JP5917892B2

JP5917892B2 - 発電装置及び一方向クラッチ

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Publication number: JP5917892B2
Application number: JP2011253598A
Authority: JP
Inventors: 藤原　英樹; 英樹藤原
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2011-11-21
Filing date: 2011-11-21
Publication date: 2016-05-18
Anticipated expiration: 2031-11-21
Also published as: JP2013110844A

Description

本発明は、外力による主軸の回転を増速機により増速させて発電機を駆動する発電装置、及びこの発電装置に好適に利用することができる一方向クラッチに関する。

従来、ブレードにより風力を受けて当該ブレードに接続された主軸を回転させ、その主軸の回転を増速させて発電機を駆動する風力発電装置が知られている。主軸の回転を増速させるための増速機は、例えば図７に示されるように、主軸２００から入力された回転を増速する遊星歯車機構２０３と、この遊星歯車機構２０３から入力された回転をさらに増速する高速段歯車機構２０４と、この高速段歯車機構２０４の回転トルクを出力する出力軸２０５とを備えている。この出力軸２０５が、図示しない発電機の駆動軸に動力伝達可能に連結される。

遊星歯車機構２０３は、主軸２００の回転が入力軸２０３ａに伝達されると、遊星キャリア２０３ｂが回転することによって、遊星歯車２０３ｃを介して太陽歯車２０３ｄを増速回転させ、その回転を高速段歯車機構２０４の低速軸２０４ａに伝達する。
また、高速段歯車機構２０４は、遊星歯車機構２０３から低速軸２０４ａに回転が伝達されると、低速ギヤ２０４ｂ及び第１中間ギヤ２０４ｃを介して中間軸２０４ｄを増速回転させ、さらに第２中間ギヤ２０４ｅ及び高速ギヤ２０４ｆを介して出力軸２０５を増速回転させる。

増速機２０２の低速軸２０４ａ、中間軸２０４ｄ及び出力軸２０５をそれぞれ回転自在に支持する軸受として、ころ軸受２０６〜２１１が多用されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−２３２１８６号公報

従来の風力発電装置では、高速回転する出力軸を支持するころ軸受において、ころの転動面や回転輪の軌道面にスメアリング（表層焼付きが起こる現象）が発生し、ころ軸受の寿命が低下するという問題があった。
また、発電機に焼き付き等が生じるとその駆動軸が回転し難くなり、出力軸から駆動軸への伝達トルクが過大になるとともに、増速機にも大きな負担がかかり、増速機が損傷してしまうおそれがあった。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、増速機の出力軸を支持するころ軸受にスメアリングが発生するのを効果的に抑制し、しかも出力軸から発電機の駆動軸への伝達トルクが過大になった場合には増速機の負担を軽減することができる発電装置と、この発電装置等に好適に利用することができる一方向クラッチとを提供することを目的とする。

（１）本願発明者は、スメアリングの発生メカニズムについて鋭意研究を重ねた。その結果、風力の低下により主軸の回転速度が急激に低下すると、重量の重い発電機のロータの慣性により、出力軸の回転速度よりも発電機の駆動軸の回転速度が上回ることによっていわゆるトルク抜け（荷重抜け）が発生し、このトルク抜けによって出力軸を支持するころ軸受に作用するラジアル荷重が減少し、ころ軸受のころと回転輪との転がり摩擦抵抗よりも、ころとそれを保持する保持器との摺動摩擦抵抗等が上回ることにより、ころの自転が遅れることを見出した。そして、この状態から風力の増加により主軸の回転速度が急激に増加したときに、増速の慣性トルクが加わり出力軸を支持するころ軸受に作用するラジアル荷重が増加するため、その瞬間にころに高荷重がかかった状態でころが回転輪との接触面で滑り、その接触面が昇温することにより、スメアリングが発生するという知見を得、かかる知見に基づいて本願発明を完成させた。

まず、本発明は、外力により回転する主軸と、前記主軸の回転を入力して増速する回転伝達機構、及びこの回転伝達機構の回転トルクを出力する出力軸を回転自在に支持するころ軸受を有する増速機と、前記出力軸の回転を入力として回転する駆動軸を有するとともに、当該駆動軸と一体回転するロータの回転に伴って発電する発電機と、を備えた発電装置であって、前記出力軸に一体回転可能に設けられた入力回転体と、前記駆動軸に一体回転可能に設けられ、前記入力回転体の径方向内側又は径方向外側に同心上に配置された出力回転体と、前記入力回転体と前記出力回転体との間に配置され、前記入力回転体の回転速度が前記出力回転体の回転速度を上回る状態で、前記入力回転体と前記出力回転体とを一体回転可能に接続し、前記入力回転体の回転速度が前記出力回転体の回転速度を下回る状態で、前記入力回転体と前記出力回転体との接続を遮断する一方向クラッチとを備え、前記一方向クラッチには、前記入力回転体から前記出力回転体への伝達トルクが上限を超えたときに前記入力回転体と前記出力回転体との接続を遮断するトルクリミッタが設けられている。

上記のように構成された発電装置によれば、一方向クラッチにより、入力回転体の回転速度が出力回転体の回転速度を上回るときは、入力回転体と出力回転体とを一体回転可能に接続し、入力回転体の回転速度が出力回転体の回転速度を下回ると、入力回転体と出力回転体との接続を遮断することができる。つまり、外力の低下により主軸を介して出力軸の回転速度が急激に低下しても、発電機のロータの慣性による回転が駆動軸を介して出力軸に伝達されるのを防止することができる。これにより、出力軸を支持しているころ軸受に作用するラジアル荷重の減少及びこれに伴うころの自転遅れを抑制することができる。したがって、この状態から外力変化により主軸の回転速度が急激に増加してころに高荷重がかかったときに、ころが回転輪との接触面で滑りにくくなるため、ころ軸受にスメアリングが発生するのを効果的に抑制することができる。

