JP2017149168A - ハイブリッド車 - Google Patents

Abstract

【課題】電気自動車風の底部外側若しくは屋根上に、シンプルで小型の風力発電機であり、発電機能を円筒に組み込むことで取り扱い上安全であるため、設置場所に制約を受けない風力発電装置を装着されたハイブリッド車を提供する。
【解決手段】電気自動車の底部外側に、円筒状ケーシング内の回転軸に螺旋羽根車が設けられている螺旋羽根車型風力発電装置を装着する。
【選択図】図４

Description

本発明は、電気自動車の底部外側若しくは屋根上に、円筒状ケーシング内の回転軸に螺旋羽根車が設けられている螺旋羽根車型風力発電装置を装着した構造のハイブリッド車に関する。螺旋羽根車型風力発電装置は発電機構を内蔵し、電気自動車の走行による風のエネルギーを動力エネルギーに変換して発電を行い、蓄電池の充電若しくはモータの駆動に利用する。空気の入口側に流入ダクトを設けたり、後段に流出ダクトを設けても良い。

近年電気自動車が普及しているが、電気自動車は大きな容量の蓄電池を搭載し、蓄電池の電力供給許容範囲内で走行が可能である。電気自動車はガソリン自動車と異なり、燃焼・爆発させないため、走行中静かであり、エンジンルームが不要になり、スペース効果を上げられるため、デザインやパッケージの自由度も高く、走行安定性や加速力が向上するなどのメリットがある。また、減速時に熱として捨てていたエネルギーを回収できるメリットもある。反面、１充電走行距離が短いため、ガソリン自動車に比べ用途が限られ、充電場所や設備のインフラが進んでおらず、車両価格が高いといったデメリットがある。

従来の電気自動車では、大きな容量の蓄電池に充電を行い、その許容範囲内で走行し、蓄電池の容量が無くなる前に充電設備のある場所、或いは自宅に戻らなければならないという問題がある。

特開２０１３−１５１９２９号公報

電気自動車では１充電走行距離の向上のため、車体の屋根に太陽光発電を搭載したハイブリッド車が提案されている。太陽光発電ユニットを屋根に搭載することで、蓄電池だけで走る電気自動車の走行距離よりも約５倍程度走行距離を確保している。しかし、雨の日や曇りの日においては走行不能と同時に、走行距離においてもガソリンと電気とを組合せたハイブリット車と同等にはならない。

本発明は、このような従来の問題を解決すると共に、電気自動車のメリットを利用しようとするものである。即ち、電気自動車では、トランスミッション及び排気マフラーが不要となるため、その空きスペースを用いて、流入ダクト及び流出ダクトの間にシリンダ状の風力発電装置を設置し、走行時に発生する風の流れが風力発電装置内を通り抜ける際に、回転軸に取付けた螺旋状の羽根車を回し、シリンダの外周に取付けたコイルと磁性材で成る羽根車とによって発電を行うハイブリッド車を提供することを目的とする。

本発明のハイブリッド車により、走行中は常に蓄電池に充電を行うことが可能となり、蓄電池の容量を心配することが無く、安心して走行することができる。

本発明は、電気自動車に風力発電の電力を取り込んで走行するハイブリット車に関し、本発明の上記目的は、電気自動車の底部外側若しくは屋根上に、円筒状ケーシング内の回転軸に螺旋羽根車が設けられている螺旋羽根車型風力発電装置を装着することにより達成される。

