(57)【要約】【課題】ポール状の支持体でブレードを支持しながらブレードの大型化や多段化を達成できる風力発電装置を提供する。【解決手段】風力発電装置１は、ブレード２で回転する回転部３と、これを支持する支持ポール６と、支持ポール６の上端部に設けられた発電機１３とを備える。回転部３は、回転軸１６を有する回転子と、ブレード２が固定され、上端部が回転軸１６の上端部に固定された回転筒５とを備える。回転部３は、上端部が、上端部スラスト磁気軸受１７を介して発電機１３の筐体１３ａにより支持され、回転筒５が、回転筒ラジアル磁気軸受１８を介して支持され、回転軸１６が、ラジアル回転軸受１９を介して支持される。【選択図】図３
2018155186.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周方向に間隔を有する複数のブレードにより風力を受けて鉛直軸線周りの回転力が付与される回転部と、
前記回転部を前記鉛直軸線周りに回転自在に支持する支持ポールと、
前記支持ポールと前記回転部との間に介在する軸受部と、
前記支持ポールの上端部に設けられた発電機とを備え、
前記発電機は、
固定子と、
回転軸を有する回転子と、
前記固定子が固定された筐体とを備え、
前記回転部は、
前記回転子と、
前記発電機の外側で、前記回転軸に対して同心状に延在して前記ブレードが固定され、上端部が該回転軸の上端部に固定された回転筒とを備え、
前記軸受部は、
前記筐体により前記回転軸の上端部をスラスト方向に支持するための上端部スラスト磁気軸受と、
前記上端部スラスト磁気軸受より下方に位置し、前記支持ポールにより前記回転筒をラジアル方向に支持するための回転筒ラジアル磁気軸受と、
前記筐体により前記回転軸をラジアル方向に支持するためのラジアル回転軸受とを備えることを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記上端部スラスト磁気軸受は、
前記筐体に固定された固定側磁石と、
前記回転軸に固定された回転側磁石とを備え、
前記筐体には、該筐体に対する前記固定側磁石の鉛直方向位置を調整する調整手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記筐体は、鉛直方向について上板及び下板で仕切られており、
前記上板及び前記下板の中央部に設けられた穴を通って前記回転軸が延在しており、
前記ラジアル回転軸受は、前記回転軸と前記上板及び前記下板とのそれぞれの間に設けられたラジアル軸受により構成され、
前記上端部スラスト磁気軸受は、前記上板と前記回転軸の上端部との間に位置することを特徴とする請求項１又は２に記載の風力発電装置。
【請求項４】
前記回転軸の下端部と前記支持ポール又は前記筐体との間に、該回転軸の回転を停止又は阻止するディスクブレーキを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の風力発電装置。
【請求項５】
前記ブレードは、上段ブレードと、その下方に配置された下段ブレードとで構成され、
前記上段ブレード及び前記下段ブレードは、それぞれ前記回転筒の上端部及び下端部に固定され、
前記回転筒ラジアル磁気軸受は、前記回転筒の下端部と前記支持ポールとの間に位置することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項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、周方向に間隔を有する複数のブレードで風力を受けて鉛直軸線周りに生じる回転力により発電を行う風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、風力発電装置として、直線翼垂直軸型風車を用いたものが知られている。直線翼垂直軸型風車は、周方向に間隔を有する複数のブレードにより風力を受けて鉛直軸線周りの回転力が付与される回転部と、回転部を鉛直軸線周りに回転自在に支持する支持ポールと、支持ポールと回転部との間に介在する軸受部とを備える。
【０００３】
