WO2010052812A1

WO2010052812A1 - マグナス型風力発電装置

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Publication number: WO2010052812A1
Application number: PCT/JP2009/003291
Authority: WO
Inventors: 村上信博
Original assignee: 株式会社Ｍｅｃａｒｏ
Priority date: 2008-11-05
Filing date: 2009-07-14
Publication date: 2010-05-14
Also published as: JP2010112213A

Abstract

【課題】回転円柱を軽量化することができ、発電効率を向上させることができるマグナス型風力発電装置を提供すること。【解決手段】回転円柱７は、その内部に空洞２６を有する略円筒形状をなし、この回転円柱７の内部には、回転体５から延びる支持軸部２７が延設されており、この支持軸部２７には、複数の軸受部２９，３０が支持軸部２７の軸方向に離間して設けられ、これら複数の軸受部２９，３０により回転円柱７が支持軸部２７に回転可能に支持されるとともに、駆動モータからの回転動力を伝達される動力伝達部材３５が支持軸部２７の先端部近傍の回転円柱７の内周面に内接し、この動力伝達部材３５が回転円柱７に回転動力を与えるようになっている。

Description

マグナス型風力発電装置

　本発明は、各回転円柱の回転と風力との相互作用で生じるマグナス揚力により回転体を回転させて発電機構部を駆動させるマグナス型の風力発電装置に関する。

　従来、回転体に対して放射状に所要数配設した回転円柱を備え、駆動モータを駆動させることにより各回転円柱をその軸周りに回転させ、これらの回転する回転円柱に自然風が当たったときに、回転円柱の回転と風力との相互作用で生じるマグナス効果による揚力により回転体を回転させて、その回転体の回転を発電機に伝達することで発電を行うマグナス型風力発電装置がある。

　マグナス型風力発電装置には、フェアリング（回転体）に基端側が回転可能に接続されたバレル（回転円柱）が設けられており、バレルの軽量化とその強度の確保が求められている。このようなマグナス型風力発電装置には、バレルの内部を空洞にして軽量化を図り、かつバレルの内部フレーム構造をトラスアームの先端部のベアリングに接続して強度を確保し、バレルの基端部の内周面に係合されるドライブローラ（動力伝達部材）により回転動力がバレルに伝達される技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

米国特許第４３６６３８６号明細書

　このような特許文献１に記載のマグナス型風力発電装置にあっては、バレル（回転円柱）の基端部にドライブローラ（動力伝達部材）によって回転動力を付与する構造になっているため、バレルの基端部から先端部にかけて回転を与える際、特に回転初期において基端部に大きなねじれ応力が発生する。そのためバレルの基端部の剛性を高める必要が生じ、結果的にバレルの肉厚が大きくなり、延いてはバレルの重量が増すことになる。バレルの重量の増大は、バレルを軸周りに回転させるための駆動モータの消費エネルギーの増大につながり、マグナス型風力発電装置の発電効率を充分に高められないという問題がある。

　本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、回転円柱を軽量化することができ、発電効率を向上させることができるマグナス型風力発電装置を提供することを目的とする。

　前記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載のマグナス型風力発電装置は、
　発電機構部に回転トルクを伝達する回転体と、該回転体から略放射状に所要数配設された回転円柱と、該各回転円柱をこれら回転円柱の軸周りに回転駆動する駆動モータと、を備え、前記各回転円柱の回転と風力との相互作用で生じるマグナス揚力により前記回転体を回転させて前記発電機構部を駆動するマグナス型風力発電装置であって、
　前記回転円柱は、その内部に空洞を有する略円筒形状をなし、該回転円柱の内部には、前記回転体から延びる支持軸部が延設されており、該支持軸部には、複数の軸受部が該支持軸部の軸方向に離間して設けられ、該複数の軸受部により前記回転円柱が前記支持軸部に回転可能に支持されるとともに、前記駆動モータからの回転動力を伝達される動力伝達部材が前記支持軸部の先端部近傍の前記回転円柱の内周面に内接し、該動力伝達部材が前記回転円柱に回転動力を与えるようになっていることを特徴としている。
　この特徴によれば、支持軸部の先端部近傍の回転円柱の内周面に動力伝達部材が内接され、この動力伝達位置から回転円柱の先端部までの部位が短くなるので、動力伝達部材から回転円柱に与えられる回転動力が小さくて済み、動力伝達位置から回転円柱の先端部までの肉厚を薄くすることができる。更に、動力伝達位置から回転円柱の基端部までは、軸周りに回転しない支持軸部により回転自在に支持され、動力伝達位置から回転円柱の基端部までの肉厚も薄くすることができる。そのため回転円柱を軽量化することができ、駆動モータの消費エネルギーを抑えることにより、マグナス型風力発電装置の発電効率を向上させることができる。

　本発明の請求項２に記載のマグナス型風力発電装置は、請求項１に記載のマグナス型風力発電装置であって、
　前記動力伝達部材の回転中心に前記駆動モータからの回転動力を伝達する動力伝達軸が、前記支持軸部から延設されていることを特徴としている。
　この特徴によれば、支持軸部側は風速による曲げ影響を受けないため、この支持軸部から延設される動力伝達軸は、動力伝達部材の回転中心に常時正確に回転動力を伝達することができる。

　本発明の請求項３に記載のマグナス型風力発電装置は、請求項２に記載のマグナス型風力発電装置であって、
　前記支持軸部には、前記動力伝達軸が配置される貫通孔が形成されていることを特徴としている。
　この特徴によれば、支持軸部の貫通孔により動力伝達軸の配置空間を確保しつつ、支持軸部を薄く軽量にでき、回転体が軽くなって回転し易くなるので、発電機構部に伝達される回転トルクを向上させることができる。

