(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-09-05
(45)【発行日】2023-09-13
(54)【発明の名称】発電システム
(51)【国際特許分類】
H02N 99/00 20060101AFI20230906BHJP
【FI】
H02N99/00
(21)【出願番号】P 2021572743
(86)(22)【出願日】2021-01-19
(86)【国際出願番号】 JP2021001695
(87)【国際公開番号】W WO2021149685
(87)【国際公開日】2021-07-29
【審査請求日】2021-10-13
【審判番号】
【審判請求日】2023-01-10
(31)【優先権主張番号】P 2020007877
(32)【優先日】2020-01-21
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【早期審理対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】501325428
【氏名又は名称】奥野 猪一
(74)【代理人】
【識別番号】100095407
【氏名又は名称】木村 満
(74)【代理人】
【識別番号】100083068
【氏名又は名称】竹中 一宣
(74)【代理人】
【識別番号】100165489
【氏名又は名称】榊原 靖
(74)【代理人】
【識別番号】100181593
【氏名又は名称】庄野 寿晃
(72)【発明者】
【氏名】奥野 猪一
【合議体】
【審判長】窪田 治彦
【審判官】柿崎 拓
【審判官】五十嵐 康弘
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H02N99/00
H02N11/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
発電機と、
進行方向に励磁電流を一次コイル励磁に供給する制御を実行する制御部と、
を備えた発電システムであって、
前記発電機は、
同極を対向して配置された複数の永久磁石と、
一端部が前記永久磁石のS極近傍に配置され、前記永久磁石のN極からS極に向かう方向に垂直な方向に延びる第1のヨークと、
一端部が前記永久磁石のN極近傍に配置され、前記第1のヨークと離間して平行に配置された第2のヨークと、
前記第1のヨークと前記第2のヨークとの間に配置され、励磁電流が流されると、鎖交磁束を発生する、前記永久磁石のN極からS極に向かう方向に平行な方向に延びる方向を軸として巻き付けられた一次コイル励磁と、
前記一次コイル励磁により発生した前記鎖交磁
束により、進行方向に電流が流れる、前記永久磁石のN極からS極に向かう方向に平行な方向に延びる方向を軸として巻き付けられた二次コイル発電と、
第1の筒状部と、第2の筒状部と、前記第1の筒状部と前記第2の筒状部とを接続する接続部と、を有し、S字状の形状に形成された電起子コアと、を備え、
前記一次コイル励磁は、前記第1の筒状部に巻き付けられ、前記二次コイル発電は、前記第2の筒状部に巻き付けられ
、
前記第1のヨークと前記二次コイル発電との間と、前記第2のヨークと前記一次コイル励磁との間と、にそれぞれ配置された補助コイルを備え、
それぞれの補助コイルは、直列に接続され、
前記一次コイル励磁に励磁電流が流されると、鎖交磁束を発生し、
前記二次コイル発電は、前記一次コイル励磁により発生した前記鎖交磁束により、電流が流れ、
前記制御部は、励磁電流を前記一次コイル励磁に供給するタイミングで、前記一次コイル励磁により発生する磁束と同じ向きに前記補助コイルが磁束を発生するように、前記補助コイルに電流が流れるように制御する、
ことを特徴とする発電
システム。
【請求項2】
前記第1のヨークと前記第2のヨークとが放射状に複数配置されている、
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】
前記一次コイル励磁は、前記第2のヨークに接近し、前記第1のヨークから離れた位置に配置され、
前記二次コイル発電は、前記第1のヨークに接近し、前記第2のヨークから離れた位置に配置されている、
ことを特徴とする請求項
1または
2に記載の発電
システム。
【請求項4】
前記制御部は、励磁電流を前記一次コイル励磁に供給しないタイミングで、前記一次コイル励磁により発生する磁束と逆向きに補助コイルが磁束を発生するように、前記補助コイルに電流が流れるように制御する、
ことを特徴とする請求項
1から3の何れか1項に記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、発電システムに関する。
【背景技術】
【0002】
コイルから構成される固定子と磁極を有する回転子とを備える発電機が知られている。この発電機は、外から加えられた力で回転子が回転することにより、コイルに加わる磁束を変動させることで発電する。また、磁極を有する固定子とコイルから構成される回転子とを備える発電機も知られている。この発電機も同様に外から加えられた力で回転子が回転することで発電する。回転子を回転させる力としては、火力による蒸気の力、水力および風力などが上げられる。
【0003】
