JP4233400B2 - 風車羽根のピッチ角駆動装置 - Google Patents
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- Y02E10/70—Wind energy
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風車羽根のピッチ角を調整するための風車羽根のピッチ角駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自然エネルギーを利用して発電する一形態として風力発電装置が知られているが、この風力発電装置は、風力によって回転する風車の回転エネルギー（機械的エネルギー）を発電機によって電気的エネルギーに変換するものである。
【０００３】
ところで、自然において風向きや風速等は一定ではなく、これらは時事刻々と変化するため、これらの風向きや風速等の変化に対して風車羽根を常に最適なピッチ角に設定して高い発電効率を確保する必要がある。
【０００４】
そこで、風車には、風向きや風速等に応じて風車羽根のピッチ角を制御するためピッチ角駆動装置が設けられるが、このピッチ角駆動装置の駆動源としては電動モータが用いられている。
【０００５】
ところが、落雷等によって電源がダウンしたような非常時には、ピッチ角駆動装置の駆動源である電動モータの作動が停止して風車羽根のピッチ角が固定されるため、風車羽根はそのまま回転し続けるという不具合が発生する。
【０００６】
そこで、商用電源以外をエネルギー源として作動する補助駆動源を並設し、非常時には補助駆動源によって風車羽根を所定のリセット位置（フラッグ位置）まで回動させて該風車羽根の回転を停止させることが行われており、補助駆動源としては、バネの付勢力を利用したバネ式蓄力装置が提案されている（特許文献１参照）。
【０００７】
ところが、上記バネ式蓄力装置は、大容量のバネを必要とするために大型化し、スペースに制約を伴う風車への設置には不向きであるという問題を有している。
【０００８】
そこで、非常用バッテリーを電源として作動する補助電動モータを補助駆動源として並設することが考えられる。
【０００９】
【特許文献１】
ドイツ特許第１９７２００２５号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のように補助電動モータを非常用の駆動源として用いる場合、ピッチ角駆動装置に２つの電動モータ（正常運転時に作動する主電動モータと非常時に作動する補助電動モータ）を取り付ける必要があるため、装置自体が大型化及び高重量化するという問題が生じる。
【００１１】
又、補助電動モータと非常用バッテリーが高コスト化を招くとともに、寿命による非常用バッテリーの定期的な交換が必要でメンテナンスに手間を要するという問題も生ずる。
【００１２】
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、小型・軽量化とコストダウン及びメンテナンスフリーを実現することができる風車羽根のピッチ角駆動装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、正常運転時に作動する主電動モータと非常時に作動する補助モータとを並設し、前記主電動モータ又は補助モータの回転を切換手段によって選択的に風車羽根に伝達してそのピッチ角を調整する風車羽根のピッチ角駆動装置において、前記補助モータを、アキュームレータを油圧源として作動する油圧モータで構成したことを特徴とする。
【００１４】
従って、請求項１記載の発明によれば、非常時に作動する補助モータを、電動モータに比して小型・コンパクトに構成し得る油圧モータで構成したため、装置の小型・軽量化を図ることができる。又、非常時にはアキュームレータに貯留された圧油によって油圧モータが機械的に確実に作動するため、電気的な駆動に比して高い信頼性を確保することができるとともに、電動モータにおいて必要であった非常用バッテリーの定期的な交換が不要となってメンテナンスフリーを実現することができる。更に、アキュームレータは場所を選ばず任意の位置に設置することができるため、風車内のスペースを有効に利用することができる。
【００１５】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記切換手段を、非常時にＯＮして前記油圧モータの回転を前記風車羽根に伝達する電磁クラッチ又は油圧クラッチで構成したことを特徴とする。
【００１６】
従って、請求項２記載の発明によれば、非常時に電磁クラッチ又は油圧クラッチをＯＮして油圧モータの回転を風車羽根に伝達し、該風車羽根を所定のリセット位置まで回動させることができるが、特に油圧クラッチを用いれば、その駆動源としての電源が不要となる。
【００１７】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、油圧ポンプから前記アキュームレータに供給される油圧が設定値を超えると前記油圧ポンプの駆動を停止させる圧力電磁スイッチを設けたことを特徴とする。
【００１８】
従って、請求項３記載の発明によれば、アキュームレータ内には常に所定圧の圧油が貯留され、アキュームレータの内圧は設定値に保たれる。
【００１９】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３の何れかに記載の発明において、前記油圧モータからの戻り油路の途中に、通常作動時に閉じる電磁開閉弁を設けたことを特徴とする。
【００２０】
