電圧印加装置、回転機器および電圧印加方法
【課題】回転場による慣性力下でも低ノイズで、安定的に供給できる電圧印加装置を提供する。
【解決手段】実施形態の電圧印加装置は、回転翼の回転軸が回転可能に保持部に保持された回転機器の前記回転翼に配置される気流発生装置において互いに離間して配置された第１および第２の電極の間に電圧を印加する。実施形態の電圧印加装置では、電圧出力部が電圧を出力する。そして、回転軸の回転翼側、保持部側のそれぞれに配置される電極を有する摺動型伝達部が、電圧出力部から出力される電圧を保持部側から回転翼側に伝達する。そして、回転翼側に配置された変圧部が、摺動型伝達部が伝達した電圧を昇圧して気流発生装置に出力する。
【解決手段】実施形態の電圧印加装置は、回転翼の回転軸が回転可能に保持部に保持された回転機器の前記回転翼に配置される気流発生装置において互いに離間して配置された第１および第２の電極の間に電圧を印加する。実施形態の電圧印加装置では、電圧出力部が電圧を出力する。そして、回転軸の回転翼側、保持部側のそれぞれに配置される電極を有する摺動型伝達部が、電圧出力部から出力される電圧を保持部側から回転翼側に伝達する。そして、回転翼側に配置された変圧部が、摺動型伝達部が伝達した電圧を昇圧して気流発生装置に出力する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電圧印加装置、回転機器および電圧印加方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ファン、風車、タービン等の回転機器が有する回転翼の表面に、プラズマによる気流発生装置を配置し、回転場に電圧を供給する電圧供給装置が提案されている。この電圧印加装置は、回転する翼の表面に設置された気流発生装置の第１の電極と、この第１の電極から離間して配置された第２の電極との間に電圧を印加することで、第１の電極と第２の電極間に気流を発生させる。これによって、回転翼の表面の境界層の速度分布に影響を与えて、剥離を抑制したり流速の変動を緩和することで、気流の流れを安定化して騒音や振動を低減し、翼の空気力学的特性が改善される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２９１７９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、気流発生装置に電磁ノイズが混入する恐れがあることが分かった。例えば、回転機器の回転側と固定側とを電気的に接続する摺動型伝達部を介して、高周波高電圧を伝達すると、摺動型伝達部の摺動部は、摺動部の凹凸や押し付け力の不均一性により接触面積や接触抵抗が非定常に変動する。このため、その変動に応じて摺動部付近に微小な放電が発生し、放電による電磁ノイズが発生する。これにより、周辺の他機器へノイズの影響が出るだけでなく、気流発生装置に供給する電力に電磁ノイズが混入することにより、気流発生装置の動作が不安定となり、騒音や振動の低減や効率向上の効果が十分に得られなくなる。また、摺動型伝達部における放電により伝達部が損耗し、ランニングコストを押し上げる要因となる。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、回転機器の動作中でも低ノイズで、安定的に供給できる電圧印加装置、回転機器および電圧印加方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態電圧印加装置は、回転翼の回転軸が回転可能に保持部に保持された回転機器の前記回転翼に配置された気流発生装置において互いに離間して配置された第１および第２の電極の間に電圧を印加する。実施形態の電圧印加装置では、電圧出力部が電圧を出力する。そして、回転軸の回転翼側、保持部側のそれぞれに配置される電極を有する摺動型伝達部が、電圧出力部から出力される電圧を保持部側から回転翼側に伝達する。そして、回転翼側に配置された変圧部が、摺動型伝達部が伝達した電圧を昇圧して気流発生装置に出力する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、回転機器の動作中でも低ノイズで、安定的に供給できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、一実施形態の電圧印加装置の構成を示す側面図である。
【図２】図２は、気流発生装置を模式的に示す斜視図である。
【図３】図３は、図２のＡ−Ａ断面を示す断面図である。
【図４】図４は、電圧印加装置の電気回路の構成を示すブロック図である。
【図５】図５は、実施形態２の電圧印加装置の構成を示す側面図である。
【図６】図６は、実施形態３の電圧印加装置の構成を示す側面図である。
【図７】図７は、図６の回転軸とスリップリングの取付状態を示す拡大断面図である。
【図８】図８は、図１に示したブレードの一実施形態を示す斜視図である。
【図９】図９は、図８に示したブレードに配置した気流発生装置と変圧器の応用例を示す斜視図である。
【図１０】図１０は、一実施形態の風力発電システムの大型風車の一部分を示す斜視図である。
【図１１】図１１は、他の実施形態の風力発電システムの大型風車の一部分を示す斜視図である。
【図１２】図１２は、変圧器をファンの回転軸の端部に配置した場合の図である。
【図１３】図１３は、ファンの雑音スペクトルを示す図である。
【図１４】図１４は、電磁ノイズレベルの比較結果を示す図である。
【図１５】図１５は、騒音スペクトルのうちプラズマによって低減できるピークの強度の比較結果を示す図である。
【図１６】図１６は、振動強度の比較結果を示す図である。
【図１７】図１７は、電源効率の比較結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（実施形態１）
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は一つの実施形態に係る電圧印加装置３０の構成を示す側面図である。
【００１０】
図１に示すように、この電圧印加装置３０は、回転機器であるファン１０に配置されている。このファン１０は、例えば家庭用の小型のファンであり、ケーシング（筺体）１１と、ケーシング１１に取り付けられた軸受（保持部）１２と、軸受１２に回動可能に支持された回転軸１３と、回転軸１３の端部に取り付けられ回転軸１３とともに回転する複数のブレード（回転翼）１４とを有する。複数のブレード１４のうち、少なくとも一つのブレード１４の表面には、ブレード１４上にプラズマを生成する気流発生装置２０が配置され、電圧印加装置３０によって高周波で高い電圧が印加されている。
【００１１】
図２は、気流発生装置２０を模式的に示す斜視図である。図３は、図２のＡ−Ａ断面を示す断面図である。
図２および図３に示すように、気流発生装置２０は、誘電体２１の表面に露出された電極２２（第１の電極）と、この電極２２と誘電体２１の表面からの距離が異なり、かつ誘電体２１の表面と水平な方向にずらして離間され、誘電体２１内に埋設された電極２３（第２の電極）とを有する。その一対の電極２２，２３間には、ケーブル２４を介して電圧を印加する電圧印加装置３０が接続されている。誘電体２１、一対の電極２２，２３は、ブレード１４の表面上に長手方向に沿って延設されている（図１参照）。
【００１２】
この気流発生装置２０において、電圧印加装置３０によって、一対の電極２２，２３の間に、高周波で高い電圧を印加すると、一対の電極２２，２３の間に放電が起こり、この放電に伴って放電プラズマが発生する。ここで、一対の電極２２，２３の間に誘電体２１を介在させているので、アーク放電にはいたらず、安定に維持されることが可能な誘電体バリア放電が生じる。この誘電体バリア放電は、誘電体２１に沿って形成される沿面放電となる。この誘電体バリア放電によって、気流発生装置２０の表面、すなわち誘電体２１の表面に沿って、図２，図３中に示す矢印方向に流れる気流２５を発生できる。この発生された気流２５によって、ブレード１４の周りにおいて流れの剥離抑制や騒音・振動の抑制等の気流制御効果が可能になる。
【００１３】
図４は、電圧印加装置３０の電気回路の構成を示すブロック図である。
図４に示すように、電圧印加装置３０は、交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換部３１と、高周波電圧を発生する高周波発生部３２と、摺動型伝達部３５（図１参照）を介して高周波発生部３２と接続され、高周波高電圧を発生する変圧器３３とを備える。
【００１４】
図１に示すように、ＡＣ／ＤＣ変換部３１は、ケーシング１１に配置されている。ＡＣ／ＤＣ変換部３１は、例えば商用周波数の正弦波低電圧（ＡＣ）を、図示しないダイオード等を介して直流電圧（ＤＣ）に変換する。ＡＣ／ＤＣ変換部３１は、交流電圧を直流電圧に変換する電圧変換部として機能する。なお、交流電圧は、リップルを低く抑えるために３相交流電圧を用いるのが望ましい。
【００１５】
高周波発生部３２は、図１に示すように、ケーシング１１に配置されている。高周波発生部３２は、例えばＩＧＢT（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）やＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を用いたスイッチングにより、供給された直流電圧によって起動して高周波のパルスを発生し、１［ｋＨｚ］〜２０［ｋＨｚ］程度の高周波の交番電圧を生成する。高周波発生部３２は、ケーブル３４を介して摺動型伝達部３５と電気的に接続されている。この高周波発生部３２は、電圧変換部によって変換された直流電圧に基づいて、高周波成分を発生する機能を有する。
【００１６】
摺動型伝達部（例えばスリップリング）３５は、図１に示すように、ファン１０の回転軸１３に取り付けられ、この回転軸１３とともに回転する２つのリング（電極）３５ａと、リング３５ａと組みをなし、高周波発生部３２と電気的に接続された２つのブラシ（摺動接点）３５ｂとを有する。２つのリング３５ａは、回転軸１３においてブレード１４（回転翼）側と、軸受１２（保持部）側に配置されており、互いに電気的に絶縁され、それぞれが変圧器３３に電気的に接続されている。リング３５ａとブラシ３５ｂとの２つの組において、リング３５ａとブラシ３５ｂは、互いに電気的に接触し、高周波発生部３２から出力される高周波交番電圧を変圧器３３に伝達する機能を有する。つまり、摺動型伝達部３５は、軸受１２（保持部）の側からブレード１４（回転翼）の側に電圧を伝達する。なお、回転軸にブラシを配置して、ブラシと電気的に接続されたリングを保持部側に配置してもよい。
【００１７】
変圧器３３は、図１に示すように、リング３５ａよりブレード１４側の回転軸１３に配置されている。変圧器３３は、リング３５ａから伝達された例えば１００［Ｖ］〜４００［Ｖ］の高周波の交番電圧を、数［ｋＶ］の高周波の高電圧に昇圧し、気流発生装置２０に出力する。変圧器３３は、重心がファン１０の回転軸１３の中心軸に略一致するように、回転軸１３上に配置されている。変圧器３３は、摺動型伝達部３５から出力された電圧を高周波高電圧に変換して気流発生装置２０に出力する機能を有する。なお、上述した略一致とは、例えば回転軸１３の中心軸と変圧器３３の重心３３ａ間の距離Ｌが、回転軸１３の中心軸とブレード１４の先端との距離（以下、「翼長」という）Ｌ０の５％以下であることをいう。
