流体発電装置
【課題】発電機ロータと直線運動する発電機ステータとの芯を出すのが容易な流体発電装置を提供する。
【解決手段】発電機１１は、主軸４と共に回転する発電機ロータ１２を有するロータ軸９と、ロータ軸９の一端部を回転可能に支持する軸受２９を有する第一のベース２４と、ロータ軸９の他端部を回転可能に支持する軸受２７を有する第二のベース２３と、発電機ロータ１２とすきまを介して対向する発電機ステータ１４が設けられるステータベース２５と、第一のベース２４と第二のベース２３とを連結する軌道部材２１と、軌道部材２１に沿って直線運動可能な移動部材２２と、ステータベース２５をロータ軸９の軸線方向に移動させるステータ駆動装置１３と、を備える。ステータベース２５の直線運動は、軌道部材２１及び移動部材２２を備える直線運動案内装置によって案内される。
【解決手段】発電機１１は、主軸４と共に回転する発電機ロータ１２を有するロータ軸９と、ロータ軸９の一端部を回転可能に支持する軸受２９を有する第一のベース２４と、ロータ軸９の他端部を回転可能に支持する軸受２７を有する第二のベース２３と、発電機ロータ１２とすきまを介して対向する発電機ステータ１４が設けられるステータベース２５と、第一のベース２４と第二のベース２３とを連結する軌道部材２１と、軌道部材２１に沿って直線運動可能な移動部材２２と、ステータベース２５をロータ軸９の軸線方向に移動させるステータ駆動装置１３と、を備える。ステータベース２５の直線運動は、軌道部材２１及び移動部材２２を備える直線運動案内装置によって案内される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力又は水力の流体エネルギを発電機によって電気エネルギに変換する流体発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題や化石燃料の枯渇に関する関心が世界的に高まっており、その対策の一つとして自然エネルギの利用に注目が集まっている。自然エネルギは、資源を枯渇させずに利用可能なエネルギであり、再生可能エネルギとも呼ばれている。自然エネルギの一種として風のエネルギ（風力）、水のエネルギ（水力）が注目されている。
【０００３】
風力発電装置又は水力発電装置は、風力又は水力を電気エネルギに変換する装置である。風力発電装置において、風力を風車ロータ（翼車）が受け、風車ロータの回転力は主軸を介して発電機に伝達され、発電機が風車ロータの機械的な回転力を電力に変換する。水力発電装置は、風力の替わりに水力を利用するものであり、風力発電装置と同様に電力を発生させる。
【０００４】
風力、水力を利用した発電は、資源が無尽蔵でクリーンな反面、出力が風、水などの自然現象に影響されて変動するという問題をもつ。この問題を解決するために、特許文献１には、発電機ステータを発電機ロータの軸線の方向に移動させる風車が開示されている。風車ロータの一端には、発電機ロータが取り付けられる。発電機ロータの回りには、僅かなすきまを介して発電機ステータが配置される。この発電機ステータは、可動ガイドによって発電機ロータの軸線方向に移動可能に支持される。
【０００５】
この風車は、定格風速のときは、発電機ステータと発電機ロータとの対向面積を大きくとり、コイルに鎖交する磁束を大きくする。その一方、微風状態のときは、発電機ステータを移動させ、発電機ステータと発電機ロータとの対向面積を小さくしている。これにより、微風状態のときの発電効率、回転効率を向上させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１６１０５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
風車には、発電機の出力を大きくするために、発電機ロータと発電機ステータとの間のすきまをできるだけ小さくすることが要請される。また、発電機ステータ移動時の摺動抵抗を低減するために、発電機ステータが移動してもすきまの大きさが変化しないことが要請される。しかし、特許文献１に記載の風車においては、発電機ロータが風車の主軸の端部に取り付けられているので、いくら主軸を軸受で支持しているといえども、発電機ロータが振れ、発電機ロータと発電機ステータのすきまが変動し易いという問題がある。
【０００８】
そこで本発明は、発電機ステータを直線運動させる流体発電装置において、発電機ロータの中心線と発電機ステータの中心線とを一致させ、これらの間のすきまが変動するのを防止できる流体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】
【０００９】
本発明の一態様は、風力又は水力を受けて回転する風車ロータと、前記風車ロータの回転力を発電機に伝達する主軸と、前記風車ロータの回転力を受けて電力を発生する発電機と、を備える流体発電装置において、前記発電機は、前記主軸と共に回転する発電機ロータを有するロータ軸と、前記ロータ軸の一端部を回転可能に支持する軸受を有する第一のベースと、前記ロータ軸の他端部を回転可能に支持する軸受を有する第二のベースと、前記発電機ロータとすきまを介して対向する発電機ステータが設けられるステータベースと、前記第一のベースと前記第二のベースとを連結する軌道部材と、前記ステータベースに取り付けられ、前記軌道部材に沿って直線運動可能な移動部材と、前記ステータベースを前記ロータ軸の軸線方向に移動させるステータ駆動装置と、を備え、前記ステータベースの前記ロータ軸の軸線方向の直線運動は、前記軌道部材及び前記移動部材を備える直線運動案内装置によって案内される流体発電装置である。
【００１０】
本発明の他の態様は、風力又は水力を受けて回転する風車ロータの回転力を受けて電力を発生する流体発電装置用の発電機であって、発電機ロータを有するロータ軸と、前記ロータ軸の一端部を回転可能に支持する軸受を有する第一のベースと、前記ロータ軸の他端部を回転可能に支持する軸受を有する第二のベースと、前記発電機ロータとすきまを介して対向する発電機ステータが設けられるステータベースと、前記第一のベースと前記第二のベースとを連結する軌道部材と、前記ステータベースに取り付けられ、前記軌道部材に沿って直線運動可能な移動部材と、前記ステータベースを前記ロータ軸の軸線方向に移動させるステータ駆動装置と、を備え、前記ステータベースの前記ロータ軸の軸線方向の直線運動は、前記軌道部材及び前記移動部材を備える直線運動案内装置によって案内される流体発電装置用の発電機である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、直線運動案内装置の軌道部材に、第一のベースと第二のベースとを連結する構造体としての機能と、発電機ステータが直線運動するのを案内する直線運動案内装置としての機能を併せて持たせるので、発電機ロータの中心線と直線運動案内装置の軌道部材との平行度が管理し易くなり、発電機ロータの中心線と発電機ステータの中心線とを一致させることが容易になる。また、ロータ軸の両端部を軸受で支持しているので、ロータ軸が振れるのを防止できる。これに対し、第一のベース及び第二のベースを連結する構造体と直線運動案内装置が別物になった場合、それぞれの部品の加工精度と組立精度を厳しく管理しなければ、発電機ロータの中心線と発電機ステータの中心線とを一致させることができないので、発電機の製作が困難になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第一の実施形態の流体発電装置の全体図
【図２】発電機の平面図
【図３】図２のIII-III線断面図
【図４】図２のIV-IV線断面図
【図５】発電機の斜視図
【図６】発電機ロータ及び発電機ステータの概略図（図中（ａ）は平面図を示し、図中（ｂ）は垂直断面図を示す）
【図７】ステータ駆動装置に組み込まれるボールねじの斜視図
【図８】発電機ステータの直線運動を案内する直線運動案内装置の斜視図
【図９】本発明の第一の実施形態の流体発電装置の発電機の垂直断面図
【図１０】スプライン軸に組み付けられるロータリーボールねじ及びスプラインナットを示す斜視図
【図１１】ロータリーボールねじの詳細図
【図１２】本発明の第三の実施形態の流体発電装置の発電機の垂直断面図
【図１３】本発明の第四の実施形態の流体発電装置の発電機の垂直断面図
【図１４】スプライン軸に組み付けられるロータリーボールねじ及びスプラインナットを示す斜視図
【図１５】本発明の第四の実施形態の流体発電装置の発電機の動作を説明する図
【図１６】水平軸風車に組み込まれる発電機の概略図
【図１７】アクチュエータ一体型の直線運動案内装置の斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面に基づいて本発明の第一の実施形態の流体発電装置としての風力発電装置（以下、単に風車という）を説明する。図１は、風車の全体の構成図を示す。図１には、風車として、風車ロータ１の主軸４が風向きに垂直である垂直軸風車が示されている。この垂直軸風車は、風車ロータ１に働く揚力を利用して回転力を得ている。風車ロータ１は、垂直方向に直線状に伸びる複数毎のブレード２を有する。風が吹いたとき、ブレード２は発生する揚力を利用して風車ロータ１に流入する風速の数倍のスピードで回転する。ブレード２は、上下一対の支持腕３を介して主軸４に取り付けられる。
【００１４】
主軸４は中空に形成される。主軸４の内側には、主軸４を回転可能に支持する支持軸５が設けられる。支持軸５は風車ベース６から垂直方向に立設する。主軸４と支持軸５との間には、上下方向に間隔を空けて軸受７が配置される。主軸４は軸受７に支持された状態で、支持軸５の外側を回転する。この例の主軸４は支持軸５の外側を回転するので、アウターロータと呼ばれる。
【００１５】
風車の下部には、発電機１１が設けられる。発電機１１の構造の概要は、以下のとおりである。発電機１１は、主軸４と共に回転する発電機ロータ１２と、発電機ロータ１２にすきまｇ（図３）を介して対向する発電機ステータ１４と、を備える。発電機ステータ１４に対して発電機ロータ１２がその軸線の回りを回転することによって、電力が発生する。
【００１６】
主軸４の下端には、ロータ軸９が接続される。ロータ軸９は、主軸に接続される第一のロータ軸としての上部ロータ軸３０と、第二のロータ軸としての下部ロータ軸２８と、上部ロータ軸３０と下部ロータ軸２８との間に配置される発電機ロータ１２と、を有する。上部ロータ軸３０は、第一のベース２３に回転可能に支持される。下部ロータ軸２８は、第二のベース２４に回転可能に支持される。発電機ロータ１２は上部ロータ軸３０と下部ロータ軸２８との間に挟まれる。第一及び第二のベース２３，２４は、ロータ軸９の外側に配置されるので、ハウジングとして機能する。
【００１７】
第二のベース２４は、風車ベース６に架台１６を介して支持される。第一のベース２３と第二のベース２４とは軌道部材としての複数本のスプライン軸２１で連結される。第二のベース２４と第一のベース２３との間には、ステータベース２５がロータ軸９の軸線方向に直線運動可能に配置される。発電機ステータ１４は円環状のステータベース２５の内周側に取り付けられる。ステータベース２５には、移動部材としての複数のスプラインナット２２が取り付けられる。スプラインナット２２は、スプライン軸２１にスライド可能に組み付けられる。ステータベース２５の直線運動は、スプライン軸２１及びスプラインナット２２を備える直線運動案内装置によって案内される。