引用文献1は、電機子巻線群を有する固定子と、永久磁石による界磁極を有する回転子と、制御電流が供給され、永久磁石からの磁束の磁路形成部の磁気抵抗を変化させる制御巻線群と、制御巻線群に流れる制御電流を制御することによって、電機子巻線群に誘起される電圧を制御する制御回路とを備える永久磁石回転電機を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
引用文献1の永久磁石回転電機は、回転子を回転させるために外から力を加える必要がある。永久磁石回転電機は、回転子に加える力を得るため、石炭、石油またはガスなどの熱エネルギーを必要とする。石炭、石油またはガスなどの熱エネルギーを使用するとコストがかかるという問題があり、熱エネルギーを使用しないで発電することが求められている。
【0006】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、熱エネルギーを使用しなくても発電する発電システム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】
【0017】
目的を達成するため、本発明に係る発電システムは、
発電機と、
進行方向に励磁電流を一次コイル励磁に供給する制御を実行する制御部と、
を備えた発電システムであって、
前記発電機は、
同極を対向して配置された複数の永久磁石と、
一端部が前記永久磁石のS極近傍に配置され、前記永久磁石のN極からS極に向かう方向に垂直な方向に延びる第1のヨークと、
一端部が前記永久磁石のN極近傍に配置され、前記第1のヨークと離間して平行に配置された第2のヨークと、
前記第1のヨークと前記第2のヨークとの間に配置され、励磁電流が流されると、鎖交磁束を発生する、前記永久磁石のN極からS極に向かう方向に平行な方向に延びる方向を軸として巻き付けられた一次コイル励磁と、
前記一次コイル励磁により発生した前記鎖交磁束により、進行方向に電流が流れる、前記永久磁石のN極からS極に向かう方向に平行な方向に延びる方向を軸として巻き付けられた二次コイル発電と、
第1の筒状部と、第2の筒状部と、前記第1の筒状部と前記第2の筒状部とを接続する接続部と、を有し、S字状の形状に形成された電起子コアと、を備え、
前記一次コイル励磁は、前記第1の筒状部に巻き付けられ、前記二次コイル発電は、前記第2の筒状部に巻き付けられ、
前記第1のヨークと前記二次コイル発電との間と、前記第2のヨークと前記一次コイル励磁との間と、にそれぞれ配置された補助コイルを備え、
それぞれの補助コイルは、直列に接続され、
前記一次コイル励磁に励磁電流が流されると、鎖交磁束を発生し、
前記二次コイル発電は、前記一次コイル励磁により発生した前記鎖交磁束により、電流が流れ、
前記制御部は、励磁電流を前記一次コイル励磁に供給するタイミングで、前記一次コイル励磁により発生する磁束と同じ向きに前記補助コイルが磁束を発生するように、前記補助コイルに電流が流れるように制御する、
ことを特徴とする。
【0018】
前記第1のヨークと前記第2のヨークとが放射状に複数配置されているとよい。
【0019】
前記一次コイル励磁は、前記第2のヨークに接近し、前記第1のヨークから離れた位置に配置され、
前記二次コイル発電は、前記第1のヨークに接近し、前記第2のヨークから離れた位置に配置されているとよい。
【0023】
前記制御部は、励磁電流を前記一次コイル励磁に供給しないタイミングで、前記一次コイル励磁により発生する磁束と逆向きに補助コイルが磁束を発生するように、前記補助コイルに電流が流れるように制御するとよい。
【発明の効果】
【0024】
本発明によれば、熱エネルギーを使用しなくても発電する発電システムを提供することができる。また、本発明で、地球温暖化を抑制することができる。また、本発明で、ダムの水量は、全て農業用水や水道水として利用することができる。また、本発明で、燃料の輸入量を劇的に低減させることができる。また、本発明で、発電原価を現在よりも下げることができる。また、本発明で、輸出額を大幅に向上させることができる。また、本発明で、深海の資源発掘に取り組むことができるようになる。また、本発明で、宇宙の探査、または、冒険に出かけることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【
図1】本発明の実施の形態に係る発電機を示す図である。
【
図4】本発明の実施の形態に係る発電システムを示す図である。
【
図5】本発明の実施の形態に係る発電システムのタイムチャートである。
【
図6A】本発明の実施の形態に係る発電システムが出力する電流を示す図(その1)である。
【
図6B】本発明の実施の形態に係る発電システムが出力する電流を示す図(その2)である。
【
図6C】本発明の実施の形態に係る発電システムが出力する電流を示す図(その3)である。
【
図7】本発明の実施の形態に係る発電システムにおけるエネルギー保存の法則を説明する図である。
【
図8】変形例に係る発電システムを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0026】
以下、本発明を実施するための形態に係る発電機および発電システムを図面を参照しながら説明する。
【0027】
本実施の形態に係る発電機100は、
図1から
