(57)【要約】【課題】流体力が小さい場合にも発電を開始することのできる技術を提供する。【解決手段】発電装置（１０００）は、流体から流体力を受けて回転する羽根（１２００）と、発電電動機（１００）と、流速測定部（１１３０）と、回転数測定部と、制御部（２００）と、を備える。制御部（２００）は、発電電動機の始動時において、流速と回転数とのうちの少なくとも一方が所定の低い範囲にある場合に、発電電動機を電動機として動作させて羽根の回転数を増加させた後に、発電電動機を発電機として動作させる。【選択図】図１３
2008199783.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体力を利用した発電装置であって、
流体から流体力を受けて回転する羽根と、
前記羽根に機械的に連結され、発電装置及び電動機として動作する発電電動機と、
前記流体の流速を測定する流速測定部と、前記発電装置の回転数を測定する回転数測定部と、のうちの少なくとも一方と、
前記流速測定部で測定された流速と前記回転数測定部で測定された回転数とのうちの少なくとも一方に基づいて前記発電電動機を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記発電電動機の始動時において、前記流速と前記回転数とのうちの少なくとも一方が所定の低い範囲にある場合に、前記発電電動機を電動機として動作させて前記羽根の回転数を増加させた後に、前記発電電動機を発電機として動作させることを特徴とする発電装置。
【請求項２】
請求項１記載の発電装置であって、
前記制御部は、前記発電電動機の始動時において、
（ｉ）前記回転数が所定の回転数閾値を超える場合には、前記発電電動機を発電装置として動作させ、
（ｉｉ）前記回転数が前記回転数閾値以下で、かつ、前記流速が所定の流速閾値以下の場合には、前記発電電動機を始動させずに待機させ、
（ｉiｉ）前記回転数が前記回転数閾値以下で、かつ、前記流速が前記流速閾値を超える場合には、前記発電電動機を電動機として動作させて前記羽根の回転数を増加させた後に、前記発電電動機を発電機として動作させる、
発電装置。
【請求項３】
請求項１記載の発電装置であって、
前記制御部は、前記発電電動機の始動時において、
（ｉ）前記流速が第１の流速閾値以下の場合には、前記発電電動機を始動させずに待機し、
（ｉｉ）前記流速が前記第１の流速閾値よりも大きい第２の流速閾値を超える場合には、前記発電電動機を発電装置として動作させ、
（ｉｉｉ）前記流速が前記第１と第２の流速閾値の間にある場合には、前記発電電動機を電動機として動作させて前記羽根の回転数を増加させた後に、前記発電電動機を発電機として動作させる、
発電装置。
【請求項４】
請求項１記載の発電装置であって、
前記制御部は、前記発電電動機の始動時において、
（ｉ）前記回転数が第１の回転数閾値以下の場合には、前記発電電動機を始動させずに待機し、
（ｉｉ）前記回転数が前記第１の回転数閾値よりも大きい第２の回転数閾値を超える場合には、前記発電電動機を発電装置として動作させ、
（ｉｉｉ）前記回転数が前記第１と第２の回転数閾値の間にある場合には、前記発電電動機を電動機として動作させて前記羽根の回転数を増加させた後に、前記発電電動機を発電機として動作させる、
発電装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の発電装置であって、さらに、
前記羽根と前記発電電動機との間に設けられて前記羽根と前記発電電動機とを機械的に連結し、前記羽根の回転数よりも前記発電電動機の回転数を高くする変速機を備える、発電装置。
【請求項６】
流体から流体力を受けて回転する羽根と、前記羽根に機械的に連結されて発電装置及び電動機として動作する発電電動機とを備えた発電装置の制御方法であって、
前記発電電動機の始動時において、前記流体の流速と前記発電装置の回転数とのうちの少なくとも一方が所定の低い範囲にある場合に、前記発電電動機を電動機として動作させて前記羽根の回転数を増加させた後に、前記発電電動機を発電機として動作させることを特徴とする制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、流体力を利用した発電装置の制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体力を利用した発電装置は、例えばブラシレスモータ構造を利用して実現することが可能ある。ブラシレスモータとしては、例えば下記の特許文献１に記載されたものが知られている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２９８９８２号公報
【０００４】
流体力を利用した発電装置としては、例えば、風力発電装置がある。風力発電装置では、発電電動機が羽根の回転を受けて回転し、この回転に応じて発電を行う。しかし、羽根と発電電動機との間の機械的な連結にはかなり大きな機械的損失がある。また、発電電動機にもかなり大きな鉄損がある。これらの損失のため、微風状態では発電電動機が回転を始めることができず、発電を行えないという問題があった。
【０００５】
