JP3577073B1 - Wind power generator - Google Patents

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Abstract

【課題】風力による風車の回転を利用して発電を行う風力発電装置において、その風車の起動をスムーズ化する新規な技術を提供する。
【解決手段】風力発電装置１０において、風によってプロペラ型の風車２４，２６に発生する軸力を利用することにより、風車が停止状態から回転状態に移行するためにその風車が打ち勝つことが必要な起動トルクを、風力が設定値以下である弱風状態において、その設定値より大きい強風状態に想定される起動トルクより小さくなるように制御する。この起動トルクの制御は、発電機３６，３８におけるロータとステータとの間におけるエアギャップを軸力によって変化させることにより行う。
【選択図】図４A wind power generation device that generates power using the rotation of a wind turbine by wind power provides a novel technique for smoothing the start of the wind turbine.
In a wind power generator, by utilizing an axial force generated in a propeller type wind turbine (24, 26) by wind, it is necessary for the wind turbine to overcome the transition from a stopped state to a rotating state. The starting torque is controlled to be smaller than a starting torque assumed in a strong wind state larger than the set value in a weak wind state where the wind force is equal to or smaller than a set value. The control of the starting torque is performed by changing the air gap between the rotor and the stator in the generators 36 and 38 by the axial force.
[Selection diagram] FIG.

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
風力による風車の回転を利用して発電を行う風力発電装置に関するものであり、特に、風車の起動トルクを制御する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
風力による風車の回転を利用して発電を行う風力発電装置が既に知られている（例えば、特許文献１および２参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−６００９６号公報
【０００４】
【特許文献２】
特開２０００−１２５４０８号公報
【０００５】
特許文献１には、地上やその地上における定着物（例えば、不動産）に設置されて使用される定置型とでも称すべき風力発電装置の一例が開示されており、一方、特許文献２には、自動車を含む移動体に搭載されて使用される移動型とでも称すべき風力発電装置の一例が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この種の風力発電装置は、一般に、定置型であるか移動型であるかを問わず、風車が永久に回転し続ける環境のもとで使用することは困難である。
【０００７】
例えば、定置型の風力発電装置を使用する場合には、自然風という自然現象を利用する限り、それが恒常的に発生することは考え難く、風が吹いたり止んだりすることが不規則に発生する。
【０００８】
これに対し、移動型の風力発電装置は、それが搭載されている移動体が停止している状態において自然風を利用して発電を行う態様で使用することが可能であるが、定置型の風力発電装置とは異なり、大気に対する移動体の相対移動に伴ってその移動体に発生する風を利用して発電を行う態様で使用することも可能である。その相対移動に伴って移動体に発生する風は、自然風と区別するために、相対風として認識したり、人工風として認識することが可能である。
【０００９】
したがって、この移動型の風力発電装置においては、移動体が移動中であるために相対風が存在する場合には、自然風に依存することなく、風力発電を行うことが可能である。しかし、この場合、相対風の風力は移動体の移動速度に依存するため、その移動速度が減少すれば、それに伴って風力が低下する傾向がある。また、移動体によっては、停止と移動とが繰り返され、それに伴い、相対風が止んだり吹いたりすることも繰り返される。
【００１０】
そのため、いずれの風力発電装置を使用する場合にも、風車の停止状態から回転状態への移行、すなわち、風車の起動というフェーズが存在する。
【００１１】
風車が起動するためには、例えば、風車およびそれと共に回転する回転体の慣性、それら回転要素の摺動抵抗、発電機の磁力等、回転抵抗に打ち勝つことが必要であり、そのため、風車に、その回転抵抗に打ち勝つ大きさの起動トルクを付与することが必要である。この起動トルクは、風力発電装置の場合、一般的には、風力によって生起されるため、風車を起動させるためにはある程度の風力が必要である。
【００１２】
そのため、定置型であるか移動型であるかを問わず、風力発電装置においては、風車の起動をスムーズに行うための特別な対策を講じることが望ましい。
【００１３】
この要望に対し、前記特許文献１は、定置型の風力発電装置において、ステータのコイルとロータの永久磁石との配置を工夫して両者間における磁気吸引力を分散し、それにより、風車の起動をスムーズに行う機構を開示している。また、前記特許文献２は、移動型の風力発電装置において、風車の起動をスムーズ化する機構を開示しておらず、そのような課題すら開示していない。
【００１４】
以上説明した事情を背景とし、本発明は、風力による風車の回転を利用して発電を行う風力発電装置において、その風車の起動をスムーズ化する新規な技術を提供することを課題としてなされたものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明によって下記の各態様が得られる。各態様は、項に区分し、各項には番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、本明細書に記載の技術的特徴のいくつかおよびそれらの組み合わせのいくつかの理解を容易にするためであり、本明細書に記載の技術的特徴やそれらの組み合わせが以下の態様に限定されると解釈されるべきではない。
【００１６】
（１） 風力を利用して発電を行う風力発電装置であって、
風向に対して概して平行な風車軸線まわりに風力によって回転させられるプロペラ型の風車と、
その風車の回転によって発電を行う発電機と、
前記風力によって前記風車に前記風車軸線に対して平行な方向に発生する軸力に基づき、その風車が停止状態から回転状態に移行するためにその風車が打ち勝つことが必要な起動トルクを、前記風力が設定値以下である弱風状態において、その設定値より大きい強風状態に想定される起動トルクより小さくなるように制御するトルク制御機構と
を含む風力発電装置。
【００１７】
この装置においては、風車が停止状態から回転状態に移行するためにその風車が打ち勝つことが必要な起動トルクが、風力が設定値以下である弱風状態において、その設定値より大きい強風状態に想定される起動トルクより小さくなるように制御される。
【００１８】
したがって、この装置によれば、弱風状態において風車がスムーズに起動することが可能となる。
【００１９】
ところで、風車がプロペラ型である場合には、その風車が風力を正面から受けると、その風力が風車によって主には回転力に変換されるが、それと同時に軸力にも変換される。この軸力は、弱風状態においては小さく、強風状態においては大きい。
【００２０】
このような軸力と風力との関係を利用することにより、本項に係る装置においては、その軸力によって上述の起動トルクの制御が行われる。
【００２１】
すなわち、この装置によれば、弱風状態においては、風力が風車によって変換された回転力と軸力とのうち回転力が打ち勝つべき起動トルクが軸力によって低減させられることによって風車の起動がスムーズ化されているのであり、このように、風車の起動が回転力と軸力との双方を利用して行われるようになっているのである。
【００２２】
本項に係る装置は、定置型として構成したり、移動型として構成することが可能である。また、移動型として構成する場合に、例えば、当該装置を乗用車の屋根に搭載したり、貨物車両の屋根に搭載したり、鉄道車両の屋根に搭載することが可能である。
【００２３】
さらに、本項に係る装置を移動型として構成する場合に、当該装置を、それが搭載された移動体が移動中である場合に限って相対風を利用して発電するように使用することは不可欠ではなく、移動体が停止している状態において、自然風を利用して発電するように使用することが可能である。
【００２４】
（２） 前記発電機が、
ステータと、
前記風車と共に回転するロータであって、エアギャップを隔てて前記ステータに対向するとともに、そのステータに対して、それと共通の発電機軸線まわりに相対的に回転可能であるものと
を含み、かつ、前記トルク制御機構が、前記ロータを、前記発電機軸線の軸方向に前記ステータに対して相対的に移動可能に支持するとともに、そのロータの軸方向位置を前記軸力により、前記エアギャップが前記弱風状態において前記強風状態におけるより大きくなるように変化させるものである（１）項に記載の風力発電装置。
【００２５】
本発明者は、発電機に関する研究の結果、次のような知見を得た。すなわち、発電機においてロータとステータとの間におけるエアギャップを小さくすれば、それらロータとステータとの間の磁力は増加し、それに伴い、ロータの起動トルクが増加する一方で、発電効率が増加し、逆に、そのエアギャップを大きくすれば、それらロータとステータとの間の磁力は減少し、それに伴い、ロータの起動トルクが減少する一方で、発電効率が減少するという知見を得たのである。
【００２６】
さらに、本発明者は、この現象に着目することにより、このような発電機が搭載された風力発電装置においては、エアギャップを変化させれば風車の起動トルクを変化させることが可能であるという知見も得た。さらに、本発明者は、ロータをステータに対して軸方向に移動させれば、エアギャップが変化することにも気が付いた。
【００２７】
以上説明した本発明者の知見に基づき、本項に係る装置においては、ロータが軸方向にステータに対して相対的に移動可能に支持されるとともに、そのロータの軸方向位置が風車の軸力により、エアギャップが弱風状態において強風状態におけるより大きくなるように変化させられる。
【００２８】
本項における発電機は、ステータがコイルを有し、ロータが、そのコイルと共同して発電を行うための磁石を有する形態で設計したり、逆に、ロータがコイルを有し、ステータが、そのコイルと共同して発電を行うための磁石を有する形態で設計することが可能である。
【００２９】
（３） 前記ロータおよびステータが、前記エアギャップを隔てて互いに対向する一対の周面を前記発電機軸線と同軸に有し、かつ、それら一対の周面の少なくとも一方が、前記発電機軸線に対する連続的または不連続的な傾斜面を有する（２）項に記載の風力発電装置。
【００３０】
一般に、ある軸線に対して傾斜した傾斜面と、その軸線と直交する一直線である直交直線（半径方向直線）とを想定し、かつ、その傾斜面をその軸線に沿って平行移動させると、それら傾斜面と直交直線との交点が、その直交直線上において、傾斜面の平行移動に伴って移動する。これは、軸方向運動を半径方向運動に変換する傾斜面の効果である。
【００３１】
具体的には、ある軸線Ａに対して平行に延びる平行面Ｂと、その軸線Ａに対して傾斜して延びる傾斜面Ｃとを、その軸線Ａの一半径方向において互いにオーバラップする状況を想定する。この状況において、それら平行面Ｂと傾斜面Ｃとの一方を他方に対して、軸線Ａに沿って移動させると、その軸線Ａ上のある位置については、それら平行面Ｂと傾斜面Ｃとの間における半径方向距離が変化する。この変化は、その軸線Ａ上のすべての位置について同様に発生する。さらに、この変化は、傾斜面同士の組合せについても発生し得る。
【００３２】
この事実をロータとステータとの関係に当てはめると、それらロータとステータとの少なくとも一方の周面をそれらの軸方向に対して傾斜した傾斜面とすれば、それらロータとステータとの間における半径方向距離がロータの軸方向位置に応じて変化し、さらに、それらの間におけるエアギャップも変化する。
【００３３】
このような事実を利用することにより、本項に係る装置においては、ロータおよびステータがエアギャップを隔てて互いに対向する一対の周面の少なくとも一方が、発電機軸線に対する連続的または不連続的な傾斜面を有するものとされている。
