JP2008118760A

JP2008118760A - 発電機

Info

Publication number: JP2008118760A
Application number: JP2006298648A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Uchiyama; 英和内山
Original assignee: Mitsuba Corp
Current assignee: Mitsuba Corp
Priority date: 2006-11-02
Filing date: 2006-11-02
Publication date: 2008-05-22

Abstract

【課題】発電機において小さな外力でも容易に回転し始め、大出力化を可能とする。
【解決手段】例えば風力発電機において、可変界磁型の発電機Ｇを構成し、風速計２９により検出された風速が下限風速よりも低い場合にはコア６ａの位置を確認し、コアを抜いて磁束を減らすことができる場合にはコアを所定量抜く。風速が下限風速より高い場合にはコアをできるだけ最奥位置まで入れるようにする。磁束を最小限にすることにより、磁束による負荷を最小値とすることができ、外力が小さくてもロータを回転させることができる。マグネットの磁極面とティースの対向面との完全な重なり状態において大きな磁束が生じ得る大型発電機を構成しても、何等問題なく小さな外力から回転させて発電させることができるため、外力の大きさの広範囲に渡って発電が可能でありかつ大きな発電出力が得られる発電機を実現し得る。
【選択図】図２

Description

本発明は、発電機に関するものである。

外力により回転して発電する発電機にあっては種々の形態があり、エネルギ資源の問題からも注目されているものとして、外力となる風力を用いた風力発電機がある（例えば特許文献１参照）。また、発電設備としてはできるだけ大電力を供給できることが望まれている。

一般に、風力発電機にあっては、風力発電機の出力は羽根（プロペラ）の径で決まることから、大出力のものには大きな径の羽根を用いる。これは、発電機を構成するロータ及びステータ（マグネット及びコイル）を大型化して大出力化するため、それに伴っても生じる種々の抵抗や負荷に抗して羽根（ロータ）を回転させることによる。
特開２００３−２０６８４６号公報

しかしながら、大出力が可能な大型風力発電機の場合には発電機の回転に要するエネルギが大きいため、風が弱い場合には羽根が回り始めることができず、発電を効果的に行うことが困難であるという問題があった。羽根が回り始めれば静摩擦抵抗から動摩擦抵抗に変わるなど抵抗が減ることから、回り始めることができないような微風でも回転させることが可能になるため、例えば、初期の回転（最小回転速度）を確保するべく発電機をモータとして機能させたり、別途始動用モータを設けたりして、始動時に電力を投入して風力発電機の羽根を回転させるなどの工夫をしたものがある。

しかしながら、本来発電機でありながら、始動時に電力を消費することになり、その場合であっても大型の発電機をある回転速度以上で回転させ続けられるだけの風力がないと発電機として機能しないため、大型風力発電機の設置場所（風の強い所）が限定されてしまうという問題があった。このような課題は、風力発電機以外の発電機である水力発電機やエンジン駆動型発電機（自動車の発電機を含む）、または例えば電動自動車に用いられるモータ発電機（場面に応じて電動機または発電機として使用する）等においても同様である。

このような課題を解決して、小さな外力でも容易に回転し始めることができると共に大出力化が可能な発電機を実現するために本発明に於いては、ロータ及びステータとを有し、前記ロータの回転により発電する発電機であって、前記ロータを回転させる外力の大きさを検出するための外力検出手段と、前記ロータ及び前記ステータ間に通る磁束を増減させる磁束調整手段とを有し、前記外力検出手段により検出された外力が所定値以下の場合には前記磁束調整手段により前記磁束が最小限となるようにし、前記検出された外力が大きくなるにしたがって前記磁束調整手段により前記磁束を増大させるものとした。

