JP5911000B2

JP5911000B2 - 風力発電装置

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Publication number: JP5911000B2
Application number: JP2013243354A
Authority: JP
Inventors: 宮本　恭祐; 恭祐宮本; 鈴木　健生; 健生鈴木
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2013-11-25
Filing date: 2013-11-25
Publication date: 2016-04-27
Anticipated expiration: 2033-11-25
Also published as: KR101557593B1; KR20150060557A; CN104653403A; JP2015102029A

Description

開示の実施形態は、風力発電装置に関する。

特許文献１には、風車の回転軸による水平方向の回転入力を、歯車機構を介して垂直方向の発電機の入力軸に伝動する風力発電装置の技術が記載されている。

特開２００３−２７８６３９号公報

しかしながら歯車等の伝達機構を用いた場合には、騒音や振動が大きいとともに、歯車自体の慣性質量やギア歯どうしの摩擦によるトルクの損失などといった弊害がある。また歯車機構を用いる場合には、風車の回転軸と発電機の入力軸との間の軸配置の調整を高い精度で行う必要があるため、組み立て作業やメンテナンス作業が煩雑となり、特に家庭用等で一般のユーザが組み立てる小型の風力発電装置への適用には不向きである。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、歯車を用いずに発電効率と組み立て作業性が高い風力発電装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、軸流型の風車と、前記風車の回転軸を支持するナセルと、前記風車の回転軸と略交差する配置の前記ナセルの回動軸を頂部で支持するタワーと、前記タワーに設けられた発電機と、軸心の撓みを弾性的に許容可能であって、前記風車の回転軸と前記発電機の入力軸とを軸接続する継手と、を有し、前記継手は、軸心に沿って複数個連結されたばねユニットを有し、各ばねユニットは、複数のばね要素を有し、各ばね要素は、基板部と、前記基板部から傾斜して径方向に突出する複数の脚部と、を備えており、前記軸心に沿って隣接する２つの前記ばねユニットは、互いの前記ばね要素の前記複数の脚部同士が結合されることにより、連結されている風力発電装置が適用される。
また、本発明の別の観点によれば、軸流型の風車と、前記風車の回転軸を支持するナセルと、前記風車の回転軸と略交差する配置の前記ナセルの回動軸を頂部で支持するタワーと、前記タワーに設けられた発電機と、軸心の撓みを弾性的に許容可能であって、前記風車の回転軸と前記発電機の入力軸とを軸接続する継手と、を有し、前記継手は、軸心に沿って複数個連結されたばねユニットを有し、各ばねユニットは、複数のばね要素を有し、各ばね要素は、径方向に突出する複数の脚部を備えており、前記軸心に沿って隣接する２つの前記ばねユニットは、互いの前記ばね要素の前記複数の脚部同士が結合されることにより、連結されている風力発電装置が適用される。

本発明によれば、歯車を用いずに発電効率と組み立て作業性を向上できる。

第１実施形態の風力発電装置の風車近傍における要部を、風車の軸方向に沿った側断面図と、同要部を風車の正面から見た外観で表した図である。直線状に伸展した状態の継手を表す側面図である。継手を入力側から見た斜視図である。継手の入力側部分の詳細を表す、部分側面図である。ばねユニットの正面図、及び、図５（ａ）中のＢ−Ｂ断面による横断面図である。ばねユニットを表す斜視図である。ばねユニットを構成する第１ばね要素の正面図、第２ばね要素の正面図、及び、図７（ｂ）中のＡ−Ａ断面による横断面図である。２つのばねユニットを連結した継手の全体構成を表す分解縦断面図である。２つのばねユニットを連結した継手の全体構成を表す縦断面図である。曲がった状態の継手を表す斜視図である。ナセル内部に発電機を設置した第１比較例の側断面図である。発電機に接続する給電線をそのままタワー内部に延設した第２比較例の側断面図である。タワーの上端に設けたスリップリングと発電機に接続するブラシを摺動接触させた第３比較例の側断面図である。発電機をタワーの上方外部に設置した第２実施形態の側断面図である。発電機をタワーの下方外部に設置した第３実施形態の側断面図である。

以下、第１の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

＜第１実施形態の風力発電装置の概要＞
第１実施形態の風力発電装置は、一例としてその軸方向に吹き抜ける風力により軸流型の風車を回転させ、その回転軸の軸出力で発電機を回転させることで発電を行う形態のものである。図１（ａ）は、本実施形態の風力発電装置の風車近傍における要部を風車の軸方向に沿った側断面で表し、図１（ｂ）は、同要部を風車の正面から見た外観で表している。この図１において、風力発電装置１は主に、風車２と、ナセル３と、タワー４と、発電機５と、継手１００を有している。

