JP2018061388A

JP2018061388A - ＫｉｃｋＹａｒｄＤｒｉｖｅＯｕｔｅｒｍｏｔｅｒの空隙維持の構造を用いた風力発電装置と水力発電装置

Info

Publication number: JP2018061388A
Application number: JP2016198731A
Authority: JP
Inventors: 快堂池田; Kaido Ikeda
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-10-07
Filing date: 2016-10-07
Publication date: 2018-04-12

Abstract

【課題】発電電力の増大を図るために発電機の直径を大きくすると、発電機の磁石間の空隙が狭く維持することが困難となって、発電電力の十分な増大ができなかった。
【解決手段】特許文献１や特許文献２の Kick Yard Drive Outer motor に示された互いに逆回転する２つの回転子の間に空隙調整車か空隙調整歯車かの少なくとも１つ以上を挿入して発電機を構成すると、発電機の直径を大きくしても、磁石間の空隙を狭く維持できるので、風力発電装置や水力発電装置の発電電力の増大が可能となる。
【選択図】図１０

Description

本発明は、特許第５８７８６６２号の「変速装置内蔵の回転電機」や特願２０１６−０４０５８７の「変速装置内蔵の回転電機の製造方法」に示された Kick Yard Drive Outer moter の空隙維持の構造を発電に応用した風力発電装置や水力発電装置の構成に関する。

風力発電装置や水力発電装置での発電機の発電量は、発電機の固定子の磁界を回転子の磁界が通過する際の速度に依存する。このため、例えば、大型の風力発装置においては、トルクは大きくなるものの回転数は低下するので、回転軸に発電機を取り付ける場合は、回転子の速度を上げるため増速機を利用する場合が多い。羽根の翼端部で発電できる場合では、このような増速機を用いなくても回転子の速度が十分早いので発電に良いが、反面、羽根の翼端部付近で固定子と回転子との空隙を構成した場合は、固定子の磁極と回転子の磁極とが衝突する恐れが高いため、安全上やむを得ず大きな空隙となった。このため、実際の発電量を低下させていた。

特許文献５、特許文献６、特許文献７は、このような翼端部に設置された固定子の磁石側と回転子の磁石側との間であっても空隙を狭く維持するように考案された。しかし、翼端部に設置すると高速となるためベアリングの発熱が激しかったり、価格が高かったりして、実用上の問題があった。

特許文献１や特許文献２に記載の Kick Yard Drive Outer moter は、発電機として２つの特徴を有している。１つ目の特徴は、巻鉄芯が使えるトロイダルコアによって大きな直径の回転電機を容易に構成できること、２つ目の特徴は、直径にかかわらず回転子側の磁石と固定子側の磁石との空隙を、空隙調整車か空隙調整歯車かによって狭く維持できることである。この２つの特徴は、発電機として発電量の増加に多大な貢献をする。

特許文献３には、トロイダルコアモーターの特徴と製造方法とが記載されてある。

特許文献４には、羽根の長さが長大となった際にも強度が維持し易くかつ軽量なＪ字型断面の羽根やＪ字型背中合わせ断面の羽根が示されている。

風力発電における大きな羽根の回転に伴うジャイロ効果やジャイロ歳差が、地球の自転に僅かと言えども影響を与えるとすれば、特許文献８と特許文献９には、２重反転の羽根が用いられているので、ある程度、その影響を抑えることができる。ただし、特許文献８は、風上側にあるアップウインド羽根の回転力と、風下側にあるダウンウインドの回転力をギアで１つに整合しようとしている。そして、その整合された結果の回転速度は、羽根が１つである場合の２倍になると主張しているが、その認識は誤りである。それは、アップウインド側の羽根と、ダウンウインド側の羽根の回転数が、仮に同じであったとしても、羽根が１つに比べトルクの増加はあっても、回転数は変わらない。しかも、アップウインド側の羽根とダウンウインド側の羽根とが、風の流れに対して前後のタンデムで並んでいる場合には、後方のダウンウインド側の羽根は、前方の羽根でエネルギーを奪われ、複雑な渦流となった後流に曝されるため、回転数は大幅に低下する。よって、このように前後に水平軸風車を並べて、その回転力を歯車などの機械的な手段で整合しても、発電に関する限り益はない。これに対し、特許文献９の方は、アップウインド側の羽根の回転で発電機の磁石側を回し、ダウンウインド側の羽根で発電機の巻線側を回すので、磁石と巻線間との相対速度を上げることができて効果がある。ただし、アップウインド側とダウンウインド側のように前後に水平軸風車を重ねるのは、特許文献８同様、両者の羽根の回転が同じにならず、地球の自転に及ぼすジャイロ効果やジャイロ歳差を抑えることは、充分ではない。

