JP2008245420A - 発電システムおよび充電制御回路 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石を備えた発電機においてロータを止めようとするブレーキ作用があっても、極めて高い発電効率を実現可能な発電システムを提供する。
【解決手段】発電機１のロータに対してＤＣモータ２により回転駆動力を与えるように成し、発電機１の交流出力の一部を変圧器３、整流器４、充電制御回路５、バッテリ６を介してＤＣモータ２への入力電圧として供給することにより、発電機１おいてロータを止めようとする電磁ブレーキが生じても、ロータがＤＣモータ２から回転駆動力を得ることによって大きなプラストルクを得ることができるようにし、バッテリ６の電圧がモータ駆動に必要な電圧以下まで低下しない限り、ロータを回転させて発電し続けることができるようにする。バッテリ６は充電制御回路５により急速充電しながら電力を消費するので、電圧の低下速度は極めて遅く、長時間にわたって発電し続けることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は発電システムおよび充電制御回路に関し、特に、永久磁石とコイルとを用いた発電システムに用いて好適なものである。

従来、永久磁石を円周方向に多数配置したロータと、円周方向に多数配置したコアに対してコイルが巻回されたステータとを備え、永久磁石が配置されたロータを回転させることによって、ステータに配置されたコイルに起電力を生じさせるようにした発電機が存在する（例えば、非特許文献１および特許文献１〜４を参照）。
２００２年７月３１日 株式会社パワー社発行「永久発電機を考える」竹川敏夫著 特開２０００−０５０５８９号公報 特開２００１−０９５２２０号公報 特開２００２−２６２５３１号公報 特開２００６−１９１７９０号公報

上記非特許文献１に記載の発電機は、個々の独立した２個のコアを有するステータブロックを多数設け、ステータブロック毎に強力なプラス固定磁界磁力（モータ作用）を発生させることにより、マイナスの回転磁界（ロータを止めようとするブレーキ作用）を打ち消し、更に余力によってロータを自転させることを図ったものである。この発電機によれば、始動時に一度外部入力エネルギーでロータを回転させれば、その後はエネルギーの入力なしで常にロータを自転させることができる、とのことである。上記特許文献１〜４は、この種の発電機を実現するために必要な構成について竹川氏が特許出願したものである。

しかしながら、非特許文献１自体にも記載されているように、この種の「完全永久電気エネルギー」を生む発電機は、実現が極めて困難なものである。すなわち、発電機のブレーキ作用を完全に打ち消すことは極めて困難であり、外部エネルギーの入力なしにロータを常に回転させ続けることは不可能である。

本発明は、このような実情に鑑みて成されたものであり、永久磁石を備えた発電機においてロータを止めようとする電磁的なブレーキ作用があっても、極めて高い発電効率を実現可能な発電システムを提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明では、発電機のロータに対してモータにより回転駆動力を与えるように成し、発電機の交流出力の一部を変圧器、整流器、充電制御回路、蓄電器を介してモータへの入力電圧として供給するようにしている。また、本発明では、蓄電器への充電を制御する充電制御回路としてキャパシタおよびゲート回路を設け、整流器の出力電圧に基づきキャパシタに電荷を蓄積し、当該蓄積した電荷により、整流器の出力電圧よりも大きな電圧を得て蓄電器に大電流を印加できるようにしている。

本発明の他の態様では、結線が独立したコイル、変圧器、整流器、充電制御回路および蓄電器を１組の回路として同様の回路をｋ組設け、ｋ個の蓄電器のうちｍ個（ｋ＞ｍ）の蓄電器より出力される電圧を負荷に供給するとともに、ｎ個（ｋ＞ｎ（＝ｋ−ｍ））の蓄電器より出力される電圧をモータへの入力電圧として供給するようにしている。

上記のように構成した本発明によれば、永久磁石を備えた発電機においてロータを止めようとする電磁ブレーキ作用（マイナストルク）が生じても、ロータがモータから回転駆動力を得ることによってロータに大きなプラストルクを発生させることができる。モータには蓄電器から入力エネルギーが与えられているので、蓄電器の電圧がモータ駆動に必要な電圧以下まで低下しない限り、ロータを回転させて発電し続けることができる。

蓄電器は充電しながら電力を消費するので、電圧の低下速度は極めて遅く、長時間にわたってモータの入力エネルギーを確保し、発電し続けることができる。しかも、整流器で生成された直流電圧に基づきキャパシタに電荷が蓄えられ、ゲート回路を通じてキャパシタの蓄積電荷が一気に吐き出されることにより、大電流にて蓄電器が充電されることとなる。これにより、蓄電器の充電時間を短縮でき、蓄電器の電力が消費されても、その消費分の少なくとも一部を充分な速度で補充することができる。

さらに、本発明においては、蓄電器の出力電圧の一部がモータの駆動に使われている。すなわち、モータは本発電システムの外部よりエネルギーを入力して回転するのではなく、発電機自身で発電した電圧の一部を入力エネルギーとして得ているので、本発電システム内でエネルギーを効率的に循環させることができる。以上種々のことから、本発明によれば、極めてエネルギー効率の良い発電システムを実現することができる。

