JP3140121U - 円滑起動機能を備えた電動発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の起動時における電動機の負担を軽減させて、その起動を円滑に行なわしめる電動発電装置を提供する。
【解決手段】電動機１ｃと発電機１ｉの回転軸を互いに接続し、電動機によって発電機を回転駆動させて発電を行なう電動発電装置において、電動機１ｃ及び発電機１ｉの回転軸とその間に設けられたフライホイール１ｅ、１ｇとの連接並びに離接を行なうクラッチ機構１ｄ〜１ｈと、発電機１ｉに接続された負荷回路と該発電機出力との接続並びに遮断を行なうスイッチ回路１ｊと、電動機１ｃの起動後に所定の時間間隔を置いて各クラッチ機構に対して連接指令信号を送信し、さらにスイッチ回路１ｊに対して接続指令信号を送信する制御回路１Ｌとを設ける。また、発電機１ｉの出力電力の一部を蓄積する蓄電回路３ｓと、該蓄積電力を選択供給回路１ａに帰還させる電力帰還回路３ｔを設ける構成としても良い。
【選択図】図３

Description

本考案は、電動機によって発電機を回転駆動して電気エネルギーを発生させる電動発電装置に関するものであり、より詳細には、装置起動時の電動機にかかる負荷を低減させて、その起動を円滑に行なわしめる電動発電装置に関するものである。

電動機によって発電機を回転駆動させて発電出力を取り出す、いわゆる電動発電装置は、入力側の電力と異なる形態の電力エネルギーを容易に取り出せることから広く利用されており、同装置に関しては、例えば、特許文献１や特許文献２に示されるような多数の発明・考案が開示されている。

特開２００１−１７８１９５号公報 実開平２−０９１４８４号公報

しかしながら、静止状態にある発電機を回転起動する際に必要とされる起動トルクは、当該発電機が回転中に要する駆動トルクに比較して極めて大きな値となる。このため、かかる起動トルクを発生させるべく、電動発電装置の起動時には、発電機を駆動する電動機に流れる起動電流も大電流とならざるを得ない。したがって、電動機への電力供給設備もかかる起動電流に対応して設計する必要があり、装置設備の大型化・高コスト化を招く要因ともなっていた。

また、電動機の起動時には、かかる起動電流が電動機の電機子巻線或いは界磁巻線に対し、いわゆる突入電流として流入することになる。一般に、このような突入電流は、電動機に悪影響を与えその寿命や信頼性を低下させ、ひいては電動発電装置における電動機のＭＴＢＦ（平均故障間隔時間）を短縮させる要因ともなっていた。

一方、発電機の回転に要する駆動トルクは、当該発電機の出力に接続された電気的負荷の大きさによって変動することは周知の事実であり、例えば、発電機の出力定格に近い電気的負荷が接続されている場合は、発電機に負荷が殆ど接続されない場合に比べて遥かに大きな駆動トルクが必要とされる。

したがって、電動発電装置の起動時に発電機の出力側に大容量の電気的負荷が接続されていた場合は上記の突入電流が一層大きな値となり、発電機を駆動する電動機への負担はさらに増加し、その性能や信頼性の面において一層の悪影響を与えることになる。

本考案は、このような従来からの課題を解決することを目的とするものであって、より具体的には、起動時における電動機の負担を軽減させて、その起動を円滑に行なわしめる
電動発電装置を提供することを目的とする。

本考案の第１の観点による電動発電装置は、前述の目的を達成するため、電動機の回転軸と発電機の回転軸とを互いに接続し、前記電動機によって前記発電機を回転駆動させることにより発電を行なう電動発電装置において、所定のクラッチ指令信号に応じて、前記電動機と前記発電機との回転軸の連接並びに離接を行なうクラッチ機構と、所定のスイッチ指令信号に応じて、前記発電機に接続された負荷回路と該発電機出力との接続並びに遮断を行なうスイッチ回路と、前記電動機の起動後に、所定の時間間隔を置いて前記クラッチ機構に対して連接指令信号を送信し、さらに前記スイッチ回路に対して接続指令信号を送信する制御回路とを備えたことを特徴とする。

