JP6741617B2

JP6741617B2 - 発電装置

Info

Publication number: JP6741617B2
Application number: JP2017064500A
Authority: JP
Inventors: 芳之安藤
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2017-03-29
Filing date: 2017-03-29
Publication date: 2020-08-19
Anticipated expiration: 2037-03-29
Also published as: JP2018170818A

Description

本発明は、バッテリーに供給する電力を発電する発電装置に関する。

例えば特許文献１のように、エンジンの排気ガスが有する熱、すなわちエンジンの廃熱を回収する廃熱回収システムが知られている。こうした廃熱回収システムは、作動媒体が循環する循環回路にポンプ、蒸発器、膨張機、および、凝縮器を備えている。ポンプは、液相状態の作動媒体を循環回路に圧送し、蒸発器は、液相状態の作動媒体をエンジンの廃熱で蒸発させることにより気相状態へ相転移させる。膨張機は、気相状態の作動媒体を膨張させることにより作動媒体の熱エネルギーを該膨張機の出力軸を回転させる力学的エネルギーに変換し、凝縮器は、膨張機を通過した気相状態の作動媒体を凝縮して液相状態へ相転移させる。そして、廃熱回収システムにおいては、上記膨張機の出力軸の回転を利用して発電装置の永久磁石同期発電機を駆動することによりバッテリーに供給する電力を発電することが可能である。

特開２０１４−１２６０３１号公報

ところで、永久磁石同期発電機は、最大効率が得られる回転数よりも低回転領域では回転数が高いほど効率が高くなり、反対に、最大効率が得られる回転数よりも高回転領域では回転数が高いほど効率が低くなるという特性を有している。同様に、膨張機も、最大効率が得られる回転数よりも低回転領域では回転数が高いほど効率が高くなり、反対に、最大効率が得られる回転数よりも高回転領域では回転数が高いほど効率が低くなるという特性を有している。また、膨張機の出力軸には、永久磁石同期発電機の回転軸を介して、バッテリーの電圧が高いほど大きな抵抗が作用する。そのため、上述した廃熱回収システムにおいては、その時々のバッテリーの電圧に応じた回転数で出力軸が回転するように膨張機が駆動されることとなり、バッテリーの電圧によっては永久磁石同期発電機の効率と膨張機の効率との合成効率である発電効率が低い場合があった。

本発明は、バッテリーに供給する電力をより高い発電効率のもとで発電することができる発電装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する発電装置は、エンジンの廃熱を利用してバッテリーに供給する電力を発電する発電装置であって、回転軸の回転方向に第１永久磁石と第２永久磁石とが交互に配設されたロータと、複数のステータコイルを有して前記ロータの外周部を取り囲むステータと、前記回転軸の軸方向の一方から前記第１永久磁石と前記第２永久磁石とに対向し、前記回転軸周りに駆動電流が流れる第１界磁コイルと、前記回転軸の軸方向の他方から前記第１永久磁石と前記第２永久磁石とに対向し、前記回転軸周りに前記第１界磁コイルと同じ方向に駆動電流が流れる第２界磁コイルと、最大効率回転数における出力電圧がバッテリー電圧となるように前記第１界磁コイルの駆動電流および前記第２界磁コイルの駆動電流を制御する制御部と、を備え、前記第１永久磁石は、前記ステータに向けて正極が設定されているとともに前記第２界磁コイルよりも前記第１界磁コイルとのギャップが狭く、前記第２永久磁石は、前記ステータに向けて負極が設定されているとともに前記第１界磁コイルよりも前記第２界磁コイルとのギャップが狭い。

上記構成によれば、第１界磁コイルおよび第２界磁コイルにおける駆動電流の向きおよび大きさを制御することによって第１永久磁石および第２永久磁石の各々が形成する磁界の磁束密度を変化させることができる。これにより、発電効率が最大となる最大効率回転数における発電装置の出力電圧をバッテリーの電圧に合わせることができる。その結果、より高い発電効率のもとで発電することができる。

上記構成の発電装置において、前記制御部は、前記回転軸の回転数を取得し、前記取得した回転数が前記最大効率回転数よりも大きいときには前記最大効率回転数における出力電圧が大きくなるように前記第１界磁コイルの駆動電流と前記第２界磁コイルの駆動電流とを制御し、前記取得した回転数が前記最大効率回転数よりも小さいときには前記最大効率回転数における出力電圧が小さくなるように前記第１界磁コイルの駆動電流と前記第２界磁コイルの駆動電流とを制御することが好ましい。