また、本発明の上記目的は、前記風力発電装置前段に流入ダクトが連結され、風のエネルギーを利用して発電を行い、バッテリを充電若しくは動力に利用するようになっていることにより、或いは前記ケーシングの外周に鉄芯入りコイルが、円周方向及び軸方向に１又は複数個取り付けられ、前記コイルの個数は、発電能力によって自由に変えられるようになっていることにより、或いは前記螺旋羽根車が磁性を帯びた材料、又は羽根車の先端に複数の永久磁石が設けられたものであることにより、或いは前記螺旋羽根車の枚数が１〜ｎ（２以上の整数）枚であることにより、或いは前記螺旋羽根車のリード角が、３０°以上で８０°以下であることにより、或いは前記螺旋羽根車の表面に微細な凹凸加工が施されていることにより、或いは前記螺旋羽根車の表面が滑らかになっていることにより、或いは前記流入ダクトの前面にフィルタが取付けられていることにより、或いは前記フィルタが開閉可能になっていることにより、或いは前記螺旋羽根車型風力発電装置が直列に複数個装着、又は並列に複数個装着されていることにより、或いは前記螺旋羽根車型風力発電装置の複数が直列に装着されている場合には、先頭の螺旋羽根車型風力発電装置の流入ダクト前面に開閉可能なフィルタが取付けられていることにより、或いは前記螺旋羽根車型風力発電装置の複数が並列に装着されている場合には、各螺旋羽根型風力発電装置の流入ダクト前面に開閉可能なフィルタが取付けられていることにより、或いは前記螺旋羽根車型風力発電装置が直列に複数個装着され、更に並列に複数個装着されていることにより、或いは前記螺旋羽根車型風力発電装置の別の発電システムとして、前記螺旋羽根車の同一軸上に発電機を取り付けて発電源を得ることにより、より効果的に達成される。

本発明に係るハイブリット車によれば、従来の電気自動車に比べて、風力発電装置を設けることで蓄電池の小型化が図られ、さらに、走行中に蓄電池の残量の不安を解消することができる。ガソリンを使用しないハイブリット車の普及により、ＣＯ_２の排出量を大幅に削減することができ、将来の地球環境に適した車社会を実現できる。

螺旋状の回転羽根車を円筒状のケーシング中に設けることで、安全に使用できる。ケーシング外周をフィン形状の構造とすることで、発電により発生した熱を効率良く放熱することができる。また、ケーシングの外側と内側において風の流れを伴う構造であることから、発電で発生した熱を冷却することができ、特別な冷却装置を設ける必要もない。

鉄心入りコイルの配置はケーシングの外周又は内周で良く、いずれも気流により冷却効果を促進する。ケーシングの内周に配置した場合には、羽根車が回転することにより、コイルの冷却効果はより促進される。

本発明に係るハイブリッド車の概要を示す外観図である。 本発明に係るハイブリッド車の概要を示す平面模式図である。 螺旋羽根車型風力発電装置の円筒状ケーシングの一例を示す斜視図である。 本発明の螺旋羽根車型風力発電装置の螺旋羽根車の第１実施形態を示す外観である。 本発明の螺旋羽根車型風力発電装置の螺旋羽根車の第２実施形態を示す外観である。 本発明の螺旋羽根車型風力発電装置の構造例を示す一部側面断面図及び正面図である。 本発明の螺旋羽根車型風力発電装置の他の構造例を示す一部側面断面図及び正面図である。 鉄心入りコイルの詳細構造及び配置部の断面構成例を示す断面図である。 本発明の発電及び制御系の一例を示すブロック図である。 本発明の特性例を示す特性図である。 本発明の特性例を示す特性図である。 羽根車への永久磁石の装着例を示す構造図である。 永久磁石と鉄心の距離に対する吸着力の特性例を示す図である。 重さと遠心力の関係を示す特性図である。 本発明の他の実施形態の例を示す平面（底面）図である。 本発明の更に他の実施形態の例を示す平面（底面）図である。

風のエネルギーを受ける羽根車を螺旋状の形状にすることで、低速風量であっても現在の小型風車（例えばプロペラ型、カップ型）に用いられている羽根車よりも高い軸出力が得られる。また、羽根車を円筒状のケーシングに組込むことで、取扱う上で安全が確保されると同時に、磁性材料若しくは複数永久磁石を組み込まれた羽根車と、ケーシングに巻回された１又は複数のコイルとの間で発電機能を備えることにより、発電能力・効率の向上と機械損失の低減、装置の小型化が可能となる。

また、螺旋羽根車型風力発電装置を電気自動車の発電機として用いることで、蓄電池の重量の軽減並びに運転時の燃料切れの不安要素を大幅に改善することができる。

以下に、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図１は、電気自動車１０の底面外側に螺旋羽根車型風力発電装置２０を装着した本発明のハイブリッド車の概略を示しており、本実施形態では風力発電装置２０の前段に空気（風）を取り入れる筒状の流入ダクト３０を設け、後段に空気（風）を排出する流出ダクト３１を設けている。図２はその平面（底面）図であり、トランスミッション及び排気マフラーが不要となった空きスペースを利用して、螺旋羽根車型風力発電装置２０及びダクト３０，３１を取り付ける。

