CN1836103A - 发电装置及使用于其中的电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种着眼于发电装置的结构来实现发电装置本身的低成本化、或着眼于发电装置的性能来实现发电的低成本化的发电装置，以及使用于该装置中的电源装置。

Description

发电装置及使用于其中的电源装置

                    技术领域

本发明涉及将风能等的自然能量转换为电能来作为各种设备的电力的发电装置以及使用于该发电装置的电源装置。

                    背景技术

代替通过燃烧会成为温暖化或破坏环境的原因之一的石油、煤等来发电，而利用风力或水力等的自然能量来发电逐渐繁盛。例如利用风力的风力发电装置具有控制风车的旋转用控制部、或将风车的转动力转换为电力来发电的发电机等，通过旋转风车且将其转动力转换为电力，并将电力供应给家庭等。该发电机具有安装在利用自然能量来旋转的转轴上的转子、与该转子对置配置的定子、固定定子的外壳。通过旋转转轴在转子的永磁铁和定子铁芯的磁极之间产生感应电流。然而，这样的发电装置存在着各种各样的问题。

为此，本发明的主要目的在于提供一种能克服这样各种问题的、可实现低成本化的发电装置。上述目的包括着眼于发电装置的结构来实现发电装置本身的低成本化和着眼于发电装置性能来实现发电的低成本化。

具体地说，第1目的在于解决因需要定心转矩侧的输入轴和安装有转子的输出轴的工序引起的组装发电装置的困难，以实现低成本化。发电装置会由定子和转子的吸引力、以及转子的惯性力而使输出轴从停止状态转换成旋转状态是困难的。因此，存在当输出轴处于停止状态时，只要不产生大的转矩就无法发电的问题。为此，为解决这样的问题，开发了一种在输入轴和输出轴间配设有离合器的发电装置(例如日本国专利特开平8-312523号公报)。然而，专利文献1记载的发电装置中，在组装时，为了使定心转矩侧的输入轴和组装有转子的输出轴的中心对准，需要所谓的定心工序，故存在成本变高的问题。此外，由于输入轴和输出轴会成为别的部件，导致进一步的高成本化。

第2目的在于解决因定子重量大所引起的组装发电装置的困难，实现低成本化。定子因需要与转子对置配置，因而不得不成为大的形状。定子形状大，重量也会变大，进而，定子重量大时，要在圆筒状的定子内侧缠绕线圈时，也会伴随困难。

第3目的在于解决因利用自然能量所引起的旋转轴的旋转不稳定的问题，通过提高发电装置的性能，可实现发电的低成本化。

第4目的在于解决因故障引起的无法控制风车的旋转问题，通过提高发电装置性能来实现发电的低成本化。例如，有一种具有安全性的发电装置，当物体靠近发电装置附近时，通过传感器使风车停止(日本国专利特开平2003-21046号公报)。然而，这样的发电装置，由于损害部件等而使发电装置本身产生故障、传感器等不工作时，便不能够使风车停止。并且，由于故障无法控制风车，在有台风等强风的情况下，风车更快地旋转，存在风车部件飞散的危险。

第5目的在于解决因自然能量小(例如弱风时等)而引起的降低对电池的充电效率，通过提高发电装置的性能，来实现发电的低成本化。风力发电装置具备如下的发电装置：将风力的动能转变为由电能构成的3相交流电，整流从3相的输出线得到的相电压后的充电电压可一边对电池充电一边作为各种设备的电源。但是，在对电池充电时，由于风力的变化，充电电压有很大变动。

本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种着眼于发电装置的结构来实现发电装置本身的低成本化，或着眼于发电装置的性能来实现发电的低成本化的发电装置，以及使用于该发电装置的电源装置。

                        发明内容

本发明中，以单独或适当组合的方式具备以下的特征。用于解决上述课题的本发明的发电装置的特征在于，具备：连接于转矩产生侧的转轴；转子，以能够自由旋转的方式安装在上述转轴上；离合器，设置在上述转轴和上述转子之间；外壳，收存上述转轴、转子以及离合器；定子，安装在上述外壳上，与上述转子对置配置。按照该发电装置，因为在连接于转矩发生侧的转轴上以能够自由转动的方式安装n个转子，因而并不会成为如输入轴和输出轴的别的部件，在组装时，不需要实施定心的工序，可实现低成本化。此外，可容易地进行组装，可进一步实现低成本化。

此外，本发明的发电装置的特征在于，具备：转轴；转子，安装在该转轴上；定子铁芯，与该转子对置配置，在圆周方向上分割为3个以上；一对保持构件，以可自由转动的方式支承夹持上述转轴的上述转子的两侧位置；三根以上的支柱，连接该一对保持构件的同时，以嵌合的方式与上述定子铁芯的外围卡合。由此结构，因分割定子铁芯，因而各定子铁芯的重量变小，使得容易组装。并且，可容易地在定子铁芯上缠绕线圈。此外，由于不需要筒型形状的外壳，因此，可实现轻量化。

此外，本发明的发电装置是具有转轴和安装在上述转轴圆周方向上的叶片的发电装置，其特征在于：设置了速度控制装置，该速度控制装置具有设置于上述叶片的全部或一部分上的导电构件，及对于该导电构件可自由调整间隔的磁铁构件。由此结构，在暴风等时，可通过控制转轴的旋转来保护发电装置，以使不会形成过旋转，并且不会产生损伤。

此外，本发明的电源装置的特征在于，具有：驱动力产生单元，将自然能量转换为动能从而产生驱动力；发电单元，通过上述驱动力产生单元的驱动力进行工作来发电；短路单元，设置于上述发电单元的输出侧，在发生异常时可将上述发电单元的输出侧切换为短路状态。由此结构，能在发生异常时，可将发电单元的输出侧变为短路状态，由此，使驱动力发生单元停止。因此，可避免在异常时不能控制驱动力产生单元引起的危险。例如通过自然能量之一的风力来旋转风车，并利用其旋转能来发电时，由于能够在发生异常时使风车停止，可回避在强风时产生异常的情况下破坏风车使构件飞散等的危险。

