JP2012044804A - 流体発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電機ロータから発電機ステータの全部を引き抜かなくても、発電機の出力を零に近づけることができるステータ駆動方式の流体発電装置を提供する。
【解決手段】流体発電装置は、風力又は水力を受けて回転するロータ１と、ロータ１の回転力を発電機１１に伝達する主軸４と、主軸４と共に回転し、外周面がテーパ状に形成される発電機ロータ１２、及び発電機ロータ１２にすきまを介して対向し、内周面がテーパ状に形成される発電機ステータ１４を有する発電機１１と、発電機ステータ１４を発電機ロータ１２の軸線方向に移動させるステータ駆動装置１３と、を備える。ステータ駆動装置１３が、発電機ロータ１２と発電機ステータ１４との対向面積が小さくなるように発電機ステータ１４を発電機ロータ１２の軸線方向に移動させることによって、発電機ロータ１２と発電機ステータ１４との間のすきまが大きくなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力又は水力の流体エネルギを発電機によって電気エネルギに変換する流体発電装置に関する。

近年、環境問題や化石燃料の枯渇に関する関心が世界的に高まっており、その対策の一つとして自然エネルギの利用に注目が集まっている。自然エネルギは、資源を枯渇させずに利用可能なエネルギであり、再生可能エネルギとも呼ばれている。自然エネルギの一種として風のエネルギ（風力）、水のエネルギ（水力）が注目されている。

風力発電装置又は水力発電装置は、風力又は水力を電気エネルギに変換する装置である。風力発電装置においては、風力をロータ（翼車）が受け、ロータの回転力は主軸を介して発電機に伝達され、発電機がロータの機械的な回転力を電力に変換する。水力発電装置は、風力の替わりに水力を利用するものであり、風力発電装置と同様に電力を発生させる。

風力、水力を利用した発電は、資源が無尽蔵でクリーンな反面、出力が風、水などの自然現象に影響されて変動するという欠点をもつ。風の変動に対応するために、特許文献１には、発電機ステータを発電機ロータの軸線の方向に移動させる風車が開示されている。この風車においては、微風状態等の低速低出力域で発電機の鉄損を低減したい場合、あるいは、強風状態で回転速度が上昇する高速域で発電機の発生電圧がインバータ素子の定格を越えるおそれがある場合には、発電機ステータを移動させ、発電機ステータと発電機ロータとの対向面積を減少させている。そして、永久磁石からコイルに鎖交する磁束を減少させることにより、発電領域を拡大している（下記公報の段落００１８及び段落００１９参照）。

特開２００１−１６１０５２号公報

世の中には、微風状態の風が頻繁に吹く。この種のステータ駆動方式の風車にあっては、微風状態でもロータが回転するようにするために、発電機ロータから発電機ステータの全部を引き抜く必要がある。発電機の出力を零に近づけ、発電機による抵抗を最小限にするためである。しかし、発電機ロータから発電機ステータの全部を引き抜くと、発電機ステータの移動距離が長くなる。このため、発電機のためのスペースが大きくなるという問題が発生する。

そこで本発明は、発電機ロータから発電機ステータの全部を引き抜かなくても、発電機の出力を零に近づけることができるステータ駆動方式の流体発電装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、風力又は水力を受けて回転するロータと、前記ロータの回転力を発電機に伝達する主軸と、前記主軸と共に回転し、外周面がテーパ状に形成される発電機ロータ、及び前記発電機ロータにすきまを介して対向し、内周面がテーパ状に形成される発電機ステータを有する発電機と、前記発電機ステータを前記発電機ロータの軸線方向に移動させるステータ駆動装置と、を備え、前記ステータ駆動装置が、前記発電機ロータと前記発電機ステータとの対向面積が小さくなるように前記発電機ステータを前記発電機ロータの前記軸線方向に移動させることによって、前記発電機ロータと前記発電機ステータとの間のすきまが大きくなる流体発電装置である。

