JP2023008195A - 発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】回転機構において回転駆動力を効率的に発生させる。【解決手段】この発明では、複数の回転子永久磁石が周方向に互いに離間しながら回転子の外周面の全周に取り付けられている。これに対し、複数の第１固定子永久磁石が、径方向において複数の回転子永久磁石から離間するとともに固定子本体の第１内周面に対して周方向において互いに離間しながら、回転子永久磁石から反発する磁界を発生するように配置されている。また、複数の第２固定子永久磁石が、固定子本体の第１内周面に対して回転軸と平行な第１方向において複数の回転子永久磁石から離間するとともに周方向において互いに離間しながら、回転子永久磁石から反発する磁界を発生するように配置されている。このため、回転子の回転と同時に、回転子永久磁石と第１固定子永久磁石および第２固定子永久磁石との間で作用する反発力が順次継続して作用する。【選択図】図２

Description

この発明は、回転機構で発生する回転駆動力により発電機を作動させて発電する発電システムに関するものである。

この種の発電システムでは、回転機構により回転駆動力を効率的に発生させることが重要であり、その一例として、例えば特許文献１では、永久磁石を利用した回転装置が提案されている。この回転装置では、回転自在に設けた非磁性体である円板状の回転子体の外径側に回転方向にＮ極、Ｓ極を交互に磁化した永久磁石を等間隔で複数個配した回転子磁石を１群として、円３６０°に対して、回転子磁石群の数ｎ１＝２以上の整数とし、分割数Ｎ＝２・ｎ１として該回転子磁石群の配列を回転子磁石が無い空白部と該回転子磁石群を交互に配設し、回転子体の外側には、非磁性体である円板状の回転固定子体の外径側に、該回転固定子体の中心より放射方向に磁化した永久磁石である回転固定子磁石を等間隔にて、最低２個固着し、回転子磁石と回転固定子磁石との間に空隙を設け、回転子体と回転固定子体を歯車等による増速機構が設けられている。

特開２０１６－２５８３５号公報

しかしながら、上記永久磁石回転装置では、回転子体に設置された回転子磁石と回転固定子体に設置された回転固定子磁石との間で磁界が互いに作用しない領域が含まれている。そのため、回転子体に大きな回転駆動力を発生させることが難しい。

この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、回転機構において回転駆動力を効率的に発生させることで優れた発電性能を発揮する発電システムを提供することを目的とする。

この発明の一態様は、回転機構と発電機とが接続され、回転機構で発生する回転駆動力により発電機を作動させて発電する発電システムであって、回転機構は、外力を受けて回転軸まわりに回転可能に設けられる回転子本体の外周面に対し、複数の回転子永久磁石が周方向に互いに離間しながら外周面の全周に取り付けられた回転子と、少なくとも回転子の周縁部を径方向および回転軸と平行な第１方向から覆うように回転子から離間して設けられる固定子本体に対して複数の固定子永久磁石が取り付けられた固定子と、を備え、固定子本体は、径方向において複数の回転子永久磁石と対向する第１内周面と、第１方向において複数の回転子永久磁石と対向する第２内周面と、を有し、複数の固定子永久磁石は、径方向において複数の回転子永久磁石から離間するとともに周方向において互いに離間しながら、回転子永久磁石から反発する磁界を発生するように、第１内周面に配置される複数の第１固定子永久磁石と、第１方向において複数の回転子永久磁石から離間するとともに周方向において互いに離間しながら、回転子永久磁石から反発する磁界を発生するように、第２内周面に配置される複数の第２固定子永久磁石と、を有し、回転子永久磁石の磁界と第１固定子永久磁石の磁界との反発力と、回転子永久磁石の磁界と第２固定子永久磁石の磁界との反発力とによって、回転子の回転駆動力を高めることを特徴としている。

以上のように、本発明によれば、複数の回転子永久磁石が周方向に互いに離間しながら回転子の外周面の全周に取り付けられている。これに対し、複数の第１固定子永久磁石が、径方向において複数の回転子永久磁石から離間するとともに固定子本体の第１内周面に対して周方向において互いに離間しながら、回転子永久磁石から反発する磁界を発生するように配置されている。また、複数の第２固定子永久磁石が、固定子本体の第１内周面に対して回転軸と平行な第１方向において複数の回転子永久磁石から離間するとともに周方向において互いに離間しながら、回転子永久磁石から反発する磁界を発生するように配置されている。このため、回転子の回転と同時に、回転子永久磁石と第１固定子永久磁石および第２固定子永久磁石との間で作用する反発力が順次継続して作用する。したがって、回転機構から回転駆動力が効率的に発生し、優れた発電性能が得られる。

