(57)【要約】【課題】ブラシレス励磁を可能とし、高価な希土類磁石の使用量を大幅に削減しつつ発電電力を得ることができる、風力発電装置を実現する。【解決手段】インナーロータタイプの回転子１１に界磁巻線１４を備えると共に、固定子１５に固定子コイル（電機子巻線）１８を備えた主機の発電機１０を励磁するために、永久磁石２２が配置されたアウターロータ２１と電機子巻線２４が配置されたインナーロータ２３を備えた永久磁石式の交流励磁機２０を採用する。、この永久磁石式の交流励磁機２０のアウターロータ２１を誘導電動機３０で回転するようにした。そして、交流励磁機２０の出力を回転整流子４０で整流して主機発電機１０の電機子巻線に供給する。【選択図】図１
2014092148.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁巻線が配置されると共に風車の回転に合わせて回転するインナーロータタイプの回転子と、電機子巻線が配置された固定子とを有する主機である発電機と、
軸受を介して前記発電機の前記回転子を回転自在に支持するサポートコーンと、
永久磁石が配置されたアウターロータと、電機子巻線が配置されると共に前記風車の回転に合わせて回転するインナーロータとを有する交流励磁機と、
前記交流励磁機の前記アウターロータを回転させる電動機と、
前記交流励磁機から出力された交流電流を整流し、整流した直流電流を前記界磁巻線に送る回転整流器と、
を備えたことを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
界磁巻線が配置されると共に風車の回転に合わせて回転するインナーロータタイプの回転子と、電機子巻線が配置された固定子とを有する主機である発電機と、
軸受を介して前記発電機の前記回転子を回転自在に支持するサポートコーンと、
電機子巻線を備えた固定子が前記サポートコーンに取り付けられ、界磁用の永久磁石が備えられた回転子が前記発電機の前記回転子に取り付けられている永久磁石式発電機と、
前記永久磁石式発電機から交流電力が供給されて励磁電流を出力する自動電圧調整器と、
前記自動電圧調整器から出力された励磁電流が流れる界磁巻線が備えられた固定子が前記サポートコーンに取り付けられ、交流電流を出力する電機子巻線が備えられた回転子が前記発電機の前記回転子に取り付けられている交流励磁機と、
前記交流励磁機から出力された交流電流を整流し、整流した直流電流を前記界磁巻線に送る回転整流器と、
を備えたことを特徴とする風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は風力発電装置に関し、特に励磁手法に工夫をしたものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、自然エネルギを活用する観点から、風力発電装置が注目されている。風力発電装置は、風車と発電機を主要部材として構成されており、風車の回転力により発電機を回転させて発電をするものである。
このような風力発電装置の中には、風車と発電機とを直結する、ダイレクトドライブタイプの風力発電装置がある。このタイプでは、風車と発電機との間に増速機が不要であるため、増速器によるギア騒音が発生しないという利点がある。
【０００３】
風力発電装置に用いる発電機としては、インナーロータタイプの回転子の表面に界磁巻線を備え、ブラシを介して界磁巻線に界磁電流を供給する回転界磁巻線型のものがある。
しかし、このような回転界磁巻線型の発電機ではブラシのメンテナンスが必要である。
【０００４】
そこで、ブラシのメンテナンスを避けるため、風力発電装置用の発電機としてブラシレス化ができる永久磁石式発電機を採用することもある。永久磁石式発電機では、インナーロータタイプの回転子の周面に、界磁となる永久磁石を配置した構成になっている（例えば特許文献１参照）。
このような永久磁石式発電機では、エネルギ密度を大きくするために、ネオジム，鉄，ホウ素を主成分とする希土類磁石（レアアース磁石）を使用していることが多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１０３７３２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、このような風力発電装置用の永久磁石式発電機において、界磁磁石として希土類磁石（レアアース磁石）を使用した場合には、次のような問題がある。
