JP2005113823A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】風力発電装置において、部品点数の削減、軽量化、低コスト化、組立工数の削減、コンパクト化等を図ること。
【解決手段】風のエネルギーを風車２により回転動力に変換し、この回転動力を風車２と直結する発電機１１に伝達して、伝達された回転動力を発電機１１により電気エネルギーに変換する風力発電装置を、次のような構成とした。発電機１１を、風車の回転軸である主軸に取り付けられる回転子１２と、回転子１２に対向配置される固定子１３とにより構成し、主軸１０を、風車２を構成する複数のブレード３・３・・・が取り付けられる部分と、回転子１２が取り付けられる部分とを同一部品で筒状に一体的に形成するとともに、主軸１０の内部にブレード３のピッチ角度を変更するための油圧シリンダー３４を収容した。
【選択図】図３

Description

本発明は、風のエネルギーを電気エネルギーに変換する風力発電装置に関する。

従来、風力発電装置として、風のエネルギーを風車により回転動力に変換し、この回転動力を風車と連結される発電機に伝達して、伝達された回転動力を発電機により電気エネルギーに変換するものが知られている。

このような風力発電装置には、風車の回転を、例えば、歯車機構を用いた増速装置により増速して発電を行う増速タイプのものと、風車の回転を増速せずに、そのまま伝達して発電を行うダイレクトタイプのものとがある。後者は、前者と比べて、大型（大径）の発電機が必要ではあるものの、複雑な機構の増速装置が不要となる点で優れている。
また、風力発電装置には、可変ピッチ機構を備えるタイプのものがあり、可変ピッチ機構により、風車を構成するブレードのピッチ角度を変更して、風速に合わせて風車の回転数を発電機にとって好適な回転数に調節するようにしたものが知られている。
このようなダイレクトタイプで、可変ピッチ機構を備える風力発電装置としては、例えば特許文献１に示すようなものが知られている。

特開２００２−３１０３１号公報

しかし、従来の風力発電装置においては、次のような問題点があった。
ブレードが取り付けられる部分（ロータヘッド、あるいはハブと呼ばれる部分）と、発電機の回転子が取り付けられる主軸とが別体として構成されていたため、部品点数や組立工数が多くなり、コストもかかるという問題点があった。
また、可変ピッチ機構を構成し、ブレードのピッチ角度を変更駆動するためのアクチュエータ、例えば、油圧シリンダー等が、主軸の外部に備えられる構成となっていたため、動力伝達機構等を設ける必要があり、その分だけ部品点数が増大するとともに大型化するという問題点があった。
さらには、風力発電装置は、風車や発電機等の重量物を所定の高さのタワー上に保持する構造であるため、風力発電装置の軽量化をできる限り図ることが本来的に要請される。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
すなわち、請求項１においては、風のエネルギーを風車により回転動力に変換し、この回転動力を該風車と直結する発電機に伝達して、伝達された回転動力を該発電機により電気エネルギーに変換する風力発電装置であって、前記発電機を、風車の回転軸である主軸に取り付けられる回転子と、該回転子に対向配置される固定子とにより構成し、前記主軸を、風車を構成する複数のブレードが取り付けられる部分と、前記回転子が取り付けられる部分とを同一部品で筒状に一体的に形成するとともに、該主軸の内部にブレードのピッチ角度を変更するためのアクチュエータを収容したものである。

請求項２においては、前記アクチュエータをシリンダーとし、該シリンダーを、前記主軸の軸心に沿って配置したものである。

請求項３においては、前記主軸は、鋳物として形成されるものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
すなわち、請求項１に示すような風力発電装置によれば、風力発電装置の主軸部分の組立工数を削減することができ、低コスト化を図ることができる。また、主軸の内部にブレードのピッチ角度を変更するためのアクチュエータを収容して、主軸の内部の空間を有効に活用することにより、主軸および発電機を収容するナセル部分のコンパクト化を図ることができる。さらに、そのアクチュエータへの動力伝達機構等の部品点数を削減することができる。

請求項２に示すような風力発電装置によれば、主軸の内部にシリンダーを効率良く配置して、主軸内の空間を有効に活用してコンパクト化を図ることができる。また、固定子、回転子、主軸、シリンダーを同一軸心上に配置することができて、構造が簡単となり、組み立て等も容易にできる。

請求項３に示すような風力発電装置によれば、鋼管の溶接による一体構造と比べると、溶接による歪み等が発生しないため、精度の高い主軸が得られる。そして、主軸の肉厚を容易に低減することができ、軽量化を図ることができる。また、鋳物なので製造が簡単に行え、低コスト化を図ることができる。

