(57)【要約】【課題】可変磁束界磁型同期発電機を有する風力発電装置において、風車の最大機械的出力点に発電機の機械的入力点を合わせ、発電機の電気的出力を最大限に生み出す方法は、発電機の誘起起電力の周波数の影響や風車設置場所の標高差および気象の変動による空気密度の変化などの影響を受け困難な課題がある。【解決手段】風車の機械的出力または発電機の電気的出力を定時間ごとに検出し、それらの値の時間的変化に応じて、電磁石界磁の励磁電流を増やしたり減らしたりすることによって、発電機の機械的入力もしくは発電機の電気的出力を最大になるよう制御する可変磁束界磁型同期発電機を有する風力発電システムを得ることができる。【選択図】図１
2020010586.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁に直流電磁石のみ、あるいは直流電磁石と永久磁石を有し、風力を動力とする風力発電機において、風速によって回転速度が変化しても、直流電磁石の励磁電流を調整することによって、発電機の回転角速度に対するトルクの勾配を制御できる界磁磁束可変型同期発電機を有する風力発電システムにおいて、風車の出力即ちトルクと回転角速度の積もしくは発電機の電気的出力即ち負荷電圧と負荷電流の積を一定時間ごとに検出し、その値が前の時間における値より大きければ、直流電磁石の励磁電流を一定量増やし、その値が前の時間における値より小さければ、直流電磁石の励磁電流を一定量減らす操作を繰り返すことによって、風車のつくり出す最大出力近傍、あるいは発電機が生み出す最大出力近傍において発電することを特長とする界磁磁束可変型同期発電機を有する風力発電システム
【請求項２】
請求項１において、発電機については、界磁鉄心の歯をＮ極とＳ極の二つのグループに分け、Ｎ極のグループは一方のアキシャル部において磁気的に連結し、Ｓ極のグループは他方のアキシャル部において磁気的に連結し、全体の歯は内径側で非磁性体の支持部材で軸に固定し、Ｓ極の連結部と軸との間は励磁鉄心で連結し、Ｎ極の連結部と軸との間にはそれぞれ励磁ギャップを介して非磁性体のブラケットに固定されたコの字形またはＬ字形の励磁鉄心で結び、その内側には直流励磁コイルを設け、さらにすべてのＮ極の歯とＳ極の歯の間には板状の永久磁石を磁束が増える方向に極性をあわせて挿入し、直流励磁磁束の流れは、Ｎ極励磁鉄心→励磁ギャップ→Ｓ極のグループの歯→エアギャップ→電機子鉄心→エアギャップ→Ｎ極のグループの歯→省略可能な励磁ギャップ→Ｓ極励磁鉄心→軸→励磁ギャップ→Ｎ極励磁鉄心へと流れ、永久磁石の磁束の流れは、永久磁石のＮ極→Ｓ極のグループの歯→エアギャップ→電機子鉄心→エアギャップ→Ｎ極のグープの歯→永久磁石のＳ極へと流れて、界磁が回転することによって電機子鉄心に回転磁界が発生し、電機子巻線に交流電圧が誘起され、電機子の外殻はアルミなどの非磁性体で形成されたラジアルエアギャップ式可変磁束界磁型同期発電機を有する風力発電システム
【請求項３】
二つのアキシャルエアギャップを有し、回転する二つの界磁の間にはエアギャップを介して固定子側に固定された直流励磁コイルが配置され、それぞれの界磁の直流励磁コイルの反対側には、それぞれ電機子が配置され、界磁は極数の数だけの扇形の鉄心を有し、そのうちＮ極またはＳ極の扇形鉄心とＳ極またはＮ極の扇形鉄心との間には直方体の永久磁石が挟み込まれるような空間を設けて配置され、その空間には直方体の永久磁石を回転方向に着磁してそのＮ極側はＮ極の扇形界磁鉄心に向けＳ極側は扇形界磁鉄心のＳ極側に向けてＩＰＭ配列の状態で埋め込み、Ｎ極またはＳ極の扇形鉄心の内径側は強磁性体からなる回転軸に接合され、Ｓ極またはＮ極の扇形鉄心は外径側に延伸されその外径は円弧状とし、同様に形成された励磁コイルを挟んで隣り合うもう一つの界磁とラジアルエアギャップを介して磁気ブリッジにより磁気的につながり、界磁が励磁コイルを挟んで向かい合う側には非磁性体の円盤状の支持部材があり、それぞれの界磁鉄心を支持固定し、電機子についてはバックヨークはブラケットに固定され、扇形または台形のティース（歯）の周囲にはコイルを巻き、あるいはティースを省いて台形状のコイルを巻いてバックヨークに固定して固定子となし、永久磁石の磁束の流れは、永久磁石のＮ極⇒Ｎ極界磁鉄心⇒アキシャルエアギャップ⇒電機子ティース⇒バックヨーク⇒電機子ティース⇒アキシャルエアギャップ⇒Ｓ極界磁鉄心⇒永久磁石のＳ極、となるとともに、反対側の界磁においても同様の磁気回路を形成することになり、一方、電磁石の磁束の流れは、回転軸のＮ極⇒Ｎ極界磁鉄心⇒エアギャップ⇒電機子ティース⇒電機子バックヨーク⇒電機子ティース⇒アキシャルエアギャップ⇒Ｓ極界磁鉄心⇒ラジアルエアギャップ⇒磁気ブリッジ⇒ラジアルエアギャップ⇒Ｎ極界磁鉄心⇒アキシャルエアギャップ⇒電機子ティース⇒電機子バックヨーク⇒電機子ティース⇒アキシャルエアギャップ⇒Ｓ極界磁鉄心⇒回転軸のＳ極、となって、アキシャルエアギャップにおける磁束が永久磁石と電磁石の複合磁束が同一方向に流れて総磁束量を制御できる界磁磁束可変型同期発電機ならびに界磁磁束可変型同期電動機
【請求項４】
請求項１において、発電機については請求項３に記載するアキシャルエアギャップ式界磁磁束可変型同期発電機を有する風力発電システム
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】この発明は可変磁束界磁型同期発電機を有する風力発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】  風車が作り出す機械的出力は、回転角速度とトルクの座標において回転角速度の３乗に比例し、その最大出力点の軌跡は、回転角速度の２乗に比例する。比較的発電容量の小さい小型風力発電機においては、発電機として界磁に永久磁石を用いる永久磁石界磁型同期発電機を使用することが多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−０９３２７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  永久磁石界磁型同期発電機を駆動するための入力トルクは回転角速度に比例する。一方風車のつくり出す動力の最大出力点のトルクは回転角速度の二乗に比例する。そのため、発電機のトルクと風車の最大出力時のトルクは一点でしか交わらず、それ以外の回転角速度においては最大出力点で動作させることが出来ない。そのため、風力発電システム全体の効率を低減させる原因となっている。
特許文献１は、その対策として、発電機のトルクを回転角速度の２乗に比例するよう制御して、広い回転角速度において風車の最大出力点のトルクに発電機のトルクを合わせようとする技術であるが、回転速度が変化することにより発電機の誘起電圧の周波数の変動による電機子巻線のリアクタンス成分の変化や、設置場所の標高差や気圧の変動などによる空気密度の変化などによって風車の最大出力点のトルクに発電機のトルクを合わせることは容易ではなく、大きな誤差が出ることが多い。
そこで、回転数の変動による発電機に発生する交流周波数の変化ならびに風車の立地条件や気象環境条件などの影響を受けない簡単な方法で、回転角速度が広範囲に変化しても風車の最大出力点近傍において発電機を動作させるシステムをつくることが本発明の課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】  上述した課題を解決するため、本願の第１発明は、界磁に直流電磁石のみ、あるいは直流電磁石と永久磁石を有し、風力を動力とする風力発電機において、風速によって回転速度が変化しても、直流電磁石の励磁電流を調整することによって、発電機の回転角速度に対するトルクの勾配を制御できる界磁磁束可変型同期発電機を有する風力発電システムにおいて、風車の出力即ちトルクと回転角速度の積もしくは発電機の電気的出力即ち負荷電圧と負荷電流の積を一定時間ごとに検出し、その値が前の時間における値より大きければ、直流電磁石の励磁電流を一定量増やし、その値が前の時間における値より小さければ、直流電磁石の励磁電流を一定量減らす操作を繰り返すことによって、風車のつくり出す最大出力近傍、あるいは発電機が発生する最大出力近傍において発電することを特長とする界磁磁束可変型同期発電機を有する風力発電システムである。