JP4759914B2

JP4759914B2 - 発電装置

Info

Publication number: JP4759914B2
Application number: JP2003364197A
Authority: JP
Inventors: 利夫三木; 一路加藤; 雄志佐藤; 智彦松永; 哲行木村; 伸浩齊藤; 徹成小早川; 謙司山口
Original assignee: Sinfonia Technology Co Ltd
Current assignee: Sinfonia Technology Co Ltd
Priority date: 2003-10-24
Filing date: 2003-10-24
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2023-10-24
Also published as: JP2005130626A

Description

本発明は、トルク発生側に連結される回転軸と、前記回転軸の回転に伴って回転可能な回転子と、前記回転軸と前記回転子との間に設けられたクラッチと、前記回転軸等を収納するハウジングと、前記ハウジングに取り付けられ、前記回転子に対向して設けられた固定子とから成る発電装置に関し、特に構造がシンプルで組立てが容易な発電装置に関する。

従来の発電装置は、トルク発生側に連結される入力軸と、前記入力軸に連結され、回転子が取り付けられた出力軸と、前記入力軸、出力軸、及び回転子を収納するハウジングと、前記ハウジングに取り付けられた固定子と、を備えていた。このような発電装置においては、固定子鉄心の磁極と回転子の永久磁石との間で作用する吸引力、及び回転子の慣性力が発生するため、回転子が取り付けられた出力軸を回転させるには大きなトルクを必要とする。したがって、トルクが小さければ、回転子が取り付けられた出力軸を停止状態から回転状態に移行させることが困難である。即ち、出力軸が停止状態にあっては、大きなトルクが発生しない限り発電させることができないという問題があった。

そこで、上記問題を解決すべく、トルク発生側に連結される入力軸と回転子が取り付けられた出力軸との間にクラッチを設けた発電装置が開発されている（例えば、特許文献１）。このような発電装置においては、入力軸が所定の回転数以下であるときは、入力軸と出力軸を非接続状態とし、入力軸が所定の回転数に達したときに、入力軸と出力軸を接続状態としている。したがって、小さなトルクしか発生していないときは、入力軸は回転するが出力軸は回転しない状態となる。一方、大きなトルクが発生して入力軸が所定の回転数に達したときは、入力軸と出力軸が接続されるので、回転子が取り付けられた出力軸を停止状態から回転状態に移行させことができる。

しかし、特許文献１に記載の発電装置においては、組立て時、トルク側の入力軸と回転子が取り付けられた出力軸の芯を合わせるために、いわゆる芯出し工程が必要となり、組立てが困難である。また、この芯出し工程を必要とすることでコストが高くなるという問題があった。また、入力軸と出力軸が別部品となるので、さらなる高コスト化を招いていた。

特開平８−３１２５２３

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、組立て容易、低コスト化が可能な発電装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段及び効果

本発明において、以下の特徴は単独で、若しくは、適宜組合わされて備えられている。前記課題を解決するための本発明に係る発電装置は、トルク発生側に連結される回転軸と、前記回転軸に回転自在に取り付けられた回転子と、前記回転軸と前記回転子との間に設けられたクラッチと、前記回転軸、回転子、及びクラッチを収納するハウジングと、前記ハウジングに取り付けられ、前記回転子に対向して設けられた固定子と、を備えて成ることを特徴とする。この発電装置によれば、回転子がトルク発生側に連結される回転軸に回転自在に取り付けられているので、入力軸と出力軸のように別部品となることがなく、組立て時に芯出し工程を必要とせず、低コスト化を図ることができる。また、容易に組み立てることができ、さらなる低コスト化を図ることが可能となる。

ここで、「回転軸に回転自在に取り付けられた回転子」とは、クラッチ以外の部材を介して取り付けられるものも含む概念である。例えば、中空部に回転軸をしまりばめで嵌合させた入力スリーブと、中空部に回転軸を回転自在に取り付けるとともに回転子と一体化させた出力スリーブとの間にクラッチを設けたものが考えられる。

また、「前記回転軸、回転子、及びスプリングクラッチを収納するハウジング」とは、筐体構造のものに限られず、上下面又は側面のいずれかが開口されていたり、骨組み構造のものも含まれる。即ち、回転軸と固定子を支持することが可能であれば良い。