また、本発明の他の態様によれば、各コイルが独立しているので、個々のコイルのサイズが、各コイルを結線した場合におけるトータルの実質的なサイズよりも小さくなる。このため、起電力を発生するときに永久磁石から発している励磁磁力と各コイルに発生する磁界磁力との作用に起因する電磁的なブレーキ力をできるだけ小さくすることができ、ロータを止めようとするマイナストルクを小さくすることができる。これにより、ロータを回転させる際の負荷が小さくなり、より少ない入力エネルギーでロータを効率的に回転し、発電することができる。

さらに、個々のコイル毎に独立して発電することができ、個々で得られた電力を合算することによって大きな電力を得ることができる。そのうちｎ個の蓄電器の出力電圧をモータにフィードバックしてモータを回転させることにより、より大きな入力エネルギーによってモータを高速に回転させることができる。そして、モータからの駆動力によって発電機のロータが高速に回転すると、発電によって得られる電力はより大きなものとなる。これにより、発電効果の大きい極めて効率的な発電システムを実現することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態による発電システムの構成例を示す図である。図１に示すように、本実施形態の発電システム１０は、発電機１、ＤＣモータ２、変圧器３、整流器４、充電制御回路５およびバッテリ６を備えて構成されている。

発電機１は、回転軸に取り付けられたロータと、ロータの外周に沿って配置された複数の永久磁石と、複数の永久磁石の外側に配置された複数のコアと、複数のコアの周りに巻回された複数のコイルとを備え、ロータを回転させることによって複数のコイルに起電力を生じさせるようにしたものである。この発電機１の詳細な構成は後述する。

ＤＣモータ２は、発電機１のロータに回転駆動力を与えるものである。すなわち、発電機１とＤＣモータ２とがベルト７により連結される。そして、ＤＣモータ２の駆動力をベルト７を介して発電機１のロータに伝達することにより、ロータを回転させることができるようになっている。

変圧器３は、発電機１（複数のコイル）の交流出力を所望の電圧に変換する。整流器４は、変圧器４で変圧された交流電圧を整流して直流電圧に変換する。例えば、整流器４はブリッジダイオードで構成される。充電制御回路５は、整流器４より出力される直流電圧に基づくバッテリ６への充電を制御する。バッテリ６は、本発明の蓄電器に相当するものであり、充電制御回路５より出力される直流電圧を入力して蓄電する。充電制御回路５の詳細については後述する。

本実施形態では、バッテリ６より出力される電圧の一部を、インバータ１００を介して負荷２００に供給するとともに、バッテリ６より出力される電圧の他の一部を、ＤＣモータ２への入力電圧として供給するようにしている。

図２は、発電機１の一部構成例を示す端面図である。図３は、図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。発電機１は、コイルを有するステータのコアの内側で、永久磁石を有するロータが回転し、コアに巻回されたコイルに起電力が生じるようにしたものである。

図２および図３において、図示しない支持部材に回転軸４１が回転自在に支持され、回転軸４１にロータ４２が取り付けられる。ロータ４２は、高さが比較的低い略円柱形状であり、その外周面には、永久磁石ユニット５１，５２を取り付けるための支持面４３が設けられている。第１、第２永久磁石ユニット５１，５２の取り付けは、支持面４３に対するネジ止めや接着など、任意の方法で行うことができる。ロータ４２にはプーリ４４が設けられ、プーリ４４はベルト７によりＤＣモータ２に連結される。

図４は、永久磁石ユニット５１，５２の構成例を示す斜視図である。図５は、図４に示した永久磁石ユニット５１，５２のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。本実施形態の永久磁石ユニット５１，５２は、磁極が厚さ方向両端にある磁石体６０を備える。磁石体６０は、板状永久磁石６０Ａ〜６０Ｈを相互に吸着させて一体とした磁石連結体である。

板状永久磁石６０Ａ〜６０Ｈのそれぞれは、上下面が平面の直方体から成る平板状で、中央部には、上面から下面へ貫通するボルト孔６３が形成されている。板状永久磁石６０Ａ〜６０Ｈは、例えばネオジウム磁石（Ne-Fe-Co）でできていて、一方の面がＳ極、他方の面がＮ極である。ネオジウム磁石は残留磁束密度も保磁力も大きく、強い磁場を発生することができる点で好ましい。

なお、板状永久磁石６０Ａ〜６０Ｈの形状は、板状であればよく、直方体に限定されない。例えば、断面が長方形以外の多角形でも良いし、円形でも良い。また、磁石材料はネオジウム系に限らず、サマリウム系、セリウム系、アルニコ系、フェライト系のものでも良い。ただし、ネオジウム系が最も強い磁石であるので、これを用いるのが好ましい。

設定した磁石体６０の高さと、使用する板状永久磁石６０Ａ〜６０Ｈの１枚の厚さとにより、重ね合わせる板状永久磁石６０Ａ〜６０Ｈの数を決める。板状永久磁石６０Ａ〜６０Ｈの枚数を変えることにより、磁石体６０の高さ（厚さ）を容易に変えることができる。なお、磁石体６０は、複数の板状永久磁石６０Ａ〜６０Ｈを一体としたものではなく、１つの部材で構成することもできる。

