(57)【要約】【課題】低速で回転する風車や水車から，高い発電量と発電効率を得ることができる小形風力発電装置ならびに小規模水力発電装置の提供。【解決手段】風力発電ならびに水力発電の発電装置において，低速で回転する動力源と発電機は増速機を介さずに連結し，さらに，かかる装置に使用される発電機において，界磁極数と電機子巻線の極数は異なる構成とし，回転子の回転数と，発電機より得られる出力周波数と，電機子巻線の極数の関係が好適となる構成を使用する。【選択図】図５
2015050914.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
動力源と発電機が増速機を介することなく接続されており，前記発電機がが求項１に記載のにきさいのしょうかかにおいて相対的に回転可能な２つの磁気要素を備えており，第１の磁気要素（９０１）には磁界を発生させるための巻線または永久磁石（９０４）を備え，第２の磁気要素（９０２）にはティース（９０６）にコイル（９０８）が巻回されたステータ鉄心（９０５）である電機子を備え，これらは磁気的に結合されており，前記第１の磁気要素により作られる極数と前記第２の磁気要素により作られる極数は異なるように構成され，さらに前記第１の磁気要素に対する前記第２の磁気要素の回転数ｎ（ｓ−１）と，前記第２の磁気要素の電機子より得られる出力周波数ｆ（Ｈｚ）と，前記第２の磁気要素の電機子の極数Ｐの関係をｎ＝α（２ｆ／Ｐ）と表した場合，このときの係数αが０．０５≦α≦０．５４の値となることを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記係数αが，０．０５≦α≦０．２７の値とな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】
前記第１の磁気要素が前記第２の磁気要素の外側にギャップを介して配置されるアウターロータ形であり，動力源が前記第１の磁気要素に連結されたことを特徴とする請求項１または２に記載の発電装置。
【請求項４】
前記第１の磁気要素が前記第２の磁気要素の回転軸方向にギャップを介して並べて配置されるアキシャルギャップ形であり，動力源が前記第１の磁気要素または前記第２の磁気要素に連結されたことを特徴とする請求項１または２に記載の発電装置。
【請求項５】
前記第１の磁気要素と前記第２の磁気要素の間に第３以降の複数の磁気要素が存在し，これにより前記第１の磁気要素と前記第２の磁気要素が磁気的に結合しており，動力源が前記第１の磁気要素に連結されたことを特徴とする請求項１または２に記載の発電装置。
【請求項６】
動力源を構成する要素が前記第１の磁気要素に組み付けられたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，小形風力，小水力発電装置において，風車や水車から得られる低速回転運動を増速機を介さずに高い発電量と高い発電効率を得るための発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発電装置は，種々の目的に使用されている。その一つとして，風水力発電分野における発電，すなわち機械−電気エネルギー変換装置としての用途がある。かかる発電装置の構成として，例えば図１に示すものがある。図１は，プロペラ１０１，シャフト１０２，連結器１０３，増速機１０４，発電機１０５を備え，風の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するまでの一例を示している。発電機１０５は，シャフト１０２並びに増速機１０４を介してプロペラ１０１と接続されている。図１では支持機構などの図示は省略した。この発電装置では，プロペラ１０１において回転運動に変換された風力エネルギーは，シャフト１０３を介して増速機１０４に伝達され，高速な回転運動に変換される。この回転運動を用いて発電機１０５を回転させて発電する。
【０００３】
しかし，風力により回転させることができるプロペラ１０１の速さは毎分数十回転程度と非常に低速である。図１の従来の風力発電装置では，プロペラ１０１の回転は増速機１０４において数十倍に増速されて，毎分千数百回転程度の高速回転に変換される。従来技術の発電機１０５では，高速回転において高い発電量と発電効率，さらには商用電源周波数が得られる。このため，増速後の高い回転速度により発電機１０５を運転させることで，大きな発電量を得ている。したがって，従来技術の発電装置では主要な部品であるプロペラ１０１やシャフト１０２，発電機１０５に加えて，増速機１０４が必要となっている。
【０００４】
