JP2005094881A - 籠型回転体及びこれを用いた風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、永久磁石とコイルを相互に移動可能とした発電装置に好適な籠型回転体において、十分な強度を保持しつつ差動滑り等による軸受の障害を回避する軸受構造を有する籠型回転体を提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明の回転体１は、ハウジング２と、ハウジング２に配設される回転軸８と、ハウジング２に配設され回転軸８に対して逆方向に回転する回転シャーシ３とを備える。さらに、回転シャーシ３は、その回転方向の両端で二重軸受９、９により回転軸３に支持されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁石とコイルが相対運動可能な籠型回転体、及びこの回転体を用いる風力発電装置に関するものである。

一般的な発電機は、発電機内のコイル又は永久磁石を回転させ発電するものであり、図７に示して後述するが、その基本的構造は発電機が発明されて以来変わっていない。
様々な発電方式のうちで風力発電は、他の発電方式と比べて発電コストが高いために、その普及が遅れている。総合資源エネルギー調査会／需給部会において２０１０年度の風力発電導入目標が３００万ｋＷに上方修正された（２００１年６月の報告）が、１９９９年時点での発電コストは、設置コスト２４〜３７万円／ｋＷ、規模が１０００ｋＷで総額２．４〜３．７億円であり、電力の利用にかかるコストは、発電コスト１０〜２４円／ｋＷhの平均値であり、火力発電単価７．３円／ｋＷｈと比べて約１．５〜３．０倍となっている。

風力発電装置の設置に当たっては、新エネルギー・産業技術総合開発機構(ＮＥＤＯ)などの助成金（設置費用の１／２〜１／３）が交付されており、現在国の誘導政策により風力発電の普及を図っている状況である。風車を大型化して高出力の発電を行うことでコストの低減が図れるため、日本でも１５００〜２０００ｋＷ級の発電が可能な大型風車を有する風力発電装置の導入が急速に進んでいる。

しかし、日本で大型化した風力発電設備を設置するためのコストは欧米に比べて費用が高いと言われている。その理由は設置に用いる大型クレーンのレンタル費用の違いと言われ、例えば、４５０ｔクラスのクレーンでは、１３〜１５万円／日だがクレーンの搬送、組み立て費用が別途数百万円かかり、レンタル費用が１０００万円以上となることが普通である。風力発電設備の重量は、三菱重工業株式会社３００ｋＷのもので、塔重量約２０ ｔ、総重量約４４ｔとなっている。

ヴェスタス社（デンマーク）製の定格発電量８５０ｋＷの風力発電機では、全体の重さが８０ｔあり、４５０ｔクラスのクレーンでの安全な吊り上げ荷重は約４０ｔと言われている。

一方、「本体を除く建設コストを比較してみると、海外が数百万円／基に対して国内では数千万円以上／基と、この格差はさらに拡大する。」と言う、日本総合研究所のJapan Research Review 1996年７月号の発表もあるが、このコストの差の大部分は上述したようにクレーンのレンタル費用の差と考えられ、風力発電設備の小型化、特に出力を維持した発電機の小型化による軽量化が必要とされている。

ドイツのマグデブルグにあるエネルコン社（ドイツ）製の風力発電装置E-112は、出力４．５ＭＷ、ロータ径１１２ｍ、高さ１７６ｍ、ナセルの重さは４４０ｔと巨大であり、２ＭＷクラスのナセルの重量でも１００ｔを超える重量である。

別の資料によれば、エネルコン社製の風力発電装置は、タワー重量42.0ｔ（L44.2m×直径3.5m×直径1.22m）、ナセル重量6.0ｔ（L3.4m×W2.4m×H3.1m）、発電機重量 25.0ｔ（L4.5m×W4.5m×H3.2m）、ブレード重量1.1ｔ/枚（L20.7m×W1.0m×H2.0m）である。ヤコブスエネルギー社(ドイツ)の定格出力６００ＫＷの場合で、ナセル重量２３ｔ、ローター重量１４ｔ、タワー重量４８ｔである。

