風力発電装置
【課題】ブレーキの応答性を向上させ、かつ低風速でも回転可能とした安定かつ効率のよい風力発電装置を提供する。
【解決手段】回転体１に発電用環状永久磁石４を配置し、回転体１の径方向における支柱２に発電用環状永久磁石４に対向して発電コイル３を配置することにより発電機を構成する。この発電機にて発電された電気エネルギーを制御回路１１で受電する。電磁石５に対して回転体１の径方向にリング６を対向配置して、回転体１の回転により、リング６を差交する磁極の極性が変化することにより渦電流を発生させることによって、回転体１の回転を制動できる構成にする。そして、制御回路１１において発電電流または発電量を測定し、測定値に基づき低風速のときには電磁石５には電流を通電せず、高風速のときには電磁石５に大きな電流を通電してブレーキをかけ、回転体１の回転数の上昇を抑える。
【解決手段】回転体１に発電用環状永久磁石４を配置し、回転体１の径方向における支柱２に発電用環状永久磁石４に対向して発電コイル３を配置することにより発電機を構成する。この発電機にて発電された電気エネルギーを制御回路１１で受電する。電磁石５に対して回転体１の径方向にリング６を対向配置して、回転体１の回転により、リング６を差交する磁極の極性が変化することにより渦電流を発生させることによって、回転体１の回転を制動できる構成にする。そして、制御回路１１において発電電流または発電量を測定し、測定値に基づき低風速のときには電磁石５には電流を通電せず、高風速のときには電磁石５に大きな電流を通電してブレーキをかけ、回転体１の回転数の上昇を抑える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力による回転エネルギーを電気エネルギーに変換する垂直軸型の風力発電装置に係り、特に、気象状況によって変化する風力に対応して、安定かつ効率的に発電を行うことのできる構成の風力発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の風力発電装置としては、風速が速くなることで羽根体が設けられた回転軸の回転が所定の回転速度を超えることがないようにブレーキを働かせるために、回転軸に外方向へ開くことができる複数のアームを取り付け、回転軸の回転に伴う遠心力によりアームが開いて、固定筒の内周面との間に適度な隙間を残してマグネットが回転することで渦電流抵抗を発生させるように構成したものがある（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
図７は特許文献１に記載された従来の風力発電装置の構成図である。
【０００４】
図７において、１０１はモニュメント風車、１０２は台、１０３は回転軸、１０４は発電機を示しており、モニュメント風車１０１は軸１０３を中心として回転することができる。モニュメント風車１０１は、その重量を軽くするために材質をアルミニウム合金製とし、中心に設けられた回転軸１０３によって支えられ、台１０２に垂直に起立している。そして、モニュメント風車１０１に風が当たると回転軸１０３を中心として回転し、この回転により台１０２内に収容されている発電機１０４に発電を生じさせる。
【０００５】
モニュメント風車１０１は受風効率が高くなる形状となっている。モニュメント風車１０１は、材質をアルミ合金とし、その重量を軽くしているが、回転軸１０３を支えるスラスト荷重による摩擦でモニュメント風車１０１の回転に悪影響を及ぼさないように、マグネットスラスト軸受装置１０５を採用している。
【０００６】
マグネットスラスト軸受装置１０５は、回転軸１０３に回転体を取り付け、該回転体の下端面に回転部永久磁石を設け、一方、台１０２側に固定部永久磁石を配置し、回転部永久磁石と固定部永久磁石を上下方向に対向させて配置して、両永久磁石の反発力によって回転体を浮上させることができる構造としている。
【０００７】
また、増速機として大歯車１０６を回転軸１０３に取り付け、小歯車１０７を発電機１０４の出力軸に設けて、両歯車１０６，１０７間にタイミングベルト１０８を巻き掛けている。そして、小歯車１０７は、発電機１０４を高速回転することができるが、カップリング（図示せず）が介在しており、小歯車１０７の回転速度が一定以上になったところで発電機１０４を回すようにしている。発電機１０４としては、３相交流発電機が使用される。
【０００８】
ところで、台風時に風速が３０ｍ／ｓ〜４０ｍ／ｓにも達する場合もあり、モニュメント風車１０１の回転速度は非常に高くなって危険であることから、回転軸１０３にパラソル型遠心力マグネットブレーキ装置１０９を設けることにより、所定の速度以上にならないように制御している。
【０００９】
回転軸１０３には、マグネットスラスト軸受け装置１０５とパラソル型遠心力マグネットブレーキ装置１０９とが取り付けられ、長さ調整が可能な非磁性金属で作製されているブーム１１０が回転軸１０３に対して放射状に取り付けられている。ブーム１１０の先端には、回転軸１０３が回転することで遠心力の作用で開くことができ、非磁性体金属からなる平行四辺形関節を構成するアーム１１１，１１１，……が設けられている。各アーム１１１の先端には磁性金属のヨーク１１２が設けられ、このヨーク１１２に強力なマグネット１１３が取り付けられている。
【００１０】
回転軸１０３が回転して遠心力の作用によりアーム１１１が開くと、アーム１１１は平行四辺形関節を構成しているため、マグネット１１３面は、常に垂直を保った状態で移動し、固定筒１１４の内周面に近づく。固定筒１１４は、銅合金またはアルミ合金などの非磁性金属からなり、台１０２に固定されている。また、アーム１１の先端のマグネット１１３は、該アーム１１１が開いても固定筒１１４の内周面に接触しないように、アーム１１１の開き度をストッパー１１５にて規制している。
【００１１】
前記構成において、マグネット１１３が固定筒１１４の内周面との間に適度な隙間を保って回転するとき、渦電流抵抗が発生して回転軸１０３の回転を抑制するトルクが作用する。そして、回転軸１０３の回転速度が大きくなって、遠心力の作用でマグネット１１３と固定筒内周面との隙間がより小さくなると、渦電流抵抗はより大きくなって、回転軸１０３には大きなブレーキが働き、所定の回転速度を超えることがないようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特許第４００９８８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、台風に代表される強風は、一定の風速で続くことはなく、弱風／強風がランダムに発生し、風力発電装置においてはブレーキの応答性が問題となる。しかしながら、従来のブレーキ機構はメカニカルな構造であり、十分な応答性が得られないため、弱風／強風がランダムに発生した場合には所定の回転数を超えることがあり、時として装置を破損してしまうということがあった。
【００１４】
また、風力発電装置では、低風速でも円滑かつ安定的に回転を開始することが要求されるが、前記従来の装置では、回転軸にブーム，アーム，永久磁石といった部材が取り付けられているため、回転軸全体の重量が増加し、これにより風車に対する動力負荷が大きくなり、低風速で回り難くなるという課題を有していた。