したがって、このような構成によれば電動発電装置の起動時において、最初に電動機のみを単独で起動させ、その後、所定の時間間隔を置いて電動機と発電機の回転軸を連接させ、さらに発電機出力への負荷回路の接続を時系列的に行なう事が可能となる。

また、本考案の第２の観点による電動発電装置は、上記第１の観点において、前記電動機及び発電機の回転軸は、少なくとも一つ以上のフライホイールを中継して互いに接続されており、所定のフライホイールクラッチ指令信号に応じて、該フライホイールと前記回転軸との連接並びに離接を行なう少なくとも一つ以上のフライホイールクラッチ機構をさらに含み、前記制御回路は、前記電動機の起動後に、所定の時間間隔を置いて前記フライホイールクラッチ機構に対して連接指令信号を送信することを特徴とする。

したがって、このような構成によれば、電動機の起動後に電動機から出力される運動エネルギーを、一旦、フライホイール（はずみ車）を回転させる運動エネルギーとして蓄積することができ、電動機を起動して所定時間経過後に発電機を起動させる際には、かかる運動エネルギーを電動機からの回転トルクに追加して利用することが可能となる。

また、本考案の第３の観点による電動発電装置は、上記第１又は第２の観点において、前記発電機の出力電力の一部を蓄積する蓄電回路と、該蓄電回路に蓄えられた電力の一部を前記電動機への電力供給系統へ帰還させる電力帰還回路とをさらに含むことを特徴とする。

したがって、このような構成によれば、電動発電装置において発電機の出力電力の一部を蓄電回路に蓄積し、かかる蓄積電力を所定のタイミングで電動機への入力電力として帰還させて再利用することができる。

本考案によれば、電動発電装置の起動時において、発電機を駆動する電動機に加わる機械的若しくは電気的負荷を段階的に増加させるので、電動機への負担を軽減させることが可能であり、装置の起動を円滑におこなうことができる。また、電動機からのエネルギーを、一旦フライホイールの回転による運動エネルギーに変換して蓄積し、これを発電機起動時の起動トルクの一部として利用するので、上記の段階な負荷の増加と相俟って、電動発電装置の起動をさらに円滑化することが可能となる。また、発電機の出力電力の一部を蓄えて、それを入力側に帰還させ電動機の入力電力として再利用することによりエネルギーの利用効率をさらに高めることもできる。

以下に、本考案を実施するための最良の実施形態である複数の実施例について、各々の添付図面を参照しつつ説明を行う。

先ず、本考案の一つの実施形態である電動発電装置の実施例１について説明を行なう。
本実施例１による電動発電装置１の構成を図１のブロック図に示す。同図において、電力供給選択回路１ａは、例えば、商用電源回路や太陽光発電回路、或いは風力発電回路等の各種の電力供給源（何れも図示せず）から出力された電力を選択して、電動機１ｃに供給する回路である。

因みに、本装置に利用する商用電源回路としては、例えば、通常のＡＣ１００Ｖによる単相交流電源を用いる構成としても良いし、或いは、ＡＣ２００Ｖの三相交流電源を用いる構成としても良い。なお、商用電源回路からの入力電力は、所定の整流回路（図示せず）を経て電力供給選択回路１ａに供給されるものとする。

なお、図１の実施例において電力供給選択回路１ａは、通常のダイオード・アレイによる、いわゆる逆流防止回路として表記されているが、本実施例はかかる事例に限定されるものではない。例えば、各電力供給系統からの出力電圧を検出し、その検出結果に応じて各電力供給系統をＩＧＢＴやトライアック等の電力制御半導体を用いて開閉制御し、電動機１ｃに供給される電力を選択する構成としても良い。

スイッチ回路１ｂは、電力供給選択回路１ａの出力を電動機１ｃに接続するスイッチ回路であり、例えば、電磁リレーや電力制御用の半導体によって構成されている。スイッチ回路１ｂは、後述する制御回路１Ｌからの所定の指令信号に基づいて、その開閉（オン／オフ）が為されることになる。

