(57)【要約】      （修正有）【課題】モータの駆動トルクの軽減を図りながら、メインバッテリや負荷への電力を安定供給可能にする発電システムを提供する。【解決手段】モータ２の駆動電源としてモータ駆動用バッテリ１を用い、モータ２にカプラー１０を介して連結した発電機３に電力を発生させ、発電機３の出力軸にフライホール１１を固定して、発電機３の回転子に回転慣性力を付与し、発電機３の発生電力をＡＣ／ＤＣ変換器４により直流変換し、ＡＣ／ＤＣ変換器４で直流変換した直流電力をモータ駆動用バッテリ１および電気二重層キャパシタ６に充電するとともに、充放電切換器７の切換スイッチ７ａ〜７ｃを介してメインバッテリ８を構成するバッテリ８ａ〜８ｃにも充電可能とし、これらのバッテリ８ａ〜８ｃに充電した電力を、充放電切換器７を介して負荷１２に放電可能にした構成である。【選択図】図１
0003202560.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
モータの駆動電源として用いられるモータ駆動用バッテリと、
前記モータにカプラーを介して連結され、該モータとともに回転して電力を発生する発電機と、
該発電機の出力軸に固定されて、該発電機の回転中に回転子に回転慣性力を付与するフライホイールと、
前記発電機の発生電力を直流変換するＡＣ／ＤＣ変換器と、
該ＡＣ／ＤＣ変換器で直流変換した電力を前記モータ駆動バッテリおよび電気二重層キャパシタに充電させる充電器と、
該充電器に充放電切換器を介して接続され、前記直流変換された電力を充電し、この充電した電力を負荷に放電可能にするメインバッテリと、
を備えてなることを特徴とする発電システム。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、フライホイールによる回転慣性力を利用して小型発電機に電力を発生させる発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
化石燃料の大量消費に伴う二酸化炭素の増加およびこの二酸化炭素の増加に伴う地球温暖化、資源の枯渇が避けられなくなってきている今日、化石燃料の代替エネルギの開発および利用が現実のものとなってきている。一方、前記化石燃料の消費を節約する技術開発も並行して実施されている。
【０００３】
ところで、前記のような化石燃料のほか、水力や風力、更には地熱などの自然エネルギを利用する発電システムも開発および実現されている。かかる発電システムの発電機では、発電用の固定子巻線を施した固定子の周囲にマグネット付きの回転子を配置し、回転子の回転中に固定子巻線に誘起される電圧を外部に取り出して負荷等に供給するというものである。この発電機では、電力を発生させるためには固定子巻線に対しマグネット付き回転子を相対回転させる必要があり、この回転子を回転させるために発電機駆動用のモータや、水車、風車、タービンなどが必要になる。特に、モータにより発電機を駆動するモータ駆動式発電システムでは発電機駆動用の専用モータに電力を供給し続ける必要がある。
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、発電機駆動用の専用モータに供給する電力としては、このモータに十分の駆動トルクを継続して発生させるに足る必要かつ十分なレベルの大電力が必要であり、発電システムとして電力利用率が極めて悪いという不都合があった。
【０００５】
本考案は前述のような従来の問題点を解消するものであり、その目的とするところは、発電機の回転子にフライホイール効果を付与し、設定トルクを超える回転領域内でフライホイールに回転エネルギ（回転慣性力）を十分に蓄積させ、発電機負荷の増大等による回転の不安定状態移行時には、蓄積したフライホイールの回転エネルギを放出することで、発電機の回転を引き続き安定状態に保持可能にし、以て駆動トルクの比較的小さい小型モータの使用を可能にするものを提供することにある。