WO2004109101A1

WO2004109101A1 - 発電装置、及びこれに使用される電源装置

Info

Publication number: WO2004109101A1
Application number: PCT/JP2004/000050
Authority: WO
Inventors: Kazuo Okubo; Kazumichi Kato; Yuzo Takakado; Hirosuke Imabayashi; Toshio Miki; Masami Morita; Hideki Tamura; Katsuyoshi Nakano; Yushi Sato; Tomoyuki Matsunaga; Tetsuyuki Kimura; Nobuhiro Saito; Tetsunari Kobayakawa; Kenji Yamaguchi
Original assignee: Shinko Electric Co., Ltd.
Priority date: 2003-06-09
Filing date: 2004-01-07
Publication date: 2004-12-16
Also published as: EP1640607A1; CA2528767C; TW200428750A; TWI329415B; KR101093315B1; EP1640607A4; US20060145668A1; AU2004245779A1; CN101560951A; KR20060052687A; CA2528767A1; CN1836103A; US7432608B2; CN101187355B; CN100387833C; CN101187355A

Abstract

本発明は、発電装置の構造に着目した発電装置自体の低コスト化、又は発電装置の性能に着目した発電の低コスト化を図った発電装置、並びにこの発電装置に使用する電源装置を提供する。

Description

明細書

発電装置、及びこれに使用される電源装置技術分野

本発明は、風力エネルギー等の自然エネルギーを電気エネルギーに変換して各種機器の電力とする発電装置、及びその発電装置に使用される電源装置に関するものである。背景技術

温暖化や環境破壌の原因の一つとなる石油、石炭などの燃焼による発電に代わり、風力や水力等の自然エネルギーを利用した発電が盛んになってきている。例えば、風力を利用する風力発電装置は、風車の回転を制御する制御部や、風車の回転力を電力に変えて発電する発電機などを有しており、風車を回転させ、その回転力を電力に変換することで、家庭内などに電力を供給している。この発電機は、自然エネルギーを利用して回転する回転軸に取り付けられた回転子と、この回転子に対向して配置された固定子と、固定子が固定されたハウジングとを有している。そして、回転軸が回転することによって、回転子の永久磁石と固定子鉄心の磁極との間で誘導電流が発生する。し力しながら、この種の発電装置は様々な問題を抱えている。

本発明の目的は、このような様々な問題を克服して低コスト化を図ることが可能な発電装置の提供を主な目的とする。前記目的には、発電装置の構造に着目して発電装置自体の低コスト化を図ることと、発電装置の性能に着目して発電の低コスト化を図ることが含まれる。具体的に、第 1の目的は、トルク側の入力軸と回転子が取り付けられた出力軸との芯出し工程を必要とすることに起因する発電装置の組立ての困難性を解決して、低コスト化を図ることである。発電装置は、固定子と回転子との吸引力、及び回転子の慣性力によって、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。したがって、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、このような問題を解決すべく、入力軸と出力軸との間にクラツチを設けた発電装置が開発されている（例えば、特開平 8— 3 1 2 5 2 3 )。しカゝし、特許文献 1に記載の発電装置においては、組立て時に、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、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。

第 2の目的は、固定子の重量が大きいことに起因する発電装置の組立ての困難性を解決して、低コスト化を図ることである。固定子は、回転子に対向して配置される必要があるため大きな形状とならざるを得ない。固定子の形状が大きいと重量も大きくなり、 .さらに、固定子の重量も大きくなると、円筒状の固定子の内側にコイルを巻く際においても、困難个生を伴うこととなる。

第 3の目的は、自然エネルギーを利用することに起因する回転軸の回転が不安定になる問題を解決し、発電装置の性能を向上することで発電の低コスト化を図ることである。

第 4の目的は、故障に起因する風車の回転制御不能となる問題を解決し、発電装置の性能を向上することで発電の低コスト化を図ることである。例えば、発電装置の近傍に物体が侵入した場合、センサが感知して風車を停止させる安全性を設けた発電装置がある（特開平 2 0 0 3 - 2 1 0 4 6 ) 。しかしながら、このような発電装置は、部品の破損等によって発電装置自体が故障し、センサ等が動作しなくなってしまったとき、風車を停止させることができなくなる。さらに、故障により風車の回転を制御することができないため、台風など強風の場合には、勢いよく風車が回転し、風車の部品が飛散するおそれがあり危険である。

第 5の目的は、自然エネルギーが小さい（例えば、弱風時など）ことに起因するバッテリへの充電効率の低下を解決し、発電装置の性能を向上することで発電の低コスト化を測ることである。風力発電装置は、風力による運動エネルギーを電気エネルギーからなる 3相交流の電力に変換し、 3相の出力線から得た相電圧を整流した充電電圧でもつてバッテリに充電しながら各種機器の電源とする発電装置を備えている。しかしながら、バッテリへの充電時においては、風力の変化により充電電圧が大きく変動する。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、発電装置の構造に着目した発電装置自体の低コスト化、又は発電装置の性能に着目した発電の低コスト化を図った発電装置、並びにこの発電装置に使用する電源装置を提供することを目的とする。発明の開示

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 n取り付けられるので、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できる。

また、本発明に係る発電装置は、回転軸と、この回転軸に取り付けられる回転子と、この回転子に対向して配設され、周方向に 3つ以上に分割された固定子コアと、前記回転軸の前記回転子を挟む両側位置を回転自在に支持する一対の保持部材と、この一対の保持部材の間を連結するとともに、前記固定子コアの外周に嵌合状態で係合する 3本以上の支柱と、を備えていることを特徴とする。これによれば、固定子コアを分割するので、各固定子コアの重量が小さくなり、組立てが容易となる。また、固定子コアに容易にコイルを卷くことができる。さらに、筒型形状のハウジングを必要としないため、軽量化を図ることができる。

また、本発明に係る発電装置は、回転軸と、前記回転軸の周方向に取り付けられた羽根とを有する発電装置であって、前記羽根の全部または一部に設けられた導電部材と、この導電部材に対して間隔調整自在な磁石部材とを備える速度抑制装置を設けたことを特徴とする。これによれば、暴風時などに、回転軸の回転を抑制することにより、過剰回転とならないように、また損傷が発生しないように発電装置を保護することができる。

また、本発明に係る発電装置は、自然エネルギーを運動エネルギーに変換して駆動力を発生する駆動力発生手段と、前記駆動力発生手段の駆動力により作動して発電する発電手段と、前記発電手段の出力側に設けられ、異常時に前記発電手段の出力側を短絡状態に切り替える短絡手段と、を有していることを特徴とする。これによれば、異常時に発電手段の出力側を短絡状態にすることによって駆動力発生手段を停止させることができる。このため、異常時に駆動力発生手段を制御できなくなることに伴う危険を回避することができる。例えば、自然エネルギーの一種である風力により風車を回転させて、その回転エネルギーを利用して発電する場合、異常時に風車を停止させることができるため、強風時に異常をきたした場合に、風車が破損して、部材が飛散する等の危険を回避することができる。

また、本発明に係る発電装置は、自然エネルギーを電気エネルギーに変換し、該電気エネルギーからなる電力を 3相交流で出力する発電手段と、前記発電手段からの相電流を整流して出力する整流器と、前記整流器の出力側に設けられ、該整流器に並列接続されていると共に、互いに直列接続された一対の充電コンデンサと、前記発電手段の中性点と前記充電コンデンサ間の中間点とを接続する中性線とを有することを特徴とする。これによれば、 3相交流の中性点を基準とした相電圧の 2倍の線間電圧を整流後の整流電圧として得ることができるため、 3相交流の出力線のみを用いて相電圧の 3倍の線間電圧を整流後の整流電圧として売る場合よりも、高電圧の電力を発生することができる。この結果、自然エネルギーが小さい環境下においても好適に使用することができる。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の好適な実施形態に係る風力発電装置のプロック図である。