本発明によれば、風速が定格風速よりも小さいとき、発電機ロータと発電機ステータとの対向面積の減少に相俟って、発電機ロータと発電機ステータとの間のすきまが大きくなる。発電機の逆起電圧定数は、対向面積とすきまの大きさの逆数の積に相関関係がある。対向面積が減少すると共にすきまの大きさの逆数が小さくなるので、発電機の逆起電圧定数が対向面積が減少する以上に小さくなる。したがって、発電機ロータから発電機ステータの全部を引き抜かなくても、発電機の出力を零に近づけることができる。

本発明の一実施形態の風車の全体図 発電機の垂直面内断面図（図中（ａ）は発電機ロータと発電機ステータとの対向面積が最大の状態を示し、図中（ｂ）は発電機ロータと発電機ステータとの対向面積を減少させた状態を示す） 発電機の水平面内断面図 階段状に形成した発電機ステータの他の例を示す垂直面内断面図 発電機ステータのさらに他の例を示す垂直面内断面図 発電機ステータのさらに他の例のコア及びコイルを示す図

以下、添付図面に基づいて本発明の一実施形態の流体発電装置としての風力発電装置（以下、単に風車という）を説明する。図１は、風車の全体の構成図を示す。図１には、風車として、ロータ１の主軸４が風向きに垂直である垂直軸風車が示されている。この垂直軸風車は、ロータ１に働く揚力を利用して回転力を得る。ロータ１は、垂直方向に直線状に伸びる複数毎のブレード２を有する。風が吹いたとき、ブレード２は発生する揚力を利用してロータ１に流入する風速の数倍のスピードで回転する。ブレード２は、上下一対の支持腕３を介して主軸４に取り付けられる。

風速は、ロータ１の高さに設置された流速測定装置としての風速計８によって測定される。風速計８が測定した風速のデータは、発電機ステータ１４の位置を制御する制御装置１０に送られる。

主軸４は中空に形成される。主軸４の内側には、主軸４を回転可能に支持する支持軸５が設けられる。支持軸５は風車ベース１９から垂直方向に立設する。主軸４と支持軸５との間には、上下方向に間隔を空けて軸受７が配置される。主軸４は軸受７に支持された状態で、支持軸５の外側を回転する。この例の主軸４は支持軸５の外側を回転するので、アウターロータと呼ばれる。

風車の下部には、円筒状のケース１５によって覆われる発電機１１が設けられる。発電機１１は、主軸４と共に回転する発電機ロータ１２と、発電機ロータ１２にすきまを介して対向する発電機ステータ１４と、を備える。発電機には、永久磁石の界磁を利用してコイルに電流を生じさせる同期型発電機が用いられる。発電機ロータ１２の外周面は、下方に向かって径が小さくなるテーパ状に形成される。発電機ステータ１４の内周面は、下方に向かって径が小さくなるテーパ状に形成される。発電機ロータ１２及び発電機ステータ１４の詳細な構造については後述する。発電機ステータ１４に対して発電機ロータ１２が回転すると、発電機ステータ１４のコイル１８に三相交流が発生する。コイル１８に発生する三相交流は、直流リンク方式又は交流リンク方式を介して商用電源に系統連係される。

主軸４の下端には、ロータ軸９が接続される。ロータ軸９は、上部ロータ軸３０、下部ロータ軸２８、及び上部ロータ軸３０と下部ロータ軸２８との間に挟まれる発電機ロータ１２を有する。上部ロータ軸３０は、主軸４に接続されると共に、発電機ケース２４に軸受２９を介して回転可能に支持される。下部ロータ軸２８は、発電機ベース２３に軸受２７を介して回転可能に支持される。上部ロータ軸３０、発電機ロータ１２、及び下部ロータ軸２８は、通しボルトによって一体的に結合される。

発電機ベース２３は、風車ベース１９に架台１６を介して支持される。発電機ケース２４と発電機ベース２３とは複数本のスプライン軸２１で連結される。発電機ベース２３と発電機ケース２４との間には、ステータハウジング２５がロータ軸９の軸線方向に直線運動可能に設けられる。ステータハウジング２５の直線運動は、スプライン軸２１及びスプラインナット２２によって案内される。発電機ステータ１４は、ステータハウジング２５の内周側に取り付けられる。

