JP2024033652A - 発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】長時間にわたって発電量を安定させることができるとともに安価に製造できる、化石燃料を使用しない汎用型の発電システムを提供する。【解決手段】発電システムは、永久磁石６６を有する第１磁力発生部６８と、電磁石７０を有する第２磁力発生部７２と、移動駆動部７６と、位置情報取得手段と、制御部とを備える。電磁石７０を永久磁石６６に対して回転体１４の回転方向後側から近接して対向させる位置を第１位置Ｐ１とし、電磁石７０を第１位置Ｐ１から回転体１４の軸方向外側に退避させる位置を第２位置Ｐ２としたとき、移動駆動部７６は、電磁石７０を第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２との間で移動させるように構成される。制御部は、永久磁石６６が第１位置Ｐ１を通過した直後に電磁石７０を第１位置Ｐ１に移動させるように移動駆動部７６の動作を制御するとともに、永久磁石６６との間で斥力を生じさせるように電磁石７０の動作を制御する。【選択図】図６

Description

本発明は、化石燃料を使用しない汎用型の発電システムに関する。

化石燃料を使用しない発電システムとして、水力、風力、太陽光および地熱などの自然エネルギーを利用した発電システムがある。この種の発電システムの多くは、基幹エネルギー用の大型システムであり、個々の家庭や災害現場などに適した汎用型の発電システムは少ない。このような現状を踏まえて、従来から、化石燃料を使用しない汎用型の発電システムの開発が各方面で進められている。しかしながら、自然エネルギーだけを利用する発電システムでは、長時間にわたって安定した電力を得ることが困難であるという問題があった。

下記特許文献１に記載された発電システムは、自然エネルギーが乏しい場合でも大きな電力を得ることを目的とするものであり、水力や風力に加えて、永久磁石どうしの斥力を動力として利用できるように構成されている。すなわち、この発電システムは、水車等の回転軸に取り付けられた回転体と、回転体の周囲に設けられたスリーブと、回転体の表面に取り付けられた第１永久磁石と、スリーブに組み込まれた第２永久磁石とを備えており、第１永久磁石および第２永久磁石は、回転体の直径方向に対してずれた方向に斥力を生じさせるように配置されている。

実用新案登録第３１７１００４号公報

特許文献１に記載された発電システムでは、永久磁石の斥力を回転体に対して回転力として作用させることが求められるが、永久磁石の斥力の方向は回転体の回転方向に対して大きく傾斜しているため、十分な回転力を生じさせることができなかった。そのため、水力および風力などの他のエネルギー源が無ければ、動作させることができず、依然として、長時間にわたって発電量を安定させることが困難であるという問題があった。また、永久磁石の磁力を大きくした場合には、組立時に回転体とスリーブとを近接させる作業が困難になり、当該作業を容易にする特別な構成を採用しなければならない結果、製造コストが高くなるという問題があった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、その目的は、長時間にわたって発電量を安定させることができるとともに安価に製造できる、化石燃料を使用しない汎用型の発電システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る発電システムの特徴は、回転力を電力に変換する発電機と、前記回転力を生じさせる回転体と、前記回転体を回転可能に支持する支持部を有する架台と、前記回転体の軸方向側面に固定された永久磁石を有する第１磁力発生部と、前記軸方向側面に対向する前記架台の面に前記回転体の軸方向へ移動可能に設けられた電磁石を有する第２磁力発生部と、前記電磁石を前記永久磁石に対して前記回転体の回転方向後側から近接して対向させる位置を第１位置とし、前記電磁石を前記第１位置から前記回転体の軸方向外側に退避させる位置を第２位置としたとき、前記電磁石を前記第１位置と前記第２位置との間で移動させる移動駆動部と、前記第１位置に対する前記永久磁石の位置情報を取得するための位置情報取得手段と、前記位置情報に基づいて前記移動駆動部および前記電磁石の動作を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記永久磁石が前記第１位置を通過した直後に前記電磁石を前記第２位置から前記第１位置に移動させるように前記移動駆動部の動作を制御するとともに、前記永久磁石との間で斥力を生じさせるように前記電磁石の動作を制御することにある。

この構成によれば、電磁石を永久磁石に対して回転体の回転方向後側から近接して対向させることができるので、電磁石と永久磁石との間で発生する斥力を回転体に対して効率よく付与することができる。したがって、他のエネルギー源が無くても回転体を回転させることが可能であり、長時間にわたって発電量を安定させることができる。また、組立作業時には、電磁石に磁力が発生しないので、組立作業を容易にするための特別な構成は不要であり、安価に製造できる。さらに、第１磁力発生部の永久磁石は、回転体の軸方向側面に固定されるので、回転体の外周面に水車ブレードなどを取り付ける部分を確保することができる。

本発明に係る発電システムの他の特徴は、前記制御部は、前記永久磁石が前記第１位置を通過した直後に前記電磁石を前記第２位置から前記第１位置に移動させるように前記移動駆動部の動作を制御し、その後、前記永久磁石との間で斥力を生じさせるように前記電磁石の動作を制御することにある。

この構成によれば、電磁石は、永久磁石が第１位置を通過した直後に第１位置に移動されて、永久磁石との間で斥力を生じさせるので、電磁石が第１位置に移動する際には、回転体の回転を妨げる磁力の発生を抑制でき、回転体の回転効率を高めることができる。

本発明に係る発電システムの他の特徴は、前記制御部は、前記永久磁石が前記第１位置から予め定められた距離だけ離れたときに、励磁を解除するように前記電磁石の動作を制御するとともに、前記電磁石を前記第１位置から前記第２位置に移動させるように前記移動駆動部の動作を制御することにある。

この構成では、制御部は、永久磁石が第１位置から予め定められた距離だけ離れたときに、電磁石の励磁を解除して、電磁石を第２位置に移動させる。これにより、次の永久磁石を、第１位置に通して第１位置の前側に移動させることができる。

本発明に係る発電システムの他の特徴は、前記位置情報取得手段は、前記永久磁石に対して位置的に関連付けて前記回転体に設けられたマークと、前記架台に固定され、前記マークを非接触で検知するマーク検知センサーと、前記回転体の回転速度を非接触で測定する速度測定部とを有し、前記制御部は、前記マークと前記永久磁石との間の第１離間距離と、前記マークを検知する検知点と前記第１位置との間の第２離間距離と、前記マーク検知センサーが前記マークを検知した時点からの経過時間と、前記速度測定部が測定した回転速度とに基づいて、前記第１位置に対する前記永久磁石の位置を特定することにある。

