WO2024024171A1 - 風力発電機ユニットおよびその集合設備 - Google Patents

Abstract

微風でも発電機がコアレスだからコギングが無く微風でも回転し、微風で回転してもコイル接続切替により昇圧回路無しに微風で発電でき、ブレードと発電機のヨークが一体とする。　風を受けて回転するブレードと、該ブレードを支持する回転軸を備えた発電機と、該発電機を内蔵する構造物とを備え、前記発電機は、少なくとも、非回転となる円筒状コイル体と、該円筒状コイル体に間隙を持って円筒状に対向配置されたインナーヨークと、該インナーヨークの前記円筒状コイル体対向面に配置された永久磁石を備え、前記円筒状コイル体は複数相の各相について3つ以上のコイル単位体から成り、更に、該コイル単位体間の接続パターンが風速に伴う前記ブレードの回転力の違いによって直列、並列、直列及び並列の組み合わせから選択される３段以上に切替えるコイル間切替装置を備えてなる。

Description

風力発電機ユニットおよびその集合設備

　本発明は風力発電機ユニットおよびその集合設備に係り、特に微風から強風までに対応できる円筒状コイル使用タイプの風力発電機ユニットでコンパクトな為に複数台連接を可能にした風力発電機ユニットおよびその集合設備に関する。

　クリーンエネルギー源として風力や太陽光等の自然エネルギー（再生可能エネルギー）利用が実用されているが、風力は曇天・雨天でも発電機能するものの風力・風向が一定ではない難が知られている。そこで風力発電効率を高める為、従来から風力発電機におけるコイル回路の切替が知られている。

特開２０００－１９７３９２号公報 特開２０１１－１１４９３８号公報

　特許文献１はバッテリー対応でコイル回路の切替を行っている。但しコアレスタイプの発電機ではなく、出力電圧の取り出し易さが望まれる。尚、切替が多段対応ではない。

　特許文献２はコアレスタイプの風力発電機と太陽光発電機を併用しており、その風力発電機の発電効率を上げる為に複数のＤＣ－ＤＣコンバータの切替を行っている。風力発電は微風から強風まで多様なので２段切替だけでは対応しきれないのでコイル回路切替に複数のＤＣ－ＤＣコンバータを併用している。これによって微風から強風まで対応して更に発電効率を最大化せんとしている。このように特許文献２も２段切替が前程であるし、複数のＤＣ－ＤＣコンバータのような昇圧設備が必要になっている。尚、この先例に示されたコイルは偏平タイプである。

　以上のように、風力は微風から強風まで多様であり、風を受ける装置側では増速機やブレーキによる制御で対応はしているが２段切替では多様な風への対応に限りがあった。

　そこで本発明では微風から強風迄効率よく風を電力に変換でき、かつバッテリー性能を向上させる風力発電機ユニットおよびその集合設備を提案する。

　上記課題を解決する為、本発明の風力発電機ユニットは次の何れかを特徴とする。
　（１）風を受けて回転するブレードと、該ブレードを支持する回転軸を備えた発電機と、該発電機を内蔵する構造物とを備え、前記発電機は、少なくとも、非回転となる円筒状コイル体と、該円筒状コイル体に間隙を持って円筒状に対向配置されたインナーヨークと、該インナーヨークの前記円筒状コイル体対向面に配置された永久磁石を備え、前記円筒状コイル体は複数相の各相について3つ以上のコイル単位体から成り、更に、該コイル単位体間の接続パターンが風速に伴う前記ブレードの回転力の違いによって直列、並列、直列及び並列の組み合わせから選択される３段以上に切替えるコイル間切替装置を備えてなることを特徴とする風力発電機ユニットである。

　（２）上記（１）において、前記コイル間切替装置は、風速に対するシステム効率が下記式で求められる最大値となるように切り替えることを特徴とする風力発電機ユニットである。

　システム効率が最大値となるように切り替わる、ということは、換言すれば、発電機のコイル体を複数のコイルで形成してコイル体間の接続を３種以上切り替えるスイッチを備え、そのコイル間接続の切り替えによって、システム効率の異なる複数の発電システムを１台の風力発電機が兼ね備える、ということである。つまり本発明は、コイル間接続の切り替えにより３段以上のシステムに切り換わる発電機において、風速に対するシステム効率が最大になるシステムに切り替えることを特徴とする。これは風速が上がる方向でも下がる方向にも適用される。

　このような切替手法は、本発明者が発電効率の良いシステムを採用するに際してシステムの切り替えをどうするかの実験から見出したものである。更に本発明者は、システムを切り替えるタイミングにつき、電圧を一定にするのではなく発電効率を最大化するならば、システム効率最大を細かく切り替えることによりDC－DCコンバータの特性に近付き最終的にDC－DCコンバータをコイル間接続切替基盤で置き換えることも可能になることを見出した。特に３段以上の決め細かい風力発電切り換えをする中で見えた気付きに基づく発明である。

　（３）風路と、該風路上に位置する発電機と、前記風路上でかつ前記発電機の外周回転部に取り付けられるブレードと、前記発電機並びに前記ブレードを納める枠体とを備え、前記風路は前記枠体の正面部及び背面部を貫通することによって、前記発電機及び前記ブレードは該正面部と背面部を結ぶ貫通路上に位置し、前記発電機はシャフトが前記枠体に固定されていて、少なくとも、非回転となる円筒状コイル体と、該円筒状コイル体に間隙をもって円筒状に対向配置されたインナーヨークと、該インナーヨークの前記円筒状コイル体対向面に配置された永久磁石とを備え、前記円筒状コイル体は複数相の各相について３つ以上のコイル単位体から成り、更に、該コイル単位体間の接続パターンが風速に伴う前記ブレードの回転力の違いによって直列、並列、直列及び並列の組み合わせから選択されて３段以上に切替るコイル間切替装置を備えてなることを特徴とする風力発電機ユニットである。尚、枠体は上記（１）で発電機を納める構造物に該当する（以下、本願において同じ）。

　（４）上記（３）において、前記コイル間切替装置は、下記式で求められるシステム効率が最大値となるように切り替わる風力発電機ユニットである。

他は前記（２）の通りである。

　（５）上記（３）又は（４）において、前記枠体は６面共に長方形で、前記正面部と前記背面部との距離は前記正面部及び背面部の各辺よりも短くすることにより、外観薄型の箱体となる。

　（６）上記（３）又は（４）において、前記正面部と背面部の高さが１～２ｍであり、前記各周面の幅が前記正面部の高さの半分以下である。

　（７）上記（３）又は（４）において、前記インナーヨークとは別に前記円筒状コイル体の外側に位置するアウターヨークを備え、前記ブレードが固定される前記発電機の外周回転部（周面）は発電機のケーシングを形成しており、該ケーシングは前記アウターヨークと一体化若しくは兼用している。

　（８）上記（３）～（７）のいずれかにおいて、前記正面部と前記背面部の両方に集風部が形成され、前記ブレードは前記風路の両開口部の両方向に向けてシンメトリーに形成されていることが望ましい。

　（９）上記（３）～（８）のいずれかにおいて、前記正面部と前記背面部の両方に集風部が形成され、前記ブレードは前記風路の両開口部の両方向に向けてシンメトリーに形成されていることが望ましい。また、前記ブレードは風洞内に配置されていれば略直方体の外観になり、飛び出し部がなくてスマートである。

　（１０）尚、円筒状コイル使用タイプはコアレス型発電機に代表されるがスロットレス型発電機も該当する。どちらも円筒状コイルが非回転、永久磁石とマグネットヨークが回転する。ただしコアレス型はアウターヨーク（コイルヨークとも呼べる）も回転し、スロットレス型はアウターヨークが非回転である。いずれも中央に鉄心が無い、つまり空芯なのでインダクタンスが小さくなりサージ電流が小さくなる。

　ところで本願明細書で「コイル単位体」と記しているが、一つのコイル単位体は同仕様（材質、寸法及び径が同じということ）のコイルが一つでも良いし複数個が直列に繋がったものでも良い。但し、コイル単位体同士も構成するコイルの数が同数にする。例えば同じ巻き数のコイルがｎ個連なって一つのコイル単位体を作っているならば、コイル単位体が３つとなれば３×ｎ個のコイルを使うことになる。
　また、本発明の風力発電機ユニットの集合設備は、次の何れかを特徴とする。

　（１１）上記（１）乃至（９）の風力発電機ユニットを大気に晒される領域に複数台を設置し、各前記風力発電機ユニットには当該ユニットの稼働状況を通信する無線ＬＡＮの送受信機を付設し、各風力発電機ユニットの発電出力の搬送先となる蓄電設備とを備えること。

　（１２）上記（１１）において、設置領域は建物の屋上、ベランダ、バルコニー、塀、橋上、道路の中央分離帯、道路脇、空き地、農地、公園、鉄道線路脇、海岸から選ばれること。

　（１３）上記（１１）において、前記風力発電機ユニットは前記風洞の開口部が前記正面部の向きが合うように縦及び/又は横に連接するように配置すること。
　尚、ブレ―ドの配置が縦型（垂直軸型）であれば箱型のユニットでは無く、発電機の回転軸を上方に延ばしてブレードを上方に増設する方法も有効である。