図７に従来の籠型発電機１０１の一般的な構造を示す。このように一般的な発電機は籠型と呼ばれる構造であり、ハウジング１０２には、軸受１０３を介して回転可能に配設された回転軸１０４と、この回転軸１０４に取り付けられた電機子（コイル）１０５と、ハウジング１０２に固定された固定子(永久磁石)１０６とから構成されている。発電機１０１の発電出力は電機子１０５の回転速度に比例する。

発電機の永久磁石と電機子を互いに逆回転させれば永久磁石と電機子の相対速度が向上するため、その相対速度に比例して発電効率が向上すると言う発想は既に提案されている。例えば、下記特許文献１乃至４等々があるが、現在までに実用化されている例をみても、装置の規模が小型であり低出力である場合が大半である。従って、電機子、永久磁石を、互いに逆回転させて相対速度を増すことができれば、発電出力を向上させることが容易となる。

特開平１０−２０１１９７号公報 特開２００２−２３３１１７号公報 特開２００３−６５２０４号公報 特開２００１−１５３０２４号公報

このように電機子と永久磁石を逆回転させるタイプの発電装置において、装置規模が小型で低出力となる理由は、この電機子と永久磁石双方が片側支持構造のため、これらの支持構造を大型化すると、強度と回転精度に問題が発生するため実用化が困難であることが原因である。このタイプの風力発電装置でこれまで実用化された例としては、株式会社石田製作所のダブルクロスフロー型風力発電機（特許文献４参照）があるが、やはり発電出力が数十ワットと低いものとなっている。

従来からの発電機の大半が籠型構造であるように、籠型の構造は構造的に強度があり、小型から大型まで応用可能な構造であるが、籠型構造の内部に配置された永久磁石とコイルを相対運動させる技術が開発されたことがこれまで無かった。

その理由は、単純に一重の軸受（ベアリング）を使用して内輪と外輪とを相対運動をさせると、内輪と外輪の周速度の差により、差動滑り等の軸受の障害（焼き付き等）が発生するという問題が発生して実用化が困難となっていた。特許文献３に示されるように、一重の軸受（ベアリング）を使用して、内輪と外輪とを相対運動可能な構造としても、結果として片側支持構造のため、大型化するとハウジングの強度と回転精度に問題が発生する。

本発明は第一に発電に使用する自然エネルギーを効率よく電力に変換でき、より小型化大出力で製造が容易な発電装置の構造体を提供し、発電コストの低減に寄与することを目的とする。

さらに、本発明は、永久磁石とコイルを相互に移動可能とした発電装置に好適な籠型回転体において、軽量でありながら十分な強度を保持しつつ差動滑り等による軸受の障害を回避する軸受構造を有する回転体及び発電装置を提供することを目的とする。

本発明の籠型回転体は、上記課題を解決するため、ハウジングと、該ハウジングに配設される回転軸と、該ハウジングに配設され該回転軸に対して逆方向に回転可能な回転シャーシとを備える籠型回転体において、該回転シャーシは二重軸受を介して該回転軸に支持されていることを特徴とする。

また、上記回転シャーシは、その両端で二重軸受により回転軸に支持されていることを特徴とすることもできる。上記二重軸受は、外輪と、該外輪の内側に配設される中間輪と、該中間輪の内側に配設される内輪とを備え、該外輪と該中間輪との間及び該中間輪と該内輪との間には複数の転動体がそれぞれ配設されることを特徴とすることもできる。上記転動体が、上記該外輪と該中間輪との間及び該中間輪と該内輪にそれぞれ二列づつ配置されることを特徴とすることもできる。

上記回転シャーシは、その回転方向の両端部で一重軸受により上記ハウジングに対して回転可能に支持されることを特徴とすることもできる。上記回転軸及び上記回転シャーシの一方には永久磁石が配置され、他方には該永久磁石と対向するように電機子が配置されていることを特徴とすることもできる。