また、前記クラッチは、一端が、前記回転軸又は前記回転子のいずれか一方に固定され、他端が、前記回転軸又は前記回転子のいずれか他方に回転方向で締め付けられるスプリングと、前記スプリングの他端に係合自在であって、電気的制御によって前記回転軸又は前記回転子のいずれか他方への前記スプリングによる締め付けを解除するラッチ装置と、を備えて成るスプリングクラッチであることが好ましい。クラッチは、一般的に摩擦式クラッチが用いられるが、摩擦面を大きくするために大型化を招きやすい。一方、上記発明によれば、スプリングによって回転軸又は回転子のいずれかが回転方向で締め付けられるので、小型化を図ることができる。

さらに、電気的制御によって前記回転軸又は前記回転子のいずれか他方への前記スプリングによる締め付けを解除するラッチ装置を備えているので、回転軸と回転子が接続されているときは電源の供給を必要としない。即ち、本発明に係る電源装置は発電を目的とするものであるから、トルク側に連結される回転軸は、停止状態又は所定の回転数以下である時間よりも、所定の回転数より大きい時間の方が圧倒的に長い。したがって、回転軸と回転子が接続されているときは電源の供給を必要としないので、省電力を図ることができる。

また、前記発電装置は、前記回転軸に、前記回転軸の回転を検出するための検出手段を備えていることが好ましい。前記回転軸の回転数に応じて、回転軸と回転子の接続／非接続を切り替えることができるので、発電ロスが少ない運転を行うことができる。

また、前記発電装置は、前記回転軸と前記ハウジングの間に、前記回転軸の回転を抑制するためのブレーキ装置が設けられていることが好ましい。風力や水力等を動力源とする発電装置は、あくまで自然の力を利用しているため、トルクが急激に大きくなることも考えられる。かかる場合には、例えば、回転軸の軸受破損や、回転軸に取り付けられた羽根の脱落といった、発電装置を構成する部品の故障が懸念される。そこで、回転軸が所定の回転数より大きくなったとき、回転軸の回転を抑制するためのブレーキ装置を設けることによって、発電装置を構成する部品の故障を防止することができる。

以下、本発明に係る発電装置に好適な用途として用いられる風力発電装置用発電機を例として、具体的に説明する。図１（ａ）は、風力発電装置用発電機１の平面図で、図１（ｂ）は、同じく風力発電装置用発電機１の正断面図である。図１において、風力発電装置用発電機１は、回転軸２と、回転子３と、固定子４と、スプリングクラッチ５と、ハウジング６と、回転軸２の回転数を検出するための検出装置７と、回転軸２の回転を強制的に抑制するためのブレーキ装置８と、軸受９，１０，１１，１２とから構成されている。

回転軸２は、図示しない羽根が風を受けたときに一定の方向に回転するものであり、後述するハウジング６に固定された軸受９，１０によって回転自在に支持されている。

回転子３は、その中空部に回転軸２を挿入可能な円筒部の外周から外周面に対してほぼ垂直に略Ｔ字状に延在した形状をしており、回転軸２に対して回転自在に中空部で軸受１１，１２によって支持されている。回転子３をこのような形状とすることで、停止状態から回転するときにおける慣性モーメントを減らすことができる。ただし、回転子３の形状はこれに限られるものではなく、回転軸２に伴って回転したときに固定子４と対向し、誘導電流を発生させることができればよい。

スプリングクラッチ５は、回転軸２と回転子３の間に設けられており、回転軸２と回転子３とを接続自在に構成されているが、詳細な構成については後述する。

ハウジング６は、回転軸２の回転子３を挟む両側位置を回転自在に軸受９，１０で支持する一対の保持板１３と、この一対の保持板１３の間を連結する６本の支柱１４とから構成され、回転子３や固定子４といった各部品を収納している。なお、ハウジング６は、各部品の収納の他、回転軸２や後述する固定子４を固定する役割もある。また、ハウジング６は、回転軸２や固定子４を固定できれば形状は問わない。例えば、箱型の筐体構造、骨組み構造、又は上下面又は側面の一部が開口された構造であっても良い。

