WO2011077599A1 - 発電機、自己発電型モーターおよびそれを用いた電力供給システム - Google Patents
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Abstract
永久磁石の使用量を少なくして小型化・軽量化を図りつつ、周囲に発生する磁束をより多くコアレスコアにより捕捉し、高い発電効率が得られる発電機及び自己発電型モーターを提供する。 本発明の発電機100は、回転軸101と、回転軸101に連動して回転可能に構成された回転子110と、隣接する永久磁石111同士で同極同士が対向するように回転子110に周回状に配設した複数の永久磁石111と、複数のコアレスコイルを周回状に配設し、回転子110の一端面において永久磁石111に対向させた第1のコイル集合体120と、同様に回転子110の他端面において永久磁石111に対向させた第2のコイル集合体130と、回転子110の側面に対向させた第3のコイル集合体140を備える。自己発電型モーターは上記発電機100と回転軸を共通化したモーターを備え、複数台直列に搭載する場合、各段にクラッチ機構220を設ける。
Description
本発明は、発電機、モーターおよびそれを用いた電力供給システムに関する。モーターとしての用途は限定されず多様な分野に適用される。電力供給システムも用途は限定されず多様な分野に適用される。例えば、家庭での電力供給装置、工場やビルディングでの電力供給装置がある。また、例えば、電気自動車、ハイブリッド型自動車、電気自動二輪車、特殊車両などの車両の電力供給機構などがあり、多様な分野に適用され得る。
発電機は運動エネルギーを電気エネルギーに変換する機器であり、モーターは電気エネルギーを運動エネルギーに変換する機器であり、様々なタイプがある。モーターは一般には、電機子に電力を供給して磁界を発生させ、界磁との間で得られる磁気引力・磁気反発力を得て回転させ、電機子の極性を切り替えることにより連続回転を可能とする機構である。一方、逆に、モーター軸に機械的な回転駆動エネルギーを与えると逆に電気エネルギーを取り出す事が可能となり、発電機としても転用できる。
ハイブリッド電気自動車は、ガソリンの内燃機関により得られる運動エネルギーと、モータージェネレーターにより蓄電・消費する電気エネルギーを効率的に組み合わせて利用するものとなっている。このようにハイブリッド電気自動車が普及するにつれ、近年、運動エネルギーから電気エネルギーへの変換、電気エネルギーから運動エネルギーへの変換の両者を効率良く処理するモータージェネレーターが注目されている。
従来のハイブリッド電気自動車の構成は、内燃機関と電気モーターを備え、両者を動力切替・伝達機構を介して連動させつつ、内燃機関と電気モーターの動力を車輪に伝達するように構成されている。モータージェネレーターをモーターとして動作する時には電力変換装置を介して電気エネルギーを運動エネルギーに変換する電気モーターとして駆動制御される。一方、モータージェネレーターを発電機として動作する時には電力変換装置を介して内燃機関の回転動力を電気エネルギーに変換する発電機として動作させ、電力変換装置を介して蓄電池に充電する。
また、ハイブリッド電気自動車に限らず、地球温暖化防止のために自家発電が注目されている。このような状況の下、必要なときに必要な量だけ発電した電気エネルギーを電気機器類に供給可能な電力供給システムや、普段無意識に消費されている運動エネルギーを電気エネルギーに変換して蓄電しておき、電気エネルギーが必要な時に電力を供給する電力供給システムが注目されている。
発電機としては火力発電のタービンや水力ダムの発電機など大型のものは上記のような自家発電には不向きである。そこで、複数の永久磁石と複数のコイルとから構成された小型の永久磁石発電機が用いられることが多い(例えば、特許文献1参照)。
従来の小型永久磁石発電機の構成は、複数のコアレスコイルを配置した回転子と、そのコアレスコイルを磁束が貫くように周囲に永久磁石が配設された構造となっている。例えば、図11(a)のような構造となっている。従来の小型永久磁石発電機1は、固定軸2と、回転ケース3と、基盤4と、複数個のコアレスコイル5と、複数個の第1永久磁石6と、複数個の第2永久磁石7とからなる構造が示されている。第1永久磁石6と第2永久磁石7は同数個とされ、互いに向かい合う位置に配置される。第1永久磁石6と第2永久磁石7の対向面は互いに反対の極性とされる。これにより、第1永久磁石6から第2永久磁石7へ、或いは、第2永久磁石7から第1永久磁石6へ向けて磁力線が形成される。この磁力線は、コアレスコイル5の空心部12を貫くことができる。
図11(b)は図11(a)の構成を分かりやすく書き直した図である。図11(b)に示すように、上下に対向するように第1永久磁石6(N極)から第2永久磁石7(S極)の間をコアレスコイル5が回転しつつ横切る構造となっている。つまり、多数のコアレスコイル5を回転子に配設し、その上下に対向するように第1永久磁石6から第2永久磁石7を配置した構造となっている。
図11(a)に示す回転子10が回転軸の回転と共に回転すると、コアレスコイル5が対向する第1永久磁石6から第2永久磁石7間に発生している磁束を切るように通過していく。このように構成された電磁発電機に回転運動エネルギーが与えられれば、図11(b)に示すように、一方の永久磁石10のN極から発生した磁束11は、その大部分がコアレスコイル5を貫いて他方の永久磁石10のS極へ向って流れ込むため、コアレスコイル5が運動すれば起電力が発生して発電することができる。
なお、上記の関係において、永久磁石が固定されている側、コアレスコイル5が回転する側として説明したが、両者が逆で、第1永久磁石6及び第2永久磁石7が回転する側、コアレスコイル5が固定されている側としても同様に動作して発電することができる。
特開2002−320364号公報
ハイブリッド電気自動車は、ガソリンの内燃機関により得られる運動エネルギーと、モータージェネレーターにより蓄電・消費する電気エネルギーを効率的に組み合わせて利用するものとなっている。このようにハイブリッド電気自動車が普及するにつれ、近年、運動エネルギーから電気エネルギーへの変換、電気エネルギーから運動エネルギーへの変換の両者を効率良く処理するモータージェネレーターが注目されている。
従来のハイブリッド電気自動車の構成は、内燃機関と電気モーターを備え、両者を動力切替・伝達機構を介して連動させつつ、内燃機関と電気モーターの動力を車輪に伝達するように構成されている。モータージェネレーターをモーターとして動作する時には電力変換装置を介して電気エネルギーを運動エネルギーに変換する電気モーターとして駆動制御される。一方、モータージェネレーターを発電機として動作する時には電力変換装置を介して内燃機関の回転動力を電気エネルギーに変換する発電機として動作させ、電力変換装置を介して蓄電池に充電する。
また、ハイブリッド電気自動車に限らず、地球温暖化防止のために自家発電が注目されている。このような状況の下、必要なときに必要な量だけ発電した電気エネルギーを電気機器類に供給可能な電力供給システムや、普段無意識に消費されている運動エネルギーを電気エネルギーに変換して蓄電しておき、電気エネルギーが必要な時に電力を供給する電力供給システムが注目されている。
発電機としては火力発電のタービンや水力ダムの発電機など大型のものは上記のような自家発電には不向きである。そこで、複数の永久磁石と複数のコイルとから構成された小型の永久磁石発電機が用いられることが多い(例えば、特許文献1参照)。
従来の小型永久磁石発電機の構成は、複数のコアレスコイルを配置した回転子と、そのコアレスコイルを磁束が貫くように周囲に永久磁石が配設された構造となっている。例えば、図11(a)のような構造となっている。従来の小型永久磁石発電機1は、固定軸2と、回転ケース3と、基盤4と、複数個のコアレスコイル5と、複数個の第1永久磁石6と、複数個の第2永久磁石7とからなる構造が示されている。第1永久磁石6と第2永久磁石7は同数個とされ、互いに向かい合う位置に配置される。第1永久磁石6と第2永久磁石7の対向面は互いに反対の極性とされる。これにより、第1永久磁石6から第2永久磁石7へ、或いは、第2永久磁石7から第1永久磁石6へ向けて磁力線が形成される。この磁力線は、コアレスコイル5の空心部12を貫くことができる。
図11(b)は図11(a)の構成を分かりやすく書き直した図である。図11(b)に示すように、上下に対向するように第1永久磁石6(N極)から第2永久磁石7(S極)の間をコアレスコイル5が回転しつつ横切る構造となっている。つまり、多数のコアレスコイル5を回転子に配設し、その上下に対向するように第1永久磁石6から第2永久磁石7を配置した構造となっている。
図11(a)に示す回転子10が回転軸の回転と共に回転すると、コアレスコイル5が対向する第1永久磁石6から第2永久磁石7間に発生している磁束を切るように通過していく。このように構成された電磁発電機に回転運動エネルギーが与えられれば、図11(b)に示すように、一方の永久磁石10のN極から発生した磁束11は、その大部分がコアレスコイル5を貫いて他方の永久磁石10のS極へ向って流れ込むため、コアレスコイル5が運動すれば起電力が発生して発電することができる。