上記回転シャーシを回転する回転シャーシ駆動シャフトを備えることを特徴とすることもできる。
上記回転シャーシ駆動シャフトは上記ハウジングの一端から突出するよう配置され、この突出部分で回転シャーシ駆動シャフトは管状に形成されており、さらに上記回転軸が該回転シャーシ駆動シャフトの管状部を貫くように配設されることを特徴とすることもできる。上記ハウジングの他端側に、上記回転軸を支持するスラスト軸受を備えることを特徴とすることもできる。上記回転軸の回転を逆方向の回転に変換して上記回転シャーシに伝達する遊星ギアを備え、該回転方向の回転駆動力が該回転シャーシに伝達されることを特徴とすることもできる。

さらに、本発明の風力発電装置は、上記籠型回転体に、上記回転シャーシを回転する第１回転翼と、上記回転軸を回転する第２回転翼とを備え、該第１位回転翼と該第２回転翼の回転を逆方向とすることを特徴とする。

本発明の籠型回転体によって、従来からの同出力の発電装置に対して、小型化が図れるため設置費用の低減が可能となる結果、発電コストを下げることができる。自然エネルギーを使用した環境負荷の無い風力発電の普及につながる。

また、二重軸受を使用することで、発電装置等に用いる回転体の設計の自由度が向上するため、風力発電装置等に応用した場合、発電効率の向上と小型化が図れる。さらに、本発明の回転体は、複雑な構造を必要としないため、生産が容易であり、発電コストを下げることに寄与できる。

本発明の回転体を実施するための最良の形態を、図面を用いて説明する。以下に示す形態では、相対速度を増し発電出力を向上させる手段として、二重軸受を使用して、永久磁石とコイルが互いに逆回転できる構造にすることで構造的に強固で軸受に無理の無い構造とするものである。

図１は本発明の籠型回転体１を示す断面図である。回転体１のハウジング２は筒状であり、ハウジング２の内面に、永久磁石又はコイル(図示省略)の取付け部となる筒状の回転シャーシ３が配設されている。回転シャーシ３の両端側において、ハウジング２の内面と回転シャーシ３の側面との間には、一重軸受４がそれぞれ環状に配設されており、ハウジング２によって回転シャーシ３の側面両端が回転可能に支持されている。

図１に示すように、回転シャーシ３の左端面が回転シャーシ駆動シャフト５と接続されている。回転シャーシ３と回転シャーシ駆動シャフト５の回転軸は両者の軸が同一軸線上に位置するように配設されている。回転シャーシ駆動シャフト５の先端は、ハウジング１の左側面に形成された円形の左側開口部６からハウジング１の外側に突出している。この左側開口部６には、回転シャーシ駆動シャフト５をハウジング１に対して回転可能に支持するために、一重軸受７が回転シャーシ駆動シャフト５を取り囲むように環状に配置されている。

一方、回転シャーシ３の内部には、永久磁石又はコイルの取付け部となる回転軸８が配設されており、回転シャーシ３の回転軸８とは両者軸が同一軸線上に位置するように配設されている。また、図１に示すように、回転シャーシ３の左右両端において、回転シャーシ３と回転軸８との間には後述する二重軸受９が環状に配設されている。さらに、回転軸８の右端は、回転シャーシ３の右端からハウジング２に形成された右側開口部１０を介してハウジング２の外側まで突出するよう配置されている。右側開口部１０と回転軸８との間には一重軸受１１が環状に配設され、回転軸８を回転可能にハウジング２に支持している。

そして、外部から回転シャーシ駆動シャフト５と、回転軸８とをそれぞれ逆方向に回転させることにより、回転シャーシ３と回転軸８とが逆方向に回転する構造となる。
図２は、図１の二重軸受９を回転軸５方向から見た図である。二重軸受９は、回転シャーシ３に固定される環状の外輪９ａと、この外輪９ａの内側に配設される環状の中間輪９ｂと、この中間輪９ｂの内側に配設され回転軸８に固定される環状の内輪９ｃとから構成され、外輪９ａと中間輪９ｂとの間に複数のボール(転動体)９ｄが適宜配置され、中間輪９ｂと内輪９ｃとの間に複数のボール９ｅが適宜配置されている。

