特許 7255822 発電装置、および、発電システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-04-03

(45)【発行日】2023-04-11

(54)【発明の名称】発電装置、および、発電システム

(51)【国際特許分類】

   H02K 21/14 20060101AFI20230404BHJP

【ＦＩ】

H02K21/14 G

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2022008754

(22)【出願日】2022-01-24

【審査請求日】2022-12-02

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】518304926

【氏名又は名称】宮里 義章

(73)【特許権者】

【識別番号】518304801

【氏名又は名称】ウィンスター株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】507001117

【氏名又は名称】株式会社ビジサー

(74)【代理人】

【識別番号】110000958

【氏名又は名称】弁理士法人インテクト国際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100120237

【弁理士】

【氏名又は名称】石橋 良規

(72)【発明者】

【氏名】パク デェキ

(72)【発明者】

【氏名】ジェオン コンウ

(72)【発明者】

【氏名】宮里 義章

【審査官】安池 一貴

(56)【参考文献】

【文献】中国特許出願公開第１０８６３１５３０（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開平０２－２３７４５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－１９９７２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５４－０８４２０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２７８７２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１５２０５４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｋ ２１／１４

Ｈ０２Ｋ １／２７１３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

円筒面を有する回転子の回転軸の方向で対となる磁極を有する永久磁石と、
前記回転軸から外側に向かう少なくとも１つの放射軸の周りに導線を巻回させたコイルと、
を備え、
前記回転子において、前記回転軸に対して放射状に、かつ、円周方向に沿って、互いに所定の間隔で、前記回転軸の方向に形成された各磁石孔に前記永久磁石が挿入され、
前記放射軸の方向に突出するティースであって、前記ティースの板状部の長辺が前記回転軸の方向に伸び、
前記コイルが、少なくとも１つの前記ティースに前記導線を巻回させて、前記回転軸の方向に伸びて形成されたことを特徴とする発電装置。

【請求項2】

請求項１に記載の発電装置において、
前記回転軸の方向における一方の側で、前記複数の前記永久磁石の磁極が、同じ磁極であることを特徴とする発電装置。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の発電装置において、
前記永久磁石が、１つの前記磁石孔内に、複数の永久磁石を同じ磁極を対向させて挿入させて形成されたことを特徴とする発電装置。

【請求項4】

発電装置と前記発電装置の回転を制御する回転制御装置とを備えた発電システムにおいて、
前記発電装置が、
円筒面を有する回転子の回転軸の方向で対となる磁極を有する永久磁石と、前記回転軸から外側に向かう少なくとも１つの放射軸の周りに導線を巻回させたコイルと、を有し、前記回転子において、前記回転軸に対して放射状に、かつ、円周方向に沿って、互いに所定の間隔で、前記回転軸の方向に形成された各磁石孔に前記永久磁石が挿入され、前記放射軸の方向に突出するティースであって、前記ティースの板状部の長辺が前記回転軸の方向に伸び、前記コイルが、少なくとも１つの前記ティースに前記導線を巻回させて、前記回転軸の方向に伸びて形成され、
前記回転制御装置が、前記回転軸を介して前記発電装置の回転を制御することを特徴とする発電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、発電装置、および、発電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

永久磁石を用いた発電装置として、例えば、特許文献１には、基台に固定された外側円筒と、外側円筒の内面に円周方向に設けられた複数の空芯コイルと、外側ヨークと、を備える固定子と、基台に設けられた軸受けに、外側円筒と同心且つ回転自在に軸支された中心軸と、中心軸に貫通されて固定された内側円筒と、内側円筒の外周面に、磁極の方向が円筒の直径方向に沿い、隣接する磁石と相互に反対に向くように着磁された複数の磁石と、内側円筒の内側に設けられた内側ヨークと、を備える回転子とを備え、磁石の数が４以上の偶数であって、コイルの数が磁石の数より１多いか又は１少ない円筒型永久磁石発電機が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１９－２１６５３１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上記従来技術では、回転による大きな磁束の変化を生じさせるために、回転方向に交互にＮ極とＳ極となるように、永久磁石が配置されている。そのため、回転子を回すためには高トルクが必要で、風力発電における弱風のときのように入力の機械的エネルギーが弱い場合は、回転が止まってしまい、効率よく発電することができなかった。

【0005】

そこで、本発明は上記の問題点等に鑑みて為されたもので、その課題の一例は、弱い入力の機械的エネルギーでも、効率よく発電する発電装置等を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、円筒面を有する回転子の回転軸の方向で対となる磁極を有する永久磁石と、前記回転軸から外側に向かう少なくとも１つの放射軸の周りに導線を巻回させたコイルと、を備え、前記回転子において、前記回転軸に対して放射状に、かつ、円周方向に沿って、互いに所定の間隔で、前記回転軸の方向に形成された各磁石孔に前記永久磁石が挿入され、前記放射軸の方向に突出するティースであって、前記ティースの板状部の長辺が前記回転軸の方向に伸び、前記コイルが、少なくとも１つの前記ティースに前記導線を巻回させて、前記回転軸の方向に伸びて形成されたことを特徴とする。

【0007】

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発電装置において、前記回転軸の方向における一方の側で、前記複数の前記永久磁石の磁極が、同じ磁極であることを特徴とする。

【0008】

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の発電装置において、前記永久磁石が、１つの前記磁石孔内に、複数の永久磁石を同じ磁極を対向させて挿入させて形成されたことを特徴とする。

