(57)【要約】【課題】フライホイールの回転体の運動エネルギを効率良く得ることができるフライホイールおよびそのようなフライホイールを備えた発電装置を提供する。【解決手段】発電装置は、電力を供給する充電可能なバッテリ１０と、回転可能に設けられた回転軸６０と、回転軸に固定された少なくとも１つの永久磁石を含み、或る慣性重量を有し、且つ、回転軸とともに回転可能な永久磁石ロータ７２と、永久磁石ロータの周りに該永久磁石ロータに対向して設けられた少なくとも１つの電磁石を含み、回転しないように固定された電磁石ステータ７４とを備え、バッテリから電磁石に電力を供給することによって永久磁石ロータに運動エネルギを与えるフライホイール７０と、バッテリを充電するために永久磁石ロータの運動エネルギを電気エネルギに変換する発電器９０とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を供給する充電可能なバッテリと、
回転可能に設けられた回転軸と、前記回転軸に固定された少なくとも１つの永久磁石を含み、或る慣性重量を有し、且つ、前記回転軸とともに回転可能な永久磁石ロータと、前記永久磁石ロータの周りに該永久磁石ロータに対向して設けられた少なくとも１つの電磁石を含み、回転しないように固定された電磁石ステータとを備え、前記バッテリから前記電磁石に電力を供給することによって前記永久磁石ロータに運動エネルギを与えるフライホイールと、
前記バッテリを充電するために前記永久磁石ロータの運動エネルギを電気エネルギに変換する発電器とを備えた発電装置。
【請求項２】
前記発電器は交流の電力を発生する発電器であり、
前記発電器により生成された交流電力を直流電力に変換して、該直流電力を前記バッテリに供給するバッテリチャージャをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記永久磁石ロータおよび前記電磁石ステータを収容する筐体をさらに備え、
前記筐体内は真空状態に維持されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発電装置。
【請求項４】
前記バッテリの電力供給を受けて前記回転軸を回転させるモータと、
前記バッテリの直流の電力を交流の電力に変換して、前記負荷、前記フライホイールおよび前記モータへ交流の電力を供給する変換器と、をさらに備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項５】
前記発電器と前記バッテリチャージャとの間に接続され、前記モータ、前記フライホイールまたは負荷に電力を供給するトランスをさらに備えたことを特徴とする請求項４に記載の発電装置。
【請求項６】
前記バッテリ、前記フライホイールまたは前記モータは、前記負荷において生成された余剰電力または再生電力を受けることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の発電装置。
【請求項７】
回転可能に設けられた回転軸と、
前記回転軸に固定された少なくとも１つの永久磁石を含み、或る慣性重量を有し、且つ、前記回転軸とともに回転可能な永久磁石ロータと、
前記永久磁石ロータの周りに該永久磁石ロータに対向して設けられた少なくとも１つの電磁石を含み、回転しないように固定された電磁石ステータとを備え、
前記電磁石に電力エネルギを供給することによって前記永久磁石ロータに運動エネルギを与えることを特徴とするフライホイール。
【請求項８】
前記永久磁石ロータは、ＮまたはＳのいずれかの永久磁石のみを含み、
前記電磁石ステータの電磁石は、交流の電力によってＮまたはＳの磁極を交互に発生することを特徴とする請求項７に記載のフライホイール。
【請求項９】
前記永久磁石ロータおよび前記電磁石ステータを収容する筐体をさらに備え、
前記筐体内は真空状態に維持されていることを特徴とする請求項７または請求項８のいずれか一項に記載のフライホイール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フライホイールおよび発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
フライホイールは、所定の慣性質量を有する独楽のような回転体を高速で回転させることにより、大きな運動エネルギを貯蔵することができるように構成されている。このようなフライホイールを用いた発電装置では、フライホイールが余剰な（あるいは再生成された）電気エネルギを回転体の運動エネルギとして貯蔵し、発電機がこのフライホイールの運動エネルギを電力エネルギに変換して、蓄電池を充電する。蓄電池に蓄積された電力エネルギは、負荷の消費電力として再利用され得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２１４２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