　本発明の請求項４に記載のマグナス型風力発電装置は、請求項２または３に記載のマグナス型風力発電装置であって、
　前記動力伝達部材は、前記回転円柱に対して固着されており、前記動力伝達軸は、前記動力伝達部材に対して前記回転円柱の軸方向に沿って相対的に変移可能に接続されていることを特徴としている。
　この特徴によれば、風力発電装置の周囲の気温の変化によって、動力伝達部材が固着された回転円柱と動力伝達軸とが熱変形の影響により相対的に変移しても、動力伝達軸と動力伝達部材との相対的な変移は吸収され、風力発電装置の破損を防止できる。

　本発明の請求項５に記載のマグナス型風力発電装置は、請求項１ないし４のいずれかに記載のマグナス型風力発電装置であって、
　前記動力伝達部材は、前記支持軸部に設けられた軸受部により回転可能に支持されることを特徴としている。
　この特徴によれば、支持軸部により動力伝達部材の回転中心位置が確保され、動力伝達部材の安定した回転が得られる。

　本発明の請求項６に記載のマグナス型風力発電装置は、請求項５に記載のマグナス型風力発電装置であって、
　前記動力伝達部材は、前記回転円柱に対して該回転円柱の軸方向に沿って相対的に変移可能に接続されていることを特徴としている。
　この特徴によれば、風力発電装置の周囲の気温の変化によって、回転円柱と支持軸部とが熱変形の影響により相対的に変移しても、回転円柱と動力伝達部材との相対的な変移は吸収され、風力発電装置の破損を防止できる。

　本発明の請求項７に記載のマグナス型風力発電装置は、請求項１ないし６のいずれかに記載のマグナス型風力発電装置であって、
　前記複数の軸受部の内、少なくとも１つの軸受部は、前記支持軸部と前記回転円柱とが、互いの軸方向に沿って相対的に変移不能な非変移軸受部となっているとともに、他の軸受部は、前記支持軸部と前記回転円柱とが、互いの軸方向に沿って相対的に変移可能な変移軸受部となっていることを特徴としている。
　この特徴によれば、非変移軸受部は、支持軸部と回転円柱との軸方向の位置決めの役割を果たす。更に、変移軸受部が支持軸部と回転円柱との軸方向の相対的な変移を許容するため、支持軸部と回転円柱とが熱変形の影響により相対的に変移しても、風力発電装置の破損を防止できる。

　本発明の請求項８に記載のマグナス型風力発電装置は、請求項１ないし６のいずれかに記載のマグナス型風力発電装置であって、
　前記複数の軸受部は、前記支持軸部に対して固着されており、該複数の軸受部の内、少なくとも１つの軸受部は、前記回転円柱に対して固着されているとともに、他の軸受部は、前記回転円柱に対して該回転円柱の軸方向に沿って相対的に変移可能に接続されていることを特徴としている。
　この特徴によれば、回転円柱に固着された少なくとも１つの軸受部は、支持軸部と回転円柱との軸方向の位置決めの役割を果たす。更に、回転円柱に相対的に変移可能に接続された他の軸受部が支持軸部と回転円柱との軸方向の相対的な変移を許容するため、支持軸部と回転円柱とが熱変形の影響により相対的に変移しても、風力発電装置の破損を防止できる。

マグナス揚力の説明図である。実施例１におけるマグナス型風力発電装置を示す正面図である。マグナス型風力発電装置を示す側面図である。スパイラル条が設けられた回転円柱を示す正面図である。回転円柱の内部を示す縦断側面図である。図５における回転円柱を示すＡ－Ａ横断平面図である。図５における回転円柱を示すＢ－Ｂ横断平面図である。実施例２における回転円柱の内部を示す縦断側面図である。図８における回転円柱を示すＣ－Ｃ横断平面図である。実施例３における回転円柱の内部を示す縦断側面図である。

　本発明に係るマグナス型風力発電装置を実施するための最良の形態を実施例に基づいて以下に説明する。

　本発明の実施例を図面に基づいて説明すると、先ず図１は、マグナス揚力の説明図であり、図２は、実施例１におけるマグナス型風力発電装置を示す正面図であり、図３は、マグナス型風力発電装置を示す側面図であり、図４は、スパイラル条が設けられた回転円柱を示す正面図であり、図５は、回転円柱の内部を示す縦断側面図であり、図６は、図５における回転円柱を示すＡ－Ａ横断平面図であり、図７は、図５における回転円柱を示すＢ－Ｂ横断平面図である。以下、図２及び図４の紙面手前側をマグナス型風力発電装置の正面側（前方側）とし、図３、図５、図６、図７の紙面右方側をマグナス型風力発電装置の正面側（前方側）として説明する。

　一般的なマグナス揚力の発生メカニズムについて説明すると、図１の円筒形状を成す回転円柱Ｃの断面図に示すように、回転する回転円柱Ｃに当たった空気の流れは、図１のような回転円柱Ｃの回転方向（左回り）と空気流Ｎ_０の向きでは、回転円柱Ｃの回転とともに上方に流れるようになり、このとき回転円柱Ｃの上方側を流れる空気が、回転円柱Ｃの下方側を流れる空気の速度よりも速く流れるので、回転円柱Ｃの上方側の負圧と下方側の正圧とで空気圧に差が生じるマグナス効果が生じるようになり、回転円柱Ｃには、空気の流れＮ_０と垂直をなす方向にマグナス揚力Ｙ_０が発生するようになっている。