上記構成によれば、回転軸の回転数に基づいて第１界磁コイルの駆動電流および第２界磁コイルの駆動電流が制御されることから、最大効率回転数により近い回転数で発電装置を駆動させることができる。

上記構成の発電装置は、発電した電力の一部を前記第１界磁コイルおよび前記第２界磁コイルに供給する供給回路を備えることが好ましい。
上記構成によれば、発電装置が発電した電力の一部を用いて第１界磁コイルおよび第２界磁コイルに駆動電流を供給することができる。

上記構成の発電装置は、前記第１界磁コイルと前記第２界磁コイルとが電気的に直列に接続されていることが好ましい。
上記構成によれば、第１界磁コイルにおける駆動電流と第２界磁コイルにおける駆動電流とを等しくすることができる。

上記構成の発電装置は、前記第１界磁コイルおよび前記第２界磁コイルに駆動電流が供給されていない状態において、前記最大効率回転数における出力電圧が前記バッテリー電圧の下限値あるいは上限値に設定されていることが好ましい。

上記構成によれば、回転軸の回転数を最大効率回転数に合わせるうえで駆動電流の向きを変更する必要がない。その結果、第１界磁コイルおよび第２界磁コイルに駆動電流を供給する回路を簡素化することができる。

発電装置の一実施形態を搭載した廃熱回収システムの概略構成を示す図。回転機の断面構造の一例を模式的に示す部分断面図。ロータ、第１界磁コイル、および、第２界磁コイルの斜視構造の一例を模式的に示す分解斜視図。発電装置における電気回路の一例を示す電気回路図。（ａ）膨張機と永久磁石同期発電機の組合せにおける永久磁石同期発電機の回転数との発電効率との関係の一例を示すグラフ、（ｂ）永久磁石同期発電機における回転数と出力電圧との関係の一例を示すグラフ。制御回路における制御信号の関係の一例を模式的に示すグラフ。デューティ比に応じた磁束密度の一例を示すグラフ。デューティ比と出力電圧との関係の一例を示すグラフ。変形例における制御回路の一部を示す電気回路図。

図１〜図８を参照して、発電装置の一実施形態について説明する。
図１に示すように、発電装置を搭載した廃熱回収システム２０は、ランキンサイクルを利用した廃熱回収システムであり、エンジン１０の排気通路１１における排気浄化装置１２の下流を流れる排気ガスからエンジン１０の廃熱を回収する。エンジン１０は、排気通路１１に配設されたタービン１３と吸気通路１４に配設されたコンプレッサー１５とを有するターボチャージャー１６を備えている。廃熱回収システム２０は、作動媒体（例えば水）が循環可能に構成された循環回路２１を備えており、この循環回路２１にポンプ２２、開閉弁２３、蒸発器２４、膨張機２５、凝縮器２７を備えている。

ポンプ２２は、例えばエンジン１０のクランクシャフトの回転に連動する機械式のポンプであり、液相状態にある作動媒体を所定の吐出圧で循環回路２１に圧送する。開閉弁２３は、循環回路２１における作動媒体の流路を開閉する電子制御弁である。開閉弁２３は、開状態にあるときに循環回路２１における作動媒体の循環を許可し、閉状態にあるときに循環回路２１における作動媒体の循環を禁止する。

蒸発器２４は、開閉弁２３を通過した作動媒体をエンジン１０の廃熱で加熱することにより液相状態の作動媒体を気相状態へ相転移させる。膨張機２５は、気相状態の作動媒体を膨張させることにより作動媒体の熱エネルギーを出力軸２６を回転させる力学的エネルギーへと変換する。凝縮器２７は、膨張機２５を通過した気相状態の作動媒体を凝縮することにより液相状態に相転移させる。

また、廃熱回収システム２０は、膨張機２５の出力軸２６の回転によって発電し、その発電した電力をバッテリー１７に供給する発電装置３０を備えている。廃熱回収システム２０は、作動媒体が相転移を繰り返しながら循環回路２１を循環することにより膨張機２５を介して発電装置３０を駆動し、排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換することでエンジン１０の廃熱を回収する。

図２および図３に示すように、発電装置３０を構成する回転機３１は、膨張機２５の出力軸２６に連結されて中心軸Ａを回転中心として回転する回転軸３２と、回転軸３２とともに回転するロータ３３と、ロータ３３の外周部を取り囲むように配設された複数のステータコイル３４を有するステータ３５とを備えている。なお、図３においては、極数が４の場合を例示している。

