WO2013145714A1

WO2013145714A1 - 水力発電装置

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Publication number: WO2013145714A1
Application number: PCT/JP2013/002043
Authority: WO
Inventors: 西田　洋二; 保博船越; 則昭徳田
Original assignee: 川崎重工業株式会社
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2013-10-03
Also published as: JP5759618B2; JPWO2013145714A1; CN104136769B; CN104136769A

Abstract

本発明の水力発電装置は、上流側配管（１）と下流側配管（２）とランナケーシング（３）と、上流側配管の内壁方向に水流を案内するボス（４ａ，４ｂ）と、ランナケーシング内にランナケーシングの軸心周りに回転可能に収容されるランナ（５）と、を備え、ボスが、ランナケーシングの軸心方向に沿って、上流側配管に固定される１ユニットの固定ボス（４ａ）とランナに嵌合される１ユニットの回転ボス（４ｂ）とに分割され、固定ボスに電機子（７０）が設置され、回転ボスに電機子と対向配置されるよう永久磁石界磁（８０）が設置される。

Description

水力発電装置

　本発明は、水路（多くの場合、水管）に装着されて使用される水力発電装置に関する。

　特許文献１に開示されているように、水車の外側に発電機部分をリング状に配置した構造となっており、ダムを造らずに、高低差のある上下水道、小河川、農業用水路、及び工場排水路などの水路に装着されて使用される水力発電装置が開発されている。この水力発電装置は、山間部など既設発電所からの送電線の設置が困難な場所でのエネルギー地産地消を実現する手段の一つとして注目されている。

　図１１は、特許文献１に開示された水力発電装置の構造を示す断面図である。電機子鉄心３０５ｂに巻かれた電機子コイル３０５ａを備えた円環状の固定子３０６が、上流側配管３１０と下流側配管３１２とが係合された管路の外周を取り囲むように設けられている。また、円環状の固定子３０６の外周を取り囲むように、電機子コイル３０５ａの発熱を冷却するための冷却機構３１５が設けられている。また、外周に永久磁石３０４が貼付され且つ内周に該内周より径方向内側に突出するプロペラブレードを備えた円環状の回転子（ランナ）３０３が、固定子３０６の内側で回転可能となるように設けられている。また、上流側配管３１０と下流側配管３１２とが係合されたケーシングの軸心上には、上流側配管３１０の内壁側に水流を案内するボス３０２が固設されている。また、回転子３０３に入る水流を回転子３０３のプロペラブレードの傾きに適合する方向に案内するガイドベーン３０１が、ボス３０２の外周面と上流側配管３１０の内壁との間に設けられている。また、永久磁石３０４が設置された回転子３０３の外周中央部の円環の側面と対向するように水潤滑軸受３０７ａ，３０７ｂが設けられている。

特開２００６－１８９０１４号公報

　図１１に示す従来の水力発電装置を、断面積の大きい水路に装着して使用する場合には、外周に永久磁石３０４が貼付された回転子３０３の直径を必然的に大きくする必要があった。また、この場合、図１２に示すように、回転子３０３の外周曲面に貼付される永久磁石３０４の使用量が増加するとともに、回転子３０３の外周から径方向外側に沿って階層的に設けられる水潤滑軸受３０７ａ，３０７ｂ、電機子コイル３０５ａを備えた固定子３０６、及び冷却機構３１５についても大型化する必要があった。

　ところで、水力発電装置の発電容量は一般的に「Ｋ（比例定数）×流速^２×流量」によって表される。このため、高揚程（高流速）且つ小流量の水路（つまり高流速と小流量との関係で断面積が小さい水路）に装着される水力発電装置の発電容量と、低揚程（低流速）且つ大流量の水路（つまり低流速と大流量との関係で断面積が大きい水路）に装着される水力発電装置の発電容量とがあまり変わらない場合がある。この場合において、水力発電装置が装着される水路を、高揚程且つ小流量の水路から低揚程且つ大流量の水路に変更するとき、発電機部分の大きさまでを変更する必要がない。しかしながら、図１１に示す従来の水力発電装置の場合、適用される水路の断面積の増加に応じて、回転子の大型化（大口径化）のみならず、回転子の外周から径方向に沿って階層化された構造（水潤滑軸受３０７ａ，３０７ｂ、固定子３０６、及び冷却機構３１５）をも大型化（大口径化）する必要があった。

　このように、発電容量と比べると断面積が大きいといえる低揚程且つ大流量などの水路に従来の水力発電装置を適用する場合には、回転子のみならず装置全体を大型化せざるを得ず、生産性や経済性が低いという課題があった。

　本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的は、適用対象とする水路の諸元（流速、流量、断面積など）に応じて生産性、経済性及び小型化の観点から適した構造を有した水力発電装置を提供することにある。

