JP6015061B2

JP6015061B2 - 発電装置

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Publication number: JP6015061B2
Application number: JP2012073987A
Authority: JP
Inventors: 藤原　英樹; 英樹藤原; 大槻　正章; 正章大槻
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2011-09-12
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2016-10-26
Anticipated expiration: 2032-03-28
Also published as: JP2013076395A

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に関する。

従来、風力発電装置として、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させるために、増速機が用いられるものがある。図１０に示すように、この増速機２０２は、主軸２００の回転を入力して増速する遊星歯車機構２０３と、この遊星歯車機構２０３により増速された回転を入力して、さらにその回転を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。

遊星歯車機構２０３は、主軸２００と一体回転可能に連結された入力軸２０３ａが回転すると、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が増速回転し、その回転を高速段歯車機構２０４の低速軸２０４ａに伝達するようになっている。
高速段歯車機構２０４は、低速軸２０４ａが回転すると、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を増速回転させるようになっている。
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。
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することができる発電装置を提供することを目的とする。

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。

すなわち、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と、前記回転伝達機構の回転トルクを出力する出力軸と、前記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、前記出力回転体に一体回転可能に設けられた慣性マスと、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は、内輪外周面及び外輪内周面と、当該内輪外周面と外輪内周面との間に形成された複数のくさび状空間において個別に配置された複数のころと、前記複数のころ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とを有し、前記ころが前記内輪外周面及び外輪内周面に噛み合うことにより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、その噛み合いを解除することにより前記接続を遮断するものであり、前記入力回転体と出力回転体との間に配置され、当該入力回転体及び出力回転体を互いに相対回転可能に支持する転がり軸受をさらに備え、前記転がり軸受は、複数の円筒ころと、この円筒ころの端面が摺接する内輪鍔部とを有する円筒ころ軸受であり、前記円筒ころ軸受は、前記一方向クラッチの軸方向両側にそれぞれ隣接して一対配置されており、前記円筒ころ軸受の内輪鍔部に、前記一方向クラッチの保持器の軸方向両端面が当接することを特徴とする。

上記のように構成された発電装置によれば、前記一方向クラッチにより、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、出力回転体には、慣性マスが一体回転可能に設けられているため、出力回転体の慣性モーメントを大きくすることができる。これにより、一方向クラッチにより入力回転体と出力回転体との接続が遮断されて、出力回転体がロータの慣性により減速しながら回転する際に、その減速による角加速度が小さくなるため、出力回転体の回転速度が急激に低下するのを抑えることができる。すなわち、外力が低下して主軸の回転速度が急激に低下しても、発電機のロータは、出力回転体とともにその回転速度を急激に低下させることなく慣性によって回転し続けるため、ロータの平均回転速度を上げることができる。したがって、発電機の発電効率を向上させることができる。

また、一方向クラッチの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たときに、これらの間に隙間が生じることに起因して、入力回転体と出力回転体とが互いに径方向に相対移動するのを、転がり軸受によって防止することができる。したがって、発電装置の運転中に、入力回転体及び出力回転体が径方向にがたつくのを防止することができる。

また、一方向クラッチの保持器の軸方向両端面が、一対の転がり軸受の軸方向端部にそれぞれ当接することにより、前記保持器が軸方向両側に移動するのを規制することができる。

また、転がり軸受の内輪鍔部を、保持器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ため、転がり軸受の構造を簡略化することができる。

前記一方向クラッチの外輪内周面は、円筒面とされており、前記円筒ころ軸受は、前記円筒ころが転動する外輪軌道面を有し、前記出力回転体は、前記入力回転体の径方向外側に配置され、当該出力回転体の内周面に前記一方向クラッチの外輪内周面及び前記円筒ころ軸受の外輪軌道面が形成されていることが好ましい。
この場合、出力回転体を、一方向クラッチの外輪内周面を有する外輪、及び各円筒ころ軸受の外輪軌道面を有する外輪として兼用することができるため、装置全体の構造を簡略化することができる。