【００３４】
（４） 前記トルク制御機構が、静止部材と前記ロータとの間に設けられた弾性部材であって、前記軸力によって弾性変形させられることにより、その軸力の大きさと前記ロータの軸方向相対位置との関係を規定するものを含む（２）または（３）項のいずれかに記載の風力発電装置。
【００３５】
この装置においては、静止部材とロータとの間に弾性部材が設けられ、その弾性部材が前記軸力によって弾性変形させられることにより、その軸力の大きさとロータの軸方向相対位置との関係が規定される。
【００３６】
したがって、この装置によれば、風力とエアギャップとを風車起動トルクの制御のために適切に互いに関連付けることが容易となる。
【００３７】
（５） さらに、前記風車と前記ロータとを互いに連結するシャフトであって、それの軸方向に２部分に分割されたものを含み、かつ、前記トルク制御機構が、それら２部分に介在するクラッチであって、前記軸力により、前記弱風状態においてはそれら２部分を互いに断絶し、前記強風状態においては互いに接続する状態に切り換わるものを含む（１）項に記載の風力発電装置。
【００３８】
この装置によれば、風車とロータとの間における回転力の伝達状態をクラッチを用いて制御することにより、風車起動トルクの制御を実現することが可能となる。
【００３９】
さらに、この装置によれば、風車の軸力を利用することにより、クラッチの接続・断絶状態の切換えを行うことが可能となる。
【００４０】
（６） 風力を利用して発電を行うために、風向に対して概して平行な風車軸線まわりに風力によって回転させられるプロペラ型の風車と、その風車の回転によって発電を行う発電機とを備え、かつ、その発電機が、ステータと、エアギャップを隔てて前記ステータに対向するロータであって、そのステータと共通の発電機軸線まわりにそのロータに対して相対的に、かつ、前記風車と共に回転するものとを有する風力発電装置であって、
前記ロータが、前記発電機軸線の軸方向に前記ステータに対して相対的に移動可能であるとともに、前記風力によって前記風車に前記風車軸線に対して平行な方向に発生する軸力によって前記ロータの軸方向位置を、前記エアギャップが前記風力が設定値以下である弱風状態において、その設定値より大きい強風状態におけるより大きくなるように制御するエアギャップ制御機構を含む風力発電装置。
【００４１】
この装置によれば、前記（２）項に係る風力発電装置と基本的に同じ原理に従い、基本的に同じ作用効果を実現することが可能である。
【００４２】
（７） 当該風力発電装置が、移動体に搭載されるとともに、その移動に伴って前記移動体に対して相対的に発生する風を入口から取り込んでその風を出口から排出するエアダクトを含み、かつ、前記風車が、そのエアダクト内に配置されている（１）ないし（６）項のいずれかに記載の風力発電装置。
【００４３】
この装置は、移動体に搭載されて使用されるため、その移動体が移動する限り、自然風に依存することなく、発電を行うことが可能である。
【００４４】
ところで、移動体の移動に伴ってその移動体に発生する風の向きは、その移動体の進行方向に対して相対的には変化せず、常に一定である。したがって、移動体にエアダクトを搭載し、それに取り込まれる空気の流れの向きを移動体に対して相対的に固定しても、エアダクトは、移動体の移動によって発生する風力を効果的に利用できる。
【００４５】
このような知見に基づき、本項に係る装置は、移動体に搭載されるとともに、その移動体に移動によって発生する風を積極的に取り込んで発電機に誘導するエアダクトを備えたものとされている。
【００４６】
（８） 前記風車が複数個、前記エアダクト内にそれの上流側から下流側に向かって並んで配置され、かつ、各風車ごとに、前記発電機が設けられている（７）項に記載の風力発電装置。
【００４７】
この装置によれば、エアダクト内に風車が複数個互いに直列に配置されることにより、エアダクトに取り込まれた同じ空気を、上流側の少なくとも１個の風車の回転と下流側の少なくとも１個の風車の回転との双方に利用することが可能となる。
【００４８】
したがって、この装置によれば、同じ空気による総発電量を増加させることが容易となる。
【００４９】
（９） 前記エアダクト内の流路面積が、前記複数個の風車のうち前記エアダクト内の上流側に位置する風車の位置において、下流側に位置する風車の位置におけるより大きい（８）項に記載の風力発電装置。
【００５０】
この装置によれば、エアダクト内において、上流側に位置する風車を通過した風が、その位置より狭い流路面積を有する下流側に送り込まれて加速されて下流側に位置する風車に誘導される。
【００５１】
（１０） 前記上流側に位置する風車が、前記下流側に位置する風車より大径である（９）項に記載の風力発電装置。
【００５２】
（１１） 前記風車の外径が、前記エアダクト内の流路のうちその風車が位置する部分をその流路に沿って投影した場合の投影円の直径より大径であり、かつ、前記エアダクトが、それのうち前記流路を形成する部分において、前記風車の外周端部のうち前記投影円より外側に位置する部分を収容する環状の溝を前記流路と同軸に有する（７）ないし（１０）項のいずれかに記載の風力発電装置。
【００５３】
この装置によれば、エアダクトをそれの流路に沿って投影した場合に、そのエアダクトのうち流路を形成する部分と風車の外周端部との間に隙間が存在せずに済む。
【００５４】
したがって、この装置によれば、そのような隙間が存在する状態で当該装置を使用して発電を行う場合に比較し、エアダクトに取り込まれた空気を有効に利用して発電を行うことが容易となる。
【００５５】
（１２） 当該風力発電装置が前記移動体に着脱可能に搭載される（１）ないし（１１）項のいずれかに記載の風力発電装置。
【００５６】
前記（１）ないし（１１）項のいずれかに記載の風力発電装置は、例えば、強風状態での長時間運転が期待できないために効果的な連続発電も期待できない状況においては、そのユーザが、移動体から一時的に取り外すことを希望する可能性がある。さらに、同じ風力発電装置を別の移動体において使用することをそのユーザが希望する可能性もある。
【００５７】
それら可能性に鑑み、本項に係る装置は、移動体に着脱可能に搭載される。したがって、この装置によれば、風力発電装置の使い勝手が向上する。
【００５８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のさらに具体的な実施の形態のいくつかを図面に基づいて詳細に説明する。
【００５９】
図１には、本発明の第１実施形態に従う移動体搭載用の風力発電装置１０の外観が自動車１２に搭載されている状態で正面図によって示され、図２には、側面図によって示されている。この風力発電装置１０は、前述の移動型の風力発電装置の一例であり、自動車１２は前述の移動体の一例である。
【００６０】
この風力発電装置１０は、自動車１２の屋根１４に着脱可能に搭載されている。この風力発電装置１０は、自動車１２が走行することに伴って自動車１２に対して相対的に発生する相対風を利用することにより、発電を行うように設計されている。
【００６１】
この風力発電装置１０の屋根１４に対する装着は、例えば、屋根１４を吸引する磁石を使用して磁気的に行ったり、この風力発電装置１０を屋根に締結する締結具を使用して機械的に行うことが可能である。
【００６２】
この風力発電装置１０が図３には正面図で、図４には部分側面断面図でそれぞれ示されている。
【００６３】
図３および図４に示すように、この風力発電装置１０はハウジング１６を備えている。ハウジング１６には、相対風を取り込むためのエアダクト１８が形成されている。
【００６４】
図４に示すように、エアダクト１８は、自動車１２の前後方向すなわち相対風の上流側から下流側に向かう方向（風向）に平行に延びる円筒状の通路２０を備えている。この通路２０は基本的には、同一の円形断面で真直ぐに延びているが、本実施形態においては、その通路２０の入口部２２において局部的に、通路２０内の流路面積が上流側から下流側に向かうにつれて漸減させられ、それにより、相対風の加速が実現されるようになっている。
【００６５】
図４に示すように、エアダクト１８内には同径のプロペラ型の風車２４，２６が２個、互いに直列に配置されている。各風車２４，２６は、それの中央に位置するハブ２８，３０から半径方向外向きに複数枚のブレード３２，３４が放射状に延びるように構成されている。各風車２４，２６は、エアダクト１８と同軸に配置されている。
【００６６】
図４に示すように、各風車２４，２６には発電機３６，３８が同軸に連結されている。本実施形態においては、各風車２４，２６がアップウインド式とされている。各発電機３６，３８は、ハウジング１６により、図示しない支持具を介して定位置に支持されている。各発電機３６，３８の構造については、後に詳述する。
【００６７】
図５には、この風力発電装置１０のうちの電気系統が概念的にブロック図で表されている。この電気系統においては、２個の発電機３６，３８が、コントローラ４０およびレギュレータ４２を経て蓄電器４４に電気的に接続されている。各発電機３６，３８は、相対風によって交流電流を発電するように設計されているため、コントローラ４０は、その発電された交流電流を直流電流に変換する機能を備えている。これに対し、レギュレータ４２は、コントローラ４０から蓄電器４４への供給電圧および供給電流を調整する機能を備えている。
【００６８】
したがって、この電気系統によれば、各発電機３６，３８によって発電された電力がコントローラ４０とレギュレータ４２とによる適切な処理を経て蓄電器４４に蓄積されることとなる。
【００６９】
図３および図４に示すように、ハウジング１６には収容部４６，４８も形成され、そこに上述のコントローラ４０、レギュレータ４２および蓄電器４４が収容される。本実施形態においては、蓄電器４４が、複数個の蓄電池を互いに独立し、かつ、蓄電器４４から分離可能な状態で収容している。それにより、この風力発電装置１０のユーザは、必要数の蓄電池を収容部４６，４８から適宜取り出して自動車１２の外部において使用できるようになっている。
【００７０】
ここで、図６を用いて発電機３６，３８の構造を詳しく説明する。ただし、２個の発電機３６，３８の構造は互いに共通するため、１個の発電機３６のみを代表的に説明する。
【００７１】
図６の（ａ）および（ｂ）に示すように、発電機３６は、全体ハウジング５０を備えている。全体ハウジング５０は、発電機３６の回転軸線の方向において、共に有底円筒状を成す２個の分割ハウジング５２，５４に分割されている。それら分割ハウジング５２，５４のうち、発電機３６の前側（図において左側）に位置するものを前側分割ハウジング５２、後側（図において右側）に位置するものを後側分割ハウジング５４とそれぞれ称する。
【００７２】
それら前側分割ハウジング５２と後側分割ハウジング５４とは、それらの開口部同士において互いに対向する状態で互いに螺合されている。これにより、全体ハウジング５０が、内部に空間を有する形態で構成されている。
【００７３】
このように構成された全体ハウジング５０内に、図示しないコイルを有するステータ６０と、それに対して相対的にかつ同軸に回転させられるロータ６２とが配置されている。それらステータ６０およびロータ６２は共に、発電機３６の回転軸線と同軸に配置されている。
【００７４】
本実施形態においては、ロータ６２が、中空部６４を有していて、その中空部６４内にステータ６０が配置される。ロータ６２がステータ６０の外側に配置されるのであり、結局、発電機３６は、アウターロータ方式を採用しているのである。したがって、本実施形態においては、ステータ６０の外周面６６とロータ６２の内周面６８との間にエアギャップ７０が形成される。
【００７５】
ステータ６０は、基端部７２と作用部７４とを備えている。ステータ６０は、その基端部７２において後側分割ハウジング５４にボルト７６を用いて固定されている。作用部７４の外周面６６、すなわち、ロータ６２との対向面は、それの直径が発電機３６の前側から後側に向かうにつれて連続的に増加するテーパ形状を成している。すなわち、ステータ６０は、それの連続的なテーパ外周面６６においてロータ６２に対向させられているのである。
【００７６】
これに対し、ロータ６２も、基端部７８と作用部８０とを備えている。基端部７８には、それと同軸にシャフト８２が固定され、そのシャフト８２の先端部８４に風車２４がそれのハブ２８において同軸に固定される。したがって、風車２４が回転すれば、それに伴ってロータ６２が回転させられることになる。
【００７７】
ロータ６２の作用部８０の内周面６８、すなわち、ステータ６０との対向面は、そのステータ６０の外周面６６を概して補完するテーパ形状を成している。具体的には、作用部８０の内周面６８は、それの直径が発電機３６の前側から後側に向かうにつれて連続的に増加するテーパ形状を成している。
【００７８】
このように構成されたロータ６２の内周面６８には、複数個の永久磁石８６が周方向に等間隔に並んで固着されている。この発電機３６においては、それら永久磁石８６がエアギャップ７０を隔てて前記ステータ６０のコイルに対向させられており、その結果、それら永久磁石８６とコイルとの相対変位によって発電が行われることとなる。すなわち、この発電機３６は、ブラシレス方式を採用しているのである。