しかしながら，増速機１０４を使用することにより，増速機１０４を設置するスペースやシャフトを連結するスペースが必要となり，発電装置が大形化することになる。これにともない，発電装置の重量も重くなっていく。また，増速機１０４では支持機構の軸摩擦トルクや潤滑油の撹拌トルクなどによる機械損が発生することにより，発電装置全体の変換効率は低下する。さらに，歯車の噛み合わせ部分からは騒音が発生する。増速機１０４は，定期的に潤滑油を補充する必要があり，歯車の摩耗により交換が必要になるなど，メンテナンスが必要である。その上，従来の発電機１０５と増速機１０４を組み合わせて使用すると，発電機１０５で発生するコギングトルクや軸摩擦トルクが増速機１０４により増大され，発電装置を回転始動するために必要となるトルクが増大してしまい，プロペラ１０１が発生するトルクが低い場合に発電機を滑らかに始動させることは難しい。このように，増速機１０４を使用することにより多くの問題が発生している。
【０００５】
かかる欠点を解消するための従来技術として，図２に示す発電装置が提案されている。かかる構成では，プロペラ２０１と発電機２０４が増速機を介さずに直接連結されており，このようなダイレクトドライブ方式を採用した発電装置が提案されている。上記の発電装置では，増速機を使用しないために上述した問題を解消することができる。
【０００６】
しかしながら，図２に示す発電装置では，大きな発電量を得るためには発電機２０４を高速で回転させる必要がある。したがって，高速回転する小型のプロペラ２０１と組み合わせることになり，その結果，小規模な発電装置にしか適用できないという問題が発生している。
【０００７】
かかる欠点を解消するための従来技術として，図３に示す多極型発電機３０４を使用する発電装置が提案されている。かかる構成では，プロペラ３０１並びにシャフト３０２が低速で回転する。すなわち，多極型発電機３０４の入力軸が低速で回転する場合であっても，大きな発電量を得ることができる。
【０００８】
上述の従来技術である多極型発電機３０４では，低速回転に対応させるために発電機の電機子における極数を増やす必要がある。かかる構成に基ずく発電機の断面図を図４に示す。図示するとおり，この多極型発電機は，内側にロータ４０１と外側にステータ４０２を備えている。ロータ４０１には，ロータ鉄心４０３の周りに永久磁石４０４が貼り付けられている。ステータ４０２にはステータ鉄心４０５があり，ティース４０６にはコイルが巻回されてスロット４０７には電機子巻線４０８（図示せず）が施されている。従来技術の多極型発電機３０４では，ロータ４０１の表面に形成される極数Ｒとステータ４０２に施されている電機子巻線の極数ＰはＲ＝Ｐと等しく，これらの極数ＲおよびＰを大幅に数十極まで増やしている。これより，多極型発電機３０４では入力軸の回転が低速，すなわちロータ４０１が低速で回転しても，ロータ４０１の表面に形成される極数が多いため，ロータ４０１が１回転する間に電機子巻線４０８に鎖交する磁束は短時間で極性が反転して大きく変化することになる。その結果，大きな発電量を得ることが可能となっている。
【０００９】
しかしながら，図３，４に示す従来技術である多極型発電機では，極数を増やしたことによりティース４０６並びに電機子巻線４０８の数が増大する，すなわち，多極型発電機の半径方向のサイズが増大してしまう。これにともない，多極型発電機の重量も増大することになる。多極型発電機における外形寸法や重量の大型化は，その製造やメンテナンスをさらに困難にしてしまう。さらに，発電機の極数が増えることによりコギングトルクが増大することになり，発電機の回転始動においてさらに大きなトルクが必要になるという問題が発生している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−３２２４５
【特許文献２】特開２０１１−６４１４１
【特許文献３】特開２００７−１４６６６６
【特許文献４】特開２００３−１６１３５７
【特許文献５】特開２００８−３８７５１
【特許文献６】国際公開番号Ｗ０２００７／１４１８３４
【特許文献７】特開２００３−２８６９３８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
風力や水力発電において，より多くのエネルギーを回収するために発電装置には，高い発電量と発電効率が求められる。従来技術の発電機は高速回転領域において高い発電量と発電効率が得られため，従来技術の発電装置では増速機を使用することにより高速で発電機を回し，高い発電量と発電効率を得ていた。従来技術の発電装置の構成は，例えば特許文献１や特許文献２に記載されており，基本構成は図１に示した構成で表される。
【００１２】
