JP5221246B2 - 自然エネルギ回収システムの動力伝達装置 - Google Patents

Description

本発明は、自然エネルギ回収システムの動力伝達装置、特にその電動モータの過回転を防止する機能を備えた自然エネルギ回収システムの動力伝達装置に関する。

特許文献１における風力発電装置においては、風力発電ユニットを電動モータによって旋回駆動し（ヨー駆動し）、風車ブレードを常時風の方向に向けて風力を効率よく翼に作用させるように構成したヨー制御（方位制御）手段を備えた風力発電装置が開示されている。この特許文献１では、台風等の強風を風速センサが検知すると、モータに設けられた摩擦ブレーキを作動させ、前記風力発電ユニットの旋回を固定・制動してモータの過回転を防止する技術が開示されている。

しかしながら、自然相手の風力発電システムでは、極めて強い突風などの過大な負荷が風力発電ユニットに作用すると、該風力発電ユニットが摩擦ブレーキによる制動を振り切って旋回してしまうことある。この場合、摩擦ブレーキは、摩擦板同士が摩擦接触した状態のまま回転させられることになるため、摩擦熱が発生して該制動手段が損傷する恐れがある。

特許文献２では、こうした不具合に対し、摩擦ブレーキに温度検出センサを取り付けて該摩擦ブレーキの温度を常時検出し、摩擦ブレーキが許容温度以上にまで上昇すると、制御部が該摩擦ブレーキの電動モータに対する制動を終了させるように構成した技術を開示している。

特開２００７−１４６８５８号公報（Ｐ１５、１８行〜） 特開２００５−１１３８９９号公報（［００２６］［００２６］［００４５］）

特許文献２に開示されているような構成で、強力な負荷側からの強制駆動が発生したときに摩擦ブレーキによる制動を中止するようにすると、確かに、摩擦ブレーキの損傷は回避できるようにはなる。しかしながら、これでは摩擦ブレーキでの制動中止に伴って風力発電ユニットは当該突風の過大な負荷をそのまま受けて旋回してしまうことになる。そのため、電動モータが極めて高い回転速度で強制回転させられて損傷してしまうという問題が新たに発生する恐れがある。

即ち、電動モータを用いて、例えばヨー駆動装置を構築しようとした場合、２０００ｋＷの発電機の場合、ヨー駆動減速機自体において１０００〜２０００程度の高い「減速比」にて設計されている（ヨー旋回輪とピニオンによる減速比を掛け合わせると更に高い減速比となる）。このため、台風、竜巻、突風等の予期せぬ巨大な負荷をエネルギ回収メンバ側から受けると、減速機の出力軸側が強制回転させられ、同じ値の高い「増速比」にてモータが強制回転させられることになる。この結果、電動モータは定格回転速度（一般には４極モータで１５００ｒｐｍ（５０Ｈｚ）または１８００ｒｐｍ（６０Ｈｚ））の数倍から１０数倍の回転速度で回転させられる状態となり、損傷は免れにくい。この事情は太陽光発電での受光パネルを駆動するシステム等でも同じである。

また、特許文献２において開示されている技術では、前記摩擦ブレーキが作動するように設計されているのは、旋回停止後、即ち、一度停止した状態のときのみであり、例えば電動モータによって旋回中に、同じ旋回方向に強い突風による旋回力が加わったときには、摩擦ブレーキはそもそも作動するように設計されていないため、電動モータはそのまま超高速回転状態に入ってしまい、全く対応できないという問題もあった。

更に、上記特許文献１、２においてなされている摩擦ブレーキ制御は、センサ等の検知に基づいて「制御部」が電気的、或いは油圧的制御指令を発して摩擦ブレーキを作動させるものであったため、信頼性が低いという問題を有していた。それは、もともとこのような大きな変動荷重が発生するのは、通常と大きく異なる天候あるいは気象状況であることを考慮すると、暴風雨や落雷等によってセンサが故障したり、制御部の制御基板が浸水したり、配線等が物理的に断線したりした場合に、制動実行の制御指令自体が出せなくなってしまうことが考えられるためである。

本発明は、このような従来未解決の問題を解決するためになされたものであって、回転系に摩擦負荷を付与するという従来の制動体系を抜本的に見直し、電動モータが過回転状態となることを、より簡易且つ確実な構成で回避することのできる自然エネルギ回収システムの動力伝達装置を提供することその課題としている。

本発明は、風力、太陽光等の自然エネルギを回収するシステムに使用される自然エネルギ回収システムの動力伝達装置であって、電動モータと、該電動モータと連結され、被駆動機械を駆動する出力軸を備えた減速機と、前記電動モータと減速機の出力軸との間の動力伝達経路に対して付設され、前記出力軸の回転速度が上昇したときに、該動力伝達経路の回転抵抗を増大させる液体を媒体とした流体ブレーキ機構と、を備えたことにより上記課題を解決したものである。

本発明においては、減速機の出力軸の回転速度が上昇したときに、「液体を媒体とした流体ブレーキ機構」によって該動力伝達経路の回転抵抗を「敢えて」増大させるようにしている。

この点で、効率を考慮した一般的な動力伝達装置の設計とは逆行する設計となる。本発明において、「液体を媒体とした流体ブレーキ機構」とは、いわゆるブレーキシュー（摩擦板）を用いた固体同士の摺動摩擦を利用した制動付与機構ではなく、「液体が流体として機能するときに本来的に有する性質を利用した制動機構」のことを指している。具体的には、例えば、液体が外から力を受けたときの圧縮抵抗、形状を変えられるときの変形抵抗、自身の中を物体が動くときの撹拌抵抗、粘性抵抗、或いは剪断抵抗、狭い流路を移動するときの通過抵抗等の性質を利用した制動のことである。

流体ブレーキ機構は、例えば後述するヴィスカスカップリングのように、動力伝達経路の構成メンバに対して直接組み込んで機能させるものでもよく、また、動力伝達経路の構成メンバには直接的には組み込まれていないが、例えば減速機内の潤滑油の通過抵抗をうまく利用することにより、より速い回転運動をしようとする部材の動きに抵抗を与えるような構成とされていてもよい。なお、２以上の流体ブレーキ機構を併用しても良い。

