JP2008042976A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ブレーキ兼有の発電装置を備え、強風時にも安全に発電可能な、且つ低コストで実現可能な風力発電装置を提供すること。
【解決手段】支持盤１８の上方には軸受１７とスラスト軸受２０によって回転自在に支承される回転盤１９が設けられ、支持盤１８の下方には、回転数を制御するブレーキ兼有の発電装置１０１が継ぎ手１１５を介し連結され、また公転軸２１の上下端から上下スポーク２２、２３がそれぞれ水平方向に延設され、その端部には上部下部副軸受２４、２５が設けられて公転枠体２６を形成している。さらに該公転枠体２６の上下の副軸受２４、２５に、自転軸２７を有し回転自在の２枚の羽根２８ａ、２８ｂがそれぞれ支承されると共に、自転軸２７の下端に連結して羽根２８ａ、２８ｂの回転角度を、主導路３１などによって規制する一対の摺動部２９ａ、２９Ｂが設けられて自転羽根体３０を形成している。
【選択図】 図５

Description

本発明は、回転する出力軸に連結して機能する発電装置と、該発電装置を備えて風の運動エネルギーを機械的エネルギーに変換して発電する風力発電装置に関し、更に詳しくは、発電装置がブレーキング機能を兼有していることにより、風力発電装置として過回転が防止されると共に、構造がシンプルな上、低コストで実現できる風力発電装置に関する。

近年、安全でクリーンな発電システムとして風力を利用して発電するプロペラ型風車が実用化されている。このプロペラ型風車は風力発電機としては最もポピュラーな存在であり、また水平軸風車を代表するものであるが、これ以外にも垂直軸風車として、ダリウス型風車、サボニウス型風車、さらに直線翼垂直軸型風車などの数多くの風力発電システムが開発されている。

上記のような発電システムあるいは発電装置には、例えば、台風時のような強風発生の状況下での運転に備えて、羽根回転装置が所定回転数を超えると、自動的にこれを抑制するためのブレーキが作用し、羽根回転装置の過回転を防止すると共に過電力発生を制御し発電装置を保護している。そして、この過回転を防止するブレーキの種類としては種々あるが、その中でもディスクをパッドによって挟持し回転軸の回転を規制する油圧式のディスクブレーキが良く知られている。

一方、後述する本発明の風力発電装置に使用される羽根回転装置は、直線翼垂直軸型風車のジャンルに入るものであるが、発電規模からいうとプロペラ型風車が大型高出力発電システム向きであるのに対して、低風速環境にも対応した小型低出力発電システムに向いている。

従来のこの種の風力発電装置に使用される羽根回転装置としては、主回転軸の中心に固定ギアを設置し、この固定ギアはギアの一方向が風向きに回転できるようにすることで、どの風向でも対応できるようにしたシステムがあり、具体的には、固定ギアから翼の回転軸の中心に固定ギアの２倍の枚数のギアを取り付けた物にタイミングベルトを張り、各翼を理想の角度へ調整したのち、翼の回転軸同志をタイミングギアとタイミングベルトを使用し、同じ１対１の減速比でリンクするようにした風力発電用ファンがある( 例えば、特許文献１、図１参照) 。
特開２００２- ２４２８１５号公報

しかしながら、これらの風力発電用ファンに搭載される上記従来のような油圧式のディスクブレーキの場合には、折角得られた回転エネルギーを熱エネルギーに変換しては放散させるというエネルギー損失が伴い、また、パッドが磨耗するために一定期間毎に必ず交換しなければならないという煩わしさがあった。

また、上記従来の風力発電用ファンは、主回転軸の中心に設置された固定ギアと主回転軸の周囲に配設された固定ギアの２倍の枚数のギアとは、この間に張設されたタイミングベルトを介して回転力が伝達されるように形成されるとともに、主回転軸の周囲に複数個配設された固定ギアの２倍の枚数のギアの隣りあう翼シャフトタイミングプーリー間にはタイミクグベルトが張られた構成であり、また、翼シャフトタイミングプーリーやタイミクグベルトが主回転軸から離れた円周上に配設されるという形態であって、その全体構成は極めて複雑である。

また、特にタイミングプーリー、タイミングベルト等が回転外周上に配置されているため、回転時の慣性モーメントが大きくなり、したがって低風速時には回転しにくいので初動特性が低く、また、風力エネルギーが主回転軸に伝達されるまでにこれらの伝達機構によるエネルギーロスが生じ、主回転軸から得られるエネルギー効率を高くできないという課題があり、さらに、全体構成が複雑なことから安価に実現できにくいという課題を孕んでいる。

本発明は上記課題に鑑み、回転数を制御するブレーキ兼有の発電装置、及び構造を簡単にして低風速性能を向上させ、風力エネルギーの伝達ロスを減少させてエネルギー変換効率をアップするとともに、上記ブレーキ兼有の発電装置を備え、強風時にも安全に発電可能な、且つ低コストで実現可能な風力発電装置を提供することを主目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の第１は、回転する出力軸に連結される回転軸と、該回転軸の周囲に放射状に設けられた摺動軸受と、前記摺動軸受に嵌通する摺動軸と、前記回転軸から離れた側の前記摺動軸の一端に固設され永久磁石を有するローターと、該ローターが回転した際、その磁力作用によって電力を誘発するステーターと、前記回転軸に近い側の前記摺動軸の他端と前記回転軸とを連結するように設けた伸縮部材とを備え、該伸縮部材は、前記回転軸が回転して前記ローターに遠心力が作用した際、該遠心力の大きさに比例して前記ステーターに接近する前記ローターを前記回転軸側に引き寄せるように作用すると共に、前記遠心力と均衡を保つように機能する発電装置を内容とする（請求項１）。

また、本発明の第２は、回転する出力軸に連結される回転軸と、該回転軸の周囲に放射状に設けられた摺動軸受と、前記摺動軸受に嵌通する摺動軸と、前記回転軸から離れた側の前記摺動軸の一端に固設され永久磁石を有するローターと、前記回転軸から離れた側の前記摺動軸の一端に固設されコイルを有する第２のローターと、前記ローター及び第２のローターが回転した際、その磁力作用によって電力を誘発するステーターと、前記回転軸に近い側の前記摺動軸の他端と前記回転軸とを連結するように設けた伸縮部材とを備え、該伸縮部材は、前記回転軸が回転して前記ローター及び第２のローターに遠心力が作用した際、該遠心力の大きさに比例して前記ステーターに接近する前記ローター及び第２のローターを前記回転軸側に引き寄せるように作用すると共に、前記遠心力と均衡を保つように機能する発電装置を内容とする（請求項２）。

好ましい態様としての請求項３は、伸縮部材が引張スプリングである請求項１又は２記載の発電装置を内容とする。

好ましい態様としての請求項４は、発電部材としてのローター、ステーターを複数対備え、対毎に引張スプリングのバネ定数を異なるように形成した請求項３記載の発電装置を内容とする。

また、本発明の第３は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発電装置と、
軸受を有する支持盤と、該支持盤の上方に設けられ前記軸受によって回転自在に支承される回転盤と、前記軸受によって支承される中央の公転軸、該公転軸の上端と下端からそれぞれ水平方向に延設する上下スポーク及び該上下スポークの端部に設けられた上下の副軸受とからなる公転枠体と、前記上下の副軸受に支承される自転軸を有し回転自在の羽根及び該羽根の前記自転軸に連結し羽根の回転角度を規制する一対の摺動部とからなる自転羽根体と、該自転羽根体の一方の摺動部を誘導するための主導路と、該主導路を摺動する前記摺動部を一方の摺動部から他方の摺動部に切り替えるための補助導路A1 A2 とからなり、前記主導路は交点部分を切り欠いたトロコイド曲線状の曲線軌道に形成され、且つ前記補助導路A1 A2 は前記主導路の切り欠いた部分の両側に配置された曲線軌道に形成されるとともに、前記主導路の切り欠いた部分の反対側付近で羽根の向きを切り替える切替手段からなる羽根回転装置とからなり、
前記発電装置の回転軸に、前記羽根回転装置の公転軸を出力軸として連結したことを特徴とする風力発電装置を内容とする（請求項５）。

好ましい態様としての請求項６は、羽根の向きを切り替える切替手段が補助導路B である請求項５記載の風力発電装置を内容とする。

好ましい態様としての請求項７は、羽根の風孕体がフレームに伸縮部材を介して取り付けられる請求項５又は６記載の風力発電装置を内容とする。
好ましい態様としての請求項８は、伸縮部材がスプリングである請求項７記載の風力発電装置を内容とする。

好ましい態様としての請求項９は、導路が内側レールと外側レールにより形成されている請求項５〜８のいずれか１項に記載の風力発電装置を内容とする。

好ましい態様としての請求項１０は、主導路の切り欠いた部分の反対側付近において、羽根が最大の風圧を受ける位置の直前で、羽根の向きを内側に傾斜させ、該位置の直後で外側に傾斜させる手段が設けられている請求項５〜９のいずれか１項に記載の風力発電装置を内容とする。