フライホイールが効率よく運動エネルギを貯蔵するためには、フライホイールの回転抵抗を低下させることのほか、余剰エネルギを高効率で回転体の運動エネルギに変換する必要がある。従来の発電装置では、フライホイールとは別に設けられたモータ等の駆動装置を用いてフライホイールを駆動し、それにより、総ての余剰エネルギを回転体の運動エネルギに変換する必要があった。しかし、従来の発電装置では、余剰エネルギを回転体の運動エネルギに変換する際のエネルギ損失が大きいという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するために、本発明に係る実施形態に従った発電装置は、電力を供給する充電可能なバッテリと、回転可能に設けられた回転軸と、上記回転軸に固定された少なくとも１つの永久磁石を含み、或る慣性重量を有し、且つ、上記回転軸とともに回転可能な永久磁石ロータと、上記永久磁石ロータの周りに該永久磁石ロータに対向して設けられた少なくとも１つの電磁石を含み、回転しないように固定された電磁石ステータとを備え、上記バッテリから上記電磁石に電力を供給することによって上記永久磁石ロータに運動エネルギを与えるフライホイールと、上記バッテリを充電するために上記永久磁石ロータの運動エネルギを電気エネルギに変換する発電器とを備えている。
【０００６】
このような構成を有することにより本実施形態による発電装置は、フライホイールの永久磁石ロータの回転を補助するために、バッテリから電磁石に電力を供給することによって永久磁石ロータに運動エネルギを直接与えることができる。従って、電気エネルギから運動エネルギへの変換におけるエネルギ損失が小さく、高効率で電気エネルギから運動エネルギへ変換することができる。
【０００７】
上記発電器は交流の電力を発生する発電器であり、当該発電装置は、上記発電器により生成された交流電力を直流電力に変換して、該直流電力を上記バッテリに供給するバッテリチャージャをさらに備えていてもよい。
【０００８】
当該発電装置は、上記永久磁石ロータおよび上記電磁石ステータを収容する筐体をさらに備え、上記筐体内は真空状態に維持されていてもよい。これにより、永久磁石ロータは、空気抵抗のほとんどない状態で回転することができる。
【０００９】
当該発電機は、上記バッテリの電力供給を受けて上記回転軸を回転させるモータと、上記バッテリの直流の電力を交流の電力に変換して、上記負荷、上記フライホイールおよび上記モータへ交流の電力を供給する変換器と、をさらに備えていてもよい。
【００１０】
当該発電装置は、上記発電器と上記バッテリチャージャとの間に接続され、上記モータ、上記フライホイールまたは負荷に電力を供給するトランスをさらに備えていてもよい。上記トランスを備えることによって、発電器から生成された交流電力をモータや負荷にそのまま直接利用できる。この場合、バッテリからの直流電力を交流電力に変換する必要が無いので、バッテリから電力を供給する場合よりも効率が良くなる。
【００１１】
上記バッテリ、上記フライホイールまたは上記モータは、上記負荷において生成された余剰電力または再生電力を受けるように構成されてもよい。
【００１２】
本発明に係る実施形態に従ったフライホイールは、回転可能に設けられた回転軸と、上記回転軸に固定された少なくとも１つの永久磁石を含み、或る慣性重量を有し、且つ、上記回転軸とともに回転可能な永久磁石ロータと、上記永久磁石ロータの周りに該永久磁石ロータに対向して設けられた少なくとも１つの電磁石を含み、回転しないように固定された電磁石ステータとを備え、上記電磁石に電力エネルギを供給することによって上記永久磁石ロータに運動エネルギを与える。
【００１３】
このような構成を有することにより本実施形態によるフライホイールは、電磁石に供給される電力によって永久磁石ロータに運動エネルギを直接与えることができる。従って、電気エネルギから運動エネルギへの変換におけるエネルギ損失が小さく、高効率で電気エネルギから運動エネルギへ変換することができる。
【００１４】
上記永久磁石ロータは、ＮまたはＳのいずれかの永久磁石のみを含み、上記電磁石ステータの電磁石は、交流の電力によってＮまたはＳの磁極を交互に発生するように構成してもよい。
【００１５】
当該フライホイールは、上記永久磁石ロータおよび上記電磁石ステータを収容する筐体をさらに備え、上記筐体内は真空状態に維持されていてもよい。これにより、永久磁石ロータは、空気抵抗のほとんどない状態で回転することができる。
