JP2012175784A - 発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】発電機への駆動入力が変動する場合にも全体で効率よく発電できる発電システムを提供する。
【解決手段】永久磁石型同期発電機１０の第１回転軸１１とスイッチトリラクタンス発電機２０の第２回転軸２１とを同軸に結合した発電システムである。永久磁石型同期発電機１０は、第１電機子巻線１５を備えた第１固定子１２と、第１固定子１２内で第１回転軸１１の周りを回転可能な第１回転子１３と、を有する。スイッチトリラクタンス発電機２０は、第２電機子巻線２５を備えた第２固定子２２と、第２回転軸２１の周りに第２固定子２２内で回転可能で、磁性面および非磁性面が形成された第２回転子２３と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電システムに係り、特に、例えば風車発電システム等のように駆動力が変動する場合にも効率よく発電できるように二つの形式の発電機を組み合わせた発電システムに関する。

従来の風車発電システムなどにおいて、誘導発電機や永久磁石型同期発電機を用いることが知られている（特許文献１、特許文献２参照）。なお、永久磁石型同期発電機としては表面磁石型や埋め込み磁石型などのものが広く知られている。

特開平５−１５１９８号公報 特開２００２−３４３００号公報

従来の永久磁石型同期発電機では、出力相当の容量をもつ体格の発電機が必要であり、容量を超える入力があった場合は停止せざるを得ない。また、永久磁石型同期発電機は、界磁に高価な永久磁石を数多く用いているために高価である。さらに、界磁（永久磁石）の起磁力が一定であるため、力率を発電機側で制御することができない。

一方、励磁巻線を持つ交流発電機では、励磁巻線に電流を流すための電源が必要である。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、発電機への駆動入力が変動する場合にも全体で効率よく発電できる発電システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る発電システムは、一方の端部が駆動手段に連結された第１回転軸と、永久磁石を備え、前記第１回転軸の外周に固定されて、前記第１回転軸と共に回転可能に構成された第１回転子と、前記第１回転子の外周に所定の半径方向空隙を保つように前記第１回転子を半径方向外側から取り囲み、前記第１電機子巻線を備えた第１固定子と、を備えた永久磁石型同期発電機と、一方の端部が前記第１回転軸に連結されて、前記第１回転軸と共に回転可能に構成された第２回転軸と、第２回転軸の外周に固定されて、第２回転軸と共に回転可能で、半径方向外側に複数の磁性面が周方向に互いに間隔をあけて形成された第２回転子と、前記第２回転子の外周に所定の半径方向空隙を保つように前記第２回転子を半径方向外側から取り囲み、前記第２電機子巻線を備えた第２固定子と、前記第１電機子巻線および第２電機子巻線が電気的に接続可能に構成されたドライバと、を備えたスイッチトリラクタンス発電機と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、発電機への駆動入力が変動する場合にも、発電システム全体で効率よく発電することができる。

本発明に係る第１の実施形態の発電システムのブロック図である。 図１のスイッチトリラクタンス発電機およびドライバ等を示す部分ブロック図で、ドライバ内の電気回路図等を示している。 図１の第２回転子および第２固定子の概略横断面図である。 本発明に係る第２の実施形態の発電システムのドライバの電気回路図である。 本発明に係る第３の実施形態の発電システムのドライバの電気回路図である。 本発明に係る第４の実施形態の発電システムの第２回転子および第２固定子の概略横断面図である。

以下、本発明に係る発電システムの実施形態について、図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
本発明の発電システムに係る第１の実施形態について、図１〜図３を用いて説明する。 図１は、本実施形態の発電システムのブロック図である。図２は、図１のスイッチトリラクタンス発電機２０およびドライバ３２等を示す部分ブロック図で、ドライバ３２内の電気回路図等を示している。図３は、図１の第２回転子２３および第２固定子２２の概略横断面図である。

先ず、本実施形態の発電システムの構成について説明する。

この発電システムは、永久磁石型同期発電機１０（図１では、Permanent Magnet Synchronous Generator を略した「ＰＭＳＧ」と示している。）と、スイッチトリラクタンス発電機２０（図１では、Switched Reluctance Generator を略した「ＳＲＧ」と示している。）と、を有する。永久磁石型同期発電機１０は、表面磁石型や埋め込み磁石型などのいずれでもよい。