図 2は、本発明の好適な実施形態に係る風力発電装置の全体構成を示す図である。図 3は、（a ) 本発明の好適な実施形態に係る風力発電装置を構成する風力発電装置用発電機の平面図、（b ) 、 ( a ) に図示される風力発電装置用発電機の正断面図である。

図 4は、本発明の好適な実施形態に係る風力発電装置の図 3 ( b ) に図示される A— A線断面図である。

図 5は、本発明の好適な実施形態に係る風力発電装置を構成する支柱の形状についての変形例である。

図 6は、本発明の好適な実施形態に係るスプリングクラツチを構成するスプリング装置の正断面図である。

図 7は、本発明の好適な実施形態に係るスプリング装置を構成するスプリングの斜視図である。

図 8は、の好適な実施形態に係るスプリングクラツチの平面図である。

図 9は、羽根の速度制御を行うことができる置を備える実施態様を示す図であって、（a ) は羽根の外側に速度抑制装置を設け、この装置が自動であるもの、（b ) は（a ) の速度抑制装置が手動であるもの、（c ) は回転軸の下部に速度抑制装置を設けた場合を示した図である図 1 0は、（a ) が回転軸の回転を停止させる実施態様の一例を示す図、（b ) が回転軸の回転を停止させる回転停止装置の原理図、（c ) が回転軸の回転を停止させる実施態様の他例を示す図である。

図 1 1は、本発明の好適な実施形態に係る風力発電装置を構成する補助充電器のプロック図である。

図 1 2は、本発明の好適な実施形態に係る風力発電装置の発電機から整流部にかけた回路図である。

図 1 3は、一般的な風力発電装置の発電機から整流部にかけた回路図である。

図 1 4は、本発明の好適な実施形態に係る風力発電装置の整流部で得られる充電電圧を示す説明図である。発明を実施するための最良の形態

以下に、本発明の一実施形態に係る風力発電装置について具体的に説明するが、これらの実施の形態に限定されるものではない。

図 1は、本発明の好適な実施形態に係る風力発電装置のプロック図である。図 1において、本実施形態に係る風力発電装置 1は、自然ェネルギ一の一種である風力エネノレギーを電気エネルギーからなる交流電力に変換して出力する風力発電装置本体 2と、風力発電装置本体 2 の制御や設定の表示などを行う電源装置 3とを有した垂直軸型風力発電装置である。

風力発電装置本体

先ず、風力発電装置本体 2について、図 2及び図 3を用いて説明する。ここで、図 2は、本発明の好適な実施形態に係る風力発電装置の全体構成を示す図、図 3 ( a ) は、本発明の好適な実施形態に係る風力発電装置を構成する風力発電装置用発電機の平面図、図 3 ( b ) は、図 3 ( a ) に図示される風力発電装置用発電機の正断面図である。上記の風力発電装置本体 2は、図 2に図示されるように、風を受ける複数枚の風車羽根 1 0と、発電機 1 1とを有する。

図 2において、風車羽根 1 0は、後述する回転軸 2 1に固定された支持部材 1 2に取り付けられている。支持部材 1 2は、回転軸 2 1の軸心方向と直交する方向であって、回転軸 2 1の上部に複数個配置されている。したがって、風車羽根 1 0は、支持部材 1 2の数と同数だけ配置されていることとなる。図 3において、発電機 1 1は、回転軸 2 1と、回転子 2 2と、固定子 2 3と、ノヽウジング 2 4と、スプリングクラッチ 2 5と、回転軸 2 1の回転速度を検出するための回転速度検出器 2 6と、回転軸 2 1の回転を強制的に抑制するためのブレーキ装置 2 7と.を、主要な構成部材として備えている。

回転軸 2 1は、風車羽根 1 0が風を受けたときに一定の方向に回転するものであり、後述する一対の保持板 3 0 a， 3 O bに固定された軸受 3 1， 3 2によって回転自在に支持されている。

回転子 2 2は、中空部を有する円筒部材の外周面からほぼ垂直に略 T字状に延在した形状をしている。前述した回転子 2 2の中空部は、回転軸 2 1の揷入が可能となっている。そして、中空部に回転軸 2 1 が挿入された回転子 2 2は、回転軸 2 1に対して回転自在となるよう、軸受 4 5， 4 6を介して回転軸 2 1に支持されている。回転子 2 2 の形状をこのようにすることで、停止状態から回転する際の慣性モーメントを減らすことができる。ただし、回転子 2 2の形状はこれに限られるものではない。即ち、回転軸 2 1が回転したとき、回転子 2 2 と後述する固定子 2 3とが対向することによって、誘導電流を発生させることができればよい。

次に、固定子 2 3について図 4を用いて説明する。ここで、図 4は、本発明の好適な実施形態に係る風力発電装置の図 3 ( b ) に図示される A— A線断面図である。固定子 2 3は、鉄心から成る固定子コア

2 3 aの内面側にコイルが巻き付けられたものである。固定子コア 2

3 aは、外周が円形状の筒型形状をしている。本実施形態における固定子コア 2 3 aは、筒型形状のものを周方向にほぼ均等に 6分割されている。そして、図 3及び図 4に図示されるように、分割された各固定子コア 2 3 aは、前述した回転子 2 2に対向する位置に配置されている。

このように、固定子コア 2 3 aを分割すると、分割された各固定子コア 2 3 aの重量は小さいので、容易に組み立てることができる。さらに、分割された各固定子コア 2 3 aにコイルを卷くことは、分割されていない筒型形状の固定子コア 2 3 aにコイルを巻くことよりも、はるかに組立てが容易である。

次に、ハウジング 2 4について、図 3に戻って説明する。ハウジング 2 4は、一対の保持板 3 0 a , 3 0 bと、 6本の支柱 3 3とを有し、支柱 3 3の両端が、一対の保持板 3 0 a , 3 0 bにポノレト 3 7で固定されている。

一対の保持板 3 0 a， 3 0 bは、回転子 2 2を上下で挟み、且つ回転軸 2 1がー対の保持板 3 0 a， 3 0 bに対して回転自在となるよう、軸受 3 1 , 3 2を介して回転軸 2 1を支持している。

支柱 3 3は、分割された各固定子コア 2 3 aの外周面における周方向のほぼ中央部で、各固定子コア 2 3 aと係合させて配置されている。即ち、 1個の各固定子コア 2 3 aに対して 1本の支柱 3 3が配置されることになる。

ここで、支柱 3 3の形状について、図 3を用いて説明する。図 3において、支柱 3 3は、大径部 3 3 aと、大径部 3 3 aよりも若干径が小さい小径部 3 3 bとを有する段付き形状となっている。そして、支柱 3 3の小径部 3 3 bと各固定子コア 2 3 aとが係合している。なお、支柱 3 3の小径部 3 3 bと各固定子コア 2 3 aとが係合するように発電機 1 1を組み立てると、固定子 2 3と回転子 2 2とが対向するよう構成となっているので、発電機 1 1の組立てが容易である。

本実施形態において、支柱 3 3の形状は、大径部 3 3 aと、大径部 3 3 aよりも若干径が小さい小径部 3 3 bとを有する段付き形状となつているが、これに限られるものではない。例えば、支柱 3 3の形状は、図 5 (a) ~ (c) に図示されるものであってもよレ、。なお、図 5は、本発明の好適な実施形態に係る風力発電装置を構成する支柱の形状についての変形例である。図 5 (a) 〜（c) に図示される支柱 3 3 1〜3 3 3の形状について、以下に説明する。