此外，本发明的电源装置的特征在于，具有：发电单元，将自然能量转变为电能，并以3相交流的方式输出由该电能构成的电力；整流器，对来自上述发电单元的相电流进行整流并且进行输出；一对充电电容器，设置于上述整流器的输出侧，与该整流器并联连接，同时相互串联；中性线，连接上述发电单元的中性点和上述充电电容器之间的中间点。由此结构，可获得将3相交流中性点作为基准的相电压的2倍的线间电压作为整流后的整流电压，因此，与将仅使用3相交流的输出线的相电压的

倍的线间电压作为整流后的整流电压来销售的情况相比较，可产生高压电。其结果是即使在自然能量小的环境下也能很好地使用。

                        附图说明

图1是本发明的最佳实施方式的风力发电装置的方框图。

图2是表示本发明的最佳实施方式的风力发电装置的整体结构图。

图3(a)为构成本发明的最佳实施方式的风力发电装置的风力发电装置用发电机平面图，图3(b)为图3(a)所示的风力发电装置用发电机的正面剖面图。

图4是本发明的最佳实施方式的风力发电装置的图3(b)所示的A-A线剖面图。

图5是构成本发明的最佳实施方式的风力发电装置的支柱形状的变形例。

图6是构成本发明的最佳实施方式的弹簧离合器的弹簧装置的正面剖面图。

图7是构成本发明的最佳实施方式的弹簧装置的弹簧斜视图。

图8是本发明的最佳实施方式的弹簧离合器的平面图。

图9是显示具有可控制叶片速度的装置的实施方式，(a)为在叶片的外侧设置速度控制装置并且该装置是自动的装置，(b)为(a)的速度抑制装置是手动的装置，(c)是表示在转轴的下部设置速度控制装置的情况的图。

图10(a)是表示使转轴停止旋转的实施方式的一例的图，图10(b)为使转轴停止旋转的旋转停止装置的原理图，图10(c)是表示使转轴停止旋转的实施方式的其它例子的图。

图11是构成本发明的最佳实施方式的风力发电装置的辅助充电器的方框图。

图12是本发明的最佳实施方式的风力发电装置的从发电机至整流部的电路图。

图13是一般的风力发电装置的从发电机至整流部的电路图。

图14是表示以本发明的最佳实施方式的由风力发电装置的整流部获得的充电电压的说明图。

                    具体实施方式

以下，具体地对本发明的一实施方式的风力发电装置进行说明，但并不限定于这些实施方式。

图1是本发明的最佳实施方式的风力发电装置方框图。图1中，本实施方式的风力发电装置1是垂直轴型风力发电装置，该垂直轴型风力发电装置具有：风力发电装置主体2，将以自然能量之一的风能转换为电能构成的交流电并且进行输出；电源装置3，进行风力发电装置主体2的控制或显示设定。

风力发电装置主体

首先，使用图2及图3来说明风力发电装置主体2。此处，图2是表示本发明的最佳实施方式的风力发电装置的整体结构图，图3(a)是构成本发明的最佳实施方式的风力发电装置的风力发电装置用发电机的平面图，图3(b)是图3(a)所示的风力发电装置用发电机的正面剖面图。上述的风力发电装置主体2，如图2所示，具有接受风用的多片风车叶片10和发电机11。

图2中，风车叶片10安装在固定于后述的转轴21上的支承构件12上。在与转轴21的轴心方向正交的方向上在转轴21的上部配置多个支承部21。因此，风车叶片10只配置与支承构件12的数量同样的数量。

图3中，发电机11作为主要结构构件具有：转轴21；转子22；定子23；外壳24；弹簧离合器25；检测转轴21的转速用的转速检测器26；强制性地控制转轴21的旋转用的制动装置27。

转轴21在风车叶片10接受风时在一定方向旋转，通过固定于将后述的一对保持板30a、30b的轴承31、32以能够自由旋转的方式支承转轴21。

转子22形成为从具有中空部的圆筒构件外周面大致成垂直且略成T字状的形状。上述转子22的中空部中可插入转轴21。并且，中空部插入有转轴21的转子22通过轴承45、46来支承转轴21，使得对于转轴可自由旋转。通过将转子22的形状作成上述的结构，可减少从停止状态旋转时的惯性力矩。但是，转子22的形状并不限定于此。即，转轴21在旋转时，将通过转子22和后述的定子23对置，可产生感应电流者就可以。

下面，使用图4来说明定子23。此处，图4是本发明的最佳实施方式的风力发电装置的图3(b)所示的A-A线剖面图。定子23是在由铁芯构成的定子铁芯23a的内侧缠绕线圈而形成的。定子铁芯23a作成外周为圆形的筒型形状。本实施方式的定子铁芯23a在圆周方向大致成均等地分割筒型形状者为六个。且如图3及图4所示，所分割后的定子铁芯23a配置在与上述转子22对置的位置上。

这样，分割定子铁芯23a后，因为分割之后的各定子铁芯23a的重量小，所以可容易地组装。并且在分割后的各个定子铁心23a上缠绕线圈，与在未被分割的筒型形状的定子铁心23a上缠绕线圈相比较，更容易安装。

其次，返回图3对外壳24进行说明。外壳24具有一对保持板30a、30b，及6根支柱33，支柱33的两端由螺栓37固定在一对保持板30a、30b上。

一对保持板30a、30b上下夹持转子22，且通过轴承31、32来支承转轴21，以使转轴21可相对一对保持板30a、30b自由旋转。

支柱33配置成与各定子铁芯23a在分割之后的各定子铁芯23a外周面的圆周方向的大致中央部卡合。即，对一个各定子铁芯23a配置有1根支柱33。

在此，使用图3来说明有关支柱33的形状。图3中，支柱33为阶梯形状，具有大直径部分33a和比大直径部的直径稍微小的小直径部分33b。并且，支柱33的小直径部33b与各定子铁芯23a卡合。并且，为使支柱33的小直径部分33b与各个定子铁芯23a卡合，在组装发电机11时，因为成为定子23和转子21对置的结构，所以，组装发电机11是容易的。