本実施形態では、板状永久磁石６０Ａ〜６０Ｈの数を８枚としたが、他の枚数でも良い。板状永久磁石６０Ａ〜６０Ｈの数が少なく磁石体６０の高さが低いと、十分な磁束密度を得ることができない。一方、板状永久磁石６０Ａ〜６０Ｈの数が多く磁石体６０の高さが高いと、永久磁石ユニット５１，５２全体の大きさと重量が増し、構造的に弱くなり、また、コストが高くなるという欠点がある。板状永久磁石６０Ａ〜６０Ｈの数は、２〜１０枚が好ましく、３〜８枚が更に好ましい。

また、永久磁石ユニット５１，５２は、磁石体６０の一方の端面（下端面）に吸着された板状の基端側ヨーク６１を備えている。また、永久磁石ユニット５１，５２は、磁石体６０と基端側ヨーク６１とを一体的に連結するための締結ボルト６２を備えている。以下、永久磁石ユニット５１，５２の説明において、磁石体６０の中心線を軸線とする（２点鎖線で示す）。

基端側ヨーク６１は、その端面が磁石体６０のそれとほぼ同じ形状で、大きさもほぼ等しいかこれより大きい直方体から成る板状部材である。基端側ヨーク６１の上下の面は、長方形以外の多角形または円形とすることもできる。基端側ヨーク６１の中央部には、締結ボルト６２の先端部を受入れるためのボルト孔６３が形成され、ボルト孔６３には締結ボルト６２の先端部の牡ねじと螺合するための雌ねじが形成されている。基端側ヨーク６１は、例えば軟鉄等の常磁性体からなる。なお、基端側ヨーク６１を設ける代わりに、ロータ４２の少なくとも支持面４３の近傍を常磁性体で構成しても良い。

図３に示すように、ロータ４２の支持面４３には、第１永久磁石ユニット５１と第２永久磁石ユニット５２が、回転軸４１の軸方向に間隔をおいて配置され、ステータのコア５３の２つのセグメント部５３ａ，５３ｂと対向するようになっている。軸方向に配置された第１、第２永久磁石ユニット５１，５２の先端側（セグメント部５３ａ，５３ｂ側）の極性は、それぞれＳ極、Ｎ極である。

なお、永久磁石ユニット５１，５２の先端側の極性は、その他の配列とすることもできる。例えば、第１永久磁石ユニット５１の先端側をＮ極、第２永久磁石ユニット５２の先端側をＳ極とすることができる。第１、第２永久磁石ユニット５１，５２は先端側の磁極が異なるだけで、他の点については同じである。

上述のように、ロータ４２の周方向には、第１、第２永久磁石ユニット５１，５２が配置される。ここで、第１永久磁石ユニット５１と第２永久磁石ユニット５２とが交互に配置されることが好ましい。また、第１永久磁石ユニット５１と第２永久磁石ユニット５２とは等間隔で配置される（永久磁石ユニット５１，５２の支持面４３が円周方向に等間隔で設けられる）ことが好ましい。

複数の第１、第２永久磁石ユニット５１，５２の外側を取り囲むように、ステータのコア５３が円周上に設けられている。コア５３は、等間隔で配置されることが好ましい。コア５３の数は、第１、第２永久磁石ユニット５１，５２の円周方向の数と同じであっても良いし、異なっていても良い。例えば、第１、第２永久磁石ユニット５１，５２の円周方向の数はｋ個（ｋは２以上の整数）であり、コア５３の数もｋ個である。本実施形態では、ｋ＝４としている。

図３に示すように、各コア５３は、２つのセグメント部５３ａ，５３ｂが連結部５３ｃでつながり、回転軸４１の方向の断面はほぼコの字形である。２つのセグメント部５３ａ，５３ｂの端面は、ほぼ平面であり、第１、第２永久磁石ユニット５１，５２とそれぞれ対向するように配置される。コア５３は、強磁性体でできている。なお、コア５３は、他の形状とすることもできる。

各コア５３の２つのセグメント部５３ａ，５３ｂの第１、第２永久磁石ユニット５１，５２に対向する面には、非磁性で導電性の板状部材５５が設けられている。板状部材５５は、典型的にはアルミニウム板である。板状部材５５は、セグメント部５３ａ，５３ｂの端面とほぼ同じ形状および大きさである。この板状部材５５は、第１、第２永久磁石ユニット５１，５２とコア５３のセグメント部５３ａ，５３ｂとの間で生じる磁力線を安定させ、発電効率を高める作用をする。

ロータ４２が回転したときの第１、第２永久磁石ユニット５１，５２の上端面が描く円状の軌跡に沿って、軟鉄等の常磁性体から成るパイプ５６が設けられている。このパイプ５６は、締結ボルト６２によって第１、第２永久磁石ユニット５１，５２と一体的に取り付けられている。パイプ５６の表面とコア５３のセグメント部５３ａ，５３ｂの板状部材５５との間には、一定の間隔があくようになっている。

なお、パイプ５６を設けることは必須ではないが、常磁性体から成るパイプ５６と基端側ヨーク６１とにより第１、第２永久磁石ユニット５１，５２を挟む構造とすることにより、第１、第２永久磁石ユニット５１，５２から生じる磁力線を安定させ、発電効率を高めることができる。ここでは、１つの円筒状のパイプ５６により全ての第１、第２永久磁石ユニット５１，５２を覆う構成としているが、これに限定されない。例えば、個々の第１、第２永久磁石ユニット５１，５２毎に、その上端面を覆うようにパイプを独立して設けるようにしても良い。

