風力タービンの解説の多くはブレードで終わります。しかしブレードが決めるのは利用できるエネルギー量だけです。そのエネルギーがどうなるかを決めるのは発電機であり、より正確には磁石の配置です。本稿ではTESUPがAtlasとMagnum向けに製造する永久磁石発電機の内部と、弱い風でタービンが回るか止まったままかを左右する一つの特性を見ていきます。
永久磁石発電機とは
永久磁石発電機は、あらかじめ励磁が必要な電磁石ではなく、固定された磁石で発電します。磁界が常に存在するため、機械は最初の一回転から発電し、励磁電流もスリップリングも、起動のための外部電源も必要としません。
TESUPの発電機は24極の永久磁石機で、NdFeB N42(ネオジム・鉄・ホウ素)磁石を使用します。1個あたり60 × 25 × 5 mm、ニッケルめっき、かまぼこ形状です。合計24個、磁石体積180 cm³が、16 cm × 12 cmのステーター内で回転します。
なぜ24極で、なぜ増速機がないのか
極数は回転速度と出力周波数の関係を決めます。極数が少ない発電機は実用になるほどの出力を得るために高速回転が必要で、そのため多くのタービンではローターと発電機の間に増速機が入ります。増速機は同時に、最も故障しやすく、オイル交換を要し、騒音を出す部品でもあります。
24極なら低い回転速度でも使える電圧が得られるため、ローターが発電機を直接駆動できます。増速機がなければギヤオイルも歯車の摩耗もなく、二月の屋根の上で固着しうる部品が一つ減ります。
コギングトルクとは
コギングトルクとは、永久磁石モーターを手で回したときに感じる抵抗のことです。軸が決まった位置に落ち着こうとするような、カクカクした段階的な引っかかりです。磁石がステーターの鉄心の歯に引き寄せられることで生じます。各歯は磁石にとって居心地のよい停止位置であり、ローターはそこから押し出されなければなりません。
扇風機や電動工具であれば、これは些細な不快感にすぎません。しかし小型風力タービンでは、弱風時の性能を阻む最大の要因になります。コギングトルクは、何かが回り始める前に風が越えなければならない固定のしきい値だからです。それを下回ると発電量は小さいのではなく、ゼロです。
家庭用タービンで定格出力よりも起動風速がはるかに重要なのはこのためです。定格出力は風の強い日を表します。起動風速は、それ以外のすべての日を表します。
磁石のスキューがコギングトルクを減らす仕組み
各磁石がステーターの歯と正確に平行に並んでいると、24極すべてが同じ瞬間に吸引のピークを迎えます。それらのピークが加算され、風が一歩ごとに突破しなければならない強くカクカクした脈動が生まれます。
スキューとは、磁石を回転軸に対してわずかに傾けて取り付けることです。こうすると各磁石は歯に一度にではなく順を追って噛み合います。ピークはもはや重ならず、分散して部分的に打ち消し合います。発電機が生み出す総トルクは変わりません。消えるのは脈動です。
TESUPがスキュー配置の磁石を採用しているのは、まさにこのためです。コギングトルクが小さいほど起動しきい値は下がり、その低いしきい値こそが、低風速用ブレードセットを装着したAtlasを2 m/sで自起動させます。一般的な水平軸タービンの起動風速のおよそ3分の1です。
スキューは無料ではありません。最大鎖交磁束をわずかに下げるため、スキュー機は早期起動と引き換えにピーク出力を少し手放します。弱い風が日常で暴風が例外である家庭用タービンにとっては、これは正しい取引です。
コギングトルクを実際に決めるのは金型である
スキューがコギングトルクを打ち消すのは、すべての磁石が設計どおりの位置に正確に収まっている場合だけです。打ち消しは幾何学的な効果だからです。24個の磁石がそれぞれ精密な角度でずらされ、吸引のピークが時間的に重ならないようにしてあります。磁石の座がローターごとにばらつけば、スキュー角もばらつきます。ピークは再び揃い、コギングトルクは上がり、それに伴ってローターを回し始めるのに必要な風速も上がります。
だからこそ機械加工部品すべてで±0.05 mmという値は、仕様書上の誇示ではありません。物理が要求する公差です。公差の緩いローターは、まったく同じ磁石、同じ極数、同じ銅を積んでいても、起動が遅れます。