図3に示すように、永久磁石10と、永久磁石10を中心に放射状に配置された8つの発電セル110を備える。発電セル110は、第1のヨーク20Sと、第2のヨーク20Nと、補助コイル30A、30Bと、電起子コア40と、一次コイル励磁50と、二次コイル発電60と、絶縁体70と、電起子コア固定支持材80と、磁気シールド90と、を備える。発電機100は、一次コイル励磁50に進行方向に電流が流されると、二次コイルから発電された電流を出力するものである。このように、発電機100は、永久磁石10の磁気エネルギーの放出する磁界の強さH(AT/m)をエネルギー発生源とする。永久磁石10を中心に据え置き、その周りに部品を配置する。
【0028】
永久磁石10は、円柱状の形状を有し、筒形状の絶縁体10aでカバーされ、ネオジムなどを含む希土類磁石から構成される。永久磁石10に加えて配置した永久磁石11、12の極を同極で対向し、絶縁体10aを介して永久磁石10の磁束の放出方向を、90度回転させて全方向に放出する。永久磁石10は、N極を下、S極を上に位置するように、鉛直方向に配置される。永久磁石10、11、12は、より保持力HcBの大きいものを用いるとよい。例えば、永久磁石10、11、12にネオジム磁石を用いると、HcBは、868(kA/m)の保持力を有する。同極を対向されて配置された複数の永久磁石10、11、12に隙間を設け、この空隙の隙間を後述する電子回路の遮断機器(IGBT1)の遮断容量+α>遮断機器を通過する磁界の強さH(AT/m)を満たすように調整する。αは、設計上の安全率である。永久磁石10として用いるネオジム磁石の一例を表1に示す。
【0029】
【0030】
磁界の強さH(AT/m)を全面的に利用、また、磁界の強さH(AT/m)の導通を切断させる行為の為に用いた方法が、永久磁石10と永久磁石11の極を同極にして突き合わせることで解決可能である。その上、磁束を拡散させることで、漏洩磁束循環ループを形成することができ、この漏洩磁束循環ループの間に電起子コア40を設置する。そして、この電起子コア40に、一次コイル励磁50と二次コイル発電60を設置する。そして、磁束の通過による電磁誘導の現象で、発電作用に利用する。磁界の強さH(AT/m)の通過順序を説明すると、永久磁石10と永久磁石11の同極の対面から放出された磁束は、第1のヨーク20Sより第2のヨーク20Nを通過し補助コイル30Aと一次コイル励磁50による励磁コイルの電流による引き込みで、第1の筒状部41と電起子コア40を通過し、第2の筒状部42を通る。このコアの外周に、二次コイル発電60が装備される。次は、補助コイル30Bを通り、第1のヨーク20Sを通り、一端部21Sを通過して永久磁右10のS極へと磁界の強さH(AT/m)は、循環回路で帰還する。第1のヨーク20Sおよび第2のヨーク20Nは、短冊状の形状を有し、永久磁石10のN極からS極に向かう方向に垂直な方向(水平方向)に放射状に配置され、薄ケイ素鋼、パーマロイなどの高透磁率磁性材料から作成される。全方向に沿うようにヨーク材質をおく。磁界の強さH(AT/m)は、通過しやすい(透磁率の保持率の小さい材質の中を好む)ヨーク材質の中を通過する。パーマロイを用いると比透磁率μs=μ/μ0は、100,000~300,000である。μ0は、真空の透磁率である。第1のヨーク20Sの一端部21Sおよび第2のヨーク20Nの一端部21Nは、永久磁石10の近傍に配置されている。第1のヨーク20Sの他端部22Sは、絶縁体70および磁気シールド90を介して、第2のヨーク20Nの他端部22Nに接続されている。第1のヨーク20Sの下には、第1の補助ヨーク20N’が配置され、第2のヨーク20Nの上には、第2の補助ヨーク20S’が配置されている。第1のヨーク20Sと第1の補助ヨーク20N’の間の空間および第2のヨーク20Nと第2の補助ヨーク20S’の間の空間は、増設スペースとして利用できる。
【0031】
第2のヨーク20Nと第1の筒状部41の間に設置する補助コイル30Aの間に流れる磁界のH(AT/m)は、第1の筒状部41の外周に巻いた一次コイル励磁50に電流をON、OFFにして流しても鋭利な刃物で切断した様なエッジな断面にはならない、緩やかな減少曲線を描く。この状態では磁界の強さH(AT/m)の流れと二次コイル発電60の間で行う電磁誘導で電力を取り出すことにはならない。磁界の強さH(AT/m)の変化がないと電力を発生させることはできない。そこで、この間に一次コイル励磁50の補助コイル30Aを設置する。この構造はコイルを巻きに工夫が施されており、コイルの巻きは渦巻き形状で線の太さの外周に巻き重ねて作成している。第2のヨーク20Nから磁界の強さH(AT/m)を第1の筒状部41に導く間の関所(ゲート)の役目を担うのが、この補助コイル30Aである。補助コイル30Aに電流を流しONにすると、磁界の強さH(AT/m)のゲートが開かれる。このゲートを開くことで許可が出たことになる。補助コイル30AがOFFのときは、許可が出ていない。即ちゲートは開かない。一次コイル励磁50の動作だけでは、磁気の強さH(AT/m)を引き込み磁界の強さH(AT/m)を脈動させることができないために、補助の役目として設置している。補助コイル30Aは、第1のヨーク20Sと後述する電起子コア40の第1の筒状部41との間に配置されたコイルである。補助コイル30Bは、第2のヨーク20Nと後述する電起子コア40の第2の筒状部42との間に配置されたコイルである。
