JP2015031221A - 風力発電装置及びこれに用いる回転伝達装置 - Google Patents

Abstract

【課題】風車と発電機のロータとを直結するタイプの風力発電装置において、共振によるロータの回転変動や振動を抑制する。
【解決手段】風力を受けて回転する風車２と、ロータ２１を有する発電機１６と、風車２の回転を、増速することなくロータ２１に伝達する回転伝達装置３０とを備え、回転伝達装置３０は、風車２の回転速度がロータ２１の回転速度を上回る状態で両者を一体回転可能に接続し、風車２の回転速度がロータ２１の回転速度を下回る状態で接続を解除する一方向クラッチ４１を有している。
【選択図】図２

Description

本発明は、風力発電装置及びこれに用いる回転伝達装置に関する。

一般に、風力エネルギーを利用して発電する風力発電装置は、強い風力を得ることができる陸上の平野部や山岳部、あるいは洋上に設置されるが、近年は、陸上における適地の減少に伴い、洋上への設置が増加している。しかしながら、洋上は、陸上に比べて設置コストが高く、設置後のメンテナンスも困難となる。そのため、小型の風力発電装置を数多く設置するよりも、大型の風力発電装置を少数設置することが効率的であり、そのために、洋上用の風力発電装置の大型化が進んでいる。

特開２０１３−６０８２５号公報

上述したように洋上に設置される風力発電装置はメンテナンスが困難となるため、風車のシャフトと発電機のロータとの間には、比較的故障しやすい増速機を設けず、両者を直結することが好ましくなる。この場合、必然的にロータの回転数が低下するため、所定周波数の出力を得るためには極数を増やすことによって対応することになるが、その分ロータが大型化する。また、風力発電装置の大型化によって風車（ブレード径）も大型化する。そのため、互いに連結されるロータと風車との全質量が増大し、これらの固有振動数が低下する。そのため、風車及びロータの回転数と固有振動数とが近づき、共振する可能性が高くなり、ロータの回転変動や振動が極めて大きくなるおそれがある。

本発明は、風車と発電機のロータとを直結するタイプの風力発電装置において、共振によるロータの回転変動や振動を抑制することを目的とする。

本発明は、風力を受けて回転する風車と、ロータを有する発電機と、前記風車の回転を、増速することなく前記ロータに伝達する回転伝達装置とを備え、前記回転伝達装置は、前記風車の回転速度が前記ロータの回転速度を上回る状態で両者を一体回転可能に接続し、前記風車の回転速度が前記ロータの回転速度を下回る状態で前記接続を解除する一方向クラッチを有していることを特徴とする。

また、本発明は、風力を受けて回転する風車の回転を、増速することなく発電機のロータに伝達する回転伝達装置であって、前記風車の回転速度が前記ロータの回転速度を上回る状態で両者を一体回転可能に接続し、前記風車の回転速度が前記ロータの回転速度を下回る状態で前記接続を解除する一方向クラッチを有していることを特徴とする。

本発明の風力発電装置及び回転伝達装置は、風車の回転速度がロータの回転速度を下回る状態では一方向クラッチによって両者の接続が解除される。そのため、風力発電装置の大型化により、風車及びロータの質量が増大し、これらが一体的に回転するときの固有振動数が低くなった場合であっても、一方向クラッチによって風車とロータとの接続が解除されれば、それぞれが個別の回転体となり、個々の固有振動数が大きくなる。したがって、共振の条件を満たし難くなり、ロータの回転変動や振動の発生を抑制することができる。

前記一方向クラッチは、径方向に対向して配置された内輪及び外輪と、前記内輪及び前記外輪の間に配置され、前記内輪及び前記外輪に噛み合うことによって両者を一体回転可能に接続する係合子とを備え、前記内輪及び前記外輪の少なくとも一方が、周方向に分割された複数の分割体から構成されている。
このような構成によって、風力発電装置が大型化し、これに伴って一方向クラッチが大型化したとしても、その内輪や外輪が複数の分割体から構成されることで、個々の部品を小さくし、その製造を容易にすることができる。

