JP7343925B2 - 発電システム - Google Patents

Description

この発明は、発電システムに関する。

コイルから構成される固定子と磁極を有する回転子とを備える発電機が知られている。この発電機は、外から加えられた力で回転子が回転することにより、コイルに加わる磁束を変動させることで発電する。また、磁極を有する固定子とコイルから構成される回転子とを備える発電機も知られている。この発電機も同様に外から加えられた力で回転子が回転することで発電する。回転子を回転させる力としては、火力による蒸気の力、水力および風力などが上げられる。

引用文献１は、電機子巻線群を有する固定子と、永久磁石による界磁極を有する回転子と、制御電流が供給され、永久磁石からの磁束の磁路形成部の磁気抵抗を変化させる制御巻線群と、制御巻線群に流れる制御電流を制御することによって、電機子巻線群に誘起される電圧を制御する制御回路とを備える永久磁石回転電機を開示する。

特開２００４－３２０９７２号公報

引用文献１の永久磁石回転電機は、回転子を回転させるために外から力を加える必要がある。永久磁石回転電機は、回転子に加える力を得るため、石炭、石油またはガスなどの熱エネルギーを必要とする。石炭、石油またはガスなどの熱エネルギーを使用するとコストがかかるという問題があり、熱エネルギーを使用しないで発電することが求められている。

本発明は、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、熱エネルギーを使用しなくても発電する発電システムを提供することを目的とする。

目的を達成するため、本発明に係る発電システムは、
発電機と、
進行方向に励磁電流を一次コイル励磁に供給する制御を実行する制御部と、
を備えた発電システムであって、
前記発電機は、
同極を対向して配置された複数の永久磁石と、
一端部が前記永久磁石のＳ極近傍に配置され、前記永久磁石のＮ極からＳ極に向かう方向に垂直な方向に延びる第１のヨークと、
一端部が前記永久磁石のＮ極近傍に配置され、前記第１のヨークと離間して平行に配置された第２のヨークと、
前記第１のヨークと前記第２のヨークとの間に配置され、励磁電流が流されると、鎖交磁束を発生する、前記永久磁石のＮ極からＳ極に向かう方向に平行な方向に延びる方向を軸として巻き付けられた一次コイル励磁と、
前記一次コイル励磁により発生した前記鎖交磁束により、進行方向に電流が流れる、前記永久磁石のＮ極からＳ極に向かう方向に平行な方向に延びる方向を軸として巻き付けられた二次コイル発電と、
第１の筒状部と、第２の筒状部と、前記第１の筒状部と前記第２の筒状部とを接続する接続部と、を有し、Ｓ字状の形状に形成された電起子コアと、を備え、
前記一次コイル励磁は、前記第１の筒状部に巻き付けられ、前記二次コイル発電は、前記第２の筒状部に巻き付けられ、
前記第１のヨークと前記二次コイル発電との間と、前記第２のヨークと前記一次コイル励磁との間と、にそれぞれ配置された補助コイルを備え、
それぞれの補助コイルは、直列に接続され、
前記一次コイル励磁に励磁電流が流されると、鎖交磁束を発生し、
前記二次コイル発電は、前記一次コイル励磁により発生した前記鎖交磁束により、電流が流れ、
前記制御部は、励磁電流を前記一次コイル励磁に供給するタイミングで、前記一次コイル励磁により発生する磁束と同じ向きに前記補助コイルが磁束を発生するように、前記補助コイルに電流が流れるように制御する、
ことを特徴とする。

前記第１のヨークと前記第２のヨークとが放射状に複数配置されているとよい。

前記一次コイル励磁は、前記第２のヨークに接近し、前記第１のヨークから離れた位置に配置され、
前記二次コイル発電は、前記第１のヨークに接近し、前記第２のヨークから離れた位置に配置されているとよい。

前記制御部は、励磁電流を前記一次コイル励磁に供給しないタイミングで、前記一次コイル励磁により発生する磁束と逆向きに補助コイルが磁束を発生するように、前記補助コイルに電流が流れるように制御するとよい。

本発明によれば、熱エネルギーを使用しなくても発電する発電システムを提供することができる。また、本発明で、地球温暖化を抑制することができる。また、本発明で、ダムの水量は、全て農業用水や水道水として利用することができる。また、本発明で、燃料の輸入量を劇的に低減させることができる。また、本発明で、発電原価を現在よりも下げることができる。また、本発明で、輸出額を大幅に向上させることができる。また、本発明で、深海の資源発掘に取り組むことができるようになる。また、本発明で、宇宙の探査、または、冒険に出かけることができるようになる。

本発明の実施の形態に係る発電機を示す図である。 図１のＡ－Ａ’断面図である。 図１のＢ－Ｂ’断面図である。 本発明の実施の形態に係る発電システムを示す図である。 本発明の実施の形態に係る発電システムのタイムチャートである。 本発明の実施の形態に係る発電システムが出力する電流を示す図（その１）である。 本発明の実施の形態に係る発電システムが出力する電流を示す図（その２）である。 本発明の実施の形態に係る発電システムが出力する電流を示す図（その３）である。 本発明の実施の形態に係る発電システムにおけるエネルギー保存の法則を説明する図である。 変形例に係る発電システムを示すブロック図である。

以下、本発明を実施するための形態に係る発電機および発電システムを図面を参照しながら説明する。

本実施の形態に係る発電機１００は、図１から図３に示すように、永久磁石１０と、永久磁石１０を中心に放射状に配置された８つの発電セル１１０を備える。発電セル１１０は、第１のヨーク２０Ｓと、第２のヨーク２０Ｎと、補助コイル３０Ａ、３０Ｂと、電起子コア４０と、一次コイル励磁５０と、二次コイル発電６０と、絶縁体７０と、電起子コア固定支持材８０と、磁気シールド９０と、を備える。発電機１００は、一次コイル励磁５０に進行方向に電流が流されると、二次コイルから発電された電流を出力するものである。このように、発電機１００は、永久磁石１０の磁気エネルギーの放出する磁界の強さＨ（ＡＴ／ｍ）をエネルギー発生源とする。永久磁石１０を中心に据え置き、その周りに部品を配置する。

