JP5474866B2 - 風力発電設備に使用する減速装置 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電設備に使用する減速装置に関する。

特許文献１に、風力発電設備のナセル（発電室）のヨー制御、或いは風車ブレードのピッチ制御に使用する減速装置が開示されている。

風力発電設備は、自然環境下に設置されるため、ときに乱れた風や突風を受けたりすることがある。

この特許文献１では、風車ブレード側から設定値以上の過大トルクが入力されて来たときに、スリップカップリングを作動させ、駆動系の動力伝達を遮断して該駆動系の過負荷を防止する技術を開示している。

ＵＳ２００７−００９８５４９Ａ１（請求項１、段落［００１５］）

このスリップカップリングは、滑った後で、そのまま繰り返し使うことは想定されておらず、滑ったことを検知するセンサを備え、次のメンテナンス停止時にスリップカップリングのメンテナンス作業が行われるべきことが示されるように工夫されている。しかしながら、スリップカップリングは、特にそれだけを容易に交換できるような構成とはなされておらず、そのため、該スリップカップリングのメンテナンス或いは交換を行うためには、風力発電設備のナセルから減速装置（の全体）を一度地上に降ろし、スリップカップリングをメンテナンスあるいは交換した後に再びナセルにまで運び上げて該減速装置を設置し直す必要があった。

しかしながら、風力発電設備のナセルは、地上から数十メートルの高さに設置されているものであり、スリップカップリングのメンテナンスや交換等のために大きく且つ重い減速装置をナセルから地上にまで降ろして再びナセルまで運び上げるには、多大な労力とコストを必要とする、という問題があった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、風力発電設備に使用する減速装置の破損を防止すると共に、該減速装置のメンテナンス作業の負担を軽減することをその課題としている。

本発明は、風力発電設備に使用する減速装置であって、少なくとも前段減速機構及び後段減速機構の２段の減速機構と、該前段減速機構と後段減速機構との間に配置され、所定値を超えるトルクを伝達しないトルクリミッタ機構を有するカップリングと、前記前段減速機構が収容されている空間と前記カップリングが収容されている空間とを区画・シールするオイルシールと、を備え、前記前段減速機構が、前記オイルシールによりシールされた状態で前記カップリングから分離可能とされている構成とすることにより、上記課題を解決したものである。

本発明においては、前段減速機構と後段減速機構との間に所定値以上のトルクを伝達しないトルクリミッタ機構を有するカップリングを配備するようにした。そのため、減速装置全体をいたずらに大型化しなくても、一時的に風車ブレード側から入力されてきた過大トルクを逃がすことで減速装置内の各要素に当該過大トルクが直接掛かってしまうのを防止し、各要素の破損を防止できる。

一方、このような構成を採用した場合には、不可避的にトルクリミッタ機構の一部または全部を定期または不定期に交換する必要が発生するようになるが、本発明においては、前段減速機構が収容されている空間とカップリングが収容されている空間とを区画・シールするオイルシールを備え、前段減速機構をこのオイルシールによりシールされた状態でカップリングから分離可能な構成としている。そのため、（カップリングの好ましい配置位置が、通常前段減速機構の後段側となるにも拘わらず）前段減速機構を取り外すことで（減速装置をナセルに据え付けた状態のまま）カップリングを容易に露出させることができる。したがって、カップリングを交換するために減速装置を地上に降ろしたり運び上げたりする必要がないだけでなく、狭いナセル内で該減速装置を再据え付けする労力も省略できるようになる。

本発明によれば、風力発電設備に使用する減速装置の破損を防止すると共に、該減速装置のメンテナンス作業の負担を軽減することができる。

本発明の実施形態の一例に係る風力発電設備に使用する減速装置の全体断面図 上記減速装置の要部拡大断面図 上記減速装置のカップリングを取り出して示した断面図 上記風力発電設備の全体を示す正面図 上記風力発電設備のナセルに上記減速装置が組み込まれている様子を示す斜視図

