(57)【要約】【課題】  小型で、低騒音かつ起動性に優れた発電装置を提供する。【解決手段】  発電装置は、永久磁石（８１）が埋め込まれた回転子（８０）と固定子（９０）を含む所定の巻線構成を有する電動機（多又モータ）（３）を用いて発電する。多又モータは、固定子コアに複数の突極（９１）が設けられ、固定子の各相において、隣接する突極（９１）に巻回された巻線（９３ａ、９３ｂ、９３ｃ）が互いに逆方向となるように突極（９１）上に巻回される。固定子（９０）の突極（９１）の数より多い数の永久磁石（８１）が回転子（８０）に埋め込まれており、同一相の巻線には同相の電圧が印加される。【選択図】図２
2005295686.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石が埋め込まれた回転子と固定子を含み、所定の巻線構成を有する電動機を用いて発電する発電装置であって、
前記所定の巻線構成を有する電動機は、固定子コアに複数の突極が設けられ、固定子の各相において、隣接する突極に巻回された巻線が互いに逆方向となるように突極上に巻回され、固定子の突極数より多い数の永久磁石が回転子に埋め込まれ、同一相の巻線には同相の電圧が印加される
ことを特徴とした発電装置。
【請求項２】
風力を受けるための風車を備え、該風車の回転力により前記電動機を発電動作させることを特徴とする請求項１記載の発電装置。
【請求項３】
前記電動機は、少なくとも第１及び第２の発電機を含む複数の発電機が同一固定子コア内に設けられ、各発電機のそれぞれにインバータまたは整流回路が接続されたことを特徴とする請求項２記載の発電装置。
【請求項４】
前記第１及び第２の発電機は互いに異なる発電容量を有し、容量の小さい方の発電機を風車起動時に電動機動作させることを特徴とする請求項３記載の発電装置。
【請求項５】
前記第１及び第２の発電機は互いに異なる発電定数を有し、風速に応じて、使用する発電機を切替ることを特徴とする請求項３記載の発電装置。
【請求項６】
前記複数の発電機のうちの少なくとも１つを風速に応じて電動機動作または発電機動作させ、風速による風車回転速度の変化を調整することを特徴とする請求項３記載の発電装置。
【請求項７】
前記第１及び第２の発電機は互いに異なる発電容量を有し、風速が、電動機に通電しなくても風車が起動可能な最小の風速以下の時に、発電容量の小さい方の発電機に電源を供給し電動機動作させ、風車を起動することを特徴とする請求項３記載の発電装置。
【請求項８】
前記インバータを制御する制御回路と、その制御回路に電源を供給する制御電源とを備え、
前記複数発電機のうちの少なくとも１つが前記制御電源を充電することを特徴とする請求項３記載の発電装置。
【請求項９】
前記第２の発電機において、発電用巻線とともに該発電用巻線に生じる磁束の変化を抑制する電圧制御巻線が巻回されたことを特徴とする請求項８記載の発電装置。
【請求項１０】
前記第１の発電機を外部電源と系統連係し、前記第２の発電機を風車出力と前記第１の発電機の負荷に応じて回生動作または力行動作させて、前記第１の発電機の出力を調整することを特徴とする請求項３記載の発電装置。
【請求項１１】
前記第１の発電機を外部電源と系統連係し、風車出力に応じて前記第１の発電機を回生動作または力行動作させて、前記第２の発電機の出力を調整することを特徴とする請求項３記載の発電装置。
【請求項１２】
風車軸と発電機軸がクラッチにより切り離し可能に接続され、無風または風車を回転させることができない程度の微風状態の場合に、前記第１の発電機を外部電源により電動機として駆動し、前記第２の発電機から負荷に出力することを特徴とした請求項３記載の発電装置。
【請求項１３】
前記第１及び第２の発電機の中の一つを周波数発電機またはアナログ発電機として使用したことを特徴とする請求項１２記載の発電装置。
【請求項１４】
前記第１及び第２の発電機の各相の巻線電圧を検出する電圧検出手段と、前記第１及び第２の発電機の相の中の一の相の巻線電圧と、他の各相の巻線電圧に所定の磁気的結合常数を乗じた値とに基づいて、該一の相の巻線電圧のアナログ電圧波形を演算する手段とを備えた事を特色とする請求項１３記載の発電装置。
【請求項１５】
大トルク時または高速回転時に前記電動機にｄ軸電流を流して弱め界磁制御を行い、発電出力を抑制することを特徴とする請求項１ないし１４のいずれかに記載の発電装置。
【請求項１６】
前記発電機は、各相Ｎ（Ｎは２以上の整数）組の突極を有し、同相の突極は電機角で３６０度毎に配置されたことを特徴とする請求項１ないし１４のいずれかに記載の発電装置。
【請求項１７】
前記発電機は、一つの相の同一組内において巻線を直列に接続し、一の組の巻線と他の組の巻線を並列に接続することを特徴と請求項１６記載の発電装置。
【請求項１８】
各突極を回転子の回転軸に対し均等な角度で配置したことを特徴とする請求項１ないし１４のいずれかに記載の発電装置。
【請求項１９】
