JP2018017148A - 熱発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】装置をより効果的に小型化する。【解決手段】加熱される作動媒体が循環する流路、流路に設けられ作動媒体を循環させるランキンサイクルポンプ、及び流路に設けられ作動媒体を膨張させて回転エネルギを生成する膨張器を含むランキンサイクルと、膨張器により生成された回転エネルギを用いて発電可能、かつ、ランキンサイクルポンプを駆動するための駆動力を出力可能なモータジェネレータ部と、を備え、モータジェネレータ部は、ランキンサイクルポンプの回転軸と連結され、複数の永久磁石が交互に異なる極性となるように周方向に配設された第１回転子と、第１回転子の外周側に空隙を介して対向して設けられ、膨張器の回転軸と連結され、複数の軟磁性体が周方向に配設された第２回転子と、第２回転子の外周側に空隙を介して対向して設けられ、複数の電機子が周方向に配設された固定子と、を含む、熱発電システムが提供される。【選択図】図２

Description

本発明は、熱発電システムに関する。

従来、熱を利用して機械エネルギを生成するランキンサイクルが知られている。例えば、車両に適用されるランキンサイクルは、車両において生じるエンジンの廃熱を用いて機械エネルギを生成する。ランキンサイクルは、具体的には、加熱される作動媒体が循環する流路と、当該流路に設けられ作動媒体を循環させるランキンサイクルポンプと、及び当該流路に設けられ作動媒体を膨張させて回転エネルギを生成する膨張器と、を含む。さらに、膨張器に発電機を接続することによって、膨張器により生成された回転エネルギを用いて発電することができる。このように、ランキンサイクル及び発電機を含む熱発電システムによって、熱を利用した発電である熱発電が実現される。このような熱発電システムに関する分野において、装置を小型化するために、ランキンサイクルポンプ及び膨張器の双方に発電機を連結させる技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、廃熱回収効率が低下せずに、コンパクトでコストを低減した車両用廃熱回収システムを提供するために、車両の廃熱により作動流体を加熱する熱交換器、当該熱交換器で加熱された作動流体を膨張させる膨張機、当該膨張機で膨張された作動流体を冷却するコンデンサ、及び当該コンデンサで冷却された作動流体を循環するポンプを有するランキンサイクルと、当該ポンプ及び当該膨張機に連結する負荷機とを備える車両用排熱回収システムにおいて、負荷機が、モータとして当該ポンプを駆動すると共に発電機として当該膨張機の動力を利用して発電を行うようにする技術が開示されている。

特開２００６−２４２１７４号公報

このように、ランキンサイクルポンプ及び膨張器の双方に発電機を連結させることによって、ランキンサイクルポンプを専用の電動モータによって駆動させるように構成した場合と比較して、装置を小型化することができる。しかしながら、熱発電システムに関する分野において、装置をより効果的に小型化することが望ましいと考えられる。

ランキンサイクルポンプ及び膨張器の双方に発電機を連結させた場合において、ランキンサイクルポンプ及び膨張器の回転軸が一体に回転するように構成され得る。このような場合、ランキンサイクルポンプ及び膨張器の回転速度の差を調整することは困難であるので、ランキンサイクルポンプ及び膨張器のそれぞれから下流側へ吐出される作動媒体の流量（以下、吐出流量とも称する。）の差を調整することが困難となり得る。

ランキンサイクルポンプ及び膨張器の吐出流量の差が固定の場合、膨張器に供給される気相の作動媒体の体積（以下、蒸気体積流量とも称する。）は略一定となる。このような場合において、理想気体の状態方程式によれば、膨張器へ供給される気相の作動媒体の温度（以下、蒸気温とも称する。）及び圧力（以下、蒸気圧とも称する。）は、相関を有する。よって、蒸気温が上昇することによって、蒸気圧が過剰に高くなり得るので、膨張器が破損するおそれがある。一方、蒸気温が低下することによって、蒸気圧が過剰に低くなり得るので、膨張器によって生成される回転エネルギの減少に伴い、発電量が減少し得る。従って、蒸気温に応じて、ランキンサイクルポンプ及び膨張器の吐出流量の差を調整する必要が生じる。

ここで、ランキンサイクルポンプ及び膨張器の双方に発電機を連結させた場合において、ランキンサイクルポンプ及び膨張器の１回転あたりの吐出量を調整する機構を設けることによって、ランキンサイクルポンプ及び膨張器の吐出流量の差を調整可能とすることが考えられる。しかしながら、そのような機構は、比較的部品点数が多いので、装置をより効果的に小型化することが困難となり得る。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、装置をより効果的に小型化することが可能な、新規かつ改良された熱発電システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、加熱される作動媒体が循環する流路、前記流路に設けられ前記作動媒体を循環させるランキンサイクルポンプ、及び前記流路に設けられ前記作動媒体を膨張させて回転エネルギを生成する膨張器を含むランキンサイクルと、前記膨張器により生成された回転エネルギを用いて発電可能、かつ、前記ランキンサイクルポンプを駆動するための駆動力を出力可能なモータジェネレータ部と、を備え、前記モータジェネレータ部は、前記ランキンサイクルポンプの回転軸と連結され、複数の永久磁石が交互に異なる極性となるように周方向に配設された第１回転子と、前記第１回転子の外周側に空隙を介して対向して設けられ、前記膨張器の回転軸と連結され、複数の軟磁性体が周方向に配設された第２回転子と、前記第２回転子の外周側に空隙を介して対向して設けられ、複数の電機子が周方向に配設された固定子と、を含む、熱発電システムが提供される。

前記軟磁性体の数は、前記永久磁石の極対数に前記複数の電機子の極対数を加算して得られる値であってもよい。

前記固定子の前記複数の電機子に流れる交流電流の周波数を制御することにより、前記固定子によって発生する回転磁界の回転速度を制御する制御装置を備え、前記制御装置は、前記回転磁界の回転速度を制御することにより、前記第１回転子及び前記第２回転子の回転速度を制御してもよい。

前記制御装置は、前記膨張器へ供給される気相の前記作動媒体の温度である蒸気温に応じて、前記第１回転子及び前記第２回転子の回転速度の比である回転速度比を制御してもよい。

前記制御装置は、前記蒸気温が所定の圧力における前記作動媒体の沸点より高い場合、前記蒸気温が高くなるにつれて、前記回転速度比を増大させてもよい。

前記制御装置は、前記蒸気温が前記所定の圧力における前記作動媒体の沸点以下である場合、前記蒸気温が低くなるにつれて、前記回転速度比を増大させてもよい。

前記制御装置は、前記熱発電システムを始動させるときに、前記第１回転子の回転速度を、前記ランキンサイクルの前記作動媒体が加熱される程度が大きいほど、高い回転速度まで上昇させてもよい。

前記制御装置は、前記熱発電システムを停止させるときに、前記回転磁界の回転を停止させてもよい。

前記ランキンサイクルの前記作動媒体は、車両のエンジンの廃熱によって、加熱されてもよい。

以上説明したように本発明によれば、装置をより効果的に小型化することが可能となる。

本発明の実施形態に係る車両の充電システムの概略構成の一例を示す模式図である。 同実施形態に係るモータジェネレータ部及び周囲の構成の一例を示す説明図である。 同実施形態に係るモータジェネレータ部の構成の一例を示す断面図である。 作動媒体の蒸気圧曲線の一例を示す説明図である。 蒸気温と目標蒸気圧との関係性の一例について説明するための説明図である。 蒸気温と目標回転速度比との関係性を表すマップの一例を示す説明図である。 同実施形態に係る制御装置が行う処理の流れの一例を示すフローチャートである。 熱発電システムを始動させるときにおける、モータジェネレータ部の挙動の一例を示す共線図である。 熱発電システムが始動した後における、モータジェネレータ部の挙動の一例を示す共線図である。 熱発電システムを停止させるときにおける、モータジェネレータ部の一例を示す共線図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜１．充電システムの構成＞
まず、図１を参照して、本発明の実施形態に係る車両の充電システム１０の概略構成について説明する。図１は、本実施形態に係る充電システム１０の概略構成の一例を示す模式図である。図１に示したように、充電システム１０は、主に、エンジン１１と、駆動力伝達系５１と、駆動輪２１と、高電圧バッテリ３１と、走行用モータジェネレータ４１と、モータジェネレータ部３００と、ランキンサイクル７０と、制御装置１００と、を備える。また、充電システム１０では、ランキンサイクル７０及びモータジェネレータ部３００を少なくとも含んで、熱発電システム９０が構成される。