風車２は、図示する例では３つの羽根２ａを有して軸方向に流れる風力により回転する軸流型のものであり、その回転軸２ｂの軸方向が水平方向に向くよう配置されている。

ナセル３は、内部が中空の箱体であり、一方の側面（図１（ａ）における左方の側面）で上記風車２の回転軸２ｂを支持しているとともに、その下方には上下方向に沿った軸線周りに回動可能な回動軸３ａを有している。ナセル３自体は風車２が受ける風の下流側に位置するが、その風の吹き抜けを阻害することがないよう、風の流通方向、つまり風車２の軸方向に対するナセル３の直交断面積ができるだけ小さい方がよい。図示する例では、ナセル３は上下方向の高さ寸法や風の流通方向に対する長さ寸法と比較して回転軸２ｂに直交する水平方向（つまり図１（ｂ）中の左右方向）の厚み寸法が小さい略偏平型に形成されている。

タワー４は、内部が中空で上下方向に長く延設した構造物であり、その頂部に上記ナセル３がその回動軸３ａを中心として回動可能に設置されている。タワー４自体の高さは、風車２の羽根２ａ１つ分の径方向寸法（つまり風車２全体の半径寸法）より高く、また風車２が安定した流れの風を受けられる程度に地上設置面（図示省略）から十分な高さに設定されている。

発電機５は、その入力軸５ａに入力された回転駆動力により発電する発電機である。図示する例では、当該発電機５はタワー４の頂部の内部に配置され、その入力軸５ａはナセル３の回動軸３ａと軸心が一致する同軸的な配置でタワー４内部からナセル３内部へ突出している。この発電機５は、後述する継手１００を介して風車２から入力される回転駆動力の回転速度が比較的低いため、十分な発電効率を確保できるよう多極化（軸周りの周方向における磁極の多数化）されてその直径が大径化したものを利用する場合が多い。

継手１００は、その軸心の撓みを弾性的に許容可能な継手であって、上記ナセル３の内部において略直交関係にある風車２の回転軸２ｂと発電機５の入力軸５ａとの間で回転駆動力を伝達するよう軸接続している。なお、この継手１００の構成については後に詳述する。

なお、上記ナセル３における風車２の回転軸２ｂの支持部分、タワー４頂部におけるナセル３の回動軸３ａの支持部分、及びタワー４頂部における発電機５の入力軸５ａの支持部分（図示する例ではナセル３の回動軸３ａ内部における発電機５の入力軸５ａの支持部分）の各所では、円滑な回転・回動が可能となるようボール軸受けを介して各軸が支持されている。

以上のように構成された風力発電装置１では、略水平方向に流れる風を受けて風車２が回転し、その水平方向に向く回転軸２ｂからの軸出力が継手１００を介して上方に向く発電機５の入力軸５ａに伝達されて発電が行われる。また水平面内における風向きの変化に対応して、ナセル３が風車２とともにいわゆるヨー方向（図１（ｂ）中の左右方向）に自然回動する。このとき、上述したように発電機５の入力軸５ａがナセル３の回動軸３ａと同軸的に配置されているため、風車２の回転軸２ｂと発電機５の入力軸５ａとの間の直交関係が維持され（いわゆるねじれの関係とならない）、継手１００には偏心による負荷がかからない。以下、上記の継手１００の構成について詳しく説明する。

＜継手全体の概要＞
まず、継手１００を直線上に伸展させた状態で示す図２乃至図４を用いて、継手１００全体の概要を説明する。

図２乃至図４に示すように、継手１００は、軸心方向（図２及び図４中の左右方向）に沿って連結された複数（例えば３０個）のばねユニット１０２（詳細は後述）と、入力側（図２中の左側。軸心方向の一方側に相当）のボス１０５と、出力側（図２中の右側。軸心方向の他方側に相当）のボス１０６と、を備える。連結された複数のばねユニット１０２は、入力側のボス１０５と、出力側のボス１０６との間に取り付けられる。

入力側のボス１０５及び出力側のボス１０６は、この例では中空の円筒体である。入力側のボス１０５には、例えば駆動源側の回転軸（本実施形態の例では風車２の回転軸２ｂ）が取り付けられる。駆動源側の回転軸は、図３に示すボス１０５の中空部１０５ａ（図３参照）に上記軸心方向の一方側（図２中の左側、図３中の左手前側）から挿入された後、ボス１０５のねじ穴１０８に止めボルトがねじ込まれることで、ボス１０５に固定される。出力側のボス１０６には、例えば被駆動側の回転軸（本実施形態の例では発電機５の入力軸５ａ）が取り付けられる。上記同様、被駆動側の回転軸は、ボス１０６の中空部（図示せず）に上記軸心方向の他方側（図２中の右側、図３中の右奥側）から挿入された後、ボス１０６のねじ穴１０９に止めボルトがねじ込まれることで、ボス１０６に固定される。

＜ばねユニット＞
上述したように、継手１００においては、複数のばねユニット１０２（第１ばねユニットに相当）が軸心方向に沿って連結されている。ばねユニット１０２は、図５（ａ）、図５（ｂ）、及び図６に示すように、それぞれ板ばねとして機能する第１ばね要素１０３及び第２ばね要素１０４の結合体により構成されている。第１ばね要素１０３及び第２ばね要素１０４の詳細構造を図７（ａ）〜（ｃ）に示す。

