JPWO2007105319A1 - 発電機、発電方法及びモータ - Google Patents
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Abstract
本発明に係る発電機1は、制御装置10、ロータ11、12、ステータ31、32、電動モータ30を備える。ロータ表面には、磁石列15、16が軸方向に2列並んで実装され、各磁石の各磁極は周方向に沿って交互に反転配列され、整列した磁石の組で磁極が互いに異なるように配置される。ステータ31、32は、複数のステータブロックを備え、各ブロックのコアは、ロータの磁石の組と対向可能な2つのコア端部及びコア中間部を有し、該コア端部にはステータコイル55、56、57、58が巻装される。ステータブロックは、ブリッジダイオード36及び発電パルス回路46を介してキャパシタ50に接続された発電用ステータブロックと、ブリッジダイオード40を介してモータパルス回路48に接続されたモータ用ステータブロックとを含む。モータパルス回路48は、電気的短絡用スイッチを備える。本発明によれば、発電機の増分効率を大幅に向上させることができる。
Description
本発明は、発電機、発電方法及びモータに関する。
現在の発電システムは、外部エネルギー源(水力、火力、原子力、風力等)を用いて発電機のロータを回転させ、その機械的な回転エネルギーを電気的エネルギーに変換する方式が主流を占めている。従来の発電機は、一般に、複数の永久磁石を配置したロータと、該ロータの周囲に配置された複数のコイルからなるステータと、ロータの回転角を検出するセンサーと、該センサーにより検出されたロータ回転角に応じて、ステータコイルに誘導起電力を発生させるようにステータコイルの巻き線の結線態様を切り替えるためのスイッチング回路と、を備えている。なお、従来の発電機では、ステータの複数のコイルは互いに結線されており、電気的及び磁気的に独立していない。
この主流の発電機の発電原理は、1831年、マイケル・ファラディーによって発見された電磁誘導の法則に基づいている。電磁誘導の法則は、周知されているように、巻き数nのコイルと磁石との相対的位置が変化するとき、コイル内を貫通する鎖交磁束が時間の経過と共に変化し、その変化率に比例した起電力がコイルが発生して誘導電流が流れるというものである。この起電力Vは、貫通する鎖交磁束をφ、時間をt、コイルに生じる起電力をVとしたとき、次式によって表される。
V=−ndφ/dt (1)
この式の右辺の項にマイナスの符号がつくのは、所謂レンツの法則を意味しており、コイル内の磁場の変化を妨げる方向に電流が流れるように起電力が発生するということを示している。即ち、誘電電流により発生したコイル磁場がロータの永久磁石の回転を妨げるように逆トルクを発生させ、この逆トルクに逆らってロータを回転させると、その機械的エネルギーが電気的エネルギーに変換される。
この式の右辺の項にマイナスの符号がつくのは、所謂レンツの法則を意味しており、コイル内の磁場の変化を妨げる方向に電流が流れるように起電力が発生するということを示している。即ち、誘電電流により発生したコイル磁場がロータの永久磁石の回転を妨げるように逆トルクを発生させ、この逆トルクに逆らってロータを回転させると、その機械的エネルギーが電気的エネルギーに変換される。
従って、従来の発電機では、大きな電力を得ようとロータの回転速度を上げても、これに応じて逆トルクが増大して機械的エネルギーの消費が増えるため、増分効率を向上できず、よってシステム効率を増大させることが困難であるという問題があった。なお、増分効率とは、発電機に与えた入力エネルギーの増分に対する発電機から出力された出力エネルギーの比率であり、システム効率とは、発電機に与えた総入力エネルギーに対する発電機から出力された出力エネルギーの比率である。
ところで、ファラディーは、翌1832年に、単極誘導と呼ばれる、上記誘導法則とは異なる誘導現象も発見している(非特許文献1)。この単極誘導を引き起こす発電機を図9に示す。同図に示すように、単極誘導発電機は、ディスク状の磁石円板90と、シャフト92と、磁石円板90の外周囲側面に接触するブラシ94と、シャフト92に接触するブラシ96と、を備える。図示のように、磁石円板90は、NS極を軸方向に整列させている。磁石円板90をシャフト92の周りに回転させると、磁石円板90の中心部と周辺部との間に誘導起電力Vが発生し、ブラシ94及び96を介して取り出すことができる。誘導起電力Vは、磁石円板90の回転角速度をω、磁石円板90の軸に垂直な断面を貫く磁束をΦとすると、次式で表される。
V=Φω/2π (2)
この単極誘導発電機は、逆トルクがかからないという特性があり、よって増分効率の顕著な増大を示すものであることが知られている。しかし、単極誘導発電機は、通常、発生する電圧がきわめて低く(0.6〜0.7V)、大きな電圧を得るためには、高速回転させなければならない。しかし、高速回転時にはブラシ94、96の接点の摩擦でブラシが機械的に破損するという問題があった。このため、単極誘導の発電原理は主流とはなり得ず、(1)式のファラディーの電磁誘導の法則に基づいた発電方法が採用されて現在に至っている。
