JP6244598B2 - 可変磁束界磁型同期発電機を有する風力発電装置 - Google Patents

Description

この発明は可変磁束界磁型同期発電機を有する風力発電装置に関する。

風車が作り出す機械的エネルギーは、回転角速度の３乗に比例し、その最大出力点の軌跡は、回転角速度とトルクの座標において、そのトルクは回転角速度の２乗に比例する。比較的発電容量の少ない小型以下の風力発電機においては、発電機として界磁に永久磁石を用いた永久磁石同期発電機を使用することが多い。また、発電機の回転速度を上げるため、増速機を使用することが多い。

牛山 泉 著 森北出版株式会社 風車工学入門 Ｐ１１０

永久磁石同期発電機を駆動するための動力のトルクは回転速度に比例する。一方風車のつくり出す動力の最大出力のトルクは回転速度の二乗に比例する。そのため、直線と曲線は一点でしか交わらないので、発電機のトルクと風車のトルクは一点でしか交わらず、それ以外の点では最大出力点で動作させることが出来ない。これを広範囲において最大出力点で発電させることが本発明の課題である。

図１はトルクと回転角速度の座標を表わし、曲線１４は風速一定で風車に負荷をかけて行った時のトルクと角速度の変化を表わし、曲線１３は曲線１４に角速度ωを掛けた風車の出力曲線を表わし、その最大出力を出すときのトルクの軌跡を結んだものが曲線１２であり、そのトルクはω^２に比例する。

図１のグラフに、従来の永久磁石同期発電機のトルク曲線（直線）１１を載せるとＡ点の一点でしか交わらない。すなわち従来の永久磁石同期発電機のトルク曲線は角速度が高くない時はほぼωに比例する直線であり、さらに角速度が高くなると誘起電圧の周波数が高くなることによるインピーダンスの増大や電機子鉄心の磁気飽和などにより発生する電力が目減りしトルクが低下してくるため、ω^２に比例する風車のトルク曲線とは一点でしか交わらない。
Ａ点以外の点、例えばＣ点について考えると、本来Ｂ点で交差するトルクを有する発電機であれば風車の最大出力点で動作させることが出来るわけであるが、従来の永久磁石同期発電機ではＣ点で動作することになるので、角速度は増加するがトルクはΔＴ低くなり出力はΔＰ少なくなって無駄が発生することになる。
このことはＡ点より角速度が低い点例えば、Ｄ点においても出力の無駄が発生することが分かる。すなわち、トルクは大きくなるが角速度が低下するため出力が目減りして無駄が発生することになる。

本発明においては、このような無駄、特に角速度の高い領域における無駄をなくするため、発電機の界磁に永久磁石の他に直流励磁電磁石を並列に設け、界磁磁束を増やして、発電機の誘起起電力を大きくして、発電機に必要なトルクを増やし、高速領域の最大出力点（Ｂ点など）を通るようにすることによって、風車の最大出力点において発電が出来るようになり、風車がつくり出す機械的エネルギーをすべて発電機に取り込むようにすることによって、風車の出力の無駄ΔＰが発生しなくなるようにすることを目的とする。

図２に基づいて、本願の同期発電機１について説明する。
軸３０には界磁支持部材２９が取りつけられ、その外径部には２ｎ個の界磁鉄心の歯２３１を放射状に設け、それらの間には板状の２ｎ個の永久磁石２４を挟み、２ｎ個の界磁歯２３１は、一つ置きに二つのグループに分け、一方のグープの突き出た端部は一方の励磁鉄心２５に接して取り付けられ、他方のグループは、励磁コイル２７を内蔵し、かつブラケット２０に固定された他方の励磁鉄心２６に励磁ギャップを介して、その端面を対向させ、外径部にはエアギャップを介して電機子鉄心２１が対向し、電機子巻線２２を有する電機子鉄心２１は非磁性ブラケット２０に固定され、軸３０の両端には軸受２８が取り付けられブラケット２０の軸受ハウジングに嵌合されている。

