発電機及びこれを備えた発電システム
【課題】水力、風力などで発電する際に外部のエネルギーが微弱或いは過強であっても所定電圧及び所定電流の発電が可能である発電機を提供する。
【解決手段】駆動源から回転力を受けて回転するマグネットロータ２４と、その磁極に対向配置したステータコイル２５とから構成され、マグネットロータ２４は、ハウジング２１に回転自在に軸承された回転軸１３と、この回転軸を中心に同心円上に複数の磁極を形成する永久磁石で構成する。ステータコイル２５はロータ２４に形成された磁極と対向するように配置された複数のコアレス巻き線と三相出力端子とで構成する。コアレス巻き線は、有効出力巻き線が３個若しくはその倍数個で構成されると共に総ターン数が大小切換え可能にスイッチング手段を介して出力端子に接続する。駆動源からの回転力が大きいときには総ターン数を小さく、回転力が小さいときには総ターン数を大きくする。
【解決手段】駆動源から回転力を受けて回転するマグネットロータ２４と、その磁極に対向配置したステータコイル２５とから構成され、マグネットロータ２４は、ハウジング２１に回転自在に軸承された回転軸１３と、この回転軸を中心に同心円上に複数の磁極を形成する永久磁石で構成する。ステータコイル２５はロータ２４に形成された磁極と対向するように配置された複数のコアレス巻き線と三相出力端子とで構成する。コアレス巻き線は、有効出力巻き線が３個若しくはその倍数個で構成されると共に総ターン数が大小切換え可能にスイッチング手段を介して出力端子に接続する。駆動源からの回転力が大きいときには総ターン数を小さく、回転力が小さいときには総ターン数を大きくする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は風力、水力、熱などの流体エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機及びこれを備えた発電システムに係わり、発電機構の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、この種の発電装置は風力、水力、熱なとのエネルギーを電気エネルギーに変換する装置として広く知られている。またその発電原理は電動機と同様な回転ロータを外部エネルギーで回転し、その回転力でコイルに生起した電流を出力する機構も広く知られている。
【０００３】
従来知られている発電機として、例えば特許文献１（特開２００８−０８６１２８号公報）には回転方向に複数の磁極を配列した磁石ロータをハウジングに回転自在に取付け、このハウジング内壁にロータを囲むようにコイル枠を配列し、このコイル枠に巻き線を巻回して発電部を構成している。そしてこの巻き線は３個又はその倍数で三相交流電流が得られるようにしている。
【０００４】
特許文献１に開示されている界磁型の同期発電機にあっては、コアに巻回したコイルに起電力を生じさせているため、低速回転時或いは起動時には大きな磁場引力が働いて大きな抵抗（コギングトルク）が作用する。このため、低風速では有効な発電をすることができない。またコイルに起電力を生起する際に発生する熱を効率よく放熱しなければならことも知られている。
【０００５】
そこで上述のコギングトルクを小さくするためコアレスコイルを用いる方法が例えば特許文献２（特開２００２−３２０３６４号公報）に提案されている。同公報にはマグネットロータを、回転軸を中心に複数の磁極を同心円上に配列し、この磁極に並行に複数の巻き線を配列してコイル層を形成する発電機構が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−０８６１２８号公報（図８）
【特許文献２】特開２００２−３２０３６４号公報（図５，６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のようにマグネットロータを回転駆動してステータコイルに起電力を生じさせる場合に、風力、水力などのエネルギー変化が問題となる。例えば風力発システムの場合微風状態でも所定電圧の電流が得られ、また強風下でも安定した電力が得られることが要求されている。従来は、コイルと磁極を形成するマグネットの一方を外部エネルギーで回転させてコイルに起電力を生じさせる際に、コイルの起電力特性とマグネットの界磁特性を一定に設定している。従って発電システムとして稼働可能な外部エネルギーが弱いときの下限値と強いときの上限値は一定範囲に設定されている。
【０００８】
つまり同期型発電機では風力などの回転力が微少なときには低速回転する駆動回転軸にコギングトルクが作用して安定した電力が得られないことが知られている。また同様に風力などの回転力が過大となると回転軸は過剰高速回転となりコイルに生起する電力の周波数は大きくなる。このように出力する電力が電力系統に接続されている場合には入力源の回転速度が同期速度より低下すれば周波数が低下し、回転速度が同期速度より高速となれば周波数が増大し安定した電力が得られない問題が生ずる。このようにこの種の発電システムは所定範囲（所定強さ）の入力が得られる場所に設置しているため、広汎な用途に供すること、特に小規模施設として設置することが困難であった。
【０００９】
そこで本発明者はコイルのインダクタンスを外部エネルギーの強弱に応じて大小変更することによって発電可能範囲を広範囲に設定することができるとの着想に至った。
【００１０】
本発明は水力風力などで発電する際に、外部のエネルギーが微弱或いは過強であっても所定電圧及び所定電流の発電が可能である発電機の提供をその主な課題としている。更に本発明は、風力発電システムを微弱な風力状態であっつても、また過大な強風状態であっても所定の電圧と電流の電力が得られるシステムの提供をその課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を達成するため本発明は、マグネットロータの回転でステータコイルに起電力を生起する際に、コイルの巻き線を有効出力巻き線が３個若しくはその倍数個で構成すると共に総ターン数を大小切換え可能に出力端子にスイッチング手段を介して接続することを特徴としている。これによって風力など外部エネルギーが過小（微風）のときにはインダクタンスを大きく設定し、外部エネルギーが過大（強風）なときにはインダクタンスを小さく設定することによって風力など外部エネルギーが強弱変化しても安定した電圧および電流の電力を出力することが可能となる。
【００１２】
そのための構成を詳述すると、駆動源から回転力を受けて回転するマグネットロータと、このマグネットロータの磁極に対向配置したステータコイルとから構成される発電機であって、前記マグネットロータは、ハウジングに回転自在に軸承された回転軸と、この回転軸を中心に同心円上に複数の磁極を形成する永久磁石とで構成する。そして前記ステータコイルは、前記マグネットロータに形成された磁極と対向するように配置された複数のコアレス巻き線と、この複数の巻き線に生起した電力を外部に出力する三相出力端子とで構成する。そこで前記複数のコアレス巻き線は、有効出力巻き線が３個若しくはその倍数個で構成されると共に総ターン数が大小切換え可能に前記三相出力端子にスイッチング手段を介して接続する。このスイッチング手段を、前記駆動源からの回転力が大きいときには総ターン数を小さく、回転力が小さいときには総ターン数を大きくするように制御手段に接続する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は上述のように複数のコアレス巻き線を、３個若しくはその倍数個で構成される有効出力巻き線を三相出力端子に接続する際に総ターン数が大小切換え可能に、スイッチング手段を介して接続し、このスイッチング手段を駆動源からの回転力の大小で切り換えるようにしたものであるから次の効果を奏する。
