知能機械システム工学科

卒業論文

小型風力発電機の設計と磁場解析

1020153

汀

祥子

目次

第1章

緒言 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・2
1.1 風力発電機の現状
1.2 本研究の目的

第2章

3D-CAD ソフト ・・・・・・・・・・・・・・・・5
2.1 Solid Edge
2.2 Solid Designer

第3章

小型風力発電機の設計と磁場解析

・・・・・・・・8

3.1 Φ450mm 発電機の設計
3.2 Φ250mm 発電機の設計
3.3 磁場解析
3.3.1 解析目的
3.3.2 解析条件
3.3.3 物性条件
3.3.4 結果及び考察

第4章

小型風力発電機の製作 ・・・・・・・・・・・・・14
4.1 モニュメントタイプ風力発電システム
4.2

第5章

自然エネルギー自立電源街路灯

終章 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・16
5.1 結言5.2 今後の課題謝辞

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・17

参考文献

付録

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・18

1

第1章

1.1

緒言

風力発電機の現状
現在、日本の発電電力量（一般電気事業用）は原子力、天然ガス、石油によってまかなわれている。また、資源に限りのある多くの化石燃料も年々、減少の一方で問題の一つとなっている。
もう一つの地球に関する問題として、環境問題が多く取り上げられる近年、石油を使用せず、二酸化炭素を排出しないクリーンエネルギーは、多くの注目を浴びている。
グラフ 1.1 は 1960 年と 2010 年の電力量の構成比を比較したもので、1996 年では 0.1％しかなかった新エネルギーの構成比が 2010 年には全体の 1％にまでなる予定である。
新エネルギーの一つに風力発電機がある。風力発電の場合、資源が広範囲にあり、無尽蔵な純国産のエネルギーを作り出すことができる。そして、風の力を利用するので環境問題にかかわってくる二酸化炭素などの有害物質を排出しない。

グラフ1.1 電力量構成比
34.619962010

14.2

450%20%23.3

139.6 0.4 17.7 0.1

2040%

60%

2

11 1 8 180%

100%

原子力
石炭
LNG
水力
地熱石油等
新エネルギ

表 1.1

日本では通商産業省が 1976 年以降のサンシャイン計画において風力発電システムの技術開発を進めてきた。高知県の風力発電の設置容量は 2001 年では３,４５０ｋｗであった。日本の風力発電の設置容量は２００３年には約５6０MW、が予想されている。
現在、日本で多く普及しているものは大型の風力発電機である。表 1.1 は日本で販売されている小型発電機の価格と発電量の表である。
値段を見ると、アメリカやドイツに比べ日本の発電気の値段は高いものが多い。日本の発電機の多くは、おもに山岳や海岸沿いの風況の良い所に設置されている。しかし、日本で風力発電

Wind Power Generators Sold in Japan
Genera Price ($) Power Wtorat (m/s)
USA-1
400 400(12.5)
USA-2
1,400 500(13)USA-31,100 500(13.3)
USA-4
550 350(15.1)
USA-5
1,200 600(11)USA-61,900 1,000(11)USA-74,400 3,000(11)GB-156020(10.5)
GB-2
1,900 100(14)GB-31,10072(10)GB-41,30072(10)GB-53,800 250(10)JPN-1
13,500 450(unknown
JPN-2
17,000 800(unknown)
JPN-3
1,30020(13)
JPN-4
780
50(10)
JPN-5
5,100 500(12)JPN-65,700 750(12)JPN-75,900 1,000(12)JPN-87,400 1,500(12)Weight(kg)61013730
4299
513111650unknown
unknown
7930405065

を効率よく行うには下記に述べるようにいくつ

USA: United States of Americ

かの問題点がある。

GB: Great Britain, JPN: Japan
The price base is 1998-1999 (1$: 220yen)① 日本の風は吹き続けることが無い② 山、森、ビルなどが比較的近い地域にあるため、周辺の風況は乱れ成分が多く含まれている③ 風向や風速の変化により安定したエネルギーの供給は困難とされる④ 日本の国の面積は他国と比べて、狭く広大な土地が無い⑤ 発電機のコストが他国に比べて高い

