JP2017155824A - 風力発電装置用の回転伝達機構 - Google Patents

Abstract

【課題】アキシアル荷重による負担を軽減することができる風力発電装置用の回転伝達機構を提供する。【解決手段】増速機の出力軸２３ａからの回転動力によって発電機の入力軸２４ａを回転させて発電する風力発電装置用の回転伝達機構３０であって、出力軸２３ａと一体回転する第１回転部材３８と、第１回転部材３８に対して径方向に間隔をあけて第１回転部材３８と同心状に配置されかつ入力軸２４ａと一体回転する第２回転部材４０と、第１回転部材３８と第２回転部材４０との径方向の間に設けられる一方向クラッチ３３及び転がり軸受３４，３５と、一方向クラッチ３３及び転がり軸受３４，３５と、第１回転部材３８及び第２回転部材４０の一方との間に設けられ、一方の回転部材に対して軸方向に移動可能でかつ周方向に一体回転可能に連結されるスライド部材３６とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、風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風力発電装置用の回転伝達機構に関する。

従来、ブレードにより風力を受けて当該ブレードに接続された主軸を回転させ、その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ようにした風力発電装置が知られている。また、増速機と発電機との間に一方向クラッチを有する回転伝達機構を設けることも知られている（例えば、特許文献１参照）。増速機と発電機との間に一方向クラッチを設けると、風力の変動等に起因する発電機の慣性トルクの変動を抑制し、増速機にかかる負荷を低減することが可能となる。

増速機と発電機との間に設けられる回転伝達機構として、従来、図４に示すものがある。この回転伝達機構１３０は、増速機の出力軸１２３ａと一体回転する、軸部１３８を有する入力回転体１３１と、入力回転体１３１の軸部１３８の径方向外側に配置される円筒部１４０を有し、発電機の入力軸１２４ａと一体回転する出力回転体１３２と、軸部１３８と円筒部１４０との間に設けられた一方向クラッチ１３３と、軸部１３８と円筒部１４０との間において一方向クラッチ１３３の軸方向両側に設けられた一対の転がり軸受１３４，１３５とを備えている。

特開平４−３４４１９８号公報

図４に示す回転伝達機構１３０においては、一対の転がり軸受１３４，１３５の一方１３５が、ラジアル荷重だけでなくアキシアル荷重を受けることができる深溝玉軸受とされている。そのため、例えば増速機の出力軸１２３ａ側からアキシアル荷重が付与された場合に、当該一方の転がり軸受１３５によってそのアキシアル荷重を負担することができる。しかし、何らかの要因で予期しない軸方向の衝撃が発生し、一方の転がり軸受１３５に過大なアキシアル荷重が付与されると、当該転がり軸受１３５が損傷する可能性がある。また、このような過大なアキシアル荷重は、一方の転がり軸受１３５だけでなく一方向クラッチ１３３や他方の転がり軸受１３４を含む回転伝達機構１３０の全体に悪影響を及ぼす可能性があるため、かかるアキシアル荷重による回転伝達機構１３０の負担を軽減することが重要である。

本発明は、以上のような実情に鑑み、アキシアル荷重による負担を軽減することができる風力発電装置用の回転伝達機構を提供することを目的とする。

本発明は、増速機が有する出力軸からの回転動力によって発電機が有する入力軸を回転させて発電する風力発電装置に用いられる回転伝達機構であって、前記出力軸と一体回転する第１回転部材と、前記第１回転部材に対して径方向に間隔をあけた状態で当該第１回転部材と同心状に配置されかつ前記入力軸と一体回転する第２回転部材と、前記第１回転部材と前記第２回転部材との径方向の間に設けられ、前記出力軸の回転速度が前記入力軸の回転速度を上回る状態で前記第１回転部材と前記第２回転部材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入力軸の回転速度を下回る状態で前記第１回転部材と前記第２回転部材との接続を解除する一方向クラッチと、前記第１回転部材と前記第２回転部材との径方向の間に設けられ、両回転部材を相対回転自在に支持する転がり軸受と、前記一方向クラッチ及び前記転がり軸受と、前記第１回転部材及び前記第２回転部材のいずれか一方との間に設けられ、当該一方の回転部材に対して軸方向に移動可能でかつ周方向に一体回転可能に連結されたスライド部材と、を備えていることを特徴とする。