また、一方向クラッチにはトルクリミッタが設けられているので、例えば発電機の焼き付きによって駆動軸が回転し難くなり、出力軸側の入力回転体から駆動軸側の出力回転体への伝達トルクが上限を超える（入力回転体が出力回転体に接続されてロック状態になる）と、トルクリミッタによって入力回転体と出力回転体との接続を遮断させることができる。これによって、増速機にかかる負担を軽減し、増速機の損傷を防止することができる。また、一方向クラッチにトルクリミッタを設けることにより、これらを別々に設ける場合に比べて構造の簡素化及びコンパクト化を図ることができる。

更に、前記一方向クラッチは、前記入力回転体及び前記出力回転体の一方側に設けられた外輪内周面と、同他方側に設けられるとともに、前記外輪内周面との間に周方向に複数のくさび状空間を形成する内輪外周面と、前記複数のくさび状空間のそれぞれに配置されたころと、を有し、前記ころが前記内輪外周面及び前記外輪内周面に噛み合うことにより前記入力回転体と前記出力回転体とを一体回転可能に接続し、その噛み合いが解除されることにより前記接続を遮断するものであり、前記トルクリミッタは、前記内輪外周面に形成されると共に、前記伝達トルクが上限を超えたときに前記くさび状空間から離脱した前記ころを収容し、当該ころと前記内輪外周面及び前記外輪内周面との噛み合いを解除させる収容凹部を備えている。

この構成によれば、入力回転体から出力回転体への伝達トルクが上限を超えると、くさび状空間から離脱したころが収容凹部に収容され、ころと内輪外周面及び外輪内周面との噛み合いが解除される。したがって、入力回転体から出力回転体への接続を適切に遮断することができる。

また、前記内輪外周面が前記入力回転体側に設けられており、前記トルクリミッタは、前記入力回転体の回転に伴う遠心力で前記収容凹部内のころが当該収容凹部から離脱するのを防止する離脱防止手段をさらに備えている。
収容凹部内にころが収容された状態で入力回転体が回転し、その遠心力によって収容凹部からころが飛び出すと、再度、ころが内輪外周面及び外輪内周面に噛み合ってしまうおそれがあるが、本発明のトルクリミッタは、収容凹部からころが離脱するのを防止する離脱防止手段を備えているので、このような問題を解消することができる。

更にまた、前記離脱防止手段は、前記収容凹部の一方の側壁部の外周側に、当該収容凹部内に収容された前記ころが内輪の径方向外方への移動を規制する規制部を突設しており、前記収容凹部の側壁部は、互いに平行に形成され、前記収容凹部に収容されるころから遠い側の側壁部の方が短く形成されている。
このような構成によって、入力回転体の回転による遠心力でころが収容凹部から径方向外方へ向けて離脱しようとしても、規制部が障害となって当該離脱が防止される。したがって、ころが内輪外周面及び外輪内周面に再び噛み合ってしまうのを好適に防止することができる。

（５）前記内輪外周面と前記外輪内周面との間には、前記ころを収容可能なポケットを有すると共に複数の前記ころの周方向間隔を保持する保持器と、前記ポケット内の前記ころを前記くさび状空間の狭小方向へ付勢する圧縮バネからなる弾性部材とを備えており、前記離脱防止手段は、前記弾性部材よりも径方向内側に前記ころを位置づけることができる深さに前記収容凹部を形成することによって構成されていてもよい。
この構成によれば、保持器のポケットからころが離脱して収容凹部内に入り込むと、弾性部材が伸張することによってころの径方向外側に配置される。したがって、入力回転体の回転に伴う遠心力で収容凹部からころが径方向外方へ離脱しようとしても、弾性部材が障害となって当該離脱が防止される。

（６）前記弾性部材には、前記ころが収容された前記収容凹部の少なくとも一部を塞ぐ閉塞部材が設けられていることが好ましい。
この構成によれば、上記のように収容凹部に入り込んだころの径方向外側に弾性部材が配置されたときに、この閉塞部材が収容凹部の少なくとも一部を塞ぎ、ころの離脱を確実に防止することができる。

（７）本発明の一方向クラッチは、入力回転体とこの入力回転体の径方向外側に同心上に配置された出力回転体との間に配置され、前記入力回転体の回転速度が前記出力回転体の回転速度を上回る状態で、前記入力回転体と前記出力回転体とを一体回転可能に接続し、前記入力回転体の回転速度が前記出力回転体の回転速度を下回る状態で、前記入力回転体と前記出力回転体との接続を遮断する一方向クラッチであって、前記出力回転体側に設けられた外輪内周面と、前記入力回転体側に設けられるとともに、前記外輪内周面との間に周方向に複数のくさび状空間を形成する内輪外周面と、前記複数のくさび状空間のそれぞれに配置されるとともに、前記内輪外周面及び前記外輪内周面に噛み合うことにより前記入力回転体と前記出力回転体とを一体回転可能に接続し、その噛み合いが解除されることにより前記接続を遮断するころと、前記内輪外周面に形成されると共に、前記入力回転体から前記出力回転体への伝達トルクが上限を超えたときに前記くさび状空間から離脱した前記ころを収容し、当該ころと前記内輪外周面及び前記外輪内周面との噛み合いを解除させる収容凹部を備えたトルクリミッタと、を備え、前記トルクリミッタは、前記入力回転体の回転に伴う遠心力で前記収容凹部内のころが当該収容凹部から離脱するのを防止する離脱防止手段を備えている。