即ち、ダイレクトドライブタイプの風力発電装置では、発電機の回転速度は、風車の回転速度と同じであり、回転速度が低い（例えば回転速度は、概ね２０min-1以下）。そこで、回転速度が低くても必要な発電電力を得るために、発電機体格を大きくしている。
このため、体格の大きな発電機に使用する希土類磁石の量が極めて多くなり、例えば、１台の発電機に数トンの希土類磁石が必要である。希土類磁石は非常に高価であり、その価格が時代と共に次第に高騰してきており、このような高価な希土類磁石を多量に使用した発電機を備えた風力発電装置では、イニシャルコストが膨大なものになる。
【０００７】
本発明は、上記従来技術に鑑み、励磁手法に工夫をすることにより、ブラシレス励磁であると共に、高価な希土類磁石の使用量を削減しつつ必要な発電電力を得ることができる、風力発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する本発明の構成は、
界磁巻線が配置されると共に風車の回転に合わせて回転するインナーロータタイプの回転子と、電機子巻線が配置された固定子とを有する主機である発電機と、
軸受を介して前記発電機の前記回転子を回転自在に支持するサポートコーンと、
永久磁石が配置されたアウターロータと、電機子巻線が配置されると共に前記風車の回転に合わせて回転するインナーロータとを有する交流励磁機と、
前記交流励磁機の前記アウターロータを回転させる電動機と、
前記交流励磁機から出力された交流電流を整流し、整流した直流電流を前記界磁巻線に送る回転整流器とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
また本発明の構成は、
界磁巻線が配置されると共に風車の回転に合わせて回転するインナーロータタイプの回転子と、電機子巻線が配置された固定子とを有する主機である発電機と、
軸受を介して前記発電機の前記回転子を回転自在に支持するサポートコーンと、
電機子巻線を備えた固定子が前記サポートコーンに取り付けられ、界磁用の永久磁石が備えられた回転子が前記発電機の前記回転子に取り付けられている永久磁石式発電機と、
前記永久磁石式発電機から交流電力が供給されて励磁電流を出力する自動電圧調整器と、
前記自動電圧調整器から出力された励磁電流が流れる界磁巻線が備えられた固定子が前記サポートコーンに取り付けられ、交流電流を出力する電機子巻線が備えられた回転子が前記発電機の前記回転子に取り付けられている交流励磁機と、
前記交流励磁機から出力された交流電流を整流し、整流した直流電流を前記界磁巻線に送る回転整流器とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、インナーロータタイプの回転子に界磁巻線を備えると共に、固定子に固定子コイル（電機子巻線）を備えた主機の発電機を励磁するために、永久磁石が配置されたアウターロータと電機子巻線が配置されたインナーロータを備えた永久磁石式の交流励磁機を採用し、この永久磁石式の交流励磁機のアウターロータをモータで回転するようにした。そして、交流励磁機の出力を回転整流子で整流して主機の電機子巻線に供給するようにした。
これにより、ブラシレス励磁を可能とし、高価な希土類磁石の使用量を大幅に削減しつつ発電電力を得ることができる、風力発電装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例１にかかる風力発電装置を示す機械的構成図。
【図２】本発明の実施例１にかかる風力発電装置を示す電気的構成図。
【図３】本発明の実施例２にかかる風力発電装置を示す機械的構成図。
【図４】本発明の実施例２にかかる風力発電装置を示す電気的構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明は、インナーロータタイプの回転子に界磁巻線を備えると共に、固定子に固定子コイル（電機子巻線）を備えた発電機を採用しており、界磁巻線を励磁する手法に工夫をした風力発電装置である。
本発明は、風車と発電機とを直結したダイレクトドライブタイプの風力発電装置に適用して特に有効なものであるが、ダイレクトドライブタイプの風力発電装置に限るものではない。
以下、本発明に係る風力発電装置を、実施例に基づき詳細に説明する。
【実施例】
【００１３】
〔実施例１〕
本発明の実施例１にかかる、ダイレクトドライブタイプの風力発電装置１００を、機械的構成を示す図１と、電気的構成を示す図２を参照して説明する。
なお、図１では、回転軸心Ａを中心として、上側部分を示しており、下側部分は図示を省略している。
【００１４】
