JP2005204426A

JP2005204426A - 分散電源用発電装置

Info

Publication number: JP2005204426A
Application number: JP2004008799A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Shioda; 剛塩田
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2004-01-16
Filing date: 2004-01-16
Publication date: 2005-07-28

Abstract

【課題】風車又は水車により駆動されて異なる誘起電圧を発生するための異なる巻数の巻線を有する永久磁石型発電機の交流出力を整流して直流出力する分散電源用発電装置においては、多くの整流器およびリアクトルが必要なために、これら整流器およびリアクトルを配置するスペースが必要であり、分散電源用発電装置の外形が大きくなるという問題があった。
【解決手段】風車又は水車により駆動されて異なる誘起電圧を発生するための異なる巻数の巻線を有する永久磁石型発電機の交流出力を整流して直流出力する分散電源用発電装置において、永久磁石型発電機をアウターローターで構成し、固定子鉄心と軸受ボスの間に放射状に適切に固定子軸受ボス間連接部を配置し、該固定子軸受ボス間連接部付近にリアクトルおよび整流器を配置することを特徴とする分散電源用発電装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、風車又は水車により駆動される発電機から、風速又は流速に関わらず、風又は水より得られる概略の最大出力を取り出すための分散電源用発電装置に関するものである。

本出願人は先に、風車又は水車に接続された永久磁石型発電機より、ＰＷＭコンバータを用いずに交流を直流に変換して概略の最大出力を取り出すために、永久磁石型発電機の異なる誘起電圧を発生する複数の巻線の出力端子にリアクトルを経て直列に整流器を接続し、この整流器の直流出力を並列接続して外部に出力する分散電源用発電装置について提案している（例えば、特許文献１参照。）。

かかる先願技術を、図７の風車に接続された分散電源用発電装置を示す主回路単線結線図を参照して詳述する。
図７において、１は風車、２は先願技術の分散電源用発電装置、３は永久磁石型発電機、４〜６は第１〜第３のリアクトル、７〜９は第１〜第３の整流器、１０は正側出力端子、１１は負側出力端子、１２はバッテリーである。

この永久磁石型発電機３は、絶縁され、かつ誘起電圧の異なる３巻線を有し、３巻線の中の巻数が一番少ないために一番誘起電圧の低い第１の巻線Ｗ１は、第１のリアクトル４に接続され、さらに第１の整流器７に接続される。
次に巻数が多い第２の巻線Ｗ２は、第２のリアクトル５に接続され、さらに第２の整流器８に接続される。
又、巻数が一番多いために一番誘起電圧の高い第３の巻線Ｗ３は、第３のリアクトル６に接続され、さらに第３の整流器９に接続される。
上記第１〜第３の整流器７〜９の各直流側は、正側出力端子１０及び負側出力端子１１に並列接続され、各巻線の合計出力がバッテリー１２に接続される。

このように構成される分散電源用発電装置２より、概略の風車最大出力を得る方法を以下に示す。
図６は、風速をパラメータとした時の、風車の回転数対出力特性の概要を説明した図である。
風車は、風車の形状及び風速Ｕが決まると、風車回転数Ｎに対する風車出力Ｐが一義的に定まり、例えば風速Ｕｘ及びＵｙに対する風車出力Ｐは、それぞれ図６の実線で示される。そして、種々の風速に対する風車出力Ｐのピークは、図６の一点鎖線で示す風車最大出力曲線のようになる。
すなわち、図６の風車の回転数対出力特性において、風速がＵｘの時は、風速Ｕｘの風車出力曲線と最大出力曲線との交点Ｓｘに示すように、風車回転数Ｎｘにおいて、風車最大出力Ｐｘとなる。
又、風速がＵｙの時は、風車回転数Ｎｙにおいて、風速Ｕｙでの風車最大出力Ｐｙとなる。

すなわち、図６の最大出力曲線を見方を変えて見ると、風から最大出力を得るためには、風車回転数Ｎが決まると、その時の永久磁石型発電機の出力Ｐを一義的に、風車最大出力曲線上の値に定めれば良いことを表している。