また、フライホイールに回転エネルギを十分に蓄積できるタイミングでは、発電機が発生する電力を余剰電力として発電機駆動用バッテリに供給しながら、負荷側の複数のメインバッテリに充電させることで、小型モータ駆動のための外部電力の使用を極力抑制しながら、メインバッテリの放電電力による負荷の安定的運転を持続可能にする発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的達成のために、本考案にかかる発電システムは、モータの駆動電源として用いられるモータ駆動用バッテリと、前記モータにカプラーを介して連結され、該モータとともに回転して電力を発生する発電機と、該発電機の出力軸に固定されて、該発電機の回転中に回転子に回転慣性力を付与するフライホイールと、前記発電機の発生電力を直流変換するＡＣ／ＤＣ変換器と、該ＡＣ／ＤＣ変換器で直流変換した電力を前記モータ駆動バッテリおよび電気二重層キャパシタに充電させる充電器と、該充電器に充放電切換器を介して接続され、前記直流変換された電力を充電し、この充電した電力を負荷に放電可能にするメインバッテリと、
を備えてなることを特徴とする。
【０００７】
この構成により、モータはモータ駆動用バッテリを通じて電力を受けて駆動され、このモータにカプラーを介して連結された発電機も同速で駆動される。この発電機の駆動によって発生する交流電力はＡＣ／ＤＣ変換器で直流電力に変換され、充電器を通じて電気二重層キャパシタに蓄積されるとともに、モータ駆動用バッテリにも充電される。また、モータ駆動用バッテリの容量が十分である場合には、充電器および充放電切換器を通して余剰電力として複数のメインバッテリに充電されるとともに、負荷にも供給される。充放電切替器はメインバッテリの充電時および発電機の発生電圧が低下した場合には閉じられる。また、負荷への電力供給が必要になったときには、充放電切替器のいずれかが開かれる。
【０００８】
前記モータの起動当初はこのモータの回転速度が十分に立ち上がっていないので、発電機が発生する電力も不安定であり、電力変換器を介して得られる直流電力は、電気二重層キャパシタおよびモータ駆動用バッテリに対し供給されるのみで、メインバッテリや負荷への供給は開始されない。一方、モータの回転速度が十分に立ち上がった後は、フライホイールの回転慣性を受けて発電機とともにモータが安定速度領域およびそれ以上の速度領域で駆動される。
【０００９】
このとき、発電機が発生する電力は、フライホイールの回転慣性に基づく電力を含み、その回転慣性に基づく電力分、モータの駆動トルクを補填し、モータ駆動用バッテリの負担を軽減できる。また、フライホイールの回転に伴って発電機が発生する電力のうち、電気二重層キャパシタおよびモータ駆動用バッテリが必要とする電力を超える余剰電力が負荷およびメインバッテリに供給される。このメインバッテリに充電された電力は、発電機電圧が低下または不安定になったときなどに、充放電切換器を通じて負荷に引き続き安定供給される。従って、負荷も安定動作を継続できることとなる。
【考案の効果】
【００１０】
本考案によれば、フライホイールが小型発電機の設定回転数を超える領域で、回転慣性に伴う回転力を発生し、この回転慣性に伴う小型発電機の発生電力をモータ駆動用バッテリに充電し、モータの駆動トルクの軽減を図るとともに、メインバッテリへの充電とこのメインバッテリの放電電力の負荷への安定供給を実現する。
【００１１】
以上、本考案について簡潔に説明した。更に、以下に本考案を実施するための最良の形態を添付の図面を参照して、詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本考案の一実施形態による発電システムを示す回路図である。
【図２】本考案における発電機を概念的に示す説明図である。
【考案を実施するための形態】
【００１３】
以下、本考案の実施の形態による発電システムを、図１を参照して説明する。
【００１４】
図１は本実施の形態にかかる発電システムの回路構成を示す。この発電システムは、モータ駆動用バッテリ１と、モータ２と、発電機３と、ＡＣ／ＤＣ変換器４と、充電器５と、電気二重層キャパシタ６と、充放電切換器７と、メインバッテリ８とを備えて構成される。これらのうちモータ駆動用バッテリ１は、モータ（ＤＣモータ）２を所定の起動トルクにて所定の速度に達するまで回転を立ち上げ、さらにその回転を設定時間継続可能にするに十分な容量を持つ蓄電池である。