前記出力回転体は、前記駆動軸に着脱可能に固定されているとともに、前記入力回転体に対して軸方向に移動可能に配置されていることが好ましい。この場合、出力回転体を駆動軸から取り外して入力回転体に対して軸方向へ移動させれば、入力回転体から出力回転体を取り外すことができる。これにより、一方向クラッチの外輪及び円筒ころ軸受の外輪を同時に取り外すことができるため、一方向クラッチ及び円筒ころ軸受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。

前記発電装置は、通電時に前記出力回転体と前記慣性マスとを一体回転可能に接続し、非通電時に前記接続を遮断する電磁クラッチと、前記出力回転体の回転数を検出する検出手段と、前記出力回転体の回転始動時に前記電磁クラッチを非通電とし、その回転始動後に前記検出手段により前記出力回転体が所定回転数に達したことを検出すると前記電磁クラッチに通電する制御手段と、をさらに備えていることが好ましい。
この場合、出力回転体がその回転始動時に所定回転数に達するまで、電磁クラッチを非通電として出力回転体と慣性マスとの接続が遮断されるため、出力回転体を所定回転数まで回転させるのに必要な回転トルクを小さくすることができる。これにより、出力回転体及び駆動軸を介してロータを所定回転数まで回転させるのに必要な時間を短縮することができるため、発電機の発電効率を向上させることができる。
また、出力回転体の回転始動後に、検出手段により出力回転体が所定回転数に達したことを検出すると、電磁クラッチに通電して出力回転体と慣性マスとが一体回転可能に接続されるため、出力回転体の慣性モーメントを大きくすることができる。これにより、一方向クラッチにより入力回転体と出力回転体との接続が遮断されたとき、発電機のロータは、出力回転体とともにその回転速度を急激に低下させることなく慣性によって回転し続けるため、ロータの平均回転速度を上げることができる。したがって、発電機の発電効率をさらに向上させることができる。

前記発電装置は、前記出力回転体と前記慣性マスとの間に配置された粘性流体継手をさらに備え、前記粘性流体継手は、前記出力回転体の低速回転時には、前記出力回転体の回転トルクを粘性抵抗により前記慣性マスに伝達する粘性流体と、前記出力回転体の高速回転時には、その高速回転に伴う遠心力を利用して前記出力回転体の回転トルクを前記慣性マスに伝達する遠心クラッチ機構とを有していることが好ましい。
この場合、出力回転体がその回転始動時に低速回転しているときは、出力回転体の回転トルクは粘性流体の粘性抵抗により慣性マスに伝達されるため、慣性マスは出力回転体の角加速度よりも低い角加速度で増速される。つまり、出力回転体の回転始動時に出力回転体に作用する慣性マスによる慣性トルクを小さくすることができるため、出力回転体を所定の回転速度まで増速させるのに必要な回転トルクを小さくすることができる。これにより、出力回転体及び駆動軸を介してロータを所定の回転速度まで増速するのに必要な時間を短縮することができるため、発電機の発電効率を向上させることができる。
また、出力回転体が所定の回転速度に達して高速回転しているときは、遠心クラッチ機構を介して出力回転体の回転トルクが慣性マスに伝達される。これにより、出力回転体と慣性マスとが一体回転可能に接続されるため、出力回転体の慣性モーメントを大きくすることができる。したがって、一方向クラッチにより入力回転体と出力回転体との接続が遮断されたとき、発電機のロータは、出力回転体とともにその回転速度を急激に低下させることなく慣性によって回転し続けるため、ロータの平均回転速度を上げることができ、発電機の発電効率をさらに向上させることができる。

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することができる。

本発明の第１の実施形態に係る風力発電装置を示す概略側面図である。上記風力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。上記風力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。上記風力発電装置における一方向クラッチを示す断面図である。上記風力発電装置における出力回転体の回転変動を示すグラフである。上記出力軸及び上記発電機のロータの回転変動を示すグラフである。本発明の第２の実施形態に係る風力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。本発明の第３の実施形態に係る風力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８の風力発電装置における出力回転体及び慣性マスの回転変動を示すグラフである。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、本発明の第１の実施形態に係る風力発電装置を示す概略側面図である。この風力発電装置（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の回転を増速機３で増速した状態で、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ると主軸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を入力して回転する駆動軸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の回転を入力してそ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入力して、さらにその回転を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を有する前記低速軸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段階に増速されて、出力軸３５の出力端部３５ｃから回転トルクが出力される。すなわち、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の端面が摺接するようになっている。