【発明の目的】
【００１６】
本発明は、フライホイールの回転体の運動エネルギを効率良く得ることができるフライホイールおよびそのようなフライホイールを備えた発電装置を提供することである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る第１の実施形態に従った発電装置の構成の一例を示すブロック図。
【図２】第１の実施形態に従ったフライホイール７０の構成の一例を示す断面図。
【図３】フライホイール７０の横方向から見た断面図。
【図４】本発明に係る第２の実施形態に従った発電装置の構成の一例を示すブロック図。
【図５】本発明に係る第３の実施形態に従った発電装置の構成の一例を示すブロック図。
【図６】第３の実施形態による発電装置の運転可能時間および比較例による発電装置の運転可能時間の実験結果を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。
【００１９】
（第1の実施形態）
図１は、本発明に係る第１の実施形態に従った発電装置の構成の一例を示すブロック図である。本実施形態による発電装置は、バッテリ１０と、ＤＣ−ＡＣ変換器２０と、モータ３０と、プーリー４０〜４３と、ベルト５０、５１と、回転軸６０と、フライホイール７０と、リコイル８０と、発電器９０と、バッテリチャージャ９５とを備えている。
【００２０】
バッテリ１０は、ＤＣ−ＡＣ変換器２０を介して、負荷、モータ３０、および、フライホイール７０へ電力を供給する。バッテリ１０は、例えば、直流１２ボルトの充電可能なバッテリ、あるいは、このようなバッテリを複数個直列または並列に接続して構成されたバッテリ群であってもよい。バッテリ１０が複数のバッテリから成るバッテリ群である場合、バッテリ１０は、２４ボルトや４８ボルトの直流電圧を生成することができる。例えば、本実施形態によるバッテリ１０は、１２ボルトのバッテリを４個直列に接続した４８ボルトのバッテリ群である。
【００２１】
ＤＣ−ＡＣ変換器２０は、バッテリ１０の直流電力を交流電力へ変換する。例えば、ＤＣ−ＡＣ変換器２０は、直流（ＤＣ）２４ボルトの電力を交流（ＡＣ）１００ボルトの電力および交流（ＡＣ）２００ボルトの電力に変換する。ＤＣ−ＡＣ変換器２０によって変換された交流電力は、負荷、モータ３０、および、フライホイール７０へ供給される。本実施形態では、負荷およびフライホイール７０は、ＡＣ１００ボルトの交流電力によって駆動され、モータ３０は、ＡＣ２００ボルトの交流電力によって駆動される。
【００２２】
負荷は、電力を消費する電気機器であればよく、特に限定しない。例えば、負荷は、屋内または屋外で使用される照明器具や空調装置等でよい。また、負荷は、車両用の照明器具や空調装置等であってもよい。本実施形態では、負荷は、商用電力と同じＡＣ１００ボルトの電力を使用するが、ＡＣ２００ボルトの電力を使用してもよい。
【００２３】
モータ３０は、ＤＣ−ＡＣ変換器２０を介してバッテリ１０からの電力の供給を受けてロータ３１を回転させる。モータ３０の最大消費電力は、規格上では約１０００ワットである。ロータ３１は、ベルト５０を介してプーリー４０と結合されており、プーリー４０を回転させる。ベルト５０は、プーリー４０の回転運動をプーリー４１に伝達するように、プーリー４０と４１とを連結している。プーリー４１は、回転軸６０に固定されており、回転軸６０は、プーリー４１とともに回転する。従って、モータ３０は、バッテリ１０の電力供給を受けて回転軸６０を回転させる。
【００２４】
回転軸６０は、プーリー４１、プーリー４２、フライホイール７０およびリコイル８０の回転の中心として共有されている。回転軸６０の軸受けは、転がり軸受け、すべり軸受け、磁気軸受け等、特に限定しないが、回転抵抗の低い軸受けが好ましい。回転軸６０の軸受けは、例えば、超伝導技術を用いた浮遊軸受けであってもよい。これにより、回転軸６０の回転抵抗を可及的に低下させることができる。
【００２５】
フライホイール７０は、図２を参照して後述するように、回転軸６０とともに回転する永久磁石ロータ７２を備え、永久磁石ロータ７２の回転運動によって運動エネルギを蓄える。また、フライホイール７０は、バッテリ１０からの電力供給を受けて、この永久磁石ロータの回転を補助する。本実施形態において、フライホイール７０は、ＡＣ１００ボルトで１アンペアの電力を消費する。
【００２６】