本発明の発電装置は、回転軸の周囲に放射状に設けられた摺動軸受に摺動軸を嵌通させた上、該摺動軸の先端側に磁石を有するローター固設させ、またローターの外周には該ローターが回転した際、その磁力作用によって電力を誘発するステーターを配設すると共に、摺動軸と回転軸とをスプリング等の伸縮部材によって連結して形成したことにより、回転軸が過回転した際、その遠心力によってローターがステーターに接近して発電を可能にすると共に、ローターがステーターに接近するほど回転抵抗が増大するので、ブレーキとしても作用する。したがって過回転時に際してのエネルギーを無駄にすることがなく、且つ装置の故障、破壊などを未然に防止することが可能である。

また、本発明の風力発電装置は、自転羽根体が一方向からの風力を受けると自転羽根体の羽根の角度は、公転軸の周りを公転する際、自転軸に連結されている一対の摺動部は主導路、補助導路A1 A2 によって規制された通り進むことにより、一方向からの風力を公転軸の一方向の回転エネルギーとして取り出すことが可能となる。

また、自転羽根体は最小限の部材でシンプルに形成できるので、その慣性モーメントは小さくなり、したがって低風速性能に優れた風力発電システムを実現することが可能となる。

また、自転羽根体の羽根が自転軸に連結したフレームと風を受ける風孕体とをスプリングなどの伸縮部材を介して張設した構成にすることによって、風孕体が風を受けた際には風圧で膨らむので該風孕体の表面と裏面に航空機の翼の原理と同様の圧力差が生じ、したがって、該圧力差によって公転軸の回転力が増強される。

また、羽根の向きを切り替える切替手段を備えたことによって、羽根の角度保持の不安定領域が解消され自転羽根体は全回転領域にわたってスムーズで安定した回転となる。

さらに、導路が内側レールと外側レールにより形成されているので一方向からの風向きが乱れた場合であっても、これらレールによってガイドされるので、羽根は所定の軌跡に沿って進行し安定した回転力が得られる。

本発明の発電装置は、回転する出力軸に回転軸を連結させ、また回転軸の周囲には、内部に摺動軸を嵌通した摺動軸受を放射状に設けている。そして、回転軸から離れた側の摺動軸の一端には永久磁石を有するローターを固設すると共に、このローターの外周にはローターが回転した際、その磁力作用によって電力を誘発するステーターを配設し、さらに、回転軸に近い側の摺動軸の他端と回転軸とを引張スプリングなどの伸縮部材で連結し、回転軸が過回転してローターに所定値以上の遠心力が作用した際は、その遠心力の大きさに比例して引張スプリングが伸び、該引張スプリングの引張り強さと遠心力とがバランスするまでステーターに接近するように形成している。

本発明の発電装置に供給される機械エネルギーは特に制限されず、水力、火力、風力等いずれでもよいが、特に風力羽根回転装置を利用した風力発電装置として好適である。このような風力羽根回転装置は特に制限されないが、本出願人が先に出願した風力発電用羽根回転装置（特願２００６−１５５６７７）が好適に用いられる。

即ち、本発明の風力発電装置は、上記に記載の発電装置と、上記羽根回転装置とからなっていて、発電装置の回転軸に羽根回転装置の公転軸を出力軸として連結したことを特徴とする形態の風力発電装置である。

そして、羽根回転装置は、まず装置の基台となる軸受を有する支持盤が設けられ、そして、この支持盤の上方には軸受によって回転自在に支承される回転盤が設けられる。また、回転盤の中央には軸受によって支承される公転軸が設けられ、該公転軸の上端と下端から上スポーク、下スポークがそれぞれ水平方向に延設され、その端部には上部副軸受と下部副軸受がそれぞれ設けられて公転枠体を形成している。

また、この公転枠体の上・下部副軸受に、自転軸を有し回転自在の羽根が支承され、さらに自転軸の下端に連結して羽根の回転角度を規制する一対の摺動部が設けられ自転羽根体を形成している。

さらに、上記した回転盤上には、自転羽根体の一方の摺動部を誘導するための主導路と、該主導路を摺動する摺動部を、一方の摺動部から他方の摺動部に切り替えるための補助導路A1 A2 が設けられ、主導路は、交差部分を切り欠いたトロコイド曲線状の曲線軌道に形成されるとともに、補助導路A1 A2 は、主導路の切り欠いた部分の両側に配置された曲線軌道に形成されている。そして、主導路の切り欠いた部分の反対側には羽根の向きを切り替える切替手段を兼ねた補助導路B が曲線軌道に形成されている。

この場合、主導路の切り欠いた部分の反対側付近において、羽根が最大の風圧を受ける位置の直前で、羽根の向きを内側に傾斜させ、次いで該位置の直後で外側に傾斜させる手段が設けられているのが好ましい。このようにすることにより、羽根の揚力を一層効率的に発生させることができる。傾斜角度は、５度以下程度の僅かな角度でよく、このような角度を傾斜させる手段としては、例えば、道路に一時的にスムーズな通過を妨げる抵抗となるものを設ける等の機械的手段により羽根の傾きを変えたり、又は電気的手段により羽根の傾きを変えることが挙げられる。

また、自転羽根体の羽根の形状としては、矩形状の平板でも機能するが、風力によって羽根に揚力を発生させるために、羽根の中央部を矩形状の風孕体で構成し、またこの風孕体の周囲にフレーム設けた上、該風孕体とフレームとをスプリングなどの伸縮部材を介して取り付けられる形態が好適である。風孕体としては、風を孕み易い帆布等の可撓性に富んだ素材からなるのが好ましい。

さらにまた、主導路と補助導路A1 A2 は内側レールと外側レールにより形成されるのが安定性の面から好ましいが、１本のレールとして、摺動部を逆凹状としてレール上を跨がせることも可能である。補助導路B も内側レールと外側レールにより形成されるのが好ましいが、内側レールのみで形成されても良い。

以下、本発明の発電装置及び風力発電装置の基本構成を図面に基づいて説明するが、本発明はこれらにより何等限定されるものではない。
尚、本発明を構成する軸受や摺動部、その他の摺動する部分にはラジアル方向、スラスト方向を問わずベアリングを採用したり、また、これらの部分の材質に樹脂製軸受を採用するなど機械工学関連の公知技術を適宜利用することができる。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１について図１〜図２を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態１における発電装置の部分断面上面図、図２は同装置の部分断面側面図である。

図１、２に示すように、本発明の発電装置１０１は、回転する出力軸に回転軸１０２を連結させ、また、この回転軸１０２の略中央の周囲には、内部に摺動軸１０３を嵌通した摺動軸受１０４を放射状に設けている。そして、回転軸１０２から離れた側の摺動軸１０３の一端には断面コの字状の永久磁石を有するローター１０５を固設すると共に、このローター１０５の外周にはローターが過回転した際、珪素鋼板やコイルなどから形成され、ローター１０５の作用を受けて電力を誘発するステーター１０６及び１０６Ａが取付片１０７を介してハウジング１０８に固定されている。

また、回転軸１０２の両端は段付き形状に形成され、ハウジング１０８の上下に配設した上下のベアリング１０９によって支承され、さらに、回転軸１０２に近い側の摺動軸１０３の他端と回転軸１０２とは引張スプリング１１０で連結され、回転軸１０２が予め定められた所定の回転数を超えて過回転領域になると、引張スプリング１１０に抗してローター１０５と一体の摺動軸１０３が摺動軸受１０４に沿って半径外側方向に移動し、最大ストロークＳの範囲内で且つ遠心力とバランスしながらステーターに接近するように形成している。

摺動軸１０３が摺動軸受１０４に沿って外周方向に移動する最大ストロークＳは、摺動軸１０３に設けたストッパー１１１が、摺動軸受１０４に設けた長孔状の切欠部１１２によって規制されると共に、これによってローター１０５の摺動軸周りの回転も規制している。即ち、ローター１０５が最大ストロークＳ前進したきにはステーター１０６の高さ寸法に断面コの字状のローター１０５が丁度所定間隙をもって係合した形となる。

また、図１には、上下左右に４個づつ、計二対のステーター１０６、ローター１０５と、上下左右の中間の位置に４個のステーター１０６Ａの構成要素の配置状態を示しているが、図１の左右に配設された一対の構成要素Ａ1 、Ａ２と、上下に配設された一対の構成要素Ｂ１、Ｂ２の引張スプリング１１０のバネ定数は対毎に異なるように形成されている。

図１に示したように、構成要素Ｂ１、Ｂ２の引張スプリング１１０のバネ定数は、構成要素Ａ1 、Ａ２より小さく設定されており、したがって、同一の遠心力が作用した場合、一対の構成要素Ｂ１、Ｂ２の方が、引張スプリング１１０が早く延長して早く発電を開始すると共に、逆に早くブレーキング作用を開始することになる。そして、さらに遠心力が増大すれば、構成要素Ａ1 、Ａ２の引張スプリング１１０も延長し、同様に発電を開始すると共に、ブレーキング作用をすることになる。

また、図１、図２には引張スプリング１１０を除いて、同一の発電部材を二対配設した場合を示しているが、二対以上の構成要素を設けても良く、例えば、引張スプリング１１０のバネ定数を順次弱めて、一対の構成要素Ａ1 、Ａ２と他の一対の構成要素Ｂ１、Ｂ２との間に、即ち、図１中のステーター１０６Ａの位置に、構成要素Ｃ１、Ｃ２( 図示せず) と構成要素Ｄ１、Ｄ２( 図示せず) を増設して計四対の発電部材で形成しても良い。
さらにまた、これらの各要素の間に、ステーター１０６Ａのみを配設して、過回転時の電力とブレーキングの能力を更に増大することも可能である。

