JP2005009372A

JP2005009372A - 風車ブレードのピッチ角制御装置

Info

Publication number: JP2005009372A
Application number: JP2003172924A
Authority: JP
Inventors: Takashi Inoue; 高志井上
Original assignee: TS Corp
Current assignee: Nabtesco Corp
Priority date: 2003-06-18
Filing date: 2003-06-18
Publication date: 2005-01-13
Anticipated expiration: 2023-06-18
Also published as: JP4229764B2

Abstract

【課題】ピッチ角制御装置１７の組立作業およびメンテナンス作業を容易とする。
【解決手段】メインモータ２４またはサブモータ５８から減速機１９に回転を伝達する伝達手段７２を囲むカバー２１の一側に減速機１９を、他側にメインモータ２４およびサブモータ５８を外付けで取付けるようにしているので、これらをケースに内蔵させる場合より組立作業が容易となり、しかも、いずれかの部品が故障したときにも、減速機１９等を取り外すだけで故障部品を簡単に露出させて修理することができ、これにより、メンテナンス作業が容易となる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、風力発電に使用される風車における風車ブレードのピッチ角を制御するピッチ角制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開２００１−９９０４５号公報
【０００３】
従来の風車ブレードのピッチ角制御装置としては、例えば前記特許文献１に記載されているようなものが知られている。このものは、風車のローターヘッドに取付けられ該ローターヘッドの回転軸と同軸のサーボモータと、該サーボモータの出力軸に固定された傘歯車からなる主歯車と、各風車ブレードの半径方向内端に固定され、前記主歯車に噛み合う傘歯車からなる副歯車とから構成されたものである。そして、このものによって風車ブレードのピッチ角を制御する場合には、サーボモータを作動することで主歯車を回転し、この主歯車の回転を副歯車に伝達して全ての風車ブレードを同期回動するのである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の風車ブレードのピッチ角制御装置にあっては、風車ブレードに回動力を付与するサーボモータが１台しか設置されていないため、該サーボモータが断線・停電等により故障をすると、風車ブレードのピッチ角を制御することができなくなるという問題点がある。特に、弱い風に対して風車ブレードのピッチ角が設定されているときにサーボモータが故障した後、強風が吹くようになったときには、風車が高速回転し危険となる。
【０００５】
このような事態を防止するため、メインモータ（前述のサーボモータ）の他にサブモータを設置し、該メインモータが故障したとき、サブモータを作動して風車ブレードのピッチ角を制御することが考えられる。ここで、このようにメインモータの他にサブモータを設けたとき、全体形状を単純化して取り扱いを容易とするため、１個のケースに前述のメインモータ、サブモータ、減速機、伝達手段の全てを内蔵させることが一般的である。
【０００６】
しかしながら、このようなものにあっては、組立作業が面倒になるとともに、いずれかの部品が故障したとき、修理に全体を分解しなければならず、メンテナンスも面倒となってしまうという問題点がある。
【０００７】
この発明は、組立作業およびメンテナンス作業が容易な風車ブレードのピッチ角制御装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような目的は、風車のロータヘッドに取付けられ、半径方向内端部が前記ロータヘッドに回動可能に連結された複数の風車ブレードをそれぞれ回動させることでピッチ角を制御するようにした風車ブレードのピッチ角制御装置であって、メインモータと、該メインモータが故障したとき作動するサブモータと、メインモータまたはサブモータから伝達手段を介して入力された回転を減速して前記風車ブレードに伝達し、該風車ブレードを回動させる減速機と、前記伝達手段を囲むカバーとを備え、前記カバーの一側に減速機を、他側にメインモータおよびサブモータを取付けることにより達成することができる。
