JP2013059171A - 動力伝達装置及び動力伝達方法 - Google Patents

Abstract

【課題】動力伝達の途中で生成され外部出力される直流の電圧を略一定にする電圧調整機能を備えた動力伝達装置を提供する。
【解決手段】本発明の動力伝達装置１は、駆動回転軸２に設けられて当該駆動回転軸２の回転で交流を発生する起電手段４と、起電手段４で発生した交流を一旦直流に整流した後に周波数変換して出力するインバータ６と、インバータ６からの交流が入力されて従動回転軸３に回転駆動力を発生させるモータ手段５と、を有する動力伝達装置１において、インバータ６内の直流を外部に出力可能なＤＣ供給部と、インバータ６内の直流電圧を測定する電圧測定部８と、電圧測定部８の測定値が一定となるように、インバータ６での変換周波数を可変とする周波数調整部１０と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、駆動回転軸の回転動力を、当該駆動回転軸に非連結とされた従動回転軸へと伝達する動力伝達装置及び動力伝達方法に関する。

タービンなどで駆動される駆動回転軸の回転動力を従動回転軸に伝える手段として、軸継手やギア機構を備えた動力装置がある。またそのような動力装置に電気式の動力伝達装置が付与されたものも開発されている。
例えば、特許文献１には、「タービンに接続した回転電機とエンジンとを、クラッチを備えた回連伝達機構を介して連結し、クラッチを開放してタービンの回転力のみによって回転電機を発電機として駆動する状態の他に、クラッチを締結してエンジンの出力により回転電機の発電駆動を補助し、またはタービンの回転力をエンジンの駆動力に付加する状態を運転状態に応じて制御する」動力装置が開示されている。また、この動力装置には回転電機で発電した電力で駆動モータ等を作動させる電気式の動力伝達装置が設けられている。

詳しくは、この特許文献１の動力伝達装置は、タービンから延びる駆動回転軸に設けられた発電機で起電された電力をインバータを介して外部に出力可能に構成されている。出力された電力はバッテリーに供給可能になっているとともに、バッテリーからの電力により駆動モータ等を作動させるようになっている。

特開２０００−３４５９１５号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、タービンの回転数がふらついたり、クラッチを操作してタービンの回転力をエンジンの補助動力として利用したりしなかったりすると、回転電機の回転数が変動するため、インバータからバッテリーへの直流出力電圧が不安定となる場合がある。そのため、タービンの回転力で回転電機を回転させることにより起電する通常の発電状態において、バッテリーへの直流出力を常に一定した電圧で取り出すことが困難である。

本発明は、上述の問題を鑑みてなされたものであり、インバータの直流部の負荷変動を抑制してバッテリー等への直流出力を常に一定した電圧で取り出すことのできる動力伝達装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は次の技術手段を講じている。
即ち、本発明の動力伝達装置は、駆動回転軸に設けられて当該駆動回転軸の回転で交流を発生する起電手段と、前記起電手段で発生した交流を一旦直流に整流した後に周波数変換して出力するインバータと、前記インバータからの交流が入力されて従動回転軸に回転駆動力を発生させるモータ手段と、を有する動力伝達装置において、前記インバータ内の直流を外部に出力可能なＤＣ供給部と、前記インバータ内の直流電圧を測定する電圧測定部と、前記電圧測定部の測定値が一定となるように、前記インバータ部での変換周波数を可変とする周波数調整部と、を備えていることを特徴とする。

好ましくは、前記ＤＣ供給部は、更に外部の電源からの直流が入力可能となっているとよい。
好ましくは、前記起電手段は、前記駆動回転軸の一端部に設けられた磁石と、前記駆動回転軸の回転に伴って前記磁石で発生する回転磁界により、交流を発生可能な固定子巻線と、を有しているとよい。

好ましくは、前記モータ手段は、前記インバータから入力された交流により磁場を発生する固定子巻線と、前記従動回転軸の一端部に設けられ且つ固定子巻線が発生した磁場により回転する磁石と、を有しているとよい。
一方、本発明の動力伝達方法は、駆動回転軸の回転で交流を起電し、起電した交流をインバータで一旦直流に整流した後に周波数変換し、周波数変換した交流により従動回転軸に回転駆動力を発生させることで、駆動回転軸の回転駆動力を従動回転軸へ伝達する動力伝達方法において、前記直流の電圧を測定し、測定された直流の電圧が一定となるように、前記周波数変換の際の周波数を可変とすることを特徴とする。

