JP6511562B1

JP6511562B1 - 電磁石発電機装置および電磁石発電機装置の制御方法

Info

Publication number: JP6511562B1
Application number: JP2018052914A
Authority: JP
Inventors: 雅博井上
Original assignee: Mitsubishi Electric Engineering Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Electric Engineering Co Ltd
Priority date: 2018-03-20
Filing date: 2018-03-20
Publication date: 2019-05-15
Anticipated expiration: 2038-03-20
Also published as: JP2019165581A

Abstract

【課題】低回転域からでも発電電力が励磁電力を上回る発電が可能な電磁石発電機装置等を提供する。【解決手段】電流を流すことで磁界を発生すると共に回転部に結合されて回転する励磁コイル部、および前記励磁コイル部と近接して配置され前記励磁コイル部の磁界の変化により発電する発電コイル部、を有する電磁石発電機と、前記発電コイル部からの交流の発電電力を直流電力に変換する整流部と、前記整流部の直流電力により充電される蓄電部と、前記蓄電部を電源として前記励磁コイル部に励磁電力を供給する励磁部と、を備えた電磁石発電機装置において、前記励磁コイル部の回転数に従って前記励磁コイル部への励磁電力を制御する。【選択図】図１

Description

この発明は、励磁部が電磁石の電磁石発電機を備えた電磁石発電機装置およびその制御方法に関するものである。

通常電磁石型の発電機は、励磁コイルに例えば定格電力の励磁電力を与えて励磁させることで磁界を発生する。そして磁界を発生した励磁コイルを回転させることで、磁界が回転する。これにより回転する励磁コイルに近接させた発電コイルが、磁界が回転することによる磁界の時間の変化により起電力を得て発電を行う。従って実際の発電時には、励磁コイルに電流を流し励磁電力を与えて電磁石とした上で発電を行う。よって実際に発電を行うためには、実際の発電電力から励磁電力を差し引いた取出し電力（＝発電電力―励磁電力）がプラスになるようにする。

実際には、使用する電磁石発電機に定格電力の励磁を行った状態で、十分に発電できるエネルギーをもった回転体に電磁石発電機の回転軸を接続して、発電機の発電可能な予め定められた設定回転数以上で回転させていた。一般的には、電圧フィードバック制御を行っている。充電する蓄電池の定格充電電圧になるように、充電電圧と基準電圧となる定格充電電圧を比較部で比較する。そして充電電圧が定格充電電圧より低ければ定格励磁電力をＯＦＦからＯＮにし、充電電圧が定格充電電圧より高ければ定格励磁電力をＯＮからＯＦＦにして、充電電圧が定格充電電圧以上になるように制御している。設定回転数以下でも発電しているが、実際には、発電電力より励磁電力が大きくなり、実際の取出し電力がマイナスとなる。また、この起電力は交流であり、一般的にはその交流を全波整流して直流電源へ変換して電力として供給している。

一例として、車載用のオルタネータは自動車のエンジンに接続されてエンジンの回転により発電を行う。アイドル時のエンジン回転数は６００ｒｐｍ程度である。実際のオルタネータは、６００ｒｐｍ程度では発電ができないため、発電可能な回転数領域以上となるように、プーリーを用いエンジン回転数の約３倍の１８００ｒｐｍ程度の回転数まで増速している。これによりオルタネータはアイドル時でも充分な発電ができ、１２Ｖバッテリーを充電できるように設定されている。通常、このような電磁石発電機は、エンジンのような、ある程度の回転トルクの大きな回転体に接続されており、バッテリー充電には充分の発電を行えるエネルギーを得ている。そしてバッテリーを定格充電電圧以上で充電するように、上述のように定格励磁電力をＯＮ／ＯＦＦしている。普通車のバッテリーは、１２Ｖバッテリーで、開放電圧１２Ｖ程度から定格充電電圧１４．５Ｖ程度の電圧を、励磁コイルに印加する。これが定格励磁電力に相当する。そして充電電圧モニタ部のモニタ電圧とバッテリーの定格充電電圧を比較して励磁のＯＮ／ＯＦＦを行っている。

