CN107407254B - 叶轮及具有叶轮的自然能源发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明的叶轮(18)具备：主轴(22)，其设置成绕着轴心自由旋转；叶片(24)，其固定于该主轴(22)，根据风力或水力驱动而绕着该轴心旋转。该叶片(24)具有：平直部(28)，其相对于该主轴(22)，于平行或垂直方向延伸；叶片前端部(29)，其从该平直部(28)的端部延伸，于包含该主轴(22)轴心的平面将该叶片前端部(29)切断所成的剖面形状中，该叶片前端部(29)形成为：以伴随从基端向前端延伸而越远离该平直部(28)的方式倾斜成多段的形状、或以伴随从基端向前端延伸而越远离该平直部(28)的方式而弯曲的形状。

Description

叶轮及具有叶轮的自然能源发电装置

相关申请

本申请主张2015年3月16申请的日本特愿2015－051593号、2015年3月19日申请的日本特愿2015－055735、及2015年3月19日申请的日本特愿第2015－055840号的优先权，在此参考其整体，将其作为本申请的一部分而进行引用。

技术领域

本发明关于叶轮及自然能源发电装置，其为关于提高转换效率，并提升叶片强度的技术。该转换效率为将叶片所受到的风力、水力或潮汐能转换成转动能的效率。

背景技术

自然能源发电装置的风车或水车，大致分为水平轴式及垂直轴式两大类，垂直轴式因不须对风向、水流方向、潮流方向进行控制，故用于较小型的风车或水车。

于垂直轴式发电用风车或水车中，为了提高将风力、水力或潮汐能转换成转动能的转换效率，设计叶片前端部形状。例如，利用使叶片前端部倾斜以往垂直主轴靠近，可将从风、水流或潮流所接收的能量有效地转换成转动能。将此倾斜的叶片前端部称为小翼。根据设置此小翼，可减少来自叶片前端的翼尖涡旋，而成为高效率的叶片(专利文献1)。

[已有技术文献]

[专利文献]

专利文献1：专利第4173727号公报

发明内容

[发明要解决的问题]

自然能源发电装置中，如何将叶片所受能量有效地转换成转动能为极重要因素。此转换效率(功率因数)理论上以16/27为极限(贝兹极限)。相对于此极限值，目前叶片转换效率为0.3～0.45左右，为了提高此转换效率，有必要进一步改良叶片。

图18A为已知例的垂直轴式发电用风车或水车的叶片50的主视图，图18B为图18A的XVIIIB-XVIIIB线剖面图。此叶片50中，在将平直部51与小翼52所成的角度θ设为既定角度以下的情形时，可能有使应力集中于连接平直部51与小翼52的接合部53的危险。在该场合时，产生叶片强度上的问题。

若仅加大接合部53的角度θ时，因叶片全长La为由风车或水车尺寸所界定，故平直部51的长度Lv变短。此情形时，因受风面积或受水面积实质减少，而使该转换效率下降。

也可于确保平直部51的长度Lv的基础上，加大接合部53的角度θ。于此情形时，同样因叶片50的全长La被界定，使得小翼52的水平方向长度Lh变短。如此一来，减少翼尖涡旋的效果变差。

本发明旨在提供一种叶轮及具有叶轮的自然能源发电装置，其可提高于叶轮中将叶片所受能量转换成转动能的转换效率，并可提升叶片强度。

[解决问题的方法]

本发明的叶轮具备：主轴，该主轴设置成绕着轴心自由旋转；叶片，该叶片固定于该主轴，根据风力或水力驱动以绕着该轴心旋转，其特征为，

该叶片具有：平直部，该平直部在相对于该主轴平行或垂直的方向延伸；叶片前端部，该叶片前端部从该平直部的端部延伸，

于包含该主轴轴心的平面将该叶片前端部切断所成的剖面形状中，该叶片前端部形成为：以伴随从基端向前端延伸而越远离该平直部的方式倾斜成多段的形状、或以伴随从基端向前端延伸而越远离该平直部的方式而弯曲的形状。

该叶轮为风车或水车。

依据此构成，因将包含叶片前端部的主轴轴心的剖面形状，设为以伴随从基端往前端延伸而越远离该平直部的方式倾斜成多段的形状、或以伴随从基端往前端延伸而越远离该平直部的方式而弯曲的形状，故可减少来自叶片前端的翼尖涡旋。

特别是，于使叶片前端部倾斜成多段的情形时，与倾斜成一段的情形相比，即使减缓叶片前端部的各弯曲角度，仍可使叶片前端部整体大幅倾斜。因此，在将叶片整体长度设为固定的情形时，可确保叶片前端部的水平方向长度为期望长度，同时可确保平直部的长度加长。

又，特别是将叶片前端部设为弯曲状的情形时，与倾斜成一段的情形相比，不会于叶片前端部产生局部急剧弯曲部分，可使叶片前端部整体大幅倾斜。因此，于将叶片整体长度设为固定的情形时，可确保叶片前端部的水平方向长度为期望长度，同时可确保平直部的长度加长。

如此，因为可得到加长的平直部的长度，故可提高将叶片所受的风力、水力或潮汐能(将其总称为“自然能源”或简称为“能源”)转换成转动能的转换效率。又，根据确保叶片前端部的水平方向长度为期望长度，可确实减少从叶片前端所产生的翼尖涡旋。而且，于使叶片前端部倾斜成多段的情形时，因可缓和各个接合部的弯曲角度，故可减少作用于弯曲部的应力，可提高叶片的强度。于将叶片前端部设为弯曲状的情形时，因可减缓叶片前端部的局部弯曲角度，故可分散作用于叶片前端部的弯曲部的应力，可提高叶片的强度。

