JPS6044516B2

JPS6044516B2 - 風力発電機などの風車

Info

Publication number: JPS6044516B2
Application number: JP52144268A
Authority: JP
Inventors: 久山村; 雄悟小山; 博敏尾谷; 一郎渡辺
Original assignee: Matsushita Seiko Co Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Panasonic Ecology Systems Co Ltd; NTT Inc
Priority date: 1977-11-30
Filing date: 1977-11-30
Publication date: 1985-10-03
Also published as: JPS5476740A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は風のエネルギーを利用する風力発電機などの風
車に関するものである。

風のエネルギーを利用する風力発電機などの風車では絶
えず風速が変化する風に対して如何に効率よくエネルギ
ーを取り出し、又風速分布の大部・分を占める低風速の
もとで如何に早く起動させるかが風力発電用風車の重要
な課題であつた。

そして第１図Ａ，ｂ，ｃにそれぞれ示すように風車の翼
角度は常にある一定の抑え角αで相対的に風が流入する
のが風車として良いとされており強風などにより風車回
転数が急激に上昇するのを翼取付角度を変えることによ
り制御しており、この手段として、従来は電動力、油圧
力などにより回転平面に対する翼取付角度お大きい起動
角度から小さい運転角度に変換させたり、ガバナーある
いは翼の遠心力を利用し翼取付角度を調整させる風車が
特公昭２５−３９６４号、特公昭２８−２５４号、特公
昭２６一３１５４号、特公昭２６−１８０７に示されて
いる。しかｌし電動力、油圧力などを利用するものでは
、例えば起動、停止を繰り返す低風速のもとでは風車に
発生するエネルギーに比較して前記電動力、油圧力など
の装置を動かすために消費されるエネルギーが大きく、
また遠心力を利用するものでは起動時の低回転では遠心
力が小さくて翼取付角度を調整させるに十分なりが得ら
れない欠点があつた。なお第１図ａは翼の回転平面に対
する翼取付角度β１が最大で、起動時の状態を表わして
いる。第１図ｂは翼の回転平面に対する翼取付角度β２
が最小で、風速に対して回転周速度が最大の状態を示し
ている。第１図ｃは翼の回転平面に対する翼取付角度β
３が中間の大きさで、風速が異常に大きい場合、回転周
速度が小さくなるように調整された状態を示している。
第２図は横軸に風車回転速度（ＲＰｍ）をとり、縦軸上
側に風車出力（ＫＷ）をとり、縦軸下側に風車回転トル
ク（Ｋｇ・Ｍｇ）をそれぞれとり、第１図Ａ，ｂ，ｃの
翼取付角度β１，β２，β３をパラメータとして風車特
性を示している。第２図では、起動時には風車回転速度
（Ｒｐｍ）が零であるので、風車回転トルク（Ｋｇ・７
Ｔｔ．）が大きい翼取付角度β１の大きいものが有利で
あることがわかる。そして回転を始めると風車回転速度
（Ｒｐｍ）が大きくなるので、風車出力（Ｋｗ）が大き
い翼取付角度β２になるように自動的に調整されるもの
である。また風速が異常に大きくなると、翼取付角度β
３がβ２より小さくなり、したがつて風車出力（Ｋｗ）
も風車回転トルク（Ｋ９・ｍ）も中間の特性に調整され
るものである。したがつて風力発電機などの風車は低風
速で効果的に起動させ、高風速で効率的に回転させるた
めには、翼の回転平面に対する翼取付角度β，，β３，
β２を大きい角度から小さい角度に調整することが重要
なつている。

本発明はこのような風車の理論に沿つた風力発電機など
の風車を得たものである。以下、本発明の実施例に沿つ
て詳細に説明する。第３図は本発明の第１実施例を示す
ものである。