【0010】

また、請求項４に記載の発明は、発電装置と前記発電装置の回転を制御する回転制御装置とを備えた発電システムにおいて、前記発電装置が、円筒面を有する回転子の回転軸の方向で対となる磁極を有する永久磁石と、前記回転軸から外側に向かう少なくとも１つの放射軸の周りに導線を巻回させたコイルと、を有し、前記回転子において、前記回転軸に対して放射状に、かつ、円周方向に沿って、互いに所定の間隔で、前記回転軸の方向に形成された各磁石孔に前記永久磁石が挿入され、前記放射軸の方向に突出するティースであって、前記ティースの板状部の長辺が前記回転軸の方向に伸び、前記コイルが、少なくとも１つの前記ティースに前記導線を巻回させて、前記回転軸の方向に伸びて形成され、前記回転制御装置が、前記回転軸を介して前記発電装置の回転を制御することを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、回転軸の方向で対となる磁極を有する永久磁石と、回転軸から外側に向かう放射軸の周りに導線を巻回させたコイルと、を備えた発電装置であって、複数の永久磁石が、回転軸に対して放射状に、かつ、円周方向に沿って、互いに所定の間隔で配置されたことにより、複数の永久磁石が、回転軸の方向で対となる磁極を有するため、回転軸から外側に向かう放射軸の方向で対になる磁極を有する永久磁石を配置した場合に比べ、弱い入力の機械的エネルギーでも滑らかに回転して、弱い入力の機械的エネルギーを電気エネルギーに変換できるように効率よく発電できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1A】本発明の実施形態に係る発電装置の概要構成例を示す正面図である。

【図1B】本発明の実施形態に係る発電装置の概要構成例を示す斜視図である。

【図2】図１Ｂの回転子の一例を示す斜視図である。

【図3A】図１Ｂの回転子の一例を示す正面図である。

【図3B】図１Ｂの回転子の一例を示す平面図である。

【図3C】図１Ｂの回転子の一例を示す断面図である。

【図4A】回転子の構成部品の一例を示す正面図である。

【図4B】回転子の構成部品の一例を示す平面図である。

【図4C】回転子の構成部品の一例を示す断面図である。

【図5】永久磁石の一例を示す模式図である。

【図6】図５の永久磁石を装着した回転子の一例を示す平面構成図である。

【図7】図１Ｂの回転子における永久磁石の磁極の向きの一例を示す斜視図である。

【図8】固定子の構成部品の一例を示す正面図である。

【図9A】固定子におけるコイルの一例を示す模式図である。

【図9B】永久磁石とコイルとの位置関係を示す模式図である。

【図9C】コイルと放射軸との位置関係を示す模式図である。

【図10】発電システムの概要構成例を示すブロック図である。

【図11】図１０の制御装置の一例を示すブロック図である。

【図12】発電システムの動作例を示すフローチャートである。

【図13A】回転子における永久磁石の配置の変形例を示す斜視図である。

【図13B】永久磁石の配置の変形例を示す斜視図である。

【図14A】回転子における永久磁石の配置の変形例を示す斜視図である。

【図14B】回転子における永久磁石の配置の変形例を示す斜視図である。

【図14C】回転子における永久磁石の配置の変形例を示す斜視図である。

【図15】回転子における永久磁石の配置の変形例を示す斜視図である。

【図16】回転子における永久磁石の配置の変形例を示す斜視図である。

【図17A】本発明の実施形態に係る発電装置の変形例を示す正面図である。

【図17B】本発明の実施形態に係る発電装置の変形例示す斜視図である。

【図18】固定子におけるコイルの一例を示す模式図である。

【図19】回転数と電力との関係の一例を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、発電装置に対して本発明を適用した場合の実施形態である。

【0014】

［１．発電装置等の構成および機能概要］
（１．１ 発電装置の構成および機能）

【0015】

まず、本発明の一実施形態に係る発電装置の構成および概要機能について、図１Ａよび図１Ｂを用いて説明する。

【0016】

図１Ａおよび図１Ｂに示すように、発電装置１０は、回転子１１と、固定子１５とを有する。

【0017】

回転子１１は、回転子１１は、シャフトＳｆに固定され、シャフトＳｆの回転と共に回転する。回転子１１には、複数の永久磁石ｍが、シャフトＳｆの回転軸に対して放射状に、かつ、円周方向に沿って、互いに所定の間隔で配置されている。

【0018】

図１Ｂに示すように、永久磁石ｍは、回転軸ｒ１の回転軸方向で対となる磁極を有している。例えば、発電装置１０の回転軸ｒ１の方向におけるＡ側が、すなわち、棒状の永久磁石ｍの端面ｍ１がＮ極、発電装置１０の回転軸ｒ１の方向におけるＢ側が、すなわち、棒状の永久磁石ｍの端面ｍ２がＳ極となる。

【0019】

また、回転軸ｒ１の方向における一方の側で、複数の永久磁石ｍの磁極が、同じ磁極である。例えば、発電装置１０の回転軸ｒ１の方向におけるＡ側の全ての永久磁石ｍの端面ｍ１がＮ極、発電装置１０の回転軸ｒ１の方向におけるＢ側の全ての永久磁石ｍの端面ｍ２がＳ極となる。

