JP2003193952A

JP2003193952A - 発電機一体形水車

Info

Publication number: JP2003193952A
Application number: JP2001393370A
Authority: JP
Inventors: Akio Shima; 昭夫島; Yuji Tanaka; 雄司田中; Yukihisa Fujita; 幸央藤田; Shinichi Takahashi; 伸一高橋; Hide Watabe; 秀渡部
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2001-12-26
Publication date: 2003-07-09

Abstract

(57)【要約】【課題】回転数を上げ、配管中で使用され、ビルで使用
される電力の一部を賄う発電量が得られる発電機一体形
水車を提供する。【解決手段】円筒形状を有するケーシング１と、ケーシ
ング１の軸心方向に配置したステータ６及びステータ６
を保持するステータ保持部材１３ａ、１３ｂと、ステー
タ保持部材１３ａ、１３ｂをケーシング１に固定するス
テータ保持部固定部材２８ａ、２８ｂと、ステータ６の
外側の円筒状のロータヨーク８と、ロータヨーク８の外
側にあり、ケーシング１を通過する流体２２によってロ
ータヨーク８と共に回転される少なくとも一段以上の羽
根１４ａ、…とを備え、一段以上の各羽根の上流側に、
ケーシング１の周方向に複数のガイドベーン１１ａ…を
設けたことを特徴とする発電機一体形水車である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発電機一体形水車
に係り、ビル建物において空調機に用いられる循環水を
利用し、その循環水の落差を利用して羽根を回転させる
ことにより電力を発生させる発電機一体形水車に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】発電機一体型水車装置の小型化および構
造の簡素化を図った技術が、特開平５−１１１２１６号
公報に開示されている。この場合においては、内部が流
体の通路と連通するケーシングと、ケーシングの内側に
設けたステータと、ステータの内部に羽根を具備したロ
ータヨークが配設され、流体が流れることにより羽根を
具備したロータヨークが回転し、電圧を発生させて発電
するものである。

【０００３】また、特開平１０−２２５０７５号公報に
開示されている技術は、中空軸の外周に複数極の発電子
を軸心と平行に長手に形成して設け、これを固定軸とす
ると共に、前記発電子からの電線を中空軸を通じて引き
出し、該発電子に対応する複数の磁石を内周壁に設ける
と共に、外周壁には一組以上のプロペラを1体化して外
筒を回転させるように軸受を介して設けたものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の特開平５−
１１１２１６号公報開示の技術では、ステータの内側に
回転体である羽根を具備したロータヨークが配置されて
いることから、羽根の外径がステータの内径よりも小さ
くなる。このため、羽根が受ける回転力が少なくなり、
回転数を上げることができず、例えば、ビル内部で使用
する電力の一部を賄える有効な発電量が得られないとい
う問題があった。

【０００５】特開平１０−２２５０７５号公報に開示さ
れている技術は、ステータの外側に回転体である羽根を
具備してロータヨークが設けられ、回転数を上げること
ができるが、河川及び海中の流体の流れ中に入れて使用
するもので、流体の流れの方向に正確に、且つ敏速に追
従して作動するように構成されているもので、配管中に
固定して使用することは考慮していないという問題があ
った。

【０００６】本発明は、上記従来技術の問題点を解決す
るためになされたものであり、回転数を十分に上げるこ
とが可能であり、かつ、配管中に固定して使用され、ビ
ル内部で使用される電力の一部を賄える有効な発電量が
得られる発電機一体形水車を提供することをその目的と
するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る発電機一体形水車の構成の一つは、内
部が流体通路となっている円筒形状を有するケーシング
と、前記ケーシングの軸心方向に沿わせて配置したステ
ータ及び該ステータを保持するステータ保持部材と、該
ステータ保持部材を前記ケーシングに固定するステータ
保持部固定部材と、前記ステータの外側に水中軸受によ
り回転可能に配設されている円筒状のロータヨークと、
該ロータヨークの外側に設けられ、前記ケーシングの内
部を通過する流体によってロータヨークと一体に回転さ
れる少なくとも一段以上の羽根とを具備し、該一段以上
の各羽根の上流側に、前記ケーシングの周方向に複数の
ガイドベーンを設けたことを特徴とする発電機一体形水
車である。

