JP4372157B2 - 遊星歯車装置を備える歯車伝動装置 - Google Patents

Description

本発明は、歯車伝動装置、特に、限定的ではなく、遊星型歯車伝動装置に関する。本発明は、風力タービン用の歯車伝動装置に適用することができる。

適当な設置箇所が少なく、また、土木工事の費用のため、特に沖合い設置用の大型風力タービンが不断に必要とされている。これと同時に、機械及びそれらの構成要素の寸法及び重量を減少させる必要性は、益々、重要となっている。典型的に、風力タービンロータは、該ロータのトルク及び速度を発電装置の要求されたトルク及び速度に変換する歯車伝動装置の低速軸を駆動する。

風力タービン内にて構成要素を一体化することは、重量を軽減し且つ、駆動組立体をより小型にする方策ではあるが、駆動組立体の設計及び作動は、異なる構成要素における外部負荷及び内部負荷の相互干渉を回避することが重要である。また、多くの風力タービンの適用例に対する高出力密度の要求にもかかわらず、経済的に実現でき且つ、信頼性がある構造であることも重要である。

本発明は、遊星型であり、また、例えば、風力タービン組立体にて利用することができる改良された歯車伝動装置を提供するという課題を特に目的とするが、これにのみ限定されるものではない。

本発明の１つの特徴によれば、遊星型歯車伝動装置は、太陽歯車、遊星歯車及びリング歯車並びに遊星キャリアを備え、該遊星キャリアは、円周方向に隔てられた対の遊星歯車を支持し且つ、配置する遊星ボギー板を備え、上記太陽歯車及びリング歯車は、各々、二重ヘリカル型式であり、及び１対の遊星歯車の各々は、単一ヘリカル型であり、また、対の他の遊星歯車のねじれ角度に対向するねじれ角を有するものである。

好ましくは、太陽歯車及びリング歯車の少なくとも一方、より好ましくは、その双方が単一体である、すなわち非割り型の二重ヘリカル型式のものであるようにする。

歯車装置は、軸方向に整合して対に配置された遊星歯車を備えることができる。すなわち、１対の遊星歯車は、同軸状に配置することができる。

好ましくは、軸受がそれぞれ対の整合した遊星歯車を支持することができ、典型的に、各対の２つの遊星歯車は、ボギー板の両側部に配置される。

ボギー板、及び対にて配置された単一ヘリックスの遊星歯車を使用する結果、本発明は、割り型リング及び太陽歯車を使用することを必要とせずに、また、割り型歯車に関係した潜在的な動力の制約に遭遇することなくヘリカル歯車を利用することを許容する。更に、従来の平歯車と関係したものよりも静粛な雑音パターンとなる。

周方向に隔てられた遊星歯車の各々の位置に対する軸受は、使用時、上記角度位置をボギー板に対して自己調節することのできる軸にて支持することができる。

これと代替的に、上記軸は、ボギー板に実質的に堅固に固定してもよい。ボギー板は、弾性変形の結果、例えば、ボギー板に実質的に堅固に固定された軸の場合、該軸の角度位置をリング歯車の回転軸線に対して自己調節するのを許容するのに十分な程度、柔軟である。

遊星歯車の各々は、１つ又は１対のころ軸受によって、例えば、１対の玉形軸受又は１対のテーパー付きころ軸受、又は１つ又は１対の円筒軸受によって軸に回転可能に取り付けることができる。テーパー付きころ軸受が採用される場合、ころ軸受は、「Ｏ」字形の形態に配置されることが好ましい。

遊星キャリアの回転軸線に対し平行な軸方向に考えたとき、リング歯車を遊星キャリアに対して回転可能に支持する主軸受は、歯車伝動装置の少なくともリング歯車の軸方向位置に対し実質的に整合された位置に配置することができる。

本発明の幾つかの実施の形態において、太陽歯車、遊星歯車及びリング歯車は、同様に上記主軸受を収容する横方向面（上記回転力の回転軸線に対し垂直な平面）に位置することが好ましい。