なお、前述では対毎に引張スプリング１１０のバネ定数が異なる場合を説明したが、用途によっては、引張スプリング１１０のバネ定数を全て同一にしても良く、この場合には、急ブレーキがかかるという作用がある。

さらになお、前述では発電ブレーキの作用を段階的に動作させる手段として、発電部材には、対毎に異なるバネ定数を有する引張スプリングを取り付けた場合について説明したが、他の手段としては、一定のバネ定数を有する引張スプリングを用いてその長さを変え、短くして取り付けた側を堅い方( 構成要素Ａ1 、Ａ２側) のスプリング材１１０として利用することも可能である。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２について図１及び図３を参照して説明する。図３は前述の実施の形態１に示した発電の構成要素Ａ1 、Ａ２側の永久磁石を有するローター１０５に代わって、コイルを有する第２のローター１０５Ａとした形態( 発電の構成要素Ｋ1 、Ｋ２と呼称する) を示す部分断面側面図である。なお、これを除いた他の発電に係る構成要素及びその動作、作用などは実施の形態１の場合と同様である。

この構成要素Ｋ1 、Ｋ２の第２のローター１０５Ａのコイルには、バッテリー１１３から回転軸１０２に設けた整流子・ブラシ１１４を介して所定の電力が供給され、実施の形態１に示した発電の構成要素Ａ1 、Ａ２側の永久磁石を有するローター１０５と同様の作用をするものであり、バッテリー１１３への電力の供給が、図１に示した発電が最初に開始する側の構成要素Ｂ１、Ｂ２からできるように電気回路等を構成しておけば、より合理的である。

また、本実施の形態２においても、構成要素Ｂ１、Ｂ２と構成要素Ｋ1 、Ｋ２の二対の発電部材による発電装置以外に、バネ定数を適宜考慮した上、構成要素Ａ1 、Ａ２や構成要素Ｂ１、Ｂ２と組み合わせて、例えば、計三対、四対のようにその数を増やすことにより、さらに広い用途に応じた合理的な発電装置を実現することが可能である。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３について図４を参照して説明する。
前述までの発電装置1 では、回転軸１０２は、ハウジング１０８の上面からのみ突設して他の装置の出力軸と連結した形態であったが、図４に示すように、回転軸１０２をハウジング１０８の上、下面の両面から突設させて形成した別の発電装置１Ａを新たに設けて、回転軸１０２どうしを継ぎ手１１５によって連結し発電装置を二層に形成すれば、発電装置及びブレーキの容量を更に増大して利用することができる。したがって、前述した発電の構成要素を回転軸の周囲に放射状に設けた形態の発電装置と組み合わせれば、要求仕様にあった種々の発電装置を容易に実現することが可能である。
なお、本発明の発電装置が連結される出力軸に、ブレーキ機能のない公知の発電装置が直結または、増速機などのギアを介して連結されてもよいことは勿論である。

（実施の形態４）
本発明の実施の形態４について図５〜図７を参照して説明する。図５は本発明の実施の形態４における風力発電装置の部分断面正面図、図６は同装置の上面図、図７は同装置の自転羽根体が曲線軌道に沿って自転・公転する際の羽根の傾き及び公転・自転の軌跡を概念的に示す上面図である。

図５、６に示すように、本発明の風力発電装置は、本装置の基台となる軸受１７を有する支持盤１８が設けられ、また、この支持盤１８の上方には軸受１７によって回転自在に支承される回転盤１９が設けられるとともに、支持盤１８との間に配設したスラスト軸受２０によって支承される。

また、支持盤１８の同軸受１７の中央には公転軸２１が支承され、該公転軸２１の上端と下端から上スポーク２２、下スポーク２３がそれぞれ水平方向に延設され、その左右端部には上部副軸受２４と下部副軸受２５がそれぞれ設けられて公転枠体２６を形成している。

更に、支持盤１８の下部に、発電装置１０１が収納されたベース体１１６が取り付けられると共に、該発電装置１０１は、軸受１７に支承された公転軸２１の端部に継ぎ手１１５を介し連結される。

なお、発電装置としては、公知の発電装置( 図示せず) もベース体１１６の上に、公転軸２１に直結して又は増速機などを介して配設されるが、ここでは前述した本発明のブレーキ兼有の発電装置１０１を搭載しているものとして説明する。
そして、この公転枠体２６の左右上下の副軸受２４、２５に、自転軸２７を有し回転自在の２枚の羽根２８ａ、２８ｂがそれぞれ支承されるとともに、自転軸２７の下端に連結して羽根２８ａ、２８ｂの回転角度を規制する一対の摺動部２９ａ、２９Ｂが左右それぞれに設けられて自転羽根体３０を形成している。

なお、公転枠体２６の左右に支承された２枚の羽根２８ａと羽根２８ｂの面角度についての詳細は後述するが、仮に、図６に示す２枚の羽根２８ａ、２８ｂの位置を回転のスタートの時の位置とすれば、風向Ｗの方向に対し、一方の羽根２８ａが直角の位置関係にあれば、反時計回りに公転軸２１の周りを１８０度回転が進んだ位置にある他方の羽根２８ｂの面は風向Ｗと平行の位置関係にある。

また、回転盤１９上には、自転羽根体３０の一方の摺動部２９ａを誘導するための内側レール３１ａと外側レール３１ｂから成る主導路３１と、該主導路３１を最初に摺動する一方の摺動部２９ａを、他方の摺動部２９ｂに切り替えるための内側レール３１ａと外側レール３１ｂから成る補助導路(A1)３２と補助導路(A2)３３が設けられ、さらに、主導路３１は、交差部分を切り欠いたトロコイド曲線状の曲線軌道に形成されるとともに、補助導路(A1) (A2) ３２、３３は、主導路３１の切り欠いた部分の両側に配置された曲線軌道に形成されている。

さらにまた、主導路３１の切り欠いた部分の反対側には摺動部を誘導するために少なくとも内側レール３１ａのみ設けた補助導路(B) ３４が曲線軌道に形成されるとともに、その終端には補助導路(B) ３４と連携して羽根２８ａ、２８ｂの向きを切り替える調節部３５を有する切替手段３６を備えている。

次に、上記構成における風力発電装置の動作について説明する。なお、図６に示したように、風はＷで示す一方向から吹いているものとし、また、分かりやすいように羽根２８ａが図６の位置にあった状態からスタートするものとして説明する。

図５、６に示したように、Ｗで示す一方向からの風が羽根２８ａ、２８ｂに当たると、羽根の面が風向Ｗと平行の位置関係にある羽根２８ｂに対しては風力は作用しないが、羽根２８ａの面に対しては風は直角方向から作用するので、その風圧により自転羽根体３０は公転半径Ｒで反時計回りに回転を開始する。

また、自転羽根体３０の一方の摺動部２９ａは、主導路３１により、また他方の摺動部２９ｂは補助導路(B) ３４の曲線軌道によって規制され、補助導路(B) ３４の切替手段３６に到達すると、他方の摺動部２９ｂ側に僅かなブレーキが掛かった状態に制御され、一方の摺動部２９ａが該切替手段３６よって主導路３１の外側レール３１ｂ側に風力によって当接するように制御される。

そして、自転羽根体３０の羽根２８ａは一方の摺動部２９ａと主導路３１による規制と風力により逐次その羽根の面角度を変化しながら進行し１８０度回転した位置に到達した時点では、図６に示した羽根２８ｂの面角度になると共に、一方の摺動部２９ａは主導路３１の切り欠いた部分から外れて補助導路(A2)３３に風圧によって誘導され、また他方の摺動部２９ｂは補助導路(A1)３２に誘導された後、主導路３１に側に誘導される。そして他方の摺動部２９ｂが風圧と主導路３１によって規制を受け一回転した時点では羽根２８ａの一方の摺動部２９ａと他方の摺動部２９ｂとの位置は入れ替わる。

以上のことから明らかのように、羽根の自転０．５回転に対し公転１回転の割合で回転していることになる。換言すれば、一方の摺動部２９ａ又は他方の摺動部２９ｂが、主導路３１の曲線軌道と、補助導路(A1) (A2) ３２、３３の曲線軌道との周りを一回転ずつ、合わせて２回転して、羽根２８ａ、２８ｂは自転１回転、公転２回転の１サイクルが完了する。

次に、羽根２８ａ、２８ｂが自転、公転する時の風向Ｗに対する羽根の角度について図７に示した概念図を参照して説明する。なお、羽根の角度は自転軸２７を中心にして連続的に変化するものであるが、わかり易くする意味で公転軸２１を中心に半径Ｒで回転する羽根２８ａ、２８ｂの自転軸２７の位置を８等分して説明する。

概念図の図７には図６に示した自転羽根体３０の羽根２８ａ、２８ｂの自転軸２７、一方の摺動部２９ａ及び他方の摺動部２９ｂが動くそれぞれの軌跡を示したものであって、内側の破線で示した軌跡３７は、主導路３１の曲線軌道、外側の破線で示した軌跡３８は、補助導路(A1) (A2) ３２、３３の曲線軌道及び補助導路(B) ３４、また一点鎖線で示した軌跡３９は自転軸２７が半径Ｒで公転する軌跡である。