各コア５３の２つのセグメント部５３ａ，５３ｂの周りには、コイル５４ａ，５４ｂが巻き回されている。コア５３のセグメント部５３ａ，５３ｂを連結部５３ｃに対して直角にまっすぐに延ばしたと仮定して、２つのセグメント部５３ａ，５３ｂのコイル５４ａ，５４ｂの巻き方向は、セグメント部５３ａ，５３ｂの軸線に対して互いに同じ方向であっても良いし、異なっても良い。第１、第２永久磁石ユニット５１，５２の先端側の極性により、コイル５４ａ，５４ｂの巻き方向は、異なっても良い。また、１つのコア５３とそれに隣接するコア５３とでコイル５４ａ，５４ｂの巻き方向は、互いに同じである。

ロータ４２が回転すると、これに取り付けられた永久磁石ユニット５１，５２も回転し、永久磁石ユニット５１，５２とコア５３との間に生じる磁力の変化により、コイル５４ａ，５４ｂに起電力が生じる。なお、発電機１は、ＤＣモータ２を時計回り方向または反時計回り方向に回転させることにより、ロータ４２を時計回り、反時計回りの何れの方向にも回転させることができる。

図３のように、ロータ４２の第１、第２永久磁石ユニット５１，５２とコア５３とが互いに対向する位置にある初期状態のとき、ＤＣモータ２によりロータ４２を回転させると、ロータ４２の第１、第２永久磁石ユニット５１，５２から出てコア５３のコイル５４ａ，５４ｂの周囲に生じる磁界が変化し、電磁誘導によりコイル５４ａ，５４ｂに誘導電流が生じる。このとき、誘導電流により、コイル５４ａ，５４ｂの内部にある強磁性体のコア５３に磁界磁力が生じる。

第１、第２永久磁石ユニット５１，５２がコア５３に近づくときと、コア５３から遠ざかるときとで、コイル５４ａ，５４ｂに生じる誘導電流の向きは異なる（ファラデーの法則）。このため、ロータ４２の回転に伴って第１、第２永久磁石ユニット５１，５２がコア５３を通過するごとに、その通過の前後でコイル５４ａ，５４ｂに起電力が誘起され、交流電流が発生する。

このときコア５３に生じる磁界磁力も、第１、第２永久磁石ユニット５１，５２がコア５３を通過する前後で磁極が交互に反転する。また、１つのコア５３とそれに隣接するコア５３とでは、コイル５４ａ，５４ｂの巻き方向が同じで、コア５３に近接している第１、第２永久磁石ユニット５１，５２から発している励磁磁力の磁極が互いに異なっている。このため、各コア５３に発生する磁界磁力の磁極は交互に異なったものとなっている。

そして、このようにコア５３側に発生する磁界磁力と、第１、第２永久磁石ユニット５１，５２から発している励磁磁力との間で、反発作用をする反発磁力と、吸引作用をする吸引磁力とが発生する。この両磁力は、ロータ４２の回転方向へ作用するプラストルク（推進力）と、逆方向へ作用するマイナストルク（電磁ブレーキ）とに分かれる。

例えば、第１、第２永久磁石ユニット５１，５２がコア５３を通過した直後の状態において、第１、第２永久磁石ユニット５１，５２が、回転方向に対して後方にあるコア５３（通過済みのコア５３）との間で反発磁力を受けると、これはプラストルクとして働く。この状態では、第１、第２永久磁石ユニット５１，５２は、回転方向に対して前方にある次のコア５３との間で吸引磁力も受けるので、この吸引磁力もプラストルクとして作用する。

逆に、第１、第２永久磁石ユニット５１，５２がコア５３を通過する直前の状態において、第１、第２永久磁石ユニット５１，５２が、回転方向に対して前方にあるコア５３との間で反発磁力を受けると、これはマイナストルクとして働く。この状態では、第１、第２永久磁石ユニット５１，５２は、回転方向に対して後方にある通過済みのコア５３との間で吸引磁力も受けるので、この吸引磁力もマイナストルクとして作用する。

ロータ４２を回転させ始めた直後は、ロータ４２の回転速度が遅く、ロータ４２の第１、第２永久磁石ユニット５１，５２とコア５３との間のマイナストルクに抗して回転させなければならない。すなわち、ロータ４２の第１、第２永久磁石ユニット５１，５２は、コア５３に近づき、最も反発が強い位置を通り越して回転しなければならず、ロータ４２の回転抵抗が大きいので、ロータ４２を回転させるのにＤＣモータ２からの比較的大きい回転トルクが必要である。

ロータ４２の始動後、時間が経つにつれて、ＤＣモータ２からの駆動力と、第１、第２永久磁石ユニット５１，５２とコア５３との間で生じる磁界により受けるプラストルクとにより、ロータ４２の回転速度が次第に速くなると、ロータ４２は比較的大きな慣性力を得る。この慣性力と、第１、第２永久磁石ユニット５１，５２とコア５３との間の磁力により受けるプラストルクとによりロータ４２は大きな推進力を得る。この状態では、ロータ４２を回転させるのに必要な回転トルクは小さくなる。その結果、ＤＣモータ２の消費電力が低下する。

