JP2014173547A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】所定の条件に応じて発電機を迅速に停止させることができる発電装置を提供する。
【解決手段】主軸２と、主軸２の回転を増速して出力軸３５から出力する増速機３と、出力軸３５の回転を入力として回転する駆動軸４１及びこの駆動軸４１と一体回転するロータ４２を有し、ロータ４２の回転で発電する発電機４とを備えた発電装置１であって、出力軸３５と駆動軸４１との間に設けられ、出力軸３５の回転速度が駆動軸４１の回転速度を上回る第１の状態で出力軸３５と駆動軸４１とを一体回転可能に接続し、出力軸３５の回転速度が駆動軸４１の回転速度を下回る第２の状態で出力軸３５と入力軸４１との接続を遮断する一方向クラッチ７と、少なくとも第２の状態で出力軸３５と駆動軸４１とを一体回転可能に連結可能な連結手段９と、所定の条件に応じて出力軸３５と駆動軸４１とを連結するように連結手段９を動作制御する制御部１２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、外力による主軸の回転を増速機により増速させて発電機を駆動する発電装置に関する。

従来、風力発電装置として、風車のブレードにより風力を受けて当該風車に接続された主軸を回転させ、その主軸の回転を増速させて発電機を駆動させるために、増速機を用いたものがある。図６に示すように、この増速機２０２は、主軸２００の回転を入力して増速する遊星歯車機構２０３と、この遊星歯車機構２０３により増速された回転を入力して、さらにその回転を増速する高速段歯車機構２０４と、この高速段歯車機構２０４の回転トルクを出力する出力軸２０５とを備えている。

遊星歯車機構２０３は、主軸２００と一体回転可能に連結された入力軸２０３ａが回転すると、遊星キャリア２０３ｂが回転することによって、遊星歯車２０３ｃを介して太陽歯車２０３ｄが増速回転し、その回転を高速段歯車機構２０４の低速軸２０４ａに伝達するようになっている。
高速段歯車機構２０４は、低速軸２０４ａが回転すると、低速ギヤ２０４ｂ及び第１中間ギヤ２０４ｃを介して中間軸２０４ｄを増速回転させ、さらに第２中間ギヤ２０４ｅ及び高速ギヤ２０４ｆを介して出力軸２０５を増速回転させるようになっている。
増速機２０２の低速軸２０４ａ、中間軸２０４ｄ及び出力軸２０５をそれぞれ回転自在に支持する軸受として、ころ軸受２０６〜２１１が多用されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−２３２１８６号公報

従来の風力発電装置では、高速回転する出力軸を支持するころ軸受において、ころの転動面や回転輪の軌道面にスメアリング（表層焼付きが起こる現象）が発生し、ころ軸受の寿命が低下するという問題があった。
かかる問題を解決するため、本願出願人は、増速機の出力軸と発電機の駆動軸との間に、当該出力軸の回転速度が当該駆動軸の回転速度を上回った状態で当該出力軸と当該駆動軸とを一体回転可能に接続し、その逆の状態で当該出力軸と当該駆動軸との接続を遮断する一方向クラッチを設けることが有効であることを見出し（詳しくは後述）、これを従前に提案している（特願２０１１−１９８３５４号（ただし、この出願は、本願の出願時には未公開（非公知技術）である））。

ところで、発電機の故障や事故のため、或いはメンテナンス等のために発電機を停止させたい場合、通常、風車のブレードの向き（ピッチ角）を変えることによって、風力が作用しない状態にして風車を止めることが行われている。しかしながら、上記のように増速機の出力軸と発電機の駆動軸との間に一方向クラッチが設けられていると、風車を止めることによって増速機の出力軸を停止させたとしても発電機の駆動軸はロータの慣性で回り続けるため、迅速に発電機を止めることができなくなる。

したがって、本発明は、この問題を解決するために、減速機の出力軸と発電機の駆動軸との間に一方向クラッチを備えている場合でも、外力の供給を止めることで発電機を迅速に停止させることができる発電装置を提供することを目的とする。

本発明は、外力により回転する主軸と、前記主軸から入力された回転を増速して出力軸から出力する増速機と、前記出力軸の回転を入力として回転する駆動軸、及びこの駆動軸と一体回転するロータを有し、このロータの回転に伴って発電する発電機と、を備えた発電装置であって、前記出力軸と前記駆動軸との間に設けられ、前記出力軸の回転速度が前記駆動軸の回転速度を上回る第１の状態で、前記出力軸と前記駆動軸とを一体回転可能に接続し、前記出力軸の回転速度が前記駆動軸の回転速度を下回る第２の状態で、前記出力軸と前記入力軸との接続を遮断する一方向クラッチと、前記出力軸と前記駆動軸との間に設けられ、少なくとも前記第２の状態で、前記出力軸と前記駆動軸とを一体回転可能に連結可能な連結手段と、所定の条件に応じて前記出力軸と前記駆動軸とを連結させるように前記連結手段を動作制御する制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明の発電装置は、増速機の出力軸と発電機の駆動軸との間に一方向クラッチを設けており、出力軸の回転が駆動軸の回転速度を上回る状態（第１の状態）では、出力軸の回転を駆動軸に好適に伝達し、発電機を作動させることができる。逆に、出力軸の回転が駆動軸の回転速度を下回る状態（第２の状態）では、出力軸の回転を駆動軸に伝達しないようにすることで駆動軸が減速されるのを防止し、発電機のロータを慣性で回転させることができる。そのため、発電機の平均回転速度の低下及び発電効率の低下を抑制することができる。