前記図１に示した発電装置の構成では，例えば特許文献３や特許文献４，特許文献５に示すような増速機を使用しているため，（１）発電装置が大形化する，（２）発電装置の重量が重くなる，（３）軸摩擦トルクや撹拌トルクなどによる機械損により発電効率が低下する，（４）騒音が発生する，（５）潤滑油の補充や歯車の摩耗によるメンテナンスが必要である，（６）発電機１０５のコギングトルクや軸摩擦トルクが増大されて，プロペラ１０１の滑らかな回転始動を阻害するという問題を十分に解決することができなかった。
【００１３】
図２に示した構成からなる増速機を使用せず従来の発電機とプロペラ２０１が直結された発電装置では，増速機を使用しないために高い発電効率を得ることができるが，一方で，高い発電量を得るためには発電機２０４を高速で回転させる必要があるため，高速回転する小形のプロペラ２０１と組み合わせる必要があり，風力エネルギーをとらえることができず発電量が小さくなるという問題があった。
【００１４】
増速機を使用せずに発電機の回転速度を高める特許文献６の従来技術もあるが，発電機の回転数を十分に高めることができず，高い発電効率が得られないことや，商用電源周波数が容易に得られないという問題を十分に解決することができなかった。
【００１５】
図３，４に示した多極型発電機が使用された従来技術の発電装置として，例えば特許文献７があるが，低速回転において高い発電量と発電効率を得ることができるが，多極型発電機の回転軸に対して半径方向の小形化を十分に図ることができず，発電装置の重量も十分に低減することができないことや，設置場所が限られるという問題を十分に解決することができなかった。
【００１６】
図３，４に示した発電装置並びに多極型発電機では，発電機を構成する磁気要素によりコギングトルクが増大するため，発電装置の滑らかな回転始動を阻害するという問題を解決することができなかった。
【００１７】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり，水車や風車という低速で回転する動力源を用いた発電装置において，発電機の入力軸が低速回転している状態で高い発電量と発電効率が得られる発電装置を提供することを第１の目的とする。また，かかる発電装置として，増速機を介さずに動力源と発電機と連結し，増速機を使用することにより発生していた問題点が解消された発電装置を提供することを第２の目的とする。そして，始動トルクが低減された発電装置を提供することを第３の目的とする。これより，発電装置の小形化並びに軽量化を図ることを第４の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するために，本発明では小形風力および小水力発電装置に使用される発電装置において次の構成を採用した。
【００１９】
かかる発明の発電装置の構成例を図５に，かかる発明の発電装置で使用される発電機の構成例を図９に示す。本発明の第１の発電装置は，低速回転する動力源と発電機が増速機を介さずに連結される構成とする。さらに，本発明で使用される発電機は，磁気回路の形成に寄与する要素たる磁気要素を，回転軸を中心として同心円状に内側から第１の磁気要素９０１，第２の磁気要素の順に備え，前記２つの磁気要素は磁気的に結合されている。
【００２０】
前記磁気要素のいずれか一方に対して回転し，他方の磁気要素より電気出力を得る構成とする。本発明における磁気要素９０１，磁気要素９０２はいわゆるロータおよびステータの総称であり，永久磁石を用いたもの，コイルが巻回されたもの磁気回路の形成に寄与しうる種々の要素が含まれる。
【００２１】
また，第１の磁気要素９０１ないし第２の磁気要素９０２において，いずれの磁気要素がロータおよびステータに対応していてもかまわない。また，第１の磁気要素９０１ないし第２の磁気要素９０２の間に，第３以降の複数の磁気要素が存在していても構わない。
【００２２】
このとき，第１の磁気要素９０１には磁界を発生させるための巻線または永久磁石９０４を備え，第２の磁気要素にはティース９０６にコイル９０８が巻回されたステータ鉄心９０５である電機子を備え，第１の磁気要素９０１において作られる極数と第２の磁気要素９０２により作られる極数は異なるように構成されることを特徴とする。さらに，第１の磁気要素９０１の回転数ｎ（ｓ−１）と，第２の磁気要素９０２の電機子より得られる出力周波数ｆ（Ｈｚ）と，第２の磁気要素９０２の電機子の極数Ｐの関係をｎ＝α（２ｆ／Ｐ）と表した場合，このときの係数αは０．０５≦α≦０．５４の値となることを特徴とする。
【００２３】
これより，低速回転する風車や水車の回転運動を用いて，増速機を介さずに高い発電量と発電効率，さらに商用電源周波数が容易に得られる小形の発電装置を構築できる。
【００２４】
本発明の発電装置に使用される発電機の構成として，前記第１の磁気要素と前記第２の磁気要素の位置関係を，回転軸を中心とした半径方向に入れ替えたアウターロータとしてもよい。こうすれば，第１の磁気要素であるロータに動力源を組み付けることが容易となり，発電装置を小形化，軽量化することができる。
