(57)【要約】【課題】マグナス式風力発電機の回転翼を駆動する回転機構のカバーを不要とし、発電機の回転部の軽量化および小型化を図れる回転翼を提供する。【解決手段】回転することによって電力を取り出す回転支持部材６１に固定された第１の支持軸１１と、第１の支持軸１１に固定された複数のコイル９１と、両端が開口した略円筒形状のバレル２１と、バレル２１の一方の開口部に固定された回転子５１と、バレルのもう一方の開口部を塞ぐエンドキャップ３１と、回転子５１に固定された複数の永久磁石８１とを備える。回転子５１は、複数の第１の軸受け７１ａ、７１ｂ、７１ｃを介して第１の支持軸１１によって回転可能に支持され、複数のコイル９１および複数の永久磁石８１は、ブラシレスＤＣモータとして動作するように配置され、バレル２１が回転子５１と一体となって回転する。【選択図】図２
2013194724.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転することによって電力を取り出す回転支持部材に固定された第１の支持軸と、
前記第１の支持軸に固定された複数のコイルと、
両端が開口した略円筒形状のバレルと、
前記バレルの一方の開口部に固定された回転子と、
前記バレルのもう一方の開口部を塞ぐエンドキャップと、
前記回転子に固定された複数の永久磁石とを備え、
前記回転子は、複数の第１の軸受けを介して前記第１の支持軸によって回転可能に支持され、
前記複数のコイルおよび前記複数の永久磁石は、ブラシレスＤＣモータとして動作するように配置され、前記バレルが前記回転子と一体となって回転する、マグナス式風力発電機の回転翼。
【請求項２】
前記回転子の、内側または前記回転支持部材側にラビリンス構造を設けた、請求項１に記載のマグナス式風力発電機の回転翼。
【請求項３】
前記第１の支持軸に連なる、前記複数のコイルが発生する熱を放熱する放熱部材を備え、
前記放熱部材は、前記回転支持部材を貫通して、前記バレルとは反対側に突出している、請求項１または２に記載のマグナス式風力発電機の回転翼。
【請求項４】
前記エンドキャップは、前記第１の支持軸と中心軸が一致した第２の支持軸を有している、請求項１に記載のマグナス式風力発電機の回転翼。
【請求項５】
前記エンドキャップは、中心に第１の貫通孔および第２の軸受けを有し、前記第２の軸受けを介して前記第１の支持軸によって回転可能に支持され、
前記第１の支持軸は、前記第１の貫通孔を貫通して前記エンドキャップから突出している、請求項１に記載のマグナス式風力発電機の回転翼。
【請求項６】
前記エンドキャップには、少なくとも一つの第２の貫通孔が形成されている、請求項１に記載のマグナス式風力発電機の回転翼。
【請求項７】
前記回転子および前記エンドキャップによって囲まれる空間内に気流を発生させる気流発生手段を、前記空間内に備えた、請求項６に記載のマグナス式風力発電機の回転翼。
【請求項８】
前記第１の支持軸に取り付けられた、前記バレルを加熱する加熱手段を備えた、請求項１に記載のマグナス式風力発電機の回転翼。
【請求項９】
前記バレルの内面に、前記バレルの中心軸に対して平行なリブが形成されている、請求項１に記載のマグナス式風力発電機の回転翼。
【請求項１０】
前記バレルは、中心軸方向または円周方向に分割可能な複数個のバレル部分と、隣接する前記バレル部分を連結する連結部とで構成されている、請求項１に記載のマグナス式風力発電機の回転翼。
【請求項１１】
前記バレルの外面に、ディンプル状の凹みまたは突起が形成されている、請求項１に記載のマグナス式風力発電機の回転翼。
【請求項１２】
前記バレルの外面に、前記バレルの中心軸に対して平行、垂直または螺旋状のリブが形成されている、請求項１に記載のマグナス式風力発電機の回転翼。
【請求項１３】
前記複数のコイルは、前記第１の支持軸方向に分割されており、
分割された前記コイル同士は、前記回転子の回転方向を基準として、ずらして配置されている、請求項１に記載のマグナス式風力発電機の回転翼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグナス式風力発電機の回転翼に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、特許文献１、特許文献２および特許文献３に示されているようなマグナス式風力発電機が提案されている。
【０００３】
これらの風力発電機は、揚力を発生するブレードがプロペラ式のような翼形状ではなく、円柱形状の回転翼であり、気流中で回転翼を自転させたときに、回転翼に発生するマグナス力によって、発電機を回転させる方式である。
【０００４】
マグナス式風力発電機の利点として、風速に応じて回転翼の自転回転数を制御し、回転翼に発生するマグナス力の大きさを変化させることで、風力発電機の回転数を制御できる。
【０００５】
具体的には、低風速の場合には回転翼の自転回転数を上げることにより、風力発電機の回転数を上げ、発電量を大きくできる。高風速の場合には、回転翼の自転回転数を下げることにより、風力発電機の回転数を下げ、過回転による破壊を防止できる。
【０００６】
また、円柱形状の回転翼は翼形状のブレードに比べ高剛性のため壊れにくい。
【０００７】
さらに、複雑な曲面をもたないため、低コストで製造可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−０８５３２７号公報
【特許文献２】特開２００８−１７５０７０号公報
【特許文献３】特開２０１０−１２１５１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来のマグナス式風力発電機では、回転翼を駆動する駆動機構を保護するカバーが必要であり、風力発電機の回転部が重くなっていた。
【００１０】