従って、請求項４記載の発明によれば、通常作動時において何らかの原因で切換手段がＯＦＦされないでＯＮ状態を維持したまま油圧モータが主電動モータによって駆動される場合においても、オイルパン内のオイルが戻り油路から油圧モータに吸引されることがない。このため、油圧モータに負圧が発生してキャビテーションを起こすことがなく、該油圧モータの損傷が防がれる。
【００２１】
請求項５記載の発明は、請求項１〜４の何れかに記載の発明において、前記アキュームレータから前記油圧モータに至る送り油路から分岐してオイルパンに至るバイパス油路の途中に、非常時における風車羽根のリセット位置近傍において作動して前記バイパス油路を開くカム弁を設けたことを特徴とする。
【００２２】
従って、請求項５記載の発明によれば、非常時に風車羽根がリセット位置へと戻される過程において、風車羽根がリセット位置の直前まで回動された時点で、カム弁が作動してバイパス油路を開くため、アキュームレータからの圧油は油圧モータをバイパスしてバイパス油路を通ってオイルパンに戻され、この結果、油圧モータのトルクが低く抑えられ、羽根がリセット位置にセットされる際に受ける衝撃が緩和される。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２４】
図１は風車のロータボス部の部分正断面図、図２は本発明に係るピッチ角駆動装置の断面図である。
【００２５】
図１に示す風車１は、風力発電装置に設けられるものであって、その回転エネルギーは不図示の発電機によって電気的エネルギーに変換される。
【００２６】
ところで、図１に示すように、風車１のロータボス２には３枚の羽根３が放射状に等角度ピッチ（１２０°ピッチ）で取り付けられているが、各羽根３は、ロータボス２の外周部にその軸中心回りに回動可能に取り付け支持されており、そのピッチ角は、ロータボス２に取り付けられた本発明に係るピッチ角駆動装置１０によって最適に制御される。
【００２７】
即ち、各羽根３の基端部には、リングギヤ４が複数のボルト５とこれら螺合するナット６によって取り付けられており、各羽根３は、そのピッチ角が調整可能なように、ボールベアリング７によってロータボス２の外周部にその軸中心回りに回動可能に支持されている。尚、前記リングギヤ４はボールベアリング７の内輪を構成し、ボルト８によってロータボス２に取り付けられたリング状部材９がボールベアリング７の外輪を構成している。
【００２８】
又、各羽根３に対して各々設けられた前記ピッチ角駆動装置１０は、ロータボス２の内部に収容固定されており、これは、正常運転時に作動する主電動モータ１１と非常時に作動する補助モータとしての油圧モータ１２とを並設し、これらの主電動モータ１１又は油圧モータ１２の回転を減速機１３を経て各羽根３に伝達してそのピッチ角を調整するものである。ここで、前記減速機１３の出力軸１４の端部には小径のギヤ１５が取り付けられており、このギヤ１５は前記リングギヤ４に噛合している。
【００２９】
ここで、本発明に係るピッチ角駆動装置１０の構成の詳細を図２に基づいて説明する。
【００３０】
前記ロータボス２（図１参照）に固定されたギヤボックス１６の一側には、前記主電動モータ１１と油圧モータ１２が取り付けられており、同ギヤボックス１６の他側の主電動モータ１１に対向する位置には前記減速機１３が取り付けられている。尚、本実施の形態では、主電動モータ１１は、商用電源によって駆動される正逆転可能なＡＣ又はＤＣサーボモータで構成されており、これには主電動モータ１１の回転方向と回転角度及び回転数を検出するための不図示のエンコーダが内蔵されている。
【００３１】
前記主電動モータ１１の出力軸１８のギヤボックス１６内に臨む端部には大小異径のギヤ１９，２０が刻設されており、ギヤ２０には前記減速機１３のギヤ２１が噛合している。
【００３２】
ここで、減速機１３は偏心揺動型減速機（詳細は例えば特開２００３−８３４００号公報参照）であって、これは、主電動モータ１１の出力軸１８の回転を前記ギヤ２０及び２１と２個のＲＶギヤ２２によって２段減速して出力軸１４に伝達するものであって、出力軸１４の端部には前記ギヤ１５が取り付けられている。
【００３３】
他方、前記油圧モータ１２は、ハウジング２３を介してギヤボックス１６に取り付けられており、その出力軸２４は主電動モータ１１の出力軸１８と平行に配され、その回転は、ハウジング２３内に設けられた切換手段としての電磁クラッチ２５によって回転軸２６に選択的に伝達される。
【００３４】
ここで、電磁クラッチ２５は、リード線２７から電磁石２８への通電によってＯＦＦして油圧モータ１２の出力軸２４と回転軸２６との連結を遮断し、非常時に電磁石２８への通電が遮断されると不図示のスプリングの付勢力によってＯＮして油圧モータ１２の出力軸２４と回転軸２６とを連結する。
【００３５】
又、油圧モータ１２の出力軸２４と同軸に配された前記回転軸２６のギヤボックス１６内に臨む部位には小径のギヤ２９が刻設されており、このギヤ２９は、大径のアイドラギヤ３０に噛合しており、アイドラギヤ３０は、主電動モータ１１の出力軸１８に形成された前記ギヤ１９に噛合している。
【００３６】
次に、前記油圧モータ１２を駆動するための油圧回路の構成を図３に基づいて説明する。
【００３７】
前記油圧モータ１２は、アキュームレータ３１を油圧源として作動するものであって、アキュームレータ３１には、電動モータ３２によって駆動される油圧ポンプ３３から所定圧の圧油が逆止弁３４を経て供給されて貯留される。即ち、電動モータ３２によって油圧ポンプ３３が駆動されると、オイルパン３５内のオイルが油路ａから吸引されて油圧ポンプ３３によって所定圧（＝１５０〜２５０ｋｇ／ｃｍ2 ）まで昇圧され、この昇圧されたオイル（圧油）は前記逆止弁３４を押し開いて油路ｂを経てアキュームレータ３１に供給されて貯留される。
【００３８】