　尚、前記コイル部の前記各相は同数のコイル体で構成され、該複数コイル体はコイル体間の接続が直列、並列、直列及び並列の組み合わせから選択された切替によって３段以上の多段切替のパターンを有するコイル群Ａと、該コイル群Ａの構成コイル線材よりも細くて途中に接点が無い導線からなる細線Ｂとを備えて、コイル群Ａに細線Ｂを接続して用いる場合と、細線Ｂを用いずコイル群Ａのみを用いる場合との切り替えを行い、風速に従って自動的に３段以上の多段切替を行うことが極微風対応に特に有効である。

　また、前記コイル部は線材を前記各相ごとに複数ターン巻いたものを前記のコイル体とし、該コイル体を複数連ねたものを積層して円筒状に形成してコイル円筒体とし、前記コ イル体ごとに導線を引き出し、該導線をコイル切替基板に接続し、該コイル切替基板には スイッチ回路が設けられ、該スイッチ回路は前記コイル体の直列、並列、直列及び並列の組み合わせから選択された切替によって３段以上のパターンの多段切替を行うことが有効である。

　尚、前記コイル部の前記各相は同数のコイル体で構成され、該複数コイル体はコイル体間の接続が直列、並列、直列及び並列の組み合わせから選択された切替によって３段以上の多段切替のパターンを有するコイル群Ａと、該コイル群Ａの構成コイル線材よりも細くて途中に接点が無い導線からなる細線Ｂとを備えて、コイル群Ａに細線Ｂを接続して用いる場合と、細線Ｂを用いずコイル群Ａのみを用いる場合との切り替えを行い、風速に従って自動的に３段以上の多段切替を行うことが極微風対応に特に有効である。

　また、前記コイル部は線材を前記各相ごとに複数ターン巻いたものを前記のコイル体とし、該コイル体を複数連ねたものを積層して円筒状に形成してコイル円筒体とし、前記コ イル体ごとに導線を引き出し、該導線をコイル切替基板に接続し、該コイル切替基板には スイッチ回路が設けられ、該スイッチ回路は前記コイル体の直列、並列、直列及び並列の組み合わせから選択された切替によって３段以上のパターンの多段切替を行うことが有効である。

　本発明はコイル単位体間の接続を３段以上に切り替えることによって常にシステム効率（＝発電効率）が最大（つまり最良）のところを使えるという効果がある。これは発電機のコイル部を複数のコイル単位体で構成し、そのコイル単位体間の接続を３段以上に切り替えられるように構成したからこそ達成される。また、コイル部を円筒状に作れば前記コイルを配列し易く、形成し易くなる。加えて微風から強風までの幅広い風力に段階的に対応して発電効率の向上が図られ、微風においても充電でき、強風下では蓄電池の故障が回避できるという効果があり、ユニットの複数設置がし易くなる。更に、発電機とブレードが発電機の外周回転部に直結するならばユニットの薄型コンパクト化が図れる。

本発明の風力発電機ユニットの構造例の説明図である。 コアレス発電機とコアド発電機の比較特性図である。 ４コイルの接続パターンの説明図である。 ５コイルの接続パターンの説明図である。 ４コイル使用の場合のコイル切替による風力発電の特性図である。 ４コイル使用の場合の回路説明図である。 本発明の発電機に用いる中空の円筒型コイルの一実施形態の概略構造を説明する一部を省略した斜視図である。 円筒型コイルの周壁が軸方向から見たときに円筒型コイルの半径方向で３層の円筒状コイル体によって構成されることを説明する平面図である。 コイル単体を形成する線材の断面構造の一例を表す図である。 図９図示の複合コイルを巻回する際にこの複合コイル線とは独立した細線を一緒に巻回する線材配置例を示す図である。 コイル切替パターンの別の実施態様を示す説明図である。 コイル切替パターンの更に別の実施態様を示す説明図である。 図１２の実施態様で切替位置を変えた説明図である。 図１２の実施態様で切替位置を変えた説明図である。 図１２の実施態様で切替位置を変えた説明図である。 図１２のコイル切替を用いた発電機ユニットの特性図である。 コイル切替パターンの更に別の実施態様を示す説明図である。 コイル切替パターンの更に別の実施態様を示す説明図である。 コイル切替パターンの更に別の実施態様を示す説明図である。 図１９の実施態様で切替位置を変えた説明図である。 図１９の実施態様で切替位置を変えた説明図である。 図１９の実施態様で切替位置を変えた説明図である。 図１９の実施態様で切替位置を変えた説明図である。 コイル切替パターンの更に別の実施形態を示す説明図である。 コイル切替パターンの更に別の実施形態を示す説明図である。 図１９～図２３の各システムの風速～回転数の関係の特性図である。 図１９～図２３の各システムの風速～電流の関係の特性図である。 図１９～図２３の各システムの風速～システム効率の関係の特性図である。 本発明の風力発電機ユニットに用いる枠体例の構造図で、(a)は斜視図。（b）は上面図、（ｃ）は正面図、（ｄ）は側面図である。 本発明の風力発電機ユニットに用いるブレード例の構造図で、(a)は正面図、（ｂ）はブレード一枚の外観図である。 本発明の風力発電機ユニットに用いる発電機例を示し、(a)は正面図、（ｂ）は側面図、（c）は斜視図である。 本発明の風力発電機ユニットの外観を例示した斜視図で（a）は防護網の無い状態、（b）は防護網を付けた状態を示す。 本発明の風力発電機ユニットを横並びに連接した例の斜視図である。 本発明の風力発電機ユニットを塀などの土台上に横並びに配置する例の斜視図である。 本発明の風力発電機ユニットを縦方向に連接した例を示し、（ａ）は３ユニットの縦重ね、（ｂ）は６ユニットを２×３の配置で連接した斜視図である。 本発明の風力発電機ユニットを２本の鉄骨（Ｉ又はＨ鋼）の間に嵌め込む工法の例示の説明図である。 本発明の風力発電機ユニットを２本の鉄骨（Ｉ又はＨ鋼）の間に嵌め込む工法の例示の説明図である。 本発明の発電機ユニットの別の構成例の説明図である。 本発明の発電機ユニットの別の構成例の説明図である。 本発明の風力発電機ユニットを建物の屋上に配置した例を示し、（ａ）は屋上の角部に限定配置した例、（ｂ）はほぼ全周へ連接配置した例の斜視図である。 本発明の風力発電機ユニットを住宅に適用した例の斜視図である。 本発明の風力発電機ユニットを太陽光発電パネルの防風外壁に適用した例の斜視図である。 本発明の風力発電機ユニットを海岸に設置する場合の説明図である。 本発明の風力発電機ユニットを道路に設置する場合の説明図である。 本発明の風力発電機ユニットを橋上に設置する場合の説明図である。

　（風力発電機ユニットの装置構成例）
図１に本発明の風力発電機ユニット９の例を断面図混じりで説明する（外観としては図３２も参照）。

　この例は薄型の略直方体の箱型を呈し、その外観を形成する筐体６は正面部６１、背面部６２、頂部６４、底部６５及び左右の側面部（本図では略。図３２の符号６８参照）から構成されており、正面部６１と背面部６２には大きな開口があって両部６１～６２に貫通する風路６３となっている。この風路６３は流路の中央に向かって絞まるように集風壁６６が正面部６１と背面部６２の両方に形成されている（風レンズとも言う）。尚、頂部６４、底部６５、左右側面部は板状でも良いし、枠体のみ(骨組だけ)でも良い。

　風路６３には略中央に発電機３が位置し、発電機３のシャフト３６は筐体６に、正面部６１及び背面部６２夫々の開口出口に渡された梁部材（本図では図３２の符号６７参照）を介して固定されている。よってシャフト３６は動かない(非回転)。

　このシャフト３６を中心軸にして軸受３４を介して発電機３のケーシング３７が配置されており、ケーシング３７は回転する。発電機３内は円筒状のコイル体３１と、その円筒状コイル体３１とは間隙を持って挟むように配置されたアウターヨーク３２とインナーヨーク３３並びにアウターヨーク３２の円筒状コイル体３１側に接合されて円筒状コイル体３１と間隙を持って配置された永久磁石３５を備え、更に後述するコイル間接続切替基板７を円筒状コイル体３１のコイルと接続するようにして設けられている。円筒状コイル体３１はシャフト３６に固定されているので非回転であり、その円筒状コイル体３１に接続されたコイル間接続切替基板７も非回転であるが、アウターヨーク３２、インナーヨーク３３はケーシング３７と一体となり（特に本例ではアウターヨーク３２がケーシング３７を兼ねている）、従って回転する。永久磁石３５もアウターヨーク３２に接合されているので回転する。

　円筒状コイル体３１はヨークの回転に対して静止状態（非回転）を保つ為に片持ち状態で内部に固定されている。円筒状コイル体３１はロータの回転運動や磁力によって円形の捻じれ或いは位置ずれに対応できるように、円筒状コイル体３１の片面若しくは両面にコイル補強層（例えば特開２０２１－９７５４６号公報参照）が形成され、更に円筒状コイル体３１の開放端側にコイル補強リング（例えば特開２０２１－９７５６４号参照）が篏合されている。またコイル間接続切替基板７は円筒状コイル体３１に接続されているので非回転であり、それに切替回路の配線とスイッチ（１乃至複数個の半導体素子及び／又はリレー）が搭載されている。尚、図示省略するが内部発熱の冷却の為、直接及び／又は間接に冷媒による冷却を図ることも有効である。

