(57)【要約】  【課題】  増減する自然力に対してほぼ連続的に対応することができ、小さい自然力でも発電効率が高い自然力発電システム、加速および減速する車体に用いられ、その車輪を加速するとき駆動する回転トルクの加減ができて、その車輪を減速するとき発電トルクの調整ができる車輪駆動システム、および、これらに用いる回転機を提供する。【解決手段】  フレーム１１と、そのフレームに対して回転自在に設けられ、自然力によって回転する羽根車１２と、その羽根車の軸心近辺に取り付けられる環状の回転子１２７と、その回転子との間にギャップを介して配置され、前記フレーム１１に取り付けられる環状の固定子１３１とを備えている風力発電システム２１２。羽根車１２のボス２４に取り付けたドラム２１３に回転子１２７が取付けられ、フレーム１１に風力の強弱によって上下動するように固定子１３１が取り付けられている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状のドラムと、そのドラムの開口部からドラムと中心軸を共有するようにして挿入されるコアと、前記ドラムの内周面またはコアの外周面のいずれか一方に設けられ、前記中心軸から等距離で環状に配列される複数個の界磁用磁石と、他方に設けられた中心軸から等距離に配列されるコイル群とを備えており、
前記コアがドラムに挿入されたとき、対向する界磁用磁石とコイル群との間に一定のギャップを有し、
前記中心軸を一定にして界磁用磁石とコイル群との配置を変換するギャップ調整手段を備えている回転機。
【請求項２】
前記ギャップ調節手段が、前記ドラムおよび／またはコアを軸方向に移動させる手段である請求項１記載の回転機。
【請求項３】
前記ギャップ調節手段が、前記ドラムおよび／またはコアを半径方向に拡径または縮径させる手段である請求項１記載の回転機。
【請求項４】
回転板と、その回転板とギャップを備えて設けられる固定板と、前記回転板または固定板のいずれか一方に設けられ、回転板の中心軸から等距離で環状に配列される複数個の界磁用磁石と、他方に設けられた回転板の中心軸から等距離に配列されるコイル群とを備えており、
前記回転板または固定板が、回転板の軸方向または半径方向に移動自在に構成されている回転機。
【請求項５】
請求項１または４記載の回転機を備えた自然力発電システムであって、
前記ドラムまたはコアの一方を備えたフレームと、そのフレームに対して回転自在に設けられ、前記コアまたはドラムの他方を備えた自然力によって回転する回転体とからなる自然力発電システム。
【請求項６】
請求項１または４記載の回転機を備えた車輪駆動システムであって、
前記ドラムまたはコアの一方を備えたフレームと、そのフレームに対して回転自在に設けられ、前記コアまたはドラムの他方を備えた車軸とからなる車輪駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回転機に関する。詳しくは、自然力を用いた発電システムに用いる発電機または自動車などの車輪を回転させることができるモータとして用いることができる回転機に関する。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】国際公開公報ＷＯ０３／０６７０７９Ａ１
【特許文献２】国際公開公報ＷＯ２００４／００９９９３Ａ１
【特許文献３】特開２０００−２３６６９８号公報
【０００３】
本発明者は先に縦軸回りに回転する羽根車と、その羽根車を回転自在に支持するフレームと、そのフレームの羽根車の周縁部と対応する位置に配置したリング部材と、羽根車の周縁部とリング部材との間に介在させた車輪あるいは磁気反発手段とからなる風力発電用の風車の支持構造を提案している（特許文献１）。この風車の支持構造では、羽根車の軸（あるいはボス）をフレームに設けた軸受けで回転自在に支持しており、軸受け内に発電機を配置している。
【０００４】
このような風力などの自然力を利用する発電システムにおいては、風の向きが変化したり、風力が逐次増減することは避けられない。また、水力など、他の自然力を利用する場合にも同様の問題がある。本発明者は風車の周縁部に複数個の発電機を配置し、それらの発電機のうち、いくつかの発電機を負荷に対して連結／切断自在に連結し、風力が弱いときは電気回路の切り替えにより少ない発電機を作動させ、風力が強くなると多くの発電機を作動させる風力発電システムを提案している（特許文献２参照）。このものは、風力が大きく変化しても、作動させる発電機の個数を変化させることにより、発電効率を高い状態に維持することができる。また、特許文献３には、同様の風力発電機が開示されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の風車の支持構造では、軸受け内に発電機を設けているので、大きい発電機を採用することが困難である。また、大きい発電機を採用すると、軸受けが大きくなり、その構成も複雑になる。他方、特許文献２のように、羽根車の周縁部に多数の発電機を配置すると、発電効率が低下する。また、特許文献２の風力発電システムは、発電機を負荷から切り離すか連結するかの二者択一であるので、連続的な調整が困難である。さらに発電機を負荷から切り離しても、コイルを内蔵した固定子と、磁石を内蔵した回転子との間にある程度の磁気吸引作用が生じており、その作用により回転抵抗が生ずる。そのため、風力が弱くなったときに回転数が減少して発電量がかなり低下する。