【００２５】
本発明の発電装置に使用される発電機の構成として，前記第１の磁気要素と前記第２の磁気要素の位置関係を，回転軸の方向に直列に配置されたアキシャルギャップ構造としてもよい。こうずれば，発電機の回転軸方向の長さを短くでき，薄形化することができる。
【００２６】
また，第１の磁気要素９０１ないし第２の磁気要素９０２の間に，第３以降の複数の磁気要素が存在する構造とした発電機を使用してもよい。こうすれば，第３の磁気要素を変更することにより発電機の係数αを容易に変更することができる。
【００２７】
以上で説明した形態からなる発電装置として，以下に示す小形風力ならびに小規模水力発電装置を構成することができる。本発明の発電装置は，低速で回転する風車や水車と前記構成の発電機を増速機を介さずに連結もしくは一体化し，低速回転のままで発電機を動作させて発電することができることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
図１に示した従来の発電装置では，低速回転する動力源であるプロペラ１０１と発電機１０５は増速機１０４を介して連結されている。また，従来の発電装置で使用される図４に示した発電機には，ロータ４０１とステータ４０２が備えられている。ロータ４０１にはロータ鉄心４０３と永久磁石４０４の要素が含まれ構成され，ロータ４０１の表面には磁極が形成され，その極数はＲ極となる。また，ステータ４０２にはステータ鉄心４０５と電機子巻線４０８（図示せず）が備えられている。ステータ鉄心４０５はティース４０６やスロット４０７の要素が含まれ構成されている。このとき電機子巻線４０８により形成される極数はＰ極となる。従来の発電機では，ロータ４０１の表面の磁極と電機子巻線４０８により形成される磁極が同期して回転するため，Ｒ＝Ｐとなっている。
【００２９】
かかる構造を有する発電機では，入力回転軸の回転速度，すなわちロータ４０１において永久磁石４０４により形成される磁極の回転速度と，電機子巻線４０８の磁極の回転速度は等しくなる。つまり，入力回転軸が低速で回転する場合は，電機子巻線４０８に誘起される磁極は低速で回転することになり，すなわち電機子巻線４０８に鎖交する磁束の時間的な変化量は小さく電機子巻線４０８に誘起される電圧は低くなり発電量が低下し，さらに，発電効率が低下してしまう。
【００３０】
したがって，発電装置において高い発電量と発電効率を得るためには，ロータ４０１の回転速度を速くし，発電機を高速回転領域で運転する必要がある。このような理由により，低速回転の動力源に極数の少ない汎用の発電機を連結する装置では高い発電量と発電効率が得られなかった。低速回転する動力源を使用する場合は，図１に示すように動力源であるプロペラ１０１と発電機１０５の間に増速機１０４を組み込んで，低速回転を高速回転に変換して発電機を回すことにより高い発電量と発電効率を得る必要があったのである。
【００３１】
また，図３に示した従来の発電装置，ならびにかかる装置で使用される図４に示した従来の多極型発電機では，低速回転において大きな発電量と高い効率を得ることができるが，発電機の回転軸に対して周方向に電機子巻線コイル４０８を多数配置するために半径方向の小形化を十分に図ることができず，発電装置が大形化するうえに，重量も増加してしまう。
【００３２】
これより，小形の発電機を低速で回転させた状態で，大きな発電量と高い効率を得るという発電装置の構成は，とりわけ想像しがたいものであった。第１の発明にかかる発電装置によれば，低速回転する動力源と発電機は増速機を介さずに連結される。そして，使用される発電機の第１の磁気要素９０１において作られる極数と第２の磁気要素９０２により作られる極数を異なる構成とし，なおかつ係数αを０．０５≦α≦０．５４の値となる構成とすることにより，低速回転する風車や水車の動力源を用いて，増速機を使用せずに高い発電量と高い発電効率，ならびに商用電源周波数が容易に得られる小形発電装置を構築できる。
【００３３】
図６に示す本実施例の構造を有する発電装置の回転数と発電量の関係を示すグラフでは，低速回転において高い発電量を得ることをシミュレーションにより確認できたのである。また，かかる発電装置に使用される発電機を毎分１００回転の低速で回転する動力源を接続した場合，従来の発電装置で使用される発電機と発電量を比較すると，単位体積当たりの発電量に換算して１．４倍もの高い発電量を得ることができたのである。さらに，図７に示す発電装置の回転数と発電効率の関係を示すグラフでは，低速回転において高い発電効率を得ることをシミュレーションにより確認できたのである。加えて，図８に示す発電装置の回転数と発電機の極数の関係を示すグラフでは，低速回転において第２の磁気要素により作られる極数Ｐが少ない発電装置を用いて容易に商用電源周波数を得ることができることを確認できた。これらの結果より，かかる発明による発電装置では増速機を介さずに高い発電量と発電効率を得ることができることを意味している。