本发明的一实施形态中，也可为：该叶片的平直部相对于该主轴平行延伸，该叶片在从该主轴朝半径方向远离的位置，夹设该支持体而连结于该主轴。即，该叶轮可为垂直轴式叶轮，其具备：垂直主轴(主轴)，其设置为绕着轴心自由旋转；支持体，其一体设置于该垂直主轴；叶片，其根据该支持体连结于该垂直主轴，根据风力或水力驱动而绕着该轴心旋转。

本发明的一实施形态中，也可为：该叶轮为该垂直轴式的风力发电用的风车，朝上下方向延伸的多个片的该叶片从该垂直主轴远离而设于该垂直主轴的周围，在该风车设置于地球北半球时，该各叶片的横剖面形状为下述形状，该形状为，以风力产生俯视为逆时针方向旋转力的形状。

在小型风力发电机的开发过程中，得知：根据将叶片的旋转方向界定为特定方向，即使以微风的能源也可使叶片旋转。具体而言，于位于北半球的日本，根据将垂直轴型风车的朝上下方向延伸的叶片的方向上下翻转而安装于主轴来进行确认，结果得知与右旋相比，于相同条件下左旋旋转较佳。于北半球，由于地球自转，从台风、漩流甚至排水口漩涡全部为左旋(逆时针旋转)。此一般被认为是由于地球自转所产生的柯氏力作用所致。另一方面，由于该叶片剖面形状，当叶片受到风力，根据流经该叶片双面的空气流速差所产生的升力，可决定风车的旋转方向。

据此构成的风车，于设置于北半球的情形时，因各叶片的横剖面形状为以风力产生俯视观察下朝逆时针方向旋转的旋转力的形状，故相对于已知的具有顺时针旋转的叶片的垂直轴式风力发电用风车，可有效利用地球自转所产生的作用，而减少旋转阻抗，于相同条件下可旋转多数叶片。因此，使用具有垂直主轴的发电用风车，可以更小的风的能源进行发电。

本发明的一实施形态中，该叶片的该平直部也可相对于该主轴朝半径方向外方延伸。即，该叶轮也可为水平轴式叶轮。

本发明的一实施形态中，该叶片前端部也可形成为，伴随从基端往前端宽度变窄的尖头形状。此情形时，因为相较于如将叶片前端设为平坦形状的情形，可更减少翼尖涡旋。因此，可更提高将叶片所受能量转换成转动能的转换效率。

本发明的自然能源发电装置，具备：本发明的任一实施形态的叶轮；根据该叶轮所驱动的发电机。依据此构成，可较已知品更能提高将叶片所受能量转换成转动能的转换效率。因此，特别是垂直轴式中，可于以往无法设置的场所，设置此自然能源发电装置。又，因较已知品可更提高叶片强度，故例如可达到减少叶片材料或提高维修性。

本发明的一实施形态的自然能源发电装置中，也可为：该发电机为自激励式发电机，该发电机具备：输出铁芯，其卷绕着输出绕组；磁场铁芯，其卷绕着主磁场绕组及副磁场绕组，该输出铁芯及磁场铁芯的其中任一者为定子，而另一者为转子，该各磁场绕组连接整流机构，利用该叶片旋转使得该定子与转子相对旋转以得到发电电力，该发电机更具备初期励磁机构，以产生发电初期励磁所需程度的磁力。

此构成的情形时，因该发电机为自激励式，不需用其它激励的供电，故构成简单，又，不需要赋予磁场的永久磁铁，而齿槽转矩也小到不成问题的程度。因齿槽转矩小，故可以小的扭矩开始动作。开始动作时需有磁场，若有残余磁通则可开始动作，但因长期放置或维修，可能会使残余磁通消失，若残余磁通消失则无法开始动作。然而，因设置该初期励磁机构，使得可靠的开始动作得以进行。因成为磁场的磁通伴随旋转而增大，故初期励磁所需的磁通仅为少许，对该齿槽转矩的影响也小，可以少许扭矩开始旋转而进行发电。

如此，自激励式且设有该初期励磁机构的发电机，具有可以少许扭矩进行旋转且可可靠进行发电的优点。另一方面，具有该倾斜的叶片前端部的叶轮可提高转换效率。特别是，根据将具有该倾斜的叶片前端部的垂直主轴型叶轮与自激励式且设有该初期励磁机构的发电机相组合，即使于已知自然能源发电装置中发电效率差的环境下，也可进行所需的充分发电。又，具有该倾斜的叶片前端部的叶轮及具有弯曲的叶片前端部的叶轮中，具有即使根据微风或低流速的水也可旋转的优点。因此，根据将具有如此形状的叶片前端部的垂直主轴型叶轮与自激励式且设有该初期励磁机构的电机相组合，使得可将即使根据微风或低流速的水也可产生旋转的叶轮的优点与可以少许扭矩旋转而发电的发电机的特征有效组合，而使已知自然能源发电装置中无法发电的少许微风或低流速的水进行发电成为可能。

由权利要求书及/或说明书及/或附图所揭示的至少2个构成所成的任意组合也包含于本发明中。特别是，权利要求书中的各权利要求的2个以上的任意组合也包含于本发明。

附图说明

从参考附图的以下较佳实施形态的说明，当可更能明了理解本发明。然而，实施形态及附图仅用于图示及说明，而非用以限定本发明的范围。本发明的范围由权利要求书所限定。附图中，多个附图中的相同符号，为表示相同或相当的部分。