　図２及び図３に示す符号１は、本発明の適用されたマグナス型風力発電装置であり、このマグナス型風力発電装置１は、地面に立設された支台２の上部に、水平方向に旋回自在に軸支される発電機構部３を有しており、この発電機構部３は、内部に配置された鉛直モータ４を駆動させることで水平方向に旋回できるようになっている。

　図２及び図３に示すように、発電機構部３の正面側には、回転の軸心が水平方向を向く回転体５（水平回転軸）が配置されており、この回転体５は図２を参照すると正面視で右回りに回転するように軸支されている。回転体５の正面側には、フロントフェアリング６が取り付けられており、回転体５の外周には、５本の略円筒形状の回転円柱７が放射状に配置されている。各々の回転円柱７は、これら回転円柱７の軸周りの予め決められた回転方向に回転自在に軸支されている。尚、回転体５を構成する材質には、鉄等の金属部材が用いられている。

　図４に示すように、回転円柱７の外周表面７’には、回転円柱７の基端部から先端部までの全長に渡って、スパイラル（螺旋）状に形成されたスパイラル条８が一体に巻き回して形成されており、このスパイラル条８は、回転円柱７の外周表面７’から突出するように略凸状に形成されている。また、この凸状スパイラル条８は、１つの回転円柱７の外周表面７’に６条設けられている。

　また、回転円柱７の直径は、その基端部から先端部にかけて同径に形成されており、更に、回転円柱７の先端面には、回転円柱７の直径よりも大きな直径を有する円盤状のエンドキャップ９が取り付けられている。

　所要幅、所要高さの６重螺旋をなすスパイラル条８は、回転円柱７の長手方向の全体に渡って設けられ、回転円柱７の先端側から見たときに右ネジ状の右螺旋状をなすように固着されている（図６参照）。

　図３に示すように、発電機構部３の内部には、長手方向が水平方向を向くアウターシャフト１０（水平回転軸）が配置されており、アウターシャフト１０は発電機構部３内部に配置されたベアリング１１を介して回転自在に支持されている。このアウターシャフト１０の軸内は貫通されており、アウターシャフト１０の軸内には、インナーシャフト１２が挿設されている。

　図３に示すインナーシャフト１２はアウターシャフト１０内部に配置されたベアリング１３を介して回転自在に軸支されている。アウターシャフト１０及びインナーシャフト１２は互いに独立して回転することができる。

　図３に示すように、アウターシャフト１０の後端には、ギア１４が固着されており、このギア１４は、発電機構部３内の発電機１５に接続されているギア１６と係合されている。アウターシャフト１０の前端には、発電機構部３の外方に突出されており、このアウターシャフト１０の前端に回転体５が固着されている。

　図３に示すように、インナーシャフト１２の後端は、アウターシャフト１０から突出されたギア１７が固着されており、このギア１７は、発電機構部３内の駆動モータ１８と連動されているギア１９と係合される。また、インナーシャフト１２の前端は、アウターシャフト１０から突出されており、このインナーシャフト１２の前端には、大径のベベルギア２０が固着されている。

　図３に示す駆動モータ１８とギア１９との間には、駆動モータ１８の回転力を一方向に伝達するワンウェークラッチ２２が配置されており、ギア１９の回転によって駆動モータ１８に逆方向の回転力が加わっても、ワンウェークラッチ２２によって駆動モータ１８の逆回転を防止できるようになっている。更に、発電機構部３内部には、駆動モータ１８の起動用の電力を蓄えるバッテリー２３が配置されている。尚、鉛直モータ４や駆動モータ１８は、マグナス型風力発電装置１の周囲環境の風向や風速を観測する風向計（図示略）や風速計（図示略）に接続された制御回路２４によって制御されるようになっている。

　図２に示すように、インナーシャフト１２に固着された大径のベベルギア２０は、アウターシャフト１０に固着された正面側の回転体５内部の中心に配置されるとともに、このベベルギア２０は前方側に向かって窄まるように配置されている。更に、この大径のベベルギア２０には、５つの小径のベベルギア２１が係合されており、５つの小径のベベルギア２１は、回転体５の外周に配置された５本の回転円柱７の内部に延設された動力伝達軸２５に連結されている。

　次に、本実施例における回転円柱７について図５、図６、図７を参照して詳述する。図５に示すように、回転円柱７の内部には、空洞２６が形成された略円筒形状をなしている。また、回転円柱７を構成する材質には、炭素繊維強化プラスチック等の軽量で強度の高い材質が用いられている。そのため回転円柱７は、その基端部から先端部までの全長に渡って肉厚が薄くなるように形成されており、回転円柱７の軽量化とその強度が確保されている。

　回転円柱７内の空洞２６には、回転円柱７の基端部側から挿設された支持軸部２７が延設されている。この支持軸部２７は、その基端部に形成されたフランジ２７’が回転体５に対してボルト４６（螺合部材）を用いて螺着されることで、支持軸部２７は、回転体５に対して軸方向に相対的に移動不能に固着されている。尚、本実施例では、支持軸部２７は発電機構部３に回転トルクを伝達する回転体５の一部を構成している。そして、回転円柱７は、支持軸部２７を軸として回転自在に支持されている。

　また、支持軸部２７は、その軸心に貫通孔２８が形成された略円筒形状をなしている。尚、支持軸部２７を構成する材質には、鉄等の金属部材が用いられている。支持軸部２７内の貫通孔２８には、支持軸部２７の基端部側から挿設された動力伝達軸２５が配置されている。更に尚、動力伝達軸２５を構成する材質にも、支持軸部２７と同様に、鉄等の金属部材が用いられている。