【００１８】
ステータ駆動装置１３は、ステータベース２５をロータ軸９の軸線方向に直線運動させる。ステータ駆動装置１３は、サーボモータ４０と、サーボモータ４０によって駆動されるボールねじ５２と、を備える。ボールねじ５２のねじ軸３８は垂直方向に伸びる。ねじ軸３８には、ナット３７が組み付けられる。ナット３７はステータベース２５に取り付けられる。サーボモータ４０によってねじ軸３８を回転させると、ナット３７がねじ軸３８の軸線方向に直線運動し、ステータベース２５がロータ軸９の軸線方向に直線する。発電機１１は円筒状のケース１５によって覆われる。
【００１９】
図２ないし図５は、発電機１１の詳細図を示す。図２は発電機１１の平面図を示し、図３は図２のIII-III線断面図を示し、図４は図２のIV-IV線断面図を示し、図５は発電機の要部の斜視図を示す。
【００２０】
図３及び図５に示すように、発電機１１は、円盤状の第二のベース２４と、第二のベース２４に立設される複数本のスプライン軸２１と、複数のスプライン軸２１の上端に固定される多角形平板状の第一のベース２３と、第二のベース２４と第一のベース２３との間に垂直方向に直線運動可能に配置される円環状のステータベース２５と、を備える。
【００２１】
第二のベース２４には、軸受２７を介して中空の下部ロータ軸２８が回転可能に支持される。第一のベース２３には、軸受２９を介して中空の上部ロータ軸３０が回転可能に支持される。上部ロータ軸３０の上端には、フランジ３３が取り付けられ、上部ロータ軸３０は、フランジ３３を介してボルト等の結合手段３４によって主軸４に結合される。上部ロータ軸３０と下部ロータ軸２８との間には、発電機ロータ１２が挟まれる。発電機ロータ１２は、円筒状の本体部３９と、本体部３９の外周面に周方向に配列された複数の永久磁石３１と、を備える。上部ロータ軸３０、本体部３９、及び下部ロータ軸２８は、通しボルト３９ａによって一体的に結合される。
【００２２】
ロータ軸９は主軸４にフランジ３３を介して接続され、主軸４に接続したり、切り離したりできる構造となっている。主軸４の下端に発電機ロータ１２を直接取り付けるのが最もシンプルな構造となるが、重量の重い主軸４と発電機ステータ１４との芯を出す（中心線を一致させる）のが困難になる。ロータ軸９を主軸４から切り離せる構造とすることで、あらかじめ発電機ロータ１２と発電機ステータ１４との芯を出した後、ロータ軸９を主軸４に結合することが可能になり、発電機ロータ１２と発電機ステータ１４との芯出し作業が容易になる。
【００２３】
第一のベース２３と第二のベース２４とは、垂直方向に伸びる複数本のスプライン軸２１によって連結される。スプライン軸２１は、発電機ロータ１２の中心線の回りに周方向に例えば１２０度の間隔を空けて三本設けられる。スプライン軸２１は第一のベース２３と第二のベース２４とを連結する構造体としての機能も持つので、直線運動案内装置として必要な強度よりも頑丈なものが使用される。スプライン軸２１の上下方向の両端部は、径が狭められていて、両端部２１ａの外周には雄ねじが形成される。第一のベース２３及び第二のベース２４には、スプライン軸２１の両端部２１ａが通される通し孔２３ａ，２４ａが空けられる。スプライン軸２１の両端部２１ａをこれらの通し孔２３ａ，２４ａに通し、ロックナット等の結合手段３６を両端部２１ａにねじ込むことにより、スプライン軸２１の両端部２１ａが第一のベース２３及び第二のベース２４に固定される。第一のベース２３及び第二のベース２４の通し孔２３ａ，２４ａの径は、スプライン軸２１の両端部２１ａの径よりも大きく、スプライン軸２１の水平方向（すなわち、ロータ軸９の軸線と直交する方向）の位置が調整可能となっている。
【００２４】
ステータベース２５には、周方向に例えば１２０度の間隔を空けてスプラインナット２２が取り付けられる。スプラインナット２２は、スプライン軸２１に垂直方向にスライド可能に組み付けられる。
【００２５】
ステータベース２５には、ボールねじのナット３７が取り付けられる。ボールねじのナット３７には、ロータ軸９と平行に垂直方向に伸びるねじ軸３８が螺合する。ねじ軸３８は第一のベース２３にねじ軸３８の中心線の回りを回転可能に支持される。ねじ軸３８の上端は、カップリングを介してサーボモータ４０の出力軸に連結される。サーボモータ４０はステー４１を介して第一のベース２３に取り付けられる。サーボモータ４０がねじ軸３８を回転させると、ねじ軸３８に螺合するボールねじのナット３７が垂直方向に直線運動し、ナット３７に取り付けられる発電機ステータ１４が垂直方向に直線運動する。ステータベース２５の外周には、表面積を大きくするための多数の冷却用のフィン２５ｂが設けられる（図２参照）。発電機ステータ１４のコイル１８に発生するジュール熱は冷却用のフィン２５ｂから放熱される。
【００２６】
図４に示すように、第一のベース２３及び第二のベース２４の外周側は補強のためのビーム４５で連結される。第一のベース２３及び第二のベース２４の外周側にはアングル４６，４７が結合される。ビーム４５は上下のアングル４６，４７間に架け渡される。ビーム４５は第一のベース２３及び第二のベース２４の剛性を上げ、これらの変形を押さえるために設置される。なお、スプライン軸２１の強度のみで十分に剛性が高い場合には、ビーム４５を省略することも可能である。
【００２７】
この実施形態において、発電機ステータ１４を垂直方向に移動させる目的は、風車ロータ１が受ける風のエネルギを発電機１１が出力する電気エネルギに一致させることにある。風車ロータ１が受ける風のエネルギは風速の三乗に比例する。一方、発電機１１が出力する電気エネルギは風速の二乗に比例する。風速の三乗に比例する風車ロータ１が受ける風のエネルギと、風速の二乗に比例する発電機１１が出力する電気エネルギとを一致させるために、発電機ステータ１４を垂直方向に移動させる（言い換えれば、発電機ロータ１２と発電機ステータ１４との噛合い率を制御する）。
【００２８】
例えば、風速が１２ｍ／ｓ→６ｍ／ｓに変化すると、風車ロータ１が受ける風のエネルギが１／８に低減する。その一方、発電機１１が出力する電力は１／４に低減する。もともと風のエネルギが１／８に低減しているから、１／８までしか発電できないにもかかわらず、発電機１１の出力が１／４になっている。風のエネルギと発電機１１の出力との間にずれが生ずることが原因で、風車ロータ１の回転数が次々と落ちる。これを防止するために、発電機１１の噛合い率を制御し、発電機１１の出力を１／８にする。
【００２９】
一般化して説明すると、風速がＮ−１（Ｎ：１以上の有理数）倍になると、風車ロータ１の回転数はＮ−１倍になり、風車ロータ１が受ける風のエネルギは、Ｎ−３倍になる。一方、風速がＮ−１倍になると、発電機ロータ１２の回転数はＮ−１倍になり、発電機１１の出力はＮ−２倍になる。風車ロータ１が受ける風のエネルギと発電機１１の出力を整合させるために、噛合い率を制御して発電機１１の逆起電圧定数をＮ−１／２倍にする。発電機１１の逆起電圧定数をＮ−１／２倍にすれば、発電機１１の電圧がＮ−３／２倍、電流がＮ−３／２倍、発電機１１の出力がＮ−３倍になり、風車ロータ１が受ける風のエネルギに整合するようになる。
【００３０】
逆に、風速がＮ（Ｎ：１以上の有理数）倍になると、風車ロータ１が受ける風のエネルギはＮ３倍になるのに対し、発電機１１の出力はＮ２倍になる。風車ロータ１が受ける風のエネルギと発電機１１の出力を整合させるために、噛合い率を制御して発電機１１の逆起電圧定数をＮ１／２倍にする。発電機１１の逆起電圧定数をＮ１／２倍にすれば、発電機１１の電圧がＮ３／２倍、電流がＮ３／２倍、発電機１１の出力がＮ３倍になり、風車ロータ１が受ける風のエネルギに整合するようになる。
【００３１】
図６に示すように、発電機ロータ１２は、周方向に交互にＮ極及びＳ極が形成されるように本体部の外周面に配列された複数の永久磁石３１ａ，３１ｂを有する。各永久磁石３１ａ，３１ｂは垂直方向に細長く伸びている。発電機ステータ１４は、ヨーク１７と、ヨーク１７の複数のコア１７ａに巻かれる複数のコイル１８と、を有する。ヨーク１７は、筒状のヨーク本体１７ｂと、筒状のヨーク本体１７ｂから半径方向の内側に突出する複数のコア１７ａと、を有する。コア１７ａは永久磁石３１ａ，３１ｂと同様に垂直方向に伸びる。コア１７ａの垂直方向の長さは永久磁石３１ａ，３１ｂの垂直方向の長さにほぼ等しい。複数のコア１７ａには、Ｕ相，Ｖ相，及びＷ相のコイル１８が巻かれる。ヨーク１７には、珪素鋼等の電気エネルギと磁気エネルギの変換効率が高い電磁鋼が用いられる。発電機ロータ１２が回転すると、Ｕ相，Ｖ相及びＷ相からなるコイル１８に三相交流が発生する。この三相交流は、直流リンク方式又は交流リンク方式を介して商用電源に系統連係される。コイル１８は、ステータベース２５に取り付けられたコイルケース４４（図３参照）によって覆われる。
【００３２】
図７は、ステータ駆動装置１３に組み込まれるボールねじ５２の斜視図を示す。ボールねじ５２は、外周面に螺旋状の転動体転走部としてのボール転走溝３８ａが形成されるねじ軸３８と、内周面にボール転走溝３８ａに対向する負荷転動体転走部としての負荷ボール転走溝３７ａが形成されるナット３７と、ねじ軸３８のボール転走溝３８ａとナット３７の負荷ボール転走溝３７ａとの間に転がり運動可能に介在される転動体としての多数のボール５０とを備える。ナット３７には、負荷ボール転走溝３７ａを転がるボールを循環させるための循環部材としてのリターンパイプ５１が取り付けられる。転動体にはボール５０の替わりにローラを用いることも可能である。
【００３３】
図８は、発電機ステータ１４の直線運動を案内する直線運動案内装置の斜視図を示す。直線運動案内装置は、長手方向に沿って転動体転走部としての複数のボール転走溝２１ｂが形成される軌道部材としてのスプライン軸２１と、スプライン軸２１のボール転走溝２１ｂに対向する負荷転動体転走部としての負荷ボール転走溝２２ａが形成される移動部材としてのスプラインナット２２と、を備える。スプラインナット２２には、保持器５３が組み込まれる。保持器５３には、転動体循環路としてサーキット状のボール循環路５４が形成される。ボール循環路５４には、転動体として多数のボール５５が配列される。ボール５５はスプライン軸２１のボール転走溝２１ｂとスプラインナット２２の負荷ボール転走溝２２ａとの間にも介在される。スプライン軸２１に対してスプラインナット２２を直線運動させると、多数のボール５５がスプライン軸２１のボール転走溝２１ａとスプラインナット２２の負荷ボール転走溝２２ａとの間を転がり運動し、ボール循環路５４を循環する。なお、スプラインナット２２の替わりにボールブッシュを用いることもできる。
【００３４】
本実施形態によれば、発電機ロータ１２を有するロータ軸９の両端部が、第一のベース２３及び第二のベース２４に設けられる軸受２７，２９で回転可能に支持され、発電機ステータ１４が設けられるステータベース２５が第一のベース２３及び第二のベース２４に連結されるスプライン軸２１に沿って直線運動するので、発電機ロータ１２と直線運動する発電機ステータ１４との芯を出す（発電機ロータ１２の中心線と発電機ステータ１４の中心線を一致させる）のが容易になる。スプライン軸２１に、第一のベース２３及び第二のベース２４を連結する構造体としての機能と、発電機ステータ１４が直線運動するのを案内する直線案内装置としての機能を併せて持たせるので、発電機の製作も容易になり、コストの低減も図れる。これに対して、構造体と直線案内装置が別々であると仮定すると、それぞれの部品の加工精度、組立て精度を厳しく管理しなくては、発電機ステータ１４の直線運動時に過大な摺動抵抗が発生する。