【００１４】
風力などの外部エネルギーが過小（微風）であっても、起電力を生起する巻き線の総ターン数を大きく設定することによりインダクタンスを大きくすることが出来る。このためコイルに生起する電流が大きくなり外部に出力することが可能となる。また、外部エネルギーが強風など過大となり駆動回転軸が過剰高速回転した場合には、これによって発電するコイルのインダクタンス値を小に変更することによって生起する電力の周波数が異常に大きくなることがなく安定した発電が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係わる発電システムの全体構成の説明図。
【図２】図１のシステムに於ける発電機の構成を示し、（ａ）はロータとステータの構成を示す斜視図、（ｂ）はその組み立て状態の断面図。
【図３】図２の装置のステータコイルの断面構成を示す説明図。
【図４】図２の装置においてステータコイルを一層で構成する場合を（ａ）に、ステータコイルを２層で構成する場合を（ｂ）に示す。
【図５】図２の装置においてステータコイルのインダクタンスを大小切り換える場合の第１実施形態を示し、（ａ）はコイル結線状態の説明図であり、（ｂ）はコイル構成の斜視図を示す。
【図６】図２の装置においてステータコイルのインダクタンスを大小切り換える場合の第２実施形態を示し、（ａ）はコイル結線状態の説明図であり、（ｂ）はコイル構成の斜視図を示す。
【図７】図２の装置においてステータコイルのインダクタンスを大小切り換えるスイッチング回路の説明図。
【図８】図２の装置において回転軸の過剰回転時の電気ブレーキの回路説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下図示の本発明の好適な実施の態様に基づいて本発明を詳述する。本発明に係わる発電システムは図１にその概要を示すように、［駆動源Ａ］と［発電部Ｂ］と［電力制御部Ｃ］とから構成されている。
【００１７】
［発電システム］
本発明に係わる発電システムは図１にその概要を示すように、［駆動源Ａ］と［発電部Ｂ］と［電力制御部Ｃ］とから構成されている。駆動源Ａは風力、水力、蒸気などの発電源からのエネルギーを回転運動に変換する。図示のシステムは風力発電を示し、駆動源Ａは、タワーフレーム１０と、これに搭載されたナセル１１と、このナセル１１に回転自在に取付けられたブレード（風力羽根）１２とから構成されている。システムの設置条件によって異なるが、タワーフレーム１０は地上の所定高さ位置にブレード１２を位置決めするように堅牢に構成される。このタワーフレーム１０にはナセル１１が風力方向に回転可能に取付けられている。このナセル１１には駆動回転軸１３とハブ１４と増速機１５と発電機２０（後述する発電部Ｂ）が内蔵されている。
【００１８】
上記駆動回転軸１３にはハブ１４が設けられ、このハブ１４にブレード１２が固定されている。ブレード１２は風力を回転力に変換する効率の優れた羽根形状に構成されている。そしてこのブレード１２で回転する駆動回転軸１３には増速機１５とブレーキ１６を介して発電機２０に連結される。図示１７は風力計であり、その時点の風力を測定し制御部（後述する）に伝達する。図示１８は制御盤であり、図示１９は出力部Ｃの高圧配電線である。
【００１９】
このようにタワーフレーム１０に搭載されたブレード１２は風力を受けて回転し、その回転力を駆動回転軸１３に伝達する。この駆動回転軸１３には増速機１５を介して発電機２０が連結され、風力エネルギーを電気エネルギーに変換する。発電機２０で発電された電流は制御盤１８を介して変圧器１９ａから高圧配電線１９に電送される。この高圧配電線１９は通常三相交流電送線で構成される。
【００２０】
［制御盤の構成］
上述のように構成された発電システムでは、後述する発電機２０としては三相交流発電が通常の商用送電システムから要求される。この発電機２０の構成については後述するが上記制御盤１８は次の２つの機能を果たすように構成されている。第１の働きは発電機２０で発電された電力を、所定電圧に昇圧して高圧配電線１９に送電するか或いは一時的に蓄電池（不図示）に蓄える。また第２の働きは、前述のタワーフレーム１０に設けた風力計１７の回転数を検出して風力が全運転範囲内であるか否かを判断する。この制御手段（制御盤）１８は例えば制御ＣＰＵ或いは電気回路（ロジック回路）で次のような判断を実行し制御する。風力計１７の回転数が予め設定した許容最大値（Ｒｍａｘ）以上と判断したときは前記ブレーキ（例えば機械的ブレーキ機構）１６を作動してブレード１２の回転数を逓減する。これによってブレード１２或いはナセル１１の破損を未然に防止する。
【００２１】
［発電機］
前述の駆動回転軸（以下「回転軸」という）１３には発電機２０と、エンコーダ３０が内蔵されている。発電機２０は回転軸１３の回転を電気エネルギーに変換し、エンコーダ３０は回転軸１３の回転数を検出して制御する。発電機２０は図２（ｂ）に示すようにハウジング２１に回転軸１３を軸受け２３ａ、２３ｂで軸支持する。この回転軸１３には円盤形状のロータフレームＲｆが図２（ａ）のように一体的に取り付けられている。このロータフレームＲｆは例えば合成樹脂で金属製の回転軸１３をインサート成形で一体形成する。これと同時に円盤形状を形成するロータフレームＲｆには磁石ＭｇとコアＲｃが一体的に埋設されている。
【００２２】
図示のものはマグネットロータ２４に８極の磁極Ｍｎ１〜Ｍｎ８を形成する場合を示している。つまり円盤形状のロータフレームＲｆには４５度間隔で８個所にＮ−Ｓ磁極が形成されている。この磁極Ｍｎ１〜Ｍｎ８は、図３にその断面を示すように樹脂フレームに永久磁石Ｍｇ（Ｍｇ１〜Ｍｇ８）が図６（ｂ）（磁極配列図）で後述するように互いに同極同士が隣り合うように円環形状に配列されている。そして隣り合う磁極は軟磁性コア部材Ｒｃで磁気的に連結されコア表裏面にＮ極又はＳ極を形成するように配列されている。
【００２３】
上記軟磁性コア部材Ｒｃ（図示のものはＲｃ１〜Ｒｃ８）は環状に配置された永久磁石Ｍｇ（Ｍｇ１〜Ｍｇ８）の間に配列され、鉄などの軟磁性材料で構成されている。この軟磁性コア部材Ｒｃは上記永久磁石Ｍｇと互いに当接して磁気的に接合されている。これによって軟磁性コア部材Ｒｃの表面と裏面には磁極形成面Ｍｆ（Ｍｆ１〜Ｍｆ８）が形成され、この面に磁極Ｍｎ１〜Ｍｎ８が形成される。この磁極Ｍｎは後述するステータコイル２５の巻き線Ｃｏ１〜Ｃｏ６と対向する位置に配置されている。
【００２４】
