風力発電システム、永久磁石の配置構造および電気・力変換装置
【課題】 微風に対しても羽根車の回転が停止せず、効率よく発電することができる風力発電システムを提供する。
【解決手段】 フレームと、そのフレームによって回転自在に支持される羽根車１２と、羽根車１２に設けた、その回転中心から等距離で配列される複数個の永久磁石３１と、フレームに設けた環状に配列されるコイル群３２とからなる風力発電システム１０。永久磁石３１とコイル群３２とが近接して相対的に運動することにより、リニアモータと逆の作用でコイル群３２が電力を発生する。コイル群３２はフレームに設けたリングに取り付け、永久磁石３１は羽根車の縦羽根２６の下端に設ける。
【解決手段】 フレームと、そのフレームによって回転自在に支持される羽根車１２と、羽根車１２に設けた、その回転中心から等距離で配列される複数個の永久磁石３１と、フレームに設けた環状に配列されるコイル群３２とからなる風力発電システム１０。永久磁石３１とコイル群３２とが近接して相対的に運動することにより、リニアモータと逆の作用でコイル群３２が電力を発生する。コイル群３２はフレームに設けたリングに取り付け、永久磁石３１は羽根車の縦羽根２６の下端に設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は風力発電システム、永久磁石の配置構造および電気・力変換装置に関する。さらに詳しくは、リニアモータの原理を発電機して採用した風力発電システムならびにその風力発電システムに好適に採用しうる永久磁石の配置構造および電気・力変換装置に関する。なお、ここにいう「電気・力変換装置」とは、機械的エネルギ力を電気エネルギに変換する発電機能を備えた装置と、電気的エネルギを機械的エネルギに変換するモータ（原動機）機能を備えた装置の両方、ならびに操作によって両方の機能を発揮する装置を含む概念である。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】特公平３−１００３７号公報
【０００３】
特許文献１には、羽根車の軸をリングギヤに連結し、そのリングギヤと内接する複数個の遊星ギヤを介して羽根車の軸心と同心状に配置される太陽ギヤを回転させ、その太陽ギヤの軸を発電機に連結した風力発電装置が開示されている。これらのリングギヤ、遊星ギヤ、太陽ギヤは遊星歯車減速機を構成しており、リングギヤに連結される羽根車の回転は、その減速機で増速されて発電機に伝えられる。それにより風力が弱く、羽根車の回転数が少ない場合でも、効率よく発電機を作動させることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
風力発電装置が利用する風は、自然現象であり、弱風の状態から強風の状態まで、かなり変動が大きい。そのため、風力発電装置にはその変動に対して機敏に対応できることが求められる。従来の風力発電機では、そのような広範囲の風力の変動に対応するため、広範囲の回転数に対応できる性能の発電機が採用されているが、微風から強風まで広く対応できる発電機は実用化されていない。前述の特公平３−１００３７号公報の風力発電装置は遊星歯車減速機の出力側であるリングギヤに入力し、太陽ギヤ側から出力させることで効率的な増速作用を得ることを意図しているが、微風の状態ではトルクが足らず、一旦止まってしまう。そのため、静止摩擦抵抗を超える強い風が吹き始めるまで、発電することができない。また、周辺部の縦羽根から中心軸まで支持棒などでトルクを伝達する必要があるので、羽根車の重量が重くなる。そのため微風での回転が一層困難である。
【０００５】
本発明は、従来の装置では止まってしまうような微風に対しても羽根車の回転が停止せず、効率よく発電することができる風力発電システムを提供することを技術課題としている。さらに本発明はそのような風力発電システムに好適に用いられる電気・力変換装置を提供することを技術課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の風力発電システム（請求項１）は、フレームと、そのフレームによって回転自在に支持される羽根車と、その羽根車またはフレームのうち、いずれか一方に羽根車の回転中心から等距離で配列される複数個の界磁用磁石（磁界磁石）と、他方に環状に配列されるコイル群とからなり、前記界磁用磁石とコイル群とが近接して相対的に運動することにより、リニアモータと逆の作用でコイル群が電力を発生するように構成していることを特徴としている。界磁用磁石は永久磁石でもよく、電磁石でもよい。
【０００７】
このような風力発電システムにおいては、前記界磁用磁石が羽根車の外周部近辺ないし中間部に環状に配列されており、前記フレームにおけるそれらのコイル群と近接する位置に、リング状の部材が設けられ、そのリング状の部材に前記コイル群が取り付けられているものが好ましい（請求項２）。界磁用磁石は周方向に間隔をあけて設けるのが好ましい。
【０００８】
さらに前記コイル群が取りつけられているリング状の部材が、羽車に環状に取りつけられる界磁用磁石を内周側および外周側から挟むように一対で設けられており、内周のコイル群および外周のコイル群が、交流を発生させるように、それぞれ交互にまたは循環的に配列される複数のコイル群を備えており、内周の特定の位相のコイル群と、その位相に対応する位相の外周のコイル群とが周方向にずれて配列されるとともに、内周のコイル群と、そのコイル群と対応する位相のコイル群とが、直列に接続されているものが好ましい（請求項３）。
【０００９】
また、前記内周および外周のコイル群が、３相交流を発生させるように、それぞれ循環的に配列される第１コイル群、第２コイル群および第３コイル群を備えており、内周の第１コイル群が外周の第２コイル群または第３コイル群と対向するように互いにずれているものが好ましい（請求項４）。また、前記リング状の部材が、上下方向に重ねられた複数枚の金属からなるコアと、その外周に巻き付けられる導線からなるコイル群と、それらを一体に固める合成樹脂とからなる所定の長さのリング片を複数個、リング状に連結したものであるものが好ましい（請求項５）。
【００１０】
さらに前記羽根車の外周部または途中部分とフレームとの間に、羽根車の回転を許しながら羽根車の重量の少なくとも一部を支持する円環状の支持手段が介在されている風力発電システム（請求項６）が好ましい。
【００１１】
そのような支持手段は、フレームと羽根車のうち、いずれか一方に設けられる転動体群と、他方に設けられ、転動体群と接触する走行路とから構成することができる（請求項７）。また、前記支持手段は、フレームに設けられる第１の磁石群と、それらの磁石群と互いに反発するように羽根車に設けられる第２の磁石群とから構成することもできる（請求項８）。さらに前記第１磁石群がフレームに対して実質的に連続する環状に配列されており、前記羽根車が放射状に配列される複数枚の羽根を有し、前記第２の磁石群がそれらの羽根を支持するように、放射状に配列されているものが好ましい。
【００１２】
さらに本発明の風力発電システムでは、前記フレームないし羽根車が周囲の温度変化で膨張・収縮したときでも、前記フレームと羽根車に設けられる複数個の界磁用磁石とコイル群との隙間を所定の範囲に維持するための間隔調整手段を備えているものが好ましい（請求項１０）。
【００１３】
また、風力が一時的に弱くなったとき、前記コイル群の一部ないし全部に電流を流し、界磁用磁石とコイル群にリニアモータの作用を生じさせ、それにより風車に回転トルクを与えるように構成しているものが好ましい（請求項１１）。
【００１４】
前記支持手段は、前記フレームまたは羽根車のうち一方に回転中心を中心とする円環状のガイドと、他方に設けられ、そのガイドに沿って走行するスライダとから構成するのが好ましい（請求項１２）。
【００１５】
本発明の風力発電システムの第２の態様（請求項１３）は、フレームと、そのフレームによって回転自在に支持される羽根車と、その羽根車の回転によって発電する発電機とからなり、前記フレームまたは羽根車のうち一方に回転中心を中心とする円環状のガイドが設けられ、他方にそのガイドに沿って走行するスライダが設けられていることを特徴としている。
【００１６】
前記ガイドおよびスライダで羽根車を回転自在に支持している場合は、ガイドおよびスライダをリニアスライドボールベアリングのガイドとスライダによって構成するのが好ましい（請求項１０）。前記円環状のガイドが内面および外面に平滑な円筒状のガイド面を有し、前記スライダがそれらのガイド面に沿って転動する、垂直方向の軸周りに回転するガイドローラを備えているものが好ましい（請求項１５）。また、羽根車の回転中心は水平方向を向いていてもよい（請求項１６）。もちろん鉛直方向を向いていてもよい。
【００１７】
本発明の電気・力変換装置の第１の態様（請求項１７）は、移動子と、その両側に配置される固定子とを有し、前記移動子の両面に、Ｎ極とＳ極の対で構成した磁石部を、Ｎ極とＳ極、Ｓ極とＮ極とが交互に位置するように移動子の周方向に沿って配置している。このような電気・力変換装置では、隣り合った磁石部を非磁性金属体で結合するのが望ましい（請求項１８）。なお、ここにいう「移動子」には、回転するものと、直進状に走行するものの両方が含まれる。
【００１８】
本発明の永久磁石の配置構造（請求項１９）では、永久磁石の一面を同じ極面に並設すると共に、両永久磁石の間に該永久磁石の厚みより短い磁性体を介在させていることを特徴としている。
【００１９】
本発明の電気・力変換装置の第２の態様（請求項２０）では、移動子の磁極の両側に固定子を持ち、前記両側の固定子に巻装する固定子コイルを同相間で互いに交差させている。この場合、一方の固定子コイルの相順をｕ−ｚ−ｖ−ｘ−ｗ−ｙ相とした場合に、他方の固定子コイルの相順をｘ−ｗ−ｙ−ｕ−ｚ−ｖ相として、これらを対向して配列すると共に、両側の固定子コイルを同相間で互いに交差させるのが望ましい（請求項２１）。
【００２０】
本発明の風力発電システムの第３の態様（請求項２２）は、複数枚の羽根と、それらの羽根を環状に配列して保持する環状の支持部材と、その支持部材と対向して設けられ、前記支持部材を支持するガイド部材と、前記支持部材とガイド部材の一方に設けられる界磁用磁石と、他方に設けられ、前記界磁用磁石と相対的に運動することにより電気を発生するコイルとを備え、羽根の中心部に軸を有しないことを特徴としている。
【００２１】
本発明の電気・力変換装置の第３の態様（請求項２３）は、移動子と、その移動子と協働して発電作用および（または）モータ作用を奏する固定子と、前記移動子と一緒に移動するように配置される移動側反発磁石と、その移動側反発磁石と反発する固定側反発磁石とを備えていることを特徴としている。このような装置では、前記移動子を中立位置に付勢するように前記移動側反発磁石および固定側反発磁石のうちいずれか一方が他方を挟むように両側に配置されているものが好ましい（請求項２４）。さらにこのような装置では、前記移動側反発磁石が移動子を挟んで一対で配置され、前記固定側反発磁石が固定子を挟んで一対で配置されているものが好ましい（請求項２５）。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の風力発電システム（請求項１）では、羽根車が回転すると、フレームと羽根車にそれぞれ環状に配列した界磁用磁石とコイルとで、いわばリニアモータと逆の作用で発電する。そしてそのような界磁用磁石やコイルは、羽根車の周囲ないし途中の円周に沿って多数配列することができ、相対的な速度はかなり速くなる。さらに風を受ける羽根車の外周部で発電するので、中心部に大きい力を伝達する必要がなく、羽根車を軽量にすることができる。そのため微風でも羽根車が回転しやすく、また、羽根車の回転速度が遅い場合でも、コイル群から充分な発電量を得ることができる。
【００２３】
前記界磁用磁石が羽根車の外周部近辺ないし中間部に環状に配列されており、前記フレームにおけるそれらのコイル群と近接する位置に、リング状の部材が設けられ、そのリング状の部材に前記コイル群が取り付けられている風力発電システム（請求項２）においては、電気配線を必要とするコイル群を静止しているフレームに設けているので、構造が簡単になる。さらに摺動する部品、たとえばブラシなどが不要であるので、回転抵抗が少ない。そのため微風でも回転しやすい。また、フレームに設けたリング状の部材でコイル群を支持することができるので、フレーム全体の形状は比較的任意に選択することができる。
【００２４】
前記コイル群が取りつけられているリング状の部材が、羽車に環状に取りつけられる界磁用磁石を内周側および外周側から挟むように一対で設けられており、内周のコイル群および外周のコイル群が、交流を発生させるように、それぞれ交互にまたは循環的に配列される複数のコイル群を備えており、内周の特定の位相のコイル群と、その位相に対応する位相の外周のコイル群とが周方向にずれて配列されるとともに、内周のコイル群と、そのコイル群と対応する位相のコイル群とが、直列に接続されてい場合（請求項３）は、外側のコイル群と界磁用磁石の間に生ずる磁力と、内側のコイル群と界磁用磁石の間に生ずる磁力とが自然とバランスする。そのため、界磁用磁石と外側のコイル群との間の隙間、および界磁用磁石と内側のコイル群との間の隙間をそれほど大きくしなくても、内側または外側に一方的に大きい力が加わることがない。
【００２５】
その場合、前記内周および外周のコイル群が、３相交流を発生させるように、それぞれ循環的に配列される第１コイル群、第２コイル群および第３コイル群を備えており、内周の第１コイル群が外周の第２コイル群または第３コイル群と対向するように互いにずらしている場合（請求項４）は、羽根車が回転して界磁用磁石が外側のコイル群と内側のコイル群の間を走行するにしたがって、第１コイル群、第２コイル群および第３コイル群から３相交流を取り出すことができる。
【００２６】
前記リング状の部材が、上下方向に重ねられた複数枚の金属板からなるコアと、その外周に巻き付けられる導線からなるコイル群と、それらを一体に固める合成樹脂とからなる所定の長さのリング片を複数個、リング状に連結したものである場合（請求項５）は、リング片を小さくすることができるので、製造および組立が容易になる。
【００２７】
前記羽根車の外周部または途中部分とフレームとの間に、羽根車の回転を許しながら羽根車の重量の少なくとも一部を支持する円環状の支持手段が介在されている場合（請求項６）は、羽根車の軸と軸受けの抵抗が少なくなる。そのため、微風でも回転しやすく、止まりにくい。
【００２８】
前記支持手段が、フレームと羽根車のうち、いずれか一方に設けられる転動体群と、他方に設けられ、転動体群と接触する走行路とからなる場合（請求項７）は、個々の転動体が羽根車の重量を分担し、しかもころがり摩擦となるので、支持部材における回転抵抗が少なくなる。
【００２９】
前記支持手段が、フレームに設けられる第１の磁石群と、それらの磁石群と互いに反発するように羽根車に設けられる第２の磁石群とからなる場合（請求項８は、無接触で支持することができるので、支持部材における抵抗が一層少なくなる。その場合、前記第１磁石群がフレームに対して実質的に連続する環状に配列されており、前記羽根車が放射状に配列される複数枚の羽根を有し、前記第２の磁石群がそれらの羽根を支持するように、放射状に配列されている場合（請求項９）は、重量が集中する羽根の部分で第２の磁石群がフレームの第１の磁石群から磁力の反発を受ける。そのため、羽根車が安定して効率よく支持される。
【００３０】
前記フレームないし羽根車が周囲の温度変化で膨張・収縮したときでも、前記フレームと羽根車に設けられる複数個の界磁用磁石とコイル群との隙間を所定の範囲に維持するための間隔調整手段を備えている風力発電システム（請求項１０）の場合は、界磁用磁石と各コイルの隙間を小さくすることができる。そのため発電効率が向上し、回転数が低い場合でも、発電量が多い。
【００３１】
風力が一時的に弱くなったとき、前記コイル群の一部ないし全部に電流を流し、界磁用磁石とコイル群にリニアモータの作用を生じさせ、それにより風車に回転トルクを与えるように構成している風力発電システム（請求項１１）は、風が一時的に弱くなっても羽根車を止めずに回転を維持させることができる。そのため、静止摩擦抵抗に抗して回転を開始させる必要がなく、微風であっても効率よく発電をすることができる。
【００３２】
前記支持手段が、フレームまたは羽根車のうち一方に回転中心を中心とする円環状のガイドと、他方に設けられ、そのガイドに沿って走行するスライダとから構成する場合（請求項１２）は、羽根車の重量を支持するだけでなく、半径方向の力も支持し、ガイドすることができる。そのため、羽根車の中心シャフトの強度および剛性は高くする必要はなく、シャフトや軸受けを省略することもできる。それにより羽根車を一層軽量にすることができる。
【００３３】
本発明の風力発電システムの第２の態様（請求項１３）は、フレームに対する羽根車の支持を、円環状のガイドとそのガイドに沿って走行するスライダとで行っているので、羽根車の中心軸の強度および剛性は高くする必要はなく、中心社具とや軸受けを省略することもできる。それにより羽根車を軽量に構成することができ、羽根車の大型化にも容易に対応することができる。
【００３４】
前記ガイドおよびスライダで羽根車を回転自在に支持しているシステムにおいて、ガイドおよびスライダをリニアスライドボールベアリングのガイドとスライダによって構成する場合（請求項１４）は、摺動抵抗が少なく、羽根車の回転がスムーズである。さらに前記円環状のガイドが内面および外面に平滑な円筒状のガイド面を有し、前記スライダがそれらのガイド面に沿って転動する、垂直方向の軸周りに回転するガイドローラを備えている場合（請求項１５）は、上下方向の厚さを大きくしなくても、スライダが確実にガイドされる。それにより界磁用磁石とコイル群との隙間を適接に維持しながら安定して回転する。上記構成を、羽根車の回転中心が水平方向を向いているタイプの風車に適用する場合（請求項１６）は、風の向きが一定の場合に、効率的に発電することができる。
【００３５】
本発明の電気・力変換装置の第１の態様（請求項１７）では、移動子の両側の磁極（磁石）を対にして構成しているので、同じ磁気回路上で両側の磁石が動作することになり、移動子の偏芯が生じても、両側の磁石の磁気吸引力がバランスして、移動子全体では、力がゼロになり、更に移動子を移動させる力の発生することは計算上無くなる。また、同じ磁気回路上に磁石を取り付けるので、従来構造の考えでは必要とした隣り合った磁極間の回転子ヨーク部を必要とせずに、移動子の重量低減と移動子の幅（移動方向に対して横方向の幅）を低減できるという効果を奏する。また、隣り合った磁石部を非磁性金属体で結合している場合は（請求項１８）、隣の磁極に磁束が漏れることも無くなる。
【００３６】
本発明の永久磁石の配置構造（請求項１９）では、隣り合った永久磁石の反発力と吸引力を低減でき、そのため、永久磁石の取り付け作業が容易になり、現地での組み立て作業時間を短縮することができる。また、永久磁石間の吸引力が低減するので、発電機の分解点検作業が容易であり、さらに、永久磁石間の反発力対策として、永久磁石を固定する構造物を必要としない効果がある。
【００３７】
本発明の電気・力変換装置の第２の態様（請求項２０）は、両固定子の磁束分布の差異に伴う誘起電圧の差異を、回転子の磁極対の両側の固定子コイルを交差させることで、両側の固定子コイルに常時流れる循環電流の発生を防ぎ、両側の固定子の発生電圧を同じにして、負荷電流の流れを均等にでき、負荷時の磁束分布を両側の固定子とも同じにすることで、磁気吸引力を低減させることができる。特に、外側の固定子コイルの配列をｕ−ｚ−ｖ−ｘ−ｗ−ｙとし、内側の固定子コイルの配列をｘ−ｗ−ｙ−ｕ−ｚ−ｖとして、これらのコイルの配列を対向させ、各同相間で固定子コイルを交差させる場合は（請求項２１）、発生電圧が均等になり、両側の固定子コイル間での循環電流の発生を抑えることができる。
【００３８】
本発明の風力発電システムの第３の態様は、中心部に軸を有しないので、軽量に構成することができ、少ない風で回転することができる。
【００３９】
本発明の電気・力変換装置の第３の態様（請求項２３）では、移動側反発磁石と固定側反発磁石とが互いに反発し、移動子が一方に付勢される。それにより移動子の移動が安定する。移動子が回転子の場合は、中心位置が安定する。また前記移動子を中立位置に付勢するように前記移動側反発磁石および固定側反発磁石のうちいずれか一方が他方を挟むように両側に配置されている場合（請求項２４）は移動子が中立位置に来るように付勢される。すなわち一方に近づくように変位すると、その側の反発磁石同士の反発力が強くなり、元の位置に戻る。したがって移動子は一層安定して移動する。移動子が回転子である場合は安定して回転する。
【００４０】
このような電気・力変換装置において、前記移動側反発磁石が移動子を挟んで一対で配置され、前記固定側反発磁石が固定子を挟んで一対で配置されている場合（請求項２５）は、固定子の両側で上記の安定化作用が得られるので、左右の傾きが少なくなり、一層安定して移動する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
つぎに図面を参照しながら本発明の風力発電システムの実施の形態を説明する。図１は本発明の風力発電システムの一実施形態を概念的に示す平面図、図２はその風力発電システムの全体を示す斜視図、図３はそのシステムの立断面図、図４は図２の風力発電システムにおけるフレームを示す斜視図、図５は図２の風力発電システムの平面図、図６は図２の風力発電システムにおける羽根車を示す斜視図、図７は図２の風力発電システムの要部立面断面図、図８、図９ａ〜ｃ、図１０および図１１はそれぞれ本発明の風力発電システムのさらに他の実施形態を示す要部立面断面図、図１２は本発明の風力発電システムのさらに他の実施形態を示す要部斜視図、図１３はそのシステムの要部断面図、図１４ａおよび図１４ｂはそれぞれ図１２の風力発電システムの全体を示す縦断面図および平面図、図１５ａおよび図１５ｂはそれぞれ本発明のシステムのさらに他の実施形態を示す要部立面断面図、図１６ａおよび図１６ｂはそれぞれ本発明のシステムのさらに他の実施形態を示す正面図および側面図、図１７および図１８はそれぞれ本発明のシステムのさらに他の実施形態を示す斜視図、図１９、図２０ａおよび図２０ｂはそれぞれ本発明のシステムのさらに他の実施形態を示す要部立面断面図、図２１は本発明のシステムの他の実施形態を示す要部断面図、図２２は図２１のXXII-XXII 線断面図、図２３および図２４はそれぞれ本発明のシステムの回転子および固定子の実施形態を示す斜視図、図２５は本発明のシステムの固定子の磁界用コイルの結線状態を示す結線図、図２６ａ〜ｃおよび図２７ａ〜ｂはそれぞれ本発明のシステムに関わる磁気浮上構造の他の実施形態を示す断面図である。
【００４２】
図２８は本発明の電気・力変換装置の第１の態様の一実施形態を従示す断面図、図２９は本発明に関わる発電機の磁極と回転子ヨーク部の構造を示す説明図、図３０は本発明に関わる両側に固定子を持つ発電機の他の実施形態を示す構造図、図３１は本発明に関わる回転子の両側の磁極を従来構造で構成した発電機で軸の偏芯が生じた場合を示す説明図、図３２は本発明の永久磁石を使用した回転機のモデルの磁気回路を示す説明図、図３３は本発明の回転子の両側の磁石を対にして両側の固定子との間で磁気回路を１つに構成を示す説明図、図３４は本発明の磁石を対にした場合の磁気回路のモデル図、図３５は本発明の電気・力変換装置の具体的な構成を示す図、図３６は本発明の有限要素法による磁気吸引力の計算結果を示すグラフである。
【００４３】
図３７は本発明の永久磁石の配置構造を備えた磁気浮上装置の一実施形態を示す断面図、図３８はその磁気浮上装置の一部を示す説明図、図３９は本発明の２つの高性能磁石を近接させた時の流体の磁束分布を示す説明図、図４０は本発明の空気中に置かれた高性能磁石の反発力を示す説明図、図４１は本発明の磁石の側面に磁性体を取り付けた時の端部の磁束分布を示す説明図、図４２は本発明の空気中に置かれた２つの高性能磁石の間に磁性体をサンドイッチした時の吸引力を示す説明図、図４３は本発明の磁石の側面に磁性体を取り付けた時の端部の磁束分布を示す説明図、図４４は本発明の空気中に置かれた２つの高性能磁石の間に磁性体をサンドイッチした時の吸引力を示す説明図である。
【００４４】
図４５は本発明の電気・力変換装置の第２の態様の実施形態を示す断面構造図、図４６は本発明の回転子の磁石の外側固定子と内側固定子の距離を検討するための説明図、図４７は本発明の外側固定子と内側固定子の磁束密度分布を示す図、図４８は本発明の回転子磁石の外側固定子と内側固定子の距離を示す説明図、図４９は本発明の固定子コイルの配列を示すモデル図、図５０は本発明の磁石の位置を磁束密度の大きさを示すモデル図、図５１は本発明の外側と内側の固定子コイルを交差した場合の発生電圧の評価を固定子コイルの相順との関係で示す図、図５２は本発明の固定子コイルの交差を示す模式図、図５３は本発明の固定子コイルの具体的な結線方法を示す図、図５４は本発明に関わる羽根車の他の実施形態を示す斜視図、図５５は本発明に関わる羽根車のさらに他の実施形態を示す斜視図、図５６ａ、図５６ｂおよび図５６ｃはそれぞれ本発明に関わる発電部のさらに他の実施形態を示す概略平面図、断面図および概略平面図、図５７ａは本発明に関わる回転子の他の実施形態を示す要部斜視図、図５７ｂはその要部断面図、図５７ｃはその要部平面断面図、図５８ａおよび図５８ｂはそれぞれ本発明に関わる回転子のさらに他の実施形態を示す要部断面図である。図５９ａ〜ｃはそれぞれ本発明に関わる回転子のさらに他の実施形態を示す概略平面図、図６０は本発明の電気・力変換装置のさらに他の実施形態を示す断面図、図６１はその電気・力変換装置を用いた風力発電システムの一実施形態を示す要部断面斜視図、図６２は本発明の電気・力変換装置のさらに他の実施形態を示す要部断面図である。
【００４５】
始めに図２を参照して風力発電システムの全体を説明する。図２に示す風力発電システム１０は、フレーム１１と、そのフレーム内に上下２段で設けられる羽根車１２とを備えており、羽根車１２は、フレーム１１に対して鉛直方向の軸心回りに回転自在に設けられている。そして羽根車１２の下端部とフレーム１１のリング１８との間で、リニアモータの作用と逆の作用で発電する発電部（いわばリニアジェネレータ）１４を備えている。
【００４６】
前記フレーム１１は図３および図４に示すように、上下方向に延びる３本の脚１５と、それらの脚を円周方向等間隔に連結する連結部材１６とを備えている。連結部材１６は脚１５の上端と、下端からある程度上側の位置と、それらの中間の３段で設けられている。各連結部材１６の間のスペースＳ１、Ｓ２には、前記羽根車１２が収容される。連結部材１６は、放射状に延びる３本のスポーク１７と、それらのスポーク１７の外側の端部近辺同士をつなぐ前述のリング１８とを備えている。さらに各連結部材１６のスポーク１７の中心部には、羽根車１２を回転自在に支持するための軸受け１９、２０が上下一対で設けられている。
【００４７】
前記羽根車１２は、図５および図６に示すように、上下方向に延びるシャフト２２と、そのシャフトに固定されている上下一対のボス２３、２４と、各ボスから放射状に延びる５本の横羽根２５と、上下の横羽根２５の先端に固定される縦羽根２６とから構成されている。すなわちこの実施形態では、５枚の縦羽根２６と、その倍の１０枚の横羽根２５を備えている。さらに各縦羽根２６の上端同士および下端同士は、それらの内周に取り付けられる補強リング２１、２１によって互いに連結されており、それにより羽根車１２全体の強度を向上させている。ただし補強リング２１は設けなくてもよい。横羽根２５は、この実施形態ではシャフト２２が上から見たときの反時計方向に回転したときに上向きに浮力が働くような断面形状を有する翼型を呈している。なお、回転方向に関して前端が上向きになるように傾いていてもよく、特定の翼型と特定の傾きとを組み合わせてもよい。さらに傾きを調節できるようにしてもよい。また縦羽根２６の枚数は、３枚程度でもよく、１０枚以上であってもよい。なお、想像線のように、羽根車１２の上下のシャフト２２同士を連結して上下を貫通する１本のシャフトとすることもできる。
【００４８】
前記縦羽根２６は横方向からの風を受けるときに、５枚の縦羽根２６に生ずる力の合力が上から見たときに反時計方向のモーメントを生ずるような翼型を呈している。縦羽根２６も、鉛直方向の軸心回りに傾いていてもよく、翼型と傾きを組み合わせてもよい。さらに傾きを調節するようにしてもよい。
【００４９】
図３に示すように、各羽根車１２のシャフト２２の上端および下端はそれぞれ上側の軸受け１９および下側の軸受け２０によって回転自在に支持されている。図２のように取り付けられた状態では、羽根車１２の重量は基本的に、下側の軸受け２０によって支持される。ただし後述するように、車輪や磁気浮上などで支持することもできる。また、回転するに従って、横羽根２５が生ずる揚力によっても支持される。
【００５０】
図７の実施形態では、各縦羽根２６の下端に車輪２７が回転自在に取り付けられている。そしてフレーム１１のリング１８の内側の部分が環状の走行路２８となっている。そのため、縦羽根２６や横羽根２５の重量の全部または一部が車輪２７を介してフレーム１１で支えられる。そのため、軸受け１９、２０の負担が少ない。また、横羽根２５の撓みが少なくなるので、発電部１４の作用が安定する。さらに撓みが少ないため、羽根車１２全体を発泡樹脂や繊維強化プラスチックなどの軽量の材料で構成する場合でも、回転が安定する。
【００５１】
前記発電部１４は、羽根車１２の縦羽根２６の下端近辺に設けられた永久磁石３１からなる界磁用磁石と、フレームのリング１８に設けられたコイル群３２と、図１に示される制御部３３と、蓄電部３４とから構成されている。コイル群３２は、図７に示すように環状のカバー３８によって覆われている。なお、界磁用磁石としては、永久磁石のほか、電磁石を用いることもできる。しかし永久磁石の方が、配線が不要なため、設置工事およびメンテナンスが容易である。ただし大規模な風力発電システムの場合は、電磁石の方が取り扱いやすい利点がある。以下の実施の形態でも同様に永久磁石あるいは電磁石のいずれも界磁用磁石として採用することができる。
【００５２】
前記コイル群３２は、図１に示すように、３個一組で順に並んだ第１コイル列３５、第２コイル列３６および第３コイル列３７から構成されている。そしてそれぞれのコイル列３５、３６、３７の各コイルの端部は、電力を取り出すための第１送電線４１、第２送電線４２および第３送電線４３に並列で接続されている。ただし直列で接続することもできる。また、各送電線４１、４２、４３は２本としているが、アース線を共通にすることもできる。各送電線４１、４２、４３は、制御部３３に導かれ、外部送電線４５によって外部に送電できるようにしている。また、制御部３３に送電線４６によって接続されている蓄電部３４は、発電された電力の一部を蓄えておく部位であり、後述するように、発電部１４をモータとして利用するときに電力を供給する。なお、コイル群３２のコイルの個数は、縦羽根２６の枚数で割り切れる数とするのが好ましい。この実施形態では、３つのグループに分けているので、３×５＝１５の倍数、たとえば１５個、３０個あるいは４５個程度である。ただし６０個以上でもよい。
【００５３】