【００１８】
すなわち、この実施形態では、変圧器３３を、その重心が回転軸１３の中心軸に略一致するように、例えばこの回転軸１３のブレード１４側の端部の中心軸上に配置し、ＡＣ／ＤＣ変換部３１と高周波発生部３２をファン１０の保持側（ケーシング１１）に配置する。そして、高周波発生部３２が、ＡＣ／ＤＣ変換部３１で生成された直流電圧に基づいて高周波の交番電圧を発生させ、この高周波の交番電圧を摺動型伝達部３５を介して変圧器３３に供給できる。変圧器３３は、摺動型伝達部３５から伝達された高周波の交番電圧を、高周波高電圧に変換して気流発生装置２０に出力する。
【００１９】
この気流発生装置２０では、電圧印加装置３０から高周波高電圧が一対の電極２２，２３間に印加されると、一対の電極２２，２３の間に放電が起こり、この放電に伴って放電プラズマを発生できる。そしてこの発生したプラズマによって、気流発生装置２０の表面（ブレード１４）に沿って気流２５を発生できる。
【００２０】
これにより、この実施形態では、摺動型伝達部３５（リング３５ａ）に高電圧を印加することなしに、気流発生装置２０に高周波高電圧を印加することができる。このため、回転機器の動作中でも高周波高電圧を低ノイズで、安定的に供給できる（後述する実験結果参照）。この結果、気流発生装置の動作が安定し、ブレード１４の周囲での気流の流れを安定化して騒音や振動の低減を実現できる。また、摺動型接点における放電によるノイズの発生を防いだり、接点の損耗を緩和することができる。
【００２１】
また、この実施形態では、重量の大きい変圧器３３を、その重心が回転軸１３の回転軸に略一致するように、回転軸１３に配置している。このため、変圧器３３の支持部や回転中心にかかるモーメントを小さく抑えることができ、耐久性の向上や振動、騒音の低減を実現できる。
また、この実施形態では、電圧印加装置３０に関して、変圧器３３と、それ以外の部分を分離している。そして、変圧器３３のみを回転翼（ブレード１４）側に配置し、それ以外の部分を保持部（軸受１２）側に配置している。このため、回転翼（ブレード１４）側の重量が増加することを抑制できる。また、軸受１２構造簡略化、長寿命化、低コスト化、回転部分モーメントの低減、設計の簡素化を実現できる。
【００２２】
なお、電圧印加装置３０への入力が直流電圧である場合には、ＡＣ／ＤＣ変換部３１の代わりに、この直流電圧を所定電圧値に昇圧するＤＣ／ＤＣ変換部を設置することが可能である。または、電圧印加装置３０へ入力する直流電圧が所定電圧値の場合には、ＡＣ／ＤＣ変換部３１もこのＤＣ／ＤＣ変換部も設置しなくてもよい。
【００２３】
このような構成により、電圧印加装置３０の製造コストの削減とともに、部品点数を削減することも可能となる。例えば後述する風力発電システムの大型風車にこの電圧印加装置３０を用いると、上述した直流電圧を取り出して電圧印加装置３０に入力できる場合があり、上述した電圧印加装置３０の製造コストの低減や部品点数が削減できる。
【００２４】
（実施形態２）
図５は、実施形態２の電圧印加装置３０の構成を示す側面図である。
図５に示すように、ファン１０と気流発生装置２０の構成は、図１と同様であるが、電圧印加装置３０の配置構成が異なっている。すなわち、この電圧印加装置３０は、気流発生装置２０の駆動に必要なＡＣ／ＤＣ変換部３１、高周波発生部３２および変圧器３３のうち、高周波発生部３２と変圧器３３がリング３５ａよりブレード１４側の回転軸１３に配置されている。
【００２５】
高周波発生部３２と変圧器３３は、その合成された重心がファン１０の回転軸１３の中心軸に略一致するように、回転軸１３に配置する。ＡＣ／ＤＣ変換部３１で生成された直流電圧は、摺動型伝達部３５を介して高周波発生部３２に出力される。
【００２６】
つまり、ブラシの耐久性を上げるためには、リング３５ａとブラシ３５ｂの接触面積をできるだけ小さくすることが望ましい。しかし、この接触面積が小さくなると、振動や摩耗等により、瞬間的に電圧の印加が途切れる場合がある。このため、印加の途切れが生じた電圧をそのまま変圧器３３に供給すると、気流発生装置２０へ供給する電圧にも瞬間的な変動が発生し、安定的なプラズマ放電を維持できなくなる。
【００２７】
そこで、摺動型伝達部３５（リング３５ａ）よりブレード１４側の回転軸１３に高周波発生部３２を配置させることで、高周波発生部３２が備える所定の周波数帯域を得るためのフィルタ機能を利用することができる。このフィルタ機能により、直流電圧の瞬間的な変動が、変圧器３３まで伝達されなくなり、気流発生装置２０へ供給する電圧が安定し、安定的なプラズマ放電を維持できる。この結果、気流発生装置２０の表面に沿って気流２５を途切れなく発生できる。この発生された気流２５によって、ブレード１４の安定した回転が可能になる。
なお、この高周波発生部３２と変圧器３３の構造は、後述する図１２（ａ）で詳細に説明する。
【００２８】
ところで、この高周波発生部３２は、所定の周波数帯域を得るためのフィルタ機能を備えているが、このフィルタ機能は別体でもよい。この場合には、フィルタ機能と高周波発生部と変圧器の合成された重心が回転軸１３の中心軸に略一致するように、リング３５ａよりブレード１４側の回転軸１３に配置させる。またはフィルタ機能のみをブレード１４側の回転軸１３に配置させ、高周波発生部３２はファン１０の保持側に配置させることも可能である。なお、上述した略一致とは、例えば中心軸と、高周波発生部３２と変圧器３３との合成された重心間の距離Ｌａが、翼長Ｌ０の５％以下であることをいう。
【００２９】
すなわち、この実施形態では、高周波発生部３２と変圧器３３を、その合成された重心が回転軸１３の中心軸に略一致するように、この回転軸１３に配置し、ＡＣ／ＤＣ変換部３１から出力した直流電圧を、摺動型伝達部３５を介して高周波発生部３２に供給する。
【００３０】
これにより、この実施形態では、瞬間的な電圧の印加途切れが生じても、高周波発生部３２のフィルタ機能により、直流電圧の瞬間的な変動が、変圧器３３まで伝達されなくなり、回転機器の動作中でも高周波高電圧を低ノイズで、安定的に供給できる。この結果、気流発生装置２０への供給電圧が安定し、安定的なプラズマ放電を維持できる。
【００３１】
また、この実施形態では、高周波発生部３２と変圧器３３を、その合成された重心が回転軸１３の中心軸に略一致するように、回転軸１３に配置する。このため、変圧器３３の支持部や回転軸１３の回転中心にかかるモーメントを小さく抑えることができ、耐久性の向上や振動、騒音の低減を実現できる。
なお、本実施形態においては、ＡＣ／ＤＣ変換部３１が保持部（軸受１２）側に配置されている。しかし、ＡＣ／ＤＣ変換部３１を回転翼（ブレード１４）側に配置して、商用周波数の正弦波低電圧（ＡＣ）を、摺動型伝達部３５を介してＡＣ／ＤＣ変換部３１に供給するようにしてもよい。
【００３２】
（実施形態３）
図６は、実施形態３の電圧印加装置３０の構成を示す側面図である。図７は、図６の回転軸１３とスリップリング（摺動型伝達部）３５との取付状態を示す拡大断面図である。
【００３３】
図６、図７に示すように、ファン１０と気流発生装置２０の構成は、図１と同様であるが、電圧印加装置３０の配置構成が異なっている。すなわち、この電圧印加装置３０は、回転軸１３の軸受１２側とは反対側の端部１３ａにスリップリング３５のリング３５ａを取り付け、このリング３５ａにブラシ３５ｂを電気的に接触させ、ＡＣ／ＤＣ変換部３１から出力した直流電圧を、摺動型伝達部３５を介して高周波発生部３２に供給する。
【００３４】
回転軸１３とスリップリング３５の取付状態を説明する。図７に示すように、スリップリング３５のリング３５ａは、取付軸３５ｃの長手方向の一端側に固定されて配置されている。また、回転軸１３の端部１３ａの中央部分には、取付軸３５ｃの一端が嵌合可能な孔１３ｂが設けられている。
【００３５】
取り付け時には、回転軸１３の端部１３ａの孔１３ｂに取付軸３５ｃの長手方向の他端を挿入して嵌合させ、さらにネジ４０を用いて取付軸３５ｃを回転軸１３の端部１３ａに固定することができる。
【００３６】
このように、この実施形態では、回転軸１３の端部１３ａの孔１３ｂに、リング３５ａを固定した取付軸３５ｃを嵌合させる。このため、リング３５ａを回転軸１３に直接取り付けた図１の場合に比べ、リング３５ａの回転半径を小さくすることができ、１回転あたりの摺動距離を短くすることができる。図１の場合は、回転軸１３はファン１０の回転構造を機械的に支持する必要があるため、必要な太さをもった丸棒状のものになる。これに図１のようにスリップリング３５を設置する場合、リング３５ａの直径は丸棒の直径より大きくする必要があり、１回転あたりの摺動距離が大きくなる。図７のようにすればスリップリング３５を取り付ける丸棒は３５ｃのようになり、この丸棒はスリップリング３５の回転構造のみを支持する強度があればよい。このため、細い丸棒を使用でき、これに取り付けるリング３５ａの直径も小さくでき、１回転あたりの摺動距離が短くなる。
これにより、同じ回転数で回転軸１３を回転させた時のブラシ３５ｂの摩耗率を図１の場合より低減することができ、摺動型伝達部３５の使用寿命を向上させることができる。
【００３７】
また、この実施形態では、実施形態１と同様に、回転機器の動作中でも高周波高電圧を低ノイズで、安定的に供給できる。
また、この実施形態でも、高周波発生部３２と変圧器３３を、その合成された重心が回転軸１３の中心軸に略一致するように、回転軸１３に配置している。このため変圧器３３の支持部や回転軸１３の回転中心にかかるモーメントを小さく抑えることができ、耐久性の向上や振動、騒音の低減を図ることができる。
【００３８】
なお、この実施形態でも、上述した略一致とは、実施形態２と同様に、例えば中心軸と、高周波発生部３２と変圧器３３との合成された重心間の距離Ｌａが、翼長Ｌ０の５％以下であることをいう（図５参照）。
また、本実施形態では、ＡＣ／ＤＣ変換部３１が保持部（軸受１２）側に配置されている。しかし、ＡＣ／ＤＣ変換部３１を回転翼（ブレード１４）側に配置し、商用周波数の正弦波低電圧（ＡＣ）を、摺動型伝達部３５を介してＡＣ／ＤＣ変換部３１に供給するようにしてもよい。
【００３９】
（実施形態４）
図８は、図１に示したブレードの一実施形態を示す斜視図である。
図１に示したファン１０のブレード１４は、例えば図８に示すように、回転軸１３の半径方向に互いが等しい角度になるように、回転軸１３に配設された複数の翼であり、実施形態では３つの翼１４ａ〜１４ｃを有する。これらの翼１４ａ〜１４ｃは、回転軸１３と一体的に構成されている。なお、この実施形態におけるファン１０のブレード１４は、３つの翼で構成されるが、これに限定されるものではない。
【００４０】
各翼１４ａ〜１４ｃの表面上には、気流発生装置２０がそれぞれ配置されるとともに、この気流発生装置２０の近傍に変圧器３３がそれぞれ配置されて、気流発生装置２０と電気的に接続されている。これらの変圧器３３のそれぞれは、その合成された重心が回転軸１３の中心軸に略一致するように、各翼１４ａ〜１４ｃに配置されている。この実施形態では、例えば変圧器３３がほぼ同じ重さで回転軸１３の中心軸から略等間隔になるように、各翼１４ａ〜１４ｃにそれぞれ配置させることで、上述した合成された重心を回転軸１３の中心軸に略一致させることができる。