流体ブレーキ機構は、電気的な制御指令を受けて機能するものではなく、出力軸の回転速度が上昇すると、流体の性質を使用して「自動的に」機能する機械的な構造なので、電源や制御系を必要とせず、また、摺動面での摩擦を利用するものでもないので、暴風雨や落雷発生等の気象状況の厳しいときでも安定した作動が期待できる。更には、基本的に簡素な構成を維持できるため、装置全体が複雑化することもなく、十分な制動機能を確保しながら小型化、軽量化、低コスト化にも寄与する。

摩擦付与手段に頼ることなく、電動モータが過回転状態となることを、簡易且つ確実な構成で回避することができる。

以下、本発明の実施形態の一例に係る自然エネルギ回収システムの動力伝達装置を風力発電システムの駆動装置に適用した場合の例について説明する。

図１７は、風力発電システム１０の概略正面図、図１８は、同側面図である。

この風力発電システム（自然エネルギ回収システム）１０は、円筒支柱１１の最上部に発電ユニット１２を備える。図１９は、発電ユニット１２の概略を示す斜視図である。発電ユニット１２には、ヨー（Ｙａｗ）駆動用の駆動装置（動力伝達装置）１４とピッチ（Ｐｉｔｃｈ）駆動用の駆動装置１６が組み込まれている。ヨー駆動用の駆動装置１４は、発電ユニット１２全体の旋回角を制御するためのもので、図示の例では４個描写されている。ピッチ駆動用の駆動装置１６は、ノーズコーン１８に取り付けられる３枚の風車ブレード２０のピッチ角を制御するためのものである。

本実施形態では、ヨー駆動用の駆動装置１４に本発明が適用されているため、ここではヨー駆動用の駆動装置１４について詳細に説明する。

図２０は、ヨー駆動用の駆動装置１４付近の構成を示す一部破断の正面図である。

ヨー駆動用の駆動装置１４は、電動モータＭｏと減速機Ｇｏを備える。減速機Ｇｏの構成及び作用は後に詳述する。

ヨー駆動用の駆動装置１４の出力軸６４Ａにはヨー駆動用ピニオン２４が取り付けられている。ヨー駆動用ピニオン２４は、ヨーベアリング２６の内輪を構成するリングギヤ部２８に内接噛合している。このリングギヤ部２８は、円筒支柱１１側に固定されており、ヨーベアリング２６の外輪を構成する外枠部３２は発電ユニット１２のケーシング本体３４側に固定されている。この構成により、電動モータＭｏによってヨー駆動用の駆動装置１４の出力軸６４Ａを回転させることにより、ヨー駆動用ピニオン２４及びヨーベアリング２６のリングギヤ部２８の噛合を介して発電ニット１２全体を円筒支柱１１の軸心３６（図１９）周りで旋回させることができる。この結果、ノーズコーン１８を所望の方向（例えば風上の方向）に向けることができ、効率的に風圧を受けることができる。

なお、風速が大きいときには、風車ブレード２０の受ける風圧が最も小さくなるように、ヨー駆動用の駆動装置１４及びピッチ駆動用の駆動装置１６によってそれぞれ発電ユニット１２の旋回角及び風車ブレード２０のピッチ角が制御されると共に、発電ユニット１２の旋回がブレーキユニット３９によって止められるようになっている。ブレーキユニット３９は、ブレーキスラスタ３９Ａ、ヨーブレーキキャリパ３９Ｂ、ブレーキディスク３９Ｃ等から構成される。このブレーキユニット３９は、いわゆる通常運転時での発電ユニット１２の旋回を抑制するもので後述する本発明に係る流体ブレーキ機構とは異なる。

ここで、風車ブレード２０側から受ける極めて大きな風圧によって駆動装置１４の出力軸を介してモータＭｏが過回転してしまうのを、駆動装置１４の流体ブレーキ機構の機能によって阻止する構成について、詳細に説明する。

このヨー駆動用の駆動装置１４は、図２に示されるように、電動モータＭｏと、内接噛合遊星歯車機構の入力側減速段４０及び出力側減速段４２を直列に連結した減速機Ｇｏを備える。これは、この減速機Ｇｏが、機能上、１／１０００〜１／２０００という極めて高い減速比を必要とするためである。先ず、入力側減速段４０について説明する。

図１に、入力側減速段４０の詳細を示す。図１は、便宜上左右対称には描写されていない。図１の左側は、後述する外ピン５８が存在する位置の断面、図１の右側は外ピン５８が存在しない位置の断面をそれぞれ描写している。図３、図４は、それぞれ図１の矢視III−III線及びIV−IV線に沿う断面図である。

入力側減速段４０は、モータ軸と一体（兼用）の入力軸４４、該入力軸４４に設けられた２つの偏心体４６、４８、該偏心体４６、４８を介して偏心量ｅの偏心揺動をする２枚（複数）の外歯歯車５０、５２、該外歯歯車５０、５２が内接噛合する内歯歯車５４を備えている。外歯歯車５０、５２は、その偏心位相が丁度１８０度ずれている。即ち、２つの外歯歯車５０、５２は、互いに離反する方向に偏心した状態を維持しながら揺動回転する。内歯歯車５４は入力側減速段４０の部分のケーシング５６を兼ねている。内歯歯車５４の内歯は、それぞれ円筒状の外ピン５８によって構成されている。内歯歯車５４の内歯の数（外ピン５８の数）は、この例では「２２」であり、外歯歯車５０、５２の外歯の数「２１」より１だけ多い。外歯歯車５０、５２には、内ピン６０が内ローラ６２を介して遊嵌されている。内ピン６０は（入力側減速段４０の）出力軸６４と一体化されている。該内ピン６０を介して固定状態にある内歯歯車５４に対する外歯歯車５０、５２の相対回転（自転）が取り出され、更に該内ピン６０と一体化されている（入力側減速段４０の）出力軸６４から出力側減速段４２へと出力されるようになっている。