【０００６】
本発明は、増減する自然力に対してほぼ連続的に対応することができ、小さい自然力でも発電効率が高い自然力発電システム、加速および減速する車体に用いられ、その車輪を加速するとき駆動する回転トルクの加減ができて、その車輪を減速するとき発電トルクの調整ができる車輪駆動システム、および、これらに用いる回転機を提供することを技術課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の回転機は、円筒状のドラムと、そのドラムの開口部からドラムと中心軸を共有するようにして挿入されるコアと、前記ドラムの内周面またはコアの外周面のいずれか一方に設けられ、前記中心軸から等距離で環状に配列される複数個の界磁用磁石と、他方に設けられた中心軸から等距離に配列されるコイル群とを備えており、前記コアがドラムに挿入されたとき、対向する界磁用磁石とコイル群との間に一定のギャップを有し、前記中心軸を一定にして界磁用磁石とコイル群との配置を変換するギャップ調整手段を備えていることを特徴としている（請求項１）。
【０００８】
このような回転機においては、前記ギャップ調節手段が、前記ドラムおよび／またはコアを軸方向に移動させる手段であるもの（請求項２）、または、前記ギャップ調節手段が、前記ドラムおよび／またはコアを半径方向に拡径または縮径させる手段であるもの（請求項３）が挙げられる。
【０００９】
本発明の回転機の第２の態様は、回転板と、その回転板とギャップを備えて設けられる固定板と、前記回転板または固定板のいずれか一方に設けられ、回転板の中心軸から等距離で環状に配列される複数個の界磁用磁石と、他方に設けられた回転板の中心軸から等距離に配列されるコイル群とを備えており、前記回転板または固定板が、回転板の軸方向または半径方向に移動自在に構成されていることを特徴としている（請求項４）。
【００１０】
本発明の自然力発電システムは、前述したいずれか記載の回転機を備えたものであって、ドラムまたはコアの一方を備えたフレームと、そのフレームに対して回転自在に設けられ、コアまたはドラムの他方を備えた自然力によって回転する回転体とからなることを特徴としている（請求項５）。
【００１１】
本発明の車輪駆動システムは、前述したいずれか記載の回転機を備えたものであって、ドラムまたはコアの一方を備えたフレームと、そのフレームに対して回転自在に設けられ、コアまたはドラムの他方を備えた車軸とからなることを特徴としている（請求項６）。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の回転機は、円筒状のドラムと、そのドラムの開口部からドラムと中心軸を共有するようにして挿入されるコアと、前記ドラムの内周面またはコアの外周面のいずれか一方に設けられ、前記中心軸から等距離で環状に配列される複数個の界磁用磁石と、他方に設けられた中心軸から等距離に配列されるコイル群とを備えており、前記コアがドラムに挿入されたとき、対向する界磁用磁石とコイル群との間に一定のギャップを有しているので、コイル群に交流電流を流すことによりモータとして使用することができる。他方、ドラムとコアとを相対的に回転させることにより発電機としても使用しうる。さらに、前記中心軸を一定にして界磁用磁石とコイル群との配置を変換するギャップ調整手段を備えているため、ギャップを調整することにより界磁用磁石とコイル群との影響を強めたり、弱めたりすることができる。そのため、モータとして使用するときは、その回転トルクを強めたり弱めたりすることができる。そして、発電機として使用するときは、同一速度で回転している回転体に対して発電量を大きくしたり、小さくしたりすることができる。つまり、この回転機を用いるもの（たとえば、発電機あるいはモータ）の使用環境あるいは使用状況に応じて、この回転機のギャップを調整することにより、最もエネルギー効率がよい状態で発電機あるいはモータを使用することができる（請求項１）。
【００１３】
本発明の回転機において、ギャップ調節手段が、前記ドラムおよび／またはコアを軸方向に移動させる手段である場合（請求項２）、あるいは、前記ギャップ調節手段が、前記ドラムおよび／またはコアを半径方向に拡径または縮径させる手段である場合（請求項３）、回転機の構成を簡素化することができる。
【００１４】
本発明の回転機の第２の態様は、回転板と、その回転板と隙間を空けて設けられる固定板と、前記回転板または固定板のいずれか一方に設けられ、回転板の軸中心から等距離で環状に配列される複数個の界磁用磁石と、他方に設けられた回転板の軸中心から等距離に配列されるコイル群とを備えており、前記回転板または固定板が、回転板の軸方向または半径方向に移動自在に構成されているため、上述した回転機と同様に、その回転板と固定板とのギャップを調整することができ、効率の良い使用状況を探れる（請求項４）。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