上記構成の回転伝達機構によれば、例えば増速機の出力軸側からアキシアル荷重が付与された場合には、第１回転部材及び第２回転部材のうち一方の回転部材に連結されたスライド部材が当該回転部材に対して軸方向に移動することによって当該アキシアル荷重を吸収することができ、当該アキシアル荷重による転がり軸受や一方向クラッチの負担を軽減することができる。

前記転がり軸受は、アキシアル荷重を受けることが可能な転がり軸受であることが好ましい。
この場合、スライド部材が軸方向に移動することによって転がり軸受が受けるアキシアル荷重を大幅に軽減することができ、当該転がり軸受の損傷等を確実に防止することができる。

前記一方の回転部材と前記スライド部材とは、スプライン結合されていることが好ましい。
このような構成によって、一方の回転部材に対してスライド部材を軸方向に移動可能でかつ周方向に一体回転可能に連結することができる。

本発明の回転伝達機構によれば、アキシアル荷重による負担を軽減することができる。

本発明の一実施形態における風力発電装置の概略側面図である。 回転伝達機構を示す断面図である。 図２におけるＡ−Ａ線断面図である。 従来の回転伝達機構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説明する。
図１は、本発明の一実施形態における風力発電装置の概略側面図である。
風力発電装置１０は、ブレード（受風部材）１１、支柱１２、及びナセル１３を備えている。ブレード１１は、主軸２２の先端に設けられた複数枚の羽根により構成され、風を受けることによって主軸２２を回転させる。ナセル１３は、主軸２２と、この主軸２２を支持するための支持機構２１と、主軸２２の回転を増速する増速機２３と、増速機２３によって増速された回転動力によって発電する発電機２４と、これらを収容するケーシング２８等を備えている。支柱１２は、上下方向の軸心回りに水平旋回可能にナセル１３を支持している。

増速機２３は、主軸２２から入力された回転を増速する歯車機構２３ｂと、増速された回転を外部に出力する出力軸２３ａとを備えている。
発電機２４は、例えば誘導発電機により構成され、増速機２３により増速された回転が入力される入力軸（駆動軸）２４ａと、ロータ２４ｂと、図示しないステータ２４ｃ等とを有する。ロータ２４ｂは入力軸２４ａに一体回転可能に連結されている。発電機２４は、入力軸２４ａの回転によってロータ２４ｂを駆動することに伴って発電するように構成されている。増速機２３の出力軸２３ａと発電機２４の入力軸２４ａとは、回転伝達機構３０を回して動力伝達可能に連結されている。

図２は、回転伝達機構３０を示す断面図である。図３は、図２におけるＡ−Ａ線断面図である。
回転伝達機構３０は、入力回転体３１と、出力回転体３２と、一方向クラッチ３３と、転がり軸受３４，３５と、スライド部材３６とを備えており、クラッチユニットとして構成されている。

入力回転体３１は、軸部（第１回転部材）３８と、この軸部３８の軸方向一端部（図２における左端部）に設けられたフランジ部３９とを備えている。このフランジ部３９は、ボルト、ナット等の締結具によって出力軸２３ａに一体回転可能かつ着脱可能に連結されている。軸部３８の外周面には、軸方向に沿って延びる複数のスプライン歯３８ａが周方向に等間隔で形成されている。

出力回転体３２は、円筒形状に形成され入力回転体３１と同心上に配置された円筒部（第２回転部材）４０と、この円筒部４０の軸方向他端部（図２における右端部）に設けられたフランジ部（出力側連結部）４１とを備えている。このフランジ部４１がボルト、ナット等の締結具によって入力軸２４ａに一体回転可能かつ着脱可能に接続されている。