【０００６】  本願の第２の発明は、このシステムに利用する可変磁束界磁型同期発電機の例として、界磁鉄心の歯をＮ極とＳ極の二つのグループに分け、Ｎ極のグループは一方のアキシャル部において磁気的に連結し、Ｓ極のグループは他方のアキシャル部において磁気的に連結し、全体の歯は内径側で非磁性体の支持部材で軸に固定し、Ｓ極の連結部と軸との間は励磁鉄心で連結し、Ｎ極の連結部と軸との間にはそれぞれ励磁ギャップを介して非磁性体のブラケットに固定されたコの字形またはＬ字形の励磁鉄心で結び、その内側には直流励磁コイルを設け、さらにすべてのＮ極の歯とＳ極の歯の間には板状の永久磁石を磁束が増える方向に極性をあわせて挿入し、直流励磁磁束の流れは、Ｎ極励磁鉄心→励磁ギャップ→Ｓ極のグループの歯→エアギャップ→電機子鉄心→エアギャップ→Ｎ極のグループの歯→省略可能な励磁ギャップ→Ｓ極励磁鉄心→軸→励磁ギャップ→Ｎ極励磁鉄心へと流れ、永久磁石の磁束の流れは、永久磁石のＮ極→Ｓ極のグループの歯→エアギャップ→電機子鉄心→エアギャップ→Ｎ極のグープの歯→永久磁石のＳ極へと流れて、界磁が回転することによって電機子鉄心に回転磁界が発生し、電機子巻線に交流電圧が誘起され、電機子の外殻はアルミなどの非磁性体で形成されたラジアルエアギャップ式可変磁束界磁型同期発電機を有する風力発電システムである。【０００７】  また、本願の第３の発明は、多極化に適しているアキシャルエアギャップ式発電機に関するもので、二つのアキシャルエアギャップを有し、回転する二つの界磁の間にはエアギャップを介して固定子側に固定された直流励磁コイルが配置され、それぞれの界磁の直流励磁コイルの反対側には、それぞれ電機子が配置され、界磁は極数の数だけの扇形の鉄心を有し、そのうちＮ極またはＳ極の扇形鉄心とＳ極またはＮ極の扇形鉄心との間には直方体の永久磁石が挟み込まれるような空間を設けて配置され、その空間には直方体の永久磁石を回転方向に着磁してそのＮ極側はＮ極の扇形界磁鉄心に向けＳ極側は扇形界磁鉄心のＳ極側に向けてＩＰＭ配列の状態で埋め込み、Ｎ極またはＳ極の扇形鉄心の内径側は強磁性体からなる回転軸に接合され、Ｓ極またはＮ極の扇形鉄心は外径側に延伸されその外径は円弧状とし、同様に形成された励磁コイルを挟んで隣り合うもう一つの界磁とラジアルエアギャップを介して磁気ブリッジにより磁気的につながり、界磁が励磁コイルを挟んで向かい合う側には非磁性体の円盤状の支持部材があり、それぞれの界磁鉄心を支持固定し、電機子についてはバックヨークはブラケットに固定され、扇形または台形のティース（歯）の周囲にはコイルを巻き、あるいはティースを省いて台形状のコイルを巻いてバックヨークに固定して固定子となし、永久磁石の磁束の流れは、永久磁石のＮ極⇒Ｎ極界磁鉄心⇒アキシャルエアギャップ⇒電機子ティース⇒バックヨーク⇒電機子ティース⇒アキシャルエアギャップ⇒Ｓ極界磁鉄心⇒永久磁石のＳ極、となるとともに、反対側の界磁においても同様の磁気回路を形成することになり、一方、電磁石の磁束の流れは、回転軸のＮ極⇒Ｎ極界磁鉄心⇒エアギャップ⇒電機子ティース⇒電機子バックヨーク⇒電機子ティース⇒アキシャルエアギャップ⇒Ｓ極界磁鉄心⇒ラジアルエアギャップ⇒磁気ブリッジ⇒ラジアルエアギャップ⇒Ｎ極界磁鉄心⇒アキシャルエアギャップ⇒電機子ティース⇒電機子バックヨーク⇒電機子ティース⇒アキシャルエアギャップ⇒Ｓ極界磁鉄心⇒回転軸のＳ極、となって、アキシャルエアギャップにおける磁束が永久磁石と電磁石の複合磁束が同一方向に流れて総磁束量を制御できる界磁磁束可変型同期発電機を提供するもので、低速形風車において、本願の第１の発電システムを採用する際の発電機に適している。さらに、この発電機は界磁磁束可変型同期電動機としても使用できる。【０００８】  本願の第４の発明は、請求項１において、発電機については請求項３に記載するアキシャルエアギャップ式界磁磁束可変型同期発電機を適用した風力発電システムである。