全く新しい風力発電機は、小型であること、安全であること、振動騒音が少なく台風に耐えるなど、より人間と自然に優しいものが必要である。

3

1.2

本研究の目的
風力発電機で使われる風車の中には幾つかの種類があり、大きく分けて水平軸風車と垂直軸風車に分かれる。海岸や山岳で多く目にするのはプロペラ型の発電機が多い。今回、比較的トルクは大きく回転数の低い、風速と同じくらいの周速度で回る垂直型風車のサボニウス型を使用し、最大電力制御、希土類永久磁石発電気の組み合わせにより性能的に優れ価格的にも優利な小型風力発電機システ

写真 1.1 サボニウス型

ムの研究開発を実施した。
写真 1.1 は大学に設置されたサボニウス型風力発電機である。

4

第2章
2.1

3D−CAD

3D-CAD の学習
風力発電機の設計・製作には 3D-CAD の学習が必要であった。このため、3D-CADソフトを勉強した。
従来、設計技術者は装置や部品の図面を描くとき、製図機械、製図台、製図板の 3点をセットで製図を描く作業を行っていた。近年は、3D-CAD によって設計することが主流となっている。グラフ 2.1 は 3 次元 CAD の利用率のグラフである。年々、パソコンの普及により、CAD ソフトを使った図面の作成が企業でも多くなってきている。
現在ではまだ、手書で作業される企業も多いが、2〜3 年後は CAD ソフトを使った図面の作成の方が手書より、増えるだろうと予想されている。
CAD ソフトを利用した場合と人の手で描かれるものの違いは、次の通りである。
① 早く図面を描くことができる② 図面の変更や修正が手で描かれたものより簡単に素早くできる③ 手で描かれたものは消しゴムで消すと汚れてしまう時があるが、CAD ソフ
トではそのようなことがなく、綺麗に仕上げることができる④ 時間の短縮につながる⑤ 図面をメールで送りあう事ができる

グラフ2.1 3次元CADの利用率

現在

8.2

21.8

2〜3年後
0%

2.1

Solid17.9

21.5

14.6

37.9
20%

40%

60%

9.4

28.4

16.9

7.3 7.3 8.8
80%

100%

80％以上
60〜79％以上
40〜59％以上
20〜39％以上
1〜19％以上
0%Edge

我々の研究室では CAD ソフトによる 3D−CAD での図面の描き方を習熟するために
Solid Edge を使用し、3 次元モデルの例題の図面を 4 枚描き、その後、3 次元モデルを 2 次元のモデルにして描く練習をした。また、例題を描き終えたら、自分達の身近に存在する製品や部品の寸法を測り、それを 3 次元、2 次元モデルで描く練習を行った。

5図 2.1−2.2 は例題として描いた図面の一部である。
Solid Edge では、3 つの基準平面を使いモデルを描いていく。図 2.1 のように円を描いたとき、CAD ソフトによっては綺麗に円の形が表現されないものもある。穴あけに対しては、Solid Edge の場合は切り抜きコマンドであるが、このコマンドでは同じ大きさの穴は一度に 1 つしかあけることができない。

図 2.1 例題（3 次元）

2.2

Solid

図 2.2 例題（2 次元）

Designer

次に、Solid Designer を使い 3 次元 、 2 次 元 の 図 面 を 描 い た 。 SolidDesigner は、CAD のソフトの中でハイエンド（高性能）のクラスに属する。
図 2.3 は Solid Designer の基本画面である。Solid

Designer では、ワークプレーンと言う中央の緑色の基準平面を使いモデルを描くソフトである。
一般的な機能として Solid Edge には無いアンドゥ、リドゥボタンがあり、図 2.3

すぐ前の画面をやり直す時には便利で6Solid Designer の基本画面

ある。Solid

Designer での穴あけはマシニング機能の中のパンチというコマンドを使う。このパンチの機能は同じ大きさのものだと一度に多くの穴あけを実行でき、SolidEdge のように同じ作業を何度も繰り返し行う作業の手間が省かれる。
Solid