固定子４は、固定子コアの内径側にコイルが巻き付けられたものであり、外周側が円形状の筒状（以下、「ドーナツ型」という）を成している。ここで、本実施例における固定子４は、固定子コアにコイルを巻きやすくするために、周方向にほぼ均等に６分割している。これら分割された各固定子４ａは回転子３に対向する位置に配置されている。また、分割された各固定子４ａの外周面における周方向のほぼ中央部には、各固定子４ａと係合させた支柱１４が配置されている。即ち、１個の各固定子４ａに対して１本の支柱１４が配置されることになる。このように、ドーナツ型の固定子４を６分割にしてその外周面における周方向のほぼ中央部に支柱１４を配置して固定することで、ハウジング６の大幅な軽量化を図ることができ、また容易に組立てを行うことができる。ここで、１個の各固定子４ａに対して１本の支柱１４を配置するものに限定されるものではなく、１個の各固定子４ａに対して２本以上の支柱１４を配置しても良い。

支柱１４は、大径部１４ａと、大径部１４ａよりも若干径が小さい小径部１４ｂとを有する段付き形状となっており、小径部１４ｂで各固定子４と係合している。なお、支柱１４は、支柱１４の小径部１４ｂに各固定子４ａが配置されるように組み立てることで回転子３に対向する形状となっているので、組立てが容易である。本実施形態において、支柱１４の形状は、大径部１４ａと、大径部１４ａよりも若干径が小さい小径部１４ｂとを有する段付き形状としているが、これに限られるものではなく、小径部１４ｂに相当する部位を直線状、固定子４の外周形状に沿って円弧状、又は角状に切り欠いて嵌合部を形成したものであっても良い。

また、各固定子４ａが配置されていない場合における軸心Ｏに対して対角線上にある２本の支柱１４の小径部１４ｂの、各固定子４ａが配置されていれば嵌合されていたであろう係合部同士を結ぶ長さＬは、外周面が円形状となるように６分割された各固定子４ａを組み合わせた場合における外径よりも若干小さな寸法となっている。したがって、支柱１４は、支柱１４の小径部１４ｂで各固定子４ａを係合した状態で、一対の保持板１３の各々の連結部より外側（軸心Ｏを中心とした外径側）に広がって位置することになる。よって、各固定子４ａを支柱１４で固定したとき、各固定子４ａと支柱１４とが互いに押し合う力が発生するので、各固定子４ａが６分割されたものであっても、各固定子４ａが位置ずれを起こすことがない。さらに、支柱１４の小径部１４ｂにボルト穴１５を設け、ボルト１６で各固定子４ａを内径側に押し込むように固定することによって、各固定子４ａは、より強固に支柱１４に固定されることとなる。ここで、保持板１３は段差部３６を有しているので、ボルト１６で支柱１４を軸心Ｏ側に押し込むことによって、各固定子４ａと回転軸２の同心が確保される。なお、本実施形態においては固定子４を６分割しているが、３つ以上に分割したものであれば、ハウジング６の大幅な軽量化、及び組立ての容易化を図ることができる。

また、回転軸２の回転数を検出するための検出装置７は、回転数を検出する光電センサ３０と、回転軸２の回転に伴って回転する板状の被検出部３１とから構成される。光電センサ３０は、赤外線を発光する発光側と、発光側から発光された赤外線を受光する受光側とで構成されており、被検出部３１は、回転軸２が回転したときに光電センサ３０の発光側と受光側の間を通過するように、回転軸２側に固定されている。被検出部３１が光電センサ３０の発光側と受光側の間を通過したとき、光電センサ３０の受光側は、発光側から発光される赤外線の受光が遮られるので、被検出部３１が通過したことを検出できる。そして、この検出結果は、図示しない制御部が常時監視している。なお、検出装置７は、光電センサ３０と被検出部３１から構成されるものが簡易かつ低コストであるが、これに限られず、回転軸２の回転数を算出できるものであれば他の検出装置であっても良い。

