特開 2022-73811 発電システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022073811

(43)【公開日】2022-05-17

(54)【発明の名称】発電システム

(51)【国際特許分類】

   H02K 7/10 20060101AFI20220510BHJP

   H02K 7/116 20060101ALI20220510BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20220510BHJP

【ＦＩ】

H02K7/10 E

H02K7/116

H02J7/00 302C

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】書面

(21)【出願番号】P 2020191250

(22)【出願日】2020-10-29

(71)【出願人】

【識別番号】519366477

【氏名又は名称】田中 彰比古

(71)【出願人】

【識別番号】519366639

【氏名又は名称】田中 優位

(74)【代理人】

【識別番号】100105784

【弁理士】

【氏名又は名称】橘 和之

(72)【発明者】

【氏名】田中 彰比古

(72)【発明者】

【氏名】田中 優位

【テーマコード（参考）】

5G503

5H607

【Ｆターム（参考）】

5G503AA07

5G503BA04

5G503BB01

5G503BB03

5G503DA07

5G503DA18

5G503GB06

5H607AA12

5H607BB01

5H607BB02

5H607BB05

5H607CC01

5H607CC03

5H607CC05

5H607CC09

5H607DD03

5H607DD07

5H607DD19

5H607EE33

5H607FF33

5H607FF36

(57)【要約】

【課題】発動機および発電機における消費電力の低減化を図るとともに、蓄電池の蓄電量を有効に利用してシステム全体の稼働時間を延長することができる発電システムを提供すること。
【解決手段】蓄電池を電源とする発動機と、当該発動機を貫通する出力軸の両端部にそれぞれ連結されて発電を行う発電機とを有する発電システムにおいて、発動機２は、コイル５４が巻回されている内側の固定子５１と、回転する外側の回転子５６とを備えており、前記回転子と固定子との間に変速用の遊星歯車機構６１が介装されているとともに、当該遊星歯車機構の出力軸が前記発動機の出力軸５５とされており、前記各発電機３１は、それぞれ前記出力軸に連結されている回転する外側の回転子７６と、コイル７４４が巻回されている内側の固定子とを備えており、前記回転子と固定子との間に変速用の８１遊星歯車機構が介装されていることを特徴とする。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

蓄電池を電源とする発動機と、当該発動機を貫通する出力軸の両端部にそれぞれ連結されて発電を行う発電機とを有する発電システムにおいて、
前記発動機は、コイルが巻回されている内側の固定子と、回転する外側の回転子とを備えており、前記回転子と固定子との間に変速用の遊星歯車機構が介装されているとともに、当該遊星歯車機構の出力軸が前記発動機の出力軸とされており、
前記各発電機は、それぞれ前記出力軸に連結されている回転する外側の回転子と、コイルが巻回されている内側の固定子とを備えており、前記回転子と固定子との間に変速用の遊星歯車機構が介装されていることを特徴とする発電システム。

【請求項2】

前記蓄電池は、選択接続可能な２回路からなり、各回路に異種の蓄電池を接続して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。

【請求項3】

一方の種類の前記蓄電池は、他方の種類の前記蓄電池と比較して放電時に内部抵抗が高い特性を有することを特徴とする請求項２に記載の発電システム。

【請求項4】

前記蓄電池は、選択接続可能な２回路からなり、各回路に二次電池を接続して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。

【請求項5】

前記発電機の一方の発電電力を負荷用に出力する発電機は、三相交流を発電するように形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の発電システム。

【請求項6】

前記発電機の出力側にはトランスが接続されており、１００Ｖの交流が出力されるように形成されていることを特徴とする請求項５に記載の発電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、蓄電池を動力源とした発電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

内燃機関を動力源とする発電機は大型となる。近年のＬＥＤ照明にみられるように、低電力量で家庭用の部分照明は、まかなえる。動力源として蓄電池を使用した発動機（モータ）に同一軸上（カップリング）に発電機を設置することに効率よく所望電圧の発電が可能となる。

