特許 7470470 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】2024-04-10

(45)【発行日】2024-04-18

(54)【発明の名称】発電システム

(51)【国際特許分類】

   H02K 7/14 20060101AFI20240411BHJP

【ＦＩ】

H02K7/14 A

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2023186903

(22)【出願日】2023-10-31

【審査請求日】2023-12-08

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】523413035

【氏名又は名称】福田 弘幸

(74)【代理人】

【識別番号】100185270

【弁理士】

【氏名又は名称】原田 貴史

(72)【発明者】

【氏名】福田 弘幸

【審査官】中島 亮

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２００７／０１０７８０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－０２４１５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－３３６２７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１７４６２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１３９２１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０４６８２６２１（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｋ ７／００－ ７／２０

Ｆ１６Ｈ ４９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転可能に設けられた回転部材と、
前記回転部材の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、
を有する、発電システムであって、
電力が供給されて回転する電動機と、
前記電動機の回転力で回転される円板形磁石と、
を有し、
前記回転部材の少なくとも一部は、前記円板形磁石により形成される磁界の移動によって前記回転部材を回転させる磁性材料で構成され、
前記円板形磁石は、
仮想線を中心として第１方向に回転される第１円板形磁石と、
前記仮想線を中心として前記第１方向と逆の第２方向に回転される第２円板形磁石と、
を有し、
前記第１円板形磁石は、回転方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に配置され、
前記第２円板形磁石は、回転方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に配置され、
前記回転部材は、前記第１円板形磁石と前記第２円板形磁石との間に配置され、
前記回転部材は、前記仮想線を中心とする同一円周上に間隔をおいて複数配置され、
前記発電機は、複数の前記回転部材に対応して別々に設けられ、
前記回転部材及び前記円板形磁石が内部に収容されたケーシングを更に備え、
前記発電機及び前記電動機は、前記ケーシングの外部にそれぞれ配置され、
前記ケーシングは、
平行に配置された板形状の第１外壁及び板形状の第２外壁と、
前記第１外壁の外周と前記第２外壁の外周とを接続する筒形状の外周壁と、
前記第１外壁と前記第２外壁との間に平行に配置された第１内壁及び第２内壁と、
前記第１内壁と前記第２内壁との間に形成された収容空間と、
を有し、
前記第１円板形磁石は、前記第１外壁と前記第１内壁との間に配置され、
前記第２円板形磁石は、前記第２外壁と前記第２内壁との間に配置され、
前記回転部材は、前記収容空間に配置されている、発電システム。

【請求項2】

請求項１記載の発電システムであって、
前記第１内壁は、前記第１円板形磁石により形成される磁界を前記収容空間へ通す第１開口部を有し、
前記第２内壁は、前記第２円板形磁石により形成される磁界を前記収容空間へ通す第２開口部を有する、発電システム。

【請求項3】

請求項２記載の発電システムであって、
前記第１開口部は、前記仮想線を中心とする円周上に複数配置され、
前記第２開口部は、前記仮想線を中心とする円周上に複数配置されている、発電システム。

【請求項4】

請求項１記載の発電システムであって、
前記回転部材を回転可能に支持する軸受が更に設けられている、発電システム。

【請求項5】

請求項４記載の発電システムであって、
前記軸受は、前記回転部材の回転中心である中心線に沿った方向で複数箇所に設けられている、発電システム。

【請求項6】

請求項５記載の発電システムであって、
前記第１内壁と前記第２内壁とを接続する支柱が更に設けられ、
前記軸受は、
前記外周壁に設けられた第１軸受と、
前記支柱に設けられた第２軸受と、
を含む、発電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、回転部材の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機を有する発電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

回転部材の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機を有する発電システムの一例が、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載されている発電システムは、永久磁石式回転電機を有する。永久磁石式回転電機は、電機子巻線を施した固定子と、その内側で回転する非磁性体の回転軸に固定した磁性体を介して取り付けた永久磁石と、永久磁石を保持する補強材と、を備えている。また、永久磁石式回転電機は、磁性体を形成する外側の第１の円筒部材と、第１の円筒部材よりも厚い内側の第２の円筒部材と、を備えている。さらに、第１の円筒部材に円筒状の永久磁石が挿入され、更にその外側に円筒状の補強材が挿入されている。

