JP2009185782A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電効率を高められ、構成の単純化、小型化および軽量化を図れる発電装置を提供する。
【解決手段】発電装置1の発電機10では、第１および第２のロータ11,13の少なくとも一方の回転に伴い、ステータ12、両ロータ11,13で形成される磁気回路を介して、少なくとも一方の動力を電力に変換し、ステータ12に出力して発電し、発電に伴って発生する回転磁界、第２および第１のロータ13,11が互いの間に回転数の所定の共線関係を保ちながら回転する。また、第１羽根車4は、流体の運動エネルギを回転運動エネルギに変換して第１ロータ11に伝達し、所定方向のうちの一方向に回転させる第１トルクTT1を第１ロータ11に作用させる。第２羽根車6は、流体の運動エネルギを回転運動エネルギに変換して第２ロータ13に伝達し、所定方向のうちの一方向と逆方向に回転させる、第１トルクTT1よりも大きな第２トルクTT2を第２ロータ13に作用させる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、流体の運動エネルギを電気エネルギに変換し、発電する発電装置に関する。

従来、この種の発電装置として、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。この発電装置（以下「第１発電装置」という）は、風力発電装置であり、互いに並列に設けられた第１発電機および第２発電機と、風力を回転動力に変換する第１羽根車および第２羽根車を備えている。これらの第１および第２の羽根車は、互いに逆方向に回転するように構成されており、第１および第２の発電機にそれぞれ連結されている。また、第２発電機と第２羽根車の連結には、第２羽根車を第１羽根車と同心状に近接して配置するために、複数のギヤから成る歯車機構が用いられている。さらに、第２羽根車を駆動するのに必要な駆動力は、第１羽根車よりも小さく設定されている。以上の構成により、この従来の第１発電装置では、第１および第２の羽根車を駆動可能な風力（風速）を小さくすることによって、第１および第２の発電機を含む全体的な発電効率を高めるようにしている。

しかし、この従来の第１発電装置では、その構成上、第２羽根車を上記のように歯車機構を介して第２発電機に連結しなければならないので、この歯車機構における機械的な歯車の噛み合いやフリクションによるトルクの伝達ロスが発生することは避けられず、それにより、発電効率が低下してしまう。また、同じ理由により、その構成が非常に複雑になるとともに、サイズや重量も大きくなる。それに加え、歯車機構におけるバックラッシや潤滑のメンテナンスが必要になるとともに、歯車機構における歯車の噛み合いによって騒音が発生する。

また、従来、発電装置として、例えば特許文献２に開示されたものが知られている。この発電装置（以下「第２発電装置」という）は、風力を回転動力に変換する羽根車と、発電機と、羽根車および発電機を互いに連結する増速機構を備えている。この増速機構は、複数のギヤの組み合わせで構成されており、羽根車の回転を発電に適した回転数に増速して発電機に伝達する。以上により、この従来の第２発電装置では、発電効率を高めるようにしている。

しかし、上述したように、この従来の第２発電装置では、羽根車が、複数のギヤの組み合わせで構成された増速機構を介して発電機に連結されているので、この増速機構における機械的な歯車の噛み合いやフリクションによるトルクの伝達ロスが発生し、その結果、第１発電装置と同様、発電効率が低下してしまう。また、同じ理由により、第１発電装置と同様、構成の複雑化やサイズ・重量の過大化などの不具合が発生することは避けられない。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、発電効率を高めることができるとともに、構成の単純化、小型化および軽量化を図ることができる発電装置を提供することを目的とする。

特開２００３−５６４４６号公報 特許４０３１７４７号

上記の目的を達成するため、請求項１に係る発明は、流体の運動エネルギを電気エネルギに変換し、発電する発電装置１であって、電機子１２ａで構成され、所定方向に回転する回転磁界を発生可能な不動のステータ１２と、ステータ１２に対向するように設けられ、磁石で構成された、所定方向に回転自在の第１ロータ１１と、ステータ１２と第１ロータ１１の間に設けられ、軟磁性体で構成された、所定方向に回転自在の第２ロータ１３とを有し、第１ロータ１１および第２ロータ１３の少なくとも一方が回転するのに伴い、ステータ１２、第１および第２のロータ１１，１３において形成される磁気回路を介して、少なくとも一方の動力を、電力に変換するとともに、ステータ１２に出力することにより発電し、発電に伴ってステータ１２において発生する回転磁界、第２および第１のロータ１３，１１が互いの間に回転数に関する所定の共線関係を保ちながら回転するように構成された発電機１０と、第１ロータ１１に連結され、流体からの運動エネルギの入力により回転することによって、入力された流体の運動エネルギを回転運動エネルギに変換し、第１ロータ１１に伝達するとともに、第１ロータ１１を所定方向のうちの一方向に回転させる、回転運動エネルギによる第１トルクＴＴ１が第１ロータ１１に作用するように構成された第１羽根車４と、第２ロータ１３に連結され、流体からの運動エネルギの入力により回転することによって、入力された流体の運動エネルギを回転運動エネルギに変換し、第２ロータ１３に伝達するとともに、第２ロータ１３を所定方向のうちの一方向と逆方向に回転させる、第１トルクＴＴ１よりも大きな回転運動エネルギによる第２トルクＴＴ２が第２ロータ１３に作用するように構成された第２羽根車６と、を備えることを特徴とする。

この発電装置によれば、発電機では、第１および第２のロータの少なくとも一方が所定方向に回転するのに伴い、ステータ、第１および第２のロータにおいて形成される磁気回路を介して、この一方の動力を、電力に変換し、ステータに出力することにより発電が行われる。また、この発電に伴ってステータで発生する回転磁界と第２ロータと第１ロータが、互いの間に回転数に関する所定の共線関係を保ちながら回転する。このような回転磁界、第１および第２のロータの三者間の速度関係は、遊星歯車装置のサンギヤおよびリングギヤの一方、他方、およびプラネタリギヤを支持するキャリアの回転数の関係に相当する。このため、エネルギの入出力の関係において、ステータはサンギヤおよびリングギヤの一方に、第１ロータは他方に、第２ロータはキャリアに、それぞれ相当する。

また、第１ロータには、第１羽根車が連結されており、この第１羽根車は、入力された流体の運動エネルギ（以下「流体エネルギ」という）を回転運動エネルギに変換し、第１ロータに伝達するとともに、第１ロータを所定方向のうちの一方向に回転させる、回転運動エネルギによる第１トルクが第１ロータに作用するように構成されている。さらに、第２ロータには、第２羽根車が連結されており、この第２羽根車は、入力された流体エネルギを回転運動エネルギに変換し、第２ロータに伝達するとともに、第２ロータを所定方向のうちの一方向と逆方向に回転させる、第１トルクよりも大きな回転運動エネルギによる第２トルクが第２ロータに作用するように構成されている。以上の構成により、エネルギの入出力関係においてキャリアに相当する第２ロータに作用する第２トルクを反力として、サンギヤおよびリングギヤの一方（以下「一方の要素」という）に相当する第１ロータに作用する第１トルクを、他方に相当するステータに電気エネルギとして伝達することができる。また、第２ロータに作用する第２トルクを、第１ロータに作用する第１トルクを反力として、ステータに電気エネルギとして伝達することができる。したがって、第１および第２の羽根車に入力された流体エネルギの双方を、ステータに電気エネルギとして伝達し、発電することができる。

この場合、上記のように、エネルギの入出力関係において、第１および第２のロータは、遊星歯車装置の一方の要素およびキャリアにそれぞれ相当するので、発電中に第２ロータに伝達すべきトルクは、第１ロータに伝達すべきトルクよりも大きい。本発明によれば、第２羽根車から第２ロータに作用する第２トルクが第１羽根車から第１ロータに作用する第１トルクよりも大きくなるように、第１および第２の羽根車が構成されているので、上述したようなステータへの流体エネルギの伝達を適切に行うことができる。また、第１トルクが第２トルクよりも小さく設定されているため、第１羽根車の駆動に必要な最小の流体エネルギは、第２羽根車よりも小さい。したがって、流体エネルギが比較的小さい場合でも、流体エネルギを、第１羽根車および第１ロータを介してステータに電気エネルギとして伝達できるので、発電装置の高い稼働率を得ることができる。さらに、上述したような第１羽根車による第１トルクおよび第２羽根車による第２トルクの設定によって、流体エネルギが比較的大きい場合には、流体エネルギを、第１羽根車および第１ロータと第２羽根車および第２ロータとを介して、ステータに電気エネルギとして伝達できるので、高い発電効率を得ることができる。

また、発電中、発電機では、第１および第２のロータからステータへのエネルギの伝達が、磁気回路を介した非接触による、いわゆる磁気パスによって行われるので、その伝達効率は、前述した従来の場合のように歯車機構を介して行う場合よりも高い。さらに、発電機、第１および第２の羽根車のみによって、流体エネルギを電気エネルギに変換し、発電することができるので、前述した従来の第１発電装置と異なり、歯車機構は不要である。以上により、従来の場合と比較して、発電効率を高めることができるとともに、構成の単純化、小型化および軽量化を図ることができる。それに加え、歯車機構におけるバックラッシや潤滑のメンテナンスは不要であり、歯車機構における歯車の噛み合いによる騒音が発生することはない。

また、上述したように第１羽根車による第１トルクおよび第２羽根車による第２トルクが互いに逆向きのトルクであるため、両羽根車は、互いに逆方向に回転する。したがって、第１羽根車の回転に伴って第１羽根車から第１ロータに作用する反力と、第２羽根車の回転に伴って第２羽根車から第２ロータに作用する反力は、互いに打ち消し合うように作用する。このため、発電装置を取り付けるための基台のサイズを小さくすることができ、設置コストの削減を図ることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発電装置１において、所定の共線関係において、回転磁界の回転数と第２ロータ１３の回転数の差と、第２ロータ１３の回転数と第１ロータ１１の回転数の差との比は、１：１であり、第１および第２の羽根車４，６は、第１トルクＴＴ１と第２トルクＴＴ２との比が１：２になるように構成されていることを特徴とする。

この構成によれば、回転磁界の回転数と第２ロータの回転数の差と、第２ロータの回転数と第１ロータの回転数の差との比が１：１に設定されている。ステータで発電される電力および回転磁界と等価のトルクを発電用等価トルクとすると、前述したようなステータ、第１および第２のロータ間のエネルギの入出力関係と上記の回転数の関係から、この発電用等価トルクＴＧと、第１ロータに伝達されるトルクＴ１と、第２ロータに伝達されるトルクＴ２との間の釣り合い関係は、ＴＧ＋Ｔ２＋Ｔ１＝０およびＴＧ＝Ｔ１で表される。また、これらのトルクのトルク比は、｜ＴＧ｜：｜Ｔ２｜：｜Ｔ１｜＝１：２：１で表される。そのようなトルクの関係にある第１および第２のロータに対し、第１ロータに作用する第１トルクと第２ロータに作用する第２トルクとの比が、１：２に設定されているので、流体エネルギを、第１および第２のロータを介してステータに電気エネルギとしてより適切に伝達でき、したがって、高い発電効率を確実に得ることができる。

