(57)【要約】【課題】多段接続型発電機において連結時における回転抵抗の急激な上昇を防止する。【解決手段】第１〜第３の発電機１０，２０，３０と、第１の発電機１０の回転軸１１を回転させる風車２と、第２の発電機２０の回転軸２１を回転させる駆動制御回路６２と、風車２及び駆動制御回路６２によってそれぞれ回転軸１１，２１を回転させた状態でこれらを連結する連結機構４０とを備える。本発明によれば、連結時における回転抵抗の急激な上昇が抑制されることから、エネルギー源となる外力が変動しても発電機の連結をスムーズに行うことができる。【選択図】図１
2010007527.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸の回転に応じてコイルと磁石の相対位置が変化することにより電力を発生する少なくとも第１及び第２の発電機を含む複数の発電機を備える多段接続型発電機であって、
前記第１の発電機の回転軸を回転させる第１の駆動手段と、
前記第２の発電機の回転軸を回転させる第２の駆動手段と、
前記第１及び第２の駆動手段によってそれぞれ前記第１及び第２の発電機の回転軸を回転させた状態で、前記第１の発電機の回転軸と前記第２の発電機の回転軸とを連結する連結手段と、を備えることを特徴とする多段接続型発電機。
【請求項２】
前記第１の駆動手段は外力によって前記第１の発電機の回転軸を回転させるものであり、前記第２の駆動手段は電力によって前記第２の発電機の回転軸を回転させるものであることを特徴とする請求項１に記載の多段接続型発電機。
【請求項３】
前記複数の発電機によって得られた電力を蓄えるバッテリーをさらに備え、前記第２の駆動手段は前記バッテリーに蓄えられた電力によって前記第２の発電機の回転軸を回転させることを特徴とする請求項２に記載の多段接続型発電機。
【請求項４】
前記第２の駆動手段は、前記外力が第１のしきい値を超えた場合に前記第２の発電機の回転軸を回転させ、
前記連結手段は、前記外力が前記第１のしきい値よりも大きい第２のしきい値を超えた場合に、前記第１の発電機の回転軸と前記第２の発電機の回転軸とを連結することを特徴とする請求項２又は３に記載の多段接続型発電機。
【請求項５】
前記連結手段は、前記外力が前記第２のしきい値より小さい第３のしきい値を下回った場合に、前記第１の発電機の回転軸と前記第２の発電機の回転軸との連結を解除することを特徴とする請求項４に記載の多段接続型発電機。
【請求項６】
前記第１の発電機は、相対的に低負荷時における発電効率が前記第２の発電機よりも高く、前記第２の発電機は、相対的に高負荷時における発電効率が前記第１の発電機よりも高いことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の多段接続型発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は風力などの外力を利用して電力を生成する発電機に関し、特に、複数の発電機が直列接続された多段接続型の発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石燃料の枯渇や自然環境への関心の高まりなどを背景として、自然エネルギーの電力利用が進められている。自然エネルギーを利用する発電機としては、風力を電力に変換する風力発電機が特に注目されている。風力発電機とは、風車によって発電機の回転軸を回転させ、これによって発電を行う装置である。
【０００３】
しかしながら、単一の発電機を用いるのみでは、風力の変動に適応できる範囲が狭いという問題がある。つまり、小さな風力でも発電可能に設計した場合には、大きな風力を効率よく利用することができなくなるため、風が強い場合の発電効率が低くなる。一方、大きな風力を効率よく利用可能に設計した場合には、小さな風力では風車が回転しなくなるため、風が弱い場合の発電効率が低くなる。
【０００４】
このような問題を解決する方法として、特許文献１には、複数の発電機を直列接続した多段接続型の発電機が提案されている。特許文献１に記載された多段接続型発電機は、風車に接続された第１の発電機と、その後段に配置され、第１の発電機と連結及び切断が可能な第２、第３の発電機によって構成されている。そして、風が弱い場合には第１の発電機のみを作動させ、風が強い場合には第１の発電機に加えて第２及び第３の発電機を作動させることによって、風力変動の適応範囲を拡大させている。
