(57)【要約】【課題】  本発明では、複雑な構造を有することがなく、かつ優れた制動能力を有する小型発電機を提供することを目的とする。【解決手段】  ブレード５１が設けられた回転軸２１と、回転軸２１と一体に回転するローター２２、２３と、ローター２２、２３の回転方向に沿って交互に異極となるように設けられた複数個の磁石２２１、２３１と、磁石２２１、２３１と対向するように配置されたコイル２４１と、回転軸２１を支える軸受け３１とを備えた小型発電機１であって、軸受け３１には、ブレード５１の受ける力に応じて回転軸２１が軸方向へ移動するのを妨げる抵抗部材３３が備えられ、抵抗部材３３に抗して回転軸２１が一定距離移動した際にローター２３の回転を制動する制動装置４１が、ローター２３に近接して設けられてなる小型発電機１である。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブレードが設けられた回転軸と、前記回転軸と一体に回転するローターと、前記ローターの回転方向に沿って交互に異極となるように設けられた複数個の磁石と、前記磁石と対向するように配置されたコイルと、前記回転軸を支える軸受けとを備えた小型発電機であって、前記軸受けには、前記ブレードの受ける力に応じて前記回転軸が軸方向へ移動するのを妨げる抵抗部材が備えられ、前記抵抗部材に抗して前記回転軸が一定距離移動した際に前記ローターの回転を制動する制動装置が、前記ローターに近接して設けられてなる小型発電機。
【請求項２】
請求項１記載の小型発電機において、抵抗部材が、回転軸の軸方向に設けられた弾性体であることを特徴とする小型発電機。
【請求項３】
請求項１記載の小型発電機において、抵抗部材が、相対する面が同極となるように、回転軸の軸方向に離間して配置される複数の磁石であることを特徴とする小型発電機。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか記載の小型発電機において、制動装置が、ローターの回転面に接触するディスクブレーキパッドであることを特徴とする小型発電機。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか記載の小型発電機において、制動装置が、ローターの回転に対して反トルクを発生するプリントコイルであることを特徴とする小型発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型発電機に関する。さらに詳しくは、風力、水力、波力等を利用した小型発電機の技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
化石燃料等の代替エネルギーとして、風力発電、水力発電、波力発電等のクリーンエネルギーが注目されており、近年では特に、弱風、微風、波等の微小エネルギー条件下においても発電可能な小型発電機の普及が望まれている。
【０００３】
発電機には、風、水、波等の入力エネルギーをブレードにより回転エネルギーに変換し、これにより発電機を回し電気エネルギーを取り出すものがある。発電機には安定した出力が可能である定格出力が定められており、定格出力以上となる条件下においては出力の制御を行う必要があった。また、台風、津波等のように入力エネルギーが非常に大きい場合には、ブレードの停止を確実に行うことが必要であった。そのため、発電機では、ブレードの回転及び出力の制御、停止を行うための制動装置を備えている。
【０００４】
制動装置を用いた発電機として、特許文献１には、ピッチ制御方式を採用した発電機が開示されている。ピッチ制御装置は、風速・発電機出力を検知して、ブレードの取付角（ピッチ角）を変化させ出力を制御する装置である。そして、出力を制御するだけではなく、台風等の強風時にブレードの取付角を風向きに対して平行にすることでロータを停止させる機能（フェザリング機能）、回転数を制御することによって過回転を防止する機能を有している。しかしながら、ピッチ制御方式は、電気的制御方法を利用しており、装置が複雑、高価になるといった問題点があった。同様に、発電機の制動装置として、電気的制御方法を用いたものが特許文献２及び特許文献３に開示されているが、いずれも装置が複雑で高価となるため小型発電機の制動装置としては好ましくなかった。
【０００５】
また、特許文献４には、電気的制御方法を用いない発電機としてストール制御方式を用いた発電機が開示されている。ストール制御方式は、ブレードの取付角を固定とし、風速が一定以上になるとブレードの形状の空気特性で失速現象が起こることを利用して出力を制御する方法である。しかしながら、風速が大きくなったときの失速現象が大きく、制御が不安定となるという問題点があった。