また、電動機１ｃは直流電動機であり、スイッチ回路１ｂを介して電力供給選択回路１ａから供給された電力によって回転駆動される。なお、後述する第２実施例のように、商用電源回路からの単独の供給電力によって電動機１ｃを駆動する場合は、電動機１ｃとして交流電動機を用いることも可能である。

クラッチ機構１ｄは、例えば、クラッチ板の離合が電磁ソレノイドによって制御される電磁稼動クラッチであり、電動機１ｃの回転軸とフライホイール１ｅの回転軸との連接或いは離接を司るクラッチ機構である。クラッチ機構１ｄは、制御回路１Ｌからの所定の指令信号に応じて、その連接並びに離接動作が為されることになる。

フライホイール１ｅは、質量の大きい円盤を低摩擦の軸受けやボールベアリング等（何れも図示せず）によって担持した、いわゆる「はずみ車」である。フライホイール１ｅは、かかる大質量円盤の運動慣性を利用して、電動機１ｃに加えられた電気エネルギーを回転運動エネルギーとして蓄えることができる。

クラッチ機構１ｆは、フライホイール１ｅと後段のフライホイール１ｇとの回転軸同士の連接或いは離接を司るクラッチ機構であり、その連接並びに離接動作は、前述のクラッチ機構１ｄと同様に制御回路１Ｌからの所定の指令信号によって為されることになる。

フライホイール１ｇは、フライホイール１ｅと同様に、極めて質量の大きい円盤を低摩擦の軸受けやボールベアリング等（何れも図示せず）によって担持した「はずみ車」である。なお、フライホイール１ｅの質量をｍ１、フライホイール１ｇの質量をｍ２とすると、本実施例においては、ｍ１＜ｍ２なる関係が定められている。

クラッチ機構１ｈは、フライホイール１ｇと発電機１ｉの回転軸との連接或いは離接を司るクラッチ機構であり、以上に説明した各クラッチ機構と同様であるのでその説明を省略する。なお、クラッチ機構１ｈの連接並びに離接動作は、制御回路１Ｌからの所定の指令信号によって為されることはいうまでもない。

発電機１ｉは、前述のフフライホイール１ｅ並びに１ｇを介して電動機１ｃによって回転駆動される交流或いは直流の発電機である。因みに、工場等の施設における通常の受電設備に電力を供給することを目的とするのであれば、発電機１ｉとしては単相若しくは三相の交流発電機を用いることが好ましい。

スイッチ回路１ｊは、発電機１ｉの発電出力を後段の負荷回路１ｋに接続するためのスイッチ回路であり、大容量の電力の開閉を行なう関係から、大型の電磁リレーや回路遮断機を用いることが好ましい。なお、スイッチ回路１ｊの開閉（オン／オフ）は、制御回路１Ｌからの所定の指令信号によって為されることは言うまでもない。また、負荷回路１ｋは、スイッチ回路１ｊから電力の供給を受ける受電設備である。

制御回路１Ｌは、マイクロプロセッサや各種のデジタル／アナログ回路、並びにメモリ回路（何れも図示せず）などから構成された制御中枢部であり、電動発電装置１の各部分の動作を統括・制御するものである。なお、制御回路１Ｌから各クラッチ機構並びに各スイッチ回路に対しては、前述の如く、所定の指令信号が送信されることになる。

次に、本実施例１による電動発電装置１の動作について、図１に示すタイムチャートを参照しつつ説明を行なう。

電動発電装置１の起動スイッチ（図示せず）が操作員などによって押下されると、先ず、制御回路１Ｌは、スイッチ回路１ｂに対してオン指令信号を送信して同スイッチを閉じ、電力供給選択回路１ａから電動機１ｃに対して電力の供給を開始する（図１のタイムチャートに示されるＴ０の時点）。

このとき、クラッチ機構１ｄは離接されているので、電動機１ｃの回転軸には如何なる機械的負荷も接続されておらず、電動機１ｃの起動トルクは極めて小さな値となる。それ故、電動機１ｃは円滑に回転を開始することが可能であり、電動機１ｃの起動電流についてそのピーク値を押さえることができる。