【特許文献１】特開２００５−２３８９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された多段接続型発電機では、第１の発電機と第２、第３の発電機を連結する際、回転抵抗が急激に上昇する。このため、連結時において風車の回転数が急激に低下し、発電量が低下してしまう。特に、後段に配置された第２、第３の発電機として発電量の大きい発電機を用いた場合には、回転抵抗の大幅な上昇によって、連結時に回転が停止してしまうケースも考えられる。さらには、連結時に生じる機械的なショックによって製品の信頼性を低下させるという問題もあった。
【０００６】
このような問題は風力発電機に限らず、外力を利用して電力を生成する他の多段接続型発電機においても同様に生じる問題である。
【０００７】
したがって、本発明の目的は、連結時における回転抵抗の急激な上昇が抑制された多段接続型発電機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による多段接続型発電機は、回転軸の回転に応じてコイルと磁石の相対位置が変化することにより電力を発生する少なくとも第１及び第２の発電機を含む複数の発電機を備える多段接続型発電機であって、第１の発電機の回転軸を回転させる第１の駆動手段と、第２の発電機の回転軸を回転させる第２の駆動手段と、第１及び第２の駆動手段によってそれぞれ第１及び第２の発電機の回転軸を回転させた状態で、第１の発電機の回転軸と第２の発電機の回転軸とを連結する連結手段とを備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、第１及び第２の発電機の回転軸を回転させた状態でこれらを連結させていることから、連結時における回転抵抗の急激な上昇が抑制される。したがって、エネルギー源となる外力が変動しても、発電機の連結をスムーズに行うことができることから、外力変動の適応範囲が広く、しかも、発電効率の良い多段接続型発電機を提供することが可能となる。ここで、「外力」とは、風力や水力など発電に用いるエネルギー源を指す。したがって、外力として風力を用いる場合、第１の駆動手段は「風車」となる。但し、本発明において、エネルギー源が風力や水力などの自然エネルギーに限定されるものではない。
【００１０】
本発明において、第１の駆動手段は外力によって第１の発電機の回転軸を回転させるものであり、第２の駆動手段は電力によって第２の発電機の回転軸を回転させるものであることが好ましい。これによれば、風車など外力を回転力に変換する機構を複数設ける必要がなく、構造の複雑化を防止することが可能となる。
【００１１】
本発明による多段接続型発電機は、複数の発電機によって得られた電力を蓄えるバッテリーをさらに備え、第２の駆動手段はバッテリーに蓄えられた電力によって第２の発電機の回転軸を回転させることが好ましい。これによれば、外部電源を用いることなく、自己の発電によって得られた電力を用いて第２の発電機の回転軸を回転させることができる。
【００１２】
本発明において、第２の駆動手段は、外力が第１のしきい値を超えた場合に第２の発電機の回転軸を回転させ、連結手段は、外力が第１のしきい値よりも大きい第２のしきい値を超えた場合に、第１の発電機の回転軸と第２の発電機の回転軸とを連結することが好ましい。これによれば、外力が上昇した後、第１の発電機と第２の発電機が十分に回転している状態で連結が行われることから、よりスムーズな連結動作を行うことが可能となる。
【００１３】
本発明において、連結手段は、外力が第２のしきい値以下である第３のしきい値を下回った場合に、第１の発電機の回転軸と第２の発電機の回転軸との連結を解除することが好ましい。これによれば、連結を行った後に外力が低下すると自動的に連結が解除されることから、外力が低下した後も効率よく発電を行うことが可能となる。
【００１４】