【００４１】
なお、略一致とは、例えば回転軸１３の中心軸と、各翼１４ａ〜１４ｃの変圧器３３の合成重心間の距離をＬ１１とし、翼長をＬ０とすると、Ｌ１１／Ｌ０≦５／１００とすることをいう。
【００４２】
また、略等間隔とは、例えば回転軸１３の中心軸から各翼１４ａ〜１４ｃの変圧器３３までの距離を、それぞれＬ１１／Ｌ０≦１／５、Ｌ１２／Ｌ０≦１／５、Ｌ１３／Ｌ０≦１／５とすることをいう。
【００４３】
この実施形態では、３つの気流発生装置２０に重量の大きい１つの変圧器３３から高周波高電圧を供給する場合に比べ、小型で重量の軽い３つの変圧器３３からそれぞれの気流発生装置２０に高周波高電圧を供給できる。このため、重量の分散が可能となって、変圧器３３の支持部や回転軸１３の回転中心にかかるモーメントを小さく抑えることができ、耐久性の向上や振動、騒音の低減を実現できる。この結果、回転機器の動作中でも高周波高電圧を低ノイズで、安定的に供給できる。
【００４４】
また、この実施形態では、各変圧器３３を気流発生装置２０の近傍にそれぞれ配置できるので、変圧器３３と気流発生装置２０を接続するための配線３８が最小限に短縮でき、この配線からのノイズの侵入を防ぐことができる。この結果、回転機器の動作中でも高周波高電圧を低ノイズで、さらに安定的に供給できる。
【００４５】
（応用例）
図９は、図８に示したブレード１４に配置した気流発生装置２０と変圧器３３の応用例を示す斜視図である。この応用例では、図８と気流発生装置２０と変圧器３３の配置構成が異なっている。
【００４６】
すなわち図９に示すように、この応用例では、各翼１４ａ〜１４ｃに配置された気流発生装置を分割、例えば３つの気流発生装置２０ａ〜２０ｃに分割してそれぞれ配置されている。これとともに、その気流発生装置２０ａ〜２０ｃの近傍に変圧器３３ａ〜３３ｃがそれぞれ配置されており、変圧器３３ａ〜３３ｃが気流発生装置２０ａ〜２０ｃと電気的に接続されている。
【００４７】
複数の変圧器３３ａ〜３３ｃは、例えば各翼１４ａ〜１４ｃにおける各変圧器３３ｂの重心を求め、その求めたそれぞれの重心をさらに合成した重心が回転軸１３の中心軸に略一致するように、各翼１４ａ〜１４ｃにそれぞれ配置されている。この実施形態では、例えば変圧器３３ａ〜３３ｃがほぼ同じ重さで回転軸１３の中心軸からそれぞれ略等間隔になるように、各翼１４ａ〜１４ｃにそれぞれ配置させることで、上述した合成された重心を回転軸１３の中心軸に略一致させることができる。
【００４８】
なお、この応用例では、各翼１４ａ〜１４ｃに配置された気流発生装置２０を、３つに分割して構成されるが、これに限定されるものではない。また、この応用例でも、略一致とは、実施形態４と同様に、例えば回転軸１３の中心軸と、各翼１４ａ〜１４ｃの合成変圧器３３ｂの重心間の距離をＬ１ａとし、翼長をＬ０とすると、Ｌ１ａ／Ｌ０≦５／１００とすることをいう。
【００４９】
また、略等間隔とは、例えば回転軸１３の中心軸から各翼１４ａ〜１４ｃの変圧器３３までの距離を、それぞれＬ１ａ／Ｌ０≦１／５、Ｌ１ｂ／Ｌ０≦１／５、Ｌ１ｃ／Ｌ０≦１／５とすることをいう。
【００５０】
この応用例では、上述した図８に示した変圧器３３よりもさらに小型で重量の小さい変圧器３３を用いることができ、重量の分散が可能となる。このため、変圧器３３の支持部や回転中心にかかるモーメントを小さく抑えることができ、耐久性の向上や振動、騒音の低減を図ることができる。この結果、回転機器の動作中でも高周波高電圧を低ノイズで、安定的に供給できる。
【００５１】
また、この応用例では、１つの翼においても気流発生装置２０や変圧器３３を分割して配置することができる。このため、図８に示した実施形態４の気流発生装置２０や変圧器３３よりも小型で重量の小さい、低コストの気流発生装置と変圧器を用いることができる。
【００５２】
（実施形態５）
図１０は、一実施形態のＭＷ（メガワット）級の風力発電システムの大型風車５０の一部分を示す斜視図である。
図１０に示すように、大型風車５０は、図示しない地面に垂直に設置された円筒形のタワー５１と、このタワー５１の頂部に取り付けられた、図示しない発電機などを収容する略長方体のナセル５２を有する。さらに、ナセル５２の先端には、ハブ５３とノーズコーン５４がナセル５２の一端に配設されている。ハブ５３の中心部分には、ナセル５２から突出した回転軸５５が設けられ、ノーズコーン５４の外周面（またはハブ５３）には、ブレード５６が配置されている。ハブ５３とノーズコーン５４は、回転軸５５とともに、回転する。
【００５３】
このブレード５６は、例えば３つの翼５６ａ〜５６ｃを有し、これらの翼５６ａ〜５６ｃの表面上には、翼の長手方向に沿って気流発生装置２０がそれぞれ延設されている。これらの翼５６ａ〜５６ｃは、ノーズコーン５４の外周面に互いが略等角度になるように配設されている。なお、大型風車５０のブレード５６は、一般的には３つの翼５６ａ〜５６ｃで構成されるが、これに限定されるものではない。
【００５４】
回転軸５５のノーズコーン５４側の端部５５ａには、変圧器３３と摺動型伝達部３５が配置されている。
変圧器３３は、重量が大きく、重心が発電機（大型風車５０）の回転軸５５の中心軸に略一致するように、回転軸５５の端部５５ａやハブ５３の中心部に配置されている。なお、上述した略一致とは、実施形態１と同様に、例えば回転軸５５の中心軸と変圧器３３の重心間の距離Ｌが、ブレード５６の翼長Ｌ０（図示せず）の５％以下であることをいう（図１参照）。
【００５５】
摺動型伝達部３５は、実施形態１と同様に、回転軸５５の中心部に配置されている。なお、摺動型伝達部３５は、回転半径が小さく、重量も小さいので、回転軸１３の回転中心にかかるモーメントに影響を与えることはない。
【００５６】
すなわち、この実施形態では、変圧器３３を、その重心が回転軸５５の中心軸に略一致するように、この回転軸５５の端部５５ａの中心部に配置し、ＡＣ／ＤＣ変換部３１と高周波発生部３２を大型風車５０の保持側（ナセル５２）に配置する。そして、高周波発生部３２が、ＡＣ／ＤＣ変換部３１で生成された直流電圧に基づいて高周波の交番電圧を発生させ、この高周波の交番電圧を、摺動型伝達部３５を介して変圧器３３に供給することができる。変圧器３３は、摺動型伝達部３５からの高周波の交番電圧を、高周波高電圧に変換して気流発生装置２０に出力する。
【００５７】
この気流発生装置２０では、電圧印加装置３０からの高周波高電圧が一対の電極２２，２３の間（図２、図３参照）に印加されると、その一対の電極２２，２３の間に放電が起こり、この放電に伴って放電プラズマを発生できる。そして、この発生したプラズマによって、気流発生装置２０の表面（ブレード５６）に沿って気流２５（図２、図３参照）を発生できる。
【００５８】
この大型風車５０において、気流発生装置２０用の電圧印加装置の出力は、数［ｋＷ］程度になり、変圧器３３の大きさや重量は、従来の風車のノーズコーン５４内部の機器と比較して大きい。
【００５９】
そこで、この実施形態では、変圧器３３を、その重心が回転軸５５の中心軸に略一致するように、この回転軸５５のノーズコーン５４側の端部５５ａの中心部に配置する。このため、図示しない風車ロータの慣性モーメントの増大を抑え、風車回転の時定数の増大を抑え、風速・風向変動やカットイン・カットアウト時の大型風車５０の追従性を保持できる。
【００６０】
これにより、この実施形態では、摺動型伝達部３５（リング３５ａ）に高電圧を印加することなしにブレード１４上にプラズマを発生することができるとともに、耐久性の向上や振動、騒音の低減、空力性能の向上等を実現できる。この結果、回転機器の動作中でも高周波高電圧を低ノイズで、安定的に供給できる。
【００６１】
なお、この実施形態では、変圧器３３のみを、その重心が回転軸５５の中心軸に略一致するように、この回転軸５５の端部５５ａの中心部に配置したが、これに限定されるものではなく、図５と同様に、高周波発生部３２をこの回転軸５５の端部５５ａに配置してもよい。
また、本実施形態では、ＡＣ／ＤＣ変換部３１と高周波発生部３２を保持部（軸受１２）側に配置した。しかし、ＡＣ／ＤＣ変換部３１または高周波発生部３２またはその両者を回転翼（ブレード１４）側に配置してもよい。
【００６２】
（実施形態６）
図１１は、他の実施形態のＭＷ（メガワット）級の風力発電システムの大型風車５０の一部分を示す斜視図である。
【００６３】
図１１に示すように、大型風車５０と気流発生装置２０の構成は、図１０と同様であるが、電圧印加装置３０の配置構成が異なっている。
すなわち、この実施形態では、例えば変圧器３３がほぼ同じ重さで回転軸５５の中心軸から略等間隔になるように、各翼５６ａ〜５６ｃがノーズコーン５４に取り付けられている、その根元部にそれぞれ配置させることで、各変圧器３３の合成された重心が回転軸５５の中心軸に略一致させる。
【００６４】
さらに、この実施形態では、摺動型伝達部３５を回転軸５５のノーズコーン５４側の端部５５ａの中心部に配置させ、摺動型伝達部３５の重心を回転軸５５の中心軸に略一致させている。
【００６５】
なお、略一致とは、例えば回転軸１３の中心軸と、各翼１４ａ〜１４ｃの変圧器３３の合成重心間の距離をＬ１１とし、翼長をＬ０とすると、Ｌ１１／Ｌ０≦５／１００とすることをいう。
【００６６】
また、略等間隔とは、例えば回転軸１３の中心軸から各翼１４ａ〜１４ｃの変圧器３３までの距離を、それぞれＬ１１／Ｌ０≦１／５、Ｌ１２／Ｌ０≦１／５、Ｌ１３／Ｌ０≦１／５とすることをいう。
【００６７】
また、１枚の翼上に複数の電極を配置してそれぞれ異なる放電の制御をする場合、各電極に対して電源を設置する必要がある。たとえば３本の電極を３台の電源で駆動する場合等である。その場合は図１１で電源３３が設置されている円筒状翼根の周上に、略等間隔で３台の電源を設置することで、翼のピッチ制御時に翼根を回転させる際の重心のバランスを損なわないようにすることが可能になる。この場合、各翼に設置されている電源の合成された重心どうしをさらに全翼について合成した総重心が、回転軸の中心軸に略一致するように配置する。
【００６８】
この実施形態では、各変圧器３３を、その合成した重心が回転軸５５の中心軸に略一致するように、ブレード５６の根元部にそれぞれ配置している。このため、図示しない風車ロータの慣性モーメントの増大を抑え、風車回転の時定数の増大を抑え、風速・風向変動やカットイン・カットアウト時の大型風車５０の追従性を保持できる。
【００６９】
これにより、この実施形態では、摺動型伝達部３５（リング３５ａ）に高電圧を印加することなしにブレード１４上にプラズマを発生することができるとともに、耐久性の向上や振動、騒音の低減を実現できる。この結果、回転機器の動作中でも高周波高電圧を低ノイズで、安定的に供給できる。
【００７０】
次に、上述した実施形態の着想に到る根拠となった実験の結果について説明する。
この実験では、図５に示した構成のファン（回転数＝５００［ｒｐｍ］）、高周波高電圧（１５［ｋＨｚ］、Ｖｏｐ＝３［ｋＶ］）の電源（１００［Ｗ］、３［ｋｇ］）を準備して検証を行った。なお、変圧器３３の重量は１［ｋｇ］、高周波発生部３２の重量は０．２［ｋｇ］であった。
【００７１】
まず、ファンの騒音低減を狙った実験の結果を図１２〜図１７に示す。