リコイル８０は、回転軸６０に設けられており、外部から回転軸６０に回転力を与えることができるように構成されている。慣性重量の大きなフライホイール７０を静止状態から回転を開始する際には、非常に大きな動力を必要とする。このため、バッテリ１０からの電力のみではフライホイール７０の動作を開始できない場合、フライホイール７０の動作開始に過剰な電力を消費する場合、あるいは、フライホイール７０の動作開始に長時間掛かる場合に、オペレータがリコイル８０を介して手動で永久磁石ロータを回転させることができる。ただし、バッテリ１０がフライホイール７０を回転させるのに充分な電力を供給できる場合には、リコイル８０は不要である。
【００２７】
ベルト５１は、プーリー４２の回転運動をプーリー４３に伝達するように、プーリー４２と４３とを連結している。プーリー４３は、発電器９０の軸９１に固定されており、プーリー４３の回転運動は、軸９１に伝達される。
【００２８】
発電器９０は、軸９１の回転により発電し、発電された電力を、バッテリチャージャ９５を介してバッテリ１０に蓄積する。つまり、発電機９０は、永久磁石ロータの運動エネルギを電気エネルギに変換して、この電気エネルギをバッテリ１０に蓄積する。本実施形態では、発電器９０は、例えば、ＡＣ１００ボルトの交流電力を発電し、規格上では最大３１Ａの電流を生成可能な発電器である。
【００２９】
バッテリチャージャ９５は、発電器９０で発電された電力をバッテリ１０へ充電する。このとき、バッテリチャージャ９５は、ＡＣ１００Ｖで発電された電力を直流電力に変換してバッテリ１０へ蓄積する。本実施形態において、バッテリチャージャ９５は、例えば、ＡＣ１００ボルトで約１２アンペアの電力を消費する。
【００３０】
負荷は、バッテリ１０から電力供給を受けて、図１の破線矢印で示すように余剰電力あるいは再生電力をフライホイール７０、モータ３０またはバッテリチャージャ９５へ供給してもよい。余剰電力あるいは再生電力が直流電力である場合、負荷は、余剰電力あるいは再生電力をバッテリ１０へ直接戻してもよい。負荷が余剰電力あるいは再生電力を発生しない場合には、負荷は、バッテリ１０から電力を消費するだけである。
【００３１】
図２は、第１の実施形態に従ったフライホイール７０の構成の一例を示す断面図である。フライホイール７０は、永久磁石ロータ７２と、電磁石ステータ７４と、筐体７５とを備えている。筐体７５は、永久磁石ロータ７２および電磁石ステータ７４を収容している。筐体７５の内部は、真空状態に維持されている。
【００３２】
永久磁石ロータ７２は、回転軸６０の周囲を取り囲むように均等に配置された複数の永久磁石７１を有し、回転軸６０とともに回転可能なように回転軸６０に固定されている。複数の永久磁石７１は、それぞれ回転軸６０から等しい距離に配置され、回転軸６０の周りに円形状に等間隔で配置されている。また、永久磁石ロータ７２は、運動エネルギを充分に蓄積できるように、或る慣性重量を有する。本実施形態では、永久磁石ロータ７２の総ての永久磁石７１は、Ｎ極またはＳ極のいずれか一方の極性のみに統一されている。即ち、永久磁石ロータ７２は、Ｎ極またはＳ極のいずれか一方の極性の永久磁石７１のみを含む。図２の例では、永久磁石ロータ７２は、Ｎ極の永久磁石７１のみを含む。
【００３３】
電磁石ステータ７４は、永久磁石ロータ７２に対向して設けられた複数の電磁石７３を含む。複数の電磁石７３は、永久磁石ロータ７２の周辺に沿って配置され、永久磁石ロータ７２と接触しないように永久磁石７１から一定の間隔（例えば、２ミリメートルの間隔）をあけて配置されている。従って、複数の電磁石７３も、回転軸６０から等しい距離に配置され、回転軸６０の周りに円形状に等間隔で配置される。ただし、複数の電磁石７３は、筐体７５に対して固定されている。従って、電磁石ステータ７４は、回転軸６０や永久磁石ロータ７２のようには回転せず、筐体７５とともに静止している。電磁石ステータ７４および永久磁石ロータ７２は、永久磁石ロータ７２が回転するときに、永久磁石７１と電磁石７３との間の間隔を維持するように設けられている。好ましくは、電磁石７３は、永久磁石７１と同数設けられており、永久磁石７１に対して１対１に対応している。
【００３４】
複数の電磁石７３の一方の端子は、共通端子として基準電位に維持されている。一方、複数の電磁石７３の他方の端子には、交流電力がコミュニケータ１００を介して供給される。交流電力は、例えば、商用と同じＡＣ１００ボルトの電力でよい。コミュニケータ１００は、回転軸６０に固定されており、回転軸６０と共に回転する。これにより、コミュニケータ１００は、端子Ｌ１〜Ｌ１６に対して順番に交流電力を供給する。交流電力が電磁石７３に供給されることによって、各電磁石７３の磁極は、Ｎ極とＳ極とを交互に繰り返す。これにより、電磁石７３は、永久磁石７１に対して引力と斥力とを交互に印加し、永久磁石ロータ７２を回転させる。
【００３５】
