(57)【要約】      （修正有）【課題】簡易な構成で回転負荷を低減して低風速起動を可能とし、発電量を向上させることができる風力発電システムを提供する。【解決手段】風力発電システムは、垂直方向に立設された主軸１と、主軸に取り付けられた風車と、主軸１の下部に設けられた発電装置３とを備える。発電装置３は、主軸１の下部に取り付けられ、周方向に交互に極性が異なるように永久磁石を配置させたロータ３０と、ロータ３０を取り囲む複数のヨーク４２と、ヨーク４２の回りに巻線されたコイル４３とを有するステータ４０とを備え、ロータ３０とヨーク４２との間の磁気吸引力により主軸１を浮上させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直方向に立設された主軸と、該主軸に取り付けられた風車と、該主軸の下部に設けられた発電装置とを備える風力発電システムにおいて、
前記発電装置は、
前記主軸の下部に取り付けられ、周方向に交互に極性が異なるように永久磁石を配置させたロータと、
前記ロータを取り囲む複数のヨークと、該ヨークの回りに巻線されたコイルとを有するステータと
を備え、
前記ロータと前記ヨークとの間の磁気吸引力により、前記主軸を浮上させることを特徴とする風力発電システム。
【請求項２】
請求項１記載の風力発電システムにおいて、
前記ロータの外周面が上部から下部に拡径したテーパ形状であり、
前記ヨークの内周面が前記ロータの外周面に対応して上部から下部に拡径したテーパ形状であり、
前記ロータと前記ヨークとの間の磁気吸引力として、水平方向成分に加えて垂直方向成分を発生させたことを特徴とする風力発電システム。
【請求項３】
請求項１または２記載の風力発電システムにおいて、
前記ロータの下部に設けられたロータ側補助永久磁石と、
前記ステータに設けられ、前記補助永久磁石と逆極性に対向配置されたステータ側補助永久磁石とを備え、
前記ロータ側補助永久磁石と前記ステータ側補助永久磁石により、前記主軸の浮上を補助することを特徴とする風力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
垂直方向に立設された主軸と、該主軸に取り付けられた風車と、該主軸の下部に設けられた発電装置とを備える風力発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の風力発電システムとしては、下記特許文献１に示すように、主軸の上下端に永久磁石を配置し、これらに対向する永久磁石を軸受け部分に設けた磁気軸受けを備える風力発電装置が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１３２６１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の風力発電システムでは、非接触の磁気軸受けにより接触抵抗を無くして発電効率を高めることができるものの、磁気軸受けに加えて、発電装置を別途構成する必要があり、装置構成が複雑となるという問題があった。
【０００５】
特に、縦型の小型風力発電装置では、簡易な構成で複数台設置可能とすることで発電量を増やす事業形態であるところ、装置構成が複雑で１台当たりのコストが嵩むことはビジネス上大きな障害となる。
【０００６】
そこで、本発明は、簡易な構成で回転負荷を低減して低風速起動を可能とし、発電量を向上させることができる風力発電システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、第１発明の風力発電システムは、垂直方向に立設された主軸と、該主軸に取り付けられた風車と、該主軸の下部に設けられた発電装置とを備える風力発電システムにおいて、
前記発電装置は、
前記主軸の下部に取り付けられ、周方向に交互に極性が異なるように永久磁石を配置させたロータと、
前記ロータを取り囲む複数のヨークと、該ヨークの回りに巻線されたコイルとを有するステータと
を備え、
前記ロータと前記ヨークとの間の磁気吸引力により、前記主軸を浮上させることを特徴とする。
【０００８】
第１発明の風力発電システムによれば、永久磁石を配置したロータと、これと対向するヨークを有するステータにより発電装置を構成することで、主軸を発電装置の磁気吸引効果により浮上させることができる。
【０００９】
これにより、磁気軸受けを別途設ける必要がなく、簡易な構成で回転負荷を低減して低風速起動を可能とし、発電量を向上させることができる。
【００１０】
第２発明の風力発電システムは、第１発明において、
前記ロータの外周面が上部から下部に拡径したテーパ形状であり、
前記ヨークの内周面が前記ロータの外周面に対応して上部から下部に拡径したテーパ形状であり、
前記ロータと前記ヨークとの間の磁気吸引力として、水平方向成分に加えて垂直方向成分を発生させたことを特徴とする。
【００１１】
