JP2020068646A - 発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は発電システムを提供することを課題とする。【解決手段】 本発明に係る発電システムは、機械的エネルギーの入力源と方向変換モジュールと第１電磁回転モジュールと第２電磁回転モジュールと蓄電モジュールと、を含む。前記方向変換モジュールは、前記機械的エネルギーの入力源と接続され、前記方向変換モジュールが各々前記方向変換モジュールの両側に設けられた第１出力側と第２出力側とを含む。前記第１電磁回転モジュールは、前記第１出力側と接続され、前記第２電磁回転モジュールが前記第２出力側と接続される。前記蓄電モジュールは、前記第１電磁回転モジュール及び前記第２電磁回転モジュールと同時に接続される。【選択図】図２

Description

本発明は、発電システムに関し、特に、機械的エネルギーを効果的に電気エネルギーに変換でき、方向変換モジュールを備えた発電システムに関する。

人類の文明において、電磁誘導は、人類が電気エネルギーの生み出しに活用されてきた最も早期の基本原理である。電磁誘導（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ）とは、磁束が変動する環境に存在する導体に起電力が生じることをいう。この起電力が、誘導起電力と呼ばれる。

上記導体がループとして閉じられた場合、起電力が電子を動かせることで誘導電流を形成する。マイケル・ファラデー（Ｍｉｃｈａｅｌ Ｆａｒａｄａｙ）により、閉回路に生じる起電力が閉曲面を貫く磁束の変化の速度に比例することが発見された。言い換えると、導体に囲まれた曲面を貫く磁束に変化があった時、閉じられた導体内において電流が流れる。

上記原理は、磁界自体が変化した時或いは磁界中で導体が相対的に運動した時に適用される。よって、電磁誘導は、発電機、誘導電動機、変圧器及び大部分のその他の電力設備の操作の基礎技術である。

時代の進化に伴い、磁界の変化又は相対運動を生じさせる技術手段には、すでに非常に多くの変化手段がある。ただし、如何にして機械的エネルギーを電気エネルギーに効果的に変換するかということや、如何にしてその変換効率をアップさせるかということは、本分野における永年に渡る改良を要する課題となっていた。

本発明は、背景技術で言及した問題点を解決するため、方向変換モジュールを備えた発電システムを提供する。

本発明に係る発電システムは、機械的エネルギーの入力源と、方向変換モジュールと、第１電磁回転モジュールと、第２電磁回転モジュールと、蓄電モジュールとを含む。

前記方向変換モジュールは、前記機械的エネルギーの入力源と接続され、前記方向変換モジュールが、各々前記方向変換モジュールの両側に設けられた第１出力側と第２出力側とを含む。

前記第１電磁回転モジュールは、前記第１出力側と接続され、前記第２電磁回転モジュールが前記第２出力側と接続される。前記蓄電モジュールは、前記第１電磁回転モジュール及び前記第２電磁回転モジュールと同時に接続される。

以上の本発明に対する略述は、本発明の幾つかの態様及び技術的特徴に対し基本的な説明を行うことを目的とする。発明の略述は、本発明に対する詳細な記述ではないため、その目的は特別に本発明のキーとなる要素や重要な要素を挙げることでない。本発明の略述は、本発明の範囲を特定するために用いられることはなく、簡明な方式でのみ本発明の数種概念を開示する。

本発明の実施例に係るシステム構成図である。 本発明の一実施例に係る構造を示す模式図である。 本発明の一実施例に係る方向変換モジュールの構造を示す模式図である。 本発明の一実施例に係る電磁回転モジュールの主構成を示す模式図である。 本発明の一実施例に係る磁石円盤の構造を示す模式図である。 本発明の一実施例に係るコイル円盤の構造を示す模式図である。 本発明の一実施例に係る電磁回転モジュールの全体構成を示す模式図である。 本発明の一実施例に係る中心軸の構造を示す模式図である。

本発明の技術的特徴及び実用効果を理解し、明細書の内容に基づいて実施できるため、更に図面に示す好ましい実施例で次の通り詳細に説明する。

図１及び図２を参照すると、図１は、本発明の実施例に係るシステム構成図であり、図２は本発明の一実施例に係る構造を示す模式図である。図１に示すように、本発明の実施例において、前記発電システム１０は、機械的エネルギーの入力源１００と、方向変換モジュール２００と、第１電磁回転モジュール３００ａと、第２電磁回転モジュール３００ｂと、蓄電モジュール４００とを含む。

