(57)【要約】【課題】風力発電装置において発電機の起動トルクを適正化する新規な技術を提案する。【解決手段】風力発電装置の発電機において、ロータ７２とステータ７０とのうちの少なくとも一方に、自身が相手方から軸方向に突出する突出部８０，８４と、自身が相手方に半径方向に対向する対向部８２，８６とを有するように、ロータとステータとを軸方向において位置決めする。さらに、ロータとステータとを相対的に軸方向移動可能に支持するとともに、それらロータとステータとの軸方向相対位置を、突出部と対向部との双方が存在する第１の状態と、突出部の軸方向長さは第１の状態より短く、かつ、対向部の軸方向長さは第１の状態より長い第２の状態とに選択的に変更する変更機構１１０，１３０を含むものとする。【選択図】図３
2006020464.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力を利用して発電を行う風力発電装置であって、
風を受けて回転する風車と、
その風車と共に回転するシャフトと、
そのシャフトによって駆動されることによって発電する発電機と
を含み、かつ、その発電機は、
前記シャフトと共に回転するロータと、ステータとを含み、かつ、それらロータとステータとのうちの少なくとも一方が、相手方から軸方向に突出する突出部と、相手方に半径方向に対向する対向部とを有する風力発電装置。
【請求項２】
さらに、前記ロータと前記ステータとを相対的に軸方向移動可能に支持するとともに、それらロータとステータとの軸方向相対位置を、前記突出部と前記対向部との双方が存在する第１の状態と、前記突出部の軸方向長さは前記第１の状態より短く、かつ、前記対向部の軸方向長さは前記第１の状態より長い第２の状態とに選択的に変更する変更機構を含む請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記風車は、風を受けると前記シャフトに軸力と回転力とを発生させ、
前記変更機構は、前記軸方向相対位置の変更を、前記風車によって前記シャフトに発生させられる軸力を機械的に利用して行う請求項２に記載の風力発電装置。
【請求項４】
前記変更機構は、前記軸方向相対位置を、弱風時には前記第１の状態、強風時には前記第２の状態に変更する請求項３に記載の風力発電装置。
【請求項５】
さらに、前記シャフトと前記発電機とを収容するハウジングを含み、
前記ステータは、そのハウジングに対して相対的に軸方向移動不能であり、
前記発電機は、さらに、前記シャフトと一体的に軸方向移動可能かつ回転可能なロータホルダであって、前記ロータを同軸に保持するものを含み、
前記変更機構は、
それらシャフトとロータホルダとを、前記ハウジングに対して相対的に軸方向移動可能かつ回転可能に支持する支持機構と、
前記シャフトに平行な荷重作用線を有する弾性部材と、
前記ロータホルダにより、そのロータホルダに対して相対的に軸方向移動可能に支持されたリテーナであって、前記ロータホルダとの間において前記弾性部材を支持するものと、
前記ロータホルダに設けられ、当該風力発電装置の非作動状態において前記弾性部材の弾性力によって前記リテーナが前記ロータホルダに対して相対的に移動する限度を規定するストッパと、
前記リテーナによって前記ハウジングに押し付けられることにより、前記ロータの前記ステータに対する軸方向相対移動量に応じた反力を前記リテーナを介して前記弾性部材に付与する反力付与機構と
を含む請求項３または４に記載の風力発電装置。
【請求項６】
前記ロータは、前記ステータの外側に位置するアウタロータであり、前記ステータは、前記ロータホルダ内に収容される請求項５に記載の風力発電装置。
【請求項７】
前記シャフトは、前記ハウジングを貫通する状態で、軸方向移動可能かつ回転可能に支持される請求項６に記載の風力発電装置。
【請求項８】
前記シャフトは、前記ステータを同軸に貫通している請求項７に記載の風力発電装置。
【請求項９】
前記反力付与機構は、一軸線を有しており、
前記シャフトは、その反力付与機構を同軸に貫通している請求項８に記載の風力発電装置。
【請求項１０】
風力を利用して発電を行う風力発電装置であって、
風を受けて回転する風車と、
ハウジングと、
そのハウジング内に設けられ、前記風車と共に回転するシャフトと、
前記ハウジング内に設けられ、前記シャフトによって駆動されることによって発電する発電機と
を含み、かつ、その発電機は、
前記シャフトと共に回転するロータと、
前記ハウジングに対して相対的に軸方向移動不能なステータと、
前記シャフトと一体的に軸方向移動可能かつ回転可能なロータホルダであって、前記ロータを同軸に保持するものと
を含み、
前記風車は、風を受けると前記シャフトに軸力と回転力とを発生させ、
当該風力発電装置は、さらに、前記ロータと前記ステータとを相対的に軸方向移動可能に支持するとともに、それらロータとステータとの軸方向相対位置を、前記風車によって前記シャフトに発生させられる軸力を機械的に利用して変更する変更機構を含み、かつ、その変更機構は、
前記シャフトと前記ロータホルダとを、前記ハウジングに対して相対的に軸方向移動可能かつ回転可能に支持する支持機構と、
前記シャフトに平行な荷重作用線を有する弾性部材と、
前記ロータホルダにより、そのロータホルダに対して相対的に軸方向移動可能に支持されたリテーナであって、前記ロータホルダとの間において前記弾性部材を支持するものと、
前記ロータホルダに設けられ、当該風力発電装置の非作動状態において前記弾性部材の弾性力によって前記リテーナが前記ロータホルダに対して相対的に移動する限度を規定するストッパと、
前記リテーナによって前記ハウジングに押し付けられることにより、前記ロータの前記ステータに対する軸方向相対移動量に応じた反力を前記リテーナを介して前記弾性部材に付与する反力付与機構と
を含む風力発電装置。
【請求項１１】
前記変更機構は、前記軸方向相対位置を、弱風時には、前記ロータと前記ステータとがいずれも、自身が相手方から軸方向に突出する突出部と、自身が相手方に半径方向に対向する対向部とを有する第１の状態、強風時には、前記突出部の軸方向長さは前記第１の状態より短く、かつ、前記対向部の軸方向長さは前記第１の状態より長い第２の状態に変更する請求項１０に記載の風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電装置に関するものであり、特に、その風力発電装置における発電機の起動トルクを適正化する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