ファンの騒音は回転する翼の後縁付近の速度変動によって発生すると考えられる。そこで、ファンの翼後縁付近に気流発生装置を設置して、ファンの近傍における騒音をマイクロホンで計測してプラズマの効果を調べた。
【００７２】
電圧印加装置の構成としては、ＡＣ／ＤＣ変換部、高周波発生部、変圧器をファンの保持側に配置して、高周波高電圧を、摺動型伝達部を介してファンの回転側に伝達する従来方式、後述するＡ電源およびＢ電源の場合で調べた。
【００７３】
図１２は、変圧器３３をファンの回転軸の端部に配置した図で、（ａ）は変圧器３３をこの端部の中心軸上に配置した電圧印加装置（以下、「Ａ電源」という）を用いた場合の図、（ｂ）は変圧器３３をこの端部の中心軸から外して配置した電圧印加装置（以下、「Ｂ電源」という）を用いた場合の図である。
【００７４】
図１２（ａ）に示すように、Ａ電源の場合は、変圧器３３を、その重心が回転軸の中心軸に略一致するように、ファンの回転軸の端部の中心軸上に配置した構成である（図５の構成と同様）。また、図中の高周波発生部３２は、回転軸１２（図５参照）の端部に、同心円上に設置可能な円板形状の基板に形成されており、その重心が回転軸の中心軸に略一致するように配置され、変圧器３３はこの基板上に搭載されている（図１２（ｂ）も同様）。また、回転軸１３にスリップリング（図５参照）を配置して、保持側から回転側への電圧供給を可能にした（図１２（ｂ）も同様）。
【００７５】
また、図中の符号６０〜６２は、ダイオードや抵抗等の高周波高電圧を発生するための回路素子である。これら回路素子は、軽量であるので、回転軸１３の回転中心にかかるモーメントへの影響を無視できる（図１２（ｂ）も同様）。
ここで、電圧印加装置３０を駆動させると、プラズマが安定に生成できた。ファンの回転数を１５００［ｒｐｍ］まで増加させてもプラズマは安定に生成できている。
【００７６】
また、図１２（ｂ）に示すように、Ｂ電源の場合は、変圧器３３を、その重心が回転軸の中心軸に略一致しないように、ファンの回転軸の端部の中心軸から外して配置した構成である。このＢ電源の場合には、重量の大きい変圧器３３がこの回転軸の端部の中心軸から外れているので、回転軸１３の回転中心にかかるモーメントへの影響が現れると考えられる。
【００７７】
気流発生装置のプラズマ電極（図２に示した一対の電極２２，２３参照）は、厚さ２５０［μｍ］のポリイミド樹脂上に、表面電極をスパン方向へ一様に形成した。表面電極の放電長は、翼１枚あたり１００［ｍｍ］である。プラズマ誘起流が翼の後縁にむけて生じるように、電極を設置した。電極は翼の表裏両面に設置した。これらの条件は、上述した従来方式の構成の場合、Ａ電源の構成の場合、Ｂ電源の構成の場合で、ともに同じである。
【００７８】
まず、本願発明者らは、Ａ電源の構成で、ファンの翼から３０［ｃｍ］の位置に設置したマイクロホン（図示せず）で、放電あり・放電なしでの騒音スペクトルを求めて比較した。
図１３は、ファンの雑音スペクトルを示す図である。
【００７９】
図１３に示すように、この実験では、ファンの回転数が５００［ｒｐｍ］の条件で、プラズマ放電なしの時（図中の点線部分）に発生する雑音のピークが、プラズマ放電ありの時（図中の実線部分）に、一点鎖線で囲んだような雑音のピークの低減を観測できた。これにより、プラズマ気流制御により回転翼の騒音を低減できることが明らかになった。
【００８０】
次に、本願発明者らは、上述した従来方式の構成の場合、Ａ電源の構成の場合、Ｂ電源の構成の場合の、電磁ノイズレベル、騒音スペクトルのうちプラズマによって低減できるピークの強度、振動強度および電源効率（放電電力／一次消費電力）をそれぞれ求めて比較した。なお、以下の図１４〜図１７において、点線は従来方式の構成、実線はＡ電源の構成、一点鎖線はＢ電源の構成の場合を示す。
【００８１】
図１４は、電磁ノイズレベルの比較結果を示す図である。
図１４に示すように、電磁ノイズレベルは、Ａ電源（実線）およびＢ電源（一点鎖線）の構成の場合が従来方式（点線）の構成の場合より明らかに低くなっており、これは摺動型伝達部への供給電圧を下げたことで、電磁ノイズが低減していることを示している。
【００８２】
図１５は、騒音スペクトルのうちプラズマによって低減できるピークの強度の比較結果を示す図である。
図１５に示すように、Ａ電源（実線）の構成の場合は安定的にピーク強度を低減できているのに対し、Ｂ電源（一点鎖線）の構成の場合では徐々にピーク強度が増加して、途中で急激に騒音が大きくなっている。これは、変圧器３３が回転軸の中心軸上にないために５００［ｒｐｍ］の状態では振動による騒音が大きく、これがターゲットとする空力騒音に重畳されているためである。
【００８３】
また、急激に増加した時点ではＢ電源の構成の場合で変圧器３３固定部が破壊寸前となり、ついに破壊にいたったため、試験を停止した。従来方式（点線）の構成の場合は安定しているがＡ電源の構成の場合に比べて騒音が大きい。これは摺動型伝達部における放電音が重畳されているからである。以上の結果は、摺動型伝達部への供給電圧を下げ、変圧器３３を回転軸の中心軸上に配置することで、騒音のピーク強度を安定的に低減できることを示している。
【００８４】
図１６は、振動強度の比較結果を示す図である。
図１６に示す振動強度は、ファン１０のケーシング１１（図５参照）に設置した図示しない加速度計で計測した。
【００８５】
Ｂ電源（図中、一点鎖線）の構成の場合は他の構成（図中、点線および実線）の場合に比べて振動が大きく、徐々に振動強度が増加して、途中で急激に振動が大きくなっている。これは、変圧器３３が回転軸１３の中心軸上にないために、ファン１１（図５参照）の回転数が５００「ｒｐｍ」の状態では振動が大きいためである。
【００８６】
また、急激に増加した時点では、Ｂ電源の変圧器３３固定部が破壊寸前となり、ついに破壊にいたったため、試験を停止した。以上の結果は、変圧器３３を回転軸の中心軸上に配置することで、振動を低減して信頼性の高い電圧印加装置３０が実現できることを示している。
【００８７】
図１７は、電源効率の比較結果を示す図である。
図１７に示す電源効率は、放電電力を一次消費電力で割ったもので評価した。Ａ電源（図中、実線）およびＢ電源（図中、一点鎖線）の構成の場合は、いずれも、従来方式（図中、点線）の構成の場合より効率がよい。これは、摺動型伝達部への供給電圧を下げたことで摺動型伝達部での余分な放電を回避することで、熱損失を低減し効率の高い電圧印加装置３０が実現できることを示している。
【００８８】
上述した比較結果によれば、電圧印加装置３０のうちの少なくとも変圧器３３を、その重心が回転軸１３の中心軸に略一致するように、回転軸１３に配置することで、気流発生装置２０に必要な高周波高電圧を、保持側から回転する翼上に、効率的に、低ノイズで、安定的に供給でき、回転場による慣性力下でも信頼性が高くなることがわかった。
【００８９】
また、電圧印加装置３０のうちの少なくとも変圧器３３を、複数のブレード１４に分散配置する場合も、これら変圧器３３の合成された重心が回転軸１３の中心軸に略一致するようになるので、上記と同様に、各ブレード１４に分散配置された気流発生装置２０に必要な高周波高電圧を、保持側から回転する翼上に、効率的に、低ノイズで、安定的に供給でき、回転場による慣性力下でも信頼性が高くなることが容易に思料される。
【００９０】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、様々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００９１】
１０…ファン、１１…ケーシング、１２…軸受、１３…回転軸、１３ａ…端部、１３ｂ…孔、１４…ブレード、１４ａ〜１４ｃ，５６ａ〜５６ｃ…翼、２０…気流発生装置、２１…誘電体、２２，２３…電極、２４…ケーブル、２５…気流、３０…電圧印加装置、３１…ＡＣ／ＤＣ変換部、３２…高周波発生部、３３…変圧器、３４…ケーブル、３５…摺動型伝達部、３５ａ…リング、３５ｂ…ブラシ、３５ｃ…取付軸、３８…配線、４０…ネジ、５０…大型風車、５１…タワー、５２…ナセル、５３…ハブ、５４…ノーズコーン、５５…回転軸、５５ａ…端部、５６…ブレード。
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電圧印加装置、回転機器および電圧印加方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ファン、風車、タービン等の回転機器が有する回転翼の表面に、プラズマによる気流発生装置を配置し、回転場に電圧を供給する電圧供給装置が提案されている。この電圧印加装置は、回転する翼の表面に設置された気流発生装置の第１の電極と、この第１の電極から離間して配置された第２の電極との間に電圧を印加することで、第１の電極と第２の電極間に気流を発生させる。これによって、回転翼の表面の境界層の速度分布に影響を与えて、剥離を抑制したり流速の変動を緩和することで、気流の流れを安定化して騒音や振動を低減し、翼の空気力学的特性が改善される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２９１７９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、気流発生装置に電磁ノイズが混入する恐れがあることが分かった。例えば、回転機器の回転側と固定側とを電気的に接続する摺動型伝達部を介して、高周波高電圧を伝達すると、摺動型伝達部の摺動部は、摺動部の凹凸や押し付け力の不均一性により接触面積や接触抵抗が非定常に変動する。このため、その変動に応じて摺動部付近に微小な放電が発生し、放電による電磁ノイズが発生する。これにより、周辺の他機器へノイズの影響が出るだけでなく、気流発生装置に供給する電力に電磁ノイズが混入することにより、気流発生装置の動作が不安定となり、騒音や振動の低減や効率向上の効果が十分に得られなくなる。また、摺動型伝達部における放電により伝達部が損耗し、ランニングコストを押し上げる要因となる。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、回転機器の動作中でも低ノイズで、安定的に供給できる電圧印加装置、回転機器および電圧印加方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態電圧印加装置は、回転翼の回転軸が回転可能に保持部に保持された回転機器の前記回転翼に配置された気流発生装置において互いに離間して配置された第１および第２の電極の間に電圧を印加する。実施形態の電圧印加装置では、電圧出力部が電圧を出力する。そして、回転軸の回転翼側、保持部側のそれぞれに配置される電極を有する摺動型伝達部が、電圧出力部から出力される電圧を保持部側から回転翼側に伝達する。そして、回転翼側に配置された変圧部が、摺動型伝達部が伝達した電圧を昇圧して気流発生装置に出力する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、回転機器の動作中でも低ノイズで、安定的に供給できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、一実施形態の電圧印加装置の構成を示す側面図である。