発電システムは、コンバータ３１と、ドライバ３２と、直流接続部４２と、コンデンサ４８と、インバータ４０と、を有する。

永久磁石型同期発電機１０の回転軸（第１回転軸１１）の一方（図１の左方側）の端部は、例えば風車等の駆動入力装置１が機械的に連結されている。この第１回転軸１１の駆動入力装置１がある側の反対側（図１の右方側）の端部には、スイッチトリラクタンス発電機２０の回転軸（第２回転軸２１）が連結されている。すなわち、第１および第２回転軸１１、２１は、同軸上で直結されて、共に回転するように構成されている。

永久磁石型同期発電機１０は、第１回転子１３と、第１固定子１２と、を有する。

第１固定子１２には、第１電機子巻線１５が巻かれている。第１回転子１３は、永久磁石（図示せず）が取り付けられていて、第１回転軸１１とともに回転可能に支持されている。

コンバータ３１は、第１電機子巻線１５と電気的に接続されて、永久磁石型同期発電機１０から出力された第１の３相交流（第１ＡＣ）が入力可能で、且つ入力された第１ＡＣを第１の直流（第１ＤＣ）に変換可能である。このコンバータ３１は、コンデンサ４８を介して、インバータ４０に電気的に接続される。また、このコンバータ３１は、直流接続部４２を介してドライバ３２に電気的に接続されている。

直流接続部４２は、コンバータ３１およびドライバ３２を電気的に接続する。この直流接続部４２は、コンバータ３１の第１ＤＣの正極側に接続される正極側配線４２ａおよび負極側に接続される負極側配線４２ｂからなる。各配線４２ａ、４２ｂは、ドライバ３２に電気的に接続される。

インバータ４０は、コンバータ３１から出力される第１ＤＣの少なくとも一部を、出力用ＡＣ（第２ＡＣ）、すなわち、発電システムの電力に変換して外部に出力可能である。このインバータ４０は、系統等の出力部５に電気的に接続され、この出力部５に電力を供給可能である。

スイッチトリラクタンス発電機２０は、第２回転子２３と、第２固定子２２と、を有する。

第２回転子２３は、第２回転軸２１の周りに固定された円筒状の部材で、１つの非磁性部材５１および４個の磁性部材５３を有する（図３）。

非磁性部材５１は、例えばアルミニウム合金等により形成されて、第２回転軸２１の外周面の一部を半径方向外側から取り囲み、この外周面に固定される。この非磁性部材５１は、半径方向外側に突出する非磁性部５２が４個所に形成されている。これらの非磁性部５２は、周方向に互いに等間隔に形成される。すなわち、隣り合う非磁性部５２それぞれにおける半径方向に突出する方向が、互いに垂直になるように形成されている。

各磁性部材５３は、例えば鉄鋼材料等により形成されて、周方向に隣り合う非磁性部５２同士の間に、それぞれ取り付けられている。

第２回転子２３の外周面には、各磁性部材５３の半径方向外端の磁性面５３ａと、各非磁性部材５１にかかる非磁性部５２の半径方向外端の非磁性面５２ａとが、周方向に交互に４箇所ずつ形成されている。すなわち、４箇所の磁性面５３ａおよび４箇所の非磁性面５２ａで、合わせて１つの円筒面が形成される。

第２固定子２２は、第２回転子２３を半径方向外側から取り囲むように配置された円環状の部材で、内周側に６個の固定子突極部５５が形成されている。これらの固定子突極部５５は、周方向に等間隔に配列されて、第２固定子２２の内周面から半径方向内側に向かって突出するように形成される。各固定子突極部５５の半径方向内側の端部は、第２回転子２３の外周面に互いに半径方向空隙５４を保つように形成されている。

図３では省略するが、これらの固定子突極部５５には、第２電機子巻線２５が配置されている。この第２電機子巻線２５は、３個のコイル、すなわち、第１コイル２５ａ、第２コイル２５ｂおよび第３コイル２５ｃを有する。これらの第１〜第３コイル２５ａ〜２５ｃは、それぞれドライバ３２に電気的に接続される。ドライバ３２への接続は、後で説明する。

ドライバ３２は、６個のトランジスタ素子、すなわち、第１トランジスタ素子６１、第２トランジスタ素子６２、第３トランジスタ素子６３、第４トランジスタ素子６４、第５トランジスタ素子６５および第６トランジスタ素子６６と、６個のダイオード素子、すなわち、第１ダイオード素子７１、第２ダイオード素子７２、第３ダイオード素子７３、第４ダイオード素子７４、第５ダイオード素子７５および第６ダイオード素子７６と、を有する電気回路を備えている（図２）。

第１トランジスタ素子６１および第１ダイオード素子７１は、互いに直列に電気接続される。同様に、第２〜第６トランジスタ素子６２〜６６それぞれと、第２〜第６ダイオード素子７２〜７６それぞれとが、互いに直列に電気接続される。

