JP2007154837A - 風車用駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外歯歯車および出力軸の寿命を延ばすことが可能な風車用駆動装置を提供する。
【解決手段】この風車用駆動装置（ピッチ駆動装置１０）では、ブレード６がこのブレード６を支持するハブ５に対して相対回転自在に支持されていて、ブレード６にリングギア７が設けられるとともに、このリングギア７に噛み合う出力軸歯車２３が基部３５に設けられ、基部３５を回転させることによってハブ５に対してブレード６の向きを相対的に変えさせる。そして、出力軸歯車２３には、リングギア７と噛み合う外歯部２３ａとこの外歯部２３ａと一体的に形成された軸部２３ｂとが含まれ、この軸部２３ｂが基部３５に固着されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、風力発電機のナセルまたはブレードの向きを変えるのに用いられる風車用駆動装置に関するものである。

従来、風力発電機のナセルの向きを変えるのに用いられるナセル駆動装置などの風車用駆動装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１に開示された従来の風車用駆動装置は、地上に立設されたタワーの上部に設けられており、このタワーの上部に回動可能に支持されたナセルの向きを変えるように構成されている。すなわち、上記タワー上部の内部に内歯歯車が設けられていて、この内歯歯車には、モータの駆動に伴って回転する出力軸に連結される外歯歯車（ピニオン）が噛み合わされている。そして、この従来の風車用駆動装置では、出力軸を回転させることによって外歯歯車を内歯歯車と噛み合せながら回転させ、これにより、ナセルの向きを変えるようになっている。なお、上記外歯歯車は、出力軸の端部に外嵌された状態で出力軸と結合されている。
特開２００４−２３２５００号公報

上記特許文献１に開示された従来の風車用駆動装置では、外歯歯車が出力軸の端部に外嵌された状態で出力軸と結合されているが、このような結合に用いられる１つの結合方法としてスプライン結合がある。すなわち、このスプライン結合では、外歯歯車の中央部に形成されたスプライン孔部を出力軸の周面に形成されたスプライン部に外嵌して結合させる。

しかしながら、このようなスプライン結合では、その結合部において多少のがたつきが生じる場合があるので、突風などに起因する衝撃や振動が伝達される場合にそのがたつきに起因して外歯歯車および出力軸のスプライン結合部が破損または磨耗するという不都合がある。その結果、外歯歯車および出力軸の寿命が短くなるという問題点がある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、外歯歯車および出力軸の寿命を延ばすことが可能な風車用駆動装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の風車用駆動装置は、ナセルまたはブレードからなる第１部材がこの第１部材を支持する第２部材に対して相対回転自在に支持されていて、第１部材および第２部材のいずれか一方に内歯歯車が設けられるとともに、この内歯歯車に噛み合う外歯歯車が出力軸に設けられ、出力軸を回転させることによって第２部材に対して第１部材の向きを相対的に変えさせる風車用駆動装置であって、外歯歯車には、内歯歯車と噛み合う歯部とこの歯部と一体的に形成された軸部とが含まれ、この軸部が出力軸に固着されている。

この風車用駆動装置では、外歯歯車の歯部と軸部とが一体的に形成されているとともに、その軸部が出力軸に固着されているので、突風を受けることによりナセルまたはブレードから衝撃や振動が伝達される場合にも、外歯歯車および出力軸の破損または磨耗を抑制することができる。すなわち、出力軸と外歯歯車とをスプライン結合により連結する場合には、スプライン結合部におけるがたつきに起因して、突風を受けることによりナセルまたはブレードから衝撃や振動が伝達された場合に外歯歯車および出力軸のスプライン結合部が破損または磨耗することがある。しかしながら、本発明の風車用駆動装置では、そのようなスプライン結合部が存在せず、外歯歯車の歯部と軸部とが一体的に形成されているとともにその軸部と出力軸とが固着されているので、外歯歯車の軸部と出力軸との間にがたつきが生じない。このため、上記のようながたつきによって外歯歯車および出力軸の破損または磨耗が生じるという不都合が発生しない。その結果、本発明の風車用駆動装置では、外歯歯車および出力軸の寿命を延ばすことができる。