【００７９】
全体ハウジング５０内には、さらに、共に中空である軸力伝達部材８８とリテーナ９０とが配置されている。それら軸力伝達部材８８とリテーナ９０とは、それらの順に、発電機３６の前側から後側に向かう方向において互いに直列に並んでいる。
【００８０】
軸力伝達部材８８はロータ６２を、適数個（図６においては２個）のラジアルベアリング（軸受の一例である）９２を介して相対回転に支持している。一方、軸力伝達部材８８は、全体ハウジング５０に軸方向に摺動可能に嵌合されている。したがって、ロータ６２は、ステータ６０に対し、相対的な回転のみならず、相対的な軸方向移動も可能となっている。
【００８１】
リテーナ９０も、全体ハウジング５０に軸方向に摺動可能に嵌合されている。このリテーナ９０と全体ハウジング５０との間に弾性部材９４が配置されている。この弾性部材９４は、リテーナ９０を介して軸力伝達部材８８を発電機３６の前側に向かって常時付勢している。一方、ロータ６２の軸方向移動は、軸力伝達部材８８と一体的に行われるようになっている。
【００８２】
図６の（ａ）に示すように、軸力伝達部材８８およびロータ６２の前進限度は、軸力伝達部材８８（ロータ６２と一体的に移動する部材の一例である）が、全体ハウジング５０に形成された後向きストッパ９６に当接することによって規定される。この前進限度においても弾性部材９４がロータ６２を一定荷重で付勢するようになっている。すなわち、弾性部材９４の初期荷重が０より大きい値に設定されているのである。
【００８３】
弾性部材９４の一例は、発電機３６の回転軸線に平行なコイルスプリングが複数個、その回転軸線と同軸な円周に沿って並んで構成されたものである。別の例は、その回転軸線と同軸な円筒面に沿って螺旋状を成して延びるコイルスプリングである。さらに別の例は、その回転軸線と同軸な皿ばねである。
【００８４】
図６の（ｂ）に示すように、軸力伝達部材８８およびロータ６２の後退限度は、リテーナ９０（ロータ６２と一体的に移動する部材の一例である）が、全体ハウジング５０に形成された前向きストッパ９８に当接することによって規定される。
【００８５】
図６の（ａ）および（ｂ）に示すように、発電機３６は、それの全体ハウジング５０を外側から覆うプロテクタ１００を備えている。このプロテクタ１００は、適数本のボルト１０２によって全体ハウジング５０に固定されている。このプロテクタ１００は、発電機３６のための防水機能を備えている。
【００８６】
なお付言するに、弾性部材９４は、ロータ６２の軸力と軸方向移動量すなわちエアギャップ７０の大きさとの関係を規定する関係規定機構の一例である。この関係規定機構は、例えば、それら軸力と軸方向移動量との関係を、線形なものとして規定したり、非線形なものとして規定したり、軸力が一定値を超えると軸方向移動量が変化しないように規定することが可能である。
【００８７】
次に、この発電機３６の作動を説明する。
【００８８】
この発電機３６においては、ロータ６２に着目すれば、弾性部材９４によって常時、発電機３６の前側に向かう前向き軸力が作用させられる一方、風車２４が相対風を受ける場合には、そのことに起因して、発電機３６の後側に向かう後向き軸力が作用させられる。
【００８９】
この後向き軸力が発生するメカニズムを説明すれば、風車２４は、前述のように、プロペラ型であって、その風車２４の回転軸線に平行な相対風の風力を、その風車２４の回転力と軸力とに変換する作用を果す。この作用によって風車２４に発生した軸力がシャフト８２を経て発電機３６のロータ６２に伝達されるのである。
【００９０】
このようなメカニズムによってロータ６２に発生した後向き軸力は、軸力伝達部材８８によってリテーナ９０に伝達され、さらに、そのリテーナ９０によって弾性部材９４に、それの弾性力に抗する向きに伝達される。
【００９１】
自動車１２が停止しているために風車２４が相対風をまったく受けないか、または自動車１２の走行速度が低速であるために相対風が弱風である（風力が設定値以下である）場合には、後向き軸力が前向き軸力に打ち勝つことができない。
【００９２】
この状態においては、図６の（ａ）に示すように、ロータ６２が前進限度にある。この状態においては、エアギャップ７０が最大であり、よって、ステータ６０とロータ６２との間に作用する磁力が最小である。その結果、発電機３６のロータ６２の起動トルクすなわち風車２４の起動トルクが最小となっている。
【００９３】
自動車１２の走行速度が増加することに伴って風車２４が受ける相対風の風力が増加すれば、それに伴って後向き軸力は増加するが、前向き軸力は変化しない。そのため、風力が増加するにつれて後向き軸力の大きさが前向き軸力に接近し、やがて後向き軸力が前向き軸力に打ち勝つに至る。そうすると、ロータ６２、軸力伝達部材８８およびリテーナ９０が互いに一体的に、弾性部材９４の弾性力に抗して後退し、やがて後退限度に至る。
【００９４】
すなわち、風力によってロータ６２に発生する軸力（後向き軸力）が、弾性部材９４の初期荷重（前向き軸力）に打ち勝つに至れば、ロータ６２が後退を開始するようになっているのであり、このように、弾性部材９４の初期荷重（設定荷重）によってロータ６２の後退タイミングが決定されるのである。
【００９５】
図６の（ｂ）には、発電機３６が、ロータ６２が後退限度にある状態で示されている。この状態においては、エアギャップ７０が最小であり、よって、ステータ６０とロータ６２との間に作用する磁力が最大である。その結果、発電機３６のロータ６２の起動トルクすなわち風車２４の起動トルクが最大となっている。
【００９６】
一般に、エアギャップ７０が増加するにつれてロータ６２の起動トルクが減少する。よって、エアギャップ７０が最大である状態においては、エアギャップ７０が最小である場合よりロータ６２の起動トルクが小さい。
【００９７】
図７には、相対風の風速とロータ６２の回転速度との関係が、本実施形態に従う風力発電装置を使用する場合と本実施形態におけるエアギャップ７０の最小値と同じ値に発電機のエアギャップが固定される通常の風力発電装置に関してそれぞれ対比的にグラフで概念的に表されている。
【００９８】
ところで、いずれの風力発電装置についても、自動車１２に搭載して使用する場合には、自動車１２の走行速度（以下、「車速」という）が時間と共に変化し、それに伴って相対風の風速が変化する過渡的な状況を想定することが必要である。そこで、図７については、自動車１２が停止状態から一定の加速度で加速される過渡的な状況が想定されている。そして、このような過渡的な状況においては、ロータ６２の回転速度の、風速の変化に対する応答遅れを考慮することが重要である。
【００９９】
本実施形態においては、相対風によって風車２４に作用する回転トルクが最大のエアギャップ７０に対応する第１の起動トルクに打ち勝つに至れば、風車２４が起動する。図７には、このときの風速が起動風速ＶＳＴとして表されている。
【０１００】
本実施形態においては、車速が増加して風速が増加した結果、それに起因する風車２４の軸力によってロータ６２が前進限度から後退限度に移動してエアギャップ７０が最小となると、その後に、発電機３６による正規の発電が開始される。図７には、このときの風速がカットイン風速ＶＣＩとして表されている。
【０１０１】
これに対し、通常の風力発電装置においては、相対風によって風車に作用する回転トルクが最小のエアギャップに対応する第２の起動トルク（第１の起動トルクより大きい）に打ち勝つに至れば、風車が起動する。図７には、このときの風速が起動風速ＶＳＴ’として表されているが、これは、本実施形態における起動風速ＶＳＴより高い。
【０１０２】
通常の風力発電装置においては、車速が増加して風速が増加するにつれてロータの回転速度が増加するが、本実施形態におけるより遅い時期ＶＳＴ’に風車が起動するうえに、風車およびそれと一体的に回転する要素のイナーシャ、摺動抵抗等に起因する応答遅れにより、ロータの回転速度が、発電機による正規の発電に必要な値に到達する時期が本実施形態におけるより遅い。通常の風力発電装置につき、発電機による正規の発電の開始時期における風速が、図７には、カットイン風速ＶＣＩ’として表されており、これも、本実施形態におけるカットイン風速ＶＣＩより高い。
【０１０３】
相対風が完全に定常的である状況を想定すれば、カットイン風速ＶＣＩは本来、相対風の風速によって決まるが、過渡的な状況においては、風速の変化に対してロータの回転速度が迅速に応答することができないため、上述のように、通常の風力発電装置では、発電機による正規の発電を早期に開始することができない。
【０１０４】
これに対し、本実施形態によれば、風車２４の起動が早期にすなわちスムーズに行われるため、発電機３６による発電を早期に開始することが可能となる。
【０１０５】
以上の説明から明らかなように、本実施形態においては、相対風によって風車２４，２６に発生する軸力を利用することにより、発電機３６，３８のエアギャップ７０が、弱風状態において強風状態におけるより大きくなるように変化させられる。それにより、弱風状態において風車２４，２６をスムーズに起動させることが可能となる。
【０１０６】
なお付言すれば、前述のように、本実施形態においては、発電機３６，３８がアウターロータ方式を採用している。このアウターロータ方式を採用する場合には、ロータ６２がステータ６０の内側において回転するインナーロータ方式を採用する場合に比べて、発電機の外形寸法の割に、複数個の永久磁石が並んで配置される円周の直径を増加させることが容易である。その直径が増加すれば、それら永久磁石の総合的な表面積も増加して、永久磁石がステータのコイルに作用させ得る磁力も増加する。
【０１０７】
したがって、本実施形態によれば、アウターロータ方式の採用により、発電機３６，３８の発電効率を向上させることが容易となる。
【０１０８】
一般に、発電機は、発電効率が高いほど、起動トルクが大きい。これに対し、本実施形態によれば、エアギャップを可変にする技術を採用することにより、弱風状態における起動トルクの低減と、強風状態における発電効率の向上とを両立させることが容易となる。
【０１０９】
本発明者は、発電機３６，３８におけるエアギャップ７０の大きさと永久磁石８６の磁力の大きさとの関係を確認するため、実験を行った。
【０１１０】
この実験においては、発電機３６，３８における永久磁石８６を代用する実験用の永久磁石が使用されるとともに、ステータ６０を代用する可動部材が使用された。
【０１１１】
具体的には、この実験においては、実験用の永久磁石が定位置に保持された状態で、その永久磁石と、それに吸引される可動部材との間における空間がエアギャップとみなされて、そのエアギャップの大きさが順次変化させられた。さらに、エアギャップの各値につき、永久磁石によって可動部材が吸引される力が磁力として測定された。
【０１１２】
図８には、その実験結果がグラフで表されている。このグラフの横軸にはエアギャップの大きさが取られており、一方、縦軸には磁力の大きさが取られている。ただし、磁力は、エアギャップが０．０７５ｍｍであるときにおける磁力を基準として算出される百分率で示されている。０．０７５ｍｍというエアギャップは、０に十分に近いエアギャップであると考えられ、よって、そのときにおける磁力は、それの最大値に十分に近い磁力であると考えられる。
【０１１３】
このグラフから明らかなように、エアギャップを約０．１ｍｍと約０．９ｍｍとの間の範囲において変化させれば磁力が大きく変化する。この実験結果によれば、発電機３６，３８を設計するに際し、ロータ６２の必要移動距離のオーダが実用的な範囲を逸脱せずに済むことが分かる。ロータ６２の必要移動距離がきわめて小さいために発電機３６，３８の製造が精度上困難であるという問題も、ロータ６２の必要移動距離がきわめて大きいために発電機３６，３８が過剰に大形化してしまうという問題も発生せずに済むのである。
【０１１４】
図９には、この風力発電装置１０の所有者とその用途との関係のうち代表的なものが簡略的に示されている。
【０１１５】
例えば、この風力発電装置１０の所有者が個人であり、かつ、その個人が自らその風力発電装置１０を使用して発電を行う場合には、図９において上段に示すように、その個人は、蓄電器４４に蓄積された電力（電気エネルギーの意味で使用する）を、個人的または家庭的に使用したり、第三者に販売することが考えられる。
【０１１６】
また、この風力発電装置１０の所有者が事業体としての運送会社であり、かつ、その運送会社が、自動車としての貨物車両にこの風力発電装置１０を搭載して運送中に発電を行う場合もある。この場合には、図９において上段に示すように、その運送会社は、蓄電器４４に蓄積された電力を運送会社のために使用したり、第三者に販売することが考えられる。
【０１１７】
また、この風力発電装置１０の所有者が事業体としての鉄道会社であり、かつ、その鉄道会社が、移動体としての鉄道車両にこの風力発電装置１０を搭載して運行中に発電を行う場合もある。この場合には、図９において中段に示すように、その鉄道会社は、蓄電器４４に蓄積された電力を、その鉄道車両の走行のために使用したり、その鉄道車両内において他の目的のために使用したり、第三者に販売することが考えられる。
【０１１８】