ステータ駆動装置１３は、発電機ステータ１４を発電機ロータ１２の軸線方向に直線運動させる。ステータ駆動装置１３は、サーボモータ４０と、サーボモータ４０に連結されるボールねじ３９と、を備える。サーボモータ４０は発電機ケース２４に取り付けられる。サーボモータ４０には、カップリングを介してねじ軸３８が連結される。ねじ軸３８には、ナット３７が組み付けられる。ナット３７はステータハウジング２５に取り付けられる。サーボモータ４０によってねじ軸３８を回転させると、ナット３７がねじ軸３８の軸線方向に直線運動し、ステータハウジング２５及び発電機ステータ１４がロータ軸９の軸線方向に直線運動する。

ステータ駆動装置１３は、制御装置１０によって制御される。制御装置１０は、風速計８が測定した風速に基づいて、ステータ駆動装置１３を制御する。ステータ駆動装置１３の制御方法については後述する。

発電機１１の詳細な構造は以下のとおりである。図２（ａ）に示すように、発電機ロータ１２は、上部ロータ軸３０と下部ロータ軸２８との間に挟まれる本体部３１と、本体部３１の外周面に配列される複数の永久磁石３２と、を有する。本体部３１の外周面は、下方に向かって徐徐に外径が狭くなるテーパ状に形成される。本体部３１の内側には、支持軸が貫通する貫通孔３１ａが開けられる。

本体部３１の外周面には、周方向に交互にＮ極及びＳ極が形成されるように複数の永久磁石３２が配列される。複数の永久磁石３２の外周面３２ａは、下方に向かって徐徐に外径が狭くなるテーパ状に形成される。各永久磁石３２は、水平面内での断面形状が円弧状に形成され（図３参照）、発電機ロータ１２の軸線方向に細長く形成される。本体部３１の周囲にすきまを空けることなく、複数の永久磁石３２を配列できるように、断面円弧形状の各永久磁石３２の周方向の幅（円弧の長さ）は、下方に向かって徐徐に狭くなる（図２（ａ）中の二点鎖線参照）。各永久磁石３２は、半径方向の外側にＮ極及びＳ極のいずれか一方、半径方向の内側にＮ極及びＳ極の他方が形成されるように、半径方向着磁される。

図３に示すように、発電機ステータ１４は、ヨーク１７と、ヨーク１７の複数のコア１７ａに巻かれる複数のコイル１８と、を有する（図の水平断面図も参照）。ヨーク１７は、筒状のヨーク本体１７ｂと、筒状のヨーク本体１７ｂから半径方向の内側に突出する複数のコア１７ａと、を有する。複数のコア１７ａは、筒状のヨーク本体１７ｂの内側に周方向に一定の間隔を空けて配列される。図２（ａ）に示すように、複数のコア１７ａは、永久磁石３２と同様に発電機ロータ１２の軸線方向に細長く伸びる。複数のコア１７ａの垂直方向の長さは、永久磁石３２の垂直方向の長さにほぼ等しい。複数のコア１７ａの内周面１７ｃは、複数の永久磁石３２の外周面３２ａと相似のテーパ状に形成される。正確にいえば、複数のコア１７ａの内周面を繋いだ立体形状がテーパ状に形成される。各コア１７ａの垂直面内での断面形状は、下方に向かうにしたがって徐徐にヨーク本体１７ｂの半径方向の内側に向かって突出する台形に形成される。各コア１７ａには、Ｕ相，Ｖ相，及びＷ相の各コイル１８が巻かれる。ヨーク１７は、珪素鋼等からなる薄板状の鋼板を多数、発電機ロータ１２の軸線方向に積層してなる。