＜各ばね要素の詳細＞
第２ばね要素１０４は、図７（ｂ）及び図７（ｃ）に示すように、径方向中心部に貫通孔１４４を有する円環状の基板部１４１と、基板部１４１の周囲から当該基板部１４１の面方向に対し傾斜しつつ径方向に突出する、複数（この例では６つ）の脚部１４２と、を有している。

基板部１４１には、周方向に沿って等間隔（この例では６０°間隔）となる位相で、基板締結用のボルト挿通孔１４５が設けられている。

６つの脚部１４２は、図７（ｂ）に示すように、上記ボルト挿通孔１４５とは異なる位相（第２位相に相当）となるように（この例では周方向に沿って３０°位相がずれるように）、周方向に沿って等間隔（６０°間隔）に配置されている。言い替えれば、周方向に沿って隣り合う２つの脚部１４２，１４２の中間の位置に、上記ボルト挿通孔１４５がそれぞれ設けられている。各脚部１４２は、図７（ｃ）に示すように、基板部１４１に対し、図７（ｂ）中の手前側（図７（ｃ）中左側）に所定の角度（例えば約１７〜２２°の範囲内の特定の角度）で傾斜するように折り曲げられた後、その先端部１４３が基板部１４１と平行となるように折り曲げられている。なお、先端部１４３に、ばねユニット連結用のボルト挿通孔１４６が設けられている。なお、脚部１４２は、後述のように継手１００が曲げられるときに弾性的に撓んで変形する。

第１ばね要素１０３は、図７（ａ）に示すように、径方向中心部に貫通孔１３４を有する円環状の基板部１３１と、基板部１３１の周囲から当該基板部１３１の面方向に対し傾斜しつつ径方向に突出する、複数（この例では６つ）の脚部１３２と、を有している。

基板部１３１には、周方向に沿って等間隔（この例では６０°間隔）となる位相で、基板締結用のボルト挿通孔１３５が設けられている。

６つの脚部１３２は、上記ボルト挿通孔１３５と同じ位相（第１位相に相当）となるように、周方向に沿って等間隔（６０°間隔）に配置されている。各脚部１３２は、上記第２ばね要素１０４と同様、基板部１３１に対し、図７（ａ）中の手前側に上記所定の角度で傾斜するように折り曲げられた後、その先端部１３３が基板部１３１と平行となるように折り曲げられている。なお、先端部１３３に、ばねユニット連結用のボルト挿通孔１３６が設けられている。なお、脚部１３２は、上記同様、後述のように継手１００が曲げられるときに弾性的に撓んで変形する。

なお、第１ばね要素１０３及び第２ばね要素１０４は、例えばＳＵＳ３０１、ＳＵＳ３１６等のばね用のステンレス鋼帯を用い、板金加工によって作成することができる。

＜ばね要素の結合＞
そして、上記構成の第１ばね要素１０３及び第２ばね要素１０４が、基板部１３１と基板部１４１とが結合され重ね合わされることによって、上記ばねユニット１０２が構成される。このとき、上述した図６及び図５（ｂ）に示すように、第１ばね要素１０３の上記基板部１３１と第２ばね要素１０４の上記基板部１４１との結合は、基板部１３１のボルト挿通孔１３５と基板部１４１のボルト挿通孔１４５とに挿通したボルト１１０ａと、ボルト１１０ａに締め付けたナット１１０ｂとにより行われる（なお、図５（ａ）ではボルト１１０ａ及びナット１１０ｂの図示を省略している）。なお、ボルト１１０ａをボルト挿通孔１３５側からボルト挿通孔１４５に挿通した後に基板部１４１側でナット１１０ｂを締め付けるのに限られず、逆にボルト挿通孔１４５側からボルト挿通孔１３５にボルト１１０ａ挿通した後に基板部１３１側でナット１１０ｂを締め付けてもよい。また、基板部１３１と基板部１４１との結合は、かしめによることも可能である。

上記の結合の結果、図５及び図６に示すように、第１ばね要素１０３及び第２ばね要素１０４は、６つの脚部１３２の周方向における位相と６つの脚部１４２の周方向における位相とが互いに異なった（この例では３０°ずれた）状態としつつ、脚部１３２及び基板部１３１と脚部１４２及び基板部１４１とをいわゆる背中合わせとする態様で重ね合わされる。そしてこのとき、軸心方向から見て、第１ばね要素１０３の隣り合う２つの脚部１３２，１３２の間に第２ばね要素１０４の脚部１４２が位置し、第２ばね要素１０４の隣り合う２つの脚部１４２，１４２の間に第１ばね要素１０３の脚部１３１が位置している。

＜ばねユニットの連結による継手の構築＞
既に述べたように、継手１００は、上記構成のばねユニット１０２を軸心方向に沿って複数個（上記の例では３０個）連結することにより、構成されている。このばねユニット１０２の連結態様を、図８及び図９により説明する。なお、以下では、構成の明確化と理解の容易のために、継手１００において（上記複数の一例として）２つのばねユニット１０２Ｌ，１０２Ｒが連結されている場合を例にとって説明する。なお、ばねユニット１０２Ｌ，１０２Ｒはいずれも上記ばねユニット１０２と同一の構成であり、継手１００内に組み込まれるときの周方向位置が互いに異なるものである（後述）。