【００１５】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、ブレーキの応答性を向上させ、かつ低風速でも回転可能とした安定かつ効率のよい風力発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、鉛直方向に設置された支柱を中心とし、該支柱の外側に同心円状で回転する円筒形回転体を設け、前記円筒形回転体に、風力を受ける羽根体と、該羽根体が受けた風力を電気エネルギーとして取り出す発電機とを設けた風力発電装置において、前記支柱に設けられた電磁石と、前記円筒形回転体に前記電磁石に対して前記円筒形回転体の径方向に対向して設置された導電体とにより磁路を形成し、前記発電機の発電電力を受けて前記電磁石に通電することによって発生する渦電流により、風力が大きくなったときに前記円筒形回転体の回転数を減速させる制御手段を備えることにより、風力の程度によって電磁的にブレーキを機能させることができ、弱風／強風の風力の変化への迅速な応答が可能になる。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の風力発電装置において、発電機が発生する電気エネルギーの大きさまたは電流の大きさにより、電磁石への電流量を制御することにより、風力と関係する発電量によって、電磁的にブレーキを機能させることにより、正確かつ確実に風力の変化への迅速な応答が可能になる。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、請求項１記載の風力発電装置において、風速を監視するためのセンシング手段を備え、センシング手段から得られる風速情報により、電磁石への電流量を制御することにより、直接的な風量の検知に基づいて、電磁的にブレーキを機能させることにより、より正確かつ確実に風力の変化への迅速な応答が可能になる。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３いずれか１項記載の風力発電装置において、電磁石に交流波を印加することにより、導電体に磁束の変化を発生させて渦電流を発生することを特徴とする。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４いずれか１項記載の風力発電装置において、円筒形回転体を支持するラジアル軸受と、支柱に設けられた永久磁石により磁力を発生するスラスト磁気軸受ステータと、円筒形回転体にスラスト磁気軸受ステータに対して円筒形回転体の径方向に対向して設置されたスラスト磁気軸受ロータとにより構成された吸引型スラスト磁気軸受を備えたことにより、回転体をスラスト方向に非接触浮上させることができ、微風での回転が可能になる。
【００２１】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５いずれか１項記載の風力発電装置において、支柱に備えられた永久磁石と、円筒形回転体に該円筒形回転体の径方向に永久磁石に対向して設置された導電体とを備え、導電体に渦電流を発生することにより、円筒形回転体の振動を抑制するラジアル磁気ダンパを構成したことにより、円筒形回転体に発生するラジアル方向の振動を減衰させることができる。
【００２２】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６いずれか１項記載の風力発電装置において、スラスト磁気軸受ステータにスラスト磁気軸受ロータのスラスト方向に対向して磁極を設け、該磁極に対してスラスト方向に対向するスラスト磁気軸受ロータ部分に導電体を設置することにより、円筒形回転体のスラスト方向の振動を抑制するスラスト磁気ダンパを構成したことにより、円筒形回転体に発生するスラスト方向の振動を減衰させることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の風力発電装置によれば、強風時においても、発電した電力を利用してブレーキをかけ、回転を停止させることなく定格出力になるように、安定して羽根体を回転させることができ、また微風時においても円滑かつ安定的に回転が可能となる発電効率のよい風力発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の風力発電装置の実施形態１における構造を示す断面図
【図２】本実施形態におけるヘテロポーラ型の電磁石の平面構造を示す説明図
【図３】本実施形態におけるホモポーラ型の電磁石の断面構造を示す説明図
【図４】本発明の風力発電装置の実施形態４の構成を示す断面図
【図５】本発明の風力発電装置の実施形態５の構成を示す断面図
【図６】本発明の風力発電装置の実施形態６の構成を示す断面図
【図７】従来の風力発電装置の構成図
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について、図１〜図６を参照しながら説明する。
【００２６】
（実施形態１）
図１は本発明の風力発電装置の実施形態１における構造を示す断面図である。
【００２７】
図１において、１は回転体、２は支柱、３は発電コイル、４は発電用環状永久磁石、５は電磁石、６はリング、７はスラスト軸受ステータ、８は永久磁石、９はスラスト軸受ロータ、１０はラジアルベアリング、１１は制御回路、１２はアンプ、１５は取付部材、１６は羽根体を示す。
【００２８】
図１に示すように、回転体１は、鉛直方向に配置され、受風手段としての羽根体１６が周囲に複数枚取り付けられている。風力を受け回転力に変える羽根体１６としては、例えば、サボニウス風車，ダリウス風車，クロスフロー風車，カップ型風車などが用いられる。これら垂直軸型風車は、風車ロータの回転面を風向に追尾させる方位制御装置が不要であるという特徴がある。
【００２９】
前記回転体１の内側に支柱２が鉛直方向に設けられている。回転体１と支柱２の回転中心軸は同じである。回転体１には、発電用環状永久磁石４が配置され、さらに回転体１の径方向における支柱２に発電用環状永久磁石４に対向して発電電力抽出手段である発電コイル３を配置することで発電機を構成している。具体的には、三相交流を出力する三相交流発電機の構造を採用することができる。
【００３０】
前記発電機にて発電された電気エネルギーは制御回路１１で受電される。制御回路１１では、例えば、ダイオードブリッジを用いて直流電流を出力し、ＤＣ／ＡＣ変換や昇圧を経て１００Ｖの交流として供給することができる。また、制御回路１１には、交流電力を直流電力として取り出せるように、ＡＣ／ＤＣコンバータや、発電された電気エネルギーを蓄積する蓄電池を設置してもよい。
【００３１】
前記発電用環状永久磁石４と発電コイル３は、回転体１における鉛直方向のいずれの位置に配置してもよい。
【００３２】
支柱２にはヘテロポーラ型の電磁石５が配置されている。図２はヘテロポーラ型の電磁石５の平面構造を示す説明図である。
【００３３】
図２において、電磁石５を構成する電磁石コイル１４に電流を印加し磁極１３にＮ極／Ｓ極を発生させる。電磁石コイル１４に対して回転体１の径方向にリング６を対向配置して、回転体１の回転により、リング６を差交する磁極の極性が変化することにより渦電流を発生させることによって、回転体１の回転を制動するようにしている。
【００３４】
リング６としてはアルミニウムや銅などの渦電流を生じやすい材料を用いる。渦電流の大きさは、磁界の変動周波数の２乗に比例するため、Ｎ極Ｓ極の変化が多い（変動周波数が高い）ほど大きい。また、渦電流の大きさは、磁束密度の２乗に比例するため、リング６と磁極１３のギャップが小さいほど、また、電磁石コイル１４に流す電流が大きいほど大きい。
【００３５】
したがって、回転体１に対するブレーキとして必要な制動力の大きさに応じて電磁石５を複数個設置する。また、回転体１に加わるブレーキ力の均一性を考え、回転中心軸に対称に偶数個配置することが望ましく、Ｎ極／Ｓ極が交互になるよう配置する。また、電磁石５の結線は、複数の電磁石を直列に接続してもよいし、それぞれ別の回路により駆動してもよい。
【００３６】
前記電磁石５とリング６は、回転体１における回転軸の鉛直方向のいずれの位置に配置してもよい。
【００３７】
