JP7501927B2 - 発電機およびこれを用いた発電システム - Google Patents

Description

本発明は発電機およびこれを用いた発電システムに関し、特に、複数の永久磁石を有する円筒状の回転子と、複数のコイルを有し回転子と同心状に配置された円筒状の固定子とを備え、回転子を回転させることによって電圧を発生させる発電機およびこれを用いた発電システムに用いて好適なものである。

従来、コイルを貫く磁束が変化するとコイル内に起電力（電圧）が発生し、コイル内に電流が流れるという電磁誘導を利用して、磁石のエネルギーを電気エネルギーに変換することで発電する発電機が知られている。例えば、Ｎ極の永久磁石とＳ極の永久磁石とが交互に環状に配置された円筒状の回転子（ロータ）と、当該永久磁石と対向する位置に複数のコイルを有し回転子と同心状に配置された円筒状の固定子（ステータ）とを備え、ロータを回転させて永久磁石とコイルとの距離を変化させることによって電圧を発生させる発電機が知られている。

この種の発電機では、回転力を加えられたロータが有するＮ極の磁石がコイルに近づくと、コイルを貫く磁束が増加する。すると、コイル内の磁束を増加させまいとする向きに新たな磁束が発生して誘導電流が流れる。また、Ｎ極の磁石がコイルから遠ざかると、コイルを貫く磁束が減少する。すると、コイル内の磁束を減少させまいとする向きに新たな磁束が発生して誘導電流が流れる。コイルに流れる誘導電流の向きはレンツの法則に従い、Ｎ極の磁石がコイルに近づくときとコイルから遠ざかるときとで誘導電流の発生する向きは逆となる。Ｓ極の磁石がコイルに近くづくときとコイルから遠ざかるときに生じる誘導電流の向きは、Ｎ極の場合と逆向きとなる。

ところで、ロータの回転によって永久磁石が変位し、その永久磁石と対向する位置に配置されたステータのコイルの真上を永久磁石が通過する際にコイル内に誘導電流が発生すると、コイルは永久磁石とは逆向きの磁極を有する電磁石となり、永久磁石がコイルから遠ざかるときに、永久磁石の回転方向に対してブレーキをかけることになってしまう。そのため、これが回転方向とは逆向きの電磁抵抗となり、発電機の発電効率の低下を招いているという問題があった。

なお、スイッチング素子と、当該スイッチング素子をオンオフする駆動回路と、位置検知回路とを有する電気回路を発電機の巻線に接続し、位置検知回路が固定子と回転子との相対位置を検知して駆動回路に出力することにより、巻線に流れる電流の位相を、装置が高効率で運転される状態に保つことができるようにした発電機が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に記載の発電機では、駆動回路が位置検知回路からの信号に基づいて、３相のコイルに接続されたスイッチング素子を順次オンオフすることにより、３相のコイルに流れる電流がほぼｑ軸上となる（θ＝０の位相で流される）ようにして、リラクタンストルクと誘導起電力（フレミングの左手の法則）で発生するトルクが、どちらともほぼθ＝０にてほぼ最大のものとなるようにしている。しかしながら、これは電磁抵抗の発生自体を抑制するものではない。

特開２００３－２４５０００号公報

本発明は、このような問題を解決するために成されたものであり、複数の永久磁石を有する円筒状の回転子と、複数のコイルを有し回転子と同心状に配置された円筒状の固定子とを備え、回転子を回転させることによって電圧を発生させる発電機において、回転子の回転を阻止するように発生する電磁抵抗を減少させることができるようにすることを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明の発電機は、複数の永久磁石を有する円筒状の回転子と、複数のコイルを有し回転子と同心状に配置された円筒状の固定子とを備え、回転子を回転させることによって電圧を発生させるものであって、以下の構成を有する。すなわち、回転子の回転位置を検出する回転位置検出部と、永久磁石とコイルとの距離の変動に応じてコイルに発生する誘導電流が流れる第１経路上に設けられた第１のスイッチング素子と、回転位置検出部により検出される回転子の回転位置に基づいて、誘導電流が流れることによって回転子の回転方向とは逆向きに電磁抵抗が発生する期間の少なくとも一部の第１期間において第１のスイッチング素子をオフし、第１期間以外は第１のスイッチング素子をオンするように制御する制御部とを備える。

