JP2020528514A - 風力発電機 - Google Patents

Abstract

ローターと、前記ローターの主軸の内蔵されるナセルアセンブリと、前記ナセルアセンブリの主軸と垂直に連結され、前記ローターの回転運動エネルギーを伝達する動力伝達軸と、前記ナセルアセンブリを支持し、前記動力伝達軸の設置されるタワー部と、前記動力伝達軸を通じて前記回転運動エネルギーの伝達される発電ユニットと、を有する風力発電機が提供される。本発明の風力発電機では、前記動力伝達軸の駆動トルクを受ける前記発電ユニットの回転子でのレンツの法則による電磁気力によって駆動トルクの発生する前記発電ユニットの固定子が、前記ナセルアセンブリの反作用トルクをも受けるので、前記反作用トルクと駆動トルクとが相殺される。

Description

本発明は、ナセルアセンブリ(nacelle assembly)に結合される発電ユニットを風力発電機の設置されるタワーの下部に設置した風力発電機に関するものであり、より詳細には、前記発電ユニットの駆動により前記ナセルアセンブリに発生する反作用トルク（reaction torque）を前記発電ユニットの電磁気力を利用するメカニズムによって相殺する反作用トルク相殺機構を有する風力発電機に関するものである。

一般的に、ローターブレード型風力発電機は、大別して、風力を機械的回転運動エネルギーに変換するローターと、前記ローターの回転運動エネルギーを電気エネルギーに変換させる装置で構成されているナセルアセンブリと、前記ナセルアセンブリを支持するタワー（tower）と、を含んでいる。地面の対するブレードの回転軸(rotation axis)の方向が水平または垂直であるかに応じて、垂直軸風力発電機と水平軸風力発電機に大別され、水平軸風力発電機は、風の影響を大きく受けるのに対し、垂直軸風力発電機は、風の方向に関係なく動作するが、始動を円滑にしにくく、効率が低い欠点がある。

典型的な水平軸風力発電機のローターは、互いに等間隔で放射方向に配置される複数のブレードが組み立てられるハブ−ノーズコーン組立体（hub-nose cone assembly）を含み、前記ハブ−ノーズコーン組立体は、ナセルアセンブリ内に設置される水平の主軸に連結され、主軸に発電ユニットが組み立てられる状態では、風によってブレードが回転することにより、ハブ−ノーズコーン組立体が回転し、この回転力が主軸に伝達され、発電ユニットを駆動することにより、電力を生産する。

従来の水平軸風力発電機は、重い発電ユニットをはじめ、重要な機器がタワー上部に設置されるナセルアセンブリの内部に設置される構造であるので、その施工、設置、点検、メンテナンスが難しく、製造コストが増加するにつれて、電力生産の単価が高くなって、空中に設置される過重な重量の発電ユニットとナセルアセンブリの耐震設計の重要性が増加し、それによる施工コストが増加するという問題がある。

このような問題を解消しようと創案された先行技術である、本出願人の韓国特許第10-1027055号（2011.03.29登録）では、ローターの回転運動エネルギーをナセルアセンブリ内の主軸で増速させた後、タワー内で、前記主軸と垂直に連結される垂直の動力伝達軸を通じてタワーの下部の地面に設置される発電機によってその増速された回転力を伝達し、この時にタワー内の垂直の動力伝達軸に発電機を稼動する負荷による、ナセルアセンブリを旋回させようとする反作用トルクを機械的構造のヨーク機構の上下ヨーク部により相殺し、ナセルアセンブリの構造を簡素化しながらも、フリー−ヨーイング（free-yawing）を具現するようにして、全体的な軽量化によって施設費を減少させることができる風力発電機を提案している。

しかしながら、前記の先行技術に開示される風力発電機は、機械的な構造の上下往復運動で作動するヨークメカニズムのものであり、その反作用トルク相殺機構の重量が大きくなる問題があり、また、上下往復しながら回転動作に変換してナセルアセンブリのフリー−ヨーイングを可能にする。前記ヨークメカニズムのスラストベアリングもその自重が大きく上下振動を起こす問題があり、それに応じて故障の発生の虞があり、反作用トルク相殺機構の全体の構造が複雑なので、生産過程が複雑でありまた、その製造、維持コストも増加するという問題点がある。

本発明は、前記の問題点を解消しようと案出されたもので、その目的は、レンツ（HFE Lentz：ハインリッヒフリードリヒエミール・レンツ；バルト・ドイツ系ロシアの物理学者）の法則による電磁気力だけで反作用トルクが相殺されるようにする風力発電機を提供することである。

本発明の他の目的は、垂直の動力伝達軸、発電ユニットなどの運搬等の取り扱い性が向上し、設置の後の発電の動作中に振動の防止される反作用トルク相殺機構を備えている風力発電機を提供することである。