【発明の効果】
【０００９】  第１の発明を実施することにより、可変磁束界磁型同期発電機を用いて、風速の広い変動巾において、風車の最大機械的出力点で発電機を動作させることが出来るので、同じ風車を使用しても、従来の永久磁石同期発電機を使用するよりも、年間の発電電力量が増える効果がある。そのことは、設備投資資金の回収期間を短縮する効果にもなる。
また、界磁に永久磁石と電磁石を利用出来るため永久磁石にコストの安いフェライト磁石を利用しても電磁石で磁束を補うことが出来るとともに、永久磁石を全く使用せず電磁石だけで界磁を形成することも出来るので、コスト低減の効果も期待できる。
さらに、界磁の永久磁石を省いたり、磁力の弱い永久磁石を使用すると、始動時のコギングトルクを小さくできるので、低風速でも運転が容易になるとともに、風車のより低風速領域においても、最大出力点において発電機を運転することができる効果がある。【００１０】  第３の発明におけるアキシャルエアギャップ式発電機は多極化に適しているので、低速風車にあっては増速機が不要となるので、コストの低減が出来るとともに、高信頼性となり故障が少なくなって、保守サービス費用も軽減されるという経済的効果がある
以上のような効果により、小型風力発電の普及に役立つものと考える。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】可変磁束界磁型同期発電機を使用した風力発電システムの概略図を示す。
【図２】本発明を適用した風力発電システムの電気系統の等価回路を示す。
【図３】横軸に回転角速度、縦軸にトルクとパワーを表したグラフに、風車のトルクとパワーならびに発電機のトルクの関係を表したものである。
【図４Ａ】制御回路の概要を表す。
【図４Ｂ】制御回路の構成を表す。
【図４Ｃ】制御プログラムの概要を表す。
【図５】ラジアルエアギャップ式可変磁束界磁型同期発電機を表す。
【図６】アキシャルエアギャップ式可変磁束界磁型同期発電機を表す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】  次に図１〜６を参照して，本発明のいくつかの実施形態について説明するが，本発明はこれに限定されるものではない。
【００１３】  図１はこのシステムの概略図である。
発電機の界磁は永久磁石と直流電磁石からなり、直流電磁石は直流励磁コイルにより励磁され、その磁束の大きさは電流の大きさにより変えることが出来る。電機子は電機子鉄心に単相または多相の電機子巻線が巻かれており、その出力端子には抵抗負荷が接続されている。界磁には風車が直結されていて、風車の機械的出力（パワー）を受け入れ、電機子巻線に電気的出力を生み出し、負荷に供給する。風車と界磁の間にはトルクと回転速度を検出する検出器が備えられ風車のパワーを検出し、電機子巻線と負荷との間には電圧と電流の検出器があり、電力を算出して記憶し、その時の電力が前の時間の電力より増えていたら、次の時間では直流励磁電流を増やし、その時の電力が前の時間の電力より減っていたら、次の時間では直流励磁電流を減らすという信号をＤＣＤＣコンバータに送り、直流電源の電圧を制御することによって、直流励磁コイルに流す直流電流を制御し、発電機の出力を最大限に維持する磁束可変型同期発電機を有する風力発電システムである。
【００１４】  図２は発電機と負荷の等価回路である。
ここで、
Ｅ    発電機の誘起電圧（交流）
ｒｉ  鉄損等価抵抗
Ｌ    巻線インダクタンス
ｒ    巻線抵抗
Ｒ    負荷抵抗
誘起電圧Ｅは次のように表わされる。
Ｅ＝Ｋ（Φｍ＋Φｅ）Ｎ（２ｐ）ω                          ・・・・（１）
ここで、
Ｋ    係数
Φｍ  永久磁石による磁束