このような直線翼垂直軸型風車を用いた風力発電装置として、支持ポールの上端部に発電機を設け、発電機のロータに風車の回転部の回転主軸を直結したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、風車専用の軸受を設け、これにより風車の回転主軸を保持するようにした風力発電装置も知られている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に記載された風力発電装置では、ポール形のベース部の上端に、ベアリングを介して回転シャフトを回転自在に立設し、該回転シャフトの上側に風車を一体的に設けている。
【０００５】
さらに、枠体により、ベアリングを介して風車の回転主軸を保持するようにした風力発電装置も知られている（例えば、特許文献３参照）。特許文献３の風力発電装置では、上下方向に２段で構成されたブレードを有する風車の回転主軸を、枠体により保持されたベアリングにより、鉛直軸方向に離れた２箇所において支持している。回転主軸の下端部は、発電機のロータに結合されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１５−１２９４７１号公報
【特許文献２】特開２００３−３１４４２９号公報
【特許文献３】特開２０１１−９９４１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記のように支持ポールの上端部で発電機のロータに風車の回転主軸を直結したものや、ポールの上端部で風車の回転主軸を保持するものにおいては、風車の回転主軸がその下端部においてのみ保持される。このため、風車のブレードで風を受けると、回転主軸とその軸受部に大きい曲げモーメントによる荷重が負荷される。したがって、風車の大型化や多段化は困難である。
【０００８】
大型化や多段化を実現するためには、上記特許文献３に記載の風車のように、風車の外側に枠体を構成し、鉛直方向の数個所で回転主軸を支持する必要がある。そうすると、外側の枠体がブレードに当る風を遮る為風車効率が悪くなると共に構成が大きくなるので、より広い設置空間を要することになる。
【０００９】
本発明の目的は、かかる従来技術の課題に鑑み、支持ポールでブレードを支持しながらブレードの大型化や多段化を達成できる風力発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１発明に係る風力発電装置は、
周方向に間隔を有する複数のブレードにより風力を受けて鉛直軸線周りの回転力が付与される回転部と、
前記回転部を前記鉛直軸線周りに回転自在に支持する支持ポールと、
前記支持ポールと前記回転部との間に介在する軸受部と、
前記支持ポールの上端部に設けられた発電機とを備え、
前記発電機は、
固定子と、
回転軸を有する回転子と、
前記固定子が固定された筐体とを備え、
前記回転部は、
前記回転子と、
前記発電機の外側で、前記回転軸に対して同心状に延在して前記ブレードが固定され、上端部が該回転軸の上端部に固定された回転筒とを備え、
前記軸受部は、
前記筐体により前記回転軸の上端部をスラスト方向に支持するための上端部スラスト磁気軸受と、
前記上端部スラスト磁気軸受より下方に位置し、前記支持ポールにより前記回転筒をラジアル方向に支持するための回転筒ラジアル磁気軸受と、
前記筐体により前記回転軸をラジアル方向に支持するラジアル回転軸受とを備えることを特徴とする。
【００１１】
第１発明によれば、回転部に属する発電機の回転軸の上端部が支持ポール上端部に設けられた発電機の筐体により上端部スラスト磁気軸受を介してスラスト方向に支持され、回転軸が筐体によりラジアル回転軸受を介してラジアル方向に支持される。さらに、回転軸が固定された回転筒の下端部が、支持ポールにより回転筒ラジアル磁気軸受を介してラジアル方向に支持される。そして、回転筒にブレードが固定される。
【００１２】
このため、大きい風速の風や突風により回転部が大きな力を受けた場合でも、支持ポールによる回転部の支持を支障なく維持することができる。
【００１３】
すなわち、上下方向に離れた位置で回転部を支持するベアリングを保持する枠体を回転部の外側に設ける必要がなく、回転部の回転軸及び回転筒をポール状の支持体である支持ポールにより発電機の筐体を介して強固に支持することができる。これにより、ポール状の支持体でブレードを支持しながらブレードの大型化や多段化を達成することができる。