図３は、図２に示した二重軸受９のＡ−Ａ方向の断面図である。図３(ａ)では、外輪９ａの内面には複数のボール９ｄを収容するためその全周にわたって溝部９０ａが形成され、外輪９ａの内面と対向する中間輪９ｂの外面には当該複数のボール９ｄを収容するためにその全周にわたって溝部９０ｂが形成され、外輪９ｃの内面と対向する中間輪９ｂの外面には複数のボール９ｅを収容するためにその全周にわたって溝部９０ｃが形成され、内輪９ｃの外面には当該複数のボール９ｅを収容するためにその全周にわたって溝部９０ｄが形成されている。

図３(ｂ)に示すように、外輪９ａと中間輪９ｂとの間に、複数のボール９ｄを２列に配置すると共に中間輪９ｂと内輪９ｃとの間に、複数のボール９ｅを２列に配置してもよい。なお、このボールの配置に対応してそれぞれ外輪９ａの内側、中間輪９ｂの両側、内輪９ｃの外側には溝部が２列づつ形成されている。この場合にはボール９ｄやボール９ｅに加わる荷重が分散される。図３(ｂ)においては、中間輪９ｂの外面には２列の溝部９０ｂがそれぞれ形成され、中間輪９ｂの内面には２列の溝部９０ｃがそれぞれ形成されていたが、図３(ｃ)に示すように、図３(ｂ)に示した中間輪９ｂの２列の溝部を一体として、２列のボール９ｄをそれぞれ収容する溝部９０ｂ’を中間輪９ｂの外面に設け、２列のボール９ｅをそれぞれ収容する溝部９０ｄ’を中間輪９ｂの内面に設けてもよい。

このような二重軸受９の動作を説明する。図２に示す中心の内輪９ｃが時計回りに回転すると、内輪９ｃの溝部９０ｃに接触しているボール９ｅが反時計方向に回転し、ボール９ｅは中間輪９ｂの内面側の溝部９０ｂと接触しているため、中間輪９ｂも反時計方向に回転する。

なお、本発明において用いる二重軸受には、ブッシュ等を利用して軸受を二重構造にした構造や、中間輪を有さず転動体の収容部が一つで内輪と外輪とが相対運動をする構造を意味するものではない。

一般的に軸受(ベアリング)は、外輪と内輪の間に配される転動体は一つか、複数であっても環状に配され、その使用に当たっては、内輪か外輪どちらか一方を固定して使用するものであるが、本発明の二重軸受は内輪と外輪の間に中間輪を持ち、中間輪と内輪、中間輪と外輪の間に転動体を配置したものである。

さらに、本発明に使用する二重軸受９は、転動体を複列に配した自動調芯軸受とすることがより好ましい。具体的には、内輪や外輪が中間輪に対してある程度自由に傾いて回転することができるような自動調芯軸受を採用することにより、回転軸、回転シャーシ駆動シャフト、ハウジングの加工誤差や軸受の取付けなどによって生じる軸心の狂いが自動的に調整されることとなる。また、転動体の種類は発電機の重さ、回転数により適切な形状と潤滑方式を選択することが望ましい。本実施形態では、玉軸受を用いた形態を示したが、大型の発電機の場合にはころ軸受を用いてもよい。なお、差動滑りの問題は、内輪側転動体の径で差動差分を補正し、合わせて十分な潤滑で差動差の影響である差動滑りを抑えることが可能である。

次に本発明の他の実施形態について説明する。なお、図１と同一部分には同一符号を付してその説明は省略する。
図４に示す実施形態は、回転軸５の右端でハウジング２右端内面に、スラスト軸受１２を配設したものである。回転シャーシ３とハウジング２との間における軸受４の配置、及び、回転シャーシ３と回転軸５との間における二重軸受９の配置は、図１と同じである。しかし、本実施形態においては、回転軸５と、回転シャーシ駆動シャフト８’との端部が共に、ハウジング２の左側開口部６から、ハウジング２の外に突出している点で異なる。