第２発明の風力発電システムによれば、永久磁石を配置したロータと、これと対向するヨークを有するステータでは、磁気吸引力はロータとヨークとの間の水平方向となるところ、ロータを外周面が上部から下部に拡径したテーパ形状とし、ヨークの内周面をロータの外周面に対応させて上部から下部に拡径したテーパ形状とすることで、ロータを引き上げるようにテーパ面に垂直な斜め上方の磁気吸引力を発生させることができる。
【００１２】
これにより、主軸に掛る重力が多くなった場合にも、磁気軸受けを別途設ける必要がなく、簡易な構成で回転負荷を低減して低風速起動を可能とし、発電量を向上させることができる。
【００１３】
第３発明の風力発電システムは、第１または第２発明において、
前記ロータの下部に設けられたロータ側補助永久磁石と、
前記ステータに設けられ、前記補助永久磁石と逆極性に対向配置されたステータ側補助永久磁石とを備え、
前記ロータ側補助永久磁石と前記ステータ側補助永久磁石により、前記主軸の浮上を補助することを特徴とする。
【００１４】
第３発明の風力発電システムによれば、主軸に掛る重力が多くなった場合にも、主軸の下端に設けられたロータ側補助永久磁石とステータ側補助永久磁石の反発力により、主軸が上方に押し上げられる。
【００１５】
これにより、主軸に掛る重力が多くなった場合にも、磁気軸受けを別途設ける必要がなく、簡易な構成で回転負荷を低減して低風速起動を可能とし、発電量を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】風力発電システムの構成を示す全体構成図。
【図２】図１の風力発電システムの発電装置の構成を示す説明的断面図。
【図３】図２の発電装置の他の構成を示す説明的断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１を参照して、本実施形態の風力発電システムについて説明する。風力発電システムは、フレームＸを介して垂直方向に立設された主軸１と、主軸１に取り付けられた風車２と、主軸１の下部に設けられた発電装置３とを備える。
【００１８】
主軸１は、フレームＸとの間にベアリングＹを介して回転自在に支持され、風車２の回転に対応して回転する。
【００１９】
風車２は、縦方向に延びる一対のブレード２１，２１と、主軸１に連結されブレード２１，２１を支持する支持アーム２２，２２とを備える。
【００２０】
図２に示すように、発電装置３は、主軸１の下部に取り付けられたロータ３０と、ロータ３０を取り囲むように設けられたステータ４０とを備える。
【００２１】
ロータ３０は、ジョイント部１０を介して主軸１と連結された回転軸１´に取り付けられた回転体３１と、回転体３１の外周面において周方向に極性が異なるように放射状に配置された複数の永久磁石３２とを備える。
【００２２】
ステータ４０は、筺体４１の内面に支持された複数のヨーク４２と、ヨーク４２の回りに巻線されたコイル４３とを備える。
【００２３】
筺体４１は、発電装置３本体のケーシングの上面３´にアジャストスクリュー４１ａを介して、上下方向に調整可能に支持される。なお、ケーシングの上面３´と筺体４１との突き当たり部分にはガイド（防振ゴム）４１ｂが取り付けられている。
【００２４】
ヨーク４２は、ロータ３０の永久磁石３２と対向してロータ３０を外周から取り囲む。なお、ヨーク４２の外側端部は互いに連結されて環状となっていてもよい。
【００２５】
これにより、ロータ３０をステータ４０内に挿入すると、ロータ３０の永久磁石３２と対向するヨーク４２との磁気吸引力により、図２のようにロータ３０がヨーク４２の中央位置（中心方向および上下方向の中央位置）で浮上保持される。
【００２６】
なお、筺体４１と発電装置３本体のケーシングの上面３´との間のアジャストスクリュー４１ａを調整することにより、前記中央位置を調整することができ、ロータ３０を介して主軸１の上下方向の位置を調整することができる。
【００２７】
コイル４３は、ヨーク４２の回りに巻線され、ロータ３０の回転によるヨーク４２内の磁束の変化により交流の誘導電流が発生する。
【００２８】
また、ロータ３０およびステータ４０には、必要に応じて、それぞれロータ側補助永久磁石３４およびステータ側補助永久磁石４４が設けられる。
【００２９】
ロータ側補助永久磁石３４は、ロータ３０の下部に下向きに取り付けられ、ステータ側補助永久磁石４４は、ステータ４０の底面４０´にロータ側補助永久磁石３４と逆極性に対向配置される。
【００３０】
これにより、ロータ３０の永久磁石３２と対向するヨーク４２との磁気反発力により、ロータ３０および主軸１の浮上が不十分な場合に、ロータ側補助永久磁石３４およびステータ側補助永久磁石４４の反発力によりロータ３０を上方に押し上げて浮上させることができる。
【００３１】
なお、ステータ側補助永久磁石４４は、ステータ４０の底面４０´にアジャストスクリュー４４ａを介して、上下方向に調整可能に支持される。そのため、ロータ側補助永久磁石３４とステータ側補助永久磁石４４との間のギャップを調整することで、ロータ３０を上方に押し上げる反発力を調整することができる。
