(57)【要約】【課題】風車回転体を回転自在に支持する風車翼支持部のより一層の小型化と軽量化とが図られた風力発電装置を提供する。【解決手段】基台３に設けられた風車翼支持部５と、複数の翼を支持するとともに前記風車翼支持部５に回転自在に支持されたロータハブ２３とを備える。風車翼支持部５に支持された発電機固定子２１と、ロータハブ２３と同一回転数で回転する発電機回転子３２とを備える。ロータハブ２３は、前側軸受ケーシング２５と、後側軸受ケーシング２６と、回転ハブ２７とから構成される。発電機回転子３２および発電機固定子２１は、ロータハブ２３における回転ハブ２７の径方向の内側、かつ、前側軸受ケーシング２５と後側軸受ケーシング２６との間に位置するように支持されている。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基台に設けられた風車翼支持部と、
複数の翼を支持するとともに前記風車翼支持部に回転自在に支持されたロータハブと、
前記風車翼支持部に支持された発電機固定子と、
前記ロータハブと同一回転数で回転する発電機回転子とを備えた風力発電装置において、
前記ロータハブは、前記風車翼支持部の支軸の前端部に軸受によって回転自在に支持された前側径方向延在部と、前記支軸の後部に軸受によって回転自在に支持された後側径方向延在部と、これらの前側径方向延在部と後側径方向延在部との間で前記支軸の軸線方向に延在する筒状の周壁とから構成され、
前記発電機回転子および前記発電機固定子は、前記ロータハブにおける前記翼を支持する周壁の径方向の内側、かつ、前記前側径方向延在部と前記後側径方向延在部との間に位置するように支持されていることを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記翼、発電機固定子および発電機回転子は、前記翼と前記ロータハブとからなる風車回転体の軸線方向の略同一位置に位置付けられていることを特徴とする風力発電装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の風力発電装置において、前記発電機回転子は、前記ロータハブにおける前記周壁の内周部分に支持され、
前記発電機固定子は、前記発電機回転子より径方向の内側に位置付けられ、前記支軸に支持されていることを特徴とする風力発電装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のうちいずれか一つに記載の風力発電装置において、前記発電機回転子は、前記ロータハブの周方向に並ぶ多数の永久磁石を用いて構成されていることを特徴とする風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風車回転体が回転することにより発電する風力発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の風力発電装置は、複数の翼をロータハブに支持させてなる風車回転体の回転を増速機によって増速して発電機に伝達するものと、このような増速機を使用することなく前記風車回転体と発電機回転子とを同一回転数で回転させる直結駆動型とに大別することができる。
【０００３】
前記直結駆動型の風力発電機は、前記増速機を装備していない分、小型化と低コスト化とを図ることができる。この種の直結駆動型の風力発電機としては、たとえば特許文献１に記載されているものがある。
【０００４】
この特許文献１に開示された風力発電装置は、地上の基台に立設されたタワーと、このタワーの上端部に設けられた風車翼支持部と、この風車翼支持部の前端部に回転自在に支持された風車回転体などを備えている。
【０００５】
前記風車回転体は、前記風車翼支持部に軸受によって回転自在に支持されたロータハブと、このロータハブの外周部に取付けられた複数の翼とを備えている。前記ロータハブの後端部には、風車翼支持部の前端部を上下方向と左右方向とから囲むような円筒状の発電機ハウジングが一体に回転するように設けられている。
【０００６】
前記発電機ハウジングの内周部には、電磁石からなる多数の発電機回転子が設けられている。一方、風車翼支持部における前記発電機ハウジングによって囲まれた部分には、前記発電機回転子と対向する発電機固定子が設けられている。
このように構成された従来の風力発電装置によれば、翼が風を受けることによって、風車回転体が風車翼支持部に対して回転する。風車回転体が回転することにより、発電機ハウジングと発電機回転子とが風車回転体と同一回転数で一体に回転し、この結果、発電機回転子が発電機固定子に対して回転して発電するようになる。