入力回転体３１の軸部３８の外周面には、スライド部材３６が設けられている。このスライド部材３６は円筒形状に形成されている。スライド部材３６の外周面は、一定の半径を有する円筒面に形成されている。スライド部材３６の内周面には、軸方向に沿って延びる複数のスプライン溝３６ａが周方向に等間隔で形成されている。スプライン溝３６ａは、スライド部材３６の軸方向の長さにわたって形成されている。そして、スライド部材３６のスプライン溝３６ａと軸部３８のスプライン歯３８ａとが噛み合うことによって、スライド部材３６は、軸部３８に対して一体回転可能で軸方向移動可能に結合されている。

軸部３８におけるスプライン歯３８ａの軸方向の長さＬ１は、スライド部材３６の軸方向の長さＬ２よりも長く形成されている。したがって、スライド部材３６は、スプライン歯３８ａの長さＬ１の範囲で軸方向に移動可能である。また、スライド部材３６が出力軸２３ａ側にスライドし、軸部３８がスライド部材３６よりも入力軸２４ａ側に突出したときに、軸部３８が入力軸２４ａに干渉しないように、軸部３８の先端と入力軸２４ａとの間には隙間Ｓ１が形成されている。この隙間Ｓ１は、軸部３８の先端面がスライド部材３６の入力軸２４ａ側の端面と面一のときに、スプライン歯３８ａとスプライン溝３６ａとの長さの差Ｌ３よりもやや大きい寸法に設定されている。これにより、スライド部材３６がスプライン歯３８ａの出力軸２３ａ側の端部まで移動したとしても軸部３８が入力軸２４ａに干渉することがない。

一方向クラッチ３３及び転がり軸受３４，３５は、入力回転体３１の軸部３８と出力回転体３２の円筒部４０との径方向の間に配置されている。また、転がり軸受３４，３５は、一方向クラッチ３３の軸方向両側に配置されている。一方向クラッチ３３は、出力軸２３ａの回転を入力回転体３１及び出力回転体３２を介して入力軸２４ａに断接可能に伝達するために設けられている。転がり軸受３４，３５は、軸部３８と円筒部４０とを相互に支持するために設けられている。

一方向クラッチ３３は、内輪４４及び外輪４５と、この内輪４４の外周面４４ａと外輪４５の内周面４５ａとの間に配置された複数の係合子４６とを備えている。
内輪４４は、入力回転体３１の軸部３８に結合されたスライド部材３６の外周面に嵌合されることによって固定されている。具体的に、内輪４４は、スライド部材３６に対して所定の締め代をもって締まり嵌めによって嵌合されている。したがって、内輪４４は、軸部３８及びスライド部材３６と一体回転する。

外輪４５は、出力回転体３２における円筒部４０の内周面に嵌合されることによって固定されている。具体的に、外輪４５は、円筒部４０に対して所定の締め代をもって締まり嵌めによって嵌合されている。したがって、外輪４５は、円筒部４０と一体回転する。
係合子４６は、円筒ころにより構成されている。したがって、以下においては、係合子を示す円筒ころについて符号４６を付して説明する。円筒ころ４６は、内輪４４の外周面４４ａ及び外輪４５の内周面４５ａ上で転動可能に構成されている。

図３に示すように、内輪４４の外周面４４ａには円筒ころ４６と同数（８つ）の平坦なカム面４４ａ１が形成されており、外輪４５の内周面４５ａは円筒面に形成されている。内輪４４のカム面４４ａ１と外輪４５の内周面４５ａとの間には、くさび状空間Ｓが周方向に複数（８箇所）形成され、このくさび状空間Ｓに円筒ころ４６が配置されている。

一方向クラッチ３３は、保持器５４と、弾性部材５５とをさらに備えている。保持器５４は、環状に形成され、複数の円筒ころ４６を円周方向に沿って所定間隔に保持している。弾性部材５５は、各円筒ころ４６を一方向に弾性的に付勢する付勢部材からなる。保持器５４には、円筒ころ４６を収容するポケット５４ａが周方向に複数形成されている。また、保持器５４には、ポケット５４ａに収容された弾性部材５５を案内する突起部５４ｂを備えている。弾性部材５５は、ポケット５４ａ内の円筒ころ４６を周方向一方側へ向けて付勢している。

