JP6875323B2

JP6875323B2 - 電磁石発電装置

Info

Publication number: JP6875323B2
Application number: JP2018091436A
Authority: JP
Inventors: 秀永木下
Original assignee: Mitsubishi Electric Engineering Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Electric Engineering Co Ltd
Priority date: 2018-05-10
Filing date: 2018-05-10
Publication date: 2021-05-19
Anticipated expiration: 2038-05-10
Also published as: JP2019198185A

Description

本発明は、電磁石を使用した電磁石発電装置に関し、特に、消費電力の低減を図った電磁石発電装置に関する。

最近では、太陽光発電、風力発電等の小規模で環境汚染を伴わない各種のクリーンな発電システムが実用化されている。その中で、風力発電においては、導入時の初期コストが比較的安価な電磁石発電装置を用いた風力発電装置の導入が必要となっている。

通常、電磁石型の発電機は、励磁コイル部を定格電力で励磁し、その励磁電力によって発生する電磁石の磁界を回転させ、その磁界に近接させた発電コイルによって起電力を得ることができる。したがって、発電を開始するためには、まず、励磁コイルに電流を流し、励磁する電力を与え、電磁石を生成しなければならない。

このような電磁石発電装置を自然エネルギーの発電に使用した際に、たとえば、風力発電の場合を考える。この場合、風の無いときに励磁コイルに電流を流すと、電力の無駄になる。このため、風が吹いて風車が回転して発電できるときに限り、励磁コイルに電流を流して、発電を行わせたい要求が多い。特に、蓄電式の発電装置においては、蓄電部の電力を、無風時に、励磁電流によって無駄に消費してしまうと、最悪、蓄電部の電力が無くなるおそれがある。この場合には、次に風が吹いても、励磁電流を流すことができないため、発電不可能に陥るおそれもあった。

そのため、無風時の消費電力を極力抑え、風が吹いて風車が発電可能な状態になった場合に、励磁電流を流す従来技術がある（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１では、風力計を用いて発電可能な所望の風速が吹いたことを検知し、その後、一旦励磁コイルにパルス電流を流し、多相電機子から得られるパルス周波数によって励磁コイル回転数を検知し、励磁の継続可否を判断している。

特許第４１３４５８２号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
都市部などの一般生活環境下で用いられる、電磁石発電装置を使用した風力発電機は、通常の風量において、常時翼を回転させることが難しいという問題があった。また、このような風力発電機は、一旦翼の回転が停止した失速状態では、回転の再開を検出することが難しいという問題もあったこのため、回転の再開による発電のためには、比較的大きな励磁コイルへの電流供給が必要になっていた。

そして、停止した翼の回転の再開を検出するためには、風速計による風速値、または風力計による風力値の測定により、風の検出が必要であった。しかしながら、風の測定のためには、風速計または風力計の動作電源が必要であり、電力消費が発生していた。

また、回転検出部からの信号で動作するウエイクアップ部を用いる構成においては、回転数が閾値ぎりぎりの場合には、ウエイクアップ部がＯＮ／ＯＦＦを繰り返す場合があった。また、風が無くなることでウエイクアップ部が直ぐにＯＦＦされると、次の風で発電可能な状態であっても、ウエイクアップの時間まで発電できない場合があった。

また、風速計または風力計によって測定された風速値が、あらかじめ設定された値を超えたときには、回転検出のために、一時的な励磁コイルへの電流供給を行うことが望ましい。従って、このような一時的な励磁コイルへの電流供給により、さらなる電力消費が発生していた。

また、一時的な励磁コイルへの電流供給によって、励磁コイル部に磁力が発生するため、コギングトルク、および発電による負荷トルクが発生する。この結果、たとえば微風時にせっかく回転し始めた状態であっても、その発生したトルクによって回転数が低下し、発電できなくなる場合もあった。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、電力消費を抑制して安定した発電を行うことができる電磁石発電装置を得ることを目的とする。