＜２つのばねユニット同士の連結＞
図８及び図９に示すように、継手１００に備えられる２つのばねユニット１０２Ｌ，１０２Ｒは、いずれも、第２ばね要素１０４が上記入力側（軸心方向に沿った第２側に相当）に位置しつつその上記脚部１４２を上記基板部１４１に対し上記入力側へ向け、第１ばね要素１０３が上記出力側（軸心方向に沿った第１側に相当）に位置しつつその上記脚部１４２を上記基板部１４１に対し上記出力側へ向けている態様となっている。そして、入力側のばねユニット１０２Ｌの第１ばね要素１０３のすべての脚部１３２と、出力側のばねユニット１０２Ｒの第２ばね要素１０４のすべての脚部１４２とが軸心方向（図８及び図９中の左右方向）に対向している。そして、各脚部１４２の先端部１４３のユニット連結用のボルト挿通孔１４６から各脚部１３２の先端部１３３のユニット連結用のボルト挿通孔１３６へボルト１１１ａがそれぞれ挿通された後、脚部１３２側でボルト１１１ａにナット１１１ｂを締め付けることにより、それら２つのばねユニット１０２Ｌ，１０２Ｒが連結されている。なお、ボルト１１１ａ及びナット１１１ｂは、上述のように第１ばね要素１０３の脚部１３２と第２ばね要素１０４の脚部１４２とを結合する。

ここで、前述のような構造上の差違により、第１ばね要素１０３と第２ばね要素１０４とは、それぞれのボルト挿入孔１３２，１４２を基準とした場合、脚部１３２，１４２の周方向における位相が３０°ずれている。この結果、上記のようにしてばねユニット１０２Ｌの第１ばね要素１０３の脚部１３２とばねユニット１０２Ｒの第２ばね要素１０４の脚部１４２とが連結されることで、それらユニット１０２Ｌ，１０２Ｒは（互いに同一構造でありながらも）、互いに周方向に位相が３０°ずれた位置関係で継手１００内に組み込まれている。

＜入力側のボスとばねユニットとの連結＞
このとき、ボス１０５の入力側（図８及び図９中の左側）には、上記同様の第１ばね要素１０３が取り付けられている。すなわち、入力側のボス１０５に設けられた基板連結用のボルト挿通孔１３５にボルト１１２（上記ボルト１１１ａと同様のボルトである）が挿通された後、当該ボルト１１２がボス１０５の出力側の端面のねじ穴１１２ａにねじ込まれることで、第１ばね要素１０３がボス１０５の出力側に取り付けられる。

そして、上記第１ばね要素１０３に、上記ばねユニット１０２Ｌの第２ばね要素１０４が結合される。このときの結合は、各ばねユニット１０２内における第１ばね要素１０３と第２ばね要素１０４との結合と同様の手法で行われる。すなわち、ボス１０５に取り付けた第１ばね要素１０３とばねユニット１０２Ｌの第２ばね要素１０４との周方向の位置合わせを行うことで、上記ボス１０５の第１ばね要素１０３の脚部１３２と上記ばねユニット１０２Ｌの第２ばね要素１０４の脚部１４２とを軸心方向（図８及び図９中の左右方向）に対向させる。その後、上記脚部１３２の先端部１３３のユニット連結用のボルト挿通孔１３６と上記脚部１４２の先端部１４３のユニット連結用のボルト挿通孔１４６とに一方側からボルト１１３ａ（上記ボルト１１１ａと同様のボルトである）を挿通し、ボルト１１３ａにナット１１３ｂ（上記ナット１１１ｂと同様のナットである）を締め付ける。これによって、入力側のボス１０５にばねユニット１０２Ｌが取り付けられる。

＜出力側のボスとばねユニットとの連結＞
ボス１０６の出力側（図８及び図９中の右側）には、上記同様の第２ばね要素１０４が取り付けられている。すなわち、出力側のボス１０６に設けられた基板連結用のボルト挿通孔１４５にボルト１１２（上記ボルト１１１ａと同様なボルトである）が挿通された後、当該ボルト１１２がボス１０６の入力側の端面のねじ穴（図示せず）にねじ込まれることで、第２ばね要素１０４がボス１０６の入力側に取り付けられる。

そして、上記第２ばね要素１０４に、上記ばねユニット１０２Ｒの第１ばね要素１０３が結合される。このときの結合も、上記同様、各ばねユニット１０２内における第１ばね要素１０３と第２ばね要素１０４との結合と同様の手法で行われる。すなわち、ボス１０６に取り付けた第２ばね要素１０４とばねユニット１０２Ｒの第１ばね要素１０３との周方向の位置合わせを行うことで、上記ボス１０６の第２ばね要素１０４の脚部１４２と上記ばねユニット１０２の第１ばね要素１０３の脚部１３２とを軸心方向（図８及び図９中の左右方向）に対向させる。その後、上記脚部１４２の先端部１４３のユニット連結用の上記ボルト挿通孔１４５と上記脚部１３２の先端部１３３のユニット連結用の上記ボルト挿通孔１３６とに一方側からボルト１１３ａを挿通し、ボルト１１３ａにナット１１３ｂを締め付けることによって、出力側のボス１０６にばねユニット１０２Ｒが取り付けられる。

