JP2012107535A - 二軸反転式発電装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来に比べて発電効率が優れた新たな発電装置を提供する。
【解決手段】発電装置は、永久磁石１１を備える回転子１と、起電コイル２１を備える回転子２とを有している。回転子１，２の一方は他方を包囲するように設けられ、各回転子が回転自在に設けられている。また発電装置には、少なくとも一方の回転子の回転方向及び回転速度を制御するための回転制御手段を設け、両回転子間の相対回転速度を自在に調整できるようにする。その具体的手段として、例えば一方の回転軸２４に風力発電用のブレードをピッチ角度変更可能に設ける。このように、自由回転可能な回転子１，２にそれぞれ界磁部及び電機子を設けることにより、従来に比べて発電効率を向上させることができる。また、ブレードのピッチ角度を変更可能にすることで、回転子の回転方向及び回転速度の調整を通じて出力調整を行うことが可能になり、安定した出力を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、界磁部と電機子を備えた発電装置の技術分野に関する。

風力発電等の分野で用いられる発電機は、一般的に、外部の動力源によって回転させる回転子と、その回転子を回転軸周りに取り囲む固定子と、回転子及び固定子の何れか一方に設けられた励磁用の永久磁石と、他方に設けられた電機子巻線とを備えている。

従来から提案されてきた発電機は、いずれも「回転子」と「固定子」の組み合わせからなるものであり、一軸回転式の発電機であるという点でこれらは共通している。本願の発明者は、「回転子と固定子の組み合わせ」という従来の発想を捨て、新規な発想に基づく発電機を発明するに至った。

すなわち、本発明の目的は、界磁部と電機子のそれぞれを別個独立の回転子に備え、二軸反転式とすることにより、従来に比べて発電効率が遥かに優れた新たな発電装置及びその制御方法を提供することにある。

上述した本発明の目的は、永久磁石からなる界磁部を備える第１の回転子と、前記第１の回転子を回転させるための第１の回転軸と、電機子を備える第２の回転子と、前記第２の回転子を回転させるための第２の回転軸と、を有しており、前記第１及び第２の回転子の一方は他方を包囲するように設けられ、各回転子が回転自在に設けられている二軸反転式発電装置によって達成される。

前記二軸反転式発電装置は、前記第１及び第２の回転子の一方に対する他方の相対回転速度を制御するための回転制御手段を有していてもよい。

また前記二軸反転式発電装置は、前記第１及び第２の回転子の少なくとも一方の回転方向及び回転速度を制御するための回転制御手段を有していてもよい。

また前記二軸反転式発電装置は、前記第１の回転軸を流体により回転させるための第１のブレードと、前記第２の回転軸を流体により回転させるための第２のブレードと、を有してもよく、また、前記第１及び第２のブレードの少なくとも一方は、ピッチ角度変更可能に設けられていてもよい。

また前記二軸反転式発電装置は、前記第１の回転子を流体により回転させるための第１のブレードと、前記第２の回転子を流体により回転させるための第２のブレードとの、形状の大きさ、翼面積を変える事により小さいブレードが常に流体の流れ方向に、正対するように構成されてもよい。

また前記二軸反転式発電装置は、前記ブレードのピッチ角度を調整するためのピッチ角度調整機構と、前記電機子からの出力に応じて前記ピッチ角度調整機構を制御するためのピッチ制御手段と、を有していてもよい。

また上述した本発明の目的は、前記電機子からの出力に応じて第１の回転子及び／又は第２の回転子の回転方向及び回転速度を調整して、一方の回転子の他方の回転子に対する相対回転速度を調整する制御方法によって達成される。

また上述した本発明の目的は、前記電機子からの出力が所定の基準値より低い場合には、前記第１及び第２の回転子をそれぞれ異なる方向に回転させ、前記電機子からの出力が所定の基準値より高い場合には、前記第１及び第２の回転子の一方を回転させたまま他方を停止させるか、或いは、前記第１及び第２の回転子をそれぞれ同じ方向に回転させる、制御方法によって達成される。