一方、発電機を停止させるために、外力（例えば、風車からの回転動力）の供給を止めると、増速機の出力軸は急減速して停止するため、上述の第２の状態となって一方向クラッチは出力軸と駆動軸との接続を遮断する。よって、そのままでは駆動軸はロータの慣性によって回り続け、発電機を迅速に止めることができない。しかしながら、本発明の発電装置には、一方向クラッチに加えて、少なくとも第２の状態において出力軸と駆動軸とを一体回転可能に連結可能な連結手段が設けられており、この連結手段は制御部によって所定の条件に応じて出力軸と駆動軸とを連結させるように制御される。そのため、発電機を停止させたい場合等には、連結手段によって出力軸と駆動軸とを連結することで増速機をブレーキとして作用させ、駆動軸を急減速させて発電機を迅速に停止させることが可能となる。

前記増速機は、前記主軸の回転を増速する回転伝達機構、この回転伝達機構により増速された回転を出力する前記出力軸、及び、この出力軸を回転自在に支持するころ軸受を有しており、前記出力軸には、入力回転体が一体回転可能に設けられ、前記駆動軸には、前記入力回転体の径方向内側又は径方向外側に同心上に配置された出力回転体が一体回転可能に設けられ、前記一方向クラッチが、前記入力回転体と前記出力回転体との間に配置されていることが好ましい。

前述の従来技術（図６、特許文献１）においては、ころ軸受にスメアリングが生じることにより寿命が低下するという問題があったため、本願発明者は、スメアリングの発生メカニズムについて鋭意研究を重ねた。その結果、風力の低下により主軸の回転速度が急激に低下すると、重量の重い発電機のロータの慣性により、出力軸の回転速度よりも発電機の駆動軸の回転速度が上回ることによっていわゆるトルク抜け（荷重抜け）が発生し、このトルク抜けによって出力軸を支持するころ軸受に作用するラジアル荷重が減少し、ころ軸受のころと回転輪との転がり摩擦抵抗よりも、ころとそれを保持する保持器との摺動摩擦抵抗等が上回ることにより、ころの自転が遅れることを見出した。そして、この状態から風力の増加により主軸の回転速度が急激に増加したときに、増速の慣性トルクが加わり出力軸を支持するころ軸受に作用するラジアル荷重が増加するため、その瞬間にころに高荷重がかかった状態でころが回転輪との接触面で滑り、その接触面が昇温することにより、スメアリングが発生するという知見を得た。

本発明では、一方向クラッチにより、入力回転体の回転速度が前記出力回転体の回転速度を上回るときは、入力回転体と出力回転体とを一体回転可能に接続し、入力回転体の回転速度が出力回転体の回転速度を下回ると、入力回転体と出力回転体との接続を遮断することができる。つまり、外力の低下により主軸を介して出力軸の回転速度が急激に低下しても、発電機のロータの慣性による回転が駆動軸を介して出力軸に伝達されるのを防止することができる。これにより、出力軸を支持しているころ軸受に作用するラジアル荷重の減少及びこれに伴うころの自転遅れを抑制することができる。したがって、この状態から外力変化により主軸の回転速度が急激に増加してころに高荷重がかかったときに、ころが回転輪との接触面で滑りにくくなるため、ころ軸受にスメアリングが発生するのを効果的に抑制することができる。

前記所定の条件は、前記発電機の停止条件であることが好ましい。
発電機の停止条件を満たしたときに、出力軸と駆動軸とを連結させるようにすれば、発電機の迅速に停止させることが可能となる。

また、本発明の発電装置は、当該発電装置の状態を検出するための検出手段をさらに備え、前記制御部は、前記検出手段による検出結果に基づいて前記連結手段を制御することが好ましい。
発電機に故障や事故などの不具合が生じると、発電装置の各種状態に変化が生じる。そのため、発電装置の状態を検出手段によって検出することで、発電機の不具合を早期に発見することができ、発電機を迅速にかつ自動的に停止させることが可能となる。

前記検出手段は、前記発電機の温度を検出する温度センサを含んでいてもよい。
発電機の温度が異常に上昇した場合、発電機に焼き付き等の不具合が生じている可能性が考えられる。そのため、検出手段として温度センサを備えることにより、このような不具合を早期に発見して発電機を迅速に停止させることが可能となる。

前記検出手段は、前記発電機の振動を検出する振動センサを含んでいてもよい。
発電機の振動が異常に大きくなった場合、内部の軸や軸受に破損等の不具合が生じている可能性が考えられる。そのため、検出手段として振動センサを備えることにより、このような不具合を早期に発見して発電機を迅速に停止させることが可能となる。

前記検出手段は、前記出力軸、前記駆動軸、又は前記主軸の回転速度を検出する速度センサと、前記発電機の発電量を検出する発電量測定器と、を含んでいてもよい。
出力軸、駆動軸、又は主軸の回転速度と、発電機の発電量との間には相関があるため、例えば、各軸の回転速度が大きいにも関わらず発電量が小さい場合には、発電機に何らかの不具合が生じている可能性が考えられる。そのため、検出手段として速度センサと発電量測定器とを備えていると、このような不具合を早期に発見して発電機を迅速に停止させることが可能となる。