マグナス式風力発電機は、駆動モータなどの駆動機構によって回転翼を自転させるが、その駆動機構は、回転翼とは別に設けられており、風雨による影響を受けないようにカバーで保護していた。そのカバーは、水滴が入らないように強力な防水効果が要求されるため重くなり、駆動機構が搭載される風力発電機の回転部の軽量化を阻害していた。
【００１１】
また、マグナス式風力発電機における別の課題として、回転翼の駆動モータの冷却が挙げられる。
【００１２】
回転翼の駆動モータの冷却が不十分な場合、モータ内部のコイルが発生する熱によって、コイルの巻き線抵抗の増加や磁石の減磁が引き起こされ、駆動モータの効率が低下することで、発電効率が低下してしまう。
【００１３】
さらに、熱による軸受けのグリス劣化などにより、駆動モータの寿命が短くなり、メンテナンスコストが高くなってしまう。
【００１４】
従って、回転翼の駆動モータは十分に冷却する必要がある。
【００１５】
また、寒冷地における回転翼への着氷も課題として挙げられる。
【００１６】
寒冷地において、降雪時や降氷雨時に回転翼に着氷すると、回転翼の回転慣性が大きくなったり、バランスが崩れたりするため、駆動モータの負荷が大きくなることが懸念される。
【００１７】
また、着氷により回転翼表面の状態が変化するため、回転翼に発生するマグナス力が減少し、発電効率が低下することも懸念される。
【００１８】
本発明は、風力発電機の回転部が重くなるという課題を考慮して、発電機の回転部の軽量化および小型化を図れるマグナス式風力発電機の回転翼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】
【００１９】
上記目的を達成するために、第１の本発明は、
回転することによって電力を取り出す回転支持部材に固定された第１の支持軸と、
前記第１の支持軸に固定された複数のコイルと、
両端が開口した略円筒形状のバレルと、
前記バレルの一方の開口部に固定された回転子と、
前記バレルのもう一方の開口部を塞ぐエンドキャップと、
前記回転子に固定された複数の永久磁石とを備え、
前記回転子は、複数の第１の軸受けを介して前記第１の支持軸によって回転可能に支持され、
前記複数のコイルおよび前記複数の永久磁石は、ブラシレスＤＣモータとして動作するように配置され、前記バレルが前記回転子と一体となって回転する、マグナス式風力発電機の回転翼である。
【００２０】
また、第２の本発明は、
前記回転子の、内側または前記回転支持部材側にラビリンス構造を設けた、第１の本発明のマグナス式風力発電機の回転翼である。
【００２１】
また、第３の本発明は、
前記第１の支持軸に連なる、前記複数のコイルが発生する熱を放熱する放熱部材を備え、
前記放熱部材は、前記回転支持部材を貫通して、前記バレルとは反対側に突出している、第１または第２の本発明のマグナス式風力発電機の回転翼である。
【００２２】
また、第４の本発明は、
前記エンドキャップは、前記第１の支持軸と中心軸が一致した第２の支持軸を有している、第１の本発明のマグナス式風力発電機の回転翼である。
【００２３】
また、第５の本発明は、
前記エンドキャップは、中心に第１の貫通孔および第２の軸受けを有し、前記第２の軸受けを介して前記第１の支持軸によって回転可能に支持され、
前記第１の支持軸は、前記第１の貫通孔を貫通して前記エンドキャップから突出している、第１の本発明のマグナス式風力発電機の回転翼である。
【００２４】
また、第６の本発明は、
前記エンドキャップには、少なくとも一つの第２の貫通孔が形成されている、第１の本発明のマグナス式風力発電機の回転翼である。
【００２５】
また、第７の本発明は、
前記回転子および前記エンドキャップによって囲まれる空間内に気流を発生させる気流発生手段を、前記空間内に備えた、第６の本発明のマグナス式風力発電機の回転翼である。
【００２６】
また、第８の本発明は、
前記第１の支持軸に取り付けられた、前記バレルを加熱する加熱手段を備えた、第１の本発明のマグナス式風力発電機の回転翼である。
【００２７】
また、第９の本発明は、
前記バレルの内面に、前記バレルの中心軸に対して平行なリブが形成されている、第１の本発明のマグナス式風力発電機の回転翼である。
【００２８】
また、第１０の本発明は、
前記バレルは、中心軸方向または円周方向に分割可能な複数個のバレル部分と、隣接する前記バレル部分を連結する連結部とで構成されている、第１の本発明のマグナス式風力発電機の回転翼である。
【００２９】
また、第１１の本発明は、
前記バレルの外面に、ディンプル状の凹みまたは突起が形成されている、第１の本発明のマグナス式風力発電機の回転翼である。
【００３０】
また、第１２の本発明は、
前記バレルの外面に、前記バレルの中心軸に対して平行、垂直または螺旋状のリブが形成されている、第１の本発明のマグナス式風力発電機の回転翼である。
【００３１】
また、第１３の本発明は、
前記複数のコイルは、前記第１の支持軸方向に分割されており、
分割された前記コイル同士は、前記回転子の回転方向を基準として、ずれて配置されている、第１の本発明のマグナス式風力発電機の回転翼である。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、発電機の回転部の軽量化および小型化を図れるマグナス式風力発電機の回転翼を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明にかかる実施の形態１における回転翼を備えた垂直軸型マグナス式風力発電機の斜視構成図
【図２】本発明にかかる実施の形態１における回転翼の正面から視た断面構成図
【図３】本発明にかかる実施の形態２における回転翼の正面から視た断面構成図
【図４】本発明にかかる実施の形態３における回転翼を備えた垂直軸型マグナス式風力発電機の斜視構成図
【図５】本発明にかかる実施の形態３における回転翼の正面から視た断面構成図
【図６】本発明にかかる実施の形態３における回転翼の、コイルを千鳥配置とした構成の支持軸の斜視図
