(57)【要約】【課題】発電装置において、回転駆動力の大小にかかわらず発電を可能とすること。【解決手段】直流磁界を発生する固定子３と、回転子巻線４を有する回転子６と、所定の周期で回転子巻線４と出力端子との間を導通させる整流子８および一対の第１のブラシ１４ａ、１４ｂと、所定の周期で回転しつつ一対の第１のブラシ１４ａ，１４ｂをそれぞれ固定接続してなる一対のスリップリング１０ａ，１０ｂと、一対のスリップリング１０ａ，１０ｂに接触する第２のブラシ１２ａ，１２ｂとが備えられ、回転子６の回転に基づいて第２のブラシ１２ａ，１２ｂに接続される出力端子から発電出力を得る。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流磁界を発生する固定子と、
回転子巻線を有する回転子と、
前記回転子と一体回転する整流子および所定の周期で回転しつつ前記整流子に回転接触する一対の第１のブラシを具備する接触手段と、
を備え、
前記回転子の回転に基づく発電出力を前記接触手段を介して出力させることを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記接触手段は、前記所定の周期で回転し、前記一対の第１のブラシをそれぞれ固定接続してなる一対のスリップリングをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記接触手段は、固定配置され、かつ、前記所定の周期で回転する一対のスリップリングに接触する第２のブラシをさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の発電装置。
【請求項４】
直流磁界を発生する固定子と、
回転子巻線を有する回転子と、
前記回転子と一体回転する受光素子および固定配置される発光素子を具備する非接触スイッチング手段と、
を備え、
前記回転子の回転に基づく発電出力を前記非接触スイッチング手段を介して出力させることを特徴とする発電装置。
【請求項５】
前記受光素子は、少なくとも前記回転子巻線の数と同数備えられ、前記発光素子の発光を受光し、かつ、該発光に同期して該回転子巻線から出力される前記発電出力を切り替えることを特徴とする請求項４に記載の発電装置。
【請求項６】
前記受光素子は、前記回転子の回転により前記固定子との相対位置関係が変動し、前記発光素子は、前記回転子の回転如何に関わらず前記固定子との相対位置関係が一定であることを特徴とする請求項４または５に記載の発電装置。
【請求項７】
前記受光素子および前記発光素子は、略近距離に対面配置されることを特徴とする請求項４〜６のいずれか一つに記載の発電装置。
【請求項８】
前記発光素子を交流電源の周波数に同期して点滅発光する発光ロジック回路を有することを特徴とする請求項４〜７のいずれか一つに記載の発電装置。
【請求項９】
前記固定子が２Ｐ極（Ｐ＝１，２，・・・）で構成されている場合に、前記固定子を構成する一対のＮ−Ｓの磁極対のうちの一の磁極対のＮ極とＳ極とを結ぶ方向を基準方向とし、ｍをＰ以下の自然数（ｍ＝１，２，・・・，Ｐ）とするとき、
前記発光素子は、略円形の円周方向の前記基準方向を基準に物理角に換算した、[９０°×(４ｍ−３)／Ｐ]〜[９０°×(４ｍ−１)／Ｐ]の範囲内に略均一に配置されることを特徴とする請求項４〜８のいずれか一つに記載の発電装置。
【請求項１０】
前記発光ロジック回路は、往復点滅発光することを特徴とする請求項９に記載の発電装置。
【請求項１１】
前記発光ロジック回路は、前記固定子を構成する一対のＮ−Ｓの磁極対のＮ極とＳ極とを結ぶ方向を各基準方向とするとき、前記各基準方向から電気角略＋９０°の位置にある発光素子と電気角略０°の位置にある発光素子との間の所定の発光素子と、当該各基準方向から電気角略−９０°の位置にある発光素子と電気角略０°の位置にある発光素子との間の所定の発光素子との間を往復点滅発光させることを特徴とする請求項１０に記載の発電装置。
【請求項１２】
前記受光素子は、略円形の円周方向に略均一に配置されることを特徴とする請求項４〜８のいずれか一つに記載の発電装置。
【請求項１３】
前記発光ロジック回路は、回転点滅発光することを特徴とする請求項１２に記載の発電装置。
【請求項１４】
前記発光ロジック回路は、前記発電出力に基づいて当該発電出力を可変制御することを特徴とする請求項７〜１３のいずれか一つに記載の発電装置。
【請求項１５】
前記固定子は固定子巻線を備え、
前記固定子巻線は、直流励磁されることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一つに記載の発電装置。
【請求項１６】
直流磁界を発生する固定子と、
回転子巻線を有する回転子と、
前記回転子と一体回転するホール素子および固定配置される磁界発生手段を具備する非接触スイッチング手段と、
を備え、
前記回転子の回転に基づく発電出力を前記非接触スイッチング手段を介して出力させることを特徴とする発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置に関するものであり、特に、回転駆動力の大小にかかわらず所定の周波数の出力が得られる発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
資源の乏しい我が国は、２００１年現在、エネルギー総供給の約８割を海外に依存しており、また、約５割を石油に依存しているといった現状である。一方、今後のアジア諸国を中心とするエネルギー需要の大幅な増加が予想され、石油の中長期的な安定供給が懸念されている。また、地球温暖化の防止の観点から、二酸化炭素等の温室効果ガス排出量を所定の比率で削減することが国際的な責務とされている。このような中、エネルギーの安定供給の確保、地球環境問題への対応の観点から、資源制約が少なく、環境特性の良いクリーンなエネルギーである新エネルギーの一層の導入促進が求められている。