【0032】
電起子コア40は、第1の筒状部41と、第2の筒状部42と、第1の筒状部41と第2の筒状部42とを接続する接続部43と、を有し、S字状の形状に形成され、ケイ素鋼巻き鉄心またはパーマロイ巻き鉄心から構成される。電起子コア40は、第1のヨーク20Sおよび第2のヨーク20Nと同じ材料で作成されているとよい。第1の筒状部41と第2の筒状部42とは、永久磁石10のN極からS極に向かう方向に平行な方向に延びる筒状の形状を有し、第1の筒状部41の一端41aと第2の筒状部42の一端42aは、接続部43により接続されている。第2の筒状部42は、第1の筒状部41より永久磁石10から離れた位置に配置される。第1の筒状部41は、第2のヨーク20Nに接近し、第1のヨーク20Sから離れた位置に配置される。また、第2の筒状部42は、第1のヨーク20Sに接近し、第2のヨーク20Nから離れた位置に配置される。永久磁石10のN極から発した磁力線は、第2のヨーク20Nと第1のヨーク20Sとを順番に通過し、永久磁石10のS極に循環、帰還する。これにより、第2のヨーク20Nと第1のヨーク20Sとの間に磁界が発生し、電起子コア40の第1の筒状部41と、接続部43と、第2の筒状部42には磁束ψ0、循環ループを形成する。電起子コア40に用いるパーマロイ巻鉄心の一例を表2および表3に示す。表2中、Lmは平均磁路長であり、Aは平均断面積であり、Wは重量である。
【0033】
【0034】
【0035】
一次コイル励磁50に、電流を流して、第2のヨーク20Nの磁界の強さH(AT/m)を引き入れた状態から、第2の筒状部42に磁界の強さH(AT/m)を留めた状態において、電圧計は、磁界が増加しているときは正しい+方向に針を指す。補助コイル30A、30Bの電流を逆方向に流すことで磁界の強さH(AT/m)は、第2の筒状部42に留まっている状態から、発電動作に移る。自然界の、電起子コア40の振舞いを説明すると、自然界では、電起子コア40に磁界の強さH(AT/m)入れた状態から、直ぐに引き込んだ磁界の強さH(AT/m)を排除する行動を行う。この排除する行動とは、電起子コア40に磁界の強さH(AT/m)を排除する行為即ちコアの磁界の強さH(AT/m)を減少させようとする行いのことである。一次コイル励磁50は、電起子コア40の第1の筒状部41に巻き付けられているコイルである。一次コイル励磁50には、進行方向に励磁電流I1が流される。一次コイル励磁50の巻き数は、例えば、24である。励磁電流I1は、例えば10kHzでON、OFFされる。一次コイル励磁50に励磁電流I1が流されると、一次コイル励磁50は鎖交磁束ψ1を発生する。
【0036】
二次コイル発電60は、電起子コア40の第2の筒状部42に巻き付けられているコイルである。一次コイル励磁50に励磁電流I1を流すことで、電起子コア40に磁界の強さH(AT/m)が導入される。その結果、二次コイル発電60には鎖交磁束の現象で電圧が誘発されて発生する。一次コイル励磁50と補助コイル30Aの入力が無くなった場合、すぐ後から電起子コア40の磁界の強さH(AT/m)は減少する。それと共に二次コイル発電60の電流I2の流れも逆方向に流れようとする。この電起子コア40と二次コイル発電60の行いは、自然界の法則(レンツの法則)で示すことができる。これらの要素を基礎におき、電力として取り出す方法を考えるか、二次コイル発電60の回路を電子回路の一部分と捉えて電子回路を組み立て、二次コイル発電60に最も多くの電流I2を流すことができれば、電源W=R(I2)2で電力を取り出すことができる。この回路の電流を多く流す行いでは、回路の抵抗は一定である。電流を多く流すには、電子回路の二次コイル発電60を短絡させることが最もよい方法と考えられる。二次コイル発電60は、電起子コア40の第2の筒状部42に巻き付けられているコイルである。二次コイル発電60には、電起子コア40を貫通する磁束ψ0と一次コイル励磁50により発生した鎖交磁束ψ1とにより、進行方向に電流I2が流れる。二次コイル発電60の巻き数は、例えば、24である。
【0037】
絶縁体70は、第1のヨーク20Sの他端部22Sと磁気シールド90との間、および第2のヨーク20Nの他端部22Nと磁気シールド90との間に配置されたものである。
【0038】
電起子コア固定支持材80は、第1の補助ヨーク20N’と第2の補助ヨーク20S’とを支持する部材であり、ヨーク材固定支持ボルト81により第1の補助ヨーク20N’と第2の補助ヨーク20S’を固定する。また、隙間調整用ボルト82により、永久磁石10の間の隙間を調整する。この調整を行う理由は、磁界の強さH(AT/m)を調整するためである。
【0039】
磁気シールド90は、磁気を通し易い材料から構成され、第1のヨーク20Sや第2のヨーク20Nなどから放出される漏洩磁束をそれ以上の外部に影響を与えることが無いようにするために設置する。絶縁体70は、第1のヨーク20Sや第2のヨーク20Nなどと、磁気シールド90等と、の距離をとり、少しでも磁気を低減させるために、設置している。
【0040】
次に、発電システム1について説明する。発電システム1は、