つぎに図面を参照しながら本発明の回転機の実施の形態を説明する。図１は本発明の回転機を用いた風力発電システムの全体を示す斜視図、図２はその風力発電システムの立面図、図３は図１の発電システムにおけるフレームを示す斜視図、図４は図１の発電システムの平面図、図５は図１の発電システムにおける羽根車を示す斜視図、図６は本発明の回転機の他の実施形態を用いた風力発電システムの立面図、図７ａ、図７ｂおよび図７ｃはそれぞれ本発明の回転機のさらに他の実施形態を用いた風力発電システムに関わる発電部を示す概略平面図、断面図および概略平面図、図８および図９はそれぞれ本発明の回転機のさらに他の実施形態を用いた風力発電システムの要部立面断面図、図１０は図９の風力発電システムの電気・力変換装置を示す断面図、図１１はその装置の要部平面図、図１２〜１６はそれぞれ本発明の回転機のさらに他の実施形態を用いた風力発電システムの要部立面断面図、図１７は本発明の回転機を用いた車輪駆動システムを示す斜視図、図１８は本発明の回転機の他の実施形態を用いた車輪駆動システムを示す斜視図、図１９は車輪駆動システムを搭載した４輪車の概略図である。
【００１６】
始めに図１を参照して風力発電システムの全体を説明する。図１に示す風力発電システム２１２は、フレーム１１と、そのフレーム内に上下２段で設けられる羽根車１２とを備えており、羽根車１２は、フレーム１１に対して鉛直方向の軸心回りに回転自在に設けられている。そして羽根車１２の下端部の羽根の軸心近辺に発電部１４（図２参照）を備えている。
【００１７】
前記フレーム１１は図２および図３に示すように、上下方向に延びる３本の脚１５と、それらの脚を円周方向等間隔に連結する連結部材１６とを備えている。連結部材１６は脚１５の上端と、下端からある程度上側の位置と、それらの中間の３段で設けられている。各連結部材１６の間のスペースＳ１、Ｓ２には、前記羽根車１２が収容されている。連結部材１６は、放射状に延びる３本のスポーク１７と、それらのスポーク１７の外側の端部近辺同士をつなぐリング１８とを備えている。さらに各連結部材１６のスポーク１７の中心部には、羽根車１２を回転自在に支持するための軸受け１９、２０が上下一対で設けられている。
【００１８】
前記羽根車１２は、図４および図５に示すように、上下方向に延び、上端および下端がそれぞれフレーム１１の軸受け１９、２０に固定されているシャフト２２と、そのシャフトに固定されている上下一対のボス２３、２４と、各ボスから放射状に延びる５本の横羽根２５と、上下の横羽根２５の先端に固定される縦羽根２６とから構成されている。すなわちこの実施形態では、５枚の縦羽根２６と、その倍の１０枚の横羽根２５を備えている。さらに各縦羽根２６の上端同士および下端同士は、それらの内周に取り付けられる補強リング２１、２１によって互いに連結されており、それにより羽根車１２全体の強度を向上させている。ただし補強リング２１は設けなくてもよい。ここで羽根車１２のボス２３、２４は、ベアリングを介してシャフト２２に回転自在に支持されている。
【００１９】
横羽根２５は、この実施形態ではシャフト２２が上から見たときの反時計方向に回転したときに上向きに浮力が働くような断面形状を有する翼型を呈している。なお、回転方向に関して前端が上向きになるように傾いていてもよく、特定の翼型と特定の傾きとを組み合わせてもよい。さらに傾きを調節できるようにしてもよい。また縦羽根２６の枚数は、３枚程度でもよく、１０枚以上であってもよい。
【００２０】
前記縦羽根２６は横方向からの風を受けるときに、５枚の縦羽根２６に生ずる力の合力が上から見たときに反時計方向のモーメントを生ずるような翼型を呈している。縦羽根２６も、鉛直方向の軸心回りに傾いていてもよく、翼型と傾きを組み合わせてもよい。さらに傾きを調節するようにしてもよい。
【００２１】
図２に示すように、各羽根車１２のシャフト２２の上端および下端はそれぞれ上側の支持部材１９および下側の支持部材２０によって支持されている。図１のように取り付けられた状態では、羽根車１２の重量は基本的に、下側の軸受け２０によって支持される。また、縦羽根２６の下端とフレームのリング１８の上面の間に、羽根車１２の重量を軽減し、あるいは重量と釣り合う磁気浮上構造Ｊが設けられている。この磁気浮上構造Ｊは縦羽根２６の下端に設けられた永久磁石と、リング１８に設けられた永久磁石ないし電磁石によって構成することができる。さらに、回転するに従って、横羽根２５が生ずる揚力によっても支持される。
【００２２】
発電部１４は、羽根車１２の下側のボス２３に取り付けられた筒状ないし略カップ状のドラム２１３と、そのドラム２１３の内面に取り付けられている環状に配列した回転子１２７と、その回転子と隙間を空けて面するようにシャフト２２に固定されている環状の固定子１３１とによって構成されている。
この回転子１２７は、永久磁石などで構成することができ、固定子１３１はコイル列などで構成することができる。
【００２３】
また、図２の矢印に示すように固定子１３１をフレーム１２に対して上下に位置調整して発電量を調整するようにしている。回転子１２７と固定子１３１がオーバーラップする面積が大きい場合は、発電量が増大して回転の抵抗が増大し、小さい場合は発電量が減少して回転の抵抗が減少する。そのため、風力が弱いときはオーバーラップする面積を小さくするように制御し、逆に風力が強いときはオーバーラップする面積を大きくするように制御する。これにより無段階で回転の抵抗あるいは発電量を調節することができ、効率的に発電することができる。