前記のような本発明の目的は、風力を機械的回転運動エネルギーに変換する主軸が備えられ、地面と水平を成すように設置されるローターと、
前記ローターの主軸が内蔵されているナセルアセンブリと、
前記ナセルアセンブリの主軸とギア結合により垂直に連結され、前記ローターの回転運動エネルギーの伝達される動力伝達軸と、
前記ナセルアセンブリの底面に結合される上端と下側に延長される下端とを有する中空軸部と、上部が上下のヨーベアリングによって前記中空軸部の外周面に結合され下端が支持部に固定されるタワー本体とを含んで構成され、前記動力伝達軸の前記中空軸部の内部に配置されるタワー（tower）部と、
ハウジング、回転子軸、前記回転子軸に結合される複数の極の回転子および前記回転子から距離を置いて配置された複数の極の固定子を有し、前記ハウジングが、前記タワー部の中空軸部の下端に結合、固定されて前記中空軸部にぶら下がって設置され、前記回転子軸このカップリングを介して前記動力伝達軸に結合されて、前記動力伝達軸を通じて伝達される前記回転運動エネルギーによって発電する発電ユニットと、を含んで構成されて、
前記発電ユニットの固定子に伝達される前記ナセルアセンブリの反作用トルクが、前記発電ユニットの回転子からの回転磁界のレンツの法則による電磁気力によって発生する駆動トルクによって相殺される、風力発電機によって達成される。

本発明の１つの側面（aspect）によれば、発電ユニットの回転子軸と同軸に結合される心軸を発電ユニットの設置場所の支持部に回転可能に支持する構造の回転ベース機構をさらに含んで構成されることができる。

本発明の他の１つの側面によれば、本発明の風力発電機は、前述した中空軸部と動力伝達軸とを複数の分割体に分けて構成し、その複数の中空軸部の分割体と動力伝達軸の分割体の上下に結合される複数の動力伝達軸の分割体の連結具を上下に組み合わせて中空軸部と動力伝達軸の結合体を構成する多段連結機構を採用することができる。

本発明の他の１つの側面によれば、本発明の風力発電機は、前記中空軸部のナセルリングギアと回転ベース機構の間に回転可能にギア結合される反作用トルク伝達軸を含んで構成される反作用トルクの伝達機構をさらに含んで構成することができる。

本発明のもう１つの側面によれば、本発明の風力発電機は、動力伝達軸に嵌合されるベアリングの支持具が設置されて中空軸部の下部に結合されるハウジングと、前記ベアリングの支持具を貫通した動力伝達軸の下端に付着されるメイン歯車と、前記メイン歯車に互いに噛み合って回転するように前記ハウジングの下部に所定の角度で軸結合される複数のサブ歯車と、前記サブ歯車のそれぞれの歯車軸にそれぞれ軸結合される複数の発電ユニットを含んで構成される、並列運転機構をさらに含んで構成することができる。

本発明のもう１つの側面によれば、本発明の風力発電機は、動力伝達軸に嵌合されるベアリング支持具が設置されて中空軸部の下部と回転ベース機構との間に設置されるハウジングと、前記ハウジングを通じて露出する前記動力伝達軸の下部に取り付けられる歯車と、前記歯車に結合される他の歯車が水平回転子軸の端部に結合される発電ユニットを含んで構成される水平型発電ユニット機構をさらに含んで構成することができる。

本発明のもう１つの側面によれば、本発明の風力発電機は、ナセルアセンブリの主軸を中空主軸で形成し、前記中空主軸内に挿れ, 設置されるプッシュプルロッドと、前記プッシュプルロッドの一端部と他端部にそれぞれ付着されるコネクティングロッドとアクチュエータと、前記中空主軸の一端に取り付けられる前記ハブの中心軸と前記ブレードとが所定の角度をなすように前記ブレードと前記コンロッドとに連結されるピボットピンジョイントと、を有し、前記角度に応じて前記ハブに設置されたピボットピンジョイントの制御位置が変わる、ピッチ制御機構をさらに含んで構成することができる。

本発明によれば、ローターの回転運動エネルギーをタワー内に垂直に設置される動力伝達軸を通じてナセルアセンブリの下部の中空軸部の下部に取り付けられる発電ユニットに伝達することにおいて、前記発電ユニットの発電負荷（電力生産について発電ユニットが抵抗するエネルギー）を受ける動力伝達軸に結合されるギアを主軸のギアにより回転させると、２つのギアの接触点（モーメントの等価平均点）、すなわち力点で、動力伝達軸のギアは、回転させる力を受けて、主軸のギアは、それに対する反作用の力を受けて、この力点で力の方向に直角方向の動力伝達軸とそれに結合されるギアの回転中心軸（AXIS）との間の距離による回転モーメントが創出され、ナセルアセンブリを回転させる反作用トルクとして作用することによって、この反作用トルクを発電ユニットの電磁気力によって相殺させるようにして、ナセルアセンブリの構造を単純化しながらも、フリー−ヨーイングを実現すると同時に、全体的な軽量化によって施設費を減少させることができる効果がある。

