(57)【要約】【課題】構成が簡単で、低速回転でも高速回転でも安定的に蓄電することができること。【解決手段】永久磁石を用いた複数の磁極を有するロータ１と、ロータ１に対向して配置されたステ−タ２がａ−ｂ線で１８０度方向に仮想的に分割された２つのグループＡ、Ｂからなり、各グループのスロット内には、巻き始めから巻き終わりまで複数の巻コイルを連結した３相コイルがそれぞれ２つずつ配置され、グループＡ、Ｂの同相コイルにおける巻コイルの巻方向は交互に逆向きであるが、同じスロット内では２つの巻コイルの巻方向は同じ向きになるように設定され、グループＡ、Ｂの３相コイルからそれぞれ独立に交流出力が取り出される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石を用いた複数の磁極を有するロータと、前記ロータに対向して配置されて、巻き始めから巻き終わりまで連結された複数のコイルを有するステ−タとを備え、前記ステ−タが１８０度方向に仮想的に分割された２つのグループからなり、前記２つのグループの各コイルの巻き始めと巻き終わりからそれぞれ独立に交流出力を取り出すことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記２つのグループの同相のコイルにおける隣接するコイルの巻方向は交互に逆向きであることを特徴とする請求項１記載の発電装置。
【請求項３】
前記コイルは、複数の巻コイルを連結したものからなり、各巻コイルが前記ステータのスロット内に配置されている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２つのグループのスロット内に巻コイルが半径方向に２つずつ配置されており、前記同一スロット内の２つの巻コイルの巻方向は同一であ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２つのグループからそれぞれ独立に取り出された交流出力をそれぞれ全波整流して２つの直流電圧を取り出し、前記２つの直流電圧をそれぞれ第１および第２の蓄電池に蓄電することを特徴とする請求項１ないし４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、低速回転でも高速回転でも安定的に発電可能な発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば風力発電機では、弱風でも強風でも安定的に発電できることが好ましく、このための改善案が提案されている（例えば、特許文献１参照）。これは、弱風下ではロータの回転速度が低速でも蓄電に必要な所定電圧を発生するように、また、強風下では、蓄電に必要な所定の電圧でかつ出力電流が大きくなるように、巻線コイルの結線を切り替える結線切替機構を設けたものである。すなわち、風力が弱から強に変化するときは、複数の巻線コイルの結線をスター結線からデルタ結線に切り替え、風力が強から弱に変化するときは、複数の巻線コイルの結線をデルタ結線からスター結線に切り替えるようにしたものである。
【特許文献１】特開２０００−１９７３９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記したような低速回転と高速回転とで巻線コイルの結線を切り替える結線切替機構を設けた従来の発電機では、構成が複雑になるという問題があった。
【０００４】
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたもので、構成が簡単で、低速回転でも高速回転でも安定的に蓄電することのできる発電装置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】
【０００５】
