JP2017020479A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電効率の低下を可及的に抑えることができる風力発電装置を提供する。【解決手段】所定の方向に沿って延びる中心軸Ｃが軸芯となるように固定され中心軸Ｃから外周部に向けて放射状となるように巻線コイル６が配置された固定部材２と、固定部材２の周囲に中心軸Ｃが軸芯となるように回転自在に設けられ巻線コイル６に対向するように発電用磁石７が配置された回転部材３と、固定部材２の外周部及び回転部材３の内周部にそれぞれ同極となるように対向して設けられ回転部材３を固定部材２に対して磁気反発力によって浮上させる浮上用磁石４ａ〜４ｈと、回転部材３の外周部に設けられ風力を受けることによって回転部材３を固定部材２に対して周方向に回転させる羽根部材５と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、風力を利用して発電する風力発電装置に関する。

従来の風力発電装置は、鉛直方向に沿って設けられた回転軸と、回転軸の周方向に複数枚取り付けられた羽根とを備え、回転軸の下部には発電機の軸部が一体回転可能に連結されている（特許文献１参照）。この種の風力発電装置では、羽根が風力を受けることによって回転軸が回転し、回転軸の回転に連動して発電機の軸部が回転することによって発電している。

特開２００５−２９６２号公報

しかしながら、前記従来の風力発電装置では、回転軸がボールベアリング等の軸受によって支持されているため、例えば、回転軸が長時間にわたって高速に回転すると、軸受の発熱や摩耗によって、軸受の回転性能が低下することがある。軸受の回転性能が低下すると、回転軸のスムーズな回転が阻害されるため、回転軸の単位時間当たりの回転数が減少し、発電効率が低下するといった問題があった。

本発明は、上述の事情に鑑みて、発電効率の低下を可及的に抑えることができる風力発電装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するための手段を図面の参照符号を付して示せば、請求項１の発明に係る風力発電装置１は、所定の方向に沿って延びる中心軸Ｃが軸芯となるように固定され中心軸Ｃから外周部に向けて放射状となるように巻線コイル６又は発電用磁石が配置された固定部材２と、固定部材２の周囲に中心軸Ｃが軸芯となるように回転自在に設けられ巻線コイル６又は発電用磁石に対向するように発電用磁石７又は巻線コイルが配置された回転部材３と、固定部材２の外周部及び回転部材３の内周部にそれぞれ同極となるように対向して設けられ回転部材３を固定部材２に対して磁気反発力によって浮上させる浮上用磁石４ａ〜４ｈと、回転部材３の外周部に設けられ風力を受けることによって回転部材３を固定部材２に対して周方向に回転させる羽根部材５と、を備えてなることを特徴としている。

請求項２の発明は、上記請求項１の風力発電装置１において、回転部材３は、固定部材２の周囲に設けられる筒状部３ａと、筒状部３ａの軸方向に沿う一端部を閉塞する第１蓋部３ｂと、他端部を閉塞する第２蓋部３ｃとを有し、浮上用磁石４ａ〜４ｈは、固定部材２の外周部及び筒状部３ａの内周部にそれぞれ同極となるように対向して設けられるとともに、固定部材２の軸方向に沿う外側面及び第１，第２蓋部３ｂ，３ｃの軸方向に沿う内側面にそれぞれ同極となるように対向して設けられてなることを特徴としている。

請求項３の発明は、上記請求項１又は２の風力発電装置１において、固定部材２は、中心軸Ｃが軸芯となるように固定される軸部２ａと、軸部２ａの軸方向の中央部に装着固定され巻線コイル６又は発電用磁石が固定される第１固定部２ｂと、軸部２ａの軸方向に沿う一端部に装着固定され浮上用磁石４ａ，４ｂが固定される第２固定部２ｃと、他端部に装着固定され浮上用磁石４ｃ，４ｄが固定される第３固定部２ｄと、を有してなる事を特徴としている。

請求項４の発明は、上記請求項１〜３の何れかの風力発電装置１において、浮上用磁石４ａ〜４ｈの磁力は、発電用磁石７の磁力よりも小さい。

以下に、本発明の効果について、図面の参照符号を付して説明する。まず、請求項１の発明に係る風力発電装置１では、羽根部材５が風力を受けることによって回転部材３が固定部材２に対して周方向に回転し、回転部材３に配置された発電用磁石７が固定部材２に配置された巻線コイル６に対して回転し、巻線コイル６の磁束が変動することによって巻線コイル６に誘導電流を発生させて発電することができる。さらに、請求項１の発明に係る風力発電装置１は、回転部材３を固定部材２に対して磁気反発力によって浮上させる浮上用磁石４ａ〜４ｈを有しているから、回転部材３が固定部材２に対して接触することなく回転する。したがって、回転部材３が長時間にわたって高速に回転したとしても、回転部材３の回転性能を維持できるから、発電効率の低下を可及的に抑えることができる。

