JP5072964B2 - 風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電装置に関する。

従来、自然エネルギーである風力を利用して発電を行う風力発電装置が知られている。この種の風力発電装置は、支柱上に設置されたナセルに、風車回転翼を取り付けたロータヘッドと、このロータヘッドと一体に回転するよう連結された主軸と、風車回転翼に風力を受けて回転する主軸を連結した増速機と、増速機の軸出力によって駆動される発電機とを設けたものである。
このように構成された風力発電装置においては、風力を回転力に変換する風車回転翼を備えたロータヘッド及び主軸が回転して軸出力を発生し、主軸に連結された増速機を介して回転数を増速した軸出力が発電機に伝達される。このため、風力発電装置は、風力を回転力に変換して得られる軸出力を発電機の駆動源とし、発電機の動力として風力を利用した発電を行うことができる。

上述した風力発電装置の増速機（変速装置）としては、たとえば図７から図９に示すように、平行歯車を組み合わせて構成され、入力軸と出力軸との間に形成された変速段にいくつかのピニオン軸（変速軸）を設けた構造が知られている。なお、平歯車を組み合わせた増速機は、１段目の大歯車と噛合するピニオン軸を複数にすることで、重量低減が可能とされる。
図示の増速機１０は、入力軸Ｓｉに設けた入力歯車（大歯車）１１と、出力軸Ｓｏに設けた出力歯車（小歯車）１２との間が、両端部に歯数の異なる歯車１３，１４を備えて周方向に４組配置されたピニオン軸Ｓｖを介して連結されている。

すなわち、増速機１０のピニオン軸Ｓｖは、入力歯車１１に噛合している歯車１３とのギア比に応じて、入力軸Ｓｉの回転数から増速される。さらに、増速機１０の出力軸Ｓｏは、歯車１３と同軸になる歯車１４が噛合している出力歯車１２とのギア比に応じて、変速軸Ｓｖの回転数から増速される。
従って、図示の増速機１０は、入力軸Ｓｉの回転数と変速軸Ｓｖの回転数との間で増速する第１段階の増速と、変速軸Ｓｖの回転数と出力軸Ｓｏの回転数との間で増速する第２段階の増速とを行う２段増速機となる。

また、上述した風力発電装置の増速機としては、たとえば第１段目の低速段に平行軸歯車を用いて動力経路を複数に分配し、分配された各出力軸に遊星式歯車を連結したものがある。（たとえば、特許文献１参照）
特開平８−１７７７１１号公報

近年、風力発電装置は大出力化とともに大型化する傾向にあるため、支柱や基礎等の負担を軽減するためにも、ドライブトレインやナセル構造を軽量化することが求められている。
ところで、平行歯車を組み合わせて構成される従来の増速機１０は、ピニオン軸Ｓｖを複数設けて出力すれば、歯幅を薄くして重量を低減することが可能になる。しかし、複数設けたピニオン軸Ｓｖの出力を最終段の出力軸Ｓｏで１軸に戻す場合、ピニオン軸Ｓｖの数だけ存在する歯車１４が同列に配置されていると、１段で増速可能となる増速比は歯車１４の大きさにより制約を受ける。

以下、上述した増速比の制約について、図８を参照して具体的に説明する。
図示の例においては、ピニオン軸Ｓｖが９０度ピッチに４本配置されている。この場合、各ピニオン軸Ｓｖに設けられた４つの歯車１４と噛合する出力歯車１２の増速比を大きくするためには、出力歯車１２の歯数を少なくして小径にするとともに、歯車１４の歯数を多くして大径にする必要がある。しかし、４つの歯車１４は同列（同一平面上）に配置されているので、隣接する歯車１４との干渉を防止するためには、適切なクリアランスＬを確保した配置が必要となる。従って、設定可能な増速比は、必要最小限のクリアランスＬを確保できる値が限界となる。

また、上述した増速機１０においては、平行歯車に片はす歯歯車を用いるとスラスト力を打ち消すことができないため、各軸にスラスト軸受を設置する必要があった。
また、増速機１０のケーシング１５については、単純な平面形状となることから、剛性を確保するため平面部にリブ等を設ける必要がある。