本発明の発電装置は、永久磁石を用いた複数の磁極を有するロータと、前記ロータに対向して配置されて、巻き始めから巻き終わりまで連結された複数のコイルを配置したステ−タとを備え、前記ステ−タが１８０度方向に仮想的に分割された２つのグループからなり、前記２つのグループの各コイルの巻き始めと巻き終わりからそれぞれ独立に交流出力を取り出すことを特徴とする。この構成により、１つの発電機から２つの個別の交流出力が取り出せるため、低速回転でも高速回転でも安定的に蓄電することができる。すなわち、発電機において、低速回転で発電を開始して充電を始められるように、低電圧例えば１２Ｖの蓄電池を用いた場合、発電機の定格出力を１ＫＷと設定すると、１ＫＷ発電時には１２Ｖの蓄電池には発電効率を考慮して７０Ａ〜７５Ａ程度の電流が流れることになり、１２Ｖの蓄電池では容量オーバになり、蓄電池の寿命が短くなってしまう。これに対し、本発明によれば、１つの発電機から２つの出力を取り出すため、１ＫＷ発電時にも、２つの出力からそれぞれ３５Ａ〜３８Ａ程度の出力を取り出すことができ、１２Ｖの蓄電池でも蓄電が可能となる。したがって、低速回転でも高速回転でも安定的に蓄電が可能となる。また、本発明によれば、ステータが仮想的に２分割され、それぞれから交流出力を取り出すので、コギングトルクの影響を軽減することができる。このため、ロータの回転開始がスムーズに行われ、本発明を風力発電機に適用した場合には、弱風でもスムーズに回転が開始され、直ちに発電を行うことができるので、発電効率を高めることができる。
【０００６】
また、本発明は、前記２つのグループの同相のコイルにおける隣接するコイルの巻方向は交互に逆向きであることを特徴とする。この構成により、同相コイルにおける隣接するコイルの誘起電圧の極性を揃えることができる。
【０００７】
また、本発明は、前記コイルが、複数の巻コイルを連結したものからなり、各巻コイルが前記ステータのスロット内に配置されていることを特徴とする。この構成により、コイルは予め所定の寸法、個数、巻数、巻方向で巻いて連結しておき、これをステータのスロット内に配置すればよく、従来のようにステータの各歯にコイルを巻き付ける場合に比べて手間が省け、生産性を向上させることができる。
【０００８】
また、本発明の好ましい実施の態様では、前記２つのグループのスロット内に巻コイルが半径方向に２つずつ配置されており、前記同一スロット内の２つの巻コイルの巻方向は同一であることを特徴とする。この構成により、各スロット内に配置するコイルの数を２つにして巻数またはコイルの線長を増やすことができ、大きな出力電圧を取り出すことができる。
【０００９】
また、本発明は、前記２つのグループからそれぞれ独立に取り出された交流出力をそれぞれ全波整流して２つの直流電圧を取り出し、前記２つの直流電圧をそれぞれ第１および第２の蓄電池に蓄電することを特徴とする。この構成により、強風時の高速回転でも、２つの蓄電池にそれぞれ別々に蓄電することができ、低電圧の蓄電池が可能になる。そして、必要な場合には、２つの蓄電池を直列に繋いで倍の電圧を得ることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、永久磁石を用いた複数の磁極を有するロータと、ロータに対向して配置されて、巻き始めから巻き終わりまで連結された複数のコイルを配置したステ−タとを備え、ステ−タが１８０度方向に仮想分割された２つのグループからなり、２つのグループの各コイルの巻き始めと巻き終わりからそれぞれ独立に交流出力を取り出すようにしたので、構成が簡単で、低速回転でも高速回転でも安定的に蓄電することができる。また、本発明によれば、ステータが仮想的に２分割され、それぞれから交流出力を取り出すので、コギングトルクの影響を軽減することができる。このため、ロータの回転開始がスムーズに行われ、本発明を風力発電機に適用した場合には、弱風でもスムーズに回転が開始され、直ちに発電を行うことができるので、発電効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明を３相の交流発電機に応用した例を示している。ロータ１０１は、永久磁石を円周方向に均等に６極配置したものである。ステータ２は、歯が円周方向に均等に１２極配置されたもので、ａ−ｂ線で仮想的にＡグループとＢグループとに２分割されている。Ａグループのステータ部分の６個のスロット内には、Ｕａを巻き始めとしＵｂを巻き終わりとする右、左の順で巻かれた２つの巻コイルを有する第１のコイル３が配置され、これに隣接してＶａを巻き始めとしＶｂを巻き終わりとする右、左の順で巻かれた２つの巻コイルを有する第２のコイル４が配置され、さらにこれに隣接してＷａを巻き始めとしＷｂを巻き終わりとする右、左の順で巻かれた２つの巻コイルを有する第３のコイル５が配置されている。