(57)【要約】【課題】風力発電機の風車が高速回転すると出力端子を短絡させても発電機消費エネルギーよりも風車の出力が大で発電機が減速しない問題の解消。【解決手段】発電機に、発電出力を重視した構成の場合よりも極数を減らして電圧周波数ｆを下げ、コイルの巻線方法を分布巻にした構成を採用してインダクタンスＬを下げてＲを増加させる手段を採用し、短絡時の発電機消費エネルギーを大きくできるようにして、発電機及び電子回路の構造を複雑化することなく、発電機出力の短絡により風車の回転を減速可能にした。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車による発電機の過回転を発電機の短絡電流による電磁ブレーキを利用して減速可能にした電気回路と、発電時の発電電圧と電流を変化させることなく短絡時の電気回路のインピーダンスの配分を変化させて、誘導リアクタンスを減じ実効成分である抵抗Ｒを増加させる手段とを有し、風車の出力よりも短絡時の発電機消費エネルギーを大きくする風力発電機。
【請求項２】
誘導リアクタンスを減じ抵抗Ｒを増加させる手段として、発電機が少極数で分布巻コイルを有する構成である請求項１に記載の風力発電機。
【請求項３】
風車による発電機の過回転を発電時の短絡電流による電磁ブレーキを利用して減速するに際し、発電機の発電電圧と電流を変化させることなく短絡時の電気回路のインピーダンスの配分を変化させて、誘導リアクタンスを減じ実効成分である抵抗Ｒを増加させる手段を用い、風車の出力よりも短絡時の発電機消費エネルギーを大きくする風力発電機の設計方法。
【請求項４】
誘導リアクタンスを減じ抵抗Ｒを増加させる手段として、発電機に少極数で分布巻コイルを有する構成を採用する請求項４に記載の風力発電機の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、発電機出力の短絡により風車の回転を減速することができる風力発電機とその設計方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
風力発電は、風力エネルギーを発電機により電気エネルギーに変換することにより発電を行うもので、一般的に風車と交流発電機とから構成される。
【０００３】
この風力発電システムは、数ｋＷ程度の比較的小型のものから、数百ｋＷを超える大型のものまであり、通常、秒速２ｍ程度から１５ｍ程度の風速において発電を行うように設計されている。
【０００４】
この上限を超える風速においては、風力発電システムが極端な過出力状態となり、過回転により風車や交流発電機が損傷などを招くため、強風時にはこれを防止する保護機構が施されているのが一般的である。
【０００５】
この保護装置としては、風車のブレードがフェザリング機構を有して回転数を落とす方法があるが、風車に機械機構を内蔵する必要があり、小型の風車には不適である。また、かかる保護装置として、制動ディスクなどを用いて機械的に減速する方法、あるいは発電機の短絡電流による電磁ブレーキを利用して減速する方法が知られている。
【０００６】
例えば、機械的に減速する方法として、特開２００２−３０３２５５号公報には油圧式のディスクブレーキを用いる方法が提案されている。また、発電機出力の短絡による電磁ブレーキを利用した減速方法としては、例えば、特開２０００−１９９４７３号公報及び特開２００２−３３９８５６号公報などが提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前者の機械的に減速する方法では、風力発電システムの構造が複雑になり、システム保守の問題がある。また、制御回転速度の設定を自由に行うことができないという問題があった。
【０００８】
また、後者の電磁ブレーキを利用して減速する方法では、巻線仕様によっては十分な制動トルクが得られないという問題があり、特に、開２００２−３３９８５６号公報では回路が複雑になるなどの問題があった。
【０００９】
