JP2008118744A - 巻線切換え機構と磁束制御機構を備えた風力発電・電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】 この風力発電・電動機は，巻線の切換え制御によって風車の回転速度の広範囲にわたって発電でき，磁束制御によって所定の一定電圧を発電することができる。
【解決手段】 ステータ４の巻線１４は，直列に結線された第１巻線３８と第２巻線３９から構成され，第１巻線３８の出力端子８１にはスイッチ７６を介してライン７７が結線され，第２巻線３９の出力端子７９にはスイッチ７５を介してライン７８が結線されている。コントローラ６９は，風車５２の回転速度に対応する出力値を予め記憶しており，風車５２の回転速度及び負荷に応答して発電電圧をスイッチ７５，７６のＯＮ・ＯＦＦ制御と磁束制御籠７による磁路空隙の制御とを行って所定の一定電圧を発電させる。
【選択図】図７

Description

この発明は，複数の巻線が巻き上げられたステータ，ステータに対して風力によって回転駆動されるロータ，及びステータとロータとの間に配設されてステータに対して回転揺動する磁束制御籠を備え，巻線の接続を切り換える巻線切換え機構と磁束制御籠から成る磁束制御機構を備えた風力発電・電動機に関する。

近年，省エネルギーや環境汚染の防止に対応するため，風力発電機の普及が叫ばれている。エネルギー危機が叫ばれる社会情勢の中で，我が国には風力ほど豊富に存在するものはなく，風力ほど環境汚染の少ないエネルギー源である。そこで，我が国では，風力エネルギーを電力に変換してその利用を促進するため，風力発電機を一般家庭用として設置できる大きさに構成し，風力発電機に対する設備投資の少ない発電機を開発することが求められている。

従来，風力発電装置として，プロペラ式が多く普及しており，風力の変動に係わらず一定の電力を発電することが可能な永久磁石型交流発電機を使用したものが知られている。該風力発電装置では，永久磁石型交流発電機はプロペラによって回転駆動される。発電機で発電された電力はインバータに供給される。インバータは，プロペラの回転数に比例した周波数の信号に対して所定の位相差を有する信号によって制御されるため，風力の変動によらず一定の電力を出力することができる（例えば，特許文献１参照）。

また，本発明者は，スイッチングレギュレータを不要にし，回転子に風車タービン取付部を直接設け，風力が極低速でも所定の一定電圧を発電でき，小形で高効率で，製造コストを低減できる磁束制御型風力発電機を開発した。該磁束制御型風力発電機は，取付部を備えたシャフト，シャフト上に取り付けられたステータ，ステータの外周側で回転可能に支持された複数の永久磁石片を備えた回転子，シャフトに揺動可能に取り付けられた磁路を通る磁束を揺動量によって制御する磁束制御籠，磁束制御籠をステータに対して揺動させるアクチュエータ，及び回転子の外周面に設けられた風車タービンを取り付けるための風車タービン取付部から構成されている（例えば，特許文献２参照）。

また，風力発電装置の制御方法として，充電装置と放電装置等の設備の削減ができ，充／放電損失を無くし，風力発電装置のエネルギー効率を上昇させることができるものが知られている。該風力発電装置の制御方法は，風車ブレードに駆動軸を介して連結した発電機よりの風車発生電力をＡＣ／ＤＣ変換器により直流電力に変換したのち，ＤＣ／ＡＣ変換器により直流電力に変換して電力系統に供給するものであり，ＡＣ／ＤＣ変換器とＤＣ／ＡＣ変換器間の直流ラインに直接蓄電池を接続するとともに，上記２つの変換器や直流ライン及び蓄電池よりの検知信号を適宜選択的に取り込んで所定の演算を行ってそれぞれの変換器に出力指令信号を生成するう演算器を備え，出力指令信号に基づいてＡＣ／ＤＣ変換器より直流ラインに供給される電圧若しくはＤＣ／ＡＣ変換器によりの出力電離を制御しながら蓄電池の充／放電状態を制御するものである（例えば，特許文献３参照）。
特開２００１−１９００９６号公報 特開２００５−３３８５２号公報 特開平１１−２９９２９５号公報

しかしながら，上記の風力発電装置は，その構造がプロペラ式であるので，プロペラが風の向きに対して常に正面を向くように構成する必要があり，多くの実用例では風向計が取り付けられ，風向きによってプロペラ位置を変える構造に構成されており，その分だけ構造が複雑になる問題がある。

ところで，風力発電機に設けられている垂直翼形風車は，垂直に立つ軸に流線型の垂直翼を複数個，放射状の支柱の先端に取り付ける構造になっている。風力発電機における放射状垂直翼は，回転方向に対し，外側に僅かに迎え角をつけると，駆動力が作用して回転する。放射状垂直翼は，迎え角が大きければ大きい程，回転駆動力は大きいが，回転が大きい時には発電効率が悪くなる。しかしながら，上記タイプの風力発電機は，風の向きがどの方向から吹いていても，放射状垂直翼が回転するので，風向きが変化する風土では最適の風車ということができる。