図 5 (a) に図示される支柱 3 3 1は、各固定子コア 2 3 aと係合しない部位 3 3 1 aが円柱形状、各固定子コア 2 3 aと係合する嵌合部（小径部 3 3 bに相当する部位）が直線状に切り欠かれた直線状切欠部 3 3 1 bが形成されたものである。この支柱 3 3 1の強度は、各固定子コア 23 aと係合する嵌合部を小径にした支柱 3 3よりも、若干、強度が大きくなる。

図 5 (b) に図示される支柱 3 3 2は、各固定子コア 2 3 aと係合しない部位 3 3 2 aが円柱形状、各固定子コア 2 3 aと係合する嵌合部（小径部 3 3 bに相当する部位）が各固定子コア 2 3 aの外周面に沿うように円弧状に切り欠かれた円弧状切欠部 3 3 2 bが形成されたものである。この支柱 3 3 2で各固定子コア 23 aを固定すると、各固定子コア 23 aが支柱 3 3 2の嵌合部と係合する面積が大きくなるので、より確実に支柱 3 3 2に固定されることとなる。

図 5 (c) に図示される支柱 3 3 3は、各固定子コア 2 3 aと係合しない部位 3 3 aが円柱形状、各固定子コア 2 3 aと係合する嵌合部 (小径部 3 3 bに相当する部位）が台形状に切り欠かれた角状切欠部 3 3 3 bが形成されたものである。この支柱 3 3 3で各固定子コア 2 3 aを固定すると、各固定子コア 2 3 aは、確実に支柱 3 3 3に固定されることとなる。

このように、支柱 3 3の小径部 3 3 b又は支柱 3 3の小径部 3 3 b に相当する部位 3 3 1 b〜 3 3 3 bと、 6分割された各固定子コア 2 3 aとを、各固定子コア 2 3 aの外周面における周方向のほぼ中央部で係合させることによって、ハウジング 24の大幅な軽量化を図ることができるとともに、発電機 1 1の組立て作業が容易となる。

なお、ここまで、各固定子コア 2 3 aと係合しない支柱の部位 3 3 a - 3 3 1 a - 3 3 2 a - 3 3 3 aの形状が、円柱形状である支柱 3 3 ■ 3 3 1〜3 3 3について説明したが、これに限られず、角柱であつてもよい。また、円柱である場合は、支柱 3 3 ■ 3 3 1〜 3 3 3の長手方向の断面形状が、真円ではなく楕円であってもよい。

ここで、発電機 1 1は、分割された 1個の各固定子コア 2 3 aに対して 1本の支柱 3 3 ■ 3 3 1〜3 3 3を配置するものに限定されるものではなく、分割された 1個の各固定子コア 2 3 aに対して 2本以上の支柱 3 3 · 3 3 1〜3 3 3を配置しても良い。また、分割された各固定子コア 2 3 aの側面に凹凸を形成させて、分割された複数の固定子コア 23 aの凹凸を係合させて連結した場合などであれば、 1本の支柱 3 3 ■ 3 3 1〜 3 3 3が、分割された複数の各固定子コア 2 3 a に配置される場合もある。

図 3に戻って、各固定子コア 2 3 a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 3 3の小径部 3 3 bの、各固定子コア 2 3 a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、 6分割された各固定子コア 2 3 aを筒型形状に組み立てた場合における固定子コア 2 3 aの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 3 3は、支柱 3 3の小径部 3 3 bと固定子コア 2 3 aとを係合させると、一対の保持板 3 0 a , 3 O bの各々の連結部を結んだ仮想線より外側（軸心 Oを中心とした径外側）に広がって位置することとなる。よって、各固定子コア 2 3 aが支柱 3 3で固定されたとき、各固定子 2 3 aと支柱 3 3との間に互いに押し合う力が発生するので、各固定子コア 2 3 aが 6分割されたものであっても、各固定子コア 2 3 aが位置ずれを起こすことがない。

さらに、支柱 3 3の小径部 3 3 bにはボルト穴 3 4が形成されている。各固定子コア 2 3 aは、ポルト穴 3 4からポルト 3 5で各固定子コア 2 3 aの径内側に押し込まれると、より強固に支柱 3 3に固定されることとなる。ここで、一対の保持板 3 0 a , 3 0 bの外周部には、それぞれ段差部 3 6 a , 3 6 bが形成されているので、支柱 3 3力 S ボルト 3 5で軸心 O側に押し込まれると、固定子コア 2 3 aと回転軸 2 1の同心が確保される。

なお、本実施形態においては、固定子コア 2 3 aを 6分割している力なくとも 3分割したものであれば、ハゥジング 2 4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、ハウジング 2 4は、一対の保持板 6 3 a , 3 0 bと、一対の保持板 3 0 a， 3 0 bを連結する支柱 3 3とから構成されるものに限定されず、回転軸 2 1や固定子 2 2を支持できれば形状は問わない。例えば、箱型の筐造、骨組^ ¹冓造、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よい。

次に、スプリングクラッチ 2 5の構成について、図 3、図 6、図 7 、及び図 8を用いて説明する。ここで、図 6は、本発明の好適な実施形態に係る風力発電装置の発電機に用いられるスプリングクラッチ 2 5を構成するスプリング装置 4 0の正断面図、図 7は、図 6に図示されるスプリング装置 4 0を構成するスプリング 4 4の斜視図、図 8は、本発明の好適な実施形態に係る風力発電装置の発電機に用いられるスプリングクラッチ 2 5の平面図である。

図 3において、スプリングクラッチ 2 5は、回転軸 2 1と回転子 2 2の間に配置されており、回転軸 2 1と回転子 2 2とを接続自在に構成されている。以下に具体的に説明する。

スプリングクラッチ 2 5は、スプリング装置 4 0とラッチ装置 4 1 とから構成されている。

図 6において、スプリング装置 4 0は、入力側スリーブ 4 2と、出力側スリーブ 4 3と、スプリング 4 4とから構成されている。

入力側スリーブ 4 2は、その中空部に回転軸 2 1がしまりばめで嵌合されている。したがって、回転軸 2 1が回転したとき、入力側スリーブ 4 2は回転軸 2 1と一体となって回転する。

出力側スリーブ 4 3は、図 3で図示されるように、回転子 2 2にボルト 4 7で固定されている。したがって、出力側スリーブ 4 3が回転したとき、回転子 2 2は、出力側スリーブ 4 3と一体となつて回転する。このように、一体化された回転子 2 2と出力側スリーブ 4 3は、その径内側で軸受 4 5 , 4 6を介して、回転軸 2 1に対して回転自在に支持されている。

スプリング 4 4は、図 7で図示されるように、コィノレ形状のスプリング 4 4である。そして、スプリング 4 4の一端には、スプリング 4 4の径外方向に突出した突起部 4 8が形成されている。

図 6に戻って、このスプリング 4 4は、突起部 4 8が形成された一端とは反対側の他端が出力側スリーブ 4 3に固定され、入力側スリ一ブ 4 2と出力側スリーブ 4 3の外周側に、回転軸 2 1の回転方向で締め付けられるように配置されている。 ' 図 8において、ラッチ装置 4 1は、ソレノイド 4 9と、プランジャ 5 0と、バネピン 5 1と、ァクチユエータ 5 2とを有している。ソレノィド 4 9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 5 0をその長手方向に往復移動させる。なお、図 8におけるプランジャ 5 0は、ソレノィド 4 9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 5 0にはピン 5 3が設けられており、ァクチユエ一タの腕部 5 2 aは、プランジャ 5 0に設けられたピン 5 3に係合して配置されている。

