(57)【要約】【課題】広範囲にわたる風の強さに応じて効率よく発電することができると共に、発電機の過回転を効率よく抑制することのできる風力発電機を提供すること。【解決手段】ハブ３０の周部に複数のブレード３２を放射状に配置したプロペラ２０を風の力で回転し、発電機１２を駆動する風力発電機１０であって、ハブ３０とブレード３２との一方に設けられたピボット軸３４と、ハブとブレードとの他方に設けられて、ピボット軸３４を移動自在に収容するガイド３６と、ブレード３２のハブ３０に対する半径方向移動に応じて、ハブ３０の回転軸に対するブレード３２の取付角αを変更する取付角調整装置と、ブレード３２を遠心力に抗してハブ３０の半径方向内方に付勢するばね４０とを備え、ブレード３２がばねの付勢力に抗して半径方向外方に移動したときに、取付角調整装置を介して、取付け角αが小さくなる方向にブレード３２を移動する風力発電機。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハブの周部に複数のブレードを放射状に配置したプロペラを風の力で回転し、発電機を駆動する風力発電機であって、
前記ハブとブレードとの一方に設けられたピボット軸と、前記ハブとブレードとの他方に設けられて、前記ピボット軸を移動自在に収容するガイドと、前記ブレードのハブに対する半径方向移動に応じて、前記ハブに対するブレードの取付け角を変更する取付角調整装置と、前記ブレードを遠心力に抗してハブの半径方向内方に付勢する付勢装置とを備え、前記ブレードが付勢装置の付勢力に抗して半径方向外方に移動したときに、前記取付角調整装置を介して、前記取付け角が小さくなる方向にブレードを移動することを特徴とする風力発電機。
【請求項２】
前記カム機構は、前記ピボット軸の外周面から突出する突起と、前記ガイドの内周面に設けられ、前記突起が嵌合する溝とを有することを特徴とする請求項１に記載の風力発電機。
【請求項３】
前記ピボットは、ブレードの半径方向内側の端部に、ブレードと一体に取付けられ、前記付勢装置は、一端がこのピボットに対して回転自在に取付けられるばねを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の風力発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、風の力で発電機を駆動し、電力を得る風力発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】  風力発電機には種々の形式のものが開発されている。特に、風の強さが弱いときでも発電可能な小型の可変速型風力発電機には、風速に応じて、低速回転時から高速回転時までの羽根車の回転数の変動に対応するため、発電機の出力をＡＣ−ＤＣ−ＡＣインバータを介して例えば商用電力の一定の周波数に変換するものがある。このような可変速型の風力発電機の場合は、羽根車が過回転となると、発電機の固定側の電機子に過電流が流れ、発電機が焼損する虞がある。また、羽根車自体も、過回転による遠心力等で、物理的に破損する虞がある。このため、強風下では、発電を停止するか、又は、発電機の回転数を抑制することにより、風力発電機を破損から保護するのが一般的である。【０００３】  通常、発電機の回転数を抑制して、過回転を防止する方法として、摩擦力を利用した機械的に制動する方法（例えば特許文献１参照）、及び、発電した電力を用いて発電機を電磁的に制動する方法（例えば特許文献２参照）がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】  特開２００３−３４３４１９
【特許文献２】  特開２００８−２２８５７０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  しかし、機械的に制動する場合には、回転側と固定側との相対移動する部材間に、摩擦による熱が発生し、特に、長期間にわたってある程度の回転を維持しつつ制動する場合は、相対回転する部材間の磨耗も増大する。また、電磁的に制動する方法は、羽根車の回転を発電機で消費するもので、発電コストを上昇させ、このときに発電機の内部に熱が発生することになる。このような熱の発生は、発電機の使用寿命を低下させ、損傷を生じさせる要因となる。このため、不要な熱を発生させること無く、風速が広範囲にわたって変動する場合であっても、安定して発電することのできる風力発電機が望まれている。【０００６】  本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、広範囲にわたる風の強さに応じて効率よく発電することができると共に、発電機の過回転を効率よく抑制することのできる風力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】