また、第１トランジスタ素子６１および第１ダイオード素子７１は、正極側配線４２ａが接続される正極側（図２における右側）から負極側配線４２ｂが接続される負極側（図２における左側）に、この順に接続される。第３トランジスタ素子６３および第３ダイオード素子７３、並びに第５トランジスタ素子６５および第５ダイオード素子７５についても、正極側から負極側にこの順に接続される。

一方、第２トランジスタ素子６２および第２ダイオード素子７２は、負極側から正極側に、この順に接続される。第４トランジスタ素子６４および第４ダイオード素子７４、並びに第６トランジスタ素子６６および第６ダイオード素子７６についても、負極側から正極側にこの順に接続される。

また、第１トランジスタ素子６１および第１ダイオード素子７１の間と、第２トランジスタ素子６２および第２ダイオード素子７２の間と、に第１コイル２５ａの各端部が電気的に接続される。

第３トランジスタ素子６３および第３ダイオード素子７３の間と、第４トランジスタ素子６４および第４ダイオード素子７４の間と、に第２コイル２５ｂが電気的に接続される。同様に、第５トランジスタ素子６５および第５ダイオード素子７５の間と、第６トランジスタ素子６６および第６ダイオード素子７６の間と、に第３コイル２５ｃが電気的に接続される。

第１コイル２５ａは、第１および第２トランジスタ素子６１、６２のスイッチを入切することで導通する。第２コイル２５ｂは、第３および第４トランジスタ素子６３、６４のスイッチを入切することで導通する。同様に、第３コイル２５ｃは、第５および第６トランジスタ素子６５、６６のスイッチを入切することで導通する。

ドライバ３２は、第１〜第３コイル２５ａ〜２５ｃに流れる第２ＤＣを、コンデンサ４８に出力する機能を備えている。

インバータ４０は、上述したコンバータ３１から供給される第１ＤＣの他に、ドライバ３２から供給される第２ＤＣの少なくとも一部を、コンデンサ４８を介して取り込んで、第２ＡＣに変換して、発電システムの電力として出力可能である。

判定手段４５ａは、第１回転軸１１の回転数等を計測した結果に基づいて、回転数が所定値を超えているか否かを判定する機能を備えている。この判定手段４５ａは、永久磁石型同期発電機１０に入力される回転エネルギが所定値を超えたときに、すなわち、第１回転軸１１の回転数が所定値を超えたときに、コンバータ３１から供給される第１ＤＣの一部を、ドライバ３２に供給するように構成されている。第１ＤＣの供給は、上述した第１〜第６トランジスタ６１〜６６の入切動作によって行われる。

コンデンサ４８は、ドライバ３２から供給された電荷を一時的に溜め込んで、その後、インバータ４０に供給する機能を備えている。

インバータ４０は、コンバータ３１およびドライバ３２それぞれから供給される第１ＤＣおよび第２ＤＣを、第２ＡＣ、すなわち電力に変換して、上述したように、この電力を当該出力部５に供給する。

続いて、本実施形態の発電について説明する。

先ず、永久磁石型同期発電機１０の発電について説明する。

駆動入力装置１により、発電システムに駆動入力があったときに、第１および第２回転軸１１、２１が共に回転する。すなわち、駆動入力装置１は、発電システムに回転エネルギを入力する。

第１回転軸１１の回転によって、永久磁石型同期発電機１０が発電する。この場合、永久磁石型同期発電機１０は、第１固定子１２の第１電機子巻線１５から第１ＡＣを出力する。

第１電機子巻線１５から発生する第１ＡＣの出力の一部（大部分）は、コンバータ３１によって第１ＤＣに変換されて、その後に、インバータ４０によって第２ＡＣに変換されて、出力部５へ供給される。すなわち、当該第１ＡＣは、コンバータ３１およびインバータ４０等を経て出力部５へ供給される。

駆動入力装置１による駆動入力が永久磁石型同期発電機１０の予め定められている発電容量よりも小さい場合には、すなわち、第１回転軸１１の回転数が所定値よりも小さい場合には、発電システムは、永久磁石型同期発電機１０のみで発電する。なお、このときのスイッチトリラクタンス発電機２０は、フライホイールとして作用している。

駆動入力装置１による駆動入力が永久磁石型同期発電機１０の発電容量を超える場合には、発電システムは、永久磁石型同期発電機１０およびスイッチトリラクタンス発電機２０の両方を用いて発電する。