前記風車の回転軸と前記電動機の回転軸を、ギアを介さず直結したことを特徴とする請求項１ないし１４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、風力等の動力により電動機を駆動して発電する発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電装置は、風力を風車で受け回転力を発生させ、その回転力によりモータを駆動して発電を行う。このような風力発電装置において、発電を行うモータ（発電機）は起動性、低騒音性等から低コギングトルクであることが求められる。また、風力発電装置では、風車軸とモータの回転軸は、高い出力を得るため、風車の回転を増速させるための増速ギアを介して連結されるのが一般的である。風力発電装置の小型化、低騒音化のためには、風車と発電機間を連結する増速ギアを設けない構成、すなわちギアレス化が望ましいが、ギアレス化するためには、大トルク出力型のモータを用いる必要がある。小型でかつ大トルクを実現するモータとして、従来技術では磁石型集中巻モータを用いたものがある（特許文献１、２参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２３３１９３号公報
【特許文献２】特開２００２−２６２４８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、磁石型集中巻モータ、特に埋め込み磁石型集中巻モータは小型化が可能となるという特徴がある。これは集中巻モータの小型化できるという特色に加え、埋め込み磁石モータは（集中巻、分布巻に関わりなく）磁石トルク以外にリラクタンストルクを利用できるという特色があるためである。しかしながら、大トルク化は可能であるが、集中巻埋め込み磁石モータはコギングトルクが大きくなるという問題がある。低コギングトルクを実現するためには、多極の表面磁石型モータ（ＳＰＭ）とする必要がある。
【０００５】
この表面磁石型モータは、永久磁石を回転子表面に接着固定しており、この接着の信頼性が問題となる。信頼性確保のためには、回転子表面にガラスクロス等を巻付けて補強するか、金属管を焼嵌めするといった手段を講じる必要がある。このため、モータの製造コストが上昇する。また、金属管を使用すると、この金属に固定子の励磁磁束による渦電流が流れ、効率が低下する。また、エアギャップが大きくならざるを得ないことや、多極化により固定子巻線スペースが縮小されるので、トルク低下に繋がり、結局、大トルク化という初期の目的に反し、トルクが小さくなるという問題がある。
【０００６】
本発明は上記課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、小型で、低騒音かつ起動性に優れた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】
【０００７】
本発明に係る発電装置は永久磁石が埋め込まれた回転子と固定子を含み、所定の巻線構成を有する電動機（多又モータ）を用いて発電する発電装置である。所定の巻線構成を有する電動機（多又モータ）は、固定子コアに複数の突極が設けられ、固定子の各相において、隣接する突極に巻回された巻線が互いに逆方向となるように突極上に巻回され、固定子の突極数より多い数の永久磁石が回転子に埋め込まれ、同一相の巻線には同相の電圧が印加される。
【０００８】
この発電装置は例えば風力発電装置に適用できる。この場合、発電装置は、風力を受けるための風車を備え、風車の回転力により電動機を発電動作させる。
【０００９】
上記の発電装置において、電動機は、少なくとも第１及び第２の発電機を含む複数の発電機が同一固定子コア内に設けられ、各発電機のそれぞれにインバータまたは整流回路が接続されてもよい。
【００１０】
第１及び第２の発電機は互いに異なる発電容量を有してもよく、容量の小さい方の発電機を風車起動時に電動機動作させてもよい。
【００１１】
第１及び第２の発電機は互いに異なる発電定数を有してもよく、風速に応じて、使用する発電機を切替えてもよい。
【００１２】
また、複数の発電機のうちの少なくとも１つを風速に応じて電動機動作または発電機動作させ、風速による風車回転速度の変化を調整するようにしてもよい。
【００１３】
また、第１及び第２の発電機は互いに異なる発電容量を有し、風速が、電動機に通電しなくても風車が起動可能な最小の風速（無通電起動速度）以下の時に、発電容量の小さい方の発電機に電源を供給し電動機動作させ、風車を起動するようにしてもよい。
【００１４】
また、発電装置はインバータを制御する制御回路と、その制御回路に電源を供給する制御電源とを備え、複数発電機のうちの少なくとも１つが制御電源を充電するようにしてもよい。
【００１５】
また、第２の発電機において、発電用巻線とともに、その発電用巻線に生じる磁束の変化を抑制する電圧制御巻線が巻回されてもよい。
【００１６】
また、第１の発電機を外部電源と系統連係させ、第２の発電機を風車出力と第１の発電機の負荷に応じて回生動作または力行動作させて、第１の発電機の出力を調整するようにしてもよい。
【００１７】
また、第１の発電機を外部電源と系統連係し、風車出力に応じて第１の発電機を回生動作または力行動作させて、第２の発電機の出力を調整するようにしてもよい。