この単極誘導発電機は、逆トルクがかからないという特性があり、よって増分効率の顕著な増大を示すものであることが知られている。しかし、単極誘導発電機は、通常、発生する電圧がきわめて低く(0.6〜0.7V)、大きな電圧を得るためには、高速回転させなければならない。しかし、高速回転時にはブラシ94、96の接点の摩擦でブラシが機械的に破損するという問題があった。このため、単極誘導の発電原理は主流とはなり得ず、(1)式のファラディーの電磁誘導の法則に基づいた発電方法が採用されて現在に至っている。
なお、上記単極誘導発電機又は逆トルクを軽減させることができる発電機において、増分効率が1より大きくても、システム効率が必ずしも1を超えることを意味するものではない。換言すれば、システム効率が1より小さい場合であっても、増分効率が1を超える場合もあり得る。
「岩波理化学辞典 第5版」(岩波書店) 「単極誘導」の項目
「岩波理化学辞典 第5版」(岩波書店) 「単極誘導」の項目
本発明は、上記事実に鑑みなされたもので、ロータ及びステータを有する発電機並びに該発電機を用いた発電方法において、逆トルクの影響を抑えることにより、増分効率を大幅に向上させることを目的とする。また、このような発電機を利用した高い効率のモータを提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る発電機は、少なくとも1つのロータであって、該ロータの表面には、磁石が軸方向に少なくとも2つ、周方向に複数、設けられており、各磁石の両磁極は前記ロータの径方向に整列されている、前記少なくとも1つのロータと、該少なくとも1つのロータに対して配置された少なくとも1つのステータであって、該ステータは、複数のステータブロックを備え、該ステータブロックの各々はコアを有し、各コアは、前記軸方向に配列された少なくとも2つの磁石の各々と対向可能に径方向に延びた少なくとも2つのコア端部と、該コア端部を連結するコア中間部と、を有し、前記少なくとも2つのコア端部に亘ってステータコイルが連続的に巻装されており、前記複数のステータブロックはモータ用ステータブロックと発電用ステータブロックとを含む、前記少なくとも1つのステータと、前記発電用ステータブロックのステータコイルを電気的負荷に接続するための負荷接続手段と、前記モータ用ステータブロックのステータコイルを電気的に短絡するための電気的短絡手段と、を備えて構成したものである。
ここで、「軸方向に整列(配列)」及び「径方向に整列」という用語は、軸方向(又は径方向)に完全に整列していることだけではなく、軸方向(又は径方向)に所定の角度範囲に収まっていることを意味している。例えば、前記軸方向に2つに並んだ磁石は、1つ目の磁石と2つ目の磁石とを結ぶ直線が、ロータ軸線に対して所定の角度の範囲内で傾いていてもよい。また、「電気的に短絡」とは、事実上抵抗ゼロを介して短絡することだけを意味するものでなく、少なくとも前記電気的負荷よりも小さい負荷を介して接続することも網羅している。
本発明によれば、複数のステータブロックを、発電用ステータブロックと、モータ用ステータブロックとに分け、モータ用ステータブロックのステータコイルを電気的に短絡可能に構成したので、誘導電流をステータコイル内に発生させると共に、ロータの磁石とステータコイルとの間にモータ作用を促す反発磁場を形成することが可能となった。この反発磁場の上を滑るようにしてステータコイルに対してロータが回転するため、逆トルクを大幅に軽減できる。このモータ用ステータブロックによるモータ作用でロータの回転が援助されている間に、発電用ステータブロックのステータコイルに誘導電流が発生し、電気的負荷を通して仕事を行う。従って、本発明の発電機は、従来技術の発電機よりも大幅に増分効率を増大させることができる。発電用及びモータ用ステータブロックのステータコイルに流れる電流は、通常の誘導電流のような単一の正弦波を示さず、互いに略90°位相が異なる2つの正弦波の重なりを示しており、モータ作用及び反発磁場の存在を示している。更に、本発明では、従来の発電機のようにセンサーによりロータの位置を検出し、ロータの位置に応じてステータコイルを切り替えたりする必要はなく、非常に簡単な構成で高い効率の発電機を実現することができる。
上記作用効果をもたらすため、好ましくは、軸方向に配列された少なくとも2つの磁石は、磁極が交互に逆向きになるように配置され、軸方向に配列された少なくとも2つの磁石に亘って、該磁石の底部とロータのボディとの間に磁性体が介在されている。この場合、軸方向に配列された少なくとも2つの磁石は互いに間隔を隔てられているのが好ましい。これによって、1列目(又は2列目)の磁石から磁性体を介して磁極が逆の2列目(又は1列目)の磁石まで磁力線が貫通する。即ち、磁性体に沿って軸方向に延びる磁力線が発生する。なお、磁性体として鉄等を用いることができる。また、周方向に複数組の磁石は、組毎に磁極が逆向きになるように配置されるのが好ましい。この配置により、ロータが回転したときステータコイルに交互に逆向きの誘導電流が流れる。また、ステータコイルは少なくとも2つのコア端部に亘ってコイル電流の流れる方向に巻き方向が同一となるように連続的に巻装されているのが好ましい。
好ましくは、発電用ステータブロックのステータコイルの各々で発生した誘導電流を整流するための整流手段が、ステータコイルと前記電気的負荷との間に設けられている。これにより、発電機の力率を改善することができる。好ましくは、整流手段と電気的負荷との間に、電気的負荷への電気的接続を断続的に実行するためのパルス回路が設けられている。これによって、発電用ステータブロックのステータコイルで発生した誘導電流を電気的負荷に効率的に供給することができる。