図２（ｂ）、（ｃ）に界磁の構造例を示す。界磁は薄い板状の永久磁石２４を回転方向に配列させているので、極数を多くする多極化構造に適している。界磁を多極にすると、低速においても誘起電圧が高くなるので、増速機を省略することが出来、励磁コイル２７への電流供給も非接触であることと相俟って、信頼性の高い同期発電機を形成することが出来る。
また、永久磁石２４を使わない直流励磁同期発電機の場合は磁石を使わない分、半径方向のスペースに余裕が出来、極数をより多く増やすことができるので、低速の発電機に適しているということができる。

永久磁石２４は回転方向に着磁磁化され、磁束の流れは、磁石のＮ極→近接する界磁歯→エアギャップ→電機子鉄心→エアギャップ→近接する隣の界磁歯→磁石のＳ極へと流れる。一方、直流励磁磁束は、軸のＮ極→励磁鉄心→Ｎ極の界磁の歯→エアギャップ→電機子鉄心→エアギャップ→Ｓ極の界磁の歯→励磁ギャップ→励磁鉄心→励磁ギャップ→軸のＳ極、と流れ、相互に独立かつ並列に流れる。
この界磁磁束は、永久磁石による固定磁束と直流励磁磁石による可変磁束の二つの磁束による複合磁束によって形成される特長を有する。
界磁が風力などの動力によって回転すると、これら二つの磁束が電機子鉄心に回転・移動磁界をつくり、それが電機子巻線に誘起電圧を発生させ、発電機としての機能を発揮する。
また、この同期発電機は、永久磁石の使用量を調整することによって、固定磁束の量を変えることができるとともに、永久磁石を使わず直流励磁磁石だけでも界磁を形成することができるという特長を有する。

次に発電機のトルクの制御方法について説明する。発電機の電機子巻線は多相でも単相でもよいが、ここでは単相を例に説明する。
先ず、永久磁石と直流励磁磁石を併用する場合について説明する。
発電機に発生する電圧は界磁の磁束×回転速度に比例する。負荷が抵抗Ｒだとすると、流れる電流Ｉはつぎのようになる。
［数式１］ Ｉ＝Ｋ・Φ・ｐ・ω／〔（ｐ・ω・Ｌ）^２＋（Ｒ_ｍ＋Ｒ）^２〕^１／２
ここで、Ｉ：電機子電流、Φ：界磁磁束、Ｋ：定数、ω：回転角速度、
ｐ：極対数、Ｌ：巻線インダクタンス、Ｒ_ｍ：巻線抵抗、Ｒ：負荷抵抗
数式１において、（ｐ・ω・Ｌ）は（Ｒ_ｍ＋Ｒ）に比べて省略的小であるので、次のように近似できる。
［数式２］ Ｉ≒Ｋ・Φ・ｐ・ω／（Ｒ_ｍ＋Ｒ）
したがって、発電機のトルクＴ_ｇはつぎのようになる。
［数式３］ Ｔｇ＝〔Ｉ^２×（Ｒ_ｍ＋Ｒ）＋Ｗ_１〕／ω
ここで、Ｔ_ｇ：発電機トルク、Ｗ_１：損失（鉄損、機械損、など）
Ｗ_１：損失は小さいので、（３）式は次のように近似できる。
［数式４］ Ｔ_ｇ≒〔Ｉ^２×（Ｒ_ｍ＋Ｒ）〕／ω
これに数式２を代入し、次式を得る。
［数式５］ Ｔ_ｇ≒（Ｋ・Φ・ｐ）^２ω／（Ｒ_ｍ＋Ｒ）
この数式５から、界磁が永久磁石だけの場合、Φは一定であるので、発電機トルクＴ_ｇは角速度ωに比例することが分かる。

