(57)【要約】【課題】  発電時などに発生するコギングを低減した発電機を提供する。【解決手段】  ロータ１とステータ２とを備えた発電機８において、コイル２ａ〜２ｉをステータ２の各極にそれぞれ個別に巻回して、１極毎に整流器３Ａ〜３Ｉにより整流し、各相毎に順次発電して直流を出力する構成であるため、各相が同時に発電せず、発電時にロータ１とステータ２との間で発生する磁気抵抗が少なくなり、コギングを低減でき、リップル（脈動）の少ない安定した電圧を得ることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石を周方向に複数極配設したロータと、該永久磁石に対向する鉄心を周方向に複数極配設し、かつ、コイルを有するステータと、を備えた発電装置において、
前記コイルを、ステータの各極それぞれに個別に巻回し、各コイル出力を１極毎に整流してプラス極およびマイナス極とする複数の整流器を設けると共に、各コイルのプラス極同士およびマイナス極同士をそれぞれ並列に接続して、直流を出力する出力回路を設けたことを特徴とする発電機。
【請求項２】
前記ステータを軸方向に多数積層して多層構造にしたことを特徴とする請求項１記載の発電機。
【請求項３】
前記ロータ側の極とステータ側の極の力関係がバランスするべく、両極の数量比を選定したことを特徴とする請求項１又は２記載の発電機。
【請求項４】
前記ロータ側の極を８の整数倍に、前記ステータ側の極を９の整数倍に、それぞれ設定して、両極の力関係をバランスさせたことを特徴とする請求項３記載の発電機。
【請求項５】
前記ロータが風力により回転駆動されて風力発電することを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロータとステータとを備えた発電機に関し、特に、発電時などに発生するコギングを低減する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発電技術の分野では、自然エネルギの有効利用、低コスト化および環境保護の観点から、風車を利用して発電を行う風力発電機に期待が寄せられている。風力発電機には、そのロータの磁極に永久磁石を用いた、所謂、永久磁石式発電機が用いられることが多い（特許文献１〜３等参照）。
【特許文献１】特開２００４−３５３５２５号公報
【特許文献２】特開２００７−１８９７７０号公報
【特許文献３】特開２００４−２８５９９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この永久磁石式発電機は、従来では、ステータのスロット内に配設されたコイル同士が結合されており、全ての相が同時に発電して、例えば、３相の交流を出力する構成であるため、発電時にロータとステータとの間で発生する磁気抵抗（永久磁石と鉄心の引っ張り合いよる抵抗）によりコギングが作用するため、回転ムラなどを生じ、リップル（脈動）の多い不安定な電圧しか得ることはできない。
【０００４】
本発明は、上記のような課題を解決するためなされたものであり、ステータの鉄心が設けられた各極にコイルを極毎に独立させて巻回し、それぞれに整流回路を付加した構成により、直流を出力するようにし、発電時などのコギングを低減した発電機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記した課題を解決するため、請求項１に係る発明の発電機は、永久磁石を周方向に複数極配設したロータと、該永久磁石に対向する鉄心を周方向に複数極配設し、かつ、コイルを有するステータと、を備えた発電装置において、前記コイルを、ステータの各極それぞれに個別に巻回し、各コイル出力を１極毎に整流してプラス極およびマイナス極とする複数の整流器を設けると共に、各コイルのプラス極同士およびマイナス極同士をそれぞれ並列に接続して、直流を出力する出力回路を設けたことを特徴とする。
【０００６】
請求項２に係る発明の発電機は、前記ステータを軸方向に多数積層して多層構造にしたことを特徴とする。
【０００７】
請求項３に係る発明の発電機は、前記ロータ側の極とステータ側の極の力関係がバランスするべく、両極の数量比を選定したことを特徴とする。
【０００８】
請求項４に係る発明の発電機は、前記ロータ側の極を８の整数倍に、前記ステータ側の極を９の整数倍に、それぞれ設定して、両極の力関係をバランスさせたことを特徴とする。
【０００９】
請求項５に係る発明の発電機は、前記ロータが風力により回転駆動されて風力発電することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に係る発明の発電機によれば、コイルをステータの各極にそれぞれ個別に巻回し、各コイルの出力を１極毎に整流してプラス極およびマイナス極とすることにより、各相毎に順次発電して直流を出力するため、即ち、各相が同時に発電しないため、発電時にロータとステータとの間で発生する磁気抵抗が少なくなり、コギングを低減でき、リップル（脈動）の少ない安定した電圧を得ることができる。また、コイルをステータの各極にそれぞれ個別に巻回して、各コイルの出力を１極毎に整流してプラス極およびマイナス極としているため、ステータの極数を自由に変更することができ、ひいては、ロータ側の極とステータ側の極の数量比を自由に選定できる。