モータ用ステータブロックに関しても、そのステータコイルの各々で発生した電流を整流するための整流手段が、該ステータコイルと電気的短絡手段との間に設けられていてもよい。
電気的短絡手段は、電気的短絡を断続的に実行するためのパルス回路を有するのが好ましい。この場合、制御装置を更に備え、該制御装置は、発電運転するとき、モータ用ステータブロックを電気的に短絡しない状態でロータを回転始動させ、該ロータの回転速度が上昇するにつれてパルス回路を動作させてモータ用ステータブロックの電気的短絡を断続的に実行し、ロータの回転速度が所定速度に達したとき、モータ用ステータブロックの電気的短絡を維持するように制御するのが好ましい。
更に、制御装置は、発電運転を開始するとき、発電用ステータブロックの電気的負荷への電気的接続をオフにした状態で前記ロータを回転始動させ、該ロータの回転速度が上昇するにつれて電気的負荷への電気的接続を断続的に実行してもよい。
好ましい例では、電気的負荷はキャパシタ、より好ましくは電気二重層キャパシタであり、磁石は、ネオジム磁石である。また、整流手段は、全波整流手段、特にブリッジダイオードである。ステータブロックのコアは、残留磁気が少ない材料、例えばケイ素鋼板を積層形成して構成するのが好ましい。
好ましい態様の複数のステータブロックは、各々、電気的及び/又は磁気的に独立に構成されている。複数のステータブロックを電気的に独立に構成するためには、例えば、ステータブロックの各々に、夫々別個の負荷接続手段、電気的負荷、電気的短絡手段並びに整流手段等を接続する。また、複数のステータブロックを磁気的に独立に構成するためには、前記磁性体は、周方向に複数組の磁石の組毎に分離され、複数のステータブロックは、各々、非磁性又は反磁性の材料のフレームに固定される。
発電電力を増大させるために、好ましい態様では、ロータ及びステータは2以上設けられ、2以上のロータに亘って軸方向に配列された少なくとも2つの磁石は交互に磁極が逆向きになるように配置されている。ロータ及びステータを例えば同軸に2以上設けることにより、ロータ及びステータの数に比例して発電電力を増大させることができる。また、発電効率を更に向上させるため、発電用ステータブロックと前記モータ用ステータブロックとは、前記ロータの磁石に対向するロータ位置が所定の位相ずれているのが好ましい。
本発明の発電機は、ロータを回転させるための電動モータと、該電動モータを電気的負荷としてのキャパシタに接続するための接続手段と、を更に備えていてもよい。
本発明の別の態様に係る発電機は、少なくとも1つのロータであって、該ロータの表面には、磁石が軸方向に少なくとも2つ、周方向に複数、設けられており、各磁石の両磁極は前記ロータの径方向に整列されている、少なくとも1つのロータと、少なくとも1つのロータに対して配置された少なくとも1つのステータであって、該ステータは、複数のステータブロックを備え、該ステータブロックの各々はコアを有し、各コアは、前記軸方向に配列された少なくとも2つの磁石の各々と対向可能に径方向に延びた少なくとも2つのコア端部と、該コア端部を連結するコア中間部と、を有し、前記少なくとも2つのコア端部に亘ってステータコイルが連続的に巻装されている、前記少なくとも1つのステータと、
前記テータブロックのステータコイルを電気的負荷に接続する負荷接続手段と、を備える。
前記テータブロックのステータコイルを電気的負荷に接続する負荷接続手段と、を備える。
本発明の発電機を用いた発電方法では、発電機は、少なくとも1つのロータであって、該ロータの表面には、磁石が軸方向に少なくとも2つ、周方向に複数、設けられており、各磁石の両磁極は前記ロータの径方向に整列されている、前記ロータと、前記少なくとも1つのロータに対して配置された少なくとも1つのステータであって、該ステータは、複数のステータブロックを備え、該ステータブロックの各々はコアを有し、各コアは、前記軸方向に配列された少なくとも2つの磁石の各々と対向可能に径方向に延びた少なくとも2つのコア端部と、該コア端部を連結するコア中間部と、を有し、前記少なくとも2つのコア端部に亘ってステータコイルが連続的に巻装されており、前記複数のステータブロックはモータ用ステータブロックと発電用ステータブロックとを含む、前記ステータと、を有し、前記発電方法は、前記ロータを回転させる工程と、前記発電用ステータブロックのステータコイルを電気的負荷に接続する工程と、前記モータ用ステータブロックのステータコイルを電気的に短絡する工程と、を備えて構成したものである。
本発明の発電方法で使用される発電機の構成は、本発明の上記した発電機の各態様と同様に構成することができる。
好ましい態様の発電方法は、発電用ステータブロックのステータコイルの各々で発生した誘導電流を整流する工程を更に備え、ステータコイルを電気的負荷に接続する工程では、整流された誘導電流を該電気的負荷に印加する。好ましくは、発電用ステータブロックのステータコイルを電気的負荷に接続する工程は、該電気的負荷への電気的接続を断続的に実行する。
本発明の発電方法は、モータ用ステータブロックのステータコイルの各々で発生した電流を整流する工程を更に備えていてもよい。好ましくは、モータ用ステータブロックのステータコイルを電気的に短絡する工程は、電気的短絡を断続的に実行する。