ァクチユエータ 5 2は、紙面の前方向からみて時計回りの方向に付勢するパネピン 5 1を支点として回転自在に構成されている。即ち、紙面の前方向からみて時計回りの力が、ァクチユエータ 5 2に対して常時作用し、ストッパー 5 4で時計回りの回転が制限されている。一方、回転軸 2 1は、紙面の前方向から見て時計回りに回転する。回転軸 2 1が紙面の前方向から見て時計回りに回転すると、スプリング 4 4は、入力側スリーブ 4 2の外周に締め付けられる。

回転軸 2 1が回転すると、' スプリング 4 4の突起部 4 8は、軸心 O を支点として、軸心 Oから突起部 4 8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 4 9が励磁しているとき、ァクチユエータの先端部 5 2 bは、軌道 Lと重なる位置に配置される。一方、ソレノイド 4 9が消磁（無励磁）状態にあるとき、ァクチユエ一タの先端部 5 2 bは、軌道 Lの外側（即ち、軸心 Oと反対側）に配置される。即ち、本実施形態に係るスプリングクラッチ 2 5は、無励磁作動型に構成されている。

このように、スプリングクラッチ 2 5力回転軸 2 1と回転子 2 2 との間に配置されると、シンプルな構造の風力発電装置 1を提供することが可能となる。具体的には、回転子 2 2が回転軸 2 1に対して回転自在となるように、回転軸 2 1が回転子 2 2を支持することが可能となる。したがって、支持部材 1 2を介して風車羽根 1 0が取り付けられた回転軸 2 1と、回転子 2 2を支持する回転軸 2 1とを別個に設ける必要がなく、同一軸で風力発電装置本体 2を構成することが可能となる。以上より、本実施形態に係る風力発電装置 1は、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大きな効桌がある。

次に、図 3に戻って、回転軸 2 1の回転速度を検出するための回転速度検出器 2 6について説明する。回転速度検出器 2 6は、光電センサ 6 0、回転軸 2 1に取り付けられ、回転軸 2 1の回転に伴って回転する板状の被検出部 6 1とから構成される。

光電センサ 6 0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いる。被検出部 6 1は、回転軸 2 1が 0転したときに光電センサ 6 0の発光側と受光側の間を通過するように、回転軸 2 1側に取り付けられている。

被検出部 6 1が光電センサ 6 0の発光側と受光側の間を通過したとき、発光側から発光される赤外線が被検出部 6 1によって遮られ、パルス状の回転速度信号が、光電センサ 6 0から出力される。

なお、回転速度検出器 2 6は、エンコーダからなるものであってもよい。かかる場合、回転軸 2 1の回転速度（単位時間当たりの回転数 ) に応じたパルス数の回転速度信号が、エンコーダから出力される。また、回転軸 2 1の回転速度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。

次に、ブレーキ装置 2 7について、図 3を用いて説明する。プレーキ装置 2 7は、回転軸 2 1に取り付けられた環状部材 6 5 aと、環状部材 6 5 aの外周面に接離可能に設けられた押圧部材 6 5 bと、押圧部材 6 5 bを環状部材 6 5 aに対して往復移動させる可動装置 6 6とから構成される。そして、ブレーキ装置 2 7は、可動装置 6 6を手動操作することによつて押圧部材 6 5 bが環状部材 6 5 aに押し付けられると、押圧部材 6 5 bは、回転軸 2 1に対して大きなブレーキ力を作用させるので、回転軸 2 1が完全に停止する。ここで、環状部材 6 5 aを設けずに、押圧部材 6 5 b力回転軸 2 1に対して直接押し付けられる構造であってもよい。

また、ブレーキ装置 2 7は、これに限られない。例えば、図 9、又は図 1 0に図示されるブレーキ装置 2 6 4 - 2 9 1であってもよい。以下に、図 9、及び図 1 0に図示されるブレーキ装置 2 6 4 - 2 9 1 について説明する。ここで、図 9は、羽根の速度制御を行うことができる装置を備える実施態様を示す図であって、（a ) は羽根の外側に速度抑制装置を設け、この装置が自動であるもの、（b ) は（a ) の速度抑制装置が手動であるもの、（c ) は回転軸の下部に速度抑制装置を設けた場合を示した図である。図 1 0は、（a ) が回転軸の回転を停止させる実施態様の一例を示す図、（b ) が回転軸の回転を停止させる回転停止装置の原理図、（c ) が回転軸の回転を停止させる実施態様の他例を示す図である。

なお、かかるブレーキ装置 2 6 4 · 2 9 1の説明を行うにあたり、これまでに説明した風力発電装置本体 2を採用せず、別の風力発電装置本体 2 6 0 · 2 9 0を採用して説明する。ただし、これは説明を行う上での便宜上のものであって、かかるブレーキ装置 2 6 4 - 2 9 1 1 これまでに説明した風力発電装置 1に設けることができないことを意味するものではない。また、図 9及ぴ図 1 0に図示される別の風力発電装置本体 2 6 0 · 2 9 0は、発電機が省略された図である。図 9は、羽根の回転速度抑制を行うことができる装置 2 6 4を備える垂直軸型風力発電装置を示す図である。図 9 ( a ) に示すように、羽根 2 6 3の速度抑制ができるブレーキ装置 2 6 4は、導電部材である複数枚の羽根 2 6 3と、回転軸 2 6 2の回転速度を検出する速度検出装置 2 6 5と、検出された速度に応じて磁石部材 2 6 6を羽根 2 6 3 に対して進退させる装置 2 6 7と、この進退駆動装置 2 6 7を駆動させるモータ 2 6 7 aを制御するコントローラ部 2 6 8とを有する。なお、複数枚の羽根 2 6 3は、回転軸 2 6 2の周方向に縦向きに取り付けられている。

これにより、台風などの強風が吹く際には、自動で強風状態であることを感知し、磁石部材 2 6 6と羽根 ² 6 3との間隔を調整して、導電部材である羽根 2 6 3に近づけ、その表面に過電流を生じさせて、ブレーキ動作をさせる。その結果、オーバースピードを防止し、過回転による垂直軸型風力発電装置の故障を防止する。

ここで、羽根 2 6 3は、上記のように全体が導電部材であつてもよいし、磁石部材に対応する部分のみ導電部材としてもよい。また、図 9 ( a ) に示す実施形態は緊急時には自動で駆動するものであるが、図 9 ( b ) に示すように、磁石部材 2 6 6を羽根 2 6 3に対して手動で進退させるものであってもよい。この場合、動かした後にはポルト 2 6 9などで固定する。他に、図 9 ( c ) に示すように、回転軸 2 6 2の下部に中心軸を合わせて、導電部材である円板 2 6 1を取り付け、磁石部材 2 6 6を進退きせる速度抑制装置を設けてもよい。

図 1 0 ( a ) は回転軸の回転を停止させることができる装置 2 9 1 を備える垂直軸型風力発電装置を示す図、図 1 0 ( b ) は回転軸の回転を停止させる回転停止装置の原理図である。筒 2 9 6に固定支持されている回転停止装置 2 9 1は、回転軸 2 9 2に向けて付勢されている摩擦板 2 9 4と、この摩擦板 2 9 4の付勢を制止し又はこの制止を解除する操作装置 2 9 5と、摩擦板 2 9 4と操作装置 2 9 5とに接続されているバネ 2 9 7とからなる。