なお、上記の関係において、永久磁石が固定されている側、コアレスコイル5が回転する側として説明したが、両者が逆で、第1永久磁石6及び第2永久磁石7が回転する側、コアレスコイル5が固定されている側としても同様に動作して発電することができる。
小型永久磁石発電機に限らず、モータージェネレーターには常に発電効率の向上という課題が課されている。回転運動エネルギーが100%の効率で電気エネルギーに変換できることが理想的である。
上記従来の小型永久磁石発電機を用いて発電量を増やすために、第1永久磁石6及び第2永久磁石7から発生する磁束が他へ漏れることなく確実にコアレスコイル5の芯部を貫くようにコアレスコイル5を挟み込んだ状態で向かい合う上下の第1永久磁石6及び第2永久磁石7の間隔を近づける手法がある。
しかし、上記従来の小型永久磁石発電機を用いる場合、対向する第1永久磁石6及び第2永久磁石7同士の間には何も挟み込まない状態とする必要があり、対向する第1永久磁石6及び第2永久磁石7同士の間に何も挟み込まずに近接させた状態で固定し続けるのは難しく、対向する第1永久磁石6及び第2永久磁石7の間はある程度離さざるを得ない。また、上記従来の小型永久磁石発電機を用いて発電量を増やすために、コアレスコイルの巻数を多くすると、コアレスコイル5の厚みが大きくなるために、その上下に配設される第1永久磁石6及び第2永久磁石7同士の間は拡がらざるを得ない。
そのため、第1永久磁石6及び第2永久磁石7から発生する磁束が他へ漏れることなく確実にコアレスコイル5の芯部を貫くために上下の第1永久磁石6及び第2永久磁石7の間隔を近づける手法には限界がある。
また、上記従来の小型永久磁石発電機を用いて発電量を増やすために磁束量を増やすべく、配設する永久磁石の数を増やす場合、永久磁石の数が多くなるとその重量が大きくなり、引いては小型永久磁石発電機全体の重量が大きくなってしまうという問題が生じる。
また、上記従来の小型永久磁石発電機は、磁束の流れを横切るためにコアレスコイル5が配設された回転子が回転する構造であるが、コアレスコイル5には電気エネルギーを取り出すための電気引き出し線が配線されるためコアレスコイル5は回転しない方が望ましい。
しかしながら、上記従来の小型永久磁石発電機の構成では、コアレスコイル5が回転子10とともに回転運動する構成となっているため、導電ブラシ等の部材を設けなければならず、引き出し線等の構成が煩雑なものとなる。
逆に、コアレスコイル5側を固定して第1永久磁石6及び第2永久磁石7側を回転させる場合では、上述したように磁石の重量が大きいため、回転軸にかかる重量が大きく、発電特性に悪影響を及ぼすという不具合が生じてしまう。
上記問題点に鑑み、本発明は、永久磁石の使用量を少なくして小型化・軽量化を図りつつ、永久磁石から周囲に発生する磁束をより多くコアレスコアにより捕捉し、高い発電効率が得られる発電機および自己発電型モーターを提供することを目的とする。
上記従来の小型永久磁石発電機を用いて発電量を増やすために、第1永久磁石6及び第2永久磁石7から発生する磁束が他へ漏れることなく確実にコアレスコイル5の芯部を貫くようにコアレスコイル5を挟み込んだ状態で向かい合う上下の第1永久磁石6及び第2永久磁石7の間隔を近づける手法がある。
しかし、上記従来の小型永久磁石発電機を用いる場合、対向する第1永久磁石6及び第2永久磁石7同士の間には何も挟み込まない状態とする必要があり、対向する第1永久磁石6及び第2永久磁石7同士の間に何も挟み込まずに近接させた状態で固定し続けるのは難しく、対向する第1永久磁石6及び第2永久磁石7の間はある程度離さざるを得ない。また、上記従来の小型永久磁石発電機を用いて発電量を増やすために、コアレスコイルの巻数を多くすると、コアレスコイル5の厚みが大きくなるために、その上下に配設される第1永久磁石6及び第2永久磁石7同士の間は拡がらざるを得ない。
そのため、第1永久磁石6及び第2永久磁石7から発生する磁束が他へ漏れることなく確実にコアレスコイル5の芯部を貫くために上下の第1永久磁石6及び第2永久磁石7の間隔を近づける手法には限界がある。
また、上記従来の小型永久磁石発電機を用いて発電量を増やすために磁束量を増やすべく、配設する永久磁石の数を増やす場合、永久磁石の数が多くなるとその重量が大きくなり、引いては小型永久磁石発電機全体の重量が大きくなってしまうという問題が生じる。
また、上記従来の小型永久磁石発電機は、磁束の流れを横切るためにコアレスコイル5が配設された回転子が回転する構造であるが、コアレスコイル5には電気エネルギーを取り出すための電気引き出し線が配線されるためコアレスコイル5は回転しない方が望ましい。
しかしながら、上記従来の小型永久磁石発電機の構成では、コアレスコイル5が回転子10とともに回転運動する構成となっているため、導電ブラシ等の部材を設けなければならず、引き出し線等の構成が煩雑なものとなる。
逆に、コアレスコイル5側を固定して第1永久磁石6及び第2永久磁石7側を回転させる場合では、上述したように磁石の重量が大きいため、回転軸にかかる重量が大きく、発電特性に悪影響を及ぼすという不具合が生じてしまう。
上記問題点に鑑み、本発明は、永久磁石の使用量を少なくして小型化・軽量化を図りつつ、永久磁石から周囲に発生する磁束をより多くコアレスコアにより捕捉し、高い発電効率が得られる発電機および自己発電型モーターを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の発電機は、回転軸と、前記回転軸に連動して回転可能に構成された回転子と、隣接する永久磁石同士で同極同士が対向するように前記回転子に周回状に並べて配設された複数の永久磁石と、複数のコアレスコイルを周回状に配設し、前記回転子の一端面において前記永久磁石に対向するように設けた第1のコイル集合体と、複数のコアレスコイルを周回状に配設し、前記回転子の他端面において前記永久磁石に対向するように設けた第2のコイル集合体と、複数のコアレスコイルを周回状に配設し、前記回転子の側面に対向するように設けた第3のコイル集合体とを備えた発電機である。
上記構成により、永久磁石が回転することにより、1つの磁極から周囲に発せられた磁束が、第1のコイル集合体と、第2のコイル集合体と、第3のコイル集合体の3つにより効率的に捕捉される。つまり、上面側、下面側、側面側のいずれの方向にもコイルが存在し、磁束を効率的に捉えることができる。なお、上記構成において、永久磁石の磁極の配置が互いに同極になっていることにより、永久磁石の磁束が回転子の外部に向けて広く発射されやすくなる。もし、一方、永久磁石の磁極の配置が互いに異極となっておれば、永久磁石の磁束が回転子の内部に閉じ込められてしまうからである。
ここで、発電機を直列に積層して発電効率を上げることができる。つまり、複数個の前記発電機が前記回転軸を共通して直列方向に積層され、各々の前記発電機がクラッチを介して前記回転軸に連結され、前記クラッチの連結・開放を通じて前記回転軸を共通化された前記発電機の台数制御を行うクラッチ制御部を備えた構成とすることができる。
なお、発電機を直列に積層する場合、隣接する回転子の永久磁石の磁極の配置が互いに同極になっていることにより、永久磁石の磁束が回転子の外部に向けて広く発射されやすくなる。なお、あまり隣接しすぎると磁束が反発し合うので適度な間隔が必要である。もし、永久磁石の磁極の配置が互いに異極となっておれば、永久磁石の磁束が歪んだ形の狭い磁束ループに閉じ込められてしまうからである。
次に、上記目的を達成するため、本発明の自己発電型モーターは、上記本発明の発電機に加えてさらにモーターを備え、前記発電機の回転軸を前記モーターの回転軸とを共通化せしめ、前記モーターで生じた回転エネルギーの一部を前記発電機により電気エネルギーに変換する自己発電型モーターである。
つまり、モーターとして駆動する中、そのうち余剰トルクの運動エネルギーを電気エネルギーに変換するものであり、上記本発明の高効率発電機を利用するものである。
ここで、上記自己発電型モーターの構成において、発電機を直列に積層して発電効率を上げることができる。つまり、複数個の前記発電機が前記回転軸を共通して直列方向に積層され、各々の前記発電機がクラッチを介して前記回転軸に連結され、前記モーターにより前記回転軸に与えられる余剰の回転トルクの大きさに応じて前記クラッチによる前記発電機の前記回転軸への連結・開放制御を動的に行い、前記モーター余剰トルクに応じた前記発電機の台数制御をするクラッチ制御部を備えた構成とすることができる。
直列に積層化することにより、回転軸で得られた回転運動エネルギーをできるだけ無駄なく電気エネルギーに変換することができる。余剰トルクの回転運動エネルギーに比べて発電機の負荷が大きくならないようにクラッチにて台数制限を行うことができる。
なお、自己発電型モーターの発電機を直列に積層するにあたり、積層方向に隣接し合う前記回転子間において、前記永久磁石の磁極の配置が互いに同極になっているものであることが好ましい。