風力発電機については，風速が小さい場合には，風のエネルギが大きくないので，風車の回転半径を大きくしなければならない。
風力発電機の出力特性は，次式で表される。
Ｗ＝（１／２）・ρ・Ｃｐ・Ａ・Ｖ³
但し，Ｗ：出力，ρ：空気密度，Ｃｐ：風車効率係数，Ａ：風車回転面積，Ｖ：風速 風力発電機では，風速は３乗で出力に影響するものであり，風速が大きい時には，大きな出力が得られ，また，風速が小さい時にはほとんど出力が得られない。
また，発電機の出力Ｐは，次式で表される。
Ｐ＝Ｅ・Ｉ＝（４．４４・Φ・ｆ・Ｗｓ）² ／〔Ｒ² ＋（２πｆＬ）² 〕^{1 / 2}
但し，Ｗｓ：巻線数，Φ：磁力，ｆ：周波数，Ｒ：巻線抵抗，Ｌ：巻線リアクタンス 風力発電機は，大きな電力を得るためには，巻線の数，磁力を大きくし，また，巻線抵抗，巻線リアクタンスを小さくすることが必要である。
発電機では，出力は回転数が小さいと出力が出ず，最適の所定の回転数が良く，回転数が所定の回転数より大きくなると減少する。
従って，巻線の巻き数は，低速では大きくし，高速では小さくすることにより，回転数の幅広い回転領域において，適正な出力特性を得ることができると考えられる。

この発明の目的は，上記の問題を解決するため，ステータに巻き数が異なる巻線を複数巻き上げ，ロータの回転速度に対応させて低速では巻線を多巻きに切り換え，高速では少巻きに切り換えるように巻線を切り換え制御すると共に，選択された所定の巻線において更に磁束を微小に制御するため，ステータとロータとの間に配設した磁束制御籠から成る磁束制御機構によって，ロータの回転速度に対応させて磁束制御籠を回転移動即ち揺動させてステータに流れる磁束を制御し，それによって予め決められた所定の一定電圧を発電させることを特徴とする風力発電・電動機を提供することである。

この発明は，風車の回転が伝達される回転軸に設けられ且つ周方向に隔置した永久磁石片を備えた回転数が変動するロータ，前記ロータを回転自在に支持するハウジングに固定され且つ周方向に隔置して立設された櫛部間に巻き上げられた巻線を備えたステータ，及び前記ステータと前記ロータとの間に前記ステータに対して回転可能に設けられ且つ前記ステータを通る磁束を磁路空隙の増減により電圧制御する磁束制御籠を持つ磁束制御機構から成る風力発電・電動機において，
前記ステータに巻き上げられた前記巻線は，多巻き巻線と少巻き巻線とから構成され，前記多巻き巻線には第１スイッチを介して第１出力ラインが結線され，前記少巻き巻線には第２スイッチを介して第２出力ラインが結線され，コントローラは，風速又は前記風車の回転速度に対応する出力値がマップとして予め記憶しており，前記ロータの回転数及び負荷に応答して前記第１と第２スイッチのＯＮ・ＯＦＦ制御と前記磁束制御籠による前記磁路空隙とを制御して予め決められた所定の一定電圧で且つ風速に応じた発電をさせることを特徴とする風力発電・電動機に関する。

また，この風力発電・電動機は，前記風車を初期駆動させるため，前記多巻き巻線に電力を送って直流電動機として作動させる。

また，前記コントローラは，前記風車の低速回転に応答して，前記多巻き巻線に接続して前記第１出力ラインから出力させる制御と前記磁束制御籠による前記磁路空隙の制御とを行って前記所定の一定電圧で且つ風速に応じた発電をさせる。

また，前記コントローラは，前記風車の高速回転に応答して，前記少巻き巻線に接続して前記第２出力ラインから出力させる制御と前記磁束制御籠による前記磁路空隙の制御とを行って前記所定の一定電圧で且つ風速に応じた発電をさせる。

この風力発電・電動機は，上記のように構成されているので，ロータの回転速度に対応して低速では巻線を多巻き巻線に切り換え，また，高速では巻線を少巻き巻線に切り換え制御し，しかも，ロータの微小の速度変化に対してはロータの回転速度に対応させて円筒状の磁束制御籠をステータに対して揺動移動させてステータと磁束制御籠との間の磁路空隙を変化させ，永久磁石部材からステータに流れる磁束を制御することによって予め決められた所定の一定電圧を発電させることができる。

以下，図面を参照して，この発明による風力発電・電動機の実施例を説明する。この風力発電・電動機は，ロータ３を回転させる駆動源を風力によって得るものであって，風力で発電された電力を予め決められた所定の電圧に制御し，該電力を用いてモータ，冷凍機等の各種の電機機器の負荷を駆動するのに適用するものである。この風力発電・電動機は，特に，ステータ４に巻き上げた巻線１４を多巻き巻線３８と少巻き巻線３９とから構成し，ステータ４とロータ３との間に磁路空隙の増減により電圧制御する磁束制御籠７から成る磁束制御機構を設け，風車６０の回転速度に応答して多巻き巻線３８と少巻き巻線３９との切換え制御すると共に，磁束制御籠７による磁路空隙を変化させて磁束制御を行い，予め決められた一定電圧で且つ風速に応じた発電をさせるように制御するコントローラ６９に特徴を有するものである。