リング歯車は、主軸受に対する軸方向位置及び半径方向位置を提供することができる。リング歯車は、主軸受の内側軸受リングの軸方向位置に対する肩部を画成し得るように段付きの輪郭外形の半径方向外面を有することができる。内側軸受リングは、上記肩部と支持構造体との間にて軸方向に且つ回転不能に固定することができる。

リング歯車には、リング歯車の歯付き面を超えて軸方向に及び又は半径方向に伸びる補強リングを設けることができる。上記補強リングは、主軸受の軸方向位置を提供することができる。

主軸受は、二重テーパー軸受を提供することができ、該二重テーパー軸受は単一の外側軸受リングを備えることができる。二重テーパー軸受は、Ｏ字形の形態にて、すなわち１つの系統のころが他方の系統の対のころから離れる方向に向けて直径が増大する形態に配置されたころを備えることができる。

その更なる形態において、本発明は、ロータと、発電装置と、本発明に従った型式の歯車伝動装置を備える駆動組立体とを備える風力タービンを提供する。上記駆動組立体において、リング歯車は、典型的に、支持構造体に対し回転不能に支持することができる。

歯車伝動装置の一部分、例えば、そのハウジングは、発電装置を支持し得るよう配置することができる。

次に、概略図的な添付図面を参照して、本発明を単に一例としてのみ説明する。

風力タービン１０（図１参照）は、トルクをロータブレード１２及びロータハブ１４から発電装置１３に伝動する作用を果たす歯車伝動装置１１を備えており、該歯車伝動装置は、遊星歯車装置を備えている。歯車伝動装置及び発電装置は、ナセル１５内に収容され且つ、該ナセル１５により支持されている。

次に、歯車伝動装置１１について図２及び図３を参照してより詳細に説明する。歯車伝動装置１１は、周方向に隔てられた４つの遊星歯車２５と、太陽歯車２７と、遊星キャリア２８と、ナセル構造体１５に対し回転不能に取り付けられたリング歯車２４とを有する遊星歯車装置を備えている。歯車の各々は、直線切削した平歯車型式のものである。

太陽歯車は、更なる歯車装置に接続されるか又は発電装置１３のロータに直結される出力軸（図示せず）と接続される。

リング歯車２４の半径方向外面２９は、主軸受２３の内側リング３０に対する位置及び支持体を提供する。

主軸受けの外側リング３１には、ロータハブ１４が固定されており、また、ロータハブとリング３１との間には遊星キャリア２８の外側領域２２が介在されている。

先行技術にて提案された構造において、図３の遊星キャリア２８は、４つの遊星歯車２５を回転可能に支持する軸受３２を配置すべく周方向に均一に隔てられた４つの軸受支持スタッド２６を備えている。遊星キャリア２８は、軸受スタッド２６の半径方向位置と外側領域２２との間にて半径方向に伸びる環状領域３３を有しており、該環状領域は、トルクを領域２２と軸受スタッド２６との間にて伝達し得るようＹ軸線の周りにて周方向に相対的に剛性であるが、Ｘ軸線、Ｚ軸線の周りにて相対的に可撓性であるような設計とされている。

本発明に従って、遊星キャリア２８は、遊星キャリア４１（図４参照）にて置換されており、該遊星キャリア４１には、この実施の形態において、遊星ボギー板４３を支持する３つの一体的で且つ均一に周方向に隔てられたスタッド４２が設けられている。遊星ボギー板４３は、各々、板４３に角度位置を自己調節し得るよう配置された（図４の面にて見たとき）周方向に均一に隔てられた３つの軸４４に対する支持体を提供する。軸４４の各々は、板４３の両側部にて１対のテーパーころ軸受４５、４６に対する支持体を提供し、これら１対のテーパーころ軸受の周りにて１対の単一ヘリックス遊星歯車４７、４８の各々がリング歯車４９及び太陽歯車５０と係合し得るよう回転方向に回転可能に取り付けられている。リング歯車及び太陽歯車の各々は二重ヘリックス型のものである。１対の遊星歯車の各々は、対の他方の遊星歯車のねじれ角度と等しいが、これと対向するねじれ角度を有する。

