JP2006054946A

JP2006054946A - 低速回転アウターローター型発電装置

Info

Publication number: JP2006054946A
Application number: JP2004233340A
Authority: JP
Inventors: Michio Murakami; 道男村上; Yoshiteru Teraue; 義晃寺上
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-08-10
Filing date: 2004-08-10
Publication date: 2006-02-23

Abstract

【課題】外周には一定間隔毎に複数の巻線コイルを配設した環状ステータと、環状ステータの外側には内周面に複数の永久磁石を一定間隔で配設した環状ローターホイールから成る低速回転アウターローター型発電装置であって、微風時から強風時まで止めることなく安定した出力を得ることが出来る低速回転アウターローター型発電装置の提供。
【解決手段】ＳＣＲ、ダイオード、チョッパ回路を組み込んだ制御回路を有し、微風時には昇圧整流制御、定格風速時には３相全波整流制御、強風時には３相半波整流制御に自動的に切り替えるようにしている。
【選択図】図２

Description

本発明は風力によって回転する風車が低速回転状態でも、計画した所定容量の発電を行うことが出来る低速回転アウターローター型発電装置に関するものである。

風力発電機は風車に風が当たることで回転し、この回転を利用して回転する発電装置により発電される。ところで、風力発電装置において、風車の回転速度は風速とその風車形状が有す周速特性により決まる為に、風車の径が大きくなるほど低く成り、風車回転軸と発電機装置との間に増速機が備わっている。近年、風車の回転軸に永久磁石を配置したローターとし、増速機を要さない一体型の発電装置が水平式発電装置用として実用化されている。

しかし、発電装置外形容量、単位重量が大きくて組立てが困難であり、垂直型発電装置には対応できない。また、入力軸をローターとして配設された永久磁石を共に回転させる為に、遠心力による外周方向への力が永久磁石に作用し、永久磁石から巻線コイルに作用する磁力の変動による振動を増幅して騒音を発生する原因になると共に、永久磁石に発生する温度上昇による能力低下を防止する対策が必要である。

制御においては、図４に示すように発電機で発電した交流電圧を一旦コンバーターで整流して直流に変換し、直流回路でバッテリー等を介し、インバーターによって直流を交流に逆変換することにより、電圧、周波数共に安定した出力を負荷へ供給している。しかしながら、定格風速の３０％以下の微風領域では発電電圧が低く、発電出力の外部取出し利用が困難であり、一方、強風領域では過回転による発電電圧が上昇し過ぎて発電機と制御盤保護の為に発電出力の取出し利用を放棄せざるを得ない事態となる。

特開２００１−１１９８７２号に係る「同期回転発電機及び風力発電機並びにその製造方法」は、直径の大きな固定子鉄心の空隙面の径の真円度が精度良く得られると共に、固定子鉄心の組立て、分解、輸送、交換などを行える同期回転発機であり、側板を有すフレーム内に分割形成された固定子巻線が集中巻回された固定子磁極を円環状に周方向に隣接配置して固定子鉄心を形成し、その側面をクランパを介して取付けボルトで側板を締め付けている。
従って、直径が大きな固定子鉄心であっても、空隙面の径の真円度が精度よく容易に得られると共に、固定子鉄心の分解・組立てを各固定子磁極毎に出来、同期回転電機の分割輸送、保守、故障品の交換などを容易に出来る。

特開２００１−１６１０５２号に係る「永久磁石式回転機及び永久磁石式風力発電機」は、複雑な構成或いは制御を必要とすることなく、回転数に応じて永久磁石から固定子に鎖交する磁束を無断階かつ滑らかに変化させることにより回転効率及び発電効率の向上した永久磁石式回転機及び永久磁石式風力発電機である。そこで、回転軸に取り付けられ永久磁石により回転子を界磁する一方、回転子の磁束が鎖交する位置に固定子を設け、軸方向の外力に応じて回転子と固定子との軸方向相対位置を変更すると共に、軸方向移動量に応じてバネ力を軸方向に発生させる。

２００４−１４０９７０号に係る「単相磁石式発電機」は、高回転域の出力電流を抑制しながら低回転域での出力電流を増加させることが出来る単相磁石式発電機であり、中央にボス部を設けてカップ状に形成されたロータ本体の外周壁にロータ円筒部が形成され、ロータ円筒部の内側に永久磁石を円周上に配置して複数の磁極を形成してなるロータとステータコアの突設された複数の突極部に発電コイルが巻装され、突極部の先端部がロータの各磁極に対向してロータの内側に配置されてなるステータとを備え、ロータの磁極の極数をステータの突極部の極数の３倍に設定している。
特開２００１−１１９８７２号に係る「同期回転発電機及び風力発電機並びにその製造方法」特開２００１−１６１０５２号に係る「永久磁石式回転機及び永久磁石式風力発電機」２００４−１４０９７０号に係る「単相磁石式発電機」

このように、風力を利用した発電装置は数多く知られているが、低速回転域から高速回転域にかけて安定した発電を行うことは容易でない。本発明が解決しようとする課題は、増速機を用いないで所定の発電容量を達成でき、高強度を有した構造の低速回転アウターローター型発電装置を提供する。