風力発電装置は、一般に、風を受けて回転する風車と、その風車と共に回転するシャフトと、そのシャフトによって駆動されることによって発電する発電機とを含むように構成される。発電機においては、ロータとステータとが相対的に軸方向において位置決めされる。
【０００３】
この種の風力発電機においては、風車が停止状態から回転状態に移行するためには、風によって風車に発生するトルクが起動トルクに打ち勝つことが必要である。その起動トルクを発生させる主な要因は発電機である。したがって、風力発電装置においては、微風時に風車がスムーズに起動するようにするためには、発電機の起動トルクを低減させることが有効である。
【０００４】
特許文献１には、風力発電装置において、予め設定された発電開始回転速度に発電機の実回転速度が達するまでは、発電機の界磁巻線に界磁電流を供給しないようにする技術が開示されている。この技術を実施すれば、発電機の実回転速度が発電開始回転速度以下である領域、すなわち、微風域においては、発電機の損失が主に機械的損失のみとなり、発電機の起動トルクが低減するため、風車のスムーズな起動が可能となる。
【特許文献１】特開昭６２−５８０６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者は、界磁電流の制御を行うことなく発電機の起動トルクを低減させる技術について研究を行った。その結果、本発明者は、発電機においてロータをステータに対して相対的に軸方向において位置決めする際に、ステータが、ロータに半径方向に対向する対向部のみならず、ロータから軸方向に突出する突出部を有するように位置決めを行えば、そのような突出部が存在しないように位置決めを行う場合に比較し、起動トルクが低減するという事実を発見した。
【０００６】
さらに、本発明者は、ロータとステータとの軸方向相対移動によって発電機の起動トルクを制御するとともに、風車によってシャフトに発生させられる軸力を機械的に利用してロータとステータとの軸方向相対移動を実現する技術について研究を行った。その結果、本発明者は、風力に応答するシャフトの軸力によって機械的にロータとステータとの軸方向相対位置を変更する新規な構造を案出した。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以上説明した事情を背景とし、本発明は、風力発電装置において発電機の起動トルクを適正化する新規な技術を提案することを課題としてなされたものである。
【０００８】
本発明によって下記の各態様が得られる。各態様は、項に区分し、各項には番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、本発明が採用し得る技術的特徴の一部およびそれの組合せの理解を容易にするためであり、本発明が採用し得る技術的特徴およびそれの組合せが以下の態様に限定されると解釈すべきではない。すなわち、下記の態様には記載されていないが本明細書には記載されている技術的特徴を本発明の技術的特徴として適宜抽出して採用することは妨げられないと解釈すべきなのである。
【０００９】
さらに、各項を他の項の番号を引用する形式で記載することが必ずしも、各項に記載の技術的特徴を他の項に記載の技術的特徴から分離させて独立させることを妨げることを意味するわけではなく、各項に記載の技術的特徴をその性質に応じて適宜独立させることが可能であると解釈すべきである。
【００１０】
（１）   風力を利用して発電を行う風力発電装置であって、
風を受けて回転する風車と、
その風車と共に回転するシャフトと、
そのシャフトによって駆動されることによって発電する発電機と
を含み、かつ、その発電機は、
前記シャフトと共に回転するロータと、ステータとを含み、かつ、それらロータとステータとのうちの少なくとも一方が、相手方に半径方向に対向する対向部と、相手方から軸方向に突出する突出部とを有する風力発電装置。
【００１１】
この風力発電装置においては、それの発電機において、ロータとステータとのうちの少なくとも一方が、相手方から軸方向に突出する突出部と、相手方に半径方向に対向する対向部とを有するように、ロータとステータとが軸方向において位置決めされる。
【００１２】
本発明者の研究により、次のような知見を得た。すなわち、ロータとステータとのうちの少なくとも一方に突出部が存在する場合には、存在しない場合より、ロータとステータとの間において、ロータの回転軸線に直角でない方向に漏れ磁束が発生し易く、その結果、界磁磁束が減少し易いという知見を得たのである。この知見によれば、突出部が存在する場合には、存在しない場合より、発電機の起動トルクが低減されることになる。
【００１３】
以上説明した知見に基づき、本項に係る風力発電装置においては、上述の突出部を有するようにロータとステータとが相対的に軸方向において位置決めされる。
【００１４】
この風力発電装置においては、発電機を、ロータとステータとがいずれも、突出部と対向部との双方を有する態様で実施することは不可欠ではない。ロータは突出部と対向部との双方を有する一方、ステータは対向部のみ有する態様で実施したり、ロータは対向部のみを有する一方、ステータは突出部と対向部との双方を有する態様で実施することも可能である。
【００１５】
さらに、この風力発電装置においては、ロータとステータとを、同一の円環断面で軸方向に延びる形状を有するエアギャップを隔てて半径方向に互いに対向するように設計したり、円環断面の直径が軸方向に進むにつれて変化する形状を有するエアギャップを隔てて半径方向に互いに対向するように設計することが可能である。
【００１６】
さらに、この風力発電装置においては、ロータとステータとの軸方向相対位置が変更可能である態様で発電機を実施したり、その軸方向相対位置が固定される態様で発電機を実施することが可能である。
【００１７】
（２）  さらに、前記ロータと前記ステータとを相対的に軸方向移動可能に支持するとともに、それらロータとステータとの軸方向相対位置を、前記突出部と前記対向部との双方が存在する第１の状態と、前記突出部の軸方向長さは前記第１の状態より短く、かつ、前記対向部の軸方向長さは前記第１の状態より長い第２の状態とに選択的に変更する変更機構を含む（１）項に記載の風力発電装置。
