JP2010529378A - 可変比トランスミッション - Google Patents

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Abstract

比較的低い、ただし連続的に変動する速度で動く、風力または潮力タービン（１０）などが、過剰な過渡トルクなしに同期発電機などの定速機械を滑らかに駆動できるようにする、無限可変比を有する可変比トランスミッションについて記載する。好ましいトランスミッションは、被動入力（５０）と駆動出力とを有する主差動歯車列（１２０）を含んでおり、入力速度と出力速度との比が可変であり、前記比が、主差動装置（１２０）内の速度制御歯車装置（１５０）によってもたらされるリアクショントルクによって調節され、トランスミッションは、また、第１のルート（１１５）を通じて入力（５０）と回転連絡し、また異なる第２のルート（１２５）を通じて速度制御歯車装置（１５０）と回転連絡する、副差動歯車列（２２０）を含んでおり、副差動歯車列が、２つの平行動力経路Ｐ’およびＰ’’を含んでおり、一方の経路が、液圧回路内に２つの液圧ユニット（１８０、５００）を有する液圧バイパスを含んでおり、バイパス経路Ｐ’の液圧回路内を伝達される動力および伝達される動力の方向が、使用時に、経路Ｐ’’内の速度を変化させ、それによって第２のルート内の動力を変化させるように、また、速度制御歯車装置のリアクショントルクを変化させ、それによって前記比を調節するように選択的に可変である。トランスミッションは、全入力速度範囲に第１および第２のルートを利用する。

Description

本発明は、例えば、比較的低い、ただし連続的に変動する速度で動く、風力または潮力タービンなどの原動機が、過剰な過渡トルクなしに同期発電機などの定速機械を滑らかに駆動できるようにする、無限可変比を有する可変比トランスミッションに関する。
具体的には、風力タービンのための増速トランスミッション要件は、それらの回転速度が、通常１５００ｒｐｍの好ましい発電機速度に比べて低いことに起因する。低いタービン速度は、風力エネルギー発生がタービンスウェプト面積とブレード先端速度限界とに応じたものであるという事実によって決まる。ゆえに、出力（power）が高いほど、ロータ速度が低くなる。事実上、出力は、ロータ直径の２乗に正比例し、ロータ速度は、先端直径、および／またはロータ出力の平方根に反比例しており、例えば、３０００ｋＷタービンは、同じ先端速度の４００ｋＷ機械の４４ｒｐｍと比較して、１６ｒｐｍで動くことになる。ロータ重量およびトルクがロータ直径の３乗に正比例するので、より大きなタービンは、トランスミッションステップアップ比がより大きいだけでなく、入力トルクもさらに大きく、したがって、出力対重量比がより小さい。例えば、３０００ｋＷタービンが４００ｋＷ機械の７．５倍の出力を発生するのに対し、そのトルクおよび重量は、２０．５４（すなわち、７．５の１．５乗）倍に増大し、その比は、その速度が７．５の平方根だけ減少するので、２．７４倍に増大する。
ギアボックスの体積、重量、および価格がそのトルクおよび全体的な比によって決定されるので、すべての固定比風力タービントランスミッションで通常生じる（またそれに対する措置がとられる）寄生過渡的過負荷トルク（parasitic transient overload torques）を低減することによって、重量を低減させることが講じられている。これらは、タービンの大きなスウェプト面積にわたる、風速、空気密度、およびユニット空気力学的エネルギー（unit aerodynamic energy）の確率的変動によって生み出される。そのような変動は、１回転当たり何度も起こりうる、タービンロータハブの、ギアボックスへのその入力部における、速度ゆらぎ（speed fluctuations）をまねく。これは、第１に、風速の絶え間ない変化によって、第２に、突風の間に起こる急激な変化によって、さらに複雑になる。風力エネルギーが空気速度の３乗に直接関係しているので、５０％の過渡的速度増加は、空気力学的パワーを３倍に増大させることになる。このパワーの一部は、低い効率によって消散し、一部は、タービンにおける速度および運動エネルギーの増大によって消散することになり、したがって、固定比トランスミッションの場合、発電機を加速させようとする際に追加トルクが生み出されることになる。これは、タービンロータの軸線に言及するとき、発電機自体の軸線周りでの該発電機の極慣性モーメントにステップアップ比の２乗が乗じられるという事実に起因する。ゆえに、８０／１のステップアップ比を必要とする発電機は、それ自体の軸線周りの６４００倍の前述の慣性を有することになる。したがって、タービンロータハブの、その平均回転速度からの１度の角度偏差は、同じタイムスケールにわたる発電機の８０度ゆらぎを示唆することになる。
