2024-83110 発電装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024083110

(43)【公開日】2024-06-20

(54)【発明の名称】発電装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 9/00 20060101AFI20240613BHJP

   F03D 9/25 20160101ALI20240613BHJP

   H02K 11/33 20160101ALI20240613BHJP

   H02P 101/15 20150101ALN20240613BHJP

【ＦＩ】

H02P9/00 F

F03D9/25

H02K11/33

H02P101:15

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022197442

(22)【出願日】2022-12-09

(71)【出願人】

【識別番号】517221310

【氏名又は名称】コアレスモータ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091306

【弁理士】

【氏名又は名称】村上 友一

(74)【代理人】

【識別番号】100174609

【弁理士】

【氏名又は名称】関 博

(72)【発明者】

【氏名】津田 幸夫

(72)【発明者】

【氏名】大桃 修一

(72)【発明者】

【氏名】木川 和也

(72)【発明者】

【氏名】白木 学

【テーマコード（参考）】

3H178

5H590

5H611

【Ｆターム（参考）】

3H178AA20

3H178AA40

3H178AA43

3H178BB31

3H178DD12X

3H178DD22Z

5H590CA11

5H590CA14

5H590CC02

5H590CC18

5H590CC32

5H590CD01

5H590CE05

5H590EA07

5H590FA05

5H590FC14

5H590HA02

5H611BB02

5H611TT02

(57)【要約】

【課題】自然流体による発電電力が極小で有る場合でもバッテリーに充電できる発電装置を提供すること。
【解決手段】外力にて回転する羽根部と、該羽根部がロータ部と連動するよう取り付けられている発電機を備え、発電される出力をバッテリーに充電する装置である。前記発電機は複数の相で構成されたコイル部と、該コイル部に間隙をもって対向配置される永久磁石と、該永久磁石を固定したロータ部とを備えてなり、前記コイル部の前記各相は同数のコイル体で構成され、該複数コイル体はコイル体間の接続が直列及び／又は並列の切替によって複数段切替のパターンを有し、当該コイル体の接続に用いるスイッチ素子としてノーマリーオン型とノーマリーオフ型の２タイプを併用することを特徴とする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

外力にて回転する羽根部と、該羽根部がロータ部と連動するよう取り付けられている発電機を備え、発電される出力をバッテリーに充電する装置であって、前記発電機は複数の相で構成されたコイル部と、該コイル部に間隙をもって対向配置される永久磁石と、該永久磁石を固定したロータ部とを備えてなる発電装置において、前記コイル部の前記各相は同数のコイル体で構成され、該複数コイル体はコイル体間の接続が直列及び／又は並列の切替によって複数段切替のパターンを有し、当該コイル体の接続に用いるスイッチ素子としてノーマリーオン型とノーマリーオフ型の２タイプを併用することを特徴とする発電装置。

【請求項2】

前記各相において前記コイル体の全てが直列に接続される場合には前記ノーマリーオン型だけでコイル間を接続することを特徴とする請求項１に記載の発電装置。

【請求項3】

更に、発電電圧が前記バッテリー電圧より高い設定電圧を超えた場合にのみ電源がオンとなる制御装置を付設して成る請求項１に記載の発電装置。

【請求項4】

前記コイル体は非回転で、前記羽根部は前記ロータ周囲に一体に形成され、コアレスタイプであることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。

【請求項5】

前記スイッチ素子はＦＥＴであり、前記ノーマリーオン型はデプレッション型、前記ノーマリーオフ型はエンハンスメント型を用いることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。

【請求項6】

複数の相で構成されたコイル部と、該コイル部に間隙をもって対向配置される永久磁石と、該永久磁石を固定したロータ部とを備えてなる発電装置において、前記コイル部の前記各相は同数のコイル体で構成され、該複数コイル体はコイル体間の接続が直列及び／又は並列の切替によって複数段切替のパターンを有し、当該コイル体の直列接続に用いるスイッチ素子としてノーマリーオン型を用い、その他の接続に用いるスイッチ素子はノーマリーオフ型としてなることを特徴とする発電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は風力や水力のような自然の外力によって発電する発電装置に係り、特に風や水の流速が極微力である場合にも発電力を得るのに有効な発電装置に関する。