このような背景から、平行歯車を組み合わせて構成される変速装置においては、少ない段数で大きなギア比（変速比；増速比及び減速比）を得られ、かつ、軽量化も可能な装置の開発が望まれる。なお、変速装置は、入力軸及び出力軸を逆にすれば、増速機が減速機に、あるいは、減速機が増速機になる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、少ない段数で大きなギア比を得られ、しかも軽量化が可能な増速装置を備えた風力発電装置を提供することにある。

本発明は、上記の課題を達成するため、下記の手段を採用した。
本発明の風力発電装置は、風車回転翼が取り付けられて一体に回転するロータヘッド内に配置され、該ロータヘッドとドライブトレインを介して連結されている発電機を駆動して発電を行う風力発電装置であって、前記ドライブトレインは前記ロータヘッドの前方及び内部に配設されると共に、該ドライブトレインは前記ロータヘッドの先端部側に該ロータヘッドの外側に突出するように接続された増速装置を備えており、前記増速装置は、平行歯車を組み合わせて構成され、入力軸に設けた入力歯車と出力軸に設けた出力歯車との間が、前記出力軸の軸中心を通って直交する直線上に対で４本以上の偶数配置された両端部に歯数の異なる歯車を備える増速軸を介して連結され、複数ある前記増速軸の出力軸側歯車が、前記出力軸の軸方向にずらして複数設けた前記出力歯車と、周方向において交互に噛合しており、軸線方向から見て隣接する前記出力軸側歯車が重なることを特徴とするものである。

このような風力発電装置によれば、複数ある前記増速軸の出力軸側歯車が、前記出力軸の軸方向にずらして複数設けた出力歯車と、周方向において交互に噛合しているので、隣接する出力軸側歯車同士の干渉が防止され、少ない段数で大きなギア比を得ることができる。
また、平行歯車を組み合わせ、複数の増速軸を備えた構成となるので、歯車の歯幅を薄くして増速装置の軽量化も可能となる。
そして、少ない段数で大きなギア比を得られる軽量化可能な増速装置は、支柱やナセルの荷重負担を軽減することができる。

また、前記増速軸は４本以上の偶数設けられ、前記出力軸の軸中心を通って直交する直線上に対で配置されているので、出力軸の振動を抑制して安定させることができる。

上記の発明において、前記出力歯車及び前記増速軸の出力軸側歯車をはす歯歯車とし、前記はす歯歯車のうち一の向きにはす歯が形成されたものとこれと逆の向きにはす歯が形成されたものを同数にすることが好ましく、これにより、各はす歯歯車に作用するスラスト力を相殺または軽減することができる。

上述した本発明によれば、少ない段数で大きなギア比を得られ、しかも軽量化が可能な増速装置を備えた風力発電装置を提供することができる。このため、本発明の風力発電装置は、支柱上の高所に設置されるドライブトレインの増速機が小型化及び軽量化されるので、支柱やナセル台板等の荷重負担を軽減することができる。

本発明に係る風力発電装置が有する増速装置の一実施形態として構成例を示す断面図（図２のＡ−Ａ断面）である。 図１に示した増速装置を出力軸側から見た正面図である。 図１に示した増速装置の出力軸に設けられている出力歯車のはす歯方向例を示す図である。 図１に示す増速装置のケーシング形状例を示す斜視図である。 風力発電装置の全体構成例を示す図である。 図１に示した増速装置の適用例として、風力発電装置に用いられるドライブトレインの構成例を示す図である。 増速装置の従来例を示す断面図（図８のＢ−Ｂ断面）である。 図７に示した増速装置を出力軸側から見た正面図である。 図７に示す従来の増速装置について、ケーシングの形状例を示す斜視図である。