【0003】

さらに、永久磁石及び補強材の軸方向両端部に、これらを挟み込むように、一対の保持リングを嵌め込んで固定されている。さらに、第１の円筒部材が、第２の円筒部材の外周に嵌め込まれて、磁性体円筒部材を形成している。また、磁性体円筒部材は、非磁性体の回転軸に嵌め込み固定されている。さらに、発電機の軸に連結されたコンプレッサ及びタービン（回転部材）が設けられている。さらに、発電システムは、発電機の回転子、及びコンプレッサのブレード、及びタービンのブレードに繋がる回転軸を、非磁性体としたものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第４３７７３２５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本願発明者は、特許文献１に記載されている発電システムは、コンプレッサが設けられているため構造が複雑である、という課題を認識した。

【0006】

本開示の目的は、構造の複雑化を抑制可能な、発電システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示は、回転可能に設けられた回転部材と、前記回転部材の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、を有する、発電システムであって、電力が供給されて回転する電動機と、前記電動機の回転力で回転される円板形磁石と、を有し、前記回転部材の少なくとも一部は、前記円板形磁石により形成される磁界の移動によって前記回転部材を回転させる磁性材料で構成されている。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、発電システムの構造が複雑化することを抑制可能である。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】発電システムを含む全体構成の概念図である。

【図2】発電システムの縦断面図である。

【図3】図２のIII －III 線における底面断面図である。

【図4】図２のＩＶ－ＩＶ線における平面断面図である。

【図5】発電システムを第１内壁及び第２内壁の厚さ方向に破断した縦断面図である。

【図6】回転軸の支持構成を変更した発電システムの縦断面図である。

【図7】図６のVII －VII 線における底面断面図である。

【図8】図６のVIII－VIII線における平面断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

（具体例）
発電システムの実施形態は、図面に基づいて説明されている。実施形態を説明するため各図では、同一要素に同一の符号が付されている。図１のように、発電システム１０は、外部電源１１及び電力供給先１２に対し電気的に接続されている。外部電源１１は、発電システム１０へ電力を供給する。外部電源１１は、発電設備１３及び蓄電池１４を備えている。発電設備１３は、自然エネルギー、例えば、風力を利用して発電を行なう風力発電設備、太陽光を利用して発電を行なう太陽光発電設備、等を含む。蓄電池１４は、発電設備１３で発生した電力を蓄電する。

【0011】

図２のように、発電システム１０は、ブランケット１５、電動機１６，１７、上部ローター１８、下部ローター１９、タービン翼２０、発電機２１、等を有する。ブランケット１５は、上部ローター１８、下部ローター１９、タービン翼２０、等を収容及び支持するケーシングである。電動機１６，１７は、ブランケット１５の外部Ｂ２に設けられている。電動機１６，１７は、それぞれ直流電動機または交流電動機のうちの何れでもよい。

【0012】

ブランケット１５は、磁石により形成される磁界（磁力）を遮断する材料、例えば、鉄により構成されている。ブランケット１５は、外壁２２、外壁２３、外周壁２４、内壁２５，２６、支柱２７を有する。外壁２２及び外壁２３は、平行に配置されている。外壁２２は、鉛直方向で外壁２３より上に配置されている。図２に示す仮想線Ａ１は、鉛直線に沿った方向に配置されている。ブランケット１５を鉛直方向の真上から見ると、外壁２２及び外壁２３の外周形状は、略円形である。外周壁２４は、外壁２２の外周縁と、外壁２３の外周縁とを接続している。外周壁２４は、全体として筒形状に構成されている。

【0013】

内壁２５，２６は、ブランケット１５の内部において、外壁２２と外壁２３との間に設けられている。また、内壁２５，２６は、鉛直方向に間隔をおいて配置されている。内壁２５，２６は、平行に配置されている。内壁２５は、鉛直方向で外壁２２と内壁２６との間に配置されている。内壁２６は、鉛直方向で内壁２５と外壁２３との間に配置されている。

【0014】

さらに、内壁２５は、板形状であり、かつ、開口部２８を有している。開口部２８は、内壁２５を仮想線Ａ１に沿った方向に貫通して設けられている。図３のように、開口部２８は、仮想線Ａ１を中心とする同一円周上に間隔をおいて複数箇所、例えば、８箇所に設けられている。

【0015】

上部ローター１８は、ブランケット１５の内部において、外壁２２と内壁２５その間に設けられている。上部ローター１８は、回転軸２９に固定されており、回転軸２９及び上部ローター１８は、仮想線Ａ１を中心として回転可能である。回転軸２９は、外壁２２により回転可能に支持されており、回転軸２９は、ブランケット１５の外部Ｂ２から内部に亘って配置されている。そして、電動機１６の出力軸と回転軸２９とが動力伝達可能に接続されている。