好ましい態様の発電方法は、ロータの回転速度が所定速度に達したとき、前記モータ用ステータブロックの電気的短絡の断続を停止し、電気的短絡状態を維持する。
好ましくは、電気的負荷は、キャパシタであり、発電機は、ロータを回転させるための電動モータを更に備え、キャパシタに充填された電気を前記電動モータに供給する工程を更に備える。
本発明に係る発電機は、ロータの回転を介して外部に回転トルクを提供するモータとしても機能することができる。
本発明の一態様に係るモータは、少なくとも1つのロータであって、該ロータの表面には、磁石が軸方向に少なくとも2つ、周方向に複数、設けられており、各磁石の両磁極は前記ロータの径方向に整列されている、前記少なくとも1つのロータと、前記少なくとも1つのロータに対して配置された少なくとも1つのステータであって、該ステータは、複数のステータブロックを備え、該ステータブロックの各々はコアを有し、各コアは、前記軸方向に配列された少なくとも2つの磁石の各々と対向可能に径方向に延びた少なくとも2つのコア端部と、該コア端部を連結するコア中間部と、を有し、前記少なくとも2つのコア端部に亘ってステータコイルが連続的に巻装されている、前記少なくとも1つのステータと、前記ステータブロックのステータコイルを電気的に短絡するための電気的短絡手段と、を備えて構成したものである。
本発明の別の態様に係るモータは、少なくとも1つのロータであって、該ロータの表面には、磁石が軸方向に少なくとも2つ、周方向に複数、設けられており、各磁石の両磁極は前記ロータの径方向に整列されている、前記少なくとも1つのロータと、前記少なくとも1つのロータに対して配置された少なくとも1つのステータであって、該ステータは、複数のステータブロックを備え、該ステータブロックの各々はコアを有し、各コアは、前記軸方向に配列された少なくとも2つの磁石の各々と対向可能に径方向に延びた少なくとも2つのコア端部と、該コア端部を連結するコア中間部と、を有し、前記少なくとも2つのコア端部に亘ってステータコイルが連続的に巻装されており、前記複数のステータブロックはモータ用ステータブロックと発電用ステータブロックとを含む、前記少なくとも1つのステータと、前記モータ用ステータブロックのステータコイルを電気的に短絡するための電気的短絡手段と、前記発電用ステータブロックのステータコイルを電気的負荷に接続する負荷接続手段と、前記ロータを回転可能に構成された予備電動モータと、を備えて構成したものである。好ましくは、前記電気的負荷は、キャパシタであり、前記予備電動モータを前記キャパシタに接続するための接続手段を更に備える。
また、好ましい態様に係るモータは、本発明の上記した発電機のいずれかの態様の構成要素を備え、ロータの回転トルクを外部に出力可能に構成される。
本発明の更なる態様は、添付図面、並びに、発明の詳細な実施例を参照することにより、更に明らかとなる。
1 発電機/モータ
10 制御装置
11、12 第1及び第2のロータ
13、14 第1及び第2のロータボディ
15、16、17、18 磁石列
20 磁性体プレート
23 シャフト
31、32 第1及び第2のステータ
37 コア
36、40 ブリッジダイオード
46 発電パルス回路
48 モータパルス回路
50 電気二重層キャパシタ
51 コア端部
53 コア中間部
55、56 ステータコイル
70 固定フレーム
72 ハウジング
74 操作計器盤
10 制御装置
11、12 第1及び第2のロータ
13、14 第1及び第2のロータボディ
15、16、17、18 磁石列
20 磁性体プレート
23 シャフト
31、32 第1及び第2のステータ
37 コア
36、40 ブリッジダイオード
46 発電パルス回路
48 モータパルス回路
50 電気二重層キャパシタ
51 コア端部
53 コア中間部
55、56 ステータコイル
70 固定フレーム
72 ハウジング
74 操作計器盤
図1には、本発明の一実施例に係る発電機1の構成が示されている。同図に示すように、発電機1は、発電シーケンスを制御するための制御装置10と、第1及び第2のロータ11、12と、該ロータ11、12の周囲に各々配置された第1及び第2のステータ31、32と、直流モータ30と、ステータから出力された電気的エネルギーを蓄える電気二重層キャパシタ50と、を備える。
第1及び第2のロータ11、12は、共通のシャフト23を回転軸として一緒に回転可能に構成されている。シャフト23にはプーリー24が取り付けられ、該プーリー24と直流モータ30の出力軸に取り付けられたプーリー28との間にはベルト26が張設されている。従って、直流モータ30の回転によって第1及び第2のロータ11、12は共に回転する。
第1のロータ11には、各々、ロータ周方向に沿って配列された複数の磁石からなる第1及び第2の磁石列15、16が軸方向に2列並んで実装されている。同様に、第2のロータ12には、各々、ロータ周方向に沿って配列された複数の磁石からなる第1及び第2の磁石列17、18が軸方向に2列並んで実装されている。なお、これらの磁石は、ネオジム磁石であるのが好ましい。