まず，図１及び図２を参照して，この風力発電・電動機のシステムについて説明する。このシステムは，風力発電・電動機６０にはロータ３を設けた回転軸２に入力歯車４７が設けられており，入力歯車４７は，風力によって回転する翼車即ち風車５２に設けられた回転シャフト５６に取り付けられた出力歯車５８に噛み合っている。従って，風車５２の回転は，回転シャフト５６及び出力歯車５８を介して入力歯車４７に伝達され，入力歯車４７の回転は，回転軸２を介して風力発電・電動機６０のロータ３を回転させる。機械室５５には，風力発電・電動機６０，風車５２の回転を風力発電・電動機６０に伝達する伝達装置，巻線切換えリレー，整流器等のためのリレー盤５９，各種のセンサ６１，６４，電気機器等が収容されている。リレー盤５９は，コントローラ６９からの指令で作動される。また，風速計８２で検出した風速の情報は，リレー盤５９及びコントローラ６９に入力されるように構成されている。回転シャフト５６には，ブレーキディスク５７及び回転センサ６１が設けられている。ブレーキディスク５７には，エアブレーキ５４が設けられ，回転シャフト５６の回転は，回転センサ６１で回転速度が検出されつつ，エアブレーキ５４によって回転速度が調節されるように構成されている。エアブレーキ５４は，それをＯＮ／ＯＦＦ制御するためのソレノイドバルブ６２の作動で制御され，ソレノイドバルブ６２は，コントローラ即ち制御盤６９からの指令で作動する圧力スイッチ６７によって作動制御される。更に，圧力スイッチ６７には，コントローラ６９の指令によってエアコンプレッサ６８からのエアがエア圧抜き用のソレノイド６２Ｓを通じて供給されるように構成されている。また，風力発電・電動機６０には，少なくともコミュテータ６３，風力発電・電動機６０の温度を測定する温度センサ６４，磁束制御籠７をステータ４に対して相対移動させるための磁束制御用モータ６５，及びステータ４の櫛部１０に対する磁束制御籠７の歯部８の位置を検出する位置センサ６６が設けられている。風力発電・電動機６０で発電された電力は，電力供給制御盤７０を通じて，バッテリ７１に蓄電され，又はインバータ７２，整流器７４等を通じて負荷７３に供給されるように構成されている。また，風車５２は，例えば，図示のように，直線翼垂直型の構造のものを使用することができ，該タイプの風車５２は，いずれの方向からの風力をキャッチでき，風の向きが変化する地域，都市部，山間部等で効果を発揮でき，小形の風力発電・電動機に適したものである。また，風力発電・電動機６０は，確保する電力に応じて風車５２を多段式に構成することができる。

次に，図３〜図６を参照して，風力発電・電動機６０の具体的な例について説明する。風力発電・電動機６０は，ステータ４が取り付けられたハウジング１，ハウジング１に一対の軸受１３を介して回転可能にそれぞれ支持された回転軸２，回転軸２に固定された永久磁石部材５から成るロータ３，ロータ３の外周側に配置され且つハウジング１に固定されたステータ４，ステータ４とロータ３との間に配設してステータ４に対して相対移動可能に取り付けられたリング状の磁束制御籠７，及び磁束制御籠７をロータ３の回転速度に対応させてステータ４に対して相対移動させるアクチュエータ２５から構成されている。図１では，ステータコア１５のアウタステータコア即ち円筒部材のリング状継鉄部材１７は，ハウジング１の一部を構成してヨークを構成している。また，回転軸２には，その一端部に，風車等の駆動源からの駆動力が入力する入力歯車４７が固定されている。風力発電・電動機６０は，ロータ３を構成する回転軸２の両端が軸受１３でハウジング１に回転可能に支持されている。ロータ３は，回転軸２の外周に取り付けられた冷却用の通風孔２８を備えた透磁部材６，透磁性部材６の外周面に配置された永久磁石部材５，及び永久磁石部材５の外周面２７に永久磁石部材５を保持するため固定された円筒状スリーブ１６を備えている。ロータ３は，回転軸２の一端に形成されたねじ４０に押さえ板４１を介して固定ナット４２が螺入されて一端が固定され，回転軸２の他端はスペーサ４６と押さえ板４５を介して軸受１３で固定されている。回転軸２の一端には，軸受１３がスペーサ４３を介して一端に形成されたねじ４９にナット４４が螺入して固定されている。回転軸２の他端には，ロータ３を回転駆動する入力歯車４７が配置され，入力歯車４７は回転軸２の他端に形成されたねじ４９にナット４８が螺入して固定されている。また，磁束制御籠７とロータ３との間には，相対回転を可能にするように可及的に小さい隙間２２が形成されている。また，風力発電・電動機６０では，ロータ３の透磁性部材６とハウジング１には，冷却風が流れる通風孔２８，３７が形成されている。永久磁石片１９は，外周面２７が円弧面に形成され，周方向に非磁性材３５を介在させて複数個配設されている。透磁性部材６は，例えば，透磁材と非磁性材が周方向に交互に配置して軸方向に延びて円筒状に形成されている。

ステータ４は，例えば，周方向に所定間隔のスロット部１１を形成するように隔置されたインナステータコアである櫛状円筒部材３０とアウタステータコアであるリング状継鉄部１７とから成る薄板積層形のステータコア１５，及びステータコア１５に巻き上げられた巻線１４から構成されている。櫛状円筒部材３０は，例えば，内側櫛部３２と外側櫛部３３とから成る櫛部１０と，内側櫛部３２と外側櫛部３３との間にあって櫛部１０を連繋するブリッジ部３１から構成されている。実施例では，内側櫛部３２は，外側櫛部３３に対応した状態で形成されているが，それに限るものではなく，例えば，図示していないが，隣接する２本の外側櫛部３３に跨がって１本が集合する状態に形成し，言い換えれば，スロット部１１に対応した位置に形成してブリッジ部３１で連結するように構成することができる。巻線１４は，櫛部１０における外側櫛部３３間に形成されたスロット部１１に位置して外側櫛部３３に巻き上げられ，巻線１４を成形固定するためスロット部１１内に非磁性材３６が充填されている。ステータコア１５におけるスロット部１１と櫛部１０との内周側には，磁束制御籠７が接触状態に且つステータ４に対して揺動回転可能に配置されている。磁束制御籠７は，例えば，ステータ４を構成するステータコア１５の櫛部１０を流れる磁束を制御するためのリング状の形状であり，ハウジング１に軸受（図示せず）を介して回転又は揺動自在に取り付けられている。ステータ４を構成するステータコア１５は，例えば，巻線１４の占積率をアップさせるため，内側櫛部３２と外側櫛部３３を持つようにブリッジ部３１で互いに接続された櫛状円筒部材３０に形成され，櫛状円筒部材３０の櫛部１０間に外側の開口即ち外開きの外側開口５３から巻線１４を巻き上げた後に，櫛状円筒部材３０のインナステータコアの外周面に外筒部材でなるリング状継鉄部材１７のアウタステータコアを嵌合して構成されている。