【００３４】
また，図４に示す従来の発電機では，ロータ４０１における永久磁石４０４とステータ４０２におけるティース４０６が一度に対抗することにより，大きなコギングトルクが発生している。これは，発電機並びに発電装置の滑らかな回転始動を妨げる有害な要因であることは先に説明したとおりである。
【００３５】
図９に示す本発明の発電機によれば，永久磁石９０４はステータ９０２におけるＳ個のティース９０６と一度に対向することない。かかる構造を有する発電機では，永久磁石９０４とティース９０６が一度に引き合うことはなく，その結果，コギングトルクを小さく抑えることができる。このことにより，動力源のトルクが小さい場合であっても，発電機を滑らかに回転始動することが可能になったのである。
【００３６】
第１発明にかかる発電機を使用した発電装置によれば，入力軸の回転数が低速回転のままで発電できるために増速機を使わなくてよくなる。これにより，増速機を使用することにより発生していた発電効率やメンテナンスに関する問題点を大幅に解消することができるようになったのである。従来技術の発電装置では，増速機の効率が８５％，従来の発電機の効率が９０％であるため，発電装置全体での発電効率は７６．５％となる。これに対して本発明にかかる発電機を使用した場合，発電機効率は８７％となり従来技術の発電装置と比較して１０．５％も改善することができ，発電効率の大幅な改善が可能となったのである。
【００３７】
さらに，第１発明にかかる発電機を使用した発電装置によれば，発電機のコギングトルクが小さいうえに，増速機によりコギングトルクや軸摩擦トルクが増大されることがないため，発電装置を滑らかに回転始動することが可能になったのである。
【００３８】
かかる発電機を使用した発電装置によれば，低速回転で大きな発電量が得られるために発電機の小型化が可能であるうえに，増速機の設置スペースが不要となり，装置全体として大幅な小型化並びに軽量化が可能となったのである。
【００３９】
かかる発電機を使用した発電装置によれば，低速回転で発電するため出力周波数を低くすることが可能である。ゆえに，電力変換素子における損失を低減することが可能であり，従来の周波数変換装置よりも効率面において有利となったのである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は、従来技術の風力発電装置の構成を示す説明図である。
【図２】図２は、従来技術のダイレクトドライブ発電装置の構成を示す説明図である。
【図３】図３は、従来技術の多極型発電機を用いた発電装置の構成を示す説明図である。
【図４】図４は、従来技術の発電装置で使用される多極型発電機の構成を示す説明図である。
【図５】図５は、本発明にかかる発電装置の構成を示す説明図である。
【図６】図６は、本発明にかかる発電装置の回転数と発電量の関係を示すグラフの一例である。
【図７】図７は、本発明にかかる発電装置の回転数と発電効率の関係を示すグラフの一例である。
【図８】図８は、本発明にかかる発電装置において商用電源周波数を得るための発電機の極数と回転数の関係を示すグラフの一例である。
【図９】図９は、本発明にかかる発電装置で使用される発電機の構成を示す説明図である。
【図１０】図１０は、本発明にかかる発電装置で使用される発電機のアウターロータ形の構成例を示す説明図である。
【図１１】図１１は、本発明にかかる発電装置で使用される発電機のアキシャルギャップ形のロータ構成例を示す説明図である。
【図１２】図１２は、本発明にかかる発電装置で使用される発電機のアキシャルギャップ形のステータ構成例を示す説明図である。
【図１３】図１３は、本発明にかかる発電装置で使用される磁気ギア内蔵発電機の構成例を示す説明図である。
【図１４】図１４は、本発明にかかる発電装置を使用した風力発電装置の実施例５を示すブロック図である。
【図１５】図１５は、本発明にかかる発電装置を使用した水力発電装置の実施例６を示すブロック図である。
【図１６】図１６は、本発明にかかる発電装置を使用した風力発電装置の実施例７を示すブロック図である。
【図１７】図１７は、本発明にかかる発電装置を使用した水力発電装置の実施例８を示すブロック図である。
【図１８】図１８は、本発明にかかる発電装置を使用した風力発電装置の実施例９を示すブロック図である。
【図１９】図１９は、本発明にかかる発電装置を使用した水力発電装置の実施例１０を示すブロック図である。
【図２０】図２０は、本発明にかかる発電装置を使用した水力発電装置の実施例１１を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらによって限定されるものではない。