上述したように、本実施形態では、発電機１のロータ４２に配置されている永久磁石ユニット５１，５２の数は４個、コイル５４の数も４個としている。これら４個のコイル５４は、各々独立した結線により構成されている。具体的には、図１に示すように、変圧器３、整流器４、充電制御回路５およびバッテリ６をそれぞれ４個のコイル５４に対応して４個ずつ設ける。すなわち、結線が独立したコイル５４、変圧器３、整流器４、充電制御回路５およびバッテリ６を１組の回路として、同様の回路２１〜２４を４組設ける。

そして、４個のバッテリ６のうち、ｍ個（例えば、１個）のバッテリ６をインバータ１００を介して負荷２００に接続し、当該ｍ個のバッテリ６より出力される電圧を負荷２００に供給する。また、残りｎ個（例えば、３個）のバッテリ６を直列に接続し、当該ｎ個のバッテリ６より出力される電圧をＤＣモータ２への入力電圧として供給する。なお、図１に示したスイッチ８は、ＤＣモータ２の電源スイッチである。

このように、各コイル５４を独立して結線することにより、個々のコイル５４のサイズが、各コイル５４を結線してまとめた場合におけるトータルの実質的なコイルサイズよりも小さくなる。このため、発電機１において起電力を発生するときに永久磁石ユニット５１，５２から発している励磁磁力と各コイル５４に発生する磁界磁力との作用に起因する電磁ブレーキをできるだけ小さくすることができ、ロータ４２を止めようとするマイナストルクを小さくすることができる。これにより、ロータ４２を回転させる際の負荷が小さくなり、より少ない入力エネルギーでロータ４２（ＤＣモータ２）を効率的に回転し、発電することができる。

また、本実施形態では、個々のコイル５４毎に独立して発電することができ、個々で得られた電力を合算することによって大きな電力を得ることができる。そのうちｎ個のバッテリ６を直列接続してその出力電圧をＤＣモータ２にフィードバックすることにより、より大きな入力エネルギーによってＤＣモータ２を高速に回転させることができる。

すなわち、ＤＣモータ２は、入力電圧が大きくなるほど高速に回転する。本実施形態では、３個のバッテリ６の合計電圧がＤＣモータ２に印加されるので、ＤＣモータ２への入力電圧は大きなものとなる。このため、ＤＣモータ２は非常に高速に回転することができる。そして、ＤＣモータ２からの駆動力によって発電機１のロータ４２も高速に回転する。このとき、上述したようにロータ４２は低負荷で効率よく高速回転する。ロータ４２が高速に回転すると、発電によって得られる電力は、より大きなものとなる。

図６は、図１に示した発電システム１０のより詳細な構成例を示す図である。この図６では、充電制御回路５の詳細な構成例も示している。なお、この図６において、図１および図２に示した構成要素と同一の機能を有する構成要素には同一の符号を付している。

図６において、１１は第１のリレースイッチであり、発電機１のコイル５４と変圧器３との間に直列に接続されている。１２は第２のリレースイッチであり、変圧器３と整流器４との間に直列に接続されている。これらのリレースイッチ１１，１２は、本発明のスイッチに相当するものであり、タイマ１８から所定時間毎に供給される信号に従って、所定時間毎にオン／オフを切り替える。

ここで、両リレースイッチ１１，１２の切り替えは同期して行う。すなわち、両リレースイッチ１１，１２は同時にオンとなり、同時にオフとなる。なお、ここではリレースイッチ１１，１２を２つ設ける例について示しているが、これらは必ずしも必須の構成ではない。また、リレースイッチを設けるとしても、発電機１のコイル５４から整流器４までの間にスイッチがあれば良く、第１のリレースイッチ１１または第２のリレースイッチ１２の何れか一方のみとしても良い。

１３は平滑コンデンサであり、整流器４より出力される直流電圧を平滑する。すなわち、整流器４より出力される電圧は脈流となっていて、電圧や電流が変動している。平滑コンデンサ１３は、この脈流分をならし、できるだけ変動が少ない平らな直流を生成する。平滑コンデンサ１３は、その静電容量が大きいほど有効である。そこで、平滑コンデンサ１３として、例えば電解コンデンサを用いる。また、複数の平滑コンデンサ１３を並列に接続するようにしてもよい。

１４はキャパシタであり、整流器４の出力電圧に基づき電荷を蓄積する。このキャパシタ１４は、蓄積した電荷によって、整流器４の出力電圧よりも大きな電圧を出力可能に成されている。このキャパシタ１４は、できるだけ大量の電荷を蓄積できるようにするのが好ましい。そのために、例えばアルミ電解コンデンサを用いることが可能である。

１５はゲート回路であり、キャパシタ１４とバッテリ６との間に直列に接続されている。なお、キャパシタ１４は、このゲート回路１５と整流器４との間に直列に接続されている。ゲート回路１５は、例えばサイリスタで構成され、タイマ１８から所定時間毎に供給される信号に従って、所定時間毎にオン／オフを切り替える。ここで、ゲート回路１５におけるオン／オフの切り替えは、各リレースイッチ１１，１２におけるオン／オフの切り替えとは逆相で同期して行う。すなわち、各リレースイッチ１１，１２がオンのときにゲート回路１５はオフとなり、各リレースイッチ１１，１２がオフのときにゲート回路１５はオンとなる。