上述した構造において、ロータブレード１２の作動下、ロータハブ１４に作用するトルクは、その外側領域にて軸受２３の外側リング３１に回転可能に取り付けられる遊星キャリア４１を介して遊星歯車４７、４８に伝動される。この構造において、ロータハブにより加えられたＹ方向への曲げモーメント及び軸方向力は、軸受２３に直接、伝動される。遊星キャリア２８の環状部分３３の可撓性は、これらの力を遊星歯車から実質的に隔離するのを助ける。

このように、本発明は、その最も広い形態において、対の単一ヘリカル遊星歯車をボギー板に提供することにより、割り型の構造とする必要のないリング歯車及び太陽歯車を使用することが可能であることを教示する。

本発明は、その別の形態において、同様の型式の遊星歯車形態に関する英国特許明細書ＧＢ１，１０１，１３１号に記載されたように、遊星歯車は、いわゆるフレックスピン型の軸にてそれらの軸受を介して支持することが可能であることを教示する。本発明は、この形態において、遊星ボギーを有する遊星歯車装置の形態においてフレックスピン型の軸を利用することにより、特別に有利な効果を実現することが可能であることを知見する。

その軸４４としてフレックスピンを利用する図４の構造の１つの変更例について以下に詳細に説明する。

図５には、基本的な配置が示されている。補強板５すなわちボギー板は、遊星軸１の内側部分を駆動する一方、該遊星軸１は、外側部分すなわちスリーブ（４）と、遊星軸受２と、遊星歯車３とを支承する。次に、ボギーに適用する場合のフレックスピンの機能について図６を参照して簡単に説明する。外力（例えば、接線遊星歯車力）によって内側軸１は、曲げモーメントＦ^＊ｙの結果として曲がる。点「Ａ」は、力の作用点から「ｘ」だけ変位しており、モーメントＦ^＊ｘを生じさせる。この点「Ａ」における曲げモーメントは、第一のモーメントと反対方向に作用し、このため、外側スリーブは第二のモーメントの方向に向けて反対方向に回転する。

補償の程度は、距離ｘ、ｙ、内側軸及びスリーブの設計に依存するであろう。フレックスピンを使用することは、歯の側面（ＫＨβ）における荷重の分配及び遊星セル内の遊星歯車間の荷重の分担（Ｋ＿ガンマ）にとって有利である。遊星歯車からの荷重の均一性（Ｋ＿ガンマ）は、遊星軸の剛性に逆比例し、従って、遊星軸を可能な限り可撓であるように形成することが好ましい。

補償の程度は、中央ボギー板の両側部にて等しくすることができるが、かならずしもそうする必要はない。特に、歯車装置がヘリカル太陽歯車を備えるならば、左側及び右側遊星歯車が荷重下にある太陽歯車のねじれ変形（捩れに起因する）に一層良く従動し得るよう異なる補償量を選ぶことが有益であろう。このことは、一列のみの遊星歯車が存在するときのような古典的なフレックスピンの設計にては不可能であろうが、遊星ボギーへの適用例にては可能である。

遊星セル内にヘリカル歯を使用するとき、リング歯車及び太陽歯車がそれぞれかみ合う際に、通常の歯の力の軸方向成分によりモーメントが発生される（図７参照）。この望ましくない効果により、遊星歯車軸は、傾き、その傾き程度は遊星軸の剛性に逆比例する。フレックスピンの設計により遊星軸組立体（内側軸及びスリーブ）は、従来の設計におけるよりも剛性ではなく、従って、より多くの程度の遊星歯車の傾きを生じさせる。このことは、フレックスピンが通常、平歯車とにのみ使用される理由である。この問題点に対する１つの可能な解決策は、遊星軸（内側軸又は結合体）をその剛性が許容する限り、異方位性であるように形成することにより達成される。図８ないし図１０には、かかる設計を採用する遊星歯車のシステムが示されている。内側軸は、接線方向に必要とされる可撓性を許容するが（図９参照）、接線方向に対し垂直な平面内にて可能な限り剛性となる（図１０）ような要領にて形成される。このようにして、フレックスピンをヘリカル歯と組み合わせて使用することが可能となる。