【図７】本発明にかかる実施の形態４における回転翼の正面から視た断面構成図
【図８】（ａ）〜（ｃ）本発明にかかる実施の形態１および実施の形態２におけるエンドキャップの変形例を示す斜視構成図、（ｄ）本発明にかかる実施の形態１〜４におけるエンドキャップの貫通孔の配置例を示す断面図
【図９】（ａ）〜（ｅ）本発明にかかる実施の形態１〜４における回転翼のバレルの変形例を示す斜視構成図、（ｆ）本発明にかかる実施の形態１〜４における回転翼の断面構成図
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下に、本発明にかかる実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３５】
（実施の形態１）
まず、本発明にかかる実施の形態１におけるマグナス式風力発電機の回転翼について説明する。
【００３６】
図１は、本実施の形態１の回転翼１０を備えた垂直軸型マグナス式風力発電機の斜視構成図である。
【００３７】
本実施の形態１の垂直軸型マグナス式風力発電機は、台座１５と、台座１５の上側に４つの回転翼１０が立設された支持部材６１とを備えている。台座１５内には発電機が配置されており、鉛直上方に伸びる発電機回転軸が支持部材６１に連結している。なお、発電機および発電機回転軸は、図１では図示していない。支持部材６１が回転することにより、発電機回転軸が回転し、発電機が発電を行う。
【００３８】
図２は、本実施の形態１の回転翼１０の正面から視た断面構成図である。
【００３９】
図２に示すように、本実施の形態１の回転翼１０は、支持軸１１と、バレル２１と、エンドキャップ３１と、カバー部材４１と、回転子５１と、複数の永久磁石８１と、複数のコイル９１を備えている。
【００４０】
支持軸１１は、略円筒形状で、一方の開口部が支持部材６１にボルトナットもしくは溶接により固定されており、下部には半径方向に伸びる突出部１１ａが設けられている。支持軸１１を形成する材料として、炭素鋼などの金属が用いられている。
【００４１】
なお、支持軸１１が、本発明の第１の支持軸の一例にあたり、支持部材６１が、本発明の回転支持部材の一例にあたる。
【００４２】
支持軸１１の外面には、複数のコイル９１が取り付けられており、コイル９１のそれぞれの両端は、支持軸１１に沿って回転翼１０の外部に引き出され、図示しない発電機制御部に接続されている。
【００４３】
回転子５１は、中心に回転軸５１ａ、上面には複数の貫通孔５１ｂが形成されており、軸受け７１ａ、７１ｂおよび７１ｃを介して支持軸１１によって回転可能に支持されている。回転子５１を形成する材料として、鉄やアルミニウム合金などの金属が用いられている。
【００４４】
回転子５１の内面には、磁性材料からなるバックヨーク５１ｃが取り付けられ、バックヨーク５１ｃの内面には複数の永久磁石８１が、前記複数のコイル９１と向かい合うよう取り付けられている。したがって、バックヨーク５１ｃおよび複数の永久磁石８１は、回転軸５１ａと一体となって回転する。
【００４５】
即ち、複数の永久磁石８１とコイル９１は、ブラシレスＤＣモータ（または永久磁石同期モータ）として動作するよう配置されている。
【００４６】
軸受け７１ａおよび７１ｂはラジアル玉軸受けであり、主に軸方向と直角な荷重を受ける。軸受け７１ｃはスラスト玉軸受けであり、軸方向の荷重を受ける。
【００４７】
なお、軸受け７１ａ、７１ｂおよび７１ｃが、本発明の第１の軸受けの一例にあたる。
【００４８】
また、支持軸１１と、回転子５１、バレル２１の中心軸は一致している。
【００４９】
バレル２１は、円筒形状であり、支持部材６１側の基端部が回転子５１に嵌め合わされ、螺子もしくは接着等で固定されている。バレル２１を形成する材料として、例えば、アルミニウム合金、炭素繊維強化プラスチック、ガラス繊維強化プラスチックなどの、軽量で強度の高いものが用いられている。
【００５０】
エンドキャップ３１は、バレル２１と同じ直径の略円板形状で、側面に複数の貫通孔３１ａが形成されており、バレル２１の開口した上端部に嵌め合わされ、螺子もしくは接着等で固定されている。エンドキャップ３１を形成する材料として、アルミニウム合金やプラスチックなどの軽量なものが用いられている。
【００５１】
カバー部材４１はバレル２１と同じ直径の略円板形状で、中央に貫通孔４１ａが形成されており、回転子５１に嵌め合わされ、螺子もしくは接着等で固定されている。カバー部材４１を形成する材料として、アルミニウム合金やプラスチックなどの軽量なものが用いられている。
【００５２】
貫通孔４１ａの直径は支持軸１１の直径より大きく、突出部１１ａの直径より小さくなっており、突出部１１ａとカバー部材４１によりラビリンス構造が形成され、回転翼１０の内部への雨水の侵入が防止される。
【００５３】
なお、図２に示す回転子５１、回転軸５１ａ、バックヨーク５１ｃおよびカバー部材４１を合わせた構成が、本発明の回転子の一例にあたり、図２に示すように、本発明の回転子の内側にラビリンス構造が形成されている。
【００５４】
このように、本実施の形態１の回転翼１０は、バレル２１を自転駆動するための複数の永久磁石８１およびコイル９１を防水保護された回転翼１０内部に配置する構成としたので、従来必要であった駆動機構のカバー部材が不要となり、風力発電機の回転部の軽量化および小型化を実現できる。
【００５５】
次に、上記構成の本実施の形態１の回転翼１０の動作について説明する。
【００５６】
発電機制御部の制御により複数のコイル９１に電流が流れると、複数の永久磁石８１に力が発生し、回転子５１を介してバレル２１が支持軸１１を中心として回転し、マグナス力を発生する。
【００５７】
このマグナス力により、支持部材６１を介して台座１５内に配置されている風力発電機の発電機回転軸を回転させ、発電が行われる。
【００５８】