本発明の動力伝達装置及び動力伝達方法によれば、駆動回転軸の回転動力を従動回転軸へ伝達しつつ、動力伝達の途中で生成された直流を電圧一定の状態を保ちつつ外部へ安定供給することが可能となる。

動力伝達装置の概略を示した図である。 本発明の動力伝達装置が用いられたバイナリ発電システムを示した図である。

以下、本発明の実施形態を、図面に基づき説明する。
図１に示すように、本発明の動力伝達装置１は、駆動回転軸２と、この駆動回転軸２とは直接連結されていない従動回転軸３の間に設けられていて、駆動回転軸２の回転動力を従動回転軸３に伝達するものである。
従来から、回転動力を伝達する装置としては、軸継手やギア機構などで構成された機械的なものがあるが、本実施形態の動力伝達装置１は、回転動力を一旦電気エネルギに変換し、この電気エネルギを利用して動力伝達を行う電気式を採用している。

すなわち、本発明の動力伝達装置１は、駆動回転軸２の回転で交流を発生する起電手段４と、この交流を一旦直流に変換して再度周波数を変換した交流に変換するインバータ６と、この周波数変換された交流によって従動回転軸３に回転駆動力を発生させるモータ手段５とを有している。
動力伝達装置１に備えられたインバータ６には、起電手段４から入力された交流を一旦直流に整流する際に、この直流電圧を外部に出力可能とするＤＣ供給部７が設けられている。

さらに、動力伝達装置１は、インバータ６において整流された直流電圧を測定する電圧測定部８と、この電圧測定部８の測定値が一定となるように、周波数変換部９に対して、変換周波数を変更するような信号を発する周波数調整部１０とが設けられている。
以降、これら起電手段４、インバータ６、モータ手段５、電圧測定部８、周波数調整部１０の詳細を説明する。

図１に示すように、起電手段４は、駆動回転軸２の先端部に設けられている磁石（本実施形態では永久磁石）１１と、この永久磁石１１に対応するように配置された固定子巻線１２とで構成されている。
永久磁石１１は、駆動回転軸２の先端側の外周面に複数埋め込まれるように配備されている。

駆動回転軸２の先端の前方（図１における右方）に同軸状に従動回転軸３が配置されていて、本実施形態の場合、この駆動回転軸２と従動回転軸３は、隔壁１３により隔絶されている。なお、駆動回転軸２と従動回転軸３とは、必ずしも同軸状に配備される必要はなく、軸心同士が一致しない異軸状に設置してあってもよい。
隔壁１３には、固定子巻線１２を収める環状突出部１４が設けられている。この環状突出部１４は、隔壁１３から駆動回転軸２の基端側へ向けて突出するように設けられていて、駆動回転軸２側からの正面視で円環状となっている。この環状突出部１４に固定子巻線１２が取り付けられている。

すなわち、固定子巻線１２は、鉄心などの芯体に導線をコイル状に巻いて形成されたものであって、環状突出部１４の内周面に沿って周方向等間隔で複数個配備されている。固定子巻線１２の個数は、３つもしくは２つが好ましく、３の倍数、２の倍数でもよい。本実施形態の場合、固定子巻線１２の数を３つとしており、起電手段４は三相交流を発生可
能となっている。

駆動回転軸２は、環状突出部１４の中心に回転自在に配備され、固定子巻線１２と永久磁石１１が径方向に対面するように環状突出部１４の内部に挿入されている。
図１に示すように、駆動回転軸２の回転に伴って、駆動回転軸２の先端側に埋め込まれた複数の永久磁石１１が駆動回転軸２の軸線周りに回転すると、駆動回転軸２の周りに回転磁界が発生する。発生した回転磁界は、環状突出部１４に配置された固定子巻線１２に交流（三相交流）を発生させる。発生した三相交流はインバータ６に入力される。

インバータ６は、起電手段４から入力される三相交流を周波数変換して周波数の異なる三相交流として出力するものである。
具体的にはインバータ６は、起電手段４からの入力される交流を一旦直流に変換する整流部１５と、この直流から再度周波数を変換して得られる三相交流を生成する周波数変換部９と、で構成されている。さらに、インバータ６には、整流部１５で変換された直流を外部に出力可能とするＤＣ供給部７（本実施形態では直流出力端子）が設けられている。

整流部１５は、ダイオード１６を直列に２個接続した配線を互いに並列に３線備えていて、これらの配線は並列に接続されている。それぞれの配線におけるダイオード１６間には三相交流の配線の何れかがそれぞれ接続されている。ダイオード１６が接続された並列の配線と並列に配置された平滑用のコンデンサ１７が接続されている。
起電手段４からインバータ６に入力された交流は、整流部１５のダイオード１６で直流に変換（整流）されて、この変換された直流を平滑用のコンデンサ１７で平滑化する。