ここで図５、６に示した羽根２８ａ、２８ｂのうち、公転一回転する際の一方の羽根２８ａのみに着目してその面の傾斜度合いを図７を参照に観察すると、まず、自転軸２７については当然ながら半径Ｒで公転する軌跡であり、羽根２８ａは、スタートの位置を仮に１−９の位置として、自転軸２７が角度４５度ずつ反時計周りに回転した時点の２−１０の位置では２２．５度左側に傾き、順次この割合で傾いて５−１３の位置では９０度の傾きとなる。さらにこの位置からスタートの１−９の位置までは、前半の回転角度と水平中心線対象の傾斜角度で、且つ羽根２８ａの反対面で風圧を受け風向Ｗから同様に順回転力を得て回転し、自転軸２７の半回転が終了する。

そしてこの後、”羽根２８ａは、スタート時の一方の摺動部２９ａと他方の摺動部２９ｂの位置を入れ換えた状態で同様に半回転し”、羽根２８ａ、２８ｂの自転１回転、公転２回転の１サイクルが完了する。

なお、上記した”羽根２８ａは、スタート時の一方の摺動部２９ａと他方の摺動部２９ｂの位置を入れ換えた状態で同様に半回転し”という文言は、図７に示したスタート時の摺動部２９ｂの位置から、即ちスタートの１番の位置から４５度回転するごとに付記した摺動部２９ｂの進む軌跡の位置番号を順次２、３、４------と位置番号の順に進み、そして----- １５、１６、1 まで進んでいって１回転の自転が終了することを示す内容であり、これによっても羽根２８ａ、２８ｂの自転１回転に対し公転が２回転であることが分かる。

（実施の形態５）
前述の実施の形態４では羽根の形状を矩形状平板として説明したが、この形態に限らず、図８に示したように、羽根の中央部を矩形状の風孕体４０で構成し、またこの風孕体４０の周囲に自転軸２７に連結してフレーム４１を設けた上、該風孕体４０とフレーム４１とを前後左右からスプリング４２などの伸縮部材を介して係合した形態が好適である。

このような構成にすれば、図７における羽根の位置を示す５−１３の位置を除き、１−９を初めとして２−１０、３−１１と順次進み８−１６の位置、及びこれら位置の間の全てにわたって連続的に風孕体４０は風圧によって膨らみ、これによって既に公知の航空機の翼やヨットの帆に発生すると同様の揚力を発生させることができるので、その揚力の回転方向成分によって回転力が増強するという効果が得られる。

なお、羽根の数を２枚として説明したが、羽根の形状、サイズ( 特に幅寸法) 、材質、慣性モーメント、経済性等を考慮した上で３〜６枚が好適であるが、これ以上の枚数にして形成することも可能であり、これらの仕様は公転軸( 出力軸) から得られる低回転出力性能などの要求性能と合わせて自由に定めることができる。

（実施の形態６）
本実施の形態では、図９に示したように、主導路の切り欠いた部分の反対側付近において、羽根が最大の風圧を受ける位置の直前で、羽根の向きを内側に傾斜させ、該位置の直後で外側に傾斜させる手段が設けられている風力発電用の羽根回転装置である。
即ち、本例では、羽根２８ａが最大の風圧を受ける位置( 図７中の１−９の位置) の直前で、主道路３１の内側レール３１ａの内側に摺動部２９ａのスムーズな通過を妨げる抵抗体４３ａを設置し、抵抗体４３が設置されていない場合の一点鎖線で示した位置よりも５度程度矢示した進行方向に傾斜させ( ＋、α度) 、次いで、１−９の位置を通過した直後で、補助道路Ｂ３４( ３１ａ) に抵抗体４３ｂを設置し、抵抗体４３ｂが設置されていない場合の一点鎖線で示した位置よりも５度程度進行方向と逆の方向に傾斜させ( −α度) 、羽根の揚力を一層大きくしたものである。

如上のとおり、本発明の発電装置は、回転数の上限が定められる装置・機械などに容易に使用することが可能で、回転数がオーバーするような際には、その回転エネルギーを電力に変換すると共に、そのブレーキング作用によって過回転が抑制される。したがって、エネルギーの有効活用を図ると共に装置・機械の故障、破損を防止するという効果がある。

また、本発明の風力発電装置は、一方向から風力を受けると、出力軸( 公転軸) には常に順方向の回転力が付与されるように、自転しながら公転する羽根の自転軸に一対の摺動部を連結し、該一対の摺動部を、予め定められた曲線軌道の主導路、補助導路を通過させて公転時の羽根の角度が連続的、自動的に変わるように形成した形態の羽根回転装置であって、該装置によれば、回転部としての羽根、摺動部等は極めてシンプルに形成できるのでその慣性モーメントは小さくなり、したがって、風のエネルギーを自動的に最も効率良く利用できるとともに、極めて低コストであり、画期的に優れた風力発電システムを実現することができ、エネルギー問題の解決に貢献するところ頗る大である。

本発明の実施の形態１における発電装置の部分断面上面図である。 同装置の部分断面側面図である。 本発明の実施の形態２の発電装置におけるコイルを有する第２のローターを示す部分断面側面図である。 本発明の実施の形態３における発電装置を二層に形成した形態を示す部分断面側面図である。 本発明の実施の形態４における風力発電装置の部分断面正面図である。 同装置の上面図である。 同装置の自転羽根体が曲線軌道に沿って自転・公転する際の羽根の傾き及び公転・自転の軌跡を概念的に示す上面図である。 本発明の実施の形態５における風力発電装置の羽根の別態を示す平面図である。 本発明の実施の形態６における風力発電装置の羽根の傾きを変える形態を示す部分概要図である。

符号の説明

１〜１６ 摺動部の位置番号
１７ 軸受
１８ 支持盤
１９ 回転盤
２０ スラスト軸受
２１ 公転軸
２２ 上スポーク
２３ 下スポーク
２４ 上部副軸受
２５ 下部副軸受
２６ 公転枠体
２７ 自転軸
２８ 羽根
２９ａ一方の摺動部
２９ｂ他方の摺動部
３０ 自転羽根体
３１ 主導路
３１ａ 内側レール
３１ｂ 外側レール
３２ 補助導路(A1)
３３ 補助導路(A2)
３４ 補助導路(B)
３５ 調節部
３６ 切替手段
３７ 内側破線軌跡
３８ 外側破線軌跡
３９ 一点鎖線軌跡
４０ 風孕体
４１ フレーム
４２ スプリング( 伸縮部材)
４３ａ、４３ｂ 抵抗体
１０１、１０１Ａ 発電装置
１０２ 回転軸
１０３ 摺動軸
１０４ 摺動軸受
１０５ 永久磁石を有するローター
１０５Ａ コイルを有するローター
１０６、１０６Ａ ステーター
１０７ 取付片
１０８ ハウジング
１０９ ベアリング
１１０ 引張スプリング（伸縮部材)
１１１ ストッパー
１１２ 切欠部
１１３ バッテリー
１１４ 整流子・ブラシ
１１５ 継ぎ手
１１６ ベース体

上記目的を達成するために、本発明の第１は、回転する出力軸に連結される回転軸と、該回転軸の周囲に放射状に設けられた摺動軸受と、前記摺動軸受に嵌通する摺動軸と、前記回転軸から離れた側の前記摺動軸の一端に固設されコの字形に形成された永久磁石を有するローターと、該ローターが回転した際、その磁力作用によって電力を誘発する、前記ローターのコの字形の成形部に挿脱可能な大きさに形成されたステーターと、前記回転軸に近い側の前記摺動軸の他端と前記回転軸とを連結するように設けた伸縮部材とを備え、該伸縮部材は、前記回転軸が回転して前記ローターに遠心力が作用した際、該遠心力の大きさに比例して前記ステーターに接近する前記ローターを前記回転軸側に引き寄せるように作用すると共に、前記ローターが前記ステーターに最も接近した際には前記ローターのコの字形の成形部内に前記ステーターが遊挿された状態で前記遠心力と前記伸縮部材の力が均衡を保つように機能する発電装置を内容とする（請求項１）。

また、本発明の第３は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発電装置と、
軸受を有する支持盤と、該支持盤の上方に設けられ前記軸受によって回転自在に支承される回転盤と、前記軸受によって支承される中央の公転軸、該公転軸の上端と下端からそれぞれ水平方向に延設する上下スポーク及び該上下スポークの端部に設けられた上下の副軸受とからなる公転枠体と、前記上下の副軸受に支承される自転軸を有し回転自在の羽根及び該羽根の前記自転軸に連結し羽根の回転角度を規制する一対の摺動部とからなる自転羽根体と、該自転羽根体の一方の摺動部を誘導するための主導路と、該主導路を摺動する前記摺動部を一方の摺動部から他方の摺動部に切り替えるための補助導路A1 A2 とからなり、前記主導路は前記自転羽根体の一対の摺動部の軌跡が交差する交差部分に近接した一部を切り欠いたトロコイド曲線状の曲線軌道に形成され、且つ前記補助導路A1 A2 は前記主導路の切り欠いた部分の両側に配置された曲線軌道に形成されるとともに、前記主導路の切り欠いた部分の反対側付近で羽根の向きを切り替える切替手段とからなり、前記主導路の切り欠いた部分の反対側においては前記羽根の面は最大の風圧を受けるように風向きに対して直交すると共に、前記主導路の切り欠いた部分においては前記羽根の面は最小の風圧を受けるように風向きに対して平行となるように前記回転盤が回転制御される羽根回転装置とからなり、
前記発電装置の回転軸に、前記羽根回転装置の公転軸を出力軸として連結したことを特徴とする風力発電装置を内容とする（請求項５）。

