミングベルト320R、B発電機軸プーリ310Rとを含んでいる。
次に、減速手段10の具体的動作を図2〜図9とともに説明する。図6〜図9において、図2、図3と同一部分は同一符号をもって示している。図7(a),(b)および図8(b)、(c)は筐体101内の要部のみを模式的に図示している。
まず、第1の動作モードとして、A、B電動機1、2を、各々が同一回転軸線上で同一回転方向となるように回転駆動させる。すなわち、A、B電動機1、2は同一回転軸線上で対向配設されているため、A、B電動機1、2を各々互いに逆回転させる。
例えば図6において、A電動機1であればスプライン結合された回転軸端部からA電動機1の本体側を見て右回転(CW)、B電動機2であればスプライン結合された回転軸端部からB電動機2の本体側をみて左回転(CCW)させる。
すると図6のように、左サイドギヤ110Lがピニオンギヤ120T,120Bを回転させようとする回転方向と、右サイドギヤ110Rがピニオンギヤ120T,120Bを回転させようとする回転方向は互いに逆となる(図示破線の矢印)。
このため、ピニオンギヤ120T,120Bは回転せず、左、右サイドギヤ110L,110Rとピニオンギヤ120T,120Bの噛み合い位置が変わらない状態で左、右サイドギヤ110L,110Rが図示実線の矢印方向に回転し、その回転駆動力はともにピニオンギヤ120T,120Bとピニオンシャフト130を介して筐体101に伝達され、筐体101を図示実線の矢印方向に回転させる力として作用する。
すなわち図7(a)に示すように、左、右サイドギヤ110L,110Rとピニオンギヤ120T,120Bの噛み合わせがロックされた(SLa,SLbは左サイドギヤ110Lの外周面上の位置を表し、ピニオンギヤ120Tであればピニオンギヤ120Tの外周面上の位置P1aとSLaが噛み合っている)状態で左、右サイドギヤ110L,110Rの回転力がピニオンギヤ120T,120Bおよびピニオンシャフト130を介してシャフト先端のメタル留め部に作用するため、回転軸1s、2sとともに筐体101も回転する。
この回転中、サイドギヤ110L,110Rとピニオンギヤ120T,120Bの噛み合わせがロック状態であるため、位置SLaとP1aの位置関係は、図7(a)から半回転した図を示す図7(b)のように変わらない。そしてこのときのA,B電動機1,2の回転軸1s,2s(左、右サイドギヤ110L,110R)の回転数と筐体101の回転数(左側、右側筐体回転軸部103L,103Rの回転数)の比(異差動速度連動体100による減速比)は1対1である。
そして、A,B電動機1,2の回転数と等しい回転数の筐体101の回転動力は、左側、右側筐体回転軸部プーリ300L,300R、タイミングベルト320L,320RおよびA,B発電機軸プーリ310L,310Rを介してA,B発電機11,12の回転軸11s、12sに伝達され、これによってA,B発電機11,12は前記プーリ300L,300Rとプーリ310L,310Rの回転数比で決まるトルクの動力で発電を行う。
例えば左側筐体回転軸部プーリ300LとA発電機軸プーリ310Lの回転数比が3対1であれば、1/3減速により3倍のトルクがA発電機11側に伝達され、右側筐体回転軸部プーリ300RとB発電機軸プーリ310Rの回転数比が4対1であれば、1/4減速により4倍のトルクがB発電機12側に伝達される。
次に第2の動作モードとして、例えばA電動機1を電磁ブレーキ400Lによって停止させ(ロックしておき)、B電動機2を、スプライン結合された回転軸端部からB電動機2の本体側を見て例えば図8のように右回転(CW)させる。
すると、B電動機2の回転軸2s(右サイドギヤ110R)の回転力はピニオンギヤ120T,120Bを回転させる力と、筐体101を回転させる力として作用する。
このとき、前記図7で述べた第1の動作モードの場合のようにピニオンギヤ120T,120Bと左サイドギヤ110Lの噛み合いがロックされることはなく、図8(b)、(c)のように、回転停止している左サイドギヤ110Lの歯車上をピニオンギヤ120T,120Bが回転しながら移動(筐体101の回転方向に沿って移動)していく。
このため、回転軸2sの回転数と筐体101の回転数は、前記第1の動作モードの場合のように1対1の関係にはならず、図8(b)の状態(ピニオンギヤ120Tが上にある状態(図8(a)の筐体101の天面板101Tが上、底面板101Bが下の状態)から回転軸2sが1回転しても、筐体101は1回転とはならず半回転となり、図8(c)のようにピニオンギヤ120Tが下にある状態(図8(a)の筐体101の天面板101Tが下、底面板101Bが上の状態)となる。
そして次の回転軸2sの1回転(合計2回転)で筐体101が1回転する(図8(b)の状態となる)。
このように、左サイドギヤ110Lが回転停止しているためA電動機1側から筐体101を回転させる力は作用せず、筐体101に作用する力は、前記第1の動作モードのようにA,B両方の電動機1,2を回転駆動させた場合と比べて半分となる。このためB電動機(右サイドギヤ110R)の回転数と筐体101の回転数の比は2対1となり、異差動速度連動体100により1/2減速が行われ、その結果2倍のトルクがA,B発電機11,12側に伝達される。
このように、例えば電動機の始動時に大電流を流さなくても2倍のトルクの動力が発電機側に伝達されるため、過電流が抑制されて電動機にかかる負荷が軽減される。
さらに、左側筐体回転軸部プーリ300LとA発電機軸プーリ310Lの回転数比が3対1であれば、その1/3減速による3倍のトルクと前記異差動速度連動体100による2倍トルクが合力されて5倍の高トルクの動力がA発電機11側に伝達される。
また、右側筐体回転軸部プーリ300RとB発電機軸プーリ310Rの回転数比が4対1であれば、その1/4減速による4倍のトルクと前記異差動速度連動体100による2倍トルクが合力されて6倍の高トルクの動力がB発電機12側に伝達される。
次に第3の動作モードとして、A,B電動機1,2を、各々が同一回転軸線上で異なる回転方向となるように回転駆動させる。すなわち、A,B電動機1,2は同一回転軸線上で対向配設されているため、図9のように、A電動機1を、スプライン結合された回転軸端部からA電動機1の本体側を見て右回転(CW)させ、B電動機2を、スプライン結合された回転軸端部からB電動機2の本体側を見て右回転(CW)させる。
すると、左サイドギヤ110Lがピニオンギヤ120T,120Bを回転させようとする回転方向と右サイドギヤ110Rがピニオンギヤ120T,120Bを回転させようとする回転方向が同一となるため、これら4つのギヤ110L,120T,110R,120Bは図示矢印方向にすべて回転する。
すなわち、筐体101の中心部から各ギヤを見て、左サイドギヤ110Lは右回り、ピニオンギヤ120Tは左回り、右サイドギヤ110Rは右回り、ピニオンギヤ120Bは左回りとなる。これによって、A,B電動機1,2(回転軸1s、2s)からの回転トルクは互いに打ち消されて筐体101には伝達されず、回転軸1s、2sおよび前記各ギヤが回転するだけで筐体101は回転しない。