エンジン１１は、車両の走行状態に応じて運転又は停止する。例えば、エンジン１１は、車両の走行中において要求トルクに応じて運転又は停止する。エンジン１１の運転により生成された駆動力は、駆動力伝達系５１を介して、駆動輪２１へ伝達される。エンジン１１のシリンダブロックやシリンダヘッドには、冷却水が循環する冷却水流路１３が、エンジン１１を冷却するために、設けられている。エンジン１１の廃熱は、冷却水流路１３内を循環する冷却水によって回収される。冷却水流路１３は、エンジン１１の外部においてランキンサイクル７０の熱交換器７４と接続され、熱交換器７４においてランキンサイクル７０の作動媒体と熱交換を行う。

高電圧バッテリ３１は、高電圧（例えば、２００Ｖ）の電力供給源である。具体的には、高電圧バッテリ３１は、モータジェネレータ部３００及び車両の駆動力を出力する走行用モータジェネレータ４１へ電力をそれぞれ供給する他、車両内の各種装置へ電力を供給する低電圧バッテリへ電力を供給する。高電圧バッテリ３１には、モータジェネレータ部３００により発電された電力及び走行用モータジェネレータ４１により発電された電力が、それぞれ蓄電される。

走行用モータジェネレータ４１は、車両の駆動力を生成する駆動用モータとしての機能を有する。また、走行用モータジェネレータ４１は、車両の減速時に車両の運動エネルギを用いて発電し、発電された電力を高電圧バッテリ３１へ蓄電する制動発電用発電機としての機能を有する。走行用モータジェネレータ４１は、例えば、三相交流式のモータとインバータ装置とを備え、インバータ装置を介して高電圧バッテリ３１と電気的に接続されている。なお、当該インバータ装置はコンバータ装置としての機能も有する。

走行用モータジェネレータ４１が駆動用モータとして機能する場合、高電圧バッテリ３１から供給される直流電力がインバータ装置によって交流電力に変換され、モータへ供給される。それにより、モータによって駆動力が生成される。走行用モータジェネレータ４１により生成された駆動力は、駆動力伝達系５１を介して、駆動輪２１へ伝達される。制御装置１００は、インバータ装置を制御することによって、走行用モータジェネレータ４１による駆動力の生成を制御する。

走行用モータジェネレータ４１が車両の減速時に制動発電用発電機として機能する場合、制御装置１００によりインバータ装置が制御されることによって、駆動輪２１の回転エネルギを用いてモータにより発電が行われ、発電された交流電力がインバータ装置により直流電力に変換され、高電圧バッテリ３１へ蓄電される。それにより、駆動輪２１の回転に抵抗が与えられ、制動力が発生する。制御装置１００は、インバータ装置を制御することによって、走行用モータジェネレータ４１による発電を制御する。具体的には、制御装置１００は、インバータ装置を介して走行用モータジェネレータ４１の出力電圧を制御する。

ランキンサイクル７０は、車両のエンジン１１の廃熱を用いて、機械エネルギを生成する。図１に示したように、ランキンサイクル７０は、作動媒体流路７１と、ランキンサイクルポンプ７３と、熱交換器７４と、膨張器７５と、凝縮器７７と、タンク７９と、を含む。

作動媒体流路７１は、加熱される作動媒体が循環する流路である。作動媒体として、例えば、水、フロン、又はアルコールが適用され得る。

ランキンサイクルポンプ７３は、タンク７９に貯留された作動媒体を吸い上げ、作動媒体流路７１内で作動媒体を循環させるポンプである。ランキンサイクルポンプ７３は、モータジェネレータ部３００と接続される。具体的には、ランキンサイクルポンプ７３の回転軸７３ａが、後述するモータジェネレータ部３００の第１回転子と連結される。また、ランキンサイクルポンプ７３は、モータジェネレータ部３００によって駆動される。具体的には、制御装置１００からの動作指示に基づいてモータジェネレータ部３００により駆動力が生成され、当該駆動力がランキンサイクルポンプ７３の回転軸７３ａへ出力されることによって、ランキンサイクルポンプ７３の駆動が制御されるように構成される。

熱交換器７４には、作動媒体流路７１及び冷却水流路１３が接続される。熱交換器７４において、作動媒体と冷却水との間で熱交換が行われる。それにより、作動媒体は、エンジン１１の廃熱を有する冷却水によって加熱され、気化する。

膨張器７５は、熱交換器７４で気化した作動媒体を膨張させて回転エネルギを生成する。具体的には、膨張器７５において、作動媒体は膨張室へ吸入され、膨張室で作動媒体が膨張し、羽根車が作動媒体の流れを受けることにより、当該羽根車と接続された回転軸７５ａの回転運動のエネルギが生成される。膨張器７５はモータジェネレータ部３００と接続されている。具体的には、膨張器７５の回転軸７５ａが、後述するモータジェネレータ部３００の第２回転子と連結されている。また、膨張器７５により生成された回転エネルギは、回転軸７５ａからモータジェネレータ部３００へ伝達される。

凝縮器７７は、膨張器７５を通過した気相の作動媒体を凝縮する。凝縮器７７は、具体的には、作動媒体が有する熱を作動媒体流路７１の外部へ放出させることによって、当該作動媒体を冷却する。それにより、気相の作動媒体が凝縮される。凝縮器７７によって凝縮された作動媒体は、タンク７９へ貯留される。タンク７９へ貯留された作動媒体は、再び、ランキンサイクルポンプ７３によって吸い上げられる。このように、作動媒体は、ランキンサイクルポンプ７３、熱交換器７４、膨張器７５、凝縮器７７、及びタンク７９を順に流れることによって、ランキンサイクル７０において循環する。

モータジェネレータ部３００は、膨張器７５により生成された回転エネルギを用いて発電可能である。また、モータジェネレータ部３００は、ランキンサイクルポンプ７３を駆動するための駆動力を出力可能である。モータジェネレータ部３００は、例えば、インバータ装置を備え、インバータ装置を介して高電圧バッテリ３１と電気的に接続されている。なお、当該インバータ装置はコンバータ装置としての機能も有する。

モータジェネレータ部３００が膨張器７５により生成された回転エネルギを用いて発電する熱発電用発電機として機能する場合、制御装置１００によりインバータ装置が制御されることによって、発電が行われ、発電された交流電力（具体的には、三相交流電力）がインバータ装置により直流電力に変換され、高電圧バッテリ３１へ蓄電される。制御装置１００は、インバータ装置を制御することによって、モータジェネレータ部３００による発電を制御する。具体的には、制御装置１００は、インバータ装置を介してモータジェネレータ部３００の出力電圧を制御する。

モータジェネレータ部３００がランキンサイクルポンプ７３を駆動するための駆動力を出力する駆動用モータとして機能する場合、高電圧バッテリ３１から供給される直流電力がインバータ装置によって交流電力（具体的には、三相交流電力）に変換され、モータジェネレータ部３００へ供給される。それにより、モータジェネレータ部３００によって駆動力が生成される。モータジェネレータ部３００により生成された駆動力は、ランキンサイクルポンプ７３の回転軸７３ａへ出力される。それにより、ランキンサイクルポンプ７３が駆動される。本実施形態では、モータジェネレータ部３００により生成された駆動力は、膨張器７５の回転軸７５ａへも出力され得る。それにより、膨張器７５の回転速度が制御され得る。制御装置１００は、インバータ装置を制御することによって、モータジェネレータ部３００による駆動力の生成を制御する。