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内に各円筒ころ３８ｃが配置されている。

図１において、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、出力回転体６に一体回転可能に設けられた慣性マス９とをさらに備えている。前記一方向クラッチ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５２及び小径部５３をこの順に有している。
フランジ部５１は、大径部５２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、前記出力端部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５３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の前記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５２の外周面との隙間には、円筒部６１と入力回転体５の小径部５３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の前記一端部側の端面と、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６２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を示す断面図である。図３及び図４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５３の軸方向中央部に外嵌して固定されており、小径部５３と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８つ配置されている。

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（８つ）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の円筒面との間には、くさび状空間Ｓが周方向に複数（８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の円筒面に接触する接触面７３ａとなっており、この接触面７３ａは幅方向（軸方向）に真っ直ぐに形成されている。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。

このように構成された一方向クラッチ７では、入力回転体５が増速回転することにより、入力回転体５の回転速度が、出力回転体６の回転速度を上回る場合には、内輪７１が外輪７２に対して一方向（図４の反時計回り方向）に相対回転しようとする。この場合、弾性部材７５の付勢力により、ころ７３はくさび状空間Ｓが狭くなる方向へ僅かに移動して、ころ７３の接触面７３ａが内輪７１の外周面７１ａ及び外輪７２の内周面７２ａに圧接し、一方向クラッチ７はころ７３が内外輪７１，７２の間に噛み合った状態となる。これにより、内外輪７１，７２は前記一方向に一体回転可能となり、入力回転体５と出力回転体６とを一体回転可能に接続することができる。

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、一方向クラッチ７は、内外輪７１，７２の前記一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は一体回転し続ける。

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場合には、内輪７１が外輪７２に対して他方向（図４の時計回り方向）に相対回転しようとする。この場合には、弾性部材７５の付勢力に抗して、ころ７３がくさび状空間Ｓが広くなる方向へ僅かに移動することにより、ころ７３と内外輪７１，７２との噛み合いが解除される。このように、ころ３の噛み合いが解除されることで、入力回転体５と出力回転体６との接続が遮断される。

図３において、一対の転がり軸受８は、入力回転体５の小径部５３と出力回転体６の円筒部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。

図１及び図３において、慣性マス９は、円筒状に形成されており、出力回転体６の円筒部６１に外嵌して固定されている。また、慣性マス９は、下記式（１）により算出される出力回転体６の減速による角加速度ωドットａが、実際の使用環境下における出力回転体６の減速による角加速度ωドットｂよりも小さくなるように設計されている。
ωドットａ＝Ｔ／Ｉ・・・（１）
ここで、Ｔは発電トルク、Ｉは発電機のロータと慣性マスの慣性モーメントである。
すなわち、慣性マス９は、上記式（１）の角加速度ωドットａを実際の使用環境下における角加速度ωドットｂよりも小さくするために、出力回転体６と発電機４のロータ４２の慣性モーメントＩが大きくなるように設計されている。
なお、出力回転体６の回転速度ωｂの実測値をグラフで表すと、図５に示すように、上下に細かく振幅する波形として表れる。そこで、各振幅の頂点よりも少し上側を通過するように引いた直線Ｄの傾きを、実際の使用環境下における角加速度ωドットｂとすれば、慣性マス９の設計を好適に行うことができる。

図６は、増速機３の出力軸及び発電機４のロータ４２の回転変動を示すグラフである。図６に示すように、風力が低下して出力軸３５の回転速度が急激に低下しても、ロータ４２は駆動軸４１を介して出力回転体６とともにその回転速度を急激に低下させることなく、慣性によって徐々に減速しながら回転し続ける。これにより、風力が急激に変動する場合であっても、ロータ４２の回転変動を抑えることができる。

