JP2009524764A - 風力発電装置のロータ及び歯車装置間ドライブトレーン - Google Patents

Abstract

開示されるのは、風力発電装置のロータ（１）及びトルク支持体（６）を備えた歯車装置間ドライブトレーンである。このドライブトレーンは、ロータ（１）から延出し、第１ロータ軸軸受（５）を介して上記領域に据え付けられ、且つロータ速度を所望の発電機速度に変換するために、歯車装置（３）まで延出するロータ軸（２）を含む。ロータ軸（２）は、比例ロータ力、トルク、及び重量を吸収すると共に、これらを直接トルク支持体（６）に伝達するために、トルク軸受のように構成されると共に、歯車装置（３）内において入力端に載置される第２ロータ軸軸受（７）を介して据え付けられる。

Description

本発明は、風力発電装置のロータ及びトランスミッション間ドライブトレーンに関し、ロータから延出すると共に、第１ロータ軸軸受によってこの部分で支持され、且つ、ロータ速度を所望の発電機速度に変換するために、トランスミッションへ延出するロータ軸を含む。

風力発電装置の技術分野において、ロータ及び最下流のトランスミッションの間のドライブトレーンは、様々な方法で構成され得る。一つの可能性としては、ロータをトランスミッションに直接広げる結果、間に載置されるロータ軸が省略される。ここでの重要概念において、ロータによって生じさせられたトルクは、距離をカバーするロータ軸を介して、風力発電装置のトランスミッションに伝達される。より強力な風力発電装置では、ロータ軸は、例えば、風力発電装置の塔上端部分で生じさせられた重量及び風力を均一に分散させるために必要とされる。

特許文献１から、一般的なドライブトレーンが知られている。このドライブトレーンは、本質的に、風力エネルギをトルクに変換する入力ロータからなり、この入力ロータは、風力発電装置の塔上端の一方側において、ロータ軸へ広げられる。塔上端の反対側では、ロータ軸は、ロータから生じさせられた回転運動を、下流側発電機を備えたトランスミッションに送る。一方ではロータを、他方では発電機と合わせたトランスミションを、ロータ軸を介して離間させることにより、重量及び反力の等しい分散が、塔上端部分で達成される。この間隔あけは、ロータ軸を機械キャリアに対して適切に支持する必要があり、この機械キャリアは、塔上端を形成すると共に、風力発電装置の塔に対して軸回転可能であり、風力発電装置は更に、地面に対して固定されることにより、風向きに対するロータの位置が制御される。

塔上端に対するロータ軸の支持体は、ここでは、２点支持体の形態をなしており、従って、ロータに近接する固定軸受と、トランスミッションに近接するルーズ軸受を含む。このロータ軸の２点軸受に起因して、ロータの荷重はトランスミッションに伝達されないが、必然的な軸受位置は、付加的な構成要素を必要とする。

別の実施形態によれば、前側ロータ軸軸受が、ロータハブに配置されるモーメント軸受として直接的に形成され、モーメント軸受が、機械キャリアに固定されることが示唆されている。接合又は可撓性中間部材の使用を伴い、再び、外力はトランスミッションに伝達されない。しかしながら、ロータ側のモーメント軸受の構成は、相対的に大型の軸受が本目的のために必要とされるので、非常に複雑である。

特許文献２に開示される技術的取り組みでは、この軸受点をトランスミッションに直接置き換えることにより、トランスミッション側で、ロータ軸軸受が省略される３点軸受が示唆されている。それ故、トランスミッション入力側の軸受は、この軸受点の機能を引き受ける。力はここでは、遊星キャリアを介して流れると共に、トランスミッションのトルク支持体を介して、キャリア構造体に伝えられる。再度、固定軸受が、ロータ側のロータ軸軸受として利用され、これはここでは、球面ころ軸受として形成される。実際には、重量及び風力に起因して、ロータ軸軸受の軸受点周りにおけるロータ軸の軸回転運動は、僅かでも、受け入れられなければならない。相対的に短いロータ軸を伴い、とりわけ、この曲げ作用は、トランスミッションの入力側における歯車の歯位置が、最適な歯係合から外れるまで増し、これにより、連続的な磨耗及び効率の低下が生じる。

