JP3047180B1 - 風力発電機 - Google Patents

Abstract

【要約】 【課題】電機子コイルと永久磁石との間の回転トルクを
増大させ、高い発電効率が得られ、且つ電機子コイルの
加工が容易な風力発電機を提供する。 【解決手段】支柱１と風車６との間に設けた発電機部５
を、平面波形環状のコアレスの電機子コイル１１と、永
久磁石１５を複数組固定した磁石固定盤１３及び１４と
から構成する。各コイル要素はコイル固定盤１３の外周
方向に沿って環状に整形し、サインカーブに類似する湾
曲部を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、風力エネルギーを
風車によって回転運動に変換して発電する風力発電機に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、小型の風力発電機としては、支柱
に水平回転自在な風車を取り付け、風車と支柱の間に、
電機子コイルと界磁用永久磁石とを有する発電機部を設
けたものがある。このような発電機部の電機子コイルと
しては、ボビンとなる棒状のコア（鉄芯）にコイルを長
い円筒状に巻いたものが多く使用される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、コア入
りの電機子コイルを用いた風力発電機では、コアと永久
磁石との間に互いに引き合う力が生じる。そのため、回
転に必要なトルクが大きくなり、低風速域において発電
出力が著しく低下するという問題があった。また、コア
レスの電機子コイルは、低出力タイプの電気計測器など
に用いられているが、高出力発電手段としては、発電効
率や加工性等の面で難点が多く、未だ実用化に至ってい
なかった。本発明は、上記の実情に鑑みなされたもので
あり、低風速でも高い発電効率が得られ、電機子コイル
等の加工が容易で、実用的な風力発電機を提供すること
を目的とするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】このため本発明の風力発
電機は、地上に立設される支柱と、該支柱に回転自在に
取り付けられた風車と、該風車と支柱の間に設けられた
発電機部とを備え、該発電機部は、前記支柱側に固定さ
れ、波形部をもつように環状の平板形状に巻かれたコア
レスの電機子コイルと、前記風車の回転軸部側に結合さ
れ、前記波形部に対応する複数組の平板形状の界磁磁石
とからなることを特徴とする。

【０００５】

【発明の実施の形態】本発明に係る風力発電機の風車に
は、複数枚のプロペラが取り付けられ、風車の回転力は
プロペラの長さ及び枚数に比例する。しかしながら、プ
ロペラの長さや枚数を増やすと、風車の回転数が減少
し、発電に必要な高い回転数が得られなくなる。したが
って、プロペラの枚数はプロペラの長さに応じて、２〜
４枚にするのが好ましい。さらに、実用可能な発電出力
を確保するためには、発電機部の回転子の回転数と回転
力を所定以上に上げる必要があるが、高回転数の確保に
は歯車やコックドベルト等の増速手段を組み込むのがよ
い。

【０００６】また、所定以上の回転力を確保するには、
電機子コイルと界磁磁石の間に磁気トルクが生じないよ
うに、電機子コイルをコアレス構造にすればよい。無
論、コアレス構造にすれば界磁磁石からの発生磁束は電
機子コイルの周囲部に分散される。この磁束の分散を防
ぐために、電機子コイルの両側に一対の界磁磁石を多数
配置して磁束密度を増加させる。さらに、磁極間の距離
を極力小さくするために電機子コイルの立体形状を長い
筒形ではなくフラットな形状に形成する。このようにす
ると、磁極間の距離が短くなって磁界の強さが増大す
る。

【０００７】また、電機子コイルの巻き方は単なる円形
のリング状ではなく、電機子コイルの平板形状を、山と
谷をもつ波形曲線状、例えばサインカーブに類似した湾
曲形のリング状に形成する。これは、サイクリックな波
形部をもつと、単なる円形に比べて誘導起電力が大きく
なるからである。無論、コイルを角形の凹凸形に形成で
きるが、この場合電気抵抗が大きくなるうえに、コイル
巻き加工の時に断線等の問題が生じる。また、コアレス
構造にすると、コイル自体の強度低下が懸念される。こ
れについては、コイルの強度を高めるために、各々のコ
イルを全体として一個の構造体に固形化する。例えば電
機子コイルの結線の際は、巻いたコイルを三本重ねて一
束に結線するのが好ましい。こうすると、三相交流の発
電機が得られ、しかも、界磁磁石の磁極数が増えること
で、誘導起電力の更なる出力アップにつながる。