特に、前記外力検出手段が前記外力となる風力を検出する風速計であり、前記発電機が風力発電機として用いられると良い。

このように本発明によれば、発電機におけるロータ及びステータ間に通る磁束を増減させる磁束調整手段を用いて、磁束固定型の発電機では外力が小さくて回転し始めることができないような場合には磁束を最小限にすることにより、磁束による負荷を最小値とすることができ、外力が小さくてもロータを回転させることができる。例えばロータにマグネットを配設し、ステータのティースにコイルを巻回したものにおいて、マグネットの磁極面とティースの対向面との間に通る磁束が発電の有効磁束となるが、マグネットの磁極面とティースの対向面との重なりを無くして有効磁束を０にすることにより、ロータのフリクションは軸受だけになり、小さな外力でも回転し始めることが可能になる。したがって、マグネットの磁極面とティースの対向面との完全な重なり状態において大きな磁束が生じ得る大型発電機を構成しても、何等問題なく小さな外力から回転させて発電させることができるため、外力の大きさの広範囲に渡って発電が可能でありかつ大きな発電出力が得られる発電機を実現し得る。

特に、外力として風力を用いる風力発電機に適用することにより、大出力型の風力発電機では低風速では回転することができない場合にはその設置場所が限られてしまっていたが、本願発明による風力発電機によれば、上記したような低風速下でも回転して発電可能になるため、風の強い時が少ないような場所にも設置できる。風が弱い場合が多いと思われる場所に対しては小型風力発電機を設置して、低風速でも発電可能にすることができるが、最大出力が小さいことから発電施設全体として大電力の供給を可能にするためには大量に設置することになり、施設全体として高コスト化するという問題が生じるのに対して、本願発明の風力発電機を用いれば大出力が可能な大型風力発電機を設置できるため、上記高コスト化を防止し得る。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は本発明が適用された風力発電機の発電機部分を示す模式的断面図である。図において、図示されない支柱側の支持台１に固定支持軸２が側方に突出するように固定されており、その固定支持軸２には一対の軸受３ａ・３ｂを介してモータのアウタロータとなるロータ４が回転自在に支持されている。ロータ４の外周部には風を受けてロータ４の回転に変換するための羽根Ｆが取り付けられている。なお、支持台１は風の来る方向に羽根Ｆを向けるように図示されないコントローラにより適宜回転するように駆動制御されるものであって良い。

ロータ４は、有底円筒形状をなしかつその中心部にボス部を有する形状であり、ボス部を形成する小径周壁部４ａと、その小径周壁部を同軸に外囲する大径周壁部４ｂとを有する。図に示されるように、ロータ４の両周壁部４ａ・４ｂ間の空間が支持台１側に開放されて居る。大径周壁部４ｂの内周面には周方向にＮ・Ｓ極を並べた複数のマグネット５が配設されている。また、両周壁部４ａ・４ｂによる空間に受容されるようにステータ６が設けられている。このようにして構成されたステータ６と上記ロータ４とにより公知のアウタロータ型の発電機Ｇが構成されている。

固定支持軸２の支持台１に固設された部分には外向フランジが形成されており、その外向フランジには小径周壁部４ａを外囲するガイド部材７が固設されている。ガイド部材７には例えばセレーションにより固定支持軸２の軸線方向に移動自在にされたスライド部材８が支持されている。スライド部材８の外周面には半径方向外向きの鍔が突設されており、その鍔に例えばビス止めされたブラケットを介してステータ６が支持されている。

ステータ６は、積層鋼板により形成された環状部分及びその環状部分から半径方向外向きに突出する複数のティースからなるコア６ａと、それらティースに巻回されたコイル９とを有し、上記したようにスライド部材８と一体のブラケットにコア６ａの環状部分が適所でねじ止めされている。

スライド部材８すなわちステータ６は、モータ回転型のアクチュエータ１１により上記固定支持軸２の軸線方向に往復駆動されるようになっている。図示例では、固定支持軸２の外向フランジにブラケットを介してアクチュエータ１１が固定されていると共に、アクチュエータ１１の回転軸に設けられた大ギアと噛み合う小ギアを同軸に有する駆動軸１２が、スライド部材８の移動方向に延在するように固定支持軸２の外向フランジ及び上記ブラケットにより軸支されている。その駆動軸１２のスライド部材８側には例えば台形ねじ部１２ａが設けられており、その台形ねじ部１２ａに螺合するナット部材１３がスライド部材８の鍔に固着されている。