【0003】

発電機と発動機（モータ）をカップリング（軸継手）で、同一軸上で行う発電方法は、下記特許文献１、２に見られる。

【0004】

しかしながら、蓄電池を動力源として発電を行う場合、蓄電池の内部抵抗が問題となって、発動機（モータ）の立ち上がりに所望の回転数が得られず、結果的に所望電圧（交流電圧１００Ｖ）が得られない。

【0005】

本発明者は、下記特許文献３においてこの問題点を克服した発電システムを提案している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１２－１４３０８４号公報

【特許文献2】実用新案登録第３１７７１１８号公報

【特許文献3】実用新案登録第３１９３８３８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明は、これらの点に鑑みてなされたものであり、前記特許文献３における発電システムにおいて、更に発動機および発電機における消費電力の低減化を図るとともに、蓄電池の蓄電量を有効に利用してシステム全体の稼働時間を延長することができる発電システムを提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を達成するために、本発明の第１の態様の発電システムは、蓄電池を電源とする発動機と、当該発動機を貫通する出力軸の両端部にそれぞれ連結されて発電を行う発電機とを有する発電システムにおいて、前記発動機は、コイルが巻回されている内側の固定子と、回転する外側の回転子とを備えており、前記回転子と固定子との間に変速用の遊星歯車機構が介装されているとともに、当該遊星歯車機構の出力軸が前記発動機の出力軸とされており、前記各発電機は、それぞれ前記出力軸に連結されている回転する外側の回転子と、コイルが巻回されている内側の固定子とを備えており、前記回転子と固定子との間に変速用の遊星歯車機構が介装されていることを特徴とする。

【0009】

このように形成されている本発明の第１の態様の発電システムによれば、発動機および発電機に内蔵している変速用の遊星歯車機構によって、発動機および発電機における消費電力の低減化を図るとともに、蓄電池の蓄電量を有効に利用してシステム全体の稼働時間を延長することができる。

【0010】

また、本発明の第２の態様の発電システムは、第１の態様において、前記蓄電池は、選択接続可能な２回路からなり、各回路に異種の蓄電池を接続して形成されていることを特徴とする。

【0011】

また、本発明の第３の態様の発電システムは、第２の態様において、一方の種類の前記蓄電池は、他方の種類の前記蓄電池と比較して放電時に内部抵抗が高い特性を有することを特徴とする。

【0012】

また、本発明の第４の態様の発電システムは、第１の態様において、前記蓄電池は、選択接続可能な２回路からなり、各回路に二次電池を接続して形成されていることを特徴とする。

【0013】

また、本発明の第５の態様の発電システムは、第１から第４のいずれか１つの態様において、前記発電機の一方の発電電力を負荷用に出力する発電機は、三相交流を発電するように形成されていることを特徴とする。

【0014】

また、本発明の第６の態様の発電システムは、第５の態様において、前記発電機の出力側にはトランスが接続されており、１００Ｖの交流が出力されるように形成されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、前記特許文献３における発電システムにおいて、更に発動機および発電機における消費電力の低減化を図るとともに、蓄電池の蓄電量を有効に利用してシステム全体の稼働時間を延長することができる発電システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の発電システムの実施形態１を示すブロック図

【図2】本発明の発電システムの実施形態１の発動機および発電機の詳細を示す断面図

【図3】本発明の発電システムの実施形態２の発動機および発電機の詳細を示す断面図

【図4】本発明の蓄電池の放電特性図で、同図（ａ）は、電気二重層キャパシタの放電特性図、同図（ｂ）は、二次電池の放電特性図

【図5】発動機の回転数の特性図で、同図（ａ）は、電源（蓄電池）として二次電池のみの場合の特性図、同図（ｂ）は、電源として二次電池と電気二重層キャパシタを並列にした場合の特性図

【図6】本発明の動力源として、電気二重層キャパシタを二次電池に並列に接続した効果を示す電圧特性図

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の実施形態を図１から図６に基づいて説明する。

【0018】

［実施形態１］
＜発電システム１＞
図１に示すように、異なる特性を有する蓄電池１０、１１を動力源として、１台の発動機２を駆動して、発動機２を貫通する出力軸の両端部をそれぞれカップリング（軸継手）４１、４２を用いて複数の発電機３１、３２に同一軸上に継手して、一方の発電機３１を充電用発電機とし、他方の発電機３２を電力使用可能（取出用：負荷側）とした、発電システム１である。