次に、発明を実施するための最良の形態を添付の図面を用いて説明する。
図１は本発明を適用する風力発電装置の一実施例を示す正面図、図２は風力発電装置の上部の構造を示す側面図、図３は風力発電装置のナセル内部の構造を示す断面図である。

風力発電装置１の概略構成について、図１、図２を用いて説明する。
本実施例の風力発電装置１は、風のエネルギーを風車２により回転動力に変換して、該風車２と直結する発電機１１に伝達し、該発電機１１により伝達された回転動力を電気エネルギーに変換する装置である。風力発電装置１は、風のエネルギーを回転動力に変換する風車２と、該風車２の回転軸である主軸１０、風車２の回転動力を電気エネルギーに変換する発電機１１、主軸１０および発電機１１を収容するナセル５、該ナセル５を所定の高さに保持するタワー７等により構成される。

風車２は、複数枚（本実施例の図１では、３枚）のブレード３・３・・・からなり、該ブレード３・３・・・が主軸１０に取り付けられて形成されている。ブレード３は、樹脂（例えば、繊維強化プラスチック）等の材質からなる。風力発電装置１には、ブレード３の取付基部に可変ピッチ装置３０が連結され、該可変ピッチ装置３０によりブレード３のピッチ角度を変更する。この可変ピッチ装置３０については、後述する。

また、風力発電装置１には、ナセル５の旋回装置６０が備えられ、該旋回装置６０によりナセル５を旋回させて風車２を風向きに対して直角方向へ向ける。旋回装置６０は、図示しないアクチュエータを介して架台６が軸受６１を介してタワー７上端に旋回可能に支持されることによって構成される。架台６上には、発電機１１の固定子１３が取り付けられるハウジング２０、可変ピッチ装置３０の駆動手段となるアクチュエータとしての油圧シリンダー３４およびブレーキ装置７０を作動するための油圧ユニット６２等が設置されている。なお、前記アクチュエータは油圧シリンダーに限定するものではなく、電動シリンダーやエアシリンダーやソレノイド等であってもよく、直動型のアクチュエータであればよい。

次に、ナセル５内部の構造について、図３を用いて説明する。
ナセル５内部には、主軸１０、発電機１１に加えて、ハウジング２０、ブレーキ装置７０等が収容されている。そして、主軸１０には、前方から順にブレード３、ブレーキディスク７１、発電機１１を収容するハウジング２０が取り付けられている。発電機１１には、主軸１０に固定される回転子１２と、該回転子１２の外側方に所定の間隔を隔てて対向配置される固定子１３とが備えられている。回転子１２には永久磁石１４が挿入されており、固定子１３はコイルで構成され、発電機１１は永久磁石型の同期発電機として構成される。なお、回転子１２に永久磁石１４を挿入する構成に替えて、回転子１２をコイルで構成してもよい。

主軸１０の中途部外周に、回転子１２がキー等により固定されている。このため、回転子１２は、主軸１０に対して相対回転不能となっており、風車２の回転により主軸１０とともに回転する。
一方、固定子１３はハウジング２０内面に固定されている。ハウジング２０は、前述したように架台６に支持されて固定されており、風車２が回転してもハウジング２０自体は回転しない。したがって、風車２が回転しても固定子１３は回転しない。

ハウジング２０は、主軸１０に取り付けられる回転子１２を覆うように、主軸１０に相対回転可能に取り付けられる。主軸１０とハウジング２０との間には、前部軸受１５、後部軸受１６等が介装されている。主軸１０は段付き円筒状に形成されている。これに対し、ハウジング２０は分割して形成されている。ハウジング２０は、７つのハウジング部材２０ａ・２０ｂ・２０ｃ・２０ｄ・２０ｅ・２０ｆ・２０ｇから構成されて、全体として主軸１０の回転軸（軸心）に関して対称的な形状となっている。なお、この場合、ハウジング２０に取り付けられる固定子１３が主軸１０の軸心に関して対称的であればよく、ハウジング２０の形状自体は特に対称的である必要はない。

取付ケース２１は、主軸１０後端側から取り付けられ、該主軸１０内部の空間へ突出して配置されている。この場合、主軸１０後端と取付ケース２１との間には若干の隙間が形成されている。この取付ケース２１により油圧シリンダー３４を固定する。なお、隣接するハウジング部材間は、ボルトにより固定される。また、取付ケース２１はハウジング部材２０ｇに、ボルトにより固定される。