【背景技術】

【0002】

クリーンエネルギー源として風力や水力の自然エネルギー利用が実用されているが、自然流体はその強さが安定していない。そこで風力発電効率を高める為、従来から風力発電機におけるコイル回路の切替は知られている。

【0003】

特許文献１はバッテリー対応でコイル回路の切替を行っている。但し出力電圧の取り出し易さが望まれる。尚、切替が多段対応ではない。

【0004】

特許文献２はコアレスタイプの風力発電機と太陽光発電機を併用しており、その風力発電機の発電効率を上げる為に複数のＤＣ／ＤＣコンバータの切替を行っている。風力発電は微風から強風まで多様なので２段切替だけでは対応しきれないのでコイル回路切替に複数のＤＣ／ＤＣコンバータを併用している。これによって微風から強風まで対応して更に発電効率を最大化せんとしている。このように特許文献２は複数のＤＣ／ＤＣコンバータのような付帯設備が必要になっている。

【0005】

ＤＣ－ＤＣコンバータを用いる場合、一般的には発電機とバッテリーの間に順次、全波整流器、ＤＣ／ＤＣコンバータ、制御回路（ＤＣＤＣ制御、ＢＭＳ（バッテリーマネージメントシステム））を配置しており、制御回路はバッテリーへの充電電流が最大となるようにＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を制御している。つまり流体を受けて回転する羽根を用いて発電する発電機システムにおいて、従来は全波整流器とバッテリーの間にＤＣ／ＤＣコンバータが設けられており、そのコンバータとバッテリーの間にＤＣ／ＤＣ制御やＢＭＳのような制御回路を介在させており、バッテリーへ供給される電圧を昇圧等調整すべく制御していた。そうなると、ＤＣ／ＤＣコンバータ及び制御回路は発電の有無によらず、一定の電力を消費する為、発電機への入力が小さい場合にはバッテリーへ充電できずに逆にバッテリー電流を消費してしまうことになる（ＤＣ／ＤＣコンバータ自体も電力を消耗し、制御回路も電力を消耗してしまう）。そして発電電力が小さい場合にはバッテリーを切断する装置を付ければ装置が大型化することに加え、やはりバッテリーへは充電できない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０００－１９７３９２号公報

【特許文献2】特開２０１１－１１４９３８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

そこで本発明者は可能ならＤＣ／ＤＣコンバータや制御回路を使用しないで済む発電装置を検討して本発明に至った。すなわち本発明の目的は自然流体による発電電力が極小で有る場合でもバッテリーに充電できる発電装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決する為、本発明の発電装置は、外力にて回転する羽根部と、該羽根部がロータ部と連動するよう取り付けられている発電機を備え、発電される出力をバッテリーに充電する装置であって、前記発電機は複数の相で構成されたコイル部と、該コイル部に間隙をもって対向配置される永久磁石と、該永久磁石を固定したロータ部とを備えてなる発電装置において、前記コイル部の前記各相は同数のコイル体で構成され、該複数コイル体はコイル体間の接続が直列及び／又は並列の切替によって複数段切替のパターンを有し、当該コイル体の接続に用いるスイッチ 素子としてノーマリーオン型とノーマリーオフ型の２タイプを併用することを特徴とする。

【0009】

尚、前記各相において前記コイル体の全てが直列に接続される場合には前記ノーマリーオン型だけでコイル間を接続することが望ましい。また、更に、発電電圧が前記バッテリー電圧より高い設定電圧を超えた場合にのみ電源がオンとなる制御装置を付設して成ることが望ましい。

【0010】

本発明は自然流体を用いる発電装置であればコアドにもコアレスにも適用可能であるが、コイル接続切替装置を用いるならインダクタンスの小さいコアレスモータやスロットレスタイプが向いている。コアレスモータは前記コイル体が非回転で、前記羽根部は前記ロータ周囲に一体に形成されている。