風車のトルクＴ_ｆ及び出力Ｐ_ｆは次のように表わされる。
［数式６］ Ｔ_ｆ＝Ａω^２
［数式７］ Ｐ_ｆ＝Ａω^３
ここで、Ａ：定数
また風車の最大出力時のトルクＴ_Ｆは
［数式８］ Ｔ_Ｆ＝Ｂω^２
ここで、Ｂ：定数
風車の最大出力点で発電機を常に運転できれば、風車のつくり出す機械的エネルギーを発電機が電気的エネルギーにより多く変換できる。しかしながら、最大出力点のトルクの軌跡を表わす数式８と発電機のトルクを表わす数式５の曲線は一点でしか交わらないので、その交点以外では風力を有効に使っていないことになる。
風力を最大限発電機に取り込み電気エネルギーに換えるためには、できるだけ広い角速度において、発電機のトルクと風車のトルクを一致させることが必要である。
そこで、角速度が、発電機のトルクと風車の最大出力点のトルクとの交点を超えたら、それまで永久磁石の磁束だけだった界磁に、直流励磁電磁石の磁束を加え、複合磁束を形成し、発電機の発電能力を高め、そのトルクを増やすことによって風車のトルクと常に一致させるよう直流励磁磁束を増やせばよいことが分かる。

先ず、永久磁石と直流励磁磁石を併用する場合について説明する。
［数式９］ Ｔ_ｇ≒Ｋ^２・（αｉ＋Φ_０）^２・ｐ^２・ω／（Ｒ_ｍ＋Ｒ）
数式９と数式８から
Ｋ^２・（αｉ）^２・ｐ^２・ω／（Ｒ_ｍ＋Ｒ）＝Ｂω^２
この式から、
［数式１０］ ｉ≒〔（（Ｒ_ｍ＋Ｒ）・Ｂ）^１／２／（α・Ｋ・ｐ）〕・ω^１／２−Φ_０／α
すなわち、風車の最大出力点のトルクは角速度の二乗に比例するので、発電機の角速度と同じになる角速度ω_０までは永久磁石のみで運転し、その角速度ω_０を超えたら数式１０のように、角速度ωの平方根に比例する励磁電流ｉを流して、直流励磁電流に比例した直流励磁磁束３４を永久磁石磁束に重畳し複合励磁磁束３３を形成し、界磁磁束を増やし発電能力を強化して、発電機のトルクを風車のトルクに近づけるようにすることで、風力を有効に使うことができる。

次に、永久磁石を用いず、直流励磁磁石のみを使用する場合について説明する。
直流励磁磁石のみ界磁を有する発電機のトルクは数式１１のようになる。
［数式１１］ Ｔ_ｇ≒Ｋ^２・（βｉ）^２・ｐ^２・ω／（Ｒ_ｍ＋Ｒ）
数式１１と数式８から
Ｋ^２・（βｉ）^２・ｐ^２・ω／（Ｒ_ｍ＋Ｒ）＝Ｂω^２
したがって直流励磁電流と角速度の関係は次式のようになる。
［数式１２］ ｉ≒〔（（Ｒ_ｍ＋Ｒ）・Ｂ）^１／２／（β・Ｋ・ｐ^２）〕・ω^１／２
このような直流励磁電流３６を流すと、これに比例した直流励磁磁束３４が発生し、それによるトルクが風車の最大出力時のトルク１２に近づき、角速度が０から常に、風車のつくりだす機械的エネルギーを有効に発電機に取り込むことができることになる。

上記数式１０と数式１２を基本にした磁束すなわち励磁電流の制御方法について、説明する。
図４に本発明を適用した発電システムの制御回路の構成例を示す。可変磁束界磁型同期発電機４１の回転速度は回転速度検出器４２で検出し、その信号を励磁電流制御回路４４に送り、直流励磁コイル２６に角速度に応じた電流を流すことによって界磁磁束を制御し、発電機のトルクを風車の最大出力点近傍に接近させ、その時の風速における風車の出し得る最大出力を発電機の機械的入力として取り込むようにする。
直流励磁コイル２６に流す直流励磁電流ｉは、永久磁石と直流励磁磁石を併用する場合については、ある角速度ω_０までは電流を流さず、それを超える角速度においては、数式１０のような√ωの関数に基づく直流励磁電流を流し、永久磁石を用いず直流励磁磁石のみを使用する場合については、角速度の全領域において数式１２に示すような√ωに比例する直流励磁電流を流すことによって、発電機のトルクを風車のトルク曲線に近づけることができる。
発電された交流電力は整流回路４５、及び充電制御回路４６を通して蓄電池（バッテリー）４７に充電され、必要に応じて負荷４８に供給する。制御用電源４３は蓄電池４７の出力を励磁電流制御回路４４に適した電圧に変換して供給するための回路である。