図５は、先願技術が対象とする分散電源用発電装置２の直流出力をバッテリー等の定電圧源に接続した場合の説明図であり、分散電源用発電装置２の永久磁石型発電機３内の第１〜第３の巻線Ｗ１〜Ｗ３の各出力は、各巻線の誘起電圧値の違い、及び各巻線内部インダクタンスと各巻線出力に接続されるリアクトルによる電圧降下のために、図５の分散電源用発電装置の各巻線の回転数対出力特性図に示すＰ１〜Ｐ３のようになる。

すなわち、風車回転数Ｎが低い場合には、第３の巻線Ｗ３の発生電圧Ｖ３がバッテリー電圧Ｖｂより低いために、バッテリーには充電されない。しかし、風車回転数Ｎが上昇して、Ｎ３付近になると、電流が流れ始めて、風車回転数ＮがＮ３になると、第３の巻線Ｗ３の出力Ｐ３はＰ３１となる。これ以上に風車回転数Ｎが上昇して誘起電圧が上昇しても、バッテリー電圧Ｖｂは、ほぼ一定であり、第３の巻線Ｗ３の内部インダクタンスおよび第３のリアクトル６のインダクタンスによるインピーダンスが周波数に比例するために、出力Ｐ３はＰ３１よりも漸増するに留まる。
第２の巻線Ｗ２については、さらに回転数Ｎが上昇することにより誘起電圧が上昇して出力が取れ始めるが、内部インダクタンスおよび第２のリアクトル５のインダクタンスが小さいために大きな出力が取れる。第１の巻線Ｗ１については、さらに回転数Ｎが上昇したときに、さらに大きな出力が取れる。

このように構成される分散電源用発電装置２のバッテリー１２等の定電圧源への出力は、第１〜第３の巻線の出力Ｐ１〜Ｐ３を加算して得られる合計出力と同じであり、図４の点線で示す近似出力曲線で表される。従って、図４に示すように、この合計出力は図４の実線で示す風車最大出力曲線の近似を実現している。
特願２００２−２２１７１４号（図１）

解決しようとする問題点は、上記のように３種類の整流器と３種類のリアクトルにより構成される分散電源用発電装置２においては、多くの整流器およびリアクトルが必要なために、これら整流器およびリアクトルを配置するスペースが必要であり、分散電源用発電装置２の外形が大きくなるという点である。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、永久磁石型発電機３をアウターローターで構成し、固定子と軸受ボスの間の空間に、固定子軸受ボス間連接部、リアクトル、および整流器を配置することを特徴とする分散電源用発電装置２である。

本発明の分散電源用発電装置２は、永久磁石型発電機３内の空間にリアクトルおよび整流器を配置したために、分散電源用発電装置２の外形が減少して、小さな設置スペースとすることができる。

永久磁石型発電機３の固定子と軸受ボスの間の空間に配置する固定子軸受ボス間連接部を鉄心材料により構成し、この固定子軸受ボス間連接部にコイルを巻いてリアクトルとしたことを特徴とする分散電源用発電装置２である。

図1は、本発明の、分散電源用発電装置２を構成するアウターローター形式の永久磁石型発電機３の縦断半図である。
同図において、２１は永久磁石、２２は回転子継鉄、２３は固定子鉄心、２４は固定子コイル、２５は取付け部、２６は軸受ボス、２７は固定子軸受ボス間連接部、２８は回転軸、２９は軸受であり、図７と同一番号は同一構成部品を表す。
以下、図１について説明する。

本発明の分散電源用発電装置２を構成するアウターローター形式の永久磁石型発電機３は、永久磁石２１、回転子継鉄２２、固定子鉄心２３、固定子コイル２４、取付け部２５、固定子軸受ボス間連接部２７、軸受ボス２８、回転軸２９、軸受３０で構成される。図示しない支持体に固定される取付け部２５は軸受ボス２６に固定される。この軸受ボス２６には、軸受２９が収納され、放射状に適切に固定子軸受ボス間連接部２７が配置され、この固定子軸受ボス間連接部２７の半径方向に固定子鉄心２３が固定されている。軸受ボス２６と固定子鉄心２３の間に、放射状に適切に配置される固定子軸受ボス間連接部２７付近には、リアクトル４〜６および整流器７〜９が配置される。