上記の風車用駆動装置において、外歯歯車の軸部および出力軸の一方は雄ねじ部を有し、外歯歯車の軸部および出力軸の他方は、雄ねじ部に螺合される雌ねじ部を有しているのが好ましい。このように構成すれば、外歯歯車の軸部と出力軸とを固着させる構造を有する風車用駆動装置を容易に製造することができる。

上記の風車用駆動装置において、モータの駆動により入力軸が回転するのに伴って偏心回転運動する偏心回転ギアを含むとともに、出力軸に連結される減速機構を備え、偏心回転ギアには、孔部が形成されているとともに、孔部に出力軸が間隙を有した状態で挿通されて、偏心回転ギアの偏心回転運動に伴って出力軸が回転するように構成されており、偏心回転ギアの孔部と出力軸との間の間隙の幅は、第１部材から出力軸に振動が伝達された時に孔部内において出力軸が移動する移動量よりも大きいのが好ましい。このように構成すれば、第１部材から出力軸に振動が伝達された場合に偏心回転ギアの孔部に出力軸が接触することがないので、出力軸の磨耗や減速機構への振動の伝達を抑制することができる。

以上説明したように、本発明によれば、衝撃や振動による外歯歯車および出力軸の破損または磨耗を抑制することができるので、外歯歯車および出力軸の寿命を延ばすことができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の実施形態の説明では、本発明による風車用駆動装置の一例としてブレードの向きを変えるのに用いられるピッチ駆動装置を例にとって説明する。

図１は、本発明の一実施形態によるピッチ駆動装置１０が適用された風力発電機１の主要部を示した斜視図である。図２は、図１に示した風力発電機１のハブ５とブレード６との結合部およびそこに設置されたピッチ駆動装置１０を示す図である。図３は、図２に示したピッチ駆動装置１０の全体構成を示す断面図であり、図４は、図３に示したピッチ駆動装置１０を図３中の矢印ＩＶ方向から見た図である。また、図５は、図３に示したピッチ駆動装置１０のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。まず、図１〜図５を参照して本発明の一実施形態によるピッチ駆動装置１０およびそれを用いた風力発電機１の構成について説明する。

本実施形態による風力発電機１は、図１に示すように、地上に立設された支柱２と、この支柱２の上端部に相対回転自在に支持されたナセル３とを備えている。ナセル３には、図略のギアボックス、発電機等が収納されている。そして、ナセル３には、ギアボックスに連結されるロータが設けられていて、このロータのハブ５（第２部材）に複数のブレード６（第１部材）が相対回転自在に支持されている。なお、図１では、３本のブレード６が設けられた構成について示している。

ブレード６は、図２に示すように、ベアリング８を介してハブ５に支持されており、ブレード６の軸回りに回動可能となっている。ハブ５の内面には、環状に形成された支持部５ａが設けられており、この支持部５ａによって本実施形態によるピッチ駆動装置１０を支持できるようになっている。

ブレード６には、その基端部にリングギア７（内歯歯車）が設けられている。そして、後述するピッチ駆動装置１０の出力軸歯車２３（外歯歯車）がこのリングギア７に噛み合い、ブレード６をその軸方向に回動させて向きを変えるのに用いられている。以下、このピッチ駆動装置１０の構成について、具体的に説明する。

ピッチ駆動装置１０は、図３に示すように、有底筒状の外側ケース１２を備えている。この外側ケース１２は、円筒状に形成された円筒部１３と、有底筒状に形成されたカバー１４とを締結することによって構成されている。円筒部１３には、ハブ５の支持部５ａに取付けるための鍔部１３ａが設けられ、この鍔部１３ａを通してボルト１５によって支持部５ａに締結できるようになっている。上記カバー１４の底面には、駆動モータ１６（モータ）が固定されている。

上記円筒部１３の軸方向中間部における内周部には、多数の内歯ピン１８が固定されている。この各内歯ピン１８は軸方向に延びる姿勢で配置されており、これらが周方向に等間隔に配置されている。各内歯ピン１８は、内歯歯車の内歯を構成する。