このような問題は、風力発電装置に限らず、一般に流体力を利用した発電装置に共通する問題点であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、流体力が小さい場合にも発電を開始することのできる技術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】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［形態１］  流体力を利用した発電装置であって、
流体から流体力を受けて回転する羽根と、
前記羽根に機械的に連結され、発電装置及び電動機として動作する発電電動機と、
前記流体の流速を測定する流速測定部と、前記発電装置の回転数を測定する回転数測定部と、のうちの少なくとも一方と、
前記流速測定部で測定された流速と前記回転数測定部で測定された回転数とのうちの少なくとも一方に基づいて前記発電電動機を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記発電電動機の始動時において、前記流速と前記回転数とのうちの少なくとも一方が所定の低い範囲にある場合に、前記発電電動機を電動機として動作させて前記羽根の回転数を増加させた後に、前記発電電動機を発電機として動作させることを特徴とする発電装置。
【０００９】
この形態によれば、流速と前記回転数とのうちの少なくとも一方が所定の低い範囲にある場合に、発電電動機を電動機として動作させて羽根の回転数を増加させた後に発電機として動作させるので、流体力が小さいためにそのままでは発電を開始できない場合にも、発電を開始することが可能となる。
【００１０】
［形態２］  形態１記載の発電装置であって、
前記制御部は、前記発電電動機の始動時において、
（ｉ）前記回転数が所定の回転数閾値を超える場合には、前記発電電動機を発電装置として動作させ、
（ｉｉ）前記回転数が前記回転数閾値以下で、かつ、前記流速が所定の流速閾値以下の場合には、前記発電電動機を始動させずに待機させ、
（ｉiｉ）前記回転数が前記回転数閾値以下で、かつ、前記流速が前記流速閾値を超える場合には、前記発電電動機を電動機として動作させて前記羽根の回転数を増加させた後に、前記発電電動機を発電機として動作させる、
発電装置。
【００１１】
この形態によれば、測定された回転数の範囲に応じて、直ちに発電を行うモードと、発電を行わない待機するモードと、電動機で羽根を回転させた後に発電を行うモードと、の３つの適切な制御モードを選択することができる。
【００１２】
［形態３］  形態１記載の発電装置であって、
前記制御部は、前記発電電動機の始動時において、
（ｉ）前記流速が第１の流速閾値以下の場合には、前記発電電動機を始動させずに待機し、
（ｉｉ）前記流速が前記第１の流速閾値よりも大きい第２の流速閾値を超える場合には、前記発電電動機を発電装置として動作させ、
（ｉｉｉ）前記流速が前記第１と第２の流速閾値の間にある場合には、前記発電電動機を電動機として動作させて前記羽根の回転数を増加させた後に、前記発電電動機を発電機として動作させる、
発電装置。
【００１３】
この形態によれば、測定された流速の範囲に応じて、直ちに発電を行うモードと、発電を行わない待機するモードと、電動機で羽根を回転させた後に発電を行うモードと、の３つの適切な制御モードを選択することができる。
【００１４】
［形態４］  形態１記載の発電装置であって、
前記制御部は、前記発電電動機の始動時において、
（ｉ）前記回転数が第１の回転数閾値以下の場合には、前記発電電動機を始動させずに待機し、
（ｉｉ）前記回転数が前記第１の回転数閾値よりも大きい第２の回転数閾値を超える場合には、前記発電電動機を発電装置として動作させ、
（ｉｉｉ）前記回転数が前記第１と第２の回転数閾値の間にある場合には、前記発電電動機を電動機として動作させて前記羽根の回転数を増加させた後に、前記発電電動機を発電機として動作させる、
発電装置。
【００１５】
この形態によれば、測定された流速と回転数の範囲に応じて、直ちに発電を行うモードと、発電を行わない待機するモードと、電動機で羽根を回転させた後に発電を行うモードと、の３つの適切な制御モードを選択することができる。
【００１６】
［形態５］  形態１ないし４のいずれかに記載の発電装置であって、さらに、
前記羽根と前記発電電動機との間に設けられて前記羽根と前記発電電動機とを機械的に連結し、前記羽根の回転数よりも前記発電電動機の回転数を高くする変速機を備える、発電装置。
【００１７】
この形態では、変速機における機械的損失が大きく、特に静止時には静止摩擦等による回転が抑止されるので、電動機で羽根を回転させた後に発電を行うモードを利用する効果が特に顕著である。
【００１８】
［形態６］  流体から流体力を受けて回転する羽根と、前記羽根に機械的に連結されて発電装置及び電動機として動作する発電電動機とを備えた発電装置の制御方法であって、
前記発電電動機の始動時において、前記流体の流速と前記発電装置の回転数とのうちの少なくとも一方が所定の低い範囲にある場合に、前記発電電動機を電動機として動作させて前記羽根の回転数を増加させた後に、前記発電電動機を発電機として動作させることを特徴とする制御方法。