本発明の発電装置によれば、第１及び第２の回転子がそれぞれ別個独立の回転軸を有しており、また、各回転子がそれぞれ自由回転可能に（正転方向又は逆転方向に自在に回転できるように）設けられている。したがって、第１及び第２の回転子をそれぞれ正転・逆転（又は逆転・正転）させることで、永久磁石に対する電機子の相対回転速度を効率的に上げることができる。その結果、従来のように「固定子に対して回転子を回転させる」構成と比較して、発電効率を大幅に向上させることが可能になる。

また本発明の発電装置によれば、第１及び第２の回転子の一方に対する他方の相対回転速度を制御するための回転制御手段が設けられている。これにより、第１及び第２の回転子の回転速度が変動し易い環境下であっても、両回転子間の相対回転速度を所望の値に設定することができ、その結果、電機子からの出力を最適化することが可能になり、安定した電力を得ることができる。

また本発明の発電装置によれば、第１及び第２の回転子の少なくとも一方の回転方向及び回転速度を制御するための回転制御手段が設けられている。これにより、一方の回転子の回転状況（回転方向・回転速度）にかかわらず、両回転子間の相対回転速度を自在に調整することが可能になる。その結果、電機子からの出力を最適化することが可能になり、安定した電力を得ることができる。

また本発明の発電装置によれば、回転軸に設けられるブレードは、ピッチ角度変更可能に設けられる。これにより、ブレードが受ける流体抵抗を自在にコントロールすることが可能になり、その結果、回転子の回転方向及び回転速度を自在に制御することができる。すなわち、ブレードのピッチ角度を、そのときの流速や流量に応じて、或いは、回転させたい方向に応じて、所望の角度に設定することができる。よって、一方の回転子の回転状況（回転方向・回転速度）にかかわらず、両回転子間の相対回転速度を確実に所望の値に設定することができ、その結果、発電装置の出力を最適化することが可能になる。

また本発明の発電装置によれば、回転軸に設けられるブレードのピッチ角度は、電機子からの出力に応じて調整されるようになっている。これにより、発電装置を例えば風力発電に用いる場合において、風速が頻繁に変動し各回転子の回転速度が安定しない虞があるときでも、両回転子間の相対回転速度を自動的に安定させ、電機子からの出力がほぼ一定になるようにピッチ角度調整を行うことが可能になる。その結果、出力が安定し、品質の良い電力を得ることができる。

また本発明の制御方法によれば、電機子からの出力に応じて、一方の回転子の他方に対する相対回転速度を調整するようになっている。これにより、発電装置を例えば風力発電に用いる場合において、風速が頻繁に変動し各回転子の回転速度が安定しない虞があるときでも、両回転子間の相対回転速度を自動的に安定させ、電機子からの出力がほぼ一定になるようにピッチ角度調整を行うことが可能になる。その結果、出力が安定し、品質の良い電力を得ることができる。

また本発明の制御方法によれば、電機子からの出力と所定の基準値とを比較した結果に基づいて、回転子の回転方向又はその回転停止を決定するようになっている。これにより、出力の少ないときは両回転子をそれぞれ正転・逆転させて起電力を多くし、また、出力が多いときは一方の回転を止めるか、或いは、双方を異なる速度で同じ方向に回転させて出力の抑制を図ることができる。

本発明に係る二軸反転式発電装置の基本構成を示す図である。 図１に示す二軸反転式発電装置を風力発電に利用する場合の実施形態を示す図である。 図２に示す風力発電で用いるピッチ角度調整機構を示す図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＸ−Ｘに沿った断面図である（回転軸及びギヤを断面で示す）。 図１に示す二軸反転式発電装置を風力発電に利用する場合の変形例を示す図である。 図４に示す風力発電で用いるピッチ角度調整機構を示す図であり、図５（Ｂ）は図５（Ａ）のＹ−Ｙに沿った断面図である（回転軸及びギヤを断面で示す）。

はじめに、図１に基づいて、本発明に係る発電装置の基本構成について説明する。

（発電装置の基本構成）
図１に示す本発明の発電装置は、永久磁石１１からなる界磁部を一体回転可能に備えた第１の回転子１と、起電コイル２１からなる電機子を一体回転可能に備えた第２の回転子２と、起電コイル２１で発生した電力を取り出すための集電機構６と、回転子１，２を回転自在に支持するスタンド４，４を備えたベース５とを有している。回転子１，２はそれぞれ別個独立の回転軸を備えており、一方は他方から独立して正逆自在に回転することが可能である。

