JP6065505B2

JP6065505B2 - 発電装置

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Publication number: JP6065505B2
Application number: JP2012221160A
Authority: JP
Inventors: 藤原　英樹; 英樹藤原; 和茂大塚; 隆文上本; 伸幸利藤
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2012-10-03
Filing date: 2012-10-03
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2032-10-03
Also published as: US9097295B2; CN103711656B; EP2716909B1; US20140090945A1; DK2716909T3; ES2716988T3; EP2716909A3; EP2716909A2; CN103711656A; JP2014074348A

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、ブレードが風を受けることにより主軸を回転させて発電を行う風力発電装置として、増速機を備えているものがあり、この増速機は主軸の回転を増速させて発電機を駆動させる。
図７に示すように、このような増速機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により増速させた回転を入力として、さらに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により増速された回転を出力する出力軸２０５とを備えている。そして、この出力軸２０５に、発電機の駆動軸２１２が連結されており、この駆動軸２１２に発電機のロータ（図示せず）が取り付けられている。

遊星歯車機構２０３では、図外のブレードが取り付けられている主軸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が回転し、これにより、遊星歯車２０３ｃを介して太陽歯車２０３ｄを増速回転させる。そして、この回転を高速段歯車機構２０４の低速軸２０４ａに伝達させる。
高速段歯車機構２０４では、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。
そして、この増速機２０２では、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２０５を支持するころ軸受２１０，２１１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２１０，２１１の寿命が低下するという問題があった。
なお、このようなスメアリングは、風力発電装置に限らず、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他の型式の発電装置に設けられているころ軸受においても、同様に発生することが考えられる。

そこで、本発明は、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、外力（風力）の低下により主軸の回転速度が急激に低下すると、重量の大きい発電機のロータの慣性により、増速機の出力軸の回転速度よりも、ロータと一体回転する発電機の駆動軸の回転速度の方が上回ろうとすることによって、いわゆるトルク抜け（荷重抜け）が出力軸に発生し、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、ころ軸受において、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、この状態から外力（風力）の増加により主軸の回転速度が急激に増加すると、増速によるロータの慣性トルクが出力軸に加わって、この出力軸を支持するころ軸受に作用するラジアル荷重が急激に増加する。このため、その瞬間（過渡状態）では、ころに高荷重が作用した状態で、ころと回転輪との間で滑りが生じ、ころと回転輪との間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、前記主軸の回転を増速する回転伝達機構、この回転伝達機構により増速された回転を出力する出力軸、及び、この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、及び、この駆動軸と一体回転するロータを有し、この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、前記主軸が正方向に回転し、当該入力回転体の回転速度が当該出力回転体の回転速度を上回ると、当該入力回転体と当該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と、当該入力回転体と当該出力回転体との接続を遮断するクラッチと、前記主軸が前記正方向に回転すると、その回転による力を前記入力回転体へ伝達可能とし、前記主軸が逆方向に回転しようとすると、その回転を規制する逆回転防止装置とを備え、前記逆回転防止装置は、前記増速機と、前記入力回転体との間に配置されている。

上記のように構成された発電装置によれば、前記クラッチにより、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、入力回転体と出力回転体とを一体回転可能に接続する。これにより、出力回転体と一体回転する駆動軸が回転し、ロータを回転させて発電が行われる。
これに対して、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。したがって、外力の低下により主軸の回転速度が急激に低下し、これに伴っ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、この状態から外力の変化により主軸の回転速度が急激に増加してころ軸受のころに高荷重が作用したときに、ころが回転輪との接触面で滑りにくくなり、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。

ここで、一方から作用する外力（例えば、一方に向かって吹く風による風力）をブレードが受けて主軸が正方向に回転して発電を行っている状態から、急に、その外力が弱まって外力の向き（風向き）が反対方向になると、ブレードは一旦停止した後に逆回転しようとする。ブレードが逆回転しようとすると、主軸及び出力軸も、発電を行っている場合と逆方向に回転しようとする。そこで、仮に本発明に係る前記逆回転防止装置が設けられていない場合は、出力軸が逆方向に回転し始めると、前記クラッチにおいて、入力回転体と出力回転体との接続が遮断される。すると、ブレード、主軸及び出力軸は制限なく自由に回転してしまうこととなり、この状態は機械的に好ましくない。
しかし、本発明に係る前記逆回転防止装置によれば、主軸が逆方向に回転しようとしてもその回転を規制する（不可能とする）ことから、ブレード、主軸及び出力軸が逆回転することはない。