なお、螺旋羽根車型風力発電装置２０はハイブリッド車の屋根上に設けることも可能であり、原理的には流入ダクト３０、流出ダクト３１はなくても良い。

風力発電装置２０は図３に示すような円筒状のケーシング２１で成り、ケーシング２１の入出力部に螺旋羽根車２２を回転軸２２Ａで支える支持部２１Ａが設けられている。支持部２１Ａには、螺旋羽根車２２の回転を滑らかにする軸受が内臓されており、前面より風を受けることにより螺旋羽根車２２が回転するようになっている。

螺旋羽根車２２は図４又は図５に示すような構造であり、回転軸２２Ａへの羽根２２Ｂの取り付け角度（リード角γ）は、３０°〜８０°となっていると共に、羽根２２Ｂの全体が磁性材料で構成されるか、若しくは羽根２２Ｂの先端部に複数の永久磁石を組み込んだ構成であっても良い。また、羽根２２Ｂの枚数は、１〜ｎ（２以上の整数）枚であり、発電能力に応じて適宜変更可能である。

羽根２２Ｂの表面に微細な凹凸加工を施した場合には、羽根車２２が風力で回転したときの風切り音を小さくすることができる。逆に、車の接近を歩行者等に報知したい場合には、羽根２２Ｂの表面を滑らかに加工すれば良く、羽根車２２が風力で回転したときに風切り音を自動的に出すことができ、歩行者に車の接近を自動的に報知することができる。

図６は風力発電装置２０の断面構造を示しており、ケーシング２１の外側の円周方向と軸方向に、鉄心２３Ｂに巻回されたコイル２３が配列されている。羽根２２Ｂの全体が磁性材料若しくは羽根２２Ｂの先端部には永久磁石（図示せず）が組み込まれた構成となっており、羽根車２２が風のエネルギーを受けて回転し、羽根２２Ｂの永久磁石又は磁性材料とコイル２３との間で磁力を発生し、フレミングの右手の法則により電気を生み出す仕組である。これにより従来の風力発電装置のように、軸に発電装置を取付けて電気を生み出すタイプに比べて、機械損失を大幅に削減することを可能にしている。羽根２２Ｂの先端部とシリンダ２１の内壁との間隙は、１ｍｍ〜３０ｍｍ程度である。

また、図６では、ケーシング２１の外側に放熱用のフィン２４が設けられると共に、通風性を良くする通風孔２５が設けられている。また、全体は放熱カバー２６で覆われている。

図６の例は鉄心入りコイル２３をケーシング２１の外側に配置しているが、図７及び図８に示すようにケーシング２１の内周に鉄心入りコイル２３を配置しても良い。コイル２３は、内周方向に垂設された鉄心２３Ｂに巻回され、図８の断面図に示すように周方向に複数個配置されている。ケーシング２１の内周に鉄心入りコイル２３を配置した場合には、羽根車２２の回転による気流により、放熱効果（冷却）が一層向上する。

本発明は、発電装置のトラブルを未然に防ぐことを目的とするため、流入側のダクト３０の入口若しくはシリンダ２１の入口に金網、パンチ穴などのフィルタを設けるか、流入側ダクト３０のダクト穴をラビリンス形状とする。従来の電気自動車に比べて、風力発電装置を設けることで蓄電池の小型化が図ることができ、さらに走行中に蓄電池の残量の不安を解消することができる。

図９は本発明の制御系を示しており、螺旋羽根車型発電装置２０のコイル２３の全体で成る発電部２３Ａで発電された電力はコントローラ４０に入力され、蓄電池４４を充電する。また、コントローラ４０は、蓄電池４４からの電力若しくは発電部２３Ａからの電力をインバータ４１を経てモータ４３を駆動すると共に、電気機器４２の電源として供給する。

本例では螺旋羽根車型発電装置２０の入力部に風量計２６Ａが設けられ、出力部に風量計２６Ｂが設けられていると共に、入力部には入力風量を調整できるフィルタ２７が設けられている。そして、開閉制御部５０は、風量計２６Ａ及び２６Ｂで計測された風量に基づいてフィルタ２７の開閉を制御する。風量計２６Ａ及び２６Ｂで計測された風量はコントローラ４０にも入力され、表示部４５で表示され、運転者等に報知する。

