JP2006046107A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】主軸上に発電機回転子を支持しているため、主軸を長く設計しなければならず、重量が重くなり且つ組み立て性が悪いという不具合があった。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、できる限り風力発電装置の軽量化を図ることが本来的に要請される。
【解決手段】主軸１０の一端部にハブ２９を支持し、多端部に発電機回転子１２を支持し、主軸ハウジング４０と発電機ハウジング２０を一体化し、前記主軸１０後部に固設した発電機回転子１２を後方に開放した形状にし、該後方開放部から主軸１０と発電機回転子１２を脱着可能に固設し、発電機ハウジング２０の後方開放部に少なくともピッチ制御軸３７の回転継手部３３を配置した。
【選択図】図２

Description

本発明は、風力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し、特に可変のピッチ翼を具備する風力発電機の技術に関する。

従来より、風力発電装置として、風力エネルギーを風車を介して回転動力に変換し、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、主軸の先端にハブを支持し、該主軸上に発電機回転子を支持するもの等が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−３１０３１号公報

しかし、特許文献１に開示されている発電機は、主軸上に発電機回転子を支持しているため、主軸を長く設計しなければならず、重量が重くなり且つ組み立て性が悪いという不具合があった。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、できる限り風力発電装置の軽量化を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。

即ち、請求項１においては、タワー上端に旋回台を設け、
該旋回台上に架台を設け、
該架台上にステーを設け、
該ステー上に主軸ハウジングと発電機ハウジングを設け、
該主軸ハウジングと主軸間に軸受けを設けた風力発電装置であって、
主軸の一端部にハブを支持し、他端部に発電機回転子を支持したものである。

請求項２においては、前記主軸ハウジングと前記発電機ハウジングを一体化したものである。

請求項３においては、前記発電機ハウジング内の発電機回転子を後方に開放した形状にし、該後方開放部から主軸と発電機回転子を脱着可能に固設したものである。

請求項４においては、発電機ハウジングの後方開放部に少なくともピッチ制御軸の回転継手部を配置したものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、発電機回転子を主軸のみで支持するため、全長を短縮することができる。その結果、ピッチ制御用油圧シリンダ等の配設が容易なものとなり、さらなる全長の短縮化を図ることができる。

請求項２においては、主軸ハウジングと発電機ハウジングを一体化することにより相対回転不能となり、発電機ハウジングの据付足等が不要となり、部品点数を減らすことができ、取り付け作業の簡素化とコストダウンを実現できる。

請求項３においては、取り付け板さえ外しておけば、主軸の後方から、発電機回転子を主軸に当接させ、そのように当接させた状態で、後方から発電機回転子の中に手を入れて、前記取り付け用フランジ部同士にボルトを嵌入して発電機回転子を主軸に固設することが可能となる。加えて、軽量化とコンパクト化も実現できる。

請求項４においては、ピッチ制御機構の一部の発電機ハウジング内部への配設が容易なもとなり、ナセル全長の短縮化が可能となる。また、後方を開放した構造であるため、ピッチ制御用油圧シリンダの取り付けや関連機構などの配置が制約を受けず、取り付け作業の簡素化が実現できる。

次に、発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明を適用する風力発電装置１の一実施例を示す正面図、図２は風力発電装置１のナセル５内部の構造を示す側面断面図、図３は主軸１０周辺を拡大して示した側面断面図である。

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、風力エネルギーを風車２により回転動力に変換して、該回転動力を主軸１０によって該風車２と直結する発電機１１に伝達し、伝達された回転動力を該発電機１１により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、風力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・３からなり、該ブレード３・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）等の軽量な材質からなる。風力発電装置１には、ブレード３の取り付け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を風向きに対して向い合う方向へ向ける。旋回装置６０は、タワー７上端に配設されるものであり、油圧モータ６２によって旋回台５２を旋回可能に支持するものである。旋回台５２はその上面に架台６を配設している
架台６上には、主軸ハウジング４０を支持するステー５０や、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や油圧モータ６２を作動するための図示しない油圧ユニットや、ナセル５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３４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。又、前記油圧モータ６２は、電動モータであっても良い。