永久磁石１０は、円柱状の形状を有し、筒形状の絶縁体１０ａでカバーされ、ネオジムなどを含む希土類磁石から構成される。永久磁石１０に加えて配置した永久磁石１１、１２の極を同極で対向し、絶縁体１０ａを介して永久磁石１０の磁束の放出方向を、９０度回転させて全方向に放出する。永久磁石１０は、Ｎ極を下、Ｓ極を上に位置するように、鉛直方向に配置される。永久磁石１０、１１、１２は、より保持力ＨｃＢの大きいものを用いるとよい。例えば、永久磁石１０、１１、１２にネオジム磁石を用いると、ＨｃＢは、８６８（ｋＡ／ｍ）の保持力を有する。同極を対向されて配置された複数の永久磁石１０、１１、１２に隙間を設け、この空隙の隙間を後述する電子回路の遮断機器（ＩＧＢＴ１）の遮断容量＋α＞遮断機器を通過する磁界の強さＨ（ＡＴ／ｍ）を満たすように調整する。αは、設計上の安全率である。永久磁石１０として用いるネオジム磁石の一例を表１に示す。

磁界の強さＨ（ＡＴ／ｍ）を全面的に利用、また、磁界の強さＨ（ＡＴ／ｍ）の導通を切断させる行為の為に用いた方法が、永久磁石１０と永久磁石１１の極を同極にして突き合わせることで解決可能である。その上、磁束を拡散させることで、漏洩磁束循環ループを形成することができ、この漏洩磁束循環ループの間に電起子コア４０を設置する。そして、この電起子コア４０に、一次コイル励磁５０と二次コイル発電６０を設置する。そして、磁束の通過による電磁誘導の現象で、発電作用に利用する。磁界の強さＨ（ＡＴ／ｍ）の通過順序を説明すると、永久磁石１０と永久磁石１１の同極の対面から放出された磁束は、第１のヨーク２０Ｓより第２のヨーク２０Ｎを通過し補助コイル３０Ａと一次コイル励磁５０による励磁コイルの電流による引き込みで、第１の筒状部４１と電起子コア４０を通過し、第２の筒状部４２を通る。このコアの外周に、二次コイル発電６０が装備される。次は、補助コイル３０Ｂを通り、第１のヨーク２０Ｓを通り、一端部２１Ｓを通過して永久磁右１０のＳ極へと磁界の強さＨ（ＡＴ／ｍ）は、循環回路で帰還する。第１のヨーク２０Ｓおよび第２のヨーク２０Ｎは、短冊状の形状を有し、永久磁石１０のＮ極からＳ極に向かう方向に垂直な方向（水平方向）に放射状に配置され、薄ケイ素鋼、パーマロイなどの高透磁率磁性材料から作成される。全方向に沿うようにヨーク材質をおく。磁界の強さＨ（ＡＴ／ｍ）は、通過しやすい（透磁率の保持率の小さい材質の中を好む）ヨーク材質の中を通過する。パーマロイを用いると比透磁率μ_ｓ＝μ／μ_０は、１００，０００～３００，０００である。μ_０は、真空の透磁率である。第１のヨーク２０Ｓの一端部２１Ｓおよび第２のヨーク２０Ｎの一端部２１Ｎは、永久磁石１０の近傍に配置されている。第１のヨーク２０Ｓの他端部２２Ｓは、絶縁体７０および磁気シールド９０を介して、第２のヨーク２０Ｎの他端部２２Ｎに接続されている。第１のヨーク２０Ｓの下には、第１の補助ヨーク２０Ｎ’が配置され、第２のヨーク２０Ｎの上には、第２の補助ヨーク２０Ｓ’が配置されている。第１のヨーク２０Ｓと第１の補助ヨーク２０Ｎ’の間の空間および第２のヨーク２０Ｎと第２の補助ヨーク２０Ｓ’の間の空間は、増設スペースとして利用できる。

第２のヨーク２０Ｎと第１の筒状部４１の間に設置する補助コイル３０Ａの間に流れる磁界のＨ（ＡＴ／ｍ）は、第１の筒状部４１の外周に巻いた一次コイル励磁５０に電流をＯＮ、ＯＦＦにして流しても鋭利な刃物で切断した様なエッジな断面にはならない、緩やかな減少曲線を描く。この状態では磁界の強さＨ（ＡＴ／ｍ）の流れと二次コイル発電６０の間で行う電磁誘導で電力を取り出すことにはならない。磁界の強さＨ（ＡＴ／ｍ）の変化がないと電力を発生させることはできない。そこで、この間に一次コイル励磁５０の補助コイル３０Ａを設置する。この構造はコイルを巻きに工夫が施されており、コイルの巻きは渦巻き形状で線の太さの外周に巻き重ねて作成している。第２のヨーク２０Ｎから磁界の強さＨ（ＡＴ／ｍ）を第１の筒状部４１に導く間の関所（ゲート）の役目を担うのが、この補助コイル３０Ａである。補助コイル３０Ａに電流を流しＯＮにすると、磁界の強さＨ（ＡＴ／ｍ）のゲートが開かれる。このゲートを開くことで許可が出たことになる。補助コイル３０ＡがＯＦＦのときは、許可が出ていない。即ちゲートは開かない。一次コイル励磁５０の動作だけでは、磁気の強さＨ（ＡＴ／ｍ）を引き込み磁界の強さＨ（ＡＴ／ｍ）を脈動させることができないために、補助の役目として設置している。補助コイル３０Ａは、第１のヨーク２０Ｓと後述する電起子コア４０の第１の筒状部４１との間に配置されたコイルである。補助コイル３０Ｂは、第２のヨーク２０Ｎと後述する電起子コア４０の第２の筒状部４２との間に配置されたコイルである。