隣接する回転子の永久磁石の磁極の配置が互いに同極になっていることにより、永久磁石の磁束が回転子の外部に向けて広く発射されやすくなる。なお、あまり隣接しすぎると磁束が反発し合うので適度な間隔が必要である。もし、永久磁石の磁極の配置が互いに異極となっておれば、永久磁石の磁束が歪んだ形の狭い磁束ループに閉じ込められてしまうからである。
上記本発明の自己発電型モーターの用途は多様である。例えば、本発明の自己発電型モーターは、乗用車、トラック、バス等の自動車のタイヤや、バイクなどの自動二輪車、さらには、航空機や特殊車両など、様々な車両に組み込むことができる。
次に、本発明の電力供給システムは、電力入力源と、電力消費部と、電力の入力と消費を制御する電力制御部とを備え、前記電力入力源が、本発明の自己発電型モーターと、ソーラーパネルと、家庭用電源の3者であり、前記電力消費部が、電力消費者が利用する電気機器と、本発明の自己発電型モーターの2者であり、前記電力制御部が、前記電力消費部から要求される電力を、前記電力入力源から供給する中で、前記家庭用電源からの電力供給量が最小化されるように、前記自己発電型モーターの前記モーター駆動を制御する電力供給システムである。
上記構成により、電力供給源を多様化する中、家庭用電源からの電力供給を小さく低減するものである。なお、自己発電型モーターの駆動は、電力消費と電力発生の2面性があるので、電力制御システムにより電力フィードバックをかけて駆動量を判断すれば良い。
上記構成により、永久磁石が回転することにより、1つの磁極から周囲に発せられた磁束が、第1のコイル集合体と、第2のコイル集合体と、第3のコイル集合体の3つにより効率的に捕捉される。つまり、上面側、下面側、側面側のいずれの方向にもコイルが存在し、磁束を効率的に捉えることができる。なお、上記構成において、永久磁石の磁極の配置が互いに同極になっていることにより、永久磁石の磁束が回転子の外部に向けて広く発射されやすくなる。もし、一方、永久磁石の磁極の配置が互いに異極となっておれば、永久磁石の磁束が回転子の内部に閉じ込められてしまうからである。
ここで、発電機を直列に積層して発電効率を上げることができる。つまり、複数個の前記発電機が前記回転軸を共通して直列方向に積層され、各々の前記発電機がクラッチを介して前記回転軸に連結され、前記クラッチの連結・開放を通じて前記回転軸を共通化された前記発電機の台数制御を行うクラッチ制御部を備えた構成とすることができる。
なお、発電機を直列に積層する場合、隣接する回転子の永久磁石の磁極の配置が互いに同極になっていることにより、永久磁石の磁束が回転子の外部に向けて広く発射されやすくなる。なお、あまり隣接しすぎると磁束が反発し合うので適度な間隔が必要である。もし、永久磁石の磁極の配置が互いに異極となっておれば、永久磁石の磁束が歪んだ形の狭い磁束ループに閉じ込められてしまうからである。
次に、上記目的を達成するため、本発明の自己発電型モーターは、上記本発明の発電機に加えてさらにモーターを備え、前記発電機の回転軸を前記モーターの回転軸とを共通化せしめ、前記モーターで生じた回転エネルギーの一部を前記発電機により電気エネルギーに変換する自己発電型モーターである。
つまり、モーターとして駆動する中、そのうち余剰トルクの運動エネルギーを電気エネルギーに変換するものであり、上記本発明の高効率発電機を利用するものである。
ここで、上記自己発電型モーターの構成において、発電機を直列に積層して発電効率を上げることができる。つまり、複数個の前記発電機が前記回転軸を共通して直列方向に積層され、各々の前記発電機がクラッチを介して前記回転軸に連結され、前記モーターにより前記回転軸に与えられる余剰の回転トルクの大きさに応じて前記クラッチによる前記発電機の前記回転軸への連結・開放制御を動的に行い、前記モーター余剰トルクに応じた前記発電機の台数制御をするクラッチ制御部を備えた構成とすることができる。
直列に積層化することにより、回転軸で得られた回転運動エネルギーをできるだけ無駄なく電気エネルギーに変換することができる。余剰トルクの回転運動エネルギーに比べて発電機の負荷が大きくならないようにクラッチにて台数制限を行うことができる。
なお、自己発電型モーターの発電機を直列に積層するにあたり、積層方向に隣接し合う前記回転子間において、前記永久磁石の磁極の配置が互いに同極になっているものであることが好ましい。
隣接する回転子の永久磁石の磁極の配置が互いに同極になっていることにより、永久磁石の磁束が回転子の外部に向けて広く発射されやすくなる。なお、あまり隣接しすぎると磁束が反発し合うので適度な間隔が必要である。もし、永久磁石の磁極の配置が互いに異極となっておれば、永久磁石の磁束が歪んだ形の狭い磁束ループに閉じ込められてしまうからである。
上記本発明の自己発電型モーターの用途は多様である。例えば、本発明の自己発電型モーターは、乗用車、トラック、バス等の自動車のタイヤや、バイクなどの自動二輪車、さらには、航空機や特殊車両など、様々な車両に組み込むことができる。
次に、本発明の電力供給システムは、電力入力源と、電力消費部と、電力の入力と消費を制御する電力制御部とを備え、前記電力入力源が、本発明の自己発電型モーターと、ソーラーパネルと、家庭用電源の3者であり、前記電力消費部が、電力消費者が利用する電気機器と、本発明の自己発電型モーターの2者であり、前記電力制御部が、前記電力消費部から要求される電力を、前記電力入力源から供給する中で、前記家庭用電源からの電力供給量が最小化されるように、前記自己発電型モーターの前記モーター駆動を制御する電力供給システムである。
上記構成により、電力供給源を多様化する中、家庭用電源からの電力供給を小さく低減するものである。なお、自己発電型モーターの駆動は、電力消費と電力発生の2面性があるので、電力制御システムにより電力フィードバックをかけて駆動量を判断すれば良い。
第1図は、実施例1にかかる発電機の基本構成を模式的に示した図である。
第2図は、実施例1にかかる発電機の内部の構造の正面図、側面図を示した図である。
第3図は、隣接する永久磁石111において同極同士が対向するように配置したときの作用効果について示した図である。
第4図は、本発明の発電機100の回転軸101に回転エネルギーが与えられた場合の動作の原理を簡単に説明する図である。
第5図は、実施例2にかかる発電機100aの構成を分かりやすく模式的に示した図である。
第6図は、積層方向に隣接し合う回転子110間において、永久磁石111の磁極の配置が互いに同極に配置する作用効果を示す図である。
第7図は、実施例2にかかる自己発電型モーター200の基本構成を模式的に示した図である。
第8図は、本発明の電力供給システム300の構成例を模式的に示す図である。
第9図は、本発明の自己発電型モーター200、200aなどを適用した車両の例を示す図である。
第10図は、本発明の自己発電型モーター200aをバイクなどの自動二輪車500a、衛星探査システムなどの特殊車両500bに適用した例を示す図である。
第11図は、従来の小型永久磁石発電機の構成を示す図である。
第2図は、実施例1にかかる発電機の内部の構造の正面図、側面図を示した図である。
第3図は、隣接する永久磁石111において同極同士が対向するように配置したときの作用効果について示した図である。
第4図は、本発明の発電機100の回転軸101に回転エネルギーが与えられた場合の動作の原理を簡単に説明する図である。
第5図は、実施例2にかかる発電機100aの構成を分かりやすく模式的に示した図である。
第6図は、積層方向に隣接し合う回転子110間において、永久磁石111の磁極の配置が互いに同極に配置する作用効果を示す図である。
第7図は、実施例2にかかる自己発電型モーター200の基本構成を模式的に示した図である。
第8図は、本発明の電力供給システム300の構成例を模式的に示す図である。
第9図は、本発明の自己発電型モーター200、200aなどを適用した車両の例を示す図である。
第10図は、本発明の自己発電型モーター200aをバイクなどの自動二輪車500a、衛星探査システムなどの特殊車両500bに適用した例を示す図である。
第11図は、従来の小型永久磁石発電機の構成を示す図である。
以下、本発明を実施するための最良の形態について実施例によって具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
実施例1は、本発明の第1の発電機100の構成例である。第1の発電機100は、永久磁石の周囲3方向にコイル集合体を配して効率的に誘導電流を得るものである。
図1は、実施例1にかかる発電機の基本構成を模式的に示した図である。シャーシを取り除いて内部の構造が分かりやすいように各要素に分解して示している。発電機の構成要素のうち説明に必要な部分のみを描いており、その他の配線や構造物などの図示は省略している。図2は実施例1にかかる発電機の内部の構造の正面図、側面図を示した図である。
図1に示すように、本発明の発電機100は、回転軸101、回転子110、永久磁石111、第1のコイル集合体120、第2のコイル集合体130、第3のコイル集合体140を備えた構造となっている。