本実施形態に係るモータジェネレータ部３００は、ランキンサイクルポンプ７３の回転軸７３ａと連結される第１回転子と、膨張器７５の回転軸７５ａと連結される第２回転子と、固定子と、を含む。モータジェネレータ部３００において、固定子に交流電流が流れることによって、回転磁界が発生するように構成されている。また、モータジェネレータ部３００において、第１回転子、第２回転子、及び回転磁界の回転速度は、所定の関係性を有する。それにより、ランキンサイクルポンプ７３及び膨張器７５の吐出流量の差を調整することが可能となるので、装置をより効果的に小型化することができる。なお、モータジェネレータ部３００の詳細については、後述する。

また、モータジェネレータ部３００において、上述したインバータ装置は、具体的には、固定子と電気的に接続されている。ゆえに、固定子が、インバータ装置を介して高電圧バッテリ３１と電気的に接続されている。モータジェネレータ部３００において、制御装置１００により、固定子に流れる交流電流の周波数が制御されることによって、固定子によって発生する回転磁界の回転速度が制御されるように構成され得る。それにより、後述するように、モータジェネレータ部３００における第１回転子及び第２回転子の回転速度が制御される。

以上説明したように、本実施形態では、熱を利用した発電である熱発電を実行可能な熱発電システム９０が、ランキンサイクル７０及びモータジェネレータ部３００を少なくとも含んで、構成される。

また、充電システム１０には、ポンプ回転速度センサ２０１と、膨張器回転速度センサ２０３と、蒸気温センサ２０５と、水温センサ２０７と、が設けられてもよい。

ポンプ回転速度センサ２０１は、ランキンサイクルポンプ７３の回転速度を検出し、検出結果を出力する。ポンプ回転速度センサ２０１は、例えば、ランキンサイクルポンプ７３の回転軸７３ａの近傍に設けられる。

膨張器回転速度センサ２０３は、膨張器７５の回転速度を検出し、検出結果を出力する。膨張器回転速度センサ２０３は、例えば、膨張器７５の回転軸７５ａの近傍に設けられる。

蒸気温センサ２０５は、膨張器７５へ供給される作動媒体の温度である蒸気温を検出し、検出結果を出力する。蒸気温センサ２０５は、例えば、ランキンサイクル７０の作動媒体流路７１の膨張器７５より上流側に設けられる。

水温センサ２０７は、エンジン１１の冷却水の温度を検出し、検出結果を出力する。水温センサ２０７は、例えば、エンジン１１の近傍に設けられる。

制御装置１００は、演算処理装置であるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＣＰＵが使用するプログラムや演算パラメータ等を記憶する記憶素子であるＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＣＰＵの実行において使用するプログラムや、その実行において適宜変化するパラメータ等を一時記憶する記憶素子であるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等で構成される。

制御装置１００は、充電システム１０を構成する各装置の動作を制御する。例えば、制御装置１００は、制御対象である各アクチュエータに対して電気信号を用いて動作指令を行う。具体的には、制御装置１００は、モータジェネレータ部３００の発電及び駆動、並びに、走行用モータジェネレータ４１の発電及び駆動を制御する。制御装置１００は、より具体的には、モータジェネレータ部３００の固定子に流れる交流電流の周波数を制御することによって、固定子によって発生する回転磁界の回転速度を制御する。また、制御装置１００は、各センサから出力された情報を受信する。制御装置１００は、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）通信を用いて各センサと通信を行ってもよい。なお、本実施形態に係る制御装置１００が有する機能は複数の制御装置により分割されてもよく、その場合、当該複数の制御装置は、ＣＡＮ等の通信バスを介して、互いに接続されてもよい。なお、制御装置１００の詳細については、後述する。

＜２．モータジェネレータ部＞
続いて、図２及び図３を参照して、本実施形態に係るモータジェネレータ部３００について説明する。具体的には、モータジェネレータ部３００の構成について説明した後に、モータジェネレータ部３００における第１回転子、第２回転子、及び回転磁界の回転速度の関係性について説明する。

（構成）
まず、図２及び図３を参照して、本実施形態に係るモータジェネレータ部３００の構成について説明する。図２は、本実施形態に係るモータジェネレータ部３００及び周囲の構成の一例を示す説明図である。図３は、本実施形態に係るモータジェネレータ部３００の構成の一例を示す断面図である。具体的には、図３は、モータジェネレータ部３００の中心軸と直交する図２に示したＡ−Ａ断面についての断面図である。

図２及び図３に示したように、モータジェネレータ部３００は、第１回転子３１０と、第１回転子３１０の外周側に空隙を介して対向して設けられる第２回転子３２０と、第２回転子３２０の外周側に空隙を介して対向して設けられる固定子３３０と、を含む。また、第１回転子３１０は、ランキンサイクルポンプ７３の回転軸７３ａと連結される。それにより、ランキンサイクルポンプ７３の回転軸７３ａを第１回転子３１０と同期して回転可能にすることができる。また、第２回転子３２０は、膨張器７５の回転軸７５ａと連結される。それにより、膨張器７５の回転軸７５ａを第２回転子３２０と同期して回転可能にすることができる。なお、第２回転子３２０は、例えば、後述するように、略円筒形状を有する。第２回転子３２０は、一端側の開口部を閉鎖するように当該一端側に設けられた接続部３４０を介して、膨張器７５の回転軸７５ａと連結されてもよい。接続部３４０は、例えば、第２回転子３２０の中心軸と同軸の円板形状を有する。接続部３４０は、第２回転子３２０と一体として形成されてもよく、別体として形成されてもよい。

具体的には、モータジェネレータ部３００の第１回転子及び第２回転子は、固定子３３０の中心軸まわりに回転可能である。また、固定子３３０の中心軸と、ランキンサイクルポンプ７３の回転軸７３ａと、膨張器７５の回転軸７５ａとは、同軸上に位置してもよい。また、第１回転子３１０及び第２回転子３２０は、ランキンサイクルポンプ７３の回転軸７３ａ及び膨張器７５の回転軸７５ａのそれぞれと同一の部材の一部により構成されてもよく、ランキンサイクルポンプ７３の回転軸７３ａ及び膨張器７５の回転軸７５ａのそれぞれと異なる部材により構成されてもよい。

以下では、第１回転子３１０とランキンサイクルポンプ７３の回転軸７３ａとの間で直接的に動力の伝達が行われ、第１回転子３１０及びランキンサイクルポンプ７３の回転軸７３ａの回転速度が一致する例について、主に説明する。また、第２回転子３２０と膨張器７５の回転軸７５ａとの間で直接的に動力の伝達が行われ、第２回転子３２０及び膨張器７５の回転軸７５ａの回転速度が一致する例について、主に説明する。また、以下では、ランキンサイクルポンプ７３の回転軸７３ａ及び膨張器７５の回転軸７５ａの回転速度を、それぞれ、単に、ランキンサイクルポンプ７３及び膨張器７５の回転速度とも称する。

なお、第１回転子３１０又は第２回転子３２０は、それぞれランキンサイクルポンプ７３の回転軸７３ａ又は膨張器７５の回転軸７５ａとギヤ等の減速機を介して接続されてもよい。その場合、第１回転子３１０及びランキンサイクルポンプ７３の回転軸７３ａの回転速度、又は第２回転子３２０及び膨張器７５の回転軸７５ａの回転速度は、減速機の減速比に応じて互いに異なり得る。

第１回転子３１０には、複数の永久磁石３１３が交互に異なる極性となるように周方向に配設される。第１回転子３１０は、例えば、略円柱形状を有し、図２及び図３に示したように、略円柱形状を有する円柱部材３１１と、複数の永久磁石３１３と、を含む。

円柱部材３１１の中心軸は、具体的には、固定子３３０の中心軸と同軸上に位置する。また、円柱部材３１１は、例えば、各種金属によって構成され得る。複数の永久磁石３１３は、例えば、図３に示したように、円柱部材３１１における外周側に、円柱部材３１１の周方向に沿って等間隔に設けられる。永久磁石３１３の各々は、外周側においてＮ極又はＳ極の極性を有する。第１回転子３１０では、具体的には、外周側においてＮ極の極性を有する永久磁石３１３と、外周側においてＳ極の極性を有する永久磁石３１３とが周方向に交互に配設される。また、永久磁石３１３の各々は、円柱部材３１１の軸方向に延在する。永久磁石３１３の当該軸方向の長さは、例えば、図２に示したように、固定子３３０の軸方向の長さと略一致してもよい。