両図に示すように、この風力発電装置１００は、サポートコーン１等の支持構造物と、発電機１０と、永久磁石式の交流励磁機２０と、誘導電動機３０と、回転整流器４０と、インバータ装置５０を主要部材として構成されている。
【００１５】
略円錐筒状のサポートコーン１は、その軸心が水平状態になって設置されるものであり、その一端（図１では右端）が、タワー側支持部２に固定支持されている。タワー側支持部２はタワー（図示省略）に固定設置されるものである。
サポートコーン１の他端側（図１では左端側）の外周面には、軸受３が配置されている。
【００１６】
風車側回転部４は、軸受３により回転自在に支持されている。回転軸心Ａの位置において、風車側回転部４の一端面（図１では右端面）には、回転軸５が接続されている。また、回転軸心Ａの位置において、風車側回転部４の他端面（図１では左端面）には、風車の回転軸（図示省略）が接続されている。
このため、風車の回転に合わせて、風車側回転部４が回転する。
【００１７】
発電機１０は回転界磁巻線型の発電機である。
更に詳述すると、インナーロータタイプの回転子１１では、スパイダ１２の内周部が、軸受３で回転自在に支持されると共に風車側回転部４に接続されている。スパイダ１２の外周部には回転子鉄心１３が備えられており、回転子鉄心１３には界磁巻線１４が配置されている。
このように構成された回転子１１は、軸受３で支持されて、風車と共に回転する。
【００１８】
発電機１０の固定子１５では、固定子フレーム１６の一端が、タワー側支持部２で固定支持されている。固定子フレーム１６の内周面には固定子鉄心１７が備えられており、固定子鉄心１７には固定子コイル（電機子巻線）１８が配置されている。
【００１９】
交流励磁機２０は、永久磁石式の励磁機である。即ち、アウターロータ２１の内周面には界磁となる永久磁石２２が配置されている。インナーロータ２３は回転軸５に接続されて風車と共に回転するものであり、インナーロータ２３には電機子巻線２４が配置されている。
【００２０】
誘導電動機３０は、その出力軸３１が交流励磁機２０のアウターロータ２１に接続されている。
回転整流器４０は、回転子１１のスパイダ１２に備えられている。
インバータ装置５０は、周波数制御した交流電流を誘導電動機３０に供給する。
【００２１】
なお、交流励磁機２０の電機子巻線２４は回転整流子４０の交流側に接続されており、回転整流子４０の直流側は発電機１０の界磁巻線１４に接続されている。
【００２２】
次に、上記のように構成されている風力発電装置１００の動作を説明する。
風車（図示省略）の回転により風車側回転部４が回転すると、この回転力が回転軸５を伝わり、交流励磁機２０のインナーロータ２３が回転し、また、発電機１０の回転子１１が回転する。このように一体として回転する、風車，風車側回転部４，インナーロータ２３，回転子１１の回転速度は、４〜１５ｒｐｍ程度である。
【００２３】
インバータ装置５０から周波数制御した交流電流を誘導電動機３０に供給して誘導電動機３０を駆動すると、誘導電動機３０の回転力が出力軸３１を伝わり、交流励磁機２０のアウターロータ２１が回転する。
このとき、インバータ装置５０から出力する交流電流の周波数を制御することにより、誘導電動機３０の回転速度ひいてはアウターロータ２１の回転速度を制御することができる。例えばアウターロータ２１の回転速度を、１０００〜１５００ｒｐｍの回転速度範囲中の予め決めた一定速度にする。
【００２４】
交流励磁機２０では、永久磁石２２を備えたアウターロータ２１が高速回転（例えば１０００〜１５００ｒｐｍ）するため、交流励磁機２０の体格を小さくしても、電機子巻線２４から出力される起電力は高くなる。
【００２５】
交流励磁機２０から出力された交流電流は、回転整流器４０に送られて直流電流に整流される。整流された直流電流は、発電機１０の界磁巻線１４に送られて界磁磁束を生じる。このとき、発電機１０の回転子１１が回転することにより、固定子コイル（電機子巻線）１８に交流起電力が発生し交流電流が出力される。
なお、図示はしないが、発電機１０の出力側にはコンバータが接続されており、コンバータ制御をすることにより発電機出力を制御することができる。
【００２６】
本実施例の風力発電装置１００では、体格の小さな交流励磁機２０には永久磁石２２を使用するが、主機である発電機１０には永久磁石を使用しないので、主機を永久磁石式発電機とした風力発電装置に比べて、永久磁石の使用量を大幅に削減することができる。この結果、製造コストを大幅に削減することができる。
また、交流励磁機２０を誘導電動機３０により高速回転するため、交流励磁機２０の起電力を高くしながら、交流励磁機２０の体格を小さくすることができる。
