(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
励磁電流を流すことで磁界を発生するとともに回転部に結合されて回転する励磁コイル、および前記励磁コイルにより発生された前記磁界の変化により発電する発電コイル、を含む電磁石発電機と、
前記電磁石発電機による発電を制御する制御部と、
前記制御部による制御に基づいてＯＮ状態に切り替わることで、前記励磁電流を流す第１のスイッチング素子と、
前記第１のスイッチング素子がＯＦＦ状態のときに、前記励磁電流を前記励磁コイルに還流させる還流ダイオードと、
前記電磁石発電機の発電電圧により前記励磁電流を流すことのできる第２のスイッチング素子を有する励磁起動回路と
を備え、
前記第２のスイッチング素子は、前記第１のスイッチング素子と並列に接続され、前記発電電圧が、前記第１のスイッチング素子の駆動可能電圧よりも低い電圧Ｖ１により駆動可能であり、ＯＮ状態に切り替わることで前記励磁コイルに前記励磁電流を流すことができ、
前記励磁起動回路は、
前記第２のスイッチング素子と並列に接続された第３のスイッチング素子をさらに有するとともに、
前記発電電圧が、前記電圧Ｖ１よりも大きい電圧Ｖ２ｃ以上となった場合に、前記第２のスイッチング素子をＯＦＦ状態とし、
前記発電電圧が、前記電圧Ｖ１よりも大きく、かつ、前記電圧Ｖ２ｃよりも小さい電圧Ｖ３以上となった場合に、前記第３のスイッチング素子をＯＮ状態とし、
前記発電電圧が、前記電圧Ｖ２ｃよりも大きい電圧Ｖ２以上となった場合に、前記第３のスイッチング素子をＯＦＦ状態とする
回路をさらに有する
発電装置。
【請求項２】
前記励磁起動回路は、前記制御部から出力される第１のＯＦＦ指令により、前記第３のスイッチング素子をＯＦＦする回路をさらに有する
請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記励磁起動回路は、前記制御部から出力される第２のＯＦＦ指令により、前記第２のスイッチング素子をＯＦＦする回路をさらに有する
請求項１または２に記載の発電装置。
【請求項４】
前記励磁起動回路は、
前記第２のスイッチング素子をＯＮ状態とするために設けられた第４のスイッチング素子と、
前記第４のスイッチング素子をＯＮ状態とするために設けられた第５のスイッチング素子と、
前記第５のスイッチング素子をＯＦＦ状態とするために設けられた第６のスイッチング素子と、
をさらに有し、
前記第４のスイッチング素子は、Ｐ型のスイッチング素子として構成され、
前記第５のスイッチング素子は、前記発電電圧が前記電圧Ｖ１以上となることでＯＮ状態となり、前記第４のスイッチング素子をＯＮ状態とし、
前記第６のスイッチング素子は、前記発電電圧が前記電圧Ｖ２以上となることでＯＮ状態となり、前記第２のスイッチング素子、前記第４のスイッチング素子、および第５のスイッチング素子をＯＦＦ状態とする
請求項１から３のいずれか１項に記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、励磁電力を制御して発電を行う発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
励磁電流の供給を、バッテリからチャージランプを通じて、また、発電開始後では、第２整流器１０４を通じて、行う従来技術がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この特許文献１に係る装置では、励磁電流を流すためにバッテリが充分に充電されており、発電を起動する際にはバッテリから励磁電流を流すことができること、が前提である。例えば、自動車のオルタネータなどがその例にあたる。
【０００４】
特許文献１に係る装置は、キーＯＮ時には、バッテリから励磁電流を流し、オルタネータが回転を始めることで発電を開始し、バッテリ電圧よりも高い電圧を発電した場合には、第２整流器を通して励磁電流を流すものである。
【０００５】
そもそも、自動車の場合には、スターターを回し、エンジンを始動するだけのエネルギーがバッテリにあり、数アンペア程度の励磁電流を充分に流すことができる。従って、励磁電流が流れない場合について、特に考慮する必要はなかった。
【０００６】
次に、このような電磁石発電機を用いた従来装置の動作について、図を用いて説明をする。図１１は、電磁石発電機を用いた従来装置の全体構成図である。図１１において、風または水で回転するプロペラ１０には、電磁石発電機２０の励磁コイル２１が機械的に接続されている。
【０００７】
プロペラ１０の回転とともに励磁コイル２１も回転する。励磁電流は、最初は、バッテリ４１から電磁石発電機２０のＢ端子、Ｆ端子、スイッチング素子Ｑ１を経由するようにして励磁コイル２１に流れる。励磁コイル２１は、流れた電流値により電磁石になり、その電磁石の回転によって発電コイル２２に磁界の変化が発生して、発電コイル２２に起電力が発生する。
【０００８】
発生した電力は、この場合には３相交流のため、整流器２３を通して直流に変換される。このとき、整流器２３で整流された電圧が、バッテリ４１の電圧よりも高くなれば、電磁石発電機２０からバッテリ４１への充電が行われることになる。その場合には、整流器２３の出力部から、励磁コイル２１に接続されている配線によって、励磁電流が供給される。
【０００９】