【００２４】
固定子１３１を上下に駆動する機構としては、ネジ機構を利用して、あるいはラックピニオン機構などを利用して上下（回転軸心方向）の直進運動に変換する方法、エアシリンダや油圧シリンダなどの流体圧シリンダを用いる方法など、種々の方法を採用することができる。なお、回転子１２７の方を固定子１３１に対して上下駆動するようにしても良い。そのような制御は、たとえば風力センサと、その風力センサの出力に応じて回転するモータとを組み合わせることにより自動制御とすることができる。発電機の出力自体を風力センサとして利用することもできる。
【００２５】
このように構成される風力発電システムにおいては、風が吹くと、羽根車１２が上から見たときの反時計方向（図４の矢印Ｐ１）に回転する。そして、回転子１２７の永久磁石の磁力線が固定子１３１のコイル列を横切っていくことにより、コイルに起電力が生じ、コイルの両端から制御部等を介して外部に電力を取り出すことができる。この発電部１４は羽根車の軸心近辺に配置されているので、風力を受ける縦羽根２６の回転半径に対し、回転子１２７の回転半径が小さいため、テコないし輪軸の作用で回転子１２７と固定子１３１との間に生ずる回転抵抗に対し、強力に対抗することができ、発電効率が高い。
【００２６】
また、風力が低下して羽根車の回転数が低下したときは、制御部等においてコイル列から外部への送電をストップし、コイル列に電力を供給するように構成する。それにより発電部１４はモータとして作用し、羽根車１２を同じ方向に回転させることができる。そのため、羽根車１２は停止することなく、遅くても回転を継続する。ただし、その間は発電ができない。モータとして作用させる場合も、固定子１３１あるいは回転子を上下に移動させて回転力を調整することができる。そして、再び風が強く吹き始めると、制御部等による送電状体を元に戻し、発電させるようにする。その場合、羽根が停止してないので、停止状態から回転を始める場合のような静止摩擦力に抗して回転させる必要がない。なお、上記のモータ作用と発電作用の切り替えは、たとえば回転数を検出するセンサを設け、所定の回転数の基礎値より回転数が減じたか、あるいは増加したかによって自動的に切り替えるようにしてもよい。
【００２７】
さらに、横羽根２５により浮力を得るように構成しているため、回転が速くなって横羽根２５による揚力が増大したときに羽根車１２が浮く場合がある。そのときに、回転子１２７と固定子１３１のオーバーラップ面積が最大となるように制御してもよい。さらに磁気浮上構造Ｊに電磁石を採用し、発電機１４の発電量が増大するに従って磁気浮上力を増大させるようにしてもよい。
【００２８】
図６に示す自然力発電システムは、発電部１４が羽根車１２の下端近辺に設けられたものである。この発電機１４は縦羽根２６の下端近辺に設けられた永久磁石からなる回転子３１ａ、３１ｂと、その回転子の内側と外側に、そして、フレームやそのフレームに固定したリングなどに設けられた固定子３２ａ、３２ｂとからなる。また、この発電機１４は図７ａに示すように固定子３２を半径方向にずらせるように位置調節自在に構成されている。つまり、この実施形態では、回転子３１ａと固定子３２ａの関係においては、回転子３１ａを固定している羽根車１２がドラムとして、固定子３２ａを移動自在に固定している部材がコアとして、それぞれの役割を果たし、回転子３１ｂと固定子３２ｂの関係においては、回転子３１ｂを固定している羽根車１２がコアとして、固定子３２ｂを移動自在に固定している部材がドラムとして、それぞれの役割を果たす。これにより、外側の固定子３２を外側に移動させ、内側のコイル３２を内側に移動させ、固定子と回転子の隙間が広がるように調節することにより回転抵抗は減少するが発電量が少なくなる。逆に狭くなるように調節すると、発電量が増加するが回転抵抗は増大する。なお、円環状に配列した固定子の場合は、多数の固定子の隙間をあけて配列しておく。半径方向内側に移動させる場合はそれらの隙間がつまっていくが、通常の調節範囲では問題が無い。
【００２９】
また、図７ｂに示す発電部のように、コイル列（固定子）３２ａ、３２ｂを上下方向に位置調節自在に構成してもよい。その場合も、固定子３２ａ、３２ｂと回転子３１ａ、３ｂの上下方向の位置をずらせると回転の抵抗を減少させることができるが発電量は少なくなる。そして、上下方向の位置を合わせると、発電量が増加するが回転の抵抗は増大する。なお、図７ａの半径方向（幅方向）の位置調節と図７ｂの上下方向の位置調節を組み合わせてもよい。このような位置調節機構は、組立時に調節するか、メンテナンスのときに調節できればよいが、モータなどの駆動源によって遠隔操作で調節できるように構成してもよい。その場合は、たとえば必要な電力に応じて、あるいはそのときの風力に応じて自動的に調節するように構成することもできる。
【００３０】