【００１８】
また、風車軸と発電機軸がクラッチにより切り離し可能に接続され、無風または風車を回転させることができない程度の微風状態の場合に、第１の発電機を外部電源により電動機として駆動し、第２の発電機から負荷に出力するようにしてもよい。
【００１９】
また、第１及び第２の発電機の中の一つを周波数発電機またはアナログ発電機として使用してもよい。
【００２０】
また、発電装置は、第１及び第２の発電機の各相の巻線電圧を検出する電圧検出手段と、第１及び第２の発電機の相の中の一の相の巻線電圧と、他の各相の巻線電圧に所定の磁気的結合常数を乗じた値とに基づいて、該一の相の巻線電圧のアナログ電圧波形を演算する手段とを備えてもよい。
【００２１】
また、発電装置は、大トルク時または高速回転時に電動機にｄ軸電流を流して弱め界磁制御を行い、発電出力を抑制するようにしてもよい。
【００２２】
また、発電装置において、発電機は、各相Ｎ（Ｎは２以上の整数）組の突極を有し、同相の突極は電機角で３６０度毎に配置されてもよい。
【００２３】
また、発電機は、一つの相の同一組内において巻線を直列に接続し、一の組巻線と他の組の巻線を並列に接続してもよい。
【００２４】
また、各突極を回転子の回転軸に対し均等な角度で配置してもよい。
【００２５】
また、風車の回転軸と電動機の回転軸を、ギアを介さず直結してもよい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、低コギングトルクを実現しつつ、小型化、大トルク化を可能とする、所定の巻線構成を有する電動機（多又モータ）を用いて発電を行うため、起動性、低騒音性において優れた特性を示す発電装置を実現できる。また、風力発電に適用した場合には、このモータは多極化が容易であり、また、多極化してもスロット数（固定子の突極数、但し副突極は含まない）が通常モータの様な極端な増加を伴わないため、高トルクに設計でき、低風速域から高い出力を得られるため、増速ギアを備える必要がなく、装置の小型化が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、添付の図面を参照し、本発明に係る発電装置の実施の形態を説明する。なお、以下の実施形態では、風力を動力として発電する風力発電装置を例として説明するが、風力以外の動力を用いて発電するシステムに対しても本発明の技術思想が同様に適用できることは言うまでもない。例えば、動力として、水力、波力、内燃機関、外燃機関、または地熱タービンによる発電装置にも適用できる。なお、以下の実施例で「インバータ」と「コンバータ」という用語を使用しているが、通常インバータは直流から交流に変換する装置を意味し、コンバータは逆に交流から直流に変換する装置を意味するが、以下では前述の用例にこだわらずに用いている。例えばインバータも電動機の回生動作で使用すれば交流から直流への変換装置として動作するので、電動機（発電機）に直接接続された電力変換部をインバータ、そうでない電力変換器をコンバータと呼ぶことにする。
【００２８】
（実施の形態１）
図１は、本発明に係る風力発電装置の一実施形態の構成を示した図である。風力発電装置は、風力を受けるプロペラ（風車）１と、プロペラ１で受けた風力を電気エネルギに変換する電動機３とを備える。電動機３は内部の同じ固定子コア内に第１の発電機Ｇ１と、第２の発電機Ｇ２とが形成されている（具体的な構成については後述する。）。
【００２９】
第１の発電機Ｇ１及び第２の発電機Ｇ２には、発電された交流電圧を直流電圧に変換するインバータ１１、１３がそれぞれ接続される。インバータ１１、１３には、インバータ１１、１３からの出力を蓄積するバッテリ１５、１７がそれぞれ接続される。バッテリ１５、１７には、直流電圧を所望の電圧に変換するコンバータ２１、２３がそれぞれ接続される。インバータ１１、１３とコンバータ２１、２３の動作は制御回路２５により制御信号Ｓ１〜Ｓ３を介して制御される。なお、インバータ１１、１３の代わりにダイオードブリッジで構成される整流回路を用いることもできる。以下の説明では、第１の発電機Ｇ１を含む発電系を「第１発電系」といい、第２の発電機Ｇ２を含む発電系を「第２発電系」という。なお、インバータ１１、１３を使用する場合、インバータ自体に出力したＤＣ電圧を一定に制御する機能があるため、コンバータ２１、２５は省略したシステムとすることもできる。
【００３０】
以上のように本実施形態の風力発電装置は、１つの電動機内に複数の発電機Ｇ１、Ｇ２を設け、それぞれにインバータ１１、１３を接続して複数の発電系を設けていることにより、各インバータにおけるスイッチング素子を小型化できる。また、１つの発電系のインバータが故障しても、他の発電系において発電ができるため、故障時の冗長度を向上できる。
【００３１】
ここで、本実施形態の発電装置に用いる電動機３の詳細な内部構成について説明する。図２に本実施形態の電動機３の構造を示す。電動機３は回転子８０と固定子９０を含む。電動機３において第１発電機Ｇ１と第２発電機Ｇ２が同一固定子コア内に形成されている。
【００３２】