１は風車発電機２に接続された動力軸、３は動力軸１に
回転自在に取付けたハブで、このハブ３の一側面内方に
突起４が設けらている。

５は一端が動力軸１に他端がハブ３に取付けられ、ハブ
３と動力軸１との相対回転角度を調整するスプリング、
６は動力軸１に固定されたピンで、スプリング５の作用
力に抗して動力軸１とハブ３との間に相対回転角度が生
じた場合に、その相対回転角度の範囲を規制するもので
ある。

７は動力軸１に固着された傘歯車、８はハブ３に翼軸９
を回転自在に取付けた翼、１０は前記翼軸９に固定され
た傘歯車て、動力軸１の傘歯車７と噛合している。

つぎに第１実施例の作用効果を説明する。風速のないと
きは風車は回転トルクを発生しないためにハブ３はスプ
リング５の作用力によつて翼８を回転平面に対し大きい
翼取付角度に調整されている。風速がでてくると風車は
回転トルクを生じ回転を始める。一方動力軸１は発電機
２の制御力により風車の回転を阻止する静止力が働いて
いるので、スプリング５の作用力に抗して動力軸１とハ
ブ３とは相対回転を始めるものてある。したがつて動力
軸１の傘歯車７と翼軸９の傘歯車１０とが相対回転を起
し、ピン６と突起４とが当接するまて翼軸９が回転する
。したがつて翼８は回転平面に対し小さい翼取付角度に
自動的に調整され風車の回転をあげて高効率な運転がで
きるものである。また風車を停止させれば、スプリング
５の作用力により、動力軸１とハブ３の相対回転を生じ
て傘歯車７，１０を介して翼８がハブ３の回転平面に対
し大きい翼取付角度となるように自動的に調整されるも
のである。つぎに本発明の第２実施例を第４図に沿つて
詳細に説明する。

１，２，３，４，５，６，８，９，１０はそれぞれ第１
実施例と同様、動力軸、風車発電機、ハブ、突起、スプ
リング、ピン、翼、翼軸、傘歯車てある。

１１は動力軸１に挿入した傘歯車１２の軸受、１３は傘
歯車１２および軸受１１を貫通して挿入されたボール、
１４は前記ホール１３を動力軸１に設けた凹部１５に加
圧するスプリング、１６は動力軸１に一端が取付けられ
、他端が傘歯車１２に取付けられ、動力軸１に対して傘
歯車１２を元の位置に戻す作用を有するスプリング、１
７は傘歯車１２の側面に一体に設けた歯車、１８はハブ
３に固定され、歯車１９を歯車１７に噛合させた減速電
動機である。

本発明の第２実施例は以上のように構成されており、以
下作用効果を説明する。風速がでてくると風車は回転ト
ルクを生じ回転を始める。一方動力軸１には風車発電機
２の制動力により風車の回転を阻止する作用力が働き、
傘歯車１２はボール１３と凹部１５との嵌合およびスプ
リング１６の作用力によつて動力軸１と係合状態にある
ため、翼８の回動によりハブ３が動力軸１に対して突起
４にピン６が係当するまでスプリング５の弾性力に抗し
て相対回転する。したがつて翼８は回転平面に対して小
さい翼取付角度に調整され、風車の回転をあげて高効率
な運転ができるものである。つぎに風速が大きすぎる場
合には、第５図のような電気回路によつて減速電動機１
８を回転させ、歯車１７と歯車１９の噛合により傘歯車
１２を回転させ動力軸１との係合を外すものである。

すなわち第５図において、２０は風車計発電機、２１は
前記風車計発電機２０に誘起された電圧を脱幅する増幅
器、２２は前記増幅器２１の電圧が所定の電圧に達する
と励磁するように設定されているリレー、２３は前記リ
レー２２の接点で、減速電動機１８を電源２４に接続す
ることができるものてある。そして減速電動機１８が作
動すれは動力軸１と傘歯車１２の係合が外れるとともに
傘歯車１２に噛合する傘歯車１０はスプリング１６の抗
力の範囲だけ回動し、翼８を回転平面に対して起動時よ
りも深い翼取付角度に調整し停止させることができるも
のである。したがつて風車の回転数が異常上昇し、破壊
するのを防止することができるのである。なお、風力が
弱まつた場合には、減速電動機１８の回転力は第５図の
電気回路により消勢しているので、スプリング１６の作
用力により、動力軸１と傘歯車１２は元の状態と係合す
るものであノる。

