(57)【要約】【課題】この磁束制御型風力発電機は，スイッチングレギュレータ等を不要にし，回転子に風車タービン取付部を直接設け，風力が極低速でも所定の一定電圧を発電でき，小型で高効率であり，製造コストを低減できる。【解決手段】この磁束制御型風力発電機は，取付部５を備えたシャフト４，シャフト４上に取り付けられたステータ２，ステータ２の外周側で回転可能に支持された複数の永久磁石片６を備えた回転子１，シャフト４に揺動可能に取り付けられた磁路を通る磁束を揺動量によって制御する磁束制御籠７，磁束制御籠７をステータ２に対して揺動させるアクチュエータ８，及び回転子１の外周面に設けられた風車タービンを取り付けるための風車タービン取付部９から構成されている。【選択図】        図１
2005033852.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
取付ベースに固定するための取付部を備えたシャフト，前記シャフト上に取り付けられ且つ巻線が巻き上げられる櫛部と内側に設けられた歯状先端部とを備えたステータ，前記ステータの外周側に面して前記シャフトに回転可能に支持された円筒状継鉄と該円筒状継鉄の内側に周方向に複数配設された永久磁石片とを備えた回転子，前記シャフトに揺動可能に取り付けられ且つ前記ステータの前記歯状先端部に対応する歯状の磁束制御先端部を備えた磁路を通る磁束を揺動量によって制御する磁束制御籠，前記磁束制御籠の前記磁束制御先端部を前記ステータの前記歯状先端部に対して揺動させるため前記シャフトに取り付けられたアクチュエータ，及び風車タービンを取り付けるため前記回転子の外面に設けられた風車タービン取付部から成る磁束制御型風力発電機。
【請求項２】
前記ステータは，外側が外開きの開口を持つＴ字部に形成され且つ前記巻線を挿入するスロットで互いに隔置された前記櫛部，内側に凹状溝で隔置して設けられ且つ隣接する２個の前記櫛部を流れる磁束を集合する前記歯状先端部，隣接する前記歯状先端部を連繋し且つ前記櫛部間の磁束の流れを抑制するため前記櫛部の幅より薄い肉厚のブリッジ部，及び前記スロットに挿入して前記櫛部に巻き上げられた巻線から構成されていることから成る請求項１に記載の磁束制御型風力発電機。
【請求項３】
前記回転子は，前記シャフトに回転可能に支持された一対の円筒状回転支持体，前記回転支持体間に位置した透磁性材から成る円筒状の透磁性継鉄部材，前記透磁性継鉄部材の内面側に周方向に隔置して軸方向に延び且つ内周面が円弧面に形成された複数の前記永久磁石片，及び前記透磁性継鉄部材の外面に設けられた前記風車タービン取付部から構成されていることから成る請求項１又は２に記載の磁束制御型風力発電機。
【請求項４】
前記磁束制御籠は，前記ステータの最内側に位置して前記ステータの前記櫛部間の磁路を形成する部分を形成するように前記シャフトと前記ステータとの間で揺動可能に配設されており，前記シャフトに遊嵌された内周側の円筒状継鉄部と，前記円筒状継鉄部の周方向に隔置して外向きに延び且つ前記ステータの前記歯状先端部の歯数と同一の歯数を持つ前記磁束制御先端部とから形成されていることから成る請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁束制御型風力発電機。
【請求項５】
前記ステータの前記歯状先端部と前記磁束制御籠の前記磁束制御先端部との接触面は同一幅に且つ前記歯状先端部間と前記磁束制御先端部間との凹状溝の幅は前記接触面の幅より大きくそれぞれ形成され，前記歯状先端部と前記磁束制御先端部との前記接触面には，周方向両端にチャンファがそれぞれ施されていることから成る請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁束制御型風力発電機。
【請求項６】
前記磁路に前記磁束が通り易いようにする場合は，前記接触面が互いに整合状態であり，前記磁路に前記磁束が通り難く減磁する場合は，前記接触面が互いにずれた状態であり，また，前記歯状先端部と前記磁束制御先端部とが前記凹状溝の中央に互いに位置する状態では前記歯状先端部と前記磁束制御先端部とのそれぞれの両側に同一の空隙が形成されて前記磁束が最大に減磁されることから成る請求項５に記載の磁束制御型風力発電機。
【請求項７】
前記ステータに対して前記磁束制御籠を揺動させる前記アクチュエータは，前記磁束制御籠に固定された揺動レバー，前記揺動レバーに設けたギヤに噛み合うウォームから成るウォームギヤ及び前記ウォームを回転駆動するモータから構成されていることから成る請求項１〜６のいずれか１項に記載の磁束制御型風力発電機。
【請求項８】