電起子コア４０は、第１の筒状部４１と、第２の筒状部４２と、第１の筒状部４１と第２の筒状部４２とを接続する接続部４３と、を有し、Ｓ字状の形状に形成され、ケイ素鋼巻き鉄心またはパーマロイ巻き鉄心から構成される。電起子コア４０は、第１のヨーク２０Ｓおよび第２のヨーク２０Ｎと同じ材料で作成されているとよい。第１の筒状部４１と第２の筒状部４２とは、永久磁石１０のＮ極からＳ極に向かう方向に平行な方向に延びる筒状の形状を有し、第１の筒状部４１の一端４１ａと第２の筒状部４２の一端４２ａは、接続部４３により接続されている。第２の筒状部４２は、第１の筒状部４１より永久磁石１０から離れた位置に配置される。第１の筒状部４１は、第２のヨーク２０Ｎに接近し、第１のヨーク２０Ｓから離れた位置に配置される。また、第２の筒状部４２は、第１のヨーク２０Ｓに接近し、第２のヨーク２０Ｎから離れた位置に配置される。永久磁石１０のＮ極から発した磁力線は、第２のヨーク２０Ｎと第１のヨーク２０Ｓとを順番に通過し、永久磁石１０のＳ極に循環、帰還する。これにより、第２のヨーク２０Ｎと第１のヨーク２０Ｓとの間に磁界が発生し、電起子コア４０の第１の筒状部４１と、接続部４３と、第２の筒状部４２には磁束ψ_０、循環ループを形成する。電起子コア４０に用いるパーマロイ巻鉄心の一例を表２および表３に示す。表２中、Ｌｍは平均磁路長であり、Ａは平均断面積であり、Ｗは重量である。

一次コイル励磁５０に、電流を流して、第２のヨーク２０Ｎの磁界の強さＨ（ＡＴ／ｍ）を引き入れた状態から、第２の筒状部４２に磁界の強さＨ（ＡＴ／ｍ）を留めた状態において、電圧計は、磁界が増加しているときは正しい＋方向に針を指す。補助コイル３０Ａ、３０Ｂの電流を逆方向に流すことで磁界の強さＨ（ＡＴ／ｍ）は、第２の筒状部４２に留まっている状態から、発電動作に移る。自然界の、電起子コア４０の振舞いを説明すると、自然界では、電起子コア４０に磁界の強さＨ（ＡＴ／ｍ）入れた状態から、直ぐに引き込んだ磁界の強さＨ（ＡＴ／ｍ）を排除する行動を行う。この排除する行動とは、電起子コア４０に磁界の強さＨ（ＡＴ／ｍ）を排除する行為即ちコアの磁界の強さＨ（ＡＴ／ｍ）を減少させようとする行いのことである。一次コイル励磁５０は、電起子コア４０の第１の筒状部４１に巻き付けられているコイルである。一次コイル励磁５０には、進行方向に励磁電流Ｉ_１が流される。一次コイル励磁５０の巻き数は、例えば、２４である。励磁電流Ｉ_１は、例えば１０ｋＨｚでＯＮ、ＯＦＦされる。一次コイル励磁５０に励磁電流Ｉ_１が流されると、一次コイル励磁５０は鎖交磁束ψ_１を発生する。

二次コイル発電６０は、電起子コア４０の第２の筒状部４２に巻き付けられているコイルである。一次コイル励磁５０に励磁電流Ｉ_１を流すことで、電起子コア４０に磁界の強さＨ（ＡＴ／ｍ）が導入される。その結果、二次コイル発電６０には鎖交磁束の現象で電圧が誘発されて発生する。一次コイル励磁５０と補助コイル３０Ａの入力が無くなった場合、すぐ後から電起子コア４０の磁界の強さＨ（ＡＴ／ｍ）は減少する。それと共に二次コイル発電６０の電流Ｉ_２の流れも逆方向に流れようとする。この電起子コア４０と二次コイル発電６０の行いは、自然界の法則（レンツの法則）で示すことができる。これらの要素を基礎におき、電力として取り出す方法を考えるか、二次コイル発電６０の回路を電子回路の一部分と捉えて電子回路を組み立て、二次コイル発電６０に最も多くの電流Ｉ_２を流すことができれば、電源Ｗ＝Ｒ（Ｉ_２）^２で電力を取り出すことができる。この回路の電流を多く流す行いでは、回路の抵抗は一定である。電流を多く流すには、電子回路の二次コイル発電６０を短絡させることが最もよい方法と考えられる。二次コイル発電６０は、電起子コア４０の第２の筒状部４２に巻き付けられているコイルである。二次コイル発電６０には、電起子コア４０を貫通する磁束ψ_０と一次コイル励磁５０により発生した鎖交磁束ψ_１とにより、進行方向に電流Ｉ_２が流れる。二次コイル発電６０の巻き数は、例えば、２４である。

絶縁体７０は、第１のヨーク２０Ｓの他端部２２Ｓと磁気シールド９０との間、および第２のヨーク２０Ｎの他端部２２Ｎと磁気シールド９０との間に配置されたものである。

電起子コア固定支持材８０は、第１の補助ヨーク２０Ｎ’と第２の補助ヨーク２０Ｓ’とを支持する部材であり、ヨーク材固定支持ボルト８１により第１の補助ヨーク２０Ｎ’と第２の補助ヨーク２０Ｓ’を固定する。また、隙間調整用ボルト８２により、永久磁石１０の間の隙間を調整する。この調整を行う理由は、磁界の強さＨ（ＡＴ／ｍ）を調整するためである。