上記のように構成した本発明によれば、誘導電流が流れた場合に電磁抵抗が発生する期間の少なくとも一部の第１期間には、誘導電流が流れる第１経路上に設けられた第１のスイッチング素子がオフすることにより、電磁抵抗を誘起する方向の誘導電流は流れなくなる。これにより、回転子の回転を阻止するように発生する電磁抵抗を減少させることができる。

本実施形態による発電システムの全体構成例を示す図である。 本実施形態による発電機（回路部分を除く）の構成例を示す図である。 本実施形態による発電機の回路部分の構成例を示す図である。 誘導電流が流れる第１経路を示す図である。 誘導電流が流れる方向とは逆向きの電流が流れる第２経路を示す図である。 制御部が出力する制御信号およびコイルの両端に生じる電圧波形の一例を示す図である。 制御部が出力する制御信号およびコイルの両端に生じる電圧波形の他の例を示す図である。 制御部が出力する制御信号およびコイルの両端に生じる電圧波形の他の例を示す図である。 本実施形態による発電機の回路部分の他の構成例を示す図である。 本実施形態による発電システムの他の全体構成例を示す図である。 本実施形態による発電機の回路部分の他の構成例を示す図である。 本実施形態による制御部が備える構成の一例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態による発電システムの全体構成例を概略的に示す図である。図１に示すように、本実施形態の発電システム１００は、回転子が同一の回転軸５０に軸支される発電機１０および発動機２０と、ＤＣ－ＡＣインバータ３０と、バッテリ４０とを備えて構成される。

発電機１０は、複数の永久磁石を有する円筒状の回転子（ロータ）と、複数のコイルを有しロータと同心状に配置された円筒状の固定子（ステータ）とを備え、ロータを回転させたときの永久磁石とコイルとの電磁誘導によって電圧を発生させるものである。発動機２０は、発電機１０の回転子に回転駆動力を与えるものであり、例えばモータである。バッテリ４０は、発動機２０の動作電源を与えるものである。ＤＣ－ＡＣインバータ３０は、バッテリ４０からの放電によって発生されたＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換し、ＡＣ電圧を発動機２０に印加する。

本実施形態の発電システム１００は、発動機２０を駆動してその回転子を回転させ、当該回転子に固着された回転軸５０を通じて発電機１０のロータを回転させることにより、ロータに配置された複数の永久磁石とステータに配置された複数のコイルとの間の電磁誘導を利用して発電を行う。

図２は、発電機１０の構成例（回路部分を除く）を示す図である。図２（ａ）に示すように、本実施形態の発電機１０は、ハウジング１に回転可能に支持された回転軸５０に取り付けられた円筒状のロータ２と、ハウジング１に固定されてロータ２の内側にロータ２と同心状に配置された円筒状のステータ３とを備えている。

図２（ａ）に示すように、ロータ２は、回転方向に環状に並べて配置された複数の永久磁石２１を備えている。複数の永久磁石２１は、Ｎ極とＳ極とが交互に密着して配置されている。各永久磁石２１は、ロータ２の回転中心に対して等間隔の角度に固定されており、各極性を径方向に向けたパラレル異方性をもって着磁されている。永久磁石２１の個数は、後述するティース３１の個数以上の偶数個である（本実施形態では、ティース３１と同数の１２個としている）。

図２（ａ）に示すように、ステータ３は、永久磁石２１の面に対峙するように配置されており、円筒状のヨーク（継鉄）に一体に形成されて外周面に沿って突設された複数のティース３１を有している。図２（ａ）の例では、１２個のティース３１がロータ２の回転中心に対して３０°間隔で放射状に配置されている。

図２（ｂ）に示すように、各ティース３１には、その外周に沿ってコイル３２が巻き付けられている。ティース３１は、周方向断面が長方形状の角柱であって、短辺が１～３ｍｍ程度のプレート状に形成されており、永久磁石２１の面に対峙する端部にティース３１の外側からの磁束漏れを防止する薄板状の磁束漏れ防止覆い部材３３が装着されている。磁束漏れ防止覆い部材３３は、例えば、非磁性体の一種であるステンレスで構成されている。

３個おきの３組の各４個のティース３１には、ロータ２の永久磁石２１からの磁束を受けたときに同一位相の電流が発生するようにコイル３２が連続的に接続されている。これによりＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相の交流が発生される。各コイル３２は、高インダクタンスコイルが好ましいが、特にこれに限定されるものではない。ステータ３は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各ティース３１のコイル３２の出力部から三相交流電流を集電可能な公知の構成となっている。