請求項２の発明によれば、浮上用磁石４ａ〜４ｈが、固定部材２の外周部及び筒状部３ａの内周部にそれぞれ同極となるように対向して設けられるとともに、固定部材２の軸方向に沿う外側面及び第１，第２蓋部３ｂ，３ｃの軸方向に沿う内側面にそれぞれ同極となるように対向して設けられるから、回転部材３を固定部材２の周方向及び軸方向に対して浮上させることができる。したがって、回転部材３を固定部材２に対して確実に接触することなく回転させることができるから、発電効率の低下を確実に抑えることができる。

請求項３の発明によれば、巻線コイル６が軸部２ａの中央部に装着固定される第１固定部２ｂに固定され、浮上用磁石４ａ〜４ｈが軸部２ａの両端部にそれぞれ装着固定される第２，第３固定部２ｃ，２ｄに固定されるから、浮上用磁石４ａ〜４ｈと巻線コイル６とが離間して配置される。したがって、浮上用磁石４ａ〜４ｈが巻線コイル６の磁束の変動に影響を及ぼすことがないから、発電効率の低下をさらに抑えることができる。

請求項４の発明によれば、浮上用磁石４ａ〜４ｈの磁力が発電用磁石７の磁力よりも小さいから、浮上用磁石４ａ〜４ｈが発電用磁石７の磁束に影響を及ぼすことがなくなり、このため、発電効率の低下をさらに確実に抑えることができる。

本発明の実施形態に係る風力発電装置を例示する縦断側面図である。 同風力発電装置を例示するＡ−Ａ断面図である。 同風力発電装置を例示するＢ−Ｂ断面図である。

以下に、本発明に係る風力発電装置１の実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。

風力発電装置１は、図１及び図２に示すように、風力を利用して発電する風力発電装置であって、鉛直方向（図１の上下方向、図２の紙面直交方向）に沿って延びる中心軸Ｃが軸芯となるように図示しない基台に固定され中心軸Ｃから外周部に向けて水平方向（図１の左右方向、図２の面方向）に放射状となるように巻線コイル６が配置された固定部材２と、固定部材２の周囲に中心軸Ｃが軸芯となるように回転自在に設けられ巻線コイル６に対向するように発電用磁石７が配置された回転部材３と、固定部材２の外周部及び回転部材３の内周部にそれぞれ同極となるように対向して設けられ回転部材３を固定部材２に対して磁気反発力によって浮上させる浮上用磁石４ａ〜４ｈと、回転部材３の外周部に設けられ風力を受けることによって回転部材３を固定部材２に対して周方向に回転させる羽根部材５と、を備える。

固定部材２は、図１に示すように、中心軸Ｃが軸芯となるように基台に固定される軸部２ａと、軸部２ａの軸方向の中央部に装着固定され巻線コイル６が固定される第１固定部２ｂと、軸部２ａの軸方向に沿う両端部にそれぞれ装着固定され浮上用磁石４ａ〜４ｄが固定される第２，第３固定部２ｃ，２ｄと、を有する。固定部材２は、金属又は合成樹脂の非磁性体からなる部材である。軸部２ａは、内部が中空となる筒状の部材であって、基台に対して垂直に立設している。

第１固定部２ｂは、図１及び図２に示すように、軸部２ａと別体で設けられ、軸部２ａの軸方向の中央部に、例えば、セレーション結合等の固定手段によって相対移動不能に固定されている。第１固定部２ｂは、軸部２ａの周囲に挿通固定される貫通孔２ｂ１ａを中央部に有する円柱状の柱状部２ｂ１と、柱状部２ｂ１の外周面から外方に向けて水平方向に中心軸Ｃを基準として放射状に複数方向（図２では、８方向）に延びる棒状部２ｂ２と、棒状部２ｂ２の先端部に棒状部２ｂ２の外形よりも大きい外形を有するフランジ部２ｂ３と、を有する。柱状部２ｂは、中心軸Ｃが軸芯となるように形成され、貫通孔２ｂ１ａの内径が軸部２ａの外径と実質的に同一になるように形成された円柱状の部材である。棒状部２ｂ２は、外周部に巻線コイル６が巻回される複数（図２では、８つ）の棒状部材からなる部材であって、それぞれが柱状部２ｂ１の周方向に等配されている。フランジ部２ｂ３は、図１及び図２に示すように、発電用磁石７が対向するように配置され、棒状部２ｂ２に巻回された巻線コイル６の巻端として機能するものである。巻線コイル６は、導電性を有する金属製の線材を棒状部２ｂ２に螺旋状に巻回することにより、中心軸Ｃから外周部に向けて放射状となるように配置される。また、図示しない電流取出端子に電気的に接続される巻線コイル６の２つの端部を除いて、隣り合う棒状部２ｂ２に巻回された巻線コイル６の端部同士が電気的に接続されている。