以上のようにして、入力側のボス１０５、ばねユニット１０２Ｌ、ばねユニット１０２Ｒ、出力側のボス１０６、がこの順序で連結され、継手１００が構築される。このとき、上述したように、すべての第１ばね要素１０３及び第２ばね要素１０４が、それぞれ径方向中心部に上記軸心方向の貫通孔１３４，１４４を備えていることにより、継手１００の内部には、上記貫通孔１３４，１４４を含む空洞部が軸心方向に形成されている。

なお、上記図８及び図９では、説明の便宜上、入力側のボス１０５に取り付けた第１ばね要素１０３と、出力側のボス１０６に取り付けた第２ばね要素１０４と、の間に、互いに連結された２つのばねユニット１０２Ｌ，１０２Ｒが取り付けられている場合を例にとって説明した。しかしながら、前述のように、例えば３０個のばねユニット１０２が上記同様の手法で軸心に沿って連結されている場合には、それら連結された３０個のばねユニット１０２が、上記同様の手法で、入力側のボス１０５に取り付けた第１ばね要素１０３と、出力側のボス１０６に取り付けた第２ばね要素１０４と、の間に、取り付けられる（図２及び図３参照）。すなわち、当該３０個のばねユニット１０２のうち最も入力側に位置するばねユニット１０２の第２ばね要素１０４が、上記同様の手法で入力側のボス１０５に取り付けた第１ばね要素１０３と連結される。また、当該３０個のばねユニット１０２のうち最も出力側に位置するばねユニット１０２の第１ばね要素１０３が、上記同様の手法で出力側のボス１０６に取り付けた第２ばね要素１０４と連結される。

＜継手の機能＞
以上説明した構成の継手１００は、複数のばねユニット１０２が軸心に沿って連結されることで構成されている。各ばねユニット１０２には、ばね要素１０３及びばね要素１０４が備えられており、各ばね要素１０３，１０４は、基板部１３１，１４１と複数の脚部１３２，１４２とを備えている。そして、上記のように軸心に沿って複数のばねユニット１０２が連結されるとき、隣接する２つのばねユニット１０２，１０２のうち一方のばねユニット１０２のばね要素１０３の上記複数の脚部１３２と、他方のばねユニット１０２のばね要素１０４の上記複数の脚部１４２とが、結合されている。

このとき、上記隣接する２つのばねユニット１０２，１０２それぞれの各ばね要素１０３，１０４において、複数の脚部１３２，１４２は、基板部１３１，１４１から傾斜しつつ径方向に突出して設けられている。これにより、上記のように結合した、隣接する２つのばねユニット１０２，１０２それぞれの複数の脚部１３２，１４２が弾性的にたわむことで、当該２つのばねユニット１０２，１０２のばね要素１０３，１０４の基板部１３１，１４１どうしの相対変位を、許容することができる。この結果、継手１００においては、ばねユニット１０２が軸心に沿って複数個（前述の例では例えば３０個）連結されることで、上記のような弾性変形による相対変位許容機能を、隣接する２つのばねユニット１０２ごとに重畳して得ることができる。したがって、入力側の軸（本実施形態の例では風車２の回転軸２ｂ）と出力側の軸（本実施形態の例では発電機５の入力軸５ａ）とを接続するときに、比較的大きな曲げ量を得ることができる。

上記機能の一例を図１０に示す。図１０に示すように、ボス１０５及びボス１０６に対し軸心方向と直交する方向に力が加えられると（白矢印参照）、継手１００は、各ばねユニット１０２が上述の構造に基づきそれぞれ撓むことにより、図示のように側面視にて部分円弧状に曲げることができる。本願発明者等の検討によれば、この継手１００において得られる曲げ量は、ばねユニット１０２の連結する個数、ばねユニット１０２の材質、厚さ等にもよるが、上記のように例えば３０個程度のばねユニット１０２を連結した場合には、約９０°超まで曲げ可能であることを確認できた。本実施形態の風力発電装置１では、上述した構成の継手１００を介して、直交する配置関係にある風車２の回転軸２ｂと発電機５の入力軸５ａを軸接続し回転駆動力を伝達する。