前記内輪と前記外輪との間にくさび状空間を形成するための複数のカム面が、前記内輪又は前記外輪に形成されており、このカム面が形成された前記内輪又は前記外輪が、前記カム面毎に分割されていることが好ましい。
このような構成によって、一つのカム面が複数の分割体に跨って形成されることがなく、カム面に継ぎ目が形成されることもないので、カム面上で係合子を円滑に移動させることができる。

前記一方向クラッチは、径方向に対向して配置された内輪及び外輪と、前記内輪と前記外輪との間に配置され、前記内輪及び前記外輪に噛み合うことによって両者を一体回転可能に接続する係合子と、この係合子を保持する保持器とを備え、前記保持器が、周方向に分割された複数の分割体から構成されていることが好ましい。
このような構成によって、風力発電装置が大型化し、これに伴って一方向クラッチが大型化したとしても、保持器が複数の分割体から構成されることで、個々の部品を小さくし、その製造を容易にすることができる。

本発明は、前記一方向クラッチの外径が１ｍ以上である大型の風力発電装置において、特に有効である。

本発明によれば、風車と発電機のロータとを直結するタイプの風力発電装置において、共振によるロータの回転変動や振動を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る風力発電装置の概略側面図である。 風車の主軸と発電機のロータとの連結部分を拡大して示す断面図である。 一方向クラッチユニットを拡大して示す縦断面図である。 一方向クラッチの横断面図である。

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の概略側面図である。
風力発電装置１は、風車２、支柱３、及びナセル４等を備えている。風車２は、風力発電装置１の発電機１６を駆動するための回転動力を生成するために、風を受けて回転する部品である。具体的に、風車２は、主軸１１と、主軸１１の先端に設けられるハブ１２と、ハブ１２の外周に設けられた複数枚のブレード１３とを備えている。このブレード１３は、風力を受けることによってハブ１２を介して主軸１１を回転させる。ナセル４は、ケーシング１５の内部に、発電機１６やコンバータ、コントローラ等を収容してなる。発電機１６は、ケーシング１５の前部側であって、風車２の後方近傍に配置されている。支柱３は、上下方向の軸心回りに水平旋回可能にナセル４を支持している。

発電機１６は、例えば、同期発電機であり、ロータ２１と、このロータ２１の外周側に配置されたステータ２２とを備えている。そして、ロータ２１が、回転伝達装置３０を介して風車２の主軸１１に連結されている。主軸１１及びロータ２１は、ナセル４内に回転不能に固定された支軸３１に転がり軸受３２（図２参照）を介して回転自在に支持されている。回転伝達装置３０は、風車２の主軸１１の回転を、増速することなくロータ２１に伝達する。

図２は、風車２の主軸１１と発電機１６のロータ２１との連結部分を拡大して示す断面図である。
支軸３１は筒形状に形成された固定軸であり、人の出入りが可能な内径、例えば１ｍ〜２ｍ程度の内径を有している。
転がり軸受３２は、複列に配置された円すいころ軸受からなっている。この円すいころ軸受３２は、一対の内輪３２ａと、内輪３２ａの径方向外側に配置された外輪３２ｂと、内輪３２ａ及び外輪３２ｂの間に転動可能に配置された２列の円すいころ３２ｃと、円すいころ３２ｃの周方向の間隔を保持する保持器３２ｄとを備えている。内輪３２ａは、支軸３１の外周面に嵌合されている。外輪３２ｂの内周面には２条の軌道面が形成されている。外輪３２ｂの軸方向一方側（図２における右側）には連結部材３３が固定され、軸方向他方側（図２における左側）には連結部材３４が固定されている。したがって、連結部材３３，３４は、転がり軸受３２を介して支軸３１に対して相対回転可能に連結されている。