【0020】

複数の永久磁石ｍが、回転軸ｒ１に対して放射状に、かつ、円周方向に沿って、互いに所定の間隔で配置されている。例えば、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、１８個の棒状の永久磁石ｍが、永久磁石ｍの長軸方向が回転軸ｒ１に平行で、回転軸ｒ１に対して放射状に、かつ、円周方向に沿って、互いに所定の間隔で配置されている。

【0021】

固定子１５は、シャフトＳｆの回転軸ｒ１に向かう方向にＴ字状に突出した複数のティースＴと、ティースＴに巻かれたコイルＣとを有する。

【0022】

ティースＴは、放射軸ｒ２の方向に突出している。ティースＴの先端部と回転子１１の円筒面とは、所定のギャップを有する。

【0023】

コイルＣは、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、回転軸ｒ１から外側に向かう少なくとも１つの放射軸ｒ２の周りに導線を巻回させて形成される。コイルＣは、回転方向にＵ相用のコイル、Ｖ相用のコイル、Ｗ相用のコイルの順に形成される。ティースＴは、回転軸ｒ１の方向に伸びて形成され、図１Ｂに示すように、コイルＣは、回転軸ｒ１の方向に伸びたループ形状となる。

【0024】

発電装置１０は、三相交流の電力を発電する。なお、発電装置１０は、２相交流を生成するように、コイルＣが形成されてもよい。

【0025】

永久磁石ｍとコイルＣとは、シャフトＳｆの回転軸に対して相対的に回転可能に構成されている。

【0026】

（１．２ 回転子の構成および機能）
次に、回転子の構成および機能について、図２から図７を用いて説明する。

【0027】

図２から図３Ｃに示すように、回転子１１は、永久磁石ｍを挿入する磁石孔１１ａと、回転子板１２を互いに連結するためのボルト孔１１ｂと、シャフトＳｆを通す軸孔１１ｃと、軽量化のためのほぼ扇形の孔１１ｄと、を有する。回転子１１は、回転子板１２がシャフトＳｆの回転軸ｒ１の方向に重ねられて、積層的に形成される。

【0028】

磁石孔１１ａは、回転子１１の外周面付近に形成されている。図３Ａに示すように、回転子１１の外周面と磁石孔１１ａとのギャップｄ２は、磁石孔１１ａに挿入される永久磁石ｍの厚さｄ１より小さい。

【0029】

ボルト孔１１ｂには、ボルトが挿入され、積層された各回転子板１２が固定される。

【0030】

軸孔１１ｃには、シャフトＳｆが挿入され、回転子１１とシャフトＳｆとが固定される。

【0031】

図４Ａに示すように、回転子１１を構成する円形の回転子板１２は、永久磁石ｍを挿入する磁石孔１２ａと、回転子板１２を互いに連結するためのボルト孔１２ｂと、シャフトＳｆの回転軸を通す軸孔１２ｃと、軽量化のための扇形の孔１２ｄと、を有する。

【0032】

なお、磁石孔１１ａに永久磁石ｍが挿入された後、磁石孔１１ａを塞ぐための２枚の蓋部材（図示せず）を、回転子１１の回転軸ｒ１の方向の両側から当ててから、ボルトが挿入され、積層された各回転子板１２が固定される。蓋部材は、回転子板１２と同じ大きさで、ボルト孔１１ｂおよび軸孔１１ｃと同じ位置に孔を有する。

【0033】

磁石孔１２ａは、シャフトＳｆの回転軸に対して放射状に、かつ、円周方向に沿って、等間隔に回転子板１２に形成される。磁石孔１２ａは、回転子板１２の外周付近に、例えば、１８個形成される。磁石孔１２ａの形状は、永久磁石ｍの形状に合わせて形成される。

【0034】

回転子板１２の材質は、軟鉄、ケイ素鋼、アルミニウム等の金属である。回転子板１２の材質は、マグネシウム合金、アルミニウム合金、ステンレス等の合金や強化プラスチックでもよい。特に、回転子板１２の材質は、ケイ素鋼等の電磁鋼が好ましい。蓋部材の材質は、軟鉄、ケイ素鋼、アルミニウム等の金属で、回転子板１２の材質と同じでもよい。回転子板１２の材質は、所定値以上の透磁率を有する材料でもよい。例えば、炭素鋼以上の透磁率を有する材料、軟鉄以上の透磁率を有する材料、ケイ素鋼以上の透磁率を有する材料等が挙げられる。

【0035】

回転子板１２は、図４Ｂの平面図および図４Ｃの断面図に示すように、薄い鉄心板である。回転子板１２の厚さは、例えば、０．１ｍｍから１ｍｍである。図４Ｂに示すように、回転子板１２の厚さは、例えば、０．５ｍｍほどである。なお、回転子１１は、回転子板１２を積層した積層鉄心でなく、金属の塊からの削り出しにより作製された鉄心でもよい。蓋部材の厚さは、回転子板１２の厚さは例えば、０．１ｍｍから１ｍｍである。

【0036】

厚さ０．５ｍｍの回転子板１２を、例えば、６００枚ほど積層して、回転子１１の積層鉄心が形成される。回転子板１２の各孔が合わさるように、回転子板１２が積層され、回転子板１２の磁石孔１２ａから、回転子１１の磁石孔１１ａが形成され、回転子板１２のボルト孔１２ｂから、回転子１１のボルト孔１１ｂが形成され、回転子板１２の軸孔１２ｃから、回転子１１の軸孔１１ｃが形成され、回転子板１２の孔１２ｄら、回転子１１の孔１１ｄが形成される。ボルト孔１１ｂにボルトが挿入されて、回転子板１２の各孔が合わさるように、積層された回転子板１２が固定される。磁石孔１１ａには、棒状の永久磁石ｍが挿入可能である。