【図２】図２は、気流発生装置を模式的に示す斜視図である。
【図３】図３は、図２のＡ−Ａ断面を示す断面図である。
【図４】図４は、電圧印加装置の電気回路の構成を示すブロック図である。
【図５】図５は、実施形態２の電圧印加装置の構成を示す側面図である。
【図６】図６は、実施形態３の電圧印加装置の構成を示す側面図である。
【図７】図７は、図６の回転軸とスリップリングの取付状態を示す拡大断面図である。
【図８】図８は、図１に示したブレードの一実施形態を示す斜視図である。
【図９】図９は、図８に示したブレードに配置した気流発生装置と変圧器の応用例を示す斜視図である。
【図１０】図１０は、一実施形態の風力発電システムの大型風車の一部分を示す斜視図である。
【図１１】図１１は、他の実施形態の風力発電システムの大型風車の一部分を示す斜視図である。
【図１２】図１２は、変圧器をファンの回転軸の端部に配置した場合の図である。
【図１３】図１３は、ファンの雑音スペクトルを示す図である。
【図１４】図１４は、電磁ノイズレベルの比較結果を示す図である。
【図１５】図１５は、騒音スペクトルのうちプラズマによって低減できるピークの強度の比較結果を示す図である。
【図１６】図１６は、振動強度の比較結果を示す図である。
【図１７】図１７は、電源効率の比較結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（実施形態１）
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は一つの実施形態に係る電圧印加装置３０の構成を示す側面図である。
【００１０】
図１に示すように、この電圧印加装置３０は、回転機器であるファン１０に配置されている。このファン１０は、例えば家庭用の小型のファンであり、ケーシング（筺体）１１と、ケーシング１１に取り付けられた軸受（保持部）１２と、軸受１２に回動可能に支持された回転軸１３と、回転軸１３の端部に取り付けられ回転軸１３とともに回転する複数のブレード（回転翼）１４とを有する。複数のブレード１４のうち、少なくとも一つのブレード１４の表面には、ブレード１４上にプラズマを生成する気流発生装置２０が配置され、電圧印加装置３０によって高周波で高い電圧が印加されている。
【００１１】
図２は、気流発生装置２０を模式的に示す斜視図である。図３は、図２のＡ−Ａ断面を示す断面図である。
図２および図３に示すように、気流発生装置２０は、誘電体２１の表面に露出された電極２２（第１の電極）と、この電極２２と誘電体２１の表面からの距離が異なり、かつ誘電体２１の表面と水平な方向にずらして離間され、誘電体２１内に埋設された電極２３（第２の電極）とを有する。その一対の電極２２，２３間には、ケーブル２４を介して電圧を印加する電圧印加装置３０が接続されている。誘電体２１、一対の電極２２，２３は、ブレード１４の表面上に長手方向に沿って延設されている（図１参照）。
【００１２】
この気流発生装置２０において、電圧印加装置３０によって、一対の電極２２，２３の間に、高周波で高い電圧を印加すると、一対の電極２２，２３の間に放電が起こり、この放電に伴って放電プラズマが発生する。ここで、一対の電極２２，２３の間に誘電体２１を介在させているので、アーク放電にはいたらず、安定に維持されることが可能な誘電体バリア放電が生じる。この誘電体バリア放電は、誘電体２１に沿って形成される沿面放電となる。この誘電体バリア放電によって、気流発生装置２０の表面、すなわち誘電体２１の表面に沿って、図２，図３中に示す矢印方向に流れる気流２５を発生できる。この発生された気流２５によって、ブレード１４の周りにおいて流れの剥離抑制や騒音・振動の抑制等の気流制御効果が可能になる。
【００１３】
図４は、電圧印加装置３０の電気回路の構成を示すブロック図である。
図４に示すように、電圧印加装置３０は、交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換部３１と、高周波電圧を発生する高周波発生部３２と、摺動型伝達部３５（図１参照）を介して高周波発生部３２と接続され、高周波高電圧を発生する変圧器３３とを備える。
【００１４】
図１に示すように、ＡＣ／ＤＣ変換部３１は、ケーシング１１に配置されている。ＡＣ／ＤＣ変換部３１は、例えば商用周波数の正弦波低電圧（ＡＣ）を、図示しないダイオード等を介して直流電圧（ＤＣ）に変換する。ＡＣ／ＤＣ変換部３１は、交流電圧を直流電圧に変換する電圧変換部として機能する。なお、交流電圧は、リップルを低く抑えるために３相交流電圧を用いるのが望ましい。
【００１５】
高周波発生部３２は、図１に示すように、ケーシング１１に配置されている。高周波発生部３２は、例えばＩＧＢT（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）やＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を用いたスイッチングにより、供給された直流電圧によって起動して高周波のパルスを発生し、１［ｋＨｚ］〜２０［ｋＨｚ］程度の高周波の交番電圧を生成する。高周波発生部３２は、ケーブル３４を介して摺動型伝達部３５と電気的に接続されている。この高周波発生部３２は、電圧変換部によって変換された直流電圧に基づいて、高周波成分を発生する機能を有する。
【００１６】
摺動型伝達部（例えばスリップリング）３５は、図１に示すように、ファン１０の回転軸１３に取り付けられ、この回転軸１３とともに回転する２つのリング（電極）３５ａと、リング３５ａと組みをなし、高周波発生部３２と電気的に接続された２つのブラシ（摺動接点）３５ｂとを有する。２つのリング３５ａは、回転軸１３においてブレード１４（回転翼）側と、軸受１２（保持部）側に配置されており、互いに電気的に絶縁され、それぞれが変圧器３３に電気的に接続されている。リング３５ａとブラシ３５ｂとの２つの組において、リング３５ａとブラシ３５ｂは、互いに電気的に接触し、高周波発生部３２から出力される高周波交番電圧を変圧器３３に伝達する機能を有する。つまり、摺動型伝達部３５は、軸受１２（保持部）の側からブレード１４（回転翼）の側に電圧を伝達する。なお、回転軸にブラシを配置して、ブラシと電気的に接続されたリングを保持部側に配置してもよい。
【００１７】
変圧器３３は、図１に示すように、リング３５ａよりブレード１４側の回転軸１３に配置されている。変圧器３３は、リング３５ａから伝達された例えば１００［Ｖ］〜４００［Ｖ］の高周波の交番電圧を、数［ｋＶ］の高周波の高電圧に昇圧し、気流発生装置２０に出力する。変圧器３３は、重心がファン１０の回転軸１３の中心軸に略一致するように、回転軸１３上に配置されている。変圧器３３は、摺動型伝達部３５から出力された電圧を高周波高電圧に変換して気流発生装置２０に出力する機能を有する。なお、上述した略一致とは、例えば回転軸１３の中心軸と変圧器３３の重心３３ａ間の距離Ｌが、回転軸１３の中心軸とブレード１４の先端との距離（以下、「翼長」という）Ｌ０の５％以下であることをいう。
【００１８】
すなわち、この実施形態では、変圧器３３を、その重心が回転軸１３の中心軸に略一致するように、例えばこの回転軸１３のブレード１４側の端部の中心軸上に配置し、ＡＣ／ＤＣ変換部３１と高周波発生部３２をファン１０の保持側（ケーシング１１）に配置する。そして、高周波発生部３２が、ＡＣ／ＤＣ変換部３１で生成された直流電圧に基づいて高周波の交番電圧を発生させ、この高周波の交番電圧を摺動型伝達部３５を介して変圧器３３に供給できる。変圧器３３は、摺動型伝達部３５から伝達された高周波の交番電圧を、高周波高電圧に変換して気流発生装置２０に出力する。
【００１９】
この気流発生装置２０では、電圧印加装置３０から高周波高電圧が一対の電極２２，２３間に印加されると、一対の電極２２，２３の間に放電が起こり、この放電に伴って放電プラズマを発生できる。そしてこの発生したプラズマによって、気流発生装置２０の表面（ブレード１４）に沿って気流２５を発生できる。
【００２０】
これにより、この実施形態では、摺動型伝達部３５（リング３５ａ）に高電圧を印加することなしに、気流発生装置２０に高周波高電圧を印加することができる。このため、回転機器の動作中でも高周波高電圧を低ノイズで、安定的に供給できる（後述する実験結果参照）。この結果、気流発生装置の動作が安定し、ブレード１４の周囲での気流の流れを安定化して騒音や振動の低減を実現できる。また、摺動型接点における放電によるノイズの発生を防いだり、接点の損耗を緩和することができる。
【００２１】
また、この実施形態では、重量の大きい変圧器３３を、その重心が回転軸１３の回転軸に略一致するように、回転軸１３に配置している。このため、変圧器３３の支持部や回転中心にかかるモーメントを小さく抑えることができ、耐久性の向上や振動、騒音の低減を実現できる。
また、この実施形態では、電圧印加装置３０に関して、変圧器３３と、それ以外の部分を分離している。そして、変圧器３３のみを回転翼（ブレード１４）側に配置し、それ以外の部分を保持部（軸受１２）側に配置している。このため、回転翼（ブレード１４）側の重量が増加することを抑制できる。また、軸受１２構造簡略化、長寿命化、低コスト化、回転部分モーメントの低減、設計の簡素化を実現できる。
【００２２】
なお、電圧印加装置３０への入力が直流電圧である場合には、ＡＣ／ＤＣ変換部３１の代わりに、この直流電圧を所定電圧値に昇圧するＤＣ／ＤＣ変換部を設置することが可能である。または、電圧印加装置３０へ入力する直流電圧が所定電圧値の場合には、ＡＣ／ＤＣ変換部３１もこのＤＣ／ＤＣ変換部も設置しなくてもよい。
【００２３】
このような構成により、電圧印加装置３０の製造コストの削減とともに、部品点数を削減することも可能となる。例えば後述する風力発電システムの大型風車にこの電圧印加装置３０を用いると、上述した直流電圧を取り出して電圧印加装置３０に入力できる場合があり、上述した電圧印加装置３０の製造コストの低減や部品点数が削減できる。
【００２４】
（実施形態２）
図５は、実施形態２の電圧印加装置３０の構成を示す側面図である。
図５に示すように、ファン１０と気流発生装置２０の構成は、図１と同様であるが、電圧印加装置３０の配置構成が異なっている。すなわち、この電圧印加装置３０は、気流発生装置２０の駆動に必要なＡＣ／ＤＣ変換部３１、高周波発生部３２および変圧器３３のうち、高周波発生部３２と変圧器３３がリング３５ａよりブレード１４側の回転軸１３に配置されている。
【００２５】
高周波発生部３２と変圧器３３は、その合成された重心がファン１０の回転軸１３の中心軸に略一致するように、回転軸１３に配置する。ＡＣ／ＤＣ変換部３１で生成された直流電圧は、摺動型伝達部３５を介して高周波発生部３２に出力される。
【００２６】
つまり、ブラシの耐久性を上げるためには、リング３５ａとブラシ３５ｂの接触面積をできるだけ小さくすることが望ましい。しかし、この接触面積が小さくなると、振動や摩耗等により、瞬間的に電圧の印加が途切れる場合がある。このため、印加の途切れが生じた電圧をそのまま変圧器３３に供給すると、気流発生装置２０へ供給する電圧にも瞬間的な変動が発生し、安定的なプラズマ放電を維持できなくなる。
【００２７】