また、この風力発電装置１０の所有者が事業体としての道路管理会社であり、かつ、その道路管理会社が、それが管理する道路（例えば、高速道路）を利用する運転者にこの風力発電装置１０を貸し出し、その運転者が、移動体としての自動車１２にこの風力発電装置１０を搭載して走行中に発電を行う場合もある。
【０１１９】
この場合には、図９において下段に示すように、その道路管理会社は、運転者による走行の終了後に、貸し出した風力発電装置１０をその自動車から取り外すとともに、それの蓄電器４４に蓄積された電力を、その道路管理会社のために使用したり、第三者に販売することが考えられる。この場合、道路管理会社は、道路利用者によって発電された電力を受け取る代償として、例えば、その道路利用者が支払うべき道路使用料（例えば、高速料金）を割引することが考えられる。
【０１２０】
以上、この風力発電装置１０のいくつかの具体的な用途を説明したが、これらは、この風力発電装置１０を利用する用途の例にすぎず、これらの他にも種々の用途が考えられる。
【０１２１】
以上の説明から明らかなように、本実施形態においては、発電機３６，３８のうち、ステータ６０のテーパ外周面６６と、ロータ６２のテーパ内周面６８と、ロータ６２をステータ６０に対して相対的に軸方向移動可能に支持する部分である軸力伝達部材８８とが互いに共同して、前記（１）または（２）項における「トルク制御機構」の一例を構成するとともに、前記（６）項における「エアギャップ制御機構」の一例を構成しているのである。
【０１２２】
次に、本発明の第２実施形態を説明する。ただし、本実施形態は、エアダクトおよび風車に関して第１実施形態と異なり、他の要素に関しては第１実施形態と共通するため、エアダクトおよび風車について詳細に説明し、共通する要素については同一の符号または名称を使用して引用することにより詳細な説明を省略する。
【０１２３】
第１実施形態においては、エアダクト１８内の通路２０の流路面積が上流側から下流側まで同じであり、風車２４，２６の外径も上流側に位置する風車２４と下流側に位置する風車２６とで同じである。
【０１２４】
これに対し、本実施形態においては、エアダクト内の通路の流路面積が、上流側と下流側とで互いに異なっている。さらに、それに伴い、風車の外径も上流側と下流側とで互いに異なっている。
【０１２５】
具体的には、図１０に示すように、通路１２０には、それの上流側には大径部１２２、下流側には小径部１２４がそれぞれ形成されている。これに伴い、上流側には大径の風車１２６が、下流側には小径の風車１２８がそれぞれ配置されている。
【０１２６】
したがって、本実施形態によれば、エアダクト１３０内において上流側に位置する風車１２６を通過した風は通過する前よりも弱い風であるが、その弱い風がその位置より流路面積が狭い下流側に送り込まれることによって加速されて風力が少なくとも部分的に回復させられた後に、下流側に位置する風車１２８に誘導される。
【０１２７】
さらに、本実施形態においては、下流側に位置する風車１２８の大きさを小径にすることにより、弱風でも発電機３８のロータ６２の高速回転を実現することが可能となり、発電機３８の発電効率を向上させることが容易となる。
【０１２８】
次に、本発明の第３実施形態を説明する。ただし、本実施形態は、エアダクトおよび風車に関して第１および第２実施形態と異なり，他の要素に関しては第１および第２実施形態と共通するため、エアダクトおよび風車について詳細に説明し、共通する要素については同一の符号または名称を使用して引用することにより詳細な説明を省略する。
【０１２９】
第１および第２実施形態においては、風車の外径が、エアダクト１８，１３０内の通路２０，１２０の内径よりわずかに小さいように設定されている。これに対し、本実施形態においては、図１１に示すように、風車１５０の外径が、エアダクト１５２内の通路１５４の内径より大きいように設定されている。
【０１３０】
ただし、本実施形態においては、エアダクト１５２内の通路１５４の内周面１５６に局部的に、風車１５０に対向する位置に環状の溝１５８が形成されている。その溝１５８の底面１６０が辿る円周の直径は、風車１５０のブレード１６２の先端との間に隙間が残る大きさに設定されている。さらに、その溝１５８の幅は、ブレード１６２をそれの回転面に平行な方向に投影した場合のブレード１６２の投影幅に、風車１５０が軸方向に移動可能な距離を見込んで設定されている。図１１において破線は、発電機３６のロータ６２が後退限度にある様子を示している。
【０１３１】
したがって、本実施形態によれば、エアダクト１５２をそれの流路に沿って投影した場合に、風車１５０のブレード１６２の先端と通路１５４との間に空気の漏れを許容する隙間が存在せずに済むため、エアダクト１５２に取り込まれた空気を有効に利用して発電を行うことができる。
【０１３２】
さらに、本実施形態によれば、風車１５０のブレード１６２の先端とエアダクト１５２内の通路１５４との間の隙間寸法にそれほど高い精度を必要としないため、風車１５０およびエアダクト１５２の製造および組付けが容易になる。
【０１３３】
次に本発明の第４実施形態に従う風力発電装置を説明する。ただし、本実施形態は、第１実施形態と共通する要素が多いため、共通する要素については、同一の名称または符号を使用して引用することによって詳細な説明を省略し、異なる要素については詳細に説明する。
【０１３４】
第１実施形態においては、風車２４，２６の起動をスムーズ化するために、発電機３６，３８のロータ６２とステータ６０との間におけるエアギャップ７０がロータ６２の軸力によって変化させられる。
【０１３５】
これに対し、本実施形態においては、発電機とは無関係に風車の起動のスムーズ化が実現される。具体的には、風車とロータとの間にクラッチが設けられ、風車の軸力によってそのクラッチを接続・断絶することにより、風車の起動がスムーズ化されるようになっている。
【０１３６】
さらに具体的には、図１２に示すように、風車１８０と発電機１８２のロータ１８４とを互いに連結するシャフト１８５が２分割されている。風車側シャフト１８６と発電機側シャフト１８８とに分割されているのであり、それらの間にクラッチ１９０が設置されている。
【０１３７】
クラッチ１９０は、中空のハウジング１９２を備えており、そのハウジング１９２内において一対の係合部材１９４，１９５が互いに対向させられている。それら一対の係合部材１９４，１９５は、互いに係合する係合状態において相対回転が阻止される一方、互いに分離する分離状態において相対回転が許容される。すなわち、その係合状態が、クラッチ１９０の接続状態であり、その分離状態が、クラッチ１９０の断絶状態なのである。
【０１３８】
それら一対の係合部材１９４，１９５の一方である係合部材１９４は、ハウジング１９２に対する相対的な軸方向移動が阻止されていて、発電機側シャフト１８８と風車側シャフト１８６との一方（図１２の例においては発電機側シャフト１８８である）に固定されている。これに対し、他方の係合部材１９５は、ハウジング１９２に対する相対的な回転も軸方向移動も可能とされていて、発電機側シャフト１８８と風車側シャフト１８６との他方（図１２の例においては風車側シャフト１８６である）に固定されている。
【０１３９】
風車側シャフト１８６（風車１８０と一緒に軸方向移動する部材の一例である）には軸力伝達部材１９６が、相対的な軸方向移動が阻止される状態で装着されている。この軸力伝達部材１９６とハウジング１９２との間には弾性部材１９８が、一対の係合部材１９４，１９５を互いに分離する向きに常時付勢する状態で配置されている。
【０１４０】
本実施形態においては、発電機１８２は、通常の構造を有するものとされている。具体的には、ハウジング２００内にステータ２０２とロータ１８４とが相対回転可能に配置されており、本実施形態においては、ロータ１８４がステータ２０２の内側において回転するインナーロータ方式が採用されている。この発電機１８２においては、ロータ１８４の、ステータ２０２に対する相対的な軸方向移動が阻止されている。
【０１４１】
本実施形態に従う風力発電装置２０４においては、風車１８０に軸力が発生すると、その軸力は風車側シャフト１８６および軸力伝達部材１９６を経て弾性部材１９８に、一対の係合部材１９４，１９５が互いに接近する向きに伝達される。この軸力が、弾性部材１９８の初期荷重に打つ勝つことができない状態、すなわち、相対風が弱風である状態においては、図１２に示すように、それら一対の係合部材１９４，１９５が分離状態にある。
【０１４２】
この分離状態においては、クラッチ１９０が断絶状態にあり、風車側シャフト１８６に連結された係合部材１９４が、発電機側シャフト１８８に連結された係合部材１９５に対して相対回転することが許容される。したがって、風車１８０の起動トルクが発電機１８２に依存せずに済み、風車１８０の起動がスムーズ化される。
【０１４３】
このように、本実施形態においては、弱風状態において風車１８０と発電機１８２とが互いに断絶され、風車１８０の空転が許容されることにより、風車１８０の起動がスムーズ化されている。
【０１４４】
これに対し、風車１５０の軸力が弾性部材１９８の初期荷重に打ち勝つに至れば、一対の係合部材１９４，１９５が弾性部材１９８の弾性力に抗して互いに接近し、やがて互いに係合する。この係合により、クラッチ１９０が断絶状態から接続状態に移行し、その結果、風車１８０と発電機１８２とが互いに接続され、風車１８０の起動トルクが発電機１８２に依存するとともに、風車１８０の回転力が発電機１８２に伝達されて発電が行われる状態となる。
【０１４５】
したがって、本実施形態によれば、風車１８０とロータ１８４との間における回転力の伝達状態がクラッチ１９０を用いて制御されることにより、風車１８０の起動トルクが制御される。
【０１４６】
さらに、本実施形態によれば、風車１８０の軸力を利用することにより、クラッチ１９０の接続・断絶状態の切換えが機械的にかつ自動的に行われる。
【０１４７】
以上の説明から明らかなように、本実施形態においては、クラッチ１９０が、前記（１）における「トルク制御機構」の一例を構成するとともに、前記（５）項における「クラッチ」の一例を構成しているのである。
【０１４８】
以上、本発明のいくつかの実施形態を図面に基づいて詳細に説明したが、これらは例示であり、前記［課題を解決するための手段］の欄に記載の態様を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変形、改良を施した他の形態で本発明を実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に従う風力発電装置１０の外観を自動車１２に搭載した状態で示す正面図である。
【図２】図１の風力発電装置１０の外観を自動車１２に搭載した状態で示す側面図である。
【図３】図１の風力発電装置１０を示す正面図である。
【図４】図１の風力発電装置１０を示す部分側面断面図である。
【図５】図１の風力発電装置１０の電気系統を概念的に表すブロック図である。
【図６】図１の風力発電装置１０の発電機３６を詳細に示す側面断面図である。
【図７】相対風の風速と発電機のロータの回転速度との関係を、図１の風力発電装置１０を使用する場合とそれのエアギャップの最小値と同じ値に発電機のエアギャップが固定される通常の風力発電装置とに関してそれぞれ対比的に概念的に表すグラフである。
【図８】図１における発電機３６のロータ６２とステータ６０との間におけるエアギャップ７０の大きさとそれらロータ６２とステータ６０との間に作用する磁力の大きさとの関係を確認するための実験結果を示すグラフである。
【図９】図１の風力発電装置１０によって蓄電された電気エネルギーのいくつかの使用例を説明するためのである。
【図１０】本発明の第２実施形態に従う風力発電装置を示す部分側面断面図である。
【図１１】本発明の第３実施形態に従う風力発電装置のうちエアダクト１５２の一部分を示す部分側面断面図である。
【図１２】本発明の第４実施形態に従う風力発電装置２０４を示す側面図である。
【符号の説明】
１０，２０４ 風力発電装置
１２ 自動車
２４，２６，１５０，１８０ 風車
３６，３８，１８２ 発電機
６０ ステータ
６２ ロータ
７０ エアギャップ
８２，１５０ シャフト
１９０ クラッチ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a wind power generator that generates electric power by utilizing the rotation of a wind turbine by wind power, and more particularly to a technique for controlling a starting torque of a wind turbine.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art A wind turbine generator that generates electric power by utilizing the rotation of a windmill by wind power is already known (for example, see Patent Documents 1 and 2).