そして軟磁性コア部材Ｒｃの磁極形成面Ｍｆは図２に示すように回転軸１３を中心に同一円心上にＮ−Ｓ−Ｎ−Ｓのように配列される。このとき磁極形成面Ｍｆのコーナ部が鋭角形状に尖っているとこのコーナに磁気集中し、隣接する磁極との間に漏洩磁界が生ずる。この磁気集中を避けるために軟磁性コア部材Ｒｃの磁極形成面Ｍｆはコーナカットされている。図３（ｂ）にはコーナカットを隅丸形状に形成した場合を、また図３（ｃ）にはコーナカットを隅角形状に形成した場合を示し、いずれも磁極形成面Ｍｆに形成した磁極から隣接する他の磁極形成面の磁極に磁界が漏洩しないような形状に構成されている。
【００２５】
このようにマグネットロータ２４はロータフレームＲｆと、永久磁石Ｍｇと、コアＲｃで円盤形状に構成され、その表裏面に所定間隔（図示のものは４５度間隔）で磁極Ｍｎを形成する。図示のものは交流発電を示す関係で４極若しくはその倍数で構成される。
【００２６】
上述のマグネットロータ２４に対向してステータコイル２５がハウジング２１に内蔵される。ステータコイル２５は図２に示すようにマグネットロータ２４に形成された磁極Ｍｎ１〜Ｍｎ８に対向するように３つ又はその倍数（図示のものは６個）の巻き線Ｃｏ１〜Ｃｏ６で構成される。このステータコイル２５は樹脂などで円盤形状に形成したコイルフレームＣｆ１、Ｃｆ２に複数の巻き線が巻回された状態で埋設されて一体化されている。
【００２７】
このステータコイル２５は図４に示すようにマグネットロータ２４の表面側１個所に配置された第１コイル体ＣＲ１で構成される場合（図４（ａ）参照）と、マグネットロータ２４の表裏面２個所に配置された第１コイル体ＣＲ１と第２コイル体ＣＲ２で構成される場合（図４（ｂ）参照）がある。前者のコイル１層構造の場合には小型コンパクトに構成できる特徴がある。また後者のコイル２層構造の場合には大出力に構成できる特徴がある。
【００２８】
以上のように本発明のマグネットロータ２４とステータコイル２５とは磁極対コイル巻き線が４対３の関係で構成され三相交流電気を出力するように構成されている。そこで本発明はこのように構成されたステータコイル２５のインダクタンスを大小可変調整することを特徴としている。このため前述の回転軸１３にはその回転数を検出するエンコーダ３０とセンサＳｅが設けられている。
【００２９】
上記ステータコイル２５のインダクタンスを可変する構成について説明する。ステータコイル２５を同一構造（同一インダクタンス）の第１コイル体ＣＲ１と第２コイル体ＣＲ２で構成する場合を第１実施形態として、異なるインダクタンスの第１コイル体ＣＲ１と第２コイル体ＣＲ２で構成する場合を第２実施形態として説明する。
【００３０】
［第１実施形態］
図５（ａ）（ｂ）に示すように、マグネットロータ２４は、例えば８極（４の倍数極）にＮ−Ｓ極を環状に交互に配置した磁極Ｍｎ１〜Ｍｎ８と、回転軸１３とから構成されている。図示ｘ−ｘは回転中心を示す。そしてステータコイル２５はマグネットロータ２４の表面側に第１コイル体ＣＲ１が、裏面側に第２コイル体ＣＲ２が同一構造で配置されている。この第１第２コイル体ＣＲは図５（ｂ）に示すように６個の巻き線Ｃｏ１〜Ｃｏ６で構成され、同一位相の起電力が生ずるＣｏ１とＣｏ４、Ｃｏ２とＣｏ５、及びＣｏ３とＣｏ６は電気的に結線されている。このような第１、第２コイル体ＣＲ１、ＣＲ２が図５（ａ）に示すようにスイッチング手段３５で結線されている。そしてこのスイッチング手段３５は同図Ｓａで示す方向に結線されたときインダクタンス大に設定され、同図Ｓｂで示す方向に結線されたときインダクタンス小に設定されている。
【００３１】
［第２実施形態］
図６（ａ）（ｂ）に示すように、マグネットロータ２４は、例えば８極（４の倍数極）にＮ−Ｓ極を環状に交互に配置した磁極Ｍｎ１〜Ｍｎ８と、回転軸１３とから構成されている（第１実施形態と同一構成）。そしてステータコイル２５はマグネットロータ２４の表面側に第１コイル体ＣＲ１が、裏面側に第２コイル体ＣＲ２が配置されている。この第１コイル体ＣＲ１はＣｏ１、Ｃｏ２、Ｃｏ３とＣｏ４、Ｃｏ５、Ｃｏ６で構成され、同一位相の起電力が生ずるＣｏ１とＣｏ４、Ｃｏ２とＣｏ５、及びＣｏ３とＣｏ６は電気的に結線されている。
【００３２】
一方第２コイル体ＣＲ２は３個の巻き線Ｃｏ１〜Ｃｏ３で構成されている。このような第１、第２コイル体ＣＲ１、ＣＲ２が図６（ａ）に示すようにスイッチング手段３６で結線されている。そしてこのスイッチング手段３６は同図Ｓａで示す方向に結線されたとき第１コイル体ＣＲ１に生起する電力が出力され、インダクタンス大に設定される。また同図Ｓｂで示す方向に結線されたとき第２コイル体ＣＲ２に生起する電力が出力され、インダクタンス小に設定される。
【００３３】
［制御手段の構成］
上述のように構成されたステータコイル２５はスイッチング手段３５、３６（以下「第１スイッチング手段ＩＳＷ」という）でインダクタンスが大小に切り換えられることとなるが、その制御構成について説明する。前述のナセル１１内に内蔵されている制御ＣＰＵ３１は、エンコーダ３０から検出された回転数若しくは風力計１７から検出された回転数が予め設定された回転数Ｒｘ以下のときスイッチング手段３５（３６）をＳａ側に切り換えてインダクタンスを大に設定する。同様に回転数が予め設定された回転数Ｒｘ以上となったときスイッチング手段３５（３６）をＳｂ側に切り換えてインダクタンスを大から小に切り換える。
【００３４】
上記第１スイッチング手段ＩＳＷの具体的な構成について説明する。この第１スイッチング手段ＩＳＷ（前述のスイッチング手段３５、３６）は、前述の第１コイル体ＣＲ１の巻き線Ｃｏ１〜Ｃｏ６と、第２コイル体ＣＲ２の巻き線Ｃｏ１〜Ｃｏ６と出力線とをスイッチングすることによって発電に供するコイルのインダクタンス値を大小変更する。そのスイッチング構成を図７に従って説明する。
【００３５】
図７（ａ）は発電に供するコイルを第１コイル体ＣＲ１のみのときと、第１第２コイル体ＣＲ１、ＣＲ２のときとでスイッチングする場合を示している。前述のマグネットロータ２４の表面（図２上面）側に対向配置された第１コイル体ＣＲ１は巻き線Ｃｏ１〜Ｃｏ８（４の倍数個）で構成され、巻き線Ｃｏ１とＣｏ４、Ｃｏ２とＣｏ５、Ｃｏ３とＣｏ６は同位相に配置されている。そこで巻き線Ｃｏ１とＣｏ４で第１相（Ｕ相）が、巻き線Ｃｏ２とＣｏ５で第２相（Ｖ相）が、巻き線Ｃｏ３とＣｏ６で第３相（Ｗ相）がそれぞれ三相交流端子に接続される。
【００３６】
そこで第１コイル体ＣＲ１と第２コイル体の結線部にスイッチング手段ＩＳＷ１（第１相出力端子部）、ＩＳＷ２（第２相出力端子部）、ＩＳＷ３（第３相出力端子部）が設けてある。そして図示しない制御手段（制御ＣＰＵなど）でＩＳＷ１、ＩＳＷ２、ＩＳＷ３を同時にＯＮ−ＯＦＦ制御して三相出力端子に第１コイル体ＣＲ１のみから電力が出力される場合と、第１コイル体ＣＲ１と第２コイル体ＣＲ２の双方から出力される場合に切り換える。これによって前者はインダクタンスが小さく、後者はインダクタンスが大きく設定される。そこで制御手段は回転軸１３の回転数を例えば前述のエンコーダ３０のセンサＳｅからの信号で回転軸１３の回転数が予め設定され記憶手段に記憶されている基準回転数（許容最小回転数）より低速となったとき、スイッチング手段ＩＳＷでインダクタンス値を大きく設定する。