回転軸101は、外部から回転力を受けて、回転可能なように軸受(図示せず)により支えられている。回動する方向は、右回り(時計回り)でも左回り(反時計回り)でも良い。
回転子110は、回転継手(図示せず)を介して、回転軸101に接続されて、回転軸101と連動して回転可能なように接続されている。なお、回転継手は、回転軸101を嵌合して、回転軸101と回転子110とを接続するための部材である。回転継手を設けないで、回転軸101と回転子110とを一体的に形成することも可能である。
なお、後述するように、発電するためのコアレスコイルを含む第1のコイル体120、第2のコイル体130、第3のコイル体140が、それぞれ回転子110の外周に配置されていることを考慮すると、永久磁石111からの磁束をより多くコアレスコイルに通過させるために、回転軸110及び回転継手は、非磁性体であることが望ましい。
回転子110は、円盤状のものであり回転軸に連動するものとなっている。回転子110には永久磁石111が収まる凹部が設けられており、当該凹部に永久磁石111を収めている。つまり、回転子110が回転することにより永久磁石111が回転することとなる。
なお、永久磁石111が当該凹部から落ちないようにする。例えば、凹部の壁面に接着したり、永久磁石111を回転子110内に樹脂で密封したりすれば良い。
回転子110の素材は、成形や加工のしやすさや重量等を考慮すると、プラスチック材料でも良い。
永久磁石111はそれぞれ円弧形状を有する棒状磁石であり、長手方向に分極されている。永久磁石111は、第1のコイル体120、第2のコイル体130、第3のコイル体140に含まれるコアレスコイルの空芯部を通過させる磁束を励起するための部材である。磁石の素材は限定されないが、例えば、ネオジム、鉄、ホウ素を主成分とする希土類磁石であるネオジム磁石等が挙げられる。
永久磁石111は、回転子110内において、隣接する永久磁石111同士で同極同士が対向するように周回状に並べて配設されている。
ここで、隣接する永久磁石111において同極同士が対向するように配置したときの作用効果について、図3を参照して説明する。
図3(a)は、1つの永久磁石111が励起する磁界を示した図である。1つの永久磁石111においてN極から発せられS極に帰還する磁束は、比較的永久磁石111の側方の狭い範囲を通過している。
次に、図3(b)は、隣接する永久磁石111において異極同士が対向するように配置したときに永久磁石111が励起する磁界を示した図である。異極同士が対向するとほとんどの磁力線は1つの永久磁石111のN極から隣接する永久磁石111のS極へ入ってしまい、磁束が回転子110の周辺には発射されない。
次に、図3(c)は、隣接する永久磁石111において同極同士が対向するように配置したときに永久磁石111が励起する磁界を示した図である。隣り合う永久磁石111の同極同士を対向させることによって、それぞれのN極から発生する磁力線が押し合うように作用し、図3(c)に示すように、磁束が拡がって発射される。このように同極同士を対向させた磁極から、互いに押し合うように拡がった磁束が形成されるため、図3(b)に示した磁束と比べて、磁界伝播領域が広くなり、永久磁石111からある程度離れた位置においても、磁束密度を高い状態に保つことができる。
なお、隣り合う永久磁石111の間隔が広すぎると、図3(c)に示したような押しあった磁束が生じないので、設計段階で、永久磁石同士の間隔を調整しておけば良い。
次に、コイル集合体について述べる。
第1のコイル集合体120は、複数のコアレスコイルを周回状に配設し、回転子110の一端面(図1では上面)において永久磁石111に対向するように設けたものである。
第2のコイル集合体130は、複数のコアレスコイルを周回状に配設し、回転子110の他端面(図1では下面)において永久磁石111に対向するように設けたものである。
第3のコイル集合体140は、複数のコアレスコイルを周回状に配設し、回転子110の側面に対向するように設けられたものである。
ここで、用いられるコアレスコイルは、図1、図2の例では、それぞれ、第1のコイル集合体120および第2のコイル集合体130は略扇形、第3のコイル集合体140は略四角形に巻回されている。
このコアレスコイルは、固定状態で設置されている。例えば、一般的なモータの構成部品として用いられているステータ等の構造を応用すれば、容易に設置が可能である。
これらコアレスコイルとして、例えば、絶縁性皮膜銅線を、空芯巻回したものである。これらのコアレスコイルは、出力電圧の位相に合わせて直列で接続されていても、並列で接続されていても、個々に独立した回路としてもよい。このように、コアレスコイルの接続の仕方によって、種々多様の発電用途に対応させることが可能である。
第1のコイル集合体120、第2のコイル集合体130では、コアレスコイルの巻回の軸が、回転軸101に対して略平行になっており、回転子110の上面または下面に対向するように、かつ、回転子110の永久磁石111の回転軌跡に対向するように配置されている。
また、第3のコイル集合体140では、コアレスコイルの巻回の軸が回転軸101に対して略直角となっており、回転子110の側面に対向するように配置されている。
これら要素が図2に示すような正面図、側面図に示す形状に組み合わされている。
次に、本発明の発電機100の回転軸101に回転エネルギーが与えられた場合の動作の概略を示す。
図4は、本発明の発電機100の回転軸101に回転エネルギーが与えられた場合の動作の原理を簡単に説明する図である。
図4では、回転子110の外周縁近くの1ヶ所を取り出して示したものとなっている。1つの永久磁石の一部(N極)と、第1のコイル集合体120と第2のコイル集合体130と第3のコイル集合体140のそれぞれのコアレスコイル1つのみを取り出して示しており、回転子110や回転軸101等の他の構成の図示を省略している。
回転軸に回転運動エネルギーが与えられると回転子110が回転し、回転子に埋め込まれている永久磁石も回転する。永久磁石の磁極からは周囲に磁束が発射されている。
図4(a)に示すように、永久磁石111の周囲3方向には、上方に第1のコイル集合体120、下方に第2のコイル集合体130、側方に第3のコイル集合体140が対向して配設されており、それぞれ永久磁石111に対向している。
図4(b)に示すように、回転子110が回転すると、複数の永久磁石111のN極から発せられた磁束が、上方において第1のコイル集合体120のコアレスコイル、下方においては第2のコイル集合体130のコアレスコイル、側方においては第3のコイル集合体140のコアレスコイルの芯部を貫くように通過する。回転子110が回転して永久磁石111が回転するとそれぞれのコアレスコイルが磁束を切るように移動し、誘導電流が生じる。回転子110が回転して次の永久磁石111の磁極が来ると同じ動作で誘導電流が発生する。このように回転子110が回転を続ける限り、誘導電流が発生し続ける。
これが、本発明に係る発電機100の基本的な発電原理である。
以上、本実施形態1の発電機100によれば、構造が簡略であり、少ない磁石数で、1回転の間に3方向から誘導起電力が得られ、優れた発電効果を得ることができる。
以上、本発明の実施例1にかかる発電機の構成例を示したが、上記構成は一例であり種々の変更が可能である。
図1は、実施例1にかかる発電機の基本構成を模式的に示した図である。シャーシを取り除いて内部の構造が分かりやすいように各要素に分解して示している。発電機の構成要素のうち説明に必要な部分のみを描いており、その他の配線や構造物などの図示は省略している。図2は実施例1にかかる発電機の内部の構造の正面図、側面図を示した図である。
図1に示すように、本発明の発電機100は、回転軸101、回転子110、永久磁石111、第1のコイル集合体120、第2のコイル集合体130、第3のコイル集合体140を備えた構造となっている。
回転軸101は、外部から回転力を受けて、回転可能なように軸受(図示せず)により支えられている。回動する方向は、右回り(時計回り)でも左回り(反時計回り)でも良い。
回転子110は、回転継手(図示せず)を介して、回転軸101に接続されて、回転軸101と連動して回転可能なように接続されている。なお、回転継手は、回転軸101を嵌合して、回転軸101と回転子110とを接続するための部材である。回転継手を設けないで、回転軸101と回転子110とを一体的に形成することも可能である。
なお、後述するように、発電するためのコアレスコイルを含む第1のコイル体120、第2のコイル体130、第3のコイル体140が、それぞれ回転子110の外周に配置されていることを考慮すると、永久磁石111からの磁束をより多くコアレスコイルに通過させるために、回転軸110及び回転継手は、非磁性体であることが望ましい。
回転子110は、円盤状のものであり回転軸に連動するものとなっている。回転子110には永久磁石111が収まる凹部が設けられており、当該凹部に永久磁石111を収めている。つまり、回転子110が回転することにより永久磁石111が回転することとなる。
なお、永久磁石111が当該凹部から落ちないようにする。例えば、凹部の壁面に接着したり、永久磁石111を回転子110内に樹脂で密封したりすれば良い。