出力側減速段４２の構成は、減速比が入力側減速段の減速比より大きく設定されているほかは、機構学的には入力側減速段４０と同様の構成・作用の動力伝達経路を有する。この例では出力側減速段４２には本発明は適用されていないため、入力側減速段４０の構成メンバと機能的に類似する部材に対して末尾にＡを付加した符号を付すにとどめ、重複説明を省略する。なお、出力側減速段４２は、入力側減速段４０よりも減速比が大きいことから、入力側減速段４０側よりも外歯歯車の外径に対する偏心量の比率が小さくなっている。

本発明に係る電動モータＭｏの過回転を防止するための流体ブレーキ機構ＦＢｏは、入力側減速段４０、出力側減速段４２のうち、入力側減速段４０の方に付設されている。これは、入力側減速段４０の側（通常時により高速回転する側）に付設する方が、１）出力軸６４Ａ側から見たときに「より大きく増速回転」する回転メンバに対して流体ブレーキ機構ＦＢｏを組み込むことになるため、流体ブレーキ機構ＦＢｏで発生し得るトルクをより有効に効かせることができること、及び、２）減速比の大小の関係で、外歯歯車の外径に対する偏心量の比率の大きな入力側減速段４０の方が後述する流体ポンプとしての機能を実現し易い、という理由による。

以下、流体ブレーキ機構ＦＢｏについて詳細に説明する。

図１、図４及び図５を主に参照して、この実施形態における流体ブレーキ機構ＦＢｏは、外歯歯車５０、５２と、２枚の遮蔽板７０、７２と、仕切り板７４と、を備える。

外歯歯車５０、５２は、出力軸６４Ａ側が強制駆動回転されると、その回転が伝達されてくる部材である。また、潤滑油（液体）の中に配設され、２枚の遮蔽板７０、７２及び仕切り板７４の機能により、これから詳細に説明するように、その回転速度が上昇するに連れて潤滑油から受ける回転抵抗が飛躍的に増大する部材である。そのため、流体ブレーキ機構ＦＢｏにおいて「出力軸側からの強制駆動回転が伝達され、液体中に配設され、回転速度の上昇に応じて液体から受ける回転抵抗が増大する回転部」として機能し得る。

遮蔽板７０、７２は、それぞれ２枚の外歯歯車５０、５２の軸方向外側に配置され、該複数の外歯歯車５０、５２と前記内歯歯車５４との間の空間ＳＰａ、ＳＰｂを閉塞可能である。

仕切り板７４の単体形状を図５に示す。仕切り板７４は、外ピン５８の半径方向内側に沿った形状の凹部７４Ａと、内歯歯車５４の外ピン５８の存在しない本体部分５４Ａ（図１参照）の内周に沿った形状の外周部７４Ｂと、を備える。仕切り板７４は、このような形状を有しているため、それぞれの外歯歯車５０、５２の外周の空間ＳＰａ、ＳＰｂ内に存在する潤滑油が軸方向に相互に行き来するのを制限可能である。仕切り板７４には、潤滑油が軸方向に相互に行き来するのを制限する程度を規定するための貫通孔７４Ｐが形成されている。貫通孔７４Ｐの内径Ｄ１は、これを大きく取ると、潤滑油の相互の行き来がよりし易くなってポンプ作用（流体ブレーキ機構ＦＢｏの制動機能）が弱められ、小さく取ると、ポンプ作用は高められる。なお、仕切り板７４は、外歯歯車５０、５２及び内歯歯車５４等の鉄系の素材の熱膨張率より大きな熱膨張率を有する素材、例えばアルミニウム等で形成されている。

次に、この駆動装置１４の作用を、特に流体ブレーキ機構ＦＢｏの制動機能に着目して説明する。

電動モータＭｏのモータ軸と一体（兼用）の入力軸４４が回転すると、２つの偏心体４６、４８を介して２枚の外歯歯車５０、５２が１８０度の位相差で偏心揺動する。しかしながら、それぞれの外歯歯車５０、５２は、内ピン６０によってその自転が拘束されているため、各外歯歯車５０、５２は、ほとんど揺動のみを行う。この実施形態では内歯歯車５４がケーシング５６と一体化されているため、外歯歯車５０、５２は、１回揺動するごとに内歯歯車５４との噛合位置が１歯だけずれ、該内歯歯車５４に対して歯数差に相当する角度だけ相対回転する（入力軸４４の回転と逆方向に自転する）。この相対回転成分が内ピン６０を介して（入力側減速段４０の）出力軸６４から出力側減速段４２に出力される。

ここで、減速機Ｇｏの内部には、潤滑油が充填されている。この実施形態では、外歯歯車５０、５２の軸方向両側に遮蔽板７０、７２が配置されており、且つ、それぞれの外歯歯車５０、５２の軸方向中央には仕切り板７４が配置されている。そのため、外歯歯車５０の半径方向外側に位置する潤滑油は、遮蔽板７０、外歯歯車５０、仕切り板７４、及び内歯歯車５４によって閉塞された空間ＳＰａから脱出することができず、仕切り板７４の貫通孔７４Ｐを介して隣の空間ＳＰｂとの行き来ができるだけとなる。全く同様に、外歯歯車５２の半径方向外側に位置する潤滑油は、遮蔽板７２、外歯歯車５２、仕切り板７４、及び内歯歯車５４によって閉塞された空間ＳＰｂから脱出することができず、仕切り板７４の貫通孔７４Ｐを介して隣の空間ＳＰａとの行き来ができるだけとなる。

一方、外歯歯車５０、５２は、その偏心位相が１８０度ずれている。そのため、空間ＳＰａと空間ＳＰｂは、互いに逆方向にそれぞれの容積が常時変化する。即ち、空間ＳＰａの容積がより大きくなるときは空間ＳＰｂの容積がより小さくなるように、空間ＳＰａの容積がより小さくなるときは空間ＳＰｂの容積がより大きくなるように変化する。この結果、空間ＳＰａ及び空間ＳＰｂでは、潤滑油の圧縮・膨張が繰り返されると共に、各貫通孔７４Ｐでは一方の空間ＳＰａ（またはＳＰｂ）から他方の空間ＳＰｂ（またはＳＰａ）へと潤滑油が移動する現象が起こる。