この構成によれば、マーク検知センサーは、マークを非接触で検知し、速度測定部は、回転体の回転速度を非接触で測定するので、マーク検知センサーおよび速度測定部は、回転体の回転を妨げない。

本発明に係る発電システムの他の特徴は、前記回転体を水力で回転駆動させる水力駆動部を備え、前記回転体は、円筒状の外周面を有する円環状の本体部と、前記外周面に周方向へ間隔を隔てて設けられた複数の水車ブレードとを有し、前記水力駆動部は、前記水車ブレードに向けて圧力水を噴射する噴水ノズルを有し、前記第２磁力発生部は、前記噴水ノズルよりも上方に設けられることにある。

この構成によれば、回転体の動力として、電磁石と永久磁石との間で生じる斥力だけでなく、圧力水の水力を利用することができるので、回転体を安定して回転させることができる。また、第２磁力発生部は、噴水ノズルよりも上方に設けられるので、電磁石に水が付着することを防止できる。

本発明に係る発電システムの他の特徴は、前記水力駆動部は、前記噴水ノズルの下方に前記回転体の外周面に沿って設けられた水路と、前記水路から排出された水を貯めるタンクと、前記タンク内の水を前記噴水ノズルから噴射させるポンプとを有し、前記制御部は、前記ポンプの動作を制御することにある。

この構成によれば、噴水ノズルから噴射された水を、タンクに回収して再利用できるので、自然環境の影響を受けることがなく、長時間にわたって発電量を安定させることができる。

本発明に係る発電システムの他の特徴は、前記回転体を停止状態から回転起動させる回転起動部を備え、前記回転起動部は、前記回転体の回転経路に軸方向から突出して前記回転体の回転を阻止するロックピンと、前記ロックピンを前記回転経路に突出させ、または、前記回転経路から退避させるロックピン駆動部と、前記回転体の回転が前記ロックピンで阻止された状態において、前記回転体に対して回転方向へ復元力を付与するバネとを有し、前記制御部は、前記ロックピン駆動部の動作を制御することにある。

この構成によれば、回転体の回転がロックピンで阻止された状態において、バネの復元力が回転体に対して回転方向へ作用するので、ロックピン駆動部でロックピンを回転経路から退避させることによって、バネの復元力で回転体をスムーズに回転起動させることができる。

実施形態に係る発電システムの構成を示す正面から見た断面図である。 実施形態に係る発電システムの構成を示す右側面図である。 回転体を架台の第１支持部（支持部）で支持した状態を示す正面図である。 回転体を架台の第１支持部（支持部）で支持した状態を示す右側面図である。 磁力駆動部の構成を示す正面から見た断面図である。 磁力駆動部の構成を示す部分拡大右側面図である。 水力駆動部の構成を示す図であり、（Ａ）は部分拡大正面図、（Ｂ）は部分拡大右側面図である。 実施形態に係る発電システムの電気的構成を示すブロック図である。 制御部による磁力駆動部の制御動作を示すフロー図である。 （Ａ）は、磁力駆動部の第１状態を示す部分拡大右側面図、（Ｂ）は、磁力駆動部の第２状態を示す部分拡大右側面図である。 （Ｃ）は、磁力駆動部の第３状態を示す部分拡大右側面図、（Ｄ）は、磁力駆動部の第４状態を示す部分拡大右側面図である。 （Ｅ）は、磁力駆動部の第５状態を示す部分拡大右側面図、（Ｆ）は、磁力駆動部の第６状態を示す部分拡大右側面図である。 他の磁力駆動部の構成を示す部分拡大右側面図である。

以下、本発明に係る発電システムの実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明で用いる前後、左右、上下の各方向は、「回転方向の前側」および「回転方向の後側」を除いて、図面中に矢印で示す各方向と一致する。

（発電システムの構成）
図１は、実施形態に係る発電システム１０の構成を示す正面から見た断面図である。図２は、発電システム１０の構成を示す右側面図である。図３は、回転体１４を架台２０の第１支持部（支持部）５４で支持した状態を示す正面図である。図４は、回転体１４を架台２０の第１支持部（支持部）５４で支持した状態を示す右側面図である。

図２に示すように、発電システム１０は、回転力を電力に変換する発電機１２と、発電時に回転力を生じさせる回転体１４と、発電機１２と回転体１４との間に設けられた増速機１６と、発電機１２で発電された電気を蓄電する蓄電器１８と、これらを支持する架台２０とを備えている。回転体１４と増速機１６とは、第１継手２２を介して連結されており、増速機１６と発電機１２とは、第２継手２４を介して連結されている。

図示していないが、発電機１２は、外部機器が接続される出力端子と、外部機器に与える電力量に関する情報を出力する電力量出力部とを有している。蓄電器１８は、蓄電量に関する情報を出力する蓄電量出力部を有している。

また、図１に示すように、発電システム１０は、磁力を利用した磁力駆動部２６と、位置情報取得手段２８（図５）と、水力を利用した水力駆動部３０と、バネ１０４の弾性力を利用した回転起動部３２と、制御部３４とを有している。なお、図２では、図１の断面位置をI-I線で示している。

図２に示す回転体１４は、上記の磁力、水力および弾性力により回転されて、慣性力により回転状態を持続できるように構成されたフライホイールである。図４に示すように、回転体１４は、円筒状の外周面３６ａを有する円環状の本体部３６と、本体部３６の外周面３６ａに周方向へ間隔を隔てて設けられた複数の水車ブレード３８と、回転軸４０とを有している。本体部３６の直径は、特に限定されるものではないが、１～２ｍ程度であることが望ましく、本実施形態では、１ｍに定められている。

また、図３に示すように、回転体１４は、回転軸４０を支持する円柱状の軸支持部４２と、本体部３６と軸支持部４２との間に放射状に延びて設けられた複数（本実施形態では９本）の連結棒４４とを有している。本実施形態では、９本の連結棒４４のうち、１２０度の角度間隔を隔てて設けられた３本の連結棒４４を除いた残りの６本の連結棒４４に対して、慣性質量を切り替えるための慣性質量切替え機構４６が設けられている。