図７ｃに示す発電部１８１は、中心部の支持枠１８２の外側と内側にそれぞれ永久磁石（界磁用磁石）を半径方向に位置調節可能に取りつけた回転子３１ａ、３１ｂを備えている。このような調節機構は、たとえば支持枠１８２に設けた楔部材１８３と、回転子３１ａ、３１ｂに設けた楔部材１８４とを摺動自在に、かつ、位置調節した位置で固定できるように構成することにより実現できる。ただしネジなど、他の位置調節機構を用いることもできる。このように回転子３１ａ、３１ｂの永久磁石の幅（厚さ）を調節できるように構成する場合は、固定子（コイル列）３２ａ、３２ｂと回転子（永久磁石）３１ａ、３１ｂのギャップを拡げると回転の抵抗が減少するが、発電量も低下し、狭くすると発電量は増加するが回転の抵抗が増大する。したがって風量の増減あるいは必要な発電量の増減に応じて発電量を調節することができる。
【００３１】
図８に示す風力発電システム２１４は、ドラム２１３の外側に固定子１３１を設けている点、および縦羽根２６の下端に車輪２７を回転自在に設け、リング１８の上を転動させる点を除けば図１の風力発電システム２１２と実質的に同じである。ドラム２１３の内側と外側の両側に固定子１３１を設けることもできる。このものも固定子１３１を上下動自在に構成し、風力に応じてオーバーラップ面積を制御するように構成することができる。
【００３２】
図９に示す風力発電システム２１５は、羽根車１２の下側のボス２４に固定したシャフト２２の周囲に回転子（永久磁石）３１を備えた円板状の回転板１９１を取付けると共に、フレーム１１に取り付けたブラケットないしドラム２１２に、回転板１９１の上下に隣接する固定子２００を設けている。なお、固定子２００は上側または下側だけでもよい。このものも上下の固定子２００をそれぞれ回転子の軸方向の上下に駆動する調整手段を設けている。この回転子３１と固定子２００とによって発電部１４を構成する。なお、磁気浮上構造Ｊとして、縦羽根２６に設けた永久磁石４７と、フレーム１１に設けたコイル（電磁石）４８とを採用している。
【００３３】
発電部１４は、図１０に詳細に示すように、回転子（永久磁石）３１を備えた円筒状の回転板１９１と、その回転盤の上端近辺および下端近辺にローラーガイド１９２とを備えている。さらに、回転盤１９１の上部および下部に、発電用の回転子（永久磁石）３１とは別個に，移動側反発磁石１９４の内側および外側に、下側の固定側反発磁石１９５、１９５を配置し、下側の移動側反発磁石１９４の内側および外側に、下側の固定側反発磁石１９６、１９６を配置している。それぞれ反発磁石は通常は永久磁石で構成するが、電磁石でもよい。固定側反発磁石１９５、１９６はそれぞれボルト１９７およびナット１９８などのネジ構造で回転板１９１との間隔を調整できるように支持されている。
また、固定子２００はガイド２０６によって回転しないように、かつ、上下にスライド自在に配置されている。そして固定子２００の背面側にネジ軸２０７を固定すると共に、そのネジ軸２０８が一方向に回転すると、ネジ軸２０７が上昇して固定子２００と回転板１９１との距離が拡がり、反対方向に回転すると、距離が狭くなる。
【００３４】
さらにこの実施形態ではナット部材２０８をスプロケット２１０と一体に構成し、あるいはスプロケット２１０に連結し、そのスプロケット２１０を図１１に示すチェーン２１１で回転駆動するようにしている。スプロケット２１０とチェーン２１１の噛み合い状態は、配列されている複数個のスプロケット２１０に対して１個置きに反対側から噛み合うようにしており、チェーン２１１はいわば千鳥状ないしジグザグ状に走行する。それにより噛み合い率が高くなり、チェーン２１１からスプロケット２１０への力の伝達効率が高くなる。
【００３５】
チェーン２１１をジグザグに配置することに伴い、前記ネジ軸２０７のネジは、隣接する固定子２００ごとに、右ネジと左ネジとが交互に並ぶようにしている。なお、すべての固定子２００を１本のチェーン２１１で連結する必要はなく、適切な個数の固定子ごとに１本のチェーン２１１を配置すればよい。
【００３６】
図１０では示していないが、下側の固定子２００についても同様にスプロケットとチェーンで上下方向に位置調節自在に構成している。そして上側のスプロケット２１０と下側のスプロケットは同調して、上側の固定子２００が上昇するときは下側の固定子２００が下降し、上側の固定子２００が下降するときは下側の固定子２００が上昇するように構成している。それぞれのチェーン２１１は、図示しない調整用のモータに連結した駆動用のスプロケットなどで駆動することができる。なお、図１０に示すように、戻りのチェーン２１１はスプロケット２１０の横を通すようにするが、下側に通して同一のチェーン２１１のループで上下のスプロケット２１０を同調して駆動することもできる。
【００３７】
上記の発電部１４を備えた自然発電システム２１５では、風力を検出するセンサ、あるいは発電量を検出する検出器、たとえば電圧計ないし電流計などの電気計測器に基づいて、チェーン２１１を駆動するモータを自動制御するように構成している。すなわち風力が弱いとき、あるいは発電量が低いときは、固定子２００と回転板１９１の距離が大きくなるようにモータを回転させる。固定子２００と回転板１９１の距離が大きくなると、固定子２００のコイルと回転板１９１の磁石との相互作用が弱くなり、発電力が少なくなる。それにより発電に基づく抵抗が少なくなり、風力が弱いとき、あるいは回転の最初でも回転しやすい。
【００３８】