ここで、油路ｂの途中から分岐して前記オイルパン３５に至る油路ｃの途中にはリリーフ弁３６が設けられており、このリリーフ弁３６は、油圧ポンプ３３から吐出される圧油の圧力が設定値（＝１５０〜２５０ｋｇ／ｃｍ2 ）を超えると開いて圧油を油路ｃからオイルパン３５へと戻し、アキュームレータ３１に供給される圧油の圧力を設定値以下に保持する。
【００３９】
又、アキュームレータ３１の近傍には圧力電磁スイッチ３７が設けられており、この圧力電磁スイッチ３７は、アキュームレータ３１内の圧力が設定値を超えると電動モータ３２への通電を遮断して油圧ポンプ３３の駆動を停止させる。つまり、アキュームレータ３１内に所定圧の圧油が十分貯留されると、油圧ポンプ３３の駆動が停止され、アキュームレータ３１内の圧油が消費されてアキュームレータ３１内の圧力が下がると、圧力電磁スイッチ３７によって電動モータ３２への通電がなされて該電動モータ３２によって油圧ポンプ３３が駆動され、アキュームレータ３１に所定圧の圧油が供給されて貯留される。
【００４０】
ところで、アキュームレータ３１から前記油圧モータ１２に至る送り油路ｄの途中には電磁開閉弁３８が設けられており、該電磁開閉弁３８は、通電時に閉じてアキュームレータ３１から油圧モータ１２への圧油の供給を遮断し、非通電時に開いてアキュームレータ３１から油圧モータ１２への圧油の供給を許容する。
【００４１】
又、油圧モータ１２からオイルパン３５へと至る戻り油路ｅの途中には流量調整弁３９と電磁開閉弁４０が設けられており、電磁開閉弁４０は、通電時に閉じてオイルパン３５から油圧モータ１２への圧油の吸い込みを防ぎ、非通電時に開いて油圧モータ１２からオイルパン３５への圧油の戻りを許容する。
【００４２】
更に、前記送り油路ｅから分岐してオイルパン３５に至るバイパス油路ｆの途中には、非常時における羽根３のリセット位置（図３に鎖線にて示す位置）近傍において不図示のカムによって機械的に作動せしめられてバイパス油路ｆを開くカム弁４１が設けられている。
【００４３】
尚、本発明に係るピッチ角駆動装置１０は各羽根３に対してそれぞれ設けられ、従って、本実施の形態においては３セットのピッチ角駆動装置１０が設けられ、これに伴い油圧回路中のアキュームレータ３１、圧力電磁スイッチ３７、電磁開閉弁３８，４０、流量調整弁３９、カム弁４１等も羽根３の枚数分（本実施の形態では、３セット）設けられるが、油圧ポンプ３３とこれを駆動する電動モータ３２及びリリーフ弁３６はそれぞれ１つずつ設けられ、これらは全ピッチ角駆動装置１０に対して共用される。
【００４４】
次に、以上の構成を有するピッチ角駆動装置１０の作用について説明する。
【００４５】
先ず、商用電源を使用することができる通常作動時においては、図１に示す風車１は、３枚の羽根３が自然の風を受けることによって回転し、その回転は不図示のロータ及び増速機を経て増速されて不図示の発電機に伝達され、発電機によって発電されて風車１の回転エネルギー（機械的エネルギー）が電気的エネルギーに変換される。
【００４６】
ここで、風向きや風速等の変化に対して各羽根３を常に最適なピッチ角に設定して高い発電効率を維持するために、各羽根３のピッチ角は本発明に係るピッチ角駆動装置１０によってそれぞれ制御されて常に最適値に調整される。
【００４７】
即ち、風車１には不図示の風向計と風速計が設けられており、これらの風向計と風速計によって検出された風向きと風速は不図示のコントローラに送信される。すると、コントローラは、検出された風向きと風速に対して各羽根３の最適ピッチ角を求め、各羽根３のピッチ角が最適値となるよう主電動モータ１１の駆動を制御する。
【００４８】
ところで、この通常作動時においては、油圧回路の電磁開閉弁３８，４０には共に通電がなされているため、図３に示すように、これらの電磁開閉弁３８，４０は共にＡ位置に切り換えられて閉じられている。従って、アキュームレータ３１から油圧モータ１２への圧油の供給が遮断され、油圧モータ１２は非作動状態を維持している。又、通常作動時には、カム弁４１はＣ位置に切り換えられて閉状態にあり、アキュームレータ３１からの圧油のオイルパン３５への戻りは遮断されている。
【００４９】
又、通常作動時においては、各ピッチ角駆動装置１０の電磁クラッチ２５には通電がなされているため、前述のように該電磁クラッチ２５はＯＦＦ状態にあり、油圧モータ１２の出力軸２４と回転軸２６との連結は遮断されている。
【００５０】
而して、前述のようにコントローラによって主電動モータ１１が駆動制御されると、その出力軸１８の回転は、ギヤ２０，２１を経て減速機１３に伝達され、該減速機１３によって減速されて出力軸１４へと出力される。すると、出力軸１４と共にギヤ１５が回転し、該ギヤ１５に噛合するリングギヤ４（図１参照）が回動するため、該リングギヤ４と共に各羽根３が図３に実線にて示す位置を起点として所定の方向に所定角度だけ回動せしめられ、そのピッチ角が最適値に調整される。尚、このとき、主電動モータ１１の回転軸１８の回転は、ギヤ１９、アイドラギヤ３０及びギヤ２９を経て回転軸２６に伝達されるが、通常作動時には電磁クラッチ２５への通電がなされて該電磁クラッチ２５がＯＦＦされているため、回転軸２６の回転は油圧モータ１２の出力軸２４へは伝達されず、油圧モータ１２は非作動状態を維持している。
【００５１】
ところで、油圧回路の戻り油路ｅの途中に設けられた電磁開閉弁４０は、通常作動時には前述のように閉状態にあるため、何らかの原因で電磁クラッチ２５がＯＦＦされないでＯＮ状態を維持したまま油圧モータ１２が主電動モータ１１によって駆動される場合においても、オイルパン３５内のオイルが戻り油路ｅから油圧モータ１２に吸引されることがない。このため、油圧モータ１２に負圧が発生してキャビテーションを起こすことがなく、該油圧モータ１２の損傷が防がれる。
【００５２】