前記目的を達成するため、請求項３に係る発明は、流体の運動エネルギを電気エネルギに変換し、発電する発電装置１Ａであって、所定方向に並んだ複数の第１電機子（実施形態における（以下、本項において同じ）電機子１２ａ）で構成され、複数の第１電機子で発生する磁極により、所定方向に回転する第１回転磁界を発生可能な第１電機子列（第２ステータ５３）と、所定方向に並んだ複数の第１磁極（永久磁石１１ａ、電磁石５２ａ）で構成され、隣り合う各２つの第１磁極が互いに異なる極性を有するとともに第１電機子列に対向するように配置された第１磁極列（第１ステータ５２）と、互いに所定の間隔で所定方向に並んだ複数の第１軟磁性体（第１コア１３ａ）で構成され、第１電機子列と第１磁極列の間に配置された第１軟磁性体列（ロータ５４）と、所定方向に並んだ複数の第２電機子（電機子１２ａ）で構成され、複数の第２電機子で発生する磁極により、所定方向に回転する第２回転磁界を発生可能な第２電機子列（第２ステータ５３）と、所定方向に並んだ複数の第２磁極（永久磁石１１ａ、電磁石５２ａ）で構成され、隣り合う各２つの第２磁極が互いに異なる極性を有するとともに第２電機子列に対向するように配置された第２磁極列（第１ステータ５２）と、互いに所定の間隔で所定方向に並んだ複数の第２軟磁性体（第２コア１３ｂ）で構成され、第２電機子列と第２磁極列の間に配置された第２軟磁性体列（ロータ５４）と、第１および第２の電機子列ならびに第１および第２の磁極列が設けられた不動部材（ケースＣ２）と、所定方向に回転可能に構成され、第１および第２の軟磁性体列が設けられた回転部材（回転軸５１）と、を有し、第１電機子の各磁極および各第１磁極が互いに対向する第１対向位置にあるときには、第２電機子の各磁極および各第２磁極が互いに対向する第２対向位置に位置し、第１対向位置に位置する第１電機子の各磁極および各第１磁極が互いに異なる極性のときには、第２対向位置に位置する第２電機子の各磁極および各第２磁極が互いに同一極性を示し、第１対向位置に位置する第１電機子の各磁極および各第１磁極が互いに同一極性のときには、第２対向位置に位置する第２電機子の各磁極および各第２磁極が互いに異なる極性を示し、第１電機子の各磁極および各第１磁極が第１対向位置にある場合において、各第１軟磁性体が第１電機子の磁極とそれに対向する第１磁極との間に位置するときには、各第２軟磁性体が所定方向に隣り合う２組の第２電機子の磁極と第２磁極の間に位置するとともに、各第２軟磁性体が第２電機子の磁極とそれに対向する第２磁極との間に位置するときには、各第１軟磁性体が所定方向に隣り合う２組の第１電機子の磁極と第１磁極の間に位置するように構成された発電機５０と、回転部材に連結され、入力された流体の運動エネルギを回転運動エネルギに変換し、回転部材に伝達する回転機構（羽根車４０）と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、発電機では、互いに対向する第１電機子列と第１磁極列の間に、第１軟磁性体列が配置されており、第１電機子列、第１磁極列および第１軟磁性体列をそれぞれ構成する複数の第１電機子、第１磁極および第１軟磁性体は、所定方向に並んでいる。また、隣り合う各２つの第１軟磁性体間には、所定の間隔があいている。さらに、互いに対向する第２電機子列と第２磁極列の間に、第２軟磁性体列が配置されており、第２電機子列、第２磁極列および第２軟磁性体列をそれぞれ構成する複数の第２電機子、第２磁極および第２軟磁性体は、所定方向に並んでいる。また、隣り合う各２つの第２軟磁性体間には、所定の間隔があいている。さらに、第１および第２の電機子列と第１および第２の磁極列は、不動部材に設けられており、第１および第２の軟磁性体列は、所定方向に回転可能な可動部材に設けられている。また、回転部材には回転機構が連結されており、この回転機構は、入力された流体エネルギ（流体の運動エネルギ）を回転運動エネルギに変換し、回転部材に伝達する。

以上の構成の発電機の動作について、発電機を電動機として用いた場合の動作に基づいて説明する。まず、第１および第２の電機子に電力を供給し、それにより、第１および第２の電機子列において、第１および第２の回転磁界をそれぞれ発生させる。上記のように、第１軟磁性体列が第１電機子列と第１磁極列の間に配置されているので、各第１軟磁性体は、第１電機子で発生する磁極（以下「第１電機子磁極」という）と第１磁極によって磁化される。このように各第１軟磁性体が磁化されることと、隣り合う各２つの第１軟磁性体の間に間隔があいていることによって、第１電機子磁極、第１軟磁性体および第１磁極の間に磁力線（以下「第１磁力線」という）が、発生する。同様に、第２軟磁性体列が第２電機子列と第２磁極列の間に配置されているので、各第２軟磁性体は、第２電機子で発生する磁極（以下「第２電機子磁極」という）と第２磁極によって磁化される。このように、各第２軟磁性体が磁化されることと、隣り合う各２つの第２軟磁性体の間に間隔があいていることによって、第２電機子磁極、第２軟磁性体および第２磁極の間に磁力線（以下「第２磁力線」という）が、発生する。

第１および第２の回転磁界の発生時、第１対向位置にある各第１電機子磁極および各第１磁極が互いに異なる極性を示している状態で、各第１軟磁性体が第１電機子磁極とそれに対向する第１磁極との間に位置しているときには、第１磁力線は、その長さが最短になり、その総磁束量が最多になる。また、この状態では、第２対向位置に位置する各第２電機子磁極および各第２磁極が互いに同一極性を示すとともに、各第２軟磁性体が、所定方向に隣り合う２組の第２電機子磁極と第２磁極の間に位置する。この状態では、第２磁力線は、その曲がり度合いが大きいとともに、長さが最長になり、総磁束量が最少になる。

一般に、極性が互いに異なる２つの磁極の間に軟磁性体が介在することにより磁力線が曲がると、これらの軟磁性体および２つの磁極には、磁力線の長さが短くなるように磁力が作用し、この磁力は、磁力線の曲がり度合いが大きいほど、また、磁力線の総磁束量が多いほど、より大きくなるという特性を有している。このため、第１磁力線の曲がり度合いが大きいほど、また、その総磁束量が多いほど、第１軟磁性体には、より大きな磁力が作用する。すなわち、第１軟磁性体に作用する磁力（以下「第１磁力」という）は、第１磁力線の曲がり度合いおよびその総磁束量に応じた大きさになるという特性を有している。このことは、第２軟磁性体に作用する磁力にも、同様に当てはまる。なお、第２軟磁性体に作用する磁力を、以下「第２磁力」という。

このため、前述したように、互いに異なる極性の第１電機子磁極と第１磁極の間に各第１軟磁性体が位置している状態から、第１回転磁界が所定方向に回転し始めると、総磁束量が多い状態の第１磁力線が曲がり始めるので、比較的強い第１磁力が第１軟磁性体に作用する。それにより、第１軟磁性体が設けられた回転部材が、第１回転磁界の回転方向に、大きな駆動力で駆動される。また、第１回転磁界が回転するのと同時に、第２回転磁界が所定方向に回転するのに伴い、各第２電機子磁極は、同一極性の第２磁極と対向する第２対向位置から、この同一極性の各第２磁極に隣接する異なる極性の各第２磁極側に位置する。この状態では、第２磁力線の曲がり度合いは大きいものの、その総磁束量が少ないため、比較的弱い第２磁力が第２軟磁性体に作用する。それにより、第２軟磁性体が設けられた回転部材が、第２回転磁界の回転方向に、小さな駆動力で駆動される。

そして、第１回転磁界がさらに回転すると、第１磁力線の曲がり度合いは増大するものの、第１電機子磁極とこれと異なる極性の第１磁極との間の距離が長くなるのに伴い、第１磁力線の総磁束量が少なくなる結果、第１磁力が弱くなり、第１軟磁性体を介して回転部材に作用する駆動力（以下「第１駆動力」という）が小さくなる。そして、各第１電機子磁極がこれと同一極性の各第１磁極に対向する第１対向位置に位置すると、各第１軟磁性体が、所定方向に隣り合う２組の第１電機子磁極と第１磁極の間に位置するようになることによって、第１磁力線の曲がり度合いは大きいものの、総磁束量が最少になり、その結果、第１磁力が最弱になり、第１駆動力が最小になる。

また、上記のように第１回転磁界が回転するのと同時に、第２回転磁界が回転するのに伴って、各第２電機子磁極は、同一極性の各第２磁極と対向する第２対向位置から、この同一極性の各第２磁極に隣接する異なる極性の各第２磁極側に位置する。この状態では、第２磁力線の曲がり度合いは小さくなるものの、その総磁束量が多くなる結果、第２磁力が強くなり、第２軟磁性体を介して回転部材に作用する駆動力（以下「第２駆動力」という）が増大する。そして、各第２電機子磁極がこれと異なる極性の各第２磁極に対向する第２対向位置に位置すると、第２磁力線の総磁束量が最も多くなるとともに、各第２軟磁性体が第２電機子磁極に対して若干遅れた状態で回転することによって、第２磁力線に曲がりが生じる。このように、総磁束量が最も多い第２磁力線に曲がりが生じていることによって、第２磁力が最強になり、第２駆動力が最大になる。

また、上記のように第１駆動力がほぼ最小でかつ第２駆動力がほぼ最大の状態から、第１回転磁界がさらに回転すると、第１磁力線の曲がり度合いは小さくなるものの、その総磁束量が多くなる結果、第１磁力が強くなり、第１駆動力が増大する。そして、各第１電機子磁極がこれと異なる極性の各第１磁極に対向する第１対向位置に位置すると、第１磁力線の総磁束量が最も多くなるとともに、各第１軟磁性体が第１電機子磁極に対して若干遅れた状態で回転することによって、第１磁力線に曲がりが生じる。このように、総磁束量が最も多い第１磁力線に曲がりが生じていることによって、第１磁力が最強になり、第１駆動力が最大になる。

さらに、上記のような第１回転磁界の回転と同時に、第２回転磁界が回転するのに伴って、各第２電機子磁極は、これと異なる極性の各第２磁極と対向する第２対向位置から、この異なる極性の各第２磁極に隣接する同一極性の各第２磁極側に位置する。この状態では、第２磁力線の曲がり度合いは大きくなるものの、その総磁束量が少なくなる結果、第２磁力がより弱くなり、第２駆動力がより小さくなる。そして、各第２電機子磁極が同一極性の各第２磁極に対向する第２対向位置に位置すると、各第２軟磁性体が所定方向に隣り合う２組の第２電機子磁極および第２磁極の間に位置するようになることによって、第２磁力線の曲がり度合いは大きいものの、その総磁束量が最少になる結果、第２磁力が最弱になり、第２駆動力が最小になる。

以上のように、第１および第２の回転磁界の回転に伴い、第１および第２の駆動力が、交互に大きくなったり、小さくなったりする状態を繰り返しながら、回転部材が駆動される。したがって、回転部材から実際に出力される動力は、第１および第２の駆動力を足し合わせたものとなり、ほぼ一定になる。また、この場合、第１および第２の軟磁性体はそれぞれ、第１磁力線で結ばれた第１電機子磁極と第１磁極の間、および、第２磁力線で結ばれた第２電機子磁極と第２磁極の間に位置した状態で、第１および第２の回転磁界の回転方向に回転するので、回転部材の回転数は、第１および第２の回転磁界よりも小さくなる。

以上のように第１および第２の電機子に供給した電力を動力に変換し、回転部材に出力できることから、これとは逆に、流体から回転機構を介して回転部材に入力した動力を電力に変換し、発電することができる。また、この発電中、上述した電力供給中の動作から明らかなように、発電に伴って発生する第１および第２の回転磁界の回転数は、回転部材よりも高くなる。これにより、回転機構からの動力の入力により回転する回転部材の回転数が低い場合に、回転機構からの動力を増速して回転部材に伝達しなくても、第１および第２の回転磁界の回転数は、発電に適した高さに維持される。したがって、回転機構と回転部材の間に増速機構を設ける必要がなく、それにより、前述した従来の第２発電装置と比較して、発電効率を高めることができるとともに、構成の単純化、小型化および軽量化を図ることができる。それに加え、増速機構におけるバックラッシや潤滑のメンテナンスは不要であり、増速機構における歯車の噛み合いによる騒音が発生することはない。