【００３５】
第一のベース２３及び第二のベース２４に対して、スプライン軸２１の水平方向の位置を調節可能とすることで、発電機ロータ１２と直線運動する発電機ステータ１４との芯を出すのがより容易になる。スプライン軸２１の両端部を第一のベース２３及び第二のベース２４の通し孔２３ａ，２４ａに嵌め、通し孔２３ａ，２４ａ内でスプライン軸２１の位置を調節することで、スプライン軸２１の水平方向の位置を調節すること自体も容易になる。
【００３６】
ロータ軸９を、上部ロータ軸３０、下部ロータ軸２８、及びこれらの間に配置される発電機ロータ１２から構成することにより、発電機ロータ１２を有するロータ軸９の両端部を軸受２７，２９で支持するのが容易になる。
【００３７】
図９は、本発明の第二の実施形態の流体発電装置の発電機８０を示す。上記第一の実施形態の流体発電装置の発電機においては、ロータ軸９の外側に発電機ステータ１４が配置されている。これに対し、この第二の実施形態の流体発電装置の発電機においては、中空のロータ軸８１の内側に発電機ステータ８２が配置される。ロータ軸８１には、風車ロータ１の主軸４が接続され、ロータ軸８１は風車ロータ１と共に回転する。発電機ステータ８２は、ロータ軸９の軸線に沿って直線運動する。
【００３８】
ロータ軸９の軸線は鉛直方向を向く。ロータ軸９の内側には、発電機ロータ８３が取り付けられる。発電機ロータ８３は、周方向に交互にＮ極及びＳ極が着磁されるように配列された複数の永久磁石を有する。
【００３９】
ロータ軸８１の上端部の内側には、第一のベース８４が配置される。第一のベース８４は円盤状に形成される。第一のベース８４の外周には、ロータ軸８１を回転可能に支持するリング状の軸受８５が設けられる。この軸受８５によって、中空のロータ軸８１の上端部が回転可能に支持される。
【００４０】
中空のロータ軸８１の下端部の内側には、第二のベース８６が配置される。第二のベース８６は円盤状に形成される。第二のベース８６の外周には、ロータ軸８１を回転可能に支持するリング状の軸受８７が設けられる。この軸受８７によって、中空のロータ軸８１の下端部が回転可能に支持される。
【００４１】
第一のベース８４及び第二のベース８６は、軌道部材としてのスプライン軸８８によって連結される。スプライン軸８８はロータ軸８１の軸線上に配置されている。スプライン軸８８の軸線とロータ軸８１の軸線とが一致する。スプライン軸８８の両端部８８ａは、径が狭められていて、両端部８８ａの外周には雄ねじが形成される。第一のベース８４及び第二のベース８６の中心部には、スプライン軸８８の両端部８８ａが通される通し孔８４ａ，８６ａが空けられる。スプライン軸８８の両端部８８ａをこれらの通し孔６４ａ，８６ａに通し、ロックナット等の結合手段８９を両端部８８ａにねじ込むことにより、スプライン軸８８が第一及び第二のベース８４，８６に固定される。
【００４２】
なお、この実施形態では、スプライン軸８８の両端部８８ａの外径と第一及び第二のベース８４，８６の通し孔８４ａ，８６ａの内径とが一致しており、第一及び第二のベース８４，８６に対するスプライン軸８８の水平方向の位置が調整できないようになっている。第一及び第二のベース８４，８６の外周と通し孔８４ａ，８６ａの中心線の同心度が保たれるように第一及び第二のベース８４，８６を加工すれば、ロータ軸８１の軸線とスプライン軸８８の軸線とが自動的に一致するからである。
【００４３】
ロータ軸８１の内側には、発電機ロータ８３とすきまを空けて対向する発電機ステータ８２が設けられる。発電機ステータ８２は、周方向に配列される複数のコイルを有する。発電機ステータ８２はステータベース９０に取り付けられる。
【００４４】
ステータベース９０は、軸線方向の一端部にフランジ９０ａを有する筒状に形成される。ステータベース９０の外側に筒状の発電機ステータ８２が嵌め込まれる。ステータベース９０の内側にロータリーボールねじ９１及びスプラインナット９２が取り付けられる。ロータリーボールねじ９１及びスプラインナット９２はスプライン軸８８に組み付けられている。
【００４５】
ロータリーボールねじ９１は、外輪９１ａと、外輪９１ａの内側のねじナット９１ｂと、を有する（図１０参照）。ねじナット９１ｂは外輪９１ａに対して回転可能である。ロータリーボールねじ９１の外輪９１ａのフランジ９１ａ１には、ステータベース９０のフランジ９０ａが結合される。ロータリーボールねじ９１のねじナット９１ｂには、プーリ９５ａが取り付けられる。駆動源としてのモータ９３はステータベース９０にステー９４を介して取り付けられる。モータ９３の出力軸にはプーリ９５ｂが取り付けられる。モータ９３の出力軸はスプライン軸８８の軸線から離れている。プーリ９５ａ，９５ｂ間にはベルト９４が架け渡される。モータ９３の出力軸のトルクはプーリ９５ａ，９５ｂ及びベルト９４を介してねじナット９１ｂに伝動される。駆動源としてのモータ９３の回転力をベルト９４、プーリ９５ａ，９５ｂからなる巻掛け伝動装置を介してねじナット９１ｂに伝動するので、減速比を任意に設定することができる。
【００４６】
図１０に示すように、スプライン軸８８の外周には、軸線方向に伸びる複数本のスプライン溝８８ａが形成されると共に、螺旋状の転動体転走溝としてのボール転走溝８８ｂが形成される。スプライン軸８８の上部には、ロータリーボールねじ９１が組み付けられる。ロータリーボールねじ９１のねじナット９１ｂは、ボール転走溝８８ｂに螺合する。スプライン軸８８の下部には、スプラインナット９２が組み付けられる。スプラインナット９２はスプライン溝８８に回転不能に係合し、スプライン軸８８に沿って直線運動する。
【００４７】
なお、この例では、スプライン軸８８の全長に渡ってスプライン溝８８ａ及び螺旋状のボール転走溝８８ｂが形成されているが、スプライン溝８８ａをスプラインナット９２が移動する区間にのみ形成し、螺旋状のボール転走溝をロータリーボールねじ９１が移動する区間にのみ形成してもよい。また、スプライン軸８８の上側にスプラインナット９２を配置し、下側にロータリーボールねじ９１を配置してもよい。
【００４８】
ロータリーボールねじ９１の詳細な構造は以下のとおりである。図１１に示すように、ロータリーボールねじ９１は、外輪９１ａと、外輪９１ａの内側に組み込まれるねじナット９１ｂと、を備える。ねじナット９１ｂの内周面には、スプライン軸８８の外周のボール転走溝８８ａに対向する螺旋状のボール転走溝９１ｂ１が形成される。ねじナット９１ｂのボール転走溝９１ｂ１とスプライン軸８８のボール転走溝８８ｂとの間には、複数のボール９１ｃが配列される。ねじナット９１ｂには、複数のボール９１ｃが循環するように循環通路９１ｂ２が形成される。スプライン軸８８に対してねじナット９１ｂが回転すると、ねじナット９１ｂが回転しながらスプライン軸８８の軸線方向に直線運動する。
【００４９】
外輪９１ａはねじナット９１ｂに対して回転可能である。ねじナット９１ｂの外周面には、リング状の軌道溝９１ｂ３が形成される。軌道溝９１ｂ３は、ねじナット９１ｂの軸線方向に離間して二つ形成される。外輪９１ａの内周面には、軌道溝９１ｂ３に対向する軌道溝９１ａ３が形成される。これらの軌道溝９１ａ３，９１ｂ３の間には、複数の転動体としてのボール９１ｄが配列される。転動体９１ｄ間には、転動体同士の接触を防止するスペーサが介在される。外輪９１ａのフランジ９１ａ１はステータベース９０に結合される（図９参照）。外輪９１ａがねじナット９１ｂに対して回転可能であるので、ねじナット９１ｂが回転しても外輪９１ａは回転することはない。
【００５０】
図１０に示すように、スプラインナット９２は、スプライン軸８８に対して直線運動可能であり、スプライン軸８８に対して回転不能である。スプラインナット９２の構造は図８に示すスプラインナットとほぼ同一である。スプラインナット９２のフランジ９２ａはステータベース９０に取り付けられる（図９参照）。スプラインナット９２がスプライン軸８８に対して回転不能であるから、ステータベース９０もスプライン軸８８に対して回転不能である。
【００５１】
図９に示すように、モータ９３がロータリーボールねじ９１のねじナット９１ｂを回転させると、ロータリーボールねじ９１がスプライン軸８８に対して軸線方向に直線運動する。ロータリーボールねじ９１にはステータベース９０が取り付けられるので、ステータベース９０もスプライン軸８８に対して軸線方向に直線運動する。ステータベース９０はロータリーボールねじ９１の外輪９１ａに取り付けられているので、ねじナット９１ｂと共に回転することはない。ステータベース９０にはステー９４を介してモータ９３が取り付けられるので、モータ９３もステータベース９０と共に直線運動する。ステータベース９０を直線運動させると、発電機ロータ８３と発電機ステータ８２の噛合い率が変化するので、発電機８０の出力を調整することができる。
【００５２】
この第二の実施形態の発電機８０によれば、ロータ軸８１の両端部が第一のベース８４及び第二のベース８６に設けられる軸受８５，８７で回転可能に支持され、ステータベース９０が第一のベース８４及び第二のベース８６に連結されるスプライン軸８８に沿って直線運動するので、発電機ロータ８３の中心線と発電機ステータ８２の中心線を一致させるのが容易になる。また、ロータ軸８１の軸線上に直線運動案内装置のスプライン軸８８が配置されるので、発電機ロータ８３の中心線と発電機ステータ８２の中心線を一致させるのがより容易になるし、部品点数も減らすことができる。
【００５３】
また、中空のロータ軸８１の半径方向の内側に第一のベース８４、第二のベース８６、ステータベース９０、ステータ駆動装置９３，９４，９５ａ，９５ｂ及び直線運動案内装置８８，９２が配置されるので、発電機８０の小型化が図れる。
【００５４】
さらに、中空のロータ軸８１の軸線上にスプライン軸８８を配置し、スプライン軸８８のボール転走溝８８ｂに螺合するねじナット９１ｂを回転させることによって、ステータベース９０を直線運動させるので、ステータベース９０を直線運動させる推力がステータベース９０の中央に作用する。推力の作用位置とステータベース９０の重心とが一致するので、ステータベース９０にモーメント荷重が作用することがなく、ステータベース９０に傾き又は変形が生じることがない。このため、発電機ロータ８３と発電機ステータ８２との間のすきまを一定に保つことができる。直線運動案内装置８８，９２にもモーメント荷重が作用することがないので、ステータベース９０を円滑に直線運動させることができる。
【００５５】
図１２は、本発明の第三の実施形態の流体発電装置の発電機１００を示す。中空のロータ軸８１、第一のベース８４、第二のベース８６、ステータベース９０、直線運動案内装置８８，９２、ロータリーボールねじ９１の構造は、上記第二の実施形態の発電機と同一であるので、同一の符号を附してその説明を省略する。
【００５６】
この実施形態では、ステータ駆動装置の駆動源として、中空モータ９６を用いている点が第二の実施形態の発電機８０と異なる。中空モータ９６は、スプライン軸８８と同軸上に配置され、ねじナット９１ｂを回転させる内側のモータロータ９６ｂと、ステータベース９０にステー９４を介して回転不能に連結される外側のモータステータ９６ａと、を備える。モータロータ９６ｂは中空に形成され、モータロータ９６ｂ内をスプライン軸８８が貫通する。中空モータ９６のモータロータ９６ｂが回転すると、ねじナット９１ｂが回転する。ねじナット９１ｂが回転すると、第二の実施形態の発電機と同様に、ステータベース９０が直線運動する。
