JP2010207046A - 発電機及びこれを備えた発電システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】マグネットロータとステータコイルとをフラットな形状で発電効率に富んだ磁極構造にすることを特徴としている。このため回転軸を中心に環状に複数のコアレス巻き線を配置し、この巻き線に対向するマグネットロータのN−S磁極を、回転軸を中心に互いに同一磁極が隣接するように配列した複数の永久磁石と、この永久磁石間に磁気的に結合するように配置した軟磁性コア部材の磁極形成面に形成する。そしてこの円環状に複数配列された磁極形成面は互いに隣接するコーナ部が磁気集中しないようにコーナカットした。
【選択図】図3
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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 (8)
- 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され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、回転軸と、この回転軸を中心に環状に配列された複数のN−S磁極で構成され、
前記ステータコイルは、この磁極に対向するように環状に配列された複数のコアレス巻き線で構成され、
前記マグネットロータのN−S磁極は、前記回転軸を中心に互いに同一磁極が隣接するように配列された複数の永久磁石と、この永久磁石間に磁気的に結合するように配置された軟磁性コア部材の磁極形成面に形成され、
この円環状に複数配列された磁極形成面は互いに隣接するコーナ部が磁気集中しないよう
にコーナカットされていることを特徴とする発電機。 - 前記マグネットロータは、4個又は4の倍数個のN−S磁極を形成するように構成され、
前記コアレス巻き線は、3個又は3の倍数個の巻き線で構成され、この巻き線は三相出力端子に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の発電機。 - 前記複数のコアレス巻き線は、総ターン数が大小切換え可能に前記三相出力端子にスイッチング手段を介して接続され、
このスイッチング手段は、前記駆動源からの回転力が大きいときには総ターン数を小さく、回転力が小さいときには総ターン数を大きくするように制御手段に接続されていることを特徴とする請求項2に記載の発電機。 - 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、
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選択するスイッチング手段を備えていることを特徴とする請求項2に記載の発電機。 - 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、
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選択するスイッチング手段を備えていることを特徴とする請求項2に記載の発電機。 - 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負荷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2に記載の発電機。 - 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6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。 - 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負荷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7に記載の発電システム。
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