(57)【要約】  風駆動式パワーソースは、プロペラ駆動式ロータ構造体と、銅線を巻いた強磁性コアの群を電圧発生器として支持するステータ構造体とを有する。コアは、対を成すように配置され、ロータ構造体の一部を構成する負荷リングの内側表面と係合する硬質ゴムローラによって離間されている。全体的なロータ構造体は、大径の負荷リング、小径の基部リング、及び、基部リングから半径方向外側に延在すると共にサドルブロック又は一体接着によって負荷リングに固定された複数の空力的なブレードを有する。負荷リングはアルミニウム又はプラスチックである。電圧発生器構造体と相互作用して三相の電気を発生するために永久磁石が負荷リングの回りに配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風駆動式発電機であって、
ステータ構造体と、
ロータ構造体とを有し、このロータ構造体が、
回転軸を備えた基部リングと、
この基部リングと同心の軽量な非磁性負荷リングと、
前記回転軸と平行に移動する風によって回転されるようにピッチが付けられた複数の空力的ブレードであって、各々が内端において前記基部リングに固定されると共に中間点において前記負荷リングに固定されたブレードと、
負荷リングに取り付けられた鉄系金属製の支持体リングと、
この支持体リングに取り付けられた複数の永久磁石と、
前記ステータ構造体上に取り付けられると共に負荷リング上を走行するように位置決めされた複数のローラと、
前記ローラに密接して隣接すると共に前記負荷リングから離間して前記ステータ構造体に取り付けられ、前記負荷リング及び磁石がそばを通って回転した時に電気を発生する複数の発電機構造体と
を備えた風駆動式発電機。
【請求項２】
前記発電機構造体は、電圧発生コイルを巻いた複数対の鉄製コアを有し、前記複数のローラの内の一個が前記コア対の各々におけるコアの間に配置されている、請求項１に記載の風駆動式発電機。
【請求項３】
前記ブレードは可変ピッチであり、各ブレードのピッチは基部リングに最も近い位置で最大になる、請求項１に記載の風駆動式発電機。
【請求項４】
前記非強磁性負荷リングはアルミニウムである、請求項１に記載の風駆動式発電機。
【請求項５】
前記非強磁性負荷リングはアルミニウムである、請求項３に記載の風駆動式発電機。
【請求項６】
前記ブレードは、強化樹脂で被覆された発泡プラスチッチ材料によって作られている、請求項１に記載の風駆動式発電機。
【請求項７】
前記磁石の上に重なっているプラスチック製の軌道表面画定部材を更に有する、請求項３に記載の風駆動式発電機。
【請求項８】
前記支持体は前記負荷リングの半径方向内側表面に取り付けられている、請求項７に記載の風駆動式発電機。
【請求項９】
前記ローラは前記内側表面に当接しており、前記発電機構造体は前記内側表面に対して近接した状態で離間されるように前記ステータ構造体に取り付けられている、請求項８に記載の風駆動式発電機。
【請求項１０】
前記支持体リングは前記負荷リングの風下側の表面に取り付けられている、請求項１に記載の風駆動式発電機。
【請求項１１】
前記ローラが前記風下側の表面を支持する、請求項１０に記載の風駆動式発電機。
【請求項１２】
前記ブレードを前記負荷リングにクランプするための手段が設けられている、請求項１に記載の風駆動式発電機。
【請求項１３】
前記ブレードは前記負荷リングに一体的に接着されている、請求項１に記載の風駆動式発電機。
【請求項１４】
前記発電機構造体は三相の電気を発生するように接続されている、請求項１に記載の風駆動式発電機。
【請求項１５】
前記ステータ構造体に取り付けられると共に前記負荷リングの風下側の表面に当接する複数のスラストローラを更に有する、請求項８に記載の風駆動式発電機。
【請求項１６】
前記永久磁石は前記負荷リング内に埋め込まれている、請求項１０に記載の風駆動式発電機。
【請求項１７】
前記永久磁石は前記負荷リング内に埋め込まれている、請求項１６に記載の風駆動式発電機。
【請求項１８】
前記軌道表面画定部材は前記負荷リングの風下側表面に接着されている、請求項１７に記載の風駆動式発電機。
【請求項１９】
前記ブレードの枚数は３枚である、請求項１に記載の風駆動式発電機。
【請求項２０】
前記ブレードの枚数は６枚である、請求項１に記載の風駆動式発電機。
【請求項２１】
風駆動式発電機であって、
ステータ構造体と、