その後、時間Ｔ１が経過すると、制御回路１Ｌはクラッチ機構１ｄに対してクラッチ連接信号を送信し同クラッチを連接させる。これによって、電動機１ｃの回転軸にフライホイール１ｅが連接されてフライホイール１ｅの回転が開始される。

この場合、電動機１ｃの起動から既に時間Ｔ１が経過しているため、電動機１ｃの回転軸を含む電機子には十分な回転運動エネルギーが蓄積されている。したがって、フライホイール１ｅが電動機１ｃの回転軸に連接されても、電動機１ｃに与える負担は、フライホイール１ｅを連接したまま電動機１ｃを起動する場合に比較して遥かに小さなものとなる。

フライホイール１ｅの連接後、時間Ｔ２が経過すると、制御回路１Ｌはクラッチ機構１ｆに対してクラッチ連接信号を送信し同クラッチを連接させる。これによってフライホイール１ｅの回転軸にフライホイール１ｇが連接されてフライホイール１ｇの回転が開始される。

この場合、フライホイール１ｅの回転開始から時間（Ｔ２−Ｔ１）が経過しており、フライホイール１ｅには充分な回転運動エネルギーが蓄積されている。したがって、フライホイール１ｅよりも質量の大きなフライホイール１ｇの回転起動時においても、フライホイール１ｅに蓄積された回転運動エネルギーを利用することによって、電動機１ｃに与える負担を抑えることができる。

その後、さらに時間Ｔ３が経過すると、制御回路１Ｌはクラッチ機構１ｈに対してクラッチ連接信号を送信し同クラッチを連接させる。これによって、これによってフライホイール１ｇの回転軸に発電機１ｉの回転軸が連接されて発電機１ｉの回転が開始される。この場合も、フライホイール１ｇの回転開始から、既に時間（Ｔ３−Ｔ２）が経過しており、フライホイール１ｇには十分に大きな回転運動エネルギーが蓄積されている。したがって、フライホイール１ｇに蓄積された回転運動エネルギーを利用することによって、発電機１ｉの起動をスムーズに行なう事ができる。

また、発電機１ｉの起動時（時間Ｔ３の時点）においては、発電機１ｉの出力がスイッチ回路２によってその負荷回路と遮断されているため、発電機１ｉを起動する際に必要とされる起動トルクは更に小さな値となり、その回転起動を極めて円滑に行なわしめる一助となる。

その後、さらに時間Ｔ４が経過すると、制御回路１Ｌはスイッチ回路１ｊに対してオン指令信号を送信して同スイッチを閉じ、発電機１ｉの出力に負荷回路１ｋを接続する。これによって発電機１ｉの回転に要するトルクは増大するが、前述したフライホイール１ｅ、１ｇ、及び発電機１ｉの回転軸を含む電機子には充分な回転運動エネルギーが蓄積されているので、電動機１ｃに過度の負担を与える事無く、発電機１ｉから出力電力を円滑に取り出すことができる。

なお、時間Ｔ１〜Ｔ４の長さについては、制御回路１Ｌに内蔵されたタイマー回路（図示せず）において任意に設定することが可能であり、実際における電動発電装置１の実施の態様に応じて、例えば、１秒から数秒の範囲において個別、自在に可変調整できるものとする。

以上に説明したように、本実施例１による電動発電装置１においては、所定の時間差を設けて発電機１ｉを駆動する電動機１ｃに加わる機械的、電気的負荷を逐次増加させていく構成を取っている。したがって、電動機１ｃに無理な負担を負わせることなく、極めてスムーズに電動発電装置１の起動処理を行なう事が可能となる。

なお、以上の実施例では、二つのフライホイール１ｅ及び１ｇを用いる事例で説明を行なったが、本発明の実施はかかる事例に限定されるものではなく、例えば、電動機１ｃと発電機１ｉの間に設置されるフライホイールの数を増やしても良いし、或いは、フライホイールを省略する構成としても良い。

次に、本考案の他の実施形態である実施例２について説明を行なう。なお、本実施例２による電動発電装置２は、前述した実施例１の電動発電装置１とその基本構成を同一にするため、実施例１と同一の構成要素に関しては、図１の場合と同じ符号を付することによってその説明を省略する。