本発明において、第１の発電機は、相対的に低負荷時における発電効率が第２の発電機よりも高く、第２の発電機は、相対的に高負荷時における発電効率が第１の発電機よりも高いことが好ましい。これによれば、低負荷時においては第１の発電機が高効率で発電を行い、高負荷時には第２の発電機が高効率で発電を行うことから、外力の幅広い変動に対応した高効率な発電を行うことが可能となる。低負荷時における発電効率が高い発電機としては、コイル内にコアが設置されていない発電機が挙げられる。一方、高負荷時における発電効率が高い発電機としては、コイル内にコアが設置された発電機が挙げられる。
【発明の効果】
【００１５】
このように、本発明によれば、連結時における回転抵抗の急激な上昇が抑制されることから、外力変動の適応範囲が広く、しかも、発電効率の良い多段接続型発電機を提供することが可能となる。また、連結時における機械的なショックも低減されることから、製品の信頼性を高めることも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の好ましい実施形態による多段接続型発電機の構造を示す略断面図である。本実施形態は、本発明を風力発電機に適用した場合の一例であるが、本発明の適用対象が風力発電機に限定されるものではない。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態による多段接続型発電機は、風車２と、同軸上に配置された第１〜第３の発電機１０，２０，３０と、第１〜第３の発電機１０，２０，３０を収容する筐体６とを備えている。風車２の回転軸４は、第１の発電機１０の回転軸１１と繋がっており、一体化されている。したがって、風車２は風力によって回転軸１１を回転させる「駆動手段」として機能する。
【００１９】
第１の発電機１０の回転軸１１と第２の発電機２０の回転軸２１は直結しておらず、連結機構（連結手段）４０によって連結又は連結解除される。同様に、第２の発電機２０の回転軸２１と第３の発電機３０の回転軸３１も直結しておらず、連結機構（連結手段）５０によって連結又は連結解除される。
【００２０】
図１に示すように、第１〜第３の発電機１０，２０，３０は、それぞれ回転軸１１，２１，３１に固定されたロータヨーク１２，２２，３２及びロータヨークに固定された永久磁石１３，２３，３３からなるロータ１７，２７，３７と、永久磁石と対向するように配置されたコイル１４，２４，３４とを備えている。このように、第１〜第３の発電機１０，２０，３０はいずれもアキシャル型の発電機である。アキシャル型の発電機とは、コイルと永久磁石とのギャップを回転軸方向に有する回転機である。但し、本発明において用いる発電機がアキシャル型であることは必須でなく、ラジアル型であっても構わない。
【００２１】
このような構成により、風車２の回転によって回転軸１１が回転すると、第１の発電機１０に含まれるコイル１４と永久磁石１３の相対位置が変化し、電力が発生する。同様に、回転軸２１，３１が回転すると、第２及び第３の発電機２０，３０にそれぞれ含まれるコイル２４，３４と永久磁石２３，３３の相対位置が変化し、電力が発生する。一方、第２及び第３の発電機２０，３０に交流電流を与えると、コイル２４，３４により発生する磁場が変化し、永久磁石２３，３３と吸引力及び反発力が発生することから、ロータ２７，３７が回転する。
【００２２】
また、第２及び第３の発電機２０，３０は、コイル２４，３４内にコア２５，３５が形成されており、これによって高負荷時における発電効率が高められている。一方、第１の発電機１０は、コイル１４内にコアが形成されていない。このため、第１の発電機１０にはコギングトルクが無く、回転抵抗が非常に低い。したがって、第１の発電機１０は低負荷時における発電効率が高められている。これに対し、第２及び第３の発電機２０，３０にはコギングトルクが存在するため、第１の発電機１０に比べると回転抵抗が高い。
【００２３】
また、第２の発電機２０と第３の発電機３０を比べると、第３の発電機３０の方が大型である。このため、第３の発電機３０は、第２の発電機２０よりも高負荷時における発電効率がさらに高められている。このため、第３の発電機３０のコギングトルクは、第２の発電機２０のコギングトルクよりも大きい。
【００２４】
このような構成により、第１の発電機１０は低負荷時において効率良く発電を行うことができ、第１及び第２の発電機１０，２０が結合すると中負荷時において効率良く発電を行うことができ、第１〜第３の発電機１０，２０，３０が結合すると高負荷時において効率良く発電を行うことができる。