発明の効果

本発明を実施することにより、従来の永久磁石同期発電機に比べ、界磁磁束が回転角速度に応じて制御できるので、常に風車の最大出力点で発電機を動作させることが出来るので、風速の変動の多い小型風車発電機に適した発電装置であり、発電電力の増加が期待できる。また、界磁の多極化に適した構造であるので、増速機を省略でき、かつ励磁コイルへの給電が非接触型であるので、信頼性が高く保守費用の少ない同期発電装置を得ることが出来る。

本発明を適用することにより、変動の多い風速のもとで低速で運転される小型風力発電機にあっては短時間に吹く高速の風に特に有効に働き、総合効率が上昇することが期待できる。また、多極化に適しているので増速機が不要となり、メンテナンス費用がかからないという利点もあり、小型発電機として商用電源のない場所などでの用途に適用できる。
風力の無駄を省くことは、風車の小型化およびコスト低減という経済的効果も期待できる。

図１に風車のトルク、本発明を使用した発電機のトルクならびに従来の永久磁石同期発電機のトルクと風車の回転角速度の関係を示す。 図２に本発明を適用した発電機の構造図例を示す。 図３−１，２に本発明の回転角速度と直流励磁電流、界磁磁束ならびに発電機のトルクとの関係を示す。図３−１に界磁に直流励磁磁石と永久磁石の複合磁石を用いた場合を示す。 図３−２に界磁に直流励磁磁石のみを用いた場合を示す。 図４に発電機の制御回路構成図例を示す。

［図１］
１１ 永久磁石同期発電機のトルク直線
１２ 本発明における可変磁束界磁型同期発電機のトルク曲線ならびに風車のトルク曲 線｛二つの曲線はほぼ重なっている｝
１３ 風車のＢ点を通るトルクと角速度の特性曲線の角速度と出力の関係を表わす曲線 （Ｂ点が最大出力点）
１４ 無負荷の角速度５を通る風車のトルクと角速度の関係を表わす曲線の例
Ａ 永久磁石同期発電機のトルクと風車のトルクが交わる点（最大出力点）
Ｂ 可変磁束界磁型同期発電機の場合の風車の最大出力点の例
Ｃ 角速度がＡ点を超えた場合の永久磁石同期発電機の出力点の例
Ｄ 角速度がＡ点を下回った場合の永久磁石同期発電機の出力点の例
ΔＴ 永久磁石同期発電機の場合のトルクの無駄分を示す例
ΔＰ 永久磁石同期発電機の場合の出力の無駄分を示す（高速時の例）
ｄＰ 永久磁石同期発電機の場合の出力の無駄分を示す（低速時の例）
［図２］
１ 発電機
２０ ブラケット（非磁性体、アルミニウムなど）
２１ 電気子鉄心
２２ 電気子巻線
２３ 界磁鉄心
２３１ 界磁鉄心の歯
２４ 永久磁石
２５ Ｓ極励磁鉄心
２６ Ｎ極励磁鉄心
２７ 直流励磁コイル
２８ 軸受
２９ 界磁支持部材
３０ 軸（強磁性体）
［図３］
［図３−１，図３−２］
（ａ）図
３１ 風車最大出力時のトルク並びに可変磁束界磁型同期発電機のトルク
３２ 永久磁石同期発電機のトルク
（ｂ）図
３３ 複合励磁磁束
３４ 直流励磁磁束
３５ 永久磁石磁束
（ｃ）図
３６ 直流励磁電流
［図４］
１ 可変磁束界磁型励磁同期発電機
２６ 励磁コイル
４１ 発電機
４２ 回転速度検出器
４３ 制御用電源
４４ 励磁電流制御回路
４５ 整流回路
４６ 充電制御回路
４７ 蓄電池
４８ 負荷