下記特許文献１および特許文献２において、励磁電流の制御を回転数によって行う従来例がある。特許文献１は、風力発電のプロペラの回転を検出し、予め決められた回転閾値以下であれば励磁をＯＦＦして励磁による回転負荷を低減し回転停止状態にならないようにしている。特許文献２は、自動車用充電装置において、高回転時程、励磁電流を減少させることで、高回転時の定電圧発電制御を行っている。

特許第４１３４５８２号明細書特開昭６１−１１２５３６号公報

上記のように、従来の電磁石発電機では、電磁石発電機に回転力を供給する回転体によっては、その回転体の動力源により、予め定められた設定回転数以上で回転できるエネルギーを持っていない場合がある。例えば、小型の風力発電用のプロペラを電磁石発電機に接続した場合、風速が強ければ電磁石発電機の回転数は発電可能な設定回転数以上まで達することができる。しかしながら低風速時には電磁石発電機は、回転数が設定回転数まで達することができず、発電電力が励磁電力を上回ることができず、せっかく発電を行っても、結果として取出し電力がプラスにはならなかった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、低回転域からでも発電電力が励磁電力を上回る発電が可能な電磁石発電機装置およびその制御方法を提供することを目的とする。

この発明は、電流を流すことで磁界を発生すると共に回転部に結合されて回転する励磁コイル部、および前記励磁コイル部と近接して配置され前記励磁コイル部の磁界の変化により発電する発電コイル部、を有する電磁石発電機と、前記発電コイル部からの交流の発電電力を直流電力に変換する整流部と、前記整流部の直流電力により充電される蓄電部と、前記蓄電部を電源として前記励磁コイル部に励磁電力を供給する励磁部と、前記励磁コイル部の回転数を検出する回転検出部と、前記回転検出部から得られる前記励磁コイル部の回転数に従って前記励磁部を制御し、所定の発電開始回転数以上の範囲で、前記回転数に従って前記励磁コイル部への励磁電力を変え、前記所定の発電開始回転数未満の範囲では、制御目標励磁電力は０として無励磁の状態にしておく制御部と、を備えた電磁石発電機装置にある。

この発明では、電磁石発電機の回転数に応じて励磁電力を調整することで、低回転域からでも発電電力が励磁電力を上回る発電が可能となる。

この発明の一実施の形態による電磁石発電機装置の構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態１による電磁石発電機装置において励磁電力制御に使用される励磁電力マップと励磁電力式の一例を示す図である。この発明の実施の形態１による電磁石発電機装置における励磁コイル部の回転数と各電力の関係を示す発電イメージ図である。従来の電磁石発電機装置における励磁コイル部の回転数と各電力の関係を示す発電イメージ図である。この発明の実施の形態４による電磁石発電機装置の励磁制御の一例を示す動作フローチャートである。この発明の実施の形態４による電磁石発電機装置の励磁制御の別の例を示す動作フローチャートである。この発明の一実施の形態による電磁石発電機装置の励磁電力検出用モニタ部の構成例を示す図である。この発明の一実施の形態による電磁石発電機装置の充電電力検出用モニタ部の構成例を示す図である。

以下、この発明による電磁石発電機装置を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。

また以下では、一例として風力発電において用いられる電磁石発電機装置について説明する。しかしながら、この発明は風力発電用の電磁石発電機装置に制限されれるものではなく、励磁部が電磁石の電磁石発電機装置に広く適用可能である。

実施の形態１．
図１は、この発明の一実施の形態による電磁石発電機装置の構成を示すブロック図である。最初に、本実施の形態１に係る部分について説明する。電磁石発電機１は、発電コイル部１ａと励磁コイル部１ｂを有する。発電コイル部１ａと励磁コイル部１ｂは近接して設けられている。発電コイル部１ａと励磁コイル部１ｂは例えば、同軸上に入れ子状態に設けられる。励磁コイル部１ｂは、風力発電のプロペラからなる回転部２に結合されて、回転部２と共に回転する。また励磁コイル部１ｂは、励磁部５から励磁電力が供給されることで、磁界を発生する。発電コイル部１ａは、固定されている。発電コイル部１ａは、励磁コイル部１ｂが発生する磁界の回転による磁束変化により交流電圧を発生する。整流部３は、発電コイル部１ａが発生した交流電圧を整流して直流電圧に変換して蓄電部４を充電する。励磁部５は、蓄電部４を電源として励磁コイル部１ｂに励磁電力を供給させて励磁させる。回転検出部６は励磁コイル部１ｂの回転数を検出する。制御部１０は、回転検出部６からの回転数に従って励磁部５からの励磁電力の制御を行う。制御部１０は、例えばプロセッサとメモリ、またはディジタル回路からなるコンピュータで構成される。