【０００８】前項に記載の発電機一体形水車において、
前記ステータ及びステータ保持部材の前記ケーシングの
軸心方向に中空軸を設け、該中空軸にステータを固着す
ると共に、該中空軸を流体の通路としたことを特徴とす
る発電機一体形水車である。前項に記載の発電機一体形
水車において、前記ステータ保持部材及びステータ保持
部固定部材に中空部を設け、これらの中空部を通じてス
テータからの電線を引き出すようにしたことを特徴とす
る発電機一体形水車である。前項に記載の発電機一体形
水車において、前記ガイドベーンは、前記ケーシングの
軸心に平行な面で二っ割構造とした円筒状のガイドベー
ン保持部に固定されていることを特徴とする発電機一体
形水車である。前項に記載の発電機一体形水車におい
て、前記ケーシングと前記ロータヨークとの間にすべり
軸受を設けたことを特徴とする発電機一体形水車であ
る。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態に係る発電
機一体型水車を図１を参照して説明する。図１は、本発
明の一実施の形態に係る発電機一体型水車の断面図であ
る。図１において、ケーシング１は、その中央部が径大
部となっている円筒状の中間ケーシング部１ｂと、図示
しない流体配管と接続するため入口部フランジ２９ａを
有する流入口２を備える入口ケーシング部１ａと、流体
配管と接続するための出口部フランジ２９ｂを有する出
口ケーシング部１ｃとから構成されている。前記ケーシ
ング１の材質は、例えばアルミダイカスト合金を用い
る。

【００１０】入口ケーシング部１ａは、流体の流れの方
向に拡大され、円筒状の中間ケーシング部１ｂとほぼ同
一径となり、該同一径部においてフランジ部１８ａを設
け、該フランジ部１８ａにおいてＯリング状の弾性体１
９ａを介して円筒状の中間ケーシング部１ｂとボルト結
合されている。同様に、出口ケーシング部１ｂは、流体
の流れと反対方向に向かって拡大され、円筒状の中間ケ
ーシング部１ｂとほぼ同一径となり、該同一径部におい
てフランジ部１８ｂを設け、該フランジ部１８ｂにおい
てＯリング状の弾性体１９ｂを介して円筒状の中間ケー
シング部１ｂとボルト結合されている。

【００１１】また、入口ケーシング部１ａの内側には、
ステータ６を保持するステータ保持部材１３ａが設けら
れ、該ステータ保持部材１３ａがステータ保持部固定部
材２８ａにより、前記入口ケーシング部１ａに一体的に
結合されている。前記ステータ保持部固定部材２８ａ
は、図示では２本設けられ、そのうち一本は中空となっ
ている。該中空部材の機能については後述する。同様
に、出口ケーシング部１ｃには、複数本のステータ保持
部固定部材２８ｂが設けられ、該ステータ保持部固定部
材２８ｂによりステータ保持部材１３ｂが一体的に結合
させている。

【００１２】ステータ保持部材１３ａにはケーシング１
の軸方向に連通する流体の連通路２４ａ、ステータ保持
部材１３ｂには前記ケーシング１の軸心方向に連通する
流体の連通路２４ｂが設けられている。前記両連通路２
４ａ、２４ｂを連通させるため、前記両連通路２４ａ、
２４ｂと同一径の連通路２５を内有する固定軸７が前記
ケーシング１の軸方向に設けられている。前記固定軸７
はステータ保持部材１３ａ、１３ｂ内に所定の位置にお
いて嵌合させて保持すると共に、前記固定軸７とステー
タ保持部材１３ａ、１３ｂとの隙間をシールし、流体漏
れを防ぐため、弾性体２６が配設されている。