非同期発電機は、電力調整を用いて滑らかな電気出力を生み出すことができるが、その速度を変化させるために機械的加速トルクが依然として必要とされるので、これは、問題を覆い隠す。そのような過渡的加速トルクは、機械的伝達経路内のひずみエネルギーによってしか軽減できず、したがって、より剛性の高いトランスミッションは、より高いトルクをもつことになる。
可変比トランスミッションは、タービン速度の過渡的変化と同じ割合でその比を相補的な形で変化させることによって、この問題を取り除く。そうすることにより、発電機トルク、速度、および位相角は、タービンが加速して電力の過渡的過剰を運動エネルギーの形態で吸収できるようにすることによって、一定に保たれる。
例えば本出願人の先行特許出願ＷＯ２００４／１０９１５７に記載のような従来の可変比ギアボックスは、風力タービンを含めた用途に用いられてきた。しかし、それらの複雑な問題、例えば、クラッチや代替的な動力ルート（power routes）などの消耗コンポーネントを使用する必要性が、それらのサイズ、重量、および製造コストを増大させる。本発明者は、諸実施形態で発電機速度制御および単純な設計をもたらす、単純な可変比ギアボックスが必要であることに気付いた。
一態様によれば、本発明は、すべての発電が起こる少なくとも入力速度範囲内で速度が変化する原動機入力からほぼ一定の速度出力を提供するのに適した、風力または潮力発電用途のための可変比トランスミッションであって、原動機入力と駆動出力とを有する主差動歯車列を含んでおり、入力速度と出力速度との比が可変であり、前記比が、主差動装置内の速度制御歯車装置によってもたらされるリアクショントルクによって調節（governed）され、前記トランスミッションが、また、第１のルートを通じて入力と回転連絡（rotational communication）し、また異なる第２のルートを通じて速度制御歯車装置と回転連絡する、副差動歯車列を含んでおり、副差動歯車列が、２つの平行動力経路を含んでおり、一方の経路が、液圧回路内に２つの液圧ユニットを有する液圧バイパスを含んでおり、バイパス経路の液圧回路内を伝達される動力および伝達される動力の方向が、使用時に、他方の経路内の速度を変化させ、それによって第２のルート内の動力を変化させるように、また、速度制御歯車装置のリアクショントルクを変化させ、それによって前記比を調節するように選択的に可変である、トランスミッションにおいて、第１および第２のルートが全入力速度範囲に用いられることを特徴とする、トランスミッションにある。
好ましくは、第１および第２のルートは、クラッチレスである。
一実施形態では、ユニットは、入力速度が範囲内の所定値未満のときにはそれらのユニット間で一方向に伝達される動力を有しており、前記動力伝達方向は、前記速度に到達するまたは前記速度を超えるときに反転される。
好ましくは、液圧ユニットは、それぞれ、入力速度に比例した速度で駆動される。
より好ましくは、各液圧ユニットは、液圧体積流量または圧力を変化させるために可変ストロークを有する容積式デバイスである。
好ましくは、一方または両方のユニットのストロークは、バイパス経路内で伝達される動力を変化させるように調節される。
一配置では、主および／または副差動歯車列は、遊星歯車列を含む。その場合、主および副歯車列は、ともに遊星歯車列であってもよく、以下の遊星歯車配置：
主差動装置への第１の入力が主差動装置のプラネットキャリアである配置、
主差動装置の出力が主差動装置の内歯車（annulus）である配置、
主差動装置の速度制御歯車が主差動装置の太陽歯車である配置、