磁気シールド９０は、磁気を通し易い材料から構成され、第１のヨーク２０Ｓや第２のヨーク２０Ｎなどから放出される漏洩磁束をそれ以上の外部に影響を与えることが無いようにするために設置する。絶縁体７０は、第１のヨーク２０Ｓや第２のヨーク２０Ｎなどと、磁気シールド９０等と、の距離をとり、少しでも磁気を低減させるために、設置している。

次に、発電システム１について説明する。発電システム１は、図４に示すように、発電機１００と、制御部１２０、電源分配器１３０と、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）１～８と、コンデンサＣ１～Ｃ４と、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）１と、トランスＴ１と、パワーコンディショナ２００と、を備える。

制御部１２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などを備え、基準周波数２ｋＨｚでＭＯＳＦＥＴ１～８およびＩＧＢＴ１を制御する。制御部１２０は、ＲＯＭに記憶されたプログラムをＲＡＭに読み出して実行することにより、発電に必要な処理を実行する。系統全電力負荷を知り、その上で、負荷＋α（≒１５％）＝総合発電量などを基準値におき、発電所の時間に対する量を把握した上で、ベース電力量と変動発電時の電力量を考慮して、どこの発電所の電力量を増やすのか減らすのかの時間帯の判断をコンピュータに判断させて運用をする。この運用管理の上には発電所が立ち上がる時間の間題が最も重要な事項となる。この発電所の発電量の運転停止が数秒の遅れで運転できるようになることは、負荷＋α（≒１５％）=統合発電量となり≒（１５％－５％）＝１０％がメリットとして大きく、経済的に多大な貢献ができる。

電源分配器１３０は、直流電流を供給するものである。電源分配器１３０の電圧Ｖ_１は、例えば１５Ｖである。バッテリは、例えば、マンガン乾電池、アルカリマンガン乾電池などの一次電池、鉛蓄電池、リチウムイオン二次電池などの二次電池などである。

電子回路の最も良い特徴は、図５に示すように、高周波数で回路の切断と接続とを瞬時に行えるようにすることである。ＭＯＳＦＥＴ１～８、ＩＧＢＴ１は、発電回路から電力量の回路に編成させ、電子回路の信号を用いて短絡作用時に使用する。その為に回路を切断させる行為がどうしても必要となり、動作速度（高周波数のＯＮ、ＯＦＦ）周波数が必要である。そして、動作をさせると短絡作用時に過大な電流が流れ、この電流を遮断することができる。このように遮断容量を持った部品を必要とする。その必要性から、これらの要素を備えた製品を選定する。ＭＯＳＦＥＴ１は、ゲート電極に１０ｋＨｚの交流電圧が印加され、電源分配器１３０から流れる直流電流を１０ｋＨｚの矩形波の励磁電流Ｉ_１に変換し、一次コイル励磁５０に供給する。一次コイル励磁５０に励磁電流Ｉ_１が供給されると、二次コイル発電６０には、電起子コア４０の第２の筒状部４２を貫通する磁束ψ_０と一次コイル励磁５０により発生した鎖交磁束ψ_１とにより、進行方向に電流Ｉ_２が流れる。ＭＯＳＦＥＴ２およびＭＯＳＦＥＴ５は、それぞれゲート電極に電圧が印加されると、電源分配器１３０から流れる電流を補助コイル３０Ａ、３０Ｂに順方向に供給する。これにより、一次コイル励磁５０により発生する磁束と同じ向きに補助コイル３０Ａ、３０Ｂが磁束を発生する。ＭＯＳＦＥＴ３、４は、電源分配器１３０から流れる電流を補助コイル３０Ａ、３０Ｂに逆方向に供給する。これにより、一次コイル励磁５０により発生する磁束と逆向きに補助コイル３０Ａ、３０Ｂが磁束を発生する。ＭＯＳＦＥＴ６～８は、それぞれゲート電極に電圧が印加されると、コンデンサＣ１～Ｃ３に蓄積された電荷をトランスＴ１に放出する。

コンデンサＣ１～Ｃ３は、回路の抵抗＝Ｒとし、回路のコイルのインダクタンスＬ、コンデンサＣとして、各要素の組み合わせの量で、過渡現象による出力波形が決まり、この波形を停電時に利用したり、発電時に利用したりできる。この波形を求めるためにコンデンサＣ１～Ｃ３の容量を調整して回路に接続替えを行う。

トランスＴ１は、絶縁方式のフライバックＤＣ（Direct Current）／ＤＣコンバータに用いるものである。動作を説明すると、ＩＧＢＴ１が導電状体（ＯＮ）である時、二次コイル発電６０より流れた電流がトランスＴ１から一次コイルに通電されることで、トランスＴ１のコアに磁束が流れ込みコアが励磁される。この行いで、トランスＴ１の二次コイルからコンデンサＣ４に充電された電圧による電流が一気に放出され、この電流は、トランスＴ１の二次コイルに流れダイオードＤＯを通じてパワーコンディショナ２００への負荷の要望に応えて流れ込む。

フライバックより、直流がパワーコンディショナ２００に入力される。次に、パワーコンディショナ２００から出力された電力は普通の家庭で使用する。パワーコンディショナ２００では、ＤＣ－ＤＣコンバータで太陽電池出力の定電圧化とＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）で制御を行う。電力会社のベース電力を担う発電にする目的では、このＤＣ－ＤＣコンバータとＭＰＰＴは使用しない。直流入カインバータを通し、変換器を通して、変換器電圧を出力させる。次に、フィルタ変圧器（連系リアクトル）を通して交流系統電圧にして送電する。ベース電力を担う発電では個々の部品の精度が格段に上がるが、ベース電力に設置させるパワーコンディショナ２００の方がよりメリットがあり、発電時の電圧を安定させるために、電流を流し込むだけでなく、系統の電圧に対し、流し込む電流の位相を変える制御をパワーコンディショナ２００が担う。そして、系統の電圧と流し込む電流のゼロクロス（位相）が同じ場合、有効電力１００％を占めている交流電力を力率１とする。