【００５７】
第三の実施形態の発電機１００によれば、中空モータ９６を使用することによって、発電機のさらなる小型化が図れる。また、ロータモータ９６ｂの中心線とスプライン軸８８の軸線が一致するので、ねじナット９１ｂをさらに円滑に回転させることができる。
【００５８】
図１３は、本発明の第四の実施形態の流体発電装置の発電機１０１を示す。中空のロータ軸８１、第一のベース８４、第二のベース８６、ステータベース９０、ロータリーボールねじ９１、中空モータ９６の構造は、上記第三の実施形態の発電機と同一であるので、同一の符号を附してその説明を省略する。
【００５９】
この実施形態では、スプラインナット９７にステータベース９０を回転可能に取り付け、ステータベース９０の下側にステータ回転装置としての中空モータ９８を取り付け、中空モータ９８がステータベース９０を回転させる点が第三の実施形態の発電機と異なる。
【００６０】
ステータベース９０の上側には、ねじナット９１ｂを回転させる中空モータ９６が配置され、ステータベース９０の下側には、ステータベース９０を回転させる中空モータ９８が配置される。下側の中空モータ９８は、スプライン軸８８と同軸上に配置される内側のモータステータ９８ｂ及び外側のモータロータ９８ａを備える。モータステータ９８ｂは、スプラインナット９７の内側のナット本体９７ａ（図１４参照）に回転不能に連結される。モータステータ９８ｂは中空に形成され、モータステータ９８ａ内をスプライン軸８８が貫通する。モータロータ９８ｂには、ステー９９を介してステータベース９０が連結される。中空モータ９８の外側のモータロータ９８ａによってステータベース９０が回転する。
【００６１】
図１４に示すように、スプライン軸８８の上側には、ロータリーボールねじ９１が組み付けられる。スプライン軸８８の下側には、スプラインナット９７が組み付けられる。スプラインナット９７は、ナット本体９７ａと、ナット本体９７ａの外側に回転可能に設けられる外輪９７ｂと、を備える。ナット本体９７ａの外周面には、リング状の軌道溝９７ａ１が形成される。軌道溝９７ａ１は、ナット本体９７ａの軸線方向に離間して二つ形成される。外輪９７ｂの内周面には、軌道溝９７ａ１に対向する軌道溝９７ｂ１が形成される。これらの軌道溝９７ａ１，９７ｂａの間には、複数の転動体としてのボール９７ｃが配列される。外輪９７ｂのフランジ９７ｂ２はステータベース９０に結合される（図１３参照）。外輪９７ｂがナット本体９７ａに対して回転可能であるので、外輪９７ｂが回転してもナット本体９７ａは回転することはない。
【００６２】
図１５に示すように、上側の中空モータ９６のオンオフと下側の中空モータ９８のオンオフを組み合わせることで、ステータベース９０は以下の三種類の動きをする。
【００６３】
まず、上側の中空モータ９６をオンにし、下側の中空モータ９８をオフにし、ねじナット９１ｂを回転させると、上記第三の実施系形態の発電機１００と同様に、ステータベース９０が上下運動をする。これにより、発電機の噛合い率が変化する。
【００６４】
次に、上側の中空モータ９６をオフにし、下側の中空モータ９８をオンにすると、ステータベース９０が回転する。例えば、強風時にロータ軸８１の回転方向と反対方向にステータベース９０を回転させることで、発電機１０１の電圧を上げることができ、発電機１０１を電気的なブレーキとして機能させることができる。これにより、強風時に風車ロータ１の回転数を下げることができ、風車ロータ１が過回転するのを防止することができる。一方、風車始動時にロータ軸８１の回転方向と同方向にステータベース９０を回転させることで、回転が安定しない状態の風車ロータ１の回転をアシストすることができる。
【００６５】
次に、上側の中空モータ９６をオンにし、下側の中空モータ９８をオンにすると、ステータベース９０が回転しながら直線運動する。このため、上記の機能を同時に実施することができる。
【００６６】
図１６は、本発明の第五の実施形態における風車の発電機の概要図を示す。この実施形態では、発電機６１は、主軸が水平面内にある水平軸風車に組み込まれる。図示しない主軸には、発電機６１のロータ軸６２が接続される。発電機６１のロータ軸６２は、その一端部が第一のベース６３の軸受６４に回転可能に支持され、その他端部が第二のベース６５の軸受６６に回転可能に支持される。第一のベース６３と第二のベース６５とは、直線運動案内装置の軌道部材６７によって連結される。ロータ軸６２には、発電機ロータ６８が取り付けられる。発電機ロータ６８の周囲には、すきまを空けて（この図にはすきまが大きく示されているが、実際のすきまは僅かである）、発電機ステータ６９が対向する。発電機ステータ６９は、ロータ軸６２の軸線方向に直線運動可能である。発電機ステータ６９の直線運動は、アクチュエータ一体型の直線運動案内装置によって案内される。
【００６７】
図１７は、アクチュエータ一体型の直線運動案内装置の斜視図を示す。この直線運動案内装置は、断面略Ｕ字形の軌道部材としてのアウタレール６７と、アウタレール６７内に設けられ、両側面にガイド部、中央にボールねじ部を一体構造にした移動部材としてのインナブロック７１とを備える。インナブロック７１には、発電機ステータ６９が取り付けられる。インナブロック７１に螺合させたねじ軸７２を図示しないサーボモータで回転させると、インナブロック７１がアウタレール６７に沿って直線運動し、発電機ステータ６９がロータ軸６２の軸線方向に直線運動する。この実施形態において、サーボモータ、ねじ軸７２、及びインナブロック７１がステータ駆動装置を構成する。
【００６８】
アウタレール６７は断面略Ｕ字形状で、互いに対向する一対の内壁面６７ａを有する。各内壁面６７ａには、転動体転走部としての二条のボール転走溝が形成される。アウタレール６７の長手方向の両端には、ねじ軸７２を回転自在に支持するブラケット７３，７４が設けられる。ブラケット７３，７４とアウタレール６７とはボルト等の結合手段によって結合される。ブラケット７３には、図示しないサーボモータが取り付けられ、サーボモータとねじ軸７２とは、継手によって連結される。
【００６９】
インナブロック７１の幅方向の両側面には、アウタレール６７のボール転走溝に対向する上下二条の負荷転動体転走部としての負荷ボール転走溝７１ａが形成される。インナブロック７１には、アウタレール６７のボール転走溝とインナブロック７１の負荷ボール転走溝７１ａとの間を転がり運動するボール７５を循環させるボール循環路が形成される。アウタレール６７に対してインナブロック７１が直線運動するとき、アウタレール６７のボール転走溝とインナブロック７１の負荷ボール転走溝７１ａとの間に介在される多数のボール７５がこれらの間を転がり運動し、またボール循環路を循環する。
【００７０】
インナブロック７１の中央部には、ねじ軸７２が貫通する。ねじ軸７２の外周面には、螺旋状のボール転走溝７２ａが形成される。インナブロック７１の貫通孔には、ねじ軸７２のボール転走溝７２ａに対応する負荷転動体転走部としての負荷ボール転走溝が形成される。インナブロック７１には、ねじ軸７２のボール転走溝７２ａと負荷ボール転走溝との間を転がるボールを循環させるための循環経路が形成される。ねじ軸７２を回転させると、ねじ軸７２のボール転走溝７２ａとインナブロック７１の負荷ボール転走溝との間に介在される多数のボールがこれらの間を転がり運動し、またインナブロック７１のボール循環路を循環する。
【００７１】
なお、本発明は上記実施形態に限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲でさまざまに変更可能である。
【００７２】
本発明は、風車だけでなく、水力を利用して電力を発生する水力発電装置にも適用することができる。
【００７３】
上記第一ないし第五の実施形態では、発電機ロータに永久磁石を設け、発電機ステータにコイルを設けたが、これとは逆に発電機ロータにコイルを設け、発電機ステータに永久磁石を設けてもよい。発電機には、上記に記載した同期発電機以外に誘導発電機を用いることもできる。ロータの主軸と発電機との間に増速機を設け、ロータの回転数を増速させて発電機のロータ軸に伝達してもよい。発電機ステータを発電機ロータの中心線の方向に直線運動させるステータ駆動装置としては、錘が遠心力により移動する半径方向の変位をカムを介して発電機ステータの変位に変換するものを用いてもよい。
【００７４】
上記第二の実施形態では、中空のロータ軸の半径方向の内側に第一のベース、第二のベース、ステータベース、ステータ駆動装置及び直線運動案内装置が配置されればよく、これらの部材の少なくとも一部が中空のロータ軸から半径方向にはみ出してもよい。
【符号の説明】
【００７５】
１…風車ロータ，４…主軸，９，６２，８１…ロータ軸，１１，６１，８０，１００，１０１…発電機，１２，６８…発電機ロータ，１３，９５ａ，９５ｂ，９３…ステータ駆動装置，１４，６９…発電機ステータ，２１，８８…スプライン軸（軌道部材），２２，９２，９７…スプラインナット（移動部材），２３，６３，８４…第一のベース，２４，６５，８６…第二のベース，２５，９０…ステータベース，２７，２９，６４，６６，８５，８７…軸受，２８…下部ロータ軸（第二のロータ軸），３０…上部ロータ軸（第一のロータ軸），６７…アウタレール（軌道部材），８８ｂ…ボール転走溝（転動体転走溝），９１ｂ…ねじナット，９６…中空モータ，９６ａ…モータステータ，９６ｂ…モータロータ，９８…中空モータ（ステータ回転装置）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力又は水力の流体エネルギを発電機によって電気エネルギに変換する流体発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題や化石燃料の枯渇に関する関心が世界的に高まっており、その対策の一つとして自然エネルギの利用に注目が集まっている。自然エネルギは、資源を枯渇させずに利用可能なエネルギであり、再生可能エネルギとも呼ばれている。自然エネルギの一種として風のエネルギ（風力）、水のエネルギ（水力）が注目されている。
【０００３】
風力発電装置又は水力発電装置は、風力又は水力を電気エネルギに変換する装置である。風力発電装置において、風力を風車ロータ（翼車）が受け、風車ロータの回転力は主軸を介して発電機に伝達され、発電機が風車ロータの機械的な回転力を電力に変換する。水力発電装置は、風力の替わりに水力を利用するものであり、風力発電装置と同様に電力を発生させる。
【０００４】
風力、水力を利用した発電は、資源が無尽蔵でクリーンな反面、出力が風、水などの自然現象に影響されて変動するという問題をもつ。この問題を解決するために、特許文献１には、発電機ステータを発電機ロータの軸線の方向に移動させる風車が開示されている。風車ロータの一端には、発電機ロータが取り付けられる。発電機ロータの回りには、僅かなすきまを介して発電機ステータが配置される。この発電機ステータは、可動ガイドによって発電機ロータの軸線方向に移動可能に支持される。
【０００５】