通常運転のときは、この移動による抵抗はわずかである（僅かなように貫通孔７４Ｐの内径Ｄ１が設定されている）。しかしながら、極めて大きな風圧によって（出力側減速段４２の）出力軸６４Ａが強制的に回転させられると、その回転は、極めて大きな「増速比」にて増速され、外歯歯車５０、５２を通常運転時より非常に速く回転・揺動させる。周知のように、圧力損失は流速の２乗に比例するため、予想を超える速度で外歯歯車５０、５２が揺動しようとすると、貫通孔７４Ｐを行き来しようとする潤滑油が加速度的に大きな抵抗となり、外歯歯車５０、５２の揺動速度の上昇を抑える。すなわち、出力軸６４Ａの回転速度の上昇に伴って、該回転速度の上昇よりも遥かに大きな比率で回転抵抗が増大し、この結果、入力軸（モータ軸）４４の過回転が防止される。

この実施形態においては、仕切り板７４がアルミニウムで形成されている。このため、地域、季節等によって発電ユニット１２が高温下で使用されるときには、仕切り板７４自体が鉄系の外歯歯車５０、５２や内歯歯車５４と比較してより膨張する。このため、空間ＳＰａと空間ＳＰｂの容積がより減少すると共に、空間ＳＰａと空間ＳＰｂの密閉度もより高まることになる。したがって、高温下で潤滑油の粘度が下がって圧力損失が低下気味になるのを、良好に相殺することができる。発電ユニット１２が低温下で使用されるときには、これと全く逆の相殺が行われる。

貫通孔７４Ｐの内径Ｄ１の適正値は、空間ＳＰａと空間ＳＰｂの密閉度及び外歯歯車５０、５２の偏心量ｅ、潤滑油の粘度等に依存する。空間ＳＰａと空間ＳＰｂの密閉度が高く、外歯歯車５０、５２の偏心量ｅが大きく、潤滑油の粘度が高いようなときやグリースにより潤滑するようなときには、貫通孔７４Ｐでの通過抵抗が大きくなり易いため、内径Ｄ１を大きめにとって通常運転時での圧力損失を小さく抑えるようにする。

また、寒い地域で使用するとき（潤滑油の粘度が高いとき）や、年間を通じて台風等が殆ど発生しない地域で使用するとき（過回転となる恐れが少ないとき）、或いは、外歯歯車５０、５２の偏心量ｅが大きく、空間ＳＰａと空間ＳＰｂの容積変化が大きいときなどでは、通常時の圧力損失を極力抑えるべく、例えば、図６及び図７に示されるように、仕切り板７４−２の凹部７４Ａ（図５）を、一個置きに連結した大きな貫通空間７４Ｄとし、潤滑油がこの大きな貫通空間７４Ｄを行き来できるようにしてもよい。これは、貫通孔７４Ｐを１個置きに大きな内径とした構成と実質的に同等である。

逆に、暑い地域で使用するときや、台風や竜巻等の発生しやすい地域で使用するとき、或いは偏心量ｅが小さく空間ＳＰａと空間ＳＰｂの容積変化が小さいときなどでは、貫通孔７４Ｐの内径Ｄ１は、小さく設定すると良い。

仕切り板７４の貫通孔７４Ｐは、複数あるため、その一部のみを、使用する地域あるいは季節等に応じて、一時的、または恒久的に閉塞することによって、現場での貫通孔７４Ｐの通過抵抗の調整に活用しても良い。なお、仕切り板７４に貫通孔がなくても、遮蔽板での密閉度を最適化することにより、ポンプ作用の活用によって相応の制動効果を得ることも可能である。

例えば、前述した特許文献１、２のように、強風による発電ユニット１２の強制旋回を回転部材に摩擦負荷を与えるタイプの制動（いわゆる摩擦ブレーキ）によって押さえ込もうとした場合、不可避的に大量の摩擦熱が発生し、当該摩擦ブレーキ自体の損傷に直結する。しかし、摩擦ブレーキを守るために制動自体を中止したのでは、今度は電動モータが損傷してしまう。摩擦負荷を与えるタイプの制動手段を用いてこれらの不具合を両方とも回避するには、巨大な容量の摩擦ブレーキを用意して（制動を中止することなく）制動を掛け続ける必要があり、大幅な重量増大及びコスト増大を招く。しかも、特許文献２での技術のように、停止時に制動を掛ける設計では旋回中での電動モータの保護はできないため、仮に旋回中でも制動を行うように設計変更するとすれば、更に大きな制動容量が必要となる。なによりも根本的な問題は、もともとこのような大きな強制駆動負荷が発生するのは、暴風雨や落雷発生下等の通常とは大きく異なる気象状況下であることが多いということである。このような非日常的な劣悪環境下で行われる緊急避難的制動を、「センサ検知に基づいて制御部から制御指令が出されることによって作動する摩擦ブレーキ」による制動に頼るのは危険である。それは、（１）当該センサ自体が故障したり、制御部の制御基板が浸水したりや配線等が物理的に断線したりすると、制動実行のための制御指令自体が出せなくなってしまうためであり、加えて、（２）仮に巨大な容量の摩擦ブレーキを組み込み、且つ制御指令が正常に発生されたとしても、摩擦ブレーキの摺動面（摩擦付与面）の状態が暴風雨に晒されて正常でなくなっていると、同じ押圧力を与えても同じ摩擦力（制動力）が得られない、ことが考えられるためである。

本実施形態に係る流体ブレーキ機構ＦＢｏは、センサ系の検知に基づいて電気的制御により作動するものでもなく、また特定の摺動面に対して摩擦を付与するタイプのものではないため、劣悪な環境下でも、停止時、旋回時の区別なく、しかも過回転が厳しくなればなる程より強い制動力が確実に発生する。そのため、制動手段及び電動モータの双方を損傷からより安全に守ることができる。