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-2000-6096
[0004]
[Patent Document 2]
JP 2000-125408 A
[0005]
Patent Literature 1 discloses an example of a wind power generator that can be called a stationary type that is installed and used on the ground or on a fixed material (eg, real estate) on the ground, while Patent Literature 2 discloses An example of a wind power generation device that can be called a mobile type mounted on a mobile body including a car and used is disclosed.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Generally, it is difficult to use this type of wind power generator in an environment where a windmill keeps rotating irrespective of whether it is stationary or mobile.
[0007]
For example, if a stationary wind turbine is used, it is unlikely that it will occur constantly as long as the natural phenomenon of natural wind is used, and the wind blowing and stopping irregularly I do.
[0008]
On the other hand, a mobile wind power generator can be used in a mode in which power is generated using natural wind in a state where a mobile body on which it is mounted is stopped, but a stationary wind power generator can be used. Unlike a wind power generator, the present invention can be used in a mode in which power is generated by using wind generated in a moving body as the moving body moves relative to the atmosphere. The wind generated on the moving body due to the relative movement can be recognized as a relative wind or an artificial wind in order to distinguish the wind from the natural wind.
[0009]
Therefore, in this mobile wind power generator, when a relative wind is present because the moving body is moving, it is possible to perform wind power generation without depending on natural wind. However, in this case, since the relative wind power depends on the moving speed of the moving body, if the moving speed decreases, the wind power tends to decrease accordingly. Further, depending on the moving body, the stop and the movement are repeated, and accordingly, the relative wind stops and blows.
[0010]
Therefore, when using any of the wind turbine generators, there is a phase of transition from a stopped state to a rotating state of the wind turbine, that is, a phase of starting the wind turbine.
[0011]
In order for the windmill to start, for example, it is necessary to overcome the rotation resistance, such as the inertia of the windmill and the rotating body rotating therewith, the sliding resistance of those rotating elements, the magnetic force of the generator, etc. It is necessary to apply a starting torque large enough to overcome the rotational resistance. In the case of a wind power generator, this starting torque is generally generated by wind power, so that a certain amount of wind power is required to start the wind turbine.
[0012]
Therefore, regardless of whether it is a stationary type or a mobile type, it is desirable to take special measures for smoothly starting the wind turbine in the wind power generator.
[0013]
In response to this demand, Patent Document 1 discloses a stationary wind turbine generator in which the arrangement of the stator coil and the permanent magnet of the rotor is devised to disperse the magnetic attraction between the two, thereby starting the windmill. Is disclosed. Further, Patent Document 2 does not disclose a mechanism for smoothly starting a windmill in a mobile wind turbine generator, and does not disclose such a problem.
[0014]
In view of the circumstances described above, an object of the present invention is to provide a novel technique for smoothing the start of a wind turbine in a wind turbine generator that generates electric power by using the rotation of a wind turbine by wind power. It is.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The following aspects are obtained by the present invention. Each mode is divided into sections, each section is numbered, and described in a format in which the numbers of other sections are cited as necessary. This is to facilitate understanding of some of the technical features described in the present specification and some of the combinations thereof, and the technical features and the combinations thereof described in the present specification have the following aspects. It should not be construed as limited.
[0016]
(1) A wind power generator that generates power using wind power,
A propeller-type windmill rotated by wind power about a windmill axis generally parallel to the wind direction;
A generator that generates power by the rotation of the windmill,
Based on the axial force generated in the wind turbine by the wind in a direction parallel to the axis of the wind turbine, the starting torque required for the wind turbine to overcome in order for the wind turbine to transition from the stopped state to the rotating state is determined by the wind force. A torque control mechanism that controls the starting torque to be smaller than a start torque assumed in a strong wind state larger than the set value in a weak wind state where the set value is equal to or less than a set value.
Including wind power generators.
[0017]
In this device, the starting torque required for the windmill to overcome the transition from the stopped state to the rotating state is assumed to be a strong wind state larger than the set value in a weak wind state where the wind force is equal to or less than the set value. The starting torque is controlled to be smaller than the starting torque.
[0018]
Therefore, according to this device, the windmill can be started smoothly in a weak wind state.
[0019]
By the way, when the windmill is of a propeller type, when the windmill receives wind power from the front, the wind power is mainly converted by the windmill into rotational force, but at the same time is also converted into axial force. This axial force is small in a weak wind state and large in a strong wind state.
[0020]
By utilizing such a relationship between the axial force and the wind force, in the device according to the present mode, the above-described control of the starting torque is performed by the axial force.
[0021]
In other words, according to this device, in a weak wind state, the start-up torque that the rotational force should overcome should be reduced by the axial force, out of the rotational force and the axial force converted from the wind power by the windmill, so that the start-up of the windmill is smooth. In this way, the wind turbine is activated using both the rotational force and the axial force.
[0022]
The device according to this section can be configured as a stationary type or a mobile type. In addition, when configured as a mobile type, for example, the device can be mounted on the roof of a passenger car, mounted on the roof of a freight vehicle, or mounted on the roof of a railway vehicle.
[0023]
Furthermore, when the device according to this section is configured as a mobile type, it is not possible to use the device so as to generate power using relative wind only when the moving body on which the device is mounted is moving. It is not indispensable, and can be used to generate power using natural wind when the moving body is stopped.
[0024]
(2) The generator is
A stator,
A rotor that rotates with the windmill and faces the stator with an air gap therebetween, and is relatively rotatable with respect to the stator around a common generator axis.
And, the torque control mechanism, while supporting the rotor movably relative to the stator in the axial direction of the generator axis, the axial position of the rotor by the axial force, The wind power generator according to (1), wherein the air gap is changed so as to be larger in the weak wind state than in the strong wind state.
[0025]
The present inventor has obtained the following findings as a result of research on a generator. That is, if the air gap between the rotor and the stator in the generator is reduced, the magnetic force between the rotor and the stator increases, and accordingly, the starting torque of the rotor increases, while the power generation efficiency increases. Conversely, if the air gap is increased, the magnetic force between the rotor and the stator is reduced, and accordingly, the starting torque of the rotor is reduced, while the power generation efficiency is reduced. .
[0026]
Furthermore, by paying attention to this phenomenon, the present inventor says that in a wind turbine generator equipped with such a generator, it is possible to change the starting torque of the windmill by changing the air gap. Knowledge was also obtained. Furthermore, the inventor has noticed that if the rotor is moved in the axial direction with respect to the stator, the air gap changes.
[0027]
Based on the findings of the inventor described above, in the device according to this item, the rotor is supported so as to be movable relative to the stator in the axial direction, and the axial position of the rotor is adjusted to the axial force of the windmill. Thus, the air gap is changed to be larger in the weak wind state than in the strong wind state.
[0028]
The generator in this section is designed such that the stator has a coil and the rotor has a magnet for generating power in cooperation with the coil, or conversely, the rotor has a coil and the stator has It is possible to design in a form having a magnet for generating power in cooperation with the coil.
[0029]
(3) The rotor and the stator have a pair of peripheral surfaces facing each other with the air gap interposed therebetween, coaxial with the generator axis, and at least one of the pair of peripheral surfaces is in relation to the generator axis. The wind power generator according to the above mode (2), having a continuous or discontinuous inclined surface.
[0030]
In general, assuming an inclined surface inclined with respect to an axis and an orthogonal straight line (radial straight line) which is a straight line orthogonal to the axis, and moving the inclined surface in parallel along the axis, The intersection between the inclined surface and the orthogonal straight line moves on the orthogonal straight line with the parallel movement of the inclined surface. This is the effect of the ramp converting axial movement into radial movement.
[0031]
Specifically, it is assumed that a parallel plane B extending parallel to an axis A and an inclined plane C inclined to the axis A overlap each other in one radial direction of the axis A. I do. In this situation, when one of the parallel plane B and the inclined plane C is moved along the axis A with respect to the other, at a certain position on the axis A, the parallel plane B and the inclined plane C The radial distance between them varies. This change similarly occurs for all positions on the axis A. Further, this change may also occur for a combination of inclined surfaces.
[0032]
Applying this fact to the relationship between the rotor and the stator, if at least one of the peripheral surfaces of the rotor and the stator is an inclined surface that is inclined with respect to the axial direction, the radial direction between the rotor and the stator can be reduced. The distance changes depending on the axial position of the rotor, and the air gap between them also changes.
[0033]
By utilizing such a fact, in the device according to this section, at least one of the pair of peripheral surfaces where the rotor and the stator face each other with the air gap therebetween is continuous or discontinuous with respect to the generator axis. It has an inclined surface.
[0034]
(4) The torque control mechanism is an elastic member provided between the stationary member and the rotor, and is elastically deformed by the axial force, whereby the magnitude of the axial force and the axial relative The wind turbine generator according to any one of (2) and (3), including one that defines the relationship with the position.
[0035]
In this device, an elastic member is provided between the stationary member and the rotor, and the elastic member is elastically deformed by the axial force, so that the relationship between the magnitude of the axial force and the axial relative position of the rotor is changed. Stipulated.
[0036]
Therefore, according to this device, it is easy to appropriately associate the wind force and the air gap with each other for controlling the wind turbine starting torque.
[0037]
(5) A clutch for connecting the wind turbine and the rotor to each other, the shaft including a shaft divided into two parts in an axial direction thereof, wherein the torque control mechanism is interposed between the two parts. The wind power generator according to item (1), wherein the axial force disconnects the two portions from each other in the weak wind state and switches the two portions to a connected state in the strong wind state.
[0038]
According to this device, by controlling the transmission state of the rotational force between the wind turbine and the rotor using the clutch, it is possible to realize the control of the wind turbine starting torque.
[0039]
Further, according to this device, it is possible to switch the connection / disconnection state of the clutch by utilizing the axial force of the wind turbine.
[0040]
(6) In order to generate power using wind power, a propeller-type wind turbine that is rotated by wind power around a wind turbine axis generally parallel to the wind direction, and a generator that generates power by rotating the wind turbine, The generator is a stator and a rotor facing the stator with an air gap therebetween, and the generator rotates relative to the rotor around a common generator axis with the stator and rotates with the windmill. A wind power generator having
The rotor is movable relative to the stator in the axial direction of the generator axis, and the axial force generated in the wind turbine by the wind in a direction parallel to the wind turbine axis causes the rotor to rotate. A wind power generator including an air gap control mechanism that controls an axial position to be larger in a strong wind state in which the air gap is smaller than a set value in a weak wind state where the wind force is equal to or smaller than a set value.
[0041]
According to this device, it is possible to realize basically the same operation and effect according to basically the same principle as the wind power generation device according to the above (2).
[0042]
(7) The wind power generator includes an air duct that is mounted on a moving body and that takes in wind generated relative to the moving body from an inlet with the movement thereof and discharges the wind from an outlet, The wind turbine generator according to any one of (1) to (6), wherein the wind turbine is arranged in the air duct.
[0043]
Since this device is used by being mounted on a moving body, it can generate power without depending on natural wind as long as the moving body moves.
[0044]
By the way, the direction of the wind generated in the moving body with the movement of the moving body does not change relatively to the traveling direction of the moving body, and is always constant. Therefore, even if the air duct is mounted on the moving body and the direction of the flow of the air taken into the moving body is fixed relative to the moving body, the air duct can effectively use the wind generated by the movement of the moving body.
[0045]
Based on such knowledge, the device according to this section is equipped with an air duct that is mounted on the moving body and actively takes in the wind generated by the movement of the moving body and guides the wind to the generator. I have.