回転機３１は、略等しい磁力を有する複数の永久磁石がロータ３３に埋め込まれた所謂ＩＰＭ（ＩｎｔｅｒｉｏｒＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔ）構造の永久磁石同期発電機をベースに構成されている。複数の永久磁石は、ステータ３５側に正極（Ｎ極）が位置する平板状の第１永久磁石３６とステータ３５側に負極（Ｓ極）が位置する平板状の第２永久磁石３７とを有している。第１永久磁石３６と第２永久磁石３７は、略同一形状を有して回転軸３２の回転方向に交互に配設されており、回転軸３２の回転により回転軸３２周りを周回する。第１永久磁石３６の磁気回路となる鉄芯は、回転軸３２の軸方向における一方側へ第２永久磁石３７に対してギャップ差Ｌ１だけずれた位置に位置しており、反対に、第２永久磁石３７の磁気回路となる鉄芯は、回転軸３２の軸方向における他方側へ第１永久磁石３６に対してギャップ差Ｌ１だけずれた位置に位置している。そして、回転軸３２の軸方向におけるロータ３３の両側面には、第１永久磁石３６と第２永久磁石３７とのギャップ差Ｌ１に応じた高さの段差３８が形成されている。

また、回転機３１は、回転軸３２の軸方向においてロータ３３を挟む一対の界磁コイルである第１界磁コイル４１と第２界磁コイル５１とを備えている。第１界磁コイル４１および第２界磁コイル５１は、図示されないハウジングに固定されている。第１界磁コイル４１は、ロータ３３に対して回転軸３２の軸方向における一方側に位置しており、第２永久磁石３７の磁気回路となる鉄芯とのギャップよりも第１永久磁石３６の磁気回路となる鉄芯とのギャップがギャップ差Ｌ１の分だけ小さく設定されている。すなわち、第１永久磁石３６の磁気回路となる鉄芯は、回転軸３２の軸方向において第２永久磁石３７の磁気回路となる鉄芯よりもギャップ差Ｌ１だけ第１界磁コイル４１に近い位置に位置している。同様に、第２界磁コイル５１は、ロータ３３に対して回転軸３２の軸方向における他方側に位置しており、第１永久磁石３６の磁気回路となる鉄芯とのギャップよりも第２永久磁石３７の磁気回路となる鉄芯とのギャップがギャップ差Ｌ１の分だけ小さく設定されている。すなわち、第２永久磁石３７の磁気回路となる鉄芯は、回転軸３２の軸方向において第１永久磁石３６の磁気回路となる鉄芯よりもギャップ差Ｌ１だけ第２界磁コイル５１に近い位置に位置している。

第１界磁コイル４１は、第１本体部４２と第１コイル部４３とを備えている。第１本体部４２は、例えば金属などの磁性体からなり、回転軸３２が挿通される第１挿通孔４４を有する環状の形状を有している。第１本体部４２は、回転軸３２の軸方向において第１永久磁石３６および第２永久磁石３７に対向する位置に、ロータ３３側に開口する第１溝部４５を有している。また、第１本体部４２は、第１溝部４５によって形成される第１内側突部４６と第１外側突部４７とを有している。第１内側突部４６は、ロータ３３のうちで第１永久磁石３６および第２永久磁石３７よりも回転軸３２の径方向における内側の部位に対向している。第１外側突部４７は、ロータ３３のうちで第１永久磁石３６および第２永久磁石３７よりも回転軸３２の径方向における外側の部位に対向している。第１コイル部４３は、回転軸３２を周回するように巻き回されて第１本体部４２の第１溝部４５に配設された導線で構成される。第１コイル部４３は、回転軸３２の軸方向において第１永久磁石３６および第２永久磁石３７に対向する位置において、図２の紙面における手前側から奥側へ駆動電流が流れるように構成されている。第１界磁コイル４１は、駆動電流の供給により、第１内側突部４６を正極、第１外側突部４７を負極とする磁界を形成する。第１界磁コイル４１の形成する磁界は、第１界磁コイル４１に対する磁気抵抗の小さい第１永久磁石３６に作用して第１永久磁石３６の形成する磁界の磁束密度を大きくする。