次に、図８及び図９を用いて本発明の他の実施形態の一例について説明する。

この実施形態に係る減速機Ｇ１は、流体ブレーキ機構の構成以外は先の実施形態に係る減速機Ｇｏと基本構造は同一であるため、便宜上同一または機能的に同一の部位に下２桁が同一の符号を付すこととする。電動モータＭ１は、先の実施形態の電動モータＭｏと同一のもので良い。図８に示されるように、この実施形態では、減速機Ｇ１の入力側減速段１４０の入力軸１４４と該入力側減速段１４０の出力軸１６４との間に、いわゆるヴィスカスカップリング構造の流体ブレーキ機構ＦＢ１が介在されている。この流体ブレーキ機構ＦＢ１は、入力側減速段１４０の入力軸１４４に植設された複数の入力側プレート（出力軸側からの強制駆動回転が伝達される回転部としての第１プレート）１６７と、入力側減速段１４０の出力軸１６４に植設され、入力側プレート１６７より遅く回転する複数の出力側プレート（第２プレート）１６８とが、軸方向に交互に配置されている。各プレート１６７、１６８の間には粘性流体（液体）が封入されている。なお、この例では、先の実施形態での流体ブレーキ機構ＦＢｏが併用されているが、流体ブレーキ機構ＦＢ１単体で用いても良い。

入力側プレート１６７の回転速度は入力軸（モータ軸）１４４の回転速度と同一である。また、出力側プレート１６８は、入力側減速段１４０の減速比は１／２１であるため、入力軸１４４の１／２１の回転速度で該入力軸１４４と反対の方向に回転する。今、電動モータＭ１の定格回転速度を２０００ｒｐｍとすると、（入力側プレート１６７と出力側プレート１６８は回転方向が逆であるため）両プレート１６７、１６８の定格運転時の相対回転速度は、２０００＋２０００／２１＝２０９５ｒｐｍとなる。この相対回転速度が発生している状況では、両プレート１６７、１６８による粘性流体の剪断抵抗が無視できる程度に小さくなるように、流体ブレーキ機構ＦＢ１の各種諸元が設定される。

ここで、巨大な風圧により減速機Ｇ１の（出力側減速段１４２の）出力軸１６４Ａが強制的に回され、例えば定格回転速度の５倍で電動モータＭ１が回転させられるような状況が発生したとする。この場合、電動モータＭ１の回転速度は１００００ｒｐｍであり、相対回転速度は１００００＋１００００／２１＝１０４７６となる。ヴィスカスカップリング機構での剪断抵抗は、相対回転速度の２乗に比例する。すなわち、電動モータＭ１が１００００ｒｐｍで回転させられようとするときには、１０４７６／２０９５≒５．０の２乗、すなわち定格回転時での剪断抵抗に比べて２５倍ものを剪断抵抗がかかることになる。同様の計算で、定格回転速度の１０倍で電動モータＭ１が回転させられるような状況が発生した場合には、定格回転時での剪断抵抗に比べて１００倍もの剪断抵抗が掛かることになる。

実際には先の流体ブレーキ機構ＦＢｏが併用されていることと相まって、電動モータＭ１の回転速度が定格回転速度の１．５倍〜２．０倍を超えた付近から回転速度が上昇するほど流体ブレーキ機構ＦＢ１における剪断抵抗が急増するため、電動モータＭ１は、このような回転速度に至ることはなく、過回転が効果的に防止されることになる。ヴィスカスカップリング構造の高速側は、モータ軸１４４であるため、小さな流体ブレーキ機構ＦＢ１でも、該流体ブレーキ機構ＦＢ１の制動容量を最も有効に活用することができる。

この流体ブレーキ機構ＦＢ１も、旋回時、停止時の区別なく、また、何らのセンサも電気的制御も必要とせず、問題となるような過回転状態となりそうなときに自動的に（機械的に）制動効果が顕著に現れることになる。しかも、過回転状態が厳しくなればなるほど（強制旋回力が強ければ強いほど）、該回転速度の上昇よりも遥かに大きな比率で回転抵抗が増大するため、極めて合理的に過回転を抑制することができる。

本発明における流体ブレーキ機構をヴィスカスカップリング構造にて構成する場合、要するに、同軸で相対回転する２つの部材の間であれば、介在・配置される場所は特に限定されない。そのため、ヴィスカスカップリング構造の流体ブレーキ機構は、基本的に減速機の減速機構の構成を選ばない、という点で有利である。例えば、減速機に内接噛合遊星歯車機構の減速機構を採用するにしても、外歯歯車の数は１枚でも３枚でもよく、これから説明するように、さまざまな構成の減速機構に適応可能である。

図１０、図１１に他の構成例を示す。

この図１０、図１１の実施形態では、電動モータＭ２のモータ軸２４４に継軸２４５を介してセンタシャフト２４７が連結され、このセンタシャフト２４７が出力側減速段２４２を貫通して該出力側減速段２４２の出力軸２６４Ａの内側にまで延在されている。流体ブレーキ機構ＦＢ２は、このセンタシャフト２４７と出力側減速段２４２の出力軸２６４Ａとの間に介在されている。即ち、センタシャフト２４７の側に複数のセンタシャフト側プレート（出力軸側からの強制駆動回転が伝達される回転部としての第１プレート）２６７が植設されると共に、出力軸２６４Ａの側にも、センタシャフト側プレート２６７より遅く回転する複数の出力側プレート（第２プレート）２６８が植設され、粘性流体（液体）を介してそれぞれプレート２６７、２６８が軸方向に交互に配置されている。減速機Ｇ２の減速機構の基本構成は先の実施形態と同様である。