これにより、各リレースイッチ１１，１２がオンで、ゲート回路１５がオフの期間中に、発電機１により発電された交流電圧が変圧器３および整流器４を介して直流電圧とされ、キャパシタ１４に電荷が蓄積されていく。その後、ゲート回路１５がオンに切り替わると、キャパシタ１４に蓄積された電荷が一気に放電されて、大電圧、大電流が出力される。

このとき、各リレースイッチ１１，１２はオフとなっている。このため、キャパシタの放電中に、発電機１により発電された電圧に基づきキャパシタ１４に充電が行われることはない。また、各リレースイッチ１１，１２がオフとなることにより、無駄な発電が行われず、電力も無駄に消費されることがないので、極めて効率が良い。しかも、余分な電力消費がないので発熱も少なくすることができる。その意味では、リレースイッチ１１，１２の両方を設けるのが好ましい。

図７は、ゲート回路１５より出力される電流値の測定結果を示す図である。図７の例は、図６に示す発電システム１０の試作機を作ってゲート回路１５の出力電流を測定した結果を示すものであり、ゲート回路１５のオン／オフを４秒毎に交互に切り替えた場合の出力電流の変化を示している。図７に示すように、ゲート回路１５がオンに切り替えられた直後は、キャパシタ１４の放電により４０[Ａ]近い大電流が一気に流れる。その後、ゲート回路１５がオンの期間中である４秒間に出力される電流の値は徐々に小さくなっていく。

そして、４秒後にゲート回路１５がオフに切り替えられると、ゲート回路１５の出力電流は０[Ａ]となる。このゲート回路１５がオフとなっている４秒間の期間中に、各リレースイッチ１１，１２はオンとなっている。これにより、発電機１で発電された交流電圧が変圧器３および整流器４を通して直流電圧となり、当該直流電圧に基づきキャパシタ１４の充電が行われる。ちなみに、各リレースイッチ１１，１２がオンとなっている期間中に整流器４から出力される電流値は、およそ１５[Ａ]である。

以上のように、ゲート回路１５のオン／オフを４秒毎に交互に切り替えることにより、キャパシタ１４の充電と放電とが４秒毎に繰り返し行われ、４０[Ａ]近い大電流が４秒毎に繰り返しゲート回路１５から出力されることとなる。

図８は、ＤＣモータ２に入力される電流の測定結果を示す図である。上述したように、ＤＣモータ２を回して発電機１のロータ４２を回転させ始めるときには、ＤＣモータ２からロータ４２に比較的大きい回転トルクを加える必要がある。そのため、図８に示すように、スタート直後はＤＣモータ２にて５０[Ａ]以上の大電流を消費している。

これに対して、始動からしばらく経った後は、ロータ４２を回転させるのに必要な回転トルクは小さくなり、ＤＣモータ２での消費電力が低下する。図８に示すように、バッテリ６からＤＣモータ２に対して３[Ａ]程度の入力電流があればＤＣモータ２は回転する。なお、図７に示したように、４秒毎にバッテリ６に対して大電流が印加されるため、その影響を受けて、バッテリ６からＤＣモータ２に対する入力電流も４秒毎に若干増加している。

１６は整流ダイオードであり、ゲート回路１５とバッテリ６との間に直列に接続されている。１７は第２のキャパシタであり、ゲート回路１５とバッテリ６との間に、当該バッテリ６に対して並列に接続されている。上述したキャパシタ１４、ゲート回路１５および第２のキャパシタ１７により、図１の充電制御回路５が構成されている。

第２のキャパシタ１７は、主にバッテリ６に対する負荷軽減用（緩衝用）として機能する。すなわち、キャパシタ１４には整流器４の出力電圧に基づき電荷が蓄積され、ゲート回路１５がオンになったときに、キャパシタ１４からは、蓄積した電荷によって大電流が出力される。第２のキャパシタ１７は、この大電流が全てバッテリ６にダイレクトに印加されることによってバッテリ６に大きな負荷がかかるのを抑制している。

なお、第２のキャパシタ１７は必ずしもなくても良いが、これを設けることにより、バッテリ６の早期劣化を抑制することができるようになる。また、第２のキャパシタ１７の容量がバッテリ６に相当する程度大きければ、バッテリ６は不要である。すなわち、バッテリ６の代わりに第２のキャパシタ１７を用いることが可能である。

以上詳しく説明したように、本実施形態では、発電機１のロータ４２に対してＤＣモータ２により回転駆動力を与えるように成し、発電機１にて発電された交流出力を変圧器３、整流器４、充電制御回路５、バッテリ６を介してＤＣモータ２への入力電圧としてフィードバックするようにしている。この構成のため、発電機１の永久磁石ユニット５１，５２から発している励磁磁力とコア５３側に発生する磁界磁力との作用により電磁ブレーキが生じても、ロータ４２がＤＣモータ２から回転駆動力を得ることによってロータ４２に大きなプラストルクを発生させることができる。

ＤＣモータ２にはバッテリ６から入力エネルギーが与えられているので、バッテリ６の電圧がモータ駆動に必要な電圧以下まで低下しない限り、ロータ４２を回転させて発電し続けることができる。バッテリ６の蓄積電力は、負荷２００にて消費されるとともに、ＤＣモータ２でも消費されるが、ＤＣモータ２で消費された電力は発電機１における発電を生み、その結果生じた電力がバッテリ６に充電される。