通常、前記発電機には定格出力を持つ発電機が用いられる。風力発電装置は、風速が大きくなってカットイン風速（発電するために必要な最小風速）に達すると発電を開始する。このカットイン風速は低いことが望ましい。カットイン風速から定格風速までは、ピッチ制御などにより最大の出力を得る運転を行う。定格風速を超えると（カットアウト風速）、発電機の容量が不足するため、出力を定格値に保つ運転を行う。
【００３８】
しかし、強風や突風などにより風速が大きくなり、風速が回転する部材および軸受などの構造物の運転設計強度の限界に達したり、発電機出力電圧が異常に上昇するカットアウト風速に達したりすると、風力発電装置の回転を停止する。
【００３９】
定格風速は、強風地帯か弱風地帯かによって大幅に異なり、最適な定格風速が設定される。また、発電機では、カットイン風速以下では出力はゼロ、定格風速からカットアウト風速までの間では出力は定格値で一定、さらにカットアウト風速以上では装置は停止し、出力はゼロとなる。
【００４０】
制御回路１１において、発電電流または発電量を測定し、その測定量に応じてアンプ１２から電磁石５に電流を供給する。ブレーキを作動する必要のない程度の小風力である場合は、電磁石５には電流を通電しない。また、台風などのように風力が大きい場合、過剰な回転数になって大きな遠心力などで破損してしまう可能性があるため、大きな電流を発生させることによって大きなブレーキをかけ回転数の上昇を抑える。
【００４１】
また、本実施形態では、風力の変動が激しい場合においても、電気磁気的なブレーキ構造であるため応答性がはやく、瞬時にブレーキをかけることが可能となる。また、ブレーキ力をコントロールすることにより、安定的に適正な回転数に保つことができる。これにより、カットアウト風速を超え、回転を停止されるような状況が発生しても、発電機にて発電した電力を利用して、前記ブレーキ構造をコントロールすることにより適正な回転数を保つことができる。よって、発電を停止しないようにすることができるため、発電効率のよい風力発電装置を実現できる。
【００４２】
回転体１のラジアル方向の支持には、接触式のラジアルベアリング１０を用いる。ラジアルベアリング１０としては、例えば、転がり軸受を用いる。
【００４３】
微風での回転において、回転体１の回転を妨げる要因は、スラスト方向に作用する回転体１の重量であり、例えば、スラスト方向の軸受として接触式のベアリングを用いた場合、回転摩擦にて回転方向の抵抗となる。この抵抗に比べて、ラジアル方向の回転摩擦抵抗は小さいため、ラジアル方向には接触式のラジアルベアリング１０を用いることができる。ラジアルベアリング１０は取付部材１５を介して支柱２に固定される。
【００４４】
スラスト方向の支持は、支柱２に円環状の永久磁石８と円環状のスラスト軸受ステータ７とを設け、スラスト軸受ステータ７に対して回転体１の径方向にスラスト軸受ロータ９を対向配置してなる軸受構造にて行う。
【００４５】
永久磁石８は鉛直方向にＮ極／Ｓ極（またはＳ極／Ｎ極）が設けられたホモポーラ型の構成のもの用いる。ホモポーラ型は回転体における磁極の変化がないため、回転体１に渦電流が発生せず、回転損失を小さくすることができる。永久磁石８には強い磁力を有し磁石としての性質を長期にわたって保持する必要があり、例えば、アルニコ磁石，フェライト磁石，ネオジム磁石などを用いる。
【００４６】
図１において、対向して配置されたスラスト軸受ステータ７とスラスト軸受ロータ９とにおけるエアギャップに、水平方向（ラジアル方向）の吸引力が発生する。回転体１がスラスト方向に移動し、エアギャップの磁束が変化することにより、スラスト軸受ロータ９にスラスト方向に戻すための復元力Ｆが発生する。この復元力Ｆがスラスト方向の軸受として機能する。
【００４７】
本実施形態では、前記構成のスラスト軸受が回転体１の内部に設けられているため、羽根体１６やラジアルベアリング１０の水平方向の位置関係が同じでも干渉することなく設置することができ、設置の自由度が大きい。また、風力発電装置の軸方向の長さ全体を短くすることができる。
【００４８】
スラスト軸受の個数は、回転体１における重量のバランス位置（重心位置）に応じて増減することができる。また、スラスト軸受を適切な位置に配置することが可能であって、例えば、スラスト軸受を羽根体１６の鉛直方向上端より上、あるいは羽根体１６の鉛直方向下端部より下に設置してもよい。
【００４９】
また、回転体１に軸受剛性を超えるような異常な荷重が加わり、回転体１と支柱２に取り付けている部材が接触することを防ぐために、保護軸受（図示せず）を取り付けるようにしてもよい。
【００５０】
このような非接触式のスラスト軸受により回転体１を非接触で支持することにより、スラスト方向の回転摩擦がなく、微風においても円滑かつ安定な回転が可能となる。
【００５１】
（実施形態２）
本発明の風力発電装置の実施形態２として、実施形態１の構成において、支柱２に風速を監視するためのセンシング機構を別途設け（図示せず）、センシング機構からの風速信号に基づき電磁石５に流す電流を決定する構成を採用することができる。
【００５２】
センシング機構としては、風速を応答性よくセンシングする必要があり、例えば、風杯型の風速計を用いることができる。風杯型の風速計は、垂直な回転軸の周りに３ないし４個の半球殻又は円錐殻の風杯と呼ばれる羽を有する垂直軸風車型の感部を有するものである。風杯に風が当たると、凸面よりも凹面の方が空気抵抗が多いため、凹面が押される方向に軸が回転する。風杯型の風速計は、前記回転を歯車式の機構，発電機，光電式カウンタなどを用いて検出し、数値や電気信号に変換して出力することによって測定値を得る構成のものである。
【００５３】
実施形態２では、風力が大きい場合、前記センシング機構の信号に基づいたブレーキ動作により、図１における羽根体１６の回転による発電信号よりも早くセンシングすることができ、より安定的に羽根体１６を回転することが可能となる。その他の構成は実施形態１と同様である。
【００５４】
実施形態１では、突風時に回転体１が急激に大きな荷重を受けた場合、発電電流または発電量を測定した結果を用いては、ブレーキをかけるタイミングが遅く、回転する部材および軸受などの構造物を破損する可能性がある。
【００５５】
しかし、実施形態２では、カットアウト風速を超え、さらに風速の検出スピードが必要な突風時においても、発電した電力を利用して前記ブレーキをコントロールすることにより適正な回転数を保つことができ、発電を停止しないため、発電効率のよい風力発電装置を実現できる。
【００５６】
（実施形態３）
本発明の風力発電装置の実施形態３として、図１に示すアンプ１２から電磁石５への電流に交流波形を印加することにより、磁路の磁束を電気的に変化させ、リング６に発生する渦電流を増大させる構成を採用することができる。
【００５７】
この場合、電磁石５は図２に示すヘテロポーラ型でもよいし、図３に示す構成のホモポーラ型でもよい。ヘテロポーラ型の場合はＤＣ電流に交流波形を重畳する形とし、交流波形を重畳しない場合と比較して、大きなブレーキ力を発生することが可能となる。
【００５８】
また、図３に示すように、ホモポーラ型は軸方向にＮ極Ｓ極が形成されるため、回転体１には回転による磁極の変化が発生しない。したがって、回転によってリング６には磁極の変化が発生しないため、電気的に電磁石５のＮ極，Ｓ極を変化させる必要があり、±（プラスマイナス）の振幅を持った交流を印加することにより渦電流を発生させる。
【００５９】
なお、その他の構成は実施形態１と同様であるため、対応する部材には同一符号を付して詳しい説明は省略する。
【００６０】
（実施形態４）
図４は本発明の風力発電装置の実施形態４の構成を示す断面図である。
【００６１】