【００１４】
第２発明に係る風車装置は、第１発明において、
前記上端部スラスト磁気軸受は、
前記筐体に固定された固定側磁石と、
前記回転軸に固定された回転側磁石とを備え、
前記筐体には、該筐体に対する前記固定側磁石の鉛直方向位置を調整する調整手段が設けられていることを特徴とする。
【００１５】
第２発明によれば、固定側磁石の支持ポールに対する鉛直方向位置を調整手段で調整することにより、回転軸に固定された回転子と、支持ポールに固定された固定子との位置関係を回転側の重量に見合った反発力を発生させるために適切に調整することができる。
【００１６】
第３発明に係る風車装置は、第１又は第２発明において、
前記筐体は、鉛直方向について上板及び下板で仕切られており、
前記上板及び前記下板の中央部に設けられた穴を通って前記回転軸が延在しており、
前記ラジアル回転軸受は、前記回転軸と前記上板及び前記下板とのそれぞれの間に設けられたラジアル軸受により構成され、
前記上端部スラスト磁気軸受は、前記上板と前記回転軸の上端部との間に位置することを特徴とする。
【００１７】
第３発明によれば、発電機を利用して、回転部をラジアル方向に強固に支持することができる。
【００１８】
第４発明に係る風車装置は、第１〜第３のいずれかの発明において、前記回転軸の下端部と前記支持ポール又は前記筐体との間に、該回転軸の回転を停止又は阻止するディスクブレーキを備えることを特徴とする。
【００１９】
第４発明によれば、支持ポールが中空である場合の支持ポール内の空間を活用して、容易にディスクブレーキを設けることができる。
【００２０】
第５発明に係る風車装置は、第１〜第４のいずれかの発明において、
前記ブレードは、上段ブレードと、その下方に配置された下段ブレードとで構成され、
前記上段ブレード及び前記下段ブレードは、それぞれ前記回転筒の上端部及び下端部に固定され、
前記回転筒ラジアル磁気軸受は、前記回転筒の下端部と前記支持ポールとの間に位置することを特徴とする。
【００２１】
第５発明によれば、支持ポールにより回転筒をより高い強度でラジアル方向に支持することができる。これにより、各ブレードを回転筒により十分な強度で保持することができる。これにより、ブレードを容易に２段化もしくは多段化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態に係る風力発電装置の正面図である。
【図２】図１の風力発電装置の上部の平面図である。
【図３】図１の風力発電装置の要部における一部を切り欠いて示した正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。本発明の一実施形態に係る風力発電装置は、直線翼垂直軸型風車を用いたものである。
【００２４】
図１に示すように、この風力発電装置１は、周方向に間隔を有する複数のブレード２により風力を受けて鉛直軸線周りの回転力が付与される回転部３と、回転部３を鉛直軸線周りに回転自在に支持する支持部４とを備える。回転部３は、ブレード２が固定される回転筒５を備える。
【００２５】
支持部４は、回転部３を後述する軸受部を介して鉛直軸線周りに回転自在に支持する支持ポール６と、支持ポール６を鉛直方向に向けて支持する基部８とを備える。支持ポール６は、支持ポール６の中間部と基部８の外端部との間に張られた複数本の牽引索９によって、基部８に対し、倒れないように確実に固定される。
【００２６】
なお、図１において、回転筒５は、支持ポール６が見えるように、手前を切り欠いて断面のみを示している。また、見やすくするために、ブレード２は、４本のみが示されている。
【００２７】
図２は、風力発電装置１の回転部の平面図である。同図に示すように、本実施形態では、ブレード２として、４枚の上段ブレード２ａ及び４枚の下段ブレード２ｂで構成された２段ブレードを採用している。上段ブレード２ａ及び下段ブレード２ｂは、それぞれ周方向に等間隔で配置される。また、上段ブレード２ａ及び下段ブレード２ｂは、相互に周方向に４５°シフトさせて配置される。
【００２８】