本発明の一方向クラッチは、トルクリミッタを備えているので、入力回転体から出力回転体への伝達トルクが上限を超える（入力回転体が出力回転体に接続されてロック状態になる）と、トルクリミッタによって入力回転体と出力回転体との接続を遮断させることができる。また、収容凹部内にころが収容された状態で入力回転体が回転し、その遠心力によって収容凹部からころが飛び出すと、再度、ころが内輪外周面及び外輪内周面に噛み合ってしまうおそれがあるが、本発明のトルクリミッタは、収容凹部からころが離脱するのを防止する離脱防止手段を備えているので、このような問題も解消することができる。

また、前記離脱防止手段は、前記収容凹部の一方の側壁部の外周側に、当該収容凹部内に収容された前記ころが内輪の径方向外方への移動を規制する規制部を突設しており、前記収容凹部の側壁部は、互いに平行に形成され、前記収容凹部に収容されるころから遠い側の側壁部の方が短く形成されている。
このような構成によって、入力回転体の回転による遠心力でころが収容凹部から径方向外方へ向けて離脱しようとしても、規制部が障害となって当該離脱が防止される。したがって、ころが内輪外周面及び外輪内周面に再び噛み合ってしまうのを好適に防止することができる。

（９）前記内輪外周面と前記外輪内周面との間には、前記ころを収容可能なポケットを有すると共に複数の前記ころの周方向間隔を保持する保持器と、前記ポケット内の前記ころを前記くさび状空間の狭小方向へ付勢する圧縮バネからなる弾性部材とを備えており、前記離脱防止手段は、前記弾性部材よりも径方向内側に前記ころを位置づけることが可能な深さに前記収容凹部を形成することによって構成されていてもよい。
この構成によれば、保持器のポケットからころが離脱して収容凹部内に入り込むと、弾性部材が伸張することによってころの径方向外側に配置される。したがって、入力回転体の回転に伴う遠心力で収容凹部からころが径方向外方へ離脱しようとしても弾性部材が障害となり、当該離脱を防止することができる。

（１０）前記弾性部材には、前記ころが収容された前記収容凹部の少なくとも一部を塞ぐ閉塞部材が設けられていてもよい。
この構成によれば、上記のように収容凹部に入り込んだころの径方向外側に弾性部材が配置されたときに、この弾性部材に取り付けられた閉塞部材が収容凹部の少なくとも一部を塞ぎ、ころの離脱を確実に防止することができる。

本発明の発電装置によれば、増速機の出力軸を支持するころ軸受にスメアリングが発生するのを効果的に抑制し、しかも出力軸から発電機の駆動軸への伝達トルクが過大になったときに増速機の負担を軽減することができる。また、本発明の一方向クラッチによれば、入力回転体から出力回転体への伝達トルクが過大になったときに入力回転体と出力回転体との接続を好適に遮断することができ、さらに、入力回転体の回転による遠心力でころが収容凹部から離脱して再び内輪外周面及び外輪内周面に噛み合ってしまうことを防止することができる。

本発明の実施形態に係る発電装置を示す概略側面図である。図１に示される発電装置における増速機のころ軸受を示す断面図である。図１に示される発電装置における増速機の出力軸と発電機の駆動軸との連結部分を示す断面図である。図１に示される発電装置における一方向クラッチを示す断面図である。一方向クラッチの一部を拡大して示す断面図である。収容凹部内にころが収容された状態の一方向クラッチの一部を拡大して示す断面図である。従来の増速機を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しながら詳述する。
図１は、本発明の実施形態に係る発電装置を示す概略側面図である。本実施形態の発電装置は風力発電装置１であり、この風力発電装置１は、風力（外力）を受けて回転する主軸２と、この主軸２に連結された増速機３と、この増速機３に連結された発電機４とを備えており、主軸２の回転が増速機３によって増速され、この増速された回転動力で発電機４が駆動される。

主軸２の先端部には、例えばブレード（図示省略）が一体回転可能に連結されており、このブレードは風力を受けて主軸２とともに回転するようになっている。
発電機４は、増速機３により増速された回転動力が入力されて回転する駆動軸４１と、発電機４に内蔵されたロータ４２と、図示しないステータ等とを有する。ロータ４２は駆動軸４１に一体回転可能に連結されており、駆動軸４１が回転してロータ４２が駆動することに伴って発電するようになっている。

増速機３は、主軸２の回転を増速する歯車機構（回転伝達機構）３０を備えている。この歯車機構３０は、遊星歯車機構３１と、この遊星歯車機構３１により増速された回転をさらに増速する高速段歯車機構３２とを備えている。
遊星歯車機構３１は、内歯車（リングギヤ）３１ａと、主軸２に一体回転可能に連結された遊星キャリア（図示省略）に保持された複数の遊星歯車３１ｂと、遊星歯車３１ｂに噛み合う太陽歯車３１ｃとを有している。これにより、前記主軸２とともに遊星キャリアが回転すると、遊星歯車３１ｂを介して太陽歯車３１ｃが回転し、その回転が高速段歯車機構３２の低速軸３３に伝達される。

高速段歯車機構３２は、低速ギヤ３３ａを有する低速軸３３と、第１中間ギヤ３４ａ及び第２中間ギヤ３４ｂを有する中間軸３４と、高速ギヤ３５ａを有する出力軸３５とを備えている。
低速軸３３は、その直径が例えば約１ｍの大型の回転軸からなり、主軸２と同心上に配置されている。低速軸３３の軸方向両端部はころ軸受３６ａ，３６ｂにより回転自在に支持されている。

中間軸３４は、低速軸３３の上方に配置されており、その軸方向両端部はころ軸受３７ａ，３７ｂにより回転自在に支持されている。中間軸３４の第１中間ギヤ３４ａは低速ギヤ３３ａと噛み合い、第２中間ギヤ３４ｂは高速ギヤ３５ａと噛み合っている。
出力軸３５は、中間軸３４の上方に配置されており、回転トルクを出力するようになっている。出力軸３５の軸方向の一端部３５ｂ及び他端部（出力端部）３５ｃ側は、それぞれころ軸受３８，３９により回転自在に支持されている。