そこで、摺動型伝達部３５（リング３５ａ）よりブレード１４側の回転軸１３に高周波発生部３２を配置させることで、高周波発生部３２が備える所定の周波数帯域を得るためのフィルタ機能を利用することができる。このフィルタ機能により、直流電圧の瞬間的な変動が、変圧器３３まで伝達されなくなり、気流発生装置２０へ供給する電圧が安定し、安定的なプラズマ放電を維持できる。この結果、気流発生装置２０の表面に沿って気流２５を途切れなく発生できる。この発生された気流２５によって、ブレード１４の安定した回転が可能になる。
なお、この高周波発生部３２と変圧器３３の構造は、後述する図１２（ａ）で詳細に説明する。
【００２８】
ところで、この高周波発生部３２は、所定の周波数帯域を得るためのフィルタ機能を備えているが、このフィルタ機能は別体でもよい。この場合には、フィルタ機能と高周波発生部と変圧器の合成された重心が回転軸１３の中心軸に略一致するように、リング３５ａよりブレード１４側の回転軸１３に配置させる。またはフィルタ機能のみをブレード１４側の回転軸１３に配置させ、高周波発生部３２はファン１０の保持側に配置させることも可能である。なお、上述した略一致とは、例えば中心軸と、高周波発生部３２と変圧器３３との合成された重心間の距離Ｌａが、翼長Ｌ０の５％以下であることをいう。
【００２９】
すなわち、この実施形態では、高周波発生部３２と変圧器３３を、その合成された重心が回転軸１３の中心軸に略一致するように、この回転軸１３に配置し、ＡＣ／ＤＣ変換部３１から出力した直流電圧を、摺動型伝達部３５を介して高周波発生部３２に供給する。
【００３０】
これにより、この実施形態では、瞬間的な電圧の印加途切れが生じても、高周波発生部３２のフィルタ機能により、直流電圧の瞬間的な変動が、変圧器３３まで伝達されなくなり、回転機器の動作中でも高周波高電圧を低ノイズで、安定的に供給できる。この結果、気流発生装置２０への供給電圧が安定し、安定的なプラズマ放電を維持できる。
【００３１】
また、この実施形態では、高周波発生部３２と変圧器３３を、その合成された重心が回転軸１３の中心軸に略一致するように、回転軸１３に配置する。このため、変圧器３３の支持部や回転軸１３の回転中心にかかるモーメントを小さく抑えることができ、耐久性の向上や振動、騒音の低減を実現できる。
なお、本実施形態においては、ＡＣ／ＤＣ変換部３１が保持部（軸受１２）側に配置されている。しかし、ＡＣ／ＤＣ変換部３１を回転翼（ブレード１４）側に配置して、商用周波数の正弦波低電圧（ＡＣ）を、摺動型伝達部３５を介してＡＣ／ＤＣ変換部３１に供給するようにしてもよい。
【００３２】
（実施形態３）
図６は、実施形態３の電圧印加装置３０の構成を示す側面図である。図７は、図６の回転軸１３とスリップリング（摺動型伝達部）３５との取付状態を示す拡大断面図である。
【００３３】
図６、図７に示すように、ファン１０と気流発生装置２０の構成は、図１と同様であるが、電圧印加装置３０の配置構成が異なっている。すなわち、この電圧印加装置３０は、回転軸１３の軸受１２側とは反対側の端部１３ａにスリップリング３５のリング３５ａを取り付け、このリング３５ａにブラシ３５ｂを電気的に接触させ、ＡＣ／ＤＣ変換部３１から出力した直流電圧を、摺動型伝達部３５を介して高周波発生部３２に供給する。
【００３４】
回転軸１３とスリップリング３５の取付状態を説明する。図７に示すように、スリップリング３５のリング３５ａは、取付軸３５ｃの長手方向の一端側に固定されて配置されている。また、回転軸１３の端部１３ａの中央部分には、取付軸３５ｃの一端が嵌合可能な孔１３ｂが設けられている。
【００３５】
取り付け時には、回転軸１３の端部１３ａの孔１３ｂに取付軸３５ｃの長手方向の他端を挿入して嵌合させ、さらにネジ４０を用いて取付軸３５ｃを回転軸１３の端部１３ａに固定することができる。
【００３６】
このように、この実施形態では、回転軸１３の端部１３ａの孔１３ｂに、リング３５ａを固定した取付軸３５ｃを嵌合させる。このため、リング３５ａを回転軸１３に直接取り付けた図１の場合に比べ、リング３５ａの回転半径を小さくすることができ、１回転あたりの摺動距離を短くすることができる。図１の場合は、回転軸１３はファン１０の回転構造を機械的に支持する必要があるため、必要な太さをもった丸棒状のものになる。これに図１のようにスリップリング３５を設置する場合、リング３５ａの直径は丸棒の直径より大きくする必要があり、１回転あたりの摺動距離が大きくなる。図７のようにすればスリップリング３５を取り付ける丸棒は３５ｃのようになり、この丸棒はスリップリング３５の回転構造のみを支持する強度があればよい。このため、細い丸棒を使用でき、これに取り付けるリング３５ａの直径も小さくでき、１回転あたりの摺動距離が短くなる。
これにより、同じ回転数で回転軸１３を回転させた時のブラシ３５ｂの摩耗率を図１の場合より低減することができ、摺動型伝達部３５の使用寿命を向上させることができる。
【００３７】
また、この実施形態では、実施形態１と同様に、回転機器の動作中でも高周波高電圧を低ノイズで、安定的に供給できる。
また、この実施形態でも、高周波発生部３２と変圧器３３を、その合成された重心が回転軸１３の中心軸に略一致するように、回転軸１３に配置している。このため変圧器３３の支持部や回転軸１３の回転中心にかかるモーメントを小さく抑えることができ、耐久性の向上や振動、騒音の低減を図ることができる。
【００３８】
なお、この実施形態でも、上述した略一致とは、実施形態２と同様に、例えば中心軸と、高周波発生部３２と変圧器３３との合成された重心間の距離Ｌａが、翼長Ｌ０の５％以下であることをいう（図５参照）。
また、本実施形態では、ＡＣ／ＤＣ変換部３１が保持部（軸受１２）側に配置されている。しかし、ＡＣ／ＤＣ変換部３１を回転翼（ブレード１４）側に配置し、商用周波数の正弦波低電圧（ＡＣ）を、摺動型伝達部３５を介してＡＣ／ＤＣ変換部３１に供給するようにしてもよい。
【００３９】
（実施形態４）
図８は、図１に示したブレードの一実施形態を示す斜視図である。
図１に示したファン１０のブレード１４は、例えば図８に示すように、回転軸１３の半径方向に互いが等しい角度になるように、回転軸１３に配設された複数の翼であり、実施形態では３つの翼１４ａ〜１４ｃを有する。これらの翼１４ａ〜１４ｃは、回転軸１３と一体的に構成されている。なお、この実施形態におけるファン１０のブレード１４は、３つの翼で構成されるが、これに限定されるものではない。
【００４０】
各翼１４ａ〜１４ｃの表面上には、気流発生装置２０がそれぞれ配置されるとともに、この気流発生装置２０の近傍に変圧器３３がそれぞれ配置されて、気流発生装置２０と電気的に接続されている。これらの変圧器３３のそれぞれは、その合成された重心が回転軸１３の中心軸に略一致するように、各翼１４ａ〜１４ｃに配置されている。この実施形態では、例えば変圧器３３がほぼ同じ重さで回転軸１３の中心軸から略等間隔になるように、各翼１４ａ〜１４ｃにそれぞれ配置させることで、上述した合成された重心を回転軸１３の中心軸に略一致させることができる。
【００４１】
なお、略一致とは、例えば回転軸１３の中心軸と、各翼１４ａ〜１４ｃの変圧器３３の合成重心間の距離をＬ１１とし、翼長をＬ０とすると、Ｌ１１／Ｌ０≦５／１００とすることをいう。
【００４２】
また、略等間隔とは、例えば回転軸１３の中心軸から各翼１４ａ〜１４ｃの変圧器３３までの距離を、それぞれＬ１１／Ｌ０≦１／５、Ｌ１２／Ｌ０≦１／５、Ｌ１３／Ｌ０≦１／５とすることをいう。
【００４３】
この実施形態では、３つの気流発生装置２０に重量の大きい１つの変圧器３３から高周波高電圧を供給する場合に比べ、小型で重量の軽い３つの変圧器３３からそれぞれの気流発生装置２０に高周波高電圧を供給できる。このため、重量の分散が可能となって、変圧器３３の支持部や回転軸１３の回転中心にかかるモーメントを小さく抑えることができ、耐久性の向上や振動、騒音の低減を実現できる。この結果、回転機器の動作中でも高周波高電圧を低ノイズで、安定的に供給できる。
【００４４】
また、この実施形態では、各変圧器３３を気流発生装置２０の近傍にそれぞれ配置できるので、変圧器３３と気流発生装置２０を接続するための配線３８が最小限に短縮でき、この配線からのノイズの侵入を防ぐことができる。この結果、回転機器の動作中でも高周波高電圧を低ノイズで、さらに安定的に供給できる。
【００４５】
（応用例）
図９は、図８に示したブレード１４に配置した気流発生装置２０と変圧器３３の応用例を示す斜視図である。この応用例では、図８と気流発生装置２０と変圧器３３の配置構成が異なっている。
【００４６】
すなわち図９に示すように、この応用例では、各翼１４ａ〜１４ｃに配置された気流発生装置を分割、例えば３つの気流発生装置２０ａ〜２０ｃに分割してそれぞれ配置されている。これとともに、その気流発生装置２０ａ〜２０ｃの近傍に変圧器３３ａ〜３３ｃがそれぞれ配置されており、変圧器３３ａ〜３３ｃが気流発生装置２０ａ〜２０ｃと電気的に接続されている。
【００４７】
複数の変圧器３３ａ〜３３ｃは、例えば各翼１４ａ〜１４ｃにおける各変圧器３３ｂの重心を求め、その求めたそれぞれの重心をさらに合成した重心が回転軸１３の中心軸に略一致するように、各翼１４ａ〜１４ｃにそれぞれ配置されている。この実施形態では、例えば変圧器３３ａ〜３３ｃがほぼ同じ重さで回転軸１３の中心軸からそれぞれ略等間隔になるように、各翼１４ａ〜１４ｃにそれぞれ配置させることで、上述した合成された重心を回転軸１３の中心軸に略一致させることができる。
【００４８】
なお、この応用例では、各翼１４ａ〜１４ｃに配置された気流発生装置２０を、３つに分割して構成されるが、これに限定されるものではない。また、この応用例でも、略一致とは、実施形態４と同様に、例えば回転軸１３の中心軸と、各翼１４ａ〜１４ｃの合成変圧器３３ｂの重心間の距離をＬ１ａとし、翼長をＬ０とすると、Ｌ１ａ／Ｌ０≦５／１００とすることをいう。
【００４９】
また、略等間隔とは、例えば回転軸１３の中心軸から各翼１４ａ〜１４ｃの変圧器３３までの距離を、それぞれＬ１ａ／Ｌ０≦１／５、Ｌ１ｂ／Ｌ０≦１／５、Ｌ１ｃ／Ｌ０≦１／５とすることをいう。
【００５０】
この応用例では、上述した図８に示した変圧器３３よりもさらに小型で重量の小さい変圧器３３を用いることができ、重量の分散が可能となる。このため、変圧器３３の支持部や回転中心にかかるモーメントを小さく抑えることができ、耐久性の向上や振動、騒音の低減を図ることができる。この結果、回転機器の動作中でも高周波高電圧を低ノイズで、安定的に供給できる。
【００５１】
また、この応用例では、１つの翼においても気流発生装置２０や変圧器３３を分割して配置することができる。このため、図８に示した実施形態４の気流発生装置２０や変圧器３３よりも小型で重量の小さい、低コストの気流発生装置と変圧器を用いることができる。
【００５２】
（実施形態５）
図１０は、一実施形態のＭＷ（メガワット）級の風力発電システムの大型風車５０の一部分を示す斜視図である。
図１０に示すように、大型風車５０は、図示しない地面に垂直に設置された円筒形のタワー５１と、このタワー５１の頂部に取り付けられた、図示しない発電機などを収容する略長方体のナセル５２を有する。さらに、ナセル５２の先端には、ハブ５３とノーズコーン５４がナセル５２の一端に配設されている。ハブ５３の中心部分には、ナセル５２から突出した回転軸５５が設けられ、ノーズコーン５４の外周面（またはハブ５３）には、ブレード５６が配置されている。ハブ５３とノーズコーン５４は、回転軸５５とともに、回転する。