第２固定部２ｃは、図１に示すように、軸部２ａと別体で設けられ、軸部２ａの上端部に、例えば、セレーション結合等の固定手段によって相対移動不能に固定されている。第２固定部２ｃは、図１に示すように、下面側の中央部が円形に凹むように形成され軸部２ａの上端部が固定される凹部２ｃ１ａを有する円板部２ｃ１（図３も参照）と、円板部２ｃ１の下面側の外縁部から下方に突出する円筒部２ｃ２（図３も参照）と、を有する。円板部２ｃ１の上面には、図１に示すように、浮上用磁石４ａを埋設固定する環状溝２ｃ３が形成され、円筒部２ｃ２の外周面には、浮上用磁石４ｂを埋設固定する環状溝２ｃ４が形成されている。

第３固定部２ｄは、図１に示すように、軸部２ａと別体で設けられ、軸部２ａの下端部に、例えば、セレーション結合等の固定手段によって相対移動不能に固定されている。第３固定部２ｄは、中央部が円形に貫通するように形成され軸部２ａの下端部が挿通固定される貫通孔２ｄ１ａを有する円板部２ｄ１と、円板部２ｄ１の上面側の外縁部から上方に突出する円筒部２ｄ２と、を有する。円板部２ｄ１の下面には、浮上用磁石４ｃを埋設固定する環状溝２ｄ３が形成され、円筒部２ｄ２の外周面には、浮上用磁石４ｄを埋設固定する環状溝２ｄ４が形成されている。

回転部材３は、図１に示すように、固定部材２の周囲に設けられる円筒状の筒状部３ａと、筒状部３ａの軸方向に沿う両端部をそれぞれ閉塞する円板状の第１，第２蓋部３ｂ，３ｃとを有する。回転部材３は、筒状部３ａと第１蓋部３ｂとが一体成形された有底筒状部材の下面と、第２蓋部３ｃ単体からなる円板部材の上面とが、図示しないねじ結合等の固定手段によって固定され、上面及び下面が閉塞された円筒状部材で構成される。回転部材３は、金属又は合成樹脂の非磁性体からなる部材である。回転部材３は、固定部材２の周囲に中心軸Ｃが軸芯となるように回転自在に設けられる。

筒状部３ａは、図１及び図２に示すように、内周部の上下方向の中央部において、第１固定部２ｂの棒状部２ｂ２に巻回された巻線コイル６の巻端である第１固定部２ｂのフランジ部２ｂ３に対向するように配置され、内周部の周方向全体に等配された１２個の発電用磁石７が固定されている。発電用磁石７は、フェライト磁石、ネオジウム磁石等の板状の永久磁石であって、それぞれの磁極の向きが対向する巻線コイル６の方向に向くように配置されている。また、発電用磁石７は、図２に示すように、隣り合う発電用磁石７の磁極が異なるように配置されている。なお、本実施形態では、複数個（図２では、１２個）の発電用磁石７を設けたが、隣り合う発電用磁石７の磁極が異なるように配置すれば、発電用磁石７の数は、これに限定されるものではない。また、本実施形態では、回転部材３の筒状部３ａに発電用磁石７を設け、固定部材２の第１固定部２ｂに巻線コイル６を設けていたが、回転部材３の筒状部３ａに巻線コイルを設け、固定部材２の第１固定部２ｂに発電用磁石を設ける構成にしてもよい。この場合には、固定部材２の軸部２ａと、回転部材３の筒状部３ａとの間にスリップリングを設け、筒状部３ａに設けられた巻線コイルから電流を取り出す構成にしてもよい。

筒状部３ａは、図１に示すように、内周部の上部において、第２固定部２ｃの円筒部２ｃ２の外周面の環状溝２ｃ４に埋設固定された浮上用磁石４ｂに対向する位置に、磁極が浮上用磁石４ｂの磁極と同一になる浮上用磁石４ｆを埋設固定するための環状溝３ａ１が形成されている。筒状部３ａは、内周部の下部において、第３固定部２ｄの円筒部２ｄ２の外周面の環状溝２ｄ４に埋設固定された浮上用磁石４ｄに対向する位置に、磁極が浮上用磁石４ｄの磁極と同一になる浮上用磁石４ｈを埋設固定するための環状溝３ａ２が形成されている。