[图1]本发明的第1实施形态的叶轮的剖视俯视图。

[图2]该叶轮的主视图。

[图3A]该叶轮的叶片的主视图。

[图3B]图3A的IIIB-IIIB线剖面图。

[图4]图3B的IV-IV线剖面图。

[图5]图3B的V部的放大图。

[图6A]本发明的第2实施形态的叶轮的叶片的主视图。

[图6B]图6A的VIB-VIB线剖面图。

[图7]本发明的第3实施形态的叶轮的剖视俯视图。

[图8]该叶轮的主视图。

[图9A]该叶轮的叶片的主视图。

[图9B]图9A的IXB-IXB线剖面图。

[图10]图9B的X-X线剖面图。

[图11]图9B的XI部的放大图。

[图12A]本发明的第4实施形态的叶轮的叶片的主视图。

[图12B]图12A的XIIB-XIIB线剖面图。

[图13]本发明的实施形态的风力发电用的风车的剖视俯视图。

[图14]针对图13所示的叶片，显示与图10所示剖面为相同位置的横剖面的剖面图。

[图15]将本发明的实施形态的发电机的发电机本体的剖视主视图与电路图组合后的说明图。

[图16]将该发电机本体展开成直线状的说明图。

[图17]该发电机本体的电气电路构成的电路图。

[图18A]已知例的叶轮的叶片的主视图。

[图18B]图18A的XVIIIB-XVIIIB线剖面图。

具体实施方式

参考图1至图5，说明本发明的实施形态的叶轮及自然能源发电装置。图1为此实施形态的叶轮18的剖视俯视图。图2为此叶轮18的主视图。此叶轮18为叶片24朝上下方向延伸而成的所谓直线翼垂直轴型叶轮(垂直轴式叶轮)。如图1及图2所示，自然能源发电装置19具备：叶轮18；由该叶轮18所驱动的发电机26(后述)。叶轮18具有：作为旋转体的转子Rt；作为固定体的固定基台Kd。固定基台Kd具有：支持板体20；框体21；基台25。支持板体20为载置于接地面的平板状板体，于该支持板体20顶面设置着基台25。于此基台25内部设有后述的发电机26。

框体21具有：多个(此例为4根)支柱21a，由从支持板体20往上方延伸而成；多个连结构件21b，于水平方向连结这些支柱21a；多个架设构件21c。多个连结构件21b包含：上段的多个连结构件21b，其将相邻的支柱21a的上端部彼此相互连结；下段的多个连结构件21b，其将相邻的支柱21a的下端附近部相互连结。跨接上段(图2上侧)的连结构件21b中所限定的连结构件21b、及与此连结构件21b相对的连结构件21b，架设着架设构件21c。又，跨接下段(图2下侧)的连结构件21b中所限定的连结构件21b、及与此连结构件21b相对的连结构件21b，架设着架设构件21c。

转子Rt具有：垂直主轴(主轴)22；支持体23；及叶片24。于各架设构件21c、21c的长边方向中间部，分别夹设轴承27、27而旋转自如地支持着垂直主轴22。垂直主轴22朝上下方向延伸，此垂直主轴22的下端部延伸至基台25内部。从垂直主轴22的长边方向中间附近部起，以分别朝半径方向外方延伸的方式，设置多个支持体23。这些支持体23例如设置成：于该叶轮18的主视图中为平行，且于该叶轮的俯视图中为同相位。

于多个支持体23的两侧前端部分别设置叶片24。于此例中，于上下的支持体23、23的一端部连结着一片叶片24；于上下的支持体23、23的另一端部，连结着另一片叶片24。这些叶片24、24，以垂直主轴22为中心，设置于相位差180度的位置。各叶片24沿上下方向延伸，以于框体21中不相干扰的方式，设置于该框体21内。各叶片24接受来自各方向的风或水，而环绕着垂直主轴22的轴心L1旋转。

图3A为此叶轮的叶片24的主视图；图3B为图3A的IIIB-IIIB线剖面图。如图3A、3B所示，叶片24具有：平直部28；及分别从该平直部28的长边方向两端延伸而成叶片前端部29、29。平直部28及各叶片前端部29、29为由相同材料一体形成。平直部28与垂直主轴22(图2)相平行而延伸，且于图3A的主视图中，于上下方向的任一位置中皆为相同宽度。又，如图3B所示，平直部28形成为：于上下方向的任一位置中皆为相同厚度。

图4为图3B的IV-IV线剖面图。如图1及图4所示，多个(此例为2片)叶片24各自在与垂直主轴22的轴心L1(图2)相垂直的平面切断所看到的横剖面，相对于叶片24的旋转方向为非对称，并且，将于该剖面成为较厚侧的部分(该图4上侧部分)设为各叶片24的旋转方向前端。再者，将各叶片24的平直部28的外侧面28a设为朝半径方向外方凸出的弯曲面；将平直部28的内侧面28b的大部分设为平坦面28ba。

又，也可不将内侧面28b的大部分设为平坦面28ba，而将内侧面28b设为曲率半径大于外侧面28a的弯曲面。平直部28的内侧面28b中，与外侧面28a的圆周方向一端(图4上侧)的接合部成为圆弧面28bb。该圆弧面28bb与平坦面28ba的接合部，以无台阶差而平滑连续的方式形成。

平直部28的内侧面28b与外侧面28a的圆周方向另一端(图4下侧)的接合部，则形成为成锐角的角部。于平直部28的内侧面28b的平坦面28ba中靠近圆弧面28bb的部分，连结着支持体23的前端部。该平坦面28ba相对于支持体23的长边方向成为垂直的平面，此垂直的平面沿上下方向延伸。

如图2及图3A、3B所示，叶片前端部29、29为用以减少来自各叶片前端的翼尖涡旋的所谓小翼。该叶片前端部29于包含该轴心L1的平面将该叶片前端部29切断所看到的剖面形状形成为：以伴随从基端往前端，越靠近垂直主轴L1侧的方式倾斜成多段(此例为二段)(换言之，以远离平直部28的方式成多段倾斜)的形状。上下的叶片前端部29、29相对于平直部28的长边方向中间部的中心线L2，形成为成线对称的相同形状。