以上のように構成された風力発電装置１によれば、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。

また、出力回転体６には、慣性マス９が一体回転可能に設けられているため、出力回転体６の慣性モーメントＩを大きくすることができる。これにより、一方向クラッチ７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て、出力回転体６がロータ４２の慣性により減速しながら回転する際に、その減速による角加速度ωドットａが小さくなるため、出力回転体６の回転速度が急激に低下するのを抑えることができる。すなわち、風力が低下して主軸２の回転速度が急激に低下しても、発電機４のロータ４２は、出力回転体６とともに慣性によってさらに回転し続けるため、ロータ４２の平均回転速度を効果的に上げることができる。したがって、発電機４の発電効率をさらに向上させることができる。

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、その軸方向端部に一方向クラッチ７の保持器７４の軸方向両端面が当接可能に、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したので、各転がり軸受８の軸方向端部に前記保持器７４の軸方向両端面を当接させることにより、前記保持器７４が軸方向両側に移動するのを規制することができる。
また、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）を当接させるため、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。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る風力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７において、本実施形態の風力発電装置１は、通電時に出力回転体６と慣性マス９とを一体回転可能に接続し、非通電時に前記接続を遮断する電磁クラッチ１１と、出力回転体６の回転速度を検出する検出手段１２と、電磁クラッチ１１への通電を制御する制御手段１３とを備えている。

電磁クラッチ１１は、出力回転体６の円筒部６１と慣性マス９との間に配置されたクラッチハウジング１４と、クラッチハウジング１４と前記円筒部６１との間に配置された多板クラッチ１５と、多板クラッチ１５の軸方向一方側に配置された電磁石１６と、多板クラッチ１５の軸方向他方側に配置された押圧部材１７とを備えている。クラッチハウジング１４は、円筒部６１に内嵌して固定された円筒状のハウジング本体１４ａと、このハウジング本体１４ａの軸方向一端部から径方向内方に屈曲した環状部１４ｂとを有している。

多板クラッチ１５は、複数の外側クラッチ板１５ａと、複数の内側クラッチ板１５ｂを軸方向に交互に配置して構成されている。外側クラッチ板１５ａは、ハウジング本体１４ａの内周にスプライン嵌合により軸方向に移動可能に取り付けられている。また、内側クラッチ板１５ｂは、出力回転体６の円筒部６１の外周にスプライン嵌合により軸方向に移動可能に取り付けられている。

電磁石１６は、断面コ字状に形成されたヨーク１６ａと、このヨーク１６ａに保持されたコイル１６ｂとによって構成されている。ヨーク１６ａは、増速機３のハウジングに固定された円筒状の支持部材１９の外周に固定されている。支持部材１９には、慣性マス９を回転自在に支持する転がり軸受２０が設けられている。転がり軸受２０は、支持部材１９に外嵌固定された内輪２０ａと、慣性マス９に内嵌固定された外輪２０ｂと、内輪２０ａと外輪２０ｂとの間に転動可能に配置された複数の玉（転動体）２０ｃとを備えた玉軸受とされている。なお、転がり軸受２０は、転動体として玉を用いた玉軸受とされているが、転動体としてころを用いたころ軸受としてもよい。

押圧部材１７は、磁性体からなり、ハウジング本体１４ａの内周の図７右端側にスプライン嵌合により軸方向に移動可能に取り付けられている。また、押圧部材１７は、図示しない弾性部材の付勢力により、出力回転体６のフランジ部６２側に付勢されており、ハウジング本体１４ａの内周に固定されたストッパリング１８に当接することにより、図７に示す非押圧位置に保持されている。