以下に、永久磁石型同期発電機１０およびスイッチトリラクタンス発電機２０で発電する状態について説明する。

判定手段４５ａが、永久磁石型同期発電機１０に入力される回転エネルギが所定値よりも大きくなると判定したとき、すなわち、判定手段４５ａが、第１回転軸１１の回転数が所定値よりも大きくなると判定したときに、ドライバ３２は、第１〜第６トランジスタ素子６１〜６６の少なくとも一つが所定のタイミングで通電するように制御される。このように第１〜第６トランジスタ素子６１〜６６が制御されることで、第１〜第３コイル２５ａ〜２５ｃに第２ＤＣが流れる。すなわち、スイッチトリラクタンス発電機２０は、発電可能な状態、すなわち、第２電機子巻線２５から第２ＤＣが出力される状態になる。

第２回転軸２１が回転すると、第２回転子２３の外周面に形成された４箇所の磁性面５３ａそれぞれが、周方向に沿って移動する。このとき、これらの磁性面５３ａそれぞれは、第２固定子２２の各固定子突極部５５の半径方向内側端面に半径方向空隙５４を保ち対向した状態で、順次移動する。移動しているときに、一つの磁性面５３ａに、少なくとも隣り合う二つの固定子突極部５５それぞれが、半径方向に互いに重なる状態が保たれる。これにより、磁束が形成される。

磁性面５３ａおよび隣り合う固定子突極部５５の相対的な位置の変動により、上述の磁束が変化する。この磁束の変化により、第２回転子２３の回転を止めようとする力が作用する。この力が起電力となって、第１〜第３コイル２５ａ〜２５ｃに、第１ＤＣとは異なる（逆向き）の第２ＤＣが流れる。この第２ＤＣは、コンデンサ４８を介して、インバータ４０に供給される。その後、第２ＤＣの一部は、インバータ４０で第２ＡＣに変換される。

このときのインバータ４０は、第１ＤＣおよび第２ＤＣを、合わせて第２ＡＣに変換して、出力部５に供給する。

以上の説明からわかるように本実施形態によれば、駆動入力装置１による駆動入力が大幅に変動する場合においても、高価な永久磁石を用いた永久磁石型同期発電機１０を常に有効に活用して発電を継続し、発電システム全体の効率的な活用が可能である。

［第２の実施形態］
第２の実施形態の発電機システムについて、図４を用いて説明する。図４は、本実施形態の発電システムのドライバ３２の電気回路図である。なお、本実施形態は、第１の実施形態（図１〜図３）の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。

また、本実施形態の発電システムの全体の構成は、第１の実施形態で説明した図１と同様である。

本実施形態のドライバ３２の電気回路には、第１パワーモジュール８０を用いている。第１パワーモジュール８０は、モジュール用トランジスタ素子８１と、モジュール用ダイオード素子８２とが、並列に配置されてモジュール化された汎用品である。

この電気回路（図４）は、第１の実施形態で説明したドライバ３２の電気回路（図２）に示す第１〜第６トランジスタ素子６１〜６６それぞれを、６個の第１パワーモジュール８０に置き換えている。

これにより、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第１パワーモジュール８０のような汎用品を用いることができるため、電気回路の製造が、第１の実施形態に比べて容易になる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態の発電機システムについて、図５を用いて説明する。図５は、本実施形態の発電システムのドライバ３２の電気回路図である。なお、本実施形態は、第２の実施形態（図４）の変形例であって、第２の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。

本実施形態のドライバ３２の電気回路には、第２パワーモジュール９０を用いている。第２パワーモジュール９０は、第２の実施形態で説明した図４に示す第１パワーモジュール８０が並列に配置されてモジュール化された汎用品である。

この電気回路（図５）は、第２の実施形態で説明したドライバ３２の電気回路（図４）に示す第１ダイオード素子７１と、１個の第１パワーモジュール８０に相当する部分を、１個の第２パワーモジュール９０に置き換えている。

同様に、第２〜第６ダイオード素子７２〜７６それぞれと、５個の第１パワーモジュール８０それぞれに相当する部分を、５個の第２パワーモジュール９０に置き換えている。

これにより、第２の実施形態と同様に効果を得ることが可能になる。

［第４の実施形態］
第４の実施形態の発電機システムについて、図６を用いて説明する。図６は、本実施形態の発電システムの第２回転子２３および第２固定子２２の概略横断面図である。なお、本実施形態は、第１の実施形態（図１〜図３）の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。