励磁電力を制御する制御部１０には、回転検出部６からの回転数が入力され、回転数に従って取出し電力が最適または最大となるように励磁電力を決定して励磁部５を制御する。

図２の（ａ）は、取出し電力（取出し電力＝発電電力−励磁電力）が最適または最大となる回転数と制御目標励磁電力の関係を示す制御目標励磁電力マップの一例を示す。このマップは励磁コイル部１ｂの回転数に対して取出し電力が最適または最大となる制御目標励磁電力を実験またはシミュレーションにより求めて、予め作成しておく。制御部１０は、例えば図２の（ａ）に示すような励磁電力マップに従って励磁部５が励磁コイル部１ｂに供給する励磁電力を制御する。その際、マップに記載のない回転数であっても、その前後の回転数の励磁電力の値から補完値を算出して回転数に応じた励磁電力制御を行う。また、図２の（ｂ）に示すように、図２の（ａ）の制御目標励磁電力マップを数式化して、その数式に従って制御目標励磁電力を求めるようにしてもよい。例えば下記の式（１）のように回転数ｘ（ｒｐｍ）と励磁電力ｙ（Ｗ）の制御目標励磁電力計算式を予め求めておき、励磁電力を計算して制御してもよい。

ｙ＝3Ｅ-11ｘ^４＋1Ｅ-07ｘ^３＋0.00002ｘ^２−0.0694＋11.987 （１）

図３は、この発明の実施の形態１による電磁石発電機装置における励磁コイル部の回転数と各電力の関係を示す発電イメージ図である。また図４は従来の電磁石発電機装置における励磁コイル部の回転数と各電力の関係を示す発電イメージ図である。図３、図４において、横軸は励磁コイル部１ｂの回転数、縦軸は発電コイル部１ａでの発電電力、励磁コイル部１ｂへの励磁電力、発電電力から励磁電力を差し引いた取出し電力の各電力を示す。

最初に従来の発電イメージを示す図４において、符号−Ｐで示す縦線部分が、発電はしているが発電電力が励磁電力より小さいく取出し電力がマイナスの部分を示す。また符号＋Ｐで示す横線部分は、プラスの取出し電力２が得られる部分を示す。従来は、取出し電力２が得られる発電開始回転数２以上の高回転になってから、発電を開始している。このような場合でも可能な限り低回転から発電を行い、自然エネルギーを有効に電力変換したい希望があった。しかしながら従来からの定格励磁電力のＯＮ／ＯＦＦの制御では、励磁ＯＮ時の励磁電力が発電電力より大きく状態にあった。そして低風速領域では風のエネルギー不足で励磁コイル部が発電開始回転数２まで達することができず、取出し電力をプラスにすることができなかった。また、定格電力で励磁をすると閉磁界によりコギングトルクが大きく、その分のエネルギーロスが増え回転数が上がらない状況もあった。

しかし、この発明のように回転数に応じた励磁電力を与えることで、図３に示すように発電開始回転数１のように低い回転数から取出し電力を取出しすることができる。実際には、励磁電力を弱めた分、励磁コイル部１ｂの磁力が弱まり発電電力が定格励磁電力で励磁した場合とくらべて減少する場合がある。しかしながら、励磁電力が低いため、発電電力から励磁電力を差し引いた取出し電力を出力できるは発電開始回転数１のように、図４に示す従来の発電開始回転数２より低くすることができる。

たとえば、従来の電磁石発電機装置に小型風車を取りつけた場合は、発電開始回転数２まで回転することができないめ取出し電力を得ることができなかった。この発明の電磁石発電機装置では、発電開始回転数１を低い回転数にすることができる。またさらには、励磁電力を低く抑えることでコギングトルクによるロス分も減り、より回転し易くなるために、低風速時でも、発電開始回転数１以上の回転となるため、取出し電力を効率よく得ることができる。

