JP5654949B2 - 風力発電設備の動力伝達装置 - Google Patents

Description

本発明は、動力伝達装置、特に、風力発電設備に使用するのに好適な動力伝達装置に関する。

風力発電設備には、モータの駆動力によって風に対してナセル（発電室）を水平面内で回転させるヨー制御を行うための減速装置、風に対して風車ブレードの向き（傾き）を変更するピッチ制御を行うための減速装置、あるいは風車ブレードの遅い回転を増速して発電機に導く増速装置等の動力伝達装置が組み込まれている。

特許文献１に、ナセルをヨー駆動する減速装置が開示されている。この減速装置では、出力部材から遊星歯車の公転を取り出す単純遊星歯車機構と、自転を取り出す揺動内接噛合型の遊星歯車機構とを組み合わせた減速機構が使用されている。

出力部材には、出力ピニオンが設けられている。出力ピニオンは、風力発電設備の円筒支柱側に設けられた外歯歯車と噛合しており、該出力ピニオンが回転すると、その反作用で（減速装置が取り付けられた）ナセルが円筒支柱に対して旋回駆動されるようになっている。

特開２００７−２０５５７５号公報（図１）

風力発電設備は、自然環境下に設置されるため、ときに乱れた強い風や突風を受けたりすることがある。このような強い風が風車ブレードに掛かると、風力発電設備内の動力伝達装置は出力部材側から巨大な風力負荷が掛けられた状態となり、減速装置内の各部材等に過度に強いトルクが掛かって、ときに破損してしまうことがあるという問題があった。

一方で、風力発電設備の動力伝達装置の場合、狭い空間内に取り付ける必要があることから、該動力伝達装置の小型化の要請が非常に強い。また、動力伝達装置を取り付けるための風力発電設備の本体側（例えば、ヨー駆動用の減速装置の場合はナセルの構造体）の取付孔の大きさ等が決まっていることもあるため、該動力伝達装置自体を自由に大型化することができないという問題もある。

本発明は、このような従来の問題を解消するためになされたものであって、動力伝達装置自体を大型化することなく、外部から巨大な負荷が掛かった場合であっても各要素の破損や故障等を効果的に防止することのできる動力伝達装置を提供することをその課題としている。

本発明は、遊星歯車機構と、該遊星歯車機構を収容するケーシングと、を備えた風力発電設備の動力伝達装置であって、前記遊星歯車機構の低速部材が第１対向面を、前記ケーシングが第２対向面をそれぞれ備え、該第１、第２対向面は、組み立て時においては接触しないが、前記低速部材において伝達される荷重が所定値を超えると接触するように、互いに対向して配置され、前記所定値が、前記低速部材において伝達し得る限界である極値荷重よりも小さな値に設定されており、かつ、前記第１、第２対向面を、当該動力伝達装置の複数の箇所で備えた構成とすることにより、上記課題を解決したものである。

本発明に係る動力伝達装置の遊星歯車機構は、低速部材が第１対向面を、ケーシングが第２対向面をそれぞれ備えている。第１、第２対向面は、組み立て時においては接触しないが、低速部材において伝達される荷重が所定値を超えると接触するように、互いに対向して配置されている（そのような特性を有する微小隙間が組み立て時に第１、第２対向面間に形成されている）。第１、第２対向面が接触を開始する「所定値」は、極値荷重よりも小さな値に設定される。「極値荷重」とは、該低速部材において伝達し得る限界荷重のことであり、後に詳述する。

本発明に係る動力伝達装置によれば、低速部材は、大半の運転時においてケーシングと接触することなく円滑に回転することができ、かつ、低速部材に掛かる荷重が所定値を超えた場合には、第１、第２対向面が接触し、低速部材がケーシング側から支持反力を受けることができるようになる。

第１、第２対向面の接触圧力は、低速部材に掛かる荷重が大きいときほど大きい。したがって、第１、第２対向面は、低速部材に掛かる荷重が大きいときほど、より強く作用する「制動機構」として機能する。この結果、動力伝達系の各部材は、その荷重負担が低減され、破損や故障等の発生が防止される。

本発明に係る動力伝達装置によれば、動力伝達装置自体を大型化することなく、外部から巨大な負荷が掛かったような場合であっても、各要素の破損や故障等を効果的に防止することができる。

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（動力伝達装置）の全体断面図 図１の減速装置の要部拡大図 図１の減速装置のIII−III線に沿う断面図 本発明の他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 本発明の更に他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 図１の減速装置が適用される風力発電設備の正面図 上記風力発電設備のナセルに図１の減速装置が組み込まれている様子を模式的に示す斜視図

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態の一例に係る風力発電設備の減速装置（動力伝達装置）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ヨー駆動装置の概略から説明する。

図６、図７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。図６、図７では、ヨー（Ｙａｗ）駆動装置１４と、ピッチ（Ｐｉｔｃｈ）駆動装置１６が描写されている。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。

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個の旋回用の内歯歯車２８を備える（旋回用の内歯歯車２８は、外歯歯車であることもある）。各減速装置Ｇ１〜Ｇ４は、それぞれナセル１２の構造体（風力発電設備の本体：図１参照）１２Ａ側の所定の位置に固定されている。

図６、図７に示されるように、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の内歯歯車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が旋回用の内歯歯車２８と噛合しながら旋回用の内歯歯車２８の中心３６（図７参照）に対して公転する。この結果、ナセル１２の構造体１２Ａを円筒支柱１１（に固定された旋回用の内歯歯車２８）に対して相対的に移動させることができ、ナセル１２全体を円筒支柱１１に固定されている旋回用の内歯歯車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は、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（動力伝達装置）の全体断面図、図２は、図１の減速装置の要部拡大図、図３は、図１の減速装置のIII−III線に沿う断面図である。