左側開口部６の前後において、回転シャーシ駆動シャフト８’は管状に形成されると共に、回転軸５が回転シャーシ駆動シャフト８’の管状部を貫くように配設されている。回転シャーシ駆動シャフト８’の左端部はハウジング２の外に突出しており、さらに回転シャーシ駆動シャフト８’の左端部から、回転軸８が外に突出するように配設されている。

一方、回転軸５の右端部は、ハウジング２の右端側面の内側に設けられたスラスト軸受１２を介してハウジング２に支持されている。スラスト軸受１２によって、回転軸方向の荷重を支えるため、回転軸の軸方向のぶれを防止することができる。

このように一方向(図４の左側)からの入力で回転シャーシ３と回転軸５を回転できると共にスラスト軸受１２を備えたため、本実施形態の回転体は、回転軸を縦方向に配置した縦型風力発電装置に適する。例えば、縦型風力発電装置とした場合には、回転方向を異ならせたクロスフロー型の風車を、回転軸５、回転シャーシ駆動シャフト８’に取り付けることができる。

図５に示す実施形態では、回転力が入力する回転軸を一軸としたものである。回転軸５はハウジング２の左右両端で環状に配設された軸受７、１１によりハウジング２に回転可能に支持されている。ハウジング２の内部で、回転軸５にはローター１３が取り付けられており、ローター１３は回転軸５と一体となって回転する。さらに、ハウジング２の内部で、回転軸５には環状に配設された二重軸受９を介して円筒状のステーター１４が配設されており、回転軸５とステーター１４とが遊星ギア１５を介して接続されている。このような構造により、回転軸５を回転すると遊星ギア１５によって回転軸５の回転方向が逆方向に変換されてステーター１４に伝達される結果、ローター１３とステーター１４が逆方向に回転することになる。

次に、本発明の回転体１を風力発電装置１’に応用した実施形態を、図６に基づき説明する。ハウジング２内部には、図１と同様の構造で、回転軸８、回転シャーシ３が配設されているが、回転軸８には変速機及びブレーキ部１６が取り付けられ、回転シャーシ駆動シャフト５には変速機及びブレーキ部１７が取り付けられている。ハウジング２の左端から外側に突出する回転シャーシ駆動シャフト５には第１回転翼１８が取り付けられ、ハウジング２の右端面から外側に突出する回転軸８には第２回転翼１９が取り付けられている。また、ハウジング２下面にはハウジング２を支持するために支柱２０の上端部が取り付けられており、この支柱２０の下端部(図示しない)は地面に設置されている。なお、ハウジング２はナセルとなるため、実際には空気抵抗を削減するような流線型の形状とすることができる。

さらに、回転軸８には電機子２１が配設され、電機子２１は回転軸８と一体となって回転する。一方、回転シャーシ３の内面には電機子２１と対向するように永久磁石２２が配設されており、永久磁石２２は回転シャーシ３と一体となって回転する。また、永久磁石２２と電機子２１とを逆に配置してもよい。なお、電機子２１には図示しないスリップリングが取り付けられており、スリップリングを介して電力が取り出される。

本実施形態の風力発電装置１’は、第１回転翼１８と第２回転翼１９を有し、第１回転翼１８は風力を回転運動に変えて回転シャーシ３を回転させ、第２回転翼１９は風力を回転運動に変え回転軸８を回転シャーシ３と逆方向に回転させる。この時、二重軸受９の内輪側の転動体９ｅは、回転軸８の回転をスムースに回転させ、外輪側の転動体９ｅは回転シャーシ３をスムースに回転させる働きを有すると同時に、本装置の回転構造を籠型に支持する役割を有する。

さらに、上記したように電機子２１及び永久磁石２２を配設することにより、第１回転翼１８の回転が回転シャーシ駆動シャフト５を経由して伝達されて回転シャーシ３が回転すると共に、第２回転翼１９の回転により回転軸８が回転シャーシ３と逆方向に回転すると、永久磁石２２と電機子２１とは互いに逆方向に回転することとなり、両者の相対速度が増大して発電効率が向上する。