摩擦板 2 9 4には、永久磁石 2 9 4 aが操作装置 2 9 5 側に設けられている。操作装置 2 95は、電源 2 95 aと接続されているコイル 29 5 b を永久磁石 294 a側に有している。

通常状態では、コイル 29 5 b側へ永久磁石² 94は吸着され、回転軸 29 2に接していない状態である。非常時には、コイル 2 9 5 b に電源 29 5 aから電流が流れ、永久磁石 2 94とコイル 29 5 の磁束が打ち消し合うこととなる。このとき、縮められていたパネ 2 9 7の反発力により回転軸 29 2に摩擦板 294が押し付けられて、回転軸 29 2 の回転を制止する。

上記実施態様によれば、暴風時などに回転軸 29 2の回転を停止することにより、過剰回転にならないように、また損傷が発生しないように装置を保護するという効果が得られる。

図 1 0 (c) は、回転軸の回転を停止させる実施態様の他例を示す図である。回転停止装置 29 1 ' は、摩擦筒 29 8は、摩擦半筒 29 8 a、 2 9 8 bの一端同士が回動可能に接合部 2 98 cにおいて接合され、摩擦半筒 298 a、 298 bの他端同士がバネ 2 9 9により接合されている摩擦筒 298と、この摩擦筒 298の付勢をカム 2 9 5， aにより制止し又はこの制止を解除する操作装置 29 5，とからなる。

通常時には、摩擦半筒 298 a、 298 bの他端同士の間にカム 2 9 5' aを嚙まして、回転軸 29 2に接触しないように一時的に固定する。非常時には、カム 29 5 ' aを摩擦半筒 2 9 8 a、 29 8 bの他端同士の間で、操作装置 29 5，により回転軸 292断面の平面上で平行に回転させる。そして、摩擦半筒 298 a、 298 bの他端同士の間を閉じて、回転軸 29 2に摩擦筒 298を接触させ、その回転を停止させるものである。ただし、この操作装置 2 9 5' の電源は緊急時のみ接続され、通常時には接続されていないものである。上記実施態様によれば、図 10 (a) の実施態様と同様の効果が得られる。なお、前述したいずれのブレーキ装置 27 · 264 · 291も、回転軸 21の回転速度を手動操作又は自動操作のいずれで抑制できるものであってもよい。また、風力発電装置本体 2 · 260 ■ 290に設けられた羽根 10 - 263の枚数は、回転軸 21 · 262 · 292を回転させることが可能であれば、何枚であってもよい。さらに、前述したいずれの風力発電装置本体 2 ■ 260 · 290も、垂直軸型風力発電装置に限られず、水平軸型風力発電装置であってもよい。

電源装置

次に、電源装置 3について、図 1、図 2、図 1 1〜図 14を用いて説明する。本実施形態における電源装置 3は、風力発電装置本体 2の制御機能や交流電力の直流電力への整流機能等を備えたコントローラ 4と、風力発電装置の動作状態や設定状態等を切替え可能に表示する操作表示器 5と、コントローラ 4において整流された直流電力を充電するバッテリ 6と、バッテリ 6で電された電力を交流電力に変換して外部負荷 8に供給するインバータ 7と、バッテリ 6に対して補助電力を供給する補助充電器 9とを有している。

本実施形態に係る風力発電装置本体 2に備えられる発電機 1 1は、三相交流方式等の発電機 11である。発電機 1 1は、回転軸 21の回転速度に応じた交流電力を出力するようになっている。発電機 1 1の出力側には、短絡制動装置 75が接続されている。短絡制動装置 75 は、発電機 1 1 の各端子に接続された短絡用リレー 76を有している短絡用リレー 76は、コントローラ 4からの通電によりスィツチ部を開状態とし、コントローラ 4からの通電が停止されたときにスイツチ部を閉状態とすることによって、コントローラ 4の故障等の異常時に発電機 1 1の出力側を短絡させるようになつている。これにより、短絡制動装置 7 5は、発電機 1 1に大きな負荷を発生させることよつて、風車羽根 1 0による回転軸 2 1の回転を制動させるようになっている。

上記のように構成された風力発電装置本体 2は、コントローラ 4に接続されている。コントローラ 4は、図 1に示すように、風力発電装置 1を制御する制御部 8 0と、風力発電装置本体 2の発電機 1 1から出力された交流電力を直流電力に整流する整流部 8 1とを有している。制御部 8 0は、回転速度入力部 8 2とクラツチ駆動部 8 3と短絡駆動部 8 4とを有している。これらの各部 8 2〜 8 4は、上述の風力発電装置本体 2における回転速度検出 2 6とスプリングクラッチ 2 5 と短絡制動装置 7 5とにそれぞれ接続されている。

回転速度入力部 8 2は、回転速度検出器 2 6からの回転速度信号を信号処理に適した信号形態に変換する機能を有している。クラッチ駆動部 8 3は、スプリングクラッチ 2 5のラッチ装置 4 1に駆動信号を出力することによって、スプリングクラッチ 2 5の作動状態を制御する機能、即ち、図 8に図示されるソレノイド 4 9を励磁したり消磁したりする機能を有している。短絡駆動部 8 4は、通常、動作時に短絡制動装置 7 5の短絡用リレー 7 6に駆動信号を出力することによって、異常時に発電機 1 1を短絡状態にさせる機能を有している。

また、コントローラ 4は、補助充電作動部 8 5と充電制御駆動部 8 6とインパータ O NZO F F駆動部 8 7と操作表示入出力部 8 8とを有しているとともに、各部 8 2〜8 8を監視および制御する演算処理部 9 0を有している。尚、演算処理部 9 0の詳細については後述する ₀

上記の捕助充電作動部 8 5は、バッテリ 6に補助電力を充電する D Cパワーパックと称する補助充電器 9に接続されており、バッテリ 6 が風力発電装置本体 2から充分に充電されないときに作動し、バッテリ 6に補助電力を充電する。補助充電器 9は、図 1 1に示すように、 1ポードに実装されていたり、筐体内に納められることにより一体化されている。補助充電器 9には、電源入力端子 8 aと電源出力端子 8 bと信号入力端子 8 cとが設けられている。電源入力端子 8 aには、商業用や工業用の電源 9 1が着脱可能に接続されている。電源出力端子 8 bには、バッテリ 6が着脱可能に接続されている。信号入力端子 8 cには、補助充電作動部 8 5が着脱可能に接続されている。

上記の電源入力端子 8 aには、トランス 1 0 0の 1次側コィル部 1 0 0 a が接続されている。トランス 1 0 0の 2次側コィノレ部 1 0 0 bには、定電流化のコンデンサ 1 0 1と、交流状態に変化する電圧を全波整流するブリッジダイオード 1 0 2とが設けられている。そして、プリッジダイオード 1 0 2 は、カソード側が電¾1出力端子 8 bを介してバッテリ 6の正電極側に接続され、ァノード側が電源出力端子 8 bを介してバッテリ 6の負電極側に接続されている。これにより、補助充電器 9は、電源 9 1からの交流電力をトランス 1 0 0で所定の電圧に変化させた後、バッテリ 6を充電する機能を有している。

また、補助充電器 9は、補助電源リレー 1 0 3を備えている。補助電源リレー 1 0 3は、 1次側コイル部 1 0 0 aの電流路の一部を構成するように設けられたスィツチ部 103 aと、このスィツチ部 1 03 aを開閉するコイル部 103 bとを有している。スィッチ部 1 03 aは、コイル部 103 bへの通電時に開状態となるように設定されている。また、コィル部 1 03 bは、信号入力端子 8 cを介して補助充電作動部 8 5に接続されている。これにより、補助充電器 9は、捕助充電作動部 8 5からの作動信号によりノッテリ 6への補助充電の実施と停止とを切替えることができる機能を有している。