图5为图3B的V部也即上侧的叶片前端部29的放大图。又，如前所述，因上下的叶片前端部29、29成为线对称的相同形状，故仅对上侧的叶片前端部29附上符号进行详细说明，对于下侧的叶片前端部29，则赋予与图3B中上侧的叶片前端部29为相同的符号，而省略其详细说明。如图3B及图5所示，叶片前端部29具有：第一段倾斜部分29a，接合于平直部28的长边方向前端；第二段倾斜部分29b，接续于此第一段倾斜部分29a。

第一段倾斜部分29a于该剖面中相对于平直部28成角度θ1，并往垂直主轴侧倾斜。此第一段倾斜部分29a于上下方向的任一位置中，均形成为相同厚度t1。于第一段倾斜部分29a的上端，接合着第二段倾斜部分29b。此第二段倾斜部分29b于该剖面中，相对于第一段倾斜部分29a成角度θ2，并往垂直主轴侧倾斜。第二段倾斜部分29b形成为：该剖面中的厚度t2伴随越往上端而越薄的剖面形状。又，各角度θ1、θ2定义为：界定该角度的平直部28、第一段倾斜部分29a、第二段倾斜部分29b的各宽度方向中心线所成的角度。角度θ1、θ2分别设定为大于已知例的接合部53的角度θ(图18B)。又，此例中，角度θ1及θ2设定为相同角度。但是，角度θ1及θ2不限为相同角度。

依据以上所述的叶轮18的叶片24，因将含叶片前端部29的主轴轴心的剖面，设为以伴随从基端往前端而越朝向垂直主轴侧的方式而倾斜的剖面形状，故可减少来自叶片前端的翼尖涡旋。特别是，使叶片前端部29倾斜成多段，故与成一段倾斜的情形相较，即使令叶片前端部29的各接合部30、31的弯曲角度θ1、θ2为平缓，也可使叶片前端部29整体成大幅度倾斜。因此，于叶片整体长度设为固定的情形时，可于确保叶片前端部29的水平方向长度Lh为期望长度下，同时确保平直部28的长度Lv加长。如上所述，除了可确实减少来自叶片前端的翼尖涡旋外，且可确保所期望的受风面积或受水面积，故即使为少量的微风或低流速的水，也可旋转。

如此，因可得到长的平直部28的长度Lv，故可提高将叶片24所受能量转换成转动能的转换效率。又，根据确保叶片前端部29的水平方向长度Lh为期望长度，可确实减少从叶片前端所产生的翼尖涡旋，且可减缓各接合部的弯曲角度，故可减少作用于弯曲部的应力，可提高叶片24的强度。

叶片前端部29因设为伴随从基端往前端而宽度越窄的尖头形状，故相较于如将叶片前端设为平坦形状的情形，可更减少翼尖涡旋。因此，可更提高将叶片24所受能量转换成转动能的转换效率。

又，垂直轴式的叶轮18的叶片前端部29，以包含该轴心L1的平面切断此叶片前端部29所观察到的剖面，也可为：以伴随从基端往前端，越远离该垂直主轴L1侧的相反侧的方式而倾斜成多段的剖面形状。也可相对于一根垂直主轴22于上下方向设置多段的叶片24。此情形时，可增加叶片24相对于叶轮的设置面积的受风面积。又，叶片片数不限于每一段为2片，也可为3片以上。

接着，说明本发明的第2实施形态。于以下说明中，对于对应各形态中在先前形态所述事项的部分赋予相同参考符号，省略重复说明。于仅说明构成部分的情形时，对于构成的其它部分，若无特别记载，则与先前所述形态相同。从相同构成可得到相同作用效果。并非仅为于实施的各形态中具体所述部分的组合，若组合不会特别产生问题，则也可将实施形态部分互相组合。

图6A为第2实施形态的叶轮的叶片24A的主视图；图6B为图6A的VIB-VIB线剖面图。此叶轮为叶片24A的平直部28A相对于主轴22朝半径方向外方延伸而成的水平轴式叶轮。也即，主轴22设置成可绕着该轴心L1自由旋转，于此主轴22的外周，在圆周方向以固定间隔固定着多个(例如，2～5片左右：图6A中仅显示一片)叶片24A。从图6A所示的主视图中，叶片24A的平直部28A形成为从基端往前端而逐渐变宽。其它则为与前述第1实施形态为相同构成。叶片24A距离主轴22的旋转轴心越远，越可大幅确保扭矩。又，使叶片前端部29倾斜的方向，可设为朝向主轴22的基端侧，也可设为朝向主轴22的前端侧。依据此构成，使平直部28A形成为伴随从基端往前端宽度越宽，也即面积越大，因此可更提高大幅确保扭矩的平直部28A的前端的转换效率。又，因如前所述使叶片前端部29成为倾斜成多段的剖面形状，故可提高将叶片24A所受能量转换成转动能的转换效率，并可提升叶片24A的强度。

使用图7至图11，说明本发明的第3实施形态的叶轮及自然能源发电装置。图7为此实施形态的叶轮18的剖视俯视图。图8为此叶轮18的主视图。于以下说明中，对于对应各形态中在先前形态所述事项的部分赋予相同参考符号，而省略重复说明。于仅说明构成部分的情形时，对于构成的其它部分，若无特别记载，则与先前所述形态相同。从相同构成可得到相同作用效果。并非仅为于实施的各形态中具体所述部分的组合，若组合不会特别产生问题，则也可将实施形态部分互相组合。

图9A为此叶轮的叶片24的主视图；图9B为图9A的IXB-IXB线剖面图。如图9A、9B所示，叶片24具有：平直部28；及分别从该平直部28的长边方向两端延伸而成的叶片前端部29、29。平直部28及各叶片前端部29、29为由相同材料一体形成。平直部28与垂直主轴22(图8)相平行而延伸，且于图9A的主视图中，于上下方向的任一位置中皆为相同宽度。又，如图9B所示，平直部28形成为：于上下方向的任一位置中皆为相同厚度。