第１の回転子１は、そのコアに励磁用の永久磁石１１を備えており、該永久磁石は、外側の起電コイル２１に対向するように位置決めされている。この永久磁石１１は、回転子１，２の一方が他方に対し相対的に回転する際に起電コイル２１に対して鎖交する磁束を発生している。

また回転子１は、一体回転する回転軸１３，１４を有しており、該回転軸はそれぞれ、ベース５に立設されたスタンド４，４の軸受によって回転自在に支持されている。図面左側の回転軸１４は入力軸として機能する。該回転軸１４には、回転子２に対し（自由）回転できるように風力回転用ブレードが設けられるか、或いは、内燃機関、水車、タービン等の各種動力軸に連結される。例えば回転子１に対し、流体抵抗を回転運動に変換するブレードを設ける場合には、該ブレードのピッチ角度を調整可能にすることで、回転子１の回転方向・回転速度・相対回転速度を自在に制御することができる。

回転子１を包囲する第２の回転子２は、起電コイル２１からなる電機子を備えている。この回転子２は、その起電コイル２１が所定距離を隔てて永久磁石１１の周囲を囲うように、回転子１に対し同軸状に設けられている。起電コイル２１は、永久磁石１１からの磁束が鎖交する位置に設けられ、集電機構６のスリップリング６１に電気的に接続されている。

また回転子２は一体回転する回転軸２３，２４を有しており、該回転軸はそれぞれ、ベース５に立設されたスタンド４，４の軸受によって回転自在に支持されている。これらの回転軸２３，２４はそれぞれ、起電コイル２１が永久磁石１１に対し同軸位置となるように、回転子１の回転軸１３，１４の外側に同軸状に設けられている。図面右側の回転軸２４は入力軸として機能する。該回転軸２４には、回転子１に対し（自由）回転できるように風力回転用ブレードが設けられるか、或いは、内燃機関、水車、タービン等の各種動力軸に連結される。例えば回転子２に対し、流体抵抗を回転運動に変換するブレードを設ける場合には、該ブレードのピッチ角度を調整可能にすることで、回転子２の回転方向・回転速度・相対回転速度を自在に制御することができる。

集電機構６は、回転子２の外周に一体回転可能に設けられたスリップリング６１と、該スリップリングに摺接するようにベース５側に固設された集電子６２（ブラシ）とを有している。起電コイル２１で発生した電力は、起電コイルに電気的に接続されたスリップリング６１と、これに摺接する集電子６２を介して外部へ取り出すことができる。

（発電装置の基本的作用）
上記構成の発電装置で発電させるにあたっては、風力・水力・タービンなどの駆動力によって、回転軸１４を介して回転子１を正転させるとともに、回転軸２４を介して回転子２を逆転させる（或いは、回転子２を停止又は異なる速度で正転させてもよい）。この両回転子の相対回転により、永久磁石１１が起電コイル２１に対し所定の間隙を保ちながら相対回転し、永久磁石１１からの磁束によって起電コイル２１の鎖交磁束が変化して、起電力が発生する。回転子２側の起電コイル２１に誘起された電力は、スリップリング６１及び集電子６２を介して出力される。

上述した基本的構成を有し作用を奏する本発明の発電装置は、風力発電や水力発電など様々な発電分野で利用することが可能である。
以下一例として、図２及び図３に基づいて、風力発電に利用する場合の構成について具体的に説明する。

（風力発電に利用する場合の発電装置の構成）
本発明の発電装置を風力発電に利用する場合には、回転子１の回転軸１４を入力軸として構成し、また、回転子２の回転軸２４を入力軸として構成する。入力軸をなす回転軸１４，２４にはそれぞれ、図２に示すように、風による流体抵抗を受けて該回転軸を回転させるためのブレード１６，２６が設けられる。