慣性質量切替え機構４６は、連結棒４４に沿って移動可能に構成された錘４８と、軸支持部４２に設けられ、錘４８を磁力で吸着できるように構成された錘吸着用電磁石５０と、本体部３６に設けられ、錘４８を磁力で吸着できるように構成された錘吸着用永久磁石５２とを有している。錘吸着用電磁石５０には、蓄電器１８が接続されており、錘吸着用電磁石５０の動作は、制御部３４で制御される。

回転体１４が回転駆動される前の段階では、図３に示すように、錘４８は、励磁された錘吸着用電磁石５０に吸着されて、回転体１４の中心付近で保持される。回転体１４が回転駆動された後に、錘吸着用電磁石５０の励磁が解除されると、錘４８は、遠心力および重力で回転体１４の外周部に向けて移動され、錘吸着用永久磁石５２に吸着されて保持される（図示省略）。制御部３４は、回転体１４の回転数が予め定められた回転数に到達したことを検知したとき、励磁を解除するように錘吸着用電磁石５０の動作を制御する。

図２に示すように、架台２０は、回転体１４を回転可能に支持する第１支持部（支持部）５４と、発電機１２、増速機１６および蓄電器１８を支持する第２支持部５６と、第１支持部（支持部）５４に対して固定された中空の直方体状（箱状）のハウジング５８とを有している。

図４に示すように、第１支持部（支持部）５４は、回転体１４の軸方向の両側に配置された前脚部６０ａおよび後脚部６０ｂを有しており、前脚部６０ａおよび後脚部６０ｂのそれぞれの上部には、回転体１４の回転軸４０を回転可能に支持する軸受け６２ａ，６２ｂが設けられている。

図２に示すように、ハウジング５８は、前脚部６０ａと回転体１４との間に配置された前壁部６４ａと、後脚部６０ｂと回転体１４との間に配置された後壁部６４ｂとを有している。また、図１に示すように、ハウジング５８は、回転体１４の左側に配置された左壁部６４ｃと、回転体１４の右側に配置された右壁部６４ｄと、回転体１４の下側に配置された下壁部６４ｅと、回転体１４の上側に配置された上壁部６４ｆとを有している。そして、図２に示すように、前壁部６４ａが前脚部６０ａに固定されており、後壁部６４ｂが後脚部６０ｂに固定されている。

図２に示す磁力駆動部２６は、回転体１４の軸方向側面に固定された複数の永久磁石６６を有する第１磁力発生部６８と、回転体１４の軸方向側面に対向する架台２０（ハウジング５８）の面に回転体１４の軸方向へ移動可能設けられた複数の電磁石７０を有する第２磁力発生部７２と、電磁石７０を移動させる複数のプッシュプルソレノイド７４を有する移動駆動部７６とを有している。

図３に示すように、本実施形態の第１磁力発生部６８は、回転体１４の前側の側面１４ａに４０度の角度間隔で設けられた９個の永久磁石６６と、回転体１４の後側の側面１４ｂ（図４）に４０度の角度間隔で設けられた９個の永久磁石６６とを有している。

図６は、磁力駆動部２６の構成を示す部分拡大右側面図である。図６に示すように、各永久磁石６６は、回転体１４の周方向へ長い直方体状に形成されており、各永久磁石６６の極性は、回転体１４の回転方向（図６中の白抜き矢印方向）の前側（回転方向前側）がＳ極とされ、回転体１４の回転方向の後側（回転方向後側）がＮ極とされている。回転体１４の軸方向の前側（軸方向前側）の９個の永久磁石６６と、回転体１４の軸方向の後側（軸方向後側）の９個の永久磁石６６とは、回転体１４の軸方向において完全に重なるように配置されている。

図５は、磁力駆動部２６の構成を示す正面から見た断面図である。図５に示すように、第２磁力発生部７２は、架台２０を構成するハウジング５８の後壁部６４ｂに４０度の角度間隔で設けられた６個の電磁石７０と、ハウジング５８の前壁部６４ａ（図６）に４０度の角度間隔で設けられた６個の電磁石７０とを有している。図５では、第１磁力発生部６８を二点鎖線（仮想線）で示している。

図６に示すように、各電磁石７０は、回転体１４の周方向へ長い直方体状に形成されており、各電磁石７０の励磁されたときの極性は、回転体１４の回転方向の前側（回転方向前側）がＮ極とされ、回転体１４の回転方向の後側（回転方向後側）がＳ極とされている。回転体１４の軸方向の前側（軸方向前側）の６個の電磁石７０と、回転体１４の軸方向の後側（軸方向後側）の６個の電磁石７０とは、回転体１４の軸方向において完全に重なるように配置されている。

図５に示すように、移動駆動部７６は、架台２０を構成するハウジング５８の後壁部６４ｂに４０度の角度間隔で設けられた６個のプッシュプルソレノイド７４と、ハウジング５８の前壁部６４ａ（図６）に４０度の角度間隔で設けられた６個のプッシュプルソレノイド７４とを有している。図６中の二点鎖線（仮想線）で示すように、各プッシュプルソレノイド７４は、電磁石７０を回転体１４の軸方向へ往復移動させるように構成されている。したがって、プッシュプルソレノイド７４の数は、電磁石７０の数と一致する。各プッシュプルソレノイド７４の本体部７４ａは、回転体１４の軸方向側面に対向する架台２０（ハウジング５８）の面に設けられた凹部７８に収容されている。

図６に示すように、電磁石７０を永久磁石６６に対して回転体１４の回転方向後側から近接して対向させる位置を第１位置Ｐ１とし、電磁石７０を第１位置Ｐ１から回転体１４の軸方向外側に退避させる位置を第２位置Ｐ２としたとき、移動駆動部７６は、電磁石７０を第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２との間で移動させるように構成されている。各プッシュプルソレノイド７４のストロークは、特に限定されるものではないが、本実施形態では、３５ｍｍに定められている。

図５に示すように、第２磁力発生部７２は、噴水ノズル９０ａ～９０ｃよりも上方に配置されている。つまり、１２個の電磁石７０および１２個のプッシュプルソレノイド７４は、水力駆動部３０の噴水ノズル９０ａ～９０ｃよりも上方に配置されている。