　更に、回転円柱７の軸心と支持軸部２７の軸心とは、同一の軸心αとなっている。この軸心αに沿って動力伝達軸２５が延設されており、動力伝達軸２５の先端部は、支持軸部２７の先端側から突出されている。尚、動力伝達軸２５の基端部は、回転体５の内部に設けられた軸受部材（図示略）によって、軸周りに回転自在な状態で回転体５に対して相対的に移動不能に支持されている。更に尚、動力伝達軸２５の先端部は、後述する動力伝達部材３５を介して支持軸部２７に対して回転可能に支持されている。

　図５に示すように、支持軸部２７の先端部及び基端部近傍には、それぞれにベアリング２９，３０が設けられている。この２つ（複数）のベアリング２９，３０は、支持軸部２７に対して嵌合されて固着されている。また、こられのベアリング２９，３０は、支持軸部２７の軸方向に離間されて設けられている。これら２つのベアリング２９，３０（軸受部）を介して回転円柱７が回転可能に支持される。

　支持軸部２７の基端部近傍のベアリング３０の外周には、連結部材３１が嵌合されて固着されている。この連結部材３１の外周面は、回転円柱７の内周面に接着剤等を用いて固着（内接）されている。回転円柱７と連結部材３１との接着部位は、回転円柱７の基端部の内周面となっている。尚、連結部材３１を構成する材質にも、支持軸部２７と同様に、鉄等の金属部材が用いられている。

　図５に示すように、ベアリング３０は、断面視で円弧状の内周溝が形成された外輪３２と、断面視で円弧状の外周溝が形成された内輪３３と、外輪３２の内周溝と内輪３３の外周溝との間に転動自在に配置された複数のボール３４と、これら複数のボール３４を保持する保持器（図示略）と、を有し、外輪３２の内周溝または内輪３３の外周溝の曲率半径が、ボール３４の曲率半径とほぼ同じになっている。そのため外輪３２と内輪３３とが、回転円柱７の軸方向に相対移動不能になっている。

　尚、ベアリング３０の内輪３３が支持軸部２７に固着されているとともに、外輪３２が連結部材３１に固着されている。このベアリング３０を介して、支持軸部２７と回転円柱７とが、互いの軸方向に沿って相対的に変移不能に接続されている。尚、支持軸部２７の基端部近傍のベアリング３０が本実施例における非変移軸受部を構成している。このベアリング３０によって回転円柱７が、その軸方向にがたつかないように位置決めされている。

　支持軸部２７の先端部のベアリング２９は、複列のベアリング２９として構成されており、このベアリング２９の外周には、動力伝達部材３５が嵌合されて固着されている。この動力伝達部材３５は、略円盤形状をなし、その外周面が回転円柱７の内周面に接着剤等を用いて固着（内接）されている。回転円柱７と動力伝達部材３５との接着部位は、支持軸部２７の先端部近傍の回転円柱７の内周面となっている。

　また、この内接位置が本実施例における動力伝達位置となっている。回転円柱７と動力伝達部材３５との接着部位の軸方向の幅寸法は、ベアリング２９の軸方向の幅寸法とほぼ同じになっている。尚、動力伝達部材３５を構成する材質にも、支持軸部２７と同様に、鉄等の金属部材が用いられている。

　図５及び図７に示すように、ベアリング２９は、断面視で円弧状の内周溝が形成された外輪３６と、断面視で円弧状の外周溝が形成された内輪３７と、外輪３６の内周溝と内輪３７の外周溝との間に転動自在に配置された複数のボール３８と、これら複数のボール３８を保持する保持器３９と、を有し、外輪３６の内周溝または内輪３７の外周溝の少なくともいずれか一方の曲率半径が、ボール３８の曲率半径よりも大きくなっている。そのため外輪３６と内輪３７とが、回転円柱７の軸方向に相対移動可能になっている。

　尚、ベアリング２９の内輪３７が支持軸部２７に固着されているとともに、外輪３６が動力伝達部材３５に固着されている。このベアリング２９を介して、支持軸部２７と回転円柱７とが、互いの軸方向に沿って相対的に変移可能に接続されている。尚、支持軸部２７の先端部のベアリング２９が本実施例における変移軸受部を構成している。

　図５及び図６に示すように、動力伝達軸２５の先端部は、平面視で六角形をなすスプライン部４０が形成されているとともに、動力伝達部材３５の中心には、平面視で六角形をなす被スプライン孔４１が形成されている。動力伝達軸２５のスプライン部４０が動力伝達部材３５の被スプライン孔４１に挿設されることで、動力伝達軸２５が動力伝達部材３５に対して回転円柱７の軸方向に沿って相対的に変移可能にスプライン接続された状態で、動力伝達軸２５の軸周りの回転動力が動力伝達部材３５に伝達されるようになっている。

　風力発電装置１の周囲の気温の変化によって、回転円柱７や支持軸部２７や動力伝達軸２５が、その軸方向（長手方向）に熱変形される場合がある。尚、回転円柱７と支持軸部２７と動力伝達軸２５とを構成する材質の熱膨張率、すなわち炭素繊維強化プラスチックと鉄等の金属部材との熱膨張率は大きく異なっている。

　炭素繊維強化プラスチックで構成された回転円柱７は、気温の変化によって殆ど熱変形しないようになっている。それと比較して金属部材で構成された支持軸部２７や動力伝達軸２５は、気温が高くなると膨張してその軸方向の長さが長くなり、その反対に気温が低くなると収縮してその軸方向の長さが短くなる。