＜他の構成の比較例＞
次に、本実施形態の風力発電装置１と異なる構成の比較例を挙げ、その問題点を説明する。図１１は、ナセル３内部に発電機５を設置した第１比較例の構成を上記図１（ａ）に対応した側断面図で示している（タワーの図示は省略）。この第１比較例において、発電機５はナセル３の内部で風車２の回転軸２ｂより後方側（風の流通方向下流側）に配置され、発電機５の入力軸５ａと風車２の回転軸２ｂが通常のカップリング１１を介して同一直線上に接続されている。しかし、上述したように風車２の回転数が比較的低い場合でも十分な発電量（発電効率）を確保できるよう、発電機５には多極化されて直径が大径化されものを利用する場合が多い。このため、図示する第１比較例の構成では、ナセル３自体も風の流通方向と直交する方向に大径化してしまい、風の吹き抜けが阻害されて風車２の回転数が低下してしまう。

また、このようにナセル３の内部に発電機５を配置した場合には、ナセル３の回動機能に起因して発電機５から地上の給電設備（図示省略）までの配線構成に不都合が生じる。具体的には、図１２に示す第２比較例のように、発電機５に接続する給電線１２をそのままタワー４内部に延設した場合には、ナセル３が回動する度に給電線１２に機械的なねじり（捩り）を付与して損傷させるためその寿命を短くしてしまう。また、図１３に示す第３比較例のように、タワー４の上端に設けたスリップリング１３と発電機５に接続するブラシ１４との機械的な摺動接触によりナセル３内部の発電機５と地上の給電設備との間の電気的な導通を確保する構成も考えられる。しかしこの場合でも、スリップリング１３とブラシ１４との間の接触抵抗により電力的な損失が生じるとともに、機械的な摩耗によってやはり寿命が短い。

これらの比較例に対し、発電機５をタワー４の内部に配置して、直交関係となる風車２の回転軸２ｂと発電機５の入力軸５ａをかさ歯車などの歯車機構を介して軸接続する構成も考えられる（特に図示せず）。これにより、上述したナセル３の大径化と配線構成の不具合は回避できる。しかしこのように歯車等の伝達機構を用いた場合には、歯面どうしが接触する際の振動や騒音が大きいとともに、歯車自体の慣性質量やギア歯どうしの摩擦によるトルクの損失などといった弊害がある。また歯車機構を用いる場合には、風車２の回転軸２ｂと発電機５の入力軸５ａとの間の軸配置の調整を高い精度で行う必要があるため、組み立て作業やメンテナンス作業が煩雑となり、特に家庭用等で一般のユーザが組み立てる小型の風力発電装置への適用には不向きである。

＜本実施形態の効果＞
以上説明したように、本実施形態の風力発電装置１は、ナセル３で支持する風車２の回転軸２ｂとタワー４に設ける発電機５の入力軸５ａとを、継手１００で軸接続する。継手１００は、その軸心の撓みを弾性的に許容可能であるため、交差する軸間の配置に多少の偏心があってもそれを吸収して効率的に軸出力を伝達できる。また機械的な接触がないため騒音や振動も少なく、長寿命で交換作業が容易なためメンテナンス性もよく信頼性も高い。この結果、かさ歯車を用いずに高い効率で発電が可能で組み立て作業が容易な風力発電装置１を実現できる。

特に、従来では最も厳密な結合精度が要求されていた風車２と発電機５の間の軸間接続に対し、偏心を許容可能な継手１００を用いることで簡易に結合可能となる。これにより、風力発電装置１の全体を、風車２、ナセル３、及びタワー４などの主要な構造部材別にモジュール化してそれらの組み立てが簡便となり、家庭用等で一般のユーザが組み立てる小型の風力発電装置への適用に好適となる。

また、風力発電装置１は寒暖の差が大きい場所に設置される場合が多く、風車２、ナセル３、タワー４、及び各軸の部材間において温度差による伸縮ひずみが生じやすい。本実施形態では、このように組み立て時の調整では除去できない伸縮ひずみによる軸間偏心に対しても、継手１００が吸収して風力発電装置１の信頼性を向上できる。

なお、本実施形態では風車２の回転軸２ｂとナセル３の回動軸３ａが直交する配置関係となっているが、これに限られない。他にも、継手１００全体の屈曲角度が許容する角度範囲内であれば、風車２の回転軸２ｂとナセル３の回動軸３ａとが交差する配置関係であってもよい。

また、本実施形態では特に、発電機５は、その入力軸５ａがナセル３の回動軸３ａと略平行に配置されている。上述したように本実施形態では風車２の回転軸２ｂとナセル３の回動軸３ａが直交する配置関係にあることから、発電機５の入力軸５ａと風車２の回転軸２ｂも略直交またはねじれの配置関係となる。これにより、継手１００の屈曲角度を略９０°前後に少なく抑えることができ、機能的な軸出力の伝達が可能となる。また、継手１００が許容する偏心範囲内であれば、発電機５の入力軸５ａと風車２の回転軸２ｂがいわゆるねじれの配置関係であってもよい。特に、本実施形態のように発電機５の入力軸５ａがナセル３の回動軸３ａと同軸的に配置されている構成が好適である。この場合には、ナセル３の回動方向（ヨー方向）にかかわらず風車２の回転軸２ｂと発電機５の入力軸５ａとの間の直交関係が維持される（いわゆるねじれの配置関係とならない）ため、継手１００には偏心による負荷がかからずに信頼性をさらに向上できる。