この風車は、定格風速のときは、発電機ステータと発電機ロータとの対向面積を大きくとり、コイルに鎖交する磁束を大きくする。その一方、微風状態のときは、発電機ステータを移動させ、発電機ステータと発電機ロータとの対向面積を小さくしている。これにより、微風状態のときの発電効率、回転効率を向上させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１６１０５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
風車には、発電機の出力を大きくするために、発電機ロータと発電機ステータとの間のすきまをできるだけ小さくすることが要請される。また、発電機ステータ移動時の摺動抵抗を低減するために、発電機ステータが移動してもすきまの大きさが変化しないことが要請される。しかし、特許文献１に記載の風車においては、発電機ロータが風車の主軸の端部に取り付けられているので、いくら主軸を軸受で支持しているといえども、発電機ロータが振れ、発電機ロータと発電機ステータのすきまが変動し易いという問題がある。
【０００８】
そこで本発明は、発電機ステータを直線運動させる流体発電装置において、発電機ロータの中心線と発電機ステータの中心線とを一致させ、これらの間のすきまが変動するのを防止できる流体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】
【０００９】
本発明の一態様は、風力又は水力を受けて回転する風車ロータと、前記風車ロータの回転力を発電機に伝達する主軸と、前記風車ロータの回転力を受けて電力を発生する発電機と、を備える流体発電装置において、前記発電機は、前記主軸と共に回転する発電機ロータを有するロータ軸と、前記ロータ軸の一端部を回転可能に支持する軸受を有する第一のベースと、前記ロータ軸の他端部を回転可能に支持する軸受を有する第二のベースと、前記発電機ロータとすきまを介して対向する発電機ステータが設けられるステータベースと、前記第一のベースと前記第二のベースとを連結する軌道部材と、前記ステータベースに取り付けられ、前記軌道部材に沿って直線運動可能な移動部材と、前記ステータベースを前記ロータ軸の軸線方向に移動させるステータ駆動装置と、を備え、前記ステータベースの前記ロータ軸の軸線方向の直線運動は、前記軌道部材及び前記移動部材を備える直線運動案内装置によって案内される流体発電装置である。
【００１０】
本発明の他の態様は、風力又は水力を受けて回転する風車ロータの回転力を受けて電力を発生する流体発電装置用の発電機であって、発電機ロータを有するロータ軸と、前記ロータ軸の一端部を回転可能に支持する軸受を有する第一のベースと、前記ロータ軸の他端部を回転可能に支持する軸受を有する第二のベースと、前記発電機ロータとすきまを介して対向する発電機ステータが設けられるステータベースと、前記第一のベースと前記第二のベースとを連結する軌道部材と、前記ステータベースに取り付けられ、前記軌道部材に沿って直線運動可能な移動部材と、前記ステータベースを前記ロータ軸の軸線方向に移動させるステータ駆動装置と、を備え、前記ステータベースの前記ロータ軸の軸線方向の直線運動は、前記軌道部材及び前記移動部材を備える直線運動案内装置によって案内される流体発電装置用の発電機である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、直線運動案内装置の軌道部材に、第一のベースと第二のベースとを連結する構造体としての機能と、発電機ステータが直線運動するのを案内する直線運動案内装置としての機能を併せて持たせるので、発電機ロータの中心線と直線運動案内装置の軌道部材との平行度が管理し易くなり、発電機ロータの中心線と発電機ステータの中心線とを一致させることが容易になる。また、ロータ軸の両端部を軸受で支持しているので、ロータ軸が振れるのを防止できる。これに対し、第一のベース及び第二のベースを連結する構造体と直線運動案内装置が別物になった場合、それぞれの部品の加工精度と組立精度を厳しく管理しなければ、発電機ロータの中心線と発電機ステータの中心線とを一致させることができないので、発電機の製作が困難になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第一の実施形態の流体発電装置の全体図
【図２】発電機の平面図
【図３】図２のIII-III線断面図
【図４】図２のIV-IV線断面図
【図５】発電機の斜視図
【図６】発電機ロータ及び発電機ステータの概略図（図中（ａ）は平面図を示し、図中（ｂ）は垂直断面図を示す）
【図７】ステータ駆動装置に組み込まれるボールねじの斜視図
【図８】発電機ステータの直線運動を案内する直線運動案内装置の斜視図
【図９】本発明の第一の実施形態の流体発電装置の発電機の垂直断面図
【図１０】スプライン軸に組み付けられるロータリーボールねじ及びスプラインナットを示す斜視図
【図１１】ロータリーボールねじの詳細図
【図１２】本発明の第三の実施形態の流体発電装置の発電機の垂直断面図
【図１３】本発明の第四の実施形態の流体発電装置の発電機の垂直断面図
【図１４】スプライン軸に組み付けられるロータリーボールねじ及びスプラインナットを示す斜視図
【図１５】本発明の第四の実施形態の流体発電装置の発電機の動作を説明する図
【図１６】水平軸風車に組み込まれる発電機の概略図
【図１７】アクチュエータ一体型の直線運動案内装置の斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面に基づいて本発明の第一の実施形態の流体発電装置としての風力発電装置（以下、単に風車という）を説明する。図１は、風車の全体の構成図を示す。図１には、風車として、風車ロータ１の主軸４が風向きに垂直である垂直軸風車が示されている。この垂直軸風車は、風車ロータ１に働く揚力を利用して回転力を得ている。風車ロータ１は、垂直方向に直線状に伸びる複数毎のブレード２を有する。風が吹いたとき、ブレード２は発生する揚力を利用して風車ロータ１に流入する風速の数倍のスピードで回転する。ブレード２は、上下一対の支持腕３を介して主軸４に取り付けられる。
【００１４】
主軸４は中空に形成される。主軸４の内側には、主軸４を回転可能に支持する支持軸５が設けられる。支持軸５は風車ベース６から垂直方向に立設する。主軸４と支持軸５との間には、上下方向に間隔を空けて軸受７が配置される。主軸４は軸受７に支持された状態で、支持軸５の外側を回転する。この例の主軸４は支持軸５の外側を回転するので、アウターロータと呼ばれる。
【００１５】
風車の下部には、発電機１１が設けられる。発電機１１の構造の概要は、以下のとおりである。発電機１１は、主軸４と共に回転する発電機ロータ１２と、発電機ロータ１２にすきまｇ（図３）を介して対向する発電機ステータ１４と、を備える。発電機ステータ１４に対して発電機ロータ１２がその軸線の回りを回転することによって、電力が発生する。
【００１６】
主軸４の下端には、ロータ軸９が接続される。ロータ軸９は、主軸に接続される第一のロータ軸としての上部ロータ軸３０と、第二のロータ軸としての下部ロータ軸２８と、上部ロータ軸３０と下部ロータ軸２８との間に配置される発電機ロータ１２と、を有する。上部ロータ軸３０は、第一のベース２３に回転可能に支持される。下部ロータ軸２８は、第二のベース２４に回転可能に支持される。発電機ロータ１２は上部ロータ軸３０と下部ロータ軸２８との間に挟まれる。第一及び第二のベース２３，２４は、ロータ軸９の外側に配置されるので、ハウジングとして機能する。
【００１７】
第二のベース２４は、風車ベース６に架台１６を介して支持される。第一のベース２３と第二のベース２４とは軌道部材としての複数本のスプライン軸２１で連結される。第二のベース２４と第一のベース２３との間には、ステータベース２５がロータ軸９の軸線方向に直線運動可能に配置される。発電機ステータ１４は円環状のステータベース２５の内周側に取り付けられる。ステータベース２５には、移動部材としての複数のスプラインナット２２が取り付けられる。スプラインナット２２は、スプライン軸２１にスライド可能に組み付けられる。ステータベース２５の直線運動は、スプライン軸２１及びスプラインナット２２を備える直線運動案内装置によって案内される。
【００１８】
ステータ駆動装置１３は、ステータベース２５をロータ軸９の軸線方向に直線運動させる。ステータ駆動装置１３は、サーボモータ４０と、サーボモータ４０によって駆動されるボールねじ５２と、を備える。ボールねじ５２のねじ軸３８は垂直方向に伸びる。ねじ軸３８には、ナット３７が組み付けられる。ナット３７はステータベース２５に取り付けられる。サーボモータ４０によってねじ軸３８を回転させると、ナット３７がねじ軸３８の軸線方向に直線運動し、ステータベース２５がロータ軸９の軸線方向に直線する。発電機１１は円筒状のケース１５によって覆われる。
【００１９】
図２ないし図５は、発電機１１の詳細図を示す。図２は発電機１１の平面図を示し、図３は図２のIII-III線断面図を示し、図４は図２のIV-IV線断面図を示し、図５は発電機の要部の斜視図を示す。
【００２０】
図３及び図５に示すように、発電機１１は、円盤状の第二のベース２４と、第二のベース２４に立設される複数本のスプライン軸２１と、複数のスプライン軸２１の上端に固定される多角形平板状の第一のベース２３と、第二のベース２４と第一のベース２３との間に垂直方向に直線運動可能に配置される円環状のステータベース２５と、を備える。
【００２１】
第二のベース２４には、軸受２７を介して中空の下部ロータ軸２８が回転可能に支持される。第一のベース２３には、軸受２９を介して中空の上部ロータ軸３０が回転可能に支持される。上部ロータ軸３０の上端には、フランジ３３が取り付けられ、上部ロータ軸３０は、フランジ３３を介してボルト等の結合手段３４によって主軸４に結合される。上部ロータ軸３０と下部ロータ軸２８との間には、発電機ロータ１２が挟まれる。発電機ロータ１２は、円筒状の本体部３９と、本体部３９の外周面に周方向に配列された複数の永久磁石３１と、を備える。上部ロータ軸３０、本体部３９、及び下部ロータ軸２８は、通しボルト３９ａによって一体的に結合される。
【００２２】
ロータ軸９は主軸４にフランジ３３を介して接続され、主軸４に接続したり、切り離したりできる構造となっている。主軸４の下端に発電機ロータ１２を直接取り付けるのが最もシンプルな構造となるが、重量の重い主軸４と発電機ステータ１４との芯を出す（中心線を一致させる）のが困難になる。ロータ軸９を主軸４から切り離せる構造とすることで、あらかじめ発電機ロータ１２と発電機ステータ１４との芯を出した後、ロータ軸９を主軸４に結合することが可能になり、発電機ロータ１２と発電機ステータ１４との芯出し作業が容易になる。
【００２３】
第一のベース２３と第二のベース２４とは、垂直方向に伸びる複数本のスプライン軸２１によって連結される。スプライン軸２１は、発電機ロータ１２の中心線の回りに周方向に例えば１２０度の間隔を空けて三本設けられる。スプライン軸２１は第一のベース２３と第二のベース２４とを連結する構造体としての機能も持つので、直線運動案内装置として必要な強度よりも頑丈なものが使用される。スプライン軸２１の上下方向の両端部は、径が狭められていて、両端部２１ａの外周には雄ねじが形成される。第一のベース２３及び第二のベース２４には、スプライン軸２１の両端部２１ａが通される通し孔２３ａ，２４ａが空けられる。スプライン軸２１の両端部２１ａをこれらの通し孔２３ａ，２４ａに通し、ロックナット等の結合手段３６を両端部２１ａにねじ込むことにより、スプライン軸２１の両端部２１ａが第一のベース２３及び第二のベース２４に固定される。第一のベース２３及び第二のベース２４の通し孔２３ａ，２４ａの径は、スプライン軸２１の両端部２１ａの径よりも大きく、スプライン軸２１の水平方向（すなわち、ロータ軸９の軸線と直交する方向）の位置が調整可能となっている。
