JP6253394B2 - 動力装置及び発電装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、動力装置及び発電装置に関する。

自動車、船舶、発電装置など、回転エネルギーを利用して駆動する装置には回転を円滑化し、維持するためにフライホイールが使用される。

一般的なフライホイールは、円盤状に形成された金属が用いられる。従って、フライホイール自体の重量が大きなものとなる。この重量の多さにより、自動車や船舶の燃費効率が低下する。

この点に関し、フライホイールの外周に磁石を傾斜させて配列し、さらにこのフライホイールの外側に磁石を固定し、この磁石の反発力により回転エネルギーの減衰を抑える技術が提案されている。

しかし、この技術によっては、フライホイールの大型化が避けられず、重量も重くなる。

そこで、出願人らは軸体と、軸体の外周に設けられる楕円軌道と、錘と弾性体を備え、一端が軸体に固定され、他端が楕円軌道に沿って周回する回転体と、を備える回転補助体を軸体に複数取り付けた回転補助装置を開発した。

この回転補助装置により回転はよりスムーズなものとなった。しかし、回転補助装置の内部機構の摩擦によって回転はいずれ減衰する。

特開２００７−１５１３６４号公報 国際公開第２０１３／０３１１０６号公報

本発明が解決しようとする課題は、より少ない外部エネルギーにより回転する装置の回転を維持できる動力装置を提供することである。

上記の課題を解決するために、回転を維持する質量を有する回転錘、及び一端が軸体に連結し、他端が回転錘に連結し、弾性体により回転円の径方向に伸縮する回転シャフトを備え、軸体に回転軸周りの取り付け角度を互いにずらして取り付けられる複数の回転体と、回転体の回転錘の回転軌道を楕円に規制するガイド部と、を備える回転補助体を備える回転補助装置と、回転補助体が減速する位置に合わせて設置される反射部と、反射部を検知する回転検知部と、軸体に設けられる回転伝達部であるギアと、外部電源によって駆動され、ギアを駆動させるモータと、回転検知部の出力に基づいて検知した回転補助体が減速する位置に合わせてモータを駆動させる制御装置と、を備える動力装置を提供する。

動力装置の構成を示すブロック図である。 回転補助装置の構成を示す図である。 ガイド部の正面図である。 ガイド部の図２におけるＡＡ線断面図である。 回転体の第１の例における側面断面図である。 回転体の第１の例における図４におけるＢＢ線断面図である。 回転体の第２の例における側面断面図である。 回転体の第２の例における図６におけるＣＣ線断面図である。 回転体の回転の様子を示す図である。 回転体の回転の様子を示す図である。 回転体の回転の様子を示す図である。 回転体の回転の様子を示す図である。 制御装置の構成を示すブロック図である。 軸体の単位時間当たりの回転数とモータの駆動タイミングの関係を示すグラフである。 反射部の軸体への設置位置を示す図である。 反射部の軸体への設置位置を示す図である。 反射部を３個設けた例を示す図である。 軸体の回転角とモータの駆動タイミングを示すタイミングチャートである。

以下、回転補助装置及び発電装置の一実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。

本実施形態の動力装置は、回転する軸体と、回転を維持する質量を有する回転錘、及び一端が軸体に連結し、他端が回転錘に連結し、弾性体により回転円の径方向に伸縮する回転シャフトを備え、軸体１１に回転軸周りの取り付け角度を互いにずらして取り付けられる複数の回転体と、回転体の回転錘の回転軌道を楕円に規制するガイド部と、を備える回転補助体と、軸体の回転を検知する回転検知部と、軸体に設けられる回転伝達部と、外部電源又は自己電源によって駆動され、回転伝達部を駆動させるモータと、回転検知部の出力に基づいて検知した軸体の単位時間当たりの回転数が第１の閾値未満になった場合にモータを駆動させ、軸体の単位時間当たりの回転数が第２の閾値以上になった場合にモータを停止させる制御部と、を備える。