回転子２用のブレード２６の付け根にある羽根軸は、回転軸２４によって回動可能に（すなわちブレードのピッチ角度変更可能に）保持されている。このように、ブレード２６をピッチ角度変更可能に設けることで、該ブレードが受ける空気抵抗やその回転方向を調整することができ、その結果、任意のタイミングで回転子２の回転速度の調整及び回転方向の切り替えを行うことが可能になる。すなわち、回動可能なブレード２６を設けることで、回転子２に回転方向切り替え機能・回転速度調整機能を持たせることができる。

また、風力発電での利用にあたっては、上記ブレードに加えて、回転子２の回転方向及び回転速度（すなわち回転子１に対する回転子２の相対回転速度）を制御するための回転制御手段が設けられる。

図２及び図３に示す実施形態では、回転制御手段は、回転軸２４側のブレード２６，２６のピッチ角度を調整するためのピッチ角度調整機構と、起電コイル２１からの出力を監視する出力監視部３１（出力監視手段）と、起電コイル２１からの出力に応じてピッチ角度調整機構を制御するピッチ制御部３３（ピッチ制御手段）とを含んで構成されている。図２に示すように、出力監視部３１とピッチ制御部３３は、これらを含む制御回路から構成されている。

ブレード２６，２６のピッチ角度を調整するためのピッチ角度調整機構は、図３に示すように、ブレード付け根の羽根軸２７に対し一体的に設けられたピニオン７１と、該ピニオンと歯合するラック７２と、該ラックを往復動させるプッシュプルタイプのソレノイド式移動機構７３とを有している。これらの構成のうち、ピニオン７１とラック７２は、図３（Ａ）に示すように、回転軸２４の内空部に配設されている。ソレノイドのプランジャー７４は、回転軸２４の内空部でスライド可能に、ラック７２の一端に固設されている。ソレノイドの励磁コイル７５は、プランジャー７４の周囲を囲うように回転軸２４に設けられている。

図３に示すように、回転軸２４内に配設されたピニオン７１は、ブレード２６の羽根軸２７に対して一体的にかつ同軸的に設けられている。該ピニオン７１と歯合するラック７２は、回転軸２４の軸芯に沿って配設されており、ソレノイドの駆動を受けてプッシュ又はプルされる。ラック７２の一端に固設されたプランジャー７４は、励磁コイル７５への通電によって発生する磁力によって、回転軸２４内でその軸方向に所定距離スライドする。

図２に示すように、出力監視部３１は、発電装置が作動している間、回転する起電コイル２１からの出力（出力電圧）の値を受け取って、予め定めた基準値（基準電圧値）と比較し続ける。起電コイル２１からの出力が基準値を超えたと判断した場合には、出力監視部３１は、回転子２を減速すべき旨の「減速信号」をピッチ制御部３３へ送信する。

ピッチ制御部３３は、出力監視部３１及び励磁コイル２１のそれぞれに電気的に接続されている。ピッチ制御部３３が出力監視部３１から「減速信号」を受信すると、該ピッチ制御３３は、ソレノイドの励磁コイル７５に通電を行う。

（風力発電に利用する場合の発電装置の作用）
ブレード１６，２６が風力を受けることにより回転子１，２がそれぞれ正転・逆転し、それに伴って、永久磁石１１に対する起電コイル２１の相対回転速度に応じた電力が集電機構６を介して出力される。起電コイル２１からの出力値は、出力監視部３１によって基準値と比較され続ける。

回転子２の相対回転速度が過大となって、出力電圧が一定の基準値を超えると、出力監視部３１がピッチ制御部３３に「減速信号」を送信する。ピッチ制御部３３は「減速信号」を受信すると、ソレノイドを作動させて、プランジャー７４を所定ストロークスライドさせる。これにより、ラック７２が前進すると同時にピニオン７１が回転し、該ピニオンと一体のブレード１６が、減速方向へ（流体抵抗の少なくなる方へ）所定角度回動する。その結果、回転子１に対する回転子２の相対回転速度が減速され、起電コイル２１からの出力が基準値以下に抑えられる。

（回転制御手段の変形例）
図３及び図４に示す実施形態では、回転子２の回転方向及び回転速度（すなわち回転子２の相対回転速度）を制御するための回転制御手段として、ソレノイド等を用いるものを例示したが、回転制御手段の構成はこれらに限定されるものではなく、種々の手段を採用することが可能である。
例えば、以下に述べるような変形例を採用することも可能である。