而して、落雷等によって停電が発生した非常時には、主電動モータ１１への通電が遮断されて該主電動モータ１１の駆動が停止されると同時に、電磁クラッチ２５及び油圧回路の電磁開閉弁３８，４０への通電が遮断されるため、電磁クラッチ２５がＯＮされて油圧モータ１２の出力軸２４と回転軸２６とが連結されるとともに、図４に示すように、電磁開閉弁３８，４０は共にＢ位置に切り換えられて開かれる。
【００５３】
上述のように、電磁開閉弁３８，４０が開かれると、アキュームレータ３１に蓄えられていた圧油が図４に矢印にて示すように送り油路ｄから油圧モータ１２へと供給されて該油圧モータ１２が駆動され、その出力軸２４の回転は、ＯＮ状態にある電磁クラッチ２５を経て回転軸２６に伝達され、更にギヤ２９、アイドルギヤ３０及びギヤ１９を経て主電動モータ１１の出力軸１８に伝達されて該出力軸１８が回転駆動される。そして、主電動モータ１１の出力軸１８の回転は、通常作動時と同様に、ギヤ２０，２１を経て減速機１３に伝達され、該減速機１３によって減速されて出力軸１４へと出力される。すると、出力軸１４と共にギヤ１５が回転し、該ギヤ１５に噛合するリングギヤ４（図１参照）が回動するため、該リングギヤ４と共に各羽根３が図４に実線にて示すリセット位置（風の方向に対する羽根３の仰角が０となる位置）まで回動せしめられる。
【００５４】
尚、油圧モータ１２の駆動に供された圧油は、流量調整弁３９と電磁開閉弁４０を通過してオイルパン３５に戻されるが、その流量及び圧力が流量調整弁３９によって調整されることによって、油圧モータ１２の回転数とトルクが任意に調整される。
【００５５】
而して、上述のように各羽根３がリセット位置へと戻される過程において、各羽根３がリセット位置の直前まで回動された時点で、前記リングギヤ４の一部に形成された不図示カムが油圧回路の前記カム弁４１を作動させる。すると、図５に示すように、カム弁４１がＣ位置からＤ位置に切り換えられてバイパス油路ｆが開かれ、アキュームレータ３１からの圧油は、図５に矢印にて示すように、油圧モータ１２をバイパスしてバイパス油路ｆを通ってオイルパン３５に戻される。従って、羽根３がリセット位置に至る直前においては油圧モータ１２のトルクが低く抑えられ、羽根３がリセット位置にセットされる際に受ける衝撃が緩和される。
【００５６】
そして、各羽根３が図４及び図５に実線にて示すリセット位置まで回動すると、各羽根３の風に対する仰角が０となるため、非常時において風車１は回転を停止してその安全が確保される。
【００５７】
以上のように、本発明に係るピッチ角駆動装置１０においては、非常時に作動する補助モータを、電動モータに比して小型・コンパクトに構成し得る油圧モータ１２で構成したため、装置の小型・軽量化を図ることができる。
【００５８】
又、非常時にはアキュームレータ３１に貯留された圧油によって油圧モータ１２が機械的に確実に作動するため、電気的な駆動に比して高い信頼性を確保することができるとともに、電動モータにおいて必要であった非常用バッテリーの定期的な交換が不要となってメンテナンスフリーを実現することができる。
【００５９】
更に、油圧モータ１２の駆動源としてのアキュームレータ３１は場所を選ばず任意の位置に設置することができるため、風車１内のスペースを有効に利用することができる。
【００６０】
尚、以上の実施の形態では、切換手段を電磁クラッチで構成したが、切換手段を油圧クラッチで構成し、非常時に油圧クラッチを油圧でＯＮさせて油圧モータの回転を風車羽根に伝達するようにしても良い。このように、油圧で作動する油圧クラッチを採用すれば、駆動源としての電源が不要となる。
【００６１】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、正常運転時に作動する主電動モータと非常時に作動する補助モータとを並設し、前記主電動モータ又は補助モータの回転を切換手段によって選択的に風車羽根に伝達してそのピッチ角を調整する風車羽根のピッチ角駆動装置において、前記補助モータを、アキュームレータを油圧源として作動する油圧モータで構成したため、当該ピッチ角駆動装置の小型・軽量化とコストダウン及びメンテナンスフリーを実現することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】風車のロータボス部の部分正断面図である。
【図２】本発明に係るピッチ角駆動装置の断面図である。
【図３】本発明に係るピッチ角駆動装置の油圧回路図（通常作動時）である。
【図４】本発明に係るピッチ角駆動装置の油圧回路図（非常時）である。
【図５】本発明に係るピッチ角駆動装置の油圧回路図（非常時において風車羽根がリセット位置にセットされる直前の状態）である。
【符号の説明】
１ 風車
２ ロータボス
３ 羽根（風車羽根）
４ リングギヤ
１０ ピッチ角駆動装置
１１ 主電動モータ
１２ 油圧モータ（補助モータ）
１３ 減速機
１５ ギヤ
２５ 電磁クラッチ（切換手段）
３１ アキュームレータ
３２ 電動モータ
３３ 油圧ポンプ
３５ オイルパン
３６ リリーフ弁
３７ 圧力電磁スイッチ
３８ 電磁開閉弁
３９ 流量調整弁
４０ 電磁開閉弁
４１ カム弁
ａ〜ｃ 油路
ｄ 送り油路
ｅ 戻り油路
ｆ バイパス油路
【発明の属する技術分野】
本発明は、風車羽根のピッチ角を調整するための風車羽根のピッチ角駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自然エネルギーを利用して発電する一形態として風力発電装置が知られているが、この風力発電装置は、風力によって回転する風車の回転エネルギー（機械的エネルギー）を発電機によって電気的エネルギーに変換するものである。
【０００３】
ところで、自然において風向きや風速等は一定ではなく、これらは時事刻々と変化するため、これらの風向きや風速等の変化に対して風車羽根を常に最適なピッチ角に設定して高い発電効率を確保する必要がある。