第１蓋部３ｂは、図１に示すように、下端部が筒状部３ａの上端部と一体成形され、第１蓋部３ｂの下面において、円板部２ｃ１の上面に形成された環状溝２ｃ３に埋設固定された浮上用磁石４ａに対向する位置に、磁極が浮上用磁石４ａの磁極と同一になる浮上用磁石４ｅを埋設固定するための環状溝３ｂ１が形成されている。第２蓋部３ｃは、図１に示すように、筒状部３ａ及び第１蓋部３ｂと別体で形成され、中央部に形成された貫通孔３ｃ２が軸部２ａに挿通された状態で上端部が筒状部３ａの下端部が固定され、第２蓋部３ｃの上面において、円板部２ｄ１の下面に形成された環状溝２ｄ３に埋設固定された浮上用磁石４ｃに対向する位置に、磁極が浮上用磁石４ｃの磁極と同一になる浮上用磁石４ｇを埋設固定するための環状溝３ｃ１が形成されている。

浮上用磁石４ａ〜４ｈは、図１に示すように、フェライト磁石、ネオジウム磁石等の環状の永久磁石であって、具体的には、浮上用磁石４ａ（図３参照），４ｃ，４ｅ，４ｇは、板状の永久磁石であり、浮上用磁石４ｂ（図３参照），４ｄ，４ｆ（図３参照），４ｈは、円筒状の永久磁石である。また、浮上用磁石４ａ〜４ｈの磁力は、発電用磁石７の磁力よりも小さくなっている。具体的には、浮上用磁石４ａ〜４ｈの磁束密度が、発電用磁石７の磁束密度よりも小さくなっている。これらの磁束密度は、例えば、テスラメータにより測定できる。本実施形態では、浮上用磁石４ａ〜４ｈの磁力が発電用磁石７の磁力よりも小さいから、浮上用磁石４ａ〜４ｈが発電用磁石７の磁束に影響を及ぼすことがなくなり、このため、発電効率の低下をさらに確実に抑えることができる。なお、浮上用磁石４ａ〜４ｈは、永久磁石に限定されるものではなく、励磁コイルに電流を流すことによって磁力が発生する電磁石であってもよい。

浮上用磁石４ａ〜４ｈは、固定部材２の外周部及び筒状部３ａの内周部にそれぞれ同極となるように対向して設けられるとともに、固定部材２の軸方向に沿う外側面及び第１，第２蓋部３ｂ，３ｃの軸方向に沿う内側面にそれぞれ同極となるように対向して設けられる。浮上用磁石４ａは、例えば、磁極が上側に向かってＮ極であり、浮上用磁石４ｅは、磁極が下側に向かってＮ極であって、このため、浮上用磁石４ａと浮上用磁石４ｅとは同極であるから、磁気反発力によって、第１蓋部３ｂが第２固定部２ｃに対して上方に浮上する。浮上用磁石４ｂは、磁極が外周側に向かってＮ極であり、浮上用磁石４ｆは、磁極が内周側に向かってＮ極であって、このため、浮上用磁石４ｂと浮上用磁石４ｆとは同極であるから、磁気反発力によって、筒状部３ａが第１固定部２ｂに対して外方に浮上する。浮上用磁石４ｃは、磁極が下側に向かってＮ極であり、浮上用磁石４ｇは、磁極が上側に向かってＮ極であって、このため、浮上用磁石４ｃと浮上用磁石４ｇとは同極であるから、磁気反発力によって、第２蓋部３ｃが第３固定部２ｄに対して下方に浮上する。浮上用磁石４ｄは、磁極が外周側に向かってＮ極であり、浮上用磁石４ｈは、磁極が内周側に向かってＮ極であって、このため、浮上用磁石４ｄと浮上用磁石４ｈとは同極であるから、磁気反発力によって、筒状部３ａが第３固定部２ｄに対して外方に浮上する。したがって、浮上用磁石４ａ〜４ｈによって、回転部材３が固定部材２に対して浮上する。

羽根部材５は、回転部材３の筒状部３ａの外周部に筒状部３ａと一体成形され、風力を受けることによって回転部材３を固定部材２に対して周方向に回転させる部材である。羽根部材５は、図２及び図３に示すように、水平方向の断面が円弧状となる板状部材であって、複数個（図２では、８個）の板状部材が風力を受ける円弧の向きが同一方向（例えば、平面視で反時計まわりの方向）に向くように周方向に等配される。