次に，図７を参照して，風力発電・電動機６０のステータ４に巻き上げられた第１巻線３８と第２巻線３９から成る巻線１４の一例について説明する。巻線１４は，例えば，ステータ４のステータコア１５の櫛部１０に巻き上げられた第１巻線３８と，櫛部１０に巻き上げられた第２巻線３９とから構成されている。図７では，第１巻線３８と第２巻線３９とが直列に結線されている。巻線１４は，具体的には，図７に示すように，三相交流を発電するタイプに結線され，中性点８０を中心に三方にそれぞれ延びるＵ相の第２巻線３９Ｕと第２巻線３９Ｕに直列に結線された第１巻線３８Ｕ，Ｖ相の第２巻線３９Ｖと第２巻線３９Ｖに直列に結線された第１巻線３８Ｖ，及びＷ相の第２巻線３９Ｗと第２巻線３９Ｗに直列に結線された第１巻線３８Ｗから形成されている。風力発電・電動機６０について，第１巻線３８による発電電力は，第１巻線３８Ｕ，３８Ｖ，３８Ｗの出力端子８１Ｕ，８１Ｖ，８１Ｗ（総称は８１）からライン７７Ｕ，７７Ｖ，７７Ｗ（総称は７７）を通じてスイッチ７６Ｕ，７６Ｖ，７６Ｗ及び整流器７４Ａを介して負荷７３Ａへと出力される。また，第２巻線３９による発電電力は，第２巻線３９Ｕ，３９Ｖ，３９Ｗの出力端子７９Ｕ，７９Ｖ，７９Ｗ（総称は７９）からライン７８Ｕ，７８Ｖ，７８Ｗ（総称は７８）を通じてスイッチ７５Ｕ，７５Ｖ，７５Ｗ及び整流器７４Ｂを介して負荷７３Ｂへと出力される。従って，この風力発電・電動機では，コントローラ６９がスイッチ７８をＯＦＦし且つスイッチ７５をＯＮし，巻線１４の中間部の出力端子７９からライン７８を通じて出力を取り出す時には，第２巻線３９のみの出力状態となって巻き数が少巻き巻線になる出力状態になり，少巻き巻線からの発電出力となる。また，コントローラ６９がスイッチ７８をＯＮし且つスイッチ７５をＯＦＦし，巻線１４の出力端子８１からライン７７を通じて出力を取り出す時には，第１巻線３８と第２巻線３９とが直列結線され，巻き数が多巻き巻線になる出力状態になり，多巻き巻線からの発電出力となる。

また，円筒状スリーブ１６は，長手方向に延びる永久磁石片１９の外面に対して長手方向に短冊状に延びる複数の透磁性金属板２０と，透磁性金属板２０間に長手方向に短冊状に延びて透磁性金属板２０に接合された非透磁性金属板２１とから構成されている。円筒状スリーブ１６は，永久磁石部材５の外周面２７に対して圧入によって取り付けられている。円筒状スリーブ１６を構成する透磁性金属板２０と非透磁性金属板２１とは，交互に配設して互いに溶接によって接合されている。また，円筒状スリーブ１６について，透磁性金属板２０の幅は，非透磁性金属板２１の幅の実質的に２倍の大きさに形成され，言い換えれば，透磁性金属板２０は，永久磁石片１９の円周方向幅の６５〜８５％を被覆即ちカバーしている。透磁性金属板２０は，フェライト，マルテンサイト系ステンレススチール又は炭素鋼から作製されている。また，非透磁性金属板２１は，オーステナイト系ステンレススチールから作製されている。円筒状スリーブ１６は，透磁性金属板２０と非透磁性金属板２１とが交互に配設して溶着部３４で互いに溶接によって接合され（図５，図６），透磁性金属板２０と非透磁性金属板２１とが交互に周方向に位置するように円筒状に成形して作製されている。また，１つの永久磁石片１９の円弧面の外周面２７が対応する透磁性金属板２０には，ステータ４の櫛部１０が３個程度対応して位置し，永久磁石部材５の磁束が透磁性金属板２０に集まる構造に構成されている。

風力発電・電動機６０は，ステータ４とロータ３との間でステータ４に対して相対回転移動即ち揺動可能に配置された磁束密度を調整して電圧を制御する磁束制御籠７，磁束制御籠７をステータ４に対してロッド２６を介して揺動させるアクチュエータ２５，及びロータ３の回転速度に応答して磁束制御籠７の揺動量を制御するコントローラ６９を有する。磁束制御籠７は，外周側がステータ４の櫛部１０と同数であって凹部１２で隔置され且つ櫛部１０に接触可能な透磁性突起部である透磁部即ち歯部８と，内周側で歯部８を互いに連繋する円筒部９とから構成されたリング状連続体に形成されている。また，磁束制御籠７は，図４及び図５に示すように，ステータ４の櫛部１０側に位置する周方向に順次配列された歯部８と，ロータ３側に位置して歯部８が一体に構成された連続体の円筒部９とから形成されている。櫛部１０には周方向両端に実質的に４５°のチャンファ５１が施され，また，歯部８には周方向両端に実質的に４５°のチャンファ５０が施されている。磁束制御籠７は，透磁性の珪素鋼板，ニッケル−鉄系合金板の板材を積層して構成され，板材は樹脂材又はセラミックス材の絶縁部材によって接着されている。また，磁束制御籠７の歯部８は，周方向に隔置して配置され且つステータ４の櫛部１０間のスロット部１１の幅より小さい幅を有する概略断面四角形状に形成され，歯部８の外面２３が櫛部１０の内面２４に対向状態に接触可能に構成されている。また，ステータコア１５の櫛部１０には，その内周端面の角部にチャンファ５１が形成されており，また，磁束制御籠７の歯部８には，その外周端面の角部にチャンファ５０が形成されている。更に，磁束制御籠７は，歯部８と円筒部９との境界における磁束の流れをスムースにするため，歯部８に形成された凹部１２の角部がＲ部に形成されている。磁束制御籠７の歯部８は，ロータ３側の内側部が周方向に幅広になる張り出し部となるＲ部に形成されている。従って，磁束制御籠７の円筒部９は，永久磁石部材５からの磁束の流れをスムーズにして磁束の漏れを低減する集磁部として機能する。