このとき、永久磁石８１とコイル９１が発生する熱により暖められた空気が貫通孔５１ｂを通じてバレル２１の内部を上昇し、エンドキャップ３１に形成された複数の貫通孔３１ａから排出される。これにより煙突効果が生じ、支持軸１１とカバー部材４１のすきまから外部の空気が流入し、永久磁石８１とコイル９１が冷却される。
【００５９】
また、永久磁石８１とコイル９１が発生する熱は、回転子５１及びバレル２１内部の空気を介した熱伝導により、バレル２１の表面からも放熱されるため、冷却効率が高くなる上、バレル２１の表面温度が上がることで、回転翼１０に着氷しにくくなる。
【００６０】
なお、本実施の形態１では、４つの回転翼１０を備える垂直軸型マグナス式風力発電機を例に説明したが、３つ以下または５つ以上の回転翼を備える構成の垂直軸型マグナス式風力発電機にも適用できる。
【００６１】
（実施の形態２）
次に、本発明にかかる実施の形態２におけるマグナス式風力発電機の回転翼について説明する。
【００６２】
図３は、本実施の形態２の回転翼２０の正面から視た断面構成図である。
【００６３】
本実施の形態２の回転翼２０は、例えば、図１に示すような実施の形態１と同様の構成の垂直軸型マグナス式風力発電機の回転翼として用いることができる。
【００６４】
図３に示すように、本実施の形態２の回転翼２０は、支持軸１２と、バレル２２と、エンドキャップ３２と、カバー部材４２と、回転子５２と、複数の永久磁石８２と、複数のコイル９２を備えている。
【００６５】
支持軸１２は、円筒形状で、一方の開口部が支持部材６２にボルトナットや溶接により固定されている。支持軸１２を形成する材料として、炭素鋼などの金属が用いられている。
【００６６】
支持軸１２の外面には、複数のコイル９２が取り付けられており、コイル９２のそれぞれの両端は、支持軸１２に沿って回転翼２０の外部に引き出され、図示しない発電機制御部に接続されている。
【００６７】
また、支持軸１２には、放熱部材１２ａが連結されており、放熱部材１２ａは支持部材６２を貫通して、バレル２２とは反対側に突出している。
【００６８】
放熱部材１２ａの表面には、放熱フィン１２ｂが設けられている。放熱部材１２ａを形成する材料として、熱伝導率の高いアルミニウム合金などが用いられている。
【００６９】
支持部材６２は、例えば、図１に示すような風力発電機の台座１５内に配置された発電機の発電機回転軸に連結されている。
【００７０】
なお、支持軸１２が、本発明の第１の支持軸の一例にあたり、支持部材６２が、本発明の回転支持部材の一例にあたる。
【００７１】
回転子５２は、円筒形状であり、中心に回転軸５２ａ、上面に複数の貫通孔５２ｂ、側面に放熱フィン５２ｃが形成されており、回転子軸受け７２ａ、７２ｂ、７２ｃを介して支持軸１２によって回転可能に支持されている。回転子５２を形成する材料として、鉄やアルミニウム合金などの金属が用いられている。
【００７２】
回転子５２の内面には、磁性材料からなるバックヨーク５２ｄが取り付けられ、バックヨーク５２ｄの内面には複数の永久磁石８２が、前記複数のコイル９２と向かい合うよう取り付けられ、ブラシレスＤＣモータ（または永久磁石同期モータ）として動作するよう配置されているのは実施の形態１と同様である。
【００７３】
また、回転子５２の下端に設けられた溝５２ｅと、支持部材６２に設けられたカバー部材４２によりラビリンス構造が形成され、回転翼２０の内部への雨水の侵入が防止される。
【００７４】
なお、図３に示す回転子５２、回転軸５２ａおよびバックヨーク５２ｄを合わせた構成が、本発明の回転子の一例にあたり、図３に示すように、本発明の回転子の回転指示部材側にラビリンス構造が形成されている。
【００７５】
軸受け７２ａおよび７２ｂはラジアル玉軸受けであり、軸受け７２ｃはスラスト玉軸受けである。
【００７６】
なお、軸受け７２ａ、７２ｂおよび７２ｃが、本発明の第１の軸受けの一例にあたる。
【００７７】
本実施の形態２のバレル２２は、円筒形状の２つのバレル部分２２ａ、２２ｂが連結部材２２ｃによって連結されて構成されている。
【００７８】
バレル２２ａの下端と２２ｂの上端がそれぞれ連結部材２２ｃに嵌め合わされ、螺子もしくは接着剤等で固定されている。
【００７９】
また、バレル２２ｂの下端部が回転子５２に嵌め合わされ、螺子もしくは接着等で固定されている。バレル２２ａ、２２ｂと連結部材２２ｃを形成する材料として、例えば、アルミニウム合金、炭素繊維強化プラスチック、ガラス繊維強化プラスチックなどの、軽量で強度の高いものが用いられている。
【００８０】
支持軸１２と、回転子５２、バレル２２の中心軸が一致しているのは、実施の形態１と同様である。
【００８１】
なお、２つのバレル部分２２ａ、２２ｂを、さらに円周方向に分割してもよい。
【００８２】
例えば、アルミニウム合金の圧延材を曲げ加工して作った円弧形状の部材を、連結部材を介してリベットや溶接等により接合することで、円筒形状のバレル部分を形成すればよい。
【００８３】
また、圧延材の製造行程において、バレル表面にディンプル状の凹みまたは突起を形成することもできる。
【００８４】
このように、バレルを複数のバレル部分に分割可能に構成することで、バレルを大型化した場合の製造コスト、及び輸送コストを低減できる。
【００８５】
エンドキャップ３２は、バレル２２と同じ直径の略円板形状で、側面に複数の貫通孔３２ａが形成されており、バレル２２ａの上端部に嵌め合わされ、螺子もしくは接着等で固定されている。エンドキャップ３２を形成する材料として、アルミニウム合金やプラスチックなどの軽量な材質のものが用いられている。
【００８６】
なお、貫通孔３２ａが、本発明の第２の貫通孔の一例にあたる。
【００８７】
このように、本実施の形態２の回転翼２０は、バレル２２を自転駆動するための複数のコイル９２および永久磁石８２を防水保護された回転翼２０内部に配置する構成としたので、従来必要であった駆動機構のカバー部材が不要となり、風力発電機の回転部の軽量化および小型化を実現できる。