方向変換モジュール２００は、機械的エネルギーの入力源１００と接続される。方向変換モジュール２００は、当該方向変換モジュール２００の左右両側に設けられた第１出力側２０３と第２出力側２０４とを含む。

第１電磁回転モジュール３００ａは、第１出力側２０３と接続される。第２電磁回転モジュール３００ｂは、第２出力側２０４と接続される。蓄電モジュール４００は、第１電磁回転モジュール３００ａ及び第２電磁回転モジュール３００ｂと同時に接続される。蓄電モジュール４００は、第１電磁回転モジュール３００ａ及び第２電磁回転モジュール３００ｂから発生した電気エネルギーを受け取り、電気エネルギーを蓄積するために用いられる。本実施例において、蓄電モジュール４００は、リチウム電池或いはリチウム鉄電池等の電池で構成される組電池としてもよいし、スーパーキャパシタ等の電気エネルギーを蓄えることができる設備としてもよい。本発明では、蓄電モジュール４００の構成は、上記のものに限定されない。更に、図１内の本発明の実施例に係るシステム構成図は、図２の実施例内に示す構造として実施できる。

図２を参照すると、図２の実施例において、機械的エネルギーの入力源１００が実施されることのできる形態を示すため、機械的エネルギーの入力源１００を同期型サーボモータに置換した。その目的は、発電システム１０全体の運転効率をテストすることである。機械的エネルギーの入力源１００を同期型サーボモータに置換した態様では、蓄電モジュール４００が機械的エネルギーの入力源１００と接続（図示せず）されることで、エネルギー変換効率をテストできる。しかし、機械的エネルギーの入力源１００は、機械的エネルギーを発生できるいかなる機構にも置換できる。例えば、機械的エネルギーの入力源１００は、風力発電のタービンブレードセットや水力発電のタービンセットにしてもよいし、ボイラーで推動する回転機構を含む、機械的エネルギーを供給できる機械により構成してもよい。

また、図２の実施例において、第２電磁回転モジュール３００ｂは、蓋体５００で覆われている。第１電磁回転モジュール３００ａ及び第２電磁回転モジュール３００ｂは、いずれも蓋体５００に覆われている。蓋体５００は、簡潔美観上の効果を維持するだけでなく、絶縁材質として設計することで、漏電等の事態を防止する効果を奏する。また、機械運転時の騒音にも配慮するならば、蓋体５００内に遮音材質を混入させることで、運転時の騒音を減らすこともできる。これ以外に、図２の実施例において、設置作業時における吊り上げの利便性を提供するため、蓋体５００の頂部に２個のリフトリングを更に設けてもよい。本発明では、第２電磁回転モジュール３００ｂを覆う部材の構成は、上記のものに限定されない。

発電システム１０全体は、ベース部６００の上に設けられる。また、ベース部６００の底部には、複数の滑車６０１が設けられる。本実施例において、ベース部６００は、実質的に複数の台を締め付けて固定したものである。複数の滑車６０１は、ベース部６００の各台の底部に設けられる。ベース部６００の各台は、発電システム１０の単一素子（例えば第１電磁回転モジュール３００ａのみを載置）を載置することができる。これにより、発電システム１０は、ベース部６００を通じて分解や組立モジュール化の効果を奏することができる。

図２の実施例において、方向変換モジュール２００は、マイタギヤボックスで実現する。さらに言えば、前記マイタギヤボックスは、機械的エネルギーの運動方向を変換する方法で方向変換モジュール２００が求める方向変換効果を達しなければならない。更に本願の図３を参照すると、図３は、本発明の一実施例に係る方向変換モジュールの構造を示す模式図である。図３に示すように、本実施例で求める方向変換モジュール２００として選択するマイタギヤボックスは、主回転軸２１０ａ、主歯車２１０ｂ、第１歯車２１１ｂ、第１方向変換軸２１１ａ、第２歯車２１２ｂ、及び第２方向変換軸２１２ａを含む。