減速装置Ｇ１はモータ２２（図１では図示略：図７参照）、ウォーム減速機構４０、第１単純遊星歯車機構４２、及び第２単純遊星歯車機構４４を、動力伝達経路上でこの順に備えている。

以下動力伝達経路の順番に説明していく。

モータ２２は、図１においては図示が省略されており、取付ボルト孔４６を介して図１の紙面と垂直の方向に取り付けられている。モータ２２のモータ軸（図示略）には、図示せぬカップリングを介してウォーム減速機構４０のウォームピニオン４８が連結されている。ウォームピニオン４８は、ウォームギヤ５０と噛合し、動力の伝達方向を９０度変更している。ウォームギヤ５０は、中間軸５２に固定されている。中間軸５２は、カップリング５４を介して第１単純遊星歯車機構４２の入力軸５６と連結されている。

第１単純遊星歯車機構４２は、入力軸５６に形成された太陽歯車５８、該太陽歯車５８と噛合する３個の遊星歯車６０Ａ〜６０Ｃ（図３参照）、各遊星歯車６０Ａ〜６０Ｃを回転自在に支持するキャリヤピン６２Ａ〜６２Ｃ、及び各遊星歯車６０Ａ〜６０Ｃが内接噛合する内歯歯車６４を備える。第１単純遊星歯車機構４２は、太陽歯車５８の回転によって生じる遊星歯車６０Ａ〜６０Ｃの公転をキャリヤピン６２Ａ〜６２Ｃが固定された出力部材６６から取り出す構成とされている。第１単純遊星歯車機構４２の出力部材６６は、スプライン６８を介して第２単純遊星歯車機構４４の入力軸７０と連結されている。

第２単純遊星歯車機構４４は、入力軸７０に形成された太陽歯車７８、該太陽歯車７８と噛合する３個の遊星歯車８０Ａ〜８０Ｃ（８０Ａのみ図示）、各遊星歯車８０Ａ〜８０Ｃを回転自在に支持するキャリヤピン８２Ａ〜８２Ｃ（８２Ａのみ図示）、及び各遊星歯車８０Ａ〜８０Ｃが内接噛合する内歯歯車８４を備える。第２単純遊星歯車機構４４は、太陽歯車７８の回転によって生じる遊星歯車８０Ａ〜８０Ｃの公転をキャリヤピン８２Ａ〜８２Ｃが固定された出力部材８６から取り出す構成とされている。第２単純遊星歯車機構４４の出力部材８６は、キャリヤ部８６Ａ、該キャリヤ部８６Ａとスプライン８６Ｂを介して連結された軸部８６Ｃから構成され、軸部８６Ｃの端部に前述した出力ピニオン２４が一体的に固定されている。

主に図２を用いて本発明の要部の構成をより詳細に説明する。

この実施形態においては、第１単純遊星歯車機構４２の出力部材（低速部材）６６に本発明に係る第１対向面６６Ｆが形成され、該第１単純遊星歯車機構４２を収容するケーシング８８に本発明に係る第２対向面８８Ｆがそれぞれ形成されている。

第１、第２対向面６６Ｆ、８８Ｆは、それぞれ組み立て時（減速装置Ｇ１を組み立てた状態：出力部材６６に荷重が掛かっていないとき）においては接触しないが、出力部材６６において伝達される荷重が所定値Ｌ６６を超えると（出力部材６６の軸心のずれや部材自体の変形等により）接触するという特性を有する。すなわち、減速装置Ｇ１の組み立て時においては、第１、第２対向面６６Ｆ、８８Ｆは、それぞれ微小隙間δ１を有して対向して配置されており、接触していない。

一方、第２単純遊星歯車機構４４においても、出力部材８６および該出力部材８６を収容するケーシング９０に、反負荷側第１、第２対向面８６Ｆ１、９０Ｆ１、及び、負荷側第１、第２対向面８６Ｆ２、９０Ｆ２がそれぞれ形成されている。第２単純遊星歯車機構４４の出力部材８６は、一対の円錐ころ軸受９２、９４によって支持されており、反負荷側第１、第２対向面８６Ｆ１、９０Ｆ１、及び、負荷側第１、第２対向面８６Ｆ２、９０Ｆ２は、双方とも、この一対の円錐ころ軸受９２、９４の軸方向外側位置（反負荷側の円錐ころ軸受９２の更に反負荷側（反出力ピニオン２４側）に形成されている。

第２単純遊星歯車機構４４の反負荷側第１、第２対向面８６Ｆ１、９０Ｆ１、及び、負荷側第１、第２対向面８６Ｆ２、９０Ｆ２も、それぞれ組み立て時（減速装置Ｇ１を組み立てた状態：出力部材８６に荷重が掛かっていないとき）においては接触しないが、出力部材８６において伝達される荷重が設定された所定値Ｌ８６を超えると（出力部材８６の軸心のずれや部材自体の変形等により）接触するという特性を有する。すなわち、減速装置Ｇ１の組み立て時においては、反負荷側第１、第２対向面８６Ｆ１、９０Ｆ１、及び、負荷側第１、第２対向面８６Ｆ２、９０Ｆ２は、それぞれ微小隙間δ２、δ３を有して対向して配置されており、接触していない。