このような構成を有するフライホイール７０は、永久磁石ロータ７２の回転を補助するために、バッテリ１０から電磁石７３に交流電力を供給することによって永久磁石ロータ７２に運動エネルギを直接与えることができる。従って、本実施形態によるフライホイール７０は、電気エネルギから運動エネルギへの変換におけるエネルギ損失が小さく、高効率で電気エネルギから運動エネルギへ変換することができる。
【００３６】
図３は、フライホイール７０の横方向の断面図である。図３を参照すると、回転軸６０に永久磁石７１およびコミュニケータ１００が固定されており、永久磁石ロータ７２の周りに電磁石７３が設けられていることが分かる。上述の通り、本実施形態では、筐体７５の内部は真空状態となっており、永久磁石ロータ７２および電磁石ステータ７４は、真空中に設けられている。永久磁石７１と電磁石７３との間の間隙も真空状態となっている。従って、永久磁石ロータ７２は、真空中において空気抵抗のほとんどない状態で回転することができる。
【００３７】
次に、図１に示す本実施形態による発電装置を実際に運転させた実験結果を説明する。モータ３０の消費電流の実測値は、約１１．５アンペア（ＡＣ２００ボルト）であり、フライホイール７０の消費電流の実測値は約１アンペア（ＡＣ１００ボルト）であり、バッテリチャージャ９５の消費電流の実測値は約１２Ａ（ＡＣ１００ボルト）であった。さらに、負荷の消費電流の実測値は、約５Ａ（ＡＣ１００ボルト）であった。つまり、図１に示す発電装置の消費電力Ｗｏｕｔ＿ｔｏｔａｌは、約４１００ワット（Ｗｏｕｔ＿ｔｏｔａｌ＝１１．５×２００＋１×１００＋１２×１００＋５×１００）であった。
【００３８】
一方、発電器９０の生成電流の実測値は、約９．５アンペア（ＡＣ１００ボルト）であった。つまり、図１に示す発電装置の生成（発電）電力Ｗｉｎ＿ｔｏｔａｌは、約９５０ワット（Ｗｉｎ＿ｔｏｔａｌ＝９．５×１００）であった。尚、この実験では、便宜的に負荷として照明を用いたが、発電効率を単純に調べるために、負荷は、発電装置へ電力を供給してはいない。即ち、本実験では、負荷は、電力を消費するだけで、生成はしていない。
【００３９】
以上のような本実施形態による発電装置は、実験では、消費電力Ｗｏｕｔ＿ｔｏｔａｌとして約４１００ワットを消費し、生成電力Ｗｉｎ＿ｔｏｔａｌとして約９５０ワットを発電していた。よって、発電効率（Ｗｉｎ＿ｔｏｔａｌ／Ｗｏｕｔ＿ｔｏｔａｌ）は、約２３．２％となる。
【００４０】
比較例として、従来のフライホイールを備えた発電装置の実験結果を説明する。本比較例で使用した従来のフライホイールは、永久磁石７１および電磁石７３を備えていないが、永久磁石ロータ７２とほぼ同じ慣性質量を有する通常のロータを備えている。本比較例による発電装置のその他の構成は、本実施形態による発電装置の対応する構成と同じである。従って、バッテリ１０、ＤＣ−ＡＣ変換器２０、モータ３０、発電器９０、バッテリチャージャ９５等の構成要素は、本実施形態の実験で用いたものと同じである。モータ３０、バッテリチャージャ９５、負荷の各消費電力も、本実施形態の上記実験のそれらと同じである。さらに、フライホイールの軸の抵抗も同じである。尚且つ、フライホイールのロータは真空中で回転させているため、フライホイールの空気抵抗も本実施形態の上記実験のそれと同じである。
【００４１】
このような条件のもと、以下のような実験結果を得た。モータ３０の実際の消費電流は、約１１．５アンペア（ＡＣ２００ボルト）であり、バッテリチャージャ９５の実際の消費電流は約１２Ａ（ＡＣ１００ボルト）であった。さらに、負荷の実際の消費電流は、約５Ａ（ＡＣ１００ボルト）であった。つまり、本比較例による発電装置の消費電力Ｗｏｕｔ＿ｔｏｔａｌ’は、約４０００ワット（Ｗｏｕｔ＿ｔｏｔａｌ’＝１１．５×２００＋１２×１００＋５×１００）であった。
【００４２】
一方、発電器９０の実際の生成電流は、約６．２アンペア（ＡＣ１００ボルト）であった。つまり、本比較例による発電装置の生成（発電）電力Ｗｉｎ＿ｔｏｔａｌ’は、約６２０ワット（Ｗｉｎ＿ｔｏｔａｌ’＝６．２×１００）であった。尚、本比較例の実験でも、負荷である照明は、電力を消費するだけで、生成はしていない。
【００４３】
以上のような本比較例による発電装置は、実験では、消費電力Ｗｏｕｔ＿ｔｏｔａｌ’として約４０００ワットを消費し、生成電力Ｗｉｎ＿ｔｏｔａｌ’として約６２０ワットを発電していた。よって、発電効率（Ｗｉｎ＿ｔｏｔａｌ’／Ｗｏｕｔ＿ｔｏｔａｌ’）は、約１５．５％となる。
【００４４】
以上の実験では、本実施形態による改良フライホイール７０を備えた発電装置は、従来のフライホイールを備えた発電装置よりも発電効率を約７．７％改善することができることが分かった。
【００４５】
以上の実験から本実施形態によるフライホイールを備えた発電装置は、永久磁石ロータ７２とその周囲に設けられた電磁石７３とによって、電気エネルギを永久磁石ロータ７２の運動エネルギ（回転エネルギ）に直接かつ効率良く変換することができることが分かった。