以上の構成により、電磁石１６のコイル１６ｂに通電していないとき、押圧部材１７は弾性部材の付勢力により非押圧位置に保持されている。したがって、外側クラッチ板１５ａ及び内側クラッチ板１５ｂは互いに密着されていない状態、すなわち多板クラッチ１５はＯＦＦ状態であるため、出力回転体６と慣性マス９との接続は遮断されている。
また、電磁石１６のコイル１６ｂに通電すると、押圧部材１７が弾性部材の付勢力に抗して電磁石１６に吸引されるため、押圧部材１７は外側クラッチ板１５ａ及び内側クラッチ板１５ｂをクラッチハウジング１４の環状部１４ｂ側へ押圧する。これにより、外側クラッチ板１５ａ及び内側クラッチ板１５ｂが互いに密着した状態、すなわち多板クラッチ１５がＯＮ状態となり、出力回転体６と慣性マス９とは一体回転可能に接続される。

検出手段１２は、出力回転体６の回転数を検出するために、本実施形態では出力回転体６と一体回転する発電機４の駆動軸４１の回転数を検出している。具体的には、検出手段１２は、図１に示す発電機４のロータ４２の図中右側に突出する駆動軸４１の近傍に配置され、その駆動軸４１の回転数を検出するセンサからなる。
なお、検出手段１２は、駆動軸４１以外に、ロータ４２、増速機３の出力軸３５又は出力回転体６自体の回転数を検出するようにしてもよい。また、検出手段１２として、発電機４を駆動制御するために発電機４に内蔵されている駆動軸４１やロータ４２の回転数を検出するセンサを用いてもよい。

制御手段１３は、出力回転体６が回転始動する際に、電磁石１６のコイル１６ｂへの通電を制御している。具体的には、制御手段１３は、出力回転体６の回転始動時に出力回転体６と慣性マス９との接続を遮断するために、コイル１６ｂを非通電としている。そして、出力回転体６の回転始動後に、検出手段１２により出力回転体６が所定回転数（例えば、３００〜５００回転）に達したことを検出すると、制御手段１３は、出力回転体６と慣性マス９とを一体回転可能に接続するために、コイル１６ｂに通電する。
本実施形態のその他の構成については、第１の実施形態と同様であるため、その説明を省略する。

以上のように構成された風力発電装置１によれば、出力回転体６がその回転始動時に所定回転数に達するまで、電磁クラッチ１１を非通電として出力回転体６と慣性マス９との接続が遮断されるため、出力回転体６を所定回転数まで回転させるのに必要な回転トルクを小さくすることができる。これにより、出力回転体６及び駆動軸４１を介してロータ４２を所定回転数まで回転させるのに必要な時間を短縮することができるため、発電機４の発電効率をさらに向上させることができる。
また、出力回転体６の回転始動後に、検出手段１２により出力回転体６が所定回転数に達したことを検出すると、電磁クラッチ１１に通電して出力回転体６と慣性マス９とが一体回転可能に接続されるため、出力回転体６の慣性モーメントを大きくすることができる。これにより、一方向クラッチ７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たとき、発電機４のロータ４２は、出力回転体６とともにその回転速度を急激に低下させ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。したがって、発電機４の発電効率をさらに向上させることができる。

図８は、本発明の第３の実施形態に係る風力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８において、本実施形態の風力発電装置１は、第２の実施形態の電磁クラッチ１１に替えて、粘性流体継手２２を備えているものである。
粘性流体継手２２は、出力回転体６の円筒部６１と慣性マス９との間に配置されており、クラッチハウジング２３、複数の外側クラッチ板２４ａ、複数の内側クラッチ板２４ｂ、押圧部材２５及びボール２６を備えている。

クラッチハウジング２３は、円筒部６１に内嵌して固定された円筒状のハウジング本体２３ａと、このハウジング本体２３ａの軸方向一端部から径方向内方に屈曲した環状部２３ｂとを有している。ハウジング本体２３ａの軸方向他方側は、環状板からなるカバー部材２７により覆われている。クラッチハウジング２３の環状部２３ｂと円筒部６１との隙間、及びハウジング本体２３ａとカバー部材２７との隙間には、環状のシール部材２８ａ，２８ｂがそれぞれ設けられ、ハウジング本体２３ａと円筒部６１との間に環状の密封空間が形成されている。