【００２４】
ステータベース２５には、周方向に例えば１２０度の間隔を空けてスプラインナット２２が取り付けられる。スプラインナット２２は、スプライン軸２１に垂直方向にスライド可能に組み付けられる。
【００２５】
ステータベース２５には、ボールねじのナット３７が取り付けられる。ボールねじのナット３７には、ロータ軸９と平行に垂直方向に伸びるねじ軸３８が螺合する。ねじ軸３８は第一のベース２３にねじ軸３８の中心線の回りを回転可能に支持される。ねじ軸３８の上端は、カップリングを介してサーボモータ４０の出力軸に連結される。サーボモータ４０はステー４１を介して第一のベース２３に取り付けられる。サーボモータ４０がねじ軸３８を回転させると、ねじ軸３８に螺合するボールねじのナット３７が垂直方向に直線運動し、ナット３７に取り付けられる発電機ステータ１４が垂直方向に直線運動する。ステータベース２５の外周には、表面積を大きくするための多数の冷却用のフィン２５ｂが設けられる（図２参照）。発電機ステータ１４のコイル１８に発生するジュール熱は冷却用のフィン２５ｂから放熱される。
【００２６】
図４に示すように、第一のベース２３及び第二のベース２４の外周側は補強のためのビーム４５で連結される。第一のベース２３及び第二のベース２４の外周側にはアングル４６，４７が結合される。ビーム４５は上下のアングル４６，４７間に架け渡される。ビーム４５は第一のベース２３及び第二のベース２４の剛性を上げ、これらの変形を押さえるために設置される。なお、スプライン軸２１の強度のみで十分に剛性が高い場合には、ビーム４５を省略することも可能である。
【００２７】
この実施形態において、発電機ステータ１４を垂直方向に移動させる目的は、風車ロータ１が受ける風のエネルギを発電機１１が出力する電気エネルギに一致させることにある。風車ロータ１が受ける風のエネルギは風速の三乗に比例する。一方、発電機１１が出力する電気エネルギは風速の二乗に比例する。風速の三乗に比例する風車ロータ１が受ける風のエネルギと、風速の二乗に比例する発電機１１が出力する電気エネルギとを一致させるために、発電機ステータ１４を垂直方向に移動させる（言い換えれば、発電機ロータ１２と発電機ステータ１４との噛合い率を制御する）。
【００２８】
例えば、風速が１２ｍ／ｓ→６ｍ／ｓに変化すると、風車ロータ１が受ける風のエネルギが１／８に低減する。その一方、発電機１１が出力する電力は１／４に低減する。もともと風のエネルギが１／８に低減しているから、１／８までしか発電できないにもかかわらず、発電機１１の出力が１／４になっている。風のエネルギと発電機１１の出力との間にずれが生ずることが原因で、風車ロータ１の回転数が次々と落ちる。これを防止するために、発電機１１の噛合い率を制御し、発電機１１の出力を１／８にする。
【００２９】
一般化して説明すると、風速がＮ−１（Ｎ：１以上の有理数）倍になると、風車ロータ１の回転数はＮ−１倍になり、風車ロータ１が受ける風のエネルギは、Ｎ−３倍になる。一方、風速がＮ−１倍になると、発電機ロータ１２の回転数はＮ−１倍になり、発電機１１の出力はＮ−２倍になる。風車ロータ１が受ける風のエネルギと発電機１１の出力を整合させるために、噛合い率を制御して発電機１１の逆起電圧定数をＮ−１／２倍にする。発電機１１の逆起電圧定数をＮ−１／２倍にすれば、発電機１１の電圧がＮ−３／２倍、電流がＮ−３／２倍、発電機１１の出力がＮ−３倍になり、風車ロータ１が受ける風のエネルギに整合するようになる。
【００３０】
逆に、風速がＮ（Ｎ：１以上の有理数）倍になると、風車ロータ１が受ける風のエネルギはＮ３倍になるのに対し、発電機１１の出力はＮ２倍になる。風車ロータ１が受ける風のエネルギと発電機１１の出力を整合させるために、噛合い率を制御して発電機１１の逆起電圧定数をＮ１／２倍にする。発電機１１の逆起電圧定数をＮ１／２倍にすれば、発電機１１の電圧がＮ３／２倍、電流がＮ３／２倍、発電機１１の出力がＮ３倍になり、風車ロータ１が受ける風のエネルギに整合するようになる。
【００３１】
図６に示すように、発電機ロータ１２は、周方向に交互にＮ極及びＳ極が形成されるように本体部の外周面に配列された複数の永久磁石３１ａ，３１ｂを有する。各永久磁石３１ａ，３１ｂは垂直方向に細長く伸びている。発電機ステータ１４は、ヨーク１７と、ヨーク１７の複数のコア１７ａに巻かれる複数のコイル１８と、を有する。ヨーク１７は、筒状のヨーク本体１７ｂと、筒状のヨーク本体１７ｂから半径方向の内側に突出する複数のコア１７ａと、を有する。コア１７ａは永久磁石３１ａ，３１ｂと同様に垂直方向に伸びる。コア１７ａの垂直方向の長さは永久磁石３１ａ，３１ｂの垂直方向の長さにほぼ等しい。複数のコア１７ａには、Ｕ相，Ｖ相，及びＷ相のコイル１８が巻かれる。ヨーク１７には、珪素鋼等の電気エネルギと磁気エネルギの変換効率が高い電磁鋼が用いられる。発電機ロータ１２が回転すると、Ｕ相，Ｖ相及びＷ相からなるコイル１８に三相交流が発生する。この三相交流は、直流リンク方式又は交流リンク方式を介して商用電源に系統連係される。コイル１８は、ステータベース２５に取り付けられたコイルケース４４（図３参照）によって覆われる。
【００３２】
図７は、ステータ駆動装置１３に組み込まれるボールねじ５２の斜視図を示す。ボールねじ５２は、外周面に螺旋状の転動体転走部としてのボール転走溝３８ａが形成されるねじ軸３８と、内周面にボール転走溝３８ａに対向する負荷転動体転走部としての負荷ボール転走溝３７ａが形成されるナット３７と、ねじ軸３８のボール転走溝３８ａとナット３７の負荷ボール転走溝３７ａとの間に転がり運動可能に介在される転動体としての多数のボール５０とを備える。ナット３７には、負荷ボール転走溝３７ａを転がるボールを循環させるための循環部材としてのリターンパイプ５１が取り付けられる。転動体にはボール５０の替わりにローラを用いることも可能である。
【００３３】
図８は、発電機ステータ１４の直線運動を案内する直線運動案内装置の斜視図を示す。直線運動案内装置は、長手方向に沿って転動体転走部としての複数のボール転走溝２１ｂが形成される軌道部材としてのスプライン軸２１と、スプライン軸２１のボール転走溝２１ｂに対向する負荷転動体転走部としての負荷ボール転走溝２２ａが形成される移動部材としてのスプラインナット２２と、を備える。スプラインナット２２には、保持器５３が組み込まれる。保持器５３には、転動体循環路としてサーキット状のボール循環路５４が形成される。ボール循環路５４には、転動体として多数のボール５５が配列される。ボール５５はスプライン軸２１のボール転走溝２１ｂとスプラインナット２２の負荷ボール転走溝２２ａとの間にも介在される。スプライン軸２１に対してスプラインナット２２を直線運動させると、多数のボール５５がスプライン軸２１のボール転走溝２１ａとスプラインナット２２の負荷ボール転走溝２２ａとの間を転がり運動し、ボール循環路５４を循環する。なお、スプラインナット２２の替わりにボールブッシュを用いることもできる。
【００３４】
本実施形態によれば、発電機ロータ１２を有するロータ軸９の両端部が、第一のベース２３及び第二のベース２４に設けられる軸受２７，２９で回転可能に支持され、発電機ステータ１４が設けられるステータベース２５が第一のベース２３及び第二のベース２４に連結されるスプライン軸２１に沿って直線運動するので、発電機ロータ１２と直線運動する発電機ステータ１４との芯を出す（発電機ロータ１２の中心線と発電機ステータ１４の中心線を一致させる）のが容易になる。スプライン軸２１に、第一のベース２３及び第二のベース２４を連結する構造体としての機能と、発電機ステータ１４が直線運動するのを案内する直線案内装置としての機能を併せて持たせるので、発電機の製作も容易になり、コストの低減も図れる。これに対して、構造体と直線案内装置が別々であると仮定すると、それぞれの部品の加工精度、組立て精度を厳しく管理しなくては、発電機ステータ１４の直線運動時に過大な摺動抵抗が発生する。
【００３５】
第一のベース２３及び第二のベース２４に対して、スプライン軸２１の水平方向の位置を調節可能とすることで、発電機ロータ１２と直線運動する発電機ステータ１４との芯を出すのがより容易になる。スプライン軸２１の両端部を第一のベース２３及び第二のベース２４の通し孔２３ａ，２４ａに嵌め、通し孔２３ａ，２４ａ内でスプライン軸２１の位置を調節することで、スプライン軸２１の水平方向の位置を調節すること自体も容易になる。
【００３６】
ロータ軸９を、上部ロータ軸３０、下部ロータ軸２８、及びこれらの間に配置される発電機ロータ１２から構成することにより、発電機ロータ１２を有するロータ軸９の両端部を軸受２７，２９で支持するのが容易になる。
【００３７】
図９は、本発明の第二の実施形態の流体発電装置の発電機８０を示す。上記第一の実施形態の流体発電装置の発電機においては、ロータ軸９の外側に発電機ステータ１４が配置されている。これに対し、この第二の実施形態の流体発電装置の発電機においては、中空のロータ軸８１の内側に発電機ステータ８２が配置される。ロータ軸８１には、風車ロータ１の主軸４が接続され、ロータ軸８１は風車ロータ１と共に回転する。発電機ステータ８２は、ロータ軸９の軸線に沿って直線運動する。
【００３８】
ロータ軸９の軸線は鉛直方向を向く。ロータ軸９の内側には、発電機ロータ８３が取り付けられる。発電機ロータ８３は、周方向に交互にＮ極及びＳ極が着磁されるように配列された複数の永久磁石を有する。
【００３９】
ロータ軸８１の上端部の内側には、第一のベース８４が配置される。第一のベース８４は円盤状に形成される。第一のベース８４の外周には、ロータ軸８１を回転可能に支持するリング状の軸受８５が設けられる。この軸受８５によって、中空のロータ軸８１の上端部が回転可能に支持される。
【００４０】
中空のロータ軸８１の下端部の内側には、第二のベース８６が配置される。第二のベース８６は円盤状に形成される。第二のベース８６の外周には、ロータ軸８１を回転可能に支持するリング状の軸受８７が設けられる。この軸受８７によって、中空のロータ軸８１の下端部が回転可能に支持される。
【００４１】
第一のベース８４及び第二のベース８６は、軌道部材としてのスプライン軸８８によって連結される。スプライン軸８８はロータ軸８１の軸線上に配置されている。スプライン軸８８の軸線とロータ軸８１の軸線とが一致する。スプライン軸８８の両端部８８ａは、径が狭められていて、両端部８８ａの外周には雄ねじが形成される。第一のベース８４及び第二のベース８６の中心部には、スプライン軸８８の両端部８８ａが通される通し孔８４ａ，８６ａが空けられる。スプライン軸８８の両端部８８ａをこれらの通し孔６４ａ，８６ａに通し、ロックナット等の結合手段８９を両端部８８ａにねじ込むことにより、スプライン軸８８が第一及び第二のベース８４，８６に固定される。
【００４２】
なお、この実施形態では、スプライン軸８８の両端部８８ａの外径と第一及び第二のベース８４，８６の通し孔８４ａ，８６ａの内径とが一致しており、第一及び第二のベース８４，８６に対するスプライン軸８８の水平方向の位置が調整できないようになっている。第一及び第二のベース８４，８６の外周と通し孔８４ａ，８６ａの中心線の同心度が保たれるように第一及び第二のベース８４，８６を加工すれば、ロータ軸８１の軸線とスプライン軸８８の軸線とが自動的に一致するからである。