コントローラ６９は，磁束制御籠７のステータ４に対する揺動によって，歯部８の外面２３と，櫛部１０の内面２４との対向面積即ち接触面積との量を制御するように構成されている。コントローラ６９の指令によってアクチュエータ２５を作動してロッド２６のピニオン２９に螺合した磁束制御籠７に設けたラックが揺動し，磁束制御籠７がステータ４に対して相対揺動すると，歯部８の外面２３と櫛部１０の内面２４との密接状態は調整され，磁束制御籠７の歯部８からステータコア１５の櫛部１０へ流れる磁束が制御されることになる。例えば，コントローラ６９は，ロータ３の低速時には，図４に示すように，アクチュエータ２５を作動して歯部８と櫛部１０との合口が整合状態になる制御を行い，また，ロータ３の高速時には，図５に示すように，アクチュエータ２５を作動して歯部８を櫛部１０間のスロット部１１へと移動させ，櫛部１０との対向面積を低減させる制御を行う。また，コントローラ６９は，ロータ３のステータ４に対する回転速度，即ち，周波数ｆとステータ４の櫛部１０を流れる磁束φとの積（＝ｆ×φ）が一定になるように，アクチュエータ２５によって磁束制御籠７を揺動させて予め決められた所定の一定の電圧を発電させる制御を行う。コントローラ６９の制御によって磁束制御籠７が移動して磁束制御籠７の歯部８がステータコア１５の櫛部１０間に位置した状態では，図５に示すように，櫛部１０のチャンファ５１と歯部８のチャンファ５０との間には，高精度に隙間Ｓが形成されことになり，ロータ３からステータ４へ流れる磁束は最も抑制される状態になる。従って，このような磁束制御形の発電機で，電圧を一定にし，インバータを用いて駆動に必要な周波数の電流を作ることにより，直接，永久磁石式電動機を作動させた方が効率的であることが多い。

次に，図１０〜図１２に示す処理フロー図を参照して，風力発電・電動機６０のシステムの作動について説明する。風力発電・電動機６０は，翼車である風車５２の回転シャフト５６に設けた出力歯車５８に入力歯車４７が噛み合って取り付けられており，風力により発電駆動される。
まず，風力発電・電動機６０をＯＮし，風速計８２で測定した現在の風速Ｖが２ｍ／ｓより速いか否かを判断し（Ｓ１），風速Ｖが２ｍ／ｓより速くない時には駆動状態をΔｔ保持し（Ｓ２），風力発電・電動機６０を発電させることができない風力であるので，所定時間経過後に処理をステップＳ１に戻す。風速Ｖが２ｍ／ｓより速い時には，風速Ｖが１５ｍ／ｓ以下か否かを判断し（Ｓ３），風速Ｖが１５ｍ／ｓ以下の時には，風力発電・電動機６０のブレーキ５４を解除し（Ｓ４），風力発電・電動機６０にバッテリ７１からの電流を供給して起動モータとして駆動する（Ｓ５）。そこで，風車５２の回転速度が４０ｒｐｍ以上になったか否かを判断し（Ｓ６），風車５２の回転速度が４０ｒｐｍ以上にならない時には，風力発電・電動機６０が故障している可能性があるので，異常信号を発する（Ｓ８）。風車５２の回転速度が４０ｒｐｍ以上である時には，起動モータをＯＮして駆動した時間を積算し（Ｓ７），積算時間ｔ１が６０ｓｅｃ以上であるか否かを判断する（Ｓ９）。積算時間ｔ１が６０ｓｅｃ以上にならない場合には起動モータを再度ＯＮするため，処理をステップＳ５に戻す。起動モータの駆動時間が積算時間ｔ１が６０ｓｅｃ以上になっていると，風力発電・電動機６０へのバッテリからの電流供給を停止して起動モータを停止する（Ｓ１０）。

ステップＳ３において，風速Ｖが１５ｍ／ｓ以上の時には，風速１５ｍ／ｓ以上が連続して吹く時間ｔ３を積算し（Ｓ１１），積算間ｔ３が５ｓｅｃ以上になったか否かを判断し（Ｓ１２），積算間ｔ３が５ｓｅｃ以上でない時にはステップＳ１に戻って処理を繰り返し，積算間ｔ３が５ｓｅｃ以上の時には，風車５２のブレーキ５４を所定時間，例えば，２０秒間だけ作動する（Ｓ１３）。次いで，風速Ｖが７ｍ／ｓ以下であるか否かを判断し（Ｓ１４），風速Ｖが７ｍ／ｓ以下である時には，ブレーキ５４を解除し（Ｓ１４Ａ），処理は図１１に示すステップＳ１６に進んで処理を続ける。風速Ｖが７ｍ／ｓ以下でない時には，風車５２の回転数Ｎが一旦Ｎ＝０になるまで，風車５２にブレーキ５４をかけて風車５２を停止させ（Ｓ１５），回転数Ｎが０になるまで処理をステップＳ１３に戻してブレーキ５４をかけ，風車５２の回転数Ｎが０になれば，処理をステップＳ１に戻して繰り返す。