【００８８】
次に、上記構成の本実施の形態２の回転翼２０の動作について説明する。
【００８９】
発電機制御部の制御により複数のコイル９２に電流が流れると、回転子５２を介してバレル２２が支持軸１２を中心として回転し、マグナス力を発生する。
【００９０】
このマグナス力により、支持部材６２を介して台座１５内に配置されている風力発電機の発電機回転軸を回転させ、発電が行われる。
【００９１】
このとき、永久磁石８２とコイル９２が発生する熱により暖められた空気が貫通孔５２ｂを通じてバレル２２の内部を上昇し、エンドキャップ３２に形成された複数の貫通孔３２ａから排出される。これにより煙突効果が生じ、回転子５２とカバー部材４２のすきまから外部の空気が流入し、永久磁石８２とコイル９２が冷却される。
【００９２】
また、永久磁石８２とコイル９２が発生する熱は、回転子５２及びバレル２２内部の空気を介した熱伝導により、バレル２２の表面からも放熱されるため、冷却効率が高くなる上、バレル２２の表面温度が上がることで、回転翼２０に着氷しにくくなる。
【００９３】
さらに、本実施の形態２においては、回転子５２の側面に放熱フィン５２ｃを設けるとともに、支持軸１２に連結された放熱部材１２ａを設けたことにより、永久磁石８２とコイル９２が発生する熱を、より効率的に放熱することができる。
【００９４】
なお、放熱部材１２ａはコイル９２の図示しないステータコアに接していることが好ましい。
【００９５】
例えば、ステータコアに複数の貫通孔を設け、放熱部材１２ａに前記複数の貫通孔に対応する複数の突起部を設けておき、これらを嵌合することで放熱部材１２ａをステータコアに接触させることができる。
【００９６】
また、放熱部材１２ａは、支持部材６２を貫通し、バレル２２とは反対側に突出した支持軸１２の一部であってもよい。
【００９７】
なお、実施の形態１および２では、回転翼１０および２０を垂直軸型マグナス式風力発電機に適用した例について説明したが、実施の形態１および２の回転翼１０および２０は、水平軸型マグナス式風力発電機の回転翼としても適用できる。
【００９８】
（実施の形態３）
次に、本発明にかかる実施の形態３におけるマグナス式風力発電機の回転翼について説明する。
【００９９】
図４は、本実施の形態３の回転翼３０を備えた垂直軸型マグナス式風力発電機の斜視構成図である。
【０１００】
本実施の形態３の垂直軸型マグナス式風力発電機は、台座１６と、台座１６の上側に４つの回転翼３０が立設された支持部材６３に加えて、回転翼３０の上側を支持するための円板状の支持部材６４を備えている。台座１６内には発電機が配置されており、鉛直上方に伸びる発電機回転軸１７が支持部材６３および６４に連結している。支持部材６３および６４が回転することにより、発電機回転軸１７が回転し、発電機が発電を行う。
【０１０１】
図５は、本実施の形態３の回転翼３０の正面から視た断面構成図である。
【０１０２】
図５に示すように、本実施の形態３の回転翼３０は、支持軸１３と、バレル２３と、エンドキャップ３３と、カバー部材４３と、回転子５３と、複数の永久磁石８３と、複数のコイル９３を備えている。
【０１０３】
支持軸１３は、円筒形状で、一方の開口部が支持部材６３にボルトナットや溶接により固定されている。支持軸１３を形成する材料として、炭素鋼などの金属が用いられている。
【０１０４】
支持軸１３の外面には、複数のコイル９３ａ、９３ｂが取り付けられており、コイル９３ａ、９３ｂのそれぞれの両端は、支持軸１３に沿って回転翼３０の外部に引き出され、図示しない発電機制御部に接続されている。
【０１０５】
支持部材６３、６４は、例えば、図４に示すような風力発電機の台座１６内に配置された発電機の発電機回転軸１７に連結されている。
【０１０６】
なお、支持軸１３が、本発明の第１の支持軸の一例にあたり、支持部材６３、６４が、本発明の回転支持部材の一例にあたる。
【０１０７】
回転子５３は、円筒形状であり、中心に回転軸５３ａ、上面に複数の貫通孔５３ｂ、側面に放熱フィン５３ｃが形成されており、回転子軸受け７３ａ、７３ｂ、７３ｃを介して支持軸１３によって回転可能に支持されている。回転子５３を形成する材料として、鉄やアルミニウム合金などの金属が用いられている。
【０１０８】
回転子５３の内面には、磁性材料からなるバックヨーク５３ｄが取り付けられ、バックヨーク５３ｄの内面には複数の永久磁石８３ａ、８３ｂが、それぞれ前記複数のコイル９３ａ、９３ｂと向かい合うよう取り付けられ、ブラシレスＤＣモータ（または永久磁石同期モータ）として動作するよう配置されている。
【０１０９】
このように、永久磁石８３ａとコイル９３ａ、永久磁石８３ｂとコイル９３ｂを回転翼３０の軸方向に並べて配置することで、回転子５３を回転翼３０の直径方向に大型化することなく、回転翼３０の回転トルクを大きくすることができる。
【０１１０】
また、永久磁石８３ａとコイル９３ａ、永久磁石８３ｂとコイル９３ｂの位相をずらすことで、コギングトルクを低減することができる。
【０１１１】
さらに、支持軸１３の軸方向に分割して配置するコイル９３ａとコイル９３ｂを、支持軸１３の軸方向に重ならないように配置してもよい。
【０１１２】
図６に、コイル９３ａとコイル９３ｂを、支持軸１３の軸方向に重ならないように配置した本実施の形態３における回転翼の支持軸の斜視図を示す。図６では、図５と対応する構成部分に同じ符号を用いている。
【０１１３】
図６に示す構成の支持軸１３は、軸方向に分割され、回転方向のずれた位置に設けられたティース９６にコイルを巻きつけて、コイル９３ａとコイル９３ｂを千鳥配置としている。図６に二点差線で示す矢印は、支持軸１３の周囲の気流９７の向きを示している。
【０１１４】
図６に示すような構成とすることで、支持軸１３の円周方向において、コイル間の距離を大きくできるので、通風面積が増大し、コイル９３ａとコイル９３ｂを効率的に冷却することができる。
