(57)【要約】【解決課題】  慣性エネルギーの貯蔵と放出とを繰り替えすことができるエネルギー貯蔵システムを提供する。【解決手段】  交互に異極に着磁された複数の永久磁石を連続的に配置したロータと、複数の電磁コイルを前記ロータの永久磁石に対面させて配置したステータとを備える電動モータと、このステータの制御回路部と、を備え、前記制御回路部は、前記ステータに前記ロータを回転させる励磁信号を供給して、ロータに慣性エネルギーを蓄積させる回路状態と、前記ロータに蓄積された慣性エネルギーに基づいて前記ステータに起電力を発生させ、これを放電する回路状態と、を切り換えるための切り換え手段を備える。【選択図】  図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交互に異極に着磁された複数の永久磁石を連続的に配置したロータと、複数の電磁コイルを前記ロータの永久磁石に対面させて配置したステータとを備える電動モータと、このステータの制御回路部と、を備え、
前記制御回路部は、
前記ステータに前記ロータを回転させる励磁信号を供給して、ロータに慣性エネルギーを蓄積させる充電回路状態と、
前記ロータに蓄積された慣性エネルギーに基づいて前記ステータに起電力を発生させ、これを放電する放電回路状態と、
を切り換えるための切り換え手段を備えてなる、エネルギー貯蔵システム。
【請求項２】
前記切り換え手段は、前記ステータを余剰電力源に接続する手段を備えて成る、請求項１記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項３】
前記電動モータを前記制御回路に対して着脱可能にした請求項１記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項４】
前記ロータの回転軸が電動モータに対して、流体軸受又は磁気軸受で支持されてなる請求項１乃至３のいずれか１項記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項５】
前記電動モータ内の前記ロータ収容空間が真空に形成されてなる請求項１乃至４の何れか１項記載のシステム。
【請求項６】
前記ステータが複数相から構成されてなる請求項１記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はエネルギー貯蔵システムに係わり、特に、電動モータのロータを慣性エネルギーの貯蔵手段とし、放電時にはロータの慣性エネルギーを電気変換して放電するようにしたエネルギー貯蔵システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種のシステムとして特開平９−３１７６２６号公報に記載された、風力発電設備がある。このものは、発生する騒音を低減すると共に、風速の変化に対しても安定した電力を発生させることができる風力発電設備を得ることを目的として、図に示すように、風車１で自然エネルギーの風力を取り込み回転力を発生し、多極式交流発電機４にて、風車１が発生する回転力によって電力を発生し、したがって、多極式交流発電機４の極数に応じて風車の回転数を低減でき、また、風車１の風切り音を減少させ、かつ増速機２を不要としたことで騒音を低減することを開示するとともに、前記多極式交流発電機に慣性エネルギーを蓄積するためのフライホイールを一体化して設けたことを開示している。これにより、多極式交流発電機が風車の回転力により回転しているときは、フライホイールに慣性エネルギーを蓄積する。したがって、多極式交流発電機は、このフライホイールに蓄積された慣性エネルギーで回転数が一定に保たれるように回転するので、風速の多少の変化に係わらず、多極式交流発電機は回転数を一定に保たれる。つまり、風速の変化により、多極式交流発電機の回転数はさほどの変化を伴わないので、発生電力は安定する。
【特許文献１】特開平９−３１７６２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来のシステムでは、フライホイールは交流発電機の回転数を一定に保つものであり、フライホイールに蓄積された慣性エネルギーを利用することについては何等配慮がない。
【０００４】
そこで、本発明は、慣性エネルギーの貯蔵と放出とを繰り替えすことができるエネルギー貯蔵システムを提供することを目的とするものである。