図１は、本実施形態に係る動力装置１００の構成を示すブロック図である。図１に示すように、動力装置１００は、回転補助装置１と、回転補助装置１の軸体１１の回転を検知する回転検知部１０２と、軸体１１に設けられる回転伝達部であるギア１０４と、外部電源１０６によって駆動され、ギア１０４を駆動させるモータ１０３と、回転検知部１０２の出力に基づいて検知した軸体１１の単位時間当たりの回転数が閾値未満になった場合にモータ１０３を駆動させる制御装置１０１と、を備える。

ここで、外部電源１０６には、負荷１０５として発電機が接続され、この発電機が発電した電力の一部を入力する、いわゆる自己電源も含むものとする。

回転検知部１０２は、例えば光学センサを用いることができる。光学センサを用いる場合、回転検知部１０２は軸体１１に設けられる反射部１０２Ａの反射光を検知し、制御装置１０１に出力する。

モータ１０３は、ＤＣモータでもステッピングモータでもよい。軸体１１には発電機のような負荷１０５が設置される。

回転伝達部は、回転を伝達する手段であり、ギアの他タイミングベルト、チェーンなどを用いることができる。

図２は、本実施形態の回転補助装置１の構成を示す図である。図２に示すように、回転補助装置１は、回転する軸体１１と、回転を維持する質量を有する回転錘２２、及び一端が軸体１１に連結し、他端が回転錘２２に連結し、弾性体３３により回転円の径方向、すなわち長手方向に伸縮する回転シャフト２３を備え、軸体１１に回転軸周りの取り付け角度を互いにずらして取り付けられる複数の回転体４０と、回転体４０の回転錘２２の回転軌道を楕円に規制するガイド部２１と、を備える回転補助体２０を備える。

回転錘２２は、回転力を維持するだけの質量を有する錘である。

ガイド部２１は、回転錘２２の回転を規制する部分が楕円形状をなし、複数のガイド部２１は楕円の長軸の方向が互いに一致するように配置される。

なお、ガイド部２１はレール状のものに限られるわけではない。また、ガイド部２１は楕円の長軸の方向を互いにずらして取り付けてもよい。

回転シャフト２３は、回転錘２２を外周方向に付勢する弾性体３３を有する。

ここで、回転シャフト２３は弾性体３３により長手方向に伸縮する支持部材であり、この弾性体３３はバネに限らず、弾性力を有する部材であれば何を用いてもよい。この弾性体３３は、エアシリンダでも、流体クッションでも、弾性力を有する樹脂でもよい。

図２には、回転補助体２０が４つ設けられる例を示しているが、回転補助体２０は軸体１１に３つ設けても５つ以上設けてもよい。

ここで、回転補助体２０を複数設けることは、回転補助体２０間において互いにエネルギーを融通しあうという効果の他に、軸体１１が回転の際に振れることを抑制するという効果もある。

例えば、回転補助体２０を一つだけ設けた場合、軸体１１は回転する際に大きく振動する。

これに対し、例えば回転補助体２０を３つ設け、回転体４０を１２０°ずつ、互いにずらして軸体１１に取り付けると、軸体１１は振動することなく円滑に回転する。

図３は、ガイド部２１の正面図である。図４は、ガイド部２１の図３におけるＡＡ線断面図である。

図３及び図４に示すように、ガイド部２１は、楕円形状をなし、断面がコの字状をなす。ガイド部２１は内側にレール２４を備える。レール２４は、外側をＳ極に、内側をＮ極に着磁した永久磁石２９を有していてもよい。さらに、この永久磁石２９は、電磁石でもよい。

回転シャフト２３は、回転シャフト２３の回転方向、又は反回転方向に湾曲していてもよい。

図５は、回転体４０の第１の例における側面断面図である。図６は、回転体４０の第１の例における図５におけるＢＢ線断面図である。

図５及び図６に示すように、回転体４０は、回転錘２２と、回転シャフト２３と、弾性体３３と、を備える。

回転錘２２は、回転方向に向かう曲線部を有し、レール２４と嵌合する溝部２６と、レール２４に接触するローラ２７と、を備える。

回転錘２２は、レール２４が永久磁石を備える場合には、さらに、回転方向外周に向かってＮ極に着磁され、内周方向に向かってＳ極に着磁された永久磁石２８を備える。

この永久磁石の反発力によって、回転錘２２とレール２４との摩擦を低減することができる。

回転シャフト２３は、一端に回転錘２２を連結する内心３１と、一端が軸体１１に連結し、内心３１を内部に挿通する外筒３２と、外筒３２を軸体１１に連結する連結部３４と、弾性体３３と、を備える。すなわち、回転シャフト２３は、シリンダ構造をなし、このシリンダの外周に弾性体３３が設けられる。回転シャフト２３の伸縮方向と弾性体３３の伸縮方向は等しいことが望ましい。