本实施方式中，支柱33虽形成为具有大直径部33a和比大直径部33a的直径稍微小的小直径部33b的阶梯形状，但并不限定于此。也可为例如支柱33的形状为图5(a)～(c)所示的形状。并且，图5是构成本发明的最佳实施方式的风力发电装置用的支柱形状的变形例。以下，对图5(a)～(c)所示的支柱331～333的形状进行说明。

图5(a)所示的支柱331是不与各定子铁芯23a卡合的部位331a为圆柱形状，而与各定子铁芯23a卡合的嵌合部(相当于小直径部33b的部位)形成为成直线状切成缺口的直线状缺口部331b。与各定子铁芯23a卡合的嵌合部作成小直径的支柱33相比，该支柱331的强度稍大。

图5(b)所示的支柱332是令不与各定子铁芯23a卡合的部位332a形成为圆柱形状，而与各定子铁芯23a卡合的嵌合部(相当于小直径部33b的部位)是切成沿各定子铁芯23a外周面成圆弧状缺口来形成圆弧状缺口部332b。当以该支柱332来固定各定子铁芯23a时，将会使各定子铁芯23a与支柱332嵌合部卡合的面积变大，可更可靠地固定于支柱332上。

图5(c)所示的支柱333是令不与各定子铁芯23a卡合的部位333a形成为圆柱形状，与各定子铁芯23a卡合的嵌合部(相当于小直径部33b的部位)是切成梯形形状缺口来形成角状缺口部333b。以该支柱333来固定各定子铁芯23a时，各定子铁芯23a能够可靠地固定在支柱333上。

由此，将支柱33的小直径部分33b或相当于支柱33的小直径部分33b的部位331b～333b和分割为6个的各定子铁芯23a卡合在各定子铁芯23a外周面的圆周方向的大致中央部，就可实现外壳24的大幅度的轻量化，同时可使组装发电机的作业变得容易。

并且，以上虽然说明了不与各定子铁芯23a卡合的支柱的部位33a、331a、332a、333a的形状为圆柱形状的支柱33、331～333，但并不限定于此，也可为棱柱。此外，在为圆柱的情况下，支柱33、331～333的长轴方向剖面形状也可不是正圆而是椭圆。

此处，发电机11并不限定于对于分割之后的一个的各定子铁芯23a配置一根支柱33、331～333，也可对于分割之后的一个的各定子铁芯23a配置二根以上的支柱33、331～333。此外，在分割之后的各定子侧面形成凹凸来卡合分割后的多个定子铁芯23a的凹凸而相连接时，也有将一根支柱33、331～333配置在分割之后的多个各定子铁芯23a上的情况。

返回图3，相对未设置各个定子铁芯23a时的轴心O，对角线上的2根支柱33的小直径部分33b的、如果配置23a则被要嵌合的卡合部彼此之间的连接长度L，与以筒型形状安装6个被分割的各个固定铁芯23a时的定子铁芯23a的外径相比尺寸稍小。

因此，在卡合支柱33小直径部分33b和定子铁芯23a时，支柱33位于连结一对保持板30a、30b的各个连结部的假想线朝向外侧(轴心O为中心的直径外侧)扩展的位置。因此，当以支柱33固定各定子铁芯23a时，因为在各定子铁芯23a和支柱33之间产生互相推压的力，因而各定子铁芯23a即使被分割为六个，也不会使各定子铁芯23a产生位置偏移。

并且，在支柱33的小直径部分33b形成有螺栓孔34。当螺栓35从螺旋孔34推入到各定子铁芯23a直径内侧时，各定子铁芯23a就可牢固地固定在支柱33上。此处，在一对保持板30a、30b的外周部分分别形成有阶梯状36a、36b，因而支柱33当以螺栓35朝轴心O侧推入时，就可确保定子铁芯23a和转轴21为同一圆心。

并且，本实施方式中，虽然将定子铁芯23a分割为六个，但只要至少分割为3个，就可实现外壳24的大幅度的轻量化及组装的容易化。

此外，外壳24并不限定于由一对保持板30a、30b、及连结一对保持板30a、30b用的支柱33构成，只要可支承转轴21或定子23，就可不过问其形状。例如也可为箱型的框体结构、构架结构、或者是上下表面或侧面的一部分有开口的结构。

然后，使用图3、图6、图7及图8来说明弹簧离合器25的结构。此处，图6是构成使用于本发明的最佳实施方式的风力发电装置的发电机的弹簧离合器25用的弹簧装置40的正面剖面图，图7是构成图6所示的弹簧装置40用的弹簧44斜视图，图8是使用于本发明的之最佳实施方式的风力发电装置的发电机的弹簧离合器25的平面图。

图3中，弹簧离合器25配置在转轴21和转子22间，以可以自由连接的方式构成转轴21和转子22。以下，将具体地加以说明。

弹簧离合器25由弹簧装置40和闩锁装置41所构成。

图6中，弹簧装置40由输入侧套筒42、和输出侧套筒43及弹簧44所构成。

输入侧套筒42使转轴21以过盈配合的方式嵌合于该中空部中。因此，当转轴21旋转时，输入侧套筒42与转轴21作为整体旋转。

如图3所示，输出侧套筒43用螺栓47固定在转子22上。因而输入侧套筒43旋转时，转子22与输出侧套筒43作为整体旋转。这样，整体化的转子22和输出侧套筒43在其内侧通过轴承45、46以可自由旋转的方式对于转轴21进行支承。

如图7所示，弹簧44是线圈状的弹簧44。并且，在弹簧44的一端形成向弹簧44直径外方向突出的突起部48。

返回图6，该弹簧44以如下的方式配置：输出侧套筒43固定在与形成突起部48的一端的相反一侧的另一端，并且在转轴21的旋转方向上输入侧套筒42和输出侧套筒43的外周侧被收紧。