【００３７】
図７（ｂ）にはスイッチング手段ＩＳＷ１〜ＩＳＷ３は、第１コイル体ＣＲ１を３個の巻き線Ｃｏ１、Ｃｏ２、Ｃｏ３で構成するか、６個の巻き線Ｃｏ１〜Ｃｏ６で構成するかを切り換えることによって発電に供するコイルの総巻き線数を変更する場合を示す。第１相（Ｕ相）の出力端子にスイッチング手段ＩＳＷ１を介して同位相に位置する巻き線Ｃｏ１とＣｏ４の一方が接続される場合と、双方の巻き線Ｃｏ１、Ｃｏ４が接続される場合でインダクタンス値が切り換えられる。
【００３８】
同様に第２相（Ｖ相）の出力端子にスイッチング手段ＩＳＷ２を介して同位相に位置する巻き線Ｃｏ２とＣｏ５の一方が接続される場合と、双方の巻き線Ｃｏ２、Ｃｏ５が切り換え接続される。また同様に第３相（Ｗ相）の出力端子にスイッチング手段ＩＳＷ３を介して同位相に位置する巻き線Ｃｏ３とＣｏ６の一方が接続される場合と双方が切り換え接続される。尚図７（ａ）（ｂ）にはＹ−Ｙ結線の場合を示したが、デルタ結線あるいはＶ結線であっても同様にインダクタンス値の切り替えが可能であり、図示Ｎ結線は中間線である。
【００３９】
［電気ブレーキの構成］
前述のステータコイル２５には回転軸１３が過剰に高速回転するとき、電気ブレーキが作用するようになっている。その構成を図８に従って説明する。前述のステータコイル２５は図８に示すように第１コイル体ＣＲ１と第２コイル体ＣＲ２で構成され、第１スイッチング手段ＩＳＷでインダクタンスが大小に切り換えられるようになっている。このコイル体ＣＲ１、ＣＲ２は三相出力端子ＯＰ１、ＯＰ２、ＯＰ３に接続されている。そしてこの出力端子ＯＰは充電器３２に接続され、この充電器３２から外部電送線に接続されている。図示３３は整流器であり、３４は負荷抵抗である。この出力端子ＯＰには第２スイッチング手段ＢＳＷ１、ＢＳＷ２、ＢＳＷ３が設けられ、オープン状態のときには第１コイル体ＣＲ１、第２コイル体ＣＲ２に生起された電力は同図実線矢印の方向に端子から電力を外部電送線に送出する。そこでこの第２スイッチング手段ＢＳＷをクローズすると短絡回路が構成され第１第２コイル体ＣＲ１、ＣＲ２から回転軸１３には電気ブレーキが作用する。
【００４０】
そこで図示しない制御手段は回転軸１３が過剰に高速回転する状態をエンコーダ３０のセンサＳｅから検出した回転数が予め設定され、記憶されている許容最大回転数に達すると第２スイッチング手段ＢＳＷをオープン状態からクローズ状態に切り換える。すると回転軸１３には電気ブレーキが作用する。この場合制御手段は第１コイル体ＣＲ１（又は第２コイル体ＣＲ２）のみに電気ブレーキが作用するようにスイッチングするか、或いは第１コイル体ＣＲ１と第２コイル体ＣＲ２の双方に電気ブレーキが作用するように切り換え可能に構成することも可能である。
【００４１】
更に、制御手段は回転軸１３が過剰に高速回転するとき前述の第１スイッチング手段ＩＳＷで発電に供するコイルのインダクタンスを小から大に切り換えるのと同時に第２スイッチング手段ＢＳＷで電気ブレーキを作用するように制御することがより大きい制動力を得ることが出来る。
【符号の説明】
【００４２】
Ａ 駆動源
Ｂ 発電部
Ｃ 電力制御部
１０ タワーフレーム
１１ ナセル
１２ ブレード
１３ 駆動回転軸
１４ ハブ
１５ 増速機
１６ ブレーキ
１７ 風力計
１８ 制御盤
１９ 高圧配電線
１９ａ 変圧器
２０ 発電機
２１ ハウジング
２２ 駆動回転軸
２４ マグネットロータ
２５ ステータコイル
３０ エンコーダ
３１ 制御ＣＰＵ
Ｒｆ ロータフレーム
Ｍｎ１〜Ｍｎ８ 磁極
Ｒｃ１〜Ｒｃ８ コア
ｘ−ｘ 回転中心
ＣＲ１ 第１コイル体
ＣＲ２ 第２コイル体
Ｃｏ１〜Ｃｏ６ 巻き線
Ｓｅ エンコータセンサ
ＩＳＷ 第１スイッチング手段
ＢＳＷ 第２スイッチング手段
３２ 充電器
ＯＰ１〜ＯＰ３ 三相出力端子
３３ 整流器
３４ 負荷抵抗
【技術分野】
【０００１】
本発明は風力、水力、熱などの流体エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機及びこれを備えた発電システムに係わり、発電機構の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、この種の発電装置は風力、水力、熱なとのエネルギーを電気エネルギーに変換する装置として広く知られている。またその発電原理は電動機と同様な回転ロータを外部エネルギーで回転し、その回転力でコイルに生起した電流を出力する機構も広く知られている。
【０００３】
従来知られている発電機として、例えば特許文献１（特開２００８−０８６１２８号公報）には回転方向に複数の磁極を配列した磁石ロータをハウジングに回転自在に取付け、このハウジング内壁にロータを囲むようにコイル枠を配列し、このコイル枠に巻き線を巻回して発電部を構成している。そしてこの巻き線は３個又はその倍数で三相交流電流が得られるようにしている。
【０００４】
特許文献１に開示されている界磁型の同期発電機にあっては、コアに巻回したコイルに起電力を生じさせているため、低速回転時或いは起動時には大きな磁場引力が働いて大きな抵抗（コギングトルク）が作用する。このため、低風速では有効な発電をすることができない。またコイルに起電力を生起する際に発生する熱を効率よく放熱しなければならことも知られている。
【０００５】
そこで上述のコギングトルクを小さくするためコアレスコイルを用いる方法が例えば特許文献２（特開２００２−３２０３６４号公報）に提案されている。同公報にはマグネットロータを、回転軸を中心に複数の磁極を同心円上に配列し、この磁極に並行に複数の巻き線を配列してコイル層を形成する発電機構が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−０８６１２８号公報（図８）
【特許文献２】特開２００２−３２０３６４号公報（図５，６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のようにマグネットロータを回転駆動してステータコイルに起電力を生じさせる場合に、風力、水力などのエネルギー変化が問題となる。例えば風力発システムの場合微風状態でも所定電圧の電流が得られ、また強風下でも安定した電力が得られることが要求されている。従来は、コイルと磁極を形成するマグネットの一方を外部エネルギーで回転させてコイルに起電力を生じさせる際に、コイルの起電力特性とマグネットの界磁特性を一定に設定している。従って発電システムとして稼働可能な外部エネルギーが弱いときの下限値と強いときの上限値は一定範囲に設定されている。
【０００８】
つまり同期型発電機では風力などの回転力が微少なときには低速回転する駆動回転軸にコギングトルクが作用して安定した電力が得られないことが知られている。また同様に風力などの回転力が過大となると回転軸は過剰高速回転となりコイルに生起する電力の周波数は大きくなる。このように出力する電力が電力系統に接続されている場合には入力源の回転速度が同期速度より低下すれば周波数が低下し、回転速度が同期速度より高速となれば周波数が増大し安定した電力が得られない問題が生ずる。このようにこの種の発電システムは所定範囲（所定強さ）の入力が得られる場所に設置しているため、広汎な用途に供すること、特に小規模施設として設置することが困難であった。