回転子110の素材は、成形や加工のしやすさや重量等を考慮すると、プラスチック材料でも良い。
永久磁石111はそれぞれ円弧形状を有する棒状磁石であり、長手方向に分極されている。永久磁石111は、第1のコイル体120、第2のコイル体130、第3のコイル体140に含まれるコアレスコイルの空芯部を通過させる磁束を励起するための部材である。磁石の素材は限定されないが、例えば、ネオジム、鉄、ホウ素を主成分とする希土類磁石であるネオジム磁石等が挙げられる。
永久磁石111は、回転子110内において、隣接する永久磁石111同士で同極同士が対向するように周回状に並べて配設されている。
ここで、隣接する永久磁石111において同極同士が対向するように配置したときの作用効果について、図3を参照して説明する。
図3(a)は、1つの永久磁石111が励起する磁界を示した図である。1つの永久磁石111においてN極から発せられS極に帰還する磁束は、比較的永久磁石111の側方の狭い範囲を通過している。
次に、図3(b)は、隣接する永久磁石111において異極同士が対向するように配置したときに永久磁石111が励起する磁界を示した図である。異極同士が対向するとほとんどの磁力線は1つの永久磁石111のN極から隣接する永久磁石111のS極へ入ってしまい、磁束が回転子110の周辺には発射されない。
次に、図3(c)は、隣接する永久磁石111において同極同士が対向するように配置したときに永久磁石111が励起する磁界を示した図である。隣り合う永久磁石111の同極同士を対向させることによって、それぞれのN極から発生する磁力線が押し合うように作用し、図3(c)に示すように、磁束が拡がって発射される。このように同極同士を対向させた磁極から、互いに押し合うように拡がった磁束が形成されるため、図3(b)に示した磁束と比べて、磁界伝播領域が広くなり、永久磁石111からある程度離れた位置においても、磁束密度を高い状態に保つことができる。
なお、隣り合う永久磁石111の間隔が広すぎると、図3(c)に示したような押しあった磁束が生じないので、設計段階で、永久磁石同士の間隔を調整しておけば良い。
次に、コイル集合体について述べる。
第1のコイル集合体120は、複数のコアレスコイルを周回状に配設し、回転子110の一端面(図1では上面)において永久磁石111に対向するように設けたものである。
第2のコイル集合体130は、複数のコアレスコイルを周回状に配設し、回転子110の他端面(図1では下面)において永久磁石111に対向するように設けたものである。
第3のコイル集合体140は、複数のコアレスコイルを周回状に配設し、回転子110の側面に対向するように設けられたものである。
ここで、用いられるコアレスコイルは、図1、図2の例では、それぞれ、第1のコイル集合体120および第2のコイル集合体130は略扇形、第3のコイル集合体140は略四角形に巻回されている。
このコアレスコイルは、固定状態で設置されている。例えば、一般的なモータの構成部品として用いられているステータ等の構造を応用すれば、容易に設置が可能である。
これらコアレスコイルとして、例えば、絶縁性皮膜銅線を、空芯巻回したものである。これらのコアレスコイルは、出力電圧の位相に合わせて直列で接続されていても、並列で接続されていても、個々に独立した回路としてもよい。このように、コアレスコイルの接続の仕方によって、種々多様の発電用途に対応させることが可能である。
第1のコイル集合体120、第2のコイル集合体130では、コアレスコイルの巻回の軸が、回転軸101に対して略平行になっており、回転子110の上面または下面に対向するように、かつ、回転子110の永久磁石111の回転軌跡に対向するように配置されている。
また、第3のコイル集合体140では、コアレスコイルの巻回の軸が回転軸101に対して略直角となっており、回転子110の側面に対向するように配置されている。
これら要素が図2に示すような正面図、側面図に示す形状に組み合わされている。
次に、本発明の発電機100の回転軸101に回転エネルギーが与えられた場合の動作の概略を示す。
図4は、本発明の発電機100の回転軸101に回転エネルギーが与えられた場合の動作の原理を簡単に説明する図である。
図4では、回転子110の外周縁近くの1ヶ所を取り出して示したものとなっている。1つの永久磁石の一部(N極)と、第1のコイル集合体120と第2のコイル集合体130と第3のコイル集合体140のそれぞれのコアレスコイル1つのみを取り出して示しており、回転子110や回転軸101等の他の構成の図示を省略している。
回転軸に回転運動エネルギーが与えられると回転子110が回転し、回転子に埋め込まれている永久磁石も回転する。永久磁石の磁極からは周囲に磁束が発射されている。
図4(a)に示すように、永久磁石111の周囲3方向には、上方に第1のコイル集合体120、下方に第2のコイル集合体130、側方に第3のコイル集合体140が対向して配設されており、それぞれ永久磁石111に対向している。
図4(b)に示すように、回転子110が回転すると、複数の永久磁石111のN極から発せられた磁束が、上方において第1のコイル集合体120のコアレスコイル、下方においては第2のコイル集合体130のコアレスコイル、側方においては第3のコイル集合体140のコアレスコイルの芯部を貫くように通過する。回転子110が回転して永久磁石111が回転するとそれぞれのコアレスコイルが磁束を切るように移動し、誘導電流が生じる。回転子110が回転して次の永久磁石111の磁極が来ると同じ動作で誘導電流が発生する。このように回転子110が回転を続ける限り、誘導電流が発生し続ける。
これが、本発明に係る発電機100の基本的な発電原理である。
以上、本実施形態1の発電機100によれば、構造が簡略であり、少ない磁石数で、1回転の間に3方向から誘導起電力が得られ、優れた発電効果を得ることができる。
以上、本発明の実施例1にかかる発電機の構成例を示したが、上記構成は一例であり種々の変更が可能である。
実施例2は、実施例1に示した発電機100を直列に複数段設けた構成例である。
図5は、実施例2にかかる発電機100aの構成を分かりやすく模式的に示したものである。
図5に示すように、実施例1に示した発電機100の構成要素が直列に並べられ、それぞれの回転軸101が共通化されて1本化されている。なお、図5の構成例では、3段の直列構成となっている。
このように回転軸101が共通化されて1本化されているので、回転軸101に外部から与えられた回転力によりそれぞれの回転子110が回転することとなり、各段の発電機100において回転運動エネルギーが電気エネルギーに変換されることとなる。
なお、ここで、各段の発電機100の直列接続において、回転子110に埋設された永久磁石の磁極の並びにおける工夫について説明する。
実施例1において説明したように、各段の回転子110に埋設される永久磁石111は、隣接する永久磁石111同士で同極同士が対向するように周回状に並べて配設されている。
ここで、発電機100を直列に積層するにあたり、積層方向に隣接し合う回転子110間において、永久磁石111の磁極の配置が互いに同極になっているように配置する。その作用効果について、図6を参照して説明する。
図6(a)は、1つの永久磁石111が励起する磁界を示した図である。1つの永久磁石111においてN極から発せられS極に帰還する磁束は、比較的永久磁石111の側方の狭い範囲を通過している。
次に、図6(b)は、積層方向に隣接し合う永久磁石111の異極同士が対向するように配置したときに永久磁石111が励起する磁界を示した図である。積層方向に異極同士が対向すると、やはり、ほとんどの磁力線は永久磁石111のN極から発射された磁束は、積層方向に隣接する永久磁石111のS極へ入ってしまい、磁束が回転子110の周辺には発射されない。
次に、図6(c)は、積層方向に隣接し合う永久磁石111の同極同士が対向するように配置したときに永久磁石111が励起する磁界を示した図である。積層方向に隣接し合う永久磁石111の同極同士を対向させることによって、それぞれのN極から発生する磁力線が押し合うように作用し、図6(c)に示すように、磁束が拡がって発射される。このように同極同士を対向させた磁極から、互いに押し合うように拡がった磁束が形成されるため、図6(b)に示した磁束と比べて、磁界伝播領域が広くなり、永久磁石111からある程度離れた位置においても、磁束密度を高い状態に保つことができる。
なお、積層方向に隣接し合う永久磁石111の間隔が広すぎると、図6(c)に示したような押し合った磁束が生じないので、設計段階で、回転子110の積層方向の間隔を調整しておけば良い。
各段の発電機100における発電原理は実施例1と同様であるのでここでの説明は省略する。
以上、本発明の実施例2にかかる発電機の構成例を示したが、上記構成は一例であり種々の変更が可能である。
図5は、実施例2にかかる発電機100aの構成を分かりやすく模式的に示したものである。
図5に示すように、実施例1に示した発電機100の構成要素が直列に並べられ、それぞれの回転軸101が共通化されて1本化されている。なお、図5の構成例では、3段の直列構成となっている。