図4に示すように、発電機100と、制御部120、電源分配器130と、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)1~8と、コンデンサC1~C4と、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)1と、トランスT1と、パワーコンディショナ200と、を備える。
【0041】
制御部120は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)などを備え、基準周波数2kHzでMOSFET1~8およびIGBT1を制御する。制御部120は、ROMに記憶されたプログラムをRAMに読み出して実行することにより、発電に必要な処理を実行する。系統全電力負荷を知り、その上で、負荷+α(≒15%)=総合発電量などを基準値におき、発電所の時間に対する量を把握した上で、ベース電力量と変動発電時の電力量を考慮して、どこの発電所の電力量を増やすのか減らすのかの時間帯の判断をコンピュータに判断させて運用をする。この運用管理の上には発電所が立ち上がる時間の間題が最も重要な事項となる。この発電所の発電量の運転停止が数秒の遅れで運転できるようになることは、負荷+α(≒15%)=統合発電量となり≒(15%-5%)=10%がメリットとして大きく、経済的に多大な貢献ができる。
【0042】
電源分配器130は、直流電流を供給するものである。電源分配器130の電圧V1は、例えば15Vである。バッテリは、例えば、マンガン乾電池、アルカリマンガン乾電池などの一次電池、鉛蓄電池、リチウムイオン二次電池などの二次電池などである。
【0043】
電子回路の最も良い特徴は、
図5に示すように、高周波数で回路の切断と接続とを瞬時に行えるようにすることである。MOSFET1~8、IGBT1は、発電回路から電力量の回路に編成させ、電子回路の信号を用いて短絡作用時に使用する。その為に回路を切断させる行為がどうしても必要となり、動作速度(高周波数のON、OFF)周波数が必要である。そして、動作をさせると短絡作用時に過大な電流が流れ、この電流を遮断することができる。このように遮断容量を持った部品を必要とする。その必要性から、これらの要素を備えた製品を選定する。MOSFET1は、ゲート電極に10kHzの交流電圧が印加され、電源分配器130から流れる直流電流を10kHzの矩形波の励磁電流I
1に変換し、一次コイル励磁50に供給する。一次コイル励磁50に励磁電流I
1が供給されると、二次コイル発電60には、電起子コア40の第2の筒状部42を貫通する磁束ψ
0と一次コイル励磁50により発生した鎖交磁束ψ
1とにより、進行方向に電流I
2が流れる。MOSFET2およびMOSFET5は、それぞれゲート電極に電圧が印加されると、電源分配器130から流れる電流を補助コイル30A、30Bに順方向に供給する。これにより、一次コイル励磁50により発生する磁束と同じ向きに補助コイル30A、30Bが磁束を発生する。MOSFET3、4は、電源分配器130から流れる電流を補助コイル30A、30Bに逆方向に供給する。これにより、一次コイル励磁50により発生する磁束と逆向きに補助コイル30A、30Bが磁束を発生する。MOSFET6~8は、それぞれゲート電極に電圧が印加されると、コンデンサC1~C3に蓄積された電荷をトランスT1に放出する。
【0044】
コンデンサC1~C3は、回路の抵抗=Rとし、回路のコイルのインダクタンスL、コンデンサCとして、各要素の組み合わせの量で、過渡現象による出力波形が決まり、この波形を停電時に利用したり、発電時に利用したりできる。この波形を求めるためにコンデンサC1~C3の容量を調整して回路に接続替えを行う。
【0045】
トランスT1は、絶縁方式のフライバックDC(Direct Current)/DCコンバータに用いるものである。動作を説明すると、IGBT1が導電状体(ON)である時、二次コイル発電60より流れた電流がトランスT1から一次コイルに通電されることで、トランスT1のコアに磁束が流れ込みコアが励磁される。この行いで、トランスT1の二次コイルからコンデンサC4に充電された電圧による電流が一気に放出され、この電流は、トランスT1の二次コイルに流れダイオードDOを通じてパワーコンディショナ200への負荷の要望に応えて流れ込む。
【0046】
フライバックより、直流がパワーコンディショナ200に入力される。次に、パワーコンディショナ200から出力された電力は普通の家庭で使用する。パワーコンディショナ200では、DC-DCコンバータで太陽電池出力の定電圧化とMPPT(Maximum Power Point Tracking)で制御を行う。電力会社のベース電力を担う発電にする目的では、このDC-DCコンバータとMPPTは使用しない。直流入カインバータを通し、変換器を通して、変換器電圧を出力させる。次に、フィルタ変圧器(連系リアクトル)を通して交流系統電圧にして送電する。ベース電力を担う発電では個々の部品の精度が格段に上がるが、ベース電力に設置させるパワーコンディショナ200の方がよりメリットがあり、発電時の電圧を安定させるために、電流を流し込むだけでなく、系統の電圧に対し、流し込む電流の位相を変える制御をパワーコンディショナ200が担う。そして、系統の電圧と流し込む電流のゼロクロス(位相)が同じ場合、有効電力100%を占めている交流電力を力率1とする。