【特許文献１】特表２００３−５１０４９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年の風力発電装置は、経済性を追求するために大型化、大出力する傾向にある。このため、近年の風力発電機においては、風車回転体を含めて風車翼支持部の全体が大型化し、その重量も増大してきている。このような大型で重量が重い風車翼支持部を支持するために、従来の風力発電装置では前記タワーや基台を含めた風力発電装置全体のコストも高くなる。また、従来の風力発電装置は、風車翼支持部という重量物が高所にあるために、大型化に伴って固有振動数が低くなり揺れ易くなる。
従来の風力発電装置においては、このような不具合を解消するために、風車翼支持部の小型化・軽量化を図る必要がある。
【０００８】
しかし、特許文献１に記載されている風力発電装置では、風車翼支持部をさらに小型化するにも限界があった。これは、この風力発電装置は、風車回転体と発電機回転子、発電機固定子とが風車回転体の軸線方向に並ぶ構造だからである。すなわち、この風力発電装置は、風車回転体の後方に発電機回転子と発電機固定子とを設置するためのスペースが必要で、このスペースの分だけ風車支持部を風車回転体の軸線方向に長く形成しなければならないから、風車翼支持部の小型化・軽量化を図ることができない。
【０００９】
本発明はこのような問題を解消するためになされたもので、風車回転体を回転自在に支持する風車翼支持部のより一層の小型化と軽量化とが図られた風力発電装置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】
【００１０】
この目的を達成するために、本発明に係る風力発電装置は、基台に設けられた風車翼支持部と、複数の翼を支持するとともに前記風車翼支持部に回転自在に支持されたロータハブと、前記風車翼支持部に支持された発電機固定子と、前記ロータハブと同一回転数で回転する発電機回転子とを備えた風力発電装置において、前記ロータハブを、前記風車翼支持部の支軸の前端部に軸受によって回転自在に支持された前側径方向延在部と、前記支軸の後部に軸受によって回転自在に支持された後側径方向延在部と、これらの前側径方向延在部と後側径方向延在部との間で前記支軸の軸線方向に延在する筒状の周壁とから構成し、前記発電機回転子および前記発電機固定子を、前記ロータハブにおける前記翼を支持する周壁の径方向の内側、かつ、前記前側径方向延在部と前記後側径方向延在部との間に位置するように支持させたものである。
【００１１】
本発明は、前記発明において、前記翼、発電機固定子および発電機回転子を前記翼と前記ロータハブとからなる風車回転体の軸線方向の略同一位置に位置付けたものである。
【００１２】
本発明は、前記発明において、前記発電機回転子を前記ロータハブにおける前記周壁の内周部分に支持させ、前記発電機固定子を前記発電機回転子より径方向の内側に位置付け、前記支軸に支持させたものである。
【００１３】
本発明は、前記発明において、ロータハブの周方向に並ぶ多数の永久磁石を用いて前記発電機回転子を構成したものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ロータハブ内に発電機固定子と発電機回転子とを収容することができる。このため、風車翼支持部には、発電機固定子および発電機回転子を装備するためのスペースが不要になる。
したがって、本発明によれば、風車翼支持部を従来の風力発電装置の風車翼支持部に較べて風車の軸線方向に短く形成することができるため小型化が図れ、風車翼支持部の重量を軽く形成することができる。
したがって、本発明によれば、風車翼支持部の前記軸線方向へのより一層の小型化と軽量化とを図ることが可能な風力発電装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る風力発電装置の一実施例を図１〜図５によって詳細に説明する。
図１に示す風力発電装置１は、地面２に設けられた基台３と、この基台３に立設されたタワー４と、前記基台３にタワー４を介して設けられた風車翼支持部５と、この風車翼支持部５の前端部に回転自在に支持された風車回転体６とを備え、この風車回転体６が風力で回転することによって発電するものである。
【００１６】
前記風車翼支持部５は、図２に示すように、前記タワー４の上端部に鉛直軸回りに回転可能に支持されたマシン支持台１１と、マシン支持台１１の前記鉛直軸回りの角度を変えるための角度変更装置１２と、本発明でいう支軸としての固定子軸１３と、前記マシン支持台１１の周囲を覆うナセル１４とを備えている。
【００１７】
前記角度変更装置１２は、風車回転体６が風上を指向するように風車翼支持部５をタワー４に対して回転させるように構成されている。
前記固定子軸１３は、図４に示すように、前端部が後端部に較べて細くなるテーパ管状に形成されている。この固定子軸１３の後端部は、マシン支持台１１に図示していない固定用ボルトによって固定されている。