　前記の課題を解決するために、本発明のある形態に係る水路に装着されて使用される水力発電装置は、前記水路に装着される上流側配管及び下流側配管と、前記上流側配管と前記下流側配管との間に挟装されるランナケーシングと、前記ランナケーシングの軸心方向に配置されるボスと、前記ランナケーシング内に前記ランナケーシングの軸心周りに回転可能となるように収容されるランナと、を備え、前記ボスは回転ボスと少なくとも１つの固定ボスとに分割され、前記回転ボスは前記ランナに嵌合され、前記少なくとも１つの固定ボスは前記回転ボスに対して前記ランナケーシングの軸心方向に所定間隔を隔てて固定配置され、前記少なくとも１つの固定ボスには電機子が設置され、前記回転ボスには前記少なくとも１つの固定ボスの電機子と対向するように永久磁石界磁又は電磁石界磁が設置されている、ものである。

　前記構成によれば、例えば発電機の永久磁石界磁を設置した回転ボスをランナに嵌合させ、且つ回転ボスとは別体の少なくとも１つの固定ボスに発電機の電機子を設置した構造となる。この場合、ランナと発電機部分（回転ボス，固定ボス）とが独立して設計／製作可能となり、これに伴い水路の諸元（流量、流速、断面積など）に応じて生産性、経済性及び小型化の観点から適した規模を実現した水力発電装置を提供することができる。

　例えば、ランナの直径に関わらず発電機の容量を決定することができ、従来の水力発電装置では導入が困難であった低揚程（低流速）且つ大流量の水路（断面積が大きい水路）に対してランナのみを大型化した設計が可能となる。より詳しく説明すると、水力発電装置の発電容量は一般的に「Ｋ（比例定数）×流速^２×流量」で表されるため、高揚程（高流速）且つ小流量の水路（断面積が小さい水路）に装着される水力発電装置の発電容量と、低揚程（低流速）且つ大流量の水路（断面積が大きい水路）に装着される水力発電装置の発電容量とがあまり変わらない場合がある。この場合において、断面積の大きい水路を適用対象とするときに、発電機部分の大きさまでを変更する必要がない。しかしながら、従来の水力発電装置の構造の場合、ランナの大型化（大口径化）のみならず発電機部分をも大型化（大口径化）する必要があった。これに対し、ランナと発電機部分とが独立して設計／製作可能であるので、発電機部分を大型化せずにランナのみを大型化すれば済むこととなる。

　逆に、低揚程且つ大流量の水路（断面積が大きい水路）から高揚程且つ小流量の水路（断面積が小さい水路）に適用対象を変更するときに、水力発電装置の発電容量があまり変わらない場合がある。この場合において、ランナと発電機部分とが独立して設計／製作可能であるので、発電機部分の大きさを変えずにランナのみを小型化すれば済むこととなる。

　また、ランナから発電機部分の着脱が容易な構造であるため、水力発電装置の製造工程が簡素化されるとともに、水力発電装置のメンテナンス性が向上することとなる。

　また、発電機部分の設置場所がランナからボスに変更されているが、ランナの形状は従来の水力発電装置の構造からあえて変更する必要はない。このため、例えば、ランナの完全非接触、低振動、低騒音、及びオイルレスなどの特徴を具備した従来の水潤滑軸受の構造をそのまま継承することができる。

　また、ランナよりもランナケーシングの軸心側に位置づけられた回転ボス及び固定ボスに発電機部分が設置されることにより、該発電機部分が発電時に水路の水流にさらされることになるので、従来の水力発電装置のような水路の外周を取り囲むように水路の直径に応じた規模の冷却機構を設けなくて済む。さらに、従来の水力発電装置のように水路の外周を取り囲むように水路の直径に応じた規模の発電機の固定子を設けなくて済む。

　また、従来の水力発電装置の場合、ランナの外周曲面に重量のある永久磁石が貼付されているので、ランナの慣性モーメントが大きく、ランナの始動／停止に多くのエネルギーが必要であった。また、回転の際の遠心力によってランナの外周曲面から永久磁石が外れやすかった。これに対し、ランナよりもランナケーシングの軸心側に位置づけられた回転ボス及び固定ボスに発電機部分が設置されることにより、ランナの慣性モーメントが小さくて済むので、ランナの始動／停止に必要なエネルギーが抑えられる。

　また、ランナよりもランナケーシングの軸心側に位置づけられた回転ボスに永久磁石界磁を設置する工程は、従来の水力発電装置のようにランナの外周曲面に永久磁石を貼付する工程と比べると容易である。つまり、従来の水力発電装置の場合、ランナの製作後に永久磁石を貼付する必要があった。これに対し、ランナに電機子が設置された回転ボスを嵌合させる構造とすることにより、ランナの製作を待たずに、発電機部分を独立して設計／製作することが可能である。

　前記水力発電装置において、前記上流側配管の内壁に固設されたガイドベーンを有し、前記ボスが、前記ランナケーシングの軸心方向に沿って、前記上流側配管に固定される１ユニットの固定ボスと前記ランナに嵌合される１ユニットの回転ボスとに分割され、前記１ユニットの回転ボスには、前記永久磁石界磁が設置され、前記電機子が設置された前記１ユニットの固定ボスは、前記上流側配管の軸心側にある前記ガイドベーンの面に固設される、としてもよい。