【０１１５】
なお、軸方向から視て千鳥配置とした図６に示すコイル９３ａとコイル９３ｂが、本発明の、回転子の回転方向を基準としてずらして配置されているコイル同士の一例にあたる。
【０１１６】
また、図５に示すように、回転子５３の下端に設けられた溝５３ｅと、支持部材６３に設けられたカバー部材４３によりラビリンス構造が形成され、回転翼３０の内部への雨水の侵入が防止される。
【０１１７】
また、本実施の形態３においては、回転子５３の下部に軸流ファン５３ｆが設けられている。
【０１１８】
軸流ファン５３ｆは、回転子５３と一体となって回転し、回転翼３０の内部にエンドキャップ３３に向かう気流を発生させるとともに、外部の空気を回転翼３０の内部に流入させる。
【０１１９】
なお、軸流ファン５３ｆが本発明の気流発生手段の一例にあたる。
【０１２０】
軸受け７３ａおよび７３ｂはラジアル玉軸受けであり、軸受け７３ｃはスラスト玉軸受けである。
【０１２１】
なお、軸受け７３ａ、７３ｂおよび７３ｃが、本発明の第１の軸受けの一例にあたる。
【０１２２】
バレル２３は、円筒形状であり、支持部材６３側の基端部が回転子５３に嵌め合わされ、螺子もしくは接着等で固定されている。バレル２３を形成する材料として、例えば、アルミニウム合金、炭素繊維強化プラスチック、ガラス繊維強化プラスチックなどの、軽量で強度の高いものが用いられている。
【０１２３】
エンドキャップ３３は、バレル２３と同じ直径の略円板形状で、側面に複数の貫通孔３３ａ、中心には支持軸３３ｂが上面に突出して形成され、バレル２３の開口した上端部に嵌め合わされ、螺子または接着等で固定されている。エンドキャップ３３を形成する材料として、炭素鋼やアルミニウム合金などの金属が用いられている。
【０１２４】
なお、支持軸３３ｂは、エンドキャップ３３と一体に形成されていてもよく、エンドキャップ３３とは別に形成され、エンドキャップ３３に組み付けられていてもよい。
【０１２５】
また、貫通孔３３ａが、本発明の第２の貫通孔の一例にあたり、支持軸３３ｂが、本発明の第２の支持軸の一例にあたる。
【０１２６】
また、支持軸１３と、回転子５３、バレル２３、支持軸３３ｂの中心軸は一致している。
【０１２７】
回転翼３０の上方に配置される支持部材６４には、ラジアル玉軸受け７３ｄが固定されており、第２の支持軸３３ｂを回転可能に支持している。
【０１２８】
このように構成することで、回転翼３０を両端で支持することができるので、回転翼３０の強風に対する強度が向上する。
【０１２９】
このように、本実施の形態３の回転翼３０は、バレル２３を自転駆動するための複数のコイル９３および永久磁石８３を防水保護された回転翼３０内部に配置する構成としたので、従来必要であった駆動機構のカバー部材が不要となり、風力発電機の回転部の軽量化および小型化を実現できる。
【０１３０】
次に、上記構成の本実施の形態３の回転翼３０の動作について説明する。
【０１３１】
発電機制御部の制御により複数のコイル９３に電流が流れると、回転子５３を介してバレル２３が支持軸１３を中心として回転し、マグナス力を発生する。
【０１３２】
このマグナス力により、支持部材６３、６４を介して台座１６内に配置されている風力発電機の発電機回転軸を回転させ、発電が行われる。
【０１３３】
このとき、永久磁石８３とコイル９３が発生する熱により暖められた空気が、回転子５３の回転に伴う軸流ファン５３ｆの働きにより貫通孔５３ｂを通じてバレル２３の内部を上昇し、エンドキャップ３３に形成された複数の貫通孔３３ａから強制的に排出されると同時に、支持部材６３に設けられた複数の貫通孔６３ａから外部の空気が流入し、永久磁石８３とコイル９３が冷却される。
【０１３４】
また、永久磁石８３とコイル９３が発生する熱は、回転子５３及びバレル２３内部の空気を介した熱伝導により、バレル２３の表面からも放熱されるため、冷却効率が高くなる上、バレル２３の表面温度が上がることで、回転翼３０に着氷しにくくなる。
【０１３５】
さらに、回転子５３の側面に放熱フィン５３ｃを設けたことにより、永久磁石８３とコイル９３が発生する熱を、より効率的に放熱することができる。
【０１３６】
（実施の形態４）
次に、本発明にかかる実施の形態４におけるマグナス式風力発電機の回転翼について説明する。
【０１３７】
図７は、本実施の形態４の回転翼４０の正面から視た断面構成図である。
【０１３８】
本実施の形態４の回転翼４０は、例えば、図４に示すような実施の形態３と同様の構成の垂直軸型マグナス式風力発電機の回転翼として用いることができる。
【０１３９】
図７に示すように、本実施の形態４の回転翼４０は、支持軸１４と、バレル２４と、エンドキャップ３４と、回転子５４と、複数の永久磁石８４と、複数のコイル９４と、ヒータ９５を備えている。
【０１４０】
支持軸１４は、円筒形状で、一端部が下側の支持部材６５に、他端部が上側の支持部材６６に、それぞれボルトナットや溶接により固定されている。支持軸１４を形成する材料として、炭素鋼などの金属が用いられている。
【０１４１】
支持軸１４の外面には、複数のコイル９４が取り付けられており、コイル９４のそれぞれの両端は、支持軸１４の内部を通じて回転翼４０の外部に引き出され、図示しない発電機制御部に接続されている。
【０１４２】
支持部材６５、６６は、例えば、図４に示すような風力発電機の台座１６内に配置された発電機の発電機回転軸１７に連結されている。
【０１４３】
なお、支持軸１４が、本発明の第１の支持軸の一例にあたり、支持部材６５、６６が、本発明の回転支持部材の一例にあたる。
【０１４４】
回転子５４は、略円筒形状であり、下面に軸流ファン５４ｃ、側面に放熱フィン５４ｂが形成されており、軸受け７４ａ、７４ｂを介して支持軸１４によって回転可能に支持されている。回転子５４を形成する材料として、鉄やアルミニウム合金などの金属が用いられている。
【０１４５】
