(57)【要約】【課題】高い防水特性を維持しながら発電効率が良い、増速機構を有する水力発電機を提供する。【解決手段】低速ローター３０と高速ローター５０および水車１０が中心軸２１に回転可能に取付けられ、ステーターポール４２を有するステーター４０が低速ローター３０と高速ローター５０の間に回転不能に取付けられ、ステーターポール４２に発電コイル４３が巻回され、水車１０に連結された低速ローター３０が回転させられることにより高速ローター５０が増速回転し発電する磁気ギア方式の水力発電機において、回転しないステーター４０はＯリング１４を介して中心軸２１に取付けられて水密構造となり、回転する低速ローター３０と水車１０はすべり軸受け２２を介して中心軸２１に回転可能に取付けられるので発電効率の良い水力発電機が提供できる。【選択図】図１
2017227176.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸まわりに回転しない中心軸と、前記中心軸に同軸に取付けられた低速ローターとステーターと高速ローターを有し、
多い極対数の磁石を有する前記低速ローターと、少ない極対数の磁石を有する前記高速ローターが前記中心軸に回転可能に取付けられ、
前記低速ローターの極対数と前記高速ローターの極対数の和または差の数のステーターポールを有する前記ステーターが、前記低速ローターと前記高速ローターの間に前記ステーターポールが前記低速ローターの磁石と前記高速ローターの磁石に対向するように前記中心軸に回転不能に取付けられ、
前記ステーターポールに発電コイルが巻回され、前記低速ローターを駆動することにより前記高速ローターが増速回転し発電する磁気ギア方式の水力発電機において、
前記ステーターの内側が水密構造となっておりＯリングを介して前記中心軸に取付けられ、前記低速ローターがすべり軸受けを介して前記中心軸に取付けられていることを特徴とする水力発電機。
【請求項２】
前記低速ローターが水車に固定され、前記水車がすべり軸受けを介して前記中心軸に取付けられていることを特徴とする請求項１に記載の水力発電機。
【請求項３】
前記水車が２つの前記すべり軸受けを介して前記中心軸に取付けられていることを特徴とする、請求項２に記載の水力発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中に投入して使用される水力発電機、特に小水力発電等に使用される磁気ギアによる増速機構を有する水力発電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水力発電機のうち規模が小さい用途の発電機として小水力発電機がある。
小水力発電機の設置形態は種々様々であるが、簡便な設置方法のひとつに既存の水路等の中に水車を有する発電機を設置し、水車の回転により発電機を駆動し電力を得るという設置方式がある。
【０００３】
この様な設置方式の小水力発電が設置される水路等では水量が少なく流速も遅いことが多い。このため水車の回転速度は低くなりがちで回転増速機構が必要となることが多く、また、発電機の発電効率を少しでも良くする必要がある。
【０００４】
発電効率の低下が抑制されている水力発電装置として特許文献１には、図４に示すような、外周にらせん翼９３０が設けられ、内部に中空部分が形成されており、らせん翼９３０に向かう水流によって回転する中空軸体９３１と、らせん翼９３０を囲うように設けられている枠部材９５０と、中空軸体９３１の中心軸と重なるように延在しており、枠部材９５０に回転不能に固定されている固定軸９２０と、中心軸と重なるように延在しており、枠部材９５０に回転可能に支持されている回転軸９２１とを備え、中空軸体９３１は、固定軸９２０に回転可能に支持されているとともに、回転軸９２１に固定されたらせん水車が提示されている。