【００１８】
この実施例による固定子軸１３は、図２に示すように、僅かに前上がりに傾斜する状態でマシン支持台１１に取付けられている。固定子軸１３の前端部と後部とには、後述する風車回転体６を回転自在に支持するための軸受１５，１６（図４参照）が装着されている。固定子軸１３における前記二つの軸受１５，１６の間の部位には、図４に示すように、後述する発電機固定子２１を支持するための支持部材２２が固定されている。
【００１９】
前記風車回転体６は、図３および図４に示すように、前記固定子軸１３に回転自在に支持されたロータハブ２３と、このロータハブ２３に取付けられた３枚の翼２４とを備えている。
前記ロータハブ２３は、前記固定子軸１３の前端部に前記軸受１５によって回転自在に支持された前側軸受ケーシング２５と、前記固定子軸１３の後部に前記軸受１６によって回転自在に支持された後側軸受ケーシング２６と、これら両ケーシング２５，２６の間で固定子軸１３の軸線方向に延在する筒状の回転ハブ２７と、この回転ハブ２７の軸心部を前方から覆うスピナー２８とから構成されている。
【００２０】
前記前側軸受ケーシング２５によって本発明でいうロータハブの前側径方向延在部が構成され、前記後側軸受ケーシング２６によって本発明でいうロータハブの後側径方向延在部が構成され、前記回転ハブ２７によって本発明でいうロータハブの周壁が構成されている。
前記前側軸受ケーシング２５と後側軸受ケーシング２６とは、それぞれ円環板状に形成されている。これらの前側軸受ケーシング２５と後側軸受ケーシング２６との内周部は、それぞれ前記軸受１５，１６に嵌合され、外周部は、回転ハブ２７の前端部と後端部とにそれぞれ固着している。
【００２１】
すなわち、回転ハブ２７の前部は、前側軸受ケーシング２５と軸受１５とによって固定子軸１３に回転自在に支持され、回転ハブ２７の後部は、後側軸受ケーシング２６と軸受１６とによって固定子軸１３に回転自在に支持されている。また、前側軸受ケーシング２５と後側軸受ケーシング２６とは、各々の内周部が前記軸受１５，１６を介して固定子軸１３に取付けられた状態で回転ハブ２７の前側開口部と後側開口部とを閉塞している。
【００２２】
前記回転ハブ２７の外周部には、図３に示すように、翼２４を支持するための三つのボス３１が一体に形成されている。また、回転ハブ２７の内周部には、後述する発電機回転子３２を支持するための三つの支持板３３が一体に形成されている。
前記ボス３１は、回転ハブ２７の外周部から径方向の外側に向けて突出する円筒状に形成されており、回転ハブ２７を周方向に３等分する位置に配設されている。前記支持板３３は、図３に示すように、前記ボス３１どうしの間となる位置に設けられている。
【００２３】
これらのボス３１に翼２４を支持させるための支持構造は、詳しくは図示してはいないが、翼２４は、これらのボス３１の先端部に軸受３４を介してボス３１の軸線回りに回転可能に取付けられている。このボス３１の内部には、翼２４のピッチ（ボス３１の軸線回りの翼２４の角度）を変えるためのピッチ変更装置３５が設けられている。
【００２４】
このピッチ変更装置３５は、翼２４の基端部２４ａに設けられた内歯歯車３６に噛合するピニオン３７をモータ３８によって回転させる構造のものである。なお、モータ３８の回転を制御するための制御装置（図示せず）は、風車翼支持部５に設けられている。モータ３８と制御装置とを接続するケーブルは、モータ３８からロータハブ２３の軸心部に導かれ、従来からよく知られているスリップリング機構や非接触誘導給電機構などの通電機構によってロータハブ２３と固定子軸１３との接続部分からロータハブ２３の外（マシン支持台１１側）に導出されている。
【００２５】
前記支持部材２２は、図３および図４に示すように、固定子軸１３に嵌合する状態で固着した第１の円筒４１と、この第１の円筒４１の前端部と後端部とからそれぞれ径方向の外側に延在する２枚の円板４２，４３と、これらの円板４２，４３を径方向の外側から囲む第２の円筒４４とから構成されている。
前記第１の円筒４１と第２の円筒４４とは、固定子軸１３と同一軸線上に位置付けられている。この第２の円筒４４の外周部には、後述する発電機固定子２１が固定されている。この実施例による第２の円筒４４は、図４に示すように、前記２枚の円板４２，４３より前方と後方とに延在し、前後方向の両端部がロータハブ２３の前側軸受ケーシング２５と後側軸受ケーシング２６とに接近するような大きさに形成されている。
【００２６】
前記発電機固定子２１は、図３〜図５に示すように、多数の主磁極４５（図５参照）を有する円筒状の固定子鉄心４６と、この固定子鉄心４６に巻回されたコイル４７とから構成されており、前記第２の円筒４４の外周部に固定されている。この実施例による前記固定子鉄心４６の軸線方向の長さは、図４に示すように、前記第２の円筒４４の軸線方向の長さと等しくなるように形成されている。