【０００６】
そして、ストール制御方式におけるブレーキ装置として、ロータの過回転時にブレード先端部が遠心力の作用によって回転する空気ブレーキが用いられる場合がある。しかしながら、制動能力が不十分で、風速が強いのブレードの受ける力が非常に大きい場合には回転を止めることが難しかった。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−３０３２５５号公報
【特許文献２】特開２００２−３１７７４８号公報
【特許文献３】特開２００１−２７５３９６号公報
【特許文献４】特開平７−３２４６７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで本発明は、上記従来の状況に鑑み、複雑な構造を有することなく、かつ優れた制動能力を有する小型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】
【０００９】
前述の課題を解決するため、本発明に係る小型発電機は、特許請求の範囲の各請求項に記載の手段を採用する。
【００１０】
本発明の請求項１に係る小型発電機は、ブレードが設けられた回転軸と、前記回転軸と一体に回転するローターと、前記ローターの回転方向に沿って交互に異極となるように設けられた複数個の磁石と、前記磁石と対向するように配置されたコイルと、前記回転軸を支える軸受けとを備えた小型発電機であって、前記軸受けには、前記ブレードの受ける力に応じて前記回転軸が軸方向へ移動するのを妨げる抵抗部材が備えられ、前記抵抗部材に抗して前記回転軸が一定距離移動した際に前記ローターの回転を制動する制動装置が、前記ローターに近接して設けられてなる。
【００１１】
上記構成によれば、ブレードに加わる力が抵抗部材の抵抗力以上に大きくなると、回転軸は抵抗部材に抗して移動し、その距離が一定以上となった場合には、ローターに近接して設けられた制動装置によりローターの回転が制動される。
【００１２】
また、請求項２では、請求項１記載の小型発電機において、抵抗部材が、回転軸の軸方向に設けられた弾性体であることを特徴とする。
【００１３】
上記構成によれば、弾性体が有する弾性力が、回転軸の移動に対する抵抗力として作用する。また、抵抗部材を簡易に構成、配置することが可能となる。
【００１４】
さらに、請求項３では、請求項１記載の小型発電機において、抵抗部材が、相対する面が同極となるように、回転軸の軸方向に離間して配置される複数の磁石であることを特徴とする。
【００１５】
上記構成によれば、複数の磁石間に生じた斥力が、回転軸の移動に対する抵抗力として作用する。また、抵抗部材を簡易に構成、配置することが可能となる。
【００１６】
さらに、請求項４では、請求項１〜３のいずれか記載の小型発電機において、制動装置が、ローターの回転面に接触するディスクブレーキパッドであることを特徴とする。
【００１７】
上記構成によれば、ブレードに加わる力が大きくなり、回転軸が移動した際に、ローターの回転面がディスクブレーキパッドに接触するため、ディスクブレーキパッドの強力な摩擦抵抗力によりローターの回転が制動される。
【００１８】
さらに、請求項５では、請求項１〜３のいずれか記載の小型発電機において、制動装置が、ローターの回転に対して反トルクを発生するプリントコイルであることを特徴とする。
【００１９】
上記構成によれば、ブレードに加わる力が大きくなり、回転軸が移動した際に、プリントコイルに発生した力がローターの回転方向と反対方向に働き抵抗力となるため、ローターの回転を強力に制動することが可能となる。さらに、プリントコイルとローターとの距離に応じて抵抗力が変化するので、ローターの回転数を制御することが可能となる。
【発明の効果】
【００２０】
以上、本発明に係る小型発電機によれば、電気的な制御等を行うことなく、ブレードの受ける力に応じて自動的にローターの回転を制動することができるので、複雑な構造は不要であり、かつ優れた制動能力を有することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明に係る小型発電機の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２２】
本発明に係る小型発電機の実施の形態（１）を図１〜図３に示す。