また、制御基板３０内の制御部３１では、バッテリ４１の電圧をモニタし、モニタした電圧がバッテリ４１の充電最適電圧ＶＳ（Ｖ）になるように、スイッチング素子Ｑ１を制御して調整する。
【００１０】
具体的には、バッテリ４１の電圧が充電最適電圧ＶＳより低い場合には、制御部３１は、スイッチング素子Ｑ１をＯＮにすることで、励磁電流を流して発電をする。逆に、バッテリ４１の電圧が充電最適電圧ＶＳ以上の場合には、制御部３１は、スイッチング素子Ｑ１をＯＦＦして発電を停止する。この動作により、バッテリ４１の電圧は、充電最適電圧ＶＳにキープされ、最適な充電状態が維持される。
【００１１】
また、プロペラ１０の回転検出を行うために、発電コイル２２の任意の１相からＰ端子を通して制御部３１に接続されており、制御部３１は、Ｐ端子を介した信号に基づいて回転検出を行う。そして、制御部３１は、検出した回転数で最適な発電（すなわち、発電コイル２２から励磁電流を差し引いた、実際にＢ端子の発電電力が最大になる発電）ができるように、スイッチング素子Ｑ１をＤＵＴＹ制御する。
【００１２】
いずれの場合も、スイッチング素子Ｑ１は、上記のようにＯＮ／ＯＦＦ動作を行う。従って、スイッチング素子Ｑ１のＯＦＦ時における急激な励磁電流変化を避ける目的、および急激な励磁電流変化によるサージ電圧を防止する目的で、励磁電流を還流させるための還流ダイオードＤ１が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開平６−１９７４７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
オルタネータと同等の電磁石式の発電装置を風力発電あるいは水力発電として用いる場合には、自然エネルギーを利用することとなる。このため、風が吹かない状態、あるいは水が流れない状態が長期間続くことがある。
【００１５】
独立電源タイプの電源を用いるシステムとして、例えば、街路灯などでは、バッテリ蓄電された電力を、夜に街路灯電源として使用する。この場合、上記のように、長期間にわたり風が吹かない状態、あるいは水が流れない状態が継続した場合には、バッテリの充電が行われず、消費のみが増加し、最終的にはバッテリ４１が放電してしまうことがあった。また、何等かの理由で、バッテリ４１が接続されていない状態（バッテリレス状態）が発生することもあった。
【００１６】
このように、バッテリが放電状態、あるいはバッテリレス状態であると、水が流れたり、風が吹いたりして、電磁石発電機２０が回転したとしても、励磁電流を流すことができない。このため、自発的には、発電を開始することができなかった。
【００１７】
よって、一旦バッテリ４１が放電した後では、メンテナンス業者によるバッテリ４１の充電、交換などの人為的な作業が必要となる。従って、発電装置のタイムリーなメンテナンスができず、また、メンテナンス費用も高いものになっていた。
【００１８】
さらには、バッテリ放電状態あるいはバッテリレス状態で、強風が吹いた場合には、制御部３１による回転制御ができない。このため、通常制御状態であれば、過回転防止のため電磁ブレーキをかけるなどの回転数制御を行うことができるが、そのような回転数制御ができない。このため、強風が吹いた場合には、無負荷状態でプロペラ１０が高回転になり、破損する可能性もあった。
【００１９】
また、一般的に、このような独立電源型の街路灯は、災害時、停電時などの避難路での明かり確保、あるいは避難場所での生活必需電源として使用されることが多い。従って、非常時の電源としてせっかく独立電源型を使用していても、災害時、停電時などで本来必要とされるときに、バッテリ４１が放電状態であれば、街路灯の本来の機能を満足することができなかった。
【００２０】
本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、バッテリを用いて励磁電流を流すことができない状態であっても、電磁石発電機が回転することで発電を開始できる回路構成を備えた発電装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明に係る発電装置は、励磁電流を流すことで磁界を発生するとともに回転部に結合されて回転する励磁コイル、および励磁コイルにより発生された磁界の変化により発電する発電コイル、を含む電磁石発電機と、電磁石発電機による発電を制御する制御部と、制御部による制御に基づいてＯＮ状態に切り替わることで、励磁電流を流す第１のスイッチング素子と、第１のスイッチング素子がＯＦＦ状態のときに、励磁電流を励磁コイルに還流させる還流ダイオードと、電磁石発電機の発電電圧により励磁電流を流すことのできる第２のスイッチング素子を有する励磁起動回路とを備え、第２のスイッチング素子は、第１のスイッチング素子と並列に接続され、発電電圧が、第１のスイッチング素子の駆動可能電圧よりも低い電圧Ｖ１により駆動可能であり、ＯＮ状態に切り替わることで励磁コイルに励磁電流を流すことができ、励磁起動回路は、第２のスイッチング素子と並列に接続された第３のスイッチング素子をさらに有するとともに、発電電圧が、電圧Ｖ１よりも大きい電圧Ｖ２ｃ以上となった場合に、第２のスイッチング素子をＯＦＦ状態とし、発電電圧が、電圧Ｖ１よりも大きく、かつ、電圧Ｖ２ｃよりも小さい電圧Ｖ３以上となった場合に、第３のスイッチング素子をＯＮ状態