图10为图9B的X-X线剖面图。如图7及图10所示，多个(此例为2片)叶片24各自在与垂直主轴22的轴心L1(图8)相垂直的平面切断所看到的横剖面，相对于叶片24的旋转方向为非对称，并且，将于该剖面成为较厚侧的部分(同图10上侧部分)设为各叶片24的旋转方向前端。再者，将各叶片24的平直部28的外侧面28a设为朝半径方向外方成凸出的弯曲面；将平直部28的内侧面28b的大部分设为平坦面28ba。

又，也可不将内侧面28b的大部分设为平坦面28ba，而将内侧面28b设为曲率半径大于外侧面28a的弯曲面。平直部28的内侧面28b中，与外侧面28a的圆周方向一端(图10上侧)的连接部，成为圆弧面28bb。该圆弧面28bb与平坦面28ba的连接部，以无台阶差而平滑连续的方式形成。

平直部28的内侧面28b与外侧面28a的圆周方向另一端(图10下侧)的连接部，形成为成锐角的角部。于平直部28的内侧面28b的平坦面28ba中靠近圆弧面28bb的部分连结着支持体23的前端部。该平坦面28ba成为相对于支持体23的长边方向成垂直的平面，此垂直的平面沿上下方向延伸。

如图8及图9A、9B所示，叶片前端部29、29为用以减少来自各叶片前端的翼尖涡旋的所谓小翼。将该叶片前端部29于含该轴心L1的平面切断所看到的剖面(主轴剖面)形状形成为：以伴随从基端往前端而越靠近垂直主轴L1侧的方式(换言之，以远离平直部28的方式)而弯曲的形状。上下的叶片前端部29、29相对于平直部28的长边方向中间部的中心线L2，形成为成线对称的相同形状。

图11为图9B的XI部也即上侧的叶片前端部29的放大图。又，如前所述，因上下的叶片前端部29、29成为线对称的相同形状，故仅对上侧的叶片前端部29附上符号进行详细说明，对于下侧的叶片前端部29，则赋予与图9B中上侧的叶片前端部29为相同的符号，而省略其详细说明。如图9B及图11所示，该叶片前端部29为由与平直部28的长边方向前端30相接合的弯曲部分29a所构成。

此弯曲部分29a形成为越往前端越往垂直主轴侧缓慢弯曲。弯曲部分29a的主轴剖面包含：垂直主轴侧的内面侧部分29aa；与该内面侧部分29aa为相反侧的外面侧部分29ab。内面侧部分29aa无台阶差而圆滑地接合于平直部28的内侧面28b；外面侧部分29ab无台阶差而圆滑地接合于平直部28的外侧面28a。这些内面侧部分29aa、外面侧部分29ab，各由预设的曲率半径Ra、Rb所形成。这些内面侧部分29aa、外面侧部分29ab的曲率中心C1、C2，例如位于平直部28与垂直主轴22(图8)的中间附近，且与平直部28的长边方向前端30为大致相同高度。这些内面侧部分29aa、外面侧部分29ab的曲率中心C1、C2设定于不同位置。又，弯曲部分29a形成为：该主轴剖面的厚度t1伴随越往上端而变越薄的剖面形状。又，曲率半径Ra、Rb，例如由实验或模拟等结果而适当设定。

依据以上所述的叶轮18的叶片24，因将叶片前端部29的主轴剖面设为伴随从基端往前端而越靠近垂直主轴侧的剖面形状，故可减少来自叶片前端的翼尖涡旋。特别是，将使叶片前端部29越往前端越靠近垂直主轴侧的形状设为弯曲状，故与使倾斜成一段的情形时相较，不会于叶片前端部29产生局部急遽弯曲部分，而可使叶片前端部29整体大幅倾斜。因此，于叶片整体长度为固定的情形时，可于确保叶片前端部29的水平方向长度Lh为期望长度下，同时确保平直部28的长度Lv变长。如上所述，因除了可确实减少来自叶片前端的翼尖涡旋的外，且可确保所期望的受风面积或受水面积，故即使为少量的微风或低流速的水，也可旋转。

如此，因可得到长的平直部28的长度Lv，故可提高将叶片24所受能量转换成转动能的转换效率。又，根据确保叶片前端部29的水平方向长度Lh为期望长度，可确实减少从叶片前端所产生的翼尖涡旋，且可减缓叶片前端部29的局部弯曲角度，故可分散作用于叶片前端部29的弯曲部的应力，可提高叶片24的强度。

叶片前端部29因设为伴随从基端往前端而宽度越窄的尖头形状，故相较于如将叶片前端设为平坦形状的情形，可更减少翼尖涡旋。因此，可更提高将叶片24所受能量转换成转动能的转换效率。

又，弯曲部分29a的内面侧部分29aa、外面侧部分29ab，也可设为由相同曲率半径所构成，且将弯曲部分29a的该主轴剖面的厚度t1设为于上下方向的任一位置中皆为相同壁厚。弯曲部分29a的内面侧部分29aa、外面侧部分29ab也可分别设为：从基端起至某固定位置为止由预定曲率半径所构成，而从该固定位置起至前端为止由二次曲线等抛物线形的曲线所构成。此曲率半径与抛物线形曲线的关为也可相反。也可将其它曲率半径与抛物线形曲线加以复合组合而成。

以下，说明本发明的第4实施形态。于以下说明中，对于对应各形态中在先前形态所述事项的部分赋予相同参考符号，而省略重复说明。于仅说明构成部分的情形时，对于构成的其它部分，若无特别记载，则与先前所述形态相同。从相同构成可得到相同作用效果。并非仅为于实施的各形态中具体所述部分的组合，若组合不会特别产生问题，则也可将实施形态部分互相组合。