本発明の発電装置は、人為的な前記発電機の停止指示の入力を受け付ける受付手段を備えており、前記制御部は、前記受付手段が前記停止指示を受け付けたか否かに基づいて前記連結手段を制御するものであってもよい。
このような構成によって、例えば、メンテナンス等のために発電機を人為的に停止させたい場合には、受付手段に対して停止指示を入力することで迅速に発電装置を停止させることができる。

上記構成において、前記出力軸及び前記駆動軸と同心上に、前記一方向クラッチ及び前記連結手段が配置されていることが好ましい。
このような構成によって、一方向クラッチと連結手段とをコンパクトに配置することができる。

また、前記連結手段は電磁クラッチであることが好ましい。
このような構成によって、出力軸と駆動軸との接続・遮断を迅速かつ正確に行うことができる。

本発明の発電装置によれば、減速機の出力軸と発電機の駆動軸との間の一方向クラッチを備えている場合でも、外力の供給を止めることで発電機を迅速に停止させることができる。

本発明の一実施形態に係る風力発電装置を示す概略側面図である。 上記風力発電装置における増速機のころ軸受を示す断面図である。 上記風力発電装置における増速機の出力軸と発電機の駆動軸との連結部分であって、特に、一方向クラッチ及び転がり軸受の構造を詳細に示す断面図である。 上記風力発電装置における一方向クラッチを示す断面図である。 上記風力発電装置における増速機の出力軸と発電機の駆動軸との連結部分であって、特に、一方向クラッチ、電磁クラッチ、及び転がり軸受の構造を概略的に示す断面図である。 従来の増速機を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しながら詳述する。
図１は、本発明の一実施形態に係る風力発電装置を示す概略側面図である。この風力発電装置（発電装置）１は、風力（外力）を受けて回転する主軸２と、この主軸２に連結された増速機３と、この増速機３に連結された発電機４とを備えており、主軸２の回転を増速機３で増速した状態で、発電機４が駆動される。

主軸２の先端部には、例えばブレード（図示省略）を有する風車１３が一体回転可能に連結されており、この風車１３はブレードによって風力を受けることにより主軸２とともに回転するようになっている。
発電機４は、増速機３により増速された回転が入力されて回転する駆動軸４１と、発電機４のケーシング４ａに内蔵されたロータ４２と、図示しないステータ等とを有する。ロータ４２は駆動軸４１に一体回転可能に連結されており、駆動軸４１ともにロータ４２が回転することによって発電するようになっている。

増速機３は、主軸２の回転を入力してその回転を増速する歯車機構（回転伝達機構）３０を備えている。この歯車機構３０は、遊星歯車機構３１と、この遊星歯車機構３１により増速された回転を入力して、さらにその回転を増速する高速段歯車機構３２とを備えている。
遊星歯車機構３１は、内歯車（リングギヤ）３１ａと、主軸２に一体回転可能に連結された遊星キャリア（図示省略）に保持された複数の遊星歯車３１ｂと、遊星歯車３１ｂに噛み合う太陽歯車３１ｃとを有している。これにより、前記主軸２とともに遊星キャリアが回転すると、遊星歯車３１ｂを介して太陽歯車３１ｃが回転し、その回転が高速段歯車機構３２の低速軸３３に伝達される。

高速段歯車機構３２は、低速ギヤ３３ａを有する前記低速軸３３と、第１中間ギヤ３４ａ及び第２中間ギヤ３４ｂを有する中間軸３４と、高速ギヤ３５ａを有する出力軸３５とを備えている。
低速軸３３は、その直径が例えば約１ｍの大型の回転軸からなり、主軸２と同心上に配置されている。低速軸３３の軸方向両端部はころ軸受３６ａ，３６ｂにより回転自在に支持されている。
中間軸３４は、低速軸３３の上方に配置されており、その軸方向両端部はころ軸受３７ａ，３７ｂにより回転自在に支持されている。中間軸３４の第１中間ギヤ３４ａは低速ギヤ３３ａと噛み合い、第２中間ギヤ３４ｂは高速ギヤ３５ａと噛み合っている。
出力軸３５は、中間軸３４の上方に配置されており、回転トルクを出力するようになっている。出力軸３５の軸方向の一端部３５ｂ及び他端部（出力端部）３５ｃ側は、それぞれころ軸受３８，３９により回転自在に支持されている。

以上の構成により、主軸２の回転は、遊星歯車機構３１のギヤ比、低速ギヤ３３ａと第１中間ギヤ３４ａとのギヤ比、及び第２中間ギヤ３４ｂと高速ギヤ３５ａとのギヤ比により３段階に増速されて、出力軸３５の出力端部３５ｃから回転トルクが出力される。すなわち、風力による主軸２の回転は、増速機３により３段階に増速されて、発電機４を駆動するようになっている。

図２は、出力軸３５の一端部３５ｂを支持するころ軸受３８を示す断面図である。図２において、ころ軸受３８は、円筒ころ軸受からなり、出力軸３５に外嵌固定された内輪３８ａと、ハウジング（図示省略）に固定された外輪３８ｂと、内輪３８ａと外輪３８ｂとの間に転動可能に配置された複数の円筒ころ３８ｃと、各円筒ころ３８ｃを円周方向に沿って所定間隔毎に保持する環状の保持器３８ｄとを備えている。内輪３８ａ、外輪３８ｂ、円筒ころ３８ｃは例えば軸受鋼によって形成されており、保持器３８ｄは例えば銅合金によって形成されている。