【００２７】
前記多数の主磁極４５は、図５に示すように、円筒状の固定子鉄心４６の外周部にコイル挿入用スロット４８が開口するように形成されている。なお、図３に示す固定子鉄心４６は、前記コイル挿入用のスロット（図５参照）とコイル４７とを省略して描いてある。また、図４に示す発電機固定子２１は、コイル４７を省略して描いてある。
【００２８】
この実施例による前記固定子鉄心４６は、前記主磁極４５が設けられた多数の円環状の鋼板（図示せず）を軸線方向に重ね合わせることによって、全体が円筒を呈するように形成されている。
すなわち、この発電機固定子２１は、固定子軸１３の軸線方向に延在する多数の主磁極４５とコイル４７とが発電機固定子２１の周方向に並ぶように形成されている。
【００２９】
この実施例による発電機固定子２１には、図４に示すように、水冷式の冷却装置５１が組込まれている。この冷却装置５１は、固定子鉄心４６の内部に挿入された多数の熱交換用パイプ５２に冷却水を供給する構成のものである。前記冷却水は、前記マシン支持台１１に設けられている放熱器（図示せず）と前記熱交換用パイプとの間で循環させられる。
【００３０】
詳述すると、前記熱交換用パイプ５２は、発電機固定子２１の周方向に並べて設けられており、発電機固定子２１の後方に設けられた環状の冷却水供給用パイプ５３と冷却水戻り用パイプ５４とに接続されている。これらのパイプ５３，５４は、発電機固定子２１に沿うように環状に形成されており、発電機固定子２１の径方向に延在する接続用パイプ５５，５５によって固定子軸１３内の冷却水供給・戻り通路５６，５７に接続されている。この冷却水供給・戻り通路５６，５７は、図示してはいないが、前記マシン支持台１１に設けられている冷却装置本体に接続されている。この冷却装置本体には、前記放熱器および冷却水ポンプなどが設けられている。なお、冷却装置５１の構成は、この実施例に示す構成に限定されることはなく、空冷式など、適宜変更することが可能である。
【００３１】
前記発電機回転子３２は、図３〜図５に示すように、前記発電機固定子２１を径方向の外側から囲む支持用の円筒６１と、この円筒６１の内周部に固定された多数の永久磁石６２（図５参照）とから構成されている。前記支持用の円筒６１は、発電機固定子２１と同一軸線上に位置する状態で前記回転ハブ２７の支持板３３に一体に回転するように支持されている。すなわち、前記発電機回転子３２は、前記ロータハブ２３における前記翼２４を支持する回転ハブ２７（周壁）に前記翼２４より径方向の内側に位置するように支持されている。また、この実施例による発電機回転子３２と前記発電機固定子２１とは、図４に示すように、ロータハブ２３の軸線方向において、前記翼２４と略同じ位置に位置付けられている。
【００３２】
前記円筒６１の内径は、この円筒６１に取付けられた永久磁石６２が前記固定子鉄心４６に所定幅の空隙６３（図５参照）をおいて対向するように形成されている。前記円筒６１の軸線方向の長さは、前記固定子鉄心４６の軸線方向の長さと等しくなるように形成されている。
【００３３】
永久磁石６２は、前記円筒６１の軸線方向と並行に円筒６１の前端から後端まで延在する細長い帯状に形成されている。また、この永久磁石６２は、前記円筒６１の内周部において、周方向に一定間隔となるように並べられている。これらの永久磁石６２は、固定子鉄心４６の主磁極４５と対向する主面がＮ極またはＳ極となるように着磁されている。前記主面がＮ極である永久磁石６２ａと、前記主面がＳ極である永久磁石６２ｂとは、前記円筒６１の周方向に交互に並べられている。この実施例による発電機回転子３２は、１個の永久磁石６２ａと、１個の永久磁石６２ｂとをいわゆる１極対として構成されている。
【００３４】
このように構成された風力発電装置１によれば、翼２４が風を受けることによってロータハブ２３が回転し、ロータハブ２３に取付けられている発電機回転子３２が発電機固定子２１に対してロータハブ２３と同一回転数で回転する。このように発電機回転子３２が発電機固定子２１に対して回転することにより発電する。
【００３５】
これらの発電機固定子２１と発電機回転子３２とは、前記ロータハブ２３における翼２４を支持する回転ハブ２７の径方向の内側、かつ、前側軸受ケーシング２５と後側軸受ケーシング２６との間に位置付けられている。
【００３６】