また制御部１０は、例えば図２の例において２８０ｒｐｍ（図３で記載している発電開始回転数１）以下では発電できないため、制御目標励磁電力は０（Ｗ）として無励磁の状態にしておく。これにより、励磁電力による無駄な消費をなくす。また、励磁することにより発生するコギングトルクによる回転のし難さをなくて、回転に必要なトルクを低下させる。これにより、特に風力発電を利用して発電しようした場合には、低風速から回転を開始でき、さらには、回転数が早く発電開始回転数１に達する効果がある。

励磁部５は後述するように、蓄電部４の電圧を所望の電圧に変換して励磁コイル部１ｂに供給するパルス幅変調（ＰＷＭ）電圧制御回路またはＤＣ電圧制御回路からなる。制御部１０は、回転検出部６からの回転数従って、ＰＷＭ電圧制御回路のデューティー（ＤＵＴＹ）またはＤＣ電圧制御回路の励磁電圧を制御して、励磁電力をマップまたは数式の値にする。励磁コイル部１ｂの抵抗値は既知である。このような励磁コイル部１ｂの抵抗値、図２に示した制御目標励磁電力マップ、制御目標励磁電力計算式、等の処理必要な情報は予め求めて制御部１０内に設定しておく。

制御部１０は、マップまたは数式から求まる制御目標励磁電力の値と、既知の励磁コイル部抵抗値に従って、励磁電圧または励磁電圧ＤＵＴＹを算出する。

励磁部５が蓄電部４から電圧を調整するＤＣ電圧制御回路である場合、制御部１０は、下記の式（２）から、ＤＣ電圧制御回路が励磁コイル部１ｂに供給する励磁電力の電圧を制御する。

励磁電力(Ｗ)＝励磁電圧(Ｖ)^２／励磁コイル部抵抗(Ω)
なので
励磁電圧(Ｖ)＝√(制御目標励磁電力(Ｗ)×励磁コイル部抵抗(Ω)) （２）

励磁部５が蓄電部４から電圧を調整するＰＷＭ電圧制御回路である場合、制御部１０は、下記の式（３）から、ＰＷＭ電圧制御回路が励磁コイル部１ｂに供給する励磁電力を出力するためのＤＵＴＹを制御する。

励磁電力(Ｗ)＝(蓄電部電圧×ＰＷＭのＤＵＴＹ)^２／励磁コイル部抵抗(Ω)
なので
ＤＵＴＹ(％)＝
{√(制御目標励磁電力(Ｗ)×励磁コイル部抵抗(Ω))}／蓄電部電圧(Ｖ)
（３）

なお、蓄電部４の出力電圧は、例えば図１のように電圧計ＶＤを設けて求める。

また、上記の式には含めていないが、ＰＷＭ制御時のスイッチング素子のターンＯＮ／ターンＯＦＦ時間の差による制御部からのＤＵＴＹと実際のＤＵＴＹの差分や、配線抵抗の抵抗分による電圧降下なども考慮しても良い。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２による電磁石発電機装置では、図１においてさらに温度検出部８を設けた。励磁コイル部１ｂは、温度によって抵抗値が変わるため、実際の励磁電力が変化する。そので実施の形態２では、温度検出部８を設けて、励磁コイル部１ｂの温度測定をおこなう。制御部１０では、温度検出部８からの検出温度に従って制御において温度補償を加えることで、取出し電力の精度をより高めることができる。この場合上記式（２）、式（３）は以下のようになる。Ｋｔは温度による励磁コイル部１ｂの抵抗変化を与える抵抗温度係数である。

励磁電圧(Ｖ)＝√(制御目標励磁電力(Ｗ)×励磁コイル部抵抗(Ω)×Ｋｔ) （２ａ）
ＤＵＴＹ(％)＝
{√(制御目標励磁電力(Ｗ)×励磁コイル部抵抗(Ω)×Ｋｔ)}／蓄電部電圧(Ｖ)
（３ａ）