本発明の風力発電装置１では、羽根部材５が風力を受けることによって回転部材３が固定部材２に対して周方向に平面視で反時計まわりの方向に回転し、回転部材３に配置された発電用磁石７が固定部材２に配置された巻線コイル６に対して回転し、巻線コイル６の磁束が変動することによって巻線コイル６に誘導電流を発生させて発電する。

しかして、本発明によれば、上述した実施形態に記載されるように、風力発電装置１は、回転部材３を固定部材２に対して磁気反発力によって浮上させる浮上用磁石４ａ〜４ｈを有しているから、回転部材３が固定部材２に対して接触することなく回転する。したがって、回転部材３が長時間にわたって高速に回転したとしても、回転部材３の回転性能を維持できるから、発電効率の低下を可及的に抑えることができる。

なお、本発明の風力発電装置１は、風力を受けることが可能な屋内又は屋外に設置され、例えば、家屋、ビル等の屋上に設置されることが好ましい。また、本発明の風力発電装置１は、自動車、二輪車、列車、航空機、船舶等の移動体に設置してもよく、移動体の移動によって発生する風力を受ける構成にしてもよい。さらに、本発明の風力発電装置１により発電した電力は、各種の電気製品を駆動する主電力又は補助電力として使用できる。

１ 風力発電装置
２ 固定部材
２ａ 軸部
２ｂ 第１固定部
２ｂ１ 柱状部
２ｂ１ａ 貫通孔
２ｂ２ 棒状部
２ｂ３ フランジ部
２ｃ 第２固定部
２ｃ１ 円板部
２ｃ１ａ 凹部
２ｃ２ 円筒部
２ｃ３，２ｃ４ 環状溝
２ｄ 第３固定部
２ｄ１ 円板部
２ｄ１ａ 貫通孔
２ｄ２ 円筒部
２ｄ３，２ｄ４ 環状溝
３ 回転部材
３ａ 筒状部
３ａ１，３ａ２ 環状溝
３ｂ 第１蓋部
３ｂ１ 環状溝
３ｃ 第２蓋部
３ｃ１ 環状溝
３ｃ２ 貫通孔
４ａ〜４ｈ 浮上用磁石
５ 羽根部材
６ 巻線コイル
７ 発電用磁石
Ｃ 中心軸

Claims (4)

1. 所定の方向に沿って延びる中心軸が軸芯となるように固定され、前記中心軸から外周部に向けて放射状となるように巻線コイル又は発電用磁石が配置された固定部材と、
   前記固定部材の周囲に前記中心軸が軸芯となるように回転自在に設けられ、前記巻線コイル又は前記発電用磁石に対向するように発電用磁石又は巻線コイルが配置された回転部材と、
   前記固定部材の外周部及び前記回転部材の内周部にそれぞれ同極となるように対向して設けられ、前記回転部材を前記固定部材に対して磁気反発力によって浮上させる浮上用磁石と、
   前記回転部材の外周部に設けられ、風力を受けることによって前記回転部材を前記固定部材に対して周方向に回転させる羽根部材と、を備えてなる風力発電装置。
2. 前記回転部材は、
   前記固定部材の周囲に設けられる筒状部と、
   前記筒状部の軸方向に沿う一端部を閉塞する第１蓋部と、
   前記筒状部の軸方向に沿う他端部を閉塞する第２蓋部と、を有し、
   前記浮上用磁石は、前記固定部材の外周部及び前記筒状部の内周部にそれぞれ同極となるように対向して設けられるとともに、前記固定部材の軸方向に沿う外側面及び前記第１，第２蓋部の軸方向に沿う内側面にそれぞれ同極となるように対向して設けられてなる請求項１に記載の風力発電装置。
3. 前記固定部材は、
   前記中心軸が軸芯となるように固定される軸部と、
   前記軸部の軸方向の中央部に装着固定され前記巻線コイル又は前記発電用磁石が固定される第１固定部と、
   前記軸部の軸方向に沿う一端部に装着固定され前記浮上用磁石が固定される第２固定部と、
   前記軸部の軸方向に沿う他端部に装着固定され前記浮上用磁石が固定される第３固定部と、を有してなる請求項１又は２に記載の風力発電装置。
4. 前記浮上用磁石の磁力は、前記発電用磁石の磁力よりも小さい請求項１〜３の何れかに記載の風力発電装置。

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