なお、本明細書において、「第１電機子磁極（第２電機子磁極）および第１磁極（第２磁極）が互いに対向する位置にある」には、両者の中心が所定方向においてまったく同じ位置にあることに限らず、若干ずれた位置にあることも含まれる。また、各要素における損失はないものとする。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載の発電装置１Ａにおいて、第１および第２の磁極は、永久磁石１１ａの磁極で構成されていることを特徴とする。

この構成によれば、第１および第２の磁極として永久磁石の磁極を用いるので、これらの磁極として電磁石の磁極を用いた場合と異なり、電磁石に電力を供給するための電気回路やコイルが不要になる。これにより、さらなる構成の単純化、小型化および軽量化を図ることができる。

請求項５に係る発明は、請求項３に記載の発電装置１Ａにおいて、第１および第２の磁極は、電磁石５２ａの磁極で構成されていることを特徴とする。

一般に、発電装置では、高い稼働率を得るために、流体エネルギを回転運動エネルギに変換する回転機構を、その駆動に必要なトルクが小さくなるように構成した場合、流体エネルギが大きいときには、発電機の回転子の回転数が高くなり、それにより、発電に伴って電機子で発生する回転磁界の回転数が高くなる結果、電機子で発生する鉄損（高周波成分の損失）が極めて大きくなる。また、電機子を鎖交する磁束量が多いほど、電機子で発生する誘導起電力がより大きくなるとともに、回転子を回転させるのに必要な駆動力がより大きくなり、回転機構から入力された同じ動力に対して、発電する電力は変わらずに、回転子の回転数が低くなる。

上述した構成によれば、第１および第２の磁極が電磁石の磁極で構成されている。このため、例えば、第１および第２の回転磁界の回転数が高いことにより鉄損が大きくなるようなときに、第１および第２の磁極を構成する電磁石への供給電流を制御することにより、第１および第２の磁極の磁束量を増大させることによって、回転部材とともに第１および第２の回転磁界の回転数を低下させられるので、鉄損を小さくすることができ、したがって、発電効率を高めることができる。これにより、回転機構として、その駆動に必要なトルクが小さなものを採用することが可能であり、それにより、発電装置の高い稼働率を得ることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の第１実施形態による発電装置１について説明する。なお、後述する図面では、ハッチングを適宜、省略するものとする。この発電装置１は、風力発電装置であり、図１〜図３に示すように、柱状の基台２と、基台２の上端部に設けられたケース状のナセル３と、風力を回転動力に変換する第１羽根車４および第２羽根車６と、これらの第１および第２の羽根車４，６に連結された発電機１０とを備えている。

第１羽根車４は、ほぼ円錐状のハブ４ａと、このハブ４ａに固定された３つの羽根４ｂ，４ｂ，４ｂなどで構成されている。これらの羽根４ｂ，４ｂ，４ｂは、ハブ４ａの周方向に等間隔に配置されており、ハブ４ａの径方向に延びている。また、ハブ４ａには、第１回転軸５が同心状に取り付けられている。この第１回転軸５は、その一部がナセル３に収容され、ナセル３に設けられた軸受け（図示せず）に回転自在に支持されており、第１羽根車４と一体に回転する。

また、第２羽根車６は、リング状のハブ６ａと、このハブ６ａに固定された３つの羽根６ｂ，６ｂ，６ｂなどで構成されている。これらの羽根６ｂ，６ｂ，６ｂは、ハブ６ａの周方向に等間隔に配置されており、ハブ６ａの径方向に延びている。また、第２羽根車６のハブ６ａには、中空に形成された第２回転軸７が同心状に取り付けられている。この第２回転軸７は、その一部がナセル３に収容され、ナセル３に設けられた軸受け（図示せず）に回転自在に支持されており、第２羽根車６と一体に回転する。さらに、ハブ６ａおよび第２回転軸７の内側には、上記の第１回転軸６が回転自在に嵌合している。また、第２羽根車６は、第１羽根車４よりもナセル３側の位置に、第１羽根車４と同心状に近接して配置されている。なお、図２および図３や後述する他の図面では、第２回転軸７などの一部の要素を、図示の便宜上、スケルトン図的に描いている。

また、発電機１０は、ナセル３に収容されており、図３および図５に示すように、第１ロータ１１と、第１ロータ１１に対向するように配置されたステータ１２と、両者１１，１２の間に所定の間隔を存した状態で設けられた第２ロータ１３とを有している。これらの第１ロータ１１、第２ロータ１３およびステータ１２は、第１回転軸５の径方向に、内側からこの順で並んでいる。また、第１および第２のロータ１１，１３は、第１および第２の回転軸５，７にそれぞれ連結されており、ステータ１２は移動不能のケースＣ１に固定されている。以下、図５の左側を「左」、右側を「右」として説明する。

第１ロータ１１は、２ｎ（ｎは整数）個の永久磁石１１ａを有しており、これらの永久磁石１１ａは、第１回転軸５の周方向（以下、単に「周方向」という）に等間隔で並んだ状態で、リング状の固定部１１ｂの外周面に取り付けられている。各永久磁石１１ａは、第１回転軸５の軸線方向（以下、単に「軸線方向」という）に直交する断面がほぼ扇形状になっており、軸線方向に若干延びている。上記の固定部１１ｂは、軟磁性体、例えば鉄で構成されており、その内周面が、第１回転軸５に一体に取り付けられている。以上によりい、永久磁石１１ａすなわち第１ロータ１１は、第１回転軸５を介して第１羽根車４に連結（直結）されており、第１羽根車４と一体に回転する。

また、図６に示すように、第１回転軸５を中心として周方向に隣り合う各２つの永久磁石１１ａがなす中心角は、所定角度θである。また、永久磁石１１ａの極性は、周方向に隣り合う各２つについては互いに異なっている。以下、永久磁石１１ａの左側および右側の磁極をそれぞれ、「第１磁極」および「第２磁極」という。

ステータ１２は、回転磁界を発生させるものであり、周方向に等間隔で並んだ３ｎ個の電機子１２ａを有している。各電機子１２ａは、鉄芯１２ｂと、鉄芯１２ｂに巻回されたコイル１２ｃなどで構成されている。鉄芯１２ｂは、軸線方向に直交する断面がほぼ扇形状になっており、軸線方向に永久磁石１１ａとほぼ同じ長さを有している。鉄芯１２ｂの内周面の軸線方向の中央部には、周方向に延びる溝１２ｄが形成されている。３ｎ個のコイル１２ｃは、ｎ組のＵ相、Ｖ相およびＷ相の３相コイルを構成している（図６参照）。また、電機子１２ａは、不動のケースＣ１にリング状の固定部１２ｅを介して取り付けられており、回転不能になっている。以上のような電機子１２ａおよび永久磁石１１ａの数と配置から、ある１つの電機子１２ａの中心が、永久磁石１１ａの中心と周方向に一致したときには、その電機子１２ａに対して同じ相のコイルを有する２つおきの電機子１２ａの中心と、その永久磁石１１ａに対して同じ極性を有する１つおきの永久磁石１１ａの中心とが、周方向に一致する。

さらに、図３に示すように、ステータ１２には、第１パワードライブユニット（以下「ＰＤＵ」という）３１が接続されている。この第１ＰＤＵ３１は、インバータなどの電気回路で構成されており、図４に示すように、後述するＥＣＵ３２に接続されている。また、電機子１２ａは、電力が供給されたときや発電したときに、鉄芯１２ｂの左右の端部に、互いに異なる極性の磁極がそれぞれ発生するように構成されている。さらに、これらの磁極の発生に伴って、第１ロータ１１の左側（第１磁極側）の部分との間および右側（第２磁極側）の部分との間に、第１および第２の回転磁界が周方向に回転するようにそれぞれ発生する。以下、鉄芯１２ｂの左右の端部に発生する磁極をそれぞれ、「第１電機子磁極」および「第２電機子磁極」という。また、これらの第１および第２の電機子磁極の数はそれぞれ、永久磁石１１ａの磁極の数と同じ、すなわち２ｎである。さらに、以上の構成から明らかなように、上述した所定角度θは、電機子１２ａに供給される交流電流の位相が１周期分、変化するまでの第１および第２の電機子磁極の回転角度の１／２に設定されている。

第２ロータ１３は、複数の第１コア１３ａおよび第２コア１３ｂを有している。第１および第２のコア１３ａ，１３ｂはそれぞれ、周方向に等間隔で並んでおり、両者１３ａ，１３ｂの数はいずれも、永久磁石１１ａと同じ、すなわち２ｎに設定されている。したがって、第１回転軸５を中心として、周方向に隣り合う各２つの第１コア１３ａがなす中心角は、所定角度θであり、このことは、第２コア１３ｂについても同様である。各第１コア１３ａは、軟磁性体、例えば複数の鋼板を積層したもので、軸線方向に直交する断面がほぼ扇形状になっており、軸線方向に永久磁石１１ａのほぼ半分の長さで延びている。各第２コア１３ｂは、第１コア１３ａと同様、複数の鋼板を積層したもので、軸線方向に直交する断面がほぼ扇形状になっており、軸線方向に永久磁石１１ａのほぼ半分の長さで延びている。

また、軸線方向において、第１コア１３ａは、第１ロータ１１の左側（第１磁極側）の部分とステータ１２の左側（第１電機子磁極側）の部分との間に配置され、第２コア１３ｂは、第１ロータ１１の右側（第２磁極側）の部分とステータ１２の右側（第２電機子磁極側）の部分との間に配置されている。さらに、第２コア１３ｂは、第１コア１３ａに対して周方向に互い違いに並んでおり、その中心が、第１コア１３ａの中心に対して、前述した所定角度θの１／２、ずれている（図６参照）。

また、第１および第２のコア１３ａ，１３ｂはそれぞれ、ドーナツ板状のフランジ１３ｄの外端部に、軸線方向に若干延びる棒状の連結部１３ｃを介して取り付けられている。フランジ１３ｄは、第２回転軸７に一体に同心状に設けられている。以上により、第１および第２のコア１３ａ，１３ｂすなわち第２ロータ１３は、第２回転軸７を介して第２羽根車６に連結（直結）されており、第２羽根車６と一体に回転する。

以上の構成の発電機１０では、図６に示すように、第１および第２の回転磁界の発生中、各第１電機子磁極の極性が、それに対向する各第１磁極の極性と異なるときには、各第２電機子磁極の極性は、それに対向する各第２磁極の極性と同じになる。また、各第１磁極と各第１電機子磁極の間に、各第１コア１３ａが位置しているときには、各第２コア１３ｂが、周方向に隣り合う各２組の第２電機子磁極と第２磁極の間に位置する。さらに、図示しないが、第１および第２の回転磁界の発生中、各第２電機子磁極の極性が、それに対向する各第２磁極の極性と異なるときには、各第１電機子磁極の極性は、それに対向する各第１磁極の極性と同じになる。また、各第２磁極と各第２電機子磁極の間に、各第２コア１３ｂが位置しているときには、各第１コア１３ａが、周方向に隣り合う各２組の第１電機子磁極と第１磁極の間に位置する。なお、実際には、２ｎ個の第１および第２の電機子磁極がそれぞれ、周方向に等間隔で発生し、第１回転軸５を中心として周方向に隣り合う各２つの電機子磁極がなす中心角は、所定角度θであるが、図６では、便宜上、対応する電機子１２ａに、第１および第２の電機子磁極を（Ｎ）および（Ｓ）で表記している。