他方、風力が強くなると、あるいは発電量が増大すると、距離を小さくするように調整用のモータを回転させる。固定子２００と回転板１９１の距離が小さくなると、固定子２００のコイルと回転板１９１の磁石との相互作用が強くなり、発電力が多くなる。それにより発電に基づく抵抗が強くなるが、風力が大きい場合には回転を継続することができる。図１０の風力発電機２０５では、上記のように回転の初期にスムーズに回転させることができ、風力が強い場合も弱い場合も効率的に発電を継続することができる。
【００３９】
なお、固定子２００側にナット部材２０８を固定して、スプロケット２１０にネジ軸２０７を取り付けても同じ作用効果を奏する。また、ネジ−ナット機構に代えて、ラックピニオン機構など、他の回転−直進変換機構を用いることもできる。また油圧シリンダやエアシリンダなどの流体圧を利用したアクチュエータを制御用の駆動手段として採用することもできる。さらに図１０のような水平ディスク型の風力発電機のほか、たとえば図７ａの円筒状の回転子を採用する風力発電機の場合にも、図１０と同様の自動的に固定子と回転子の間隔を調節する調節装置を採用することができる。
【００４０】
図１２に示す風力発電システム２１６は、下側のボス２４に取り付けたドラム２１３に、中心部が抜けている環状の回転板１９１を取付け、その中心部に固定円板２１７を設けている。そして固定円板２１７の外周部は回転板１９１の上面側および下面側に面するように分かれており、それぞれ固定子１３１が設けられている。このものも上下の固定子１３１のうち一方を省略することができる。また、上下の固定子１３１をそれぞれ上下に位置調節するように構成するのが好ましい。
【００４１】
図１３に示す風力発電システム２１８は、ドラムを設けず、縦羽根２６の下側から半径方向内向きに延びる支持部材２１９によって環状の回転板１９１を支持している。固定円板２１７は図１２の場合と同様である。
【００４２】
図１４に示す風力発電システム２２０は、回転子を支持するドラム２１３は図１の場合と同様である。固定子１３１は支持部材２２１を介してフレームのリング１８に半径方向に位置調節自在に支持されている。支持部材２２１はフレームのリング１８に固定することもできる。なおドラム２１３を、支持部材２２１を介して上下調節可能に構成することもできる。その場合は支持部材２２１の外側の端部に、支持部材２２１を最上端に上昇させたときにの縦羽根２６の下端と当接するストッパないしロック部材を設けることもできる。その場合は固定子１３１を最も上側に移動させると、ロック部材で羽根車１２の回転を拘束することができる。
【００４３】
図１５の風力発電システム２２３は、フレーム１１に取り付けた筒状の固定子１３１と、横羽根２５に取り付けたドラム２１３ないし支持部材に設けた内側および外側の回転子１２７を備えている。このものは固定子１３１は上下方向（軸心方向）に位置調節するように構成するのが好ましい。なお、回転子１２７を上下に調節するようにしてもよく、半径方向に位置調節するように構成してもよい。図１ではドラム２１３が支持部材２２１を横切っているように描かれているが、ドラム２１に支持部材２２１を通すスリットを設けてもよく、ドラム２１３を支持部材２２１がない部分で上下に通る棒状の部材としてもよい。
【００４４】
図１６に示す風力発電システム２２４は、シャフト２２をスラストベアリング２２５を介してフレーム１１で支持している。ラジアルベアリングでもよい。また、固定子１３１はフレーム１１に対して上向きに取り付けた油圧シリンダ２２６のロッド２２７の先端に取り付けられている。それにより、固定子１３１は軸心方向に位置調節自在に構成されている。なお、油圧シリンダ２２６に代えてネジ機構を利用したモータ駆動の直進駆動機構を採用することもできる。
【００４５】
前記実施の形態ではいずれも風力発電システムについて説明しているが、本発明の発電装置は風力以外に水力、地熱発電など、他の自然力を利用して羽根車を回転させて発電する発電システムに適用することができ、同様の作用効果を奏する。
【００４６】
これまでの実施形態では、自然力を用いた発電システムについて記載したが、図１７にはこの回転機を車輪を駆動するモータとして用いた一例を示す。この車輪駆動システム５００は、車軸５０１と、その車軸の一端に設けられた車輪５０２と、その他端に設けられた円板状の回転板５０３と、その回転板と一定の隙間（ギャップ）Ｓ５を挟んで対向する位置に、この回転板の回転を誘導する円板状のコア５０４とからなる。
【００４７】
この回転板５０３には、永久磁石からなる回転子５０５がその外周に向かって放射状に、そして、一定の間隔に配置されている。
円板状のコア５０４には、コイルからなる固定子５０６が回転子５０５と対向するように複数個配置されている。また、この固定子の各コイルは、このコイルに交流電流を送電するインバーターと、このコイルによって得られる電流を蓄える電池とに切替スイッチを介してつながっている（図示せず）。さらに、このコア５０４は、図の矢印に示すように回転板５０３に対して車軸方向に移動自在に形成されており、回転板５０３と、コア５０４との間の隙間Ｓ５を調整することができるように構成されている。
【００４８】