以下、本発明の実施形態の一例に係る風力発電設備に使用する減速装置について詳細に説明する。

始めに、当該減速装置が適用されている風力発電設備の概略から説明する。

図４及び図５を参照して、この風力発電設備１０は、円筒支柱１１の最上部にナセル（発電室）１２を備える。ナセル１２には、ヨー（Ｙａｗ）駆動装置１４と、ピッチ（Ｐｉｔｃｈ）駆動装置１６が組み込まれている。ヨー駆動装置１４は、円筒支柱１１に対するナセル１２全体の旋回角を制御するためのものであり、ピッチ駆動装置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。

この実施形態では、ヨー駆動装置１４に本発明が適用されているため、ここではヨー駆動装置１４について説明する。

適宜に図１も合わせて参照して、このヨー駆動装置１４は、モータ２２及び出力ピニオン２４付きの４個の減速装置Ｇ１〜Ｇ４及びそれぞれの出力ピニオン２４と噛合する１個の旋回用内歯歯車２８を備える。各減速装置Ｇ１〜Ｇ４は、それぞれナセル１２の本体１２Ａ側の所定の位置に固定されている。各減速装置Ｇ１〜Ｇ４のそれぞれの出力ピニオン２４が噛合している旋回用内歯歯車（外歯歯車でも良い）２８は、円筒支柱１１側に固定されている。

この構成により、各減速装置Ｇ１〜Ｇ４のモータ２２によって各出力ピニオン２４を同時に回転させると、該出力ピニオン２４が旋回用内歯歯車２８と噛合しながら該旋回用内歯歯車２８の中心３６（図５参照）に対して公転する。この結果、ナセル１２全体を円筒支柱１１に固定されている旋回用内歯歯車２８の中心３６の周りで旋回させることができる。これにより、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。

前記減速装置Ｇ１〜Ｇ４は、それぞれ同一の構成を有しているため、ここでは減速装置Ｇ１について説明する。

図１を参照して、減速装置Ｇ１は、ブレーキ装置（図示略）を備えたモータ２２、直交歯車機構４０、第１、第２平行軸減速機構４１、４２及び最終段減速機構４４が動力伝達経路上でこの順にケーシングＣａ内に配置されている。本実施形態では、第２平行軸減速機構４２が本発明の前段減速機構、最終段減速機構４４が本発明の後段減速機構にそれぞれ相当している。

なお、ケーシングＣａは、高速側ケーシング体４６と、継ケーシング体４７と、低速側ケーシング体４８とに分離可能である。低速側ケーシング体４８は、更に、反負荷側カバー体４８Ａ、第１、第２本体４８Ｂ、４８Ｃ、及び負荷側カバー体４８Ｄに分離可能である。

以下、動力伝達経路上の順番に説明していく。モータ２２のモータ軸５０は、直交歯車機構４０の入力軸を兼ねている。直交歯車機構４０は、モータ軸５０の先端に直切形成されたハイポイドピニオン５２と、該ハイポイドピニオン５２と噛合するハイポイドギヤ５４とを備え、モータ軸５０の回転方向を直角方向に変更している。ハイポイドギヤ５４は、第１中間軸５５に固定されている。第１中間軸５５には、第１平行軸減速機構４１のスパーピニオン５６が直接形成されている。第１平行軸減速機構４１は、このスパーピニオン５６と、該スパーピニオン５６と噛合するスパーギヤ５８とを備えている。スパーギヤ５８は、第２中間軸５９に固定されている。第２中間軸５９には、第２平行軸減速機構４２のスパーピニオン６０が直接形成されている。第２平行軸減速機構４２は、このスパーピニオン６０と、該スパーピニオン６０と噛合するスパーギヤ６１とを備えている。スパーギヤ６１はキー６２を介してホロー軸６３に固定されている。ホロー軸６３はキー６５を介してカップリング６６のカップリングハウジング６８と連結されている。

カップリング６６は、該カップリングハウジング６８の中にトルクリミッタ機構６９を有している。カップリング６６付近の構成については、後に詳述する。カップリング６６の出力部材７０は、スプライン７１を介して最終段減速機構４４の入力軸７２と連結されている。