内輪３８ａは、その外周の軸方向中央部に形成された内輪軌道面３８ａ１を有している。外輪３８ｂは、内輪３８ａと同心上に配置されており、その内周の軸方向中央部に形成された外輪軌道面３８ｂ１と、この外輪軌道面３８ｂ１の軸方向両側に形成された一対の外輪鍔部３８ｂ２とを有している。外輪軌道面３８ｂ１は、内輪軌道面３８ａ１に対向して配置されている。外輪鍔部３８ｂ２は、外輪３８ｂの内周の軸方向両端部から径方向内側に向かって突出して形成されており、この外輪鍔部３８ｂ２に円筒ころ３８ｃの端面が摺接するようになっている。

円筒ころ３８ｃは、内輪３８ａの内輪軌道面３８ａ１と外輪３８ｂの外輪軌道面３８ｂ１との間に転動可能に配置されている。
保持器３８ｄは、軸方向に離反して配置された一対の円環部３８ｄ１と、この円環部３８ｄ１の周方向に沿って等間隔おきに配置されて両円環部３８ｄ１同士を連結する複数の柱部３８ｄ２とを有している。一対の円環部３８ｄ１と隣接する柱部３８ｄ２との間には、それぞれポケット３８ｄ３が形成されており、このポケット３８ｄ３内に各円筒ころ３８ｃが配置されている。

図１において、風力発電装置１は、増速機３の出力軸３５に一体回転可能に設けられた入力回転体５と、発電機４の駆動軸４１に一体回転可能に設けられた出力回転体６と、入力回転体５と出力回転体６との間に配置された一方向クラッチ７及び電磁クラッチ（連結手段）９と、一方向クラッチ７の軸方向両側に配置された一対の転がり軸受８とをさらに備えている。

前記一方向クラッチ７及び電磁クラッチ９は、出力軸３５の回転を入力回転体５及び出力回転体６を介して駆動軸４１に伝達するようになっている。電磁クラッチ９は、ハウジング１１によって支持されている。また、電磁クラッチ９は、通常の発電機４の運転時には入力回転体５と出力回転体６とを接続せず、主として発電機４を停止させる場合に作動させることが可能となっている。この電磁クラッチ９の詳細については後述する。転がり軸受８は、一方向クラッチ７の軸方向両側に配置されているが、一方向クラッチ７の軸方向一方側のみに配置されていてもよい。

図３は、増速機３の出力軸３５と発電機４の駆動軸４１との連結部分であって、特に一方向クラッチ７及び転がり軸受８の構造を詳細に示す断面図である。したがって、この図においては電磁クラッチ９が省略されている。また、図５は、出力軸３５と駆動軸４１との連結部分であって、特に一方向クラッチ７、転がり軸受８、及び電磁クラッチ９の構造を概略的に示す断面図である。図３及び図５において、入力回転体５は、出力軸３５と同心上に配置されている。また、入力回転体５には、その軸方向一端部（図５の左端部）から軸方向他端部（図５の右端部）に向けて、フランジ部５１、大径部５２、スプライン部５４、及び小径部５３をこの順に有している。

フランジ部５１は、大径部５２の外周面よりも径方向外側に延びて形成されており、出力軸３５の出力端部３５ｃに着脱可能に固定されている。具体的には、フランジ部５１は、前記出力端部３５ｃに形成されたフランジ部３５ｃ１に当接した状態で、図示しないボルト・ナットにより当該フランジ部３５ｃ１に締結固定されている。図３に示されるように、小径部５３の端面と駆動軸４１のフランジ部４１ａの端面との間には、隙間Ｓ１が形成されている。

出力回転体６は、入力回転体５の径方向外側に同心上に配置されており、円筒部６１と、この円筒部６１の軸方向他端部（図３の右端部）に形成されたフランジ部６２とを有している。
フランジ部６２は、円筒部６１の外周面よりも径方向外側に延びて形成されており、駆動軸４１の一端部に着脱可能に固定されている。具体的には、フランジ部６２は、駆動軸４１の前記一端部に形成されたフランジ部４１ａに当接した状態で、図示しないボルト・ナットにより当該フランジ部４１ａに締結固定されている。

円筒部６１の内周面は円筒面とされており、円筒部６１の軸方向一端部（図３の左端部）の内周面と、入力回転体５の外周面との隙間には、円筒部６１と入力回転体５との間の環状空間を密封するための環状のシール部材１０が設けられている。出力回転体６は、駆動軸４１から出力回転体６を切り離した状態で、入力回転体５に対して軸方向に移動可能となる。

図４は、一方向クラッチ７を示す断面図である。図３及び図４において、一方向クラッチ７は、内輪７１及び外輪７２と、この内輪７１の外周面７１ａと外輪７２の内周面７２ａとの間に配置された複数のころ７３とを備えている。
内輪７１は、入力回転体５の小径部５３の軸方向中央部に外嵌して固定されており、小径部５３と一体回転するようになっている。出力回転体６における円筒部６１の軸方向中央部の領域Ｂは、一方向クラッチ７の外輪７２とされている。したがって、円筒部６１の領域Ｂの内周面に、前記内周面７２ａが形成されている。ころ７３は、円柱形状であり、本実施形態では周方向に８つ配置されている。

一方向クラッチ７は、各ころ７３を円周方向に沿って所定間隔毎に保持する環状の保持器７４と、各ころ７３を一方向に弾性的に付勢する複数の弾性部材７５とをさらに備えている。
保持器７４は、軸方向に対向する一対の円環部７４ａと、両円環部７４ａの間で軸方向に延びかつ周方向等間隔に配列されて当該両円環部７４ａを連結する複数の柱部７４ｂとを有している。両円環部７４ａと隣接する柱部７４ｂとの間には複数のポケット７４ｃが形成されており、各ポケット７４ｃに各ころ７３が個別に収容されている。
弾性部材７５は、圧縮コイルバネからなり、保持器７４の各ポケット７４ｃに個別に収容されて柱部７４ｂに取り付けられている。