【０００４】
そこで、風車には、風向きや風速等に応じて風車羽根のピッチ角を制御するためピッチ角駆動装置が設けられるが、このピッチ角駆動装置の駆動源としては電動モータが用いられている。
【０００５】
ところが、落雷等によって電源がダウンしたような非常時には、ピッチ角駆動装置の駆動源である電動モータの作動が停止して風車羽根のピッチ角が固定されるため、風車羽根はそのまま回転し続けるという不具合が発生する。
【０００６】
そこで、商用電源以外をエネルギー源として作動する補助駆動源を並設し、非常時には補助駆動源によって風車羽根を所定のリセット位置（フラッグ位置）まで回動させて該風車羽根の回転を停止させることが行われており、補助駆動源としては、バネの付勢力を利用したバネ式蓄力装置が提案されている（特許文献１参照）。
【０００７】
ところが、上記バネ式蓄力装置は、大容量のバネを必要とするために大型化し、スペースに制約を伴う風車への設置には不向きであるという問題を有している。
【０００８】
そこで、非常用バッテリーを電源として作動する補助電動モータを補助駆動源として並設することが考えられる。
【０００９】
【特許文献１】
ドイツ特許第１９７２００２５号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のように補助電動モータを非常用の駆動源として用いる場合、ピッチ角駆動装置に２つの電動モータ（正常運転時に作動する主電動モータと非常時に作動する補助電動モータ）を取り付ける必要があるため、装置自体が大型化及び高重量化するという問題が生じる。
【００１１】
又、補助電動モータと非常用バッテリーが高コスト化を招くとともに、寿命による非常用バッテリーの定期的な交換が必要でメンテナンスに手間を要するという問題も生ずる。
【００１２】
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、小型・軽量化とコストダウン及びメンテナンスフリーを実現することができる風車羽根のピッチ角駆動装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、正常運転時に作動する主電動モータと非常時に作動する補助モータとを並設し、前記主電動モータ又は補助モータの回転を切換手段によって選択的に風車羽根に伝達してそのピッチ角を調整する風車羽根のピッチ角駆動装置において、前記補助モータを、アキュームレータを油圧源として作動する油圧モータで構成したことを特徴とする。
【００１４】
従って、請求項１記載の発明によれば、非常時に作動する補助モータを、電動モータに比して小型・コンパクトに構成し得る油圧モータで構成したため、装置の小型・軽量化を図ることができる。又、非常時にはアキュームレータに貯留された圧油によって油圧モータが機械的に確実に作動するため、電気的な駆動に比して高い信頼性を確保することができるとともに、電動モータにおいて必要であった非常用バッテリーの定期的な交換が不要となってメンテナンスフリーを実現することができる。更に、アキュームレータは場所を選ばず任意の位置に設置することができるため、風車内のスペースを有効に利用することができる。
【００１５】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記切換手段を、非常時にＯＮして前記油圧モータの回転を前記風車羽根に伝達する電磁クラッチ又は油圧クラッチで構成したことを特徴とする。
【００１６】
従って、請求項２記載の発明によれば、非常時に電磁クラッチ又は油圧クラッチをＯＮして油圧モータの回転を風車羽根に伝達し、該風車羽根を所定のリセット位置まで回動させることができるが、特に油圧クラッチを用いれば、その駆動源としての電源が不要となる。
【００１７】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、油圧ポンプから前記アキュームレータに供給される油圧が設定値を超えると前記油圧ポンプの駆動を停止させる圧力電磁スイッチを設けたことを特徴とする。
【００１８】
従って、請求項３記載の発明によれば、アキュームレータ内には常に所定圧の圧油が貯留され、アキュームレータの内圧は設定値に保たれる。
【００１９】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３の何れかに記載の発明において、前記油圧モータからの戻り油路の途中に、通常作動時に閉じる電磁開閉弁を設けたことを特徴とする。
【００２０】
従って、請求項４記載の発明によれば、通常作動時において何らかの原因で切換手段がＯＦＦされないでＯＮ状態を維持したまま油圧モータが主電動モータによって駆動される場合においても、オイルパン内のオイルが戻り油路から油圧モータに吸引されることがない。このため、油圧モータに負圧が発生してキャビテーションを起こすことがなく、該油圧モータの損傷が防がれる。
【００２１】
請求項５記載の発明は、請求項１〜４の何れかに記載の発明において、前記アキュームレータから前記油圧モータに至る送り油路から分岐してオイルパンに至るバイパス油路の途中に、非常時における風車羽根のリセット位置近傍において作動して前記バイパス油路を開くカム弁を設けたことを特徴とする。
【００２２】
従って、請求項５記載の発明によれば、非常時に風車羽根がリセット位置へと戻される過程において、風車羽根がリセット位置の直前まで回動された時点で、カム弁が作動してバイパス油路を開くため、アキュームレータからの圧油は油圧モータをバイパスしてバイパス油路を通ってオイルパンに戻され、この結果、油圧モータのトルクが低く抑えられ、羽根がリセット位置にセットされる際に受ける衝撃が緩和される。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２４】