このように回転軸101が共通化されて1本化されているので、回転軸101に外部から与えられた回転力によりそれぞれの回転子110が回転することとなり、各段の発電機100において回転運動エネルギーが電気エネルギーに変換されることとなる。
なお、ここで、各段の発電機100の直列接続において、回転子110に埋設された永久磁石の磁極の並びにおける工夫について説明する。
実施例1において説明したように、各段の回転子110に埋設される永久磁石111は、隣接する永久磁石111同士で同極同士が対向するように周回状に並べて配設されている。
ここで、発電機100を直列に積層するにあたり、積層方向に隣接し合う回転子110間において、永久磁石111の磁極の配置が互いに同極になっているように配置する。その作用効果について、図6を参照して説明する。
図6(a)は、1つの永久磁石111が励起する磁界を示した図である。1つの永久磁石111においてN極から発せられS極に帰還する磁束は、比較的永久磁石111の側方の狭い範囲を通過している。
次に、図6(b)は、積層方向に隣接し合う永久磁石111の異極同士が対向するように配置したときに永久磁石111が励起する磁界を示した図である。積層方向に異極同士が対向すると、やはり、ほとんどの磁力線は永久磁石111のN極から発射された磁束は、積層方向に隣接する永久磁石111のS極へ入ってしまい、磁束が回転子110の周辺には発射されない。
次に、図6(c)は、積層方向に隣接し合う永久磁石111の同極同士が対向するように配置したときに永久磁石111が励起する磁界を示した図である。積層方向に隣接し合う永久磁石111の同極同士を対向させることによって、それぞれのN極から発生する磁力線が押し合うように作用し、図6(c)に示すように、磁束が拡がって発射される。このように同極同士を対向させた磁極から、互いに押し合うように拡がった磁束が形成されるため、図6(b)に示した磁束と比べて、磁界伝播領域が広くなり、永久磁石111からある程度離れた位置においても、磁束密度を高い状態に保つことができる。
なお、積層方向に隣接し合う永久磁石111の間隔が広すぎると、図6(c)に示したような押し合った磁束が生じないので、設計段階で、回転子110の積層方向の間隔を調整しておけば良い。
各段の発電機100における発電原理は実施例1と同様であるのでここでの説明は省略する。
以上、本発明の実施例2にかかる発電機の構成例を示したが、上記構成は一例であり種々の変更が可能である。
実施例3は、本発明の自己発電モーター200の構成例である。
図7(a)は、実施例2にかかる自己発電型モーター200の基本構成を模式的に示した図である。図7(a)は内部の構造が分かりやすいように模式的に説明している。自己発電型モーター200の構成要素のうち説明に必要な部分のみを描いており、その他の配線や構造物などの図示は省略している。
図7(a)に示すように、本発明の自己発電型モーター200は、本発明の自己発電モーター200は、実施例1で説明した本発明の発電機100とモーター210を備え、それぞれの回転軸が共通化して設けられており、1つの筐体に収めたものとなっている。
実施例1の発電機100は、外部から回転軸101に対して与えられる回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置であったが、自己発電型モーター200は、モーター210で回転軸101に発生した回転運動エネルギーのうち一部を余剰分として発電機100により電気エネルギーに再変換する自己発電型モーターである。
つまり、モーター210として駆動する中、そのうち余剰の回転運動エネルギーを電気エネルギーに再変換して蓄積するものであり、発電に当たっては実施例1に示した本発明の高効率の発電機100を利用するものである。
ここで、実施例2に示したように、発電機100を直列に多段に接続する構成が可能である。しかし、発電機100を単に直列に多段に接続した場合、回転軸101に対して発電機100によりかかる負荷が増加してしまい、モーター210で発生する回転運動エネルギーの余剰分が少ない場合、回転軸101に対して発電機100によりかかる負荷の方が大きくなってしまい、モーターが停止してしまうおそれがある。
そこで、図7(b)に示すように、各段の発電機に対してクラッチ機構220を設ける工夫も望ましい。図7(b)はクラッチ機構220を搭載した発電機100aを複数段直列に備えた自己発電型モーター200aの構成例を示す図である。なお、図7(b)にはクラッチ機構220の機械的構造については図示を省略した。
図7(b)に示すように、自己発電型モーター200aは、クラッチ機構220の連結・開放制御を動的に行うクラッチ制御部230を備えた構成とすることが好ましい。つまり、クラッチ制御部230により、モーター210により回転軸101に与えられる余剰の回転トルクの大きさに応じてクラッチ機構220による発電機100aの回転軸101への連結・開放制御を動的に行い、モーター余剰トルクに応じた発電機100aの台数制御をする。
各段の発電機100に対してクラッチ機構220およびクラッチ制御部230を設けた場合、クラッチ制御部230の制御により、モーター210で発生する回転トルクの運動エネルギーの余剰分の過多に併せて回転軸に連動させる発電機100の数を調整する台数制御を行うことができ、電気エネルギーに変換して取り出す電力量を可変とすることができる。つまり、クラッチ制御部230は、モーター210で発生する回転トルクの運動エネルギーの余剰分が多いと検知した場合には、各段のクラッチ220を操作して回転軸101に接続する発電機100の数を増やし、クラッチ制御部230がモーター210で発生する回転運動エネルギーの余剰分が小さい場合と検知した場合には、各段のクラッチ220を操作して回転軸101に接続する発電機100の数を減らすという操作が可能である。
以上、発電機100を直列に積層化することにより、回転軸101で得られた回転運動エネルギーをできるだけ無駄なく電気エネルギーに変換することができる。余剰の回転運動エネルギーに比べて発電機の負荷が大きくならないようにクラッチ220にて台数制限を行う工夫を盛り込むことができる。
以上、本発明の実施例3にかかる自己発電型モーターの構成例を示したが、上記構成は一例であり種々の変更が可能である。
図7(a)は、実施例2にかかる自己発電型モーター200の基本構成を模式的に示した図である。図7(a)は内部の構造が分かりやすいように模式的に説明している。自己発電型モーター200の構成要素のうち説明に必要な部分のみを描いており、その他の配線や構造物などの図示は省略している。
図7(a)に示すように、本発明の自己発電型モーター200は、本発明の自己発電モーター200は、実施例1で説明した本発明の発電機100とモーター210を備え、それぞれの回転軸が共通化して設けられており、1つの筐体に収めたものとなっている。
実施例1の発電機100は、外部から回転軸101に対して与えられる回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換する装置であったが、自己発電型モーター200は、モーター210で回転軸101に発生した回転運動エネルギーのうち一部を余剰分として発電機100により電気エネルギーに再変換する自己発電型モーターである。
つまり、モーター210として駆動する中、そのうち余剰の回転運動エネルギーを電気エネルギーに再変換して蓄積するものであり、発電に当たっては実施例1に示した本発明の高効率の発電機100を利用するものである。
ここで、実施例2に示したように、発電機100を直列に多段に接続する構成が可能である。しかし、発電機100を単に直列に多段に接続した場合、回転軸101に対して発電機100によりかかる負荷が増加してしまい、モーター210で発生する回転運動エネルギーの余剰分が少ない場合、回転軸101に対して発電機100によりかかる負荷の方が大きくなってしまい、モーターが停止してしまうおそれがある。
そこで、図7(b)に示すように、各段の発電機に対してクラッチ機構220を設ける工夫も望ましい。図7(b)はクラッチ機構220を搭載した発電機100aを複数段直列に備えた自己発電型モーター200aの構成例を示す図である。なお、図7(b)にはクラッチ機構220の機械的構造については図示を省略した。
図7(b)に示すように、自己発電型モーター200aは、クラッチ機構220の連結・開放制御を動的に行うクラッチ制御部230を備えた構成とすることが好ましい。つまり、クラッチ制御部230により、モーター210により回転軸101に与えられる余剰の回転トルクの大きさに応じてクラッチ機構220による発電機100aの回転軸101への連結・開放制御を動的に行い、モーター余剰トルクに応じた発電機100aの台数制御をする。