連結部材３３，３４は、いずれも環状に形成されている。一方の連結部材３３の外周面には筒状の主軸１１の内周面が一体回転可能に固定されている。また、他方の連結部材３４の外周面には、回転伝達装置３０を構成する一方向クラッチユニット３５を介してロータ２１が連結されている。

図３は、一方向クラッチユニット３５を拡大して示す縦断面図である。図４は、一方向クラッチの横断面図である。
一方向クラッチユニット３５は、一方向クラッチ４１と転がり軸受４２とを有している。一方向クラッチ４１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（係合子）７３とを備えている。

内輪７１は、連結部材３４の軸方向中央部に外嵌して固定されており、当該連結部材３４と一体回転するようになっている。一方、外輪７２は、ロータ２１の円筒軸部２１ａの内周面に内嵌して固定され、ロータ２１と一体回転するようになっている。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。なお、詳しくは後述するが、本実施形態の内輪７１は、周方向に分割された複数個の分割体７１１により構成されている。

一方向クラッチ４１は、各ころ７３を円周方向に沿って所定間隔毎に保持する保持器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。なお、詳しくは後述するが、保持器７４は、周方向に分割された複数個の分割体７４１により構成されている。

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）に真っ直ぐに形成されている。なお、一方向クラッチ４１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。

内輪７１は、１つのカム面７１ａ１を備えた分割体（内輪分割体）７１１を周方向に８個連結することによって構成されている。内輪分割体７１１は、例えばボルトや溶接によって連結される。複数の内輪分割体７１１が連結されることによって環状となった内輪７１は、キー結合やスプライン結合、セレーション結合等の滑り防止手段によって連結部材３４の外周面に相対回転不能に結合されている。これにより、内輪７１を複数個の分割体７１１によって構成したとしても、連結部材３４と内輪７１との間の周方向の滑りが防止される。そのため、風車とロータとの間のトルク伝達が損なわれることがなく、大きなトルクの伝達が可能となる。
また、保持器７４は、内輪分割体７１１に対応して８個の分割体（保持器分割体）７４１に分割されている。各保持器分割体７４１は、１つの柱部７４ｂと、隣接する他の柱部７４ｂ側へ延びる円環部７４ａの一部とを有している。

内輪分割体７１１の外周側の周方向一端部には凹溝７１１ａが形成されている。そして、この凹溝７１１ａに保持器分割体７４１の柱部７４ｂの内周側の一部が嵌合されている。したがって、各保持器分割体７４１は、周方向に隣接する内輪分割体７１１で挟持されることにより固定されている。

以上のように構成された一方向クラッチ４１では、風車２が増速回転することにより、風車２の回転速度が、ロータ２１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４１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、風車２とロータ２１とを一体回転可能に接続することができる。

また、風車２が増速回転後に一定速回転となり、風車２の回転速度が、ロータ２１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４１は、内外輪７１，７２の前記一方向への一体回転を維持し、風車２とロータ２１とは一体回転し続ける。

一方、風車２が減速回転することにより、風車２の回転速度が、ロータ２１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、風車２とロータ２１との接続が遮断される。

図３において、一対の転がり軸受４２は、いずれも円すいころ軸受であり、連結部材３４とロータ２１の円筒軸部２１ａとの間に配置され、これらを相対回転可能に支持している。この転がり軸受４２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すいころ８３とを備えている。

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、円すいころ８３の両端面がそれぞれ摺接するようになっている。内輪８１の軸方向端面は、一方向クラッチ４１の内輪７１の軸方向端面に当接している。
外輪８２は、内周に形成された外輪軌道面８２ａを有している。外輪８２の軸方向端面は、一方向クラッチ４１の外輪７２の軸方向端面と当接している。