更に、従来技術のこの取り組みでは、適当な結合要素が、ロータ軸及び対応するトランスミッション入力側の中空軸の間に必要とされる。適当な結合要素としては、トランスミッション入力側の中空軸先端を、半径方向内側に、挿入されたロータ軸の対応する端部へ押圧するために、クランプリングが用いられる。このようなクランプリングは、ドライブトレーンの全体質量を追加するかなりの質量を有する。しかしながら、特に風力発電装置の塔上端部分では、そこに装着される装置は、小さな全体質量を有するべきである。
ドイツ特許第１０２４２７０７Ｂ３号明細書 欧州特許出願公開第１４５７６７３号明細書

本発明の目的は、質量が小さく、軸受点の数が最小であり、更に常にトランスミッション内での最適な歯係合を保証する風力発電装置のドライブトレーンを作ることである。

この目的は、請求項１のプリアンブルを特徴的構成と組み合わせたものに係るドライブトレーンに基づいて達成される。後続の従属請求項は、本発明の有利な実施形態を定義する。

本発明は、ロータ側方のロータ軸軸受とは別に、ロータ軸は、モーメント軸受の手法で形成された第２ロータ軸軸受によって支持され、この第２ロータ軸受は、部分的なロータ力、モーメント、及び重量の力を受け取り、且つこれらをトランスミッションのトルク支持体へ直接伝えるという技術的教示を含む。

本発明に係る取り組みの効果は、第２ロータ軸軸受を置き換えることに起因し、これは別の方法では、トランスミッション付近の軸をトランスミッションへ支持させる。モーメント軸受としての特定の構成は、本質的にロータ軸のトルクのみが、トランスミッションの歯部に伝達されると共に、重量及び風力によって大きく引き起こされる他の妨害力及びモーメントが、トルク支持体に移されることを保証する。本発明に係る取り組みでは、クランプリングがトランスミッションの入力側で必要とされないので、それ故質量が低減させられる。

また、トランスミッションの下流側伝達要素を弾性的に切り離す手段が、力の流れ方向に見ると、第２ロータ軸軸受の下流に配置されてよい。その切り離し作用により、ロータ力、モーメント及び重量力に起因するモーメント軸受の極度の荷重を伴ってさえも、本手段は、下流側伝達要素の最適な歯係合を保証する。なぜならば、このようにして、トルクのみがトランスミッションの歯部に移ることを保証するからである。弾性的に切り離すための適当な手段は、例えば、ダブルカルダン継手ユニット、又はロータ軸に連結される中心と、トランスミッションの下流側伝達要素に連結される周縁を有する可撓性弾性膜である。適当なダブルカルダン継手ユニットは、好適には、幅及び高さ寸法がドーム形の外側歯部を備え、対応する内側歯部を備えた重なり歯付きスリーブと噛み合う入力側歯車であり、この内側歯部は、同様に幅及び高さ寸法がドーム形の外側歯部を備え、入力側歯車に対して配置される出力側軸方向離間歯車と噛み合う。

好適には、トランスミッションの入力側モーメント軸受は、相互に角度をなして曲げられ且つテーパが付けられたローラ軸受対のように、又は三重円柱状ローラ軸受のように形成される。しかしながら、他の適当な構成の実施形態も可能である。

本発明によれば、トランスミッションの入力側の軸受が、同時にトランスミッションの
側方のロータ軸軸受であるならば、ロータの部分に配置される第２ロータ軸軸受は、ルーズ軸受として形成され得、このルーズ軸受は、ここで通常使用される固定軸受よりも、構成がより単純であると共に故障しにくい。ロータ側のルーズ軸受は、好適には、球面ころ軸受のように構成される。ルーズ軸受としての球面ころ軸受は、いかなる軸方向の力も受け取る必要がなく、それ故、より少ない圧力を受けるので、その使用寿命が延びる。風圧に起因してロータによって生じさせられる軸方向の力は、ロータ軸を介してモーメント軸受に送られるので、この軸方向の力は、トランスミッションのハウジング及びそのモーメント支持体を介して、風力発電装置の塔へ移る。モーメント支持体及び風力発電装置の塔の間には、有利には、弾性サスペンションが配置され得る。本発明に係る取り組みでは、ロータによって引き起こされる脈動軸方向力でさえも、トランスミッションの入力側の軸受点において、いかなる有害な軸方向移動を引き起こさない。

本発明を改良させた更なる実施形態によれば、ロータ軸は、トランスミッションの入力側で、フランジを介してトランスミッションに連結される。フランジ連結は、例えばボルト‐スタッド連結である。この摩擦性積極係合は、トランスミッションへのロータ軸の簡単な取り付け及び取り外しを保証する。