特許文献１によれば、らせん水車をこの様にすれば、中空軸体９３１は固定軸９２０および回転軸９２１をその回転中心として枠部材９５０に対して回転可能に設けられているため、中空軸体９３１と固定軸９２０との接続部を１箇所とすることができる。これにより、中空軸体９３１の中空部分の内部と外部との間に配置される軸受９６４やオイルシール９６６などの摺動部材の点数を減らすことができるため、オイルシール９６６などを介した中空軸体９３１と固定軸９２０との間の摩擦トルクの増大を招くことなく、中空軸体９３１の中空部分に対する防水性を高めることができる。つまり、上記のような構成を備えるらせん水車は、高い防水性を有するとともに、回転効率の低下が抑制されていると、している。
しかしながら特許文献１の様な構造では摺動部材の点数を減らすことができるが、なお１箇所はオイルシールなどの摺動部材により回転部を防水構造とする必要がある。
【０００５】
オイルシールなどの摺動部材による防水構造では、確実な防水特性を得るにはオイルシールの緊迫力を高める、オイルシールを２重にするなどの処置が求められ、防水特性を高くする代わりに回転抵抗が増加し発電効率が低下していた。
しかしながら、特に水量が少なく流速が遅い水路等で使用される発電機では、高い防水特性を維持しながら、同時に効率の低下を抑制し発電機の発電効率を少しでも良くしなければならないと言う課題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１６―５０５５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、小水力発電等に使用される増速機構を有する水力発電機に関し、高い防水特性を維持しながら発電効率が良い水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】
【０００８】
上記の課題を達成するため、本発明の水力発電機における請求項１に係る発明は、
軸まわりに回転しない中心軸と、前記中心軸に同軸に取付けられた低速ローターとステーターと高速ローターを有し、
多い極対数の磁石を有する前記低速ローターと、少ない極対数の磁石を有する前記高速ローターが前記中心軸に回転可能に取付けられ、
前記低速ローターの極対数と前記高速ローターの極対数の和または差の数のステーターポールを有する前記ステーターが、前記低速ローターと前記高速ローターの間に前記ステーターポールが前記低速ローターの磁石と前記高速ローターの磁石に対向するように前記中心軸に回転不能に取付けられ、
前記ステーターポールに発電コイルが巻回され、前記低速ローターを駆動することにより前記高速ローターが増速回転し発電する磁気ギア方式の水力発電機において、
ステーターの内側が水密構造となっておりＯリングを介して前記中心軸に取付けられ、前記低速ローターがすべり軸受けを介して前記中心軸に取付けられていることを特徴とする。
本発明では、Ｏリングを介して中心軸に取り付けられ内側が水密構造となるステーターは中心軸に回転不能に取付けられ、水密性を高めるためにＯリングの緊迫力を高めても低速ローターおよび高速ローターの回転は阻害されないので、発電効率の低下が抑制できる。本発明ではさらに、被水しながら回転する低速ローターをすべり軸受けを介して中心軸に回転可能に取付ける構造としたので、低速ローターが被水すると、すべり軸受けと中心軸間の隙間に浸入した水の潤滑作用によりすべり軸受けの回転抵抗が低下し、発電効率の低下がさらに抑制され、発電効率の良い水力発電機を提供することができる。
【０００９】
また、本発明の請求項２に係る発明は、前記低速ローターが水車に固定され、前記水車がすべり軸受けを介して前記中心軸に取付けられていることを特徴とする請求項１に記載の水力発電機である。
本発明では、低速ローターと水車が一体となり、低速ローターを中心軸に取付けるすべり軸受けと、水車を中心軸に取付けるすべり軸受けの２つのすべり軸受けで中心軸に回転可能に取付けられるので、低速ローターの回転時の振れを減少させることが可能となり、発電機の動作がより安定し、より信頼性の高い水力発電機を提供することができる。
【００１０】
また、本発明における請求項３に係る発明は、前記水車が２つの前記すべり軸受けを介して前記心軸に取付けられていることを特徴とする、請求項２に記載の水力発電機である。