【００１８】
この風力発電装置によれば、ロータとステータとの軸方向相対位置が、第１の状態と第２の状態とに選択的に変更されることにより、発電機の起動トルクが変更される。したがって、この風力発電装置によれば、その環境の変化に適応するように起動トルクを制御することが可能となる。
【００１９】
（３）  前記風車は、風を受けると前記シャフトに軸力と回転力とを発生させ、
前記変更機構は、前記軸方向相対位置の変更を、前記風車によって前記シャフトに発生させられる軸力を機械的に利用して行う（２）項に記載の風力発電装置。
【００２０】
この風力発電装置によれば、ロータとステータとの軸方向相対位置が風力に応じ、電気的要素に依存することなく、自動的に変更される。したがって、この風力発電装置によれば、発電機の起動トルクを風力に適応するように制御する適応制御を高い信頼性のもとに行うことが容易となる。
【００２１】
（４）  前記変更機構は、前記軸方向相対位置を、弱風時には前記第１の状態、強風時には前記第２の状態に変更する（３）項に記載の風力発電装置。
【００２２】
この風力発電装置によれば、弱風時には強風時より、前述の突出部の軸方向長さが長い一方、前述の対向部の軸方向長さが短いため、発電機の起動トルクが低減する。したがって、この風力発電装置によれば、弱風時には風車がスムーズに起動することが可能となり、強風時には発電機が高い効率で発電することが可能となる。
【００２３】
（５）  さらに、前記シャフトと前記発電機とを収容するハウジングを含み、
前記ステータは、そのハウジングに対して相対的に軸方向移動不能であり、
前記発電機は、さらに、前記シャフトと一体的に軸方向移動可能かつ回転可能なロータホルダであって、前記ロータを同軸に保持するものを含み、
前記変更機構は、
それらシャフトとロータホルダとを、前記ハウジングに対して相対的に軸方向移動可能かつ回転可能に支持する支持機構と、
前記シャフトに平行な荷重作用線を有する弾性部材と、
前記ロータホルダにより、そのロータホルダに対して相対的に軸方向移動可能に支持されたリテーナであって、前記ロータホルダとの間において前記弾性部材を支持するものと、
前記ロータホルダに設けられ、当該風力発電装置の非作動状態において前記弾性部材の弾性力によって前記リテーナが前記ロータホルダに対して相対的に移動する限度を規定するストッパと、
前記リテーナによって前記ハウジングに押し付けられることにより、前記ロータの前記ステータに対する軸方向相対移動量に応じた反力を前記リテーナを介して前記弾性部材に付与する反力付与機構と
を含む（３）または（４）項に記載の風力発電装置。
【００２４】
この風力発電装置においては、風によってシャフトに発生させられる軸力により、シャフト、ロータホルダおよびロータがハウジングに対して相対的に軸方向に移動させられる。その軸方向相対移動に伴って弾性部材の長さが変化させられるため、シャフト、ロータホルダおよびロータの軸方向相対移動量は風力に応じて変化させられることになる。
【００２５】
さらに、この風力発電装置においては、弾性部材の長さの変化すなわち弾性力の変化を許容するために、リテーナがロータホルダに対して軸方向に相対移動可能とされるとともに、ハウジングからの反力が反力付与機構を介してリテーナに付与される。
【００２６】
さらに、この風力発電装置においては、弾性部材の弾性力によってリテーナが移動する限度、すなわち、当該風力発電装置の非作動状態におけるリテーナの移動限度を機械的に規定するストッパが、ハウジングに対してではなく、ロータホルダに対して設けられる。
【００２７】
したがって、この風力発電装置によれば、ハウジングに依存することなく、弾性部材をロータホルダに、例えば初期荷重（セット荷重、予荷重）が精度よく発生する状態で、設置することが可能となる。よって、この風力発電装置によれば、上述のストッパがハウジングに対して設けられる場合とは異なり、弾性部材の弾性力と、ステータに対するロータの軸方向相対移動量との関係が、ハウジングの製造誤差や組付け精度に依存せずに済み、弾性部材の弾性力の精度が向上する。
【００２８】
さらに、この風力発電装置によれば、ロータホルダに弾性部材をリテーナとストッパとを用いて組み付け、弾性部材がロータホルダから離脱しない組付状態で、それらの組付体をハウジングに組み付けることが可能となる。その結果、この風力発電装置によれば、弾性部材の組付作業の単純化を容易に図り得る。
【００２９】
（６）  前記ロータは、前記ステータの外側に位置するアウタロータであり、前記ステータは、前記ロータホルダ内に収容される（５）項に記載の風力発電装置。
【００３０】
この風力発電装置によれば、ロータがステータの内側に位置するインナロータである場合より、ロータの大径化が容易となる。したがって、発電機を、ロータに界磁磁石として永久磁石が設置される態様で実施する場合に、永久磁石の大型化によって界磁磁束の増加を図ることが容易となる。
【００３１】
（７）  前記シャフトは、前記ハウジングを貫通する状態で、軸方向移動可能かつ回転可能に支持される（６）項に記載の風力発電装置。
【００３２】
この風力発電装置によれば、シャフトの長さ寸法の割にハウジングを小型化することが容易となる。
【００３３】
（８）  前記シャフトは、前記ステータを同軸に貫通している（７）項に記載の風力発電装置。
【００３４】
この風力発電装置によれば、シャフトとステータとをそれらの軸線に直角な方向に見た場合に、それらシャフトとステータとが部分的にオーバラップするため、シャフトの長さ寸法とステータの軸方向寸法との合計寸法の割にハウジングを小型化することが容易となる。
【００３５】
（９）  前記反力付与機構は、一軸線を有しており、
前記シャフトは、その反力付与機構を同軸に貫通している（８）項に記載の風力発電装置。
【００３６】
この風力発電装置によれば、シャフトと反力付与機構とをそれらの軸線に直角な方向に見た場合に、それらシャフトと反力付与機構とが部分的にオーバラップするため、シャフトの長さ寸法と反力付与機構の軸方向寸法との合計寸法の割にハウジングを小型化することが容易となる。
【００３７】
（１０）  風力を利用して発電を行う風力発電装置であって、
風を受けて回転する風車と、
ハウジングと、
そのハウジング内に設けられ、前記風車と共に回転するシャフトと、