【００２３】
図１、図２に示すように、実施の形態（１）に係る小型発電機１は、風力発電に用いられるものであって、ブレード５１が設けられた回転軸２１と、回転軸２１に固定されたローター２２及びローター２３と、ローター２２とローター２３の回転方向に沿って交互に異極となるように設けられた複数個の磁石２２１及び磁石２３１と、磁石２２１と磁石２３１と対向するように配置されたコイル２４と、回転軸２１を支える軸受け３１とを備える。そして、軸受け２１には回転軸２１を軸方向へ移動させる弾性部材３２が備えられる。さらに、前記弾性部材３２に抗して回転軸２１が移動した際に、ローター２３の回転面に接触するディスクブレーキパッド４１が備えられる。
【００２４】
回転軸２１は、ブレード５１で受けた力を回転力に変えるためのもので、ブレード５１が回転一体に取り付けられいる。また、回転軸２１は、ケーシング１０に対して、ベアリング１０２及びポリテトラフルオロエチレンパテ１０３により回転自在となるように支持されている。そして、先端部２１０は円錐状に形成されており、軸受け３１により支えられる構成となっている。
【００２５】
また、ローター２２には、回転軸を中心とする円周方向に沿って円柱状の磁石２２１が交互に異極となるように配置される。すなわち、隣接する磁石同士が軸方向に対して相反する極性もつように配置される。また、もう一つのローター２３にも同様に、円周方向に沿って円柱状の磁石２３１が交互に異極となるように配置される。そして、磁石２２１と磁石２３１とが対向して、かつその対向面が異極となるように、ローター２２及びローター２３は回転軸２１にそれぞれ固定される。このため、磁石から生じる磁束線が磁石２２１、磁石２３１間に密に形成される。
【００２６】
ローター２２、ローター２３に用いられる材質としては、真鍮、アルミニウム、ステンレス等の非磁性体を用いることが好ましい。非磁性体を用いた場合には、磁束線が磁石２２１と磁石２３１との間に形成されるのを妨げることがない。一方、磁性体を用いた場合には、磁石２２１及び磁石２３１から生じる磁束線がそれぞれローター２２とローター２３へと漏れることとなる。
【００２７】
また、磁石２２１、磁石２３１に用いる永久磁石の種類としては、アルニコ磁石、フェライト磁石、希土類磁石等を用いることができるが、磁束密度の高いＮｄ−Ｆｅ−Ｂ焼結磁石、Ｓｍ−Ｃｏ焼結磁石等の希土類磁石を用いることが好ましい。希土類磁石を用いることで、磁石２２１、磁石２３１の体積及び重量を小さくすることができ、ローター２２、ローター２３の軽量化がなされる。これにより、ローター２２、２３の回転速度を大きくさせ、出力を向上させることが可能となる。
【００２８】
次に、プレート２４には、磁石２３１及び磁石２３２と対向する位置にコイル２４１が設けられている。コイル２４１は導線２４２を芯材２４３に巻いたものであり、芯材２４３としては磁性体が用いられる。コイル２４１の中心に芯材２４３があるため、導線２４２の巻き線が容易となる。また、磁石２２１、磁石２３１から周辺に漏れる磁束を少なくでき、漏れ磁束による渦電流損失を低減できる。プレート２４に用いられる材質としては、真鍮、アルミニウム、ステンレス等の非磁性体を用いることが好ましい。プレート２４の材質として、非磁性体を用いることで、磁石２２１と磁石２３１との間の磁束線の形成を妨げることがない。一方、磁性体を用いた場合には、磁石２２１、磁石２３１から生じる磁力線がプレート２４へと漏れることとなる。
【００２９】
なお、芯材２４３に用いられる磁性体としては、パーマロイ、アモルファス、純鉄、珪素鋼板等の高透磁率を有するものを用いることが好ましい。これにより、磁石２２１、磁石２３１から発生する磁束が飽和することなく、芯材２４３を透ることが可能となる。
【００３０】
また、軸受け３１は、回転軸２１を支えるためのもので、ケーシング１０の底部１１に設けられる。軸受け３１は永久磁石からなり、その回転軸２１を支える面はピポット状に形成されている。このため、回転軸２１の先端部と軸受け３１とは点接触となるため摩擦抵抗が小さい。このため、ブレード５１が受けた風力を効率良く回転軸の回転エネルギーへと変えることが可能となる。
【００３１】
そして、軸受け３１には回転軸の軸方向にバネ３３が備えられており、バネ３３の他端は磁石３２に固定されている。軸受け３１は、永久磁石からなり、磁石３２と相対する面が同極となるように構成されている。磁石３２はケーシング１０の底部１０１に嵌め込み固定されている。軸受け３１と磁石３２に用いられる永久磁石の種類としては、アルニコ磁石、フェライト磁石、希土類磁石等が使用可能であり、小型発電機１の定格出力等に応じて適宜設定可能である。