【００２５】
図１に示すように、本実施形態においては連結機構４０，５０として電磁クラッチを用いている。すなわち、連結機構４０，５０は、コイル４１，５１と、クラッチ板４２，５２とを備えており、コイル４１，５１に電流を流すと、磁力によってクラッチ板４２，５２が引き寄せられ、一対の回転軸（例えば回転軸１１，２１）が連結される。一方、コイル４１，５１への電流を停止させると、クラッチ板４２，５２は引き離され、一対の回転軸の連結が解除される。
【００２６】
但し、本発明において用いる連結機構が電磁クラッチに限るものではなく、他の連結機構、例えば、回転数の増加に伴って動力が伝達される粘性流体式クラッチなどを用いても構わない。粘性流体式クラッチは、コイルなどに電流を流す必要がないことから、外部からの制御が不要であり、メンテナンスも容易である。
【００２７】
図２は、本実施形態による多段接続型発電機の構成を示すブロック図である。
【００２８】
図２に示すように、本実施形態による多段接続型発電機は、風車２、第１〜第３の発電機１０，２０，３０及び連結機構４０，５０の他に、回転軸１１，２１，３１の回転速度をそれぞれ検出する速度検出器１６，２６，３６と、全体の制御を行う制御部６０とを有している。制御部６０には、コントローラ６１、駆動制御回路６２、連結制御回路６３、発電制御回路６４及びバッテリー６５が含まれている。
【００２９】
コントローラ６１は、速度検出器１６，２６，３６によってそれぞれ検出された速度信号Ｓ１〜Ｓ３を受けて、駆動制御回路６２、連結制御回路６３及び発電制御回路６４の動作を制御する回路である。具体的な制御の内容については後述する。また、コントローラ６１はバッテリー６５の残量を監視しており、発電制御回路６４の動作はバッテリー６５の残量に応じて制御される。
【００３０】
駆動制御回路６２は、インバータ７２，７３を制御することによって、第２及び第３の発電機２０，３０をモータとして回転させるための制御回路である。インバータ７２，７３の制御は、それぞれ駆動制御信号Ｄ２，Ｄ３によって行う。インバータ７２，７３への電力は、バッテリー６５から供給される。したがって、駆動制御回路６２及びインバータ７２，７３は、電力によって第２及び第３の発電機２０，３０の回転軸２１，３１を回転させる「駆動手段」として機能する。
【００３１】
連結制御回路６３は、連結機構４０を制御することによって、回転軸１１と回転軸２１との連結又は連結解除を行うとともに、連結機構５０を制御することによって、回転軸２１と回転軸３１との連結又は連結解除を行う制御回路である。また、連結制御回路６３は、スイッチ７２ａ，７３ａを制御し、これによって、第２及び第３の発電機２０，３０を発電機として使用するかモータとして使用するかを切り替える制御も行う。連結機構４０及びスイッチ７２ａの制御は連結制御信号Ｃ４によって行う。また、連結機構５０及びスイッチ７３ａの制御は連結制御信号Ｃ５によって行う。
【００３２】
発電制御回路６４は、第１〜第３の発電機１０，２０，３０によって発電された電力を受け、これを整流した後、交流変換することにより、所定の周波数を持った交流電流を生成する回路である。生成された交流電流Ｖ１は、負荷８０（又は電力系統）に供給される。また、発電制御回路６４による整流によって生成された直流電流Ｖ２はバッテリー６５に供給され、これによってバッテリー６５を充電する。
【００３３】
以上が本実施形態による多段接続型発電機の構成である。次に、本実施形態による多段接続型発電機の動作について説明する。
【００３４】
図３は、本実施形態による多段接続型発電機の動作を説明するためのフローチャートであり、連結機構４０による連結動作に関連する動作を示している。
【００３５】
まず、第１の発電機１０に対する発電制御を開始すると（ステップＳ１１）、コントローラ６１は速度信号Ｓ１を監視し、これがしきい値ＴＨ１を超えたか否かを判断する（ステップＳ１２）。つまり、風力が一定以上に強くなったか否かを判断する。
【００３６】