前記密封空間内には、シリコンオイル等の粘性流体が充填されるとともに、外側クラッチ板２４ａ及び内側クラッチ板２４ｂが軸方向に交互に配置されている。外側クラッチ板２４ａは、ハウジング本体２３ａの内周にスプライン嵌合により軸方向に移動可能に取り付けられている。また、内側クラッチ板２４ｂは、出力回転体６の円筒部６１の外周にスプライン嵌合により軸方向に移動可能に取り付けられている。

押圧部材２５は、ハウジング本体２３ａの内周の図８右端側にスプライン嵌合により軸方向に移動可能に取り付けられている。押圧部材２５の一側面には、径方向外側に向かうに従って押圧部材２５の軸方向の厚みが漸次大きくなるように傾斜する傾斜面２５ａが形成されている。これにより、押圧部材２５の傾斜面２５ａとカバー部材２７との間には、径方向外側に向かうに従って幅狭となるくさび状空間Ｋが形成されている。くさび状空間Ｋには、周方向に複数のボール２６が収容されている。押圧部材２５は、図示しない弾性部材の付勢力により、出力回転体６のフランジ部６２側に常に付勢されており、ボール２６に当接することにより、図８に示す非押圧位置に保持されている。本実施形態では、前記外側クラッチ板２４ａ、内側クラッチ板２４ｂ、押圧部材２５及びボール２６とにより、遠心クラッチ機構２９が構成されている。

以上の構成により、出力回転体６がその回転始動時に低速回転しているときは、粘性流体継手２２のボール２６に作用する遠心力が小さいため、図８に示すように、ボール２６は、くさび状空間Ｋの径方向内側に位置にあり、押圧部材２５は弾性部材の付勢力により非押圧位置に保持されている。したがって、外側クラッチ板２４ａ及び内側クラッチ板２４ｂは互いに密着されていない状態、すなわち遠心クラッチ機構２９はＯＦＦ状態であるため、出力回転体６の回転トルクは、粘性流体の粘性抵抗により慣性マス９に伝達される。

また、図８において、出力回転体６が所定の回転速度に達して高速回転しているときは、粘性流体継手２２のボール２６に作用する遠心力が大きくなるため、その遠心力によりボール２６は押圧部材２５の傾斜面２５ａに沿って、くさび状空間Ｋの径方向外側に移動する。その際、押圧部材２５は、ボール２６によりクラッチハウジング２３の環状部２３ｂ側へ押されるため、弾性部材の付勢力に抗して、外側クラッチ板２４ａ及び内側クラッチ板２４ｂを環状部２３ｂ側へ押圧する。これにより、外側クラッチ板２４ａ及び内側クラッチ板２４ｂが互いに密着した状態、すなわち遠心クラッチ機構２９がＯＮ状態となり、出力回転体６の回転トルクは、遠心クラッチ機構２９を介して慣性マス９に伝達される。

図９は、本実施形態の出力回転体６及び慣性マス９の回転変動を示すグラフである。図９に示すように、出力回転体６がその回転始動時に低速回転しているとき、すなわち、出力回転体６の回転トルクが粘性流体の粘性抵抗により慣性マス９に伝達されているときには、慣性マス９は出力回転体６の角加速度（図９に示す実線の傾き）よりも低い角加速度（図９に示す破線の傾き）で増速している。また、出力回転体６が所定の回転速度ωｃに達して高速回転しているとき、すなわち、出力回転体６の回転トルクが遠心クラッチ機構２９を介して慣性マス９に伝達されているときには、慣性マス９は出力回転体６と同一の回転速度ωｃで一体回転している。
本実施形態のその他の構成については、第１及び第２の実施形態と同様であるため、その説明を省略する。