【０００８】尚、円盤状の被巻回物を用いて、コイルを
波形リング状に整形することは、コイルの加工性や巻回
工程数などの観点から支障がある。そこで本発明では、
コイルを段階的に巻回整形する。まず、円筒形状の被巻
回物を用いて、コイルを円形状に巻回加工する。次に、
この円形状コイルを波形リング用の整形枠内に嵌め、そ
の状態で波形リング用の整形外枠を用いて、波形部をも
つフラットなリング状に圧縮加工する。

【０００９】このように本発明の発電機部は、波形部を
もつように環状の平板形状に巻かれたコアレスの電機子
コイルを備えるため、電機子コイルと磁界磁石の間に磁
気トルクが発生せず、鉄損が無くなって発電出力が増大
する。また、発電機部の配列個数に応じて出力容量の加
減設定も簡単に行なうことができる。

【００１０】以下に、本発明の実施の形態を図面に示す
実施例に基づいて説明する。尚、本実施例は、３枚の翼
型ブレード形式の風車を取り付けた立設タイプの小型発
電機に適用したものである。

【００１１】

【実施例】図１に示すように、１は、地面に立設された
支柱で、支柱１の上部には、装置本体２の支柱取付部３
が取り付けられている。装置本体２の上部側部分４は、
軸受（図示せず）を介して、鉛直軸廻りに回転自在に設
けられている。装置本体２の前部側には、発電機部５及
び風車６が設けられ、風車６は装置本体２に対して上方
偏向度が調節可能であって、ほぼ水平軸廻りに回転自在
に取り付けられている。風車６の側面のブレード取付部
７には、３枚の翼形のブレード８が角度１２０°おきに
取り付けられている。ブレード８はアップウィンドタイ
プで、ＦＲＰ表面加工された木材より製作されている。
また、装置本体２の後部側には尾翼棒９を介して樹脂製
の尾翼１０が取り付けられ、風向きに対する追従性が向
上するようにされている。

【００１２】発電機部５の内部構造は、図２及び図３に
示すように、多数回巻きの電機子コイル１１が固定され
た段差付き中空円筒形のコイル固定盤１２と、これと同
芯上に外装された磁石固定盤１３、１４とからなってい
る。磁石固定盤１３、１４は薄型の中空円筒形に形成さ
れ、磁石固定盤１３、１４の左右内面における円周方向
には、多数組の界磁用永久磁石１５が等間隔おきに固定
されている。磁石固定盤１３の中心部にはスペーサ１６
を介して、中心軸１７の一端側が固定されている。この
中心軸１７はギア等の増速機構を介して、風車６の回転
軸部に連動連係され、本実施例では約３〜５倍に増速さ
れる。

【００１３】中心軸１７は、軸受１８及びスナップリン
グ１９を介して、コイル固定盤１２の内側に回転自在に
装着されている。このコイル固定盤１２の外周側に上記
電機子コイル１１が固定され、電機子コイル１１はコイ
ル固定盤１２の半径方向外方に延びている。電機子コイ
ル１１の中間部分は、一対の永久磁石１５の間に生じる
磁界領域内に存在している。電機子コイル１１の外延部
分は、硬化樹脂２０により結束して固形化されている。

【００１４】電機子コイル１１は、コアレス構造であっ
て、平坦な環状に巻回加工され、例えば図４に示すよう
各コイル要素はコイル固定盤１２の円周方向に沿って環
状に整形され、サインカーブに類似した湾曲部を周期的
に有している。実際のコイル製作では、円形状の被巻回
物を用いて円形状のコイルに巻いた後、このコイルを前
記環状パターンの内枠部材に嵌めたまま、同パターンの
外枠部材を用いて圧縮整形する。尚、本実施例では、コ
イル線の３本が一束にまとめられ、これに対応する三本
のリード線２１が、電機子コイル１１の出力端に結線さ
れている。これにより、リード線２１からは三相交流電
流が得られ、整流器を経てバッテリーに充電される。

【００１５】図５及び図６に示すように、装置本体２の
上部には、上方偏向部２２及び充電制御回路部２３が設
けられている。上方偏向部２２は、強風の時に風車６の
上方偏向度を調節するものである。また、充電制御回路
部２３には、充電電圧が所定値以上になったときに、充
電電流をカットするサイリスタ等が組み込まれている。

【００１６】次に、本実施例の作用について説明する。
風車６の前方よりブレード８に風が当たると、その風力
エネルギーは風車６を回転させる。すると、この回転運
動は、増速機構を介して磁石固定盤１３、１４の中心軸
１７に伝達され、コイル固定盤１２に対して磁石固定盤
１３、１４が回転する。その結果、電機子コイル１１に
対して永久磁石１５が回転し、これにより、リード線２
１から三相交流が取り出される。その出力電気は蛍光灯
などに消費される一方、適時に充電制御回路部２３を経
てバッテリーに充電される。