主回転軸２１０ａは、機械的エネルギーの入力源１００と接続される。主歯車２１０ｂは、前記主回転軸２１０ａと接続される。第１歯車２１１ｂは、主歯車２１０ｂと噛合する。第１方向変換軸２１１ａは、第１歯車２１１ｂと接続される。第２歯車２１２ｂは、主歯車２１０ｂと噛合する。第２方向変換軸２１２ａは、第２歯車２１２ｂと接続される。

図２及び図３の実施例において、方向変換モジュール２００は、マイタギヤボックスで実現する。このため、マイタギヤボックス全体と、第１電磁回転モジュール３００ａ、第２電磁回転モジュール３００ｂ及び機械的エネルギーの入力源１００の各々との間において各々１個のカップリング２０５を設けることで、その軸受の接続に便利となる。よって、図２及び図３の実施例において、図１の構成における第１出力側２０３は、図２乃至図３の実施例における第１方向変換軸２１１ａ及びカップリング２０５に実質的に等しい。、また、第２出力側２０４は、図２乃至図３の実施例における第２方向変換軸２１２ａ及びカップリング２０５に等しい。

本発明の実施例の方向変換モジュール２００のマイタギヤボックスの構成要素に対する要求は、以下のとおりである。まず、主歯車２１０ｂ、第１歯車２１１ｂ及び第２歯車２１２ｂの材質は、合金鋼ＳＮＣＭ２２０の全面に浸炭硬化処理を施し、ロックウェル硬さＣ（Ｒｏｃｋｗｅｌｌ Ｈａｒｄｎｅｓｓ Ｃ、ＲＣ）が５６の硬度にしたものとする。出力軸とする主回転軸２１０ａ、第１方向変換軸２１１ａ及び第２方向変換軸２１２ａの材質は、ＳＣＭ４４０鋼材に調質処理を施したものとする。この材質により、回転で生じる大トルクの要求に適合できる。

次に、図２及び図４を参照すると、図４は、本発明の一実施例に係る電磁回転モジュールの主構成を示す模式図である。図４に示すように、図４内に例示する電磁回転モジュールは、図２の実施例における第１電磁回転モジュール３００ａ或いは第２電磁回転モジュール３００ｂとすることができる。さらに、図４の実施例において、図２内の第１電磁回転モジュール３００ａを例（当然第２電磁回転モジュール３００ｂも図４の実施例内の同じ機構を含み、方向により第１電磁回転モジュール３００ａの鏡像対称になる機構として設計）にすると、第１電磁回転モジュール３００ａは、載置機構３０１と、２つの回転軸固定機構３０２と、中心軸３０３と、２つの円盤体固定機構３０４と、電磁円盤体モジュール３０５とを含む。

載置機構３０１は、凹溝３０１１を備える。凹溝３０１１において、２つの回転軸固定機構３０２が凹溝３０１１の周縁の両側に設けられる。中心軸３０３は、回転軸固定機構３０２を挿通する。中心軸３０３は、第１出力側２０３又は第２出力側２０４と接続される（図１及び図２）。２つの円盤体固定機構３０４は、２つの回転軸固定機構３０２に対応して各々前記凹溝の別の両側周縁に設けられる。電磁円盤体モジュール３０５は、前記中心軸３０３に嵌設され、かつ一部が円盤体固定機構３０４に固定される。図４の実施例において、中心軸に細長状突起リブ３０３１が更に設けられる。図８のように、細長状突起リブ３０３１を細長状溝３０３２に置換してもよい。本発明では、電磁円盤体モジュール３０５の中心軸３０３の周囲の嵌設機構の構成は、上記のものに限定されない。

さらに、図４乃至図７を参照すると、図５は、本発明の一実施例に係る磁石円盤の構造を示す模式図であり、図６は、本発明の一実施例に係るコイル円盤の構造を示す模式図である。図７は、本発明の一実施例に係る電磁回転モジュールの全体構成を示す模式図である。

図４乃至図７に示すように、中心軸３０３に電磁円盤体モジュール３０５をスムーズに載置させるため、図４の実施例において、電磁円盤体モジュール３０５内の複数の軸受３０５３は、間隔を設けて中心軸３０３上に嵌設される。かつ複数の軸受３０５３内に細長状突起リブ３０３１に係合する係止溝が設けられる。これにより、複数の軸受３０５３を中心軸３０３上の位置に固定させて自転を防止する。同様の機構設計は、図８内の実施例でも逆に実施でき、図８内の実施例において、中心軸３０３にある細長状突起リブ３０３１を細長状溝３０３２に置換した時、複数の軸受３０５３もその内輪と中心軸３０３の細長状溝３０３２と接触係合する機構を係止リブ（図示せず）に変更して設計できる。本発明では、軸受３０５３内の係止機構の構成は、上記のものに限定されない。