【０００３】
かかる状況下において、近時、小水力発電、風力発電などの発電装置が種々商品化されている。これらの発電装置は、自然環境下に存在するクリーンなエネルギーを余すところなく電力に変えようとするものである。特に、上述のような状況の中、今やエネルギー供給手段として我々の生活に不可欠な商用電源との系統連系が必須要件となっている。
【０００４】
なお、低風速時の発電電力を有効利用し、任意風速における風力エネルギーを有効利用して、高効率で発電電力を回収するようにした風力発電装置なども開示されている（例えば、特許文献１）。この特許文献１に開示された風力発電装置では、風車、増速器、発電機、制御装置、バッテリー、電流動作点決定手段、および、風速センサーが備えられ、制御装置が、電流動作点決定手段が決定した風速に応じて軸動力が最大となるトルク動作点に相応する電流動作点となるように発電機の出力電流を制御することにより、任意風速において最大の軸動力が得られるトルク動作点で風車を運転して高効率に発電電力をバッテリーに回収するようにしている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３１５３９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のような、小水力発電、風力発電などの発電装置を広く普及させるためには、発電装置自身の低価格化を推進しなければならない。しかしながら、特許文献１などに示された風力発電装置は、構成や制御機構が複雑であり、必然的に高価なものにならざるを得ないという問題点があった。また、系統連系を行うために連系インバータを使用しており、インバータの利用に伴う交流−直流、あるいは直流−交流変換作用によって効率が低下するという問題点もあった。
【０００７】
一方、低価格化のためには、インバータなどを使用せずに、発電装置として簡単な構造のものを用いる必要がある。例えば、小出力タイプの発電装置として、固定子にマグネットを備え、回転駆動力を得て回転する回転子から発電出力を得るようにしたものが存在する。しかしながら、系統連係するためには、系統と同一の周波数の起電力を生じさせるため一定の回転数を維持する必要があり、風力発電や、水力発電のように回転数が不安定な動力を用いる場合には、従来のようにインバータを使用しなければならなかった。
【０００８】
また、上記のような発電装置に代えて、系統連系も可能であり、また構造が簡易で運転が容易であるといった利点を有している誘導発電機を用いることも考えられる。しかしながら、誘導発電機は、同期速度以上で回転させない限り発電しないという特性を有するため、一定以上の風力または水力が存在しない限り、発電しないという問題点があった。
【０００９】
この発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、回転駆動力の大小にかかわらず発電を可能とし、インバータ等の変換器などを用いずに回転エネルギーの有効利用を可能にした発電装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の発電装置は、直流磁界を発生する固定子と、回転子巻線を有する回転子と、前記回転子と一体回転する整流子および前記所定の周期で回転しつつ前記整流子に回転接触する一対の第１のブラシを具備する接触手段と、を備え、前記回転子の回転に基づく発電出力を前記接触手段を介して出力させることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の請求項２にかかる発電装置は、上記の発明において、前記接触手段は、前記所定の周期で回転し、前記一対の第１のブラシをそれぞれ固定接続してなる一対のスリップリングをさらに備えることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の請求項３にかかる発電装置は、上記の発明において、前記接触手段は、固定配置され、かつ、前記所定の周期で回転する一対のスリップリングに接触する第２のブラシをさらに備えることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の請求項４にかかる発電装置は、直流磁界を発生する固定子と、回転子巻線を有する回転子と、前記回転子と一体回転する受光素子および固定配置される発光素子を具備する非接触スイッチング手段と、を備え、前記回転子の回転に基づく発電出力を前記非接触スイッチング手段を介して出力させることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の請求項５にかかる発電装置は、前記受光素子は、少なくとも前記回転子巻線の数と同数備えられ、前記発光素子の発光を受光し、かつ、該発光に同期して該回転子巻線から出力される前記発電出力を切り替えることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の請求項６にかかる発電装置は、上記の発明において、前記受光素子は、前記回転子の回転により前記固定子との相対位置関係が変動し、前記発光素子は、前記回転子の回転如何に関わらず前記固定子との相対位置関係が一定であることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の請求項７