先ず、本実施例２による電動発電装置２の構成を図２のブロック図に示す。因みに、本実施例２において追加された構成要素はクラッチ機構２ｍである。なお、当該クラッチ機構に関しては、実施例１の場合と同様であるのでその説明を省略する。

本実施例は、低料金の夜間電力を利用して電動発電装置を駆動するような場合であり、このような場合、電動機１ｃに供給される電力は商用電源回路からの交流電力のみとなる。したがって、電動機１ｃには、例えば、単相或いは三相の誘導電動機などの低コストの交流電動機を用いることができる。また、本実施例では、装置全体の簡易化を図るべく、電動機１ｃと発電機１ｉの間に設置されるフライホイールを省略している。

本実施例２による電動発電装置２の動作に関しては、図２のタイムチャートに示すとおりである。すなわち、電動発電装置２の起動スイッチ（図示せず）が操作員などによって押下されると、先ず、制御回路１Ｌは、スイッチ回路１ｂに対してオン指令信号を送信して同スイッチを閉じ、商用電源回路から電動機１ｃに対して電力の供給を開始する（図２のタイムチャートに示されるＴ０の時点）。

このとき、クラッチ機構２ｍは離接されているので、電動機１ｃの回転軸には如何なる機械的負荷も接続されておらず、電動機１ｃの起動トルクは極めて小さな値となる。それ故、電動機１ｃは円滑に回転を開始することが可能であり、電動機１ｃの起動電流についてそのピーク値を押さえることができる。

その後、時間Ｔ１が経過すると、制御回路１Ｌはクラッチ機構２ｍに対してクラッチ連接信号を送信し同クラッチを連接させる。これによって、電動機１ｃの回転軸に発電機１ｉの回転軸が連接されて発電機１ｉの回転が開始される。この場合、電動機１ｃの起動から既に時間Ｔ１が経過しているため、電動機１ｃの回転軸を含む電機子には充分な回転運動エネルギーが蓄積されている。したがって、発電機１ｉが電動機１ｃの回転軸に連接されても、電動機１ｃに与える負担は、発電機１ｉを連接したまま電動機１ｃを起動する場合に比較して遥かに小さなものとなる。

また、発電機１ｉの起動時（時間Ｔ１の時点）においては、発電機１ｉの出力がスイッチ回路２によってその負荷回路と遮断されている。それ故、発電機１ｉの起動に際して必要とされる起動トルクはさらに小さな値となり、その回転起動を極めて円滑に行なわしめる一助となる。

その後、さらに時間Ｔ２が経過すると、制御回路１Ｌはスイッチ回路１ｊに対してオン指令信号を送信して同スイッチを閉じ、発電機１ｉの出力に負荷回路１ｋを接続する。これによって発電機１ｉの回転に要するトルクは増大するが、発電機１ｉの回転軸を含む電機子には充分な回転運動エネルギーが蓄積されているので、電動機１ｃに過度の負担を与える事無く、発電機１ｉから出力電力を円滑に取り出すことができるのである。

本実施例２による電動発電装置２においても、実施例１の場合と同様に、所定の時間差をおいて電動機１ｃに加わる機械的、電気的負荷を逐次増加させていく構成を採用しているので、電動機１ｃに無理な負担を負わせることなく、極めてスムーズに電動発電装置２の起動処理を行なう事ができる。

次に、本考案の他の実施形態である実施例３について説明を行なう。なお、本実施例３による電動発電装置３は、前述した実施例１による電動発電装置１とその基本構成を同一とするため、実施例１と同一の構成要素に関しては、図１の場合と同じ符号を付することによってその説明を省略する。

先ず、本実施例３による電動発電装置３の構成を図３のブロック図に示す。本実施例３において追加された構成要素は、電力分配回路３ｑ、整流回路３ｒ、蓄電回路３ｓ、及び電力帰還回路３ｔである。

電力分配回路３ｑは、発電機１ｉからの出力電力の一部を負荷回路１ｋから分岐させる分岐回路である。整流回路３ｒは、電力分配回路３ｑから出力された交流電力を整流するための全波整流回路であり、例えば、ダイオードやサイリスタ等を組み合わせたブリッジ回路によって構成されている。