【0011】

ここで、スイッチ素子はＦＥＴのような半導体装置でも良いしリレー装置でも良い。ＦＥＴを用いるならば前記ノーマリーオン型はデプレッション型（ゲート電圧が無いときにオンするタイプ）、前記ノーマリーオフ型（ゲート電圧が無いときにオフするタイプ）はエンハンスメント型を用いることになる。

【0012】

また、羽根以外の動力で回転する発電装置に用いることができ、この場合は、 複数の相で構成されたコイル部と、該コイル部に間隙をもって対向配置される永久磁石と、該永久磁石を固定したロータ部とを備えてなる発電装置において、前記コイル部の前記各相は同数のコイル体で構成され、該複数コイル体はコイル体間の接続が直列及び／又は並列の切替によって複数段切替のパターンを有し、当該コイル体の直列接続に用いるスイッチ素子としてノーマリーオン型を用い、その他の接続に用いるスイッチ素子はノーマリーオフ型としてなることようにすればよい。

【0013】

複数コイルの接続切替を行う装置類は、電圧が無い状態でスイッチが入ることが危惧されるし、使用スイッチが一種類に纏まらないので一般的には適用スイッチの全てにノーマルオフ型（エンハンスメント型）を用いるし、エンハンスメント型の方が広く普及されている。よって敢えてノーマリーオン型（デプレッション型）を併用した前例は見当たらない。

【発明の効果】

【0014】

本発明の発電装置により、自然流体による発電電力が極小で有る場合でもバッテリーに充電できることになる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の実施例に係る発電装置の仕組みを説明する装置構成図である。