次に、螺旋羽根車型発電装置２０の性能及び特性を説明する。

特に風速が小さい場合の一例を図１０に示す。図１０は、縦軸が回転数ｎ[ｒｐｍ]、横軸がトルクＴ[Ｎ・ｍ]の関係であるが、羽根２２Ｂのリード角γが小さい場合に比べて、羽根２２Ｂのリード角γが大きい場合にトルクＴの変動が少ないことが明らかになっている。本発明は、風のエネルギーを効率良く取り込み、効率良く回転トルクに変換することを目的としており、螺旋状羽根のリード角γを変えて実験を行った。その結果、羽根２２Ｂのリード角γが小さい場合には、風の強弱に対して羽根車の回転数ｎが大きく影響され、羽根２２Ｂのリード角γが大きい場合には、風の強弱に対して羽根車の回転数変動が少なく、ほぼ一定のトルクＴが得られることが明らかになった。なお、図１０において、Ｚは螺旋羽根の枚数を示している。

また、風力の場合には、風のエネルギー変換は、円周方向の大きさ(プロペラの直径)によって決定されるとの考え方が一般的である。しかしながら、本発明では、円周方向の大きさは一定であるが、軸方向の受風面積を大きくすることで、風から受ける力をより効率的に変換できるとの知見から、螺旋状の羽根で成る螺旋羽根車を採用している。ただし、軸方向の長さが必要以上に長くなると逆に風の抵抗が増し、風のエネルギー変換効率が悪くなる。図１１は、螺旋形状の羽根車のピッチを変化させた場合のトルクＴ[Ｎ・ｍ]と軸出力Ｐ[Ｗ]の関係であるが、図１１から明らかなように、螺旋羽根車の軸方向の長さＬ＝320mm（１．５ピッチ）に対して長さＬ＝160mm（０．７５ピッチ）においては、軸出力値Ｐがはるかに小さな値を示していることが明らかである。これにより、羽根車の大きさが一定であっても、軸方向の長さが軸出力に大きく影響することが示された。

本発明では、電気自動車の底部外側若しくは屋根上に、円筒状ケーシング内の回転軸に螺旋羽根車が設けられている螺旋羽根車型風力発電装置を装着し、ケーシングの外周又は内周に鉄芯入りコイルが、円周方向及び軸方向に１又は複数個取り付けられると共に、螺旋羽根車に圧縮バネを周設され、摺動可能に永久磁石が設けられており、永久磁石と鉄芯入りコイルとの間では吸着力が発生し、螺旋羽根車の初期回転時に回り難くし、螺旋羽根車が静止しているときは、圧縮バネの弾性作用を利用して永久磁石と鉄芯入りコイルとの間の距離を広げ、小さな力で螺旋羽根車を回し、螺旋羽根車の回転が高くなったときは、永久磁石と前記鉄芯入りコイルとの間の距離を小さくして発電効果を高めるようになっている。

図１２は、羽根２２Ｂの先端に永久磁石７０を装着する構造例であり、永久磁石７０は円筒状のホルダ７１に収納されている。ホルダ７１の底部には鍔状の係合部７１Ａが設けられており、係合部７１Ａの外周面が羽根２２Ｂに設けられた凹部７５の内周面と係合している。凹部７５には、その径よりも小さい径の円筒状の装着部材７４が収納されており、装着部材７４の上面には鍔状の取付け部が設けられており、装着部材７４は取付け部を介して羽根２２Ｂに固定される。そして、装着部材７４の取付け部とホルダ７１の係合部７１Ａとの間には圧縮バネ７２が弾性作用を有するように介挿されており、ホルダ７１は装着部材７４の内周面に沿って軸方向に摺動可能な構造になっている。

このように永久磁石７０をケーシング２１側の鉄心２３Ｂと対向させることにより、螺旋羽根車が静止しているときは図１２（Ａ）に示すように、圧縮バネ７２の弾性作用を利用して永久磁石６０の上面と鉄芯２３Ｂの底面との間の距離を広げ、小さな力で螺旋羽根車を回す。そして、慣性等により螺旋羽根車の回転が高くなったときは図１２（Ｂ）に示すように、遠心力により永久磁石７０の上面と鉄芯２３Ｂの底面との間の距離が小さくなる。これによって、発電効果を高めることができる。

