JP2012225350A - 風力発電装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ナセル台板の小型・軽量化を可能にするとともに、機器交換等のメンテナンス性にも優れている風力発電装置を提供する。
【解決手段】風力発電装置は、風車回転翼５が取り付けられて一体に回転するロータヘッド４と、軸受１２を介してロータヘッド４を支持するナセル３と、ロータヘッド４を貫通し、一端がナセル３に固定支持される主軸１１と、ロータヘッド４外に、ロータヘッド４のナセル３の反対側に配置される発電機２０とを備えている。
【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、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、風車回転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、風車回転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回転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、通常の場合、増速機や発電機を備えたドライブトレインはナセルの内部に配置されている。このため、ドライブトレインをサポートするナセル台板等のフレームは、ドライブトレイン設置スペース等を確保するために比較的重量を有する構造となっていた。また、１軸受構造の場合には、増速機はロータヘッドの支持構造を兼ねているため、交換の際にロータヘッドを支持する方法が困難になるなどの問題もあった。
また、ロータとナセルとの間に発電機を配置した構造もあるが、この場合は発電機の交換が不可能となる。
そして、ナセルの小型化及び軽量化を目的として、ロータヘッドの内部に、主軸から増速機を介して発電機に至るドライブトレインを設置した構成が提案されている。（たとえば、特許文献１参照）
特開２００６−１８８９５３号公報
近年、風力発電装置は大出力化とともに大型化する傾向にあるため、支柱や基礎等の負担を軽減するためにもナセル台板構造を軽量化することが求められている。また、ナセル内に収納設置される発電機等のドライブトレイン構成機器について交換やメンテナンスを考慮すると、ナセル内に作業スペースを確保しておく必要があった。このような作業スペースの確保は、運転時に使用しないスペースを形成することになるので、ナセル形状を大型化させる要因になっていた。
さらに、風力発電装置の大型化に伴い、ドライブトレインの構成機器等についても大型化して重量を増す傾向にあり、しかも、設置場所における作業条件も厳しくなっている。このため、特に現地における設置工事や機器交換等のメンテナンス作業については、これを容易にする構成が望まれる。
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、ナセル台板の小型・軽量化を可能にするとともに、機器交換等のメンテナンス性にも優れてい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、風車回転翼が取り付けられて一体に回転するロータヘッドと、軸受を介して前記ロータヘッドを支持するナセルと、前記ロータヘッドを貫通し、一端が前記ナセルに固定支持される主軸と、前記ロータヘッド外に、前記ロータヘッドの前記ナセルの反対側に配置される発電機とを備えている。
なお、ロータヘッドのナセル反対側は、アップウインド型風力発電装置におけるロータヘッドの前方を意味し、さらに、ダウンウインド型風力発電装置におけるロータヘッドの後方を意味している。
このような風力発電装置によれば、風車回転翼が取り付けられて一体に回転するロータヘッドと、軸受を介して前記ロータヘッドを支持するナセルと、前記ロータヘッドを貫通し、一旦が前記ナセルに固定支持される主軸と、前記ロータヘッド外に、前記ロータヘッドの前記ナセルの反対側に配置される発電機とを備えているので、ナセル内に収納設置される重い機器類を低減するとともに、メンテナンス時等に使用する目的で確保することが必要となるスペースを低減することができる。
上記の発明において、前記発電機は、回転子と固定子を有し、前記回転子は、増速機を介して前記ロータヘッドの回転動力を受けることが好ましい。
また、上記の発明において、前記増速機は、前記ロータヘッドと前記発電機との間に配置されていることが好ましい。
また、上記の発明において、前記発電機は、回転子と固定子とを有し、前記固定子及び前記回転子のうちの少なくとも一方は、カップリングを介して支持されていることが好ましい。
また、上記の発明において、前記発電機は、複数有することが好ましい。特に、複数の発電機を備えるマルチタイプを採用すれば、小型・軽量化や発電機交換等のメンテナンス性が向上する。さらに、複数の発電機を備えたマルチタイプの場合、発電機にトラブルが生じても風力発電装置全体の運転を停止する必要はなく、従って、残った正常な発電機による発電を継続することができる。
上述した風力発電装置において、のドライブトレインは、発電機が増速機よりナセル側に配置されていれば、ドライブトレインの重心位置をナセル側（主軸受側）に近づけることができる。この場合、少なくとも発電機の一部を、好適には発電機と増速機の一部とをロータヘッド内に配設することが好ましく、これにより、ドライブトレインの重心位置をより一層ナセル側に近づけることができる。
また、発電機が増速機よりナセル側に配置されている場合には、発電機をナセルの内部に配置することにより、ドライブトレインの重心位置をより一層ナセル側に近づけることができる。
上述した本発明の風力発電装置によれば、メンテナンス用等の目的でナセル内に確保しておかなければならない通常運転時に不要なスペースを低減し、ナセル自体を小型化してスマートな形状とすることができる。
特に、複数の発電機よりなるマルチタイプの構成を採用すれば、小型化した発電機の交換等を行うメンテナンス作業が容易になるとともに、発電機にトラブルを生じた場合であっても発電出力を落とした状態での運転継続が可能となる。
