(57)【要約】【課題】入力軸の回転速度に応じて出力を切り替えることができる発電機を提供する。【解決手段】永久磁石発電機９は、永久磁石１０、２４を保持して回転されるロータ１１、３０と、鉄心１２、２８及びこれに巻回されたコイル１３、２７を有するステータ１４、２９とを備える。永久磁石１０、２４は、ステータ１４、２９の内側を周回する内側磁石１７、２５とステータ１４、２９の外側を周回する外側磁石１８、２６とで構成される。コイル１３、２７は、内側磁石１７、２５に対峙する内側コイル１３ａ、２７ａと外側磁石１８、２６に対峙する外側コイル１３ｂ、２７ｂとで構成される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石を保持して回転されるロータと、鉄心及びこれに巻回されたコイルを有するステータとを備える永久磁石発電機であって、
前記永久磁石は、前記ステータの内側を周回する内側磁石と前記ステータの外側を周回する外側磁石とで構成され、
前記コイルは、前記内側磁石に対峙する内側コイルと前記外側磁石に対峙する外側コイルとで構成されることを特徴とする永久磁石発電機。
【請求項２】
前記内側コイル及び前記外側コイルは、共通の前記鉄心に巻回されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石発電機。
【請求項３】
前記ロータの回転軸は、垂直軸型風車の回転主軸の下端部により構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の永久磁石発電機。
【請求項４】
前記内側磁石及び前記外側磁石と前記内側コイル及び前記外側コイルが巻回された前記鉄心との間の磁気吸引力により、前記ロータに対し、その回転軸線に沿った方向における一定の位置に向けて付勢する力が作用することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の永久磁石発電機。
【請求項５】
前記内側磁石及び前記外側磁石の前記内側コイル及び前記外側コイルに対峙する面は、回転軸線に沿った第１方向に縮径及び拡径するテーパ形状をそれぞれ有し、
前記内側コイル及び前記外側コイルが巻回された前記鉄心の前記内側磁石及び前記外側磁石に対峙する面は、前記第１方向に縮径及び拡径するテーパ形状をそれぞれ有することを特徴とする請求項４に記載の永久磁石発電機。
【請求項６】
前記ロータの前記第１方向と反対側の端部に設けられるロータ側補助永久磁石と、
前記ロータ側補助永久磁石に対して該第１方向と反対側から同極性で対向するように配置されたステータ側補助永久磁石とを備えることを特徴とする請求項５に記載の永久磁石発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石を保持して回転されるロータと、鉄心及びこれに巻回されたコイルを有するステータとを備える永久磁石発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、風車により発電機のロータを回転させて発電を行う装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような風力発電装置においては、通常、風速が低い場合には風車の回転速度も低いので、出力は小さく、発電効率も低い。装置の起動後における風車の加速開始前の回転速度が低い期間においても同様であり、低速域では高い効率で発電することができない。
【０００３】
そこで、特許文献１の発電装置では、風車の回転速度を増速して発電機に伝達する増速機を設けることにより、風車の回転速度が低い場合でも大きい出力が得られるようにしている。また、この発電装置では、増速機を発電機内に組み込んだ遊星歯車で構成することにより、騒音の問題を解消しながら小型・軽量化を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−６４１４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の増速器を有する発電装置によれば、風車の回転数が常に一定の増速率で増速されてロータに伝達されるので、風車の回転速度に応じた電力が得られるだけである。
【０００６】
このため、得られる電力の大きさを、例えば、風車の回転速度が小さいときには発電能力を半分に抑え、回転速度が大きいときには最大の発電能力で運転するというように、風車の回転速度に応じて、発電量を切り替えることができない。かかる切替えを実現するためには、例えばロータ及びステータの組を回転軸方向に複数段設ける必要があるので、装置の回転軸方向スペース及び部品点数が増大する。
【０００７】