【０００９】
この発明においては、伝達手段を囲むカバーの一側に減速機を、他側にメインモータおよびサブモータを外付けで取付けるようにしているので、これらをケースに内蔵させる場合より組立作業が容易となり、しかも、いずれかの部品が故障したときにも、減速機等を取り外すだけで故障部品を簡単に露出させて修理することができ、これにより、メンテナンス作業が容易となる。
【００１０】
また、請求項２に記載のように構成すれば、メインモータの出力軸から減速機の入力部に駆動力を直接伝達することが可能となり、この結果、駆動力の伝達効率が向上するとともに、構造を簡単とすることもできる。
さらに、請求項３に記載のように構成すれば、メインモータの出力軸を減速機への駆動力伝達系としてサブモータと共用することができ、これにより、装置全体の構造が簡単となり、製作費を安価とすることもできる。
また、請求項４に記載のように構成すれば、メインモータの出力軸に外歯車を固定する場合に比較して、安価に製作することができる。
【００１１】
さらに、請求項５に記載のように構成すれば、サブモータとしてメインモータより高速回転する低トルク出力のモータを用いることができ、この結果、サブモータが小型・軽量化して、装置全体が安価に製作できるとともに、コンパクトとなる。
また、請求項６に記載のように構成すれば、内、外歯車によって大きな減速比を得ることができるため、減速機の減速比を小さくすることができ、これにより、減速機を小型・安価とすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１、２、３において、１１は風力発電に使用される風車の中空状ロータヘッドであり、このロータヘッド１１は図示していない風車本体に回転可能に支持されている。また、このロータヘッド１１は図示していない増速機および発電機に連結されており、この結果、このロータヘッド１１が回転すると、発電機は（風力）発電する。１４は半径方向に延びるとともに周方向に等角度離れた複数、ここでは３個の風車ブレードであり、これら風車ブレード１４の半径方向内端部は円筒状を呈するとともに、ロータヘッド１１に回動可能に連結されている。そして、これら風車ブレード１４の半径方向内端部内周には内歯車１５が形成されている。
【００１３】
１７は各風車ブレード１４を回動させることでそのピッチ角、即ちロータヘッド１１に対する風車ブレード１４の取付け角度を制御する複数（風車ブレード１４と同数）のピッチ角制御装置であり、各ピッチ角制御装置１７はロータヘッド１１に一体形成された取付けプレート１８に取付けられた遊星歯車減速機、ここでは偏心揺動型減速機１９を有する。２１は後述の伝達手段を囲むカバーであり、このカバー２１の一側には前記減速機１９が、詳しくは略円筒状をしたケース２０が取付けられている。
【００１４】
２４はカバー２１の他側に取付けられた電動式のメインモータであり、通常、このメインモータ２４の回転駆動力により前記風車ブレード１４のピッチ角が制御される。前記メインモータ２４は一側に向かって延びる回転軸２５を有し、この回転軸２５の先端部に外嵌されたメイン伝達軸２６はキー２７によって該回転軸２５に一体的に連結されている。このメイン伝達軸２６は前記カバー２１内に位置するとともに、その他端部が軸受２８によりカバー２１に回転可能に支持されている。前述した回転軸２５、メイン伝達軸２６は全体として、前記減速機１９の回転中心と同軸であるメインモータ２４の出力軸２９を構成するが、この出力軸２９のうち、メイン伝達軸２６は後述する伝達手段の一部でもある。
【００１５】