符号の説明

１ 風力発電装置
３ ナセル
４ ロータヘッド
５ 風車回転翼
１０Ａ，１０Ｂ 増速機（変速装置）
１１，１１Ａ 入力歯車
１２Ａ，１２Ｂ 出力歯車
１３，１４Ａ〜１４Ｄ 歯車
１５Ａ ケーシング
２０ 発電機
Ｄ ドライブトレイン
Ｓｉ 入力軸
Ｓｏ 出力軸
Ｓｖ ピニオン軸（変速軸）

以下、本発明に係る風力発電装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図５に示す風力発電装置１は、基礎６上に立設される支柱２と、支柱２の上端に設置されるナセル３と、略水平な軸線周りに回転可能にしてナセル３に設けられるロータヘッド４とを有している。

ロータヘッド４には、その回転軸線周りに放射状にして複数枚の風車回転翼５が取り付けられている。これにより、ロータヘッド４の回転軸線方向から風車回転翼５に当たった風の力が、ロータヘッド４を回転軸線周りに回転させる動力に変換されるようになっている。なお、図示の風力発電装置１は、ナセル３の前方で風車回転翼５が回転するアップウインド型と呼ばれるものである。

図６は、ナセル３の前方に配置されているロータヘッド４と、ロータヘッド４の前方及び内部に配設されているドライブトレインＤについて、ロータヘッドカバー（不図示）を取り外した状態の内部構成例を示す要部の拡大断面図である。なお、以下に説明する実施形態において、ドライブトレインＤは、ロータヘッド４の回転が増速機１０Ｂを介して発電機２０に伝達される構成とされる。

図６において、風車回転翼５を備えたロータヘッド４は、ナセル３から前方に突出する主軸３０に軸受３１を介して支持されている。すなわち、ロータヘッド４は、風車回転翼５に風を受けることにより、ナセル３に固定支持された主軸３０の周りを風車回転翼５と一体に回転する。なお、図中の符号３２はフレキシブルカップリング、３３はドライブトレインＤを支持する固定軸である。

本実施形態のドライブトレインＤは、ロータヘッド４の回転を増速して発電機２０へ伝達する増速機１０Ｂを備えている。このドライブトレインＤでは、発電機２０が増速機１０Ｂよりナセル３側に配置された構成とされる。すなわち、図示のドライブトレインＤは、ナセル３側に発電機２０が配置されるとともに、先端部側に増速機１０Ｂが配置されている。

そして、図示の構成例では、固定子２１及び回転子２２よりなる発電機２０の全体がロータヘッド４の内部に位置しており、この結果、ナセル３よりロータヘッド４側に配置されたドライブトレインＤの重心位置は、全体がロータヘッド４の外側に配置されたものと比較して、ナセル３側（主軸受となる軸受１２側）に近づけられており、支柱２やナセル３等に作用するモーメント等の荷重負担を低減することができる。
また、このドライブトレインＤは、増速機１０Ｂが先端部側に位置しているので、発電機２０をそのままにして増速機側のメンテナンス作業や交換作業を実施できるので、作業性も良好である。

増速機１０Ｂは、複数の平行歯車を組み合わせて構成される変速装置であり、入力軸Ｓｉとして機能するロータヘッド４に設けた入力歯車１１Ａと、出力軸Ｓｏに設けた出力歯車１２Ａ，１２Ｂとの間が、両端部に歯数の異なる歯車１３，１４を備えて周方向に複数配置されたピニオン軸（変速軸）Ｓｖを介して連結されている。
また、複数あるピニオン軸Ｓｖの両端部に設けられた歯車１３，１４の内、出力軸Ｓｏ側の歯車１４は、出力軸Ｓｏの軸方向にずらしてオフセットした状態に配置されている。