【０００９】
そこで本発明者はコイルのインダクタンスを外部エネルギーの強弱に応じて大小変更することによって発電可能範囲を広範囲に設定することができるとの着想に至った。
【００１０】
本発明は水力風力などで発電する際に、外部のエネルギーが微弱或いは過強であっても所定電圧及び所定電流の発電が可能である発電機の提供をその主な課題としている。更に本発明は、風力発電システムを微弱な風力状態であっつても、また過大な強風状態であっても所定の電圧と電流の電力が得られるシステムの提供をその課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を達成するため本発明は、マグネットロータの回転でステータコイルに起電力を生起する際に、コイルの巻き線を有効出力巻き線が３個若しくはその倍数個で構成すると共に総ターン数を大小切換え可能に出力端子にスイッチング手段を介して接続することを特徴としている。これによって風力など外部エネルギーが過小（微風）のときにはインダクタンスを大きく設定し、外部エネルギーが過大（強風）なときにはインダクタンスを小さく設定することによって風力など外部エネルギーが強弱変化しても安定した電圧および電流の電力を出力することが可能となる。
【００１２】
そのための構成を詳述すると、駆動源から回転力を受けて回転するマグネットロータと、このマグネットロータの磁極に対向配置したステータコイルとから構成される発電機であって、前記マグネットロータは、ハウジングに回転自在に軸承された回転軸と、この回転軸を中心に同心円上に複数の磁極を形成する永久磁石とで構成する。そして前記ステータコイルは、前記マグネットロータに形成された磁極と対向するように配置された複数のコアレス巻き線と、この複数の巻き線に生起した電力を外部に出力する三相出力端子とで構成する。そこで前記複数のコアレス巻き線は、有効出力巻き線が３個若しくはその倍数個で構成されると共に総ターン数が大小切換え可能に前記三相出力端子にスイッチング手段を介して接続する。このスイッチング手段を、前記駆動源からの回転力が大きいときには総ターン数を小さく、回転力が小さいときには総ターン数を大きくするように制御手段に接続する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は上述のように複数のコアレス巻き線を、３個若しくはその倍数個で構成される有効出力巻き線を三相出力端子に接続する際に総ターン数が大小切換え可能に、スイッチング手段を介して接続し、このスイッチング手段を駆動源からの回転力の大小で切り換えるようにしたものであるから次の効果を奏する。
【００１４】
風力などの外部エネルギーが過小（微風）であっても、起電力を生起する巻き線の総ターン数を大きく設定することによりインダクタンスを大きくすることが出来る。このためコイルに生起する電流が大きくなり外部に出力することが可能となる。また、外部エネルギーが強風など過大となり駆動回転軸が過剰高速回転した場合には、これによって発電するコイルのインダクタンス値を小に変更することによって生起する電力の周波数が異常に大きくなることがなく安定した発電が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係わる発電システムの全体構成の説明図。
【図２】図１のシステムに於ける発電機の構成を示し、（ａ）はロータとステータの構成を示す斜視図、（ｂ）はその組み立て状態の断面図。
【図３】図２の装置のステータコイルの断面構成を示す説明図。
【図４】図２の装置においてステータコイルを一層で構成する場合を（ａ）に、ステータコイルを２層で構成する場合を（ｂ）に示す。
【図５】図２の装置においてステータコイルのインダクタンスを大小切り換える場合の第１実施形態を示し、（ａ）はコイル結線状態の説明図であり、（ｂ）はコイル構成の斜視図を示す。
【図６】図２の装置においてステータコイルのインダクタンスを大小切り換える場合の第２実施形態を示し、（ａ）はコイル結線状態の説明図であり、（ｂ）はコイル構成の斜視図を示す。
【図７】図２の装置においてステータコイルのインダクタンスを大小切り換えるスイッチング回路の説明図。
【図８】図２の装置において回転軸の過剰回転時の電気ブレーキの回路説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下図示の本発明の好適な実施の態様に基づいて本発明を詳述する。本発明に係わる発電システムは図１にその概要を示すように、［駆動源Ａ］と［発電部Ｂ］と［電力制御部Ｃ］とから構成されている。
【００１７】
［発電システム］
本発明に係わる発電システムは図１にその概要を示すように、［駆動源Ａ］と［発電部Ｂ］と［電力制御部Ｃ］とから構成されている。駆動源Ａは風力、水力、蒸気などの発電源からのエネルギーを回転運動に変換する。図示のシステムは風力発電を示し、駆動源Ａは、タワーフレーム１０と、これに搭載されたナセル１１と、このナセル１１に回転自在に取付けられたブレード（風力羽根）１２とから構成されている。システムの設置条件によって異なるが、タワーフレーム１０は地上の所定高さ位置にブレード１２を位置決めするように堅牢に構成される。このタワーフレーム１０にはナセル１１が風力方向に回転可能に取付けられている。このナセル１１には駆動回転軸１３とハブ１４と増速機１５と発電機２０（後述する発電部Ｂ）が内蔵されている。
【００１８】
上記駆動回転軸１３にはハブ１４が設けられ、このハブ１４にブレード１２が固定されている。ブレード１２は風力を回転力に変換する効率の優れた羽根形状に構成されている。そしてこのブレード１２で回転する駆動回転軸１３には増速機１５とブレーキ１６を介して発電機２０に連結される。図示１７は風力計であり、その時点の風力を測定し制御部（後述する）に伝達する。図示１８は制御盤であり、図示１９は出力部Ｃの高圧配電線である。
【００１９】
このようにタワーフレーム１０に搭載されたブレード１２は風力を受けて回転し、その回転力を駆動回転軸１３に伝達する。この駆動回転軸１３には増速機１５を介して発電機２０が連結され、風力エネルギーを電気エネルギーに変換する。発電機２０で発電された電流は制御盤１８を介して変圧器１９ａから高圧配電線１９に電送される。この高圧配電線１９は通常三相交流電送線で構成される。
【００２０】
［制御盤の構成］
上述のように構成された発電システムでは、後述する発電機２０としては三相交流発電が通常の商用送電システムから要求される。この発電機２０の構成については後述するが上記制御盤１８は次の２つの機能を果たすように構成されている。第１の働きは発電機２０で発電された電力を、所定電圧に昇圧して高圧配電線１９に送電するか或いは一時的に蓄電池（不図示）に蓄える。また第２の働きは、前述のタワーフレーム１０に設けた風力計１７の回転数を検出して風力が全運転範囲内であるか否かを判断する。この制御手段（制御盤）１８は例えば制御ＣＰＵ或いは電気回路（ロジック回路）で次のような判断を実行し制御する。風力計１７の回転数が予め設定した許容最大値（Ｒｍａｘ）以上と判断したときは前記ブレーキ（例えば機械的ブレーキ機構）１６を作動してブレード１２の回転数を逓減する。これによってブレード１２或いはナセル１１の破損を未然に防止する。