【図2】図１の実施例装置において使用コイルが各相２コイルの場合の配線説明図で、（ａ）は発電機内のコイル構成例、（ｂ）はコイル接続切替装置のスイッチ構成例である。

【図3】本発明を適用する風力発電装置例のシステム図である。

【図4】図３に示す装置の発電機部分の拡大図である。

【図5】コアレス発電機とコアド発電機の特性対比説明図である。

【図6】各相の使用コイルが４つの場合に想定されるコイル接続パターン図である。

【図7】各相の使用コイルが４つの場合のスイッチ開閉例の説明図である。

【図8】各相の使用コイルが４つの場合のスイッチ開閉例の説明図である。

【図9】各相の使用コイルが４つの場合のスイッチ開閉例の説明図である。

【図10】各相の使用コイルが４つの場合のスイッチ開閉例の説明図である。

【図11】各相の使用コイルが４つの場合のスイッチ開閉例の説明図である。

【図12】本発明のコイル接続切替装置で各相使用コイルを４つにした場合を例にして電圧～風速の関係を説明する特性図である。

【図13】本発明を適用する風力発電装置の他の例の断面図である。

【図14】図１の実施例装置において使用コイルが各相５コイルの場合の配線説明図の内、発電機内のコイル構成例を示す。

【図15】図１の実施例装置において使用コイルが各相５コイルの場合の配線説明図の内、コイル接続切替装置のスイッチ構成例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の発電装置につき、実施例にて説明する。なお、以下は一つの実施例に過ぎず、技術思想が共通する限り実施例に限定されない。
図１は本発明の実施例に係る発電装置の仕組みを説明する装置構成図であり、風や水流等の自然流体の流れを受けて回転する羽根１が発電機２に回動一体に接続され、発電機２はＵ、Ｖ、Ｗの３相で成り、各相が複数のコイル(図１例示では２つ)を備え、これらのコイル間の接続切替を行うコイル接続切替装置３が発電機２に付設されている。このコイル接続切替装置３はコイル間の接続を直列、並列、コイルの数によって全部直列、並列、並列の複数、並列と直列の組み合わせ等も選択肢で接続切り替える。図１の例では各相に３つのスイッチが用いられ、Ｖ(電圧)に繋がる側のＳｖｕ、Ｓｖｖ、Ｓｖｗ、ＣＯＭに繋がるＳｃｕ、Ｓｃｖ、Ｓｃｗ、コイル間のＳｔｕ、Ｓｔｖ、Ｓｔｗ（ｔはｔｈｒｏｕｇｈの頭文字）を備えている。そして本実施例ではこのＳｔｕ、Ｓｔｖ、Ｓｔｗにノーマリーオンのスイッチ（ノーマリーオンはＦＥＴにするとデフレッション型になる）を使用し、残りのスイッチであるＳｖｕ、Ｓｖｖ、Ｓｖｗ、Ｓｃｕ、Ｓｃｖ、Ｓｃｗにはノーマリーオフ（ノーマリーオフはＦＥＴではエンハンスメント型になる）を使用する。この図１の実施例装置において使用コイルが各相２コイルの場合の配線説明図を図２に示す。図２の（ａ）は発電機内のコイル構成例、（ｂ）はコイル接続切替装置３のスイッチ構成例である。
図２中のｘは本例が３相なのでｕ、ｖ、ｗに置き換えて読む。つまり（ａ)の各コイルからの引き出し線Ｌｕ１Ｈ、Ｌｖ１Ｈ、Ｌｗ１Ｈは（ｂ）のＬｘ１Ｈを意味し、同じくＬｕ１Ｌ、Ｌｖ１Ｌ、Ｌｗ１ＬはＬx１Ｌを意味し、Ｌｕ２Ｈ、Ｌｖ２Ｈ、Ｌｗ２ＨはＬｘ２Ｈを意味する。

【0017】

こうしてＬｘ２とＬｘ１を間のスイッチにノーマリーオンを適用し、他はノーマリーオフを適用している。つまり、このコイル接続切替装置３の回路は電源ＯＦＦの時はノーマリーオンデバイスにより１パラ接続状態(各相ごと、全コイル直列状態)になる切替回路である。
コイル接続切替装置３の後段は全波整流器４が接続され、更に、全波整流器４は

【0018】

接続要素５を介してバッテリー６（蓄電器）に繋がっている。接続要素５とコイル接続切替装置３とは制御器７にも接続されている。接続要素５のＶｏｕｔが所定値（予め任意に設定）を超えたら電源が制御器７に流れ、制御器７が作動開始する。換言すれば、Ｖｏｕｔが所定値に満たなければ制御器７は作動せず、その間は専らバッテリー６に充電され、バッテリー６から制御器７に流れることは無い。Ｖｏｕｔが更に大きくなれば制御器７はコイル接続切替装置３に制御信号を与えて複数コイルの接続切替を行っていく。

【0019】

本実施例では、全波整流器４と発電機２の間に複数コイル接続切替装置３を配し、かつ、そのコイル接続切替装置３にはノーマリーオン（デプレッション型）とノーマリーオフ（エンハンスメント型）を併用するようにし１パラの接続形態においてはノーマリーオン型で接続するようにした。これによりコイル接続切替装置３に電源が供給されていない場合には１パラ状態になり、超微風に際して、アクティブ回路無しでもバッテリーへ充電できるようになる。

【0020】

尚、ＤＣ／ＤＣコンバータ及びそれとバッテリーとの間の制御回路は無く、全波整流器４とバッテリー６が実質的に直結することになるが、風速の上昇に伴い発電電圧が高くなった場合には、接続要素５を介して制御器７へ電力が供給され、制御器７からコイル接続切替装置３への電力および制御信号が供給され、風速に応じたコイル切替制御が実施され、風速が高い場合においても効率よくバッテリー充電が可能になる。

【0021】

（風力発電ユニットの装置構成例）
図３に本発明の発電装置を適用した風力発電の概念を例示する。まず、風を受けて回転する羽根１が風の当たるエリア１７に配置されている。羽根１の後部にナセル８たるケーシング相当部が配置されている。ナセル８内に本実施例の発電装置が位置するが、その発電装置は羽根１に動力伝達軸９で繋がっている（尚、ホイルインの如く、発電装置の回転体周囲に羽根１が配置される場合も含む）。そして羽根１に風が当たると羽根１が回転し、動力伝達軸９を通じてナセル８内に、羽根１の回転力が伝わることになる。ナセル８は、空気力学を考慮して設計された筐体であるが、筐体の形状はこれに限らず外観が略箱型、薄型でも良い。