図４において、内輪７１の外周面７１ａにはころ７３と同数（８つ）の平坦なカム面７１ａ１が形成されており、外輪７２の内周面７２ａは円筒面とされている。内輪７１のカム面７１ａ１と外輪７２の円筒面との間には、くさび状空間Ｓが周方向に複数（８つ）形成されている。そして、ころ７３は各くさび状空間Ｓに個別に配置されており、弾性部材７５がころ７３をくさび状空間Ｓが狭くなる方向に付勢している。ころ７３の外周面は、内輪７１のカム面７１ａ１及び外輪７２の円筒面に接触する接触面７３ａとなっており、この接触面７３ａは幅方向（軸方向）に真っ直ぐ（ころ中心と平行）に形成されている。なお、一方向クラッチ７は、内外輪７１，７２間に、基油にエステル、増ちょう剤にウレア系のもの等を用いた温度変化に影響をうけにくい潤滑剤であるグリースが設けられた環境にある。

このように構成された一方向クラッチ７では、入力回転体５が増速回転することにより、入力回転体５の回転速度が、出力回転体６の回転速度を上回る場合には、内輪７１が外輪７２に対して一方向（図４の反時計回り方向）に相対回転しようとする。この場合、弾性部材７５の付勢力により、ころ７３はくさび状空間Ｓが狭くなる方向へ僅かに移動して、ころ７３の接触面７３ａが内輪７１の外周面７１ａ及び外輪７２の内周面７２ａに圧接し、一方向クラッチ７はころ７３が内外輪７１，７２の間に噛み合った状態となる。これにより、内外輪７１，７２は前記一方向に一体回転可能となり、入力回転体５と出力回転体６とを一体回転可能に接続することができる。

また、入力回転体５が増速回転後に一定速回転となり、入力回転体５の回転速度が、出力回転体６の回転速度と同一になった場合には、ころ７３が内外輪７１，７２の間に噛み合った状態で保持される。このため、一方向クラッチ７は、内外輪７１，７２の前記一方向への一体回転を維持し、入力回転体５及び出力回転体６は一体回転し続ける。

一方、入力回転体５が減速回転することにより、入力回転体５の回転速度が、出力回転体６の回転速度を下回る場合には、内輪７１が外輪７２に対して他方向（図４の時計回り方向）に相対回転しようとする。この場合には、弾性部材７５の付勢力に抗して、ころ７３がくさび状空間Ｓが広くなる方向へ僅かに移動することにより、ころ７３と内外輪７１，７２との噛み合いが解除される。このように、ころ７３の噛み合いが解除されることで、入力回転体５と出力回転体６との接続が遮断される。

図３において、一対の転がり軸受８は、入力回転体５の小径部５３と出力回転体６の円筒部６１との間にそれぞれ配置されており、入力回転体５及び出力回転体６を互いに相対回転可能に支持している。また、各転がり軸受８は、その軸方向端部に一方向クラッチ７の保持器７４の軸方向両端面にそれぞれ当接可能に、前記一方向クラッチ７の軸方向両側にそれぞれ隣接して配置されている。

転がり軸受８は、内輪８１及び外輪８２と、内輪８１と外輪８２との間に転動可能に配置された複数の円筒ころ８３とを備えた円筒ころ軸受からなる。
内輪８１は、外周に形成された内輪軌道面８１ａと、この内輪軌道面８１ａの軸方向両側において径方向外側に向かって突出して形成された内輪鍔部８１ｂとを有している。各内輪鍔部８１ｂの内側面には、円筒ころ８３の両端面がそれぞれ摺接するようになっている。また、一方向クラッチ７に隣接する内輪鍔部８１ｂの外側面８１ｂ１は、一方向クラッチ７の保持器７４の軸方向端面である円環部７４ａの外側面が当接する当接面とされている。

出力回転体６における円筒部６１の軸方向両端部の領域Ａ及び領域Ｃは、転がり軸受８の外輪８２とされており、この領域Ａ，Ｃの各内周面に外輪８２の外輪軌道面８２ａが形成されている。この外輪軌道面８２ａと内輪軌道面８１ａとの間には、円筒ころ８３が転動可能に配置されている。

以上の風力発電装置１は、増速機３の出力軸３５とともに一体回転する入力回転体５と、発電機４の駆動軸４１とともに一体回転する出力回転体６との間に配置した一方向クラッチ７により、入力回転体５の回転速度が出力回転体６の回転速度を下回ると、入力回転体５と出力回転体６との接続を遮断することができる。つまり、風力の低下により主軸２を介して出力軸３５の回転速度が急激に低下しても、発電機４のロータ４２の慣性による回転が駆動軸４１を介して出力軸３５に伝達されるのを防止することができる。これにより、出力軸３５を支持しているころ軸受３８に作用するラジアル荷重の減少及びこれに伴う円筒ころ３８ｃの自転遅れを抑制することができる。したがって、この状態から風力変化により主軸２の回転速度が急激に増加して円筒ころ３８ｃに高荷重がかかったときに、円筒ころ３８ｃが内輪３８ａとの接触面で滑りにくくなるため、ころ軸受３８にスメアリングが発生するのを効果的に抑制することができる。