前記ハウジング内に設けられ、前記シャフトによって駆動されることによって発電する発電機と
を含み、かつ、その発電機は、
前記シャフトと共に回転するロータと、
前記ハウジングに対して相対的に軸方向移動不能なステータと、
前記シャフトと一体的に軸方向移動可能かつ回転可能なロータホルダであって、前記ロータを同軸に保持するものと
を含み、
前記風車は、風を受けると前記シャフトに軸力と回転力とを発生させ、
当該風力発電装置は、さらに、前記ロータと前記ステータとを相対的に軸方向移動可能に支持するとともに、それらロータとステータとの軸方向相対位置を、前記風車によって前記シャフトに発生させられる軸力を機械的に利用して変更する変更機構を含み、かつ、その変更機構は、
前記シャフトと前記ロータホルダとを、前記ハウジングに対して相対的に軸方向移動可能かつ回転可能に支持する支持機構と、
前記シャフトに平行な荷重作用線を有する弾性部材と、
前記ロータホルダにより、そのロータホルダに対して相対的に軸方向移動可能に支持されたリテーナであって、前記ロータホルダとの間において前記弾性部材を支持するものと、
前記ロータホルダに設けられ、当該風力発電装置の非作動状態において前記弾性部材の弾性力によって前記リテーナが前記ロータホルダに対して相対的に移動する限度を規定するストッパと、
前記リテーナによって前記ハウジングに押し付けられることにより、前記ロータの前記ステータに対する軸方向相対移動量に応じた反力を前記リテーナを介して前記弾性部材に付与する反力付与機構と
を含む風力発電装置。
【００３８】
この風力発電装置によれば、前記（５）項に係る風力発電装置と同様な作用により、弾性部材の弾性力と、ステータに対するロータの軸方向相対移動量との関係が、ハウジングの製造誤差や組付け精度に依存せずに済み、弾性部材の弾性力の精度が向上し、さらに、弾性部材を組み付ける作業の単純化を容易に図り得る。
【００３９】
この風力発電装置においては、それの発電機を前記（１）ないし（４）項のいずれかに記載の発電機と共通する態様で実施することが可能であるが、共通しない態様で実施することが可能である。
【００４０】
さらに、この風力発電装置においては、前記（１）項に係る風力発電装置と同様に、ロータとステータとを、同一の円環断面で軸方向に延びる形状を有するエアギャップを隔てて半径方向に互いに対向するように設計したり、円環断面の直径が軸方向に進むにつれて変化する形状を有するエアギャップを隔てて半径方向に互いに対向するように設計することが可能である。
【００４１】
（１１）  前記変更機構は、前記軸方向相対位置を、弱風時には、前記ロータと前記ステータとがいずれも、自身が相手方から軸方向に突出する突出部と、自身が相手方に半径方向に対向する対向部とを有する第１の状態、強風時には、前記突出部の軸方向長さは前記第１の状態より短く、かつ、前記対向部の軸方向長さは前記第１の状態より長い第２の状態に変更する（１０）項に記載の風力発電装置。
【００４２】
この風力発電装置によれば、前記（４）項に係る風力発電装置と同様に、弱風時には強風時より、前述の突出部の軸方向長さが長い一方、前述の対向部の軸方向長さが短いため、発電機の起動トルクが低減する。したがって、この風力発電装置によれば、弱風時には風車がスムーズに起動することが可能となり、強風時には発電機が高い効率で発電することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
以下、本発明のさらに具体的な実施の形態の一つを図面に基づいて詳細に説明する。
【００４４】
図１には、本発明の一実施形態に従う風力発電装置１０が側面断面図によって示され、図２には、この風力発電装置１０の要部が拡大されて正面図によって示されている。
【００４５】
この風力発電装置１０は、自動車、電車、船舶などの移動体に搭載されて使用される形式であり、本実施形態においては、図１に示すように、乗用車、商用車、産業車両などの自動車１２の屋根１４に着脱可能に搭載されて使用される。この風力発電装置１０は、自動車１２が走行することに伴って自動車１２に対して相対的に発生する相対風を利用して発電するように設計されている。ただし、この風力発電装置１０は、自動車１２の停止状態において自然風を利用して発電するために使用することが可能である。
【００４６】
図１に示すように、この風力発電装置１０は、エアダクト２０を備えている。そのエアダクト２０は、ポリカーボネイト等、耐熱性が高い合成樹脂によって形成されている。このエアダクト２０には、それを貫通する風洞２２が形成されている。
【００４７】
この風洞２２は、それを真上から見た場合には、自動車１２の前後方向に平行に延びているが、真横から見た場合には、図１に示すように、風洞２２の前部が後部より低くなるように自動車１２の前後方向に対して傾斜させられている。以下、このように風洞２２を傾斜させて設置した理由を説明する。
【００４８】
一般に、自動車１２は、それの上面における空気の流れに主に関連する部分のみに着目すれば、少なくとも前部（図示しないが、例えば、フロントウインドシールド）と屋根１４とを含み、それら前部と屋根１４とは、それらの順に空気の流れ（風の進行方向）に沿って並んでいる。前部は、自動車１２の前方から後方に向かうにつれて上昇する向きで水平面に対して傾斜した上面を有するのに対し、屋根１４は、水平面に概して平行な上面を有している。
【００４９】
屋根１４は、それの上流端において前部の下流端に接続されている。そのため、自動車１２において空気が前方から後方に向かって流れる場合には、屋根１４の上流端においては、自動車１２の前後方向に平行な空気の流れに、前部の上面（斜面）に沿って上昇しつつ進行する空気の流れが合流する。この合流は、エアダクト２０が入口から空気を効率よく、すなわち、高い比重で取り込むのに好都合である。しかし、その合流した空気は上向きの速度成分を有しているため、このような空気がエアダクト２０内の風洞２２の上面に当たると、エアダクト２０が屋根１４から分離する傾向（例えば、エアダクト２０が下流側において屋根１４から浮き上がる傾向）が生じる。
【００５０】
このエアダクト２０の分離傾向は、前部の上面に沿って流れる空気の流れの向きと風洞２２の向きとの成す角度が大きいほど大きい。そこで、本実施形態においては、空気の取込み効率を向上させつつ、エアダクト２０の分離傾向を抑制するために、風洞２２の前部が後部より低くなるように風洞２２が水平線に対して傾斜させられている。その傾斜角度は例えば、３度である。