また、ピッチ駆動装置１０は、入力軸２１と、キャリア２２と、出力軸歯車２３（外歯歯車）と、減速機構２４とを備えている。キャリア２２は、入力軸２１の軸心と同じ軸回りに回転可能に配置されるものである。ピッチ駆動装置１０は、駆動モータ１６がハブ５側に位置し、キャリア２２がブレード６側になるように配置することができるので、以下の説明では図２及び図３に合わせ、ブレード６側を上側、ハブ５側を下側として説明する。

駆動モータ１６の駆動軸（図示省略）は、駆動モータ１６から上方に延びてカバー１４の中央部を貫通している。この駆動軸は、図示省略した軸受によってカバー１４に対して回転自在となっている。駆動軸は、入力軸２１と連結されていて、駆動モータ１６の回転駆動力が入力軸２１に付与されることにより入力軸２１が回転するようになっている。入力軸２１の上端部には、駆動外歯歯車２１ａが設けられている。

上記キャリア２２は、上記円筒部１３の径方向内側に配設されている。このキャリア２２と出力軸歯車２３とは、軸方向の２箇所に配設された軸受３２および３３によって円筒部１３に対して回転自在に支持されている。キャリア２２の軸心は、円筒部１３の軸心に一致している。キャリア２２は、基部３５（出力軸）と、この基部３５の下方に配置された端板部３６と、基部３５の一部であるシャフト部３７とを備えている。

上記シャフト部３７は、基部３５に設けられる基部側シャフト部４１と、端板部３６に設けられる端板側シャフト部４２とにそれぞれ分割されている。この基部側シャフト部４１および端板側シャフト部４２からなるシャフト部３７は、３つ設けられているとともに（図５参照）、周方向に等間隔に配置されている。また、各シャフト部３７は断面略三角形状に形成されている。基部側シャフト部４１は、基部３５の下面から下方に向かって軸方向に延びる柱状に構成され、端板側シャフト部４２は、端板部３６の上面から上方に向かって軸方向に延びる柱状に構成されている。これら基部側シャフト部４１及び端板側シャフト部４２は、互いに対向する位置に設けられている。

基部側シャフト部４１には、有底のボルト穴が設けられ、端板側シャフト部４２には、このボルト穴に対応する位置にボルト挿通孔が設けられている。そして、これらボルト挿通孔に挿通されたボルト４３が基部側シャフト部４１のボルト穴に螺合されている。また、基部側シャフト部４１と端板側シャフト部４２とはインロー嵌めされている。また、基部側シャフト部４１及び端板側シャフト部４２には、それぞれピン孔が設けられていて、これらピン孔に跨るようにピン４４（図５参照）が挿入されている。これらのことにより、上記基部３５及び端板部３６は、互いに位置ずれしないように固定されている。

本実施形態では、上記出力軸歯車２３（外歯歯車）は、外歯部２３ａ（歯部）（図４参照）と、この外歯部２３ａと一体的に形成された軸部２３ｂとによって構成されており、その軸部２３ｂが上記基部３５に固着されている。具体的には、基部３５は、その上面の軸心に対応する位置に上方に突出するように設けられたボルト３５ａ（雄ねじ部）を有している。このボルト３５ａは、基部３５の上記の位置に軸方向に貫通する孔部に下方から挿入されている。そして、出力軸歯車２３では、外歯部２３ａの軸方向端部から下方に軸部２３ｂが延出されており、この軸部２３ｂの下部の軸心に対応する位置に雌ねじ部２３ｃが形成されている。そして、この雌ねじ部２３ｃは、基部３５のボルト３５ａに螺合されている。このようにして、出力軸歯車２３の軸部２３ｂが基部３５に固着されている。

また、出力軸歯車２３の軸部２３ｂの下面の上記雌ねじ部２３ｃに対応する位置には、雌ねじ部２３ｃを中心とした略円錐状の凸部２３ｄが下方に突設されている。一方、基部３５の上面のボルト３５ａに対応する位置には、ボルト３５ａを中心として上記凸部２３ｄに対応した形状を有する凹部３５ｂが形成されている。そして、上記のように出力軸歯車２３の軸部２３ｂと基部３５とが固着された状態において、凸部２３ｄと凹部３５ｂとが互いに嵌め合わされている。また、出力軸歯車２３の外歯部２３ａは、上記したように、リングギア７（図２参照）と噛み合うように構成されている。これにより、出力軸歯車２３は、キャリア２２とともに回転して風力発電機１のブレード６に回転駆動力を伝達する。