にかかる発電装置は、上記の発明において、前記受光素子および前記発光素子は、略近距離に対面配置されることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の請求項８にかかる発電装置は、上記の発明において、前記発光素子を交流電源の周波数に同期して点滅発光する発光ロジック回路を有することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の請求項９にかかる発電装置は、上記の発明において、前記固定子が２Ｐ極（Ｐ＝１，２，・・・）で構成されている場合に、前記固定子を構成する一対のＮ−Ｓの磁極対のうちの一の磁極対のＮ極とＳ極とを結ぶ方向を基準方向とし、ｍをＰ以下の自然数（ｍ＝１，２，・・・，Ｐ）とするとき、前記発光素子は、略円形の円周方向の前記基準方向を基準に物理角に換算した、[９０°×(４ｍ−３)／Ｐ]〜[９０°×(４ｍ−１)／Ｐ]の範囲内に略均一に配置されることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の請求項１０にかかる発電装置は、上記の発明において、前記発光ロジック回路は、往復点滅発光することを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の請求項１１にかかる発電装置は、上記の発明において、前記発光ロジック回路は、前記固定子を構成する一対のＮ−Ｓの磁極対のＮ極とＳ極とを結ぶ方向を各基準方向とするとき、前記各基準方向から電気角略＋９０°の位置にある発光素子と電気角略０°の位置にある発光素子との間の所定の発光素子と、当該各基準方向から電気角略−９０°の位置にある発光素子と電気角略０°の位置にある発光素子との間の所定の発光素子との間を往復点滅発光させることを特徴とする。
【００２１】
また、本発明の請求項１２にかかる発電装置は、上記の発明において、前記受光素子は、略円形の円周方向に略均一に配置されることを特徴とする。
【００２２】
また、本発明の請求項１３にかかる発電装置は、上記の発明において、前記発光ロジック回路は、回転点滅発光することを特徴とする。
【００２３】
また、本発明の請求項１４にかかる発電装置は、上記の発明において、前記発光ロジック回路は、前記発電出力に基づいて当該発電出力を可変制御することを特徴とする。
【００２４】
また、本発明の請求項１５にかかる発電装置は、上記の発明において、前記固定子は固定子巻線を備え、前記固定子巻線は、直流励磁されることを特徴とする。
【００２５】
また、本発明の請求項１６にかかる発電装置は、上記の発明において、直流磁界を発生する固定子と、回転子巻線を有する回転子と、前記回転子と一体回転するホール素子および固定配置される磁界発生手段とを具備する非接触スイッチング手段と、を備え、前記回転子の回転に基づく発電出力を前記非接触スイッチング手段を介して出力させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明にかかる発電装置は、所定の周期で回転子巻線と出力端子との間を導通させ、回転子の回転に基づいて出力端子から発電出力を得るようにしているので、回転駆動力の大小にかかわらず発電が可能となるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下に、本発明の発電装置にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００２８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１にかかる発電装置の簡略構成図である。同図において、例えば、一対のマグネットで構成される固定子３に対して、回転子巻線４が巻かれた回転子鉄心５を有する回転子６が回転自在に配置される。回転子６の一方の側では、風車７が回転子６の中心軸に具備される第１の駆動軸１６を介して回転子６と一体、かつ回転可能に配置される。また、回転子６の他方の側では、回転子巻線４と結線されている複数の整流子片２１を構成してなる整流子８が回転子６と一体、かつ回転可能に配置される。すなわち、風車７、回転子６および整流子８は第１の駆動軸１６の回りに一体的に回転するように構成されている。
【００２９】
一方、ブラシ保持板１３が、整流子８に対向して回転子６と反対側に略平行に配置される。ブラシ保持板１３上には、その両面の面垂直方向に一対のブラシ（第１のブラシ）１４ａ，１４ｂが備えられる。ブラシ保持板１３の一方面から延びる一対の第１のブラシ１４ａ，１４ｂは、整流子８の整流子片２１に回転接触するように配置される。また、ブラシ保持板１３は、その中心軸に具備される第２の駆動軸１７を介して電動機１９に接続される。なお、第２の駆動軸１７は、風車７に接続されて回転子６を駆動する第１の駆動軸１６とは連結されていない。
【００３０】
電動機１９と、ブラシ保持板１３との間には、第２の駆動軸１７に固定された一対のスリップリング１０ａ，１０ｂが備えられる。一対のスリップリング１０ａ，１０ｂには、自身と一対の第１のブラシ１４ａ，１４ｂとをそれぞれ接続するために固定接続された一対のスリップリング連結導体２３ａ，２３ｂが具備される。一対のスリップリング連結導体２３ａ，２３ｂは、ブラシ保持板１３の他方面に向かって延び、第１のブラシ１４ａ，１４ｂのそれぞれに接続される。すなわち、一対のスリップリング１０ａ，１０ｂと、ブラシ保持板１３とは、第２の駆動軸１７の回りに一体回転する様に構成されている。一方、一対のスリップリング１０ａ，１０ｂのそれぞれに回転接触するように固定配置された一対のブラシ（第２のブラシ）１２ａ，１２ｂが備えられ、第２のブラシ１２ａ，１２ｂからは同期交流出力が得られる。なお、第２のブラシ１２ａ，１２ｂは、一対のスリップリング１０ａ，１０ｂのそれぞれに回転接触するように固定配置される。