そして、風力発電装置を大型化しても、従来構造においてナセル内でドライブトレインを支持していたナセル台板側では、発電機や増速機のような大型で重い機器がなくなって主軸のみを支持すればよく、従って、ナセル台板の小型軽量化が可能となる。なお、従来構造と比較した場合、概ね１０〜１５％程度の軽量化が見込まれる。
特に、発電機を増速機よりナセル側に配置してドライブトレインの重心位置をナセル側（主軸受側）に近づけると、モーメントの低減により支持構造を軽量化することができるので、ドライブトレインやナセルを軽量でコンパクトな構造とすることが容易になる。
また、ドライブトレインをロータヘッドの前方または後方に取り付けると、ロータヘッドカバーを取り外した場合、ドライブトレインが前方または後方へオーバーハングした状態になるので、ドライブトレイン及びその構成機器をクレーンにより交換する作業が容易になる。
特に、発電機を増速機よりナセル側に配置すれば、メンテナンスや交換頻度の高い増速機が端部側に位置して作業性の向上に有効である。
本発明に係る風力発電装置の一実施形態を示す図で、第１の実施形態としてナセル周辺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。 第１の実施形態の変形例を示す断面図である。 本発明に係る風力発電装置の第２の実施形態として、ナセル周辺の要部を拡大して内部構成例を示す断面図である。 本発明に係る風力発電装置の第３の実施形態として、ナセル周辺の要部を拡大して内部構成例を示す断面図である。 本発明に係る風力発電装置の第４の実施形態として、ナセル周辺の要部を拡大して内部構成例を示す断面図である。 本発明に係る風力発電装置の第５の実施形態として、ナセル周辺の要部を拡大して内部構成例を示す断面図である。 第５の実施形態の第１変形例を示す断面図である。 第５の実施形態の第２変形例を示す断面図である。 本発明に係る風力発電装置の第６の実施形態として、ナセル周辺の要部を拡大して内部構成例を示す断面図である。 第６の実施形態の変形例を示す断面図である。 本発明に係る風力発電装置の第７の実施形態として、ナセル周辺の要部を拡大して内部構成例を示す断面図である。 第７の実施形態の第１変形例を示す断面図である。 第７の実施形態の第２変形例を示す断面図である。 本発明に係る風力発電装置の第８の実施形態として、ナセル周辺の要部を拡大して内部構成例を示す断面図である。 第８の実施形態の第１変形例を示す断面図である。 第８の実施形態の第２変形例を示す断面図である。 本発明に係る風力発電装置の第９の実施形態として、ナセル周辺の要部を拡大して内部構成例を示す断面図である。 本発明に係る風力発電装置の第１０の実施形態として、ナセル周辺の要部を拡大して内部構成例を示す断面図である。 本発明に係る風力発電装置の第１１の実施形態として、ナセル周辺の要部を拡大して内部構成例を示す断面図である。 図２０ＡのＡ−Ａ断面図である。 本発明に係る風力発電装置の第１参考例として、ナセル周辺の要部を拡大して内部構成例を示す断面図である。 第１参考例の第１変形例を示す断面図である。 第１参考例の第２変形例を示す断面図である。 第１参考例の第３変形例を示す断面図である。 本発明に係る風力発電装置の第２参考例として、ナセル周辺の要部を拡大して内部構成例を示す断面図である。
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回転翼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回転翼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。なお、図示の風力発電装置１は、ナセル３の前方で風車回転翼５が回転するアップウインド型と呼ばれるものである。
＜第１の実施形態＞
図１は、ナセル３の前方に配置されているロータヘッド４と、ロータヘッド４の前方に配設されているドライブトレイン１０について、ロータヘッドカバー（不図示）を取り外した状態の内部構成例を示す要部の拡大断面図である。なお、以下に説明する実施形態において、ドライブトレイン１０は、ロータヘッド４の回転が増速機を介することなくそのまま発電機２０に伝達される構成とされる。
図１において、風車回転翼５を備えたロータヘッド４は、ナセル３から前方に突出する主軸１１に軸受１２を介して支持されている。すなわち、ロータヘッド４は、風車回転翼５に風を受けることにより、ナセル３に固定支持された主軸１１の周りを風車回転翼５と一体に回転する。
ナセル３に固定支持された主軸１１の先端部側には、発電機２０を構成する円筒形状の固定子２１が設けられている。また、ロータヘッド４の前端面には、同じく発電機２０を構成する円筒形状の回転子２２が、固定子２１とのギャップを維持するため、フレキシブルカップリング１３を介して取り付けられている。なお、図示の構成ではフレキシブルカップリング１３を用いているが、回転子２２をロータヘッド４の前端面に直接固定する構造や、リジッドカップリングを介して固定する構造が基本となる。
この回転子２２は固定子２１より小径とされ、回転子２２が固定子２１の内側に配置されている。すなわち、この場合の発電機２０では、ロータヘッド４とともに回転する回転子２２が固定子２１の内側を略同軸に回転するので、電磁誘導の法則により発電が行われるようになっている。
また、上述した実施形態では、回転子２２を固定子２１の内側に配置した構成を採用しているが、たとえば図３に示す変形例のように、固定子２１を回転子２２の内側に配置した構成としてもよい。すなわち、図３に示すドライブトレイン１０′は増速機のない構成とされ、主軸１１の先端部に回転子２２より小径の固定子２１が固定して取り付けられ、ロータヘッド４の前端面にフレキシブルカップリング１３を介して取り付けられた回転子２２が固定子２１の外側を回転する。この場合の回転子２２についても、フレキシブルカップリング１３を用いた構造に限定されることはなく、ロータヘッド４の前端面に直接固定する構造や、リジッドカップリングを介して固定する構造が基本となる。