【0022】

ナセル８内で増速器がギアを使って回転数を増やし回転速度を速める。尚、１ｋｗ近辺の発電機では増速器は不要である。特に後述する多段切替方式を採用する場合、更には後述する風レンズを用いるならば増速器は使用せずに済む。

【0023】

伝達された回転は、コアレス型発電機１１で電力に変換する。コアレス型発電機１１の内容については別項で説明するが、本例で採用するコアレス型発電機１１内のコイルは円筒型に形成され（符号１１１）、内部の空間に前記の増速器やブレーキ装置１０を納めることができる（図では説明簡単化の為、これら機器を直列に順次配列している）。ブレーキ装置１０は暴風や点検時等において回転の抑制や停止を担う。但しブレーキ装置１０は必須ではない。このコアレス発電機１１に図１に例示した発電機２が収まっており、図１における図示は省略するが全波整流器４、接続要素５、制御器７が付設されてる。

【0024】

本例においては風力発電ユニットが支柱１４上に設置されている。支柱１４内は空洞になっていてケーブル類が通る。そしてコアレス型発電機１１で変換された電気は、支柱１４内を出力ケーブル１５経由でバッテリー６（本例においては鉛蓄電池）を経由し、或いは直接に出力ケーブル１６を通じて利用先へ配電される。尚、トランスを介して昇圧する場合も本発明に含む。

【0025】

尚、本例は支柱１４を用いているが、支柱１４を使わずブロックキューブタイプのように接地面に据え置き型であっても良く、添え置き型ならば支柱１４は不要となり、ブロックキューブタイプならば発電機を覆う筐体がナセル８機能を有することになる。

【0026】

コアレス型発電機１１の円筒コイル体１１１には同軸上にコイル接続切替基板１２が付設されていて、この基板１２にコイル接続切替装置３が形成されている。このコイル接続切替基板１２と円筒コイル体１１１とは接続線１３で接続されている。

【0027】

ナセル８には上面に監視用通信機１８（送受信装置。アンテナ、センサ付き）と風向・ 風速計１９が付設されており、監視用通信機１８は地上（屋内）の監視センタ（図略）で 監視し、風向・風速計１９の測定風速はブレーキ装置１０及びコイル接続切替装置３にも伝達される配線（図略）にしている。

【0028】

（コアレス型の説明）
次に風力発電ユニットにおいてコアレスタイプ（つまり無鉄心）の発電機システムの優位性を含めて説明する。

【0029】

図４は図３に示したコアレス型発電機１１の具体的な構成を説明する図である。動力伝達軸９はベアリング２６を介して支持され、非回転の発電機ケーシング２０に配置されている。発電機ケーシング２０はコップ容器様で開放部に蓋２１（非回転）が嵌められている。こうして略円筒の容器が形成される中にコイル体（非回転）とロータ部が配置されることになる。

【0030】

そのロータ部はアウターヨーク２２とインナーヨーク２３がいずれもヨーク支持部材２５を介して伝達動力軸９に固定されているので回転する構成になっている。本例ではアウターヨーク２２の内面側に永久磁石２４を配しているが、永久磁石２４はインナーヨーク２３側に配置されても良いし、アウターヨーク２２とインナーヨーク２３の両方に配置されても良く、いずれにせよ永久磁石２４は円筒コイル体１１１に間隙をもって対向配置されている。尚、アウターヨーク２２とインナーヨーク２３のいずれか一方だけを使用し、その使用したヨークに永久磁石２４を配する例も本発明の態様になる。