【0016】

上部ローター１８は、円板形状を有し、上部ローター１８の材質は、硬磁性材料である。硬磁性材料は、例えば、ネオジム磁石、サマリウムコバルト磁石、フェライト磁石、アルニコ磁石、等の何れであってもよい。上部ローター１８は、回転方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に配置された円板形回転磁石を構成している。

【0017】

さらに、内壁２６は、板形状であり、かつ、開口部３０を有している。開口部３０は、内壁２６を仮想線Ａ１に沿った方向に貫通して設けられている。図４のように、開口部３０は、仮想線Ａ１を中心とする同一円周上に間隔をおいて複数箇所、例えば、８箇所に設けられている。つまり、開口部２８が設けられている数と、開口部３０が設けられている数とが同じである。また、仮想線Ａ１を中心とする同一円周上において、開口部２８が設けられている位置と、開口部３０が設けられている位置とが同じである。

【0018】

下部ローター１９は、ブランケット１５の内部において、外壁２３と内壁２６との間に設けられている。下部ローター１９は、回転軸３１に固定されており、回転軸３１及び下部ローター１９は、仮想線Ａ１を中心として回転可能である。つまり、回転軸２９，３１及び支柱２７は、仮想線Ａ１を中心として同軸上に配置されている。回転軸３１は、外壁２３により回転可能に支持されており、回転軸３１は、ブランケット１５の外部Ｂ２から内部に亘って配置されている。そして、電動機１７の出力軸と回転軸３１とが動力伝達可能に接続されている。

【0019】

下部ローター１９は、円板形状を有し、下部ローター１９の材質は、硬磁性材料である。硬磁性材料は、例えば、ネオジム磁石、サマリウムコバルト磁石、フェライト磁石、アルニコ磁石、等の何れであってもよい。下部ローター１９は、回転方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に配置された円板形回転磁石を構成している。

【0020】

タービン翼２０は、磁石、具体的には上部ローター１８及び下部ローター１９により形成される磁界によって回転される回転部材である。なお、本実施形態におけるタービン翼２０は、流体の運動エネルギーを機械的動力に変換する機能は有していないが、便宜上、「タービン」という用語を使用する。タービン翼２０は、ブランケット１５の内部において、内壁２５と内壁２６との間の収容空間Ｂ１に配置されている。タービン翼２０は、仮想線Ａ１を中心とする円周方向に複数、例えば、図３及び図４のように８本設けられている。

【0021】

８本のタービン翼２０は、回転軸３２と、回転軸３２に固定された羽根３３と、をそれぞれ備えている。８本の回転軸３２は、それぞれ中心線Ａ２を中心として回転可能である。８本の中心線Ａ２は、仮想線Ａ１と交差するように放射状に、かつ、等間隔で配置されている。羽根３３は、回転軸３２の回転方向に沿って複数設けられている。羽根３３は、回転軸３２の外周面から突出されている。中心線Ａ２を中心とする全ての羽根３３の先端の突出量は、同じである。

【0022】

仮想線Ａ１を中心とするブランケット１５の半径方向で、開口部２８，３０が配置されている領域と、羽根３３が配置されている領域とが、少なくとも一部で重なっている。仮想線Ａ１に沿った方向で、８本の中心線Ａ２は全て同じ位置に配置されている。また、８本の回転軸３２にそれぞれ設けられた羽根３３は、中心線Ａ２を中心とする半径が全て同一である。図５のように、羽根３３の先端と上部ローター１８の表面との間の最短距離Ｌ１と、羽根３３の先端と下部ローター１９の表面との間の最短距離Ｌ２と、は同じである。

【0023】

全ての羽根３３は、半径方向の外周側が、軟磁性材料または硬磁性材料で構成されている。軟磁性材料は、例えば、鉄、ケイ素鉄、電磁ステンレス等を含む。全ての羽根３３は、半径方向の内周側の材質は、カーボンナノチューブ等の高強度及び軽量な材料が使用されている。

【0024】

８本の回転軸３２は、長手方向の一部がそれぞれブランケット１５の外部Ｂ２に配置されている。発電機２１は、外部Ｂ２に配置されている。発電機２１は、複数、具体的には８台設けられている。各発電機２１は、タービン翼２０の回転エネルギーを、それぞれ電気エネルギーに変換する機能を有する。８台の発電機２１は、仮想線Ａ１を中心とする同一円周上に間隔をおいて配置されている。８台の発電機２１は、中心線Ａ２上にそれぞれ配置されている。