【００４３】
ロータ軸８１の内側には、発電機ロータ８３とすきまを空けて対向する発電機ステータ８２が設けられる。発電機ステータ８２は、周方向に配列される複数のコイルを有する。発電機ステータ８２はステータベース９０に取り付けられる。
【００４４】
ステータベース９０は、軸線方向の一端部にフランジ９０ａを有する筒状に形成される。ステータベース９０の外側に筒状の発電機ステータ８２が嵌め込まれる。ステータベース９０の内側にロータリーボールねじ９１及びスプラインナット９２が取り付けられる。ロータリーボールねじ９１及びスプラインナット９２はスプライン軸８８に組み付けられている。
【００４５】
ロータリーボールねじ９１は、外輪９１ａと、外輪９１ａの内側のねじナット９１ｂと、を有する（図１０参照）。ねじナット９１ｂは外輪９１ａに対して回転可能である。ロータリーボールねじ９１の外輪９１ａのフランジ９１ａ１には、ステータベース９０のフランジ９０ａが結合される。ロータリーボールねじ９１のねじナット９１ｂには、プーリ９５ａが取り付けられる。駆動源としてのモータ９３はステータベース９０にステー９４を介して取り付けられる。モータ９３の出力軸にはプーリ９５ｂが取り付けられる。モータ９３の出力軸はスプライン軸８８の軸線から離れている。プーリ９５ａ，９５ｂ間にはベルト９４が架け渡される。モータ９３の出力軸のトルクはプーリ９５ａ，９５ｂ及びベルト９４を介してねじナット９１ｂに伝動される。駆動源としてのモータ９３の回転力をベルト９４、プーリ９５ａ，９５ｂからなる巻掛け伝動装置を介してねじナット９１ｂに伝動するので、減速比を任意に設定することができる。
【００４６】
図１０に示すように、スプライン軸８８の外周には、軸線方向に伸びる複数本のスプライン溝８８ａが形成されると共に、螺旋状の転動体転走溝としてのボール転走溝８８ｂが形成される。スプライン軸８８の上部には、ロータリーボールねじ９１が組み付けられる。ロータリーボールねじ９１のねじナット９１ｂは、ボール転走溝８８ｂに螺合する。スプライン軸８８の下部には、スプラインナット９２が組み付けられる。スプラインナット９２はスプライン溝８８に回転不能に係合し、スプライン軸８８に沿って直線運動する。
【００４７】
なお、この例では、スプライン軸８８の全長に渡ってスプライン溝８８ａ及び螺旋状のボール転走溝８８ｂが形成されているが、スプライン溝８８ａをスプラインナット９２が移動する区間にのみ形成し、螺旋状のボール転走溝をロータリーボールねじ９１が移動する区間にのみ形成してもよい。また、スプライン軸８８の上側にスプラインナット９２を配置し、下側にロータリーボールねじ９１を配置してもよい。
【００４８】
ロータリーボールねじ９１の詳細な構造は以下のとおりである。図１１に示すように、ロータリーボールねじ９１は、外輪９１ａと、外輪９１ａの内側に組み込まれるねじナット９１ｂと、を備える。ねじナット９１ｂの内周面には、スプライン軸８８の外周のボール転走溝８８ａに対向する螺旋状のボール転走溝９１ｂ１が形成される。ねじナット９１ｂのボール転走溝９１ｂ１とスプライン軸８８のボール転走溝８８ｂとの間には、複数のボール９１ｃが配列される。ねじナット９１ｂには、複数のボール９１ｃが循環するように循環通路９１ｂ２が形成される。スプライン軸８８に対してねじナット９１ｂが回転すると、ねじナット９１ｂが回転しながらスプライン軸８８の軸線方向に直線運動する。
【００４９】
外輪９１ａはねじナット９１ｂに対して回転可能である。ねじナット９１ｂの外周面には、リング状の軌道溝９１ｂ３が形成される。軌道溝９１ｂ３は、ねじナット９１ｂの軸線方向に離間して二つ形成される。外輪９１ａの内周面には、軌道溝９１ｂ３に対向する軌道溝９１ａ３が形成される。これらの軌道溝９１ａ３，９１ｂ３の間には、複数の転動体としてのボール９１ｄが配列される。転動体９１ｄ間には、転動体同士の接触を防止するスペーサが介在される。外輪９１ａのフランジ９１ａ１はステータベース９０に結合される（図９参照）。外輪９１ａがねじナット９１ｂに対して回転可能であるので、ねじナット９１ｂが回転しても外輪９１ａは回転することはない。
【００５０】
図１０に示すように、スプラインナット９２は、スプライン軸８８に対して直線運動可能であり、スプライン軸８８に対して回転不能である。スプラインナット９２の構造は図８に示すスプラインナットとほぼ同一である。スプラインナット９２のフランジ９２ａはステータベース９０に取り付けられる（図９参照）。スプラインナット９２がスプライン軸８８に対して回転不能であるから、ステータベース９０もスプライン軸８８に対して回転不能である。
【００５１】
図９に示すように、モータ９３がロータリーボールねじ９１のねじナット９１ｂを回転させると、ロータリーボールねじ９１がスプライン軸８８に対して軸線方向に直線運動する。ロータリーボールねじ９１にはステータベース９０が取り付けられるので、ステータベース９０もスプライン軸８８に対して軸線方向に直線運動する。ステータベース９０はロータリーボールねじ９１の外輪９１ａに取り付けられているので、ねじナット９１ｂと共に回転することはない。ステータベース９０にはステー９４を介してモータ９３が取り付けられるので、モータ９３もステータベース９０と共に直線運動する。ステータベース９０を直線運動させると、発電機ロータ８３と発電機ステータ８２の噛合い率が変化するので、発電機８０の出力を調整することができる。
【００５２】
この第二の実施形態の発電機８０によれば、ロータ軸８１の両端部が第一のベース８４及び第二のベース８６に設けられる軸受８５，８７で回転可能に支持され、ステータベース９０が第一のベース８４及び第二のベース８６に連結されるスプライン軸８８に沿って直線運動するので、発電機ロータ８３の中心線と発電機ステータ８２の中心線を一致させるのが容易になる。また、ロータ軸８１の軸線上に直線運動案内装置のスプライン軸８８が配置されるので、発電機ロータ８３の中心線と発電機ステータ８２の中心線を一致させるのがより容易になるし、部品点数も減らすことができる。
【００５３】
また、中空のロータ軸８１の半径方向の内側に第一のベース８４、第二のベース８６、ステータベース９０、ステータ駆動装置９３，９４，９５ａ，９５ｂ及び直線運動案内装置８８，９２が配置されるので、発電機８０の小型化が図れる。
【００５４】
さらに、中空のロータ軸８１の軸線上にスプライン軸８８を配置し、スプライン軸８８のボール転走溝８８ｂに螺合するねじナット９１ｂを回転させることによって、ステータベース９０を直線運動させるので、ステータベース９０を直線運動させる推力がステータベース９０の中央に作用する。推力の作用位置とステータベース９０の重心とが一致するので、ステータベース９０にモーメント荷重が作用することがなく、ステータベース９０に傾き又は変形が生じることがない。このため、発電機ロータ８３と発電機ステータ８２との間のすきまを一定に保つことができる。直線運動案内装置８８，９２にもモーメント荷重が作用することがないので、ステータベース９０を円滑に直線運動させることができる。
【００５５】
図１２は、本発明の第三の実施形態の流体発電装置の発電機１００を示す。中空のロータ軸８１、第一のベース８４、第二のベース８６、ステータベース９０、直線運動案内装置８８，９２、ロータリーボールねじ９１の構造は、上記第二の実施形態の発電機と同一であるので、同一の符号を附してその説明を省略する。
【００５６】
この実施形態では、ステータ駆動装置の駆動源として、中空モータ９６を用いている点が第二の実施形態の発電機８０と異なる。中空モータ９６は、スプライン軸８８と同軸上に配置され、ねじナット９１ｂを回転させる内側のモータロータ９６ｂと、ステータベース９０にステー９４を介して回転不能に連結される外側のモータステータ９６ａと、を備える。モータロータ９６ｂは中空に形成され、モータロータ９６ｂ内をスプライン軸８８が貫通する。中空モータ９６のモータロータ９６ｂが回転すると、ねじナット９１ｂが回転する。ねじナット９１ｂが回転すると、第二の実施形態の発電機と同様に、ステータベース９０が直線運動する。
【００５７】
第三の実施形態の発電機１００によれば、中空モータ９６を使用することによって、発電機のさらなる小型化が図れる。また、ロータモータ９６ｂの中心線とスプライン軸８８の軸線が一致するので、ねじナット９１ｂをさらに円滑に回転させることができる。
【００５８】
図１３は、本発明の第四の実施形態の流体発電装置の発電機１０１を示す。中空のロータ軸８１、第一のベース８４、第二のベース８６、ステータベース９０、ロータリーボールねじ９１、中空モータ９６の構造は、上記第三の実施形態の発電機と同一であるので、同一の符号を附してその説明を省略する。
【００５９】
この実施形態では、スプラインナット９７にステータベース９０を回転可能に取り付け、ステータベース９０の下側にステータ回転装置としての中空モータ９８を取り付け、中空モータ９８がステータベース９０を回転させる点が第三の実施形態の発電機と異なる。
【００６０】
ステータベース９０の上側には、ねじナット９１ｂを回転させる中空モータ９６が配置され、ステータベース９０の下側には、ステータベース９０を回転させる中空モータ９８が配置される。下側の中空モータ９８は、スプライン軸８８と同軸上に配置される内側のモータステータ９８ｂ及び外側のモータロータ９８ａを備える。モータステータ９８ｂは、スプラインナット９７の内側のナット本体９７ａ（図１４参照）に回転不能に連結される。モータステータ９８ｂは中空に形成され、モータステータ９８ａ内をスプライン軸８８が貫通する。モータロータ９８ｂには、ステー９９を介してステータベース９０が連結される。中空モータ９８の外側のモータロータ９８ａによってステータベース９０が回転する。
【００６１】
図１４に示すように、スプライン軸８８の上側には、ロータリーボールねじ９１が組み付けられる。スプライン軸８８の下側には、スプラインナット９７が組み付けられる。スプラインナット９７は、ナット本体９７ａと、ナット本体９７ａの外側に回転可能に設けられる外輪９７ｂと、を備える。ナット本体９７ａの外周面には、リング状の軌道溝９７ａ１が形成される。軌道溝９７ａ１は、ナット本体９７ａの軸線方向に離間して二つ形成される。外輪９７ｂの内周面には、軌道溝９７ａ１に対向する軌道溝９７ｂ１が形成される。これらの軌道溝９７ａ１，９７ｂａの間には、複数の転動体としてのボール９７ｃが配列される。外輪９７ｂのフランジ９７ｂ２はステータベース９０に結合される（図１３参照）。外輪９７ｂがナット本体９７ａに対して回転可能であるので、外輪９７ｂが回転してもナット本体９７ａは回転することはない。
【００６２】
図１５に示すように、上側の中空モータ９６のオンオフと下側の中空モータ９８のオンオフを組み合わせることで、ステータベース９０は以下の三種類の動きをする。
【００６３】
まず、上側の中空モータ９６をオンにし、下側の中空モータ９８をオフにし、ねじナット９１ｂを回転させると、上記第三の実施系形態の発電機１００と同様に、ステータベース９０が上下運動をする。これにより、発電機の噛合い率が変化する。
【００６４】