Ｂグループのステータ部分の６個のスロット内にも同様に、Ｘａを巻き始めとしＸｂを巻き終わりとする右、左の順で巻かれた２つの巻コイルを有する第１のコイル６が配置され、またこれに隣接してＹａを巻き始めとしＹｂを巻き終わりとする右、左の順で巻かれた２つの巻コイルを有する第２のコイル７が配置され、これに隣接してＺａを巻き始めとしＺｂを巻き終わりとする右、左の順で巻かれた２つの巻コイルを有する第３のコイル８が配置されている。そして、Ａグループの３つのコイルの巻き終わりＵｂ、Ｖｂ、Ｗｂが互いに結合され、巻き始めＵａ、Ｖａ、Ｗａから３相の交流が取り出され、Ｂグループも３つのコイルの巻き終わりＸｂ、Ｙｂ、Ｚｂが互いに結合され、巻き始めＸａ、Ｙａ、Ｚａから３相の交流が取り出される。このような構成により、構成が簡単で、低速回転でも高速回転でも安定して蓄電可能な発電機を実現することができる。
【００１２】
（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態における３相の交流発電機の別の例を示している。図２において、ロータ１は、リング状のバックヨークに対しＳ極とＮ極の永久磁石を円周方向に交互に３６度の等間隔で配置した１０極を有するもので、図示されない風車の羽根車に連結された回転軸に固定される。このロータ１の内側には、円周方向に１２度の等間隔に３０スロット、３０歯を有する薄板の珪素鋼鈑を積層したステータコアの各スロット内に巻コイルを２つずつ配置したステータ２が、ロータ１に対し同心的に配置されている。このステータ２は、ロータ１の回転軸に対し緩く嵌合し、この発電機のケーシングに回動不能に固定されている。ステータ２は、例えばａ−ｂ線で仮想的にＡグループとＢグループとに２分割されている。グループＡのスロットには３相のコイルＵ、Ｖ、Ｗが配置され、グループＢのスロットには３相のコイルＸ（Ｕと同相）、Ｙ（Ｖと同相）、Ｚ（Ｗと同相）が配置されている。具体的には、グループＡのスロットＡ1〜Ａ3内には、コイルの巻き始めＵａ、Ｖａ、Ｗａからの巻コイルが１つずつ配置され、スロットＡ4〜Ａ15にはそれに続く２個ずつの巻コイルがそれぞれ配置され、スロットＢ15〜Ｂ13にはそれぞれ巻き終わりＵｂ、Ｖｂ、Ｗｂに至る巻コイルが１個ずつ配置されている。また、グループＢの巻コイルは、スロットＡ1〜Ａ3内に、巻き始めＸａ、Ｙａ、Ｚａからの巻コイルが１つずつ配置され、スロットＢ4〜Ｂ12にはそれに続く２個ずつの巻コイルがそれぞれ配置され、スロットＢ15〜Ｂ13にはそれぞれ巻き終わりＸｂ、Ｙｂ、Ｚｂに至る巻コイルが１個ずつ配置されている。各スロット内に巻コイルを２つずつ配置するのは、コイルの巻数すなわちコイルの線長を長くして出力を高めるためである。なお、本実施の形態におけるコイル配置の場合、ＡグループとＢグループとで巻き始めと巻き終わりが混在しているので、ａ−ｂの仮想分割線はスロットＡ2〜Ｂ14を通る線と考えることもできる。
【００１３】
次に、各スロットにおけるコイルの実際の配置方法について説明する。まず、図３（ａ）に示すように、１０個の巻コイル３１〜４０を連結したコイル３を用意する。コイル３は、各巻コイルの巻き方向が交互に順番に右、左になるように定められている。例えば、巻き始めの巻コイル３１は右巻き、次の巻コイル３２は左巻き、その次の巻コイル３３は右巻きである。３相発電機における同相どうしのコイルの巻き方向は、誘起電圧の極性を揃えるために、互いに逆方向になるように設定されるのが普通である。図３（ａ）に示すようなコイルを使用してこの条件を満たすため、本実施の形態では特別の工夫をしている。例えば、図３（ａ）の上側に示された巻コイル３２、３４、３６、３８、４０をスロットの上側に配置し、下側に示された巻コイル３１、３３、３５、３７、３９を下側に配置すると、上側に配置された巻コイルの巻方向は全て同じになってしまう。そこで、本実施の形態では、図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、上側および下側の巻コイルを１個置きに３３Ｒ、３４Ｒ、３７Ｒ、３８Ｒのように反転させて向きを変えることにより、隣接する巻コイルの巻方向が互いに逆になるようにしてある。