【００４６】
尚、本実施形態によるフライホイール７０は、１アンペア（ＡＣ１００Ｖ）の電力で駆動されていたが、それよりも大きな電力で駆動されてもよい。これにより、発電装置は、さらに大きな電気エネルギを高効率で運動エネルギに変換することができる。
【００４７】
さらに、本実施形態によるフライホイール７０の駆動電力をさらに上昇させることにより、モータ３０に代わり、フライホイール７０自体が回転軸６０を回転させ、かつ、発電器９０を駆動させ得るように構成してもよい。この場合、モータ３０、プーリー４０、４１、ベルト５０が不要になる。よって、エネルギの変換効率をさらに高めることができるとともに、発電装置のコストを削減することができる。
【００４８】
（第２の実施形態）
図４は、本発明に係る第２の実施形態に従った発電装置の構成の一例を示すブロック図である。第２の実施形態は、発電器９０とバッテリチャージャ９５との間に接続されたトランス１１０を備えている点で第１の実施形態と異なる。第２の実施形態のその他の構成要素は、第１の実施形態の対応する構成要素と同じである。
【００４９】
トランス１１０は、ＡＣ１００ボルトの交流電力をＡＣ２００ボルトへ変圧し、その交流電力をモータ３０へ供給することができる。この場合、トランス１１０は、モータ３０の消費電力の一部を補うことができる。これにより、ＤＣ−ＡＣ変換器２０の電力負担が軽減される。また、フライホイール７０、バッテリチャージャ９５および／または負荷が発電器９０からの電圧と異なる場合には、トランス１１０は、発電器９０からの電力をフライホイール７０、バッテリチャージャ９５および／または負荷に適合した電圧に変圧して、変圧後の電力をフライホイール７０、バッテリチャージャ９５および／または負荷に供給してもよい。この場合、トランス１１０は、フライホイール７０、バッテリチャージャ９５および／または負荷の消費電力の総てを供給してもよい。これにより、ＤＣ−ＡＣ変換器２０は、モータ３０のみを駆動すれば足りるので、ＤＣ−ＡＣ変換器２０の電力負担はさらに軽減される。
【００５０】
トランス１１０が電力を供給する場合、発電器９０から生成された交流電力をそのまま直接利用できる。この場合、バッテリ１０からの直流電力を交流電力に変換する必要が無いので、バッテリ１０から電力を供給する場合よりも効率が良い。
【００５１】
このように、第２の実施形態は、トランス１１０を備えることによって発電器９０で発電された電力をさらに効率良く利用することができる。さらに、第２の実施形態は、第１の実施形態と同様に改良されたフライホイール７０を備えている。よって、第２の実施形態は、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５２】
（第３の実施形態）
図５は、本発明に係る第３の実施形態に従った発電装置の構成の一例を示すブロック図である。第３の実施形態は、直流電力を生成するダイナモを発電器９３として備えている点で第１の実施形態と異なる。第３の実施形態は、ダイナモを発電器９３として用いているため、第１の実施形態における交流発電器９０およびバッテリチャージャ９５は不要となる。
【００５３】
発電器９３は、軸９１の回転により直流電力を発電し、発電された電力を、バッテリ１０に蓄積する。つまり、発電器９３は、永久磁石ロータの運動エネルギを電気エネルギに変換して、この電気エネルギをバッテリ１０に蓄積する。第３の実施形態では、発電器９３は、例えば、ＤＣ２４ボルトの直流電力を発電し、規格上、最大５０Ａの電流を生成可能な発電器である。尚、第３の実施形態では、バッテリ１０は、１２ボルトのバッテリを２個直列に接続した２４ボルトのバッテリ群である。
【００５４】
第３の実施形態のように、本発明による発電装置は、交流電力の発電器９０だけでなく、直流電力の発電器（ダイナモ）９３を用いても実現することができる。第３の実施形態は、改良されたフライホイール７０を備えているので、第１の実施形態と同様に、従来よりも高効率で電気エネルギから運動エネルギへ変換することができる。
【００５５】
図６は、第３の実施形態による発電装置の運転可能時間および比較例による発電装置の運転可能時間の実験結果を示すグラフである。発電器（ダイナモ）９３を用いて発電する場合、発電器９３の発電電力を実測することができないため、実験では運転可能時間を計測した。
【００５６】