図４に示すように、支柱２に円環状の永久磁石２２と円環状のラジアルダンパ磁極２１を設け、ラジアルダンパ磁極２１に対して回転体１の径方向に、エアギャップを設けて導電体のラジアルダンパリング２３を対向配置する。
【００６２】
永久磁石２２として鉛直方向にＮ極／Ｓ極（またはＳ極／Ｎ極）が設けられたホモポーラ型を用いる。ホモポーラ型は回転体１の回転による磁極の変化がないため、回転体１に渦電流が発生せず、回転損失を小さくすることができる。永久磁石２２にはスラスト軸受に使用したものと同様強い磁力を有し、磁石としての性質を長期にわたって保持する必要があり、例えば、アルニコ磁石，フェライト磁石，ネオジム磁石などを用いる。また、ラジアルダンパリング２３にはアルミニウムや銅などの渦電流をより生じやすい材料を用いる。
【００６３】
対向して配置されたラジアルダンパ磁極２２とラジアルダンパリング２３間のエアギャップが振動などにより変化した場合、ラジアルダンパリング２３に渦電流が発生し、ダンピング効果を生じ、ラジアル方向の振動を抑制することができる。ラジアル方向は接触式のラジアルベアリング１０により支持しているため、ラジアルベアリング１０のガタ分や、回転体１の撓み分に応じてラジアル方向においてギャップが変化する。
【００６４】
その他の構成は実施形態１と同様であるため、対応する部材には同一符号を付して詳しい説明は省略する。
【００６５】
実施形態４の構成により、風速の変化により回転体１に変動負荷が発生した場合、回転体１の振動を抑え、回転体１の回転精度を向上させることができるため、ラジアルベアリング１０への摩擦損失が減り、発電効率を向上することができる。また、支柱２から伝わる振動を低減できるため、周囲の環境に及ぼす影響を低減することができる。
【００６６】
（実施形態５）
図５は本発明の風力発電装置の実施形態５の構成を示す断面図である。
【００６７】
図５に示すように、スラスト磁気軸受ステータ７に、スラスト磁気軸受ロータ９に対してスラスト方向において対向する円環状のスラストダンパ２５を設け、該スラストダンパ２５に対してスラスト方向にエアギャップをもって対向したスラスト磁気軸受ロータ９に、円環状の導電体のスラストダンパリング２４を配置している。スラストダンパリング２４にはアルミニウムや銅などの渦電流をより生じやすい材料を用いる。
【００６８】
このため、振動などによって、対向して配置されたスラストダンパ２５とスラストダンパリング２４間のスラスト方向のギャップが変化した場合、スラストダンパリング２４に渦電流が発生し、ダンピング効果が生じることによってスラスト方向の振動を抑制することができる。
【００６９】
その他の構成は実施形態１と同様であるため、対応する部材には同一符号を付して詳しい説明は省略する。
【００７０】
このように実施形態５では、風速の変化により回転体１に変動負荷が発生した場合、回転体１の振動を抑えて回転体１の回転精度を向上させることができるため、ラジアルベアリング１０への摩擦損失が減り、発電効率を向上することができる。また、支柱２から伝わる振動を低減させることができて、周囲の環境に及ぼす影響を低減することができる。
【００７１】
（実施形態６）
図６は本発明の風力発電装置の実施形態６の構成を示す断面図である。
【００７２】
前記実施形態１〜５の構成では、ラジアルベアリング１０を回転体１の外側に設置し回転体１を外側からラジアル方向の支持をしていたが、実施形態６では、図６に示すように、ラジアルベアリング１０を回転体１の内部に配置した構造としている。
【００７３】
また、実施形態１〜５の構成では、図示したようにブレーキ機構，スラスト磁気軸受，ラジアルダンパ，スラストダンパを回転体１内部に配置していたが、実施形態６では、図６に示すように、回転体１の外側に配置した構造とし、電磁石５とスラスト磁気軸受ステータ７とラジアルダンパ磁極２３と永久磁石８，２２とラジアルベアリング１０は、取付部材１５を介して支柱２に固定される構造にしている。
【００７４】
また、上述したスラスト磁気軸受と、ブレーキ機構と、ラジアルダンパと、スラストダンパなどの配置，順序や、回転体１内側および外側への設置は、本実施形態の構造に限定されず、風力発電装置の仕様，構成により適宜配置する。
【００７５】
なお、いずれの実施形態においても、風力発電装置の設置は屋外であるため、磁気回路および電気回路に対して水や埃が入らない構造となっている。また、電気磁気的に外部への影響がある場合には、磁束の漏れの無いように電磁シールドを施す。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明は、風力発電装置のブレーキ機構に適用され、回転体に加わる負荷が変動する風力発電装置の構造のものに実施して有効である。さらに、発電用のタービンなどにも適用できる。また、スラスト磁気軸受機構は回転体を短くできるため、高速回転体を支持する機構にも適用される。
【符号の説明】
【００７７】
１ 回転体
２ 支柱
３ 発電コイル
４ 発電用環状永久磁石
５ 電磁石
６ リング（導電体）
７ スラスト軸受ステータ
８ 永久磁石
９ スラスト軸受ロータ
１０ ラジアルベアリング
１１ 制御回路
１２ アンプ
１３ 磁極
１４ 電磁石コイル
１５ 取付部材
１６ 羽根体
２１ ラジアルダンパ
２２ 永久磁石
２３ ラジアルダンパリング（導電体）
２４ スラストダンパリング（導電体）
２５ スラストダンパ磁極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力による回転エネルギーを電気エネルギーに変換する垂直軸型の風力発電装置に係り、特に、気象状況によって変化する風力に対応して、安定かつ効率的に発電を行うことのできる構成の風力発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の風力発電装置としては、風速が速くなることで羽根体が設けられた回転軸の回転が所定の回転速度を超えることがないようにブレーキを働かせるために、回転軸に外方向へ開くことができる複数のアームを取り付け、回転軸の回転に伴う遠心力によりアームが開いて、固定筒の内周面との間に適度な隙間を残してマグネットが回転することで渦電流抵抗を発生させるように構成したものがある（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
図７は特許文献１に記載された従来の風力発電装置の構成図である。
【０００４】
図７において、１０１はモニュメント風車、１０２は台、１０３は回転軸、１０４は発電機を示しており、モニュメント風車１０１は軸１０３を中心として回転することができる。モニュメント風車１０１は、その重量を軽くするために材質をアルミニウム合金製とし、中心に設けられた回転軸１０３によって支えられ、台１０２に垂直に起立している。そして、モニュメント風車１０１に風が当たると回転軸１０３を中心として回転し、この回転により台１０２内に収容されている発電機１０４に発電を生じさせる。
【０００５】
モニュメント風車１０１は受風効率が高くなる形状となっている。モニュメント風車１０１は、材質をアルミ合金とし、その重量を軽くしているが、回転軸１０３を支えるスラスト荷重による摩擦でモニュメント風車１０１の回転に悪影響を及ぼさないように、マグネットスラスト軸受装置１０５を採用している。
【０００６】
マグネットスラスト軸受装置１０５は、回転軸１０３に回転体を取り付け、該回転体の下端面に回転部永久磁石を設け、一方、台１０２側に固定部永久磁石を配置し、回転部永久磁石と固定部永久磁石を上下方向に対向させて配置して、両永久磁石の反発力によって回転体を浮上させることができる構造としている。
【０００７】