上記の励磁コイル部抵抗は基準温度での値であり、その値に励磁コイル部１ｂに使用する材料の抵抗温度係数を乗算することで、使用温度での励磁コイル部１ｂの抵抗値に換算することができる。励磁コイル部１ｂの材料としては通常は銅線がよく使用される。また、予め測定して作成した、励磁コイル部１ｂの温度と抵抗値の関係を示すマップを用いて温度補償を行ってもよい。制御部１０は、この方法によって得た励磁電圧、ＤＵＴＹを用いて励磁部５の出力する励磁電力を制御する。これにより、制御目標励磁電力をより精度良く制御することができるため、取出し電力をより精度よく得て、発電機１の発電効率を高めることができる。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３による電磁石発電機装置では、図１においてさらに励磁電力検出用モニタ部９を設けた。上記実施の形態１，２では、制御部１０は、励磁コイル部１ｂへの励磁電力を制御目標励磁電力にするために、回転数に対する励磁電力マップ、励磁電力マップを数式化した制御目標励磁電力式、温度補償を行った励磁コイル部抵抗値、等をもとに算出した励磁電圧やＰＷＭ制御のＤＵＴＹによって励磁電力を制御している。これらの方法は計算結果に基づいて励磁電力を制御目標励磁電力に制御するオープン制御である。オープン制御の場合、例えば、電磁石発電機１の特性の個体差、周囲環境の違い等により制御結果が異なる場合がある。

そこで、実際の励磁コイル部１ｂへの励磁電力を測定する励磁電力検出用モニタ部９を設けて、フィードバック制御を行う。励磁電力検出用モニタ部９は、励磁コイル部１ｂでの励磁電圧と励磁電流を検出して励磁電圧モニタ値、励磁電流モニタ値として制御部１０へ出力する。制御部１０は、入力された電圧モニタ値、電流モニタ値から実際の励磁電力（励磁電圧モニタ値×励磁電流モニタ値）を計算して求める。制御部１０は、得られた実際の励磁電力を制御目標励磁電力になるように制御する。この方法により、電磁石発電機１の特性の個体差、周囲環境の違い等による励磁電力のばらつきを補正でき、より正確に制御目標励磁電力に制御することが可能になる。

この実施の形態３では、制御部１０は、上記実施の形態で記載したように、算出したＤＣ電圧制御回路のための励磁電圧またはＰＷＭ電圧制御回路のためのＤＵＴＹにより励磁電力を制御すると共に、励磁電力検出用モニタ部９からのモニタ値に従って実際の励磁電力を計算する。そして制御部１０は、実際の励磁電力が制御目標励磁電力より小さいときは励磁電力を上げる制御を、大きければ下げる制御を、ＤＣ電圧制御回路またはＰＷＭ電圧制御回路に行う。制御部１０は、励磁電力を、
予め設定された一定の値を上げ／下げする方法、
実際の励磁電力と制御目標励磁電力の電力差の値を上げ／下げする方法、
電力差の値によって上げ／下げの値を変化させる方法、
等、一般的なフィードバック制御で用いられる方法により、短時間で実際の励磁電力を制御目標励磁電力に合わせこむ。この制御により、より正確に実際の励磁電力を把握することができ、特に取出し電力が取出し可能か否かが分からない図３に示す発電開始回転数１付近で無駄なく効率よい発電制御が可能になる。

実施の形態４．
この発明の実施の形態４による電磁石発電機装置では、図１においてさらに充電電力検出用モニタ部７をさらに設けた。上述の電磁石発電機１の特性の個体差、周囲環境の違い等により、励磁コイル部１ｂへの励磁電力が最適でない場合があるため、この実施の形態４では、充電電力検出用モニタ部７を設けた。充電電力検出用モニタ部７は、蓄電部４での充電電圧と充電電流を検出して充電電圧モニタ値、充電電流モニタ値として制御部１０へ出力する。制御部１０は、入力された充電電圧モニタ値、充電電流モニタ値から実際の充電電力（充電電圧モニタ値×充電電流モニタ値）を計算して求める。なお発電電力が充電電力となる。

制御部１０は、上述した実際の充電電力と、実施の形態１，２で説明した励磁部５で制御している励磁電力、または、実施の形態３の励磁電力検出用モニタ部９を設けて得られる実際の励磁電力をもとに、実際の取出し電力（実際の充電電力（実施の形態４）−励磁電力（実施の形態１または２）または実際の充電電力（実施の形態４）−実際の励磁電力（実施の形態３））を算出する。そして制御部１０は、得られている実際の取出し電力が最適または最高か否かを判断し、その結果を基に励磁電力を制御する。