　複数枚のブレード１はケーシング３７（本例ではアウターヨーク３２が兼ねる）に固定されているので、ブレード１と発電機３は一体で回転する。尚、本例は正面部６１と背面部６２がシンメトリーであり、ブレード１は正面部６１から流入する風にも背面部６２から流入する風にも対応するようにシンメトリーに作られている。ブレード１とケーシング３７（＝本例ではアウターヨーク３２）との固定は、ネジ止めでも溶接等の接合でも良いが、遠心力に耐える強固な手法にて固定する。

　更に正面部６１、背面部６２は防護網（本図では略。図３２の符号６９参照）で覆って良い。各面は板材をスケルトンにしても良い。
　尚、軸受３４等発電機３内部への異物侵入を防ぐべくオイルシールを併用するのが良い。

　発電機３には更に増速器やブレーキを付設しても良く、これらはコアレス型発電機３のインナーヨーク３３の内側のスペースに納めても良い。増速器はギアを使って回転数を増やし回転速度を速めるが、１ｋＷ近辺の発電機では増速器は不要であるし、本発明が対象とするコイル間接続切替式のコアレス発電機においては本来必要ない。ブレーキ装置は暴風や点検時等において回転の抑制や停止を担う。但しブレーキ装置も必須ではない。

　伝達された回転はコアレス型発電機３で電力に変換する。コアレス型発電機３の内容については別項で説明するが、本例で採用するコアレス型発電機３内の円筒状コイル体３１は円筒型に形成されている。発電された電力は、図示省略の出力ケーブル経由で、同じく図示省略の蓄電池（例えば鉛蓄電池）を経由し或いは直接に、出力ケーブルを通じて利用先へ配電される。尚、トランスを介して昇圧する場合も本発明に含むが、後述するように、コイル間接続切替基盤７を用いるならば、そのコイル間接続切替自体が電圧を上げるので、別途複雑な昇圧回路（ＤＣ―ＤＣコンバータ）を使わなくとも良い。

　更に、図示は省略しているが、当該発電機ユニットには監視用に通信機（送受信装置、アンテナ、センサ付き。図３４の符号１１参照）と風向・風速計が付設されており、監視用通信機は監視センタ（図略）で 風向・風速並びに蓄電池の状況と共に監視している。

　（コアレス型発電機の特徴）
　風力発電は風のエネルギーを風車で機械エネルギーに変換し、機械エネルギーを発電機で電気エネルギーに変換する。風車の最大変換効率は５９．３％（約６０％：ベッツの定理）だが、現状は理想的な風車で約４０％、通常の風車で約３０％程度になる。以上のことから風力発電システムの発電効率は、発電機の効率を８０～９０％とすれば、最良でも３０～３５％程度になる。一般に１ｋＷ発電機はブレード直径２ｍ、面積が３．１４ｍ ２ で効率は３１．８％に設計されている。ブレードタイプの周速比（風速とブレード先端 のスピードの比率）は一般に６（変換効率が高い）が選ばれ、定格時（風速１２ｍ／秒）のブレードの先端速度は２５９．２ｋｍ／時、回転数は６８８ｒｐｍとなっている。

　風のエネルギーは風速の３乗に比例する。風の圧力（風圧）は風速の２乗に比例し、風のエネルギーは風速×圧力＝風速の３乗になる。それ故、風速が小さいときはエネルギーが非常に小さく、反対に風速が大きくなれば急速にエネルギーが増加する。

　現状、一般に風力発電機の作動範囲は２．５ｍ／秒以下では、発電できるエネルギーよりも制御回路を動作させるエネルギーの方が大きくなり、１５ｍ／秒以上では出力が大き過ぎて発電機や制御回路を破壊してしまう可能性が高いからである。以上のことからわかるように風力発電システムは微風から強風まで効率よく利用できるようにすることが最大の課題になる。

　一般に、小型風力発電機には永久磁石同期発電機が採用されている。永久磁石使用の発電機にはコアドタイプが多く実用されているが、本発明者の検討ではコアレスタイプの方が適している。

　図２のグラフに示すように、誘起電圧定数が等しい発電機の場合、コアレス発電機の方がコアド発電機（本願では円筒状コイルを用いず、鉄心を備えた発電機のことを示す。従ってスロットレスタイプは円筒状コイルを用いているので除外）よりも高い電圧を得ることができ、その結果、同一出力を得る場合には出力電流を小さくすることができる。その理由は、コアレス発電機（スロットレス発電機も同様）のインダクタンスが小さく、インダクタンスによる電圧降下２πｆＬＩが小さくなる為である。そして円筒状コイル使用タイプ（円筒状コイルの内側に鉄心が無いタイプ。以下同じ）だからこそコギングレスになり、従って微風でも羽根が回転し易くなる。従来の風力発電機において微風対応を謳っているものは有ったとしても、肝心の発電機が円筒状コイル使用タイプで無ければコギングが有って微風では回転できなくなるから、実際には微風対応の効果は得難い。このように本発明は円筒状コイル使用タイプだからこそコギングレスであり、従って微風でも風力発電機の羽根は回転する。加えて円筒状コイル使用タイプだからこそインダクタンスが小さくなり、従って高速回転しても電圧降下が少ないので発電量が多くなる。これは風力発電機の小型軽量化に寄与する。

　更にコアレスタイプでは、別項で後述するコイル間接続切替原理との併用をし易い。そのコイル間接続切替のシステムを使用することで発電電圧の制御が可能になり、発電効率が向上して省エネルギー化を達成することができる。また、このシステムにより微風から強風時まで広範囲にわたって発電を充電可能になり充電効率が上がる。

　ところで、従来のコアレス発電機のコイルは、形状維持とコンパクト化を図って、通常は扁平である。これに対し本発明ではコイルを円筒状にし、従ってヨークやケーシングも円筒のものを用いるが、本発明者はこのヨークやケーシングにブレードを固定してホイールインモータのような構造にすることを発案した。従来の風力発電機は、ブレードと発電機が動力伝達軸で直列に連結したので、発電機ユニットとしては幅が広がってしまうが、本発明提案構造によって幅は圧縮されることになり、薄型のコアレス発電機ユニットが得られるのである。

　（複数コイルのコイル間接続の切替原理）
　本発明では、複数のコイル単位体を単に直列、並列の２通りに切り替えるのでなく、直列・並列混用によって切替パターンのバリエーションを３種以上にし、つまり複数段切替を行うことを特徴としている。これにより風力に応じて３段階以上の多段切替が可能になるから、微風から強風にも対応できるようになる。

　発電機のコイル部は複数相、一般的にはＵ、Ｖ、Ｗの３相で構成されている。その各相ごとに、本発明ではコイル単位体を３つ以上用いる。そしてコイル単位体の接続を全部直列、全部並列の他、直列と並列の混用（シリーズパラ）にすることで３段以上の多段切替を可能にできる。典型的なのは図３に示す各相４コイル単位体（この例では各コイル単位体は使用コイルが一つ。よって使用コイルは全部で４つ）使用であり、尚、５コイル単位体（この例では各コイル単位体は使用コイルが一つ。よって使用コイルは全部で５つ）のパターンを図４で示す。

　図３～図４でわかるようにコイル数を増やせば増やすほどコイル間接続の切替パターンのバリエーションは増えて風速への対応も細かくできるようになる。尚、全てのパターンを使う必要はなく、例えば図５に説明するように４コイル使用であれば全部直列（４Ｓ＝１Ｐ－４Ｓ。１パラ）、全部並列（４Ｐ＝４Ｐ－１Ｓ。４パラ）、２並列２つの直列（２Ｐ－２Ｓ。２パラ）の３パターンでも良い。その場合、全部直列なら風速の高速対応になり、全部並列なら風速の低速対応になり、２並列２つの直列なら中速対応になる。出力電圧３０Ｖから発電可能なシステムの場合、コイル切替無し（従前のもの）であれば風速３ｍから発電可能であるが、本例の３段切替を採用すれば風速０．７５ｍから発電可能になる。このことは 図５に纏めて図示している。図５は４コイル３段切り替えのグラフになる。３段切替を想定し、コイルは４つで、４Ｓ（１パラ）、２Ｐ－２Ｓ（２パラ）、４Ｐ（４パラ）の切替であり、表中の「低速」は風速の低い方で４Ｓ（１パラ）を使い、「中速」では２パラに切り替え、「高速」では４パラに切り替える（自動で切り替わるようにしている。尚、表１にて図５図示の場合の風速、回転数と出力電圧との関係を整理する。尚、コイル単位体間の切り換え（以下、コイル単位体間の切り換えをコイル切替と記す）は風速によって自動切替すれば良い。

　次に４コイルを例にしてコイル間接続切替基盤７を図６にて説明する。図６はスイッチ回路にリレーを使っているが勿論半導体回路や半導体素子とリレーとの組み合わせで対応するのが実用的である。