図２（ａ）は、発電機ロータ１２と発電機ステータ１４との対向面積が最大の状態（言い換えれば、発電機ロータ１２と発電機ステータ１４との噛み合い率が１００％の状態）を示す。図２（ｂ）は、ステータ駆動装置１３が、発電機ロータ１２と発電機ステータ１４との対向面積が小さくなるように、発電機ステータ１４を発電機ロータ１２の軸線方向に移動させた状態を示す。発電機ロータ１２の外周面３２ａ及び発電機ステータ１４の内周面１７ｃがテーパ状に形成されるので、発電機ステータ１４を発電機ロータ１２の軸線方向に移動させることによって、発電機ロータ１２と発電機ステータ１４との間のすきまが大きくなる。

ここで、発電機ロータ１２と発電機ステータ１４との間のすきまが変化しないと仮定すると、発電機１１の逆起電圧定数は対向面積にほぼ比例する。これに対し、本実施形態のように、発電機ロータ１２と発電機ステータ１４との間のすきまを大きくすると、発電機１１の逆起電圧定数が対向面積とすきまの大きさの逆数の積に相関関係があるので、対向面積が減少する以上に発電機１１の逆起電圧定数が小さくなる。したがって、発電機ロータ１２から発電機ステータ１４の全部を引き抜かなくても（言い換えれば、発電機１１の側方から見て、発電機ロータ１２と発電機ステータ１４とが一部重なっていても）発電機１１の出力を零に近づけることができる。

逆に、ステータ駆動装置１３が、発電機ロータ１２と発電機ステータ１４との対向面積が大きくなるように発電機ステータ１４を軸線方向に移動させると（図２（ｂ）→図２（ａ））、発電機ロータ１２と発電機ステータ１４との間のすきまが小さくなる。これにより、発電機ロータ１２と発電機ステータ１４との対向面積が増加する以上に逆起電圧定数が大きくなる。発電機ロータ１２と発電機ステータ１４との対向面積と共にすきまを変化させることで、発電機ステータ１４の移動距離が小さくても、発電機１１の出力の変化を大きくすることができる。したがって、頻繁に変化する風速に応答性よく発電機１１の出力を追従させることができる。

この実施形態において、発電機ステータ１４を発電機ロータ１２の軸線方向に移動させる目的は、ロータ１が受ける風のエネルギを発電機１１が出力する電気エネルギに一致させることにある。ロータ１が受ける風のエネルギは風速の三乗に比例する。一方、発電機１１が出力する電気エネルギは風速の二乗に比例する。風速の三乗に比例するロータ１が受ける風のエネルギと、風速の二乗に比例する発電機１１が出力する電気エネルギとを一致させるために、ステータ駆動装置１３が発電機ステータ１４を発電機ロータ１２の軸線方向に移動させる。制御装置１０は、ステータ駆動装置１３を制御し、ロータ１が受ける風のエネルギが、発電機１１が出力する電気エネルギに一致するように、発電機ステータ１４の発電機ロータ１２の軸線方向の位置を制御する。すなわち、制御装置１０は、風速計８が測定した風速に基づいて、風速が小さくなるにしたがって発電機１１の出力が小さくなり、逆に風速が大きくなるにしたがって発電機１１の出力が大きくなるように、ステータ駆動装置１３を制御する。

例えば、風速が１２ｍ／ｓ→６ｍ／ｓに変化すると、ロータ１が受ける風のエネルギが１／８に低減する。その一方、発電機１１が出力する電力は１／４に低減する。もともと風のエネルギが１／８に低減しているから、１／８までしか発電できないにもかかわらず、発電機１１の出力が１／４になっている。風のエネルギと発電機１１の出力との間にずれが生ずることが原因で、ロータ１の回転数が次々と落ちてしまう。これを防止するために、発電機ステータ１４の位置を制御し、発電機１１の出力を１／８にする。