　前記構成によれば、上流側配管にはガイドベーンが通常固設されているため、上流側配管にこのガイドベーンを介して電機子が設置された固定ボスを固設した方が、水力発電装置の構成が簡素化される。具体的には、ガイドベーンの内部に電力ケーブルを挿入しておくことにより、固定ボスに設置された電機子に生じた起電力が前述の電力ケーブルを介して水路の外部に取り出すことが可能となる。

　前記水力発電装置において、前記上流側配管の内壁に固設されたガイドベーンを有し、前記ボスが、前記ランナケーシングの軸心方向に沿って、前記上流側配管及び前記下流側配管に固定される２ユニットの固定ボスと前記ランナに嵌合される１ユニットの回転ボスとに分割され、前記１ユニットの回転ボスには、前記永久磁石界磁が設置され、前記２ユニットの固定ボスのうち前記電機子が設置された一方の固定ボスは、前記下流側配管の内壁に固設され、前記２ユニットの固定ボスのうち前記電機子が設置されない他方の固定ボスは、前記上流側配管の軸心側にある前記ガイドベーンの面に固設される、としてもよい。

　前記水力発電装置において、前記ボスが、前記ランナケーシングの軸心方向に沿って、前記上流側配管及び前記下流側配管に固定される２ユニットの固定ボスと前記ランナに嵌合される１ユニットの回転ボスとに分割され、前記１ユニットの回転ボスには、前記永久磁石界磁が設置され、前記２ユニットの固定ボスの双方に前記電機子が設置される、としてもよい。

　前記構成によれば、上流側配管及び下流側配管に固設された２ユニットの固定ボス双方に電機子を設置するため、発電容量をより大きくすることが可能となる。

　前記水力発電装置において前記ボスが、前記ランナケーシングの軸心方向に沿って、前記上流側配管及び前記下流側配管に固定される２ユニットの固定ボスと前記ランナに嵌合される１ユニットの回転ボスとに分割され、前記２ユニットの固定ボスのうち一方の固定ボスには、界磁調整器と、前記界磁調整器から出力される交流電力を送電する送電コイルとが設置され、前記１ユニットの回転ボスには、前記送電コイルと対向配置される受電コイルと、前記受電コイルにおいて受電された交流電力を整流する整流器と、前記整流器から出力される直流電力により励磁される電磁石界磁と、が設置され、前記２ユニットの固定ボスのうち他方の固定ボスには、前記電磁石界磁と対向配置されるように前記電機子が設置される、ものである。

　前記構成によれば、永久磁石界磁式ではなく電磁石界磁式の同期発電機の構造となるため、発電容量を増加する場合に、電磁石と比べると高価な永久磁石を使用しなくて済む。また、界磁調整によって力率の改善が可能となり、発電効率が向上する。

　本発明によれば、適用対象とする水路の諸元（流速、流量、断面積など）に応じて生産性、経済性及び小型化の観点から適した構造を有した水力発電装置を提供することができる。

図１は本発明の実施の形態１に係る水路に装着されて使用される水力発電装置の構成例を示す断面図である。図２は図１に示す水力発電装置の回転子の構造を模式的に示す図である。図３は図１に示す水力発電装置の固定子に設置される電機子の設置例を示す図である。図４は図１に示す水力発電装置の回転子に設置される永久磁石界磁の設置例を示す図である。図５は図１に示す水力発電装置の構造上の効果を説明するための図である。図６は図１に示す水潤滑軸受周辺の構造を詳細に表した水力発電装置の断面図である。図７は本発明の実施の形態２に係る水路に装着されて使用される水力発電装置の構成例を示す断面図である。図８は本発明の実施の形態３に係る水路に装着されて使用される水力発電装置の構成例を示す断面図である。図９は本発明の実施の形態４に係る水路に装着されて使用される水力発電装置の構成例を示す断面図である。図１０は図９に示す水力発電装置の２ユニットの固定ボス及び１ユニットの回転ボス内の構成例を示すブロック図である。図１１は従来の水力発電装置の構造を示す断面図である。図１２は図１１に示す水力発電装置の構造上の課題を説明するための図である。

　以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。

　（実施の形態１）
　図１は本発明の実施の形態１に係る水路に装着されて使用される水力発電装置の構成例を示す断面図である。図２は図１に示す水力発電装置の回転子（後述のランナ５及び回転ボス４ｂ）の構造を模式的に示す図である。図３は図１に示す水力発電装置の固定子（後述の固定ボス４ａ）に設置される電機子の設置例を示す図である。図４は図１に示す水力発電装置の回転子に設置される永久磁石界磁の設置例を示す図である。