【実施例１】
【００４２】
図５は本発明にかかる発電装置の実施の形態を示す図であり，図９はこれに使用される発電機の実施の形態を示す図である。図５において，本実施例の発電装置ではプロペラ５０１と発電機５０４が増速機を介さずに連結されている。さらに，図９の本実施例の発電機はロータ９０１とステータ９０２を備えている。ロータ９０１にはロータ鉄心９０３と永久磁石９０４の要素を含み構成される。永久磁石９０４はロータ９０１の半径方向に交互に磁化されており，これによりロータ９０１の表面には磁極が表われる。この磁極は周方向に磁極ＮとＳが等間隔かつ交互に入れ替わるように配置され，極数は全周で６６極となるように永久磁石９０４が配置されている。また，ステータ９０２にはステータ鉄心９０５と電機子巻線９０８（図示せず）が備えられている。電機子巻線９０８により形成される極数は６極でありＲと異なる構成となっている。このとき，上述した係数αは０．１４となる。前記は，磁気ギア内蔵発電機またはバーニア発電機により構成される。
【００４３】
上記実施例ではロータ９０１の表面に配置される極数と，ステータ９０２の電機子巻線９０８により形成される極数は異なっている。ロータ９０１の表面に配置される極数，電機子巻線９０８により形成される極数の組み合わせは，本実施例以外の組合せであってもよい。インナーロータの構成として，これらの構成を採用することもできる。
【実施例２】
【００４４】
図１０は本発明にかかる発電装置に使用される発電機に関する第２の形態を示す図である。図は回転軸に直交する断面における断面図である。第２の実施例は，ステータ１００２を中心として，同心円状の外側にロータ１００１を配置した構造とする。ステータ１００２の構造としては，ステータ鉄心１００５としてティース１００６，スロット１００７が含まれ，電機子巻線１００８（図示せず）が施されている。電機子巻線１００８により形成される極数は６極である。ロータ１００１の構造としては，ロータ鉄心１００３と永久磁石１００４が配置される。永久磁石１００４は回転軸に対して半径方向に交互に磁化されており，これによりロータ１００１の内側の表面には磁極が表われる。この磁極は周方向に磁極ＮとＳが等間隔かつ交互に入れ替わるように配置され，極数は全周で６６極となるように永久磁石１００４が配置されている。前記は，磁気ギア内蔵発電機またはバーニア発電機により構成される。
【００４５】
上記実施例ではロータ１００１の内側の表面に配置される極数と，ステータ１００２の電機子巻線１００８により形成される極数は異なる構成である。スロット１００８の数とロータ１００１の表面に配置される極数，電機子巻線１００８により形成される極数の組み合わせは，本実施例以外の組合せであってもよい。アウターロータの構成として，これらの構成を採用することもできる。
【実施例３】
【００４６】
図１１，１２は本発明にかかる発電装置に使用される発電機に関する第３の形態を示す図である。図１１は回転軸に直交する断面におけるロータの図である。図１２は回転軸に直交する断面におけるステータの図である。第３の実施例は，前記ステータを軸方向に直列に配置した構造とする。ロータ１１０１にはロータ鉄心１１０３と永久磁石１１０４の要素を含み構成される。永久磁石１１０４はロータ１１０１の回転軸方向に交互に磁化されており，これによりロータ１１０１のステータ１２０２に対抗する面には磁極が表われる。この磁極は周方向に磁極ＮとＳが等間隔かつ交互に入れ替わるように配置され，極数は全周で６６極となるように永久磁石１１０４が配置されている。また，ステータ１２０２にはステータ鉄心１２０５と電機子巻線１２０８（図示せず）が備えられている。ステータ鉄心１２０５はティース１２０６とスロット１２０７の要素を含み構成されている。このとき，電機子巻線１２０８により形成される極数は６極である。前記は，磁気ギア内蔵発電機またはバーニア発電機により構成される。
【００４７】
上記実施例ではロータ１２０１のステータ１２０２に対向する面に配置される極数と，ステータ１２０２の電機子巻線１２０８により形成される極数は異なっている。さらに，スロット１２０７の数とロータ１２０１の表面に配置される極数，電機子巻線１２０８により形成される極数の組み合わせは，本実施例以外の組合せであってもよい。アキシャルギャップ型の構成として，これらの構成を採用することもできる。
【実施例４】
【００４８】