また、増速機として大歯車１０６を回転軸１０３に取り付け、小歯車１０７を発電機１０４の出力軸に設けて、両歯車１０６，１０７間にタイミングベルト１０８を巻き掛けている。そして、小歯車１０７は、発電機１０４を高速回転することができるが、カップリング（図示せず）が介在しており、小歯車１０７の回転速度が一定以上になったところで発電機１０４を回すようにしている。発電機１０４としては、３相交流発電機が使用される。
【０００８】
ところで、台風時に風速が３０ｍ／ｓ〜４０ｍ／ｓにも達する場合もあり、モニュメント風車１０１の回転速度は非常に高くなって危険であることから、回転軸１０３にパラソル型遠心力マグネットブレーキ装置１０９を設けることにより、所定の速度以上にならないように制御している。
【０００９】
回転軸１０３には、マグネットスラスト軸受け装置１０５とパラソル型遠心力マグネットブレーキ装置１０９とが取り付けられ、長さ調整が可能な非磁性金属で作製されているブーム１１０が回転軸１０３に対して放射状に取り付けられている。ブーム１１０の先端には、回転軸１０３が回転することで遠心力の作用で開くことができ、非磁性体金属からなる平行四辺形関節を構成するアーム１１１，１１１，……が設けられている。各アーム１１１の先端には磁性金属のヨーク１１２が設けられ、このヨーク１１２に強力なマグネット１１３が取り付けられている。
【００１０】
回転軸１０３が回転して遠心力の作用によりアーム１１１が開くと、アーム１１１は平行四辺形関節を構成しているため、マグネット１１３面は、常に垂直を保った状態で移動し、固定筒１１４の内周面に近づく。固定筒１１４は、銅合金またはアルミ合金などの非磁性金属からなり、台１０２に固定されている。また、アーム１１の先端のマグネット１１３は、該アーム１１１が開いても固定筒１１４の内周面に接触しないように、アーム１１１の開き度をストッパー１１５にて規制している。
【００１１】
前記構成において、マグネット１１３が固定筒１１４の内周面との間に適度な隙間を保って回転するとき、渦電流抵抗が発生して回転軸１０３の回転を抑制するトルクが作用する。そして、回転軸１０３の回転速度が大きくなって、遠心力の作用でマグネット１１３と固定筒内周面との隙間がより小さくなると、渦電流抵抗はより大きくなって、回転軸１０３には大きなブレーキが働き、所定の回転速度を超えることがないようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特許第４００９８８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、台風に代表される強風は、一定の風速で続くことはなく、弱風／強風がランダムに発生し、風力発電装置においてはブレーキの応答性が問題となる。しかしながら、従来のブレーキ機構はメカニカルな構造であり、十分な応答性が得られないため、弱風／強風がランダムに発生した場合には所定の回転数を超えることがあり、時として装置を破損してしまうということがあった。
【００１４】
また、風力発電装置では、低風速でも円滑かつ安定的に回転を開始することが要求されるが、前記従来の装置では、回転軸にブーム，アーム，永久磁石といった部材が取り付けられているため、回転軸全体の重量が増加し、これにより風車に対する動力負荷が大きくなり、低風速で回り難くなるという課題を有していた。
【００１５】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、ブレーキの応答性を向上させ、かつ低風速でも回転可能とした安定かつ効率のよい風力発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、鉛直方向に設置された支柱を中心とし、該支柱の外側に同心円状で回転する円筒形回転体を設け、前記円筒形回転体に、風力を受ける羽根体と、該羽根体が受けた風力を電気エネルギーとして取り出す発電機とを設けた風力発電装置において、前記支柱に設けられた電磁石と、前記円筒形回転体に前記電磁石に対して前記円筒形回転体の径方向に対向して設置された導電体とにより磁路を形成し、前記発電機の発電電力を受けて前記電磁石に通電することによって発生する渦電流により、風力が大きくなったときに前記円筒形回転体の回転数を減速させる制御手段を備えることにより、風力の程度によって電磁的にブレーキを機能させることができ、弱風／強風の風力の変化への迅速な応答が可能になる。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の風力発電装置において、発電機が発生する電気エネルギーの大きさまたは電流の大きさにより、電磁石への電流量を制御することにより、風力と関係する発電量によって、電磁的にブレーキを機能させることにより、正確かつ確実に風力の変化への迅速な応答が可能になる。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、請求項１記載の風力発電装置において、風速を監視するためのセンシング手段を備え、センシング手段から得られる風速情報により、電磁石への電流量を制御することにより、直接的な風量の検知に基づいて、電磁的にブレーキを機能させることにより、より正確かつ確実に風力の変化への迅速な応答が可能になる。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３いずれか１項記載の風力発電装置において、電磁石に交流波を印加することにより、導電体に磁束の変化を発生させて渦電流を発生することを特徴とする。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４いずれか１項記載の風力発電装置において、円筒形回転体を支持するラジアル軸受と、支柱に設けられた永久磁石により磁力を発生するスラスト磁気軸受ステータと、円筒形回転体にスラスト磁気軸受ステータに対して円筒形回転体の径方向に対向して設置されたスラスト磁気軸受ロータとにより構成された吸引型スラスト磁気軸受を備えたことにより、回転体をスラスト方向に非接触浮上させることができ、微風での回転が可能になる。
【００２１】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５いずれか１項記載の風力発電装置において、支柱に備えられた永久磁石と、円筒形回転体に該円筒形回転体の径方向に永久磁石に対向して設置された導電体とを備え、導電体に渦電流を発生することにより、円筒形回転体の振動を抑制するラジアル磁気ダンパを構成したことにより、円筒形回転体に発生するラジアル方向の振動を減衰させることができる。
【００２２】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６いずれか１項記載の風力発電装置において、スラスト磁気軸受ステータにスラスト磁気軸受ロータのスラスト方向に対向して磁極を設け、該磁極に対してスラスト方向に対向するスラスト磁気軸受ロータ部分に導電体を設置することにより、円筒形回転体のスラスト方向の振動を抑制するスラスト磁気ダンパを構成したことにより、円筒形回転体に発生するスラスト方向の振動を減衰させることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の風力発電装置によれば、強風時においても、発電した電力を利用してブレーキをかけ、回転を停止させることなく定格出力になるように、安定して羽根体を回転させることができ、また微風時においても円滑かつ安定的に回転が可能となる発電効率のよい風力発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の風力発電装置の実施形態１における構造を示す断面図
【図２】本実施形態におけるヘテロポーラ型の電磁石の平面構造を示す説明図