このような増速機１０Ｂについて、以下では図１〜図４を参照して説明する。なお、図６に示す増速機１０Ｂでは、入力軸Ｓｉと一体に回転して歯車１３と噛合する入力歯車１１Ａが外周側を回転し、以下に説明する増速機１０Ａでは、入力軸Ｓｉと一体に回転して歯車１３と噛合する入力歯車１１が内周側を回転するが、基本的な歯車構成は同じである。
図１〜図４に示す増速機１０Ａの構成例では、ピニオン軸Ｓｖが４本使用され、周方向へ９０度ピッチに配置されている。従って、歯車１３，１４についても各々ピニオン軸Ｓｖと同数の４個が使用されており、以下の説明では、ピニオン軸Ｓｖの出力軸側に位置する歯車１４について、区別が必要となる場合は１４Ａ〜１４Ｄの符号を付すことにする。

上述した出力軸Ｓｏ側の歯車１４は、４つの歯車１４Ａ〜１４Ｄの内、１８０度ピッチの関係にある二組の歯車１４Ａ，１４Ｃ及び歯車１４Ｂ，１４Ｄが、出力軸Ｓｏの軸方向にオフセット量Ｌｏだけずれて配置されている。
そして、上述した二組の歯車１４Ａ，１４Ｃ及び歯車１４Ｂ，１４Ｄと各々噛合するようにして、出力軸Ｓｏ側には同じオフセット量Ｌｏだけ軸方向にずらして２個の出力歯車１２Ａ，１２Ｂが設けられている。このオフセット量Ｌｏは、歯車１４の歯幅より大きな値とすることで、正面から見て隣接する歯車１４が重なる（図２参照）配置を可能にする。

すなわち、周方向へ９０度ピッチに配置されている４つの歯車１４Ａ〜１４Ｄは、出力軸Ｓｏにオフセット量Ｌｏだけずらして設けられている２個の出力歯車１２Ａ，１２Ｂと周方向において交互に噛合している。具体的に説明すると、歯車１４Ａが出力歯車１２Ａと、歯車１４Ｂが出力歯車１２Ｂと、歯車１４Ｃが出力歯車１２Ａと、そして、歯車１４Ｄが出力歯車１２Ｂと各々噛合しており、従って、４つの歯車１４Ａ〜１４Ｄは、周方向の配置順において２個の出力歯車１２Ａまたは出力歯車１２Ｂと交互に噛合している。

このように構成された増速機１０Ａは、４つある出力軸Ｓｏ側の歯車１４が、出力軸Ｓｏの軸方向にずらして二つ設けた出力歯車１２Ａ，１２Ｂと周方向において交互に噛合しているので、隣接する出力軸側歯車同士の干渉が防止され、少ない段数で大きなギア比を得ることができる。
すなわち、隣接する歯車１４Ａと歯車１４Ｂとは軸方向にオフセット量Ｌｏを有しているため同列配置になく、従って、出力歯車１２Ａ，１２Ｂの歯数を少なくして小径化し、そして／または、歯車１４の歯数を多くして大径化しても、隣接する歯車１４が干渉することはない。この結果、歯車１４と出力歯車１２Ａ，１２Ｂとの間では、従来と比較してギア比を大きく設定することが可能になる。

また、上述した増速機１０Ａは、複数の平行歯車を組み合わせるとともに、複数のピニオン軸Ｓｖを備えた構成となるので、歯車１１，１２Ａ，１２Ｂ，１３，１４Ａ〜１４Ｄの歯幅を薄くすることができる。従って、上述した増速機１０Ａについては、その重量を低減して軽量化することも可能になる。

ところで、上述した実施形態では、ピニオン軸Ｓｖが偶数の４本設けられている。このため、ピニオン軸Ｓｖは、出力軸Ｓｏの軸中心を通って直交する直線上に対で配置可能であり、すなわち、上述した周方向へ９０度ピッチの配置が可能になるので、出力軸Ｓｏの振動を抑制して安定させることができる。
また、図示の実施例では、ピニオン軸Ｓｖを９０度ピッチの４本としたが、６本または８本としてもよい。
なお、上述したピニオン軸Ｓｖの数を奇数としてもよいが、このような場合は、ピニオン軸Ｓｖの数を多くすることで出力軸Ｓｏの振動は比較的安定したものとなる。