第１の発電機１０に対する発電制御を開始した段階においては、連結機構４０，５０はいずれも連結解除の状態にある。したがって、風力によって風車２が回転しても、第２及び第３の発電機２０，３０による発電は行われず、第１の発電機１０のみが発電を行う。第１の発電機１０によって発電された電力は、発電制御回路６４による制御のもと、負荷８０やバッテリー６５に供給される。電力の分配は、コントローラ６１がバッテリー６５の残量を監視することによって制御される。
【００３７】
そして、速度信号Ｓ１がしきい値ＴＨ１を超えると（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、コントローラ６１は、第２の発電機２０がモータとして回転するよう、駆動制御回路６２を制御する（ステップＳ１３）。これにより、駆動制御回路６２は駆動制御信号Ｄ２を活性化させる。その結果、第２の発電機２０はバッテリー６５から供給される電力によって回転を行うことになる。その回転数は、速度信号Ｓ２によってコントローラ６１にフィードバックされる。これに基づき、コントローラ６１及び駆動制御回路６２は、第１の発電機１０の回転数と第２の発電機２０の回転数がほぼ一致するよう、インバータ７２に対する制御を行う。
【００３８】
これにより、第１及び第２の発電機１０，２０は、その回転軸１１，２１が切断された状態で、ほぼ同じ回転数で回転を行うことになる。この時点では、第１の発電機１０の回転軸１１を回転させているのは風力であり、第２の発電機２０の回転軸２１を回転させているのは電力である。かかる動作は、連結機構４０による回転軸１１，２１の連結を行う前の準備動作である。
【００３９】
このような準備動作を行いながら、コントローラ６１は速度信号Ｓ１，Ｓ２の監視を継続し、これらがしきい値ＴＨ２（＞ＴＨ１）を超えたか否かを判断する（ステップＳ１４）。つまり、第２の発電機２０を回転させた後、風力がさらに強くなったか否かを判断する。
【００４０】
その結果、速度信号Ｓ１，Ｓ２がしきい値ＴＨ２を超えたと判断された場合（ステップＳ１４：ＹＥＳ）、コントローラ６１は、連結機構４０によって回転軸１１，２１の連結を行うよう、連結制御回路６３を制御する（ステップＳ１５）。また、スイッチ７２ａを切り替えることによって、モータとして回転している第２の発電機２０への電力供給を停止し、バッテリー６５から供給される電力による第２の発電機２０の回転制御を終了させる（ステップＳ１６）。すなわち、連結制御回路６３は連結制御信号Ｃ４を活性化させ、連結機構４０による連結及びスイッチ７２ａの切り替えを行う。その結果、風車２の回転は、第１の発電機１０のみならず、第２の発電機２０にも伝達されるため、第２の発電機２０に対する発電制御が開始される（ステップＳ１７）。
【００４１】
尚、ステップＳ１４において、速度信号Ｓ１と速度信号Ｓ２の両方がしきい値ＴＨ２を超えたか否かを判断しているのは、第２の発電機２０を回転させた後、その回転数が安定するにはある程度の時間が必要であると考えられるからである。したがって、速度信号Ｓ１がしきい値ＴＨ２を超えた場合であっても、速度信号Ｓ２が未だしきい値ＴＨ２に達していない場合には、回転軸１１，２１の連結は行わず、速度信号Ｓ２がしきい値ＴＨ２に達してから連結を実行する。
【００４２】
このようにして連結動作を行うと、風車２は第１及び第２の発電機１０，２０に連結された状態となることから、回転抵抗が増大する。しかしながら、上述の通り、実際に連結を行う前に第２の発電機２０の回転軸２１を回転させていることから、回転抵抗の増大による回転数の急激な低下はほとんど生じない。つまり、スムーズな連結動作を実現することが可能となる。
【００４３】
回転軸１１，２１の連結を行った後も、コントローラ６１は速度信号Ｓ１，Ｓ２を監視し、これがしきい値ＴＨ３（＜ＴＨ１）を下回ったか否かを判断する（ステップＳ１８）。つまり、風力がある程度弱くなったか否かを判断する。その結果、速度信号Ｓ１，Ｓ２がしきい値ＴＨ３（＜ＴＨ１）を下回ったと判断された場合（ステップＳ１８：ＹＥＳ）、コントローラ６１は、回転軸１１，２１の連結解除を行うよう、連結制御回路６３を制御する（ステップＳ１９）。そして、第２の発電機２０に対する発電制御を停止させる（ステップＳ２０）。これにより、第２の発電機２０による発電は停止し、初期状態に戻る。
【００４４】
このように、回転軸１１，２１の連結を行った後、風力がある程度弱くなった場合には回転軸１１，２１の連結解除を行うことにより、風力の強度に応じた適切な発電を行うことが可能となる。