蓄電回路３ｓは、整流回路３ｒから出力された直流電力を電気エネルギーとして蓄積するための蓄電回路である。蓄電回路３ｓは、通常のバッテリーを所定の数だけ直列若しくは並列に組み合わせたバッテリー回路によって構成しても良いし、或いは、大容量を特徴とする電気二重層キャパシタを組み合わせた構成としても良い。

電力帰還回路３ｔは、例えば、ＩＧＢＴなどの電力制御トランジスタを用いた、電力スイッチング回路であり、所定の制御信号に応じて蓄電回路３ｓに蓄えられた電気エネルギーを、本装置の電力入力側に設けられた電力供給選択回路１ａに帰還させる働きを有している。

なお、本実施例３による電動発電装置３の起動時の処理動作に関しては、実施例１における図１のタイムチャートに示されるとおりであるのでその説明は省略する。

本実施例３による電動発電装置３においては、発電機１ｉからの出力電力に余裕がある場合は、その一部を電力分配回路３ｑによって抽出し、これを整流した後に蓄電回路３ｓに電気エネルギーとして蓄積する。そして、所定のタイミングでこれを電動機１ｃに帰還させることによって、発電エネルギーの再利用を図り、電動発電装置３全体として効率を高めることが可能となる。

なお、本考案の実施形態は、以上に説明した各実施例に限定されるものではなく、例えば、各々の実施例を構成する各部位の形状や配置或いはその素材等は、本考案の趣旨を逸脱することなく、現実の実施態様に即して適宜変更ができるものであることは言うまでもない。

以上に説明した本考案の構成は、電動機によって発電機を回転駆動させ、電力エネルギーを生成する小規模発電システムにおいてその利用が可能である。

本考案の第１の実施例である電動発電装置１の構成を示すブロック図並びにタイムチャートである。 本考案の第２の実施例である電動発電装置２の構成を示すブロック図並びにタイムチャートである。 本考案の第３の実施例である電動発電装置３の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１、２、３ … 電動発電装置
１ａ … 電力供給選択回路
１ｂ、１ｊ … スイッチ回路
１ｃ … 電動機
１ｄ、１ｆ、１ｈ … クラッチ機構
１ｅ、１ｇ … フライホイール
１ｉ … 発電機
１ｋ … 負荷回路
１Ｌ … 制御回路
２ｍ … クラッチ機構
３ｑ … 電力分配回路
３ｒ … 整流回路
３ｓ … 蓄電回路
３ｔ … 電力帰還回路

Claims (3)

1. 電動機の回転軸と発電機の回転軸とを互いに接続し、前記電動機によって前記発電機を回転駆動させることにより発電を行なう電動発電装置において、
   所定のクラッチ指令信号に応じて、前記電動機と前記発電機との回転軸の連接並びに離接を行なうクラッチ機構と、
   所定のスイッチ指令信号に応じて、前記発電機に接続された負荷回路と該発電機出力との接続並びに遮断を行なうスイッチ回路と、
   前記電動機の起動後に、所定の時間間隔を置いて前記クラッチ機構に対して連接指令信号を送信し、さらに前記スイッチ回路に対して接続指令信号を送信する制御回路と、を備えたことを特徴とする電動発電装置。
2. 前記電動機及び発電機の回転軸は、少なくとも一つ以上のフライホイールを中継して互いに接続されており、
   所定のフライホイールクラッチ指令信号に応じて、該フライホイールと前記回転軸との連接並びに離接を行なう少なくとも一つ以上のフライホイールクラッチ機構をさらに含み、
   前記制御回路は、前記電動機の起動後に、所定の時間間隔を置いて前記フライホイールクラッチ機構に対して連接指令信号を送信することを特徴とする請求項１に記載の電動発電装置
3. 前記発電機の出力電力の一部を蓄積する蓄電回路と、該蓄電回路に蓄えられた電力の一部を前記電動機への電力供給系統へ帰還させる電力帰還回路と、をさらに含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の電動発電装置。
   
   

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