以上の構成により、主軸２の回転は、遊星歯車機構３１のギヤ比、低速ギヤ３３ａと第１中間ギヤ３４ａとのギヤ比、及び第２中間ギヤ３４ｂと高速ギヤ３５ａとのギヤ比により３段階に増速され、出力軸３５の出力端部３５ｃから回転トルクが出力される。したがって、風力による主軸２の回転は、増速機３により３段階に増速されて、発電機４を駆動するようになっている。

図２は、出力軸３５の一端部３５ｂを支持するころ軸受３８を示す断面図である。図２において、ころ軸受３８は、円筒ころ軸受からなり、出力軸３５に外嵌固定された内輪３８ａと、ハウジング（図示省略）に固定された外輪３８ｂと、内輪３８ａと外輪３８ｂとの間に転動可能に配置された複数の円筒ころ３８ｃと、各円筒ころ３８ｃを円周方向に沿って所定間隔毎に保持する環状の保持器３８ｄとを備えている。内輪３８ａ、外輪３８ｂ、円筒ころ３８ｃは例えば軸受鋼によって形成されており、保持器３８ｄは例えば銅合金によって形成されている。

内輪３８ａは、その外周の軸方向中央部に形成された内輪軌道面３８ａ１を有している。外輪３８ｂは、内輪３８ａと同心上に配置されており、その内周の軸方向中央部に形成された外輪軌道面３８ｂ１と、この外輪軌道面３８ｂ１の軸方向両側に形成された一対の外輪鍔部３８ｂ２とを有している。外輪軌道面３８ｂ１は、内輪軌道面３８ａ１に対向して配置されている。外輪鍔部３８ｂ２は、外輪３８ｂの内周の軸方向両端部から径方向内側に向かって突出して形成されており、この外輪鍔部３８ｂ２に円筒ころ３８ｃの端面が摺接する。

円筒ころ３８ｃは、内輪３８ａの内輪軌道面３８ａ１と外輪３８ｂの外輪軌道面３８ｂ１との間に転動可能に配置されている。
保持器３８ｄは、軸方向に離反して配置された一対の円環部３８ｄ１と、この円環部３８ｄ１の周方向に沿って等間隔おきに配置されて両円環部３８ｄ１同士を連結する複数の柱部３８ｄ２とを有している。一対の円環部３８ｄ１と隣接する柱部３８ｄ２との間には、それぞれポケット３８ｄ３が形成されており、このポケット３８ｄ３内に円筒ころ３８ｃが配置されている。

図１に示されるように、風力発電装置１は、増速機３の出力軸３５に一体回転可能に設けられた入力回転体５と、発電機４の駆動軸４１に一体回転可能に設けられた出力回転体６と、入力回転体５と出力回転体６との間に配置された一方向クラッチ７と、一方向クラッチ７の軸方向両側に配置された一対の転がり軸受８とをさらに備えている。一方向クラッチ７及び転がり軸受８は、出力軸３５の回転を入力回転体５及び出力回転体６を介して駆動軸４１に伝達するようになっている。なお、本実施形態の風力発電装置１は、転がり軸受８が一方向クラッチ７の軸方向両側に配置されているが、一方向クラッチ７の軸方向一方側のみに配置されたものであってもよい。

図３は、増速機３の出力軸３５と発電機４の駆動軸４１との連結部分を示す断面図である。図３において、入力回転体５は、出力軸３５と同心上に配置されており、その軸方向一端部（図３の左端部）から軸方向他端部（図３の右端部）に向けて、フランジ部５１、大径部５２ａ、中径部５２ｂ、及び小径部５２ｃをこの順に有している。

フランジ部５１は、大径部５２ａの外周面よりも径方向外側に延びて形成されており、出力軸３５の出力端部３５ｃに着脱可能に固定されている。具体的には、フランジ部５１は、出力軸３５の出力端部３５ｃに形成されたフランジ部３５ｃ１に当接した状態で、図示しないボルト・ナットにより当該フランジ部３５ｃ１に締結固定されている。小径部５２ｃの端面と駆動軸４１のフランジ部４１ａの端面との間には、隙間Ｓ１が形成されている。

出力回転体６は、入力回転体５の径方向外側に同心上に配置されており、円筒部６１と、この円筒部６１の軸方向他端部（図３の右端部）に形成されたフランジ部６２とを有している。
フランジ部６２は、円筒部６１の外周面よりも径方向外側に延びて形成されており、駆動軸４１の一端部（図３の左端部）に着脱可能に固定されている。具体的には、フランジ部６２は、駆動軸４１の一端部に形成されたフランジ部４１ａに当接した状態で、図示しないボルト・ナットにより当該フランジ部４１ａに締結固定されている。

円筒部６１の内周面は円筒面とされており、円筒部６１の軸方向一端部（図３の左端部）の内周面と、入力回転体５の大径部５２ａの外周面との隙間には、円筒部６１と入力回転体５の中径部５２ｂ及び小径部５２ｃとの間の環状空間を密封するための環状のシール部材１０が設けられている。円筒部６１の一端部側の端面と、この端面に対向する入力回転体５のフランジ部５１の端面との間には、隙間Ｓ２が形成されている。これにより、駆動軸４１から出力回転体６を切り離した状態で、出力回転体６は入力回転体５に対して軸方向両側に移動可能となっている。

図４は、一方向クラッチ７を示す断面図、図５は、一方向クラッチの一部を拡大して示す断面図である。図３〜図５において、一方向クラッチ７は、内輪７１及び外輪７２と、この内輪７１の外周面７１ａと外輪７２の内周面７２ａとの間に配置された複数のころ７３とを備えている。
内輪７１は、入力回転体５の小径部５２ｃの左側部に外嵌して固定されており、この小径部５２ｃとともに図４の矢印Ａ方向に一体回転するようになっている。出力回転体６における円筒部６１の軸方向中央部の領域Ｂは、一方向クラッチ７の外輪７２とされている。したがって、円筒部６１の領域Ｂの内周面に、前記内周面７２ａが形成されている。ころ７３は、円柱形状であり、本実施形態では周方向に６個配置されている。