このようにして、磁束調整手段が構成されている。すなわち、アクチュエータ１１を回転駆動することにより駆動軸１２が回転し、そのねじ部１２ａに螺合しているナット部材１３が駆動軸１２の軸線方向に移動するため、スライド部材８と一体のコア６ａが駆動軸１２と平行になる固定支持軸２の軸線方向に移動し得る。これにより、コア６ａのティース突出端面がマグネット５の磁極面と重なる量が変化し、マグネット５とコア６ａとの間の磁束が増減するため、可変界磁型の発電機Ｇが構成される。そして、発電機Ｇのロータ４に羽根Ｆが一体化されており、このようにして風力発電機の風車部分が構成されている。なお、図示例ではアクチュエータ１１を固定側（支持台１側）に設けた例を示したが、その配置に限られるものではなく、アクチュエータ１１を可動側（ステータ６側）に設けて、ステータ６と共にアクチュエータ１１も移動するようにしても良い。

次に、本発明に基づく発電制御要領について、図２の発電機Ｇと制御装置ＥＣＵとにおけるブロック回路図を参照して示す。なお、図示例の発電機Ｇにあっては３相のブラシレスモータ構造を発電機として用いるものであって良い。なお、各回路はＩＣ用いて構成されるものと、ＣＰＵのプログラム制御により構成されるものとを含むものであって良い。また、図示された回路名称及び信号線により理解される部分についてはその詳しい説明を省略する。

図示例では、ステータ６の３相コイル９がダイオードブリッジ回路２１を介してバッテリ２２に接続されている。バッテリ２２の出力は直流−交流変換回路２３に入力されるようにもなっており、本風力発電装置にあってはバッテリ２２による直流出力と直流−交流変換回路２３による交流出力とが出力されるようになっている。

ダイオードブリッジ回路２１とバッテリ２２とを接続する電源線にはその発電電圧を検出するための電圧検出回路２４が接続されており、その電圧出力が電圧比較回路２５を介して位置制御駆動回路２６に入力している。位置制御駆動回路２６から出力される位置制御駆動信号により上記したアクチュエータ１１が駆動制御される。

また、発電機Ｇにはロータ４の回転速度（角度）を検出する回転速度（角度）センサ２７が設けられており、その回転角度信号が回転速度検出回路２８に入力し、回転角度検出回路２８ではロータ４の回転位置及び回転数（回転速度）を算出し、このようにして回転速度検出手段が構成されている。

さらに、風車部分（発電機Ｇ）の近傍の適所には風速計２９が設けられており、その風速検出信号が風速検出回路３０に入力し、風速検出回路３０の出力信号はステータ位置設定回路３１とピッチ角設定回路３２とに入力している。ここで、ピッチ角とは羽根Ｆのピッチ（向かい角）のことであり、例えば強風時に回転速度を抑えるためにピッチ角を変える。

ピッチ角設定回路３２の出力信はステータ位置設定回路３１とピッチ制御駆動回路３３とに入力している。ステータ位置設定回路３１はアクセス可能なマップデータを記憶しているメモリ３５と接続されている。このステータ位置設定回路３１にあっては、上記したように風速検出回路３０からの風速信号とピッチ角設定回路３２からのピッチ角設定信号とが入力しており、メモリ３５には風速とピッチ角とに対応したステータ６の位置を設定するマップデータが記憶されている。

上記したように羽根Ｆのピッチを変えるべくロータ４と羽根Ｆとの間にはピッチ角可変モータ３５が設けられており、ピッチ角可変モータ３５は、ピッチ制御駆動回路３３の出力信号に応じて羽根Ｆのピッチ角を変えるように駆動されるようになっている。