図３は、発電機１０の回路部分の構成例を示す図である。図３に示すように、本実施形態の発電機１０は、回路構成として、回転位置検出部１１、制御部１２、レベルシフタ１３_-1，１３_-2、インバータ１４、第１のスイッチング素子Ｔｒ₁₁，Ｔｒ₁₂、第２のスイッチング素子Ｔｒ₂₁，Ｔｒ₂₂および電源Ｖｃｃを備えている。この図３に示す構成のうち、回転位置検出部１１および制御部１２についてはＵ相、Ｖ相、Ｗ相に共通の共有回路である。それ以外の構成は、３相のうち１相に関する構成例を示したものであり、同様の構成が他の２相についても設けられる。

回転位置検出部１１は、パルスセンサを有しており、当該パルスセンサによってロータ２の回転位置を検出する。パルスセンサは、例えば磁気センサまたは光センサで構成される。パルスセンサは、例えば発電機１０のロータ２に取り付けられる受動素子と、ステータ３に取り付けられる能動素子との対により構成される。能動素子の設置位置（以下、これを検出位置という）は、ロータ２が回転して受動素子が所定の回転位置に来たときに対峙する位置である。

例えば、パルスセンサを磁気センサで構成する場合、パルスセンサは、ステータ３の検出位置に取り付けられた能動素子としての検出用磁石から発する磁界の大きさを受動素子にて検出し、当該検出した磁界が最大化したとき（ロータ２の受動素子がステータ３の能動素子に最近接して対峙したとき）にパルス信号を出力する。ロータ２の受動素子とステータ３の能動素子とが１つずつ設置されている場合、パルスセンサは、ロータ２が１回転するごとに、ロータ２に取り付けられた受動素子がステータ３の能動素子が設置された検出位置に最も近づいたときの回転位置を検出してパルス信号を１つ出力する。パルスセンサを光センサで構成する場合も同様である。

なお、ロータ２に対して複数の受動素子を設けてもよい。この場合、ロータ２が１回転するごとにパルス信号が複数回出力される。ここで、ロータ２が定速で回転している定常状態のときに複数回のパルス信号が等時間間隔で出力されるように、複数の受動素子をロータ２の回転方向に等間隔で設置するのが好ましい。逆に、ロータ２に取り付ける受動素子を１つとし、ステータ３に対して複数の能動素子を設けるようにしてもよい。

また、発電機１０のロータ２にパルスセンサを設置することに代えて、発動機２０の回転子（図示せず）または回転軸５０にパルスセンサを取り付けるようにしてもよい。また、回転子の方に能動素子を設置し、固定子の方に受動素子を設置するようにしてもよい。

第１のスイッチング素子Ｔｒ₁₁，Ｔｒ₁₂は、ロータ２の永久磁石２１とステータ３のコイル３２との距離の変動に応じてコイル３２に発生する誘導電流が流れる第１経路上に設けられ、制御部１２による制御に従ってオンオフする。図４は、第１経路を示す図である。図４において太い点線で示すように、第１経路は、電源Ｖｃｃと、第１のスイッチング素子Ｔｒ₁₁，Ｔｒ₁₂と、コイル３２とを通る経路である。電磁誘導によってコイル３２に発生した誘導電流は、コイル３２の両端から負荷ＲＬに出力される。

第２のスイッチング素子Ｔｒ₂₁，Ｔｒ₂₂は、誘導電流が流れる方向とは逆向きの電流をコイル３２に流すための第２経路上に設けられ、制御部１２による制御に従ってオンオフする。図５は、第２経路を示す図である。図５において太い点線で示すように、第２経路は、電源Ｖｃｃと、第２のスイッチング素子Ｔｒ₂₁，Ｔｒ₂₂と、コイル３２とを通る経路である。このときコイル３２に流れる電流は、コイル３２の両端から負荷ＲＬに出力される。