また、ブレーキ装置８は、押圧パット３２とスクリュー軸３３とから構成される。押圧パット３２はスクリュー軸３３の先端に取り付けられており、スクリュー軸３３は、図示しない制御部からの指令によって、回転軸２の軸方向と垂直の方向に往復移動が可能な構成となっている。したがって、押圧パット３２と回転軸２の周面との距離に応じて、押圧パット３２が回転軸２の周面を押圧する力が変化する。なお、ブレーキ装置８の構成は、これに限られるものではなく、回転軸２に発生するトルクと反対方向にトルクを発生させて、回転軸２の回転を抑制することができるものであれば良い。

次に、スプリングクラッチ５の構成について説明する。スプリングクラッチ５は、スプリング装置１７とラッチ装置１８とから構成されている。さらにスプリング装置１７は、入力側スリーブ１９と、出力側スリーブ２０と、スプリング２１とから構成されている。図２はスプリング装置１７の正断面図、図３はスプリング装置１７におけるスプリング２１の斜視図、図４はラッチ装置１８の平面図である。

先ず、スプリング装置１７の構成について、図２及び図３を用いて説明する。入力側スリーブ１９は、その中空部に回転軸２がしまりばめで嵌合されている。したがって、回転軸２が回転したとき、入力側スリーブ１９は回転軸２と一体となって回転する。出力側スリーブ２０は、その内径側で軸受１１によって回転軸２に回転自在に支持されるとともに、図１に図示した回転子３にボルト３４で固定されている。したがって、出力側スリーブ２０が回転したとき、回転子３は出力側スリーブ２０と一体となって回転する。スプリング２１は、図３に図示するようにコイル形状のスプリング２１であり、その一端には、スプリング２１の外径方向に突き出た突起部２２がある。図２に戻って、このスプリング２１は、突起部２２とは反対側の他端が出力側スリーブ２０に固定され、入力側スリーブ１９と出力側スリーブ２０の外周側に、回転軸２の回転方向で締め付けられるように配置されている。したがって、図２においては、スプリング２１の突起部２２は、入力側スリーブ１９の外周側に位置していることとなる。

図４は、ラッチ装置１８の平面図である。ラッチ装置１８は、ソレノイド２３と、プランジャ２４と、バネピン２５と、アクチュエータ２６とから構成されている。ソレノイド２３は、電気的制御による励磁と消磁を繰り返すことによって、プランジャ２４をその長手方向に往復移動させる。なお、図４におけるプランジャ２４は、ソレノイド２３が励磁状態における位置を図示している。また、プランジャ２４にはピン２９が設けられており、ソレノイド２３とアクチュエータ２６は各々、ピン２９とアクチュエータの腕部２７とが係合可能な位置に配置されている。アクチュエータ２６は、紙面の前方向からみて時計回りの方向に付勢するバネピン２５を支点として回転可能に構成されている。したがって、アクチュエータ２６には、紙面の前方向からみて時計回りの力が常時発生し、ストッパー３５で時計回りの回転が制限される。一方、回転軸２は、紙面の前方向から見て時計回りに回転し、スプリング２１は、入力側スリーブ１９の外周側に、回転軸２の紙面の前方向からみて時計回りの回転で締め付けられる。そして、スプリング２１の突起部２２は、軸心Ｏを支点として、軸心Ｏから突起部２２までの長さＲを半径とした軌道Ｌを描く。ここで、ソレノイド２３が励磁しているときにおけるアクチュエータの先端部２８は、軸心Ｏを支点とした軌道Ｌの重なる位置に配置される。また、ソレノイド２３が消磁状態にあるとき、アクチュエータの先端部２８は、軸心Ｏを支点とした軌道Ｌの外側（即ち、軸心Ｏの反対側）に回避される。

前述したスプリングクラッチ５を回転軸２と回転子３との間に設けることによって、回転子３をトルク発生側に連結される回転軸２に回転自在に取り付けることができるので、組立て時の芯出し工程を必要とせず、低コスト化、組立ての容易化、及び小型化を図ることができるという点において大きな効果がある。しかしながら、スプリングクラッチ５を用いなくとも、回転子３をトルク発生側に連結される回転軸２に回転自在に取り付けることができることはいうまでもない。