Designer の機能の中にはモジュールメニューによりモジュールとアプリケーションの追加ロードができる。そして、その中の一つに Annotation がある。
Annotation では 3 次元の画面で寸法を変えた場合、2 次元の画面でも図面の寸法が簡単に変えることのできる機能で、設計変更が生じた時などに役立つ。3D−CAD で一般的に使われる中間ファイルの形式として IGES（.igs）や STEP などがある。Annotation
内の拡張子の形式にはバンドル（.bdl）と言う形式があり、バンドルを使うと IGES よりファイルの容量が小さくなる。表 2.1 は発電機の部品でのファイルの違いである。
今回、Solid Edge と Solid Designer を使い比べた時、Φ450ｍｍ発電機とΦ250ｍｍ発電機を設計するのにこの Solid Designer の多くの機能が役に立つと思われ、使うことにした。

表 2.1 ファイルの容量

部品名.bdl.igs

磁石

235KB

バックヨーク

161KB

1,884KB

ハウジングシャフト側

239KB

4,300KB

ハウジング

231KB

4,226KB

シャフト

398KB

2,504KB

全体のアセンブリ

1,610KB

7

第3章

3.1

小型風力発電機の設計

Φ450ｍｍ発電気の設計
過去の研究データからΦ300ｍｍ発電機は 150rpm で 150W の結果が得られた。この結果より、外径、コイル数、磁石数を増やしたΦ450mm 発電機は、150rpm でΦ300発電機の 7 倍に相当する 1ｋｗ程度の発電量が得られるのではないかと予想した。表3.1 は、Φ300ｍｍ発電機、Φ350ｍｍ発電機、Φ450ｍｍ発電気の磁石数、コイル数、結線のそれぞれのものを示す。Φ350mm 発電機とΦ450mm 発電機の磁石数とコイル数の比は 4：3 になっている。
表 3.1発電機

磁石数

発電機の内部

コイル数

結線

Φ300mm 発電機

189 集中、3 相、3 段のコイル設置

Φ350mm 発電機

2412 集中、3 相、3 段のコイル設置

Φ450mm 発電機

32

24 集中、3 相、1 段のコイル設置

Φ450mm 発電機を 3D−CAD で設計した。この時、高知工科大学では 2 名、共同開発者の坂本技研では 1 名が分担して行った。発電機の 3D−CAD の全体図を図 3.1 に示す。また、実物を写真 3.1 で示す。この発電機は、シャフトとコイルを固定させその他の部品を回すタイプである。担当した部品は、ハウジング（付録 1）、ハウジングシャフト側（付録 2）、バックヨーク（付録 3）、磁石（付録 4）、シャフト（付録 5）である。

②⑥⑤④①③

図 3.1 全体図

写真 3.1 完成品

8

（各部品の役割）①ハウジングは全体の部品を覆うカバーである。②スペーサーはハウジングが⑥シャフトを軸に回転する時、ベアリングに似た役目をする。③バックヨークは④磁石、32 枚を固定させるためのものである。バックヨークには磁石をはめ込む溝はな
く、直接、接着剤によって固定する。以下にそれぞれの図面を載せる。
製作された発電機は近々、前田建設工業（株）の風洞実験装置での風洞実験で発電量の計測を行う予定である。

3.2

Φ250ｍｍ発電気の設計
自然エネルギーの自立電源の利用方法を考えた結果、その一つが街路灯である。街路灯は、100W 程度の明るさがあればよいので発電機の直径を 250ｍｍにした。そして、軽量化に対しても検討した。表 3.2 は磁石数を 32 枚から 24 枚に、コイル数を 24 コから 18 コに減少させた。また、コイルをシャフトと固定させるためにΦ450ｍｍ発電機
では樹脂を使用していたが、Φ250mm 発電機ではベークライトを使用することになり、外形ばかりでなく、中で使用される部品にも軽量化に向けて思案されている。

発電機

表 3.2発電機の内部

磁石数

コイル数

結線

Φ450mm発電機

3224 集中、3相、1段のコイル設置

Φ250mm発電機

2418

Φ250mm 発電機はΦ450mm 発電機と似たようなタイプである。部品の中には役割としては同じだが、Φ450mm 発電機の時と少し形が変わったものをのせる。

9図 3.2 はバックヨークの 3D-CAD、図 3.3 は 2D-CAD である。Φ450mm 発電機ではバックヨークに磁石をはめ込む溝はなく、直接接着剤により固定させていたが、Φ250mm 発電機では、磁石をバックヨークにはめ込むため、1mm の溝が掘られてある。
また、厚さが 4mm の部分にはハウジングと固定させるためにネジ穴が開いている。