【0037】

永久磁石ｍは、例えば、ネオジム磁石、サマリウムコバルト磁石等である。図６に示すように、永久磁石ｍの形状は、例えば、四角柱である。棒状の永久磁石ｍの長さは、例えば、磁石孔１１ａの長さと同じである。永久磁石ｍの端面ｍ１、ｍ２の形状および大きさは、磁石孔１１ａに適合している。永久磁石ｍの端面ｍ１が、Ｎ極を形成し、端面ｍ２が、Ｓ極を形成している。

【0038】

図７に示すように、Ａ側がＮ極、Ｂ側がＳ極になるように、磁石孔１１ａに、永久磁石ｍが挿入される。永久磁石ｍの長手方向が、シャフトＳｆの回転軸ｒ１の方向に設定される。回転子板１２を重ねた積層させて形成された回転子１１の両端に、永久磁石ｍが挿入された磁石孔１１ａの開口部を塞ぐ回転子板を被せて、ボルト孔１１ｃにボルトを通して固定されて、回転子１１が形成される。

【0039】

（１．３ 固定子の構成および機能）
次に、固定子の構成および機能について、図８から図９を用いて説明する。

【0040】

図８に示すように、固定子１５を構成する円形の固定子板１６は、ティースＴを構成するティース部１６ｔと、円環状のヨーク部１６ｙと、回転子１１が挿入される回転子孔１６ａと、固定子板１６を互いに連結するためのボルト孔１６ｂと、を有する。

【0041】

ティース部１６ｔは、ヨーク部１６ｙから半径方向に突出している。ティース部１６ｔは、４８個有する。ティース部１６ｔの個数は、３相数の倍数である。

【0042】

回転子孔１６ａの内径は、回転子１１の外径より大きく、円筒形の回転子１１の表面から所定のギャップを形成する。例えば、ギャップは、０．３［ｍｍ］から２［ｍｍ］である。固定子板１６の厚さは、例えば、０．５ｍｍほどである。

【0043】

固定子板１６の材質は、軟鉄、ケイ素鋼、アルミニウム等の金属である。特に、固定子板１６の材質は、ケイ素鋼等の電磁鋼が好ましい。固定子板１６の材質は、所定値以上の透磁率を有する材料でもよい。例えば、炭素鋼以上の透磁率を有する材料、軟鉄以上の透磁率を有する材料、ケイ素鋼以上の透磁率を有する材料等が挙げられる。固定子板１６の厚さは、例えば、０．１［ｍｍ］から１［ｍｍ］である。

【0044】

厚さ０．５ｍｍの固定子板１６を、例えば、６００枚ほど積層して、固定子１５の積層鉄心が形成される。固定子板１６の各孔が合わさるように、固定子板１６が積層され、固定子板１６のティース部１６ｔが重なって、固定子１５の固定子歯であるティースＴが形成され、固定子板１６の回転子孔１６ａから、固定子１５の回転子孔が形成され、固定子１５のボルト孔１６ｂから、固定子１５のボルト孔が形成される。固定子１５の回転軸ｒ１の方向の長さは、回転子１１の回転軸ｒ１の方向の長さと同じである。

【0045】

固定子１５のボルト孔にボルトが挿入されて、固定子板１６の各孔が合わさるように、積層された固定子板１６が固定され、固定子１５が形成される。なお、固定子１５は、固定子板１６を重ねたものでなく、金属の塊からの削り出しにより作製されたものでもよい。

【0046】

図９Ａおよび図９Ｂに示すように、回転方向にＶ相用のティースＴ、Ｕ相用のティースＴ、Ｗ相用のティースＴの順に形成される。各ティースＴに、エナメル等により表面が絶縁された銅線のコイルＣが所定の巻数で巻かれる。図９Ｂに示すように、１つの放射軸ｒ２が回転軸ｒ１の方向に列を成すようなティースＴに導線が所定の巻数で巻かれて、回転軸ｒ１の方向に延伸したループ状のコイルＣが形成される。回転方向にＶ相用のコイルＣ、Ｕ相用のコイルＣ、Ｗ相用のコイルＣの順に形成される。コイルＣの導線が折り返す端点は、固定子１５の回転軸ｒ１の方向の端点よりも外になる。各相のコイルＣは、デルタ接続またはスター接続されて、各相が出力される。

【0047】

図９Ｃに示すように、ティースＴは、Ｔ字の先端で回転子１１の円筒面に対向する先端部ｔ１と、回転子１１のヨークに連結する板状部ｔ２とを有する。図９Ｃに示すように、ティースＴの板状部ｔ２に対して、コイルＣが所定の巻数で巻かれる。ティースＴの長方形の板状部ｔ２の長辺が回転軸ｒ１の方向に伸び、長方形の短辺が、放射軸ｒ２の方向に伸び回転軸ｒ１に向かう。回転軸ｒ１から放射状に伸びた放射軸ｒ２が、回転軸を一列に並ぶように設定される。一例に並んだ放射軸ｒ２に対して、コイルＣが所定の巻数で巻かれているようになる。

