JP2010207045A - 発電機及びこれを備えた発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】風力、水力などの駆動回転力で発電する際に、その低速回転時にも、高速回転時にも安定した発電力が得られる発電機の提供。
【解決手段】ステータコイルをコアレス巻き線で構成することによって低速回転時のコギングトルクの作用を抑制し、この巻き線のインダクタンスを大小切換え可能に第１スイッチング手段を介して三相出力端子に接続すると共に、この三相出力端子には複数のコアレス巻き線の出力を短絡する第２スイッチング手段を設ける。そして駆動回転軸の回転数を検出する制御手段によって回転軸の過小回転時（低速回転）には第１スイッチング手段でコアレス巻き線のインダクタンスを大きくするように制御し、駆動回転軸の過剰回転時には第２スイッチング手段でマグネットロータに電気ブレーキを作用させるように制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は風力、水力、熱などの流体エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機及びこれを備えた発電システムに係わり、発電機構の改良に関する。

一般に、この種の発電装置は風力、水力、熱なとのエネルギーを電気エネルギーに変換する装置として広く知られている。またその発電原理は電動機と同様な回転ロータを外部エネルギーで回転し、その回転力でコイルに生起した電流を出力する機構も広く知られている。

従来知られている発電機として、例えば特許文献１（特開２００８−０８６１２８号公報）には回転方向に複数の磁極を配列した磁石ロータをハウジングに回転自在に取付け、このハウジング内壁にロータを囲むようにコイル枠を配列し、このコイル枠に巻き線を巻回して発電部を構成している。そしてこの巻き線は３個又はその倍数で三相交流電流が得られるようにしている。

特許文献１に開示されている界磁型の同期発電機にあっては、コアに巻回したコイルに起電力を生じさせているため、過小回転時或いは起動時には大きな磁場引力が働いて大きな抵抗（コギングトルク）が作用する。このため、微風時には有効な発電をすることができない。またコイルに起電力を生起する際に発生する熱を効率よく放熱しなければならことも知られている。

また、風力発電などで強風時には回転軸が高速回転するため機械的な強度から回転軸或いはこれに取付けられたブレードが破壊されることがあり、回転軸にメカ的なブレーキ装置を設けることも知られている。また高速回転時にはコイルに誘導リアクトルが作用する問題が生ずる。

そこで上述のコギングトルクを小さくするためコアレスコイルを用いる方法が例えば特許文献２（特開２００２−３２０３６４号公報）に提案されている。同公報にはマグネットロータを、回転軸を中心に複数の磁極を同心円上に配列し、この磁極に並行に複数の巻き線を配列してコイル層を形成する発電機構が提案されている。

特開２００８−０８６１２８号公報（図８） 特開２００２−３２０３６４号公報（図５，６）

上述のように風力、水力などでマグネットロータを回転駆動してステータコイルに電力を生じさせる際に、出力として三相交流電力を得るには同期型発電が例えば特許文献１などで知られている。従来この同期型発電機では風力などの回転力が微少なときには低速回転する駆動回転軸にコギングトルクが作用して安定した電力が得られないことが知られている。また同様に風力などの回転力が過大となると回転軸は過剰高速回転となる。このように出力する電力が電力系統に接続されている場合には入力源の回転速度が同期速度より低下すれば周波数が低下し、回転速度が同期速度より高速となれば周波数が増大し安定した電力が得られない問題が生ずる。

そこで駆動回転軸の低速回転時のコギングトルクを小さくするためにコアレスコイルに発電するコアレス発電機構が例えば特許文献１に提案されている。また駆動回転軸の過剰回転時の機械的強度問題或いは周波数変動の問題を解決するために回転軸にメカニカルなブレーキ装置を設けることも知られている。

特許文献１に開示されているコアレス発電機構は図９に示すように円盤形状のコイルフレームに複数のコアレス巻き線１０２ａ、１０２ｂを配列し、このコイルフレームを表裏から挟むように永久磁石１００ａ、１００ｂと１０１ａ、１０１ｂを配列している。そして同図に矢印で示すような磁力線がコイルを過ぎるように構成している。