コイル群３２の各コイルは、ほぼ等間隔で配置されている。そしてそれぞれの縦羽根２６の下端外面に設けられる永久磁石３１とコイルとの間は、充分接近させて配置しており、永久磁石とコイルとの間隔Ｓ３は、たとえば１〜５ｍｍ程度である。コイル群３２のそれぞれのコイルには、鉄心を入れてもよく、また、入れなくてもよい。
【００５４】
上記のように、構成される風力発電システム１０においては、風が吹くと、羽根車１２が上から見たときの反時計方向（図１の矢印Ｐ１）に回転する。そして永久磁石の磁力線がコイル群３２のコイルを順に横切っていくので、リニアモータと逆の作用により、コイルに起電力が生じ、両端から電力を取り出すことができる。なお、この実施形態では、３組のコイル列３５、３６、３７で順番に発電するので、３相交流の形で発電される。得られた電力は、送電線４１、４２、４３によって制御部３３まで送られる。制御部３３では、電力の脈動を平坦にしたり、あるいはきれいなサインカーブを組み合わせた３相交流の状態で外部に送電する。そのとき、一部の電力は蓄電部３４に蓄える。
【００５５】
上記の風力発電システム１０では、永久磁石３１が羽根車１２の外周近辺に設けられるので、羽根車の慣性が大きくなり、そのため回転の開始時の必要トルクは大きいが、一旦回転すると、止まりにくく、風力が変化しても回転数が変化しにくい。そのため、安定した発電を行うことができる。さらに風を受けて回転力を発生する縦羽根と、発電の反作用で負荷となる発電部３２とが、いずれも縦羽根２６の外周円の接線方向となる。そのため横羽根２５でトルクを伝達する必要がなく、強度も低くてよい。したがって発泡樹脂成形品や、繊維強化プラスチックなどの軽量の材料で羽根車１２を構成することができる。そのため回転の抵抗も少なく、発電効率が高い。
【００５６】
また、風力が低下して羽根車の回転数が低下したときは、制御部３３で蓄電部３４と接続する送電線４６の結線状態を切り換え、蓄電部３４からコイル群３２に電力を供給するように構成するのが好ましい。それにより発電部１４はリニアモータとして作用し、羽根車１２を同じ方向に回転させることができる。そのため、羽根車１２が停止せず、遅くても回転を継続する。なお、その間は発電できないので、送電をやめるか、あるいは蓄電部３４から送電する。そして再び風が強く吹き始めると、制御部３３と蓄電部３４の送電線４６を元に戻し、発電させるようにする。その場合、羽根が停止していないので、停止状態から回転を始める場合のような静止摩擦力に抗して回転させる必要がない。したがって全体としては電力を無駄にせず、効率のよい発電を行うことができる。なお、上記のモータ作用と発電作用の切り替えは、たとえば回転数を検出センサを設け、所定の回転数の基準値より回転数が減じたか、あるいは増加したかによって自動的に切り換えるようにしてもよい。
【００５７】
図１の場合は、すべてのコイルが第１送電線４１、第２送電線４２、第３送電線のいずれかに常時連結されているが、コイルと各送電線との間に遮断機の接点を介在させると共に、それらのコイル群をたとえば４つのグループに分け、いずれかのグループから電力を取り出すか、遮断機の入り切りで選択できるようにしてもよい。その場合は、風羽根車１２の回転の負荷を変化させることができるので、微風状態では少ないコイルで発電させ、風力が回復すると、発電させるコイルの数を増やすように制御することができる。それによって風力の広い範囲に渡って効率のよい発電を行うことができる。なお、稼働させるコイルの増減は、各組１個ずつ増減するほか、２個ずつ、あるいは３個ずつなどとすることもできる。なおシャフト２２に関して対称位置にある２〜３台のコイルを一緒に遮断する方が、羽根車１２の回転抵抗についてバランスがとれる。また、一部のコイルで発電させると共に、他のコイルでモータとして駆動させることもできる。
【００５８】
また図７の実施形態では、縦羽根２６の下端に車輪２７が取り付けられ、フレーム１１の側に走行路２８を設けているが、逆にフレーム１１のリング１８に複数個の車輪２７を上向きにして設け、羽根車１２にそれらの車輪２７と当接するリング状の走行路２８を設けることもできる。さらにフレーム１１または羽根車１２に、橇または橇状のスライダを設け、橇やスライダを走行路に対して摺動させることもできる。
【００５９】
図８に示す実施形態では、縦羽根２６の下端およびフレーム１１のリング１８に対し、上下方向で互いに対向するように磁石４７とコイル４８を設け、互いに磁力で反発するように構成している。それにより磁気浮上により羽根車の重量の全部あるいは一部を負担させることができる。このものは接触せずに重量の支持ができるので、高速回転でも抵抗が少ない。なお、コイル４８に代えて永久磁石を設けてもよい。さらに前記磁気浮上の構成は、磁石の吸着力を利用して、羽根車１２の上端側とフレーム１１との間で行わせることもできる。さらに羽根車の下端側で反発させる方式に加えて、縦羽根２６の上端とその上側のフレームのリング１８との間に互いに反発する磁石を設けることもできる。その場合は羽根車１２が上下に反発されて重量と釣り合う高さで回転する。そのため回転時の安定性が高い。前記コイル４８についても、鉄心を入れてもよく、入れなくてもよい。上記の磁気浮上の構成は、羽根車の周囲近辺だけでなく、後述するように横羽根２５の途中とフレームのスポークの途中の間に設けることもできる。
【００６０】
前記実施形態ではコイル群３２をフレーム１１の側に固定しているが、図９ａに示すように、羽根車１２の側に設けてもよい。また、図９ｂに示すように、コイル群３２を半径方向に隙間をあけて一対で設け、その隙間に永久磁石３１などの界磁用磁石を通すようにしてもよい。逆に図９ｃに示すように、永久磁石３１などの界磁用磁石を隙間をあけて設け、その隙間にコイル群３２を通すようにしてもよい。
【００６１】
さらに前記実施形態では、縦羽根２６の外側面とリング１８の間に発電部１４を設けているが、図１０ａに示すように、縦羽根２６の下端とリング１８の上面との間に、上下方向で向かい合うように設けることもできる。その場合は車輪２７を横羽根２５の途中に設け、走行路２８はスポーク１７の途中に設ければよい。なお、車輪２７と走行路２８に代えて、磁気浮上のための磁石を両者に設けることもできる。また、図１０ｂに示すように、横羽根２５の途中に支持リング５２を設け、フレーム１８のスポーク１７の上面の途中に、前記支持リング５２と対向する支持リング５３を設け、両方の支持リング５２、５３の間に永久磁石３１などの界磁用磁石とコイル部３２とからなる発電部５４を設置することもできる。なおこの構成は、図７などの羽根車の外周に設ける発電部３２に加えて第２発電部として設けることもできる。
【００６２】
前述のように、コイル群３２と永久磁石３１などの界磁用磁石とは１〜５ｍｍ程度の隙間であり、両者は高速で相対的に移動する。そのため、羽根車１２が太陽熱などで熱膨張すると、隙間がなくなって干渉するおそれがある。逆に熱収縮で隙間が拡がり、発電効率が低下する場合がある。フレーム１１と羽根車１２の材料が同じであれば、両者の熱膨張係数が同じであるが、フレーム１１に強度が高い鋼材を用い、羽根車に軽量の合成樹脂を用いる場合は、とくに熱膨張係数の差による隙間の増大および減少が大きくなる。図１１は、そのような場合に用いられる間隔調整装置の実施の形態を示している。
【００６３】
図１１に示す間隔調整装置５６では、コイル群３２をコイルケース５７に収容し、そのコイルケースをリング１８に対して半径方向に移動自在に設け、コイルケース５７をリングに対して半径方向に駆動する電動式または油圧式の駆動機構５８を設け、さらに横羽根２５の伸縮量を検出するセンサ５９を設け、横羽根２５の伸縮量に合わせて駆動機構５８を制御する制御装置６０を設けている。駆動機構５８はボールネジとモータで回転するナットとを組み合わせたもの、あるいはリニアモータを用いたものなどが用いられる。なお固定したナットとモータで回転するボールネジとを組み合わせてもよい。
【００６４】
伸縮量のセンサ５９としては、たとえば横羽根２５およびフレーム１１のスポーク１７にそれぞれ設けた歪みゲージなどが用いられる。その場合は各センサの検出値の差を演算させ、それに基づいて補償すべき値が定められる。また、たとえば横羽根２５に発光ダイオードを設け、フレームのスポーク１７に光センサを半径方向に多数配列させたものを設けることにより、構成することができる。その場合は、相対的な長さ変化、すなわち熱膨張量の差を直接検出することができる。前記間隔調整装置５６は、通常は羽根車１２を停止させた状態で作動させる。ただし運転中に自動的に作動させるように構成することも可能である。
【００６５】
このような間隔調整装置５６を設けた風力発電システムは、太陽熱や気候によって羽根車が熱膨張あるいは熱収縮をしても、コイル群３２と永久磁石３１などの界磁用磁石の隙間がほとんど変化しない。そのため、両者の隙間を小さくすることができ、効率的な発電を行うことができる。しかも四季の気候あるいは一日の気温が大きく変化する地域にも設置することが可能である。また、フレームと羽根車の材質が異なってもよいので、羽根車に軽量の発砲樹脂や繊維強化プラスチックを用いることができる。
【００６６】
上記の風力発電システム１０は、従来の風力発電用の風車と同様に、たとえば海岸線に沿って設置したり、山や台地などの小高い地形を利用して、風を多く受けることができるような位置に設置する。ただしビルの屋上など、都会に設けることもできる。そして風が吹くと、縦羽根２６が風を受けて羽根車１２が図５の反時計方向に回転する。そのとき、横羽根２５が断面翼型の場合、あるいは前述の磁気浮上タイプの場合は、上向きの揚力ないし反発力を生ずるので、羽根車１２の重量を支えている下側の軸受け２０の負担が少ない。それにより回転抵抗が少なく、少ない風であっても、羽根車１２が効率よく回転する。羽根車１２が回転すると、稼働しているコイルが発電し、その電気は図１の送電線３６、３７によって消費地に送られ、あるいは蓄電部３４に保存される。送電する地域が遠方の場合は、交流発電機を用い、変圧器で変圧してから送電する。ただし直流発電機を用い、インバータなどで一旦交流に変換してから変圧し、送電するようにしてもよい。
【００６７】
前記実施の形態では、シャフト２２の上端および下端を軸受け１９、２０で回転自在に支持しているが、逆に軸受け１９、２０側に軸を設け、それらの軸で上下のボス２３、２４を回転自在に支持するようにしてもよい。また前記実施形態では、羽根車１２の縦羽根２６とボス２３、２４とを横羽根２５で連結しているが、単なる棒材などの支持部材を採用することもできる。その場合は横羽根による揚力は生じない。
【００６８】
図１２および図１３に示す風力発電システム６２では、フレーム１１のリング１８の内面に筒状の支持リング６３を取り付け、その支持リング６３の上に、同心状に２列のコイル群３２を対向するように、かつ、隙間をあけて配列している。そしてその隙間に羽根車１２に取り付けられる一群の永久磁石６４が界磁用磁石として配置されている。界磁用磁石として電磁石を採用することもできる。とくに大型のシステムでは、電磁石の方が好ましい場合がある。前記コイル群３２はたとえばブラケット６５によって支持リング６３に取り付けている。なお、それらのブラケット６５は調整ネジ６６によって羽根車の半径方向（図１３では左右方向）の位置を調節できるようにしている。
【００６９】
他方、縦羽根２６の下端から外向きに羽根保持アーム６７が設けられ、その羽根保持アーム６７に取り付けた補強リング６８の外周面および内周面にそれぞれ前記磁石６４、６４が固定されている。補強リング６８は湾曲させた角パイプによってリング状に構成しており（図１４ｂ参照）、断面コ字状のカバー７０の下面にネジ７０ａなどで固定されている。そのカバー７０は、前述のコイル群３２を取り付けたブラケット６５の外側を覆っており、それにより雨水がコイル群３２に侵入しないようにしている。さらに支持リング６３の外側のリング１８の上面とカバー７０の間、およびカバー７０の下端とブラケット６５との間にも、雨水の侵入を防ぐためのラビリンス７２、７２が設けられている。
【００７０】
補強リング６８の上面には、カバー７０の天面を挟んで羽根保持部材７３が取り付けられている。そしてその羽根保持部材７３に前記羽根保持アーム６７がその長手方向に摺動自在に嵌合されている。それにより補強リング６８や横羽根（図１２の符号２５）の熱膨張・熱収縮を自由にさせる構造にしている。横羽根に代えて、支持ステーを用いることもできる。羽根保持アーム６７や羽根保持部材７３には繊維強化樹脂（ＦＲＰ）などが用いられる。この羽根支持部材７３による羽根保持アーム６７の摺動自在の保持構造、あるいは前述の調整ネジ６６は、いずれも簡易な間隔調整装置を構成している。
【００７１】
前記支持リング６３の上には、２列のコイル群３２のほぼ中心を通るように、環状のガイド７４が羽根車と同心状に配置され、ネジなどで支持リング６３に固定されている。そしてこのガイド７４に複数個のスライダ７５が摺動自在に設けられ、そのスライダ７５に前記補強リング６８の下面が固定されている。この実施形態では、ガイド７４およびスライダ７５として、いわゆるリニアスライドボールベアリングのガイドとスライダが採用されている。ただしガイド７４は横方向に湾曲され、複数本の湾曲したガイド片を組み合わせて環状の軌道を形成するようにしている。
【００７２】
リニアスライドボールベアリングは、ボールスプラインなどと同様の構成を有する。すなわちスライダ側には、複数の無端状のボール軌条が設けられており、そのボール軌条に保持されるボール群は「行き行程」でスライダの表面に現れ、「帰り行程」でスライダ内に隠れるようにしている。そして表面に出ているボール群は、ガイド７４の係合溝７４ａなどと噛み合って、スライダ７５がガイド７４から抜けないように保持し、かつ、スライダ７５がガイド７４に沿って少ない摩擦抵抗でスムーズに転動するように案内する。このようなリニアスライドベアリングとしては、たとえばＴＨＫ社製のＬＭガイドなどを用いることができる。
【００７３】
前記スライダ７５の個数はとくに限定されないが、羽根車１２の重量を支持する羽根保持部材７３の近辺では密に配置し、他の部位では疎に配置するのが好ましい。ただし等ピッチで設けてもよい。このようなガイド構造７７を採用することにより、羽根車１２はフレーム１１に対して自軸回りに回転自在に支持される。したがって図１４ａおよび図１４ｂに示すように、羽根車１２の中心部にシャフト（図３の符号２２参照）や軸受けを設ける必要はない。また、縦羽根２６が受けた風による回転トルクは、横羽根を経由せずに羽根保持アーム６７、羽根保持部材７３および補強リング６８を経由して、コイル群３２と永久磁石６４の相対運動に伝えられ、その部位で発電時に生ずる抵抗やリニアガイドによる摩擦抵抗などに抗して羽根車１２を回転させることができる。それにより、リニアモータと逆の原理で発電させることができる。
【００７４】
前記実施形態では横羽根やシャフトを備えていないが、図１４ａおよび図１４ｂに想像線で示すように、横羽根２５を設け、それらの中心に設けたボス２４やシャフト２２で羽根車１２を支持することもできる。このような横羽根２５を設ける場合は、図１４ｂに想像線で示すように、横羽根２５の途中に補強リング６８および支持リングを設け、それらの補強リング６８に取り付けたスライダと支持リングに設けたガイドとで羽根車１２を回転自在に支持することもできる。その場合も永久磁石を補強リング６８に取り付け、支持リングにコイル群を取り付けることにより、リニアモータと逆の原理で発電させることができる。
【００７５】
また、図１５ａ、図１５ｂに示すように、縦羽根２６の縦方向の中間位置に補強リング６８を取り付け、前フレーム１１の対応する部位に支持リング６３を設けることもできる。図１５ａのシステムでは、補強リング６８にスライダを横向きに取り付け、支持リング６３の内面側にスライダを案内するガイド７４を取り付けている。また、支持リング６３の内面側にコイルを設け、補強リング６８の上下の面に永久磁石を取り付けている。他方、図１５ｂのシステムでは、支持リング６３の上方に補強リング６８を配置し、図１３の場合と同様に、スライダ、ガイド、コイル、永久磁石を配置している。このようなシステムでは、縦長の羽根車であっても安定して保持することができる。
【００７６】
前記実施形態では、羽根車は鉛直方向に延びる回転中心まわりに回転させているが、図１６ａ、図１６ｂに示すように、回転中心Ｃｔが水平方向に延びるように羽根車１２を保持することもできる。このものはリング１８、脚１５およびスポーク１７などからなるフレーム１１の構成が異なるだけで、羽根車１２およびその支持構造は図３などの風力発電システムと実質的に同じである。このような横向きタイプの風車は、羽根車を回転させる風の向きが制限されるので、風の方向が一定の土地に設置するのが好ましい。また、軸方向に複数個設けることが容易であるので、大規模な発電設備に適する。
【００７７】
図１７は横向きタイプの風車を備え、フレーム１１に設けたリング１８と羽根車１２に設けた補強リング６３の間にスライドガイドを介在させ、中心のシャフトや横羽根を省略した場合を示している。このようなシステムでは、図１３の場合と同様のガイドおよびスライダからなるガイド構造７７を採用するのが好ましい。
【００７８】
図１８の横向きタイプの風力発電システムは、複数枚のプロペラ状の羽根７８を放射状に設けた羽根車１２を採用している。このものも羽根車１２に設けた補強リング６８と、フレーム１１に設けた支持リング６３との間に前述のようなガイド構造を介在させることにより、羽根車１２をフレーム１１によって回転自在に支持することができる。なお、想像線で示すように、羽根車１２の中心に設けたボス２３をシャフト２２で回転自在に支持することもできる。また羽根車１２の中心に設けたシャフトをフレーム１１に設けた軸受けで回転自在に支持することもできる。それらの場合も、補強リング６８と支持リング６３の間に介在させるコイル群と、それに対向する永久磁石などの界磁用磁石との組み合わせで、リニアモータと逆の原理で発電させることができる。
【００７９】
図１９は磁気浮上方式によるガイド構造８０の実施形態を示している。このガイド構造８０では、磁石４７とくに永久磁石を、電磁石（コイル４８）の外側に設けたガイド突起８１で水平方向に案内をしており、上下方向については、永久磁石と電磁石による磁気浮上構造としている。他の部分については、前述の発電システムと実質的に同様である。このものは回転の抵抗が少ないので、発電効率が高い。なお、回転する上側の磁石を電磁石とし、下側の固定側を永久磁石とすることもできる。さらに上下とも永久磁石としてもよく、上下とも電磁石とすることもできる。
【００８０】
図２０ａのガイド構造８３は、円環状のガイド８４と、その両側面および上面を囲むように配置され、それらに沿って転動するローラ８５を備えたスライダ８６とから構成されている。スライダ８６の個数は前述のリニアスライドボールベアリングにおけるスライダと同じ程度でよい。このようなガイド構造８３を、羽根車１２に取り付けた補強リング６８と、フレーム１１に取り付けた支持リング６３の間に介在させることにより、羽根車１２をフレーム１１に対して回転自在に支持することができる。
【００８１】
図２０ｂのガイド構造では、補強リング６８の側にリニアスライドボールベアリング用の環状のガイド７４を取り付け、支持リング６３の側にそのガイド７４に案内されるスライダ７５を取り付けている。他の構成は図１３の場合と同様である。このものは羽根車１２にガイド７４を設けているので、羽根車１２の重量が重くなるが、その強度および剛性が高くなる利点がある。なお、上記のリニアスライドボールベアリング用の環状のガイド７４と、その環状ガイドと摺動（実際は転動）するスライダ７５との組み合わせは、リニアモータと反対の原理で発電する発電機を備えた発電システムに限らず、他の発電機を用いた発電システムでも適用することができ、同じ作用効果を奏する。たとえば、羽根車の周縁部あるいは途中に環状の歯列を設け、その歯列と噛み合うギヤを入力軸に取り付けた通常の発電機を、フレーム１１（とくにリング１８）に、複数台環状に配置することもできる。また、羽根車の中心部に回転するシャフト２２を設けた発電システムでは、そのシャフト２２に通常の発電機の入力軸を連結するようにしてもよい。
【００８２】
図２１の風力発電システム８８では、支持リング６３の上部に取りつけた永久磁石８９と、羽根保持アーム６７の下面に取りつけた永久磁石９０とを向かい合わせて構成した磁気浮上構造Ｊ１を設けている。それにより、永久磁石８９、９０同士の磁気反発力で羽根車の重量を支持することができる。すなわちこの実施形態では、プレート状の支持リング６３の半径方向内側（図２１の右側）から複数列の支持ロッド９１を立ち上げ、その上端に内側リングプレート９２を固定し、その内側リングプレート９２の上面に多数の永久磁石８９を環状に配列している。そして羽根保持アーム６７の下面に、数個の永久磁石９０を取りつけている。なおこの実施形態では図２２に示すように、矩形状の内側プレート９２ａを複数枚環状に配置して内側リングプレート９２を構成しており、１枚の内側プレート９２ａには、たとえば複数個３個の矩形状の永久磁石８９を所定の隙間をあけて配列し、それらの隙間に磁石で吸着する鉄片９３を介在させている。
【００８３】
それらの永久磁石８９と鉄片９３は、枠体９４で固定支持されている。永久磁石８９の磁極の向きは、同じ向きである。すなわち上側をＮ極に揃えるか、あるいはＳ極に揃える。このように鉄片９３を介在させるのは、永久磁石９０同士を直接隣接させると、強い反発力（たとえば図４２の場合で１０Ｎ程度）が働くので、取りつける作業が大変であるからである。そして上記のように鉄片９３を介在させると、それぞれの永久磁石８９が鉄片９３と磁着するので、鉄片９３を介して磁石群が一体に磁着され、取り付けが容易になる。なお、羽根保持アーム６７の下面に配列した永久磁石９０についても、同様に隙間をあけてその隙間に鉄片を介在させ、枠体９５で囲むようにして羽根保持アーム６７に取りつけている。
【００８４】
なお、前記支持リング６３は、図２２に示すように、所定の幅の矩形状のプレート６３ａで構成し、環状に配列して構成している。また、支持ロッド９１は、内側１列と外側１列の全体の２列で内側リングプレート９２を支持している。また、この風力発電システム８８では、支持リング６３の外側にも２列の支持ロッド９１ａを立ち上げて、その上端に外側リングプレート９６を固定している。そして外側の支持ロッド９１ａの内側の列および内側の支持ロッド９１の外側の列には、それぞれ高さ方向の中間部に固定子を構成するコイル群３２、３２を取りつけている。そして両者の間に永久磁石６４を設けた回転子を配置し、その回転子を羽根車に固定している。
【００８５】
前記永久磁石６４は、図２３に示すように矩形状を呈し、中間の補強リング６８の内面および外面の両側に、それぞれ隙間をあけて配列固定している。それらの隙間にも、鉄片を介在させるのが好ましい。永久磁石６４は、内側をＮ極にしたもの６４ａと、Ｓ極にしたもの６４ｂを交互に配列している。外側の永久磁石６４についても同様であり、通常は内側の永久磁石の極と、それと対応する外側の永久磁石の極は同極にしている。補強リング６８の中間部には上下に貫通する孔６８ａが形成されており、図２１に示すように、その孔６８ａに吊りロッド９７が通されている。
【００８６】
その吊りロッド９７は、上から上端スペーサ９８、上ガイド円板９９、上側スペーサ１００、補強リング（コア）６８、下側スペーサ１０１および下側ガイド円板１０２を貫通し、全体を締め付けて固定している。上端スペーサ９８、上側スペーサ１００、下側スペーサ１０１はそれぞれステンレス鋼などの非磁性の金属などで構成することができる。また、内側リングプレート９２の外縁部および外側リングプレート９６の内縁部には、上ガイド円板９９の上面と隙間をあけて対向するガイドローラ１０３、１０３が回転自在に支持されている。さらに下側の支持リング６３には、下ガイド円板１０２の下面と隙間をあけて対向するガイドローラ１０４、１０４がそれぞれ回転自在に支持されている。それらのガイドローラ１０３、１０４の回転中心は、水平に配置され、羽根車の半径方向を向いている。それらのガイドローラ１０３、１０４と上下のガイド円板９９、１０２とは、磁気浮上構造Ｊ１の不調などで回転子が上下方向に移動しても、回転子と固定子とが接触しないように最低限の隙間を維持する安全機構である。
【００８７】
前記コイル群３２は、図２４に示すように、多数のケイ素鋼板などの金属板を重ねて形成したコア３２ａの外周に、電線３２ｂを巻き付けたものであり、支持ロッド９１、９１ａを通すため、上下方向に孔１０８が形成されている。そして図２１に示すように、支持ロッド９１、９１ａの上下方向の中間部に固定され、支持されている。なお、コイル群３２を支持する支持ロッド９１、９１ａの上部には上ガイド円板９９の内周面または外周面と隙間をあけて対向するガイドローラ１０５、１０５が回転自在に設けられている。そしてコイル群３２を支持する支持ロッド９１、９１ａの下部には、下ガイド円板１０２の内周面または外周面と隙間をあけて対向するガイドローラ１０６、１０６が回転自在に設けられている。それらのガイドローラ１０５、１０６と上下のガイド円板９９、１０２は、回転子が半径方向外側あるいは内側に移動しても、固定子と回転子の隙間を適切に維持するための安全機構である。なお、図２３および図２４では、回転子および固定子をそれぞれ直線状の部材で構成している。そして風力発電システムでは、これらの直線状の部材をいくらか角度をつけて多角形状に配列し、環状の回転子および固定子を構成する。このように多数の部材を連結して環状部材を構成することにより、取り扱いが容易になる。なお、それぞれの固定子および回転子の部品をいくらか湾曲させ、連結したときに円環状になるように構成することもできる。また、回転子および固定子は、回転するときに互いに、あるいは他の周囲のものと干渉しないように、ガラス繊維強化合成樹脂で固めて所定の寸法に仕上げるのが好ましい。
【００８８】
さらに図２１の風力発電システム８８では、吊りロッド９７の下端あるいは下ガイド円板１０２の下面の間に、互いに反発する磁石群１０７、１０８を配置して、羽根車の重量、とくに回転子の重量を支持させる補助磁気浮上構造Ｊ２を設けている。すなわち前述の上部に設けた磁気浮上構造Ｊ１は、片車側の永久磁石を羽根保持アーム６７ごとに設けているので、複数枚の縦羽根の重量をそれらの直下で支持することができるが、縦羽根の間の回転子の重量は充分に支持できない。そのため、補助磁気浮上構造Ｊ２により、その間の回転子の重量を支持させるようにしている。
【００８９】
つぎに図２５を参照して、固定子のコイル群３２の配列および結線状態を説明する。外側および内側の固定子のコイル群３２は、３相交流の電流を得るために、それぞれ３組のコイル群１１１ａ、１１２ａ、１１３ａ、１１１ｂ、１１２ｂ、１１３ｂによって構成している。そして内側の第１コイル群１１１ａと外側の第１コイル群１１１ｂとは、長手方向に１ブロック分だけずらせて配置され、しかも、内側の第１コイル群１１１ａの端部と外側の第１コイル群１１１ｂの端部とは接続線１１１ｃで連結されている。第２コイル群および第３コイル群についても同様である。各コイル群のブロックの巻き数は同一にしている。
【００９０】
上記のように構成される固定子のコイル群３２の間に回転子の永久磁石６４が一方向に走行すると、走行する永久磁石６４の磁界は固定子のコイル群に対してほぼサイン曲線となる磁界変化を付与し、それに基づいてそれぞれのコイル群３２に交流が生ずる。したがって各コイル群３２から交流の電気を取り出すことができる。そしてこの実施形態では、第１コイル群、第２コイル群、第３コイル群から３相交流を取り出すことができる。
【００９１】
また、上記のようにして各コイル群３２に電流が流れると、固定子のコイル群３２に磁界が生じ、その磁界と固定子の永久磁石６４の間に吸引力および反発力が生ずる。しかし内側と外側の対応するコイル群同士が接続線１１１ｃ、１１２ｃ、１１３ｃでそれぞれ接続されているので、内側に引っ張られる力と外側に押される力がバランスする。すなわち内側の第１コイル群１１１ａの電流が減少すると、外側の第１コイル群１１１ｂの電流も同等に減少するため、内側に引っ張られる力と外側に押される力がバランスし、同様に第２コイル群１１２ａ、１１２ｂ同士および第３コイル群１１３ａ、１１３ｂ同士の力もバランスする。そのため、回転子は固定子に対してほぼ一定の間隔を維持しながら走行することになる。したがって回転数が変化しても、全体としてスムーズな回転が得られる。
【００９２】
図２６ａに示す磁気浮上構造Ｊ３は、回転する羽根車側、たとえば羽根保持アームに取りつけられる永久磁石９０が下向きに開口する断面略コ字状を呈している。固定されたフレーム側、たとえば支持リングに取りつけられる永久磁石８９は縦向きの板状である。このような断面コ字状の永久磁石９０は、水平に配置される中央の板状の磁石９０ａと、縦向きに配置される内側および外側の板状の磁石９０ｂ、９０ｃの３枚の磁石をたとえばＮ極を内側にするように組み合わせることにより得ることができる。その場合は相手側の縦向きの永久磁石８９の上端側を同じＮ極にする。コ字状の永久磁石９０の内面側をＳ極にする場合は、縦向きの永久磁石の上端側もＳ極にする。そして基準状態では、固定側の永久磁石８９の先端は、回転側の永久磁石９０の先端同士を結ぶ線Ｌにほぼ一致させておく。なお、固定側の永久磁石９０をほぼ連続する環状に配置し、回転側の永久磁石８９を羽根保持アームの部分のみに設ける点については、前述の図２１の磁気浮上構造Ｊ１の場合と同様である。ただし固定側を部分的に設け、回転側をほぼ連続する環状に配置してもよい。
【００９３】
このように構成される磁気浮上構造Ｊ３は、回転側の中央の磁石９０ａのＮ極と固定側の永久磁石８９の上端のＮ極とが反発するので、羽根車の重量を支えることができる。また、回転側に中央に向かう力が加わっても、内側の磁石９０ｂと縦向きの永久磁石８９とが反発するので、上記の力に対応する力が生ずる。逆に外側に向かう力が加わっても、外側の磁石９０ｃと縦向きの永久磁石８９との間で元に戻そうとする力が働く。そのため、この磁気浮上構造Ｊ３は、常に基準位置を維持させる機能を備えている。また、回転側の永久磁石９０の幅は、図２２からもわかるように、羽根保持アームの幅と同じでよいため、磁石の節約になる。また、いずれも板状の磁石を用いるので、市販の磁石から容易に構成することができる。
【００９４】
図２６ｂに示す磁気浮上構造Ｊ４は、図２６ａの場合とは逆に、回転側に縦向きの永久磁石９０を設け、固定側に断面コ字状の永久磁石８９を設けている。この磁気浮上構造Ｊ４も図２６ａに示す磁気浮上構造Ｊ３と同様に、羽根車の磁気浮上作用と、中心維持作用の両方の機能を備えており、実質的に同じ作用効果を奏する。
【００９５】
図２６ｃに示す磁気浮上構造Ｊ５は、固定側の永久磁石８９として、内向きに開くコ字状断面を備えた外側の磁石８９ｃと、外向き開くコ字状断面を備えた内側の磁石８９ｂとからなる。そして回転側の永久磁石９０は、固定側の永久磁石の間に水平に配置される板状のものが用いられる。回転側の永久磁石９０はたとえばステンレススチールなどの非磁性体材料からなる支持部材１１９で羽根車側、たとえば羽根保持アームなどに取りつけられる。なお、外側のコ字状の磁石９０ｃの内面側をＮ極にする場合は、内側のコ字状の磁石９０ｂの内面側を反対のＳ極とし、回転側の永久磁石９０は外側の端部をＮ極に、内側の端部をＳ極にする。それにより、強力な上向きの磁気浮上作用と中心維持作用とを発揮することができる。