【００１９】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、発電装置及びその制御方法等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、本発明の実施の形態を以下の順序で説明する。
A．発電装置の装置構成と動作の概要：
B．制御方法の各種実施例：
C．変形例：
【００２１】
A．発電装置の構成と動作の概要：
図１は、本発明の一実施例としての風力発電装置の全体構成を示す概念図である。この風力発電装置１０００は、羽根１２００と、本体部１１００とを備えている。本体部１１００は、モータ本体１００と、モータ本体１００を制御する制御回路２００と、を有している。モータ本体１００の軸１１２は、変速機１１２０を介して羽根１２００の軸１２１０と機械的に連結されている。この変速機１１２０は、羽根１２００の回転数よりもモータ本体１００の回転数を高くするための機構である。本体部１１００は、さらに、風速を測定するための風速計１１３０を有している。
【００２２】
図２（Ａ）〜（Ｃ）は、モータ本体１００の構成を示す断面図である。このモータ本体１００は、ブラシレスモータとして構成されており、電動機としての機能と、発電機としての機能の両方を有する発電電動機である。なお、この発電電動機としては、駆動／発電の両効率に優れている電動ブラシレスモータが好ましく、また、その構造としては、鉄損失（コギング、渦電流）が無いに等しい構造が好ましい。
【００２３】
このモータ本体１００は、外形がそれぞれ略円盤状のステータ部１０及びロータ部３０を有している。ステータ部１０（図２（Ｃ））には、回路基板１２０上に３相を構成する３組の電磁コイル１１〜１３と、各相用の３つの磁気センサ４０Ａ〜４０Ｃとが設けられている。以下では、３組の電磁コイル１１〜１３を「Ａ相コイル１１」、「Ｂ相コイル１２」、「Ｃ相コイル１３」と呼ぶ。また、磁気センサ４０Ａ〜４０Ｃを「Ａ相センサ４０Ａ」、「Ｂ相センサ４０Ｂ」、「Ｃ相センサ４０Ｃ」と呼ぶ。
【００２４】
ロータ部３０（図２（Ｂ））には、４つの磁石３２が設けられており、ロータ部３０の中心軸が回転軸１１２を構成している。これらの磁石３２の磁化方向は図２（Ｂ）において紙面と垂直な方向であり、これは図２（Ａ）における上下方向に相当する。
【００２５】
図３（Ａ）〜（Ｄ）は、モータの動作時における磁石列とコイル列の位置関係を示す説明図である。図３（Ａ）に示すように、磁石３２は一定の磁極ピッチＰｍで配置されており、隣接する磁石同士が逆方向に磁化されている。また、１つの相のコイル群を構成する２つコイルは、一定のピッチＰｃで配置されており、常に同じ方向に励磁される。隣接する相のコイル同士は、同相コイル間のピッチＰｃの１／３だけ離れている。同相コイル間のピッチＰｃは、磁極ピッチＰｍの２倍に等しい。磁極ピッチＰｍは、電気角でπに相当する。なお、電気角の２πは、駆動信号の位相が２πだけ変化したときに移動する機械的な角度又は距離に対応づけられる。本実施例では、駆動信号の位相が２πだけ変化すると、ロータ部３０が磁極ピッチＰｍの２倍だけ移動する。
【００２６】
図３（Ａ）は、位相が０又は２πにおける状態を示している。また、図３（Ｂ）〜（Ｄ）は、位相がπ／２，π，３π／２の時点の状態をそれぞれ示している。なお、図３（Ａ），（Ｃ）でＡ相コイル１１のハッチングが省略されているのは、これらのタイミングでＡ相コイル１１の駆動信号の極性が反転する（すなわち励磁方向が反転する）からである。
【００２７】
図４は、モータの正転時のセンサ出力と駆動信号の例を示す説明図である。図４（Ａ）は、各相のセンサ出力ＳＳＡ〜ＳＳＣを示している。なお、センサ４０Ａ〜４０Ｃとしては、アナログ出力を有するホールＩＣセンサを利用することができる。３つのセンサ出力ＳＳＡ，ＳＳＢ，ＳＳＣは、位相が順次２π／３ずつずれたきれいな３相信号を構成している。
【００２８】
図４（Ｂ）は、これらの３相のセンサ出力ＳＳＡ〜ＳＳＣを利用したＰＷＭ制御でそれぞれ生成される３相の駆動信号の例を示している。Ａ相の駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２は、Ａ相センサ出力ＳＳＡと相似形状の実効電圧を有する。なお、Ａ相の第１の駆動信号ＤＲＶＡ１は、センサ出力ＳＳＡが正のときにのみパルスを発生する信号であり、第２の駆動信号ＤＲＶＡ２はセンサ出力ＳＳＡが正のときにのみパルスを発生する信号であるが、図４（Ｂ）ではこれらを合わせて記載している。また、便宜上、第２の駆動信号ＤＲＶＡ２を負側のパルスとして描いている。他の相も同様である。
【００２９】