図５は、実施の形態４による制御部１０での取出し電力を基準とした励磁制御の一例を示すフローチャートである。制御部１０では、充電電力検出用モニタ部７の検出値から得られた実際の充電電力と、実施の形態１、２で実施し得た制御目標励磁電力を差し引いて、取出し電力を算出する。制御部１０は、算出した結果、取出し電力がプラスで得られていればそのままの制御目標励磁電力を継続し、取出し電力がゼロまたはマイナスになっていれば、励磁電力を予め定められた設定電力量だけ減少させるように制御し、再度と取出し電力を得られているか確認を行う（ステップＳ１）。そしての制御を、周期的に繰り返す。

これにより、電磁石発電機１の特性の個体差、温度、周囲環境の違い等による状態の変化によって取出し電力が得られない場合でも、取出し電力を得ることができるように制御できる。また制御部１０は、取出し電力がゼロまたはマイナスの状態が設定周期の間続いた場合に、励磁コイル部１ｂの励磁を止めさせて励磁電力を０（Ｗ）とする。これにより、無駄な励磁電力を消費しないため効率の良い制御が可能になる。

図６は、実施の形態４による制御部１０での取出し電力を基準とした励磁制御の別の例を示すフローチャートである。図６の励磁制御では、制御部１０は、励磁電力を少しずつ、例えば予め定められた設定電力量ずつ、ＵＰまたはＤＯＷＮさせながら、取出し電力が最適または最大になるように励磁電力を制御することで、電磁石発電機１の特性の個体差、温度、周囲環境の違い等があっても、その状態で得られる最大の取出し電力を常に得ることができ、状況に合わせた効率のよい発電を実施できる。

図６では、励磁電力を減らし（ステップＳ１）、それでも取出し電力が増加していれば（ステップＳ２）、励磁電力をさらに減らす（ステップＳ１）。ステップＳ２で取出し電力が増加している間はこれを繰り返す。ステップＳ２で取出し電力が増加しなくなったら、今度は励磁電力を増加させる（ステップＳ３）。そしてステップＳ４で取出し電力が増加している間はこれを繰り返す。そしてステップＳ４で取出し電力が増加しなくなったら、ステップＳ１へ戻り、これを繰り返す。この制御は発電に十分な風速がある場合に最適な励磁電力を与える制御であって、無風状態になった場合などは、取出し電力がゼロまたはマイナスになると励磁をOFFする制御をおこなう。

図５のフローチャートで示す制御は、最初に実施の形態１または２で設定した制御目標励磁電力を励磁コイル部１ｂに与え、その後に取出し電力を算出し、フローチャートの制御に沿って制御を行う。

図６のフローチャートで示す制御は、上記と同様に実施の形態１または２で設定した制御目標励磁電力を励磁コイル部１ｂに与え、その後にその後に取出し電力を算出し、フローチャートの制御に沿って制御を行う。または、最初は予め決めている小さい値の励磁電力を与え、その後に取出し電力を算出し、フローチャートの制御に沿って最適な励磁電力に制御するようにしてもよい。

図７は、この発明の上記実施の形態３，４における励磁電力検出用モニタ部９の周辺の構成の一例を示す構成図である。この例では、励磁部５はＰＷＭ電圧制御回路からなる。励磁部５は、励磁コイル部１ｂに並列接続されたフライホイルダイオード５ｂと、直流二次電池である蓄電部４とグランドの間で励磁コイル部１ｂと直列接続されたスイッチング素子５ａからなる。フライホイルダイオード５ｂは、アノードが励磁コイル部１ｂの低電位側に接続され、カソードが励磁コイル部１ｂの高電位側に接続されている。

励磁電力検出用モニタ部９は、励磁コイル部１ｂとスイッチング素子５ａの間に直列に挿入された励磁電流を検出するための電流検出抵抗９ａと、電流検出抵抗９ａの両端間の電圧を入力して制御部１０に送る励磁電流モニタ値信号ＩＥを出力するアンプ９ｂと、励磁コイル部１ｂの励磁電圧を検出して制御部１０に送る励磁電圧モニタ値信号ＶＥを出力する電圧検出部９ｃからなる。より詳細には、電流検出抵抗９ａは、励磁コイル部１ｂの低電位側と、フライホイルダイオード５ｂのアノードとスイッチング素子５ａの高電位側との接続点と、の間に接続されている。