【００２１】
［発電機］
前述の駆動回転軸（以下「回転軸」という）１３には発電機２０と、エンコーダ３０が内蔵されている。発電機２０は回転軸１３の回転を電気エネルギーに変換し、エンコーダ３０は回転軸１３の回転数を検出して制御する。発電機２０は図２（ｂ）に示すようにハウジング２１に回転軸１３を軸受け２３ａ、２３ｂで軸支持する。この回転軸１３には円盤形状のロータフレームＲｆが図２（ａ）のように一体的に取り付けられている。このロータフレームＲｆは例えば合成樹脂で金属製の回転軸１３をインサート成形で一体形成する。これと同時に円盤形状を形成するロータフレームＲｆには磁石ＭｇとコアＲｃが一体的に埋設されている。
【００２２】
図示のものはマグネットロータ２４に８極の磁極Ｍｎ１〜Ｍｎ８を形成する場合を示している。つまり円盤形状のロータフレームＲｆには４５度間隔で８個所にＮ−Ｓ磁極が形成されている。この磁極Ｍｎ１〜Ｍｎ８は、図３にその断面を示すように樹脂フレームに永久磁石Ｍｇ（Ｍｇ１〜Ｍｇ８）が図６（ｂ）（磁極配列図）で後述するように互いに同極同士が隣り合うように円環形状に配列されている。そして隣り合う磁極は軟磁性コア部材Ｒｃで磁気的に連結されコア表裏面にＮ極又はＳ極を形成するように配列されている。
【００２３】
上記軟磁性コア部材Ｒｃ（図示のものはＲｃ１〜Ｒｃ８）は環状に配置された永久磁石Ｍｇ（Ｍｇ１〜Ｍｇ８）の間に配列され、鉄などの軟磁性材料で構成されている。この軟磁性コア部材Ｒｃは上記永久磁石Ｍｇと互いに当接して磁気的に接合されている。これによって軟磁性コア部材Ｒｃの表面と裏面には磁極形成面Ｍｆ（Ｍｆ１〜Ｍｆ８）が形成され、この面に磁極Ｍｎ１〜Ｍｎ８が形成される。この磁極Ｍｎは後述するステータコイル２５の巻き線Ｃｏ１〜Ｃｏ６と対向する位置に配置されている。
【００２４】
そして軟磁性コア部材Ｒｃの磁極形成面Ｍｆは図２に示すように回転軸１３を中心に同一円心上にＮ−Ｓ−Ｎ−Ｓのように配列される。このとき磁極形成面Ｍｆのコーナ部が鋭角形状に尖っているとこのコーナに磁気集中し、隣接する磁極との間に漏洩磁界が生ずる。この磁気集中を避けるために軟磁性コア部材Ｒｃの磁極形成面Ｍｆはコーナカットされている。図３（ｂ）にはコーナカットを隅丸形状に形成した場合を、また図３（ｃ）にはコーナカットを隅角形状に形成した場合を示し、いずれも磁極形成面Ｍｆに形成した磁極から隣接する他の磁極形成面の磁極に磁界が漏洩しないような形状に構成されている。
【００２５】
このようにマグネットロータ２４はロータフレームＲｆと、永久磁石Ｍｇと、コアＲｃで円盤形状に構成され、その表裏面に所定間隔（図示のものは４５度間隔）で磁極Ｍｎを形成する。図示のものは交流発電を示す関係で４極若しくはその倍数で構成される。
【００２６】
上述のマグネットロータ２４に対向してステータコイル２５がハウジング２１に内蔵される。ステータコイル２５は図２に示すようにマグネットロータ２４に形成された磁極Ｍｎ１〜Ｍｎ８に対向するように３つ又はその倍数（図示のものは６個）の巻き線Ｃｏ１〜Ｃｏ６で構成される。このステータコイル２５は樹脂などで円盤形状に形成したコイルフレームＣｆ１、Ｃｆ２に複数の巻き線が巻回された状態で埋設されて一体化されている。
【００２７】
このステータコイル２５は図４に示すようにマグネットロータ２４の表面側１個所に配置された第１コイル体ＣＲ１で構成される場合（図４（ａ）参照）と、マグネットロータ２４の表裏面２個所に配置された第１コイル体ＣＲ１と第２コイル体ＣＲ２で構成される場合（図４（ｂ）参照）がある。前者のコイル１層構造の場合には小型コンパクトに構成できる特徴がある。また後者のコイル２層構造の場合には大出力に構成できる特徴がある。
【００２８】
以上のように本発明のマグネットロータ２４とステータコイル２５とは磁極対コイル巻き線が４対３の関係で構成され三相交流電気を出力するように構成されている。そこで本発明はこのように構成されたステータコイル２５のインダクタンスを大小可変調整することを特徴としている。このため前述の回転軸１３にはその回転数を検出するエンコーダ３０とセンサＳｅが設けられている。
【００２９】
上記ステータコイル２５のインダクタンスを可変する構成について説明する。ステータコイル２５を同一構造（同一インダクタンス）の第１コイル体ＣＲ１と第２コイル体ＣＲ２で構成する場合を第１実施形態として、異なるインダクタンスの第１コイル体ＣＲ１と第２コイル体ＣＲ２で構成する場合を第２実施形態として説明する。
【００３０】
［第１実施形態］
図５（ａ）（ｂ）に示すように、マグネットロータ２４は、例えば８極（４の倍数極）にＮ−Ｓ極を環状に交互に配置した磁極Ｍｎ１〜Ｍｎ８と、回転軸１３とから構成されている。図示ｘ−ｘは回転中心を示す。そしてステータコイル２５はマグネットロータ２４の表面側に第１コイル体ＣＲ１が、裏面側に第２コイル体ＣＲ２が同一構造で配置されている。この第１第２コイル体ＣＲは図５（ｂ）に示すように６個の巻き線Ｃｏ１〜Ｃｏ６で構成され、同一位相の起電力が生ずるＣｏ１とＣｏ４、Ｃｏ２とＣｏ５、及びＣｏ３とＣｏ６は電気的に結線されている。このような第１、第２コイル体ＣＲ１、ＣＲ２が図５（ａ）に示すようにスイッチング手段３５で結線されている。そしてこのスイッチング手段３５は同図Ｓａで示す方向に結線されたときインダクタンス大に設定され、同図Ｓｂで示す方向に結線されたときインダクタンス小に設定されている。
【００３１】
［第２実施形態］
図６（ａ）（ｂ）に示すように、マグネットロータ２４は、例えば８極（４の倍数極）にＮ−Ｓ極を環状に交互に配置した磁極Ｍｎ１〜Ｍｎ８と、回転軸１３とから構成されている（第１実施形態と同一構成）。そしてステータコイル２５はマグネットロータ２４の表面側に第１コイル体ＣＲ１が、裏面側に第２コイル体ＣＲ２が配置されている。この第１コイル体ＣＲ１はＣｏ１、Ｃｏ２、Ｃｏ３とＣｏ４、Ｃｏ５、Ｃｏ６で構成され、同一位相の起電力が生ずるＣｏ１とＣｏ４、Ｃｏ２とＣｏ５、及びＣｏ３とＣｏ６は電気的に結線されている。
【００３２】
一方第２コイル体ＣＲ２は３個の巻き線Ｃｏ１〜Ｃｏ３で構成されている。このような第１、第２コイル体ＣＲ１、ＣＲ２が図６（ａ）に示すようにスイッチング手段３６で結線されている。そしてこのスイッチング手段３６は同図Ｓａで示す方向に結線されたとき第１コイル体ＣＲ１に生起する電力が出力され、インダクタンス大に設定される。また同図Ｓｂで示す方向に結線されたとき第２コイル体ＣＲ２に生起する電力が出力され、インダクタンス小に設定される。
【００３３】
［制御手段の構成］
上述のように構成されたステータコイル２５はスイッチング手段３５、３６（以下「第１スイッチング手段ＩＳＷ」という）でインダクタンスが大小に切り換えられることとなるが、その制御構成について説明する。前述のナセル１１内に内蔵されている制御ＣＰＵ３１は、エンコーダ３０から検出された回転数若しくは風力計１７から検出された回転数が予め設定された回転数Ｒｘ以下のときスイッチング手段３５（３６）をＳａ側に切り換えてインダクタンスを大に設定する。同様に回転数が予め設定された回転数Ｒｘ以上となったときスイッチング手段３５（３６）をＳｂ側に切り換えてインダクタンスを大から小に切り換える。