図５に示す位置情報取得手段２８は、第１位置Ｐ１に対する永久磁石６６の位置情報を取得するための手段である。図５に示すように、位置情報取得手段２８は、永久磁石６６に対して位置的に関連付けて回転体１４に設けられた９個の第１マーク（マーク）８０と、架台２０に固定され、各第１マーク（マーク）８０を非接触で検知する１個の第１マーク検知センサー（マーク検知センサー）８２と、回転体１４の回転速度を非接触で測定する速度測定部８４とを有している。

第１マーク検知センサー（マーク検知センサー）８２は、具体的には、図示しない投光部と受光部とを有する光電センサーであり、各第１マーク（マーク）８０は、光を反射させる反射板である。第１マーク検知センサー（マーク検知センサー）８２の投光部から投光された光は、第１マーク（マーク）８０で反射されて、受光部で受光される。

図５に示すように、位置情報取得手段２８の速度測定部８４は、回転体１４に設けられた２個の第２マーク８６と、各第２マーク８６を非接触で検知する１個の第２マーク検知センサー８８と、制御部３４（図８）とを有している。図８に示す制御部３４は、速度測定部８４の一部として機能する。

第２マーク検知センサー８８は、具体的には、投光部と受光部とを有する光電センサーであり、２個の第２マーク８６は、光を反射させる反射板である。第２マーク検知センサー８８の投光部から投光された光は、第２マーク８６で反射されて、受光部で受光される。図８に示す制御部３４は、第２マーク検知センサー８８が２個の第２マーク８６を検知したときの時間間隔と２個の第２マーク８６の離間距離とに基づいて、回転体１４の回転速度を算出する。

図８に示す制御部３４は、位置情報取得手段２８が取得した位置情報に基づいて移動駆動部７６および電磁石７０の動作を制御する機能を有している。つまり、図５を参照して、制御部３４は、各第１マーク（マーク）８０と各永久磁石６６との離間距離と、第１マーク（マーク）８０を検知する検知点Ｐ３と各第１位置Ｐ１との離間距離と、第１マーク検知センサー（マーク検知センサー）８２が第１マーク（マーク）８０を検知した時点からの経過時間と、速度測定部８４が測定した回転速度とに基づいて、各第１位置Ｐ１に対する各永久磁石６６の位置を特定する。そして、制御部３４は、各永久磁石６６の位置情報に基づいて、プッシュプルソレノイド７４および電磁石７０を制御する。なお、これらの制御動作については、後に詳細に説明する。

図１に示す水力駆動部３０は、加圧水の水力を利用して回転体１４を回転駆動させる部分である。図７は、水力駆動部３０の構成を示す図であり、（Ａ）は部分拡大正面図、（Ｂ）は部分拡大右側面図である。図７（Ａ），（Ｂ）に示すように、水力駆動部３０は、３本の噴水ノズル９０ａ～９０ｃと、噴水ノズル９０ａ～９０ｃの下方に回転体１４の外周面に沿って設けられた水路９２と、水路９２から排出された水を貯めるタンク９４と、タンク９４内の水を噴水ノズル９０ａ～９０ｃから噴射させるポンプ９６とを有している。

２本の噴水ノズル９０ａ，９０ｂは、回転体１４の接線方向に向けられており、主に、回転体１４の水車ブレード３８に向けて加圧水を噴射するように構成されている。したがって、噴水ノズル９０ａ，９０ｂから噴射される加圧水が少量の場合でも、回転体１４を効率よく回転させることができる。なお、図７（Ａ）において、噴水ノズル９０ｂは、噴水ノズル９０ａに隠れて見えない。残りの１本の噴水ノズル９０ｃは、回転体１４の接線方向よりも中心側に向けられており、回転体１４の本体部３６および水車ブレード３８の両方に向けて加圧水を噴射するように構成されている。したがって、噴水ノズル９０ｃから噴射される加圧水が多量の場合でも、水車ブレード３８が受ける圧力を低減でき、水車ブレード３８は損傷され難い。

ポンプ９６は、３本の噴水ノズル９０ａ～９０ｃのそれぞれに加圧水を供給するための３本の水路と、３本の水路を切り替えて使用するように構成された弁機構とを有している。３本の水路は、噴水ノズル９０ｃから噴射される加圧水の水量が、噴水ノズル９０ａ，９０ｂから噴射される加圧水の合計水量よりも多くなるように構成されている。図５に示すように、本実施形態では、第２磁力発生部７２が噴水ノズル９０ａ～９０ｃよりも上方に配置されているので、噴水ノズル９０ａ～９０ｃから噴射された水は、電磁石７０およびプッシュプルソレノイド７４に付着し難い。

図８に示す制御部３４は、回転体１４を標準速度（例えば、１分間に１０回転）で回転駆動させるときには、噴水ノズル９０ａ，９０ｂから加圧水を噴射させるようにポンプ９６の動作を制御する。また、制御部３４は、回転体１４を高速（例えば、１分間に１５回転）で回転駆動させるときには、噴水ノズル９０ｃから加圧水を噴射させるようにポンプ９６の動作を制御し、或いは、全ての噴水ノズル９０ａ～９０ｃから加圧水を噴射させるようにポンプ９６の動作を制御する。さらに、制御部３４は、回転体１４を低速（例えば、１分間に６回転）で回転駆動させるときには、噴水ノズル９０ａ～９０ｃから加圧水を噴射させないようにポンプ９６の動作を制御する。つまり、ポンプ９６を停止させる。

図１に示す回転起動部３２は、回転体１４を停止状態から回転起動させる部分である。図１に示すように、回転起動部３２は、回転体１４の回転経路Ｒに軸方向から突出して回転体１４の回転を阻止するロックピン１００と、ロックピン１００を回転経路Ｒに対して突出させ、または、退避させるロックピン駆動部１０２とを有している。また、回転起動部３２は、回転体１４の回転がロックピン１００で阻止された状態において、回転体１４に対して回転方向へ復元力（弾性力）を付与するバネ１０４を有している。

さらに、回転起動部３２は、バネ１０４の先端部に設けられたフック１０６と、バネ１０４を回転経路Ｒの径方向の外側に退避させるバネ退避機構１０８と、フック１０６を水車ブレード３８に引掛けるとともに、バネ１０４を引き伸ばすバネ引き機構１１０とを有している。