対称軸を備えた基部リングと、この基部リングと同心の負荷リングと、前記基部リングと前記負荷リングとの間に固定された複数の空力的ブレードとを備えたロータ構造体と、
前記負荷リングの表面に取り付けられた永久磁石の連続するアレーと、
前記磁石の上に配置された軌道表面画定部材と、
前記ステータ構造体上に取り付けられると共に前記軌道表面画定部材の上を走行するように位置決めされた複数のローラと、
前記ローラに密接して隣接すると共に前記表面から離間して前記ステータ構造体に取り付けられ、前記磁石がそばを通過する時に電気を発生する複数の発電機構造体と
を有する風駆動式発電機。
【請求項２２】
前記負荷リングはプラスチック製である、請求項２１に記載の風駆動式発電機。
【請求項２３】
風車であって、
対称軸を備えた基部リングと、
この基部リングと同心の外側リングと、
前記対称軸と平行に移動する風によって回転されるようにピッチが付けられた複数の空力的ブレードであって、各々が内端において前記基部リングに固定されると共に中間点において前記外側リングに固定されたブレードと、
前記風車を前記外側リングによって回転可能に支持する手段と
を有する風車。
【請求項２４】
前記外側リングの表面に取り付けられた複数の磁石を更に有する、請求項２３に記載のロータ。
【請求項２５】
前記表面は風下の円周面である、請求項２４に記載のロータ。
【請求項２６】
前記外側リングはアルミニウム製である、請求項２３に記載のロータ。
【請求項２７】
前記外側リングはプラスチック製である、請求項２３に記載のロータ。
【請求項２８】
永久磁石ロータを備える風駆動式発電機のためのステータ構造体であって、
コイルを巻いた一対の強磁性コア構造体と、
前記ロータの表面との係合のために前記コア構造体間にちょうど入るように配置されたローラと
を有するステータ構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本特許は、風車及び風車を用いた風駆動式発電機に関する。より詳細には、本明細書での開示では、複雑さの程度が最小で、軽量で、かつ効率を最適化した、低コストの部品によって作ることができる風駆動式発電機について記載する。
【背景技術】
【０００２】
機械的機能を果たすと共に電気を発生するために風車を使用することは公知である。初期の風車発電機が、エー・エッチ・ヘイロス（A. H. Heyroth）に対して１９１７年７月１０日に発行された米国特許第１，２３３，２３２号に開示されている。ヘイロスの風車は、永久磁石を支持する大径のロータリングと、放射状スポークによってロータリングを支持する中央軸とを有する。ロータリングの回転により、それに取り付けられた永久磁石が固定磁性コアのそばを通過し、コアを通過する磁束値が変化し、その結果、コアに支持された巻線に電圧が発生する。
【０００３】
類似しているがより最近の装置が、２０００年５月１６日にニルズ・ギスラソン（Nils Gislason）に発行された米国特許第６，０６４，１２３号に示されている。
【０００４】
更に別の装置が、２００３年１２月１６日にチャールズ・エス・バン（Charles S. Vann）に発行された米国特許第６，６６４，６５５号に示されている。このバンの風車は、２個の大径で同心の金属リングの間に固定された多数の短い放射ブレードを有している。外側リングは３個の外側ロータ上で回転できるように支持されており、リングは、電圧発生器又はモータの一部を構成するように磁化することができる。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第１，２３３，２３２号
【特許文献２】米国特許第６，０６４，１２３号
【特許文献３】米国特許第６，６６４，６５５号
【発明の開示】
【０００６】
本明細書では、特に発電機においての使用に適した風車について記載するが、他の用途にも適している。そのように使用される場合、発電機は、次の原理の最適な適用を含む。１．一般にロータ速度が高い程、発電機の出力パワーが大きくなる。
２．ロータ速度を高めることは、より軽量で質量の小さいロータ構造体を用いることでより容易に達成できる。
３．ロータ構造体上のトルク及びモーメント抗力を最小にすることが有利である。
【０００７】