【００９６】
図２７ａの磁気浮上構造Ｊ６は図２６ｃの磁気浮上構造Ｊ５とは逆に、回転型の永久磁石９０として、外側および内側に配置されるそれぞれ断面コ字状の磁石９０ｃ、９０ｂを採用し、固定側の永久磁石８９として水平方向に配置される板状の磁石を採用している。なお、この実施形態では、回転側の外側の磁石９０ｃと内側の磁石９０ｂの上部同士をステンレススチールなどの非磁性体材料からなる部材で連結している。それにより取り扱いが容易になる。
【００９７】
図２７ｂに示す磁気浮上構造Ｊ７は、固定側の磁石１２０として、図２６ｂの場合とほぼ同様の上向きに開く断面コ字状の磁石１２１と、その間に介在される電磁石１２２とを組み合わせたものを採用している。このものは電磁石１２２のコイルに流す電流を制御することにより、電磁石１２２の磁力を調整することができる。それにより必要に応じて磁気浮上力を調整することができる。
【００９８】
つぎに図２８〜３６を参照して、本発明の電気・力変換装置の第１の態様の実施形態を説明する。図２８は風力発電システムの先の実施形態における図２１に示すような両側に磁極を持つ回転子を持つ発電機のブロック構成図（断面図）を示しており、両側に永久磁石１２６を持つ回転子１２７と、この回転子１２７を軸支する軸受け部１２８と、この軸受け部１２８を支持する台１２９と、回転子１２７を回転駆動する羽根車１２などから構成される原動機部１３０と、回転子１２７の永久磁石１２６と対峙している固定子１３１とで構成されている。なお、上記軸受け部１２８の代わりに上述した永久磁石などによる磁気浮上構造としても良い。電気・力変換装置は紙面に対して直角方向に延びている。風力発電装置に用いる場合は円環状に配置されるが、直線状あるいは緩やかな曲線状に延びていてもよい。以下の説明では、円環状に配置される場合を説明する。
【００９９】
回転子１２７の両側に２つの固定子１３１を持つ発電機の回転子１２７は、ドーナツ状の回転子で円周状に分布配置されている。このような発電機においては、固定子１３１の寸法低減のために回転子１２７の内外径の差が小さいことと、回転子１２７の軸受け荷重の軽減のために回転子１２７の重量が軽いことが求められる。
【０１００】
図２９は片側に固定子１３１を持つ発電機の回転子ヨーク部１３２の構造を示している。なお、図２８と同様の機能を有する要素には同一の番号を付している。回転子１２７の固定子１３１と対向している面にはＮ極とＳ極と交互に永久磁石１２６を配置しており、また、矢印は磁束を示している。この片側に固定子１３１を持つ発電機の回転子１２７は、Ｎ極の磁極とＳ極の磁極の間に磁束が通り易くするため、鉄でできた磁気回路が必要である。この回転子１２７の磁気回路の幅は、磁極幅（永久磁石１２６の幅）の半分の大きさである。
【０１０１】
他方、固定子１３１が回転子１２７の両側にある発電機で、両側に磁極（永久磁石１２６）を持つ回転子１２７を構成した場合には、図３０に示すように、半径方向に対して大きな幅の回転子ヨーク部１３２が必要となる。したがって、回転子１２７の内外径の差が大きく、二重に回転子ヨーク部１３２が必要となり、回転子１２７の重量が重くなる。
【０１０２】
この回転子１２７の両側に磁極を持つ構成で、磁極に永久磁石１２６を使用した時に、軸の偏芯（回転子１２７が軸芯からずれて固定子１３１側に寄ること）が生じた場合には、固定子１３１と回転子１２７の空隙が狭くなるために、寄った側の永久磁石１２６は、回転子１２７に独自のヨーク部を持つので、残りの回転子１２７側の永久磁石１２６とは無関係に、独自の磁気抵抗だけに左右されて、消費アンペアターンが減少し、永久磁石１２６の発生磁束量が増加する。また、残り側も独自のヨーク部を持つので、永久磁石１２６の発生磁束量は減少する。これを図３１に示す。これにより図３１の上側の回転子１２７の半径方向に作用する磁気吸引力が大きくなり、上側の固定子１３１側に回転子１２７が更に移動する。この力を式にて説明する。
【０１０３】
図３２は永久磁石１３４を使用した回転機のモデルの磁気回路を示し、略コ字型の珪素鋼板からなる磁性体１３５の対向する先端の一方に永久磁石１３４を配置し、この永久磁石１３４と磁性体１３５の他方の先端との間に空隙を設けている。一般に永久磁石１３４の発生する空隙の磁束密度Ｂは、図３２の位置関係の時に、
Ｂ＝Ｂｒ・（ｔ／μ）／（ｔ／μ＋Ａ） ・・・（１）
（但し、Ｂｒ：永久磁石１３４の残留磁束密度、ｔ：永久磁石１３４の厚み、μ：永久磁石１３４の透磁率、Ａ：空隙の長さ）
と、示される。
【０１０４】
両側にヨーク部を持つ回転子構造では、外側磁石の磁気吸引力Ｐ１及び内側磁石の磁気吸引力Ｐ２は、
仮に、磁石（永久磁石１３４）の厚さｔを、１０．５ｍｍ、空隙Ａを１０ｍｍ、ｋを磁極面積とした時、
Ｐ１＝ｋ・（（Ｂｒ・（ｔ／μ）／（ｔ／μ＋Ａ））２
＝ｋ・（Ｂｒ）２ ／４ ・・・・（２）
Ｐ２＝ｋ・（（Ｂｒ・（ｔ／μ）／（ｔ／μ＋Ａ））２
＝ｋ・（Ｂｒ）２ ／４ ・・・・（３）
である。したがって、同じ空隙の時の磁気吸引力は同じとなり、回転子１２７は移動しない。
【０１０５】
ところが仮に回転子１２７が５ｍｍ中心からずれて回転子１２７側に寄った時、回転子１２７の（図３１で上側の空隙が狭くなった時の）Ｐ１、Ｐ２は、以下のようになる。
Ｐ１＝ｋ・（（Ｂｒ・（ｔ／μ）／（ｔ／μ＋Ａ））２
＝ｋ・（Ｂｒ）２ ＊４／９ ・・・・（４）
Ｐ２＝ｋ・（（Ｂｒ・（ｔ／μ）／（ｔ／μ＋Ａ））２
＝ｋ・（Ｂｒ）２ ＊４／２５ ・・・・（３）
これにより磁気吸引力に差が生じ、回転子１２７を更に偏芯させるように力が作用する。
【０１０６】
更に、回転子１２７の両側に磁極（永久磁石１２６）を持つ場合の磁気吸引力は、回転子１２７の片側のみに磁極（永久磁石１２６）を持つ発電機に比して、回転軸に対して１８０°の位置にも回転子１２７の両側に磁極（永久磁石１２６）が存在するので、２倍の磁気吸引力が作用することになる。
【０１０７】
したがって、回転子１２７の両側に永久磁石１２６の磁極を持つ発電機を片側に磁極を持つ構造の考えのままで製作すると回転子１２７の重量が重く、また軸偏芯時の磁気吸引力が大きいという問題がある。
【０１０８】
この構造の考えの問題点は、回転子１２７の重量が重く、また軸偏芯時の磁気吸引力が大きいということである。すなわち、回転子１２７の構成にあることになる。その回転子１２７の構成で、二重に必要とする回転子ヨーク部１３２にあることになる。回転子ヨーク部１３２の幅の低減、回転子ヨーク部１３２の共有化が考えられる。
【０１０９】
この回転子ヨーク部１３２の幅の低減は、重量低減にはなるが、回転子ヨーク部１３２の磁気抵抗を増加させて、永久磁石１２６の能力を低減させることになり、磁気吸引力が大きいという問題解決にはならない。また、回転子ヨーク部１３２の共有化は、回転子１２７の外側の磁極と内側の磁極の位置を、磁極の極ピッチの半分ずらすことが考えられ、重量低減には効果があるが、共有化では、外側と内側の磁極が独自に動き、磁気吸引力が大きいことの解決にはならない。
【０１１０】
したがって、回転子１２７の両側の磁極が、偏芯が生じてもそれぞれの独自の磁気回路で磁石が動作しないように、回転子１２７の外側と内側の両者の磁気回路を一本化できれば、回転子ヨーク部１３２が同じになり、重量も低減でき、磁気吸引力が低減できることになる。よって、課題は、回転子１２７の外側と内側の永久磁石１２６の磁気回路を一本化することである。
【０１１１】
そこで、回転子１２７の両側の磁極、Ｎ極とＳ極の永久磁石を対に構成すれば、磁気回路の一本化を図ることができる。この構成を図３３に示す。図３３において、Ｎ極とＳ極の磁石１３６、１３６を対にした部材である磁石部１３７を等間隔で該磁石部１３７のＮ極とＳ極が交互に反対側に位置するように周方向に配置して回転子１２７を形成し、この回転子１２７の両側に固定子１３１を配置している。このような構成にすることで、同じ磁力線が回転子１２７の両側の磁石部１３７及び両側の固定子１３１を通ることになり、両側の空隙の磁束密度も同じになり、磁気吸引力も同じになる。
【０１１２】
この状態をモデル化した状態を図３４に示す。このモデルでの両側の磁極の磁束密度は、以下のようになる。２つの磁石（磁石部１３７）は、同じ磁気回路上にあるので、磁石厚さと空隙は合算されて、
Ｂ＝Ｂｒ・（２ｔ／μ）／（２ｔ／μ＋Ａ＋Ｂ） ・・・・（６）
（但し、Ｂｒ：磁石の残留密度、ｔ：磁石の厚み、μ：磁石の透磁率、ＡとＢ：空隙の長さ）
と示される。
【０１１３】
今、仮に、Ａ磁石とＢ磁石の厚みｔを１０．５ｍｍ、μを１．０５、空隙ＡとＢを１０ｍｍとした時、回転子１２７の両側の磁石に作用する磁気吸引力Ｐ１、Ｐ２は、
Ｐ１＝ｋ・（（Ｂｒ・（２ｔ／μ）／（２ｔ／μ＋Ａ＋Ｂ））２
＝ｋ・（Ｂｒ）２ ／４ ・・・・（７）
Ｐ２＝ｋ・（（Ｂｒ・（２ｔ／μ）／（２ｔ／μ＋Ａ＋Ｂ））２
＝ｋ・（Ｂｒ）２ ／４ ・・・・（８）
で示される。
【０１１４】
更に、仮に、回転子１２７の回転軸が５ｍｍ偏芯した場合（磁石Ａと磁石Ｂが空隙Ａ側に５ｍｍ移動したとする）の磁気吸引力Ｐ１、Ｐ２は、空隙の（Ａ−５）＋（Ｂ＋５）が当初のＡ＋Ｂのままであるので、同じ磁気吸引力となる。
【０１１５】
したがって、両側の磁石の磁気吸引力は回転子１２７の両側でバランスするので、回転子１２７全体が受ける力はゼロになり、偏芯があっても、回転子１２７を更に径方向に移動させる力は生じないことが計算上示される。
【０１１６】
また、図３３に示すように、回転子１２７の周方向で、隣り合った磁極を非磁性金属体１３８で結合することで、隣の磁極に磁束が漏れることも無くすことができる。
【０１１７】
かかる構成とすることで、回転子１２７の両側の磁石１３６、１３６をＮ極とＳ極と対にし、磁気回路を１つにした構成とすることで、回転子１２７の周方向で隣り合った磁極を非磁性金属体１３８で結合でき、そのため、従来構造の鉄の磁気回路を必要とせずに、回転子１２７の軸が偏芯が生じても、回転子１２７全体では磁気吸引力が計算上は発生しないという作用効果を生ずる。また、前述の構造の回転機で必要としていた周方向で隣り合った磁極間の回転子ヨーク部を必要としないという作用効果を生む。
【０１１８】
図３５に具体的な実施形態を示す。図示するように、回転子１２７の両側にそれぞれ固定子１３１があり、回転子１２７はＮ極とＳ極の磁石１３６、１３６を全周に設けた非磁性金属体１３８の上に設置したものである。回転子１２７の周方向上に隣り合った磁石１３６、１３６（磁石部１３７）同士の間は、非磁性金属体１３８で結合されている。この時に、回転子１２７の両側の磁石１３６、１３６間を非磁性金属体１３８に代えて磁性金属で接続すれば、両側の磁石１３６、１３６間の磁気抵抗が減少する。この回転子１２７の両側の磁石１３６、１３６間の磁性金属は、回転子１２７の両側の磁石１３６、１３６と同じ磁気回路上にあるので、図３１の構造の周方向上に存在する鉄の磁気回路とは、その作用が異なるので、本発明の原理には触れない。
【０１１９】
理論的には、上記（６）式と（７）式で示したように、回転子１２７の両側の磁石１３６、１３６で生じる磁気吸引力は同じである。しかし、実際は、一般に磁束は磁束密度を低減させるために空間に広がる性質を持ち、固定子１３１が周方向に存在するために、上記（６）式と（７）式の磁極面積の定数ｋが、回転子１２７が近接した側と離れた側では異なる。近接した側ではｋが大きくなり、離れた側では小さくなる。このために、近接した側の磁気吸引力が、離れた側より大きくなる。この二次的な現象は、本発明の原理には直接触れないが、この二次的な現象も含めた磁気吸引力の有限要素法による磁界解析による磁気吸引力の計算結果を図３６に示す。この計算は、図３２の構造と図３５の両側の磁石寸法と空隙を同じとし、図３２の周方向の隣り合った磁極間の鉄の回転子ヨーク部を磁石の幅の半分で行なったものである。この結果にも示すように、図３５に示す構造の磁気吸引力は、従来構造の場合よりも小さいものである。
【０１２０】
このように本実施形態では、回転子１２７の両側の磁極を対にして構成すると、同じ磁気回路上で両側の磁石１３６、１３６が動作することになり、回転子１２７の偏芯が生じても、両側の磁石１３６、１３６の磁気吸引力がバランスして回転子１２７全体では力がゼロになり、更に回転子１２７を移動させる力の発生することは計算上無くなる。また、同じ磁気回路上に磁石１３６、１３６を取り付けるので、従来構造の考えでは必要とした隣り合った磁極間の回転子ヨーク部を必要とせずに、回転子１２７の重量低減と回転子１２７の径方向の幅を低減できるという効果を奏する。
【０１２１】
つぎに図３７〜図４４を参照して本発明の永久磁石の配列構造の実施形態を説明する。以下の実施形態では、本発明の永久磁石の配列構造を磁気浮上装置に適用する場合を説明する。しかしこの永久磁石の配列構造は、これに限らず、複数個の永久磁石を同じ極を同じ向きになるように並べる場合の種々の構成にに適用することができる。図３７は両側に固定子をもつ回転子の磁気浮上の構造を示すものであり、先の実施形態と同様の原動機部１５３にて回転駆動される回転子１５１の両側には固定子１５２を持ち、この回転子１５１は磁気浮上構造Ｊ１０にて浮上する構造となっている。この磁気浮上構造Ｊ１０は、回転子１５１側の永久磁石１５４と、台１５６側に固定されている固定側の永久磁石１５５とで構成されており、永久磁石１５４と永久磁石１５５の対向面は互いに反発するＮ極同士、あるいはＳ極同士となっている。
【０１２２】
図３７に示すように、両側に固定子１５２をもつ発電機の回転子１５１は、水平に置かれ、周方向に分布配置されている。このような構造の発電機の回転子１５１は上述したように水平に設置できるがために、永久磁石１５４、１５５により磁気浮上させることができる。しかし、永久磁石１５４、１５５の取り扱いの際には、近接する磁性金属に接着しても、取り外すことができるようにしている。あるいは、所定の位置にアルミ材などの非磁性体を介して永久磁石１５４、１５５を取り付けた後は、このアルミ材などを取り外す必要がある。永久磁石１５４、１５５の取り付けのためには、アルミ材などが必要であり、取り付けのために有効利用できないスペースが必要となっている。
【０１２３】
また、永久磁石１５４、１５５の反発力により磁気浮上させている状態で回転子１５１が移動している場合には、固定側と回転側に隙間なく多量の磁石（永久磁石１５４、１５５）を取り付ける必要がある。高性能磁石は、最大寸法に制限があり、多くの個数が必要となる。図３８に示すように、磁気浮上のためには同じ極の磁石（永久磁石１５４、１５５）をそれぞれ横に配置する必要がある。図３８では、移動側の永久磁石１５４の空隙側をＮ極とし、固定側の永久磁石１５５の空隙側をＳ極として反発力を得ている。
【０１２４】
しかし、図３９に示すように、同じ方向の磁極面を持つ磁石の側面を近接させると、反発力が生じ、並設して取り付けることは容易ではなく、多くの人力を必要として固定している。すなわち、図３９は高性能の磁石Ａと磁石Ｂを近接させた時の両磁石Ａ、Ｂの流体の磁束分布の状態を示し、磁石Ａと磁石Ｂを近接させても、端部では、同じＮ極から発生した磁束（図中の端部の漏れ磁束）が近接するために（磁束が鎖交しないので）反発力を生じる。したがって、両磁石Ａ、Ｂを近接して保持することは困難である。
【０１２５】
また、図４０は空気中に置かれた高性能磁石Ａ、Ｂの反発力（磁石Ａを固定とした場合）の説明図を示し、両磁石Ａ、Ｂの厚さを５ｍｍ、長さを２０ｍｍ、幅を１０ｍｍとして、磁石Ａの端面に磁石Ｂを吸着させた場合に、磁石Ｂに作用する反発力は、約３０Ｎであり、人の手で長時間保持し続けることは非常に困難である。
【０１２６】
なお、全体機器を分解点検するために、設置した磁石がこの反発力のために飛ぶことがないように、磁石固定用の非磁性材を取り外す作業にも時間を要することになる。更に、この取り付け・分解作業を、設備を用いて効率良く工場で行なうのではなく、現場で実施するとなれば、更に時間を要することになる。このように、高性能磁石を機器（風力発電システムなどに）に組み込むには、取り付け作業に時間を要する。
【０１２７】
このようにして高性能磁石の組み込む際の作業性の悪化は、その磁石が高性能であるが故に、磁束が空気中に漏れて、近接した磁性体との間に吸引力が発生することである。計画した方向に向いている磁束が磁性体との間に吸引力が発生すること、あるいは浮上のための磁石間での反発力は、高性能磁石を使用する目的でもあるので、この磁束が生む吸引力の対策は機能上必要なことであり、問題ではない。しかし、所定方向以外の磁石の側面を通る磁束は、漏れ磁束であり、この漏れ磁束が近接した磁性体との不要な吸引力を生むこと、あるいは、同じ方向を向いた磁石との間に不要な反発力を生じることを防止することができれば、作業性を向上させることができる。
【０１２８】
永久磁石を鉄のような磁性体に取り付けると、この磁性体の外側にある磁性体の吸引力が低減することは周知の事実である。この周知の事実により、例えば、１ｃｍ立法の磁石を単純に数ｃｍの厚い鉄で側面を囲むと、不用意な吸引力は発生しないが、作業場内での運搬する重量が増し、逆に作業性が悪くなる。また、図４１に示すように、磁石を磁性体１５８で囲ったものに、別の高性能磁石を配置すると大きな吸引力が発生し、これらを分離するためには、大きな力を必要とする。
【０１２９】
すなわち、図４１は磁石Ａの側面に磁性体１５８を取り付けた時の端部の磁束分布を示す図であり、磁石Ａの側面に磁性体１５８を取り付けた場合には、磁石Ｂの端部の磁束がその磁性体１５８に浸入し、吸引力が生じる。また、図４２は、空気中に置かれた高性能磁石Ａと磁石Ｂとの間に磁性体１５８をサンドイッチした時の吸引力を示している。この図４２において、両磁石Ａ、Ｂ共に、厚さを５ｍｍ、長さを２０ｍｍ、幅を１０ｍｍとし、磁性体１５８の厚さを５ｍｍ、長さを１ｍｍ、幅を１０ｍｍとした場合、磁石Ｂが磁性体１５８側から受ける吸引力は、約３０Ｎであり、磁石Ｂを磁性体１５８から分離しようとすると大きな力を必要とする。そのため、両磁石Ａ、Ｂの分離は困難である。
【０１３０】
更に、反発形の磁気浮上では、磁石側面に取り付けた磁性体が、磁石表面より突き出ると、この部分の表面に相手方の磁石の磁束が集中して、浮上用の反発力の低下を招く。
【０１３１】
したがって、同じ極面同士の高性能磁石を近接した時に、反発力と吸引力が小さくなるような磁石側面に取り付けた磁性体あるいは磁石側面を囲む磁性体の構成が磁石に密に並んでいるような薄い磁性体の厚みを求めることが課題となる。
【０１３２】
同じ極面間で、高性能永久磁石を近接させると、反発し、また高性能磁石に磁性体を取り付けると吸引して離れない。この反発と吸引の両者の状態を、磁性体を用いて発生させることができれば、同じ極面の高性能磁石を密接に並べても反発と吸引が生じないことになる。このために、図４３に示すように磁石の側面の磁性体１６０の外側を一部磁束が漏れるように、磁性体１６０の高さを磁石の厚みより短くするようにしたものである。
【０１３３】
そして、図４４に示すように、この一部を切り欠いた磁性体１６０を高性能磁石ＡとＢの間に側面でサンドイッチする。高性能磁石Ａ、Ｂの漏れ磁束が、この磁性体１６０の高さを欠いた部分から漏れた磁束が互いに反発し、反発力を発生していて、磁性体１６０の部分では、磁性体１６０に互いに高性能磁石Ａ，Ｂが吸引している状態になる。したがって、磁界解析によりその磁石Ａ、Ｂに応じて反発力と吸引力がバランスするように磁性体１６０の高さと厚みを適切に設定することができるので、課題を解決することができる。
【０１３４】
このように、高性能磁石Ａ，Ｂの厚さよりも短い磁性体１６０を磁石Ａ、Ｂの側面に取り付けるという工夫により、隣り合った磁石Ａ、Ｂの反発力と吸引力をバランスさせる作用が生じる。また、磁性体１６０の長さは、磁石Ａ、Ｂの長さより小さく、磁石が密に並んでいる状態でもある。更に、磁性体１６０は磁石Ａ、Ｂの面より内側に引っ込んでおり、浮上側の磁石１５４と固定側の磁石１５５よりの磁束がこの部分に集中することはないという作用をもち、磁気浮上に悪影響を及ぼすことはない。
【０１３５】
図４４は具体的実施形態を示し、図示するように、磁石Ａ、Ｂの厚みより、短い磁性体１６０を磁石Ａ、Ｂの側面に取り付けたものである。また、この時の磁性体１６０の長さは約１ｍｍで、磁石Ａ、Ｂの長さ２０ｍｍより短い。したがって、多数の磁石が密に並んでいる状態に近い。この磁石の配列で、磁界解析を行なった計算結果を図４４に示す。
【０１３６】
磁石Ａ、Ｂの厚み５ｍｍより、１．２ｍｍ短い磁性体１６０（厚さ３．８ｍｍ、長さ１ｍｍ、幅１０ｍｍ）を磁石Ａの側面に取り付けた時の磁石Ｂに作用する力は、吸引力で、約１Ｎである。この力は、図４４に示す同じ大きさの磁石Ａと磁石Ｂを磁性体１６０無しで接した場合の反発力（図４０）約３０Ｎより小さい。また、磁石の厚さと同じ高さの磁性体を介在させた時の吸引力（図４２）約１０Ｎより小さい。したがって、この実施形態に示すように、磁石の厚さより短い磁性体１６０を介在させることで、磁石の設置が容易となり、特別に反発力対策として磁石を固定する構造物を必要としないものである。
【０１３７】
このように本実施形態では、高性能磁石Ａ、Ｂ（永久磁石１５４、１５５）の厚さよりも短い磁性体１６０を該磁石Ａ、Ｂの側面に取り付けて、隣り合った磁石Ａ、Ｂの反発力と吸引力を低減させたので、磁石Ａ、Ｂ（永久磁石１５４、１５５）の取り付け作業が容易になり、現地にての組み立ての作業時間を短縮することができる。また、磁石Ａ、Ｂ間の吸引力が低減したので、発電機の分解点検作業が容易となる。更に、磁石Ａ、Ｂ間の反発力対策として、磁石Ａ、Ｂを固定する構造物を必要としないという種々の効果を奏するものである。
【０１３８】
なお、図４４に示すような構成の磁性体１６０を、図３８に示す移動側の多数の永久磁石１５４の間に磁性体１６０を介在させているものである。また、同様に固定側の多数の永久磁石１５５の間にも磁性体１６０を介在させている。
【０１３９】
つぎに図４５〜５１を参照して本発明の電気・力変換装置の第３の態様の実施形態を説明する。図４５は、風力発電システムの先の実施形態における図２１に示すような両側に磁極を持つ回転子を持つ発電機のブロック構成図を示しており、両側に永久磁石１６３を持つ回転子１６４と、この回転子１６４を軸支する軸受け部１６５と、この軸受け部１６５を支持する台１６６と、回転子１６４を回転駆動する羽根車１２などから構成される原動機部１６７と、回転子１６４の永久磁石１６３と対峙している固定子１７０とで構成されている。なお、上記軸受け部１６５の代わりに上述した永久磁石などによる磁気浮上構造としても良い。
【０１４０】
回転子１６４の両側に固定子１７０を持つ発電機では、外側と内側の固定子コイルを幾何学的にコイルを配置しても、図４６に示すように回転子１６４の内側と外側の磁束分布が相違するが、外側の固定子１７０ａと内側の固定子１７０ｂでのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の発生電圧の波形とピーク値および位相に差が生じる可能性がある。
【０１４１】
図４６は、回転子１６４の磁石１６３の外側固定子１７０ａと内側固定子１７０ｂの距離を示すものであり、磁石１６３の磁束分布が外側固定子１７０ａと内側固定子１７０ｂでは異なることを説明するために距離の差で示した図である。図４６において、磁石１６３を直方体とした時に、磁石１６３と外側固定子１７０ａ及び内側固定子１７０ｂとの距離は部位毎に以下のようにする。
ａ：磁石１６３の一方の端と外側固定子１７０ａの距離
ｂ：磁石１６３の中央部と外側固定子１７０ａの距離
ｃ：磁石１６３の他方の端と外側固定子１７０ａの距離
ｄ：磁石１６３の一方の端と内側固定子１７０ｂの距離
ｅ：磁石１６３の中央部と内側固定子１７０ｂの距離
ｆ：磁石１６３の他方の端と内側固定子１７０ｂの距離
【０１４２】
この時に、磁石１６３と外側固定子１７０ａの内径との距離について、以下のようになる。
ｂ＞ａ、ｂ＞ｃ、ａ＝ｃ
であり、内側固定子１７０ｂの外径については、以下のようになる。
ｄ＞ｅ、ｆ＞ｅ、ｄ＝ｆ
また、ｂ＝ｅとすると、ａ＜ｂ＜ｄとなる。
これは、磁石１６３の部位毎に磁路長が異なり、外側固定子１７０ａと内側固定子１７０ｂで磁束分布が異なることになる。この磁束分布の推定を図４７に示す。
【０１４３】
図４７（ａ）は外側固定子１７０ａの磁束密度分布を示し、図４７（ｂ）は内側固定子１７０ｂの磁束密度分布を示している。図４６に示したように、外側固定子１７０ａと内側固定子１７０ｂとの間の空隙で、磁石１６３の部位により磁路長が異なるので、両固定子１７０ａ、１７０ｂでは磁束密度分布が図４７に示すように異なる。
【０１４４】
図４７に示すように、外側固定子１７０ａの磁束密度分布は台形状で、内側固定子１７０ｂの磁束密度分布は三角状であることが推定される。したがって、外側固定子１７０ａと内側固定子１７０ｂのコイルに誘起される電圧のピーク値と波形が異なることが予想され、外側固定子１７０ａと内側固定子１７０ｂの電圧のピーク値と波形が異なることは、両固定子１７０ａ、１７０ｂの誘起電圧の基本波成分の位相も異なる可能性がある。
【０１４５】
また、回転子１６４の両側に固定子１７０を持つ発電機で、外側と内側のコイルを横切る磁束密度Ｂが同じ場合には、外側固定子１７０ａの発生電圧をｅ１、内側固定子１７０ｂの発生電圧をｅ２とした時、以下の式で示される。
ｅ１＝Ｂ・ｌ・ｖ１
ｅ２＝Ｂ・ｌ・ｖ２
但し、ｌはコイルの長さ、ｖ１、ｖ２は、外側と内側のコイルを横切る磁束の速度とする。
この時に、ｖ１＝ｖ２・ｒｌ／ｒ２である。但し、ｒ１は外側固定子１７０ａの内径、ｒ２は内側固定子１７０ｂの外径である。
【０１４６】
このように、回転子１６４の両側に固定子１７０を持つ発電機では、コイルを横切る磁束の速度が、外側と内側で異なるので、発生電圧が異なる。また、上記では、外側と内側の固定子コイル部での磁束密度も同じとしたが、前述のようにこれも同じではない。これを単純に結線すると外側と内側のコイルの間に循環電流が流れる可能性があり、不要な損失あるいは、更なる温度上昇を生じる可能性があった。
【０１４７】
ここで若干補足すると、従来の一般の発電機は、回転子の外径側に固定子を配置しているので、固定子コイルと回転子の磁極を周方向に幾何学的に周期的に配置すれば、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の発生電圧は、片側の同じ周方向にあるので、位相差は生じにくい。
【０１４８】
更に、一般に永久磁石を使用している発電機では、偏芯により回転子の磁極が近接した側では、空隙の寸法が狭くなるので、磁石の消費アンペアターンが少なくなり、起磁力のバランスが崩れて、近接する側に、近接する前の状態の起磁力より、近接した方が固定子表面の磁束密度は大きくなり、磁束密度の高い領域は広がる。また、離れた側の磁束密度は低くなり、その面積も狭くなる。このために、回転子の作用する磁気吸引力には、差分が生じて、磁極に近接した側に更に偏芯することが生じていた。これに対して、回転子の左右に磁極を持ち回転子の両側に固定子を持つこの発電機では磁極構造に関して対策を行ない、これを低減する工夫を行なっているが、図４６及び図４７で示したように、磁束密度分布に関して本質的に均等でないので、偏芯側に更に近接する可能性はある。
【０１４９】
回転子１６４の両側に固定子１７０を持つ発電機の問題をまとめると、以下のようになる。
（１）外側と内側の固定子１７０の発生電圧の大きさ及び波形、位相に差が生じる。したがって、それぞれの固定子コイルを結線すると両固定子１７０ａ、１７０ｂ間で循環電流が流れることになり、常時損失が発生する。
（２）回転子１６４の偏芯時には、偏芯した側に更に偏芯する可能性があるので、更に、両側の固定子１７０ａ、１７０ｂの発生電圧に差を生じる可能性がある。
【０１５０】
この原因は磁石１６３の形状にあるので、この磁束密度分布の解明を行ない、これに適切な磁石形状を決めることも出来るが、解明に要する時間と費用と適切な磁石形状を製作するための金型等の費用を考慮すると、経済的ではない。また、回転子１６４の偏芯時の発生電圧の問題については、正常状態の磁石形状では、対応できないと予想されるので、磁石側だけで解決できる問題ではない。
【０１５１】
したがって、解決しようとする課題は、固定子コイル側で、磁束密度分布の差に起因した発生電圧の差と磁気吸引力の低減を図る必要がある。この固定子コイル側で、解決策を見いだすことが課題となる。
【０１５２】
課題を解決するための手段として、問題は、両側の固定子の磁束密度分布が異なることにより発生しているので、この分布の違いを考慮して、固定子コイルを巻き、電圧を発生するようにすればよい。この発電機は、固定子コイルを両側にもつので、この同相の固定子コイルを交差させると、固定子コイルの発生電圧は、偏芯のない正常状態では同じになる。この時に、回転子１６４の偏芯があっても、正常状態と同じような発生電圧であれば、更に、偏芯していく度合いを低減できることになる。このような交差を固定子コイルで行なえばよい。
【０１５３】
永久磁石の場合には、磁石の磁束密度は磁石の磁気回路の消費アンペアターンと固定子の電機子反作用で決まる。このうち磁気回路の消費アンペアターンは図４６で示したように固定子１７０ａ、１７０ｂと磁石１６３の間の空隙の大きさで大部分決まる。回転子１６４の偏芯が生じた場合の両固定子１７０ａ、１７０ｂでの磁束密度を磁石１６３と固定子１７０ａ、１７０ｂの間の空隙の寸法で図４８にて検討する。
【０１５４】
図４８は回転子１６４の偏芯時の磁束密度の大きさとコイルの配列についての回転子１６４側の磁石１６３の外側固定子１７０ａと内側固定子１７０ｂの距離（空隙）の検討用の図であり、該図では磁石１６３を直方体とした時に、磁石１６３と固定子１７０ａ、１７０ｂとの距離を部位に次のようにする。ここでは便宜上、磁石１６３の番号を磁石１、磁石２、磁石３として説明し、ａ１、ａ２、ａ３の１、２、３の添字は、これら磁石１〜３の番号に対応させている。
【０１５５】
ａ：磁石の一方の端と外側固定子１７０ａの距離
ｂ：磁石の中央部と外側固定子１７０ａの距離
ｃ：磁石の他方の端と外側固定子１７０ａの距離
ｄ：磁石の一方の端と内側固定子１７０ｂの距離
ｅ：磁石の中央部と内側固定子１７０ｂの距離
ｆ：磁石の他方の端と内側固定子１７０ｂの距離
【０１５６】
回転子１６４の偏芯時の磁石１６３と固定子１７０ａ、１７０ｂの距離の大きさの順は、次のようになる。
ａ１＜ｂ１＜ｃ２＜ａ２＜ｂ２＜ｅ２＜ｄ２＜ｆ２＜ｅ１＜ｄ１
また、
ａ１＝ｃ１、ｄ１＝ｆ１、ｆ２＝ｄ３、ｅ２＝ｅ３、ｄ２＝ｆ３
したがって、偏芯時の固定子１７０ａ、１７０ｂの磁石１６３の各部位の磁束密度の順は、上記の逆となる。
ａ１＞ｂ１＞ｃ２＞ａ２＞ｂ２＞ｅ２＞ｄ２＞ｆ２＞ｅ１＞ｄ１
【０１５７】
図４９は固定子コイル１７２の配列を示す図であり、固定子コイル１７２は、ｕ−ｚ−ｖ−ｘ−ｗ−ｙの相順で配置される。外側固定子１７０ａの固定子コイル１７２をこの順で配列した時に、回転子１６４に図４９に示すように磁極（磁石１６３（磁石２、磁石１、磁石３）を取り付けた場合には、内側固定子１７０ｂの固定子コイル１７２の配列は、ｕ−ｚ−ｖ−ｘ−ｗ−ｙの相順と、ｘ−ｗ−ｙ−ｕ−ｚ−ｖの相順がある。この固定子コイル１７２の並びの時の磁石１６３の位置と空隙部の位置ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆを図４９に示す。
【０１５８】