図５は、制御回路２００の構成を示すブロック図である。制御回路２００は、駆動／発電切替回路３００と、制御信号生成回路５００と、回転数決定部６００と、ＣＰＵ７００とを備えている。駆動／発電切替回路３００は、ドライバ回路３１０と、整流回路３２０と、スイッチ回路３３０と、蓄電部３４０と、を有している。ドライバ回路３１０は、モータ本体１００のコイル１１〜１３を駆動するためのＨブリッジ回路である。なお、各ドライバ回路のHigh側（電源に近い側）のトランジスタの制御端子の前にはレベルシフタ回路を設けることが好ましいが、ここでは図示を省略している。整流回路３２０は、モータ本体１００が発電機として機能する際に、モータ本体１００から供給される回生電流を整流するための回路である。スイッチ回路３３０は、整流回路３２０で整流された電流を蓄電部３４０に供給するか否か、すなわち、回生／蓄電動作を行うか否かを切り換えるためのものである。制御信号生成回路５００は、モータ本体１００を駆動するための駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２と、スイッチ回路３３０に供給する切替信号Ｅarecとを生成する。なお、図５では、図示の便宜上、Ａ相の信号のみを示しているが、他の相の信号も同様に生成される。
【００３０】
回転数決定部６００は、モータ本体１００の位置センサ４０Ａの出力ＳＳＡに基づいて、モータ本体１００の回転数Ｎｍを決定する。なお、他のセンサ（例えばエンコーダ）の信号に基づいて回転数を決定することも可能である。ＣＰＵ７００は、この回転数Ｎｍと、流速計１１３０から与えられる流速Ｖｃとに基づき、制御信号生成回路５００に指令を与えることによって駆動モードと発電モードの切り換えを実行する。この切り換え方法についてはさらに後述する。ＣＰＵ７００は、さらに、制御回路２００内の各種のレジスタに値を設定したり、制御回路２００内の他の回路要素に指令値を指示したりする機能を有している。
【００３１】
図６は、ドライバ回路３１０とコイル１１〜１３と整流回路３２０とスイッチ回路３３０の構成を示している。なお、ドライバ回路３１０と整流回路３２０とスイッチ回路３３０の符号の末尾には、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相を区別するための符号Ａ，Ｂ，Ｃが付与されている。各相の回路は同じ構成を有しているので、以下では主にＡ相の構成と動作のみを説明する。
【００３２】
ドライバ回路３１０Ａは、Ｈ型ブリッジ回路を構成しており、駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２に応じてＡ相コイル１１を駆動する。整流回路３２０Ａは、コイル１１とスイッチ回路３３０Ａとの間に設けられている。スイッチ回路３３０Ａは、蓄電部３４０と接続されている。スイッチ回路３３０Ａの各トランジスタには、切替信号Ｅarecが供給されている。モータ本体１００が発電機として機能する場合には、切替信号ＥarecがＨレベルとなってスイッチ回路３３０Ａが接続状態となり、整流回路３２０Ａで整流された回生電流が蓄電部３４０に供給されて蓄電される。一方、モータ本体１００が電動機として機能する場合には、切替信号ＥarecがＬレベルとなってスイッチ回路３３０Ａが非接続状態となり、モータ本体１００が駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２に応じて回転する。
【００３３】
図７は、制御信号回路５００（図５）の内部構成と動作を示す説明図である。なお、ここでも図示の便宜上、Ａ相の信号のみを示しているが、他の相の信号も同様に生成される。
【００３４】
制御信号生成回路５００は、基本クロック生成回路５１０と、１／Ｎ分周器５２０と、ＰＷＭ部５３０と、正逆方向指示値レジスタ５４０と、乗算器５５０と、符号化部５６０と、電圧指令値レジスタ５８０と、励磁区間設定部５９０とを備えている。
【００３５】
基本クロック生成回路５１０は、所定の周波数を有するクロック信号ＰＣＬを発生する回路であり、例えばＰＬＬ回路で構成される。分周器５２０は、このクロック信号ＰＣＬの１／Ｎの周波数を有するクロック信号ＳＤＣを発生する。Ｎの値は所定の一定値に設定される。このＮの値は、予めＣＰＵ７００によって分周器５２０に設定される。ＰＷＭ部５３０は、クロック信号ＰＣＬ，ＳＤＣと、乗算器５５０から供給される乗算値Ｍａと、正逆方向指示値レジスタ５４０から供給される正逆方向指示値ＲＩと、符号化部５６０から供給される正負符号信号Ｐａと、励磁区間設定部５９０から供給される励磁区間信号Ｅadrvとに応じて、Ａ相駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２（図４（Ｂ））を生成する。この動作については後述する。
【００３６】
正逆方向指示値レジスタ５４０内には、モータの回転方向を示す値ＲＩがＣＰＵ７００によって設定される。本実施例では、正逆方向指示値ＲＩがＬレベルのときにモータが正転し、Ｈレベルのときに逆転する。但し、モータに逆転を行わせる必要が無い場合には、正逆方向指示値レジスタ５４０は省略可能である。ＰＷＭ部５３０に供給される他の信号Ｍａ，Ｐａ，Ｅadrvは以下のように決定される。
【００３７】
磁気センサ４０Ａの出力ＳＳＡは、符号化部５６０に供給される。符号化部５６０は、センサ出力ＳＳＡのレンジを変換するとともに、センサ出力の中位点の値を０に設定する。この結果、符号化部５６０で生成されるセンサ出力値Ｘａは、正側の所定の範囲（例えば＋１２７〜０）と負側の所定の範囲（例えば０〜−１２７）の値を取る。但し、符号化部５６０から乗算器５５０に供給されるのは、センサ出力値Ｘａの絶対値であり、その正負符号は正負符号信号ＰａとしてＰＷＭ部５３０に供給される。