【0048】

なお、ティース部１６ｔの個数、すなわち、隣り合う各ティース部１６ｔとの間の距離に応じて、コイルＣの巻数が可変にしてもよい。隣り合う各ティース部１６ｔとの間の距離が離れるほど、コイルＣの巻数を増加させる。コイルＣのティースＴに対する巻き方は、図９Ａおよび図９Ｂに示すように、集中巻きの他に、同心巻き、重ね巻き、波巻きのような分布巻きでもよい。また、回転子１１が固定され、固定子１５が回転してもよい。

【0049】

［２．発電システムの構成、機能概要および動作］
（２．１ 発電システムの構成、機能概要）
次に、発電装置１０を用いた発電システム１について図１０から図１１を用いて説明する。

【0050】

図１０に示すように、発電システム１は、発電装置１０と、発電装置１０の回転を制御する回転制御装置２０と、発電システム１を制御する制御装置３０と、発電装置１０が発電した電気を蓄える電源装置４０と、を備える。発電装置１０と、回転制御装置２０とは、シャフトＳｆの回転軸により直列に接続している。なお、回転の機械的エネルギーの入力は、シャフトＳｆの回転軸におけるＡ側、回転制御装置２０が接続されたＢ側でもよい。また、発電装置１０は複数台、シャフトＳｆの回転軸の方向に連結されてもよい。シャフトＳｆの回転軸は、軸受部により回転可能に支持されている。

【0051】

回転制御装置２０は、シャフトＳｆの回転軸を回転させるモータを有する。回転制御装置２０は、電源装置４０からの電力の供給を受けて、シャフトＳｆの回転軸を介して、発電装置１０と連動して発電装置１０の回転を制御する。例えば、発電装置１０の回転を抑制する場合、回転制御装置２０は、シャフトＳｆの回転軸の回転と逆回転にトルクを加える。発電装置１０の回転を加速する場合、回転制御装置２０は、シャフトＳｆの回転軸の回転と順回転にトルクを加える。

【0052】

回転制御装置２０のモータは、直流モータでも、交流モータでもよい。

【0053】

なお、回転制御装置２０は、発電装置１０の回転速度が所定の範囲内に維持できるように、発電装置１０の回転を制御してもよい。入力の機械的エネルギーが弱く、発電装置１０の回転速度が下がってきた場合、回転制御装置２０は、順回転にトルクを加える。入力の機械的エネルギーが強く、発電装置１０の回転速度が上がってきた場合、回転制御装置２０は、逆回転にトルクを加える。

【0054】

なお、回転制御装置２０は、発電装置１０の回転を抑制する場合、発生する回生エネルギーを、電源装置４０に供給してもよい。回転制御装置２０は、発電装置１０の回転を抑制する場合、機械的なブレーキ等の制動装置でもよい。

【0055】

制御装置３０は、図１１に示すように、センサ部３１と、回転制御装置２０のモータを駆動する電力を供給するドライバ部３２と、記憶部３３と、制御装置３０の各部を制御する制御部３４と、を有する。

【0056】

センサ部３１は、発電装置１０、回転制御装置２０、および、電源装置４０の状態を検知する各種センサを有する。センサ部３１は、発電装置１０の回転速度、回転数、起電力、電流等を検知する。また、センサ部３１は、回転制御装置２０の回生エネルギーを検知する。例えば、ホール素子等の磁気センサにより、回転子１１の回転位置を検出する。

【0057】

ドライバ部３２は、回転制御装置２０のモータに流す電流量、タイミング、回転の方向等を制御する。

【0058】

記憶部３３は、例えば、ハードディスクドライブ、シリコンディスク等により構成されている。また、記憶部３３には、オペレーティングシステムおよび制御プログラム等の各種プログラムが記憶されていてもよい。なお、各種プログラムは、例えば、他のサーバ等からネットワークを介して取得されるようにしてもよいし、記録媒体に記録されてドライブ装置を介して読み込まれるようにしてもよい。

【0059】

制御部３４は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）とを有するコンピュータである。制御部３４は、記憶部３３から読み込んだプログラムに従い、発電システム１を制御する。なお、制御部３４は、トランジスタ、ＩＣ（Integrated Circuit)）等の素子の電子回路により構成されてもよい。

【0060】

電源装置４０は、発電装置１０が発電した電力を蓄える電池部と、直流を交流に変換するインバータと、交流を直流に変換するコンバータと、を有する。電池部は、鉛蓄電池、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、リチウム・硫黄電池等の２次電池である。電源装置４０は、回転制御装置２０の回生エネルギーを蓄えてもよい。

【0061】

回転制御装置２０のモータが、直流モータの場合、電源装置４０の電池部から、電力の供給を受ける。回転制御装置２０のモータが、交流モータの場合、電源装置４０のインバータを介して、電源装置４０の電池部から電力の供給を受ける。

【0062】

（２．２ 発電システムの動作）
次に、本発明の１実施形態に係る発電システムの動作について図を用いて説明する。

【0063】

図１２は、発電システム１の動作例を示すフローチャートである。

【0064】

先ず、発電システム１は、風力、水力等による回転の機械的エネルギーの入力を受け付ける。なお、回転制御装置２０のモータにより、発電装置１０の回転子１１を回転させてもよい。その際、制御装置３０が、電源装置４０を制御して、電源装置４０から電力を回転制御装置２０に供給する。