副差動装置の２つの動力経路が副差動装置のプラネットキャリアと太陽歯車とを含む配置、のうちのいずれか１つまたは複数が存在してもよい。
本発明は、（ａ）低速の固定比ステップアップステージと、ｂ）可変比ステージとを含む、トランスミッションシステムであって、固定比ステージから無段階式に可変の入力速度を受け取り、その出力シャフト上に一定の出力速度を提供する、入力シャフトを有しており、可変比ステージが、先行する請求項のいずれか一項に記載の歯車装置を包含するまたは含む、トランスミッションシステムに及ぶ。
好ましくは、固定比ステージは、連続した２つの遊星歯車ステージを含む。本発明は、前述の可変比トランスミッションを通じて発電機に駆動可能に連結された流体駆動型原動機に及ぶ。
本発明は、本明細書に記載の新規特徴および本明細書に記載の特徴の新規組合せに及び、それらの特徴が本明細書で組み合わせて記載されるかどうかを問わない。例えば、本発明は、すべての発電が起こる少なくとも入力速度範囲内で速度が変化する原動機入力からほぼ一定の速度出力を提供するのに適した、風力または潮力発電用途のための可変比トランスミッションであって、原動機入力と駆動出力とを有する主差動歯車列を含んでおり、入力速度と出力速度との比が可変であり、前記比が、主差動装置内の速度制御歯車装置によってもたらされるリアクショントルクによって調節され、前記トランスミッションが、また、第１のルートを通じて入力と回転連絡し、また異なる第２のルートを通じて速度制御歯車装置と回転連絡する、副差動歯車列を含んでおり、副差動歯車列が、２つの平行動力経路を含んでおり、一方の経路が、液圧回路内に２つの液圧ユニットを有する液圧バイパスを含んでおり、バイパス経路の液圧回路内を伝達される動力および伝達される動力の方向が、使用時に、他方の経路内の速度を変化させ、それによって第２のルート内の動力を変化させるように、また、速度制御歯車装置のリアクショントルクを変化させ、それによって前記比を調節するように選択的に可変である、トランスミッションにおいて、第１および第２のルートがクラッチレスであることを特徴とする、トランスミッションにあってもよい。
本発明は、様々な方法で実施することができ、ここで、特定の一実施形態について、添付図面に即して説明する。
［図１ａ］図１ｂに示される歯車装置とともに使用するためのステップアップ歯車装置の概略断面図である。［図１ｂ］歯車装置と発電機とのアセンブリの概略部分断面図である。 様々な動作モード時の動力伝達を図示する、図１ｂの歯車装置を示す図である。 様々な動作モード時の動力伝達を図示する、図１ｂの歯車装置を示す図である。 様々な動作モード時の動力伝達を図示する、図１ｂの歯車装置を示す図である。 使用される液圧ユニットのストロークレートと、それらの液圧ユニットのうちの１つの速度との関係を示すグラフである。 ロータ速度対ロータ出力およびトルク、ならびにすぐ上で述べた液圧ユニットの速度を示すプロットである。 液圧ユニット速度およびバイパス出力を示すプロットである。 変数の表である。
図１ａを参照すると、風力タービン入力シャフト１０の比較的低速の回転を、ピニオン４０におけるより高速の回転へと変換する、連続した２つの遊星歯車列２０および３０を有する、ステップアップ歯車装置が示されている。図１ａの歯車装置が回転速度の大きな増大を生み出すので、入力シャフト１０におけるタービン速度の小さな変動が、ピニオン４０の速度の大きな変化へと増幅されることになる。同期発電機を駆動するためには一定の速度を有することが望ましく、したがって、ピニオン４０は、図１ｂに詳細に示される可変比歯車装置の入力歯車５０に連結される。
図１ｂを参照すると、図１ａに示される歯車装置によって様々な速度で駆動される入力歯車５０が示されている。入力歯車５０は、主ピニオン１００を駆動する。主ピニオン１００は、主遊星差動装置１２０のプラネットキャリア１１０に連結され、また、副ピニオン２００を第１の動力伝達ルート１１５に沿って駆動する。プラネットキャリア１１０は、主遊星差動装置１２０の内歯車１３０を通じて発電機３００を駆動する。
