JP2002291228A

JP2002291228A - 電源システム

Info

Publication number: JP2002291228A
Application number: JP2001089859A
Authority: JP
Inventors: Yasunori Takahashi; 靖典高橋
Original assignee: YT MAGNET KK
Current assignee: YT MAGNET KK
Priority date: 2001-03-27
Filing date: 2001-03-27
Publication date: 2002-10-04

Abstract

(57)【要約】【目的】自己発電により長時間電力を安定して供給する
ことができる電源システムを提供することを目的とす
る。【構成】高ＢＨＭＡＸの永久磁石６を内設する回転子２
と、エアギャップを介してこれに同心的に配備される界
磁鉄心８と発電用の誘導コイル１０が併設された界磁巻
線９からなる電機子７によって構成されたＳＧＭ（自己
発電型電動機）１と、そのＳＧＭ１の電力出力端に整流
器１ａを介して電気二重層コンデンサ１３を並列に接続
して電源システムを構成し、また、ＳＧＭ１の誘導コイ
ル１０に、回転子２が３０００ｒｐｍで回転した時の電
流周波数に同調するコンデンサ１０ａを並列に接続し、
且つ界磁巻線９との位相を９０度ずらすようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、発電により電力を供給
する電源システムに関し、特に自己発電型電動機を用い
た電源システムに関するものである。

【０００２】

【従来技術と問題点】従来、家庭用電気機器の多くは、
家庭内に引き込まれているＡＣ１００Ｖの電源によって
動作しているが、今日において、その電機機器の一部の
ものは屋外を含めて何処でも使用できるようにと、機器
に所定の電源が内臓されて携帯できるようになっている
ものもある。その機器の一例としては、ノートパソコン
や携帯電話機等があり、これらの機器は動作用の電源と
して充電可能なバッテリーが内蔵され、そのバッテリー
から電力の供給を受けて動作できるようになっている。

【０００３】しかし、このバッテリーは充電によって電
力を蓄えるものであり、また、瞬時に蓄えられるもので
はないため、ノートパソコンや携帯電話機等を携帯先で
使用する時には、常にバッテリーの蓄電残量を気にしな
ければならないのである。従って、ノートパソコンや携
帯電話機等の機器を使用した後は、内蔵するバッテリー
を充電して次の使用に備えておくのであるが、常に携帯
して使用する者にとっては非常に面倒である。

【０００４】そして、家庭のＡＣ１００Ｖが停電してい
る場合にはそのバッテリーも充電できず、また、ＡＣ１
００Ｖでの機器の使用もできず、結果的にその機器は使
用することができなくなるのである。また、特にノート
パソコンの使用中にバッテリーの残量が少ないことを示
す警告が表示されたときなど、データ処理の中断を余儀
なくされるのである。このように、バッテリーによる電
源供給には幾つかの問題があるのである。

【０００５】

【目的】本発明は上述した問題点に鑑みてなされたもの
で、自己発電により長時間電力を安定して供給すること
ができる電源システムを提供することを目的とするもの
である。

【０００６】

【問題を解決するための手段】本発明の要旨とするとこ
ろは、高ＢＨＭＡＸの永久磁石を内設する回転子に、エ
アギャップを介してこれに同心的に配備される界磁鉄心
と発電用の誘導コイルが併設された界磁巻線からなる電
機子により構成された自己発電型電動機と、その電動機
の電力出力端に整流手段を介して大容量コンデンサが並
列に接続されてなる電源システムであって、前記電動機
の誘導コイルには、回転子が所定の回転数で回転した時
の電流周波数に同調するコンデンサが並列に接続され、
且つ界磁巻線との位相が４５度または９０度ずれている
ことを特徴とする電源システムである。

【０００７】本発明を更に詳しく説明すると、自己発電
型電動機とは発電機能を有した直流電動機であり、その
発電は電機子の界磁巻線に併設された誘導コイルによっ
て行われる。そして、電動機の入力側には制御用のコン
トローラ、また、発電の出力側には発電された交流を直
流に変換するためのダイオード等からなる整流手段が設
けられている。回転子は、回転軸と永久磁石の回転子鉄
心とさらにこれに高ＢＨＭＡＸの磁性材料が内設されて
なり、磁極は、２極・４極・６極など特に限定されるも
のではない。また、回転子は円筒状に構成され、磁極の
周面は一様な円弧面または突極状になっている。そし
て、この回転子に高ＢＨＭＡＸの永久磁石が内設されて
おり、その永久磁石は、偏平にすると共にその厚さを２
ｍｍから４ｍｍ程度にするのがよい。また、永久磁石の
極性は磁極の極性に一致させる。