このような従来のコイルフレームの表裏に一対の永久磁石を対峙させてＮ―S磁極を形成する構造では磁石表面とコイル平面との磁気ギャップＬ１、Ｌ２は磁石の加工精度で設定される。この場合永久磁石として広く使用されている希土類磁石は加工精度に劣りコイル平面との間隔Ｌ１、Ｌ２を微細に機体差なく製作することは困難である。従ってコイルに生起する電力は変換効率の悪いものとなる。またこの磁気特性の問題と同時にコイルに発生する熱は空気中を伝搬してバックヨーク１０３に伝わり、このバックヨークを介してハウジング１０４に設けられた放熱フィンから発散される。このときコイルとバックヨークとの間隔Ｌ３が大きいと放熱効果が得られない。

一方、回転軸の過剰高速回転の問題はメカニカルブレーキ装置と同時に電気ブレーキを作用させることも考えられるが、これらの複数のブレーキ手段は回転軸の回転数（回転状況）に応じて段階的に作用させるために、その制御が困難である。例えば回転軸が高速回転する初期には電気ブレーキを作用させ、許容回転数を超えるときにはメカニカルブレーキをさようさせるなど効果的な制動制御が要求される。

本発明は風力、水力などの駆動回転力で発電する際に、その低速回転時にも、高速回転時にも安定した発電力が得られる発電機の提供をその主な課題としている。
更に本発明は、風力、水力などのエネルギーを三相交流電源に変換することが可能で、特に低速回転時或いは高速回転時にも効率よく発電することが可能な発電システムの提供を課題としている。

上記課題を達成するため本発明は、ステータコイルをコアレス巻き線で構成することによって低速回転時のコギングトルクの作用を抑制し、この巻き線のインダクタンスを大小切換え可能に第１スイッチング手段を介して三相出力端子に接続すると共に、この三相出力端子には複数のコアレス巻き線の出力を短絡する第２スイッチング手段を設けることを特徴としている。そして駆動回転軸の回転数を検出する制御手段によって回転軸の過小回転時（低速回転）には第１スイッチング手段でコアレス巻き線のインダクタンスを大きくするように制御し、駆動回転軸の過剰回転時には第２スイッチング手段でマグネットロータに電気ブレーキを作用させるように制御することを特徴としている。またこの電気ブレーキを作用させるとき同時に巻き線のインダクタンスを回転軸の回転負荷を増大させるようにインダクタンスを大きく設定する制御を特徴としている。

その構造を詳述すると、駆動源から回転力を受けて回転するマグネットロータと、このマグネットロータの磁極に対向配置したステータコイルとから構成される発電機であって、
前記マグネットロータは、ハウジングに回転自在に軸承された回転軸と、この回転軸を中心に同心円上に複数の磁極を形成する永久磁石とで構成し、前記ステータコイルは、前記マグネットロータに形成された磁極と対向するように配置された複数のコアレス巻き線と、
この複数の巻き線に生起した電力を外部に出力する三相出力端子とで構成する。そして前記複数のコアレス巻き線は、インダクタンスが大小切換え可能に前記三相出力端子に第１スイッチング手段を介して接続し、この三相出力端子には前記複数のコアレス巻き線の出力を短絡する第２スイッチング手段を備える。そこで前記駆動回転軸が所定回転数以下の過小回転時には前記第１スイッチング手段で前記コアレス巻き線のインダクタンスを大きくするように制御し、前記駆動回転軸が所定回転数以上の過剰回転時には前記第２スイッチング手段で前記マグネットロータに電気ブレーキを作用させるように制御する制御手段を備える。

本発明は上述のようにステータコイルを複数のコアレス巻き線で構成すると共に、この複数の巻き線を三相出力端子に接続する際に、インダクタンスを大小切換え可能に第１スイッチング手段を介して接続し、この三相出力端子には複数のコアレス巻き線の出力を短絡する第２スイッチング手が備えられているので次の効果を奏する。

駆動回転軸の回転数が過小回転するときにはコアレス巻き線のインダクタンスを大きく設定して所定の電力を巻き線に生起し、回転軸が過剰回転するときにはマグネットロータに電気ブレーキを作用させることによって所定周波数の電力を得ることができ、低速から高速まで発電可能な回転領域を大きく（広く）設定することが可能となる。