図６に示した実施形態は、中大型の風力発電に応用したものであるが、回転シャーシ３と回転軸８とが相対運動するために、回転翼の速度を変速機で増速する場合、従来の発電機より低速でよいため、機械寿命が長くなり、メンテナンスのコスト面で有利である。

なお、上記した本発明の回転体は撹拌機にも応用でき、この場合には、回転シャーシ及び回転軸にそれぞれ攪拌翼を一体に設け、回転シャーシ及び回転軸を逆回転させることにより、小型で撹拌能力の高い攪拌機を提供できる。

本発明の回転体の実施形態を示す断面図である。 図１の回転体に用いる二重軸受の正面図である。 図２の二重軸受のＡ−Ａ断面図である。 本発明の回転体の他の実施形態を示す断面図である。 遊星ギアを有する回転体の実施形態を示す断面図である。 風力発電装置に適用した実施形態を示す断面図である。 従来の籠型発電機の一般的な構造を示す断面図である。

符号の説明

１ 回転体
２ ハウジング
３ 回転シャーシ
４，６ 一重軸受
５ 回転シャーシ駆動シャフト
８ 回転軸
９ 二重軸受
９ａ 外輪
９ｂ 中間輪
９ｃ 内輪
９ｄ、９ｅ ボール(転動体)
１２ スラスト軸受
１５ 遊星ギア
１６、１７ 変速機及びブレーキ部
１８ 第１回転翼
１９ 第２回転翼
２１ 電機子
２２ 永久磁石

Claims (11)

1. ハウジングと、該ハウジングに配設される回転軸と、該ハウジングに配設され該回転軸に対して逆方向に回転可能な回転シャーシとを備える籠型回転体において、
   該回転シャーシは二重軸受を介して該回転軸に支持されていることを特徴とする籠型回転体。
2. 上記回転シャーシは、その両端で二重軸受により回転軸に支持されていることを特徴とする請求項１記載の籠型回転体。
3. 上記二重軸受は、外輪と、該外輪の内側に配設される中間輪と、該中間輪の内側に配設される内輪とを備え、該外輪と該中間輪との間及び該中間輪と該内輪との間には複数の転動体がそれぞれ配設されることを特徴とする請求項１又は２記載の籠型回転体。
4. 上記転動体が、上記該外輪と該中間輪との間及び該中間輪と該内輪にそれぞれ二列づつ配置されることを特徴とする請求項３記載の籠型回転体。
5. 上記回転シャーシは、その回転方向の両端部で一重軸受により上記ハウジングに対して回転可能に支持されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の籠型回転体。
6. 上記回転軸及び上記回転シャーシの一方には永久磁石が配置され、他方には該永久磁石に対向するように電機子が配置されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の籠型回転体。
7. 上記回転シャーシを回転する回転シャーシ駆動シャフトを備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の籠型回転体。
8. 上記回転シャーシ駆動シャフトは上記ハウジングの一端から突出するよう配置され、この突出部分で回転シャーシ駆動シャフトは管状に形成されており、さらに上記回転軸が該回転シャーシ駆動シャフトの管状部を貫くように配設されることを特徴とする請求項７に記載の籠型回転体。
9. 上記ハウジングの他端側に、上記回転軸を支持するスラスト軸受を備えることを特徴とする請求項８記載の籠型回転体。
10. 上記回転軸の回転を逆方向の回転に変換して上記回転シャーシに伝達する遊星ギアを備え、該逆方向の回転駆動力が該回転シャーシに伝達されることを特徴とする請求項１乃至５に記載の籠型回転体。
11. 請求項１乃至９のいずれかに記載の籠型回転体において、上記回転シャーシを回転する第１回転翼と、上記回転軸を回転する第２回転翼とを備え、該第１位回転翼と該第２回転翼の回転を逆方向とすることを特徴とする風力発電装置。

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