【０００７】  上記目的を達成するため、本発明によると、ハブの周部に複数のブレードを放射状に配置したプロペラを風の力で回転し、発電機を駆動する風力発電機であって、前記ハブとブレードとの一方に設けられたピボット軸と、前記ハブとブレードとの他方に設けられて、前記ピボット軸を移動自在に収容するガイドと、前記ブレードのハブに対する半径方向移動に応じて、前記ハブに対するブレードの取付け角を変更する取付角調整装置と、前記ブレードを遠心力に抗してハブの半径方向内方に付勢する付勢装置とを備え、前記ブレードが付勢装置の付勢力に抗して半径方向外方に移動したときに、前記取付角調整装置を介して、前記取付け角が小さくなる方向にブレードを移動する風力発電機が提供される。【０００８】  前記カム機構は、前記ピボット軸の外周面から突出する突起と、前記ガイドの内周面に設けられ、前記突起が嵌合する溝とを有することが好ましい。
また、前記ピボットは、ブレードの半径方向内側の端部に、ブレードと一体に取付けられ、前記付勢装置は、一端がこのピボットに対して回転自在に取付けられるばねを有するものであってもよい。
【発明の効果】
【０００９】  本発明の風力発電機によると、風の力が強くなり、プロペラの回転数が上昇し、その遠心力で各ブレードが半径方向外方に移動すると、このブレードの半径方向外方への移動に応じてカム機構がハブの回転軸に対するブレードの取付角を、小さくする方向に移動し、プロペラの回転数が上昇するのを抑制する。これにより、広範囲にわたる風の強さに応じて効率よく発電することができると共に、発電機の過回転を効率よく抑制することができる。【００１０】  カム機構がピボット軸の外周面から突出する突起と、前記ガイドの内周面に設けられ、前記突起が嵌合する溝とを有する場合には、極めて簡単な構造に形成することができ、その確実な作動を確保することができる。
ピボット軸がブレードの半径方向内側の端部に、ブレードと一体に取付けられ、付勢装置が一端をこのピボット軸に対して回転自在に取付けられるばねを有する場合には、ピボット軸の回転をばねが阻害することなく、滑らかな作動を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態による風力発電機を示す説明図。
【図２】図１の風力発電機の回転数が小さいときのプロペラのブレードとハブとの取付部の説明図。
【図３】プロペラの回転数が大きいときのブレードとハブとの取付部の説明図。
【図４】プロペラを先端側から見たときの説明図。
【００１２】
【図５】ブレードの取付角を調整するカム機構を示し、（Ａ）はピボットピンに設けられた突起の説明図、（Ｂ）はこのピボットピンが嵌合する溝の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】  図１から図５は本発明の好ましい実施形態による風力発電機１０を示す。図中、同様な部位には同様な符号を付してある。
図１に全体を示すように、この風力発電機１０は、発電機１２を収容したハウジング１４を支柱１６で回転自在に支え、後端に配置した風向翼１８により、先端に配置したプロペラ２０を風に対向させる。ハウジング１４内に収容される発電機１２は、水平に配置したプロペラ軸２２で回転される回転子２４とハウジング１４側に固定した固定子２６とを有し、固定子２６に発生した電流を導線２８を介して通常の周波数変換器（図示しない）へ導くことができる。
【００１４】  図２から図５に示すように、プロペラ２０は、プロペラ軸２２の先端に一体に固定されたハブ３０と、本実施形態では３枚であるブレード３２とを有し、これらのブレード３２は、ハブ３０の周部に沿って等間隔に配置してある。図示のブレード３２は、いわゆる揚力型に形成してあり、先縁３２ａ側から後縁３２ｂ側に向けて次第に肉厚が減少し、一方の側面を滑らかな曲面に形成し、滑らかな空気流を形成することができる。このブレード３２の形状は、そのピッチすなわちハブ３０の回転軸であるプロペラ軸２２に対する取付角を変更することでプロペラ軸２２の回転駆動力を変更可能なものであれば、適宜の形状を採用することが可能である。