【0031】

ロータ回転に対して静止状態（非回転）を保つ為に、片持ち状態で内部に固定されている円筒コイル体１１１は、ロータの回転運動や磁力によって円形の捻じれ或いは位置ずれに対応できるように、円筒コイル体１１１の片面若しくは両面にコイル補強層１１１ａが形成され、更に円筒コイル体１１１の開放端側にコイル補強リング２７が篏合されている。またコイル接続切替基板１２は動力伝達軸９に接触せぬようドーナツ円板状に形成されて、それに切替回路の配線とＦＥＴ類（つまり図１、図２で説明したデプレッション型とエンハンスメント型の両方）が搭載されている。このコイル接続切替基板１２は非回転になっている。 図示省略するは内部発熱の冷却の為、直接及び/又は間接に冷媒による冷却を図ることも有効である。

【0032】

こうして構成された発電機は、円筒状のコアレス型故に内部に空洞を形成し易く、その為、増速機、ギア、ブレーキ等をその空洞内に納めることも可能になり、装置のコンパクト化が図れることになる。

【0033】

風力発電は風のエネルギーを風車で機械エネルギーに変換し、機械エネルギーを発電機で電気エネルギーに変換する。風車の最大変換効率は５９．３％（約６０％：ベッツの定理）だが、現状は理想的な風車で約４０％、通常の風車で約３０％程度になる。以上のことから風力発電システムの発電効率は発電機の効率を８０～９０％とすれば最良でも３０～３５％程度になる。１ｋＷ発電機は羽根直径２ｍ、面積が３．１４ｍ^２で効率は３１．８％に設計されている。羽根タイプの周速比（風速と羽根先端のスピードの比率）は一般に６（変換効率が高い）が選ばれ、定格時（風速１２ｍ／秒） の羽根の先端速度は２５９．２ｋｍ／時、回転数は６８８ｒｐｍとなっている。

【0034】

風のエネルギーは風速の３乗に比例する。風の圧力（風圧）は風速の２乗に比例し、風のエネルギーは風速×圧力＝風速の３乗になる。それ故、風速が小さいときはエネルギーが非常に小さく、反対に風速が大きくなれば急速にエネルギーが増加する。

【0035】

現状、一般に風力発電機の作動範囲は２．５ｍ／秒以下では発電できるエネルギーよりも制御回路を動作させるエネルギーの方が大きくなり、１５ｍ／秒以上では出力が大き過ぎて発電機や制御回路を破壊してしまう可能性が高い。以上のことからわかるように、風力発電システムは微風から強風まで効率よく利用できるようにすることが最大の課題になる。

【0036】

一般に、小型風力発電機には永久磁石同期発電機が採用されている。永久磁石同期モータ及び発電機にはコアドタイプが多く実用されているが、本発明者の検討ではコアレスタイプの方が適している。

【0037】

図５のグラフに示すように誘起電圧定数が等しい発電機の場合、コアレス発電機の方が高い電圧を得ることができ、その結果、同一出力を得る場合には出力電流を小さくすることができる。その理由はコアレス発電機のインダクタンスが小さく、インダクタンスによる電圧降下２πｆＬＩが小さくなる為である。

【0038】

更にコアレスタイプでは別項で後述するコイル切替原理との併用をし易い。そのコイル切替のシステムを使用することで、発電電圧の制御が可能になり、発電効率が向上して、省エネ化を達成することができる。また、このシステムにより、微風から強風時まで広範囲にわたって発電を充電可能になり、充電効率が上がる。

【0039】

本実施例では、複数のコイルを単に直列、並列の２通りに切り替えるのでなく、直列・並列混用によって切替パターンのバリエーションを３種以上にし、つまり複数段切替を行うことが望ましい。