固定子９０は、固定子コアに複数の突極９１が設けられ、各突極９１に巻線９３ａ、９３ｂ、９３ｃが巻かれている。回転子８０には、固定子９０の突極数より多い数の永久磁石８１が周方向に等間隔に埋め込まれている。
【００３３】
固定子９０の第１発電機Ｇ１のＵ相に着目すると、一つの相は３つの巻線９３ａ、９３ｂ、９３ｃを含む。そして、各巻線９３ａ、９３ｂ、９３ｃは、隣接する巻線との間で巻回方向が逆方向となるように突極に巻回されている。すなわち、巻線９３ａと巻線９３ｃは同じ方向に巻回されるが、巻線９３ａ、９３ｃと巻線９３ｂは逆方向に巻回される。同相内の巻線９３ａ、９３ｂ、９３ｃには、同相の電圧が印加される。第１発電機Ｇ１の他の相についても同様に構成される。本実施形態及び以降の実施形態では、発電装置は以下の特徴を有する電動機３を備える。
１）固定子に複数の突極を設けた。
２）固定子の各相において、隣接する突極に巻回された巻線は互いに逆方向となるように突極上に巻回される。
３）固定子の突極数より多い数の永久磁石が回転子に埋め込まれている。
４）同一相の巻線には、同相の電圧が印加される。
【００３４】
以上のような特徴を持つ電動機の構成は例えば国際公開ＷＯ０３／０８４０３４号に開示されている。また、本実施形態では、１つの相において、突極に巻回された３つの巻線を含むが、１つの相に含まれる巻線数は３に限られず２または４以上の数でもよい。なお、以下の説明では、上記の特徴を有する電動機を「多又モータ」といい、特に本実施形態のような１相に３つの巻線が含まれる場合は「３又モータ」という。多又モータにおける固定子の突極数、スロット数及び回転子の極数の関係を示す。
【表１】
2005295686.tif 000003
【００３５】
以上のように多又構造の電動機を発電機として使用することにより、永久磁石が埋め込まれた回転子と集中巻された固定子を有する電動機に対する低コギング駆動を実現することが可能となり、小型化、大トルク化、低コギング駆動を同時に実現できる。
【００３６】
第１発電機Ｇ１はＵ、Ｖ、Ｗの３つ相を有し、各相は３つの巻線を含み、各相間には３つの突極が含まれるよう間隔があけられている。第２発電機Ｇ２は、第１発電機Ｇ１の各相間の突極に巻回された巻線で、すなわち、第１発電機Ｇ１で使用されていない突極に巻回された巻線で構成される。図２に示す例では、第２発電機Ｇ２も第１発電機Ｇ１と同様、３つの巻線で１つの相を構成している。なお、第１発電機Ｇ１と第２発電機Ｇ２の各突極の間の機械的位相関係（配置角度）は自由に設定してよい。このように多又モータについて同一固定子コア内に複数の発電機を設けた構成については例えば国際公開ＷＯ０３／１００９４９号に開示がある。
【００３７】
また、第１及び第２発電機Ｇ１、Ｇ２それぞれの発電容量を異ならせてもよい。例えばそれぞれの発電容量を１桁ぐらい異ならせる。そして、第１及び第２発電機Ｇ１、Ｇ２のうちの容量の小さい方の発電機を、風力発電装置の起動時に電動機として使用する。主として発電させる発電機にインバータを接続する必要がなく、起動時に使用する方の発電機にのみインバータを接続すればよい場合に、インバータの容量を小さくできるため、システム全体を小型化できる。
【００３８】
この場合、風速が風車の無通電起動速度（電動機３に通電しなくても風車が起動可能な最小の風速）以下の時に、小さい容量の方の発電機を外部電源または自己発電電源（バッテリ１７）で駆動するようにしてもよい。これにより、微風時の起動及び、風力が（発電機の粘性負荷＋静摩擦負荷）以下のときでもエネルギ回収が可能となる。
【００３９】
また、上記の発電装置において、第１及び第２発電機Ｇ１、Ｇ２それぞれの発電定数を異ならせてもよい。図３は、第１及び第２発電機Ｇ１，Ｇ２の回転数（ω）と出力電圧（Ｖ）の関係を示した図である。図３において、直線Ａは第２発電機Ｇ２の発電定数を、直線Ｂは第１発電機Ｇ１の発電定数をそれぞれ示した図である。この場合、風速（回転数）に応じて使用する発電機をいずれかに切替えるようにすれば、風速にかかわらず、出力電圧をほぼ一定に保持することができる。例えば、図３の例において、風力が弱いとき（例えば回転数がω１のとき）は直線Ａの特性を示す第２発電機Ｇ２を使用し、風力が強いとき（例えば回転数がω２のとき）は直線Ｂの特性を示す第１発電機Ｇ１を使用することが可能となる。これにより、発電装置としての出力電圧を風速にかかわらず、ほぼ一定に保持することができる。通常の一発電定数しか持たないシステムでは、最適風速を比較的高い所に設定すると、風速が低い所では、例え風車が回転しても低い電圧しか発生せず、負荷に対し十分な電圧供給ができないが、この構成によれば、発電機の特性を広い風速範囲に亘って最適に設定できる。また、電圧の変化範囲が小さく設定できるので、インバータやコンバータの設計も容易となる。
【００４０】
（実施の形態２）
図４に風力発電装置の別の構成を示す。基本的な構成は実施の形態１と同じである。本実施形態では、２つの発電機Ｇ１、Ｇ２のうちの一方である発電機Ｇ２を、風速に応じて電動機動作または発電機動作させ、これにより、風速の変化による発電出力の変動の調整を図る。
【００４１】