本実施形態では、図３に示したように、第１回転子３１０には１６個の永久磁石３１３が設けられるので、複数の永久磁石３１３の極対数ｎ１は８であるが、複数の永久磁石３１３の極対数ｎ１の値は特に限定されない。なお、極対数ｎ１は、第１回転子３１０におけるＮ極及びＳ極のペアの数を意味する。

第２回転子３２０には、複数の軟磁性体３２３が周方向に配設される。第２回転子３２０は、例えば、略円筒形状を有し、図２及び図３に示したように、略円筒形状を有する円筒部材３２１と、複数の軟磁性体３２３と、を含む。

円筒部材３２１の中心軸は、具体的には、固定子３３０の中心軸と同軸上に位置する。また、円筒部材３２１は、例えば、非磁性体であるステンレス鋼によって構成され得る。複数の軟磁性体３２３は、例えば、図３に示したように、円筒部材３２１の外周面と内周面との間に、円筒部材３２１の周方向に沿って等間隔に設けられる。また、軟磁性体３２３の各々は、円筒部材３２１の軸方向に延在する。軟磁性体３２３の当該軸方向の長さは、例えば、図２に示したように、固定子３３０の軸方向の長さと略一致してもよい。

本実施形態では、図３に示したように、軟磁性体３２３の数ｎ２は１６であるが、軟磁性体３２３の数ｎ２は特に限定されない。

固定子３３０には、複数の電機子が周方向に配設される。固定子３３０は、例えば、略円筒形状を有し、図２及び図３に示したように、略円筒形状を有する鉄心３３１と、複数のコイル３３３と、を含む。

鉄心３３１は、例えば、複数の鋼板を積層して形成される。鉄心３３１の内周部には、複数のスロット３３１ａが設けられる。具体的には、鉄心３３１の内周部には、図３に示したように、複数のスロット３３１ａが鉄心３３１の周方向に沿って等間隔に設けられる。また、スロット３３１ａの各々は、鉄心３３１の軸方向に延在する。このようなスロット３３１ａの各々にコイル３３３が巻回される。具体的には、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相のコイル３３３のペアが鉄心３３１の周方向に沿って複数設けられる。鉄心３３１においてコイル３３３の各々が巻回された部分及び当該コイル３３３の各々が、固定子３３０における電機子の各々に相当する。

本実施形態では、鉄心３３１及び複数のコイル３３３によって形成される複数の電機子の極対数ｎ３は８である。なお、固定子３３０の複数の電機子の極対数ｎ３は特に限定されない。なお、極対数ｎ３は、固定子３３０におけるＮ極及びＳ極のペアの数を意味する。

上述したように、固定子３３０は、インバータ装置を介して高電圧バッテリ３１と電気的に接続されている。具体的には、当該インバータ装置は、固定子３３０のコイル３３３と電気的に接続されている。よって、モータジェネレータ部３００が熱発電用発電機又は駆動用モータとして機能する場合において、複数のコイル３３３に交流電流が流れる。具体的には、このような場合において、複数のコイル３３３に三相交流電流が流れるように構成される。固定子３３０には複数の電機子が周方向に配設されているので、複数のコイル３３３に三相交流電流が流れることによって、固定子３３０の中心軸まわりに回転する回転磁界が発生する。

（第１回転子、第２回転子、及び回転磁界の回転速度の関係性）
続いて、本実施形態に係るモータジェネレータ部３００における第１回転子３１０、第２回転子３２０、及び回転磁界の回転速度の関係性について説明する。

上述したように、本実実施形態に係るモータジェネレータ部３００は、複数の永久磁石３１３が交互に異なる極性となるように周方向に配設された第１回転子３１０と、第１回転子３１０の外周側に空隙を介して対向して設けられ、複数の軟磁性体３２３が周方向に配設された第２回転子３２０と、第２回転子３２０の外周側に空隙を介して対向して設けられ、複数の電機子が周方向に配設された固定子３３０と、を含む。

近年、モータジェネレータ部３００のこのような構成と同様の構成を有する磁束変調型モータと称される装置が知られている。具体的には、一般的な磁束変調型モータは、複数の永久磁石が交互に異なる極性となるように周方向に配設された第１ロータと、第１ロータの外周側に空隙を介して対向して設けられ、複数の軟磁性体が周方向に配設された第２ロータと、第２ロータの外周側に空隙を介して対向して設けられ、複数の電機子が周方向に配設されたステータと、を備える。なお、本実施形態における第１回転子３１０、第２回転子３２０、及び固定子３３０が、それぞれ磁束変調型モータにおける第１ロータ、第２ロータ、及びステータに対応する。

このような磁束変調型モータでは、ステータの複数の電機子に交流電流が流れることによって、ステータの中心軸まわりに回転する回転磁界が発生する。ここで、磁束変調型モータにおける第１ロータ、第２ロータ、及び当該回転磁界の回転速度の関係性は、遊星歯車機構におけるサンギヤ、キャリア、及びリングギヤの回転速度の関係性と対応することが知られている。以下、本実施形態に係るモータジェネレータ部３００における第１回転子、第２回転子、及び回転磁界の回転速度の関係性についての理解を容易にするために、一般的な磁束変調型モータにおける第１ロータ、第２ロータ、及び回転磁界の回転速度の関係性について説明する。

ステータの複数の電機子に交流電流が流れているときには、当該複数の電機子によって、ステータと第１ロータとの間の空間に磁束を生じさせる力としての起磁力Ｆが生じる。磁束変調型モータの径方向の所定の基準軸から周方向に角度θだけ傾いた方向（以下、θ方向とも称する。）についての時刻ｔにおける起磁力Ｆは、ステータの複数の電機子の極対数をｎ３０とし、回転磁界の回転速度をω３０とすると、以下の式（１）によって表される。なお、式（１）におけるＫ１は、磁束変調型モータにおける各種設計仕様に応じて設定される係数である。

また、第２ロータには複数の軟磁性体が周方向に配設されるので、ステータと第１ロータとの間の空間おいて生じる磁束の起磁力Ｆに対する大きさを表す値としてのパーミアンスＰの空間分布は、第２ロータの姿勢に応じて、変動する。θ方向についての時刻ｔにおけるパーミアンスＰは、軟磁性体の数をｎ２０とし、第２ロータの回転速度をω２０とすると、以下の式（２）によって表される。なお、式（２）におけるＫ２及びＫ３は、磁束変調型モータにおける各種設計仕様に応じて設定される係数である。

式（１）及び式（２）に基づいて、ステータと第１ロータとの間の空間おいて生じる磁束φの分布を算出し得る。具体的には、θ方向についての時刻ｔにおける磁束φは、式（１）によって表される起磁力Ｆに式（２）によって表されるパーミアンスＰを乗じることによって得られるので、以下の式（３）によって表される。

ここで、式（３）の右辺を、三角関数の加法定理を用いて整理することによって、以下の式（４）が導出される。

以下、式（４）の右辺の第１項、第２項、及び第３項をそれぞれ、磁束φの第１成分、第２成分、及び第３成分と称する。式（４）の右辺の第２項及び第３項によれば、磁束φの第２成分の空間周波数及び第３成分の空間周波数は、それぞれ（ｎ２０−ｎ３０）及び（ｎ２０＋ｎ３０）である。また、式（４）の右辺の第２項及び第３項によれば、磁束φの第２成分の回転速度ω１０２及び第３成分の回転速度ω１０３は、それぞれ以下の式（５）及び式（６）によって表される。