回転子５４の内面には、磁性材料からなるバックヨーク５４ａが取り付けられ、バックヨーク５４ａの内面には複数の永久磁石８４が、それぞれ前記複数のコイル９４と向かい合うよう取り付けられ、ブラシレスＤＣモータ（または永久磁石同期モータ）として動作するよう配置されている。
【０１４６】
軸流ファン５４ｃは、回転子５４と一体となって回転し、回転翼４０の内部にエンドキャップ３４に向かう気流を発生させるとともに、外部の空気を回転翼４０の内部に流入させる。
【０１４７】
なお、軸流ファン５４ｃが本発明の気流発生手段の一例にあたる。
【０１４８】
軸受け７４ａはラジアル玉軸受けであり、軸受け７４ｂはスラスト玉軸受けである。
【０１４９】
なお、軸受け７４ａおよび７４ｂが、本発明の第１の軸受けの一例にあたる。
【０１５０】
バレル２４は、円筒形状であり、支持部材６５側の基端部が回転子５４に嵌め合わされ、螺子もしくは接着等で固定されている。バレル２４を形成する材料として、例えば、アルミニウム合金、炭素繊維強化プラスチック、ガラス繊維強化プラスチックなどの、軽量で強度の高いものが用いられている。
【０１５１】
エンドキャップ３４は、側面に複数の貫通孔３４ａ、中心に貫通孔３４ｂが形成され、内部にはラジアル玉軸受け７４ｃが固定されており、バレル２４の開口した上端部に嵌め合わされ、螺子または接着等で固定されている。エンドキャップ３４を形成する材料として、炭素鋼やアルミニウム合金などの金属が用いられている。
【０１５２】
なお、貫通孔３４ｂが、本発明の第１の貫通孔の一例にあたり、貫通孔３４ａが、本発明の第２の貫通孔の一例にあたり、ラジアル玉軸受け７４ｃが、本発明の第２の軸受けの一例にあたる。
【０１５３】
なお、支持軸１４と回転子５４、バレル２４、貫通孔３４ｂの中心軸は一致している。
【０１５４】
また、本実施の形態４における支持軸１４には、ヒータ９５が固定されている。ヒータ９５は、支持軸１４の内部を通じて回転翼４０の外部に引き出され、図示しない発電機制御部に接続されている。
【０１５５】
なお、ヒータ９５が、本発明の加熱手段の一例にあたる。
【０１５６】
このように構成することで、実施の形態３同様、回転翼４０を両端で支持することができるので、回転翼４０の強風に対する強度が向上する。
【０１５７】
次に、上記構成の本実施の形態４の回転翼４０の動作について説明する。
【０１５８】
発電機制御部の制御により複数のコイル９４に電流が流れると、回転子５４を介してバレル２４が支持軸１４を中心として回転し、マグナス力を発生する。
【０１５９】
このマグナス力により、支持部材６５、６６を介して台座１６内に配置されている風力発電機の発電機回転軸を回転させ、発電が行われる。
【０１６０】
このとき、永久磁石８４とコイル９４が発生する熱により暖められた空気が、回転子５４の回転に伴う軸流ファン５４ｃの働きによりバレル２４の内部を上昇し、エンドキャップ３４に形成された複数の貫通孔３４ａから強制的に排出されると同時に、支持部材６５に設けられた複数の貫通孔６５ａから外部の空気が流入し、永久磁石８４とコイル９４が冷却される。
【０１６１】
また、永久磁石８４とコイル９４が発生する熱は、回転子５４及びバレル２４内部の空気を介した熱伝導により、バレル２４の表面からも放熱されるため、冷却効率が高くなる上、バレル２４の表面温度が上がることで、回転翼４０に着氷しにくくなる。
【０１６２】
さらに、回転子５４の側面に放熱フィン５４ｂを設けたことにより、永久磁石８４とコイル９４が発生する熱を、より効率的に放熱することができる。
【０１６３】
さらにまた、本実施の形態４の回転翼４０では、例えば寒冷地において長時間の停止状態から再起動する場合などに、発電機制御部の制御によりヒータ９５を作動させ、着氷したバレル２４を内部から暖めて表面に付着した氷雪を除去することで、回転翼４０の負荷を低減するとともに、発電効率の低下を防止することができる。
【０１６４】
なお、実施の形態３および４では、気流発生手段として軸流ファン５３ｆ、５４ｃを適用した例について説明したが、軸流ファン５３ｆ、５４ｃのかわりに、エンドキャップ３３、３４の内部に、バレル内部の空気を排出する遠心ファンが形成されていてもよい。
【０１６５】
また、上記実施の形態１〜４の軸受け７１ａ、７１ｂ、７２ａ、７２ｂ、７３ａ、７３ｂ、７３ｄ、７４ａ、７４ｃは、ラジアル玉軸受の代わりに、ラジアルころ軸受などを用いることができる。
【０１６６】
さらにまた、軸受け７１ｃ、７２ｃ、７３ｃ、７４ｂは、スラスト玉軸受の代わりに、スラストころ軸受やスラスト磁気軸受などを用いることができる。
【０１６７】
さらにまた、ラジアル軸受け７１ａ、７１ｂ、７２ａ、７２ｂ、７３ａ、７３ｂ、７３ｄ、７４ａ、７４ｃのみで回転翼の軸方向荷重を支えられる場合は、スラスト軸受け７１ｃ、７２ｃ、７３ｃ、７４ｂは省略してもよい。
【０１６８】
図８（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態１および２におけるエンドキャップ３１および３２の変形例を示す斜視構成図である。
【０１６９】
上記実施の形態１および２のエンドキャップ３１および３２の上面は、図８（ａ）に示すように上方向に凸の曲面形状に形成してもよい。また、図８（ｂ）に示すように略円錐形状に形成してもよい。
【０１７０】
これらのようにエンドキャップ３１および３２の上面を形成することによって、エンドキャップ３１および３２の上面に着氷しにくくできる。
【０１７１】
また、エンドキャップ３１および３２の側面は、図８（ｃ）に示すように上側の直径がバレルの直径よりも大きくなるように傾斜させてもよい。
【０１７２】
このようにエンドキャップ３１および３２の側面を形成することによって、水滴や雨滴がバレル２１および２２内部へ侵入しにくくできる。
【０１７３】