例えば、制御回路２５は、風速ωｇ（発電機回転数ωｇ相当）を入力し、風速ωｇが所定の値より大きいとき（すなわち、第１発電機Ｇ１による発電量が多くなりすぎるとき）は、スイッチ４０をオンすることにより、第２発電機Ｇ２側に負荷４２を接続し、これにより、電動機３の回転数を低減し、発電量を抑制する。なお、風速ωｇは電動機３からの誘起電圧、モータ電流、外部回転検出器等から検出できる。
【００４２】
また、風速ωｇが所定の値より小さく、第１発電機Ｇ１による発電量が少ないときは、制御回路２５は、第２発電機Ｇ２側を電動機動作させ、電動機３の回転数を上昇させることにより発電出力の周波数、電圧を一定に保持するようにする（図４（ｂ）に示す構成参照）。
【００４３】
以上のように、本実施形態によれば、一方の発電系を風速に応じて電動機動作または発電機動作させることにより、発電装置の出力電圧の変動を抑制できる。
【００４４】
（実施の形態３）
風力発電装置において、風力が一定以上となり過剰発電となる場合、発電電力を一定値に抑制するような制御が必要である。これらの制御は制御回路２５により行われるため、制御回路２５が常に活動状態にある必要がある。しかし、制御回路２５に電力を供給するバッテリが空の状態において、強風が吹いた場合、制御回路２５には十分な電力が供給されないため、制御回路２５は動作せず、上記の発電電力の抑制制御は実行されない。このため、過電圧が発電され、システムが破壊されるという恐れがある。
【００４５】
以下に、上記の課題を解決するための構成を説明する。図５に本実施形態の風力発電装置の構成を示す。基本的な構成は実施の形態１と同じである。本実施形態では、２つの発電機のうちの一方を制御回路２５に駆動電力を供給する制御用電源として使用する。
【００４６】
図５では、第１発電機Ｇ１を含む第１発電系は主として負荷４１に電力を供給する電源とするとともに、第２発電機Ｇ２を含む第２発電系を、制御回路２５に電力を供給するバッテリ１８に電力を供給する制御電源とする。制御回路２５は、バッテリ１８からの電力を受けてインバータ１１、１３、コンバータ２１の動作を制御する。
【００４７】
以上の構成における発電装置の動作を説明する。
１）バッテリ１８が制御電圧に達していない状態で突風が吹いた場合、スイッチ４４はオフしている。
２）突風が吹き、風車の回転数が上昇し始めると、発電機Ｇ２は発電を開始し、キャパシタ１６が充電される。
３）キャパシタ１６の電圧Ｖ1が制御電圧（例えば１２Ｖ）に達すると、制御回路２５は機能を回復し、スイッチ４４をＰＷＭ動作させ、バッテリ１８の充電を開始する。
４）同時に、制御回路２５は風速（回転子速度）の監視を始める。
５）この段階で回転数が所定の危険速度を超えた場合、ブレーキ４５を作動させる。ブレーキ４５の保持電力はキャパシタ１６から供給される。
６）キャパシタ１６の電力を消費後も突風が治まっていない場合は、再度風車は回転し始めるが、上記２）から５）の動作を繰り返す。
７）その間にスイッチ４４をＰＷＭ動作等により作動させることによって、バッテリ１８は充電を継続する。
８）バッテリ１８が十分に充電されたら、システムは回復し、突風の通常制御も回復する。
【００４８】
このように、本実施形態では、制御回路２５に電力を供給するバッテリ１８を、同一固定子コアに形成された２つの発電機のうちの１つを用いて充電する。これにより、制御回路２５に電力を供給するバッテリ１８が空の状況下で、風速が０から徐々に高まっていく場合において、まず、そのバッテリ１８を充電することにより、制御回路２５の迅速な立ち上げを可能とする。これにより、その後に、風速が許容範囲を超えた場合でも、制御回路２５による制御により、第１発電機Ｇ１による過発電を防止することが可能となる。
【００４９】
以上の動作を実現するためには、第２発電機Ｇ２は微風時すなわち低速回転時から制御回路２５を駆動可能な十分な電圧を発生する必要がある。しかし、単に第２発電機Ｇ２を低速回転時から十分な駆動電圧を生じるよう設計すると、図６の破線に示すように、高速回転時において必要以上に高い電圧を発生してしまうおそれがある。第２発電機Ｇ２の出力は、図６の実線に示すように、低速回転時においては迅速に所望電圧に達する必要があるが、中・高速回転域においては、回転数に比例して増加せずに、ほぼ一定電圧となるようにするのが好ましい。そこで、以下に、この課題を解決するための構成を説明する。
【００５０】
図７は、第２発電機Ｇ２の高速回転域における出力を抑制するための巻線の構成を示した図である。第２発電機Ｇ２において、発電用の巻線Ａ11、Ａ12、Ａ21、…に加えて、制御巻線Ｂ11、Ｂ12、Ｂ21、…を設けている。発電用の巻線Ａ11、Ａ12、Ａ21、…とは、回転運動により誘起電圧を発生させる巻線である。制御巻線Ｂ11、Ｂ12、Ｂ21、…は中・高速回転域での発電電圧を抑制するための巻線である。制御巻線Ｂ11、Ｂ12、Ｂ21、…のそれぞれは、突極に巻回され、それぞれの両端は短絡されてショートリング（短絡環）を構成する。一般的にショートリングはそれを通過する磁束の変化を防げる機能を有し、特に、その効果は周波数が高くなるほど顕著となる。このようなショートリングの特性を用いた制御巻線Ｂ11、Ｂ12、Ｂ21、…により、図６の実線に示すような、中・高速域での電圧上昇を抑えた出力特性を実現できる。