図2には、図1のラインI−Iに沿って取られた第1のロータ11及び該ロータ11の周囲に配置された第1のステータ31の断面が示されている。図2から理解できるように、第1のロータ11の第1の磁石列15は、ロータ周方向に沿って磁石15−1、15−2、...15−8が配列されたものである。磁石15−1、15−2、...15−8は、各磁石のN極及びS極を結ぶ線がロータの径方向に整列されるようにロータボディ13に取り付けられ、各磁石の径方向外側の磁極が周方向に沿って交互に反転するように配列されている。即ち、磁石15−1、15−2、...15−8の径方向外側の磁極は、N、S、N、S、N、S、N、S(径方向内側の磁極は、図示のようにS、N、S、N、S、N、S、N)となる。第2の磁石列16に関しても、その断面が図2と同様になるように構成されるが、後述されるように、第2の磁石列16の磁石の磁極は、第1の磁石列15の磁石の磁極とは極性が逆になるように配列されている。
ここで、ロータ11及びステータ31の斜視図である図3を参照する。なお図3では、図を簡単にして説明するため、第1及び第2の磁石列のうち各々1個の磁石しか示されておらず、これに対応してステータブロックも1つしか示されていない。図3に示されるように、第1の磁石列15の一つの磁石15−1(15−2、...15−8)は、第2の磁石列16の一つの磁石16−1(16−2、...16−8)と軸方向に整列されており、更に、整列した磁石の組で磁極が互いに異なるように配置されている。例えば、磁石15−1の径方向外側の磁極がN極なので、これと整列した磁石16−1の径方向外側の磁極はS極となる。また、ロータ11には、ロータ外周面上に周方向に互いに分離したプレート20−1、20−2、...20−8が実装されており、各プレート20−1,...20−8上に、整列した磁石の組(15−1、16−1)、...(15−9、16−8)が各々取り付けられている。これらのプレート20は、磁気的な性質を有する材料、例えば鉄等の磁性体から作られ、隣接するプレート間は間隙が形成される。
図4には、第1のロータ11と第2のロータ12との間の位置関係を示す。第1のロータ11の第2の磁石列16の一つの磁石16−1(16−2、...16−8)は、第2のロータ12の第1の磁石列17の一つの磁石17−1(17−2、...17−8)と整列されており、更に、整列した磁石の組で磁極が互いに異なるように配置されている。例えば、磁石16−1の径方向外側の磁極がN極なので、これと整列した磁石17−1の径方向外側の磁極はS極となる。これ以外の点では、第2のロータ12の構成は、第1のロータ11の構成と同様である。なお、ここでいう磁石の組の整列とは、完全に軸方向に一致させて整列することだけではなく、周方向に所定角度をずれた状態も包含している。
図2に戻ると、第1のステータ31は、互いに独立したステータブロック31−1、31−2、..31−8を備えて構成されている。第1のステータ31のステータブロックの各々は、図5に示されるように、コア37を有する。コア37は、ケイ素鋼板を積層形成して構成されるのが好ましい。各コア37は、ロータの整列した磁石の組(15、16)の各々と対向可能に径方向に延びた2つのコア端部51、52と、該2つのコア端部51、52を軸方向に連結するコア中間部53と、を有する。2つのコア端部51、52にはステータコイル55、56が各々巻装されている。該ステータコイル55、56は、図示のように、該2つのコア端部51、52に亘ってコイル電流の流れる方向に巻き方向が同一となるように一本の巻き線を連続的に巻いて形成されている。図の例では、コア端部51、52から見て右回りの巻き方向であるが、左回りに巻いてもよい。図3には、ステータブロックの斜視図、図6には、ステータブロックの頂面図が各々示されている。第2のステータ32の各ステータブロックも上述したものと同様に構成されている。
ステータブロックは、電気的エネルギーを供給するための発電用ステータブロック(31−1、31−3、31−5、31−7)と、ロータにモータ作用を及ぼすためのモータ用ステータブロック(31−2、31−4、31−6、31−8)と、に分けられる。図1に示すように、発電用ステータブロック(31−1、31−3、31−5、31−7)の各々は、全波整流回路36及び発電パルス回路46を介してキャパシタ50に接続されている。モータ用ステータブロック(31−2、31−4、31−6、31−8)の各々は、全波整流回路40を介してモータパルス回路48に接続されている。
図5に詳細に示すように、全波整流回路36、40は、ステータコイル55、56からのリード線57、58に接続された4つのダイオード60、61、62、63から構成されている。この回路構成は、所謂ブリッジ回路として知られたもので、ステータコイル55、56に誘起された誘導電流を全波整流する作用を有する。全波整流回路36、40からのリード線64、65は、パルス回路46、48に各々接続される。
発電パルス回路46は、例えば、全波整流回路36のリード線64又は65(図5)からキャパシタ50の端子への電流経路に設けられたスイッチ(図示せず)と、このスイッチのオン(キャパシタへの電力供給)とオフ(キャパシタへの電力供給無し)とをパルス的に切り替えるパルス発振回路と、を備える。このスイッチは、トランジスタ等で構成することができる。パルスの幅及びパルスの周波数は、後述するように調節可能となっている。
モータパルス回路48は、全波整流回路40のリード線64及び65(図5)を電気的に短絡させるスイッチ(図示せず)と、この電気的短絡スイッチのオン(電気的短絡)とオフ(解放)とをパルス的に切り替えるパルス発振回路と、を備える。このスイッチは、トランジスタ等で構成することができる。パルスの幅及びパルスの周波数は、後述するように調節可能となっている。