前記磁束制御籠は，コントローラによって駆動制御される前記アクチュエータによって前記ウォームギヤを介して回転揺動され，前記歯状先端部と前記磁束制御先端部とのクリアランスを空けて前記ステータを通る磁束を制御し，発電電圧を一定電圧に制御することから成る請求項７に記載の磁束制御型風力発電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は，風車タービンの取付可能で複数の永久磁石片を持つ回転子，該回転子に対して配設されたステータ及び磁路を通る磁束を制御する磁束制御籠を備えた磁束制御型風力発電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年，省エネルギーや環境汚染の防止に対応するため，風力発電の普及が叫ばれている。エネルギー危機が叫ばれる社会情勢の中で，我が国には風力ほど豊富に存在するものはなく，風力ほど環境汚染の少ないエネルギー源は他に無い。そこで，我が国では，風力エネルギーの利用を促進するため，風力発電機を一般家庭用として設置できる大きさに構成し，風力発電機に対する設備投資の少ない発電機を開発することが求められている。
【０００３】
従来，永久磁石式発電機は，ロータ即ち回転子に永久磁石を用いているので，構造が簡単で大きな発電電力を得ることができ，近年，それを組み込んだシステムが自動車用発電機，風力発電機等として利用されることが多くなってきた。永久磁石式発電機は，例えば，発電した電力が電動機に送られる場合には，電圧が変動してもその機能を十分に発揮することができるが，市街電源と連結するような風力発電機に適用される場合には，風力が変動した時，電圧が変化することになり，例えば，風力が極低速の時に発電された電力が低電圧となり，また風力が高速の時に発電された電力が数倍の電圧になり，そのため風力の変動の下で，発電電圧を一定電圧に安定させるためには発電電圧を揃える操作をしなければならない。従来の永久磁石式発電機では，発電した電圧を一定電圧にするためには，スイッチングレギュレタ等を用いて電流を切り刻む操作をしなければならないが，大電圧及び／又は大電流をオン・オフするためには大型のパワートランジスタが必要になり，装置が大型化し，冷却損失が大きくなり，高価になったり，また，発電電圧を一定にするために，電流を切り刻む時に発生する過大な突入電流によって電波障害を起こしたり，ノイズを発生させたり，それらの問題を低減する対策が大変である。
【０００４】
しかしながら，永久磁石式発電機は，磁束密度が大きいので，発電電力が大きく，発電効率が良いことが知られているが，負荷が小さい時，又は回転子の回転が大きくなる時，電圧が上昇し，一定電圧にすることができない。そこで，従来の高出力交流発電・電動機は，回転速度に応じて磁束密度を制御し，発電量を適正に制御するものが開発された。該高出力交流発電・電動機は，ロータとステータとの間に磁束制御リングを相対回転可能に配置し，磁束制御リングに接離可能な透磁性体を設けたものである（例えば，特許文献１参照）。
【０００５】
また，永久磁石式発電機は，永久磁石を通過してステータ側に流れる磁束の大きさを減少させるため磁束制御リングを組み込み，永久磁石からステータへの磁束を制御して一定電圧にすることが考えられる。このような永久磁石式発電機は，永久磁石を配設したロータとステータとの間に，ステータの櫛部と同一ピッチを持った櫛歯状の回転可能な籠材から成る磁束制御リングを配設し，ロータの低速回転時ではステータの歯部即ち櫛部と磁束制御リングの歯部とを整合一致させ，ロータの高速時にはステータの歯部即ち櫛部と磁束制御リングの歯部とをずらして両者間に大きな空隙を発生させ，磁路抵抗を増加させて磁束を制御するように構成されている（例えば，特許文献２参照）。
【０００６】
従来，風力の変動に係わらず一定電力を発電することができる永久磁石型交流発電機を使用した風力発電装置が知られている。該風力発電装置は，永久磁石型交流発電機がプロペラによって回転駆動され，発電された電力はインバータに供給され，インバータはプロペラの回転数に比例した周波数の信号に対して所定の位相差を有する信号によって制御され，風力の変動によらず一定の電力を出力することができるように構成したものである（例えば，特許文献３参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平７−２３６２６０号公報（第１頁，図１）
【特許文献２】
特開２００２−２８１６９５号公報（第１，２頁，図１）
【特許文献３】
特開２００１−１９００９６号公報（第１頁，図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで，風力発電機の普及は，わが国は資源が乏しいにも拘らず，欧米に比較し，大幅な遅れをとっており，風車，発電機共その技術，製品展開において，欧米諸国の開発に追随しているのが現状である。即ち，風力発電機は，省エネルギー効果として，例えば，風力発電の実用化がドイツで最も進んでおり，その規模は４５０万ｋｗ，次いで，米国であり，その実用化が２５０万ｋｗであるが，我が国では僅か１４万ｋｗであると言われ，わが国でも先進諸国並にすることが急務であることは明らかである。我が国において，風力発電が普及し進展し，利用量が３５０万ｋｗまで増加した場合には，石油の使用量が２６億リットルほど節約できることは明らかである。従って，我が国において，コンパクトで高効率，安価な風力発電機が普及することによって，産業の競争力等への貢献は計り知れないものとなる。また，風力発電は，我が国のみでなく，中国，東南アジア等の開発途上国は勿論のこと，風力発電に本格的に取り組んでいる欧米諸国なども同様であり，また，実用化の暁にはこれら世界各国への輸出も考えられ，我が国産業への貢献は計り知れないものである。
