JP2012019642A - 風力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】可動回転子の駆動力を発生する動力発生部を小型化し、大負荷や高速回転時において、発電機の有効磁束量を運転状態に応じて変えられ、広い運転範囲での高効率運転が可能となる磁束可変型の発電機を有する風力発電システムを提供すること。
【解決手段】磁束可変型発電機は、巻線２を有する固定子１と、固定子１に空隙を介して回転可能に配設され、回転軸方向に第１回転子５と第２回転子６に二分割され、それぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された回転子と、第１回転子５に対する第２回転子６の相対的な回転軸方向位置を可変する磁束可変装置ＪＭとを有する。磁束可変装置ＪＭは、動力発生部ＡＣと、動力発生部ＡＣで発生した力を第２回転子６と第１回転子５に伝達する動力伝達部ＤＤとを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、永久磁石を用いた磁束可変型の発電機、およびその発電機を用いた風力発電システムに関する。

従来の誘導発電機に代わり、効率に優れ、小型化や低騒音化も期待できる永久磁石同期発電機が普及し始めている。

従来技術による永久磁石発電機において、誘導起電力Ｅは回転子に配置されている永久磁石が発生する一定磁束Φと発電機の回転角速度ωによって決定される。発電機の回転角速度ω（回転速度）が上昇すると、発電機の誘導起電力は比例して上昇する。よって、低回転速度領域で高トルクが得られるが、回転速度の可変範囲が狭いために高回転速度領域の運転は困難であった。そこで、弱め界磁制御技術により高回転速度領域を広げることが考えられる。

また、風力発電システムの発電機は広い回転速度範囲で所定の出力を確保するためにギア機構やピッチモータなどを備えて、さまざまな風速条件に対応できるようにしているものがある。発電機の各相巻線を主軸の回転速度に応じて巻線切り替え装置を用いて、低回転速度用巻線と高回転速度巻線に切り替え駆動するようにしているものもある。

前記電気的な弱め界磁制御の代わりに、機械的な弱め界磁制御を用いた回転電機が報告されている（特許文献１）。また、低風速において、より多く発電量を得るために、特に小型風力発電システムにおいてコアレス永久磁石発電機が適用されるものもある。コアレス永久磁石発電機は、発電機のコギングトルクを低減することを意図している。さらに、コアレスと巻線切り替えを併用する発電機も報告されている（特許文献２）。

特開２００２−２６２４８９号公報 特開２００９−７１９３７号公報

しかしながら、従来技術で述べた弱め界磁制御技術により高回転速度領域に広げることは、弱め界磁電流による発熱や効率低下などにより限界がある。各相巻線を主軸の回転速度に応じて巻線切り替え装置を用いた場合は、発電機本体からのリード線の数が多く、さらに巻線切り替え制御装置とその構造が複雑になるという課題がある。さらに、鉄心を用いないコアレス発電機は鉄心ありの場合と比較して出力を大きくしにくいという課題がある。

本発明の回転電機は、巻線を有する固定子と、固定子に空隙を介して回転可能に配設され、回転軸方向に第１回転子と第２回転子に二分割され、それぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された回転子と、第１回転子に対する第２回転子の相対的な回転軸方向位置を可変する磁束可変装置とを有する。磁束可変装置は、動力発生部と、動力発生部で発生した力を第２回転子と第１回転子に伝達する動力伝達部とを有する。