[0046]
(8) The wind turbine according to the item (7), wherein a plurality of the wind turbines are arranged in the air duct from an upstream side to a downstream side thereof, and the generator is provided for each wind turbine. Wind power generator.
[0047]
According to this device, by arranging a plurality of wind turbines in series in the air duct, the same air taken into the air duct is rotated by at least one upstream wind turbine and at least one downstream wind turbine. It can be used for both of the rotation of.
[0048]
Therefore, according to this device, it is easy to increase the total power generation by the same air.
[0049]
(9) The flow passage area in the air duct is larger in the position of the wind turbine located on the upstream side in the air duct than in the position of the wind turbine located on the downstream side in the plurality of wind turbines. Wind power equipment.
[0050]
According to this device, in the air duct, the wind that has passed through the windmill located on the upstream side is sent to the downstream side having a smaller flow path area than that position, accelerated, and guided to the windmill located on the downstream side. .
[0051]
(10) The wind turbine generator according to (9), wherein the windmill located on the upstream side has a larger diameter than the windmill located on the downstream side.
[0052]
(11) The outer diameter of the wind turbine is larger than the diameter of a projected circle when a portion of the flow path in the air duct where the wind turbine is located is projected along the flow path, and the air duct is In the portion forming the flow path, an annular groove for accommodating a portion of the outer peripheral end of the windmill located outside the projection circle is coaxial with the flow path (7) to (10). Item 20).
[0053]
According to this device, when the air duct is projected along its flow path, no gap is required between a portion of the air duct that forms the flow path and the outer peripheral end of the wind turbine.
[0054]
Therefore, according to this device, it is easier to generate power by effectively utilizing the air taken into the air duct than when using the device to generate power in the presence of such a gap. Become.
[0055]
(12) The wind power generator according to any one of (1) to (11), wherein the wind power generator is detachably mounted on the moving body.
[0056]
The wind turbine generator according to any one of the above (1) to (11), for example, in a situation where effective continuous power generation cannot be expected because long-time operation cannot be expected in a strong wind state, You may want to temporarily remove it from a moving object. Further, the user may wish to use the same wind turbine at another mobile.
[0057]
In view of these possibilities, the device according to this section is detachably mounted on a moving body. Therefore, according to this device, the usability of the wind power generator is improved.
[0058]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, some of the more specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0059]
FIG. 1 is a front view showing an appearance of a wind power generator 10 for mounting on a moving body according to a first embodiment of the present invention, which is mounted on an automobile 12, and FIG. 2 is a side view. ing. The wind power generator 10 is an example of the above-described mobile wind power generator, and the automobile 12 is an example of the above-described moving body.
[0060]
The wind turbine 10 is detachably mounted on a roof 14 of an automobile 12. The wind power generator 10 is designed to generate power by using a relative wind generated relatively to the vehicle 12 as the vehicle 12 travels.
[0061]
The installation of the wind power generator 10 on the roof 14 is performed magnetically, for example, using a magnet that attracts the roof 14, or mechanically, using a fastener that fastens the wind power generator 10 to the roof. It is possible.
[0062]
This wind power generator 10 is shown in a front view in FIG. 3 and in a partial sectional side view in FIG.
[0063]
As shown in FIGS. 3 and 4, the wind turbine generator 10 includes a housing 16. The housing 16 is formed with an air duct 18 for taking in relative wind.
[0064]
As shown in FIG. 4, the air duct 18 includes a cylindrical passage 20 extending in the front-rear direction of the automobile 12, that is, in the direction (wind direction) from the upstream side to the downstream side of the relative wind. Although the passage 20 basically extends straight with the same circular cross section, in the present embodiment, the flow passage area in the passage 20 is locally increased at the inlet 22 of the passage 20 from the upstream side. It decreases gradually toward the downstream side, so that the acceleration of the relative wind is realized.
[0065]
As shown in FIG. 4, two propeller-type wind turbines 24 and 26 having the same diameter are arranged in series in the air duct 18. Each wind turbine 24, 26 is configured such that a plurality of blades 32, 34 extend radially outward from hubs 28, 30 located at the center thereof. Each windmill 24, 26 is arranged coaxially with the air duct 18.
[0066]
As shown in FIG. 4, generators 36 and 38 are coaxially connected to the wind turbines 24 and 26, respectively. In the present embodiment, each of the windmills 24 and 26 is of an upwind type. Each of the generators 36 and 38 is supported at a fixed position by the housing 16 via a support (not shown). The structure of each of the generators 36 and 38 will be described later in detail.
[0067]
FIG. 5 conceptually shows a block diagram of an electric system of the wind turbine generator 10. In this electric system, two generators 36 and 38 are electrically connected to a battery 44 via a controller 40 and a regulator 42. Since each of the generators 36 and 38 is designed to generate an AC current by a relative wind, the controller 40 has a function of converting the generated AC current into a DC current. On the other hand, the regulator 42 has a function of adjusting the supply voltage and the supply current from the controller 40 to the battery 44.
[0068]
Therefore, according to this electric system, the electric power generated by each of the generators 36 and 38 is stored in the battery 44 through appropriate processing by the controller 40 and the regulator 42.
[0069]
As shown in FIGS. 3 and 4, the housing 16 is also formed with housing portions 46 and 48, in which the above-described controller 40, regulator 42 and electric storage 44 are housed. In the present embodiment, the battery 44 accommodates a plurality of storage batteries independently of each other and separable from the battery 44. Thus, the user of the wind turbine generator 10 can appropriately take out the required number of storage batteries from the storage units 46 and 48 and use the storage batteries outside the automobile 12.
[0070]
Here, the structure of the generators 36 and 38 will be described in detail with reference to FIG. However, since the structures of the two generators 36 and 38 are common to each other, only one generator 36 will be representatively described.
[0071]
As shown in FIGS. 6A and 6B, the generator 36 includes an entire housing 50. The overall housing 50 is divided into two divided housings 52 and 54 both having a bottomed cylindrical shape in the direction of the rotation axis of the generator 36. Of the split housings 52 and 54, the one located on the front side (left side in the figure) of the generator 36 is called the front split housing 52, and the one located on the rear side (right side in the figure) is called the rear split housing 54, respectively.
[0072]
The front split housing 52 and the rear split housing 54 are screwed together so as to face each other at their openings. Thus, the entire housing 50 is configured to have a space inside.
[0073]
A stator 60 having a coil (not shown) and a rotor 62 rotated relatively and coaxially with the stator 60 are arranged in the overall housing 50 configured as described above. The stator 60 and the rotor 62 are both arranged coaxially with the rotation axis of the generator 36.
[0074]
In the present embodiment, the rotor 62 has a hollow portion 64, and the stator 60 is disposed in the hollow portion 64. Since the rotor 62 is disposed outside the stator 60, the generator 36 eventually employs the outer rotor system. Therefore, in the present embodiment, an air gap 70 is formed between the outer peripheral surface 66 of the stator 60 and the inner peripheral surface 68 of the rotor 62.
[0075]
The stator 60 includes a base end 72 and an action section 74. The stator 60 is fixed at its base end 72 to the rear split housing 54 using bolts 76. The outer peripheral surface 66 of the action portion 74, that is, the surface facing the rotor 62 has a tapered shape whose diameter continuously increases from the front side to the rear side of the generator 36. That is, the stator 60 is opposed to the rotor 62 on its continuous tapered outer peripheral surface 66.
[0076]
On the other hand, the rotor 62 also has a base end portion 78 and an action portion 80. A shaft 82 is fixed coaxially to the base end 78, and the windmill 24 is coaxially fixed to the hub 28 at a distal end 84 of the shaft 82. Therefore, when the windmill 24 rotates, the rotor 62 is rotated accordingly.
[0077]
The inner peripheral surface 68 of the action portion 80 of the rotor 62, that is, the surface facing the stator 60 has a tapered shape that generally complements the outer peripheral surface 66 of the stator 60. Specifically, the inner peripheral surface 68 of the action portion 80 has a tapered shape whose diameter continuously increases from the front side to the rear side of the generator 36.
[0078]
A plurality of permanent magnets 86 are fixedly arranged at equal intervals in the circumferential direction on the inner peripheral surface 68 of the rotor 62 thus configured. In the generator 36, the permanent magnets 86 are opposed to the coils of the stator 60 with an air gap 70 therebetween. As a result, power is generated by the relative displacement between the permanent magnets 86 and the coils. Become. That is, the generator 36 employs a brushless system.
[0079]
Inside the entire housing 50, an axial force transmitting member 88 and a retainer 90, both of which are hollow, are further arranged. The axial force transmitting member 88 and the retainer 90 are arranged in series in that order in a direction from the front side to the rear side of the generator 36.
[0080]
The axial force transmitting member 88 supports the rotor 62 for relative rotation via an appropriate number (two in FIG. 6) of radial bearings (one example of a bearing) 92. On the other hand, the axial force transmitting member 88 is fitted to the entire housing 50 so as to be slidable in the axial direction. Therefore, the rotor 62 can not only rotate relative to the stator 60 but also move in the relative axial direction.
[0081]
The retainer 90 is also fitted to the entire housing 50 so as to be slidable in the axial direction. An elastic member 94 is arranged between the retainer 90 and the entire housing 50. The elastic member 94 constantly urges the axial force transmitting member 88 via the retainer 90 toward the front side of the generator 36. On the other hand, the axial movement of the rotor 62 is performed integrally with the axial force transmitting member 88.
[0082]
As shown in FIG. 6A, the forward limit of the axial force transmitting member 88 and the rotor 62 is such that the axial force transmitting member 88 (an example of a member that moves integrally with the rotor 62) is It is defined by contacting the formed rearward stopper 96. Even at this limit, the elastic member 94 urges the rotor 62 with a constant load. That is, the initial load of the elastic member 94 is set to a value larger than 0.
[0083]
One example of the elastic member 94 includes a plurality of coil springs parallel to the rotation axis of the generator 36, which are arranged along a circumference coaxial with the rotation axis. Another example is a coil spring that extends helically along a cylindrical surface that is coaxial with its axis of rotation. Yet another example is a disc spring coaxial with its axis of rotation.
[0084]
As shown in FIG. 6B, the retreat limit of the axial force transmitting member 88 and the rotor 62 is such that a retainer 90 (an example of a member that moves integrally with the rotor 62) is formed in the entire housing 50. It is defined by contacting the forward stopper 98.
[0085]
As shown in FIGS. 6A and 6B, the generator 36 includes a protector 100 that covers the entire housing 50 from the outside. The protector 100 is fixed to the entire housing 50 by an appropriate number of bolts 102. The protector 100 has a waterproof function for the generator 36.
[0086]
It should be noted that the elastic member 94 is an example of a relationship defining mechanism that defines the relationship between the axial force of the rotor 62 and the axial movement amount, that is, the size of the air gap 70. This relationship defining mechanism, for example, defines the relationship between the axial force and the amount of axial movement as a linear one, defines it as non-linear, or reduces the amount of axial movement when the axial force exceeds a certain value. It can be specified that it does not change.
[0087]
Next, the operation of the generator 36 will be described.
[0088]
In this generator 36, if attention is paid to the rotor 62, while the elastic member 94 constantly applies a forward axial force toward the front side of the generator 36, when the windmill 24 receives a relative wind, As a result, a backward axial force toward the rear side of the generator 36 is applied.
[0089]
To explain the mechanism of generating the backward axial force, the windmill 24 is a propeller type as described above, and the wind force of the relative wind parallel to the rotation axis of the windmill 24 is defined as the wind force of the windmill 24. It acts to convert to axial force. By this operation, the axial force generated in the wind turbine 24 is transmitted to the rotor 62 of the generator 36 via the shaft 82.
[0090]
The backward axial force generated in the rotor 62 by such a mechanism is transmitted to the retainer 90 by the axial force transmitting member 88, and further transmitted to the elastic member 94 by the retainer 90 in a direction against the elastic force. .