本発明の目的は、かかる従来技術の課題に鑑み、簡便な構成で発電量の切替えができる永久磁石発電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１発明に係る永久磁石発電機は、
永久磁石を保持して回転されるロータと、鉄心及びこれに巻回されたコイルを有するステータとを備える永久磁石発電機であって、
前記永久磁石は、前記ステータの内側を周回する内側磁石と前記ステータの外側を周回する外側磁石とで構成され、
前記コイルは、前記内側磁石に対峙する内側コイルと前記外側磁石に対峙する外側コイルとで構成されることを特徴とする。
【０００９】
第１発明によれば、永久磁石を内側磁石と外側磁石とで構成し、コイルを、内側コイルと外側コイルで構成することにより、定格が異なる２つの発電機が鉄心の内側と外側に構成される。
【００１０】
したがって、この永久磁石発電機を風力発電や水力発電に適用する場合、内側の発電機と外側の発電機とを別個に制御することができる。例えば、ロータの低回転時には外側の発電機のみから電力を取得し、回転が上昇した時点で内側の発電機からも電力を取得するように運転したり、あるいはその逆の手順で運転を行ったりすることができる。このような制御により、効率の良い発電を行うことができる。また、２つの発電機がロータの径方向に構成されるので、ロータの軸方向のスペースを拡大させることなく、２つの発電機を構成することができる。
【００１１】
第２発明に係る永久磁石発電機は、第１発明において、
前記内側コイル及び前記外側コイルは、共通の前記鉄心に巻回されていることを特徴とする。
【００１２】
第２発明によれば、内側の発電機と外側の発電機とで鉄心が共有されるので、永久磁石発電機をコンパクトに、かつ少ない部品点数で構成することができる。
【００１３】
第３発明に係る永久磁石発電機は、第１又は第２発明において、
前記ロータの回転軸は、垂直軸型風車の回転主軸の下端部により構成されることを特徴とする。
【００１４】
第３発明によれば、ロータを垂直軸型風車の回転主軸で吊り下げられた状態にすることができるので、ロータ自体の軸受を省略することができる。これにより、永久磁石発電機の構造を簡略化できるとともに、軸受ロスの少ない風力発電を行うことができる。
【００１５】
第４発明に係る永久磁石発電機は、第１〜第３のいずれかの発明において、
前記内側磁石及び前記外側磁石と前記内側コイル及び前記外側コイルが巻回された前記鉄心との間の磁気吸引力により、前記ロータに対し、その回転軸線に沿った方向における一定の位置に向けて付勢する力が作用することを特徴とする。
【００１６】
第４発明によれば、ロータに対し、回転軸線に沿った方向における一定の位置への付勢力が作用するので、例えば、ロータを垂直軸型風車の回転主軸に連結させた場合に、回転主軸に作用する重力が大きい場合でも、回転主軸を浮かせることができる。これにより、磁気軸受などを別途設ける必要なく、簡易な構成で回転負荷を低減して垂直軸型風車の回転力による永久磁石発電機の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。
【００１７】
第５発明に係る永久磁石発電機は、第４発明において、
前記内側磁石及び前記外側磁石の前記内側コイル及び前記外側コイルに対峙する面は、回転軸線に沿った第１方向に縮径及び拡径するテーパ形状をそれぞれ有し、
前記内側コイル及び前記外側コイルが巻回された前記鉄心の前記内側磁石及び前記外側磁石に対峙する面は、前記第１方向に縮径及び拡径するテーパ形状をそれぞれ有することを特徴とする。
【００１８】
第５発明によれば、内側磁石は内側コイルの鉄心部分を引き付け、外側磁石は外側コイルの鉄心部分を引き付けるので、ロータに対して、第１方向に付勢する力を作用させることができる。したがって、例えば、ロータに対して第１方向の側から垂直軸型風車の回転主軸を結合させることにより、回転主軸を確実に浮かせた状態で、発電を行うことができる。
【００１９】
第６発明に係る永久磁石発電機は、第５発明において、
前記ロータの前記第１方向と反対側の端部に設けられるロータ側補助永久磁石と、
前記ロータ側補助永久磁石に対して該第１方向と反対側から同極性で対向するように配置されたステータ側補助永久磁石とを備えることを特徴とする。
【００２０】
第６発明によれば、ロータに対して第１方向の側から垂直軸型風車の回転主軸を結合させることにより、回転主軸を確実に浮かせた状態で、発電を行うことができる。これにより、回転主軸に掛る重力が大きい場合にも、磁気軸受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】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る永久磁石発電機が適用される風力発電装置の斜視図である。