【0065】

回転子１１が回転して、固定子１５の特定のコイルＣに、回転子１１の永久磁石ｍが近づくと、回転軸ｒ１の方向におけるティースＴの一方（Ａ側）の端点に、永久磁石ｍの端面ｍ１のＮ極が近づき、回転軸ｒ１の方向におけるティースＴの他方（Ｂ側）の端点に、永久磁石ｍの端面ｍ２のＳ極が近づく。そうすると、端面ｍ１のＮ極からの磁束が、ティースＴのＡ側の端点付近から入り、ティースＴ内を通って、ティースＴのＢ側の端点付近から出て行く、磁気回路が形成されると想定される。回転軸ｒ１の方向にループが伸びたコイルＣ内において、回転軸ｒ１の方向に磁束が生じると想定される。

【0066】

回転子１１が回転して、固定子１５の特定のコイルＣから、回転子１１の永久磁石ｍが離れると、ティースＴ内を通る磁束が減少し、コイルＣ内を通る磁束も減少すると想定される。

【0067】

さらに、回転子１１が回転して、回転子１１の隣の永久磁石ｍが近づくと、端面ｍ１のＮ極からの磁束が、ティースＴのＡ側の端点付近から入り、ティースＴ内を通って、ティースＴのＢ側の端点付近から出て行く、再び磁気回路が形成されると想定される。

【0068】

このように、コイルＣの軸方向、すなわち、コイルＣの放射軸ｒ２の方向の磁束の変化が多くなくなる。従って、コッキング現象が発生しにくい。なお、コイルＣの軸方向にコイルＣ内を貫く磁束に変化が生じている可能性もある。

【0069】

各Ｖ相用のコイル、各Ｕ相用のコイル、各Ｗ相用のコイルに誘導起電力が発生し、相毎に、電流が集められ、電源装置４０のコンバータに出力される。電源装置４０は、電池部に電力を蓄えて行く。なお、発電システム１の外部に３相交流で出力してもよいし、電源装置４０のコンバータから直流を出力してもよい。

【0070】

発電中は、図１２に示すように、発電システム１は、回転速度を検知する（ステップＳ１）。具体的には、センサ部３１が、発電装置１０の回転子１１の回転速度の情報を検知する。制御装置３０の制御部３４が、センサ部３１からの回転速度の情報を取得する。なお、センサ部３１は、起電力、電力等を測定してもよい。

【0071】

次に、発電システム１は、回転速度が第１所定値以上か否かを判定する（ステップＳ２）。具体的には、制御装置３０の制御部３４が、回転子１１の回転速度と第１所定値とを比較して、第１所定値以上か否かを判定する。ここで、第１所定値は、発電装置１０の機械的限界の回転速度、発電装置１０の効率が低下する回転速度等に設定される。また、電源装置４０の充電率に合わせて、第１所定値を可変にしてもよい。例えば、制御部３４が、電源装置４０の電池部の充電率が増えてきたら、第１所定値を下げる。

【0072】

制御装置３０の制御部３４が、コイルＣに発生する電力、最高の起電力等を検出し、第１所定値以上か否かを判定してもよい。

【0073】

回転速度が第１所定値以上でない場合（ステップＳ２；ＮＯ）、発電システム１は、回転速度が第２所定値以下か否かを判定する（ステップＳ３）。具体的には、制御装置３０の制御部３４が、回転子１１の回転速度と第２所定値とを比較して、第２所定値以下か否かを判定する。ここで、第２所定値は、コッキング現象が発生しにくい回転速度、発電装置１０の効率が低下する回転速度等に設定される。

【0074】

制御装置３０の制御部３４が、コイルＣに発生する電力、最高の起電力等を検出し、第２所定値以上か否かを判定してもよい。

【0075】

回転速度が第１所定値以上の場合（ステップＳ２；ＹＥＳ）、発電システム１は、逆回転方向にトルクを加える（ステップＳ４）。具体的には、制御装置３０の制御部３４が、ドライバ部３２から供給する電流を制御して、回転制御装置２０のモータがシャフトＳｆの回転軸に逆回転方向にトルクを加えるように、回転制御装置２０を制御する。ドライバ部３２が、回転制御装置２０が逆回転方向のトルクを発生する電流を供給する。回転制御装置２０がシャフトＳｆの回転軸に、逆回転方向のトルクを加える。なお、コイルＣに発生する電力、最高の起電力等が、第１所定値以上の場合、回転制御装置２０がシャフトＳｆの回転軸に、逆回転方向のトルクを加えてもよい。

【0076】

回転速度が第２所定値以下の場合（ステップＳ３；ＹＥＳ）、発電システム１は、回転方向にトルクを加える（ステップＳ５）。具体的には、制御装置３０の制御部３４が、ドライバ部３２から供給する電流を制御して、回転制御装置２０のモータがシャフトＳｆの回転軸に回転方向にトルクを加えるように、回転制御装置２０を制御する。ドライバ部３２が、回転制御装置２０が回転方向のトルクを発生する電流を供給する。回転制御装置２０がシャフトＳｆの回転軸に、回転方向のトルクを加える。なお、コイルＣに発生する電力、最高の起電力等が、第２所定値以下の場合、回転制御装置２０がシャフトＳｆの回転軸に、回転方向のトルクを加えてもよい。