本発明によれば、発電機における動力発生部を小型化することが可能となる。

本発明に係る磁束可変型発電機の一構成例を示す図であり、最大有効磁束となる。 本発明に係る磁束可変型発電機の一構成例を示す図であり、最大有効磁束の１／２となるように回転子の位置を調節している。 本発明に係る磁束可変型発電機の一構成例を示す図であり、最大有効磁束がゼロとなるように回転子の位置を調節している。 本発明に係る磁束可変型発電機の第１実施形態の磁束可変装置の動作特性を説明する図である。 本発明に係る磁束可変型発電機の埋め込み磁石構造の一例を示す図である。 本発明に係る磁束可変型発電機の第２の実施形態における梃子を利用した倍力機構の一例を示す図である。 第１，第２実施形態による発電機の制御回路の一例を示す図である。 （ａ）〜（ｄ）は有効磁束が１.０Φ，０.７５Φ，０.５Φ，０.２５Φの場合の効率マップＭＰ１〜ＭＰ４を示す図である。 図８のマップＭＰ１〜ＭＰ４を合成した合成効率マップＧＭＰを示す図である。 （ａ）と（ｂ）は本発明に係る磁束可変型発電機のコギングトルク低減効果を示す図である。 第１，第２実施形態による発電機を搭載した風力発電システムの構成例を示す図である。 本発明に係る磁束可変型発電機を風力発電機に用いた発電特性を示す図である。 本発明に係る磁束可変型発電機の出力電圧安定化効果を示す図である。 本発明に係る磁束可変型発電機の固定子分割構造の一例を示す図である。

−第１の実施形態−
本発明に係る磁束可変型発電機の一構成例を図１，図２，図３に基づいて説明する。

図１，図２，図３は本実施形態の発電機の構成を示す。図１，図２，図３に示すように、円筒状の固定子鉄心１の内周部には、軸方向に連続して開口した溝（以後「スロット」と記す）が周方向に複数形成され、複数のスロットの各々には電機子巻線２（固定子巻線ともいう）が装着されている。

固定子鉄心１の外周側にはハウジング３が設けられ、固定子鉄心１とハウジング３とは焼嵌或いは圧入などによってより締結される。発電機の回転軸方向端部にはブラケット３Ａが設けられ、固定子鉄心１を覆っている。ブラケット３Ａにはシャフト４（回転軸ともいう）を支承するベアリング３Ｂも設けられている。

固定子鉄心１の内周側には空隙を介して、シャフト４に設けたスプライン４Ａ上を回転しながら回転軸方向に移動可能な第１回転子５と、シャフト４に設けたスプライン４Ｂ（スプライン４Ａと同じリード角，逆切り方向）上を回転しながら回転軸方向に移動可能な第２回転子６とが回転可能に設けられている。なお、シャフト４に設けたスプラインは所定のリード角をもっており、第１回転子５と第２回転子６はシャフト４上を回転しつつ移動する。従って、スプライン４Ａと４Ｂのリード角を適切に定めることにより、要求された磁束密度に応じて第１回転子５と第２回転子６の移動量を決定し、第１回転子５と第２回転子６の磁極位相を設定することができる。

第１回転子５には、極性が回転方向に順次異なるように第１回転子の界磁用磁石である永久磁石５Ａが複数埋め込まれている。また、第２回転子６にも、極性が回転方向に順次異なるように、第２回転子の界磁用磁石である永久磁石６Ａが複数埋め込まれている。つまり、第１回転子５と第２回転子６は、それぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置される。シャフト４の中心軸方向の両端部は、ベアリング３Ｂによって回転可能に支持されている。

第１回転子５と第２回転子６をシャフト４上で移動する磁束可変装置ＪＭは、動力発生部ＡＣ、及び動力伝達部ＤＤを備えて構成されている。動力発生部ＡＣは、アクチュエータ９を備えている。動力伝達部ＤＤは、第２回転子６とアクチュエータ９とを連結するスラスト軸受８と、第２回転子６と第１回転子５とを連結するアーム７と、第１回転子５と第２回転子６を相対的に回転させる針状ころ軸受７Ａ及び軸受ハウジング７Ｂとを備えている。なお、針状ころ軸受７Ａと軸受ハウジング７Ｂは、第２回転子６と第１回転子５と一緒に移動し、アクチュエータ９からの押す力と引っ張る力を伝達する構造である。

磁束可変装置ＪＭは、第２回転子６を第１回転子５の反対側から駆動する。すなわち、動力発生部ＡＣであるアクチュエータ９が回転軸方向に進退すると、動力伝達部ＤＤのスラスト軸受８，アーム７，針状ころ軸受７Ａを介して第２回転子６と第１回転子５を所定位置に移動させる。