本発明の追加の利点は、同一または類似の参照番号が同じ構成要素を表示する添付図面を参照して、記述される以下の説明から明らかに理解できるであろう。

本発明の第１の実施の形態に係る風力発電機の構成を示す概略断面図である。 図１の線ａ−ａ'に沿って取った断面図およびナセルアセンブリが受ける反作用トルクを説明するための概念図である。 図１の線ａ−ａ'に沿って取った断面図およびナセルアセンブリが受ける反作用トルクを説明するための概念図である。 図１の発電ユニットの内部構成を示す部分詳細図および図１の線ｂ−ｂ'に沿って取った断面図である。 図１の発電ユニットの内部構成を示す部分詳細図および図１の線ｂ−ｂ'に沿って取った断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る反作用トルク相殺機構を有する風力発電機の構成を示す要部の概略断面図である。 図４の線ｃ−ｃ'、線ｄ−ｄ'、および線ｅ−ｅ'に沿って取った断面図である。 図４の線ｃ−ｃ'、線ｄ−ｄ'、および線ｅ−ｅ'に沿って取った断面図である。 図４の線ｃ−ｃ'、線ｄ−ｄ'、および線ｅ−ｅ'に沿って取った断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る風力発電機の構成を示す要部の概略断面図および図８ａの線ｆ−ｆ'に沿って取った断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る風力発電機の構成を示す要部の概略断面図および図８ａの線ｆ−ｆ'に沿って取った断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る風力発電機の構成を示す要部の概略断面図である。 図９ａの線ｇ−ｇ'に沿って取った断面図である。 本発明の第５の実施の形態に係る風力発電機の構成を示す要部概略断面図である。 図１０ａの線ｈ−ｈ'に沿って取った断面図である。 本発明の第６の実施の形態に係る風力発電機の構成を示す要部概略断面図である。 図１１ａの線ｉ−ｉ'に沿って取った断面図である。 本発明の第７の実施の形態に係る反作用トルク相殺機構を有する風力発電機のピッチ制御機構の構成を示す概略図である。 本発明の第７の実施の形態に係る反作用トルク相殺機構を有する風力発電機のピッチ制御機構の構成を示す概略図である。

以下、本発明の実施の形態および図面を参照して、本発明を詳細に説明する。図面の全体で同じ参照符号は同じ構成要素を指す。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る風力発電機の構成を示し、図２ａは、図１の線ａ−ａ'に沿って取った断面を示し、図２ｂは、ナセルアセンブリが受ける反作用トルクを説明するための図である。

図１、図２ａおよび図２ｂを参照すると、本発明の第１の実施の形態に係る風力発電機は、タワー部１００と、ナセルアセンブリ２００と、ローター３００とが順次組み立てられるものであり、ナセルアセンブリ２００の下部およびタワー部１００の上端が結合されるタワー部１００の中空軸部１２０には、フリー−ヨーイングのためのベアリング結合体を有するアダプタ部１６０が設置される。

本発明の第１の実施の形態に係る風力発電機は、タワー部１００の中空軸部１２０に備えられるアダプタ部１６０によってナセルアセンブリ２００が自由に旋回され、別のヨーイング装置なく自由に回転することにより、風向制御モーターなくブレード３１０が受ける風の抗力だけでナセルアセンブリ２００が自由に旋回するフリー−ヨーイングを実現する。

ナセルアセンブリ２００は、内部にベアリングが介在される支持フレーム２１０に水平に支持されて回転可能に設置される主軸２２０と、前記主軸２２０に装着されるかさ歯車２３０と、を含み、ローター３００は、ナセルアセンブリ２００の主軸２２０の一端に取り付けられるハブ３２０と、このハブ３２０に所定の角度をなすように連結される複数のブレード３１０と、を含み、風によってブレード３１０が回転することにより、主軸２２０も回転する。主軸２２０の他端には、ブレーキ２４０が取り付けられる。

タワー部１００は、ナセルアセンブリ２００の下部に結合される中空軸部１２０と、前記中空軸部１２０の内部のベアリング組立体１０２に垂直に回転可能に設置され、ナセルアセンブリ２００のかさ歯車２３０と結合するように上部にかさ歯車１４２が取り付けられる動力伝達軸１４０と、前記中空軸部１２０が回転することができるように前記中空軸部１２０の外面に嵌合されて結合するアダプタ部１６０および前記アダプタ部１６０の下部を支持するタワー本体１８０と、を含んでいる。

動力伝達軸１４０のかさ歯車１４２が主軸２２０のかさ歯車２３０と結合されることによって、主軸２２０の回転力が動力伝達軸１４０に伝達される。

アダプタ部１６０は、内部にヨーベアリング１６２が結合されて中空軸部１２０の外面にヨーベアリングを締結する内部および外部アダプタ１６４、１６６をそれぞれ含み、前記一対のヨーベアリング１６２は、前記中空軸部１２０の外面上部に突出形成された突起部１２２と外部アダプタ１６６との間に位置することができる。図面では、内部アダプタ１６４が上部に位置し、外部アダプタ１６６が下部に位置するが、逆に位置することもできる。

中空軸部１２０の下部には、プレートフランジ６０２が介在され発電ユニット６００が装着される。

発電ユニット６００は、タワーの軸１４０の下部にカップリング６０４により連結される回転子軸６１０と、前記回転子軸６１０に結合される回転子６２０と前記回転子６２０の外面に所定の間隔で離れて付着される一対の固定子６３０、６３５と、を含んでいる。前記固定子６３０、６３５の側面をめぐり、前記回転子軸６１０の上下部にそれぞれベアリングが介在されたハウジング６４０が取り付けられる。

タワー本体１８０は、ファンデーションインサート（Foundation Insert）182を基礎工事が終わった現場のインサート取付部１８４に埋め立て設置した後、ファンデーションインサート１８２（以下、タワー部の設置場所の支持部と呼ぶ）の上部に組み立てて完成する。