【図３】本実施形態におけるホモポーラ型の電磁石の断面構造を示す説明図
【図４】本発明の風力発電装置の実施形態４の構成を示す断面図
【図５】本発明の風力発電装置の実施形態５の構成を示す断面図
【図６】本発明の風力発電装置の実施形態６の構成を示す断面図
【図７】従来の風力発電装置の構成図
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について、図１〜図６を参照しながら説明する。
【００２６】
（実施形態１）
図１は本発明の風力発電装置の実施形態１における構造を示す断面図である。
【００２７】
図１において、１は回転体、２は支柱、３は発電コイル、４は発電用環状永久磁石、５は電磁石、６はリング、７はスラスト軸受ステータ、８は永久磁石、９はスラスト軸受ロータ、１０はラジアルベアリング、１１は制御回路、１２はアンプ、１５は取付部材、１６は羽根体を示す。
【００２８】
図１に示すように、回転体１は、鉛直方向に配置され、受風手段としての羽根体１６が周囲に複数枚取り付けられている。風力を受け回転力に変える羽根体１６としては、例えば、サボニウス風車，ダリウス風車，クロスフロー風車，カップ型風車などが用いられる。これら垂直軸型風車は、風車ロータの回転面を風向に追尾させる方位制御装置が不要であるという特徴がある。
【００２９】
前記回転体１の内側に支柱２が鉛直方向に設けられている。回転体１と支柱２の回転中心軸は同じである。回転体１には、発電用環状永久磁石４が配置され、さらに回転体１の径方向における支柱２に発電用環状永久磁石４に対向して発電電力抽出手段である発電コイル３を配置することで発電機を構成している。具体的には、三相交流を出力する三相交流発電機の構造を採用することができる。
【００３０】
前記発電機にて発電された電気エネルギーは制御回路１１で受電される。制御回路１１では、例えば、ダイオードブリッジを用いて直流電流を出力し、ＤＣ／ＡＣ変換や昇圧を経て１００Ｖの交流として供給することができる。また、制御回路１１には、交流電力を直流電力として取り出せるように、ＡＣ／ＤＣコンバータや、発電された電気エネルギーを蓄積する蓄電池を設置してもよい。
【００３１】
前記発電用環状永久磁石４と発電コイル３は、回転体１における鉛直方向のいずれの位置に配置してもよい。
【００３２】
支柱２にはヘテロポーラ型の電磁石５が配置されている。図２はヘテロポーラ型の電磁石５の平面構造を示す説明図である。
【００３３】
図２において、電磁石５を構成する電磁石コイル１４に電流を印加し磁極１３にＮ極／Ｓ極を発生させる。電磁石コイル１４に対して回転体１の径方向にリング６を対向配置して、回転体１の回転により、リング６を差交する磁極の極性が変化することにより渦電流を発生させることによって、回転体１の回転を制動するようにしている。
【００３４】
リング６としてはアルミニウムや銅などの渦電流を生じやすい材料を用いる。渦電流の大きさは、磁界の変動周波数の２乗に比例するため、Ｎ極Ｓ極の変化が多い（変動周波数が高い）ほど大きい。また、渦電流の大きさは、磁束密度の２乗に比例するため、リング６と磁極１３のギャップが小さいほど、また、電磁石コイル１４に流す電流が大きいほど大きい。
【００３５】
したがって、回転体１に対するブレーキとして必要な制動力の大きさに応じて電磁石５を複数個設置する。また、回転体１に加わるブレーキ力の均一性を考え、回転中心軸に対称に偶数個配置することが望ましく、Ｎ極／Ｓ極が交互になるよう配置する。また、電磁石５の結線は、複数の電磁石を直列に接続してもよいし、それぞれ別の回路により駆動してもよい。
【００３６】
前記電磁石５とリング６は、回転体１における回転軸の鉛直方向のいずれの位置に配置してもよい。
【００３７】
通常、前記発電機には定格出力を持つ発電機が用いられる。風力発電装置は、風速が大きくなってカットイン風速（発電するために必要な最小風速）に達すると発電を開始する。このカットイン風速は低いことが望ましい。カットイン風速から定格風速までは、ピッチ制御などにより最大の出力を得る運転を行う。定格風速を超えると（カットアウト風速）、発電機の容量が不足するため、出力を定格値に保つ運転を行う。
【００３８】
しかし、強風や突風などにより風速が大きくなり、風速が回転する部材および軸受などの構造物の運転設計強度の限界に達したり、発電機出力電圧が異常に上昇するカットアウト風速に達したりすると、風力発電装置の回転を停止する。
【００３９】
定格風速は、強風地帯か弱風地帯かによって大幅に異なり、最適な定格風速が設定される。また、発電機では、カットイン風速以下では出力はゼロ、定格風速からカットアウト風速までの間では出力は定格値で一定、さらにカットアウト風速以上では装置は停止し、出力はゼロとなる。
【００４０】
制御回路１１において、発電電流または発電量を測定し、その測定量に応じてアンプ１２から電磁石５に電流を供給する。ブレーキを作動する必要のない程度の小風力である場合は、電磁石５には電流を通電しない。また、台風などのように風力が大きい場合、過剰な回転数になって大きな遠心力などで破損してしまう可能性があるため、大きな電流を発生させることによって大きなブレーキをかけ回転数の上昇を抑える。
【００４１】
また、本実施形態では、風力の変動が激しい場合においても、電気磁気的なブレーキ構造であるため応答性がはやく、瞬時にブレーキをかけることが可能となる。また、ブレーキ力をコントロールすることにより、安定的に適正な回転数に保つことができる。これにより、カットアウト風速を超え、回転を停止されるような状況が発生しても、発電機にて発電した電力を利用して、前記ブレーキ構造をコントロールすることにより適正な回転数を保つことができる。よって、発電を停止しないようにすることができるため、発電効率のよい風力発電装置を実現できる。
【００４２】
回転体１のラジアル方向の支持には、接触式のラジアルベアリング１０を用いる。ラジアルベアリング１０としては、例えば、転がり軸受を用いる。
【００４３】
微風での回転において、回転体１の回転を妨げる要因は、スラスト方向に作用する回転体１の重量であり、例えば、スラスト方向の軸受として接触式のベアリングを用いた場合、回転摩擦にて回転方向の抵抗となる。この抵抗に比べて、ラジアル方向の回転摩擦抵抗は小さいため、ラジアル方向には接触式のラジアルベアリング１０を用いることができる。ラジアルベアリング１０は取付部材１５を介して支柱２に固定される。
【００４４】
スラスト方向の支持は、支柱２に円環状の永久磁石８と円環状のスラスト軸受ステータ７とを設け、スラスト軸受ステータ７に対して回転体１の径方向にスラスト軸受ロータ９を対向配置してなる軸受構造にて行う。
【００４５】
永久磁石８は鉛直方向にＮ極／Ｓ極（またはＳ極／Ｎ極）が設けられたホモポーラ型の構成のもの用いる。ホモポーラ型は回転体における磁極の変化がないため、回転体１に渦電流が発生せず、回転損失を小さくすることができる。永久磁石８には強い磁力を有し磁石としての性質を長期にわたって保持する必要があり、例えば、アルニコ磁石，フェライト磁石，ネオジム磁石などを用いる。
【００４６】
図１において、対向して配置されたスラスト軸受ステータ７とスラスト軸受ロータ９とにおけるエアギャップに、水平方向（ラジアル方向）の吸引力が発生する。回転体１がスラスト方向に移動し、エアギャップの磁束が変化することにより、スラスト軸受ロータ９にスラスト方向に戻すための復元力Ｆが発生する。この復元力Ｆがスラスト方向の軸受として機能する。
【００４７】
本実施形態では、前記構成のスラスト軸受が回転体１の内部に設けられているため、羽根体１６やラジアルベアリング１０の水平方向の位置関係が同じでも干渉することなく設置することができ、設置の自由度が大きい。また、風力発電装置の軸方向の長さ全体を短くすることができる。