使用に際して、主差動装置の太陽歯車１５０のリアクショントルクは、発電機３００の速度を制御することができる。使用に際して、入力が低速のときには、太陽歯車１５０は、内歯車１４０の、したがって発電機３００の有効速度を増大させるために、入力（プラネットキャリア１１０）と同一の方向に回転する必要があり、入力がより高速のときには、太陽歯車１５０は、内歯車１４０を減速させるために、停止する、または入力とは反対の方向に滑る必要がある。太陽歯車１５０に加わるリアクショントルクを使用してその速度を制御して、より高いトルクが加えられるときには内歯車１４０をより速く駆動することができ、または、より低いトルクが加えられるときには反対方向に駆動される（滑る）ことができる。
太陽歯車のリアクショントルクは、副差動遊星歯車列２２０によって制御される。副差動装置は、副ピニオン２００に連結された内歯車２３０を有する。２つの動力経路Ｐ’およびＰ’’が、副差動装置２２０のプラネットキャリア２１０および太陽歯車２５０によって定義される。プラネットキャリア２１０は、２つの液圧ユニットのうちの一方１８０と回転連結しており、太陽歯車２５０は、他方のユニット５００と回転連結している。この場合、太陽歯車２５０は、また、主差動装置１２０の太陽歯車１５０からトルクを受け取り、または太陽歯車１５０にトルクを与え、第２の動力ルート１２５を定義する、１対のピニオン２６０、２６５にも連結される。
液圧バイパスを通じて伝達される動力と、それが流れる方向とは、２つの液圧ユニットのストロークを変化させることによって制御される。これは、次には、太陽歯車１５０におけるリアクショントルクを変化させ、その結果、主差動装置の出力速度を変化させる。液圧バイパスの入力速度および圧力を監視するために、またさらに、それぞれの液圧ユニット５００および１８０のストロークレートを制御するために、制御装置が使用される。
使用に際して、歯車装置は、いくつかの動作モードを有しており、それについて以下で説明する。
第１に、図２に関して、入力シャフトが１１．５ｒｐｍ以下のときには、歯車装置は、固定比として動作することになる。液圧ユニット１８０は、最大に近いストロークに設定されるが、比較的ゆっくり回転することになり、液圧ユニット５００は、最小に近いストロークに設定されるが、比較的速く回転し、その結果、ユニット１８０によって駆動される。これによって、動力は、液圧バイパスを通り、歯車装置を通って矢印Ｐの方向に伝達され、太陽歯車１５０は、プラネットキャリア１１０の回転方向に可能な限り多くのトルクを与えて、発電機３００の速度を増大させる。ただし、この入力速度では、発電機は、所望の１５００ｒｐｍに到達せず、したがって、出力速度（発電機速度）は、入力速度とともに変化させられ、発電機は、正しい速度で回転していないので、グリッドシステムには連結されない。
第２に、図３に関して、入力が通常の入力速度範囲である約１１．５ｒｐｍ〜約１７．３ｒｐｍの範囲にあるときには、第２の動作モードが用いられる。このモードでは、発電機は、グリッドシステムと同期され、グリッドに電力を提供することになり、したがって、その速度を一定に保つ必要がある。その結果、歯車装置は、入力シャフト速度が風速のゆらぎなどによって変動するので、可変比で運転される。太陽歯車１５０によってもたらされるリアクショントルクは、発電機速度を増大させるのに十分なものでなければならないが、入力速度が約１１．５ｒｐｍから約１７．３ｒｐｍへと増大するときには、徐々に低減されなければならない。これを達成するために、液圧バイパスを通じて送られる動力の量が変化させられる。バイパスを通って流れる動力は、一方または両方の液圧ユニットのストロークを調節することによって制御することができる。このモードでは、ユニット１８０のストロークは、最大またはそれに近いところにとどまり、ユニット５００のストロークは、初めは最小であるが、入力速度に応じて、バイパス内の圧力の増大に応答して増大される。副差動装置の配置の結果として、バイパスを通じて流れる動力の減少は、太陽歯車１５０によって生み出されるリアクショントルクの量を全体的に低減し、それが、入力速度が増大するときの発電機への出力速度を一定に保つ。入力速度が約１７．３ｒｐｍに近づき始めると、ユニット１８０のストロークは、低減されるが、ユニット５００のストロークは、最大にされる。