以上、図１および図２を参照して説明したように、フリー−ヨーイングする本発明の第１の実施の形態の風力発電機は、図１の矢印Ｚの方向に風が吹けば、その力でブレード３１０が回転することになり、風によってブレード３１０と主軸２２０が回転し、主軸２２０の回転力が動力伝達軸１４０に伝達され、動力伝達軸１４０に伝達された回転力は、発電ユニット６００の回転子軸６１０に伝達される。

図３ａおよび図３ｂは、それぞれ、図１の発電ユニットの内部の構成を示し、図１の線ｂ−ｂ'に沿って取った断面を示す。

図１、図２および図３を参照すると、本発明の第１の実施の形態に係る風力発電機は、発電ユニットの電磁気力を利用して、反作用トルクを相殺する。

主軸２２０の回転トルクＨによって、かさ歯車２３０が発電の負荷を受ける動力伝達軸１４０のかさ歯車１４２を矢印Ｆcの力で駆動することにより、発電負荷によって主軸２２０のかさ歯車２３０が矢印Ｆcの力をかけると同時に、それにより受ける反作用Ｆdが創出した動力伝達軸の回転軸（axis）を中心とするナセルアセンブリ２００を矢印Ｄの方向に回転させようとする反作用トルクＤはナセルアセンブリ２００にその一端が結合された中空軸部１２０を介して、その底部に結合された発電ユニット６００のハウジング６４０と、前記ハウジング６４０に一体に結合された固定子６３０、６３５に伝達される。

主軸２２０の回転トルクＨによって、主軸２２０のかさ歯車２３０が発電の負荷を受けている動力伝達軸１４０のかさ歯車１４２に結合された動力伝達軸１４０と，カップリング６０４と、回転子軸６１０とにより発電ユニット６００の回転子６２０を回転させると、発電ユニット６００の回転子６２０は、その一側と他側とにそれぞれ、Ｎ極とＳ極の磁石で構成されると共に、固定子６３０、６３５は、その一側と他側にそれぞれ、発電コイル６３２、６３４を備えているので、回転子６２０が回転子軸６１０により矢印Ｃの方向に回転し、回転子６２０の磁石が回転磁界を発生して固定子６３０、６３５の発電コイル６３２、６３４にレンツの法則による電磁気力が作用して、回転子６２０の磁極のＮ極の進行方向の固定子６３０とその発電コイル６３２とには、回転子６２０の運動を妨害するＮ極が誘導されて回転子６２０のＮ極とは、互いに押す斥力が作用し、その回電子６２０のＳ極とは引力が作用し、可動磁石の運動を妨害するような原理で、その他の固定子６３５とその発電コイル６３４とには、Ｓ極が誘導されて回転子６２０のＮ極、Ｓ極とそれぞれ引力と斥力の作用のために回転子６２０が固定子６３０、６３５から受ける反作用として矢印Ｔの方向に力を受けることによって創出された矢印Ｕのトルクは、発電の負荷として動力伝達軸１４０に伝達され、前記固定子６３０、６３５は、前記ハウジング６４０の内部に強固に結合されている、ハウジング６４０との單一の構造であるので、中空軸部１２０を介してハウジング６４０に渡されたナセルアセンブリ２００の受ける反作用トルクＤを受けることになり、また、固定子６３０、６３５は、前記回転磁界のレンツの法則による電磁気力によって、回転子６２０の斥力と引力で回転子６２０との同一の方向に回転する矢印Ｖのトルクを回転子から受け取って、固定子６３０、６３５は、単一体で、中空軸部１２０を介しての反作用トルクＤとレンツの法則による回転子６２０からの駆動トルクＶを受けることになり、サイズの同じで方向の逆である２つのトルクのベクトル（Vector）の合成が行われ２つのトルクの和は、Ｕ＋Ｖ＝Ｕ−Ｕ＝０（zero）になり、上の反作用トルクと前記駆動トルクとは、互いに相殺されて消滅することでナセルアセンブリ２００が反作用トルクによって旋回することなく、タワーの下部の発電ユニット６００が作動して発電することになる。

前記発電ユニットは、回転子６２０が２極であり、固定子６３０、６３５が２極の場合に反作用トルクを相殺する動作を説明したが、回転子６２０が２極ではなく、多極の回転子である場合と固定子６３０、６３５が２極ではなく多極にされた、様々な発電ユニットの場合も、レンツの法則の電磁気力で回転磁界を利用する場合は、前述したように、２つのトルクが互いに相殺される結果は同じであり、前記の実施の形態とは逆に、固定子６３０、６３５が磁石であり、回転子６２０にコイルが備えられた場合にも、反作用トルクの相殺結果は同じである。

また、中空軸部とタワー本体の結合は、ナセルアセンブリのフリーヨーイングが可能な公知の他の構成を使用することができる。

また、ナセルアセンブリ２００が相対的にタワー本体１８０に比べて直径が小さい中空軸部１２０に支持されることで、風がローター３００に向かって吹くとき風の投射面積が相対的に小さくなり、中空軸部１２０とブレード３１０の間で発生する低周波を減らす効果をさらに有する。

図４は、本発明の第２の実施の形態に係る風力発電機の構成を示し、図５〜図７は、それぞれ図４の線ｃ−ｃ'、線ｄ−ｄ'、および線ｅ−ｅ'に沿って取った断面を示す。

図４〜図７を参照すると、本発明の第２の実施の形態に係る風力発電機は、回転ベース機構７００をさらに含むこと以外は、前述した第１の実施の形態の構成と同様であるので、本実施の形態については、回転ベース機構７００についてのみ説明する。