上記したように本風力発電機はステータ６を変位させて可変界磁制御可能なものである。その実現にあって図示例では、ステータ位置設定回路３１にて風速及びピッチ角信号に基づいてメモリ３４から呼び出したステータ６（コア６ａ）の位置（目標位置）を設定し、それに応じた位置制御信号が位置制御駆動回路２６からアクチュエータ１１に出力され、アクチュエータ１１によりステータ６（コア６ａ）を駆動しかつ上記目標位置で停止状態にする。これにより、上記したようにマグネット５の磁極面とコア６ａのティース突出端面との重なり量（互いに対向する部分の面積；以下、対向面積と称する）が増減し、対向面積を通ることになる磁束が増減するため、発電機Ｇの特性を、対向面積を大きくした場合には高出力型とし、対向面積を小さくした場合には低出力型とすることができる。

次に、本発明に基づく発電制御要領を図３を参照して以下に示す。先ずステップＳＴ１で、風速検出回路３０により検出された検出風速Ｎと、風力発電機の設計に応じて設定された下限風速Ｎｄとを比較し、検出風速Ｎが下限風速Ｎｄより高い場合にはステップＳＴ２に進み、検出風速Ｎが下限風速Ｎｄより低い場合にはステップＳＴ３に進む。ここで、下限風速Ｎｄの値にあっては、コア６ａが完全に奥に位置している場合に回転し始めることが可能な風力に対応する風速とする。すなわち、それ以下の風速になった場合にはマグネット５及びコア６ａ間に通る磁束による磁気結合力によりロータ４の回転が停止してしまう風速である。なお、コア６ａが図１の実線で示されるように位置する方向にコア６ａが入ると表現し、二点鎖線で示されるように位置する方向に対してはコア６ａを抜くと表現するものとする。

ステップＳＴ２では、現在のコア６ａの位置Ｄが完全に奥（最奥）に位置している（Ｄ＝０とする）か否かを判別する。なお、コア６ａの最奥位置から抜ける方向に負（−）になるとする。ステップＳＴ２でコア６ａの位置Ｄが負の値であると判別された場合にはコア６ａが最奥位置ではなく、ステップＳＴ４に進み、そこでコア６ａを奥側に所定量ｄ入れるようにアクチュエータ１１を駆動制御する。このように制御するのは、ステップＳＴ４に進んできた場合には風速が下限風速Ｎｄより高くかつコア６ａが最奥位置まで入っていない状態であることから、コア６ａを入れても停止しない回転速度であり、したがって有効磁束を増やして発電力を増大させることが可能になるためである。

またステップＳＴ３では、コア６ａの位置Ｄがしきい値（−Ｄｄ）以下（負側に大）になったか否かを判別する。ここで、しきい値（−Ｄｄ）の値にあっては、コア６ａを完全に抜いた状態（有効磁束０）であっても良いが、好適な制御のためには半分ほど抜いた程度から完全に抜いた状態に至る任意の位置（設計や実験で決めて良い）にすると良い。ステップＳＴ３でコア６ａの位置Ｄがしきい値（−Ｄｄ）に達していないと判定された場合にはステップＳＴ５に進み、そこでコア６ａを所定量ｄだけ抜くようにアクチュエータ１１を駆動制御する。

このように制御するのは、ステップＳＴ５に進んできた場合には風速が下限風速Ｎｄ以下でコア６ａを抜いて回転し易くすることが望ましく、かつコア６ａが完全に抜けていない状態であることからコア６ａをさらに抜くことができるため、有効磁束を減らして低風速でも回転可能にするためである。すなわち、コア６ａが最奥位置まで入っている状態では大きな磁束の影響を受けて回転できなくても、コア６ａを抜いて磁束を減らすことにより制動トルクが低減され、弱い風力でも回転可能になる。