【００１５】  これらのブレード３２を保持するハブ３０は、先端部を丸めたコーン状の外形形状を有し、内部に配置した連結機構を介して各ブレード３２を半径方向に沿って移動可能かつピッチを変更可能に取り付けてある。このハブ３０は、プロペラ軸２２と一体的に回転できるものであれば、一体構造に限らず、複数の部材から組立てることも可能である。いずれの場合も、外形形状は、空気流を阻害しない滑らかな曲面形状を有することが好ましい。
【００１６】  本実施形態のプロペラ２０は、ハブ３０に対するブレード３２の取付け角を変更する取付角調整装置として、ブレード３２の内側端部すなわちハブ３０側の端部から半径方向内方に突出するピボット軸３４と、ハブ３０に凹設されたガイド３６とを有する。
このガイド３６は、中心軸線がプロペラ軸２２の半径方向に沿って延びる円筒状の内面を有し、ピボット軸３４を介してブレード３２を摺動自在に収容する。ピボット軸３４は、ガイド３６内を軸方向に移動し、中心軸３４ａを中心としてガイド３６内で回動することができる。ブレード３２がピボット３４を中心として回動することにより、ブレード３２の内側端部で、ピボット軸３４の中心軸３４ａを通りかつブレード３２の後縁３２ｂを通るブレード３２の基準線Ｐとプロペラ軸２２の中心軸線２２ａとの間に形成される取付角αを変更することができる。
【００１７】  この取付角調整装置には、ハブ３０に対するブレード３２の半径方向移動に応じて、ブレード３２の取付角α（図２参照）を変更するカム機構３８を設けてある。このカム機構３８は、ピボット軸３４の円筒状の側面から半径方向外方に突出する短軸状の突起３５と、ガイド３６の内周面に形成した溝３７とで形成してあり、突起３５がこの溝３７内をその中心軸を中心として回動する溝３７とで形成してある。この溝３７は、プロペラ軸２２に近接する内端側で外方に開口させ、外端側を閉じることにより、突起３５を内端側から溝３７内に嵌合し、この溝３７に沿って半径方向に移動自在とすると共に、閉じた外端側から突起３５したがってピボット軸３４が半径方向外方に抜出るのを防止することができる。
【００１８】  このような、ピボット３４は、ブレード３２の内端側の端面を平坦状に形成し、この平坦面からプロペラ軸２２側に突出させ、ガイド３６を中空円筒状のシリンダ部材で形成し、中空構造に形成したハブ３０の内側に固定することで形成することができる。この場合には、極めて簡単な構造に形成することができ、その位置合わせも容易に行うことができる。このブレード３２の内端は、ピボット３４がガイド３６内で最も半径方向外方に移動したときに、ハブ３０のコーン形状の外面から突出させないことが好ましい。これにより、ピボット３４が外部に露出するのを防止することができる。
【００１９】  なお、このような突起３５と溝３７とを有するカム機構３８は、上述とは逆に、ピボット軸３４に溝３７を形成し、ガイド３６の内面に突起３５を形成してもよい。また、突起３５溝３７とを複数対設けたカム機構とすることも可能である。
いずれの場合も、突起３５が溝３７の内端側すなわちプロペラ軸２２に近接する位置に配置されたときに、上述の取付角αが最も大きく、外端側に配置されたときに最も小さな角度を形成するように、形成される。この取付角度αは、ブレード３２の翼面形状によっても異なるが、例えば３０度から６０度の範囲内で、４５度±５度程度の範囲となるように形成することが好ましい。取付角αが最も小さいときは、発電機１２の焼損を防止するために、プロペラ２０をほとんど回転しないか、あるいは、僅かな駆動力のみを形成することが好ましい。
【００２０】  更に、プロペラ２０には、各ブレード３２を、回転時の遠心力に抗してハブ３０の半径方向内方に付勢する付勢装置として、ばね４０を配置してある。図示の実施形態では、ばね４０はピボット３４の内端に一端を取付けたコイルばねで形成してあるが、各ブレード３２をハブ３０の半径方向内方に付勢できるものであれば、板バネ等であってもよい。また、ピボット軸３４に直接取付けることに代え、リンク機構等の別個の部材を介してブレード３２を付勢してもよい。いずれの場合も、付勢装置４０は、ガイド３６内におけるピボット軸３４の回動を阻害しないように、ピボット軸３４の中心軸の方向に沿う力のみをブレード３２に作用させる接続部を設けることが好ましい。例えば、ピボット軸３４の内端とばね４０との間に、図示しないボール継手を介挿することも可能であり、このような接続部は、ピボット軸３４に代えて、ハブ３０から外方に突出しない部位であれば、ブレード３２の内端側の適宜位置に設けることができる。