上記の補助充電器 9により補助的に充電されるバッテリ 6は、図 1 に示すように、コントローラ 4の整流部 8 1にも接続されている。整流部 8 1は、風力発電装置本体 2の発電機 1 1からの交流電力を直流電力に変換してバッテリ 6 に充電するように構成されている。

即ち、整流部 8 1は、図 2に示すように、発電機 1 1の出力線 1 1 b · 1 1 b ■ 1 1 bに接続され、発電機 1 1から各出力線 1 1 bを介して入力される相電流を整流して出力するプリッジダイオード 1 0 2と、ブリッジダイオード 1 0 2のァノード側およびカソード側に並列接続されていると共に、互いに直列接続された一対の充電コンデンサ 1 0 1 · 1 0 1と、充電コンデンサ 1 0 1 · 1 0 1よりも下流側であってブリッジダイオード 1 0 2と同方向に並列接続されたダイォード 1 0 5 と、充電コンデンサ 1 0 1 · 1 0 1とダイォード 1 0 5 との間に設けられ、電流の通過と遮断とを切替え制御する充電制御部 1 0 6 と、ダイォード 1 0 5よりも下流側に設けられたコイル 1 0 7 とを有している。

また、整流部 8 1における充電コンデンサ 1 0 1 · 1 0 1間の中間点 8 1 aには、中性線 1 0 8の一方端が接続されている。中性線 1 0 8の他方端は、発電機 1 1の中性点 1 1 aに接続されている。そして、中性線 1 0 8は、 3 相交流の中性点 1 1 aを基準とした相電圧の 2 倍の線間電圧を整流後の整流電圧として得ることを可能にしている。上記の充電制御部 1 0 6は、トランジスタ等の半導体スィツチからなっており、図 1の充電制御駆動部 8 6に接続されている。充電制御駆動部 8 6は、充電制御信号を出力することによって、ブリッジダイオード 1 0 2からダイオード 1 0 5への通電時間を制御するようになつている。そして、このように構成された整流部 8 1は、バッテリ 6 およぴィンバータ 7に接続されており、充電制御部 1 0 6で制御された通電時間に応じた充電電圧の電力をバ

ッテリ 6に充電するようになっている。

また、整流部 8 1は、図 1に示すように、発電機 1 1から入力される交流電力の発電機電圧を検出する発電機電圧検出器 1 1 0と、バッテリ 6に充電する充電電圧（バッテリ電圧）を検出する充電電圧検出器 1 1 1とを有している。これらの電圧検出器 1 1 0 · 1 1 1は、演算処理部 9 0に接続されており、検出した電圧をそれぞれ演算処理部 9 0に出力する。

また、上記の充電制御駆動部 8 6と同様に演算処理部 9 0に接続されたインバータ O NZO F F駆動部 8 7は、インバータ 7に接続されている。インバータ 7は、バッテリ 6に充電された直流電力を例えば家庭用の交流電力に変換して外部負荷 8に出力する出力機能と、インバータ O NZO F F駆動部 8 7力らの信号により出力機能の作動および停止を切替える機能とを有している。

さらに、演算処理部 9 0に接続された操作表示入出力部 8 8は、操作表示器 5に着脱可能に接続されている。操作表示器 5は、 7セグメント L E Dや L C D等の表示部 1 2 0と表示切替スィツチ 1 2 1とを有している。表示部 1 2 0は、風力発電装置 1の動作状態を文字や数値により表示するように構成されている。尚、動作状態とは、風速 (回転軸 2 1の回転速度）や発電機電圧、充電電圧（バッテリ電圧）、各部の作動状態等をいう。

また、表示切替スィツチ 1 2 1は、表示部 1 2 0における動作状態の表示を手動操作で切替え可能に設定する。また、操作表示器 5は、図示しない演算部や記憶部等を備えた制御部を有している。制御部は、操作表示器 5自体を制御する機能に加えて、コントローラ 4の演算処理部 9 0に対して所定の動作状態の送信を指示する機能や、演算処理部 9 0に対してィンバータ 7の動作をモード切替スィツチで設定されたモードに設定する機能、演算処理部 9 0が備えた各種機能の実行を選択する機能等をプログラムの形態で有している。尚、操作表示器 5における各機能は、プログラムのソフトウェア的形態に代えてハードウエア的形態で形成されていても良い。また、操作表示器 5は、バッテリ 6の充電電圧が設定値未満となったときにインバータ 7の出力を停止させる出力停止モードと、常にインバータ 7の出力を維持させる出力維持モードとを手動操作で切替え可能に設定するモード切替スイッチを有していても良い。

また、コントローラ 4の演算処理部 9 0においても、図示しない演算部ゃ記憶部を有しており、風力発電装置を制御する各種の機能をプログラムの形態で有している。尚、各機能は、プログラムのソフトゥエア的形態に代えてハードウエア的形態で形成されていても良い。即ち、演算処理部 9 0は、補助充電処理機能や異常運転制動機能、回転增速機能、低電圧充電機能等を有している。補助充電処理機能は、充電電圧検出器 1 1 1により検出された充電電圧を監視し、充電電圧が第 1所定値未満となったときに、補助充電器 9によるバッテリ 6 への補助電力の充電を許可する機能である。

異常運転制動機能は、正常運転時に短絡制動装置 7 5の短絡用リレ一 7 6に通電して開状態とすることにより発電機 1 1の交流電力をブリッジダイオード 1 0 2に供給可能にし、異常運転により通電が停止したときに発電機 1 1の出力を短絡させることにより発電機 1 1に制動力を発生させる機能である。回転増速機能は、風力の低下により回転軸 2 1の回転速度が第 2所定値未満となったときに、スプリングクラッチ 2 5と回転軸 2 1との連結状態を解放して、回転子 2 2と非接続状態となった回転軸 2 1を回転自在にする。そして、回転子 2 2と非接続状態となった回転軸 ² 1の回転速度が一定以上にまで増速したときに、スプリングクラッチ 2 5と回転軸 2 1との連結状態を回復させる機能である。

低電圧充電機能は、回転軸 2 1の回転速度が第 3所定値以上のときは充電制御部 1 0 6を O N状態と O F F状態とに切替える充電制御を行い、回転軸 2 1の回転速度が第 3所定値未満に低下したときに、充電制御部 1 0 6を O N 状態に維持する機能である。

上記の構成において、風力発電装置 1の動作について説明する。一般的な運転停止時においては、図 2に示すように、無励磁作動型のスプリングクラッチ 2 5のラッチ装置 4 1に対する通電が停止されることによって、スプリングクラッチ 2 5と入力側スリープ 4 2とが強固な連結状態とされる。これにより、回転軸 2 1と回転子 2 2とがスプリングクラッチ 2 5により一体化される。また、短絡制動装置 7 5の短絡用リレー 7 6に対する通電が停止されることによって、発電機 1 1が短絡状態にされる。これにより、発電機 1 1の作動に大きな負荷を要する状態にされる。この結果、風により大きな回転駆動力が回転軸 2 1に付与された場合でも、回転軸 2 1が回転子 2 2を高速で回転させて作動させる程、大きな負荷が回転軸 2 1の回転に対する制動力として作用することによって、回転軸 2 1の高速の回転が禁止されるさらに、強風時や点検時等のように特別の運転停止時においては、ブレーキ装置 2 7 · 2 6 4 ■ 2 9 1力回転軸 2 1に対してブレーキ力を発生させる。そして、回転軸 2 1を固定することによって、回転軸 2 1の回転を完全に停止させる。