更に、駆動回転軸が所定回転数以上に過剰高速回転するときにコアレス巻き線のインダクタンスをスイッチング手段で大きく設定すると同時にこのコイル巻き線の出力を短絡させて電気ブレーキを作用させることによってより大きな制動力を得ることが出来る。

また、マグネットロータを、回転軸を中心に表裏方向に磁界を形成するように磁極を配列し、表裏方向から挟むようにコアレス巻き線を対向配置させ、この表裏一対のコイル体
の出力を短絡するように構成することによって、表裏両方向に電気ブレーキを作用させることができ、より効果的な制動が可能となる。

本発明に係わる発電システムの全体構成の説明図。 図１のシステムに於ける発電機の構成を示し、（ａ）はロータとステータの構成を示す斜視図、（ｂ）はその組み立て状態の断面図。 図２の装置のステータコイルの断面構成を示す説明図。（ａ）（ｂ）（ｃ） 図２の装置においてステータコイルを一層で構成する場合を（ａ）に、ステータコイルを２層で構成する場合を（ｂ）に示す。 図２の装置においてステータコイルのインダクタンスを大小切り換える場合の第１実施形態を示し、（ａ）はコイル結線状態の説明図であり、（ｂ）はコイル構成の斜視図を示す。 図２の装置においてステータコイルのインダクタンスを大小切り換える場合の第２実施形態を示し、（ａ）はコイル結線状態の説明図であり、（ｂ）はコイル構成の斜視図を示す。 （ａ）（ｂ）図２の装置においてステータコイルのインダクタンスを大小切り換えるスイッチング回路の説明図 図２の装置において回転軸の過剰回転時の電気ブレーキの回路説明図。 従来技術の説明図。

以下図示の本発明の好適な実施の態様に基づいて本発明を詳述する。本発明に係わる発電システムは図１にその概要を示すように、［駆動源Ａ］と［発電部Ｂ］と［電力制御部Ｃ］とから構成されている。

［発電システム］
本発明に係わる発電システムは図１にその概要を示すように、［駆動源Ａ］と［発電部Ｂ］と［電力制御部Ｃ］とから構成されている。駆動源Ａは風力、水力、蒸気などの発電源からのエネルギーを回転運動に変換する。図示のシステムは風力発電を示し、駆動源Ａは、タワーフレーム１０と、これに搭載されたナセル１１と、このナセル１１に回転自在に取付けられたブレード（風力羽根）１２とから構成されている。システムの設置条件によって異なるが、タワーフレーム１０は地上の所定高さ位置にブレード１２を位置決めするように堅牢に構成される。このタワーフレーム１０にはナセル１１が風力方向に回転可能に取付けられている。このナセル１１には駆動回転軸１３とハブ１４と増速機１５と発電機２０（後述する発電部Ｂ）が内蔵されている。

上記駆動回転軸１３にはハブ１４が設けられ、このハブ１４にブレード１２が固定されている。ブレード１２は風力を回転力に変換する効率の優れた羽根形状に構成されている。そしてこのブレード１２で回転する駆動回転軸１３には増速機１５とブレーキ１６を介して発電機２０に連結される。図示１７は風力計であり、その時点の風力を測定し制御部（後述する）に伝達する。図示１８は制御盤であり、図示１９は出力部Ｃの高圧配電線である。

このようにタワーフレーム１０に搭載されたブレード１２は風力を受けて回転し、その回転力を駆動回転軸１３に伝達する。この駆動回転軸１３には増速機１５を介して発電機２０が連結され、風力エネルギーを電気エネルギーに変換する。発電機２０で発電された電流は制御盤１８を介して変圧器１９ａから高圧配電線１９に電送される。この高圧配電線１９は通常三相交流電送線で構成される。