【０００８】回転子の高ＢＨＭＡＸの永久磁石とは、Ｂ
ＨＭＡＸ値が少なくとも４０ＭＧＯｅ以上のものであ
る。この永久磁石に用いる磁性材料としては、本出願人
が開発したＣｏ−Ｆｅ−Ｙを内層とし、Ｆｅ−Ｎｄ−Ｂ
を外層にした２重構造の磁石が望ましい。しかし、上述
の条件を満たす限り如何なる磁石でもよい。その回転子
に用いる永久磁石は、回転子に鉄芯を入れている場合は
永久磁石のＢＨＭＡＸ値が少なくとも４０ＭＧＯｅから
６０ＭＧＯｅのものが望ましい。また、回転子に鉄芯を
入れていない空芯の場合は永久磁石のＢＨＭＡＸ値が少
なくとも６０ＭＧＯｅから１００ＭＧＯｅのものが望ま
しい。

【０００９】また、回転子は好適な電子部品から構成さ
れたブラシレス制御機構のブラシレス制御回路の制御に
よって回転する。そのブラシレス制御回路を構成する電
子部品としては、磁気センサーとしてＭＲ素子・ホール
素子・リードスイッチ・磁気ダイオード・磁気トランジ
スタ等であり、その出力信号で界磁巻線が適宜励磁され
て回転子が回転する。その回転子の周囲には、エアギャ
ップを介してこれに同心的に配備される界磁鉄心と発電
用の誘導コイルが併設された界磁巻線からなる電機子が
設けられる。そして、この電機子の界磁鉄心には、回転
子の軸と平行に高ＢＨＭＡＸの永久磁石を内設するのが
望ましい。

【００１０】その発電用の誘導コイルは、界磁巻線にで
きるだけ近い位置で併設するのが望ましく、また、この
誘導コイルに、回転子が所定の回転数で回転した時の電
流周波数に同調するコンデンサを並列に接続するのが望
ましい。そして、同調させる回転子の回転数は２０００
ｒｐｍから４０００ｒｐｍ程度の間にするのがよいが、
望ましくは３０００ｒｐｍとするのがよい。また、誘導
コイルは界磁巻線との位相を４５度または９０度ずらす
のがよく、望ましくは９０度ずらすのがよい。

【００１１】そして、この自己発電型電動機の電力出力
端には、整流手段を介して大容量コンデンサが並列に接
続される。整流手段も特に限定しない。この大容量コン
デンサは、使用環境に適合する仕様のものであれば何で
もよいが、電気二重層コンデンサを用いるのがよい。特
に本出願人が開発した電気二重層コンデンサが適してお
り、適宜好適な容量のものを用いればよい。一般的に電
気二重層コンデンサとは、分極性電極と集電極とからな
る正負の電極と、それらの電極の間に電解液とセパレー
タまたは電解液を含浸するセパレータが介在されている
コンデンサである。

【００１２】詳しくは、分極性電極はヤシガラ等の活性
炭を混練することにより作られ、普通それはシート状に
形成されている。その分極性電極は外部引き出しのリー
ド線が接続されており、白金の薄板・アルミ・ステンレ
ス等の金属からなる集電極に貼り付けられている。ま
た、集電極は、一方が正電極に他方が負電極になり、そ
の間に電解液とセパレータまたは電解液を含浸するセパ
レータが介在され、電気二重層コンデンサが構成され
る。

【００１３】本出願人が開発した電気二重層コンデンサ
とは、前記分極性電極が、１０００ｍ²／ｇから３００
０ｍ²／ｇの比表面積を有するコーヒー豆の活性炭から
形成されており、また、負電極側となる集電極に高ＢＨ
ＭＡＸ値のＣｏ−Ｆｅ−Ｙを内層とし、Ｆｅ−Ｎｄ−Ｂ
を外層にした２重構造の永久磁石が埋設されたものであ
る。その活性炭は、基本的には粒状にして使用される
が、これをポリテトラ・フルオロエチレン等のバインダ
ーを用いて混練してシート状にし、それをアルミニウム
等の集電極に重ねて巻き上げて製造される。また、フェ
ノール樹脂を混入してプレス加工し、加熱炭化させて焼
結して電極に形成してもよい。そして、２重構造の永久
磁石は、１ｍｍ程度の厚みに形成されて集電極に埋設さ
れる。