とし、発電電圧が、電圧Ｖ２ｃよりも大きい電圧Ｖ２以上となった場合に、第３のスイッチング素子をＯＦＦ状態とする回路をさらに有するものである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、バッテリから励磁電流を流すことができない状態であっても、電磁石発電機が回転することで発電を開始できる回路構成を備えた発電装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る発電装置の全体構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る励磁起動回路の具体的な回路例としての第１の回路を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る励磁起動回路の具体的な回路例としての第２の回路を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る励磁起動回路の具体的な回路構成例を示した図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係る励磁起動回路の具体的な回路例としての第３の回路を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態３に係る励磁起動回路における、励磁コイル、スイッチング素子、およびスイッチング素子の各電流波形を示した例示図である。
【図７】本発明の実施の形態４に係る励磁起動回路の具体的な回路例としての第４の回路を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態５に係る励磁起動回路の具体的な回路例としての第５の回路を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態５に係る発電装置の全体構成図である。
【図１０】本発明の実施の形態６に係る励磁起動回路の具体的な回路構成例を示した図である。
【図１１】電磁石発電機を用いた従来装置の全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の発電装置の好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。
なお、以下の各実施の形態では、１２Ｖの鉛バッテリを用い、充電最適電圧ＶＳが１４Ｖとしたときの例として説明する。なお、バッテリ電圧が２４Ｖ、４８Ｖなどに変化した場合にも、１２Ｖバッテリ使用時と同様に考え、装置を構築することができる。
【００２５】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る発電装置の全体構成図である。図１に示す全体構成図では、回転部に相当するプロペラ１０、電磁石発電機２０、制御基板３０、バッテリ４１、および負荷４２が示されている。図１１に示した従来の発電装置と比較すると、図１に示した本実施の形態１に係る発電装置は、制御基板３０内に励磁起動回路３２が設けられている点が異なっている。そこで、励磁起動回路３２の機能を中心に、本実施の形態１に係る発電装置の動作について、詳細に説明する。
【００２６】
励磁起動回路３２は、電磁石発電機２０の発電電圧ＶＢによって駆動されるスイッチング素子Ｑ２を有する電子回路である。ここで、スイッチング素子Ｑ２（第２のスイッチング素子に相当）はスイッチング素子Ｑ１（第１のスイッチング素子に相当）と並列に接続されている。
【００２７】
プロペラ１０に結合されて回転する励磁コイル２１のインピーダンスは、通常は低く、数Ω以下であり、励磁電流は、数Ａ以上流れる。このため、励磁電流を制御するスイッチング素子Ｑ１は、その電流を流すことのできるよう、大きなスイッチング素子として構成されている。
【００２８】
また、発電中にバッテリあるいは負荷が外れた場合に相当するロードダンプなどのような負荷の急変により、発電電圧ＶＢには数１０Ｖから１００Ｖを超えるサージが発生する可能性がある。このため、スイッチング素子Ｑ１は、耐圧６０Ｖ程度の高耐圧のスイッチング素子として構成する必要がある。
【００２９】
しかしながら、スイッチング素子で高耐圧、高電流のものは、駆動電圧が高い。このため、通常、Ｑ１としては、発電電圧ＶＢがＶ０（３Ｖ〜５Ｖ程度）でないと駆動できない素子を使用することが多い。すなわち、発電電圧ＶＢがＶ０以上でないと、Ｑ１を駆動することができず、励磁電流が流れない。このため、励磁コイル２１が回転しても、電磁石発電機２０で発電を開始することができなかった。
【００３０】
通常、バッテリ４１が放電状態である場合でも、バッテリ４１の開放電圧（すなわち、負荷無し状態）はＶ０以上あることが多い。しかしながら、励磁コイル２１に励磁電流を流そうとすると、電圧低下が発生し、結果として発電電圧ＶＢがＶ０以下になり、発電機動作ができない状態が発生する。また、バッテリレス時にも、発電電圧ＶＢはＶ０以下のため、発電動作ができない状態であった。
【００３１】
そこで、本発明では、スイッチング素子Ｑ１の駆動電圧Ｖ０よりも低い電圧Ｖ１で駆動可能なスイッチング素子Ｑ２を有する励磁起動回路３２を、スイッチング素子Ｑ１と並列に接続した構成を備えている。この結果、スイッチング素子Ｑ１で駆動できない低い電圧でも、励磁コイル２１に励磁電流を流すことができる。