【００３１】
つぎに、この発電装置の動作について説明する。図１において、風車７の回転駆動力により回転子６が回転すると、回転子６の回転子巻線４には所定の起電力が発生する。この起電力の大きさは、風車７の回転が速くなればなるほど増大する。一方、第２のブラシ１２ａ，１２ｂから取り出せる同期交流出力は、風車７の回転駆動力以外に第１のブラシ１４ａ，１４ｂと固定子３との間の相対位置が関係する。例えば、第１のブラシ１４ａ（または１４ｂ）が、固定子３に対して電気角にして＋９０°（同図では、２極構成を示しているので電気角と物理角とは一致する）離れた位置にあるときは、その回転速度における最大出力を第２のブラシ１２ａ，１２ｂから取り出すことができる。逆に、第１のブラシ１４ａ（または１４ｂ）が、固定子３に対して電気角にして０°の位置にあるときは、発電出力をほとんど得ることができない。なお、第１のブラシ１４ａ（または１４ｂ）に対して、固定子３が電気角にして−９０°に位置する場合には、電気角＋９０°の場合の逆位相となる出力が得られる。
【００３２】
つぎに具体的な例で説明する。例えば、風車７からの駆動力が一定で回転子６が一定回転し、かつ第１のブラシ１４ａ，１４ｂの位置が固定されている場合には、第２のブラシ１２ａ，１２ｂからは、一定の直流出力が得られる。また、第１のブラシ１４ａ，１４ｂの位置が固定され、回転子６の回転速度が変化する場合には、回転速度変動に伴う起電力の変動成分（リップル成分）が重畳された直流出力が得られる。
【００３３】
一方、風車７からの駆動力が一定で回転子６が一定回転し、かつ第１のブラシ１４ａ，１４ｂが電動機１９の駆動力によって一定回転する場合には、第２のブラシ１２ａ，１２ｂから一定振幅の交流出力が得られる。なお、この交流出力は、電動機１９の回転速度に完全に同期する。なぜなら、上述のように、第１のブラシ１４ａ，１４ｂの位置が、電気角０°→９０°→１８０°→２７０°（−９０°）→０°のサイクルで、０→最大→０→最大（逆位相）→０のように起電力が変化するからである。ただし、以上の説明は、固定子３や、回転子６の構成が図１に示すような２極構成の場合の話であり、例えば、４極、あるいは８極の場合には、それぞれ電動機１９の回転速度が１／２、１／４であっても系統同期交流出力が得られる。
【００３４】
図２は、回転子巻線４に流れる電流方向の変化を説明するための図であり、１２個の単位巻線（型巻コイル）からなる回転子巻線４と回転子巻線４が接続された整流子８とを有する交流整流子機（あるいは直流機）を平面的に展開した状態を示している。なお、一般的な交流整流子機に備えられる回転子巻線の構造は、本願発明の発電装置に備えられる回転子巻線４の構造と基本的な点において同一であるため、ここでの説明は、当該交流整流子機を例にとって上述した電流方向の変化を説明するものである。
【００３５】
図２において、“イ”位置にある整流子８の整流子片２１に第１のブラシ１４ａが接触し，“イ’”位置にある整流子８の整流子片２１にブラシ１４ｂが接触した状態を示している。この場合、図示するように、“イ”位置にある回転子巻線４を構成してなるコイル辺２４の巻線ａからスタートして左右の方向に各電流が流れる。まず、左方向に流れる電流は、“ａ”位置からスタートして反対側の“ｂ”位置に流れ、折り返されて“ｃ”位置に流入し、以下時計回りに、ｃ→ｄ→・・・→ｍ→ｎの順に流れる。一方、右方向に流れる電流は、“ａ”位置からスタートして反対側の“ｐ”位置に流れ、折り返されて“ｑ”位置に流入し、以下反時計回りに、ｑ→ｒ→・・・→ｚ→ｎの順に流れる。このようにして、“イ”および“イ’”位置に接触した第１のブラシ１４ａ，１４ｂ（より正確には、さらにスリップリング１０ａ、１０ｂを介した第２のブラシ１２ａ，１２ｂ）を介して所望の同期交流出力、あるいは直流出力を得ることができる。
【００３６】
なお、同図に示すような電流が流れるとき、紙面に対して上方向への電流が流れる左半分のコイル辺２４には、第１のブラシ１４の“イ”位置を中心として左側をＮ極、右側をＳ極とする仮想磁石２５が生ずる。一方、紙面に対して下方向への電流が流れる右半分のコイル辺２４には、第１のブラシ１４の“イ’”位置を中心として左側をＳ極、右側をＮ極とする仮想磁石２６が生じているものとして考えることができる。これらの仮想磁石２５，２６は、第１のブラシ１４ａ，１４ｂの移動によってコイル辺２４内を移動する（すなわち回転する）回転磁界を発生することになる。この回転磁界は、回転子巻線４に発生する起電力を考える上で好都合であり、つぎに、この回転磁界に基づいて、回転子巻線４に発生する起電力について説明する。
【００３７】
図３は、第１のブラシの回転によって回転子巻線に生ずる回転磁界の変化を説明するための図である。まず、第１のブラシ１４ａ，１４ｂが固定子３に対して−９０°の位置に位置するときは、図３（Ａ）に示すように、第１のブラシ１４ａ，１４ｂからはその回転速度での最大出力が得られる。なお、第１のブラシ１４ａ，１４ｂを中心として発生する回転磁界の大きさは最大となる。
【００３８】