[0091]
When the windmill 24 does not receive any relative wind because the automobile 12 is stopped, or when the relative wind is weak (the wind power is equal to or less than the set value) because the traveling speed of the automobile 12 is low. The backward axial force cannot overcome the forward axial force.
[0092]
In this state, the rotor 62 is at the forward limit as shown in FIG. In this state, the air gap 70 is the largest, and therefore, the magnetic force acting between the stator 60 and the rotor 62 is the smallest. As a result, the starting torque of the rotor 62 of the generator 36, that is, the starting torque of the windmill 24 is minimized.
[0093]
If the relative wind force received by the windmill 24 increases as the traveling speed of the automobile 12 increases, the rearward axial force increases, but the forward axial force does not change. Therefore, as the wind power increases, the magnitude of the backward axial force approaches the forward axial force, and the backward axial force eventually overcomes the forward axial force. Then, the rotor 62, the axial force transmitting member 88, and the retainer 90 integrally retreat against the elastic force of the elastic member 94, and eventually reach the retreat limit.
[0094]
That is, when the axial force (rearward axial force) generated on the rotor 62 by the wind overcomes the initial load (forward axial force) of the elastic member 94, the rotor 62 starts to retreat. Thus, the retreat timing of the rotor 62 is determined by the initial load (set load) of the elastic member 94.
[0095]
FIG. 6B shows the generator 36 with the rotor 62 at the retreat limit. In this state, the air gap 70 is minimum, and thus the magnetic force acting between the stator 60 and the rotor 62 is maximum. As a result, the starting torque of the rotor 62 of the generator 36, that is, the starting torque of the windmill 24 is maximized.
[0096]
Generally, the starting torque of the rotor 62 decreases as the air gap 70 increases. Therefore, when the air gap 70 is at the maximum, the starting torque of the rotor 62 is smaller than when the air gap 70 is at the minimum.
[0097]
FIG. 7 shows that the relationship between the wind speed of the relative wind and the rotation speed of the rotor 62 is the same as the minimum value of the air gap 70 in the case of using the wind power generator according to the present embodiment and the present embodiment. Each is conceptually represented graphically in contrast to a conventional wind turbine with a fixed gap.
[0098]
By the way, when any of the wind power generators is used while mounted on the automobile 12, the traveling speed of the automobile 12 (hereinafter referred to as "vehicle speed") changes with time, and the wind speed of the relative wind changes accordingly. It is necessary to anticipate a transient situation. Therefore, FIG. 7 assumes a transient situation in which the vehicle 12 is accelerated from a stopped state at a constant acceleration. In such a transient situation, it is important to consider a response delay of the rotation speed of the rotor 62 to a change in the wind speed.
[0099]
In the present embodiment, when the rotational torque acting on the windmill 24 due to the relative wind overcomes the first starting torque corresponding to the maximum air gap 70, the windmill 24 is started. FIG. 7 shows the wind speed at this time as the start wind speed VST.
[0100]
In the present embodiment, as the vehicle speed increases and the wind speed increases, the axial force of the windmill 24 causes the rotor 62 to move from the forward limit to the reverse limit and the air gap 70 becomes minimum. The normal power generation by the machine 36 is started. FIG. 7 shows the wind speed at this time as a cut-in wind speed VCI.
[0101]
On the other hand, in a normal wind power generator, if the rotational torque acting on the wind turbine due to the relative wind overcomes the second starting torque (greater than the first starting torque) corresponding to the minimum air gap, the wind turbine Starts. FIG. 7 shows the wind speed at this time as the starting wind speed VST ′, which is higher than the starting wind speed VST in the present embodiment.
[0102]
In a normal wind power generator, the rotation speed of the rotor increases as the vehicle speed increases and the wind speed increases, but in addition to the wind turbine starting at a later time VST ′ in the present embodiment, the wind turbine and the Due to the response delay due to the inertia, the sliding resistance, and the like of the rotating element, the timing at which the rotation speed of the rotor reaches a value required for normal power generation by the generator is later than in the present embodiment. For a normal wind power generator, the wind speed at the start of regular power generation by the generator is shown in FIG. 7 as a cut-in wind speed VCI ′, which is also higher than the cut-in wind speed VCI in the present embodiment.
[0103]
Assuming a situation in which the relative wind is completely stationary, the cut-in wind speed VCI is originally determined by the wind speed of the relative wind. However, in a transient situation, the rotational speed of the rotor rapidly changes with respect to a change in the wind speed. Since no response can be made, as described above, normal wind power generation cannot start normal power generation by the generator at an early stage.
[0104]
On the other hand, according to the present embodiment, the start of the windmill 24 is performed early, that is, smoothly, so that the power generation by the generator 36 can be started early.
[0105]
As is clear from the above description, in the present embodiment, the air gap 70 of the generators 36, 38 is turned into a strong wind state in a weak wind state by utilizing the axial force generated in the wind turbines 24, 26 by the relative wind. To be larger than in Thereby, it becomes possible to start the windmills 24 and 26 smoothly in a weak wind state.
[0106]
In addition, as mentioned above, in the present embodiment, the generators 36 and 38 employ the outer rotor system. In the case of employing the outer rotor system, a plurality of permanent magnets are arranged side by side for the external dimensions of the generator, as compared with the case of employing the inner rotor system in which the rotor 62 rotates inside the stator 60. It is easy to increase the diameter of the circumference. As the diameter increases, the overall surface area of the permanent magnets also increases, increasing the magnetic force that the permanent magnets can act on the coils of the stator.
[0107]
Therefore, according to the present embodiment, it is easy to improve the power generation efficiency of the generators 36 and 38 by employing the outer rotor system.
[0108]
In general, the higher the power generation efficiency of the generator, the larger the starting torque. On the other hand, according to the present embodiment, it is easy to achieve both a reduction in the starting torque in a weak wind state and an improvement in the power generation efficiency in a strong wind state by adopting a technique that makes the air gap variable. .
[0109]
The inventor conducted an experiment to confirm the relationship between the size of the air gap 70 in the generators 36 and 38 and the magnitude of the magnetic force of the permanent magnet 86.
[0110]
In this experiment, an experimental permanent magnet used in place of the permanent magnet 86 in the generators 36 and 38 was used, and a movable member used in place of the stator 60 was used.
[0111]
Specifically, in this experiment, the space between the permanent magnet for experiment and the movable member attracted by the permanent magnet in a state where the permanent magnet for experiment is held at a fixed position is regarded as an air gap. The size of the air gap was sequentially changed. Further, for each value of the air gap, the force at which the movable member was attracted by the permanent magnet was measured as a magnetic force.
[0112]
FIG. 8 is a graph showing the results of the experiment. The horizontal axis of this graph shows the magnitude of the air gap, while the vertical axis shows the magnitude of the magnetic force. However, the magnetic force is shown as a percentage calculated based on the magnetic force when the air gap is 0.075 mm. An air gap of 0.075 mm is considered to be an air gap sufficiently close to zero, and the magnetic force at that time is considered to be a magnetic force sufficiently close to its maximum value.
[0113]
As is apparent from this graph, if the air gap is changed in a range between about 0.1 mm and about 0.9 mm, the magnetic force changes significantly. According to this experimental result, when designing the generators 36 and 38, it can be seen that the order of the required moving distance of the rotor 62 does not deviate from a practical range. Another problem is that it is difficult to manufacture the generators 36 and 38 because the required moving distance of the rotor 62 is extremely small, and the generators 36 and 38 are excessively large because the required moving distance of the rotor 62 is extremely large. This eliminates the problem of having to do so.
[0114]
FIG. 9 schematically shows a typical relationship between the owner of the wind turbine generator 10 and its use.
[0115]
For example, when the owner of the wind power generator 10 is an individual and the individual himself / herself generates power using the wind power generator 10, as shown in the upper part of FIG. It is conceivable that the electric power (used in the sense of electric energy) stored in the battery 44 is used personally or at home or sold to a third party.
[0116]
Further, also in a case where the owner of the wind power generator 10 is a transport company as a business entity, and the transport company mounts the wind power generator 10 on a freight vehicle as an automobile and generates power during transportation. is there. In this case, as shown in the upper part of FIG. 9, the transportation company may use the electric power stored in the battery 44 for the transportation company or sell it to a third party.
[0117]
Further, when the owner of the wind turbine generator 10 is a railway company as a business entity, and the railway company mounts the wind turbine generator 10 on a railway vehicle as a moving body and generates power during operation. There is also. In this case, as shown in the middle part of FIG. 9, the railway company uses the electric power stored in the battery 44 for traveling of the railway vehicle or for other purposes in the railway vehicle. Or sell it to a third party.
[0118]
The owner of the wind power generator 10 is a road management company as a business entity, and the road management company provides a driver using a road (for example, an expressway) managed by the wind power generator to the wind power generator. In some cases, the driver lends the wind power generator 10 and the wind power generator 10 is mounted on an automobile 12 as a moving body to generate power while traveling.
[0119]
In this case, as shown in the lower part of FIG. 9, the road management company removes the rented wind power generator 10 from the vehicle after the driving by the driver is finished, and stores the electric power stored in the battery 44 thereof. Could be used for the road management company or sold to third parties. In this case, as a price for receiving the power generated by the road user, for example, the road management company may discount a road usage fee (for example, a high-speed toll) to be paid by the road user.
[0120]
Although some specific applications of the wind power generator 10 have been described above, these are merely examples of applications using the wind power generator 10, and various other applications are also conceivable.
[0121]
As is clear from the above description, in the present embodiment, of the generators 36 and 38, the tapered outer peripheral surface 66 of the stator 60, the tapered inner peripheral surface 68 of the rotor 62, and the rotor 62 The axial force transmitting member 88, which is a portion that is relatively movably supported in the axial direction, cooperates with each other to form an example of the “torque control mechanism” in the above item (1) or (2), and to form the above (6). This constitutes an example of the "air gap control mechanism" in the item (1).
[0122]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. However, this embodiment is different from the first embodiment with respect to the air duct and the windmill, and other elements are common to the first embodiment. Therefore, the air duct and the windmill will be described in detail, and the same reference numerals will be used for the common elements. The detailed description is omitted by quoting using the name.
[0123]
In the first embodiment, the flow passage area of the passage 20 in the air duct 18 is the same from the upstream side to the downstream side, and the outer diameters of the wind turbines 24 and 26 are also the wind turbine 24 located on the upstream side and the wind turbine located on the downstream side. 26 and the same.
[0124]
On the other hand, in the present embodiment, the flow passage area of the passage in the air duct is different between the upstream side and the downstream side. Further, accordingly, the outer diameter of the wind turbine is different between the upstream side and the downstream side.
[0125]
Specifically, as shown in FIG. 10, the passage 120 is formed with a large-diameter portion 122 on the upstream side and a small-diameter portion 124 on the downstream side. Accordingly, a large-diameter windmill 126 is arranged on the upstream side, and a small-diameter windmill 128 is arranged on the downstream side.
[0126]
Therefore, according to the present embodiment, the wind that has passed through the windmill 126 located on the upstream side in the air duct 130 is a weaker wind than before passing, but the weak wind has a flow area smaller than that position on the downstream side. After being accelerated by being fed into the wind turbine and at least partially restoring the wind power, it is guided to a wind turbine 128 located downstream.
[0127]
Furthermore, in the present embodiment, by reducing the size of the windmill 128 located on the downstream side, it is possible to realize high-speed rotation of the rotor 62 of the generator 38 even in a weak wind, It is easy to improve the efficiency.
[0128]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. However, this embodiment is different from the first and second embodiments with respect to the air duct and the wind turbine, and the other elements are common to the first and second embodiments. Therefore, the air duct and the wind turbine will be described in detail, and the common elements will be described. Are referred to using the same reference numerals or names, and a detailed description thereof will be omitted.
[0129]
In the first and second embodiments, the outer diameter of the wind turbine is set to be slightly smaller than the inner diameter of the passages 20, 120 in the air ducts 18, 130. On the other hand, in the present embodiment, as shown in FIG. 11, the outer diameter of the windmill 150 is set to be larger than the inner diameter of the passage 154 in the air duct 152.