［制御盤の構成］
上述のように構成された発電システムでは、後述する発電機２０としては三相交流発電が通常の商用送電システムから要求される。この発電機２０の構成については後述するが上記制御盤１８は次の２つの機能を果たすように構成されている。第１の働きは発電機２０で発電された電力を、所定電圧に昇圧して高圧配電線１９に送電するか或いは一時的に蓄電池（不図示）に蓄える。また第２の働きは、前述のタワーフレーム１０に設けた風力計１７の回転数を検出して風力が全運転範囲内であるか否かを判断する。この制御手段（制御盤）１８は例えば制御ＣＰＵ或いは電気回路（ロジック回路）で次のような判断を実行し制御する。風力計１７の回転数が予め設定した許容最大値（Ｒｍａｘ）以上と判断したときは前記ブレーキ（例えば機械的ブレーキ機構）１６を作動してブレード１２の回転数を逓減する。これによってブレード１２或いはナセル１１の破損を未然に防止する。

［発電機］
前述の駆動回転軸（以下「回転軸」という）１３には発電機２０と、エンコーダ３０が内蔵されている。発電機２０は回転軸１３の回転を電気エネルギーに変換し、エンコーダ３０は回転軸１３の回転数を検出して制御する。発電機２０は図２（ｂ）に示すようにハウジング２１に回転軸１３を軸受け２３ａ、２３ｂで軸支持する。この回転軸１３には円盤形状のロータフレームＲｆが図２（ａ）のように一体的に取り付けられている。このロータフレームＲｆは例えば合成樹脂で金属製の回転軸１３をインサート成形で一体形成する。これと同時に円盤形状を形成するロータフレームＲｆには磁石ＭｇとコアＲｃが一体的に埋設されている。図示のものはマグネットロータ２４に８極の磁極Ｍｎ１〜Ｍｎ８を形成する場合を示している。

つまり円盤形状のロータフレームＲｆには４５度間隔で８個所にＮ−Ｓ磁極が形成されている。この磁極Ｍｎ１〜Ｍｎ８は、図３にその断面を示すように樹脂フレームに永久磁石Ｍｇ（Ｍｇ１〜Ｍｇ８）が図６（ｂ）（磁極配列図）で後述するように互いに同極同士が隣り合うように円環形状に配列されている。そして隣り合う磁極は軟磁性コア部材Ｒｃで磁気的に連結されコア表裏面にＮ極又はＳ極を形成するように配列されている。

上記軟磁性コア部材Ｒｃ（図示のものはＲｃ１〜Ｒｃ８）は環状に配置された永久磁石Ｍｇ（Ｍｇ１〜Ｍｇ８）の間に配列され、鉄などの軟磁性材料で構成されている。この軟磁性コア部材Ｒｃは上記永久磁石Ｍｇと互いに当接して磁気的に接合されている。これによって軟磁性コア部材Ｒｃの表面と裏面には磁極形成面Ｍｆ（Ｍｆ１〜Ｍｆ８）が形成され、この面に磁極Ｍｎ１〜Ｍｎ８が形成される。この磁極Ｍｎは後述するステータコイル２５の巻き線Ｃｏ１〜Ｃｏ６と対向する位置に配置されている。

そして軟磁性コア部材Ｒｃの磁極形成面Ｍｆは図２に示すように回転軸１３を中心に同一円心上にＮ−S−Ｎ−Sのように配列される。このとき磁極形成面Ｍｆのコーナ部が鋭角形状に尖っているとこのコーナに磁気集中し、隣接する磁極との間に漏洩磁界が生ずる。この磁気集中を避けるために軟磁性コア部材Ｒｃの磁極形成面Ｍｆはコーナカットされている。図３（ｂ）にはコーナカットを隅丸形状に形成した場合を、また図３（ｃ）にはコーナカットを隅角形状に形成した場合を示し、いずれも磁極形成面Ｍｆに形成した磁極から隣接する他の磁極形成面の磁極に磁界が漏洩しないような形状に構成されている。

このようにマグネットロータ２４はロータフレームＲｆと、永久磁石Ｍｇと、コアＲｃ
で円盤形状に構成され、その表裏面に所定間隔（図示のものは４５度間隔）で磁極Ｍｎ
を形成する。図示のものは交流発電を示す関係で４極若しくはその倍数で構成される。