つぎに、第１のブラシ１４ａ，１４ｂが固定子３に対して−４５度の位置に位置するときは、図３（Ｂ）に示すように、回転子巻線４に流れる電流の向きによって一部の電流成分が相互に打ち消しあうので、第１のブラシ１４ａ，１４ｂを中心として発生する回転磁界の大きさは、図３（Ａ）のときと比べて小さくなる。また、第１のブラシ１４ａ，１４ｂが固定子３に対して０°の位置に位置するときは、図３（Ｃ）に示すように、回転子巻線４に流れる電流の向きによってすべての電流成分が相互に打ち消し合い、第１のブラシ１４ａ，１４ｂを中心として発生する回転磁界の大きさは、ゼロ（最小）となる。以下、同様に、第１のブラシ１４ａ，１４ｂが固定子３に対して＋４５度（図３（Ｄ））および９０°（図３（Ｅ））の位置に位置するときは、第１のブラシ１４ａ，１４ｂを中心として発生する回転磁界の大きさが再び増加するようになり、その結果、図示するような半周期の起電力が発生する。
【００３９】
なお、回転子６の回転速度が増大すると回転子巻線４に流れる電流が増加して、回転子６に発生する起電力が増加する。したがって、回転子６に発生する起電力を一定に保つためには、回転子６の回転速度の増大によって増加する回転子電流を積極的に制御すればよい。このような回転子電流の制御によって、回転子６の回転速度が変動した場合であっても、回転速度に依存しない所望のレベルの交流出力を得ることができる。
【００４０】
以上説明したように、この実施の形態の発電装置によれば、所定の周期で回転しつつ整流子に回転接触する一対のブラシを介して発電出力を得るようにしているので、回転駆動力の大小にかかわらず発電が可能となり、また、インバータ等の変換器を用いていないので、回転エネルギーの有効利用が可能となる。
【００４１】
なお、この実施の形態の発電装置では、固定子３を一対のマグネットで構成しているが、マグネットに限定されるものではなく、固定子３に巻回されて直流励磁される直流励磁巻線を有するものであってもよい。
【００４２】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２にかかる発電装置の簡略構成図である。同図に示す発電装置は、図１に示した発電装置における整流子８、ブラシ保持板１３、ブラシ保持板１３の一方面から延びる一対の第１のブラシ１４ａ，１４ｂ、電動機１９などに代えて、複数の発光素子３１（例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ））を円周方向に略均一に配列してなる発光素子保持板３０と、複数の受光素子３２（例えば、フォトダイオード）を円周方向に略均一に配列して受光素子保持板３３と、発光素子保持板３０に配列された発光素子３１の中で所定の発光素子３１を発光させるための発光素子駆動部４０などを備えるようにしている。なお、その他の構成、例えば、固定子３、回転子６、および回転子巻線４などの構成は実施の形態１と同一、あるいは同等であり、これらの構成部については、同一符号を付して示している。
【００４３】
図４において、受光素子保持板３３は回転子６と一体回転するように配置される。受光素子保持板３３に保持される受光素子３２のそれぞれは、後述する受光素子スイッチング回路内に具備され、当該受光素子スイッチング回路を介して回転子巻線４の一つ一つの引き出し線に接続される。また、各スリップリング１０ａ，１０ｂも、スリップリング連結導体２３ａ，２３ｂと、当該受光素子スイッチング回路と、を介して回転子巻線４の一つ一つの引き出し線に接続される。
【００４４】
一方、発光素子保持板３０は、受光素子保持板３３に対向して固定配置される。また、発光素子保持板３０に配列される発光素子３１は、少なくとも受光素子３２の約１／２の数だけ備えられ、固定子３のＮ−Ｓの磁極を結ぶ方向（以下「磁極方向」と呼称）を基準に電気角にして９０°〜２７０°の範囲内に配列されている。なお、固定子３が図１に示すような２極構成の場合では電気角と物理角とは一致する。他方、例えば、固定子３が４極構成の場合、発光素子３１は、一の磁極の磁極方向を基準に電気角にして９０°〜２７０°（物理角では４５°〜１３５°）、および電気角にして４５０°〜６３０°（ただし、３６０°を減算すれば、９０°〜２７０°）（物理角では２２５°〜３１５°）の２箇所のそれぞれの範囲内に配列される。なお、これらの配列箇所を一般化すれば、つぎのようになる。
【００４５】
すなわち、回転子６が２Ｐ極（例えば、４極構成であればＰ＝２、８極構成であればＰ＝４）で構成されている場合に、発光素子３１は、回転子６の一の磁極方向を基準に電気角にして、次式で示す範囲内に配列される。
９０°×(４ｍ−３)〜９０°×(４ｍ−１)                      ・・・・・(１)
ただし、ｍはＰ以下の自然数、すなわち、ｍ＝１，２，・・・，Ｐである。
また、式（１）を物理角で表現すれば、式（１）と同様に、ｍをＰ以下の自然数として、次式で表すことができる。
[９０°×(４ｍ−３)／Ｐ]〜[９０°×(４ｍ−１)／Ｐ]          ・・・・・(２)
【００４６】
これらの各発光素子３１は、発光素子駆動部４０にそれぞれ接続される。発光素子駆動部４０は、所定のロジックにしたがって導通させたい受光素子３２に対向する位置に面した発光素子３１を発光制御するように動作する。
【００４７】
このように、図４に示す実施の形態２の発電装置は、実施の形態１で説明した第１のブラシ１４ａ，１４ｂと整流子片２１との接触手段による導通機能を発光素子３１の発光機能と、当該発光した発光素子３１に対向して配置される受光素子３２の受光機能とに置換して導通／非道通の切替制御を非接触的に実現するものである。なお、発光素子保持板３０と、受光素子保持板３３とは受光素子や、発光素子の配列密度に応じて、可能な限り略近距離に対面配置することが好適である。そのような配置にすれば、受光素子や、発光素子が高密度に配列された場合であっても、上述のような非接触による光結合を確実に得ることができる。
【００４８】