ゆえに、第１ロータの永久磁石の極対数ｎ１０を（ｎ２０−ｎ３０）に設定することによって、第１ロータを式（５）によって表される磁束φの第２成分の回転速度ω１０２で回転させることができる。また、第１ロータの永久磁石の極対数ｎ１０を（ｎ２０＋ｎ３０）に設定することによって、第１ロータを式（６）によって表される磁束φの第２成分の回転速度ω１０３で回転させることができる。

ここで、磁束変調モータでは、例えば、第１ロータの永久磁石の極対数ｎ１０は（ｎ２０−ｎ３０）に設定される。その場合、第１ロータの回転速度ω１０は、式（５）によって表される磁束φの第２成分の回転速度ω１０２と一致する。ゆえに、式（５）のω１０２にω１０を代入して整理することによって、第１ロータ、第２ロータ、及び回転磁界の回転速度の関係性を示す以下の式（７）が導出される。

上述したように、第１ロータの永久磁石の極対数ｎ１０は、第２ロータの軟磁石の数ｎ２０からステータの複数の電機子の極対数ｎ３０を減算して得られる値である。換言すると、軟磁性体の数ｎ２０は、永久磁石の極対数ｎ１０に複数の電機子の極対数ｎ３０を加算して得られる値である。ゆえに、このような関係に基づいて、式（７）の軟磁石の数ｎ２０に（ｎ１０＋ｎ３０）を代入することによって、以下の式（８）が導出される。

ここで、サンギヤ及びリングギヤの歯数がそれぞれＭ１０及びＭ３０である場合に、遊星歯車機構におけるサンギヤの回転速度Ｕ１０、キャリアの回転速度Ｕ２０、及びリングギヤの回転速度Ｕ３０の関係性は、以下の式（９）によって表されることが知られている。

式（８）及び式（９）によって、磁束変調型モータにおける第１ロータ、第２ロータ、及び当該回転磁界の回転速度の関係性は、遊星歯車機構におけるサンギヤ、キャリア、及びリングギヤの回転速度の関係性と対応することが示された。

ところで、本実施形態に係るモータジェネレータ部３００における第１回転子３１０、第２回転子３２０、及び固定子３３０は、上述したように、上記で説明した磁束変調型モータにおける第１ロータ、第２ロータ、及びステータに対応する。また、本実施形態に係るモータジェネレータ部３００では、例えば、第１回転子３１０における複数の永久磁石３１３の極対数ｎ１は８であり、第２回転子３２０における軟磁性体３２３の数ｎ２は１６であり、固定子３３０における複数の電機子の極対数ｎ３は８である。このように、本実施形態では、第２回転子３２０の軟磁性体３２３の数ｎ２は、第１回転子３１０の永久磁石３１３の極対数ｎ１に第１回転子３１０の永久磁石３１３の極対数ｎ１を加算して得られる値である。

ゆえに、式（８）によれば、本実施形態に係るモータジェネレータ部３００における第１回転子３１０の回転速度ω１、第２回転子３２０の回転速度ω２、及び回転磁界の回転速度ω１の関係性は、以下の式（１０）によって表される。

よって、本実施形態に係るモータジェネレータ部３００における第１回転子３１０、第２回転子３２０、及び回転磁界の回転速度の関係性は、遊星歯車機構におけるサンギヤ、キャリア、及びリングギヤの回転速度の関係性と対応する。遊星歯車機構のサンギヤ、キャリア、及びリングギヤの回転速度は、具体的には、共線図上において、直線上に並ぶ関係にある。ゆえに、回転磁界の回転速度ω３を調整することによって、第１回転子３１０の回転速度ω１及び第２回転子３２０の回転速度ω２を相対的に調整することができる。例えば、回転磁界の回転速度ω３を上昇させることによって、第１回転子３１０の回転速度ω１に対して第２回転子３２０の回転速度ω２を上昇させることができる。

また、本実施形態によれば、ランキンサイクルポンプ７３の回転軸７３ａを第１回転子３１０と同期して回転させることができる。また、膨張器７５の回転軸７５ａを第２回転子３２０と同期して回転させることができる。それにより、回転磁界の回転速度ω３を調整することによって、ランキンサイクルポンプ７３及び膨張器７５の回転速度を相対的に調整することができる。ゆえに、ランキンサイクルポンプ７３及び膨張器７５の回転速度の差を調整することができる。よって、比較的部品点数が多い機構を設けることなく、ランキンサイクルポンプ７３及び膨張器７５の吐出流量の差を調整することができる。従って、装置をより効果的に小型化することができる。

＜３．制御装置＞
続いて、図４〜図６を参照して、本実施形態に係る制御装置１００が有する機能について説明する。

制御装置１００は、固定子３３０の複数の電機子に流れる交流電流の周波数を制御することにより、固定子３３０によって発生する回転磁界の回転速度ω３を制御する。具体的には、制御装置１００は、固定子３３０のコイル３３３と接続されるインバータ装置へ動作指示を出力することによって、固定子３３０の複数の電機子に流れる交流電流の周波数を制御し得る。また、制御装置１００は、回転磁界の回転速度ω３を制御することにより、第１回転子３１０の回転速度ω１及び第２回転子３２０の回転速度ω２を制御する。それにより、第１回転子３１０の回転速度ω１及び第２回転子３２０の回転速度ω２を相対的に調整することが実現される。ゆえに、ランキンサイクルポンプ７３及び膨張器７５の回転速度を相対的に調整することができるので、ランキンサイクルポンプ７３及び膨張器７５の吐出流量の差を調整することが実現される。

制御装置１００は、例えば、膨張器７５へ供給される気相の作動媒体の温度である蒸気温に応じて、第１回転子３１０の回転速度ω１及び第２回転子３２０の回転速度ω２の比である回転速度比を制御する。それにより、蒸気温に応じて、ランキンサイクルポンプ７３及び膨張器７５の吐出流量の差を適切に調整することができる。以下、回転速度比は、第２回転子３２０の回転速度ω２を第１回転子３１０の回転速度ω１によって除して得られる値を意味するものとして説明する。換言すると、回転速度比は、第１回転子３１０の回転速度ω１に対する第２回転子３２０の回転速度ω２の割合である。ゆえに、回転速度比は、ランキンサイクルポンプ７３の回転速度に対する膨張器７５の回転速度の割合に相当する。よって、回転速度比は、ランキンサイクルポンプ７３の吐出量に対する膨張器７５の吐出量の割合に相当する。

制御装置１００は、具体的には、膨張器７５へ供給される気相の作動媒体の圧力である蒸気圧が、蒸気温に応じて設定される蒸気圧の目標値としての目標蒸気圧に近づくように、回転速度比を制御する。目標蒸気圧は、例えば、車両の各種設計仕様等に基づいて予め設定された蒸気圧の上限値Ｐ１０に優先的に設定される。上限値Ｐ１０は、具体的には、ランキンサイクル７０を構成する部材の機械的強度又は作動媒体の物性に基づいて、より大きな発電量を確保する観点から設定され得る。以下、図４及び図５を参照して、蒸気温と目標蒸気圧との関係性について説明する。

図４は、作動媒体の蒸気圧曲線Ｃ１０の一例を示す説明図である。図４では、横軸に作動媒体の温度をとり、縦軸に作動媒体の圧力をとった場合における、各圧力に対する沸点を表す蒸気圧曲線Ｃ１０が示されている。なお、図４に示した蒸気圧曲線Ｃ１０は、作動媒体の状態図の一部に相当し、図４において、各圧力に対する凝固点を表す融解曲線及び各温度に対する昇華圧を表す昇華曲線の図示は、省略されている。

図４に示したように、蒸気圧の上限値Ｐ１０に対応する沸点は、蒸気圧曲線Ｃ１０上の点Ｄ１に対応する温度Ｔｍｂ１０となる。蒸気圧曲線Ｃ１０より高温側の領域において、作動媒体は気相となり、蒸気圧曲線Ｃ１０より低温側の領域において、作動媒体は液相となる。ゆえに、作動媒体の圧力が上限値Ｐ１０である場合において、作動媒体の温度が温度Ｔｍｂ１０より高いときには、作動媒体は気相となる。よって、蒸気温が温度Ｔｍｂ１０より高い場合、目標蒸気圧は、図５に示したように、上限値Ｐ１０に設定される。