周波数変換部９は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体スイッチング素子１８により構成されている。
詳しくは、周波数変換部９は、半導体スイッチング素子１８を直列に２個配置して、一方の半導体スイッチング素子１８のコレクタと他方の半導体スイッチング素子１８のエミッタを接続した配線とし、この配線を並列に３線備えていて、これらの配線は並列に接続されている。半導体スイッチング素子１８を２個直列にした各配線に関し、２つの半導体スイッチング素子１８間の位置からインバータ６の出力が取り出されるようになっている。

整流部１５で変換された直流は、半導体スイッチング素子１８によりスイッチングされることで、所望とする周波数の交流（三相交流）として出力可能となっている。
出力された三相交流は、従動回転軸３の先端に設けられたモータ手段５に入力され、従動回転軸３の回転駆動力へ変換される。
図１に示すように、モータ手段５は、起電手段４と略同様な構成を備えており、磁石（本実施形態では永久磁石）１１と、この永久磁石１１に対応するように配置された固定子巻線１２とで構成されている。

永久磁石１１は、従動回転軸３の先端側の外周面に複数埋め込まれるように配備されている。
起電手段４と同様に、隔壁１３には、従動回転軸３の基端を向くように突出状とされた環状突出部１４が設けられていて、この環状突出部１４に固定子巻線１２が取り付けられている。固定子巻線１２は、鉄心などの芯体に導線をコイル状に巻いて形成されたものであって、環状突出部１４の内周面に沿って周方向等間隔で複数個配備されている。固定子巻線１２の個数は、３つもしくは２つが好ましく、３の倍数、２の倍数でもよい。本実施形態の場合、固定子巻線１２の数を３つとしている。

従動回転軸３は、環状突出部１４と同軸状に配備され、且つ、固定子巻線１２と永久磁石１１が径方向に対面するように、環状突出部１４の内部に回転自在に挿入されている。
図１に示すように、モータ手段５における固定子巻線１２へは、インバータ６で周波数変換された三相交流が入力される。入力された三相交流によって固定子巻線１２は磁場を発生させる。従動回転軸３の先端側に埋め込まれた複数の永久磁石１１は、発生した磁場に対して反発し合うことで、従動回転軸３が回転するようになる。

なお、モータ手段５においては、従動回転軸３の先端側に配備された永久磁石１１を、誘導コイル（巻線形や籠形）とすることも可能である。
駆動回転軸２の回転動力が伝達された従動回転軸３は、その先にある負荷を回転駆動させることになる。負荷としては、ポンプや発電機、エレベータのように錘を巻き上げる機構、クレーンの駆動手段など、種々のものを用いることができる。また、モータ手段５は、負荷を回転駆動する他の回転駆動手段（モータ等）の補助動力源としても好適に用いることができる。

ところで、本発明の動力伝達装置１に備えられたインバータ６には、整流部１５で変換された直流電圧を外部に出力可能とするＤＣ供給部７が備えられている。具体的には、このＤＣ供給部７は直流出力端子（ＤＣ供給端子）で構成されている。ＤＣ供給部７から出力された直流電力は、バッテリーの充電、外部に設けられた駆動システムの主駆動機や補助駆動機（補機）への電力供給に資することが可能である。ＤＣ供給部７は、出力される直流電力が安定しているため、単に固定的に接続されたバッテリーに対して余剰電力を一時的に蓄電するものではなく、着脱自在に接続されるバッテリーに対して充電を行う充電器として特に好適に用いることができる。

このＤＣ供給部７は、非常に有益な「電力供給手段」であるが、インバータに接続される外部機器、装置の負荷等が変動した際に、このＤＣ供給部７から出力される直流の電圧が不安定になりやすいといった欠点が存在していた。
そこで、本実施形態の動力伝達装置１には、直流の出力電圧を一定とするために、インバータ６の整流部１５で変換された直流の電圧を測定する電圧測定部８と、この電圧測定部８で測定した測定値が一定となるように、必要な周波数に調整する周波数調整部１０とが備えられている。

ＤＣ供給部７の電圧を測定する電圧測定部８は、周知の電圧計やシーケンサの電圧測定ユニット等を用いることができ、計測されたインバータ６内の直流電圧値は、周波数調整部１０に出力される。
周波数調整部１０は、電圧測定部８で測定された電圧値と予め設定された電圧値を比較して、設定された電圧値に合わせるように、インバータ６内の周波数変換部９に対して、スイッチング信号を発するように構成されている。このスイッチング信号は半導体スイッチング素子１８のゲートに入力され、周波数変換部９のスイッチング周波数が変更される。