図４及び図５には、風力発電に利用する場合の発電装置の変形例を示す。
図４及び図５に示す発電装置の回転制御手段は、回転軸２４側のブレード２６のピッチ角度を調整するためのピッチ角度調整機構と、起電コイル２１からの出力を監視する出力監視部３２と、起電コイル２１からの出力に応じてピッチ角度調整機構を制御するピッチ制御部３４とを含んで構成されている。

本変形例におけるピッチ角度調整機構は、図５に示すように、ブレード２６の羽根軸２７に対し一体的に設けられたウォームホイール８１と、該ウォームホイールと歯合する円筒形ウォーム８２と、該ウォームを回転させるためのステッピングモータ８３とを有しており、これらの構成は回転軸２４の内空部に配設されている。

図４に示す出力監視部３２は、発電装置が作動している間、起電コイル２１からの出力の値を受け取って、予め定めた所定の基準値と比較し続ける。ここでいう「所定の基準値」とは、制御回路に予め記録された数値であって、上限値及び下限値のある一定の幅を持ったものでもよく、或いは、そのような幅のない値であってもよい。

出力監視部３２における比較処理の結果、起電コイル２１からの出力が基準値を下回ったと判断した場合には、出力監視部３２は、回転子２の相対回転速度を上げるべき旨の「加速信号」と、上げるべき速度量を示す「加速量信号」をピッチ制御部３４へ送信する。

一方、起電コイル２１からの出力が基準値を上回ったと判断した場合には、出力監視部３２は、回転子２の相対回転速度を下げるべき旨の「減速信号」と、下げるべき速度量を示す「減速量信号」をピッチ制御部３４へ送信する。

ピッチ制御部３４は、出力監視部３２及びステッピングモータ８３のそれぞれに電気的に接続されている。

ピッチ制御部３４が出力監視部３２から「加速信号」及び「加速量信号」を受信すると、該ピッチ制御部３４は、受信した信号内容に基づいてステッピングモータ８３を作動させ、ブレード２６を加速方向に必要量回動させる。これにより、回転子２は、回転子１の回転方向とは逆方向に回転しつつ加速し、相対回転速度を上昇させる。

一方、ピッチ制御部３４が出力監視部３２から「減速信号」及び「減速量信号」を受信すると、該ピッチ制御部３４は、受信した信号内容に基づいてステッピングモータ８３を作動させ、ブレード１６を減速方向に必要量回動させる。これにより、回転子２は減速し始め、制御内容によっては回転が停止するか、或いは、回転子１と同じ方向に回転し、相対回転速度を低下させる。

以上のように、変形例に係る構成によれば、起電コイル２１からの出力に応じて、回転子２の回転を逆転・停止・正転のいずれかに自由に設定することができ、また、逆転又は正転させる場合の回転速度を自在に制御することもできる。その結果、回転子１に対する回転子２の相対回転速度を微調整することが可能となり、出力を自在に制御することができる。

また、ステッピングモータなどの精密制御可能な駆動装置を用いることにより、ブレード２６を所望の角度で回動させることができる。その結果、回転子２の回転方向及び回転速度をより精密に制御することが可能になり、回転子２の回転方向切り替え機能・回転速度調整機能をより一層向上させることができる。

（その他の変形例）
上述した実施形態及び変形例は、本発明の実施形態を例示したものであり、本発明は特許請求の記載の範囲内で種々の改変が可能である。

例えば上述した実施形態では、内側の回転子に永久磁石を配設し、外側の回転子に起電コイルを配設したが、これらの内外の位置関係を逆にしてもよい。

また上述した実施形態では、起電コイルを備えた外側の回転子の回転制御をするための構成・方法について説明したが、これとは逆に、同様の構成及び方法で、永久磁石を備えた内側の回転子の回転制御を行うようにしてもよい。或いは、内側及び外側の両回転子のそれぞれについて回転制御するようにしてもよい。