図５は、上述した受光素子スイッチング回路の回路構成例を示す図である。同図において、ＰＮＰ型のバイポーラトランジスタであるトランジスタＱ１，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ８と、ＮＰＮ型のバイポーラトランジスタであるトランジスタＱ２，Ｑ３，Ｑ６，Ｑ７と、が備えられている。トランジスタＱ１，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ８の各素子のコレクタには、ダイオードＤ１，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ８の各アノード端子が接続され、それぞれ直列回路を構成している。同様に、トランジスタＱ２，Ｑ３，Ｑ６，Ｑ７の各素子のコレクタ端子には、ダイオードＤ２，Ｄ３，Ｄ６，Ｄ７の各カソード端子が接続され、それぞれ直列回路を構成している。これらの直列回路の中で、ＰＮＰ型のバイポーラトランジスタで構成された直列回路と、ＮＰＮ型のバイポーラトランジスタで構成された直列回路とが相互に並列に接続された直列逆接続並列回路ＣＩＲ１，ＣＩＲ２，ＣＩＲ３，ＣＩＲ４が構成される。例えば、直列逆接続並列回路ＣＩＲ１では、トランジスタＱ１のエミッタ端子と、トランジスタＱ３のエミッタ端子同士が接続され、ダイオードＤ１のカソード端子と、ダイオードＤ３のアノード端子とが接続される。
【００４９】
また、上述の直列逆接続並列回路の各接続構成において、直列逆接続並列回路の一端であるダイオード側の一端は出力端子Ｘ（スリップリング１０ａ）、あるいは出力端子Ｙ（スリップリング１０ｂ）のいずれかに接続され、直列逆接続並列回路の他端であるトランジスタ側の一端（エミッタ端子）は回転子６の回転子巻線４の一端（Ａ端）、あるいは他端（Ｅ端）のいずれかに接続される。例えば、直列逆接続並列回路ＣＩＲ１を構成するダイオードＤ１のカソード端子（ダイオードＤ３のアノード端子）は出力端子Ｘ（１０ａ）に接続され、トランジスタＱ１のエミッタ端子（トランジスタＱ３のエミッタ端子）は回転子巻線４のＡ端子に接続される。また、直列逆接続並列回路ＣＩＲ２を構成するダイオードＤ２のアノード端子（ダイオードＤ４のカソード端子）は出力端子Ｙ（１０ｂ）に接続され、トランジスタＱ２のエミッタ端子（トランジスタＱ４のエミッタ端子）は回転子巻線４のＥ端子に接続される。なお、残りの直列逆接続並列回路についても同様な接続構成がとられる。
【００５０】
また、受光素子Ｑ１０およびダイオードＤ１０〜Ｄ１３の各素子で構成されたブリッジ整流回路ＢＲ１と、受光素子Ｑ１１およびダイオードＤ１４〜Ｄ１７の各素子で構成されたブリッジ整流回路ＢＲ２とが備えられる。ブリッジ整流回路ＢＲ１は、トランジスタＱ１〜Ｑ４のトランジスタのうちの２つのトランジスタを所定の条件下で略同時に導通させるための接続構成がとられ、ブリッジ整流回路ＢＲ２は、トランジスタＱ５〜Ｑ７のうちの２つのトランジスタを所定の条件下で略同時に導通させるための接続構成がとられる。具体的には、ブリッジ整流回路ＢＲ１の一端は、出力端子Ｘに一端が接続された直列逆接続並列回路ＣＩＲ１を構成するトランジスタＱ１，Ｑ３のベース端子にそれぞれ接続され、他端は、出力端子Ｙに一端が接続された直列逆接続並列回路ＣＩＲ２を構成するトランジスタＱ２，Ｑ４のベース端子にそれぞれ接続される。同様に、ブリッジ整流回路ＢＲ２の一端は、出力端子Ｘに一端が接続された直列逆接続並列回路ＣＩＲ３を構成するトランジスタＱ６，Ｑ８のベース端子にそれぞれ接続され、他端は、出力端子Ｙに一端が接続された直列逆接続並列回路ＣＩＲ４を構成するトランジスタＱ５，Ｑ７のベース端子にそれぞれ接続される。
【００５１】
つぎに、図５を用いて、この回路の動作について説明する。同図において、固定子巻線のＡ側がＥ側に対して高電位の場合に、図示を省略した発光素子からの発射光が受光素子Ｑ１０のベース端子に入射して受光素子Ｑ１０がオンとなると、回転子巻線のＡ側がＥ側に対して高電位にあるため、回転子巻線Ａ→トランジスタＱ１→ダイオードＤ１１→受光素子Ｑ１０→ダイオードＤ１２→トランジスタＱ２→回転子巻線Ｅの電流路が形成される。このとき、トランジスタＱ１、ダイオードＤ１を介して回転子巻線のＡ側が出力端子のＸ側に接続され、トランジスタＱ２、ダイオードＤ２を介して回転子巻線のＥ側が出力端子のＹ側に接続される。したがって、出力端子Ｘを正極側とし、出力端子Ｙを負極側とする発電出力回路が形成される。
【００５２】
また、回転子巻線のＥ側がＡ側に対して高電位の場合に、図示を省略した発光素子からの発射光が受光素子Ｑ１０のベース端子に入射して受光素子Ｑ１０がオンとなると、回転子巻線のＥ側がＡ側に対して高電位にあるため、回転子巻線Ｅ→トランジスタＱ４→ダイオードＤ１０→受光素子Ｑ１０→ダイオードＤ１３→トランジスタＱ３→回転子巻線Ａの電流路が形成される。このとき、トランジスタＱ３、ダイオードＤ３を介して回転子巻線のＡ側が出力端子のＸ側に接続され、トランジスタＱ４、ダイオードＤ４を介して回転子巻線のＥ側が出力端子のＹ側に接続される。したがって、出力端子Ｙを正極側とし、出力端子Ｘを負極側とする発電出力回路が形成される。
【００５３】
ところで、図４に示したように、発光素子３１は発光素子保持板３０の円周方向の略半周の部分にのみ配置されている。図４に示した位置では、受光素子保持板３３に保持された下半分の受光素子のいずれかが導通制御される。一方、図４に示した位置から受光素子保持板３３が半回転した位置では、発光素子３１は、先ほど導通制御した受光素子と異なる受光素子（すなわち上半分の受光素子）のいずれかが導通制御される。図５に戻って説明すると、ブリッジ整流回路ＢＲ１の受光素子Ｑ１０が上記でいうところの「下半分の受光素子のいずれか」に相当し、ブリッジ整流回路ＢＲ２の受光素子Ｑ１１が上記でいうところの「上半分の受光素子のいずれか」に相当する。このように、図５に示した受光素子スイッチング回路は、上半分と、下半分の受光素子の導通制御を略半数の発光素子にて導通制御することを可能としている。なお、これは２極の場合である。