【0077】

次に、発電システム１は、終了か否かを判定する（ステップＳ６）。具体的には、制御装置３０の電源、終了の信号を受け付け等した場合、制御装置３０の制御部３４が、制御の動作を停止する。また、制御装置３０は、回転の機械的エネルギーの入力を遮断してもよい。所定時間、回転の機械的エネルギーの入力がない場合、発電システム１を止めてもよい。

【0078】

終了でない場合（ステップＳ６；ＮＯ）、発電システム１は、ステップＳ１の処理に戻る。

【0079】

風力発電の場合、風が弱くなり、回転速度が減少すると、発電システム１は、シャフトＳｆの回転軸に、回転方向のトルクを加えて回転速度を維持する。風が強くなりすぎると、発電システム１は、シャフトＳｆの回転軸に、逆回転方向のトルクを加え減速させ、回転速度がオーバしないようにする。これにより、発電システム１は、安定して回転して、安定した発電を行う。

【0080】

終了である場合（ステップＳ６；ＹＥＳ）、発電システム１の動作を終了する。

【0081】

以上、本実施形態によれば、回転軸ｒ１の方向で対となる磁極を有する永久磁石ｍと、シャフトＳｆの回転軸ｒ１から外側に向かう放射軸ｒ２の周りに導線を巻回させたコイルＣと、を備えた発電装置１０であって、複数の永久磁石ｍが、回転軸にｒ１対して放射状に、かつ、円周方向に沿って、互いに所定の間隔で配置されたことにより、複数の永久磁石ｍが、回転軸ｒ１の方向で対となる磁極を有するため、回転軸ｒ１から外側に向かう放射軸ｒ２の方向で対になる磁極を有する永久磁石ｍを配置した場合に比べ、弱い入力の機械的エネルギーでも滑らかに回転して、弱い入力の機械的エネルギーを電気エネルギーに変換できるように効率よく発電できる。

【0082】

回転軸ｒ１の方向における一方の側で、複数の永久磁石ｍの磁極が、同じ磁極である場合、回転による磁界の変化が弱くなり、弱い入力の機械的エネルギーでも滑らかに回転して、弱い入力の機械的エネルギーを電気エネルギーに変換できるように効率よく発電できる。

【0083】

永久磁石ｍが、回転軸ｒ１の方向に形成された磁石孔１１ａに、複数の永久磁石ｍを同じ磁極を対向させて挿入させて形成された場合、回転による磁界の変化を少し高めることができる。

【0084】

放射軸ｒ２の方向に突出するティースＴであって、ティースＴの板状部ｔ２の長辺が回転軸ｒ１の方向に伸び、コイルＣが、少なくとも１つのティースＴに導線を巻回させて、回転軸ｒ１の方向に伸びて形成された場合、コイルＣ内の磁束の磁気回路が形成されやすくなる。そのため、回転による磁界を大きく変化させることができ、特に固定子側の磁界を大きくすることで固定子１５に巻かられたコイルＣにより多くの電流を発せさせることができる。

【0085】

また、回転子１１が、回転子板１２により、積層的に形成される場合、放熱性、および、耐久性をより向上させることができる。特に、熱伝導が高い金属等の場合、放熱性がより向上する。

【0086】

また、固定子１５が、固定子板１６により、積層的に形成される場合、放熱性、および、耐久性をより向上させることができる。

【0087】

シャフトＳｆの回転軸の回転速度が、第１所定値以上の場合、回転制御装置２０が、回転軸を介してシャフトＳｆの回転軸の回転速度を減速し、シャフトＳｆの回転軸の回転速度が、第２所定値以下の場合、回転制御装置２０が、シャフトＳｆの回転軸を介してシャフトＳｆの回転軸の回転速度を加速する場合、回転制御装置２０モータの限界回転速度内で、上記のように加速または減速することで電力の供給量を調節することができる。

【0088】

また、シャフトＳｆの回転軸に対して、複数の発電装置１０を有することで、発電量を増加させることができる。

【0089】

（変形例）
次に、回転子および固定子の変形例について、図１３Ａから図１８を用いて説明する。

【0090】

図１３Ａおよび図１３Ｂをも用いて、回転子における永久磁石の配置の変形例を説明する。

【0091】

図１３Ａおよび図１３Ｂに示すように、回転子１１Ａの磁石孔１１ａに、複数の棒状の永久磁石ｍが、同磁極が向き合うように挿入されてもよい。例えば、Ｓ極同士が向き合うように、２つの永久磁石ｍの端面ｍ２同士を向き合わせ、１つの磁石孔１１ａに複数の永久磁石が挿入される。なお、磁石孔１１ａを塞ぐための２枚の蓋部材の図示は、省略されている。また、Ｎ極同士が向き合い、Ｓ極のｍ２が外側になるように、永久磁石ｍを配置してもよい。

【0092】

磁石孔１１ａと回転子１１Ａの円筒面との距離が、強力な永久磁石ｍの大きさに対して十分短いので、２つの永久磁石ｍの向かい合った、回転子１１Ａの円筒面の表面付近から、磁束が漏れ出ることが想定される。回転子１１Ａの外側、つまり固定子側に磁束を大きく出すことで、固定子１５に巻かれたコイルＣにより大きな電流を流すことができる。

【0093】

図１４Ａに示すように、回転子１１Ｂの磁石孔１１ａにおいて、同磁極同士が向き合っていればよく、複数の永久磁石ｍの長さがそれぞれ異なってもよい。なお、複数の永久磁石ｍを合わせた永久磁石の長さは、磁石孔１１ａの長さになればよいので、磁石孔１１ａ毎に、複数の永久磁石ｍの長さの組み合わせが異なってもよい。