次に、減速手段10の他の動作モードを説明する。電動機の始動時に前記第2の動作モードを実行し、例えばA電動機1を電磁ブレーキ400Lのロックによって停止状態とし、B電動機2を、スプライン結合された回転軸端部からB電動機2の本体側を見て左回転(CCW)させて、異差動速度連動体100の動作に基づく1/2減速による2倍トルクを得る。
この場合、例えば左側筐体回転軸部プーリ300LおよびA発電機プーリ310Lの回転数比が4対1、右側筐体回転軸部プーリ300RおよびB発電機プーリ310Rの回転数比が3対1であるとすると、A発電機11側には2倍+4倍=6倍トルクが得られ、B発電機12側には2倍+3倍=5倍トルクが得られる。
この後に電磁ブレーキ400Lのロックを解除してA電動機1を、例えば前記第1の動作モードと同様に同一回転軸線上でB電動機2の回転方向と同一の方向に(図6に示すように、スプライン結合された回転軸部からA電動機1の本体側を見て右回転(CW)方向に)回転駆動させる。
すると、左サイドギヤ110Lが停止から回転状態となり、B電動機2の回転力のみならずA電動機1の回転力が異差動速度連動体100に加わり、前記第2の動作モードで得ていた1/2減速作用を弱めて、筐体101の回転を速めるように作用する。
このため、A電動機1の回転速度をB電動機2の回転速度になるまで増速している期間において、異差動速度連動体100における減速比(B電動機2(軸)の回転速度と、筐体101、すなわち左側、右側筐体回転軸部103L,103Rの回転速度との比)が前記1/2よりも小さくなって、1/1.8→1/1.5→1/1.2のように推移する。これにともなって、A発電機11側には1.8+4=5.8倍→1.5+4=5.5倍→1.2+4=5.2倍のトルクが得られ、B発電機12側には1.8+3=4.8倍→1.5+3=4.5倍→1.2+3=4.2倍のトルクが得られる。
そしてA電動機1の回転速度がB電動機2の回転速度に到達したら、前記第1の動作モード(図6、図7)と同様に、左、右サイドギヤ110L,110Rとピニオンギヤ120T,120Bの噛み合い位置が変わらない状態で左、右サイドギヤ110L,110Rと筐体101のみが回転し、異差動速度連動体100における減速比が1対1となり、AおよびB電動機1,2の回転数と異差動速度連動体100(筐体101)の回転数が同一となる。
したがってこの時点で、減速は左側、右側筐体回転軸部プーリ300L,300RとA,B発電機軸プーリ310L,310Rの回転数比のみで決まり、A発電機11側には4倍トルクの動力が得られ、B発電機12側には3倍トルクの動力が得られる。
尚、前記第2の動作モード実行後に、回転停止していたA電動機1を前記第3の動作モード(図9)のように、スプライン結合された回転軸端部からA電動機1の本体側を見て右回転(CW)させる動作モードは、A,B電動機1,2側の回転トルクが互いに打ち消し合う方向となって筐体101を回転させないように作用するので、原則として実行しない。
次に、A、B電動機1、2のうち少なくともいずれか一方の電動機を交流電動機で構成し、その交流電動機は電動機駆動手段3の例えば高効率インバータによって駆動制御し、A、B電動機1、2を、所望の回転周波数以上の回転速度となるように第1の動作モードで回転駆動させた後に、A、B電動機1、2のうちいずれか一方を回転停止させるモード(第1の制御)について説明する。
ここでは、図1に示すようにA電動機1を直流電動機とし、B電動機2を交流電動機とした場合について説明する。
まず、図6のように、各電動機1、2が同一回転軸線上で同一回転方向となるように、所望の回転周波数以上で制御を行う。すなわち、A電動機1(直流電動機)に対しては、電動機駆動手段3の可変式直流電圧制御部によって所望回転数以上となるように直流電圧を制御し、B電動機2(交流電動機)に対しては、電動機駆動手段3のインバータによって所望回転数以上となるように周波数制御を行う。
この場合、回転軸1s、2sの回転数と筐体101(すなわちその回転軸部103L,103Rに結合されている左側、右側筐体回転軸部プーリ300L,300R)の回転数は同一であり、減速は、前記プーリ300L,300RとA、B発電機軸プーリ310L,310Rの回転数比のみで決まり、各電動機1、2の動力の負担は軽い。
そしてこの時点では、A発電機11側には4倍トルク(前記プーリ300Lと310Lの直径比は1対4とする)の動力が得られ、B発電機12側には3倍トルク(前記プーリ300Rと310Rの直径比は1対3とする)の動力が得られる。
そしてこの後に、前記インバータの回転制御周波数は下げずにB電動機2へのインバータ制御を続行し、A電動機1(直流電動機)のみを回転停止とする(A電動機1への直流電圧供給を断つ)。すると、A電動機1の回転を停止させた直後、回転軸1sは惰性により回転速度を落としながら回転し続けるが、回転軸1sから筐体101へのトルクは作用しないため、筐体101の回転速度はB電動機2の回転軸2sの回転速度よりも減速していく。
そして例えば電磁ブレーキ400Lをロックさせても支障のない回転数まで回転軸1sの回転が減速した時点で、電磁ブレーキ400Lをロックさせて回転軸1sを固定させると、前記図8で述べた第2の動作モードの状態となる。したがってこの時点で、筐体101の回転はB電動機2(回転軸2s)の回転に対して1/2に減速され、それによる2倍トルクと、A発電機11側では4倍トルクが合力されて6倍トルクの動力が得られ、B発電機12側では3倍トルクが合力されて5倍トルクの動力が得られる。
上記のように、電動機を所望の回転周波数以上の回転速度となるように回転駆動させ、インバータ制御による電動機の減速は行わず、異差動速度連動体100により減速を行う動作モードによれば、充分な回転速度を確保することができ、且つ動力の負担率を軽減することができる。
上記の異差動速度連動体を用いずに、インバータ制御により電動機の回転速度を減速させると電動機の回転不足が生じてトルクも下るが、前記第1の制御を実施することにより、所望の回転数が確保され、動力の負担率を軽減し高効率な発電装置が得られる。
また、前記A電動機1、B電動機1のうち一方の電動機を停止しておき他方の電動機を回転駆動させる第2の動作モードを実行する場合、他方の電動機の回転速度が目的とする回転速度に到達するまでの期間は、異差動速度連動体に基づく2倍トルクと、動力伝達部材と動力受け部材の回転数比に基づくトルクとの合力により、高トルクの動力が得られるが、減速により回転数が不足する懸念がある。
しかし前記第1の制御を実施することにより、回転数不足を補いつつ高トルクを得ることができる。
図10は本実施例1の基本構成の一例を示す構成図である。図10において、501はバッテリ充電装置502の直流電力がバッテリ制御ユニット503の制御によって充電されるバッテリである。