【図２】図１の風力発電装置の永久磁石発電機の断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る永久磁石発電機の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。本発明の第１実施形態に係る永久磁石発電機が適用される風力発電装置１は、図１に示すように、直線翼垂直軸型風車２と、直線翼垂直軸型風車２の回転力により発電を行う発電部３とを備える。
【００２３】
直線翼垂直軸型風車２は、発電部３上にフレーム４を介して垂直方向に立設された回転主軸５と、回転主軸５に取り付けられた直線翼としてのブレード６とを備える。回転主軸５は、フレーム４との間にベアリング７を介して回転自在に支持される。ブレード６は、支持アーム８を介して回転主軸５に連結される。
【００２４】
発電部３は、回転主軸５の下部に設けられ、回転主軸５を介して伝達される回転力に基づいて発電を行う。発電部３は、その筐体内に配置された永久磁石発電機を用いて構成される。
【００２５】
図２に示すように、この永久磁石発電機９は、永久磁石１０を保持して回転されるロータ１１と、円環状の鉄心１２及びこれに巻回されたコイル１３を有するステータ１４とを備える。
【００２６】
ロータ１１の回転軸１５は、直線翼垂直軸型風車２の回転主軸５の下端部により構成される。回転主軸５の下端は、ナット１６によりロータ１１に締結されて固定される。したがって、ロータ１１は、直線翼垂直軸型風車２の回転主軸５により吊り下げられた状態となっている。
【００２７】
永久磁石１０は、ステータ１４の内側を周回する内側磁石１７とステータ１４の外側を周回する外側磁石１８とで構成される。コイル１３は、内側磁石１７に対峙する複数の内側コイル１３ａと外側磁石１８に対峙する複数の外側コイル１３ｂとで構成される。内側磁石１７及び外側磁石１８は、周方向に極性が異なるようにして放射状に配置された複数の永久磁石により構成される。
【００２８】
ステータ１４の鉄心１２は、内側コイル１３ａ及び外側コイル１３ｂに共通のものであり、固定ロッド１９を介して、台座２０に固定される。台座２０は、発電部３の筐体に固定される。
【００２９】
鉄心１２は、径方向内側及び径方向外側に複数のスロットを有しており、内側コイル１３ａは径方向内側のスロットに挿入され、外側コイル１３ｂは径方向外側のスロットに挿入されて鉄心１２に巻回される。
【００３０】
このような内側磁石１７及び外側磁石１８と、これらにそれぞれ対峙する内側コイル１３ａ及び外側コイル１３ｂとで、定格が異なる２つの発電機が鉄心１２の内側と外側に構成される。
【００３１】
内側磁石１７及び外側磁石１８と内側コイル１３ａ及び外側コイル１３ｂが巻回された鉄心１２部分との間の磁気吸引力により、ロータ１１に対し、その回転軸線Ａに沿った方向における一定の位置に付勢する力が作用するようになっている。
【００３２】
ロータ１１の回転軸線Ａに沿った第１方向Ａ１と反対側の端部には、ロータ側補助永久磁石２１が設けられる。本実施形態では第１方向Ａ１は鉛直上方に該当する。また、台座２０には、ロータ側補助永久磁石２１に対して第１方向Ａ１と反対側から同極性で対向するように配置され、ロータ１１を第１方向Ａ１に付勢するステータ側補助永久磁石２２が設けられる。
【００３３】
回転軸線Ａの方向に沿った方向の鉄心１２の位置は、固定ロッド１９や台座２０の回転軸線Ａ方向の位置を修正することにより調整できるようになっている。これにより、ロータ１１の鉛直方向の位置を、ステータ１４とロータ１１との間に働く磁力を通じて、適切に設定できるようになっている。
【００３４】
この構成において、風を受けて各ブレード６に揚力が生じると、これらの合力が、各ブレード６を周回方向へ回転させる力となり、この回転力が、支持アーム８を介して回転主軸５に伝達される。これにより、回転主軸５（回転軸１５）は、ブレード６とともに回転する。これにより、ロータ１１が回転するので、永久磁石発電機９は発電を行う。
【００３５】
このとき、内側の発電機と外側の発電機とが別個に制御される。例えば、低速回転時には外側コイル１３ｂのみから電力を取得し、回転速度が上昇した時点で内側コイル１３ａからも電力を取得するように制御したり、あるいはその逆の手順で制御を行ったりすることができる。このような制御により、効率の良い発電が行われる。
【００３６】
この間、ロータ１１は、直線翼垂直軸型風車２の回転主軸５で吊り下げられた状態になっており、かつ、ロータ１１には、鉄心１２と永久磁石１０との間の吸引力と、ロータ側補助永久磁石２１とステータ側補助永久磁石２２との間の反発力が作用する。これらの力は、ロータ１１に対し、それを浮上させる方向に働く。したがって、軸受ロスの少ない発電が行われる。
【００３７】