最終段減速機構４４は、該入力軸７２に設けられた２つの偏心体７４、該偏心体７４を介して偏心揺動する２枚の外歯歯車７６、該外歯歯車７６が内接噛合する内歯歯車７８を備えている。２枚の外歯歯車７６は、その偏心位相が丁度１８０度ずれており、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７８は、低速側ケーシング体４８の第１本体４８Ｂと一体化されている。内歯歯車７８の内歯はそれぞれ円筒状の外ピン７８Ａによって構成されている。内歯歯車７８の内歯の数（外ピン７８Ａの数）は、外歯歯車７６の外歯の数より１だけ多い。外歯歯車７６には内ピン８０が遊嵌されている。内ピン８０は、出力フランジ８２と一体化され、該出力フランジ８２は減速装置Ｇ１の出力軸８４と一体化されている。この実施形態では、内歯歯車７８が低速側ケーシング体４８の第１本体４８Ｂと一体化されているため、最終段減速機構４４の入力軸７２が回転すると外歯歯車７６が偏心体７４を介して揺動し、該外歯歯車７６の内歯歯車７８に対する相対回転（自転）が、内ピン８０及び出力フランジ８２を介して出力軸８４から取り出される構成とされている。出力軸８４にはスプライン８６を介して前出の出力ピニオン２４が固定・連結されており、該出力ピニオン２４が既に説明した旋回用内歯歯車２８（図４、図５）と噛合する構成とされている。

ここで、この実施形態では、第２平行軸減速機構（前段減速機構）４２と、最終段減速機構（後段減速機構）４４との間に、所定値を超えるトルクを伝達しないトルクリミッタ機構６９を有するカップリング６６が配置されている。

以下、図２、図３を合わせて参照して、カップリング６６付近の構成について詳細に説明する。図２は、該カップリング６６付近の要部拡大断面図、図３は、カップリング６６のみを取り出して示した断面図である。

カップリング６６は、該カップリング６６の入力軸として機能するカップリングハウジング６８、トルクリミッタ機構６９、及び該カップリング６６の出力軸として機能する出力部材７０から主に構成されている。

カップリングハウジング６８は、前段のホロー軸６３とキー６５を介して連結される軸部６８Ａ、及びトルクリミッタ機構６９を収容する収容部６８Ｂを一体に有している。

収容部６８Ｂ内に収容されたトルクリミッタ機構６９は、複数の第１摩擦板８８と複数の第２摩擦板８９を軸方向に交互に有している。第１摩擦板８８は、カップリングハウジング６８（の収容部６８Ｂ）に形成されたスプライン６８Ｃに沿って軸方向に移動可能で、且つ該カップリングハウジング６８と円周方向に固定されている。第２摩擦板８９は、出力部材７０に形成されたスプライン７０Ａに沿って軸方向に移動可能で、且つ該出力部材７０と円周方向に固定されている。

第１、第２摩擦板８８、８９は、ばね９０によって軸方向負荷側に付勢されている。一方、第１摩擦板８８と当接しているスペーサ９２は、前記スプライン６８Ｃにそって軸方向に移動可能である。また、該スペーサ９２と当接しているカバー体９４は、カップリングハウジング６８に嵌め込まれた止め輪９６によって軸方向負荷側に移動できない構成とされている。すなわち、第１、第２摩擦板８８、８９は、ばね９０の付勢力に対する反力を、スペーサ９２、カバー体９４及び止め輪９６を介してカップリングハウジング６８から受けることができる。この結果、第１、第２摩擦板８８、８９は、伝達トルクが所定値以下の場合は、（互いに一体的に回転することで）カップリングハウジング６８及び出力部材７０との間のトルク伝達を可能とするが、伝達トルクが所定値を超えると、該第１、第２摩擦板８８、８９が滑り出すため（所定値を超えるトルクは）伝達しないという特性を有することになる。

カップリング６６の出力部材７０は、ニードル７３を介してカップリングハウジング６８の収容部６８Ｂの凹部６８Ｂ１に回転自在に支持されている。なお、符号７５は、出力部材７０と最終段減速機構４４の入力軸７２の軸受７９との軸方向の位置を規制するブッシュである。前述したように、出力部材７０は、スプライン７１を介して最終段減速機構４４の入力軸７２と連結されている。

カップリングハウジング６８のカバー体９４と出力部材７０との間には、カップリングシール１００、１０２が２つ並べて配置されており、カップリングハウジング６８の収容部６８Ｂ内を密閉している。収容部６８Ｂ内にはオイルが充填されており、トルクリミッタ機構６９の構成要素である第１、第２摩擦板８８、８９を潤滑している。すなわち、第１、第２摩擦板８８、８９は、湿式の摩擦板である。なお、２つのカップリングシール１００、１０２は、若干の隙間δを有して配置されており、該隙間δにはちょう度の低い（硬い）グリースが封入されている。