【００５１】
図１に示すように、風洞２２は、自動車１２の前方から空気を取り込む取込み穴２４と、その取込み穴２４内に取り込まれた空気を下流に誘導する誘導穴２６とを含むように構成されている。取込み穴２４は、エアダクト２０の前部において開口し、内径が自動車１２の前方から後方に向かうにつれて減少するテーパ穴として形成されている。これに対し、誘導穴２６は、取込み穴２４の下流端から風洞２２の下流端まで概して同一の内径で概して真直ぐに延びる円筒穴として形成されている。
【００５２】
その誘導穴２６に発電機ユニット３０が設置されている。この発電機ユニット３０は、誘導穴２６と同軸に延びる円筒状の合体ハウジング３２を備えている。その合体ハウジング３２は、一端面において段付き面が形成された２個の円筒状の段付きハウジング３４，３６がそれらの段付き面同士において互いに同軸に嵌合させられることによって構成されている。
【００５３】
図１に示すように、発電機ユニット３０は、さらに、プロペラ型の風車４０を備えている。その風車４０は、それの中央に位置するハブ４２から半径方向外向きに複数枚のブレード４４が放射状に延びるように構成されている。この風車４０は、誘導穴２６と同軸に配置されている。
【００５４】
図１に示すように、風車４０には発電機５０が同軸に連結されている。本実施形態においては、風車４０がアップウインド式とされている。発電機５０を合体ハウジング３２に取り付けるために、発電機ユニット３０は、発電機５０に取り付けられた有底円筒状の取付け用ハウジング５２と、円筒状の支持フレーム５４と、複数個の棒状の連結部材５６とを備えている。取付け用ハウジング５２が支持フレーム５４内の中央位置においてそれと同軸にあたかも浮遊状態で保持されるように、それら複数個の連結部材５６が、取付け用ハウジング５２の軸線から放射状に延びる姿勢で、それら取付け用ハウジング５２と支持フレーム５４とを互いに連結している。
【００５５】
図１に示すように、合体ハウジング３２においては、２個の段付きハウジング３４，３６が互いに嵌合された部分に円環状の溝５８が形成されている。この溝５８における一対の側面は、一方の段付きハウジング３４の段付き面のうちの肩面と、他方の段付きハウジング３６の段付き面のうちの先端面とによって構成されている。このようにして形成された溝５８に支持フレーム５４が嵌合されることにより、支持フレーム５４が軸方向位置と半径方向位置とに関して固定される。
【００５６】
以上、本実施形態に従う風力発電装置１０をその全体構造について説明したが、次に、発電機５０の構造について詳しく説明する．
【００５７】
図３に示すように、発電機５０は、風車４０から同軸に延びるシャフト６０を備えている。そのシャフト６０は、風車４０と共に回転し、この回転によって発電機５０が発電する。風車４０が風を受けると、シャフト６０に回転力と軸力とが発生する。回転力は、シャフト６０をそれの軸線まわりに回転させようとする向きの力であり、これに対し、軸力は、シャフト６０をそれの軸線に沿って移動させようとする向きの力である。本実施形態においては、風車４０が風を受けることによってシャフト６０に発生する軸力により、シャフト６０が発電機５０に対して相対的に軸方向移動可能であるように、発電機５０が設計されている。このようなシャフト６０の軸方向移動を可能にする構造は後に詳述する。
【００５８】
図３には、発電機５０が、シャフト６０が初期位置にある状態で示されており、これに対し、図４には、シャフト６０が最大変位位置にある状態で示されている。シャフト６０の初期位置は、風車４０が風をまったく受けないか、または受けるにしても微風（風速が設定値以下である風）である場合に実現される。これに対し、シャフト６０の最大変位位置は、風車４０が強風（風速が上記設定値より大きい風）を受ける場合に実現される。ただし、発電機５０は、シャフト６０の軸方向位置が風速に応じて段階的に変化するように設計したり、風速に応じて連続的に変化するように設計することが可能である。
【００５９】
図３に示すように、発電機５０は分割型のアウタハウジング６２を備えている。そのアウタハウジング６２は、共に有底円筒状を成す２個の分割ハウジング６４，６６によって構成されている。それら２個の分割ハウジング６４，６６は、発電機５０の前側（風車４０に近い側）に位置する前側分割ハウジング６４と、後側（風車４０から遠い側）に位置する後側分割ハウジング６６とにより構成されている。それら前側分割ハウジング６４と後側分割ハウジング６６とは、それらの開口部同士において互いに対向する状態で螺合されており、これにより、アウタハウジング６２が内部に閉じた空間を有する形態で構成されている。
【００６０】
アウタハウジング６２に前述の取付け用ハウジング５２が、そのアウタハウジング６２を外側から覆う姿勢で同軸に固定されている。具体的には、本実施形態においては、アウタハウジング６２のうちの前側分割ハウジング６４に取付け用ハウジング５２が固定されている。これにより、この取付け用ハウジング５２は、発電機５０に、風車４０および発電機５０を含む発電機ユニット３０における軸方向中央位置において固定されることになる。
【００６１】
このように構成されたアウタハウジング６２内に、風車４０と共に回転するシャフト６０と、図示しないコイルを有するステータ７０と、そのステータ７０に対して相対的にかつ同軸に回転させられるロータ７２とが配置されている。シャフト６０は、それの軸方向におけるある位置に環状突起７４を有しており、その環状突起７４により、風車４０に近い側と風車４０から遠い側とに仕切られている。
【００６２】
本実施形態においては、ロータ７２がステータ７０の外側に配置されている。すなわち、発電機５０はアウタロータ方式を採用しているのである。したがって、本実施形態においては、ステータ７０とロータ７２とは、ロータ７２の内周面とステータ７０の外周面とにおいて互いに半径方向に対向しており、それらの間にエアギャップが形成される。ロータ７２のうちの本体７６の内周面には、ネオジウム等の金属によって形成された永久磁石７８が複数個、周方向に等間隔に並んで固着されている。発電機５０においては、それら永久磁石７８がエアギャップを隔ててステータ７０のコイルに対向させられており、その結果、それら永久磁石７８と前記コイルとの相対変位によって発電が行われることになる。すなわち、この発電機５０は、ブラシレス方式を採用しているのである。