３１は前記ケース２０内に収納され減速機１９の一部を構成するキャリアであり、このキャリア３１は一側端に設けられた端板部３１ａと、端板部３１ａから他側に向かって延びる複数本の柱部３１ｂと、これら柱部３１ｂの他端にボルト３２により固定された端板部３１ｃとから構成されている。３３は前記ケース２０の内周に設けられた内歯としての多数の内歯ピンであり、これらの内歯ピン３３は軸方向に延びるとともに、周方向に等角度離れて配置されている。３４は前記キャリア３１、詳しくは端板部３１ａの一端に一体的に連結された出力軸であり、この出力軸３４および前記キャリア３１は、これら出力軸３４、キャリア３１とケース２０との間に介装された軸受３５によりケース２０に回転可能に支持されている。
【００１６】
３６は前記ケース２０内に収納された複数、ここでは２個のピニオンであり、これらピニオン３６は軸方向に並列配置されている。また、これらピニオン３６は外周に歯数が内歯ピン３３の数より若干少ない外歯３６ａを有し、これら外歯３６ａは隣接するピニオン３６において１８０度だけ位相がずれた状態で前記内歯ピン３３に噛み合っている。前記ピニオン３６には前述の柱部３１ｂと同数の遊嵌孔３８がそれぞれ形成され、これらの遊嵌孔３８には前記キャリア３１の柱部３１ｂがそれぞれ遊嵌状態で軸方向に貫通している。
【００１７】
また、前記ピニオン３６には複数の貫通孔３９が形成され、これらの貫通孔３９は前記遊嵌孔３８と周方向に交互に配置されている。４０は複数本、ここでは前記貫通孔３９と同数のクランク軸であり、これらクランク軸４０の一端部は端板部３１ａに、他端部は端板部３１ｃに軸受４１を介して回転可能に支持されている。各クランク軸４０はその軸方向中央部にクランク軸４０の中心軸から等距離だけ偏心した２個の偏心部４０ａを有し、これら偏心部４０ａは周方向に１８０度だけ位相がずれている。また、これら偏心部４０ａは各ピニオン３６の貫通孔３９内にニードル軸受４２をそれぞれ介装した状態で挿入されている。
【００１８】
４５は各クランク軸４０の他端部にスプライン結合により連結された減速機１９の入力歯車であり、これら入力歯車４５には前記メインモータ２４の出力軸２９、詳しくはメイン伝達軸２６の先端部（一端部）外周に形成された出力外歯車４６が噛み合っている。なお、このメイン伝達軸２６の先端は端板部３１ｃ内に挿入されるとともに、これらの間に介装された軸受４７によりキャリア３１に回転可能に支持されている。このようにメインモータ２４の出力軸２９の先端部外周に出力外歯車４６を形成するとともに、該出力外歯車４６を減速機１９の入力歯車４５に噛み合わせるようにすれば、メインモータ２４の出力軸２９に別体である外歯車を固定する場合に比較して、安価に製作することができる。
【００１９】
そして、メインモータ２４の出力軸２９の駆動回転が入力歯車４５に伝達され、クランク軸４０が回転すると、偏心部４０ａは貫通孔３９内において偏心回転し、ピニオン３６を１８０度だけ位相をずらした状態で偏心回転（公転）させる。このとき、ケース２０が静止しており、また、外歯３６ａの歯数が内歯ピン３３の数より若干少ないので、キャリア３１、出力軸３４は低速で回転する。前述したケース２０、キャリア３１、内歯ピン３３、出力軸３４、ピニオン３６、クランク軸４０、入力歯車４５は全体として、メインモータ２４の出力軸２９から入力された回転を大減速比で減速して出力する前記減速機１９を構成する。
【００２０】
５０は前記出力軸３４の一端部にスプライン結合により連結された外歯車であり、この外歯車５０は出力軸３４の一端面にボルト５１により固定された抜け止めプレート５２によって抜け止めされるとともに、前記内歯車１５に噛み合っている。この結果、メインモータ２４が作動して出力軸２９が回転すると、この出力軸２９の回転は減速機１９により減速された後、風車ブレード１４に伝達され、該風車ブレード１４を回動させてそのピッチ角を変更する。
【００２１】
ここで、この外歯車５０はそのピッチ円が前記内歯車１５のピッチ円よりかなり小径であるため、前述のように風車ブレード１４の半径方向内端部内周に内歯車１５を設けるとともに、減速機１９の出力軸３４に前記内歯車１５に噛み合う外歯車５０を設けるようにすれば、これら内、外歯車１５、５０によって大きな減速比を得ることができ、これにより、減速機１９の減速比を小さくすることができて、該減速機１９を小型・安価とすることができる。