カップリング６６は、継ケーシング体４７の空間Ｓ１内に収容されている。このカップリング６６が収容されている空間Ｓ１と（前段減速機構である）第２平行軸減速機構４２が収容されている空間Ｓ２は、オイルシール１０４によって区画・シールされている。そのため、ボルト１０６を外すことで第２平行軸減速機構４２を、（オイルシール１０４によりシールされた状態で）そっくりカップリング６６から分離することができ、カップリング６６を露出させることができる。

また、この実施形態では、カップリング６６が収容されている空間Ｓ１と、最終段減速機構４４が収容されている空間Ｓ３とを区画・シールするオイルシール１０８を有している。このため、カップリング６６を最終段減速機構４４から分離することもできるようになっている。

次に、この実施形態に係るヨー駆動装置の減速装置Ｇ１の作用を説明する。

モータ２２のモータ軸５０の回転は、直交歯車機構４０のハイポイドピニオン５２及びハイポイドギヤ５４の噛合によって初段減速され、同時に回転軸の方向が９０度変更されて第１平行軸減速機構４１の中間軸５５に伝達される。

中間軸５５の回転は、第１平行軸減速機構４１のスパーピニオン５６、スパーギヤ５８、第２平行軸減速機構４２の中間軸５９、スパーピニオン６０、およびスパーギヤ６１によって減速され、キー６２によってホロー軸６３に伝達される。ホロー軸６３の回転は、キー６５を介してカップリング６６の（入力軸に相当する）カップリングハウジング６８に伝達される。

カップリング６６の作用効果については、後に詳細に説明する。

カップリング６６の（出力軸に相当する）出力部材７０が回転すると、スプライン７１を介して最終段減速機構４４の入力軸７２が回転する。最終段減速機構４４の入力軸７２が回転すると、偏心体７４を介して外歯歯車７６が（内歯歯車７８に内接しながら）揺動回転するため、内歯歯車７８との噛合位置が順次ずれてゆく現象が生じる。この結果、最終段減速機構４４の入力軸７２が１回回転する毎に、外歯歯車７６が１回揺動し、（固定状態にある）内歯歯車７８に対して１歯分ずつ位相がずれて行くようになる（自転成分が発生する）。この自転成分を内ピン８０、出力フランジ８２を介して出力軸８４側に取り出すことにより、最終段減速機構４４での減速が実現される。出力軸８４の回転はスプライン８６を介して出力ピニオン２４に伝達される。出力ピニオン２４は旋回用内歯歯車２８と噛合しており、且つ、該旋回用内歯歯車２８は、円筒支柱１１側に固定されているため、結局、反作用によって該円筒支柱１１に対してナセル１２自体が水平方向に旋回する。

ここでカップリング６６の作用効果について詳細に説明する。

キー６５を介してカップリングハウジング６８が回転すると、該カップリングハウジング６８と円周方向に固定されている（トルクリミッタ機構６９の）複数の第１摩擦板８８が一体的に回転する。各第１摩擦板８８は、ばね９０の付勢力によって複数の第２摩擦板８９を強く挟持した状態とされているため、カップリングハウジング６８から伝達されてくる回転トルクが所定値以下のときは、該カップリングハウジング６８の回転トルクは、第１摩擦板８８及び第２摩擦板８９を介して出力部材７０に伝達されることになる。出力部材７０は、スプライン７１を介して最終段減速機構４４の入力軸７２を回転させる。これが通常のモータ駆動による運転時の作用である。