一方向クラッチ７は、各ころ７３を円周方向に沿って所定間隔毎に保持する環状の保持器７４と、各ころ７３を一方向に弾性的に付勢する複数の弾性部材７５とをさらに備えている。
保持器７４は、軸方向に対向する一対の円環部７４ａと、両円環部７４ａの間で軸方向に延びかつ周方向等間隔に配列されて当該両円環部７４ａを連結する複数の柱部７４ｂとを有している。両円環部７４ａと隣接する柱部７４ｂとの間には複数のポケット７４ｃが形成されており、各ポケット７４ｃに各ころ７３が個別に収容されている。
弾性部材７５は、圧縮コイルバネからなり、保持器７４の各ポケット７４ｃに個別に収容されて柱部７４ｂに取り付けられている。

図４において、内輪７１の外周面７１ａにはころ７３と同数（６個）の平坦なカム面７１ａ１が形成されており、外輪７２の内周面７２ａは円筒面とされている。内輪７１のカム面７１ａ１と外輪７２の円筒面７２ａとの間には、くさび状空間Ｓが周方向に複数（６つ）形成されている。そして、ころ７３は各くさび状空間Ｓに個別に配置されており、弾性部材７５がころ７３をくさび状空間Ｓが狭くなる方向（狭小方向）に付勢している。ころ７３の外周面は、内輪７１のカム面７１ａ１及び外輪７２の円筒面７２ａに接触する接触面となっている。なお、一方向クラッチ７は、内外輪７１，７２間に、基油にエステル、増ちょう剤にウレア系のもの等を用いた温度変化に影響をうけにくい潤滑剤であるグリースが設けられた環境にある。

以上の構成を有する一方向クラッチ７において、入力回転体５が増速回転することによってその回転速度が出力回転体６の回転速度を上回ると、内輪７１は外輪７２に対して一方向（図４の矢印Ａ方向（反時計回り方向））に相対回転しようとする。この場合、ころ７３は、弾性部材７５の付勢力によってくさび状空間Ｓが狭くなる方向へ僅かに移動し、その外周面が内輪７１の外周面７１ａ（カム面７１ａ１）及び外輪７２の内周面７２ａに圧接し、内外輪７１，７２の間に噛み合った状態となる。これにより、内輪７１及び外輪７２が矢印Ａ方向に一体回転し、入力回転体５と出力回転体６とが一体回転可能に接続される。

また、入力回転体５が増速回転後に一定速回転となり、入力回転体５の回転速度が、出力回転体６の回転速度と同一になった場合には、ころ７３が内外輪７１，７２の間に噛み合った状態で保持される。このため、内輪７１及び外輪７２は矢印Ａ方向への一体回転を維持し、入力回転体５及び出力回転体６が一体回転し続ける。

一方、入力回転体５が減速回転することによって、その回転速度が出力回転体６の回転速度を下回ると、内輪７１は外輪７２に対して他方向（図４の矢印Ａの反対方向（時計回り方向））に相対回転しようとする。この場合、ころ７３は、弾性部材７５の付勢力に抗してくさび状空間Ｓが広くなる方向へ僅かに移動し、その外周面と内輪７１及び外輪７２との噛み合いが解除される。これにより、入力回転体５と出力回転体６との接続が遮断される。

したがって、風力発電装置１は、増速機３の出力軸３５とともに一体回転する入力回転体５と、発電機４の駆動軸４１とともに一体回転する出力回転体６との間に配置した一方向クラッチ７により、入力回転体５の回転速度が出力回転体６の回転速度を下回ると、入力回転体５と出力回転体６との接続を遮断することができる。つまり、風力の低下により主軸２を介して出力軸３５の回転速度が急激に低下しても、発電機４のロータ４２の慣性による回転が駆動軸４１を介して出力軸３５に伝達されるのを防止することができる。これにより、出力軸３５を支持しているころ軸受３８に作用するラジアル荷重の減少及びこれに伴う円筒ころ３８ｃの自転遅れを抑制することができる。したがって、この状態から風力変化により主軸２の回転速度が急激に増加して円筒ころ３８ｃに高荷重がかかったときに、円筒ころ３８ｃが内輪３８ａとの接触面で滑りにくくなるため、ころ軸受３８にスメアリングが発生するのを効果的に抑制することができる。

また、ロータ４２の慣性による回転が出力軸３５に伝達されるのを防止することにより、増速機３のころ軸受３６ａ，３６ｂ，３７ａ，３７ｂ，３８，３９等に作用する負荷を低減することができる。これにより、遊星歯車機構３１の各歯車３１ｂ，３１ｃや、高速段歯車機構３２の各軸３３〜３５及びころ軸受３６ａ，３６ｂ，３７ａ，３７ｂ，３８，３９をいずれも小型化することができるため、増速機３を軽量化することができ、かつ低コストで製造することができる。

さらに、入力回転体５と出力回転体６との接続を遮断することにより、発電機４のロータ４２は、急激に減速することなく慣性によって回転し続けるため、ロータ４２の平均回転速度を上げることができる。これにより、発電機４の発電効率を向上させることができる。