本発明では、間隔が広い２つの軸受けで水車を回転可能に保持するので、水車の振れを減少させることが可能で、発電機の動作がさらに安定し、より信頼性の高い水力発電機を提供することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の水力発電機においては、中心軸に回転不能に取付けられ内側が水密構造となるステーターはＯリングを介して中心軸に取り付け、被水しながら回転する低速ローターをすべり軸受けを介して中心軸に回転可能に取付ける構造としたので、Ｏリングによりローターの回転が阻害されないので、発電効率が低下せず発電効率の良い水力発電機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施例の構成を示す部分断面斜視図である。
【図２】本実施例の外観を示す二面図である。
【図３】本実施例の構成を示す断面図である。
【図４】従来のらせん水車による発電機の防水構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００１３】
以下、図１〜図３を参照に、本発明に係る水力発電機の第１の実施例を詳細に説明する。
はじめに、本実施例の水力発電機の外観および概略構造を、図２，図３を参照して説明する。図２は本実施例の二面図、図３は中心断面図である。
【００１４】
本実施例の水力発電機１００は、図２に示すように、円周上に複数の水車翼１１を有する水車１０と、水車１０から突出する中心軸２１を有し、図３に示すように、水車１０の内部に発電機構９０を有する。なお、本実施例の水力発電機１００は中心軸突出側が水流の下流側になるように設置される。
【００１５】
中心軸２１は水力発電機１００を保持する中空の棒で、図３に示すように、両端がエンドキャップ２５で密閉され、発電出力電線７２を通すための２つの配線孔２１ａが設けられている。
【００１６】
水力発電機１００は、先端が略円錐形に閉じ他方が開口し、円周方向に複数の水車翼１１が設けられたフロントカバー１２と、略円錐台形で一方に底部を有する略筒形状のテールカバー１３と、からなる水車１０により外形が形成され、水車１０は２つのすべり軸受け２２を介して中心軸２１に回転可能に取り付けられる。
【００１７】
水車１０の内部には中心軸２１に同軸に取付けられた低速ローター３０、ステーター４０、高速ローター５０からなる発電機構９０が収容されている。最外周の低速ローター３０は中心軸２１に回転可能に取付けられるとともに水車１０に連結され、水車１０とともに回転する。
【００１８】
ステーター４０は低速ローター３０の内側に位置し、中心軸２１に回転不能に取付けられ、最内周には高速ローター５０が中心軸２１に対して回転可能に取付けられる。
【００１９】
発電機構９０からの発電出力電線７２は、中心軸２１の２つの配線孔２１ａの一方から中心軸２１の中空部に挿入され他方の配線孔２１ａから中心軸２１の外に取り出され、図示しない発電機保持構造物内に配線される。
【００２０】
以下、図１を参照して、水力発電機１００の構造を説明する。図１は本実施例の構成を示す部分断面斜視図である。
【００２１】
フロントカバー１２は先端が略円錐形状であるシェル状の部品で、内部に中間壁１２ａを有し中間壁１２ａの中央には軸受け取付け穴が設けられている。また、後端開口部近傍の最大径部に複数の水車翼１１が設けられ、開口部にはテールカバー１３との連結部を有し、連結部の近傍に低速ローター３０を連結するローター取付け壁１２ｂを有する。
テールカバー１３は有底の略円錐形状であるシェル状の部品で、底部中央に軸受け取付け穴が設けられ、開口部側にはフロントカバー１２との連結部を有する。
【００２２】
フロントカバー１２とテールカバー１３は互いの連結部で連結され一体の水車１０となり、軸方向全長の先端側付近のフロントカバー１２の中間壁１２ａの軸受け取付け穴と、軸方向全長の後端のテールカバー１３の底部中央の軸受け取付け穴には、すべり軸受け２２が各々組み込まれ、水車１０はこの２つのすべり軸受け２２により中心軸２１に回転可能に保持される。
【００２３】
本実施例の水力発電機では、水車１０の軸方向の両端間に近い距離を隔てて設けられた２つのすべり軸受け２２の間に水車翼１１が設けられた配置となっているので、水車翼１１が水流等により回転力を加えられ、また水流等により水車が軸方向または軸方向に垂直な方向の力を受けても、水車１０は安定して動作することができる。