【００５１】
図８は、第２発電機Ｇ２の高速回転域における出力を抑制するための巻線構成の別の例を示した図である。図７に示す例では、突極に直接、巻線を巻回していたが、図８に示す例では、突極間にブリッジ６１を設け、そのブリッジ６１に対して、発電用の巻線Ａ11、Ａ12、Ａ21、…、制御巻線Ｂ1、Ｂ2、Ｂ3を巻回している。制御巻線Ｂ1、Ｂ2、Ｂ3のそれぞれは、その両端が短絡され、ショートリングとして機能する。なお、ブリッジ６１は、固定子部と一体に製造してもよいし、積層鉄板または焼結や成型等によるブロックを用いて別体として製造してもよい。
【００５２】
回転子から固定子に入った磁束φ１は回転子の速度に対応した交流磁界となる。このため、両端を短絡した制御巻線Ｂ１には、この磁束φ１を打ち消す方向の磁束φ２が発生する。この磁束φ２は回転子速度が上がるほど、また、磁束φ１の周波数が高くなるほど大きくなる。発電用巻線Ａ１に誘起される電圧は、制御巻線Ｂ１がない場合は磁束φ１だけによって決まり、磁束φ１の周波数に比例して高くなるが、制御巻線Ｂ１があると磁束φ２は磁束φ１の変化を打ち消す方向に作用するので、発電用巻線Ａ１に発生する電圧は回転速度に依存せず、ほぼ一定の値となる。
【００５３】
以上のような構成により、風速が上昇しても、制御電源用電圧が所望の値を超えて高くなることを防止でき、ほぼ一定電圧の制御電源を実現できる。
【００５４】
なお、図７、８の例では、制御巻線の両端は短絡しショートリングを形成していたが、制御巻線の両端をオープンにし、回転子磁石から発生し発電用巻線に鎖交する磁束を打ち消すように、開放端に、磁束の変化に同期した交流電流を外部より印加するようにしてもよい。またショートリングの巻線回数は任意に設定してよい。
【００５５】
（実施の形態４）
図９に本実施形態の電力発電装置の構成を示す。本実施形態の電力発電装置は、実施の形態１に示す２つの発電機を持つ構成（以下「２発電モータ」という。）を基本とし、第１発電機Ｇ１側の出力を商用電源供給用の電力線４６に系統連係し、第１発電機Ｇ１により発電した電力が電力線４６に供給される。なお、図９のコンバータ２１はここではＤＣ−ＡＣ変換、いわゆるインバータ動作をすることになる。なお、前述したが、このコンバータは省略することも可能である。
【００５６】
図１に示す例と異なる点は、第１発電機Ｇ１側の出力が電力線４６に接続されている点と、第２発電機Ｇ２に接続されるバッテリ１７にコンバータ２３が接続されず、その代わりにスイッチ４４と電池または抵抗等から構成される負荷４２が接続されている点である。
【００５７】
第２発電系は第１発電系と独立とし、第２発電機Ｇ２を発電機動作（回生動作）または電動機動作（力行動作）のいずれかで動作させることで、電動機３の回転数を制御し、電力線４６に供給する第１発電機Ｇ１の発電量を所定値に調整する。
【００５８】
制御回路２５は出力電圧Ｖlを検出して電力変動を検出する。制御回路２５は電力変動に応じてスイッチ４４をオンまたはオフすることで、第２発電系を負荷４２に接続して回生動作させたり、または、負荷４２に接続して力行動作させる。これにより電動機３の回転数が調整され、第１発電機Ｇ１の発電量が調整される。このように第２発電機Ｇ２側で電力変動に応じて力行動作あるいは回生動作させることで、電力変動を吸収し、第１発電機Ｇ１の出力電力や周波数を安定化できる。
【００５９】
（実施の形態５）
図１０に本実施形態の電力発電装置の構成を示す。本実施形態の電力発電装置は、実施の形態１に示す２発電モータの構成を基本とし、第１発電機Ｇ１側の出力を商用電源供給用の電力線４６に系統連係している。また、第１発電機Ｇ１側の出力は所定の負荷４２に接続される。さらに、プロペラ１と電動機３の間にクラッチ４８が挿入され、動力の伝達／遮断が可能となっている。クラッチは制御回路２５により制御される。第１発電系と第２発電系は独立した電力系統となっている。
【００６０】
以上のように構成される発電装置では、第２発電系により発電された電力を負荷４２に供給し駆動する。このとき、第１発電系において風速に応じて力行動作あるいは回生動作させることで、第２発電系から負荷４２に供給する出力電力の変動を調整する。
【００６１】
例えば、風力が強く、第２発電機Ｇ２により発電される電圧が定格値より大きくなるときは、第１発電機Ｇ１を回生動作させ、電力線４６に電力を供給することにより、電動機３の回転数を下げ、第２発電機Ｇ２の出力電圧を定格値に制御する。なお、この場合は、クラッチ４８によりプロペラ１の回転軸と電動機３は連結した状態にある。
【００６２】
一方、風力が微風またはゼロのときで出力電力が不足するときは、クラッチ４８によりプロペラ１の回転軸と電動機３を切り離すとともに、第１発電機Ｇ１を電力線４６からの電力により電動機動作させて、電動機３の回転数を上昇させる。これにより、第２発電機Ｇ２による発電電圧を上昇させ、出力電圧を定格値に制御する。
【００６３】