次に、回転軸２と回転子３が接続状態から非接続状態に切り替わる動作について説明する。回転軸２の紙面前方向から見て上方には、風によって回転軸２の回転方向に回転する図示しない羽根が複数個固定されている。なお、風による回転軸２の回転方向は、羽根の形状によって常に同じ回転方向となる。また、回転軸２の回転数は常に検出装置７で検出されており、風がないとき、又は風が少なく回転軸２が所定の回転数より小さいときは、回転軸２と回転子３が非接続状態となる。したがって、回転軸２の回転に伴って回転子３が回転することはない。一方、羽根が風を受けて、回転軸２が所定の回転数以上となったことを検出装置７が検出したときは、回転軸２と回転子３が接続状態となり、回転軸２の回転に伴って回転子３が回転する。その結果、回転子３と対向して配置された固定子４との間で誘導電流が発生し、発電される。

ここで、回転軸２と回転子３が接続状態から非接続状態に切り替わる動作は、回転軸２と回転子３との間に設けられたスプリングクラッチ５の作動、さらに具体的にはラッチ装置１８の作動によって行われる。図４において、ソレノイド２３が消磁状態にあるとき、プランジャ２４はその長手方向であって、紙面の前方向から見て上方に移動するので、アクチュエータ２６は、バネピン２５を支点として紙面前方向から見て時計回りに作動する。このとき、アクチュエータの先端部２８は、軸心Ｏを支点とした軌道Ｌの外側に回避される。その結果、スプリング２１は、入力側スリーブ１９の外周側に、回転軸２の紙面の前方向からみて時計回りの回転で締め付けられ、回転軸２と回転子３が接続状態となり、回転軸２の回転に伴って回転子３が回転する。一方、ソレノイド２３が励磁したときは、プランジャ２４はその長手方向であって、紙面の前方向から見て下方に移動するので、アクチュエータ２６は、バネピン２５を支点として紙面前方向から見て反時計回りに作動する。このとき、アクチュエータの先端部２８は、軸心Ｏを支点とした軌道Ｌの重なる位置に配置される。その結果、スプリング２１の突起部２２と衝突し、入力側スリーブ１９へのスプリング２１による締め付けが解除され、回転軸２と回転子３が非接続状態となる。したがって、回転軸２に伴って回転子３が回転することはない。

回転軸２と回転子３が接続状態から非接続状態に切り替わる動作は、検出装置７の検出結果に基づいて行われる。即ち、図示しない制御部が、検出装置７の光電センサ３０による被検出部３１の検出を常時監視し、所定時間内に被検出部３１が光電センサ３０を通過した回数に基づいて、回転軸２の回転数を算出している。そのように算出された回転軸２の回転数が予め設定された回転数よりも小さくなったとき、ラッチ装置１８のソレノイド２３が励磁される。その結果、前述したように、アクチュエータの先端部２８とスプリング２１の突起部２２とが衝突し、入力側スリーブ１９へのスプリング２１による締め付けが解除され、回転軸２と回転子３が非接続状態となる。

また、回転軸２と回転子３が非接続状態から接続状態に切り替わる動作についても、前述同様に検出装置７の検出結果に基づいて行われる。即ち、回転軸２の回転数が予め設定された回転数よりも大きくなったとき、ラッチ装置１８のソレノイド２３が消磁される。その結果、アクチュエータの先端部２８は、軸心Ｏを支点とした軌道Ｌの外側に回避されるので、入力側スリーブ１９がスプリング２１によって締め付けられ、回転軸２と回転子３が接続状態となる。

このように、回転軸２と回転子３の接続状態を切り替えるのは、風力や水力等の自然力を利用して発電する小容量発電装置において、回転軸２にトルクが発生せず、回転軸２の回転が停止することがあるからである。このような場合にまで回転軸２と回転子３を接続状態としていると、回転軸２の回転停止による大きな慣性モーメントが発生するので、強い風が吹いたりしない限り、回転軸２は停止したままの状態となる。したがって、回転軸２が所定の回転数よりも小さいときは回転軸２と回転子３を非接続状態とすることで、僅かな風力や水力であっても回転軸２の回転を可能としたものである。さらに、回転軸２が所定の回転数よりも大きくなったときに回転軸２と回転子３を接続状態とすることで、回転軸２の回転による慣性モーメントを利用して、回転軸２とともに回転子３を回転させるものである。