図５０は、磁石１６３の位置と磁束密度の大きさを示す図であり、仮に、ａ１を１０、ｂ１を９として、磁石１６３の部位毎に大きさを図５０に示す。この時に正常状態に近い空隙距離となっているのは、ｄ２とｆ３であるので、正常状態では磁束密度も４と仮定できる。図５０に示すように、相により誘起電圧が異なることが判る。回転子１６４の偏芯が生じた場合も考慮すると単純に両側の固定子コイル１７２を交差できないことになる。
【０１５９】
図４９及び図５０のモデル図により外側の固定子コイル１７２ａと内側の固定子コイル１７２ｂを交差した場合の発生電圧（合計した磁束密度）の評価を固定子コイル１７２との相順との関係で図５１に示す。なお、固定子コイル１７２の交差は同相間で行なっている。上記のことから、固定子コイル１７２の交差を行なう場合、偏芯があった場合の発生電圧は、外側の固定子コイル１７２ａの相順と内側の固定子コイル１７２ｂの相順に関係することになる。この時に、正常状態が８であるので、各相の発生電圧が８に近い状態をもつ相順、すなわち、ｘ−ｗ−ｙ−ｕ−ｚ−ｖの場合が全体として大きな発生電圧がなく、固定子コイル１７２に流れる電流も小さくなる。固定子コイル１７２のｕ−ｚ−ｖ−ｘ−ｗ−ｙの配列時には発生電圧は大きく、固定子コイル１７２の流れる電流も大きい。
【０１６０】
図５２は、外側の固定子コイル１７２ａの配列をｕ−ｚ−ｖ−ｘ−ｗ−ｙとし、内側の固定子コイル１７２ｂの配列をｘ−ｗ−ｙ−ｕ−ｚ−ｖとして、これらのコイルの配列を対向させ、各同相間でコイルを交差させたものである。図５３は外側固定子１７０ａと内側固定子１７０ｂへの固定子コイル１７２の具体的な結線方法を示す図であり、この図では相順を外側と内側で、１８０°変えている。
【０１６１】
このように、両固定子１７０ａ、１７０ｂの磁束分布の差異に伴う誘起電圧の差異を、回転子１６４の磁極対の両側の固定子コイル１７２を交差させることで、両側の固定子コイル１７２に常時流れる循環電流の発生を防ぎ、両側の固定子１７０ａ、１７０ｂの発生電圧を同じにして、負荷電流の流れるを均等にでき、負荷時の磁束分布を両側の固定子１７０ａ、１７０ｂとも同じにすることで、磁気吸引力を低減させることができる。特に、外側の固定子コイル１７２ａの配列をｕ−ｚ−ｖ−ｘ−ｗ−ｙとし、内側の固定子コイル１７２ｂの配列をｘ−ｗ−ｙ−ｕ−ｚ−ｖとして、これらのコイルの配列を対向させ、各同相間で固定子コイル１７２を交差させることで、発生電圧が均等になり、両側の固定子コイル１７２間での循環電流の発生を抑えることができる。
【０１６２】
前述の電気・力変換装置の実施形態では、いずれも風力発電装置に適用できるように、円環状に配列された回転子とその両側の円環状の固定子の対について説明したが、左右一対の固定子が直線状ないし蛇行する曲線状に配列し、その間を所定長さの移動子を走行させるようにすることもできる。それによりリニアジェネレータとなる。また、前述の実施形態では、風力発電用の発電機に用いる場合を説明したが、他の動力を利用した発電機として利用することができる。逆に固定子のコイルに交流を流すことにより、モータとして利用することもできる。モータとして利用する場合は、回転型の交流モータとして動力源に用いることができる。また、リニアモータとして用いる場合は、各種の搬送機、乗り物、ジェットコースタなどの遊戯具など、種々の動力源として用いることができる。
【０１６３】
図５４は、図１４ａ、図１４ｂの羽根車１２とほぼ同様の中心部に軸も軸受けも設けない羽根車１７３を示している。放射状に設ける横羽根も有しない。また、図１４ａ、図１４ｂの羽根車１２では、縦羽根２６が支持リングの内周に設けられているが、図５４の羽根車１７３では、複数枚の縦羽根２６の上端および下端を支持リング５２、５３で連結し、全体として籠型に構成している。この籠型の羽根車１７３は、上端および下端の支持リング５２、５３をフレームのリング１８で走行自在に支持することができる。支持リング５２、５３とそれを支持するリング１８には、それぞれ図１２などに示される発電機が設けられる。なお、上または下の片方だけに発電機を設けてもよい。すなわち支持リング５２、５３とリング１８のうち、一方に界磁用磁石が設けられ、他方にコイル群が設けられる。
【０１６４】
図５５に示す羽根車１７４は、図５４の羽根車１７３とほぼ同様で、縦羽根２６の上端近辺および下端近辺が支持リング５２、５３を貫通して全体として籠型を呈している。このものも横羽根や中心部の軸を有しない。そしてフレームのリング１８は、縦羽根２６の上端および下端とそれぞれ対向するように設けられている。
【０１６５】
前記実施形態では、回転子（移動子）の両側に固定子を配置し、フレームやそのフレームに固定したリングなどに固定しているが、図５６ａに示す発電部１８０のように、コイル群（固定子）３２を半径方向（幅方向）にずらせるように位置調節自在に構成してもよい。このような構成は、たとえば図２１のコイル群３２を支持している支持ロッド９１、９１ａの位置を半径方向外側または内側に移動可能に、かつ、移動した位置に固定できるように構成することにより、実現できる。このものは、外側のコイル群３２を外側に移動させ、内側のコイル群３２を内側に移動させて、固定子と回転子の隙間が広がるように調節すると、発電量が少なくなる。逆に狭くなるように調節すると、発電量が増加する。なお、円環状に配列した固定子の場合は、多数の固定子を隙間をあけて配列しておく。半径方向内側に移動させる場合はそれらの隙間が詰まっていくが、通常の調節範囲では問題がない。なお、図５６の場合は円環状に配列しているが、通常のリニアモータのように直線状に配列することもできる。
【０１６６】
また、図５６ｂに示す発電部のように、コイル群（固定子）３２を上下方向に位置調節自在に構成してもよい。その場合も、固定子と回転子の上下方向の位置をずらせると発電量を少なくすることができ、上下方向の位置を合わせると、発電量が増加する。なお、図５６ａの半径方向（幅方向）の位置調節と図５６ｂの上下方向の位置調節を組み合わせてもよい。このような位置調節機構は、組立時に調節するか、メンテナンスのときに調節できればよいが、モータなどの駆動源によって遠隔操作で調節できるように構成してもよい。その場合は、たとえば必要な電力に応じて、あるいはそのときの風力に応じて自動的に調節するように構成することもできる。
【０１６７】
図５６ｃに示す発電部１８１は、中心部の支持枠１８２の外側と内側にそれぞれ永久磁石（界磁用磁石）３１を半径方向に位置調節可能に取りつけた回転子を備えている。このような調節機構は、たとえば支持枠１８２に設けた楔部材１８３と、永久磁石３１に設けた楔部材１８４とを摺動自在に、かつ、位置調節した位置で固定できるように構成することにより実現できる。ただしネジなど、他の位置調節機構を用いることもできる。このように回転子の永久磁石３１の幅（厚さ）を調節できるように構成する場合は、コイル群（固定子）３２と回転子の永久磁石３１のギャップを拡げると発電量が低下し、狭くすると発電量が増加する。したがって風量の増減あるいは必要な発電量の増減に応じて発電量を調節することができる。
【０１６８】
図２３などに示す回転子では、積層した珪素鋼板５７などからなるコアの内面および外面にそれぞれ永久磁石を取りつけて、ガラス繊維強化樹脂で一体に固めた構成としているが、図５７ａに示すように、一枚の永久磁石３１で外側の永久磁石と内側の永久磁石を兼用させてもよい。この回転子では、それぞれ板状の上ガイド円板９９と下ガイド円板１０２の間に保持枠１８６を取りつけて、その保持枠で永久磁石３１を保持している。保持枠１８６の上下には、それぞれ吊りロッド９７ａを溶接などで固定し、それらの吊りロッド９７ａを上ガイド円板９９および下ガイド円板１０２にナット９７ｂで取りつけている。回転子１８５は、図５７ｃに示すように、平角状の永久磁石３１を多角形状に配列し、それらをガラス繊維や炭素繊維などの補強繊維で補強した繊維強化合成樹脂３１ａで円環状に固めたものである。そして隣接する永久磁石３１の間の繊維強化合成樹脂３１ａの部位に半径方向の貫通孔を形成し、図５７ｂに示すようにボルト１８７およびナット１８８で支持枠１８６に固定している。なお、永久磁石３１の配列は、図５７ｃに示すように、Ｎ極とＳ極とが交互に外向きになるように配列している。
【０１６９】
図５７ａに示す薄型の回転子１８５は、外側の永久磁石と内側の永久磁石を１枚の永久磁石で兼用するので、発電能力をそれほど低下させることなく、大幅に軽量化およびコストの軽減を図ることができる。
【０１７０】
なお、図５７ｂに示すように、ボルト１８７およびナット１８８の出っ張りを少なくするため、支持枠１８６に凹部を形成し、その部分にボルト１８７の頭部やナット１８８が入るようにするのが好ましい。また、前記吊りロッド９７ａ、９７ａは上下に分かれているが、繊維強化合成樹脂３１ａを上下に貫通させた１本の吊りロッドなどで保持することもできる。
【０１７１】
図５７ａなどでは、保持枠１８６で永久磁石３１の全周を保持しているが、たとえば図５８ａに示すように、永久磁石３１の上端と下端のみをコ字状の保持枠１８６ａ、１８６ｂで保持するようにしてもよい。また、それらの保持枠は、コ字状の外枠１９０で保持させることもできる。また、図５８ｂに示すように、永久磁石３１の上端と下端を角パイプ状の上スペーサ１００および下スペーサ１０１を介して上ガイド円板９９および下ガイド円板１０２で挟むことにより、永久磁石３１を保持させることもできる。
【０１７２】
図５９ａに示す回転子（ないし移動子）は、図５７ａに示す回転子１８５とほぼ同様の中心部に対し、表裏交互に追加の永久磁石３１を貼り付けたものである。このように追加の永久磁石３１を設けることにより、重量は増加するが、磁力を増加させることができ、発電量の増加をはかることができる。
【０１７３】
図５９ｂは図５８ａの回転子と同様の中心部に対し、両面に永久磁石３１を貼り付けて３列にしたものである。永久磁石３１の表面の磁極はＳ極とＮ極が交互に表面に現れるように、かつ、表面側と裏面側とで磁極が逆になるように配置する。このものも簡易な構成で磁力を増大させることができ、発電量を増大させることができる。
【０１７４】
図５９ｃに示す回転子（ないし移動子）は、図５６ｃの回転子とほぼ同様で、支持枠１８２の表面および裏面にそれぞれ永久磁石３１を取りつけている。それぞれの側の永久磁石３１はＮ極とＳ極が交互に外側に現れるように配列しており、表面側と裏面側とでは、互いに逆の磁極となるように配列している。この回転子（ないし移動子）ものも軽量化と発電量の増大とを達成することができる。図５９ａ、図５９ｂおよび図５９ｃのいずれの回転子も、永久磁石３１の隙間および表面に繊維強化合成樹脂を充填して一体化するのが好ましい。
【０１７５】
前記の風力発電装置の実施形態では、羽根車と回転子（ないし移動子）とを機械的にしっかりと結合しているが、可撓性を有する索条ないし「ひも」で連結することもできる。その場合は、引っ張り方向の駆動力を索条を介して回転子に伝達することができる。また、羽根を支持する横羽根などの伸び縮みにも柔軟に対応することができる。さらに羽根車と回転子とをリンクで連結することもできる。それぞれリンクの一端は羽根車に回動自在に連結し、他端は回転子（ないし移動子）に回動自在に連結する。羽根車と回転子とをひもやリンクで柔軟に連結する場合は、羽根車に横羽根などのスポーク状の支持部材と軸受けないし軸とを設けて、あるいは他のガイド機構ないし支持機構を設けて、羽根車の中心を安定させる。
【０１７６】
図６０に示す電気・力変換装置１９０は、図５７の回転子１８５の上下方向に構造材を延長して円筒状の回転板１９１とすると共に、その回転板の上端近辺および下端近辺にローラガイド１９２を設けている。さらに回転板１９１の上部および下部に、発電用の永久磁石３１とは別個に、移動側反発磁石１９３、１９４を配置している。そして上側の移動側反発磁石１９３の内側および外側に、上側の固定側反発磁石１９５、１９５を配置し、下側の移動側反発磁石１９４の内側および外側に、下側の固定側反発磁石１９６、１９６を配置している。それぞれの反発磁石は通常は永久磁石で構成するが、電磁石でもよい。固定側反発磁石１９５、１９６はそれぞれボルト１９７およびナット１９８などのネジ構造で回転板１９１との間隔を調整できるように支持されている。
【０１７７】
上記のように構成される電気・力変換装置１９０は、ローラガイド１９２で回転中心がほぼ確保されるが、実際にはローラガイド１９２と回転板１９１の表面との間にいくらかの隙間を設ける必要がある。そしてこの状態で回転すると左右に振れようとする。その場合、移動側反発磁石１９３、１９４がそれらの両側に配置されている固定側反発磁石１９５、１９６により挟まれているので、一方に移動したときは逆方向の反発力が強くなり、元の左右の力が均衡する位置に戻ろうとする。したがって安定した回転運動が行われる。なお回転板１９１はリング状であるので、内側または外側の反発磁石の組を省略することができる。直線状の移動子を用いる場合も、片側をガイドローラなどで案内すれば、その側の反発磁石の組を省略することができる。図６０の電気・力変換装置１９０では、筒状の回転板１９１の下端にも移動側反発磁石２０２が設けられ、その下方にその移動側反発磁石と反発する固定側反発磁石２０１が配置されている。そのため回転板１９１の重量が支持され、安定して回転する。
【０１７８】
図６０の電気・力変換装置１９０は、たとえば円筒状の回転板１９１の上端に羽根を取りつけて風力発電機として使用することができる（図１２、図２１参照）。また、逆に固定子に交流を流して回転磁場を形成することによりモータとして使用することもできる。さらに直進運動をするリニアモータカーなどに用いることもできる。回転機の場合は中心軸を設けてもよく、設けないコアレス回転機とすることもできる。
【０１７９】
図６０の電気・力変換装置１９０では円筒状の回転板１９１の内側および外側にコイルを内蔵する固定子２００および固定側反発磁石１９５、１９６を配置しているが、図６１に示す風力発電機のように、回転板１９１を中央を抜いた円板状（ディスク状）とし、その上下に固定子２００および固定側反発磁石１９５、１９６を配置することもできる。図６０の場合は半径方向のスペースを少なくすることができ、図６１の場合は上下方向のスペースを少なくすることができる。ディスクタイプの回転板１９１を用いる場合においても、内側および外側に移動側反発磁石２０２を設け、それらと対応する固定側反発磁石２０１を配置することができる。この場合も前述の場合と同様に、内側あるいは外側の反発磁石の組を省略することができる。なお、このようなディスクタイプの回転板を採用する構成は、図１２あるいは図２１などの風力発電機ないし電動機、回転機においても用いることができる。
【０１８０】
また図６２に示すように、回転板１９１に厚さ方向に分かれた一対の移動側反発磁石１９４、１９５を設け、それらの間に固定側反発磁石１９６を配置することができる。この場合も回転板１９１は中立位置側に戻るように付勢されるので、安定して移動ないし回転することができる。この構成は図６１のように円筒状の回転板１９１に採用することもでき、同様に回転を安定にする作用を奏する。
【０１８１】
前記実施形態では、固定子２００および回転板１９１をそれぞれ連続する円環状にしているが、固定子２０を実質的に連続するように配置する場合は、回転板（移動子）１９１は部分的に、たとえば羽根がある部位のみに設けてもよい。逆に回転板（移動子）１９１を連続的に設ける場合は、固定子２００を部分的に設けるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１８２】
【図１】本発明の風力発電システムの一実施形態を概念的に示す平面図である。
【図２】図１の風力発電システムの全体を示す斜視図である。
【図３】その風力発電システムの立断面図である。
【図４】図２の風力発電システムにおけるフレームを示す斜視図である。
【図５】図２の風力発電システムの平面図である。
【図６】図２の風力発電システムにおける羽根車を示す斜視図である。
【図７】図２のシステムの要部立面断面図である。
【図８】本発明の風力発電システムの他の実施形態を示す要部立面断面図である。
【図９】図９ａ、図９ｂおよび図９ｃはそれぞれ本発明の風力発電システムのさらに他の実施形態を示す要部立面断面図である。
【図１０】図１０ａおよび図１０ｂはそれぞれ本発明の風力発電システムのさらに他の実施形態を示す要部立面断面図である。
【図１１】本発明の風力発電システムのさらに他の実施形態を示す要部立面断面図である。
【図１２】本発明の風力発電システムのさらに他の実施形態を示す要部斜視図である。
【図１３】そのシステムの要部断面図である。
【図１４】図１４ａおよび図１４ｂはそれぞれ図１２の風力発電システムの全体を示す縦断面図および平面図である。
【図１５】図１５ａおよび図１５ｂはそれぞれ本発明のシステムのさらに他の実施形態を示す要部立面断面図である。
【図１６】図１６ａおよび図１６ｂはそれぞれ本発明のシステムのさらに他の実施形態を示す正面図および側面図である。
【図１７】本発明のシステムのさらに他の実施形態を示す斜視図である。
【図１８】本発明のシステムのさらに他の実施形態を示す斜視図である。
【図１９】本発明のシステムのさらに他の実施形態を示す要部立面断面図である。
【図２０】図２０ａおよび図２０ｂはそれぞれ本発明のシステムのさらに他の実施形態を示す要部立面断面図である。
【図２１】本発明のシステムの他の実施形態を示す要部断面図である。
【図２２】図２１のXXII-XXII 線断面図である。
【図２３】本発明のシステムの回転子の実施形態を示す斜視図である。
【図２４】本発明のシステムの固定子の実施形態を示す斜視図である。
【図２５】本発明のシステムの固定子の磁界用コイルの結線状態の実施形態を示す結線図である。
【図２６】図２６ａ〜ｃはそれぞれ本発明のシステムに関わる磁気浮上構造の他の実施形態を示す断面図である。
【図２７】図２７ａ〜ｂはそれぞれ本発明のシステムに関わる磁気浮上構造のさらに他の実施形態を示す断面図である。
【図２８】本発明の電気・力変換装置の第１の態様の一実施形態を示す断面図である。
【図２９】本発明に関わる発電機の磁極と回転子ヨーク部の構造を示す説明図である。
【図３０】本発明に関わる両側に固定子を持つ発電機の他の実施形態を示す構造図である。
【図３１】本発明に関わる回転子の両側の磁極を従来構造で構成した発電機で軸の偏芯が生じた場合を示す説明図である。
【図３２】本発明の永久磁石を使用した回転機のモデルの磁気回路を示す説明図である。
【図３３】本発明の回転子の両側の磁石を対にして両側の固定子との間で磁気回路を１つに構成を示す説明図である。
【図３４】本発明の磁石を対にした場合の磁気回路のモデル図である。
【図３５】本発明の電気・力変換装置の具体的な構成を示す図である。
【図３６】本発明の有限要素法による磁気吸引力の計算結果を示すグラフである。
【図３７】本発明の永久磁石の配列構造を備えた磁気浮上装置の一実施形態を示す断面図である。
【図３８】本発明の回転子を磁石反発力による浮上時の磁石の円周状の一部の配置を示す説明図である。
【図３９】本発明の２つの高性能磁石を近接させた時の流体の磁束分布を示す説明図である。
【図４０】本発明の空気中に置かれた高性能磁石の反発力を示す説明図である。
【図４１】本発明の磁石の側面に磁性体を取り付けた時の端部の磁束分布を示す説明図である。
【図４２】本発明の空気中に置かれた２つの高性能磁石の間に磁性体をサンドイッチした時の吸引力を示す説明図である。
【図４３】本発明の磁石の側面に磁性体を取り付けた時の端部の磁束分布を示す説明図である。
【図４４】本発明の空気中に置かれた２つの高性能磁石の間に磁性体をサンドイッチした時の吸引力を示す説明図である。
【図４５】本発明の電気・力変換装置の第２の態様の実施形態を示す断面構造図である。
【図４６】本発明の回転子の磁石の外側固定子と内側固定子の距離を検討するための説明図である。
【図４７】本発明の外側固定子と内側固定子の磁束密度分布を示す図である。
【図４８】本発明の回転子磁石の外側固定子と内側固定子の距離を示す説明図である。
【図４９】本発明の固定子コイルの配列を示すモデル図である。
【図５０】本発明の磁石の位置を磁束密度の大きさを示すモデル図である。
【図５１】本発明の外側と内側の固定子コイルを交差した場合の発生電圧の評価を固定子コイルの相順との関係で示す図である。
【図５２】本発明の固定子コイルの交差を示す模式図である。
【図５３】本発明の固定子コイルの具体的な結線方法を示す図である。
【図５４】本発明に関わる羽根車の他の実施形態を示す斜視図である。
【図５５】本発明に関わる羽根車のさらに他の実施形態を示す斜視図である。
【図５６】図５６ａ、図５６ｂおよび図５６ｃはそれぞれ本発明に関わる発電部のさらに他の実施形態を示す概略平面図、断面図および概略平面図である。
【図５７】図５７ａは本発明に関わる回転子の他の実施形態を示す要部斜視図、図５７ｂはその要部断面図、図５７ｃはその要部平面断面図である。
【図５８】図５８ａおよび図５８ｂはそれぞれ本発明に関わる回転子のさらに他の実施形態を示す要部断面図である。
【図５９】図５９ａ〜ｃはそれぞれ本発明に関わる回転子のさらに他の実施形態を示す概略平面図である。
【図６０】本発明の電気・力変換装置のさらに他の実施形態を示す断面図である。
【図６１】図６０の電気・力変換装置を用いた風力発電システムの一実施形態を示す要部断面斜視図である。
【図６２】本発明の電気・力変換装置のさらに他の実施形態を示す要部断面図である。
【符号の説明】
【０１８３】
１０ 風力発電システム
１１ フレーム
１２ 羽根車
１４ 発電部
１５ 脚
１６ 連結部材
１７ スポーク
１８ リング
１９、２０ 軸受け
２１ 補強リング
２２ シャフト
２３、２４ ボス
２５ 横羽根
２６ 縦羽根
２７ 車輪
２８ 走行路
３１ 永久磁石
３２ コイル群
３３ 制御部
３４ 蓄電部
３５ 第１コイル列
３６ 第２コイル列
３７ 第３コイル列
３８ カバー
４１ 第１送電線
４２ 第２送電線
４３ 第３送電線
４５ 外部送電線
４６ 送電線
４７ 磁石
４８ コイル
５０ 隙間
５２、５３ 支持リング
５４ 発電部
５６ 間隔調整装置
５７ コイルケース
５８ 駆動機構
５９ センサ
６０ 制御装置
６２ 風力発電システム
６３ 支持リング
６４ 永久磁石
６５ ブラケット
６６ 調整ネジ
６７ 羽根保持アーム
６８ 補強リング
６９ 羽根保持部材
７０ カバー
７０ａ ネジ
７２ ラビリンス
７３ 羽根保持部材
７４ ガイド
７４ａ 係合溝
７５ スライダ
７７ ガイド構造
Ｃｔ 回転中心
７８ 羽根
８０ ガイド構造
８３ ガイド構造
８４ ガイド
８５ ローラ
８６ スライダ
８８ 風力発電システム
８９、９０ 永久磁石
Ｊ１ 磁気浮上構造
９１、９１ａ 支持ロッド
９２ 内側リングプレート
９３ 鉄片
９４ 枠体
９５ 枠体
６４ａ、６４ｂ 永久磁石
６８ａ 孔
９７ 吊りロッド
９８ スペーサ
９９ 上ガイド円板
１００ 上側スペーサ
１０１ 下側スペーサ
１０２ 下ガイド円板
１０３、１０４、１０５、１０６ ガイドローラ
３２ａ コア
１０７、１０８ 磁石群
Ｊ２ 補助磁気浮上構造
１１１ａ、１１１ｂ 第１コイル群
１１２ａ １１２ｂ 第２コイル群
１１３ａ、１１３ｂ 第３コイル群
１１１ｃ、１１２ｃ、１１３ｃ 接続線
Ｊ３ 磁気浮上構造
９０ａ 中央の磁石
９０ｂ 内側の磁石
９０ｃ 外側の磁石
Ｊ４ 磁気浮上構造
Ｊ５ 磁気浮上構造
Ｊ６ 磁気浮上構造
Ｊ７ 磁気浮上構造
１２０ 固定側の磁石
１２１ 断面コ字状の磁石
１２２ 電磁石
１２６ 永久磁石
１２７ 回転子
１２８ 軸受け部
１２９ 台
１３０ 原動機部
１３１ 固定子
１３２ 回転子ヨーク部
１３４ 永久磁石
１３５ 磁性体
１３６ 磁石
１３７ 磁石部
１３８ 非磁性金属体
１５１ 回転子
１５２ 固定子
１５４ 永久磁石
１５５ 永久磁石
１６０ 磁性体
１６３ 永久磁石
１６４ 固定子
１６５ 軸受け部
１６６ 台
１６７ 原動機部
１７０ 固定子
１７０ａ、１７０ｂ 固定子
１７２ 固定子コイル
１７０ａ 外側固定子
１７０ｂ 内側固定子
１７３ 羽根車
１７４ 羽根車
１８０ 発電部
１８１ 発電部
１８２ 支持枠
１８３ 楔部材
１８４ 楔部材
１８５ 回転子
１８６、１８６ａ、１８６ｂ 保持枠
９７ａ 吊りロッド
３１ａ 繊維強化合成樹脂
１８７ ボルト
１８８ ナット
１９０ 電気・力変換装置
１９１ 回転板
１９２ ローラガイド
１９３、１９４ 移動側反発磁石
１９５、１９６ 固定側反発磁石
１９７ ボルト
１９８ ナット
２００ 回転子
２０１ 固定側反発磁石
２０２ 移動側反発磁石
【技術分野】
【０００１】
本発明は風力発電システム、永久磁石の配置構造および電気・力変換装置に関する。さらに詳しくは、リニアモータの原理を発電機して採用した風力発電システムならびにその風力発電システムに好適に採用しうる永久磁石の配置構造および電気・力変換装置に関する。なお、ここにいう「電気・力変換装置」とは、機械的エネルギ力を電気エネルギに変換する発電機能を備えた装置と、電気的エネルギを機械的エネルギに変換するモータ（原動機）機能を備えた装置の両方、ならびに操作によって両方の機能を発揮する装置を含む概念である。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】特公平３−１００３７号公報
【０００３】
特許文献１には、羽根車の軸をリングギヤに連結し、そのリングギヤと内接する複数個の遊星ギヤを介して羽根車の軸心と同心状に配置される太陽ギヤを回転させ、その太陽ギヤの軸を発電機に連結した風力発電装置が開示されている。これらのリングギヤ、遊星ギヤ、太陽ギヤは遊星歯車減速機を構成しており、リングギヤに連結される羽根車の回転は、その減速機で増速されて発電機に伝えられる。それにより風力が弱く、羽根車の回転数が少ない場合でも、効率よく発電機を作動させることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
風力発電装置が利用する風は、自然現象であり、弱風の状態から強風の状態まで、かなり変動が大きい。そのため、風力発電装置にはその変動に対して機敏に対応できることが求められる。従来の風力発電機では、そのような広範囲の風力の変動に対応するため、広範囲の回転数に対応できる性能の発電機が採用されているが、微風から強風まで広く対応できる発電機は実用化されていない。前述の特公平３−１００３７号公報の風力発電装置は遊星歯車減速機の出力側であるリングギヤに入力し、太陽ギヤ側から出力させることで効率的な増速作用を得ることを意図しているが、微風の状態ではトルクが足らず、一旦止まってしまう。そのため、静止摩擦抵抗を超える強い風が吹き始めるまで、発電することができない。また、周辺部の縦羽根から中心軸まで支持棒などでトルクを伝達する必要があるので、羽根車の重量が重くなる。そのため微風での回転が一層困難である。
【０００５】
本発明は、従来の装置では止まってしまうような微風に対しても羽根車の回転が停止せず、効率よく発電することができる風力発電システムを提供することを技術課題としている。さらに本発明はそのような風力発電システムに好適に用いられる電気・力変換装置を提供することを技術課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の風力発電システム（請求項１）は、フレームと、そのフレームによって回転自在に支持される羽根車と、その羽根車またはフレームのうち、いずれか一方に羽根車の回転中心から等距離で配列される複数個の界磁用磁石（磁界磁石）と、他方に環状に配列されるコイル群とからなり、前記界磁用磁石とコイル群とが近接して相対的に運動することにより、リニアモータと逆の作用でコイル群が電力を発生するように構成していることを特徴としている。界磁用磁石は永久磁石でもよく、電磁石でもよい。
【０００７】
このような風力発電システムにおいては、前記界磁用磁石が羽根車の外周部近辺ないし中間部に環状に配列されており、前記フレームにおけるそれらのコイル群と近接する位置に、リング状の部材が設けられ、そのリング状の部材に前記コイル群が取り付けられているものが好ましい（請求項２）。界磁用磁石は周方向に間隔をあけて設けるのが好ましい。
【０００８】
さらに前記コイル群が取りつけられているリング状の部材が、羽車に環状に取りつけられる界磁用磁石を内周側および外周側から挟むように一対で設けられており、内周のコイル群および外周のコイル群が、交流を発生させるように、それぞれ交互にまたは循環的に配列される複数のコイル群を備えており、内周の特定の位相のコイル群と、その位相に対応する位相の外周のコイル群とが周方向にずれて配列されるとともに、内周のコイル群と、そのコイル群と対応する位相のコイル群とが、直列に接続されているものが好ましい（請求項３）。
【０００９】
また、前記内周および外周のコイル群が、３相交流を発生させるように、それぞれ循環的に配列される第１コイル群、第２コイル群および第３コイル群を備えており、内周の第１コイル群が外周の第２コイル群または第３コイル群と対向するように互いにずれているものが好ましい（請求項４）。また、前記リング状の部材が、上下方向に重ねられた複数枚の金属からなるコアと、その外周に巻き付けられる導線からなるコイル群と、それらを一体に固める合成樹脂とからなる所定の長さのリング片を複数個、リング状に連結したものであるものが好ましい（請求項５）。
【００１０】
さらに前記羽根車の外周部または途中部分とフレームとの間に、羽根車の回転を許しながら羽根車の重量の少なくとも一部を支持する円環状の支持手段が介在されている風力発電システム（請求項６）が好ましい。
【００１１】
そのような支持手段は、フレームと羽根車のうち、いずれか一方に設けられる転動体群と、他方に設けられ、転動体群と接触する走行路とから構成することができる（請求項７）。また、前記支持手段は、フレームに設けられる第１の磁石群と、それらの磁石群と互いに反発するように羽根車に設けられる第２の磁石群とから構成することもできる（請求項８）。さらに前記第１磁石群がフレームに対して実質的に連続する環状に配列されており、前記羽根車が放射状に配列される複数枚の羽根を有し、前記第２の磁石群がそれらの羽根を支持するように、放射状に配列されているものが好ましい。
【００１２】
さらに本発明の風力発電システムでは、前記フレームないし羽根車が周囲の温度変化で膨張・収縮したときでも、前記フレームと羽根車に設けられる複数個の界磁用磁石とコイル群との隙間を所定の範囲に維持するための間隔調整手段を備えているものが好ましい（請求項１０）。
【００１３】
また、風力が一時的に弱くなったとき、前記コイル群の一部ないし全部に電流を流し、界磁用磁石とコイル群にリニアモータの作用を生じさせ、それにより風車に回転トルクを与えるように構成しているものが好ましい（請求項１１）。
【００１４】
前記支持手段は、前記フレームまたは羽根車のうち一方に回転中心を中心とする円環状のガイドと、他方に設けられ、そのガイドに沿って走行するスライダとから構成するのが好ましい（請求項１２）。
【００１５】
本発明の風力発電システムの第２の態様（請求項１３）は、フレームと、そのフレームによって回転自在に支持される羽根車と、その羽根車の回転によって発電する発電機とからなり、前記フレームまたは羽根車のうち一方に回転中心を中心とする円環状のガイドが設けられ、他方にそのガイドに沿って走行するスライダが設けられていることを特徴としている。