本実施形態の第２回転子２３は、第２回転軸２１に固定されて、第２回転軸２１と共に回転する。この第２回転子２３は、放射状に突出した４個の回転子突極部５９を有する。隣り合う回転子突極部５９は、互いに９０度をなすように形成される。また、これらの回転子突極部５９は、図３の磁性部材５３に相当し、半径方向外側が固定子突極部５５の半径方向内側に半径方向空隙５４を形成している。

この第２回転子２３は、詳細な図示は省略しているが、鉄鋼材料で形成された板材が積層されて形成されている。各板材は、回転子突極部５９が形成される。

この第２回転子２３は、第１の実施形態に比べ、製造が容易である。

［その他の実施形態］
上記実施形態の説明は、本発明を説明するための例示であって、特許請求の範囲に記載の発明を限定するものではない。また、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

第１〜第４の実施形態では、スイッチトリラクタンス発電機２０の固定子突極部５５を６個で、回転子側の磁性面５３ａまたは回転子突極部５９の数（極数）が４個で構成されているが、これに限らない。例えば、固定子側を１２極、回転子側を８極にしてもよい。これは、発電容量等の諸条件に応じて、変形可能である。

また、第４の実施形態のスイッチトリラクタンス発電機２０に、第２の実施形態（図４）のドライバ３２、または、第３の実施形態（図５）のドライバ３２を用いてもよい。

１…駆動入力装置、５…出力部、１０…永久磁石型同期発電機、１１…第１回転軸、１２…第１固定子、１３…第１回転子、１５…第１電機子巻線、２０…スイッチトリラクタンス発電機、２１…第２回転軸、２２…第２固定子、２３…第２回転子、２５…第２電機子巻線、２５ａ…第１コイル、２５ｂ…第２コイル、２５ｃ…第３コイル、３１…コンバータ、３２…ドライバ、４０…インバータ、４２…直流接続部、４２ａ…正極側配線、４２ｂ…負極側配線、４５ａ…判定手段、４８…コンデンサ、５１…非磁性部材、５２…非磁性部、５２ａ…非磁性面、５３…磁性部材、５３ａ…磁性面、５４…半径方向空隙、５５…固定子突極部、５９…回転子突極部、６１…第１トランジスタ素子、６２…第２トランジスタ素子、６３…第３トランジスタ素子、６４…第４トランジスタ素子、６５…第５トランジスタ素子、６６…第６トランジスタ素子、７１…第１ダイオード素子、７２…第２ダイオード素子、７３…第３ダイオード素子、７４…第４ダイオード素子、７５…第５ダイオード素子、７６…第６ダイオード素子、８０…第１パワーモジュール、８１…モジュール用トランジスタ素子、８２…モジュール用ダイオード素子、９０…第２パワーモジュール

Claims (3)

1. 一方の端部が駆動手段に連結された第１回転軸と、
   永久磁石を備え、前記第１回転軸の外周に固定されて、前記第１回転軸と共に回転可能に構成された第１回転子と、
   前記第１回転子の外周に所定の半径方向空隙を保つように前記第１回転子を半径方向外側から取り囲み、前記第１電機子巻線を備えた第１固定子と、
   を備えた永久磁石型同期発電機と、
   一方の端部が前記第１回転軸に連結されて、前記第１回転軸と共に回転可能に構成された第２回転軸と、
   第２回転軸の外周に固定されて、第２回転軸と共に回転可能で、半径方向外側に複数の磁性面が周方向に互いに間隔をあけて形成された第２回転子と、
   前記第２回転子の外周に所定の半径方向空隙を保つように前記第２回転子を半径方向外側から取り囲み、前記第２電機子巻線を備えた第２固定子と、
   前記第１電機子巻線および第２電機子巻線が電気的に接続可能に構成されたドライバと、
   を備えたスイッチトリラクタンス発電機と、
   を有することを特徴とする発電システム。
2. 前記永久磁石型同期発電機は、前記第１回転子が回転することによって前記第１電機子巻線に交流が発生するように構成されて、
   前記スイッチトリラクタンス発電機は、前記第２回転子が回転することによって前記第２電機子巻線に直流が発生するように構成されて、
   当該発電システムは、
   前記第１電機子巻線に発生した交流を直流に変換するコンバータ手段と、
   前記コンバータ手段から得られる直流および前記第２電機子巻線から得られる直流の少なくとも一方を交流に変換するインバータ手段と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
3. 前記第１回転軸の回転数を計測した結果に基づいて、計測値が所定値を超えたか否かを判定する判定手段を有し、
   前記ドライバは、
   前記判定手段で前記所定値を超えたと判定されたときに、前記コンバータ手段から出力される直流の一部を、前記第２電機子巻線に供給可能に構成されていること、
   を特徴とする請求項２に記載の発電システム。

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