風力タービンの立面図である。 歯車伝動装置の一部分を示す断面図である。 図２の一部分のより詳細図である。 本発明の特定の特徴を示す図である。

Claims (12)

1. 太陽歯車と、遊星歯車と、リング歯車と、遊星キャリアとを備える遊星型歯車伝動装置において、
   前記遊星キャリアは、周方向に隔てられた前記遊星歯車を支持し且つ、配置する遊星ボギー板を備え、
   前記太陽歯車及び前記リング歯車は各々やまば歯車であり、
   前記遊星歯車の各々は、はすば歯車であり、
   前記遊星歯車は、２つの遊星歯車で構成される対の状態に配置され、
   前記遊星歯車の各対の２つの当該遊星歯車はそれぞれ、前記遊星ボギー板の両側に配置され、
   特定の対の遊星歯車の一方は、当該特定の対の他方の遊星歯車のはすば角度と反対のはすば角度を有し、
   前記遊星歯車は、１対のテーパー付きころ軸受に取り付けられる、遊星型歯車伝動装置。
2. 請求項１に記載の歯車伝動装置において、前記太陽歯車は単一の太陽歯車である、歯車伝動装置。
3. 請求項１又は２に記載の歯車伝動装置において、前記リング歯車は単一のリング歯車である、歯車伝動装置。
4. 請求項１ないし３の何れか１つの項に記載の歯車伝動装置において、Ｏ字形の形態に配置された１対のテーパー付きころ軸受を備える、歯車伝動装置。
5. 請求項１ないし３の何れか１つの項に記載の歯車伝動装置において、遊星歯車又は対の遊星歯車の各々は、少なくとも１つの円筒形ころ軸受に取り付けられる、歯車伝動装置。
6. 請求項１ないし５の何れか１つの項に記載の歯車伝動装置において、前記周方向に隔てられた遊星歯車の各位置に対する前記軸受は、使用時、前記遊星ボギー板に対する角度位置を自己調節する軸にて支持される、歯車伝動装置。
7. 請求項１ないし５の何れか１つの項に記載の歯車伝動装置において、前記周方向に隔てられた遊星歯車の少なくとも幾つかの位置に対する軸受は、前記遊星ボギー板に実質的に剛性に固定される軸にて支持される、歯車伝動装置。
8. 請求項７に記載の歯車伝動装置において、前記軸の各々は、前記遊星ボギー板に実質的に剛性に固定される、歯車伝動装置。
9. 請求項６ないし８の何れか１つの項に記載の歯車伝動装置において、前記遊星ボギー板は、弾性的に変形して前記リング歯車の回転軸線に対する各軸の角度位置を自己調節することを許容することができる、歯車伝動装置。
10. 請求項１ないし９の何れか１つの項に記載の歯車伝動装置において、主要軸受は、前記リング歯車の歯付き面の直径も大きい直径の内側リング軸受面を備える、歯車伝動装置。
11. 請求項１ないし１０の何れか１つの項に記載の歯車伝動装置において、前記遊星キャリアは捩れに対して剛性であるが、そのまわりに回転力が作用する軸線に対して平行な軸方向には相対的に柔軟である半径方向に伸びるトルク伝動路を提供する、歯車伝動装置。
12. 請求項１ないし１１の何れか１つの項に記載の歯車伝動装置において、前記遊星歯車は、フレックスピンの軸により前記遊星ボギー板に対して支持される、歯車伝動装置。

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