【００１４】
このようなコイルを３０スロットを有するステータコアに順番に配置する。まず、図４に示すように、グループＡのスロットＡ1、Ａ4、Ａ7、Ａ10、Ａ13、Ｂ15にＵ相の巻コイルを図３（ｂ）に示す順番に入れて樹脂により封止する（この段階では２つの巻コイルが入ったＡ4、Ａ7、Ａ10、Ａ13のみ封止する）。続いて、グループＢの巻コイルをスロットＡ1、Ｂ3、Ｂ6、Ｂ9、Ｂ12、Ｂ15にＸ相の巻コイルを図３（ｃ）に示す順番に入れて樹脂により封止する（この場合は、Ｘ相の巻コイル４０を入れた後にＵ相の巻コイル４０を入れて封止する。）。同様にして、図５に示すように、グループＡのスロットＡ2、Ａ5、Ａ8、Ａ11、Ａ14、Ｂ14にＶ相の巻コイルを図３（ｂ）に示す順番に入れて樹脂により封止し、続いて、グループＢの巻コイルをスロットＡ2、Ｂ2、Ｂ5、Ｂ8、Ｂ11、Ｂ14にＹ相の巻コイルを図３（ｃ）に示す順番に入れて樹脂により封止する。さらに、同様にして、図６に示すように、グループＡのスロットＡ3、Ａ6、Ａ9、Ａ12、Ａ15、Ｂ13にＷ相の巻コイルを図３（ｂ）に示す順番に入れて樹脂により封止し、続いて、グループＢの巻コイルをスロットＡ3、Ｂ1、Ｂ4、Ｂ7、Ｂ10、Ｂ13にＺ相の巻コイルを図３（ｃ）に示す順番に入れて樹脂により封止する。この結果、図２に示すように、例えばＡグループのロータ１の磁極Ｎ1、Ｎ2、Ｎ3に対向する３相の巻コイルＵ、Ｖ、Ｗは全て右巻きになり、磁極Ｓ1、Ｓ2に対向する３相の巻コイルＵ、Ｖ、Ｗは全て左巻きになり、Ｂグループの磁極Ｎ4、Ｎ5に対向する３相の巻コイルＸ、Ｙ、Ｚも全て右巻きになり、磁極Ｓ3、Ｓ4、Ｓ5に対向する３相の巻コイルＸ、Ｙ、Ｚも全て左巻きになり、同相コイルにおいて隣接する巻コイルの巻方向は交互に逆向きとなる。そして、図７に示すように、Ａグループのコイルの巻き終わりＵｂ、Ｖｂ、Ｗｂが互いに接続されてニュートラルとなり、巻き始めＵａ、Ｖａ、Ｗａが発電出力端となり、Ｂグループのコイルの巻き終わりＸｂ、Ｙｂ、Ｚｂが互いに接続されてニュートラルとなり、巻き始めＸａ、Ｙａ、Ｚａが発電出力端となり、各グループにおける３相コイルはスター結線となる。
【００１５】
次に、このような発電機の動作について説明する。この発電機においては、ステータ２が、コイルの巻き方が同じで半径方向に仮想的に２分割された２つのグループＡおよびＢからなる。ロータ１が回転すると、ロータ１の回転磁界により各コイルには誘起電圧が発生し、各発電出力端Ｕａ、Ｖａ、ＷａとＸａ、Ｙａ、Ｚａから３相の交流が取り出される。各発電出力端から取り出された交流は、図８に示すような整流回路に導かれて直流に変換される。図８において、Ａグループの発電出力端Ｕａ、Ｖａ、Ｗａは、発電出力端子１１ａ、１１ｂ、１１ｃに接続され、Ｂグループの発電出力端Ｘａ、Ｙａ、Ｚａは、発電出力端子２１ａ、２１ｂ、２１ｃに接続されている。Ａグループにおいて、発電出力端子１１ａは整流ダイオード１２、１３の中間接続点に接続され、発電出力端子１１ｂは整流ダイオード１４、１５の中間接続点に接続され、発電出力端子１１ｃは整流ダイオード１６、１７の中間接続点に接続されている。そして、整流ダイオード１２、１４、１６の陽極がＤＣ出力端子１８ｂに接続され、整流ダイオード１３、１５、１７の陰極がＤＣ出力端子１８ａに接続されている。Ｂグループにおいても同様な構成になっており、発電出力端子２１ａは整流ダイオード２２、２３の中間接続点に接続され、発電出力端子２１ｂは整流ダイオード２４、２５の中間接続点に接続され、発電出力端子２１ｃは整流ダイオード２６、２７の中間接続点に接続されている。そして、整流ダイオード２２、２４、２６の陽極がＤＣ出力端子２８ｂに接続され、整流ダイオード２３、２５、２７の陰極がＤＣ出力端子２８ａに接続されている。このような整流回路により、各コイルに発生した交流は直流に全波整流されて、それぞれＤＣ出力端子１８ａ、１８ｂおよび２８ａ、２８ｂから取り出され、それぞれ２つの蓄電池に別々に蓄電される。
【００１６】