上記減速機構２４は、駆動モータ１６の回転数に対して所定の比率で減速してキャリア２２を回転させるためのものであり、第１減速機構と第２減速機構とが含まれている。

第１減速機構は、上記駆動外歯歯車２１ａに噛み合う従動外歯歯車２６を備えている。この従動外歯歯車２６は、入力軸２１の回転により駆動外歯歯車２１ａに対して所定の減速比で回転する。第２減速機構は、クランク軸４６と、ピニオン４８，４８とを備えている。

上記クランク軸４６は、３つ設けられており、これらクランク軸４６は、周方向に等間隔に配置されている。ピニオン４８，４８は、クランク軸４６の軸方向に２つ並んで配置されている。そして、両ピニオン４８，４８は、円筒部１３の内側において基部３５と端板部３６との間に形成された閉空間に配設されている。

クランク軸４６は、上下一対のクランク軸受５２，５３によって回転自在に支持されている。下側のクランク軸受５２は、端板部３６に形成された貫通孔３６ａに嵌め込まれている。上側のクランク軸受５３は、基部３５の下面に形成された凹部３５ｃに嵌め込まれている。換言すると、クランク軸４６は、その下部において下側のクランク軸受５２を介して端板部３６によって支持されるとともに、上部において上側のクランク軸受５３を介して基部３５によって支持されている。

下側のクランク軸受５２よりも下方に突出した各クランク軸４６の下端部に、それぞれ上記従動外歯歯車２６が設けられている。これら各従動外歯歯車２６は、上記駆動外歯歯車２１ａに噛み合っている。そして、クランク軸４６は、駆動外歯歯車２１ａと従動外歯歯車２６との歯数比で減速されて、従動外歯歯車２６と一体的に回転する。

クランク軸４６には、各ピニオン４８に対応するように配置された２つの偏心部４６ａおよび４６ｂが設けられている。各偏心部４６ａおよび４６ｂは、クランク軸４６の軸心に対して偏心した円柱状に形成されており、両偏心部４６ａおよび４６ｂは、１８０度の位相差をもつように設定されている。

上記両ピニオン４８は、同じ構成のものである。図５に示すように、各ピニオン４８は、円筒部１３の内径よりも少し小さく形成されていて、円筒部１３の内歯ピン１８に噛み合う外歯４８ａを有する。ピニオン４８の外歯４８ａは、内歯ピン１８の歯数より若干、例えば１つだけ少なくなっている。

各ピニオン４８には、第１貫通孔４８ｂと第２貫通孔４８ｃ（孔部）とが設けられている。第１貫通孔４８ｂは、円形状に形成されている。この第１貫通孔４８ｂには、ころ軸受５５を介装した状態で前記クランク軸４６が挿通されている。そして、両ピニオン４８，４８の第１貫通孔４８ｂにそれぞれ偏心部４６ａおよび４６ｂが嵌め合わされている。これにより、偏心部４６ａおよび４６ｂの回転によって両ピニオン４８，４８は、互いに１８０度だけ位相がずれた状態で円筒部１３の内歯ピン１８に噛み合いながら偏心回転運動（公転）する。

上記第２貫通孔４８ｃは、シャフト部３７の断面よりも大きな略三角形状に形成されており、シャフト部３７は、所定の間隙を有した状態で第２貫通孔４８ｃに挿通されている。また、第２貫通孔４８ｃは、シャフト部３７に対応して設けられるので、周方向に等間隔に３つ設けられている。そして、ピニオン４８，４８の偏心回転運動に伴って、第２貫通孔４８ｃからシャフト部３７に回転運動が伝達されることにより、基部３５、端板部３６及びシャフト部３７が一体となったキャリア２２が円筒部１３の軸心回りに回転するようになっている。