図１３は本発明にかかる発電装置に使用される発電機に関する第４の形態を示す図である。図１３において，本実施例の発電機はロータ１３０１とステータ１３０２を備える発電機である。ロータ１３０１にはロータ鉄心１３０３と永久磁石１３０４の要素を含み構成される。永久磁石１３０４はロータ１３０１の半径方向に交互に磁化されており，これによりロータ１３０１の表面には磁極が表われる。この磁極は周方向に磁極ＮとＳが等間隔かつ交互に入れ替わるように配置され，極数は全周で６６極となるように永久磁石１３０４が配置されている。また，ステータ１３０２にはステータ鉄心１３０５と電機子巻線１３０８（図示せず）が備えられている。電機子巻線１３０８により形成される極数は６極であり前記永久磁石１３０４が配置されている極数と異なっている。そして，ロータ１３０１とステータ１３０２の間には第３の磁気要素１３０９が配置されている。このとき，上述した係数αは０．１４となる。
【００４９】
上記実施例ではロータ１３０１の表面に配置される極数と，ステータ１３０２の電機子巻線１３０８により形成される極数は異なっている。ロータ１３０１の表面に配置される極数，電機子巻線１３０８により形成される極数の組み合わせは，本実施例以外の組合せであってもよい。
【実施例５】
【００５０】
実施例１の発電装置を使用した風力発電装置について説明する。図１４は本発明の発電機を使用した風力発電装置を示すブロック図である。この発電装置では，風力エネルギー１４０１は風車１４０２により低速の回転運動に変換される。風車１４０２は発電機１４０５に直接連結され，低速で回転しながら発電機１４０５を回す。低速で回転する発電機１４０５からは，発電機１４０５の回転速度に比例した周波数を有する交流電力が出力される。この出力を観測することにより得られた速度信号は制御装置１４１０へ与えられる。発電機１４０５の回転速度は，制御装置１４１０より与えられた指令により可変ピッチ制御装置１４０３並びに調速装置１４０４を動かすことにより制御される。なお，本発電装置において，実施例２ならびに３，４で記載される発電機を使用することも可能である。
【００５１】
発電機１４０５より出力された交流電力は，周波数変換装置であるＡＣ−ＤＣコンバータ１４０６並びにＤＣ−ＡＣコンバータ１４０７により商用電源周波数へ変換される。このとき，ＡＣ−ＤＣコンバータ１４０６並びにＤＣ−ＡＣコンバータ１４０７の間に蓄電装置１４１１を接続することにより，系統連系への出力変動を緩和する。
【実施例６】
【００５２】
実施例１の発電装置を使用した水力発電装置について説明する。図１５は本発明の発電機を使用した水力発電装置を示すブロック図である。この発電装置では，水力エネルギー１５０１は水車１５０２により低速の回転運動に変換される。水車１５０２は発電機１５０５に連結または組み付けされ，低速で回転しながら発電機１５０５を回す。低速で回転する発電機１５０５からは，発電機１５０５の回転速度に比例した周波数を有する交流電力が出力される。この出力を観測することにより得られた速度信号は制御装置１５１０へ与えられる。発電機１５０５の回転速度は，制御装置１５１０より与えられた指令により可変ピッチ制御装置１５０３並びに調速装置１５０４を動かすことにより制御される。なお，本発電装置において，実施例２ならびに３，４で記載される発電機を使用することも可能である。
【００５３】
発電機１５０５より出力された交流電力は，周波数変換装置であるＡＣ−ＤＣコンバータ１５０６並びにＤＣ−ＡＣコンバータ１５０７により商用電源周波数へ変換される。このとき，ＡＣ−ＤＣコンバータ１５０６並びにＤＣ−ＡＣコンバータ１５０７の間に蓄電装置１５１１を接続することにより，系統連系への出力変動を緩和する。
【実施例７】
【００５４】
実施例２の発電装置を使用した風力発電装置について説明する。図１６は本発明の発電機を使用した独立電源型の風力発電装置を示すブロック図である。この発電装置では，風力エネルギー１６０１は風車１６０２により低速の回転運動に変換される。風車１６０２はアウターロータ形の発電機１６０５のロータの外周に連結または組み付けされ，低速で回転しながら発電機１６０５を回す。なお，本発電装置において，実施例１ならびに３，４で記載される発電機を使用することも可能である。
【００５５】
発電機１６０５より出力された交流電力は，整流回路１６０６により直流へ変換される。また，充放電回路１６０７を介して蓄電装置１６１１を接続することにより独立電源となる風力発電装置を構築することができる。
【実施例８】
【００５６】
実施例２の発電装置を使用した水力発電装置について説明する。図１７は本発明の発電機を使用した独立電源型の風力発電装置を示すブロック図である。この発電装置では，水力エネルギー１７０１は開放形水車１７０２により低速の回転運動に変換される。水車１７０２はアウターロータ形の発電機１７０５のロータの外周に連結または組み付けられ，低速で回転しながら発電機１７０５を回す。なお，本発電装置において，実施例１ならびに実施例３の発電機を使用することも可能である。なお，本発電装置において，実施例１ならびに３，４で記載される発電機を使用することも可能である。
【００５７】