回転錘２２は、内心３１にピン２２Ａによって回転体４０の回転方向に回動可能に取り付けられる。従って、回転錘２２は回転体４０の回転方向に回動する遊びを有する。

回転錘２２は、重心がピン２２Ａより回転体４０の回転方向、又は反回転方向にずらして取り付けられる。

弾性体３３は、つるまきバネであることが、製造コストの点から有利である。弾性体３３は、エアシリンダ、又は弾性力を有する合成樹脂であってもよい。

弾性体３３がつるまきバネである場合、弾性体３３は内心３１及び外筒３２の外側を周回するように設置される。

弾性体３３は、内心３１を回転錘２２の方向に付勢する。

図７は、回転体４０の第２の例における側面断面図である。図８は、回転体４０の第２の例における図７におけるＣＣ線断面図である。

図７及び図８に示すように、回転体４０は、内心３１が連結部３４及び軸体１１を貫通するように構成することができる。

この場合、回転体４０は、内心３１の連結部３４から突出した端部に、この端部を収納するバネ室３５と、この端部を回転錘２２の方向に付勢する弾性部材３６と、を備えていてもよい。

この弾性部材３６は、弾性体３３の伸縮を補助し、回転体４０の回転をより長時間維持させるのに役立つ。

なお、第２の例の回転体４０においては、外筒３２を設けなくてもよい。

第２の例の回転体４０のその他の構成は第１の例の回転体４０のその他の構成と同様である。

図９乃至図１２は回転体４０の回転の様子を示す図である。図９に示すように、回転体４０が矢印Ｘ１の方向に、楕円長軸位置から短軸位置に変位する場合、回転錘２２はガイド部２１によって軌道が規制され、回転シャフト２３が短くされ、弾性体３３は軸体１１の方向に圧縮される。すなわち、回転エネルギーが弾性体３３に蓄積される。

図１０に示すように、回転体４０が矢印Ｘ２の方向に、楕円短軸位置から長軸位置に変位する場合、圧縮された弾性体３３が伸長する。この際、弾性体３３に蓄積されたエネルギーが回転錘２２を回転させる方向に解放される。

図１１に示すように、回転体４０が矢印Ｘ３の方向に、楕円長軸位置から短軸位置に変位する場合、図６の場合と同様に回転エネルギーが弾性体３３に蓄積される。

図１２に示すように、回転体４０が矢印Ｘ４の方向に、楕円短軸位置から長軸位置に変位する場合、圧縮された弾性体３３が伸長する。この際、弾性体３３に蓄積されたエネルギーが回転錘２２を回転させる方向に解放される。

ここで、摩擦等のエネルギー損失により回転体４０は完全に１回転するにはエネルギーが不足する。

しかし、他の回転体４０は軸体１１への取り付け位置がずらされているため、他の回転体４０の弾性体３３に蓄積されたエネルギーを使って１回転する。

上述したように、複数の回転体４０は互いにエネルギーを融通しあいながら回転を持続する。

（第１の実施形態）
図１３は、制御装置１０１の構成を示すブロック図である。図１３に示すように、制御装置１０１は、演算装置であるＣＰＵを含む制御部３０１と、メモリ、ハードディスクドライブなどの記憶装置を含む記憶部３０２と、軸体１１の回転を検知する回転検知部１０２と、モータ１０３を駆動させるモータ駆動部３０３と、を備える。

記憶部３０２は、軸体１１の回転数の下限を示す第１の閾値３０２Ａと、軸体１１の回転数の上限を示す第２の閾値３０２Ｂと、を格納する。

図１４は、軸体１１の単位時間当たりの回転数とモータ１０３の駆動タイミングの関係を示すグラフである。グラフ４０１は軸体１１の単位時間当たりの回転数を示す。グラフ４０２はモータ１０３の駆動タイミングを示すグラフである。