このように、固定子２１及び回転子２２の内外配置については、どちらの配置を採用しても電磁誘導の法則による発電が可能である。
このように、風車回転翼５に風を受けて生じる回転力を発電機２０へ伝達するドライブトレイン１０，１０′がロータヘッド４の前方に配設された構成により、ナセル３内に生じる余分なスペースを低減することができる。すなわち、ナセル３内には発電機２０等のドライブトレイン構成機器類を収納設置する必要がないため、これら大型で高重量の機器類を支持するナセル台板（不図示）の荷重負担は大幅に軽減される。このため、風力発電装置１を大型化しても、ナセル３内のナセル台板側では主軸１１のみを支持すればよく、従って、ナセル台板の小型軽量化が可能となる。
また、ロータヘッド４から発電機２０まで回転力を伝達するドライブトレイン１０，１０′をロータヘッド４の前方に配設したので、ナセル３内に生じる余分なスペース、すなわちメンテナンス等の作業スペースとして確保するスペースを低減できるようになり、ナセル３自体が必要最小限の空間を有するように小型化してスマートな形状とすることができる。
また、ドライブトレイン１０，１０′をロータヘッド４の前方へ取り付けると、ロータヘッドカバーを取り外した場合、ドライブトレイン１０がロータヘッド４の前方へオーバーハングした状態になるので、ドライブトレイン１０，１０′及び発電機２０等の構成機器をクレーンにより交換する作業が容易になる。
＜第２の実施形態＞
続いて、本発明に係る風力発電装置について、第２の実施形態を図４に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
本実施形態のドライブトレイン１０Ａは、ロータヘッド４の回転を増速して発電機２０へ伝達するため、ロータヘッド４と発電機２０との間に増速機３０を備えている。この場合の増速機３０はプラネタリ型の１段増速機であり、図中の符号３１が太陽歯車、符号３２が遊星歯車である。
上述した増速機３０は、主軸１１の前端部側に軸受１２を介して回転自在に支持された太陽歯車３１と、ロータヘッド４の前端面にリジッドカップリング１４を介して支持された複数個の遊星歯車３２とが噛合し、さらに、遊星歯車３２とケーシング３３の内周面に形成されたギア部３３ａとが噛合するものであり、太陽歯車３１の円周方向へ等ピッチに配置された遊星歯車３２が、ロータヘッド４と一体に太陽歯車３１の周りを自転しながら旋回する。この結果、太陽歯車３１及び遊星歯車３２のギア比に応じて、太陽歯車３１はロータヘッド４の回転数から増速されて回転する。
なお、遊星歯車３２の支持構造については、上述したリジッドカップリング１４を用いる構造及び遊星歯車３２を直接固定する構造も可能であるが、フレキシブルカップリングを介して固定する構造が基本となる。
一方、発電機２０は、固定子２１が主軸１１の先端部に固定されており、太陽歯車３１と一体に連結された回転子２２が固定子２１の内側を略同軸に回転する。すなわち、この実施形態の発電機２０は、固定子２１とロータヘッド４の回転数から増速されて回転する回転子２２との間に電磁誘導を生じさせて発電するようになっている。なお、図示は省略したが、増速機３０の遊星段の後に、１軸のみならず多軸の出力軸を有する構成のマルチタイプ発電機を採用してもよい。このマルチタイプ発電機は、たとえば図１６から図１８に基づいて後述する実施形態のように、増速機が２段遊星もしくは平行歯車によって構成される多軸の出力軸を有し、各出力軸により複数の発電機を駆動するものである。
このような構成としても、上述した第１の実施形態と同様に、ナセル３内には発電機２０等のドライブトレイン構成機器類を収納設置する必要がないため、これら大型で高重量の機器類を支持するナセル台板（不図示）の荷重負担は大幅に軽減される。このため、風力発電装置１を大型化しても、ナセル３内のナセル台板側では主軸１１のみを支持すればよく、従って、ナセル台板の小型軽量化が可能となる。
また、ロータヘッド４から発電機２０まで回転力を伝達するドライブトレイン１０Ａをロータヘッド４の前方に配設したので、ナセル３内に生じる余分なスペースを低減できるようになり、ナセル３自体が必要最小限の空間を有するように小型化してスマートな形状とすることができる。
また、ドライブトレイン１０Ａをロータヘッド４の前方へ取り付けると、ロータヘッドカバーを取り外した場合、ドライブトレイン１０がロータヘッド４の前方へオーバーハングした状態になるので、ドライブトレイン１０Ａ及び発電機２０等の構成機器をクレーンにより交換する作業が容易になる。
＜第３の実施形態＞
続いて、本発明に係る風力発電装置について、第３の実施形態を図５に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
本実施形態のドライブトレイン１０Ｂは、ロータヘッド４の回転を増速して発電機２０へ伝達するため、ロータヘッド４と発電機２０との間に増速機３０Ａを備えている。この場合の増速機３０Ａはスター型の１段増速機であり、図中の符号３１Ａが太陽歯車、符号３２Ａが遊星歯車である。スター型の増速機３０Ａにおける遊星歯車３２Ａは、固定側の主軸１１に支持されて回転自在であり、外周側でロータヘッド４と一体に回転するケーシング３３Ａの内周面に形成されたギア部３３ａと噛合している。
従って、ケーシング３３Ａがロータヘッド４と同一の回転数で回転し、ケーシング３３Ａのギア部３３ａ、遊星歯車３２Ａ及び太陽歯車３１Ａのギア比に応じて太陽歯車３１Ａが増速される。この場合の回転子２２は太陽歯車３１Ａと同軸であるから、この実施形態の発電機２０も、固定子２１とロータヘッド４の回転数から増速されて回転する回転子２２との間に電磁誘導を生じさせて発電するようになっている。なお、この実施形態においても、発電機２０に代えて、マルチタイプ発電機を採用してもよい。
このような構成としても、上述した実施形態と同様に、ナセル３内には発電機２０等のドライブトレイン構成機器類を収納設置する必要がないため、これら大型で高重量の機器類を支持するナセル台板（不図示）の荷重負担は大幅に軽減される。