【０００９】
また，風力発電機を一般家庭用に使用する場合に，僻地，海岸沿いの民家等では風力という貴重な電力源が存在するにも拘らず，これを利用できる状況に無いのが現状である。また，現在，開発されている風力発電機は，極めて大型であるため，建設費，メンテナンス等の費用が高価になり，その普及が進んでおらず，一般家庭で風力を利用しようとしてもほとんど利用できない状況である。また，風力発電機は，風車の直径が大きいほど出力，効率が良くなるが，その反面，設置するための立地条件に制約がある。そこで，一般家庭で使われる電力量である３〜５ｋｗほどの高効率な風力発電機を安価で，サイズが小さくしたものが開発されれば，その普及が進展すると考えられる。
【００１０】
また，従来の風力発電機は，家庭用，オフィス用として利用するため，その採用を検討すると，現存の装置は余りにもその実用性がユーザニーズとかけ離れている。小型風力発電機に要求される特性は，発電効率が良いこと，極低速の風力でも発電できること，増速装置等の装置を不要にして安価で故障が少ないこと，小型軽量であること等であり，しかも，発電効率が従来の風力発電機の２倍，製造コストが１／２を実現できることが望まれている。そこで，小型で高効率の磁束制御型発電機を，風力発電機に適用することができれば，多くの企業での導入が進展し，将来的に家庭への普及にもつながり，風力発電量が増大し，エネルギー政策に応えることができると考えられる。
【００１１】
そこで，永久磁石を用いた磁束制御型発電機を風力発電機に適用できれば，小型で発電効率の良い風力発電機を完成することができ，省エネルギー化に十分寄与できるものと思われる。風力発電機は，エンジンから排出される環境上重要な排気ガスの浄化，騒音防止，電波障害の防止，景観に与える悪影響，設備廃棄に伴う費用等を考慮する必要がなく，それらの諸条件を十分にクリヤできる極めて有力な装置である。例えば，現在，普及が進んでいる大型の風力発電機は，風車の直径が３０ｍ，出力７００ｋｗ，建設費１億円と巨大になり，これでは民間や家庭では簡単に設置することができず，発電に必要な動力である風力をみすみす見逃しているのが現状である。永久磁石式発電機は，発電効率が良いにも拘らず，回転速度が変化した時に，電圧が大幅に変化するので，これを解決するために，磁束制御型発電機を用いて簡単な制御装置によって一定電圧にすると共に，極低速でも高出力を発生できる発電機を，サイズが小さく，安価に開発することにより，それを風力発電機に適用すれば，風力発電機の大幅な普及をもたらすと考えられる。
【００１２】
また，発電機の効率は，大型誘導機で８５％，小型のランドル型で６０％ほどである。特に，小型発電機では，風力が小さい状態で回転子に電磁力を供給すると，発電電力が消費されてしまい，その発電効率は極端に小さくなり，出力も小さくなる。３〜１０ｋｗほどの風力発電機では，総合効率（＝風力タービン効率×増速ギヤ効率×発電効率）は１５％ほどがトップランナーの値である。
また，一般に，永久磁石式発電機の端子電圧は，次の式で表される。
ＥＳ  ＝ＷＳ  ・Φ・ｆ−Ｉ・〔Ｒ１２＋Ｒ２２＋（２πｆＬ）２  〕１／２  
ここで，ＥＳ  ：端子電圧，ＷＳ  ：巻線数，Φ：磁力，ｆ：周波数，Ｉ：電流，Ｒ１  ：巻線抵抗，Ｒ２  ：通路抵抗，Ｌ：巻線リアクタンス。
従って，風力発電機については，大きな電力を得るためには巻線の数を大きくすること，磁力を大きくすること，回転数を大きくすること，巻線リアクタンスを小さくすることが必要である。
【００１３】
小型の風力発電機に必要な技術要素は，総合効率の良さであり，風力を電力に変換する総合効率を３０％以上とし，風力が変動しても常に一定電圧を得ることができることであるが，このような発電機は未だ開発されていないのが現状である。また，永久磁石型発電機では，回転子に用いている永久磁石の磁力を一定であって制御できないので，入力側に回転変動がない発電機には適しているが，入力側に回転変動がある場合には，永久磁石式発電機では回転の上昇と共に発電電圧が大きくなり，その電力を利用している負荷側の電圧が安定しないことになる。また，部分負荷の時には，発電機のインピーダンスが小さくなるため，端子電圧の上昇があり，この電圧を一定にすることが大きな課題になる。
【００１４】