【００２２】
５４はケース２０の一端部と出力軸３４との間に介装されたオイルシールであり、このオイルシール５４は軸受３５の一側において該軸受３５にほぼ密着された状態で配置されている。このように軸受３５とオイルシール５４とをほぼ密着した状態で配置し、これらの間の距離を可能な限り短くすれば、出力軸３４が横荷重を受けて撓んだ場合でも、オイルシール５４に対する撓みの影響を効果的に小さくすることができ、これにより、オイル漏れに対する信頼性を向上させることができる。
【００２３】
５８は減速機１９の回転中心からオフセットした状態でメインモータ２４の側方に設置され、該メインモータ２４（その制御部、給電部を含む）が断線・停電等によって故障したときのみ作動する電動式のサブモータであり、このサブモータ５８はその回転軸５９がメインモータ２４の回転軸２５と平行になるよう配置されるとともに、該メインモータ２４と同様にカバー２１の他側に取付けられている。
【００２４】
このように減速機１９の回転中心（出力軸３４の回転軸線）とメインモータ２４の出力軸２９とを同軸に配置するとともに、サブモータ５８をメインモータ２４の側方に平行に配置するようにすれば、メインモータ２４の出力軸２９から減速機１９の入力部（入力歯車４５）に駆動力を直接伝達することが可能となり、この結果、通常運転時における駆動力の伝達効率が向上するとともに、構造を簡単とすることもできる。
【００２５】
６１は回転軸５９の先端部に外嵌されたサブ伝達軸であり、このサブ伝達軸６１はキー６２によって該回転軸５９に一体的に連結されている。このサブ伝達軸６１は前記カバー２１内に位置するとともに、その軸方向両端部が軸受６３によりカバー２１に回転可能に支持されている。前述した回転軸５９、サブ伝達軸６１は全体としてサブモータ５８の出力軸６４を構成するが、この出力軸６４のうち、サブ伝達軸６１は後述する伝達手段の一部でもある。
【００２６】
前記メインモータ２４の出力軸２９、詳しくはメイン伝達軸２６の外周には第１外歯車６７が形成され、一方、前記サブモータ５８の出力軸６４、詳しくはサブ伝達軸６１の外周には第２外歯車６８が形成され、これら第１、第２外歯車６７、６８の双方にはメイン伝達軸２６とサブ伝達軸６１との間に配置されたアイドル歯車６９が噛み合っている。ここで、このアイドル歯車６９はカバー２１の軸部２１ａに軸受７０を介して回転可能に支持されている。
【００２７】
このようにメインモータ２４の出力軸２９に第１外歯車６７を設けるとともに、サブモータ５８の出力軸６４に第２外歯車６８を設け、さらに、これら第１、第２外歯車６７、６８の双方に噛み合うアイドル歯車６９を設け、サブモータ５８の出力軸６４からの回転をメインモータ２４の出力軸２９を介して減速機１９に伝達するようにすれば、メインモータ２４の出力軸２９を減速機１９への駆動力伝達系としてサブモータ５８と共用することができ、これにより、装置全体の構造が簡単となり、製作費を安価とすることもできる。
【００２８】
ここで、前記第２外歯車６８のピッチ円直径は第１外歯車６７のピッチ円直径より小となっているため、サブモータ５８としてメインモータ２４より高速回転する低トルク出力のモータを用いることができ、この結果、サブモータ５８が小型・軽量化して、装置全体が安価に製作できるとともに、コンパクトとなる。また、前述したメイン伝達軸２６、サブ伝達軸６１、アイドル歯車６９は全体として、メインモータ２４またはサブモータ５８からの回転を減速機１９に伝達する伝達手段７２を構成し、この伝達手段７２は前述したカバー２１に収納されている。
【００２９】
次に、この発明の一実施形態の作用について説明する。
風車ブレード１４のピッチ角を変更する場合には、メインモータ２４に通電して出力軸２９を回転させるが、この出力軸２９の回転は入力歯車４５を介してクランク軸４０に伝達され、該クランク軸４０を同期回転させる。このとき、ケース２０が静止しており、また、外歯３６ａの歯数が内歯ピン３３の数より若干少ないので、前記出力軸２９の回転は減速されてキャリア３１、出力軸３４、外歯車５０に出力され、これらキャリア３１、出力軸３４、外歯車５０を低速で回転させる。ここで、前記外歯車５０には風車ブレード１４に形成された内歯車１５が噛み合っているので、外歯車５０の回転により風車ブレード１４は回動し、そのピッチ角が変更される。