图8中，闩锁装置41具有：螺线管49；柱塞50；弹簧销51；传动装置52。

螺线管49重复地实施电控制的励磁和退磁，由此，使柱塞50在其长轴方向往复移动。并且，图8中的柱塞50图示出了螺线管49在励磁状态下的位置。

此外，在柱塞50上设置有栓53，传动装置的臂部52a以与设置在柱塞50上的栓53卡合的方式配置。

从纸面的前方来看，传动装置52能够以弹簧销51作为支点在时针旋转的方向上自由旋转。即，从纸面的前方看时，时针旋转方向的力总是作用在传动装置52上，以停止器54来限制时针旋转方向上的旋转。

另一方面，从纸面前方看时，转轴21在时针旋转的方向上旋转。从纸面前方看，当转轴21在时针旋转的方向上旋转时，弹簧44收紧在输入侧套筒42的外周。

当转轴21开始旋转时，弹簧44的突起部48以轴心O为支点画出以从轴心O到突起部48的长度R作为半径的轨道L。此处，在螺线管49励磁时传动装置前端部52b被配置在与轨道L重叠的位置上。另一方面，在螺线管49处于退磁(无励磁)状态时，传动装置前端部52b被配置在轨道L的外侧(即，与轴心O相反侧)。即，本实施方式的弹簧离合器25构成为无励磁工作型。

这样，在转轴21和转子22之间配置弹簧离合器25，可提供简单结构的风力发电装置1。具体地说，转轴21可支承转子22，以使转子22相对转轴21可自由旋转。因此，不需要个别地设置通过支承构件12来安装风车叶片10的转轴21和支承转子22用的转轴21，能以同一轴来构成风力发电装置主体2。如上所述，本实施方式的风力发电装置1具有不需要组装时的定心工序也可实现低成本化、组装容易化、以及小型化的很好的效果。

然后，返回图3，对用于检测转轴21的旋转速度的转速检测器26进行说明。转速检测器26由光电传感器60和板状的被检测部61构成，该被检测部61安装在转轴21上，并且随着转轴21的旋转而旋转。

光电传感器60由发出光红外光的发光侧和接收来自发光侧所发出的红外光的受光侧构成。被检测部61安装在转轴21一侧，以使在转轴21旋转时该被检测部61通过光电传感器60的发光侧和受光侧之间。

当被检测部61通过光电传感器60的发光侧和受光侧之间时，从发光侧所发出的红外光被被检测部61遮挡，从光电传感器60输出脉冲状的转速信号。

并且，转速检测器26也可由译码器构成。此时，从译码器输出与转轴21的转速相对应(每单位时间的转数)的脉冲数的转速信号。此外，只要是可算出转轴21的转速，也可以是其它的检测装置。

然后，使用图3来说明制动装置27。制动装置27由以下构成：安装在转轴21上的环状构件65a；用可接离可能的方式设置在环状构件65a的外周面的推压构件65b；使推压部件65b相对往复移动的可动装置66。并且，通过手动操作可动装置66将推压构件65b推入环状部件65a后，因为推压构件65b使很大的制动力作用于转轴21，所以转轴21完全停止。此处，也可为如下的结构，不设置环状构件65a，相对转轴21直接推压推压构件65b。

此外，制动装置27并不限定于此。例如，也可为图9或图10所示的制动装置264、291。以下，对图9及图10所示的制动装置264、291进行说明。此处，图9是表示具备可进行叶片速度控制的装置的实施方式的图，(a)为速度控制装置设置在叶片的外侧、该装置是自动装置，(b)是(a)的速度控制装置为手动的情况，(c)是表示将速度控制装置设置在转轴下部的情况的图。图10(a)是表示使转轴的旋转停止的实施方式的一例的图，(b)是使转轴的旋转停止的旋转停止装置的原理图，(c)是表示使转轴的转动停止的实施方式的其它的例子的图。

并且，在说明这种制动装置264、291时，不采用之前所说明的风力发电装置主体2，而是采用另外的风力发电装置主体260、290来说明。但是，这是为说明方便，并不是说这样的制动装置264、291不能设置在之前所说明的风力发电装置1上。此外，图9以及图10所示的其它的风力发电装置主体260、290是省略了发电机的图。

图9是表示具备可进行叶片转速控制的装置264的垂直轴型风力发电装置的图。如图9(a)所示，可控制叶片263的速度的制动装置264具有：作为导电构件的多片的叶片263；检测转轴262的转速的速度检测装置265；可按照所检测的速度使磁铁构件266相对叶片263进退的装置267；控制用以驱动该进退驱动装置267用的电动机267a的控制部268。并且，多片叶片263纵向安装在转轴262的周围。

由此，在刮台风等强风时，自动地检测为强风状态，调整磁铁构件266和叶片263的间隔来使作为导电构件的叶片263靠近，使其表面上产生过电流，并进行制动工作。其结果是可防止超速，且可防止由过旋转引起垂直轴型风力发电装置的故障。

在此，叶片263可为如上述的整体为导电构件，也可为仅与磁铁构件对应的部分作成导电构件。此外，图9(a)所示的实施方式在紧急时可自动驱动，但也可为如图9(b)所示，通过手动使磁铁构件266相对叶片263进退。此种情况下，在移动后，由螺栓269等来加以固定。此外，如图9(c)所示，在转轴262的下部对准中心轴安装作为导电构件的圆板261，也可以设置使磁铁构件266进退的速度控制装置。

图10(a)是表示具有可停止转轴旋转的装置291的垂直轴型风力发电装置的图。图10(b)是使转轴的旋转停止的旋转停止装置的原理图。固定支承于筒296上的旋转停止装置291由如下部分构成：朝向转轴292被弹压的摩擦板294，制止或解除制止该摩擦板294的弹压的操作装置295，连接于摩擦板294和操作装置295的弹簧297。