この発明は、風力発電機の構造及び電子回路の構造を複雑化することなく、発電機出力の短絡により風車の回転を減速することができる風力発電機とその設計方法の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、電磁ブレーキを利用して減速する方法について種々検討した結果、風車が高速回転（例えば１０００ｒｐｍ以上）している時に、出力端子を短絡させると、発電機消費エネルギーよりも風車の出力が大となって、発電機が減速しない場合があるということを知見した。
【００１１】
そこで、発電機出力を低下させることなく、すなわち発電電圧Ｖ、電流Ｉを変化させることなく、出力端子短絡時に発電機消費エネルギーを増加させる方法を検討した。発明者らは、出力端子短絡時に発電機消費エネルギー（Ｉ２Ｒ）を増加させるためにはインピーダンスを変えないで、抵抗Ｒを増加させる、インピーダンス配分を変えωＬ／Ｒを低下させる、つまりωＬを低下させることが必要であると考え、その具体的手段を鋭意研究した。
【００１２】
発明者らは、風車の回転数を同じとした場合、電圧周波数ｆを下げるには、発電出力を重視した発電機よりも極数を減らすこと、インダクタンスＬを下げ、Ｒを増加させるには、コイルの巻線方法を分布巻にすることが最適な手段であることを知見し、それらの構成を採用することよって、風車の回転を安定して減速できることを確認し、この発明を完成した。
【００１３】
すなわち、この発明は、風車による発電機の過回転を発電機の短絡電流による電磁ブレーキを利用して減速可能にした電気回路を有し、発電機の発電電圧と電流を変化させることなく短絡した電気回路のインピーダンスの配分を変化させて、誘導リアクタンス（ωＬ）を減じ実効成分である抵抗Ｒを増加させる手段を有し、風車の出力よりも短絡時の発電機消費エネルギーを大きくすることを特徴とする風力発電機とその設計方法である。
【００１４】
また、この発明は、上記構成の風力発電機において、誘導リアクタンス（ωＬ）を減じ抵抗Ｒを増加させる手段として、発電機に少極数で分布巻コイルを有する構成を採用する風力発電機である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１に示すこの発明による風力発電機は、８極２４スロットであり、コイルは、３相Ｙ結線、分布巻（直列）されている。図２に示す従来の風力発電機は、１６極１８スロットであり、コイルは、３相Ｙ結線、集中巻（２コイル並列／相）されている。
【００１６】
図１に示すこの発明による風力発電機と、図２に示す従来の風力発電機とは、発電機の外径、長さ、発電電圧を同じとした場合、この発明による風力発電機の方が、極数を減少させている分、電圧周波数ｆが低下する。また、コイル巻線を分布巻にしているので、インダクタンスＬを下げ、Ｒを増加させることができる。従って、発電機消費エネルギー（Ｉ２Ｒ）が増加する。
【００１７】
すなわち、図３により説明すると、発電電圧Ｖ、電流Ｉは変えない、言い換えれば、インピーダンスＺ（＝Ｒ２＋（ωＬ）２）１／２）は変化させずに、かつ、発電機の外径、長さを同じとした場合、図２に示す従来の発電機は、図３Ａに示す如き消費エネルギーであるといえる。この場合、発電機消費エネルギーは小さく、発電機消費エネルギーよりも風車の出力が大となり、発電機を減速することができない。
【００１８】
一方、図１に示すこの発明による発電機は、上記インピーダンスＺの配分を変化させ、ωＬ／Ｒ（ωＬ＝２πｆＬ）を小さくするとともに、実効成分であるＲを大きくする。これは図３Ｂに示す如く、Ｉ＝Ｉ’、Ｒ’＞Ｒ、ωＬ’＜ωＬで、すなわち、極数を減少させることによりω（＝２πｆ）を小さくし、コイル巻線を分布巻にすることにより、インダクタンスＬを下げ、Ｒを大きくする。
【００１９】
これによって、電流Ｉを変化させることなく、短絡時の発電機消費エネルギーを増加させることができ、風車の出力よりも発電機消費エネルギーを大とすることができ、発電機を安定して減速することが可能になる。