　本実施形態に係る円筒状コイル体３１（ステータコイルとも言う）は、１つの相に４つのコイル（合計１２個）を用いた３相１２極とされている。このような構成のコイル体では、各相を構成するコイル（第１コイルＵ１、第２コイルＵ２、３コイルＵ３、第４コイルＵ４、第１コイルＶ１、第２コイルＶ２、第３コイルＶ３、第４コイルＶ４、第１コイルＷ１、第２コイルＷ２、第３コイルＷ３、第４コイルＷ４）の間にそれぞれ、スイッチ回路部７２（７２Ｕ１、７２Ｕ２、７２Ｕ３、７２Ｖ１、７２Ｖ２、７２Ｖ３、７２Ｗ１、７２Ｗ２、７２Ｗ３）が設けられている。符号７１は制御部である。制御部７１とスイッチ回路７２は半導体回路化してコイル間接続切替基板７に搭載されているので各コイルとコイル間接続切替基板７間には図示省略の接続線が有る。

　スイッチ回路部７２の構成として、スイッチ回路部７２Ｕ１、７２Ｕ３、７２Ｖ１、７２Ｖ３、７２Ｗ１、７２Ｗ３については、入力側１ポート、出力側２ポートの切り替えスイッチが２つ（第１スイッチＡ、第２スイッチＢ）、並列に配置されて成る。第１スイッチＡの入力側ポートには、第１コイルＵ１、Ｖ１、Ｗ１が夫々接続され、第２スイッチＢの入力側ポートには、第１バイパス線が接続されている。第１スイッチＡの出力側ポートには、ａポート側に第２コイルＵ２、Ｖ２、Ｗ２が接続され、ｂポート側に第２バイパス線が接続されている。また、第２スイッチＢの出力側ポートには、ａポート側が開放（未接続）となっており、ｂポート側には、第２コイルＵ２、Ｖ２、Ｗ２からの分岐線が接続されている。

　一方、スイッチ回路部７２Ｕ２、７２Ｖ２、７２Ｗ２については、第２スイッチＢについて、入力ポートの数と出力ポートの数が第１スイッチＡと逆となるように構成されている。このような構成にすると、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれにおいて、スイッチ回路部７２Ｕ１～７２Ｗ３について、それぞれ第１スイッチＡと第２スイッチＢをａポートに設定することで、第１コイルＵ１～第４コイルＵ４、第１コイルＶ１～第４コイルＶ４、第１ コイルＷ１～第４コイルＷ４がそれぞれ直列接続されることとなる（この状態を１パラと称す）。

　また、１パラの状態から回路部７２Ｕ２、７２Ｖ２、７２Ｗ２の第１スイッチＡ と第２スイッチＢをｂポートに設定した場合、例えばＵ相では、第１コイルＵ１と第２コイルＵ２が直列、第３コイルＵ３と第４コイルＵ４が直列にそれぞれ接続され、第１コイルＵ１と第２コイルＵ２の組と、第３コイルＵ３と第４コイルＵ４の組がそれぞれ並列に接続されることとなる。なお、Ｖ相、Ｗ相においても各コイルが同様に接続される（この状態を２パラと称す）。

　更に、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれにおいて、回路部７２Ｕ１～７２Ｗ３について、それぞれ第１スイッチＡと第２スイッチＢをｂポートに設定した場合には、第１コイルＵ１～第４コイルＵ４、第１コイルＶ１～第４コイルＶ４、第１コイル Ｗ１～第４コイルＷ４がそれぞれ並列接続されることとなる（この状態を４パラと称す）。ただし勿論コイル数は３つ以上、切替段数は３段以上であればコイル数、段数の限定はしない。

　（コイルの巻き方）
　図７～図１０に円筒状コイル体３１をリッツ線で編んでいく例を示すが、勿論、この製作方法には限定されない。

　本発明の実施例に採用するコイル体は銅板エッチングに依らず線材を巻いたものである。但し、複数相から成り、各相が複数のコイル単位体で形成されること、しかしながらコイル体としての厚みを抑えながら形状維持を図ることを狙って例えば本発明者の提案した特許第６９８９２０４号や特許第６９４８７４８号に記載の手法でも良いし、勿論これらの巻き方には限定されないし、上記切替思想を踏襲すれば線材ではなくて銅板を用いるなども本発明態様の範疇になる。

　この実施形態の中空の円筒状コイル体３１は複数個のコイル単体３１２から形成されている。各コイル単体３１２は例えば１０ターンのように複数回巻回されている。そして複数個のコイル単体３１２が、円筒状コイル体３１の円周方向に連続的に配置されることで円筒状コイル体３１の周壁３１ａが形成されている。尚、コイル単体とは一つのコイルのことであり、これが１乃至複数でコイル単位体になり、更に纏まって円筒状コイル体になっている。

　周壁３１ａは、図８のように、内側円筒状コイル体３１３と、円筒状コイル体３１の半径方向で内側円筒状コイル体３１３の外側に配置される中間円筒状コイル体３１４と、円筒状コイル体３１１の半径方向で中間円筒状コイル体３１４の外側に配置される外側円筒状コイル体３１５とから構成されている。内側円筒状コイル体３１３、中間円筒状コイル体３１４、外側円筒状コイル体３１５は、いずれも、複数個のコイル単体３１２が円筒状コイル体３１の円周方向に連続的に配置されて形成されている。尚、符号３１１は円筒状コイル体３１の中心軸(仮想)である。円筒状コイル体３１３，３１４，３１５は夫々がＵ，Ｖ，Ｗ相を形成しても良いし、相互に混じる編み方になっていても良い。

　コイル単体３１２を形成する線材３１６は、周囲が絶縁処理されている導電性の線材である。図９にその一例を示す。図９図示の線材３１６は、所謂リッツ線を使用しており、外周をエナメル層３１８で覆われている銅細線３１７が複数本で束にされ、これがガラス繊維のような繊維状物３１９で覆われている。中空の円筒状コイル体３１の円筒状の周壁３１ａを形成するようにコイル単体３１２が円筒状コイル体３１の円周方向に連続的に配置される前のコイル単体３１２は、略平板状のコイル体である。以下コイルの巻き方は例えば前記の特許第６９８９２０４号や特許第６９４８７４８号の実施例記載の通りである。そしてこの巻き方で各相が形成されるが、内側円筒状コイル体３１３、中間円筒状コイル体３１４、外側円筒状コイル体３１５のそれぞれにおいて、コイル間接続切替の為に線材３１６が円筒状コイル体３１の円筒から引き出されてコイル間接続切替スイッチが介在する。このスイッチは半導体回路を用いて図１のコイル間接続切替基板７に固定される。

　図９を用いて説明した線材３１６の繊維状物３１９をこれがガラス繊維のような加熱で溶融する部材にしておき、内側円筒状コイル体３１３、中間円筒状コイル体３１４、外側円筒状コイル体３１５となる平板状のコイル体をそれぞれ複数個のコイル単体３１２を用いて上述したように準備し、更に、内側円筒状コイル体３１３の半径方向外側に中間円筒状コイル体３１４、中間円筒状コイル体３１４の半径方向外側に外側円筒状コイル体３１５を、内側円筒状コイル体３１３、中間円筒状コイル体３１４、外側円筒状コイル体３１５が互いに円筒状コイル体３１の円周方向に所定の変位量だけずらして配置し、その後に加熱し、繊維状物同士を熱融着させて周壁３１ａがコイル単体３１２の２層分相当の厚さで形成されている本実施形態の中空の円筒状コイル体３１にすることができる。

　ところで、後述の図１２～図１５や図２４及び図２５の実施態様のように発電機対応として、本発明者はスイッチを介さない１本の細線３２０を前述の線材３１６巻回時に一緒に巻くことを提案する（図１０参照 ）。図９の構成線材は実質的に太さ、特性が同規格であるが、その構成線材の内の１本相当（或いは若干当該細線よりも太目で外径よりも細い導線）を一緒に巻き回す。但し、この細線３２０は線材３１６とは異なり細線３２０間でのスイッチが無く、その役割については後述する。細線１本だけであり、厚さの誤差範囲として構造上は扱える。例えばターン数が夫々１０ターンとして細線３２０は線材３１６と一緒に巻いてもターン数は線材３１６と細線３２０で替えて良い。要するに微風時にだけ使う細線３２０を線材３１６作成時に一緒に巻いておけば製作工程が便利である。この項では通常のリッツ線に細線１本を併用する例を示したが、細線は１本とすることには限定されない（その事例は図２４及び図２５の事例で説明する）。　

　上述した構造にしていることから、複数個のコイル単体３１２が円筒状コイル体３１の円周方向に連続的に配置されて、内側円筒状コイル体３１３、中間円筒状コイル体３１４、外側円筒状コイル体３１５を形成し、更に、内側円筒状コイル体３１３の半径方向外側に中間円筒状コイル体３１４、中間円筒状コイル体３１４の半径方向外側に外側円筒状コイル体３１５が配置されて、円筒状コイル体３１が形成される際に、コイル単体３１２が、円筒状コイル体３１の半径方向で屈曲する大きさは、コイル単体３１２の厚さサイズを実質的に越えないことになる。

　そこで、コイル単体３１２を形成する線材３１６にかかるストレスを抑制することができる。また、円筒状コイル体３１の周壁３１ａの半径方向の厚さはコイル単体３１２の厚さサイズの２倍相当の大きさで、少なくとも３倍を越えないものになる。