この第２単純遊星歯車機構４４における微小隙間δ２、δ３の大きさは、（荷重伝達のメカニズムが異なるため一概には言えないが、通常は）第１単純遊星歯車機構４２における前記微小隙間δ１よりは大きい。また、反負荷側第１、第２対向面８６Ｆ１、９０Ｆ１の微小隙間δ２の方が、（出力ピニオン２４に対してより遠く、かつより大径であるため）負荷側第１、第２対向面８６Ｆ２、９０Ｆ２の微小隙間δ３よりも若干大きい。因みに、最終段での微小隙間δ３の大きさは、具体的には、１．５〜３．０ＭＷ（１５００〜３０００ｋＷ）クラスの風力発電設備で、概ね４０〜１００μｍ程度である。

今、「風力負荷」が旋回用の内歯歯車２８を介して減速装置Ｇ１の出力ピニオン２４側から入力されたと想定すると、この風力負荷は、減速装置Ｇ１の各回転要素を回転させようとする。そして、減速装置Ｇ１の動力伝達経路上に伝達される荷重（トルク）が大きくなると、キャリヤピンやキャリヤ自体に（主として捻れ方向の）弾性変形が生じる。その結果、例えば出力部材８６に径方向の変形が生じる。また、このとき、出力部材８６には円周方向の回転トルクのほかに、旋回用の内歯歯車２８および出力ピニオン２４の噛合によって発生するラジアル荷重も同時に入力されてくるが、この旋回用の内歯歯車２８および出力ピニオン２４の噛合によって発生するラジアル荷重は、入力されてくる「風力負荷」に比例して大きくなるため、「風力負荷」が大きいときほど、出力部材８６の軸心ずれ（すなわち径方向の変位）も大きくなる。出力部材８６の場合、このラジアル荷重の影響が特に大きい。更には、種々の外乱荷重も同時に入力されてくる。こうした要因により、出力部材８６には風力負荷に応じた軸心ずれや変形に伴う径方向の変位が生じる。

一方、出力部材６６も、モータ２２から（あるいは出力ピニオン２４から）の減速比（あるいは増速比）や荷重の伝達メカニズムが出力部材８６とは異なるため、絶対値は異なるが、やはり出力部材６６に風力負荷に応じた軸心ずれや変形が生じる。出力部材６６の場合は、第１、第２単純遊星歯車機構４２、４４のフロート組み付け（自動調心機能を持たせるために「遊び」を持たせた組み付け）の影響も大きい。

いずれの場合も、出力部材６６、８６の軸心ずれや変形は、該出力部材６６、８６において伝達される荷重と強い相関がある。すなわち、定性的に風力負荷が大きいときほど、出力部材６６、８６の各第１、第２対向面での半径方向の変位が大きい。また、この軸心ずれや変形の量（径方向の変位）は、出力部材６６、８８の素材、形状、寸法、出力ピニオン２４からの増速比等によって変化する。

そこで、（ａ）出力部材６６、８６において伝達される荷重がそれぞれ所定値Ｌ６６、８６を超えた時点で、第１、第２対向面６６Ｆ、８８Ｆが丁度接触するような微小隙間δ１、反負荷側第１、第２対向面８６Ｆ１、９０Ｆ１が丁度接触するような微小隙間δ２、あるいは負荷側第１、第２対向面８６Ｆ２、９０Ｆ２が丁度接触するような微小隙間δ３を予め実験やシミュレーション等によって検知・確認する；（ｂ）組み立て時にこの大きさの微小隙間δ１〜δ３が各対向面間に形成されるように出力部材６６、８８及びケーシング８８、９０の形状や寸法を設計する；という手順を踏むことにより、高い再現性で各第１、第２対向面同士を、出力部材６６、８６において伝達される荷重がそれぞれ所定値Ｌ６６、８６を超えた時点で接触させることができるような減速装置Ｇ１を製造することができる。

ここで、当該所定値Ｌ６６、Ｌ８６の説明をするに当たって、２つの荷重を以下のように定義する。

［極値荷重Ｌｍ６６、Ｌｍ８６］
極値荷重Ｌｍ６６、Ｌｍ８６とは、耐用年数（風力発電設備の減速装置の場合、２０年）の間に、出力部材６６、８６に１度だけ掛かっても破壊されない荷重（該出力部材６６、８６において伝達し得る限界荷重）のことである。極値荷重Ｌｍ６６、Ｌｍ８６は、本実施形態においては、（幅が若干大きいが）定格出力トルク相当荷重Ｌｓ６６、Ｌｓ８６の２倍強である。この例のように２ＭＷクラスの風力発電設備で、減速装置の数が４台の場合、極値荷重Ｌｍ８６は、概ね３０〜１２０ｋＮｍである。極値荷重Ｌｍ６６は、それより減速比が異なる分、小さい。

［定格トルク相当荷重Ｌｓ６６、Ｌｓ８６］
定格トルク相当荷重Ｌｓ６６、Ｌｓ８６とは、接続されるモータ２２が定格トルクを出力しているときに、出力部材６６、８６に掛かる荷重をそれぞれ意味している。モータ２２から出力部材６６、８６までの減速比をそれぞれＧｒ６６、Ｇｒ８６とした場合（Ｇｒ６６＜Ｇｒ８６）、出力部材６６の定格トルク相当荷重Ｌｓ６６は、出力部材８６の定格トルク相当荷重Ｌｓ８６の（Ｇｒ６６／Ｇｒ８６）倍となる。（Ｇｒ６６／Ｇｒ８６）は、１未満であるため、Ｌｓ６６＜Ｌｓ８６である。