　しかしながら、本実施例におけるマグナス型風力発電装置１では、複数のベアリング２９，３０の内、少なくとも１つのベアリング３０は、支持軸部２７と回転円柱７とが、互いの軸方向に沿って相対的に変移不能な非変移軸受部となっているとともに、他のベアリング２９は、支持軸部２７と回転円柱７とが、互いの軸方向に沿って相対的に変移可能な変移軸受部となっていることで、ベアリング３０（非変移軸受部）は、支持軸部２７と回転円柱７との軸方向の位置決めの役割を果たす。更に、ベアリング２９（変移軸受部）が支持軸部２７と回転円柱７との相対的な変移を許容するため、支持軸部２７と回転円柱７とが熱変形の影響により相対的に変移しても、ベアリング２９，３０の破損や、回転円柱７と動力伝達部材３５との接着部位の剥離などの風力発電装置１の破損を防止できる。

　尚、回転円柱７や支持軸部２７や動力伝達部材３５などは、気温の変化によってその半径方向にも熱変形する場合があるが、軸方向の熱変形よりも膨張率や収縮率が小さいため、各ベアリング２９，３０に加わる応力は、各ベアリング２９，３０を破損する程度の応力にならずに済むようになっている。

　また、回転円柱７と連結部材３１との接着部位や、回転円柱７と動力伝達部材３５との接着部位は、互いに半径方向に離間しようとする力に対しては、強い接着力を有している。しかしながら、この接着部位は、軸方向に加わる力、すなわち回転円柱７と各部材３１，３５とが互いに軸方向にずれるときに加わる力に対しては、その接着力が弱く、回転円柱７と各部材３１，３５とが剥離し易くなる。本実施例では、支持軸部２７の一部がベアリング２９（変移軸受部）により相対的に変移可能となっているので、回転円柱７と各部材３１，３５との接着部位の剥離を防止できる。

　図３に示す発電機構部３内部の駆動モータ１８を駆動させるとインナーシャフト１２を介して駆動モータ１８の回転動力が大径のベベルギア２０に伝達され、このベベルギア２０に係合される５つの小径のベベルギア２１が回転され、各々のベベルギア２１に連結された動力伝達軸２５が回転される。そして、動力伝達軸２５の回転動力が、動力伝達部材３５を介して回転円柱７に与えられるようになっており、回転円柱７が、該回転円柱７の軸回りに回転されるようになっている。

　マグナス型風力発電装置１を用いて発電する際には、先ず風向計（図示略）によって風向きを検出し、制御回路２４が鉛直モータ４を駆動させて、回転体５の正面側から風が当たるように、風向きに合わせて発電機構部３を旋回させる。すると図３に示すように、マグナス型風力発電装置１の正面側から自然風Ｎが当たるようになる。

　そして、発電機構部３内部のバッテリー２３に蓄えられている起動用の電力を駆動モータ１８に供給し、駆動モータ１８を駆動させる。インナーシャフト１２及びベベルギア２０、２１を介して駆動モータ１８の動力が伝達され、各々の回転円柱７が回転しはじめる。各々の回転円柱７の回転と風力との相互作用で生じるマグナス揚力Ｙによって、回転円柱７及び回転体５は、アウターシャフト１０を軸心として回転されるようになる。

　図６を参照して回転円柱７の回転方向とスパイラル条８の巻き方について詳述すると、回転円柱７の先端側から見たときに、回転円柱７のスパイラル条８の巻き方が右ネジ状の右螺旋状をなす場合、回転円柱７の回転方向は左回りとなっている。スパイラル条８の巻き方向が回転円柱７の回転方向に対して逆向きとなっているため、図２及び図４に示すように、回転円柱７の外周表面７’を流れる空気を回転体５に近づく方向に向けて流すことができる。

　図４に示すように、スパイラル条８が回転円柱７に施されることにより、回転円柱７の回転時に、スパイラル条８によって、空気の流れＦが発生する。この際、回転円柱７の外周表面７’に、自然風Ｎや回転円柱７と伴に回転する回転円柱７の表層の空気の動きとは別に、回転円柱７の軸と平行な空気の流れ成分Ｖ（ベクトル成分Ｖ）を発生させることができる。図２に示すように、この空気の流れ成分Ｖは、回転円柱７の先端側から回転体５（回転円柱７の基端側）に向けて流れるようになっている。

　図４及び図６に示すように、回転円柱７の外周の空気流、すなわち回転円柱７の外周表面７’に空気流動Ｆを発生させることで、自然風Ｎ（空気流Ｎ’）と、回転円柱７と伴に回転する回転円柱７の表層の空気の動きとで形成される三次元的な空気流が形成される。

　そして図６に示すように、各々の回転円柱７の回転と風力との相互作用で生じるマグナス揚力Ｙが増大される。ここで言うスパイラル条８で与えられる空気の流れＦは、全てが回転円柱７の軸と平行な方向を向いている必要はなく、少なくとも回転円柱７の軸と平行なベクトル成分Ｖがあれば充分効果がある。発明者の１つの考察であるが、マグナス揚力Ｙが高まる理由として、回転円柱７に加わる負圧と正圧との差圧が高まる現象や、揚力発生面が拡大する現象等が発生していると考えられる。

　また、エンドキャップ９を利用すると、マグナス効果が向上するようになっている。すなわちエンドキャップ９が回転円柱７の先端面に設けられることによって、このエンドキャップ９が空気流Ｆに好影響を与え、マグナス揚力Ｙの向上が見られる。