本実施形態では、上記した第２貫通孔４８ｃ（孔部）と基部３５（出力軸）の一部であるシャフト部３７との間の所定の間隙の幅は、ブレード６からリングギア７および出力軸歯車２３を介して基部３５に振動が伝達された時に第２貫通孔４８ｃ内においてシャフト部３７が移動する移動量よりも大きくなるように設定されている。これにより、上記のように振動が伝達された場合にも、シャフト部３７が第２貫通孔４８ｃに接触するのが抑制される。

次に、本実施形態によるピッチ駆動装置１０の動作について説明する。

駆動モータ１６の駆動によって駆動外歯歯車２１ａが回転すると、第１減速機構によって所定の減速比で減速されて各従動外歯歯車２６が回転する。この従動外歯歯車２６の回転に伴い、クランク軸４６が一緒に回転する。これにより偏心部４６ａおよび４６ｂが回転し、それによって両ピニオン４８が内歯ピン１８に噛み合いながら偏心回転運動（公転）するため、それに伴ってクランク軸４６も公転する。このとき、従動外歯歯車２６が駆動外歯歯車２１ａの周りを公転する。そして、両ピニオン４８の偏心回転運動（公転）に伴ってシャフト部３７が公転し、キャリア２２全体が回転する。このキャリア２２の回転は、クランク軸４６の回転に対して大幅に減速されている。これにより、出力軸歯車２３が、駆動モータ１６の回転数に対して大幅に減速された回転数で回転することになる。そして、この出力軸歯車２３の回転により、リングギア７を回転させてブレード６の向きを変える。

本実施形態では、上記のように、出力軸歯車２３と基部３５との間にスプライン結合部が存在せず、出力軸歯車２３の歯部２３ａと軸部２３ｂとが一体的に形成されるとともに軸部２３ｂと基部３５とがボルト３５ａと雌ねじ部２３ｃとの螺合により固着されているので、軸部２３ｂと基部３５との間にがたつきが生じない。このため、突風を受けることによりブレード６からリングギア７を介して出力軸歯車２３に衝撃や振動が伝達される場合にも、スプライン結合等のようにがたつきに起因する出力軸歯車２３および基部３５の破損または磨耗が生じない。このため、本実施形態によるピッチ駆動装置１０では、出力軸歯車２３および基部３５の寿命を延ばすことができる。

また、本実施形態では、基部３５に設けたボルト３５ａと、出力軸歯車２３の軸部２３ｂに設けた雌ねじ部２３ｃとを螺合させているので、出力軸歯車２３の軸部２３ｂと基部３５とを固着させる構造を有するピッチ駆動装置１０を容易に製造することができる。

また、本実施形態では、ピニオン４８の第２貫通孔４８ｃとシャフト部３７との間の間隙は、ブレード６からリングギア７および出力軸歯車２３を介して基部３５に振動が伝達された時にその振動に応じて第２貫通孔４８ｃ内においてシャフト部３７が移動する移動量よりも大きな幅に形成されているので、ブレード６からリングギア７および出力軸歯車２３を介して基部３５に振動が伝達された場合にピニオン４８の第２貫通孔４８ｃにシャフト部３７が接触することがない。言い換えると、第２貫通孔４８ｃとシャフト部３７との間の間隙によって上記の振動を吸収することができる。このため、基部３５のシャフト部３７の磨耗や減速機構２４への振動の伝達を抑制することができる。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、上記実施形態では、ブレード６にリングギア７を設けるとともに、ハブ５にピッチ駆動装置１０を設けたが、本発明はこれに限らず、ハブ５にリングギア７を設けるとともに、ブレード６にピッチ駆動装置１０を設けてもよい。

また、上記実施形態では、ブレード６の向きを変えるのに用いられるピッチ駆動装置１０に本発明を適用した例について説明したが、本発明はこれに限らず、ナセル３の向きを変えるのに用いられるナセル駆動装置に本発明を適用してもよい。この場合には、ナセル３の下部に内歯歯車（リングギア）を設けるとともに、支柱２の上端部にナセル駆動装置を設けてもよい。また、支柱２の上端部に内歯歯車（リングギア）を設けるとともに、ナセル３の下部にナセル駆動装置を設けてもよい。そして、この場合には、上記実施形態と同様にナセル駆動装置の出力軸歯車（外歯歯車）を内歯歯車に噛み合わせて回転させることによって、ナセル３の向きを変える。