第１の実施形態では、図１〜図３に示すように、発電機のトルクや回転数の変化に応じて第２回転子６及び第１回転子５を移動させている。すなわち第１の実施形態では、図１の状態から図３の状態までの任意状態としている。

ここで、図１は、最大有効磁束が必要とされる場合を示し、第１回転子５と第２回転子６の永久磁石５Ａ，６Ａの磁極の中心が揃うように、磁束可変装置ＪＭにより第１回転子と第２回転子は移動されている。すなわち、アクチュエータ９を制御信号によって制御してスラスト軸受８を駆動し、第２回転子６と、アーム７と針状ころ軸受７Ａを介して第１回転子５とを所定位置に移動させる。図１の状態では、第２回転子６の磁極位相は第１回転子５の磁極位相と同じ電気角になる。

図２，図３は、要求有効磁束が最大有効磁束よりも小さい時の第１回転子５と第２回転子６との相対位置を示す。磁束可変装置ＪＭは、第２回転子６と第１回転子５を、シャフト４上を回転させながら、必要な有効磁束が得られる所定位置に位置決める。なお、第１回転子５とシャフト４とを介するスプライン４Ａは、第２回転子６とシャフト４とを介するスプライン４Ｂと逆切り方向になるため、シャフト４上での回転方向は、第２回転子６と逆方向となる。図２の状態では、第２回転子６の磁極位相は第１回転子５の磁極位相と９０°の電気角になる。

図３の状態では、第１回転子５の磁極位相は第２回転子６の磁極位相と１８０°の電気角になる。磁極が８極の場合では、第１回転子５の磁極位相は第２回転子６の磁極位相との最大機械角は４５°になる。このとき、界磁用の有効磁束量は０となり、誘起電圧を０にすることができる。この有効磁束０の特性は回転電機の過電圧からの保護機能に利用できる。

アクチュエータ９は、電動アクチュエータ，油圧アクチュエータ，空気圧アクチュエータ，圧電アクチュエータ，高分子アクチュエータなどが挙げられる。

第１の実施形態の発電機では、図１，図２，図３に示すように、第１回転子５とシャフト４の間にはスプライン４Ａ、第２回転子６とシャフト４の間にはスプライン４Ｂ（スプライン４Ａと同じリード、逆切り方向）が設けられている。図４に示すように回転子が二等分分割された場合、第１回転子５の遠心力から生じた回転軸方向の力Ｆａ１と第２回転子６の遠心力から生じた回転軸方向の力Ｆａ２は、互いに相殺しまうことによって駆動する動力発生部はより小さい力で回転軸上の第１回転子５と第２回転子６を所定位置に移動できる。従って、動力発生部ＡＣを大型化することなく、大負荷や高速回転時に第１回転子５と第２回転子６を所望の位置に移動することができる。その結果、発電機の有効磁束量を運転状態に応じて変えることができ、広い運転範囲での高効率運転が可能となる磁束可変型発電機を提供できる。

第１の実施形態の発電機では、磁極を８極、第１回転子５が回転可能に装着されているスプライン４Ａのリードを２４mm（１周回転で回転軸方向に２４mm移動）、左切りとし、第２回転子６が回転可能に装着されているスプライン４Ｂのリードを２４mm、右切りとした場合、有効磁束を０Φ〜１.０Φの範囲内で変化させるためには、第１回転子５と第２回転子６の軸長方向の移動距離が１.５mmとなる。発電機の運転範囲や運転点によって有効磁束を０.５Φ〜１.０Φの範囲内で変化させるためには、第１回転子５と第２回転子６の軸長方向の移動距離が０.７５mmとなる。

第１の実施形態では、回転子の磁極が８極について説明したが、高速回転対応の発電機（高速回転用発電機）で界磁用永久磁石の極数がより少ない場合においては、有効磁束の範囲を限定することにより、回転子の回転軸方向移動距離をさらに短縮することができる。例えば、回転子磁極４極にすると、有効磁束を０Φ〜１.０Φに変化させるのに移動距離が最大３mmとなる。有効磁束０.５Φ〜１.０Φ範囲内に限定すると移動距離は１.５mmになる。磁極が８極の回転電機に比べて、スプラインのリードを小さくすることができ、動力発生部ＡＣのアクチュエータ９が小型化でき、発電機の小型化が期待できる。