次に、ブレーキ装置８について説明する。ブレーキ装置８における押圧パット３２は、通常は回転軸２を押圧しない位置に配置されている。そして、検出装置７で検出された回転軸２の回転数が予め定めた回転数Ｎ１より大きくなったとき、図示しない制御部は、押圧パット３２が回転軸２を押圧する方向にスクリュー軸３３が移動するように指令する。ここで、制御部は回転軸２の回転数を常時監視しているため、回転軸２の回転数が予め定めた回転数Ｎ２より小さくなるまで、押圧パット３２が回転軸２を押圧する方向にスクリュー軸３３が移動するように指令し続ける。そして、回転軸２の回転数が予め定めた回転数Ｎ２より小さくなったとき、スクリュー軸３３の移動をやめてその状態で保持する。そこから回転軸２の回転数がさらに小さくなり、予め定めた回転数Ｎ３より小さくなったときは、押圧パット３２が回転軸２を押圧する方向とは反対の方向にスクリュー軸３３を移動させる。なお、本実施形態における、予め定めた回転数Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３は、発電装置を構成する部品の強度等によって適宜変更されるものである。

尚、本発明は、上記の好ましい実施形態に記載されているが、本発明はそれだけに制限されない。本発明の精神と範囲から逸脱することのない様々な実施形態が他になされることができることは理解されよう。

例えば、本実施形態においては、風力発電装置用発電機について説明したが、これに限られるものではない。例えば、動力源は風力である必要はなく、水力であっても良い。また、回転軸は、垂直型であっても水平型であってもよい。

（ａ）本発明に関わる風力発電装置用発電機の平面図、及び（ｂ）正断面図である。本発明に関わるスプリング装置の正断面図である。本発明に関わるスプリング装置におけるスプリングの斜視図である。本発明に関わるラッチ装置の平面図である。

符号の説明

１風力発電装置用発電機
２回転軸
３回転子
４固定子
４ａ分割された各固定子
５スプリングクラッチ
６ハウジング
７検出装置
８ブレーキ装置
９〜１２軸受
１３保持板
１４支柱
１４ａ支柱の大径部
１４ｂ支柱の小径部
１５ボルト穴
１６ボルト
１７スプリング装置
１８ラッチ装置
１９入力側スリーブ
２０出力側スリーブ
２１スプリング
２２突起部
２３ソレノイド
２４プランジャ
２５バネピン
２６アクチュエータ
２７アクチュエータの腕部
２８アクチュエータの先端部
２９ピン
３０光電センサ
３１被検出部
３２押圧パット
３３スクリュー軸
３４ボルト
３５ストッパー
３６段差部

Claims

大きさが変動する自然力により回転するトルク発生側の回転軸と、
前記回転軸に回転自在に取り付けられた回転子と、
前記回転軸と前記回転子との間に設けられ、当該回転軸の回転数が所定の回転数よりも小さいときは当該回転軸と当該回転子とを非接続状態にし、当該回転軸の回転数が所定の回転数よりも大きいときは当該回転軸と当該回転子とを接続状態にするスプリングクラッチと、
前記回転軸に設けられ、前記回転軸の回転数を検出するための検出手段と、
前記回転軸、回転子、及びスプリングクラッチを収納するハウジングと、
前記ハウジングに取り付けられ、前記回転子に対向して設けられた固定子と、
を備え、
前記回転子は、断面視において、前記回転軸が挿入される円筒部の外周から前記固定子に向かう方向へＴ字状に延在する形状に形成されており、
前記スプリングクラッチは、
一端が、前記回転子に固定され、他端が、前記回転軸に回転方向で締め付けられるスプリングと、
前記スプリングの他端に係合自在であって、電気的制御によって前記回転軸への前記スプリングによる締め付けを解除するラッチ装置と、
を備えており、
前記回転軸が、前記スプリングクラッチおよび前記回転子を貫通していることを特徴とする、発電装置。
前記回転軸と前記ハウジングの間に、前記回転軸の回転を抑制するためのブレーキ装置が設けられて成る請求項１に記載の発電装置。