本発明に係る電磁石発電装置は、回転部に接続され、電流を流すことで磁力を発生する励磁コイル部と、励磁コイル部に励磁電流を供給する励磁部と、励磁コイル部に近接して配置され、発電のための多相電機子巻線からなる発電コイル部と、励磁部の駆動をする制御部と、制御部への電源を供給する蓄電部と、励磁コイル部の残留磁気によって発電コイル部の多相電機子のいずれかの相に現れる電圧を使用して、蓄電部から制御部へ電源が供給される回路を通電状態とするためのＤＣ電源を生成する電源生成部と、電源生成部により生成されたＤＣ電源をもとに通電状態に切り替わることで、蓄電部から制御部へ電源を供給するウエイクアップ部と、を備え、電源生成部とウエイクアップ部との間に接続され、電源生成部によって生成されたＤＣ電源に基づいて回転部の回転数に応じた情報をウエイクアップ部に対して出力する回転検出部をさらに備え、回転検出部は、電源生成部とウエイクアップ部との間に接続された第１の抵抗と、第１の抵抗とウエイクアップ部との接続線に一端が接続され、他端がグランドに接続された第２の抵抗とで構成され、第１の抵抗および第２の抵抗のそれぞれは、所望の回転数でウエイクアップ部が通電状態に切り替わるような抵抗値を有し、ウエイクアップ部は、回転検出部から出力された情報をもとに通電状態に切り替わることで、蓄電部から制御部へ電源を供給するものである。

本発明によれば、翼が発電可能な所望回転数であるか否かを、外部からの電源供給なく容易に検出し、制御部をウエイクアップさせることができる構成を備えている。この結果、電力消費を抑制して安定した発電を行うことができる電磁石発電装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る電磁石発電装置の全体構成図である。本発明の実施の形態１における発電コイル部の出力波形の一例を示した図である。本発明の実施の形態１における多相電機子の各端子から出力される電圧と、発電機回転数との関係を示した図である。本発明の実施の形態１においてＡＣ入力をＤＣ電圧に変換する際に用いられる代表的な整流回路を示した図である。本発明の実施の形態１においてＡＣ入力をＤＣ電圧に変換する際に用いられる代表的な整流回路を示した図である。本発明の実施の形態１における回転検出部およびウエイクアップ部の具体的な回路構成を示した図である。本発明の実施の形態３に係る電磁石発電装置の全体構成図である。本発明の実施の形態４に係る電磁石発電装置の全体構成図である。本発明の実施の形態５に係る電磁石発電装置の全体構成図である。

以下、本発明の電磁石発電装置の好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電磁石発電装置の全体構成図である。図１に示した電磁石発電装置は、励磁コイル部２１、発電コイル部２２、Ｐ端子（発電波形出力端子）２３、電源生成部２４、回転検出部２５、ウエイクアップ部２６、制御部２７、蓄電部２８、励磁部２９、および回転部３０を備えて構成されている。

Ｐ端子２３は、多相電機子のいずれかの相に接続された端子である。電源生成部２４は、多相電機子のいずれかの相に現れる電圧を使用して、ＤＣ電源を生成する。回転検出部２５は、多相電機子のいずれかの相に現れる電圧に基づいて、回転を検出する。

ウエイクアップ部２６は、回転検出部２５からの情報をもとに、制御部２７の電源をＯＮ／ＯＦＦ制御する。制御部２７は、電磁石発電装置を制御するコントローラである。蓄電部２８は、ウエイクアップ部２６を介して制御部２７への電源を供給する。励磁部２９は、励磁コイル部２１の励磁制御を行う。さらに、回転部３０は、励磁コイル部２１を回転させる。

ここで、励磁コイル部２１について説明する。励磁コイル部２１は、通常、励磁電流を流して電磁石を構成し、その磁力によってできる磁界、およびその回転によってできる発電コイル部への磁界の変化により、発電を行う。また、励磁部２９により一旦励磁が行われると、励磁コイル部２１は、電磁石によって、コイルが巻かれている磁性体に残留磁気が残る。したがって、出荷試験時あるいは設置時において発電確認動作などで励磁コイル部２１が励磁されると、その後、励磁電流を流さなくても、励磁コイル部２１には、ある程度の磁力が残留していることとなる。