この実施形態に係る構成によれば、先の図８、図９の実施形態に比べて流体ブレーキ機構ＦＢ２の低速側が出力側減速段２４２の出力軸２６４Ａとされている。そのため、出力側減速段２４２の十分多い潤滑油と十分大きな熱容量を有する出力軸２６４Ａ自体が流体ブレーキ機構ＦＢ２で発生する熱を良好に吸収するというメリットが得られる。したがって、流体ブレーキ機構ＦＢ２の温度上昇をより抑えることができ、長時間に亘って強風が吹き荒れるような状況においても安定したブレーキ作用を得ることができる。

更に、流体ブレーキ機構ＦＢ２が減速装置２１４の比較的下側に配置されていることから、該流体ブレーキ機構ＦＢ２の発熱によって温度が上昇した出力側減速段２４２の潤滑油は比重が軽くなって上部に昇るため、自然対流による温度の拡散・発散も良好に行なわれる。そのため、総合的に極めて高いロバスト性を確保することができ、天候等の不確定な変動に対して、電動モータＭ２、ひいては風力発電システム自体の破壊や損傷からより免れることができる。

図１２、図１３に更に他の実施形態を示す。

この実施形態における減速機Ｇ３は、単純遊星歯車減速機構のプリステージ（入力側減速段）３７０と内接噛合遊星歯車減速機構のメイン減速機構（出力側減速段）３７１とが平行軸歯車セット（中間減速段）３７２によって連結された構成とされている。

プリステージ３７０は、太陽歯車３７５と、該太陽歯車３７５に外接噛合する遊星歯車３７６と、該遊星歯車３７６が内接噛合する内歯歯車３７７と、を備える。太陽歯車３７５は、電動モータＭ３のモータ軸３４４にキー３７３を介して被せられた中央筒体３７４の端部内周に形成された内歯３７４Ａと噛合しており、該モータ軸３４４と一体的に回転する。このプリステージ３７０は、太陽歯車入力、内歯歯車固定、キャリア出力の態様で組み込まれており、モータ軸３４４及び太陽歯車３７５が回転することによって遊星歯車３７６が回転すると、該遊星歯車３７６の公転成分がキャリアと一体化された出力軸３６４から出力される構成とされている。

平行軸歯車セット３７２は、プリステージ３７０の出力軸３６４に組み込まれた１個のスパーピニオン（又はヘリカルピニオン）３７８と、該スパーピニオン３７８と同時に噛合する３個のスパーギヤ（又はヘリカルギヤ）３７９とで構成されている。

メイン減速機構３７１は、いわゆる振分タイプの内接噛合遊星歯車減速機構であり、３個のスパーギヤ３７９によってそれぞれ回転される３本の（１個のみ表示）偏心体軸３８３と、それぞれの偏心体軸３８３に組み込まれ各偏心体軸３８３に対して同位相で偏心している偏心体３４６Ａ、３４８Ａと、各偏心体３４６Ａ、３４８Ａに係合している外歯歯車３５０Ａ、３５２Ａと、該外歯歯車３５０Ａ、３５２Ａが内接噛合している内歯歯車３５４Ａとで主に構成されている。

このメイン減速機構３７１では、外歯歯車３５０Ａ、３５２Ａが、（前記実施形態のように中央に配置された偏心体２４６Ａ、２４８Ａによって揺動回転するのではなく）３本の偏心体軸３８３に同位相で組み込まれた偏心体３４６Ａ、３４８Ａが同時に同一の回転速度で回転することによって揺動回転する。内歯歯車３５４はケーシング３８８と一体化されて固定されており、外歯歯車３５０Ａ、３５２Ａと内歯歯車３５４との相対回転は、３本の偏心体軸３８３の軸心Ｏ周りの公転成分としてキャリア体３８５から取り出される。キャリア体３８５は、スプライン３８６を介して出力軸３６４Ａと一体化されている。出力軸３６４Ａには出力軸ピニオン３２４が一体的に形成されている。

この実施形態では、減速機Ｇ３がこのような減速機構を有し、ヴィスカスカップリング構造の流体ブレーキ機構ＦＢ３がプリステージ３７０の内歯歯車３７７とモータ軸３４４との間に配置されている。即ち、モータ軸３４４にはキー３７３を介して該モータ軸３４３と一体的に回転する中央筒体３７４が組み込まれている。中央筒体３７４には、モータ軸側プレート（出力軸側からの強制駆動回転が伝達される回転部としての第１プレート）３６７が複数植設されている。一方内歯歯車３７７は、ボルト３８９によってプリステージ３７０のケーシング３９０に固定されている。内歯歯車３７７は、軸方向モータ側に延在されており、この延在された部分に内歯歯車側プレート（固定状態の第２プレート）３６８が複数植設され、モータ軸側プレート３６７と互いに軸方向に交互に重なり合っている。両プレート３６７、３６８の間には、粘性流体（液体）が封入されており、ヴィスカスカップリング構造を形成している。

流体ブレーキ機構ＦＢ３の周辺には、冷却機能を兼ねたプリステージ３７０の潤滑油が充填されている。このため、結局、この流体ブレーキ機構ＦＢ３のモータ軸側プレート３６７と内歯歯車側プレート３６８は、モータ軸３４４の回転速度（プリステージ３７０の入力軸回転速度）に相当する相対回転速度にて互いに対向されていることになる。

この構成によっても、前述した実施形態とほぼ同様の作用効果を得ることができる。加えて、この実施形態では、流体ブレーキ機構ＦＢ３は固定メンバであるプリステージ３７０のケーシング３９０と電動モータＭ３のモータ軸３４４との間に介在されているため、流体ブレーキ機構ＦＢ３に大きなトルクが掛かったとしても、結果としてこれを「発電ユニット１２」という極めて大きな質量を有するメンバで安定的に受け止めることができる。これは、熱の拡散という面でも有利である。この結果、極めて高いロバスト性を確保することができる。

ヴィスカスカップリング構造の流体ブレーキ機構としては、更に、例えば図１４、図１５に示されるような構成とすることもできる。

この実施形態においては、電動モータＭ４のモータ軸４４４と継カバー４９０との間にヴィスカスカップリング構造の流体ブレーキ機構ＦＢ４を配置すると共に、減速機Ｇ４を４段構成の単純遊星歯車減速機構４７０、４９１、４９２、４９３で構成している。