入力速度が約１７．３ｒｐｍにあるときには、ユニット１８０のストロークがゼロであり、ユニット５００の速度がゼロであるので、動力は、バイパスを通って流れない。この速度では、太陽歯車１５０に必要とされるリアクショントルクは、ちょうどその太陽歯車１５０が滑るのを止めるために必要なリアクショントルクとなる。これは、タービンに予測される平均回転速度である。
第３の動作モードは、ロータ速度が１７．３ｒｐｍを超えるが、１９ｒｐｍを超えない場合に使用される。このモードは、図４に示されている。発電機は、依然として所望の回転速度で動力を生み出している。太陽歯車１５０は、プラネットキャリア１１０とは反対の方向に滑らされ、したがって、発電機３００への出力を遅くするように効果的に駆動される。これを達成するために、ユニット５００のストロークは、最大のままであるが、ユニット１８０のストロークは、動力の流れが反対方向になるように反転される。また、２つのユニットの回転も反転される。副差動装置の配置は、動力が矢印Ｐの方向に流れるようなものである。ロータ速度が約１７．３ｒｐｍから約１９ｒｐｍへと増大するにつれて、液圧ユニット１８０のストロークは、徐々に逆方向に増大されて、より多くの動力をバイパス経路Ｐ’内に流れさせる。これは、太陽歯車１５０においてさらに多くの滑りを引き起こして、出力をさらに遅くする。
あまり多くの動力がバイパスを通じて流れないようにするために、ロータ速度が１９ｒｐｍを超えるときにシステムを遅くするためにブレーキ１３０および／または２４５が使用されており、それらのブレーキは、また、例えば、メンテナンス中またはコンポーネントの故障が起こったときに、安全目的で使用される。
実際には、ロータ入力速度は、絶えず変動しており、したがって、液圧ユニット１８０および５００のストロークレートは、太陽歯車１５０において必要なリアクショントルクを提供するように、図５にしたがって調節されることになる。図６は、ロータ出力と液圧ユニット１８０の速度との間の関係を示す。ユニット１８０の速度は、ロータ速度が増大するにつれて増大する。図７は、液圧ユニット１８０の速度（したがってロータ速度）が増大するにつれてバイパス出力がどのように制御されるかを示す。図８は、トランスミッションシステムの変数と、それらの変数それぞれがロータ速度の増大とともにどのように変化するかとを示す表である。ユニット１８０および５００のそれぞれのストロークは、ギア比を変化させ、出力速度を精密に制御するのに十分に、急速に変化させることができる。タービンの非常に高い慣性は、そのタービンが速度を急速に変化できないことを保証しており、したがって、比を変化させることによって入力トルクを非常に精密に制御することができる。
この用途では、バイパス出力への液圧式伝達を使用する特定の利点は、発電機に比べて前述の慣性を無視できることである。歯車要素の全体的な前述の慣性が、また、実際には無視できることを指摘することが関係している。クロスライン（cross-line）制御可能なリリーフ弁を用いて、ユニットのストローク制御の反応時間よりも場合によっては速いことのある、非常に急激な速度／トルクゆらぎに対処することができる。
全発電入力形態（第２および第３の発電モード）にわたって用いられる、副差動装置へのわずか２つの異なる動力ルート１１５および１２５の使用が、トランスミッション構造を単純化し、コストおよび重量を低減する。２つのルートを使用すると、例えば動力の経路を変更するのに、クラッチなどが必要とされないことになる。
特定の一実施形態について以上で記載し、図示したが、特許請求の範囲内で多くの変形形態、修正形態、および代替形態が可能であることが、当業者（skilled addressee）にはすぐに明らかである。例えば、遊星差動歯車列について記載し、図示したが、他の差動装置配置を有用な効果のために用いることができる。
１０ 風力タービン入力シャフト
２０ 遊星歯車列
３０ 遊星歯車列
４０ ピニオン
５０ 入力歯車
１００ 主ピニオン
１１０ プラネットキャリア
１１５ 第１の動力伝達ルート
１２０ 主遊星差動装置、主差動装置
１２５ 第２の動力ルート
１３０ 内歯車、ブレーキ
１４０ 内歯車
１５０ 太陽歯車
１８０ 液圧ユニット
２００ 副ピニオン
２１０ プラネットキャリア