特願２０１６−０４０５８７：変速装置内蔵の回転電機の製造法；特許第５８７８６６２号公報：変速装置内蔵の回転電機；特許第５２９２６５６号公報：トロイダルコアの磁極部を兼ねた取付具と冷却パイプ；特許第５２９６２４９号公報：トンボの羽根、Ｊ字型断面の羽根、Ｊ字型背中合わせ断面の羽根；特開２０１２−１１７３７３公報：カムフォロア；特許第４４６１３３９号公報：高速／高耐圧フリーアクションベアリン；特許第３９４６７５５号公報：間隙保持用ベアリング；特開２００５−１９４９１８公報：水平軸２重反転機械的結合の風力発電；特開２００４−１６２６８４公報：水平軸２重反転電磁的結合の風力発電；

風力発電や水力発電での発電効率を高めるためには、固定子の磁石と回転子の磁石との相対速度を高めることが必要である。風車や水車の回転軸に、直径が小さな発電機が取り付けられている場合には、固定子の磁石と回転子の磁石との相対速度を上げることが困難である。このため、高価な増速装置を用いることがある。発電機の発電場所を、風車や水車の翼端部付近に設置できた場合には、固定子の磁石の磁界を回転子の磁界で切る速度は上がる。しかし、翼端部に設置した固定子の磁石と回転子の磁石との衝突の恐れがあって、空隙を狭くすることが困難となるので、発電量の増加が期待できない。また、１つからなる羽根の水平軸風車を風に正対させて用いる場合には、マクロ的に考えると、地球の自転に悪影響を与える可能性がある。現状での地球の自転は、一時的に早くなる期間もあるが、全体としては遅くなる傾向があって、約５４８日おきに閏秒を加えて標準時を修正する必要がある。今の「閏秒」は、直接的にはセシウム原子時計との整合であって、地球の自転の遅れとは無関係である。しかし、長期的に見れば、今は、５４８日に１回程度のプラスが多いが、２１世紀中には毎年１回ずつのプラスが当たり前になるかもしれない。恐らく２２世紀 - ２３世紀には年２回の「閏秒」も一般的になり、西暦３，０００年 - ４，０００年ごろには年１２回の「閏秒」が必要になる、と記載されている（出典：ウィキペディア「閏秒」）。原因の多くは、主に月の引力によって引き起こされる潮の満ち干であるので、それを避ける方法はない。しかしながら、その影響度は僅かであるにしても、地上の風の流れも、地球の自転に少なからず影響を与えている。建物であっても、そうかもしれいが、発電に際しては、大きな面積で風の通りを遮り、しかも、ジャイロ効果がある通常の風車は、それは１００基、２００基程度が、せいぜい数百年程度の期間であれば良いにしても、億を超える数量で、何万年も存在したとすれば、地球の自転に影響が全くないとは言えない。であれば、風力発電は、できることなら避けたい。けれども、止む終えないのであれば、風の通り道を遮ることがなく（例えば、同じ水平軸風車でも、西部劇に出てくるような「矢羽根型風車」があるし、日本の鯉のぼりの「矢車」の回転も同じ原理）、しかも、ジャイロ効果がでないようなタイプ（例えば、鯉のぼりの「矢車」は、左右が反転して回っている）の風車で発電に臨むべきだ、と考える。