【００３８】
電圧指令値レジスタ５８０は、ＣＰＵ７００によって設定された電圧指令値Ｙａを格納する。この電圧指令値Ｙａは、後述する励磁区間信号Ｅadrvとともに、モータの印加電圧を設定する値として機能するものであり、例えば０〜１．０の値を取る。仮に、非励磁区間を設けずに全区間を励磁区間とするように励磁区間信号Ｅadrvを設定した場合には、Ｙａ＝０は印加電圧をゼロとすることを意味し、Ｙａ＝１．０は印加電圧を最大値とすることを意味する。乗算器５５０は、符号化部５６０から出力されたセンサ出力値Ｘａと、電圧指令値Ｙａとを乗算して整数化し、その乗算値ＭａをＰＷＭ部５３０に供給する。
【００３９】
図７（Ｂ）〜（Ｅ）は、乗算値Ｍａが種々の値を取る場合におけるＰＷＭ部５３０の動作を示している。ここでは、全期間が励磁区間であり非励磁区間が無いものと仮定している。ＰＷＭ部５３０は、クロック信号ＳＤＣの１周期の間に、デューティがＭａ／Ｎであるパルスを１つ発生させる回路である。すなわち、図７（Ｂ）〜（Ｅ）に示すように、乗算値Ｍａが増加するに従って、Ａ相駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２のパルスのデューティが増加する。なお、第１の駆動信号ＤＲＶＡ１は、センサ出力ＳＳＡが正のときにのみパルスを発生する信号であり、第２の駆動信号ＤＲＶＡ２はセンサ出力ＳＳＡが正のときにのみパルスを発生する信号であるが、図７（Ｂ）〜（Ｅ）ではこれらを合わせて記載している。また、便宜上、第２の駆動信号ＤＲＶＡ２を負側のパルスとして描いている。
【００４０】
図８（Ａ）〜（Ｃ）は、センサ出力の波形とＰＷＭ部５３０で生成される駆動信号の波形の対応関係を示す説明図である。図中、「Ｈｉｚ」は電磁コイルを未励磁状態としたハイインピーダンス状態を意味している。図７で説明したように、Ａ相駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２はセンサ出力ＳＳＡのアナログ波形を利用したＰＷＭ制御によって生成される。従って、これらのＡ相駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２を用いて、各コイルに、センサ出力ＳＳＡの変化と対応するレベル変化を示す実効電圧を供給することが可能である。
【００４１】
ＰＷＭ部５３０は、さらに、励磁区間設定部５９０から供給される励磁区間信号Ｅadrvで示される励磁区間のみに駆動信号を出力し、励磁区間以外の区間（非励磁区間）では駆動信号を出力しないように構成されている。図８（Ｃ）は、励磁区間信号Ｅadrvによって励磁区間ＥＰと非励磁区間ＮＥＰを設定した場合の駆動信号波形を示している。励磁区間ＥＰでは図８（Ｂ）の駆動信号パルスがそのまま発生し、非励磁区間ＮＥＰでは駆動信号パルスが発生しない。このように、励磁区間ＥＰと非励磁区間ＮＥＰを設定するようにすれば、センサ出力の中位点近傍（これは逆起電力波形の中位点近傍に相当する）においてコイルを電圧を印加しないので、モータの効率をさらに向上させることが可能である。なお、励磁区間ＥＰは、センサ出力波形（これは逆起電力波形にほぼ等しい）のピークを中心とする対称な区間に設定されることが好ましく、非励磁区間ＮＥＰは、センサ出力波形の中位点（中心点）を中心とする対称な区間に設定されることが好ましい。
【００４２】
なお、前述したように、電圧指令値Ｙａを１未満の値に設定すれば、乗算値Ｍａが電圧指令値Ｙａに比例して小さくなる。従って、電圧指令値Ｙａによっても、実効的な印加電圧を調整することが可能である。
【００４３】
上述の説明から理解できるように、本実施例のモータでは、電圧指令値Ｙａと、励磁区間信号Ｅadrvとの両方を利用して印加電圧を調整することが可能である。望ましい印加電圧と、電圧指令値Ｙａ及び励磁区間信号Ｅadrvとの関係は、予め制御回路２００（図５）内のメモリにテーブルとして格納されていることが望ましい。こうすれば、制御回路２００が、外部から望ましい印加電圧の目標値を受信したときに、ＣＰＵ７００がその目標値に応じて、電圧指令値Ｙａと、励磁区間信号Ｅadrvの設定値とを制御信号生成回路５００に設定することが可能である。なお、印加電圧の調整には、電圧指令値Ｙａと、励磁区間信号Ｅadrvの両方を利用する必要はなく、いずれか一方のみを利用するようにしてもよい。
【００４４】
図９は、ＰＷＭ部５３０（図７）の内部構成の一例を示すブロック図である。ＰＷＭ部５３０は、カウンタ５３１と、ＥＸＯＲ回路５３３と、駆動波形形成部５３５とを備えている。これらは以下のように動作する。
【００４５】
図１０は、モータ正転時のＰＷＭ部５３０の動作を示すタイミングチャートである。この図には、２つのクロック信号ＰＣＬ，ＳＤＣと、正逆方向指示値ＲＩと、励磁区間信号Ｅadrvと、乗算値Ｍａと、正負符号信号Ｐａと、カウンタ５３１内のカウント値ＣＭ１と、カウンタ５３１の出力Ｓ１と、ＥＸＯＲ回路５３３の出力Ｓ２と、駆動波形形成部５３５の出力信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２とが示されている。カウンタ５３１は、クロック信号ＳＤＣの１期間毎に、クロック信号ＰＣＬに同期してカウント値ＣＭ１を０までダウンカウントする動作を繰り返す。カウント値ＣＭ１の初期値は乗算値Ｍａに設定される。なお、図１０では、図示の便宜上、乗算値Ｍａとして負の値も描かれているが、カウンタ５３１で使用されるのはその絶対値｜Ｍａ｜である。カウンタ５３１の出力Ｓ１は、カウント値ＣＭ１が０で無い場合にはＨレベルに設定され、カウント値ＣＭ１が０になるとＬレベルに立ち下がる。