　本実施形態の円筒状コイル体３１においては、周壁３１ａを構成している複数個のコイル単体３１２は、線材３１６が巻回軸の周りに巻回されている途中で線材３１６が巻回軸の半径方向外側に向かって屈曲する部分が存在しない構造になっている。このため、巻回軸の半径方向外側に向かってヘアピン型に膨出する膨出部を備えているコイル単体が使用される場合に比較すると、コイルの経路の観点から電気抵抗の増加を抑制できるものになる。そして、上述したように、円筒状コイル体３１の半径方向で屈曲する大きさを小さくすることができるので、線材３１６が受ける機械的ストレスも小さくすることができる。

　（コイル切替の更なる実施態様１）
　図１１にコイル切替の更なる手法を説明する。この例では各相コイルは６つ使用している。６つ使用すると全部直列を含めて次の１２パターンが選択できるがこの例ではその内の３パターンしか使わない。 　　

　１２パターンの内容は次の通り（Ｐは並列、Ｓは直列）。全部並列（６Ｐ）、５Ｐ＋１Ｓ、４Ｐ＋２Ｐ、４Ｐ＋２Ｓ、３Ｐ＋３Ｐ、３Ｐ＋２Ｐ＋１Ｓ、３Ｐ＋３Ｓ、２Ｐ＋２Ｐ ＋２Ｐ、２Ｐ＋２Ｐ＋２Ｓ、２Ｐ＋４Ｓ、２Ｐ＋３Ｓ（一つ不使用）、６Ｓ（全部直列）。

　図１１の例で使うのはこの内、全部直列（６Ｓ。１コイルが１Ｖ、１Ωとすれば６Ω、６Ｖ）と、２Ｐ＋２Ｐ＋２Ｐのパターン（同じく１．５Ω、３Ｖのパターン）、３Ｐ＋３Ｐ（同じく０．６６Ω、２Ｖ）の３通りで。全部並列のパターンも不使用とする。そうすると図１１のグラフに示すように３段階の最高回転数の幅が均等になる（尚、図の縦軸のｋは係数。たとえばｋが１００なら６ｋは６００回転）。このようにすると、１２パターン分の細かい切替には至らないのでスイッチ数は図１１右側の如く減らせて、しかも回転数の差が均等なので制御管理が容易になる。接点（スイッチ）が減らせるので原価低減になるだけでなく、切替最高回転数を１ｋ、２ｋ、３ｋの均等間隔にして３ｋを使用上限に設定しておけば６ｋまでの大きな差がなくなるので機械損傷を防げる（最高回転数の大きな急変が機械に与える負荷を防ぐことになる）。

　同様にして各相コイルを６つから１２個に倍増しても似たような間引き効果が得られる（図１８参照）。１２コイルはコイル数が増えるが、スイッチ（半導体）ではコイル全数分は要らず、かつ、１２コイルの直列時には大きなトルクが得られる。尚、図１８の例では６Ｐ２Ｓと１２Ｐを使わない（そもそも６Ｐ２Ｓと１２Ｐができない）ので４段切替の回転数は０～１、１～２、２～３、３～４の範囲で均等になる。１２コイル使用において、回転数は１２ｋ、６ｋ、４ｋ、３ｋ、２ｋ、１ｋ（ｋは係数）の選択できるが４ｋ以下なら間隔が全て１ｋで均等になり、つまり４ｋ、３ｋ、２ｋ、１ｋの４択で切り替えれば上記６コイルの例と同様に切り替えショックによる機械損傷は防げる。尚、６ｋと４ｋの間は若干幅が広がるが１２ｋと４ｋの間の幅よりは相当狭いので６ｋを採択してもショックによる機械損傷の抑制には効果があり、結果、１２ｋは不使用にして６ｋ、４ｋ、３ｋ、２ｋ、１ｋの選択をしても良い。勿論、使用コイル数の割にはスイッチ数の激減になる。

　（コイル切替の更なる実施態様２）
　図１２から図１５には図１１の実施回路（６コイルのスイッチ間引き）を使って（この６コイル区間をコイル群Ａと本例に限って表記する）、更に１本の細線で形成した部分（これをコイル群Ｂと本例に限って表記する）を直列に繋げるか遮断するかで微風から強風までの一層適した運用を図るものである。尚、コイル群Ａは図１０の線材３１６に相当して通常のコイル太さとするならば、コイル群Ｂは図１０の細線３２０に相当している（図１２～ 図１５では作図の都合上、コイル群ＡとＢの太さが同じになっているが、実際は図１０のように異なっている（細線３２０は相対的にもっと細くとも良い。尚、図１０では細線３２０が複数見えるがこれはコイルに何ターンも巻いて為の表現に過ぎず、現物は１本の線である。

　接続には前出の図１０の巻き方が有効であり、この図１０における細線３２０がこのコイル群Ｂを担うことになる。つまり、コイルＡ群（線材３１６で製作）にはコイル間スイッチが図１１に従って入るが、細線３２０には途中にスイッチが無く１本である。細線３２０区間のコイル群Ｂを使うか否かはスイッチＣの切替で行う。この図の例ではコイル群Ａの各コイルが１０ターン巻かれており、６コイルだから６０ターンになっており、コイルＢ群の細線も６０ターンにし、図１０のようにコイル群Ａの線材３１６とコイル群Ｂの細線３２０は同じターン数なら一緒に巻いた方が作業効率は良い。

　図１２の接続パターンではコイル群Ａは全部直列状態で更にコイル群Ｂと接続されている。このコイル群Ｂ区間は細線なので抵抗が高くなるが、微風（例えば目安として風速４ ｍ／ｓ以下）のときに有効である。この細線区間（コイル群Ｂ）の使用は抵抗が上がるが４ｍ／ｓのように超微風下であり、取り出せる電流は少ないから抵抗上昇の問題は気にしなくて良い。それよりも極微風（０を超えて４ｍ／ｓ以下）区間で少ない風量をしっかりキャッチして発電し充電することを重視したのが本態様である。

　図１３～図１５はいずれもコイル群Ａとコイル群Ｂとの接続が切り離されていてコイル群Ｂは不使用になっている。図１３の接続パターンではコイル群Ａが全部直列であり、図１４の接続パターンではコイルＡ群が２Ｐ３Ｓを使用し、図１５ではコイルＡ群が２Ｓ３Ｐを使用している。
　以上は共通線で繋がっているＵ相、Ｖ層、Ｗ相とも同じである。

　図１６にこの実施態様を用いた場合の風力発電特性図を説明する。一般的には風速が０から強風になるにつれ発電電圧は上昇する。ところで本例では発電電圧が所定になるとコイル接続切替によって発電電圧が下がる。この特性はパターン（１）、（２）、（３）、（４）と順次変わっていく。つまり微風のときはパターン（１）の細線接続利用を使うのはこの態様の特徴になる、コイル切替するごとに電圧は図示の如く下がる。また、図１６が示す通りコイル間接続切替を行わない場合（風速と発電電圧の関係が比例）に対して風速８ｍ/ｓ以下の微風でも接続パターン（１）では発電電圧が８Ｖ以上を確保できている。つまり電圧上昇によって出力が取り出し易くなっており、蓄電もし易くなり、とりわけ鉛蓄電池の使用には重要なエネルギー獲得手法になる。

　実は本例でも用いる鉛蓄電池は通常８Ｖ～１６Ｖが充電電圧である。８Ｖ以下では受電ができないし１６Ｖ以上では電池が壊れてしまう。そこで１６Ｖ以下で強風時にも対応できるようにコイル切替を行う。ところが一方、日常では微風状態の時間帯が最も多くなり、特に４ｍ／ｓ以上の風が吹く時間は年間通じて一般的に少ない。従って４ｍ／ｓ以下の微風（超微風）で使えなくなるのは自然エネルギー源としては非常に勿体ない。例えば日本においては一日の大半がこの超微風（極微風）状態にある。２．５ｍ／ｓ以下の状況も多い。本実施態様ではパターン（１）の採用によって超微風でもエネルギー源をキャッチできるようにしたことが第二の重要な特徴である。尚、この超微風でも逃さず風を捉えて 電力変換するには発電機構造特にブレードも小型・軽量にし、動力伝達軸も機械的抵抗を減らして滑らかに回動するよう軸自体の軽量化を図り、ベアリングも配置する。その風力発電機の小型・軽量化には、まさに鉄心の存在しないコアレス型が最適である。

　ところで本例ではコイル群Ａとコイル群Ｂを繋げるパターンが直列に限定されているが、変形例として図１７に示すようなコイルＡ群とコイルＢ群の並列もある。この図の例ではコイル群Ａの各コイルが１０ターン巻かれており、６コイルだから６０ターンになって おり、コイルＢ群の細線も６０ターンにしているが更にコイル群Ｂのターン数を増やして（例えば２００ターンとか）にしても良い。並列を可能にする為、本図ではスイッチＤを加えており、スイッチＣによるコイル群Ａとコイル群Ｂとの接続を切断した際、スイッチＤを接続すればコイル群Ａとコイル群Ｂが並列関係になる。コイル群Ｂ区間は細線なので抵抗が高くなり、この細線区間(コイル群Ｂ)の使用は抵抗が上がるが、４ｍ／ｓのように極微風下であり、取り出せる電流は少ないから抵抗上昇の問題は気にしなくて良い。よって本例も超微風に適する。このようにコイルの多数段切替に加えて当該コイル線材よりも細い線によるスイッチレスコイルを併用することは超微風に適する。ところで、この実施態様におけるコイル間の各スイッチ（コイル群Ａの範囲内の各スイッチとスイッチＣとの両者）は風速ゼロ乃至極微風にて半導体スイッチに依らず機械式リレースイッチを用いても良い。つまり半導体スイッチと機械式リレースイッチの併用（選択切替）にする。これは実質無風状態においては半導体スイッチ駆動の為のバッテリー消費を防ぐ意図である。風速上昇に伴って電流が発生すれば電流検知できるので機械式リレースイッチから半導体スイッチに切り替えれば良い。つまり機械式リレースイッチは発電電圧が発生したときにＯＦＦになる。