＜第４の実施形態＞
続いて、本発明に係る風力発電装置について、第４の実施形態を図６に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
本実施形態のドライブトレイン１０Ｃは、増速機能を有していないタイプであり、発電機２０の構成が異なっている。すなわち、この場合の発電機２０は、固定子２１の外側を回転子２２が回転して発電するように構成されている。
固定子２１は、ナセル３の前端面にフレキシブルカップリング１３を介して固定支持されている主軸１１の先端部に、さらにフレキシブルカップリング１３を介して取り付けられている。図示の例ではフレキシブルカップリング１３を２段としたが、１段や３段以上の多段としてもよく、さらにはクイルシャフトも包含する。なお、フレキシブルカップリング１３としては、ギヤカップリング、ダイヤフラム、多盤式、マイクロブッシュ等を含むものとする。
ロータヘッド４は、ナセル３の前端面及び固定子２１の後端面に設けた支持部に、軸受１２Ａを介して回転自在に支持されている。ここで使用する軸受１２Ａは、径方向及び軸方向の荷重に対応するとともに、たとえば複列テーパコロ軸受や３ローラ軸受等のようにモーメントの支持が可能である。そして、ロータヘッド４の前端面には、一体に回転する回転子２２が取り付けられている。すなわち、この場合の発電機２０では、ロータヘッド４とともに回転する回転子２２が固定子２１の外側を略同軸に回転するので、電磁誘導の法則により発電が行われるようになっている。
このような構成としても、上述した実施形態と同様に、ナセル３内には発電機２０等のドライブトレイン構成機器類を収納設置する必要がないため、これら大型で高重量の機器類を支持するナセル台板（不図示）の荷重負担は大幅に軽減される。
なお、ナセル３とロータヘッド４との支持関係については、ロータヘッド４が軸受１２Ａの外周側を回転する外輪回転型に限定されることはなく、ロータヘッド４が軸受１２Ａの内周側を回転する内輪回転型（後述する図１３参照）を採用してもよい。
＜第５の実施形態＞
続いて、本発明に係る風力発電装置について、第５の実施形態を図７に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
本実施形態のドライブトレイン１０Ｄは、第４の実施形態と同様に増速機能を有していないタイプであり、発電機２０の構成が異なっている。すなわち、この場合の発電機２０は、固定子２１の内側を回転子２２が回転して発電するように構成されている。
この場合の回転子２２は、ロータヘッド４の前端面にリジッドカップリング１４を介して取り付けられている。さらに、回転子２２と固定子２１との間に軸受１２Ａを設けてあるので、ロータヘッド４と一体に回転する回転子２２は、主軸１１の先端部に固定支持されている固定子２１に対して回転可能となる。なお、回転子２２の取り付けは、上述したリジッドカップリング１４を用いる構造に限定されることはなく、ロータヘッド４の前端面に直接固定された構造としてもよい。
すなわち、この場合の発電機２０では、ロータヘッド４とともに回転する回転子２２が固定子２１の内側を略同軸に回転するので、電磁誘導の法則により発電が行われるようになっている。
なお、ナセル３とロータヘッド４との支持関係については、ロータヘッド４が軸受１２Ａの外周側を回転する外輪回転型に限定されることはなく、ロータヘッド４が軸受１２Ａの内周側を回転する内輪回転型（後述する図１３参照）を採用してもよい。
また、図８に示す構成のドライブトレイン１０Ｄ′は、図７の第１変形例である。この第１変形例は、発電機２０の回転子２２を支持する構造が異なっている。
すなわち、この変形例の発電機２０は、２段のフレキシブルカップリング１３を備えている主軸１１の先端に固定子２１が取り付けられ、回転子２２はロータヘッド４と一体に固定子２１の内側を回転して発電する。
この場合の回転子２２は、主軸１１に一対の軸受１２を介して回転可能に支持されている。そして、回転子２２の回転を支持する主軸１１の先端部側と、主軸１１の他端側を支持するナセル３との間には、２段のフレキシブルカップリング１３が設けられている。このため、風力発電装置１の回転系と構造系との間がフレキシブルカップリング１３により縁切りされ、回転系から構造系への入力伝達を抑制するとともに、固定子２１と回転子２２との間のギャップを所定の範囲内に維持することができる。
また、図９に示す構成のドライブトレイン１０Ｄ″は、図７の第２変形例である。この第２変形例は、主軸１１が一対の軸受１２を介してロータヘッド４の回転を支持している。この場合の主軸１１は、ロータヘッド４の回転を支持するナセル３側の部分と、回転子２２の回転を支持する先端部側の部分との間に、回転系と構造系との間を縁切りする１段のフレキシブルカップリング１３を備えている。
このような第２変形例の構成としても、風力発電装置１の回転系と構造系との間はフレキシブルカップリング１３により縁切りされ、回転系から構造系への入力伝達を抑制するとともに、固定子２１と回転子２２との間のギャップを所定の範囲内に維持することができる。
ところで、図示の第２変形例ではフレキシブルカップリング１３を１段としたが、上述した第１変形例のように、ナセル３側の端部にフレキシブルカップリングを追加して２段としてもよい。
なお、上述した変形例においては、回転子１２を支持する一対の軸受１２に代えて、たとえば複列テーパコロ軸受を用いてモーメントを除去する構成としてもよい。
＜第６の実施形態＞
続いて、本発明に係る風力発電装置について、第６の実施形態を図１０に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
本実施形態のドライブトレイン１０Ｅは、プラネタリ型１段の増速機３０を採用したものである。また、このドライブトレイン１０Ｅは、２段のフレキシブルカップリング１３を備えている主軸１１の先端に固定子２１が取り付けられ、回転子２２は太陽歯車３１と一体に回転する。この太陽歯車３１は、ロータヘッド４と一体に自転しながら太陽歯車３１の周りを旋回する遊星歯車３２により、ロータヘッド４の回転数から増速されて回転する。