【００４６】
ＥＸＯＲ回路５３３は、正負符号信号Ｐａと正逆方向指示値ＲＩとの排他的論理和を示す信号Ｓ２を出力する。モータが正転する場合には、正逆方向指示値ＲＩがＬレベルである。従って、ＥＸＯＲ回路５３３の出力Ｓ２は、正負符号信号Ｐａと同じ信号となる。駆動波形形成部５３５は、カウンタ５３１の出力Ｓ１と、ＥＸＯＲ回路５３３の出力Ｓ２から、駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２を生成する。すなわち、カウンタ５３１の出力Ｓ１のうち、ＥＸＯＲ回路５３３の出力Ｓ２がＬレベルの期間の信号を第１の駆動信号ＤＲＶＡ１として出力し、出力Ｓ２がＨレベルの期間の信号を第２の駆動信号ＤＲＶＡ２として出力する。なお、図１０の右端部付近では、励磁区間信号ＥadrvがＬレベルに立ち下がり、これによって非励磁区間ＮＥＰが設定されている。従って、この非励磁区間ＮＥＰでは、いずれの駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２も出力されず、ハイインピーダンス状態に維持される。
【００４７】
図１１は、励磁区間設定部５９０の内部構成と動作を示す説明図である。励磁区間設定部５９０は、電子可変抵抗器５９２と、電圧比較器５９４，５９６と、ＯＲ回路５９８と、切替スイッチ５９９とを有している。電子可変抵抗器５９２の抵抗値Ｒｖは、ＣＰＵ７００によって設定される。電子可変抵抗器５９２の両端の電圧Ｖ１，Ｖ２は、電圧比較器５９４，５９６の一方の入力端子に与えられている。電圧比較器５９４，５９６の他方の入力端子には、センサ出力ＳＳＡが供給されている。電圧比較器５９４，５９６の出力信号Ｓｐ，Ｓｎは、ＯＲ回路５９８に入力されている。ＯＲ回路５９８の出力Ｅａは、切替スイッチ５９９に供給される。切替スイッチ５９９は、ＣＰＵ７００から与えられる選択信号ＳＥＬに応じて、ＯＲ回路５９８の出力Ｅａを、励磁区間信号Ｅadrv又は切替信号Ｅarecとして出力する。励磁区間信号Ｅadrvは、ＰＷＭ部５３０（図７（Ａ））に供給され、図８に示したように励磁区間ＥＰを規定するために使用される。一方、切替信号Ｅarecは、スイッチ回路３３０（図５）に供給され、整流された回生電流を蓄電するために使用される。なお、選択信号ＳＥＬのレベルは、モータの回転数Ｎｍと流速Ｖｃとのうちの少なくとも一方に基づいて設定される。この点については後述する。
【００４８】
図１１（Ｂ）は、励磁区間設定部５９０の動作を示している。電子可変抵抗器５９２の両端電圧Ｖ１，Ｖ２は、抵抗値Ｒｖを調整することによって変更される。具体的には、両端電圧Ｖ１，Ｖ２は、電圧レンジの中央値（＝ＶＤＤ／２）からの差分が等しい値に設定される。センサ出力ＳＳＡが第１の電圧Ｖ１よりも高い場合には第１の電圧比較器５９４の出力ＳｐがＨレベルとなり、一方、センサ出力ＳＳＡが第２の電圧Ｖ２よりも低い場合には第２の電圧比較器５９６の出力ＳｎがＨレベルとなる。ＯＲ回路５９８の出力信号Ｅａは、これらの出力信号Ｓｐ，Ｓｎの論理和を取った信号である。従って、図１１（Ｂ）の下部に示すように、励磁区間信号Ｅadrvは、励磁区間ＥＰと非励磁区間ＮＥＰとを示す信号として使用することができる。励磁区間ＥＰと非励磁区間ＮＥＰの設定は、ＣＰＵ７００が可変抵抗値Ｒｖを調整することによって行なわれる。
【００４９】
図１２は、回生時のセンサ出力と回生電力の例を示す説明図である。図１２（Ａ）は、各相のセンサ出力ＳＳＡ〜ＳＳＣを示しており、また、励磁区間設定部５９０に設定された両端電圧Ｖ１，Ｖ２の値が示されている。図１２（Ｂ）は、これらの両端電圧Ｖ１，Ｖ２の設定に応じて回生される回生電力を示している。これらの３相分の回生電力信号を合成したものが、蓄電部３４０（図６）に供給される。なお、蓄電部３４０としては、２次電池や大容量キャパシタなどを利用可能である。
【００５０】
B．制御方法の各種実施例：
図１３は、制御回路２００（図５）による発電装置の制御方法の第１実施例を示すフローチャートである。ステップＳ１０では、回転数Ｎｍと風速Ｖｃとが計測される。ステップＳ２０では、回転数Ｎｍと風速Ｖｃの範囲が所定の閾値Ｎth，Ｖthとそれぞれ比較されて、以下の３つの場合に分けて制御が実行される。
【００５１】
（１−１）Ｎｍ≦Ｎth、かつ、Ｖｃ≦Ｖthである場合：
この場合には、制御回路２００はモータ本体１００を発電機としても電動機としても動作させず、待機する。この理由は、風速Ｖｃが小さく、モータ本体１００の回転数Ｎｍも小さいので、有効な発電を行えない可能性が高いためである。
【００５２】
（１−２）Ｎth＜Ｎｍである場合：