図９は発電機から取り出された２つの直流を２つの蓄電池を使用して合成する場合の結線例を示している。図９（ａ）は、発電機のＤＣ出力端子１８ａと２８ｂとを接続するとともに、ＤＣ出力端子２８ａを第１の蓄電池４１のプラス電極に接続し、ＤＣ出力端子１８ｂを第２の蓄電池４２のマイナス電極に接続し、さらに、第１の蓄電池４１のマイナス極と第２の蓄電池４２のプラス電極とを接続し、第１の蓄電池４１のプラス電極と第２の蓄電池４２のマイナス電極とをＤＣ出力端としたものである。また、図８（ｂ）は、発電機のＤＣ出力端子１８ａと２８ｂとを接続するとともに、ＤＣ出力端子２８ｂを第１の蓄電池４１のマイナス電極に接続し、ＤＣ出力端子１８ａを第２の蓄電池４２のプラス電極に接続し、さらに、ＤＣ出力端子２８ａを第１の蓄電池４１のプラス電極に接続するとともに、ＤＣ出力端子１８ｂを第２の蓄電池４２のマイナス電極に接続し、第１の蓄電池４１のプラス電極と第２の蓄電池４２のマイナス電極とをＤＣ出力端としたものである。このような結線を行うことにより、それぞれのＤＣ出力端には、第１の蓄電池４１および第２の蓄電池４２に個別に蓄電した場合の電圧（例えば１２Ｖ）の２倍の電圧（２４Ｖ）を取り出すことができる。
【００１７】
このように、本実施の形態によれば、永久磁石を用いた複数の磁極を有するロータ１と、ロータ１に対向して配置されたステ−タ２が１８０度方向に仮想分割された２つのグループＡ、Ｂからなり、各グループのスロット内には、巻き始めから巻き終わりまで複数の巻コイルを連結した３相コイルの巻コイルが２つずつが配置され、グループＡ、Ｂの同相コイルにおける巻コイルの巻方向は交互に逆向きであるが、同じスロット内における巻コイルの巻方向は同じ向きになるように設定し、グループＡ、Ｂからそれぞれ独立に交流出力を取り出すようにしたので、構成が簡単で、低速回転でも高速回転でも安定した蓄電が可能となる。そして、この発電機を風力発電用の発電機として使用した場合には、微風であってもロータが円滑に回転を開始して発電を効率的に行うことができる。
【００１８】
なお、上記の説明では、３相２組巻き分けの交流発電機について説明したが、単層２組巻き分けの交流発電機についても同様に実施可能である。また、上記の説明はアウターロータ型の発電機であるが、インナーロータ型の発電機にも同様に適用可能である。さらに、コイルをステータのスロット内に配置したが、ステータの歯にコイルを巻いても実施可能である。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
以上のように、本発明に係る発電装置は、構成が簡単で、低速回転でも高速回転でも安定的に蓄電することができ、風力発電、水力発電等の発電機のみならず、自転車や自動車用の発電機、その他の用途の発電機等としても有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施の形態における３相交流発電機の概略構成図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態における３相交流発電機の概略構成図である。
【図３】第２の実施の形態に使用するコイルの一例を示す模式図である。
【図４】第２の実施の形態におけるＵ相、Ｘ相のコイルの巻き方を示す模式図である。
【図５】第２の実施の形態におけるＶ相、Ｙ相のコイルの巻き方を示す模式図である。
【図６】第２の実施の形態におけるＷ相、Ｚ相のコイルの巻き方を示す模式図である。
【図７】第２の実施の形態における各相のコイルの結線を示す模式図である。
【図８】第２の実施の形態における整流回路を示す回路図である。
【図９】第２の実施の形態における蓄電回路を示す回路図である。
【符号の説明】
【００２１】
１  ロータ
２  ステータ
３  コイル
１１、２１  発電出力端子
１２〜１７、２２〜２７  整流ダイオード
２８  ＤＣ出力端子
【図１】
2007288917.tif 000003
【図２】
2007288917.tif 000004
【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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