Φｅ  電磁石による磁束
Ｎ    電機子総巻数
（２ｐ）界磁極数
ω    回転角速度
図２において、インダクタンスと鉄損を省略的小として省き、風車のパワーがすべて発電機の機械的入力になると仮定すると、（２）式を得る。
Ｔ・ω＝〔Ｋ（Φｍ＋Φｅ）Ｎ（２ｐ）ω〕２／（Ｒ＋ｒ）    ・・・・（２）
電磁石による磁束は  Φｅ＝φＮｅｉ  であるので、（３）式を得る。
Ｔ＝〔Ｋ（Φｍ＋φＮｅｉ）Ｎ（２ｐ）〕２・ω／（Ｒ＋ｒ）  ・・・・（３）
ここで、φ：定数、Ｎｅ：励磁巻線の巻数、ｉ：直流励磁電流
この式から、永久磁石のみの同期発電機のトルクはωに対して勾配が一定の直線になるが、直流電磁石を並列に併用したハイブリッド励磁の同期発電機は直流励磁電流を変えることによって勾配を変えることが出来ることがわかる。すなわち、直流励磁電流を増やすと勾配が大きくなり、直流励磁電流を減らすと勾配が小さくなる。この特長を生かし、風速が変化し風車のトルクが変わったとき、電磁石の励磁電流を調整することによって発電機のトルクの勾配を変えて、風車の最大出力点のトルクに合わせ、風車の最大パワーの近傍において発電機を動作させることが出来る。これが、この発明の基本的考え方である。
【００１５】  図３は、回転角速度を横軸に、トルクと出力（パワー）を縦軸にした座標に、風車のトルクと出力ならびに発電機のトルクの関係を表したグラフである。
いま、風速４のときの風車のＴ−ω曲線をＴ４（ω）、Ｐ−ω曲線をＰ４（ω）、風速６のときの風車のＴ−ω曲線をＴ６（ω）、Ｐ−ω曲線をＰ６（ω）とする。それらの最大出力点は、最大出力点の軌跡の曲線：Ｐｍａｘ（ω）の曲線上にある。
風速４のとき、時間ｔ１において励磁電流ｉ１を流したときの発電機のトルクはＴｇ１となり、風車とはＴ１で交わり、そのときのパワーはＰ１である。時間ｔ２において励磁電流を増やしｉ２としたときの発電機のトルクはＴｇ２となり、風車とはＴ２で交わり、その時のパワーはＰ２である。Ｐ２−Ｐ１＞０であるので、時間ｔ３では励磁電流を更に増やしｉ３としたときの発電機のトルクはＴｇ３となり、風車とはＴ３で交わり、そのときのパワーはＰ３である。Ｐ３−Ｐ２＞０であるので、時間ｔ４では励磁電流を更に増やしｉ４とした時の発電機のトルクはＴｇ４となり、風車とはＴ４で交わり、そのときのパワーはＰ４である。このときＰ４−Ｐ３＜０であるので、時間ｔ５では励磁電流を逆に減らしｉ３とすると発電機のトルクはＴｇ３となり、風車とはＴ３で交わり、その時のパワーはＰ３となる。Ｐ３−Ｐ４＞０であるので、時間ｔ６では励磁電流を逆に増やしｉ４とすると発電機のトルクはＴｇ４となり、風車とはＴ４で交わり、そのときのパワーはＰ４となる。以降Ｐ３とＰ４を往復することになり、最大出力点Ｐ３近傍で運転されることになる。
風速が変わって、６になっても４の場合と同様に最大出力点Ｐ７の近傍で運転することができる。
【００１６】  このように、風力発電装置に、可変磁束界磁型同期発電機を用い、定時間ごとに風車のトルクと角速度を測定・検出し、前の時間に測定した出力すなわちトルク×角速度がそのときの出力より大きければ励磁電流を一定量増やし、小さければ励磁電流を一定量減らす操作を繰り返すことによって、風速が変化しても常に風車のつくり出す機械的出力の最大値近傍において発電機を運転することが出来る風力発電システムを得ることができる。
前項では、風車のトルクＴと角速度ωの積すなわち風車の出力を制御量として検討したが、制御量を発電機の電気的出力とすることによっても制御できることを次に説明する。
風車の出力と発電機の出力および損失（銅損や鉄損）の間には次のような関係がある。
風車の出力＝発電機の出力＋発電機の損失（銅損＋鉄損＋機械損）  ・・・・（４）
（３）式は次の（４）式のように変形出来る。
（発電機の出力／風車の出力）＝１−（発電機の損失／風車の出力）・・・・（５）