図４乃至図７に示すように、前記実施例の電磁円盤体モジュール３０５は、主に複数の軸受３０５３、複数のコイル円盤３０５１、及び複数の磁石円盤３０５２から成る。複数の軸受３０５３は、前述のように、間隔を設けて中心軸３０３に嵌設される。複数のコイル円盤３０５１内において、各コイル円盤３０５１には、左右対称の２つの固定翼３０５１１が設けられる。各コイル円盤３０５１は、各軸受３０５３に順次設けられる。複数の磁石円盤３０５２において、各磁石円盤は、図４内の中心軸３０３にある細長状突起リブ３０３１或いは図８内の中心軸３０３にある細長状溝３０３２に対応してその機構に合わせる係合溝３０５２１或いは係合リブ（図示せず）に設けられる。かつ複数の磁石円盤３０５２と複数のコイル円盤３０５１が交互に積層して設けられる。

図５に示すように、本実施例の磁石円盤３０５２の中央部には、その円心（すなわち、磁石円盤３０５２の重心点）を囲んだ複数のＩ字形の穴及び逆台形の穴が設けられる。Ｉ字形の穴は、磁石円盤３０５２の外周に設けられ、等間隔で均一に配列される。逆台形の穴は、磁石円盤３０５２の内周に設けられ、等間隔で均一に配列される。上記設計を通じて、磁石円盤３０５２の重量を効果的に減らすことができるだけでなく、必要がある時、Ｉ字形の穴及び逆台形の穴に対し更なる加工を行うことができる。例えば、永久磁石の嵌設又はその重量比の変更等の素子追加作業により、予想される磁界変化の制御効果を奏することもできる。

同様に、図６に示すように、本実施例のコイル円盤３０５１は、その中央部にその円心（すなわち、コイル円盤３０５１の重心点）を囲んだ六角形穴を設けることもできる。かつ固定翼３０５１１内に四角形穴を設けることもできる。このような構成により、コイル円盤３０５１の重量を減らすことができる。

図７に示すように、本実施例において、各コイル円盤３０５１上の２つの固定翼３０５１１は、同時に２つの円盤体固定機構３０４内に係合される。さらに、本実施例の各円盤体固定機構３０４内に

字形の制限部材３０４１が更に設けられる。左右両側の制限部材３０４１を通じてその中に嵌設された２つの固定翼３０５１１と固定すると、中心軸３０３で電磁円盤体モジュール３０５を回転させた時、複数の磁石円盤３０５２だけが中心軸３０３に伴って回転する。

図７の実施例において、電磁円盤体モジュール３０５と載置機構３０１又は２つの回転軸固定機構３０２との摩擦を防止するため、更に中心軸３０３の頭尾両端に各々１個の間隔保持部材３０５４が設けられる。更に明確に言うと、中心軸３０３の頭尾両端に設けられた間隔保持部材３０５４の設置位置は、電磁円盤体モジュール３０５（更に明確に言うと、図７内に示すような磁石円盤３０５２とすることができる）と載置機構３０１との隙間にある。

上記機構を通じて、回転している磁石円盤３０５２に磁界の変化を発生させることで、回転している機械的エネルギーを電気エネルギーに変換できる。これにより、図２内の実施例と同じように、第１電磁回転モジュール３００ａ及び第２電磁回転モジュール３００ｂを同時に設けられ、単一の機械的エネルギーの入力源１００から入力されたエネルギーを電気エネルギーに変換し、変換効率を高めることができる。

以上に説明するものは、本発明の好ましい実施例であって、本発明の実施範囲は、そのような実施例に限定されるものではなく、本発明の特許請求の範囲及び明細書の内容に基づいて均等の範囲内で各種の変更や修飾を加えるものは、本発明にカバーされる範囲内に属する。