【００３２】
この状況を説明するには、さらにもう一件の説明が必要になる。電磁石発電機２０は、励磁コイル２１に電流を流して電磁石を形成し、その電磁石の回転によって発電コイル２２を通る磁界の変化を発生させ、発電させる。
【００３３】
今回のように、バッテリ４１が放電している状態では、発電開始できないことを説明した。しかしながら、実際には、励磁コイル２１は、一度電流を流して電磁石にした後は、電流を流さない状態でも残留磁気が残っている。このため、その残留磁気による磁束変化が発生し、励磁コイル２１がある程度の回転数で回転すれば、Ｂ端子には１Ｖ程度の電圧が発生する。しかしながら、上述したように、スイッチング素子Ｑ１は、１Ｖ程度では駆動不可能である。
【００３４】
これに対して、本実施の形態１のように、励磁起動回路３２をスイッチング素子Ｑ１と並列に接続することで、１Ｖ程度の発電であっても、バッテリ４１を充電できるような正常発電状態まで起動することが可能になる。
【００３５】
図２は、本発明の実施の形態１に係る励磁起動回路の具体的な回路例としての第１の回路を示す図である。スイッチング素子Ｑ２は、スイッチング素子Ｑ１と比べて電流容量の小さいスイッチング素子を用いている。その場合、スイッチング素子Ｑ２は、入力電圧が０．６Ｖ程度で駆動する。そのようなスイッチング素子は、市場には多くあり、素子選定が容易であるため、販売数量が多い安価なスイッチング素子を使うことができる。
【００３６】
本発明によって、発電電圧ＶＢがＶ１以上の時に、Ｂ端子の１Ｖ程度の発電電圧により、Ｆ端子、励磁起動回路のＱ２経由で、励磁コイル２１に励磁電流を流すことができる。
【００３７】
実際には、発電したＢ端子電圧は１Ｖ程度の電圧のため、励磁コイル２１への電流は微小である。しかしながら、その電流により、電磁石が残留磁気の磁力より少し強くなる。その結果、発電コイルでの発電電圧ＶＢが上昇するため、励磁コイル２１への電流は、さらに少し上昇する。そのため、電磁石がさらに強くなり、発電が増加する。この動作を繰り返し、発電電圧ＶＢ（すなわち、Ｂ端子電圧）を上昇させることができ、発電を開始することが可能となる。
【００３８】
制御基板３０の駆動可能電圧Ｖ５は、通常６Ｖ〜１０Ｖ程度であることが多い。しかしながら、上述したアルゴリズムで発電を開始させることができれば、発電電圧ＶＢをＶ５以上まで上昇させることができ、制御部３１の駆動が可能になる。従って、バッテリレスの状態、あるいはバッテリ４１が完全放電した状態でも、電磁石発電機２０を自発的に起動させ、放電したバッテリ４１の充電を開始すること、およびバッテリレスでも発電電圧をＶＳに保つことが可能になり、正常動作を復帰させることができる。
【００３９】
これによって、制御部３１の駆動が可能になり、強風が吹いたときでも、電磁ブレーキ制御などの回転数制御が可能になり、過回転破壊を防止できる。さらに、完全放電されたバッテリ４１が接続されている場合には、自発的に発電を開始でき、バッテリ４１の充電を開始できる。この結果、不要なメンテナンスをなくすことができ、メンテナンス費用の削減にも効果を発揮する。
【００４０】
実施の形態２．
本実施の形態２では、励磁起動回路３２に関する別の具体的な回路例について説明する。図３は、本発明の実施の形態２に係る励磁起動回路の具体的な回路例としての第２の回路を示す図である。
【００４１】
先の実施の形態１に係る励磁起動回路３２では、スイッチング素子Ｑ２として、スイッチング素子Ｑ１よりも電流容量の小さいものを使用した。このため、ある程度、発電電圧ＶＢが上昇して励磁電流が増えてきた場合に、Ｂ端子電圧の電圧上昇に伴って増加した励磁電流による過電流によって、スイッチング素子Ｑ２が破壊することがある。
【００４２】
そこで、図３に示した本実施の形態２に係る励磁起動回路３２は、発電電圧ＶＢがある決められたＶ１よりも大きな電圧Ｖ２で、スイッチング素子Ｑ２をＯＦＦにさせる回路を追加することで、スイッチング素子Ｑ２の破壊を防止する機能を有している。
【００４３】
通常、Ｖ２は、スイッチング素子Ｑ１の駆動可能電圧Ｖ０以上か、制御基板３０の駆動可能電圧Ｖ５（６Ｖ〜１０Ｖ程度）以上のある決められた電圧とする。
【００４４】
前者の場合には、次のような動作が実行される。まず、スイッチング素子Ｑ１の駆動可能電圧Ｖ０以上のある決められた電圧Ｖ２ａでスイッチング素子Ｑ２をＯＦＦする。その後、スイッチング素子Ｑ１をハードウェアのみで駆動し、励磁コイル２１に励磁電流を流す。そして、発電電圧ＶＢがＶ５以上になった時点で、制御基板３０内の制御部３１によりスイッチング素子Ｑ１を制御して、発電を実施することができる。
【００４５】
後者の場合には、次のような動作が実行される。まず、制御基板３０の駆動可能電圧Ｖ５電圧以上のある決められた電圧Ｖ２ｂでスイッチング素子Ｑ２をＯＦＦする。すでに、発電電圧ＶＢがＶ５以上であるため、制御基板内の制御部３１によりスイッチング素子Ｑ１を制御して、発電を実施することができる。
【００４６】
後者を採用する場合には、Ｖ２ｂが、ＶＳ電圧の時より励磁電流が小さいため、スイッチング素子Ｑ２として、スイッチング素子Ｑ１より電流容量の小さい素子を使用することができる。
【００４７】
前者を採用する場合には、Ｖ２ａ（≦Ｖ２ｂ）でスイッチング素子Ｑ２をＯＦＦするため、励磁電流をさらに小さくできる。このため、スイッチング素子Ｑ２として、さらに電流容量の小さい素子を選択することができる。