バッテリ501に蓄積された直流電力はスイッチ504を介して直流電動機505に駆動電力として供給される。直流電動機505の電動機軸の端部はクラッチ(電磁クラッチ)506の一端に結合され、一端がクラッチ506の他端に結合されたクラッチ軸516の他端は、回転方向変換歯車装置520の平歯車521の回転中心に結合されている。
平歯車521は平歯車522に噛合しており、平歯車522の回転中心には平歯車軸525の一端が結合され、平歯車軸525の他端は、異差動速度連動体100の筐体101内の左サイドギヤ110Lの回転中心に結合されている。
左側筐体回転軸部103Lの端部外周には図2の場合と同様にプーリ533が結合され、該プーリ533の径方向線上に所定距離隔ててプーリ535が回転自在に配設され、これらプーリ533および535の各外周にはタイミングベルト534が掛け廻されている。
プーリ535の回転中心にはクラッチ軸518の一端が結合され、クラッチ軸518の他端はクラッチ(電磁クラッチ)508の一端に結合され、クラッチ508の他端には発電機531(G1)の発電機軸の端部が結合されている。
筐体101の回転力がプーリ533、タイミングベルト534、プーリ535およびクラッチ508を介して発電機531の発電機軸に伝達されることによって発電機531が回転駆動され、その交流出力電力は電源制御ユニット541、インバータ制御ユニット550、スイッチ551およびインバータ561を介して所定の電圧、周波数に制御されて交流電動機511に供給される。
交流電動機511の電動機軸の端部はクラッチ(電磁クラッチ)507の一端に結合され、一端がクラッチ507の他端に結合されたクラッチ軸517の他端は、回転方向変換歯車装置520の平歯車523の回転中心に結合されている。平歯車523は平歯車522に噛合している。
また発電機531の交流出力電力は、電源制御ユニット541、インバータ制御ユニット550、スイッチ552およびインバータ562によって所定の電圧、周波数に制御されて交流電動機512に供給される。交流電動機512の電動機軸512sの端部は筐体101内の右サイドギヤ110Rの回転中心に結合されている。
尚、前記インバータ561、562は、交流電力を直流電力に変換する順変換部、および直流電力を交流電力に変換する逆変換部を各々備えて構成されている。
右側筐体回転軸部103Rの端部外周には図2の場合と同様にプーリ536が結合され、該プーリ536の径方向線上に所定距離隔ててプーリ538が回転自在に配設され、これらプーリ536および538の各外周にはタイミングベルト537が掛け廻されている。
プーリ538の回転中心にはクラッチ軸519の一端が結合され、クラッチ軸519の他端はクラッチ(電磁クラッチ)509の一端に結合され、クラッチ509の他端には発電機532(G2)の発電機軸の端部が結合されている。
筐体101の回転力がプーリ536、タイミングベルト537、プーリ538およびクラッチ509を介して発電機532の発電機軸に伝達されることによって発電機532が回転駆動され、その交流出力電力は電源制御ユニット542、スイッチ553および負荷電源用制御ユニット570を介して所定の電圧、周波数に制御されて負荷575に供給される。
526は平歯車軸525(筐体101の左側入力軸)に設けられたブレーキ、527は交流電動機512の電動機軸512s(筐体101の右側入力軸)に設けられたブレーキである。
581は、前記各電動機505、511、512の回転速度を検出する回転センサ(エンコーダ等)、各電動機505、511、512および発電機531、532の、温度を検出する温度センサ、音を検出する音センサ等を備え、各電動機、発電機の各種制御を行う制御ユニットである。
前記発電機および電動機の回転にともない、モータ内に巻かれているコイルや鉄片の損失があり、それらの損失はすべて熱になり温度が上がる。
また、軸受けベアリングの損傷が起き異常な回転運動を続けると、騒音や温度上昇が起きるだけでなく振動も大きくなる。
このため、前記制御ユニット581の温度センサ、音センサは、軸受ベアリングに伝導される熱(温度)と、それに伴う騒音の変化等を感知するセンサとして動作し、メンテナンス管理を強化することができる。
582は、制御ユニット581からの指令に基づいて、スロットル調整を行って直流電動機505の回転速度を制御するスロットル制御部である。
583は、各クラッチ506〜509(電磁クラッチ)の結合⇔切り離し(接続⇔遮断)を制御するクラッチ制御ユニットである。
尚、前記平歯車521〜523の各歯数はすべて例えば24歯で構成されている。
また、前記バッテリ制御ユニット503は、バルク充電方式、吸収充電方式を採用しクイック充電としてバッテリ501の充電補充を行う(充電速度は例えば20分で充電率75%の速さとなる)。また、フロート充電等の方式によって、バッテリ充電装置502の電力をバッテリ501に充電する制御を行う。
前記電源制御ユニット541は、発電機531の発電電力が導入されるトランスを備え、該トランスの、例えば交流出力電圧200V三相出力端子、200V単相の出力端子、交流100V三相出力端子を介してインバータ制御ユニット550へ電力を出力する。
前記電源制御ユニット542は、発電機532の発電電力が導入されるトランスを備え、該トランスの、例えば交流出力電圧200V三相出力端子、200V単相の出力端子、交流100V三相出力端子を介して負荷電源用制御ユニット570側へ電力を出力する。
前記インバータ制御ユニット550は、インバータ561、562の出力が一定電圧(例えば三相200V)で所望の周波数となるように制御を行う。
前記負荷電源用制御ユニット570は、電源制御ユニット542からの電力を負荷575に供給し、発電機システムの仕様に従い、使用者の負荷条件(使用する需要機器類の種類)に対して使用する消費電力の許容範囲内で発電機システムの安全運転を行う制御を担っている。
上記のように構成された装置において、初期状態として、バッテリ501には直流電力が充電されているものとする。
まず、装置の始動時には、クラッチ制御ユニット583がクラッチ506、508を結合状態とし、クラッチ507、509を切り離し状態とし、交流電動機512の電動機軸512sに設けられたブレーキ527をロック状態とし、平歯車軸525に設けられたブレーキ526を解放状態とし、スイッチ504、551をオンとし、スイッチ552、553をオフとする。
すると直流電動機505が始動し、そのときの電動機軸の回転方向は、電動機本体側から見て例えば右回転(CW)とする。このため、クラッチ506およびクラッチ軸516を介して回転される平歯車521も右回転となり、これに噛合する平歯車522の回転方向は平歯車軸525側を見て左回転(CCW)となる。
直流電動機505はスロットル制御部582により、設定した回転速度になるよう制御され、それにともなって、平歯車軸525に結合された筐体101内の左サイドギヤ110Lが、平歯車軸525から左サイドギヤ110L側を見て左回転する。