そして、励磁電流を流さない状態で励磁コイル部２１が回転すると、励磁電流を流した状態から比べれば、その電圧は低いが、発電コイル部２２の多相電機子から電圧が出力される。この出力電圧の波形は、サイン波に近い波形である。図２は、本発明の実施の形態１における発電コイル部２２の出力波形の一例を示した図である。図２では、一例として、２００ｒｐｍ時の出力電圧波形を示している。

また、図３は、本発明の実施の形態１における多相電機子の各端子から出力される電圧と、発電機回転数との関係を示した図である。発電電圧は、回転数に応じて、多相電機子の各端子から、図３のような電圧値として出力される。この電圧は、発電コイル部２２から出力されるものである。この発電コイル部２２のコイル自体のインピーダンスは低いため、ＩＣなどの微小電力には充分使用できる程度の電力を取ることができる。

そこで、本発明では、発電コイル部２２から出力されるこの電力に着目し、回転数を検出するための電源と、制御部２７をウエイクアップさせるためのウエイクアップ部２６の電源との両方に、この多相電機子のいずれかの相に現れる電圧を使用することを技術的特徴としている。

まず、電源生成部２４は、多相電機子のいずれかの相に現れる電圧を整流して、ＤＣ電圧に変換する。変換されたＤＣ電圧は、コンデンサなどの蓄電装置に貯められ、ウエイクアップ部２６の電源として使用される。

図４、図５は、本発明の実施の形態１においてＡＣ入力をＤＣ電圧に変換する際に用いられる代表的な整流回路を示した図である。一般的に、ＡＣ入力をＤＣ電圧に変換する際には、図４に示すような、ダイオードとコンデンサの回路で実現する。また、もう少し高い電圧を得たい場合には、図５に示すような、２逓倍回路を使用してもよい。

例えば、ＡＣ１Ｖが、図５に示した２逓倍回路に入力されると、整流された２逓倍電圧ＤＣ２Ｖが出力される。この構成を増やしていけば、３倍、４倍と電圧をあげることが可能であり、状況に応じて適切な回路構成を用いることとなる。

通常、ダイオードは、順方向にＶｆ（Ｖ）の順方向電圧が発生し、整流回路では、そのＶｆ分、ロスが発生する。しかしながら、今回のようなＩＣを駆動する程度の微小電流を流す場合には、Ｖｆ電圧は小さく、Ｖｆのロスの影響は、非常に少ない。

図６は、本発明の実施の形態１における回転検出部２５およびウエイクアップ部２６の具体的な回路構成を示した図である。図６において、回転検出部２５は、２つの抵抗Ｒ１、Ｒ２で構成されており、ウエイクアップ部２６は、２つのトランジスタＴＲ１、ＴＲ２で構成されている。

この図６の構成によれば、ＴＲ２のベースに微小の電流を流すことで、ＴＲ２の電流増幅率倍のコレクタ電流がＴＲ２のコレクタに流れる。このＴＲ２のコレクタ電流は、ＴＲ１のベース電流として流れ、ＴＲ１のコレクタには、ＴＲ１の電流増幅率倍の電流が流れる。

ＴＲ１のコレクタ電流は、制御部２７の電子回路を駆動するための電流であり、制御マイコンを含めて数１００ｍＡ程度となる場合がある。しかしながら、一般的なトランジスタの電流増幅率は、数百程度あり、１００とした場合でも、ＴＲ１のベース電流＝ＴＲ２のコレクタ電流は、数ｍＡで、さらにＴＲ２のベース電流は、その１００分の１でよいことになる。よって、電源生成部からＴＲ２のベースに、ごくわずかな電流を流すことができれば、ＴＲ２は、通電状態になり、制御部２７をウエイクアップさせることが可能である。