発電機１７０５より出力された交流電力は，整流回路１７０６により直流へ変換される。また，充放電回路１７０７を介して蓄電装置１７１１を接続することにより独立電源となる水力発電装置を構築することができる。
【実施例９】
【００５８】
実施例３の発電装置を使用した風力発電装置について説明する。図１８は本発明の発電機を使用した独立電源型の風力発電装置を示すブロック図である。この発電装置では，風力エネルギー１８０１はサボニウス形などの垂直型風車１８０２により低速の回転運動に変換される。風車１８０２はアキシャルギャップ形の発電機１８０５のロータに連結または組み付けられ，低速で回転しながら発電機１８０５を回す。なお，本発電装置において，実施例１ならびに２，４で記載される発電機を使用することも可能である。
【００５９】
発電機１８０５より出力された交流電力は，整流回路１８０６により直流へ変換される。また，充放電回路１８０７を介して蓄電装置１８１１を接続することにより独立電源となる風力発電装置を構築することができる。
【実施例１０】
【００６０】
実施例３の発電装置を使用した水力発電装置について説明する。図１９は本発明の発電機を使用した独立電源型の水力発電装置を示すブロック図である。この発電装置では，水力エネルギー１９０１は螺旋水車１９０２により低速の回転運動に変換される。螺旋水車１９０２はアキシャルギャップ形の発電機１９０５のロータに設置または連結され，低速で回転しながら発電機１９０５を回す。なお，本発電装置において，実施例１ならびに２，４で記載される発電機を使用することも可能である。
【００６１】
発電機１９０５より出力された交流電力は，整流回路１９０６により直流へ変換される。また，充放電回路１９０７を介して蓄電装置１９１１を接続することにより独立電源となる水力発電装置を構築することができる。
【実施例１１】
【００６２】
実施例１の発電装置を使用した浮体式水力発電装置について説明する。図２０は本発明の発電機を使用した水力発電装置を示すブロック図である。この発電装置では，水力エネルギー２００１はプロペラ水車２００２により低速の回転運動に変換される。水車２００２は発電機２００５に連結または組み付けられ，低速で回転しながら発電機２００５を回す。低速で回転する発電機２００５からは，発電機２００５の回転速度に比例した周波数を有する交流電力が出力される。この出力を観測することにより得られた速度信号は制御装置２０１０へ与えられる。発電機２００５の回転速度は，制御装置２０１０より与えられた指令により可変ピッチ制御装置２００３並びに調速装置２００４を動かすことにより制御される。本発電装置は浮体式筐体２０１２を有し，河川の中や海流のある場所へ浮かべることや水中へ沈めて発電を行うことが可能である。なお，本発電装置において，実施例２ならびに３，４で記載される発電機を使用することも可能である。
【００６３】
発電機２００５より出力された交流電力は，周波数変換装置であるＡＣ−ＤＣコンバータ２００６並びにＤＣ−ＡＣコンバータ２００７により商用電源周波数へ変換される。このとき，ＡＣ−ＤＣコンバータ２００６並びにＤＣ−ＡＣコンバータ２００７の間に蓄電装置２０１１を接続することにより，系統連系への出力変動を緩和する。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
小形風力発電や小水力発電の発電装置では，風力や水力エネルギーを風車や水車により回転運動に変換し，これより発電機を運転して発電を行っている。しかし，風車や水車は低速で回転するのに対して，従来技術の発電機は高速回転において高い出力と発電機効率が得られるため，増速機を使用して風車や水車の回転速度を増速して発電機を運転する必要があった。本発明にかかる発電機並びにこれを使用した発電装置によれば，低速で回転する風車や水車に直接発電機を連結または組み付けて，低速回転のままで発電することができる。これより，発電装置の小形化，軽量化，高効率化を実現できるだけでなく，増速機における機械損やメンテナンス性，騒音等の問題を解消することができ，小形風力並びに小規模水力発電に好適な発電装置を構築することが可能となる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１９】
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【図２０】
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【図４】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１８】
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