各段の発電機100に対してクラッチ機構220およびクラッチ制御部230を設けた場合、クラッチ制御部230の制御により、モーター210で発生する回転トルクの運動エネルギーの余剰分の過多に併せて回転軸に連動させる発電機100の数を調整する台数制御を行うことができ、電気エネルギーに変換して取り出す電力量を可変とすることができる。つまり、クラッチ制御部230は、モーター210で発生する回転トルクの運動エネルギーの余剰分が多いと検知した場合には、各段のクラッチ220を操作して回転軸101に接続する発電機100の数を増やし、クラッチ制御部230がモーター210で発生する回転運動エネルギーの余剰分が小さい場合と検知した場合には、各段のクラッチ220を操作して回転軸101に接続する発電機100の数を減らすという操作が可能である。
以上、発電機100を直列に積層化することにより、回転軸101で得られた回転運動エネルギーをできるだけ無駄なく電気エネルギーに変換することができる。余剰の回転運動エネルギーに比べて発電機の負荷が大きくならないようにクラッチ220にて台数制限を行う工夫を盛り込むことができる。
以上、本発明の実施例3にかかる自己発電型モーターの構成例を示したが、上記構成は一例であり種々の変更が可能である。
実施例4として、本発明の電力供給システム300について説明する。
図8は、本発明の電力供給システム300の構成例を模式的に示す図である。図8に示すように、本発明の電力供給システム300は、大別して、電力入力源と、電力消費部と、電力の入力と消費を制御する電力制御部340を備えた構成となっている。
電力入力源としては、図8の構成例では、3種類のものが挙げられており、実施例3で説明した本発明の自己発電型モーター200と、ソーラーパネルや風力発電などの自家発電装置310と、商用電源320である。
自己発電型モーターは1段構成のものでも良く、3段直列構成でクラッチ付きのものでも良い。ここでは、3段直列構成でクラッチ付きの自己発電型モーター200aとする。クラッチ付きのものであれば、発電量を細かく制御することができるので好適である。
商用電源320は、電力会社などが提供する電力源であり、例えば、一般の家庭用AC電源などで良い。
自家発電装置310は特に限定されず、一般に普及しているソーラーパネルや風力発電システムなどがある。
上記のように、本発明の電力入力源は、商用電源320をメイン電源とし、補助電源として、自己発電型モーター200aと、一般技術として利用可能なソーラーパネル等の自家発電源310の2つを搭載したものとなっている。
バッテリ330は、ソーラーパネルなどの自家発電装置310、自己発電型モーター200aにより供給された電力を蓄電しておくものである。バッテリ330を用いることにより、自家発電装置310や自己発電型モーター200aにおいて得られる電力供給量が、電力消費部が消費する電力より多い場合に一時的に蓄積することができる。一般家庭などで家人が外出している場合などは電力消費量が少なくなるものの、ソーラーパネルや風力発電などの自家発電装置310で得られる電力量は家人が留守中でも大きく得られる場合があるからである。また、自家発電装置310において発生する電力量などは細かく変化するおそれもあるので、バッテリ330を介して電力消費部に電力を安定供給できる。
電力消費部として、図8の構成例では、電力消費者が利用する設備400と、本発明の自己発電型モーター200aの2種類が示されている。電力消費者は特に限定されず、一般家庭、集合住宅、商用オフィス、店舗、オフィスビルディング、小規模な工場など多様なものがある。もっとも、電力消費者の規模により、本発明の電力供給システム300のスケールを調整する必要がある。また、本発明の自己発電型モーター200aもモーター210は電力を消費する部分であるため、電力消費部としての性質も併せ持つ。
電力制御部340は、電力の供給と消費を制御する部分である。電力制御部340は、電力消費部から要求される電力を、電力入力源から供給する中で、自家発電装置310、自己発電型モーター200から得られる電力供給量と、バッテリ330に蓄積されている電力量を動的に考慮しつつ、足りない分を商用電源320から電力を供給し、商用電源320からの電力供給量が最小化されるように、自己発電型モーター200のモーター駆動を制御する。
なお、自己発電型モーター200aの駆動は、電力消費と電力発生の2面性があるので、電力制御システム300により自己発電型モーター200aに対して電力フィードバックをかけて駆動量を判断すれば良い。つまり、自己発電型モーター200aの駆動を大きくすると発電機における発電量も大きくなるが、モーターにおける電力消費量も大きくなるため、自家発電装置310での電力発生量やバッテリの蓄電量により、自己発電型モーター200aの発電量がどの程度が有利であるかの判断は難しい場合がある。そこで、自己発電型モーター200aに対して電力フィードバックをかけることにより自己発電型モーター200aの発電量を調整することができる。
以上、本発明の電力供給システム300は、電力供給源を多様化する中、商用電源320からの電力供給を小さく低減するものである。
図8は、本発明の電力供給システム300の構成例を模式的に示す図である。図8に示すように、本発明の電力供給システム300は、大別して、電力入力源と、電力消費部と、電力の入力と消費を制御する電力制御部340を備えた構成となっている。
電力入力源としては、図8の構成例では、3種類のものが挙げられており、実施例3で説明した本発明の自己発電型モーター200と、ソーラーパネルや風力発電などの自家発電装置310と、商用電源320である。
自己発電型モーターは1段構成のものでも良く、3段直列構成でクラッチ付きのものでも良い。ここでは、3段直列構成でクラッチ付きの自己発電型モーター200aとする。クラッチ付きのものであれば、発電量を細かく制御することができるので好適である。
商用電源320は、電力会社などが提供する電力源であり、例えば、一般の家庭用AC電源などで良い。
自家発電装置310は特に限定されず、一般に普及しているソーラーパネルや風力発電システムなどがある。
上記のように、本発明の電力入力源は、商用電源320をメイン電源とし、補助電源として、自己発電型モーター200aと、一般技術として利用可能なソーラーパネル等の自家発電源310の2つを搭載したものとなっている。
バッテリ330は、ソーラーパネルなどの自家発電装置310、自己発電型モーター200aにより供給された電力を蓄電しておくものである。バッテリ330を用いることにより、自家発電装置310や自己発電型モーター200aにおいて得られる電力供給量が、電力消費部が消費する電力より多い場合に一時的に蓄積することができる。一般家庭などで家人が外出している場合などは電力消費量が少なくなるものの、ソーラーパネルや風力発電などの自家発電装置310で得られる電力量は家人が留守中でも大きく得られる場合があるからである。また、自家発電装置310において発生する電力量などは細かく変化するおそれもあるので、バッテリ330を介して電力消費部に電力を安定供給できる。
電力消費部として、図8の構成例では、電力消費者が利用する設備400と、本発明の自己発電型モーター200aの2種類が示されている。電力消費者は特に限定されず、一般家庭、集合住宅、商用オフィス、店舗、オフィスビルディング、小規模な工場など多様なものがある。もっとも、電力消費者の規模により、本発明の電力供給システム300のスケールを調整する必要がある。また、本発明の自己発電型モーター200aもモーター210は電力を消費する部分であるため、電力消費部としての性質も併せ持つ。
電力制御部340は、電力の供給と消費を制御する部分である。電力制御部340は、電力消費部から要求される電力を、電力入力源から供給する中で、自家発電装置310、自己発電型モーター200から得られる電力供給量と、バッテリ330に蓄積されている電力量を動的に考慮しつつ、足りない分を商用電源320から電力を供給し、商用電源320からの電力供給量が最小化されるように、自己発電型モーター200のモーター駆動を制御する。
なお、自己発電型モーター200aの駆動は、電力消費と電力発生の2面性があるので、電力制御システム300により自己発電型モーター200aに対して電力フィードバックをかけて駆動量を判断すれば良い。つまり、自己発電型モーター200aの駆動を大きくすると発電機における発電量も大きくなるが、モーターにおける電力消費量も大きくなるため、自家発電装置310での電力発生量やバッテリの蓄電量により、自己発電型モーター200aの発電量がどの程度が有利であるかの判断は難しい場合がある。そこで、自己発電型モーター200aに対して電力フィードバックをかけることにより自己発電型モーター200aの発電量を調整することができる。
以上、本発明の電力供給システム300は、電力供給源を多様化する中、商用電源320からの電力供給を小さく低減するものである。
上記本発明の自己発電型モーターの用途は多様である。例えば、本発明の自己発電型モーターは、乗用車、トラック、バス等の自動車のタイヤや、バイクなどの自動二輪車、さらには、航空機や特殊車両など、様々な車両に組み込むことができる。ハイブリッド電気自動車のモーターとして組み込んでも良く、内燃機関を持たない電気自動車のモーターとして組み込んでも良い。
実施例5として、本発明の自己発電型モーター200、200aなどを適用した車両の例を挙げておく。
