JP2006249982A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ナセルの軸方向長さを短縮して小型・軽量化が可能となる風力発電装置を提供すること。
【解決手段】支柱上に設置されたナセル３に、風車回転翼を取り付けたロータヘッド４に連結されて一体に回転する主軸１１と、主軸１１の回転を増速して出力する増速機２０と、増速機２０の出力によって駆動される発電機１３とが設けられた風力発電装置であって、増速機２０が遊星歯車部２１と平歯車部２２とに分割され、遊星歯車部２１の入力軸２１ａを主軸１１に連結し、かつ、遊星歯車部２１の出力軸２１ｂを平歯車部２２にギアカップリング２３を介して連結した。
【選択図】図１

Description

本発明は、自然エネルギーの風を回転力に変換する風車を用いて発電を行う風力発電装置に関する。

従来より、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。

上述した従来の風力発電装置においては、ナセルの前端部にロータヘッドが配設され、ナセルのロータヘッド後方に配設されたナセル台板及びその上部空間を形成するケーシング内に増速機及び発電機を収納した構成とされる。すなわち、主軸の駆動力（トルク）が増速機を介して発電機に伝達されるドライブトレインを形成している。（たとえば、特許文献１参照）
特開２００１−３０４０９４号公報

上述したように、従来の風力発電装置は、ナセルの前端部に配設されたロータヘッドから主軸に回転トルクを伝達し、さらに増速機で回転数を増速してから発電機に動力を伝達して利用するように構成されているので、ドライブトレインが軸方向に長くなるという問題を有している。さらに、増速機への主軸反力を低減するために主軸を長くし、また増速機と発電機間に発生するミスアライメントを吸収するために軸方向の距離を比較的長くする必要があり、また、振動伝播を遮断するために低速軸側にカップリングを介在させる場合もあり、これによってドライブトレインが軸方向に長くなる。
このため、主軸と連結される増速機及び発電機の設置スペースを確保するためには、特にナセルのナセル台板及びケーシング部分を軸方向に長くしてナセル全体を大型化する必要があり、ナセル台板及びケーシングの重量増加によりナセル自体の重量が増加する要因となって好ましくない。

また、近年の風力発電装置は大型化して出力を増す傾向にあるため、ロータヘッド、主軸、増速機及び発電機等の構成部品も大型化して重量が増加する。このため、従来と同様の構成では、特にナセル台板及びケーシングを含むナセル全体がさらに大型化するので、ナセル全体が大幅に重量増加することは避けられない。このようなナセルの重量増加は、ナセルが支柱上部に設置される構造物であるため、たとえば支柱の設計強度や製造コストに大きな影響を及ぼすことになるから、ナセルの軸方向長さをできるだけ短くして全体を小型・軽量化することが望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ドライブトレインの軸方向長さを短くしてナセル全体を小型・軽量化することができる風力発電装置を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る風力発電装置は、支柱上に設置されたナセルに、風車翼を取り付けたロータヘッドに連結されて一体に回転する主軸と、該主軸の回転を増速して出力する増速機と、該増速機の出力によって駆動される発電機とが設けられている風力発電装置であって、
前記増速機は遊星歯車部と平歯車部とに分割され、前記遊星歯車部の入力軸を前記主軸に連結し、かつ、前記遊星歯車部の出力側を前記平歯車部にギアカップリングを介して連結した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、増速機が遊星歯車部と平歯車部とに分割され、遊星歯車部の入力側を主軸に連結し、かつ、遊星歯車部の出力側を平歯車部にギアカップリングを介して連結したので、噛合い振動発生が小さい低速段側の遊星歯車部を主軸近傍に配置して主軸受にボルト結合し、主な振動源となる中速段及び高速段側の平歯車部については、回転軸に作用するミスアライメントをギアカップリングで吸収することができる。

上記の風力発電装置において、前記平歯車部が前記ナセルに防振部材を介して支持されることが好ましく、これにより、増速機の主な振動源となる中速段及び高速段側の振動を吸収することができる。
また、上記の風力発電装置において、前記主軸が前記ナセルに複列テーパーころ軸受を介して支持されていることが好ましく、これにより、ロータヘッドに作用するスラスト荷重及びモーメント荷重を１個の複列テーパーころ軸受で受けることができ、従って、主軸を短縮することができる。
なお、上述した風力発電装置において、ドライブトレインをより小型化するためには、比較的小型の遊星歯車を５個以上使用するマルチ型の遊星歯車部が好ましく、さらに、比較的低速回転での発電が可能となる同期発電機を使用して増速比を小さく設定することが好ましい。