本発明に係る発電システムの第１実施形態を示す図である。 図１に示す発電システムで採用されている回転機構の構成を示す図である。 図２に示す回転機構の部分拡大図である。 図２に示す回転機構における永久磁石の配置を示す図である。 本発明に係る発電システムの第２実施形態における回転機構の構成を示す図である。 本発明に係る発電システムの第３実施形態における回転機構の構成を示す図である。

図１は、本発明に係る発電システムの第１実施形態を示す図である。図２は、図１に示す発電システムで採用されている回転機構の構成を示す図である。図３は、図２に示す回転機構の部分拡大図である。図４は、図２に示す回転機構における永久磁石の配置を示す図である。以下、これらの図を参照しつつ発電システムの構成および動作について説明する。なお、これらの図面では、回転機構から発生する回転駆動力が発電機に伝達される方向を「Ｘ方向」とし、その伝達方向Ｘと直交する水平方向を「Ｙ方向」とし、鉛直方向を「Ｚ方向」と称する。また、理解容易の目的で、必要に応じて各部の寸法や数を誇張または簡略化して描いている。

発電システム１は、図１に示すように、発電機２、第１クラッチ機構３、本発明の「回転機構」の一例である永久磁石回転機４、第２クラッチ機構５、モータ６および制御部７を有している。発電機２は、第１クラッチ機構３を介して永久磁石回転機４の回転シャフト４１に接続されている。このため、制御部７からの接続指令に応じて第１クラッチ機構３が発電機２と永久磁石回転機４とを接続すると、後述するようにして永久磁石回転機４から発生する回転駆動力が第１クラッチ機構３を介して発電機２に伝達される。この回転駆動力に応じた電力が発電機２から出力される。

永久磁石回転機４の回転シャフト４１は、発電機２以外に、第２クラッチ機構５を介してモータ６に接続されている。このため、制御部７からの接続指令に応じて第２クラッチ機構５がモータ６と永久磁石回転機４とを接続し、しかも制御部７からの回転指令に応じてモータ６が作動すると、回転シャフト４１がＸ方向に延びる回転軸ＡＸ（図２）まわりに回転する。すなわち、モータ６から回転力が本発明の「外力」の一例として永久磁石回転機４の回転シャフト４１に与えられる。

永久磁石回転機４は回転子４２と固定子４３とを有している。回転子４２は、図２に示すように、中央部に回転シャフト４１が貫通して取り付けられた回転子本体４２１を有している。回転シャフト４１は、ＡＢＳ樹脂やポリウレタン、ポリアミド等の合成樹脂またはステンレスやアルミニウム、合金等の金属から作られ、円柱棒状に成形されている。そして、回転シャフト４１の取付位置（中央部）から（＋Ｘ）方向および（－Ｘ）方向に延設される端部が、固定子４３の一構成要素である固定子本体４３１の（＋Ｘ）方向側面および（－Ｘ）方向側面に穿設された貫通孔に挿通されるとともに各貫通孔に設けられたベアリング４３２により固定子４３に対して回転自在に軸支されている。

この回転シャフト４１に取り付けられた回転子本体４２１は、固定子本体４３１の内部に設けられた内部空間４３３内で回転軸ＡＸまわりに回転自在に配置されている。より詳しくは、回転子本体４２１は、ＡＢＳ樹脂やポリウレタン、ポリアミド等の合成樹脂（非磁性体）または非磁性金属（オーステナイトステンレス鋼、高マンガンオーステナイトステンレス鋼等）などの材料で構成されており、略円盤形状を有している。また、回転子本体４２１の外周面には、回転子本体４２１と同一または同種材料で複数（本実施形態では４５個）の磁石支持部４２２が周方向Ｒ（回転子４２の回転方向と一致）に等間隔だけ離間しながら外周面全体に固着されている。そして、各磁石支持部４２２に対し、回転子永久磁石４２３が所定の固定手段（固定ネジや接着剤等、図３では固定ネジ）によって取り付けられている。本実施形態では、回転子永久磁石４２３はＸ方向に延びる台形柱状のネオジム磁石で構成されているが、磁石の種類はこれに限定されるものではなく、例えばフェライト磁石やサマリウムコバルト磁石などを用いてもよい。なお、各回転子永久磁石４２３の詳しい配設状況については、後で固定子永久磁石と一緒に説明する。