ステップＳ１０において，起動モータを停止し，次いで，風車５２の回転速度Ｎが１５０ｒｐｍ以下であるか否かを判断する（Ｓ１６）。風車５２の回転速度Ｎが１５０ｒｐｍ以下である時には，風力発電・電動機６０のロータ３の回転がスムーズになり，発電能力を有する状態になったので，巻線１４のスイッチをＯＮし，風力発電・電動機６０の発電状態に切り換え，第１巻線３８と第２巻線３９とを直列に結線した多巻き巻線の出力端子８１から引き出されたライン７７Ｕ，７７Ｖ，７７Ｗに設けたＵ相，Ｖ相及びＷ相の各スイッチ７６Ｕ，７６Ｖ相，７６Ｗ（総称は７６）をＯＮし，巻線１４の中間から引き出されたライン７８Ｕ，７８Ｖ，７８Ｗに設けたＵ相，Ｖ相及びＷ相の各スイッチ７５Ｕ，７５Ｖ相，７５Ｗ（総称は７５）をＯＦＦする（Ｓ１７）。風力発電・電動機６０は風力による発電状態になるので，その時の風速Ｖ１を読み取ると共に，風速Ｖ１に対する風車５２の持つ正味出力値Ｗ_NET を読み取り，その時の風力発電・電動機６０の実出力値Ｗ_E を計算する（Ｓ１８）。

ステップＳ１６において，風車５２の回転速度Ｎが１５０ｒｐｍ以下でない時には，風力発電・電動機６０を発電駆動するには風速Ｖが速過ぎるので，風力発電・電動機６０における巻線１４の切換えを行う必要があるので，まず，風車５２の回転速度Ｎが２３０ｒｐｍ以下であるか否かを判断する（Ｓ２１）。風車５２の回転速度Ｎが２３０ｒｐｍ以下である時には，巻線１４のスイッチ７５，７６を切り換える制御を行うため，第１巻線３８と第２巻線３９の直列結線，即ち多巻き巻線から引き出したライン７７に設けたＵ相，Ｖ相及びＷ相の各スイッチ７６をＯＦＦし，巻線１４の中間から引き出されたライン７８に設けたＵ相，Ｖ相及びＷ相の各スイッチ７５をＯＮする（Ｓ２３）。次いで，ステップ１８の処理，即ち，その時の風速Ｖ１を読み取ると共に，風速Ｖ１に対する正味出力値Ｗ_NET を読み取り，その時の電圧，電流の実出力値Ｗ_E を読み取る。また，風車５２の回転速度Ｎが２３０ｒｐｍ以下でない時には，風速Ｖが速過ぎるので，初期状態，即ち，磁路空隙を最小に戻し（Ｓ２２），処理を図１２に示すステップＳ２２Ａに進んで処理を続ける。ステップＳ２２Ａにおいて，風車５２の回転速度Ｎが２３０ｒｐｍより小さいか否かを判断し，風車５２の回転速度Ｎが２３０ｒｐｍより小さい時にはステップＳ２３に進んで処理を行う。また，風車５２の回転速度Ｎが２３０ｒｐｍより大きい時には，ブレーキ５４を２０秒間だけＯＮしてブレーキをかけ（Ｓ２２Ｂ），次いで，風車５２の回転速度Ｎが０になったか否かを判断し（Ｓ２２Ｃ），回転速度Ｎが０になっていない時には，ステップＳ２２Ｂに戻って再度ブレーキをかけ，また，回転速度Ｎが０になった時には，処理をステップＳ１に戻って処理を繰り返す。

ステップＳ１８で読み取った風力発電・電動機６０の実出力値Ｗ_E が風車５２の持つ正味出力値Ｗ_NET より大きいか否かを判断し（Ｓ１９），実出力値Ｗ_E が正味出力値Ｗ_NET より大きい時には，発電電圧を低減させるため，磁束制御籠７の移動角を５°側に移動させ，ステータ４の櫛部１０と磁束制御籠７の歯部８との磁路空隙を大きくし，ステータ４を通る磁束を抑制し（Ｓ２０），次いで回転速度Ｖが１０ｒｐｍ以上であるか否かを判断し（Ｓ２０Ａ），回転速度Ｖが１０ｒｐｍ以上であれば，図１２に示すステップＳ２６に進み，また，回転速度Ｖが１０ｒｐｍ以下であれば，ステップＳ１に戻って処理を繰り返す。実出力値Ｗ_E が正味出力値Ｗ_NET より大きくない時には，発電電圧を低減させる必要がないので，磁束制御籠７の移動角を０°側に移動させ，ステータ４の櫛部１０と磁束制御籠７の歯部８との磁路空隙を小さくする（Ｓ２４）。次いで，実出力値Ｗ_E が正味出力値Ｗ_NET ×０．９より小さいか否を判断する（Ｓ２５）。Ｗ_E が正味出力値Ｗ_NET ×０．９より小さくない場合には，小さくなるように制御するため，再度，磁束制御籠７の移動角を０°側に移動させる（Ｓ２４）。Ｗ_E がＷ_NET ×０．９より小さい時には，その時に磁路空隙を維持するため，磁束制御籠７を固定し，所定の時間ｔ２，例えば，５秒間経過するのを待つ（Ｓ２７）。