回転ベース機構７００は、発電ユニット６００のハウジング６４０の下部に取り付けられるプレート７１０と、発電ユニット６００の回転子軸６１０を収容する収容部が形成され、前記プレート７１０に付着されるターンテーブル７２０と、インサート設置部１８２の基底面や地面に設置されるベース板７３０と、前記ターンテーブル７２０とベース板７３０との間に設置されるスラストベアリング７４０と、を含んで構成される。

ターンテーブル７２０の中空部とベース板７３０の中心部とに設置される心軸の支持部７３２には、回転子軸６１０と同軸である心軸７２２が締結ナット７２８によって挿入、締結されて発電ユニット６００を支持し、中空部の心軸７２２は、スラストベアリング７２４とラジアルベアリング７２６とが介在されて設置される。

前記の回転ベース機構９６０は、発電ユニット６００の回転子軸６１０と同軸に結合される心軸７２２を発電ユニット６００の設置場所の支持部に回転可能に支持する構造とする限り、前記と他の構造とすることができる。

本実施の形態での回転ベース機構７００は、スラストベアリング７４０の上にかなりの重量の発電ユニット６００を自在に容易に旋回して支持することができる。

図８ａおよび図８ｂは、それぞれ、本発明の第３の実施の形態に係る風力発電機の構成を示し、図８ａの線ｆ−ｆ'に沿って取った断面を示す。

図８を参照すると、本発明の第３の実施の形態に係る風力発電機は、複数の動力伝達軸の連結具８６０と、複数の中空軸部の分割体８２０を上下に組み合わせた動力伝達軸の多段連結機構８００によってヨーベアリング１６２の下部の動力伝達軸１４０と中空軸部１２０とを複数の分割体で構成することの以外に、前述した第１の実施の形態の構成と同様であるので、本実施の形態については、多段連結機構８００についてのみ説明する。

中空軸部の分割体８２０は、動力伝達軸の連結具８６０の上下の第１および第２の中空軸部の分割体８２２、８２４に分けられる。上部の第１の中空軸部の分割体８２２は、前述した第１の実施の形態の中空軸部１２０の下端とそれに隣接する動力伝達軸の連結具８６０の上部および第２の中空軸部の分割体８２４と結合されることであり、その結合は、下に説明する動力伝達軸の挿入支持部８２６への動力伝達軸１４０の挿入結合と共に、中空軸部１２０、中空軸部の分割体８２０および動力伝達軸１４０の温度変化による長さの変化量を吸収するようにするために図８ａでスプライン結合されることと示したことであり、スプライン結合の以外にカップリングなどの他の公知の結合方法を使用することもできる。図面の符号８２６は、結合のために、動力伝達軸１４０と同軸で中央に形成される動力伝達軸の挿入支持部を示し、最下段の第２の中空軸部の分割体８２４には発電ユニット６００が取り付けられる。

動力伝達軸の連結具８６０は、第１の中空軸部の分割体８２２の動力伝達軸の挿入支持部８２６を軸中心にして配置された内部ベアリングの支持体８６２と、前記内部ベアリングの支持体８６２を囲むように配置される外部ベアリングの支持体８６４と、内外部のベアリングの支持体８６２、８６４の間と外部のベアリングの支持体８６４の外周とに配置される上下の２対のベアリング６７０と、前記外部ベアフローリングの支持体８６４の外周の１対のベアリング８７０の外周と等間隔で離間してタワー本体１８０内に取り付けられる３つの突起を有する円形リム８６６と、を含んで構成される。

上では、前記のリム８６６の突起の３つである例を挙げて説明したが、それに限定されず、突起を４つ以上とすることができ、ベアリングの支持体とベアリングの結合体を中空軸部の内側に固定するためにリムではなく、公知の機械要素を使用することができる。

動力伝達軸の多段連結機構８００によって動力伝達軸１４０が複数の分割体に分けられるので、動力伝達軸１４０のヨーベアリング１６２の上部の部分およびその長さの短くなった動力伝達軸１４０の分割体のために、そのような分割体で構成される、動力伝達軸の回転時の振動が防止され、組み立て式にすることができ、施工期間を短縮することができ、施工費を削減することができる。

図９ａおよび図９ｂは、それぞれ、本発明の第４の実施の形態に係る風力発電機の構成を示し、図９ａの線ｇ−ｇ'に沿って取った断面を示す。

図９を参照すると、本発明の第４の実施の形態に係る風力発電機は、中空軸部の下部と発電ユニットの下部の回転ベース機構との間に反作用トルクを伝達する別の反作用トルクの伝達機構を含むこと以外には、前述した第２の実施の形態の構成と同様であるので、本実施の形態については、その反作用トルクの伝達機構９００についてのみ説明する。

反作用トルク伝達機構９００は、下端部に形成されたフランジ９２２にナセルリングギア９２４が設置される中空軸部９２０と、内側壁面に所定の間隔で設けられた複数の支持具９４２を有するタワー本体９４０と、ターンテーブル９６２の外面に付着したターンテーブルリングギア９６４の設置される回転ベース機構９６０と、一端に前記中空軸部９２０のナセルリングギア９２４に噛み合うナセルピニオンギア９８２が取り付けられ、他端に前記回転ベース機構９６０に設置されるターンテーブルリングギア９６４に噛み合う反作用トルクの伝達のためのピニオンギア９８４が付着され、前記タワー本体９４０内の支持具９４２に回転可能に取り付けられている反作用トルク伝達軸９８０と、を含んでいる。