すなわち、この場合の発電機２０では、太陽歯車３１とともに回転する回転子２２が固定子２１の内側を略同軸に回転するので、電磁誘導の法則により発電が行われるようになっている。なお、この実施形態においても、発電機２０に代えて、たとえば図１８に基づいて後述する２段増速のようなマルチタイプ発電機を採用してもよい。
また、図１１に示す変形例のように、ロータヘッド４の回転支持構造として、軸受１２を介して主軸１１に支持されるとともに、フレキシブルカップリング１３を１段としたドライブトレイン１０Ｅ′を採用してもよい。この変形例において、発電機２０は上述した本実施形態と同様の構成となるから、マルチタイプ発電機の採用も可能である。
なお、ナセル３とロータヘッド４との支持関係については、ロータヘッド４が軸受１２Ａの外周側を回転する外輪回転型に限定されることはなく、ロータヘッド４が軸受１２Ａの内周側を回転する内輪回転型（後述する図１３参照）を採用してもよい。
＜第７の実施形態＞
続いて、本発明に係る風力発電装置について、第７の実施形態を図１２に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
本実施形態のドライブトレイン１０Ｆは、スター型１段の増速機３０Ａを採用したものである。また、このドライブトレイン１０Ｆは、２段のフレキシブルカップリング１３を備えている主軸１１の先端に遊星歯車３２Ａを支持し、さらに、先端部側には固定子２１が取り付けられている。一方、回転子２２は、固定子２１の後端面に回転可能に支持された太陽歯車３１Ａと同軸に連結されている。
そして、ケーシング３３がロータヘッド４と一体に回転することにより、ケーシング３３のギア部３３ａ、遊星歯車３２Ａ及び太陽歯車３１Ａが噛合しているので、ギア比に応じてロータヘッド４の回転数から増速されて回転子２２も回転する。すなわち、この場合の発電機２０では、太陽歯車３１Ａとともに回転する回転子２２が固定子２１の内側を略同軸に回転するので、電磁誘導の法則により発電が行われるようになっている。なお、この実施形態においても、発電機２０に代えて、たとえば図１９に基づいて後述するような２段増速のマルチタイプ発電機を採用することが可能である。
また、図１３に示す構成は、図１２の第１変形例である。すなわち、ナセル３とロータヘッド４との支持関係が異なっており、図１２はロータヘッド４が軸受１２Ａの外周側を回転する外輪回転型、図１３はロータヘッド４が軸受１２Ａの内周側を回転する内輪回転型である。なお、この第１変形例においても、発電機２０に代えてマルチタイプ発電機の採用が可能である。
また、図１４に示す構成は、図１２の第２変形例である。すなわち、ロータヘッド４の回転支持構造として、軸受１２を介して主軸１１に支持されるとともに、フレキシブルカップリング１３を１段としたドライブトレイン１０Ｆ″を採用してもよい。なお、この第２変形例においても、発電機２０に代えてマルチタイプ発電機の採用が可能である。
＜第８の実施形態＞
続いて、本発明に係る風力発電装置について、第８の実施形態を図１５に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
本実施形態のドライブトレイン１０Ｇは、ロータヘッド４の回転を増速して発電機２０へ伝達するため、ロータヘッド４と発電機２０との間に増速機３０Ｂを備えている。この増速機３０Ｂは平行型２段増速機であり、図中の符号３１Ａは従動歯車、３２Ａ，３２Ｂは従動歯車、３３ａはケーシング３３Ａの内周面に形成されたギア部である。
この増速機３０Ｂは、ロータ４の前端面に直接固定されているケーシング３３Ａが一体に回転することにより、ギア部３３ａと噛合する遊星歯車３２Ａを回転させる。この遊星歯車３２Ａは、主軸１１の先端部側にフレキシブルカップリング１３を介して固定支持されているケーシング部材３３Ｂにより、軸受１２を介して回転可能に支持されている。
さらに、上述した従動歯車３２Ａは、大径の従動歯車３２Ｂと同軸に連結されている。この遊星歯車３２Ｂは、回転子２２と同軸にした従動歯車３１Ａと噛合している。このため、ロータ４の回転は、ギア部３３ａ、遊星歯車３２Ａ，３２Ｂ及び太陽歯車３１Ａのギア比に応じて増速された回転数で回転子２２を回転させる。すなわち、この場合の発電機２０は、太陽歯車３１Ａとともに回転する回転子２２が固定子２１の内側を略同軸に回転するので、電磁誘導の法則により発電が行われるようになっている。なお、この実施形態においても、発電機２０に代えてマルチタイプ発電機の採用が可能である。
また、図１６に示す構成は図１５の第１変形例、図１７に示す構成は図１５の第２変形例である。すなわち、ナセル３とロータヘッド４との支持関係が異なっており、図１６はロータヘッド４が軸受１２Ａの外周側を回転する外輪回転型、図１７はロータヘッド４が軸受１２Ａの内周側を回転する内輪回転型であり、他の構成については図１５の実施形態と同じである。なお、これらの第１変形例及び第２変形例においても、発電機２０に代えてマルチタイプ発電機の採用が可能である。
＜第９の実施形態＞
続いて、本発明に係る風力発電装置について、第９の実施形態を図１８に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
本実施形態のドライブトレイン１０Ｈは、図１０に示した第６の実施形態の増速機３０を２段増速にした増速機３０Ｃを採用するとともに、２段増速後の出力軸を複数にして小型の発電機を駆動するマルチタイプ発電機４０を採用したものである。このマルチタイプ発電機４０は、小型で出力の小さい子発電機４１を複数個組み合わせた構成とされる。図示の子発電機４１は、上述した発電機２０と同様に、固定子２２の内側で回転子２１が回転して発電するものである。