【００５３】
このブレード５６は、例えば３つの翼５６ａ〜５６ｃを有し、これらの翼５６ａ〜５６ｃの表面上には、翼の長手方向に沿って気流発生装置２０がそれぞれ延設されている。これらの翼５６ａ〜５６ｃは、ノーズコーン５４の外周面に互いが略等角度になるように配設されている。なお、大型風車５０のブレード５６は、一般的には３つの翼５６ａ〜５６ｃで構成されるが、これに限定されるものではない。
【００５４】
回転軸５５のノーズコーン５４側の端部５５ａには、変圧器３３と摺動型伝達部３５が配置されている。
変圧器３３は、重量が大きく、重心が発電機（大型風車５０）の回転軸５５の中心軸に略一致するように、回転軸５５の端部５５ａやハブ５３の中心部に配置されている。なお、上述した略一致とは、実施形態１と同様に、例えば回転軸５５の中心軸と変圧器３３の重心間の距離Ｌが、ブレード５６の翼長Ｌ０（図示せず）の５％以下であることをいう（図１参照）。
【００５５】
摺動型伝達部３５は、実施形態１と同様に、回転軸５５の中心部に配置されている。なお、摺動型伝達部３５は、回転半径が小さく、重量も小さいので、回転軸１３の回転中心にかかるモーメントに影響を与えることはない。
【００５６】
すなわち、この実施形態では、変圧器３３を、その重心が回転軸５５の中心軸に略一致するように、この回転軸５５の端部５５ａの中心部に配置し、ＡＣ／ＤＣ変換部３１と高周波発生部３２を大型風車５０の保持側（ナセル５２）に配置する。そして、高周波発生部３２が、ＡＣ／ＤＣ変換部３１で生成された直流電圧に基づいて高周波の交番電圧を発生させ、この高周波の交番電圧を、摺動型伝達部３５を介して変圧器３３に供給することができる。変圧器３３は、摺動型伝達部３５からの高周波の交番電圧を、高周波高電圧に変換して気流発生装置２０に出力する。
【００５７】
この気流発生装置２０では、電圧印加装置３０からの高周波高電圧が一対の電極２２，２３の間（図２、図３参照）に印加されると、その一対の電極２２，２３の間に放電が起こり、この放電に伴って放電プラズマを発生できる。そして、この発生したプラズマによって、気流発生装置２０の表面（ブレード５６）に沿って気流２５（図２、図３参照）を発生できる。
【００５８】
この大型風車５０において、気流発生装置２０用の電圧印加装置の出力は、数［ｋＷ］程度になり、変圧器３３の大きさや重量は、従来の風車のノーズコーン５４内部の機器と比較して大きい。
【００５９】
そこで、この実施形態では、変圧器３３を、その重心が回転軸５５の中心軸に略一致するように、この回転軸５５のノーズコーン５４側の端部５５ａの中心部に配置する。このため、図示しない風車ロータの慣性モーメントの増大を抑え、風車回転の時定数の増大を抑え、風速・風向変動やカットイン・カットアウト時の大型風車５０の追従性を保持できる。
【００６０】
これにより、この実施形態では、摺動型伝達部３５（リング３５ａ）に高電圧を印加することなしにブレード１４上にプラズマを発生することができるとともに、耐久性の向上や振動、騒音の低減、空力性能の向上等を実現できる。この結果、回転機器の動作中でも高周波高電圧を低ノイズで、安定的に供給できる。
【００６１】
なお、この実施形態では、変圧器３３のみを、その重心が回転軸５５の中心軸に略一致するように、この回転軸５５の端部５５ａの中心部に配置したが、これに限定されるものではなく、図５と同様に、高周波発生部３２をこの回転軸５５の端部５５ａに配置してもよい。
また、本実施形態では、ＡＣ／ＤＣ変換部３１と高周波発生部３２を保持部（軸受１２）側に配置した。しかし、ＡＣ／ＤＣ変換部３１または高周波発生部３２またはその両者を回転翼（ブレード１４）側に配置してもよい。
【００６２】
（実施形態６）
図１１は、他の実施形態のＭＷ（メガワット）級の風力発電システムの大型風車５０の一部分を示す斜視図である。
【００６３】
図１１に示すように、大型風車５０と気流発生装置２０の構成は、図１０と同様であるが、電圧印加装置３０の配置構成が異なっている。
すなわち、この実施形態では、例えば変圧器３３がほぼ同じ重さで回転軸５５の中心軸から略等間隔になるように、各翼５６ａ〜５６ｃがノーズコーン５４に取り付けられている、その根元部にそれぞれ配置させることで、各変圧器３３の合成された重心が回転軸５５の中心軸に略一致させる。
【００６４】
さらに、この実施形態では、摺動型伝達部３５を回転軸５５のノーズコーン５４側の端部５５ａの中心部に配置させ、摺動型伝達部３５の重心を回転軸５５の中心軸に略一致させている。
【００６５】
なお、略一致とは、例えば回転軸１３の中心軸と、各翼１４ａ〜１４ｃの変圧器３３の合成重心間の距離をＬ１１とし、翼長をＬ０とすると、Ｌ１１／Ｌ０≦５／１００とすることをいう。
【００６６】
また、略等間隔とは、例えば回転軸１３の中心軸から各翼１４ａ〜１４ｃの変圧器３３までの距離を、それぞれＬ１１／Ｌ０≦１／５、Ｌ１２／Ｌ０≦１／５、Ｌ１３／Ｌ０≦１／５とすることをいう。
【００６７】
また、１枚の翼上に複数の電極を配置してそれぞれ異なる放電の制御をする場合、各電極に対して電源を設置する必要がある。たとえば３本の電極を３台の電源で駆動する場合等である。その場合は図１１で電源３３が設置されている円筒状翼根の周上に、略等間隔で３台の電源を設置することで、翼のピッチ制御時に翼根を回転させる際の重心のバランスを損なわないようにすることが可能になる。この場合、各翼に設置されている電源の合成された重心どうしをさらに全翼について合成した総重心が、回転軸の中心軸に略一致するように配置する。
【００６８】
この実施形態では、各変圧器３３を、その合成した重心が回転軸５５の中心軸に略一致するように、ブレード５６の根元部にそれぞれ配置している。このため、図示しない風車ロータの慣性モーメントの増大を抑え、風車回転の時定数の増大を抑え、風速・風向変動やカットイン・カットアウト時の大型風車５０の追従性を保持できる。
【００６９】
これにより、この実施形態では、摺動型伝達部３５（リング３５ａ）に高電圧を印加することなしにブレード１４上にプラズマを発生することができるとともに、耐久性の向上や振動、騒音の低減を実現できる。この結果、回転機器の動作中でも高周波高電圧を低ノイズで、安定的に供給できる。
【００７０】
次に、上述した実施形態の着想に到る根拠となった実験の結果について説明する。
この実験では、図５に示した構成のファン（回転数＝５００［ｒｐｍ］）、高周波高電圧（１５［ｋＨｚ］、Ｖｏｐ＝３［ｋＶ］）の電源（１００［Ｗ］、３［ｋｇ］）を準備して検証を行った。なお、変圧器３３の重量は１［ｋｇ］、高周波発生部３２の重量は０．２［ｋｇ］であった。
【００７１】
まず、ファンの騒音低減を狙った実験の結果を図１２〜図１７に示す。
ファンの騒音は回転する翼の後縁付近の速度変動によって発生すると考えられる。そこで、ファンの翼後縁付近に気流発生装置を設置して、ファンの近傍における騒音をマイクロホンで計測してプラズマの効果を調べた。
【００７２】
電圧印加装置の構成としては、ＡＣ／ＤＣ変換部、高周波発生部、変圧器をファンの保持側に配置して、高周波高電圧を、摺動型伝達部を介してファンの回転側に伝達する従来方式、後述するＡ電源およびＢ電源の場合で調べた。
【００７３】
図１２は、変圧器３３をファンの回転軸の端部に配置した図で、（ａ）は変圧器３３をこの端部の中心軸上に配置した電圧印加装置（以下、「Ａ電源」という）を用いた場合の図、（ｂ）は変圧器３３をこの端部の中心軸から外して配置した電圧印加装置（以下、「Ｂ電源」という）を用いた場合の図である。
【００７４】
図１２（ａ）に示すように、Ａ電源の場合は、変圧器３３を、その重心が回転軸の中心軸に略一致するように、ファンの回転軸の端部の中心軸上に配置した構成である（図５の構成と同様）。また、図中の高周波発生部３２は、回転軸１２（図５参照）の端部に、同心円上に設置可能な円板形状の基板に形成されており、その重心が回転軸の中心軸に略一致するように配置され、変圧器３３はこの基板上に搭載されている（図１２（ｂ）も同様）。また、回転軸１３にスリップリング（図５参照）を配置して、保持側から回転側への電圧供給を可能にした（図１２（ｂ）も同様）。
【００７５】
また、図中の符号６０〜６２は、ダイオードや抵抗等の高周波高電圧を発生するための回路素子である。これら回路素子は、軽量であるので、回転軸１３の回転中心にかかるモーメントへの影響を無視できる（図１２（ｂ）も同様）。
ここで、電圧印加装置３０を駆動させると、プラズマが安定に生成できた。ファンの回転数を１５００［ｒｐｍ］まで増加させてもプラズマは安定に生成できている。
【００７６】
また、図１２（ｂ）に示すように、Ｂ電源の場合は、変圧器３３を、その重心が回転軸の中心軸に略一致しないように、ファンの回転軸の端部の中心軸から外して配置した構成である。このＢ電源の場合には、重量の大きい変圧器３３がこの回転軸の端部の中心軸から外れているので、回転軸１３の回転中心にかかるモーメントへの影響が現れると考えられる。
【００７７】
気流発生装置のプラズマ電極（図２に示した一対の電極２２，２３参照）は、厚さ２５０［μｍ］のポリイミド樹脂上に、表面電極をスパン方向へ一様に形成した。表面電極の放電長は、翼１枚あたり１００［ｍｍ］である。プラズマ誘起流が翼の後縁にむけて生じるように、電極を設置した。電極は翼の表裏両面に設置した。これらの条件は、上述した従来方式の構成の場合、Ａ電源の構成の場合、Ｂ電源の構成の場合で、ともに同じである。
【００７８】
まず、本願発明者らは、Ａ電源の構成で、ファンの翼から３０［ｃｍ］の位置に設置したマイクロホン（図示せず）で、放電あり・放電なしでの騒音スペクトルを求めて比較した。
図１３は、ファンの雑音スペクトルを示す図である。
【００７９】
図１３に示すように、この実験では、ファンの回転数が５００［ｒｐｍ］の条件で、プラズマ放電なしの時（図中の点線部分）に発生する雑音のピークが、プラズマ放電ありの時（図中の実線部分）に、一点鎖線で囲んだような雑音のピークの低減を観測できた。これにより、プラズマ気流制御により回転翼の騒音を低減できることが明らかになった。
【００８０】
次に、本願発明者らは、上述した従来方式の構成の場合、Ａ電源の構成の場合、Ｂ電源の構成の場合の、電磁ノイズレベル、騒音スペクトルのうちプラズマによって低減できるピークの強度、振動強度および電源効率（放電電力／一次消費電力）をそれぞれ求めて比較した。なお、以下の図１４〜図１７において、点線は従来方式の構成、実線はＡ電源の構成、一点鎖線はＢ電源の構成の場合を示す。
【００８１】
図１４は、電磁ノイズレベルの比較結果を示す図である。
図１４に示すように、電磁ノイズレベルは、Ａ電源（実線）およびＢ電源（一点鎖線）の構成の場合が従来方式（点線）の構成の場合より明らかに低くなっており、これは摺動型伝達部への供給電圧を下げたことで、電磁ノイズが低減していることを示している。
【００８２】
図１５は、騒音スペクトルのうちプラズマによって低減できるピークの強度の比較結果を示す図である。