【００４５】
他方、ステップＳ１４において、速度信号Ｓ１，Ｓ２がしきい値ＴＨ２を超えず（ステップＳ１４：ＮＯ）、むしろ、しきい値ＴＨ３（＜ＴＨ１）を下回ったと判断された場合（ステップＳ２１：ＹＥＳ）、コントローラ６１は、第２の発電機２０への電力供給を停止するよう、駆動制御回路６２を制御する（ステップＳ２２）。これにより、駆動制御回路６２は駆動制御信号Ｄ２を非活性化させ、その結果、第２の発電機２０の回転が停止し、初期状態に戻る。
【００４６】
このように、電力によって第２の発電機２０を回転させる準備動作を開始した後であっても、風力が一定以下に弱まった場合には、回転軸１１，２１の連結は困難であると判断して第２の発電機２０の回転を停止させる。これにより、第２の発電機２０を無駄に回転させることによるバッテリー６５の消費を抑制することが可能となる。
【００４７】
図４は、風力の変動とコントローラ６１による制御の関係を説明するための模式図である。図４において縦軸は風力の強度を示し、横軸は時間を示している。
【００４８】
図４に示すように、ケース１〜３とも、風力の増大により速度信号Ｓ１がしきい値ＴＨ１を超え、これにより、時刻ｔ１１において第２の発電機２０の回転が開始される。その後、ケース１，２では風力がさらに増大し、速度信号Ｓ１がしきい値ＴＨ２を超えている。これにより、時刻ｔ１２において回転軸１１，２１の連結が行われる。これに対し、ケース３ではその後風力が低下し、速度信号Ｓ１がしきい値ＴＨ３を下回っている。これにより、時刻ｔ１３において第２の発電機２０の回転が停止される。
【００４９】
また、ケース２では、回転軸１１，２１の連結を行った後に風力が低下し、速度信号Ｓ１がしきい値ＴＨ３を下回っている。これにより、時刻ｔ１４において回転軸１１，２１の連結が解除される。
【００５０】
このように、本実施形態では、第２の発電機２０を回転させるためのしきい値ＴＨ１と、回転軸１１，２１の連結を行うためのしきい値ＴＨ２との間に所定の差△Ａを設けていることから、連結を行うのに十分な風力となる前に、第２の発電機２０をあらかじめ回転させておくことが可能となる。
【００５１】
また、第２の発電機２０を回転させるためのしきい値ＴＨ１と、第２の発電機２０の回転を停止させるためのしきい値ＴＨ３との間に所定の差△Ｂを設けていることから、第２の発電機２０を回転させた後、風力が多少低下しても第２の発電機２０の回転が直ちには停止せず、連結を行うのに十分な風力となる見込みが無い程度に風力が低下してから、第２の発電機２０の回転が停止することになる。このため、第２の発電機２０の回転および停止が短期間に繰り返されることがなく、安定した制御を行うことが可能となる。
【００５２】
さらに、回転軸１１，２１の連結を行うためのしきい値ＴＨ２と、回転軸１１，２１の連結解除を行うためのしきい値ＴＨ３との間に所定の差△Ｃを設けていることから、回転軸１１，２１の連結を行った後、風力が多少低下しても直ちには連結解除せず、第２の発電機２０による発電が困難な程度に風力が低下してから連結解除を行っている。このため、回転軸１１，２１の連結及び連結解除が短期間に繰り返されることがなく、安定した制御を行うことが可能となる。
【００５３】
図５は、連結機構５０による連結動作に関連する動作を説明するためのフローチャートである。図５に示すように、連結機構５０による連結動作は、図３に示した連結機構４０による連結動作とほぼ同様である。
【００５４】
すなわち、第２の発電機２０に対する発電制御を開始すると（ステップＳ３１）、コントローラ６１は速度信号Ｓ２を監視し、これがしきい値ＴＨ４を超えたか否かを判断する（ステップＳ３２）。つまり、風力が一定以上に強くなったか否かを判断する。なお、以下の説明においては、しきい値ＴＨ４、ＴＨ５、ＴＨ６の関係は、上述の場合と同様に、ＴＨ５＞ＴＨ４＞ＴＨ６となっている。但し、本例では、各しきい値ＴＨ４、ＴＨ５、ＴＨ６の値はＴＨ４、ＴＨ５、ＴＨ６＞ＴＨ２に設定されている。
【００５５】