【００３４】
上記第１スイッチング手段ＩＳＷの具体的な構成について説明する。この第１スイッチング手段ＩＳＷ（前述のスイッチング手段３５、３６）は、前述の第１コイル体ＣＲ１の巻き線Ｃｏ１〜Ｃｏ６と、第２コイル体ＣＲ２の巻き線Ｃｏ１〜Ｃｏ６と出力線とをスイッチングすることによって発電に供するコイルのインダクタンス値を大小変更する。そのスイッチング構成を図７に従って説明する。
【００３５】
図７（ａ）は発電に供するコイルを第１コイル体ＣＲ１のみのときと、第１第２コイル体ＣＲ１、ＣＲ２のときとでスイッチングする場合を示している。前述のマグネットロータ２４の表面（図２上面）側に対向配置された第１コイル体ＣＲ１は巻き線Ｃｏ１〜Ｃｏ８（４の倍数個）で構成され、巻き線Ｃｏ１とＣｏ４、Ｃｏ２とＣｏ５、Ｃｏ３とＣｏ６は同位相に配置されている。そこで巻き線Ｃｏ１とＣｏ４で第１相（Ｕ相）が、巻き線Ｃｏ２とＣｏ５で第２相（Ｖ相）が、巻き線Ｃｏ３とＣｏ６で第３相（Ｗ相）がそれぞれ三相交流端子に接続される。
【００３６】
そこで第１コイル体ＣＲ１と第２コイル体の結線部にスイッチング手段ＩＳＷ１（第１相出力端子部）、ＩＳＷ２（第２相出力端子部）、ＩＳＷ３（第３相出力端子部）が設けてある。そして図示しない制御手段（制御ＣＰＵなど）でＩＳＷ１、ＩＳＷ２、ＩＳＷ３を同時にＯＮ−ＯＦＦ制御して三相出力端子に第１コイル体ＣＲ１のみから電力が出力される場合と、第１コイル体ＣＲ１と第２コイル体ＣＲ２の双方から出力される場合に切り換える。これによって前者はインダクタンスが小さく、後者はインダクタンスが大きく設定される。そこで制御手段は回転軸１３の回転数を例えば前述のエンコーダ３０のセンサＳｅからの信号で回転軸１３の回転数が予め設定され記憶手段に記憶されている基準回転数（許容最小回転数）より低速となったとき、スイッチング手段ＩＳＷでインダクタンス値を大きく設定する。
【００３７】
図７（ｂ）にはスイッチング手段ＩＳＷ１〜ＩＳＷ３は、第１コイル体ＣＲ１を３個の巻き線Ｃｏ１、Ｃｏ２、Ｃｏ３で構成するか、６個の巻き線Ｃｏ１〜Ｃｏ６で構成するかを切り換えることによって発電に供するコイルの総巻き線数を変更する場合を示す。第１相（Ｕ相）の出力端子にスイッチング手段ＩＳＷ１を介して同位相に位置する巻き線Ｃｏ１とＣｏ４の一方が接続される場合と、双方の巻き線Ｃｏ１、Ｃｏ４が接続される場合でインダクタンス値が切り換えられる。
【００３８】
同様に第２相（Ｖ相）の出力端子にスイッチング手段ＩＳＷ２を介して同位相に位置する巻き線Ｃｏ２とＣｏ５の一方が接続される場合と、双方の巻き線Ｃｏ２、Ｃｏ５が切り換え接続される。また同様に第３相（Ｗ相）の出力端子にスイッチング手段ＩＳＷ３を介して同位相に位置する巻き線Ｃｏ３とＣｏ６の一方が接続される場合と双方が切り換え接続される。尚図７（ａ）（ｂ）にはＹ−Ｙ結線の場合を示したが、デルタ結線あるいはＶ結線であっても同様にインダクタンス値の切り替えが可能であり、図示Ｎ結線は中間線である。
【００３９】
［電気ブレーキの構成］
前述のステータコイル２５には回転軸１３が過剰に高速回転するとき、電気ブレーキが作用するようになっている。その構成を図８に従って説明する。前述のステータコイル２５は図８に示すように第１コイル体ＣＲ１と第２コイル体ＣＲ２で構成され、第１スイッチング手段ＩＳＷでインダクタンスが大小に切り換えられるようになっている。このコイル体ＣＲ１、ＣＲ２は三相出力端子ＯＰ１、ＯＰ２、ＯＰ３に接続されている。そしてこの出力端子ＯＰは充電器３２に接続され、この充電器３２から外部電送線に接続されている。図示３３は整流器であり、３４は負荷抵抗である。この出力端子ＯＰには第２スイッチング手段ＢＳＷ１、ＢＳＷ２、ＢＳＷ３が設けられ、オープン状態のときには第１コイル体ＣＲ１、第２コイル体ＣＲ２に生起された電力は同図実線矢印の方向に端子から電力を外部電送線に送出する。そこでこの第２スイッチング手段ＢＳＷをクローズすると短絡回路が構成され第１第２コイル体ＣＲ１、ＣＲ２から回転軸１３には電気ブレーキが作用する。
【００４０】
そこで図示しない制御手段は回転軸１３が過剰に高速回転する状態をエンコーダ３０のセンサＳｅから検出した回転数が予め設定され、記憶されている許容最大回転数に達すると第２スイッチング手段ＢＳＷをオープン状態からクローズ状態に切り換える。すると回転軸１３には電気ブレーキが作用する。この場合制御手段は第１コイル体ＣＲ１（又は第２コイル体ＣＲ２）のみに電気ブレーキが作用するようにスイッチングするか、或いは第１コイル体ＣＲ１と第２コイル体ＣＲ２の双方に電気ブレーキが作用するように切り換え可能に構成することも可能である。
【００４１】
更に、制御手段は回転軸１３が過剰に高速回転するとき前述の第１スイッチング手段ＩＳＷで発電に供するコイルのインダクタンスを小から大に切り換えるのと同時に第２スイッチング手段ＢＳＷで電気ブレーキを作用するように制御することがより大きい制動力を得ることが出来る。
【符号の説明】
【００４２】
Ａ 駆動源
Ｂ 発電部
Ｃ 電力制御部
１０ タワーフレーム
１１ ナセル
１２ ブレード
１３ 駆動回転軸
１４ ハブ
１５ 増速機
１６ ブレーキ
１７ 風力計
１８ 制御盤
１９ 高圧配電線
１９ａ 変圧器
２０ 発電機
２１ ハウジング
２２ 駆動回転軸
２４ マグネットロータ
２５ ステータコイル
３０ エンコーダ
３１ 制御ＣＰＵ
Ｒｆ ロータフレーム
Ｍｎ１〜Ｍｎ８ 磁極
Ｒｃ１〜Ｒｃ８ コア
ｘ−ｘ 回転中心
ＣＲ１ 第１コイル体
ＣＲ２ 第２コイル体
Ｃｏ１〜Ｃｏ６ 巻き線
Ｓｅ エンコータセンサ
ＩＳＷ 第１スイッチング手段
ＢＳＷ 第２スイッチング手段
３２ 充電器
ＯＰ１〜ＯＰ３ 三相出力端子
３３ 整流器
３４ 負荷抵抗
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動源から回転力を受けて回転するマグネットロータと、このマグネットロータの磁極に対向配置したステータコイルとから構成される発電機であって、
前記マグネットロータは、
ハウジングに回転自在に軸承された回転軸と、
この回転軸を中心に同心円上に複数の磁極を形成する永久磁石と、
で構成され、
前記ステータコイルは、
前記マグネットロータに形成された磁極と対向するように配置された複数のコアレス巻き線と、
この複数の巻き線に生起した電力を外部に出力する三相出力端子と、
で構成され、
前記複数のコアレス巻き線は、有効出力巻き線が３個若しくはその倍数個で構成されると共に総ターン数が大小切換え可能に前記三相出力端子にスイッチング手段を介して接続され、
このスイッチング手段は、前記駆動源からの回転力が大きいときには総ターン数を小さく、回転力が小さいときには総ターン数を大きくするように制御手段に接続されていることを特徴とする発電機。
【請求項２】
前記マグネットロータは、回転軸と、この回転軸を中心に環状に配列された複数のＮ−Ｓ磁極で構成され、