また、発電機１０は、第１および第２のロータ１１，１３で回転動力を入出力するとともに、ステータ１２で電力を入出力する遊星歯車装置とみなすことができる。以下、この点に関し、発電機１０を電動機として用いた場合の動作、すなわち、電機子１２ａに電力を供給することによって、第１および第２の回転磁界を発生させた場合の動作に基づいて説明する。上述した図６では、展開図として示したために、電機子１２ａおよび固定部１２ｅが２つに分かれているように示されているものの、これらは実際には１つのものであるので、図６の構成を、それと等価のものとして、図７のように示すことができる。このため、以下、発電機１０の動作を、永久磁石１１ａ、電機子１２ａ、第１および第２のコア１３ａ，１３ｂが、図７に示すように配置されているものとして説明する。

また、この動作説明を、説明の便宜上、第１および第２の回転磁界の動きを、それと等価の、永久磁石１１ａと同数の２ｎ個の仮想の永久磁石（以下「仮想磁石」という）ＶＭの物理的な動きに置き換えて説明するものとする。また、仮想磁石ＶＭの左側（第１磁極側）および右側（第２磁極側）の磁極をそれぞれ、第１および第２の電機子磁極として、第１ロータ１１の左側（第１磁極側）の部分との間および右側（第２磁極側）の部分との間にそれぞれ発生する回転磁界を、第１および第２の回転磁界として、説明するものとする。さらに、以下、永久磁石１１ａの左側の部分および右側の部分を、第１磁石部および第２磁石部という。

まず、発電機１０の動作として、第１ロータ１１を回転不能にした状態で、ステータ１２への電力供給により第１および第２の回転磁界を発生させた場合の動作について説明する。

図８（ａ）に示すように、各第１コア１３ａが各第１磁石部に対向するとともに、各第２コア１３ｂが隣り合う各２つの第２磁石部の間に位置した状態から、第１および第２の回転磁界を、同図の下方に回転させるように発生させる。その発生の開始時においては、各第１電機子磁極の極性を、それに対向する各第１磁極の極性と異ならせるとともに、各第２電機子磁極の極性をそれに対向する各第２磁極の極性と同じにする。

第１コア１３ａは、前述したように配置されているので、第１磁極および第１電機子磁極によって磁化されるとともに、第１磁極、第１コア１３ａおよび第１電機子磁極の間に、磁力線（以下「第１磁力線」という）Ｇ１が発生する。同様に、第２コア１３ｂは、前述したように配置されているので、第２電機子磁極および第２磁極によって磁化されるとともに、第２電機子磁極、第２コア１３ｂおよび第２磁極の間に、磁力線（以下「第２磁力線」という）Ｇ２が発生する。

図８（ａ）に示す状態では、第１磁力線Ｇ１は、第１磁極、第１コア１３ａおよび第１電機子磁極を結ぶように発生し、第２磁力線Ｇ２は、周方向に隣り合う各２つの第２電機子磁極と両者の間に位置する第２コア１３ｂを結ぶように、また、周方向に隣り合う各２つの第２磁極と両者の間に位置する第２コア１３ｂを結ぶように発生する。その結果、この状態では、図１０（ａ）に示すような磁気回路が形成される。この状態では、第１磁力線Ｇ１が直線状であることにより、第１コア１３ａには、周方向に回転させるような磁力は作用しない。また、周方向に隣り合う各２つの第２電機子磁極と第２コア１３ｂの間の２つの第２磁力線Ｇ２の曲がり度合いおよび総磁束量が互いに等しく、同様に、周方向に隣り合う各２つの第２磁極と第２コア１３ｂの間の２つの第２磁力線Ｇ２の曲がり度合いおよび総磁束量も、互いに等しく、バランスしている。このため、第２コア１３ｂにも、周方向に回転させるような磁力は作用しない。

そして、仮想磁石ＶＭが図８（ａ）に示す位置から図８（ｂ）に示す位置に回転すると、第２電機子磁極、第２コア１３ｂおよび第２磁極を結ぶような第２磁力線Ｇ２が発生するとともに、第１コア１３ａと第１電機子磁極の間の第１磁力線Ｇ１が、曲がった状態になる。また、これに伴い、第１および第２の磁力線Ｇ１，Ｇ２によって、図１０（ｂ）に示すような磁気回路が形成される。

この状態では、第１磁力線Ｇ１の曲がり度合いは小さいものの、その総磁束量が多いため、比較的強い磁力が第１コア１３ａに作用する。これにより、第１コア１３ａは、仮想磁石ＶＭの回転方向、すなわち第１および第２の回転磁界の回転方向（以下「磁界回転方向」という）に、比較的大きな駆動力で駆動され、その結果、第２ロータ１３が磁界回転方向に回転する。また、第２磁力線Ｇ２の曲がり度合いは大きいものの、その総磁束量が少ないため、比較的弱い磁力が第２コア１３ｂに作用し、それにより、第２コア１３ｂは、磁界回転方向に比較的小さな駆動力で駆動され、その結果、第２ロータ１３が磁界回転方向に回転する。

次いで、仮想磁石ＶＭが、図８（ｂ）に示す位置から、図８（ｃ），（ｄ）および図９（ａ），（ｂ）に示す位置に順に回転すると、第１および第２のコア１３ａ，１３ｂはそれぞれ、第１および第２の磁力線Ｇ１，Ｇ２による磁力によって磁界回転方向に駆動され、その結果、第２ロータ１３が磁界回転方向に回転する。その間、第１コア１３ａに作用する磁力は、第１磁力線Ｇ１の曲がり度合いが大きくなるものの、その総磁束量が少なくなることによって、徐々に弱くなり、第１コア１３ａを磁界回転方向に駆動する駆動力が、徐々に小さくなる。また、第２コア１３ｂに作用する磁力は、第２磁力線Ｇ２の曲がり度合いが小さくなるものの、その総磁束量が多くなることによって、徐々に強くなり、第２コア１３ｂを磁界回転方向に駆動する駆動力が、徐々に大きくなる。

そして、仮想磁石ＶＭが図９（ｂ）に示す位置から図９（ｃ）に示す位置に回転する間、第２磁力線Ｇ２が曲がった状態になるとともに、その総磁束量が最多に近い状態になり、その結果、最強の磁力が第２コア１３ｂに作用し、第２コア１３ｂに作用する駆動力が最大になる。その後、図９（ｃ）に示すように、仮想磁石ＶＭが第１および第２の磁石部に対向する位置に回転すると、互いに対向する第１電機子磁極および第１磁極が互いに同一極性になり、第１コア１３ａが、周方向に隣り合う２組の同一極性の第１電機子磁極および第１磁極の間に位置するようになる。この状態では、第１磁力線Ｇ１の曲がり度合いが大きいものの、その総磁束量が少ないことによって、第１コア１３ａには、磁界回転方向に回転させるような磁力が作用しない。また、互いに対向する第２電機子磁極および第２磁極が互いに異なる極性になる。

この状態から、仮想磁石ＶＭがさらに回転すると、第１および第２の磁力線Ｇ１，Ｇ２による磁力によって、第１および第２のコア１３ａ，１３ｂが磁界回転方向に駆動され、第２ロータ１３が磁界回転方向に回転する。その際、仮想磁石ＶＭが図８（ａ）に示す位置まで回転する間、以上とは逆に、第１コア１３ａに作用する磁力は、第１磁力線Ｇ１の曲がり度合が小さくなるものの、その総磁束量が多くなることによって強くなり、第１コア１３ａに作用する駆動力が大きくなる。逆に、第２コア１３ｂに作用する磁力は、第２磁力線Ｇ２の曲がり度合が大きくなるものの、その総磁束量が少なくなることによって弱くなり、第２コア１３ｂに作用する駆動力が小さくなる。

以上のように、仮想磁石ＶＭの回転、すなわち第１および第２の回転磁界の回転に伴い、第１および第２のコア１３ａ，１３ｂにそれぞれ作用する駆動力が、交互に大きくなったり、小さくなったりする状態を繰り返しながら、第２ロータ１３が磁界回転方向に回転する。この場合、第１および第２のコア１３ａ，１３ｂを介して伝達されるトルクをＴ１３ａ，Ｔ１３ｂとすると、第２ロータ１３に伝達されるトルク（以下「第２ロータ伝達トルク」という）ＴＲ２と、これら２つのトルクＴ１３ａ，Ｔ１３ｂとの関係は、概ね図１１に示すものになる。同図に示すように、２つのトルクＴ１３ａ，Ｔ１３ｂは、同じ周期でほぼ正弦波状に変化するとともに、位相が半周期分、互いにずれている。また、第２ロータ１３には第１および第２のコア１３ａ，１３ｂが連結されているため、第２ロータ伝達トルクＴＲ２は、上記のように変化する２つのトルクＴ１３ａ，Ｔ１３ｂを足し合わせたものとなり、ほぼ一定になる。

また、第１および第２の磁力線Ｇ１，Ｇ２による磁力の作用によって、第１コア１３ａが、第１磁力線Ｇ１で結ばれた第１磁極と第１電機子磁極の中間に位置し、かつ、第２コア１３ｂが、第２磁力線Ｇ２で結ばれた第２磁極と第２電機子磁極の中間に位置した状態を保ちながら、第２ロータ１３が回転する。このため、第１および第２の回転磁界の回転数（以下「磁界回転数」という）ＮＭＦと、第１ロータ１１の回転数（以下「第１ロータ回転数」という）ＮＲ１と、第２ロータ１３の回転数（以下「第２ロータ回転数」という）ＮＲ２との間には一般に、次式（１）が成立する。
ＮＲ２＝（ＮＭＦ＋ＮＲ１）／２ ……（１）
また、この式（１）を変形すると、次式（２）が得られる。
ＮＭＦ−ＮＲ２＝ＮＲ２−ＮＲ１ ……（２）

これらの式（１）および（２）から明らかなように、第２ロータ回転数ＮＲ２は、磁界回転数ＮＭＦと第１ロータ回転数ＮＲ１との平均速度に等しく、換言すれば、磁界回転数ＮＭＦと第２ロータ回転数ＮＲ２との差は、第２ロータ回転数ＮＲ２と第１ロータ回転数ＮＲ１との差に等しい。このように、磁界回転数ＮＭＦ、第１および第２のロータ回転数ＮＲ１，ＮＲ２は、共線関係にある。

以上から、上述した第１ロータ回転数ＮＲ１が値０のときには、ＮＲ２＝ＮＭＦ／２が成立し、このときの磁界回転数ＮＭＦ、第１および第２のロータ回転数ＮＲ１，ＮＲ２の関係は、例えば図１２（ａ）のように示される。同図は、いわゆる速度共線図であり、この速度共線図および後述する他の速度共線図では、値０を示す横線に交わる縦線は、各要素の回転数を表すためのものであり、この縦線上に表される白丸と横線との隔たりが、各要素の回転数に相当する。なお、図１２や後述する他の速度共線図では、便宜上、この白丸の付近に各要素の回転数を表す符号を表記している。上記のように、磁界回転数ＮＭＦと第２ロータ回転数ＮＲ２との差が、第２ロータ回転数ＮＲ２と第１ロータ回転数ＮＲ１との差に等しいことから、図１２（ａ）に示す速度共線図において、磁界回転数ＮＭＦを表す縦線と第２ロータ回転数ＮＲ２を表す縦線との間の距離と、第１ロータ回転数ＮＲ１を表す縦線と第２ロータ回転数ＮＲ２を表す縦線との間の距離との比は、１：１である。このことは、磁界回転数ＮＭＦ、第１および第２のロータ回転数ＮＲ１，ＮＲ２の関係を表す他の速度共線図についても同様である。

また、この場合、第２ロータ回転数ＮＲ２が、磁界回転数ＮＭＦの１／２に減速されるので、第２ロータ伝達トルクＴＲ２は、ステータ１２への供給電力および磁界回転数ＮＭＦと等価のトルクを駆動用等価トルクＴＳＥとすると、この駆動用等価トルクＴＳＥの２倍になる。すなわち、次式（３）が成立する。
ＴＲ２＝２・ＴＳＥ ……（３）
以上のように、第１ロータ１１を回転不能にした状態でステータ１２に電力を供給した場合には、この電力はすべて、第２ロータ１３に動力として伝達される。