そして、速度信号Ｓ２がしきい値ＴＨ４を超えると（ステップＳ３２：ＹＥＳ）、コントローラ６１は、第３の発電機３０がモータとして回転するよう、駆動制御回路６２を制御する（ステップＳ３３）。これにより、駆動制御回路６２は駆動制御信号Ｄ３を活性化させる。その結果、第３の発電機３０はバッテリー６５から供給される電力によって回転を行うことになる。その回転数は、速度信号Ｓ３によってコントローラ６１にフィードバックされる。これに基づき、コントローラ６１は、第１〜第３の発電機１０，２０，３０の回転数がほぼ一致するよう、駆動制御回路６２に対する制御を行う。
【００５６】
これにより、第１〜第３の発電機１０〜３０は、回転軸２１，３１が切断された状態で、ほぼ同じ回転数で回転を行うことになる。ここで、第１及び第２の発電機１０，２０の回転軸１１，２１を回転させているのは風力であり、第３の発電機３０の回転軸３１を回転させているのは電力である。
【００５７】
このような準備動作を行いながら、コントローラ６１は速度信号Ｓ１〜Ｓ３の監視を継続し、これらがしきい値ＴＨ５（＞ＴＨ４）を超えたか否かを判断する（ステップＳ３４）。その結果、速度信号Ｓ１〜Ｓ３がしきい値ＴＨ５を超えたと判断された場合（ステップＳ３４：ＹＥＳ）、コントローラ６１は、連結機構５０によって回転軸２１，３１の連結を行うよう、連結制御回路６３を制御する（ステップＳ３５）。また、スイッチ７３ａを切り替えることによって、モータとして回転している第３の発電機３０への電力供給を停止し、バッテリー６５から供給される電力による第３の発電機３０の回転制御を終了させる（ステップＳ３６）。すなわち、連結制御回路６３は連結制御信号Ｃ５を活性化させ、連結機構５０による連結及びスイッチ７３ａの切り替えを行う。その結果、風車２の回転は、第３の発電機３０にも伝達されるため、第３の発電機３０に対する発電制御を開始される（ステップＳ３７）。この場合も、連結による回転数の急激な低下はほとんど生じず、スムーズな連結動作が行われる。
【００５８】
その後もコントローラ６１は速度信号Ｓ１〜Ｓ３を監視し、これがしきい値ＴＨ６（＜ＴＨ４）を下回ったか否かを判断する（ステップＳ３８）。その結果、速度信号Ｓ１〜Ｓ３がしきい値ＴＨ６（＜ＴＨ４）を下回ったと判断された場合（ステップＳ３８：ＹＥＳ）、コントローラ６１は、回転軸２１，３１の連結解除を行うよう、連結制御回路６３を制御する（ステップＳ３９）。そして、第３の発電機３０に対する発電制御を停止させる（ステップＳ４０）。これにより、第３の発電機３０による発電は停止し、ステップＳ３２の状態に戻る。
【００５９】
他方、ステップＳ３４において、速度信号Ｓ１〜Ｓ３がしきい値ＴＨ５を超えず（ステップＳ３４：ＮＯ）、むしろ、しきい値ＴＨ６（＜ＴＨ４）を下回ったと判断された場合（ステップＳ４１：ＹＥＳ）、コントローラ６１は、第３の発電機３０への電力供給を停止するよう、駆動制御回路６２を制御する（ステップＳ４２）。これにより、駆動制御回路６２は駆動制御信号Ｄ３を非活性化させ、その結果、第３の発電機３０の回転は停止する。
【００６０】
ここでも、風力の変動とコントローラ６１による制御の関係は図４に示したとおりであり、重複する説明は省略する。
【００６１】
以上説明したように、本実施形態による多段接続型発電機によれば、前段の発電機と後段の発電機を連結する前に、後段の発電機を電力によってあらかじめ回転させていることから、スムーズな連結動作を行うことが可能となる。しかも、後段の発電機を回転させるためのモータを別途用いることなく、当該発電機自体をモータとして機能させていることから、部品点数の増大を抑制することも可能となる。
【００６２】
しかも、本実施形態では、前段の発電機ほど低負荷時における発電効率が高く、後段の発電機ほど高負荷時における発電効率が高いことから、風力の幅広い変動に対応した高効率な発電を行うことが可能となる。しかも、本実施形態では、最前段に位置する第１の発電機１０として、コアの無いタイプの発電機を用いていることから、コギングトルクによる回転抵抗がなく、したがって、風力が非常に弱い場合であっても発電を行うことが可能となる。
【００６３】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【００６４】