好ましい態様としての請求項９は、主導路及び補助導路A1 A2 が内側レールと外側レールにより形成されている請求項５〜８のいずれか１項に記載の風力発電装置を内容とする。

本発明の発電装置は、回転する出力軸に回転軸を連結させ、また回転軸の周囲には、内部に摺動軸を嵌通した摺動軸受を放射状に設けている。そして、回転軸から離れた側の摺動軸の一端にはコの字形に形成された永久磁石を有するローターを固設すると共に、このローターの外周にはローターが回転した際、その磁力作用によって電力を誘発する、前記ローターのコの字形の成形部に挿脱可能な大きさに形成されたステーターを配設し、さらに、回転軸に近い側の摺動軸の他端と回転軸とを引張スプリングなどの伸縮部材で連結し、回転軸が過回転してローターに所定値以上の遠心力が作用した際は、その遠心力の大きさに比例して引張スプリングが伸び、前記ローターのコの字形の成形部内に前記ステーターが遊挿された状態で該引張スプリングの引張り強さと遠心力とがバランスするまでステーターに接近するように形成している。

また、回転盤１９上には、自転羽根体３０の一方の摺動部２９ａを誘導するための内側レール３１ａと外側レール３１ｂから成る主導路３１と、該主導路３１を最初に摺動する一方の摺動部２９ａを、他方の摺動部２９ｂに切り替えるための内側レール３１ａと外側レール３１ｂから成る補助導路(A1)３２と補助導路(A2)３３が設けられ、さらに、主導路３１は、交差部分Ｋ２を切り欠いたトロコイド曲線状の曲線軌道に形成されるとともに、補助導路(A1) (A2) ３２、３３は、主導路３１の切り欠いた部分の両側に配置された曲線軌道に形成されている。

さらにまた、主導路３１の切り欠いた部分Ｋ１の反対側には摺動部を誘導するために少なくとも内側レール３１ａのみ設けた補助導路(B) ３４が曲線軌道に形成されるとともに、その終端には補助導路(B) ３４と連携して羽根２８ａ、２８ｂの向きを切り替える調節部３５を有する切替手段３６を備えている。

１〜１６ 摺動部の位置番号
１７ 軸受
１８ 支持盤
１９ 回転盤
２０ スラスト軸受
２１ 公転軸
２２ 上スポーク
２３ 下スポーク
２４ 上部副軸受
２５ 下部副軸受
２６ 公転枠体
２７ 自転軸
２８ 羽根
２９ａ一方の摺動部
２９ｂ他方の摺動部
３０ 自転羽根体
３１ 主導路
３１ａ 内側レール
３１ｂ 外側レール
３２ 補助導路(A1)
３３ 補助導路(A2)
３４ 補助導路(B)
３５ 調節部
３６ 切替手段
３７ 内側破線軌跡
３８ 外側破線軌跡
３９ 一点鎖線軌跡
４０ 風孕体
４１ フレーム
４２ スプリング( 伸縮部材)
４３ａ、４３ｂ 抵抗体
１０１、１０１Ａ 発電装置
１０２ 回転軸
１０３ 摺動軸
１０４ 摺動軸受
１０５ 永久磁石を有するローター
１０５Ａ コイルを有するローター
１０６、１０６Ａ ステーター
１０７ 取付片
１０８ ハウジング
１０９ ベアリング
１１０ 引張スプリング（伸縮部材)
１１１ ストッパー
１１２ 切欠部
１１３ バッテリー
１１４ 整流子・ブラシ
１１５ 継ぎ手
１１６ ベース体
Ｋ１ 主導路の切り欠いた部分
Ｋ２ 交差部分

本発明は、回転する出力軸に連結して機能する発電装置に関し、更に詳しくは、発電装置がブレーキング機能を兼有していることにより、風力発電装置として使用するときに過回転が防止されると共に、構造がシンプルな上、低コストで実現できる発電装置に関する。

近年、安全でクリーンな発電システムとして風力を利用して発電するプロペラ型風車が実用化されている。このプロペラ型風車は風力発電機としては最もポピュラーな存在であり、また水平軸風車を代表するものであるが、これ以外にも垂直軸風車として、ダリウス型風車、サボニウス型風車、さらに直線翼垂直軸型風車などの数多くの風力発電システムが開発されている。

上記のような発電システムあるいは発電装置には、例えば、台風時のような強風発生の状況下での運転に備えて、羽根回転装置が所定回転数を超えると、自動的にこれを抑制するためのブレーキが作用し、羽根回転装置の過回転を防止すると共に過電力発生を制御し発電装置を保護している。そして、この過回転を防止するブレーキの種類としては種々あるが、その中でもディスクをパッドによって挟持し回転軸の回転を規制する油圧式のディスクブレーキが良く知られている。

一方、後述する本発明の風力発電装置に使用される羽根回転装置は、直線翼垂直軸型風車のジャンルに入るものであるが、発電規模からいうとプロペラ型風車が大型高出力発電システム向きであるのに対して、低風速環境にも対応した小型低出力発電システムに向いている。

従来のこの種の風力発電装置に使用される羽根回転装置としては、主回転軸の中心に固定ギアを設置し、この固定ギアはギアの一方向が風向きに回転できるようにすることで、どの風向でも対応できるようにしたシステムがあり、具体的には、固定ギアから翼の回転軸の中心に固定ギアの２倍の枚数のギアを取り付けた物にタイミングベルトを張り、各翼を理想の角度へ調整したのち、翼の回転軸同志をタイミングギアとタイミングベルトを使用し、同じ１対１の減速比でリンクするようにした風力発電用ファンがある( 例えば、特許文献１、図１参照) 。
特開２００２- ２４２８１５号公報

しかしながら、これらの風力発電用ファンに搭載される上記従来のような油圧式のディスクブレーキの場合には、折角得られた回転エネルギーを熱エネルギーに変換しては放散させるというエネルギー損失が伴い、また、パッドが磨耗するために一定期間毎に必ず交換しなければならないという煩わしさがあった。

また、上記従来の風力発電用ファンは、主回転軸の中心に設置された固定ギアと主回転軸の周囲に配設された固定ギアの２倍の枚数のギアとは、この間に張設されたタイミングベルトを介して回転力が伝達されるように形成されるとともに、主回転軸の周囲に複数個配設された固定ギアの２倍の枚数のギアの隣りあう翼シャフトタイミングプーリー間にはタイミクグベルトが張られた構成であり、また、翼シャフトタイミングプーリーやタイミクグベルトが主回転軸から離れた円周上に配設されるという形態であって、その全体構成は極めて複雑である。

また、特にタイミングプーリー、タイミングベルト等が回転外周上に配置されているため、回転時の慣性モーメントが大きくなり、したがって低風速時には回転しにくいので初動特性が低く、また、風力エネルギーが主回転軸に伝達されるまでにこれらの伝達機構によるエネルギーロスが生じ、主回転軸から得られるエネルギー効率を高くできないという課題があり、さらに、全体構成が複雑なことから安価に実現できにくいという課題を孕んでいる。

本発明は上記課題に鑑み、回転数を制御するブレーキ兼有の発電装置を提供することを主目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の第１は、回転する出力軸に連結される回転軸と、該回転軸の周囲に放射状に設けられた摺動軸受と、前記摺動軸受に嵌通する摺動軸と、前記回転軸から離れた側の前記摺動軸の一端に固設されコの字形に形成された永久磁石を有するローターと、該ローターが回転した際、その磁力作用によって電力を誘発する、前記ローターのコの字形の成形部に挿脱可能な大きさに形成されたステーターと、前記回転軸に近い側の前記摺動軸の他端と前記回転軸とを連結するように設けた伸縮部材とを備え、該伸縮部材は、前記回転軸が回転して前記ローターに遠心力が作用した際、該遠心力の大きさに比例して前記ステーターに接近する前記ローターを前記回転軸側に引き寄せるように作用すると共に、前記遠心力と均衡を保つように機能する発電装置を内容とする（請求項１）。

また、本発明の第２は、回転する出力軸に連結される回転軸と、該回転軸の周囲に放射状に設けられた摺動軸受と、前記摺動軸受に嵌通する摺動軸と、前記回転軸から離れた側の前記摺動軸の一端に固設され永久磁石を有するローターと、前記回転軸から離れた側の前記摺動軸の一端に固設されコイルを有する第２のローターと、前記ローター及び第２のローターが回転した際、その磁力作用によって電力を誘発するステーターと、前記回転軸に近い側の前記摺動軸の他端と前記回転軸とを連結するように設けた伸縮部材とを備え、該伸縮部材は、前記回転軸が回転して前記ローター及び第２のローターに遠心力が作用した際、該遠心力の大きさに比例して前記ステーターに接近する前記ローター及び第２のローターを前記回転軸側に引き寄せるように作用すると共に、前記遠心力と均衡を保つように機能する発電装置を内容とする（請求項２）。