その際、交流電動機512の電動機軸512sに設けられたブレーキ527がロックされているため右サイドギヤ110Rは回転せず、図8で述べた第2の動作モードとなって筐体101は平歯車軸525の回転速度(=直流電動機505の回転速度)の1/2の回転速度で回転する(トルクは2倍)。
筐体101の回転力は左側筐体回転軸部103Lの外周に設けられたプーリ533から、タイミングベルト534、プーリ535、クラッチ軸518およびクラッチ508を介して発電機531の発電機軸に伝達される。
このとき、発電機531に伝達されるトルクは、筐体101の回転による2倍トルク、プーリ533およびプーリ535の径比で決まる減速比の逆数のトルクとの合計となる。
これによって、発電機531が回転駆動し交流電力(例えば3相200V)を出力する。
交流電動機511は、発電機531の交流電力をインバータ561によって変換した交流電力により駆動されるが、クラッチ507が切り離されているため空転状態で駆動待機する。
尚、交流電動機511の電動機軸の回転方向(すなわちクラッチ軸517および平歯車523の回転方向)は、交流電動機511の本体側から見て右回転となるように駆動制御している。
次に、直流電動機505の回転速度と交流電動機511の回転速度が「同期速度」に到達したら(図示省略の回転センサが前記電動機505と511の回転速度の同期を検知したら)、クラッチ制御ユニット583がクラッチ506を切り離すと同時にクラッチ507を結合させる。
この際、平歯車軸525の回転駆動力は逆起電力を生じることなくスムーズに直流電動機505から交流電動機511側に切り換えられる。
次にクラッチ509を結合させ、ブレーキ527を解放し、スイッチ552をオン制御してインバータ562の出力電力を交流電動機512に供給する。この際、交流電動機512の電動機軸512sと平歯車軸525が、同一回転軸線上で同一回転方向となるように回転駆動させる(すなわち交流電動機512の電動機軸512sを、電動機本体から筐体101側を見て右回転させる)。
そして、電動機軸512s(右サイドギヤ110R)の回転速度が平歯車軸525(左サイドギヤ110L)の回転速度と同一になると、図6、図7で述べた第1の動作モードとなって、筐体101の回転トルクは、平歯車軸525(左サイドギヤ110L)の回転トルクと交流電動機512の電動機軸512s(右サイドギヤ110R)の回転トルクが合力されたトルクとなる。
筐体101の回転力は右側筐体回転軸部103Rの外周に設けられたプーリ536から、タイミングベルト537、プーリ538、クラッチ軸519およびクラッチ509を介して発電機532の発電機軸に伝達される。これによって、発電機532が回転駆動し交流電力(例えば三相200V)を出力する。
このとき、発電機532に伝達されるトルクは、平歯車軸525(左サイドギヤ110L)の回転トルクと交流電動機512の電動機軸512s(右サイドギヤ110R)の回転トルクが合力されたトルクと、プーリ536および538の径比で決まる減速比の逆数のトルクとの合計である。
そしてスイッチ553をオン制御することにより、発電機532の出力電力は、電源制御ユニット542および負荷電源用制御ユニット570を介して所定電圧、周波数に制御されて負荷575に供給される。
図10の構成によれば、異差動速度連動体100の筐体101を、バッテリ駆動による直流電動機505の始動により回転させ、その後前記筐体101の回転力を駆動源とする発電機531の出力電力を、筐体101の回転継続のための交流電動機511、512の駆動電源となるように、電力を循環させているので、筐体101を回転始動させるためのバッテリ駆動による直流電力を切り離した後は、負荷への電力供給により筐体101の回転力が落ちて負荷への電力供給不足が生じるまでの時間、運転は継続され、装置の動作を継続させるための専用の駆動電源(別電源)は必要としない。
しかも、運転継続中は異差動速度連動体100特有の動作により、高トルクの出力が得られる。
ここで、図10の電力循環型の発電装置における運転継続時間(装置の出力容量(発電機532の出力容量)と負荷575の容量の関係で決まる継続時間)を図16のグラフとともに説明する。
図16は、図10の装置を、前述した運転時の動作説明のように運転を実施したときの発電機出力容量、負荷容量と経過時間の関係を示し、その実施条件は次のとおりである。
(1)発電機532の容量…7KVA(力率1)
(2)交流電動機511、512の仕様…誘導電動モータ(IM)、出力容量1.5KW、6極
(3)負荷575の容量、消費電力…負荷抵抗として1相に900W(例えば90W用白熱電球×10個)×3相=2.7KW
(4)インバータ562は電圧一定、周波数変調として用いた。
(5)プーリ536およびプーリ538の径比で決まる減速比…1/3(トルクは逆数の3倍)。
図16において(ア)領域は、発電機532の容量7KVA(力率1)と力率+効率を0.9としたときの容量6.3KWとの間の領域を示している。
(イ)領域は、交流電動機512(511)の発生温度が40℃〜50℃時点の定格(負荷電流の変動率10%を見込む)であり、負荷容量最大値が5.6KWである始動から2時間以内の領域を示している。
(ウ)領域は、負荷容量4.5KWで継続運転できる、2時間経過後の領域(継続運転領域)を示している。
図16に示すように、発電機532の出力容量(有効電力)、例えば三相三線「R・S・T」の電力に対して、負荷575の負荷容量(有効消費電力)との割合を的確に運転制御が維持できる範囲(発電機の定格出力許容量以内)を超えない運行及び発電機システムの正常運転(各部材等の不具合且つ不都合となる故障原因が生じない運転)において、時間制限を受けず継続的に発電機システムの駆動が維持できる。
また図17に、前記図10の装置の運転実施時の交流電動機512の回転速度とモータトルクの関係を示す。図17において、図10の負荷575が増加すると回転速度が落ち、負荷とモータのトルク(TP)が釣り合った点Pで回転する。
さらに負荷が増加してM点に至ると、交流電動機512はこれ以上のトルクを発生できず、R点に至って停止する。
本発明では、基本的に、図17の図示安定領域で運転を行うものである。
尚、図17の安定領域における交流電動機512(511)の極数2P〜48Pと、回転数(回転速度)(rpm)、トルク(N.m)の関係を図18に示す。
また、図10の装置の変形例として、発電機531とバッテリ制御ユニット503の間に交流電力を直流電力に変換するコンバータを設け、発電機531の発電出力を直流に変換してバッテリ501に蓄積するように構成してもよい。このように構成することによって、装置の運転を定期的に行っている限り直流電動機505の駆動用の電源を常時バッテリ501に確保しておくことができる。
このため、発電機531の出力をバッテリ501に蓄積しない構成に比べて、運転継続時間を延ばすことができる。
尚、図10の発電機531は、後述する図13の、発電装置を多段に接続した発電システムにおける電動機駆動用発電機として用いられ、図10の発電機532は、図13における負荷用発電機として用いられる。