【００１６】
前記ガイドおよびスライダで羽根車を回転自在に支持している場合は、ガイドおよびスライダをリニアスライドボールベアリングのガイドとスライダによって構成するのが好ましい（請求項１０）。前記円環状のガイドが内面および外面に平滑な円筒状のガイド面を有し、前記スライダがそれらのガイド面に沿って転動する、垂直方向の軸周りに回転するガイドローラを備えているものが好ましい（請求項１５）。また、羽根車の回転中心は水平方向を向いていてもよい（請求項１６）。もちろん鉛直方向を向いていてもよい。
【００１７】
本発明の電気・力変換装置の第１の態様（請求項１７）は、移動子と、その両側に配置される固定子とを有し、前記移動子の両面に、Ｎ極とＳ極の対で構成した磁石部を、Ｎ極とＳ極、Ｓ極とＮ極とが交互に位置するように移動子の周方向に沿って配置している。このような電気・力変換装置では、隣り合った磁石部を非磁性金属体で結合するのが望ましい（請求項１８）。なお、ここにいう「移動子」には、回転するものと、直進状に走行するものの両方が含まれる。
【００１８】
本発明の永久磁石の配置構造（請求項１９）では、永久磁石の一面を同じ極面に並設すると共に、両永久磁石の間に該永久磁石の厚みより短い磁性体を介在させていることを特徴としている。
【００１９】
本発明の電気・力変換装置の第２の態様（請求項２０）では、移動子の磁極の両側に固定子を持ち、前記両側の固定子に巻装する固定子コイルを同相間で互いに交差させている。この場合、一方の固定子コイルの相順をｕ−ｚ−ｖ−ｘ−ｗ−ｙ相とした場合に、他方の固定子コイルの相順をｘ−ｗ−ｙ−ｕ−ｚ−ｖ相として、これらを対向して配列すると共に、両側の固定子コイルを同相間で互いに交差させるのが望ましい（請求項２１）。
【００２０】
本発明の風力発電システムの第３の態様（請求項２２）は、複数枚の羽根と、それらの羽根を環状に配列して保持する環状の支持部材と、その支持部材と対向して設けられ、前記支持部材を支持するガイド部材と、前記支持部材とガイド部材の一方に設けられる界磁用磁石と、他方に設けられ、前記界磁用磁石と相対的に運動することにより電気を発生するコイルとを備え、羽根の中心部に軸を有しないことを特徴としている。
【００２１】
本発明の電気・力変換装置の第３の態様（請求項２３）は、移動子と、その移動子と協働して発電作用および（または）モータ作用を奏する固定子と、前記移動子と一緒に移動するように配置される移動側反発磁石と、その移動側反発磁石と反発する固定側反発磁石とを備えていることを特徴としている。このような装置では、前記移動子を中立位置に付勢するように前記移動側反発磁石および固定側反発磁石のうちいずれか一方が他方を挟むように両側に配置されているものが好ましい（請求項２４）。さらにこのような装置では、前記移動側反発磁石が移動子を挟んで一対で配置され、前記固定側反発磁石が固定子を挟んで一対で配置されているものが好ましい（請求項２５）。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の風力発電システム（請求項１）では、羽根車が回転すると、フレームと羽根車にそれぞれ環状に配列した界磁用磁石とコイルとで、いわばリニアモータと逆の作用で発電する。そしてそのような界磁用磁石やコイルは、羽根車の周囲ないし途中の円周に沿って多数配列することができ、相対的な速度はかなり速くなる。さらに風を受ける羽根車の外周部で発電するので、中心部に大きい力を伝達する必要がなく、羽根車を軽量にすることができる。そのため微風でも羽根車が回転しやすく、また、羽根車の回転速度が遅い場合でも、コイル群から充分な発電量を得ることができる。
【００２３】
前記界磁用磁石が羽根車の外周部近辺ないし中間部に環状に配列されており、前記フレームにおけるそれらのコイル群と近接する位置に、リング状の部材が設けられ、そのリング状の部材に前記コイル群が取り付けられている風力発電システム（請求項２）においては、電気配線を必要とするコイル群を静止しているフレームに設けているので、構造が簡単になる。さらに摺動する部品、たとえばブラシなどが不要であるので、回転抵抗が少ない。そのため微風でも回転しやすい。また、フレームに設けたリング状の部材でコイル群を支持することができるので、フレーム全体の形状は比較的任意に選択することができる。
【００２４】
前記コイル群が取りつけられているリング状の部材が、羽車に環状に取りつけられる界磁用磁石を内周側および外周側から挟むように一対で設けられており、内周のコイル群および外周のコイル群が、交流を発生させるように、それぞれ交互にまたは循環的に配列される複数のコイル群を備えており、内周の特定の位相のコイル群と、その位相に対応する位相の外周のコイル群とが周方向にずれて配列されるとともに、内周のコイル群と、そのコイル群と対応する位相のコイル群とが、直列に接続されてい場合（請求項３）は、外側のコイル群と界磁用磁石の間に生ずる磁力と、内側のコイル群と界磁用磁石の間に生ずる磁力とが自然とバランスする。そのため、界磁用磁石と外側のコイル群との間の隙間、および界磁用磁石と内側のコイル群との間の隙間をそれほど大きくしなくても、内側または外側に一方的に大きい力が加わることがない。
【００２５】
その場合、前記内周および外周のコイル群が、３相交流を発生させるように、それぞれ循環的に配列される第１コイル群、第２コイル群および第３コイル群を備えており、内周の第１コイル群が外周の第２コイル群または第３コイル群と対向するように互いにずらしている場合（請求項４）は、羽根車が回転して界磁用磁石が外側のコイル群と内側のコイル群の間を走行するにしたがって、第１コイル群、第２コイル群および第３コイル群から３相交流を取り出すことができる。
【００２６】
前記リング状の部材が、上下方向に重ねられた複数枚の金属板からなるコアと、その外周に巻き付けられる導線からなるコイル群と、それらを一体に固める合成樹脂とからなる所定の長さのリング片を複数個、リング状に連結したものである場合（請求項５）は、リング片を小さくすることができるので、製造および組立が容易になる。
【００２７】
前記羽根車の外周部または途中部分とフレームとの間に、羽根車の回転を許しながら羽根車の重量の少なくとも一部を支持する円環状の支持手段が介在されている場合（請求項６）は、羽根車の軸と軸受けの抵抗が少なくなる。そのため、微風でも回転しやすく、止まりにくい。
【００２８】
前記支持手段が、フレームと羽根車のうち、いずれか一方に設けられる転動体群と、他方に設けられ、転動体群と接触する走行路とからなる場合（請求項７）は、個々の転動体が羽根車の重量を分担し、しかもころがり摩擦となるので、支持部材における回転抵抗が少なくなる。
【００２９】
前記支持手段が、フレームに設けられる第１の磁石群と、それらの磁石群と互いに反発するように羽根車に設けられる第２の磁石群とからなる場合（請求項８は、無接触で支持することができるので、支持部材における抵抗が一層少なくなる。その場合、前記第１磁石群がフレームに対して実質的に連続する環状に配列されており、前記羽根車が放射状に配列される複数枚の羽根を有し、前記第２の磁石群がそれらの羽根を支持するように、放射状に配列されている場合（請求項９）は、重量が集中する羽根の部分で第２の磁石群がフレームの第１の磁石群から磁力の反発を受ける。そのため、羽根車が安定して効率よく支持される。
【００３０】
前記フレームないし羽根車が周囲の温度変化で膨張・収縮したときでも、前記フレームと羽根車に設けられる複数個の界磁用磁石とコイル群との隙間を所定の範囲に維持するための間隔調整手段を備えている風力発電システム（請求項１０）の場合は、界磁用磁石と各コイルの隙間を小さくすることができる。そのため発電効率が向上し、回転数が低い場合でも、発電量が多い。
【００３１】
風力が一時的に弱くなったとき、前記コイル群の一部ないし全部に電流を流し、界磁用磁石とコイル群にリニアモータの作用を生じさせ、それにより風車に回転トルクを与えるように構成している風力発電システム（請求項１１）は、風が一時的に弱くなっても羽根車を止めずに回転を維持させることができる。そのため、静止摩擦抵抗に抗して回転を開始させる必要がなく、微風であっても効率よく発電をすることができる。
【００３２】
前記支持手段が、フレームまたは羽根車のうち一方に回転中心を中心とする円環状のガイドと、他方に設けられ、そのガイドに沿って走行するスライダとから構成する場合（請求項１２）は、羽根車の重量を支持するだけでなく、半径方向の力も支持し、ガイドすることができる。そのため、羽根車の中心シャフトの強度および剛性は高くする必要はなく、シャフトや軸受けを省略することもできる。それにより羽根車を一層軽量にすることができる。
【００３３】
本発明の風力発電システムの第２の態様（請求項１３）は、フレームに対する羽根車の支持を、円環状のガイドとそのガイドに沿って走行するスライダとで行っているので、羽根車の中心軸の強度および剛性は高くする必要はなく、中心社具とや軸受けを省略することもできる。それにより羽根車を軽量に構成することができ、羽根車の大型化にも容易に対応することができる。
【００３４】
前記ガイドおよびスライダで羽根車を回転自在に支持しているシステムにおいて、ガイドおよびスライダをリニアスライドボールベアリングのガイドとスライダによって構成する場合（請求項１４）は、摺動抵抗が少なく、羽根車の回転がスムーズである。さらに前記円環状のガイドが内面および外面に平滑な円筒状のガイド面を有し、前記スライダがそれらのガイド面に沿って転動する、垂直方向の軸周りに回転するガイドローラを備えている場合（請求項１５）は、上下方向の厚さを大きくしなくても、スライダが確実にガイドされる。それにより界磁用磁石とコイル群との隙間を適接に維持しながら安定して回転する。上記構成を、羽根車の回転中心が水平方向を向いているタイプの風車に適用する場合（請求項１６）は、風の向きが一定の場合に、効率的に発電することができる。
【００３５】
本発明の電気・力変換装置の第１の態様（請求項１７）では、移動子の両側の磁極（磁石）を対にして構成しているので、同じ磁気回路上で両側の磁石が動作することになり、移動子の偏芯が生じても、両側の磁石の磁気吸引力がバランスして、移動子全体では、力がゼロになり、更に移動子を移動させる力の発生することは計算上無くなる。また、同じ磁気回路上に磁石を取り付けるので、従来構造の考えでは必要とした隣り合った磁極間の回転子ヨーク部を必要とせずに、移動子の重量低減と移動子の幅（移動方向に対して横方向の幅）を低減できるという効果を奏する。また、隣り合った磁石部を非磁性金属体で結合している場合は（請求項１８）、隣の磁極に磁束が漏れることも無くなる。
【００３６】
本発明の永久磁石の配置構造（請求項１９）では、隣り合った永久磁石の反発力と吸引力を低減でき、そのため、永久磁石の取り付け作業が容易になり、現地での組み立て作業時間を短縮することができる。また、永久磁石間の吸引力が低減するので、発電機の分解点検作業が容易であり、さらに、永久磁石間の反発力対策として、永久磁石を固定する構造物を必要としない効果がある。
【００３７】
本発明の電気・力変換装置の第２の態様（請求項２０）は、両固定子の磁束分布の差異に伴う誘起電圧の差異を、回転子の磁極対の両側の固定子コイルを交差させることで、両側の固定子コイルに常時流れる循環電流の発生を防ぎ、両側の固定子の発生電圧を同じにして、負荷電流の流れを均等にでき、負荷時の磁束分布を両側の固定子とも同じにすることで、磁気吸引力を低減させることができる。特に、外側の固定子コイルの配列をｕ−ｚ−ｖ−ｘ−ｗ−ｙとし、内側の固定子コイルの配列をｘ−ｗ−ｙ−ｕ−ｚ−ｖとして、これらのコイルの配列を対向させ、各同相間で固定子コイルを交差させる場合は（請求項２１）、発生電圧が均等になり、両側の固定子コイル間での循環電流の発生を抑えることができる。
【００３８】
本発明の風力発電システムの第３の態様は、中心部に軸を有しないので、軽量に構成することができ、少ない風で回転することができる。
【００３９】
本発明の電気・力変換装置の第３の態様（請求項２３）では、移動側反発磁石と固定側反発磁石とが互いに反発し、移動子が一方に付勢される。それにより移動子の移動が安定する。移動子が回転子の場合は、中心位置が安定する。また前記移動子を中立位置に付勢するように前記移動側反発磁石および固定側反発磁石のうちいずれか一方が他方を挟むように両側に配置されている場合（請求項２４）は移動子が中立位置に来るように付勢される。すなわち一方に近づくように変位すると、その側の反発磁石同士の反発力が強くなり、元の位置に戻る。したがって移動子は一層安定して移動する。移動子が回転子である場合は安定して回転する。
【００４０】
このような電気・力変換装置において、前記移動側反発磁石が移動子を挟んで一対で配置され、前記固定側反発磁石が固定子を挟んで一対で配置されている場合（請求項２５）は、固定子の両側で上記の安定化作用が得られるので、左右の傾きが少なくなり、一層安定して移動する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
つぎに図面を参照しながら本発明の風力発電システムの実施の形態を説明する。図１は本発明の風力発電システムの一実施形態を概念的に示す平面図、図２はその風力発電システムの全体を示す斜視図、図３はそのシステムの立断面図、図４は図２の風力発電システムにおけるフレームを示す斜視図、図５は図２の風力発電システムの平面図、図６は図２の風力発電システムにおける羽根車を示す斜視図、図７は図２の風力発電システムの要部立面断面図、図８、図９ａ〜ｃ、図１０および図１１はそれぞれ本発明の風力発電システムのさらに他の実施形態を示す要部立面断面図、図１２は本発明の風力発電システムのさらに他の実施形態を示す要部斜視図、図１３はそのシステムの要部断面図、図１４ａおよび図１４ｂはそれぞれ図１２の風力発電システムの全体を示す縦断面図および平面図、図１５ａおよび図１５ｂはそれぞれ本発明のシステムのさらに他の実施形態を示す要部立面断面図、図１６ａおよび図１６ｂはそれぞれ本発明のシステムのさらに他の実施形態を示す正面図および側面図、図１７および図１８はそれぞれ本発明のシステムのさらに他の実施形態を示す斜視図、図１９、図２０ａおよび図２０ｂはそれぞれ本発明のシステムのさらに他の実施形態を示す要部立面断面図、図２１は本発明のシステムの他の実施形態を示す要部断面図、図２２は図２１のXXII-XXII 線断面図、図２３および図２４はそれぞれ本発明のシステムの回転子および固定子の実施形態を示す斜視図、図２５は本発明のシステムの固定子の磁界用コイルの結線状態を示す結線図、図２６ａ〜ｃおよび図２７ａ〜ｂはそれぞれ本発明のシステムに関わる磁気浮上構造の他の実施形態を示す断面図である。
【００４２】
図２８は本発明の電気・力変換装置の第１の態様の一実施形態を従示す断面図、図２９は本発明に関わる発電機の磁極と回転子ヨーク部の構造を示す説明図、図３０は本発明に関わる両側に固定子を持つ発電機の他の実施形態を示す構造図、図３１は本発明に関わる回転子の両側の磁極を従来構造で構成した発電機で軸の偏芯が生じた場合を示す説明図、図３２は本発明の永久磁石を使用した回転機のモデルの磁気回路を示す説明図、図３３は本発明の回転子の両側の磁石を対にして両側の固定子との間で磁気回路を１つに構成を示す説明図、図３４は本発明の磁石を対にした場合の磁気回路のモデル図、図３５は本発明の電気・力変換装置の具体的な構成を示す図、図３６は本発明の有限要素法による磁気吸引力の計算結果を示すグラフである。
【００４３】
図３７は本発明の永久磁石の配置構造を備えた磁気浮上装置の一実施形態を示す断面図、図３８はその磁気浮上装置の一部を示す説明図、図３９は本発明の２つの高性能磁石を近接させた時の流体の磁束分布を示す説明図、図４０は本発明の空気中に置かれた高性能磁石の反発力を示す説明図、図４１は本発明の磁石の側面に磁性体を取り付けた時の端部の磁束分布を示す説明図、図４２は本発明の空気中に置かれた２つの高性能磁石の間に磁性体をサンドイッチした時の吸引力を示す説明図、図４３は本発明の磁石の側面に磁性体を取り付けた時の端部の磁束分布を示す説明図、図４４は本発明の空気中に置かれた２つの高性能磁石の間に磁性体をサンドイッチした時の吸引力を示す説明図である。
【００４４】
図４５は本発明の電気・力変換装置の第２の態様の実施形態を示す断面構造図、図４６は本発明の回転子の磁石の外側固定子と内側固定子の距離を検討するための説明図、図４７は本発明の外側固定子と内側固定子の磁束密度分布を示す図、図４８は本発明の回転子磁石の外側固定子と内側固定子の距離を示す説明図、図４９は本発明の固定子コイルの配列を示すモデル図、図５０は本発明の磁石の位置を磁束密度の大きさを示すモデル図、図５１は本発明の外側と内側の固定子コイルを交差した場合の発生電圧の評価を固定子コイルの相順との関係で示す図、図５２は本発明の固定子コイルの交差を示す模式図、図５３は本発明の固定子コイルの具体的な結線方法を示す図、図５４は本発明に関わる羽根車の他の実施形態を示す斜視図、図５５は本発明に関わる羽根車のさらに他の実施形態を示す斜視図、図５６ａ、図５６ｂおよび図５６ｃはそれぞれ本発明に関わる発電部のさらに他の実施形態を示す概略平面図、断面図および概略平面図、図５７ａは本発明に関わる回転子の他の実施形態を示す要部斜視図、図５７ｂはその要部断面図、図５７ｃはその要部平面断面図、図５８ａおよび図５８ｂはそれぞれ本発明に関わる回転子のさらに他の実施形態を示す要部断面図である。図５９ａ〜ｃはそれぞれ本発明に関わる回転子のさらに他の実施形態を示す概略平面図、図６０は本発明の電気・力変換装置のさらに他の実施形態を示す断面図、図６１はその電気・力変換装置を用いた風力発電システムの一実施形態を示す要部断面斜視図、図６２は本発明の電気・力変換装置のさらに他の実施形態を示す要部断面図である。
【００４５】
始めに図２を参照して風力発電システムの全体を説明する。図２に示す風力発電システム１０は、フレーム１１と、そのフレーム内に上下２段で設けられる羽根車１２とを備えており、羽根車１２は、フレーム１１に対して鉛直方向の軸心回りに回転自在に設けられている。そして羽根車１２の下端部とフレーム１１のリング１８との間で、リニアモータの作用と逆の作用で発電する発電部（いわばリニアジェネレータ）１４を備えている。
【００４６】
前記フレーム１１は図３および図４に示すように、上下方向に延びる３本の脚１５と、それらの脚を円周方向等間隔に連結する連結部材１６とを備えている。連結部材１６は脚１５の上端と、下端からある程度上側の位置と、それらの中間の３段で設けられている。各連結部材１６の間のスペースＳ１、Ｓ２には、前記羽根車１２が収容される。連結部材１６は、放射状に延びる３本のスポーク１７と、それらのスポーク１７の外側の端部近辺同士をつなぐ前述のリング１８とを備えている。さらに各連結部材１６のスポーク１７の中心部には、羽根車１２を回転自在に支持するための軸受け１９、２０が上下一対で設けられている。
【００４７】
前記羽根車１２は、図５および図６に示すように、上下方向に延びるシャフト２２と、そのシャフトに固定されている上下一対のボス２３、２４と、各ボスから放射状に延びる５本の横羽根２５と、上下の横羽根２５の先端に固定される縦羽根２６とから構成されている。すなわちこの実施形態では、５枚の縦羽根２６と、その倍の１０枚の横羽根２５を備えている。さらに各縦羽根２６の上端同士および下端同士は、それらの内周に取り付けられる補強リング２１、２１によって互いに連結されており、それにより羽根車１２全体の強度を向上させている。ただし補強リング２１は設けなくてもよい。横羽根２５は、この実施形態ではシャフト２２が上から見たときの反時計方向に回転したときに上向きに浮力が働くような断面形状を有する翼型を呈している。なお、回転方向に関して前端が上向きになるように傾いていてもよく、特定の翼型と特定の傾きとを組み合わせてもよい。さらに傾きを調節できるようにしてもよい。また縦羽根２６の枚数は、３枚程度でもよく、１０枚以上であってもよい。なお、想像線のように、羽根車１２の上下のシャフト２２同士を連結して上下を貫通する１本のシャフトとすることもできる。
【００４８】
前記縦羽根２６は横方向からの風を受けるときに、５枚の縦羽根２６に生ずる力の合力が上から見たときに反時計方向のモーメントを生ずるような翼型を呈している。縦羽根２６も、鉛直方向の軸心回りに傾いていてもよく、翼型と傾きを組み合わせてもよい。さらに傾きを調節するようにしてもよい。
【００４９】
図３に示すように、各羽根車１２のシャフト２２の上端および下端はそれぞれ上側の軸受け１９および下側の軸受け２０によって回転自在に支持されている。図２のように取り付けられた状態では、羽根車１２の重量は基本的に、下側の軸受け２０によって支持される。ただし後述するように、車輪や磁気浮上などで支持することもできる。また、回転するに従って、横羽根２５が生ずる揚力によっても支持される。
【００５０】
図７の実施形態では、各縦羽根２６の下端に車輪２７が回転自在に取り付けられている。そしてフレーム１１のリング１８の内側の部分が環状の走行路２８となっている。そのため、縦羽根２６や横羽根２５の重量の全部または一部が車輪２７を介してフレーム１１で支えられる。そのため、軸受け１９、２０の負担が少ない。また、横羽根２５の撓みが少なくなるので、発電部１４の作用が安定する。さらに撓みが少ないため、羽根車１２全体を発泡樹脂や繊維強化プラスチックなどの軽量の材料で構成する場合でも、回転が安定する。
【００５１】
前記発電部１４は、羽根車１２の縦羽根２６の下端近辺に設けられた永久磁石３１からなる界磁用磁石と、フレームのリング１８に設けられたコイル群３２と、図１に示される制御部３３と、蓄電部３４とから構成されている。コイル群３２は、図７に示すように環状のカバー３８によって覆われている。なお、界磁用磁石としては、永久磁石のほか、電磁石を用いることもできる。しかし永久磁石の方が、配線が不要なため、設置工事およびメンテナンスが容易である。ただし大規模な風力発電システムの場合は、電磁石の方が取り扱いやすい利点がある。以下の実施の形態でも同様に永久磁石あるいは電磁石のいずれも界磁用磁石として採用することができる。
【００５２】
前記コイル群３２は、図１に示すように、３個一組で順に並んだ第１コイル列３５、第２コイル列３６および第３コイル列３７から構成されている。そしてそれぞれのコイル列３５、３６、３７の各コイルの端部は、電力を取り出すための第１送電線４１、第２送電線４２および第３送電線４３に並列で接続されている。ただし直列で接続することもできる。また、各送電線４１、４２、４３は２本としているが、アース線を共通にすることもできる。各送電線４１、４２、４３は、制御部３３に導かれ、外部送電線４５によって外部に送電できるようにしている。また、制御部３３に送電線４６によって接続されている蓄電部３４は、発電された電力の一部を蓄えておく部位であり、後述するように、発電部１４をモータとして利用するときに電力を供給する。なお、コイル群３２のコイルの個数は、縦羽根２６の枚数で割り切れる数とするのが好ましい。この実施形態では、３つのグループに分けているので、３×５＝１５の倍数、たとえば１５個、３０個あるいは４５個程度である。ただし６０個以上でもよい。
【００５３】
コイル群３２の各コイルは、ほぼ等間隔で配置されている。そしてそれぞれの縦羽根２６の下端外面に設けられる永久磁石３１とコイルとの間は、充分接近させて配置しており、永久磁石とコイルとの間隔Ｓ３は、たとえば１〜５ｍｍ程度である。コイル群３２のそれぞれのコイルには、鉄心を入れてもよく、また、入れなくてもよい。
【００５４】
上記のように、構成される風力発電システム１０においては、風が吹くと、羽根車１２が上から見たときの反時計方向（図１の矢印Ｐ１）に回転する。そして永久磁石の磁力線がコイル群３２のコイルを順に横切っていくので、リニアモータと逆の作用により、コイルに起電力が生じ、両端から電力を取り出すことができる。なお、この実施形態では、３組のコイル列３５、３６、３７で順番に発電するので、３相交流の形で発電される。得られた電力は、送電線４１、４２、４３によって制御部３３まで送られる。制御部３３では、電力の脈動を平坦にしたり、あるいはきれいなサインカーブを組み合わせた３相交流の状態で外部に送電する。そのとき、一部の電力は蓄電部３４に蓄える。
【００５５】
上記の風力発電システム１０では、永久磁石３１が羽根車１２の外周近辺に設けられるので、羽根車の慣性が大きくなり、そのため回転の開始時の必要トルクは大きいが、一旦回転すると、止まりにくく、風力が変化しても回転数が変化しにくい。そのため、安定した発電を行うことができる。さらに風を受けて回転力を発生する縦羽根と、発電の反作用で負荷となる発電部３２とが、いずれも縦羽根２６の外周円の接線方向となる。そのため横羽根２５でトルクを伝達する必要がなく、強度も低くてよい。したがって発泡樹脂成形品や、繊維強化プラスチックなどの軽量の材料で羽根車１２を構成することができる。そのため回転の抵抗も少なく、発電効率が高い。
【００５６】
また、風力が低下して羽根車の回転数が低下したときは、制御部３３で蓄電部３４と接続する送電線４６の結線状態を切り換え、蓄電部３４からコイル群３２に電力を供給するように構成するのが好ましい。それにより発電部１４はリニアモータとして作用し、羽根車１２を同じ方向に回転させることができる。そのため、羽根車１２が停止せず、遅くても回転を継続する。なお、その間は発電できないので、送電をやめるか、あるいは蓄電部３４から送電する。そして再び風が強く吹き始めると、制御部３３と蓄電部３４の送電線４６を元に戻し、発電させるようにする。その場合、羽根が停止していないので、停止状態から回転を始める場合のような静止摩擦力に抗して回転させる必要がない。したがって全体としては電力を無駄にせず、効率のよい発電を行うことができる。なお、上記のモータ作用と発電作用の切り替えは、たとえば回転数を検出センサを設け、所定の回転数の基準値より回転数が減じたか、あるいは増加したかによって自動的に切り換えるようにしてもよい。
【００５７】
図１の場合は、すべてのコイルが第１送電線４１、第２送電線４２、第３送電線のいずれかに常時連結されているが、コイルと各送電線との間に遮断機の接点を介在させると共に、それらのコイル群をたとえば４つのグループに分け、いずれかのグループから電力を取り出すか、遮断機の入り切りで選択できるようにしてもよい。その場合は、風羽根車１２の回転の負荷を変化させることができるので、微風状態では少ないコイルで発電させ、風力が回復すると、発電させるコイルの数を増やすように制御することができる。それによって風力の広い範囲に渡って効率のよい発電を行うことができる。なお、稼働させるコイルの増減は、各組１個ずつ増減するほか、２個ずつ、あるいは３個ずつなどとすることもできる。なおシャフト２２に関して対称位置にある２〜３台のコイルを一緒に遮断する方が、羽根車１２の回転抵抗についてバランスがとれる。また、一部のコイルで発電させると共に、他のコイルでモータとして駆動させることもできる。
【００５８】
また図７の実施形態では、縦羽根２６の下端に車輪２７が取り付けられ、フレーム１１の側に走行路２８を設けているが、逆にフレーム１１のリング１８に複数個の車輪２７を上向きにして設け、羽根車１２にそれらの車輪２７と当接するリング状の走行路２８を設けることもできる。さらにフレーム１１または羽根車１２に、橇または橇状のスライダを設け、橇やスライダを走行路に対して摺動させることもできる。
【００５９】
図８に示す実施形態では、縦羽根２６の下端およびフレーム１１のリング１８に対し、上下方向で互いに対向するように磁石４７とコイル４８を設け、互いに磁力で反発するように構成している。それにより磁気浮上により羽根車の重量の全部あるいは一部を負担させることができる。このものは接触せずに重量の支持ができるので、高速回転でも抵抗が少ない。なお、コイル４８に代えて永久磁石を設けてもよい。さらに前記磁気浮上の構成は、磁石の吸着力を利用して、羽根車１２の上端側とフレーム１１との間で行わせることもできる。さらに羽根車の下端側で反発させる方式に加えて、縦羽根２６の上端とその上側のフレームのリング１８との間に互いに反発する磁石を設けることもできる。その場合は羽根車１２が上下に反発されて重量と釣り合う高さで回転する。そのため回転時の安定性が高い。前記コイル４８についても、鉄心を入れてもよく、入れなくてもよい。上記の磁気浮上の構成は、羽根車の周囲近辺だけでなく、後述するように横羽根２５の途中とフレームのスポークの途中の間に設けることもできる。
【００６０】
前記実施形態ではコイル群３２をフレーム１１の側に固定しているが、図９ａに示すように、羽根車１２の側に設けてもよい。また、図９ｂに示すように、コイル群３２を半径方向に隙間をあけて一対で設け、その隙間に永久磁石３１などの界磁用磁石を通すようにしてもよい。逆に図９ｃに示すように、永久磁石３１などの界磁用磁石を隙間をあけて設け、その隙間にコイル群３２を通すようにしてもよい。
【００６１】
さらに前記実施形態では、縦羽根２６の外側面とリング１８の間に発電部１４を設けているが、図１０ａに示すように、縦羽根２６の下端とリング１８の上面との間に、上下方向で向かい合うように設けることもできる。その場合は車輪２７を横羽根２５の途中に設け、走行路２８はスポーク１７の途中に設ければよい。なお、車輪２７と走行路２８に代えて、磁気浮上のための磁石を両者に設けることもできる。また、図１０ｂに示すように、横羽根２５の途中に支持リング５２を設け、フレーム１８のスポーク１７の上面の途中に、前記支持リング５２と対向する支持リング５３を設け、両方の支持リング５２、５３の間に永久磁石３１などの界磁用磁石とコイル部３２とからなる発電部５４を設置することもできる。なおこの構成は、図７などの羽根車の外周に設ける発電部３２に加えて第２発電部として設けることもできる。
【００６２】
前述のように、コイル群３２と永久磁石３１などの界磁用磁石とは１〜５ｍｍ程度の隙間であり、両者は高速で相対的に移動する。そのため、羽根車１２が太陽熱などで熱膨張すると、隙間がなくなって干渉するおそれがある。逆に熱収縮で隙間が拡がり、発電効率が低下する場合がある。フレーム１１と羽根車１２の材料が同じであれば、両者の熱膨張係数が同じであるが、フレーム１１に強度が高い鋼材を用い、羽根車に軽量の合成樹脂を用いる場合は、とくに熱膨張係数の差による隙間の増大および減少が大きくなる。図１１は、そのような場合に用いられる間隔調整装置の実施の形態を示している。
【００６３】
図１１に示す間隔調整装置５６では、コイル群３２をコイルケース５７に収容し、そのコイルケースをリング１８に対して半径方向に移動自在に設け、コイルケース５７をリングに対して半径方向に駆動する電動式または油圧式の駆動機構５８を設け、さらに横羽根２５の伸縮量を検出するセンサ５９を設け、横羽根２５の伸縮量に合わせて駆動機構５８を制御する制御装置６０を設けている。駆動機構５８はボールネジとモータで回転するナットとを組み合わせたもの、あるいはリニアモータを用いたものなどが用いられる。なお固定したナットとモータで回転するボールネジとを組み合わせてもよい。
【００６４】