つまり、バッテリ６は充電しながら電力を消費する。このとき、整流器４で生成された直流電圧に基づきキャパシタ１４に電荷が蓄えられ、ゲート回路１５を通じてキャパシタ１４の蓄積電荷が一気に吐き出されることにより、大電流にてバッテリ６が充電されることとなる。これにより、バッテリ６の充電時間を短縮でき、バッテリ６の電力が消費されても、その消費分の少なくとも一部を充分な速度で補充することができる。

これにより、バッテリ６での電圧の低下速度は極めて遅く、長時間にわたってＤＣモータ２の入力エネルギーを確保し、発電機１にて発電し続けることができる。しかも、ＤＣモータ２は発電システム１０の外部よりエネルギーを入力して回転するのではなく、発電機１自身で発電した電圧の一部を入力エネルギーとして得ているので、発電システム１０内でエネルギーを効率的に循環させることができる。

さらに、本実施形態によれば、各コイル５４が独立しているので、個々のコイル５４のサイズが、各コイル５４を結線した場合におけるトータルの実質的なサイズよりも小さくなる。このため、起電力を発生するときに永久磁石ユニット５１，５２から発している励磁磁力と各コイル５４に発生する磁界磁力との作用に起因する電磁的なブレーキ力をできるだけ小さくすることができ、ロータ４２を止めようとするマイナストルクを小さくすることができる。これにより、ロータ４２を回転させる際の負荷が小さくなり、より少ない入力エネルギーでロータ４２を効率的に回転し、発電することができる。

各コイル５４が独立していることにより、個々のコイル５４毎に独立して発電することができ、個々で得られた電力を合算することによって大きな電力を得ることができる。そのうち３個のバッテリ６の出力電圧をＤＣモータ２にフィードバックしてＤＣモータ２を回転させることにより、より大きな入力エネルギーによってＤＣモータ２を高速に回転させることができる。そして、ＤＣモータ２からの駆動力によって発電機１のロータ４２が高速に回転すると、発電によって得られる電力はより大きなものとなる。

以上種々のことより、発電効果の大きい極めて効率的な発電システム１０を実現することができる。
また、本実施形態では、発電機１に回転駆動力を与えるモータがＤＣモータ２であり、その起動電圧をバッテリ６から得ることができる。このため、ＡＣ電源などの外部エネルギーを使うことなく発電を開始することができるというメリットも有する。

なお、上記実施形態では、コイル５４、変圧器３、整流器４、充電制御回路５およびバッテリ６から成る発電回路２１〜２４を４組設け、そのうち１個のバッテリ６を負荷２００に接続し、３個のバッテリ６をＤＣモータ２に接続したが、これに限定されない。負荷２００の消費電力が大きい場合は、１個のバッテリ６だけでは電力が不足するかもしれない。その場合は、例えば２個のバッテリ６を負荷２００に接続し、残り２個のバッテリ６をＤＣモータ２に接続すれば良い。

ただし、この場合は、３個のバッテリ６をＤＣモータ２に接続する場合に比べてＤＣモータ２の回転速度は低下し、発電機１での発電量も落ちる。そのため、負荷２００やＤＣモータ２での電力消費量に対して、発電機１での発電量が不足し、バッテリ６の消耗が早くなるかもしれない。この場合は、発電回路の数を４組より多くし（例えば６組）、そのうち２個のバッテリ６を負荷２００に接続し、残り４個のバッテリ６をＤＣモータ２に接続するようにしても良い。発電回路の数はこれ以外の数としてもよい。

また、上記実施形態では、モータとしてＤＣモータ２を用いる例について説明したが、ＡＣモータを用いても良い。ただし、この場合はバッテリ６とＡＣモータとの間にインバータを接続する必要がある。インバータを接続することにより、ここで電力の消費が発生する。したがって、発電したエネルギーを効率的に循環させるという観点から、ＡＣモータを使用するよりＤＣモータ２を使用する方が好ましい。

また、上記実施形態では、変圧器３を用いる例について説明しているが、これは必須の構成ではない。すなわち、発電機１のコイル５４で発電された電圧が既に所望の電圧になっていれば、変圧器３は必ずしも設ける必要はない。

また、上記実施形態では、４組の回路２１〜２４が備える４つのゲート回路１５が、タイマ１８からの信号に基づき全て同期してオン／オフする例について示したが、これに限定されない。４つのゲート回路１５が非同期でオン／オフするようにしても良い。例えば、４つのゲート回路１５を１つずつ順番にオンとすることが可能である。

また、上記実施形態では、ゲート回路１５（各リレースイッチ１１，１２も同様）のオン／オフを４秒ずつ繰り返す例について説明したが、４秒という数字は単なる一例に過ぎない。また、オンとオフのデューティ比も１：１に限られるものではない。

また、上記実施形態では、充電制御回路５を発電システム１０に適用する例について説明したが、適用例はこれに限定されない。すなわち、本実施形態の充電制御回路５は、入力電流よりも大きな出力電流を得てバッテリを急速に充電する用途が見込まれるシステムに用いて好適である。

その他、上記実施形態は、本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその精神、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本発明の発電システムは、様々な技術分野にて有用である。例えば自動車、船舶、住宅、店舗、工場、非常電源、発電所等の発電装置として使用することができる。