以上のように構成された風力発電装置１によれば、出力回転体６がその回転始動時に低速回転しているときは、出力回転体６の回転トルクは粘性流体の粘性抵抗により慣性マス９に伝達されることで、慣性マス９は出力回転体６の角加速度よりも低い角加速度で増速される。つまり、出力回転体６の回転始動時に出力回転体６に作用する慣性マス９による慣性トルクを小さくすることができるため、出力回転体６を所定の回転速度まで増速させるのに必要な回転トルクを小さくすることができる。これにより、出力回転体６及び駆動軸４１を介してロータ４２を所定の回転速度まで増速するのに必要な時間を短縮することができるため、発電機４の発電効率を向上させることができる。
また、出力回転体６が所定の回転速度に達して高速回転しているときは、遠心クラッチ機構２９を介して出力回転体６の回転トルクが慣性マス９に伝達される。これにより、出力回転体６と慣性マス９とが一体回転可能に接続されるため、出力回転体６の慣性モーメントを大きくすることができる。したがって、一方向クラッチ７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たとき、発電機４のロータ４２は、出力回転体６とともにその回転速度を急激に低下させ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、発電機４の発電効率をさらに向上させることができる。

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をカム面とし、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。
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。

また、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、本実施形態の発電装置は、外力として風力を用いる場合について例示したが、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、第１の実施形態において、慣性マスは、出力回転体に対して別部材として設けられているが、出力回転体に一体に形成されていてもよい。また、出力回転体を入力回転体の径方向内側に配置した場合、慣性マスは、一方向クラッチや転がり軸受と干渉しないように、出力回転体の軸方向端部に設ければよい。

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、８：転がり軸受（円筒ころ軸受）、９：慣性マス、１１：電磁クラッチ、１２：検出手段、１３：制御手段、２２：粘性流体継手、２９：遠心クラッチ機構、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、８１ｂ：内輪鍔部、８２ａ：外輪軌道面、８３：円筒ころ、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、
前記出力回転体に一体回転可能に設けられた慣性マスと、
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は、内輪外周面及び外輪内周面と、当該内輪外周面と外輪内周面との間に形成された複数のくさび状空間において個別に配置された複数のころと、前記複数のころ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とを有し、前記ころが前記内輪外周面及び外輪内周面に噛み合うことにより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、その噛み合いを解除することにより前記接続を遮断するものであり、
前記入力回転体と出力回転体との間に配置され、当該入力回転体及び出力回転体を互いに相対回転可能に支持する転がり軸受をさらに備え、
前記転がり軸受は、複数の円筒ころと、この円筒ころの端面が摺接する内輪鍔部とを有する円筒ころ軸受であり、前記円筒ころ軸受は、前記一方向クラッチの軸方向両側にそれぞれ隣接して一対配置されており、
前記円筒ころ軸受の内輪鍔部に、前記一方向クラッチの保持器の軸方向両端面が当接することを特徴とする発電装置。
前記一方向クラッチの外輪内周面は、円筒面とされており、
前記円筒ころ軸受は、前記円筒ころが転動する外輪軌道面を有し、
前記出力回転体は、前記入力回転体の径方向外側に配置され、当該出力回転体の内周面に前記一方向クラッチの外輪内周面及び前記円筒ころ軸受の外輪軌道面が形成されている請求項１に記載の発電装置。
前記出力回転体は、前記駆動軸に着脱可能に固定されているとともに、前記入力回転体に対して軸方向に移動可能に配置されている請求項２に記載の発電装置。
通電時に前記出力回転体と前記慣性マスとを一体回転可能に接続し、非通電時に前記接続を遮断する電磁クラッチと、
前記出力回転体の回転数を検出する検出手段と、
前記出力回転体の回転始動時に前記電磁クラッチを非通電とし、その回転始動後に前記検出手段により前記出力回転体が所定回転数に達したことを検出すると前記電磁クラッチに通電する制御手段と、をさらに備えている請求項１〜３のいずれか一項に記載の発電装置。
前記出力回転体と前記慣性マスとの間に配置された粘性流体継手をさらに備え、
前記粘性流体継手は、前記出力回転体の低速回転時には、前記出力回転体の回転トルクを粘性抵抗により前記慣性マスに伝達する粘性流体と、前記出力回転体の高速回転時には、その高速回転に伴う遠心力を利用して前記出力回転体の回転トルクを前記慣性マスに伝達する遠心クラッチ機構とを有している請求項１〜４のいずれか一項に記載の発電装置。