図１は風車のロータボス部の部分正断面図、図２は本発明に係るピッチ角駆動装置の断面図である。
【００２５】
図１に示す風車１は、風力発電装置に設けられるものであって、その回転エネルギーは不図示の発電機によって電気的エネルギーに変換される。
【００２６】
ところで、図１に示すように、風車１のロータボス２には３枚の羽根３が放射状に等角度ピッチ（１２０°ピッチ）で取り付けられているが、各羽根３は、ロータボス２の外周部にその軸中心回りに回動可能に取り付け支持されており、そのピッチ角は、ロータボス２に取り付けられた本発明に係るピッチ角駆動装置１０によって最適に制御される。
【００２７】
即ち、各羽根３の基端部には、リングギヤ４が複数のボルト５とこれら螺合するナット６によって取り付けられており、各羽根３は、そのピッチ角が調整可能なように、ボールベアリング７によってロータボス２の外周部にその軸中心回りに回動可能に支持されている。尚、前記リングギヤ４はボールベアリング７の内輪を構成し、ボルト８によってロータボス２に取り付けられたリング状部材９がボールベアリング７の外輪を構成している。
【００２８】
又、各羽根３に対して各々設けられた前記ピッチ角駆動装置１０は、ロータボス２の内部に収容固定されており、これは、正常運転時に作動する主電動モータ１１と非常時に作動する補助モータとしての油圧モータ１２とを並設し、これらの主電動モータ１１又は油圧モータ１２の回転を減速機１３を経て各羽根３に伝達してそのピッチ角を調整するものである。ここで、前記減速機１３の出力軸１４の端部には小径のギヤ１５が取り付けられており、このギヤ１５は前記リングギヤ４に噛合している。
【００２９】
ここで、本発明に係るピッチ角駆動装置１０の構成の詳細を図２に基づいて説明する。
【００３０】
前記ロータボス２（図１参照）に固定されたギヤボックス１６の一側には、前記主電動モータ１１と油圧モータ１２が取り付けられており、同ギヤボックス１６の他側の主電動モータ１１に対向する位置には前記減速機１３が取り付けられている。尚、本実施の形態では、主電動モータ１１は、商用電源によって駆動される正逆転可能なＡＣ又はＤＣサーボモータで構成されており、これには主電動モータ１１の回転方向と回転角度及び回転数を検出するための不図示のエンコーダが内蔵されている。
【００３１】
前記主電動モータ１１の出力軸１８のギヤボックス１６内に臨む端部には大小異径のギヤ１９，２０が刻設されており、ギヤ２０には前記減速機１３のギヤ２１が噛合している。
【００３２】
ここで、減速機１３は偏心揺動型減速機（詳細は例えば特開２００３−８３４００号公報参照）であって、これは、主電動モータ１１の出力軸１８の回転を前記ギヤ２０及び２１と２個のＲＶギヤ２２によって２段減速して出力軸１４に伝達するものであって、出力軸１４の端部には前記ギヤ１５が取り付けられている。
【００３３】
他方、前記油圧モータ１２は、ハウジング２３を介してギヤボックス１６に取り付けられており、その出力軸２４は主電動モータ１１の出力軸１８と平行に配され、その回転は、ハウジング２３内に設けられた切換手段としての電磁クラッチ２５によって回転軸２６に選択的に伝達される。
【００３４】
ここで、電磁クラッチ２５は、リード線２７から電磁石２８への通電によってＯＦＦして油圧モータ１２の出力軸２４と回転軸２６との連結を遮断し、非常時に電磁石２８への通電が遮断されると不図示のスプリングの付勢力によってＯＮして油圧モータ１２の出力軸２４と回転軸２６とを連結する。
【００３５】
又、油圧モータ１２の出力軸２４と同軸に配された前記回転軸２６のギヤボックス１６内に臨む部位には小径のギヤ２９が刻設されており、このギヤ２９は、大径のアイドラギヤ３０に噛合しており、アイドラギヤ３０は、主電動モータ１１の出力軸１８に形成された前記ギヤ１９に噛合している。
【００３６】
次に、前記油圧モータ１２を駆動するための油圧回路の構成を図３に基づいて説明する。
【００３７】
前記油圧モータ１２は、アキュームレータ３１を油圧源として作動するものであって、アキュームレータ３１には、電動モータ３２によって駆動される油圧ポンプ３３から所定圧の圧油が逆止弁３４を経て供給されて貯留される。即ち、電動モータ３２によって油圧ポンプ３３が駆動されると、オイルパン３５内のオイルが油路ａから吸引されて油圧ポンプ３３によって所定圧（＝１５０〜２５０ｋｇ／ｃｍ2 ）まで昇圧され、この昇圧されたオイル（圧油）は前記逆止弁３４を押し開いて油路ｂを経てアキュームレータ３１に供給されて貯留される。
【００３８】
ここで、油路ｂの途中から分岐して前記オイルパン３５に至る油路ｃの途中にはリリーフ弁３６が設けられており、このリリーフ弁３６は、油圧ポンプ３３から吐出される圧油の圧力が設定値（＝１５０〜２５０ｋｇ／ｃｍ2 ）を超えると開いて圧油を油路ｃからオイルパン３５へと戻し、アキュームレータ３１に供給される圧油の圧力を設定値以下に保持する。
【００３９】
又、アキュームレータ３１の近傍には圧力電磁スイッチ３７が設けられており、この圧力電磁スイッチ３７は、アキュームレータ３１内の圧力が設定値を超えると電動モータ３２への通電を遮断して油圧ポンプ３３の駆動を停止させる。つまり、アキュームレータ３１内に所定圧の圧油が十分貯留されると、油圧ポンプ３３の駆動が停止され、アキュームレータ３１内の圧油が消費されてアキュームレータ３１内の圧力が下がると、圧力電磁スイッチ３７によって電動モータ３２への通電がなされて該電動モータ３２によって油圧ポンプ３３が駆動され、アキュームレータ３１に所定圧の圧油が供給されて貯留される。
【００４０】