　図１に示す水力発電装置１００は、水路（図５参照）に装着される上流側配管１及び下流側配管２と、上流側配管１と下流側配管２との間に挟装されるランナケーシング３と、ランナケーシング３の軸心方向に配置され、上流側配管１の内壁方向に水流を案内して流速を増加させる流線形状のボス（４ａ，４ｂ）と、ランナケーシング３内にランナケーシング３の軸心周りに回転可能となるように収容される、円形状の開口部（図２参照）を有したランナ５と、上流側配管１の内壁に固設されたガイドベーン６とを備えている。なお、ランナ５の径方向内側から突出した複数のプロペラブレード（図示せず）が配設されており、ガイドベーン６はランナ５の複数のプロペラブレードの傾きに適合する方向に水流を案内する役割を果たす。

　図１に示すように、流線形状のボス（４ａ，４ｂ）は、ランナケーシング３の軸心方向に、上流側配管１に固定される１ユニットのボス（以下、固定ボスと呼ぶ）４ａとランナ５の円形状の開口部（図２参照）に嵌合される１ユニットのボス（以下、回転ボスと呼ぶ）４ｂとに二分割されている。そして、固定ボス４ａには電機子７０（電機子コイル７ａ，電機子鉄心７ｂ）が設置され、回転ボス４ｂには電機子７０と対向配置されるよう複数の磁極を有した永久磁石界磁８０（永久磁石８，積層電磁鋼板９）が設置される。具体的には、固定ボス４ａは上流側配管１の軸心側にあるガイドベーン６の面に固設されており、これにより、固定ボス４ａは上流側配管１の内壁にガイドベーン６を介して固設された状態となっている。また、回転ボス４ｂは、図２に示すように、ランナ５の円形状の開口部５ａに嵌合されることにより、ランナ５と一体となって回転可能となっている。

　図３には固定ボス４ａにおける電機子７０を成す電機子コイル７ａ及び電機子鉄心７ｂの設置例が示されている。なお、図３の中では、電機子コイル７ａ及び電機子鉄心７ｂの設置例の一つとして、ドーム形状の固定ボス４ａの外周側面から見た配置と固定ボス４ａの円形状の断面から見た配置とが破線により対応付られている。固定ボス４ａの円形状の断面には、複数（例えば６個）の電機子コイル７ａが該円形状の断面の円周方向に沿って等間隔（例えば６０度間隔）に離れて設置されている。また、電機子コイル７ａが巻かれた電機子鉄心７ｂの平面形状は円形状である。なお、図３の中では、平面形状が円形状である電機子鉄心７ｂ及び電機子コイル７ａの設置例を示す図の両隣の箇所には、平面形状が扇形状又は長方形状である電機子鉄心７ｂ及び電機子コイル７ａの固定ボス４ａの断面から見た設置例が示されている。なお、電機子コイル７ａ及び電機子鉄心７ｂの個数は仕様によって決定されるため、上記のように例示した個数に限られない。また、電機子７０は、電機子鉄心７ｂの外周に電機子コイル７ａが巻回された形態に限定されず、電機子鉄心７ｂが無い空心の電機子コイル７ａの形態等であってもよい。

　図４には回転ボス４ｂにおける永久磁石界磁８０を成す永久磁石８の設置例が示されている。なお、図４の中では、永久磁石８の設置例の一つとして、ドーム形状の回転ボス４ｂの外周側面から見た配置と回転ボス４ｂの円形状の断面から見た配置とが破線により対応付られている。回転ボス４ｂの円形状の断面から見て回転ボス４ｂの内部には複数の磁極を形成した永久磁石８が埋設されている。なお、回転ボス４ｂの断面から見て内側にある永久磁石８の両平面には複数の円環状の電磁鋼板を積層して形成された積層電磁鋼板９が貼付されている。永久磁石８の磁極による類型としては、２組のＮ極／Ｓ極が磁極毎に空隙を設けて分離配置された４極型である。この他、図４の中では、１組のＮ極／Ｓ極が空隙を設けて分離配置された２極型、４組のＮ極／Ｓ極が磁極毎に空隙を設けて分離配置された８極型、又は４組のＮ極／Ｓ極が磁極毎に空隙を設けずにリング状に連続配置されたリング型形状が示されている。また、円状の積層電磁鋼板９の場合として、４組の扇状のＮ極／Ｓ極が磁極毎に空隙を設けずに積層電磁鋼板９の円周方向に沿って連続配置された円柱型形状も示されている。なお、極数は仕様によって決定されるので、上記のように例示した極数に限られない。

　また、図１に示す水力発電装置１００は、ランナ５の外周部に水潤滑軸受３０ａ，３０ｂを備えている。水潤滑軸受３０ａ，３０ｂは、水路を流れる水を利用して潤滑された軸受であり、ランナ５の完全非接触、低振動、低騒音、及びオイルレスなどの特徴を具備している。なお、ランナ５の外周部の形状によって水潤滑軸受３０ａ，３０ｂは従来の構造をそのまま継承することができる。