一般化すると、風速がＮ^−１（Ｎ：１以上の有理数）倍になると、ロータ１の回転数はＮ^−１倍になり、ロータ１が受ける風のエネルギは、Ｎ^−３倍になる。一方、風速がＮ^−１倍になると、発電機ロータ１２の回転数はＮ^−１倍になり、発電機１１の出力はＮ^−２倍になる。ロータ１が受ける風のエネルギと発電機１１の出力を整合させるために、発電機ステータ１４の位置を制御して発電機１１の逆起電圧定数をＮ^−１／２倍にする。発電機１１の逆起電圧定数をＮ^−１／２倍にすれば、発電機１１の電圧がＮ^−３／２倍、電流がＮ^−３／２倍、発電機１１の出力がＮ^−３倍になり、ロータ１が受ける風のエネルギに整合するようになる。

逆に、風速がＮ（Ｎ：１以上の有理数）倍になると、ロータ１が受ける風のエネルギはＮ^３倍になるのに対し、発電機１１の出力はＮ^２倍になる。ロータ１が受ける風のエネルギと発電機１１の出力を整合させるために、発電機ステータ１４の位置を制御して発電機１１の逆起電圧定数をＮ^１／２倍にする。発電機１１の逆起電圧定数をＮ^１／２倍にすれば、発電機１１の電圧がＮ^３／２倍、電流がＮ^３／２倍、発電機１１の出力がＮ^３倍になり、ロータ１が受ける風のエネルギに整合するようになる。

さらに制御装置１０は、風速がカットイン風速よりも小さいとき、発電機１１の出力を零に近づける。カットイン風速は、風車が利用可能な動力を生む最小の風速である。風車のロータ１が回るかどうかはロータ１に作用するトルクで決定される。ロータ１に作用するトルクは風速の二乗に比例するので、風速が小さくなればなるほど、トルクも小さくなる。ロータ１が回転する時に抵抗になるのは、軸受７と発電機１１である。軸受７の抵抗は僅かなものであるが、発電機１１の抵抗は軸受７の抵抗に比べて大きい。カットイン風速よりも小さい風速のとき、発電機１１の出力を零に近づけることで、発電機１１の抵抗を零に近づけることができ、ロータ１を回転させ易くなる。ロータ１が一旦回転すると、あとは慣性により回転し続けようとするので、発電機１１の出力を増加させてもロータ１は回転し続ける。このため発電が可能になる。

図４は、発電機ステータ１４の他の例を示す。この例の発電機ステータ１４においては、複数のコア１７ａそれぞれの、永久磁石に対向する対向面３４が階段状に形成される。複数のコア１７ａの対向面３４によって、発電機ステータ１４の内周面１７ｃは、発電機ロータ１２の外周面３２ａと相似のテーパ状に形成される。発電機ロータ１２、コイル１８、及びヨーク１７の上記対向面３４以外の構成は、上記第一の実施形態の発電機１１と同一であるから、同一の符号を附してその説明を省略する。上述のように、ヨーク１７は、多数の鋼板を発電機ロータ１２の軸線方向に積層してなる。各鋼板は金型を用いたプレスの打抜きにより形成される。各コア１７ａの、発電機ロータ１２に対向する対向面３４を階段状に形成することで、段数に応じた数の金型を用意すればよいことになる。このため、金型の数を減らすことができる。

図５は、発電機ステータ１４のさらに他の例を示す。この例の発電機ステータ１４においても、複数のコア１７ａそれぞれの、発電機ロータ１２に対向する対向面３４が階段状に形成される。しかし、図４に示す発電機ステータと異なり、コイル１８が段階的に径（発電機ロータ１２の軸線方向の長さ）が異なる複数の分割コイル１８ａから構成されている。そして、複数の分割コイル１８ａは、複数のコア１７ａそれぞれの、階段状に形成される対向面３４の複数の段に巻かれる。この例の発電機ステータによれば、複数の分割コイル１８ａを繋げたコイル１８に発生する電流が大きくなり、発電機１１の効率が高くなる。