【００２０】
この発明の発電機は、コイルを分布巻することが特徴である。コイル線径、ターン数は、発電機の形状、出力などによって適宜選定すればよい。また、発電機の構造としては、図１に示すインナーロータ型でもよいし、アウターロータ型でも構わない。使用する磁石は、高性能なＲ−Ｆｅ−Ｂ系永久磁石を用いることが好ましい。
【００２１】
以上を要するに、この発明による風力発電機の設計方法は、風車による発電機の過回転を発電機の短絡電流による電磁ブレーキを利用して減速するに際し、当該発電機の発電電圧と電流を変化させることなく、短絡した電気回路のインピーダンスＺの配分を変化させて、誘導リアクタンス（ωＬ＝２πｆＬ）を減じ実効成分である抵抗Ｒを増加させる手段を用いることにより、風車の出力よりも短絡時の発電機消費エネルギー（Ｉ２Ｒ）を大きくすることができる。
【００２２】
【実施例】
実施例１
図１に示すこの発明による風力発電機を製作した。発電機の構成、諸特性は以下のとおりである。
発電機は、外径１５０ｍｍ、長さ３５ｍｍ、構造は８極２４スロット、巻線は３相Ｙ結線、分布巻（直列）である。コイル線径は０．９ｍｍであり、１４ターン／コイル×２並列とした。電気特性は、発電電圧５３．７Ｖ／ｋｒｐｍ、直流抵抗０．７６Ω、インダクタンス０．００２７Ｈであった。
【００２３】
図４にこの発明による風力発電機の発電機特性を示す。図中、白丸印は規格値、黒丸印は測定値を示す。また、表１に、発電電圧（Ｖ）及びＲ（Ω）、ωＬ（Ω）、ωＬ／Ｒのそれぞれの値と短絡時の消費エネルギー（Ｗ）を示す。
【００２４】
比較例１
図２に示す従来の風力発電機を作製した。発電機の構成、諸特性は以下のとおりである。
発電機は、外径１５０ｍｍ、長さ２７ｍｍ、構造は１６極１８スロット、巻線は３相Ｙ結線、集中巻（２コイル並列／相）である。コイル線径は１．０ｍｍであり、４８ターン／コイルとした。電気特性は、発電電圧５４．０Ｖ／ｋｒｐｍ、直流抵抗０．３３Ω、インダクタンス０．００２３Ｈであった。
【００２５】
表１に、発電電圧（Ｖ）及びＲ（Ω）、ωＬ（Ω）、ωＬ／Ｒのそれぞれの値と短絡時の消費エネルギー（Ｗ）を示す。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
表１から明らかなように、この発明による風力発電機は、従来の風力発電機に比べ、発電電圧（Ｖ）はほぼ同じでありながら、Ｒが大きく、ωＬ、ωＬ／Ｒが小さく、短絡時の消費エネルギーが大きく向上していることが分かる。
【００２８】
風車の出力は、実施例と比較例ともに１０００ｒｐｍで４１９Ｗであるため、比較例の消費エネルギー（２５２Ｗ）では、回転出力を下回り、減速することができないが、この発明によれば、消費エネルギーは１３３２Ｗとなり、安定した減速が可能となることが分かる。
【００２９】
【発明の効果】
この発明によれば、風力発電機及び電子回路の構造を複雑化することなく、風車による発電機の過回転を発電機の短絡電流による電磁ブレーキを利用して減速する際、短絡時の消費エネルギーを風車の出力より大きくすることができ、確実に風車の回転を減速することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による風力発電機の構成例を示す断面説明図であり、発電機構造は、８極２４スロットであり、コイルは、３相Ｙ結線、分布巻（直列）されている。
【図２】従来の風力発電機の構成例を示す断面説明図あり、発電機構造は、１６極１８スロットであり、コイルは、３相Ｙ結線、集中巻（２コイル並列／相）されている。
【図３】Ａ，Ｂは発電機消費エネルギーの増加方法を示す説明図である。
【図４】発電特性（回転数と発電量との関係）を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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