パワーコンディショナ２００は、発電された電気を使用できる電圧および周波数に変換する機器であり、インバータの一種である。発電機１００で発電された電気を一般家庭などで、通常利用可能な電気に変換することができる。

次に、以上の構成を有する発電機１００および発電システム１が実行する発電原理について説明する。

一次コイル励磁５０に電流が投入されて第２の筒状部４２に磁界の強さＨ（ＡＴ／ｍ）が流れ込み留まる状態から、磁束ψが留まる。そして、減少する状態になる時の、磁束ψと二次コイル発電６０の巻き数（鎖交数）Ｎ（Ｔ）との積を鎖交磁束数ψ_ｎ（Ｗｂ・Ｔ）で表す。

この鎖交磁束数ψ_ｎが変化するとき、電磁誘導の法則によって、鎖交磁束数ψ_ｎの時間あたりの減少率に等しく、起電力ｅ＝－ｄψ_ｎ／ｄｔで表される。鎖交磁束数ψ_ｎの変化率が、１（Ｗｂ・Ｔ／ｓ）であると、１秒間に１（Ｗｂ・Ｔ）の割合で変化して、１（Ｖ）の起電力を生ずる。この条件で、１ｋＨｚ変化数の起電力は、１０００（Ｖ）、もう少し磁束を上げて、鎖交磁束数ψ_ｎを２（Ｗｂ・Ｔ／ｓ）にすると、起電力は、２０００（Ｖ）となる。このように持ち駒を変更することで、負荷の需要に応えられる。

時間ｄｔを集積し平均値の起電力はＥ＝ｅｄｔ（Ｖ）で表すことができる。電気回路は、抵抗Ｒ、インダクタンスＬの状態で、この条件から回路を短絡状態にし、短絡電流は、ｉ＝Ｅ／Ｒで求める。これらを用いてエネルギー変換を算出する。

Ｒｉ＋Ｌｄｉ／ｄｔ＝０の両辺に電流ｉを乗じると、Ｒｉ^２＋（Ｌｄｉ／ｄｔ）ｉ＝０となる。この両辺にｄｔを乗じて式（Ａ－１）に示すように積分し、式（Ａ－１）を式（Ａ－２）に代入し、式（Ａ－３）を得る。

式（Ａ－３）の左辺は、零から無限大までの時間に抵抗Ｒに消費される電力量、すなわち熱エネルギーをあらわす。右辺は定常電流Ｉが流れているとき、電起子コア４０および一次コイル励磁５０に蓄えられている電磁エネルギーを意味している。従って、短絡時の電磁エネルギーに変換される、すなわち、一次コイル励磁５０を励磁させるエネルギーとして、変換させる。言い方を変えれば、一次コイル励磁５０の入カエネルギー量を表している。この左右辺の違いによることで発電が成立する。

次に、一次コイル励磁５０の励磁による、二次コイル発電６０の電磁誘導現象からコンデンサＣ４に、そのエネルギーＷＴは溜まる。ここまでが二次コイル発電６０によるＯＮ時の動作による状況である。次に、二次コイル発電６０がＯＦＦの時にはコンデンサＣ４に留まるエネルギーＷＴが一気に放出される行いをする。

この現象を物理現象を持って説明すると、ばねを上から押し付ける行いに類似する。これは、二次コイル発電６０のＯＮの時の状態である。トランスのコアに励磁された状態と同じ状態である。次に、このばねを押さえていた金具の止め金具が外れた状態になると、この状態は二次コイル発電６０がＯＦＦの状態になったことにあたり、ばねは強い勢いで反発して元の状態に戻ろうとする。すなわち、二次コイル発電６０の電流は、逆方向に流れだす。ダイオードＤＯを通過してパワーコンディショナ２００の一次側入力へと流れる。

また、二次コイル発電６０と、トランスＴ１と、ＩＧＢＴ１と、コンデンサＣ２、Ｃ３と、で形成される閉回路の電気抵抗をＲ_ｂとし、二次コイル発電６０のインダクタンスＬ、コンデンサＣ２、Ｃ３のそれぞれの静電容量をＣ_２、Ｃ_３とする。コンデンサＣ２、Ｃ３のそれぞれの静電容量Ｃ_２、Ｃ_３は、Ｒ_ｂ≧２（Ｌ／（Ｃ_１＋Ｃ_２））^１／２の関係を満たす。Ｒ_ｂ＜２（Ｌ／（Ｃ_１＋Ｃ_２））^１／２の関係を満たす場合、図６Ａに示すように、電流量が減衰振動する電流Ｉ_２が流れる。Ｒ_ｂ＝２（Ｌ／（Ｃ_１＋Ｃ_２））^１／２の関係を満たす場合、図６Ｂに示すように、瞬間的に電流量が増加し、徐々に減衰する電流Ｉ_２が流れる。ピークまでの時間τ_１は、２Ｌ／Ｒ_ｂである。Ｒ_ｂ＞２（Ｌ／（Ｃ_１＋Ｃ_２））^１／２の関係を満たす場合、図６Ｃに示すように、図６Ｂに示す場合と比較して、より遅く電流量が増加し、ピークの小さい電流Ｉ_２が流れる。ピークまでの時間τ_２は、２Ｌ／Ｒ_ｂより大きい。以上により、電子回路の発電と停止回路に過渡現象の波形を導入し遮断容量の低減を行う。