本実施形態の一方向クラッチ７には、トルクリミッタ９が設けられている。このトルクリミッタ９は、入力回転体５から出力回転体６へ伝達される回転トルクが所定値（上限値）を超える場合に、入力回転体５と出力回転体６との接続を遮断するものである。
前述したように、一方向クラッチ７は、入力回転体５が矢印Ａ方向に増速回転することによって、ころ７３がカム面７１ａ１と外輪７２の内周面７２ａとの間に噛み合い、出力回転体６を矢印Ａ方向に一体回転させる。しかし、発電機４に焼き付き等が生じて駆動軸４１が回転し難くなると、この駆動軸４１に連結された出力回転体６も回転し難くなり、入力回転体５から出力回転体６に伝達される回転トルクが過大となる。そのため、入力回転体５に連結された出力軸３５と主軸２との間の増速機３にも大きな負担がかかり、増速機３内の歯車や軸受等を損傷させてしまう可能性がある。

本実施形態のトルクリミッタ９は、上記のような不都合を解消するために設けられており、図４及び図５に示されるように、内輪７１の外周面７１ａに形成され、かつころ７３を収容可能な収容凹部９１を有している。この収容凹部９１は、周方向に隣接するカム面７１ａ１の間に相当する位置に形成されている。したがって、本実施形態では、合計６個の収容凹部９１が形成されている。また、各収容凹部９１には、その矢印Ａ方向に隣接して配置されたカム面７１ａ１に当接するころ７３が、カム面７１ａ１の端部７１ａ２を乗り越えたときに落ち込み、収容されるようになっている。

図５に示されるように、収容凹部９１は、その底部９１ａがころ７３と略同一半径の円弧面に形成され、底部９１ａの周方向両側に形成された側壁部９１ｂ１，９１ｂ２は、互いに平行に形成されると共に、一方向クラッチ７の軸心Ｏと底部９１ａの曲率中心とを通る径方向の仮想線Ｙに対して径方向外側ほど矢印Ａ方向に位置するように傾斜する傾斜面に形成されている。そのため、ころ７３に近い側の側壁部９１ｂ１の方が長く、遠い側の側壁部９１ｂ２が短く形成されている。また、カム面７１ａ１と一方の側壁部９１ｂ１との間の角度は９０°以上（例えば、９０°〜１２０°程度）とされている。

また、収容凹部９１は、ころ７３の全体を収容することができる深さに形成されている。そのため、収容凹部９１に収容されたころ７３は、弾性部材７５よりも径方向内側に位置づけられる。
弾性部材７５にはカバー部材９３が設けられている。このカバー部材９３は、図５に示されるように、弾性部材７５の周方向一端面（ころ７３側の端面）、径方向外側面、径方向内側面、及び軸方向両側面を取り囲むように有底角筒形状に形成されており、周方向一端面を覆う部分９３ａがころ７３に当接している。また、弾性部材７５の径方向外側面を覆う部分９３ｂは、外輪７２の内周面７２ａに沿って円弧状に形成されており、この部分９３ｂは、外輪７２の内周面７２ａに接触しても円滑に滑ることができるように、フッ素樹脂や二硫化モリブデン等によるコーティングが施され、摩擦抵抗が低減されている。

入力回転体５から出力回転体６に伝達される回転トルクが上限を超えると、ころ７３がカム面７１ａ１上から端部７１ａ２を乗り越え、図６に示されるように、収容凹部９１に落ち込み、カム面７１ａ１と外輪７２の内周面７２ａとの間のくさび状空間Ｓから離脱した状態となる。そのため、入力回転体５と出力回転体６との接続は完全に遮断され、両者の間の回転トルクの伝達が絶たれた状態となる。そのため、入力回転体５はほとんど負荷を受けることなく回転し、増速機３にかかる負担を軽減することができ、増速機３の損傷も防止することができる。

また、入力回転体５は、主軸２が回転している限り、ころ７３が収容凹部９１内に収容された後も増速機３によって増速されて回転を継続するが、この入力回転体５の回転による遠心力で収容凹部９１からころ７３が径方向外方へ離脱し、再びころ７３がカム面７１ａ１と外輪７２の内周面７２ａとに噛み合ってしまうと、入力回転体５が出力回転体６に接続されてロック状態となり、増速機３に大きな負担がかかってしまう。このような事態を防止するため、本実施形態のトルクリミッタ９には、ころ７３の収容凹部９１からの離脱を防止する離脱防止手段が設けられている。

具体的に、離脱防止手段は、収容凹部９１の一方の側壁部（周方向一方の端縁；規制部）９１ｂ２が、ころ７３の径方向外側へ向けて突出していることによって構成されている。すなわち、遠心力によってころ７３が径方向外方（仮想線Ｙに沿った白抜き矢印Ｂ方向）へ移動しようとしたとしても、収容凹部９１の側壁部９１ｂ２が障害となって移動し難くなり、収容凹部９１からの離脱が防止される。また、入力回転体５が矢印Ａ方向に回転することによって、ころ７３には矢印Ａとは反対方向への慣性力が付与されるため、より収容凹部９１から離脱し難くなっている。

また、離脱防止手段は、弾性部材７５及びカバー部材９３によっても構成されている。すなわち、カム面７１ａ１上のころ７３が収容凹部９１に落ち込むと、ポケット７４ｃ内の弾性部材７５が伸張し、ころ７３は、弾性部材７５及びカバー部材９３の径方向内側に位置づけられるとともに、収容凹部９１は、カバー部材９３によって少なくとも一部が閉塞される。そのため、入力回転体５の回転による遠心力でころ７３が径方向外方へ移動しようとしたとしても弾性部材７５及びカバー部材９３が障害となって、その移動が阻止され、収容凹部９１からのころ７３の離脱が好適に防止される。特に、弾性部材７５にカバー部材９３が設けられることによって収容凹部９１からのころ７３の離脱を確実に防止することができる。