　図６は、図１に示す水潤滑軸受周辺の構造を詳細に表した水力発電装置の要部断面図である。図６に示すように、水潤滑軸受３０ａ，３０ｂは、ランナ５の外周曲面の中央部が円環形状５ｂとなっている場合の軸受構造である。水潤滑軸受３０ａ，３０ｂは水供給配管１１１を介して上流側配管１に設けられた取水口１１２と結合されており、水潤滑軸受３０ａ，３０ｂは上流側配管１の取水口１１２から水供給配管１１１を介して水路内に流れる水流の一部を取り込んでいる。なお、上流側配管１の取水口１１２には金網から成るフィルタ１１０が設置されており、フィルタ１１０はゴミなどの粒子を排除する役割を果たしている。水潤滑軸受３０ａ，３０ｂは、円環形状５ｂの上流側及び下流側の両側面に対向配置されており、円環形状５ｂの上流側及び下流側の両側面に対するスラスト軸受として機能する。また、ランナ５の外周曲面の中央部以外の部位は、ランナ５の外周中央部の円環形状５ｂよりもランナ５の軸心からの径が短い円環形状５ｃとなっている。水潤滑軸受３０ａ，３０ｂは、円環形状５ｃの外周曲面に対向配置されており、円環形状５ｃの外周面に対するラジアル軸受としても機能する。なお、水潤滑軸受３０ａ，３０ｂのランナ５の円環形状５ｂとの摺動面にはセラミックが溶射されている。この他に、水潤滑軸受３０ａ，３０ｂはセラミックソリッドで形成されてもよい。

　以上説明した構造を備えた水力発電装置１００は、発電機の永久磁石界磁８０（永久磁石８，積層電磁鋼板９）を設置した回転ボス４ｂをランナ５の円形状の開口部５ａに嵌合させ、且つ回転ボス４ｂとは別体の固定ボス４ａに発電機の電機子７０（電機子コイル７ａ，電機子鉄心７ｂ）を設置した構造を採用している。このため、ランナ５と発電機部分（回転ボス４ｂ，固定ボス４ａ）とが独立して設計／製作可能となり、これに伴い生産性が向上することとなる。

　例えば、ランナ５の直径に関わらず発電容量を決定することができ、従来の水力発電装置では導入が困難であった低揚程（低流速）且つ大流量の水路（つまり低流速と大流量との関係で断面積の大きい水路）への適用にもランナ５のみを大型化した設計／製作が可能となる。図５を参照しながら、より詳しく説明すると、水力発電装置の発電容量は「Ｋ（比例定数）×流速^２×流量」で表されるため、高揚程（高流速）且つ小流量の水路（つまり高流速と小流量との関係で断面積の小さい水路）２００ａに装着される水力発電装置の発電容量と、低揚程（低流速）且つ大流量の水路（断面積が大きい水路）２００ｂに装着される水力発電装置の発電容量とがあまり変わらない場合がある。この場合において、高揚程且つ小流量の水路（断面積が小さい水路）から低揚程且つ大流量の水路（断面積が大きい水路）に適用対象を変更するときに、水力発電装置の発電機部分の大きさまで変更する必要がない。しかしながら、図１１及び図１２に示す従来の水力発電装置の場合、水路の断面積の増大に伴い、ランナ３０３の大型化（大口径化）のみならず発電機部分（３０６）も大型化（大口径化）する必要があった。これに対し、以上説明した構造を備えた水力発電装置１００の場合、ランナ５と発電機部分（回転ボス４ｂ，固定ボス４ａ）とが独立して設計／製作可能であるので、適用される水路の断面積に応じてランナ５のみを大型化すれば済む。

　逆に、低揚程且つ大流量の水路（断面積が大きい水路）から高揚程且つ小流量の水路（断面積が小さい水路）に適用対象を変更するときに、水力発電装置の発電容量があまり変わらない場合がある。この場合において、ランナ５と発電機部分（回転ボス４ｂ，固定ボス４ａ）とが独立して設計／製作可能であるので、発電機部分の大きさを変えずにランナ５のみを小型化すれば済む。

　なお、低揚程且つ小流量の水路（断面積が小さい水路）の場合、ランナ５と発電機部分とをともに小型化すればよいが、ランナ５と発電機部分とが独立して設計／製作可能であるので、十分な発電容量を得るために発電機部分のみを大型化することができる。

　また、ランナ５から発電機部分の着脱が容易なため、水力発電装置の製造工程が簡素化されるとともに、水力発電装置のメンテナンス性が向上することとなる。

　また、発電機部分の設置場所がランナ５から回転ボス４ｂ及び固定ボス４ａ内に変更されてはいるものの、ランナ５の形状は従来の水力発電装置の構造からあえて変更する必要はない。したがって、例えば、ランナ５の完全非接触、低振動、低騒音、及びオイルレスなどの特徴を具備した従来の水力発電装置の水潤滑軸受の構造（図１１及び図１２の３０７ａ，３０７ｂを参照）をそのまま継承することができる。