本実施形態では、当該所定値Ｌ６６、Ｌ８６が、出力部材６６、８６のそれぞれの極値荷重Ｌｍ６６、Ｌｍ８６より小さな値に設定される（Ｌ６６＜Ｌｍ６６、Ｌ８６＜Ｌｍ８６）。より具体的には、所定値Ｌ６６、Ｌ８６は、定格トルク相当荷重Ｌｓ６６、Ｌｓ８６と同等に設定される。好ましい範囲は、定格トルク相当荷重Ｌｓ６６、Ｌｓ８６の−１０％〜＋３０％程度である。これは、所定値Ｌ６６、Ｌ８６が小さ過ぎるとモータ２２の側から駆動したときに頻繁に接触することになり、一方、大き過ぎると適正な破損防止効果が発揮できなくなる虞があるためである。なお、機器の保護をより優先する場合には、定格トルク相当荷重Ｌｓ６６、Ｌｓ８６の１／３〜１／２程度にまで低めても良い（１／３〜１／２程度が下限）。

なお、第１、第２対向面６６Ｆ、８８Ｆ、８６Ｆ１、９０Ｆ１、及び、８６Ｆ２、９０Ｆ２は、それぞれ第１、第２単純遊星歯車機構４２、４４の軸方向に平行な面（本実施形態の場合、鉛直面）で構成されている。また、本実施形態に係る減速装置（動力伝達装置）Ｇ１は、第１、第２の複数の単純遊星歯車機構４２、４４を有しているが、このうち特に最終段に配置された第２単純遊星歯車機構４４の出力部材（低速部材）８６及びケーシング８８にそれぞれ形成された負荷側第１、第２対向面８６Ｆ２、９０Ｆ２は、減速装置Ｇ１がナセル１２の構造体１２Ａに設置されたときに該ナセル１２の構造体１２Ａと同一の平面上になる位置に形成している。これは、ナセル１２の構造体１２Ａ（風力発電設備の本体側の部材）までの軸方向距離を最短とすることで（同一平面上なので軸方向距離は零）、ケーシング９０そのものを、該ケーシング９０の外側からナセル１２の構造体１２Ａが直接的に支えられるようにすることを意図したものである。

また、この実施形態では、第１単純遊星歯車機構４２の出力部材６６と、第２単純遊星歯車機構４４の出力部材８６との間にも、出力部材６６の荷重が増大したときに接触する対向面６６Ｇ、８６Ｇが形成されている。本発明は、このように、出力部材とケーシングとの間以外の２つの部材間で、掛かっている荷重が増大したときに接触するような対向面を形成することを禁止するものではない。

次に、この減速装置Ｇ１の作用を説明する。

［モータ２２によってナセル１２を積極的にヨー駆動する場合］
モータ２２のモータ軸の回転は、ウォーム減速機構４０のウォームピニオン４８及びウォームギヤ５０の噛合によって初段減速され、カップリング５４を介して第１単純遊星歯車機構４２の入力軸５６に伝達される。

第１単純遊星歯車機構４２の入力軸５６が回転すると、該入力軸５６に形成された太陽歯車５８が回転し、遊星歯車６０Ａ〜６０Ｃが内歯歯車６４の内側で公転する。この公転成分は、キャリヤピン８２Ａ〜８２Ｃを介して出力部材６６から取り出され、スプライン６８を介して（最終段の）第２単純遊星歯車機構４４の入力軸７０に伝達される。

第２単純遊星歯車機構４４においても、第１単純遊星歯車機構４２と同様の減速作用がなされ、遊星歯車８０Ａ〜８０Ｃの公転が出力部材８６のキャリヤ部８６Ａから取り出され、スプライン８６Ｂを介して軸部８６Ｃに伝達される。

出力部材８６の回転は、そのまま出力ピニオン２４となる。出力ピニオン２４は旋回用の内歯歯車２８と噛合しており、且つ、該旋回用の内歯歯車２８は、円筒支柱１１に固定されているため、反作用によって、出力ピニオン２４は、自転しながら旋回用の内歯歯車２８の中心３６に対して公転する（図７参照）。減速装置Ｇ１は、ナセル１２の構造体１２Ａに固定されているため、結局、該円筒支柱１１側の旋回用の内歯歯車２８の軸心３６に対してナセル１２が水平方向に回転（旋回）する。

ここで、風がそれほど強くない場合、通常、モータ２２によるヨー駆動は、該モータ２２の定格出力トルクの１／２以下のトルクで実現できることが多い。このため、モータ２２による通常のヨー駆動時の大半においては、出力部材６６、８６及びケーシング８８、９０の各第１、第２対向面６６Ｆ＆８８Ｆ、８６Ｆ１＆９０Ｆ１、及び、８６Ｆ２＆９０Ｆ２が接触することはない。したがって、出力部材６６、８６は、フリーの状態で回転でき、モータ２２からの駆動力の伝達に際して、伝達ロスは殆ど生じない。

一方、強い風、もしくは風向きの変化によりナセル１２に作用する回転力に逆らいながら該ナセル１２をヨー駆動する場合、モータ２２は、定格出力トルクに近いトルクで減速装置Ｇ１を駆動することになる。そのため、所定値Ｌ６６、Ｌ８６が定格トルク相当荷重Ｌｓ６６、Ｌｓ８６より小さな値に設定されているときはほぼ必ず（所定値Ｌ６６、Ｌ８６が定格トルク相当荷重Ｌｓ６６、Ｌｓ８６の近傍に設定されている場合には、僅かな外乱が掛かっただけで）、出力部材６６、８６に所定値Ｌ６６、Ｌ８６以上の荷重がそれぞれ掛かることになる。そのため、各第１、第２対向面間に当初維持されていた微小隙間δ１〜δ３が詰まって該第１、第２対向面同士が接触する。これにより、出力部材６６、８６は、それぞれケーシング８８、９０によって支持されながら回転することになり、それ以上の軸心ずれ等が抑えられることから安定した回転を継続することができる。