ブレード２ａ、２ｂは、翼断面形状を有する直線翼であるが、円弧形状や対称翼形状等のものであってもよい。図１に示すように、上段ブレード２ａ及び下段ブレード２ｂは、それぞれ回転筒５の上端部及び下端部に、支持部材１０を介して固定される。
【００２９】
図３は、風力発電装置１の上部の正面図である。ただし、図に向かって回転筒５の手前並びに支持ポール６の右半分は、内部構造が分かるように切り欠いて示している。
【００３０】
同図に示すように、支持ポール６の上端部に、固定子１１及び回転子１２を有する発電機１３が設けられる。本実施形態では、固定子１１側にコイル１４が設けられ、回転子１２側に、該コイルに誘導電流を生じさせる磁力発生用の磁石１５が設けられる。固定子１１は、発電機１３の筐体１３ａに固定される。
【００３１】
回転部３には、発電機１３の回転子１２と、回転筒５とが含まれる。回転子１２は回転軸１６を有する。回転筒５は、回転軸１６の外側で同心状に延在し、上端部が回転軸１６の上端部に固定される。支持ポール６は、回転軸１６と回転筒５との間で同心状に延在する。
【００３２】
回転部３と支持ポール６との間に介在する前記の軸受部は、発電機１３の筐体１３ａにより回転軸１６の上端部をスラスト方向に支持するための上端部スラスト磁気軸受１７と、上端部スラスト磁気軸受１７より下方に位置し、支持ポール６により回転筒５をラジアル方向に支持するための回転筒ラジアル磁気軸受１８と、支持ポール６により筐体１３ａを介して回転軸１６をラジアル方向に支持するためのラジアル回転軸受１９とで構成される。
【００３３】
上端部スラスト磁気軸受１７は、発電機１３の上板２７に固定された固定側磁石２０と、回転軸１６の上端部に固定された回転側磁石２１とを有する。上板２７には、固定側磁石２０の上板２７に対する鉛直方向位置を調整する調整手段２２が設けられる。固定側磁石２０及び回転側磁石２１は、それぞれ回転軸１６を中心とする環状の永久磁石、例えばネオジム磁石で構成され、鉛直方向に沿って相互に対向する面が同極となるように配置されており、相互に水平面を介して反発するように対向する。
【００３４】
調整手段２２は、意図する調整を行うことができるものであれば、種々のものを用いることができる。ここでは、上板２７の上端部の外周に形成された雄ねじと、これに螺合する雌ねじを有して固定側磁石２０を支持する環状部材とで構成される。
【００３５】
回転筒ラジアル磁気軸受１８は、回転筒５の下端部と支持ポール６との間に位置し、支持ポール６の外周に固定された固定側磁石２３と、回転筒５の下端部に固定された回転側磁石２４とを有する。固定側磁石２３及び回転側磁石２４は、それぞれ環状の永久磁石で構成され、径方向に沿って相互に対向する面が同極となるように配置されており、相互に鉛直方向に沿った円環面を介して反発するように対向する。
【００３６】
回転軸１６の上端部と筐体１３ａの上端部との間の上端部スラスト磁気軸受１７が設けられた部分の外側には、上端部スラスト磁気軸受１７を覆う円筒状のカバー２５が設けられる。また、回転筒５の下端部と支持ポール６との間の回転筒ラジアル磁気軸受１８が設けられた部分についても、同様のカバー２６が設けられる。
【００３７】
筐体１３ａは、鉛直方向について上板２７及び下板２８で仕切られており、回転軸１６は、上板２７及び下板２８の中央部に設けられた穴を通って延在する。ラジアル回転軸受１９は、回転軸１６と上板２７及び下板２８とのそれぞれの間に設けられたラジアル軸受３０により構成される。ここでは、ラジアル軸受３０は、玉軸受として構成される。
【００３８】
下板２８より下方に位置する回転軸１６の下端部と支持ポール６又は筐体１３ａとの間に、回転軸１６の支持ポール６に対する回転を停止又は阻止するディスクブレーキ３１が設けられる。
【００３９】
この構成において、回転部３は、支持ポール６により筐体１３ａ及び上端部スラスト磁気軸受１７を介して磁気浮上によって支持される。この支持位置は、固定子１１及び回転子１２の鉛直方向における位置関係が適切となるように、予め又は稼働中の必要なタイミングにおいて、調整手段２２によって調整される。この状態で、ある程度の風速の風がブレード２に当たると、各ブレード２に生じる揚力の作用によって回転部３が回転を開始する。
【００４０】