この場合には、風速Ｖｃの大きさに拘わらず、ステップＳ４０の発電モードに直ちに移行し、制御回路２００がモータ本体１００を発電機として動作させる。この理由は、モータの回転数Ｎｍが十分に大きい場合には、有効な発電を行えるからである。なお、この場合に風速Ｖｃを判定条件に入れていない理由は、モータの回転数Ｎｍが十分に大きい場合には風速Ｖｃも十分に大きいのが普通だからである。
【００５３】
（１−３）Ｎｍ≦Ｎth、かつ、Ｖth＜Ｖｃである場合：
この場合には、ステップＳ３０の駆動モードに移行し、制御回路２００がモータ本体１００を電動機として動作させて羽根１２００の回転数を増加させ、その後、再度ステップＳ１０，Ｓ２０を経由してステップＳ４０に移行し、モータ本体１００を発電機として動作させる。このように制御を行う理由は、モータの回転数Ｎｍがほとんど回転していないが風速Ｖｃが十分に大きい場合には、発電装置内の静止摩擦等によって羽根１２００の回転が妨げられていると考えられるからである。従って、この場合には、モータ本体１００を電動機として用いて羽根１２００に十分な回転を行わせた後には、有効な発電を行うことが可能となる。なお、ステップＳ３０の後に、ステップＳ１０，Ｓ２０をスキップして直接ステップＳ４０に移行してもよい。
【００５４】
なお、ステップＳ２０において、直ちに発電モードに移行するか否かの判定条件として、風速Ｖｃを含む条件（例えば、「回転数Ｎｍと風速Ｖｃの両方がそれぞれの閾値Ｎth，Ｖthを超えているか否か」という条件）を採用してもよい。このとき、例えば、回転数Ｎｍと風速Ｖｃの一方がその閾値を超えているが、他方がその閾値を超えていない場合には、上記（１−３）と同様に、まずモータ本体１００を電動機として動作させて羽根を回転させた後に、モータ本体１００を発電機として動作させるようにしてもよい。
【００５５】
ステップＳ４０において発電が開始されると、ステップＳ５０においてＣＰＵ７００にタイム割り込みが入るまで待機する。そして、タイム割り込みがあった後に、ステップＳ１０に戻り、上述の制御を繰り返す。
【００５６】
このように、図１３に示した第１実施例の制御方法では、モータの回転数Ｎｍと風速Ｖｃとの両方に基づいて、待機と、駆動モードと、発電モードとのいずれかを選択するので、有効な発電を行うことが可能である。特に、風速Ｖｃが風速閾値Ｖthよりも大きいが回転数Ｎｍが回転数閾値Ｎthよりも小さい場合には、発電モードに移行する前に駆動モードを実行するので、比較的小さな風力を有効に利用して発電を行うことが可能である。
【００５７】
なお、回転数閾値Ｎthは、０としてもよい。例えば、回転数Ｎｍが０でない場合には上記（１−１）又は（１−３）の制御を行い、回転数Ｎｍが０に等しい場合には上記（１−２）の制御を行うようにしてもよい。一方、風速閾値Ｖthは０でない値とすることが好ましい。この理由は、風速閾値Ｖthを０よりも大きな所定の値に設定すれば、上記（１−３）の制御において有効な発電を行う可能性が高まるからである。なお、これらの閾値Ｎth，Ｖthは経験的又は実験的に決定される。
【００５８】
図１４は、発電装置の制御方法の第２実施例を示すフローチャートである。この手順は、制御モードの選択の判定において風速のみを使用し、回転数を使用しない点が図１３の手順と異なるだけである。すなわち、ステップＳ１０ａでは風速Ｖｃが計測され、ステップＳ２０ａでは、風速Ｖｃの範囲が所定の閾値Ｖth1，Ｖth2と比較されて、以下の３つの場合に分けて制御が実行される。
【００５９】
（２−１）Ｖｃ≦Ｖth1である場合：
この場合には、制御回路２００はモータ本体１００を発電機としても電動機としても動作させず、待機する。
【００６０】
（２−２）Ｖth2＜Ｖｃである場合：
この場合には、ステップＳ４０の発電モードに移行し、制御回路２００がモータ本体１００を発電機として動作させる。
【００６１】
（２−３）Ｖth1＜Ｖｃ≦Ｖth2である場合：
この場合には、ステップＳ３０の駆動モードに移行し、制御回路２００がモータ本体１００を電動機として動作させて羽根１２００の回転数を増加させた後に、ステップＳ４０に移行し、モータ本体１００を発電機として動作させる。
【００６２】
この第２実施例の制御方法によれば、風速Ｖｃに応じて有効な発電を行うことが可能である。なお、第１の閾値Ｖth1は、第２の閾値Ｖth2よりも小さく、０に等しくてもよい。この第２実施例では、回転数Ｎｍを使用しないので、回転数決定部６００（図５）は省略可能である。
【００６３】
図１５は、発電装置の制御方法の第３実施例を示すフローチャートである。この手順は、制御モードの選択の判定において風速の代わりに回転数を使用した点が図１４の手順と異なるだけである。すなわち、ステップＳ１０ｂでは回転数Ｎｍが計測され、ステップＳ２０ｂでは、回転数Ｎｍの範囲が所定の閾値Ｎth1，Ｎth2と比較されて、以下の３つの場合に分けて制御が実行される。
【００６４】
（３−１）Ｎｍ≦Ｎth1である場合：
この場合には、制御回路２００はモータ本体１００を発電機としても電動機としても動作させず、待機する。
【００６５】
（３−２）Ｎｍth2＜Ｎｍである場合：
この場合には、ステップＳ４０の発電モードに移行し、制御回路２００がモータ本体１００を発電機として動作させる。
【００６６】
（３−３）Ｎth1＜Ｎｍ≦Ｎｍth2である場合：