　図３に示すように、回転体５が回転すると、アウターシャフト１０の後端に連結された発電機１５が駆動されて発電が行われる。更に、この回転円柱７の回転に基づいて、スパイラル条８による回転円柱７の軸方向への空気の流れが増大するので、回転円柱７のマグナス揚力Ｙが増大され、発電機１５を駆動するアウターシャフト１０の回転トルクが増大されるようになる。従って、マグナス型風力発電装置１の発電効率を上げることができるようになっている。

　尚、発電機１５によって発電が開始されると、この発電された電力の一部を、回転円柱７を回転させるための駆動モータ１８に供給させて補助電力として利用でき、かつ次回の起動用の電力としてバッテリー２３に蓄えることもできる。

　以上、本実施例におけるマグナス型風力発電装置１では、回転円柱７は、その内部に空洞２６を有する略円筒形状をなし、回転円柱７の内部には、回転体５から延びる支持軸部２７が延設されており、支持軸部２７には、複数のベアリング２９，３０が支持軸部２７の軸方向に離間して設けられ、複数のベアリング２９，３０により回転円柱７が支持軸部２７に回転可能に支持されるとともに、駆動モータ１８からの回転動力を伝達される動力伝達部材３５が支持軸部２７の先端部近傍の回転円柱７の内周面に内接し、動力伝達部材３５が回転円柱７に回転動力を与えるようになっていることで、支持軸部２７の先端部近傍の回転円柱７の内周面に動力伝達部材３５が内接され、この動力伝達位置から回転円柱７の先端部までの部位が短くなるので、動力伝達部材３５から回転円柱７に与えられる回転動力が小さくて済み、動力伝達位置から回転円柱７の先端部までの肉厚を薄くすることができる。更に、動力伝達位置から回転円柱７の基端部までは、軸周りに回転しない支持軸部２７により回転自在に支持され、動力伝達位置から回転円柱７の基端部までの肉厚も薄くすることができる。そのため回転円柱７を軽量化することができ、駆動モータ１８の消費エネルギーを抑えることにより、マグナス型風力発電装置１の発電効率を向上させることができる。

　また、動力伝達部材３５の回転中心に駆動モータ１８からの回転動力を伝達する動力伝達軸２５が、支持軸部２７から延設されていることで、支持軸部２７側は風速による曲げ影響を受けないため、この支持軸部２７から延設される動力伝達軸２５は、動力伝達部材３５の回転中心に常時正確に回転動力を伝達することができる。

　また、支持軸部２７には、動力伝達軸２５が配置される貫通孔２８が形成されていることで、支持軸部２７の貫通孔２８により動力伝達軸２５の配置空間を確保しつつ、支持軸部２７を薄く軽量にでき、回転体５が軽くなって回転し易くなるので、発電機構部３に伝達される回転トルクを向上させることができる。

　また、動力伝達部材３５は、回転円柱７に対して固着されており、動力伝達軸２５は、動力伝達部材３５に対して回転円柱７の軸方向に沿って相対的に変移可能に接続されていることで、風力発電装置１の周囲の気温の変化によって、動力伝達部材３５が固着された回転円柱７と動力伝達軸２５とが熱変形の影響により相対的に変移しても、動力伝達軸２５と動力伝達部材３５との相対的な変移は吸収され、動力伝達軸２５と動力伝達部材３５との接続部位の破損や、回転円柱７と動力伝達部材３５との接着部位の剥離などの風力発電装置１の破損を防止できる。

　また、動力伝達部材３５は、支持軸部２７に設けられたベアリング２９により回転可能に支持されることで、支持軸部２７により動力伝達部材３５の回転中心位置が確保され、動力伝達部材３５の安定した回転が得られる。

　次に、実施例２に係る回転円柱７ａにつき、図８及び図９を参照して説明する。尚、前記実施例に示される構成部分と同一構成部分に付いては同一符号を付して重複する説明を省略する。図８は、実施例２における回転円柱の内部を示す縦断側面図であり、図９は、図８における回転円柱を示すＣ－Ｃ横断平面図である。以下、図８及び図９の紙面右方側をマグナス型風力発電装置の正面側（前方側）として説明する。

　図８及び図９に示すように、実施例２における回転円柱７ａは、前記実施例１の回転円柱７とは異なり、支持軸部２７の先端部に設けられたベアリング２９ａ（軸受部）が、支持軸部２７の基端部近傍のベアリング３０と同様に構成されている。つまり支持軸部２７の先端部及び基端部近傍の両方に同じ種類のベアリング２９ａ，３０が設けられている。

　また、支持軸部２７の先端部のベアリング２９ａは、その内輪３３が支持軸部２７に固着されているとともに、外輪３２が動力伝達部材３５ａに固着されている。このベアリング２９ａを介して、支持軸部２７と動力伝達部材３５ａとが、回転円柱７の軸方向に沿って相対的に変移不能に接続されている。

　尚、動力伝達軸２５の先端部には、フランジ部４０ａが形成されており、このフランジ部４０ａが動力伝達部材３５ａに対してネジ４７（螺合部材）を用いて螺着されている。すなわち動力伝達軸２５と動力伝達部材３５ａとは、相対的に変移不能に固着されている。この動力伝達部材３５ａを介して、支持軸部２７と動力伝達軸２５とが、回転円柱７の軸方向に沿って相対的に変移不能に接続されている。