【0019】

＜発動機２＞
本発明では、電気による発動機２である。発動機２は、インバータ７により、ＤＣ－ＡＣ変換を行い１００Ｖ交流を供給することによって駆動する。

【0020】

図２により更に説明する。

【0021】

発動機２は、同軸状に配置された内側の固定子５１と外側の回転子５６とを備えている。固定子５１と回転子５６の軸中心部には双方と相対回転自在にして出力軸５５が貫通配置されている。固定子５１は、円盤状の本体部５２と、本体部５２の外方端部に連結されている円筒部５３とにより形成されている。円筒部５３の外周側にはコイル５４が巻回されている。回転子５６は、円盤状の本体部５７と、本体部５７の外方端部に連結されている円筒部５８とにより形成されている。円筒部５８の内周側にはコイル５４に対面するように永久磁石５９が固着されている。コイル５４に通電すると永久磁石５９との電磁誘導によって回転子５６が回転させられる。回転子５６の本体部５７の中心部には、内部に出力軸５５が相対回転自在に貫通されている円筒状の中心軸６０が固着されている。

【0022】

本実施形態においては、この回転子５６の固着されている中心軸６０と固定子５１の円筒部５３との間に変速用（減速または増速のいずれでもよい）の遊星歯車機構６１が介装されている。遊星歯車機構６１は、中心軸６０の外周側に固定されたサンギア６２と、固定子５１の円筒部５３の内周面に固着されたリングギア６３と、サンギア６２とリングギア６３のとの間に配置された複数のプラネタリーギア６４と、複数のプラネタリーギア６４を支持するプラネタリーキャリア６５とによって形成されている。複数のプラネタリーギア６４は周方向等分位置に配置されている。プラネタリーキャリア６５の中心部は出力軸５５に固定されている。

【0023】

＜発電機３＞
発電機３１、３２は、左右逆向きにして同一に形成されている。

【0024】

一方の発電機３１について説明する。

【0025】

同軸状に配置された内側の固定子７１と外側の回転子７６とを備えている。固定子７１は、円盤状の本体部７２と、本体部７２の外方端部に連結されている円筒部７３とにより形成されている。円筒部７３の外周側にはコイル７４が巻回されている。回転子７６は、円盤状の本体部７７と、本体部７７の外方端部に連結されている円筒部７８とにより形成されている。円筒部７８の内周側にはコイル７４に対面するように永久磁石７９が固着されている。本体部７７の中心には出力軸５５が貫通するとともに固着されている。回転子７８と一緒に永久磁石７９が回転するとコイル７４との電磁誘導によってコイル７４に起電力が発生する。

【0026】

本実施形態においては、この回転子７６の固着されている出力軸５５と固定子７１の円筒部７３との間に変速用の遊星歯車機構８１が介装されている。遊星歯車機構８１は、出力軸５５の外周側に固定されたサンギア８２と、固定子７１の円筒部７３の内周面に固着されたリングギア８３と、サンギア８２とリングギア８３のとの間に配置された複数のプラネタリーギア８４と、複数のプラネタリーギア８４を支持するプラネタリーキャリア８５とによって形成されている。複数のプラネタリーギア８４は周方向等分位置に配置されている。

【0027】

一方の発電機３１は、交流を発生し、ＡＣ－ＤＣインバータにより、発電ＤＣ電圧１４．２５Ｖを発生する。

【0028】

他方の発電機３２は、２相交流電圧を発生する。トランス１３を介して、出力端子１４には、日本の家庭用仕様の標準電圧であるＡＣ１００Ｖを発生する。

【0029】

＜充電・放電切替回路９＞
発動機２への電力供給（放電）と、発電機３１からの発生電力を蓄電池１０、１１に充電する切替回路である。

【0030】

＜蓄電池１０、１１＞
第１の蓄電池１０は、充電を行うことにより電気を蓄えて電池として使用できる繰返し使用できる二次電池（化学電池）である。電極に鉛を使用したものをバッテリーと呼ぶ。通常は、酸化還元作用のある液体が電解質として使用される。