【００１１】
請求項２に係る発明の発電機によれば、コイルをステータの各極にそれぞれ個別に巻回しているため、ステータを軸方向に多数積層にして多層構造にすることができ、これにより、発電機の容量を簡単に増加させることができる。
【００１２】
請求項３に係る発明の発電機によれば、ロータ側の極とステータ側の極の数量比を選定できるため、ロータ側の極とステータ側の極の力関係をバランスさせることができ、これによって、無負荷回転時、即ち、空転時（起動時）のコギングを低減でき、例えば、微風下などにおける起動性を高め、発電の稼働率を向上できる。
【００１３】
請求項４に係る発明の発電機によれば、ロータ側の極を８の整数倍（例えば、１６、２４等）に、ステータ側の極を９の整数倍（例えば、１８、２７等）に、それぞれ設定すれば、小さい容量から大きい容量までの発電機に対応して、ロータ側の極とステータ側の極の力関係をバランスさせることができる。
【００１４】
請求項５に係る発明の発電機によれば、発電機の発電時や空転時（起動時）などに発生するコギングの低減が図れ、回転がスムーズになり、また、起動性も向上できるため、風力を利用した風力発電機に有利となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付された図面を参照して本発明の実施の形態を詳述する。
図１〜図３は、本発明に係る発電装置の一実施形態として風力発電機を説明する図、図４は、この風力発電機を備えた風力発電装置の全体図を示している。
【００１６】
図４において、風力発電装置６は、ロータブレード７と、このロータブレード７の回転軸７Ａに取り付けられた動力伝達装置８を介して駆動する風力発電機９と、これらのロータブレード７、動力伝達装置８および風力発電機９などを所定高さに保持するタワー１０とを有している。
【００１７】
かかる風力発電装置６は、風を受けて回転するロータブレード７を使用して風の運動エネルギが動力に変換され、この動力で風力発電機９を駆動して電気エネルギに変換する。上記の風力発電機９は、図１に示すように、ロータ１とステータ２とを備えている。このロータ１は、その中心の回転軸１Ａが上記の動力伝達装置８を介して風力によって回転駆動される。
【００１８】
かかるロータ１は、円弧状の永久磁石Ａ〜Ｈを円周方向に均等に８極を配置したものである。ステータ２は、リング状に形成されて、ロータ１周りに配設され、歯２Ａ〜２Ｉを円周方向に均等に９極配置したものであり、ステータ２の内周部に位置する、各歯２Ａ〜２Ｉの先端部分には、前記永久磁石Ａ〜Ｈと対面する円弧状の鉄心ａ〜ｈが設けられている。
【００１９】
そして、図２も示すように、ステータ２の各極の歯２Ａ〜２Ｉには、それぞれに個別にコイル２ａ〜２ｉが巻回され、各コイル２ａ〜２ｉの出力を１極毎に整流してプラス極およびマイナス極とする複数の整流器３Ａ〜３Ｉ、例えば、ブリッジ接続された４個のダイオード４ａ〜４ｄからなる整流器３Ａ〜３Ｉが設けられている。この場合、ダイオード４ａと４ｂの間を、各コイル２ａ〜２ｉの一方の端子に接続し、ダイオード４ｃと４ｄの間を、各コイル２ａ〜２ｉの他方の端子に接続し、ダイオード４ｂと４ｄの間を、プラス極とし、ダイオード４ａと４ｃの間を、マイナス極とする。
【００２０】
従って、例えば、図２の整流器３Ａに記した実線矢印は、入力交流が正の期間での電流、点線矢印は、入力交流が負の期間での電流を示しており、正の半周期では、ダイオード４ｃと４ｂが接続して電流が流れ、負の半周期では、ダイオード４ａと４ｄが接続して電流が流れ、各コイル２ａ〜２ｉの出力が１極毎に整流される。
【００２１】
図３は例えば、コイル２ａ、２ｂ、２ｃの出力波形、即ち、サイン波形を示しており、時間軸に対して上と下の波形があった交流が、整流することにより、下の波形を上側に折り返した状態となる直流へと変換される。なお、この整流器３Ａ〜３Ｉは他の整流回路の構成でも良い。そして、各コイル２ａ〜２ｉのプラス極同士およびマイナス極同士はそれぞれ並列に接続されており、直流を出力する出力回路５が設けられている。
【００２２】
以上の風力発電機９において、ロータ１が風力により回転すると、該ロータ１の永久磁石Ａ〜Ｈがステータ２に対して回転し、これらの永久磁石Ａ〜Ｈ、即ち、磁気（磁束）がステータ２の各コイル２ａ〜２ｉに対して回転移動するため、各コイル２ａ〜２ｉに順次電気（起電力）が発生し、出力回路５から図示しない外部の回路に直流の電流が供給される。
【００２３】