次に、発電機１００および発電システム１が発電する発電量について説明する。

第１のヨーク２０Ｓと第２のヨーク２０Ｎとの間の磁界をＨとすると、磁界のエネルギー密度Ｗは、式（１）で表される。
Ｗ＝（１／２）ＢＨ＝（１／２）μ_０μ_ｓＨ^２ （１）

次に、第２のヨーク２０Ｎが一次コイル励磁５０を引きつける吸引力を求める。第２のヨーク２０Ｎの磁束ψ_０を一次コイル励磁５０に吸い寄せるエネルギー減少量ΔＷは、式（２）で表される。
ΔＷ＝－ＷＳｄｘ＝－（１／２）μ_０μ_ｓＨ^２ＳΔｘ（Ｊ） （２）
このエネルギー減少量ΔＷは、第２のヨーク２０Ｎが一次コイル励磁５０に磁束ψ_０を入力させるために費やされた吸引力に相当し、これをＦ（起電力）とすると、ＦΔｘ＋ΔＷ＝０となる。
Ｆ＝－ΔＷ／Δｘ＝（１／２）Ｓμ_０μ_ｓＨ^２（Ｎ） （３）
ｍｇ≧Ｆ＝（１／２）Ｓμ_０μ_ｓＨ^２（Ｎ） （４）
なお、ｍは、電起子コア４０の第１の筒状部４１と一次コイル励磁５０の質量（ｋｇ）であり、ｇは、重力加速度であり、ｇ＝９．８ｍ／ｓ^２である。

次に、式（４）からＨを求め、投入電力を求める。
電起子コア４０の第１の筒状部４１の磁気抵抗は、
Ｒ_１＝Ｌ_１／μ_０μ_ｓＳ_１（ＡＴ／Ｗｂ） （５）
隙間の磁気抵抗は、
Ｒ_２＝Ｌ_２／μ_０Ｓ_２（ＡＴ／Ｗｂ） （６）
第２のヨーク２０Ｎの磁気抵抗は、
Ｒ_３＝Ｌ_３／μ_０μ_ｓＳ_３（ＡＴ／Ｗｂ） （７）
全体の磁気抵抗Ｒｍは、
Ｒｍ＝Ｒ_１＋Ｒ_２＋Ｒ_３
＝（１／μ_０）（（Ｌ_１／μ_ｓＳ_１）＋（２Ｌ_２／Ｓ_２）＋（２Ｌ_３／μ_ｓＳ_３）
（８）

なお、Ｓ_１：電起子コア４０の第１の筒状部４１の断面積、Ｓ_２：第１と第２のヨーク２０Ｓ、２０Ｎの長手方向に垂直な面で切断した断面の断面積、Ｓ_３：電起子コア４０の第１の筒状部４１と第２のヨーク２０Ｎの隙間の断面積、Ｌ_０：鉛直方向における永久磁石の長さ、Ｌ_１：鉛直方向における電起子コア４０の第１の筒状部４１の長さ、Ｌ_２：鉛直方向における隙間の長さ、Ｌ_３：第１と第２のヨーク２０Ｓ、２０Ｎの長手方向の長さである。

コイルの巻き数Ｎ、励磁電流Ｉ_１、とすると起磁力はＮＩ_１（ＡＴ）で表され、磁束ψは、下記式（９）で表される。
磁束ψ＝ＮＩ_１／Ｒｍ（Ｗｂ） （９）
式を変形して、
Ｈ＝ψ／μ_０Ｓ_１
＝ＮＩ_１／μ_０Ｓ_１Ｒｍ
＝ＮＩ_１／Ｓ_１｛（Ｌ_１／μ_ｓＳ_１）＋（２Ｌ_２／Ｓ_２）＋（２Ｌ_３／μ_ｓＳ_３）｝
（１０）

式（９）を式（４）に代入すると、
ｍｇ≧（μ_０／２Ｓ_１）［ＮＩ_１／｛（Ｌ_１／μ_ｓＳ_１）＋（２Ｌ_２／Ｓ_２）＋（２Ｌ_３／μ_ｓＳ_３）｝^２］（Ｎ）である。
この式を変形し励磁電流Ｉ_１を求める。
Ｉ_１≦（１／Ｎ）×［（２ｍｇＳ_１／μ_０）｛（Ｌ_１／μ_ｓＳ_１）＋（２Ｌ_２／Ｓ_２）＋（２Ｌ_３／μ_ｓＳ_３）｝］^１／２
（１１）
励磁電流Ｉ_１およびコイルの巻き数Ｎにより、電起子コア４０の第１の筒状部４１が発生する磁束ψが決定される。

入力された磁束ψを元に発電量Ｆを下記式（１２）により算出する。
Ｆ＝（μ_０／２Ｓ_１）［（ＨｃＢ×Ｌ_０／ＳＮ）／｛（Ｌ_１／μ_ｓＳ_１）＋（２Ｌ_２／Ｓ_２）＋（２Ｌ_３／μ_ｓＳ_３）｝^２］ （１２）
周波数未投入発電量Ｗ_１は、下記式（１３）で表される。
Ｗ_１＝２πＦＬ_１ （１３）

磁極間に働く力Ｆｍ＝ｍ１×ｍ２／（４πμ_０ｒ^２）（Ｎ）は、磁界の強さＨ（ＡＴ／ｍ）を増強および調整制御させることができる。ｍ１は、永久磁石１１の磁気量、ｍ２は、永久磁石１０の磁気量であり、ｒは、永久磁石１０と永久磁石１１との間隔である。
励磁電流ｉａは、下記式（１４）で表される。式（１４）中、ｎａは巻き数、μｒは比透磁率、ｍｇは電起子コア４０の重量、ｓ１は電起子コア４０の断面積、ｓ２は第１と第２のヨーク２０Ｓ、２０Ｎの断面積、ｓ０は空隙の断面積、ｌ１は電起子コア４０の長さ、ｌ２は第１と第２のヨーク２０Ｓ、２０Ｎの長さ、ｌ０は空隙の長さである。