【００２１】  このように形成される風力発電機１０は以下のように作動する。
図１に示すように、風力発電機１０は垂直方向に配置された支柱１６の上端で支えられる。後方に配置された風向翼１８は、風の向きに応じて支柱１６の回りを移動し、水平面内を先端側のプロペラ２０が常に風の吹く方向に対向させる。例えば風速１ｍ／秒等の風が弱い状態では、プロペラ２０がほとんど回転せず、又は、低速で回転するため、図２に示すように、ブレード３２はばね４０の付勢力でハブ３０の半径方向内方に引き込まれた状態に配置される。
【００２２】  これにより、ピボット軸３４の突起３５は、ガイド３６の溝３７内で、最もプロペラ軸２２に近接した位置に配置される。ブレード３２の取付角αが最も大きい状態に配置される。ブレード３２は最も大きな面を風に対向させた状態に配置する。これにより、弱い風であっても、プロペラ２０が回転され、発電機１２で形成された電力を周波数変換器を介して取り出すことができる。
【００２３】  風速が上昇し、プロペラ２０の回転数が上昇すると、ブレード３２に作用する遠心力が増大し、ばね４０すなわち付勢装置の付勢力に抗してハブ３０の半径方向外方に移動する（図３参照）。ピボット軸３４は、突起３５を溝３７で案内されて回転しつつ、ガイド３６内を軸方向外方に移動し、取付角αが小さくなる方向にブレード３２を回転する。
【００２４】  ブレード３２の取付角αが小さくなると、風を受ける面積が減少すると共に、形成される揚力も低下し、風速が上昇した状態でも、プロペラ２０の回転が抑制される。そして、プロペラ２０の回転が抑制されることにより、ブレード３２に作用する遠心力が低下すると、ブレード３２は、ばね４０の付勢力で半径方向内方に移動され、再度プロペラ軸２２に近接する。これにより、ブレード３２の取付角αは、プロペラ２０の回転数とばね４０等の付勢装置の付勢力とで均衡した大きさに自動的に調整されることになる。プロペラ２０したがって発電機１２の過回転を確実に防止することができる。
【００２５】  したがって、この風力発電機１０によると、風の力が強くなり、プロペラ２０の回転数が上昇し、その遠心力で各ブレード３２が半径方向外方に移動すると、このブレード３２の半径方向外方への移動に応じて取付角調整装置のカム機構３８がハブ３０のプロペラ軸中心線２２ａに対するブレード３２の取付角αを、小さくする方向に移動し、プロペラ２０の回転数が上昇するのを抑制する。これにより、広範囲にわたる風の強さに応じて効率よく発電することができると共に、発電機の過回転を効率よく抑制することができる。
【００２６】  強風下でも、発電を停止し、又は、発電機１２の過回転を抑制する電気的又は機械的なブレーキを設ける必要がないため、このようなブレーキによる制動時の熱の冷却が不要である。
カム機構３８がピボット軸３４の外周面から突出する突起３５と、ガイド３６の内周面に設けられ、突起３５が嵌合する溝３７とを有する場合には、極めて簡単な構造に形成することができ、その確実な作動を確保することができる。
【００２７】  ピボット軸３４がブレード３２の半径方向内側の端部に、ブレード３２と一体に取付けられ、付勢装置が一端をこのピボット軸３４に対して回転自在に取付けられるばね４０を有する場合には、ピボット軸３４の回転をばね４０が阻害することなく、滑らかな作動を確保することができる。
【００２８】  なお、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内において種々の変更又は変形が可能なことは明らかである。例えば、ブレード３２が遠心力で半径方向外方に移動する際に、後方すなわち風向翼１８側に先端を傾動させることも可能である。
【符号の説明】
【００２９】  １０…風力発電機
１２…発電機
２０…プロペラ
３０…ハブ
３２…ブレード
３４…ピボット軸
３６…ガイド
４０…ばね
α…取付角
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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