好ましい態様としての請求項３は、伸縮部材が引張スプリングである請求項１又は２記載の発電装置を内容とする。

好ましい態様としての請求項４は、発電部材としてのローター、ステーターを複数対備え、対毎に引張スプリングのバネ定数を異なるように形成した請求項３記載の発電装置を内容とする。

本発明の発電装置は、回転軸の周囲に放射状に設けられた摺動軸受に摺動軸を嵌通させた上、該摺動軸の先端側に磁石を有するローター固設させ、またローターの外周には該ローターが回転した際、その磁力作用によって電力を誘発するステーターを配設すると共に、摺動軸と回転軸とをスプリング等の伸縮部材によって連結して形成したことにより、回転軸が過回転した際、その遠心力によってローターがステーターに接近して発電を可能にすると共に、ローターがステーターに接近するほど回転抵抗が増大するので、ブレーキとしても作用する。したがって過回転時に際してのエネルギーを無駄にすることがなく、且つ装置の故障、破壊などを未然に防止することが可能である。

本発明の発電装置は、回転する出力軸に回転軸を連結させ、また回転軸の周囲には、内部に摺動軸を嵌通した摺動軸受を放射状に設けている。そして、回転軸から離れた側の摺動軸の一端にはコの字形に形成された永久磁石を有するローターを固設すると共に、このローターの外周にはローターが回転した際、その磁力作用によって電力を誘発する、前記ローターのコの字形の成形部に挿脱可能な大きさに形成されたステーターを配設し、さらに、回転軸に近い側の摺動軸の他端と回転軸とを引張スプリングなどの伸縮部材で連結し、回転軸が過回転してローターに所定値以上の遠心力が作用した際は、その遠心力の大きさに比例して引張スプリングが伸び、該引張スプリングの引張り強さと遠心力とがバランスするまでステーターに接近するように形成している。

本発明の発電装置に供給される機械エネルギーは特に制限されず、水力、火力、風力等いずれでもよいが、特に風力羽根回転装置を利用した風力発電装置として好適である。このような風力羽根回転装置は特に制限されないが、本出願人が先に出願した風力発電用羽根回転装置（特願２００６−１５５６７７）が好適に用いられる。

本発明の発電装置とともに用いられる好適な羽根回転装置は、まず装置の基台となる軸受を有する支持盤が設けられ、そして、この支持盤の上方には軸受によって回転自在に支承される回転盤が設けられる。また、回転盤の中央には軸受によって支承される公転軸が設けられ、該公転軸の上端と下端から上スポーク、下スポークがそれぞれ水平方向に延設され、その端部には上部副軸受と下部副軸受がそれぞれ設けられて公転枠体を形成している。

また、この公転枠体の上・下部副軸受に、自転軸を有し回転自在の羽根が支承され、さらに自転軸の下端に連結して羽根の回転角度を規制する一対の摺動部が設けられ自転羽根体を形成している。

さらに、上記した回転盤上には、自転羽根体の一方の摺動部を誘導するための主導路と、該主導路を摺動する摺動部を、一方の摺動部から他方の摺動部に切り替えるための補助導路A1 A2 が設けられ、主導路は、交差部分を切り欠いたトロコイド曲線状の曲線軌道に形成されるとともに、補助導路A1 A2 は、主導路の切り欠いた部分の両側に配置された曲線軌道に形成されている。そして、主導路の切り欠いた部分の反対側には羽根の向きを切り替える切替手段を兼ねた補助導路B が曲線軌道に形成されている。

この場合、主導路の切り欠いた部分の反対側付近において、羽根が最大の風圧を受ける位置の直前で、羽根の向きを内側に傾斜させ、次いで該位置の直後で外側に傾斜させる手段が設けられているのが好ましい。このようにすることにより、羽根の揚力を一層効率的に発生させることができる。傾斜角度は、５度以下程度の僅かな角度でよく、このような角度を傾斜させる手段としては、例えば、道路に一時的にスムーズな通過を妨げる抵抗となるものを設ける等の機械的手段により羽根の傾きを変えたり、又は電気的手段により羽根の傾きを変えることが挙げられる。

また、自転羽根体の羽根の形状としては、矩形状の平板でも機能するが、風力によって羽根に揚力を発生させるために、羽根の中央部を矩形状の風孕体で構成し、またこの風孕体の周囲にフレーム設けた上、該風孕体とフレームとをスプリングなどの伸縮部材を介して取り付けられる形態が好適である。風孕体としては、風を孕み易い帆布等の可撓性に富んだ素材からなるのが好ましい。

さらにまた、主導路と補助導路A1 A2 は内側レールと外側レールにより形成されるのが安定性の面から好ましいが、１本のレールとして、摺動部を逆凹状としてレール上を跨がせることも可能である。補助導路B も内側レールと外側レールにより形成されるのが好ましいが、内側レールのみで形成されても良い。

以下、本発明の発電装置の基本構成を図面に基づいて説明するが、本発明はこれらにより何等限定されるものではない。
尚、本発明を構成する軸受や摺動部、その他の摺動する部分にはラジアル方向、スラスト方向を問わずベアリングを採用したり、また、これらの部分の材質に樹脂製軸受を採用するなど機械工学関連の公知技術を適宜利用することができる。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１について図１〜図２を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態１における発電装置の部分断面上面図、図２は同装置の部分断面側面図である。

図１、２に示すように、本発明の発電装置１０１は、回転する出力軸に回転軸１０２を連結させ、また、この回転軸１０２の略中央の周囲には、内部に摺動軸１０３を嵌通した摺動軸受１０４を放射状に設けている。そして、回転軸１０２から離れた側の摺動軸１０３の一端には断面コの字状の永久磁石を有するローター１０５を固設すると共に、このローター１０５の外周にはローターが過回転した際、珪素鋼板やコイルなどから形成され、ローター１０５の作用を受けて電力を誘発するステーター１０６及び１０６Ａが取付片１０７を介してハウジング１０８に固定されている。

また、回転軸１０２の両端は段付き形状に形成され、ハウジング１０８の上下に配設した上下のベアリング１０９によって支承され、さらに、回転軸１０２に近い側の摺動軸１０３の他端と回転軸１０２とは引張スプリング１１０で連結され、回転軸１０２が予め定められた所定の回転数を超えて過回転領域になると、引張スプリング１１０に抗してローター１０５と一体の摺動軸１０３が摺動軸受１０４に沿って半径外側方向に移動し、最大ストロークＳの範囲内で且つ遠心力とバランスしながらステーターに接近するように形成している。

摺動軸１０３が摺動軸受１０４に沿って外周方向に移動する最大ストロークＳは、摺動軸１０３に設けたストッパー１１１が、摺動軸受１０４に設けた長孔状の切欠部１１２によって規制されると共に、これによってローター１０５の摺動軸周りの回転も規制している。即ち、ローター１０５が最大ストロークＳ前進したきにはステーター１０６の高さ寸法に断面コの字状のローター１０５が丁度所定間隙をもって係合した形となる。

また、図１には、上下左右に４個づつ、計二対のステーター１０６、ローター１０５と、上下左右の中間の位置に４個のステーター１０６Ａの構成要素の配置状態を示しているが、図１の左右に配設された一対の構成要素Ａ1 、Ａ２と、上下に配設された一対の構成要素Ｂ１、Ｂ２の引張スプリング１１０のバネ定数は対毎に異なるように形成されている。

図１に示したように、構成要素Ｂ１、Ｂ２の引張スプリング１１０のバネ定数は、構成要素Ａ1 、Ａ２より小さく設定されており、したがって、同一の遠心力が作用した場合、一対の構成要素Ｂ１、Ｂ２の方が、引張スプリング１１０が早く延長して早く発電を開始すると共に、逆に早くブレーキング作用を開始することになる。そして、さらに遠心力が増大すれば、構成要素Ａ1 、Ａ２の引張スプリング１１０も延長し、同様に発電を開始すると共に、ブレーキング作用をすることになる。

また、図１、図２には引張スプリング１１０を除いて、同一の発電部材を二対配設した場合を示しているが、二対以上の構成要素を設けても良く、例えば、引張スプリング１１０のバネ定数を順次弱めて、一対の構成要素Ａ1 、Ａ２と他の一対の構成要素Ｂ１、Ｂ２との間に、即ち、図１中のステーター１０６Ａの位置に、構成要素Ｃ１、Ｃ２( 図示せず) と構成要素Ｄ１、Ｄ２( 図示せず) を増設して計四対の発電部材で形成しても良い。
さらにまた、これらの各要素の間に、ステーター１０６Ａのみを配設して、過回転時の電力とブレーキングの能力を更に増大することも可能である。

なお、前述では対毎に引張スプリング１１０のバネ定数が異なる場合を説明したが、用途によっては、引張スプリング１１０のバネ定数を全て同一にしても良く、この場合には、急ブレーキがかかるという作用がある。

さらになお、前述では発電ブレーキの作用を段階的に動作させる手段として、発電部材には、対毎に異なるバネ定数を有する引張スプリングを取り付けた場合について説明したが、他の手段としては、一定のバネ定数を有する引張スプリングを用いてその長さを変え、短くして取り付けた側を堅い方( 構成要素Ａ1 、Ａ２側) のスプリング材１１０として利用することも可能である。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２について図１及び図３を参照して説明する。図３は前述の実施の形態１に示した発電の構成要素Ａ1 、Ａ２側の永久磁石を有するローター１０５に代わって、コイルを有する第２のローター１０５Ａとした形態( 発電の構成要素Ｋ1 、Ｋ２と呼称する) を示す部分断面側面図である。なお、これを除いた他の発電に係る構成要素及びその動作、作用などは実施の形態１の場合と同様である。