本発明の風車は、ロータ構造体においてこれらの原理を最適に使用するものであり、ロータ構造体は、シェル直径の基部リング、より大径の外側リング、及び複数の軽量ブレードを有する。軽量ブレードは、内端において基部リングに、また中間点において外側リングに構造的に接続されている。外側リングは、回転支持システムにおいて使用され、この回転支持システムは、典型的には、基部リングと外側リングに共通の軸を中心としてロータが回転できるようにするためにローラを使用している。
【０００８】
発電機において使用される場合、軽量ロータは、一つまたはそれ以上の固定コア構造と協働して、ロータの回転に伴って電気を発生するために複数の離間された永久磁石を支持することができる。
【０００９】
本構造は、中心軸を必要としないだけでなく、如何なる風力や風速に対しても、ギヤボックスを必要とすることなく、高いロータ速度を生じさせるポテンシャルを有する。ブレードを中間点で支持する中間点構造リングを使用することにより、ブレードを構成するために、発泡コア組成物等の軽量の材料を使用することができる。
【００１０】
本発明のこれら及びその他の利点は、発明の好適な実施形態を記載した以下の明細書を一読することによって最も良く分かるであろう。
【００１１】
本明細書の記載は添付の図面を参照して行われるが、幾つかの図面を通して同じ参照番号は同じ部品を示している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
最初に図１を参照すると、風を集めてそれに含まれるエネルギーから電気を作り出すために、ポール１４、１５及び１６上に取付けられた同一の風駆動式パワーソース１０、１１及び１２を含む「ウインドファーム」の一部が示されている。ソース１０、１１及び１２は全て同一であるため、ソース１０のみを詳細に説明する。
【００１３】
次に図２〜図７を参照すると、ソース１０は、ポール１４上に取り付けられた３本の三角形状に配置されたアルミニウム支柱１９から構成されるステータ構造体１８を有する。このステータ構造体１８は、図４及び図５を参照してより詳細に説明するプレート５０及び２２上に取り付けられた３台の発電ユニット２０及び２１を有する。この場合も、パワーソース１０上の異なる位置にあるものの、ユニット２０、２１及び２２は同一であるため、ユニット２０を代表として説明する。
【００１４】
ユニット２０は、ステータ構造体１８のプレート５０上に対称に配置された３個のステータ取り付けローラの内の１個であるローラ３０の両側にそれを跨ぐように近接して配置された２個の強磁性鉄製コア２６及び２８を有する。ローラ３０はロータ構造体３２を支持し、このロータ構造体の最大の部品はアルミニウムリング３４である。これは、「外側リング」又は「負荷（load）リング」等のように本明細書中において種々の名称で呼ばれるが、本実施形態では、電気を発生するために、鉄系金属製の支持体リング４８、この支持体リングの半径方向内側表面に断続的環状に接着された一連の永久磁石３６等の多数の部品を含む。アルミニウムリング３４は構造体を軽量にすると共に加速を容易にし、鉄製の支持体リング４８は磁気システムのめたに磁束経路を提供する。ロータ構造体３２は更に、軽量な複合体から成る空力的なブレード３８、４０及び４２を有する。これらのブレードは、図２と図３に最も良く示されているように、硬質発泡プラスチックコア４４を合成樹脂性の外部被覆４６で覆って作ることが好ましい。
【００１５】
更に、ロータ構造体３２は、非鉄製基部リング４５を有し、この基部リングにブレード３８、４０及び４２の内端が取り付けられている。基部リング４５は、複合プラスチック構造体又は他の比較的軽量な材料製であることができる。例えば、ブレード３８、４０及び４２は約５フィートの長さとすることができる。基部リング４５は約２フィートの直径とすることができ、アルミニウム負荷リング３４は約６フィートの直径とすることができる。従って、ブレードに対して強度と剛性を付与してトルクたわみに対抗するために、負荷リング３４はロータ構造体３２の半径方向中間点の近傍に取り付けられている。ブレードは、その内端、即ち基部端において約４２度、外側の先端において約１／２度のピッチでキャンバが付与されている。ピッチは一端から他端に向かって徐々に変化する。
【００１６】