なお、上述した有効磁束は、発電機の回転トルクに寄与する磁束量である。この磁束量は、発電機の回転トルクと固定子の巻線に流れる電流から求められる。

また、上述した本発明の発電機は、磁石を回転子鉄心の表面に配置する表面磁石式を代表として説明したが、図５に示すように、磁石を回転子鉄心の中に挿入する埋め込み磁石式構造の発電機にも適用することは言うこともない。

上記第１の実施形態では、二分割回転子を有する発電機について説明したが、三分割以上に分割した回転子を有する発電機にも本発明を適用できる。つまり、この発電機は、固定子鉄心に空隙を介して回転可能に配設された三つ以上の回転子であって、それぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された回転子と、分割された個々の分割回転子の相対的な回転軸方向位置を可変する磁束可変装置とを備える。この磁束可変装置は、第１の実施形態で説明したように、動力発生部と動力伝達部とを有する。三分割または三分割以上の回転子を有する発電機でも、図１，図２，図３に記載した回転子が二分割された構成と同様の効果を達成できる。

−第２の実施形態−
第２の実施形態は、第１の実施形態の第１回転子５と第２回転子６をシャフト４上で移動する磁束可変装置ＪＭには、動力発生部ＡＣと動力伝達部ＤＤの間に倍力機構ＢＭを設けて構成されたものである。ここでは、倍力機構以外の部分については第１の実施形態と同様であり、説明は省略する。以下、第１の実施形態の説明と同じ部品には同符号を付してその説明を省略し、異なる部品のみ説明する。動力発生部ＡＣは、アクチュエータ９と、アクチュエータ９のアーム９Ａとを備えている。動力伝達部ＤＤは、ストッパー１１と、ストッパー１１のアーム１１Ａと、第２回転子６とストッパーのアーム１１Ａとを連結するスラスト軸受８と、第２回転子６と第１回転子５とを連結するアーム７及び針状ころ軸受７Ａとを備えている。倍力機構ＢＭは梃子の原理を用いている。この倍力機構ＢＭは、図６に示すように、梃子のアーム１０と、梃子の支点１０Ａと、梃子の作用点１０Ｂと、梃子の力点１０Ｃとから構成されている。

磁束可変装置ＪＭは、第１回転子５と第２回転子６を駆動する。すなわち、動力発生部ＡＣであるアクチュエータ９のアーム９Ａがアクチュエータ９の軸方向に進退すると、倍力機構ＢＭの梃子のアーム１０は、梃子の支点１０Ａを回動中心として揺動し、梃子の作用点１０Ｂ，動力伝達部ＤＤのストッパーのアーム１１Ａ，ストッパー１１，スラスト軸受８，アーム７及び針状ころ軸受７Ａを介して第２回転子６と第１回転子５を所定位置に移動させる。

図６は、第２実施形態の倍力機構ＢＭの梃子機構を示す図である。梃子機構の原理により、動力伝達部ＤＤのストッパーのアーム１１Ａと動力発生部ＡＣのアクチュエータのアーム９Ａが平行する場合、式（１）が得られる。

Ｆ１×Ｌ１＝Ｆ２×Ｌ２ …（１）
ここで、Ｆ１は第１回転子５と第２回転子６を駆動するのに必要な力、Ｆ２は動力発生部ＡＣから発生する力、Ｌ１は梃子の支点１０Ａから梃子の作用点１０Ｂまでの距離、Ｌ２は梃子の支点１０Ａから梃子の力点１０Ｃまでの距離である。Ｆ１が一定とすると、Ｌ１／Ｌ２を小さくすればＦ２を小さくすることができる。つまり、Ｌ１を短くするか、Ｌ２を長くすることによりＦ２を小さくできる。例えば、Ｌ１／Ｌ２は１／５（Ｌ２はＬ１の５倍）とすると、動力発生部ＡＣの出力Ｆ２は第１回転子５と第２回転子６の駆動力Ｆ１の１／５で済む。動力発生部ＡＣで発生する力Ｆ２が小さいと、動力発生部ＡＣの出力パワーを小さくでき、その結果、動力発生部ＡＣを小型化できる。