在摩擦板294上，在操作装置295侧设置永磁铁294a。操作装置295在永磁铁294a侧具有与电源295a连接的线圈295b。

在通常状态下，永磁铁294处于被朝向线圈295b侧吸附、并且未与转轴292接触的状态。在非常情况下，电流从电源295a流到线圈295b，使得永磁铁294和线圈295b的磁通量相抵消。此时，通过被压缩的弹簧297的斥力将摩擦板294推压到转轴292上，从而制止转轴292的旋转。

按照上述实施方式，可得到如下的效果：在暴风等情况下，停止转轴292的旋转，由此，不会超转或不会产生损伤从而来保护装置。

图10(c)是表示使转轴的旋转停止的其它实施例的图。旋转停止装置291′由摩擦筒298和操作装置295′构成，其中，摩擦筒298的摩擦半筒298a、298b的一端用可转动的方式在接合部298c相接合，摩擦半筒298a、298b的另一端彼此通过弹簧299相接合，该操作装置295′通过凸轮295′a来制止或解除制止该摩擦筒298的弹压。

通常情况下，在摩擦半筒298a、298b的另一端彼此之间塞入凸轮295′a，采用不与转轴292接触的方式暂时地固定。在非常情况下，在摩擦半筒298a、298b另一端之间，在转轴292剖面的平面上通过操作装置295′平行地旋转凸轮295′a。并且，闭合摩擦半筒298a、298b的另一端，使摩擦筒298与转轴292相接触，并使其转动停止。但是，该操作装置295′的电源只在紧急时连接，在通常的情况下并不连接。按照上述的实施方式，可得到和图10(a)的实施方式相同的效果。

并且，上述的任一制动装置27、264、291都可用手动操作或者自动操作的任意一种来控制转轴21的转速。此外，设置在风力发电装置主体2、260、290上的叶片10、263的片数只要可使转轴21、262、292旋转，多少片都可以。并且，上述的任一风力发电装置主体2、260、290都不限于垂直轴型风力发电装置，也可以是水平轴型风力发电装置。

电源装置

然后，使用图1、图2、图11～图14来说明电源装置3。在本实施方式的电源装置3具有：控制器4，具有控制风力发电装置主体2的控制功能或将交流电整流为直流电的整流功能等；操作显示器5，用可切换风力发电装置的工作状态或设定状态等的方式进行显示；电池6，用控制器4中所整流的直流电进行充电；逆变器7，将电池6的电转变为交流电并且提供给外部负载8；辅助充电器9，对电池6提供辅助电力。

本实施方式的风力发电装置主体2所具备的发电机11是3相交流方式等的发电机11。发电机11输出与转轴21的转速相对应的交流电。短路制动装置75连接在发电机11的输出侧。短路制动装置75具有连接于发电机11各端子的短路用继电器76。

短路用继电器76通过来自控制器4的通电电流使开关部成为打开状态，在停止来自控制器4的通电电流时使开关部成为关闭状态，由此，在控制器4产生故障等的异常时可使发电机11的输出侧短路。由此，短路制动装置75通过在发电机11上产生大的负载使风车叶片10引起的的转轴21的旋转制动。

如上述所构成的风力发电装置主体2与控制器4相连接。如图1所示，控制器4具有：控制部80，控制风力发电装置1；整流部81，将来自风力发电装置主体2的发电机所输出的交流电整流为直流电。控制部80具有转速输入部82、离合器驱动部83、短路驱动部84。各个部分82～84分别与上述的风力发电装置主体2的转速检测器26、弹簧离合器25、短路驱动装置75相连接。

转速输入部82具有将来自转速检测器26的转速信号变换为适于信号处理的信号形态的功能。离合器驱动部83具有如下的功能：将驱动信号输出给弹簧离合器25的闩锁装置41，由此，来控制弹簧离合器25的工作状态，即，对图8所示的螺线管49进行励磁或退磁。短路驱动部84具有如下的功能：通常在工作时将驱动信号输出给短路制动装置75的短路用继电器76，由此，在异常时将发电机11置于短路状态。

此外，控制器4具有：辅助充电动作部85，充电控制驱动部86，逆变器ON/OFF驱动部87，操作显示输出入部88；同时，具有监视、控制各部分82～88用的运算处理部90。此外，有关运算处理部90的详细情况，在以后叙述。

上述的辅助充电动作部85连接于对电池6充辅助电力的被称为DC电源组的辅助充电器9，在风力发电装置主体2不能对电池6充分充电时工作，通过辅助电力对电池6充电。如图11所示，辅助充电器9安装在一电路板上，并容纳于框体内来作为整体。在辅助充电器9上设置有电源输入端子8a、电源输出端子8b及信号输入端子8c。商业用或工业用的电源91用可装卸的方式连接到电源输入端子8a上。电池6用可装卸的方式连接在电源输出端子8b上。辅助充电动作部85用可装卸的方式连接到信号输入端子8c上。

上述电源输入端子8a连接有变压器100的一次侧线圈部100a。在变压器二次侧线圈部100b上设置恒流化的电容器101和将变为交流状态的电压进行全波整流的桥接二极管102。并且，桥接二极管102通过电源输出端子8b使阴极侧与电池6的正极侧相连接，通过电源输出端子8b使阳极侧与电池6的负极侧相连接。由此，辅助充电器9具有如下的功能：用变压器100将来自电源91的交流电变为规定的电压后，对电池6进行充电。

此外，辅助充电器9具有辅助电源继电器103。辅助电源继电器103具有：开关部103a，以构成1次侧线圈部100a的电路的一部分的方式来设置；线圈部103b，对该开关部103a进行开关。开关部103a在对线圈部103b通电时设置为开状态。此外，线圈部103b通过电源输入端子8c与辅助充电动作部85相连接。由此，辅助充电器9具有如下功能：通过来自辅助充电动作部85的动作信号可切换为实施和停止对电池6的辅助充电。

如图1所示，通过上述辅助充电器9进行辅助性充电的电池6，也连接到控制器4的整流部81上。整流部81以如下方式构成：将来自风力发电装置主体2的发电机11的交流电变成直流电并对电池6进行充电。