図1に示す発電機1の外観を図7に示す。図7では、ステータ31、32が省略されているが、各ステータブロックを取り付けるための固定フレーム70と、ハウジング72とが示されている。この固定フレーム70は、アルミニウム等の非磁性材料又は反磁性材料で作られ、これによって、各ステータブロックを磁気的に独立させることができる。なお、ハウジング72もアルミニウム等の非磁性材料又は反磁性材料で作られるのが好ましい。ハウジング72には、操作計器盤74が取り付けられており、発電機1の制御と、直流モータ30の電流、電圧等の監視とが可能となっている。
次に、本発明の実施例に係る発電機1の発電シーケンスを図8のフローチャートを用いて説明する。
図8に示すように、最初に、初期条件が設定される(ステップ300)。この初期設定では、モータパルス回路48の電気的短絡スイッチをオフにし、発電パルス回路46のスイッチをオフにすることにより発電開始時に電気的に負荷をかけないようにする。なお、予めパルス回路46、48のパルス幅及びパルス周波数は最適な値に設定される。最適なパルス幅及びパルス周波数は、事前に実験的に定めたもので操作計器盤74の調整器を用いて調整することができる。
次に、直流モータ30を始動させてロータ11、12を回転させる。このとき、キャパシタ50が十分に充電されている場合には、制御装置10は、キャパシタ50から供給される電力を用いて直流モータ30を回転させる。キャパシタ50の充電量が十分でない場合には、制御装置10は、外部のAC電源からの電流を直流に変換して直流モータ30に供給する。
ロータの回転が上昇するに伴い、モータパルス回路48の動作を実行する。モータパルス回路48の動作開始は、例えばロータの回転速度がある一定の速度(後述する所定速度よりも遅い速度)を超えたときに実行する。このとき、モータ用ステータブロックのステータコイル55、56には、相互誘導作用により起電力が発生する。回転速度が十分に速くなるとモータ用ステータブロックのステータコイルの整流前の電流には、通常の誘導起電力の第1の波形と、この波形から位相が遅れた第2の波形とが現れることが確認された。これは、ロータに対して逆トルクを作用させるのではなく積極的に回転させるモータ作用が現れたことを示している。
次に、発電パルス回路46を動作させ、キャパシタ50の充電を開始する(ステップ306)。キャパシタ50にパルス的に電力供給が行われるため、円滑にキャパシタ50が充電される。なお、発電パルス回路46の動作開始は、モータパルス回路48の動作開始より遅いタイミングで開始してもよい。
次に、制御装置10は、ロータ回転速度が所定速度に達したか否かを判定する(ステップ308)。ロータ回転速度が所定速度に達していない場合(ステップ308否定判定)、所定速度に達するまで待機する。この間、ロータの回転速度は、上昇していく。なお、この所定速度は、最大の発電効率が得られるように予め実験的に決定されたものである。例えば800〜1000回転/分であることが実験的に得られている。ロータの回転速度は、センサー等で直接検出してもよいが、直流モータ30の消費電流で推定することもできる。
ロータ回転速度が所定速度に達した場合(ステップ308肯定判定)、モータ用ステータブロックのステータコイルを電気的に短絡させ(ステップ310)、ロータ回転速度を所定速度に維持制御する(ステップ312)。この状態で、発電機1のロータ回転負荷は、大幅に減少し、100Vで1〜2Aで動作することが実験的に確認された。発電機1は増大された効率で発電するため、キャパシタ50は速やかに充電される。制御装置10は、キャパシタ50からの電力を利用して、直流モータ30を回転させると共に、外部に電力供給する(ステップ314)。また、この状態では、発電機1は、シャフト23を介して外部に回転トルクを提供するモータとしても機能することができる。
以上が本発明の実施例であるが、本発明は上記例にのみ限定されるものではない。
例えば、実施例では、第1及び第2のロータの2連構成としたが、1つのロータだけを使用してもよい。また、ロータを3連以上の構成とすることにより、より大きな電力を得ることができる。また、2つのロータボディ13、14の各々に2列の磁石列を設けた構成は、1つのボディに4列の磁石列を設けたものと本質的に何ら変ることがないのは明らかである。
また、本実施例のようにロータを内側に、ステータを外側に配置する態様が好ましいが、その逆にステータを内側にロータを外側に配置する態様も考えられる。
更に、1つの磁石列の磁石数と、これに対応したステータブロックの数とは、任意好適に変更可能である。
本発明は、ロータ回転開始時には、大きな負荷がかかるが、最適なロータ回転速度で発電したとき、きわめて少ない電流消費量でロータの回転を持続しつつキャパシタへの充電を長期間に亘って継続することができる。即ち、増分効率が顕著に増大したことを示しており、このことは実験データによって明確に裏付けられている。従って、本発明によれば、産業上利用可能性の観点で非常に有用な発電機及びモータを提供することができる。
Claims (39)
- 発電機であって、
少なくとも1つのロータであって、該ロータの表面には、軸方向に少なくとも2つ配列された磁石の組が、周方向に複数組配列されており、各磁石の両磁極は前記ロータの径方向に整列されている、前記少なくとも1つのロータと、