この構成要素Ｋ1 、Ｋ２の第２のローター１０５Ａのコイルには、バッテリー１１３から回転軸１０２に設けた整流子・ブラシ１１４を介して所定の電力が供給され、実施の形態１に示した発電の構成要素Ａ1 、Ａ２側の永久磁石を有するローター１０５と同様の作用をするものであり、バッテリー１１３への電力の供給が、図１に示した発電が最初に開始する側の構成要素Ｂ１、Ｂ２からできるように電気回路等を構成しておけば、より合理的である。

また、本実施の形態２においても、構成要素Ｂ１、Ｂ２と構成要素Ｋ1 、Ｋ２の二対の発電部材による発電装置以外に、バネ定数を適宜考慮した上、構成要素Ａ1 、Ａ２や構成要素Ｂ１、Ｂ２と組み合わせて、例えば、計三対、四対のようにその数を増やすことにより、さらに広い用途に応じた合理的な発電装置を実現することが可能である。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３について図４を参照して説明する。
前述までの発電装置1 では、回転軸１０２は、ハウジング１０８の上面からのみ突設して他の装置の出力軸と連結した形態であったが、図４に示すように、回転軸１０２をハウジング１０８の上、下面の両面から突設させて形成した別の発電装置１Ａを新たに設けて、回転軸１０２どうしを継ぎ手１１５によって連結し発電装置を二層に形成すれば、発電装置及びブレーキの容量を更に増大して利用することができる。したがって、前述した発電の構成要素を回転軸の周囲に放射状に設けた形態の発電装置と組み合わせれば、要求仕様にあった種々の発電装置を容易に実現することが可能である。
なお、本発明の発電装置が連結される出力軸に、ブレーキ機能のない公知の発電装置が直結または、増速機などのギアを介して連結されてもよいことは勿論である。

（実施の形態４）
本発明の実施の形態４について図５〜図７を参照して説明する。図５は本発明の発電装置を使用した実施の形態４における風力発電装置の部分断面正面図、図６は同装置の上面図、図７は同装置の自転羽根体が曲線軌道に沿って自転・公転する際の羽根の傾き及び公転・自転の軌跡を概念的に示す上面図である。

図５、６に示すように、本発明の発電装置を使用した風力発電装置は、本装置の基台となる軸受１７を有する支持盤１８が設けられ、また、この支持盤１８の上方には軸受１７によって回転自在に支承される回転盤１９が設けられるとともに、支持盤１８との間に配設したスラスト軸受２０によって支承される。

また、支持盤１８の同軸受１７の中央には公転軸２１が支承され、該公転軸２１の上端と下端から上スポーク２２、下スポーク２３がそれぞれ水平方向に延設され、その左右端部には上部副軸受２４と下部副軸受２５がそれぞれ設けられて公転枠体２６を形成している。

更に、支持盤１８の下部に、発電装置１０１が収納されたベース体１１６が取り付けられると共に、該発電装置１０１は、軸受１７に支承された公転軸２１の端部に継ぎ手１１５を介し連結される。

そして、この公転枠体２６の左右上下の副軸受２４、２５に、自転軸２７を有し回転自在の２枚の羽根２８ａ、２８ｂがそれぞれ支承されるとともに、自転軸２７の下端に連結して羽根２８ａ、２８ｂの回転角度を規制する一対の摺動部２９ａ、２９Ｂが左右それぞれに設けられて自転羽根体３０を形成している。

なお、公転枠体２６の左右に支承された２枚の羽根２８ａと羽根２８ｂの面角度についての詳細は後述するが、仮に、図６に示す２枚の羽根２８ａ、２８ｂの位置を回転のスタートの時の位置とすれば、風向Ｗの方向に対し、一方の羽根２８ａが直角の位置関係にあれば、反時計回りに公転軸２１の周りを１８０度回転が進んだ位置にある他方の羽根２８ｂの面は風向Ｗと平行の位置関係にある。

また、回転盤１９上には、自転羽根体３０の一方の摺動部２９ａを誘導するための内側レール３１ａと外側レール３１ｂから成る主導路３１と、該主導路３１を最初に摺動する一方の摺動部２９ａを、他方の摺動部２９ｂに切り替えるための内側レール３１ａと外側レール３１ｂから成る補助導路(A1)３２と補助導路(A2)３３が設けられ、さらに、主導路３１は、交差部分Ｋ２を切り欠いたトロコイド曲線状の曲線軌道に形成されるとともに、補助導路(A1) (A2) ３２、３３は、主導路３１の切り欠いた部分の両側に配置された曲線軌道に形成されている。

さらにまた、主導路３１の切り欠いた部分Ｋ１の反対側には摺動部を誘導するために少なくとも内側レール３１ａのみ設けた補助導路(B) ３４が曲線軌道に形成されるとともに、その終端には補助導路(B) ３４と連携して羽根２８ａ、２８ｂの向きを切り替える調節部３５を有する切替手段３６を備えている。

次に、上記構成における風力発電装置の動作について説明する。なお、図６に示したように、風はＷで示す一方向から吹いているものとし、また、分かりやすいように羽根２８ａが図６の位置にあった状態からスタートするものとして説明する。

図５、６に示したように、Ｗで示す一方向からの風が羽根２８ａ、２８ｂに当たると、羽根の面が風向Ｗと平行の位置関係にある羽根２８ｂに対しては風力は作用しないが、羽根２８ａの面に対しては風は直角方向から作用するので、その風圧により自転羽根体３０は公転半径Ｒで反時計回りに回転を開始する。

また、自転羽根体３０の一方の摺動部２９ａは、主導路３１により、また他方の摺動部２９ｂは補助導路(B) ３４の曲線軌道によって規制され、補助導路(B) ３４の切替手段３６に到達すると、他方の摺動部２９ｂ側に僅かなブレーキが掛かった状態に制御され、一方の摺動部２９ａが該切替手段３６よって主導路３１の外側レール３１ｂ側に風力によって当接するように制御される。

そして、自転羽根体３０の羽根２８ａは一方の摺動部２９ａと主導路３１による規制と風力により逐次その羽根の面角度を変化しながら進行し１８０度回転した位置に到達した時点では、図６に示した羽根２８ｂの面角度になると共に、一方の摺動部２９ａは主導路３１の切り欠いた部分から外れて補助導路(A2)３３に風圧によって誘導され、また他方の摺動部２９ｂは補助導路(A1)３２に誘導された後、主導路３１に側に誘導される。そして他方の摺動部２９ｂが風圧と主導路３１によって規制を受け一回転した時点では羽根２８ａの一方の摺動部２９ａと他方の摺動部２９ｂとの位置は入れ替わる。

以上のことから明らかのように、羽根の自転０．５回転に対し公転１回転の割合で回転していることになる。換言すれば、一方の摺動部２９ａ又は他方の摺動部２９ｂが、主導路３１の曲線軌道と、補助導路(A1) (A2) ３２、３３の曲線軌道との周りを一回転ずつ、合わせて２回転して、羽根２８ａ、２８ｂは自転１回転、公転２回転の１サイクルが完了する。

次に、羽根２８ａ、２８ｂが自転、公転する時の風向Ｗに対する羽根の角度について図７に示した概念図を参照して説明する。なお、羽根の角度は自転軸２７を中心にして連続的に変化するものであるが、わかり易くする意味で公転軸２１を中心に半径Ｒで回転する羽根２８ａ、２８ｂの自転軸２７の位置を８等分して説明する。

概念図の図７には図６に示した自転羽根体３０の羽根２８ａ、２８ｂの自転軸２７、一方の摺動部２９ａ及び他方の摺動部２９ｂが動くそれぞれの軌跡を示したものであって、内側の破線で示した軌跡３７は、主導路３１の曲線軌道、外側の破線で示した軌跡３８は、補助導路(A1) (A2) ３２、３３の曲線軌道及び補助導路(B) ３４、また一点鎖線で示した軌跡３９は自転軸２７が半径Ｒで公転する軌跡である。

ここで図５、６に示した羽根２８ａ、２８ｂのうち、公転一回転する際の一方の羽根２８ａのみに着目してその面の傾斜度合いを図７を参照に観察すると、まず、自転軸２７については当然ながら半径Ｒで公転する軌跡であり、羽根２８ａは、スタートの位置を仮に１−９の位置として、自転軸２７が角度４５度ずつ反時計周りに回転した時点の２−１０の位置では２２．５度左側に傾き、順次この割合で傾いて５−１３の位置では９０度の傾きとなる。さらにこの位置からスタートの１−９の位置までは、前半の回転角度と水平中心線対象の傾斜角度で、且つ羽根２８ａの反対面で風圧を受け風向Ｗから同様に順回転力を得て回転し、自転軸２７の半回転が終了する。

そしてこの後、”羽根２８ａは、スタート時の一方の摺動部２９ａと他方の摺動部２９ｂの位置を入れ換えた状態で同様に半回転し”、羽根２８ａ、２８ｂの自転１回転、公転２回転の１サイクルが完了する。