このように構成される車輪駆動システム５００において、初めに車輪を回転させるためには、コア５０４のコイル５０６に交流電流を送電する。これにより、コイル５０６によって形成される回転磁場により回転板に固定された回転子５０５に回転する力が加えられ、回転板が回転する。このとき、回転板５０３とコア５０４との隙間Ｓ５は一番離れておくようにする。これは回転板５０３とコア５０４との隙間Ｓ５を大きくすることにより、コアのコイル５０６の電磁誘導による回転板の回転子５０５に対する影響が小さいためである。そして、いきなり車輪５０２が高速で回転することを防止するためである。
【００４９】
次にコア５０４を回転板５０３に近づくように移動させる。これにより、コアのコイルの影響がだんだん強くなり回転板の回転は徐々に早くなる。このように回転板５０３とコア５０４の隙間Ｓ５を調整することにより、車輪５０２の回転トルクの加減を行うことができ、車輪５０２の回転速度を調整することができる。
また、回転板５０３とコア５０４との距離が十分に近くなった後、さらにその車輪５０２の回転速度を上げるには、コア５０４に送電している交流電流の周波数を大きくすることにより車輪５０２の回転速度を上げることができる。このとき、この周波数の切り替えと同時に回転板５０３とコア５０４との隙間Ｓ５（ギャップ）を離すように設定し、その後再度コア５０４を移動させることにより、徐々にその車輪５０２の回転速度を上げることができるので好ましい。
【００５０】
次に回転している車輪の回転速度を落とすときは、インバーターと接続しているコア５０４を切替スイッチにより電池に接続させる。このとき回転している回転板の回転子５０５の影響により、コアのコイル５０６には誘導起電力が発生する。つまり、回転子５０５の回転エネルギーは電気に変換され、回転板の回転速度が下がる。また、回転板５０３とコア５０４との距離をだんだん小さくすることにより、より大きな誘導起電力が発生し、そして、回転板の回転に対する抵抗も大きくなる。そのため、コア５０４を電池に接続したときは、回転板５０３とコア５０４とは離れているように設定するのが好ましい。それにより、車輪５０２の回転速度を急激に落とすことなく、徐々に下げることができる。
【００５１】
このような車輪駆動システム５００は、自動車においてたとえば、次のように設けることができる。アクセルペダルを踏むことにより、コアがインバーターと接続するように切替スイッチを設定し、かつ、アクセルペダルを踏込むことにより回転板とコアとの隙間Ｓ５が小さくなり、アクセルペダルを緩めることにより回転板とコアとの隙間Ｓ５が大きくなるようにアクセルペダルの踏込み量とコアの回転板に対する隙間Ｓ５を連動させる。一方、ブレーキペダルを踏むことにより、コアが電池と接続するように切替スイッチを設定し、かつ、ブレーキペダルを踏込むことにより回転板とコアとの隙間Ｓ５が小さくなり、ブレーキペダルを緩めることにより回転板とコアとの隙間Ｓ５が大きくなるようにブレーキペダルの踏込み量とコアの回転板に対する隙間Ｓ５を連動させる。これにより通常のエンジンを用いた自動車と同様の操作で自動車を操作することができる。
【００５２】
この車輪駆動システム５００は、車輪を駆動させるモータを発電機としても利用することにより、車輪を回転させる負荷と、車輪の回転による発電量のバランス調整を行うことができ、最大効率の充電と放電との目的を果たすことができる。さらに、回転トルクの加減ができクラッチが不要であるため、車体の軽量化および簡素化が可能となる。また、回転板とコアの隙間Ｓ５の調整はコアを車軸方向に移動自在とすることにより行っているが、回転板を移動自在としてもよい。さらに、回転子としてコイルを用い、固定子として永久磁石を設けてもよい。
【００５３】
図１８に示す車輪駆動システム６００は、車軸６０１と、その車軸の一端に設けられた車輪６０２と、その他端に設けられた回転コア６０３と、その回転コアの外周と一定のギャップを設けて、その回転コア６０３を挿入することができる円筒状のドラム６０４とからなる。この回転コア６０３の外周面には、コアの中心軸から等距離で環状に配列される１０個の界磁用磁石６０５が設けられている。また、このドラム６０４の内周面には、そのドラム（コアの中心軸）から等距離に配列されるコイル群（図示せず）が設けられている。そして、このドラム６０４は、このドラムあるいはコアの中心軸方向に移動自在に設けられている。他の構成は、図１７に示す車輪駆動システム５００と実質的に同じである。
【００５４】
このように車輪駆動システム６００は構成されているため、ドラム６０４をその移動させることにより、コアに固定されている界磁用磁石６０５とドラムに固定されているコイル群との対向面積を調整することができる。つまり、この対向面積によって界磁用磁石６０５とコイル群との影響が強められたり、弱められたりするものである。
【００５５】