そこで，永久磁石を用いた磁束制御型発電機を風力発電機に適用できれば，この要求を満足できることは必定である。即ち，永久磁石式発電機について，永久磁石を組み込んだ回転子即ちロータと固定子即ちステータとの磁路に磁束を制御する磁束制御籠を配設し，磁束制御籠とステータの歯部即ち櫛部との間に空隙を設け，空隙による磁路抵抗を大きくし，ステータ側への磁束を小さくすることにより，発電電圧の上昇現象を抑制し，永久磁石からステータへの磁束に減磁作用を起こさせ，ステータの起電力を減少させて発電電圧を一定に保つように構成し，発電電流内にリプル等のノイズ発生が全くないように構成する。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この発明の目的は，上記の要求を満足させるものであり，多極の永久磁石式回転子を用い，風車が低回転数の時でも予め決められた所定の電圧で発電でき，磁路において空隙の大小によって磁力を増減して磁束制御をする磁束制御籠を設け，風力の低速から高速までの回転変動に対応して一定電圧を発電し，低速では定格出力を確保し，高速時では風力により得られる最大出力を得ることができ，制御装置が簡単な磁束制御籠の機械的揺動だけでよく，電流のＯＮ−ＯＦＦが無いので電波障害等が無く，極めて使い易く，発電効率，増速伝達効率を含む総合効率を従来の発電機と比較し，２倍の値を確保できるようにした磁束制御型風力発電機を提供することである。
【００１６】
この発明は，取付ベースに固定するための取付部を備えたシャフト，前記シャフト上に取り付けられ且つ巻線が巻き上げられる櫛部と内側に設けられた歯状先端部とを備えたステータ，前記ステータの外周側に面して前記シャフトに回転可能に支持された円筒状継鉄と該円筒状継鉄の内側に周方向に複数配設された永久磁石片とを備えた回転子，前記シャフトに揺動可能に取り付けられ且つ前記ステータの前記歯状先端部に対応する歯状の磁束制御先端部を備えた磁路を通る磁束を揺動量によって制御する磁束制御籠，前記磁束制御籠の前記磁束制御先端部を前記ステータの前記歯状先端部に対して揺動させるため前記シャフトに取り付けられたアクチュエータ，及び風車タービンを取り付けるため前記回転子の外面に設けられた風車タービン取付部から成る磁束制御型風力発電機に関する。
【００１７】
前記ステータは，外側が外開きの開口を持つＴ字部に形成され且つ前記巻線を挿入するスロットで互いに隔置された前記櫛部，内側に凹状溝で隔置して設けられ且つ隣接する２個の前記櫛部を流れる磁束を集合する前記歯状先端部，隣接する前記歯状先端部を連繋し且つ前記櫛部間の磁束の流れを抑制するため前記櫛部の幅より薄い肉厚のブリッジ部，及び前記スロットに挿入して前記櫛部に巻き上げられた巻線から構成されている。
【００１８】
前記回転子は，前記シャフトに回転可能に支持された一対の円筒状回転支持体，前記回転支持体間に位置した透磁性材から成る円筒状の透磁性継鉄部材，前記透磁性継鉄部材の内面側に周方向に隔置して軸方向に延び且つ内周面が円弧面に形成された複数の前記永久磁石片，及び前記透磁性継鉄部材の外面に設けられた前記風車タービン取付部から構成されている
【００１９】
前記磁束制御籠は，前記ステータの最内側に位置して前記ステータの前記櫛部間の磁路を形成する部分を形成し，前記シャフトと前記ステータとの間で揺動可能に配設され，前記シャフトに遊嵌された内周側の円筒状継鉄部と，前記円筒状継鉄部の周方向に隔置して外向きに延び且つ前記ステータの前記歯状先端部の歯数に対応する歯数を持つ前記磁束制御先端部とから構成されている。
【００２０】
この磁束制御型風力発電機では，前記ステータの前記歯状先端部と前記磁束制御籠の前記磁束制御先端部との接触面は，同一幅にそれぞれ形成され，また，前記歯状先端部間と前記磁束制御先端部間との凹状溝の幅は，前記接触面の幅より大きくそれぞれ形成され，前記歯状先端部と前記磁束制御先端部との前記接触面には，周方向両端にチャンファがそれぞれ施されている。
【００２１】
また，この磁束制御型風力発電機は，前記磁路に前記磁束が通り易いようにする場合は，前記接触面が互いに整合状態であり，前記磁路に前記磁束が通り難く減磁する場合は，前記接触面が互いにずれた状態であり，また，前記歯状先端部と前記磁束制御先端部とが前記凹状溝の中央に互いに位置する状態では前記歯状先端部と前記磁束制御先端部とのそれぞれの両側に同一の空隙が形成されて前記磁束が最大に減磁される。
【００２２】
前記ステータに対して前記磁束制御籠を揺動させる前記アクチュエータは，前記磁束制御籠に固定された揺動レバー，前記揺動レバーに設けたギヤに噛み合うウォームから成るウォームギヤ及び前記ウォームを回転駆動するモータから構成されている。
【００２３】
前記磁束制御籠は，コントローラによって駆動制御される前記アクチュエータによって前記ウォームギヤを介して回転揺動され，前記歯状先端部と前記磁束制御先端部とのクリアランスを空けて前記ステータを通る磁束を制御し，発電電圧を一定電圧に制御する。
【００２４】