以上のように、本実施形態では、第１発電機Ｇ１により電力線４６から供給される又は電力線４６へ供給する電力量を調整することにより、第２発電機Ｇ２から負荷４２に供給する電力量を一定値に制御する。
【００６４】
（実施の形態６）
以上説明した実施形態において、同一固定子コア内に設けられた発電機の中の一つを周波数発電機またはアナログ発電機として使用する例を説明する。
【００６５】
図１１（ａ）に示すように第１および第２発電機Ｇ１，Ｇ２の各相巻線が配置されている場合において、第２発電機Ｇ２のＵ，Ｖ，Ｗ各相の巻線からの電圧を、図１１（ｂ）に示すような波形整形回路を通過させることにより、図１１（ｃ）に示すようなそれぞれ位相が１２０度ずつ、ずれたパルス波形信号が得られる。このようにして得られたパルス波形信号は、第１発電機Ｇ１の発電動作を制御する際に、位置検出や速度等の制御信号として使用できる。なお、図１１は、５又２発電モータを例として示してある。
【００６６】
（実施の形態７）
実施の形態６では、第２発電機Ｇ２のＵ，Ｖ，Ｗ各相の巻線電圧からパルス波形信号を生成することについて説明した。本実施形態では、第１及び第２発電機Ｇ１、Ｇ２の各相巻線電圧から、波形整形されたアナログ正弦波信号を得る構成について説明する。
【００６７】
アナログ正弦波信号を得るため、まず、第１及び第２発電機Ｇ１、Ｇ２各相の固定子巻線の電圧を電圧検出手段（図示せず）により検出する。そして、制御回路２５により、求めたい相以外の相の検出電圧に、その相と求めたい相の間の結合定数を乗じ、求めたい相の検出電圧から、結合定数が乗じられた各電圧を減じることにより、波形整形されたアナログ正弦波信号を得ることができる。このようにして得られアナログ波形信号も、第１発電機Ｇ１の発電動作を制御する際に、位置検出等の制御信号として使用できる。
【００６８】
図１２を用いて以上の処理を具体的に説明する。図１２（ａ）は各相間の結合定数を示す。第２発電機Ｇ２のＵ相のアナログ正弦波信号を得る場合の例を説明する。この場合、第２発電機Ｇ２のＵ相以外の相の検出電圧Ｖv2、Ｖw2、…にそれぞれ結合定数Ｍ12、Ｍ13、…を乗じる。図１２（ｂ）に示すように、検出電圧Ｖu2から、結合定数が乗じられた各電圧を減じることにより、波形整形されたアナログ正弦波信号Ｖu2を得ることができる。同様にして正弦波信号Ｖv2、Ｖw2を得ることができる。
【００６９】
（実施の形態８）
上記の各実施形態において用いられる多又モータにおける好ましい構成を説明する。
【００７０】
多又モータにおいて、固定子の各相の巻線をＮ（Ｎは２以上の整数）組に分離し、同相の各組の突極は電気角で略３６０度毎に配置する。巻線を２組に分離した場合、同一相の巻線を電気角で略３６０度毎に配置することは、機械角で略１８０度毎に配置することになる。巻線を３組に分離した場合は、同一相の巻線を機械角で略１２０度毎に配置することになる。すなわち、巻線をＮ組に分離する場合、同一相の巻線は機械角で略（３６０／Ｎ）度毎に配置される。
【００７１】
図１３は、３又モータにおいて固定子コアに１つの発電機のみが形成された場合の巻線の配置を説明した図である。例えば、Ｕ相巻線は、突極毎に巻回された巻線ｕ11、ｕ12、ｕ13からなる組と、突極毎に巻回された巻線ｕ14、ｕ15、ｕ16からなる組とに分離されている。これらは互いに１８０度ずれて配置されている。図１５に示すように、巻線ｕ11、ｕ12及びｕ13、並びに巻線ｕ14、ｕ15及びｕ16はそれぞれ直列に接続される。巻線ｕ11、ｕ12、ｕ13からなる組と、巻線ｕ14、ｕ15、ｕ16からなる組とは並列に接続される。巻線ｕ11、ｕ12、ｕ13からなる組と、巻線ｕ14、ｕ15、ｕ16からなる組とを並列に接続する理由は、これらを直列に接続するとインピーダンスが高くなり、太い銅線を使用する必要が生じるからである。
【００７２】
また、図１４は、５又モータにおいて同一固定子コアに２つの発電機が形成された場合の巻線の配置を示している。図１４において、第１発電機Ｇ１のＵ相巻線は巻線群Ｕ1と巻線群Ｕ'1とからなり、Ｖ相巻線は巻線群Ｖ1と巻線群Ｖ'1とからなり、Ｗ相巻線は巻線群Ｗ1と巻線群Ｗ'1とからなる。巻線群Ｕ１に含まれる５つの突極に巻回される各巻線どうしは直列に接続され、巻線群Ｕ１と巻線群Ｕ'1とは並列に接続される。Ｖ相、Ｗ相についても同様である。第１発電機Ｇ１の巻線Ｕ１〜Ｗ'１の間に、第２発電機Ｇ２の巻線Ｕ２〜Ｗ'２が配置される。第２発電機についても第１発電機と同様に１つの相を２つの巻線群に分離し、それぞれを電気角で３６０度毎に配置している。
【００７３】
同一相の巻線を１組だけ設けた場合、通電時に回転子の回転軸に半径方向の力が働くのに対し、上記のように、同一相の巻線を複数の組に分け、それぞれを電気角で３６０度毎に配置することにより、同一相の巻線が固定子の円周方向において等間隔に配置されるため、回転軸に対して半径方向の力が相殺される（静粛な回転が実現できる。）。
【００７４】