図9(A)は、電気自動車に適用した例である。図9(A)に図示したタイプの車両に限定されず、多種多様な車両のタイヤに適用することができる。なお、電気自動車としては内燃機関を持たない電気自動車、内燃機関を併用するハイブリッド電気自動車のいずれであっても適用することができる。
なお、図9(b)は、内燃機関も併用するハイブリッド電気自動車500のブロック図である。車両520には、エンジン510、バッテリ520に加え、実施例3で示した本発明の自己発電型モーター200または200aが搭載されている。本発明の自己発電型モーター200または200aはエンジン510と回転軸を共通化し、エンジンによる動力の一部を自己発電型モーター200または200aの回転軸101の回転運動エネルギーとして取り込み、発電機100により発電できる仕組みとなっている。また、動力伝達切替装置530が設けられており、車両のシャフトへのトルク伝達元をエンジン510か自己発電型モーター200または200aかを切り替えられる仕組みとなっている。
車両540がエンジン駆動するときには、動力伝達切替装置530がトルク伝達元をエンジン510に切り替えて車両を駆動しつつ、エンジン510の動力の一部を自己発電型モーター200の回転軸101の回転運動エネルギーとして取り込み、発電機100により発電し、発電した電力をバッテリ520に蓄積する。車両がモーター駆動するときには動力伝達切替装置530がトルク伝達元を本発明の自己発電型モーター200または200aに切り替えて車両を駆動する。自己発電型モーター200または200aにはバッテリ520から電力供給がある。
次に、図10(A)は、本発明の自己発電型モーター200aをバイクなどの自動二輪車500aに適用した例である。なお、図10(A)に図示したタイプの自動二輪車に限定されず、多種多様な自動二輪車のタイヤに適用することができる。
図10(B)は衛星探査機500bに適用した例である。なお、図示しないがその他の重機などの特殊車両であっても、本発明の自己発電型モーター200、200aを適用することは可能である。
以上、本発明の実施例5にかかる自己発電型モーターの構成例を示したが、上記構成は一例であり種々の変更が可能である。
以上、自己発電型モーターの構成例における好ましい実施例を図示して説明してきたが、本発明の技術的範囲を逸脱することなく種々の変更が可能であることは理解されるであろう。
以上、本発明の好ましい実施形態を図示して説明してきたが、本発明の技術的範囲を逸脱することなく種々の変更が可能であることは理解されるであろう。従って本発明の技術的範囲は添付された特許請求の範囲の記載によってのみ限定されるものである。
実施例5として、本発明の自己発電型モーター200、200aなどを適用した車両の例を挙げておく。
図9(A)は、電気自動車に適用した例である。図9(A)に図示したタイプの車両に限定されず、多種多様な車両のタイヤに適用することができる。なお、電気自動車としては内燃機関を持たない電気自動車、内燃機関を併用するハイブリッド電気自動車のいずれであっても適用することができる。
なお、図9(b)は、内燃機関も併用するハイブリッド電気自動車500のブロック図である。車両520には、エンジン510、バッテリ520に加え、実施例3で示した本発明の自己発電型モーター200または200aが搭載されている。本発明の自己発電型モーター200または200aはエンジン510と回転軸を共通化し、エンジンによる動力の一部を自己発電型モーター200または200aの回転軸101の回転運動エネルギーとして取り込み、発電機100により発電できる仕組みとなっている。また、動力伝達切替装置530が設けられており、車両のシャフトへのトルク伝達元をエンジン510か自己発電型モーター200または200aかを切り替えられる仕組みとなっている。
車両540がエンジン駆動するときには、動力伝達切替装置530がトルク伝達元をエンジン510に切り替えて車両を駆動しつつ、エンジン510の動力の一部を自己発電型モーター200の回転軸101の回転運動エネルギーとして取り込み、発電機100により発電し、発電した電力をバッテリ520に蓄積する。車両がモーター駆動するときには動力伝達切替装置530がトルク伝達元を本発明の自己発電型モーター200または200aに切り替えて車両を駆動する。自己発電型モーター200または200aにはバッテリ520から電力供給がある。
次に、図10(A)は、本発明の自己発電型モーター200aをバイクなどの自動二輪車500aに適用した例である。なお、図10(A)に図示したタイプの自動二輪車に限定されず、多種多様な自動二輪車のタイヤに適用することができる。
図10(B)は衛星探査機500bに適用した例である。なお、図示しないがその他の重機などの特殊車両であっても、本発明の自己発電型モーター200、200aを適用することは可能である。
以上、本発明の実施例5にかかる自己発電型モーターの構成例を示したが、上記構成は一例であり種々の変更が可能である。
以上、自己発電型モーターの構成例における好ましい実施例を図示して説明してきたが、本発明の技術的範囲を逸脱することなく種々の変更が可能であることは理解されるであろう。
以上、本発明の好ましい実施形態を図示して説明してきたが、本発明の技術的範囲を逸脱することなく種々の変更が可能であることは理解されるであろう。従って本発明の技術的範囲は添付された特許請求の範囲の記載によってのみ限定されるものである。
Claims (10)
- 回転軸と、前記回転軸に連動して回転可能に構成された回転子と、
隣接する永久磁石同士で同極同士が対向するように前記回転子に周回状に並べて配設された複数の永久磁石と、
複数のコアレスコイルを周回状に配設し、前記回転子の一端面において前記永久磁石に対向するように設けた第1のコイル集合体と、
複数のコアレスコイルを周回状に配設し、前記回転子の他端面において前記永久磁石に対向するように設けた第2のコイル集合体と、
複数のコアレスコイルを周回状に配設し、前記回転子の側面に対向するように設けた第3のコイル集合体とを備えた発電機。 - 複数個の前記発電機が前記回転軸を共通して直列方向に積層され、各々の前記発電機がクラッチを介して前記回転軸に連結され、前記クラッチの連結・開放を通じて前記回転軸を共通化された前記発電機の台数制御を行うクラッチ制御部を備えたものである請求項1に記載の発電機。
- 前記積層方向に隣接し合う前記回転子間において、前記永久磁石の磁極の配置が互いに同極になっていることを特徴とする請求項2に記載の発電機。
- 回転軸と、前記回転軸に対して回転可能に構成された回転子と、
隣接する永久磁石同士で同極同士が対向するように前記回転子に周回状に並べて配設された複数の永久磁石と、
複数のコアレスコイルを周回状に配設し、前記回転子の一端面において前記永久磁石に対向するように設けた第1のコイル集合体と、
複数のコアレスコイルを周回状に配設し、前記回転子の他端面において前記永久磁石に対向するように設けた第2のコイル集合体と、
複数のコアレスコイルを周回状に配設し、前記回転子の側面に対向するように設けた第3のコイル集合体とを備えた発電機と、
前記発電機の回転軸を、駆動用の回転軸として共通化せしめたモーターとを備え、前記モーターで生じた回転エネルギーの一部を前記発電機により電気エネルギーに変換する自己発電型モーター。 - 複数個の前記発電機が前記回転軸を共通して直列方向に積層され、各々の前記発電機がクラッチを介して前記回転軸に連結され、前記モーターにより前記回転軸に与えられる余剰の回転トルクの大きさに応じて前記クラッチによる前記発電機の前記回転軸への連結・開放制御を動的に行い、前記モーター余剰トルクに応じた前記発電機の台数制御をするクラッチ制御部を備えた請求項4に記載の自己発電型モーター。
- 前記積層方向に隣接し合う前記回転子間において、前記永久磁石の磁極の配置が互いに同極になっていることを特徴とする請求項4に記載の自己発電型モーター。
- 請求項4から6のいずれか1項に記載の前記自己発電型モーターを組み込んだ電気自動車。
- 請求項4から6のいずれか1項に記載の前記自己発電型モーターを組み込んだ電気自動二輪車。
- 請求項4から6のいずれか1項に記載の前記自己発電型モーターを組み込んだ電気走行車両。
- 電力入力源と、電力消費部と、電力の入力と消費を制御する電力制御部とを備え、
前記電力入力源が、請求項4から6のいずれか1項に記載の前記自己発電型モーターと、ソーラーパネルと、家庭用電源の3者であり、
前記電力消費部が、電力消費者が利用する電気機器と、前記自己発電型モーターの2者であり、
前記電力制御部が、前記電力消費部から要求される電力を、前記電力入力源から供給する中で、前記家庭用電源からの電力供給量が最小化されるように、前記自己発電型モーターの前記モーター駆動を制御する電力供給システム。
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JPWO2011077599A1 (ja) | 2013-05-02 |
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