図３において、一対の転がり軸受８は、入力回転体５の中径部５２ｂと出力回転体６の円筒部６１との間、及び入力回転体５の小径部５２ｃに一体回転可能に嵌合された中間輪体５３と円筒部６１との間にそれぞれ配置されており、入力回転体５及び出力回転体６を互いに相対回転可能に支持している。また、各転がり軸受８は、その軸方向端部に一方向クラッチ７の保持器７４の軸方向両端面にそれぞれ当接可能に、前記一方向クラッチ７の軸方向両側にそれぞれ隣接して配置されている。

転がり軸受８は、内輪８１及び外輪８２と、内輪８１と外輪８２との間に転動可能に配置された複数の円筒ころ８３とを備えた円筒ころ軸受からなる。
内輪８１は、外周に形成された内輪軌道面８１ａと、この内輪軌道面８１ａの軸方向両側において径方向外側に向かって突出して形成された内輪鍔部８１ｂとを有している。各内輪鍔部８１ｂの内側面には、円筒ころ８３の両端面がそれぞれ摺接するようになっている。また、一方向クラッチ７に隣接する内輪鍔部８１ｂの外側面８１ｂ１は、一方向クラッチ７の保持器７４の軸方向端面である円環部７４ａの外側面が当接する当接面とされている。

出力回転体６における円筒部６１の軸方向両端部の領域Ａ及び領域Ｃは、転がり軸受８の外輪８２とされており、この領域Ａ，Ｃの各内周面に外輪８２の外輪軌道面８２ａが形成されている。この外輪軌道面８２ａと内輪軌道面８１ａとの間には、円筒ころ８３が転動可能に配置されている。

また、入力回転体５と出力回転体６との間には、これらを互いに相対回転可能に支持する転がり軸受８が配置されているため、一方向クラッチ７においてころ７３と内外輪７１，７２との噛み合いが解除されることにより、くさび状空間Ｓでころ７３と内外輪７１，７２との間に隙間が発生したときに、転がり軸受８によって入力回転体５及び出力回転体６が互いに径方向に相対移動するのを防止することができる。したがって、風力発電装置１の運転中に、入力回転体５及び出力回転体６が径方向にがたつくのを防止することができる。

また、一対の転がり軸受８を一方向クラッチ７の軸方向両側に隣接して配置し、一方向クラッチ７の保持器７４の軸方向両端面を転がり軸受の軸方向端部に当接可能に構成しているので、当該保持器７４が軸方向両側に移動するのを規制することができる。
より具体的には、転がり軸受８の内輪鍔部８１ｂに、一方向クラッチ７の保持器７４の軸方向両端面（円環部７４ａの外側面）を当接させているので、転がり軸受８の内輪鍔部８１ｂを、前記保持器７４の軸方向移動を規制する部材として兼用することができる。これにより、転がり軸受８の構造を簡略化することができる。

また、出力回転体６の内周面に、一方向クラッチ７の外輪内周面７２ａ及び転がり軸受８の外輪軌道面８２ａを形成したので、出力回転体６を一方向クラッチ７の外輪７２、及び各転がり軸受８の外輪８２として兼用することができる。これにより、風力発電装置１全体の構造を簡略化することができる。
また、出力回転体６は、発電機４の駆動軸４１に着脱可能に固定されるとともに、入力回転体５に対して軸方向に移動可能に配置されているため、出力回転体６を駆動軸４１から取り外して入力回転体５に対して軸方向へ移動させれば、入力回転体５から出力回転体６を取り外すことができる。これにより、一方向クラッチ７の外輪７２及び転がり軸受８の外輪８２を同時に取り外すことができるため、一方向クラッチ７及び転がり軸受８のメンテナンス作業を容易に行うことができる。この際、発電機４を移動させる必要がないため、前記メンテナンス作業をさらに容易に行うことができる。

なお、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく適宜変更して実施可能である。例えば、本実施形態においては、入力回転体及び出力回転体が、それぞれ出力軸及び駆動軸に対して別部材として設けられているが、それぞれ出力軸及び駆動軸と一体に形成されていてもよい。
また、出力回転体は、入力回転体の径方向外側に配置されているが、入力回転体の径方向内側に配置されていてもよい。この場合、一方向クラッチは外輪内周面にカム面を形成し、内輪外周面を円筒面とすればよい。さらにこの場合には、出力回転体の外周面に内輪外周面を形成し、出力回転体を内輪として兼用してもよい。

さらに、出力回転体を、一方向クラッチの外輪及び転がり軸受の外輪としているが、これらの外輪を出力回転体に対して別部材として設けてもよい。逆に、入力回転体を、一方向クラッチの内輪及び転がり軸受の内輪とすることも可能である。
また、入力回転体と出力回転体との間に配置される転がり軸受は、出力回転体を軸方向へ移動させるために円筒ころ軸受としているが、出力回転体を軸方向へ移動させない場合には玉軸受としてもよい。

トルクリミッタの収容凹部は、必ずしもころの全体を収容できる深さに形成されていなくてもよく、少なくともころの半径よりも深く形成されていればよい。収容凹部がころの半径よりも深く形成されていれば、規制部を内輪外周面から突出しない状態で形成することができる。
一方向クラッチの保持器は、転がり軸受の内輪に当接させているが、転がり軸受の外輪を出力回転体に対して別部材として設け、この外輪に一方向クラッチの保持器を当接させてもよい。
また、上記実施形態においては、外力として風力を用いる風力発電装置を例示したが、本発明は、水力や火力等の他の外力を用いて発電する発電装置にも適用することができる。また、本発明の一方向クラッチは、発電装置以外の用途にも適用可能である。

１：風力発電装置（発電装置）、２：主軸、３：増速機、４：発電機、５：入力回転体、６：出力回転体、７：一方向クラッチ、９：トルクリミッタ、３０：歯車機構（回転伝達機構）、３５：出力軸、３８：ころ軸受、４１：駆動軸、４２：ロータ、７１ａ：外周面（内輪外周面）、７２ａ：内周面（外輪内周面）、７３：ころ、７４：保持器、７５：弾性部材、９１：収容凹部、９１ｂ２：側壁部（規制部）、９３：カバー部材（閉塞部材）、Ｓ：くさび状空間