【0040】

これにより風力に応じて３段階以上の多段切替が可能になるから微風から強風にも対応できるようになる。

【0041】

発電機のコイルは複数相、一般的にはＵ、Ｖ、Ｗの３相で構成されている。その各相ごとに本実施例ではコイル単位を３つ以上用いることを推奨する。そしてコイル単位の接続を全部直列、全部並列の他、直列と並列の混用（シリーズパラ）にすることで３段以上の多段切替を可能にできる。図４に各相４コイル使用したパターンのバリエーションを示す。コイル数を増やせば増やすほど切替パターンのバリエーションは増えて風速への対応も細かくできるようになる。尚、全てのパターンを使う必要はなく、４コイル使用でも例えば図６に説明するように全部直列（４Ｓ＝１Ｐ－４Ｓ。１パラ）、全部並列（４Ｐ＝４Ｐ－１Ｓ。４パラ）、２並列２つの直列（２Ｐ－２Ｐ。２パラ）の３パターンでも良い。その場合、全部直列なら風速の高速対応になり、全部並列なら風速の低速対応になり、２並列２つの直列なら中速対応になる。出力電圧３０Ｖから発電可能なシステムの場合、コイル切替無し（従前のもの）であれば風速３ｍから発電可能であるが、本例の３段切替を採用すれば風速０．７５ｍから発電可能になる。このことは、図１２に纏めて図示している。尚、各相４コイルの各接続パターンにおいて、本実施例思想のノーマリーオフスイッチとノーマリーオンスイッチの配置例は図７～１１に示すようになる（図７は４Ｓの場合、図８は４Ｐの場合、図９は３Ｐ－１Ｓの場合、図１０は２Ｐ－２Ｐの場合、図１１は２Ｐ－２Ｓの場合）。これらの図からわかるように全コイルが直列になるコイル間スイッチにノーマリーオンのものを配置し、他はノーマリーオフのものを使う。

【0042】

図１２は４コイル３段切り替えのグラフになる。３段切替を想定し、コイルは４つで、４Ｓ（１パラ）、２Ｐ－２Ｐ（２パラ）、４Ｐ（４パラ）の切替であり、表中の「低速」は風速の低い方で４Ｓ（１パラ）を使い、「中速」では２パラに 切り替え、「高速」では４パラに切り替える（自動で切り替わるようにしている。尚、表１にて図７図示の場合の風速、回転数と出力電圧との関係を整理する。尚、コイル切替は 風速によって自動切替すれば良い。

【表1】

【0043】

(ホイルインタイプの発電装置例）
図１３に本発明を適用するホイルインタイプの風力発電装置を断面図混じりで例示する。この例は薄型の略直方体の箱型を呈し、その外観を形成する筐体３０は正面部３０１、背面部３０２、頂部３０４、底部３０５及び左右の側面部（本図では略）から構成されており、正面部３０１と背面部３０２には大きな開口があって両部３０１～３０２に貫通する風路３０３となっている。この風路３０３は流路の中央に向かって絞まるように集風壁３０６が正面部３０１と背面部３０２の両方に形成されている（風レンズとも言う）。尚、頂部３０４、底部３０５、左右側面部は板状でも良いし、枠体のみ(骨組だけ)でも良い。

【0044】

風路３０３には略中央にコアレス型発電機１１が位置し、コアレス型発電機１１のシャフト３６は筐体３０に、正面部３０１及び背面部３０２夫々の開口出口に渡された梁部材(本図では略)を介して固定されている。よってシャフト３６は動かない(非回転)である。

【0045】

このシャフト３６を中心軸にして軸受３４を介してコアレス型発電機１１のケーシング３７が配置されており、ケーシング３７は回転する。コアレス型発電機１１内は円筒状のコイル体３１と、その円筒状コイル体３１とは間隙を持って挟むように配置されたアウターヨーク３２とインナーヨーク３３並びにアウターヨーク３２の円筒状コイル体３１側に接合されて円筒状コイル体３１と間隙を持って配置された永久磁石３５を備え、更に後述するコイル間接続切替基板１２を円筒状コイル体３１のコイルと接続するようにして設けられている。円筒状コイル体３１はシャフト３６に固定されているので非回転であり、その円筒状コイル体３１に接続されたコイル間接続切替基板１２も非回転であるが、アウターヨーク３２、インナーヨーク３３はケーシング３７と一体となり（特に本例ではアウターヨーク３２が発電機ケーシング３７を兼ねている）、従って回転する。永久磁石３５もアウターヨーク３２に接合されているので回転する。