［出力ピニオン２４側から風力負荷が入力された場合］
本実施形態においては、出力ピニオン２４側から風力負荷が入力された場合、ウォーム減速機構４０のセルフロック機能（負荷側から回転させようとしても回転しない機能）によって、出力部材６６、８６を含む減速装置Ｇ１の各部材が、停止状態を維持するようになっている。このため、風によってナセル１２が無制御状態で振らつくことはない。

ここで、風、もしくは風向きの変化によりナセル１２に作用する回転力があまり強くなく、出力部材６６、８６に伝達される荷重が所定値Ｌ６６、Ｌ８６以下の場合には、減速装置Ｇ１内の各部材は、強度的に全く問題なく、停止した状態で出力ピニオン２４側からのトルク等を受け止めることができる。

一方、風が強く、例えば、突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を強制的に旋回させようとする「巨大な風力負荷」が減速装置Ｇ１の出力ピニオン２４側から入力された場合、この巨大な風力負荷は、減速装置Ｇ１の各部材を（出力ピニオン２４を介して）回転させようとする。そして、このときに減速装置Ｇ１の出力部材６６、８６において伝達される荷重が、それぞれ所定値Ｌ６６、Ｌ８６を超えると、各第１、第２対向面６６Ｆ＆８８Ｆ、８６Ｆ１＆９０Ｆ１、及び、８６Ｆ２＆９０Ｆ２同士が互いに接触するようになる。

本実施形態では、この所定値Ｌ６６、Ｌ８６が、定格トルク相当荷重Ｌｓ６６、Ｌｓ８６程度に設定されている。この値は、極値荷重Ｌｍ６６、Ｌｍ８６から見ると、１／２程度の大きさでしかない。このため、減速装置Ｇ１の出力部材６６、８６において伝達される荷重が極値荷重Ｌｍ６６、Ｌｍ８６より、未だかなり小さいうちに第１、第２対向面６６Ｆ、８８Ｆ、反負荷側第１、第２対向面８６Ｆ１、９０Ｆ１、及び、負荷側第１、第２対向面８６Ｆ２、９０Ｆ２同士が必ず接触する。

これにより、各対向面での出力部材６６、８６の支持剛性は飛躍的に高められ、より軸心ずれが大きくなったり変形が大きくなったりするのが抑制される。そしてこのケーシング８８、９０側からの反力は、風力負荷が大きければ大きいほど大きくなるため、結果として、風力負荷が大きければ大きいほど、各対向面同士間で発生する摩擦も大きくなり、大きな「制動作用」が得られることになる。このため、減速装置Ｇ１の各部材に発生する曲げ応力や捻り応力も低減し、破損を免れることができる。

特に、上記実施形態のように、低コスト化のために、出力ピニオン２４側から入力されてくる風力負荷に対して、（制動力が「可変」の専用の制動手段を配備せずに減速比３０以上の）ウォーム減速機構４０のセルフロック機能を代用させるようにした減速装置Ｇ１にあっては、各部材が完全に停止した状態が維持されるため、極めて過酷な状態に曝される虞が大きいが、本実施形態では、風力負荷が大きいときに有効に制動機能が発揮されることになるため、ウォーム減速機構４０のセルフロックの負担が軽減すると共に、その分、各部材の荷重負担を軽減することができる。

また、これらの作用は、例えばセンサ等を用いて電気的に制御することで得られる作用ではないため、台風や激しい雷雨等による停電環境下においても確実に得ることができる。

更には、例えば、減速装置やモータを保護するために出力ピニオン２４側からの駆動力を「遮断」してナセルの旋回を完全にフリーにしてしまう構成とも異なるため、ナセル１２が無制御状態でふらつくこともない。これは、風力発電設備全体の保護という観点で極めて重要な作用である。

また、上記実施形態によれば、（複数の）第１、第２単純遊星歯車機構４２、４４のうち減速装置Ｇ１が取り付けられるナセル１２側の構造体（風力発電設備の本体側の部材）１２Ａに最も近い第２単純遊星歯車機構４４の出力部材８６が、反負荷側第１対向面８６Ｆ１及び負荷側第１対向面８６Ｆ２を備えている。更には、負荷側第１対向面８６Ｆ２が減速装置Ｇ１が取り付けられるナセル１２側の構造体１２Ａと同一の平面上（軸方向距離が零）に形成されるようにしている。このため、ケーシング９０が取り付けられているナセル１２側の構造体１２Ａの剛性をも、出力部材８６の支持剛性の向上に有効に機能させることができる。

また、上記実施形態においては、本発明に係る第１、第２対向面を計３箇所に形成しているため（出力部材同士の対向面を加えると４箇所）、高負荷時の駆動系全体の支持剛性が非常に高い。また、第１、第２対向面は、第１、第２単純遊星歯車機構４２、４４の軸方向と平行な面で形成されているため、構造が単純な分、形成自体が容易であり、かつ効果の再現性が高い。

更に、上記実施形態では、反負荷側第１、第２対向面８６Ｆ１、９０Ｆ１、及び、負荷側第１、第２対向面８６Ｆ２、９０Ｆ２を、出力部材８６を支持する一対の軸受９２、９４の軸方向外側位置に形成するようにしているため、出力部材８６の荷重の大小を敏感に対向面間の微小隙間δ２、δ３の変化に反映させることができている。そのため、荷重の大小と微小隙間δ２、δ３の変化の相関関係の再現性が高い。また、この構造により支持機能や制動機能をより効果的に発揮させることができている。