この磁束制御型風力発電機は，上記のように，風車を取り付けるシャフトにステータを固定し，回転子をステータの外周側の外置きとし，磁束制御装置をシャフト側に置く独特の構造に構成しているので，発電機自体のサイズを小さくし，製造コストの低減を図ることができ，特に，風力が極低速時は勿論のこと高速時にも磁路に抵抗の大きな空隙を設け，空隙を増減することにより端子電圧を一定に制御し，低速回転でも発電効率を９０％，伝達効率を９５％以上にすることができる。この磁束制御型風力発電機は，発電機を永久磁石式とし，回転子の発電極数を，例えば，１２極以上にし，巻線数を増加させ，インピーダンスを減少させ，低速での発電力を上昇させることができるものであり，永久磁石式発電機の最大の課題である回転速度の変動によって電圧が大幅に変化する特性を磁束制御する磁束制御装置によって一定電圧にすることができ，風力が極低速でも発電電圧を一定化することができるものである。また，この磁束制御型風力発電機は，磁束制御装置を構成する磁束制御籠を揺動して磁路の空隙を増減するため，小型の直流モータ，ステッピングモータ等のアクチュエータを用いた独特の構成であって，発電電圧を一定にする簡単な磁束制御装置を設けたものである。
【００２５】
この磁束制御型風力発電機は，発電効率が９０％以上，伝達効率が９５％以上，風車タービン効率が３５％の場合に，総合効率が３０％を実現することを可能したものであり，風力（風速）１０ｍ／ｓ，直径５ｍの風車で４ｋｗ以上の発電力（出力）を確保し，風力１５ｍ／ｓで１２ｋｗ以上の発電力（出力）を確保することができ，装置そのものの製造コストを低減し，全体の風力発電機コストを大幅に低減できる。また，この磁束制御型風力発電機は，例えば，サイズが直径２５０ｍｍ以下で，長さ３００ｍｍ以下の小型に構成でき，１００Ｖ，２００Ｖ等の発電電圧を使用条件によって選択できるように構成し，インバータ，蓄電器等の装置は既存のものを使用し，一定電圧をスイッチングレギュレーター等を用いずに，一定電圧の直流電力を出力させることができる。
【００２６】
この磁束制御型風力発電機は，小型に構成して，風力が極低速で２００Ｖ以上，４．５ｋｗ程の一定電圧を出力させることが重要であり，そのため，発電機自体を必要な大きさの永久磁石とステータへの最適な巻線構造や磁路抵抗の少ない構造に構成すると共に，磁路途中に透磁率の最も小さい空隙を加減して磁路を通る磁束を制御する装置を設けることによって，発電効率が９０％以上で増速装置の存在しない風力発電機を完成させることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下，図面を参照して，この発明による磁束制御型風力発電機の実施例を説明する。この磁束制御型風力発電機は，特に，ステータ２を固定し，回転子１をステータ２の外側に配設する外置きとし，磁束制御装置３をシャフト４とステータ２との間に配置する独特の構造に構成されていることを特徴とする。この磁束制御型風力発電機は，主として，取付ベース（図示せず）に固定する取付部５を備えたハウジング４９，ハウジング４９を備えた鉄鋼等の材料から成るシャフト４，シャフト４上に取り付けられたステータ２，ステータ２の外周側でシャフト４に回転可能に支持され且つ軸方向に延びて周方向に配設された複数の永久磁石片６を備えた回転子１，シャフト４に揺動可能に取り付けられた磁路を通る磁束を揺動量によって変化する空隙Ｓの大きさ即ち空隙量で制御する磁束制御籠７，磁束制御籠７をステータ２に対して揺動させるためシャフト４に取り付けられたアクチュエータ８，及び回転子１の外周面に設けられ且つ風車タービン（図示せず）がボルト等の固着手段によって取り付けられる風車タービン取付部９から構成されている。永久磁石片６は，その外周面と内周面とにおいてＮ極とＳ極が交互になるように逆向きにそれぞれ配設されている。
【００２８】
回転子１は，その両端においてシャフト４に軸受２７を介して回転可能に支持された一対の円筒状回転支持体１０，回転支持体１０間に位置した透磁性材から成る円筒状の透磁性継鉄部材１３，透磁性継鉄部材１３の内側の周方向に配設され且つ内外周面が円弧面に形成された複数の永久磁石片６，永久磁石片６間に配設された非磁性材３８，複数の永久磁石片６を固定支持するため永久磁石片６の内周面側に配設された支持リング４３，及び透磁性継鉄部材１３の外面に取り付けられた風車タービン取付部９から構成されている。支持リング４３は，永久磁石片６が互いに十分に保持されていれば必ずしも設ける必要がないことは勿論である。風車タービン取付部９には，所定のサイズ，例えば，直径５ｍに形成された風車即ち風車タービン（図示せず）がボルト等の固着手段によって取り付けられるように構成されている。透磁性継鉄部材１３の外面には，風車タービン取付部９を設けるための非磁性材から成るハウジングを介在させ，風車タービン取付部９を上記ハウジングに直接取り付けることもできる。
【００２９】