図６において、アクチュエータ９のアーム９Ａにより梃子のアーム１０の梃子の支点１０Ａを中心として揺動するようにしたが、アクチュエータ９の代わりに手動で梃子のアーム１０を揺動するように構成してもよい。つまり、マニュアルクラッチのような操作によって、手動で段階的に有効磁束量を調整してもよい。

以上、第２の実施形態によれば、上述した通り、梃子の原理を用いた倍力機構によって、動力発生部で発生した力を倍力して第２回転子と第１回転子を駆動するようにしたので、動力発生部をより小容量かつ小型にできる。さらに、低出力のアクチュエータを使用することができるので、小型の磁束可変型発電機を使用して、大負荷や高速回転時における発電機の有効磁束量を運転状態に応じて変えられ、広い運転範囲での高効率運転が可能となる。

−第１，第２の実施形態に用いる制御回路−
第１，第２の実施形態の磁束可変装置の制御回路の一例について簡単に説明する。

図７は発電機の四種類の効率マップＭＰ１〜ＭＰ４と、これらのマップＭＰ１〜ＭＰ４を合成した合成マップＧＭＰを示す。効率マップＭＰ１〜ＭＰ４は、第１の実施形態において、第１回転子５に対する第２回転子６の磁極位相（電気角）をそれぞれ０°，４５°，９０°，１３５°とした場合の回転数−トルク曲線として示されている。ここで、磁極位相が０°のときの有効磁束を１.０Φとしたとき、磁極位相が４５°，９０°，１３５°の有効磁束を０.７５Φ，０.５Φ，０.２５Φと表記する。

図８（ａ）〜（ｄ）は、効率マップＭＰ１〜ＭＰ４の回転数−トルク曲線内の運転効率分布を示し、これらの４つの効率マップＭＰ１〜ＭＰ４を合成すると、図９の合成効率マップＧＭＰが得られる。なお、磁極位相０°，４５°，９０°，１３５°の効率マップの間、例えば磁極位相６０°や１２０°の効率マップでも、磁極位相に対して連続的に運転効率分布が変化しているが、この実施形態では、４つの効率マップから図９および図７の下部に示す合成効率マップＧＭＰを作成する。もちろん、磁極位相０°〜１３５°の間を４５°ピッチよりも小さいピッチで分割し、よりきめ細かく合成効率マップを作成してもよい。

なお、有効磁束ごとの運転効率マップＭＰ１〜ＭＰ４は予め制御回路の記憶装置に記憶しておき、これらの運転効率マップＭＰ１〜ＭＰ４を合成した合成マップＧＭＰも記憶装置に記憶しておく。

図９の合成効率マップＧＭＰの上部に示す有効磁束範囲は、１.０Φの第１範囲、１.０〜０.７５Φの第２範囲、０.７５〜０.５Φの第３範囲、０.５〜０.２５Φの第４範囲、０.２５〜０.０Φの第５範囲である。なお、図１３の下部の合成効率マップＧＭＰでは有効磁束範囲を省略している。

合成効率マップの作成手順を説明する。

それぞれＸ軸（発電機回転数）と、Ｙ軸（発電機トルク）とそれぞれの図中の階段状の曲線とにより囲まれた領域で、有効磁束を０.０〜１.０Φに変化させると、この領域中央やや左よりの位置に（図示せず）、それぞれの効率マップで最も効率のよい条件が存在する。すなわち、これらの効率マップでこの効率の良い場所を効率最高点として、発電機効率の分布図が生成される（図８）。さらに、有効磁束を０.０〜１.０Φに変化させたときのこれらの結果から、各有効磁束中の最大効率点を取り出し（図７中央）、合成した結果を磁束可変型発電機の効率マップとして図７下部中央および図１５に示す。