図８（ｄ）は、実施の形態１〜４におけるエンドキャップ３１、３２、３３、３４の貫通孔３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａの配置例を示す水平断面図である。
【０１７４】
各実施の形態１〜４において、エンドキャップ３１、３２、３３、３４の貫通孔３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａは、図８（ｄ）に示すようにエンドキャップ３１、３２、３３、３４の中心からの放射方向に対して角度をつけて形成されていることが好ましい。なお、図８（ｄ）中のＲは、バレル２１、２２、２３、２４の回転方向を示している。
【０１７５】
このように形成することで、バレルの回転によりエンドキャップの貫通孔から外部の空気が逆流することを防止できる。
【０１７６】
図９（ａ）〜（ｅ）は、実施の形態１〜４における回転翼１０、２０、３０、４０のバレル２１、２２、２３、２４の変形例を示す斜視構成図である。また、図９（ｆ）は、実施の形態１〜４における回転翼１０、２０、３０、４０の一例の断面構成図である。
【０１７７】
上記実施の形態１〜４のバレル２１、２２、２３、２４の表面に、図９（ａ）に示すようにディンプル状の凹み２００を形成してもよい。また、図９（ｂ）に示すように突起物２０１を形成してもよい。また、図９（ｃ）に示すように、中心軸に対して平行なリブ２０２が形成されていてもよい。また、図９（ｄ）に示すように、中心軸に対して垂直なリブ２０３が形成されていてもよい。また、図９（ｅ）に示すように、螺旋状のリブ２０４が形成されていてもよい。
【０１７８】
図９（ｃ）〜図９（ｅ）で形成する各リブは、どのような方法で形成してもよい。例えば、円筒形状に加工したバレルの表面にリブに相当する部材を追加してもよいし、円筒形状に加工したバレルの表面を切削してリブを形成させるようにしてもよい。
【０１７９】
また、バレルの表面にリブを形成する代わりに、バレルの表面に溝を形成するようにしてもよい。
【０１８０】
これらのようにバレル２１、２２、２３、２４の表面を形成することによって、気流の流れが良くなり、少しの自転によって大きいマグナス力の効果を得ることができ、バレル２１、２２、２３、２４の回転騒音を小さくする効果も得られる。
【０１８１】
さらに、上記実施の形態１〜４のバレル２１、２２、２３、２４の内面に、図９（ｆ）に示すように、中心軸に対して平行なリブ２０５が形成されていてもよい。
【０１８２】
バレルの内面に形成するリブ２０５は、どのような方法で形成してもよい。例えば、押し出し加工により形成してもよいし、引き抜き加工により形成してもよい。
【０１８３】
このようにバレル２１、２２、２３、２４の内面を形成することによって、バレルの内面の表面積を大きくし、バレル内部の熱をより効果的にバレルに伝えることができる。
【０１８４】
以上のように、本発明によれば、コイルおよび永久磁石などの回転翼の駆動機構を、回転翼のバレル内部に配置する構成としたことにより、回転翼の駆動機構のカバー部材が不要となり、発電機の回転部の軽量化および小型化を図ることができる。
【０１８５】
また、本発明によれば、コイルおよび永久磁石などが発生する熱を回転翼の表面から放熱することで、コイルおよび永久磁石などを効率的に冷却し、長寿命化できるので、マグナス式風力発電機のメンテナンスコストを低減できる。
【０１８６】
また、コイルおよび永久磁石、あるいはヒータが発生する熱を回転翼の表面に伝導させることにより、回転翼の表面温度を高くし、着氷や凍結を防止することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１８７】
本発明の回転翼は、発電機の回転部を軽量化および小型化できる効果と、駆動機構の発熱による発電効率の低下を防止する効果と、駆動機構の長寿命化によりメンテナンスコストを低減する効果と、着氷防止により寒冷地における発電効率の低下を防止する効果を発揮し、マグナス式風力発電機の回転翼として有用である。
【符号の説明】
【０１８８】
１０、２０、３０、４０  回転翼
１１、１２、１３、１４  支持軸
１１ａ  突出部
１２ａ  放熱部材
１２ｂ  放熱フィン
１５、１６  台座
１７  発電機回転軸
２１、２２、２３、２４  バレル
２２ａ、２２ｂ  バレル部分
２２ｃ  連結部材
３１、３２、３３、３４  エンドキャップ
３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａ  第２の貫通孔
３３ｂ  第２の支持軸
３４ｂ  第１の貫通孔
４１、４２、４３  カバー部材
４１ａ  貫通孔
５１、５２、５３、５４  回転子
５１ａ、５２ａ、５３ａ  回転子回転軸
５１ｂ、５２ｂ、５３ｂ  貫通孔
５２ｃ、５３ｃ、５４ｂ  放熱フィン
５１ｃ、５２ｄ、５３ｄ、５４ａ  バックヨーク
５２ｅ、５３ｅ  溝
５３ｆ、５４ｃ  軸流ファン
６１、６２、６３、６４、６５、６６  支持部材
６３ａ、６５ａ  貫通孔
７１ａ、７１ｂ、７２ａ、７２ｂ、７３ａ、７３ｂ、７３ｄ、７４ａ、７４ｃ  ラジアル玉軸受け
７１ｃ、７２ｃ、７３ｃ、７４ｂ  スラスト玉軸受け
８１、８２、８３、８４  永久磁石
９１、９２、９３、９４  コイル
９５  ヒータ
９６  ティース
９７  気流
２００  凹み
２０１  突起物
２０２、２０３、２０４、２０５  リブ
【図１】
2013194724.tif 000003
【図２】
2013194724.tif 000004
【図３】
2013194724.tif 000005
【図４】
2013194724.tif 000006
【図５】
2013194724.tif 000007
【図６】
2013194724.tif 000008
【図７】
2013194724.tif 000009
【図８】
2013194724.tif 000010
【図９】
2013194724.tif 000011