【００１３】円筒状の中間ケーシング部１ｂは、その内
側に円筒状のガイドベーン保持部１６が配設されてお
り、さらに、該ガイドベーン保持部１６の内側にはガイ
ドベーン１１ａ、１１ｂ、１１ｃがケーシング１の軸方
向に多段に配設されている。この場合、多段に配設され
ているガイドベーン１１ａ、１１ｂ、１１ｃの組立性を
考慮して、前記ガイドベーン保持部１６がケーシング１
の軸心に平行な面で二っ割構造となっている。

【００１４】円筒状のガイドベーン保持部１６の軸方向
端面は、入口部ケーシング１ａのフランジ１８ａに設け
た嵌合部１７ａ、出口部ケーシング１ｃのフランジ１８
ａに設けた嵌合部１７ｂに嵌合して、固定されている。

【００１５】ステータ６は、円筒状をなすステータコア
４と該ステータコア４に巻線された３相巻線のステータ
コイル５とから成っている。前記ステータ６は、ステー
タ保持部材１３ａ、１３ｂ内で固定軸７に所定の位置に
おいて固着されている。なお、ステータコイル５から電
気配線２３は、ステータ保持部材１３aに中空部分を設
け、該中空部分と前述のステータ保持部固定部材２８ａ
の内、中空となっている１本内を通り、外部と通電させ
るようになっている。

【００１６】また、ステータ６の外周には電気を絶縁す
るためのカン２０が配設されている。該カン２０はステ
ータ保持部材１３ａ、１３ｂにＯリング状の弾性体２１
を介して嵌合されて保持されている。カン２０を用いな
い場合は、前記ステータ６の外表面に電気絶縁用コーテ
ィングをしても差し支えない。

【００１７】ロータ１０は、ステータ保持部材１３ａ、
１３ｂに水中軸受１２により回転可能に支持されている
ロータヨーク８を有し、該ロータヨーク８は、ステータ
６の外側に配設されており、その内側に３相巻線のステ
ータコイル５に回転磁界を与えるロータマグネット９
と、外側に流下する流体によって回転する多段の羽根１
４ａ、１４ｂ、１４ｃとを備えている。

【００１８】ロータヨーク８の外周部で、且つ前記ケー
シング１の中間部１ｂの内周側には、上流側よりみて、
一段目、二段目、三段目の羽根１４ａ、１４ｂ、１４ｃ
が、それぞれ数枚の板材により構成され、前記羽根１４
ａの上流側直近に一段目のガイドベーン１１ａを設置
し、前記羽根１４ｂの上流側直近に二段目のガイドベー
ン１１ｂを設置し、前記羽根１４ｃの上流側直近に三段
目のガイドベーン１１ｃを設置されている。

【００１９】ロータマグネット９の材質は、例えばフェ
ライト磁石およびネオジ磁石を用いている。また、ロー
タマグネット９の表面には錆の発生を防止したコーティ
ングが施されている。これらロータヨーク８とロータマ
グネット９により構成されているロータ１０は、ステー
タ６の外側にロータ１０を設置したアウターロータ方式
構造となっている。

【００２０】水中軸受１２はシリコンカーバイド等のセ
ラミックを用いたすべり軸受とした。水中軸受１２はケ
ーシング１内を通過する流体２２により潤滑されてい
る。したがって、カン２０とロータヨーク８の間の空間
２７は水中軸受１２から漏れる流体２２で満たされるよ
うになっている。