【0047】
パワーコンディショナ200は、発電された電気を使用できる電圧および周波数に変換する機器であり、インバータの一種である。発電機100で発電された電気を一般家庭などで、通常利用可能な電気に変換することができる。
【0048】
次に、以上の構成を有する発電機100および発電システム1が実行する発電原理について説明する。
【0049】
一次コイル励磁50に電流が投入されて第2の筒状部42に磁界の強さH(AT/m)が流れ込み留まる状態から、磁束ψが留まる。そして、減少する状態になる時の、磁束ψと二次コイル発電60の巻き数(鎖交数)N(T)との積を鎖交磁束数ψn(Wb・T)で表す。
【0050】
この鎖交磁束数ψnが変化するとき、電磁誘導の法則によって、鎖交磁束数ψnの時間あたりの減少率に等しく、起電力e=-dψn/dtで表される。鎖交磁束数ψnの変化率が、1(Wb・T/s)であると、1秒間に1(Wb・T)の割合で変化して、1(V)の起電力を生ずる。この条件で、1kHz変化数の起電力は、1000(V)、もう少し磁束を上げて、鎖交磁束数ψnを2(Wb・T/s)にすると、起電力は、2000(V)となる。このように持ち駒を変更することで、負荷の需要に応えられる。
【0051】
時間dtを集積し平均値の起電力はE=edt(V)で表すことができる。電気回路は、抵抗R、インダクタンスLの状態で、この条件から回路を短絡状態にし、短絡電流は、i=E/Rで求める。これらを用いてエネルギー変換を算出する。
【0052】
Ri+Ldi/dt=0の両辺に電流iを乗じると、Ri2+(Ldi/dt)i=0となる。この両辺にdtを乗じて式(A-1)に示すように積分し、式(A-1)を式(A-2)に代入し、式(A-3)を得る。
【0053】
【0054】
式(A-3)の左辺は、零から無限大までの時間に抵抗Rに消費される電力量、すなわち熱エネルギーをあらわす。右辺は定常電流Iが流れているとき、電起子コア40および一次コイル励磁50に蓄えられている電磁エネルギーを意味している。従って、短絡時の電磁エネルギーに変換される、すなわち、一次コイル励磁50を励磁させるエネルギーとして、変換させる。言い方を変えれば、一次コイル励磁50の入カエネルギー量を表している。この左右辺の違いによることで発電が成立する。
【0055】
次に、一次コイル励磁50の励磁による、二次コイル発電60の電磁誘導現象からコンデンサC4に、そのエネルギーWTは溜まる。ここまでが二次コイル発電60によるON時の動作による状況である。次に、二次コイル発電60がOFFの時にはコンデンサC4に留まるエネルギーWTが一気に放出される行いをする。
【0056】
この現象を物理現象を持って説明すると、ばねを上から押し付ける行いに類似する。これは、二次コイル発電60のONの時の状態である。トランスのコアに励磁された状態と同じ状態である。次に、このばねを押さえていた金具の止め金具が外れた状態になると、この状態は二次コイル発電60がOFFの状態になったことにあたり、ばねは強い勢いで反発して元の状態に戻ろうとする。すなわち、二次コイル発電60の電流は、逆方向に流れだす。ダイオードDOを通過してパワーコンディショナ200の一次側入力へと流れる。
【0057】
また、二次コイル発電60と、トランスT1と、IGBT1と、コンデンサC2、C3と、で形成される閉回路の電気抵抗をR
bとし、二次コイル発電60のインダクタンスL、コンデンサC2、C3のそれぞれの静電容量をC
2、C
3とする。コンデンサC2、C3のそれぞれの静電容量C
2、C
3は、R
b≧2(L/(C
1+C
2))
1/2の関係を満たす。R
b<2(L/(C
1+C
2))
1/2の関係を満たす場合、
図6Aに示すように、電流量が減衰振動する電流I
2が流れる。R
b=2(L/(C
1+C
2))
1/2の関係を満たす場合、
図6Bに示すように、瞬間的に電流量が増加し、徐々に減衰する電流I
2が流れる。ピークまでの時間τ
1は、2L/R
bである。R
b>2(L/(C
1+C
2))
1/2の関係を満たす場合、
図6Cに示すように、
図6Bに示す場合と比較して、より遅く電流量が増加し、ピークの小さい電流I
2が流れる。ピークまでの時間τ
2は、2L/R
bより大きい。以上により、電子回路の発電と停止回路に過渡現象の波形を導入し遮断容量の低減を行う。
【0058】
次に、発電機100および発電システム1が発電する発電量について説明する。
【0059】
第1のヨーク20Sと第2のヨーク20Nとの間の磁界をHとすると、磁界のエネルギー密度Wは、式(1)で表される。
W=(1/2)BH=(1/2)μ0μsH2 (1)
【0060】
次に、第2のヨーク20Nが一次コイル励磁50を引きつける吸引力を求める。第2のヨーク20Nの磁束ψ0を一次コイル励磁50に吸い寄せるエネルギー減少量ΔWは、式(2)で表される。
ΔW=-WSdx=-(1/2)μ0μsH2SΔx(J) (2)
このエネルギー減少量ΔWは、第2のヨーク20Nが一次コイル励磁50に磁束ψ0を入力させるために費やされた吸引力に相当し、これをF(起電力)とすると、FΔx+ΔW=0となる。
F=-ΔW/Δx=(1/2)Sμ0μsH2(N) (3)
mg≧F=(1/2)Sμ0μsH2(N) (4)