図８は、この発明の上記実施の形態４における充電電力検出用モニタ部７の周辺の構成の一例を示す構成図である。充電電力検出用モニタ部７は、整流部３から蓄電部４への充電電流を検出するための電流検出抵抗７ａと、電流検出抵抗７ａの両端間の電圧を入力して制御部１０に送る充電電流モニタ値信号ＩＣを出力するアンプ７ｂと、蓄電部４への充電電圧を検出して制御部１０に送る充電電圧モニタ値信号ＶＣを出力する電圧検出部７ｃからなる。

上記実施の形態１から４において、励磁電力制御を実施する際に、図７に示すようなＰＷＭ電圧制御回路からなる励磁部５のスイッチング素子５ａのＯＮ／ＯＦＦを制御部１０から制御し、一定の周波数でＰＷＭ制御を行うことで励磁電力制御を実施する。ＰＷＭの周波数は、制御の応答性やスイッチングノイズ等から決定する。ＰＷＭ電圧制御回路はスイッチング素子５ａとフライホイルダイオード５ｂからなる簡単な構成で実現でき、安価な回路で励磁電力制御が実現できる。

また上記実施の形態１から４において、励磁電力制御を実施する際に、励磁部５を図７のＰＷＭ電圧制御回路ではなく、ＤＣ電圧制御回路を使用して励磁コイル部１ｂへの印加電圧を制御することで励磁電力を制御することも可能である。ＰＷＭ電圧制御回路におけるＰＷＭ制御の場合は、図７に示すスイッチング素子５ａがＯＮのときには励磁電力が増加し、ＯＦＦの時には励磁電力が減少し、それらの平均値が制御目標励磁電力になる。励磁電力の増加に従って、励磁によるコイルの磁力が強くなり、その分回転時に発生するコギングトルクも増大する。よって、ＰＷＭ制御の場合は本来設定したい制御目標励磁電力より大きい電力が励磁コイル部１ｂに印加されるため、その分、回転時の負荷が大きくなる。特に、図３の発電開始回転数１付近は、風力によって発電が開始できるか否かの閾値に相当する領域である。この領域でのコギングトルク変動は回転し易さへの影響が大きい。場合によっては、コギングトルクのピーク値によって回転が低下する可能性もある。

そこで、励磁部５を、蓄電部４を電源としその電圧を制御するＤＣ電圧制御回路で構成する。ＤＣ電圧制御回路は蓄電部４と共に可変電源装置を構成する。制御部１０はＤＣ電圧制御回路を制御することで、蓄電部４を電源とするＤＣ電圧を調整して励磁電力を制御することで、コギングトルクの変動を少なくすことができ、ひいては回転し易さを得ることができる。通常、ＰＷＭ制御ではこのようなコギングトルクの影響が出ないような高い周波数を選択する。しかしながら、素子やノイズの制約で低い周波数を使用せざるを得ない場合ばがある。このような場合には、コギングトルク変動が、回転のし易さや制御性に影響を与える。このような場合には、ＤＣ電圧制御回路を使用するとよい。

さらに、励磁電力検出用モニタ部９と充電電力検出用モニタ部７のうちの充電電力検出用モニタ部７だけを設けて、実施の形態３の励磁電力検出用モニタ部９の場合と同様に、制御部１０で、実際の充電電力に従って励磁電力を調整するようにしてもよい。

なお、この発明は上記各実施の形態に限定されることはなく、これらの可能な組み合わせを全て含む。

またこの発明による電磁石発電機装置は、回転部および励磁コイル部に回転を与える動力として、風力や水力等のような自然エネルギーを使用したシステムに適用することが特に有用である。車載用のオルタネータでは、規格に従って設定値以上の回転数の回転が得られる。こに対して自然エネルギーを使用した場合、必ずしも設定値以上の回転数が得られる分けではなく、かつ一般的に得られる回転数は低回転領域のものとなる。そこで、低回転領域から取出し電力が得られこの発明による電磁石発電機装置はより有用なものとなる。