【００１４】そして、本電源システムの自己発電型電動
機は、その初期始動においては適宜好適手段により始動
すればよいが、その始動を大容量コンデンサの電力によ
り行うようにしてもよい。その場合、大容量コンデンサ
を充電するための充電手段を、適宜システム回路内に設
けてもよい。また、充電器は好適なものを用いればよ
い。

【００１５】また、大容量コンデンサの後段に充電可能
なバッテリーを並列に接続し、そのバッテリーにＤＣ−
ＡＣコンバータを並列に接続してもよい。これにより、
ＤＣ−ＡＣコンバータによってＤＣがＡＣに変換されて
ＡＣ１００Ｖの出力が得られる。バッテリーまたＤＣ−
ＡＣコンバータは好適なものを用いればよい。また、自
己発電型電動機は、その初期始動においては適宜好適手
段により始動すればよいが、その始動を充電可能なバッ
テリーにより行うようにしてもよい。その場合、充電可
能なバッテリーを充電するための好適な充電手段を、適
宜システム回路内に設けてもよい。

【００１６】

【作用】本発明の電源システムは以上のように構成され
ているので、先ず充電手段により大容量コンデンサを充
電して、この充電された電力で自己発電型電動機を起動
する。その電動機の回転すなわち回転子がブラシレス制
御回路による界磁巻線の励磁制御により回転する。そし
て、電機子の界磁巻線に併設されている誘導コイルを、
その回転子が横切ることにより誘導コイルが励磁されて
誘導電流が流れる。すなわち、交流電力が発電され、こ
の交流電力は整流手段により直流電力に変換されて出力
される。

【００１７】出力された直流電力は、一部が自己発電型
電動機の駆動用電力として供給される。また、この電力
は電動機の入力に際して減衰が補われて入力されるた
め、その電動機は一定の回転速度を保つことができる。
その他の電力は、ノートパソコンや携帯電話機等の駆動
電力として大容量コンデンサに電力が蓄えられつつそれ
らの機器に供給される。

【００１８】また、大容量コンデンサの後段に充電可能
なバッテリーを並列に接続し、さらにそのバッテリーに
ＤＣ−ＡＣコンバータを並列に接続した電源供給システ
ムでは、先ず充電手段によりバッテリーを充電して、こ
の充電された電力で自己発電型電動機を起動する。その
電動機の回転すなわち回転子がブラシレス制御回路によ
る界磁巻線の励磁制御により回転する。そして、電機子
の界磁巻線に併設されている誘導コイルを、その回転子
が横切ることにより誘導コイルが励磁されて誘導電流が
流れる。すなわち、交流電力が発電され、この交流電力
は整流手段により直流電力に変換されて出力される。

【００１９】出力された直流電力は、一部が自己発電型
電動機の駆動用電力として供給される。また、この電力
は電動機の入力に際して減衰が補われて入力されるた
め、その電動機は一定の回転速度を保つことができる。
その他の電力は、大容量コンデンサに蓄えられる。そし
て、その大容量コンデンサに蓄えられた電力は、バッテ
リーにＤＣ−ＡＣコンバータを介して接続された機器の
使用によりバッテリーの電圧が低下したとき、そのバッ
テリーを充電するために使用される。また、これにより
大容量コンデンサの電力が低下すると、その低下した分
が自己発電型電動機の発電により補われる。

【００２０】

【実施例】本発明の電源システムを以下図面に従って説
明すると、図１は、本発明に係わる電源システムの回路
図であり、１は自己発電型電動機すなわちＳＧＭで、電
動機の入力側には制御用のコントローラ１ａ、また、発
電の出力側には発電された交流を直流に変換するための
整流器１ｂが設けられる。ＳＧＭ１で発電された電力
は、整流器１ｂにより直流電力に変換されて出力され、
その一部がコントローラ１ａを介してＳＧＭ１に入力さ
れる。また、その他の電力は、電気二重層コンデンサ１
３にその電力が蓄えられつつ出力される。２２は電気二
重層コンデンサ１３の充電器である。

【００２１】図２は、同調回路を示す図であり、ＳＧＭ
１の誘導コイル１０には、回転子２が３０００ｒｐｍで
回転した時の電流周波数に同調するコンデンサ１０ａが
並列に接続されている。図３は、発電電圧と回転率との
関係を示す図である。