第１のスイッチング素子Ｔｒ₁₁，Ｔｒ₁₂および第２のスイッチング素子Ｔｒ₂₁，Ｔｒ₂₂（以下、これら４つをまとめていうときは単に「スイッチング素子Ｔｒ」と記すことがある）は、例えばＭＯＳＦＥＴなどのトランジスタにより構成されており、そのゲート端子に入力される信号によりオンまたはオフとなる。ここで、図の上側の２つのスイッチング素子Ｔｒ₁₁，Ｔｒ₂₁がｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ、下側の２つのスイッチング素子Ｔｒ₁₂，Ｔｒ₂₂がｐチャンネルＭＯＳＦＥＴである。図３に示すように、これら４つのスイッチング素子ＴｒによりＨブリッジ回路が構成されている。

制御部１２は、例えば矩形波から成る制御信号を出力する。この制御信号がレベルシフタ１３_-1，１３_-2およびインバータ１４を介してスイッチング素子Ｔｒのゲート端子に入力される。制御部１２がＬｏｗの制御信号を出力している期間では、第１のスイッチング素子Ｔｒ₁₁，Ｔｒ₁₂がオンとなり、第２のスイッチング素子Ｔｒ₂₁，Ｔｒ₂₂がオフとなる。一方、制御部１２がＨｉの制御信号を出力している期間では、第１のスイッチング素子Ｔｒ₁₁，Ｔｒ₁₂がオフとなり、第２のスイッチング素子Ｔｒ₂₁，Ｔｒ₂₂がオンとなる。

なお、制御部１２は、ハードウェア、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ソフトウェアの何れによっても構成することが可能である。例えばソフトウェアによって構成する場合、制御部１２は、実際にはコンピュータのＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを有するマイコンにより構成され、ＲＡＭやＲＯＭ、ハードディスクまたは半導体メモリ等の記憶媒体に記憶されたプログラムが動作することによって実現される。

制御部１２は、回転位置検出部１１により検出されるロータ２の回転位置に基づいて、コイル３２に誘導電流が流れることによってロータ２の回転方向とは逆向きに電磁抵抗が発生する期間の少なくとも一部の第１期間において第１のスイッチング素子Ｔｒ₁₁，Ｔｒ₁₂をオフし、第１期間以外は第１のスイッチング素子Ｔｒ₁₁，Ｔｒ₁₂をオンするように制御する。また、制御部１２は、第１のスイッチング素子Ｔｒ₁₁，Ｔｒ₁₂をオフする第１期間の少なくとも一部の第２期間において第２のスイッチング素子Ｔｒ₂₁，Ｔｒ₂₂をオンし、第２期間以外は第２のスイッチング素子Ｔｒ₂₁，Ｔｒ₂₂をオフするように制御する。

本実施形態において、ロータ２の回転方向とは逆向きに電磁抵抗が発生する期間は、Ｎ極の永久磁石２１がコイル３２から遠ざかる期間およびＳ極の永久磁石２１がコイル３２から遠ざかる期間である。すなわち、Ｎ極の永久磁石２１がコイル３２に最も近づくタイミングから、Ｎ極の永久磁石２１がコイル３２から最も遠ざかるタイミングまでの期間と、Ｓ極の永久磁石２１がコイル３２に最も近づくタイミングから、Ｓ極の永久磁石２１がコイル３２から最も遠ざかるタイミングまでの期間との２つの期間である。

例えば、回転位置検出部１１のパルスセンサを１つの能動素子と１つの受動素子との組み合わせで構成する場合、永久磁石２１とコイル３２とが最も近くなる相対位置関係を検出可能な位置にパルスセンサの能動素子と受動素子とを設置することにより、永久磁石２１とコイル３２とが最も近くなるタイミングを回転位置検出部１１により検出することが可能である。また、ロータ２の定常状態における回転速度と永久磁石２１の大きさとの関係をもとに、永久磁石２１とコイル３２とが最も近くなったときから最も遠ざかるまでに要する回転時間をあらかじめ計算しておけば、回転位置検出部１１により検出されたタイミングとあらかじめ計算しておいた回転時間とをもとに、永久磁石２１とコイル３２とが最も遠くなるタイミングを特定することも可能である。

なお、図２のように発電機１０を構成するとともに、ロータ２にパルスセンサの２つの受動素子を３０°間隔で設置した場合は、永久磁石２１がコイル３２に最も近づくタイミングおよび永久磁石２１がコイル３２から最も遠ざかるタイミングをそれぞれ回転位置検出部１１により検出することが可能である。