次に、固定子４３の構成について説明する。固定子４３は固定子本体４３１を有しており、その内部空間４３３で、上記したように回転子４２が回転自在に配置されている。この固定子本体４３１は、ＡＢＳ樹脂やポリウレタン、ポリアミド等の合成樹脂（非磁性体）または非磁性金属（オーステナイトステンレス鋼、高マンガンオーステナイトステンレス鋼等）などの材料で構成されており、回転子永久磁石４２３を径方向Ｚ、（＋Ｘ）方向および（－Ｘ）方向から覆っている。つまり、内部空間４３３は、円環形状の内周面４３４ａ、（＋Ｘ）方向側の円形状の内周面４３４ｂおよび（－Ｘ）方向側の円形状の内周面４３４ｃで構成されている。

これらのうち内周面４３４ａでは、固定子本体４３１と同一または同種材料で複数（本実施形態では５０個）の磁石支持部４３５が周方向Ｒに等間隔だけ離間しながら内周面４３４ａ全体に固着されている。そして、各磁石支持部４３５に対し、固定子永久磁石４３６が所定の固定手段（固定ネジや接着剤等、図３では固定ネジ）によって取り付けられている。

また、内周面４３４ｂでは、複数（本実施形態では５０個）の磁石支持部が回転軸ＡＸを中心とした同心円方向Ｒに等間隔だけ離間しながら内周面４３４ｂの周縁部全体に固着されている。そして、各磁石支持部に対し、固定子永久磁石４３７が所定の固定手段（固定ネジや接着剤等）によって取り付けられている。この点については、内周面４３４ｃにおいても同様である。つまり、複数（本実施形態では５０個）の磁石支持部（図示省略）が回転軸ＡＸを中心とした同心円方向Ｒに等間隔だけ離間しながら内周面４３４ｂの周縁部全体に固着されるとともに、各磁石支持部に対し、固定子永久磁石４３８が所定の固定手段（固定ネジや接着剤等）によって取り付けられている。本実施形態では、これら３種類の固定子永久磁石４３６～４３８は、ネオジム磁石で構成されているが、磁石の種類はこれに限定されるものではなく、例えばフェライト磁石やサマリウムコバルト磁石などを用いてもよい。

次に、回転子永久磁石４２３に対する３種類の固定子永久磁石４３６～４３８の配設関係について図２～図４を参照しつつ詳述する。回転子永久磁石４２３は、Ｘ方向に延設された台形柱形状を有しており、（＋Ｘ）方向側の端面がＮ極となるとともに（－Ｘ）方向側の端面がＳ極となるように磁石支持部４２２に取り付けられている。また、回転子永久磁石４２３は、図３に示すように、磁界発生方向（軸線方向）へ延びる軸線が回転子永久磁石４２３の回転軌跡に対する接線Ｓに対して反時計回り方向へ所定角度θで傾斜している。

このように取り付けられた回転子永久磁石４２３の径方向の外側に固定子永久磁石４３６が微小距離Ｄ１（例えば、０．５～４ｍｍ）だけ回転子永久磁石４２３から離間しながら回転子永久磁石４２３と磁石同極並列されている。つまり、固定子永久磁石４３６は、所定角度θだけ傾斜しながら、（＋Ｘ）方向側の端面がＮ極となるとともに（－Ｘ）方向側の端面がＳ極となるように磁石支持部４３５に取り付けられている。このため、回転子永久磁石４２３の磁界と固定子永久磁石４３６の磁界とは、磁石同極並列の磁束分布を呈し、その結果、回転子永久磁石４２３と固定子永久磁石４３６との間で反発力が生じる。

また、回転子永久磁石４２３の（＋Ｘ）方向側に固定子永久磁石４３７が微小距離Ｄ２（例えば、０．５～４ｍｍ）だけ回転子永久磁石４２３から離間しながら回転子永久磁石４２３と同極対向されている。つまり、固定子永久磁石４３７は、（＋Ｘ）方向側の傾斜面と平行に傾斜しながら、（－Ｘ）方向側の端面がＮ極となるとともに（＋Ｘ）方向側の端面がＳ極となるように、図示を省略する磁石支持部を介して内周面４３４ｂに取り付けられている。このため、回転子永久磁石４２３の磁界と固定子永久磁石４３７の磁界とは、同極対向の磁束分布を呈し、その結果、回転子永久磁石４２３と固定子永久磁石４３７との間で反発力が生じる。