このように第２実施例では突風など異常な風力が風車に
加わつた場合、異常な高速回転を生じないように翼８の
翼取付角度を起動時よりさらに大きくし、翼８を停止さ
せる安全機構を付加した点が第１実施例と相違するもの
である。つぎに本発明の第３実施例につき添付図面第６
図および第７図に沿つて詳細に説明する。１，２，３，
５，８，９はそれぞれ前記実施例同様、動力軸、風車発
電機、ハブ、スプリング、翼、翼軸である。

２５は動力軸１の先端に固着された円板で、第５図の減
速電動機１８の代りに異常風速時に作動する電動シリン
ダー２６を中央に取付けたものである。

２７は電動シリンダー２６の軸で、可動円板２８を先端
に固定している。

２９は可動円板２８に取付けた操作軸で、円板２５を摺
動自在に貫通している。

３０は軸受、３１は一端が操作軸２９に遊嵌され他端が
翼軸９の翼軸腕３２に遊嵌された回転軸である。

なお回転軸３１と翼軸腕３２のなす角度は第６図に示す
ように常に１８００以下である。すなわち、翼８の回転
中心を０とした場合、起動時は翼８がＡ″の位置であつ
て回転平面に対し、大きな翼取付角度を有するように自
動的に配設されている。

このとき回転軸３１と翼軸腕３２のなす角ＺＡＡＯは１
８０転以下である。また正常運転時に翼８がＢ″の位置
にあつて回転平面に対し、小さな翼取付角度を有するよ
うに自動的に配設されている。このとき回転軸３１と翼
軸腕３２のなす角ＺＢＢＯは１８００である。また突風
などの異常風速度時には第５図のような電気回路によつ
て電動シリンダー２６が働らき、可動円板２８を第６図
の点線のように作動させ回転平面に対し翼８がＣ″の位
置に、起動時より小さな取付角度とるように回動する。
このとき回転軸３１と翼軸腕３２一のなす角度ＺＣＣＯ
は１８０軸以下で起動時よりも鋭意となつており、した
がつて翼取付角度は起動時よりもさらに大きく翼８を停
止せしめるものである。なお異常な突風などが止めば、
第５図の電気回路によつて電動シリンダー２６は消勢す
るの．で、可動円板２８は元の位置に戻り、したがつて
起動時の状態に復帰するものである。つぎに本発明の第
３実施例につき添付図面に沿つて作用効果を説明する。
起動時には回転軸３１と翼軸腕３２とはＺ・ＡＡＯの位
置にあり、翼８はＡ″の位置で回転平面に対して翼取付
角度が大きな位置にある。

そして風速がでてくると風車は容易に起動して回転力を
生じるが、正常回転では動力軸１とハブ３の相対回転力
により翼８がＢ″の位置に回転平面に対して小さな翼取
付角度となるように回転軸３１と翼軸腕３２とが直線状
になるように変位する。そしてこの直線状になつた状態
で翼８は規制されるものである。また正常運転から起動
時の位置に翼８の翼取付角度を復元させる力はスプリン
グ５の弾性力によるものである。さらに突風などの異常
風速が生じた場合には、第５図の電気回路が働らいて電
動シリンダー２６ノに通電するので可動円板２８を第６
図点線のように移動させ、回転軸３１と翼軸腕３２のな
す角度を鋭角に変位させて、翼８の回転平面に対する翼
取付角度を起動時により大きくすることにより翼８の回
転を停止させるものである。