【００３２】
また、ディスクブレーキパッド４１は、回転軸２１が軸方向に移動した際に、ローター２３の回転を制動するためのもので、ローター２３と軸受材３１との間の位置に配置され、ケーシング１０に固定されている。ディスクブレーキパッドの材質としては、ノンアスベスト材、セミメタリック材、カーボンメタリック材、メタリック材のいずれを用いることも可能である。
【００３３】
実施の形態（１）に係る小型発電機１によると、ブレード５１が風を受けると、回転軸２１が回転され、風力は回転エネルギーへと変換される。この際、回転軸の軸受け３１がピポット式に形成されているため、摩擦抵抗が少なく、ブレード５１で受けた力を効率良く回転エネルギーへと変換することが可能となる。
【００３４】
次に、回転軸２１が回転されると、第１のローター２２及び第２のローター２３が回転され、磁石２２１、磁石２３１についても同期回転される。そして、磁石２２１ａ、２３１ａは、ケーシング１０に固定された各コイル２４１の上下を通過する。この際、磁石２２１ａ、磁石２３１ａにより形成された磁束線はコイルの芯材２４３を透り、回転に応じて磁束が変化する。このため、各コイル２４１では誘導起電力を生じ、発電が行われる。そして、次の磁石２２１ｂ、磁石２３１ｂは磁束の向きが逆向きとなるように設けられているので、コイル２４１の上下を通過する際に逆の誘導起電力を生じる。このようにローターを連続的に回転させることで、交流電圧を得ることが可能となる。また、磁石２２１、磁石２３１がコイル２４１を通過する際の磁束変化が大きくなるので、大きな誘導起電力を得ることが可能となる。
【００３５】
そして、風力が強くなり、ブレード５１に加わる負荷が大きくなるのに伴い、回転軸の軸方向に対して力が加わることとなる。図３に示すように、ブレード５１にかかる負荷が一定値以上に大きくなった場合には、軸受け３１に備えられたバネ３３の抵抗力、及び軸受け３１と磁石３２との間に生じた斥力に抗して回転軸２１が移動し、ローター２３はディスクブレーキパッド４１に接触する。これにより、ローター２３の回転力に対して強い摩擦抵抗力が働き、回転数の上昇が抑えられる。ブレード５１に加わる負荷がさらに強くなった場合には、ディスクブレーキパッド４１による強力な摩擦抵抗力によりローター２３の回転は停止される。
【００３６】
また、バネ３３の抵抗力、及び軸受け３１と磁石３２との間に生じる斥力は、回転軸２１の移動に伴い大きくなり、それに応じて回転軸２１の移動は小さく抑えられることとなる。このため、ディスクブレーキパッド４１による摩擦抵抗力を徐々に与えることが可能となるため、回転軸２１等に対して無用の衝撃を与えることがない。
【００３７】
なお、上記実施の形態（１）では、回転軸２１の軸方向への移動を妨げる抵抗部材として、相対する面が同極となる軸受け３１及び磁石３２と、バネ３３とを用いたが、いずれか一方のみを用いることも可能である。また、バネ以外にも弾性力を有する弾性部材であれば用いることもでき、ゴム等が挙げられる。
【００３８】
また、上記実施の形態（１）では、回転体として２つのローター２２とローター２３を使用し、間にコイル２４１を設けているが、３つ以上のローターを使用し、各ローター間にコイルを設ける構成を採用することも可能である。
【００３９】
さらに、上記実施の形態（１）では、コイル２４１に芯材２４２を備えているが、芯材を用いないコアレスコイルを用いることも可能である。コアレスコイルを用いた場合には、芯材の磁性体による渦電流損失等の問題を解消することが可能となる。また、上記実施の形態（１）では、ディスクブレーキパッド４１は２つ設けられているが、１つであってもよい。
【００４０】
続いて、本発明に係る小型発電機の実施の形態（２）を図４に示す。
【００４１】
図４に示すように、実施の形態（２）に係る小型発電機は、実施の形態（１）に示した小型発電機１において、ディスクブレーキパッド４１が、ローター２２の回転面と接触するように、ローター２２とプレート２４との間に設けられている。
【００４２】
ディスクブレーキパッド４１は、磁石２２１とコイル２４１との間に形成される磁束線を妨げないように配置されることが好ましい。それ以外の構成については、実施の形態（１）と同様に行うことができる。
【００４３】