【００１７】この場合、電気子コイル１１には鉄芯がな
いので、磁気トルクの損失が殆どなく発電効率がアップ
する。実際には図７のグラフに示すように、長い円筒形
の鉄芯入り電気子コイルと磁界磁石を持つ従来形発電機
に比べて、回転トルクは常用風速域において約２．５倍
に増大する。また、従来形発電機では、発電開始風速と
して毎秒３〜４ｍ以上必要としていたが、本実施例では
毎秒２ｍ以下の弱風でも発電出力され、毎秒１ｍ程度の
弱風でも充電開始可能となった。

【００１８】本実施例では、コイル固定盤１２と磁石固
定盤１３、１４を備えた発電機部５を薄い平板構造とし
たため、磁気トルクが無くなり、一対の永久磁石１５間
の磁界密度が強くなる上に、発電機部５の直列個数を容
易に設定変更し得る。また、電機子コイル１１の両側に
永久磁石１５が多数個配置されているので、コアレスで
あっても、磁界エネルギーの分散が防止され磁束密度が
増大する。更に、電機子コイル１１はディスク状の磁石
固定盤１３、１４の円周方向に沿って、波形のリング状
に巻かれているので、加工時にコイル強度が大きくなっ
て断線等がなく、併せて電気抵抗が小さく起電力の出力
アップが図れる。

【００１９】上記実施例において、この風力発電機は、
太陽光発電機とハイブリッドシステム化させてもよい。

【００２０】

【発明の効果】本発明は、発電機部の電気子コイルをコ
アレスとして、平面波形部を持つように形成したので、
電機子コイルと磁石の間に鉄損が無くなり磁気トルクを
無くして発電効率を高めることができる。例えば、鉄芯
入りコイルの従来形に比べて、常用風速域における回転
トルクが約２．５倍以上に増大し、また、発電開始風速
として毎秒３〜４ｍ以上必要としていた従来形に比べ
て、本発明では毎秒２ｍ以下の弱風でも発電でき、毎秒
１ｍ程度の弱風でも充電することができる。更に、発電
機部が薄型の平板構造であるので、冷却性がよく軽量コ
ンパクト化を図ることができる。しかも、発電機部の重
合配列の増減が容易になり、その配列個数を加減するこ
とで、発電出力の容量設定を容易に調整することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る風力発電機の一実施例を示す斜視
図である。

【図２】同風力発電機の要部分解斜視図である。

【図３】同風力発電機の発電機部を示す縦断面図であ
る。

【図４】同風力発電機の電機子コイルを示す正面図であ
る。

【図５】同風力発電機の側面図である。

【図６】図５のＶ−Ｖ線矢視図である。

【図７】本実施例発電機と従来型発電機の出力性能を示
すグラフである。

【符号の説明】

１ 支柱 ２ 装置本体 ３ 支柱取付部 ４ 上部側部分 ５ 発電機部 ６ 風車 ７ ブレード取付部 ８ ブレード ９ 尾翼棒 １０ 尾翼 １１ 電機子コイル １２ コイル固定盤 １３ 磁石固定盤 １４ 磁石固定盤 １５ 界磁用永久磁石 １６ スペーサ １７ 中心軸 １８ 軸受 １９ スナップリング ２０ 硬化樹脂 ２１ リード線 ２２ 上方偏向部 ２３ 充電制御回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 奥野 守人 宮崎県都城市金田町2046番地４ (72)発明者 山元 直行 宮崎県都城市庄内町12549番地２ (72)発明者 中村 美和 宮崎県都城市久保原町９街区３の65号 (72)発明者 津浦 洋一 宮崎県都城市一万城町94号９番地−２ (72)発明者 富山 光照 宮崎県宮崎郡清武町大字木原5618番地 医大宿舎４−202 (72)発明者 海田 英生 宮崎県北諸県郡三股町稗田62番地５ (56)参考文献 特開 平８−242564（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−200201（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02K 21/24 F03D 1/06 H02K 3/04

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 地上に立設される支柱と、該支柱に回転
   自在に取り付けられた風車と、該風車と支柱の間に設け
   られた発電機部とを備え、該発電機部は、前記支柱側に
   固定され、波形部をもつように環状の平板形状に巻かれ
   たコアレスの電機子コイルと、前記風車の回転軸部側に
   結合され、前記波形部に対応する複数組の平板形状の界
   磁磁石とからなることを特徴とする風力発電機。