図２〜図５を参照してステータ構造体とロータ構造体をより詳細に説明する。ステータ構造体１８は、図６に示される三角形状の支持体の頂点に設けられたアルミニウムプレート５０を有する。各プレート５０は、銅コイル２９及び３１が巻かれた一対の離間された積層鉄製コア２６及び２８を保持している。各組の２個のコア構造体２６及び２８の間には硬質ゴムローラ３０が回転可能に取り付けられており、このゴムローラ３０は永久磁石３６の外側表面の上に延在するポリカーボネート製軌道５２の外側表面と係合している。永久磁石３６は、連続する磁束経路を提供するためにアルミニウム製負荷リング３４に取り付けられた鋼製支持体リング４８に接着されている。非磁性スぺーサ３３が永久磁石３６の間に配置されている。ポリカーボネート製軌道５２は、図５と図６に最も良く示されているように、磁石３６とスペーサ３３の組み合わせによって画定された平坦面の上に接着された薄いフィルムである。
【００１７】
ローラ３０は、ポリカーボネート製軌道５２によって提供される平坦面と接触すると共にそれに載っており、これによりロータ構造体３２の負荷リング３４の円滑で振動の無い回転が可能となる。強磁性コア２６及び２８は、ポリカーボネート製リングに近接して配置されてはいるが、約０．１８０インチだけポリカーボネート製リングから離間されている。上記した寸法の実際的な実施形態では、永久磁石と強磁性コア構造体２６及び２８との間の磁気吸引力は、電圧発生ユニット当たり約４０ポンドである。何故なら、磁性ロータが回転して通過するのに伴い、３個のステータ構造体１８の各々において合計８０ポンドの吸引力が発生するからである。アルミニウム製の負荷リング３４が、撓むことなくこれらの吸引力に耐え得るようにするために、ロータローラ３０は、好ましくは、近接して組み合わされたコア２６及び２８の対の間に対称に取り付けて撓みに対する抵抗を最大限にし、これにより、ローラは、コア構造体の間にちょうど入るようにして負荷リングの内側表面に接触する。図６に示すように、追加のローラ３７がステータ構造体の後ろに回転可能に取り付けられており、スラスト支持、即ち、回転軸と平行な方向の支持を提供する。
【００１８】
ブレード支持構造体は、図５、図６及び図７に最も良く示されているによう、ブレード３８、４０及び４２の内側表面を受けると共にそれに適合するサドルブロック５４を有する。クランプブロック５６及び５８が押さえねじによってサドルブロックに取り付けられており、ブレード３８、４０及び４２を閉じ込めると共に、それらを負荷リング３４に対して強固に保持し、これにより全体的な剛性を得る。
【００１９】
好ましくは、ストッパ５８が押さえねじによってステータ１８上のプレート６０に取り付けられており、ロータ３２がステータ構造体の前方に移動するのを阻止する。ストッパ５９と負荷リング３４の外側表面との間の間隔は、１／４インチ程度とすることができる。加わる逆方向のスラスト荷重を最小にできるため、外側ローラは不要である。
【００２０】
要約すると、発電機ユニットの各々は、支持体１９から作られた三角形状のフレームと、対称に配置された３対の発電ユニット２０、２１及び２２とから成るステータ構造体１８を有する。各発電ユニットは、負荷リング３４の半径方向内側の軌道５２に乗るように適合されたローラ３０を跨ぐ、強磁性コア２６、２８とそれに巻かれたコイルの対を含む。負荷リング３４は、軽量プロペラブレード３８、４０及び４２の各々に、それらの略中間点において一体的に取り付けられており、構造的な剛性を付加する。負荷リング３４の内側表面には永久磁石３６のアレーが設けられており、この永久磁石のアレーは、プロペラブレード３８、４０及び４２がロータリングを円形経路で駆動するのに伴い、ステータコア２６及び２８に対して半径方向に離間した関係で移動し、セル内で電圧を発生する。
【００２１】
次に図８を参照すると、６フィートの負荷リング３４の内側に１６０個の永久磁石を使用した代表的な電気システムが示されている。このシステムは、三相の電気システムを作り出すために各々が離間された６個のコイルのクラスタ６４、６６及び６８を含む。各クラスタ内の２個の対応する相コイルが直列に接続されている。６個の同一のクラスタがある。各クラスタは、それぞれの対応する相のコイル対が並列に接続されて出力回路を形成している。これらの出力回路の各々は、力率を補正するために配線間に接続されたコンデンサバンク７０、７２及び７４を有する。そして、各回路は、全波整流器７６、７８及び８０にそれぞれ接続され、抵抗器８４、８６及び８８を含む出力回路に調節していない直流電圧を提供する。図８の回路は、出力を監視するために適宜の位置に設けられた電圧計を備えている。各コイルは、代表的な例では、巻き数が１００であり、発電機構造体のコアと磁石との間の空隙は約５ミリである。