また、同じ相における固定子の各突極を、図１６に示すように、突極の中心が回転軸となす角度θが略均等となるように配置するようにするのが、低コギングトルク上好ましい。なお、このθは、回転子極数を２Ｐとしたとき（ＮＳ極が２Ｐ個ある意）、２Ｐ＝３＊Ｍ＋α（αは２以下の正の整数）となるＭでもって規定されるθ＝３６０／（３Ｍ）に概略等しい角度であり、または第１発電機と第２発電機の全ての突極数をＴとしたとき、θ＝３６０／Ｔに概略等しい角度であり、図１６の例では、θ１＝θ２＝θ３＝θ４＝θとなる。
【００７５】
また、上記実施形態の発電装置において、大トルク時または高速回転時には電動機３に流れるｄ軸電流の位相調整し、弱め界磁制御を行って発電電圧を抑制するように調整してもよい。
【００７６】
また、従来の発電装置においては、より高い出力を得るためにプロペラ１と電動機３とは増速ギアを介して連結されており、この増速ギアを備えたことにより、装置が大型なものとなっていた。上記実施形態の発電装置においては、多又モータを用いることにより、低速領域からの発電が可能となり、発電機に対し、風力による回転を増速して動力を伝える必要がない。そこで、図１７に示すように、増速ギアを介さずに、プロペラ１の回転軸２にジョイント５を介して電動機３の回転軸４を直結することが可能となる。このようにギアを用いないため、発電装置の小型化及び低騒音化が図れる。
【００７７】
なお、上記の各実施形態では、同一固定子コア内に２つの発電機を構成した２発電モータをベースに説明してきたが、同一固定子コア内に３以上の複数の発電機を構成したモータ構成であっても本発明の思想は同様に適用できる。この場合、例えば複数の発電機のうちの少なくとも１つが前述の各実施形態の技術思想を満たすよう制御されるようにすれば、各実施形態で述べたものと同様の効果が得られる。また、上記の説明では電動機（発電機）は副突極を含まない例を用いて説明したが、各固定子突極全てあるいは特定の突極にさらにコギングトルクを低減する目的で副突極を設けることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明は風力発電装置に有用である。その他、本発明は、動力として水力、波力、内燃機関、外燃機関、または地熱タービンを用いて発電する発電装置にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明に係る風力発電装置の実施の形態１の構成図
【図２】風力発電装置に用いられる電動機（多又モータ）の構造を示した図
【図３】第１及び第２発電機Ｇ１，Ｇ２の回転数（ω）と出力電圧（Ｖ）の関係を示した図
【図４】本発明に係る風力発電装置の実施の形態２の構成図
【図５】本発明に係る風力発電装置の実施の形態３の構成図
【図６】制御電源である第２発電機の出力特性を示す図
【図７】第２発電機の高速回転域における出力を抑制するための巻線（制御巻線）の構成を示した図
【図８】第２発電機の高速回転域における出力を抑制するための巻線（制御巻線）の別の構成を示した図
【図９】本発明に係る風力発電装置の実施の形態４の構成図
【図１０】本発明に係る風力発電装置の実施の形態５の構成図
【図１１】５又２発電モータにおいて一の発電機を周波数発電機として使用する例を説明するための図
【図１２】５又２発電モータにおいて一の発電機をアナログ発電機として使用する例を説明するための図
【図１３】３又モータにおいて同一固定子コアに１つの発電機のみが形成された場合の巻線の配置を説明した図
【図１４】５又モータにおいて同一固定子コアに２つの発電機が形成された場合の巻線の配置を示した図
【図１５】同一相において直列巻線と並列巻線とを混在させた構成を説明するための図
【図１６】突極の中心が回転軸となす角度が略均等となるように配置された固定子の構成を示す図
【図１７】本発明に係る風力発電装置のギアレス構造を説明した図
【符号の説明】
【００８０】
１  プロペラ（風車）
３  電動機
１１、１３  インバータ
１５、１７  バッテリ
２１、２３  コンバータ
２５  制御回路
８０  回転子
８１  永久磁石
９０  固定子
９１  突極
９３ａ〜９３ｃ  巻線
Ｇ１、Ｇ２  電動機の同一固定子コア内に設けられた発電機
【図１】
2005295686.tif 000004
【図２】
2005295686.tif 000005
【図３】
2005295686.tif 000006
【図４】
2005295686.tif 000007
【図５】
2005295686.tif 000008
【図６】
2005295686.tif 000009
【図７】
2005295686.tif 000010
【図８】
2005295686.tif 000011
【図９】
2005295686.tif 000012
【図１０】
2005295686.tif 000013
【図１１】
2005295686.tif 000014
【図１２】
2005295686.tif 000015
【図１３】
2005295686.tif 000016
【図１４】
2005295686.tif 000017
【図１５】
2005295686.tif 000018
【図１６】
2005295686.tif 000019
【図１７】
2005295686.tif 000020