また、この場合の増速機３０Ｃは、図１０に示したプラネタリ型１段の増速機３０に平歯車を組み合わせた２段増速機である。この増速機３０Ｃは、太陽歯車３１の出力軸に平行歯車を組み合わせて２段増速としたものであり、外歯の第１歯車３５が太陽歯車３１と一体に回転し、第１歯車３５の外周に配設されて噛合する外歯の第２歯車３６を増速して回転させるものである。すなわち、第１歯車３５より歯数の少ない第２歯車３６を周方向へ等ピッチに分配して複数設置し、各第２歯車３６の出力軸に子発電機４１の回転子２１を取り付けた構成とされる。なお、図示の例では第２歯車３６が等ピッチに分配されているが、等ピッチに限定されるものではない。
このような構成とすれば、ロータヘッド４の回転が増速機３０Ｃにより２段増速され、各子発電機４１の回転子２１を固定子２２の内側で回転させるので、各子発電機４１において電磁誘導の法則による発電が行われ、各子発電機４１の発電量を合計した値がマルチタイプ発電機４０の総発電量となる。従って、各子発電機４１の小型・軽量化が可能となるので、高所作業となるメンテナンス作業や故障等のトラブル発生時における修理・交換作業が容易になる。また、複数ある子発電機４１のトラブルが全てに同時発生する確率は低いので、トラブルが発生した子発電機４１のみを発電停止することにより、総発電量は低下するものの、風力発電装置全体が運転停止になることを防止できる。
＜第１０の実施形態＞
続いて、本発明に係る風力発電装置について、第１０の実施形態を図１９に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
本実施形態のドライブトレイン１０Ｉは、図１２に示した第７の実施形態の増速機３０Ａを２段増速にした増速機３０Ｄを採用するとともに、２段増速後の出力軸を複数にして小型の発電機を駆動するマルチタイプ発電機４０を採用したものである。このマルチタイプ発電機４０は、小型の子発電機４１を複数個組み合わせた構成とされる。図示の子発電機４１は、上述した発電機２０と同様に、固定子２２の内側で回転子２１が回転して発電するものである。
また、この場合の増速機３０Ｄは、図１２に示したスター型１段の増速機３０Ａに平歯車を組み合わせた２段増速機である。この増速機３０Ｄは、太陽歯車３１Ａの出力軸に平行歯車を組み合わせて２段増速としたものであり、外歯の第１歯車３５が太陽歯車３１Ａと一体に回転し、第１歯車３５の外周に配設されて噛合する外歯の第２歯車３６を増速して回転させるものである。すなわち、第１歯車３５より歯数の少ない第２歯車３６を周方向へ等ピッチに分配して複数設置し、各第２歯車３６の出力軸に子発電機４１の回転子２１を取り付けた構成とされる。
このような構成としても、ロータヘッド４の回転が増速機３０Ｄにより２段増速され、各子発電機４１の回転子２１を固定子２２の内側で回転させるので、各子発電機４１において電磁誘導の法則による発電が行われ、各子発電機４１の発電量を合計した値がマルチタイプ発電機４０の総発電量となる。従って、各子発電機４１の小型・軽量化が可能となるので、高所作業となるメンテナンス作業や故障等のトラブル発生時における修理・交換作業が容易になる。また、複数ある子発電機４１のトラブルが全てに同時発生する確率は低いので、トラブルが発生した子発電機４１のみを発電停止することにより、総発電量は低下するものの、風力発電装置全体が運転停止になることを防止できる。
＜第１１の実施形態＞
続いて、本発明に係る風力発電装置について、第１１の実施形態を図２０Ａ及び図２０Ｂに基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
本実施形態のドライブトレイン１０Ｊは、２段の平行歯車を組み合わせて構成された増速機３０Ｅを採用し、２段増速後の出力軸を複数にして小型の発電機を駆動するマルチタイプ発電機４０を採用したものである。このマルチタイプ発電機４０は、小型の子発電機４１を複数個組み合わせた構成とされる。図示の子発電機４１は、上述した発電機２０と同様に、固定子２２の内側で回転子２１が回転して発電するものである。
この場合の増速機３０Ｅは、ロータヘッド４と一体に回転する外歯の主動歯車３７と、主動歯車３７の外周に等ピッチに配設されて噛合する複数の第１従動歯車３８と、により第１段増速機構が構成されている。さらに、第１段増速機構の第１従動歯車３８には、それぞれに同軸の第２従動歯車３９Ａが設けられ、各第２従動歯車３９Ａとそれぞれ噛合する第３従動歯車３９Ｂを設けることにより、第２段増速機構が構成されている。従って、増速機３０Ｅは、シャフト４の回転を２段階に増速した回転数が第３従動歯車３９Ｂの回転軸から出力され、各第３従動歯車３９Ｂと同軸に取り付けられた回転子２１を固定子２２の内側で回転させることにより、子発電機４１による発電が可能となる。
なお、図示の例では第１従動歯車３８が等ピッチに配設されているが、等ピッチに限定されることはない。
このような構成とすれば、ロータヘッド４の回転が増速機３０Ｅにより２段増速され、各子発電機４１の回転子２１を固定子２２の内側で回転させるので、各子発電機４１において電磁誘導の法則による発電が行われ、各子発電機４１の発電量を合計した値がマルチタイプ発電機４０の総発電量となる。従って、各子発電機４１の小型・軽量化が可能となり、高所作業となるメンテナンス作業や故障等のトラブル発生時における修理・交換作業が容易になる。また、複数ある子発電機４１のトラブルが全てに同時発生する確率は低いので、トラブルが発生した子発電機４１のみを発電停止することにより、総発電量は低下するものの、風力発電装置全体が運転停止になることを防止できる。
ところで、上述した第３従動歯車３９Ｂは、図２０Ａに示すように、第２従動歯車３９Ａの内側、すなわち主軸１１側に配置されている。しかし、この位置に第３従動歯車３９Ｂを配置すると、全体の外径寸法が子発電機４１により規定されることはないため、コンパクト化に適した配置構成となる。しかし、同軸となる子発電機４１の形状等によっては、子発電機４１どうしが互いに干渉して設置できないことも考えられる。
そこで、図２０Ｂに示すように、第３従動歯車３９Ｂと第２従動歯車３９Ａとの位置関係においては、配置（噛合）する方向に下記のような変形例が可能である。