前記ステータコイルは、この磁極に対向するように環状に配列された複数のコアレス巻き線で構成され、
前記マグネットロータのＮ−Ｓ磁極は、前記回転軸を中心に互いに同一磁極が隣接するように配列された複数の永久磁石と、この永久磁石間に磁気的に結合するように配置された軟磁性コア部材の磁極形成面に形成され、
この円環状に複数配列された磁極形成面は互いに隣接するコーナ部が磁気集中しないよう
にコーナカットされていることを特徴とする請求項１に記載の発電機。
【請求項３】
前記マグネットロータは、中心に前記回転軸を備えた円盤形状で、表裏方向に磁界を形成するように構成され、
前記複数のコアレス巻き線は、前記円盤形状の磁極を表裏方向から挟むように対向配置された表裏一対のコイル体を構成し、
この複数の巻き線で構成された表裏のコイル体はインダクタンス値がほぼ同一となるように構成され、
前記スイッチング手段は、前記三相出力端子に、
この表裏いずれか一方のコイル体の巻き線を接続するか、
又は表裏双方のコイル体の巻き線を接続することによってインダクタンス値を大小異ならせることを特徴とする請求項１に記載の発電機。
【請求項４】
前記マグネットロータは、中心に前記回転軸を備えた円盤形状で、表裏方向に磁界を形成するように構成され、
前記コアレス巻き線は、前記円盤形状の磁極を表裏方向から挟むように対向配置された表裏一対のコイル体を構成し、
この複数の巻き線で構成された表裏のコイル体はインダクタンス値が実質的に異なるように構成され、
前記スイッチング手段は、前記三相出力端子に、表裏のコイル体の一方を選択的に接続することによってインダクタンス値を大小異ならせることを特徴とする請求項１に記載の発電機。
【請求項５】
風力、水力などの外力で回転する駆動回転軸と、
この入力回転軸に連結されたマグネットロータと、
前記マグネットロータの磁極に対向配置それたステータコイルと、
から構成され、
前記マグネットロータと前記ステータコイルとは請求項１乃至４に記載の構成を備えていることを特徴とする発電システム。
【請求項６】
前記マグネットロータは、中心に前記回転軸を備えた円盤形状で、表裏方向に磁界を形成するように構成され、
前記複数のコアレス巻き線は、前記円盤形状の磁極を表裏方向から挟むように対向配置された表裏一対のコイル体を構成し、
この表裏一対のコイル体は前記三相出力端子に接続されると共に、この三相出力端子には各コイル体の出力を短絡する制御手段が備えられ、
この制御手段は前記駆動回転軸の過負荷回転時に前記マグネットロータに表裏面から電気ブレーキを作用させることを特徴とする請求項５に記載の発電システム。
【請求項１】
駆動源から回転力を受けて回転するマグネットロータと、このマグネットロータの磁極に対向配置したステータコイルとから構成される発電機であって、
前記マグネットロータは、
ハウジングに回転自在に軸承された回転軸と、
この回転軸を中心に同心円上に複数の磁極を形成する永久磁石と、
で構成され、
前記ステータコイルは、
前記マグネットロータに形成された磁極と対向するように配置された複数のコアレス巻き線と、
この複数の巻き線に生起した電力を外部に出力する三相出力端子と、
で構成され、
前記複数のコアレス巻き線は、有効出力巻き線が３個若しくはその倍数個で構成されると共に総ターン数が大小切換え可能に前記三相出力端子にスイッチング手段を介して接続され、
このスイッチング手段は、前記駆動源からの回転力が大きいときには総ターン数を小さく、回転力が小さいときには総ターン数を大きくするように制御手段に接続されていることを特徴とする発電機。
【請求項２】
前記マグネットロータは、回転軸と、この回転軸を中心に環状に配列された複数のＮ−Ｓ磁極で構成され、
前記ステータコイルは、この磁極に対向するように環状に配列された複数のコアレス巻き線で構成され、
前記マグネットロータのＮ−Ｓ磁極は、前記回転軸を中心に互いに同一磁極が隣接するように配列された複数の永久磁石と、この永久磁石間に磁気的に結合するように配置された軟磁性コア部材の磁極形成面に形成され、
この円環状に複数配列された磁極形成面は互いに隣接するコーナ部が磁気集中しないよう
にコーナカットされていることを特徴とする請求項１に記載の発電機。
【請求項３】
前記マグネットロータは、中心に前記回転軸を備えた円盤形状で、表裏方向に磁界を形成するように構成され、
前記複数のコアレス巻き線は、前記円盤形状の磁極を表裏方向から挟むように対向配置された表裏一対のコイル体を構成し、
この複数の巻き線で構成された表裏のコイル体はインダクタンス値がほぼ同一となるように構成され、
前記スイッチング手段は、前記三相出力端子に、
この表裏いずれか一方のコイル体の巻き線を接続するか、
又は表裏双方のコイル体の巻き線を接続することによってインダクタンス値を大小異ならせることを特徴とする請求項１に記載の発電機。
【請求項４】
前記マグネットロータは、中心に前記回転軸を備えた円盤形状で、表裏方向に磁界を形成するように構成され、
前記コアレス巻き線は、前記円盤形状の磁極を表裏方向から挟むように対向配置された表裏一対のコイル体を構成し、
この複数の巻き線で構成された表裏のコイル体はインダクタンス値が実質的に異なるように構成され、
前記スイッチング手段は、前記三相出力端子に、表裏のコイル体の一方を選択的に接続することによってインダクタンス値を大小異ならせることを特徴とする請求項１に記載の発電機。
【請求項５】
風力、水力などの外力で回転する駆動回転軸と、
この入力回転軸に連結されたマグネットロータと、
前記マグネットロータの磁極に対向配置それたステータコイルと、
から構成され、
前記マグネットロータと前記ステータコイルとは請求項１乃至４に記載の構成を備えていることを特徴とする発電システム。
【請求項６】
前記マグネットロータは、中心に前記回転軸を備えた円盤形状で、表裏方向に磁界を形成するように構成され、
前記複数のコアレス巻き線は、前記円盤形状の磁極を表裏方向から挟むように対向配置された表裏一対のコイル体を構成し、
この表裏一対のコイル体は前記三相出力端子に接続されると共に、この三相出力端子には各コイル体の出力を短絡する制御手段が備えられ、
この制御手段は前記駆動回転軸の過負荷回転時に前記マグネットロータに表裏面から電気ブレーキを作用させることを特徴とする請求項５に記載の発電システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−２０７０５２（Ｐ２０１０−２０７０５２Ａ）
【公開日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５２９０８（Ｐ２００９−５２９０８）
【出願日】平成２１年３月６日（２００９．３．６）
【出願人】（０００２３１５８９）ニスカ株式会社 (568)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月６日（２００９．３．６）
【出願人】（０００２３１５８９）ニスカ株式会社 (568)
【Ｆターム（参考）】
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