以上のように、第１実施形態によれば、永久磁石１０を内側磁石１７と外側磁石１８とで構成し、コイル１３を、内側コイル１３ａと外側コイル１３ｂとで構成することにより、定格が異なる２つの発電機を鉄心１２の内側と外側に構成することができる。
【００３８】
そして、低速回転時には外側の発電機のみを運転し、回転が上昇した時点で内側の発電機も運転したり、あるいはその逆の手順で運転を行ったりすることができる。このような制御により、効率の良い発電を行うことができる。
【００３９】
また、内側コイル１３ａ及び外側コイル１３ｂは、共通の鉄心１２に巻回されるので、永久磁石発電機９をコンパクトに、かつ少ない部品点数で構成することができる。
【００４０】
また、ロータ１１の回転軸１５は、垂直軸型風車２の回転主軸５の下端部により構成されるので、ロータ１１を垂直軸型風車２の回転主軸５で吊り下げられた状態にすることができる。したがって、ロータ１１自体の軸受を省略することができる。これにより、永久磁石発電機９の構造を簡略化できるとともに、軸受ロスの少ない風力発電を行うことができる。
【００４１】
また、内側磁石１７及び外側磁石１８と、内側コイル１３ａ及び外側コイル１３ｂが巻回された鉄心１２部分との間の磁気吸引力により、ロータ１１すなわち回転主軸５に対し、それを浮上させる方向の力を付与することができる。
【００４２】
これにより、磁気軸受などを別途設ける必要なく、簡易な構成で回転負荷を低減して垂直軸型風車２の回転力による永久磁石発電機９の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。
【００４３】
また、ロータ側補助永久磁石２１とステータ側補助永久磁石２２とを備えるので、上述のロータ１１を一定位置に付勢する付勢力が不足する場合でも、その付勢力を補って、回転主軸５を確実に浮かせた状態で、発電を行うことができる。これにより、回転主軸５に掛る重力が大きい場合にも、磁気軸受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。
【００４４】
図３は、第２実施形態に係る永久磁石発電機の断面図である。図３において、図２の符号と同一の符号は同様の要素を示す。
【００４５】
図３に示すように、この永久磁石発電機２３では、永久磁石２４を構成する内側磁石２５及び外側磁石２６の内側コイル２７ａ及び外側コイル２７ｂに対峙する面は、回転軸線Ａに沿った第１方向Ａ１に向かって縮径及び拡径するテーパ形状をそれぞれ有する。ここでは、第１方向Ａ１は鉛直上方に該当する。
【００４６】
また、内側コイル２７ａ及び外側コイル２７ｂが巻回された鉄心２８部分の内側磁石２５及び外側磁石２６に対峙する面は、第１方向Ａ１に向かって縮径及び拡径するテーパ形状をそれぞれ有する。
【００４７】
内側磁石２５は内側コイル２７ａの鉄心２８部分を引き付け、外側磁石２６は外側コイル２７ｂの鉄心２８部分を引き付けるので、ステータ２９からロータ３０に対して、第１方向Ａ１に付勢する力が作用する。これにより、回転主軸５に浮上方向の力を作用させた状態で、発電が行われる。したがって、回転主軸５に掛る重力が大きい場合にも、磁気軸受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。
【００４８】
なお、この永久磁石２４が鉄心２８を引き付ける力が十分大きい場合には、ロータ側補助永久磁石２１及びステータ側補助永久磁石２２は、使用しなくてもよい。他の構成や作用効果については、第１実施形態の場合と同様である。
【００４９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、永久磁石発電機９、２３は、垂直軸型風車２による風力発電に限らず、他の水平軸型の風車や、水車を用いた発電にも適用することができる。また、鉄心１２、２８は、内側コイル１３ａ、２７ａが巻回されるものと、外側コイル１３ｂ、２７ｂが巻回されるものとに分離して構成してもよい。
【００５０】
また、径の異なる複数の鉄心を同心かつ同一面上に配置し、それぞれの鉄心に内側コイル及び外側コイルを設け、各鉄心の内側コイル及び外側コイルに対応する内側磁石及び外側磁石を有するロータを採用することにより、４段以上の発電機を径方向に構成してもよい。
【符号の説明】
【００５１】
２…直線翼垂直軸型風車、５…回転主軸、１０、２４…永久磁石、１１、３０…ロータ、１２、２８…鉄心、１３、２７…コイル、１３ａ、２７ａ…内側コイル、１３ｂ、２７ｂ…外側コイル、１４、２９…ステータ、１５…回転軸、１７、２５…内側磁石、１８、２６…外側磁石、２１…ロータ側補助永久磁石、２２…ステータ側補助永久磁石。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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