図４に、本発明の他の実施形態の構成例を示す。

この実施形態に係る減速装置Ｇ１ａが、先の実施形態に係る減速装置Ｇ１と異なるのは、（ａ）ウォーム減速機構（４０）の代わりに第３、第４単純遊星歯車機構１０２、１０４を採用されていること、（ｂ）該第３、第４単純遊星歯車機構１０２、１０４の間にトルクリミッタカップリング１０６が組み込まれていること、及び、（ｃ）先の実施形態では得られていたウォーム減速機構（４０）のセルフロック機能が得られないことから、モータ１００に図示せぬ制動機構が組み込まれていること、の３点である。

減速装置Ｇ１ａでは、モータ１００、第３、第４単純遊星歯車機構１０２、１０４、第１、第２単純遊星歯車機構４２、４４がこの順でインラインで並んでいる。

前段側の第３、第４単純遊星歯車機構１０２、１０４については、特に本発明に係る第１、第２対向面は形成されていない。後段側の第１、第２単純遊星歯車機構４２、４４の構成は、第１、第２対向面６６Ｆ、８８Ｆ、反負荷側第１、第２対向面８６Ｆ１、９０Ｆ１、及び、負荷側第１、第２対向面８６Ｆ２、９０Ｆ２の構成を含め、先の実施形態の第１、第２単純遊星歯車機構４２、４４の構成と同一である。このため、各対向面において先の実施形態における減速装置Ｇ１と全く同様の作用効果が得られる。

また、この実施形態では、トルクリミッタカップリング１０６において現に伝達されているトルクが限界所定値Ｌｍｔ１よりも大きくなったときに、該トルクリミッタカップリング１０６が滑り出す構成としてある。

この結果、出力ピニオン２４側から入力されてくる荷重が、該限界所定値Ｌｍｔ１に相当する荷重よりも大きくなっても、減速装置Ｇ１ａが破壊されるのを確実に防止することができる。なお、トルクリミッタカップリング１０６が作動した場合でも、当該限界所定値Ｌｍｔ１に相当する反力を減速装置Ｇ１ａの各部材に発生させることができるため、ナセル１２が無制御状態で風に任せて振らつくことはない。

その他の構成および作用効果は、先の実施形態と同様であるため、図中で先の実施形態と同一または類似する部分に同一の符号を付すに止め、重複説明を省略する。

図５に、本発明の更に他の実施形態の例を示す。

図５には、風力発電設備のピッチ駆動装置１６（図７参照）に使用する減速装置Ｇ１ｂが示されている。この減速装置Ｇ１ｂは、いわゆる揺動内接噛合型と称される遊星歯車機構２０２を備える。

モータ２０４のモータ軸２０４Ａの先端にはヘリカルピニオン２０６が形成されている。ヘリカルピニオン２０６は３個（１個のみ図示）のヘリカルギヤ２０８と噛合している。３個のヘリカルギヤ２０８は、それぞれ３本の（１個のみ図示）の偏心体軸２１０に固定されている。偏心体軸２１０には、２枚の遊星歯車２１２、２１４を揺動させるための偏心体２１６、２１８が設けられている。偏心体２１６、２１８は、それぞれ各偏心体軸２１０に対して同位相で偏心している。遊星歯車２１２、２１４は、各偏心体２１６、２１８がそれぞれ同時に同位相で同一の回転速度で回転することによって互いに１８０度の位相差で揺動し、それぞれ内歯歯車２２０と内接噛合する。

なお、モータ２０４には、図示せぬ制動機構が付設されている。

内歯歯車２２０は、本体２２０Ａと、該本体２２０Ａに回転自在に組み込まれた円柱ピン２２０Ｂによって構成されている。内歯歯車２２０の本体２２０Ａは、ケーシング２３０と一体化されて固定されており、遊星歯車２１２、２１４と内歯歯車２２０との相対回転は、３本の偏心体軸２１０の軸心Ｏ１周りの公転成分（すなわち遊星歯車２１２、２１４の自転成分）として出力部材２３２から取り出される。

この実施形態に係る減速装置Ｇ１ｂの出力部材２３２では、キャリヤ部２３２Ａと軸部２３２Ｃが一体化されている。出力部材２３２は、自動調心ころ軸受２３４を介してケーシング２３０に支持されている。前記内歯歯車２２０の内歯を構成する円柱ピン２２０Ｂは、遊星歯車２１２、２１４との噛合位置よりも軸方向負荷側に延在されており、この延在部２２０Ｂ１が、出力部材２３２（のキャリヤ部２３２Ａ）を支持する軸受として機能している。

この実施形態では、出力部材２３２の第１対向面２３２Ｆおよび出力部材２３２を収容するケーシング２３０の第２対向面２３０Ｆが、偏心体軸２１０を支持する（負荷側の）軸受２３６の半径方向外側位置に形成されている。

そして、この実施形態においても、第１、第２対向面２３２Ｆ、２３０Ｆは、組み立て時においては接触しないが、出力部材２３２において伝達される荷重が所定値Ｌ２３２を超えると接触するように互いに対向して配置され、かつ、前記所定値Ｌ２３２が、出力部材２３２において伝達し得る限界である極値荷重Ｌｍ２３２よりも小さな値（具体的には出力部材２３２に掛かる定格トルク相当荷重Ｌｓ２３２程度）に設定されている。