【００２２】図４は、位相の関係を示す図であり、同調
用のコンデンサ１０ａが並列に接続されている誘導コイ
ル１０は、界磁巻線９との位相が９０度ずらされてい
る。図５は、ドライブ波形との関係を示す図である。

【００２３】図６は、永久磁石の厚さと磁束率との関係
を示す図であり、永久磁石は回転子２に内設される高Ｂ
ＨＭＡＸの磁石であり、図の磁束率との関係から２．０
ｍｍから４．０ｍｍまでの厚さが好適であることが分か
る。

【００２４】図７は、ＡＣ１００Ｖを得るときの電源シ
ステムの回路図であり、電気二重層コンデンサ１３に充
電可能なバッテリー２４が並列に接続され、さらにその
バッテリー２４にＤＣ−ＡＣコンバータ２５が並列に接
続される。ＳＧＭ１で発電された電力は、整流器１ｂに
より直流電力に変換されて出力され、その一部がコント
ローラ１ａを介してＳＧＭ１に入力される。また、その
他の電力は、電気二重層コンデンサ１３に蓄えられる。

【００２５】その電気二重層コンデンサ１３に蓄えられ
た電力は、バッテリー２４にＤＣ−ＡＣコンバータ２５
を介して接続されている機器の使用によりバッテリー２
４の電圧が低下したとき、そのバッテリー２４を充電す
るために使用される。また、これにより電気二重層コン
デンサ１３の電力が低下すると、その低下した分がＳＧ
Ｍ１の発電により補われる。制御はコントローラ１ａに
よって行われる。２３はバッテリー２４の充電器であ
る。

【００２６】図８は、自己発電型電動機の断面図であ
り、１はＳＧＭ（自己発電型電動機）、２は回転子、３
は回転子２の回転軸、４は回転子２の永久磁石からなる
回転子鉄心、６は内設される偏平の高ＢＨＭＡＸの永久
磁石である。この永久磁石６は、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｙを内層
とし、Ｆｅ−Ｎｄ−Ｂを外層にした２重構造の磁石であ
って、ＢＨＭＡＸ値が４０ＭＧＯｅ以上のものであると
共に、２ｍｍから４ｍｍの厚さのものである。

【００２７】そして、回転子２に鉄芯が入れられている
場合は、永久磁石６のＢＨＭＡＸ値を４０ＭＧＯｅから
６０ＭＧＯｅとする。また、回転子２に鉄芯を入れない
空芯の場合は、永久磁石６のＢＨＭＡＸ値を６０ＭＧＯ
ｅから１００ＭＧＯｅとする。７は電機子で、界磁鉄心
８と発電用の誘導コイル１０が併設された界磁巻線９か
らなり、界磁鉄心８には、偏平の高ＢＨＭＡＸの永久磁
石１１が内設される。

【００２８】図９は、回転子の正面図であり、２は回転
子、３は回転子２の回転軸、４は回転子２の永久磁石か
らなる回転子鉄心、５は回転子２の磁極、６は内設され
る偏平の高ＢＨＭＡＸの永久磁石である。図１０は、高
ＢＨＭＡＸの永久磁石の斜視図である。

【００２９】図１１は、電機子の正面図であり、７は電
機子、８は界磁鉄心、９は界磁巻線、１０は誘導コイル
である。１２はブラシレス制御回路の機構部品であるホ
ール素子である。ブラシレス制御とは、ある位置の電機
子７の界磁巻線９を励磁させ、これにより、回転子２の
任意の磁極５を吸引する一方、回転子２の磁極５の通過
を磁気センサーで検知し、その出力で次の界磁巻線９を
消磁させる。この動作を繰り返すことによって回転子２
を回転させるものである。

【００３０】図１２は、電気二重層コンデンサの構造図
であり、１３は電気二重層コンデンサ、１４は集極性電
極、１５は分極性電極である。１６は正極、１７は負極
であり、その負極１７にはＣｏ−Ｆｅ−Ｙを内層とし、
Ｆｅ−Ｎｄ−Ｂを外層にした２重構造の高ＢＨＭＡＸの
永久磁石１８が埋設されている。１９は電解液、２０は
セパレータ、２１は集極性電極１４に接続されているリ
ード線である。そして、正極１６と負極１７に電圧が印
加されて充電電流が流れると、電解液１９中の正イオン
が負極１７の表面に引き付けられ、また、負イオンが正
極１６の表面に引き付けられて充電が進行する。