　また、ランナ５よりもランナケーシング３の軸心側に位置づけられた回転ボス４ｂ及び固定ボス４ａに発電機部分が設置されることにより、発電時に該発電機部分が水路内の水流に常にさらされるので、図１１及び図１２に示す従来の水力発電装置のように、水路の外周を取り囲むように水路の直径に応じた規模の冷却機構３１５を設けなくて済む。さらに、図１１及び図１２に示す従来の水力発電装置のように水路の外周を取り囲むように水路の直径に応じた規模の発電機の固定子３０６を設けなくて済む。

　また、図１１及び図１２に示す従来の水力発電装置の場合、ランナ３０３の外周曲面に重量のある永久磁石３０４が貼付されているので、ランナ３０３の慣性モーメントが大きく、ランナ３０３の始動／停止に多くのエネルギーが必要であった。また、遠心力によってランナ３０３の外周曲面から永久磁石３０４が外れやすかった。これに対し、水力発電装置１００の場合、ランナ５よりもランナケーシング３の軸心側に位置づけられた回転ボス４ｂ及び固定ボス４ａの内部に発電機部分が設置されることにより、ランナ５の慣性モーメントが小さくて済むので、ランナ５の始動／停止に必要なエネルギーが抑えられる。

　また、ランナ５よりもランナケーシング３の軸心側に位置づけられた回転ボス４ｂに永久磁石界磁８０を設置する工程は、図１１及び図１２に示す従来の水力発電装置のようにランナ３０３の外周曲面に永久磁石３０４を貼付する工程と比べると容易である。つまり、図１１及び図１２に示す従来の水力発電装置の場合、ランナ３０３の製作後に永久磁石３０４を貼付する必要があった。これに対し、ランナ５の円形状の開口部５ａに永久磁石界磁８０が設置された回転ボス４ｂを嵌合させる構造を採用したことにより、ランナ５の製作を待たずに、発電機部分を独立して設計／製作することが可能となる。

　また、上流側配管１にはガイドベーン６が一般的に固設されているため、上流側配管１にガイドベーン６を介して電機子７０（電機子コイル７ａ、電機子鉄心７ｂ）が設置された固定ボス４ａを固設した方が、水力発電装置１００の設備が簡素化されることとなる。具体的には、ガイドベーン６に固定ボス４ａの電機子７０と電気的に接続された電気配線が取り込まれるようにし、且つこの電気配線がガイドベーン６を介して上流側配管１の外部に取り出されるように、ガイドベーン６内には電気配線用の配線孔が設けられている。

　なお、本発明の実施の形態１の比較形態として、ボス内に、ボスの軸心方向に配置された回転軸と、この回転軸とともに回転する永久磁石付き回転子と、この回転子の外周に空隙を設けて配置された電機子コイル付き固定子とを設けた形態が挙げられる。この比較形態は、本発明の実施の形態１と比べると、ボス内に発電機部分（回転子、固定子）が設けられる点は同じではあるが、ボス内に回転軸用の軸受が必要となる。その場合、ボス回転軸周囲からの漏水により発電機が水にさらされない様にシールする必要がある。また、ボスの軸心を貫通するように回転軸が設けられているため、ボスを複数に分割したとしても、分割後の複数のボスは同一の回転軸上に連設された状態となる。したがって、回転ボスのみが回転する本発明の実施の形態１の構造と比べると、慣性モーメントが大きくなり、回転子の始動／停止に多くのエネルギーを消費するといえる。

（実施の形態２）
　図７は本発明の実施の形態２に係る水路に装着されて使用される水力発電装置の構成例を示す断面図である。図１に示す実施の形態１に係る水力発電装置１００と相違する点は、ランナケーシング３の軸心方向に配置され、上流側配管１の内壁方向に水流を案内して流速を増加させる流線形状のボスが、ドーム形状の２ユニットの固定ボス（４ａ，４ｃ）と円柱形状の１ユニットの回転ボス４ｂとに三分割された点と、２ユニットの固定ボス（４ａ，４ｃ）のうち電機子７０（電機子コイル７ａ、電機子鉄心７ｂ）が設置された一方の固定ボス４ｃは下流側配管２の内壁に固設され、２ユニットの固定ボス（４ａ，４ｃ）のうち電機子７０（電機子コイル７ａ、電機子鉄心７ｂ）が設置されない他方の固定ボス４ａは、上流側配管１の軸心側にあるガイドベーン６ａの面に固設される点とである。言い換えると、図１に示す実施の形態１に係る水力発電装置１００の場合では、上流側配管１にガイドベーン６を介して固設された固定ボス４ａに電機子７０が設置され、電機子７０に生じた起電力はガイドベーン６を介して上流側配管１の外部から取り出される。これに対し、図７に示す実施の形態２に係る水力発電装置１０１の場合、下流側配管２にボス固定部材６ｂを介して固設された固定ボス４ｃに電機子７０が設置され、電機子７０に生じた起電力はボス固定部材６ｂを介して下流側配管２の外部から取り出される。