前記の反作用トルク伝達機構９００の中空軸部９２０と回転ベース機構９６０との組み合わせは、その回転が可能な限り、前記の構造とは異にすることができる。また、前記の回転ベース機構９６０も発電ユニット６００の回転子軸６１０と同軸である心軸７２２を発電ユニット６００の設置場所の支持部に回転可能に支持する構造とする限り、前記の他の構造とすることのできるのは、前述の通りである。

上では、中空軸部１２０の下端部にフランジ９２２が一体に形成されたもので図示し、説明したが、フランジ９２２を別に作って中空軸部１２０の下部の端部に取り付けることもできる。

本実施の形態によれば、タワー本体９４０の内側に設置される反作用トルクの伝達軸９８０によって反作用トルクを相殺するため、設置、管理の取り扱いが便利に改善される。

前記の内容をまとめると、本実施の形態の風力発電機は、
風力を機械的回転運動エネルギーに変換する主軸２２０が備えられ、地面と水平を成すように設置されるローター３００と、
前記ローター３００の主軸２２０の内蔵されるナセルアセンブリ２００と、
前記ナセルアセンブリ２００の主軸２２０とギア結合により垂直に連結されて前記ローター３００の回転運動エネルギーの伝達される動力伝達軸１４０と、
前記ナセルアセンブリ２００の底面に結合される上端と下側に延長される下端とを有し、下端に形成されたフランジ９２２にナセルリングギア９２４の設置される中空軸部９２０と、
上端が上下ヨーベアリング１６２によって前記中空軸部９２０の外周面に結合され下端が設置場所の支持部に固定されるタワー本体９４０を有し、前記動力伝達軸１４０が、前記中空軸部９２０の内部から延長され、設置されるタワー部９６０と、
ハウジング６４０、回転子軸６１０、前記回転子軸６１０に結合される多極の回転子６２０および前記回転子６２０から距離を置いて設置される多極の固定子６３５を有し、前記ハウジング６４０が、前記動力伝達軸１４０に結合されるように配置され、前記動力伝達軸１４０に連結されて、前記動力伝達軸１４０を介して伝達される前記回転運動エネルギーによって発電する発電ユニット６００と、
前記発電ユニット６００の回転子軸６１０と同軸に結合される心軸７２２をタワー部９６０の設置場所の支持部に回転可能に支持する回転ベース機構７００と、
前記中空軸部９２０のナセルリングギアと回転ベース機構９６０との間に回転可能に結合される反作用トルクの伝達軸９８０と、を含んで構成される。

図１０ａおよび図１０ｂは、それぞれ、本発明の第５の実施の形態に係る風力発電機の構成を示し、図１０ａの線ｈ−ｈ'に沿って取った断面を示す。

図１０を参照すると、本発明の第５の実施の形態に係る風力発電機は、発電容量に応じて垂直に配置される複数の小型発電ユニットの並列運転構造を採用した構成以外に、前述した第２の実施の形態の構成と同一であるので、本実施の形態については、並列運転機構１０００についてのみ説明する。

複数の発電ユニットの並列運転機構１０００は、動力伝達軸１４０の支持されるベアリングが挿入される中央のベアリング支持部９２２および外周の底面に対向するように形成された２つのベアリング支持部９２５が備えられて中空軸部１２０の下部に結合されるハウジング９２０と、前記ベアリング支持部９２２を貫通する動力伝達軸１４０の下端に取り付けられたメイン歯車９４０と、前記ハウジング９２０の２つのベアリング支持部９２５に配置されるベアリングに軸結合されて前記メイン歯車９４０に、互いに対向して噛み合って回転する２つのサブ歯車９６０に発電ユニット９８０が軸結合される。

上では、２つの小型発電ユニット９８０を配置することで図示、説明したが、ベアリング支持部９２５とサブ歯車９６０を３つ以上にして、それぞれに小型発電ユニットを並列連結することで、発電ユニットの取り扱いと持ち運びとが容易である効果を有する。

図１１ａおよび図１１ｂは、それぞれ、本発明の、第６の実施の形態に係る風力発電機の構成を示し、図１１ａの線ｉ−ｉ'に沿って取った断面を示す。

図１１を参照すると、本発明の第６の実施の形態に係る風力発電機は、水平型発電ユニット機構１１００が中空軸部１２０の下部と回転ベース機構７００との間に設置されること以外、前述した第５の実施の形態の構成と同様であるので、本実施の形態については、水平型発電ユニット機構１１００についてのみ説明する。

水平発電ユニット機構１１００は、動力伝達軸１４０の支持されるベアリングが挿入される中央のベアリング支持具９２２の形成されて中空軸部１２０の下部と回転ベース機構７００との間に配置されるハウジング１１２０と、前記ハウジング１１２０を貫通して露出するように、前記動力伝達軸１４０の下部に取り付けられるかさ歯車１４８と、前記かさ歯車１４８に結合されるかさ歯車１４２で構成され、前記のかさ歯車１４２に発電ユニット６００の水平回転子軸が結合される。本実施の形態によれば、発電ユニットを垂直ではなく、水平方向にも設置することができますので、発電機の組み立てとメンテナンスに便利な効果を有する。