上述した本発明の風力発電装置によれば、複列テーパーころ軸受の採用により主軸を短縮し、ドライブトレインの軸方向長さをコンパクト化することができる。さらに、増速機を遊星歯車部と平歯車部とに分割したので、低速段側の遊星歯車部を主軸受に直接ボルト結合することで軸方向長さを短縮し、中速段及び高速段側の平歯車部においては、回転軸に作用するミスアライメントをギアカップリングで吸収することができる。従って、ドライブトレインに必要なカップリングはギアカップリングのみとなり、カップリングの個数低減によっても軸方向長さを短縮することができる。このようなドライブトレインの軸方向長さの短縮は、ナセルの軸方向長さを短縮するのに有効であるから、ナセルをコンパクト化して全体の小型・軽量化を可能にするという顕著な効果が得られる。
また、上述したナセルの小型・軽量化は、ナセルが支柱上部に設置される構造物であるため、支柱の設計強度や製造コストの低減に有効である。

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２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。

図１は、ナセル３の要部を拡大して内部構成例を示した断面図である。
ナセル３は、支柱２の上端部で水平方向に回動するナセル台板３０と、その前端部側に配設されて風車翼５と一体に回転するロータヘッド４とを備えている。
ロータヘッド４は、主軸１１と連結されている。主軸１１はナセル台板３０に対し主軸受３１を介して回転自在に支持されている。ここで使用する主軸受３１は、１個の軸受でロータリーヘッド４に作用するスラスト荷重及びモーメント荷重を受けることができる複列テーパーころ軸受とされ、従って、軸受個数の低減により主軸１１の軸方向長さを短縮することができる。なお、主軸受３１は複列テーパーころ軸受に限定されることはなく、たとえばアンギュラ玉軸受、円錐ころ軸受及び自動調心ころ軸受等のように、ラジアル荷重及びスラスト荷重を受けることができる軸受であればよい。

ナセル３の内部は中空とされ、同中空部には風力で発電するドライブトレイン１０が収納設置されている。
ドライブトレイン１０は、風車翼５を取り付けたロータヘッド４に連結されて一体に回転する主軸１１と、主軸１１の回転を増速して出力する増速機２０と、増速機２０の出力によって駆動される発電機１３とが直列に連結された構成とされる。すなわち、主軸１１から増速機２０を介して発電機１３に至るドライブトレイン１０をナセル１０の内部空間に設置した構成とされる。
このドライブトレイン１０を構成する増速機２０は、低速段側の遊星歯車部２１と中速段及び高速段側の平歯車部２２とに分割され、両歯車部２１，２２間に配設したギアカップリング２３を介して連結した構成とされる。

振動発生の少ない低速段側の遊星歯車部２１は主軸１１側に配設され、主軸受３１に直接ボルト結合して取付けられている。また、振動源となる中高速段側の平歯車部２２は発電機１３側に配設され、ナセル台板３０に支持部材１４を介して取付けられている。この支持部材１４は、適所に防振ゴム１５を介在させた防振支持構造とされるため、振動の問題は解消される。
なお、ギアカップリング２３の周囲は、潤滑油を貯めるスペースを形成するため、蛇腹２４やケーシング等で覆われている。

主軸１１は、一端がロータヘッド４に連結され、他端が増速機２０の遊星歯車部２１と連結される。主軸１１はロータヘッド４と一体に回転し、遊星歯車部２１と連結された他端が増速機２０の入力軸２１ａとなる。また、遊星歯車部２１の出力軸２１ｂがギアカップリング２３の一端と連結され、さらに、ギアカップリング２３の他端が平歯車部２２の入力軸２２ａと連結される。なお、平歯車部２２の出力軸２２ａは、発電機１３の入力軸１３ａと連結されている。