回転軸２８が回転すると永久磁石２１および回転子継鉄２２が回転して、固定子鉄心２３のスロット（図示せず）に巻かれている、図７に示す永久磁石型発電機３の各巻線Ｗ１〜Ｗ３に相当する固定子巻線２４に電圧が発生し、電気的に接続された第１〜３のリアクトル４〜６および第１〜３の整流器７〜９を経由して、図７に示す正側出力端子１０及び負側出力端子１１に相当する端子より直流出力が出力される。

一般に、回転数が低い風力用に用いられる永久磁石型発電機３は、発生電圧を大きくするために、多極で、しかもギャップ半径を大きくして構成されるので、固定子鉄心２３の固定子継鉄（図示せず）部分の半径方向に必要な磁路の長さは、ギャップ半径と比べて短くできる。
従って、この固定子鉄心２３と軸受ボス２６の間に広い空間が形成されるので、この広い空間に設置される固定子軸受ボス間連接部２７付近に第１〜３のリアクトル４〜６および第１〜３の整流器７〜９を配置して、外形の小さな分散電源用発電装置２を構成するものである。

図２に、本発明の第２の実施例である分散電源用発電装置２を構成するアウターローター形式の永久磁石型発電機３の縦断半図を、図３に、図２の縦断半図のＡ−Ｂにおける軸方向断面図を示す。
図２および図３において、３１はリアクトル鉄心、３１１は第１のリアクトル継鉄、３１２は第２のリアクトル継鉄、３２はリアクトル巻線、３３は鉄心間連接部であり、図１と同一番号は同一構成部品を表す。

図２および図３において、リアクトル鉄心３１、および第１および第２のリアクトル継鉄３１１および３１２はケイ素鋼板等の材料で構成され、リアクトル鉄心３１にはリアクトル巻線３２がそれぞれ巻かれて、リアクトル鉄心３１、リアクトル巻線３２、および第１および第２のリアクトル継鉄３１１および３１２により複数のリアクトルを形成する。

図３は、図７において巻線の種類を３種類とし、各々の巻線を３相で構成したときに、巻線Ｗ１に接続される第１のリアクトル４は省略して、第１、２のリアクトル５、６、および第１〜３の整流器７〜９をアウターローター形式の永久磁石型発電機３の内部に設けた場合を示す。
すなわち、図３において、３対のリアクトル鉄心３１およびリアクトル巻線３２、および第１のリアクトル継鉄３１１により、第２のリアクトル５を形成する。さらに、３対のリアクトル鉄心３１およびリアクトル巻線３２、および第２のリアクトル継鉄３１２により、第３のリアクトル６を形成する。
さらにリアクトル鉄心３１又は軸受ボス２６の付近には、第１〜３の整流器７〜９を配置する。
ここで、リアクトル継鉄３１１および３１２の周方向接続個所には、非磁性材料を挿入すれば、第２のリアクトル５と第３のリアクトル６は磁気的干渉を受けることはない。

鉄心間連接部３３は、固定子鉄心２３とリアクトル継鉄３１１および３１２を機構的に連接するためのものであり、固定子巻線２４に鎖交する磁束と、リアクトル巻線３２に鎖交する磁束の磁気絶縁をするために非磁性材料で構成される。
図３では、リアクトル継鉄が２個、リアクトル鉄心３１およびリアクトル巻線３２が、それぞれ６個の場合を示すが、リアクトル継鉄が１個、リアクトル鉄心３１およびリアクトル巻線３２が、それぞれ３個の場合、又はリアクトル継鉄が３個、リアクトル鉄心３１およびリアクトル巻線３２が、それぞれ９個の場合も可能である。