この場合には、ステップＳ３０の駆動モードに移行し、制御回路２００がモータ本体１００を電動機として動作させて羽根１２００の回転数を増加させ、その後、再度ステップＳ１０ｂ，Ｓ２０ｂを経由してステップＳ４０に移行し、モータ本体１００を発電機として動作させる。なお、ステップＳ３０の後に、ステップＳ１０ｂ，Ｓ２０ｂをスキップして直接ステップＳ４０に移行してもよい。
【００６７】
この第３実施例の制御方法によれば、回転数Ｎｍに応じて有効な発電を行うことが可能である。なお、第１の閾値Ｎth1は、第２の閾値Ｎth2よりも小さく、０に等しくてもよい。この第３実施例では、風速Ｖｃを使用しないので、風速計１１３０（図１）は省略可能である。
【００６８】
以上の第１〜第３実施例から理解できるように、発電電動機の始動時において、流速Ｖｃと回転数Ｎｍとのうちの少なくとも一方が所定の低い範囲にある場合に、まず発電電動機を電動機として動作させて羽根の回転数を増加させた後に、発電電動機を発電機として動作させることが好ましい。こうすれば、流速が小さく機械的損失等によって羽根が十分な回転数に達しない場合にも、羽根を回転させて発電を開始することが可能となる。
【００６９】
C．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００７０】
C１．変形例１：
本発明は、風力発電装置に限らず、一般に、流体力を利用した発電装置に適用可能である。例えば、水力発電装置は、図１に示した構成において羽根１２００を水車に置き換え、風速計１１３０を流量計に置き換えれば良い。なお、本明細書において、「羽根」（vane）という用語は、流体力を回転力に変換するための部材を意味しており、水車の羽根なども含む広い意味を有している。また、「流速計」という用語は、風速計や流量計のように流速に比例した量を測定するものを意味する。
【００７１】
C２．変形例２：
上記実施例では、発電電動機をブラシレスモータによって実現していたが、他の種類のモータによって発電電動機を実現してもよい。但し、ブラシレスモータを利用すれば、効率の良い発電電動機を実現することができる。この意味では、特に、鉄心（コア）の無いブラシレスモータを利用することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の一実施例としての風力発電装置の全体構成を示す概念図である。
【図２】モータ本体の構成を示す断面図である。
【図３】モータの動作時における磁石列とコイル列の位置関係を示す説明図である。
【図４】モータの正転時のセンサ出力と駆動信号の例を示す説明図である。
【図５】制御回路の構成を示すブロック図である。
【図６】ドライバ回路とコイルと整流回路とスイッチ回路の構成を示すブロック図である。
【図７】制御信号生成回路の内部構成と動作を示す説明図である。
【図８】センサ出力波形と駆動信号波形の対応関係を示す説明図である。
【図９】ＰＷＭ部の内部構成を示すブロック図である。
【図１０】モータ正転時のＰＷＭ部の動作を示すタイミングチャートである。
【図１１】励磁区間設定部の内部構成と動作を示す説明図である。
【図１２】回生時のセンサ出力と回生電力の例を示す説明図である。
【図１３】発電装置の制御方法の第１実施例を示すフローチャートである。
【図１４】発電装置の制御方法の第２実施例を示すフローチャートである。
【図１５】発電装置の制御方法の第３実施例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７３】
１０…ステータ部
１１〜１３…電磁コイル
３０…ロータ部
３２…磁石
４０Ａ〜４０Ｃ…磁気センサ（位置センサ）
１００…モータ本体
１１２…回転軸
１１２…軸
１２０…回路基板
２００…制御回路
３００…駆動／発電切替回路
３１０…ドライバ回路
３２０…整流回路
３３０…スイッチ回路
３４０…蓄電部
５００…制御信号生成回路
５１０…基本クロック生成回路
５２０…分周器
５３０…ＰＷＭ部
５３１…カウンタ
５３３…ＥＸＯＲ回路
５３５…駆動波形形成部
５４０…レジスタ
５５０…乗算器
５６０…符号化部
５８０…レジスタ
５９０…励磁区間設定部
５９２…電子可変抵抗器
５９４，５９６…電圧比較器
５９８…ＯＲ回路
５９９…切替スイッチ
６００…回転数決定部
７００…ＣＰＵ
１０００…風力発電装置
１１００…本体部
１１２０…変速機
１１３０…風速計
１２００…羽根
１２１０…回転軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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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９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2008199783.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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