【0025】

また、発電機２１と回転軸３２とが、それぞれ別々に動力伝達可能に接続されている。８本の回転軸３２は、軸受３４を介して外周壁２４によりそれぞれ回転可能に支持されている。つまり、回転軸３２は、中心線Ａ２に沿った方向において、発電機２１と羽根３３との間に配置されている。８台の発電機２１は、それぞれ電力供給先１２へ電気的に接続されている。電力供給先１２は、電気負荷及び蓄電部を含む。電気負荷は、電力を消費する機器であり、蓄電部は、電力を蓄える装置である。

【0026】

発電システム１０の作用例は、次の通りである。電動機１６，１７は、外部電源から供給される電力により回転される。電動機１６の回転力は、回転軸２９及び上部ローター１８へ伝達される。回転軸２９及び上部ローター１８は、図３に示す第１方向Ｄ１へ回転される。電動機１７の回転力は、回転軸３１及び下部ローター１９へ伝達される。回転軸３１及び下部ローター１９は、図４に示す第２方向Ｄ２へ回転される。なお、図３に示す第１方向Ｄ１と、図４に示す第２方向Ｄ２とは、仮想線Ａ１を中心とする回転方向において、図５に示すように逆向きである。

【0027】

内壁２５は、上部ローター１８により形成される磁界の一部が、収容空間Ｂ１へ到達することを阻止する。上部ローター１８により形成される磁界の一部は、開口部２８を通って収容空間Ｂ１へ到達する。このため、上部ローター１８により形成され、かつ、開口部２８を通って収容空間Ｂ１へ到達する磁界の一部は、上部ローター１８の回転に伴い、仮想線Ａ１を中心とする回転方向に移動する。したがって、図５に示す上部ローター１８により形成される磁界は、タービン翼２０を図５で時計回りＥ１で回転させようとする。

【0028】

内壁２６は、下部ローター１９により形成される磁界の一部が、収容空間Ｂ１へ到達することを阻止する。下部ローター１９により形成される磁界の一部は、開口部３０を通って収容空間Ｂ１へ到達する。このため、下部ローター１９により形成され、かつ、開口部３０を通って収容空間Ｂ１へ到達する磁界の一部は、下部ローター１９の回転に伴い、仮想線Ａ１を中心とする回転方向に移動する。したがって、図５に示す下部ローター１９により形成される磁界は、タービン翼２０を図５で時計回りＥ１で回転させようとする。つまり、上部ローター１８の磁界の移動に応じたタービン翼２０の回転方向と、下部ローター１９の磁界の移動に応じたタービン翼２０の回転方向と、が同じである。

【0029】

このように、タービン翼２０は、図５において時計回りＥ１の向きで回転され、発電機２１は、タービン翼２０の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する。なお、図３及び図４に示された８本のタービン翼２０、及び８台の発電機２１において、同様の作用が生じる。そして、８台の発電機２１で発電された電力は、電気回路を通じて図１に示された電力供給先１２へ送られる。なお、電動機１６，１７に対する電力の供給を停止すると、電動機１６，１７は停止される。つまり、発電機２１による発電が停止される。また、回転軸２９，３１にブレーキ力を付加及び解除するディスクブレーキが設けられている。発電機２１による発電を行なう場合は、回転軸２９，３１に対するブレーキ力が解除される。発電機２１による発電を停止する場合は、回転軸２９，３１にブレーキ力が付加されて、上部ローター１８及び下部ローター１９が停止される。

【0030】

発電システム１０は、２台の電動機１６，１７へ電力を供給して回転軸２９，３１及び上部ローター１８及び下部ローター１９を回転させ、上部ローター１８及び下部ローター１９の回転エネルギーを、８台の発電機２１で電気エネルギーに変換する。つまり、上部ローター１８及び下部ローター１９へ入力される電力を、８台の発電機２１から増幅して出力することができる。また、発電システム１０は、流体の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する構成ではなく、永久磁石の磁界を利用して発電するため、コンプレッサは不要である。したがって、発電システム１０の構造が複雑化することを抑制できる。

【0031】

また、開口部２８，３０は、仮想線Ａ１を中心とする半径方向で同一円周上に配置されている。したがって、上部ローター１８の半径方向で、開口部２８へ磁界が進入する箇所の周速度と、下部ローター１９の半径方向で、開口部３０へ磁界が進入する箇所の周速度とが同じになる。したがって、上部ローター１８からタービン翼２０に加えられる磁界の強さと、下部ローター１９からタービン翼２０に加えられる磁界の強さとが同じになり、タービン翼２０のそれぞれの回転状態が安定する。