次に、第２ロータ１３を回転不能にした状態で、ステータ１２への電力供給により第１および第２の回転磁界を発生させた場合の動作について説明する。

この場合にも、図１４（ａ）に示すように、各第１コア１３ａが各第１磁石部に対向するとともに、各第２コア１３ｂが隣り合う各２つの第２磁石部の間に位置した状態から、第１および第２の回転磁界を同図の下方に回転させるように発生させる。その発生の開始時においては、各第１電機子磁極の極性を、それに対向する各第１磁極の極性と異ならせるとともに、各第２電機子磁極の極性をそれに対向する各第２磁極の極性と同じにする。この状態では、前述した図１０（ａ）に示すような磁気回路が形成される。

そして、仮想磁石ＶＭが、図１４（ａ）に示す位置から図１４（ｂ）に示す位置に回転すると、第１コア１３ａと第１電機子磁極の間の第１磁力線Ｇ１が曲がった状態になるのに伴い、第２電機子磁極が第２コア１３ｂに近づくことによって、第２電機子磁極、第２コア１３ｂおよび第２磁極を結ぶような第２磁力線Ｇ２が発生する。その結果、前述した図１０（ｂ）に示すような磁気回路が形成される。

この状態では、第１磁極と第１コア１３ａの間の第１磁力線Ｇ１の総磁束量は多いものの、この第１磁力線Ｇ１がまっすぐであるため、第１コア１３ａに対して第１磁石部を回転させるような磁力が発生しない。また、第２磁極およびこれと異なる極性の第２電機子磁極の間の距離が比較的長いことにより、第２コア１３ｂと第２磁極の間の第２磁力線Ｇ２の総磁束量は比較的少ないものの、その曲がり度合いが大きいことによって、第２磁石部に、これを第２コア１３ｂに近づけるような磁力が作用する。これにより、永久磁石１１ａは、仮想磁石ＶＭの回転方向、すなわち磁界回転方向と逆方向（図１４の上方）に駆動され、図１４（ｃ）に示す位置に向かって回転する。これに伴い、第１ロータ１１が磁界回転方向と逆方向に回転する。

そして、永久磁石１１ａが図１４（ｂ）に示す位置から図１４（ｃ）に示す位置に向かって回転する間、仮想磁石ＶＭは、図１４（ｄ）に示す位置に向かって回転する。以上のように、第２磁石部が第２コア１３ｂに近づくことにより、第２コア１３ｂと第２磁極の間の第２磁力線Ｇ２の曲がり度合いは小さくなるものの、仮想磁石ＶＭが第２コア１３ｂにさらに近づくのに伴い、第２磁力線Ｇ２の総磁束量は多くなる。その結果、この場合にも、第２磁石部に、これを第２コア１３ｂ側に近づけるような磁力が作用し、それにより、永久磁石１１ａが、磁界回転方向と逆方向に駆動される。

また、永久磁石１１ａが磁界回転方向と逆方向に回転するのに伴い、第１磁極と第１コア１３ａの間の第１磁力線Ｇ１が曲がることによって、第１磁石部に、これを第１コア１３ａに近づけるような磁力が作用する。しかし、この状態では、第１磁力線Ｇ１による磁力は、第１磁力線Ｇ１の曲がり度合いが第２磁力線Ｇ２よりも小さいことによって、上述した第２磁力線Ｇ２による磁力よりも弱い。その結果、両磁力の差分に相当する磁力によって、永久磁石１１ａが、磁界回転方向と逆方向に駆動される。

そして、図１４（ｄ）に示すように、第１磁極と第１コア１３ａの間の距離と、第２コア１３ｂと第２磁極の間の距離が互いにほぼ等しくなったときには、第１磁極と第１コア１３ａの間の第１磁力線Ｇ１の総磁束量および曲がり度合いが、第２コア１３ｂと第２磁極の間の第２磁力線Ｇ２の総磁束量および曲がり度合いとそれぞれほぼ等しくなる。その結果、これらの第１および第２の磁力線Ｇ１，Ｇ２による磁力が互いにほぼ釣り合うことによって、永久磁石１１ａが一時的に駆動されない状態になる。

この状態から、仮想磁石ＶＭが図１５（ａ）に示す位置まで回転すると、第１磁力線Ｇ１の発生状態が変化し、図１５（ｂ）に示すような磁気回路が形成される。それにより、第１磁力線Ｇ１による磁力が、第１磁石部を第１コア１３ａに近づけるようにほとんど作用しなくなるので、永久磁石１１ａは、第２磁力線Ｇ２による磁力によって、図１５（ｃ）に示す位置まで、磁界回転方向と逆方向に駆動される。

そして、図１５（ｃ）に示す位置から、仮想磁石ＶＭが若干、回転すると、以上とは逆に、第１磁極と第１コア１３ａの間の第１磁力線Ｇ１による磁力が、第１磁石部に、これを第１コア１３ａに近づけるように作用し、それにより、永久磁石１１ａが、磁界回転方向と逆方向に駆動され、第１ロータ１１が磁界回転方向と逆方向に回転する。そして、仮想磁石ＶＭがさらに回転すると、第１磁極と第１コア１３ａの間の第１磁力線Ｇ１による磁力と第２コア１３ｂと第２磁極の間の第２磁力線Ｇ２による磁力との差分に相当する磁力によって、永久磁石１１ａが、磁界回転方向と逆方向に駆動される。その後、第２磁力線Ｇ２による磁力が、第２磁石部を第２コア１３ｂに近づけるようにほとんど作用しなくなると、第１磁力線Ｇ１による磁力によって、永久磁石１１ａが磁界回転方向と逆方向に駆動される。

以上のように、第１および第２の回転磁界の回転に伴い、第１磁極と第１コア１３ａの間の第１磁力線Ｇ１による磁力と、第２コア１３ｂと第２磁極の間の第２磁力線Ｇ２による磁力と、これらの磁力の差分に相当する磁力とが、永久磁石１１ａに、すなわち第１ロータ１１に交互に作用し、それにより、第１ロータ１１が磁界回転方向と逆方向に回転する。また、そのように磁力すなわち駆動力が第１ロータ１１に交互に作用することによって、第１ロータ１１に伝達されるトルク（以下「第１ロータ伝達トルク」という）ＴＲ１は、ほぼ一定になる。

また、このときの磁界回転数ＮＭＦ、第１および第２のロータ回転数ＮＲ１，ＮＲ２の関係は、前記式（１）において、ＮＲ２＝０とすることにより、ＮＲ１＝−ＮＭＦで表され、例えば図１２（ｂ）のように示される。このように、第１ロータ１１は、第１および第２の回転磁界と同じ速度で逆方向に回転する。さらに、この場合、第１ロータ伝達トルクＴＲ１は、駆動用等価トルクＴＳＥと等しくなり、次式（４）が成立する。
ＴＲ１＝ＴＳＥ ……（４）

また、磁界回転数ＮＭＦ、第１および第２のロータ回転数ＮＲ１，ＮＲ２がいずれも値０でない場合、例えば、第１および／または第２のロータ１１，１３を動力により回転させた状態で、第１および第２の回転磁界を発生させた場合には、磁界回転数ＮＭＦ、第１および第２のロータ回転数ＮＲ１，ＮＲ２の間に、前述した一般式（１）がそのまま成立し、三者間の速度関係は、例えば図１３（ａ）のように示される。

さらに、第２ロータ１３を動力により回転させるとともに、例えばステータ１２における相間短絡により磁界回転数ＮＭＦを値０に制御した場合には、第２ロータ１３に入力された動力（エネルギ）は、ステータ１２には伝達されず、第１および第２の磁力線Ｇ１，Ｇ２による磁気回路を介して第１ロータ１１にすべて伝達される。同様に、第１ロータ１１を動力により回転させるとともに、磁界回転数ＮＭＦを値０に制御した場合には、第１ロータ１１に入力された動力（エネルギ）は、ステータ１２には伝達されず、第１および第２の磁力線Ｇ１，Ｇ２による磁力を介して第２ロータ１３にすべて伝達される。

また、このときの磁界回転数ＮＭＦ、第１および第２のロータ回転数ＮＲ１，ＮＲ２の関係は、前記式（１）において、ＮＭＦ＝０とすることによって、ＮＲ１＝２・ＮＲ２で表され、例えば図１３（ｂ）のように示される。また、第１および第２のロータ伝達トルクＴＲ１，ＴＲ２の間に、次式（５）が成立する。
ＴＲ１＝ＴＲ２／２ ……（５）

以上のように、ステータ１２に供給した電力を、第１および第２の磁力線Ｇ１，Ｇ２による磁気回路を介して、動力に変換し、第１および／または第２のロータ１１，１３に伝達することができる。このことから明らかなように、第１および／または第２のロータ１１，１３に入力された動力を、第１および第２の磁力線Ｇ１，Ｇ２による磁気回路を介して、電力に変換し、ステータ１２に伝達することができる。すなわち、発電することができる。この発電中において、第１および第２の回転磁界が発生した場合にも、前記式（１）が成立する。

また、磁界回転数ＮＭＦ、第１および第２のロータ回転数ＮＲ１，ＮＲ２の間に、前記式（１）および（２）と図１２（ａ）および（ｂ）と図１３（ａ）および（ｂ）で表されるような関係が常に成立し、このような三者間の速度関係は、遊星歯車装置のリングギヤおよびサンギヤの一方、他方、およびプラネタリギヤを支持するキャリアの回転数の関係に相当する。さらに、そのような速度関係が、ステータ１２への電力供給時だけでなく、発電時にも同様に得られることから、発電機１０は、第１および第２のロータ１１，１３で回転動力を入出力するとともに、ステータ１２で電力を入出力する遊星歯車装置とみなすことができる。

このため、ステータ１２で発電する電力および磁界回転数ＮＭＦと等価のトルクを発電用等価トルクＴＧＥとすると、発電機１０では、発電用等価トルクＴＧＥ、第１および第２のロータ伝達トルクＴＲ１，ＴＲ２の間の釣り合い関係は、次式（６）および（７）で表され、これらのトルクのトルク比は、次式（８）で表される。
ＴＧＥ＋ＴＲ２＋ＴＲ１＝０ ……（６）
ＴＧＥ＝ＴＲ１ ……（７）
｜ＴＧＥ｜：｜ＴＲ２｜：｜ＴＲ１｜＝１：２：１ ……（８）

また、これらの式（６）〜（８）に基づき、前述した第１羽根車４の径、形状、重さ、およびピッチ角などは、第１ロータ１１を周方向のうちの一方向に回転させる第１トルクＴＴ１が第１ロータ１１に作用するように設定され、前述した第２羽根車６の径、形状、重さ、およびピッチ角などは、第２ロータ１３を周方向のうちの上記の一方向と逆方向に回転させる第２トルクＴＴ２が第２ロータ１３に作用するように設定されている。この第１トルクＴＴ１の絶対値｜ＴＴ１｜と第２トルクＴＴ２の絶対値｜ＴＴ２｜との比は、１：２に設定されている。したがって、第１羽根車４の駆動に必要な最小のトルクは、第２羽根車６よりも小さく設定されている。以下、この周方向のうちの一方向を「逆転方向」といい、周方向のうちの一方向と逆方向を「正転方向」という。