第３の実施形態の実験は、図５に示した構成を有する発電装置を用いて行った。比較例の実験は、本実施形態によるフライホイール７０に代えて、従来のフライホイールを備えた発電装置を用いて行った。比較例で用いたフライホイールは、永久磁石７１および電磁石７３を備えていないが、永久磁石ロータ７２とほぼ同じ慣性質量を有する通常のロータを備えている。本比較例による発電装置のその他の構成は、第３の実施形態の実験で使用した発電装置の対応する構成と同じである。従って、バッテリ１０、ＤＣ−ＡＣ変換器２０、モータ３０、発電器９３等の構成要素は、第３の実施形態の実験で用いたものと同じである。さらに、フライホイールの軸の抵抗も同じである。尚且つ、フライホイールのロータは真空中で回転させているため、フライホイールの空気抵抗も本実施形態の上記実験のそれと同じである。
【００５７】
また、負荷は、第１の実施形態で用いた負荷と同じ照明である。
【００５８】
図６に示すように、比較例による発電装置は、約５時間継続して負荷としての照明を点灯させることができた。一方、第３の実施形態による発電装置は、約７時間継続して負荷としての照明を点灯させることができた。つまり、従来のフライホイールを、本実施形態による改良型のフライホイール７０に代えることによって、発電装置は、照明をより長時間の間点灯させることができた。これは、第３の実施形態による発電装置が、比較例による発電装置に比較して発電効率が良好であることを意味する。尚、図６に示す実験結果は、実験を複数回行った結果であり、有意差が認められた。
【００５９】
以上から第３の実施形態のように発電器としてダイナモを用いたとしても、本発明の効果は失われない。即ち、第３の実施形態は、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６０】
また、第３の実施形態によるフライホイール７０は、１アンペア（ＡＣ１００Ｖ）の電力で駆動されていたが、それよりも大きな電力で駆動されてもよい。これにより、発電装置は、さらに大きな電気エネルギを高効率で運動エネルギに変換することができる。
【００６１】
さらに、第３の実施形態によるフライホイール７０の駆動電力をさらに上昇させることにより、モータ３０に代わり、フライホイール７０自体が回転軸６０を回転させ、かつ、発電器９３を駆動させ得るように構成してもよい。この場合、モータ３０、プーリー４０、４１、ベルト５０が不要になる。よって、エネルギの変換効率をさらに高めることができるとともに、発電装置のコストを削減することができる。
【００６２】
以上の実施形態による発電装置は、バッテリ１０のみで駆動することができる。従って、本実施形態による発電装置は、商用電源の無い屋外において利用価値が高い。また、石油やガソリンなどの化石燃料を用いないので、環境に良い。フライホイール７０は、上述のようにフライホイールの機能だけでなく、モータとしての機能も有するため、電気エネルギを永久磁石ロータ７２の運動エネルギに直接変換する。このため上記実施形態による発電装置は効率が良い。また、フライホイール７０が回転を維持できるように、フライホイール７０のモータの機能を強化すれば、モータ３０が不要になる。即ち、モータ３０の機能をフライホイール７０に組み合わせることによって、モータ３０を省略し、コンパクトかつ高効率の発電装置が実現できる。
【００６３】
以上の実施形態によるフライホイール７０は、バッテリ１０のみで駆動しているので、乗用車に適用することもできる。
【００６４】
上記実施形態に係る発電装置およびフライホイールは、超伝導フライホイールと組み合わせることができる。ただし、超伝導フライホイールは、実際には、冷却のために液体窒素あるいは液体ヘリウム等が必要であり、コスト高となる。常温超伝導については、現段階では、材料の開発段階である。従って、上記実施形態に係るフライホイール７０は、現実的であり、低コストで大量生産に適していると言える。
【符号の説明】
【００６５】
１０…バッテリ
２０…ＤＣ−ＡＣ変換器
３０…モータ
４０〜４３…プーリー
５０、５１…ベルト
６０…回転軸
７０…フライホイール
８０…リコイル
９０…発電器
９５…バッテリチャージャ
１１０…トランス
【図１】
2011259561.tif 000003
【図２】
2011259561.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2011259561.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成22年10月1日(2010.10.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を供給する充電可能なバッテリと、