【００４８】
この時、スイッチング素子Ｑ２の許容電流は、Ｂ端子電圧がＶ２の時に流れる励磁電流で破壊しないような大きさの素子を選択する。
【００４９】
また、Ｖ２でスイッチング素子Ｑ２をＯＦＦさせることは、別の理由でも必要になってくる。通常、スイッチング素子Ｑ１は、ＯＮ／ＯＦＦのＤＵＴＹ制御が行われる。スイッチング素子Ｑ２は、スイッチング素子Ｑ１と並列に接続されているため、スイッチング素子Ｑ２がＯＮのままだと、スイッチング素子Ｑ１のＤＵＴＹ制御ができない。そのため、起動後には、必ずスイッチング素子Ｑ２をＯＦＦにする必要がある。
【００５０】
図４は、本発明の実施の形態２に係る励磁起動回路３２の具体的な回路構成例を示した図である。一般的には、図４に示す回路例を採用することで、起動後に、スイッチング素子Ｑ２をＯＦＦすることができる。
【００５１】
Ｑ２のベースには、抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ７が接続されている。発電電圧ＶＢが抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ７とで分圧された電圧が、前述のように所望の電圧Ｖ１（０．６Ｖ〜１．０Ｖ）でスイッチング素子Ｑ２をＯＮするように、抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ７の抵抗値が調整される。このとき、抵抗Ｒ７を実装しない場合もある。
【００５２】
また、スイッチング素子Ｑ２のべースには、スイッチング素子Ｑ６のコレクタがさらに接続されている。さらに、スイッチング素子Ｑ６のベースは、抵抗Ｒ８と抵抗Ｒ９が接続されている。
【００５３】
発電電圧ＶＢがＶ２ａまたはＶ２ｂのときに、抵抗Ｒ８と抵抗Ｒ９とで分圧された電圧で、スイッチング素子Ｑ６がＯＮされるように、抵抗Ｒ８と抵抗Ｒ９の抵抗値が調整される。このような回路構成によって、スイッチング素子Ｑ２は、発電電圧ＶＢがＶ１でＯＮとなり、Ｖ２（Ｖ２ａまたはＶ２ｂ）でＯＦＦとなることができる。
【００５４】
実施の形態３．
本実施の形態３では、励磁起動回路３２に関する別の具体的な回路例について説明する。図５は、本発明の実施の形態３に係る励磁起動回路の具体的な回路例としての第３の回路を示す図である。
【００５５】
先の実施の形態２に係る励磁起動回路３２では、発電電圧ＶＢがＶ１（０．６Ｖ〜１．０Ｖ）のときにスイッチング素子Ｑ２で起動開始した後、Ｖ２（Ｖ２ａまたはＶ２ｂ）でＯＦＦする制御を行っていた。このため、Ｖ１でＯＮするスイッチング素子Ｑ２（耐圧は６０Ｖ程度の高耐圧のスイッチング素子に相当）は、許容電流が小さく、上記の条件を成立させることができる発電を可能とする励磁電流を流すことができない場合があった。
【００５６】
その場合には、スイッチング素子Ｑ２で起動に必要な充分の励磁電流を流すことができないため、起動できない事象が発生することがあった。その解決策として、図５に示したような本実施の形態３に係る励磁起動回路３２を採用することができる。
【００５７】
具体的には、図５に示す励磁起動回路３２は、先の実施の形態２で説明したものと同等の回路を有するとともに、発電電圧ＶＢがある決められた電圧Ｖ１以上で、かつ小型のスイッチング素子Ｑ２で励磁電流を流すことのできる電圧Ｖ２ｃ以下の電圧Ｖ３でＯＮするスイッチング素子Ｑ３（第３のスイッチング素子に相当）を有している。スイッチング素子Ｑ３は、スイッチング素子Ｑ２と並列に接続されている。
【００５８】
発電電圧ＶＢがＶ１でＱ２がＯＮになり、発電電圧ＶＢがＶ３になったときにスイッチング素子Ｑ３がＯＮする。スイッチング素子Ｑ２は、許容電流以下の励磁電流となる電圧Ｖ２ｃで、ＯＦＦする。
【００５９】
このとき、Ｖ１≦Ｖ３≦Ｖ２ｃの関係であれば、最初、Ｖ１以上でスイッチング素子Ｑ２のみに励磁電流が流れる。次に、Ｖ３でスイッチング素子Ｑ３がＯＮし、スイッチング素子Ｑ２とスイッチング素子Ｑ３に励磁電流が流れる。その後、Ｖ２ｃでスイッチング素子Ｑ２がＯＦＦするため、スイッチング素子Ｑ３のみに励磁電流が流れる。
【００６０】
これにより、スイッチング素子Ｑ２は、スイッチング素子Ｑ３が動作する電圧Ｖ３より少し高い電圧まで発電できる励磁電流を流せば良い。このため、先の実施の形態１、２よりも、さらに小型のスイッチング素子Ｑ２を選択することができる。従って、スイッチング素子Ｑ２は、さらに素子選定が容易であるため、販売数量が多い安価なスイッチング素子を使うことができる。さらに、スイッチング素子Ｑ３も、受け持つ電流範囲が狭いため、回路構成を簡素化でき、かつ、素子選択が容易隣、安価なものを選択できる。
【００６１】
図６は、本発明の実施の形態３に係る励磁起動回路３２における、励磁コイル２１、スイッチング素子Ｑ２、およびスイッチング素子Ｑ３の各電流波形を示した例示図である。図６において、横軸は発電電圧ＶＢであり、縦軸は電流値である。
【００６２】
図６に示すように、スイッチング素子Ｑ２は発電電圧ＶＢがＶ１＝０．８５Ｖ付近から励磁電流を流し始め、発電電圧ＶＢがＶ２＝３ＶのときにＯＦＦしている。一方、スイッチング素子Ｑ３は、発電電圧ＶＢがＶ３＝２．６ＶのときにＯＮして励磁電流を流し始め、以降、スイッチング素子Ｑ３のみで励磁電流を流していることがわかる。