バネ退避機構１０８は、架台２０に固定された巻取りバネ１０８ａと、巻取りバネ１０８ａで巻き取られるワイヤ１０８ｂとを有しており、ワイヤ１０８ｂの先端がフック１０６またはバネ１０４に接続されている。バネ引き機構１１０は、バネ１０４の基端部を回動可能に支持するバネ支持部１１０ａと、バネ１０４を回転体１４側へ回動させるとともに、バネ１０４を引き伸ばすバネ引き部１１０ｂとを有している。バネ引き部１１０ｂの動力としては、手動、モータおよびエアシリンダなどを使用できるが、本実施形態では、モータが使用されている。

図１に示す発電システム１０は、回転体１４が回転駆動されている状態にあり、回転起動部３２のバネ１０４は、回転経路Ｒの外側に退避されている。停止されている状態の回転体１４を起動させるとき、制御部３４（図８）は、まず、起動準備動作を実行し、その後、起動動作を実行する。

起動準備動作において、制御部３４は、ロックピン１００を回転経路Ｒに突出させるようにロックピン駆動部１０２の動作を制御する。続いて、制御部３４は、バネ１０４を回転体１４に近接する方向へ回動させるとともに、バネ支持部１１０ａ側へ引っ張るようにバネ引き部１１０ｂの動作を制御する。バネ１０４が回転体１４に近接したとき、フック１０６の先端部は、複数の水車ブレード３８の外接円よりも内側に配置される。したがって、バネ引き部１１０ｂでバネ１０４を引っ張ると、フック１０６が水車ブレード３８に引掛けられて、バネ１０４が引き伸ばされる。これにより、回転体１４には、バネ１０４の復元力（弾性力）が回転方向へ付与される。

起動動作において、制御部３４は、ロックピン１００を回転経路Ｒから退避させるようにロックピン駆動部１０２の動作を制御する。すると、回転体１４の回転が許容されるので、回転体１４は、バネ１０４の復元力（弾性力）によって回転される。回転体１４が回転されると、水車ブレード３８に対するフック１０６の引掛け状態が解除されるので、バネ１０４は、巻取りバネ１０８ａで巻き取られるワイヤ１０８ｂに引かれて、回転経路Ｒの径方向の外側に移動される。

図１に示す制御部３４は、発電システム１０を構成する各種の電気機器の動作を制御する部分であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなるマイクロコンピュータ（図示省略）によって構成されている。ＣＰＵには、タイマーが組み込まれており、ＲＯＭには、発電システム１０を構成する各電気部品の動作プログラムが記憶されている。

図８は、発電システム１０の電気的構成を示すブロック図である。図８に示すように、制御部３４には、発電機１２、蓄電器１８、錘吸着用電磁石５０、複数の電磁石７０、複数のプッシュプルソレノイド７４、第１マーク検知センサー（マーク検知センサー）８２、第２マーク検知センサー８８、ポンプ９６、複数のバネ引き部１１０ｂおよびロックピン駆動部１０２が電気的に接続されている。

（発電システムの動作）
発電システム１０を用いて発電する際には、まず、制御部３４は、回転体１４を回転起動させるように回転起動部３２（図１）の動作を制御する。その後、制御部３４は、永久磁石６６と電磁石７０との間に斥力を生じさせるように磁力駆動部２６（図６）の動作を制御し、回転体１４を安定して回転させる。回転体１４が回転されると、その回転力が発電機１２（図２）に与えられて発電される。発電機１２で発電された電気は、蓄電器１８（図２）に蓄電され、或いは、外部機器（図示省略）に供給される。制御部３４に接続された上記の各電気部品（発電機１２および蓄電器１８を除く。）は、蓄電器１８から供給される電力で駆動される。

蓄電器１８の蓄電量に関する情報は、蓄電器１８の蓄電量出力部（図示省略）から制御部３４に与えられ、外部機器の消費電力量に関する情報は、発電機１２の電力量出力部（図示省略）から制御部３４に与えられる。制御部３４は、これらの情報に基づいて、必要な発電量を把握する。必要な発電量が少ない場合、制御部３４は、回転体１４を低速（例えば、１分間に６回転）で回転駆動させるように磁力駆動部２６（図６）の動作を制御する。このとき、制御部３４は、圧力水の噴射を停止させるようにポンプ９６の動作を制御する。必要な発電量が多くなると、制御部３４は、圧力水の噴射によって回転体１４を標準速度（例えば、１分間に１０回転）または高速（例えば、１分間に１５回転）で回転駆動させるようにポンプ９６の動作を制御する。

図９は、制御部３４による磁力駆動部２６の制御動作を示すフロー図である。図１０（Ａ）は、磁力駆動部２６の第１状態を示す部分拡大右側面図、図１０（Ｂ）は、磁力駆動部２６の第２状態を示す部分拡大右側面図である。図１１（Ｃ）は、磁力駆動部２６の第３状態を示す部分拡大右側面図、図１１（Ｄ）は、磁力駆動部２６の第４状態を示す部分拡大右側面図である。図１２（Ｅ）は、磁力駆動部２６の第５状態を示す部分拡大右側面図、図１２（Ｆ）は、磁力駆動部２６の第６状態を示す部分拡大右側面図である。

以下では、図９のフロー図に従って、制御部３４による磁力駆動部２６の制御動作について説明する。なお、慣性質量切替え機構４６、回転起動部３２および水力駆動部３０の制御動作は、既に説明した通りである。

図９に示すように、磁力駆動部２６の動作プログラムが開始されると、ステップＳ１において、制御部３４は、回転体１４の回転速度を検出し、ステップ３において、制御部３４は、各第１位置Ｐ１に対する各永久磁石６６の位置を検出する。回転体１４の回転速度を検出する方法および各永久磁石６６の位置を検出する方法は、上記の通りであり、ここでの説明は省略する。

次のステップＳ５において、制御部３４は、各永久磁石６６が予め定められた押出し指示位置Ｑ１に到達したか否かを判断し、「ＹＥＳ」と判断すると、ステップＳ７に進み、「ＮＯ」と判断すると、押出し指示位置Ｑ１に到達するまで待機する。押出し指示位置Ｑ１は、プッシュプルソレノイド７４に対して押出し動作の開始を指示する時点に対応する永久磁石６６の位置である。図１０（Ａ）は、各永久磁石６６が押出し指示位置Ｑ１に到達していない状態（第１状態）を示しており、図１０（Ｂ）は、各永久磁石６６が押出し指示位置Ｑ１に到達した状態（第２状態）を示している。