第２界磁コイル５１は、第２本体部５２と第２コイル部５３とを備えている。第２本体部５２は、例えば金属などの磁性体からなり、回転軸３２が挿通される第２挿通孔５４を有する環状の形状を有している。第２本体部５２は、回転軸３２の軸方向において第１永久磁石３６および第２永久磁石３７に対向する位置に、ロータ３３側に開口する第２溝部５５を有している。また、第２本体部５２は、第２溝部５５によって形成される第２内側突部５６と第２外側突部５７とを有している。第２内側突部５６は、ロータ３３のうちで第１永久磁石３６および第２永久磁石３７よりも回転軸３２の径方向における内側の部位に対向している。第２外側突部５７は、ロータ３３のうちで第１永久磁石３６および第２永久磁石３７よりも回転軸３２の径方向における外側の部位に対向している。第２コイル部５３は、回転軸３２を周回するように巻き回されて第２本体部５２の第２溝部５５に配設される導線であって、第１コイル部４３を構成する導線に対して電気的に直列に接続された導線で構成される。すなわち、第１界磁コイル４１と第２界磁コイル５１とは電気的に直列に接続されている。第２コイル部５３は、回転軸３２の軸方向において第１永久磁石３６および第２永久磁石３７に対向する位置において、第１界磁コイル４１と同じように図２の紙面における手前側から奥側へ駆動電流が流れるように構成されている。第２界磁コイル５１は、駆動電流の供給により、第２内側突部５６を負極、第２外側突部５７を正極とする磁界を形成する。第２界磁コイル５１の形成する磁界は、第２界磁コイル５１に対する磁気抵抗の小さい第２永久磁石３７に作用して第２永久磁石３７の形成する磁界の磁束密度を大きくする。

図４に示すように、発電装置３０は、回転機３１のステータ３５から出力された交流電流を整流器６１にて直流電流に整流するとともにその直流電流を平滑コンデンサ６２で平滑化したうえで出力回路６３を通じてバッテリー１７に供給する。また、発電装置３０は、出力回路６３から分岐する供給回路６４を通じて、バッテリー１７に供給する直流電流の一部を駆動電流として第１界磁コイル４１および第２界磁コイル５１に供給する。発電装置３０は、第１界磁コイル４１および第２界磁コイル５１の駆動電流をＰＷＭ制御により制御する制御部である制御回路６５を有している。制御回路６５は、ＦＶコンバーター６６、基準電圧生成部６７、増幅器６８、搬送波生成部６９、比較器７０、スイッチング素子７１とを備えている。制御回路６５は、スイッチング素子７１のオンオフを制御することで第１界磁コイル４１の駆動電流および第２界磁コイル５１の駆動電流を制御する。

ここで、図５を参照して廃熱回収システムにおける発電効率、および、永久磁石同期発電機の特性について説明する。
永久磁石同期発電機は、最大効率が得られる回転数よりも低回転領域では回転数が高いほど効率が高くなり、反対に、最大効率が得られる回転数よりも高回転領域では回転数が高いほど効率が低くなるという特性を有している。同様に、膨張機も、最大効率が得られる回転数よりも低回転領域では回転数が高いほど効率が高くなり、反対に、最大効率が得られる回転数よりも高回転領域では回転数が高いほど効率が低くなるという特性を有している。そして、廃熱回収システムには、これら永久磁石同期発電機の効率と膨張機の効率との合成効率が発電効率として与えられる。そのため、永久磁石同期発電機の回転数と廃熱回収システムの発電効率との関係の一例は、図５（ａ）のように示される。

図５（ａ）に示すように、廃熱回収システムでは、永久磁石同期発電機の回転数Ｎが最大効率回転数Ｎ１にあるときに最大発電効率η１が得られる。また、廃熱回収システムでは、最大効率回転数Ｎ１よりも低回転領域では回転数Ｎが高いほど発電効率ηが高くなり、最大効率回転数Ｎ１よりも高回転領域では回転数Ｎが高いほど発電効率ηが低下する。また、図５（ｂ）に示すように、永久磁石同期発電機は、回転数Ｎが高くなるほど出力電圧Ｖｏｕｔが高くなる特性を有している。そして、永久磁石同期発電機の回転軸には、その時々のバッテリー１７の電圧であるバッテリー電圧Ｖｂａｔが抵抗として作用する。そのため、永久磁石同期発電機は、バッテリー電圧Ｖｂａｔが下限値である最小電圧Ｖｍｉｎにあるときには最小回転数Ｎｍｉｎで駆動され、バッテリー電圧Ｖｂａｔが上限値である最大電圧Ｖｍａｘにあるときには最大回転数Ｎｍａｘで駆動される。すなわち、永久磁石同期発電機は、その時々のバッテリー電圧Ｖｂａｔに応じて最小回転数Ｎｍｉｎと最大回転数Ｎｍａｘとの間の回転数Ｎで回転軸３２が回転するように駆動される。