図 3.2 バックヨーク

図 3.3 バックヨークの図面

図 3.4 は磁石の 3D-CAD、図 3.5 は磁石とバックヨークのアセンブリ図である。磁石の大きさはΦ450ｍｍ発電機では半径方向に長細かった物が、今回、短くなっている。

図 3.4 磁石 24 枚

図 3.5 磁石とバックヨークのアセンブリ

10

3.3

磁場解析
近々、実験を行うΦ450mm 発電機について、300 回転での開放電圧（抵抗無限大）を解析で求め、実験値を予測することとした。また、Φ250 発電機についてもΦ450mm発電機の実験値と比較するために開放電圧を求める。

3.3.1 解析目的
Φ450mm 発電機、Φ250mm 発電機を有限要素モデリング/ポストプロセッシングシステムである FEMAP を用いてモデル化し、3 次元非線形動磁場解析ソフトウェアのELF/MAGIC を用いて解析を行い、開放電圧を調べることにした。
3.3.2 解析条件
・今回、解析については計算規模の点を考慮して、コイル 3 コ、磁石 2 組をモデル化する。
・対象性から解析対称のΦ450mm 発電機では 1/8 を 3 次元でモデル化する・対象性から解析対称のΦ250mm 発電機では 1/6 を 3 次元でモデル化する・ローターは磁石、バックヨーク、ステーターはコイルとする
・解析の条件は動解析でする
3.3.3 物性条件
・磁石・・・・磁石特性は図 3.1 の値を入力
・鉄・・・・図 3.2 の B-H 曲線の値を入力

1.6

磁束密度 B(T)

1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0-1000000

0減磁界 -H（A/m）
図3.1 磁石特性11磁束密度(T)

1.8
1.6
1.4
1.2
10.8
0.6
0.4
0.2
00159.2

238.8

318.4 477.6
磁場(A/m)875.614332786

図3.2 鉄のB-H曲線

3.3.4 解析結果及び考察
Φ450mm 発電機については 0°から 45°までを移動させた時の開放電圧を求めた。
開放電圧
200150100電圧（V）

500051015202530354045-5050

コイル1コイル2コイル3-100-150-200回転角度（θ）

グラフ 3.3 Φ450mm 発電機開放電圧

Φ250mm 発電機は 0°から 10°までを移動させたときの開放電圧を求めた。Φ250mm 発電機では 1 つのコイルの 1 周期だけを取り出し、細かな開放電圧の値を12見ることにした。

開放電圧
30電圧（V）

20100-10051015

コイル1コイル2
コイル3-20-30回転角度（θ）
グラフ 3.4 Φ250mm 発電機
直径が大きく、コイル数、磁石数が多いΦ450mm 発電機の方は最高電圧が高い。また、Φ250mm 発電機に対しΦ450mm 発電機の直径は 1.8 倍であるが開放電圧に関しては約 7.3 倍の値がでた。
今回、それぞれの開放電圧を求めることによって今後、実験結果と比較していきた
いと思う。

13第4章4.1

小型風力発電システムの実用化

モニュメントタイプ風力発電システム
モニュメントタイプの風力発電システムを高知県企業と開発した。南国道の駅に2001 年の 5 月にサボニウス型のモニュメントタイプ風力発電機が設置された。名前はキララである。写真 4.1 は夜に撮影されたキララである。この発電機は、坂本技研、エムエムエス、スカイ電子、高知高専、高知工科大学により製作されたものである。
キララはΦ350mm 発電機にサボニウス風車を取り付けたもので、図 4.1 はキララのシステムを簡単に記したものである。Φ350mm 発電機は 12m/s の風で 300 回転し300w 程度の発電量がえられる。しかし、風の力だけでは発電量がまかなえない場合にソーラーパネルを利用した太陽光発電も兼用するようになっている。