一方、突風や暴風等が風車ブレード２０に作用することによってナセル１２を旋回させようとする巨大なトルクがヨー駆動用の減速装置Ｇ１の出力ピニオン２４側から入力されて来た場合、この巨大な「風力負荷」は、該減速装置Ｇ１の最終段減速機構４４を逆から駆動する。すなわち、最終段減速機構４４の入力軸７２がスプライン７１を介してカップリング６６の出力部材７０を回転させようとする。この負荷トルクが、前記所定値以下の大きさであれば、カップリング６６のトルクリミッタ機構６９の第１、第２摩擦板８８、８９との間で滑りは発生せず、該負荷トルクはそのまま減速装置Ｇ１の第２平行軸減速機構４２側へと更に伝達されて行き、最後にモータ２２に付設された図示せぬブレーキ装置によって受け止められる。この結果、風によるナセル１２の動きは確実に制動される。また、この場合、減速装置Ｇ１の各部には特に異常は発生しない。

しかし、所定値を超える負荷トルクが出力ピニオン２４側（出力部材７０側）から入力されて来ると、トルクリミッタ機構６９の第１、第２摩擦板８８、８９との間で滑りが発生するようになる。そのため、出力ピニオン２４側からの負荷トルクの一部をここで逃がすことができる。したがって、ナセル１２は多少風によって旋回するが、モータ２２や減速装置Ｇ１内の歯車、軸受等の破損等が防止できる。また、突風や暴風等が止んだときには、カップリング６６のトルクリミッタ機構６９は、再び本来のトルク伝達状態に自動的に復帰するため、そのままヨー駆動装置１４の減速装置Ｇ１としての運転を継続することができる。

この実施形態においては、第２平行軸減速機構４２が収容されている空間Ｓ２とカップリング６６が収容されている空間Ｓ１とを区画・シールするオイルシール１０４を備えているため、ボルト１０６を外すことによって第２平行軸減速機構４２を（該オイルシール１０４によりシールされた状態で）カップリング６６から分離することができる。すなわち、第２平行軸減速機構４２は、オイルシール１０４の存在により、継ケーシング体４７から取り外しても第２平行軸減速機構４２の空間Ｓ２のオイルが漏れ出たりすることはない。そのため、減速装置Ｇ１の低速側ケーシング体４８をナセル１２の本体１２Ａ側に据えつけた状態のまま（出力ピニオン２４を旋回用内歯歯車２８に噛合させた状態のまま）、カップリング６６を露出させることができる。したがって、この状態でメンテナンスが可能であり、必要ならば、カップリング６６を交換することもできる。

とりわけ、この実施形態では、更に、カップリング６６が収容されている空間Ｓ１と最終段減速機構４４が収容されている空間Ｓ３とを区画・シールするオイルシール１０８を備えているため、カップリング６６周りのオイルを何らかの方法で抜き取った後にボルト７７を外すことによって、継ケーシング体４７を取り外すこともできる。したがって、カップリング６６を最終段減速機構４４から完全露出した状態とすることができ、カップリング６６を極めて容易に分離・交換することが可能である。この作用効果は、カップリング６６の交換に当たって減速装置Ｇ１を地上に降ろす必要がないだけでなく、該減速装置Ｇ１の低速側ケーシング体４８をナセル１２の本体１２Ａ側に据えつけた状態のままカップリング６６の交換ができるという点で、極めて大きなメリットとなる。

また、本実施形態に係る減速装置Ｇ１によれば、風力による過大負荷の対策のためにセンサや電気的制御系が不要であるため、落雷や浸水等で制御系がダメージを受け易いような悪天候状態でも信頼性の高い作動が可能である。とりわけ、カップリング６６のトルクリミッタ機構６９は、湿式であるため、外界の（悪天候の）影響を受けることなく、常に設定された「所定値」で滑り出す特性を高い再現性で実現することができる。

また、本実施形態のカップリング６６は、３段目の第２平行軸減速機構（前段減速機構）４２と、最終段減速機構（後段減速機構）４４との間に配置されている。このため、モータ２２との間に３段の前段減速機構が存在することから、第１、第２摩擦板８８、８９が滑ったとしても、その相対回転速度が小さい（摩耗が少ない）。また、出力ピニオン２４との間に１段の後段減速機構が存在することから、その分、カップリング６６の取り扱い容量を小さくすることができ、カップリング６６の各部材の小型化が実現できる、というメリットが得られる。