例えば、上記実施形態においては、３つの発電機１０，２０，３０を用いているが、直列に接続する発電機の数がこれに限定されるものではない。したがって、発電機の数は２つであっても構わないし、４つ以上であっても構わない。また、これら複数の発電機の特性についても限定されないが、上記実施形態のように、前段の発電機ほど低負荷時における発電効率が高いタイプを用い、後段の発電機ほど高負荷時における発電効率が高いタイプを用いることが好ましい。
【００６５】
また、上記実施形態においては、回転軸１１，２１，３１の回転速度に基づいて、後段の発電機を回転させる条件や回転軸を連結させる条件を設定しているが、本発明がこれに限定されるものではなく、例えば、外力（風力など）の変動を他の検出器（計測用の風車など）によって直接検出し、これに基づいて上記の条件を設定しても構わない。すなわち、外力の変動を直接的又は間接的に検出し、その検出された外力と各しきい値（ＴＨ１、ＴＨ２、ＴＨ３或いはＴＨ４、ＴＨ５、ＴＨ６）とを比較して回転、回転停止、連結及び連結解除を制御するようにしても良い。
【００６６】
また、上記実施形態では、後段の発電機を回転させる条件や回転軸を連結させる条件として、ＴＨ２＞ＴＨ１＞ＴＨ３（ＴＨ５＞ＴＨ４＞ＴＨ６）に設定しているが、本発明がこれに限定されるものではない。したがって、例えばしきい値ＴＨ１としきい値ＴＨ２を同じ値に設定し、外力がしきい値ＴＨ１（＝ＴＨ２）を超えた場合に後段の発電機を回転させ、その後、一定時間しきい値ＴＨ１（＝ＴＨ２）を超えた状態が維持されたことを条件として、回転軸を連結させるといった制御を行っても構わない。
【００６７】
さらに、上記実施形態では、後段の発電機の回転を停止させる条件と回転軸の連結を解除する条件をいずれもしきい値ＴＨ３（ＴＨ６）に設定しているが、これらの条件となるしきい値が同じである必要はない。したがって、例えばしきい値ＴＨ２よりも小さいしきい値ＴＨ１を下回った場合を回転軸の連結解除の条件としても構わない。
【００６８】
また、上記実施形態では、連結前に前段の発電機と後段の発電機の回転数が一致するよう制御しているが、連結時にこれらの回転数を完全に一致させることは必須でない。
【００６９】
また、連結前に後段の発電機の回転軸を回転させる方法としては、当該発電機に電力を供給する方法に限らず、別個のモータなどを用いて回転させても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の好ましい実施形態による多段接続型発電機の構造を示す略断面図である。
【図２】本発明の好ましい実施形態による多段接続型発電機の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の好ましい実施形態による多段接続型発電機の動作を説明するためのフローチャートであり、連結機構４０による連結動作に関連する動作を示している。
【図４】風力の変動とコントローラ６１による制御の関係を説明するための模式図である。
【図５】本発明の好ましい実施形態による多段接続型発電機の動作を説明するためのフローチャートであり、第２の発電機２０に対する発電制御に関連する動作を示している。
【符号の説明】
【００７１】
２        風車
４        風車の回転軸
６        筐体
１０      第１の発電機
２０      第２の発電機
３０      第３の発電機
１１，２１，３１    回転軸
１２，２２，３２    ロータヨーク
１３，２３，３３    永久磁石
１４，２４，３４    コイル
２５，３５      コア
１６，２６，３６    速度検出器
１７，２７，３７    ロータ
４０，５０      連結機構
４１，５１      コイル
４２，５２      クラッチ板
６０      制御部
６１      コントローラ
６２      駆動制御回路
６３      連結制御回路
６４      発電制御回路
６５      バッテリー
７２，７３      インバータ
７２ａ，７３ａ    スイッチ
８０      負荷
Ｓ１〜Ｓ３      速度信号
Ｄ２，Ｄ３      駆動制御信号
Ｃ４，Ｃ５      連結制御信号
【図１】
2010007527.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2010007527.tif 000006
【図５】
2010007527.tif 000007