ステップＳ２０において，磁束制御籠７の移動角を５°側に移動させ，Ｗ_E がＷ_NET より小さいか否かを判断する（Ｓ２６）。Ｗ_E がＷ_NET より大きい時には，図１に示すステップ２０に進み，磁束制御籠７の移動角を５°側に移動させる処理をする。また，Ｗ_E がＷ_NET より小さい時には，その時に磁路空隙を維持するため，磁束制御籠７を固定し，所定の時間，ｔ２秒間，例えば，５秒間経過するのを待つ（Ｓ２７）。所定の時間ｔ２が５秒間経過したか否かを判断し（Ｓ２８），磁束制御籠７の固定状態が所定の時間ｔ２が経過した時には，風速Ｖを測定し（Ｓ２９），ロータ３の軸速度Ｎ_S を測定する（Ｓ３０）。次いで，コントローラ６９は，β・Ｖ・αを演算する（Ｓ３１）。ここで，βは周速比，αは３０／π・ｒ，ｒは風車５２の半径である。β＝〔２πｒ・（Ｎ／６０）〕／Ｖ＝π・ｒ・Ｎ／30・Ｖ
従って，風速Ｖの時，風車５２の最適な回転速度即ち回転数Ｎは，上式より次式になる。Ｎ＝β・３０・Ｖ／π・ｒ＝β・Ｖ・α
現在の軸回転数がＮｓであり，理想の回転数がＮｓの場合，最適に移動させる手段となる。

風力発電・電動機６０は，コントローラ６９が上記のように演算した後に，ロータ３の軸速度Ｎ_S がβ・Ｖ・α×１．１がより大きいか否かを判断する（Ｓ３２）。ロータ３の軸速度Ｎ_S がβ・Ｖ・α×１．１がより大きい時には，磁束制御籠７による磁束抑制を低減するため，磁束制御籠７の移動角を０°側にΔθだけ移動させる（Ｓ３３）。次いで，ロータ３の軸速度Ｎ_S がβ・Ｖ・αがより小さいか否かを判断し（Ｓ３４），軸速度Ｎ_S がβ・Ｖ・αがより小さいならば，磁束制御籠７による磁路空隙が適正になっているので，磁束制御籠７の移動を停止させ，その磁路空隙を所定時間，例えば，１０秒間固定し（Ｓ３５），次いで，処理を図１１に示すステップＳ１６に戻して，上記各処理を繰り返す。

ステップＳ３２において，軸速度Ｎ_S がβ・Ｖ・α×１．１がより大きくない場合には，軸速度Ｎ_S がβ・Ｖ・α×０．９がより小さいか否かを判断する（Ｓ３６）。軸速度Ｎ_S がβ・Ｖ・α×０．９がより小さい時には，軸速度Ｎ_S による発電が大き過ぎるので，磁束制御籠７による磁束制御をするため，磁束制御籠７を磁路空隙が５°側へ移動角Δθだけ移動させる（Ｓ３７）。次いで，軸速度Ｎ_S がβ・Ｖ・αがより大きいか否かを判断する（Ｓ３８）。軸速度Ｎ_S がβ・Ｖ・αがより大きい時には，軸速度Ｎ_S は，β・Ｖ・α×１．１〜β・Ｖ・α×０．９の範囲であるので，磁束制御籠７の磁束制御が適正であるので，磁束制御籠７を停止させて磁路空隙を固定し，所定の時間，例えば，１０秒間保持する（Ｓ３９）。また，軸速度Ｎ_S がβ・Ｖ・α×１．１より大きくない時には，更に磁束制御籠７を磁路空隙が５°側へ移動角Δθだけ移動させる処理を繰り返す（Ｓ３７）。ステップＳ３６において，軸速度Ｎ_S がβ・Ｖ・α×０．９がより小さいない時には，軸速度Ｎ_S は，β・Ｖ・α×１．１〜β・Ｖ・α×０．９の範囲であるので，磁束制御籠７の磁束制御が適正であるので，磁束制御籠７を停止させて磁路空隙を固定し，所定の時間，例えば，１０秒間保持し（Ｓ３９），次いで，処理を図１１に示すステップＳ１６に戻して処理を続行する。

次に，図８及び図９を参照して，この発明による風力発電・電動機６０で発電した出力と，従来の発電機で発電した出力とをグラフで対比して説明する。図８には，本風力発電・電動機６０のシステムを用いて発電した時のロータ３の回転速度（回転数）に対する風車５２と本風力発電・電動機との出力が示されている。図９には，従来の発電機を用いて発電した時のロータの回転速度（回転数）に対する風車５２と従来の発電機との出力が示されている。

本発明による風力発電・電動機６０は，図８に示すように，巻線１４が巻き数が異なる巻線，即ち，第１巻線３８と第２巻線３９とを直列に結線した多巻き巻線と，第２巻線３９のみの少巻き巻線とから構成されている。コントローラ６９は，ロータ３即ち風車５２の回転速度が所定の回転数Ｒ１に応答して，巻線１４を多巻き巻線から第２巻線３９のみの少巻き巻線に切り換えると共に，磁束制御籠７による磁路空隙の制御によってステータ４に流れる磁束を制御し，それによって，風速又は風車の回転速度が予め決められた所定の一定電圧で且つ風速に応じた発電をさせることができる。具体的には，回転数Ｒ１より遅い時には，第１巻線３８と第２巻線３９の直列結線の多巻き巻線に切り換えられ，該多巻き巻線で発電を行うと共に，風力発電・電動機６０の出力Ｇ１を風車５２の出力Ｆに磁束制御籠７の制御によって予め決められた一定電圧を発電することができ，発電機能を十分に発揮させることができる。また，風車の回転速度が予め決められた回転数Ｒ１より速い時には，巻線１４は第２巻線３９のみの少巻き巻線で発電を行うと共に，風力発電・電動機６０の出力Ｇ２を風車５２の出力Ｆに磁束制御籠７の制御によって予め決められた一定電圧を発電することができ，発電機能を十分に発揮させることができる。従って，本発明の風力発電・電動機では，風車５２の回転速度に対する発電できる速度範囲が広範囲になり，広範囲の風力を有効に利用することができることになる。