上述のマグネットロータ２４に対向してステータコイル２５がハウジング２１に内蔵される。ステータコイル２５は図２に示すようにマグネットロータ２４に形成された磁極Ｍｎ１〜Ｍｎ８に対向するように３つ又はその倍数（図示のものは６個）の巻き線Ｃｏ１〜Ｃｏ６で構成される。このステータコイル２５は樹脂などで円盤形状に形成したコイルフレームＣｆ１、Ｃｆ２に複数の巻き線が巻回された状態で埋設されて一体化されている。
このステータコイル２５は図４に示すようにマグネットロータ２４の表面側１個所に配置された第１コイル体ＣＲ１で構成される場合（図４（ａ）参照）と、マグネットロータ２４の表裏面２個所に配置された第１コイル体ＣＲ１と第２コイル体ＣＲ２で構成される場合（図４（ｂ）参照）がある。前者のコイル１層構造の場合には小型コンパクトに構成できる特徴がある。また後者のコイル２層構造の場合には大出力に構成できる特徴がある。

以上のように本発明のマグネットロータ２４とステータコイル２５とは磁極対コイル巻き線が４対３の関係で構成され三相交流電気を出力するように構成されている。そこで本発明はこのように構成されたステータコイル２５のインダクタンスを大小可変調整することを特徴としている。このため前述の回転軸１３にはその回転数を検出するエンコーダ３０とセンサＳｅが設けられている。

上記ステータコイル２５のインダクタンスを可変する構成について説明する。ステータコイル２５を同一構造（同一インダクタンス）の第１コイル体ＣＲ１と第２コイル体ＣＲ２で構成する場合を第１実施形態として、異なるインダクタンスの第１コイル体ＣＲ１と第２コイル体ＣＲ２で構成する場合を第２実施形態として説明する。

［第１実施形態］
図５（ａ）（ｂ）に示すように、マグネットロータ２４は、例えば８極（４の倍数極）にＮ―Ｓ極を環状に交互に配置した磁極Ｍｎ１〜Ｍｎ８と、回転軸１３とから構成されている。図示ｘ―ｘは回転中心を示す。そしてステータコイル２５はマグネットロータ２４の表面側に第１コイル体ＣＲ１が、裏面側に第２コイル体ＣＲ２が同一構造で配置されている。この第１第２コイル体ＣＲは図５（ｂ）に示すように６個の巻き線Ｃｏ１〜Ｃｏ６で構成され、同一位相の起電力が生ずるＣｏ１とＣｏ４、Ｃｏ２とＣｏ５、及びＣｏ３とＣｏ６は電気的に結線されている。このような第１、第２コイル体ＣＲ１、ＣＲ２が図５（ａ）に示すようにスイッチング手段３５で結線されている。そしてこのスイッチング手段３５は同図Ｓａで示す方向に結線されたときインダクタンス大に設定され、同図Ｓｂで示す方向に結線されたときインダクタンス小に設定されている。

［第２実施形態］
図６（ａ）（ｂ）に示すように、マグネットロータ２４は、例えば８極（４の倍数極）にＮ―Ｓ極を環状に交互に配置した磁極Ｍｎ１〜Ｍｎ８と、回転軸１３とから構成されている（第１実施形態と同一構成）。そしてステータコイル２５はマグネットロータ２４の表面側に第１コイル体ＣＲ１が、裏面側に第２コイル体ＣＲ２が配置されている。この第１コイル体ＣＲ１はＣｏ１、Ｃｏ２、Ｃｏ３とＣｏ４、Ｃｏ５、Ｃｏ６で構成され、同一位相の起電力が生ずるＣｏ１とＣｏ４、Ｃｏ２とＣｏ５、及びＣｏ３とＣｏ６は電気的に結線されている。

一方第２コイル体ＣＲ２は３個の巻き線Ｃｏ１〜Ｃｏ３で構成されている。このような第１、第２コイル体ＣＲ１、ＣＲ２が図６（ａ）に示すようにスイッチング手段３６で結線されている。そしてこのスイッチング手段３６は同図Ｓａで示す方向に結線されたとき第１コイル体ＣＲ１に生起する電力が出力され、インダクタンス大に設定される。また同図Ｓｂで示す方向に結線されたとき第２コイル体ＣＲ２に生起する電力が出力され、インダクタンス小に設定される。