図１２は、本発明の第７の実施の形態に係る風力発電機のピッチ制御機構を示しており、図１２ａは、ストロール（Stroll）制御位置での構造の説明図であり、図１２ｂは、図１２ａの部分拡大図である。

図１２を参照すると、本発明の第７の実施の形態に係る風力発電機は、風速と運転状況に応じてブレードの回転角度を調整するピッチ制御機構の構成の以外に、前述した実施の形態の構成を採用することができるので、本実施の形態については、ピッチ制御機構１２００についてのみ説明する。

ピッチ制御機構１２００は、ナセルアセンブリ２００の主軸２２０の内部の穿孔された中空主軸１２２０の内に挿入され、設置されるプッシュプルロッド１２４０と、前記プッシュプルロッド１２４０の一端部と他端部にそれぞれ取り付けられるコネクティングロッド１２６０およびアクチュエータ１２８０と、前記中空主軸１２２０の一端に取り付けられるハブ３２０の回転中心軸（axis）と前記ブレード３１０とが所定の角度をなすようにコネクティングロッド１２６０に連結され、前記角度に応じる制御位置に変化するように、前記ハブ３２０に配置されるブレード３１０の端部に偏心性に設置されたピボットピンジョイント１３００と、を含んでいる。風によってブレード３１０が回転することに従って、中空主軸１２２０も回転し、風の速度に応じるアクチュエータ１２８０の動作によって、その一端が結合されるプッシュプルロッド１２４０が拮抗作用をすることにより、その他端に回転可能に結合されるコネクティングロッド１２６０の他端が、前記ブレード３１０の端部に偏心性に設置されるピボットピンジョイント１３００を作動させ、ブレード３１０を旋回させることで角度を変更して、ブレード３１０の風を迎える角度を必要に応じて変更する。

したがって、公知の偏心ピボット型ブレードピッチ制御機構は、偏心されたピボットピンジョイント１３００に結合される、コネクティングロッド１２６０と、プッシュプルロッド１２４０と、中空主軸１２２０およびアクチュエータ１２８０の動作することにより、摩耗により生じうる連結部での隙間をなくして、ローターの重量を減らし、ナセルアセンブリの重量のバランスを達成する。

前述したように、本発明に係る風力発電機は、ローターの回転運動エネルギーをタワー内に垂直に設置される動力伝達軸を通じて下部に取り付けられる発電ユニットに転送することにおいて、発電負荷により動力伝達軸で発生する駆動トルクをナセルアセンブリで受ける反発力、すなわち反作用トルクを、発電ユニットの電磁気力を利用して、相殺させることによって反作用トルク相殺機構とナセルアセンブリの構造を簡素化しながらも、フリー−ヨーイングを具現すると同時に、全体的な軽量化を介して施設費を減少することができる。

また、本発明に係る風力発電機は、回転ベース機構によって垂直の動力伝達軸の下部に取り付けられた重い重量の発電ユニットを柔軟かつ旋回可能に支持することにより、風が吹く方向に向かってナセルアセンブリのフリー−ヨーイングを具現することができ、風向きが頻繁に変わる場合にも、アクティブヨーイングより応答速度が速いので、ヨーイングエラー（yawing error）の発生時間を短縮することができる。

また、本発明に係る風力発電機は、長尺の垂直の動力伝達軸を多段に連結できるように動力伝達軸を複数の部分に分離し、それによって、発電ユニットに動力を伝達する前記動力伝達軸の複数の部分をタワー内に支持できるように具現することで、動力伝達軸の単位の高さとタワー本体の高さを減らすことができ、回転時に、その自体の振動を防止することができ、施工期間の短縮と施工費の削減が可能である。

前記の本発明の非限定的な実施の形態により、例えて説明する方法で説明したが、これらの実施の形態と説明は、本発明の主題と範囲を制限しようとするものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で様々な変形、変更および修正が可能であることと意図されたものである。前記詳細な説明に含まれていたり、添付図面に図示されたすべての事項は、例示的なもので、本発明を制限するためのものではない。したがって、本発明の範囲は、前述した例示的な実施の形態によって限定されず、以下の請求の範囲によって定められ、その均等物を含むものと理解されるべきである。

Claims (9)