【００２４】
また、本実施例の水力発電機では水車１０を回転可能に保持する軸受けをすべり軸受けとした。
すべり軸受けは、軸受けの内径と軸径の間にわずかな隙間があることにより、軸受け内で軸が滑らかに回転する。従ってすべり軸受けを水中で使用すると、周囲環境の水が軸受けの内径と軸径の間の隙間に侵入し、軸受けの内径と軸径の間に侵入した水は、含油軸受けの油と同様に潤滑作用を示す。これにより、すべり軸受けの回転抵抗が低下するので、発電効率の低下がさらに抑制され、発電効率の良い水力発電機を提供することができる。
【００２５】
水車１０の内部に収容されている発電機構９０（図３参照）のうち、最外周の低速ローター３０は有底円筒状のローターケース３１と、ローターケース３１の円筒部の内側に固定された軟磁性体にて製作された略円筒状のバックヨーク３２と、径方向に着磁され、隣接する磁石の極方向が互い逆となるようにバックヨーク３２の内周側に等間隔で固定された複数の磁極対の磁石３３を有する。
ローターケース３１の底部中央にはすべり軸受け２２が組み込まれる軸受け取付け穴を有し、開口部端にはローターケース３１をフロントカバー１２のローター取付け壁１２ｂに固定するためのフランジ部３１ａを有する。このフランジ部３１ａをフロントカバー１２のローター取付け壁１２ｂに固定することにより低速ローター３０が水車１０に固定され、水流により水車１０が回転すると低速ローター３０も回転する。
【００２６】
ローターケース３１はすべり軸受け２２により中心軸２１に回転可能に保持されており、ローターケース３１と中心軸２１の同軸度は、軸受けの内径と軸径の隙間程度のずれしか生じない。しかしながらローターケース３１の外径はすべり軸受け２２の長さより遥かにに大きいため、ローターケース３１の底部中央に組み込まれたすべり軸受け２２だけではローターケース３１の倒れを抑えることができない。
【００２７】
本実施例の水力発電機では、すべり軸受け２２により中心軸２１に回転可能に保持されたローターケース３１を、同じくすべり軸受け２２により中心軸２１に回転可能に保持された水車１０に固定する構造とし、固定箇所は水車１０の最大径部近傍のフロントカバー１２のローター取付け壁１２ｂとローターケース３１のフランジ部３１ａとした。これにより、ローターケース３１とフロントカバー１２が水車１０の最大径部近傍での密着接続されるため、ローターケース３１とフロントカバー１２はいずれも倒れる虞がなくなり、中心軸２１に対して振れのない安定した回転動作が実現でき、より信頼性の高い水力発電機を提供することができる。
【００２８】
ステーター４０は、ポールホルダー４１，複数のステーターポール４２，複数の発電コイル４３およびホルダープレート４４を有し、必要に応じて配線基板４５をステーター４０の内側に収容する。
【００２９】
ポールホルダー４１は非磁性体にて有底円筒状に製作され、底部の中央には中心軸２１が入る穴が設けられ、この穴を内径とする中央筒部４１ａが開口側に延出しており、中央筒部４１ａの内径部にはＯリング１４が組み込まれる溝部を有する。
【００３０】
ポールホルダー４１の開口部には、ホルダープレート４４が取付けられる。ホルダープレート４４は略円板状で、中央には中心軸２１が入る穴が設けられ、この穴を内径とする筒形状が延出し、筒形状の内径部にはＯリング１４が組み込まれる溝部を有する。
【００３１】
ポールホルダー４１にステーターポール４２を圧入し、開口部にホルダープレート４４を取り付けた状態で、ポールホルダー４１の中央筒部４１ａの内径部の溝部およびホルダープレート４４の筒形状の内径部の溝部にＯリング１４を各々組み込み、中心軸２１を挿通させると、ポールホルダー４１の底部，ステーターポール４２が圧入されたポールホルダー４１の円筒部およびホルダープレート４４が隔壁となり、ポールホルダー４１とホルダープレート４４で囲まれる領域、すなわちステーター４０の内側は水密状態になる。
【００３２】