【００３２】
以上のように構成された風力発電システムによれば、風がブレード２１，２１が受けることにより回転すると、支持アーム２２，２２を介してその回転が主軸１の回転となる。
【００３３】
このとき、主軸１は、回転軸１´を介して下部に設けられたロータ３０が、ヨーク４２との間の磁気吸引力（ロータ側補助永久磁石３４およびステータ側補助永久磁石４４が設けられる場合にはこれらの間の反発力）により、浮上状態とすることができる。
【００３４】
このように主軸１を浮上状態とすることにより、主軸１の軸受け部分であるベアリングＹの軸受け荷重を軽減することができ、回転負荷を大幅に低減して低速起動を可能とすることができる。
【００３５】
さらに、ベアリングＹに掛る軸受け荷重は、筺体４１と発電装置３本体のケーシングの上面３´との間のギャップをアジャストスクリュー４１ａにより調整することができる（図中の矢印参照）。
【００３６】
加えて、ロータ側補助永久磁石３４およびステータ側補助永久磁石４４が設けられる場合にはアジャストスクリュー４４ａにより、ロータ側補助永久磁石３４とステータ側補助永久磁石４４との間のギャップを調整することでも、ベアリングＹに掛る軸受け荷重を調整することができる（図中の矢印参照）。
【００３７】
また、水平方向において、ロータ３０を取り囲むようにステータ４０を設けるオーバーハング構造とすることで、ロータ３０とステータ４０との間のベアリングを省略することができ、軸受け負荷部分を無くすることができ、回転負荷をさらに低減することができる。
【００３８】
加えて、ロータ３０を取り囲むようにステータ４０を設けるオーバーハング構造とすることで、主軸１の縦方向の振動に対して許容性を持たせることができ、ロータ３０とステータ４０との間のベアリングと併せて用いられるフレキシブルカップリングやフレキシブルシャフト等についても不要となる。
【００３９】
このように、本実施形態の風力発電システムによれば、簡易な構成で回転負荷を低減して低風速起動を可能とし、発電量を向上させることができる。
【００４０】
次に、図３を参照して、本実施形態の発電システムの変更例について説明する。なお、上記実施形態と同一の構成については、同一符号を付してその説明を省略する。
【００４１】
この場合、回転軸１´に設けられたロータ３０´は、その外周面が上部から下部に拡径したテーパ形状となっている。
【００４２】
具体的には、ロータ３０´は、回転体３１´の外周面が上部から下部に拡径したテーパ形状となっており、その外周側に永久磁石３２´が外周面において周方向に極性が異なるように放射状に配置される。
【００４３】
また、この場合のステータ４０´は、筺体４１´の内面に取り付けられたヨーク４２´の内周面がロータ３０´の外周面に対応して上部から下部に拡径したテーパ形状となっている。なお、ヨーク４２´の内周面は、ヨーク４２´の制作上、階段状となっていてもよい。
【００４４】
筺体４１´は、発電装置３本体のケーシングの下面３´´上において、アジャストスクリュー４１ａ´を介して上下方向に調整可能に支持される。また、筺体４１´とケーシングの下面３´´との間の付き当たり部分にはガイド（防振ゴム）４１ｂ´が取り付けられている。
【００４５】
かかる本実施形態の発電システムの変更例によれば、磁気吸引力がロータ３０とヨーク４２との間の水平方向となる前記実施形態に比して、ロータ３０´を引き上げるようにテーパ面に垂直な斜め上方の磁気吸引力を発生させることができる（図中の矢印）。
【００４６】
このとき、筺体４１´と発電装置３本体のケーシングの下面３´´との間のアジャストスクリュー４１ａ´を調整することにより、その中央位置を調整することができ、ロータ３０´を介して主軸１の上下方向の位置を調整することができる。
【００４７】
これにより、主軸１に掛る重力が多くなった場合にも、簡易な構成で回転負荷を低減して低風速起動を可能とし、発電量を向上させることができる。
【００４８】
なお、かかる本実施形態の発電システムの変更例においても、主軸１に掛る荷重が大きい場合などに、ロータ側補助永久磁石３４とステータ側補助永久磁石４４を補助的に設けるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１…主軸、１´…回転軸、２…風車、３…発電装置、３´，３´´…ケーシング、２１…ブレード、２２…支持アーム、３０…ロータ、３１，３１´…回転体、３２，３２´…永久磁石、４０…ステータ、４１…筺体、４１ａ，４１ａ´，４４ａ…アジャストスクリュー、４２，４２´…ヨーク、４３…コイル、Ｘ…フレーム、Ｙ…ベアリング（軸受け）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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