ステップＳ７において、制御部３４は、電磁石７０を第２位置Ｐ２から第１位置Ｐ１に移動させるようにプッシュプルソレノイド７４の動作を制御し、ステップＳ９において、制御部３４は、永久磁石６６との間で斥力を生じさせるように電磁石７０の動作を制御する。つまり、電磁石７０を励磁させる。上記の押出し指示位置Ｑ１は、永久磁石６６が第１位置Ｐ１を通過した直後に、電磁石７０を第２位置Ｐ２から第１位置Ｐ１に移動させることができるように定められている。図１１（Ｃ）は、電磁石７０を第２位置Ｐ２から第１位置Ｐ１に移動させた状態（第３状態）を示しており、図１１（Ｄ）は、電磁石７０を励磁させた状態（第４状態）を示している。なお、図１０（Ａ），（Ｂ）に示すように、第１位置Ｐ１にある電磁石７０は励磁されていない。

ステップＳ１１において、制御部３４は、各永久磁石６６が予め定められた引込み指示位置Ｑ２に到達したか否かを判断し、「ＹＥＳ」と判断すると、ステップＳ１３に進み、「ＮＯ」と判断すると、引込み指示位置Ｑ２に到達するまで待機する。引込み指示位置Ｑ２は、プッシュプルソレノイド７４に対して引戻し動作の開始を指示する時点に対応する永久磁石６６の位置であり、第１位置Ｐ１から予め定められた距離だけ離れた位置に定められている。図１２（Ｅ）は、各永久磁石６６が引込み指示位置Ｑ２に到達していない状態（第５状態）を示しており、図１２（Ｆ）は、各永久磁石６６が引込み指示位置Ｑ２に到達した状態（第６状態）を示している。

第１位置Ｐ１から引込み指示位置Ｑ２までの距離は、特に限定されるものではないが、電磁石７０の回転方向前側に位置する永久磁石６６と電磁石７０との間に生じる斥力を十分に低減させることができる距離であってもよいし、電磁石７０の回転方向後側に位置する永久磁石６６と電磁石７０との間に吸引力を生じさせることができる距離であってもよい。

ステップＳ１３において、制御部３４は、励磁を解除するように電磁石７０の動作を制御し、ステップＳ１５において、制御部３４は、電磁石７０を第１位置Ｐ１から第２位置Ｐ２に移動させるようにプッシュプルソレノイド７４の動作を制御する。図１２（Ｆ）は、電磁石７０の励磁を解除して、電磁石７０を第１位置Ｐ１から第２位置Ｐ２に移動させた状態を示している。

次のステップＳ１７において、制御部３４は、磁力駆動部２６の制御動作を終了するか否かを判断し、「ＹＥＳ」と判断すると終了し、「ＮＯ」と判断すると、ステップＳ１に戻る。

（発電システムの効果）
本実施形態によれば、上記構成により以下の各効果を奏することができる。すなわち、図１１（Ｄ）に示すように、電磁石７０を永久磁石６６に対して回転体１４の回転方向後側から近接して対向させることができるので、電磁石７０と永久磁石６６との間で発生する斥力を回転体１４に対して効率よく付与することができる。したがって、水力駆動部３０などの他のエネルギー源が無くても回転体１４を回転させることが可能であり、長時間にわたって発電量を安定させることができる。

また、発電システム１０の組立作業時には、電磁石７０に磁力が発生しないので、組立作業を容易にするための特別な構成は不要であり、安価に製造できる。さらに、第１磁力発生部６８の永久磁石６６は、回転体１４の軸方向側面に固定されるので、回転体１４の外周面に水車ブレード３８などを取り付ける部分を確保することができる。

図１１（Ｃ），（Ｄ）に示すように、電磁石７０は、永久磁石６６が第１位置Ｐ１を通過した直後に第１位置Ｐ１に移動されて、永久磁石６６との間で斥力を生じさせるので、電磁石７０が第１位置Ｐ１に移動する際には、回転体１４の回転を妨げる磁力の発生を抑制して、回転効率を高めることができる。

図１２（Ｆ）に示すように、制御部３４は、永久磁石６６が第１位置Ｐ１から予め定められた距離だけ離れたときに、電磁石７０の励磁を解除して、電磁石７０を第１位置Ｐ１から第２位置Ｐ２に移動させるので、次の永久磁石６６を、第１位置Ｐ１に通して第１位置Ｐ１の前側に移動させることができる。

図５に示すように、位置情報取得手段２８の第１マーク検知センサー（マーク検知センサー）８２は、各第１マーク（マーク）８０を非接触で検知し、位置情報取得手段２８の速度測定部８４は、回転体１４の回転速度を非接触で測定するので、第１マーク検知センサー（マーク検知センサー）８２および速度測定部８４は、回転体１４の回転を妨げない。

図５に示すように、発電システム１０は、磁力駆動部２６および水力駆動部３０を備えているので、回転体１４の動力として、電磁石７０と永久磁石６６との間で生じる斥力だけでなく、圧力水の水力を利用することができる。また、第２磁力発生部７２は、噴水ノズル９０ａ～９０ｃよりも上方に設けられるので、電磁石７０およびプッシュプルソレノイド７４に水が付着することを防止できる。

図１に示すように、噴水ノズル９０ａ～９０ｃから噴射された水を、タンク９４に回収して再利用できるので、自然環境の影響を受けることがなく、長時間にわたって発電量を安定させることができる。また、回転起動部３２では、バネ１０４の復元力（弾性力）で回転体１４をスムーズに回転起動させることができる。

（変形例）
本発明の実施にあたっては、上記の実施形態に限定されず、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、図６に示す各永久磁石６６および各電磁石７０の極性は、Ｓ極とＮ極が逆にされてもよい。また、永久磁石６６および電磁石７０の数は、特に限定されるものではなく、少なくとも１つでよい。ただし、数を変更する場合でも、複数の電磁石７０の角度間隔は、複数の永久磁石６６の角度間隔と一致させる必要がある。