本実施形態の風力発電装置１は、風車２の主軸１１と、発電機１６のロータ２１との間に配置した一方向クラッチ４１により、風車２の回転速度がロータ２１の回転速度を下回ったとき、風車２とロータ２１との接続を遮断することができる。つまり、風力の低下により風車２の回転速度が急激に低下しても、発電機１６のロータ２１の回転が低下するのを防止し、ロータ２１を慣性によって回転させ続けることができる。したがって、ロータ２１の平均回転速度の低下を抑制し、発電機１６の発電効率を向上させることができる。

また、連結部材３４とロータ２１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４２が配置されているため、一方向クラッチ４１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４２によって連結部材３４とロータ２１と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、ロータ２１が径方向にがたつくのを防止することができる。

本実施形態の風力発電装置１は、洋上等に設置される大型のものであり、一方向クラッチ４１の外径が１ｍ以上、例えば、２ｍ〜３ｍ程度に形成される。そのため、本実施形態では、内輪７１及び保持器７４を周方向に分割した構成とすることによって、各分割体を小型化し、製造を容易にしている。
また、各内輪分割体７１１は、１つのカム面７１ａ１毎に分割されているので、各カム面７１ａ１が複数の内輪分割体７１１に跨ることはなく、各カム面７１ａ１に継ぎ目が生じることは無い。したがって、ころ７３をカム面７１ａ１上で円滑に転動させることができる。

各保持器分割体７４１は、周方向に隣接する内輪分割体７１１に挟持されることによって固定されているので、保持器分割体７４１を固定するための部材を不要とするか、固定構造を簡素化することができる。
また、本実施形態の風力発電装置１は、風車２とロータ２１との間に増速機が設けられていない。この増速機は、通常、内部に多数の軸やギヤ、転がり軸受等を備えており、比較的故障しやすい装置であるが、このような装置を備えないことによって風力発電装置１の耐久性を高めることができる。

また、本実施形態の風力発電装置１は、増速機を備えたものに比べてロータ２１の回転数が低下するため、所定周波数の出力を得るためには発電機１６の磁極の数（極数）を増大する必要があり、この極数の増大に伴ってロータ２１が大型化する。また、風力発電装置１の大型化により、風車２のブレード径も大型化する。このようにロータ２１と風車２の大型化によってそれぞれの質量が増大すると、両者が一体的に回転するときの回転体の全質量が増大し、当該回転体の固有振動数が小さくなる。そのため、風車２及びロータ２１の回転数に固有振動数が近づき、ねじり方向（回転方向）や曲げ方向（軸心に垂直な方向）の共振が生じやすくなり、この共振によってロータ２１の回転変動や振動が極めて大きくなる可能性がある。

この点において、本実施形態では、風車２とロータ２１との間に一方向クラッチ４１が設けられているので、ロータ２１の回転変動によって風車２よりもロータ２１の回転速度が大きくなったときに両者の接続が解除される。したがって、風車２及びロータ２１がそれぞれ個別の回転体となり、各回転体の質量が減少し、固有振動数が大きくなる。そのため、共振の条件を満たし難くなり、ロータ２１の回転変動や振動の発生を抑制することができる。

なお、本発明は、前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、上記の実施形態において、一方向クラッチ４１の外輪７２は、一体の円環状に形成されているが、周方向に分割された複数の分割体によって構成することもできる。また、内輪７１は、１つのカム面７１ａ１ごとに分割されているが、複数個のカム面７１ａ１ごとに分割されていてもよい。転がり軸受４２における内輪８１、外輪８２、保持器についても周方向に分割された分割体によって構成されていてもよい。
一方向クラッチ４１は、内輪７１の外周面を円筒面とし、外輪７２の内周面にカム面を形成したものであってもよい。この場合においても、内輪７１又は外輪７２、或いは内輪７１及び外輪７２の双方を分割体により構成することができる。また、外輪７２を分割する場合にはカム面毎に分割することができる。内輪７１及び外輪７２のいずれを分割体で構成する場合にも、当該分割体とこれに結合される軸体との間の周方向の滑りを防止する滑り防止手段を設けることが好ましい。
一方向クラッチ４１の係合子は、ころ７３に限らずスプラグであってもよい。この場合、内輪７１及び外輪７２にはカム面を形成しなくてもよく、内輪７１の外周面及び外輪７２の内周面を円筒状に形成することができる。
本発明は、水平軸型の風力発電装置に限らず、垂直軸型の風力発電装置にも適用可能である。