【００２１】図１に示す構成の発電機一体形水車を使用
する場合を説明する。同期発電機の例を説明する。発電
機一体形水車をビル建物における空調設備の配管のう
ち、高い落差のある部分の下部に設置し、配管中の流体
２２をケーシング１の流入口２より流し込み、ガイドベ
ーン１１ａ、１１ｂ、１１ｃにより整流された流体２２
が羽根１４ａ、１４ｂ、１４ｃに順次回転エネルギーを
与えてロータ１０を回転させる。このとき前記アウター
ロータ方式を採用した本発明に係る水車一体形発電機で
は、羽根１４ａ、１４ｂ、１４ｃの外径をケーシング１
の中間ケーシング部１ｂのほぼ内径ほど大きくなってい
るため、流れる流体２２により大きな回転エネルギーを
与えることができる。そして、該ロータ１０の回転に基
づきロータマグネット９による回転磁界が生じ、ロータ
１０が回転すると、該ロータ１０が流体２２から受けて
いる機械的動力が変換されてステータ６に電力を発生す
る。すなわち、同期速度の回転磁界がステータコイル５
に作用し、これに伴いステータコイル５に誘起電圧が発
生する。この電圧をステータ保持部材１３ａ及びステー
タ保持部固定材２８ａの中空部を介して電気配線２３に
より取り出すことにより発電機として利用し、ビル建物
において使用する電力の一部を補うことが可能となる。

【００２２】ケーシング１の流入口２から入った流体２
２は、ステータ保持部材１３ａの連通孔２４ａから固定
軸７の通路２５を通って、もう一つのステータ保持部材
１３ｂの連通孔２４ｂからケーシング１から流出口３に
流出する。この時、ロータ１０の回転磁界よりステータ
コイル５には電流が流れて発熱が生じるが、この熱は前
記固定軸７にステータコイル５を含むステータ６が固着
されているので、前記固定軸７の通路２５を通る流体２
２が冷却する。

【００２３】また、ロータヨーク８の回転を支持する水
中軸受１２はすべり軸受であり、流体２２により水潤滑
される。このため、前記水中軸受１２から漏れた流体２
２は、ステータ６のカン２０とロータヨーク８とで構成
される空間２７内に満たされ、ステータ６の外側からカ
ン２０を介して冷却することができる。したがって、ス
テータコイル５の温度上昇が低減され、より多くの電力
を供給することができると共に、ステータコイル５の焼
付きを防止することができる。前記は同期機を使用した
場合について説明したが、誘導発電機についても全く同
様である。

【００２４】図２を参照して、本発明に係る発電機一体
形水車の一実施形態の変形例を説明する。図２は、図１
の発電機一体形水車に係る変形例の断面図である。この
変形例では図１に示した実施の形態に比べて固定軸７の
構造において相違し、その他の点については同様であ
る。この相違点を中心に説明する。図２に示す発電機一
体形水車は、ケーシング１の流入口２から入った流体２
２はステータ保持部材の連通孔２４ａから前記固定軸７
の通路２５の一部に流入する。前記通路２５は、ステー
タ保持部材１３ｂを貫通せず、その途中の位置にてその
末端が閉塞している。

【００２５】このため、ロータ１０の回転によりステー
タコイル５には電流が流れて発熱が生じるが、通路２５
内の末端まで流入した流体２２は、ステータコイル５の
発熱により温度上昇して対流を生じ、通路２５および連
通孔２４ａの内部で循環流を形成して前記ステータ６を
冷却する。したがって、ステータ６の温度上昇が低減さ
れ、ケーシング１の流入口２から入った流体２２が羽根
１４ａ、１４ｂ、１４ｃを通過せず流出口３に出る物が
なくなるので、より多くの電力を供給することができる
と同時に、ステータコイル５等の焼付きを防止すること
ができる。

【００２６】図３を参照して、本発明に係る発電機一体
形水車の一実施形態の変形例を説明する。図３は、図１
の発電機一体形水車に係る他の変形例の説明図である。
この変形例では、図１に示した実施の形態と比べて固定
軸７の構造において相違し、その他の点については同様
である。この相違点を中心に説明する。