また、図３に示すように、発電装置１は、第１ブレーキＢＲ１および第２ブレーキＢＲ２をさらに備えている。第１ブレーキＢＲ１は、例えば電磁クラッチなどで構成されており、ＥＣＵ３２によりＯＮまたはＯＦＦされ、ＯＮ状態のときに、第１ロータ１１とケースＣ１との間を接続することによって、第１ロータ１１の回転を阻止し、ＯＦＦ状態のときに、第１ロータ１１とケースＣ１の間を遮断することによって、第１ロータ１１の回転を許容する。第２ブレーキＢＲ２は、第１ブレーキＢＲ１と同様、例えば電磁クラッチなどで構成されており、ＥＣＵ３２によりＯＮまたはＯＦＦされ、ＯＮ状態のときに、第２ロータ１３とケースＣ１との間を接続することによって、第２ロータ１３の回転を阻止し、ＯＦＦ状態のときに、第２ロータ１３とケースＣ１の間を遮断することによって、第２ロータ１３の回転を許容する。

また、発電装置１は、第１回転角センサ２１、第２回転角センサ２２および風速センサ２３を備えている。第１および第２の回転角センサ２１，２２は、ステータ１２に対する第１および第２のロータ１１、１３の回転角度位置をそれぞれ検出し、その検出信号をＥＣＵ３２に出力する。また、風速センサ２３は、風速ＶＷを検出し、その検出信号をＥＣＵ３２に出力する。

ＥＣＵ３２は、Ｉ／Ｏインターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示せず）などからなるマイクロコンピュータで構成されており、上記の各種のセンサ２１〜２３からの検出信号に基づき、発電機１０、第１および第２のブレーキＢＲ１，ＢＲ２の動作を制御する。また、検出された第１および第２のロータ１１，１３の回転角度位置に基づき、第１および第２のロータ回転数ＮＲ１，ＮＲ２をそれぞれ算出する。

さらに、これまでに述べた発電装置１の構成から、磁界回転数ＮＭＦ、第１および第２のロータ回転数ＮＲ１，ＮＲ２、第１および第２の羽根車４，６の回転数（以下、それぞれ「第１羽根車回転数ＮＴ１」「第２羽根車回転数ＮＴ２」という）の関係は、例えば図１６〜図１８のように示される。以下、これらの速度共線図を参照しながら、発電装置１の発電動作について説明する。なお、以下の説明では、上述した正転方向に各要素が回転していることを「正転」といい、逆転方向に回転していることを「逆転」という。

風速ＶＷが下限値よりも大きく且つ第１所定値よりも小さい場合、すなわち、風速ＶＷが比較的低い場合には、前述した第１および第２のブレーキＢＲ１，ＢＲ２をＯＦＦ状態およびＯＮ状態にそれぞれ制御することによって、第１ロータ１１の回転を許容するとともに、第２ロータ１３の回転を阻止する。また、第１羽根車４から第１ロータ１１に伝達される動力を電力に変換し、発電を行う。図１６は、この場合における各要素の回転数の関係の一例を、各要素のトルクの釣り合い関係の一例とともに示している。この場合、第１羽根車４の第１トルクＴＴ１が第１ロータ１１に伝達されることによって、第１ロータ１１が逆転する。また、第１トルクＴＴ１は、第２ロータ１３の回転を阻止する第２ブレーキＢＲ２からの反力（「ＴＢ２」と図示）を受けて、ステータ１２に電気エネルギとして伝達される。この場合、発電用等価トルクＴＧＥと第１トルクＴＴ１の間に、前記式（４）から明らかなように、ＴＧＥ＝ＴＴ１が成立するとともに、磁界回転数ＮＭＦと第１羽根車回転数ＮＴ１の間に、前記式（１）および（２）から明らかなように、ＮＭＦ＝−ＮＴ１が成立する。また、ステータ１２で発電される電力は、｜ＴＧＥ・ＮＭＦ｜＝｜ＴＴ１・ＮＴ１｜で表される。

また、風速ＶＷが第１所定値以上で且つ第２所定値以下の場合、すなわち、風速ＶＷが中程度の場合には、第１および第２のブレーキＢＲ１，ＢＲ２をいずれもＯＦＦ状態に制御することによって、第１および第２のロータ１１，１３の回転を許容するとともに、第１および第２の羽根車４，６から第１および第２のロータ１１、１３にそれぞれ伝達される動力を電力に変換し、発電を行う。

図１７は、この場合における各要素の回転数の関係の一例を、各要素のトルクの釣り合い関係の一例とともに示している。この場合、第１トルクＴＴ１が第１ロータ１１に伝達されることによって、第１ロータ１１が逆転し、第２羽根車６の第２トルクＴＴ２が第２ロータ１３に伝達されることによって、第２ロータ１３が正転する。また、第１トルクＴＴ１は、第２トルクＴＴ２を反力として、ステータ１２に電気エネルギとして伝達され、第２トルクＴＴ２は、第１トルクＴＴ１を反力として、ステータ１２に電気エネルギとして伝達される。この場合、発電用等価トルクＴＧＥと第１トルクＴＴ１と第２トルクＴＴ２との間に、前記式（６）から明らかなように、ＴＧＥ＋ＴＴ２＋ＴＴ１＝０が成立するとともに、磁界回転数ＮＭＦと第１羽根車回転数ＮＴ１と第２羽根車回転数ＮＴ２との間に、前記式（１）および（２）から、ＮＭＦ＝２・ＮＴ２−ＮＴ１が成立する。また、ステータ１２で発電される電力は、｜ＴＧＥ・ＮＭＦ｜＝｜ＴＴ２・ＮＴ２｜＋｜ＴＴ１・ＮＴ１｜で表される。

さらに、風速ＶＷが上記の第２所定値よりも大きい場合、すなわち、風速ＶＷが比較的高い場合には、第１ブレーキＢＲ１をＯＮ状態に、第２ブレーキＢＲ２をＯＦＦ状態に、それぞれ制御することによって、第１ロータ１１の回転を阻止するとともに、第２ロータ１３の回転を許容する。また、第２羽根車６から第２ロータ１３に伝達される動力を電力に変換し、発電を行う。図１８は、この場合における各要素の回転数の関係の一例を、各要素のトルクの釣り合い関係の一例とともに示している。この場合にも、第２トルクＴＴ２が伝達されることによって、第２ロータ１３が正転する。また、第２トルクＴＴ２は、第１ロータ１１の回転を阻止する第１ブレーキＢＲからの反力（「ＴＢ１」と図示）を受けて、ステータ１２に電気エネルギとして伝達される。この場合、発電用等価トルクＴＧＥと第２トルクＴＴ２の間に、前記式（３）から明らかなように、ＴＧＥ＝ＴＴ２／２が成立するとともに、磁界回転数ＮＭＦと第２羽根車回転数ＮＴ２の間に、前記式（１）および（２）から、ＮＭＦ＝２・ＮＴ２が成立する。また、ステータ１２で発電される電力は、｜ＴＧＥ・ＮＭＦ｜＝｜ＴＴ２・ＮＴ２｜で表される。

また、風速ＶＷが第２所定値よりも大きな上限値以上のとき、すなわち、風速ＶＷが極めて高いときには、第１および第２のブレーキＢＲ１，ＢＲ２をいずれもＯＮ状態に制御することによって、第１および第２のロータ１１，１３の回転を阻止し、第１および第２の羽根車４，６をいずれも停止状態に保持する。さらに、風速ＶＷが上記の下限値以下のとき、すなわち、風速ＶＷが極めて低いときにも、第１および第２のブレーキＢＲ１，ＢＲ２をいずれもＯＮ状態に制御し、第１および第２のロータ１１，１３の回転を阻止し、第１および第２の羽根車４，６をいずれも停止状態に保持する。

以上のように、本実施形態によれば、第１および第２のロータ１１，１３に、第１および第２の羽根車４，６がそれぞれ連結されており、第１羽根車４は、第１ロータ１１を逆転方向に回転させる第１トルクＴＴ１が第１ロータ１１に作用するように構成され、第２羽根車６は、第２ロータ１３を正転方向に回転させる第２トルクＴＴ２が第２ロータ１３に作用するように構成されている。また、これらの第１トルクＴＴ１と第２トルクＴＴ２とのトルク比は、１：２に設定されている。したがって、第１および第２の羽根車４，６に入力された風力の双方を、ステータ１２に電力として適切に伝達し、発電することができる。

また、風速ＶＷが比較的低い場合には、風力を、その駆動に必要なトルクが小さな第１羽根車４と第１ロータ１１を介してステータ１２に電力として伝達するので、発電装置１の高い稼働率を得ることができる。さらに、風速ＶＷが中程度の場合には、風力を、第１羽根車４および第１ロータ１１と第２羽根車６および第２ロータ１３を介して、ステータ１２に電力として伝達する。また、風速ＶＷが比較的高い場合には、その駆動に必要なトルクが大きく、より大きなトルクを伝達できる第２羽根車６と、第２ロータ１３を介して、風力をステータ１２に電力として伝達する。以上により、風速ＶＷの大小にかかわらず、高い発電効率を得ることができる。

また、発電中、発電機１０では、第１および第２のロータ１１，１３からステータ１２へのエネルギの伝達が、磁気回路を介した磁気パスによって行われる。さらに、第１羽根車４および第１ロータ１１が互いに直結されるとともに、第２羽根車６および第２ロータ１３が互いに直結されており、前述した従来の場合と異なり、これらの要素の間の連結に、歯車機構が用いられていない。以上により、従来の場合と比較して、発電装置１の発電効率を高めることができるとともに、構成の単純化、小型化および軽量化を図ることができる。それに加え、歯車機構におけるバックラッシや潤滑のメンテナンスは不要であり、歯車機構における歯車の噛み合いによる騒音が発生することはない。

また、第１および第２の羽根車４，６が互いに逆方向に回転するので、第１羽根車４の回転に伴って第１羽根車４から第１ロータ１１に作用する反力と、第２羽根車６の回転に伴って第２羽根車６から第２ロータ１３に作用する反力は、互いに打ち消し合うように作用する。このため、発電装置１の基台２のサイズを小さくすることができ、設置コストの削減を図ることができる。

また、風速ＶＷが極めて高い場合には、第１および第２の羽根車４，６と第１および第２のロータ１１，１３を停止状態に保持するので、これらの要素４，６，１１，１３の過回転により発電装置１が破損するのを防止することができる。さらに、風速ＶＷが極めて低い場合には、第１および第２の羽根車４，６と第１および第２のロータ１１，１３を停止状態に保持するので、無駄な発電動作を防止することができる。

なお、第１実施形態は、第２ロータ回転数ＮＲ２と第１ロータ回転数ＮＲ１との差（以下「第２・第１ロータ速度差」という）と、磁界回転数ＮＭＦと第２ロータ回転数ＮＲ２との差（以下「磁界・第２ロータ速度差」という）が等しい発電機１０に本発明を適用した例であるが、本発明は、これに限らず、第２・第１ロータ速度差と磁界・第２ロータ速度差がｎ：１である発電機に適用してもよい。その場合には、第１トルクＴＴ１と第２トルクＴＴ２とのトルク比が１：（ｎ＋１）になるように、第１および第２の羽根車４，６が構成される。また、第１実施形態において、風速ＶＷが極めて高いときおよび低いとき以外のときに、常に、第１および第２のブレーキＢＲ１，ＢＲ２の制御によって、第１および第２のロータ１１，１３の回転を許容してもよい。

次に、図１９〜図２２を参照しながら、本発明の第２実施形態による発電装置１Ａについて説明する。この発電装置１Ａは、上述した第１実施形態の発電装置１と比較して、羽根車４０および発電機５０の構成が主に異なっている。この羽根車４０は単一のものであり、この発電機５０は１ロータタイプのものである。図１９〜図２２では、第１実施形態と同じ構成要素については、同じ符号を用いて示している。以下、発電装置１Ａについて、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。

図１９に示すように、羽根車４０は、ほぼ円錐状のハブ４１と、このハブ４１に固定された複数（例えば３つ）の羽根４２（２つのみ図示）などで構成されている。これらの羽根４２は、ハブ４１の周方向に等間隔に配置されており、ハブ４１の径方向に延びている。また、ハブ４１には、発電機５０の回転軸５１が同心状に取り付けられている。この回転軸５１は、その一部がナセルに収容され、このナセルに設けられた軸受け（いずれも図示せず）に回転自在に支持されており、羽根車４０と一体に回転する。