以上のように構成された一方向クラッチ３３においては、入力回転体３１が増速回転することにより、入力回転体３１の回転速度が出力回転体３２の回転速度を上回る場合には、内輪４４が外輪４５に対して一方向（図３の時計回り方向）に相対回転しようとする。この場合、弾性部材５５の付勢力により、円筒ころ４６はくさび状空間Ｓが狭くなる方向（図３の時計回り方向）へ僅かに移動して、円筒ころ４６の外周面が内輪４４の外周面４４ａ（カム面４４ａ１）及び外輪４５の内周面４５ａに圧接し、円筒ころ４６が内外輪４４，４５の間に噛み合った状態となる。これにより、内外輪４４，４５は前記一方向に一体回転可能となり、入力回転体３１と出力回転体３２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３１が増速回転後に一定速回転となり、入力回転体３１の回転速度が、出力回転体３２の回転速度と同一になった場合には、円筒ころ４６が内外輪４４，４５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３３は、内外輪４４，４５の前記一方向への一体回転を維持し、入力回転体３１及び出力回転体３２は一体回転し続ける。

一方、入力回転体３１が減速回転することにより、入力回転体３１の回転速度が、出力回転体３２の回転速度を下回る場合には、内輪４４が外輪４５に対して他方向（図３の反時計回り方向）に相対回転しようとする。この場合には、弾性部材５５の付勢力に抗して、円筒ころ４６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、円筒ころ４６と内外輪４４，４５との噛み合いが解除される。このように、円筒ころ４６の噛み合いが解除されることで、入力回転体３１と出力回転体３２との接続が遮断される。

なお、各くさび状空間Ｓを形成する外輪内周面４５ａは、周方向に連続する円筒面の一部（円弧面）によって構成されているが、周方向に連続しない円弧面、例えば、周方向に隣接するくさび状空間Ｓの外輪内周面４５ａの間に平坦面や変曲点が介在するような独立した円弧面であってもよい。

図２に示すように、一対の転がり軸受３４，３５は、入力回転体３１の軸部３８に結合されたスライド部材３６と出力回転体３２の円筒部４０との間にそれぞれ配置されており、軸部３８及び円筒部４０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３４，３５は、一方向クラッチ３３の軸方向両側にそれぞれ円環状のワッシャ４３及び間座４７を介して隣接して配置されている。間座４７は、外輪４５の内周面４５ａよりも径方向内方へ突出し、一方向クラッチ３３の円筒ころ４６の軸方向の移動を規制している。

出力軸２３ａ側に配置された一方の転がり軸受３４は、軌道輪としての内輪６１及び外輪６２と、内輪６１と外輪６２との間に転動可能に配置された複数の円筒ころ（転動体）６３と、複数の円筒ころ６３の周方向の間隔を保持する保持器６４とを備えた円筒ころ軸受である。この転がり軸受３４は、ラジアル荷重を受けることがことができるが、アキシアル荷重を受けることができない。

内輪６１は、スライド部材３６の外周面に嵌合されることによって固定されている。具体的に、内輪６１は、スライド部材３６に対して所定の締め代をもって締まり嵌めによって嵌合されている。したがって、内輪６１は、軸部３８及びスライド部材３６と一体回転する。また、内輪６１は、外周面に内輪軌道面６１ａを備えている。円筒ころ６３は、内輪軌道面６１ａ上を転動可能であるとともに、軸方向に摺動可能とされている。

外輪６２は、出力回転体３２の円筒部４０の内周面に嵌合されることによって固定されている。具体的に、外輪６２は、円筒部４０に対して所定の締め代をもって締まり嵌めによって嵌合されている。したがって、外輪６２は、円筒部４０と一体回転する。また、外輪６２は、内周面に外輪軌道面６２ａを備えている。さらに外輪６２は、外輪軌道面６２ａの軸方向両側に一対の鍔部６２ｂを備えている。円筒ころ６３は、外輪軌道面６２ａ上を転動可能であるとともに、一対の鍔部６２ｂによって軸方向の移動が制限されている。