一方、作動媒体の圧力が上限値Ｐ１０である場合において、作動媒体の温度が温度Ｔｍｂ１０より低いときには、作動媒体は液相となる。ここで、作動媒体は、各温度において、図４に示した蒸気圧曲線Ｃ１０上の点に対応する圧力である飽和蒸気圧以下の領域において、気相となる。よって、蒸気温が温度Ｔｍｂ１０より低い場合、目標蒸気圧は、例えば、各蒸気温についての飽和蒸気圧に設定される。飽和蒸気圧は、図４に示したように、作動媒体の温度が低くなるにつれて、低下する。ゆえに、蒸気温が温度Ｔｍｂ１０以下である場合、目標蒸気圧は、具体的には、図５に示したように、蒸気温が低いほど、小さい値に設定される。このように、蒸気温が温度Ｔｍｂ１０以下である場合において、各蒸気温についての目標蒸気圧として、上限値Ｐ１０に近い値を優先的に設定することによって、発電量を増大させることができる。

制御装置１００は、具体的には、蒸気圧が図５に示した目標蒸気圧となるように、蒸気温に応じて、回転速度比を制御する。制御装置１００は、例えば、図６に示したマップＭ１０を用いて回転速度比を制御する。マップＭ１０は、蒸気温と目標回転速度比との関係性を表す。目標回転速度比は、蒸気温に応じて設定される回転速度比の目標値である。制御装置１００は、マップＭ１０を用いて、目標回転速度比に近づくように、蒸気温に基づいて、回転速度比を制御する。制御装置１００は、例えば、ポンプ回転速度センサ２０１及び膨張器回転速度センサ２０３から出力される検出結果に基づいて得られる回転速度比が目標回転速度比に近づくように、回転速度比を制御してもよい。なお、制御装置１００の記憶素子には、固定子３３０の複数の電機子に流れる交流電流の周波数の指令値と蒸気温との関係性を示す情報が予め記憶されていてもよく、制御装置１００は、当該情報を用いて、回転速度比を制御してもよい。また、蒸気温は、蒸気温センサ２０５から出力される検出結果に基づいて得られる。

図５に示したように、蒸気温が温度Ｔｍｂ１０より高い場合、目標蒸気圧は、蒸気温によらず上限値Ｐ１０である。理想気体の状態方程式によれば、蒸気圧は、蒸気温を膨張器７５に供給される気相の作動媒体の体積である蒸気体積流量によって除して得られる値と相関を有する。ゆえに、蒸気温が温度Ｔｍｂ１０より高い場合において、蒸気温が高くなるにつれて、蒸気体積流量が増大するように、目標回転速度比を設定することによって、蒸気圧を、蒸気温によらず上限値Ｐ１０に維持することができる。上述したように、回転速度比は、ランキンサイクルポンプ７３の吐出量に対する膨張器７５の吐出量の割合に相当する。ゆえに、マップＭ１０において、図６に示したように、蒸気温が温度Ｔｍｂ１０より高い場合、目標回転速度比は、蒸気温が高いほど、大きい値に設定される。

このように、制御装置１００は、蒸気温が所定の圧力である上限値Ｐ１０における作動媒体の沸点である温度Ｔｍｂ１０より高い場合、蒸気温が高くなるにつれて、回転速度比を増大させてもよい。それにより、蒸気温が温度Ｔｍｂ１０より高い場合において、蒸気圧を、蒸気温によらず上限値Ｐ１０に維持することができる。ゆえに、蒸気温が上昇することによって、蒸気圧が過剰に高くなることを防止することができる。よって、膨張器７５が破損することを防止することができる。また、蒸気温が低下することによって、蒸気圧が過剰に低くなることを防止することができる。よって、膨張器７５によって生成される回転エネルギの減少に伴って、発電量が減少することを防止することができる。

また、図５に示したように、蒸気温が温度Ｔｍｂ１０以下である場合、目標蒸気圧は、蒸気温が低いほど小さい値に設定される。理想気体の状態方程式によれば、蒸気体積流量が大きいほど、蒸気圧は低くなる。ゆえに、蒸気温が温度Ｔｍｂ１０以下である場合において、蒸気温が低くなるにつれて、蒸気体積流量が増大するように、目標回転速度比を設定することによって、蒸気圧を、蒸気温が低いほど、小さい値にすることができる。上述したように、回転速度比は、ランキンサイクルポンプ７３の吐出量に対する膨張器７５の吐出量の割合に相当する。ゆえに、マップＭ１０において、図６に示したように、蒸気温が温度Ｔｍｂ１０以下である場合、目標回転速度比は、蒸気温が低いほど、大きい値に設定される。

このように、制御装置１００は、蒸気温が上限値Ｐ１０における作動媒体の沸点である温度Ｔｍｂ１０以下である場合、蒸気温が低くなるにつれて、回転速度比を増大させてもよい。それにより、蒸気温が温度Ｔｍｂ１０以下である場合において、蒸気圧を、各蒸気温についての飽和蒸気圧に一致させることができる。ゆえに、各蒸気温について、蒸気温を比較的高い値にすることができるので、発電量を増大させることができる。

また、制御装置１００は、熱発電システム９０を始動させるときに、第１回転子３１０の回転速度ω１を、ランキンサイクル７０の作動媒体が加熱される程度が大きいほど、高い回転速度まで上昇させてもよい。作動媒体が加熱される程度が大きいほど、ランキンサイクル７０によって回収可能な熱量が大きい。また、ランキンサイクルポンプ７３の回転軸７３ａは、第１回転子３１０と同期して回転可能である。ゆえに、ランキンサイクル７０によって回収可能な熱量に応じて、ランキンサイクルポンプ７３の回転速度を制御することができるので、発電効率を向上させることができる。

制御装置１００は、具体的には、熱発電システム９０を始動させると判定された場合に、回転速度ω１の目標値としての目標回転速度まで上昇させる。目標回転速度は、例えば、水温センサ２０７によって検出されたエンジン１１の冷却水の温度に基づいて算出し得る。具体的には、制御装置１００は、冷却水の温度が高いほど、ランキンサイクル７０の作動媒体が加熱される程度が大きいと判断し、目標回転速度として、大きな値を算出する。なお、エンジン１１の冷却水の温度は、水温センサ２０７から出力される検出結果に基づいて得られる。制御装置１００は、具体的には、熱発電システム９０を始動させると判定された場合に、回転速度ω１が目標回転速度まで上昇するように、回転磁界の回転速度ω３を制御する。

熱発電システム９０を始動させるか否かの判定は、制御装置１００によって行われてもよく、制御装置１００と異なる他の制御装置によって行われてもよい。例えば、高電圧バッテリ３１の残存容量ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）、エンジン１１の駆動状態、又は冷却水の温度に基づいて、熱発電システム９０を始動させるか否かの判定が行われ得る。

また、制御装置１００は、熱発電システム９０を停止させるときに、回転磁界の回転を停止させてもよい。具体的には、制御装置１００は、熱発電システム９０を停止させるときに、固定子３３０の複数の電機子に流れる交流電流の周波数を０へ近づけることによって、回転磁界の回転を停止させる。

制御装置１００は、熱発電システム９０を停止させると判定された場合に回転磁界の回転を停止させてもよい。熱発電システム９０を停止させるか否かの判定は、制御装置１００によって行われてもよく、制御装置１００と異なる他の制御装置によって行われてもよい。例えば、イグニッションスイッチのオンオフ状態、熱発電システム９０における故障の有無、熱発電システム９０による発電量、又は高電圧バッテリ３１の残存容量ＳＯＣに基づいて、熱発電システム９０を停止させるか否かの判定が行われ得る。具体的には、制御装置１００は、イグニッションスイッチのオフになったことを示す情報を受信した場合に、熱発電システム９０を停止させると判定してもよい。また、制御装置１００は、高電圧バッテリ３１の残存容量ＳＯＣが比較的高い場合に、熱発電システム９０を停止させると判定してもよい。また、制御装置１００は、熱発電システム９０において故障が発生した場合に、熱発電システム９０を停止させると判定してもよい。