これにより、コア６ａを完全に入れた状態で大型の発電機に相当する発電特性を有する発電機Ｇであって、そのままでは回転し始めることができないような低風速の風が吹いていても、コア６ａを抜いて磁束の小さな小型発電機相当になることにより、低風速の風でも回転し始めることができる。

その発電要領を図４の特性線図を参照して示す。なお、図は任意の同一回転数におけるものであり、横軸は発電電流であり、縦軸は出力及び効率である。出力線図にあっては、大型（大出力）発電機を実線で示し、小型（小出力）発電機を二点鎖線で示している。大型発電機は上記図示例におけるコア６ａを最奥位置まで入れた状態に相当し、小型発電機はコア６ａを設計位置まで最も抜いた状態に相当する。また、効率にあっては、比較を明確にするために各発電機の最大効率は同じとし、大型発電機は一点鎖線で示し、小型発電機は点線で示している。

図に示されるように、出力特性は発生電流範囲の中間点で最大となる山形をなす。大型発電機の方が最大出力は大きい。効率は、発生電流範囲の０及び最大値の各近傍で低減するが中間部の広い範囲で最大効率となる一定値となっている。

ここで、風速が低い場合すなわち発電量が少ない小出力Ｗ１の場合には、それぞれの出力線図と効率線図との関係から、大型発電機の場合の効率はηｂとなり、小型発電機の場合の効率はηｓとなる。図から分かるように小出力Ｗ１の場合には同じ出力に対して大型発電機よりも小型発電機の方が効率がはるかに高い。したがって、小出力Ｗ１すなわち風速が低い場合には小型発電機の方が効率良く発電できる。しかしながら、小型発電機の最大出力Ｗｓは大型発電機の最大出力Ｗｂに対して小さく、発電施設全体での最大発電量を達成するためには小型発電機の場合には大量に設置しなければならず、高コスト化となる虞がある。

それに対して、本願発明のように可変界磁型の大型発電機を用いることにより、大きな出力が得られると共に、低風速であっても回転し始めることができるため、界磁が固定された大型の発電機では発電できない低風速時でも発電可能となり、高効率発電が可能な風力発電機を実現し得る。したがって、発電施設全体での最大発電量に対して少数の発電機の設置で良く、設置コストを低コスト化し得る。

なお、回転し始めた場合には軸受部が静止摩擦力から動摩擦力になると共に慣性力も生じるため風速が上がらなくても回転し続けることができる。したがって、究極的にコア６ａを完全に抜いて磁束０の状態にしてほぼ抵抗が無い状態で回転し始められるようにして、そのままでは発電できないので、回転し始めたら、静止摩擦力による制動力が低減するため、その低減量に相当する分だけ磁束を増やすことができ、より一層低風速からの発電が可能となる。

なお、上記ステップＳＴ４またはステップＳＴ５で用いる所定量ｄの設定値としては、例えばアクチュエータ１１の回転数換算で設定することができ、１回にコア６ａを移動させる量を予め設定しておくものとする。風力発電機の場合にはそれ程素早い応答制御を行う必要が無く、フィードバック制御を行わなくても良く、上記したようなコア６ａの移動をステップ状に制御するというプログラムの簡略化により、装置の高騰化を防止し得る。

上記ステップＳＴ４またはＳＴ５を経た後、またステップＳＴ４でコア６ａの位置Ｄが０すなわち最奥位置に入っていると判定された場合、あるいはステップＳＴ３でコア６ａの位置Ｄがしきい値（−Ｄｄ）に達していると判定された場合には、それぞれステップＳＴ６に進む。

ステップＳＴ６では、発電電圧Ｖが発電の上限として設定した上限電圧Ｖｄを越えているか否かを判別する。発電電圧Ｖが上限電圧Ｖｄを越えていると判定された場合にはステップＳＴ７に進み、そこでピッチ角θを羽根Ｆに対して風が逃げてしまう所定のピッチ角θ１にする。こうすることにより、ロータ４の回転速度が低減されるため、発電量が下がり、発電電圧の過度状態を防止することができ、発電機Ｇや制御素子が過大な発電により損傷を受けてしまうことがない。