また、ロータ４２の慣性による回転が出力軸３５に伝達されるのを防止することにより、増速機３のころ軸受３６ａ，３６ｂ，３７ａ，３７ｂ，３８，３９等に作用する負荷を低減することができる。これにより、遊星歯車機構３１の各歯車３１ｂ，３１ｃや、高速段歯車機構３２の各軸３３〜３５及びころ軸受３６ａ，３６ｂ，３７ａ，３７ｂ，３８，３９をいずれも小型化することができるため、増速機３を軽量化することができ、かつ低コストで製造することができる。
さらに、入力回転体５と出力回転体６との接続を遮断することにより、発電機４のロータ４２は、急激に減速することなく慣性によって回転し続けるため、ロータ４２の平均回転速度を上げることができる。これにより、発電機４の発電効率を向上させることができる。

また、入力回転体５と出力回転体６との間には、これらを互いに相対回転可能に支持する転がり軸受８が配置されているため、一方向クラッチ７においてころ７３と内外輪７１，７２との噛み合いが解除されることにより、くさび状空間Ｓでころ７３と内外輪７１，７２との間に隙間が発生したときに、転がり軸受８によって入力回転体５及び出力回転体６が互いに径方向に相対移動するのを防止することができる。したがって、風力発電装置１の運転中に、入力回転体５及び出力回転体６が径方向にがたつくのを防止することができる。

また、一対の転がり軸受８を、その軸方向端部に一方向クラッチ７の保持器７４の軸方向両端面が当接可能に、一方向クラッチ７の軸方向両側にそれぞれ隣接して配置したので、各転がり軸受８の軸方向端部に前記保持器７４の軸方向両端面を当接させることにより、前記保持器７４が軸方向両側に移動するのを規制することができる。
また、転がり軸受８の内輪鍔部８１ｂに、一方向クラッチ７の保持器７４の軸方向両端面（円環部７４ａの外側面）を当接させるため、転がり軸受８の内輪鍔部８１ｂを、前記保持器７４の軸方向移動を規制する部材として兼用することができる。これにより、転がり軸受８の構造を簡略化することができる。

また、出力回転体６の内周面に、一方向クラッチ７の外輪内周面７２ａ及び転がり軸受８の外輪軌道面８２ａを形成したので、出力回転体６を、一方向クラッチ７の外輪７２、及び各転がり軸受８の外輪８２として兼用することができる。これにより、風力発電装置１全体の構造を簡略化することができる。
また、外輪内周面７２ａ及び外輪軌道面８２ａを含む出力回転体６の内周面は、一定の内径に形成され、出力回転体６は、発電機４の駆動軸４１に着脱可能に固定されるとともに、入力回転体５に対して軸方向に移動可能に配置されている。そのため、出力回転体６を駆動軸４１から取り外して入力回転体５に対して軸方向へ相対移動させれば、入力回転体５から出力回転体６を取り外すことができる。これにより、一方向クラッチ７の外輪７２及び転がり軸受８の外輪８２を同時に取り外すことができるため、一方向クラッチ７及び転がり軸受８のメンテナンス作業を容易に行うことができる。この際、発電機４を移動させる必要がないため、前記メンテナンス作業をさらに容易に行うことができる。

次に、電磁クラッチ９の構成とその制御について詳細に説明する。
図５に示されるように、電磁クラッチ９は、出力軸３５に接続された入力回転体５と、駆動軸４１に連結された出力回転体６とを断接可能に接続（連結）する連結手段を構成している。この電磁クラッチ９は、所謂摩擦式のクラッチとなっており、互いに摩擦結合する第１クラッチ部材９１及び第２クラッチ部材９２と、クラッチコイル９３とを有している。第１クラッチ部材９１は、鋼材により円盤状に形成された第１ディスク部９１ａと、この第１ディスク部９１ａの径方向内側に設けられた第１筒部９１ｂとを有しており、この第１筒部９１ｂが入力回転体５のスプライン部５４にスプライン嵌合されることによって、第１クラッチ部材９１が入力回転体５に一体回転可能で軸方向移動可能に取り付けられている。

第２クラッチ部材９２は、円盤状に形成された第２ディスク部９２ａと、この第２ディスク部９２ａの径方向内側に設けられた第２筒部９２ｂとを有しており、この第２筒部９２ｂが、出力回転体６の外周面に一体回転可能に嵌合されている。
クラッチコイル９３は、コイルホルダ９４に収容されて第２ディスク部９２ａの背面側、つまり第１クラッチ部材９１とは反対側に配置されており、制御部１２（図１参照）から電力が供給されることにより磁力を生じるようになっている。コイルホルダ９４は、その外周側がハウジング１１によって支持され、内周側に軸受９５を介して第２クラッチ部材９２が回転自在に連結されている。そして、クラッチコイル９３に磁力が生じると、第１クラッチ部材９１が第２クラッチ部材９２に近づく方向に移動して、それぞれのディスク部９１ａ，９２ａが互いに圧接し、摩擦結合される。これにより、入力回転体５と出力回転体６とが連結され、出力軸３５の回転を駆動軸４１に伝達可能となる。

電磁クラッチ９は、所定の条件が満たされたときに出力軸３５と駆動軸４１とを連結するように制御部１２によって制御される。具体的に、本実施形態では、所定の条件が発電機４の停止条件とされている。そして、発電機４の停止条件が満たされたか否かは、風力発電装置１の各種の状態を検出する検出手段の検出結果に基づいて制御部１２によって判断される。