特許文献１や特許文献２の変速装置内蔵の回転電機は、中央軸に回転自在に取り付けられ時計方向へ回転する回転子と、中央軸に回転自在に取り付けられ反時計方向に回転する回転子とがあり、固定子の内側部で囲まれた部分に、回転子の磁石と固定子の磁石との空隙を維持するため空隙調整車か空隙調整歯車かを有している。よって、風力発電であれば、風のエネルギーを受けて時計方向へ回転する羽根を一方の回転子に取り付け、反時計方向へ回転する羽根を他方の回転子に取り付けて、風の流れに沿う方向で設置すると、両側の羽根が互いに逆回転する２重反転の風力発電ができる。しかも、羽根の翼端部で発電を行うタイプであっても、回転子の磁石と固定子の磁石との間の狭い空隙を維持できるので、大きな発電量を得ることができる。また、このような風力発電は、風の流れに並行して設置することから、風を遮る面積が少なく、さらに、時計回りと反時計回りの２つの羽根が、シンクロして同時に回転しているので、羽根の発生するジャイロ効果が、地球の自転に影響を与えることもない。水流から回転エネルギーを得る場合は、水流の流速エネルギーは、空気の流速エネルギーに比べてはるかに大きいので、時計方向へ回転する回転子か、反時計方向へ回転する回転子かのいずれか一方にパドルをつけて回すだけで充分である。この際に空隙調整歯車を使うと、時計方向に回転する回転子と、反時計方向に回転する回転子とのシンクロが容易となる。空隙調整車を用いる場合は、トラクションフルードを使用する。トラクションフルードは、通常は液体であるが圧力がかかっている部分だけが固体化する液体であるので、空隙調整車でも反対側の回転子を回転させることができる。よって、空隙調整車であっても両側の回転子をシンクロさせることができる。

特許文献１や特許文献２に示された Kick Yard Drive Outer motor には、大きな、あるいは巨大なトロイダルコア回転電機と、その空隙を狭く維持できる方法が示されているので、この仕組みを利用すると大きな発電量の風力発電装置や水力発電装置を構成することができる。

図は、本発明を構成する Kick Yard Drive Outer motor の概念を示す一例である。図は、図１の概念図のKick Yard と呼称する固定子側の部分を示している。図は、図１の概念図のDrive Outer と呼称する駆動軸部分を示している。図は、図１の概念図の回転子に対向する固定子側の Kick Yard と、駆動軸としての Drive Outer との位置関係を示している。図は、発電電力を発生する Kick Yard と呼称する固定子側部分と、Drive Outer と呼称する駆動軸の部分とを組み上げたところを示している。図は、図１の概念図の回転子部分を示している。図は、回転子の一方に、時計方向へ回転する羽根を取り付けた一例である。図は、発電電力を発生する固定子側部分の斜視図である。図は、回転子の他方に、反時計方向へ回転する羽根を取り付けた一例である。図は、羽根を取り付け時計方向に回転する回転子と、発電電力を発生する固定子の部分と、羽根を取り付け反時計方向へ回転する回転子とを組み合わせた場合の一例である。図は、羽根には特許文献４のＪ字型断面の羽根を取り付けた風力発電装置の一例である。Ｊ字型断面の羽根の代わりに、Ｊ字型背中合わせ断面の羽根や、Ｕ字型断面の羽根や、矢羽根型や、風車（かざぐるま）型の羽根でも良い。図は、回転子の片方にパドルを取り付けた水力発電装置の一例である。パドルの回転で回転子を直接回しても、図のように増速装置を介してから回転子を回しても良い。