レンツの法則で起電する電圧ｙ（Ｖ）は、ｘの関数であり、ｘ＝ε^ｍｘとおくと、
ｄｙ／ｄｘ＝ｍε^ｍｘ、ｄ^２ｙ／ｄｘ^２＝ｍ^２ε^ｍｘである。
そして、このｍとは、ｍ＝Ｌｉ＝ｎφの関係にある。

ｉｂ電流回路は、振動電流で、過渡現象で流れる電流である。
Ｒｂｄｉ／ｄｔ＋Ｌ３ｄ^２ｉ／ｄｔ^２＋Ｌ２ｄ^２ｉ／ｄｔ^２＝０
この式の左辺は、短絡時の回路抵抗に生じる振動電流の電圧降下を示し、右辺は供給電圧０である。

ｉｃ電流回路は、振動電流で、過渡現象で流れる電流である。
Ｒｃｄｑ／ｄｔ＋Ｌ４ｄ^２ｑ／ｄｔ^２＋ｑ／ｃ＝０
この式の左辺は放電時の回路抵抗に生じる振動電流の電圧降下を示し、右辺は供給電圧０である。

回路に高周波を投入すると、電磁誘導によって、鎖交磁束数の時間的変化率に等しい起電力ｅ＝－ｄφ／ｄｔを生ずる。この式は、鎖交磁束数の変化率が、１（Ｗｂ・Ｔ／Ｓ）即ち１秒間に１（Ｗｂ・Ｔ）の割合で変化するとき１（Ｖ）の起電力を生ずる。ｄｔ＝１／ｘ（Ｈｚ）を入れるとｅ≒ｘ（Ｖ）の過渡現象の振幅電圧を生じさせる。

以上のように、本実施の形態の発電機１００および発電システム１によれば、一次コイル励磁５０に励磁電流Ｉ_１が流されると、一次コイル励磁５０は鎖交磁束ψ_１を発生し、鎖交磁束ψ_１は、第１のヨーク２０Ｓおよび第２のヨーク２０Ｎを介して、電起子コア４０の第２の筒状部４２を貫通し、二次コイル発電６０に、電起子コア４０の第２の筒状部４２を貫通する磁束ψ_０と一次コイル励磁５０により発生した鎖交磁束ψ_１とにより、進行方向に電流Ｉ_２が流れる。これにより、発電機１００および発電システム１は、熱エネルギーを使用しなくても発電することができる。また、発電停止時には、コンデンサＣ１に蓄えられた電荷が供給される。年代と共に技術革新の進歩と永久磁石１０の磁気の強さＨ（ＡＴ／ｍ）は益々改善され、その数値は大きく改善される。それに対して回路のＩＧＢＴ１の遮断容量も改善されているが、永久磁石１０から放出される磁気の強さＨ（ＡＴ／ｍ）１石をＩＧＢＴ１の遮断容量１個で遮断することは困難である。遮断容量の最も大きな製品を使用できたとしても高価となり採算がとれない虞がある。そこで、考えたのが磁気の漏洩磁束を分割し、電起子数を多くして、遮断容量の小さい製品を多く使用し、電圧の昇圧を高周波を投入することで補うことである。

永久磁石１０の磁界の強さＨ（ＡＴ／ｍ）を利用し、このエネルギー値は変化量は少なく長期間利用できる。

永久磁石１０は、日本以外の国でも製造でき、レア資源ではあるが広く使用され、便利な機能を有している。

磁界の強さＨ（ＡＴ／ｍ）は調整し易く、永久磁石１０と他の部材（磁石、ヨーク材質）間の距離を調整することが容易にできる。

永久磁石１０の漏洩磁束循環ループを作成し易い。

電起子機能が装着し易く、増設も容易にできる。

電子回路は、回路の部品を組み替えることで、昇圧や降圧回路に変更することが容易にできる。

発電回路が電子回路であることで、電力系統の負荷変動について調整システムを発揮する事が瞬時にできるようになる。

分散発電方式を採用することで、今以上に電力の安全性が高まる。

本発明で、地球温暖化を抑制することができる。

本発明で、ダムの水量は、全て農業用水や水道水として利用することができる。

本発明で、燃料の輸入量を劇的に低減させることができる。

本発明で、発電原価を現在よりも下げることができる。

本発明で、輸出額を大幅に向上させることができる。

本発明で、深海の資源発掘に取り組むことができるようになる。

本発明で、宇宙の探査、または、冒険に出かけることができるようになる。

（変形例）
上述の実施の形態では、発電機１００が、永久磁石１０を中心に放射状に配置された８つの発電セル１１０を備える例について説明したが、発電機１００は、少なくとも１つの発電セル１１０を備えればよく、１つまたは複数の発電セル１１０を備えてもよい。また、必要な発電量に応じて発電セル１１０の数を変更してもよい。

上述の実施の形態では、永久磁石１０が、円柱状の形状を有し、ネオジムなどを含む希土類磁石から構成される例について説明した。永久磁石１０は、磁場を発生させるものであればよく、フェライト磁石やその他の永久磁石であってもよい。また、形状も、円柱状に限定されず、発電セル１１０の数に合わせた多角形を底面とする柱状の形状を有するものであってもよい。

上述の実施の形態では、第１のヨーク２０Ｓおよび第２のヨーク２０Ｎが、薄ケイ素鋼、パーマロイから構成される例について説明したが、高透磁率磁性材料であればよく、薄ケイ素鋼、パーマロイ以外の高透磁率磁性材料を用いてもよい。