ステータ２は，その両端において一対の支持ブラケット４０によってシャフト４にそれぞれ取り付けられ，回転子１との間に微小の隙間４２を持って回転子１の内周側に配設され，ステータコア１１とステータコア１１に巻き上げられた巻線１２から構成されている。ステータコア１１は，外周側が開口５１を持つ外開きのＴ字部５０を形成してスロット１６で隔置して設けられた櫛部１７，内周側に隔置して設けられ且つ隣接する２個の櫛部１７を流れる磁束を集合する歯状先端部１５，隣接する歯状先端部１５を連繋する磁束の流れを抑制するため櫛部１７の幅より小さい肉厚の薄いブリッジ部１４から構成されている。また，ステータ２は，スロット１６において，櫛部１７に巻き上げられた巻線１２から構成されている。巻線１２は，外開きスロット１６を通じて外側から櫛部１７に容易に且つ密に巻き上げられる。櫛部７の外周側はＴ字部５０に形成され，櫛部１７と永久磁石片６との間での磁束の流れをスムーズにしている。特に，ブリッジ部１４は，隣接する歯状先端部１５を連繋すると共に，櫛部１７間に流れる磁束の流れを抑制するため櫛部１７の幅より小さい肉厚，例えば，１／３〜１／５程度の薄い肉厚に形成されている。
【００３０】
磁束制御籠７は，シャフト４とステータ２との間の隙間に配設され，シャフト４の外周面に隙間を介して遊嵌状態に配置された円筒部である継鉄部４１と継鉄部４１の外周面から所定の間隔で外向きに延びる歯状の磁束制御先端部１８から形成されている。磁束制御先端部１８は，ステータ２の歯状先端部１５の歯数と同一の歯数に形成されている。ステータ２の先端部１５と磁束制御籠７の磁束制御先端部１８には，周方向両端にチャンファ１９，２０がそれぞれ施され，磁束制御籠７の揺動によって両者間に形成される隙間Ｓを高精度に形成できるように構成されている。磁束制御籠７は，磁路を形成するため継鉄部４１と磁束制御先端部１８とが透磁性材で構成されている。また，シャフト４は，磁束制御籠７の継鉄部４１による磁路で不十分の場合には，少なくとも磁束制御籠７に対向する領域をケイ素鋼板によって構成することが好ましい。この磁束制御型風力発電機では，磁力は，回転子１の永久磁石片６→ステータ２のＴ字部５０→櫛部１７→櫛部１７の歯状先端部１５→磁束制御籠７の歯状先端部１８→磁束制御籠７の継鉄部４１→歯状先端部１８→櫛部１７→Ｔ字部５０→永久磁石片６→継鉄部材１３の経路で流れる。
【００３１】
この磁束制御型風力発電機は，ステータ２の先端部１５と磁束制御籠７の磁束制御先端部１８との接触面，即ち，先端部１５の内面３４と磁束制御先端部１８の外面３５とは同一幅に形成され，先端部１５間と磁束制御先端部１８間との凹状溝２１，２２の幅は，上記接触面の幅より大きくそれぞれ形成されている。この磁束制御型風力発電機は，磁路の磁束を減磁する場合には，図３の（Ａ）に示すように，先端部１５と制御先端部１８との接触面が互いにずれた状態になるように，磁束制御籠７を揺動させ，また，磁束が磁路を通り易いようにする場合には，図３の（Ｂ）に示すように，先端部１５と制御先端部１８との接触面が互いに整合状態になるように，アクチュエータ８の作動によって磁束制御籠７を揺動させる。また，先端部１５と磁束制御先端部１８とが凹状溝２１，２２の中央に位置する状態では，先端部１５と磁束制御先端部１８とのそれぞれの両側に同一の空隙Ｓが形成されて磁束が最大に減磁される時である。
【００３２】
磁束制御籠７を揺動させるアクチュエータ８は，直流モータ，ステッピングモータ等のモータ４８及びモータ４８の回転を伝達する伝達装置から成り，該伝達装置は，モータ４８の出力軸に連結されたウォーム軸３６，ウォーム軸３６に設けたウォーム２５とウォーム２５に噛み合うギヤ２４とから成るウォームギヤ２６，及びギヤ２４が設けられ且つ磁束制御籠７の端部に固定された揺動レバー２３から構成されている。アクチュエータ８は，コントローラの指令でモータ４８を可逆回転させると，ウォーム軸３６に設けたギヤ２４を可逆回転させ，ギヤ２４の可逆回転によって揺動レバー２３を揺動させる。そこで，揺動レバー２３の揺動運動に応じて磁束制御籠７が所定の量だけ揺動することになり，図３の（Ａ）と図３の（Ｂ）に示すように，磁束制御籠７がステータ２に対して揺動し，ステータコア１１を通る磁束が制御される。即ち，磁束制御籠７は，コントローラによって制御されるアクチュエータ８であるモータ４８によってウォームギヤ２６を通じて回転され，先端部１５と制御先端部１８とのクリアランスＳを空けてステータ２への磁束制御がされ，発電電圧が一定にされる。
【００３３】
この磁束制御型風力発電機は，目標値設定を次の理由で決めている。
（１）一般家庭にて日常使用する電力は３．５ｋｗ程度であり，夜間での電気装置の維持電力は１ｋｗ程と予測し，風力発電機の設備利用率０．２５と設定すると，全使用電力の約半分の電力を風力により供給できる。
（２）風力発電機の翼直径は５ｍ以下とし，一般家庭で設置できる大きさとし，４ｋｗを出力させるため総合効率を３０％以上に設定することができる。