【００６３】
なお、図６には示していないが、以下の実施の形態４で説明するように、実際には、その後、発電電圧ＶＢがＶ４（Ｖ４ａまたはＶ４ｂ）になった時点で、スイッチング素子Ｑ３をＯＦＦする。
【００６４】
実施の形態４．
本実施の形態４では、励磁起動回路３２に関する別の具体的な回路例について説明する。図７は、本発明の実施の形態４に係る励磁起動回路の具体的な回路例としての第４の回路を示す図である。
【００６５】
先の実施の形態３に係る励磁起動回路３２では、発電電圧ＶＢがＶ３以上となることでスイッチング素子Ｑ３をＯＮにし、起動を行っている。上述したように、通常、スイッチング素子Ｑ１は、ＯＮ／ＯＦＦのＤＵＴＹ制御が行われる。
【００６６】
従って、スイッチング素子Ｑ３がＯＮのままだと、スイッチング素子Ｑ１のＤＵＴＹ制御ができないため、起動後に、スイッチング素子Ｑ３をＯＦＦにする必要がある。その解決策として、図７に示したような本実施の形態４に係る励磁起動回路３２を採用することができる。
【００６７】
スイッチング素子Ｑ３のＯＦＦは、電圧Ｖ４に基づいて行う。前述したようなスイッチング素子Ｑ２のＶ２（Ｖ２ａまたはＶ２ｂ）と同様に、スイッチング素子Ｑ３は、次のような２通りの動作を行うことが考えられる。
【００６８】
１つ目として、スイッチング素子Ｑ３は、Ｖ０より少し高い電圧Ｖ４ａでＯＦＦし、その後、スイッチング素子Ｑ１のハードウェアによるＯＮによってＶ５以上になるまで、励磁電流を流す場合が考えられる。また、２つ目として、スイッチング素子Ｑ３をＶ５電圧より少し高い電圧Ｖ４ｂでＯＦＦし、ＯＦＦする前に、制御部３１によってスイッチング素子Ｑ１で励磁電流を流す場合が考えられる。
【００６９】
いずれの場合にも、スイッチング素子Ｑ３として、電圧Ｖ４が電圧ＶＳより低く、スイッチング素子Ｑ１より電流容量の小さい素子を選択できる。
【００７０】
２つめの動作を行わせる場合には、Ｖ４ｂがＶＳのときより励磁電流が小さいため、スイッチング素子Ｑ３は、スイッチング素子Ｑ１より電流容量の小さい素子を使用することができる。一方、１つめの動作を行わせる場合には、Ｖ４ａ（≦Ｖ４ｂ）でスイッチング素子Ｑ３をＯＦＦするため、励磁電流をさらに小さくできる。このため、スイッチング素子Ｑ３として、さらに電流容量の小さい素子を選択することができる。
【００７１】
実施の形態５．
本実施の形態５では、励磁起動回路３２に関する別の具体的な回路例について説明する。図８は、本発明の実施の形態５に係る励磁起動回路の具体的な回路例としての第５の回路を示す図である。
【００７２】
上述した実施の形態２〜４では、スイッチング素子Ｑ２およびスイッチング素子Ｑ３のＯＮ／ＯＦＦ動作は、すべてハードウェアで実施する場合について説明した。
【００７３】
すなわち、スイッチング素子Ｑ２は、小型素子であり、大きな励磁電流を流せないため、最初の励磁電流を流し、その後、スイッチング素子Ｑ３に切り変えて励磁電流を流した後でないと、制御部３１が駆動電圧に至らない場合が多い。従って、スイッチング素子Ｑ２をＯＦＦするタイミングでは、まだ、制御部３１が動作していないため、上述した実施の形態２〜４では、ハードウェアで閾値を決めて、スイッチング素子Ｑ２およびスイッチング素子Ｑ３をＯＦＦしていた。
【００７４】
図９は、本発明の実施の形態５に係る発電装置の全体構成図である。この図９に示すように、Ｂ端子とバッテリ４１との間にアップコンバータ３３を設け、バッテリ４１を充電する場合がある。すなわち、図９に示す制御基板３０の構成は、電磁石発電機２０の回転が低回転のときには、バッテリ４１を充電するために充分の発電電圧ＶＢが得られないため、アップコンバータ３３を用いて昇圧するシステムに相当する。
【００７５】
その場合、バッテリ４１の電圧をＶＢｂ、電磁石発電機２０の電圧をＢＶｇ、スイッチング素子のＯＮのデューティーをＤｕｔｙとすると、下式（１）が成立する。
ＶＢｇ＝（１−Ｄｕｔｙ）×  ＶＢｂ              （１）
【００７６】
したがって、電磁石発電機２０の電圧ＶＢｇは、バッテリ４１の電圧ＶＢｂより低くなり、設定Ｄｕｔｙによっては、電圧ＶＢｇが低くなり、Ｖ２（スイッチング素子Ｑ２をＯＦＦする電圧に相当）以下、または、Ｖ４（スイッチング素子Ｑ３をＯＦＦする電圧に相当）以下になることがあった。
【００７７】
その場合には、スイッチング素子Ｑ２またはスイッチング素子Ｑ３がＯＮしてしまい、スイッチング素子Ｑ１がＯＦＦのときに、スイッチング素子Ｑ２またはスイッチング素子Ｑ３に励磁電流が流れ、スイッチング素子Ｑ２またはスイッチング素子Ｑ３が過電流破壊することがあった。また、スイッチング素子Ｑ２またはスイッチング素子Ｑ３が破壊しない場合であっても、スイッチング素子Ｑ１のＯＮ／ＯＦＦのＤＵＴＹ動作が妨害され、励磁電流が連続通電状態となってしまう。
【００７８】
その解決策として、図８に示したような本実施の形態５に係る励磁起動回路３２および制御部３１を組み合わせた構成を採用することができる。具体的には、図８の構成では、スイッチング素子Ｑ２およびスイッチング素子Ｑ３は、ハードウェアでＯＮ／ＯＦＦするとともに、さらに制御部３１からもスイッチング素子Ｑ２およびスイッチング素子Ｑ３をＯＦＦするためのＯＦＦ指示（第１のＯＦＦ指令に相当）を出力することができる回路構成を準備する。なお、図８では、スイッチング素子Ｑ２とスイッチング素子Ｑ３を制御部３１から個別のＯＦＦ指示の信号でＯＦＦしている場合を励磁しているが、同じ信号でＯＦＦしても同様の効果が得られる。