例えば、電圧測定部８で測定された電圧値が予め設定された電圧値を下回る場合は、周波数調整部１０は、周波数変換部９のスイッチング周波数を上げるようにし、電圧測定部８で測定された電圧値が予め設定された電圧値を上回る場合は、周波数調整部１０は、周波数変換部９のスイッチング周波数を下げるようにする。
次に、動力伝達装置１の作動態様について説明する。

作動態様を説明するにあたり、本実施形態の動力伝達装置１が、バイナリ発電システム１９に適用された例を示し、説明を進める。なお、本実施形態の動力伝達装置１は、様々な回転軸での動力伝達に適用可能であることは言うまでもない。
図２に示す如く、バイナリ発電システム１９は、外部の熱源からの熱を用いて液体の作動媒体を蒸発させる蒸発器２０と、この蒸発器２０で蒸発した作動媒体の蒸気を膨張させて回転駆動力を発生する膨張機２１と、膨張機２１で膨張させられた作動媒体の蒸気を液体に凝縮する凝縮器２２と、この凝縮器２２で凝縮させられた液体の作動媒体を循環させる作動媒体ポンプ２３（補機）とを閉ループ状の循環配管上に備えている。さらに、膨張機２１で生じた回転駆動力により発電を行う発電機２４を有している。膨張機２１の回転軸（駆動回転軸２）と発電機２４の回転軸（従動回転軸３）とは、動力伝達装置１で連結されている。

バイナリ発電設備で発電を行う際には、まず、蒸発器２０により液体の作動媒体を蒸気に気化させる。作動媒体の蒸気は膨張機２１に送られ、膨張機２１内で膨張してスクリュロータを回転させる。スクリュロータを回転させた作動媒体の蒸気は凝縮器２２に送られ再び液体に戻る。凝縮器２２で液体になった作動媒体は作動媒体ポンプ２３を用いて再び蒸発器２０に送られ蒸発に用いられる。膨張機２１内のスクリュロータの回転機動力は、動力伝達装置１を介し発電機２４へ伝達され発電が行われる。

発電時においては、膨張機２１の駆動回転軸２が回転すると、駆動回転軸２の先端に設けられた起電手段４、すなわち駆動回転軸２の先端側に埋め込まれた複数の永久磁石１１が駆動回転軸２の軸心周りに回転し、起電手段４の駆動回転軸２の周りに回転磁界が発生する。このようにして発生した回転磁界は起電手段４の環状突出部１４に配置された固定子巻線１２に交流（三相交流）の電流を発生させ、発生した三相交流の電流はインバータ６に入力される。つまり、起電手段４は、駆動回転軸２の回転を利用して三相交流の電力を発電し、発電した三相交流の電流をインバータ６に送る発電機２４として動作する。

インバータ６に送られた三相交流の電流は、まずインバータ６の整流部１５に入力される。整流部１５では、直列に２個接続されたダイオード１６の作用により三相交流が直流に変換（整流）される。このようにして変換された直流は平滑用のコンデンサ１７で平滑化された後、周波数変換部９に送られる。一方、この平滑用のコンデンサ１７の両端における直流に変換（整流）された部分には、ＤＣ供給部７が設けられていると共に、整流部１５で変換された直流の電圧を測定する電圧測定部８が設けられている。また、電圧測定部８で計測された直流の電圧は周波数調整部１０に出力される。

周波数調整部１０では、電圧測定部８で測定された電圧値、すなわちＤＣ供給部７の出力が予め設定された電圧値になるように、周波数変換部９に対してスイッチング信号が出力される。そして、周波数変換部９では、このスイッチング信号がＩＧＢＴなどの半導体スイッチング素子１８に入力され、直流の電流が所望とする周波数でスイッチングされ三相交流の電流としてモータ手段５に出力される。そして、モータ手段５では、入力された三相交流が、発電機２４の従動回転軸３の回転駆動力へ変換される。