1. 風力を機械的回転運動エネルギーに変換する主軸が備えられ、地面と水平を成すように設置されるローターと、
   前記ローターの主軸が内蔵されるナセルアセンブリと、
   前記ナセルアセンブリの主軸とギア結合により垂直に連結され前記ローターの回転運動エネルギーが伝達される動力伝達軸と、
   前記ナセルアセンブリの底面に結合される上端と下側に延長された下端とを有する中空軸部と、
   上端が前記中空軸部に結合され下端が設置場所の支持部に固定されるタワー本体を有し、前記動力伝達軸が前記中空軸部の内部に配置されるタワー部と、
   ハウジング、回転子軸、前記回転子軸に結合される複数の極の回転子および前記回転子から距離を置いて配置される複数の極の固定子と、を有し、前記ハウジングが、前記タワー部の中空軸部の下端に組み合って固定されて前記中空軸部にぶら下がって設置され、前記回転子軸のカップリングを介して前記動力伝達軸に結合されて、前記動力伝達軸を通じて伝達される前記回転運動エネルギーによって発電する発電ユニットと、を含んで構成され、
   前記発電ユニットの固定子に伝達される前記ナセルアセンブリの反作用トルクが、前記発電ユニットの回転子からの回転磁界のレンツの法則に従う電磁気力によって発生される駆動トルクによって相殺される、風力発電機
2. 請求項１に記載の風力発電機において、
   前記タワー部は、フリー−ヨーイングのために前記中空軸部の回転することができるように前記中空軸部の外面に取り付けられて結合され、タワー本体によって支持されるアダプタ部を有し、前記アダプタ部は内部に一対のヨーベアリングが結合されて前記中空軸部の外面に付着される内部および外部アダプタを含み、前記一対のヨーベアリングは、前記中空軸部の外面の上下に突設された突起部の間に位置することを特徴とする、風力発電機。
3. 請求項１または２に記載の風力発電機において、発電ユニット６００の回転子軸６１０と同軸に結合される心軸７２２を発電ユニット６００の設置場所の支持部に回転可能に支持する回転ベース機構をさらに含んで構成されることを特徴とする、風力発電機。
4. 請求項１または２に記載の風力発電機において、前記発電ユニットが付着される前記動力伝達軸と中空軸部とがそれぞれ複数の分割体で構成され、その分割体の結合される動力伝達軸の連結具を含んで構成されることを特徴とする、風力発電機。
5. 請求項４に記載の風力発電機において、前記動力伝達軸の連結具は、前記中空軸部の分割体の動力伝達軸の挿入部を中央に持つ内部ベアリング支持体と、前記内部ベアリング支持体を囲むように配置される外部ベアリング支持体と、前記外部ベアリング支持体の外面で等間隔に複数個離隔され、前記タワー本体内に取り付けられるリムと、を有し、前記内部ベアリング支持体と外部ベアリング支持体には、それぞれ上下２段で構成される軸受組立体が配置されることを特徴とする、風力発電機。
6. 請求項１または２に記載の風力発電機において、前記動力伝達軸に嵌合されるベアリング支持具が設けられ、前記ナセルアセンブリを支持する中空軸部の下部に結合されるハウジングと、前記ベアリング支持具を貫通して前記動力伝達軸の下部に取り付けられるメイン歯車と、前記メイン歯車の互いに対向して噛み合って回転されるように前記ハウジングの下部に所定の角度で軸結合される複数のサブ歯車と、前記サブ歯車のそれぞれの歯車軸に回転子軸が軸結合される複数の発電ユニットからなる並列運転機構をさらに含むことを特徴とする、風力発電機。
7. 請求項５に記載の風力発電機において、前記ナセルアセンブリを支持する中空軸部の下部と前記回転ベースアセンブリとの間に設置される水平型発電ユニット機構をさらに含み、前記水平型発電ユニット機構は、前記動力伝達軸に嵌合されるベアリング支持具が設置されて前記中空軸部の下部と前記回転ベースアセンブリとの間に設置されるハウジングと、前記ハウジング内に露出する前記動力伝達軸の下部に取り付けられるかさ歯車と、前記かさ歯車に結合されるかさ歯車が水平回転子軸の端部に結合される発電ユニットをさらに含むことを含むことを特徴とする、風力発電機。
8. 請求項１または２に記載の風力発電機において、前記ローターのブレードの風の迎え角度を調整するピッチ制御機構をさらに含み、前記ピッチ制御機構は、前記ナセルアセンブリの主軸の中心を穿孔してなる中空主軸内に水平に設置されるプッシュプルロッドと、前記プッシュプルロッドの一端部と他端部とにそれぞれ取り付けられるコネクティングロッドおよびリニアアクチュエータと、前記中空主軸の一端に取り付けられる前記ローターの回転中心軸と前記ブレードとが所定の角度をなすようにコネクティングロッドと連結され、前記角度に応じる制御位置に変化するように、前記ハブに配置されるブレードの端部に偏心性に設置されるピボットピンジョイントと、を含むことを特徴とする、風力発電機。
9. 風力を機械的回転運動エネルギーに変換する主軸が備えられ、地面と水平を成すように設置されるローターと、
   前記ローターの主軸が内蔵されるナセルアセンブリと、
   前記ナセルアセンブリの主軸とギア結合により垂直に連結され、前記ローターの回転運動エネルギーが伝達される動力伝達軸と、
   前記ナセルアセンブリの底面に結合される上端と下側に延長された下端を有する中空軸部と、上部が前記中空軸部に結合され下端が設置場所の支持部に固定されるタワー本体と、を有し、前記動力伝達軸が、前記中空軸部の内部から延長され、設置されるタワー部と、
   ハウジング、回転子軸、前記回転子軸に結合される多極回転子と、前記回転子から距離を置いて設置される多極の固定子を有し、前記ハウジングは、前記動力伝達軸に結合されるように配置され、前記動力伝達軸を通じて伝達される前記回転運動エネルギーによって発電する発電ユニットと、
   前記発電ユニットの回転子軸と同軸に結合される心軸を発電ユニットの設置場所の支持部に回転可能に支持する回転ベース機構と、
   前記中空軸部のナセルリングギアと回転ベース機構との間に回転可能にギア結合される反作用トルク伝達軸を含んで構成される、風力発電機。

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