この公差を試作品1台で守るのは簡単です。すべての量産品で、何年にもわたって守り続けるのは金型の問題です。だからこそ、これが当社の工場に届きました。
この種のプレス金型は速さのために買うのではありません。速いのは確かですが、買う理由は再現性です。この金型で成形される最初のローターと1万番目のローターは、同じ鋼から、同じポストに案内され、同じ寸法で出てきます。一点ずつではなく量産する段階になったとき、公差の数値が意味を持つ唯一の方法がこれです。
そしてこれは、他社の品質管理に依存しない部品がまた一つ増えたということでもあります。当社の欧州拠点はすでに270点を超える部品を内製しています。発電機、電子基板、ブレード、取付金具などです。金型が一つ届くたびに、そのリストは一行長くなります。
約1 kWのタービンが15 kWのモーターを使う理由
発電機の定格は熱的な限界であって、発電量の約束ではないからです。連続15 kWとは、機械が過熱せずに無制限に維持できる値であり、三つの要素で決まります。クラス200 °Cのエナメル線絶縁(IEC 60317-13 GR 2、産業用サーボモーターや電気自動車の駆動系と同じグレード)、熱容量として働く4 kgの銅巻線、そして筐体を通じた自然冷却です。
Atlasの典型的な出力である約1 kWでは、モーターは連続定格の7 %未満で運転されます。冷えたまま回ります。銅損は電流の二乗で増えるため、限界からはるかに低いところで動く機械は熱としての損失が非常に小さくなります。そして絶縁を劣化させ、最終的にモーターの寿命を終わらせるのは、その熱です。
ピーク22 kWは突風に対する短時間の過負荷耐量です。これは二つの物理的限界、すなわちN42磁石の減磁しきい値とステーター鉄心の磁気飽和によって画定されます。
エネルギーが実際にどこから来るのか
風から取り出せる出力は次の式に従います。
P = ½ · ρ · A · V³ · Cp · η
ここでρは空気密度、Aは受風面積、Vは風速、Cpは出力係数、ηは電気効率です。Atlasのローターは1.035 m²(直径1030 mm × 高さ1005 mm)を掃引し、良好な風でCp 0.28に達し、92 %の電気効率で変換します。
支配的な項はV³です。風速は3乗で効くため、風が30 %強い場所ではエネルギーは30 %増ではなく、およそ2倍になります。マスト高さと設置場所が、このページのどの仕様よりも結果を大きく左右するのはこのためです。そして「どれくらい発電できますか」という問いへの誠実な答えが、数字ではなく必ずお住まいの場所を尋ねることから始まるのも、同じ理由です。
発電機の全仕様
| 項目 | 値 |
|---|---|
| 発電機形式 | 24-pole permanent magnet, direct drive |
| 磁石 | NdFeB N42, 60 × 25 × 5 mm, nickel-coated |
| 磁石体積 | 24 magnets · 180 cm³ |
| 磁石の取付 | Skewed |
| ステーター | 16 cm × 12 cm · 2.4 L |
| 巻線 | 4 kg copper · 90 turns/slot |
| 線材絶縁 | Class 200 °C, IEC 60317-13 GR 2 · CE / UL |
| 加工公差 | ±0.05 mm |
| ローター | 1030 mm × 1005 mm · 1.035 m² |
| 起動風速 | 2 m/s |
| 出力係数 (Cp) | 0.28 |
| 電気効率 | 92% |
| モーター定格 | 15 kW / 22 kW |
この数値が語ること、語らないこと
上記の値はいずれも機械の特性であり、機械の特性は当社が管理できる部分です。コギングトルク、極数、磁石グレード、絶縁クラス、加工公差は、出荷するすべての個体で同一です。
年間発電量はそうではありません。それはお客様の風次第であり、Atlasの公表発電量が年間180〜2,900 kWhという幅を持つのは、風を遮られた郊外の庭と吹きさらしの海岸との差がそれほど大きいからです。設置場所とマスト高さをお知らせいただければ、最良のケースではなく現実的な範囲をお伝えします。