【0094】

図１４Ｂに示すように、１つの磁石孔１１ａに対して、４つの永久磁石ｍが、同じ磁極が向き合うように、挿入されてもよい。回転子１１の回転軸ｒ１の方向における両側が、同じ磁極になる。

【0095】

図１４Ｃに示すように、回転子１１Ｄの１つの磁石孔１１ａに対して、３つの永久磁石ｍが、同じ磁極が向き合うように、挿入されてもよい。この場合、回転子１１Ｄの回転軸ｒ１の方向における両側において、異なる磁極になる。

【0096】

図１５に示すように、回転子１１Ｅの回転軸ｒ１の方向における両側において、円周方向で順に交互に異なる磁極が配列するように、永久磁石ｍが配置されてもよい。なお、永久磁石ｍが、回転子１１Ｅに外側からはめ込むようにされてもよい。

【0097】

図１６に示すように、回転子１１Ｅの回転軸ｒ１の方向における両側が、同じ磁極になるように、回転子１１Ｆの円筒面に永久磁石ｍが設置されてもよい。

【0098】

次に、発電装置の変形例について、図１７Ａおよび図１７Ｂを用いて説明する。

【0099】

図１７Ａおよび図１７Ｂに示すように、発電装置１０Ａは、永久磁石ｍを有する鉄心１７が外側で、コイルを有する鉄心１８が内側でもよい。なお、鉄心１７が固定子および鉄心１８が回転子、または、鉄心１７が回転子および鉄心１８が固定子でもよい。

【0100】

鉄心１７は、磁石孔１７ａを有する。磁石孔１７ａは、鉄心１７内周面付近に形成される。図１７Ａに示すように、鉄心１７の内周面と磁石孔１７ａとのギャップは、磁石孔１７ａに挿入される永久磁石ｍの厚さより小さい。

【0101】

図１７Ｂに示すように、Ａ側がＮ極、Ｂ側がＳ極になるように、磁石孔１７ａに、永久磁石ｍが挿入される。永久磁石ｍの長手方向が、回転軸ｒ１の方向に設定される。

【0102】

鉄心１８は、積層鉄心で、鉄心１８は、シャフトの回転軸から放射状にＴ字状に突出した複数の歯１８ｔと、歯１８ｔに巻かれたコイル（図示せず）とを有する。コイルは、回転軸ｒ１の方向に伸びたループ形状となる。

【0103】

次に、コイルＣの巻き方の変形例について、図１８を用いて説明する。

【0104】

図１８に示すように、固定子１５Ａの３つのティースＴに対して、表面が絶縁された銅線のコイルＣが所定の巻数で巻かれる、分布巻きでもよい。

【0105】

凹部ｐ、凹部ｑおよび凹部ｒが順に設定された場合、Ｕ相のコイルＣは、第１の凹部ｐと次の第２の凹部ｐとを通すように巻かれる。第２の凹部ｐと次の第３の凹部ｐとを通すように、コイルＣは巻かれない。第３の凹部ｐと次の第４の凹部ｐとを通すように、コイルＣが巻かれる。

【0106】

Ｖ相のコイルＣは、第１の凹部ｐから２つ隣の第１の凹部ｒと次の第２の凹部ｒとを通すように巻かれる。Ｗ相のコイルＣは、第１の凹部ｒから２つ隣の第１の凹部ｑと次の第２の凹部ｑとを通すように巻かれる。

【0107】

（測定結果）
次に、電力の測定例について、図１９を用いて説明する。なお、安定した低速度を実現するために、回転制御装置２０のモータと発電装置１０との間に、減速ギア（図示せず）が挿入された。また、測定に用いた発電装置１０は、回転子１１Ｂおよび固定子１５Ａの組み合わせである。

【0108】

図１９において、横軸が回転数［ｒｐｍ］で、縦軸が、実効値の電力［ｗ］である。
図１９に示すように、回転数に対して、ほぼ比例して、電力が出力され、低速の回転でも十分な電力が得られた。また、発電装置１０は、低速でも滑らかに回転した。

【0109】

なお、本発明は、本発明の各実施の形態で説明した発明の本旨を逸しない範囲で自由に設計変更可能であり、本発明の各実施の形態で説明した内容に限定されるものではない。

【符号の説明】

【0110】

１０：発電装置
１１：回転子
１５：固定子
Ｃ：コイル
ｍ：永久磁石
Ｓｆ：シャフト
ｒ１：回転軸
ｒ２：放射軸

【要約】      （修正有）

【課題】弱い入力の機械的エネルギーでも、効率よく発電する発電装置を提供する。
【解決手段】発電装置１０は、回転軸ｒ１の方向で対となる磁極を有する永久磁石ｍと、回転軸ｒ１から外側に向かう少なくとも１つの放射軸ｒ２の周りに導線を巻回させたコイルＣと、を備え、複数の永久磁石ｍが、回転軸ｒ１に対して放射状に、かつ、円周方向に沿って、互いに所定の間隔で配置される。
【選択図】図１Ｂ

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【図9C】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13A】

【図13B】

【図14A】

【図14B】

【図14C】

【図15】

【図16】

【図17A】

【図17B】

【図18】

【図19】