本発明の第１および第２の実施例では、異なる誘起電圧を発生させる巻線の数を３として説明したが、図４の点線で示す近似出力曲線の近似度が多少悪くても良ければ、巻線の数を少なくした１または２に対しても適応可能であり、さらに近似出力曲線の近似度を良くするために巻線の数を４以上とした場合にも適応可能である。
また、相数は３で説明したが、単相等の他の相数でも可能である。
さらに、第１の実施例では固定子軸受ボス間連接部２７を放射状に適切に配置するとしたが、固定子軸受ボス間連接部２７を円盤状に構成して、第１〜３のリアクトル４〜６および第１〜３の整流器７〜９を配置しても良い。

本発明の分散電源用発電装置２によれば、風速計や高価なＰＷＭコンバータが不要であり、さらにアウターローター形式の永久磁石型発電機３の固定子側内部に、リアクトルおよび整流器を設置したために、分散電源用発電装置２の外形が減少して、小さな設置スペースとすることができ、しかも前記ＰＷＭコンバータでは必要となる待機電力が不要なので年間を通した発電量を増加させる事ができ、さらにメンテナンスフリーなので、実用上おおいに有用である。
上記は、風力により説明したが、例えば、水力のように水車の形状が定まれば、最大出力を取り出すときの水車回転数対出力特性が一義的に定まるような用途にも適用可能である。
又、アウターローター形式の永久磁石型発電機３で説明したが、インナーローター形式の永久磁石型発電機３において、回転子側内部にリアクトルおよび整流器を設置して、直流電流を取り出すようにしても、外形を小さくした分散電源用発電装置２を提供できる。その時は、スリップリング、ブラシ等を用いて直流電流を取り出す構成とすれば良い。

本発明の第１の実施例であり、分散電源用発電装置２を構成するアウターローター形式の永久磁石型発電機３の縦断半図である。本発明の第２の実施例であり、分散電源用発電装置２を構成するアウターローター形式の永久磁石型発電機３の縦断半図である。本発明の第２の実施例における永久磁石型発電機３の縦断半図のＡ−Ｂにおける軸方向断面図である。本発明の第１および第２の実施例における分散電源用発電装置２の回転数対風車出力特性図である。分散電源用発電装置２の各巻線の回転数対出力特性図である。風速をパラメータとした時の、風車の回転数対出力特性の概要を説明する図である。風車に接続された分散電源用発電装置２を示す主回路単線結線図である。

符号の説明

１風車
２分散電源用発電装置
３永久磁石型発電機
４〜６第１〜第３のリアクトル
７〜９第１〜第３の整流器
１０正側出力端子
１１負側出力端子
１２バッテリー
２１永久磁石
２２回転子継鉄
２３固定子鉄心
２４固定子コイル
２５取付け部
２６軸受ボス
２７固定子軸受ボス間連接部
２８回転軸
２９軸受
３１リアクトル鉄心
３１１第１のリアクトル継鉄
３１２第２のリアクトル継鉄
３２リアクトル巻線
３３鉄心間連接部

Claims

風車又は水車により駆動されて異なる誘起電圧を発生するための異なる巻数の巻線を有する永久磁石型発電機の交流出力を整流して直流出力する分散電源用発電装置において、永久磁石型発電機をアウターローターで構成し、固定子鉄心と軸受ボスの間に放射状に適切に固定子軸受ボス間連接部を配置し、該固定子軸受ボス間連接部付近にリアクトルおよび整流器を配置することを特徴とする分散電源用発電装置。
請求項１記載の固定子軸受ボス間連接部をリアクトル鉄心で構成し、該リアクトル鉄心にリアクトル巻線を巻いて、前記リアクトル鉄心およびリアクトル巻線により前記リアクトルを構成し、前記固定子鉄心と前記リアクトル鉄心の間に鉄心間連接部を設けて固定子とリアクトル間を磁気絶縁し、前記リアクトル鉄心付近に前記整流器を配置することを特徴とする分散電源用発電装置。