上述した回転機３１は、最大効率回転数Ｎ１における出力電圧Ｖｏｕｔがバッテリー電圧Ｖｂａｔの最小電圧Ｖｍｉｎに設定された永久磁石同期発電機をベースとして設計されている。すなわち、回転機３１は、第１界磁コイル４１および第２界磁コイル５１に駆動電流が供給されていない状態において、最大効率回転数Ｎ１における出力電圧Ｖｏｕｔが最小電圧Ｖｍｉｎに設定されている。そのため、回転機３１においては、第１界磁コイル４１および第２界磁コイル５１の駆動電流を大きくすることにより、第１永久磁石３６および第２永久磁石３７が形成する磁界の磁束密度を大きくすること、すなわち各回転数Ｎにおける出力電圧Ｖｏｕｔを大きくすることが可能である。制御回路６５は、第１界磁コイル４１の駆動電流および第２界磁コイル５１の駆動電流を制御することにより最大効率回転数Ｎ１における出力電圧Ｖｏｕｔを制御する回路である。

図６に示すように、制御回路６５のＦＶコンバーター６６は、ステータコイル３４が出力する交流電流の周波数ｆａに基づき、回転軸３２の回転数Ｎに対応する電圧値Ｖｆを有する回転数信号Ｓ１を生成し、その生成した回転数信号Ｓ１を増幅器６８に出力する。

基準電圧生成部６７は、定電圧電源であり、最大発電効率η１が得られる最大効率回転数Ｎ１を示す電圧値Ｖ１を有する基準信号Ｓ２を生成し、その生成した基準信号Ｓ２を増幅器６８に出力する。

増幅器６８は、回転数信号Ｓ１の電圧値Ｖｆから基準信号Ｓ２の電圧値Ｖ１を減算した差分電圧値ΔＶに増幅率αを乗じて増幅させた増幅信号Ｓ３を生成し、その生成した増幅信号Ｓ３を比較器７０に出力する。

搬送波生成部６９は、三角波や鋸波といった搬送波を生成する。搬送波生成部６９は、三角波からなる三角波信号Ｓ４を生成し、その生成した三角波信号Ｓ４を比較器７０に出力する。搬送波の周波数ｆｃは、第１界磁コイル４１および第２界磁コイル５１の電気的時定数の逆数となる周波数よりも格段に大きな周波数、例えば５〜１０倍以上の周波数である。こうした構成によれば、第１界磁コイル４１および第２界磁コイル５１に供給される駆動電流を高い精度で制御することができる。

比較器７０は、増幅信号Ｓ３の示す差分電圧値ΔＶと三角波信号Ｓ４におけるその時々の電圧値とを比較し、増幅信号Ｓ３の差分電圧値ΔＶが三角波信号Ｓ４の電圧値よりも大きい部分をオン区間とする周波数の駆動信号Ｓ５を生成し、その生成した駆動信号Ｓ５をスイッチング素子７１に出力する。

スイッチング素子７１は、駆動信号Ｓ５の示す波形信号に基づくデューティ比Ｄで駆動されることにより、バッテリー１７に供給される直流電流の一部を駆動電流として供給回路６４を通じて第１界磁コイル４１および第２界磁コイル５１に供給する。

図７および図８を参照して、上述した発電装置３０の作用について説明する。
図７に示すように、駆動信号Ｓ５に応じてスイッチング素子７１が駆動されることにより、第１界磁コイル４１および第２界磁コイル５１に駆動電流が供給され、第１界磁コイル４１および第２界磁コイル５１が励磁される。第１界磁コイル４１は第１永久磁石３６の形成する磁界の磁束密度Ｂ１を大きくし、第２界磁コイル５１は第２永久磁石３７の形成する磁界の磁束密度Ｂ２を大きくする。そして、上述した駆動信号Ｓ５は、いま現在の回転数Ｎと最大効率回転数Ｎ１との差が大きいほどデューティ比Ｄが高くなる信号である。そのため、各ステータコイル３４に作用する磁界の磁束密度Ｂは、回転数Ｎと最大効率回転数Ｎ１との差が大きいほど大きくなる。

図８に示すように、第１界磁コイル４１および第２界磁コイル５１に駆動電流が供給されることにより、各回転数Ｎにおける出力電圧Ｖｏｕｔが高められる。これにより、例えば、バッテリー電圧Ｖｂａｔが最大電圧Ｖｍａｘであったとしても、デューティ比Ｄがデューティ比Ｄ１に設定されて最大効率回転数Ｎ１における出力電圧Ｖｏｕｔを最大電圧Ｖｍａｘに設定することが可能である。