本実施形態において、第１期間と第２期間は同じ期間である。すなわち、第１期間の全てが第２期間であり、第１のスイッチング素子Ｔｒ₁₁，Ｔｒ₁₂がオンとなっているときは第２のスイッチング素子Ｔｒ₂₁，Ｔｒ₂₂がオフとなり、第１のスイッチング素子Ｔｒ₁₁，Ｔｒ₁₂がオフとなっているときは第２のスイッチング素子Ｔｒ₂₁，Ｔｒ₂₂がオンとなる。

制御部１２は、ロータ２の回転に応じて回転位置検出部１１より逐次出力される検出結果のパルス信号に基づいて、ロータ２が定速回転の定常状態に達したか否かを監視し、定常状態に達したことを検知した後に、スイッチング素子Ｔｒのオンオフを制御するようにしてもよい。このようにすれば、第１期間（＝第２期間）をより正確に検出して、スイッチング素子Ｔｒのオンオフをより精度よく制御することが可能となる。

図６は、制御部１２が出力する制御信号（図６（ｂ））と、コイル３２の両端に生じる電圧波形（図６（ａ））とを示す図である。この図６は、ロータ２の回転方向とは逆向きに電磁抵抗が発生する期間（永久磁石２１からコイル３２が遠ざかる期間）と、第１のスイッチング素子Ｔｒ₁₁，Ｔｒ₁₂をオフする第１期間と、第２のスイッチング素子Ｔｒ₂₁，Ｔｒ₂₂をオンする第２期間とを全て同じとした場合の例を示している。なお、図６（ｃ）は、スイッチング素子Ｔｒを設けない場合における従来型の電圧波形を参考用として示すものである。

図６において、期間Ｔ１は、Ｎ極の永久磁石２１がコイル３２に近づく期間である。期間Ｔ２は、Ｎ極の永久磁石２１がコイル３２から遠ざかる期間である。期間Ｔ３は、Ｓ極の永久磁石２１がコイル３２に近づく期間である。期間Ｔ４は、Ｓ極の永久磁石２１がコイル３２から遠ざかる期間である。制御部１２は、図６（ｂ）に示すように、期間Ｔ１，Ｔ３においてＬｏｗ、期間Ｔ２，Ｔ４においてＨｉとなる矩形波の制御信号を出力する。

これにより、期間Ｔ１，Ｔ３において、第１のスイッチング素子Ｔｒ₁₁，Ｔｒ₁₂がオン、第２のスイッチング素子Ｔｒ₂₁，Ｔｒ₂₂がオフし、コイル３２に発生した誘導電流が図４の第１経路に沿って流れる。このとき、電磁誘導によってコイル３２に発生した誘導電流がコイル３２の両端から負荷ＲＬに出力される。

また、期間Ｔ２，Ｔ４（＝第１期間および第２期間）において、第１のスイッチング素子Ｔｒ₁₁，Ｔｒ₁₂がオフ、第２のスイッチング素子Ｔｒ₂₁，Ｔｒ₂₂がオンし、電源Ｖｃｃから供給される電流が図５の第２経路に沿って流れる。このとき、コイル３２の両端から負荷ＲＬに電流が出力される。図６（ａ）と図６（ｃ）とを比較すると分かる通り、期間Ｔ２，Ｔ４においては、誘導電流は流れず、通常であれば誘導電流が流れる方向とは逆方向に電流が流れる状態となっている。

以上のように構成した本実施形態の発電機１０によれば、コイル３２に誘導電流が流れた場合に電磁抵抗が発生する期間（＝期間Ｔ２，Ｔ４の第１期間）には、誘導電流が流れる第１経路上に設けられた第１のスイッチング素子Ｔｒ₁₁，Ｔｒ₁₂がオフすることにより、電磁抵抗を誘起する方向の誘導電流は流れなくなる。これにより、ロータ２の回転を阻止するように発生する電磁抵抗を減少させることができる。

また、本実施形態の発電機１０では、第１期間と同一の第２期間（＝期間Ｔ２，Ｔ４）において、第２経路上に設けられた第２のスイッチング素子Ｔｒ₂₁，Ｔｒ₂₂がオンすることにより、誘導電流が流れる方向とは逆向きの電流をコイル３２に流すようにしている。これにより、当該逆向きの電流を起因としてフレミングの左手の法則により発生する電磁力は、ロータ２の回転方向と一致することとなり、ロータ２の回転をアシストする作用を得ることができる。