【００４８】
スラスト軸受の個数は、回転体１における重量のバランス位置（重心位置）に応じて増減することができる。また、スラスト軸受を適切な位置に配置することが可能であって、例えば、スラスト軸受を羽根体１６の鉛直方向上端より上、あるいは羽根体１６の鉛直方向下端部より下に設置してもよい。
【００４９】
また、回転体１に軸受剛性を超えるような異常な荷重が加わり、回転体１と支柱２に取り付けている部材が接触することを防ぐために、保護軸受（図示せず）を取り付けるようにしてもよい。
【００５０】
このような非接触式のスラスト軸受により回転体１を非接触で支持することにより、スラスト方向の回転摩擦がなく、微風においても円滑かつ安定な回転が可能となる。
【００５１】
（実施形態２）
本発明の風力発電装置の実施形態２として、実施形態１の構成において、支柱２に風速を監視するためのセンシング機構を別途設け（図示せず）、センシング機構からの風速信号に基づき電磁石５に流す電流を決定する構成を採用することができる。
【００５２】
センシング機構としては、風速を応答性よくセンシングする必要があり、例えば、風杯型の風速計を用いることができる。風杯型の風速計は、垂直な回転軸の周りに３ないし４個の半球殻又は円錐殻の風杯と呼ばれる羽を有する垂直軸風車型の感部を有するものである。風杯に風が当たると、凸面よりも凹面の方が空気抵抗が多いため、凹面が押される方向に軸が回転する。風杯型の風速計は、前記回転を歯車式の機構，発電機，光電式カウンタなどを用いて検出し、数値や電気信号に変換して出力することによって測定値を得る構成のものである。
【００５３】
実施形態２では、風力が大きい場合、前記センシング機構の信号に基づいたブレーキ動作により、図１における羽根体１６の回転による発電信号よりも早くセンシングすることができ、より安定的に羽根体１６を回転することが可能となる。その他の構成は実施形態１と同様である。
【００５４】
実施形態１では、突風時に回転体１が急激に大きな荷重を受けた場合、発電電流または発電量を測定した結果を用いては、ブレーキをかけるタイミングが遅く、回転する部材および軸受などの構造物を破損する可能性がある。
【００５５】
しかし、実施形態２では、カットアウト風速を超え、さらに風速の検出スピードが必要な突風時においても、発電した電力を利用して前記ブレーキをコントロールすることにより適正な回転数を保つことができ、発電を停止しないため、発電効率のよい風力発電装置を実現できる。
【００５６】
（実施形態３）
本発明の風力発電装置の実施形態３として、図１に示すアンプ１２から電磁石５への電流に交流波形を印加することにより、磁路の磁束を電気的に変化させ、リング６に発生する渦電流を増大させる構成を採用することができる。
【００５７】
この場合、電磁石５は図２に示すヘテロポーラ型でもよいし、図３に示す構成のホモポーラ型でもよい。ヘテロポーラ型の場合はＤＣ電流に交流波形を重畳する形とし、交流波形を重畳しない場合と比較して、大きなブレーキ力を発生することが可能となる。
【００５８】
また、図３に示すように、ホモポーラ型は軸方向にＮ極Ｓ極が形成されるため、回転体１には回転による磁極の変化が発生しない。したがって、回転によってリング６には磁極の変化が発生しないため、電気的に電磁石５のＮ極，Ｓ極を変化させる必要があり、±（プラスマイナス）の振幅を持った交流を印加することにより渦電流を発生させる。
【００５９】
なお、その他の構成は実施形態１と同様であるため、対応する部材には同一符号を付して詳しい説明は省略する。
【００６０】
（実施形態４）
図４は本発明の風力発電装置の実施形態４の構成を示す断面図である。
【００６１】
図４に示すように、支柱２に円環状の永久磁石２２と円環状のラジアルダンパ磁極２１を設け、ラジアルダンパ磁極２１に対して回転体１の径方向に、エアギャップを設けて導電体のラジアルダンパリング２３を対向配置する。
【００６２】
永久磁石２２として鉛直方向にＮ極／Ｓ極（またはＳ極／Ｎ極）が設けられたホモポーラ型を用いる。ホモポーラ型は回転体１の回転による磁極の変化がないため、回転体１に渦電流が発生せず、回転損失を小さくすることができる。永久磁石２２にはスラスト軸受に使用したものと同様強い磁力を有し、磁石としての性質を長期にわたって保持する必要があり、例えば、アルニコ磁石，フェライト磁石，ネオジム磁石などを用いる。また、ラジアルダンパリング２３にはアルミニウムや銅などの渦電流をより生じやすい材料を用いる。
【００６３】
対向して配置されたラジアルダンパ磁極２２とラジアルダンパリング２３間のエアギャップが振動などにより変化した場合、ラジアルダンパリング２３に渦電流が発生し、ダンピング効果を生じ、ラジアル方向の振動を抑制することができる。ラジアル方向は接触式のラジアルベアリング１０により支持しているため、ラジアルベアリング１０のガタ分や、回転体１の撓み分に応じてラジアル方向においてギャップが変化する。
【００６４】
その他の構成は実施形態１と同様であるため、対応する部材には同一符号を付して詳しい説明は省略する。
【００６５】
実施形態４の構成により、風速の変化により回転体１に変動負荷が発生した場合、回転体１の振動を抑え、回転体１の回転精度を向上させることができるため、ラジアルベアリング１０への摩擦損失が減り、発電効率を向上することができる。また、支柱２から伝わる振動を低減できるため、周囲の環境に及ぼす影響を低減することができる。
【００６６】
（実施形態５）
図５は本発明の風力発電装置の実施形態５の構成を示す断面図である。
【００６７】
図５に示すように、スラスト磁気軸受ステータ７に、スラスト磁気軸受ロータ９に対してスラスト方向において対向する円環状のスラストダンパ２５を設け、該スラストダンパ２５に対してスラスト方向にエアギャップをもって対向したスラスト磁気軸受ロータ９に、円環状の導電体のスラストダンパリング２４を配置している。スラストダンパリング２４にはアルミニウムや銅などの渦電流をより生じやすい材料を用いる。
【００６８】
このため、振動などによって、対向して配置されたスラストダンパ２５とスラストダンパリング２４間のスラスト方向のギャップが変化した場合、スラストダンパリング２４に渦電流が発生し、ダンピング効果が生じることによってスラスト方向の振動を抑制することができる。
【００６９】
その他の構成は実施形態１と同様であるため、対応する部材には同一符号を付して詳しい説明は省略する。
【００７０】
このように実施形態５では、風速の変化により回転体１に変動負荷が発生した場合、回転体１の振動を抑えて回転体１の回転精度を向上させることができるため、ラジアルベアリング１０への摩擦損失が減り、発電効率を向上することができる。また、支柱２から伝わる振動を低減させることができて、周囲の環境に及ぼす影響を低減することができる。
【００７１】
（実施形態６）
図６は本発明の風力発電装置の実施形態６の構成を示す断面図である。
【００７２】
前記実施形態１〜５の構成では、ラジアルベアリング１０を回転体１の外側に設置し回転体１を外側からラジアル方向の支持をしていたが、実施形態６では、図６に示すように、ラジアルベアリング１０を回転体１の内部に配置した構造としている。
【００７３】
また、実施形態１〜５の構成では、図示したようにブレーキ機構，スラスト磁気軸受，ラジアルダンパ，スラストダンパを回転体１内部に配置していたが、実施形態６では、図６に示すように、回転体１の外側に配置した構造とし、電磁石５とスラスト磁気軸受ステータ７とラジアルダンパ磁極２３と永久磁石８，２２とラジアルベアリング１０は、取付部材１５を介して支柱２に固定される構造にしている。
【００７４】