本発明を改良させた別の実施形態によれば、ダブルカルダン継手ユニットの入力側の歯車は、ボルト連結を介して、トランスミッションの入力側のフランジの背部に固定される結果、フランジに配置される第２ロータ軸軸受は、トランスミッションの内側の側方に存在するフランジの小径方向から組み付けられ得る。トランスミッション内側方向からのモーメント軸受の組み付け可能性に起因して、モーメント軸受は、相対的に直径がより大きいフランジ連結を超えて摺動させられる必要がなく、その結果、本発明に係るモーメント軸受は、相対的に小さい構造寸法を有し得る。また、入力側歯車及びフランジ間のボルト連結に起因して、軸受の歯面の遊びの調整は、単純な方法でなされ得る。このようにして、フランジに配置されるモーメント軸受は、組み付け状態において、フランジの肩部によって一方側に限定され、反対側では、モーメント軸受は、入力側の歯車又は他の伝達要素の当接によって画定される。

本発明を改良させた更なる方法を、本発明の好適な例証実施形態の説明と合わせて、より詳細に説明する。

図１を参照すると、風力発電装置のドライブトレーンは、ロータ１を含み、ロータ１は、風の流れによって回転させられ、従って、ロータ速度を変換するロータ軸２を介して、トランスミッション３に伝達させられるトルクを発生させる。本例証実施形態では、少なくとも部分的に遊星変速装置として形成されるトランスミッション３は、電流を生じさせる下流側発電機４を駆動させるために、遅い入力速度をより早い速度に変換する。

ドライブトレーンでは、ロータ軸２の３点支持体が存在する。それ故、ロータ軸２は、第１ロータ軸軸受５によって、ロータ１の部分で支持され、第１ロータ軸軸受５は、固定軸受として形成される。ロータ軸の反対側の端部の支持体は、以下により詳細に説明するように、トランスミッション３内に配置され、そのトルク支持体６は、トランスミッションのハウジングによって移されたロータ力、モーメント、及び重量力を受け取る。

図２を参照すると、ロータ軸２は、モーメント軸受の手法で形成された第２ロータ軸軸受７によって、トランスミッション３の側方で支持される。モーメント軸受の作用を引き受けるために、第２ロータ軸軸受７は、相互に角度をなし且つテーパが付けられたローラ軸受対として構成される。

力の流れ方向に見ると、第２ロータ軸軸受７の下流では、下流側伝達要素８を弾性的に切り離すために、ダブルカルダン継手ユニット９が存在する。ダブルカルダン継手ユニット９は、入力側に、幅及び高さ寸法がドーム形の外側歯部を有する歯車１０からなり、歯車１０は、対応する内側歯部を有する重なり歯付きスリーブ１１と噛み合う。歯付きスリーブ１１は、その軸方向拡張に起因して、ダブルカルダン継手ユニット９のカルダン作用を定める。入力側のこの歯付きスリーブ１１及び軸方向に間隔があけられた歯車１０に一致して、また幅及び高さ寸法がドーム形の歯部を有する歯車１２が出力側に設けられる。出力側の歯車１２は、下流側伝達要素８と協働し、下流側伝達要素８は、下流側遊星段（完全には図示なし）の遊星キャリアである。

ダブルカルダン継手ユニット９の入力側の歯車１０は、ボルト及びスタッド連結１３によって、トランスミッションの入力側のフランジ１４に固定される。ボルト及びスタッド連結１３はまた、ロータ軸軸受７が小径を伴い構成され得るように、フランジ１４に配置された第２ロータ軸軸受７がトランスミッションの内部から、即ちより小径側からフランジ１４に据え付けられるのを許容する。なぜならば、フランジ１４は、例えばトランスミッション外側のボルト‐スタッド連結１５を介して、ロータ軸２に解放可能に連結されるからである。ボルト‐スタッド連結１５をこの位置で構成できるように、フランジ１４はより大きな直径を有さなければならない。

図３を参照すると、モーメント軸受として構成される第２ロータ軸軸受７は、第１実施形態に係り、相互に角度をなしてテーパが付けられたローラ軸受として構成され得る。或いは、図４によれば、第２ロータ軸軸受７はまた、三重円柱状ローラ軸受として構成され得、その結果、モーメント軸受の作用も得られる。