　（コイル切替の更なる実施態様３）
　図１８に各相１２コイルを使用した場合の別のスイッチ配置例につき説明する。図示の通りスイッチは１６個用いる。

　図中のグラフが示すように最高回転数１に相当するのは１２Ｓとなり、２に相当するのは２Ｐ６Ｓとなり、３に相当するのは３Ｐ４Ｓとなり、４に相当するのは４Ｐ３Ｓとなり、６に相当するのは６Ｐ２Ｓとなる。１２Ｓにするには図中のスイッチのf、g、h、i、jをつなげて他のスイッチを切る。２Ｐ６Ｓにするにはスイッチc、f、g、i、j、k、nをつなげて他のスイッチを切る。３Ｐ４Ｓはb、d、f、h、k、m、oをつなげて他を切る。４Ｐ３Ｓはa、c、e、g、i、k、l、n、pをつなげて他を切る。この図の例では２Ｓ６Ｐと１２Ｐはできないが、発電機のニーズに応じてはこれらのスイッチ選択を使用する必要が無い。

　（コイル切替の更なる実施態様４）
　使用するコイルを各相２４個（コイルの材質、長さ、抵抗値が同じコイルを１単位分のコイルとすれば、２４単位分のコイルを各相ごとに使うということ。本願説明において共通の考え方になる）とした場合の実施態様を図１９～図２３に示す。

　この例は１段から５段の5段切替を示している。図１９は１段目（以下、第１システムと呼ぶ）を示し。コイル一つが１Ｖとして２０Ｖになる。図２０（以下、第２システムと呼ぶ）は２段目で同じく１６Ｖ、図２１（以下、第３システムと呼ぶ）は３段で１２Ｖ、図２２（以下、大４システムと呼ぶ）は４段で８Ｖ、図２３は５段（以下、第5システムと呼ぶ）で４Ｖになる。

　回転数当たりの発電電圧が大きいから（誘起電圧定数が大きいから）コイル数を増やすほど低回転数でも発電できる。つまり極微風でも発電できることになる。

　本態様では各図の左端のコイル接続に見られるように直列４コイルの区間に並列に直列４コイルを設けている（この並列追加部分を本願では補コイルと呼ぶ）。このような配置をすればコイル数を増やしてもスイッチ数は増やさなくて済む。尚、この第１～第５システムによる５段切替につき、切り換えのタイミングと効果は別項にて後述する（（コイル間接続切替のタイミングと特性）の項参照）。

　（コイル切替の更なる実施態様５）
　図２４～２５には２４コイル使用の別の態様を示す。この例では同材質、同じ長さのコイルでありながら太いもの（通常使用するもの。本願明細書では太コイルと示す）と、細いもの（本明細書では細コイルと示す）の２種類を用いている。この太さの違いは例えばリッツ線利用なら使用細線の本数で調整できる。
　図２４の例では細コイルは１４個が直列に繋がり、太コイルは５個ずつ直列に繋がったものが２組有り、太コイルのつながりと細コイルのつながりの間にスイッチＡが設けられ、２組の太コイル群には図示のようにもスイッチＢが３つ設けられ、更に細スイッチを通らない線上のスイッチＣが設けられている。細コイルはこの例では１４束のリッツ線を１４コイル分、直列に繋げたもので、設定した風速未満(極微風)においてスイッチＣが閉じてスイッチＡが繋がることにより太コイルと直列に接続し、この設定風速以上ではスイッチＡは遮断されてスイッチＣが入り不使用状態になる。つまり所定風速以上では極微風対応の細コイルは使わない。一方、太コイルはこの例では４０束のリッツ線を５コイル分２ユニット用意していてユニット間で直列、並列、直並列の切り替えを可能にしており、極微風でなければ細コイル不使用状態でも複数段階のコイル切替が可能になっている。尚、所定風速未満（極微風）においては細コイル側と直列に接続されると共に太コイルのユニット間も直列となり、つまり全２４コイルが直列になる。尚、本例ではスイッチＡ、Ｃには防水タイプのリレーを使用し、スイッチＢには半導体素子を用いている。

　図２５も全２４コイル使用で太コイルと細コイルの併用をしているが、細コイルが１２個分、太コイルが６コイル分・２ユニットの計１２個分という点が異なっている。スイッチＡ～Ｃは図２５と同じで、警報ランプ７０は細コイル使用状態に応じ、例えば所定風速未満であったり、スイッチＡが遮断されているときに点灯する。

　この例も図２４の例と同様に細コイルと太コイルの合計が２４なので１コイルを１Ｖとすれば２４コイル直列で２４Ｖの発電になる。細コイルを遮断し（不使用とし）太コイルだけを全直列にすれば１２Ｖ発電になり、細コイルを不使用にして太コイルの２ユニットを並列にすれば６Ｖになる。本例においても太コイルは細線径０．１５ｍｍの細線を４０束にしたリッツ線でできたものを使っており、細コイルは同線径の細線を１４束にしたリッツ線を用いている。

　細コイルと太コイルの併用は上記例に限らず、極微風に際してのみ細コイルを用い、それ以外は太コイル群内の接続切替で複数段切替を行って良い。

　（コイル間接続切替のタイミングと特性）
　図１９～図２３に例示した５段切替を例にして本発明の効果を検証する。この検証実験では正面が正方形枠体の１辺が１．５ｍ、幅３０ｃｍのものにブレードの角度２０°としたブレードを９枚設け、使用コイル数を各相１２とし（図１９～図２３の図示ではコイル数が２４であるので、このコイル２つ分を一つとしたものがこの実験に用いたコイル体になる。従って、補コイルは図１９～図２３では各相４つのコイルだが本検証では各相２コイルになる。故に第１システムは１０コイルの直列、第２システムは８コイルの直列、第３システムは６コイルの直列、第４システムは４コイルの直列、第５システムは２コイルの直列になって、５段切替が行える。

　１２Ｖ鉛バッテリーによる充電試験の結果は各システムにつき下表の通りになった。

　以上のデータをグラフ化すると風速～回転数の関係は図２６のようになり、風速～電流の関係は図２７のようになり、風速～システム効率（＝発電効率）の関係は図２８のようになる。図２７と図２８で第5システムが現れていないのは微風下における検証把握だからで、風速が１０ｍ/sを超えねば図に現れない為、省略しているに過ぎない。

　図２８において、各風速におけるシステム効率が大きい方の段数システムに自動切替する。よって第１システムが第２システムを上回っている風速区間では第１システムを適用し、同じく第２システムが第３システムを上回っている風速区間では第２システムを、以下順次第３システム、第４システムに切り替えていく。こうして本発明の切替方法はブレードの能力を最大限に引き出している。尚、切り替えは自動の方が手動よりも実用的であるが、本発明は手動切り替えも該当する。また、切替はチャタリング防止の為に±０．５m/s程度のヒステリシスを設けるのが良い。すなわち、チャタリング防止の為に、風速が増す方向ではシステム切り換えは少し（例えば＋５m/s）過ぎた風速で切り替え、逆に風速が下がる方向ではシステム切り換えは少し（例えば－５m/s）下がった風速にて切り替えることを推奨する。

　本発明者は各パラメータを検討してコイル接続状況毎にシステム効率が変わることを発見した。そしてコイル間切替装置の切り替えタイミングが、発電機のシステム効率の最大値となるようにすることがベストであることを発明した。風力発電機のシステム効率は下記式で求めることができるが、本願発明に紹介するコイル間切替装置はシステム効率の異なる３段以上の切り換えが可能となり、このシステム効率の切り換えで常にベストなシステム効率を提供できるようになる。

　システム効率は次式で得られる。

　電流値で切り替える手順としては、例えば、各システムごとの風速変化に対するシステム効率のデータを取得しておけば各システムのシステム効率が最高になる電流値がわかるので、システム効率が最高になる様に電流値を検出し電流値で切り替えれば良い。更にチャタリングを防止するため切り替える電流値に最適なヒステリシスを設けて切り替えることが望ましい。電流値は発電機の出力側、つまり発電機と蓄電池の間に設ける。

　（風力発電ユニットの組み立て例）
　図２９に風力発電ユニットの枠体の構成例を示す。（ａ）は斜視図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は正面図、（ｄ）は側面図になる。本例では外観が薄型の直方体になるようにフレーム８１で構成し正面及び背面については四隅に三角板材８０を設けて枠体を補強し、正面及び背面は縦横に梁８２を設け、その梁同士のクロスする中央部に後述の発電機シャフトが突き抜けるようにしている。この例では集風部を設けず構造簡単化を図っている。従って本例では集風部（風レンズ）が無いく、ユニットの各面が板材ではなくて骨組みの状態である。