また、前記逆回転防止装置は、前記主軸が逆方向に回転しようとすると、その回転を規制する一方向クラッチであるのが好ましく、この場合、逆回転防止装置を簡単な構成により得ることができ、また、逆回転防止装置は、一方向クラッチからなるため、主軸が逆方向に回転しようとすると、迅速にその回転を規制することができる。
そして、この一方向クラッチは、前記主軸、前記出力軸及び前記増速機が有している他の回転動力伝達軸の内のいずれか一つの対象軸の径方向外側に設けられ内周面にカム面が複数形成されている外輪部材と、前記対象軸の外周面と前記カム面それぞれとの間に形成されるくさび状空間に設けられている複数のころとを備え、かつ、前記主軸が逆方向に回転しようとすると、前記ころが前記対象軸の外周面と前記カム面との間に噛み合うことにより、前記外輪部材に対する前記主軸の回転を規制し、前記外輪部材は、前記発電機又は前記増速機を固定して設置するための構造物に固定されるのが好ましい。
この場合、主軸が逆方向に回転しようとすると、その回転を規制することができる。また、この回転を規制するための力は、外輪部材を介して、発電機又は増速機を固定して設置するための構造物に伝達されることから、主軸の逆方向の回転を安全に規制することができる。

また、前記外輪部材は、前記出力軸の径方向外側に設けられているのが好ましい。
この場合、主軸が逆方向に回転しようとすると、逆回転防止装置である一方向クラッチは、出力軸を拘束する構成となる。そして、増速機により出力軸のトルクは主軸及び他の回転動力伝達軸のトルクよりも小さくなることから、出力軸の回転を小さい力で規制することが可能となる。

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。

本発明の風力発電装置の実施の一形態を示す概略側面図である。風力発電装置における増速機のころ軸受を示す縦断面図である。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。風力発電装置が備えている出力回転体及び第１の一方向クラッチを示す横断面図である。風力発電装置が備えている第２の一方向クラッチ及びその周囲の部分を示す縦断面図である。風力発電装置が備えている第２の一方向クラッチを示す横断面図である。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説明する。
図１は、本発明の風力発電装置の実施の一形態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に連結されている増速機３と、この増速機３に連結されている発電機４とを備えている。そして、主軸２の回転を増速機３により増速させ、この増速させた回転により発電機４を駆動する。

主軸２の先端部には、ブレード（図示省略）が一体回転可能として取り付けられており、このブレードは風力を受けると主軸２を回転させる。
発電機４は、増速機３により増速された出力軸３５の回転を入力して回転する駆動軸４１と、発電機４に内蔵されているロータ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と一体回転可能に連結されており、駆動軸４１と共にロータ４２が回転することによって発電が行われる。

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と、この歯車機構３０により増速された回転を出力する出力軸３５とを備えている。
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、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とを有しており、この高速ギヤ３５ａは出力軸３５と一体回転する。
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。出力軸３５の軸方向の一端部３５ｂ及び途中部３５ｃそれぞれは、ころ軸受３８，３９により回転自在に支持されている。
このように、増速機３は、出力軸３５を回転自在に支持するころ軸受３８，３９等の多くのころ軸受を備えている。

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３５ｄから回転トルクを出力することができ、この出力により発電機４の駆動軸４１を回転駆動する。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。

図２は、出力軸３５の一端部３５ｂを支持するころ軸受３８を示す縦断面図である。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、増速機３のハウジング（図示省略）に固定された外輪３８ｂと、これら内輪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内輪軌道面３８ａ１が形成されている。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外輪軌道面３８ｂ１が形成されており、また、この外輪３８ｂは、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との間に配置されており、これら軌道面を転動可能である。
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おり両円環部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と周方向で隣り合う柱部３８ｄ２との間には、ポケット３８ｄ３が形成されており、このポケット３８ｄ３に円筒ころ３８ｃが設けられている。

また、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クラッチ７と、このクラッチ７の軸方向両側に配置された一対の転がり軸受８と、増速機３と入力回転体５との間に配置された逆回転防止装置２０とをさらに備えている。
本実施形態では、入力回転体５と出力回転体６との間に配置されているクラッチ７は、一方向クラッチであり、また、逆回転防止装置２０も、一方向クラッチである。そこで、クラッチ７を第１の一方向クラッチ７と呼び、逆回転防止装置２０を第２の一方向クラッチ２０と呼ぶ。