伸縮量のセンサ５９としては、たとえば横羽根２５およびフレーム１１のスポーク１７にそれぞれ設けた歪みゲージなどが用いられる。その場合は各センサの検出値の差を演算させ、それに基づいて補償すべき値が定められる。また、たとえば横羽根２５に発光ダイオードを設け、フレームのスポーク１７に光センサを半径方向に多数配列させたものを設けることにより、構成することができる。その場合は、相対的な長さ変化、すなわち熱膨張量の差を直接検出することができる。前記間隔調整装置５６は、通常は羽根車１２を停止させた状態で作動させる。ただし運転中に自動的に作動させるように構成することも可能である。
【００６５】
このような間隔調整装置５６を設けた風力発電システムは、太陽熱や気候によって羽根車が熱膨張あるいは熱収縮をしても、コイル群３２と永久磁石３１などの界磁用磁石の隙間がほとんど変化しない。そのため、両者の隙間を小さくすることができ、効率的な発電を行うことができる。しかも四季の気候あるいは一日の気温が大きく変化する地域にも設置することが可能である。また、フレームと羽根車の材質が異なってもよいので、羽根車に軽量の発砲樹脂や繊維強化プラスチックを用いることができる。
【００６６】
上記の風力発電システム１０は、従来の風力発電用の風車と同様に、たとえば海岸線に沿って設置したり、山や台地などの小高い地形を利用して、風を多く受けることができるような位置に設置する。ただしビルの屋上など、都会に設けることもできる。そして風が吹くと、縦羽根２６が風を受けて羽根車１２が図５の反時計方向に回転する。そのとき、横羽根２５が断面翼型の場合、あるいは前述の磁気浮上タイプの場合は、上向きの揚力ないし反発力を生ずるので、羽根車１２の重量を支えている下側の軸受け２０の負担が少ない。それにより回転抵抗が少なく、少ない風であっても、羽根車１２が効率よく回転する。羽根車１２が回転すると、稼働しているコイルが発電し、その電気は図１の送電線３６、３７によって消費地に送られ、あるいは蓄電部３４に保存される。送電する地域が遠方の場合は、交流発電機を用い、変圧器で変圧してから送電する。ただし直流発電機を用い、インバータなどで一旦交流に変換してから変圧し、送電するようにしてもよい。
【００６７】
前記実施の形態では、シャフト２２の上端および下端を軸受け１９、２０で回転自在に支持しているが、逆に軸受け１９、２０側に軸を設け、それらの軸で上下のボス２３、２４を回転自在に支持するようにしてもよい。また前記実施形態では、羽根車１２の縦羽根２６とボス２３、２４とを横羽根２５で連結しているが、単なる棒材などの支持部材を採用することもできる。その場合は横羽根による揚力は生じない。
【００６８】
図１２および図１３に示す風力発電システム６２では、フレーム１１のリング１８の内面に筒状の支持リング６３を取り付け、その支持リング６３の上に、同心状に２列のコイル群３２を対向するように、かつ、隙間をあけて配列している。そしてその隙間に羽根車１２に取り付けられる一群の永久磁石６４が界磁用磁石として配置されている。界磁用磁石として電磁石を採用することもできる。とくに大型のシステムでは、電磁石の方が好ましい場合がある。前記コイル群３２はたとえばブラケット６５によって支持リング６３に取り付けている。なお、それらのブラケット６５は調整ネジ６６によって羽根車の半径方向（図１３では左右方向）の位置を調節できるようにしている。
【００６９】
他方、縦羽根２６の下端から外向きに羽根保持アーム６７が設けられ、その羽根保持アーム６７に取り付けた補強リング６８の外周面および内周面にそれぞれ前記磁石６４、６４が固定されている。補強リング６８は湾曲させた角パイプによってリング状に構成しており（図１４ｂ参照）、断面コ字状のカバー７０の下面にネジ７０ａなどで固定されている。そのカバー７０は、前述のコイル群３２を取り付けたブラケット６５の外側を覆っており、それにより雨水がコイル群３２に侵入しないようにしている。さらに支持リング６３の外側のリング１８の上面とカバー７０の間、およびカバー７０の下端とブラケット６５との間にも、雨水の侵入を防ぐためのラビリンス７２、７２が設けられている。
【００７０】
補強リング６８の上面には、カバー７０の天面を挟んで羽根保持部材７３が取り付けられている。そしてその羽根保持部材７３に前記羽根保持アーム６７がその長手方向に摺動自在に嵌合されている。それにより補強リング６８や横羽根（図１２の符号２５）の熱膨張・熱収縮を自由にさせる構造にしている。横羽根に代えて、支持ステーを用いることもできる。羽根保持アーム６７や羽根保持部材７３には繊維強化樹脂（ＦＲＰ）などが用いられる。この羽根支持部材７３による羽根保持アーム６７の摺動自在の保持構造、あるいは前述の調整ネジ６６は、いずれも簡易な間隔調整装置を構成している。
【００７１】
前記支持リング６３の上には、２列のコイル群３２のほぼ中心を通るように、環状のガイド７４が羽根車と同心状に配置され、ネジなどで支持リング６３に固定されている。そしてこのガイド７４に複数個のスライダ７５が摺動自在に設けられ、そのスライダ７５に前記補強リング６８の下面が固定されている。この実施形態では、ガイド７４およびスライダ７５として、いわゆるリニアスライドボールベアリングのガイドとスライダが採用されている。ただしガイド７４は横方向に湾曲され、複数本の湾曲したガイド片を組み合わせて環状の軌道を形成するようにしている。
【００７２】
リニアスライドボールベアリングは、ボールスプラインなどと同様の構成を有する。すなわちスライダ側には、複数の無端状のボール軌条が設けられており、そのボール軌条に保持されるボール群は「行き行程」でスライダの表面に現れ、「帰り行程」でスライダ内に隠れるようにしている。そして表面に出ているボール群は、ガイド７４の係合溝７４ａなどと噛み合って、スライダ７５がガイド７４から抜けないように保持し、かつ、スライダ７５がガイド７４に沿って少ない摩擦抵抗でスムーズに転動するように案内する。このようなリニアスライドベアリングとしては、たとえばＴＨＫ社製のＬＭガイドなどを用いることができる。
【００７３】
前記スライダ７５の個数はとくに限定されないが、羽根車１２の重量を支持する羽根保持部材７３の近辺では密に配置し、他の部位では疎に配置するのが好ましい。ただし等ピッチで設けてもよい。このようなガイド構造７７を採用することにより、羽根車１２はフレーム１１に対して自軸回りに回転自在に支持される。したがって図１４ａおよび図１４ｂに示すように、羽根車１２の中心部にシャフト（図３の符号２２参照）や軸受けを設ける必要はない。また、縦羽根２６が受けた風による回転トルクは、横羽根を経由せずに羽根保持アーム６７、羽根保持部材７３および補強リング６８を経由して、コイル群３２と永久磁石６４の相対運動に伝えられ、その部位で発電時に生ずる抵抗やリニアガイドによる摩擦抵抗などに抗して羽根車１２を回転させることができる。それにより、リニアモータと逆の原理で発電させることができる。
【００７４】
前記実施形態では横羽根やシャフトを備えていないが、図１４ａおよび図１４ｂに想像線で示すように、横羽根２５を設け、それらの中心に設けたボス２４やシャフト２２で羽根車１２を支持することもできる。このような横羽根２５を設ける場合は、図１４ｂに想像線で示すように、横羽根２５の途中に補強リング６８および支持リングを設け、それらの補強リング６８に取り付けたスライダと支持リングに設けたガイドとで羽根車１２を回転自在に支持することもできる。その場合も永久磁石を補強リング６８に取り付け、支持リングにコイル群を取り付けることにより、リニアモータと逆の原理で発電させることができる。
【００７５】
また、図１５ａ、図１５ｂに示すように、縦羽根２６の縦方向の中間位置に補強リング６８を取り付け、前フレーム１１の対応する部位に支持リング６３を設けることもできる。図１５ａのシステムでは、補強リング６８にスライダを横向きに取り付け、支持リング６３の内面側にスライダを案内するガイド７４を取り付けている。また、支持リング６３の内面側にコイルを設け、補強リング６８の上下の面に永久磁石を取り付けている。他方、図１５ｂのシステムでは、支持リング６３の上方に補強リング６８を配置し、図１３の場合と同様に、スライダ、ガイド、コイル、永久磁石を配置している。このようなシステムでは、縦長の羽根車であっても安定して保持することができる。
【００７６】
前記実施形態では、羽根車は鉛直方向に延びる回転中心まわりに回転させているが、図１６ａ、図１６ｂに示すように、回転中心Ｃｔが水平方向に延びるように羽根車１２を保持することもできる。このものはリング１８、脚１５およびスポーク１７などからなるフレーム１１の構成が異なるだけで、羽根車１２およびその支持構造は図３などの風力発電システムと実質的に同じである。このような横向きタイプの風車は、羽根車を回転させる風の向きが制限されるので、風の方向が一定の土地に設置するのが好ましい。また、軸方向に複数個設けることが容易であるので、大規模な発電設備に適する。
【００７７】
図１７は横向きタイプの風車を備え、フレーム１１に設けたリング１８と羽根車１２に設けた補強リング６３の間にスライドガイドを介在させ、中心のシャフトや横羽根を省略した場合を示している。このようなシステムでは、図１３の場合と同様のガイドおよびスライダからなるガイド構造７７を採用するのが好ましい。
【００７８】
図１８の横向きタイプの風力発電システムは、複数枚のプロペラ状の羽根７８を放射状に設けた羽根車１２を採用している。このものも羽根車１２に設けた補強リング６８と、フレーム１１に設けた支持リング６３との間に前述のようなガイド構造を介在させることにより、羽根車１２をフレーム１１によって回転自在に支持することができる。なお、想像線で示すように、羽根車１２の中心に設けたボス２３をシャフト２２で回転自在に支持することもできる。また羽根車１２の中心に設けたシャフトをフレーム１１に設けた軸受けで回転自在に支持することもできる。それらの場合も、補強リング６８と支持リング６３の間に介在させるコイル群と、それに対向する永久磁石などの界磁用磁石との組み合わせで、リニアモータと逆の原理で発電させることができる。
【００７９】
図１９は磁気浮上方式によるガイド構造８０の実施形態を示している。このガイド構造８０では、磁石４７とくに永久磁石を、電磁石（コイル４８）の外側に設けたガイド突起８１で水平方向に案内をしており、上下方向については、永久磁石と電磁石による磁気浮上構造としている。他の部分については、前述の発電システムと実質的に同様である。このものは回転の抵抗が少ないので、発電効率が高い。なお、回転する上側の磁石を電磁石とし、下側の固定側を永久磁石とすることもできる。さらに上下とも永久磁石としてもよく、上下とも電磁石とすることもできる。
【００８０】
図２０ａのガイド構造８３は、円環状のガイド８４と、その両側面および上面を囲むように配置され、それらに沿って転動するローラ８５を備えたスライダ８６とから構成されている。スライダ８６の個数は前述のリニアスライドボールベアリングにおけるスライダと同じ程度でよい。このようなガイド構造８３を、羽根車１２に取り付けた補強リング６８と、フレーム１１に取り付けた支持リング６３の間に介在させることにより、羽根車１２をフレーム１１に対して回転自在に支持することができる。
【００８１】
図２０ｂのガイド構造では、補強リング６８の側にリニアスライドボールベアリング用の環状のガイド７４を取り付け、支持リング６３の側にそのガイド７４に案内されるスライダ７５を取り付けている。他の構成は図１３の場合と同様である。このものは羽根車１２にガイド７４を設けているので、羽根車１２の重量が重くなるが、その強度および剛性が高くなる利点がある。なお、上記のリニアスライドボールベアリング用の環状のガイド７４と、その環状ガイドと摺動（実際は転動）するスライダ７５との組み合わせは、リニアモータと反対の原理で発電する発電機を備えた発電システムに限らず、他の発電機を用いた発電システムでも適用することができ、同じ作用効果を奏する。たとえば、羽根車の周縁部あるいは途中に環状の歯列を設け、その歯列と噛み合うギヤを入力軸に取り付けた通常の発電機を、フレーム１１（とくにリング１８）に、複数台環状に配置することもできる。また、羽根車の中心部に回転するシャフト２２を設けた発電システムでは、そのシャフト２２に通常の発電機の入力軸を連結するようにしてもよい。
【００８２】
図２１の風力発電システム８８では、支持リング６３の上部に取りつけた永久磁石８９と、羽根保持アーム６７の下面に取りつけた永久磁石９０とを向かい合わせて構成した磁気浮上構造Ｊ１を設けている。それにより、永久磁石８９、９０同士の磁気反発力で羽根車の重量を支持することができる。すなわちこの実施形態では、プレート状の支持リング６３の半径方向内側（図２１の右側）から複数列の支持ロッド９１を立ち上げ、その上端に内側リングプレート９２を固定し、その内側リングプレート９２の上面に多数の永久磁石８９を環状に配列している。そして羽根保持アーム６７の下面に、数個の永久磁石９０を取りつけている。なおこの実施形態では図２２に示すように、矩形状の内側プレート９２ａを複数枚環状に配置して内側リングプレート９２を構成しており、１枚の内側プレート９２ａには、たとえば複数個３個の矩形状の永久磁石８９を所定の隙間をあけて配列し、それらの隙間に磁石で吸着する鉄片９３を介在させている。
【００８３】
それらの永久磁石８９と鉄片９３は、枠体９４で固定支持されている。永久磁石８９の磁極の向きは、同じ向きである。すなわち上側をＮ極に揃えるか、あるいはＳ極に揃える。このように鉄片９３を介在させるのは、永久磁石９０同士を直接隣接させると、強い反発力（たとえば図４２の場合で１０Ｎ程度）が働くので、取りつける作業が大変であるからである。そして上記のように鉄片９３を介在させると、それぞれの永久磁石８９が鉄片９３と磁着するので、鉄片９３を介して磁石群が一体に磁着され、取り付けが容易になる。なお、羽根保持アーム６７の下面に配列した永久磁石９０についても、同様に隙間をあけてその隙間に鉄片を介在させ、枠体９５で囲むようにして羽根保持アーム６７に取りつけている。
【００８４】
なお、前記支持リング６３は、図２２に示すように、所定の幅の矩形状のプレート６３ａで構成し、環状に配列して構成している。また、支持ロッド９１は、内側１列と外側１列の全体の２列で内側リングプレート９２を支持している。また、この風力発電システム８８では、支持リング６３の外側にも２列の支持ロッド９１ａを立ち上げて、その上端に外側リングプレート９６を固定している。そして外側の支持ロッド９１ａの内側の列および内側の支持ロッド９１の外側の列には、それぞれ高さ方向の中間部に固定子を構成するコイル群３２、３２を取りつけている。そして両者の間に永久磁石６４を設けた回転子を配置し、その回転子を羽根車に固定している。
【００８５】
前記永久磁石６４は、図２３に示すように矩形状を呈し、中間の補強リング６８の内面および外面の両側に、それぞれ隙間をあけて配列固定している。それらの隙間にも、鉄片を介在させるのが好ましい。永久磁石６４は、内側をＮ極にしたもの６４ａと、Ｓ極にしたもの６４ｂを交互に配列している。外側の永久磁石６４についても同様であり、通常は内側の永久磁石の極と、それと対応する外側の永久磁石の極は同極にしている。補強リング６８の中間部には上下に貫通する孔６８ａが形成されており、図２１に示すように、その孔６８ａに吊りロッド９７が通されている。
【００８６】
その吊りロッド９７は、上から上端スペーサ９８、上ガイド円板９９、上側スペーサ１００、補強リング（コア）６８、下側スペーサ１０１および下側ガイド円板１０２を貫通し、全体を締め付けて固定している。上端スペーサ９８、上側スペーサ１００、下側スペーサ１０１はそれぞれステンレス鋼などの非磁性の金属などで構成することができる。また、内側リングプレート９２の外縁部および外側リングプレート９６の内縁部には、上ガイド円板９９の上面と隙間をあけて対向するガイドローラ１０３、１０３が回転自在に支持されている。さらに下側の支持リング６３には、下ガイド円板１０２の下面と隙間をあけて対向するガイドローラ１０４、１０４がそれぞれ回転自在に支持されている。それらのガイドローラ１０３、１０４の回転中心は、水平に配置され、羽根車の半径方向を向いている。それらのガイドローラ１０３、１０４と上下のガイド円板９９、１０２とは、磁気浮上構造Ｊ１の不調などで回転子が上下方向に移動しても、回転子と固定子とが接触しないように最低限の隙間を維持する安全機構である。
【００８７】
前記コイル群３２は、図２４に示すように、多数のケイ素鋼板などの金属板を重ねて形成したコア３２ａの外周に、電線３２ｂを巻き付けたものであり、支持ロッド９１、９１ａを通すため、上下方向に孔１０８が形成されている。そして図２１に示すように、支持ロッド９１、９１ａの上下方向の中間部に固定され、支持されている。なお、コイル群３２を支持する支持ロッド９１、９１ａの上部には上ガイド円板９９の内周面または外周面と隙間をあけて対向するガイドローラ１０５、１０５が回転自在に設けられている。そしてコイル群３２を支持する支持ロッド９１、９１ａの下部には、下ガイド円板１０２の内周面または外周面と隙間をあけて対向するガイドローラ１０６、１０６が回転自在に設けられている。それらのガイドローラ１０５、１０６と上下のガイド円板９９、１０２は、回転子が半径方向外側あるいは内側に移動しても、固定子と回転子の隙間を適切に維持するための安全機構である。なお、図２３および図２４では、回転子および固定子をそれぞれ直線状の部材で構成している。そして風力発電システムでは、これらの直線状の部材をいくらか角度をつけて多角形状に配列し、環状の回転子および固定子を構成する。このように多数の部材を連結して環状部材を構成することにより、取り扱いが容易になる。なお、それぞれの固定子および回転子の部品をいくらか湾曲させ、連結したときに円環状になるように構成することもできる。また、回転子および固定子は、回転するときに互いに、あるいは他の周囲のものと干渉しないように、ガラス繊維強化合成樹脂で固めて所定の寸法に仕上げるのが好ましい。
【００８８】
さらに図２１の風力発電システム８８では、吊りロッド９７の下端あるいは下ガイド円板１０２の下面の間に、互いに反発する磁石群１０７、１０８を配置して、羽根車の重量、とくに回転子の重量を支持させる補助磁気浮上構造Ｊ２を設けている。すなわち前述の上部に設けた磁気浮上構造Ｊ１は、片車側の永久磁石を羽根保持アーム６７ごとに設けているので、複数枚の縦羽根の重量をそれらの直下で支持することができるが、縦羽根の間の回転子の重量は充分に支持できない。そのため、補助磁気浮上構造Ｊ２により、その間の回転子の重量を支持させるようにしている。
【００８９】
つぎに図２５を参照して、固定子のコイル群３２の配列および結線状態を説明する。外側および内側の固定子のコイル群３２は、３相交流の電流を得るために、それぞれ３組のコイル群１１１ａ、１１２ａ、１１３ａ、１１１ｂ、１１２ｂ、１１３ｂによって構成している。そして内側の第１コイル群１１１ａと外側の第１コイル群１１１ｂとは、長手方向に１ブロック分だけずらせて配置され、しかも、内側の第１コイル群１１１ａの端部と外側の第１コイル群１１１ｂの端部とは接続線１１１ｃで連結されている。第２コイル群および第３コイル群についても同様である。各コイル群のブロックの巻き数は同一にしている。
【００９０】
上記のように構成される固定子のコイル群３２の間に回転子の永久磁石６４が一方向に走行すると、走行する永久磁石６４の磁界は固定子のコイル群に対してほぼサイン曲線となる磁界変化を付与し、それに基づいてそれぞれのコイル群３２に交流が生ずる。したがって各コイル群３２から交流の電気を取り出すことができる。そしてこの実施形態では、第１コイル群、第２コイル群、第３コイル群から３相交流を取り出すことができる。
【００９１】
また、上記のようにして各コイル群３２に電流が流れると、固定子のコイル群３２に磁界が生じ、その磁界と固定子の永久磁石６４の間に吸引力および反発力が生ずる。しかし内側と外側の対応するコイル群同士が接続線１１１ｃ、１１２ｃ、１１３ｃでそれぞれ接続されているので、内側に引っ張られる力と外側に押される力がバランスする。すなわち内側の第１コイル群１１１ａの電流が減少すると、外側の第１コイル群１１１ｂの電流も同等に減少するため、内側に引っ張られる力と外側に押される力がバランスし、同様に第２コイル群１１２ａ、１１２ｂ同士および第３コイル群１１３ａ、１１３ｂ同士の力もバランスする。そのため、回転子は固定子に対してほぼ一定の間隔を維持しながら走行することになる。したがって回転数が変化しても、全体としてスムーズな回転が得られる。
【００９２】
図２６ａに示す磁気浮上構造Ｊ３は、回転する羽根車側、たとえば羽根保持アームに取りつけられる永久磁石９０が下向きに開口する断面略コ字状を呈している。固定されたフレーム側、たとえば支持リングに取りつけられる永久磁石８９は縦向きの板状である。このような断面コ字状の永久磁石９０は、水平に配置される中央の板状の磁石９０ａと、縦向きに配置される内側および外側の板状の磁石９０ｂ、９０ｃの３枚の磁石をたとえばＮ極を内側にするように組み合わせることにより得ることができる。その場合は相手側の縦向きの永久磁石８９の上端側を同じＮ極にする。コ字状の永久磁石９０の内面側をＳ極にする場合は、縦向きの永久磁石の上端側もＳ極にする。そして基準状態では、固定側の永久磁石８９の先端は、回転側の永久磁石９０の先端同士を結ぶ線Ｌにほぼ一致させておく。なお、固定側の永久磁石９０をほぼ連続する環状に配置し、回転側の永久磁石８９を羽根保持アームの部分のみに設ける点については、前述の図２１の磁気浮上構造Ｊ１の場合と同様である。ただし固定側を部分的に設け、回転側をほぼ連続する環状に配置してもよい。
【００９３】
このように構成される磁気浮上構造Ｊ３は、回転側の中央の磁石９０ａのＮ極と固定側の永久磁石８９の上端のＮ極とが反発するので、羽根車の重量を支えることができる。また、回転側に中央に向かう力が加わっても、内側の磁石９０ｂと縦向きの永久磁石８９とが反発するので、上記の力に対応する力が生ずる。逆に外側に向かう力が加わっても、外側の磁石９０ｃと縦向きの永久磁石８９との間で元に戻そうとする力が働く。そのため、この磁気浮上構造Ｊ３は、常に基準位置を維持させる機能を備えている。また、回転側の永久磁石９０の幅は、図２２からもわかるように、羽根保持アームの幅と同じでよいため、磁石の節約になる。また、いずれも板状の磁石を用いるので、市販の磁石から容易に構成することができる。
【００９４】
図２６ｂに示す磁気浮上構造Ｊ４は、図２６ａの場合とは逆に、回転側に縦向きの永久磁石９０を設け、固定側に断面コ字状の永久磁石８９を設けている。この磁気浮上構造Ｊ４も図２６ａに示す磁気浮上構造Ｊ３と同様に、羽根車の磁気浮上作用と、中心維持作用の両方の機能を備えており、実質的に同じ作用効果を奏する。
【００９５】
図２６ｃに示す磁気浮上構造Ｊ５は、固定側の永久磁石８９として、内向きに開くコ字状断面を備えた外側の磁石８９ｃと、外向き開くコ字状断面を備えた内側の磁石８９ｂとからなる。そして回転側の永久磁石９０は、固定側の永久磁石の間に水平に配置される板状のものが用いられる。回転側の永久磁石９０はたとえばステンレススチールなどの非磁性体材料からなる支持部材１１９で羽根車側、たとえば羽根保持アームなどに取りつけられる。なお、外側のコ字状の磁石９０ｃの内面側をＮ極にする場合は、内側のコ字状の磁石９０ｂの内面側を反対のＳ極とし、回転側の永久磁石９０は外側の端部をＮ極に、内側の端部をＳ極にする。それにより、強力な上向きの磁気浮上作用と中心維持作用とを発揮することができる。
【００９６】
図２７ａの磁気浮上構造Ｊ６は図２６ｃの磁気浮上構造Ｊ５とは逆に、回転型の永久磁石９０として、外側および内側に配置されるそれぞれ断面コ字状の磁石９０ｃ、９０ｂを採用し、固定側の永久磁石８９として水平方向に配置される板状の磁石を採用している。なお、この実施形態では、回転側の外側の磁石９０ｃと内側の磁石９０ｂの上部同士をステンレススチールなどの非磁性体材料からなる部材で連結している。それにより取り扱いが容易になる。
【００９７】
図２７ｂに示す磁気浮上構造Ｊ７は、固定側の磁石１２０として、図２６ｂの場合とほぼ同様の上向きに開く断面コ字状の磁石１２１と、その間に介在される電磁石１２２とを組み合わせたものを採用している。このものは電磁石１２２のコイルに流す電流を制御することにより、電磁石１２２の磁力を調整することができる。それにより必要に応じて磁気浮上力を調整することができる。
【００９８】
つぎに図２８〜３６を参照して、本発明の電気・力変換装置の第１の態様の実施形態を説明する。図２８は風力発電システムの先の実施形態における図２１に示すような両側に磁極を持つ回転子を持つ発電機のブロック構成図（断面図）を示しており、両側に永久磁石１２６を持つ回転子１２７と、この回転子１２７を軸支する軸受け部１２８と、この軸受け部１２８を支持する台１２９と、回転子１２７を回転駆動する羽根車１２などから構成される原動機部１３０と、回転子１２７の永久磁石１２６と対峙している固定子１３１とで構成されている。なお、上記軸受け部１２８の代わりに上述した永久磁石などによる磁気浮上構造としても良い。電気・力変換装置は紙面に対して直角方向に延びている。風力発電装置に用いる場合は円環状に配置されるが、直線状あるいは緩やかな曲線状に延びていてもよい。以下の説明では、円環状に配置される場合を説明する。
【００９９】
回転子１２７の両側に２つの固定子１３１を持つ発電機の回転子１２７は、ドーナツ状の回転子で円周状に分布配置されている。このような発電機においては、固定子１３１の寸法低減のために回転子１２７の内外径の差が小さいことと、回転子１２７の軸受け荷重の軽減のために回転子１２７の重量が軽いことが求められる。
【０１００】
図２９は片側に固定子１３１を持つ発電機の回転子ヨーク部１３２の構造を示している。なお、図２８と同様の機能を有する要素には同一の番号を付している。回転子１２７の固定子１３１と対向している面にはＮ極とＳ極と交互に永久磁石１２６を配置しており、また、矢印は磁束を示している。この片側に固定子１３１を持つ発電機の回転子１２７は、Ｎ極の磁極とＳ極の磁極の間に磁束が通り易くするため、鉄でできた磁気回路が必要である。この回転子１２７の磁気回路の幅は、磁極幅（永久磁石１２６の幅）の半分の大きさである。
【０１０１】
他方、固定子１３１が回転子１２７の両側にある発電機で、両側に磁極（永久磁石１２６）を持つ回転子１２７を構成した場合には、図３０に示すように、半径方向に対して大きな幅の回転子ヨーク部１３２が必要となる。したがって、回転子１２７の内外径の差が大きく、二重に回転子ヨーク部１３２が必要となり、回転子１２７の重量が重くなる。
【０１０２】
この回転子１２７の両側に磁極を持つ構成で、磁極に永久磁石１２６を使用した時に、軸の偏芯（回転子１２７が軸芯からずれて固定子１３１側に寄ること）が生じた場合には、固定子１３１と回転子１２７の空隙が狭くなるために、寄った側の永久磁石１２６は、回転子１２７に独自のヨーク部を持つので、残りの回転子１２７側の永久磁石１２６とは無関係に、独自の磁気抵抗だけに左右されて、消費アンペアターンが減少し、永久磁石１２６の発生磁束量が増加する。また、残り側も独自のヨーク部を持つので、永久磁石１２６の発生磁束量は減少する。これを図３１に示す。これにより図３１の上側の回転子１２７の半径方向に作用する磁気吸引力が大きくなり、上側の固定子１３１側に回転子１２７が更に移動する。この力を式にて説明する。
【０１０３】
図３２は永久磁石１３４を使用した回転機のモデルの磁気回路を示し、略コ字型の珪素鋼板からなる磁性体１３５の対向する先端の一方に永久磁石１３４を配置し、この永久磁石１３４と磁性体１３５の他方の先端との間に空隙を設けている。一般に永久磁石１３４の発生する空隙の磁束密度Ｂは、図３２の位置関係の時に、
Ｂ＝Ｂｒ・（ｔ／μ）／（ｔ／μ＋Ａ） ・・・（１）
（但し、Ｂｒ：永久磁石１３４の残留磁束密度、ｔ：永久磁石１３４の厚み、μ：永久磁石１３４の透磁率、Ａ：空隙の長さ）
と、示される。
【０１０４】
両側にヨーク部を持つ回転子構造では、外側磁石の磁気吸引力Ｐ１及び内側磁石の磁気吸引力Ｐ２は、
仮に、磁石（永久磁石１３４）の厚さｔを、１０．５ｍｍ、空隙Ａを１０ｍｍ、ｋを磁極面積とした時、
Ｐ１＝ｋ・（（Ｂｒ・（ｔ／μ）／（ｔ／μ＋Ａ））２
＝ｋ・（Ｂｒ）２ ／４ ・・・・（２）
Ｐ２＝ｋ・（（Ｂｒ・（ｔ／μ）／（ｔ／μ＋Ａ））２
＝ｋ・（Ｂｒ）２ ／４ ・・・・（３）
である。したがって、同じ空隙の時の磁気吸引力は同じとなり、回転子１２７は移動しない。
【０１０５】
ところが仮に回転子１２７が５ｍｍ中心からずれて回転子１２７側に寄った時、回転子１２７の（図３１で上側の空隙が狭くなった時の）Ｐ１、Ｐ２は、以下のようになる。
Ｐ１＝ｋ・（（Ｂｒ・（ｔ／μ）／（ｔ／μ＋Ａ））２
＝ｋ・（Ｂｒ）２ ＊４／９ ・・・・（４）
Ｐ２＝ｋ・（（Ｂｒ・（ｔ／μ）／（ｔ／μ＋Ａ））２
＝ｋ・（Ｂｒ）２ ＊４／２５ ・・・・（３）
これにより磁気吸引力に差が生じ、回転子１２７を更に偏芯させるように力が作用する。
【０１０６】
更に、回転子１２７の両側に磁極（永久磁石１２６）を持つ場合の磁気吸引力は、回転子１２７の片側のみに磁極（永久磁石１２６）を持つ発電機に比して、回転軸に対して１８０°の位置にも回転子１２７の両側に磁極（永久磁石１２６）が存在するので、２倍の磁気吸引力が作用することになる。
【０１０７】
したがって、回転子１２７の両側に永久磁石１２６の磁極を持つ発電機を片側に磁極を持つ構造の考えのままで製作すると回転子１２７の重量が重く、また軸偏芯時の磁気吸引力が大きいという問題がある。
【０１０８】
この構造の考えの問題点は、回転子１２７の重量が重く、また軸偏芯時の磁気吸引力が大きいということである。すなわち、回転子１２７の構成にあることになる。その回転子１２７の構成で、二重に必要とする回転子ヨーク部１３２にあることになる。回転子ヨーク部１３２の幅の低減、回転子ヨーク部１３２の共有化が考えられる。
【０１０９】
この回転子ヨーク部１３２の幅の低減は、重量低減にはなるが、回転子ヨーク部１３２の磁気抵抗を増加させて、永久磁石１２６の能力を低減させることになり、磁気吸引力が大きいという問題解決にはならない。また、回転子ヨーク部１３２の共有化は、回転子１２７の外側の磁極と内側の磁極の位置を、磁極の極ピッチの半分ずらすことが考えられ、重量低減には効果があるが、共有化では、外側と内側の磁極が独自に動き、磁気吸引力が大きいことの解決にはならない。
【０１１０】
したがって、回転子１２７の両側の磁極が、偏芯が生じてもそれぞれの独自の磁気回路で磁石が動作しないように、回転子１２７の外側と内側の両者の磁気回路を一本化できれば、回転子ヨーク部１３２が同じになり、重量も低減でき、磁気吸引力が低減できることになる。よって、課題は、回転子１２７の外側と内側の永久磁石１２６の磁気回路を一本化することである。
【０１１１】
そこで、回転子１２７の両側の磁極、Ｎ極とＳ極の永久磁石を対に構成すれば、磁気回路の一本化を図ることができる。この構成を図３３に示す。図３３において、Ｎ極とＳ極の磁石１３６、１３６を対にした部材である磁石部１３７を等間隔で該磁石部１３７のＮ極とＳ極が交互に反対側に位置するように周方向に配置して回転子１２７を形成し、この回転子１２７の両側に固定子１３１を配置している。このような構成にすることで、同じ磁力線が回転子１２７の両側の磁石部１３７及び両側の固定子１３１を通ることになり、両側の空隙の磁束密度も同じになり、磁気吸引力も同じになる。