【００５４】
なお、回転子６の回転子巻線４に誘起される起電力は、固定子３のＮ極とＳ極とを結ぶ方向を基準方向とするとき、当該基準方向を基準とする電気角＋９０°、あるいは−９０°の位置にある回転子巻線４に最大の起電力が生ずる。したがって、発光素子３１は、当該基準方向を基準とする電気角＋９０°の位置にある回転子巻線４に接続される発光素子と、電気角−９０°の位置にある回転子巻線４に接続される発光素子と、の間に略均一に配置することが好適である。
【００５５】
上記と同様に、「上半分の受光素子のいずれか」に相当する受光素子Ｑ１１が導通する場合の動作についても同様に説明する。図５において、固定子巻線のＡ側がＥ側に対して高電位の場合に、図示を省略した発光素子からの発射光が受光素子Ｑ１１のベース端子に入射して受光素子Ｑ１１がオンとなると、固定子巻線のＡ側がＥ側に対して高電位にあるため、固定子巻線Ａ→トランジスタＱ５→ダイオードＤ１５→受光素子Ｑ１１→ダイオードＤ１６→トランジスタＱ６→固定子巻線Ｅの電流路が形成される。このとき、トランジスタＱ５、ダイオードＤ５を介して固定子巻線のＡ側が出力端子のＹ側に接続され、トランジスタＱ６、ダイオードＤ６を介して固定子巻線のＥ側が出力端子のＸ側に接続される。したがって、出力端子Ｙを正極側とし、出力端子Ｘを負極側とする発電出力回路が形成される。
【００５６】
また、固定子巻線のＥ側がＡ側に対して高電位の場合に、図示を省略した発光素子からの発射光が受光素子Ｑ１１のベース端子に入射して受光素子Ｑ１１がオンとなると、固定子巻線のＥ側がＡ側に対して高電位にあるため、固定子巻線Ｅ→トランジスタＱ８→ダイオードＤ１４→受光素子Ｑ１１→ダイオードＤ１７→トランジスタＱ７→固定子巻線Ａの電流路が形成される。このとき、トランジスタＱ８、ダイオードＤ８を介して固定子巻線のＥ側が出力端子のＸ側に接続され、トランジスタＱ７、ダイオードＤ７を介して固定子巻線のＡ側が出力端子のＹ側に接続される。したがって、出力端子Ｘを正極側とし、出力端子Ｙを負極側とする発電出力回路が形成される。
【００５７】
なお、図５に示す回路は、固定子巻線Ａ，Ｅに接続される受光素子スイッチング回路の構成例について示したものであり、固定子巻線Ｂ，Ｆ、固定子巻線Ｃ，Ｇ、および固定子巻線Ｄ，Ｈについても、同等な受光素子スイッチング回路が構成され、同図に示す受光素子スイッチング回路と同様に、出力端子Ｘ，Ｙの各端子に接続される。
【００５８】
図６は、発光素子駆動回路部の構成例を示す図である。同図において、発光素子駆動部４０は、発光素子５５1，・・・，５５k，・・・，５５nを所定の論理にしたがって点滅発光させる発光ロジック回路４６と、商用交流などの波形情報５２や、ダイオード５３を介して入力された発電出力情報などに基づいて発光ロジック回路４６を制御するための制御信号を出力する自動利得制御機能付きの増幅器であるＡＧＣ−ＡＭＰ４５と、を備えるように構成される。
【００５９】
図６において、ＡＧＣ−ＡＭＰ４５は、例えば、商用交流波形の波形信号が入力され、波形信号の振幅値に比例した制御信号を発光ロジック回路４６に出力する。発光ロジック回路４６は、制御信号の大小に基づいて、発光させる発光素子を切替制御することにより所望の交流出力を得ることができる。例えば、発光ロジック回路４６は、発光素子５５1，・・・，５５k，・・・，５５nの所定の発光素子を商用交流波形の波形信号周期で往復点滅発光することで商用交流に連系した交流出力を得ることができる。もし、交流出力の出力値を調整する場合には、電気角＋９０°の位置にある発光素子５５1と、電気角０°の位置にある発光素子５５kとの間の所定の発光素子と、電気角−９０°の位置にある発光素子５５nと、電気角０°の位置にある発光素子５５kとの間の所定の発光素子と、の間を商用交流波形の波形信号周期（周波数）で往復点滅発光させればよい。また、例えば、電気角＋９０°の位置にある発光素子５５1を発光制御し続けることによって、直流出力を得ることもできる。
【００６０】
なお、発電出力をダイオード５３を介してフィードバックするようにしているのは、つぎの理由による。例えば、風力発電であれば回転駆動力が一定でなく回転子巻線４に発生する起電力は時々刻々と変化する。したがって、単純に発光素子を往復点滅発光するだけでは、スリップリングを介して出力される発電出力は、多くの変動成分を含むことになる。したがって、この変動成分を吸収させるために発電出力をＡＧＣ−ＡＭＰ４５にフィードバックさせている。なお、この実施の形態では、発光素子数や、受光素子数を明示していないが、発光素子数は受光素子数に基づいて決定され、受光素子数は発電制御域（風力発電であれば、風力発電領域）や、出力波形の平滑度、回転子や固定子の極数などに基づいて決定することができる。
【００６１】
図７は、出力端子に接続される固定子巻線の切替により直流出力が生成される原理を説明するための図である。同図に示す正弦波曲線は、任意の固定子巻線４（コイル１，２，３）に発生する起電力を示している。例えば、図６において、発光素子駆動部４０が電気角＋９０°に相当する発光素子５５1を常時発光制御し続けるとすれば、図７に示される正弦波曲線おいて、ピーク値となるＰ１，Ｐ２，Ｐ３点の出力電圧が選択されることになる。したがって、出力端子Ｘ，Ｙからは波形Ｋ１で示される直流出力が得られる。また、図６において、発光素子駆動部４０が電気角＋９０°に相当する発光素子５５1と、電気角０°に相当する発光素子５５kとの間の所定の発光素子を常時制御し続けるとすれば、ピーク値から下がった点のＳ１，Ｓ２，Ｓ３点の出力電圧が選択されることになる。したがって、出力端子Ｘ，Ｙからは波形Ｋ１よりも出力電圧を低下させた波形Ｋ２で示される直流出力が得られる。