【００６３】
図３に示すように、シャフト６０の初期位置においては、ステータ７０は、ロータ７２から軸方向に突出した突出部８０と、ロータ７２に半径方向に対向する対向部８２とを有している。また、ロータ７２も同様に、ステータ７０から軸方向に突出した突出部８４と、ステータ７０に半径方向に対向する対向部８６とを有している。シャフト６０の初期位置においては、ステータ７０もロータ７２も、突出部８０，８４の軸方向長さ（以下、「突出長さ」という。）が最大である一方、対向部８２，８６の軸方向長さ（以下、「対向長さ」という。）が最小である。
【００６４】
これに対して、図４に示すように、シャフト６０の最大変位位置においては、ステータ７０もロータ７２も、突出長さが最小である突出部８０，８４を有する一方、対向長さが最大である対向部８２，８６を有している。すなわち、シャフト６０の最大変位位置においては、ステータ７０もロータ７２も最大の対向面積を有し、発電機５０の発電効率が最大となるのである。
【００６５】
ところで、ステータ７０とロータ７２との間に発生する磁束を、ロータ７２の回転軸線に沿って観察すると、その磁束は、ロータ７２の回転軸線に沿って一様に分布するわけではない。磁束は３次元的に分布しているのである。
【００６６】
そして、ステータ７０とロータ７２とのうちの少なくとも一方に、相手方から軸方向に突出する突出部が存在する場合には、その突出部の透磁率は、その突出部によって占められる空間にその突出部が存在しなければ存在し得た空気の透磁率、すなわち、その突出部が存在しない場合の透磁率より低いのが通常である。
【００６７】
したがって、ステータ７０とロータ７２とのうちの少なくとも一方に突出部が存在する場合には、存在しない場合より、ステータ７０とロータ７２との間において、ロータ７２の回転軸線に直角でない方向に漏れ磁束が発生し易く、そのため、界磁磁束が減少し易い。よって、突出部が存在する場合には、存在しない場合より、発電機の起動トルクが低減されることになる。
【００６８】
以上説明した知見に基づき、この風力発電装置１０においては、上述の突出部を有するようにステータ７０とロータ７２とが相対的に軸方向において位置決めされる。
【００６９】
本実施形態においては、弱風時には、シャフト６０が初期位置にあって、ロータ７２もステータ７０も突出長さが最大である。その結果、弱風時には、発電機５０の起動トルクが十分に低下し、風車４０の起動がスムーズに行われる。
【００７０】
図３に示すように、ロータ７２は、有底円筒状のロータホルダ９０によって保持されている。そのロータホルダ９０は、アウタハウジング６２内においてシャフト６０と同軸に配置されている。このロータホルダ９０は、それの底部９２においては風車４０に近くなる一方、開口部９４においては風車４０から遠ざかることとなる向きでアウタハウジング６２内に配置されている。このロータホルダ９０のうちの開口部９４にロータ７２が同軸に固定されている。
【００７１】
シャフト６０は、ロータホルダ９０を同軸に貫通するとともに、環状突起７４に関して風車４０から遠い側においてロータホルダ９０の底部９２に圧入によって固定されている。環状突起７４の両端面のうち風車４０から遠い端面に底部９２が接触するように、シャフト６０とロータホルダ９０との圧入が行われている。この圧入により、シャフト６０がロータホルダ９０に、必要な同心度および直角度を有するように固定されている。
【００７２】
シャフト６０は、ステータ７０を同軸に貫通し、さらに、アウタハウジング６２を同軸に貫通している。シャフト６０は、アウタハウジング６２における一対の端部９６，９８であって軸方向に互いに対向するものにおいてそれぞれ回転可能かつ軸方向移動可能に支持されている。
【００７３】
具体的には、シャフト６０のうち環状突起７４より風車４０に近い部分が、軸受としてのメタルベアリング１００を介して、アウタハウジング６２における一対の端部９６，９８のうち風車４０に近い端部９６に回転可能かつ軸方向移動可能に支持されている。一方、シャフト６０の両端部のうち風車４０から遠い端部が、軸受としてのラジアルボールベアリング１０２を介して、アウタハウジング６２における一対の端部９６，９８のうち風車４０に遠い端部９８に回転可能かつ軸方向移動可能に支持されている。シャフト６０をラジアルボールベアリング１０２を介して軸方向移動可能に支持するために、そのラジアルボールベアリング１０２の内輪の内周面とシャフト６０の外周面との間に通常より大きなクリアランスが存在するようになっている。
【００７４】
図３に示すように、ステータ７０には、概して筒状を成すステータホルダ１１０が同軸に挿通されており、このステータホルダ１１０には、シャフト６０が同軸に挿通されている。ステータホルダ１１０は、共に筒状を成して同軸に延びる２部材１１２，１１４がそれぞれの一端部同士において互いに螺合されることによって構成されている。それら２部材１１２，１１４のうち、風車４０から遠い部材は第１部材１１２であり、風車４０に近い部材は第２部材１１４である。
【００７５】
第１部材１１２においては、それの両端部のうち第２部材１１４に近い端部である基端部にめねじ１１６が形成される一方、反対側の端部である先端部に外向きのフランジ１１８が形成されている。そのフランジ１１８の内部に前述のラジアルボールベアリング１０２の外輪が嵌合によって固定されるとともに、フランジ１１８がアウタハウジング６２の端部９８にボルト１２０によって固定されている。ステータホルダ１１０はこの第１部材１１２においてステータ７０を同軸に貫通している。ステータ７０は、ステータホルダ１１０により、そのステータホルダ１１０に対して回転不能かつ移動不能に固定されている。その結果、ステータ７０は、アウタハウジング６２に対して相対的に固定されることになる。
【００７６】
これに対し、第２部材１１４においては、それの両端部のうち第１部材１１２に近い端部である基端部に、上記めねじ１１６に螺合すべきおねじ１２２が形成される一方、反対側の端部である先端部の内部に、シャフト６０の外径より大きい内径を有する有底穴１２４が形成されている。この有底穴１２４は、先端部の先端面、すなわち、ロータホルダ９０の底部９２に対向する端面において開口させられている。この有底穴１２４内に軸受としてのラジアルボールベアリング１２６が２個、軸方向に直列に装着されている。
【００７７】