上記実施形態では、ポンプ９６を有する水力駆動部３０が用いられているが、これに代えて、自然の水流を利用した他の水力駆動部や、風力、太陽光および地熱などの自然エネルギーを利用した駆動部が用いられてもよい。また、水力駆動部３０を構成する噴水ノズル９０ａ～９０ｃのそれぞれから噴射される加圧水の水量の比率は、適宜変更されてもよい。

上記実施形態では、電磁石７０が第２位置Ｐ２から第１位置Ｐ１に移動された後に、永久磁石６６との間で斥力が生じるように電磁石７０の動作が制御されるが、電磁石７０が第２位置Ｐ２から第１位置Ｐ１に移動される前に、永久磁石６６との間で斥力が生じるように電磁石７０の動作が制御されてもよい。

上記実施形態では、移動駆動部７６がプッシュプルソレノイド７４を有しているが、プッシュプルソレノイド７４に代えて、ボールねじ機構、リンク機構、エアシリンダおよび油圧シリンダなどが使用されてもよい。

上記実施形態では、位置情報取得手段２８の第１マーク検知センサー（マーク検知センサー）８２および第２マーク検知センサー８８が、第１マーク（マーク）８０および第２マーク８６を非接触で検知する非接触センサーとして構成されているが、これらは、物理的な接触により検知する接触センサー（図示省略）として構成されてもよい。

上記実施形態では、図３に示す９本の連結棒４４のうち６本に、慣性質量切替え機構４６が設けられているが、連結棒４４および慣性質量切替え機構４６の数は、適宜変更されてもよい。また、上記実施形態では、図３に示す錘吸着用電磁石５０に対して蓄電器１８から電力が供給されるが、回転体１４に取り付けられた乾電池（図示省略）から電力が供給されてもよい。さらに、錘吸着用電磁石５０の動作は、回転体１４に取り付けられた専用の制御部（図示省略）で制御されてもよい。

上記実施形態では、永久磁石６６および電磁石７０が、回転体１４の周方向へ長い直方体状に形成されているが、これらは、回転体１４の周方向へ長い円柱状、楕円柱状および異形状などに形成されてもよい。また、電磁石７０は、回転体１４の径方向へ長い形状に形成されてもよい。

図１３は、他の磁力駆動部１１２の構成を示す部分拡大右側面図である。図１３に示す他の磁力駆動部１１２では、電磁石１１４が回転体１４の径方向へ長い円柱状に形成されており、電磁石１１４の突出方向の先端側がＮ極とされ、基端側がＳ極とされている。この場合でも、電磁石１１４と永久磁石６６との間に斥力を生じさせることができるので、回転体１４を回転駆動させることができる。

Ｐ１…第１位置、Ｐ２…第２位置、Ｑ１…押出し指示位置、Ｑ２…引込み指示位置、１０…発電システム、１２…発電機、１４ａ…前側の側面、１４ｂ…後側の側面、１４…回転体、１６…増速機、１８…蓄電器、２０…架台、２６，１１２…磁力駆動部、２８…位置情報取得手段、３０…水力駆動部、３２…回転起動部、３４…制御部、３８…水車ブレード、４６…慣性質量切替え機構、５８…ハウジング、６６…永久磁石、６８…第１磁力発生部、７０，１１４…電磁石、７２…第２磁力発生部、７４…プッシュプルソレノイド、７６…移動駆動部、８０…第１マーク（マーク）、８２…第１マーク検知センサー（マーク検知センサー）、８４…速度測定部、８６…第２マーク、８８…第２マーク検知センサー、９０ａ～９０ｃ…噴水ノズル、９２…水路、９４…タンク、９６…ポンプ、１００…ロックピン。

実用新案登録第３１７１０４４号公報

上記目的を達成するため、本発明に係る発電システムの特徴は、回転力を電力に変換する発電機と、前記回転力を生じさせる回転体と、前記回転体を回転可能に支持する支持部を有する架台と、前記回転体の軸方向側面に固定された永久磁石を有する第１磁力発生部と、前記軸方向側面に対向する前記架台の面に前記回転体の軸方向へ移動可能に設けられた電磁石を有する第２磁力発生部と、前記電磁石を前記永久磁石に対して前記回転体の回転方向後側から近接して対向させる位置を第１位置とし、前記電磁石を前記第１位置から前記回転体の軸方向外側に退避させる位置を第２位置としたとき、前記電磁石を前記第１位置と前記第２位置との間で移動させる移動駆動部と、前記第１位置に対する前記永久磁石の位置情報を取得するための位置情報取得手段と、前記位置情報に基づいて前記移動駆動部および前記電磁石の動作を制御する制御部とを備え、前記位置情報取得手段は、前記永久磁石に対して位置的に関連付けて前記回転体に設けられたマークと、前記架台に固定され、前記マークを非接触で検知するマーク検知センサーと、前記回転体の回転速度を非接触で測定する速度測定部とを有し、前記制御部は、前記マークと前記永久磁石との間の第１離間距離と、前記マークを検知する検知点と前記第１位置との間の第２離間距離と、前記マーク検知センサーが前記マークを検知した時点からの経過時間と、前記速度測定部が測定した回転速度とに基づいて、前記第１位置に対する前記永久磁石の位置を特定し、前記永久磁石が前記第１位置を通過した直後に前記電磁石を前記第２位置から前記第１位置に移動させるように前記移動駆動部の動作を制御するとともに、前記永久磁石との間で斥力を生じさせるように前記電磁石の動作を制御することにある。

また、マーク検知センサーは、マークを非接触で検知し、速度測定部は、回転体の回転速度を非接触で測定するので、マーク検知センサーおよび速度測定部は、回転体の回転を妨げない。