＜４．動作＞
続いて、本実施形態に係る制御装置１００が行う処理の流れについて説明する。

（制御フロー）
まず、図７に示すフローチャートを参照して、本実施形態に係る制御装置１００による制御フローについて説明する。図７は、本実施形態に係る制御装置１００が行う処理の流れの一例を示すフローチャートである。図７に示した処理は、熱発電システム９０を始動させると判定された場合に、実行され得る。

図４に示したように、まず、制御装置１００は、第１回転子３１０の回転速度ω１を目標回転速度まで上昇させる（ステップＳ５０１）。次に、制御装置１００は、回転速度比を目標回転速度比まで上昇させる（ステップＳ５０３）。次に、制御装置１００は、回転速度比を目標回転速度比に維持する（ステップＳ５０５）。そして、制御装置１００は、熱発電システム９０を停止させるか否かの判定を行う（ステップＳ５０７）。熱発電システム９０を停止させると判定されなかった場合（ステップＳ５０７／ＮＯ）、ステップＳ５０７の判定処理が繰り返される。一方、熱発電システム９０を停止させると判定された場合（ステップＳ５０７／ＹＥＳ）、制御装置１００は、回転磁界の回転を停止させ（ステップＳ５０９）、図７に示した処理は終了する。

（モータジェネレータ部の挙動）
続いて、図８〜図１０を参照して、本実施形態に係る制御装置１００による制御が行われた場合における、モータジェネレータ部３００の挙動について説明する。図８〜図１０は、熱発電システム９０の各駆動状態におけるモータジェネレータ部３００の挙動の一例を示す共線図である。各共線図において、モータジェネレータ部３００の第１回転子３１０、第２回転子３２０、及び回転磁界についての、熱発電システム９０の各駆動状態における回転速度が示されている。

ここで、遊星歯車機構のサンギヤ、キャリア、及びリングギヤの回転速度は、共線図上において、直線上に並ぶ関係にある。また、上述したように、モータジェネレータ部３００における第１回転子３１０、第２回転子３２０、及び回転磁界の回転速度の関係性は、遊星歯車機構におけるサンギヤ、キャリア、及びリングギヤの回転速度の関係性と対応する。ゆえに、図８〜図１０に示す共線図上において、第１回転子３１０、第２回転子３２０、及び回転磁界の回転速度は、直線上に並ぶ関係にある。なお、当該共線図において、第１回転子３１０、第２回転子３２０、及び回転磁界の回転速度を示す各縦軸の間隔は、第１回転子３１０の永久磁石３１３の極対数ｎ１と固定子３３０における複数の電機子の極対数ｎ３との比に応じて定められる。

図８は、熱発電システム９０を始動させるときにおける、モータジェネレータ部３００の挙動の一例を示す共線図である。図８では、熱発電システム９０が始動する前における各回転速度が二点鎖線によって示されている。図８に示したように、熱発電システム９０が始動する前において、第１回転子３１０、第２回転子３２０、及び回転磁界の回転速度は、０となっている。

熱発電システム９０を始動させるときにおいて、膨張器７５は回転していないので、膨張器７５において回転エネルギは生成されない。制御装置１００は、モータジェネレータ部３００を駆動用モータとして機能させ、ランキンサイクルポンプ７３の回転軸７３ａへ駆動力を出力させる。制御装置１００は、熱発電システム９０を始動させるときにおいて、図８に示したように、第１回転子３１０の回転方向と逆方向に回転磁界を回転させる。第１回転子３１０の回転方向は、作動媒体がランキンサイクルポンプ７３によってタンク７９から吸い上げられ、作動媒体流路７１内を循環している場合に相当するランキンサイクル７０が正常に動作している場合における、ランキンサイクルポンプ７３の回転方向と一致する方向である。なお、第２回転子３２０の回転方向は第１回転子３１０の回転方向と一致する。

このように、制御装置１００によって、第１回転子３１０の回転方向と逆方向に回転磁界が回転するように、固定子３３０の複数の電機子に流れる交流電流の周波数が制御されることによって、図８に示したように、第１回転子３１０の回転速度ω１は、上昇する。また、第１回転子３１０の回転速度ω１は、制御装置１００により回転磁界の回転速度ω３が制御されることによって、目標回転速度まで上昇する。

なお、図８では、理解を容易にするために、各回転速度が模式的に図示されているが、ランキンサイクルポンプ７３が駆動された後において、厳密には、膨張器７５の回転速度が上昇し始めることに伴って、第２回転子３２０の回転速度ω２は上昇し始める。

図９は、熱発電システム９０が始動した後における、モータジェネレータ部３００の挙動の一例を示す共線図である。具体的には、図９は、第１回転子の回転速度ω１が目標回転速度まで上昇した後における、モータジェネレータ部３００の挙動の一例を示す共線図である。図９では、第１回転子の回転速度ω１が目標回転速度まで上昇したときにおける各回転速度が二点鎖線によって示されている。

第１回転子の回転速度ω１が目標回転速度まで上昇した後において、膨張器７５の回転速度は比較的低いので、膨張器７５において生成される回転エネルギの量は比較的少ない。制御装置１００は、モータジェネレータ部３００を駆動用モータとして機能させ、膨張器７５の回転軸７５ａへ駆動力を出力させる。制御装置１００は、第１回転子の回転速度ω１が目標回転速度まで上昇した後において、図９に示したように、第１回転子３１０の回転方向と一致する方向に回転磁界を回転させ、回転速度ω３を上昇させる。

このように、制御装置１００によって、第１回転子３１０の回転方向と一致する方向に回転磁界の回転速度ω３が上昇することによって、図９に示したように、第１回転子３１０の回転速度ω１に対して第２回転子３２０の回転速度ω２が上昇する。それにより、第１回転子３１０の回転速度ω１に対する第２回転子３２０の回転速度ω２の割合である回転速度比を上昇させることができる。上述したように、制御装置１００は、目標回転速度比に近づくように、回転速度比を制御する。ここで、回転速度比が目標回転速度比に到達した後において、蒸気温は変動し得る。制御装置１００は、具体的には、図６に示したマップＭ１０を用いて、目標回転速度比に近づくように、蒸気温に基づいて、回転速度比を制御する。

それにより、本実施形態によれば、蒸気温に応じて、ランキンサイクルポンプ７３及び膨張器７５の吐出流量の差を適切に調整することができる。ゆえに、蒸気温が上昇することによって、蒸気圧が過剰に高くなることを防止することができるので、膨張器７５が破損することを防止することができる。また、蒸気温が低下することによって、蒸気圧が過剰に低くなることを防止することができるので、膨張器７５によって生成される回転エネルギの減少に伴って、発電量が減少することを防止することができる。

回転速度比は、目標回転速度比に到達するまで上昇した後、目標回転速度比を追従するように変動する。ここで、回転速度比が目標回転速度比に到達した後において、膨張器７５の回転速度は比較的高いので、膨張器７５において生成される回転エネルギの量は比較的多い。ゆえに、制御装置１００は、基本的に、モータジェネレータ部３００を熱発電用発電機として機能させ、発電を行わせる。

図１０は、熱発電システムを停止させるときにおける、モータジェネレータ部の挙動の一例を示す共線図である。具体的には、図１０は、熱発電システム９０を停止させると判定された後におけるモータジェネレータ部の挙動の一例を示す共線図である。図９では、回転速度比が目標回転速度比に維持されているときにおける各回転速度が二点鎖線によって示されている。

制御装置１００は、熱発電システム９０を停止させると判定された後において、固定子３３０の複数の電機子に流れる交流電流の周波数を０へ近づける。固定子３３０の複数の電機子に流れる交流電流の周波数が低下することによって、回転磁界の回転速度ω３が低下する。ゆえに、図１０に示したように、回転磁界の回転速度ω３が低下することに伴って、第１回転子３１０の回転速度ω１及び第２回転子３２０の回転速度ω２が低下する。それにより、第１回転子３１０、第２回転子３２０、及び回転磁界の回転が停止するので、熱発電システム９０が停止する。