１電磁石発電機、１ａ発電コイル部、１ｂ励磁コイル部、２回転部、３整流部、４蓄電部、５励磁部、５ａスイッチング素子、５ｂフライホイルダイオード、６回転検出部、７充電電力検出用モニタ部、７ａ電流検出抵抗、７ｂアンプ、７ｃ電圧検出部、８温度検出部、９励磁電力検出用モニタ部、９ａ電流検出抵抗、９ｂアンプ、９ｃ電圧検出部、１０制御部。

Claims

電流を流すことで磁界を発生すると共に回転部に結合されて回転する励磁コイル部、および前記励磁コイル部と近接して配置され前記励磁コイル部の磁界の変化により発電する発電コイル部、を有する電磁石発電機と、
前記発電コイル部からの交流の発電電力を直流電力に変換する整流部と、
前記整流部の直流電力により充電される蓄電部と、
前記蓄電部を電源として前記励磁コイル部に励磁電力を供給する励磁部と、
前記励磁コイル部の回転数を検出する回転検出部と、
前記回転検出部から得られる前記励磁コイル部の回転数に従って前記励磁部を制御し、所定の発電開始回転数以上の範囲で、前記回転数に従って前記励磁コイル部への励磁電力を変え、前記所定の発電開始回転数未満の範囲では、制御目標励磁電力は０として無励磁の状態にしておく制御部と、
を備えた電磁石発電機装置。
前記励磁コイル部の温度を検出する温度検出部を有し、
前記制御部は、前記温度検出部の温度検出結果に従って温度補償を行って求めた励磁電力に従って前記励磁部を制御する、
請求項１に記載の電磁石発電機装置。
前記励磁コイル部への励磁電力をモニタするための励磁電力検出用モニタ部を備え、
前記制御部は、前記励磁電力検出用モニタ部の検出結果より求めた実際の励磁電力に従って、前記励磁部における励磁電力を調整する、請求項１または２に記載の電磁石発電機装置。
前記蓄電部への充電電力をモニタするための充電電力検出用モニタ部を備え、
前記制御部は、前記充電電力検出用モニタ部の検出結果より求めた実際の充電電力に従って、前記励磁部における励磁電力を調整する、請求項１または２に記載の電磁石発電機装置。
前記励磁コイル部への励磁電力をモニタするための励磁電力検出用モニタ部と、
前記蓄電部への充電電力をモニタするための充電電力検出用モニタ部と、
を備え、
前記制御部は、前記充電電力検出用モニタ部の検出結果より求めた実際の充電電力と、前記励磁電力検出用モニタ部の検出結果より求めた実際の励磁電力の差である取出し電力に従って、前記励磁部における励磁電力を調整する、請求項１または２に記載の電磁石発電機装置。
前記励磁部が、ＰＷＭ制御により前記蓄電部の電圧を変えて励磁電圧を可変にするパルス幅変調電圧制御回路からなる、請求項１から５までのいずれか１項に記載の電磁石発電機装置。
前記励磁部が、前記蓄電部の電圧を変えて励磁電圧を可変にするＤＣ電圧制御回路からなる、請求項１から５までのいずれか１項に記載の電磁石発電機装置。
前記回転部が、自然エネルギーにより回転する請求項１から７までのいずれか１項に記載の電磁石発電機装置。
電流を流すことで磁界を発生すると共に回転部に結合されて回転する励磁コイル部、および前記励磁コイル部と近接して配置され前記励磁コイル部の磁界の変化により発電する発電コイル部、を有する電磁石発電機と、前記発電コイル部からの交流の発電電力を直流電力に変換する整流部と、前記整流部の直流電力により充電される蓄電部と、前記蓄電部を電源として前記励磁コイル部に励磁電力を供給する励磁部と、を備えた電磁石発電機装置において、前記励磁コイル部の回転数に従って前記励磁コイル部への励磁電力を制御し、所定の発電開始回転数以上の範囲で、前記回転数に従って前記励磁コイル部への励磁電力を変え、前記所定の発電開始回転数未満の範囲では、制御目標励磁電力は０として無励磁の状態にしておく電磁石発電機装置の制御方法。