図６は、発電機ステータ１４のさらに他の例を示す。この例の発電機ステータ１４においては、各コア１７ａの、階段状に形成される対向面の複数の段の幅が、コイル１８の導線３５の一本分の線径に対応するように、コイル１８の導線３５の１．３〜１．７倍に設定される。そして、階段状に形成される対向面３４の複数の段それぞれに、コイル１８の一本の導線３５が巻かれる。この例の発電機ステータによれば、コア１７ａにコイル１８を巻き易くなる。

なお、本発明は上記実施形態に限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲でさまざまに変更可能である。

本発明は、上記実施形態のような垂直軸風車だけでなく、主軸が水平面内にある水平軸風車にも適用することができる。また、風車だけではなく、水力を利用して電力を発生する水力発電装置にも適用することができる。

上記実施形態では、発電機ロータに永久磁石を設け、発電機ステータにコイルを設けたが、これとは逆に発電機ロータにコイルを設け、発電機ステータに永久磁石を設けてもよい。発電機には、上記に記載した同期発電機以外に誘導発電機を用いてもよい。

ロータの主軸と発電機との間に増速機を設け、ロータの回転数を増速させて発電機のロータ軸に伝達してもよい。

発電機ステータを発電機ロータの中心線の方向に直線運動させるステータ駆動装置として、錘が遠心力により移動する半径方向の変位をカムを介して発電機ステータの変位に変換するものを用いてもよい。

１…ロータ，４…主軸，８…風速計（流速測定装置），１０…制御装置，１１…発電機，１２…発電機ロータ，１３…ステータ駆動装置，１４…発電機ステータ，１７ａ…コア，１７ｃ…発電機ステータの内周面，１８…コイル，１８ａ…分割コイル，３２…永久磁石，３２ａ…発電機ロータの外周面，３４…対向面，３５…導線

Claims (6)

1. 風力又は水力を受けて回転するロータと、
   前記ロータの回転力を発電機に伝達する主軸と、
   前記主軸と共に回転し、外周面がテーパ状に形成される発電機ロータ、及び前記発電機ロータにすきまを介して対向し、内周面がテーパ状に形成される発電機ステータを有する発電機と、
   前記発電機ステータを前記発電機ロータの軸線方向に移動させるステータ駆動装置と、を備え、
   前記ステータ駆動装置が、前記発電機ロータと前記発電機ステータとの対向面積が小さくなるように前記発電機ステータを前記発電機ロータの前記軸線方向に移動させることによって、前記発電機ロータと前記発電機ステータとの間のすきまが大きくなる流体発電装置。
2. 前記流体発電装置はさらに、
   流体の流速を測定する流速測定装置と、
   前記流速測定装置が測定した流体の流速に基づいて、前記ステータ駆動装置を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、流体の流速がカットイン流速以下のとき、前記発電機の出力が零に近づくように前記ステータ駆動装置を制御し、
   前記発電機の出力が零に近づいた状態において、前記発電機の側方から見て、前記発電機ロータと前記発電機ステータとが一部重なることを特徴とする請求項１に記載の流体発電装置。
3. 前記発電機ロータは、外周面がテーパ状に形成された複数の永久磁石を有し、
   前記発電機ステータは、前記発電機ロータの周方向に配列される複数のコア、及び前記複数のコアに巻かれる複数のコイルを有し、
   前記複数のコアの内周面がテーパ状に形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の流体発電装置。
4. 前記複数のコアそれぞれの、前記永久磁石に対向する対向面が、階段状に形成されることを特徴とする請求項３に記載の流体発電装置。
5. 前記複数のコイルそれぞれは、段階的に径が異なる複数の分割コイルを有し、
   前記複数の分割コイルは、前記複数のコアそれぞれの、階段状に形成される対向面の複数の段に巻かれることを特徴とする請求項４に記載の流体発電装置。
6. 前記複数のコアそれぞれの、階段状に形成される対向面の複数の段の幅が、コイルの導線の一本分の線径に対応し、
   階段状に形成される対向面の複数の段それぞれに、一本のコイルの導線が巻かれることを特徴とする請求項４に記載の流体発電装置。

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