【０１１２】
この状態をモデル化した状態を図３４に示す。このモデルでの両側の磁極の磁束密度は、以下のようになる。２つの磁石（磁石部１３７）は、同じ磁気回路上にあるので、磁石厚さと空隙は合算されて、
Ｂ＝Ｂｒ・（２ｔ／μ）／（２ｔ／μ＋Ａ＋Ｂ） ・・・・（６）
（但し、Ｂｒ：磁石の残留密度、ｔ：磁石の厚み、μ：磁石の透磁率、ＡとＢ：空隙の長さ）
と示される。
【０１１３】
今、仮に、Ａ磁石とＢ磁石の厚みｔを１０．５ｍｍ、μを１．０５、空隙ＡとＢを１０ｍｍとした時、回転子１２７の両側の磁石に作用する磁気吸引力Ｐ１、Ｐ２は、
Ｐ１＝ｋ・（（Ｂｒ・（２ｔ／μ）／（２ｔ／μ＋Ａ＋Ｂ））２
＝ｋ・（Ｂｒ）２ ／４ ・・・・（７）
Ｐ２＝ｋ・（（Ｂｒ・（２ｔ／μ）／（２ｔ／μ＋Ａ＋Ｂ））２
＝ｋ・（Ｂｒ）２ ／４ ・・・・（８）
で示される。
【０１１４】
更に、仮に、回転子１２７の回転軸が５ｍｍ偏芯した場合（磁石Ａと磁石Ｂが空隙Ａ側に５ｍｍ移動したとする）の磁気吸引力Ｐ１、Ｐ２は、空隙の（Ａ−５）＋（Ｂ＋５）が当初のＡ＋Ｂのままであるので、同じ磁気吸引力となる。
【０１１５】
したがって、両側の磁石の磁気吸引力は回転子１２７の両側でバランスするので、回転子１２７全体が受ける力はゼロになり、偏芯があっても、回転子１２７を更に径方向に移動させる力は生じないことが計算上示される。
【０１１６】
また、図３３に示すように、回転子１２７の周方向で、隣り合った磁極を非磁性金属体１３８で結合することで、隣の磁極に磁束が漏れることも無くすことができる。
【０１１７】
かかる構成とすることで、回転子１２７の両側の磁石１３６、１３６をＮ極とＳ極と対にし、磁気回路を１つにした構成とすることで、回転子１２７の周方向で隣り合った磁極を非磁性金属体１３８で結合でき、そのため、従来構造の鉄の磁気回路を必要とせずに、回転子１２７の軸が偏芯が生じても、回転子１２７全体では磁気吸引力が計算上は発生しないという作用効果を生ずる。また、前述の構造の回転機で必要としていた周方向で隣り合った磁極間の回転子ヨーク部を必要としないという作用効果を生む。
【０１１８】
図３５に具体的な実施形態を示す。図示するように、回転子１２７の両側にそれぞれ固定子１３１があり、回転子１２７はＮ極とＳ極の磁石１３６、１３６を全周に設けた非磁性金属体１３８の上に設置したものである。回転子１２７の周方向上に隣り合った磁石１３６、１３６（磁石部１３７）同士の間は、非磁性金属体１３８で結合されている。この時に、回転子１２７の両側の磁石１３６、１３６間を非磁性金属体１３８に代えて磁性金属で接続すれば、両側の磁石１３６、１３６間の磁気抵抗が減少する。この回転子１２７の両側の磁石１３６、１３６間の磁性金属は、回転子１２７の両側の磁石１３６、１３６と同じ磁気回路上にあるので、図３１の構造の周方向上に存在する鉄の磁気回路とは、その作用が異なるので、本発明の原理には触れない。
【０１１９】
理論的には、上記（６）式と（７）式で示したように、回転子１２７の両側の磁石１３６、１３６で生じる磁気吸引力は同じである。しかし、実際は、一般に磁束は磁束密度を低減させるために空間に広がる性質を持ち、固定子１３１が周方向に存在するために、上記（６）式と（７）式の磁極面積の定数ｋが、回転子１２７が近接した側と離れた側では異なる。近接した側ではｋが大きくなり、離れた側では小さくなる。このために、近接した側の磁気吸引力が、離れた側より大きくなる。この二次的な現象は、本発明の原理には直接触れないが、この二次的な現象も含めた磁気吸引力の有限要素法による磁界解析による磁気吸引力の計算結果を図３６に示す。この計算は、図３２の構造と図３５の両側の磁石寸法と空隙を同じとし、図３２の周方向の隣り合った磁極間の鉄の回転子ヨーク部を磁石の幅の半分で行なったものである。この結果にも示すように、図３５に示す構造の磁気吸引力は、従来構造の場合よりも小さいものである。
【０１２０】
このように本実施形態では、回転子１２７の両側の磁極を対にして構成すると、同じ磁気回路上で両側の磁石１３６、１３６が動作することになり、回転子１２７の偏芯が生じても、両側の磁石１３６、１３６の磁気吸引力がバランスして回転子１２７全体では力がゼロになり、更に回転子１２７を移動させる力の発生することは計算上無くなる。また、同じ磁気回路上に磁石１３６、１３６を取り付けるので、従来構造の考えでは必要とした隣り合った磁極間の回転子ヨーク部を必要とせずに、回転子１２７の重量低減と回転子１２７の径方向の幅を低減できるという効果を奏する。
【０１２１】
つぎに図３７〜図４４を参照して本発明の永久磁石の配列構造の実施形態を説明する。以下の実施形態では、本発明の永久磁石の配列構造を磁気浮上装置に適用する場合を説明する。しかしこの永久磁石の配列構造は、これに限らず、複数個の永久磁石を同じ極を同じ向きになるように並べる場合の種々の構成にに適用することができる。図３７は両側に固定子をもつ回転子の磁気浮上の構造を示すものであり、先の実施形態と同様の原動機部１５３にて回転駆動される回転子１５１の両側には固定子１５２を持ち、この回転子１５１は磁気浮上構造Ｊ１０にて浮上する構造となっている。この磁気浮上構造Ｊ１０は、回転子１５１側の永久磁石１５４と、台１５６側に固定されている固定側の永久磁石１５５とで構成されており、永久磁石１５４と永久磁石１５５の対向面は互いに反発するＮ極同士、あるいはＳ極同士となっている。
【０１２２】
図３７に示すように、両側に固定子１５２をもつ発電機の回転子１５１は、水平に置かれ、周方向に分布配置されている。このような構造の発電機の回転子１５１は上述したように水平に設置できるがために、永久磁石１５４、１５５により磁気浮上させることができる。しかし、永久磁石１５４、１５５の取り扱いの際には、近接する磁性金属に接着しても、取り外すことができるようにしている。あるいは、所定の位置にアルミ材などの非磁性体を介して永久磁石１５４、１５５を取り付けた後は、このアルミ材などを取り外す必要がある。永久磁石１５４、１５５の取り付けのためには、アルミ材などが必要であり、取り付けのために有効利用できないスペースが必要となっている。
【０１２３】
また、永久磁石１５４、１５５の反発力により磁気浮上させている状態で回転子１５１が移動している場合には、固定側と回転側に隙間なく多量の磁石（永久磁石１５４、１５５）を取り付ける必要がある。高性能磁石は、最大寸法に制限があり、多くの個数が必要となる。図３８に示すように、磁気浮上のためには同じ極の磁石（永久磁石１５４、１５５）をそれぞれ横に配置する必要がある。図３８では、移動側の永久磁石１５４の空隙側をＮ極とし、固定側の永久磁石１５５の空隙側をＳ極として反発力を得ている。
【０１２４】
しかし、図３９に示すように、同じ方向の磁極面を持つ磁石の側面を近接させると、反発力が生じ、並設して取り付けることは容易ではなく、多くの人力を必要として固定している。すなわち、図３９は高性能の磁石Ａと磁石Ｂを近接させた時の両磁石Ａ、Ｂの流体の磁束分布の状態を示し、磁石Ａと磁石Ｂを近接させても、端部では、同じＮ極から発生した磁束（図中の端部の漏れ磁束）が近接するために（磁束が鎖交しないので）反発力を生じる。したがって、両磁石Ａ、Ｂを近接して保持することは困難である。
【０１２５】
また、図４０は空気中に置かれた高性能磁石Ａ、Ｂの反発力（磁石Ａを固定とした場合）の説明図を示し、両磁石Ａ、Ｂの厚さを５ｍｍ、長さを２０ｍｍ、幅を１０ｍｍとして、磁石Ａの端面に磁石Ｂを吸着させた場合に、磁石Ｂに作用する反発力は、約３０Ｎであり、人の手で長時間保持し続けることは非常に困難である。
【０１２６】
なお、全体機器を分解点検するために、設置した磁石がこの反発力のために飛ぶことがないように、磁石固定用の非磁性材を取り外す作業にも時間を要することになる。更に、この取り付け・分解作業を、設備を用いて効率良く工場で行なうのではなく、現場で実施するとなれば、更に時間を要することになる。このように、高性能磁石を機器（風力発電システムなどに）に組み込むには、取り付け作業に時間を要する。
【０１２７】
このようにして高性能磁石の組み込む際の作業性の悪化は、その磁石が高性能であるが故に、磁束が空気中に漏れて、近接した磁性体との間に吸引力が発生することである。計画した方向に向いている磁束が磁性体との間に吸引力が発生すること、あるいは浮上のための磁石間での反発力は、高性能磁石を使用する目的でもあるので、この磁束が生む吸引力の対策は機能上必要なことであり、問題ではない。しかし、所定方向以外の磁石の側面を通る磁束は、漏れ磁束であり、この漏れ磁束が近接した磁性体との不要な吸引力を生むこと、あるいは、同じ方向を向いた磁石との間に不要な反発力を生じることを防止することができれば、作業性を向上させることができる。
【０１２８】
永久磁石を鉄のような磁性体に取り付けると、この磁性体の外側にある磁性体の吸引力が低減することは周知の事実である。この周知の事実により、例えば、１ｃｍ立法の磁石を単純に数ｃｍの厚い鉄で側面を囲むと、不用意な吸引力は発生しないが、作業場内での運搬する重量が増し、逆に作業性が悪くなる。また、図４１に示すように、磁石を磁性体１５８で囲ったものに、別の高性能磁石を配置すると大きな吸引力が発生し、これらを分離するためには、大きな力を必要とする。
【０１２９】
すなわち、図４１は磁石Ａの側面に磁性体１５８を取り付けた時の端部の磁束分布を示す図であり、磁石Ａの側面に磁性体１５８を取り付けた場合には、磁石Ｂの端部の磁束がその磁性体１５８に浸入し、吸引力が生じる。また、図４２は、空気中に置かれた高性能磁石Ａと磁石Ｂとの間に磁性体１５８をサンドイッチした時の吸引力を示している。この図４２において、両磁石Ａ、Ｂ共に、厚さを５ｍｍ、長さを２０ｍｍ、幅を１０ｍｍとし、磁性体１５８の厚さを５ｍｍ、長さを１ｍｍ、幅を１０ｍｍとした場合、磁石Ｂが磁性体１５８側から受ける吸引力は、約３０Ｎであり、磁石Ｂを磁性体１５８から分離しようとすると大きな力を必要とする。そのため、両磁石Ａ、Ｂの分離は困難である。
【０１３０】
更に、反発形の磁気浮上では、磁石側面に取り付けた磁性体が、磁石表面より突き出ると、この部分の表面に相手方の磁石の磁束が集中して、浮上用の反発力の低下を招く。
【０１３１】
したがって、同じ極面同士の高性能磁石を近接した時に、反発力と吸引力が小さくなるような磁石側面に取り付けた磁性体あるいは磁石側面を囲む磁性体の構成が磁石に密に並んでいるような薄い磁性体の厚みを求めることが課題となる。
【０１３２】
同じ極面間で、高性能永久磁石を近接させると、反発し、また高性能磁石に磁性体を取り付けると吸引して離れない。この反発と吸引の両者の状態を、磁性体を用いて発生させることができれば、同じ極面の高性能磁石を密接に並べても反発と吸引が生じないことになる。このために、図４３に示すように磁石の側面の磁性体１６０の外側を一部磁束が漏れるように、磁性体１６０の高さを磁石の厚みより短くするようにしたものである。
【０１３３】
そして、図４４に示すように、この一部を切り欠いた磁性体１６０を高性能磁石ＡとＢの間に側面でサンドイッチする。高性能磁石Ａ、Ｂの漏れ磁束が、この磁性体１６０の高さを欠いた部分から漏れた磁束が互いに反発し、反発力を発生していて、磁性体１６０の部分では、磁性体１６０に互いに高性能磁石Ａ，Ｂが吸引している状態になる。したがって、磁界解析によりその磁石Ａ、Ｂに応じて反発力と吸引力がバランスするように磁性体１６０の高さと厚みを適切に設定することができるので、課題を解決することができる。
【０１３４】
このように、高性能磁石Ａ，Ｂの厚さよりも短い磁性体１６０を磁石Ａ、Ｂの側面に取り付けるという工夫により、隣り合った磁石Ａ、Ｂの反発力と吸引力をバランスさせる作用が生じる。また、磁性体１６０の長さは、磁石Ａ、Ｂの長さより小さく、磁石が密に並んでいる状態でもある。更に、磁性体１６０は磁石Ａ、Ｂの面より内側に引っ込んでおり、浮上側の磁石１５４と固定側の磁石１５５よりの磁束がこの部分に集中することはないという作用をもち、磁気浮上に悪影響を及ぼすことはない。
【０１３５】
図４４は具体的実施形態を示し、図示するように、磁石Ａ、Ｂの厚みより、短い磁性体１６０を磁石Ａ、Ｂの側面に取り付けたものである。また、この時の磁性体１６０の長さは約１ｍｍで、磁石Ａ、Ｂの長さ２０ｍｍより短い。したがって、多数の磁石が密に並んでいる状態に近い。この磁石の配列で、磁界解析を行なった計算結果を図４４に示す。
【０１３６】
磁石Ａ、Ｂの厚み５ｍｍより、１．２ｍｍ短い磁性体１６０（厚さ３．８ｍｍ、長さ１ｍｍ、幅１０ｍｍ）を磁石Ａの側面に取り付けた時の磁石Ｂに作用する力は、吸引力で、約１Ｎである。この力は、図４４に示す同じ大きさの磁石Ａと磁石Ｂを磁性体１６０無しで接した場合の反発力（図４０）約３０Ｎより小さい。また、磁石の厚さと同じ高さの磁性体を介在させた時の吸引力（図４２）約１０Ｎより小さい。したがって、この実施形態に示すように、磁石の厚さより短い磁性体１６０を介在させることで、磁石の設置が容易となり、特別に反発力対策として磁石を固定する構造物を必要としないものである。
【０１３７】
このように本実施形態では、高性能磁石Ａ、Ｂ（永久磁石１５４、１５５）の厚さよりも短い磁性体１６０を該磁石Ａ、Ｂの側面に取り付けて、隣り合った磁石Ａ、Ｂの反発力と吸引力を低減させたので、磁石Ａ、Ｂ（永久磁石１５４、１５５）の取り付け作業が容易になり、現地にての組み立ての作業時間を短縮することができる。また、磁石Ａ、Ｂ間の吸引力が低減したので、発電機の分解点検作業が容易となる。更に、磁石Ａ、Ｂ間の反発力対策として、磁石Ａ、Ｂを固定する構造物を必要としないという種々の効果を奏するものである。
【０１３８】
なお、図４４に示すような構成の磁性体１６０を、図３８に示す移動側の多数の永久磁石１５４の間に磁性体１６０を介在させているものである。また、同様に固定側の多数の永久磁石１５５の間にも磁性体１６０を介在させている。
【０１３９】
つぎに図４５〜５１を参照して本発明の電気・力変換装置の第３の態様の実施形態を説明する。図４５は、風力発電システムの先の実施形態における図２１に示すような両側に磁極を持つ回転子を持つ発電機のブロック構成図を示しており、両側に永久磁石１６３を持つ回転子１６４と、この回転子１６４を軸支する軸受け部１６５と、この軸受け部１６５を支持する台１６６と、回転子１６４を回転駆動する羽根車１２などから構成される原動機部１６７と、回転子１６４の永久磁石１６３と対峙している固定子１７０とで構成されている。なお、上記軸受け部１６５の代わりに上述した永久磁石などによる磁気浮上構造としても良い。
【０１４０】
回転子１６４の両側に固定子１７０を持つ発電機では、外側と内側の固定子コイルを幾何学的にコイルを配置しても、図４６に示すように回転子１６４の内側と外側の磁束分布が相違するが、外側の固定子１７０ａと内側の固定子１７０ｂでのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の発生電圧の波形とピーク値および位相に差が生じる可能性がある。
【０１４１】
図４６は、回転子１６４の磁石１６３の外側固定子１７０ａと内側固定子１７０ｂの距離を示すものであり、磁石１６３の磁束分布が外側固定子１７０ａと内側固定子１７０ｂでは異なることを説明するために距離の差で示した図である。図４６において、磁石１６３を直方体とした時に、磁石１６３と外側固定子１７０ａ及び内側固定子１７０ｂとの距離は部位毎に以下のようにする。
ａ：磁石１６３の一方の端と外側固定子１７０ａの距離
ｂ：磁石１６３の中央部と外側固定子１７０ａの距離
ｃ：磁石１６３の他方の端と外側固定子１７０ａの距離
ｄ：磁石１６３の一方の端と内側固定子１７０ｂの距離
ｅ：磁石１６３の中央部と内側固定子１７０ｂの距離
ｆ：磁石１６３の他方の端と内側固定子１７０ｂの距離
【０１４２】
この時に、磁石１６３と外側固定子１７０ａの内径との距離について、以下のようになる。
ｂ＞ａ、ｂ＞ｃ、ａ＝ｃ
であり、内側固定子１７０ｂの外径については、以下のようになる。
ｄ＞ｅ、ｆ＞ｅ、ｄ＝ｆ
また、ｂ＝ｅとすると、ａ＜ｂ＜ｄとなる。
これは、磁石１６３の部位毎に磁路長が異なり、外側固定子１７０ａと内側固定子１７０ｂで磁束分布が異なることになる。この磁束分布の推定を図４７に示す。
【０１４３】
図４７（ａ）は外側固定子１７０ａの磁束密度分布を示し、図４７（ｂ）は内側固定子１７０ｂの磁束密度分布を示している。図４６に示したように、外側固定子１７０ａと内側固定子１７０ｂとの間の空隙で、磁石１６３の部位により磁路長が異なるので、両固定子１７０ａ、１７０ｂでは磁束密度分布が図４７に示すように異なる。
【０１４４】
図４７に示すように、外側固定子１７０ａの磁束密度分布は台形状で、内側固定子１７０ｂの磁束密度分布は三角状であることが推定される。したがって、外側固定子１７０ａと内側固定子１７０ｂのコイルに誘起される電圧のピーク値と波形が異なることが予想され、外側固定子１７０ａと内側固定子１７０ｂの電圧のピーク値と波形が異なることは、両固定子１７０ａ、１７０ｂの誘起電圧の基本波成分の位相も異なる可能性がある。
【０１４５】
また、回転子１６４の両側に固定子１７０を持つ発電機で、外側と内側のコイルを横切る磁束密度Ｂが同じ場合には、外側固定子１７０ａの発生電圧をｅ１、内側固定子１７０ｂの発生電圧をｅ２とした時、以下の式で示される。
ｅ１＝Ｂ・ｌ・ｖ１
ｅ２＝Ｂ・ｌ・ｖ２
但し、ｌはコイルの長さ、ｖ１、ｖ２は、外側と内側のコイルを横切る磁束の速度とする。
この時に、ｖ１＝ｖ２・ｒｌ／ｒ２である。但し、ｒ１は外側固定子１７０ａの内径、ｒ２は内側固定子１７０ｂの外径である。
【０１４６】
このように、回転子１６４の両側に固定子１７０を持つ発電機では、コイルを横切る磁束の速度が、外側と内側で異なるので、発生電圧が異なる。また、上記では、外側と内側の固定子コイル部での磁束密度も同じとしたが、前述のようにこれも同じではない。これを単純に結線すると外側と内側のコイルの間に循環電流が流れる可能性があり、不要な損失あるいは、更なる温度上昇を生じる可能性があった。
【０１４７】
ここで若干補足すると、従来の一般の発電機は、回転子の外径側に固定子を配置しているので、固定子コイルと回転子の磁極を周方向に幾何学的に周期的に配置すれば、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の発生電圧は、片側の同じ周方向にあるので、位相差は生じにくい。
【０１４８】
更に、一般に永久磁石を使用している発電機では、偏芯により回転子の磁極が近接した側では、空隙の寸法が狭くなるので、磁石の消費アンペアターンが少なくなり、起磁力のバランスが崩れて、近接する側に、近接する前の状態の起磁力より、近接した方が固定子表面の磁束密度は大きくなり、磁束密度の高い領域は広がる。また、離れた側の磁束密度は低くなり、その面積も狭くなる。このために、回転子の作用する磁気吸引力には、差分が生じて、磁極に近接した側に更に偏芯することが生じていた。これに対して、回転子の左右に磁極を持ち回転子の両側に固定子を持つこの発電機では磁極構造に関して対策を行ない、これを低減する工夫を行なっているが、図４６及び図４７で示したように、磁束密度分布に関して本質的に均等でないので、偏芯側に更に近接する可能性はある。
【０１４９】
回転子１６４の両側に固定子１７０を持つ発電機の問題をまとめると、以下のようになる。
（１）外側と内側の固定子１７０の発生電圧の大きさ及び波形、位相に差が生じる。したがって、それぞれの固定子コイルを結線すると両固定子１７０ａ、１７０ｂ間で循環電流が流れることになり、常時損失が発生する。
（２）回転子１６４の偏芯時には、偏芯した側に更に偏芯する可能性があるので、更に、両側の固定子１７０ａ、１７０ｂの発生電圧に差を生じる可能性がある。
【０１５０】
この原因は磁石１６３の形状にあるので、この磁束密度分布の解明を行ない、これに適切な磁石形状を決めることも出来るが、解明に要する時間と費用と適切な磁石形状を製作するための金型等の費用を考慮すると、経済的ではない。また、回転子１６４の偏芯時の発生電圧の問題については、正常状態の磁石形状では、対応できないと予想されるので、磁石側だけで解決できる問題ではない。
【０１５１】
したがって、解決しようとする課題は、固定子コイル側で、磁束密度分布の差に起因した発生電圧の差と磁気吸引力の低減を図る必要がある。この固定子コイル側で、解決策を見いだすことが課題となる。
【０１５２】
課題を解決するための手段として、問題は、両側の固定子の磁束密度分布が異なることにより発生しているので、この分布の違いを考慮して、固定子コイルを巻き、電圧を発生するようにすればよい。この発電機は、固定子コイルを両側にもつので、この同相の固定子コイルを交差させると、固定子コイルの発生電圧は、偏芯のない正常状態では同じになる。この時に、回転子１６４の偏芯があっても、正常状態と同じような発生電圧であれば、更に、偏芯していく度合いを低減できることになる。このような交差を固定子コイルで行なえばよい。
【０１５３】
永久磁石の場合には、磁石の磁束密度は磁石の磁気回路の消費アンペアターンと固定子の電機子反作用で決まる。このうち磁気回路の消費アンペアターンは図４６で示したように固定子１７０ａ、１７０ｂと磁石１６３の間の空隙の大きさで大部分決まる。回転子１６４の偏芯が生じた場合の両固定子１７０ａ、１７０ｂでの磁束密度を磁石１６３と固定子１７０ａ、１７０ｂの間の空隙の寸法で図４８にて検討する。
【０１５４】
図４８は回転子１６４の偏芯時の磁束密度の大きさとコイルの配列についての回転子１６４側の磁石１６３の外側固定子１７０ａと内側固定子１７０ｂの距離（空隙）の検討用の図であり、該図では磁石１６３を直方体とした時に、磁石１６３と固定子１７０ａ、１７０ｂとの距離を部位に次のようにする。ここでは便宜上、磁石１６３の番号を磁石１、磁石２、磁石３として説明し、ａ１、ａ２、ａ３の１、２、３の添字は、これら磁石１〜３の番号に対応させている。
【０１５５】
ａ：磁石の一方の端と外側固定子１７０ａの距離
ｂ：磁石の中央部と外側固定子１７０ａの距離
ｃ：磁石の他方の端と外側固定子１７０ａの距離
ｄ：磁石の一方の端と内側固定子１７０ｂの距離
ｅ：磁石の中央部と内側固定子１７０ｂの距離
ｆ：磁石の他方の端と内側固定子１７０ｂの距離
【０１５６】
回転子１６４の偏芯時の磁石１６３と固定子１７０ａ、１７０ｂの距離の大きさの順は、次のようになる。
ａ１＜ｂ１＜ｃ２＜ａ２＜ｂ２＜ｅ２＜ｄ２＜ｆ２＜ｅ１＜ｄ１
また、
ａ１＝ｃ１、ｄ１＝ｆ１、ｆ２＝ｄ３、ｅ２＝ｅ３、ｄ２＝ｆ３
したがって、偏芯時の固定子１７０ａ、１７０ｂの磁石１６３の各部位の磁束密度の順は、上記の逆となる。
ａ１＞ｂ１＞ｃ２＞ａ２＞ｂ２＞ｅ２＞ｄ２＞ｆ２＞ｅ１＞ｄ１
【０１５７】
図４９は固定子コイル１７２の配列を示す図であり、固定子コイル１７２は、ｕ−ｚ−ｖ−ｘ−ｗ−ｙの相順で配置される。外側固定子１７０ａの固定子コイル１７２をこの順で配列した時に、回転子１６４に図４９に示すように磁極（磁石１６３（磁石２、磁石１、磁石３）を取り付けた場合には、内側固定子１７０ｂの固定子コイル１７２の配列は、ｕ−ｚ−ｖ−ｘ−ｗ−ｙの相順と、ｘ−ｗ−ｙ−ｕ−ｚ−ｖの相順がある。この固定子コイル１７２の並びの時の磁石１６３の位置と空隙部の位置ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆを図４９に示す。
【０１５８】
図５０は、磁石１６３の位置と磁束密度の大きさを示す図であり、仮に、ａ１を１０、ｂ１を９として、磁石１６３の部位毎に大きさを図５０に示す。この時に正常状態に近い空隙距離となっているのは、ｄ２とｆ３であるので、正常状態では磁束密度も４と仮定できる。図５０に示すように、相により誘起電圧が異なることが判る。回転子１６４の偏芯が生じた場合も考慮すると単純に両側の固定子コイル１７２を交差できないことになる。
【０１５９】
図４９及び図５０のモデル図により外側の固定子コイル１７２ａと内側の固定子コイル１７２ｂを交差した場合の発生電圧（合計した磁束密度）の評価を固定子コイル１７２との相順との関係で図５１に示す。なお、固定子コイル１７２の交差は同相間で行なっている。上記のことから、固定子コイル１７２の交差を行なう場合、偏芯があった場合の発生電圧は、外側の固定子コイル１７２ａの相順と内側の固定子コイル１７２ｂの相順に関係することになる。この時に、正常状態が８であるので、各相の発生電圧が８に近い状態をもつ相順、すなわち、ｘ−ｗ−ｙ−ｕ−ｚ−ｖの場合が全体として大きな発生電圧がなく、固定子コイル１７２に流れる電流も小さくなる。固定子コイル１７２のｕ−ｚ−ｖ−ｘ−ｗ−ｙの配列時には発生電圧は大きく、固定子コイル１７２の流れる電流も大きい。
【０１６０】
図５２は、外側の固定子コイル１７２ａの配列をｕ−ｚ−ｖ−ｘ−ｗ−ｙとし、内側の固定子コイル１７２ｂの配列をｘ−ｗ−ｙ−ｕ−ｚ−ｖとして、これらのコイルの配列を対向させ、各同相間でコイルを交差させたものである。図５３は外側固定子１７０ａと内側固定子１７０ｂへの固定子コイル１７２の具体的な結線方法を示す図であり、この図では相順を外側と内側で、１８０°変えている。
【０１６１】
このように、両固定子１７０ａ、１７０ｂの磁束分布の差異に伴う誘起電圧の差異を、回転子１６４の磁極対の両側の固定子コイル１７２を交差させることで、両側の固定子コイル１７２に常時流れる循環電流の発生を防ぎ、両側の固定子１７０ａ、１７０ｂの発生電圧を同じにして、負荷電流の流れるを均等にでき、負荷時の磁束分布を両側の固定子１７０ａ、１７０ｂとも同じにすることで、磁気吸引力を低減させることができる。特に、外側の固定子コイル１７２ａの配列をｕ−ｚ−ｖ−ｘ−ｗ−ｙとし、内側の固定子コイル１７２ｂの配列をｘ−ｗ−ｙ−ｕ−ｚ−ｖとして、これらのコイルの配列を対向させ、各同相間で固定子コイル１７２を交差させることで、発生電圧が均等になり、両側の固定子コイル１７２間での循環電流の発生を抑えることができる。
【０１６２】
前述の電気・力変換装置の実施形態では、いずれも風力発電装置に適用できるように、円環状に配列された回転子とその両側の円環状の固定子の対について説明したが、左右一対の固定子が直線状ないし蛇行する曲線状に配列し、その間を所定長さの移動子を走行させるようにすることもできる。それによりリニアジェネレータとなる。また、前述の実施形態では、風力発電用の発電機に用いる場合を説明したが、他の動力を利用した発電機として利用することができる。逆に固定子のコイルに交流を流すことにより、モータとして利用することもできる。モータとして利用する場合は、回転型の交流モータとして動力源に用いることができる。また、リニアモータとして用いる場合は、各種の搬送機、乗り物、ジェットコースタなどの遊戯具など、種々の動力源として用いることができる。
【０１６３】
図５４は、図１４ａ、図１４ｂの羽根車１２とほぼ同様の中心部に軸も軸受けも設けない羽根車１７３を示している。放射状に設ける横羽根も有しない。また、図１４ａ、図１４ｂの羽根車１２では、縦羽根２６が支持リングの内周に設けられているが、図５４の羽根車１７３では、複数枚の縦羽根２６の上端および下端を支持リング５２、５３で連結し、全体として籠型に構成している。この籠型の羽根車１７３は、上端および下端の支持リング５２、５３をフレームのリング１８で走行自在に支持することができる。支持リング５２、５３とそれを支持するリング１８には、それぞれ図１２などに示される発電機が設けられる。なお、上または下の片方だけに発電機を設けてもよい。すなわち支持リング５２、５３とリング１８のうち、一方に界磁用磁石が設けられ、他方にコイル群が設けられる。
【０１６４】
図５５に示す羽根車１７４は、図５４の羽根車１７３とほぼ同様で、縦羽根２６の上端近辺および下端近辺が支持リング５２、５３を貫通して全体として籠型を呈している。このものも横羽根や中心部の軸を有しない。そしてフレームのリング１８は、縦羽根２６の上端および下端とそれぞれ対向するように設けられている。
【０１６５】
前記実施形態では、回転子（移動子）の両側に固定子を配置し、フレームやそのフレームに固定したリングなどに固定しているが、図５６ａに示す発電部１８０のように、コイル群（固定子）３２を半径方向（幅方向）にずらせるように位置調節自在に構成してもよい。このような構成は、たとえば図２１のコイル群３２を支持している支持ロッド９１、９１ａの位置を半径方向外側または内側に移動可能に、かつ、移動した位置に固定できるように構成することにより、実現できる。このものは、外側のコイル群３２を外側に移動させ、内側のコイル群３２を内側に移動させて、固定子と回転子の隙間が広がるように調節すると、発電量が少なくなる。逆に狭くなるように調節すると、発電量が増加する。なお、円環状に配列した固定子の場合は、多数の固定子を隙間をあけて配列しておく。半径方向内側に移動させる場合はそれらの隙間が詰まっていくが、通常の調節範囲では問題がない。なお、図５６の場合は円環状に配列しているが、通常のリニアモータのように直線状に配列することもできる。
【０１６６】
また、図５６ｂに示す発電部のように、コイル群（固定子）３２を上下方向に位置調節自在に構成してもよい。その場合も、固定子と回転子の上下方向の位置をずらせると発電量を少なくすることができ、上下方向の位置を合わせると、発電量が増加する。なお、図５６ａの半径方向（幅方向）の位置調節と図５６ｂの上下方向の位置調節を組み合わせてもよい。このような位置調節機構は、組立時に調節するか、メンテナンスのときに調節できればよいが、モータなどの駆動源によって遠隔操作で調節できるように構成してもよい。その場合は、たとえば必要な電力に応じて、あるいはそのときの風力に応じて自動的に調節するように構成することもできる。
【０１６７】
図５６ｃに示す発電部１８１は、中心部の支持枠１８２の外側と内側にそれぞれ永久磁石（界磁用磁石）３１を半径方向に位置調節可能に取りつけた回転子を備えている。このような調節機構は、たとえば支持枠１８２に設けた楔部材１８３と、永久磁石３１に設けた楔部材１８４とを摺動自在に、かつ、位置調節した位置で固定できるように構成することにより実現できる。ただしネジなど、他の位置調節機構を用いることもできる。このように回転子の永久磁石３１の幅（厚さ）を調節できるように構成する場合は、コイル群（固定子）３２と回転子の永久磁石３１のギャップを拡げると発電量が低下し、狭くすると発電量が増加する。したがって風量の増減あるいは必要な発電量の増減に応じて発電量を調節することができる。
【０１６８】
図２３などに示す回転子では、積層した珪素鋼板５７などからなるコアの内面および外面にそれぞれ永久磁石を取りつけて、ガラス繊維強化樹脂で一体に固めた構成としているが、図５７ａに示すように、一枚の永久磁石３１で外側の永久磁石と内側の永久磁石を兼用させてもよい。この回転子では、それぞれ板状の上ガイド円板９９と下ガイド円板１０２の間に保持枠１８６を取りつけて、その保持枠で永久磁石３１を保持している。保持枠１８６の上下には、それぞれ吊りロッド９７ａを溶接などで固定し、それらの吊りロッド９７ａを上ガイド円板９９および下ガイド円板１０２にナット９７ｂで取りつけている。回転子１８５は、図５７ｃに示すように、平角状の永久磁石３１を多角形状に配列し、それらをガラス繊維や炭素繊維などの補強繊維で補強した繊維強化合成樹脂３１ａで円環状に固めたものである。そして隣接する永久磁石３１の間の繊維強化合成樹脂３１ａの部位に半径方向の貫通孔を形成し、図５７ｂに示すようにボルト１８７およびナット１８８で支持枠１８６に固定している。なお、永久磁石３１の配列は、図５７ｃに示すように、Ｎ極とＳ極とが交互に外向きになるように配列している。