１０ 発電システム
１００ 機械的エネルギーの入力源
２００ 方向変換モジュール
２１０ａ 主回転軸
２１０ｂ 主歯車
２１１ｂ 第１歯車
２１１ａ 第１方向変換軸
２１２ｂ 第２歯車
２１２ａ 第２方向変換軸
２０３ 第１出力側
２０４ 第２出力側
２０５ カップリング
３００ａ 第１電磁回転モジュール
３００ｂ 第２電磁回転モジュール
３０１ 載置機構
３０１１ 凹溝
３０２ 回転軸固定機構
３０３ 中心軸
３０３１ 細長状突起リブ
３０３２ 細長状溝
３０４ 円盤体固定機構
３０４１ 制限部材
３０５ 電磁円盤体モジュール
３０５１ コイル円盤
３０５１１ 固定翼
３０５２ 磁石円盤
３０５２１ 係合溝
３０５３ 軸受
３０５４ 間隔保持部材
４００ 蓄電モジュール
５００ 蓋体
６００ ベース部
６０１ 滑車

Claims (10)

1. 機械的エネルギーの入力源と、
   前記機械的エネルギーの入力源と接続され、各々方向変換モジュールの両側に設けられた第１出力側と第２出力側とを含む方向変換モジュールと、
   前記第１出力側と接続される第１電磁回転モジュールと、
   前記第２出力側と接続される第２電磁回転モジュールと、
   前記第１電磁回転モジュール及び前記第２電磁回転モジュールと同時に接続される蓄電モジュールと、
   を含むことを特徴とする、発電システム。
2. 前記機械的エネルギーの入力源が、同期型サーボモータであることを特徴とする、請求項１に記載の発電システム。
3. 前記方向変換モジュールが、マイタギヤボックスであることを特徴とする、請求項１に記載の発電システム。
4. 前記マイタギヤボックスは、
   前記機械的エネルギーの入力源と接続される主回転軸と、
   前記主回転軸と接続される主歯車と、
   前記主歯車と噛合する第１歯車と、
   前記第１歯車と接続される第１方向変換軸と、
   前記主歯車と噛合する第２歯車と、
   前記第２歯車と接続される第２方向変換軸と、
   を含むことを特徴とする、請求項３に記載の発電システム。
5. 前記主回転軸、前記第１方向変換軸及び前記第２方向変換軸は、更にカップリングを通じて、前記機械的エネルギーの入力源、前記第１電磁回転モジュール及び前記第２電磁回転モジュールと順次接続されることを特徴とする、請求項４に記載の発電システム。
6. 前記発電システムが更にベース部上に設けられ、かつ前記ベース部の底部に複数の滑車が設けられることを特徴とする、請求項１に記載の発電システム。
7. 前記第１電磁回転モジュール及び前記第２電磁回転モジュールは、
   凹溝を備えた載置機構と、
   前記凹溝の周縁の両側に設けられた２つの回転軸固定機構と、
   前記回転軸固定機構を挿通し、かつ前記第１出力側或いは前記第２出力側と接続される中心軸と、
   ２つの回転軸固定機構に対応して各々前記凹溝の別の両側周縁に設けられた２つの円盤体固定機構と、
   前記中心軸に嵌設され、かつ一部が前記円盤体固定機構に固定される電磁円盤体モジュールと、
   を各々含むことを特徴とする、請求項１に記載の発電システム。
8. 前記中心軸には、更に細長状突起リブ或いは細長状溝が設けられることを特徴とする、請求項７に記載の発電システム。
9. 前記電磁円盤体モジュールは、間隔を設けて前記中心軸に嵌設される複数の軸受と、
   前記複数の軸受に順次設けられる複数のコイル円盤であって、当該コイル円盤に左右対称の２つの固定翼が設けられている複数のコイル円盤と、
   細長状突起リブ又は細長状溝に対応して係合溝或いは係合リブに設けられ、かつ前記複数のコイル円盤と交互に積層して設けられた複数の磁石円盤と、を含み、
   前記２つの固定翼が同時に前記２つの円盤体固定機構内に係合されることで、前記中心軸で前記電磁円盤体モジュールを回転させた時、前記複数の磁石円盤だけが前記中心軸に伴って回転することを特徴とする、請求項８に記載の発電システム。
10. 前記第１電磁回転モジュール及び前記第２電磁回転モジュールは、各々蓋体に覆わ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。