　その他の構成は、実施の形態１に係る水力発電装置１００と同様であるため、それらの説明を省略する。

（実施の形態３）
　図８は本発明の実施の形態３に係る水力発電装置の構成例を示す断面図である。図７に示す実施の形態２に係る水力発電装置１０１と相違する点は、２ユニットの固定ボス（４ａ，４ｃ）の双方に、電機子コイル７ａ及び電機子鉄心７ｂから成る電機子（７０ａ，７０ｂ）が設置された点である。言い換えると、図７に示す実施の形態２に係る水力発電装置１０１の場合、下流側配管２にボス固定部材６ｂを介して固設された固定ボス４ｃの電機子７０から発電電力を取り出すようにしている。これに対し、図８に示す実施の形態３に係る水力発電装置１０２の場合、下流側配管２にボス固定部材６ｂを介して固設された固定ボス４ｃの電機子７０ｂから発電電力を取り出すとともに、上流側配管１にガイドベーン６ａを介して固設された固定ボス４ａの電機子７０ａから発電電力を取り出すようにしている。

　回転ボス４ｂには、上流側の固定ボス４ａの電機子７０ａと対向配置される永久磁石８及び積層電磁鋼板９から成る永久磁石界磁８０ａと、下流側の固定ボス４ｃの電機子７０ｂと対向配置される永久磁石８及び積層電磁鋼板９から成る永久磁石界磁８０ｂと、が設置されている。つまり、円柱形状の回転ボス４ｂの円形状の２つの断面のうち上流側の断面には電機子７０ａと対向配置される複数磁極の永久磁石界磁８０ａが設置され、下流側の断面には電機子７０ｂと対向配置される複数磁極の永久磁石界磁８０ｂが設置される。なお、永久磁石界磁８０ａ及び永久磁石界磁８０ｂの永久磁石８としては図４に示す種々の設置例を採用することができる。なお、円柱形状の回転ボス４ｂの上流側及び下流側それぞれに永久磁石界磁８０ａ，８０ｂが設置される他に、複数の電磁鋼板を積層した電磁鋼板積層体の中央部に永久磁石を配置して成る永久磁石界磁を使用してもよい。つまり、回転ボス４ｂの上流側の電機子７０ａ及び下流側の電機子７０ｂそれぞれに対する発電機の界磁極を、電磁鋼板積層体の中央部の永久磁石により共通化することができる。これにより、生産性及び経済性がさらに向上するとともに、小型化が容易となる。

　その他の構成は実施の形態１に係る水力発電装置１００及び実施の形態２に係る水力発電装置１０１と同様であるためそれらの説明を省略する。

　以上説明した構造の水力発電装置１０２によれば、上流側配管１及び下流側配管２に固設された２ユニットの固定ボス（４ａ，４ｃ）の双方に電機子（７０ａ，７０ｂ）を設置しているので、発電容量をより大きくすることが可能となる。

（実施の形態４）
　図９は本発明の実施の形態４に係る水路に装着されて使用される水力発電装置の構成例を示す断面図である。図１０は、図９に示す水力発電装置の２ユニットの固定ボス及び１ユニットの回転ボス内の構成例を示すブロック図である。

　図９に示す水力発電装置１０３は、図７に示す実施の形態２に係る水力発電装置１０１と図８に示す実施の形態３に係る水力発電装置１０２と同様に、ランナケーシング３の軸心方向に配置され、上流側配管１の内壁方向に水流を案内して流速を増加させる流線形状のボスが、２ユニットの固定ボス（４ａ，４ｃ）と１ユニットの回転ボス４ｂとに三分割されている。但し、図７に示す水力発電装置１０１及び図８に示す水力発電装置１０２は永久磁石界磁８０を使用しているのに対し、図９に示す水力発電装置１０３は電磁石界磁１４を使用している点が相違している。

　具体的には、２ユニットの固定ボス（４ａ，４ｃ）のうち一方の固定ボス４ａには、界磁調整器１０と、界磁調整器１０から出力される交流電力を送電する送電コイル（誘導コイル）１１とが設置されている。また、回転ボス４ｂには、送電コイル１１と対向配置される受電コイル（誘導コイル）１２と、受電コイル１２において受電された交流電力を整流する整流器１３と、整流器１３から出力される直流電力により励磁される界磁鉄心に巻かれた界磁コイルから成る電磁石界磁１４と、が設置されている。また、２ユニットの固定ボス（４ａ，４ｃ）のうち他方の固定ボス４ｃには、電磁石界磁１４と対向配置されるように電機子鉄心に巻かれた電機子コイルから成る電機子１５が設置されている。

　つまり、送電コイル１１は界磁調整器１０から出力された交流電力により電磁界を発生し、受電コイル１２は送電コイル１１により発生した電磁界を電磁誘導で受電する。これにより、受電コイル１２には誘導起電力が発生する。この誘導起電力は整流器１３により直流電力に整流されて電磁石界磁１４に供給される。電磁石界磁１４は電磁石として機能し回転ボス４ｂとともにランナケーシング３の軸心周りに回転するので、電機子１５に起電力を生じさせる。