【００３１】

【効果】本発明の電源システム以上のように、自己発電
型電動機の回転子にＢＨＭＡＸ値が少なくとも４０ＭＧ
Ｏｅ以上の永久磁石を用いると共に、電機子の界磁巻線
に併設した誘導コイルに回転子が３０００ｒｐｍで回転
した時の電流周波数に同調するコンデンサを並列に接続
し、且つ誘導コイルの界磁巻線との位相を９０度ずらし
ているので、同調により出力インピーダンスは低下し、
且つ位相をずらしたことで回転子の回転が減速すること
もなく、高効率の発電をすることができる。

【００３２】また、初期始動後は自己が発電した電力を
使用して長時間の運転が可能であるため、電力を長時間
安定して供給することができる。そして、その発電され
た電力は電気二重層コンデンサによって余すことなく蓄
えておくことができる。さらに、大容量コンデンサの後
段に充電可能なバッテリーを並列に接続し、そのバッテ
リーにＤＣ−ＡＣコンバータを並列に接続した電源シス
テムでは、ＤＣ−ＡＣコンバータによってＤＣがＡＣに
変換されてＡＣ１００Ｖの出力を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる電源システムの回路図

【図２】同調回路を示す図

【図３】発電電圧と回転率との関係を示す図

【図４】位相の関係を示す図

【図５】ドライブ波形との関係を示す図

【図６】永久磁石の厚さと磁束率との関係を示す図

【図７】ＡＣ１００Ｖを得るときの電源システムの回
路図

【図８】自己発電型電動機の断面図

【図９】回転子の正面図

【図１０】高ＢＨＭＡＸの永久磁石の斜視図

【図１１】電機子の正面図

【図１２】電気二重層コンデンサの構造図

【符号の説明】

１−ＳＧＭ，１ａ−コントローラ，１ｂ−整流器，２−
回転子，３−回転軸，４−回転子鉄心，５−磁極，６−
永久磁石，７−電機子，８−界磁鉄心，９−界磁巻線，
１０−誘導コイル，１０ａ−コンデンサ，１１−永久磁
石，１２−ホール素子，１３−電気二重層コンデンサ，
１４−分極性電極，１５−集極性電極，１６−正極，１
７−負極，１８−永久磁石，１９−電解液，２０−セパ
レータ，２１−リード線，２２−充電器，２３−充電
器，２４−バッテリー，２５−ＤＣ−ＡＣコンバータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高ＢＨＭＡＸの永久磁石を内設する回転子
に、エアギャップを介してこれに同心的に配備される界
磁鉄心と発電用の誘導コイルが併設された界磁巻線から
なる電機子により構成された自己発電型電動機と、その
電動機の電力出力端に整流手段を介して大容量コンデン
サが並列に接続されてなる電源システムであって、前記
電動機の誘導コイルには、回転子が所定の回転数で回転
した時の電流周波数に同調するコンデンサが並列に接続
され、且つ界磁巻線との位相が４５度または９０度ずれ
ていることを特徴とする電源システム
【請求項２】前記高ＢＨＭＡＸの永久磁石が偏平であ
り、且つその厚さが２ｍｍから４ｍｍであることを特徴
とする請求項１の電源システム
【請求項３】前記高ＢＨＭＡＸの永久磁石のＢＨＭＡＸ
値が４０ＭＧＯｅから６０ＭＧＯｅであることを特徴と
する請求項１の電源システム
【請求項４】前記高ＢＨＭＡＸの永久磁石のＢＨＭＡＸ
値が６０ＭＧＯｅから１００ＭＧＯｅであることを特徴
とする請求項１の電源システム
【請求項５】前記電機子の界磁鉄心に高ＢＨＭＡＸの永
久磁石を内設していることを特徴とする請求項１の電源
システム
【請求項６】前記大容量コンデンサが電気二重層コンデ
ンサであることを特徴とする請求項１の電源システム
【請求項７】前記大容量コンデンサの充電手段がシステ
ム回路内に設けられていることを特徴とする請求項１の
電源システム
【請求項８】前記大容量コンデンサの後段に充電可能な
バッテリーが並列に接続され、さらにそのバッテリーに
ＤＣ−ＡＣコンバータが並列に接続されていることを特
徴とする請求項１の電源システム
【請求項９】前記バッテリーの充電手段がシステム回路
内に設けられていることを特徴とする請求項８の電源シ
ステム