次に、ナセル５内部の構造について、図２及び図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、主軸ハウジング４０や、発電機ハウジング２０等が収容されている。そして、主軸１０には、前方（図２上において左方向）に、可変ピッチ装置３０を収容しているハウジング（後述するブレード３・３・３のハブとなるため、以下ハブとする。）２９が、後方には、周囲に永久磁石１４等を備えた発電機回転子１２が、固設されている。可変ピッチ装置３０にはブレード３が連結されており、後述するようにピッチ角を制御できるように構成されている。
ナセル５は、ブレード３・３・３と共に回転する前部ナセル５ｂと、ステー５１等を介して旋回台５２に固設されてブレード３とは一緒に回転しない後部ナセル５ｃとによって構成されている。

主軸１０後方の発電機回転子１２は、図２に示すように、後方から発電機ハウジング２０によって覆われており、該発電機ハウジング２０の前方には前記主軸１０を覆うように主軸ハウジング４０が配設されている。
主軸１０は、略円筒形に形成されており、前部にフランジ部を形成してハブ２９の後面にボルト等によって、固設されている。そして、主軸ハウジング４０には補強用のリブ２４・２４が取り付けられており、発電機ハウジング２０には放熱用のフィン２５が外周に多数突出されている。

主軸ハウジング４０の後部には、幅広のフランジ部４０ｂが設けられており、該フランジ部４０ｂの外周の径が、後方に配設される発電機ハウジング２０の径と略同じになるように形成されている。そして、主軸ハウジング４０の後部のフランジ部４０ｂのさらに外周にボルト等を嵌入するための取り付け用フランジ部４０ｃを形成し、発電機ハウジング２０の前部にも取り付け用フランジ部２０ｂを形成し、該フランジ部同士４０ｃ・２０ｂをボルト等で固定することによって、主軸ハウジング４０と発電機ハウジング２０を一体化して固設している。
主軸ハウジング４０は架台６上にボルトによって固設されたステー５０・５０によって、左右からはさまれて固設されている。主軸ハウジング４０の支持構成は、左右から挟まれるような構成でも良いし、ステー５０・５０の上に載せるように固設する方法でも良い。あるいは、ステー５０・５０が主軸ハウジング４０と一体となっていても良い。
発電機ハウジング２０は後部にもフランジ部２０ｃが形成されており、該フランジ部２０ｃと取り付け板２１の周囲に形成されたフランジ部２１ｂとをボルト等で固定することによって、取り付け板２１が発電機ハウジング２０内の空間の後部を塞いでいる。取り付け板２１は、略円盤形状に形成されており、後述する油圧シリンダー３４を貫通できるように中央部にシリンダ貫通孔２１ｃが形成されている。

このように、前記主軸ハウジング４０と前記発電機ハウジング２０を一体化したので、
発電機ハウジング２０の据付足等が不要となり、部品点数を減らすことができ、取り付け作業の簡素化とコストダウンを実現できる。

発電機１１は、主軸１０後部にボルト等によって固定される発電機回転子１２と、該発電機回転子１２の外側に所定の間隔を隔てて対向配置される固定子１３とによって構成されている。発電機回転子１２の前部には、内周に幅広のフランジ部１２ｂが設けられている。そして、該フランジ部１２ｂのさらに内周にボルト５５を貫通するための取り付け用フランジ部１２ｃが形成され、主軸１０の後部にも取り付け用フランジ部１０ｂが形成され、該取り付け用フランジ部同士１０ｂ・１２ｃをボルト５５等で固定することによって、主軸１０と発電機回転子１２を一体化している。このように、発電機回転子１２の形状は、後方を開放した短筒形状となっている。
そのため、取り付け板２１を外していれば、主軸１０の後方から、発電機回転子１２を主軸に当接させ、そのように当接させた状態で、後方から発電機回転子１２の中に手を入れて、前記取り付け用フランジ部同士１０ｂ・１２ｃにボルトを嵌入して発電機回転子１２を主軸１０に固設することが可能となる。