次に、本実施例1の基本構成の他の例を示す図11を説明する。図11において、図10と同一部分は同一符号をもって示している。631は、発電機軸631Bを、発電機筐体(本体)631Aの両端に突出して配設した発電機である。発電機軸左側端631BLはクラッチ(電磁クラッチ)608の一端に結合され、発電機軸右側端631BRはクラッチ(電磁クラッチ)609の一端に結合されている。
発電機631の回転により発生する交流電力(例えば3相出力、200V)は、電源制御ユニット641にて2相、100V電力に変換され、AC−DCコンバータ610に送られて直流電力となり、さらにバッテリ制御ユニット503および充電装置502を介してバッテリ501に蓄電される。
505は、バッテリ501の電力により駆動され、スロットル制御部582により回転速度制御される直流電動機であり、その電動機軸は前記クラッチ609の他端に結合されている。
また電動機631の出力電力は電源制御ユニット641、スイッチ551、インバータ制御ユニット550およびインバータ561を介して所定電圧、周波数に制御されて、交流電動機511に駆動電力として供給される。
交流電動機511の電動機軸は、異差動速度連動体100の筐体101内の左サイドギヤ110Lの回転中心に結合されている。
筐体101の右サイドギヤ110Rの回転中心には軸605の一端が結合され、該軸605の他端にはブレーキ(例えば電磁ブレーキ)626が設けられている。
筐体101の右側筐体回転軸部103Rの端部の外周には、回転方向変換歯車装置620の平歯車621が結合されている。
平歯車621は平歯車622に噛合しており、平歯車622の回転中心には平歯車軸625の一端が結合され、平歯車軸625の他端は前記クラッチ608の他端に結合されている。
683は、各クラッチ608、609(電磁クラッチ)の結合⇔切り離し(接続⇔遮断)を制御するクラッチ制御ユニットである。
尚、前記平歯車621、622の各歯数はともに例えば24歯で構成されている。
上記のように構成された装置において、初期状態として、バッテリ501には直流電力が充電されているものとする。
まず装置の始動時には、ブレーキ626をロック状態とし、クラッチ608を切り離した状態とし、クラッチ609を結合状態とし、スイッチ551をオンとする。
直流電動機505はバッテリ501の直流電力により始動し、そのときの電動機軸の回転方向は、電動機本体側からクラッチ609を見て例えば右回転(CW)とする。
これによって発電機631の発電機軸631Bが回転駆動し、発電機631の出力電力を所定電圧、周波数に制御した電力が交流電動機511に供給され、該交流電動機511が駆動される。
また、発電機631の出力電力はAC−DCコンバータ610により直流に変換された後、バッテリ制御ユニット503および充電装置502を介してバッテリ501に供給される。
次に、交流電動機511の電動機軸に結合された左サイドギヤ110Lの回転により筐体101が回転するが、このとき右サイドギヤ110Rの回転中心に結合された軸605はブレーキ626によりロックされているため、図8で述べた第2の動作モードとなり、筐体101は交流電動機511の回転速度の1/2の速度で回転する(トルクは2倍)。
このときの交流電動機511の電動機軸の回転方向は、直流電動機505の電動機軸の回転方向(右回転)と合わせるために、電動機本体側から筐体101側を見て右回転(CW)とする。
筐体101の右側筐体回転軸部103Rの外周に設けられた回転方向変換歯車装置620の平歯車621も右回転し、これに噛合する平歯車622は筐体101側から見て左回転し、平歯車軸625は、平歯車622から切り離し状態となっているクラッチ608を見て左回転で空転する。
これによって、直流電動機505の電動機軸と平歯車軸625を、同一回転軸線上で同一回転方向とすることができる。
次に、直流電動機505の回転速度と平歯車軸625の回転速度である筐体101の回転速度(すなわち交流電動機511の回転速度の1/2の速度)とが「同期速度」に到達したら(図示省略の回転センサの前記電動機505と511の回転速度検出信号に基づく)、クラッチ制御ユニット683がクラッチ609を切り離すと同時にクラッチ508を結合させる。
この際、発電機631の回転駆動力は逆起電力を生じることなくスムーズに直流電動機505から交流電動機511側に切り換えられる。
上記のように図11の装置も、始動時は直流電動機505により発電機631を駆動し、該発電機631の出力電力を電源とする交流電動機511によって異差動速度連動体100の筐体101を回転させた後、前記直流電動機505の回転力に代えて、筐体101の回転力によって発電機631を駆動させる、電力循環型の発電装置となっている。
図11の装置単独で負荷に電力を供給する場合は、例えば筐体101の左側、又は右側筐体回転軸部103L,103Rの外周に、例えば図10で述べたプーリ536、タイミングベルト537、プーリ538を設け、さらに図10と同様にクラッチ509、負荷用の発電機532、電源制御ユニット542、負荷電源用制御ユニット570等を設けるものである。
また図11の構成を、後述する図13の多段接続の発電システムに適用する場合、筐体101内の右サイドギヤ110Rに結合された軸605は、ブレーキ626による固定状態にはせず、前段の筐体101の筐体回転軸部の回転力がタイミングベルト等の動力伝達手段を介して伝達される「動力受け軸」として用いられるものである。
前記発電機631はその発電機軸631Bが発電機筐体の両端に突出した構成であるので、1個の発電機で、筐体101の右側筐体回転軸部103Rの回転力と直流電動機505の回転力の両方を受けることができ、装置構成を簡単化することができる。
本実施例1では、図10又は図11の発電装置を多段に接続して順次高トルクで各々異なるトルクが得られる発電システムを提供するものであるが、次に、多段接続によるトルク合力の原理について図12とともに説明する。
図12は、複数の異差動速度連動体を多段(N段:Nは2以上の整数)接続(図12の例では4段接続)した発電システムの要部のみを模式的に図示している。例えば筐体は、筐体101−1および101−2では外観形状を模式的に示し、筐体101−3および101−4では内部構造を模式的に示している。
図12において、第1段発電装置の筐体101−1内の、左サイドギヤ(110L)の回転中心には電動機M1(第1の電動機)の電動機軸の端部が結合され、右サイドギヤ(110R)の回転中心には電動機M2(第2の電動機)の電動機軸の端部が結合されている。
第2段発電装置の筐体101−2内の、左サイドギヤの回転中心には軸605−2(動力受け軸)の端部が結合され、右サイドギヤの回転中心には電動機M3(筐体駆動用電動機)の電動機軸の端部が結合されている。
第3段発電装置の筐体101−3内の、左サイドギヤの回転中心には軸605−3(動力受け軸)の端部が結合され、右サイドギヤの回転中心には電動機M4(筐体駆動用電動機)の電動機軸の端部が結合されている。