図１３は距離ｔ［ｍｍ］と吸着力Ｐ［ｋｇｆ］の関係を示しており、特性ＡはＤ＝２２×１０の場合であり、特性ＢはＤ＝２２×１０の場合である。また、図１４は半径１２５［ｍｍ］、回転数５００［ｒｐｍ］の場合の重さ［ｇ］と遠心力の関係を示している。特性Ａは遠心力Ｎであり、特性Ｂは遠心力ｋｇｆである。

図１５は本発明の他の実施形態を示しており、図１５（Ａ）は２つの螺旋羽根車型風力発電装置２０−１及び２０−２を並列に設けた例であり、いずれも流入ダクト３０−１及び３０−２を接続しているがなくても良い。流出ダクト３１−１及び３１−２についても同様である。図１５（Ｂ）は２つの螺旋羽根車型風力発電装置２０−３及び２０−４を直列に設けた例であり、流入ダクト３０−３及び流出ダクト３１−３を接続しているが、なくても良い。また、直列接続の場合には、その途中に風を多く受領するためのラッパ状フード２８を設けると効果的である。このように複数の螺旋羽根車型風力発電装置を並列、或いは直列、或いは並列かつ直列に設けることが可能である。

図１６は本発明の更に他の実施形態を示しており、螺旋羽根車風力発電装置の別の発電システムとして、螺旋羽根車の同一軸上に発電機を取り付けて発電源を得るようにしている。即ち、図１６（Ａ）の例では、流出ダクト３１−１及び３１−２の後段に、螺旋羽根車型風力発電装置２０−１及び２０−２の軸に連結された回転制御ギア６１−１及び６１−２を設け、回転制御ギア６１−１及び６１−２にそれぞれ発電機６２−１及び６２−２を連結している。発電機６２−１及び６２−２で発電された電力は、コントローラ６０に入力されて利用される。また、図１６（Ｂ）の例では、流出ダクト３１−３の後段に、螺旋羽根車型風力発電装置２０−４の軸に連結された回転制御ギア６４を設け、回転制御ギア６４に発電機６５を連結している。発電機６５で発電された電力は、コントローラ６３に入力されて利用される。

本発明は、一体に取付けた直列形、並列形に１基から数基の発電装置を取付けられる構造であるため、メーン蓄電池及びサブ蓄電池にそれぞれ単独に充電が可能となることから、それぞれの充電がより強力となるため、効率の良い電力の供給が実現できる。さらに、蓄電池の軽減が図られコストの低減となる。本発明は、発電装置を効率よく発電するために、増幅回路が設置され電圧・電流の増幅が可能なシステムであり、カットイン・カットアウトシステムも設置される。

１０ 電気自動車
２０ 螺旋羽根車型風力発電装置
２１ ケーシング
２２ 螺旋羽根車
３０ 流入ダクト
３１ 流出ダクト
４０、６０、６３ コントローラ
４１ インバータ
４２ 電気機器
４３ モータ
４５ 表示部
５０ 開閉制御部

図１３は、特性ＡとＢに対する吸着力Ｐ［ｋｇｆ］と距離ｔ「ｍｍ」との関係について示したものであり、図１４は、ある回転数Ｎ［ｒｐｍ］に対して、重さ「ｇ」と遠心力「Ｎ］，［ｋｇｆ］の関係を示している。

Claims (22)