モータ軸４４４の外周には、キー４７３を介してモータ軸４４４と一体的に回転する中央筒体４７４が被せられ、該中央筒体４７４に流体ブレーキ機構ＦＢ４のモータ軸側プレート（出力軸側からの強制駆動回転が伝達される回転部としての第１プレート）４６７が植設されている。又、継カバー４９０には、リングメンバ４９４がボルト４９５を介して固定され、該リングメンバ４９４にケーシング側プレート（固定状態の第２プレート）４６８が複数植設されている。モータ軸側プレート４６７とケーシング側プレート４６８とが閉じられた空間内に封入された粘性流体（液体）を介して互いに交互に重なり合うことでヴィスカスカップリング構造を構成している。

なお、この実施形態では、継ケーシング４９０内に給油管４９０ａを介してグリースを封入するようにしており、このグリースがヴィスカスカップリング構造に使用する粘性流体としても機能している。これにより、継ケーシング４９０内のグリース全体を該ヴィスカスカップリング構造に使用する粘性流体として利用できるので、熱容量的に有利である。しかし、勿論、両グリースの特性をそれぞれに適正に選択したもので構成しても良い。この場合は、両者が混合しないように流体ブレーキ機構ＦＢ４を密封度をより高めるように構成すると良い。

流体ブレーキ機構ＦＢ４の作用効果としては、モータ軸４４４と固定メンバである継カバー４９０との間にモータ軸側プレート４６７及びケーシング側プレート４６８が植設されているため、定性的に前記実施形態と同様の作用効果が得られる。

この実施形態では、減速機Ｇ４として公知の単純遊星歯車減速機構の減速機Ｇ４がそのまま流用でき、電動モータＭ４と減速機Ｇ４との間に継ケーシング４９０を介在させ、この継ケーシング４９０内に上述した構成の流体ブレーキ機構ＦＢ４を配置するだけで良いため、設計変更が容易である。

図１６に、本発明の更に他の実施形態の一例を示す。

この実施形態でも、先の実施形態と実質的に同一の部位については、下２桁が同一の符号が付されている。この実施形態では、流体ブレーキ機構ＦＢ５として、この種の減速機Ｇ３において通常備えられているプランジャポンプ５９６の吐出圧を利用するようにしている。

具体的には、プランジャポンプ５９６の吐出配管５９７に適正な絞り量のオリフィス（絞り弁）５９６を追加するだけである。プランジャポンプ５９６自体は公知のもので、図示せぬピストンにストロークを与えるカム５９８を備えている。カム５９８は、入力側減速段５４０の出力軸５６４の回転と共に回転し、該出力軸５６４の回転速度に応じた吐出圧を吐出配管５９７側に吐出する。

この実施形態では、この吐出配管５９７の途中に適正な絞り量のオリフィス５９９が追加されているため、入力側減速段５４０の出力軸５６４の回転速度が大きくなると、オリフィス５９９には吐出配管５９７を流れる潤滑油の通過速度の２乗に比例した抵抗が発生することになる。そのため、この構造によっても、出力軸５６４Ａ（あるいは出力軸５６４）の回転速度の２乗に比例した制動負荷を得ることができるようになり、該出力軸５６４Ａの回転速度の上昇に伴って、該回転速度の上昇よりも大きな比率で回転抵抗が増大し、有効に機能する流体ブレーキ機構ＦＢ５を構成することができる。

なお、ポンプは、必ずしもプランジャポンプである必要はなく、いわゆる内接歯車型のポンプであっても良い。

以上例示された、「液体を媒体とした」流体ブレーキ機構ＦＢ１〜ＦＢ５は、いずれも液体が流体として機能するときに本来的に有する性質（圧縮抵抗、変形抵抗、撹拌抵抗、粘性抵抗、剪断抵抗、通過抵抗等）を利用したものであり、固体と固体の摩擦抵抗を利用したものではないため、劣悪環境の下でも確実な制動トルクを得ることができる。また、制動トルク発生のために特別な電源を必要とせず、電気的な制御指令の発生も必要としない。従って、極めて信頼性の高い制動トルクを簡易な構成で発生させることができる。

なお、上記実施形態においては、風力発電システムのヨー駆動用の動力伝達装置に本発明を適用した例が示されていた。しかしながら、本発明の適用は、風力発電システムのヨー駆動用の動力伝達装置に限定されるものではなく、例えば風力発電システムのピッチ駆動用の動力伝達装置に適用することもでき、更には、太陽光発電システムの受光パネルを太陽の方向に向くように駆動する動力伝達装置等に適用することもできる。即ち、風力、太陽光等の自然エネルギを回収するシステムにおける風車ブレードや受光パネル等のエネルギ回収メンバを、例えばそのときの最適回収方向に向けさせるために使用される動力伝達装置に同様に適用でき、自然の巨大なエネルギから電動モータを保護すると共に、ひいては風力発電システムや太陽光発電システム全体を有効に保護することができる。

また、本発明に係る流体ブレーキ機構自体も、上記例のみに限定されるものではなく、２以上の流体ブレーキ機構の併用についても、上記例に限定されるものではない。例えば、ヴィスカスカップリング構造を利用した制動とプランジャポンプを利用した制動とを併用するようにしても良い。２以上の流体ブレーキ機構を併用する場合、それぞれの流体ブレーキ機構での特性の相乗的効果を得ることができるようになるため、意図する制動特性を設計し易くなるというメリットが得られる。

減速機との組み合わせも、上記例に限定されず、例えば、図１４の減速機に対して、図１０及び図１１のヴィスカスカップリングを適用しても良い。更には、これ以外の構成の減速機に適用しても良い。

本発明は、風力、太陽光等の自然エネルギを回収するシステムにおける風車ブレードや受光パネル等のエネルギ回収メンバを、例えばそのときの最適回収方向に向けさせるために使用される動力伝達装置に適用できる。