なお、mは、電起子コア40の第1の筒状部41と一次コイル励磁50の質量(kg)であり、gは、重力加速度であり、g=9.8m/s2である。
【0061】
次に、式(4)からHを求め、投入電力を求める。
電起子コア40の第1の筒状部41の磁気抵抗は、
R1=L1/μ0μsS1(AT/Wb) (5)
隙間の磁気抵抗は、
R2=L2/μ0S2(AT/Wb) (6)
第2のヨーク20Nの磁気抵抗は、
R3=L3/μ0μsS3(AT/Wb) (7)
全体の磁気抵抗Rmは、
Rm=R1+R2+R3
=(1/μ0)((L1/μsS1)+(2L2/S2)+(2L3/μsS3)
(8)
【0062】
なお、S1:電起子コア40の第1の筒状部41の断面積、S2:第1と第2のヨーク20S、20Nの長手方向に垂直な面で切断した断面の断面積、S3:電起子コア40の第1の筒状部41と第2のヨーク20Nの隙間の断面積、L0:鉛直方向における永久磁石の長さ、L1:鉛直方向における電起子コア40の第1の筒状部41の長さ、L2:鉛直方向における隙間の長さ、L3:第1と第2のヨーク20S、20Nの長手方向の長さである。
【0063】
コイルの巻き数N、励磁電流I1、とすると起磁力はNI1(AT)で表され、磁束ψは、下記式(9)で表される。
磁束ψ=NI1/Rm(Wb) (9)
式を変形して、
H=ψ/μ0S1
=NI1/μ0S1Rm
=NI1/S1{(L1/μsS1)+(2L2/S2)+(2L3/μsS3)}
(10)
【0064】
式(9)を式(4)に代入すると、
mg≧(μ0/2S1)[NI1/{(L1/μsS1)+(2L2/S2)+(2L3/μsS3)}2](N)である。
この式を変形し励磁電流I1を求める。
I1≦(1/N)×[(2mgS1/μ0){(L1/μsS1)+(2L2/S2)+(2L3/μsS3)}]1/2
(11)
励磁電流I1およびコイルの巻き数Nにより、電起子コア40の第1の筒状部41が発生する磁束ψが決定される。
【0065】
入力された磁束ψを元に発電量Fを下記式(12)により算出する。
F=(μ0/2S1)[(HcB×L0/SN)/{(L1/μsS1)+(2L2/S2)+(2L3/μsS3)}2] (12)
周波数未投入発電量W1は、下記式(13)で表される。
W1=2πFL1 (13)
【0068】
磁極間に働く力Fm=m1×m2/(4πμ0r2)(N)は、磁界の強さH(AT/m)を増強および調整制御させることができる。m1は、永久磁石11の磁気量、m2は、永久磁石10の磁気量であり、rは、永久磁石10と永久磁石11との間隔である。
励磁電流iaは、下記式(14)で表される。式(14)中、naは巻き数、μrは比透磁率、mgは電起子コア40の重量、s1は電起子コア40の断面積、s2は第1と第2のヨーク20S、20Nの断面積、s0は空隙の断面積、l1は電起子コア40の長さ、l2は第1と第2のヨーク20S、20Nの長さ、l0は空隙の長さである。
【0069】
【0070】
レンツの法則で起電する電圧y(V)は、xの関数であり、x=εmxとおくと、
dy/dx=mεmx、d2y/dx2=m2εmxである。
そして、このmとは、m=Li=nφの関係にある。
【0071】
ib電流回路は、振動電流で、過渡現象で流れる電流である。
Rbdi/dt+L3d2i/dt2+L2d2i/dt2=0
この式の左辺は、短絡時の回路抵抗に生じる振動電流の電圧降下を示し、右辺は供給電圧0である。
【0072】
ic電流回路は、振動電流で、過渡現象で流れる電流である。
Rcdq/dt+L4d2q/dt2+q/c=0
この式の左辺は放電時の回路抵抗に生じる振動電流の電圧降下を示し、右辺は供給電圧0である。
【0073】
回路に高周波を投入すると、電磁誘導によって、鎖交磁束数の時間的変化率に等しい起電力e=-dφ/dtを生ずる。この式は、鎖交磁束数の変化率が、1(Wb・T/S)即ち1秒間に1(Wb・T)の割合で変化するとき1(V)の起電力を生ずる。dt=1/x(Hz)を入れるとe≒x(V)の過渡現象の振幅電圧を生じさせる。
【0074】
以上のように、本実施の形態の発電機100および発電システム1によれば、一次コイル励磁50に励磁電流I1が流されると、一次コイル励磁50は鎖交磁束ψ1を発生し、鎖交磁束ψ1は、第1のヨーク20Sおよび第2のヨーク20Nを介して、電起子コア40の第2の筒状部42を貫通し、二次コイル発電60に、電起子コア40の第2の筒状部42を貫通する磁束ψ0と一次コイル励磁50により発生した鎖交磁束ψ1とにより、進行方向に電流I2が流れる。これにより、発電機100および発電システム1は、熱エネルギーを使用しなくても発電することができる。また、発電停止時には、コンデンサC1に蓄えられた電荷が供給される。年代と共に技術革新の進歩と永久磁石10の磁気の強さH(AT/m)は益々改善され、その数値は大きく改善される。それに対して回路のIGBT1の遮断容量も改善されているが、永久磁石10から放出される磁気の強さH(AT/m)1石をIGBT1の遮断容量1個で遮断することは困難である。遮断容量の最も大きな製品を使用できたとしても高価となり採算がとれない虞がある。そこで、考えたのが磁気の漏洩磁束を分割し、電起子数を多くして、遮断容量の小さい製品を多く使用し、電圧の昇圧を高周波を投入することで補うことである。