【0031】

第２の蓄電池１１（電気二重層キャパシタ）は、電極での化学反応によって電気エネルギーを蓄える二次電池９と異なり、電極のイオン分子が電荷を蓄える。充放電による劣化が少なく、内部抵抗が低いのが特徴である。

【0032】

第２の蓄電池１１（電気二重層キャパシタ）は、従来の二次電池１０と比較して、長所・短所は、下記のものが挙げられている。
・内部抵抗が低く短時間で充放電が行える
・製品寿命が長い
・電圧が低い
・自己放電が多い
・充電時に電圧が直線的に変化する。

【0033】

このように本実施形態１における電池は、電池セレクタ回路１２によって選択接続可能な２回路からなり、各回路に第１の蓄電池１０と第２の蓄電池１１がそれぞれ接続されている。

【0034】

次に、本実施形態１の作用を説明する。

【0035】

本実施形態１において、発動機２のコイル５４に通電すると回転子５６が高速回転する。回転子５６が固定子５１の外側に配置されているので、回転子５６に大きなイナーシャが作用して高速回転する。回転子５６の回転は遊星歯車機構６１を介して変速（本実施形態１においては減速）されてプラネタリーキャリア６５に減速して出力され、プラネタリーキャリア６５に固着されている出力軸５５が遊星歯車機構６１の減速率に応じて減速されて回転する。この出力軸５５の回転は、各発電機３１、３２の回転子７６に伝達される。回転子７６の回転は発電機３１、３２内の遊星歯車機構８１による抵抗を受けて若干減速される。この減速は発動機２の出力軸５５の回転子も影響を与える。

【0036】

本実施形態１における３箇所の遊星歯車機構６１、８１による減速動作は、発動機２、発電機３１、３２における共通の出力軸５５の回転を円滑に続行させるとともに、消費電力の低減を可能とし、システム１の長時間にわたる運転を可能とする。

【0037】

図４は、放電特性を示したものである（ウィキペディアより引用）。同図（ａ）は、電気二重層キャパシタ１１の放電特性であり、同図（ｂ）は、二次電池１０の放電特性である。放電する場合、電気二重層キャパシタ１１は一直線に電圧Ｖが下がるので利用できるエネルギーＥは三角形の面積（Ｅ＝ＱＶ電気二重層キャパシタ／２：Ｑは電荷、Ｖは電圧）となるが、二次電池１０のエネルギーＥは四角形に近いものとなる。

【0038】

発動機２の始動時には、大電流を必要とする。二次電池１０のみで始動を行うと、発電機２が定常回転数（３，０００／ｒｐｍ）に達するには時間がかかることになる。それは、二次電池１０の実効内部抵抗が高いためである。並列に電気二重層キャパシタ１１を配すると、この点が改善される。図５は、それを示したものである。電池セレクタ回路１２は、二次電池１０と電気二重層キャパシタ１１の切替を行う。二次電池１０のみを使用した発電機２の回転数の立ち上がり時間ｔ１と電気二重層キャパシタ１１を並列に配した立ち上がり時間ｔ２である（ｔ１＞ｔ２、ｔ０は、始動時）。つまり、発電スイッチを入れると同時に、出力端子１４には、ＡＣ１００Ｖ（３０Ａｈ）が瞬時に出力され、使用可能となる。

【0039】

図６は、二次電池１０に電気二重層キャパシタ１１を並列に接続した効果である。３Ａｈの鉛バッテリー１０と並列に５５Ｆ（ファラッド）の電気二重層キャパシタ１１を接続し、１．５Ａ定電流で、９分放電―３０秒休息のサイクルの放電を行った場合、鉛バッテリー１０の放電末期の急激な抵抗値の増加による電圧降下を補って、５～８％程度の長時間放電が可能となる。