ところで、アキュームレータ３１から前記油圧モータ１２に至る送り油路ｄの途中には電磁開閉弁３８が設けられており、該電磁開閉弁３８は、通電時に閉じてアキュームレータ３１から油圧モータ１２への圧油の供給を遮断し、非通電時に開いてアキュームレータ３１から油圧モータ１２への圧油の供給を許容する。
【００４１】
又、油圧モータ１２からオイルパン３５へと至る戻り油路ｅの途中には流量調整弁３９と電磁開閉弁４０が設けられており、電磁開閉弁４０は、通電時に閉じてオイルパン３５から油圧モータ１２への圧油の吸い込みを防ぎ、非通電時に開いて油圧モータ１２からオイルパン３５への圧油の戻りを許容する。
【００４２】
更に、前記送り油路ｅから分岐してオイルパン３５に至るバイパス油路ｆの途中には、非常時における羽根３のリセット位置（図３に鎖線にて示す位置）近傍において不図示のカムによって機械的に作動せしめられてバイパス油路ｆを開くカム弁４１が設けられている。
【００４３】
尚、本発明に係るピッチ角駆動装置１０は各羽根３に対してそれぞれ設けられ、従って、本実施の形態においては３セットのピッチ角駆動装置１０が設けられ、これに伴い油圧回路中のアキュームレータ３１、圧力電磁スイッチ３７、電磁開閉弁３８，４０、流量調整弁３９、カム弁４１等も羽根３の枚数分（本実施の形態では、３セット）設けられるが、油圧ポンプ３３とこれを駆動する電動モータ３２及びリリーフ弁３６はそれぞれ１つずつ設けられ、これらは全ピッチ角駆動装置１０に対して共用される。
【００４４】
次に、以上の構成を有するピッチ角駆動装置１０の作用について説明する。
【００４５】
先ず、商用電源を使用することができる通常作動時においては、図１に示す風車１は、３枚の羽根３が自然の風を受けることによって回転し、その回転は不図示のロータ及び増速機を経て増速されて不図示の発電機に伝達され、発電機によって発電されて風車１の回転エネルギー（機械的エネルギー）が電気的エネルギーに変換される。
【００４６】
ここで、風向きや風速等の変化に対して各羽根３を常に最適なピッチ角に設定して高い発電効率を維持するために、各羽根３のピッチ角は本発明に係るピッチ角駆動装置１０によってそれぞれ制御されて常に最適値に調整される。
【００４７】
即ち、風車１には不図示の風向計と風速計が設けられており、これらの風向計と風速計によって検出された風向きと風速は不図示のコントローラに送信される。すると、コントローラは、検出された風向きと風速に対して各羽根３の最適ピッチ角を求め、各羽根３のピッチ角が最適値となるよう主電動モータ１１の駆動を制御する。
【００４８】
ところで、この通常作動時においては、油圧回路の電磁開閉弁３８，４０には共に通電がなされているため、図３に示すように、これらの電磁開閉弁３８，４０は共にＡ位置に切り換えられて閉じられている。従って、アキュームレータ３１から油圧モータ１２への圧油の供給が遮断され、油圧モータ１２は非作動状態を維持している。又、通常作動時には、カム弁４１はＣ位置に切り換えられて閉状態にあり、アキュームレータ３１からの圧油のオイルパン３５への戻りは遮断されている。
【００４９】
又、通常作動時においては、各ピッチ角駆動装置１０の電磁クラッチ２５には通電がなされているため、前述のように該電磁クラッチ２５はＯＦＦ状態にあり、油圧モータ１２の出力軸２４と回転軸２６との連結は遮断されている。
【００５０】
而して、前述のようにコントローラによって主電動モータ１１が駆動制御されると、その出力軸１８の回転は、ギヤ２０，２１を経て減速機１３に伝達され、該減速機１３によって減速されて出力軸１４へと出力される。すると、出力軸１４と共にギヤ１５が回転し、該ギヤ１５に噛合するリングギヤ４（図１参照）が回動するため、該リングギヤ４と共に各羽根３が図３に実線にて示す位置を起点として所定の方向に所定角度だけ回動せしめられ、そのピッチ角が最適値に調整される。尚、このとき、主電動モータ１１の回転軸１８の回転は、ギヤ１９、アイドラギヤ３０及びギヤ２９を経て回転軸２６に伝達されるが、通常作動時には電磁クラッチ２５への通電がなされて該電磁クラッチ２５がＯＦＦされているため、回転軸２６の回転は油圧モータ１２の出力軸２４へは伝達されず、油圧モータ１２は非作動状態を維持している。
【００５１】
ところで、油圧回路の戻り油路ｅの途中に設けられた電磁開閉弁４０は、通常作動時には前述のように閉状態にあるため、何らかの原因で電磁クラッチ２５がＯＦＦされないでＯＮ状態を維持したまま油圧モータ１２が主電動モータ１１によって駆動される場合においても、オイルパン３５内のオイルが戻り油路ｅから油圧モータ１２に吸引されることがない。このため、油圧モータ１２に負圧が発生してキャビテーションを起こすことがなく、該油圧モータ１２の損傷が防がれる。
【００５２】
而して、落雷等によって停電が発生した非常時には、主電動モータ１１への通電が遮断されて該主電動モータ１１の駆動が停止されると同時に、電磁クラッチ２５及び油圧回路の電磁開閉弁３８，４０への通電が遮断されるため、電磁クラッチ２５がＯＮされて油圧モータ１２の出力軸２４と回転軸２６とが連結されるとともに、図４に示すように、電磁開閉弁３８，４０は共にＢ位置に切り換えられて開かれる。
【００５３】
上述のように、電磁開閉弁３８，４０が開かれると、アキュームレータ３１に蓄えられていた圧油が図４に矢印にて示すように送り油路ｄから油圧モータ１２へと供給されて該油圧モータ１２が駆動され、その出力軸２４の回転は、ＯＮ状態にある電磁クラッチ２５を経て回転軸２６に伝達され、更にギヤ２９、アイドルギヤ３０及びギヤ１９を経て主電動モータ１１の出力軸１８に伝達されて該出力軸１８が回転駆動される。そして、主電動モータ１１の出力軸１８の回転は、通常作動時と同様に、ギヤ２０，２１を経て減速機１３に伝達され、該減速機１３によって減速されて出力軸１４へと出力される。すると、出力軸１４と共にギヤ１５が回転し、該ギヤ１５に噛合するリングギヤ４（図１参照）が回動するため、該リングギヤ４と共に各羽根３が図４に実線にて示すリセット位置（風の方向に対する羽根３の仰角が０となる位置）まで回動せしめられる。