Claims (3)

1. 界磁に少なくとも直流励磁磁石を有し、風力を動力とする風力発電機において、風速によって回転速度が変化しても、常にその最大出力点において発電できるよう界磁磁束を可変制御する同期発電機を有し、その界磁鉄心の歯をＮ極とＳ極の二つのグループに分け、Ｎ極のグループは一方のアキシャル部において磁気的に連結し、Ｓ極のグループは他方のアキシャル部において磁気的に連結し、全体の歯は内径側で非磁性体の支持部材で軸に固定し、Ｓ極の連結部と軸との間は励磁鉄心で連結し、Ｎ極の連結部と軸との間にはそれぞれ励磁ギャップを介して非磁性体のブラケットに固定されたコの字形またはＬ字形の励磁鉄心で結び、その内側には直流励磁コイルを設け、界磁の磁束は、Ｎ極励磁鉄心→励磁ギャップ→Ｓ極のグループの歯→エアギャップ→電機子鉄心→エアギャップ→Ｎ極のグループの歯→省略可能な励磁ギャップ→Ｓ極励磁鉄心→軸→励磁ギャップ→Ｎ極励磁鉄心へと流れ、界磁が回転することによって電機子鉄心に回転磁界が発生し、電機子巻線に交流電圧が誘起され、電機子の外殻はアルミなどの非磁性体で形成されたインナーロータ形の可変磁束界磁型同期発電機を有する風力発電装置
2. 界磁に少なくとも直流励磁磁石を有し、風力を動力とする風力発電機において、風速によって回転速度が変化しても、常にその最大出力点において発電できるよう界磁磁束を可変制御する同期発電機を有し、その界磁鉄心の歯をＮ極とＳ極の二つのグループに分け、Ｎ極のグループは一方のアキシャル部において磁気的に連結し、Ｓ極のグループは他方のアキシャル部において磁気的に連結し、全体の歯は内径側で非磁性体の支持部材で軸に固定し、Ｓ極の連結部と軸との間は励磁鉄心で連結し、Ｎ極の連結部と軸との間にはそれぞれ励磁ギャップを介して非磁性体のブラケットに固定されたコの字形またはＬ字形の励磁鉄心で結び、その内側には直流励磁コイルを設け、さらにすべてのＮ極の歯とＳ極の歯の間には板状の永久磁石を磁束が増える方向に極性をあわせて挿入し、直流励磁磁束の流れは、Ｎ極励磁鉄心→励磁ギャップ→Ｓ極のグループの歯→エアギャップ→電機子鉄心→エアギャップ→Ｎ極のグループの歯→省略可能な励磁ギャップ→Ｓ極励磁鉄心→軸→励磁ギャップ→Ｎ極励磁鉄心へと流れ、永久磁石の磁束の流れは、永久磁石のＮ極→Ｓ極のグループの歯→エアギャップ→電機子鉄心→エアギャップ→Ｎ極のグープの歯→永久磁石のＳ極へと流れて、界磁が回転することによって電機子鉄心に回転磁界が発生し、電機子巻線に交流電圧が誘起され、電機子の外殻はアルミなどの非磁性体で形成されたインナーロータ形の可変磁束界磁型同期発電機を有する風力発電装置
3. 界磁に少なくとも直流励磁磁石を有し、風力を動力とする風力発電機において、風速によって回転速度が変化しても、常にその最大出力点において発電できるよう界磁磁束を可変制御する同期発電機を有し、その角速度の全領域または一部の領域において、直流励磁電流を回転角速度の平方根に比例して制御するようにした可変磁束界磁型同期発電機を有する風力発電装置