また、上述した増速機１０Ａの出力歯車１２Ａ，１２Ｂ及びピニオン軸Ｓｖの出力軸側となる歯車１４をはす歯歯車とし、各はす歯歯車に形成されるはす歯の向きを同数にすることが好ましい。
具体的に説明すると、たとえば図３に示すように、二つある出力歯車１２Ａ，１２Ｂに形成するはす歯を互いに逆向きとすれば、これと噛合する歯車１４Ａ，１４Ｃ及び歯車１４Ｂ，１４Ｄに形成されるはす歯の向きも互いに逆向きとなる。従って、６枚のはす歯歯車よりなる出力歯車１２Ａ，１２Ｂ及び歯車１４Ａ〜１４Ｄについては、互いに逆向きとなるはす歯の向きが３枚ずつの同数となる。

このように構成すれば、各はす歯歯車の噛合部において作用するスラスト力Ｆｓは、はす歯の向きに応じて逆向きとなる。このため、はす歯歯車に作用するスラスト力Ｆｓは互いに相殺され、スラスト力Ｆｓの軽減によるスラスト軸受の小型化や設置の省略を可能にするので、増速機１０Ａの軽量化を促進することができる。

また、上述した増速機１０Ａは、たとえば図４に示すように、歯車１４を覆うようにした形状、すなわち、歯車１４の配置に応じた段差を有する形状のケーシング１５Ａとなる。この結果、ケーシング１５Ａの段差部には縦壁部分が存在することとなり、このような段差部が平板に設けたリブ等の補強構造と同様に機能して剛性を向上させている。
また、歯車１４の配置に合わせた形状とすることにより、連続する平板部分の面積が減少しているので、この点でもケーシング１５Ａの剛性が向上している。

従って、風車回転翼５が取り付けられて一体に回転するロータヘッド４とドライブトレインＤを介して連結されている発電機２０を駆動して発電を行う風力発電装置１は、ドライブトレインが上述した増速機１０Ａを備えていることにより、ドライブトレインＤの軽量化により支柱２やナセル３の荷重負担を軽減することができる。
すなわち、本発明は、少ない段数で大きなギア比を得られ、しかも軽量化が可能な増速機１０Ａの提供を可能にする。そして、この増速機１０Ａを備えた風力発電装置１は、増速機１０Ａが小型化及び軽量化されるので、ドライブトレインＤを設置する支柱２やナセル台板及び基礎６等の荷重負担を軽減することができる。

ところで、上述した実施形態では、本発明の風力発電装置が有する増速装置を風力発電装置１のドライブトレインＤに適用される増速機１０Ａとして説明したが、これに限定されることはなく種々の適用例が可能である。また、本発明の風力発電装置が有する増速装置は、上述した実施形態の増速機に限定されることはなく、入力軸及び出力軸を逆にすることで減速機として使用することも可能である。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

Claims (2)

1. 風車回転翼が取り付けられて一体に回転するロータヘッド内に配置され、該ロータヘッドとドライブトレインを介して連結されている発電機を駆動して発電を行う風力発電装置であって、
   前記ドライブトレインは前記ロータヘッドの前方及び内部に配設されると共に、該ドライブトレインは前記ロータヘッドの先端部側に該ロータヘッドの外側に突出するように接続された増速装置を備えており、
   前記増速装置は、平行歯車を組み合わせて構成され、入力軸に設けた入力歯車と出力軸に設けた出力歯車との間が、前記出力軸の軸中心を通って直交する直線上に対で４本以上の偶数配置された両端部に歯数の異なる歯車を備える増速軸を介して連結され、
   複数ある前記増速軸の出力軸側歯車が、前記出力軸の軸方向にずらして複数設けた前記出力歯車と、周方向において交互に噛合しており、
   軸線方向から見て隣接する前記出力軸側歯車が重なることを特徴とする風力発電装置。
2. 前記出力歯車及び前記増速軸の出力軸側歯車がはす歯歯車とされ、前記はす歯歯車のうち一の向きにはす歯が形成されたものとこれと逆の向きにはす歯が形成されたものを同数にしたことを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。

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