本発明の回転機を用いた車輪駆動システムは、図１９に示すように４輪車のすべての車輪に対して設けることができる（矢印方向前）。このように用いることにより、路面状況に応じて各車輪の回転機をモータとして用いたり、発電機として用いたりすることができる。たとえば、下り坂の場合、車輪の駆動にはそれほどの回転トルクが必要ないから前輪あるいは後輪の一方をモータとして用い、他方を発電機として用いることができる。この場合、発電機によって得られた電流をモータに送電することによりエネルギーロスの少ない走行が可能になる。また、左の車輪をモータ、右の車輪を発電機とすることにより車体を右折させることができ、車体を左右に曲がらせるときにもいずれかの車輪の回転機によって発電させることができ、エネルギー効率の高い走行が可能となる。もちろん４輪車であっても、この車輪駆動システムを前輪または後輪のみに設けてもよく、いずれの場合も通常のエンジンと併用させて用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の回転機を用いた風力発電システムの全体を示す斜視図である。
【図２】図１の風力発電システムの立面図である。
【図３】図１の発電システムにおけるフレームを示す斜視図である。
【図４】図１の発電システムの平面図である。
【図５】図１の発電システムにおける羽根車を示す斜視図である。
【図６】本発明の回転機の他の実施形態を用いた風力発電システムの立面図である。
【図７】図７ａ、図７ｂおよび図７ｃはそれぞれ本発明の回転機のさらに他の実施形態を用いた風力発電システムに関わる発電部を示す概略平面図、断面図および概略平面図である。
【図８】それぞれ本発明の回転機のさらに他の実施形態を用いた風力発電システムの要部立面断面図である。
【図９】それぞれ本発明の回転機のさらに他の実施形態を用いた風力発電システムの要部立面断面図である。
【図１０】図９の風力発電システムの電気・力変換装置を示す断面図である。
【図１１】その装置の要部平面図である。
【図１２】それぞれ本発明の回転機のさらに他の実施形態を用いた風力発電システムの要部立面断面図である。
【図１３】それぞれ本発明の回転機のさらに他の実施形態を用いた風力発電システムの要部立面断面図である。
【図１４】それぞれ本発明の回転機のさらに他の実施形態を用いた風力発電システムの要部立面断面図である。
【図１５】それぞれ本発明の回転機のさらに他の実施形態を用いた風力発電システムの要部立面断面図である。
【図１６】それぞれ本発明の回転機のさらに他の実施形態を用いた風力発電システムの要部立面断面図である。
【図１７】本発明の回転機を用いた車輪駆動システムを示す斜視図である。
【図１８】本発明の回転機の他の実施形態を用いた車輪駆動システムを示す斜視図である。
【図１９】車輪駆動システムを搭載した４輪車の概略図である。
【符号の説明】
【００５７】
Ｊ      磁気浮上構造
Ｓ１、Ｓ２  スペース
Ｓ５    隙間
１１    フレーム
１２    羽根車
１４    発電部
１５    脚
１６    連結部材
１７    スポーク
１８    リング
１９、２０  軸受け
２２    シャフト
２３、２４  ボス
２５    横羽根
２６    縦羽
２７    車輪
３１、３１ａ、３１ｂ  回転子
３２、３２ａ、３２ｂ  固定子
１２７  回転子
１３１  固定子
１８１  発電部
１８２  支持枠
１８３、１８４    楔部材
１９１  回転板
１９２  ローラーガイド
１９４  移動側反発磁石
１９５  下側の固定側反発磁石
１９６  上側の固定側反発磁石
１９７  ボルト
１９８  ナット
２００  固定子
２０５  風力発電機
２０６  ガイド
２０７  ネジ軸
２０８  ナット部材
２１０  スプロケット
２１１  チェーン
２１２  風力発電システム
２１３  ドラム
２１４    風力発電システム
２１５  風力発電システム
２１６  風力発電システム
２１７  固定円板
２１８  風力発電システム
２１９  支持部材
２２０  風力発電システム
２２１  支持部材
２２３  風力発電システム
２２４  風力発電システム
２２５  スラストベアリング
２２６  油圧シリンダ
２２７  ロッド
５００  車輪駆動システム
５０１  車軸
５０２  車輪
５０３  回転板
５０４  コア
５０５  回転子
５０６  固定子（コイル）
６００  車輪駆動システム
６０１  車軸
６０２  車輪
６０３  回転コア
６０４  ドラム
６０５  界磁用磁石
【図１】
2006067784.tif 000003
【図２】
2006067784.tif 000004
【図３】
2006067784.tif 000005
【図４】
2006067784.tif 000006
【図５】
2006067784.tif 000007
【図６】
2006067784.tif 000008
【図７】
2006067784.tif 000009
【図８】
2006067784.tif 000010
【図９】
2006067784.tif 000011
【図１０】
2006067784.tif 000012
【図１１】
2006067784.tif 000013
【図１２】
2006067784.tif 000014
【図１３】
2006067784.tif 000015
【図１４】
2006067784.tif 000016
【図１５】
2006067784.tif 000017
【図１６】
2006067784.tif 000018
【図１７】
2006067784.tif 000019
【図１８】
2006067784.tif 000020
【図１９】
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