本発明の実施形態の一例に係る風力発電システムのヨー駆動用の駆動装置の入力側減速段の構成を示す（図２の矢視Ｉ部分の）拡大断面図 上記ヨー駆動用の駆動装置の全体構成を示す断面図 図１の矢視III−III線に沿う断面図 図１の矢視IV−IV線に沿う断面図 上記駆動装置で用いられている仕切り板の（Ａ）正面図、及び（Ｂ）側面図 仕切り板の他の例を示す図４相当の断面図 上記他の例における仕切り板の（Ａ）正面図、及び（Ｂ）側面図 本発明の他の実施形態の一例に係るヨー駆動用の駆動装置の構成を示す図２相当の断面図 図８の要部拡大断面図 本発明の更に他の実施形態の一例に係るヨー駆動用の駆動装置の構成を示す図２相当の断面図 図１０の要部拡大断面図 本発明の更に他の実施形態の一例に係るヨー駆動用の駆動装置の構成を示す図２相当の断面図 図１２の要部拡大断面図 本発明の更に他の実施形態の一例に係るヨー駆動用の駆動装置の構成を示す図２相当の断面図 図１４の要部拡大断面図 本発明の更に他の実施形態の一例に係るヨー駆動用の駆動装置の構成を示す図２相当の断面図 上記実施形態に係る動力伝達装置が組み込まれている風力発電システムの概略正面図 同側面図 同風力発電システムにおける発電ユニットの概略を示す斜視図 同風力発電システムにおけるヨー駆動用の駆動装置付近の構成を示す一部破断の正面図

符号の説明

Ｍｏ〜Ｍ５…電動モータ
Ｇｏ〜Ｇ５…減速機
ＦＢｏ〜ＦＢ５…流体ブレーキ機構
１０…風力発電システム
１２…発電ユニット
１４…ヨー駆動用の駆動装置（動力伝達装置）
１６…ピッチ駆動用の駆動装置
１８…ノーズコーン
２０…風車ブレード
２４…ヨー駆動用ピニオン
２６…ヨーベアリング
２８…リングギヤ部
３６…軸心
４０…入力側減速段
４２…出力側減速段
４４…入力軸
４６、４８…偏心体
５０、５２…外歯歯車
５４…内歯歯車
５６…ケーシング
５８…外ピン
６０…内ピン
６２…内ローラ
６４…（入力側減速段の）出力軸
６４Ａ…（出力側減速段の）出力軸
７０、７２…遮蔽板
７４…仕切り板
１６７…入力側プレート
１６８…出力側プレート
５９６…プランジャポンプ
５９７…吐出配管
５９９…オリフィス

Claims (10)

1. 風力、太陽光等の自然エネルギを回収するシステムに使用される自然エネルギ回収システムの動力伝達装置であって、
   電動モータと、
   該電動モータと連結され、出力軸を備えた減速機と、
   前記電動モータと減速機の出力軸との間の動力伝達経路に対して付設され、前記出力軸の回転速度が上昇したときに、該動力伝達経路の回転抵抗を増大させる液体を媒体とした流体ブレーキ機構と、
   を備えたことを特徴とする自然エネルギ回収システムの動力伝達装置。
2. 請求項１において、
   前記減速機が、２段以上の減速段で構成され、且つ、入力側の減速段に前記流体ブレーキ機構が付設されている
   ことを特徴とする自然エネルギ回収システムの動力伝達装置。
3. 請求項１または２において
   前記流体ブレーキ機構が、前記出力軸側からの強制駆動回転が伝達される回転部が前記液体中に配設され、該回転部の回転速度の上昇に応じて該回転部が前記液体から受ける回転抵抗が増大する構成とされている
   ことを特徴とする自然エネルギ回収システムの動力伝達装置。
4. 請求項３において、
   前記流体ブレーキ機構が、前記回転部としての第１プレートと、該第１プレートと同軸に配置された第２プレートが、前記液体中に軸方向に交互に配置されたヴィスカスカップリングである
   ことを特徴とする自然エネルギ回収システムの動力伝達装置。
5. 請求項４において、
   前記第１プレートが電動モータのモータ軸またはこれと一体的に回転する部材に設けられ、前記第２プレートが前記減速機のケーシングまたはこれと一体化された固定部材に設けられている
   ことを特徴とする自然エネルギ回収システムの動力伝達装置。
6. 請求項４において、
   前記第１プレートが電動モータのモータ軸またはこれと一体的に回転する部材に設けられ、前記第２プレートが該第１プレートより遅く回転する回転部材に設けられている
   ことを特徴とする自然エネルギ回収システムの動力伝達装置。
7. 請求項３において、
   前記減速機が、偏心揺動する複数の外歯歯車と、該外歯歯車が内接噛合する内歯歯車と、を有する内接噛合遊星歯車減速機構を備え、
   前記流体ブレーキ機構が、前記回転部としての前記複数の外歯歯車と、該外歯歯車の軸方向外側に配置され該複数の外歯歯車と前記内歯歯車との間の空間を閉塞する２枚の遮蔽板と、前記複数のそれぞれの外歯歯車の間に配置され該閉塞された空間内の潤滑油が軸方向に相互に行き来するのを制限する仕切板と、を備えた構成とされた
   ことを特徴とする自然エネルギ回収システムの動力伝達装置。
8. 請求項７において、
   前記仕切板に、前記潤滑油が軸方向に相互に行き来するのを制限する程度を規定するための貫通孔が形成されている
   ことを特徴とする自然エネルギ回収システムの動力伝達装置。
9. 請求項７または８において、
   前記仕切板の熱膨張率が、前記外歯歯車及び内歯歯車の熱膨張率より大きい
   ことを特徴とする自然エネルギ回収システムの動力伝達装置。
10. 請求項１〜９のいずれかにおいて、
    前記流体ブレーキ機構が、前記減速機の潤滑油を巡回させるためのポンプの吐出配管に絞り弁を介在させた構成とされた
    ことを特徴とする自然エネルギ回収システムの動力伝達装置。

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