　動力伝達部材３５ａの外周面には、平面視でその四方にスプライン凸部４２が設けられている。このスプライン凸部４２は回転円柱７ａの軸方向に延設されている。回転円柱７ａの内周面には、動力伝達部材３５ａのスプライン凸部４２が係合されるスプライン部材４３が設けられている。スプライン部材４３は、略リング状をなし、その外周面が回転円柱７ａの内周面に接着されている。

　また、スプライン部材４３の内周面には、回転円柱７ａの軸方向に延びるスプライン凸部４３’が形成されており、このスプライン凸部４３’同士の間に、動力伝達部材３５ａのスプライン凸部４２が係合される。このスプライン凸部４２とスプライン部材４３のスプライン凸部４３’とが互いに係合されることで、動力伝達部材３５ａが回転円柱７ａに対してスプライン接続されて、動力伝達部材３５ａが回転円柱７ａの軸方向に沿って相対的に変移可能に接続されている。

　以上、実施例２における回転円柱７ａでは、動力伝達部材３５ａは、回転円柱７ａに対して回転円柱７ａの軸方向に沿って相対的に変移可能に接続されていることで、風力発電装置１の周囲の気温の変化によって、回転円柱７ａと支持軸部２７とが熱変形の影響により相対的に変移しても、回転円柱７ａと動力伝達部材３５ａとの相対的な変移は吸収され、ベアリング２９ａ，３０の破損や、回転円柱７ａと動力伝達部材３５ａとの接続部位の破損などの風力発電装置の破損を防止できる。

　次に、実施例３に係る回転円柱７ｂにつき、図１０を参照して説明する。尚、前記実施例に示される構成部分と同一構成部分に付いては同一符号を付して重複する説明を省略する。図１０は、実施例３における回転円柱の内部を示す縦断側面図である。以下、図１０の紙面右方側をマグナス型風力発電装置の正面側（前方側）として説明する。

　図１０に示すように、実施例３における回転円柱７ｂは、前記実施例２の回転円柱７ａと同様に、支持軸部２７の先端部及び基端部近傍の両方に同じ種類のベアリング２９ｂ，３０が設けられている。尚、実施例３における回転円柱７ｂは、前記実施例２の回転円柱７ａと異なり、動力伝達部材３５ｂが支持軸部２７の先端部のベアリング２９ｂに固着されておらず、動力伝達部材３５ｂは支持軸部２７から離間されている。

　尚、動力伝達部材３５ｂの外周面は、回転円柱７ｂの内周面に接着剤等を用いて固着（内接）されている。また、動力伝達軸２５のスプライン部４０が動力伝達部材３５ｂの被スプライン孔４１に挿設されることで、動力伝達軸２５が動力伝達部材３５ｂに対して回転円柱７ｂの軸方向に沿って相対的に変移可能にスプライン接続された状態で、動力伝達軸２５の軸周りの回転動力が動力伝達部材３５ｂに伝達されるようになっている。

　支持軸部２７の先端部のベアリング２９ｂは、その内輪３３が支持軸部２７に固着されているとともに、外輪３２が連結部材４４に固着されている。このベアリング２９ｂを介して、支持軸部２７と連結部材４４とが、回転円柱７ｂの軸方向に沿って相対的に変移不能に接続されている。

　尚、支持軸部２７の先端部のベアリング２９ｂと連結部材４４とで、本実施例における回転円柱７ｂに相対的に変移可能に接続された軸受部を構成している。更に尚、支持軸部２７の基端部近傍のベアリング３０と連結部材３１とで、本実施例における回転円柱７ｂに固着された軸受部を構成している。

　連結部材４４の外周面には、弾性ゴムまたはエラストマー等の弾力性を有する材質で形成された緩衝部４５が接着されている。この緩衝部４５の外周面が回転円柱７ｂの内周面に接着されることで、連結部材４４が回転円柱７に対して接続されて、連結部材４４、すなわちベアリング２９ｂが回転円柱７ｂの軸方向に沿って相対的に変移可能に接続されている。

　以上、実施例３における回転円柱７ｂでは、複数のベアリング２９ｂ，３０は、支持軸部２７に対して固着されており、複数のベアリング２９ｂ，３０の内、少なくとも１つのベアリング３０は、回転円柱７ｂに対して固着されているとともに、他のベアリング２９ｂは、回転円柱７ｂに対して回転円柱７ｂの軸方向に沿って相対的に変移可能に接続されていることで、回転円柱７ｂに固着された少なくとも１つのベアリング３０は、支持軸部２７と回転円柱７ｂとの軸方向の位置決めの役割を果たす。回転円柱７ｂに相対的に変移可能に接続された他のベアリング２９ｂが支持軸部２７と回転円柱７ｂとの相対的な変移を許容するため、支持軸部２７と回転円柱７ｂとが熱変形の影響により相対的に変移しても、ベアリング２９ｂ，３０の破損や、回転円柱７ｂと連結部材４４との接続部位の破損などの風力発電装置の破損を防止できる。

　以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

　例えば、前記実施例では、支持軸部２７と回転円柱７とが、互いの軸方向に沿って相対的に変移可能に接続するように構成されたベアリング２９やスプライン接続を用いたが、支持軸部２７と回転円柱７との接続部位にリンク部材を設けたり、緩衝部材を設けたりすることで、支持軸部２７と回転円柱７とが、互いの軸方向に沿って相対的に変移可能に接続するようにしてもよい。

　また、前記実施例では、２つのベアリング２９，３０が支持軸部２７において軸方向に離間された２箇所に設けられていたが、３つ以上のベアリングを支持軸部２７に設け、この３つのベアリングで回転円柱７を回転可能に支持するようにしてもよい。