例えば、風力発電システムに第１の実施形態の発電機を適用した場合について説明する。風速状況に応じて、コントローラから要求トルクと要求回転数が指令されると、合成有効マップＧＭＰを参照して、そのトルクと回転数における運転点が含まれる有効磁束範囲を決定する。決定された有効磁束範囲で代表する有効磁束が例えば１.０Φであれば、第１回転子５と第２回転子６の位置を、有効磁束１.０Φに対応する位置に制御する。すなわち、アクチュエータ９へ制御信号を送り、回転子を移動する。

上記のようにして決定された最適な有効磁束に基づいて、この有効磁束に対応する磁極位相となるように、磁束可変装置ＪＭが制御され、第１回転子５と第２回転子６がアクチュエータにより移動して最適な有効磁束が実現される。

なお、本実施形態では、有効磁束を、図７に示した合成効率マップＧＭＰから算出するようにしたが、図８（ａ）〜（ｄ）の合成前の効率マップに基づいて有効磁束を決定してもよい。すなわち、要求トルクと要求回転数により各マップの運転効率を決定し、最高の運転効率を示したマップの有効磁束が、発電機の運転状況に適した有効磁束であると決定する。そして、有効磁束が得られる位置へ第１回転子５と第２回転子６を移動するように、アクチュエータ９に制御信号を印加するようにしてもよい。あるいは、要求トルクと要求回転数を用いて数式や近似式から有効磁束を計算してもよい。

−第１，第２の実施形態のコギングトルク低減効果−
図１０は、第１，第２の実施形態のコギングトルク低減効果を示す。コギングトルクとは、非励磁状態で回転子を動かした際に発生する磁石と固定子鉄心の間に働く磁気吸引力に起因する位置トルクである。コギングトルクは回転抵抗になり発電機１４の回転を妨げている。コギングトルク低減の一般的な方法として、スキューが用いられている。スキューは磁気回路を軸方向に斜めになるように配置することにより、急激な磁束変化を抑制しコギングトルクを抑制することである。しかしながら、設計上のトルク定数が犠牲となる問題点がある。本発明の磁束可変型の発電機１４は、運転状況に応じて、有効磁束を変えられる以外に、分割した回転子の位置を適切に調整すれば、スキュー効果も得られる。

例えば、磁極が８で、スロットが２４の発電機の場合では、第１回転子５と第２回転子６のコギングトルクτ_cの波形を図１０（ａ）に示す。コギングトルクの周期は機械角１５°となる。従来の磁束固定型の発電機の場合では、発電機のコギングトルクは第１回転子５と第２回転子６のコギングトルクの和になる。一方、本発明の磁束可変型の発電機１４の場合では、磁束可変装置ＪＭで適切に第１回転子５と第２回転子６の固定子スロットに対する磁極位置（角度）を変えることにより、発電機１４のコギングトルクを低減させることができる（図１０（ｂ））。上記例の場合では、７.５°または７.５°の奇数倍であれば、コギングトルクを低減させる効果がある。

−風力発電システムへの適用例その１−
第１，第２の実施形態で説明したいずれかの発電機を風力発電機システムに適用した例について説明する。

図１１は、第１，第２の実施形態の発電機が搭載される風力発電システムの配置構成を示す。この適用例の風力発電システムは、タワー１２の上部にはブレード（翼）１３と、発電機１４と、風速計１５が設けられ、発電機１４からの交流電気エネルギーを電力ケーブル１６を通じて整流回路装置１７とインバータ１８に連結され、電力は電力系統に送られるか蓄電池１９に貯めるようになっている。

ブレード（翼）１３は主軸に装着され、ブレード（翼）１３の回転力を伝達する主軸は発電機１４と結合されている。インバータ１８は発電機１４の電力を変換するものである。このインバータ１８を制御するコントローラが設けられている。また、風速条件に合ったブレード（翼）１３のピッチを制御する手段としてブレード（翼）１３の数に合わせて複数個のピッチモータが設けられ、主軸と発電機１４との間にはブレーキが設けられている。