【００６２】
また、図８は、出力端子に接続される固定子巻線の切替により交流出力が生成される原理を説明するための図である。同図に示す正弦波曲線は、回転子６に接続される風車７が電源周波数の１／２の速度で回転している場合に任意の固定子巻線４（コイル１，２，３）に発生する起電力を示している。このとき、図６において、発光素子駆動部４０が電気角＋９０°に相当する発光素子５５1から、電気角−９０°に相当する発光素子５５nとの間の発光素子を電源周波数に同期させて往復点滅制御すれば、図８に示されるコイル１，２，３，・・・の各正弦波曲線おけるＲ１，Ｒ２，Ｒ３，・・・の各点の出力電圧が選択されることになる。したがって、出力端子Ｘ，Ｙからは波形Ｋ３で示される電源周波数に同期した交流出力が得られる。
【００６３】
ところで、この実施の形態の発電装置では、図４に示したように、発光素子保持板３０の円周方向に沿って、固定子３の磁極方向を基準とする電気角９０°〜２７０°の範囲内に発光素子３１を配列するようにしていたが、発光素子保持板３０の円周方向の全周にわたって配列することも無論可能である。この場合、磁極方向を基準とする電気角９０°と２７０°とを結ぶ直線に対して相互に対称位置となる発光素子同士を接続するように構成することで、この実施の形態の発電装置と同等の機能を実現することができる。また、この場合、発光素子駆動部４０は、上述したような往復点滅発光制御に代えて、回転方向に沿って、順次、発光制御するような回転点滅発光制御を行うようにすればよい。
【００６４】
以上説明したように、この実施の形態の発電装置によれば、発光素子と受光素子とが備えられ、回転子と同一回転する受光素子に対向する所定の発光素子を発光制御するようにしているので、回転駆動力の大小にかかわらず系統同期発電が可能となり、また、インバータ等の変換器を用いていないので、回転エネルギーの有効利用が可能となる。
【００６５】
なお、この実施の形態では、実施の形態１にかかるブラシと整流子との接触手段による導通／非道通の切替制御機能を、発光素子と受光素子とによる光学的結合手段を用いて実現しているが、この光学的結合手段に限定されるものではない。例えば、ホール素子と、電磁石などの磁気発生手段とによる時期的結合手段を用いてもよい。この場合、発光素子の代わりに電磁石を配置し、受光素子の代わりにホール素子を配置することで、順に励磁された電磁石の磁界をホール素子に作用させることでホール素子に電圧を出力することができる。この電圧に基づいてトランジスタなどのスイッチング素子を制御させれば、上述の受光素子スイッチング回路と同等の機能を実現することができる。
【００６６】
また、この実施の形態の発電装置では、固定子３を一対のマグネットで構成しているが、マグネットに限定されるものではなく、固定子３に巻回されて直流励磁される直流励磁巻線を有するものであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
以上のように、本発明は、回転駆動力の大小に依存しない系統同期発電装置として有用であり、特に、回転駆動力が変化する風力発電や、水力発電などに適している。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる発電装置の簡略構成図である。
【図２】回転子巻線４に流れる電流方向の変化を説明するための図である。
【図３】第１のブラシの回転によって回転子巻線に生ずる回転磁界の変化を説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態２にかかる発電装置の簡略構成図である。
【図５】受光素子スイッチング回路の回路構成例を示す図である。
【図６】発光素子駆動回路部の構成例を示す図である。
【図７】出力端子に接続される固定子巻線の切替により直流出力が生成される原理を説明するための図である。
【図８】出力端子に接続される固定子巻線の切替により交流出力が生成される原理を説明するための図である。
【符号の説明】
【００６９】
３  固定子
４  回転子巻線
５  回転子鉄心
６  回転子
７  風車
８  整流子
１０ａ，１０ｂ  スリップリング
１２ａ，１２ｂ  第２のブラシ
１３  ブラシ保持板
１４ａ，１４ｂ  第１のブラシ
１６  第１の駆動軸
１７  第２の駆動軸
１９  電動機
２１  整流子片
２３ａ，２３ｂ  スリップリング連結導体
２４  コイル片
２５，２６  仮想磁石
３１  発光素子
３２，３２ａ  受光素子
３２ａ  受光素子
３３  受光素子保持板
４０  発光素子駆動部
４６  発光ロジック回路
５２  波形情報
５３  ダイオード
５５1，５５k，５５n  発光素子
Ｄ１〜Ｄ８  ダイオード
Ｑ１〜Ｑ８  トランジスタ
Ｒ１  抵抗
【図１】
2006217685.tif 000003
【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】
2006217685.tif 000008
【図７】
2006217685.tif 000009
【図８】
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