このように、前記発電機ハウジング２０内の発電機回転子１２を後方に開放した形状にし、該後方開放部から主軸１０と発電機回転子１２を脱着可能に固設したので、
取り付け板２１さえ外していれば、主軸１０の後方から、発電機回転子１２を主軸に当接させ、そのように当接させた状態で、後方から発電機回転子１２の中に手を入れて、前記取り付け用フランジ部同士１０ｂ・１２ｃにボルトを嵌入して発電機回転子１２を主軸１０に固設することが可能となる。加えて、軽量化とコンパクト化も実現できる。

発電機回転子１２の周囲には永久磁石１４が固設され、発電機ハウジング２０の内周に固設された固定子１３はコイルで構成されており、発電機１１は永久磁石型の同期発電機の構成となっている。この他に、カゴ型や巻線型誘導発電体でも良い。
このように、発電機回転子１２の径を大きくしたことにより、歯車機構等の複雑な機構を用いた増速装置によって増速して発電を行う必要がなくなり、風車２の回転をそのまま伝達して発電を行うことができる。なお、発電機回転子１２に永久磁石１４を固設する構成に替えて、発電機回転子１２をコイルで構成してもよい。

前記主軸ハウジング４０は、主軸１０の外周に主軸１０と所定の間隔を隔てて、配設されており、主軸１０が主軸ハウジング４０に覆われているような構成となっている。そして前述のように、発電機回転子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、架台６に固定されたステー５０によって固定されて支持されている主軸ハウジング４０に固定された発電機ハウジング２０内面に固定されているため、風車２や主軸１０や発電機回転子１２が回転しても、回転しないようになっている。
このように、発電機ハウジング２０は主軸１０に取り付けられる発電機回転子１２を覆うように、主軸ハウジング４０は主軸１０を覆うように取り付けられており、主軸１０と発電機回転子１２が主軸ハウジング４０と発電機ハウジング２０に相対回転可能に構成されている。

前述のように、発電機ハウジング２０、固定子１３、取り付け板２１は、全体として発電機回転子１２の回転軸（軸心）に関して対称的な形状となっている。ただし、発電機ハウジング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、発電機ハウジング２０の形状自体は特に対称的である必要はない。
そして、取り付け板２１の中央部には、可変ピッチ装置３０を制御するための、油圧シリンダー３４が貫通されており、該油圧シリンダー３４は取り付け板２１にボルト等で固設されている。油圧シリンダー３４は取り付け板２１に固設されているため、主軸１０や発電機回転子１２が回転しても回転しないようになっている。

以上のような構成で、主軸１０及び発電機回転子１２は、主軸ハウジング４０及び発電機ハウジング２０を貫通するように取り付けられるとともに、該主軸ハウジング４０の前後（軸心方向）両側で前部軸受け１５と後部軸受け１６を介して支持している。このように、軸受け１５・１６を介して、主軸１０を支持しているため、主軸１０と発電機回転子１２は、主軸ハウジング４０と発電機ハウジング２０に対して、相対回転可能となっている。
このように構成したので、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に固定された発電機回転子１２が、発電機ハウジング２０に固定された固定子１３に対して回転し、発電機回転子１２と固定子１３との間にて発電が行われる。つまり、風車２により変換された風力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。