第１変形例の配置例では、図２０Ｂに２点鎖線で示すように、増速機３０Ｅの最も外周側に第３従動歯車３９Ｂ′を配設して第２従動歯車３９Ａと噛合させればよい。このような配置を採用すると、子発電機４１どうしの干渉は防止できるものの、ドライブトレイン１０Ｉ及び増速機３０Ｅの外径寸法が子発電機４１の外周位置により決まるため、装置全体の外径寸法大型化が懸念される。
第２変形例の配置例では、図２０Ｂに１点鎖線で示すように、上述した第３従動歯車３９Ｂ，３９Ｂ′の中間的な位置、すなわち、第２従動歯車３９Ａの周方向へ９０度程度移動させた位置に第３従動歯車３９Ｂ″を配設して第２従動歯車３９Ａと噛合させてもよい。このような配置を採用すると、コンパクト化と子発電機４１どうしの干渉防止とを両立した配置構成となる。
このように、第３従動歯車３９Ｂ，３９Ｂ′，３９Ｂ″の位置については、両変形例の中間的な位置も含め、諸条件に応じた最適位置を適宜選択すればよい。
＜第１参考例＞
以下では、本発明に係る風力発電装置について、第１参考例を図２１に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
第１参考例のドライブトレイン１０Ｋは、ロータヘッド４の回転を増速して発電機２０へ伝達するため、増速機３０Ａ及び発電機２０を備えている。この場合の増速機３０Ａはスター型の１段増速機であり、図中の符号３１Ａが太陽歯車、符号３２Ａが遊星歯車である。スター型増速機３０Ａにおける遊星歯車３２Ａは、固定側の主軸１１に支持されて回転自在であり、外周側でロータヘッド４と一体に回転するケーシング３３Ａの内周面に形成されたギア部３３ａと噛合している。
このドライブトレイン１０Ｋは、発電機２０が増速機３０Ａよりナセル３側に配置された構成とされる。すなわち、上述した各実施形態のドライブトレインとは軸方向の配置順序が逆となり、ナセル３側に発電機２０が配置されるとともに、先端部側に増速機３０Ａが配置されている。そして、図示の構成例では、発電機２０の少なくとも一部がロータヘッド４の内部に位置しており、この結果、ドライブトレイン１０Ｋの重心位置がナセル３側（主軸受となる軸受１２Ａ側）に近づけられている。
また、図２２に示す第１変形例のドライブトレイン１０Ｋ′では、発電機２０が増速機３０Ａよりナセル３側に配置されることに加えて、発電機２０と増速機３０Ａの一部とがロータヘッド４の内部に配設されている。すなわち、第１変形例の構成は、図２１に示した実施形態のドライブトレイン１０Ｋをできるだけナセル３側へ移動させ、発電機２０の全体及び増速機３０Ａの大部分をロータヘッド４の内部に配置することにより、ドライブトレイン１０Ｋ′の重心位置をより一層ナセル３側に近づけたものである。
従って、上述したドライブトレイン１０Ｋ，１０Ｋ′は、ケーシング３３Ａがロータヘッド４と同一の回転数で回転し、ケーシング３３Ａのギア部３３ａ、遊星歯車３２Ａ及び太陽歯車３１Ａのギア比に応じて太陽歯車３１Ａが増速される。この場合の回転子２２は太陽歯車３１Ａと同軸であるから、この実施形態の発電機２０も、固定子２１とロータヘッド４の回転数から増速されて回転する回転子２２との間に電磁誘導を生じさせて発電するようになっている。
このように構成されたドライブトレイン１０Ｋ，１０Ｋ′は、発電機２０が増速機３０Ａよりナセル３側に配置され、少なくとも一部がロータヘッド４の内部に配置されているので、ドライブトレイン自体の重心位置をナセル３側に近づけることができる。
このため、軸受１２Ａに作用するモーメントが低減され、支持構造を軽量化することができる。すなわち、軸受１２Ａを支持するナセル３の負荷が軽減され、その分だけナセル３の構造を簡略化して軽量化することができる。
また、ドライブトレイン１０Ｋ，１０Ｋ′についても、主軸１１が短くなるなどして軽量でコンパクトな構造とすることができる。
また、ドライブトレイン１０Ｋ，１０Ｋ′のメンテナンスや機器交換を行う場合には、ロータヘッドカバーを取り外すと、増速機３０Ａが端部側に存在している。増速機３０Ａは、発電機２０と比較してメンテナンスの頻度や機器交換の可能性が高いので、発電機２０側をそのままにして作業を実施できる配置はメンテナンス等の作業性向上にも有効である。
また、上述したドライブトレイン１０Ｋ，１０Ｋ′のように、発電機２０を増速機３０Ａよりナセル３側に配置する構成は、たとえば図２３に示す第２変形例の増速機１０Ｌや図２４に示す第３変形例の増速機１０Ｍを採用するなど、増速機や発電機の組合せが限定されることはない。なお、図２３及び図２４において、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図２３に示す第２変形例では、スター＋プラネタリ型２段の増速機３０Ｆを備えたドライブトレイン１０Ｌが採用されている。この場合、発電機２０及び増速機３０Ｆの約半分がロータヘッド４内に配置されているので、重心位置がナセル３側に近づいて軽量化やコンパクト化が可能となる。また、このドライブトレイン１０Ｌでは、先増速機３０Ｆが端部側に位置しているので、メンテナンス等の作業性も良好である。
さらに、図２４に示す第３変形例では、２段の平行歯車を組み合わせて構成された増速機３０Ｇ備えたドライブトレイン１０Ｍが採用されている。この場合も、発電機２０及び増速機３０Ｇの約半分がロータヘッド４内に配置されているので、重心位置がナセル３側に近づいて軽量化やコンパクト化が可能となる。また、このドライブトレイン１０Ｍでは、増速機３０Ｇが先端部側に位置しているので、メンテナンス等の作業性も良好である。
＜第２参考例＞
次に、本発明に係る風力発電装置について、第２参考例を図２５に基づいて説明する。なお、上述した実施形態及び参考例と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
本参考例のドライブトレイン１０Ｎは、ロータヘッド４の回転を増速して発電機２０へ伝達するため、増速機３０Ｆ及び発電機２０を備えている。この場合の増速機３０Ｆは、上述した第１参考例における第２変形例（図２３参照）と同様に構成されたスター＋プラネタリ型２段の増速機であり、増速機３０Ｆの約半分がロータヘッド４内に配置されている。しかし、発電機２０については、全体が支持架台１４に剛支持または防振ゴム等により柔支持されてナセル３の内部に配置されている。