実施の形態（２）に係る小型発電機１によると、ブレード５１にかかる負荷が一定値以上に大きくなった場合には、軸受け３１に備えられたバネ３３の抵抗力、及び軸受け３１と磁石３２との間に生じた斥力に抗して回転軸２１が移動し、ローター２２はディスクブレーキパッド４１に接触する。これにより、ローター２２の回転力に対して強い摩擦抵抗力が働き、回転数の上昇が抑えられる。そして、ブレード５１に加わる負荷がさらに強くなった場合には、ディスクブレーキパッド４１による強力な摩擦抵抗力によりローター２２の回転は停止される。それ以外の作用については、実施の形態（１）に係る小型発電機と同様に奏される。
【００４４】
続いて、本発明に係る小型発電機の実施の形態（３）を図５に示す。
【００４５】
図５に示すように、実施の形態（３）に係る小型発電機は、実施の形態（１）に示した小型発電機において、制動装置がプリントコイル４２から構成されている。
【００４６】
プリントコイル４２は、ローター２３と軸受材３１との間の位置に配置され、電流が印加される。プリントコイル４２の基板としてはエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂などを用いることができる。また、基板上のパターンには銅等を用いることが好ましい。パターンの形状としては、円形、楕円形、四角形等種々の形状にすることが可能である。また、単相のプリントコイルを積層させて用いることも可能である。それ以外の構成については、実施の形態（１）と同様に行うことができる。
【００４７】
実施の形態（３）に係る小型発電機１によると、ブレード５１に加わる負荷が大きくなるにつれて、回転軸の軸方向に対して力が加わることとなる。風力が定格出力以上に大きくなった場合には、軸受け３１に備えられたバネ３３の抵抗力、及び軸受け３１と磁石３２との間に生じた斥力に抗して回転軸２１は移動し、ローター２３はプリントコイル４２に近づけられる。すなわち、ローター２３に設けられた磁石２３１がプリントコイル４２に近づき、磁石２３１の磁力線がプリントコイル４２に及ぶことになる。この際、プリントコイル４２に電流が印加されているため、フレミング則により、ローター２３の回転力に対して反トルク（抵抗力）が働く。これにより、ローター２３の回転数の上昇が抑えられる。
【００４８】
そして、ブレード５１に加わる負荷がさらに強くなった場合には、磁石２３１がプリントコイル４１にさらに接近し、プリントコイル４１による強力な反トルクが生じるためローター２３の回転は停止される。上記以外の作用については、実施の形態（１）に係る小型発電機と同様に奏される。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施の形態（１）に係る小型発電機の斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明の実施の形態（１）に係る小型発電機において、制動装置が働いた状態を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態（２）に係る小型発電機の断面図である。
【図５】本発明の実施の形態（３）に係る小型発電機の断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１                  小型発電機
１０                ケーシング
１０１              底部
１０２              ベアリング
１０３              ポリテトラフルオロエチレンパテ
２１                回転軸
２２、２３          ローター
２２１、２３１      磁石
２２１ａ、２３１ａ  磁石
２２１ｂ、２３１ｂ  磁石
２４                プレート
２４１              コイル
２４２              導線
２４３              芯材
３１                軸受材
３２                磁石
３３                バネ
４１                ディスクブレーキパッド
４２                プリントコイル
５１                ブレード
【図１】
2005218263.tif 000003
【図２】
2005218263.tif 000004
【図３】
2005218263.tif 000005
【図４】
2005218263.tif 000006
【図５】
2005218263.tif 000007