シャフト６０は、それら２個のラジアルボールベアリング１２６，１２６により、回転可能かつ軸方向移動可能に支持されている。それらラジアルボールベアリング１２６，１２６を介してシャフト６０を軸方向移動可能に支持するために、それらラジアルボールベアリング１２６，１２６の内輪の内周面とシャフト６０の外周面との間に通常より大きなクリアランスが存在するようになっている。
【００７８】
それらラジアルボールベアリング１２６，１２６は、アウタハウジング６２に固定されたステータホルダ１１０によって位置固定で保持されており、その結果、それらラジアルボールベアリング１２６，１２６を介してシャフト６０が、アウタハウジング６２によってシャフト６０が支持される２点間の概して中間に位置する第３の点において比較的強固に支持される。したがって、風車４０が風を斜めに受けることなどによってシャフト６０に曲げモーメントが作用しても、シャフト６０が３点において支持されるため、２点において支持される場合より、シャフト６０の曲がりおよびたわみが軽減される。その結果、例えば、ロータ７２とステータ７０との干渉を回避することが容易となり、また、シャフト６０の曲げモーメントの大小にかかわらず、シャフト６０が同一軸線まわりに安定的に回転する状態を確保することが容易となる。
【００７９】
風力を反映したシャフト６０の軸力に応じてそのシャフト６０の軸方向位置が変化する。シャフト６０の軸方向位置が変化すれば、ステータ７０に対するロータ７２の軸方向位置が変化し、ひいては、突出長さおよび対向長さが変化する。それら突出長さおよび対向長さが変化すれば、発電機５０の起動トルクが変化する。以下、発電機５０のうち、シャフト６０の軸力に応じて突出長さおよび対向長さを変更する変更機構を詳しく説明する。
【００８０】
ロータホルダ９０の内部空間に、弾性部材としての圧縮コイルスプリング１３０（引張コイルスプリングでもリーフスプリングでも皿ばねでも可。）が複数、シャフト６０に平行な姿勢で、かつ、シャフト６０の一同心円に沿って等間隔で並んで配置されている。
【００８１】
ロータホルダ９０の内部空間には、さらに、それら圧縮コイルスプリング１３０をロータホルダ９０の底部９２と共同して挟んで保持するリテーナ１３２が配置されている。このリテーナ１３２は、それの外周面においてはロータホルダ９０の内周面と摺動可能に嵌合される一方、それの内周面においてはシャフト６０の外周面と摺動可能に嵌合されている。このリテーナ１３２は、ロータホルダ９０と一体的に回転可能であるのに対し、シャフト６０に対しては回転可能かつ軸方向移動可能である。
【００８２】
ロータホルダ９０には、それの開口部９４の内周面において円筒部材１３４が螺合によって固定されている。一方、リテーナ１３２の外周面は、大径部１３６と小径部１３８とを有する段付き面として形成されている。リテーナ１３２の外周面は、その大径部１３６において円筒部材１３４の内周面に摺動可能に嵌合されている。大径部１３６が円筒部材１３４の内周面に嵌合されることにより、小径部１３８と円筒部材１３４の内周面との間に、一端面において開口した環状空間１４０が形成されている。この環状空間１４０に軸受としてのニードルベアリング１４２が設置されている。リテーナ１３２に円板状の閉塞部材１４４が装着されて環状空間１４０が閉塞され、それにより、この環状空間１４０からニードルベアリング１４２が離脱することが防止されている。
【００８３】
ニードルベアリング１４２はそもそもラジアルベアリングに分類される。しかし、本実施形態においては、ニードルベアリング１４２と円筒部材１３４との間に通常より大きな半径方向クリアランスが設けられることにより、ニードルベアリング１４２が、リテーナ１３２と円筒部材１３４との間の軸方向摺動抵抗の軽減に寄与している。
【００８４】
ロータホルダ９０の内部空間には、さらに、そのロータホルダ９０の底部９２とリテーナ１３２とに跨ってガイドロッド１４８が圧縮コイルスプリング１３０の数と同数、対応する圧縮コイルスプリング１３０を同軸に貫通する位置に配置されている。各ガイドロッド１４８は、対応する圧縮コイルスプリング１３０が圧縮時に座屈することを防止するために設けられている。各ガイドロッド１４８は、閉塞部材１４４を貫通している。本実施形態においては、ガイドロッド１４８の一端部はリテーナ１３２に固定され、他端部はロータホルダ９０の底部９２を貫通するとともに摺動可能に嵌合されている。
【００８５】
リテーナ１３２のうち、ロータホルダ９０の底部９２に対向する先端部には、オイルレスのメタルブッシュ１５２が軸受の一例として同軸に嵌合されて固定されている。シャフト６０とリテーナ１３２との相対的軸方向摺動は主にこのメタルブッシュ１５２を介して行われるようになっている。
【００８６】
このメタルブッシュ１５２の先端面は、図４に示すように、シャフト６０の最大変位位置において、ロータホルダ９０の底部９２および／またはシャフト６０に固定されたストッパ１５４に当接する。すなわち、このストッパ１５４は、シャフト６０およびロータホルダ９０の最大変位位置を規定するために設けられているのである。
【００８７】
圧縮コイルスプリング１３０は、０ではないセット荷重を有する状態で、すなわち、自然状態より圧縮された状態で、ロータホルダ９０とリテーナ１３２との間に装着される。予荷重を与えられて装着されるのである。そのセット荷重を実現するとともに、圧縮コイルスプリング１３０の弾性力によってリテーナ１３２がロータホルダ９０から離脱しないようにするために、ロータホルダ９０にストッパ１６０が設けられている。図３に示すように、シャフト６０の初期位置においては、このストッパ１６０にリテーナ１３２が当接する。
【００８８】
具体的には、ストッパ１６０は、リテーナ１３２の両端部のうち、風車４０から遠い端部に対向する位置に設けられている。さらに、このストッパ１６０は、ロータホルダ９０のうちの本体１６４とは別体として製作されて本体１６４に取り付けられる前述の円筒部材１３４に一体的に形成されている。
【００８９】
図３に示すように、リテーナ１３２とステータホルダ１１０との間に中継部材１６４が配置されている。この中継部材１６４にはシャフト６０が同軸に挿通されている。この中継部材１６４は、シャフト６０に軸方向摺動可能に嵌合されている。この中継部材１６４は、シャフト６０およびロータホルダ９０が図示の初期位置から後退（図において右方に移動）しようとする際に、その後退量に応じた弾性力が圧縮コイルスプリング１３０に発生するように、アウタハウジング６２およびステータホルダ１１０からの軸方向反力をリテーナ１３２に伝達するように作用する。