従来の風力発電システムの発電機において、低速領域で高トルクが得られるが、回転数の可変範囲が狭いために高速領域の運転は困難であった。そこで、電気的な弱め界磁制御技術により高速運転領域を広げることが考えられる。また、風力発電システムの発電機は広い速度範囲で所定の出力を確保するためにギア機構やピッチモータ等を備えて、さまざまな風速条件に対応できるようにした。発電機の各相巻線を主軸の回転速度に応じて巻線切り替え装置を用いて、低速用巻線と高速用巻線に切り替えて駆動するようにしているものもある。電気的な弱め界磁制御により高速運転領域を広げることは、弱め界磁電流による発熱や効率低下などにより限界がある。各相巻線を主軸の回転速度に応じて巻線切り替え装置を用いた場合は、発電機本体からのリード線の数が多く、さらに巻線切り替え制御装置とその構造が複雑になる課題などがある。

分割回転子を有する回転電機を用いた風力発電システムの発電機が風力の広い範囲で高効率を行う適用例として、分割された回転子は以下の状態で運転されればよい。

風が弱い低速回転領域においては、磁束可変装置ＪＭは、相対的に回転できる回転子を同極性磁極の中心がそろう方向に回転させて、固定子磁極と対向する永久磁石による有効磁束量を多くし、高出力特性が得られるようにする。一方、風が強い高速回転領域においては、磁束可変装置ＪＭは、相対的に回転できる回転子を同極性磁極の中心がずれる方向に回転させれば、固定子磁極と対向する永久磁石による有効磁束量を少なくすることになり、言い換えると機械的な弱め界磁効果があり、高速回転領域において定出力特性が得られる。

また、本発明の磁束可変型の発電機１４を用いた風力システムは、コギングトルク低減効果を利用すれば、図１２に示すように、微風時より速く回転してより速く設計定格出力に到達できる。その結果、年間の発電量を増大できる。

さらに、風力発電機からの不安定な出力は、電力系統に悪影響を及ばすことがよく知られている。従来の発電機は、出力を安定させるために、大容量な電力変換システムと制御システムを用いているが、コストと制御は課題となっている。本発明の磁束可変型発電機を用いた場合、図１３に示すように、風速変動に応じて発電機の有効磁束を変えることによって、出力電圧を安定させて出力することができる。制御も簡単なアクチュエータの位置制御で実現可能である。

さらに、本発明の磁束可変装置は、図１４に示す分割固定子を有する発電機を用いた場合においても、上記と同様の状態で運転されればよい。

本適用例によれば、機械的に永久磁石の界磁用有効磁石量を可変できるという効果がある。特に、風力発電システムの主軸発電機の機械的な弱め界磁が簡単にでき、広範囲可変速制御に大きな効果がある。発電機構造が簡単になることにより、発電機が軽量になるため、タワーの構造が簡単になるという効果がある。

本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

１ 固定子鉄心
２ 電機子巻線
３ ハウジング
３Ａ ブラケット
３Ｂ ベアリング
４ シャフト
４Ａ，４Ｂ スプライン
５ 第１回転子
５Ａ，６Ａ 永久磁石
６ 第２回転子
７ アーム
７Ａ 針状ころ軸受
７Ｂ 軸受ハウジング
８ スラスト軸受
９ アクチュエータ
９Ａ アクチュエータのアーム
１０ 梃子のアーム
１０Ａ 梃子の支点
１０Ｂ 梃子の作用点
１０Ｃ 梃子の力点
１１ ストッパー
１１Ａ ストッパーのアーム
１２ タワー
１３ ブレード
１４ 発電機
１５ 風速計
１６ 電力ケーブル
１７ 整流回路装置
１８ インバータ
１９ 蓄電池
ＪＭ 磁束可変装置
ＡＣ 動力発生部
ＢＭ 倍力機構
ＤＤ 動力伝達部

Claims (11)