即，如图2所示，整流部81，具有：桥接二极管102，与发电机11的输出线11b、11b、11b相连接，对通过各输出线11b从发电机11所输入的相电流进行整流并输出；互相串联的一对充电电容器101、101，与桥接二极管102的阳极侧及阴极侧并联；二极管105，在比充电电容器101、101更下一层侧，与桥接二极管102同方向并联；充电控制部106，设置在充电电容器101、101和二极管105之间，用以切换控制电流通过和阻断；设置于比二极管更下一层侧的线圈107。

此外，中性线108一端与整流部81的充电电容器101、101之间的中间点81a相连接。中性线108另一端与发电机11的中性点11a相连接(参照图12)。并且，中性线108可获得将3相交流的中性点11a作为基准的相电压的2倍的线间电压作为整流后的整流电压。

上述充电控制部106由晶体管等的半导体开关构成，并且与图1的充电控制驱动部86相连接。充电控制驱动部86通过输出充电控制信号来控制从桥接二极管102向二极管105的通电时间。并且，这样构成的整流部81与电池6及逆变器7相连接，以对应于用充电控制部106控制的通电时间的充电电压的电力对电池6充电。

此外，如图1所示，整流部81具有检测从发电机11所输入的交流电的发电机电压的发电机电压检测器110和检测对电池6充电的充电电压(电池电压)用的充电电压检测器111。这些电压检测器110、111与运算处理部90相连接，分别向运算处理部90输出所检测的电压。

此外，与上述充电控制驱动部86同样，连接于运算处理部90的逆变器ON/OFF驱动部87与逆变器7相连接。逆变器7具有如下功能：将对电池6进行充电的直流电变为例如家庭用的交流电并且输出给外部负载8的输出功能；利用来自逆变器ON/OFF驱动部87的信号切换输出功能的工作以及停止的功能。

此外，连接于运算处理部90的操作显示输入输出部88用可装卸的方式与操作显示器5相连接。操作显示器5具有七段式LED或LCD等的显示器120及显示切换开关121。显示部120用文字或数值显示风力发电装置1的工作状态。此外，所谓动作状态是指风速(转轴21的转速)或发电机电压、充电电压(电池电压)、各部分的工作状态等。

此外，显示切换开关121设定为可用手动操作来切换显示部120的工作状态。此外，操作显示器5具有具备未图示的运算部或存储部等的控制部。控制部以程序的方式除了具有控制操作显示器5自身的功能外，还具有如下等功能：对控制器4的运算处理部90指示规定的工作状态的传送的功能；对于运算处理部90，将逆变器7的工作设定为模式切换开关所设定的模式的功能；选择执行运算处理部90所具有的各种功能的功能。此外，代替程序的软件的方式，也可用硬件的方式来形成操作显示部5的各功能。此外，操作显示器5也具有模式切换开关，该模式切换开关可用手动操作进行切换的方式来设定输出停止模式和输出维持模式，其中，该输出停止模式是在电池6的充电电压未达到设定值时停止逆变器7的输出的模式，该输出维持模式是通常情况下维持逆变器7的输出的模式。

此外，在控制器4的运算处理部90中，具有未图示的运算部或存储部，以程序方式具有控制风力发电装置的各种功能。此外，代替程序的软件的方式，也可用硬件的方式来形成各个功能。

即，运算处理部90具有辅助充电处理功能或异常运转制动功能、旋转加速功能、低电压充电功能等。辅助充电处理功能为：监视通过充电电压检测器111所检测的充电电压，并在充电电压未达到第1规定值时，允许辅助充电器9对电池6充电。

异常运转制动功能为如下的功能：在正常运转时向短路制动装置75的短路用继电器76通电，使其为打开状态，由此，可向桥接二极管102提供发电机11的交流电，由于异常运转而停止通电时使发电机的输出短路，由此，在发电机上产生制动力。旋转加速功能为如下的功能：由于风力降低而使转轴21的转速在未达到第2规定值时，解除弹簧离合器25和转轴21的连接状态，转子22和非连接状态的转轴21自由旋转；并且，转子22和非连接状态的转轴21的转速增加到一定程度以上时，恢复弹簧离合器25和转轴21的连接状态。

低电压充电功能为如下的功能：在转轴21的转速为第3规定值以上时，进行将充电控制部106切换为ON状态和OFF状态的充电控制，在转轴21的转速降低到未达到第3规定值时，将充电控制部106维持在ON状态。

在上述的结构中，对风力发电装置1的工作进行了说明。如图2所示，在一般的运转停止时，使针对无励磁工作型的弹簧离合器25的闩锁装置41的通电停止，由此，使弹簧离合器25和输入侧套筒42为牢固的连接状态。由此，可通过弹簧离合器25使转轴21和转子22成为整体。此外，停止针对短路制动装置75的短路用继电器76的通电，由此，使发电机11处于短路状态。由此，成为发电机11的工作需要大的负载的状态。其结果是即使风引起的大的旋转驱动力施加给转轴21的情况下，转轴21使转子22高速旋转进行工作，作为大负载针对转轴21的旋转的制动力而起作用，由此，禁止转轴21的高速旋转。

此外，在如强风时或检查时等的特别的运转停止时，制动装置27、264、291产生对于转轴21制动力。而且，通过固定转轴21，而使转轴21的旋转完全停止。

其次，在运转时，按照需要使操作显示器5与控制器4连接之后，使控制器4及操作显示器5接通电源。在控制器4中，开始对弹簧离合器25的闩锁装置41通电。由此，解除弹簧离合器25和转轴21的连结状态，使得转子22和转轴21成为非连接状态。其结果是转子22成为对于转轴21自由旋转的状态，因此，即使弱风吹到风车叶片10上，也能使转轴21的转速迅速增大。此外，对短路制动装置75通电，由此，解除发电机11的短路状态，可将发电机11所发的交流电提供给控制器4。另一方面，操作显示器5中，以数值等显示控制部80的动作状态，即，例如转轴21的转速等。