（３）設備利用率を０．２５と設定し，供給電力を電力会社より買った場合，その電力価格を７年分で償却できるためには，風力発電機のコストを例えば７０万円以下にする必要がある。
（４）発電機の低コスト化，メンテナンス費用の低減，を実現するため，磁束制御装置を開発し，簡素化を図る。また，発電機の巻線を工夫し，使用条件に応じて１００Ｖ，２００Ｖの設定を行い，例えば，風の強い丘の上に発電機を設置する場合は，配線ロスを減らすため２００Ｖで発電し，電力を使用する場所で１００Ｖに降下させる。
【００３４】
この磁束制御型風力発電機は，ステータ２を構成するステータコア１１の櫛部１７を流れる磁束を制御するための磁束制御籠７が設けられたものであり，例えば，発電機自体は，サイズが直径２５０ｍｍ以下で，長さ３００ｍｍ以下の小型に構成でき，風車タービンの直径が５ｍ程度に形成でき，一般家庭用等の小型発電機として設置可能なものである。回転子１は，例えば，両側の一対の円筒状回転支持体１０と円筒状回転支持体１０間の透磁性継鉄部材１３とがボルト等から互いに連結して構成されている。円筒状回転支持体１０は，端部側の小径部２８と，小径部２８に一体の中央側の大径部２９とから成り，一対の小径部２８はシャフト４に軸受２７，シール部材４７（一方のみ図示）を介して回転可能にそれぞれ支持されている。一方の回転支持体１０の小径部２８の端部には，押え板３０がねじ３１で取り付けられ，また，他方の回転支持体１０の小径部２８の端部は，シャフト４の端部に位置する環状部３２にねじ等で固定された筒状押え部材３３によって小径部２８の軸方向の移動が規制されている。筒状押え部材３３には，端板４５が取り付けられ，端板４５に設けられた支持ピン４６によって回転シャフト３９が旋回自在に支持されている。
【００３５】
この磁束制御型風力発電機は，ステータ２の先端部１５の接触面である内周側の内面３４と磁束制御籠７の歯状の磁束制御先端部１８の接触面である外周側の外面３５とは，同一幅にそれぞれ形成され，図３に示すように，整合状態になる。また，先端部１５間の凹状溝２１と磁束制御先端部１８間の凹状溝２２との幅は，磁束飽和がないように接触面の幅より大きくそれぞれ形成されている。永久磁石片６からステータ２への磁束を減磁しない状態では，図３（Ｂ）に示すように，接触面が互いに重なって整合している状態である。永久磁石片６からステータ２への磁束を減磁する場合には，図３（Ａ）に示すように，先端部１５の接触面と磁束制御先端部１８の接触面とをずらすことによって達成される。また，図３（Ａ）に示すように，先端部１５と磁束制御先端部１８とが凹状溝２１，２２の中央に位置する状態では，先端部１５と磁束制御先端部１８とのそれぞれの両側に同一の空隙Ｓが形成され，永久磁石片６からステータ２への磁束が最大に減磁される状態になる。この磁束制御型風力発電機では，例えば，空隙Ｓが１ｍｍでは１５％程度の磁束の減磁効果を達成でき，また，空隙Ｓが３ｍｍでは６０％以上の磁束の減磁効果を達成できることが，試験結果で確認された。従って，永久磁石片６からステータコア１１への磁束の減磁効果は，先端部１５と磁束制御先端部１８との間に形成される空隙Ｓを如何に大きく確保するかによって左右されることが確認された。
【００３６】
この磁束制御型風力発電機では，磁束制御籠７は，出力側負荷電圧を検出し，更に，例えば，ポテンショメータによってステータ２に対する位置が容易に検出され，その位置情報はコントローラに入力され，その情報に応答してコントローラによってアクチュエータ８であるモータ４８が作動し，一種のウォームギヤ２６を通じて磁束制御籠７が回転させられ，永久磁石片６からステータ２への磁束密度が制御がされ，発電電圧が一定にされる。アクチュエータ８は，例えば，モータ４８の出力軸が歯車伝達装置を介してウォーム軸３６を回転し，ウォーム軸３６に設けられたスクリューギヤであるウォーム２５が回転する。ウォーム軸３６は，シャフト４の支持バー３７に軸受等を介して回転自在に支持されている。磁束制御籠７は，支持バー３７によってシャフト４に対して揺動可能に支持されている。支持バー３７は，例えば，シャフト４の環状部に設けられた長孔を貫通して旋回シャフト３９の一端にねじ４４で固定されている。旋回シャフト３９の他端には揺動レバー２３が固定されており，揺動レバー２３にはウォーム２５に噛み合うウォーム噛合部２４（ウォームホイールの一部）が設けられている。ウォーム２５が回転することによってウォーム噛合部２４が揺動即ち回転すると，ウォーム噛合部２４の回転に追従して磁束制御籠７がステータ２に対して回転即ち揺動することになる。
【００３７】
永久磁石部材は，周方向に隔置して極性が交互に異なる状態に配置され且つ軸方向に延びるように配設された永久磁石片６と，隣接する永久磁石片６間に介在された非磁性材３８とから構成されている。永久磁石片６は，内外面が円弧面に形成され，周方向に複数個配設されている。また，樹脂等の非磁性材は，巻線１２の発熱によって溶損しない耐熱性材料で構成されている。また，透磁性部材の継鉄部材１３は，例えば，透磁材と非磁性材が周方向に交互に配置して軸方向に延びて円筒状に形成されている。