これに対して，従来の発電機は，図９に示すように，巻線の巻き数が一種類であってロータの回転速度に対応して巻線を切り換えていないので，ロータ即ち風車の回転速度が所定の回転数Ｒ３より遅い時には発電機の出力Ｇ３が風車の出力Ｆより低くなってマッチングしておらず，発電ができず出力がでない領域Ｃとなって発電機能を発揮できず，風車の回転速度が所定の回転数Ｒ４より速い時にも発電機の出力Ｇ３が風車の出力Ｆより低くなってマッチングしておらず，発電ができず出力がでない領域Ｅとなって発電機能を発揮できず，また，風車の回転速度が回転数Ｒ３〜Ｒ４の範囲では，発電機の出力Ｇ３が風車の出力Ｆより高くなって発電可能な領域Ｄになり，その時，一定電圧を発電させるために発電機の出力Ｇ３を風車の出力Ｆに合わせるようにブレーキを用いて調整している。従って，従来の発電機では，風車の回転速度に対する発電できる速度範囲が狭くなり，適正な風速Ｖで無ければ発電できない現象が発生している。

この発明による風力発電・電動機は，例えば，個人用，産業用等に利用でき，発電された電力を各種機器の駆動，電灯，照明等の一般消費電力として，或いは電子機器，補機等で消費するのに適用できる。

この発明による風力発電・電動機の一実施例のシステム構成を示す概略説明図である。 図１の風力発電・電動機の概略を示す斜視図である。 図１の風力発電・電動機の一実施例を示す概略断面図である。 図３の風力発電・電動機であって磁束制御籠の歯部をステータの櫛部に整合させた状態を示す断面図である。 図３の永久磁石式発電機における磁束制御籠の作動状態を示し，ステータの櫛部と磁束制御籠の歯部とが整合した磁束を抑制しない状態を示す拡大説明図である。 図３の永久磁石式発電機における磁束制御籠の作動状態を示し，ステータの櫛部と磁束制御籠の歯部とが非整合した磁束を抑制する状態を示す拡大説明図である。 図１の風力発電・電動機に組み込まれた巻線の多巻き巻線と少巻き巻線との切り換えを行う回路図である。 図１の風力発電・電動機によって得られる風速に対する出力の関係を示すグラフである。 従来の風力発電・電動機によって得られる風速に対する出力の関係を示すグラフである。 図１の風力発電・電動機の作動を示す処理フロー図である。 図１の風力発電・電動機の作動を示す図１０の処理に続く処理フロー図である。 図１の風力発電・電動機の作動を示す図１１の処理に続く処理フロー図である。

符号の説明

１ ハウジング
２ 回転軸
３ ロータ
４ ステータ
５ 永久磁石部材
７ 磁束制御籠
８ 歯部
１０ 櫛部
１４ 巻線
１９ 永久磁石片
３８，３８Ｕ，３８Ｖ，３８Ｗ 第１巻線
３９，３９Ｕ，３９Ｖ，３９Ｗ 第２巻線
６０ 風力発電・電動機
６９ コントローラ
７５，７５Ｕ，７５Ｖ，７５Ｗ スイッチ
７６，７６Ｕ，７６Ｖ，７６Ｗ スイッチ
７７，７７Ｕ，７７Ｖ，７７Ｗ ライン
７８，７８Ｕ，７８Ｖ，７８Ｗ ライン
７９，７９Ｕ，７９Ｖ，７９Ｗ 出力端子
８１，８１Ｕ，８１Ｖ，８１Ｗ 出力端子

Claims (4)

1. 風車の回転が伝達される回転軸に設けられ且つ周方向に隔置した永久磁石片を備えた回転数が変動するロータ，前記ロータを回転自在に支持するハウジングに固定され且つ周方向に隔置して立設された櫛部間に巻き上げられた巻線を備えたステータ，及び前記ステータと前記ロータとの間に前記ステータに対して回転可能に設けられ且つ前記ステータを通る磁束を磁路空隙の増減により電圧制御する磁束制御籠を持つ磁束制御機構から成る風力発電・電動機において，
   前記ステータに巻き上げられた前記巻線は，多巻き巻線と少巻き巻線とから構成され，前記多巻き巻線には第１スイッチを介して第１出力ラインが結線され，前記少巻き巻線には第２スイッチを介して第２出力ラインが結線され，コントローラは，風速又は前記風車の回転速度に対応する出力値がマップとして予め記憶しており，前記ロータの回転数及び負荷に応答して前記第１と第２スイッチのＯＮ・ＯＦＦ制御と前記磁束制御籠による前記磁路空隙とを制御して予め決められた所定の一定電圧で且つ風速に応じた発電をさせることを特徴とする風力発電・電動機。
2. 前記風車を初期駆動させるため，前記多巻き巻線に電力を送って直流電動機として作動させることを特徴とする請求項１に記載の風力発電・電動機。
3. 前記コントローラは，前記風車の低速回転に応答して，前記多巻き巻線に接続して前記第１出力ラインから出力させる制御と前記磁束制御籠による前記磁路空隙の制御とを行って前記所定の一定電圧で且つ風速に応じた発電をさせることを特徴とする請求項１又は２に記載の風力発電・電動機。
4. 前記コントローラは，前記風車の高速回転に応答して，前記少巻き巻線に接続して前記第２出力ラインから出力させる制御と前記磁束制御籠による前記磁路空隙の制御とを行って前記所定の一定電圧で且つ風速に応じた発電をさせることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の風力発電・電動機。

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