図１に示されるように、発電機４のケーシング４ａ内には、検出手段の一つである温度センサ２１が設けられている。この温度センサ２１は、ケーシング４ａ内の温度を常時検出しており、その検出信号は制御部１２に入力されるようになっている。
また、発電機４のケーシング４ａ又はその近傍には、検出手段の一つである振動センサ２２が設けられている。この振動センサ２２は、ケーシング４ａの振動を常時検出しており、その検出信号は制御部１２に入力されるようになっている。

発電機４には、発電量を計測する発電量測定器２４が接続されている。一方、出力軸３５には、当該出力軸３５の回転速度を検出する速度センサ２３が設けられている。この発電量測定器２４と速度センサ２３も検出手段の一つであり、発電量測定器２４によって測定された発電量、及び速度センサ２３の検出値は、それぞれ制御部１２に入力されるようになっている。

また、本実施形態の風力発電装置１には、上記の検出手段とは別に、発電機４の停止指示の入力を受け付ける受付手段２５が設けられている。本実施形態の受付手段２５は、発電機４を停止させるための停止スイッチとされ、この停止スイッチ２５を操作すると、その信号が制御部１２に入力される。

制御部１２は、各種センサ２１〜２３及び測定器２４（以下、「センサ等」という）や、停止スイッチ２５からの信号に基づいて電磁クラッチ９の動作を制御するようになっている。具体的に、制御部１２は、センサ等の検出信号に基づいて発電機４に不具合が生じていると判断した場合に、出力軸３５と駆動軸４１とを連結するように電磁クラッチ９を制御する。また、制御部１２は、発電機４を停止させるために、風車１３の回転を止めて主軸２への外力の供給を停止させる制御をも行う。例えば、制御部１２は、風車１３のブレードのピッチ角を制御し、フェザー状態にすることによって風車１３の回転を停止させることができる。

発電機４のケーシング４ａ内が異常に昇温した場合、ケーシング４ａ内において焼き付き等の不具合が生じていると考えることができる。そのため、制御部１２は、温度センサ２１からの検出信号が所定の閾値（例えば、焼き付き等の可能性がある温度）を超えているか否かを判断し、風車１３を停止させる制御を行うとともに、出力軸３５と駆動軸４１とを連結させるように電磁クラッチ９を制御する。風車１３を停止させると主軸２への外力の供給も停止され、増速機３の出力軸３５は、急減速したのちに停止する。そのため、出力軸３５の回転速度は発電機４の駆動軸４１の回転速度を下回り、一方向クラッチ７による出力軸３５と駆動軸４１との接続が遮断される。このとき、電磁クラッチ９が作動していなければ、出力軸３５が停止したとしても駆動軸４１は停止することなくロータ４２の慣性力によって回転を続け、発電機４を迅速に停止させることができない。しかし、本実施形態では、電磁クラッチ９を作動させることによって出力軸３５と駆動軸４１とを連結させているので、出力軸３５とともに駆動軸４１も急減速させて停止させることができる。このとき、増速機３は発電機４のブレーキとして作用することになるので、発電機４を迅速に停止させることができる。

同様に、発電機４の振動が異常に高まった場合には、発電機４内の軸や軸受に破損等の不具合が生じていると考えることができる。そのため、制御部１２は、振動センサ２２からの検出信号が所定の閾値を超えているか否かを判断し、超えている場合には、風車１３を停止させる制御を行うとともに、出力軸３５と駆動軸４１とを連結させるように電磁クラッチ９を制御する。

また、出力軸３５の回転速度に対して発電機４の発電量が少ない場合にも、発電機４に何らかの不具合が生じていると考えることができる。そのため、制御部１２は、速度センサ２３からの検出信号から適正な発電量を推定し、その推定された発電量と発電量測定器２４から出力信号とを比較する。そして、制御部１２は、両者の差が所定の閾値を超えているか否かを判断し、超えている場合には、風車１３を停止させる制御を行うとともに、出力軸３５と駆動軸４１とを連結させるように電磁クラッチ９を制御する。

以上のような制御を行うことによって、発電機４の停止条件が満たされたときに自動的にかつ迅速に発電機４を停止させることが可能となる。そのため、不具合が生じたまま発電機４が継続して作動しまうのを防止することができる。
また、本実施形態においては、停止スイッチ２５を操作することによっても発電機４を迅速に停止させることができる。したがって、発電機４のメンテナンス等を行う場合には、停止スイッチ２５を操作することによって迅速に発電機４を停止させて作業を行うことができる。

本発明は、上記の実施形態に限定されることなく適宜変更して実施可能である。
例えば、増速機の出力軸と発電機の駆動軸とを連結する連結手段は、電磁クラッチ以外の手段を用いることができる。但し、連結手段として電磁クラッチを用いることで出力軸と駆動軸との連結やその解除を迅速かつ正確に切り替えることができる。また、連結手段は、少なくとも出力軸の回転速度が駆動軸の回転速度を下回る第２の状態で出力軸と駆動軸とを一体回転可能に連結することができるものであればよい。

出力軸の回転速度を検出する速度センサに代えて、駆動軸や主軸の回転速度を検出する速度センサを備えていてもよい。また、検出手段としては、上記に例示したセンサ等の少なくとも一部を備えていればよく、他の検出手段を備えていてもよい。