【００２７】図３に示す発電機一体形水車は、固定軸７
が前記ケーシング１の軸方向に設けられると共に、ステ
ータ保持部材１３ａ、１３ｂ内で所定の位置において保
持されている。前記固定軸７はその内部が中空でなく、
前記所定の位置は前記固定軸７にステータ６を固着・保
持させ得れば足りる長さが得られる位置である。

【００２８】図３の発電機一体形水車において、ロータ
ヨーク８の回転を支持する水中軸受１２はすべり軸受で
あり、流体２２により水潤滑される。このため、前記水
中軸受１２から漏れた流体２２は、ステータ６のカン２
０とロータヨーク８で構成する空間２７内に満たされ、
前記ステータ６の外側から前記カン２０を介して冷却す
ることができる。したがって、ステータ６の温度上昇が
低減され、より多くの電力を供給することができると同
時に、ステータコイル５等の焼付きを防止することがで
きる。

【００２９】次に、本発明に係る発電機一体形水車をポ
ンプとして使用する場合を説明する。図１、２、３にお
いて、発電機一体形水車をポンプとして使用する場合
は、同期発電機をそのまま同期電動機として用いられ
る。ステータ６の３相巻線に３相交流を通じれば回転磁
界を発生する。この回転磁界が同期速度で回転する。ロ
ータヨーク８のロータマグネット９の磁極との間に回転
力を生じ、ロータ１０が回転し、それと一体の羽根１４
ａ、１４ｂ、１４ｃが回転し、ケーシング１内の流体２
２が送り出されてポンプとして機能する。

【００３０】また、本発明に係る発電機一体形水車を水
量計として使用する場合を説明する。図３において、ス
テータコイル５に図示しない電圧計を接続し、ケーシン
グ１内を通過する流体２２によって、羽根１４ａ、１４
ｂ、１４ｃと一体のロータ１０が回転し、そのロータ１
０の回転に基づき、ロータマグネット９による回転磁界
がステータコア４に作用し、これに伴いステータコイル
５に誘起電圧が発生し、この電圧が図示しない電圧計に
表示される。この電圧計に表示される電圧値は羽根１４
ａ、１４ｂ、１４ｃの回転速度、ひいてはケーシング１
内を流れる流体２２の流量に比例するので、水量計とし
て利用することができる。

【００３１】以上詳細に説明した如く、本実施形態の構
成によれば、ステータ６の外側のロータヨーク８に多段
の羽根１４ａ、１４ｂ、１４ｃを具備し、該多段の羽根
それぞれの上流側直近に前記ケーシング１の周方向に複
数のガイドベーン１１ａ、１１ｂ、１１ｃを設けたの
で、流体２２が整流されて該多段の羽根１４ａ、１４
ｂ、１４ｃに流入することにより、多段の羽根１４ａ、
１４ｂ、１４ｃが流体から受ける回転力が増加して効率
よく羽根を回転させることができ、回転数が上がり、ビ
ル等の電力の一部を補うために有効な電力を発電するこ
とができる。

【００３２】また、ケーシング１とロータヨーク８との
間にすべり軸受１２を設ける構成とすることにより、す
べり軸受１２から漏洩したステータ６の外側に流体２２
を存在させることにより、ステータ６の温度上昇を低減
することができる。このため多くの電力を取り出すこと
ができると同時に信頼性も向上できる。

【００３３】さらに、ステータ６及びステータ保持部材
１３ａ、１３ｂのケーシング１の軸心方向に設けた中空
軸２４ａ、２５、２４ｂ中を流体が流れることにより、
前記中空軸２４ａ、２５、２４ｂの外側に設けられたス
テータ６の温度上昇を低減することができる。このため
多くの電力を取り出すことができると同時に信頼性も向
上できる。

【００３４】また、前記ケーシング１の軸心方向の中空
軸を２４ａ、２５の部分にすることにより、中空軸２４
ａ、２５内に対流を生じさせてステータ６の温度上昇を
低減させることが出来ると共に、中空軸を通過する流体
の漏れ量を無くすることができる。このため多くの電力
を取り出すことができると同時に信頼性も向上できる。