なお、図６では、ロータ２の回転方向とは逆向きに電磁抵抗が発生する期間と、第１のスイッチング素子Ｔｒ₁₁，Ｔｒ₁₂をオフする第１期間とが同じである場合の例を示したが、これに限定されない。図７は、電磁抵抗が発生する期間よりも、第１のスイッチング素子Ｔｒ₁₁，Ｔｒ₁₂をオフする第１期間が短い場合の例を示している。ここでは、電磁抵抗が発生する期間に入った後の所定時間後のタイミング（永久磁石２１がコイル３２に最も近づいた後の所定時間後のタイミング）から、永久磁石２１がコイル３２から最も遠ざかったタイミングまでの期間を第１期間としている。なお、永久磁石２１がコイル３２から最も遠ざかるタイミングよりも所定時間前までの期間を第１期間としてもよい。

また、図６では、第１のスイッチング素子Ｔｒ₁₁，Ｔｒ₁₂をオフする第１期間と同じ第２期間中に第２のスイッチング素子Ｔｒ₂₁，Ｔｒ₂₂をオンする例について示したが、これに限定されない。図８は、第２のスイッチング素子Ｔｒ₂₁，Ｔｒ₂₂を常時オフとした場合の例を示している。この場合、第２のスイッチング素子Ｔｒ₂₁，Ｔｒ₂₂を省略し、発電機１０の回路部分を図９のように構成してもよい。

なお、図５のように第２経路を用いて電流を流している期間中に、コイル３２に発生する誘導電流が流れる方向の第１経路は形成されていないので、フレミングの右手の法則に従って発生する誘導電流がコイル３２を流れることはない。すなわち、電源Ｖｃｃからの電流がコイル３２に流れるのみである。しかしながら、コイル３２に生じる起電圧が電源Ｖｃｃの電圧を上回る場合には、コイル３２から第２のスイッチング素子Ｔｒ₂₁に誘導電流が逆流していく可能性がある。

そこで、この逆流していく電流を利用してバッテリ４０を充電するようにしてもよい。図１０は、バッテリ４０の充電機能を備えた発電システム１００’の構成例を示す図である。また、図１１は、バッテリ４０の充電機能を備えた発電システム１００’に用いられる発電機１０’の回路構成例を示す図である。これらの図１０および図１１において、図１および図３に示した符号と同一の符号を付したものは同一の機能を有するものであるので、ここでは重複する説明を省略する。

図１０に示す発電システム１００’は、図１に示した構成に加えて、ＡＣ－ＤＣインバータ６０および充放電切替スイッチ７０を更に備えている。また、図１１に示す発電機１０’は、図３に示した構成に加えて、レギュレータ１５および第２の制御部１６を更に備えている。

第２の制御部１６は、ハードウェア、ＤＳＰ、ソフトウェアの何れによっても構成することが可能である。例えばソフトウェアによって構成する場合、第２の制御部１６は、実際にはコンピュータのＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを有するマイコンにより構成され、ＲＡＭやＲＯＭ、ハードディスクまたは半導体メモリ等の記憶媒体に記憶されたプログラムが動作することによって実現される。ここでは制御部１２と第２の制御部１６とを別に設ける構成を示しているが、制御部１２が第２の制御部１６の機能を備える構成としてもよい。

ＡＣ-ＤＣインバータ６０は、発電機１０’により発生されたＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換する。ここでいうＡＣ電圧とは、第２のスイッチング素子Ｔｒ₂₁を逆流する電流によって生じる電圧である。充放電切替スイッチ７０は、バッテリ４０の充電または放電を切り替えるためのスイッチである。充放電切替スイッチ７０の切り替えは、発電機１０’の第２の制御部１６により制御される。

レギュレータ１５は、第２のスイッチング素子Ｔｒ₂₁を逆流する電流が所定値を超えて流れないように制限をかけるためのものである。第２の制御部１６は、第２期間において第２のスイッチング素子Ｔｒ₂₁を逆流する電流が発生したか否かを監視し、逆流の発生を検知した場合に、充放電切替スイッチ７０を放電側から充電側に切り替えることにより、当該逆流する電流によってバッテリ４０を充電するように制御する。