【0075】
永久磁石10の磁界の強さH(AT/m)を利用し、このエネルギー値は変化量は少なく長期間利用できる。
【0076】
永久磁石10は、日本以外の国でも製造でき、レア資源ではあるが広く使用され、便利な機能を有している。
【0077】
磁界の強さH(AT/m)は調整し易く、永久磁石10と他の部材(磁石、ヨーク材質)間の距離を調整することが容易にできる。
【0078】
永久磁石10の漏洩磁束循環ループを作成し易い。
【0079】
電起子機能が装着し易く、増設も容易にできる。
【0080】
電子回路は、回路の部品を組み替えることで、昇圧や降圧回路に変更することが容易にできる。
【0081】
発電回路が電子回路であることで、電力系統の負荷変動について調整システムを発揮する事が瞬時にできるようになる。
【0082】
分散発電方式を採用することで、今以上に電力の安全性が高まる。
【0083】
本発明で、地球温暖化を抑制することができる。
【0084】
本発明で、ダムの水量は、全て農業用水や水道水として利用することができる。
【0085】
本発明で、燃料の輸入量を劇的に低減させることができる。
【0086】
本発明で、発電原価を現在よりも下げることができる。
【0087】
本発明で、輸出額を大幅に向上させることができる。
【0088】
本発明で、深海の資源発掘に取り組むことができるようになる。
【0089】
本発明で、宇宙の探査、または、冒険に出かけることができるようになる。
【0090】
(変形例)
上述の実施の形態では、発電機100が、永久磁石10を中心に放射状に配置された8つの発電セル110を備える例について説明したが、発電機100は、少なくとも1つの発電セル110を備えればよく、1つまたは複数の発電セル110を備えてもよい。また、必要な発電量に応じて発電セル110の数を変更してもよい。
【0091】
上述の実施の形態では、永久磁石10が、円柱状の形状を有し、ネオジムなどを含む希土類磁石から構成される例について説明した。永久磁石10は、磁場を発生させるものであればよく、フェライト磁石やその他の永久磁石であってもよい。また、形状も、円柱状に限定されず、発電セル110の数に合わせた多角形を底面とする柱状の形状を有するものであってもよい。
【0092】
上述の実施の形態では、第1のヨーク20Sおよび第2のヨーク20Nが、薄ケイ素鋼、パーマロイから構成される例について説明したが、高透磁率磁性材料であればよく、薄ケイ素鋼、パーマロイ以外の高透磁率磁性材料を用いてもよい。
【0093】
上述の実施の形態では、一次コイル励磁50および二次コイル発電60の巻き数は、特に限定されず設計の容量の値により算出する数に従うものとする。
【0094】
上述の実施の形態では、発電システム1が、基準周波数kHzでMOSFET1~8およびIGBT1を制御する例について説明した。基準周波数は、特に限定されず、一次コイル励磁50が鎖交磁束ψ1を発生することができる周波数であればよい。
【0095】
上述の実施の形態では、発電システム1が
図4に示す構成を有する例について説明した。発電システム1は、発電機100を用いて発電するものであればよく、
図8に示すように発電機100と、パワーコンディショナ200と、半導体電力変換回路310と、ドライブ回路320と、コントローラ330と、を備えてもよい。半導体電力変換回路310は、発電機100で発電した電力の電圧や周波数を変換し、パワーコンディショナ200に出力する。パワーコンディショナ200とドライブ回路320は、コントローラ330に制御されて、半導体電力変換回路310を駆動する。コントローラ330は、発電機100で発電された電圧Vi、Ii、半導体電力変換回路310で変換された電圧Vo、Io、および全電力負荷を検出し、電圧Vo、Ioが設定された目標値になるようにドライブ回路320を制御する。また、余った電力は、パワーコンディショナ200から発電機100に戻される。
【0096】
本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。
【0097】
本出願は、2020年1月21日に出願された、日本国特許出願特願2020-007877号に基づく。本明細書中に日本国特許出願特願2020-007877号の明細書、特許請求の範囲、図面全体を参照として取り込むものとする。
【符号の説明】
【0098】
1 発電システム
10、11、12 永久磁石
10a 70 絶縁体
20S 第1のヨーク
20S’ 第2の補助ヨーク
20N 第2のヨーク
20N’ 第1の補助ヨーク
21S、21N 一端部
22S、22N 他端部
30A、30B 補助コイル
40 電起子コア
41 第1の筒状部
41a、42a 一端
42 第2の筒状部
43 接続部
50 一次コイル励磁
60 二次コイル発電
80 電起子コア固定支持材
81 ヨーク材固定支持ボルト
82 隙間調整用ボルト
90 磁気シールド
100 発電機
110 発電セル
120 制御部
130 電源分配器
200 パワーコンディショナ
310 半導体電力変換回路
320 ドライブ回路
330 コントローラ
C1~C4、C コンデンサ
T1 トランス
DO ダイオード
Pa、Pb、Pc 電力
ia 励磁電流
ib、ic 電流回路
L1~L4 インダクタ