図１５に示すように、Ａ電源（実線）の構成の場合は安定的にピーク強度を低減できているのに対し、Ｂ電源（一点鎖線）の構成の場合では徐々にピーク強度が増加して、途中で急激に騒音が大きくなっている。これは、変圧器３３が回転軸の中心軸上にないために５００［ｒｐｍ］の状態では振動による騒音が大きく、これがターゲットとする空力騒音に重畳されているためである。
【００８３】
また、急激に増加した時点ではＢ電源の構成の場合で変圧器３３固定部が破壊寸前となり、ついに破壊にいたったため、試験を停止した。従来方式（点線）の構成の場合は安定しているがＡ電源の構成の場合に比べて騒音が大きい。これは摺動型伝達部における放電音が重畳されているからである。以上の結果は、摺動型伝達部への供給電圧を下げ、変圧器３３を回転軸の中心軸上に配置することで、騒音のピーク強度を安定的に低減できることを示している。
【００８４】
図１６は、振動強度の比較結果を示す図である。
図１６に示す振動強度は、ファン１０のケーシング１１（図５参照）に設置した図示しない加速度計で計測した。
【００８５】
Ｂ電源（図中、一点鎖線）の構成の場合は他の構成（図中、点線および実線）の場合に比べて振動が大きく、徐々に振動強度が増加して、途中で急激に振動が大きくなっている。これは、変圧器３３が回転軸１３の中心軸上にないために、ファン１１（図５参照）の回転数が５００「ｒｐｍ」の状態では振動が大きいためである。
【００８６】
また、急激に増加した時点では、Ｂ電源の変圧器３３固定部が破壊寸前となり、ついに破壊にいたったため、試験を停止した。以上の結果は、変圧器３３を回転軸の中心軸上に配置することで、振動を低減して信頼性の高い電圧印加装置３０が実現できることを示している。
【００８７】
図１７は、電源効率の比較結果を示す図である。
図１７に示す電源効率は、放電電力を一次消費電力で割ったもので評価した。Ａ電源（図中、実線）およびＢ電源（図中、一点鎖線）の構成の場合は、いずれも、従来方式（図中、点線）の構成の場合より効率がよい。これは、摺動型伝達部への供給電圧を下げたことで摺動型伝達部での余分な放電を回避することで、熱損失を低減し効率の高い電圧印加装置３０が実現できることを示している。
【００８８】
上述した比較結果によれば、電圧印加装置３０のうちの少なくとも変圧器３３を、その重心が回転軸１３の中心軸に略一致するように、回転軸１３に配置することで、気流発生装置２０に必要な高周波高電圧を、保持側から回転する翼上に、効率的に、低ノイズで、安定的に供給でき、回転場による慣性力下でも信頼性が高くなることがわかった。
【００８９】
また、電圧印加装置３０のうちの少なくとも変圧器３３を、複数のブレード１４に分散配置する場合も、これら変圧器３３の合成された重心が回転軸１３の中心軸に略一致するようになるので、上記と同様に、各ブレード１４に分散配置された気流発生装置２０に必要な高周波高電圧を、保持側から回転する翼上に、効率的に、低ノイズで、安定的に供給でき、回転場による慣性力下でも信頼性が高くなることが容易に思料される。
【００９０】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、様々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００９１】
１０…ファン、１１…ケーシング、１２…軸受、１３…回転軸、１３ａ…端部、１３ｂ…孔、１４…ブレード、１４ａ〜１４ｃ，５６ａ〜５６ｃ…翼、２０…気流発生装置、２１…誘電体、２２，２３…電極、２４…ケーブル、２５…気流、３０…電圧印加装置、３１…ＡＣ／ＤＣ変換部、３２…高周波発生部、３３…変圧器、３４…ケーブル、３５…摺動型伝達部、３５ａ…リング、３５ｂ…ブラシ、３５ｃ…取付軸、３８…配線、４０…ネジ、５０…大型風車、５１…タワー、５２…ナセル、５３…ハブ、５４…ノーズコーン、５５…回転軸、５５ａ…端部、５６…ブレード。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転翼の回転軸が回転可能に保持部に保持された回転機器の前記回転翼に配置される気流発生装置において互いに離間して配置された第１および第２の電極の間に電圧を印加する電圧印加装置であって、
電圧を出力する電圧出力部と、
前記回転軸の前記回転翼側と前記保持部側とのそれぞれに配置される電極を有し、前記保持部側から供給される電圧を前記保持部側から前記回転翼側に伝達する摺動型伝達部と、
前記回転翼側に配置され、前記摺動型伝達部が伝達した電圧を昇圧して前記気流発生装置に出力する変圧部と、を具備することを特徴とする電圧印加装置。
【請求項２】
前記電圧出力部は、
商用周波数の電圧を直流電圧に変換する電圧変換部と、
前記電圧変換部によって変換された直流電圧に基づいて交番電圧を発生する交番電圧発生部と、
を具備することを特徴とする請求項１記載の電力印加装置。
【請求項３】
前記電圧出力部を前記保持部側に備えることを特徴とする請求項１記載の電力印加装置。
【請求項４】
前記電圧出力部を前記回翼部側に備えることを特徴とする請求項１記載の電力印加装置。
【請求項５】
前記電圧出力部のうち前記交番電圧発生部を前記回転翼側に備えることを特徴とする請求項２記載の電力印加装置。
【請求項６】
前記電圧出力部のうち回転翼側に設置される機器と、前記変圧部と、前記気流発生装置の合成された重心が、前記回転軸の中心軸に略一致するように、前記回転軸側に配置されることを特徴とする請求項１記載の電力印加装置。
【請求項７】
前記変圧部は、その重心が前記回転軸の中心軸に略一致するように、前記回転軸に配置されることを特徴とする請求項１記載の電圧印加装置。
【請求項８】
前記回転翼は、少なくとも２つの翼を有し、
前記気流発生装置および前記変圧部は、その合成された重心が前記回転軸の中心軸に略一致するように、前記翼にそれぞれ配置されることを特徴とする請求項１記載の電圧印加装置。
【請求項９】
前記回転翼は、少なくとも２つの翼を有し、
前記気流発生装置および前記変圧部は、同じ重さで前記回転軸の中心軸から略等間隔になるように、前記翼にそれぞれ配置されることを特徴とする請求項１記載の電圧印加装置。
【請求項１０】
前記摺動型伝達部にて、前記電極は、リングと、前記リングに電気的に接触するブラシとを有することを特徴とする請求項１記載の電圧印加装置。
【請求項１１】
前記請求項１から１０のいずれかに記載の電圧印加装置を具備することを特徴とする回転機器。
【請求項１２】
回転翼の回転軸が回転可能に保持部に保持された回転機器の前記回転翼に配置される気流発生装置において互いに離間して配置された第１および第２の電極の間に電圧を印加する電圧印加方法であって、
電圧出力部が、電圧を出力し、
前記回転軸の前記回転翼側と前記保持部側とのそれぞれに配置される電極を有する摺動型伝達部が、前記保持部側から供給される電圧を伝達し、
前記回転翼側に配置された変圧部が、前記伝達された電圧を昇圧して前記気流発生装置に出力することを特徴とする電圧印加方法。
【請求項１】
回転翼の回転軸が回転可能に保持部に保持された回転機器の前記回転翼に配置される気流発生装置において互いに離間して配置された第１および第２の電極の間に電圧を印加する電圧印加装置であって、
電圧を出力する電圧出力部と、
前記回転軸の前記回転翼側と前記保持部側とのそれぞれに配置される電極を有し、前記保持部側から供給される電圧を前記保持部側から前記回転翼側に伝達する摺動型伝達部と、
前記回転翼側に配置され、前記摺動型伝達部が伝達した電圧を昇圧して前記気流発生装置に出力する変圧部と、を具備することを特徴とする電圧印加装置。
【請求項２】
前記電圧出力部は、
商用周波数の電圧を直流電圧に変換する電圧変換部と、
前記電圧変換部によって変換された直流電圧に基づいて交番電圧を発生する交番電圧発生部と、
を具備することを特徴とする請求項１記載の電力印加装置。
【請求項３】
前記電圧出力部を前記保持部側に備えることを特徴とする請求項１記載の電力印加装置。
【請求項４】
前記電圧出力部を前記回翼部側に備えることを特徴とする請求項１記載の電力印加装置。
【請求項５】
前記電圧出力部のうち前記交番電圧発生部を前記回転翼側に備えることを特徴とする請求項２記載の電力印加装置。
【請求項６】
前記電圧出力部のうち回転翼側に設置される機器と、前記変圧部と、前記気流発生装置の合成された重心が、前記回転軸の中心軸に略一致するように、前記回転軸側に配置されることを特徴とする請求項１記載の電力印加装置。
【請求項７】
前記変圧部は、その重心が前記回転軸の中心軸に略一致するように、前記回転軸に配置されることを特徴とする請求項１記載の電圧印加装置。
【請求項８】
前記回転翼は、少なくとも２つの翼を有し、
前記気流発生装置および前記変圧部は、その合成された重心が前記回転軸の中心軸に略一致するように、前記翼にそれぞれ配置されることを特徴とする請求項１記載の電圧印加装置。
【請求項９】
前記回転翼は、少なくとも２つの翼を有し、
前記気流発生装置および前記変圧部は、同じ重さで前記回転軸の中心軸から略等間隔になるように、前記翼にそれぞれ配置されることを特徴とする請求項１記載の電圧印加装置。
【請求項１０】
前記摺動型伝達部にて、前記電極は、リングと、前記リングに電気的に接触するブラシとを有することを特徴とする請求項１記載の電圧印加装置。
【請求項１１】
前記請求項１から１０のいずれかに記載の電圧印加装置を具備することを特徴とする回転機器。
【請求項１２】
回転翼の回転軸が回転可能に保持部に保持された回転機器の前記回転翼に配置される気流発生装置において互いに離間して配置された第１および第２の電極の間に電圧を印加する電圧印加方法であって、
電圧出力部が、電圧を出力し、
前記回転軸の前記回転翼側と前記保持部側とのそれぞれに配置される電極を有する摺動型伝達部が、前記保持部側から供給される電圧を伝達し、
前記回転翼側に配置された変圧部が、前記伝達された電圧を昇圧して前記気流発生装置に出力することを特徴とする電圧印加方法。
【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２０１２−２５５４３２（Ｐ２０１２−２５５４３２Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−７０１９０（Ｐ２０１２−７０１９０）
【出願日】平成２４年３月２６日（２０１２．３．２６）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２２年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「省エネルギー革新技術開発事業／先導研究／動的流れ場に対するプラズマ気流制御最適化の研究開発」業務委託、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年３月２６日（２０１２．３．２６）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２２年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「省エネルギー革新技術開発事業／先導研究／動的流れ場に対するプラズマ気流制御最適化の研究開発」業務委託、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]