　以上説明した構造の水力発電装置１０３によれば、永久磁石界磁式の同期発電機の構造ではなく電磁石界磁式の同期発電機の構造となっているため、高価な永久磁石を使用しなくて済む。さらに、界磁調整によって力率の改善が可能となり、発電効率が向上する。

　上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

　本発明は、ダムを造らずに、上下水道、小河川、農業用水路、及び工場排水路などの発電用途として特に利用されていない高低差のある水路、特に低揚程且つ大流量の水路に装着されて使用される水力発電装置にとって有益である。

１…上流側配管
２…下流側配管
３…ランナケーシング
４ａ，４ｃ…固定ボス
４ｂ…回転ボス
５…ランナ
５ａ…開口部
５ｂ，５ｃ…円環形状
１０…界磁調整器
１００，１０１，１０２，１０３…水力発電装置
１１０…フィルタ
１１１…水供給配管
１１２…取水口
１１…送電コイル
１２…受電コイル
１３…整流器
１４…電磁石界磁
１５…電機子
２００ａ，２００ｂ…水路
３０ａ，３０ｂ…水潤滑軸受
６，６ａ…ガイドベーン
６ｂ…ボス固定部材
７０，７０ａ，７０ｂ…電機子
７ａ…電機子コイル
７ｂ…電機子鉄心
８０…永久磁石界磁
８…永久磁石
９…積層電磁鋼板

Claims

　水路に装着されて使用される水力発電装置において、
　前記水路に装着される上流側配管及び下流側配管と、
　前記上流側配管と前記下流側配管との間に挟装されるランナケーシングと、
　前記ランナケーシングの軸心方向に配置されるボスと、
　前記ランナケーシング内に前記ランナケーシングの軸心周りに回転可能となるように収容されるランナと、
　を備え、
　前記ボスは回転ボスと少なくとも１つの固定ボスとに分割され、
　前記回転ボスは前記ランナに嵌合され、
　前記少なくとも１つの固定ボスは前記回転ボスに対して前記ランナケーシングの軸心方向に所定間隔を隔てて固定配置され、
　前記少なくとも１つの固定ボスには電機子が設置され、
　前記回転ボスには前記少なくとも１つの固定ボスの電機子と対向するように永久磁石界磁又は電磁石界磁が設置されている、
　水力発電装置。
　前記上流側配管の内壁に固設されたガイドベーンを有し、
　前記ボスが、前記ランナケーシングの軸心方向に沿って、前記上流側配管に固定される１ユニットの前記固定ボスと前記ランナに嵌合される１ユニットの前記回転ボスとに分割され、
　前記１ユニットの回転ボスには、前記永久磁石界磁が設置され、
　前記電機子が設置された前記１ユニットの固定ボスは、前記上流側配管の軸心側にある前記ガイドベーンの面に固設される、請求項１に記載の水力発電装置。
　前記上流側配管の内壁に固設されたガイドベーンを有し、
　前記ボスが、前記ランナケーシングの軸心方向に沿って、前記上流側配管及び前記下流側配管に固定される２ユニットの前記固定ボスと前記ランナに嵌合される１ユニットの前記回転ボスとに分割され、
　前記１ユニットの回転ボスには、前記永久磁石界磁が設置され、
　前記２ユニットの固定ボスのうち前記電機子が設置された一方の固定ボスは、前記下流側配管の内壁に固設され、
　前記２ユニットの固定ボスのうち前記電機子が設置されない他方の固定ボスは、前記上流側配管の軸心側にある前記ガイドベーンの面に固設される、請求項１に記載の水力発電装置。
　前記ボスが、前記ランナケーシングの軸心方向に沿って、前記上流側配管及び前記下流側配管に固定される２ユニットの前記固定ボスと前記ランナに嵌合される１ユニットの前記回転ボスとに分割され、
　前記１ユニットの回転ボスには、前記永久磁石界磁が設置され、
　前記２ユニットの固定ボスの双方に前記電機子が設置される、請求項１に記載の水力発電装置。
　前記ボスが、前記ランナケーシングの軸心方向に沿って、前記上流側配管及び前記下流側配管に固定される２ユニットの前記固定ボスと前記ランナに嵌合される１ユニットの前記回転ボスとに分割され、
　前記２ユニットの固定ボスのうち一方の固定ボスには、界磁調整器と、前記界磁調整器から出力される交流電力を送電する送電コイルとが設置され、
　前記１ユニットの回転ボスには、前記送電コイルと対向配置される受電コイルと、前記受電コイルにおいて受電された交流電力を整流する整流器と、前記整流器から出力される直流電力により励磁される前記電磁石界磁と、が設置され、
　前記２ユニットの固定ボスのうち他方の固定ボスには、前記電磁石界磁と対向配置されるように前記電機子が設置される、請求項１に記載の水力発電装置。