このとき、回転部３は、磁気浮上しており、ラジアル回転軸受１９における摩擦力は最小限となり、回転部３は、低風速域でも回転を開始する。この回転部３の回転力が回転子１２の回転軸１６を回転させることにより、発電機１３による発電が開始される。
【００４１】
この発電中に、風を受けることによって各ブレード２に主としてラジアル方向に加わる力は、２つのラジアル軸受３０を介して筐体１３ａの上板２７及び下板２８により支持されるとともに、回転筒ラジアル磁気軸受１８を介して支持ポール６の外面により支持される。
【００４２】
したがって、風速が上昇したり突風が吹いたりして、大きな力が各ブレード２に加わった場合でも、かかる力は、ラジアル回転軸受１９及び回転筒ラジアル磁気軸受１８に分散して、支持ポール６により支障なく支持される。
【００４３】
また、発電機１３による発電が行われている間においても、回転部３は、磁気浮上しているので、ラジアル回転軸受１９において生じる摩擦は極めて小さい。したがって、ブレード２で受ける風力に基づいて、高い効率で発電機１３による発電が行われる。
【００４４】
以上のように、本実施形態によれば、支持部４による回転部３の支持を、ラジアル方向についてはラジアル回転軸受１９及び回転筒ラジアル磁気軸受１８を介して行い、スラスト方向については上端部スラスト磁気軸受１７により磁気浮上させて行うようにしている。
【００４５】
これにより、風力の強弱に拘りなく、低風速域から効率的かつ安全に発電を行うことができる。これに加え、従来のように回転部３の外側に枠体を設けて回転主軸を支持する複数のベアリングを保持する必要がなく、回転部３を十分な強度で支持できるので、簡便でコンパクトな構成でブレード２の大型化や多段化を達成することができる。
【００４６】
また、上端部スラスト磁気軸受１７の固定側磁石２０の筐体１３ａに対する鉛直方向位置を調整手段２２で調整できるようにしたので、回転軸１６に固定された回転子１２と、筐体１３ａに固定された固定子１１との位置関係を回転子１２の重量に合わせて適切に調整することができる。
【００４７】
また、支持ポール６の上端部に発電機１３を配置し、回転軸１６を上板２７及び下板２８との間のラジアル軸受３０で支持するようにしたので、回転軸１６をラジアル方向に十分な強度で支持することができる。
【００４８】
また、回転軸１６の下端部と支持ポール６又は筐体１３ａとの間に、ディスクブレーキ３１を設けたので、中空に構成された場合の支持ポール６内の空間を活用して、容易にディスクブレーキ３１を設けることができる。
【００４９】
また、上段ブレード２ａ及び下段ブレード２ｂを、それぞれ回転筒５の上端部及び下端部に固定したので、支持ポール６により回転筒５をより高い強度でラジアル方向に支持することができる。
【００５０】
また、回転筒ラジアル磁気軸受１８を、回転筒５の下端部と支持ポール６との間に設けたので、支持ポール６により回転筒５をより高い強度でラジアル方向に支持することができる。これにより、各ブレード２を回転筒５により十分な強度で保持することができる。
【００５１】
また、ブレード２を上段ブレード２ａ及び下段ブレード２ｂで構成したので、ブレード２を容易に２段化することができる。
【００５２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、本発明は、ブレードにより風力を受けて鉛直軸線周りに回転する風車であれば、他の形式の風車、例えば、ダリウス型などの風車にも適用することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１…風力発電装置、２…ブレード、２ａ…上段ブレード、２ｂ…下段ブレード、３…回転部、４…支持部、５…回転筒、６…支持ポール、８…基部、９…牽引索、１０…支持部材、１１…固定子、１２…回転子、１３…発電機、１４…コイル、１５…磁石、１６…回転軸、１７…上端部スラスト磁気軸受、１８…回転筒ラジアル磁気軸受、１９…ラジアル回転軸受、２０…固定側磁石、２１…回転側磁石、２２…調整手段、２３…固定側磁石、２４…回転側磁石、２５、２６…カバー、２７…上板、２８…下板、３０…ラジアル軸受、３１…ディスクブレーキ。
【図１】
2018155186.tif 000003
【図２】
2018155186.tif 000004
【図３】
2018155186.tif 000005