＜５．むすび＞
以上説明したように、本実施形態によれば、モータジェネレータ部３００は、第１回転子３１０と、第１回転子３１０の外周側に空隙を介して対向して設けられる第２回転子３２０と、第２回転子３２０の外周側に空隙を介して対向して設けられる固定子３３０と、を含む。第１回転子３１０には、複数の永久磁石３１３が交互に異なる極性となるように周方向に配設される。第２回転子３２０には、複数の軟磁性体３２３が周方向に配設される。固定子３３０には、複数の電機子が周方向に配設される。ゆえに、モータジェネレータ部３００における第１回転子３１０、第２回転子３２０、及び回転磁界の回転速度の関係性は、遊星歯車機構におけるサンギヤ、キャリア、及びリングギヤの回転速度の関係性と対応する。

また、第１回転子３１０は、ランキンサイクルポンプ７３の回転軸７３ａと連結される。それにより、ランキンサイクルポンプ７３の回転軸７３ａを第１回転子３１０と同期して回転可能にすることができる。また、第２回転子３２０は、膨張器７５の回転軸７５ａと連結される。それにより、膨張器７５の回転軸７５ａを第２回転子３２０と同期して回転可能にすることができる。ゆえに、回転磁界の回転速度ω３を調整することによって、ランキンサイクルポンプ７３及び膨張器７５の回転速度を相対的に調整することができる。それにより、ランキンサイクルポンプ７３及び膨張器７５の回転速度の差を調整することができる。よって、比較的部品点数が多い機構を設けることなく、ランキンサイクルポンプ７３及び膨張器７５の吐出流量の差を調整することができる。従って、装置をより効果的に小型化することができる。

上記では、本発明に係る熱発電システムをハイブリッド車両に適用した例について説明したが、本発明の技術的範囲は係る例に限定されない。例えば、本発明に係る熱発電システムは、エンジン１１から出力される駆動力によって走行し、動力源として高電圧バッテリ３１を有しない車両にも適用され得る。その場合、ランキンサイクル７０によって生成された機械エネルギを用いてモータジェネレータ部３００により発電された電力は、車両内の各種装置へ電力を供給する低電圧バッテリへ蓄電されてもよい。

また、上記では、エンジン１１の運転により生成された駆動力は、駆動力伝達系５１を介して、駆動輪２１へ伝達される例について説明したが、本発明に係る技術的範囲は係る例に限定されない。例えば、エンジン１１の運転により生成された駆動力は、エンジン１１と接続された図示しない発電機へ伝達され、当該発電機による発電に用いられてもよい。なお、当該発電機によって発電された電力は、高電圧バッテリ３１へ蓄電されるように構成し得る。

また、上記では、ランキンサイクル７０は、車両のエンジン１１の廃熱を回収する冷却水との間で熱交換を行うことにより、機械エネルギを生成する例について説明したが、本発明に係る技術的範囲は係る例に限定されない。例えば、ランキンサイクル７０は、車両のエンジン１１の廃熱を有する排気ガスとの間で熱交換を行うことにより、機械エネルギを生成してもよい。係る場合において、熱交換器７４には、作動媒体流路７１及び排気ガスの配管が接続され得る。

また、上記では、バッテリが高電圧バッテリ３１である例について説明したが、本発明に係る技術的範囲は係る例に限定されず、例えば、バッテリは車両内の各種装置へ電力を供給する低電圧バッテリであってもよい。係る場合には、モータジェネレータ部３００及び走行用モータジェネレータ４１はそれぞれ低電圧バッテリと電気的に接続され、モータジェネレータ部３００で発電される電力及び制動発電において走行用モータジェネレータ４１で発電される電力は、それぞれ低電圧バッテリへ蓄電されるように構成し得る。

また、上記では、ランキンサイクル７０及びモータジェネレータ部３００を含む熱発電システム９０が、車両に適用される例について説明したが、本発明の技術的範囲は、係る例に限定されない。例えば、本発明に係る熱発電システムは、船舶等の他の移動体や、工場等の施設についても適用可能である。

また、本明細書においてフローチャートを用いて説明した処理は、必ずしもフローチャートに示された順序で実行されなくてもよい。いくつかの処理ステップは、並列的に実行されてもよい。また、追加的な処理ステップが採用されてもよく、一部の処理ステップが省略されてもよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は係る例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は応用例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１０ 充電システム
１１ エンジン
１３ 冷却水流路
２１ 駆動輪
３１ 高電圧バッテリ
４１ 走行用モータジェネレータ
５１ 駆動力伝達系
７０ ランキンサイクル
７１ 作動媒体流路
７３ ランキンサイクルポンプ
７３ａ 回転軸
７４ 熱交換器
７５ 膨張器
７５ａ 回転軸
７７ 凝縮器
７９ タンク
９０ 熱発電システム
１００ 制御装置
２０１ ポンプ回転速度センサ
２０３ 膨張器回転速度センサ
２０５ 蒸気温センサ
２０７ 水温センサ
３００ モータジェネレータ部
３１０ 第１回転子
３１１ 円柱部材
３１３ 永久磁石
３２０ 第２回転子
３２１ 円筒部材
３２３ 軟磁性体
３３０ 固定子
３３１ 鉄心
３３１ａ スロット
３３３ コイル

Claims (9)

1. 加熱される作動媒体が循環する流路、前記流路に設けられ前記作動媒体を循環させるランキンサイクルポンプ、及び前記流路に設けられ前記作動媒体を膨張させて回転エネルギを生成する膨張器を含むランキンサイクルと、
   前記膨張器により生成された回転エネルギを用いて発電可能、かつ、前記ランキンサイクルポンプを駆動するための駆動力を出力可能なモータジェネレータ部と、
   を備え、
   前記モータジェネレータ部は、
   前記ランキンサイクルポンプの回転軸と連結され、複数の永久磁石が交互に異なる極性となるように周方向に配設された第１回転子と、
   前記第１回転子の外周側に空隙を介して対向して設けられ、前記膨張器の回転軸と連結され、複数の軟磁性体が周方向に配設された第２回転子と、
   前記第２回転子の外周側に空隙を介して対向して設けられ、複数の電機子が周方向に配設された固定子と、
   を含む、
   熱発電システム。
2. 前記軟磁性体の数は、前記永久磁石の極対数に前記複数の電機子の極対数を加算して得られる値である、請求項１に記載の熱発電システム。
3. 前記固定子の前記複数の電機子に流れる交流電流の周波数を制御することにより、前記固定子によって発生する回転磁界の回転速度を制御する制御装置を備え、
   前記制御装置は、前記回転磁界の回転速度を制御することにより、前記第１回転子及び前記第２回転子の回転速度を制御する、
   請求項１又は２に記載の熱発電システム。
4. 前記制御装置は、前記膨張器へ供給される気相の前記作動媒体の温度である蒸気温に応じて、前記第１回転子及び前記第２回転子の回転速度の比である回転速度比を制御する、請求項３に記載の熱発電システム。
5. 前記制御装置は、前記蒸気温が所定の圧力における前記作動媒体の沸点より高い場合、前記蒸気温が高くなるにつれて、前記回転速度比を増大させる、請求項４に記載の熱発電システム。
6. 前記制御装置は、前記蒸気温が前記所定の圧力における前記作動媒体の沸点以下である場合、前記蒸気温が低くなるにつれて、前記回転速度比を増大させる、請求項５に記載の熱発電システム。
7. 前記制御装置は、前記熱発電システムを始動させるときに、前記第１回転子の回転速度を、前記ランキンサイクルの前記作動媒体が加熱される程度が大きいほど、高い回転速度まで上昇させる、請求項３〜６のいずれか一項に記載の熱発電システム。
8. 前記制御装置は、前記熱発電システムを停止させるときに、前記回転磁界の回転を停止させる、請求項３〜７のいずれか一項に記載の熱発電システム。
9. 前記ランキンサイクルの前記作動媒体は、車両のエンジンの廃熱によって、加熱される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の熱発電システム。

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