図１４に示すように、軸体１１の単位時間当たりの回転数は時間を追って低下する。制御部３０１は、軸体１１の単位時間当たりの回転数が第１の閾値３０２Ａ未満となったと判定した場合、モータ１０３をＯＮする。

モータ１０３は軸体１１の単位時間当たりの回転数を少なくとも第２の閾値３０２Ｂ以上に上昇させるだけの回転数及びトルクにて回転する。

従って、モータ１０３が駆動することにより軸体１１の単位時間当たりの回転数は上昇する。

制御部３０１は、軸体１１の単位時間当たりの回転数が第２の閾値３０２Ｂ以上となったと判定した場合、モータ１０３をＯＦＦする。

従って、モータ１０３を常に駆動させておく場合より、外部エネルギーの使用を少なくすることができる。

以上述べたように、本実施形態の動力装置１００は、回転する軸体１１と、回転を維持する質量を有する回転錘２２、及び一端が軸体１１に連結し、他端が回転錘２２に連結し、弾性体３３により回転円の径方向に伸縮する回転シャフト２３を備え、軸体１１に回転軸周りの取り付け角度を互いにずらして取り付けられる複数の回転体４０と、回転体４０の回転錘２２の回転軌道を楕円に規制するガイド部２１と、を備える回転補助体２０を備える回転補助装置１と、回転補助装置１の軸体１１の回転を検知する回転検知部１０２と、軸体１１に設けられる回転伝達部であるギア１０４と、外部電源１０６によって駆動され、ギア１０４を駆動させるモータ１０３と、回転検知部１０２の出力に基づいて検知した軸体１１の単位時間当たりの回転数が閾値未満になった場合にモータ１０３を駆動させる制御装置１０１と、を備える。

従って、より少ない外部エネルギーにより回転する装置の回転を維持できるという効果がある。

（第２の実施形態）
本実施形態の動力装置１００は、第１の実施形態の動力装置１００と同様の構成を有する。

具体的には、本実施形態の動力装置１００は、回転する軸体１１と、回転を維持する質量を有する回転錘２２、及び一端が軸体１１に連結し、他端が回転錘２２に連結し、弾性体３３により回転円の径方向に伸縮する回転シャフト２３を備え、軸体１１に回転軸周りの取り付け角度を互いにずらして取り付けられる複数の回転体４０と、回転体４０の回転錘２２の回転軌道を楕円に規制するガイド部２１と、を備える回転補助体２０を備える回転補助装置１と、回転補助体２０が減速する位置に合わせて設置される反射部１０２Ａと、反射部１０２Ａを検知する回転検知部１０２と、軸体１１に設けられる回転伝達部であるギア１０４と、外部電源１０６によって駆動され、ギア１０４を駆動させるモータ１０３と、回転検知部１０２の出力に基づいて検知した回転補助体２０が減速する位置に合わせてモータ１０３を駆動させる制御装置１０１と、を備える。

第２の実施形態の制御装置１０１の構成は第１の実施形態の制御装置１０１の構成と同様である。すなわち図１３に示すように、制御装置１０１は、演算装置であるＣＰＵを含む制御部３０１と、メモリ、ハードディスクドライブなどの記憶装置を含む記憶部３０２と、軸体１１の回転を検知する回転検知部１０２と、モータ１０３を駆動させるモータ駆動部３０３と、を備える。

ただし、記憶部３０２は、第１の閾値３０２Ａと、第２の閾値３０２Ｂと、を格納する必要はない。

図１５及び図１６は、反射部１０２Ａの軸体１１への設置位置を示す図である。図１５においては、回転シャフト２３を模式的に図示してある。また、図１６は軸体１１の反射部１０２Ａの設置部分における断面図である。

図１５に示すように、位置Ａから矢印Ｘ５の方向に回転し始めた回転シャフト２３は、回転速度が低下すると位置Ａの手前の位置Ｂにおいて停止することがある。

図１６に示すように、反射部１０２Ａはこの回転停止位置Ｂから直近のガイド部２１の最長径位置Ａまでの間に相当する軸体１１の位置に設けられる。

反射部１０２Ａは、軸体１１に１以上設けられる。例えば、回転補助体２０が軸体１１に３個、又は６個設置される場合には、反射部１０２Ａを軸体１１に３個設けることができる。