サボニウス風車
Windmill
発電機
Generator

ランプLampｲﾝﾊﾞ ｰﾀ
Inv

太陽電池
Solar Cell

SW

整流器
Rec

Conv1

ﾊﾞｯﾃﾘ
Conv2

Batt

Mico
M PPT制御 Computer

写真 4.1 南国道の駅

図 4.1 発電機のシステム

キララ

14Display4.2

自然エネルギー自立電源街路灯
現在、使われている電気エネルギーは、発電所によって多くの場所、各家庭や公共の場に送られている。街路灯もその一つである。もし、災害が起こり発電所から電気エネルギーが来なくなった場合、従来の街路灯では暗い道を照らすことは出来なくなる。しかし、自然エネルギーを利用した街路灯では、自然の力がある限り発電することが可能であり、自立電源なので災害で発電所からの電気エネルギーが来なくなった場合などには役立つのである。
写真 4.2 は風力を利用した自立電源の街路灯である。この発電機はモニュメントタイ
プであり、構造は写真 4.1 のキララと同じである。小型化を目指し、全体的に小さくΦ
250mm 発電機を設置させ、ソボニウスの羽根も縦に長く横の幅は短い。12m/s の風で300 回転、100ｗ程度の電力が予想されている。この街路灯用としてΦ250mm 発電機設計を報告者らが担当した。

写真 4.2 小型風力発電機

写真 4.3 小型風力発電機

15

第5章

5.1

終章

結言
本研究では、小型風力発電機の 3D-CAD 設計と磁場解析を実施した。今回、設計に関しては実際に加工するメーカーとの図面の話し合いで多くのことを学ぶことができた。また、計画を立てて図面を作成していても計画通りに図面の作成が進まないことがあり、発電機の試作品の完成が遅れることもあった。
Φ450mm 発電機に関しては、前田建設工業（株）の風洞装置を借りて近々、風洞実験を行う。Φ250mm 発電機に関しては今後も設計を行っていく。また、風力発電機についてもっと多くを学んでいこうと思う。

5.2

今後の課題
今回の研究では、Φ450mm 発電機の実験に伴い、開放電圧を求めた。Φ450mm発電機は 12m/ｓの風で 300 回転し 1kw の発電量が得られると予想されている。また、Φ250mm 発電機に関しては 12m/ｓの風で 300 回転し 100w 程度の発電量が予想されている。これらの発電機を今後、動磁場解析を行い、それぞれの発電量を調べたいと思う。また、最適設計を行うためには磁束密度を解析により求め、内部の磁束の把握する必要がある。この 2 つの発電機はそれぞれ、コアなしのタイプであるがコアを入れた場合の磁束密度、発電量も解析を進めていく必要があると考えられる。そして、コア有りとコア無しの比較をし、どちらが発電機に適しているのかを考えていきたい。

16

謝辞
本研究において終始ご指導頂いた坂本東男教授、修士 1 年生の内野喬誌さん、小型風力発電機設計での共同研究者である吉岡秀高さんに深くお礼申し上げます。また、風力発電機に関して図面の指導や色々お話をして下さいました坂本技研の関係者各位、解析ソフトである ELF/MAGIC のご指導をして下さいました（株）エルフ朝井敏文様に深くお礼を申し上げます。

参考文献
1）風力発電ビジネス最前線

前田以誠

双葉社

2）エネルギー2000 資源エネルギー庁（編）3）CAD 攻略マガジン 10 月別冊

17

電力新報社

付録
Φ450mm 発電機

付録 1：ハウジング

3D-CAD 2D-CAD

付録 2：ハウジングシャフト側
付録 3：バックヨーク
付録 4：磁石

3D-CAD 2D-CAD

3D-CAD 2D-CAD

3D-CAD 2D-CAD

付録 5：シャフト

3D-CAD 2D-CAD

18

付録 1

ハウジング

（Φ450mm 発電機）

19

付録 2ハウジングシャフト側（Φ450mm 発電機）

20

付録 3バックヨーク（Φ450mm 発電機）

21

付録 4磁石（Φ450mm 風力発電機）

22

付録 5シャフト（Φ450mm 発電機）

23