次に、主軸１０内部の構造について図３を参照しながら説明する。
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や発電機回転子１２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や発電機回転子１２を大径化することにより、主軸１０や発電機回転子１２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の薄肉化と、前述の主軸１０の短縮化によって、主軸１０の軽量化を図ることができる。そして、主軸１０の短縮化により形成される、主軸１０の後方であり且つ発電機ハウジング２０内の空間を、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、ハブ２９と主軸１０と発電機回転子１２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、ロッド軸受け部３３、ピッチ制御軸３７等を収容して、形成された主軸１０内部や主軸１０後方の空間の有効活用を図ることとしている。なお、主軸１０の前端面は、加工・組み立ておよびメンテナンスに開口できるように、円盤５３をボルト等によって脱着自在に構成されている。

主軸１０の前方に固設されるハブ２９には、複数枚のブレード３・３・３が取り付けられる。このため、ハブ２９には、ブレード３・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２９ｂ・２９ｂ・・・が形成されている。この開口部２９ｂ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、ロッド軸受け部３３と、油圧シリンダー３４と、ピッチ制御軸３７等が備えられている。ここで、可変ピッチ装置３０は油圧ユニットにより作動される。

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の一端側（ハブ２９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の他端側はピッチ制御軸３７の先端部３７ｂ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。
ピッチ制御軸３７は、油圧シリンダー３４のロッド３４ａの延長線上に、ロッド軸受け部３３を介して、ロッド３４ａと同方向に伸びるように配設されている。ロッド軸受け部３３はスラストベアリング等で構成されており、該ロッド軸受け部３３がロッド３４ａの先端部に取り付けられている。このように、ピッチ制御軸３７は、ロッド３４ａに対して相対回転可能に、ピッチ制御軸３７の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、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、発電機回転子１２、主軸１０、油圧シリンダー３４、ピッチ制御軸３７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り付け板２１に固定されており、該取り付け板２１を介して発電機ハウジング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、ピッチ制御軸３７、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け部３３が、油圧シリンダー３４の軸方向（主軸１０の軸心方向）に沿って移動する。これにより、ピッチ制御軸３７が移動し、ピッチ制御軸３７の先端部３７ｂ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がシャンク４の軸心を軸として回動する。なお、主軸１０の内面には制御軸ガイド３６・３８によって支持され、該制御軸ガイド３６・３８によりピッチ制御軸３７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、発電機回転子１２、アーム３１、リンク３２、ピッチ制御軸３７が、風車２の回転とともに回転する。一方、主軸ハウジング４０、発電機ハウジング２０、固定子１３、取り付け板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。

このように、発電機ハウジング２０の後方開放部に少なくともピッチ制御軸３７の回転継手部３３を配置したので、
ナセル５全長の短縮化が可能となる。また、後方を開放した構造であるため、ピッチ制御用油圧シリンダー３４の取り付けや関連機構などの配置が制約を受けず、取り付け作業の簡素化が実現できる。

図１は本発明を適用する風力発電装置１の一実施例を示す正面図。 風力発電装置１のナセル５内部の構造を示す側面断面図。 主軸１０周辺を拡大して示した側面断面図。

符号の説明

１０ 主軸
１２ 発電機回転子
１３ 固定子
２０ 発電機ハウジング
２９ ハブ
３３ ロッド軸受け部（回転継手部）
３７ ピッチ制御軸
４０ 主軸ハウジング

Claims (4)

1. タワー上端に旋回台を設け、
   該旋回台上に架台を設け、
   該架台上にステーを設け、
   該ステー上に主軸ハウジングと発電機ハウジングを設け、
   該主軸ハウジングと主軸間に軸受けを設けた風力発電装置であって、
   主軸の一端部にハブを支持し、他端部に発電機回転子を支持した、
   ことを特徴とする風力発電装置。
2. 前記主軸ハウジングと前記発電機ハウジングを一体化した、
   ことを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
3. 前記主軸後部に固設した発電機回転子を後方に開放した形状にし、該後方開放部から主軸と発電機回転子を脱着可能に固設した、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の風力発電装置。
4. 発電機ハウジングの後方開放部に少なくともピッチ制御軸の回転継手部を配置した、ことを特徴とする請求項３に記載の風力発電装置。

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