主軸１０は、嵌め込まれる各ハウジング部材のサイズに合わせて段付き形状として形成されている。この場合、後方ほど主軸１０の外径が小さくなるように形成されている。主軸１０と各ハウジング部材とにより形成される空間２２・２２・・・には、グリスが充填される。このため、シール部材２３・２３・・・が主軸１０と各ハウジング部材との間に介装されている。そして、ハウジング２０の補強用のリブ２４・２４がハウジング部材２０ｂ・２０ｆにそれぞれ取り付けられている。また、放熱用のフィン２５がハウジング部材２０ｄの外周より多数突出されている。

以上のような構成で、主軸１０はハウジング２０を貫通するように取り付けられるとともに、該ハウジング２０の前後（軸心方向）両側で前部軸受１５と後部軸受１６を介して支持し、更に、主軸１０は従来よりも大径で構成することができたので、風車２を支持するための剛性もアップできたのである。
また、ハウジング２０に対して主軸１０は相対回転可能となっている。このため、風力発電装置１において、風を受けると風車２が回転し、これに伴い主軸１０が回転する。これにより、主軸１０に固定された回転子１２が、ハウジング２０に固定された固定子１３に対して回転し、回転子１２と固定子１３との間で発電が行われる。つまり、風車２により変換された風のエネルギーが回転動力として主軸１０に伝達され、この回転動力が発電機１１により電気エネルギーに変換される。

主軸１０のハウジング２０よりも前方側には、ブレーキ装置７０を構成するブレーキディスク７１が固定されている。ブレーキ装置７０は主軸１０の回転を制動するために設けられており、該ブレーキ装置７０には、ブレーキディスク７１と、該ブレーキディスク７１の両側面を挟んでその回転を制動するブレーキパッド７２とが備えられている。ブレーキ装置７０は油圧ユニット６２により作動される。

次に、主軸１０内部の構造について説明する。
本実施例では、風車２の回転を、歯車機構を用いた増速装置等により増速せずに、主軸１０に伝えて発電するようにしている。このため、発電機１１は低速タイプとなり、大径となるため、主軸１０の径は、増速装置を備える場合に比べて大きなものとなっている。このように、主軸１０を大径化することにより、主軸１０の肉厚を薄くしても、その強度を保つことができる。この主軸１０の薄肉化により主軸１０の軽量化を図ることができる。そして、主軸１０の薄肉化により形成される主軸１０の内部の空間を、以下のように有効的に活用することとしている。

前述したように、主軸１０は、内部に空間を有する段付き円筒状となっており、この空間内に、可変ピッチ装置３０を構成する油圧シリンダー３４、アーム３１、リンク３２、ロッド軸受ケース３３等を収容して、形成された内部空間の有効活用を図ることとしている。なお、主軸１０の前端側には、加工・組み立ておよびメンテナンス用の開口部１０ａが形成されている。

主軸１０の前部には、複数枚のブレード３・３・・・が取り付けられる。このため、主軸１０の前部には、ブレード３・３・・・を取り付けるための複数（ブレード３の枚数と同数）の開口部１０ｂ・１０ｂ・・・が形成されている。この開口部１０ｂに、主軸１０とブレード３とを接続するシャンク４が挿入され、該シャンク４が軸受４１を介して主軸１０に回動可能に支持されている。そして、シャンク４の一端側（主軸１０から外方へ突出した側）にブレード３が連結されている。
このように、シャンク４が主軸１０に回動可能に取り付けられているため、ブレード３が主軸１０に対して回動可能となっている。これにより、シャンク４を回動させることで、ブレード３のピッチ角度を変更できる。

このようなブレード３のピッチ角度の変更は、可変ピッチ装置３０によって行われる。可変ピッチ装置３０はブレード３のピッチ角度を変更して、風速に合わせて風車２の回転数を発電機１１にとって好適な回転数に調節するために設けられており、該可変ピッチ装置３０には、アーム３１と、リンク３２と、ロッド軸受ケース３３と、油圧シリンダー３４とが備えられている。可変ピッチ装置３０は油圧ユニット６２により作動される。

可変ピッチ装置３０によるブレード３のピッチ角度の変更について説明する。
前記シャンク４の他端側（主軸１０の空間内に突出した側、基部側）にはアーム３１の一端側がシャンク４の回転軸心から偏心した位置に連結固定されており、該アーム３１の他端側はリンク３２の一端側に枢結されている。さらに、リンク３２の他端側はロッド軸受ケース３３の外面に回動自在に枢支されている。なお、リンク３２にターンバックル等を取り付けて長さ調節可能に構成としてもよい。

ロッド軸受ケース３３には、油圧シリンダー３４のロッド３４ａの先端部が挿入される。ロッド軸受ケース３３内には軸受（スラストベアリング）が収容されており、該軸受がロッド３４ａの先端部に取り付けられている。そして、ロッド軸受ケース３３は、ロッド３４ａに対して相対回転可能で、軸心方向に移動できるように取り付けられている。