本発明に係る発電装置は、風力により回転するアウターローターの速度が低速であっても、増速機を用いないで計画発電容量を達成可能な構造としている。ローターには直接風車の翼の取付けを可能とし、垂直型風力発電装置に見られる支柱を介して翼の回転を行う方式にも、その回転軸を直接連結可能とした他方式風力発電装置に対応できる一体構造である。

低速回転による円周拡大、磁極増大に伴う永久磁石の必要耐脱落強度は遠心力を利用して達成している。本発明は高強度低速回転アウターローター型発電機であり、又制御においても困難であった風速変化によって起こる回転数変動による発電電圧の広範囲な変動を制御して効率を大幅に高めた制御技術と、高強度を有した一体構造の低速回転アウターローター型発電機である。

本発明の低速回転発電装置においては、永久磁石の極数、巻線コイル数の増大と発電機直径の増大をもたらしめるが、複雑高価で回転抵抗を発生する増速装置を省略出来ることにより、部品点数減少によるコスト削減、故障予測箇所の減少、メンテ箇所の減少、作業性の改善が図られる。又、回転する冷却フインを有す環状ローターホイールと、冷却フィンを有す環状ローターホイールカバーは、共に材質がアルミ材で、内周に配置される永久磁石の冷却効果を高めると共に、遠心力により脱落移動の防止、永久磁石と巻線コイルの一定間隙の確保、磁界による振動軽減の性能向上が図られ、過回転、過発電への耐久力が向上する。

しかも、環状ローターホイールカバーを着脱容易にしたことにより、発電機組立て時の巻線コイル、永久磁石の状況、発電試験時の状況観察とメンテナンスが容易である。風力発電装置において、回転軸径、支柱軸径は計画発電容量と回転数により計算されるが大体近似値であり、その最大値径に肉厚を有して軸受けを内蔵することにより、翼回転の必要荷重以上の耐荷重を擁しているために風力発電装置の軸受けとしての機能を有しており、ローターに直接翼回転部を設定可能であり、固定フレーム部は直接支持材に支持可能であって、大幅なコスト削減を図ると共に固定フレームに支柱を擁する穴を設定することにより、水平、垂直両方式風力発電装置に対応可能となる。

一方、制御においては、ＳＣＲ、ダイオード、チョッパ回路を組み込んだ新風力制御回路の開発により、微風時は昇圧整流制御、定格風速時は３相全波整流制御、強風時は３相半波整流制御に切り替えを容易に可能としたことで、より広範囲の風速域において安定した出力を得ることが出来、かかる新制御方式と前記低速回転アウターローター発電機との組み合わせ装置により、高効率、高強度の風力発電装置が安価に出来る。

図１は本発明に係る低速回転アウターローター型発電機を示す実施例である。同図の１は固定フレーム、２は環状ローターホイールを表し、上記固定ホイール１の中心には支柱穴３が貫通して設けられている。固定フレーム１には軸受け４が取付けられ、この軸受け４を介して上記環状ローターホイール２が回転可能に軸支されている。固定フレーム１は中心の支柱穴３に支柱が嵌って支持され、同じく環状ローターホイール２は軸受け４を介して支柱を中心として回転することが出来る。

固定フレーム１の外周には環状ステータ５が固定され、この環状ステータ５の外周に等間隔で外方向へ延びるステータ７，７・・には巻線コイル６が巻かれている。そして、このように構成された固定フレーム１は支柱に設けられている台座に下面１８が載って支持され、ネジ穴８，８・・にネジ締めして支柱台座に固定される。従って、固定フレーム１及び各ステータ７，７・・、及び各ステータ７，７・・に巻かれた巻線コイル６，６・・は回転することなく静止している。

一方、環状ローターホイール２はリング体を形成し、外周部９には複数の永久磁石１０，１０・・が等間隔で取着されている。勿論、隣り合う磁石９，９・・はＳ極とＮ極が交互に入れ替わるように配列されている。この環状ローターホイール２は軸受け４に直接支持されている内輪１１と上記磁石１０，１０・・を備えた外輪１２から成り、外輪１２は内輪１１に形成している台座１３に載ってネジ止め・連結されている。

リング状の環状ローターホイール２の下側には環状ローターホイールカバー１４が取付けられて固定フレーム１との間を塞ぎ、同じく環状ローターホイール２の上側にはローターカバー１５が取付けられて、固定フレーム１との間を塞いでいる。すなわち、環状ステータ５を内蔵する環状ローターホイール２の内部、並びに軸受けにゴミやチリが侵入しないようにカバーした構造としている。

一方、環状ローターホイール２の外輪１２には冷却フイン１６ａ，１６ａ・・が形成され、同じく環状ローターホイールカバー１４の外周にも冷却フイン１６ｂ，１６ｂ・・が形成されている。従って、環状ローターホイール２が回転することで、冷却フイン１６ａ，１６ｂ・・によって発熱に基づく温度の上昇を抑えることが出来る。