かかる構成の風力発電機９によれば、コイル２ａ〜２ｉをステータ２の各極にそれぞれ個別に巻回し、各コイル２ａ〜２ｉの出力を１極毎に整流してプラス極およびマイナス極とすることにより、各相毎に順次発電して直流を出力するため、即ち、各相が同時に発電しないため、発電時にロータ１とステータ２との間で発生する磁気抵抗が少なくなり、コギングを低減でき、リップル（脈動）の少ない安定した電圧を得ることができる。
【００２４】
また、かかる構成では、コイル２ａ〜２ｉをステータ２の各極にそれぞれ個別に巻回して、各コイル２ａ〜２ｉの出力を１極毎に整流してプラス極およびマイナス極としているため、ステータ２の極数を自由に変更することができ、ひいては、ロータ１側の極とステータ２側の極の数量比を自由に選定できる。
【００２５】
ここで、本発明が対象とする永久磁石式の発電機は、ロータとステータとの間で発生する磁気抵抗（永久磁石と鉄心の引っ張り合いよる抵抗）により、無負荷回転時、即ち、空転時（起動時）にコギングが発生するため、このトルクを超える起動風速が必要とし、微風の風速条件のもとでは、容易に起動することができず、風力発電の稼働率が低くなる傾向にある。
【００２６】
従って、本構成において、ロータ１側の極とステータ２側の極の数量比を自由に選定して、両極の力関係をバランスさせれば、空転時（起動時）のコギングを低減することができる。
【００２７】
例えば、本実施形態にように、ロータ１側の極（永久磁石Ａ〜Ｈ）を８個に、ステータ２側の極（鉄心ａ〜ｈおよびコイル２ａ〜２ｉ）を９個に、それぞれ設定すると、図１に示す状態では、ステータ２の鉄心ａに対し、ロータ１の永久磁石Ａ、Ｂが半々のため、回転方向に力が発生しない。ステータ２の鉄心ｂとロータ１の永久磁石Ｂの影響で図の右回転の力が発生するが、その時、ステータ２の鉄心ｉとロータ１の永久磁石Ａの影響で同図の左回転の力が発生する。
【００２８】
このとき、右回転の力と左回転の力とが同じため、打ち消し合い、回転力が発生しない。以下、順次、鉄心ｃと永久磁石Ｄ、鉄心ｈと永久磁石Ｈでバランスし、鉄心ｄと永久磁石Ｄ、鉄心ｇと永久磁石Ｇでバランスし、鉄心ｅと永久磁石Ｅ、鉄心ｆと永久磁石Ｆでバランスする。この場合、ロータ１が回転しても、ステータ２との力関係はバランスする。
【００２９】
このように、ロータ１側の極とステータ２側の極の力関係をバランスさせることで、無負荷回転時、即ち、空転時（起動時）のコギングを低減でき、微風下などにおける起動性を高めることができるため、発電の稼働率を向上できる。
【００３０】
なお、ロータ１側の極を８の整数倍（例えば、１６、２４等）に、ステータ２側の極を９の整数倍（例えば、１８、２７等）に、それぞれ設定しても同様にバランスする。即ち、小さい容量から大きい容量までの発電機それぞれに対応して、ロータ１側の極とステータ２側の極の力関係をバランスさせることができる。
【００３１】
勿論、永久磁石、鉄心およびコイルの数は、実施形態のものに限らず任意であり、上記したように、例えば、ロータ側の極とステータ側の極の力関係をバランスさせるべく、両極の数量比を決定すれば良い。
【００３２】
更に、かかる構成によれば、コイル２ａ〜２ｉをステータ２の各極にそれぞれ個別に巻回しているため、ステータ２を軸方向に多数積層して積層構造にすることができ、このように積層構造にすれば、発電機の容量を簡単に増加させることができる。
【００３３】
なお、本実施形態では、内周にロータ、外周にステータを配した発電機について説明したが、内周にステータ、外周にロータを配した発電機でも良い。また、本実施形態では、風力発電機について説明したが、風力に限らず、その他の気体や、水力などを利用した発電機に本発明を適用しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
発電機の発電時などに発生するコギングの低減が図れ、回転がスムーズになり、また、起動性も向上できるため、例えば、低容量の発電機、例えば、風力を利用した風力発電機に有利となる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る発電装置の一実施形態として風力発電機を概略的に示す断面図
【図２】同上の風力発電機におけるコイルを平面に展開した平面図
【図３】同上の風力発電機におけるコイルの出力波形図
【図４】図４は、同上の風力発電機を備えた風力発電装置の全体図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  ロータ
２  ステータ
２Ａ〜２Ｉ  歯
２ａ〜２ｉ  コイル
３Ａ〜３Ｉ  整流器
５  出力回路
Ａ〜Ｈ  永久磁石
ａ〜ｈ  鉄心
９  風力発電機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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