したがつて突Ｊ風などの異常風速に対して風車の異常回
転が防止され破損を防止するものである。なお、突風な
どの異常風速が停止すれば、第５図の電気回路によつて
電動シリンダー２６は消勢し、可動円板２８が元の位置
に復帰するとともにスプリング５の作”用により動力軸
１とハブ３との間の相対回転が生じ、翼８が起動時の翼
取付角度に復帰するものである。本発明の風力発電機な
どの風車は、翼取付角度を可変自在になるように翼を装
着したハブを、風車発電機に連結した動力軸に回転自在
に取付け、風力により翼を介してハブに伝達される回転
力と前記動力軸の負荷などの制動力とによる相対回転力
を翼取付角度の変換力とする変換機構を設け、この変換
機構を介して翼をハブに回転自在に設け、ハブに伝達さ
れる回転力と動力軸の負荷などの制動力により相対回転
する前記ハブと動力軸との相対回転を規制する変換機構
を設け、回転平面に対し起動時には大きい翼取付角度に
、運転時には小さい翼取付角度に変換することを特徴と
するもので、ハブと動力軸との間の相対回転力により、
翼の回転平面に対する翼取付角度が起動時には大きく、
運転時には小さく自動的に変換され、円滑な起動と風速
変化に対して安定した運転を得ることができるので、風
車発電機などの風車に最適な効果を得ることができる。

さらに本発明の風車発電機などの風車は突風などの異常
風速を検知する風車発電機などの検知装置により異常風
速発生時に翼の回転平面に対する翼取付角度を少なくと
も正常回転時のそれよりも大きい角度に変換させること
により風車の異常回転を阻止する安全機構を設けたもの
で、突風などの異常風速に対しても異常回転しないよう
に翼の回転平面に対する翼取付角度が正常運転時のそれ
よりも小さく変換され、したがつて安定した回転を得る
ことができるとともに風車発電機の風車の破損などを防
止することができるので、風車発電機の風車として最適
な効果を得ることができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ，ｂ，ｃはそれぞれ起動時、運転時、中間時の
回転平面に対する翼取付角度を示す説明図、第２図は翼
取付角度をパラメータとし、風車回転速度（Ｒｐｍ）と
風車出力（Ｋｗ）、風車回転トルク（Ｋｇ・７ＴＬ）の
関係を示す特性図、第３図は本発明の風力発電機などの
風車の第１実施例を示す要部断面図、第４図は同第２実
施例を示す要部断面図、第５図は安全機構の電気回路図
、第６図および第７図はそれぞれ同第３実施例を示す説
明図および要部断面図である。１・・・・・・動力軸、２・・・・・・風車発電機、３
・・・・・・ハブ、４・・・・・・突起、５・・・・・
・スプリング、６・・・・・ゼン、７・・・・・・傘歯
車、８・・・・・・翼、９・・・・・・翼軸、１０・・
・傘歯車、１１・・・・・・軸受、１２・・・・・傘歯
車、１３・・・・・・ボール、１４・・・・スプリング
、１５・・・・・・凹部、１６・・・・スプリング、１
７・・・・・・歯車、１８・・・・・・減速電動機、１
９・・・・・・歯車、２０・・・・・・風車計発電機、
２１・・・・・・増幅器、２２・・・・・・リレー、２
３・・・・・接点、２４・・・・・・電源、２５・・・
・・円板、２６・・電動シリンダー、２７・・・・・・
軸、２８・・・・・・可動円板、２９・・・・・操作軸
、３０・・・・・・軸受、３１・・・・・・回転軸、３
２・・・・・・翼軸腕。