【０００５】
本発明は、駆動源となる電動モータのほかに、エネルギー貯蔵・供給手段として別の電動モータを、電動モータのロータに慣性エネルギーとして貯蔵するエネルギー貯蔵システムに適用したものである。すなわち、本発明は、交互に異極に着磁された複数の永久磁石を連続的に配置したロータと、複数の電磁コイルを前記ロータの永久磁石に対面させて配置したステータとを備える電動モータと、このステータの制御回路部と、を備え、前記制御回路部は、前記ステータに前記ロータを回転させる励磁信号を供給して、ロータに慣性エネルギーを蓄積させる回路状態と、前記ロータに蓄積された慣性エネルギーに基づいて前記ステータに起電力を発生させ、これを放電する回路状態と、を切り換えるための切り換え手段を備えてなる、エネルギー貯蔵システムであることを特徴とするものである。
【０００６】
本発明の切り換え手段は、前記ステータを余剰電力源に接続する手段を備えて成る。前記電動モータを前記制御回路に対して着脱可能にした。前記ロータの回転軸が電動モータに対して、流体軸受又は磁気軸受で支持されてなる。前記電動モータ内の前記ロータ収容空間が真空に形成されてなる。前記ステータが複数相から構成されてなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１及び図２は、本発明に使用される、充電・放電手段としての電動モータの動作原理を示したものである。このモータは、ステータとしての第１のコイル組（Ａ相コイル）１０及び第２のコイル組（Ｂ相コイル）１２の間に、ロータとなる第３の永久磁石１４を介在した構成を備えている。
【０００８】
第１のコイル組１０は、交互に異極に励磁可能なコイル１６が、所定間隔、好適には、均等間隔を介して順番に配列された構成を備えている。第２のコイル組１２も同様である。この第１のコイル組の等価回路図を図３に示す。図１及び図２によれば、後述のとおり、２相の励磁コイルには、始動回転中（２π）中常時全コイルを既述した極性で交互励磁させている。したがって、ロータやスライダ等の被駆動手段を高トルクで回転・駆動することが可能となる。
【０００９】
図３（１）に示すように、交互に異極に励磁される、複数の電磁コイル１６（磁性単位）が等間隔に直列に接続されている。符号１８Ａはこの磁気コイルに周波数パルス信号を印加する駆動回路を示すブロックである。この駆動回路から電磁コイル１６にコイルを励磁させるための励磁信号を流したとき、隣接するコイル間で交互に磁極の向きが変わるように、各コイルが励磁されるように予め設定されている。図３（２）に示すように、電磁コイル１６が並列に接続されていても良い。このコイルの構造は、Ａ，Ｂ相コイルについて同様である。
【００１０】
この励磁回路１８Ａから電磁コイル１６に、供給される励磁電流の極性の方向を所定の周期で交互に切り替えるための周波数を持った信号を印加すると、図１及び図２に示すように、ロータ１４と面する側の極性がＮ極→Ｓ極→Ｎ極と交互に変化する磁気パターンがＡ相コイル組１０に形成される。周波数信号が逆極性になると、第１磁性体の第３磁性体側の極性がＳ極→Ｎ極→Ｓ極と交互に変化する磁気パターンが発生する。この結果、Ａ相コイル組１０に現れる励磁パターンは周期的に変化する。
【００１１】
Ｂ相コイル組の構造は、Ａ相コイル組と同様であるが、Ｂ相コイル組の電磁コイル１８はＡ相コイル組の１６に対して位置的にずれて配列されている点が異なる。すなわち、Ａ相コイル組におけるコイルの配列ピッチとＢ相コイル組の配列ピッチとが所定のピッチ差（角度差）を持つようにオフセット配置されている。このピッチ差は、永久磁石１４がコイル１６,１８に対して励磁電流の周波数の１周期（２π）に対応して動く角度の（１回転）、例えば、π／（２*Ｍ）：Ｍは永久磁石（Ｎ＋Ｓ）のセット数でＭ＝３である、π／６が好適である。
【００１２】
次に永久磁石について説明する。図１及び図２に示されるように、永久磁石からなるロータ１４は、二相のコイル組間に配置されており、交互に逆の極性を持った複数の永久磁石２０（黒く塗り潰されている。）が線状（円弧状）に、所定間隔、好適には均等間隔を介して配列されている。円弧状とは、完全な円、楕円など閉じられたループの他、不特定環状構造や、半円、扇型をも包含する。
【００１３】