この構成により、この減速装置Ｇ１ｂにおいても、出力部材２３２に強い風力負荷が掛かったときの該出力部材２３２の支持剛性を高めることができるとともに、適度の制動機能を得ることができる。また、第１、第２対向面２３２Ｆ、２３０Ｆが、偏心体軸２１０を支持する軸受２３６の半径方向外側位置に形成されていることから、強い荷重が入力されてきたときの偏心体軸２１０の支持剛性も同時に高めることができ、かつ適度な制動力が得られることで、モータ２０４に付設された制動機構の負担を軽減できるようになるとともに、その分遊星歯車機構２０２等の各部材の荷重負荷を軽減できる。とりわけ、この実施形態のように、複数の偏心体軸２１０が内歯歯車２２０の軸心からオフセットして配置され、それぞれが遊星歯車２１２、２１４を貫通しているような揺動内接噛合型の遊星歯車機構２０２の場合、偏心体軸２１０を支持する軸受２３６の半径方向外側の出力部材２３２の肉厚が薄くなり易く、強度が厳しくなるためこの構成は有効である。

その他の構成については、先の実施形態と同様であるため、重複説明は省略する。

なお、上記実施形態では、第１、第２対向面を、いずれも出力部材あるいはケーシングそのものに直接形成するようにしていたが、本発明における「出力部材」、「ケーシング」の用語は、圧入、接着あるいはボルト等によって出力部材やケーシングの本体と一体化され、結果として出力部材やケーシングの一部を構成している「付加部材」の概念をそれぞれ含んでいる。出力部材もケーシングも大物の部材で製造コストが高いため、その一部である第１、第２対向面を適切な形成状態とするための設計の柔軟性に欠ける傾向がある。しかし、該第１、第２対向面を、このような付加部材にて形成するようにすると、当該付加部材は、素材の選定や加工、硬化処理の自由度が高いため、制動性や耐久性の設計の自由度を大きく拡大することができる。

また、上記実施形態においては、本発明を風力発電設備のヨー駆動装置の減速装置やピッチ駆動装置の「減速装置」に本発明を適用していたが、本発明は、発明の作用効果の面から推し図るならば、風力発電設備の発電機の前段に配置する「増速装置」に適用することも可能である（増速装置に使用される遊星歯車機構の場合、本発明に係る「低速部材」は、具体的には遊星歯車機構の入力部材となる）。つまり、「低速部材」とは、遊星歯車機構の回転する部材のうち、相対的に回転速度の小さい部材をいう。

風力発電設備の増速装置は、風車ブレードの（トルクはあるが）遅い回転を、効率的に発電機を駆動するのに最適な速い回転に変換するために使用される。風力発電設備の増速装置は、その入力段に単純遊星歯車機構が組み込まれることが多い。この単純遊星歯車機構は、前述したように、自動調心機能を得るために、（ケーシングと一体化されている）内歯歯車に対して太陽歯車あるいは遊星歯車がフロート状態で組み込まれることが多く、実際、このフロート組み付けにより、（負荷が過大でないときは）相応の自動調心機能が得られる。

しかし、破損が懸念されるほど過大な負荷が掛かったときは、自動調心機能は必ずしも良好には機能せず、入力部材（低速部材）の軸心の傾きがむしろ大きくなったり、それによってより大きな曲げ応力が発生したりする虞がある。本発明を適用することにより、このようなときに、入力部材がケーシングから支持反力が受けることができ、かつ、適度な制動を得ることができる。この結果、増速装置の各部材の負荷を軽減できるようになると共に、特に発電機が過回転するという状況を回避することができるようになる。

更には、本発明は、その構成及び作用効果から、風力発電設備の動力伝達装置に限らず、例えば、デッキクレーンの旋回、シールド掘削機のドリル駆動、建設用のショベルの旋回等の用途に用いる減速装置（動力伝達装置）にも適用可能である。それは、これらの用途においても、作業中に、風の影響を受けたり、重量物の慣性力の影響を受けたり、あるいは障害物や地中の岩石等に衝突して作業対象物側から突然大きな負荷（反力）を受けたりすることがあり、状況的に風力発電設備の動力伝達装置が巨大な風力負荷によって強制回転させられるようとする状況と類似する状況が形成される虞があるためである。

特に、このような用途における減速装置は、一般に出力部材（低速部材）の端部に出力ピニオンを有しており、該出力ピニオンが、減速装置が取付けられる本体に対して相対的に動く相手側メンバに取付けられた歯車と噛合する構成とされることが多い。このような構成において作業中に外部からの強い負荷が掛かると、出力部材には、回転トルクだけでなく（前記歯車と出力ピニオンの噛合による）強いラジアル荷重が掛かる。このラジアル荷重は、基本的に掛かった負荷に比例して発生するため、負荷が大きいときほど、出力部材の半径方向の変形や偏心が大きくなる。したがって、本発明は、このような用途における減速装置（動力伝達装置）にも適用することができ、同様な作用効果が得られる。

なお、風力発電設備以外の用途に本発明を適用する場合、当該動力伝達装置が搭載される各機器の耐用年数の間に、低速部材に一度だけ掛かっても壊れない伝達の限界荷重を「極値荷重」と読み替えて、所定値を設定すればよい。

いずれの用途に使用される場合であっても、本発明においては、動力伝達装置の減速機構や増速機構の具体的な構成は、遊星歯車機構を備えている限り、特に限定されない。

また、上記実施形態では、所定値が、モータの定格トルク相当荷重程度となるように、第１対向面と第２対向面との間の隙間を設定し、低速部材に掛かる荷重がそれほど大きくならないうちからケーシングの支持機能を発揮させるようにしていた。しかし、所定値は、極値荷重より小さな値に設定されている限り、本発明の意図する作用効果を相応に得ることができる。所定値（第１対向面と第２対向面との間の隙間）は、伝達ロス、支持機能、あるいは制動機能等を考慮して、適宜に設定してよい。