图12A为第4实施形态的叶轮的叶片24A的主视图；图12B为图12A的XIIB-XIIB线剖面图。此叶轮为：叶片24A的平直部28A对着主轴22朝半径方向外方延伸而成的水平轴式。也即，主轴22设为可绕该轴心L1自由旋转，于此主轴22的外周，在圆周方向以固定间隔固定着多个(例如，2～5片左右：图12A中仅显示一片)叶片24A。于图12A的主视图中，叶片24A的平直部28A形成为伴随从基端往前端而宽度越宽。与其它前述实施形态成相同构成。叶片24A距离主轴22的旋转轴心越远，越可大幅确保扭矩。又，使叶片前端部29倾斜的方向，可设为朝向主轴22的基端侧，也可设为朝向主轴22的前端侧。依据此构成，使平直部28A形成为伴随从基端往前端而宽度越宽，也即面积越大，因此可更提高大幅确保扭矩的平直部28A的前端的转换效率。又，因将叶片前端部29的该剖面设为伴随从基端往前端而越靠近垂直主轴侧的剖面形状，故可提高将叶片24A所受能量转换成转动能的转换效率，并可提高叶片24A的强度。

使用图13及图14，说明本发明的第5实施形态的叶轮(也即风力发电用风车)、及自然能源发电装置(也即风力发电装置)。图13为此实施形态的风力发电用的叶轮(风车)18的剖视俯视图。此风车18为叶片24朝上下方向延伸而成的所谓直线翼垂直轴型风车。此风车18设置于北半球。于以下说明中，对于对应各形态中在先前形态所述事项的部分赋予相同参考符号，而省略重复说明。于仅说明构成部分的情形时，对于构成的其它部分，若无特别记载，则与先前所述形态相同。从相同构成可得到相同作用效果。并非仅为于实施的各形态中具体所述部分的组合，若组合不会特别产生问题，则也可将实施形态部分互相组合。

又，本实施形态的叶轮(风车)18的叶片24的形状，也可为垂直轴型的叶轮18(也即上述第1实施形态的叶轮18及第3实施形态的叶轮18)的任一叶片24的形状，但于以下说明中，以叶片24的前端部29形成为弯曲状的第3实施形态的叶片24作为代表例，进行说明。

图14为针对图13所示的本实施形态的叶片24，显示与第3实施形态的图10所示的剖面为相同位置的横剖面的剖面图。如图13及图14所示，多个(此例中为2片)叶片24的横剖面，形成为与风向无关而将旋转方向界定为特定方向(以图13箭头R1所示的逆时针旋转)的形状。也即，多个叶片24各自在与垂直主轴22的轴心L1相垂直的平面切断所看到的横剖面，相对于叶片24的旋转方向为非对称，并且，将于同剖面成为较厚侧的部分(同图14下侧部分)设为各叶片24的旋转方向前端。再者，将各叶片24的平直部28的外侧面28a设为朝半径方向外方凸出的弯曲面；将各叶片24的平直部28的内侧面28b的大部分设为平坦面28ba。

又，除了将内侧面28b的大部分设为平坦面28ba外，也可将内侧面28b设为曲率半径大于外侧面28a的弯曲面。平直部28的内侧面28b中，与外侧面28a的圆周方向一端(图14下侧)的接合部成为圆弧面28bb。此圆弧面28bb与平坦面28ba的连接部，以无台阶差而平滑连续的方式形成。

平直部28的内侧面28b与外侧面28a的圆周方向另一端(图14上侧)的连接部，形成为成锐角的角部。于平直部28的内侧面28b的平坦面28ba中靠近圆弧面28bb的部分，连结着支持体23的前端部。该平坦面28ba成为相对于支持体23的长边方向成垂直的平面，此垂直的平面沿上下方向延伸。

如此的叶片24若受风，则沿着外侧面28a的流速较沿着内侧面28b的流速为快，叶片周围的压力分布中，外侧面28a的负压变大。因此，叶片整体产生从内侧面侧往外侧面侧的升力L。如图14所示，在此，将根据以叶片24的旋转所产生的相对风速v与风速u的合成风速w而于叶片产生的升力设为L。如此一来，升力L与阻力D的t方向的合成成分(Lt－Dt)，成为叶片24的旋转方向的力。

将具备与风向无关而将旋转方向界定为逆时针旋转的前述多个叶片24的风车18设置于北半球时，相对于具有已知的顺时针旋转的叶片的垂直轴式风力发电用风车，可有效利用因地球自转所产生的柯氏力而减少旋转阻抗，于相同条件下可旋转多数叶片24。因此，使用具有垂直主轴22的发电用风车18，可以较少风力能源进行发电。风车18因为是直线翼垂直轴型风车，故可提高作用于叶片24的升力与阻力的比。又，可以高周速比得到大的扭矩。

其次，使用图15至图17，共同说明发电机26。于基台25(图2)内部设置根据垂直主轴22(图2)的旋转使后述的转子5旋转而进行发电的发电机26。图15为发电机26的发电机本体1的剖视主视图及电路图的组合说明图。图15中，发电机26的发电机本体1具有：环状定子4及转子5，该转子5在该定子4的中心周围旋转自如地设置于该定子4的内侧。例如，此转子5与前述垂直主轴(图2)连结于同轴。定子4具有输出铁芯6及输出绕组7。此实施形态为应用于2极发电机的例子，输出铁芯6于圆环状轭铁部6a的圆周方向的2处，形成往内侧凸出的齿状磁极部6b。于各磁极部6b卷绕着该输出绕组7。

如图16所示，各磁极部6b的输出绕组7，以于输出铁芯6的相邻磁极部6b的内径侧相对的磁极面出现相异磁极的方式串联。输出绕组7的两端成为端子7a、7b，如图15所示，于这些端子7a、7b连接外部负载3，而从发电机将电流取出至外部。