Ａ相コイル組１０とＢ相コイル組１２とは等距離を介して配置されており、永久磁石１４の永久磁石の配列ピッチは、殆どＡ相コイル１０及びＢ相コイル１２における磁気コイルの配列ピッチと同じである。
【００１４】
次に第１磁性体１０と第２磁性体１２との間に既述の第３磁性体１４が配置された磁気体構造の動作を、図1及び図２を利用して説明する。既述の励磁回路（図３の１８である。後に説明する。）によって、ある瞬間においてＡ相コイルとＢ相コイルの電磁コイル１６,１８には、図１（１）に示すような励磁パターンが発生しているとする。
【００１５】
この時、Ａ相コイル１０の永久磁石１４側に臨む表面の各コイル１６には、→Ｓ→Ｎ→Ｓ→Ｎ→Ｓ→のパターンで磁極が生じ、Ｂ相コイル１２の永久磁石１４側に臨む表面のコイル１８には、→Ｎ→Ｓ→Ｎ→Ｓ→Ｎ→のパターンで磁極が生じる。永久磁石と各相コイルとの磁気的な関係が図示されており、同極間では反発力が発生し、異極間では吸引力が働く。
【００１６】
次の瞬間、（２）に示すように、Ａ相コイルに駆動回路１８を介して印加されるパルス波の極性が反転すると、（１）のＡ相コイル１０のコイル１６に発生する磁極と永久磁石２０の磁極との間に反発力が発生し、一方、Ｂ相コイル１２のコイル１８に発生している磁極と永久磁石２０の表面の磁極との間に引力が発生しているために、図１（１）乃至図２（５）に示すように、永久磁石１４は、図示右方向に順次移動する。
【００１７】
Ｂ相コイル１２のコイル１８に、Ａ相コイルの励磁電流とは位相がずれたパルス波が印加されており、図２の（６）乃至（８）に示すように、Ｂ相コイル１２のコイル１８の磁極と永久磁石２０の表面の磁極とが反発して永久磁石１４をさらに右方向に移動させる。（１）乃至（８）はロータ１４がπに対応する回転をした場合を示し、（９）以降は同様にして残りのπ→2πに対応する回転をする。このようにロータはＡ相コイル列とＢ相コイル列に位相がずれた所定周波数の駆動電流（電圧）信号を供給することにより、回転するようになる。
【００１８】
なお、Ａ相コイル列、Ｂ相コイル列、及び永久磁石を円弧状にすると、図１に示す磁気構造は回転モータを構成するものとなる。ケース、ロータ等の永久磁石と電磁コイルを除く部分は、非磁性体である樹脂（カーボン系含み）、セラミックス系により軽量化し、ヨークを用いないで磁気回路の開放状態にすることにより鉄損失を発生させずパワー・ウエイト比に優れた回転駆動体が実現できる。
この構造によれば、永久磁石にはＡ相コイル及びＢ相コイルから磁力を受けて動くことができるために、永久磁石が発生するトルクが大きくなり、トルク／重量バランスに優れ、したがって高トルクで駆動可能な小型軽量モータを提供することが可能となる。すなわち、Ａ相コイル及Ｂ相コイルに供給される励磁電流源として余剰電力（夜間電力・回生電力）の電源回路からのものを利用すれば、永久磁石からなるロータに慣性エネルギーを蓄積することができる。
【００１９】
図３の（１）は複数のコイル列が直列に形成された場合のＡ相コイル及びB相コイルの各回路であり、（２）は複数のコイル列が並列に形成されば場合のＡ相コイル及びＢ相コイルの各回路である。
【００２０】
図４はモータの斜視図であり、（１）は当該モータの斜視図、（２）はロータ（第３磁性体）の概略平面図、（３）はその側面図、（４）はＡ相電磁コイル（第１磁性体）、（５）はＢ相電磁コイル（第２磁性体）を示したものである。付された符号は、既述の図において対応する構成部分と同じものである。
【００２１】
このモータは、ステータに相当する一対のＡ相磁性体１０とＢ相磁性体１２を備え、そしてロータを構成する既述の第３の磁性体１４とを備え、Ａ相磁性体とＢ相磁性体との間にロータ１４が軸３７を中心に回転自在に配置されている。ロータと回転軸は一体に回転するように、回転軸３７はロータの中心にある回転軸用開口孔に圧入されている。図４の（２）、（４）、（５）に示すように、ロータには６つの永久磁石が円周方向に均等に設けられ、そして永久磁石の極性は交互に反対になるようになっており、ステータには６つの電磁コイルが円周方向に均等に設けられている。
【００２２】
Ａ相センサ３４ＡとＢ相センサ３４Ｂとが、位相をシフトさせて(π／６に相当する距離)Ａ相磁性体（第1磁性体）のケース内面側壁に設けられている。Ａ相センサ３４ＡとＢ相センサ３４Ｂとは、それぞれ永久磁石からの磁場強度を検出して、Ａ相コイル１６に供給される周波数信号とＢ相コイル１８に供給される周波数信号とに所定の位相差を設けるために設けられているものである。