【0040】

［実施形態２］
図３は本発明の実施形態２を示しており、発電機３１ａ、３２ａを変えた他は前記実施形態１と同一に形成されている。

【0041】

発電機３１ａ、３２ａは、左右逆向きにして同一に形成されている。

【0042】

一方の発電機３１ａについて説明する。

【0043】

同軸状に配置された内側の固定子７１ａと外側の回転子７６ａとを備えている。固定子７１ａは、円盤状の本体部７２ａと、本体部７２ａの外方端部に連結されている円筒部７３ａとにより形成されている。円筒部７３ａの外周側にはコイル７４ａが巻回されている。本体部７２ａの中心軸部には出力軸５５が相対回転自在に貫通している。回転子７６ａは、円盤状の本体部７７ａと、本体部７７ａの外方端部に連結されている円筒部７８ａとにより形成されている。円筒部７８ａの内周側にはコイル７４ａに対面するように永久磁石７９ａが固着されている。本体部７７ａの中心には出力軸５５が固着されている。回転子７８ａと一緒に永久磁石７９ａが回転するとコイル７４ａとの電磁誘導によってコイル７４ａに起電力が発生する。

【0044】

本実施形態においては、この回転子７６ａに固着されている出力軸５５と固定子７１ａの円筒部７３ａとの間に変速用の遊星歯車機構８１ａが介装されている。遊星歯車機構８１ａは、出力軸５５の外周側に固定されたサンギア８２ａと、固定子７１ａの円筒部７３ａの内周面に固着されたリングギア８３ａと、サンギア８２ａとリングギア８３ａのとの間に配置された複数のプラネタリーギア８４ａと、複数のプラネタリーギア８４ａを支持するプラネタリーキャリア８５ａとによって形成されている。複数のプラネタリーギア８４ａは周方向等分位置に配置されている。

【0045】

一方の発電機３１ａは、交流を発生し、ＡＣ－ＤＣインバータにより、発電ＤＣ電圧１４．２５Ｖを発生する。

【0046】

他方の発電機３２ａは、２相交流電圧を発生する。トランス１３を介して、出力端子１４には、日本の家庭用仕様の標準電圧であるＡＣ１００Ｖを発生する。

【0047】

このように形成されている実施形態２は実施形態１と同様に作用するので、詳細な説明は省略する。

【0048】

［実施形態３］
実施形態１または実施形態２において、発電時のロスを少なくするために、発電機３２を３相交流発電機とする。

【0049】

その余の事項は、実施形態１または実施形態２に同じ。

【0050】

［実施形態４］
実施形態１から実施形態３において、二次電池１０を複数並列配置（図示せず）することによって、長時間発電を行うことができる。その際、電池セレクタ回路１２は、複数の二次電池１０間の切替も行う。

【0051】

その余の事項は、実施形態１から実施形態３に同じ。

【0052】

なお、本発明は前記各実施形態の他に必要に応じて種々に変更することができる。例えば、遊星歯車機構を固定子の内部に内蔵したが、固定子の外部に設置してもよい。

【産業上の利用可能性】

【0053】

本発明は、ＡＣ１００Ｖ電源が届かない地域、例えば、山中、海浜などにおいて、通常の家庭電化製品を、一定期間作動することができる。

【符号の説明】

【0054】

１ 発電システム
２ 発動機
３ 発電機
３１ 第１の発電機
３２ 第２の発電機
４ カップリング（軸継手）
４１ 第１のカップリング（軸継手）
４２ 第２のカップリング（軸継手）
５ 始動スイッチ
６ 回路スイッチ
７ インバータ（ＤＣ－ＡＣ）
８ インバータ（ＡＣ－ＤＣ）
９ 充電・放電切替回路
１０ 第１の蓄電池（二次電池）
１１ 第２の蓄電池（電気二重層キャパシタ）
１２ 電池セレクタ回路
１３ トランス
１４ 出力端子（ＡＣ１００Ｖ）
５１ 固定子
５４ コイル
５５ 出量軸
５６ 回転子
５９ 永久磁石
６１ 遊星歯車機構
７１ 固定子
７４ コイル
７５ 出量軸
７６ 回転子
７９ 永久磁石
８１ 遊星歯車機構

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】