スライド部材３６の出力軸２３ａ側の端部外周面には、環状のシール受け部材６５が内輪６１に隣接して嵌合されている。また、出力回転体３２の円筒部４０における出力軸２３ａ側の端部内周面４０ａには、シール部材６６が取り付けられている。このシール部材６６は、シール受け部材６５の外周面に摺接している。転がり軸受３４の内輪６１は、シール受け部材６５と、ワッシャ４３との間に挟まれることによってスライド部材３６上で軸方向に位置決めされている。

入力軸２４ａ側に配置された他方の転がり軸受３５は、軌道輪としての内輪７１及び外輪７２と、内輪７１と外輪７２との間に転動可能に配置された複数の玉（転動体）７３と、複数の玉７３の周方向の間隔を保持する保持器７４とを備えた深溝玉軸受である。深溝玉軸受は、ラジアル荷重だけでなくアキシアル荷重をも受けることができる。

内輪７１は、スライド部材３６の外周面に嵌合されることによって固定されている。具体的に、内輪７１は、スライド部材３６に対して所定の締め代をもって締まり嵌めによって嵌合されている。したがって、内輪７１は、軸部３８及びスライド部材３６と一体回転する。また、内輪７１は、玉７３が転動する内輪軌道面７１ａを外周面に備えている。

外輪７２は、出力回転体３２の円筒部４０の内周面に嵌合されることによって固定されている。具体的に、外輪７２は、円筒部４０に対して所定の締め代をもって締まり嵌めによって嵌合されている。したがって、外輪７２は、円筒部４０と一体回転する。また、外輪７２は、玉７３が転動する外輪軌道面７２ａを内周面に備えている。

スライド部材３６の入力軸２４ａ側の端部外周面には、環状のシール受け部材６５が内輪７１に隣接して嵌合されている。また、出力回転体３２の円筒部４０における入力軸２４ａ側の端部内周面４０ａには、シール部材６６が取り付けられている。このシール部材６６は、シール受け部材６５の外周面に摺接している。転がり軸受３５の内輪７１は、シール受け部材６５と、ワッシャ４３との間に挟まれることによってスライド部材３６上で軸方向に位置決めされている。円筒部４０の軸方向両側に取り付けられたシール部材６６は、スライド部材３６と円筒部４０との間における一方向クラッチ３３及び転がり軸受３４，３５の収容空間を密封し、潤滑剤の漏出や外部からの異物の侵入を防止する密封装置を構成している。

以上の構成を有する回転伝達機構３０は、出力軸２３ａに接続される入力回転体３１と、入力軸２４ａに接続される出力回転体３２と、入力回転体３１の軸部３８と出力回転体３２の円筒部４０との間に設けられた一方向クラッチ３３及び転がり軸受３４，３５とを備え、軸部３８と一方向クラッチ３３及び転がり軸受３４，３５との間には、軸部３８に対して軸方向に移動可能でかつ一体回転可能に連結されたスライド部材３６が設けられている。そのため、例えば増速機２３側から過大なアキシアル荷重が付与されたとしても、入力回転体３１に相対してスライド部材３６が軸方向に移動することによって当該アキシアル荷重が吸収される。したがって、一方向クラッチ３３や転がり軸受３４，３５にはアキシアル荷重がほとんど伝わることはなく、一方向クラッチ３３及び転がり軸受３４，３５の損傷を好適に防止することができる。特に、一方の転がり軸受３５は、アキシアル荷重を受けることができる深溝玉軸受であるが、スライド部材３６の軸方向の移動によって転がり軸受３５の負担を十分に軽減することができる。