ステップＳＴ６で発電電圧Ｖが上限電圧Ｖｄより低いと判定された場合にはステップＳＴ８に進み、そこでピッチ角θを風力に対して設計による最大効率で羽根Ｆを回転させるピッチ角θｄにする。これにより、ロータ４を最大効率で回転させることができるため、設計通りの発電量が得られるようになる。そして、ステップＳＴ１に戻り、上記フローをくり返す。

なお、界磁を固定した大型発電機において、回転中に風が弱って回転が遅くなると、その回転速度による発電機の出力ポテンシャルが、発電機本来の大出力仕様のため、その時の風のエネルギよりも大きくなり、回転が停止してしまうことがある。そのような場合には制御側で出力を絞る場合があり、例えば出力をチョッピングして入力を低くすることにより回転を続行させることができる。しかしながら、この時はその回路での損失（スイッチング損）が大きくなる。さらに、上記したように効率の悪いところで発電することになり効率的な発電ができるものではないと共に、より低風速からの回転開始に対して解決されていないのに対して、本願発明では単純に磁束を減らすだけのため、上記各問題点は生じない。

また、小型発電機の場合には、例えば発電機の出力がその時の風車の回転数でちょうど入力である風のエネルギと同等であれば発電機の出力を絞らなくても良くなりスイッチング損が無くなるという利点がある。また、小型発電機の方が大型発電機よりも磁気回路からの鉄損が小さく、空回しの時の抵抗が小さくなる。したがって、小型発電機化することにより、回り始めの風速をより低速で可能となる。

なお、上記図示例では、ステータ６をロータ４の軸線方向に出入りさせる構造としたが、マグネット５の磁極面とコア６ａの対向面との有効磁束の増減にあっては、上記軸線方向移動構造に限られるものではなく、マグネットの磁極面とステータの対向面とを互いに近接離反させるラジアル型であっても良い。ラジアル型の場合にはエアギャップの増減により有効磁束を増減することになる。

また、上記図示例では風力発電機に適用した例を示したが、本願発明による発電機によれば、水力発電機やエンジン駆動型発電機（自動車の発電機を含む）、または例えば電動自動車に用いられるモータ発電機（場面に応じて電動機または発電機として使用する）等に適用可能である。何れの場合でも外力が微力な状態から発電可能でありかつ大出力が可能な発電機を提供し得る。

本発明にかかる発電機は、大出力型の発電機であっても小さな外力でも回転し始めることができ、外力が変化する場面に用いられる発電機として有用である。

本発明が適用された風力発電機の発電機部分を示す模式的断面図である。発電制御回路を示すブロック図である。発電制御要領を示すフロー図である。大出力発電機と小出力発電機との特性の比較を示す図である。

符号の説明

４ロータ
５マグネット
６ステータ
７ガイド部材
８スライド部材
１１アクチュエータ
２６位置制御駆動回路
２９風速計
３０風速検出回路
３１ステータ位置設定回路
ＥＣＵ制御回路
Ｇ発電機

Claims

ロータ及びステータとを有し、前記ロータの回転により発電する発電機であって、
前記ロータを回転させる外力の大きさを検出するための外力検出手段と、前記ロータ及び前記ステータ間に通る磁束を増減させる磁束調整手段とを有し、
前記外力検出手段により検出された外力が所定値以下の場合には前記磁束調整手段により前記磁束が最小限となるようにし、前記検出された外力が大きくなるにしたがって前記磁束調整手段により前記磁束を増大させることを特徴とする発電機。
前記外力検出手段が前記外力となる風力を検出する風速計であり、
前記発電機が風力発電機として用いられることを特徴とする請求項１に記載の発電機。