また、上記実施形態では、風力発電設備の本体側の部材に最も近い遊星歯車機構の低速部材に本発明に係る第１対向面を形成するようにしていたが、必ずしもそのような位置に形成する必要はなく、本体側の部材と同一の平面上に位置させる必要もない。この場合でも、少なくともケーシングが有する剛性については十分に利用することができる。

また、本発明では、必ずしも第１、第２対向面を複数の箇所に形成する必要はなく、１箇所のみの形成でも上記作用効果を相応に得ることができる。１箇所にのみ形成する場合の形成個所は、特に限定されないが、例えば、減速装置Ｇ１の最終段に配置された遊星歯車機構の出力部材が第１対向面を備えるようにすると良い。最終段に配置された遊星歯車機構の出力部材が第１対向面を備えるように構成すると、例えば、モータ駆動時において該出力部材の第１対向面とケーシングの第２対向面との相対摺動速度が極めて遅いため（例えば０．１ｒｐｍのレベル）、低速部材とケーシングとが摺動することによる摩耗や発熱の恐れを低減できる。また、例えば、最終段以外の遊星歯車機構の低速部材に形成するようにしてもよい。この場合には、第１、第２対向面での熱負荷は大きくなるものの、該第１、第２対向面で受け持つべき荷重をより小さくすることができる。

また、上記実施形態においては、いずれも第１、第２対向面が、出力部材を支持する一対の軸受の軸方向外側位置に形成されていたが、本発明においては、例えば、第１、第２対向面を低速部材のどの位置に形成するかについては特に限定されない。

また、本発明においては、遊星歯車機構の構成も特に上記実施形態の例に限定されない。例えば、偏心体軸が遊星歯車機構の中央に１個のみ配置された、いわゆる中央クランクタイプの揺動内接噛合型の遊星歯車機構であっても良い。

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
２２…モータ
２４…出力ピニオン
４２、４４…第１、第２単純遊星歯車機構
６０Ａ〜６０Ｃ…遊星歯車
６６、８６…出力部材
６６Ｆ、８６Ｆ１、８６Ｆ２…第１対向面
８８、９０…ケーシング
８８Ｆ、９０Ｆ１、９０Ｆ２…第２対向面
Ｌ６６、Ｌ８６…所定値
Ｌｍ６６〜Ｌｍ８６…極値荷重

Claims (9)

1. 遊星歯車機構と、該遊星歯車機構を収容するケーシングと、を備えた風力発電設備の動力伝達装置であって、
   前記遊星歯車機構の低速部材が第１対向面を、前記ケーシングが第２対向面をそれぞれ備え、
   該第１、第２対向面は、組み立て時においては接触しないが、前記低速部材において伝達される荷重が所定値を超えると接触するように、互いに対向して配置され、
   前記所定値が、前記低速部材において伝達し得る限界である極値荷重よりも小さな値に設定されており、かつ、前記第１、第２対向面を、当該動力伝達装置の複数の箇所で備えた
   ことを特徴とする風力発電設備の動力伝達装置。
2. 請求項１において、
   前記動力伝達装置が、風力発電設備の本体側に設けられた歯車と噛み合うピニオンを出力軸に有する減速装置であって、前記遊星歯車機構の遊星歯車の自転または公転を取り出す出力部材を前記低速部材として有する
   ことを特徴とする風力発電設備の動力伝達装置。
3. 請求項１または２において、
   当該動力伝達装置が前記遊星歯車機構を最終段に有し、
   該最終段に配置された遊星歯車機構の前記低速部材が、前記第１対向面を備える
   ことを特徴とする風力発電設備の動力伝達装置。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、
   当該動力伝達装置が前記遊星歯車機構を含め複数の減速機構を有し、
   該複数の減速機構のうち、前記遊星歯車機構が、該動力伝達装置が取り付けられる前記風力発電設備の本体側の部材に最も近い位置に配置される
   ことを特徴とする風力発電設備の動力伝達装置。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、
   前記第１、第２対向面が、前記動力伝達装置が取り付けられる前記風力発電設備の本体側の部材と、同一の平面上に形成されている
   ことを特徴とする風力発電設備の動力伝達装置。
6. 請求項１〜５のいずれかにおいて、
   前記第１、第２対向面が、それぞれ前記遊星歯車機構の軸方向と平行な面で構成されている
   ことを特徴とする風力発電設備の動力伝達装置。
7. 請求項１〜６のいずれかにおいて、
   前記所定値が、当該動力伝達装置に接続されているモータが定格トルクを出力しているときに前記低速部材に掛かる荷重以上の範囲に設定される
   ことを特徴とする風力発電設備の動力伝達装置。
8. 請求項１〜７のいずれかにおいて、
   前記低速部材を支持する一対の軸受を備え、
   前記第１、第２対向面が、該一対の軸受の軸方向外側位置に形成されている
   ことを特徴とする風力発電設備の動力伝達装置。
9. 請求項１〜８のいずれかにおいて、
   前記遊星歯車機構が、遊星歯車を揺動させるための偏心体が設けられた偏心体軸を複数備えるとともに、
   該複数の偏心体軸が、該遊星歯車機構の内歯歯車の軸心からオフセットされた位置で前記遊星歯車を貫通するとともに、該内歯歯車の内側で該遊星歯車が揺動する揺動内接噛合型の遊星歯車機構で構成され、
   前記第１、第２対向面が、前記偏心体軸を支持する軸受の半径方向外側位置に形成されている
   ことを特徴とする風力発電設備の動力伝達装置。

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