もちろん、ブラシは使わないのでブラシレス構造にすることができ、ブラシのメンテナンス作業が不要になる。
【００２７】
〔実施例２〕
次に、本発明の実施例２にかかる、ダイレクトドライブタイプの風力発電装置２００を、機械的構成を示す図３と、電気的構成を示す図４を参照して説明する。
なお、図３では、回転軸心Ａを中心として、上側部分を示しており、下側部分は図示を省略している。
実施例２は、実施例１に対して励磁方式は異なるが、他の部分は実施例１と同様である。そこで以下の説明では、実施例１と異なる部分を中心に説明をし、実施例１と同一部分には同一符号を付し、重複する部分の説明は省略する。
【００２８】
実施例２の風力発電装置２００の励磁構造は、回転整流器４０と、交流励磁機２１０と、自動電圧調整器２２０と、永久磁石式発電機２３０とで構成されている。
【００２９】
回転整流器４０は、実施例１と同様な構成であり、回転子１１のスパイダ１２に備えられており、回転整流器４０の直流側が発電機１０の界磁巻線１４に接続されている。
【００３０】
交流励磁機２１０では、界磁巻線２１１が備えられた固定子２１２が、サポートコーン１に取り付けられ、電機子巻線２１３が備えられた回転子２１４が、回転子１１のスパイダ１２に取り付けられている。
交流励磁機２１０の電機子巻線２１３は、回転整流器４０の交流側に接続されている。
【００３１】
自動電圧調整器２２０は、図３では図示していないが、回転子１１のスパイダ１２に取り付けられており、交流励磁機２１０の界磁巻線２１１に励磁電流を供給する。
【００３２】
永久磁石式発電機２３０では、電機子巻線２３１を備えた固定子２３２が、サポートコーン１に取り付けられ、界磁用の永久磁石が備えられた回転子２３３が、回転子１１のスパイダ１２に取り付けられている。
永久磁石式発電機２３０で発生した交流電力は、自動電圧調整器２２０に供給される。
【００３３】
実施例２の風力発電装置２００では、風車（図示省略）が回転して、発電機１０の回転子１１が回転すると、交流励磁機２１０の回転子２１４が回転して交流励磁機２１０が起動すると共に、永久磁石式発電機２３０の回転子２３３が回転して永久磁石式発電機２３０が起動する。
【００３４】
このため、永久磁石式発電機２３０から自動電圧調整器２２０に交流電力が供給され、自動電圧調整器２２０から交流励磁機２１０に励磁電流が供給され、交流励磁機２１０から回転整流器４０に交流電流が供給され、回転整流器４０から発電機１０の界磁巻線１４に整流した直流電流が供給される。
このとき、発電機１０の回転子１１が回転することにより、固定子コイル（電機子巻線）１８に交流起電力が発生し交流電流が出力される。
【００３５】
本実施例の風力発電装置２００では、永久磁石式発電機２３０には永久磁石を使用するが、主機である発電機１０には永久磁石を使用しないので、主機を永久磁石式発電機とした風力発電装置に比べて、永久磁石の使用量を大幅に削減することができる。この結果、製造コストを大幅に削減することができる。
もちろん、ブラシは使わないのでブラシレス構造にすることができ、ブラシのメンテナンス作業が不要になる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、増速器を使用することなく風車と発電機とを直結するダイレクトドライブタイプの風力発電装置のみならず、増速器を介して風車と発電機とを連結するタイプの風力発電装置にも適用することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１  サポートコーン
２  タワー側支持部
３  軸受
４  風車側回転部
５  回転軸
１０  発電機
１１  回転子
１２  スパイダ
１３  回転子鉄心
１４  界磁巻線
１５  固定子
１６  固定子フレーム
１７  固定子鉄心
１８  固定子コイル
２０  交流励磁機
２１  アウターロータ
２２  永久磁石
２３  インナーロータ
２４  電機子巻線
３０  誘導電動機
３１  出力軸
４０  回転整流器
５０  インバータ装置
１００，２００  風力発電装置
２１０  交流励磁機
２１１  界磁巻線
２１２  固定子
２１３  電機子巻線
２１４  回転子
２２０  自動電圧調整器
２３０  永久磁石式発電機
２３１  電機子巻線
２３２  固定子
２３３  回転子
【図１】
2014092148.tif 000003
【図２】
2014092148.tif 000004
【図３】
2014092148.tif 000005
【図４】
2014092148.tif 000006