[0130]
However, in the present embodiment, an annular groove 158 is formed at a position facing the windmill 150 locally on the inner peripheral surface 156 of the passage 154 in the air duct 152. The diameter of the circumference traced by the bottom surface 160 of the groove 158 is set to a size that leaves a gap with the tip of the blade 162 of the windmill 150. Further, the width of the groove 158 is set in consideration of the distance that the windmill 150 can move in the axial direction, to the projection width of the blade 162 when the blade 162 is projected in a direction parallel to the rotation plane of the blade 162. In FIG. 11, a broken line indicates a state where the rotor 62 of the generator 36 is at the retreat limit.
[0131]
Therefore, according to this embodiment, when the air duct 152 is projected along its flow path, there is no gap between the tip of the blade 162 of the windmill 150 and the passage 154 that allows air leakage. Therefore, power can be generated by effectively utilizing the air taken into the air duct 152.
[0132]
Furthermore, according to the present embodiment, the gap between the tip of the blade 162 of the windmill 150 and the passage 154 in the air duct 152 does not need to be so high in accuracy, so that the manufacture and assembly of the windmill 150 and the air duct 152 are not necessary. It will be easier.
[0133]
Next, a wind turbine generator according to a fourth embodiment of the present invention will be described. However, since this embodiment has many elements common to the first embodiment, the common elements will be referred to using the same names or reference numerals, and detailed description will be omitted. Different elements will be described in detail. Will be described.
[0134]
In the first embodiment, the air gap 70 between the rotor 62 of the generators 36 and 38 and the stator 60 is changed by the axial force of the rotor 62 in order to smoothly start the wind turbines 24 and 26.
[0135]
On the other hand, in the present embodiment, the smooth start of the windmill is realized irrespective of the generator. Specifically, a clutch is provided between the windmill and the rotor, and the clutch is connected / disconnected by the axial force of the windmill, so that the start of the windmill is smoothed.
[0136]
More specifically, as shown in FIG. 12, a shaft 185 connecting the wind turbine 180 and the rotor 184 of the generator 182 to each other is divided into two. It is divided into a windmill side shaft 186 and a generator side shaft 188, and a clutch 190 is installed between them.
[0137]
The clutch 190 includes a hollow housing 192, and a pair of engaging members 194 and 195 are opposed to each other in the housing 192. The pair of engagement members 194 and 195 are prevented from rotating relative to each other in the engaged state where they are engaged with each other, while being allowed to rotate relative to each other in the separated state where they are separated from each other. That is, the engaged state is the connected state of the clutch 190, and the disengaged state is the disconnected state of the clutch 190.
[0138]
The engagement member 194, which is one of the pair of engagement members 194, 195, is prevented from moving in the axial direction relative to the housing 192, and is connected to one of the generator shaft 188 and the windmill shaft 186 (FIG. 12). In this example, the shaft is a generator-side shaft 188). On the other hand, the other engaging member 195 is capable of both relative rotation and axial movement with respect to the housing 192, and is the other of the generator-side shaft 188 and the windmill-side shaft 186 (in the example of FIG. (This is the windmill side shaft 186).
[0139]
An axial force transmitting member 196 is mounted on the windmill-side shaft 186 (an example of a member that moves in the axial direction together with the windmill 180) in a state where relative axial movement is prevented. An elastic member 198 is disposed between the axial force transmitting member 196 and the housing 192 so as to constantly urge the pair of engaging members 194 and 195 in a direction in which they are separated from each other.
[0140]
In the present embodiment, the generator 182 has a normal structure. Specifically, the stator 202 and the rotor 184 are disposed in the housing 200 so as to be relatively rotatable. In the present embodiment, an inner rotor system in which the rotor 184 rotates inside the stator 202 is employed. In the generator 182, the axial movement of the rotor 184 relative to the stator 202 is prevented.
[0141]
In the wind power generator 204 according to the present embodiment, when an axial force is generated in the windmill 180, the axial force is transmitted to the elastic member 198 via the windmill-side shaft 186 and the axial force transmitting member 196, and the pair of engaging members 194 and 195. It is transmitted in a direction approaching each other. In a state where the axial force cannot overcome the initial load of the elastic member 198, that is, in a state where the relative wind is a weak wind, the pair of engaging members 194 and 195 are separated as shown in FIG. In state.
[0142]
In this disengaged state, the clutch 190 is in the disconnected state, and the engagement member 194 connected to the windmill shaft 186 is allowed to rotate relative to the engagement member 195 connected to the generator shaft 188. Is done. Therefore, the starting torque of the wind turbine 180 does not need to depend on the generator 182, and the starting of the wind turbine 180 is smoothed.
[0143]
As described above, in the present embodiment, the windmill 180 and the generator 182 are disconnected from each other in a weak wind state, and the spinning of the windmill 180 is allowed, so that the start of the windmill 180 is smoothed.
[0144]
On the other hand, when the axial force of the windmill 150 overcomes the initial load of the elastic member 198, the pair of engaging members 194 and 195 approach each other against the elastic force of the elastic member 198, and eventually engage with each other. . By this engagement, the clutch 190 shifts from the disconnected state to the connected state. As a result, the windmill 180 and the generator 182 are connected to each other, and the starting torque of the windmill 180 depends on the generator 182 and the rotation of the windmill 180 The power is transmitted to the generator 182 to generate power.
[0145]
Therefore, according to the present embodiment, the starting torque of the windmill 180 is controlled by controlling the transmission state of the rotational force between the windmill 180 and the rotor 184 using the clutch 190.
[0146]
Further, according to the present embodiment, the connection / disconnection state of the clutch 190 is mechanically and automatically switched by utilizing the axial force of the windmill 180.
[0147]
As is apparent from the above description, in the present embodiment, the clutch 190 constitutes an example of the “torque control mechanism” in the above (1) and constitutes an example of the “clutch” in the above section (5). -ing
[0148]
As described above, some embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the drawings. However, these embodiments are merely examples, and those skilled in the art, including the embodiments described in the section of [Means for Solving the Problems] above, may be used. The present invention can be implemented in other forms in which various modifications and improvements are made based on knowledge.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front view showing an appearance of a wind turbine generator 10 according to a first embodiment of the present invention mounted on an automobile 12. FIG.
FIG. 2 is a side view showing an appearance of the wind turbine generator 10 of FIG.
FIG. 3 is a front view showing the wind turbine generator 10 of FIG.
FIG. 4 is a partial side sectional view showing the wind turbine generator 10 of FIG.
FIG. 5 is a block diagram conceptually showing an electric system of the wind turbine generator 10 of FIG.
FIG. 6 is a side sectional view showing a generator 36 of the wind power generator 10 of FIG. 1 in detail.
FIG. 7 shows the relationship between the wind speed of the relative wind and the rotation speed of the rotor of the generator when the air gap of the generator is set to the same value as the minimum value of the air gap when the wind power generator 10 of FIG. 1 is used. It is a graph which represents notionally with respect to the fixed normal wind power generator, respectively.
8 is an experiment for confirming the relationship between the size of the air gap 70 between the rotor 62 and the stator 60 of the generator 36 in FIG. 1 and the magnitude of the magnetic force acting between the rotor 62 and the stator 60. It is a graph showing a result.
FIG. 9 is a view for explaining some usage examples of electric energy stored by the wind power generator 10 of FIG. 1;
FIG. 10 is a partial side sectional view showing a wind turbine generator according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a partial side sectional view showing a part of an air duct 152 in a wind turbine generator according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a side view showing a wind turbine generator 204 according to a fourth embodiment.
[Explanation of symbols]
10,204 Wind power generator
12 cars
24,26,150,180 windmill
36,38,182 Generator
60 Stator
62 rotor
70 Air gap
82,150 shaft
190 clutch

Claims (4)

風力を利用して発電を行う風力発電装置であって、
風向に対して概して平行な風車軸線まわりに風力によって回転させられるプロペラ型の風車と、
その風車の回転によって発電を行う発電機と、
前記風力によって前記風車に前記風車軸線に対して平行な方向に発生する軸力に基づき、その風車が停止状態から回転状態に移行するためにその風車が打ち勝つことが必要な起動トルクを、前記風力が設定値以下である弱風状態において、その設定値より大きい強風状態に想定される起動トルクより小さくなるように制御するトルク制御機構と
を含む風力発電装置。A wind power generator that generates power using wind power,
A propeller-type windmill rotated by wind power about a windmill axis generally parallel to the wind direction;
A generator that generates power by the rotation of the windmill,
Based on the axial force generated in the wind turbine by the wind in a direction parallel to the axis of the wind turbine, the starting torque required for the wind turbine to overcome in order for the wind turbine to transition from the stopped state to the rotating state is determined by the wind force. And a torque control mechanism that controls the starting torque to be smaller than a starting torque assumed in a strong wind state larger than the set value in a weak wind state that is equal to or smaller than a set value. 前記発電機が、
ステータと、
前記風車と共に回転するロータであって、エアギャップを隔てて前記ステータに対向するとともに、そのステータに対して、それと共通の発電機軸線まわりに相対的に回転可能であるものと
を含み、かつ、前記トルク制御機構が、前記ロータを、前記発電機軸線の軸方向に前記ステータに対して相対的に移動可能に支持するとともに、そのロータの軸方向位置を前記軸力により、前記エアギャップが前記弱風状態において前記強風状態におけるより大きくなるように変化させるものである請求項１に記載の風力発電装置。The generator,
A stator,
A rotor that rotates with the windmill and faces the stator with an air gap therebetween, and is relatively rotatable with respect to the stator about a common generator axis, and The torque control mechanism supports the rotor so as to be relatively movable with respect to the stator in the axial direction of the generator axis, and adjusts the axial position of the rotor by the axial force to reduce the air gap. The wind power generator according to claim 1, wherein the wind power generator is changed so as to be larger in the weak wind state than in the strong wind state. 前記ロータおよびステータが、前記エアギャップを隔てて互いに対向する一対の周面を前記発電機軸線と同軸に有し、かつ、それら一対の周面の少なくとも一方が、前記発電機軸線に対する連続的または不連続的な傾斜面を有する請求項２に記載の風力発電装置。The rotor and the stator have a pair of peripheral surfaces facing each other across the air gap coaxially with the generator axis, and at least one of the pair of peripheral surfaces is continuous or continuous with the generator axis. The wind power generator according to claim 2, which has a discontinuous slope. 風力を利用して発電を行うために、風向に対して概して平行な風車軸線まわりに風力によって回転させられるプロペラ型の風車と、その風車の回転によって発電を行う発電機とを備え、かつ、その発電機が、ステータと、エアギャップを隔てて前記ステータに対向するロータであって、そのステータと共通の発電機軸線まわりにそのロータに対して相対的に、かつ、前記風車と共に回転するものとを有する風力発電装置であって、
前記ロータが、前記発電機軸線の軸方向に前記ステータに対して相対的に移動可能であるとともに、前記風力によって前記風車に前記風車軸線に対して平行な方向に発生する軸力によって前記ロータの軸方向位置を、前記エアギャップが前記風力が設定値以下である弱風状態において、その設定値より大きい強風状態におけるより大きくなるように制御するエアギャップ制御機構を含む風力発電装置。In order to generate power using wind power, a propeller-type wind turbine that is rotated by wind power around a wind turbine axis that is generally parallel to the wind direction, and a generator that generates power by rotating the wind turbine, and A generator, a stator and a rotor opposed to the stator with an air gap therebetween, the rotor rotating about the generator axis common to the stator relative to the rotor, and rotating with the windmill; A wind power generator having
The rotor is movable relative to the stator in the axial direction of the generator axis, and the axial force generated in the wind turbine by the wind in a direction parallel to the wind turbine axis causes the rotor to rotate. A wind power generator including an air gap control mechanism that controls an axial position to be larger in a strong wind state in which the air gap is smaller than a set value in a weak wind state where the wind force is equal to or smaller than a set value.
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