第4段発電装置の筐体101−4内の、左サイドギヤの回転中心には軸605−4(動力受け軸)の端部が結合され、右サイドギヤの回転中心には電動機M5(筐体駆動用電動機)の電動機軸の端部が結合されている。
第1段発電装置の筐体101−1の左側筐体回転軸部103Lと第2段発電装置の軸605−2の各外周には動力伝達手段としての例えばタイミングベルトT1が掛け廻されている。
第2段発電装置の筐体101−2の左側筐体回転軸部103Lと第3段発電装置の軸605−3の各外周には動力伝達手段としての例えばタイミングベルトT2が掛け廻されている。
第3段発電装置の筐体101−3の左側筐体回転軸部103Lと第4段発電装置の軸605−4の各外周には動力伝達手段としての例えばタイミングベルトT3が掛け廻されている。
尚、図12では各電動機を駆動する発電機、電源装置、制御装置およびその他の周辺の装置は図示省略している。
図中のA1〜A4は、異差動速度連動体の筐体101−1〜101−4の左側の動力の出力軸(左側筐体回転軸部103L)を示し、C1〜C4は、異差動速度連動体の筐体101−1〜101−4の右側の動力の出力軸(右側筐体回転軸部103R)を示している。
また、B1〜B4は筐体101−1〜101−4の左側の動力の入力軸を示し、B1は電動機M1の電動機軸、B2は軸605−2、B3は軸605−3、B4は軸605−4である。
また、D1〜D4は筐体101−1〜101−4の右側の動力の入力軸を示し、D1は電動機M2の電動機軸、D2は電動機M3の電動機軸、D3は電動機M4の電動機軸、D4は電動機M5の電動機軸である。
またCOMAは、第1段発電装置におけるトルクが、電動機M1のトルクTM1と電動機M2のトルクTM2の合計であることを示し、COMBは、第2段発電装置におけるトルクが、トルクCOMAと電動機M3のトルクTM3の合計であることを示し、COMCは、第3段発電装置におけるトルクが、トルクCOMBと電動機M4のトルクTM4の合計であることを示し、COMDは、第4段発電装置におけるトルクが、トルクCOMCと電動機M5のトルクTM5の合計であることを示している。
尚、図12の発電システムの負荷(図示省略)へは、出力軸C1〜C4から出力される各動力を電力に変換して供給するものである。
このように、タイミングベルトT1〜T3を介して異差動速度連動体の筐体101−1〜101−4を連結することにより、各段の発電装置のトルクを順次高トルクとし各々異なるトルクとすることができる。
次に、本実施例1による高効率発電システムの具体的構成を図13とともに説明する。
図13は、異差動速度連動体を備えた発電装置をN段(Nは2以上の整数)接続した発電システムの要部を表し、図12の構成に、電動機駆動用発電機および負荷用発電機を追加表示しており、図10〜図12と同一部分は同一符号をもって示している。
図13では各部の制御装置、クラッチ、スイッチ等は図示省略している。
図13においてG11Aは、自身の始動後に筐体101−1の左側筐体回転軸部103Lの回転力によって軸が回転され、電動機M1に駆動電力を供給する発電機(第1の発電機)であり、505は発電機G11Aを始動させる直流電動機(始動用電動機)である。
実際には、発電機G11Aは、例えば図11に示す、発電機軸(631B)が発電機本体の両端に突出して配設された発電機631で構成され、図示省略しているが、発電機軸の一端(631BL)は、例えば図11で述べたクラッチ608および回転方向変換歯車装置620を介して筐体101−1の左側筐体回転軸部103Lに接続されている(左側筐体回転軸部103Lの外周に平歯車621が結合されている)。
また図示省略しているが、発電機軸の他端(631BR)は、例えば図11で述べたクラッチ609を介して直流電動機505の電動機軸に結合されている。
発電機G11Aの出力電力は、例えば図11の場合と同様に、図示省略の電源制御ユニット(641)、AC−DCコンバータ(610)、バッテリ制御ユニット(503)、充電装置(502)およびバッテリ(501)を介して直流電動機505に供給されるとともに、電源制御ユニット(641)、スイッチ(551)、インバータ制御ユニット(550)およびインバータ(561)を介して電動機M1に供給される。
G12Aは、筐体101−1の右側筐体回転軸部103Rの回転力によって軸が回転され、電動機M2に駆動電力を供給する発電機(第2の発電機)である。
実際には、図示省略しているが、例えば図10のように右側筐体回転軸部103Rの外周にプーリ(536)を結合し、タイミングベルト(537)、プーリ(538)およびクラッチ軸(519)、クラッチ(509)を設け、該クラッチと発電機G12Aの発電機軸を結合している。
また、発電機G12Aの出力電力は図示省略の、例えば図10の電源制御ユニット(541)、インバータ制御ユニット(550)およびインバータ(562)を介して電動機M2に供給される。
T1は、第1段目の筐体101−1の右側筐体回転軸部103Rと、第2段目の筐体101−2の軸605−2(動力受け軸)の各外周に掛け廻されたタイミングベルト(動力伝達手段)である。
M3は、電動機軸が筐体101−2の右側筐体回転軸部103R内に回転可能に挿入されて、右サイドギヤ110Rの回転中心に結合された電動機(筐体駆動用電動機)である。
G11Bは、筐体101−2の回転力によって発電機軸が回転され、電動機M3に駆動電力を供給する発電機(電動機駆動用発電機)である。実際には、図示省略しているが、例えば図10のように、左側筐体回転軸部103Lの外周にプーリ(533)を結合し、タイミングベルト(534)、プーリ(535)、クラッチ軸(518)、クラッチ(508)を設けて発電機G11Bの発電機軸と結合し、発電機G11Bの出力電力を、電源制御ユニット(541)、インバータ制御ユニット(550)、インバータ(562)を介して電動機M3に供給するように構成されている。
G12Bは、筐体101−2の回転力によって発電機軸が回転される発電機(負荷用発電機)である。実際には、図示省略しているが、例えば図10のように右側筐体回転軸部103Rの外周にプーリ(536)を結合し、タイミングベルト(537)、プーリ(538)およびクラッチ軸(519)、クラッチ(509)を設け、該クラッチと発電機G12Bの発電機軸を結合している。
T2は、第2段目の筐体101−2の左側筐体回転軸部103Lと、第3段目の筐体101−3の軸605−3(動力受け軸)の各外周に掛け廻されたタイミングベルト(動力伝達手段)である。
M4は、電動機軸が筐体101−3の右側筐体回転軸部103R内に回転可能に挿入されて、右サイドギヤ110Rの回転中心に結合された電動機(筐体駆動用電動機)である。
G11Cは、筐体101−3の回転力によって発電機軸が回転され、電動機M4に駆動電力を供給する発電機(電動機駆動用発電機)である。実際には、図示省略しているが、例えば図10のように、左側筐体回転軸部103Lの外周にプーリ(533)を結合し、タイミングベルト(534)、プーリ(535)、クラッチ軸(513)、クラッチ(508)を設けて発電機G11Cの発電機軸と結合し、発電機G11Cの出力電力を、電源制御ユニット(541)、インバータ制御ユニット(550)、インバータ(562)を介して電動機M4に供給するように構成されている。