また上述した実施形態では、起電コイルからの出力に応じて回転子の相対回転速度を調整していたが、本発明における相対回転速度調整の手段はこれに限定されるものではない。例えば、第１及び第２の回転子のそれぞれについて回転方向及び回転速度を検出し、これらの検出結果に基づいて各回転子の他方に対する相対回転速度を求めるようにしてもよい。さらに、このようにして求めた相対回転速度と基準回転速度とを制御回路で比較し、この比較結果に基づいて、一方又は双方の回転子の回転方向及び回転速度の調整を行って、起電コイルからの出力調整（出力の安定）を行うようにしてもよい。

また本発明の発電装置は、風力発電機としての利用に限られず、水力発電機やタービン発電機など様々な発電分野で利用することが可能である。

１ 回転子（第１の回転子）
２ 回転子（第２の回転子）
４ スタンド
５ ベース
６ 集電機構
１１ 永久磁石（界磁部）
１３ 回転軸（第１の回転軸）
１４ 回転軸（第１の回転軸／入力軸）
１６ ブレード（第１のブレード）
２１ 起電コイル（電機子）
２３ 回転軸（第２の回転軸）
２４ 回転軸（第２の回転軸／入力軸）
２６ ブレード（第２のブレード）
２７ 羽根軸
３１ 出力監視部（出力監視手段）
３２ 出力監視部（出力監視手段）
３３ ピッチ制御部（ピッチ制御手段）
３４ ピッチ制御部（ピッチ制御手段）
６１ スリップリング
６２ 集電子（ブラシ）
７１ ピニオン
７２ ラック
７３ ソレノイド式移動機構
７４ プランジャー
７５ 励磁コイル
８１ ウォームホイール
８２ ウォーム
８３ ステッピングモータ

Claims (8)

1. 永久磁石からなる界磁部を備える第１の回転子と、
   電機子を備える第２の回転子と、を有しており、
   前記第１及び第２の回転子の一方は他方を包囲するように設けられ、各回転子が回転自在に設けられていることを特徴とする二軸反転式発電装置。
2. 前記第１及び第２の回転子の一方に対する他方の相対回転速度を制御するための回転制御手段を有することを特徴とする請求項１記載の二軸反転式発電装置。
3. 前記第１及び第２の回転子の少なくとも一方の回転方向及び回転速度を制御するための回転制御手段を有することを特徴とする請求項１記載の二軸反転式発電装置。
4. 前記第１の回転子を流体により回転させるための第１のブレードと、
   前記第２の回転子を流体により回転させるための第２のブレードと、を有しており、
   前記第１及び第２のブレードの少なくとも一方は、ピッチ角度変更可能に設けられていることを特徴とする請求項１記載の二軸反転式発電装置。
5. 前記第１の回転子を流体により回転させるための第１のブレードと、
   前記第２の回転子を流体により回転させるための第２のブレードとの、
   形状の大きさ、翼面積を変える事により小さいブレードが常に流体の流れ方向に、
   正対することを特徴とする請求項４記載の二軸反転式発電装置。
6. 前記ブレードのピッチ角度を調整するためのピッチ角度調整機構と、
   前記電機子からの出力に応じて前記ピッチ角度調整機構を制御するためのピッチ制御手段と、を有することを特徴とする請求項４記載の二軸反転式発電装置。
7. 永久磁石からなる界磁部を備えた第１の回転子と、電機子を備えた第２の回転子と、を有する発電装置の制御方法であって、
   前記電機子からの出力に応じて第１の回転子及び／又は第２の回転子の回転方向及び回転速度を調整して、一方の回転子の他方の回転子に対する相対回転速度を調整することを特徴とする二軸反転式発電装置の制御方法。
8. 永久磁石からなる界磁部を備えた第１の回転子と、電機子を備えた第２の回転子と、を有する発電装置の制御方法であって、
   前記電機子からの出力が所定の基準値より低い場合には、前記第１及び第２の回転子をそれぞれ異なる方向に回転させ、
   前記電機子からの出力が所定の基準値より高い場合には、前記第１及び第２の回転子の一方を回転させたまま他方を停止させるか、或いは、前記第１及び第２の回転子をそれぞれ同じ方向に回転させる、
   ことを特徴とする二軸反転式発電装置の制御方法。

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