また、このモータ駆動用バッテリ１はモータ起動スイッチ９を介してモータ２に直列接続されている。モータ起動スイッチ９はモータ２の起動時にスイッチオンされて、モータ駆動用バッテリ１が発生する電力をモータ２に供給する。
【００１５】
モータ２には発電機３が連結されている。具体的には、モータ２の出力軸には発電機３の入力軸がカプラ−（またはクラッチ機構）１０を介して同軸接続され、モータ２の回転力が発電機に直接伝えられるように構成されている。この発電機３の出力軸には質量が大きい鉄材、鋼材、これらを含む合金などからなるフライホイール１１が固着されており、発電機３の駆動時に回転子に対し大きな回転慣性力を付与可能にしている。従って、発電機３の回転速度が設定域に達したときは、この発電機３を駆動するモータ２が必要以上の駆動トルクを発生しなくても、つまりモータ駆動用バッテリ１の電力消費を抑えながら、発電機３を軽快に駆動可能にする。前記フライホイール１１の回転慣性力はモータ２の駆動トルクをアシストし、モータ駆動用バッテリ１のモータ２による電力消費を抑制する。
【００１６】
前記ＡＣ／ＤＣ変換器４は発電機３に接続され、発電機３が発生する交流電力を直流電力に変換し、波形整形する。充電器５はＡＣ／ＤＣ変換器４を通して得られた直流電力を電気二重層キャパシタ６およびモータ駆動用バッテリ１に供給し、それぞれを充電する。電気二重層キャパシタ６は内部抵抗が低く、モータ駆動用バッテリ１を短時間で充電するとともに、耐圧性に優れ、寿命が長く、１０〜１００万回の充放電サイクルにも対応可能である。
【００１７】
前記充放電切換器７は３つの切換スイッチ７ａ〜７ｃを有し、発電機３が出力する電力をメインバッテリ８を構成する３個のバッテリ８ａ〜８ｃのいずれかまたは全部に選択的に供給可能としている。また、これらの切換スイッチ７ａ〜７ｃはこれらのオン時にバッテリ８ａ〜８ｃに充電された電力を負荷１２に供給可能にしている。なお、充電器５および充放電切換器７との間には、逆流防止ダイオード１３が接続されている。充放電切換器７は発電機３の出力電力レベルが設定値を下回ることにより不安定になった場合に、自動的にオフからオンに切り換えられて、負荷１２への電力供給を引き続き安定的に実施可能にする。
【００１８】
図２は発電システムを構成する発電機の概略構成を示す。発電機３は発電機本体の固定枠２１内に回転軸２２とともに回転する一対の回転板２３と、これらの回転板２３の周辺に取り付けられてフライホイール機能を持つ回転筒２４と、この回転筒２４の外周部分および内周部分に固定された外輪マグネット２５および内輪マグネット２６と、固定枠２１の内側と固定枠２１中心部の積層鋼板部２７外周に固定された外部コイル２８および内部コイル２９とを有する。
【００１９】
かかる構成になる発電システムでは、先ず、モータ２を安定した回転速度に立ち上げるに十分な電力レベル（電力容量）に充電されたモータ駆動用バッテリ１が用意される。このモータ駆動用バッテリ１にはモータ起動スイッチ９を介してモータ２が直列接続されているので、続いて、このモータ起動スイッチ９を閉じる。すると、モータ駆動用バッテリ１を電源としてモータ２には起動電流が流れ、この起動電流を受けてモータ２には駆動トルクが発生し回転付勢されて、次第に回転速度を上げていく。このモータ２の回転はカプラー１０を介して発電機３に伝えられ、この発電機３は自身の回転上昇とともに発生する電力レベルを上げていく。
【００２０】
そして、かかるモータ２および発電機３の回転速度が設定回転数に達すると、その回転数対応の電力（ＡＣ電力）を発電機３が発生する。さらに、モータ２および発電機３の回転速度が前記設定回転数を超えて上昇すると、この発電機３には出力軸に連設されたフライホイール１１の回転慣性力が作用し、モータ２の駆動トルクを超える回転力が発電機３の出力軸に作用し、発電機３はモータ２の駆動トルクに頼らずに回転力を発生する。従って、モータ２によるモータ駆動用バッテリ１の電力消費が抑制される。この発電機３のフライホイール１１の回転慣性力によるモータ２の回転力のアシスト中においては、発電機３が発生する電力はＡＣ／ＤＣ変換器４および充電器５を介して、電気二重層キャパシタ６およびモータ駆動用バッテリ１に充電される。