　図３０はブレード部を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）はブレード１枚の拡大図である。中央はシャフト３６の位置、符号１１０はブレード１の回転範囲の仮想線、符号１１１は補強リブ、符号１１２、１１３は風向誘導部兼補強リブでブレード１端部を折り曲げた部分、符号１１４は発電機ユニットへの取り付け部である。本例ではブレード１が９枚あるが、寸法、形状、枚数はこれに拘らない。

　図３１は発電機部分を示し、（ａ）正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は斜視図になる。他の組み立て構造は図1の通りである。

　（本発明の風力発電機ユニットの設置例）
　以上説明したように本発明によれば風力発電機ユニットの小型・軽量化に加えてブレードと発電機が一体化したホイールイン式となり薄型化が図れる。しかも極微風でも蓄電できるので設置場所が格段に広がる。

　図３２は図１の構造を用いて以下の各設置例向けに製作した風力発電機ユニット９の外観を示し、（ａ）は防護網無しの状態、（ｂ）は防護網付きの状態の斜視図である。各符号は図１の説明に従うので省略する。図１に記載の無い符号６７は発電機３のシャフトを筐体６に固定する為の梁であり、同じく符号６９は防護網である。この図が示すように本発明の風力発電機ユニットは薄型の直方体（角に丸みはあるが）である。また、各風力発電機ユニットは発生電力を蓄える蓄電池（例えば鉛蓄電池）に導かれる。尚、以下の各設置例では防護網６９の記載が無いが各図の煩雑化を防ぐためでありいずれも防護網６９は前面部及び背面部の夫々に付設されている。

　（１）横並べ配置の例
　図３３に風力発電機ユニット９を横並べに３個連ねる例を示す。勿論設置の数に拘りはない。筐体は枠体だけでも良いし正面部、背面部を平板或いは湾曲の板状にして頂部、底部、両側面部は板が無くて骨だけでも良い。風洞を除く正・背面のほぼ全面は風レンズ(集風部６６。図１、図３２参照)を形成するのが好ましい。また本例では図１に示したように正・背面どちらからの風も受けるようにしている。更に構成する各板材をスケルトンにするならば素通しで前方の景色を見ることが可能になる。この横並べ式は外壁に配置する若しくは外壁の一部を置き換えることで防風発電機として活用できる。尚、各風力発電機ユニットの高さは１～２ｍとし、幅はその高さの半分以下であれば塀、フェンス、垣根、柵(例えば鉄道柵)等の置き換えにも使えるし、遠方を見るときの視界を確保できる。各風力発電機ユニット９の寸法は縦及び横が１５０ｃｍ、幅が１５ｃｍとなっている。以下の各設置例に用いている風力発電機ユニット９の寸法にも共通している。

　（２）土台に乗せて配置する例
　図３４には風力発電機ユニット９を設置する土台１０に横並び配置する例を示す。勿論、風力発電機ユニット９の個数は増やして良い。土台１０の高さは例えば１０ｃｍ、厚さは風力発電機ユニット９にほぼ合わせている。符号１１は各風力発電機ユニット９に付設されて各ユニットの稼働状況を通信する無線ＬＡＮの送受信機である。尚、各無線ＬＡＮ装置１１から得られるデータは蓄電池の状況と共に設置エリアにおいて監視できる。またこの例も他の例と同様にブレード１は両側からの風に対してシンメトリーであり、勿論正面部からも背面部からも風が流入する構造である。

　（３）縦積み配置の例
　図３５は縦積みの例で(ａ)は３つを縦積みに、（ｂ）は６つを２×３の縦積みにしている。このように２段以上積み重ねることも可能である。符号１２はこの縦積みの転倒防止用に支持機能のあるワイヤになるが、勿論転倒防止用指示手段は限定されない。

　（４）薄型発電機ユニットを2本のレール間に嵌め込む設置例
　図３６には薄型にした発電機ユニットの例を示し、図３７にはそれをレール間に嵌め込んだ例を示す。この例ではユニットの幅は４０ｃｍ、正面は略四角形で１辺が２ｍ、梁９４にてコアレス型発電機８５とブレード８６が孔部９２内に納まるように配置されており、孔部９２の中央直径が１．３６ｍでその中央部の最狭孔部に向けて外枠側から次第に傾斜する集風部８７にて風レンズを形成している。尚、符号８８は動力伝達軸である。この発電機８５自体は小型・軽量化に対応して軸方向の長さを縮めることができる。

　この薄型発電機ユニット９５を道路側の傾斜面などの空間形成エリアに設置
する例を図３７に示す。道路９９の脇には山や台地、造成地の傾斜面、或いは空き地である箇所が多い。その場所に凹部９７を形成したガイドレール９６を地面に２本、互いに平行に差し込み、その凹部９７間に薄型発電機ユニット９５の両側面凸部９８をブレード面が道路側（空間側）に向くように篏合させて設置する。これで土地の有効活用が図れる。尚、発電機ユニット９５の背面から風を受けても良いし、前面から受けても良い。

　（５）いわゆるプロペラ型の設置例
　図３８に本発明の発電ユニットをいわゆるプロペラ型に用いた発電設備の他の設置例を示す。風の当たるエリア１３２に配置されてブレード１２０の後部にナセル１２３たるケーシング相当部が配置されている。ナセル１２３内に位置する発電機はブレード１２０に動力伝達軸１２９で繋がっている。ブレード１２０は風が当たると回転し、動力伝達軸１２９を通じてナセル１２３内に回転力が伝わる。ナセル１２３内には増速器を設けても良いが本発明装置では必須ではない。伝達された回転はコアレス型発電機１２７で電力に変換する。コアレス型発電機１２７内のコイルは円筒型に形成され（符号１２６）、内部の空間に前記の増速器やブレーキ装置１２８を納めることができる（図では説明簡単化の為、これら機器を直列に順次配列している）。ブレーキ装置１２８は暴風や点検時等において回転の抑制や停止を担う。但しブレーキ装置１２８は必須ではない。

　本例においては発電ユニットが支柱１３１上に設置されている。支柱１３１内は空洞になっていてケーブル類が通る。そしてコアレス型発電機１２７で変換された電気は支柱１３１内を出力ケーブル１３０経由で鉛蓄電池１３３を経由し或いは直接に出力ケーブル１３４を通じて利用先へ配電される。尚、トランスを介して昇圧する場合も本発明に含む。

　コアレス型発電機１２７の円筒状コイル体１２６には同軸上にコイル接続切替基板１２５が付設されていて、このコイル間接続切替基板１２５と円筒状コイル体１２６とは接続線１２４で接続されている。ナセル１２３には上面に監視用通信機１２２（送受信装置。アンテナ、センサ付き）と風向・ 風速計１２１が付設されており、監視用通信機１２２は地上（屋内）の監視センタ（図略）で 監視し、風向・風速計１２１の測定風速はブレーキ装置１２８及びコイル間接続切替基板１２５にも伝達される配線（図略）にしている。

　（６）いわゆる縦型式の設置例
　本発明は上記の各設置例に見る水平軸タイプ（プロペラ式、オランダ式、多翼式等。水平軸を中心にブレードが回転するタイプ）でも垂直軸タイプ（サポニウス式、ダリウス式等、垂直軸を中心にブレードが回転するタイプ）のいずれにも適用できる。

　図３９に縦型（ダリウス型）にブレード１３５を配置した事例を示す。図３８と同じ符号は同じ部品を意味する。この例では発電機が支柱１３１内に納まっており風路に晒されていない。そして動力伝達軸１２９が発電機１２６の上方から上空に向けて飛び出した位置に複数枚のブレード１３５が例えば縦長になって風を横から受けて回転するように設けられている。若しユニットを増やしたければこのブレード１３５を高さ方向に追加設置することも可能である。

　（７）ビルの屋上に設置する例
　図４０はビル１３の屋上に設置する例で（ａ）は屋上の角部に配置する例、（ｂ）は屋上のほぼ全周に連設する例を示す。（ａ）のように角部に配置するときは図示のように２ユニットを９０度配置することによって全方位の風を受けることができる。また（ｂ）のようにすれば屋上のフェンス(転落防止柵)の代わりにもなる。

　（８）戸建て住宅へ設置する例
　図４１は戸建て住宅１４への適用例であり、風力発電機ユニット９は塀の上に配列されて塀の一部を構成しているが、他にベランダにも設置されている。このようにベランダやバルコニーに設置することも有効である。尚、符号１５はソーラーパネルであり、太陽の出ている間は太陽エネルギーを蓄電し、風の吹く間は風力エネルギーを蓄電するが、勿論両エネルギー同時蓄電にも対応可能である。

　（９）ソーラーパネルの防風外壁の利用例
　図４２はソーラーパネル１５の防風外壁への利用例であり、このようにソーラーパネル１５の群設置エリアの防風対策を兼ねてエリアを囲うように１～３段に連設することが有効である。

　（１０）海岸への適用例
　図４３に海岸１６への適用例を示し、海岸１６においては防風林代わりになるが、更に道路１７の海岸線の防風外壁にもなる。符号５は海岸地域に植えられた樹木であり、符号２は海からの風を示している。尚、砂は風洞に入っても通り過ぎる。用いるコアレス発電機の主軸にはオイルシールをして砂の混入を防いでいる。