次に、運転時においては、必要に応じて操作表示器 5がコントローラ 4に接続された後、コントローラ 4および操作表示器 5に電源が投入される。コントローラ 4においては、スプリングクラッチ 2 5のラツチ装置 4 1に通電を開始する。これにより、スプリングクラッチ 2 5と回転軸 2 1との連結状態が解除され、回転子 2 2が回転軸 2 1と非接続状態となる。この結果、回転子 2 2が回転軸 2 1に対して回転自在な状態になるため、風車羽根 1 0に弱い風が当たっただけでも、回転軸 2 1が急速に回転速度を増大させることが可能になる。また、短絡制動装置 7 5に通電されることによって、発電機 1 1の短絡状態が解除され、発電機 1 1で発電された交流電力がコントローラ 4に供給可能にされる。一方、操作表示器 5においては、制御部 8 0の動作状態、即ち、例えば回転軸 2 1の回転速度が数値等で表示される。次に、コントローラ 4 は、演算処理部 9 0において捕助充電処理機能や異常運転制動機能、回転增速機能、低電圧充電機能等を発揮するように動作する。

回転増速機能

具体的には、回転軸 2 1の回転速度が監視される。そして、回転速度が第 2所定値に一定値を加えた回転速度以上となったときに、スプリングクラッチ 2 5のラッチ装置 4 1への通電が停止されることによりスプリングクラッチ 2 5の連結状態が回復される。この結果、回転軸 2 1のイナ一シャが働くことによって、回転軸 2 1と回転子 2 2とが一体化されて比較的に高速で回転する。そして、回転子 2 2と、回転子 2 2に対向して配置された固定子 2 3との間で誘導電流が発生し、高電圧の交流電力がコントローラ 4に供給される。

また、風が弱い場合は、回転軸 2 1と回転子 2 2とが接続状態であることによる負荷によって、回転軸 2 1の回転速度が減少する。回転軸 2 1の回転速度が第 2所定値未満に減少したときは、スプリングクラッチ 2 5のラッチ装置 4 1への通電が再開される。その結果、スプリングクラッチ 2 5と回転軸 2 1との連結状態が開放され、回転軸 2 1と回転子 2 2とが非接続状態となる。そして、弱い風でも回転軸 2 1が短時間で増速可能な状態となり、回転軸 2 1の回転速度が一定以上にまで増速したときに、スプリングクラッチ 2 5と回転軸 2 1との連結状態が回復される。その結果、回転軸 2 1と回転子 2 2とが接続状態となり、発電機 1 1における発電が再開される。これにより、弱い風の場合でも、間欠的に高電圧の交流電力をコントローラ 4に供給することができる。

低電圧充電機能

上記のようにしてコントローラ 4に供給された交流電力は、ブリッジダイオード 1 0 2において全波整流された後、充電コンデンサ 1 0 1 、ダイオード 1 0 5 およびコイル 1 0 7からなる平滑回路で平滑ィ匕され、バッテリ 6に充電される。

ここで、バッテリ 6の充電過程を詳細に説明する。図 1 2に示すように、コントローラ 4への交流電力の供給は、発電機 1 1の相電流を各出力線 1 1 bを介してプリッジダイオード 1 0 2に出力することにより行われる。ブリッジダイオード 1 0 2に入力された相電流は、全波整流された後、充電コンデンサ 1 0 1 · 1 0 1に充電されながらバッテリ 6に供給される。この際、充電コンデンサ 1 0 1 ■ 1 0 1の中間点 8 1 aには、中性線 1 0 8を介して発電機 1 1の中性点 1 1 aの電圧が印加されている。これにより、図 1 4 に示すように、 3相交流の中性点 1 1 aを基準とした相電圧の 2倍の線間電圧が整流後の整流電圧として各充電コンデンサ 1 0 1に印加されながら充放電が行われる。この結果、 3相交流の出力線 1 1 bのみを用いて相電圧のΓ 3倍の線間電圧を整流後の整流電圧とする図 1 3の回路構成の場合よりも、約 1 . 1 5 倍の高電圧でバッテリ 6への充電が行われる。そして、このようにしてバッテリ 6に効率良く充電された電力がコントローラ 4の電源として利用されると共に、インバータ 7において交流電力に変換された後、外部負荷 8の電源として利用される。

また、バッテリ 6に充電される充電電圧および充電電流は、充電制御部 1 0 6により制御されている。即ち、回転軸 2 1の回転速度が第 3所定値以上のときは、バッテリ 6の定格電圧に対して大幅に高圧な充電電圧で充電されると判断され、充電電圧を低下させるように充電制御部 1 0 6を. O N状態と O F F状態とに切替える充電制御が行われる。一方、回転軸 2 1の回転速度が第 3所定値未満に低下したときは、バッテリ 6の定格電圧に近い充電電圧で充電されると判断され、大きな充電電流でバッテリ 6の充電を行うように、充電制御部 1 0 6を O N状態に維持する充電制御が行われる。

補助充電処理機能

また、バッテリ 6への充電中においては、充電電圧検出器 1 1 1により検出された充電電圧が監視される。充電電圧が第 1所定値未満となったときに、補助充電器 9によるバッテリ 6への補助電力の充電が許可される。

即ち、図 1 1に示すように、充電電圧が第 1所定値以上である場合は、補助電源リレー 1 0 3への通電によりスィッチ部 1 0 3 aが開状態とされることによって、バッテリ 6への補助充電が禁止されている。一方、充電電圧が第 1所定値未満に低下した場合には、バッテリ 6 の充電電圧（バッテリ電圧）が大幅に低下したと判断され、補助電源リレー 1 0 3への通電が停止される。通電が停止された補助電源リレ一 1 0 3は、スィッチ部 1 0 3 aを開状態から閉状態に切替える。これにより、電源 9 1からの交流電力がトランス 1 0 0に供給され、トランス 1 0 0で所定の電圧に変化された後、コンデンサ 1 0 1で定電流化された補助電力が生成される。そして、この補助電力によりバッテリ 6への補助充電が行われる。尚、バッテリ 6への充電電流は I ω C E で決まる。ここで、 ω = 2 π ί であり、 C はコンデンサ 1 0 1 の容量/ z F 、 E は充電電圧である。また、バッテリ 6の充電電圧が極めて低下した結果、コントローラ 4が作動しなくなった場合においても、捕助電源リレー 1 0 3への通電が停止されるため、捕助充電器 9によるバッテリ 6への補助充電が行われる。

異常運転制動機能

また、図 2に示すように、風力発電装置 1が正常に運転されている場合には、短絡制動装置 7 5の短絡用リレー 7 6が通電により開状態にされている。そして、発電機 1 1の交流電力がブリッジダイオード 1 0 2等の整流部 8 1に供給され、バッテリ 6への充電が行われる。一方、部品の消耗や破損等の異常によりコントローラ 4が緊急停止した場合には、風力発電装置本体 2等に出力中の全ての信号出力が停止する。この結果、短絡制動装置 7 5の短絡用リレー 7 6への通電が停止されるため、発電機 1 1が短絡状態にされる。

また、スプリングクラッチ 2 5に対する通電が停止されると、スプリングクラッチ 2 5が無励磁作動型であるため、スプリング 4 4力回転軸 2 1と一体化された入力側スリープ 4 2に強固に締め付けられる。これにより、回転軸 2 1と回転子 2 2とがスプリングクラッチ 2 5により一体化される。そして、短絡状態の発電機 1 1による大きな負荷により回転軸 2 1の回転速度が急速に減速される。