また、本実施形態では特に、発電機５は、タワー４の内部に設けられている。これにより発電機５を外部に露出させることがなく、雨や風に対する保全性が向上するとともに、タワー４の重心位置を安定させて風力発電装置１全体の設置を安定化できる。

また、本実施形態では特に、発電機５は、タワー４の上部に設けられている。これにより、風車２の回転軸２ｂと発電機５の入力軸５ａを互いに近接するよう配置できるため、それらを軸接続する継手１００やその他シャフトの長さを短くすることができ、軸出力の損失を低減できる。

また、本実施形態では特に、継手１００において、ばねユニット１０２が軸心に沿って複数個（前述の例では例えば３０個）連結されることで、弾性変形による相対変位許容機能を、隣接する２つのばねユニット１０２ごとに重畳して得ることができる。したがって、入力側の軸（本実施形態の例では風車２の回転軸２ｂ）と出力側の軸（本実施形態の例では発電機５の入力軸５ａ）とを接続するときに、比較的大きな曲げ量で屈曲しつつ、２軸間において回転駆動力を伝達できる。

また、本実施形態では特に、各ばねユニット１０２では、第１ばね要素１０３の基板部１３１と第２ばね要素１０４の基板部１４１とを、第１ばね要素１０３が上記出力側に位置しつつ脚部１３２を上記出力側に向け、第２ばね要素１０４が上記入力側に位置しつつ脚部１４２を上記入力側に向ける態様で重ね合わせられている。

すなわち、各ばねユニット１０２は、複数の脚部１３２，１４２を互いに反対側へ向けた第１ばね要素１０３及び第２ばね要素１０４を、背中合わせに重ねて構成されている。これにより、１つのばねユニット１０２において入力側と出力側との両方で弾性変形による相対変位許容機能を確実に発揮することができる。

＜変形例＞
なお、開示の実施形態は、上記に限られるものではなく、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。以下、そのような変形例を説明する。

図１４は、発電機５をタワー４の上方外部に設置した第２実施形態の構成を上記図１（ａ）に対応した側断面図で示している。この場合には、ナセル３は発電機５の上面に対して回動可能に設置される。このように構成した本実施形態では、タワー４の外径に関係なく発電機５を大径化し、発電効率を向上できる。

図１５は、発電機５をタワー４の下方外部に設置した第３実施形態の構成を上記図１（ａ）に対応した側断面図で示している。この場合には、発電機５の入力軸５ａはタワー４の全長を貫通するシャフト１５を介して継手１００と軸接続する。このように構成した本実施形態では、タワー４の重心を低くして風力発電装置１全体の設置を安定化できる。

なお、上記の各実施形態の継手１００では、図５（ａ）、図５（ｂ）、図６、図８、及び図９等を用いて上述したように、各ばねユニット１０２において、入力側に位置する第１ばね要素１０３が各脚部１３２を入力側に向け、出力側に位置する第２ばね要素１０４が各脚部１４２を出力側に向けた態様（いわゆる背中合わせの態様）で、第１ばね要素１０３の基板部１３１と第２ばね要素１０４の基板部１４１とが結合されていた。しかしながらこれに限られず、上記複数のばねユニットのうち少なくとも一部のユニットにおいて、入力側に位置する第１ばね要素１０３が各脚部１３２を出力側に向け、出力側に位置する第２ばね要素１０４が各脚部１４２を入力側に向けた態様（上記背中合わせとは逆のいわゆるお腹合わせの態様）で、それら第１ばね要素１０３の基板部１３１と第２ばね要素１０４の基板部１４１とを結合したユニット（第２ばねユニットに相当）としてもよい。この場合、第１ばね要素１０３の脚部１３２は第２ばね要素１０４の隣接する脚部１４２，１４２の隙間に入り込むようにしてさらに出力側へと突出し、第２ばね要素１０４の脚部１４２は第１ばね要素１０３の隣接する脚部１３２，１３２の隙間に入り込むようにしてさらに入力側へと突出する態様となる。

さらに、例えば複数のばねユニット１０２のうち少なくとも１つのばねユニット（第３ばねユニットに相当）で、上記実施形態における第１ばね要素１０３と同様の構成のばね要素（第３ばね要素に相当）において、上記のようにすべての脚部１３２が基板部１３１から同一方向（上記の例では出力側）に向くのではなく、一部の脚部１３２が出力側へ、残りの脚部が入力側へ向くようにしても良い。この場合、各脚部１３２は所定の位相（第３位相に相当）となるように周方向に沿って適宜の間隔（等間隔とは限らない）で配置される。同様に、第２ばね要素１０４と同様の構成のばね要素（第４ばね要素に相当））において、一部の脚部１４２が基板部１４１から出力側へ、残りの脚部１４２が入力側へ向くようにしても良い。この場合、各脚部１４２は所定の位相（第４位相に相当）となるように周方向に沿って適宜の間隔（等間隔とは限らない）で配置される。