前記少なくとも1つのロータに対して配置された少なくとも1つのステータであって、該ステータは、複数のステータブロックを備え、該ステータブロックの各々はコアを有し、各コアは、前記軸方向に配列された少なくとも2つの磁石の各々と対向可能に径方向に延びた少なくとも2つのコア端部と、該コア端部を連結するコア中間部と、を有し、前記少なくとも2つのコア端部に亘ってステータコイルが連続的に巻装されており、前記複数のステータブロックはモータ用ステータブロックと発電用ステータブロックとを含む、前記少なくとも1つのステータと、
前記発電用ステータブロックのステータコイルを電気的負荷に接続するための負荷接続手段と、
前記モータ用ステータブロックのステータコイルを電気的に短絡するための電気的短絡手段と、
を備える、発電機。 - 前記軸方向に配列された少なくとも2つの磁石は、磁極が交互に逆向きに配置されている、請求項1に記載の発電機。
- 前記軸方向に配列された少なくとも2つの磁石に亘って、該磁石の底部と前記ロータのボディとの間に磁性体が介在されている、請求項2に記載の発電機。
- 前記周方向に複数組の磁石は、組毎に磁極が逆向きになるように配置されている、請求項1に記載の発電機。
- 前記発電用ステータブロックのステータコイルの各々で発生した誘導電流を整流するための整流手段が、前記ステータコイルと前記電気的負荷との間に設けられている、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の発電機。
- 前記整流手段と前記電気的負荷との間に、前記電気的負荷への電気的接続を断続的に実行するためのパルス回路が設けられている、請求項5に記載の発電機。
- 前記モータ用ステータブロックのステータコイルの各々で発生した電流を整流するための整流手段が、前記ステータコイルと前記電気的短絡手段との間に設けられている、請求項1乃至6のいずれか1項に記載の発電機。
- 前記電気的短絡手段は、電気的短絡を断続的に実行するためのパルス回路を有する、請求項1乃至7のいずれか1項に記載の発電機。
- 制御装置を更に備え、該制御装置は、発電運転するとき、前記モータ用ステータブロックを電気的に短絡しない状態で前記ロータを回転始動させ、該ロータの回転速度が上昇するにつれて前記パルス回路を動作させて前記モータ用ステータブロックの電気的短絡を断続的に実行し、前記ロータの回転速度が所定速度に達したとき、前記モータ用ステータブロックの電気的短絡を維持するように制御する、請求項8に記載の発電機。
- 前記制御装置は、発電運転を開始するとき、前記発電用ステータブロックの前記電気的負荷への電気的接続をオフにした状態で前記ロータを回転始動させ、該ロータの回転速度が上昇するにつれて前記電気的負荷への電気的接続を断続的に実行する、請求項9に記載の発電機。
- 前記ステータコイルは前記少なくとも2つのコア端部に亘ってコイル電流の流れる方向に巻き方向が同一となるように連続的に巻装されている、請求項1乃至10のいずれか1項に記載の発電機。
- 前記電気的負荷はキャパシタである、請求項1乃至11のいずれか1項に記載の発電機。
- 前記磁石は、ネオジム磁石である、請求項1乃至12のいずれか1項に記載の発電機。
- 前記整流手段は、全波整流手段である、請求項5乃至7のいずれか1項に記載の発電機。
- 前記全波整流手段は、ブリッジダイオードである、請求項14に記載の発電機。
- 前記ステータブロックのコアは、ケイ素鋼板を積層形成してなる、請求項1乃至15のいずれか1項に記載の発電機。
- 前記ロータ及び前記ステータは2以上設けられ、
前記2以上のロータに亘って前記軸方向に配列された少なくとも2つの磁石は、交互に磁極が逆向きになるように配置されている、請求項1乃至16のいずれか1項に記載の発電機。 - 前記軸方向に配列された少なくとも2つの磁石は互いに間隔を隔てられている、請求項3に記載の発電機。
- 前記磁性体は、前記周方向に複数組の磁石の組毎に分離されている、請求項3に記載の発電機。
- 前記複数のステータブロックは、各々、非磁性又は反磁性の材料のフレームに固定される、請求項1乃至19のいずれか1項に記載の発電機。
- 前記複数のステータブロックは、各々、電気的及び又は磁気的に独立に構成されている、請求項1乃至20のいずれか1項に記載の発電機。
- 前記発電用ステータブロックと前記モータ用ステータブロックとは、前記ロータの磁石に対向するロータ位置が所定の位相ずれている、請求項1乃至21のいずれか1項に記載の発電機。
- 前記ロータを回転させるための電動モータと、該電動モータを前記キャパシタに接続するための接続手段と、を更に備える、請求項12項に記載の発電機。
- 発電機を用いた発電方法であって、
前記発電機は、
少なくとも1つのロータであって、該ロータの表面には、磁石が軸方向に少なくとも2つ、周方向に複数、設けられており、各磁石の両磁極は前記ロータの径方向に整列されている、前記ロータと、
前記少なくとも1つのロータに対して配置された少なくとも1つのステータであって、該ステータは、複数のステータブロックを備え、該ステータブロックの各々はコアを有し、各コアは、前記軸方向に配列された少なくとも2つの磁石の各々と対向可能に径方向に延びた少なくとも2つのコア端部と、該コア端部を連結するコア中間部と、を有し、前記少なくとも2つのコア端部に亘ってステータコイルが連続的に巻装されており、前記複数のステータブロックはモータ用ステータブロックと発電用ステータブロックとを含む、前記ステータと、