【００７９】
このような図８の構成を採用することで、制御部３１が起動後に、アップコンバータ３３で昇圧制御を行う場合に、電圧ＶＢｇが低下して、スイッチング素子Ｑ２またはスイッチング素子Ｑ３のＯＦＦ電圧以下になった場合でも、スイッチング素子Ｑ２またはスイッチング素子Ｑ３のＯＦＦを継続させる事ができる。この結果、一旦起動した後でも、スイッチング素子Ｑ２またはスイッチング素子Ｑ３の破壊を防止するとともに、スイッチング素子Ｑ１のＤＵＴＹ動作が妨害されることを防止でき、発電装置が正常に動作することとなる。
【００８０】
スイッチング素子Ｑ２は、前述のように、制御部３１の起動前にＯＦＦする必要がある。このため、ハードウェアでのＯＦＦ回路とせず、電圧ＶＢｇの低下による対応で制御部３１によるＯＦＦ回路により、スイッチング素子Ｑ２をＯＦＦするためのＯＦＦ指示（第２のＯＦＦ指令に相当）を出力することが必須である。一方、スイッチング素子Ｑ３は、制御部３１の起動後にＯＦＦすればよい。このため、必ずしもハードウェアと制御部３１との両方のＯＦＦ回路を準備する必要はなく、制御部３１によるＯＦＦ回路のみでも、同様の効果を得ることができる。
【００８１】
なお、後述する実施の形態６では、制御部３１のみでスイッチング素子Ｑ３をＯＦＦする回路例を示している。
【００８２】
実施の形態６．
本実施の形態６では、制御部３１からの制御信号を併用して、スイッチング素子Ｑ２及びスイッチング素子Ｑ３のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う場合について説明する。図１０は、本発明の実施の形態６に係る励磁起動回路の具体的な回路構成例を示した図である。
【００８３】
先の実施の形態２において、図４を用いて、スイッチング素子Ｑ２を起動するハードウェア回路の動作について説明したが、起動時には、スイッチング素子Ｑ６がＯＮの状態、スイッチング素子Ｑ２がＯＦＦの状態を継続する。ここで、スイッチング素子Ｑ２にある程度大きな電流を流さないと、先の実施の形態１で説明したように、自己発電によって励磁電流を増加させ、励磁電流の増加によってさらに発電を増加させる動作を発生させることができない。
【００８４】
励磁コイルの抵抗値は、数Ω以下であることが多く、スイッチング素子Ｑ２を使用する場合には、負荷抵抗（励磁コイル抵抗）の１０〜３０倍程度のベース抵抗を用いるのが一般的であり、抵抗Ｒ６は数１０Ωになる場合がある。
【００８５】
その場合、通常動作でスイッチング素子Ｑ２をＯＦＦするためには、スイッチング素子Ｑ６がＯＮ状態のときに、発電電圧ＶＢが１４Ｖで負荷抵抗が数１０Ωの電流をスイッチング素子Ｑ６に流し続ける必要がある。すなわち、約１．４Ａを無駄に流す必要があり、せっかく発電した電力を無駄に消費するとともに、抵抗Ｒ６には非常に大きな許容損失の抵抗を使用することが要求される。
【００８６】
そこで、この解決策として、図１０に示す回路では、抵抗Ｒ６、抵抗Ｒ７の分圧でスイッチング素子Ｑ２をＯＮできるように、Ｐ型のスイッチング素子Ｑ４（第４のスイッチング素子に相当）を追加し、さらに、スイッチング素子Ｑ４の駆動用としてスイッチング素子Ｑ５（第５のスイッチング素子に相当）を追加している。
【００８７】
このような図１０の構成によって、抵抗Ｒ６、抵抗Ｒ７の分圧で設定された電圧Ｖ１でスイッチング素子Ｑ２をＯＮし、かつ、Ｒ４を数１０Ωに設定してスイッチング素子Ｑ２のベースに充分な電流を流し、起動に充分な励磁電流をスイッチング素子Ｑ２に流すことができる。
【００８８】
また、この図１０の回路構成を採用することにより、次のような省電力化を図ることもできる。すなわち、スイッチング素子Ｑ２がＯＮのときに、スイッチング素子Ｑ２の負荷電流（励磁電流）以外でも、比較的大きな電流が抵抗Ｒ４および抵抗Ｒ５に流れる。そして、スイッチング素子Ｑ２をＯＦＦする際に、スイッチング素子Ｑ６（第６のスイッチング素子に相当）をＯＮにすることで、スイッチング素子Ｑ６には抵抗Ｒ６の電流のみを流せば良く、抵抗Ｒ６の抵抗値は大きくすることができる。この結果、無駄な電流消費を極力抑制することが可能になる。
【００８９】
一例で説明すると、スイッチング素子Ｑ２の負荷抵抗（励磁コイル）を４Ωとすると、スイッチング素子Ｑ２のベース抵抗Ｒ４は、上記より、負荷抵抗の２０倍とすると８０Ωとなる。この場合、図４に示す回路では、Ｑ２がＯＦＦするときには、スイッチング素子Ｑ６によって抵抗Ｒ６の電流を流す必要があり、１４Ｖ時では、０．１７５Ａ（１４／８０）の電流を、起動後、常時流しておく必要がある。従って、消費電力としては、２．４５Ｗにもなる。
【００９０】
しかしながら、図１０に示す回路では、スイッチング素子Ｑ４のベース抵抗は、スイッチング素子Ｑ４の負荷抵抗８０Ωの２０倍で１．６ｋΩとなる。さらに、スイッチング素子Ｑ５のベース抵抗は、１．６ｋΩの２０倍で３２ＫΩとなる。この結果、起動後、常時流しておく必要のある電流は、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ５はＯＦＦで、スイッチング素子Ｑ６のみＯＮのときとなる。従って、発電電圧ＶＢが１４Ｖ時に抵抗Ｒ６に流れる電流は約０．４４ｍＡ程度となり、消費電力も６．２ｍＷ程度と非常に小さなものにすることができる。