なお、上記実施形態では、制御部１２がＨｉの制御信号を出力する期間、つまり第１期間と第２期間があらかじめ設定されている例を示したが、これを任意に調整可能な構成とすることも可能である。例えば、図１２に示すように、制御部１２が、回転位置検出部１１より出力されるパルス信号を矩形波に成形する波形成形回路１２１、波形成形回路１２１により成形された矩形波の位相を変える位相シフタ１２２、位相シフタ１２２により位相シフトされた矩形波のデューティ幅を変えるリングカウンタ１２３を備え、リングカウンタ１２３の出力信号を制御信号として用いるようにしてもよい。この場合、位相シフタ１２２による位相の変動量およびリングカウンタ１２３によるデューティ幅の変動量を、任意に設定可能なパラメータによって調整するようにする。なお、リングカウンタ１２３に代えてＰＷＭ（Pulse Width Modulation）回路を用いてもよい。

また、上記実施形態では、第１期間と第２期間とが同じ期間、すなわち、第１期間の全てが第２期間である例について説明したが、第１期間の一部を第２期間とするようにしてもよい。この場合は、第１のスイッチング素子Ｔｒ₁₁，Ｔｒ₁₂のオンオフと第２のスイッチング素子Ｔｒ₂₁，Ｔｒ₂₂のオンオフとを個別に制御可能な回路構成とする必要がある。

また、上記実施形態では、発動機２０がモータであると説明したが、これに限定されるものではない。例えば、風力発電、水力発電、太陽光発電といった自然エネルギー発電を利用した発動機であってもよい。

また、上記実施形態では、バッテリ４０と電源Ｖｃｃとを別に設ける構成を示したが、共用するようにしてもよい。

その他、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

２ ロータ（回転子）
３ ステータ（固定子）
１０，１０’ 発電機
１１ 回転位置検出部
１２ 制御部
１６ 第２の制御部
２０ 発動機
２１ 永久磁石
３２ コイル
４０ バッテリ
７０ 充放電切替スイッチ
１００，１００’ 発電システム
Ｔｒ₁₁，Ｔｒ₁₂ 第１のスイッチング素子
Ｔｒ₂₁，Ｔｒ₂₂ 第２のスイッチング素子

Claims (5)

1. 複数の永久磁石を有する円筒状の回転子と、複数のコイルを有し上記回転子と同心状に配置された円筒状の固定子とを備え、上記回転子を回転させることによって電圧を発生させる発電機であって、
   上記回転子の回転位置を検出する回転位置検出部と、
   上記永久磁石と上記コイルとの距離の変動に応じて上記コイルに発生する誘導電流が流れる第１経路上に設けられた第１のスイッチング素子と、
   上記回転位置検出部により検出される上記回転子の回転位置に基づいて、上記回転子の回転に伴い上記永久磁石の磁束が強まった後に、上記永久磁石の磁束が最大から減少していくことによって上記コイルに発生する電圧が変化する各周期において、上記永久磁石の磁束が強まる期間の少なくとも一部の第１期間において上記第１のスイッチング素子をオフし、上記各周期において上記永久磁石の磁束が最大から減少していく期間の全部を含めて上記第１期間以外の期間は上記第１のスイッチング素子をオンするように制御する制御部とを備えた
   ことを特徴とする発電機。
2. 上記誘導電流が流れる方向とは逆向きの電流を上記コイルに流すための第２経路上に設けられた第２のスイッチング素子を更に備え、
   上記制御部は、上記第１のスイッチング素子をオフする上記第１期間の少なくとも一部の第２期間において上記第２のスイッチング素子をオンし、上記第２期間以外は上記第２のスイッチング素子をオフするように制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の発電機。
3. 上記第１のスイッチング素子および上記第２のスイッチング素子によりＨブリッジ回路を構成したことを特徴とする請求項２に記載の発電機。
4. 上記制御部は、上記回転子の回転に応じて上記回転位置検出部より逐次出力される検出結果の信号に基づいて、上記回転子が定速回転の定常状態に達したか否かを監視し、上記定常状態に達したことを検知した後に、スイッチング素子のオンオフを制御することを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の発電機。
5. 請求項２または３に記載の発電機と、
   上記回転子に回転駆動力を与える発動機と、
   上記発動機の動作電源を与えるバッテリと、
   上記バッテリの充電または放電を切り替えるための充放電切替スイッチと、
   上記第２期間において上記第２のスイッチング素子を逆流する電流が発生した場合に、上記充放電切替スイッチを放電側から充電側に切り替えることにより、当該逆流する電流によって上記バッテリを充電するように制御する第２の制御部とを備えた
   ことを特徴とする発電システム。