また、先の図３に示したように、回転数に応じて発電コイル部２２の多相電機子のいずれかの相に現れる電圧は、概ね回転数に比例する。このため、発電開始の所望回転数時に発生する電機子の電圧で、ＴＲ２のベースに電流が流れ始めるように、たとえば、図６に示した回転検出部２５の構成を採用することができる。

この構成のように、２つの抵抗Ｒ１、Ｒ２によって、ＴＲ２のベースに流れ始める電圧を規定すれば、所望の回転数のときにウエイクアップ部２６を動作させ、制御部２７に通電することが可能である。この場合、電源生成部２４の発生電圧Ｖａ（ｖ）が下式（１）のときに、ＴＲ２がＯＮして、ウエイクアップ部２６が動作する。
Ｖａ（ｖ）＝（（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２）×ＶＦｔｒ２（１）
ここで、ＶＦｔｒ２（Ｖ）は、ＴＲ２のＶＦである。

以上のように、実施の形態１によれば、励磁コイル部の残留磁気によって発電コイル部の多相電機子のいずれかの相に現れる微小な電圧を使用して電源生成を行う回路構成を採用している。このような構成を採用することで、外部電源をまったく使用せず、制御部をウエイクアップさせることができる。さらに、蓄電部の蓄電を消費することなく、また、無風時にはまったく電気を使用しない発電機を実現することができる。

なお、本実施の形態１では、蓄電部２８と制御部２７との間に存在し、制御部２７の電力をＯＮ／ＯＦＦするウエイクアップ部２６を用いる回路構成を採用した。ただし、このような回路構成に代えて、制御部にスリープ機能を有したＩＣを使用し、そのスリープ端子を、電源生成部２４の発生電圧で駆動する方法を採用しても良く、同様の効果を実現できる。

実施の形態２．
本実施の形態２では、制御部２７により、ウエイクアップ部２６の制御を行う場合について、図１、図６を用いて説明する。先の実施の形態１では、制御部２７のウエイクアップ後に励磁コイル部２１の回転数が低下、あるいは回転が停止することで、電源生成部２４の発生電圧Ｖａ（ｖ）がＴＲ２をＯＦＦする電圧に低下すると、ウエイクアップ部２６は、動作を停止し、蓄電部２８から制御部２７への通電は、遮断される。

これに対して、本実施の形態２では、図６に示すように、回転検出部２５からの出力と、制御部２７からの制御信号とをＯＲすることにより、回転検出部２５がＴＲ２をＯＦＦする電圧に低下した場合でも、制御部２７からの制御信号により、ウエイクアップ部２６の動作を継続させることが可能となる。

ＯＲ回路の一例として、図６では、ダイオードＤ１、Ｄ２を使用した回路例を示している。このようなＯＲ回路を使用することにより、励磁コイル部２１の回転数低下あるいは停止により発電が停止した場合でも、制御部２７からの制御信号により、蓄電部２８から制御部２７への通電を継続することができる。

この構成により、次の風で発電が可能な場合には、ウエイクアップの時間を待たずに発電が可能となる。また、励磁コイル部２１の回転数低下または停止により発電が停止した後、発電停止時間が長くなることで蓄電部２８の蓄電量が低下する場合には、制御部２７により、蓄電部２８から制御部２７への通電を遮断することができる。

以上のように、実施の形態２によれば、回転検出部およびウエイクアップ部を用いて蓄電部から制御部への電力供給を開始した後、励磁コイル部が低回転となり、発電コイル部の発電が行われなくなった場合でも、制御部からの制御信号により、ウエイクアップ部を用いた蓄電部から制御部への電力供給の継続、および電力遮断が可能となる。