【００２２】
上手く動作する実施形態では、ブレードの重量は総計で約３６ポンドであり、毎分２５０回転までの速度で安全に回転される。磁石の総重量は約１５ポンドで、ローラ３０は直径が４インチで、硬質ゴム製である。
【００２３】
図９及び図１０を参照して、代替のロータ構造体１００について説明する。ロータ構造体は、軽量の成形プラスチックから作られ、図１０に示すように空力的な、即ちくさび形の断面を有する負荷リング１０２を含む。図９に示すように、プラスチック製負荷リング１０２はブレード１０４、１０６及び１０８とそれらの中間点近傍で物理的に一体化されている。ブレードの内端は、標準的なガラス繊維技術により、より小径の基部リング１１０に接着されている。「ガラス繊維」という語は、グラファイト繊維、グラスファイバー及びその他の材料を用いたもの等、種々の複合構造体を包含するものである。
【００２４】
図４の実施形態の永久磁石３６は、負荷リング３４の半径方向内側の表面に取り付けられていたが、図９及び図１０の実施形態の永久磁石１１４は、負荷リング１０２の風下側表面１３０の回りに環状に配置され、図１０に示すように負荷リング１０２内に埋め込まれた環状の強磁性支持体リング１１２に接着されている。耐候性を得るために磁石の上にプラスチック表面を設けることができる。ローラ１２４は、負荷リング１０２の内側面１２６に当接しており，図９に示すように対称に等間隔で配置されている。これらのローラはステータ構造体１１６によって支持されているが、このステータ構造体１１６は、第１実施形態と同様に、ビームの三角形配置によって作られている。また、巻線コイル１２０を備えた強磁性コア構造体１１８が、ロータが回転した時に永久磁石１１４の軌道に密に隣接するようにステータ構造体１１６上に置かれている。永久磁石１１４の軌道に対して半径方向内側の表面１３０に当接しているローラ１２８によってスラスト方向の支持が提供されている。
【００２５】
本実施形態では、発電ユニットは本質的には空気流の外、即ち負荷リング１０２の後ろにあって、風損を減少させることができる。ラジアルローラ１２４とステータ構造体のより小さい部分のみが風の流れの中に位置する。この構造は極めて軽量にできると共に極めて剛性を高くできる。何故なら、エポキシ接着技術、ガラス繊維技術等によって一体化できる可能性があるからである。図８の電気的構成を図９及び図１０の構造と組み合わせて使用することもできる。
【００２６】
本発明を、現時点で最も現実的で好ましい実施形態と考えられるものと関連して記載したが、本発明は開示された実施形態に限定されるべきでなく、添付の請求の範囲の精神及び範囲に含まれる種々の変形例及び均等な構成を包含することを意図するものであることを理解すべきであり、請求の範囲は、法の元で認められているように、その様な変形例及び均等構成の全てを包含するための最も広い解釈が認められるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に従って作られポール上に取り付けられた３台の発電機を採用する「ウインドファーム」の一部の斜視図である。
【図２】図１の発電機の内の一台の詳細図である。
【図３】図２の構造のプロペラブレードの内の一本の断面図である。
【図４】図２の構造の詳細図であり、図２の装置のステータ構造体の一部として、内側ローラを跨ぐ電圧発生器コア構造体の配置を示す。
【図５】図２の構造の詳細図であり、コア構造体、永久磁石及びプロペラブレード取り付け構造を三次元的に詳細に示す。
【図６】図５の構造の側面図であり、ロータの一部を断面で示す。
【図７】ブレードの断面図であり、追加のロータ構造を示す。
【図８】図１〜図７の構造から三相電力を発生する代表的な回路図である。
【図９】ロータ構造体の代替の実施形態の平面図である。
【図１０】図９の構造の部分断面図であり、図９のロータのための支持ローラ及び永久磁石とステータ上に取り付けられた電圧発生構造体の関係をより詳細に示す。
【符号の説明】
【００２８】
１８  ステータ構造体
２０、２１、２２  発電ユニット
３０  ローラ
３２  ロータ構造体
３４  負荷リング
３８、４０、４２  ブレード
４５  基部リング
４８  支持体リング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
2009503337.tif 000013