さらに、回転子永久磁石４２３の（－Ｘ）方向側に固定子永久磁石４３８が微小距離Ｄ３（例えば、０．５～４ｍｍ）だけ回転子永久磁石４２３から離間しながら回転子永久磁石４２３と同極対向されている。つまり、固定子永久磁石４３８は、（－Ｘ）方向側の傾斜面と平行に傾斜しながら、（－Ｘ）方向側の端面がＮ極となるとともに（＋Ｘ）方向側の端面がＳ極となるように、図示を省略する磁石支持部を介して内周面４３４ｃに取り付けられている。このため、回転子永久磁石４２３の磁界と固定子永久磁石４３８の磁界とは、同極対向の磁束分布を呈し、その結果、回転子永久磁石４２３と固定子永久磁石４３８との間で反発力が生じる。

このように回転している回転子４２と固定子４３との間には、３つの固定子永久磁石４３６～４３８に対する回転子永久磁石４２３の反発力がそれぞれ回転子永久磁石４２３の軸線方向（回転子４２の回転方向）に作用している。その結果、上記磁界の反発力により回転子４２の回転が増速され、大きな回転駆動力が生み出される。なお、本実施形態では回転子４２の初期回転を与える、また回転子４２の回転を制御するために、本実施形態では、発電機２およびモータ６の回転状態を検出するために、発電機２およびモータ６の回転シャフト（図示省略）に回転数検出器２１、６１が取り付けられ、各回転数に関する情報が制御部７に送られる。

制御部７は、例えば、各種演算処理を行うＣＰＵ、基本プログラムを記憶する読み出し専用のメモリであるＲＯＭ、各種情報を記憶する読み書き自在のメモリであるＲＡＭ、制御用ソフトウェアやデータなどを記憶しておく磁気ディスク、等を備えている。制御部７においては、プログラムに記述された手順に従って主制御部としてのＣＰＵが演算処理を行うことにより、発電システム１の各部を以下のように制御する。

発電システム１では、永久磁石回転機４の起動時に、第２クラッチ機構５を接続状態に切り替えた後でモータ６を作動させて回転シャフト４１に回転力（本発明の「外力」の一例）を与える。これにより回転子４２が回転軸ＡＸまわりに回転し始める。その後で、制御部７は、第２クラッチ機構５を接続状態から非接続状態に切り替えるとともにモータ６の回転を停止させる。このように外力が加わっていない状態であっても、３種類の固定子永久磁石４３６～４３８の磁界に対する回転子永久磁石４２３の磁界の反発力によって回転子４２の回転が継続され、永久磁石回転機４から回転駆動力が出力される。そこで、制御部７は第１クラッチ機構３を非接続状態から接続状態に切り替え、上記回転駆動力を発電機２に伝達し、発電機２を作動させて電力を出力させる。

以上のように、本実施形態によれば、永久磁石回転機４は、回転子永久磁石４２３に対し、３種類の固定子永久磁石４３６～４３８を設け、回転子の回転と同時に、回転子永久磁石４２３と固定子永久磁石４３６～４３８との間で作用する反発力を順次継続して作用させて回転子４２を回転軸ＡＸまわりに回転させ、回転駆動力を出力する。したがって、永久磁石回転機４から回転駆動力が効率的に発生し、それを発電機２に与えているため、優れた発電性能が得られる。

また、本実施形態では、各永久磁石４２３、４３６～４３８の傾きを適正化するとともに、回転子永久磁石４２３と、固定子永久磁石４３６～４３８との間隔Ｄ１～Ｄ３を適正化することで回転駆動力の出力効率を高めている。特に、傾き角度θについては、種々の実験から１８～２２゜に設定するのが望ましいことがわかった。

上記において、（＋Ｘ）方向および（－Ｘ）方向がそれぞれ本発明の「第１方向」および「第２方向」に相当している。Ｚ方向が本発明の「径方向」に相当している。また、内周面４３４ａ～３４４ｃがそれぞれ本発明の「第１内周面」、「第２内周面」、「第３内周面」の一例に相当している。また、固定子永久磁石４３６～４３８がそれぞれ本発明の「第１固定子永久磁石」、「第２固定子永久磁石」、「第３固定子永久磁石」の一例に相当している。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば回転子４２の回転中に回転子本体４２１がＸ方向に部分的に変位する、いわゆる回転子本体４２１の揺れが発生するのを防止するために、例えば図５に示すように、回転子本体４２１の中央部に揺れ止め用の永久磁石４２４を取り付けるとともに、Ｘ方向において永久磁石４２４に対して対向して永久磁石４２４の磁界と反発する磁界を発生させる永久磁石４３９を内周面４３４ｂ、４３４ｃに取り付けてもよい（第２実施形態）。