発電機５０は、ナセルに収容されており、図１９および図２０に示すように、回転軸５１と、第１ステータ５２と、この第１ステータ５２に対向するように配置された第２ステータ５３と、両者５２，５３の間に所定の間隔を存した状態で設けられたロータ５４とを有している。第１ステータ５２、ロータ５４および第２ステータ５３は、回転軸５１の径方向に、内側からこの順で並んでいる。第１および第２のステータ５２，５３は、不動のケースＣ２に取り付けられており、回転不能になっている。ロータ５４は、回転軸５１に連結されており、回転軸５１および羽根車４０と一体に回転する。

第１ステータ５２は、前述した永久磁石１１ａを有しており、その数は第１実施形態と同様、２ｎである。これらの永久磁石１１ａは、回転軸５１を中心として、第１実施形態と同様に配置されている。すなわち、永久磁石１１ａは、回転軸５１の周方向（以下「軸周方向」という）に等間隔で並んでおり、回転軸５１を中心として軸周方向に隣り合う各２つの永久磁石１１ａがなす中心角は、所定角度θである（図２１参照）。また、永久磁石１１ａの極性は、周方向に隣り合う各２つについては互いに異なっている。

第２ステータ５３は、前述したステータ１２と同様に構成されており、軸周方向に等間隔で並んだ３ｎ個の電機子１２ａを有している。これらの電機子１２ａは、固定部１２ｅを介してケースＣ２に取り付けられており、互いに同じ相のコイルを有する２つおきの電機子１２ａの中心と、互いに同じ極性を有する１つおきの永久磁石１１ａの中心が、軸周方向の同じ位置に位置するように配置されている（図２１参照）。

ロータ５４は、前述した第２ロータ１３と同様に構成されており、第１および第２のコア１３ａ，１３ｂを有している。第１および第２のコア１３ａ，１３ｂの数はいずれも、第１実施形態と同様、２ｎに設定されており、両者１３ａ，１３ｂはそれぞれ、軸周方向に等間隔で並んでいる。したがって、図２１に示すように、回転軸５１を中心として軸周方向に隣り合う各２つの第１コア１３ａがなす中心角は、所定角度θであり、このことは第２コア１３ｂについても同様である。また、第１実施形態と同様、第２コア１３ｂは、第１コア１３ａに対して軸周方向に互い違いに並んでおり、その中心が、第１コア１３ａの中心に対して、所定角度θの１／２、ずれている。

以上の構成から明らかなように、発電機５０では、第１実施形態と同様、図２１に示すように、第１および第２の回転磁界の発生中、各第１電機子磁極の極性が、それに対向する各第１磁極の極性と異なるときには、各第２電機子磁極の極性は、それに対向する各第２磁極の極性と同じになる。また、各第１磁極と各第１電機子磁極の間に、各第１コア１３ａが位置しているときには、各第２コア１３ｂが、周方向に隣り合う各２組の第２電機子磁極と第２磁極の間に位置する。さらに、図示しないが、第１および第２の回転磁界の発生中、各第２電機子磁極の極性が、それに対向する各第２磁極の極性と異なるときには、各第１電機子磁極の極性は、それに対向する各第１磁極の極性と同じになる。また、各第２磁極と各第２電機子磁極の間に、各第２コア１３ｂが位置しているときには、各第１コア１３ａが、周方向に隣り合う各２組の第１電機子磁極と第１磁極の間に位置する。なお、実際には、２ｎ個の第１および第２の電機子磁極がそれぞれ、周方向に等間隔で発生し、回転軸５１を中心として周方向に隣り合う各２つの電機子磁極がなす中心角は、所定角度θであるが、図２１では、便宜上、対応する電機子１２ａに、第１および第２の電機子磁極を（Ｎ）および（Ｓ）で表記している。

なお、本実施形態では、永久磁石１１ａが、本発明における第１および第２の磁極に相当し、電機子１２ａが、本発明における第１および第２の電機子に相当するとともに、第１および第２のコア１３ａ，１３ｂが、本発明における第１および第２の軟磁性体にそれぞれ相当する。また、第１ステータ５２が、本発明における第１および第２の磁極列に相当し、第２ステータ５３が、本発明における第１および第２の電機子列に相当するとともに、ロータ５４が、本発明における第１および第２の軟磁性体列に相当する。さらに、回転軸５１、ケースＣ２および羽根車４０がそれぞれ、本発明における回転部材、不動部材および回転機構に相当する。

以上の構成の発電機５０は、電動機として作動させた場合、すなわち、電機子１２ａへの電力供給により第１および第２の回転磁界を発生させた場合には、第１実施形態において第１ロータ１１を固定した場合と同様、次のようにして作動する。すなわち、ロータ５４、第１および第２のステータ５２，５３において、前述した図８〜図１０を用いて説明したように第１および第２の磁力線Ｇ１，Ｇ２による磁気回路が形成され、これらの磁力線Ｇ１，Ｇ２による磁力が、第１および第２のコア１３ａ，１３ｂを介してロータ５４に作用することによって、ロータ５４が磁界回転方向（第１および第２の回転磁界の回転方向）に駆動される。この場合、第１実施形態と同様、ロータ５４の回転数（以下「ロータ回転数」という）は磁界回転数ＮＭＦの１／２（＝ＮＭＦ／２）の大きさになり、ロータ５４に伝達されるトルク（以下「ロータ伝達トルク」という）は、駆動用等価トルクＴＳＥの２倍の大きさになる。

上記のように、第２ステータ５３に供給した電力を、第１および第２の磁力線Ｇ１，Ｇ２による磁気回路を介して、動力に変換し、ロータ５４に伝達することができる。このことから明らかなように、ロータ５４に入力された動力を、第１および第２の磁力線Ｇ１，Ｇ２による磁気回路を介して、電力に変換し、第２ステータ５３に伝達することができる。すなわち、発電することができる。この発電中において、第１および第２の回転磁界が発生した場合にも、磁界回転数ＮＭＦはロータ回転数の２倍の大きさになる。また、発電用等価トルクＴＧＥは、ロータ伝達トルクの１／２の大きさになる。

また、発電装置１Ａは、例えば電磁クラッチで構成されたブレーキＢＲを備えている。このブレーキＢＲは、ＥＣＵ３２によりＯＮまたはＯＦＦされ、ＯＮ状態のときに、ロータ５４とケースＣ２の間を接続することによって、ロータ５４の回転を阻止し、ＯＦＦ状態のときに、ロータ５４とケースＣ２の間を遮断することによって、ロータ５４の回転を許容する。

さらに、図２２に示すように、発電装置１Ａは、第１および第２の回転角センサ２１，２２に代えて、回転角センサ２４を備えており、この回転角センサ２４は、第１および第２のステータ５２，５３に対するロータ５４の回転角度位置を検出し、その検出信号をＥＣＵ３２に出力する。ＥＣＵ３２は、検出されたロータ５４の回転角度位置や風速ＶＷに応じ、発電機５０およびブレーキＢＲの動作を制御する。また、ＥＣＵ３２は、ロータ５４の回転角度位置に基づき、ロータ回転数を算出する。

以上の構成の発電装置１Ａでは、風速ＶＷが上限値よりも小さく、すなわち、風速ＶＷが極めて高くないときには、ブレーキＢＲをＯＦＦ状態に制御することによって、ロータ５４の回転を許容するとともに、羽根車４０からロータ５４に伝達される動力を電力に変換し、発電を行う。この場合、上述したように、発電用等価トルクＴＧＥは、ロータ伝達トルクすなわち羽根車４０のトルクの１／２の大きさになるとともに、磁界回転数ＮＭＦは、ロータ回転数すなわち羽根車４０の回転数の２倍の大きさになる。また、羽根車４０のトルクおよび回転数をそれぞれＴＴ，ＮＴとすると、第２ステータ５３で発電される電力（ＴＧＥ・ＮＭＦ）は、｜ＴＧＥ・ＮＭＦ｜＝｜ＴＴ・ＮＴ｜で表される。

また、風速ＶＷが上限値以上で、風速ＶＷが極めて高いときや、上限値よりも小さな下限値以下で、風速ＶＷが極めて低いときには、ブレーキＢＲをＯＮ状態に制御することによって、ロータ５４の回転を阻止し、羽根車４０を停止状態に保持する。

以上のように、本実施形態によれば、前述した従来の場合と異なり、羽根車４０が増速機構を用いることなく、ロータ５４に直結されている。また、発電中、磁界回転数ＮＭＦはロータ回転数の２倍の大きさになるので、風速ＶＷが比較的低く、羽根車４０からの動力の入力により回転するロータ５４のロータ回転数が低い場合でも、磁界回転数ＮＭＦは発電に適した高さに維持される。以上により、増速機構を用いる従来の場合と比較して、発電効率を高めることができるとともに、構成の単純化、小型化および軽量化を図ることができる。それに加え、増速機構におけるバックラッシや潤滑のメンテナンスは不要であり、増速機構における歯車の噛み合いによる騒音が発生することはない。また、第１ステータ５２の磁極として永久磁石１１ａの磁極を用いるので、電磁石の磁極を用いた場合と比較して、構成の単純化、小型化および軽量化を図ることができる。さらに、風速ＶＷが極めて高いときに、羽根車４０およびロータ５４を停止状態に保持するので、両者４０，５４の過回転による発電装置１Ａの故障を防止することができる。また、風速ＶＷが極めて低いときに、羽根車４０およびロータ５４を停止状態に保持するので、無駄な発電動作を防止することができる。

図２３および図２４は、第２実施形態の変形例を示している。この変形例による発電機５０では、永久磁石１１ａに代えて、電磁石５２ａが設けられている。この電磁石５２ａは、鉄芯５２ｂと、鉄芯５２ｂに巻回されたコイル５２ｃなどで構成されている。鉄芯５２ｂは、回転軸５１の軸線方向に直交する断面がほぼ扇形状になっており、この軸線方向に電機子１２ｂとほぼ同じ長さを有している。電磁石５２ａの数や配置は、永久磁石１１ａと同じになっており、軸周方向に隣り合う各２つの電磁石５２ａの磁極の極性は、互いに異なっている。

また、電磁石５２ａは、第２パワードライブユニット（以下「第２ＰＤＵ」という）３３を介してバッテリ３４に接続されている。第２ＰＤＵ３３は、コンバータなどの電気回路で構成されており、ＥＣＵ３２に接続されている（図２４参照）。ＥＣＵ３２は、第２ＰＤＵ３３を制御することによって、バッテリ３４から電磁石５２ａへの通電量を制御する。以上の構成の発電装置１Ａでは、風速ＶＷが高いほど、電磁石５２ａの通電量をより大きくなるように制御する。また、風速ＶＷが比較的高いことにより、発電機５０の発電量が過大になるような場合には、電磁石５２ａへの通電量を低減し、電磁石５２ａの磁極の磁束量を低減することによって、発電機５０の発電量を抑える。

以上により、この変形例によれば、第２実施形態の効果を同様に得ることができる。また、基本的には、風速ＶＷが高いほど、電磁石５２ａへの通電量をより大きくなるように制御する。これにより、磁界回転数ＮＭＦが高いことにより鉄損が大きくなるようなときに、電磁石５２ａの磁極の磁束量を増大させ、ロータ５４とともに第１および第２の回転磁界の磁界回転数ＮＭＦを低下させられるので、鉄損を小さくすることができ、発電効率を高めることができる。これにより、羽根車４０として、その駆動に必要なトルクが小さなものを採用することが可能であり、それにより、発電装置１Ａの高い稼働率を得ることができる。さらに、風速ＶＷが比較的高いことにより、発電機５０の発電量が過大になるような場合には、電磁石５２ａへの通電量を低減し、発電機５０の発電量を抑えるので、発電量の過大化による第２ステータ５３の損傷を防止することができる。