1. 翼を装着する主軸と、前記翼の回転力を伝達する主軸と結合された発電機と、前記発電機の電力を変換するインバータと、前記インバータを制御するコントローラと、風速条件に合った翼のピッチを制御する手段と、ブレーキと、風速風向計からなる風力発電システムにおいて、
   巻線を有する固定子と、
   前記固定子に空隙を介して回転可能に配設され、回転軸方向に少なくとも第１回転子と第２回転子に二分割され、それぞれに極性の異なる界磁用磁石が回転方向に交互に配置された回転子と、
   前記第１回転子に対する前記第２回転子の相対的な回転軸方向位置を可変する磁束可変装置と、を有し、
   前記磁束可変装置は、
   動力発生部と、
   前記動力発生部で発生した力を第２回転子及び第１回転子に伝達する動力伝達機構と、を有することを特徴とする風力発電システム。
2. 請求項１に記載の風力発電システムにおいて、
   前記風速計により計測した風速が所定の風速より弱い場合には、前記磁束可変装置は、前記第１回転子及び第２回転子を同極性磁極の中心がそろう方向に回転させることを特徴とする風力発電システム。
3. 請求項１に記載の風力発電システムにおいて、
   前記風速計により計測した風速が所定の風速より強い場合には、前記磁束可変装置は、前記第１回転子及び第２回転子を同極性磁極の中心がずれる方向に回転させることを特徴とする風力発電システム。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の風力発電システムにおいて、
   前記回転子は、３つ以上に分割され、
   前記磁束可変装置は、前記分割された個々の分割回転子の相対的な回転軸方向位置を可変することを特徴とする風力発電システム。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の風力発電システムにおいて、
   前記第１回転子は第１のスプラインを介して回転軸に装着され、前記第２回転子は第２のスプラインを介して前記回転軸に装着され、
   前記第１のスプラインは、前記第２のスプラインと逆切り方向で構成されていることを特徴とする風力発電システム。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の風力発電システムにおいて、
   前記動力伝達機構は、
   前記動力発生部と第２回転子とを連結する第１の軸受構造と、
   前記第１回転子と第２回転子とを連結する第２の軸受構造と、
   を備えることを特徴とする風力発電システム。
7. 請求項６に記載の風力発電システムにおいて、
   前記第２の軸受構造は、
   第１回転子と第２回転子とを異なる方向に回転移動させることを備えることを特徴とする風力発電システム。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の風力発電システムにおいて、
   前記動力発生部と前記動力伝達機構の間に介在し、前記動力発生部で発生した力を倍増する倍力機構とを備えることを特徴とする風力発電システム。
9. 請求項８に記載の風力発電システムにおいて、
   前記倍力機構は、梃子構造，リンク機構，油圧機構，歯車とボールネジ機構のいずれかによって構成されることを特徴とする風力発電システム。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の風力発電システムにおいて、
    前記磁束可変装置を制御する手段をさらに備え、
    前記制御手段は、
    回転子の回転数とトルクで定まる運転効率が示された発電機効率マップを複数の有効磁束ごとに記憶した記憶装置と、
    要求トルクと要求回転数に基づいて前記複数の発電機効率マップを参照し、最も効率が高いマップの有効磁束を決定する有効磁束決定手段と、
    決定された有効磁束に基づく指令値を計算して前記磁束可変装置へ出力する計算手段とを備えることを特徴とする風力発電システム。
11. 請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の風力発電システムにおいて、
    前記磁束可変装置を制御する手段をさらに備え、
    前記制御手段は、
    回転子の回転数とトルクで定まる運転効率が示された発電機効率マップを複数の有効磁束ごとに記憶した記憶装置と、
    前記複数の発電機効率マップに基づいて合成効率マップを生成し、前記合成効率マップを参照して要求トルクと要求回転数に基づく運転点の合成後の有効磁束を決定する有効磁束決定手段と、
    決定された有効磁束に基づく指令値を計算して前記磁束可変装置へ出力する計算手段とを備えることを特徴とする風力発電システム。

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