本発明は、上記好適な例証実施形態に限定されない。例えば、第２ロータ軸軸受７及び入力側の伝達要素８の間の弾性的切り離し手段は、ダブルカルダン継手ユニット９に代えて、ロータ軸２に連結された中心部分を有する可撓性弾性膜であってもよく、可撓性弾性膜は、その周縁が、トランスミッション３の下流側伝達要素８に連結される。

風力発電装置のドライブトレーンを示す概略図。 構成実施形態のドライブトレーンの必須構成要素を示す部分断面図。 モーメント軸受の第１実施形態を示す概略図。 モーメント軸受の第２実施形態を示す概略図。

符号の説明

１…ロータ、２…ロータ軸、３…トランスミッション、４…発電機、５…第１ロータ軸軸受、６…トルク支持体、７…第２ロータ軸軸受、８…伝達要素、９…ダブルカルダン継手ユニット、１０…入力側歯車、１１…歯付きスリーブ、１２…出力側歯車、１３…ボルト及びスタッド連結、１４…フランジ、１５…ボルト‐スタッド連結。

Claims (12)

1. 風力発電装置用ロータ（１）及びトルク支持体（６）を有するトランスミッション（３）間ドライブトレーンであって、該ロータ（１）から延出すると共に、第１ロータ軸軸受（５）によってこの部分で支持され、且つ、ロータ速度を所望の発電機速度に変換するために、該トランスミッション（３）に延出するロータ軸（２）を含み、
   前記ロータ軸（２）は、モーメント軸受の手法で形成され、部分的なロータ力、モーメント及び重量力を受け取ると共に、これらを前記トルク支持体（６）に移すために、該トランスミッション（３）内で入力側に配置される第２ロータ軸軸受（７）によって支持される
   ことを特徴とするドライブトレーン。
2. 前記トランスミッション（３）の下流側伝達要素（８）を弾性的に切り離す手段が、力の流れ方向に見て、前記第２ロータ軸軸受（７）の下流に配置されることを特徴とする請求項１に記載のドライブトレーン。
3. 弾性的に切り離す手段として、ダブルカルダン継手ユニット（９）が設けられることを特徴とする請求項２に記載のドライブトレーン。
4. 前記ダブルカルダン継手ユニットは、入力側に、幅及び高さ寸法がドーム形の外側歯部を有する歯車（１０）からなり、該外側歯部は、対応する内側歯部を有する重なり歯付きスリーブ（１１）と噛み合い、該内側歯部は、出力側で、入力側の歯車（１０）に対して軸方向に間隔があけられて配置され、また幅及び高さ寸法がドーム形の外側歯部を有する歯車（１２）と噛み合うことを特徴とする請求項３に記載のドライブトレーン。
5. 弾性的に切り離す手段として、中心が前記ロータ軸（２）に連結されると共に、周縁が前記トランスミッション（３）の前記下流側伝達要素（８）に連結される可撓性弾性膜が設けられることを特徴とする請求項２に記載のドライブトレーン。
6. 前記モーメント軸受は、相互に角度が付けられ且つテーパを有するローラ軸受対（図３）のように、又は三重円柱状ローラ軸受（図４）のように構成されることを特徴とする請求項１に記載のドライブトレーン。
7. 前記トランスミッション（３）の下流側伝達要素は、入力側遊星変速装置段の一部であることを特徴とする請求項１に記載のドライブトレーン。
8. 前記第１ロータ軸軸受（５）は、ルーズ軸受として形成されることを特徴とする請求項１に記載のドライブトレーン。
9. 前記ルーズ軸受は、球面ころ軸受のように構成されることを特徴とする請求項８に記載のドライブトレーン。
10. 前記ロータ軸（２）は、前記トランスミッションの入力側で、フランジ（１４）を介して該トランスミッション（３）と連結され、該フランジ連結は、ボルト‐スタッド連結（１５）として形成されることを特徴とする請求項１に記載のドライブトレーン。
11. 前記ダブルカルダン継手ユニットの入力側歯車（１０）は、ボルト及びスタッド連結（１３）によって、前記トランスミッション入力側で離れたフランジ（１４）に固定されることにより、該フランジ（１４）に配置される前記第２ロータ軸軸受（７）は、該トランスミッションの内部に存在する該フランジ（１４）の小径側から据え付けられ得ることを特
    徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のドライブトレーン。
12. 前記第２ロータ軸軸受（７）の軸受の歯面の遊びは、前記ボルト連結（１３）によって調整可能であることを特徴とする請求項１１に記載のドライブトレーン。

Images