増速機２０の遊星歯車部２１は、入力軸である主軸１１の外周部に取り付けられた複数個の遊星歯車Ｇｐが太陽歯車Ｇｓの周囲に配置されて噛合し、太陽歯車Ｇｓと一体に回転する出力軸２２ａから主軸１１の回転数を増速して出力するよう構成された単段増速機構である。この場合の遊星歯車Ｇｐは、増速機２０の小型化を目的として小さな遊星歯車を数多く使用する構成（マルチ型）が好ましく、好適には遊星歯車Ｇｐを５〜９個程度使用するマルチ型とすればよい。なお、遊星歯車Ｇｐは、各々が主軸１１に連結され、その円周方向へ等ピッチに配置されて一体に回転する回転軸２１ａ′に対し、回動自在に支持されている。
このように構成された増速機２０では、入力軸の主軸１１が回転することにより、遊星歯車部２１の遊星歯車Ｇｐが回転軸２１ａ′を軸中心として自転しながら太陽歯車Ｇｓの回りを公転する。このため、遊星歯車Ｇｐと噛合する太陽歯車Ｇｓと一体に出力軸２２ｂも回転するので、遊星歯車Ｇｐと太陽歯車Ｇｓとのギア比に応じて主軸１１の回転数を増速した出力軸２２ｂの回転数がギアカップリング２３に出力される。

また、平歯車部２２は、歯数が異なる複数の平歯車を適宜噛合させることにより、入力軸２２ａの回転数をギア比に応じて増速し、発電機１３と連結された出力軸２２ｂに出力するように構成されている。
また、発電機１３は、増速機２０の増速比を小さく設定して小型化するのに有利であるため、低速回転数での発電が可能な永久磁石同期発電機（ＰＭＳＧ）を採用することが好ましい。

上述した構成の風力発電装置１では、主軸１１から増速機２０を介して発電機１３に至るドライブトレイン１０が軸方向に短縮されるので、ナセル３のナセル台板３０内に確保するドライブトレイン１０の設置スペースを短縮してコンパクト化することができる。このため、ナセル台板３０のナセル軸方向長さをコンパクト化し、ナセル３の全体を小型・軽量化することができる。

以上説明したように、主軸受３１として１個で機能する複列テーパーころ軸受を採用したので、主軸１１を短縮してドライブトレイン１０の軸方向長さをコンパクト化することができる。
さらに、増速機２０を遊星歯車部２１と平歯車部２２とに分割したので、振動の影響が少ない低速段側の遊星歯車部２１では、ギアカップリングを介することなく主軸受３１に直接ボルト結合することで軸方向長さを短縮し、中速段及び高速段側の平歯車部２２においては、遊星歯車部２１の出力軸２１ｂと平歯車部２２の入力軸２２ａとの回転軸間に作用するミスアライメントをギアカップリング２３で吸収することができる。従って、ドライブトレイン１０に必要なカップリングはギアカップリング２３のみとなり、従来は増速機の入出力側に設置していたカップリングの個数を低減できることによっても軸方向長さを短縮することができる。このようなドライブトレイン１０の軸方向長さの短縮は、ナセル３の軸方向長さを短縮するのに有効であるから、ナセル３をコンパクト化して全体の小型・軽量化が可能になる。

また、上述したナセル３の小型・軽量化は、ナセル３が支柱上部に設置される構造物であるため、支柱２の設計強度や製造コストの低減にも有効である。
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。

本発明に係る風力発電装置の一実施形態を示す図で、ナセルの要部を拡大して内部構成例を示す断面図である。 風力発電装置の全体構成例を示す図である。

符号の説明

１ 風力発電装置
２ 支柱
３ ナセル
４ ロータヘッド
５ 風車回転翼
１０ ドライブトレイン
１１ 主軸
１３ 発電機
１３ａ 入力軸
１５ 防振ゴム（防振部材）
２０ 増速機
２１ 遊星歯車部
２１ａ 入力軸
２１ｂ 出力軸
２２ 平歯車部
２２ａ 入力軸
２２ｂ 出力軸
２３ ギアカップリング
３０ ナセル台板
３１ 主軸受
Ｇｐ 遊星歯車
Ｇｓ 太陽歯車

Claims (3)

1. 支柱上に設置されたナセルに、風車翼を取り付けたロータヘッドに連結されて一体に回転する主軸と、該主軸の回転を増速して出力する増速機と、該増速機の出力によって駆動される発電機とが設けられている風力発電装置であって、
   前記増速機は遊星歯車部と平歯車部とに分割され、前記遊星歯車部の入力側を前記主軸に連結し、かつ、前記遊星歯車部の出力側を前記平歯車部にギアカップリングを介して連結したことを特徴とする風力発電装置。
2. 前記平歯車部が前記ナセルに防振部材を介して支持されることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
3. 前記主軸が前記ナセルに複列テーパ-ころ軸受を介して支持されることを特徴とする請求項１または２に記載の風力発電装置。

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