【００９１】
図１０の回路について、動作の補足説明をする。まず、抵抗Ｒ６、抵抗Ｒ７でスイッチング素子Ｑ５のＯＮ電圧をＶ１に設定する。スイッチング素子Ｑ５がＯＮすると、スイッチング素子Ｑ４のベース電流が、抵抗Ｒ５およびスイッチング素子Ｑ５を通り流れ、スイッチング素子Ｑ４はＯＮし、抵抗Ｒ４を経由してスイッチング素子Ｑ２のベース電流として流れる。これによって、スイッチング素子Ｑ２がＯＮし、Ｆ端子経由で励磁電流を流し始めることができる。以後、発電が増加し、起動が始まる。起動が始まれば、発電電圧ＶＢが上昇する。
【００９２】
発電電圧ＶＢが上昇し、Ｖ３になった時点で、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２の分圧によって、スイッチング素子Ｑ３がＯＮする。その後、発電電圧ＶＢがＶ２になった時点で、抵抗Ｒ８、抵抗Ｒ９の分圧によってスイッチング素子Ｑ６がＯＮし、スイッチング素子Ｑ５のベース電流が流れなくなるため、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ５がＯＦＦする。
【００９３】
その後、制御部３１によって発電電圧ＶＢがＶ５になったことを検知した後、スイッチング素子Ｑ７をＯＮするとともに、スイッチング素子Ｑ３をＯＦＦすることで、起動回路の役目は終了する。
【００９４】
また、制御部３１によって発電電圧ＶＢがＶ５になったことを検知した際には、制御部３１からスイッチング素子Ｑ８をＯＮすることによって、スイッチング素子Ｑ５のベース電位はＧＮＤになり、スイッチング素子Ｑ５はＯＦＦになる。このため、アップコンバータ３３を用いて、電圧ＶＢｇが低下し、抵抗Ｒ８、抵抗Ｒ９の閾値以下になり、スイッチング素子Ｑ６がＯＦＦした場合でも、スイッチング素子Ｑ８のＯＮによってスイッチング素子Ｑ２はＯＦＦ状態を継続することができる。
【００９５】
上記では、制御部３１によって、発電電圧ＶＢがＶ５以上になったことを検知した場合を説明した。しかしながら、電圧をモニタすることなしに、制御部３１が起動すれば、必ずスイッチング素子Ｑ７、Ｑ８をＯＮするようにしても良い。これによって、電圧をモニタするためのＡ／Ｄコンバータを用いることもなく、起動後の制御開始までのソフトウェアによる起動時間のタイムラグもなくすことができる。
【００９６】
ただし、このとき、スイッチング素子Ｑ３においても、スイッチング素子としてトランジスタを使用した際には、上記で説明した抵抗Ｒ６と同様に、抵抗Ｒ１の抵抗値を１０Ω程度にするする必要がある。このため、スイッチング素子Ｑ２の駆動回路と同様にＰ型のスイッチング素子を用いて、スイッチング素子Ｑ２の駆動回路と同様の回路構成にするか、または、スイッチング素子Ｑ３を電圧駆動できるＦＥＴにすることが考えられる。
【００９７】
このような回路構成を採用することで、スイッチング素子Ｑ３においても、抵抗Ｒ１の抵抗値を大きくすることができ、通常動作時の消費電力を減らすことができる。
【００９８】
なお、スイッチング素子Ｑ２においては、０．６Ｖ程度で駆動でき、かつ、耐圧の数１０Ｖ以上のＦＥＴは製造上困難である。従って、上述したように、スイッチング素子Ｑ２にはトランジスタを使用するのが一般的であり、その場合、消費電力の低減効果を実現するためには、図１０に示したようなＰ型スイッチング素子の使用が必要になる。
【符号の説明】
【００９９】
１０  プロペラ、２０  電磁石発電機、２１  励磁コイル、２２  発電コイル、２３  整流器、３０  制御基板、３１  制御部、３２  励磁起動回路、３３  アップコンバータ、４１  バッテリ、４２  負荷、Ｑ１  スイッチング素子（第１のスイッチング素子）、Ｑ２  スイッチング素子（第２のスイッチング素子）、Ｑ３  スイッチング素子（第３のスイッチング素子）、Ｑ４  スイッチング素子（第４のスイッチング素子）、Ｑ５  スイッチング素子（第５のスイッチング素子）、Ｑ６  スイッチング素子（第６のスイッチング素子）、Ｑ７  スイッチング素子（第７のスイッチング素子）、Ｑ８  スイッチング素子（第８のスイッチング素子）、Ｒ１〜Ｒ９  抵抗。
【要約】
【課題】バッテリを用いて励磁電流を流すことができない状態であっても、電磁石発電機が回転することで発電を開始できる回路構成を備えた発電装置を得る。
【解決手段】発電装置は、励磁コイル（２１）および発電コイル（２２）を含む電磁石発電機（２０）と、電磁石発電機による発電を制御する制御部（３１）と、制御部による制御に基づいてＯＮ状態に切り替わることで、励磁電流を流す第１のスイッチング素子（Ｑ１)と、還流ダイオード（Ｄ１）と、電磁石発電機の発電電圧により励磁電流を流すことのできる第２のスイッチング素子（Ｑ２）を有する励磁起動回路（３２）とを備え、第２のスイッチング素子は、第１のスイッチング素子と並列に接続され、発電電圧が、第１のスイッチング素子の駆動可能電圧よりも低い電圧Ｖ１により駆動可能であり、ＯＮ状態に切り替わることで励磁コイルに励磁電流を流す。
【選択図】図１【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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