【００３０】
そして、前記風車ブレード１４のピッチ角は、通常の運転時には、１０〜３０度の範囲内で制御されており、風が弱くなった場合には、ピッチ角が小さくなるよう風車ブレード１４を回動させてロータヘッド１１の回転を増速させ、一方、風が強くなった場合には、ピッチ角が大きくなるよう風車ブレード１４を回動させてロータヘッド１１の回転を減速させ、強風時の危険を回避しながら、発電効率を向上させるようにしている。
【００３１】
ここで、前記メインモータ２４が断線・停電等により故障すると、予備電源からサブモータ５８に通電し出力軸６４を回転させる。この出力軸６４の回転はアイドル歯車６９、出力軸２９を介して減速機１９に入力されるが、この減速機１９において前述と同様に減速された後、外歯車５０に出力され、該外歯車５０を低速回転させる。これにより、メインモータ２４が故障した場合でも、風車ブレード１４を回動させてそのピッチ角を制御することができる。
【００３２】
そして、この実施形態では、前述のように伝達手段７２を囲むカバー２１の一側に減速機１９を、他側にメインモータ２４およびサブモータ５８を外付けで取付けるようにしているので、これらをカバー２１に内蔵させる場合より組立作業が容易となり、しかも、いずれかの部品が故障したときにも、減速機１９からカバー２１を、あるいは、カバー２１からメインモータ２４、サブモータ５８を取り外すだけで故障部品を簡単に露出させて修理することができ、これにより、メンテナンス作業が容易となる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、組立作業およびメンテナンス作業を容易とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態を示す全体正面断面図である。
【図２】一部破断正面図である。
【図３】減速機近傍の正面断面図である。
【符号の説明】
１１…ロータヘッド１４…風車ブレード
１５…内歯車１７…ピッチ角制御装置
１９…減速機２１…カバー
２４…メインモータ２９…出力軸
３４…出力軸４５…入力歯車
４６…出力外歯車５０…外歯車
５８…サブモータ６７…第１外歯車
６８…第２外歯車６９…アイドル歯車
７２…伝達手段

Claims

風車のロータヘッドに取付けられ、半径方向内端部が前記ロータヘッドに回動可能に連結された複数の風車ブレードをそれぞれ回動させることでピッチ角を制御するようにした風車ブレードのピッチ角制御装置であって、メインモータと、該メインモータが故障したとき作動するサブモータと、メインモータまたはサブモータから伝達手段を介して入力された回転を減速して前記風車ブレードに伝達し、該風車ブレードを回動させる減速機と、前記伝達手段を囲むカバーとを備え、前記カバーの一側に減速機を、他側にメインモータおよびサブモータを取付けるようにしたことを特徴とする風車ブレードのピッチ角制御装置。
前記減速機の回転中心とメインモータの出力軸とを同軸に配置するとともに、サブモータをメインモータの側方に平行に配置した請求項１記載の風車ブレードのピッチ角制御装置。
前記メインモータの出力軸に第１外歯車を設けるとともに、サブモータの出力軸に第２外歯車を設け、さらに、これら第１、第２外歯車の双方に噛み合うアイドル歯車を設け、サブモータの出力軸からの回転をメインモータの出力軸を介して減速機に伝達するようにした請求項１または２記載の風車ブレードのピッチ角制御装置。
前記メインモータの出力軸の先端部外周に出力外歯車を形成するとともに、該出力外歯車を減速機の入力歯車に噛み合わせるようにした請求項１〜３のいずれかに３記載の風車ブレードのピッチ角制御装置。
前記第２外歯車のピッチ円直径を第１外歯車のピッチ円直径より小とした請求項３記載の風車ブレードのピッチ角制御装置。
前記風車ブレードの半径方向内端部内周に内歯車を設けるとともに、減速機の出力軸に前記内歯車に噛み合う外歯車を設けるようにした請求項１〜５のいずれかに記載の風車ブレードのピッチ角制御装置。