また、上記した実施形態では、回転子永久磁石４２３に対して３種類の固定子永久磁石４３６～４３８を設けているが、固定子永久磁石４３７、４３８の一方を省略してもよい。例えば、図６に示すように、回転子４２をＸ方向に２つ配列した場合、（＋Ｘ）方向側の回転子４２に対して（＋Ｘ）方向側のみに固定子永久磁石４３７を配置し、（－Ｘ）方向側の回転子４２に対して（－Ｘ）方向側のみに固定子永久磁石４３８を配置してもよい（第３実施形態）。なお、このように２つの回転子４２を並列配置する場合に、固定子本体４３１に冷却用空気を導入する空気導入孔４３１ａと内部空間４３３から空気を排気するための空気排出孔４３１ｂとを設けてもよい。この第３実施形態によれば、内部空間４３３に熱が籠るのを効果的に防止することができ、回転駆動力を高い効率で安定して出力することができる。

また、上記実施形態では、回転子永久磁石４２３と固定子永久磁石４３６との間で磁石同極並列の磁束分布による反発力を発生させ、回転子永久磁石４２３と固定子永久磁石４３７、４３８との間で磁石同極対向の磁束分布による反発力を発生させているが、反発力を発生させるための組み合わせは任意である。

この発明は、回転機構で発生する回転駆動力により発電機を作動させて発電する発電システム全般に適用することができる。

１…発電システム
２…発電機
４…永久磁石回転機
４２…回転子
４３…固定子
４２１…回転子本体
４２３…回転子永久磁石
４３１…固定子本体
４３４ａ～３４４ｃ…（固定子本体の）内周面
４３６～４３８…固定子永久磁石
ＡＸ…回転軸
Ｒ…周方向
（＋Ｘ）…第１方向
（－Ｘ）…第２方向
Ｚ…径方向

Claims (2)

1. 回転機構と発電機とが接続され、前記回転機構で発生する回転駆動力により前記発電機を作動させて発電する発電システムであって、
   前記回転機構は、
   外力を受けて回転軸まわりに回転可能に設けられる回転子本体の外周面に対し、複数の回転子永久磁石が周方向に互いに離間しながら前記外周面の全周に取り付けられた回転子と、
   少なくとも前記回転子の周縁部を径方向および前記回転軸と平行な第１方向から覆うように前記回転子から離間して設けられる固定子本体に対して複数の固定子永久磁石が取り付けられた固定子と、を備え、
   前記固定子本体は、前記周方向において前記複数の回転子永久磁石と対向する第１内周面と、前記第１方向において前記複数の回転子永久磁石と対向する第２内周面と、を有し、
   前記複数の固定子永久磁石は、
   前記径方向において前記複数の回転子永久磁石から離間するとともに前記周方向において互いに離間しながら、前記回転子永久磁石から反発する磁界を発生するように、前記第１内周面に配置される複数の第１固定子永久磁石と、
   前記第１方向において前記複数の回転子永久磁石から離間するとともに前記周方向において互いに離間しながら、前記回転子永久磁石から反発する磁界を発生するように、前記第２内周面に配置される複数の第２固定子永久磁石と、
   を有し、
   前記回転子永久磁石の磁界と前記第１固定子永久磁石の磁界との反発力と、前記回転子永久磁石の磁界と前記第２固定子永久磁石の磁界との反発力とによって、前記回転子の回転駆動力を高めることを特徴とする、発電システム。
2. 請求項１に記載の発電システムであって、
   前記固定子本体は、前記回転子の周縁部を前記回転軸と平行な第２方向から覆い、前記第２方向において前記複数の回転子永久磁石と対向する第３内周面を有し、
   前記複数の固定子永久磁石は、前記第２方向において前記複数の回転子永久磁石から離間するとともに前記周方向において互いに離間しながら、前記回転子永久磁石から反発する磁界を発生するように、前記第３内周面に配置される複数の第３固定子永久磁石を有し、前記回転子永久磁石の磁界と前記第２固定子永久磁石の磁界との反発力とによって、前記回転子の回転駆動力を高める、発電システム。

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