上記実施形態の発電装置３０によれば、以下に列挙する効果が得られる。
（１）発電装置３０は、予め設定される設定回転数における出力電圧Ｖｏｕｔを所望の電圧に制御することができる。その結果、発電装置３０は、最大効率回転数Ｎ１における出力電圧Ｖｏｕｔをバッテリー電圧Ｖｂａｔに近づけることが可能であることから、回転機３１をより高い発電効率ηのもとで駆動することができる。また、回転機３１が最大効率回転数Ｎ１で駆動されやすくなることで回転軸３２の過回転を抑えることもできる。

（２）制御回路６５は、バッテリー電圧Ｖｂａｔに応じて変化する回転軸３２の回転数Ｎを取得し、その取得した回転数Ｎが最大効率回転数Ｎ１になるように第１界磁コイル４１の駆動電流および第２界磁コイル５１の駆動電流を制御する。こうした構成によれば、制御対象としている回転軸３２の回転数Ｎに基づいて直接的に駆動電流が制御されることから、最大効率回転数Ｎ１により近い回転数Ｎで回転機３１を駆動することができる。

（３）第１界磁コイル４１および第２界磁コイル５１には、バッテリー１７に供給される直流電流の一部が供給回路６４を通じて駆動電流として供給される。こうした構成によれば、第１界磁コイル４１および第２界磁コイル５１に対して駆動電流を供給する電源を別途用意する必要がないことから、発電装置３０に関わる回路構成の簡素化を図ることができる。

（４）また、供給回路６４において、第１界磁コイル４１と第２界磁コイル５１とが電気的に直列に接続されている。こうした構成によれば、第１界磁コイル４１および第２界磁コイル５１における駆動電流の大きさを等しくすることができる。これにより、発電装置３０に関わる回路構成のさらなる簡素化を図ることができる。また、各界磁コイル４１，５１に駆動電流が供給されている場合に、第１永久磁石３６の形成する磁界の磁束密度の大きさと第２永久磁石３７の形成する磁界の磁束密度の大きさとの誤差を小さくすることができる。

（５）回転機３１は、最大効率回転数Ｎ１における出力電圧Ｖｏｕｔがバッテリー電圧Ｖｂａｔの最小電圧Ｖｍｉｎに設定された永久磁石同期発電機をベースとして構成されている。そのため、最大効率回転数Ｎ１における出力電圧Ｖｏｕｔを制御するうえで、第１界磁コイル４１および第２界磁コイル５１に供給する駆動電流の向きを変更する必要がない。これにより、制御回路６５の簡素化を図ることができる。

（６）回転軸３２の軸方向におけるロータ３３の両側面には、第１永久磁石３６と第２永久磁石３７との位置ずれに応じた段差３８が形成されている。すなわち、回転機３１においては、第１界磁コイル４１と第２永久磁石３７との間には、第１界磁コイル４１と第１永久磁石３６との間の空気層よりも厚い空気層が形成されている。また、第２界磁コイル５１と第１永久磁石３６との間には、第２界磁コイル５１と第２永久磁石３７との間の空気層よりも厚い空気層が形成されている。こうした構成によれば、第１界磁コイル４１と第２永久磁石３７との間の透磁率、および、第２界磁コイル５１と第１永久磁石３６との間の透磁率を簡単な構成のもとで小さくすることができる。

なお、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・回転機３１は、最大効率回転数Ｎ１における出力電圧Ｖｏｕｔがバッテリー電圧Ｖｂａｔの最大電圧Ｖｍａｘに設定された永久磁石同期発電機をベースとして構成されてもよい。こうした構成において、制御回路６５は、第１界磁コイル４１および第２界磁コイルに駆動電流を供給することによって最大効率回転数Ｎ１における出力電圧Ｖｏｕｔを低くする。こうした構成であっても上記（１）〜（６）に記載された効果に準ずる効果を得ることができる。

・回転機３１は、最大効率回転数Ｎ１における出力電圧Ｖｏｕｔが滞在確率の最も高いバッテリー電圧Ｖｂａｔに設定された永久磁石同期発電機をベースとして構成されてもよい。こうした構成において、制御回路６５は、例えば図９に示すように、４つのスイッチング素子７６Ａ，７６Ｂ，７７Ａ，７７Ｂを用いたＨブリッジ回路を含む回路構成とすることができる。