本実施形態による発電システムの構成例を示す図である。 本実施形態による発電機の一部構成例を示す端面図である。 図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 本実施形態による永久磁石ユニットの構成例を示す斜視図である。 図４に示した永久磁石ユニットのＢ−Ｂ線に沿った断面図である。 本実施形態による発電システムの詳細な構成例を示す図である。 本実施形態によるゲート回路の出力電流の例を示す図である。 本実施形態によるＤＣモータの入力電流の例を示す図である。

符号の説明

１ 発電機
２ ＤＣモータ
３ 変圧器
４ 整流器
５ 充電制御回路
６ バッテリ（蓄電器）
１１，１２ リレースイッチ
１４ キャパシタ
１５ ゲート回路
１７ 第２のキャパシタ
４２ ロータ
５１，５２ 永久磁石ユニット
５３ コア
５４ コイル

Claims (9)

1. 回転軸に取り付けられたロータ、上記ロータの外周に沿って配置された複数の永久磁石ユニット、上記複数の永久磁石ユニットの外側に配置された複数のコアおよび上記複数のコアの周りに巻回された複数のコイルを備え、上記ロータを回転させることによって上記複数のコイルに起電力を生じさせるようにした発電機と、
   上記発電機のロータに回転駆動力を与えるモータと、
   上記複数のコイルの交流出力を所望の電圧に変換する変圧器と、
   上記変圧器で変圧された交流電圧を直流電圧に変換する整流器と、
   上記整流器より出力される直流電圧に基づく蓄電器への充電を制御する充電制御回路と、
   上記充電制御回路より出力される直流電圧を入力して蓄電する上記蓄電器とを備え、
   上記充電制御回路は、上記整流器の出力電圧に基づき電荷を蓄積し、当該蓄積電荷により上記整流器の出力電圧よりも大きな電圧を出力可能に成されたキャパシタと、
   上記キャパシタと上記蓄電器との間に接続され、所定時間毎にオン／オフを切り替えるゲート回路とを備え、
   上記蓄電器より出力される電圧の一部を負荷に供給するとともに、上記蓄電器より出力される電圧の他の一部を上記モータへの入力電圧として供給するようにしたことを特徴とする発電システム。
2. 上記キャパシタは、上記整流器と上記ゲート回路との間に直列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
3. 上記発電機から上記整流器までの間に、上記ゲート回路とは逆相でオン／オフを切り替えるように成されたスイッチを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の発電システム。
4. 上記充電制御回路は、上記ゲート回路と上記蓄電器との間に、上記蓄電器に対して並列に接続された第２のキャパシタを更に備えたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の発電システム。
5. 上記複数のコイルは各々独立した結線により構成され、上記コイルがｋ個（ｋは２以上の整数）設けられるとともに、上記変圧器、上記整流器、上記充電制御回路および上記蓄電器がそれぞれ上記ｋ個のコイルに対応してｋ個ずつ設けられ、ｋ個の上記蓄電器のうちｍ個（ｋ＞ｍ）の蓄電器より出力される電圧を上記負荷に供給するとともに、ｎ個（ｋ＞ｎ（＝ｋ−ｍ））の蓄電器より出力される電圧を上記モータへの入力電圧として供給するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
6. 上記モータは直流モータであり、起動電圧を上記蓄電器から得ることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の発電システム。
7. 回転軸に取り付けられたロータ、上記ロータの外周に沿って配置された複数の永久磁石ユニット、上記複数の永久磁石ユニットの外側に配置された複数のコアおよび上記複数のコアの周りに巻回された複数のコイルを備え、上記ロータを回転させることによって上記複数のコイルに起電力を生じさせるようにした発電機と、
   上記発電機のロータに回転駆動力を与えるモータと、
   上記複数のコイルより出力される交流電圧を直流電圧に変換する整流器と、
   上記整流器より出力される直流電圧に基づく蓄電器への充電を制御する充電制御回路と、
   上記充電制御回路より出力される直流電圧を入力して蓄電する上記蓄電器とを備え、
   上記充電制御回路は、上記整流器の出力電圧に基づき電荷を蓄積し、当該蓄積電荷により上記整流器の出力電圧よりも大きな電圧を出力可能に成されたキャパシタと、
   上記キャパシタと上記蓄電器との間に接続され、所定時間毎にオン／オフを切り替えるゲート回路とを備え、
   上記蓄電器より出力される電圧の一部を負荷に供給するとともに、上記蓄電器より出力される電圧の他の一部を上記モータへの入力電圧として供給するようにしたことを特徴とする発電システム。
8. 蓄電器への充電を制御する充電制御回路であって、
   入力電圧に基づき電荷を蓄積し、当該蓄積電荷により上記入力電圧よりも大きな電圧を出力可能に成されたキャパシタと、
   上記キャパシタと上記蓄電器との間に接続され、所定時間毎にオン／オフを切り替えるゲート回路とを備え、
   上記キャパシタは、上記入力電圧の供給源と上記ゲート回路との間に直列に接続されていることを特徴とする充電制御回路。
9. 上記ゲート回路と上記蓄電器との間に、上記蓄電器に対して並列に接続された第２のキャパシタを備えたことを特徴とする請求項８に記載の充電制御回路。