本発明は、図１の概念図に記載したように空隙調整車（３２２）が、時計方向へ回転する回転子（１２１）側と、反時計方向へ回転する回転子（１２２）側と、固定子（１１０）の内側部とで囲まれた空間に、挿入された構造であれば、実現可能となり、狭い空隙を維持できる。このための回転子（１２１、１２２）や固定子（１１０）には、特許文献１や特許文献２に記載があるように、界磁磁石には永久磁石（１４０）であっても電機子（電磁石）（１３０）であっても良いし、固定子（１１０）も、電機子（電磁石）（１３０）であっても永久磁石（１４０）であっても良い。また、電機子（電磁石）（１３０）は、集中巻きや分布巻であっても良いが、ここでは、発電機の直径を大きくする際に有利であるトロイダルコア（２１０）を用いた例で説明する。

本発明では、図２のように、巻鉄芯（２１１）からなるトロイダルコア（２１０）にトロイダルコア巻線（２１２）をした固定子（１１０）を２つ準備する。

２つの固定子（１１０）の間には、図３で示したように、駆動軸（１５０）によって貫かれた空隙調整車（３２２）を準備し、図４に示すように、２つの固定子（１１０）の間に設置する。

図５は、２つの固定子（１１０）の間に、駆動軸（１５０）によって貫かれた空隙調整車（３２２）が組み込まれた固定子（１１０）部分を正面から見た図である。

図６のように、回転子（１２０）は、時計方向へ回転する回転子（１２１）と、反時計方向へ回転する回転子（１２２）との、２つを準備する。

準備した固定子（１１０）と回転子（１２０）とによって、風力発電装置を構成する場合について、記述すると、図７や図９のように風の流量を受けて時計方向へ回転する羽根（５１０）を、時計方向へ回転する回転子（１２１）の側方に取り付け、また、風の流量を受けて反時計方向へ回転する羽根（５１０）を、反時計方向へ回転する回転子（１２２）の側方に取り付ける。図７や図９では、Ｊ字型断面の羽根（５１０）を回転子（１２０）の側面に直接取り付けているが、羽根（５１０）に足下駄を履かせて、羽根（５１０）と回転子（１２０）との間を任意の距離空けて取り付けることも可能である。

これらの羽根（５１０）付の回転子（１２１、１２２）で、発電電力を発生する図８の固定子（１１０）を挟み込むと、代表図面である図１０のような発電装置が構成できる。この図では、空隙調整車（３２２）を用いている。この際、空隙調整車（３２２）と回転子（１２０）側との接触部分に、通常の状態では液体であっても、圧力がかかると瞬時に固体化する液体であるところのトラクションフルードを用いると、空隙調整車（３２２）は、摩擦車（３１０）としてもの機能を果たすこともできるので、時計方向へ回転する回転子（１２１）と反時計方向に回転する回転子（１２２）とをシンクロさせることが容易となる。また、空隙調整車（３２２）に代えて、空隙調整歯車（４２２）にすることもできるので、時計回りの回転子（１２１）と反時計回りの回転子（１２２）との間のシンクロを重視する際には、空隙調整歯車（４２２）や歯車（４１０）との組合せも、有効である。

回転子（１２０）の側方に取り付けた羽根（５１０）は、本発明の図面では、特許文献４に記載されたＪ字型断面の羽根を表している。しかし、回転軸に直交する方向の風に対して回るタイプの羽根であれば、Ｊ字型背中合わせ断面の羽根や、Ｕ字型断面の羽根や、西部劇の場面等で見かける矢羽根型羽根や、鯉のぼりの竿の先に取り付ける矢車や、身近な風車（かざぎるま）であっても良い。また、通常では、垂直軸タイプの風車に用いられるサボニュウス型やダリウス型であっても良い。

図１１は、水平軸タイプの風車の場合であるが、回転子に取り付けられた羽根（５１０）は、風に平行して回るので、風の流れの方向に風力発電装置が平行できるように尾翼（５３０）を有していて、風の流れに沿うように向きを調整する。

図１２は、２つある回転子（１２０）のいずれか一方にパドル（６１０）をつけたものである。パドル（６１０）が受けた流速で回転子（１２０）を回して、直接の発電もできるが、発電量を上げるために、パドル（６１０）と回転子（１２０）との間に、例えば、流星歯車のような増速装置を介しても良い。