G12Cは、筐体101−3の回転力によって発電機軸が回転される発電機(負荷用発電機)である。実際には、図示省略しているが、例えば図10のように右側筐体回転軸部103Rの外周にプーリ(536)を結合し、タイミングベルト(537)、プーリ(538)およびクラッチ軸(519)、クラッチ(509)を設け、該クラッチと発電機G12Cの発電機軸を結合している。
以下同様にして合計N段の発電装置が接続され、第N段発電装置も前記と同様に構成された筐体101−N、軸605−N、電動機MN、発電機G11N(電動機駆動用発電機)、発電機G12N(負荷用発電機)等を備える。
前記N段の筐体101−1〜101−Nを、例えば第1の動作モードで運転すると、図12で述べたトルク合力の原理により、N段目の筐体(101−2〜101−N)の回転力によるトルクは、N−1段目の筐体(101−1〜101−N−1)の回転力によるトルクよりも大となる。
これによって、第1段目の発電装置〜第N段目の発電装置の出力側の発電機G12A〜G12Nの各トルクを、順次高トルクとし各々異なるトルクとすることができる。
前記各段の発電装置の発電機G12A〜G12Nの各出力側は、それらのうちいずれかを選択して切り換える切換部706と、電源制御ユニットやインバータ等を有した電力変換・制御部707を介して負荷708に接続されている。
702は、センサ701(変流器(CT)、計器用変圧器(PT)など)を用いて、負荷708に供給される電力(電力変換・制御部707のインバータ出力電力、および各発電機G12A〜G12Nの出力電力)を検出する検出部である。
703は、第1〜第N段発電装置の各負荷用の(各出力側の)発電機出力の各電力許容量が予め設定されるとともに、負荷708の力率を含む負荷状況を表す信号が設定される電力設定部である。
尚、電力設定部703への設定は、随時任意に設定変更する設定モードを有している。
704は、検出部702で検出された負荷電力量と電力設定部703にて予め設定した各段の負荷用の発電機の電力許容量とを比較する比較部である。
705は、比較部704で比較された検出負荷電力量および設定電力許容量の差分と、電力設定部703に設定された負荷の力率を含む負荷状況を表す信号とに基づいて、N段の発電装置の負荷用の(出力側の)発電機のうち、負荷708に接続した場合に負荷708のトルク低下が発生しない発電機(発電機G12A〜G12Nのうちいずれかの発電機)を判定する判定部である。
切換部706は、入力端子a〜nにはN段の発電装置の出力側の発電機G12A〜G12Nの出力側が接続され、出力端子Oには電力変換・制御部707が接続され、判定部705によって判定された負荷用の発電機側の入力端子に切り換える切換スイッチで構成されている。
尚、電力変換・制御部707は、例えば図10の電源制御ユニット542、インバータ562、負荷電源用制御ユニット570と同様に構成され、切換部706で切り換えられた側の発電機(G12A〜G12Nのうちいずれかの発電機)の出力電力を負荷708に送出する。
ここで、電力設定部703に設定する、N段発電装置の負荷用の発電機出力毎の各電力許容量と、負荷力率を含む負荷状況を表す信号について、具体例を説明する。
発電機の出力容量(KVA)を決める(設定する)とき、消費電力量(負荷抵抗)1KWに対して、力率1であれば発電機出力容量を1KVAに対して許容範囲有効倍率として1.8倍〜2.5倍の皮相電力1.8KVA〜2.5KVAを目安として決める。
負荷需要に対して発電機出力容量がギリギリだと、回転数がすぐに落ちる現象が生じる。また発電機出力容量が多すぎると、発電機を回している動力等も当然大きくなるのでランニングコストロス(コストロス)であり効率が悪くなる。
発電機出力許容範囲について、発電機始動時の瞬間的電圧降下を見込む。また、定常時と始動時の負荷算定を考慮する。
・定常時=始動時から負荷が正常に動作をしている状態。
・始動時=負荷がつながり発電機を回し始めた直後の時間帯(立ち上げ時)。
例えば需要機器(負荷の種類)で定常時と始動時に大きな差ができる場合が起きる。ヒータ類を使った電熱器、白熱球、トースターのように力率の良いもの等は1倍率である(力率の標準設定は「1」とする)が、電動モータやクーラーなど(誘導性、コイル)リアクタンス(電流を通しにくくする)を考慮した力率に対して1.8倍から2.5倍を見込んで発電機出力許容量を決める(各段の発電機出力毎の電力許容量を電力設定部703に設定する)。
仮に、電動機出力「74kW」であって、その回転数が毎分8000回転とすると、88.33N・m(9.0kgf・m)のトルクを加えたことになる。 公式:9550(定数)×74kW÷8000r/min=88.33N・mとなる。
逆に74kWを発電している発電機が毎分8000回で回転しているときは、88.33N・mのトルクが加えられている。
88.33N・m=9.0kgf・mであるから、半径1mの滑車に9kgの錘を下げて、回転数が毎分8000回で巻き上げている状態である(60Hzの場合、回転数は毎分3600回転、50Hzの場合、回転数は毎分3000回転)。
例えば60Hzの場合、9554(定数)×1KW÷3600r/min=2.65N・mとなり、50Hzの場合、9554(定数)×1KW÷3000r/min=3.18N・mとなる。
尚、前記定数9554は係数値であり、60(1分の換算値)×1000(単位の換算値)÷2×3.14=9554で求められる。
電動モータの極数は、4P,6P,8P,12P・・・と極数が増えると回転数は低くなり、その分トルク値が上がる。
前記条件において、電力需要が1KW(1000Wの負荷値)なら、3.18N・mのトルク値が必要となる。需要機器の負荷変動に対する対策として、前記1.8倍=1800Wの場合5.72N・mとなり、2.5倍(2500W)で7.95N・mのトルクが必要となる。
発電機は、使う需要機器(消費電力)の変化でトルク値(N・m)に左右される。例えば、需要機器が500Wに下がれば1.59N・mに下げるだけである。
前記トルク計算式に基づき、発電装置の設置時における「発電機出力容量」に対する電動機(動力源)を組合わせる初期設定においては、消費電力量に対する発電機許容出力容量を算出(KVA)して、それに伴い外部動力の有効出力容量(KW)が決まる。
図13の発電システムでは、通常運転の場合、各段の異差動速度連動体100−1〜100−Nの筐体101−1〜101−Nを、図10、図11の装置と同様に、例えば図6、図7で述べた第1の動作モードで回転させる。
そして、判定部705が、電力許容量および負荷の検出電力量の差分と、負荷状況を表す信号とに基づいて、負荷708のトルク低下が発生しない発電機(G12A〜G12Nのいずれかの発電機)を判定し、切換部706が、前記判定された発電機側の入力端子(a〜nのいずれか)にスイッチを切り換える。