【０１６９】
図５７ａに示す薄型の回転子１８５は、外側の永久磁石と内側の永久磁石を１枚の永久磁石で兼用するので、発電能力をそれほど低下させることなく、大幅に軽量化およびコストの軽減を図ることができる。
【０１７０】
なお、図５７ｂに示すように、ボルト１８７およびナット１８８の出っ張りを少なくするため、支持枠１８６に凹部を形成し、その部分にボルト１８７の頭部やナット１８８が入るようにするのが好ましい。また、前記吊りロッド９７ａ、９７ａは上下に分かれているが、繊維強化合成樹脂３１ａを上下に貫通させた１本の吊りロッドなどで保持することもできる。
【０１７１】
図５７ａなどでは、保持枠１８６で永久磁石３１の全周を保持しているが、たとえば図５８ａに示すように、永久磁石３１の上端と下端のみをコ字状の保持枠１８６ａ、１８６ｂで保持するようにしてもよい。また、それらの保持枠は、コ字状の外枠１９０で保持させることもできる。また、図５８ｂに示すように、永久磁石３１の上端と下端を角パイプ状の上スペーサ１００および下スペーサ１０１を介して上ガイド円板９９および下ガイド円板１０２で挟むことにより、永久磁石３１を保持させることもできる。
【０１７２】
図５９ａに示す回転子（ないし移動子）は、図５７ａに示す回転子１８５とほぼ同様の中心部に対し、表裏交互に追加の永久磁石３１を貼り付けたものである。このように追加の永久磁石３１を設けることにより、重量は増加するが、磁力を増加させることができ、発電量の増加をはかることができる。
【０１７３】
図５９ｂは図５８ａの回転子と同様の中心部に対し、両面に永久磁石３１を貼り付けて３列にしたものである。永久磁石３１の表面の磁極はＳ極とＮ極が交互に表面に現れるように、かつ、表面側と裏面側とで磁極が逆になるように配置する。このものも簡易な構成で磁力を増大させることができ、発電量を増大させることができる。
【０１７４】
図５９ｃに示す回転子（ないし移動子）は、図５６ｃの回転子とほぼ同様で、支持枠１８２の表面および裏面にそれぞれ永久磁石３１を取りつけている。それぞれの側の永久磁石３１はＮ極とＳ極が交互に外側に現れるように配列しており、表面側と裏面側とでは、互いに逆の磁極となるように配列している。この回転子（ないし移動子）ものも軽量化と発電量の増大とを達成することができる。図５９ａ、図５９ｂおよび図５９ｃのいずれの回転子も、永久磁石３１の隙間および表面に繊維強化合成樹脂を充填して一体化するのが好ましい。
【０１７５】
前記の風力発電装置の実施形態では、羽根車と回転子（ないし移動子）とを機械的にしっかりと結合しているが、可撓性を有する索条ないし「ひも」で連結することもできる。その場合は、引っ張り方向の駆動力を索条を介して回転子に伝達することができる。また、羽根を支持する横羽根などの伸び縮みにも柔軟に対応することができる。さらに羽根車と回転子とをリンクで連結することもできる。それぞれリンクの一端は羽根車に回動自在に連結し、他端は回転子（ないし移動子）に回動自在に連結する。羽根車と回転子とをひもやリンクで柔軟に連結する場合は、羽根車に横羽根などのスポーク状の支持部材と軸受けないし軸とを設けて、あるいは他のガイド機構ないし支持機構を設けて、羽根車の中心を安定させる。
【０１７６】
図６０に示す電気・力変換装置１９０は、図５７の回転子１８５の上下方向に構造材を延長して円筒状の回転板１９１とすると共に、その回転板の上端近辺および下端近辺にローラガイド１９２を設けている。さらに回転板１９１の上部および下部に、発電用の永久磁石３１とは別個に、移動側反発磁石１９３、１９４を配置している。そして上側の移動側反発磁石１９３の内側および外側に、上側の固定側反発磁石１９５、１９５を配置し、下側の移動側反発磁石１９４の内側および外側に、下側の固定側反発磁石１９６、１９６を配置している。それぞれの反発磁石は通常は永久磁石で構成するが、電磁石でもよい。固定側反発磁石１９５、１９６はそれぞれボルト１９７およびナット１９８などのネジ構造で回転板１９１との間隔を調整できるように支持されている。
【０１７７】
上記のように構成される電気・力変換装置１９０は、ローラガイド１９２で回転中心がほぼ確保されるが、実際にはローラガイド１９２と回転板１９１の表面との間にいくらかの隙間を設ける必要がある。そしてこの状態で回転すると左右に振れようとする。その場合、移動側反発磁石１９３、１９４がそれらの両側に配置されている固定側反発磁石１９５、１９６により挟まれているので、一方に移動したときは逆方向の反発力が強くなり、元の左右の力が均衡する位置に戻ろうとする。したがって安定した回転運動が行われる。なお回転板１９１はリング状であるので、内側または外側の反発磁石の組を省略することができる。直線状の移動子を用いる場合も、片側をガイドローラなどで案内すれば、その側の反発磁石の組を省略することができる。図６０の電気・力変換装置１９０では、筒状の回転板１９１の下端にも移動側反発磁石２０２が設けられ、その下方にその移動側反発磁石と反発する固定側反発磁石２０１が配置されている。そのため回転板１９１の重量が支持され、安定して回転する。
【０１７８】
図６０の電気・力変換装置１９０は、たとえば円筒状の回転板１９１の上端に羽根を取りつけて風力発電機として使用することができる（図１２、図２１参照）。また、逆に固定子に交流を流して回転磁場を形成することによりモータとして使用することもできる。さらに直進運動をするリニアモータカーなどに用いることもできる。回転機の場合は中心軸を設けてもよく、設けないコアレス回転機とすることもできる。
【０１７９】
図６０の電気・力変換装置１９０では円筒状の回転板１９１の内側および外側にコイルを内蔵する固定子２００および固定側反発磁石１９５、１９６を配置しているが、図６１に示す風力発電機のように、回転板１９１を中央を抜いた円板状（ディスク状）とし、その上下に固定子２００および固定側反発磁石１９５、１９６を配置することもできる。図６０の場合は半径方向のスペースを少なくすることができ、図６１の場合は上下方向のスペースを少なくすることができる。ディスクタイプの回転板１９１を用いる場合においても、内側および外側に移動側反発磁石２０２を設け、それらと対応する固定側反発磁石２０１を配置することができる。この場合も前述の場合と同様に、内側あるいは外側の反発磁石の組を省略することができる。なお、このようなディスクタイプの回転板を採用する構成は、図１２あるいは図２１などの風力発電機ないし電動機、回転機においても用いることができる。
【０１８０】
また図６２に示すように、回転板１９１に厚さ方向に分かれた一対の移動側反発磁石１９４、１９５を設け、それらの間に固定側反発磁石１９６を配置することができる。この場合も回転板１９１は中立位置側に戻るように付勢されるので、安定して移動ないし回転することができる。この構成は図６１のように円筒状の回転板１９１に採用することもでき、同様に回転を安定にする作用を奏する。
【０１８１】
前記実施形態では、固定子２００および回転板１９１をそれぞれ連続する円環状にしているが、固定子２０を実質的に連続するように配置する場合は、回転板（移動子）１９１は部分的に、たとえば羽根がある部位のみに設けてもよい。逆に回転板（移動子）１９１を連続的に設ける場合は、固定子２００を部分的に設けるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１８２】
【図１】本発明の風力発電システムの一実施形態を概念的に示す平面図である。
【図２】図１の風力発電システムの全体を示す斜視図である。
【図３】その風力発電システムの立断面図である。
【図４】図２の風力発電システムにおけるフレームを示す斜視図である。
【図５】図２の風力発電システムの平面図である。
【図６】図２の風力発電システムにおける羽根車を示す斜視図である。
【図７】図２のシステムの要部立面断面図である。
【図８】本発明の風力発電システムの他の実施形態を示す要部立面断面図である。
【図９】図９ａ、図９ｂおよび図９ｃはそれぞれ本発明の風力発電システムのさらに他の実施形態を示す要部立面断面図である。
【図１０】図１０ａおよび図１０ｂはそれぞれ本発明の風力発電システムのさらに他の実施形態を示す要部立面断面図である。
【図１１】本発明の風力発電システムのさらに他の実施形態を示す要部立面断面図である。
【図１２】本発明の風力発電システムのさらに他の実施形態を示す要部斜視図である。
【図１３】そのシステムの要部断面図である。
【図１４】図１４ａおよび図１４ｂはそれぞれ図１２の風力発電システムの全体を示す縦断面図および平面図である。
【図１５】図１５ａおよび図１５ｂはそれぞれ本発明のシステムのさらに他の実施形態を示す要部立面断面図である。
【図１６】図１６ａおよび図１６ｂはそれぞれ本発明のシステムのさらに他の実施形態を示す正面図および側面図である。
【図１７】本発明のシステムのさらに他の実施形態を示す斜視図である。
【図１８】本発明のシステムのさらに他の実施形態を示す斜視図である。
【図１９】本発明のシステムのさらに他の実施形態を示す要部立面断面図である。
【図２０】図２０ａおよび図２０ｂはそれぞれ本発明のシステムのさらに他の実施形態を示す要部立面断面図である。
【図２１】本発明のシステムの他の実施形態を示す要部断面図である。
【図２２】図２１のXXII-XXII 線断面図である。
【図２３】本発明のシステムの回転子の実施形態を示す斜視図である。
【図２４】本発明のシステムの固定子の実施形態を示す斜視図である。
【図２５】本発明のシステムの固定子の磁界用コイルの結線状態の実施形態を示す結線図である。
【図２６】図２６ａ〜ｃはそれぞれ本発明のシステムに関わる磁気浮上構造の他の実施形態を示す断面図である。
【図２７】図２７ａ〜ｂはそれぞれ本発明のシステムに関わる磁気浮上構造のさらに他の実施形態を示す断面図である。
【図２８】本発明の電気・力変換装置の第１の態様の一実施形態を示す断面図である。
【図２９】本発明に関わる発電機の磁極と回転子ヨーク部の構造を示す説明図である。
【図３０】本発明に関わる両側に固定子を持つ発電機の他の実施形態を示す構造図である。
【図３１】本発明に関わる回転子の両側の磁極を従来構造で構成した発電機で軸の偏芯が生じた場合を示す説明図である。
【図３２】本発明の永久磁石を使用した回転機のモデルの磁気回路を示す説明図である。
【図３３】本発明の回転子の両側の磁石を対にして両側の固定子との間で磁気回路を１つに構成を示す説明図である。
【図３４】本発明の磁石を対にした場合の磁気回路のモデル図である。
【図３５】本発明の電気・力変換装置の具体的な構成を示す図である。
【図３６】本発明の有限要素法による磁気吸引力の計算結果を示すグラフである。
【図３７】本発明の永久磁石の配列構造を備えた磁気浮上装置の一実施形態を示す断面図である。
【図３８】本発明の回転子を磁石反発力による浮上時の磁石の円周状の一部の配置を示す説明図である。
【図３９】本発明の２つの高性能磁石を近接させた時の流体の磁束分布を示す説明図である。
【図４０】本発明の空気中に置かれた高性能磁石の反発力を示す説明図である。
【図４１】本発明の磁石の側面に磁性体を取り付けた時の端部の磁束分布を示す説明図である。
【図４２】本発明の空気中に置かれた２つの高性能磁石の間に磁性体をサンドイッチした時の吸引力を示す説明図である。
【図４３】本発明の磁石の側面に磁性体を取り付けた時の端部の磁束分布を示す説明図である。
【図４４】本発明の空気中に置かれた２つの高性能磁石の間に磁性体をサンドイッチした時の吸引力を示す説明図である。
【図４５】本発明の電気・力変換装置の第２の態様の実施形態を示す断面構造図である。
【図４６】本発明の回転子の磁石の外側固定子と内側固定子の距離を検討するための説明図である。
【図４７】本発明の外側固定子と内側固定子の磁束密度分布を示す図である。
【図４８】本発明の回転子磁石の外側固定子と内側固定子の距離を示す説明図である。
【図４９】本発明の固定子コイルの配列を示すモデル図である。
【図５０】本発明の磁石の位置を磁束密度の大きさを示すモデル図である。
【図５１】本発明の外側と内側の固定子コイルを交差した場合の発生電圧の評価を固定子コイルの相順との関係で示す図である。
【図５２】本発明の固定子コイルの交差を示す模式図である。
【図５３】本発明の固定子コイルの具体的な結線方法を示す図である。
【図５４】本発明に関わる羽根車の他の実施形態を示す斜視図である。
【図５５】本発明に関わる羽根車のさらに他の実施形態を示す斜視図である。
【図５６】図５６ａ、図５６ｂおよび図５６ｃはそれぞれ本発明に関わる発電部のさらに他の実施形態を示す概略平面図、断面図および概略平面図である。
【図５７】図５７ａは本発明に関わる回転子の他の実施形態を示す要部斜視図、図５７ｂはその要部断面図、図５７ｃはその要部平面断面図である。
【図５８】図５８ａおよび図５８ｂはそれぞれ本発明に関わる回転子のさらに他の実施形態を示す要部断面図である。
【図５９】図５９ａ〜ｃはそれぞれ本発明に関わる回転子のさらに他の実施形態を示す概略平面図である。
【図６０】本発明の電気・力変換装置のさらに他の実施形態を示す断面図である。
【図６１】図６０の電気・力変換装置を用いた風力発電システムの一実施形態を示す要部断面斜視図である。
【図６２】本発明の電気・力変換装置のさらに他の実施形態を示す要部断面図である。
【符号の説明】
【０１８３】
１０ 風力発電システム
１１ フレーム
１２ 羽根車
１４ 発電部
１５ 脚
１６ 連結部材
１７ スポーク
１８ リング
１９、２０ 軸受け
２１ 補強リング
２２ シャフト
２３、２４ ボス
２５ 横羽根
２６ 縦羽根
２７ 車輪
２８ 走行路
３１ 永久磁石
３２ コイル群
３３ 制御部
３４ 蓄電部
３５ 第１コイル列
３６ 第２コイル列
３７ 第３コイル列
３８ カバー
４１ 第１送電線
４２ 第２送電線
４３ 第３送電線
４５ 外部送電線
４６ 送電線
４７ 磁石
４８ コイル
５０ 隙間
５２、５３ 支持リング
５４ 発電部
５６ 間隔調整装置
５７ コイルケース
５８ 駆動機構
５９ センサ
６０ 制御装置
６２ 風力発電システム
６３ 支持リング
６４ 永久磁石
６５ ブラケット
６６ 調整ネジ
６７ 羽根保持アーム
６８ 補強リング
６９ 羽根保持部材
７０ カバー
７０ａ ネジ
７２ ラビリンス
７３ 羽根保持部材
７４ ガイド
７４ａ 係合溝
７５ スライダ
７７ ガイド構造
Ｃｔ 回転中心
７８ 羽根
８０ ガイド構造
８３ ガイド構造
８４ ガイド
８５ ローラ
８６ スライダ
８８ 風力発電システム
８９、９０ 永久磁石
Ｊ１ 磁気浮上構造
９１、９１ａ 支持ロッド
９２ 内側リングプレート
９３ 鉄片
９４ 枠体
９５ 枠体
６４ａ、６４ｂ 永久磁石
６８ａ 孔
９７ 吊りロッド
９８ スペーサ
９９ 上ガイド円板
１００ 上側スペーサ
１０１ 下側スペーサ
１０２ 下ガイド円板
１０３、１０４、１０５、１０６ ガイドローラ
３２ａ コア
１０７、１０８ 磁石群
Ｊ２ 補助磁気浮上構造
１１１ａ、１１１ｂ 第１コイル群
１１２ａ １１２ｂ 第２コイル群
１１３ａ、１１３ｂ 第３コイル群
１１１ｃ、１１２ｃ、１１３ｃ 接続線
Ｊ３ 磁気浮上構造
９０ａ 中央の磁石
９０ｂ 内側の磁石
９０ｃ 外側の磁石
Ｊ４ 磁気浮上構造
Ｊ５ 磁気浮上構造
Ｊ６ 磁気浮上構造
Ｊ７ 磁気浮上構造
１２０ 固定側の磁石
１２１ 断面コ字状の磁石
１２２ 電磁石
１２６ 永久磁石
１２７ 回転子
１２８ 軸受け部
１２９ 台
１３０ 原動機部
１３１ 固定子
１３２ 回転子ヨーク部
１３４ 永久磁石
１３５ 磁性体
１３６ 磁石
１３７ 磁石部
１３８ 非磁性金属体
１５１ 回転子
１５２ 固定子
１５４ 永久磁石
１５５ 永久磁石
１６０ 磁性体
１６３ 永久磁石
１６４ 固定子
１６５ 軸受け部
１６６ 台
１６７ 原動機部
１７０ 固定子
１７０ａ、１７０ｂ 固定子
１７２ 固定子コイル
１７０ａ 外側固定子
１７０ｂ 内側固定子
１７３ 羽根車
１７４ 羽根車
１８０ 発電部
１８１ 発電部
１８２ 支持枠
１８３ 楔部材
１８４ 楔部材
１８５ 回転子
１８６、１８６ａ、１８６ｂ 保持枠
９７ａ 吊りロッド
３１ａ 繊維強化合成樹脂
１８７ ボルト
１８８ ナット
１９０ 電気・力変換装置
１９１ 回転板
１９２ ローラガイド
１９３、１９４ 移動側反発磁石
１９５、１９６ 固定側反発磁石
１９７ ボルト
１９８ ナット
２００ 回転子
２０１ 固定側反発磁石
２０２ 移動側反発磁石
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレームと、そのフレームによって回転自在に支持される羽根車と、その羽根車またはフレームのうち、いずれか一方に羽根車の回転中心から等距離で配列される複数個の界磁用磁石と、他方に環状に配列されるコイル群とからなり、
前記界磁用磁石とコイル群とが近接して相対的に運動することにより、リニアモータと逆の作用でコイル群が電力を発生するように構成している風力発電システム。
【請求項２】
前記界磁用磁石が羽根車の外周部近辺ないし中間部に環状に配列されており、前記フレームにおけるそれらのコイル群と近接する位置に、リング状の部材が設けられ、そのリング状の部材に前記コイル群が取り付けられている請求項１記載の風力発電システム。
【請求項３】
前記コイル群が取りつけられているリング状の部材が、羽車に環状に取りつけられる界磁用磁石を内周側および外周側から挟むように一対で設けられており、
内周のコイル群および外周のコイル群が、交流を発生させるように、それぞれ交互にまたは循環的に配列される複数のコイル群を備えており、
内周の特定の位相のコイル群と、その位相に対応する位相の外周のコイル群とが周方向にずれて配列されるとともに、内周のコイル群と、そのコイル群と対応する位相のコイル群とが、直列に接続されている、
請求項２記載の風力発電システム。
【請求項４】
前記内周および外周のコイル群が、３相交流を発生させるように、それぞれ循環的に配列される第１コイル群、第２コイル群および第３コイル群を備えており、内周の第１コイル群が外周の第２コイル群または第３コイル群と対向するように互いにずれている請求項３記載の風力発電システム。
【請求項５】
前記リング状の部材が、上下方向に重ねられた複数枚の金属板からなるコアと、その外周に巻き付けられる導線からなるコイル群と、それらを一体に固める合成樹脂とからなる所定の長さのリング片を複数個、リング状に連結したものである請求項２記載の風力発電システム。
【請求項６】
前記羽根車の外周部または途中部分とフレームとの間に、羽根車の回転を許しながら羽根車の重量の少なくとも一部を支持する円環状の支持手段が介在されている請求項１記載の風力発電システム。
【請求項７】
前記支持手段が、フレームと羽根車のうち、いずれか一方に設けられる転動体群と、他方に設けられ、転動体群と接触する走行路とからなる請求項３記載の風力発電システム。
【請求項８】
前記支持手段が、フレームに設けられる第１の磁石群と、それらの磁石群と互いに反発するように羽根車に設けられる第２の磁石群とからなる請求項３記載の風力発電システム。
【請求項９】
前記第１磁石群がフレームに対して実質的に連続する環状に配列されており、前記羽根車が放射状に配列される複数枚の羽根を有し、前記第２の磁石群がそれらの羽根を支持するように、放射状に配列されている請求項８記載の風力発電システム。
【請求項１０】
前記フレームないし羽根車が周囲の温度変化で膨張・収縮したときでも、前記フレームと羽根車に設けられる複数個の界磁用磁石とコイル群との隙間を所定の範囲に維持するための間隔調整手段を備えている請求項１記載の風力発電システム。
【請求項１１】
風力が一時的に弱くなったとき、前記コイル群の一部ないし全部に電流を流し、界磁用磁石とコイル群にリニアモータの作用を生じさせ、それにより風車に回転トルクを与えるように構成している請求項１記載の風力発電システム。
【請求項１２】
前記支持手段が、前記フレームまたは羽根車のうち一方に回転中心を中心とする円環状のガイドと、他方に設けられ、そのガイドに沿って走行するスライダとからなる請求項３記載の風力発電システム。
【請求項１３】
フレームと、そのフレームによって回転自在に支持される羽根車と、その羽根車の回転によって発電する発電機とからなり、
前記フレームまたは羽根車のうち一方に回転中心を中心とする円環状のガイドが設けられ、他方にそのガイドに沿って走行するスライダが設けられている風力発電システム。
【請求項１４】
前記ガイドおよびスライダがリニアスライドボールベアリングのガイドとスライダである請求項１２または１３記載の風力発電システム。
【請求項１５】
前記円環状のガイドが内面および外面に平滑な円筒状のガイド面を有し、前記スライダがそれらのガイド面に沿って転動する、垂直方向の軸周りに回転するガイドローラを備えている請求項１２または１３記載の風力発電システム。
【請求項１６】
前記羽根車の回転中心が水平方向を向いている請求項１または９記載の風力発電システム。
【請求項１７】
移動子と、その両側に配置される固定子とを有し、前記移動子の両面に、Ｎ極とＳ極の対で構成した磁石部を、Ｎ極とＳ極、Ｓ極とＮ極とが交互に位置するように移動子の周方向に沿って配置している電気・力変換装置。
【請求項１８】
隣り合った磁石部を非磁性金属体で結合している請求項１７記載の電気・力変換装置。
【請求項１９】
永久磁石の一面を同じ極面に並設すると共に、両永久磁石の間に該永久磁石の厚みより短い磁性体を介在させている永久磁石の配置構造。
【請求項２０】
移動子の磁極の両側に固定子を持ち、前記両側の固定子に巻装する固定子コイルを同相間で互いに交差させている電気・力変換装置。
【請求項２１】
一方の固定子コイルの相順をｕ−ｚ−ｖ−ｘ−ｗ−ｙ相とした場合に、他方の固定子コイルの相順をｘ−ｗ−ｙ−ｕ−ｚ−ｖ相として、これらを対向して配列すると共に、両側の固定子コイルを同相間で互いに交差させている請求項２０記載の電気・力変換装置。
【請求項２２】
複数枚の羽根と、それらの羽根を環状に配列して保持する環状の支持部材と、その支持部材と対向して設けられ、前記支持部材を支持するガイド部材と、前記支持部材とガイド部材の一方に設けられる界磁用磁石と、他方に設けられ、前記界磁用磁石と相対的に運動することにより電気を発生するコイルとを備え、羽根の中心部に軸を有しない風力発電システム。
【請求項２３】
移動子と、その移動子と協働して発電作用および（または）モータ作用を奏する固定子と、前記移動子と一緒に移動するように配置される移動側反発磁石と、その移動側反発磁石と反発する固定側反発磁石とを備えた電気・力変換装置。
【請求項２４】
前記移動子を中立位置に付勢するように前記移動側反発磁石および固定側反発磁石のうちいずれか一方が他方を挟むように両側に配置されている請求項２３記載の電気・力変換装置。
【請求項２５】
前記移動側反発磁石が移動子を挟んで一対で配置され、前記固定側反発磁石が固定子を挟んで一対で配置されている請求項２３または２４記載の電気・力変換装置。
【請求項１】
フレームと、そのフレームによって回転自在に支持される羽根車と、その羽根車またはフレームのうち、いずれか一方に羽根車の回転中心から等距離で配列される複数個の界磁用磁石と、他方に環状に配列されるコイル群とからなり、
前記界磁用磁石とコイル群とが近接して相対的に運動することにより、リニアモータと逆の作用でコイル群が電力を発生するように構成している風力発電システム。
【請求項２】
前記界磁用磁石が羽根車の外周部近辺ないし中間部に環状に配列されており、前記フレームにおけるそれらのコイル群と近接する位置に、リング状の部材が設けられ、そのリング状の部材に前記コイル群が取り付けられている請求項１記載の風力発電システム。
【請求項３】
前記コイル群が取りつけられているリング状の部材が、羽車に環状に取りつけられる界磁用磁石を内周側および外周側から挟むように一対で設けられており、
内周のコイル群および外周のコイル群が、交流を発生させるように、それぞれ交互にまたは循環的に配列される複数のコイル群を備えており、
内周の特定の位相のコイル群と、その位相に対応する位相の外周のコイル群とが周方向にずれて配列されるとともに、内周のコイル群と、そのコイル群と対応する位相のコイル群とが、直列に接続されている、
請求項２記載の風力発電システム。
【請求項４】
前記内周および外周のコイル群が、３相交流を発生させるように、それぞれ循環的に配列される第１コイル群、第２コイル群および第３コイル群を備えており、内周の第１コイル群が外周の第２コイル群または第３コイル群と対向するように互いにずれている請求項３記載の風力発電システム。
【請求項５】
前記リング状の部材が、上下方向に重ねられた複数枚の金属板からなるコアと、その外周に巻き付けられる導線からなるコイル群と、それらを一体に固める合成樹脂とからなる所定の長さのリング片を複数個、リング状に連結したものである請求項２記載の風力発電システム。
【請求項６】
前記羽根車の外周部または途中部分とフレームとの間に、羽根車の回転を許しながら羽根車の重量の少なくとも一部を支持する円環状の支持手段が介在されている請求項１記載の風力発電システム。
【請求項７】
前記支持手段が、フレームと羽根車のうち、いずれか一方に設けられる転動体群と、他方に設けられ、転動体群と接触する走行路とからなる請求項３記載の風力発電システム。
【請求項８】
前記支持手段が、フレームに設けられる第１の磁石群と、それらの磁石群と互いに反発するように羽根車に設けられる第２の磁石群とからなる請求項３記載の風力発電システム。
【請求項９】
前記第１磁石群がフレームに対して実質的に連続する環状に配列されており、前記羽根車が放射状に配列される複数枚の羽根を有し、前記第２の磁石群がそれらの羽根を支持するように、放射状に配列されている請求項８記載の風力発電システム。
【請求項１０】
前記フレームないし羽根車が周囲の温度変化で膨張・収縮したときでも、前記フレームと羽根車に設けられる複数個の界磁用磁石とコイル群との隙間を所定の範囲に維持するための間隔調整手段を備えている請求項１記載の風力発電システム。
【請求項１１】
風力が一時的に弱くなったとき、前記コイル群の一部ないし全部に電流を流し、界磁用磁石とコイル群にリニアモータの作用を生じさせ、それにより風車に回転トルクを与えるように構成している請求項１記載の風力発電システム。
【請求項１２】
前記支持手段が、前記フレームまたは羽根車のうち一方に回転中心を中心とする円環状のガイドと、他方に設けられ、そのガイドに沿って走行するスライダとからなる請求項３記載の風力発電システム。
【請求項１３】
フレームと、そのフレームによって回転自在に支持される羽根車と、その羽根車の回転によって発電する発電機とからなり、
前記フレームまたは羽根車のうち一方に回転中心を中心とする円環状のガイドが設けられ、他方にそのガイドに沿って走行するスライダが設けられている風力発電システム。
【請求項１４】
前記ガイドおよびスライダがリニアスライドボールベアリングのガイドとスライダである請求項１２または１３記載の風力発電システム。
【請求項１５】
前記円環状のガイドが内面および外面に平滑な円筒状のガイド面を有し、前記スライダがそれらのガイド面に沿って転動する、垂直方向の軸周りに回転するガイドローラを備えている請求項１２または１３記載の風力発電システム。
【請求項１６】
前記羽根車の回転中心が水平方向を向いている請求項１または９記載の風力発電システム。
【請求項１７】
移動子と、その両側に配置される固定子とを有し、前記移動子の両面に、Ｎ極とＳ極の対で構成した磁石部を、Ｎ極とＳ極、Ｓ極とＮ極とが交互に位置するように移動子の周方向に沿って配置している電気・力変換装置。
【請求項１８】
隣り合った磁石部を非磁性金属体で結合している請求項１７記載の電気・力変換装置。
【請求項１９】
永久磁石の一面を同じ極面に並設すると共に、両永久磁石の間に該永久磁石の厚みより短い磁性体を介在させている永久磁石の配置構造。
【請求項２０】
移動子の磁極の両側に固定子を持ち、前記両側の固定子に巻装する固定子コイルを同相間で互いに交差させている電気・力変換装置。
【請求項２１】
一方の固定子コイルの相順をｕ−ｚ−ｖ−ｘ−ｗ−ｙ相とした場合に、他方の固定子コイルの相順をｘ−ｗ−ｙ−ｕ−ｚ−ｖ相として、これらを対向して配列すると共に、両側の固定子コイルを同相間で互いに交差させている請求項２０記載の電気・力変換装置。
【請求項２２】
複数枚の羽根と、それらの羽根を環状に配列して保持する環状の支持部材と、その支持部材と対向して設けられ、前記支持部材を支持するガイド部材と、前記支持部材とガイド部材の一方に設けられる界磁用磁石と、他方に設けられ、前記界磁用磁石と相対的に運動することにより電気を発生するコイルとを備え、羽根の中心部に軸を有しない風力発電システム。
【請求項２３】
移動子と、その移動子と協働して発電作用および（または）モータ作用を奏する固定子と、前記移動子と一緒に移動するように配置される移動側反発磁石と、その移動側反発磁石と反発する固定側反発磁石とを備えた電気・力変換装置。
【請求項２４】
前記移動子を中立位置に付勢するように前記移動側反発磁石および固定側反発磁石のうちいずれか一方が他方を挟むように両側に配置されている請求項２３記載の電気・力変換装置。
【請求項２５】
前記移動側反発磁石が移動子を挟んで一対で配置され、前記固定側反発磁石が固定子を挟んで一対で配置されている請求項２３または２４記載の電気・力変換装置。
【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１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【図４８】
【図４９】
【図５０】
【図５１】
【図５２】
【図５３】
【図５４】
【図５５】
【図５６】
【図５７】
【図５８】
【図５９】
【図６０】
【図６１】
【図６２】
【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１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【図４８】
【図４９】
【図５０】
【図５１】
【図５２】
【図５３】
【図５４】
【図５５】
【図５６】
【図５７】
【図５８】
【図５９】
【図６０】
【図６１】
【図６２】
【公開番号】特開２００６−２１９９８１（Ｐ２００６−２１９９８１Ａ）
【公開日】平成１８年８月２４日（２００６．８．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２０５７８（Ｐ２００４−２０５７８）
【出願日】平成１６年１月２８日（２００４．１．２８）
【出願人】（５９９１４０１７２）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月２４日（２００６．８．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１月２８日（２００４．１．２８）
【出願人】（５９９１４０１７２）
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]