次に、上側の中空モータ９６をオフにし、下側の中空モータ９８をオンにすると、ステータベース９０が回転する。例えば、強風時にロータ軸８１の回転方向と反対方向にステータベース９０を回転させることで、発電機１０１の電圧を上げることができ、発電機１０１を電気的なブレーキとして機能させることができる。これにより、強風時に風車ロータ１の回転数を下げることができ、風車ロータ１が過回転するのを防止することができる。一方、風車始動時にロータ軸８１の回転方向と同方向にステータベース９０を回転させることで、回転が安定しない状態の風車ロータ１の回転をアシストすることができる。
【００６５】
次に、上側の中空モータ９６をオンにし、下側の中空モータ９８をオンにすると、ステータベース９０が回転しながら直線運動する。このため、上記の機能を同時に実施することができる。
【００６６】
図１６は、本発明の第五の実施形態における風車の発電機の概要図を示す。この実施形態では、発電機６１は、主軸が水平面内にある水平軸風車に組み込まれる。図示しない主軸には、発電機６１のロータ軸６２が接続される。発電機６１のロータ軸６２は、その一端部が第一のベース６３の軸受６４に回転可能に支持され、その他端部が第二のベース６５の軸受６６に回転可能に支持される。第一のベース６３と第二のベース６５とは、直線運動案内装置の軌道部材６７によって連結される。ロータ軸６２には、発電機ロータ６８が取り付けられる。発電機ロータ６８の周囲には、すきまを空けて（この図にはすきまが大きく示されているが、実際のすきまは僅かである）、発電機ステータ６９が対向する。発電機ステータ６９は、ロータ軸６２の軸線方向に直線運動可能である。発電機ステータ６９の直線運動は、アクチュエータ一体型の直線運動案内装置によって案内される。
【００６７】
図１７は、アクチュエータ一体型の直線運動案内装置の斜視図を示す。この直線運動案内装置は、断面略Ｕ字形の軌道部材としてのアウタレール６７と、アウタレール６７内に設けられ、両側面にガイド部、中央にボールねじ部を一体構造にした移動部材としてのインナブロック７１とを備える。インナブロック７１には、発電機ステータ６９が取り付けられる。インナブロック７１に螺合させたねじ軸７２を図示しないサーボモータで回転させると、インナブロック７１がアウタレール６７に沿って直線運動し、発電機ステータ６９がロータ軸６２の軸線方向に直線運動する。この実施形態において、サーボモータ、ねじ軸７２、及びインナブロック７１がステータ駆動装置を構成する。
【００６８】
アウタレール６７は断面略Ｕ字形状で、互いに対向する一対の内壁面６７ａを有する。各内壁面６７ａには、転動体転走部としての二条のボール転走溝が形成される。アウタレール６７の長手方向の両端には、ねじ軸７２を回転自在に支持するブラケット７３，７４が設けられる。ブラケット７３，７４とアウタレール６７とはボルト等の結合手段によって結合される。ブラケット７３には、図示しないサーボモータが取り付けられ、サーボモータとねじ軸７２とは、継手によって連結される。
【００６９】
インナブロック７１の幅方向の両側面には、アウタレール６７のボール転走溝に対向する上下二条の負荷転動体転走部としての負荷ボール転走溝７１ａが形成される。インナブロック７１には、アウタレール６７のボール転走溝とインナブロック７１の負荷ボール転走溝７１ａとの間を転がり運動するボール７５を循環させるボール循環路が形成される。アウタレール６７に対してインナブロック７１が直線運動するとき、アウタレール６７のボール転走溝とインナブロック７１の負荷ボール転走溝７１ａとの間に介在される多数のボール７５がこれらの間を転がり運動し、またボール循環路を循環する。
【００７０】
インナブロック７１の中央部には、ねじ軸７２が貫通する。ねじ軸７２の外周面には、螺旋状のボール転走溝７２ａが形成される。インナブロック７１の貫通孔には、ねじ軸７２のボール転走溝７２ａに対応する負荷転動体転走部としての負荷ボール転走溝が形成される。インナブロック７１には、ねじ軸７２のボール転走溝７２ａと負荷ボール転走溝との間を転がるボールを循環させるための循環経路が形成される。ねじ軸７２を回転させると、ねじ軸７２のボール転走溝７２ａとインナブロック７１の負荷ボール転走溝との間に介在される多数のボールがこれらの間を転がり運動し、またインナブロック７１のボール循環路を循環する。
【００７１】
なお、本発明は上記実施形態に限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲でさまざまに変更可能である。
【００７２】
本発明は、風車だけでなく、水力を利用して電力を発生する水力発電装置にも適用することができる。
【００７３】
上記第一ないし第五の実施形態では、発電機ロータに永久磁石を設け、発電機ステータにコイルを設けたが、これとは逆に発電機ロータにコイルを設け、発電機ステータに永久磁石を設けてもよい。発電機には、上記に記載した同期発電機以外に誘導発電機を用いることもできる。ロータの主軸と発電機との間に増速機を設け、ロータの回転数を増速させて発電機のロータ軸に伝達してもよい。発電機ステータを発電機ロータの中心線の方向に直線運動させるステータ駆動装置としては、錘が遠心力により移動する半径方向の変位をカムを介して発電機ステータの変位に変換するものを用いてもよい。
【００７４】
上記第二の実施形態では、中空のロータ軸の半径方向の内側に第一のベース、第二のベース、ステータベース、ステータ駆動装置及び直線運動案内装置が配置されればよく、これらの部材の少なくとも一部が中空のロータ軸から半径方向にはみ出してもよい。
【符号の説明】
【００７５】
１…風車ロータ，４…主軸，９，６２，８１…ロータ軸，１１，６１，８０，１００，１０１…発電機，１２，６８…発電機ロータ，１３，９５ａ，９５ｂ，９３…ステータ駆動装置，１４，６９…発電機ステータ，２１，８８…スプライン軸（軌道部材），２２，９２，９７…スプラインナット（移動部材），２３，６３，８４…第一のベース，２４，６５，８６…第二のベース，２５，９０…ステータベース，２７，２９，６４，６６，８５，８７…軸受，２８…下部ロータ軸（第二のロータ軸），３０…上部ロータ軸（第一のロータ軸），６７…アウタレール（軌道部材），８８ｂ…ボール転走溝（転動体転走溝），９１ｂ…ねじナット，９６…中空モータ，９６ａ…モータステータ，９６ｂ…モータロータ，９８…中空モータ（ステータ回転装置）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力又は水力を受けて回転する風車ロータと、前記風車ロータの回転力を発電機に伝達する主軸と、前記風車ロータの回転力を受けて電力を発生する発電機と、を備える流体発電装置において、
前記発電機は、
前記主軸と共に回転する発電機ロータを有するロータ軸と、
前記ロータ軸の一端部を回転可能に支持する軸受を有する第一のベースと、
前記ロータ軸の他端部を回転可能に支持する軸受を有する第二のベースと、
前記発電機ロータとすきまを介して対向する発電機ステータが設けられるステータベースと、
前記第一のベースと前記第二のベースとを連結する軌道部材と、
前記ステータベースに取り付けられ、前記軌道部材に沿って直線運動可能な移動部材と、
前記ステータベースを前記ロータ軸の軸線方向に移動させるステータ駆動装置と、を備え、
前記ステータベースの前記ロータ軸の軸線方向の直線運動は、前記軌道部材及び前記移動部材を備える直線運動案内装置によって案内される流体発電装置。
【請求項２】
前記軌道部材は、前記第一及び前記第二のベースに対して、前記ロータ軸の軸線方向と直交する方向にその位置を調整可能であることを特徴とする請求項１に記載の流体発電装置。
【請求項３】
前記軌道部材は、前記ロータ軸の周方向に配列される複数本のスプライン軸を有し、
前記移動部材は、前記複数本のスプライン軸に組み付けられる複数のスプラインナットを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の流体発電装置。
【請求項４】
前記ロータ軸は、
前記第一のベースに回転可能に支持される第一のロータ軸と、
前記第二のベースに回転可能に支持される第二のロータ軸と、を有し、
前記第一のロータ軸と前記第二のロータ軸との間に前記発電機ロータが挟まれることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の流体発電装置。
【請求項５】
前記ロータ軸が中空であり、
前記ロータ軸の半径方向の内側に前記第一のベース、前記第二のベース、前記ステータベース、前記ステータ駆動装置及び前記直線運動案内装置が配置されることを特徴とする請求項１に記載の流体発電装置。
【請求項１】
風力又は水力を受けて回転する風車ロータと、前記風車ロータの回転力を発電機に伝達する主軸と、前記風車ロータの回転力を受けて電力を発生する発電機と、を備える流体発電装置において、
前記発電機は、
前記主軸と共に回転する発電機ロータを有するロータ軸と、
前記ロータ軸の一端部を回転可能に支持する軸受を有する第一のベースと、
前記ロータ軸の他端部を回転可能に支持する軸受を有する第二のベースと、
前記発電機ロータとすきまを介して対向する発電機ステータが設けられるステータベースと、
前記第一のベースと前記第二のベースとを連結する軌道部材と、
前記ステータベースに取り付けられ、前記軌道部材に沿って直線運動可能な移動部材と、
前記ステータベースを前記ロータ軸の軸線方向に移動させるステータ駆動装置と、を備え、
前記ステータベースの前記ロータ軸の軸線方向の直線運動は、前記軌道部材及び前記移動部材を備える直線運動案内装置によって案内される流体発電装置。
【請求項２】
前記軌道部材は、前記第一及び前記第二のベースに対して、前記ロータ軸の軸線方向と直交する方向にその位置を調整可能であることを特徴とする請求項１に記載の流体発電装置。
【請求項３】
前記軌道部材は、前記ロータ軸の周方向に配列される複数本のスプライン軸を有し、
前記移動部材は、前記複数本のスプライン軸に組み付けられる複数のスプラインナットを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の流体発電装置。
【請求項４】
前記ロータ軸は、
前記第一のベースに回転可能に支持される第一のロータ軸と、
前記第二のベースに回転可能に支持される第二のロータ軸と、を有し、
前記第一のロータ軸と前記第二のロータ軸との間に前記発電機ロータが挟まれることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の流体発電装置。
【請求項５】
前記ロータ軸が中空であり、
前記ロータ軸の半径方向の内側に前記第一のベース、前記第二のベース、前記ステータベース、前記ステータ駆動装置及び前記直線運動案内装置が配置されることを特徴とする請求項１に記載の流体発電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１２−９７７３０（Ｐ２０１２−９７７３０Ａ）
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６２８８７（Ｐ２０１１−１６２８８７）
【出願日】平成２３年７月２６日（２０１１．７．２６）
【出願人】（３９００２９８０５）ＴＨＫ株式会社 (420)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２６日（２０１１．７．２６）
【出願人】（３９００２９８０５）ＴＨＫ株式会社 (420)
【Ｆターム（参考）】
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