　また、前記実施例では、支持軸部２７の基端部近傍に配置されたベアリング３０が非変移軸受部になっているとともに、支持軸部２７の先端部に配置されたベアリング２９が変移軸受部になっているが、支持軸部２７の基端部近傍に変移軸受部としてのベアリング２９を配置するとともに、支持軸部２７の先端部に非変移軸受部としてのベアリング３０を配置するようにしてもよい。

　また、前記実施例では、支持軸部２７の軸心に貫通孔２８を形成し、この貫通孔２８に配置された動力伝達軸２５が、駆動モータ１８からの回転動力を動力伝達部材３５に伝達しているが、各支持軸部２７の先端部に小型の駆動モータを配置して、この駆動モータの回転軸を直に動力伝達部材３５に接続して、この駆動モータからの回転動力を動力伝達部材３５に伝達するようにしてもよい。

　また、前記実施例では、動力伝達軸２５の基端部が回転体５の内部に設けられた軸受部材（図示略）に支持されるとともに、動力伝達軸２５の先端部が動力伝達部材３５を介して支持軸部２７に対して回転可能に支持されているが、支持軸部２７の貫通孔２８内に小型のベアリング（軸受部）を配置して、このベアリングを介して動力伝達軸２５を支持軸部２７に回転可能に支持させてもよい。

　また、前記実施例では、回転円柱７と連結部材３１との接続部位や、回転円柱７と動力伝達部材３５との接続部位に接着剤を用いることで互いに接続しているが、接着剤以外にも、ネジやボルトやリベット等の接続部材を用いて回転円柱７と部材３１，３５を接続するようにしてもよい。

　本発明のマグナス型風力発電装置によれば、大型風力発電から家庭用の小型風力発電に及んで活用できるようになり、風力発電業界に多大に貢献するようになる。更に、本発明のマグナス型の揚力発生メカニズムを、ロータ船、ロータビークル等に利用すれば、乗物における運動効率も向上すると考えられる。

１　　　　　　　　マグナス型風力発電装置
３　　　　　　　　発電機構部
５　　　　　　　　回転体（水平回転軸）
７，７ａ，７ｂ　　回転円柱
７’　　　　　　　外周表面
８　　　　　　　　スパイラル条
１８　　　　　　　駆動モータ
２５　　　　　　　動力伝達軸
２６　　　　　　　空洞
２７　　　　　　　支持軸部
２８　　　　　　　貫通孔
２９　　　　　　　ベアリング（軸受部，変移軸受部）
２９ａ，２９ｂ　　ベアリング（軸受部，非変移軸受部）
３０　　　　　　　ベアリング（軸受部，非変移軸受部）
３１　　　　　　　連結部材（軸受部）
３５　　　　　　　動力伝達部材
３５ａ，３５ｂ　　動力伝達部材
４４　　　　　　　連結部材（軸受部）

Claims

　発電機構部に回転トルクを伝達する回転体と、該回転体から略放射状に所要数配設された回転円柱と、該各回転円柱をこれら回転円柱の軸周りに回転駆動する駆動モータと、を備え、前記各回転円柱の回転と風力との相互作用で生じるマグナス揚力により前記回転体を回転させて前記発電機構部を駆動するマグナス型風力発電装置であって、
　前記回転円柱は、その内部に空洞を有する略円筒形状をなし、該回転円柱の内部には、前記回転体から延びる支持軸部が延設されており、該支持軸部には、複数の軸受部が該支持軸部の軸方向に離間して設けられ、該複数の軸受部により前記回転円柱が前記支持軸部に回転可能に支持されるとともに、前記駆動モータからの回転動力を伝達される動力伝達部材が前記支持軸部の先端部近傍の前記回転円柱の内周面に内接し、該動力伝達部材が前記回転円柱に回転動力を与えるようになっていることを特徴とするマグナス型風力発電装置。
　前記動力伝達部材の回転中心に前記駆動モータからの回転動力を伝達する動力伝達軸が、前記支持軸部から延設されていることを特徴とする請求項１に記載のマグナス型風力発電装置。
　前記支持軸部には、前記動力伝達軸が配置される貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項２に記載のマグナス型風力発電装置。
　前記動力伝達部材は、前記回転円柱に対して固着されており、前記動力伝達軸は、前記動力伝達部材に対して前記回転円柱の軸方向に沿って相対的に変移可能に接続されていることを特徴とする請求項２または３に記載のマグナス型風力発電装置。
　前記動力伝達部材は、前記支持軸部に設けられた軸受部により回転可能に支持されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のマグナス型風力発電装置。
　前記動力伝達部材は、前記回転円柱に対して該回転円柱の軸方向に沿って相対的に変移可能に接続されていることを特徴とする請求項５に記載のマグナス型風力発電装置。
　前記複数の軸受部の内、少なくとも１つの軸受部は、前記支持軸部と前記回転円柱とが、互いの軸方向に沿って相対的に変移不能な非変移軸受部となっているとともに、他の軸受部は、前記支持軸部と前記回転円柱とが、互いの軸方向に沿って相対的に変移可能な変移軸受部となっていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のマグナス型風力発電装置。
　前記複数の軸受部は、前記支持軸部に対して固着されており、該複数の軸受部の内、少なくとも１つの軸受部は、前記回転円柱に対して固着されているとともに、他の軸受部は、前記回転円柱に対して該回転円柱の軸方向に沿って相対的に変移可能に接続されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のマグナス型風力発電装置。