図２〜図６及び図７〜図１１は、環状の固定子の中心である中央軸に回転自在に取り付けられ時計方向へ回転する回転子と反時計方向に回転する回転子とを有し、時計方向へ回転する回転子側と反時計方向に回転する回転子側と固定子の内側部とで囲まれた空間に、駆動軸に貫かれた空隙調整車か空隙調整歯車かの少なくともいずれか１つ以上を有する発電機において、時計方向へ回転する回転子側に気体の流速エネルギーを時計方向へ回転するエネルギーに変換できる羽根か、反時計方向へ回転する回転子側に気体の流速エネルギーを反時計方向へ回転するエネルギーに変換できる羽根かの少なくとも１つ以上を取り付けて、発電装置を構成することを特徴とする風力発電装置の実施例である。

図２〜図６及び図１２は、環状の固定子の中心である中央軸に回転自在に取り付けられ時計方向へ回転する回転子と反時計方向に回転する回転子とを有し、時計方向へ回転する回転子側と反時計方向に回転する回転子側と固定子の内側部とで囲まれた空間に、駆動軸に貫かれた空隙調整車か空隙調整歯車かの少なくともいずれか１つ以上を有する発電機において、時計方向へ回転する回転子側に液体の流速エネルギーを時計方向へ回転するエネルギーに変換できるパドルか、反時計方向へ回転する回転子側に気体の流速エネルギーを反時計方向へ回転するエネルギーに変換できるパドルかのいずれか一方を取り付けて、発電装置を構成することを特徴とする水力発電装置の実施例である。

特許文献１や特許文献２に記載された Kick Yard Drive Outer motor の仕組みは、構造が簡単で大きな直径であっても狭い空隙を容易に維持できる。よって、羽根やパドルと組み合わせて大きな発電量を得ることができる風力発電装置や水力発電装置を、安価に提供できるので、産業上で広く利用が可能である。

１００中央軸
１１０固定子
１２０回転子
１２１（時計方向に回転する）回転子
１２２（反時計方向に回転する）回転子
１３０電機子（電磁石）
１４０永久磁石
１５０駆動軸
２１０トロイダルコア（ toroidal core ）
２１１巻鉄芯
２１２トロイダルコア巻線（ toroidal core coil ）
２２１取付具
２２２磁極部
３１０摩擦車（ traction roller ）
３２２空隙調整車（ air-gap adjustment roller ）
４１０歯車（ traction gear ）
４２２空隙調整歯車（ air-gap adjustment gear ）
５１０羽根
５２０風速計
５３０尾翼
６１０パドル

Claims

環状の固定子の中心である中央軸に回転自在に取り付けられ時計方向へ回転する回転子と反時計方向に回転する回転子とを有し、時計方向へ回転する回転子側と反時計方向に回転する回転子側と固定子の内側部とで囲まれた空間に、駆動軸に貫かれた空隙調整車か空隙調整歯車かの少なくともいずれか１つ以上を有する発電機において、時計方向へ回転する回転子側に気体の流速エネルギーを時計方向へ回転するエネルギーに変換できる羽根か、反時計方向へ回転する回転子側に気体の流速エネルギーを反時計方向へ回転するエネルギーに変換できる羽根かの少なくとも１つ以上を取り付けて、発電装置を構成することを特徴とする風力発電装置。
環状の固定子の中心である中央軸に回転自在に取り付けられ時計方向へ回転する回転子と反時計方向に回転する回転子とを有し、時計方向へ回転する回転子側と反時計方向に回転する回転子側と固定子の内側部とで囲まれた空間に、駆動軸に貫かれた空隙調整車か空隙調整歯車かの少なくともいずれか１つ以上を有する発電機において、時計方向へ回転する回転子側に液体の流速エネルギーを時計方向へ回転するエネルギーに変換できるパドルか、反時計方向へ回転する回転子側に気体の流速エネルギーを反時計方向へ回転するエネルギーに変換できるパドルかのいずれか一方を取り付けて、発電装置を構成することを特徴とする水力発電装置。