［制御手段の構成］
上述のように構成されたステータコイル２５はスイッチング手段３５、３６（以下「第１スイッチング手段ＩＳＷ」という）でインダクタンスが大小に切り換えられることとなるが、その制御構成について説明する。前述のナセル１１内に内蔵されている制御ＣＰＵ３１は、エンコーダ３０から検出された回転数若しくは風力計１７から検出された回転数が予め設定された回転数Ｒｘ以下のときスイッチング手段３５（３６）をＳａ側に切り換えてインダクタンスを大に設定する。同様に回転数が予め設定された回転数Ｒｘ以上となったときスイッチング手段３５（３６）をＳｂ側に切り換えてインダクタンスを大から小に切り換える。

上記第１スイッチング手段ＩSＷの具体的な構成について説明する。この第１スイッチング手段ＩSＷ（前述のスイッチング手段３５、３６）は、前述の第１コイル体ＣＲ１の巻き線Ｃｏ１〜Ｃｏ６と、第２コイル体ＣＲ２の巻き線Ｃｏ１〜Ｃｏ６と出力線とをスイッチングすることによって発電に供するコイルのインダクタンス値を大小変更する。そのスイッチング構成を図７に従って説明する。

図７（ａ）は発電に供するコイルを第１コイル体ＣＲ１のみのときと、第１第２コイル体ＣＲ１、ＣＲ２のときとでスイッチングする場合を示している。前述のマグネットロータ２４の表面（図２上面）側に対向配置された第１コイル体ＣＲ１は巻き線Ｃｏ１〜Ｃｏ８（４の倍数個）で構成され、巻き線Ｃｏ１とＣｏ４、Ｃｏ２とＣｏ５、Ｃｏ３とＣｏ６は同位相に配置されている。そこで巻き線Ｃｏ１とＣｏ４で第１相（Ｕ相）が、巻き線Ｃｏ２とＣｏ５で第２相（Ｖ相）が、巻き線Ｃｏ３とＣｏ６で第３相（Ｗ相）がそれぞれ三相交流端子に接続される。

そこで第１コイル体ＣＲ１と第２コイル体の結線部にスイッチング手段ＩSＷ１（第１相出力端子部）、ＩSＷ２（第２相出力端子部）、ＩSＷ３（第３相出力端子部）が設けてある。そして図示しない制御手段（制御ＣＰＵなど）でＩSＷ１、ＩSＷ２、ＩSＷ３を同時にＯＮ−ＯＦＦ制御して三相出力端子に第１コイル体ＣＲ１のみから電力が出力される場合と、第１コイル体ＣＲ１と第２コイル体ＣＲ２の双方から出力される場合に切り換える。これによって前者はインダクタンスが小さく、後者はインダクタンスが大きく設定される。そこで制御手段は回転軸１３の回転数を例えば前述のエンコーダ３０のセンサSｅからの信号で回転軸１３の回転数が予め設定され記憶手段に記憶されている基準回転数（許容最小回転数）より低速となったとき、スイッチング手段ＩSＷでインダクタンス値を大きく設定する。

図７（ｂ）にはスイッチング手段ＩSＷ１〜ＩSＷ３は、第１コイル体ＣＲ１を３個の巻き線Ｃｏ１、Ｃｏ２、Ｃｏ３で構成するか、６個の巻き線Ｃｏ１〜Ｃｏ６で構成するかを切り換えることによって発電に供するコイルの総巻き線数を変更する場合を示す。第１相（Ｕ相）の出力端子にスイッチング手段ＩSＷ１を介して同位相に位置する巻き線Ｃｏ１とＣｏ４の一方が接続される場合と、双方の巻き線Ｃｏ１、Ｃｏ４が接続される場合でインダクタンス値が切り換えられる。