発電機の損失である鉄損や銅損は発電機の出力に比べて小さいので、発電機の出力Ｖ・Ａと風車出力Ｔ・ωの比は１に近い定数とみなすことが出来る。したがって、風車の出力Ｔ・ωの代わりに発電機の出力Ｖ・Ａを制御量とみなし、この値の最大値を追跡する制御方法をとることができると見做すことができる。
【００１７】  次に、具体的制御方法について説明する。発電機の出力Ｖ×Ａを制御量とする方が、風車の出力Ｔ×ωを制御量とするより、容易で安価な方法であるので、発電機の電気的出力を制御量とする。
図４Ａは制御回路の概要を表す。発電機の出力電圧を便宜上整流して直流にした例について説明する。制御用の直流電源は自身のバッテリー内蔵電源の他に発電機の出力からも供給される。図４Ｂは制御回路の構成を表し、図４Ｃは制御プログラムの概要を表している。処理サイクルのタイマーで一定時間を設定しその時間毎に、発電機の出力電圧Ｖと負荷電流Ａを検出し、マイクロコンピュータに取り込み、出力を計算して記憶させる。次の一定時間経過後の出力と比較し、増えていたら、発電機の励磁コイルに供給する励磁電流の値を予め決めておいたステップにしたがって、直流電源の電圧をＰＷＭ制御によって直流電圧を調整することによって励磁電流を一定量増やし、出力が減っていたら、励磁電流を一定量減らして、次のサイクルに移行する。この操作を繰り返すことによって、先に［００１４］で説明した制御を実行できる。
なお、この発電システムはプログラマブルロジックコントローラなどのシーケンス制御技術によっても制御を行うことが出来る。
【００１８】  次に、図５にもとづいて、ラジアルエアギャップ式可変磁束界磁型同期発電機について説明する。
軸３０には界磁支持部材２９が取りつけられ、その外径部には２ｎ個の界磁鉄心の歯２３１を放射状に設け、それらの間には板状の２ｎ個の永久磁石２４を挟み、２ｎ個の界磁歯２３１は、一つ置きに二つのグループに分け、一方のグープの突き出た端部は一方の励磁鉄心２５に接して取り付けられ、他方のグループは、励磁コイル２７を内蔵し、かつブラケット２０に固定された他方の励磁鉄心２６に励磁ギャップを介して、その端面を対向させ、外径部にはエアギャップを介して電機子鉄心２１が対向し、電機子巻線２２を有する電機子鉄心２１は非磁性ブラケット２０に固定され、軸３０の両端には軸受２８が取り付けられブラケット２０の軸受ハウジングに嵌合されている。
【００１９】  図５（ａ）（ｂ）に界磁の構造例を示す。界磁は板状の永久磁石２４を回転方向に配列させているので、極数を多くする多極化構造に適している。界磁を多極にすると、低速においても誘起電圧が高くなるので、増速機を省略することが出来、励磁コイル２７への電流供給も非接触であることと相俟って、信頼性の高い同期発電機を形成することが出来る。
また、永久磁石２４を使わない直流励磁同期発電機の場合は磁石を使わない分、半径方向のスペースに余裕が出来、極数をより多く増やすことができるので、低速の発電機に適しているということができる。
永久磁石２４は回転方向に着磁磁化され、磁束の流れは、磁石のＮ極→近接する界磁歯→エアギャップ→電機子鉄心→エアギャップ→近接する隣の界磁歯→磁石のＳ極へと流れる。
一方、直流励磁磁束は、軸のＮ極→励磁鉄心→Ｎ極の界磁の歯→エアギャップ→電機子鉄心→エアギャップ→Ｓ極の界磁の歯→励磁ギャップ→励磁鉄心→励磁ギャップ→軸のＳ極、と流れ、相互に独立かつ並列に流れる。
この界磁磁束は、永久磁石による固定磁束と直流励磁磁石による可変磁束の二つの磁束による複合磁束によって形成される特長を有する。
界磁が風力などの動力によって回転すると、これら二つの磁束が電機子鉄心に回転・移動磁界をつくり、それが電機子巻線に誘起電圧を発生させ、ラジアルエアギャップ式可変磁束界磁型同期発電機としての機能を発揮する。
【００２０】  図６にもとづいて、アキシャルエアギャップ式可変磁束界磁型同期発電機をについて説明する。