【0046】

円筒状コイル体３１はヨークの回転に対して静止状態（非回転）を保つ為に片持ち状態で内部に固定されている。円筒状コイル体３１はロータの回転運動や磁力によって円形の捻じれ或いは位置ずれに対応できるように、円筒状コイル体３１の片面若しくは両面にコイル補強層（例えば特開２０２１－９７５４６号公報参照）が形成され、更に円筒状コイル体３１の開放端側にコイル補強リング（例えば特開２０２１－９７５６４号参照）が篏合されている。またコイル間接続切替基板１２は円筒状コイル体３１に接続されているので非回転であり、それに切替回路の配線と半導体素子類（ノーマリーオン型とノーマリーオフ型の併存）が搭載されている。尚、図示省略するが内部発熱の冷却の為、直接及び／又は間接に冷媒による冷却を図ることも有効である。

【0047】

複数枚の羽根１はケーシング３７(本例ではアウターヨーク３２が兼ねる)に固定されているので、羽根１と発電機１１は一体で回転する。尚、本例は正面部３０１と背面部３０２がシンメトリー（＝風の流入が双方向）であり、羽根１は正面部６１から流入する風にも背面部６２から 流入する風にも対応するようにシンメトリーに作られている。羽根１とケーシング３７（＝本例ではアウターヨーク３２）との固定は、ネジ止めでも溶接等の接合でも良いが、遠心力に耐える強固な手法にて固定する。

【0048】

更に正面部３０１、背面部３０２は防護網（本図では略）で覆って良い。各面は板材をスケルトンにしても良い。尚、軸受３４等発電機１１内部への異物侵入を防ぐべくオイルシールを併用するのが良い。

【0049】

発電機１１には更に増速器やブレーキを付設しても良く、これらはコアレス型発電機１１のインナーヨーク３３の内側のスペースに納めても良い。増速器はギアを使って回転数を増やし回転速度を速めるが、１ｋＷ近辺の発電機では増速器は不要であるし、本発明が対象とするコイル間接続切替式のコアレス発電機においては本来必要ない。ブレーキ装置は暴風や点検時等において回転の抑制や停止を担う。但しブレーキ装置も必須ではない。伝達された回転はコアレス型発電機１１で電力に変換する。発電された電力は、図示省略の出力ケーブル経由で、同じく図示省略のバッテリー（例えば鉛蓄電池）を経由し利用先へ配電される。

【0050】

（使用コイル数を増やした場合の回路例）
図１４及び図１５に図１の実施例装置において使用コイルが各相５コイルの場合の配線説明図を示し、図１４は発電機内のコイル構成例、図１５はコイル接続切替装置のスイッチ構成例を示す。この図１４が示すように各相の使用コイル５つ全てが直列になるパターンにおいてコイル間接続スイッチがノーマリーオンタイプになっており、他派ノーマリーオフタイプになっている。コイル数をいかようにしても、要するに本発明においては全直列にする場合の接続スイッチにノーマリーオンが用いられることになる。
以上の実施例は風力発電で説明したが水力でも同様である。また、本発明はコアレスモータ適用には限定されない。

【符号の説明】

【0051】

１……羽根、２……発電機、３……コイル接続切替装置、４……全波整流器、５……接続要素、６……バッテリー、７……制御器、８……ナセル、９……動力伝達軸、１０……ブレーキ装置、１１……コアレス型発電機、１１１……円筒型コイル体、１１１ａ……コイル補強層、１２……コイル接続切替基板、１３……接続線、１４……支柱、１５……出力ケーブル、１７……エリア、１８……監視用通信機、１９……風向・ 風速計、２０……発電機ケーシング、２１……蓋、２２……アウターヨーク、２３……インナーヨーク、２４……永久磁石、２５……ヨーク支持部材、２６……ベアリング、２７……補強リング、３０……筐体、３０１……正面部、３０２……背面部、３０３……風路、３０４……頂部、３０５……底部、３０６……集風壁、３１……円筒型コイル体、３２……アウターヨーク、３３……インナーヨーク３４……軸受、３５……永久磁石、３６……シャフト、３７……発電機ケーシング、６１……正面部、６２……背面部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】