【００３８】
この磁束制御型風力発電機は，回転子１の回転速度に応答して，コントローラ（図示せず）の指令によってアクチュエータ８を作動して磁束制御籠７をステータ２に対して揺動させ，永久磁石片６からステータ２への磁束を制御し，例えば，一定電圧を発電させる。即ち，この磁束制御型風力発電機は，コントローラの指令によって磁束制御籠７をステータ２に対して揺動させ，磁束制御先端部１８の接触面の外面３５と，櫛部１７の接触面の内面３４との対向面積即ち接触面積を制御する。コントローラの指令によってアクチュエータ８を作動して磁束制御籠７に設けたウォーム噛合部２４の支持バー３７が揺動し，磁束制御籠７がステータ２に対して相対揺動すると，磁束制御先端部１８の外面３５と先端部１５の内面３４との密接状態は調整され，磁束制御籠７の磁束制御先端部１８からステータコア１１の先端部１５へ流れる磁束が制御されることになる。
【００３９】
コントローラは，例えば，回転子１の低速時には，図３（Ｂ）に示すように，アクチュエータ８を作動して磁束制御先端部１８と先端部１５との合口が整合状態になる制御を行い，また，回転子１の高速時には，図３（Ａ）に示すように，アクチュエータ８を作動して磁束制御籠７を回転させ，磁束制御先端部１８と先端部１５とが互いにずれて凹状溝２１，２２に対向するように移動させ，磁束を減磁させる制御を行い，一定電圧を発電させることができる。即ち，コントローラは，回転子１のステータ２に対する回転速度である周波数ｆとステータ２の櫛部１７を流れる前述の出力端子電圧Ｅが一定になるように，アクチュエータ８によって磁束制御籠７を揺動させて予め決められた所定の一定の電圧を発電させる制御を行う（Ｅ＝ＷＳ  ・Φ・ｆ−Ｉ・〔Ｒ１２＋Ｒ２２＋（２πｆＬ）２  〕１／２  ）。従って，コントローラの制御によって磁束制御籠７が移動して磁束制御籠７の磁束制御先端部１８がステータコア１１の櫛部１７間の凹状溝２１に位置した状態では，図３（Ａ）に示すように，先端部１５のチャンファ１９と磁束制御先端部１８のチャンファ２０との間には，高精度に隙間Ｓが形成されことになり，回転子１からステータ２へ流れる磁束は最も抑制される状態になる。
【００４０】
【発明の効果】
この発明による磁束制御型風力発電機は，上記のように構成されているので，風力が低速の場合に回転子が低速回転でも高効率で高出力が得られる。この磁束制御型風力発電機は，磁束制御型発電機を風力発電機に適用したものであり，風力タービン効率，増速ギヤ効率及び発電効率を考慮した総合効率は３０％となる。即ち，この磁束制御型風力発電機は，発電効率が９０％，増速装置が不要となり，スイッチングレギュレーター等の制御装置が不要であるので，その効率が大幅に改善され，この値は大型機のトップランナーに匹敵するものである。その結果，この磁束制御型風力発電機は，風車の直径を，同一出力に対して２／３に縮小でき，風力の低速から高速まで全域に渡って一定電圧で発電して発電効率，性能が向上する。従来の風力発電機では，風力は無限に存在するが，風力エネルギーを利用しようとするユーザー側に立って見ると，あまりに利用し難いものであるが，この磁束制御型風力発電機を用いれば，風力発電の一般化が進み，さらに国際展開ができることは必定である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による磁束制御型風力発電機の一実施例を示す断面図である。
【図２】図１の磁束制御型風力発電機の一部を破断して示す側面図である。
【図３】図２の磁束制御型風力発電機の領域Ｃにおける磁束制御籠とステータとの関係を示す拡大説明図であり，（Ａ）はステータを通る磁束が絞られた状態を示し，（Ｂ）はステータを通る磁束が絞られていない状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１    回転子
２    ステータ
３    磁束制御装置
４    シャフト
５    取付部
６    永久磁石片
７    磁束制御籠
８    アクチュエータ
９    風車タービン取付部
１０  回転支持体
１２  巻線
１３  透磁性継鉄部材
１４  ブリッジ部
１５  歯状先端部
１６  スロット
１７  櫛部
１８  磁束制御先端部
１９，２０  チャンファ
２１，２２  凹状溝
２３  揺動レバー
２５  ウォーム
２６  ウォームギヤ
３４  内面（歯状先端部の接触面）
３５  外面（磁束制御先端部の接触面）
４１  継鉄部
４２  隙間
５０  Ｔ字部
５１  開口
Ｓ    空隙
【図１】
2005033852.tif 000003
【図２】
2005033852.tif 000004
【図３】
2005033852.tif 000005