また、上述したスラスト磁気軸受と、ブレーキ機構と、ラジアルダンパと、スラストダンパなどの配置，順序や、回転体１内側および外側への設置は、本実施形態の構造に限定されず、風力発電装置の仕様，構成により適宜配置する。
【００７５】
なお、いずれの実施形態においても、風力発電装置の設置は屋外であるため、磁気回路および電気回路に対して水や埃が入らない構造となっている。また、電気磁気的に外部への影響がある場合には、磁束の漏れの無いように電磁シールドを施す。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明は、風力発電装置のブレーキ機構に適用され、回転体に加わる負荷が変動する風力発電装置の構造のものに実施して有効である。さらに、発電用のタービンなどにも適用できる。また、スラスト磁気軸受機構は回転体を短くできるため、高速回転体を支持する機構にも適用される。
【符号の説明】
【００７７】
１ 回転体
２ 支柱
３ 発電コイル
４ 発電用環状永久磁石
５ 電磁石
６ リング（導電体）
７ スラスト軸受ステータ
８ 永久磁石
９ スラスト軸受ロータ
１０ ラジアルベアリング
１１ 制御回路
１２ アンプ
１３ 磁極
１４ 電磁石コイル
１５ 取付部材
１６ 羽根体
２１ ラジアルダンパ
２２ 永久磁石
２３ ラジアルダンパリング（導電体）
２４ スラストダンパリング（導電体）
２５ スラストダンパ磁極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直方向に設置された支柱を中心とし、該支柱の外側に同心円状で回転する円筒形回転体を設け、前記円筒形回転体に、風力を受ける羽根体と、該羽根体が受けた風力を電気エネルギーとして取り出す発電機とを設けた風力発電装置において、
前記支柱に設けられた電磁石と、前記円筒形回転体に前記電磁石に対して前記円筒形回転体の径方向に対向して設置された導電体とにより磁路を形成し、
前記発電機の発電電力を受けて前記電磁石に通電することによって発生する渦電流により、風力が大きくなったときに前記円筒形回転体の回転数を減速させる制御手段を備えたことを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記発電機が発生する電気エネルギーの大きさまたは電流の大きさにより、前記電磁石への電流量を制御することを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
【請求項３】
風速を監視するためのセンシング手段を設け、前記センシング手段から得られる風速情報により、前記電磁石への電流量を制御することを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
【請求項４】
前記電磁石に交流波を印加することにより、前記導電体に磁束の変化を発生させて渦電流を発生することを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の風力発電装置。
【請求項５】
前記円筒形回転体を支持するラジアル軸受と、前記支柱に設けられた永久磁石により磁力を発生するスラスト磁気軸受ステータと、前記円筒形回転体に前記スラスト磁気軸受ステータに対して前記円筒形回転体の径方向に対向して設置されたスラスト磁気軸受ロータとにより構成された吸引型スラスト磁気軸受を備えたことを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載の風力発電装置。
【請求項６】
前記支柱に備えられた前記永久磁石と、前記円筒形回転体に該円筒形回転体の径方向に前記永久磁石に対向して設置された導電体とを備え、前記導電体に渦電流を発生することにより、前記円筒形回転体の振動を抑制するラジアル磁気ダンパを構成したことを特徴とする請求項１〜５いずれか１項記載の風力発電装置。
【請求項７】
前記スラスト磁気軸受ステータに前記スラスト磁気軸受ロータのスラスト方向に対向して磁極を設け、該磁極に対してスラスト方向に対向する前記スラスト磁気軸受ロータ部分に導電体を設置することにより、前記円筒形回転体の振動をスラスト方向の振動を抑制するスラスト磁気ダンパを構成したことを特徴とする請求項１〜６いずれか１項記載の風力発電装置。
【請求項１】
鉛直方向に設置された支柱を中心とし、該支柱の外側に同心円状で回転する円筒形回転体を設け、前記円筒形回転体に、風力を受ける羽根体と、該羽根体が受けた風力を電気エネルギーとして取り出す発電機とを設けた風力発電装置において、
前記支柱に設けられた電磁石と、前記円筒形回転体に前記電磁石に対して前記円筒形回転体の径方向に対向して設置された導電体とにより磁路を形成し、
前記発電機の発電電力を受けて前記電磁石に通電することによって発生する渦電流により、風力が大きくなったときに前記円筒形回転体の回転数を減速させる制御手段を備えたことを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記発電機が発生する電気エネルギーの大きさまたは電流の大きさにより、前記電磁石への電流量を制御することを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
【請求項３】
風速を監視するためのセンシング手段を設け、前記センシング手段から得られる風速情報により、前記電磁石への電流量を制御することを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
【請求項４】
前記電磁石に交流波を印加することにより、前記導電体に磁束の変化を発生させて渦電流を発生することを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の風力発電装置。
【請求項５】
前記円筒形回転体を支持するラジアル軸受と、前記支柱に設けられた永久磁石により磁力を発生するスラスト磁気軸受ステータと、前記円筒形回転体に前記スラスト磁気軸受ステータに対して前記円筒形回転体の径方向に対向して設置されたスラスト磁気軸受ロータとにより構成された吸引型スラスト磁気軸受を備えたことを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載の風力発電装置。
【請求項６】
前記支柱に備えられた前記永久磁石と、前記円筒形回転体に該円筒形回転体の径方向に前記永久磁石に対向して設置された導電体とを備え、前記導電体に渦電流を発生することにより、前記円筒形回転体の振動を抑制するラジアル磁気ダンパを構成したことを特徴とする請求項１〜５いずれか１項記載の風力発電装置。
【請求項７】
前記スラスト磁気軸受ステータに前記スラスト磁気軸受ロータのスラスト方向に対向して磁極を設け、該磁極に対してスラスト方向に対向する前記スラスト磁気軸受ロータ部分に導電体を設置することにより、前記円筒形回転体の振動をスラスト方向の振動を抑制するスラスト磁気ダンパを構成したことを特徴とする請求項１〜６いずれか１項記載の風力発電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−１１２０１３（Ｐ２０１１−１１２０１３Ａ）
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７１０９０（Ｐ２００９−２７１０９０）
【出願日】平成２１年１１月３０日（２００９．１１．３０）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月３０日（２００９．１１．３０）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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