回転可能に設けられた回転軸と、前記回転軸に固定された複数の永久磁石を含み、或る慣性重量を有し、且つ、前記回転軸とともに回転可能な永久磁石ロータと、前記永久磁石ロータの周りに該永久磁石ロータに対向して設けられ、前記永久磁石に対して１対１に対応するように設けられた電磁石を含み、回転しないように固定された電磁石ステータと、前記回転軸とともに回転し、前記電磁石に順番に電力を与えるコミュニケータとを備え、前記バッテリから前記電磁石に電力を供給することによって前記永久磁石ロータに運動エネルギを与えるフライホイールと、
前記バッテリを充電するために前記永久磁石ロータの運動エネルギを電気エネルギに変換する発電器とを備えた発電装置。
【請求項２】
前記発電器は交流の電力を発生する発電器であり、
前記発電器により生成された交流電力を直流電力に変換して、該直流電力を前記バッテリに供給するバッテリチャージャをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記永久磁石ロータおよび前記電磁石ステータを収容する筐体をさらに備え、
前記筐体内は真空状態に維持されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発電装置。
【請求項４】
前記バッテリの電力供給を受けて前記回転軸を回転させるモータと、
前記バッテリの直流の電力を交流の電力に変換して、前記負荷、前記フライホイールおよび前記モータへ交流の電力を供給する変換器と、をさらに備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項５】
前記発電器と前記バッテリチャージャとの間に接続され、前記モータ、前記フライホイールまたは負荷に電力を供給するトランスをさらに備えたことを特徴とする請求項４に記載の発電装置。
【請求項６】
前記バッテリ、前記フライホイールまたは前記モータは、前記負荷において生成された余剰電力または再生電力を受けることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の発電装置。
【請求項７】
回転可能に設けられた回転軸と、
前記回転軸に固定された複数の永久磁石を含み、或る慣性重量を有し、且つ、前記回転軸とともに回転可能な永久磁石ロータと、
前記永久磁石ロータの周りに該永久磁石ロータに対向して設けられ、前記永久磁石に対して１対１に対応するように設けられた電磁石を含み、回転しないように固定された電磁石ステータと、
前記回転軸とともに回転し、前記電磁石に順番に電力を与えるコミュニケータとを備え、
前記電磁石に電力エネルギを供給することによって前記永久磁石ロータに運動エネルギを与えることを特徴とするフライホイール。
【請求項８】
前記永久磁石ロータは、ＮまたはＳのいずれかの永久磁石のみを含み、
前記電磁石ステータの電磁石は、交流の電力によってＮまたはＳの磁極を交互に発生することを特徴とする請求項７に記載のフライホイール。
【請求項９】
前記永久磁石ロータおよび前記電磁石ステータを収容する筐体をさらに備え、
前記筐体内は真空状態に維持されていることを特徴とする請求項７または請求項８のいずれか一項に記載のフライホイール。
【手続補正書】
【提出日】平成23年3月24日(2011.3.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を供給する充電可能なバッテリと、
回転可能に設けられた回転軸と、前記回転軸に固定された複数の永久磁石を含み、或る慣性重量を有し、且つ、前記回転軸とともに回転可能な永久磁石ロータと、前記永久磁石ロータの周りに該永久磁石ロータに対向して設けられ、前記永久磁石に対して１対１に対応するように設けられた電磁石を含み、回転しないように固定された電磁石ステータと、前記回転軸とともに回転し、前記電磁石に順番に電力を与えるコミュニケータとを備え、前記バッテリから前記電磁石に電力を供給することによって前記永久磁石ロータに運動エネルギを与えるフライホイールと、
前記バッテリを充電するために前記永久磁石ロータの運動エネルギを電気エネルギに変換し、交流電力を発生する発電器と、
前記発電器により生成された交流電力を直流電力に変換して、該直流電力を前記バッテリに供給するバッテリチャージャと、
前記バッテリの電力供給を受けて前記回転軸を回転させるモータと、
前記バッテリの直流電力を交流の電力に変換して、前記負荷、前記フライホイールおよび前記モータへ交流電力を供給する変換器と、
前記発電器と前記バッテリチャージャとの間に接続され、前記モータ、前記フライホイールまたは負荷に電力を供給するトランスと、
を備えた発電装置。
【請求項２】
前記バッテリ、前記フライホイールまたは前記モータは、前記負荷において生成された余剰電力または再生電力を受けることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。