軸方向に２分割された非磁性体からなるブラケット３１，３２の両端中心部には軸受３４を介して強磁性体からなる回転軸３３を通し、ブラケットの両側面には固定子となる電機子４を取り付け、アキシャルエアギャップ２を介して電機子と対向するように二つの円盤状の界磁５を回転軸３３に固定し、ブラケット３１，３２の中央部には強磁性材料からなる円筒状の磁気ブリッジ１７を設け、その中央部に非磁性体からなる支持部材１６を介して回転軸３３を周回する直流励磁コイル１５を、二つの円盤状の界磁５の間にエアギャップを介し回転軸３３に触れないよう磁気ブリッジ１７の内径側に設ける。
【００２１】  電機子４は円盤状のバックヨーク２１に歯（ティース）２２を設け電気絶縁を施し、その周囲に集中巻の巻線２３を巻く。歯を設けず巻線のみ設けてもよい。歯の数は界磁の極数と同じにして単相とするか、極数と異なる数にして多相巻線としてもよい。左右の電機子の歯２２は同数とし、互いに向かい合うように配置し、時間的位相も同じとする。
【００２２】  界磁５は、二つの円盤状から成り、一つの円盤状の界磁５は、中心側の外歯形界磁鉄心１２が回転軸に接合され、外側には内歯形界磁鉄心１１が外径をリング状につながれ、直方体の永久磁石１３はそれらの内歯と外歯の間に着磁方向が回転方向を向きＩＰＭ状に埋め込まれ、外歯形界磁の歯の部分がＮ極（Ｓ極）内歯形界磁の歯の部分がＳ極（Ｎ極）となるように、極数に相当する数の扇形形状ないしは台形状をした界磁鉄心１１，１２が永久磁石１３による磁極を形成する。左右の界磁５の極性は回転方向に向かって同極となるようにする。そのため、左の界磁が外歯形界磁の歯の磁極１２の場合は右の界磁は内歯形界磁の歯の磁極１１とすると同極となる。それぞれの隣の磁極では右の界磁が外歯形界磁の歯の磁極１２の場合は左の界磁は内歯形界磁の歯の磁極１２とすることによって、左右の界磁５の磁極の極性は同極となる。このことは［図６］の（ｃ）と（ｄ）によって表される。
【００２３】  界磁５の磁束の流れは次のようになる。
先ず、永久磁石１３の磁束の流れは、永久磁石のＮ極⇒Ｎ極界磁鉄心１２⇒アキシャルエアギャップ２⇒電機子ティース２２⇒バックヨーク２１⇒電機子ティース２２⇒アキシャルエアギャップ２⇒Ｓ極界磁鉄心１１⇒永久磁石のＳ極、のようにながれ、反対側の界磁においても同様の磁気回路を形成することになる。一方、電磁石の磁束の流れは、回転軸３３のＮ極⇒Ｎ極界磁鉄心１２⇒アキシャルエアギャップ２⇒電機子ティース２２⇒電機子バックヨーク２１⇒電機子ティース２２⇒アキシャルエアギャップ２⇒Ｓ極界磁鉄心２１⇒ラジアルエアギャップ３⇒磁気ブリッジ１７⇒ラジアルエアギャップ３⇒Ｎ極界磁鉄心１１⇒アキシャルエアギャップ２⇒電機子ティース２２⇒電機子バックヨーク２１⇒電機子ティース２２⇒アキシャルエアギャップ２⇒Ｓ極界磁鉄心１２⇒回転軸３３のＳ極、のように流れる。これらの流れの中で誘起起電力に寄与するアキシャルエアギャップ２における磁束は、永久磁石と電磁石の磁束が同一方向に流れるのでこれらの総磁束を制御することによって誘起起電力を制御できる。
【００２４】  電磁石による直流励磁磁束の大きさは、アンペアの周回積分の法則より次のように求められる。
２（Φ／μ）（２ｇ０／Ｓ０＋ｇ１／Ｓ１）＝Ｎｅ×ｉ        ・・・・（６）
Φ＝ｉ・μ・Ｎｅ／〔２（２ｇ０／Ｓ０＋ｇ１／Ｓ１）〕      ・・・・（７）
ここで、記号は次の通りとする。
Ｓ０：界磁鉄心と電機子ティースの対向面積
ｇ０：アキシャルエアギャップの長さ
Ｓ１：界磁鉄心と磁気ブリッジの対向面積
ｇ１：ラジアルエアギャップの長さ
Ｎｅ：励磁コイルの巻数，  ｉ：直流励磁電流、  μ：空気の透磁率、
上述のとおり、電磁石による可変磁束の総和は直流励磁電流に比例させて変えることが出来る。励磁コイルは回転軸に近く広い空間に巻くことができるので、巻数を多くとれるとともに、断面積も広く取れるので、抵抗値も小さくすることができる。
【００２５】  以上、説明したように、この発電機および発電システムには、次のような特長がある。界磁に電磁石を有するため、トルクと角速度の勾配を変えることができるので、簡単な制御方法で、風車の最大出力点を風速の広い範囲において追跡でき、風車の効率を高めることができる。