以上のように、本実施形態の電源装置 3は、自然エネルギーを電気エネルギーに変換し、電気エネルギーからなる電力を 3相交流で出力する発電機 1 1 (発電手段）と、発電機 1 1からの相電流を整流して出力するブリッジダイオード 1 0 2 (整流器）と、ブリッジダイォード 1 0 2の出力側に設けられ、プリッジダイオード 1 0 2に並列接続されていると共に、互いに直列接続された一対の充電コンデンサ 1 0 1 ■ 1 0 1と、発電機 1 1の中性点 1 1 aと充電コンデンサ 1 0 1 · 1 0 1間の中間点 3 1 aとを接続する中性線 1 ◦ 8とを有した構成にされている。

上記の構成によれば、図 1 4にも示すように、 3相交流の中性点 1 1 a を基準とした相電圧の 2倍の線間電圧を整流後の整流電圧として得ることができるため、 3相交流の出力線 1 l bのみを用いて相電圧の ΛΓ 3 倍の線間電圧を整流後の整流電圧として得る場合よりも、高電圧の電力を発生することができる。この結果、自然エネルギーが小さい環境下においても好適に使用することができる。

また、図 2に示すように、電源装置 3は、さらに、ブリッジダイォード 1 0 2から出力された電力を充電し、この電力が各種機器の作動に使用されるバッテリ 6 (蓄電手段）を有している。これにより、自然エネルギーが小さい環境下においても、バッテリ 6に充電する充電電圧を高電圧化することができるため、効率良く充電を行うことがでさる。

また、本発明は、上記の電源装置 3が風力発電装置 1に備えられている。これにより、風力の変動が大きな環境下においても、風力発電装置 1を好適に使用することができる。

ここで、各種機器は、風力発電装置 1のコントローラ 4や外部負荷 8の冷蔵庫等の電動機器、電灯やエアコン等の光熱機器等を含むものである。自然エネルギーは、風力、太陽電池、水力、波力等の自然界に存在するエネルギーを含むものである。

尚、本実施形態における各機能を実現するプログラムは、記憶部の R OM に予め読み出し専用に書き込まれていても良いし、 C D等の記録媒体に記録されたものが必要時に読み出されて記憶部に書き込まれても良いし、さらにはインターネット等の電気通信回線を介して伝送されて記憶部に書き込まれても良い。

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は理解されよう。さらに、本実施形態において、本発明の構成による作用および効果を述べているが、これら作用および効果は、一例であり、本発明を限定するものではない。

例えば、本実施形態においては、垂直軸型風力発電装置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、垂直型であつても水平型であってもよい。さらに、発電装置用発電機に限られず、電動機であっても良い。回転電機には、発電装置用発電機や電動機を含む概念だからである。即ち、回転軸と、この回転軸に取り付けられる回転子と、回転子に対向して配設された固定子と、を備えた発電装置用発電機や電動機等の回転電機であれば、本発明を適用することは可能である。産業上の利用可能性

自然エネルギーを利用した発電装置、並びにこの発電装置に使用する電源装置を低コストで提供できるので、環境問題を解決する一助になることが期待できる。

Claims

請求の範囲

1 . 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、及ぴ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、を備える発電装置。

2 . 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、を備えるスプリングクラッチである請求の範囲第 1に記載の発電装置。

3 . 前記回転軸に、前記回転軸の回転速度を検出するための検出手段を備えていることを特徴とする請求の範囲第 2に記載の発電装置。

4 . 前記クラッチが、前記回転軸が所定の回転速度に達したとき、前記回転軸と前記回転子とが連結されることを特徴とする請求の範囲第 1〜請求の範囲第 3のいずれかに記載の発電装置。

5 . 前記回転軸と前記ハゥジングの間に、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を特徴とする請求の範囲第 1〜請求の範囲第 4のいずれかに記載の発電装置。

6 . 回転軸と、この回転軸に取り付けられる回転子と、この回転子に対向して配設され、周方向に 3つ以上に分割された固定子コアと、前記回転軸の前記回転子を挟む両側位置を回転自在に支持する一対の保持部材と、この一対の保持部材の間を連結するとともに、前記固定子コアの外周に嵌合状態で係合する 3本以上の支柱と、を備えて成る発電装置。 .

7 . 前記支柱は円柱又は角柱で形成され、前記固定子コアと係合する部分の径を細くして嵌合部を形成した請求の範囲第 6に記載の発電装置。

8 . 前記支柱が円柱又は角柱で形成され、前記固定子コアと係合する部分を直線状、円弧状、又は角状に切り欠いて嵌合部を形成した請求の範囲第 6に記載の発電装置。

9 . 前記支柱は、前記嵌合部で前記固定子コアを係合した状態では、前記一対の保持板との連結部分より外側に広がって位置する請求の範囲第 6〜請求の範囲第 8のいずれか一項に記載の発電装置。

1 0 . 請求の範囲第 6〜請求の範囲第 9のいずれかに記載の発電装置を備えたことを特徴とする発電装置。

1 1 . 回転軸と、前記回転軸の周方向に取り付けられた羽根とを有する発電装置であって、前記羽根の全部または一部に設けられた導電部材と、この導電部材に対して間隔調整自在な磁石部材とを備える速度抑制装置を設けたことを特徴とする発電装置。

1 2 . 前記速度抑制装置は、前記回転軸の速度検出装置と、検出された速度に応じて前記導電部材を前記羽根に対して進退させる進退駆動装置とを備える請求の範囲第 1 1に記載の発電装置。

1 3 . 自然エネルギーを運動エネルギーに変換して駆動力を発生する駆動力発生手段と、前記駆動力発生手段の駆動力により作動して発電する発電手段と、前記発電手段の出力側に設けられ、異常時に前記発電手段の出力側を短絡状態に切り替える短絡手段と、を有していることを特徴とする電源装置。

1 4 . 前記短絡手段が、無励磁作動型であることを特徴とする請求の範囲第 1 3に記載の電源装置。

1 5 . 前記駆動力発生手段が、前記自然エネルギーにより回転することで前記駆動力を発生する回転部材と、前記発電手段への前記駆動力の伝達と遮断とを切替えるクラッチと、を有していることを特徴とする請求の範囲第 1 3又は請求の範囲第 1 4に記載の電源装置。

1 6 . 前記クラツチが、無励磁時に前記伝達状態に切替わることを特徴とする請求の範囲第 1 5に記載の電源装置。

1 7 . 摩擦力により、駆動力発生手段を停止させる停止手段をさらに備えていることを特徴とする請求の範囲第 1 3〜請求の範囲第 1 6 のいずれか一項に記載の電源装置。

1 8 . 請求の範囲第 1 3〜請求の範囲第 1 7のいずれかに記載されている電源装置を備えていることを特徴とする発電装置。

1 9 . 自然エネルギーを電気エネルギーに変換し、該電気工ネルギ一からなる電力を 3相交流で出力する発電手段と、前記発電手段からの相電流を整流して出力する整流器と、前記整流器の出力側に設けられ、該整流器に並列接続されていると共に、互いに直列接続された一対の充電コンデンサと、前記発電手段の中性点と前記充電コンデンサ間の中間点とを接続する中性線とを有することを特徴とする電源装置

2 0 . さらに、前記整流器から出力された電力を充電し、該電力が各種機器の作動に使用される蓄電手段を有することを特徴とする請求の範囲第 1 9に記載の電源装置。

2 1 . 請求の範囲第 1 9または請求の範囲第 2 0に記載の電源装置を備えたことを特徴とする風力発電装置。