実施の形態３．
本実施の形態３では、先の実施の形態１で使用していたウエイクアップ部２６の代わりに、ウエイクアップ部２６ａを採用する場合について説明する。図７は、本発明の実施の形態３に係る電磁石発電装置の全体構成図である。先の図１に示したウエイクアップ部２６は、蓄電部２８と制御部２７との間に存在し、制御部２７の電力をＯＮ／ＯＦＦする必要がある。このため、図６に示したＴＲ１には、大きめのスイッチング素子を使用する必要があった。

これに対して、本実施の形態３では、制御部２７内にマイコンが存在しており、ウエイクアップ部２６ａを用いる場合について説明する。通常のマイコンは、スリープ機能を有している。

スリープ時には、マイコンにマイクロＡ単位の電流が流れる。使用環境上、マイクロＡ程度のスリープ電流が許容される場合も少なくない。その場合には、蓄電部２８から制御部２７に電源供給をした状態で、スリープさせておく。その後、発電機が回転し、先の実施の形態１と同様に、励磁コイル部２１を励磁しない状態の残留磁気のみで、回転数に応じて発電コイル部２２の多相電機子のいずれかの相に現れる電圧を、電源生成部２４でＤＣ電圧に変換する。

そして、本実施の形態３におけるウエイクアップ部２６ａは、電源生成部２４で変換されたＤＣ電圧を用いて、制御部２７内のマイコンのスリープ端子をアクティブにする機能を有する。ウエイクアップ部２６ａは、たとえば、汎用のリセットＩＣを用い、所望回転数のときに発生する電源生成部２４の電圧で、信号を発生するように構成することで、簡単に制御部２７をウエイクアップさせることができる。

この方法であれば、汎用のリセットＩＣのみで制御部２７をウエイクアップさせることができる。このため、ウエイクアップ部２６ａは、ＴＲ１のような比較的電流を流せる高価な大きな素子を使用しなくて済み、安価な発電機を提供できる。

以上のように、実施の形態３によれば、安価で小型のＩＣ等で構成されるウエイクアップ部から出力されるウエイクアップ信号を、制御部の起動開始信号とする構成を備えている。この結果、発電コイル部の発電が行われていないときは、制御部を休止させることが可能となる。さらに、ウエイクアップ部において高価で大きな素子を使用しなくて済み、安価な発電機を提供できる。

実施の形態４．
本実施の形態４では、電源生成部２４のＤＣ出力電圧を利用してウエイクアップ後に発電機の回転検出を行う場合について説明する。図８は、本発明の実施の形態４に係る電磁石発電装置の全体構成図である。先の図３に示したように、回転数に応じて発電コイル部２２の多相電機子のいずれかの相に現れる電圧は、概ね回転数に比例する。このため、電源生成部２４のＤＣ出力電圧も、回転数に応じた電圧となる。

このＤＣ電圧を制御部２７のＡ／Ｄコンバータに入力する回路構成とすれば、そのＡ／Ｄ値に対応した回転数を得ることができる。この回路構成であれば、回転検出部２５を別途設ける必要がなく、ウエイクアップ部２６を流用して回転検出をすることができる。この結果、回路の兼用により、安価な発電機を提供することができる。

以上のように、実施の形態４によれば、電源生成部のＤＣ出力電圧は、回転数に応じた電圧となるため、特別な専用回路等を用いることなく、このＤＣ電圧を制御部のＡ／Ｄコンバータに入力することによって、そのＡ／Ｄ値に対応した回転数を計測することが可能となる。

実施の形態５．
本実施の形態５では、発電コイル部２２の多相電機子のいずれかの相に現れる電圧波形を利用して、回転数検出を行う回転検出部２５ａを有する場合について説明する。図９は、本発明の実施の形態５に係る電磁石発電装置の全体構成図である。先の実施の形態４では、制御部２７内のＡ／Ｄ制御部のＡ／Ｄコンバータでアナログ電圧を取得し、その電圧をもとに回転数を検知する場合について説明した。しかしながら、このアナログ電圧は、固体ばらつきを含んでいる。このため、固定ばらつきがある分、回転数検出精度が低い場合があった。