第１の一方向クラッチ７は、後にその構成について説明するが、ブレード（図示せず）及び主軸２が「正方向に回転」した場合において、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に伝達することが可能である。

そして、第２の一方向クラッチ２０は、後にその構成について説明するが、一方向に向かって吹く風によりブレード（図示せず）及び主軸２が「正方向に回転」すると、この回転による力（トルク）を入力回転体５へ伝達可能とするが、風向きが突然反対となることにより、ブレード（図示せず）及び主軸２が一旦停止した後に「逆方向に回転」しようとすると、その回転を規制する（不可能とする）機能を備えている。

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。入力回転体５は、出力軸３５と同心上に設けられており、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３５ｄ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、出力端部３５ｄに形成されているフランジ部３５ｄ１に当接した状態で、図示しないボルト・ナットによりフランジ部３５ｄ１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が設けられている。

本実施形態では、出力回転体６は、入力回転体５（大径部５２及び小径部５３）の径方向外側に同心上に設けられており、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の一端部に形成されているフランジ部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が設けられている。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に対して軸方向に移動可能となる。

図４は、出力回転体６及び一方向クラッチ７を示す横断面図である。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。
そして、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が、一方向クラッチ７の外輪７２となる。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。
さらに、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を連結する複数の柱部７４ｂとを有している。柱部７４ｂは、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いる。両円環部７４ａと周方向で隣り合う柱部７４ｂとの間にポケット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に個別に収容されかつ柱部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が形成されている。これに対して、外輪７２の内周面７２ａは円筒面とされている。これにより、カム面７１ａ１と、その径方向外側の内周面７２ａの各部との間には、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、カム面７１ａ１及び内周面７２ａ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、内外輪７１，７２間には、基油にエステル、増ちょう剤にウレア系を用いて温度変化に影響を受けにくい潤滑剤（グリース）が設けられている。

以上のように構成された風力発電装置１（図１参照）によれば、図外のブレードが受ける風力が強まって、正方向に回転する主軸２の回転速度が高まると、これにより、増速機３により増速回転する出力軸３５の回転速度が更に高まる。これにより、出力軸３５によって入力回転体５は加速され、これらは高速で一体回転する。
すると、第１の一方向クラッチ７では、図３及び図４において、入力回転体５の回転速度が高まってこの入力回転体５の回転速度が出力回転体６の回転速度を上回ると、内輪７１が外輪７２に対して一方向（図４において反時計回り方向）に相対回転しようとする。この場合、ころ７３は、弾性部材７５の付勢力によりくさび状空間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のカム面７１ａ１及び外輪７２の内周面７２ａに圧接し、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（図４において反時計回り方向）に一体回転可能となる。つまり、入力回転体５と出力回転体６とが一体回転するように両者を接続させた状態となる。これにより、出力回転体６から駆動軸４１にトルクが付与され、発電機４においてこの駆動軸４１と共にロータ４２（図１参照）が回転し、発電が行われる。

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、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、発電が行われる。

一方、例えば、図外のブレードが受ける風力が弱まり正方向に回転している主軸２の回転速度が低下し、これにより、増速機３により増速回転する出力軸３５の回転速度が低下すると、入力回転体５の回転速度も低下する。なお、これに対して、駆動軸４１及び出力回転体６は、ロータ４２の慣性力によって回転速度はあまり低下しない。
このように入力回転体５の回転速度が低下し、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、一方向クラッチ７において、内輪７１が外輪７２に対して他方向（図４において時計回り方向）に相対回転する。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。
なお、このように、接続が遮断されても、発電機４において、慣性力によりロータ４２は回転を継続し、発電は行われる。

また、図３において、入力回転体５の小径部５３と出力回転体６の円筒部６１との間には、一対の転がり軸受８が配置されており、入力回転体５及び出力回転体６を互いに回転可能に支持している。また、各転がり軸受８は、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おり、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となる。

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。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なる。

本実施形態では、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が、転がり軸受８の外輪８２となり、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。そして、この外輪軌道面８２ａと内輪軌道面８１ａとの間に、円筒ころ８３が転動可能に配置されている。

以上のように構成された風力発電装置１（図１参照）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（図２参照）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、つまり、円筒ころ３８ｃと、内輪３８ａ及び外輪３８ｂとの間の滑りを抑制することができる。したがって、この状態から風力の変化により主軸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しても、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、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。