このようにして本発明の動力伝達装置１では、膨張機２１の回転駆動力を一旦電気エネルギへ変換し、インバータ６を介して従動回転軸３側へ伝え、再び回転駆動力へと変えることで、駆動回転軸２の回転駆動力を確実に従動回転軸３へ伝達することが可能となる。この際、周波数変換部９のスイッチング信号の周波数を変えることで、従動回転軸３の回転数を上げたり下げたりすることもできる。つまり、動力伝達装置１を増速機又は減速機として用いることができる。なお、この機能を利用すれば、本発明の動力伝達装置１では、例えば駆動回転軸２の回転数が変動して直流部の電圧が変動した場合に、周波数変換部９での回転数を増速したり減速したりしてその直流電圧をほぼ一定に維持することも可能となる。

また、図２に示すように、インバータ６のＤＣ供給部７を用いて整流部１５で変換された直流電圧を外部に出力することもできる。このようにしてＤＣ供給部７から出力された直流電力は、作動媒体ポンプ２３などの補機や外部に設けられた駆動システムの駆動機への電力供給に用いても良い。これに限らず、ＤＣ供給部７に着脱自在に接続されるバッテリーの充電への電力供給に用いても良い。すなわち、動力伝達装置１のＤＣ供給部７をバッテリー充電器として利用してもよい。このようにＤＣ供給部７から直流電圧を外部に出力する場合は、電圧測定部８で測定される直流の電圧が一定値となるように、周波数変換部９から出力されるスイッチング信号の周波数を許容できる範囲内で上下させるとよい。これにより、補機やバッテリーなどへ出力される直流の電圧品質を良好にすることが可能となる。

以上述べたように、動力伝達装置１により、駆動回転軸の回転動力を従動回転軸へ伝達しつつ、動力伝達の途中で生成された直流を電圧一定の状態を保ちつつ外部へ安定供給することができる。また、動力伝達装置１において駆動回転軸２と従動回転軸３との間で動力伝達する際に、当該動力伝達装置１より出力される直流電力をバイナリ発電システム１９の補機などに使用することで、発電システムの効率を装置全体としてアップすることができる。

なお、ＤＣ供給部７は、外部電源からの直流が入力可能とされていてもよい。このようにすれば、バイナリ発電システム１９の起動時において発電が安定する間、ＤＣ供給部７を介して外部から直流電力を供給することができるため、その起動がスムーズに行える。
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていな
い事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

１ 動力伝達装置
２ 駆動回転軸
３ 従動回転軸
４ 起電手段
５ モータ手段
６ インバータ
７ ＤＣ供給部
８ 電圧測定部
９ 周波数変換部
１０ 周波数調整部
１１ 永久磁石
１２ 固定子巻線
１３ 隔壁
１４ 環状突出部
１５ 整流部
１６ ダイオード
１７ 平滑用コンデンサ
１８ 半導体スイッチング素子
１９ バイナリ発電システム
２０ 蒸発器
２１ 膨張機
２２ 凝縮器
２３ 作動媒体ポンプ
２４ 発電機

Claims (5)

1. 駆動回転軸に設けられて当該駆動回転軸の回転で交流を発生する起電手段と、前記起電手段で発生した交流を一旦直流に整流した後に周波数変換して出力するインバータと、前記インバータからの交流が入力されて従動回転軸に回転駆動力を発生させるモータ手段と、を有する動力伝達装置において、
   前記インバータ内の直流を外部に出力可能なＤＣ供給部と、
   前記インバータ内の直流電圧を測定する電圧測定部と、前記電圧測定部の測定値が一定となるように、前記インバータでの変換周波数を可変とする周波数調整部と、を備えていることを特徴とする動力伝達装置。
2. 前記ＤＣ供給部は、更に外部の電源からの直流が入力可能となっていることを特徴とする請求項１に記載の動力伝達装置。
3. 前記起電手段は、
   前記駆動回転軸の一端部に設けられた磁石と、
   前記駆動回転軸の回転に伴って前記磁石で発生する回転磁界により、交流を発生可能な固定子巻線と、
   を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の動力伝達装置。
4. 前記モータ手段は、
   前記インバータから入力された交流により磁場を発生する固定子巻線と、
   前記従動回転軸の一端部に設けられ且つ固定子巻線が発生した磁場により当該従動回転軸を回転させる磁石と、
   を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の動力伝達装置。
5. 駆動回転軸の回転で交流を起電し、起電した交流をインバータで一旦直流に整流した後に周波数変換し、周波数変換した交流により従動回転軸に回転駆動力を発生させることで、駆動回転軸の回転駆動力を従動回転軸へ伝達する動力伝達方法において、
   前記直流を前記インバータ外部に供給可能としておき、
   前記直流の電圧を測定し、測定された直流の電圧が一定となるように、前記周波数変換の際の周波数を可変とすることを特徴とする動力伝達方法。

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