同様に第２相（Ｖ相）の出力端子にスイッチング手段ＩSＷ２を介して同位相に位置する巻き線Ｃｏ２とＣｏ５の一方が接続される場合と、双方の巻き線Ｃｏ２、Ｃｏ５が切り換え接続される。また同様に第３相（Ｗ相）の出力端子にスイッチング手段ＩSＷ３を介して同位相に位置する巻き線Ｃｏ３とＣｏ６の一方が接続される場合と双方が切り換え接続される。尚図７（ａ）（ｂ）にはＹ−Ｙ結線の場合を示したが、デルタ結線あるいはＶ結線であっても同様にインダクタンス値の切り替えが可能であり、図示Ｎ結線は中間線である。

［電気ブレーキの構成］
前述のステータコイル２５には回転軸１３が過剰に高速回転するとき、電気ブレーキが作用するようになっている。その構成を図８に従って説明する。前述のステータコイル２５は図８に示すように第１コイル体ＣＲ１と第２コイル体ＣＲ２で構成され、第１スイッチング手段ＩSＷでインダクタンスが大小に切り換えられるようになっている。このコイル体ＣＲ１、ＣＲ２は三相出力端子ＯＰ１、ＯＰ２、ＯＰ３に接続されている。そしてこの出力端子ＯＰは充電器３２に接続され、この充電器３２から外部電送線に接続されている。図示３３は整流器であり、３４は負荷抵抗である。この出力端子ＯＰには第２スイッチング手段ＢSＷ１、ＢSＷ２、ＢSＷ３が設けられ、オープン状態のときには第１コイル体ＣＲ１、第２コイル体ＣＲ２に生起された電力は同図実線矢印の方向に端子から電力を外部電送線に送出する。そこでこの第２スイッチング手段ＢSＷをクローズすると短絡回路が構成され第１第２コイル体ＣＲ１、ＣＲ２から回転軸１３には電気ブレーキが作用する。

そこで図示しない制御手段は回転軸１３が過剰に高速回転する状態をエンコーダ３０のセンサＳｅから検出した回転数が予め設定され、記憶されている許容最大回転数に達すると第２スイッチング手段ＢSＷをオープン状態からクローズ状態に切り換える。すると回転軸１３には電気ブレーキが作用する。この場合制御手段は第１コイル体ＣＲ１（又は第２コイル体ＣＲ２）のみに電気ブレーキが作用するようにスイッチングするか、或いは第１コイル体ＣＲ１と第２コイル体ＣＲ２の双方に電気ブレーキが作用するように切り換え可能に構成することも可能である。

更に、制御手段は回転軸１３が過剰に高速回転するとき前述の第１スイッチング手段ＩSＷで発電に供するコイルのインダクタンスを小から大に切り換えるのと同時に第２スイッチング手段ＢSＷで電気ブレーキを作用するように制御することがより大きい制動力を得ることが出来る。

Ａ 駆動源
Ｂ 発電部
Ｃ 電力制御部
１０ タワーフレーム
１１ ナセル
１２ ブレード
１３ 駆動回転軸
１４ ハブ
１５ 増速機
１６ ブレーキ
１７ 風力計
１８ 制御盤
１９ 高圧配電線
１９ａ 変圧器
２０ 発電機
２１ ハウジング
２２ 駆動回転軸
２４ マグネットロータ
２５ ステータコイル
３０ エンコーダ
３１ 制御ＣＰＵ
Ｒｆ ロータフレーム
Ｍｎ１〜Ｍｎ８ 磁極
Ｒｃ１〜Ｒｃ８ コア
ｘ―ｘ 回転中心
ＣＲ１ 第１コイル体
ＣＲ２ 第２コイル体
Ｃｏ１〜Ｃｏ６ 巻き線
Ｓｅ エンコータセンサ
ＩSＷ 第１スイッチング手段
ＢSＷ 第２スイッチング手段
３２ 充電器
ＯＰ１〜ＯＰ３ 三相出力端子
３３ 整流器
３４ 負荷抵抗

Claims (7)