Claims

【特許請求の範囲】１風車発電機に連結する動力軸に対し、相対的に回転
自在に取り付けられたハブと、このハブに対し略放射状
に、かつ翼取付角度を可変に取り付けられ、風力を受け
て上記ハブに回転力を与える複数の翼と、上記翼取付角
度の変換量と前記ハブと動力軸の相対的回転量との間に
一定の連動関係を与える変換機構と、上記ハブと動力軸
との一定以上の相対的回転量に対して同ハブと動力軸の
相対的回転を規制する期制機構とを有し、前記変換機構
は翼の回転平面に対し、起動時には大きい翼取付角度を
与え、風速により回動する回転力と風車発電機に連結し
た動力軸の制動力により作用する前記ハブと動力軸との
相対的回転で小さい翼取付角度に変換するように設定さ
れている風力発電機などの風車。２変換機構としては、動力軸に固定した歯車と、翼を
回転自在にハブに装着する翼軸に設けた歯車を噛合し、
動力軸とハブを前記ハブの回転力に抗する調整力が作用
するスプリングを介して連結し、翼を介してハブに伝達
させる回転力と前記動力軸の負荷などの制動力による相
対的回転力を翼取付角度の変換力にした特許請求の範囲
第１項記載の風力発電機などの風車。３変換機構としては、動力軸に固定した円板に対し可
動円板を介して回動自在に設けた操作軸と、翼を回動自
在にハブに装着する翼軸に固定した翼軸腕とを回転軸を
介して回転自在に連結し、動力軸とハブを前記ハブの回
転力に対する調整力が作用するスプリングを介して連結
し、翼を介してハブに伝達される回転力と前記動力軸の
負荷などの制動力による相対回転力を翼取付角度の変換
力として前記回転軸と翼軸腕を介して翼取付角度を可変
する特許請求の範囲第１項記載の風力発電機などの風車
。４規制機構としては、翼を取付けたハブに突起を設け
、風車発電機に接続した動力軸にピンを設け、前記ハブ
が動力軸に対し、一定範囲回動すると突起とピンとが係
当し、翼の回転平面に対する翼取付角度を規制した特許
請求の範囲第１項記載の風力発電機などの風車。５翼取付角度を可変自在になるように翼を装着したハ
ブを、風車発電機に連結した動力軸に回転自在に取付け
、風力により翼を介してハブに伝達される回転力と、前
記前記動力軸の負荷などの制動力とによる相対回転力を
翼取付角度の変換力とする変換機構を設け、この変換機
構を介して翼をハブに回転自在に設け、ハブに伝達され
る回転力と動力軸の負荷などの制動力とにより相対回転
する前記ハブと動力軸との相対回転を規制する規制機構
を設け、突風などの異常風速を検知する風車計発電機な
どの検知装置により、異常風速発生時に翼の回転平面に
対する翼取付角度を少なくとも正常回転時のそれよりも
大きい、角度に変換させることにより風車の異常回転を
阻止する安全機構を設けた風力発電機などの風車。６安全機構として、突風などの異常風速を検知する風
車発電機などの検知装置からの信号を受け作動する減速
電動機をハブに取付け、この減速電動機の回転により動
力軸に固定あるいは離脱する傘歯車を設け、この傘歯車
に噛合する傘歯車を介して翼の回転平面に対する翼取付
角度を正常回転時のそれよりも大きい角度に変換させ、
減速電動機の消勢により動力軸に取付けた傘歯車を動力
軸に固定する位置に復元するためのスプリングを動力軸
と前記動力軸側の傘歯車と間に設けた特許請求の範囲第
５項記載の風力発電機などの風車。７安全機構として、突風などの異常風速を検知する風
車計発電機などの検知装置からの信号を受け作動するシ
リンダーを動力軸に固定円板を介して設け、この電動シ
リンダーの軸の移動により前記固定円板を貫通する操作
軸およびハブを貫通する回転軸および翼の翼軸腕をそれ
ぞれ介して翼の回転平面に対する翼取付角度を正常回転
時のそれよりも大きい角度に変換させ、電動シリンダー
の消勢により電動シリンダーの軸を移動して起動時の翼
取付角度に復元させた特許請求の範囲第５項記載の風力
発電機などの風車。