次に、第２の一方向クラッチ２０について、図１、図５及び図６を参照して説明する。図５は第２の一方向クラッチ２０及びその周囲の部分を示す縦断面図であり、図６はその横断面図である。
第２の一方向クラッチ２０は、出力軸３５の径方向外側にこの出力軸３５と同心状として設けられている外輪部材２１と、複数のころ２２とを備えている。

外輪部材２１は、ブラケット２５に格納された状態として設けられており、このブラケット２５は、風力発電装置１の発電機室の床２６（図１参照）に固定されている。この床２６は、図１に示すように、発電機室内で発電機４を固定して設置するための構造物である。なお、この床２６には増速機３が固定されていてもよい。
このため、外輪部材２１は、ブラケット２５を介して発電気室の床２６に対して固定された状態となり、外輪部材２１に作用する力をブラケット２５を通じて床２６へ伝達させることができる。

図６において、外輪部材２１の内周面には、複数のカム面２３が等間隔で形成されている。出力軸３５の外周面３５ａは円筒面である。そして、出力軸３５の外周面３５ｅと各カム面２３との間にくさび状空間Ｕが形成されている。各くさび状空間Ｕにころ２２が一つ設けられている。ころ２２は円筒ころである。

また、この第２の一方向クラッチ２０は、各ころ２２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２７と、各ころ２２を一方向に弾性的に付勢する弾性部材２４とを更に備えている。これら保持器２７及び弾性部材２４は、図４に示す第１の一方向クラッチ７の保持器７４及び弾性部材７５と同様の構成を有しており、ここでは、その説明を省略する。

この第２の一方向クラッチ２０によれば、主軸２（図１参照）が正方向に回転することにより、増速機３によって増速させた出力軸３５が外輪部材２１に対して一方向（図６において反時計回り）に回転する状態では、各ころ２２は、弾性部材２４の付勢力に抗してくさび状空間Ｕが広くなる方向へ僅かに移動することにより、各ころ２２は、出力軸３５の外周面３５ｅ及び外輪部材２１のカム面２３と噛み合うことはなく、出力軸３５は一方向（図６において反時計回り）に自由に回転することができる。
この結果、図１において、出力軸３５から、入力回転体５、第１の一方向クラッチ７及び出力回転体６を通じてトルクを受けた駆動軸４１は回転することができ、発電機４において発電が行われる。

これに対して、主軸２（図１参照）が逆方向に回転しようとすることにより、増速機３によって増速させた出力軸３５が外輪部材２１に対して他方向（図６において時計回り）に回転しようとすると、各ころ２２は、弾性部材２４の付勢力によりくさび状空間Ｕが狭くなる方向へ僅かに移動して、出力軸３５の外周面３５ｅ及び外輪部材２１のカム面２３に圧接し、これら外周面３５ｅの一部とカム面２３との間に噛み合った状態となる。つまり、各ころ２２がくさび状空間Ｕの狭い側の領域に噛み込む。
すると、外輪部材２１は、ブラケット２５を介して床２６に対して固定された状態にあることから、この外輪部材２１に対する出力軸３５の他方向回り（図６において時計回り）の回転は規制される。

このように、第２の一方向クラッチ２０は、主軸２が正方向に回転すると、この回転による力を入力回転体５へ伝達して発電機４の駆動軸４１を回転させるが、主軸２が逆方向に回転しようとすると、その回転を規制する（不可能とする）機能を備えている。

以上より、図１において、一方に向かって吹く風をブレードが受けて主軸２が正方向に回転して発電を行っている状態から、急に、その風が弱まって風向きが反対方向になると、ブレードは一旦停止した後に逆回転しようとする。ブレードが逆回転しようとすると、主軸２及び出力軸３５も、発電を行っている場合と逆方向に回転しようとする。
ここで、仮に本実施形態に係る第２の一方向クラッチ２０が設けられておらず、出力軸３５が逆方向に回転を開始すると、この出力軸３５に一体回転可能に設けられた入力回転体５の回転速度は、負の値となって、出力回転体６の回転速度を下回る状態となる。この結果、これら入力回転体５と出力回転体６との間に設けられている第１の一方向クラッチ７では、入力回転体５と出力回転体６との接続が遮断される。この場合、ブレード、主軸２及び出力軸３５は制限なく自由に回転してしまうこととなり、この状態は機械的に好ましくない。