この同期発電機は、永久磁石に安価なフェライト磁石を利用し、磁力低下分を電磁石で補うことも出来る。また、永久磁石を全く使用せず、電磁石だけで運転させることも出来、それらの場合でも風車の最大出力点で幅広く運転させることが出来る。
また、アキシャルエアギャップ式発電機は多極化に適しているので、低速風車にあっては増速機が不要となるので、コストの低減が出来るとともに、高信頼性となり故障が少なくなって、保守サービス費用も軽減されるという経済的効果がある。
このアキシャルエアギャップ式可変磁束界磁型発電機を電動機として使用した場合、始動時のトルクが大きく、高速運転が可能な同期電動機として機能する。
【符号の説明】
【００２６】  図１において
１      風車
２      永久磁石界磁
３      電磁石界磁
４      励磁鉄心
５      励磁コイル
６      励磁電流検出器
７      ＤＣＤＣコンバータ
８      直流電源
９      電機子鉄心
１０    電機子巻線
１１    負荷（抵抗）
１２    電圧検出器
１３    電流検出器
１４    トルク検出器
１５    回転数検出器
図２において
Ｅ      発電機の誘起電圧（交流）
ｒｉ    鉄損等価抵抗
Ｌ      巻線インダクタンス
ｒ      巻線抵抗
Ｒ      負荷抵抗
▲Ｖ▼  電圧検出器
▲Ａ▼  電流検出器
図３において
Ｔ４（ω）  風速４の時の風車のトルク
Ｔ５（ω）  以下同順
Ｔ６（ω）
Ｐ４（ω）  風速４の時の風車の出力
Ｐ５（ω）  以下同順
Ｐ６（ω）
Ｐｍａｘ（４）  風速４の時の風車の最大出力
Ｐｍａｘ（５）  以下同順
Ｐｍａｘ（６）
Ｐｍａｘ（ω）  風車の最大出力点の軌跡を表す曲線
Ｔｇ１          励磁電流がｉ１の時の発電機のＴ−ω特性曲線
Ｔｇ２          以下同順
Ｔｇ３
Ｔｇ４
Ｔｇ５
Ｔｇ６
Ｔｇ７
Ｔ４１          風速４における時間１（ｔ１）の時のトルク
Ｔ４２          以下同順
Ｔ４３
Ｔ４４
Ｔ６１          風速６における時間１（ｔ１）の時のトルク
Ｔ６２          以下同順
Ｔ６３
Ｔ６４
Ｐ４１          風速４の時のトルクＴ４１に対応する出力
Ｐ４２          以下同順
Ｐ４３
Ｐ４４
Ｐ６１          風速６の時のトルクＴ６１に対応する出力
Ｐ６２          以下同順
Ｐ６３
Ｐ６４
図５において、
１      発電機
２１    電機子鉄心
２２    電機子巻線
２３    界磁鉄心
２３１  界磁鉄心の歯
２４    永久磁石
２５    Ｓ極励磁鉄心
２６    Ｎ極励磁鉄心
２７    直流励磁コイル
２８    軸受
２９    界磁支持部材
３０    軸
図６において
１      発電機
２      アキシャルエアギャップ
３      ラジアルエアギャップ
４      電機子
５      界磁
１１    界磁鉄心（外側、内歯形）
１２    界磁鉄心（内側、外歯形）
１３    永久磁石
１４    界磁支持部材（非磁性体）
１５    直流励磁コイル
１６    コイル支持部材（非磁性体）
１７    磁気ブリッジ
２１    バックヨーク
２２    電機子歯
２３    電機子巻線
３１    ブラケットＡ（非磁性体）
３２    ブラケットＢ（非磁性体）
３３    回転軸（強磁性体）
３４    軸受
【図１】
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【図２】
2020010586.tif 000004
【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
2020010586.tif 000009
【図６】
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