このドライブトレイン１０Ｎでは、増速機３０Ｆの出力軸と、ナセル３内に設置された発電機２０の回転子２２との間が、両端にフレキシブルカップリング１３を介在させた主軸１１により連結されている。なお、図中の符号１３′はナセル３と増速機３０Ｆとの間に介在させたトルクアームブッシュであるが、トルクアームブッシュ１３′に代えて上述したフレキシブルカップリング１３を使用してもよい。
このような構成とすれば、発電機２０の全体がナセル３内に配置されるとともに、増速機３０Ｆの約半分がロータヘッド４内に配置されているので、ドライブトレイン１０Ｎの重心位置がより一層ナセル３側に近づいて軽量化やコンパクト化は容易になる。また、このドライブトレイン１０Ｎにおいても、先増速機３０Ｆが端部側に位置しているので、メンテナンス等の作業性も良好である。
上述した本発明によれば、ロータヘッド４から発電機２０または子発電機４１まで回転力を伝達するドライブトレイン１０，１０Ａ〜Ｎをロータヘッド４のナセル反対側、すなわち、上述したアップウインド型ではナセル３の前方に配設したので、メンテナンス用等の目的でナセル３内に確保しておかなければならない通常運転時に不要なスペースを低減することができる。従って、ナセル３の小型化が可能となる。さらに、風力発電装置１を大型化しても、ナセル台板の小型軽量化が可能となる。
また、ドライブトレイン１０，１０Ａ〜Ｎをロータヘッド４の前方に取り付けることにより、ロータヘッドカバーを取り外すとドライブトレイン４が前方へオーバーハングした状態になる。従って、高所にあるドライブトレイン及びその構成機器をクレーンにより交換する作業が容易になる。
特に、メンテナンス機会の多い増速機を先端部側に配置したドライブトレイン１０Ｋ，１０Ｋ′，１０Ｌ，１０Ｍ，１０Ｎの構成では、ロータヘッドカバーを取り外すと発電機をそのままにして、すなわち、発電機を設置したままの状態で増速機に関するメンテナンス等の作業を実施できるため、良好な作業性を得ることができる。
また、上述した各実施形態において、たとえば可動側と固定側との間で必要になる電源や制御信号等の伝達構造を考慮した場合、フレキシブルカップリング１３を用いた構成（たとえば、図８，図１０，図１８及び図１９等を参照）は、スリップリングの配置が容易になるといった利点を有している。
また、小型・軽量化の面では、マルチタイプ発電機４０を採用した構成が有利であり、一般的には、図１８や図１９に示すように、２段増速の増速機とマルチタイプ発電機４０とを組み合わせた構成が特に有利である。
また、径の大きい歯車については、内歯より外歯の方が安価に製造できる。
さらに、主軸１１等の荷重伝達経路に関する効率化を考慮すると、たとえば図１８及び図１９に示すように、負荷が小さいため径を細くして軽量化できる構成が望ましい。
従って、図１８に示した第９の実施形態や、図１９に示した第１０の実施形態の構成は、上述したフレキシブルカップリング１３、マルチタイプ発電機４０及び外歯の歯車を用いた構成に加えて、荷重伝達経路の効率化に有利な構成となっていることから、小型軽量化の達成に有利な条件を略全て備えた構成となる。
ところで、上述した実施形態においては、風力発電装置がアップウインド型の場合について説明したが、ダウンウインド型にも適用可能である。
ダウンウインド型の場合、ドライブトレインがナセル３の後方に配設されることとなり、上述したアップウインド型と同様の作用効果を得ることができる。
また、増速機がナセル側に配置される場合、ドライブトレインを構成する増速機及び発電機については、その構成要素の一部がロータヘッド及び／またはナセルの内部に配置されてもよい。
すなわち、本発明では、ドライブトレインを構成する増速機及び／または発電機について、ロータヘッド外に発電機を備え、この発電機がロータヘッドのナセルの反対側に配置され構成とすることができる。
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、たとえば増速機の構成や発電機の構成等に関する組合せの変更、あるいは、軸受及びカップリングに関する組合せの変更など、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。
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
１０，１０Ａ〜１０Ｎ ドライブトレイン
１１ 主軸
２０ 発電機
３０Ａ〜３０Ｇ 増速機
４０ マルチタイプ発電機
４１ 子発電機

Claims (5)

  1. 風車回転翼が取り付けられて一体に回転するロータヘッドと、
    軸受を介して前記ロータヘッドを支持するナセルと、
    前記ロータヘッドを貫通し、一端が前記ナセルに固定支持される主軸と、
    前記ロータヘッド外に、前記ロータヘッドの前記ナセルの反対側に配置される発電機とを備える風力発電装置。
  2. 前記発電機は、回転子と固定子を有し、
    前記回転子は、増速機を介して前記ロータヘッドの回転動力を受けることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
  3. 前記増速機は、前記ロータヘッドと前記発電機との間に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の風力発電装置。
  4. 前記発電機は、回転子と固定子とを有し、前記固定子及び前記回転子のうちの少なくとも一方は、カップリングを介して支持されていることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
  5. 前記発電機は、複数有することを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
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