1. 駆動源から回転力を受けて回転するマグネットロータと、このマグネットロータの磁極に対向配置したステータコイルとから構成される発電機であって、
   前記マグネットロータは、
   ハウジングに回転自在に軸承された回転軸と、
   この回転軸を中心に同心円上に複数の磁極を形成する永久磁石と、
   で構成され、
   前記ステータコイルは、
   前記マグネットロータに形成された磁極と対向するように配置された複数のコアレス巻き線と、
   この複数の巻き線に生起した電力を外部に出力する三相出力端子と、
   で構成され、
   前記複数のコアレス巻き線は、インダクタンスを大小切換え可能に前記三相出力端子に第１スイッチング手段を介して接続され、
   この三相出力端子には前記複数のコアレス巻き線の出力を短絡する第２スイッチング手段が備えられ、
   前記駆動回転軸が所定回転数以下の過小回転時には前記第１スイッチング手段で前記コアレス巻き線のインダクタンスを大きくするように制御し、
   前記駆動回転軸が所定回転数以上の過剰回転時には前記第２スイッチング手段で前記マグネットロータに電気ブレーキを作用させるように制御する制御手段を備えていることを特徴とする発電機。
2. 前記制御手段は、前記駆動回転軸が所定回転数以上に過剰高速回転するとき前記第１スイッチング手段で前記コアレス巻き線のインダクタンスを小さくすると共に、前記第２スイッチング手段で前記マグネットロータに電気ブレーキを作用させるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の発電機。
3. 前記マグネットロータは、中心に前記回転軸を備えた円盤形状で、表裏方向に磁界を形成するように構成され、
   前記複数のコアレス巻き線は、前記円盤形状の磁極を表裏方向から挟むように対向配置された表裏一対のコイル体を構成し、
   この表裏一対のコイル体は前記三相出力端子に接続されると共に、この三相出力端子には各コイル体の出力を短絡する前記第２スイッチング手段が備えられ、
   前記制御手段は前記駆動回転軸の過剰回転時に前記マグネットロータに表裏面から電気ブレーキを作用させることを特徴とする請求項１に記載の発電機。
4. 前記マグネットロータは、中心に前記回転軸を備えた円盤形状で、表裏方向に磁界を形成するように構成され、
   前記複数のコアレス巻き線は、前記円盤形状の磁極を表裏方向から挟むように対向配置された表裏一対のコイル体を構成し、
   この表裏一対のコイル体は実質的に同一のインダクタンスを有するように構成され、
   前記第１スイッチング手段は、この表裏いずれか一方のコイル体の巻き線を前記三相交流端子に接続するか、又は表裏双方のコイル体の巻き線を前記三相交流端子に接続するか切り換えるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の発電機。
5. 前記マグネットロータは、中心に前記回転軸を備えた円盤形状で、表裏方向に磁界を形成するように構成され、
   前記複数のコアレス巻き線は、前記円盤形状の磁極を表裏方向から挟むように対向配置された表裏一対のコイル体を構成し、
   この表裏一対のコイル体は実質的に異なるインダクタンスを有するように構成され、
   前記第１スイッチング手段は、この表裏いずれか一方のコイル体の巻き線を前記三相交流端子に接続するか、又は表裏双方のコイル体の巻き線を前記三相交流端子に接続するか切り換えるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の発電機。
6. 風力、水力などの外力で回転する駆動回転軸と、
   この駆動回転軸に連結されたマグネットロータと、
   前記マグネットロータの磁極に対向配置それたステータコイルと、
   前記駆動回転軸の回転数を検出する回転数検出手段と、
   から構成され、
   前記マグネットロータと前記ステータコイルとは請求項１乃至５に記載の構成を備えていることを特徴とする発電システム。
7. 前記マグネットロータは、中心に前記回転軸を備えた円盤形状で、表裏方向に磁界を形成するように構成され、
   前記複数のコアレス巻き線は、前記円盤形状の磁極を表裏方向から挟むように対向配置された表裏一対のコイル体を構成し、
   この表裏一対のコイル体は前記三相出力端子に接続されると共に、この三相出力端子には各コイル体の出力を短絡する制御手段が備えられ、
   この制御手段は前記駆動回転軸の過剰回転時に前記マグネットロータに表裏面から電気ブレーキを作用させることを特徴とする請求項６に記載の発電システム。