如图15及图16所示，转子5具有：磁场铁芯8；及卷绕于该磁场铁芯8的主磁场绕组9及副磁场绕组10。磁场铁芯8于具有中心孔的铁芯本体8a的外周，于圆周方向并排设置往外径侧凸出的多个齿状的磁极部8b。此磁极部8b相对于输出铁芯6的一个磁极部6b，分别设置3个。

主磁场绕组9横跨相邻的2个磁极部8b、8b而卷绕，此横跨2个磁极部8b、8b而卷绕的各主磁场绕组9，以于2个成组的相邻磁极组彼此的磁极面出现相异磁极的方式串联。副磁场绕组10与主磁场绕组9仅位移一个磁极部8b份的相位，与主磁场绕组9相同，横跨相邻2个磁极部8b、8b而卷绕。此横跨卷绕于此2个磁极部8b、8b的各副磁场绕组10，以于2个成组的相邻磁极组彼此的磁极面出现相异磁极的方式串联。将主磁场绕组9及副磁场绕组10的各串联连接体的两端的端子，分别以符号9a、9b、10a、10b示于图16。

如图17所示，于主磁场绕组9并联连接着整流组件(整流机构)11，于主磁场绕组9流过整流组件11可流过的方向的电流。副磁场绕组10与主磁场绕组9相串联，且串联连接着整流组件(整流机构)12，于副磁场绕组10仅流过与主磁场绕组9为相同方向的电流。图中的箭头表示电流流过方向。

此发电机26于具有如此副磁场绕组10构成的自激型发电机中，具有可产生发电初期励磁所需程度的磁力的初期励磁机构2。如图15所示，于输出绕组7，磁化用电源14经由开关机构13与外部负载3并联连接。磁化用电源14与开关机构13构成初期励磁机构2。开关机构13使用半导体开关组件或有接点的开关。磁化用电源14为2次电池或电容器等的蓄电机构。外部负载3为2次电池的情形时，也可将其用为磁化用电源。

为了进行磁化，只要使既定大小的电流以极短时间流过即可。磁化程度，只要为可得到用以开始发电的初期励磁所需的剩磁的程度即可，以电流大小与开关机构13的启动时间加以设定。开关机构13的开关操作，为根据开关控制机构15而进行。开关控制机构15，例如于监视用以检测转子5的旋转的旋转检测机构16的检测信号，而检测到转子5从静止状态开始旋转时，则使开关机构13仅启动磁化所需的设定时间。

又，当转子5的旋转的停止时间为短时，因剩磁充分残留，因此，开关控制机构15也可以依据设定条件而使开关机构13启动的方式(如仅于设定时间以上的转子5停止后开始旋转的情形时，使开关机构13启动)，进行控制。又，也可仅于即使成为既定旋转数也未开始发电的情形时进行磁化；也可于每个既定时间发电机旋转停止时进行磁化。

此实施形态中，输出绕组7连接着磁化用电源14，但如图17所示，也可磁场绕组9、10经由开关机构13而连接着磁化用电源14。于此例时，磁化用电源14也可为2次电池或电容器。为了进行磁化，只要使既定大小的电流以极短时间流过即可。与图15的实施形态相同，开关机构13根据开关控制机构15进行开关控制。

以下，说明转子5旋转而进行发电时的动作。图17所示，于主磁场绕组9并联连接着整流组件11，因此于主磁场绕组9流过整流组件11可流过的方向的电流。因此，产生由可流过主磁场绕组9的电流所决定方向的磁通。又，根据电磁感应，使得于防止与产生电流的磁通为同方向的磁通减少的方向，流过电流；而于阻止磁通增加的方向，不流过电流。因此，可防止磁通的减少，但不会防止磁通的增加。于副磁场绕组10，串联连接着整流组件12，且仅流过与主磁场绕组9为相同方向的电流。

如图15至图17所示，根据输出铁芯6或磁场铁芯8的剩磁，使电流流过主磁场绕组9。利用此电流，使得利用主磁场绕组9所产生的磁通而使交链于副磁场绕组10的磁通改变，而于副磁场绕组10产生电压。利用此电压，副磁场绕组10根据主磁场绕组9供给电流，而使得流过主磁场绕组9的电流增加。副磁场绕组10于电压未诱发而不供给电流的情形时，回流电流经由整流子11流至主磁场绕组9，而维持主磁场绕组9的磁通。

当电流供给至主磁场绕组9，主磁场绕组9所产生的磁通变大，因此交链于副磁场绕组10的磁通也变大，而对主磁场绕组9供给更大电流。如此，主磁场绕组9的电流逐渐增加，而产生发电所需的磁通。利用输出铁芯6及磁场铁芯8的相对运动，输出绕组7的交链磁通改变而产生电压。

如上所述，于转子5进行旋转期间进行发电，但若转子5于某种程度长时间停止，则输出铁芯6及磁场铁芯8均无剩磁，或剩磁不充足，而无法开始发电。因此，于此实施形态中，于转子5停止后的旋转开始时，使初期励磁机构2的开关机构13启动，而从磁化用电源14对输出绕组7流入磁化电流，使输出铁芯6磁化。如上所述因若继续旋转则磁通逐渐变大，因此磁化程度只要能得到用于开始发电的初期励磁所需的剩磁的程度即可。故磁化仅需以极短时间流过既定大小的电流。根据此磁化，即使于转子5长时间停止后，也可利用再度旋转而确实开始发电。

于设置开关机构13的实施形态的情形时，于转子5停止后的旋转开始时，使初期励磁机构2的开关机构13启动，从磁化用电源14对主磁场绕组8流过磁化电流，使磁场铁芯8磁化。于使磁场铁芯8如此磁化的情形时，即使于转子5长时间停止后，也可开始发电。