なお、第２実施形態では、本発明における回転機構として、羽根車４０を用いているが、流体の運動エネルギを回転運動エネルギに変換できるものであれば他の機構、例えば、シリンダ、ピストンおよびクランク軸の組み合わせで構成され、流体の運動エネルギを回転運動エネルギに変換し、クランク軸に出力するような機構を用いてもよい。また、第２実施形態では、本発明における第１および第２の電機子列を、単一の第２ステータ５３で構成しているが、それぞれ別個のステータ（電機子列）で構成してもよい。さらに、第２実施形態では、本発明における第１および第２の磁極列を、単一の第１ステータ５２で構成しているが、それぞれ別個のステータ（磁極列）で構成してもよい。また、第２実施形態では、本発明における第１および第２の軟磁性体列を、単一のロータ５４で構成しているが、それぞれ別個のロータ（軟磁性体列）で構成するとともに、両ロータを回転軸５１に連結してもよい。このように第１および第２の磁極列と第１および第２の軟磁性体列を構成した場合には、発電機５０を、実施形態で述べたようなロータ５４を第１および第２のステータ５２，５３で径方向に挟み込む、いわゆるラジアルタイプではなく、軸線方向に挟み込む、いわゆるアキシアルタイプで構成することができる。

なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、本実施形態では、永久磁石１１ａ、電機子１２ａ、電磁石５２ａ、第１および第２のコア１３ａ，１３ｂをそれぞれ等間隔で配置しているが、不等間隔で配置してもよい。また、本実施形態では、発電機１、１Ａにおいて、第１コア１３ａの数を第１電機子磁極および永久磁石１１ａの数と、第２コア１３ｂの数を第２電機子磁極および永久磁石１１ａの数と、それぞれ同じに設定しているが、第１および第２のコア１３ａ，１３ｂの数を、より小さな値に設定してもよい。さらに、本実施形態では、第１および第２のコア１３ａ，１３ｂを、鋼板で構成しているが、他の軟磁性体で構成してもよい。

また、本実施形態では、発電機１，１Ａや各種のブレーキＢＲ１，ＢＲ２，ＢＲを制御する制御装置として、ＥＣＵ３２などを用いているが、これに限らず、例えば、マイクロコンピュータを搭載した電気回路などを用いてもよい。さらに、本実施形態では、各種のブレーキＢＲ１，ＢＲ２，ＢＲは、電磁ブレーキタイプであるが、対応するロータ１１，１３，５４の回転を阻止できるものであれば他のタイプ、例えば油圧式の摩擦クラッチタイプでもよい。また、本実施形態では、発電機１、１Ａや各種のブレーキＢＲ１，ＢＲ２，ＢＲを制御するために、流体の運動エネルギを表す流体エネルギパラメータとして、風速ＶＷを用いているが、流体エネルギパラメータを表すパラメータであれば他のもの、例えば風圧を用いてもよい。さらに、本実施形態は、風力を電力に変換する発電装置１，１Ａに本発明を適用した例であるが、本発明は、流体の運動エネルギを電気エネルギに変換する発電装置であれば他のタイプ、例えば、水力を電力に変換する発電装置に適用可能である。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。

本発明の第１実施形態による発電装置を概略的に示す正面図である。 図１の発電装置を概略的に示す側面図である。 図１の発電装置の発電機、第１および第２の羽根車などを概略的に示す側面図である。 図１の発電装置のＥＣＵなどを示すブロック図である。 図３の発電機の周方向に直交する断面を概略的に示す図である。 図５のＡ−Ａ線の位置で周方向に沿って破断した断面の一部を、第１および第２の回転磁界の発生時について概略的に示す展開図である。 図６の展開図の構成と機能的に同じ構成を示す図である。 第１ロータを回転不能にした状態で第１および第２の回転磁界を発生させた場合の発電機の動作を説明するための図である。 図８の続きの動作を説明するための図である。 図３の発電機の動作中に形成される磁気回路を示す図である。 第１ロータを回転不能にした状態で第１および第２の回転磁界を発生させた場合に第２ロータに伝達されるトルクの一例を模式的に示す図である。 磁界回転数、第１および第２のロータ回転数の関係の一例を、（ａ）第１ロータを回転不能にした場合について、（ｂ）第２ロータを回転不能にした場合について、それぞれ示す速度共線図である。 磁界回転数、第１および第２のロータ回転数の関係の一例を、（ａ）第１および第２のロータがいずれも回転している場合、（ｂ）磁界回転数が値０の場合について、それぞれ示す速度共線図である。 第２ロータを回転不能にした状態で第１および第２の回転磁界を発生させた場合の発電機の動作を説明するための図である。 図１４の続きの動作を説明するための図である。 図１の発電装置の各種の要素の回転数の関係の一例を、各種の要素のトルクの釣り合い関係とともに、風速が比較的低い場合について示す速度共線図である。 図１の発電装置の各種の要素の回転数の関係の一例を、各種の要素のトルクの釣り合い関係とともに、風速が中程度の場合について示す速度共線図である。 図１の発電装置の各種の要素の回転数の関係の一例を、各種の要素のトルクの釣り合い関係とともに、風速が比較的高い場合について示す速度共線図である。 本発明の第２実施形態による発電装置の羽根車や発電機などを概略的に示す側面図である。 図１９の発電機の周方向に直交する断面を概略的に示す図である。 図２０のＢ−Ｂ線の位置で周方向に沿って破断した断面の一部を、第１および第２の回転磁界の発生時について概略的に示す展開図である。 図１９の発電装置のＥＣＵなどを示すブロック図である。 第２実施形態の変形例による発電機の周方向に直交する断面を概略的に示す図である。 第２実施形態の変形例のＥＣＵなどを示すブロック図である。

符号の説明

１ 発電装置
４ 第１羽根車
６ 第２羽根車
１０ 発電機
１１ 第１ロータ
１１ａ 永久磁石（第１磁極、第２磁極）
１２ ステータ
１２ａ 電機子（第１電機子、第２電機子）
１３ 第２ロータ
１３ａ 第１コア（第１軟磁性体）
１３ｂ 第２コア（第２軟磁性体）
１Ａ 発電装置
４０ 羽根車（回転機構）
５０ 発電機
５１ 回転軸（回転部材）
５２ 第１ステータ（第１磁極列、第２磁極列）
５２ａ 電磁石
５３ 第２ステータ（第１電機子列、第２電機子列）
５４ ロータ（第１軟磁性体列、第２軟磁性体列）
Ｃ２ ケース（不動部材）
ＴＴ１ 第１トルク
ＴＴ２ 第２トルク

Claims (5)

1. 流体の運動エネルギを電気エネルギに変換し、発電する発電装置であって、
   電機子で構成され、所定方向に回転する回転磁界を発生可能な不動のステータと、当該ステータに対向するように設けられ、磁石で構成された、前記所定方向に回転自在の第１ロータと、前記ステータと前記第１ロータの間に設けられ、軟磁性体で構成された、前記所定方向に回転自在の第２ロータとを有し、前記第１ロータおよび前記第２ロータの少なくとも一方が回転するのに伴い、前記ステータ、前記第１および第２のロータにおいて形成される磁気回路を介して、前記少なくとも一方の動力を、電力に変換するとともに、前記ステータに出力することにより発電し、当該発電に伴って前記ステータにおいて発生する回転磁界、前記第２および第１のロータが互いの間に回転数に関する所定の共線関係を保ちながら回転するように構成された発電機と、
   前記第１ロータに連結され、流体からの運動エネルギの入力により回転することによって、入力された流体の運動エネルギを回転運動エネルギに変換し、前記第１ロータに伝達するとともに、前記第１ロータを前記所定方向のうちの一方向に回転させる、回転運動エネルギによる第１トルクが前記第１ロータに作用するように構成された第１羽根車と、
   前記第２ロータに連結され、流体からの運動エネルギの入力により回転することによって、入力された流体の運動エネルギを回転運動エネルギに変換し、前記第２ロータに伝達するとともに、前記第２ロータを前記所定方向のうちの前記一方向と逆方向に回転させる、前記第１トルクよりも大きな回転運動エネルギによる第２トルクが前記第２ロータに作用するように構成された第２羽根車と、
   を備えることを特徴とする発電装置。
2. 前記所定の共線関係において、前記回転磁界の回転数と前記第２ロータの回転数の差と、前記第２ロータの回転数と前記第１ロータの回転数の差との比は、１：１であり、
   前記第１および第２の羽根車は、前記第１トルクと前記第２トルクとの比が１：２になるように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の発電装置。
3. 流体の運動エネルギを電気エネルギに変換し、発電する発電装置であって、
   所定方向に並んだ複数の第１電機子で構成され、当該複数の第１電機子で発生する磁極により、前記所定方向に回転する第１回転磁界を発生可能な第１電機子列と、
   前記所定方向に並んだ複数の第１磁極で構成され、隣り合う各２つの前記第１磁極が互いに異なる極性を有するとともに前記第１電機子列に対向するように配置された第１磁極列と、
   互いに所定の間隔で前記所定方向に並んだ複数の第１軟磁性体で構成され、前記第１電機子列と前記第１磁極列の間に配置された第１軟磁性体列と、
   前記所定方向に並んだ複数の第２電機子で構成され、当該複数の第２電機子で発生する磁極により、前記所定方向に回転する第２回転磁界を発生可能な第２電機子列と、
   前記所定方向に並んだ複数の第２磁極で構成され、隣り合う各２つの前記第２磁極が互いに異なる極性を有するとともに前記第２電機子列に対向するように配置された第２磁極列と、
   互いに所定の間隔で前記所定方向に並んだ複数の第２軟磁性体で構成され、前記第２電機子列と前記第２磁極列の間に配置された第２軟磁性体列と、
   前記第１および第２の電機子列ならびに前記第１および第２の磁極列が設けられた不動部材と、
   前記所定方向に回転可能に構成され、前記第１および第２の軟磁性体列が設けられた回転部材と、を有し、
   前記第１電機子の各磁極および前記各第１磁極が互いに対向する第１対向位置にあるときには、前記第２電機子の各磁極および前記各第２磁極が互いに対向する第２対向位置に位置し、前記第１対向位置に位置する前記第１電機子の各磁極および前記各第１磁極が互いに異なる極性のときには、前記第２対向位置に位置する前記第２電機子の各磁極および前記各第２磁極が互いに同一極性を示し、前記第１対向位置に位置する前記第１電機子の各磁極および前記各第１磁極が互いに同一極性のときには、前記第２対向位置に位置する前記第２電機子の各磁極および前記各第２磁極が互いに異なる極性を示し、
   前記第１電機子の各磁極および前記各第１磁極が前記第１対向位置にある場合において、前記各第１軟磁性体が前記第１電機子の磁極とそれに対向する前記第１磁極との間に位置するときには、前記各第２軟磁性体が前記所定方向に隣り合う２組の前記第２電機子の磁極と前記第２磁極の間に位置するとともに、前記各第２軟磁性体が前記第２電機子の磁極とそれに対向する前記第２磁極との間に位置するときには、前記各第１軟磁性体が前記所定方向に隣り合う２組の前記第１電機子の磁極と前記第１磁極の間に位置するように構成された発電機と、
   前記回転部材に連結され、入力された流体の運動エネルギを回転運動エネルギに変換し、前記回転部材に伝達する回転機構と、
   を備えることを特徴とする発電装置。
4. 前記第１および第２の磁極は、永久磁石の磁極で構成されていることを特徴とする、請求項３に記載の発電装置。
5. 前記第１および第２の磁極は、電磁石の磁極で構成されていることを特徴とする、請求項３に記載の発電装置。

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