【００５４】
尚、油圧モータ１２の駆動に供された圧油は、流量調整弁３９と電磁開閉弁４０を通過してオイルパン３５に戻されるが、その流量及び圧力が流量調整弁３９によって調整されることによって、油圧モータ１２の回転数とトルクが任意に調整される。
【００５５】
而して、上述のように各羽根３がリセット位置へと戻される過程において、各羽根３がリセット位置の直前まで回動された時点で、前記リングギヤ４の一部に形成された不図示カムが油圧回路の前記カム弁４１を作動させる。すると、図５に示すように、カム弁４１がＣ位置からＤ位置に切り換えられてバイパス油路ｆが開かれ、アキュームレータ３１からの圧油は、図５に矢印にて示すように、油圧モータ１２をバイパスしてバイパス油路ｆを通ってオイルパン３５に戻される。従って、羽根３がリセット位置に至る直前においては油圧モータ１２のトルクが低く抑えられ、羽根３がリセット位置にセットされる際に受ける衝撃が緩和される。
【００５６】
そして、各羽根３が図４及び図５に実線にて示すリセット位置まで回動すると、各羽根３の風に対する仰角が０となるため、非常時において風車１は回転を停止してその安全が確保される。
【００５７】
以上のように、本発明に係るピッチ角駆動装置１０においては、非常時に作動する補助モータを、電動モータに比して小型・コンパクトに構成し得る油圧モータ１２で構成したため、装置の小型・軽量化を図ることができる。
【００５８】
又、非常時にはアキュームレータ３１に貯留された圧油によって油圧モータ１２が機械的に確実に作動するため、電気的な駆動に比して高い信頼性を確保することができるとともに、電動モータにおいて必要であった非常用バッテリーの定期的な交換が不要となってメンテナンスフリーを実現することができる。
【００５９】
更に、油圧モータ１２の駆動源としてのアキュームレータ３１は場所を選ばず任意の位置に設置することができるため、風車１内のスペースを有効に利用することができる。
【００６０】
尚、以上の実施の形態では、切換手段を電磁クラッチで構成したが、切換手段を油圧クラッチで構成し、非常時に油圧クラッチを油圧でＯＮさせて油圧モータの回転を風車羽根に伝達するようにしても良い。このように、油圧で作動する油圧クラッチを採用すれば、駆動源としての電源が不要となる。
【００６１】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、正常運転時に作動する主電動モータと非常時に作動する補助モータとを並設し、前記主電動モータ又は補助モータの回転を切換手段によって選択的に風車羽根に伝達してそのピッチ角を調整する風車羽根のピッチ角駆動装置において、前記補助モータを、アキュームレータを油圧源として作動する油圧モータで構成したため、当該ピッチ角駆動装置の小型・軽量化とコストダウン及びメンテナンスフリーを実現することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】風車のロータボス部の部分正断面図である。
【図２】本発明に係るピッチ角駆動装置の断面図である。
【図３】本発明に係るピッチ角駆動装置の油圧回路図（通常作動時）である。
【図４】本発明に係るピッチ角駆動装置の油圧回路図（非常時）である。
【図５】本発明に係るピッチ角駆動装置の油圧回路図（非常時において風車羽根がリセット位置にセットされる直前の状態）である。
【符号の説明】
１ 風車
２ ロータボス
３ 羽根（風車羽根）
４ リングギヤ
１０ ピッチ角駆動装置
１１ 主電動モータ
１２ 油圧モータ（補助モータ）
１３ 減速機
１５ ギヤ
２５ 電磁クラッチ（切換手段）
３１ アキュームレータ
３２ 電動モータ
３３ 油圧ポンプ
３５ オイルパン
３６ リリーフ弁
３７ 圧力電磁スイッチ
３８ 電磁開閉弁
３９ 流量調整弁
４０ 電磁開閉弁
４１ カム弁
ａ〜ｃ 油路
ｄ 送り油路
ｅ 戻り油路
ｆ バイパス油路
Claims (5)
- 正常運転時に作動する主電動モータと非常時に作動する補助モータとを並設し、前記主電動モータ又は補助モータの回転を切換手段によって選択的に風車羽根に伝達してそのピッチ角を調整する風車羽根のピッチ角駆動装置において、
前記補助モータを、アキュームレータを油圧源として作動する油圧モータで構成したことを特徴とする風車羽根のピッチ角駆動装置。 - 前記切換手段を、非常時にＯＮして前記油圧モータの回転を前記風車羽根に伝達する電磁クラッチ又は油圧クラッチで構成したことを特徴とする請求項１記載の風車羽根のピッチ角駆動装置。
- 前記アキュームレータ内の油圧が設定値を超えると前記油圧ポンプの駆動を停止させる圧力電磁スイッチを設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の風車羽根のピッチ角駆動装置。
- 前記油圧モータからの戻り油路の途中に、通常作動時に閉じる電磁開閉弁を設けたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の風車羽根のピッチ角駆動装置。
- 前記アキュームレータから前記油圧モータに至る送り油路から分岐してオイルパンに至るバイパス油路の途中に、非常時における風車羽根のリセット位置近傍において作動して前記バイパス油路を開くカム弁を設けたことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の風車羽根のピッチ角駆動装置。
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