【００３５】

【発明の効果】以上、詳細に説明した如く、本発明に係
る発電機一体形水車の構成によれば、回転数を十分に上
げることが可能であり、かつ、配管中に固定して使用さ
れ、ビル内部で使用される電力の一部を賄える有効な発
電量が得られる発電機一体形水車を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る発電機一体型水車
の断面図である。

【図２】図１の発電機一体形水車に係る変形例の断面図
である。

【図３】図１の発電機一体形水車に係る他の変形例の断
面図である。

【符号の説明】

１…ケーシング、１ａ…入口ケーシング部、１ｂ…中間
ケーシング部、１ｃ…出口ケーシング部、２…流入口、
３…流出部、４…ステータコア、５…ステータコイル、
６…ステータ、７…固定軸、８…ロータヨーク、９…ロ
ータマグネット、１０…ロータ、１１ａ、１１ｂ、１１
ｃ…ガイドベーン、１２…水中軸受、１３ａ、１３ｂ…
ステータ保持部材、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ…羽根、１
６…ガイドベーン保持部、１７ａ、１７ｂ…嵌合部、１
８ａ、１８ｂ…フランジ部、１９ａ、１９ｂ…弾性体、
２０…カン、２１…弾性体、２２…流体、２３…電気配
線、２４ａ、２４ｂ…連通孔、２５…通路、２６…弾性
体、２７…空間、２８ａ、２８ｂ…ステータ保持部固定
部材、２９ａ、２９ｂ…フランジ部

フロントページの続き (72)発明者藤田幸央千葉県習志野市東習志野七丁目１番１号株式会社日立ドライブシステムズ内 (72)発明者高橋伸一千葉県習志野市東習志野七丁目１番１号株式会社日立ドライブシステムズ内 (72)発明者渡部秀千葉県習志野市東習志野七丁目１番１号株式会社日立ドライブシステムズ内Ｆターム(参考） 3H072 AA09 AA26 BB31 BB32 CC01 CC10 CC23 CC71 5H607 AA12 BB02 BB14 BB17 CC05 DD02 DD19 EE17 FF04 FF08 FF12 FF36

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部が流体通路となっている円筒形状を有
するケーシングと、前記円筒状のケーシングの軸心方向
に沿わせて配置したステータ及び該ステータを保持する
ステータ保持部材と、該ステータ保持部材を前記ケーシ
ングに固定するステータ保持部固定部材と、前記ステー
タの外側に水中軸受により回転可能に配設されている円
筒状のロータヨークと、該ロータヨークの外側に設けら
れ、前記ケーシングの内部を通過する流体によってロー
タヨークと一体に回転される少なくとも一段以上の羽根
とを具備し、該少なくとも一段以上の各羽根の上流側に、前記ケーシ
ングの周方向に複数のガイドベーンを設けたことを特徴
とする発電機一体形水車。
【請求項２】請求項１に記載の発電機一体形水車におい
て、前記ステータ及びステータ保持部材の前記ケーシングの
軸心方向に中空軸を設け、該中空軸にステータを固着す
ると共に、該中空軸を流体の通路としたことを特徴とす
る発電機一体形水車。
【請求項３】請求項１に記載の発電機一体形水車におい
て、前記ステータ保持部材及びステータ保持部固定部材に中
空部を設け、これらの中空部を通じてステータからの電
線を引き出すようにしたことを特徴とする発電機一体形
水車。
【請求項４】請求項１に記載の発電機一体形水車におい
て、前記ガイドベーンは、前記ケーシングの軸心に平行な面
で二つ割構造とした円筒状のガイドベーン保持部に固定
されていることを特徴とする発電機一体形水車。
【請求項５】請求項１に記載の発電機一体形水車におい
て、前記ケーシングと前記ロータヨークとの間にすべり軸受
を設けたことを特徴とする発電機一体形水車。