其次，控制器4可在运算处理部90发挥辅助充电处理功能或异常运转制动功能、旋转加速功能、低电压充电功能等。

旋转加速功能

具体地说，监视转轴21的转速。并且，在转速为在第2规定值上加上一定值的转速以上时，停止对弹簧离合器25的闩锁装置41的通电，由此，恢复弹簧离合器25的连结状态。其结果是通过转轴21的惯性动作，使转轴21和转子22作为整体以较高速旋转。并且，在转子22和与转子22对置配置的定子23之间产生感应电流，将高电压的交流电提供给控制器4。

此外，在风弱的情况下，由于转轴21和转子22为连接状态所产生的负载，使转轴21的转速减小。当转轴21的转速减小到达不到第2规定值时，重新开始对弹簧离合器25的闩锁装置41通电。其结果是弹簧离合器25和转轴21的连结状态被解除，使转轴21和转子22处于非连接状态。并且，即使弱风也能在短时间内使转轴21处于加速状态，在转轴21的转速增加到一定值以上时，恢复弹簧离合器25和转轴21的连结状态。其结果是使转轴21和转子22处于连接状态，使发电机11重新开始发电。由此，即使在弱风的情况下，也可断续地向控制器4提供高电压地交流电。

低电压充电功能

如上所述，在桥接二极管102中对提供给控制器4的交流电进行全波整流后，用由充电电容器101、二极管105及线圈107构成的平滑电路进行平滑化，对电池6进行充电。

此处，对电池6的充电过程进行详细说明。如图12所示，通过各个输出线11b向桥接二极管102输出发电机11的相电流，由此向控制器4提供交流电。输入到桥接二极管102的相电流在被全波整流后，一边对充电电容器101、101充电，一边提供给电池6。此时，通过中性线108将发电机11的中性点11a的电压施加到充电电容器101、101的中间点81a上。由此，如图14所示，将3相交流的中性点11a作为基准的相电压的2倍的线间电压作为整流后的电压，一边施加给各充电电容101，一边进行充放电。其结果是与仅使用3相交流的输出线11b将相电压的

倍线间电压作为整流后的整流电压的图13的电路结构情况相比，能够以1.15倍的高电压对电池6进行充电。并且，如上所述，对电池6有效充电的电力可作为控制器4的电源来利用，同时，在逆变器7中，变为交流电后作为外部负载8的电源来使用。

此外，对电池6充电的充电电压以及充电电流由充电控制部106控制。即，转轴21的转速在第3规定值以上时，判断为相对电池6的额定电压的高压充电电压进行充电，进行将充电控制部106切换为ON状态和OFF状态的充电控制。另一方面，在转轴21的转速降低到未达到第3规定值时，判断为以接近电池6的额定电压的充电电压，为了以大的充电电流进行电池6的充电，进行将充电控制部106维持在ON状态的充电控制。

辅助充电处理功能

此外，在对电池6充电中，监视由充电电压检测器111所检测的充电电压。当充电电压未达到第1规定值时，允许通过辅助充电器9对电池6进行的辅助电力的充电。

即，如图11所示，当充电电压在第1规定值以上时，通过对辅助电源继电器103通电来使开关部103a成为打开状态，由此，禁止对电池6进行辅助充电。另一方面，当充电电压降低到未达到第1规定值时，判断为电池6的充电电压(电池电压)大幅度地降低，停止对辅助电源继电器103的通电。被停止通电的辅助电源继电器103将开关部103a从打开状态切换成关闭状态。由此，来自电源91的交流电被提供给变压器100，用变压器100变为规定电压后，生成由电容器101进行恒流化的辅助电力。并且，通过该辅助电力对电池6进行辅助充电。此外，对于电池6的充电电流由IωCE决定。其中，ω＝2πf，C是电容器101的电容μF，E为充电电压。此外，在电池6的充电电压大幅降低，在控制器4不工作的情况下，因为停止向辅助电源继电器103通电，所以通过辅助充电器9对电池6进行辅助充电。

异常运转制动功能

此外，如图2所示，在风力发电装置1正常运转的情况下，通过通电使短路制动装置75的短路用继电器76成为打开状态。并且，将发电机11的交流电提供给桥接二极管102等的整流部，进行对电池6的充电。另一方面，在由于部件磨损或破坏等所引起的异常，而使控制器4紧急停止的情况下，停止正在对风力发电装置主体2输出的所有的信号输出。其结果是由于停止了对短路制动装置75的短路用继电器76的通电，所以使发电机11成为短路状态。

此外，在停止对弹簧离合器25通电时，由于弹簧离合器25为无励磁工作型，所以，弹簧44牢固地扣紧于与转轴21整体化的输入侧套筒42上。由此，可通过弹簧离合器25来使转轴21和转子22整体化。并且，通过短路状态的发电机11引起的大的负载而迅速地使转轴21的转速急剧减速。

如上所述，本实施方式的电源装置3结构为具有：发电机11(发电单元)，将自然能量变为电能，以3相交流的方式输出由电能形成电力；桥接二极管102(整流器)，对来自发电机11的相电流进行整流并且输出；一对相互串联的充电电容器101、101，设置在桥接二极管102的输出侧，与桥接二极管102并联连接；中性线108，与发电机11的中性点11a和充电电容器101、101之间的中间点31a相连接。

按照上述结构，如图14所示，得到将3相交流的中性点11a作为基准的相电压的2倍的线间电压来作为整流后的整流电压，因此，与只使用3相交流的输出线11b得到相电压的

倍的线间电压来作为整流后的整流电压的情况相比，可产生高压电。其结果是即使在自然能量不足的情况下也可很好地使用。

此外，如图2所示，电源装置3还具有电池6(蓄电单元)，用从桥接二极管102输出的电进行充电，并且该电力在各种设备的工作中被使用。由此，即使在自然能量不足的环境下也能使对电池6充电的充电电压高压化，所以能够进行有效充电。