２２０ 副差動遊星歯車列、副差動装置
２３０ 内歯車
２４５ ブレーキ
２５０ 太陽歯車
２６０ ピニオン
２６５ ピニオン
３００ 発電機
５００ 液圧ユニット

Claims (12)

  1. すべての発電が起こる少なくとも入力速度範囲内で速度が変化する原動機入力からほぼ一定の速度出力を提供するのに適した、風力または潮力発電用途のための可変比トランスミッションであって、原動機入力と駆動出力とを有する主差動歯車列を含んでおり、前記入力速度と出力速度との比が可変であり、前記比が、前記主差動装置内の速度制御歯車装置によってもたらされるリアクショントルクによって調節され、前記トランスミッションが、また、第１のルートを通じて前記入力と回転連絡し、また異なる第２のルートを通じて前記速度制御歯車装置と回転連絡する、副差動歯車列を含んでおり、前記副差動歯車列が、２つの平行動力経路を含んでおり、一方の経路が、液圧回路内に２つの液圧ユニットを有する液圧バイパスを含んでおり、前記バイパス経路の前記液圧回路内を伝達される動力および伝達される動力の方向が、使用時に、他方の経路内の速度を変化させ、それによって前記第２のルート内の動力を変化させるように、また、前記速度制御歯車装置の前記リアクショントルクを変化させ、それによって前記比を調節するように選択的に可変である、前記トランスミッションにおいて、前記第１および第２のルートが全入力速度範囲に用いられることを特徴とする、トランスミッション。
  2. 前記第１および第２のルートがクラッチレスである、請求項１に記載の可変比トランスミッション。
  3. 前記ユニットが、前記入力速度が前記範囲内の所定値未満のときには前記ユニット間で一方向に伝達される動力を有しており、前記動力伝達方向が、前記速度に到達するまたは前記速度を超えるときに反転される、請求項１または２に記載の可変比トランスミッション。
  4. 前記液圧ユニットが、それぞれ、前記入力速度に比例した速度で駆動される、請求項１〜３のいずれかに記載の可変比トランスミッション。
  5. 各液圧ユニットが、体積流量または圧力を変化させるために可変ストロークを有する容積式デバイスである、請求項４に記載の可変比トランスミッション。
  6. 一方または両方のユニットの前記ストロークが、前記バイパス経路内で伝達される動力を変化させるように調節される、請求項５に記載の可変比トランスミッション。
  7. 前記主および／または副差動歯車列が遊星歯車列を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の可変比トランスミッション。
  8. 前記主および副歯車列が、ともに遊星歯車列であり、以下の遊星歯車配置：
    前記主差動装置への前記原動機入力が前記主差動装置のプラネットキャリアである配置、
    前記主差動装置の出力が前記主差動装置の内歯車である配置、
    前記主差動装置の前記速度制御歯車が前記主差動装置の太陽歯車である配置、
    前記副差動装置の前記２つの動力経路が前記副差動装置のプラネットキャリアと太陽歯車とを含む配置、のうちのいずれか１つまたは複数が存在する、請求項７に記載の可変比トランスミッション。
  9. （ａ）低速の固定比ステップアップステージと、ｂ）可変比ステージとを含む、トランスミッションシステムであって、前記固定比ステージから無段階式に可変の入力速度を受け取り、その出力シャフト上に一定の出力速度を提供する、入力シャフトを有しており、前記可変比ステージが、請求項１〜８のいずれか一項に記載のトランスミッションを包含するまたは含む、トランスミッションシステム。
  10. 前記固定比ステージが、連続した２つの遊星歯車ステージを含む、請求項９に記載のトランスミッションシステム。
  11. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の可変比トランスミッションを通じて発電機に駆動可能に連結された、流体駆動型原動機。
  12. 諸図面に即して本明細書で実質的に記載した可変比トランスミッションまたはトランスミッションシステム。
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