本実施形態においては、入力回転体及び出力回転体が、それぞれ出力軸及び駆動軸に対して別部材として設けられているが、それぞれ出力軸及び駆動軸と一体に形成されていてもよい。
また、出力回転体は、入力回転体の径方向外側に配置されているが、入力回転体の径方向内側に配置されていてもよい。この場合、一方向クラッチは外輪内周面をカム面とし、内輪外周面を円筒面とすればよい。さらにこの場合には、出力回転体の外周面に内輪外周面を形成し、出力回転体を内輪として兼用してもよい。
つまり、本発明の発電装置では、上記実施形態のように入力回転体を内側（内輪側）とし、出力回転体を外側（外輪側）とするケースと、入力回転体を外側（外輪側）とし、出力回転体を内側（内輪側）とするケースとの、いずれの構成をも採用することができる。

さらに、出力回転体を、一方向クラッチの外輪及び転がり軸受の外輪としているが、これらの外輪を出力回転体に対して別部材として設けてもよい。
また、入力回転体と出力回転体との間に配置される転がり軸受は、出力回転体を軸方向へ移動させるために円筒ころ軸受としているが、出力回転体を軸方向へ移動させない場合には玉軸受としてもよい。

また、一方向クラッチの保持器は、転がり軸受の内輪に当接させているが、転がり軸受の外輪を出力回転体に対して別部材として設け、この外輪に一方向クラッチの保持器を当接させてもよい。
また、本実施形態の発電装置は、外力として風力を用いる場合について例示したが、水力や火力等の他の外力を用いて発電する発電装置にも適用することができる。

検出手段は、例えば、一方向クラッチや転がり軸受を収容した出力回転体又は入力回転体の径方向外側のハウジングなど、一方向クラッチや転がり軸受の近傍に設けられたセンサ（例えば、温度センサや振動センサ等の状態監視センサ）であってもよい。そして、この状態監視センサの検出値を制御部に入力し、当該検出値を所定の閾値と比較することによって故障等の原因となる異常があるか否かを判定し、異常がある場合には発電機を停止する制御を実行すればよい。また、検出手段は、増速機内部の軸受や歯車、風車のブレード、主軸を支持する軸受等に設けられた状態監視センサであってもよい。

１：風力発電装置（発電装置）、２：主軸、３：増速機、４：発電機、５：入力回転体、６：出力回転体、７：一方向クラッチ、９：電磁クラッチ（連結手段）、１２：制御部、２１：温度センサ、２２：振動センサ、２３：速度センサ、２４：発電量測定器、２５：停止スイッチ（受付手段）、３５：出力軸、３８：ころ軸受、４１：駆動軸、４２：ロータ

Claims (10)

1. 外力により回転する主軸と、前記主軸から入力された回転を増速して出力軸から出力する増速機と、前記出力軸の回転を入力として回転する駆動軸、及びこの駆動軸と一体回転するロータを有し、このロータの回転に伴って発電する発電機と、を備えた発電装置であって、
   前記出力軸と前記駆動軸との間に設けられ、前記出力軸の回転速度が前記駆動軸の回転速度を上回る第１の状態で、前記出力軸と前記駆動軸とを一体回転可能に接続し、前記出力軸の回転速度が前記駆動軸の回転速度を下回る第２の状態で、前記出力軸と前記入力軸との接続を遮断する一方向クラッチと、
   前記出力軸と前記駆動軸との間に設けられ、少なくとも前記第２の状態で、前記出力軸と前記駆動軸とを一体回転可能に連結可能な連結手段と、
   所定の条件に応じて前記出力軸と前記駆動軸とを連結するように前記連結手段を動作制御する制御部と、を備えることを特徴とする発電装置。
2. 前記増速機は、前記主軸の回転を増速する回転伝達機構、この回転伝達機構により増速された回転を出力する出力軸、及び、この出力軸を回転自在に支持するころ軸受を有しており、
   前記出力軸には、入力回転体が一体回転可能に設けられ、
   前記駆動軸には、前記入力回転体の径方向内側又は径方向外側に同心上に配置された出力回転体が一体回転可能に設けられ、
   前記一方向クラッチが、前記入力回転体と前記出力回転体との間に配置されている、請求項１に記載の発電装置。
3. 前記所定の条件が、前記発電機の停止条件である、請求項１又は２に記載の発電装置。
4. 前記停止条件が満たされたか否かの判断に用いられる、当該発電装置の状態を検出するための検出手段をさらに備え、
   前記制御部は、前記検出手段による検出結果に基づいて前記連結手段を制御する、請求項３に記載の発電装置。
5. 前記検出手段は、前記発電機の温度を検出する温度センサを含む、請求項４に記載の発電装置。
6. 前記検出手段は、前記発電機の振動を検出する振動センサを含む、請求項４又は５に記載の発電装置。
7. 前記検出手段は、前記出力軸、前記駆動軸、又は前記主軸の回転数を検出する回転数検出センサと、前記発電機の発電量を検出する発電量測定器と、を含む、請求項４〜６のいずれか１項に記載の発電装置。
8. 人為的な前記発電機の停止指示を受け付ける受付手段を備えており、
   前記制御部は、前記受付手段が前記停止指示を受け付けたか否かに基づいて前記連結手段を制御する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の発電装置。
9. 前記出力軸及び前記駆動軸と同心上に、前記一方向クラッチ及び前記連結手段が配置されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の発電装置。
10. 前記連結手段が、電磁クラッチである、請求項１〜９のいずれか１項に記載の発電装置。

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