しかし、本実施形態の風力発電装置１では、第２の一方向クラッチ２０が設けられていることから、主軸２が逆方向に回転しようとしても、この回転に伴う出力軸３５の逆回転を規制することにより、主軸２の逆方向の回転を防止することができる。この結果、ブレード、主軸２及び出力軸３５が逆回転することはない。つまり、このように主軸２が逆回転しようとしても、一方向クラッチ２０によって出力軸３５は拘束され、逆回転を防止することができる。

なお、前記のとおり、ブレード及び主軸２が、正方向に回転している状態から、一旦停止して逆方向に回転しようとする状態では、出力軸３５は回転していないことからこの出力軸３５と一体である入力回転体５の回転速度は、慣性によって回転している出力回転体６の回転速度を下回ることとなる。このため、第１の一方向クラッチ７（図４参照）では、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。このため、発電機４の駆動軸４１及びロータ４２は回り続けることができ、引き続き、発電が行われることとなる。

また、本実施形態では、図１に示すように、発電機４（又は増速機３）を固定して設置するための構造物である床２６に、ブラケット２５を介して、外輪部材２１は固定されている。このため、第２の一方向クラッチ２０によれば、主軸２が逆方向に回転しようとすると、その回転を規制することができるが、その際に外輪部材２１に発生する回転を規制するための力を、ブラケット２５を通じて床２６に伝達することができる。このため、主軸２の逆方向の回転を、他の機器に影響を与えることなく安全に規制することが可能となる。なお、本実施形態では、回転を規制するための力を伝達させる構造物を、床２６としているが、床２６に限らず、風車本体の一部（発電機室の側壁等）であればよい。

また、本実施形態では、外輪部材２１を出力軸３５の径方向外側に設け、第２の一方向クラッチ２０を第１の一方向クラッチ７の隣りに設けた場合について説明したが、これ以外であってもよく、外輪部材２１を、主軸２、出力軸３５及び増速機３が有している他の回転動力伝達軸（例えば中間軸３４等）の内のいずれか一つの対象軸の径方向外側に、その対象軸と同心状として設ければよい。そして、この対象軸の外周面と、外輪部材２１のカム面２３それぞれとの間に形成されるくさび状空間Ｕに複数のころ２２を設ければよい。

しかし、歯車機構３０を備えている増速機３によれば、出力軸３５のトルクは、主軸２及び他の回転動力伝達軸のトルクよりも小さくなることから、本実施形態のように、外輪部材２１は、出力軸３５の径方向外側に設けられているのが好ましく、これにより、出力軸３５の回転を小さい力で規制することが可能となる。

さらに、本実施形態に係る第２の一方向クラッチ２０によれば、主軸２が逆方向に回転しようとすると、迅速かつ安全に、その回転を規制することができる。
すなわち、本実施形態のような一方向クラッチ２０ではなく、例えば、図示しないが、主軸２等の逆回転を検知するセンサを設置し、このセンサが主軸２等の逆回転を検知すると出力軸３５に制動力を与えるブレーキ装置により、ブレード及び主軸２の逆回転を規制する構成を採用した場合、出力軸３５が逆回転している状態からその出力軸３５に対して制動力を付与することになるため、その出力軸３５の慣性力により大きな制動力を必要とし、さらに、急な制動を与えた場合には、その反動（反力）として衝撃的な力がブレーキ装置及びこのブレーキ装置を固定する床等の構造物に作用してしまう。
しかし、本実施形態では、カム面２３を有する外輪部材２１及びころ２２を備えており、出力軸３５が逆回転しようとすると、その逆回転を規制する一方向クラッチ２０である。このような一方向クラッチ２０は、ダンパーとしての機能も備えていることから、前記のような衝撃力は発生しない。さらに、逆回転を規制するために、その逆回転をセンサによって検出する必要がなく、逆回転しようとすると、ころ２２が出力軸３５の外周面３５ｅと外輪部材２１のカム面２３との間に噛み合ってその逆回転を規制することから、迅速に、ブレード及び主軸２の逆回転を阻止することが可能となる。