また、第１、第２摩擦板８８、８９を収容部６８Ｂ内に密封しているカップリングシール１００、１０２を２つ備えているため（更には、該２つのカップリングシール１００、１０２の間の隙間δにはグリースが封入されているため、一層）、カップリング６６だけを取り外しても収容部６８Ｂ内のオイルが漏れ出ることはない。また、第１、第２摩擦板８８、８９が滑ることによって発生する摩耗粉が、最終段減速機構４４側に混入するのを確実に防止することができる。これにより、特に最終段減速機構４４の入り口に配置されたオイルシール１０８の損傷を低減でき、該オイルシール１０８の寿命を増大できる。また、この２つのカップリングシール１００、１０２の存在により、同時に、最終段減速機構４４側からの摩耗粉がカップリング６６の収容部６８Ｂ内に侵入するのを防止できるため、最終段減速機構４４内の摩耗粉によって第１、第２摩擦板８８、８９の作動に悪影響が及ぶのを防止できる。

なお、上記実施形態においては、トルクリミッタ機構として複数の湿式の摩擦板を有するタイプのものが採用されていたが、本発明においては、トルクリミッタ機構の構成は、特にこの構成に限定されるものでなく、例えば、乾式の摩擦板を用いるものであってもよい。また、必ずしも摩擦板を用いたものである必要はなく、例えば、外周に凹凸（カム）の形成された円板と、所定の付勢力で該円板の凹部に押し付けられたボールとを有したタイプのトルクリミッタ機構を採用してもよい。このトルクリミッタ機構は、円板が組み込まれた部材と、ボールが組み込まれた部材との間で伝達されるトルクが所定値以下のときは、ボールと円板が一体的に回転することで該トルクを伝達可能であるが、伝達されるトルクが所定値を超えるとボールが円板の凸部を越える（円板とボールとが相対回転し、トルク伝達が行われなくなる）ような構成とされている。このようなトルクリミッタ機構においても、所定値を超えるトルクが掛かったときには、ボールが円板の凹凸を越えながら（半径方向に往復動しながら）円板の外周を転動することになることから、やはり円板やボールに摩耗や転動疲労が発生し易い。したがって、所定のタイミングでトルクリミッタ機構のメンテナンスや交換が必要になるため、本発明が有効に機能する。

また、上記実施形態の減速装置は、計４段の減速段を有し、このうちの第３段目と４段目（最終段）との間にカップリングが配置されていたが、本発明では、少なくとも前段減速機構及び後段減速機構の２段の減速機構を備え、該前段減速機構と後段減速機構との間にカップリングが配置される限り、減速機構の段数や具体的な構成は限定されない。例えば、減速機構は、ウォーム減速機構や単純遊星減速機構であってもよい。

また、上記実施形態では、ヨー駆動用の減速装置に本発明が適用された例が示されていたが、本発明は、例えば、ピッチ駆動装置の減速装置にも同様に適用可能であり、同様な作用効果が得られる。

１０…風力発電設備
１１…円筒支柱
１２…ナセル（発電室）
１４…ヨー駆動装置
１６…ピッチ駆動装置
１８…ノーズコーン
２０…風車ブレード
２２…モータ
２４…出力ピニオン
４２…第２平行軸減速機構（前段減速機構）
４４…最終段減速機構（後段減速機構）
６６…カップリング
６９…トルクリミッタ機構

Claims (3)

1. 風力発電設備に使用する減速装置であって、
   少なくとも前段減速機構及び後段減速機構の２段の減速機構と、
   該前段減速機構と後段減速機構との間に配置され、所定値を越えるトルクを伝達しないトルクリミッタ機構を有するカップリングと、
   前記前段減速機構が収容されている空間と前記カップリングが収容されている空間とを区画・シールするオイルシールと、を備え、
   前記前段減速機構が、前記オイルシールによりシールされた状態で前記カップリングから分離可能とされている
   ことを特徴とする風力発電設備に使用する減速装置。
2. 請求項１において、更に、
   前記カップリングは、前記トルクリミッタ機構の構成要素を潤滑するオイルと、該オイルを密閉するカップリングシールと、を備え、
   前記カップリングが、該カップリングシールによりシールされた状態で前記後段減速機構から分離可能とされている
   ことを特徴とする風力発電設備に使用する減速装置。
3. 請求項２において、
   前記カップリングシールが、２つ並べて配置されると共に、各カップリングシールの間にグリースが、封入されている
   ことを特徴とする風力発電設備に使用する減速装置。

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