此外，本发明在风力发电装置1上具备上述的电源装置3。由此，即使在风力变动大的环境下，也可很好地使用风力发电装置1。

在此，各种机器包括风力发电装置1的控制器4或外部负载8的冰箱等的电动设备、电灯或空调机等的光热设备等。自然能量是包括存在于风力、大阳电池、水力、波浪等的自然界中的能量。

此外，实现本实施方式的各功能用的程序可用读出专用的方式预先写入存储部的ROM中，也可以在需要时读出CD等的记录媒体中所记录的程序并写入存储部，还可以通过网络等电通信线路进行传送并写入存储部。

本发明虽然记载于上述的理想实施方式，但本发明并非仅限于此。只要不脱离本发明的精神和范围的各种实施方式可理解为另外的实施方式。此外，本实施方式中，叙述了本发明的结构的作用以及效果，但是，这些作用以及效果是一个例子，并不限定本发明。

例如，本实施形态中，虽说明了垂直轴型风力发电装置，但并非仅限定于此。例如，动力源并非一定需要风力，也可为水力。此外，转轴为垂直型或水平型均可。此外，也并不限定于发电装置用发电机，也可为电动机。这是因为旋转电机是包括发电装置用发电机或电动机的概念。即，只要是具有转轴、安装在该转轴上的转子、与转子对置配置的定子的发电装置用发电机或电动机等，都可应用本发明。

因能以低成本来提供利用自然能量的发电装置及使用于该发电装置的电源装置，因此，可期待能有助于解决环境问题。

Claims (21)

1.一种发电装置，具有：

转轴，连结于转矩产生侧；

转子，以可自由旋转的方式安装在上述转轴上；

离合器，设置在上述转轴和上述转子之间；

外壳，收存上述转轴、转子及离合器；以及

定子，安装在上述外壳上，并且与上述转子对置设置。

2.如权利要求1中记载的发电装置，其中

上述离合器是弹簧离合器，其具有弹簧和闩锁装置，该弹簧的一端固定在上述转轴或上述转子中的任意一方上，另一端在旋转方向上束缚在上述转轴或上述转子中的任意一个的另一方上，该闩锁装置自由地卡合在上述弹簧的另一端上，通过电控制解除对上述转轴或上述转子中任意一个的另一方的上述弹簧的束缚。

3.如权利要求2记载的发电装置，其特征在于：

在上述转轴上具有用于检测上述转轴的转速的检测单元。

4.如权利要求1至3中任意一项中记载的发电装置，其特征在于：

上述离合器在上述转轴达到规定的转速时，使上述转轴和上述转子相连接。

5.如权利要求1至4中任意一项中记载的发电装置，其特征在于：

在上述转轴和上述外壳之间设置用于控制上述转轴的旋转的制动装置。

6.一种发电装置，具有：

转轴；

转子，安装在该转轴上；

定子铁芯，与该转子对置配置，在圆周方向分割为3个以上；

一对保持构件，用可自由旋转的方式支承夹持在上述转轴的前述转子的两侧位置；

三根以上的支柱，连接该一对保持构件，同时以嵌合的状态卡合在上述定子铁芯的外周上。

7.如权利要求6记载的发电装置，其中

上述支柱由圆柱或棱柱形成，将与上述定子铁芯卡合的部分的直径作细，从而形成嵌合部。

8.如权利要求6记载的发电装置，其中

上述支柱由圆柱或棱柱形成，将与上述定子铁芯卡合的部分切成直线状、圆弧状或角状，从而形成嵌合部。

9.如权利要求6至8中任意一项中记载的发电装置，其中

在上述嵌合部卡合了上述定子铁芯的状态下，上述支柱位于比上述一对保持板的连接部分更向外侧扩展的位置。

10.一种发电装置，具有如权利要求6至9中任意一项中记载的发电装置。

11.一种发电装置，具有转轴和安装在上述转轴的圆周方向上的叶片的发电装置，其特征在于：

设置了速度控制装置，

该速度控制装置具有设置在上述叶片的全部或一部分上的导电构件和可相对该导电构件自由调整间隔的磁铁构件。

12.如权利要求11记载的发电装置，其中

上述速度控制装置具有

检测上述转轴速度的速度检测装置；和

按照所检测的速度可使上述导电构件相对上述叶片进退的进退驱动装置。

13.一种电源装置，其特征在于，具有：

驱动力产生单元，将自然能量变为动能并产生驱动力；

发电单元，通过上述驱动力产生单元的驱动力进行工作来发电；以及

短路单元，设置在上述发电单元的输出侧，在异常时将上述发电单元的输出侧切换为短路状态。

14.如权利要求13记载的电源装置，其特征在于：

上述短路单元是无励磁工作型。

15.如权利要求13或14中记载的电源装置，其特征在于：

上述驱动力产生单元具有

通过上述自然能量进行旋转而产生上述驱动力的旋转构件；和

切换对上述发电单元的上述驱动力的传递和阻断的离合器。

16.如权利要求15中记载的电源装置，其特征在于：

上述离合器在无励磁时切换为上述传递状态。

17.如权利要求13至16中任意一项中记载的电源装置，其特征在于：

还具有通过摩擦力使驱动力产生单元停止的停止单元。

18.一种发电装置，其特征在于：

具有权利要求13至17中任意一项中记载的电源装置。

19.一种电源装置，其特征在于，具有：

发电单元，将自然能量转变为电能，并以3相交流的方式输出该电能构成的电力；

整流器，将来自上述发电单元的相电流进行整流并且输出；

一对充电电容器，设置在上述整流器的输出侧并且与该整流器并联连接，同时相互串联；以及

中性线，连接上述发电单元的中性点和上述充电电容器之间的中间点。

20.如权利要求19记载的电源装置，其特征在于：

还具有用上述整流器输出的电力进行充电，并将该电力在各种设备的工作中使用的蓄电单元。

21.一种风力发电装置，其特征在于：

具有权利要求19或20中记载的电源装置。

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