例えば、回転軸３２の回転数Ｎが最大効率回転数Ｎ１よりも大きい場合には、スイッチング素子７６Ａがオン状態、かつ、スイッチング素子７７Ａ，７７Ｂがオフ状態に維持された状態で、回転数Ｎと最大効率回転数Ｎ１との差分値（プラス値）が大きいほど高いデューティ比Ｄでスイッチング素子７６Ｂが駆動される。これにより、第１界磁コイル４１および第２界磁コイル５１によって第１永久磁石３６および第２永久磁石３７の形成する磁界の磁束密度が大きくなり、各回転数Ｎにおける出力電圧Ｖｏｕｔが高くなる。その結果、最大効率回転数Ｎ１における出力電圧Ｖｏｕｔをバッテリー電圧Ｖｂａｔに近づけることができる。

一方、例えば、回転軸３２の回転数Ｎが最大効率回転数Ｎ１よりも小さい場合には、スイッチング素子７６Ａ，７６Ｂがオフ状態、かつ、スイッチング素子７７Ａがオン状態に維持された状態で、回転数Ｎと最大効率回転数Ｎ１との差分値（マイナス値）が大きいほど高いデューティ比Ｄでスイッチング素子７７Ｂが駆動される。このとき、回転軸３２の回転数Ｎが最大効率回転数Ｎ１よりも大きい場合とは駆動電流の向きが反対になる。そのため、第１界磁コイル４１および第２界磁コイル５１によって第１永久磁石３６および第２永久磁石３７の形成する磁界の磁束密度が小さくなり、各回転数Ｎにおける出力電圧Ｖｏｕｔが低くなる。これにより、最大効率回転数Ｎ１における出力電圧Ｖｏｕｔをバッテリー電圧Ｖｂａｔに近づけることができる。

すなわち、滞在確率の最も高いバッテリー電圧Ｖｂａｔに最大効率回転数Ｎ１における出力電圧Ｖｏｕｔが設定された永久磁石同期発電機をベースとして回転機３１が構成されることにより、第１界磁コイル４１および第２界磁コイル５１の駆動にともなう消費電力を低減することができる。

・発電装置３０は、第１界磁コイル４１および第２界磁コイル５１への駆動電流が例えばバッテリー１７などから供給される構成であってもよい。
・制御回路６５は、バッテリー電圧Ｖｂａｔを取得し、その取得したバッテリー電圧Ｖｂａｔに基づいて第１界磁コイル４１および第２界磁コイル５１の駆動電流を制御してもよい。すなわち、制御回路６５は、ベースとなる永久磁石同期発電機の最大効率回転数Ｎ１における出力電圧Ｖｏｕｔとバッテリー電圧Ｖｂａｔとの差分電圧値に基づいて駆動電流を制御してもよい。

・制御部は、プロセッサ、メモリ、入力インターフェース、および、出力インターフェース等がバスを介して互いに接続されたマイクロコントローラーを中心に構成されてもよい。こうした構成の制御部は、例えば、入力インターフェースを介して取得する回転数Ｎを用いたフィードバック制御により駆動信号Ｓ５のデューティ比Ｄを設定することが可能である。すなわち、制御部は、入力インターフェースを介して取得した回転数Ｎから最大効率回転数Ｎ１を減算した偏差ΔＮが０より大きいほどデューティ比Ｄを大きくする補正値を演算し、偏差ΔＮが０より小さいほどデューティ比Ｄを小さくする補正値を演算する。そして制御部は、現在のデューティ比Ｄを前記補正値で補正した新たなデューティ比Ｄの駆動信号Ｓ５を生成し、その生成した駆動信号Ｓ５を出力インターフェースを介してスイッチング素子７１に出力する。

・回転機３１は、回転軸３２、ロータ３３、ステータ３５、第１界磁コイル４１、および、第２界磁コイル５１を備えた電動機として機能することも可能である。電動機として機能する回転機３１では、例えばインバータを介してステータコイル３４に供給される電流の一部を第１界磁コイル４１および第２界磁コイル５１に供給して第１永久磁石３６および第２永久磁石３７の磁束密度を大きくすることにより、回転軸３２のトルクを大きくすることができる。

・回転機３１においては、第１永久磁石３６の形成する磁界の磁束密度を制御するうえで、第１界磁コイル４１と第２永久磁石３７との間に透磁率の低いものが存在していればよい。そのため、第１界磁コイル４１と第２永久磁石３７との間には、空気層に代えて銅やアルミニウムなど透磁率の低い金属が配設されていてもよい。なお、第２界磁コイル５１と第１永久磁石３６との間についても同様である。