図１７は、反射部１０２Ａを３個設けた例を示す図である。図１７に示すように、反射部１０２Ａは軸体１１に角度θ分だけずらして設置される。

角度θは、３６０°を回転補助体２０の個数又は回転補助体２０の個数の約数によって割った値である。

図７の例では、反射部１０２Ａは回転補助体２０が３個又は６個設けられる場合、３６０°を３で割った１２０°ずつ、ずらして設置される。

図１８は、軸体１１の回転角とモータ１０３の駆動タイミングを示すタイミングチャートである。図１８に示すように、制御部３０１は、回転検知部１０２が反射部１０２Ａを検知した間だけモータ駆動部３０３を介してモータ１０３を駆動させる。

従って、モータ１０３は反射部１０２Ａに合わせて、回転補助体２０が減速するタイミングに合わせて駆動されることとなる。

以上述べたように、本実施形態の動力装置１００は、回転する軸体１１と、回転を維持する質量を有する回転錘２２、及び一端が軸体１１に連結し、他端が回転錘２２に連結し、弾性体３３により回転円の径方向に伸縮する回転シャフト２３を備え、軸体１１に回転軸周りの取り付け角度を互いにずらして取り付けられる複数の回転体４０と、回転体４０の回転錘２２の回転軌道を楕円に規制するガイド部２１と、を備える回転補助体２０を備える回転補助装置１と、回転補助体２０が減速する位置に合わせて設置される反射部１０２Ａと、反射部１０２Ａを検知する回転検知部１０２と、軸体１１に設けられる回転伝達部であるギア１０４と、外部電源１０６によって駆動され、ギア１０４を駆動させるモータ１０３と、回転検知部１０２の出力に基づいて検知した回転補助体２０が減速タイミングに合わせてモータ１０３を駆動させる制御装置１０１と、を備える。

従って、さらにより少ない外部エネルギーにより回転する装置の回転を維持できるという効果がある。

いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１１ 軸体
２１ ガイド部
２２ 回転錘
２３ 回転シャフト
３３ 弾性体
１０１ 制御装置
１０２ 回転検知部
１０２Ａ 反射部
１０３ モータ

Claims (3)

1. 回転する軸体と、
   回転を維持する質量を有する回転錘、及び一端が前記軸体に連結し、他端が前記回転錘に連結し、弾性体により回転円の径方向に伸縮する回転シャフトを備え、前記軸体に回転軸周りの取り付け角度を互いにずらして取り付けられる複数の回転体と、前記回転体の前記回転錘の回転軌道を楕円に規制するガイド部と、を備える回転補助体を備える回転補助装置と、
   前記回転補助体が減速する位置に合わせて設置される反射部と、
   前記反射部を検知する回転検知部と、
   前記軸体に設けられる回転伝達部であるギアと、
   外部電源によって駆動され、前記ギアを駆動させるモータと、
   前記回転検知部の出力に基づいて検知した前記回転補助体が減速する位置に合わせて前記モータを駆動させる制御装置と、
   を備える動力装置。
2. 前記モータは、
   ＤＣモータ又はステッピングモータである請求項１記載の動力装置。
3. 回転する軸体と、
   回転を維持する質量を有する回転錘、及び一端が前記軸体に連結し、他端が前記回転錘に連結し、弾性体により回転円の径方向に伸縮する回転シャフトを備え、前記軸体に回転軸周りの取り付け角度を互いにずらして取り付けられる複数の回転体と、前記回転体の前記回転錘の回転軌道を楕円に規制するガイド部と、を備える回転補助体を備える回転補助装置と、
   前記回転補助体が減速する位置に合わせて設置される反射部と、
   前記反射部を検知する回転検知部と、
   前記軸体に設けられる回転伝達部であるギアと、
   外部電源又は自己電源によって駆動され、前記ギアを駆動させるモータと、
   前記回転検知部の出力に基づいて検知した前記回転補助体が減速する位置に合わせて前記モータを駆動させる制御装置と、
   前記軸体に設けられる発電機と、
   を備える発電装置。

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