【００２１】
従って、発電機３は回転速度が設定値を超えると、モータ駆動用バッテリ１の充電容量を安定的に確保した状態にて、モータ２および発電機３の運転を安定化する。このようにモータ２はモータ駆動用バッテリ１を電源として発電機３を回転付勢するとともに、この発電機３が発生した電力をモータ駆動用バッテリ１に返すように作用するので、フライホイール１１が蓄勢して放出した回転慣性力相当分、発電機３の小型化に寄与できる。
【００２２】
一方、発電機３で発電した電力は充電器５および充放電切換器７を通じて負荷１２および３個のバッテリ８ａ〜８ｃの全部またはいずれかに供給される。従って、負荷１２への電力供給を続けながらバッテリ８ａ〜８ｃの全部またはいずれかを蓄電することができる。充放電切換器７は発電機３の発電電力が低下した場合や不安定になった場合に、これらの充放電切換器７を構成する切換スイッチ７ａ〜７ｃの全部またはいずれかを閉じることにより、前記バッテリ８ａ〜８ｃの全部またはいずれかから負荷１２に対する電力供給を継続させることができる。
【００２３】
以上のように、本実施形態による発電システムは、モータ２の駆動電源としてモータ駆動用バッテリ１を用い、モータ２にカプラー１０を介して連結した発電機３に電力を発生させ、発電機３の出力軸にフライホール１１を固定して、発電機３の回転子に回転慣性力を付与し、このときの発電機３の発生電力をＡＣ／ＤＣ変換器４により直流変換し、この直流変換した直流電力を前記モータ駆動用バッテリ１および電気二重層キャパシタ６に充電するとともに、充放電切換器７の切換スイッチ７ａ〜７ｃを介してバッテリ８ａ〜８ｃにも充電可能とし、これらのバッテリ８ａ〜８ｃに充電した電力を充放電切換器を介して負荷１２に放電する構成としている。
【００２４】
この構成により、モータ２の設定駆動トルクを超える回転領域で、発電機３の回転子に固定されたフライホイール１１に回転エネルギ（回転慣性力）を十分に蓄積させ、負荷１２の変動等による回転の不安定状態移行時に、フライホイール１１に蓄積した回転エネルギを放出することで、発電機３の回転を引き続き安定状態に保持可能にする。また、フライホイール１１の回転慣性力が十分に大きく、発電機３の設定回転数を超える回転数領域でフライホイール１１に回転エネルギを十分に蓄積できる期間中は、前記設定回転数で得られるレベル以上の発電電力を得ることができるので、その発電電力を余剰電力としてこれを発電機駆動用バッテリ１および電気二重層キャパシタ６を充電するとともに、負荷１２側の複数のバッテリ８ａ〜８ｃに充電させることで、外部電力の使用を極力抑制しながら負荷１２の安定的運転を実現できる。また、発電機３の発電電力が低下または不安定化した場合には、バッテリ８ａ〜８ｃに充電してあった電力を負荷１２に供給可能にして、負荷１２を引き続き安定的に運転することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本考案の発電システムは、フライホイールが小型発電機の設定回転数を超える領域で、回転慣性に伴う回転力を発生し、この回転慣性に伴う小型発電機の発生電力の一部でモータ駆動用バッテリを電力補給し、を行い、モータの駆動トルクの軽減を図りながら、メインバッテリや負荷への電力を安定供給可能にするという効果を有し、小型発電機を使用して大電力を発生させる発電システム等に有用である。
【符号の説明】
【００２６】
１  モータ駆動用バッテリ
２  モータ
３  発電機
４  ＡＣ／ＤＣ変換器
５  充電器
６  電気二重層キャパシタ
７  充放電切換器
７ａ〜７ｃ  切換スイッチ
８  メインバッテリ
８ａ〜８ｃ  バッテリ
９  モータ起動スイッチ
１０  カプラー
１１  フライホイール
１２  負荷
１３  逆流防止ダイオード
【図１】
0003202560.tif 000003
【図２】
0003202560.tif 000004