このため、この実施例による風力発電装置１によれば、ロータハブ２３の内部に発電機固定子２１と発電機回転子３２とが収容されているから、前記風車翼支持部５には、発電機固定子２１と発電機回転子３２とを収容するためのスペースが不要になる。したがって、この実施例によれば、風車翼支持部５を従来の風力発電装置の風車翼支持部に較べて風車回転体６の軸線方向に短く形成することができる。しかも、この実施例によれば、風車翼支持部５が小型化されたことに起因して風車翼支持部５の重量を軽く形成することができる。このように風車翼支持部５の小型化、軽量化が図られることによって、風車翼支持部５の製造コストを低減することができる。
【００３７】
また、風車翼支持部５の重量が軽くなることによりタワー４にかかる荷重が減少するから、タワー４やタワー４の基台３を形成するうえで必要な剛性も低減される。このため、タワー４を形成する部材の厚みを薄く形成することができるようになるとともに、タワー４内に設けられている補強材（図示せず）の数量を低減することができる。また、タワー４の基台の規模も縮小することができる。この結果、風車翼支持部５が軽量化されることによって、更なるコスト低減を図ることができる。
【００３８】
この実施例においては、前記翼２４、発電機固定子２１および発電機回転子３２は、前記風車回転体６の軸線方向の略同一位置に位置付けられている。このため、風車回転体６を軸線方向にコンパクトに形成することができる。
【００３９】
この実施例による風力発電装置１は、発電機回転子３２が発電機固定子２１の径方向の外側に位置するアウターロータ型のものである。このため、発電機回転子３２が発電機固定子２１の内方に位置する場合に較べて、ロータハブ２３の総外径を等しくすると発電機回転子３２の外径を相対的に大きく形成することができる。この結果、多くの永久磁石６２を使用できるようになって多極化を容易に図ることができるから、風車回転体６の回転数がたとえば２０ＲＰＭ程度の回転数であったとしても充分な発電量を得ることができる。
【００４０】
この実施例によるロータハブ２３は、前後方向の両端部が固定子軸１３に軸受１５，１６によって回転自在に支持されている。このロータハブ２３に翼２４と発電機回転子３２とを組付けることによって形成された組立体の重心Ｇは、図４に示すように、固定子軸１３の軸線Ｃ１と、翼２４の軸線Ｃ２との交点の近傍に位置している。すなわち、前記組立体は、重心Ｇの前方に位置する軸受１５と、重心Ｇの後方に位置する軸受１６とによって二箇所において支持されることになる。
【００４１】
上述した特許文献１に記載されている風力発電装置の風車翼支持部は、風車回転体の後端部のみを軸受によっていわゆる片持ち式に支持している。このような片持ち式の支持構造では、軸受部分の耐久性および信頼性が低いものとなる。これに対して、この実施例による風力発電装置１によれば、上述したように風車回転体６を前記二箇所（軸受１５，１６）において支持することができるから、発電機回転子３２がロータハブ２３に組み込まれていることにより風車回転体６の重量が相対的に重くなるにもかかわらず、軸受部分の耐久性および信頼性を向上させることができる。
【００４２】
この実施例による風車回転体６は、両持ちの単純な２点支持の回転体となるため、軸受荷重が小さくなり、軸受が小さくなってコストダウンを図れる、あるいは軸受の信頼性と安全性が向上する。また、風車回転体６は、回転体として高剛性、低振動が可能となり、やはり信頼性と安全性が高くなる。
【００４３】
この実施例による風力発電装置１の前記発電機回転子３２は、ロータハブ２３の周方向に並ぶ多数の永久磁石６２を用いて構成されている。このため、この実施例によれば、発電機回転子が電磁石によって構成されている特許文献１記載の風力発電装置に較べて、コイルがないことから発電機回転子３２の重量を軽く形成することができるとともに、コイルを巻回する作業が不要になって発電機回転子３２の製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に係る風力発電装置の正面図である。
【図２】風車翼支持部とロータハブの側面図である。
【図３】図２におけるロータハブのIII−III線断面図である。
【図４】ロータハブの縦断面図で、同図は図３におけるIV−IV線断面図である。
【図５】図３中のＡ部を拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１…風力発電装置、３…基台、４…タワー、５…風車翼支持部、６…風車回転体、１１…マシン支持台、１３…固定子軸、１５，１６…軸受、２１…発電機固定子、２２…支持部材、２３…ロータハブ、２４…翼、２５…前側軸受ケーシング、２６…後側軸受ケーシング、２７…回転ハブ、３２…発電機回転子、４６…固定子鉄心、４７…コイル、６１…支持用の円筒、６２…永久磁石。
【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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