１：風力発電装置、２：風車、１６：発電機、２１：ロータ、３０：回転伝達装置、４１：一方向クラッチ、７１：内輪、７１ａ１：カム面、７２：外輪、７３：ころ（係合子）、７４：保持器、７１１：内輪分割体、７４１：保持器分割体、Ｓ：くさび状空間

Claims (10)

1. 風力を受けて回転する風車と、ロータを有する発電機と、前記風車の回転を、増速することなく前記ロータに伝達する回転伝達装置とを備え、
   前記回転伝達装置は、前記風車の回転速度が前記ロータの回転速度を上回る状態で両者を一体回転可能に接続し、前記風車の回転速度が前記ロータの回転速度を下回る状態で前記接続を解除する一方向クラッチを有していることを特徴とする風力発電装置。
2. 前記一方向クラッチは、径方向に対向して配置された内輪及び外輪と、前記内輪及び前記外輪の間に配置され、前記内輪及び前記外輪に噛み合うことによって両者を一体回転可能に接続する係合子とを備え、前記内輪及び前記外輪の少なくとも一方が、周方向に分割された複数の分割体から構成されている、請求項１に記載の風力発電装置。
3. 前記内輪と前記外輪との間にくさび状空間を形成するための複数のカム面が、前記内輪又は前記外輪に形成されており、このカム面が形成された前記内輪又は前記外輪が、前記カム面毎に分割されている、請求項２に記載の風力発電装置。
4. 前記一方向クラッチは、径方向に対向して配置された内輪及び外輪と、前記内輪と前記外輪との間に配置され、前記内輪及び前記外輪に噛み合うことによって両者を一体回転可能に接続する係合子と、この係合子を保持する保持器とを備え、前記保持器が、周方向に分割された複数の分割体から構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の風力発電装置。
5. 前記一方向クラッチの外径が１ｍ以上である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の風力発電装置。
6. 風力を受けて回転する風車の回転を、増速することなく発電機のロータに伝達する回転伝達装置であって、
   前記風車の回転速度が前記ロータの回転速度を上回る状態で両者を一体回転可能に接続し、前記風車の回転速度が前記ロータの回転速度を下回る状態で前記接続を解除する一方向クラッチを有していることを特徴とする回転伝達装置。
7. 前記一方向クラッチは、径方向に対向して配置された内輪及び外輪と、前記内輪及び前記外輪の間に配置され、前記内輪及び前記外輪に噛み合うことによって両者を一体回転可能に接続する係合子とを備え、前記内輪及び前記外輪の少なくとも一方が、周方向に分割された複数の分割体から構成されている、請求項６に記載の回転伝達装置。
8. 前記内輪と前記外輪とのくさび状空間を形成するための複数のカム面が、前記内輪又は前記外輪に形成されており、このカム面が形成された前記内輪又は前記外輪が、前記カム面毎に分割されている、請求項７に記載の回転伝達装置。
9. 前記一方向クラッチは、径方向に対向して配置された内輪及び外輪と、前記内輪と前記外輪との間に配置され、前記内輪及び前記外輪に噛み合うことによって両者を一体回転可能に接続する係合子と、この係合子を保持する保持器とを備え、前記保持器が、周方向に分割された複数の分割体から構成されている、請求項６〜８のいずれか１項に記載の回転伝達装置。
10. 前記一方向クラッチの外径が１ｍ以上である、請求項６〜９のいずれか１項に記載の回転伝達装置。

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