【００２３】
センサとしては、永久磁石の運動に伴う磁極の変化から永久磁石の位置を検出可能であり、ホール効果を利用したホール素子が好ましい。このセンサを用いることにより、永久磁石のＳ極から次のＳ極までを２πとしたときに、永久磁石がこのどこにあっても永久磁石の位置がホール素子によって検出可能である。ホール素子としてはパルスを発生する方式のもののほか、磁極強度に応じたアナログ値を出力するものがある。
【００２４】
図５（１）及び（２）は、Ａ相コイル列からなるＡ相磁性体とＢ相コイル列からなるＢ相磁性体のそれぞれ別の駆動回路である。
【００２５】
この回路は、Ａ相電磁コイル又はＢ相電磁コイルにセンサの出力波形を励磁電流として印加すべきスイッチングトランジスタＴＲ１乃至ＴＲ４を含んでいる。今、信号としてＡ相センサの出力が「Ｈ」のとき、ＴＲ1のゲートには「Ｌ」が、ＴＲ２のゲートには「Ｌ」が、ＴＲ３のゲートには「Ｈ」が、ＴＲ４のゲートには「Ｈ」が印加される。すると、ＴＲ1及びＴＲ４がオンとなってＩＡ１の向きを持ったセンサからの出力としての励磁電流がＡ相コイルに印加される。一方、信号としてＡ相センサの出力が「Ｌ」のとき、ＴＲ1のゲートには「Ｈ」が、ＴＲ２のゲートには「Ｈ」が、ＴＲ3のゲートには「Ｌ」が、ＴＲ４のゲートには「Ｌ」が印加される。すると、ＴＲ２及びＴＲ３がオンとなってＩＡ２の向きを持った励磁電流がＡ相コイルに印加される。更に、ＴＲ１、ＴＲ３に「Ｈ」、ＴＲ２、ＴＲ４に「Ｌ」の場合はＨｉＺ状態となり電磁コイルには電流は供給されない。（２）のＢ相コイルへの励磁についても同様である。
【００２６】
図６は、前記モータの放電制御時における発電原理・ロータに慣性エネルギーを供給する際の原理を示すものである。ロータが矢印Ｆの方向に回転していると（慣性エネルギー）、Ａ相コイルとＢ相コイルとのロータとの間には図示の矢印方向の磁束が変化し、コイルの磁束密度が周期的に変化して、図６に示す正弦波の起電力の出力がＡ相コイル及Ｂ相コイルから発生する。二相のコイルの設置位相がずれていることから、Ａ相に発生する起電力波形の位相とＢ相コイルに発生する起電力波形の位相とにはずれが生じている。また、各相コイルに、既述のような位相や周波数を持った励磁信号を余剰電力源から供給することによって、ロータを回転させて慣性エネルギーを蓄積することができる。なお、このロータはディスク状ばかりでなく球面体（球面モータ）でも良い。この時、Ａ相コイル及Ｂ相コイルの組をＸ、Ｙ，Ｚ軸に対してそれぞれ構成することにより、ロータの慣性エネルギーをＸ、Ｙ、Ｚ軸のそれぞれの回転方向に蓄積することができる。
【００２７】
図７は、この電動モータのより具体的な構成図であり、ロータ３００の回転軸３７は流体軸受又は磁気軸受３０２など摩擦の極力少ない方式でモータのケーシングに支持されている。磁気軸受とは、磁石の反発力または吸引力を利用して軸を非接触で支持する軸受であり、非接触で軸を回転させることができるため高速、オイルフリーが可能である。流体軸受とは、モーターの回転軸の軸受部に油や空気などの流体を使用した軸受であり、油を使用したものはオイルベアリング」とも呼ばれる。油や空気などの流体を介在させるのみで滑らかに運動させている。このモータとしては、ロータの慣性力が大きく、コギングレス(鉄損失)がないものでロータやモータのケーシングが構成されることが望ましい。また、モータ内部を真空にすることにより、ロータの慣性力をロスなく蓄積できる。したがって、軸受の部分は磁性流体などの真空シール手段によってシールされることが好ましい。真空度は１０―2Ｐｓ以上が好ましい。
【００２８】
図８は本発明に係わるエネルギー貯蔵システムのブロック図である。符号４００は外部動力源としての、例えば、発電機である。符号４０２は余剰電力源すなわち、外部動力源の夜間電力である。余剰動力源はモータのロータを回転させるための駆動回路部４０４に接続されている。この駆動回路は既述のモータの制御回路に相当し、エネルギー貯蔵部である電動モータのロータ回転用への切替部４０６を介して、ロータを回転させるためにステータに励磁電流を供給する。これによりモータのロータには余剰電力によって慣性エネルギーが蓄積される。
【００２９】