【0032】

さらに、上部ローター１８の表面からタービン翼２０の羽根３３の先端までの最短距離Ｌ１と、下部ローター１９の表面からタービン翼２０の羽根３３の先端までの最短距離Ｌ２と、が同じである。このため、上部ローター１８からタービン翼２０に加えられる回転力と、下部ローター１９からタービン翼２０に加えられる回転力と、が同じになる。したがって、タービン翼２０のそれぞれの回転が安定する。

【0033】

（変更例）
回転軸３２の支持構造を変更した発電システム１０が、図６、図７及び図８に示されている。軸受３５が支柱２７に設けられており、回転軸３２は、軸受３４，３５により支持されている。つまり、回転軸３２は、中心線Ａ２に沿った方向で異なる位置に配置された２つの軸受３４，３５により両持ち支持されている。このため、回転軸３２は、中心線Ａ２に対して交差する方向に振動することを抑制できる。したがって、最短距離Ｌ１，Ｌ２の変動を抑制でき、回転軸３２の回転状態が安定する。

【0034】

（補足説明）
本実施形態に開示された技術的事項の意味の一例は、次の通りである。タービン翼２０は、回転部材の一例である。発電システム１０は、発電システムの一例である。発電機２１は、発電機の一例である。電動機１６，１７は、電動機の一例である。上部ローター１８及び下部ローター１９は、円板形磁石の一例である。上部ローター１８は、第１円板形磁石の一例である。下部ローター１９は、第２円板形磁石の一例である。第１方向Ｄ１は、第１方向の一例である。第２方向Ｄ２は、第２方向の一例である。ブランケット１５は、ケーシングの一例である。

【0035】

外壁２２は、第１外壁の一例である。外壁２３は、第２外壁の一例である。外周壁２４は、外周壁の一例である。内壁２５は、第１内壁の一例である。内壁２６は、第２内壁の一例である。収容空間Ｂ１は、収容空間の一例である。開口部２８は、第１開口部の一例である。開口部３０は、第２開口部の一例である。軸受３４，３５は、軸受の一例である。軸受３４は、第１軸受の一例である。軸受３５は、第２軸受の一例である。支柱２７は、支柱の一例である。仮想線Ａ１は、仮想線の一例である。中心線Ａ２は、中心線の一例である。

【0036】

本実施形態は、図面を用いて開示されたものに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、回転部材の数は、８本未満でもよいし、８本を超えていてもよい。発電機の数は、回転部材の数に応じて決定される。円板形磁石は、非磁性材料により構成される円板本体と、円板本体の回転方向に間隔をおいて配置された複数の永久磁石と、を有していてもよい。複数の永久磁石は、円板本体の回転中心を中心とする同一円周上に間隔をおいて配置される。非磁性材料は、銅、錫、ステンレス鋼、ニッケル合金等を含む。仮想線を中心とする外周壁の形状は、多角形でもよい。回転部材の仮想線は、水平方向に沿って配置されてもよいし、鉛直方向または水平方向とは異なる方向に沿って配置されてもよい。

【産業上の利用可能性】

【0037】

本開示は、回転可能に設けられた回転部材と、回転部材の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、を有する発電システムとして利用可能である。

【符号の説明】

【0038】

１０…発電システム、１５…ブランケット、１６，１７…電動機、１８…上部ローター、１９…下部ローター、２０…タービン翼、２１…発電機、２２…第１外壁、２３…第２外壁、２４…外周壁、２５…第１内壁、２６…第２内壁、２７…支柱、２８，３０…開口部、３４，３５…軸受、Ａ１…仮想線、Ａ２…中心線、Ｂ１…収容空間、Ｄ１…第１方向、Ｄ２…第２方向

【要約】

【課題】構造の複雑化を抑制可能な発電システムを提供する。
【解決手段】回転可能に設けられたタービン翼２０と、タービン翼２０の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機２１と、を有する、発電システム１０であって、電力が供給されて回転する電動機１６，１７と、電動機１６の回転力で回転される上部ローター１８と、電動機１７の回転力で回転される下部ローター１９と、を有し、タービン翼２０の羽根３３は、上部ローター１８及び下部ローター１９により形成される磁界の移動によってタービン翼２０を回転させる磁性材料で構成されている発電システム１０を設けた。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】