・第１界磁コイル４１と第２界磁コイル５１とにおいては、駆動電流の向きが同じ方向に設定されていればよい。そのため、第１界磁コイル４１と第２界磁コイル５１とが直列に接続されていなくともよい。例えば、第１コイル部４３と第２コイル部５３とが供給回路６４に対して並列に接続され、第１コイル部４３における駆動電流と第２コイル部５３における駆動電流とが制御部によって各別に制御されてもよい。

・回転機３１は、永久磁石同期発電機をベースに構成されていればよく、各永久磁石がロータ３３の外周面に固定されたＳＰＭ（ＳｕｒｆａｃｅＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔ）構造の永久磁石同期発電機をベースに構成されてもよい。また、回転機３１の極数も、４に限らず、例えば６や１２であってもよい。

・発電装置３０が適用される廃熱回収システム２０において、エンジン１０は、ディーゼルエンジンであってもよいし、ガソリンエンジンであってもよいし、ガスエンジンであってもよい。

１０…エンジン、１１…排気通路、１２…排気浄化装置、１３…タービン、１４…吸気通路、１５…コンプレッサー、１６…ターボチャージャー、１７…バッテリー、２０…廃熱回収システム、２１…循環回路、２２…ポンプ、２３…開閉弁、２４…蒸発器、２５…膨張機、２６…出力軸、２７…凝縮器、３０…発電装置、３１…回転機、３２…回転軸、３３…ロータ、３４…ステータコイル、３５…ステータ、３６…第１永久磁石、３７…第２永久磁石、３８…段差、４１…第１界磁コイル、４２…第１本体部、４３…第１コイル部、４４…第１挿通孔、４５…第１溝部、４６…第１内側突部、４７…第１外側突部、５１…第２界磁コイル、５２…第２本体部、５３…第２コイル部、５４…第２挿通孔、５５…第２溝部、５６…第２内側突部、５７…第２外側突部、６１…整流器、６２…平滑コンデンサ、６３…出力回路、６４…供給回路、６５…制御回路、６６…ＦＶコンバーター、６７…基準電圧生成部、６８…増幅器、６９…搬送波生成部、７０…比較器、７１，７６Ａ，７６Ｂ，７７Ａ，７７Ｂ…スイッチング素子。

Claims

エンジンの廃熱を利用してバッテリーに供給する電力を発電する発電装置であって、
回転軸の回転方向に第１永久磁石と第２永久磁石とが交互に配設されたロータと、
複数のステータコイルを有して前記ロータの外周部を取り囲むステータと、
前記回転軸の軸方向の一方から前記第１永久磁石と前記第２永久磁石とに対向し、前記回転軸周りに駆動電流が流れる第１界磁コイルと、
前記回転軸の軸方向の他方から前記第１永久磁石と前記第２永久磁石とに対向し、前記回転軸周りに前記第１界磁コイルと同じ方向に駆動電流が流れる第２界磁コイルと、
最大効率回転数における出力電圧がバッテリー電圧となるように前記第１界磁コイルの駆動電流および前記第２界磁コイルの駆動電流を制御する制御部と、を備え、
前記第１永久磁石は、前記ステータに向けて正極が設定されているとともに前記第２界磁コイルよりも前記第１界磁コイルとのギャップが狭く、
前記第２永久磁石は、前記ステータに向けて負極が設定されているとともに前記第１界磁コイルよりも前記第２界磁コイルとのギャップが狭い
発電装置。
前記制御部は、
前記回転軸の回転数を取得し、
前記取得した回転数が前記最大効率回転数よりも大きいときには前記最大効率回転数における出力電圧が大きくなるように前記第１界磁コイルの駆動電流と前記第２界磁コイルの駆動電流とを制御し、
前記取得した回転数が前記最大効率回転数よりも小さいときには前記最大効率回転数における出力電圧が小さくなるように前記第１界磁コイルの駆動電流と前記第２界磁コイルの駆動電流とを制御する
請求項１に記載の発電装置。
前記発電装置は、発電した電力の一部を前記第１界磁コイルおよび前記第２界磁コイルに供給する供給回路を備える
請求項１または２に記載の発電装置。
前記第１界磁コイルと前記第２界磁コイルとが電気的に直列に接続されている
請求項１〜３のいずれか一項に記載の発電装置。
前記第１界磁コイルおよび前記第２界磁コイルに駆動電流が供給されていない状態において、前記最大効率回転数における出力電圧が前記バッテリー電圧の下限値あるいは上限値に設定されている
請求項１〜４のいずれか一項に記載の発電装置。