【００９０】
リテーナ１３２は、シャフト６０およびロータホルダ９０と共に回転する回転部材であるのに対し、ステータホルダ１１０およびアウタハウジング６２は、非回転部材である。そのため、そのような相対回転を行うリテーナ１３２とステータホルダ１１０との間において軸力伝達を機械的接触によって行うため、中継部材１６４は、ステータホルダ１１０については、ラジアルボールベアリング１２６の内輪、すなわち、シャフト６０と一体的に回転する部分に係合させられる。
【００９１】
次に、この発電機５０の作動を説明する。
【００９２】
風車４０が風を受けないか、受けるにしても風車４０によってシャフト６０に発生する軸力がセット荷重に打ち勝つことができない状態（無風または微風の状態）においては、図３に示すように、シャフト６０が初期位置にあり、リテーナ１３２がストッパ１６０に当接しており、その結果、突出長さは最大、対向長さは最小である。この状態においては、発電効率が最小であるうえに、ステータ７０およびロータ７２のそれぞれの突出部８０，８４における磁束漏れが最大であるため、発電機５０の起電トルクが最小である。
【００９３】
この状態から風速が増し、その結果、風車４０によってシャフト６０に発生する軸力がセット荷重に打ち勝つに至れば、シャフト６０およびロータホルダ９０が、リテーナ１３２およびステータホルダ１１０を置き去りにしつつ、圧縮コイルスプリング１３０の弾性力に抗して後退（図３において右方に移動）する。それらシャフト６０およびロータホルダ９０は、最終的には、図４に示すように、リテーナ１３２がストッパ１５４に当接する後退限度に至る。この状態においては、突出長さは最小で、対向長さは最大である。したがって、ステータ７０とロータ７２との対向面積が最大であるうえに、ステータ７０およびロータ７２のそれぞれの突出部８０，８４における磁束漏れが最小であるため、発電機５０の発電効率が最大である。
【００９４】
以上の説明から明らかなように、本実施形態においては、ラジアルボールベアリング１０２と２個のラジアルボールベアリング１２６，１２６とメタルベアリング１００とメタルブッシュ１５２と中継部材１６４とが互いに共同して前記（５）または（１０）項における「支持機構」の一例を構成し、複数の圧縮コイルスプリング１３０が同項における「弾性部材」の一例を構成しているのである。さらに、ストッパ１６０が同項における「ストッパ」の一例を構成し、ステータホルダ１１０と２個のラジアルボールベアリング１２６，１２６と中継部材１６４とが互いに共同して同項における「反力付与機構」の一例を構成しているのである。さらに、それら「支持機構」の一例、「弾性部材」の一例、「ストッパ」の一例および「反力付与機能」の一例が互いに共同して同項における「変更機構」の一例を構成しているのである。
【００９５】
ところで、前述の相対風が完全に定常的である状況を想定すれば、カットイン風速ＶＣＩは本来、相対風の風速によって決まるが、過渡的な状況においては、風速の変化に対してロータ７２の回転速度が迅速に応答することができないため、従来の風力発電装置では、発電機による正規の発電を早期に開始することができない。これに対し、本実施形態によれば、風車４０の起動が早期にすなわちスムーズに行われるため、発電機５０による発電を早期に開始することが可能となる。
【００９６】
さらに、本実施形態においては、圧縮コイルスプリング１３０の弾性力によってリテーナ１３２が移動する限度、すなわち、風力発電装置１０の非作動状態におけるリテーナ１３２の移動限度を機械的に規定するストッパ１６０が、アウタハウジング６２に対してではなく、ロータホルダ９０に対して設けられる。
【００９７】
したがって、本実施形態によれば、アウタハウジング６２に依存することなく、圧縮コイルスプリング１３０をロータホルダ９０に、セット荷重が精度よく発生する状態で、設置することが可能となる。よって、本実施形態によれば、ストッパ１６０がアウタハウジング６２に対して設けられる場合とは異なり、圧縮コイルスプリング１３０の弾性力と、ステータ７０に対するロータ７２の軸方向相対移動量との関係が、アウタハウジング６２の製造誤差や組付け精度に依存せずに済み、圧縮コイルスプリング１３０の弾性力の精度が向上する。
【００９８】
さらに、本実施形態によれば、ロータホルダ９０に圧縮コイルスプリング１３０をリテーナ１３２と、ストッパ１６０が形成された円筒部材１３４とを用いて組み付け、圧縮コイルスプリング１３０がロータホルダ９０から離脱しない組付状態で、それらの組付体をアウタハウジング６２に組み付けることが可能となる。その結果、本実施形態によれば、圧縮コイルスプリング１３０の組付作業の単純化を容易に図り得る。
【００９９】
以上、本発明の実施の形態の一つを図面に基づいて詳細に説明したが、これは例示であり、前記［発明の開示］の欄に記載の態様を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変形、改良を施した他の形態で本発明を実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明の一実施形態に従う風力発電装置１０を示す側面図である。
【図２】図１に示す風力発電装置１０における発電機ユニット３０を示す正面図である。
【図３】図１における発電機ユニット３０をシャフト６０が初期位置にある状態で示す部分側面断面図である。
【図４】図１における発電機５０をシャフト６０が最大変位位置にある状態で示す側面断面図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１０  風力発電装置
４０  風車
５０  発電機
６０  シャフト
６２  アウタハウジング
７０  ステータ
７２  ロータ
８０，８４  突出部
８２，８６  対向部
９０  ロータホルダ
１３０  圧縮コイルスプリング
１３２  リテーナ
１６０  ストッパ
１６４  中継部材
【図１】
2006020464.tif 000003
【図２】
2006020464.tif 000004
【図３】
2006020464.tif 000005
【図４】
2006020464.tif 000006