また上記の場合、前述のようないわゆる背中合わせ構造としてもよいしお腹合わせ構造としても良いが、各脚部１３２，１４２とも、上記同様に、出力側（又は入力側）へと突出する際には第２ばね要素１０４又は第１ばね要素１０３と干渉することなく突出するように構成される。

上記各変形例の継手１００においても、上記第１実施形態と同様、１つの第１ばねユニット１０２において入力側と出力側との両方で弾性変形による相対変位許容機能を確実に発揮することができ、同様の効果を得る。

また、以上既に述べた以外にも、上記実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。

その他、一々例示はしないが、上記実施形態や各変形例は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。

１風力発電装置
２風車
２ａ羽根
２ｂ回転軸
３ナセル
３ａ回動軸
４タワー
５発電機
５ａ入力軸
１１カップリング
１２給電線
１３スリップリング
１４ブラシ
１５シャフト
１００継手
１０２ばねユニット（第１ばねユニット）
１０３第１ばね要素
１０４第２ばね要素
１０５入力側のボス
１０６出力側のボス
１３１基板部
１３２脚部
１３３先端部
１３４貫通孔
１４１基板部
１４２脚部
１４３先端部
１４４貫通孔

Claims

軸流型の風車と、
前記風車の回転軸を支持するナセルと、
前記風車の回転軸と略交差する配置の前記ナセルの回動軸を頂部で支持するタワーと、
前記タワーに設けられた発電機と、
軸心の撓みを弾性的に許容可能であって、前記風車の回転軸と前記発電機の入力軸とを軸接続する継手と、
を有し、
前記継手は、
軸心に沿って複数個連結されたばねユニットを有し、
各ばねユニットは、複数のばね要素を有し、
各ばね要素は、
基板部と、
前記基板部から傾斜して径方向に突出する複数の脚部と、
を備えており、
前記軸心に沿って隣接する２つの前記ばねユニットは、
互いの前記ばね要素の前記複数の脚部同士が結合されることにより、
連結されている
ことを特徴とする風力発電装置。
前記発電機は、前記入力軸が前記ナセルの回動軸と略平行に配置されていることを特徴とする請求項１記載の風力発電装置。
前記発電機は、前記タワーの内部に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の風力発電装置。
前記発電機は、前記タワーの上部に設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の風力発電装置。
前記発電機は、前記タワーの下部に設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の風力発電装置。
前記複数のばねユニットは、
前記複数の脚部が周方向に互いに等間隔な第１位相で配置された１つの第１ばね要素の前記基板部と、前記複数の脚部が互いに等間隔な第２位相で配置された１つの第２ばね要素の前記基板部とを、
前記第１ばね要素が前記軸心方向に沿った第１側に位置しつつ前記複数の脚部を前記第１側へ向けるとともに、前記第２ばね要素が前記軸心方向に沿った第２側に位置しつつ前記複数の脚部を前記第２側へ向ける態様で重ね合わせた、少なくとも１つの第１ばねユニットを含む
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の風力発電装置。
前記複数のばねユニットは、
前記複数の脚部が周方向に互いに等間隔な第１位相で配置された１つの第１ばね要素の前記基板部と、前記複数の脚部が互いに等間隔な第２位相で配置された１つの第２ばね要素の前記基板部とを、
前記第１ばね要素が前記軸心方向に沿った第１側に位置しつつ前記複数の脚部を前記軸心方向に沿った第２側へ向けるとともに、前記第２ばね要素が前記第２側に位置しつつ前記複数の脚部を前記第１側へ向ける態様で重ね合わせた、少なくとも１つの第２ばねユニットを含む
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の風力発電装置。
前記複数のばねユニットは、
前記複数の脚部が周方向に所定の第３位相で配置された１つの第３ばね要素の前記基板部と、前記複数の脚部が周方向に所定の第４位相で配置された１つの第４ばね要素の前記基板部とを、
前記第３ばね要素及び前記第４ばね要素のうち一方が前記軸心方向に沿った第１側に位置しつつ他方が前記軸心方向に沿った第２側に位置し、かつ、前記第３ばね要素及び前記第４ばね要素の両方が、前記複数の脚部のうち一部の脚部を前記第１側に向けつつ残りの脚部を前記第２側に向ける態様で重ね合わせた、少なくとも１つの第３ばねユニットを含む
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の風力発電装置。
軸流型の風車と、
前記風車の回転軸を支持するナセルと、
前記風車の回転軸と略交差する配置の前記ナセルの回動軸を頂部で支持するタワーと、
前記タワーに設けられた発電機と、
軸心の撓みを弾性的に許容可能であって、前記風車の回転軸と前記発電機の入力軸とを軸接続する継手と、
を有し、
前記継手は、
軸心に沿って複数個連結されたばねユニットを有し、
各ばねユニットは、複数のばね要素を有し、
各ばね要素は、
径方向に突出する複数の脚部を備えており、
前記軸心に沿って隣接する２つの前記ばねユニットは、
互いの前記ばね要素の前記複数の脚部同士が結合されることにより、
連結されている
ことを特徴とする風力発電装置。