回転伝達機構３０は、ラジアル荷重だけでなくアキシアル荷重を受けることができる深溝玉軸受からなる転がり軸受３５を備えている。そのため、スライド部材３６と出力回転体３２の円筒部４０との軸方向の相対移動はほとんど無く、円筒ころ軸受３４及び一方向クラッチ３３における内輪４４，６１上の円筒ころ４６，６３の軸方向の摺動を抑制することができる。また、シール受け部材６５とシール部材６６との軸方向の位置ずれもほとんどない。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内において、適宜変更可能である。
例えば、一対の転がり軸受３４，３５は、双方が深溝玉軸受、又は円筒ころ軸受であってもよい。また、一対の転がり軸受３４，３５は、アンギュラ玉軸受、円すいころ軸受等の他の形式の転がり軸受であってもよい。また、転がり軸受は、一方向クラッチ３３の軸方向一方側のみに配置されていてもよい。

上記実施形態のスライド部材３６は、入力回転体３１の軸部３８にスプライン結合によって連結されていたが、これに限定されるものではない。例えば、スライド部材３６と軸部３８とをキー（すべりキー）を用いて結合してもよい。また、軸部３８の外周面及びスライド部材３６の内周面を多角形状に形成し、両者を一体回転可能でかつ軸方向に相対移動可能に嵌合してよい。

スライド部材３６は、一方向クラッチ３３及び転がり軸受３４，３５と、出力回転体３２の円筒部４０との間に設けられていてもよい。
一方向クラッチ３３は、係合子４６として円筒ころを備えたものに限らず、スプラグを備えたものであってもよい。また、カム面が内輪４４ではなく外輪４５に形成されたものであってもよい。

また、上記実施形態では、入力回転体３１が第１回転部材としての軸部３８を備え、出力回転体３２が、軸部３８の径方向外側に配置される第２回転部材としての円筒部４０を備えていたが、出力回転体３２が第２回転部材として軸部を備え、入力回転体３１が軸部の径方向外側に配置される第１回転部材として円筒部を備えていてもよい。
本発明の風力発電装置１０は、図１に示す水平軸タイプのものに限らず、垂直軸タイプのものであってもよい。

１０：風力発電装置、２３：増速機、２３ａ：出力軸、２４：発電機、２４ａ：入力軸（入力軸）、３０：回転伝達機構、３１：入力回転体、３２：出力回転体、３３：一方向クラッチ、３４：円筒ころ軸受、３５：深溝玉軸受、３６：スライド部材、３６ａ：スプライン溝、３８：軸部（第１回転部材）、３８ａ：スプライン歯、４０：円筒部（第２回転部材）

Claims (3)

1. 増速機が有する出力軸からの回転動力によって発電機が有する入力軸を回転させて発電する風力発電装置に用いられる回転伝達機構であって、
   前記出力軸と一体回転する第１回転部材と、
   前記第１回転部材に対して径方向に間隔をあけた状態で当該第１回転部材と同心状に配置されかつ前記入力軸と一体回転する第２回転部材と、
   前記第１回転部材と前記第２回転部材との径方向の間に設けられ、前記出力軸の回転速度が前記入力軸の回転速度を上回る状態で前記第１回転部材と前記第２回転部材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入力軸の回転速度を下回る状態で前記第１回転部材と前記第２回転部材との接続を解除する一方向クラッチと、
   前記第１回転部材と前記第２回転部材との径方向の間に設けられ、両回転部材を相対回転自在に支持する転がり軸受と、
   前記一方向クラッチ及び前記転がり軸受と、前記第１回転部材及び前記第２回転部材の一方との間に設けられ、当該一方の回転部材に対して軸方向に移動可能でかつ周方向に一体回転可能に連結されたスライド部材と、を備えていることを特徴とする風力発電装置用の回転伝達機構。
2. 前記転がり軸受は、アキシアル荷重を受けることが可能な転がり軸受である、請求項１に記載の風力発電装置用の回転伝達機構。
3. 前記第１回転部材と前記スライド部材とがスプライン結合されている、請求項１又は２に記載の風力発電装置用の回転伝達機構。

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