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、図３に示すように、入力回転体５及び出力回転体６が、それぞれ出力軸３５及び駆動軸４１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３５及び駆動軸４１と一体に形成されていてもよい。
また、出力回転体６を筒状として、この出力回転体６を、入力回転体５の径方向外側に同心上に配置しているが、例えば出力回転体６を軸状としかつ入力回転体５を筒形状として、出力回転体６を、入力回転体５の径方向内側に同心上に配置してもよい。この場合、第１の一方向クラッチ７では、入力回転体５の内周面にカム面を形成すればよい。

また、前記実施形態（図６参照）では、逆回転防止装置を、外輪部材２１の内周面にカム面２３を形成した外輪カム型式の一方向クラッチ２０としたが、これ以外として、図示しないが、外輪部材２１の内周面を円筒面とし、この外輪部材２１の径方向内側の軸（出力軸３５）の外周面にカム面を形成した内輪カム型式の一方向クラッチとすることもできる。ただし、通常の発電時では、静止状態にある外輪部材２１に対して出力軸３５が高速で回転を続けることから、構造上、外輪カム型式の方が好ましい。

また、図１に示すように、出力軸３５を支持するころ軸受３９は、ブラケット２５の外に設けられているが、ころ軸受３９をブラケット２５内に設けてもよい。つまり、第２の一方向クラッチ２０に隣接させて設けてもよい。さらに、この場合、一方向クラッチ２０の両側にころ軸受３９を設けてもよい。
また、図３に示すように、転がり軸受８が、第１の一方向クラッチ７の軸方向両側に配置されているが、軸方向一方側のみに配置されたものであってもよい。
さらに、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、潮力、水力又は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。

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：第１の一方向クラッチ（クラッチ）２０：第２の一方向クラッチ（逆回転防止装置）２１：外輪部材２２：ころ２３：カム面２６：床（構造物）３０：歯車機構（回転伝達機構）３３：低速軸３４：中間軸３５：出力軸３８：ころ軸受３９：ころ軸受４１：駆動軸４２：ロータＵ：くさび状空間

Claims

外力により回転する主軸と、
前記主軸の回転を増速する回転伝達機構、この回転伝達機構により増速された回転を出力する出力軸、及び、この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、及び、この駆動軸と一体回転するロータを有し、この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、前記主軸が正方向に回転し、当該入力回転体の回転速度が当該出力回転体の回転速度を上回ると、当該入力回転体と当該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と、当該入力回転体と当該出力回転体との接続を遮断するクラッチと、
前記主軸が前記正方向に回転すると、当該回転による力を前記入力回転体へ伝達可能とし、前記主軸が逆方向に回転しようとすると、その回転を規制する逆回転防止装置と、
を備え、
前記逆回転防止装置は、前記増速機と、前記入力回転体との間に配置されており、
前記逆回転防止装置は、前記主軸が逆方向に回転しようとすると、その回転を規制する一方向クラッチであり、
前記一方向クラッチは、
前記主軸、前記出力軸及び前記増速機が有している他の回転動力伝達軸の内のいずれか一つの対象軸の径方向外側に設けられ内周面にカム面が複数形成されている外輪部材と、
前記対象軸の外周面と前記カム面それぞれとの間に形成されるくさび状空間に設けられている複数のころと、を備え、かつ、
前記主軸が逆方向に回転しようとすると、前記ころが前記対象軸の外周面と前記カム面との間に噛み合うことにより、前記外輪部材に対する前記主軸の回転を規制し、
前記外輪部材は、前記発電機又は前記増速機を固定して設置するための構造物に固定されることを特徴とする発電装置。
前記外輪部材は、前記出力軸の径方向外側に設けられている請求項１に記載の発電装置。
外力により回転する主軸と、
前記主軸の回転を増速する回転伝達機構、この回転伝達機構により増速された回転を出力する出力軸、及び、この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、及び、この駆動軸と一体回転するロータを有し、この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、前記主軸が正方向に回転し、当該入力回転体の回転速度が当該出力回転体の回転速度を上回ると、当該入力回転体と当該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と、当該入力回転体と当該出力回転体との接続を遮断するクラッチと、
前記主軸が前記正方向に回転すると、当該回転による力を前記入力回転体へ伝達可能とし、前記主軸が逆方向に回転しようとすると、その回転を規制する逆回転防止装置と、
を備え、
前記逆回転防止装置は、前記増速機と、前記入力回転体との間に配置されていると共に、前記発電機又は前記増速機を固定して設置するための構造物に固定され、前記逆方向の回転を規制するための力が当該発電機又は当該増速機を固定して設置するための当該構造物に伝達されることを特徴とする発電装置。