これによって、負荷708のトルクの低下発生を防いで供給電力不足を防止することができる。
例えば、負荷の検出電力量(消費電力量)が第1段目の発電機G12Aの電力許容量を超えたら、切換部706は入力端子b側に切り換えられて、より高トルクの第2段目の負荷用の発電機G12Bの発電出力が負荷708へ供給され、第2段目の発電機G12Bの電力許容量を超えたら切換部706は入力端子c側に切り換えられて、より高トルクの第3段目の負荷用の発電機G12Cの発電出力が負荷708へ供給されるものである。
尚、図13では第1段の発電装置の発電機G12A(第2の発電機)を、電動機M2(第2の電動機)駆動用と、負荷用の両方に供していたが、これに代えて電動機M2の駆動専用としても良い。
本実施例2では、図13の第1段〜第N段の各発電装置の出力を用途別に各負荷に供給するように構成した。
図14は本実施例2の発電システムの構成を示し、図13と同一部分は同一符号をもって示している。図14において図13と異なる点は、前記センサ701、検出部702、電力設定部703、比較部704、判定部705、切換部706、電力変換・制御部707および負荷708を除去し、各段の発電機G12A〜G12Nの出力側に電力変換・制御部707a〜707nを介して負荷708a〜708nを各々接続した点にあり、その他の部分は図13と同一に構成されている。
前記各負荷708a〜708nは、例えば2KW/h、3KW/h…5KW/hのように各々使用範囲が異なる負荷であり、例えば第1段目の発電機G12Aに対応する負荷708aはクーラー専用とし、第2段目の発電機G12Bに対応する負荷708bはオフィス照明用とし、第3段目の発電機G12Cに対応する負荷708cはコンプレッサ用とするなど、各発電機の効率的な電力使用が可能となる。
以上のように本実施例2によれば、複数の負荷の各用途に応じて、各負荷に必要とされるトルクの電力を各々供給することができる。
本実施例3では、図13、図14に示す第1段〜第N段の発電機G12A〜G12Nの出力電力を統合して負荷に供給するように構成した。
図15は本実施例3の発電システムの構成を示し、図14と同一部分は同一符号をもって示している。図15において図14と異なる点は、前記電力変換・制御部707a〜707nおよび負荷708a〜708nを除去し、各発電機G12A〜G12Nの出力電力を統合する電力統合部800と、負荷708とを設けた点にあり、その他の部分は図14と同一に構成されている。
電力統合部800は、交流を直流に変換するAC/DCコンバータ、高周波インバータ、電力加算部などを備えて発電機G12A〜G12Nの各電力を統合し、負荷708に定電圧の電力を供給する。
本実施例3によれば、負荷708に変動があったとしても、出力電力の許容範囲が広がり、且つ効率的な電力の活用が見込める。
前記実施例1の図13における、例えば筐体101−1の右側筐体回転軸部103Rと筐体101−2の動力受け軸である軸605−2の回転数比は1対1であったが、本実施例4では、これを1対1以外の比率となるように構成するものである。
すなわち、図13のタイミングベルトT1を除去し、前記右側筐体回転軸部103Rと軸605−2の間に、図10で述べたようにプーリ536、タイミングベルト537、プーリ538を設けて、プーリ536と538の径比を1対1以外の比に構成する。
または、右側筐体回転軸部103Rと軸605−2の各外周に、互いに異なる歯数を有した歯車を各々結合してそれらを噛合させる。
図13のタイミングベルトT2〜TNについても上記と同様の構成とする。また、図14、図15についても上記と同様の構成とする。
上記構成によれば、N段目の筐体の動力受け軸(軸605−2〜605−N)とN−1段目の筐体の筐体回転軸部(筐体101−1の103R、筐体101−2〜101−N−1の103L)の回転数比を例えば1対3とした場合、N段目の筐体(101−2〜101−N)には1/3減速による3倍トルク(高トルク)の動力が得られる。
前記図13〜図15では、第1段発電装置の電動機M1,M2をともに第1の動作モードで駆動していたが、本実施例5では、例えば電動機M2を回転停止とし、電動機M1を回転駆動させる、第2の動作モードで運転を行う。
これによって、前記図8で述べたように、電動機M1の回転数と筐体101−1の回転数の比は2対1となり、筐体101−1により1/2減速が行われ、2倍のトルクが得られる。
このため、例えば電動機M1の始動時に、大電流を流さなくても2倍のトルクの電力が筐体101−2側へ伝達され、高トルクの電力を発電することができるので、過電流が抑制されて電動機M1にかかる負荷が軽減される。
本実施例6では、図13〜図15の第1段発電装置の電動機M1,M2のうち少なくともいずれか一方を、インバータにより制御される交流電動機で構成し、電動機M1,M2を、各々が同一回転軸線上で同一回転方向となるように、図示省略の電動機制御手段によって、所望の回転周波数以上の回転速度まで回転駆動させた後に、電動機M1,M2のうちいずれか一方で且つインバータ制御される交流電動機で構成された側の電動機に対して、インバータの回転制御周波数を下げずにインバータ制御を続行したままいずれか他方の電動機を回転停止させる「第1の制御」を行うように構成した。
上記構成において、電動機M1,M2の回転中は、前記第1の動作モードで述べたように、電動機M1,M2と筐体101の回転速度は1対1である。このときの減速は、筐体101−1の右側筐体回転軸部103Rと筐体101−2の軸605−2の回転数比の分のみであるため、動力の負担率は軽い。
その後に、例えば電動機M1を回転停止させると、筐体101−1には電動機M1からの回転駆動力が作用しなくなり、電動機M2からの回転駆動力のみが作用するので、筐体101−1の回転は前述の第2の動作モードのように1/2に減速される。
そしてこの1/2減速による2倍トルクと、筐体101−1の右側筐体回転軸部103Rおよび筐体101−2の軸605−2の回転数比の逆数倍のトルクを合算した高トルクの動力が筐体101−2側に伝達される。
本発明の異差動速度連動体を用いずに、インバータ制御により電動機の回転速度を減速させると電動機の回転不足が生じてトルクも下るが、本実施例6の「第1の制御」を実施することにより、所望の回転数が確保され、動力の負担率を軽減し高効率な発電システムが得られる。
また、本発明において、電動機M1,M2のうち一方の電動機を停止しておき他方の電動機を回転駆動させる第2の動作モードを実行する場合、他方の電動機の回転速度が目的とする回転速度に到達するまでの期間は、異差動速度連動体の筐体101−1に基づく2倍トルクと、筐体101−1と筐体101−2の軸605−2の回転数比に基づくトルクとの合力により、高トルクの動力が得られるが、減速により回転数が不足する懸念がある。
しかし本実施例6の「第1の制御」を実施することにより、回転数不足を補いつつ高トルクを得ることができる。