依据本实施形态的发电机26，可得到如下优点。因发电机26为自激励式发电机，不需用其他激励的供电，故构成简单，又，不需要赋予磁场的永久磁铁，而齿槽转矩也小到不成问题程度。因齿槽转矩小，故可以小的扭矩开始动作。开始动作时需有磁场，若有残余磁通则可开始动作，但因长期放置或维修，可能会使残余磁通消失，若残余磁通消失则无法开始动作。然而，因设置该初期励磁机构2，使得确实的开始动作得以进行。因成为磁场的磁通伴随旋转而增大，故初期励磁所需的磁通仅为少许，对该齿槽转矩的影响也小，可以少许扭矩开始旋转而进行发电。

如此，自激励式且设有该初期励磁机构2的发电机26，具有可以少许扭矩进行旋转且可确实进行发电的优点。另一方面，具有该倾斜的叶片前端部29的叶轮18可提高转换效率。特别是，根据将具有该倾斜的叶片前端部29的垂直主轴型叶轮18与自激励式且设有该初期励磁机构2的发电机26相组合，使得即使于已知自然能源发电装置中发电效率差的环境下，也可进行所需的充分发电。又，具有该倾斜的叶片前端部29的叶轮18及具有弯曲的叶片前端部29的叶轮18中，具有即使根据微风或低流速的水也可旋转的优点。因此，根据将具有如此形状的叶片前端部29的垂直主轴型叶轮18与自激励式且设有该初期励磁机构2的电机26相组合，使得可将即使根据微风或低流速的水也可产生旋转的叶轮18的优点与可以少许扭矩旋转而发电的发电机26的特征有效组合，而使已知自然能源发电装置中无法发电的少许微风或低流速的水进行发电成为可能。

虽为自激励式发电机，但因设置可以产生发电初期励磁所需磁力程度使发电机的任一铁芯的磁化的初期励磁机构2，故即使于旋转停止后、拆解维修后或低速旋转，也可确实开始发电。此初期励磁机构2虽设为必要，但此初期励磁机构2只要为以产生发电初期励磁所需磁力程度能进行磁化即可，故相较于他激励式发电机的外部电源，飞跃式的以小型即可达成。

又，于上述实施形态中，以定子4侧设为输出铁芯6，而以转子5侧设为磁场铁芯8，但也可与此相反，将定子4侧设为磁场铁芯9、10，而将转子5侧设为输出铁芯6。又，于上述实施形态中，为2极发电机，但也可为4极、8极、16极等的多极发电机。又，发电机不限于自激励式发电机，也可为其它激励式发电机或其它各种形式的发电机。

发电机26也可使用以永久磁铁产生磁场的同步发电机。也可对于1根垂直主轴22设置多个发电机26，而根据该1根垂直主轴22的旋转使各发电机26个别发电。

以上，根据实施形态说明用以实施本发明的形态，但本次所揭示的实施形态于各方面皆为例示，并不以此为限。本发明的范围非以上述说明而以权利要求书所示，且包含与权利要求书均等含意及范围内的所有变更。

符号说明

2…初期励磁机构

4…定子

5…转子

6…输出铁芯

7…输出绕组

8…磁场铁芯

9…主磁场绕组

10…副磁场绕组

11、12…整流组件(整流机构)

18…叶轮

19…自然能源发电装置

22…垂直主轴(主轴)

23…支持体

24、24A…叶片

26…发电机

28…平直部

29…叶片前端部。

Claims (5)

1.一种叶轮，其具备：垂直主轴，该垂直主轴设置成绕着轴心自由旋转；叶片，该叶片固定于该垂直主轴，根据风力或水力驱动以绕着该轴心旋转，其特征在于，

该叶片以夹设支持体的方式，在从该垂直主轴朝半径方向远离的位置连结于该垂直主轴，而且，

该叶片具有：

平直部，该平直部相对于该垂直主轴平行延伸；

叶片前端部，该叶片前端部从该平直部的两端部分别延伸，

于包含该垂直主轴轴心的平面将该叶片前端部切断所成的剖面形状中，该叶片前端部分别形成为：以伴随从基端向前端延伸而越远离该平直部的方式倾斜成多段的形状，

各叶片前端部具有：第一段倾斜部分，该第一段倾斜部分接合于上述平直部的长边方向前端；第二段倾斜部分，该第二段倾斜部分接续于上述第一段倾斜部分，

上述第一段倾斜部分于上下方向的任一位置中，均形成为相同厚度，

上述第二段倾斜部分形成为：厚度伴随越往上述前端而越薄的形状。

2.如权利要求1所述的叶轮，其中，

该叶轮为风力发电用风车，朝上下方向延伸的多片的该叶片从该垂直主轴远离而设于该垂直主轴的周围，在该风车设置于地球北半球时，该各叶片的横剖面形状为下述形状，该形状为，以风力产生俯视为逆时针方向旋转力的形状。

3.如权利要求1或2所述的叶轮，其中，

该叶片前端部形成为，伴随从基端往前端宽度变窄的尖头形状。

4.一种自然能源发电装置，其具备：

如权利要求1至3中任一项所述的叶轮；

根据该叶轮所驱动的发电机。

5.如权利要求4所述的自然能源发电装置，其中，

该发电机为自激励式发电机，具备：

输出铁芯，该输出铁芯卷绕着输出绕组；

磁场铁芯，该磁场铁芯卷绕着主磁场绕组及副磁场绕组，

该输出铁芯与磁场铁芯的任一者为定子，而另一者为转子，该各磁场绕组连接整流机构，利用该叶片旋转使得该定子与转子相对旋转以得到发电电力，

该发电机更具备初期励磁机构，以产生发电的初期励磁所需程度的磁力。

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