Claims

外力により回転する主軸と、前記主軸の回転を入力して増速する回転伝達機構と、前記回転伝達機構の回転トルクを出力する出力軸を回転自在に支持するころ軸受とを有する増速機と、前記出力軸の回転を入力として回転する駆動軸を有するとともに、当該駆動軸と一体回転するロータの回転に伴って発電する発電機と、を備えた発電装置であって、
前記出力軸に一体回転可能に設けられた入力回転体と、
前記駆動軸に一体回転可能に設けられ、前記入力回転体の径方向内側又は径方向外側に同心上に配置された出力回転体と、
前記入力回転体と出力回転体との間に配置され、前記入力回転体の回転速度が前記出力回転体の回転速度を上回る状態で、前記入力回転体と出力回転体とを一体回転可能に接続し、前記入力回転体の回転速度が前記出力回転体の回転速度を下回る状態で、前記入力回転体と出力回転体との接続を遮断する一方向クラッチとを備え、
前記一方向クラッチには、前記入力回転体から前記出力回転体への伝達トルクが上限を超えたときに前記入力回転体と前記出力回転体との接続を遮断するトルクリミッタが設けられ、
前記一方向クラッチは、前記入力回転体及び前記出力回転体のいずれか一方側に設けられた外輪内周面と、同他方側に設けられるとともに、前記外輪内周面との間に周方向に複数のくさび状空間を形成する内輪外周面と、前記複数のくさび状空間のそれぞれに配置されたころと、を有し、前記ころが前記内輪外周面及び前記外輪内周面に噛み合うことにより前記入力回転体と前記出力回転体とを一体回転可能に接続し、その噛み合いが解除されることにより前記接続を遮断するものであり、
前記トルクリミッタは、前記内輪外周面に形成されると共に、前記伝達トルクが上限を超えたときに前記くさび状空間から離脱した前記ころを収容し、当該ころと前記内輪外周面及び前記外輪内周面との噛み合いを解除させる収容凹部を備えており、
前記内輪外周面が前記入力回転体側に設けられており、
前記トルクリミッタは、前記入力回転体の回転に伴う遠心力で前記収容凹部内のころが当該収容凹部から離脱するのを防止する離脱防止手段をさらに備え、
前記離脱防止手段は、前記収容凹部の一方の側壁部の外周側に、当該収容凹部内に収容された前記ころが内輪の径方向外方への移動を規制する規制部を突設しており、
前記収容凹部の側壁部は、互いに平行に形成され、前記収容凹部に収容されるころから遠い側の側壁部の方が短く形成されていることを特徴とする発電装置。
前記内輪外周面と前記外輪内周面との間には、前記ころを収容可能なポケットを有すると共に複数の前記ころの周方向間隔を保持する保持器と、前記ポケット内の前記ころを前記くさび状空間の狭小方向へ付勢する圧縮バネからなる弾性部材とを備えており、
前記離脱防止手段は、前記弾性部材よりも径方向内側に前記ころを位置づけることができる深さに前記収容凹部を形成することによって構成されている、請求項１に記載の発電装置。
前記弾性部材には、前記ころが収容された前記収容凹部の少なくとも一部を塞ぐ閉塞部材が設けられていることを特徴とする、請求項２に記載の発電装置。
入力回転体とこの入力回転体の径方向外側に同心上に配置された出力回転体との間に配置され、前記入力回転体の回転速度が前記出力回転体の回転速度を上回る状態で、前記入力回転体と前記出力回転体とを一体回転可能に接続し、前記入力回転体の回転速度が前記出力回転体の回転速度を下回る状態で、前記入力回転体と出力回転体との接続を遮断する一方向クラッチであって、
前記出力回転体側に設けられた外輪内周面と、
前記入力回転体側に設けられるとともに、前記外輪内周面との間に周方向に複数のくさび状空間を形成する内輪外周面と、
前記複数のくさび状空間のそれぞれに配置されるとともに、前記内輪外周面及び前記外輪内周面に噛み合うことにより前記入力回転体と前記出力回転体とを一体回転可能に接続し、その噛み合いが解除されることにより前記接続を遮断するころと、
前記内輪外周面に形成されると共に、前記入力回転体から前記出力回転体への伝達トルクが上限を超えたときに前記くさび状空間から離脱した前記ころを収容し、当該ころと前記内輪外周面及び前記外輪内周面との噛み合いを解除させる収容凹部を備えたトルクリミッタと、を備え、
前記トルクリミッタは、前記入力回転体の回転に伴う遠心力で前記収容凹部内のころが当該収容凹部から離脱するのを防止する離脱防止手段を備えており、
前記離脱防止手段は、前記収容凹部の一方の側壁部の外周側に、当該収容凹部内に収容された前記ころが内輪の径方向外方への移動を規制する規制部を突設しており、
前記収容凹部の側壁部は、互いに平行に形成され、前記収容凹部に収容されるころから遠い側の側壁部の方が短く形成されていることを特徴とする一方向クラッチ。
前記内輪外周面と前記外輪内周面との間には、前記ころを収容可能なポケットを有すると共に複数の前記ころの周方向間隔を保持する保持器と、前記ポケット内の前記ころを前記くさび状空間の狭小方向へ付勢する圧縮バネからなる弾性部材とを備えており、
前記離脱防止手段は、前記弾性部材よりも径方向内側に前記ころを位置づけることができる深さに前記収容凹部を形成することによって構成されている、請求項４に記載の一方向クラッチ。
前記弾性部材には、前記ころが収容された前記収容凹部の少なくとも一部を塞ぐ閉塞部材が設けられていることを特徴とする、請求項５に記載の一方向クラッチ。