一方、ロータの慣性エネルギーを外部に放出する場合には、切替部４０６を回生側に切替え、ステータの駆動回路を回生回路部４０８として、外部動力源あるいは負荷側に、蓄積された慣性エネルギーを電力として供給する。負荷側は負荷切替部４１０に複数の負荷４１２が結合された構成となっている。
【００３０】
図９はヒステリシス調製用電子ＶＲを備えたウインドコンパレータ１３０を備えたアナログ方式センサ（既述のＡ，Ｂ相センサ）による回生／発電制御のブロック図である。Ａ相センサ３４Ａの出力がヒステリシスレベルの変動幅以上になった場合にＯＲ回路２００にＡ相ＴＰ又はＡ相ＢＴの「Ｈ」が出力され、これがＡ相回生許可信号として後述の受電制御回路に出力される。Ｂ相センサ３４Ｂの出力についても同様である。符号２０２はＯＲ回路である。
【００３１】
図１０は、ヒステリシス調整用電子ＶＲが小の場合に回生エネルギーが最大となっている状態を示した場合の波形図であり、図１１はヒステリシス調整用電子ＶＲが最大の場合に回生エネルギーが最小となった状態を示した波形図である。高負荷時の場合(強い回生発電が要求される状態)には、各相の回生許可信号のデューティ比が高くなり、回生許可信号が「Ｈ」の期間Ａ相及びＢ相の各コイルからの回生電流が負荷（バッテリ）に供給される。これが図１０の状態である。一方、低負荷の場合(弱い回生発電が要求される状態)では、図１１に示すように、各相の許可信号のデューティ比が小さくなり、回生許可信号が「Ｈ」の期間各相コイルからの回生電流が負荷に供給される。
【００３２】
図１２は、各相コイルからの受電制御の機能ブロック図を示したものであり、Ａ相回生許可信号のＨ又はＬの切換に応じて、供給されるとインバータ２３２Ａ，２３２Ｂを介してトランジスタ２３０及び２３２が交互にオンし、整流手段２３１で整流され平滑回路２４０で平滑化された回生電流が＋送電端子と−送電の端子間に発生する。Ｂ相コイル側でも同様である。図１３は、回生電流のエネルギー変換部であり、２４０はＤＣ／ＤＣ変換部であり、２４２はＤＣ／ＡＣ変換部であり、２４４は化学変換部(バッテリ)である。
【００３３】
図１４は、回生制御のタイミングチャートであり、既述の方式によってＡ相コイル，Ｂ相コイルにそれぞれ既述の波形の逆起電力が発生する。Ａ相回生電力とＢ相回生電力とが、図１２の平滑化回路で混合及び平滑化されて、ロータの慣性エネルギーを外部に電力として放出することができる。
【００３４】
図１５は回転軸３７に対して、回転軸に敷設されたロータ３００Ａ，Ｂが直列に２基設けられた電動モータの構造を示している。一つのロータはＡ１相コイルとＢ１相コイルをステータとして回転される。第２のロータはＢ１相コイルを共通にしてＡ２相コイルをステータとして回転される。このモータは二つのロータ（二つの慣性エネルギー蓄積部）を備えているために、慣性エネルギーの蓄積量を拡大することができる。なお、図７及び１４において、符号３０４は電気端子群を示している。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係わる磁性体構造の模式図と動作原理を示したものである。
【図２】図１に続く動作原理を示したものである。
【図３】電磁コイルの接続状態を示す等価回路図である。
【図４】モータの斜視図である。
【図５】コイル列に励磁電流を供給する駆動回路のブロック図である。
【図６】前記モータの充発電原理を示す模式図である。
【図７】前記モータの詳細構造を示す一部断面図である。
【図８】本発明のシステムを示す機能ブロック図である。
【図９】ヒステリシス調製用電子ＶＲを備えたウインドコンパレータを備えたアナログ方式センサによる回生／発電制御のブロック図である。
【図１０】ヒステリシス調製用電子ＶＲが小の場合に回生エネルギーが最大となっている状態を示した場合の波形図である。
【図１１】ヒステリシス調製用電子ＶＲが最大の場合に回生エネルギーが最小となった状態を示した波形図である。
【図１２】各相コイルからの受電制御の機能ブロック図を示したものである。
【図１３】受電回路の詳細ブロック図である。
【図１４】回生制御のタイミングチャートである。
【図１５】ロータ（慣性エネルギー蓄積部）が直列に２基形成されている電動モータを示した一部断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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