1. 電気自動車の底部外側若しくは屋根上に、円筒状ケーシング内の回転軸に螺旋羽根車が設けられている螺旋羽根車型風力発電装置を装着したことを特徴とするハイブリット車。
2. 前記風力発電装置の前段に流入ダクトが連結され、風のエネルギーを利用して発電を行い、バッテリを充電若しくは動力に利用するようになっている請求項１に記載のハイブリット車。
3. 前記ケーシングの外周に鉄芯入りコイルが、円周方向及び軸方向に１又は複数個取り付けられ、前記コイルの個数は、発電能力によって自由に変えられるようになっている請求項１又は２に記載のハイブリット車。
4. 前記ケーシングの内周に鉄芯入りコイルが、円周方向及び軸方向に１又は複数個取り付けられ、前記コイルの個数は、発電能力によって自由に変えられるようになっている請求項１又は２に記載のハイブリット車。
5. 前記螺旋羽根車が磁性を帯びた材料、又は羽根車の周方向先端に複数の永久磁石が設けられたものである請求項１乃至４のいずれかに記載のハイブリット車。
6. 前記螺旋羽根車の枚数が１〜ｎ（２以上の整数）枚である請求項１乃至５のいずれかに記載のハイブリット車。
7. 前記螺旋羽根車のリード角が、３０°以上で８０°以下である請求項１乃至６のいずれかに記載のハイブリット車。
8. 前記螺旋羽根車の表面に微細な凹凸加工が施されている請求項１乃至７のいずれかに記載のハイブリット車。
9. 前記螺旋羽根車の表面が滑らかになっている請求項１乃至７のいずれかに記載のハイブリット車。
10. 前記流入ダクトの前面にフィルタが取付けられている請求項２乃至９のいずれかに記載のハイブリット車。
11. 前記フィルタが開閉可能になっている請求項１０に記載のハイブリット車。
12. 前記螺旋羽根車型風力発電装置が直列に複数個装着、又は並列に複数個装着されている請求項１乃至９のいずれかに記載のハイブリット車。
13. 前記螺旋羽根車型風力発電装置の複数が直列に装着されている場合には、先頭の螺旋羽根車型風力発電装置の流入ダクト前面に開閉可能なフィルタが取付けられている請求項１２に記載のハイブリット車。
14. 前記螺旋羽根車型風力発電装置の複数が並列に装着されている場合には、各螺旋羽根車型風力発電装置の流入ダクト前面に開閉可能なフィルタが取付けられている請求項１２に記載のハイブリット車。
15. 前記螺旋羽根車型風力発電装置が直列に複数個装着され、更に並列に複数個装着されている請求項１乃至９のいずれかに記載のハイブリット車。
16. 前記螺旋羽根車型風力発電装置が直列に複数個、又は並列に複数個装着されている場合、記螺旋羽根車型風力発電装置のそれぞれが発生した電力をメイン蓄電池及びサブ蓄電池の双方に充電できるようになっている請求項１２に記載のハイブリット車。
17. 前記螺旋羽根車型風力発電装置のケーシング外周が、発電により発生した熱を放出するフィン形状となっている請求項１に記載のハイブリット車。
18. 前記螺旋羽根車型風力発電装置の羽根車の直径を用途に応じて、１００ｍｍ〜５００ｍｍの範囲で変えられる請求項１乃至１７のいずれかに記載のハイブリット車。
19. 前記螺旋羽根車型風力発電装置の別の発電システムとして、前記螺旋羽根車の同一軸上に発電機を取り付けて発電源を得る請求項１乃至１８のいずれかに記載のハイブリット車。
20. 電気自動車の底部外側若しくは屋根上に、円筒状ケーシング内の回転軸に螺旋羽根車が設けられている螺旋羽根車型風力発電装置を装着し、前記ケーシングの外周又は内周に鉄芯入りコイルが、円周方向及び軸方向に１又は複数個取り付けられると共に、前記螺旋羽根車に圧縮バネを周設され、摺動可能に永久磁石が設けられており、
    前記永久磁石と前記鉄芯入りコイルとの間では吸着力が発生し、前記螺旋羽根車の初期回転時に回り難くし、
    前記螺旋羽根車が静止しているときは、前記圧縮バネの弾性作用を利用して前記永久磁石と前記鉄芯入りコイルとの間の距離を広げ、小さな力で前記螺旋羽根車を回し、
    前記螺旋羽根車の回転が高くなったときは、前記永久磁石と前記鉄芯入りコイルとの間の距離を小さくして発電効果を高めるようになっている、
    ことを特徴とするハイブリット車。
21. 前記風力発電装置の前段に流入ダクトが連結され、風のエネルギーを利用して発電を行い、バッテリを充電若しくは動力に利用するようになっている請求項２０に記載のハイブリット車。
22. に鉄芯入りコイルが、円周方向及び軸方向に１又は複数個取り付けられ、前記鉄芯入りコイルの個数は、発電能力によって自由に変えられるようになっている請求項２０又は２１に記載のハイブリット車。