そこで、本実施の形態５において、回転検出部２５ａは、発電コイル部２２の多相電機子のいずれかの相に現れる電圧波形を矩形波に成形して、制御部２７のマイコンに入力する矩形波形成部に相当する。そして、制御部２７は、その矩形波の周波数から、回転数を検出する。励磁コイル部の磁極が１２極あり、全波整流を行わない場合には、発電コイル部２２の多相電機子のひとつの端子には、１回転あたり６個の波形が出力される、回転数Ｎ（ｒｐｍ）のときの周波数は、下式（２）になる。
周波数（Ｈｚ）＝（Ｎ（ｒｐｍ）×６）／６０（２）

回転検出部２５ａは、上記のように発電コイル部２２の多相電機子のひとつの端子から発生するサイン波に近い波形を、コンパレータなどで矩形波に変換し、制御部２７内のマイコンに入力する。マイコンに入力される周波数は、上式（２）であり、周波数もそれほど高くない。このため、マイコンでの処理は、容易に行うことができ、具体的な処理方法については、説明を省略する。

さらに、本実施の形態５によれば、矩形波の周波数で回転数を検出する。このため、より正確な回転数検出が可能になるとともに、矩形波の信号処理の特徴でもある耐ノイズ性の向上効果もある。

なお、図９では、回転検出部２５ａの入力は、電源生成部２４の入力と同じ端子から接続されているが、回転検出部２５ａは、多相電機子のいずれかの相を入力としても、同じ性能を得ることができる。

以上のように、実施の形態５によれば、発電コイル部の多相電機子のいずれかの相に現れる電圧波形を矩形波に成形して、制御部のマイコンに入力し、その矩形波の周波数から回転数を検出する構成を備えている。この結果、より精度の良い回転検出が可能となる。

２１励磁コイル部、２２発電コイル部、２３Ｐ端子（発電波形出力端子）、２４電源生成部、２５回転検出部、２５ａ回転検出部（矩形波形成部）、２６、２６ａウエイクアップ部、２７制御部、２８蓄電部、２９励磁部、３０回転部。

Claims

回転部に接続され、電流を流すことで磁力を発生する励磁コイル部と、
前記励磁コイル部に励磁電流を供給する励磁部と、
前記励磁コイル部に近接して配置され、発電のための多相電機子巻線からなる発電コイル部と、
前記励磁部を駆動する制御部と、
前記制御部への電源を供給する蓄電部と、
前記励磁コイル部の残留磁気によって前記発電コイル部の多相電機子のいずれかの相に現れる電圧を使用して、前記蓄電部から前記制御部へ前記電源が供給される回路を通電状態とするためのＤＣ電源を生成する電源生成部と、
前記電源生成部により生成された前記ＤＣ電源をもとに前記通電状態に切り替わることで、前記蓄電部から前記制御部へ前記電源を供給するウエイクアップ部と、
を備え、
前記電源生成部と前記ウエイクアップ部との間に接続され、前記電源生成部によって生成された前記ＤＣ電源に基づいて前記回転部の回転数に応じた情報を前記ウエイクアップ部に対して出力する回転検出部をさらに備え、
前記回転検出部は、
前記電源生成部と前記ウエイクアップ部との間に接続された第１の抵抗と、
前記第１の抵抗と前記ウエイクアップ部との接続線に一端が接続され、他端がグランドに接続された第２の抵抗と
で構成され、
前記第１の抵抗および前記第２の抵抗のそれぞれは、所望の回転数で前記ウエイクアップ部が前記通電状態に切り替わるような抵抗値を有し、
前記ウエイクアップ部は、前記回転検出部から出力された前記情報をもとに前記通電状態に切り替わることで、前記蓄電部から前記制御部へ前記電源を供給する
電磁石発電装置。
前記制御部は、前記回転部の回転数が前記所望の回転数未満になった後において、前記蓄電部から前記制御部への通電の継続、通電の遮断を制御するための制御信号を出力することで、前記ウエイクアップ部を制御する
請求項１に記載の電磁石発電装置。