　（１１）道路への適用
　図４４に中央分離帯１８に設置する例を示す。図が示すように風力発電機ユニット９には自然風２の他に自動車走行で生じる風４も入ってくる。符号１９は蓄電設備であり、符号２０は充電ステーションであり、風力発電機ユニット９から得られる電力を蓄電設備１９に蓄えて利用できる。尚、これらの蓄電や充電にはワイヤレス電力伝送を用いても良い。

　ワイヤレス電力伝送の設備として、例えば電力ステーション２０側に電源ユニット（電源を高周波に変換し、入力信号を受けて給電ヘッドに高周波を供給する装置）とその電源ユニットに接続された給電ヘッド（電磁結合方式により非接触で受電ヘッドに電力を伝送し、受電ヘッド（車等移動体側）からの各種信号を受信して電源ユニットに伝送する装置）を備え、移動体側に受電ヘッド（給電ヘッドからの電力を受電し、充電ユニットに電源を供給する装置で、充電ユニットから出力された各種信号を給電ヘッドに非接触で伝送する装置）とその受電ヘッドに接続された充電ユニット（移動体のバッテリーへの充電を行い、バッテリーの電圧をモニタリングしてその結果を受電ヘッド及びユニットに接続された外部制御機器に出力する装置）を備える。

　（１２）橋への適用
　図４５に橋への適用例を示す。橋のタイプには限定されないが一般に橋のある場所は、風２の通り道になるので、本発明の風力発電機ユニット９設置に適している。この例では橋脚２１上にかかっている主桁２２の上面に床版２３が敷かれて道路１７を形成し、その床版２３の両脇に横並びで風力発電機ユニット９が連設置されている。尚、符号２４はタワー、符号２５はワイヤでいずれも橋の構造物である。

　（総括）
　以上の各例において用いた薄型風力発電機ユニットの高さは１．５ｍで設定しているがこの程度であれば大方の利用者の前方の視界を妨げない(スケルトンならば尚更)し、例えば日本の建築基準法で規定されるフェンス高さ（１．１ｍ）超にも合致している。

　上記各例では昇圧回路も増速手段も使っていない。
　上記各設置例のようにコイル間接続切替機能付きの風力発電機ユニットを同一エリアに複数設置することにより風力発電機ユニット毎の風の強さが異なっていても群としての発電電圧を揃えることができる。　

　尚、本発明は極数切り替えではなく発電機の誘起電圧定数を切り替えるので、切り替え後も回転数が一定であれば出力電圧は変化するが周波数は変化しない。回転数が一定であれば出力電圧は出力電流により変化するが、周波数は出力電流によって変化しない。よって、周波数を検出することで発電機の回転数を知ることが可能である。ところでコアレスタイプの発電機は知られているがコイル切替を想定していなかった。その理由はコアレスタイプの発電機の大容量化は非常に難しく、大容量のコアレス発電機が開発されるまではコアレス発電機の端子切り替えの発想は生じなかったからである。

　コアドモータは微風対応を謳っていてもコギングがあるので微風領域では回転しない。それ故微風対応の為にモータ等の増速手段を併用することさえある（一般的に増速手段がある）。ところで一般に、風速の弱さに比例して電圧が低くなり、電圧が低いほど出力電流の取り出しがしにくい。そして蓄電池に蓄電できない（例えば鉛蓄電池は８Ｖ以下では蓄電できない）。コアレスモータならばコギングレスだから増速手段は不要だが、微風領域の電圧が低ければ電力を取り出しにくいことになるので昇圧回路が不可欠になってしまう。そこで発電機を構成するコイルを複数のコイル単位体で構成して、そのコイル単位体間の接続を直列、並列、直並列等の３段以上に切り替えることによって微風領域でも電圧を高める切替を可能にして微風領域でも電力取り出しができるようにしたのが本発明になる。コアドモータにおいてコイル接続切替をすることは知られているがコアドモータは増速手段を併用しなければコイル接続切替をしても微風領域に現実的には対応できないし、コアレスモータにおいて微風領域に対応できても昇圧回路の力を借りなければ発電電力を取り出せなかったのである。

１‥‥ブレード、２‥‥風、３‥‥発電機、４‥‥風、５‥‥樹木、６‥‥筐体、７‥‥コイル間接続切替基板、９‥‥風力発電機ユニット、１０‥‥土台、１１‥‥無線ＬＡＮ装置、１２‥‥ワイヤ、１３‥‥ビル、１４‥‥住宅、１５‥‥ソーラーパネル、１６‥‥海岸、１７‥‥道路、１８‥‥中央分離帯、１９‥‥蓄電設備、２０‥‥充電ステーション、２１‥‥橋脚、２２‥‥主桁、２３‥‥床版、２４‥‥タワー、２５‥‥ワイヤ、３１‥‥円筒状コイル体、３１a‥‥周壁、３２‥‥アウターヨーク、３３‥‥インナーヨーク、３４‥‥軸受、３５‥‥永久磁石、３６‥‥シャフト、３７‥‥ケーシング、６１‥‥正面部、２‥‥背面部、６３‥‥風路、６４‥‥頂部、６５‥‥底部、６６‥‥集風部、６７‥‥梁、６８‥‥側面部、６９‥‥防護網、７１‥‥制御部、７２‥‥スイッチ回路部、８０……三角板材、８１……フレーム、８２……梁、３１１‥‥円筒状コイル体の仮想軸、３１２‥‥コイル単体、３１３‥‥内側円筒状コイル体、３１４‥‥中間円筒状コイル体、３１５‥‥外側円筒状コイル体、３１６‥‥線材、３１７‥‥銅細線、３１８‥‥エナメル層、３１９‥‥繊維状物、Ａ、Ｂ‥‥コイル群、Ｃ、Ｄ‥‥スイッチ。

Claims (9)

1. 　風を受けて回転するブレードと、該ブレードを支持する回転軸を備えた発電機、該発電機を内蔵する構造物とを備え、
   　前記発電機は、少なくとも、非回転となる円筒状コイル体と、該円筒状コイル体に間隙を持って円筒状に対向配置されたインナーヨークと、該インナーヨークの前記円筒状コイル体対向面に配置された永久磁石を備え、
   　前記円筒状コイル体は複数相の各相について3つ以上のコイル単位体から成り、
   更に、該コイル単位体間の接続パターンが風速に伴う前記ブレードの回転力の違いによって直列、並列、直列及び並列の組み合わせから選択される３段以上に切替えるコイル間切替装置を備えてなることを特徴とする風力発電機ユニット。
2. 　前記コイル間切替装置は、風速に対するシステム効率が下記式で求められる最大値となるように切り替えることを特徴とする請求項１の風力発電機ユニット。
   

   
3. 　風路と、該風路上に位置する発電機と、前記風路上でかつ前記発電機の外周回転部に取り付けられるブレードと、前記発電機並びに前記ブレードを納める枠体とを備え、
   　前記風路は前記枠体の正面部及び背面部を貫通することによって、前記発電機及び前記ブレードは該正面部と背面部を結ぶ貫通路上に位置し、
   　前記発電機はシャフトが前記枠体に固定されていて、少なくとも、非回転となる円筒状コイル体と、該円筒状コイル体に間隙をもって円筒状に対向配置されたインナーヨークと、該インナーヨークの前記円筒状コイル体対向面に配置された永久磁石とを備え、
   　前記円筒状コイル体は複数相の各相について３つ以上のコイル単位体から成り、
   　更に、該コイル単位体間の接続パターンが風速に伴う前記ブレードの回転力の違いによって直列、並列、直列及び並列の組み合わせから選択されて３段以上に切替るコイル間切替装置を備えてなることを特徴とする風力発電機ユニット。
4. 　前記コイル間切替装置は、風速に対するシステム効率が下記式で求められる最大値となるように切り替えることを特徴とする請求項３の風力発電機ユニット。
   

   
5. 　請求項３又は４において、前記枠体は６面共に長方形で、前記正面部と前記背面部との距離は前記正面部及び背面部の各辺よりも短くすることにより、外観薄型の箱体であることを特徴とする風力発電機ユニット。
6. 　請求項３又は４において、前記正面部と背面部の高さが１～２ｍであり、前記各周面の幅が前記正面部の高さの半分以下であることを特徴とする風力発電機ユニット。
7. 　請求項３又は４において、前記インナーヨークとは別に前記円筒状コイル体の外側に位置するアウターヨークを備え、前記ブレードが固定される前記発電機の外周回転部（周面）は発電機のケーシングを形成しており、該ケーシングは前記アウターヨークと一体化若しくは兼用していることを特徴とする風力発電機ユニット。
8. 　請求項１乃至７の風力発電機ユニットを大気に晒される領域に複数台を設置し、各前記風力発電機ユニットには当該ユニットの稼働状況を通信する無線ＬＡＮの送受 信機を付設し、各風力発電機ユニットの発電出力の搬送先となる蓄電設備とを備えることを特徴とする風力発電機ユニットの集合設備。
9. 　請求項８において、設置領域は建物の屋上、ベランダ、バルコニー、塀、橋上、道路の中央分離帯、道路脇、空き地、農地、公園、鉄道線路脇、海岸から選ばれることを特徴とする風力発電機ユニットの集合設備。

Images