ステーター４０は中心軸２１に回転不能に取付けられるので、ステーター４０の水密状態を確実なものにするために、たとえばＯリング１４の緊迫力を高める，Ｏリング１４を２重にするなどの変更をしても、水車１０とともに回転する低速ローター３０の動きを阻害する等の影響は全くない。
これにより、本実施例の水力発電機ではステーター４０の内側を確実な水密状態にしても、水車１０の回転動作を阻害することなく、発電効率の良い水力発電機１０を提供することができる。
【００３３】
ステーター４０の内側にはさらに高速ローター５０が収容される。高速ローター５０は略円筒状のローターホイール５１と、ローターホイール５１の外周に取付けられた軟磁性体にて製作された略円筒状のバックヨーク５２と、径方向に着磁され、隣接する磁石の極方向が互い逆となるようにバックヨーク５２の外周側に等間隔で固定された複数の磁極対の磁石５３を有する。ローターホイール５１は内径部に取付けられたベアリングを介してステーター４０のポールホルダー４１に回転可能に取付けられる。これにより高速ローター５０は中心軸２１に対して回転可能となる。
【００３４】
以上にて、中心軸２１に固定され複数のステーターポール４２を有し、開口部にホルダープレート４４が取り付けられ、Ｏリング１４により内側が水密となったステーター４０と、ステーター４０の外側に複数の磁極対の磁石３３を有する低速ローター３０が中心軸２１に回転可能に取付けられ、水密構造となったステーター４０の内側に、ステーターポール４２に取付けられた発電コイル４３と、必要に応じて配線基板４５が収容されるとともに、複数の磁極対の磁石５３を有する高速ローター５０が中心軸２１に回転可能に取付けられ、磁気ギアによる増速機構を有する水力発電気が構成される。
【００３５】
上記の構成である本実施例の水力発電機では、被水により故障等の虞がある電気部品、すなわち発電コイル４３と必要に応じ用いる配線基板４５等を、Ｏリング１４により水密となったステーター４０の内側に収容したので、水中に投入しても支障なく使用できる水力発電機が提供できる。
また、磁気ギアによる増速機構により高速で回転する高速ローター５０をステーター４０の内側に収容したので、高速ローター５０が回転時に受ける抵抗が低く抑えられ、発電効率の良い水力発電機が提供できる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、発電機が水没、被水する虞がある流量が少ない水路等に投込んで使用される各種水力発電機に利用でき、発電効率がよく信頼性が高い水力発電機の提供が可能となる。
【００３７】
なお、本発明は前記実施の形態に記載された事項に限定されるものではなく、本発明の分野における通常の知識を有する者であれば想到し得る各種変形，修正を含む、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても、本発明に含まれることは勿論である。
【符号の説明】
【００３８】
１０    水車
１１    水車翼
１２    フロントカバー
１２ａ  中間壁
１２ｂ  ローター取付け壁
１３    テールカバー
１４    Ｏリング
２１    中心軸
２１ａ  配線孔
２２    すべり軸受け
２５    エンドキャップ
３０    低速ローター
３１    ローターケース
３１ａ  フランジ部
３２    バックヨーク
３３    磁石
４０    ステーター
４１    ポールホルダー
４１ａ  中央筒部
４２    ステーターポール
４３    発電コイル
４４    ホルダープレート
４５    配線基板
５０    高速ローター
５１    ローターホイール
５２    バックヨーク
５３    磁石
７２    発電出力電線
９０    発電機構
１００    水力発電機
９２０    固定軸
９２１    回転軸
９３０    らせん翼
９３１    中空軸体
９５０    枠部材
９６４    軸受け
９６６    オイルシール
【図１】
2017227176.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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