を有し、
前記発電方法は、
前記ロータを回転させる工程と、
前記発電用ステータブロックのステータコイルを電気的負荷に接続する工程と、
前記モータ用ステータブロックのステータコイルを電気的に短絡する工程と、
を備える、発電方法。 - 前記軸方向に配列された少なくとも2つの磁石は、磁極が交互に逆向きになるように配置されている、請求項1に記載の発電方法。
- 前記軸方向に配列された少なくとも2つの磁石に亘って、該磁石の底部と前記ロータのボディとの間に磁性体が介在されている、請求項25に記載の発電方法。
- 前記周方向に複数組の磁石は、組毎に磁極が逆向きになるように配置されている、請求項24に記載の発電方法。
- 前記発電用ステータブロックのステータコイルの各々で発生した誘導電流を整流する工程を更に備え、前記ステータコイルを電気的負荷に接続する工程では、整流された誘導電流を該電気的負荷に印加する、請求項24乃至27のいずれか1項に記載の発電方法。
- 前記発電用ステータブロックのステータコイルを電気的負荷に接続する工程は、該電気的負荷への電気的接続を断続的に実行する、請求項28に記載の発電方法。
- 前記モータ用ステータブロックのステータコイルの各々で発生した電流を整流する工程を更に備える、請求項24乃至29のいずれか1項に記載の発電方法。
- 前記モータ用ステータブロックのステータコイルを電気的に短絡する工程は、電気的短絡を断続的に実行する、請求項24乃至30のいずれか1項に記載の発電方法。
- 前記ロータの回転速度が所定速度に達したとき、前記モータ用ステータブロックの電気的短絡の断続を停止し、電気的短絡状態を維持する、請求項31に記載の発電方法。
- 前記電気的負荷は、キャパシタであり、前記発電機は、前記ロータを回転させるための電動モータを更に備え、
前記キャパシタに充填された電気を前記電動モータに供給する工程を更に備える、請求項24乃至32のいずれか1項に記載の発電方法。 - モータであって、
少なくとも1つのロータであって、該ロータの表面には、磁石が軸方向に少なくとも2つ、周方向に複数、設けられており、各磁石の両磁極は前記ロータの径方向に整列されている、前記少なくとも1つのロータと、
前記少なくとも1つのロータに対して配置された少なくとも1つのステータであって、該ステータは、複数のステータブロックを備え、該ステータブロックの各々はコアを有し、各コアは、前記軸方向に配列された少なくとも2つの磁石の各々と対向可能に径方向に延びた少なくとも2つのコア端部と、該コア端部を連結するコア中間部と、を有し、前記少なくとも2つのコア端部に亘ってステータコイルが連続的に巻装されている、前記少なくとも1つのステータと、
前記ステータブロックのステータコイルを電気的に短絡するための電気的短絡手段と、
を備える、モータ。 - モータであって、
少なくとも1つのロータであって、該ロータの表面には、磁石が軸方向に少なくとも2つ、周方向に複数、設けられており、各磁石の両磁極は前記ロータの径方向に整列されている、前記少なくとも1つのロータと、
前記少なくとも1つのロータに対して配置された少なくとも1つのステータであって、該ステータは、複数のステータブロックを備え、該ステータブロックの各々はコアを有し、各コアは、前記軸方向に配列された少なくとも2つの磁石の各々と対向可能に径方向に延びた少なくとも2つのコア端部と、該コア端部を連結するコア中間部と、を有し、前記少なくとも2つのコア端部に亘ってステータコイルが連続的に巻装されており、前記複数のステータブロックはモータ用ステータブロックと発電用ステータブロックとを含む、前記少なくとも1つのステータと、
前記モータ用ステータブロックのステータコイルを電気的に短絡するための電気的短絡手段と、
前記発電用ステータブロックのステータコイルを電気的負荷に接続する負荷接続手段と、
前記ロータを回転可能に構成された予備電動モータと、
を備える、モータ。 - 前記電気的負荷は、キャパシタであり、
前記予備電動モータを前記キャパシタに接続するための接続手段を更に備える、請求項35に記載のモータ。 - 請求項1乃至23のいずれか1項に記載の発電機の構成要素を備え、
前記ロータの回転トルクを外部に出力可能に構成されたモータ。 - 発電機であって、
少なくとも1つのロータであって、該ロータの表面には、磁石が軸方向に少なくとも2つ、周方向に複数、設けられており、各磁石の両磁極は前記ロータの径方向に整列されている、前記少なくとも1つのロータと、
前記少なくとも1つのロータに対して配置された少なくとも1つのステータであって、該ステータは、複数のステータブロックを備え、該ステータブロックの各々はコアを有し、各コアは、前記軸方向に配列された少なくとも2つの磁石の各々と対向可能に径方向に延びた少なくとも2つのコア端部と、該コア端部を連結するコア中間部と、を有し、前記少なくとも2つのコア端部に亘ってステータコイルが連続的に巻装されている、前記少なくとも1つのステータと、
前記テータブロックのステータコイルを電気的負荷に接続する負荷接続手段と、
を備える、発電機。 - 前記キャパシタは、電気二重層キャパシタである、請求項12に記載の発電機。
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