また、上記実施形態では、出力軸歯車２３の軸部２３ｂに雌ねじ部２３ｃを形成するとともに、基部３５に雌ねじ部２３ｃと螺合するボルト３５ａを設けたが、本発明はこれに限らず、出力軸歯車２３の軸部２３ｂにボルトを設けるとともに、基部３５にそのボルトと螺合する雌ねじ部を形成してもよい。なお、上記実施形態では、雄ねじ部としてボルト３５ａを用いたが、これに限らず、たとえば軸部２３ｂおよび基部３５の一方に軸部２３ｂおよび基部３５の他方の雌ねじ部と螺合する雄ねじ部を一体的に形成するなどの別の構成を適用してもよい。

また、上記実施形態では、雄ねじ部としてのボルト３５ａと雌ねじ部２３ｃとを基部３５の軸心に対応する位置と出力軸歯車２３の軸部２３ｂの軸心に対応する位置とにそれぞれ設けたが、本発明はこれに限らず、雄ねじ部および雌ねじ部を出力軸歯車２３の軸部２３ｂおよび基部３５の軸心以外の位置に設けてもよい。

本発明の一実施形態によるピッチ駆動装置が適用された風力発電機の主要部を示した図である。 図１に示した風力発電機のハブとブレードとの結合部およびそこに設置されたピッチ駆動装置を示す図である。 図２に示したピッチ駆動装置の全体構成を示す断面図である。 図３に示したピッチ駆動装置を図３中の矢印ＩＶ方向から見た図である。 図３に示したピッチ駆動装置のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。

符号の説明

３ ナセル
５ ハブ（第２部材）
６ ブレード（第１部材）
７ リングギア（内歯歯車）
１０ ピッチ駆動装置（風車用駆動装置）
１６ 駆動モータ（モータ）
２１ 入力軸
２３ 出力軸歯車（外歯歯車）
２３ａ 外歯部（歯部）
２３ｂ 軸部
２３ｃ 雌ねじ部
２４ 減速機構
３５ 基部（出力軸）
３５ａ ボルト（雄ねじ部）
３７ シャフト部
４８ ピニオン（偏心回転ギア）
４８ｃ 第２貫通孔（孔部）

Claims (3)

1. ナセルまたはブレードからなる第１部材がこの第１部材を支持する第２部材に対して相対回転自在に支持されていて、
   前記第１部材および前記第２部材のいずれか一方に内歯歯車が設けられるとともに、この内歯歯車に噛み合う外歯歯車が出力軸に設けられ、
   前記出力軸を回転させることによって前記第２部材に対して前記第１部材の向きを相対的に変えさせる風車用駆動装置であって、
   前記外歯歯車には、前記内歯歯車と噛み合う歯部とこの歯部と一体的に形成された軸部とが含まれ、この軸部が前記出力軸に固着されている、風車用駆動装置。
2. 前記外歯歯車の軸部および前記出力軸の一方は雄ねじ部を有し、前記外歯歯車の軸部および前記出力軸の他方は、前記雄ねじ部に螺合される雌ねじ部を有している、請求項１に記載の風車用駆動装置。
3. モータの駆動により入力軸が回転するのに伴って偏心回転運動する偏心回転ギアを含むとともに、前記出力軸に連結される減速機構を備え、
   前記偏心回転ギアには、孔部が形成されているとともに、前記孔部に前記出力軸が間隙を有した状態で挿通されて、前記偏心回転ギアの偏心回転運動に伴って前記出力軸が回転するように構成されており、
   前記偏心回転ギアの孔部と前記出力軸との間の間隙の幅は、前記第１部材から前記出力軸に振動が伝達された時に前記孔部内において前記出力軸が移動する移動量よりも大きい、請求項１または２に記載の風車用駆動装置。

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