なお、上記した”羽根２８ａは、スタート時の一方の摺動部２９ａと他方の摺動部２９ｂの位置を入れ換えた状態で同様に半回転し”という文言は、図７に示したスタート時の摺動部２９ｂの位置から、即ちスタートの１番の位置から４５度回転するごとに付記した摺動部２９ｂの進む軌跡の位置番号を順次２、３、４------と位置番号の順に進み、そして----- １５、１６、1 まで進んでいって１回転の自転が終了することを示す内容であり、これによっても羽根２８ａ、２８ｂの自転１回転に対し公転が２回転であることが分かる。

（実施の形態５）
前述の実施の形態４では羽根の形状を矩形状平板として説明したが、この形態に限らず、図８に示したように、羽根の中央部を矩形状の風孕体４０で構成し、またこの風孕体４０の周囲に自転軸２７に連結してフレーム４１を設けた上、該風孕体４０とフレーム４１とを前後左右からスプリング４２などの伸縮部材を介して係合した形態が好適である。

このような構成にすれば、図７における羽根の位置を示す５−１３の位置を除き、１−９を初めとして２−１０、３−１１と順次進み８−１６の位置、及びこれら位置の間の全てにわたって連続的に風孕体４０は風圧によって膨らみ、これによって既に公知の航空機の翼やヨットの帆に発生すると同様の揚力を発生させることができるので、その揚力の回転方向成分によって回転力が増強するという効果が得られる。

なお、羽根の数を２枚として説明したが、羽根の形状、サイズ( 特に幅寸法) 、材質、慣性モーメント、経済性等を考慮した上で３〜６枚が好適であるが、これ以上の枚数にして形成することも可能であり、これらの仕様は公転軸( 出力軸) から得られる低回転出力性能などの要求性能と合わせて自由に定めることができる。

（実施の形態６）
本実施の形態では、図９に示したように、主導路の切り欠いた部分の反対側付近において、羽根が最大の風圧を受ける位置の直前で、羽根の向きを内側に傾斜させ、該位置の直後で外側に傾斜させる手段が設けられている風力発電用の羽根回転装置である。
即ち、本例では、羽根２８ａが最大の風圧を受ける位置( 図７中の１−９の位置) の直前で、主道路３１の内側レール３１ａの内側に摺動部２９ａのスムーズな通過を妨げる抵抗体４３ａを設置し、抵抗体４３が設置されていない場合の一点鎖線で示した位置よりも５度程度矢示した進行方向に傾斜させ( ＋、α度) 、次いで、１−９の位置を通過した直後で、補助道路Ｂ３４( ３１ａ) に抵抗体４３ｂを設置し、抵抗体４３ｂが設置されていない場合の一点鎖線で示した位置よりも５度程度進行方向と逆の方向に傾斜させ( −α度) 、羽根の揚力を一層大きくしたものである。

如上のとおり、本発明の発電装置は、風力発電装置など、回転数の上限が定められる装置・機械などに容易に使用することが可能で、回転数がオーバーするような際には、その回転エネルギーを電力に変換すると共に、そのブレーキング作用によって過回転が抑制される。したがって、エネルギーの有効活用を図ると共に装置・機械の故障、破損を防止するという効果があるため、画期的に優れた風力発電システム等を実現することができ、エネルギー問題の解決に貢献するところ頗る大である。

本発明の実施の形態１における発電装置の部分断面上面図である。 同装置の部分断面側面図である。 本発明の実施の形態２の発電装置におけるコイルを有する第２のローターを示す部分断面側面図である。 本発明の実施の形態３における発電装置を二層に形成した形態を示す部分断面側面図である。 本発明の発電装置を使用した実施の形態４における風力発電装置の部分断面正面図である。 同装置の上面図である。 同装置の自転羽根体が曲線軌道に沿って自転・公転する際の羽根の傾き及び公転・自転の軌跡を概念的に示す上面図である。 本発明の発電装置を使用した実施の形態５における風力発電装置の羽根の別態を示す平面図である。 本発明の発電装置を使用した実施の形態６における風力発電装置の羽根の傾きを変える形態を示す部分概要図である。

符号の説明

１〜１６ 摺動部の位置番号
１７ 軸受
１８ 支持盤
１９ 回転盤
２０ スラスト軸受
２１ 公転軸
２２ 上スポーク
２３ 下スポーク
２４ 上部副軸受
２５ 下部副軸受
２６ 公転枠体
２７ 自転軸
２８ 羽根
２９ａ一方の摺動部
２９ｂ他方の摺動部
３０ 自転羽根体
３１ 主導路
３１ａ 内側レール
３１ｂ 外側レール
３２ 補助導路(A1)
３３ 補助導路(A2)
３４ 補助導路(B)
３５ 調節部
３６ 切替手段
３７ 内側破線軌跡
３８ 外側破線軌跡
３９ 一点鎖線軌跡
４０ 風孕体
４１ フレーム
４２ スプリング( 伸縮部材)
４３ａ、４３ｂ 抵抗体
１０１、１０１Ａ 発電装置
１０２ 回転軸
１０３ 摺動軸
１０４ 摺動軸受
１０５ 永久磁石を有するローター
１０５Ａ コイルを有するローター
１０６、１０６Ａ ステーター
１０７ 取付片
１０８ ハウジング
１０９ ベアリング
１１０ 引張スプリング（伸縮部材)
１１１ ストッパー
１１２ 切欠部
１１３ バッテリー
１１４ 整流子・ブラシ
１１５ 継ぎ手
１１６ ベース体
Ｋ１ 主導路の切り欠いた部分
Ｋ２ 交差部分

Claims (10)

1. 回転する出力軸に連結される回転軸と、該回転軸の周囲に放射状に設けられた摺動軸受と、前記摺動軸受に嵌通する摺動軸と、前記回転軸から離れた側の前記摺動軸の一端に固設され永久磁石を有するローターと、該ローターが回転した際、その磁力作用によって電力を誘発するステーターと、前記回転軸に近い側の前記摺動軸の他端と前記回転軸とを連結するように設けた伸縮部材とを備え、該伸縮部材は、前記回転軸が回転して前記ローターに遠心力が作用した際、該遠心力の大きさに比例して前記ステーターに接近する前記ローターを前記回転軸側に引き寄せるように作用すると共に、前記遠心力と均衡を保つように機能する発電装置。
2. 回転する出力軸に連結される回転軸と、該回転軸の周囲に放射状に設けられた摺動軸受と、前記摺動軸受に嵌通する摺動軸と、前記回転軸から離れた側の前記摺動軸の一端に固設され永久磁石を有するローターと、前記回転軸から離れた側の前記摺動軸の一端に固設されコイルを有する第２のローターと、前記ローター及び第２のローターが回転した際、その磁力作用によって電力を誘発するステーターと、前記回転軸に近い側の前記摺動軸の他端と前記回転軸とを連結するように設けた伸縮部材とを備え、該伸縮部材は、前記回転軸が回転して前記ローター及び第２のローターに遠心力が作用した際、該遠心力の大きさに比例して前記ステーターに接近する前記ローター及び第２のローターを前記回転軸側に引き寄せるように作用すると共に、前記遠心力と均衡を保つように機能する発電装置。
3. 伸縮部材が引張スプリングである請求項１又は２記載の発電装置。
4. 発電部材としてのローターと、ステーターを複数対備え、対毎に引張スプリングのバネ定数を異なるように形成した請求項３記載の発電装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の発電装置と、
   軸受を有する支持盤と、該支持盤の上方に設けられ前記軸受によって回転自在に支承される回転盤と、前記軸受によって支承される中央の公転軸、該公転軸の上端と下端からそれぞれ水平方向に延設する上下スポーク及び該上下スポークの端部に設けられた上下の副軸受とからなる公転枠体と、前記上下の副軸受に支承される自転軸を有し回転自在の羽根及び該羽根の前記自転軸に連結し羽根の回転角度を規制する一対の摺動部とからなる自転羽根体と、該自転羽根体の一方の摺動部を誘導するための主導路と、該主導路を摺動する前記摺動部を一方の摺動部から他方の摺動部に切り替えるための補助導路A1 A2 とからなり、前記主導路は交点部分を切り欠いたトロコイド曲線状の曲線軌道に形成され、且つ前記補助導路A1 A2 は前記主導路の切り欠いた部分の両側に配置された曲線軌道に形成されるとともに、前記主導路の切り欠いた部分の反対側付近で羽根の向きを切り替える切替手段からなる羽根回転装置とからなり、
   前記発電装置の回転軸に、前記羽根回転装置の公転軸を出力軸として連結したことを特徴とする風力発電装置。
6. 羽根の向きを切り替える切替手段が補助導路B である請求項５記載の風力発電装置。
7. 羽根の風孕体がフレームに伸縮部材を介して取り付けられる請求項５又は６記載の風力発電装置。
8. 伸縮部材がスプリングである請求項７記載の風力発電装置。
9. 導路が内側レールと外側レールにより形成されている請求項５〜８のいずれか１項に記載の風力発電装置。
10. 主導路の切り欠いた部分の反対側付近において、羽根が最大の風圧を受ける位置の直前で、羽根の向きを内側に傾斜させ、該位置の直後で外側に傾斜させる手段が設けられている請求項５〜９のいずれか１項に記載の風力発電装置。
    

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