上述の実施の形態では、一次コイル励磁５０および二次コイル発電６０の巻き数は、特に限定されず設計の容量の値により算出する数に従うものとする。

上述の実施の形態では、発電システム１が、基準周波数ｋＨｚでＭＯＳＦＥＴ１～８およびＩＧＢＴ１を制御する例について説明した。基準周波数は、特に限定されず、一次コイル励磁５０が鎖交磁束ψ_１を発生することができる周波数であればよい。

上述の実施の形態では、発電システム１が図４に示す構成を有する例について説明した。発電システム１は、発電機１００を用いて発電するものであればよく、図８に示すように発電機１００と、パワーコンディショナ２００と、半導体電力変換回路３１０と、ドライブ回路３２０と、コントローラ３３０と、を備えてもよい。半導体電力変換回路３１０は、発電機１００で発電した電力の電圧や周波数を変換し、パワーコンディショナ２００に出力する。パワーコンディショナ２００とドライブ回路３２０は、コントローラ３３０に制御されて、半導体電力変換回路３１０を駆動する。コントローラ３３０は、発電機１００で発電された電圧Ｖｉ、Ｉｉ、半導体電力変換回路３１０で変換された電圧Ｖｏ、Ｉｏ、および全電力負荷を検出し、電圧Ｖｏ、Ｉｏが設定された目標値になるようにドライブ回路３２０を制御する。また、余った電力は、パワーコンディショナ２００から発電機１００に戻される。

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

本出願は、２０２０年１月２１日に出願された、日本国特許出願特願２０２０－００７８７７号に基づく。本明細書中に日本国特許出願特願２０２０－００７８７７号の明細書、特許請求の範囲、図面全体を参照として取り込むものとする。

１ 発電システム
１０、１１、１２ 永久磁石
１０ａ ７０ 絶縁体
２０Ｓ 第１のヨーク
２０Ｓ’ 第２の補助ヨーク
２０Ｎ 第２のヨーク
２０Ｎ’ 第１の補助ヨーク
２１Ｓ、２１Ｎ 一端部
２２Ｓ、２２Ｎ 他端部
３０Ａ、３０Ｂ 補助コイル
４０ 電起子コア
４１ 第１の筒状部
４１ａ、４２ａ 一端
４２ 第２の筒状部
４３ 接続部
５０ 一次コイル励磁
６０ 二次コイル発電
８０ 電起子コア固定支持材
８１ ヨーク材固定支持ボルト
８２ 隙間調整用ボルト
９０ 磁気シールド
１００ 発電機
１１０ 発電セル
１２０ 制御部
１３０ 電源分配器
２００ パワーコンディショナ
３１０ 半導体電力変換回路
３２０ ドライブ回路
３３０ コントローラ
Ｃ１～Ｃ４、Ｃ コンデンサ
Ｔ１ トランス
ＤＯ ダイオード
Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ 電力
ｉａ 励磁電流
ｉｂ、ｉｃ 電流回路
Ｌ１～Ｌ４ インダクタ

Claims (4)

1. 発電機と、
   進行方向に励磁電流を一次コイル励磁に供給する制御を実行する制御部と、
   を備えた発電システムであって、
   前記発電機は、
   同極を対向して配置された複数の永久磁石と、
   一端部が前記永久磁石のＳ極近傍に配置され、前記永久磁石のＮ極からＳ極に向かう方向に垂直な方向に延びる第１のヨークと、
   一端部が前記永久磁石のＮ極近傍に配置され、前記第１のヨークと離間して平行に配置された第２のヨークと、
   前記第１のヨークと前記第２のヨークとの間に配置され、励磁電流が流されると、鎖交磁束を発生する、前記永久磁石のＮ極からＳ極に向かう方向に平行な方向に延びる方向を軸として巻き付けられた一次コイル励磁と、
   前記一次コイル励磁により発生した前記鎖交磁束により、進行方向に電流が流れる、前記永久磁石のＮ極からＳ極に向かう方向に平行な方向に延びる方向を軸として巻き付けられた二次コイル発電と、
   第１の筒状部と、第２の筒状部と、前記第１の筒状部と前記第２の筒状部とを接続する接続部と、を有し、Ｓ字状の形状に形成された電起子コアと、を備え、
   前記一次コイル励磁は、前記第１の筒状部に巻き付けられ、前記二次コイル発電は、前記第２の筒状部に巻き付けられ、
   前記第１のヨークと前記二次コイル発電との間と、前記第２のヨークと前記一次コイル励磁との間と、にそれぞれ配置された補助コイルを備え、
   それぞれの補助コイルは、直列に接続され、
   前記一次コイル励磁に励磁電流が流されると、鎖交磁束を発生し、
   前記二次コイル発電は、前記一次コイル励磁により発生した前記鎖交磁束により、電流が流れ、
   前記制御部は、励磁電流を前記一次コイル励磁に供給するタイミングで、前記一次コイル励磁により発生する磁束と同じ向きに前記補助コイルが磁束を発生するように、前記補助コイルに電流が流れるように制御する、
   ことを特徴とする発電システム。
2. 前記第１のヨークと前記第２のヨークとが放射状に複数配置されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
3. 前記一次コイル励磁は、前記第２のヨークに接近し、前記第１のヨークから離れた位置に配置され、
   前記二次コイル発電は、前記第１のヨークに接近し、前記第２のヨークから離れた位置に配置されている、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の発電システム。
4. 前記制御部は、励磁電流を前記一次コイル励磁に供給しないタイミングで、前記一次コイル励磁により発生する磁束と逆向きに補助コイルが磁束を発生するように、前記補助コイルに電流が流れるように制御する、
   ことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の発電システム。

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