ところで、上記環状ローターホイール２に取付けられる磁石１０，１０・・の個数は計画発電容量と計画入力回転数によって算出され、巻線コイル６，６・・は、交互に配置されるＮ極とＳ極の磁石１０，１０・・との間に僅かな間隙を有して対設されている。

図２は本発明に係る発電装置の制御回路を含めた全体概略図であり、該発電装置には風車１７が連結している。風車には色々な形態が存在するが、本発明は風車１７の具体的な形態並びに構造は限定しないことにする。そして、風車１７は風を受けて回転することになるが、上記環状ホイールローター２を回転し、その結果、電気を起こすことが出来る。

この電気は交流であり、コンバータにて直流に変換されるが、該コンバータ制御回路には電圧昇圧用のチョッパが付加内蔵されている。従って、チョッパ回路は発電装置内部のステータ巻線コイル６、ＳＣＲ及びダイオードを用いることにより、低速回転から高速回転に応じて制御系を切り替え可能とし、発電電圧の変動をコンバータ出力側で制御安定させ、インバータへ安定電圧を送ることで、インバータからの発電出力の高効率化を図ることが出来る。

図３は上記コンバータの回路図を示している。強風で風車が高速回転するとき、３相半波整流方式を形成し、この時のＳＣＲは全てＯＦＦで導電しない。よって、強風高速回転に至り、発電装置端子電圧が上昇しても、発電装置のステータ巻線コイル６の１相部分を利用する為、コンバータ入力電圧は制御され、効率良く直流電圧に変換される。また、定格風速回転時は図３において、ＳＣＲは位相制御を行い、３相全波整流回路を形成することにより、定格回路による発電電圧はステータ巻線の端子電圧をコンバータに供給され、ＳＣＲによる位相制御で直流電圧を一定に保つことを可能とする。

又、微風領域における低速回転時において、３相全波整流方式では、発電電圧が低く、インバータ交流出力も低下し、負荷により風車運転も可能と成るため、図２、図３に示すコンバータ内チョッパにより、コンバータ出力電圧を上昇してインバータに安定した直流を出力可能としたことにより、微風領域においても安定した風車運転及び発電を可能とする。

本発明に係る低速回転アウターローター型発電装置の実施例。本発明の低速回転アウターローター型発電装置の全体概略図及び制御回路。チョッパ回路を備えたコンバータの制御回路。従来の発電装置の制御回路。

符号の説明

１固定フレーム
２環状ローターホイール
３支柱穴
４軸受け
５環状ステータ
６巻線コイル
７ステータ
８ネジ穴
９外周部
10 磁石
11 内輪
12 外輪
13 台座
14 環状ローターホイールカバー
15 ローターカバー
16 冷却フイン
17 風車
18 下面

Claims

外周には一定間隔毎に複数の巻線コイルを配設した環状ステータと、環状ステータの外側には内周面に複数の永久磁石を一定間隔で配設した環状ローターホイールから成る低速回転アウターローター型発電装置において、上記環状ローターホイールは内輪と永久磁石を取付けた外輪から成り、環状ステータは上記固定フレームの外周に取着した構造とし、高強度を有した固定フレームに複数の大型軸受けを介し環状ローターホイールの内輪を軸支し、風車の回転部を取着する取着部を内輪に設けたことを特徴とする低速回転アウターローター型発電装置。
上記固定フレームの中心には風車の支柱が嵌る支柱穴を貫通して設け、そして固定フレームには大型軸受けを配設し、下面には支持取付け部を有した耐高荷重構造とした請求項１記載の
低速回転アウターローター型発電装置。
上記環状ローターホイールは、その内周面には複数の永久磁石を一定間隔で配設すると共に、環状ステータを収容する内部空間を塞ぐ為の環状ローターホイールカバーとローターカバーを設け、そして外周には複数の冷却フインを配したアルミ材で構成し、永久磁石に作用する遠心力を利用して脱落防止を図り、永久磁石を巻線コイルとの間は適正な間隙とし、さらに永久磁石から巻線コイルへの磁力による振動を軽減した構造とした請求項１、又は請求項２記載の低速回転アウターローター型発電装置。
外周には一定間隔毎に複数の巻線コイルを配設した環状ステータと、環状ステータの外側には内周面に複数の永久磁石を一定間隔で配設した環状ローターホイールから成る低速回転アウターローター型発電装置において、ＳＣＲ、ダイオード、チョッパ回路を組み込んだ制御回路を有し、微風時には昇圧整流制御、定格風速時には３相全波整流制御、強風時には３相半波整流制御に切り替え、微風時から強風時まで止めることなく安定した出力を得ることを特徴とする低速回転アウターローター型発電装置。
上記制御回路に組み込んだＳＣＲ、ダイオード、チョッパ回路にて、微風低速回転時はチョッパ回路による昇圧整流制御回路を形成し、定格風速回転時はＳＣＲで位相制御を行って３相全波整流制御回路を形成し、強風高速回転時はＳＣＲをＯＦＦとして３相半波整流制御回路を形成し、適時切り替えを自動的に、又は手動で切り替えることで、強風高速回転時もブレーキを掛けることなく、微風域から強風域まで、安定した出力を得るようにした請求項４記載の低速回転アウターローター型発電装置。