油圧シリンダー３４は、主軸１０の空間内で、該主軸１０の軸心に沿って配設されている。つまり、固定子１３、回転子１２、主軸１０、油圧シリンダー３４を同一軸心上に配置している。該油圧シリンダー３４は、その後部が前述した取付ケース２１に固定されており、該取付ケース２１を介してハウジング２０に取り付けられている。したがって、風車２が回転しても油圧シリンダー３４およびロッド３４ａは回転しない。これに対して、ロッド軸受ケース３３、リンク３２、アーム３１は、風車２の回転とともに回転する。

このような構成で、油圧シリンダー３４が伸縮すると、これに伴ってロッド軸受ケース３３が、油圧シリンダー３４の軸方向（主軸１０の軸心）に沿って移動する。これにより、ロッド軸受ケース３３に枢支されているリンク３２とともに、アーム３１が回動する。この結果、シャンク４とともにブレード３が主軸１０に対して回動する。なお、主軸１０の軸心方向中途部内面に鍔部１０ｃを設け、該鍔部１０ｃにロッドガイド３６が固定され、該ロッドガイド３６によりロッド３４ａの移動を案内するように設けられている。

以上のようなナセル５内部においては、主軸１０、回転子１２、アーム３１、リンク３２、ロッド軸受ケース３３、ブレーキディスク７１は、風車２の回転とともに回転する。一方、ハウジング２０、固定子１３、取付ケース２１、油圧シリンダー３４およびロッド３４ａは、風車２が回転しても回転しない。そして、主軸１０の軸心に関して対称的に固定子１３が配置され、また、この軸心に沿って油圧シリンダー３４が配置されている。

従来では、回転子が取り付けられる主軸と、ブレードが取り付けられるハブと呼ばれる部分とが、一体的には構成されていなかった。また、可変ピッチ装置のアクチュエータ（油圧シリンダー等）および動力伝達機構は、主軸の外部に備えられる構成となっていた。
本実施例では、主軸１０は、ブレード３（シャンク４）が取り付けられる部分（ハブ）と、発電機１１の回転子１２が取り付けられる部分とが一体的に形成された構造となっている。これにより、風力発電装置１の組立工数を削減することができ、剛性もアップし、また、低コスト化を図ることができる。
そして、主軸１０を一体的に形成し、該主軸１０内部に形成される空間に油圧シリンダー３４等の可変ピッチ装置３０を収納することとしている。これにより、風力発電装置１において、主軸１０および発電機１１を収容するナセル５のコンパクト化を図ることができる。

そして、主軸１０は、本実施例では鋳物で構成している。即ち、鉄等の金属を溶融し、鋳型に流し込んで鋳物として筒状に形成している。このように鋳物により主軸１０を構成することで、次のような利点がある。
まず、主軸１０を、ハブと一体化でき、また、前述したような段付き円筒状の形状に容易に形成できる。また、主軸１０の肉厚の低減も容易に行うことができ、軽量化を図ることができる。そして、溶接による歪みが発生しないため、精度の高い製品が得られる。これにより、低コスト化を図ることができる。但し、鋳物の代わりに、鋼管を溶接した一体構造としたり、鋼管を絞り加工したりハイドロフォーム等を施した構造とすることも可能である。

本発明を適用する風力発電装置の一実施例を示す正面図。 風力発電装置の上部の構造を示す側面図。 風力発電装置のナセル内部の構造を示す断面図。

符号の説明

１ 風力発電装置
２ 風車
３ ブレード
１０ 主軸
１１ 発電機
１２ 回転子
１３ 固定子
３４ 油圧シリンダー

Claims (3)

1. 風のエネルギーを風車により回転動力に変換し、この回転動力を該風車と直結する発電機に伝達して、伝達された回転動力を該発電機により電気エネルギーに変換する風力発電装置であって、
   前記発電機を、風車の回転軸である主軸に取り付けられる回転子と、該回転子に対向配置される固定子とにより構成し、
   前記主軸を、風車を構成する複数のブレードが取り付けられる部分と、前記回転子が取り付けられる部分とを同一部品で筒状に一体的に形成するとともに、
   該主軸の内部にブレードのピッチ角度を変更するためのアクチュエータを収容したことを特徴とする風力発電装置。
2. 前記アクチュエータをシリンダーとし、該シリンダーを、前記主軸の軸心に沿って配置したことを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
3. 前記主軸は、鋳物として形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の風力発電装置。

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