本発明に係る発電システムの他の特徴は、回転力を電力に変換する発電機と、前記回転力を生じさせる回転体と、前記回転体を回転可能に支持する支持部を有する架台と、前記回転体の軸方向側面に固定された永久磁石を有する第１磁力発生部と、前記軸方向側面に対向する前記架台の面に前記回転体の軸方向へ移動可能に設けられた電磁石を有する第２磁力発生部と、前記電磁石を前記永久磁石に対して前記回転体の回転方向後側から近接して対向させる位置を第１位置とし、前記電磁石を前記第１位置から前記回転体の軸方向外側に退避させる位置を第２位置としたとき、前記電磁石を前記第１位置と前記第２位置との間で移動させる移動駆動部と、前記第１位置に対する前記永久磁石の位置情報を取得するための位置情報取得手段と、前記回転体を水力で回転駆動させる水力駆動部と、前記位置情報に基づいて前記移動駆動部および前記電磁石の動作を制御する制御部とを備え、前記回転体は、円筒状の外周面を有する円環状の本体部と、前記外周面に周方向へ間隔を隔てて設けられた複数の水車ブレードとを有し、前記水力駆動部は、前記水車ブレードに向けて圧力水を噴射する噴水ノズルを有し、前記第２磁力発生部は、前記噴水ノズルよりも上方に設けられ、前記制御部は、前記永久磁石が前記第１位置を通過した直後に前記電磁石を前記第２位置から前記第１位置に移動させるように前記移動駆動部の動作を制御するとともに、前記永久磁石との間で斥力を生じさせるように前記電磁石の動作を制御することにある。

本発明に係る発電システムの他の特徴は、回転力を電力に変換する発電機と、前記回転力を生じさせる回転体と、前記回転体を回転可能に支持する支持部を有する架台と、前記回転体の軸方向側面に固定された永久磁石を有する第１磁力発生部と、前記軸方向側面に対向する前記架台の面に前記回転体の軸方向へ移動可能に設けられた電磁石を有する第２磁力発生部と、前記電磁石を前記永久磁石に対して前記回転体の回転方向後側から近接して対向させる位置を第１位置とし、前記電磁石を前記第１位置から前記回転体の軸方向外側に退避させる位置を第２位置としたとき、前記電磁石を前記第１位置と前記第２位置との間で移動させる移動駆動部と、前記第１位置に対する前記永久磁石の位置情報を取得するための位置情報取得手段と、前記位置情報に基づいて前記移動駆動部および前記電磁石の動作を制御する制御部と、前記回転体を停止状態から回転起動させる回転起動部を備え、前記回転起動部は、前記回転体の回転経路に軸方向から突出して前記回転体の回転を阻止するロックピンと、前記ロックピンを前記回転経路に突出させ、または、前記回転経路から退避させるロックピン駆動部と、前記回転体の回転が前記ロックピンで阻止された状態において、前記回転体に対して回転方向へ復元力を付与するバネとを有し、前記制御部は、前記永久磁石が前記第１位置を通過した直後に前記電磁石を前記第２位置から前記第１位置に移動させるように前記移動駆動部の動作を制御するとともに、前記永久磁石との間で斥力を生じさせるように前記電磁石の動作を制御し、さらに、前記ロックピン駆動部の動作を制御することにある。

Claims (7)

1. 回転力を電力に変換する発電機と、
   前記回転力を生じさせる回転体と、
   前記回転体を回転可能に支持する支持部を有する架台と、
   前記回転体の軸方向側面に固定された永久磁石を有する第１磁力発生部と、
   前記軸方向側面に対向する前記架台の面に前記回転体の軸方向へ移動可能に設けられた電磁石を有する第２磁力発生部と、
   前記電磁石を前記永久磁石に対して前記回転体の回転方向後側から近接して対向させる位置を第１位置とし、前記電磁石を前記第１位置から前記回転体の軸方向外側に退避させる位置を第２位置としたとき、前記電磁石を前記第１位置と前記第２位置との間で移動させる移動駆動部と、
   前記第１位置に対する前記永久磁石の位置情報を取得するための位置情報取得手段と、
   前記位置情報に基づいて前記移動駆動部および前記電磁石の動作を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記永久磁石が前記第１位置を通過した直後に前記電磁石を前記第２位置から前記第１位置に移動させるように前記移動駆動部の動作を制御するとともに、前記永久磁石との間で斥力を生じさせるように前記電磁石の動作を制御する、発電システム。
2. 前記制御部は、前記永久磁石が前記第１位置を通過した直後に前記電磁石を前記第２位置から前記第１位置に移動させるように前記移動駆動部の動作を制御し、その後、前記永久磁石との間で斥力を生じさせるように前記電磁石の動作を制御する、請求項１に記載の発電システム。
3. 前記制御部は、前記永久磁石が前記第１位置から予め定められた距離だけ離れたときに、励磁を解除するように前記電磁石の動作を制御するとともに、前記電磁石を前記第１位置から前記第２位置に移動させるように前記移動駆動部の動作を制御する、請求項２に記載の発電システム。
4. 前記位置情報取得手段は、前記永久磁石に対して位置的に関連付けて前記回転体に設けられたマークと、前記架台に固定され、前記マークを非接触で検知するマーク検知センサーと、前記回転体の回転速度を非接触で測定する速度測定部とを有し、
   前記制御部は、前記マークと前記永久磁石との間の第１離間距離と、前記マークを検知する検知点と前記第１位置との間の第２離間距離と、前記マーク検知センサーが前記マークを検知した時点からの経過時間と、前記速度測定部が測定した回転速度とに基づいて、前記第１位置に対する前記永久磁石の位置を特定する、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の発電システム。
5. 前記回転体を水力で回転駆動させる水力駆動部を備え、
   前記回転体は、円筒状の外周面を有する円環状の本体部と、前記外周面に周方向へ間隔を隔てて設けられた複数の水車ブレードとを有し、
   前記水力駆動部は、前記水車ブレードに向けて圧力水を噴射する噴水ノズルを有し、前記第２磁力発生部は、前記噴水ノズルよりも上方に設けられる、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の発電システム。
6. 前記水力駆動部は、前記噴水ノズルの下方に前記回転体の外周面に沿って設けられた水路と、前記水路から排出された水を貯めるタンクと、前記タンク内の水を前記噴水ノズルから噴射させるポンプとを有し、
   前記制御部は、前記ポンプの動作を制御する、請求項５項に記載の発電システム。
7. 前記回転体を停止状態から回転起動させる回転起動部を備え、
   前記回転起動部は、前記回転体の回転経路に軸方向から突出して前記回転体の回転を阻止するロックピンと、前記ロックピンを前記回転経路に突出させ、または、前記回転経路から退避させるロックピン駆動部と、前記回転体の回転が前記ロックピンで阻止された状態において、前記回転体に対して回転方向へ復元力を付与するバネとを有し、
   前記制御部は、前記ロックピン駆動部の動作を制御する、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の発電システム。