JP6070300B2 - 発電装置及び一方向クラッチ構造 - Google Patents

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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用いられる一方向クラッチ構造に関する。
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る。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８に示すように、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（図示せず）が連結されており、この駆動軸に発電機のロータ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、転がり軸受（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を支持する転がり軸受（ころ軸受）２１０，２１１において、転動体（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、転がり軸受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転がり軸受（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転がり軸受にスメアリングが発生するのを抑制することができる発電装置等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、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、出力軸を支持する転がり軸受に作用するラジアル荷重が減少し、この転がり軸受において、転動体と回転輪との転がり摩擦抵抗よりも、転動体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、転動体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転がり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、転動体に高荷重が作用した状態で、転動体と回転輪との間で滑りが生じ、転動体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、本発明の一方向クラッチ構造は、外力により回転する主軸の回転を増速する増速機が有し転がり軸受により支持される出力軸と、発電機の駆動軸との間に配置される一方向クラッチ構造であって、前記出力軸と前記駆動軸との間に軸方向に対向して配置された当該出力軸と一体回転する第１クラッチ部及び当該駆動軸と一体回転する第２クラッチ部と、これら一対のクラッチ部の間に介在する係合子とを有し、前記主軸が正方向に回転し、前記出力軸の回転速度が前記駆動軸の回転速度を上回ると、前記係合子が前記一対のクラッチ部に噛み合って当該出力軸と当該駆動軸とを一体回転可能に接続し、前記出力軸の回転速度が前記駆動軸の回転速度を下回ると、前記係合子の噛み合いが解除されて当該出力軸と当該駆動軸との接続を遮断することを特徴とする。
本発明によれば、増速機の出力軸の回転速度が発電機の駆動軸の回転速度を上回ると、出力軸と駆動軸とは一体回転可能に接続され、出力軸から駆動軸へ動力伝達される。これにより、駆動軸を回転させて発電が行われる。
これに対して、出力軸の回転速度が駆動軸の回転速度を下回ると、出力軸と駆動軸との接続（動力伝達）が遮断される。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転がり軸受に作用するラジアル荷重の減少及びこれに伴う転動体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転がり軸受の転動体に高荷重が作用したときに、転動体が回転輪との接触面で滑りにくくなり、転がり軸受にスメアリングが発生するのを抑制することができる。
また、前記一対のクラッチ部の間に、軸方向寸法が周方向一方側から他方側に向かって徐々に広くなり前記係合子が１つずつ配置される楔状空間部が、周方向に複数形成され、前記係合子が、周方向に沿って前記楔状空間部の狭い側へ移動することで前記一対のクラッチ部に噛み合って前記出力軸と前記駆動軸とを一体回転可能に接続し、周方向に沿って前記楔状空間部の広い側へ移動することで当該係合子の噛み合いが解除されて前記出力軸と前記駆動軸との接続を遮断するのが好ましい。
これにより、出力軸の回転速度が駆動軸の回転速度を上回ると、係合子を周方向に沿って楔状空間部の狭い側へ移動させ出力軸と駆動軸とを一体回転可能に接続させる構成を得ることができ、また、出力軸の回転速度が駆動軸の回転速度を下回ると、係合子を周方向に沿って楔状空間部の広い側へ移動させ出力軸と駆動軸との接続を遮断する構成を得ることができる。
また、出力軸及び駆動軸の軸端部（一部）それぞれを、第１クラッチ部及び第２クラッチ部として構成してもよいが、前記一方向クラッチ構造は、前記第１クラッチ部を前記出力軸に取り付けて固定する第１固定部材と、前記第２クラッチ部を前記駆動軸に取り付けて固定する第２固定部材とを更に有しているのが好ましい。
この場合、第１クラッチ部及び第２クラッチ部は、出力軸及び駆動軸と別体となり、一方向クラッチ構造の組み立てが容易になる。
また、前記出力軸と前記第１クラッチ部との軸方向の間隔、及び、前記駆動軸と前記第２クラッチ部との軸方向の間隔、の内の少なくとも一方の間隔を調整する調整部材を、更に有しているのが好ましく、この場合、第１クラッチ部と第２クラッチ部との軸方向の間隔を調整することができる。
また、本発明の発電装置は、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、前記回転伝達機構により増速された回転を出力する出力軸、及び前記出力軸を回転自在に支持する転がり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、及び前記駆動軸と一体回転するロータを有し、前記ロータの回転に伴って発電する発電機と、前記出力軸と前記駆動軸との間に軸方向に対向して配置された当該出力軸と一体回転する第１クラッチ部及び当該駆動軸と一体回転する第２クラッチ部と、これら一対のクラッチ部の間に介在する係合子とを有する一方向クラッチとを備え、前記主軸が正方向に回転し、前記出力軸の回転速度が前記駆動軸の回転速度を上回ると、前記係合子が前記一対のクラッチ部に噛み合って当該出力軸と当該駆動軸とを一体回転可能に接続し、前記出力軸の回転速度が前記駆動軸の回転速度を下回ると、前記係合子の噛み合いが解除されて当該出力軸と当該駆動軸との接続を遮断することを特徴とする。
本発明によれば、一方向クラッチにより、増速機の出力軸の回転速度が発電機の駆動軸の回転速度を上回ると、出力軸と駆動軸とは一体回転可能に接続され、出力軸から駆動軸へ動力伝達される。これにより、駆動軸を回転させて発電が行われる。
これに対して、出力軸の回転速度が駆動軸の回転速度を下回ると、出力軸と駆動軸との接続（動力伝達）が遮断される。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転がり軸受に作用するラジアル荷重の減少及びこれに伴う転動体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転がり軸受の転動体に高荷重が作用したときに、転動体が回転輪との接触面で滑りにくくなり、転がり軸受にスメアリングが発生するのを抑制することができる。
また、前記発電機は、前記駆動軸を制動するブレーキを有し、前記一方向クラッチは、前記ブレーキと、前記増速機との間に設けられているのが好ましく、この場合、ブレーキにより駆動軸を制動することができる。
本発明の一方向クラッチ構造、及び発電装置によれば、増速機の出力軸を支持する転がり軸受にスメアリングが発生するのを抑制することができる。
本発明の発電装置の実施の一形態を示す概略側面図である。 増速機及び発電機を示す概略構成図である。 増速機の出力軸と発電機の駆動軸との連結部分を示す側面図である。 クラッチ部材（クラッチ部）を軸方向から見た図である。 クラッチ部材（クラッチ部）の斜視図である。 一方向クラッチの一部を示す断面図である。 増速機が有する転がり軸受を示す断面図である。 従来の増速機を示す断面図である。
図１は、本発明の発電装置の実施の一形態を示す概略側面図である。本実施形態の発電装置は、風力（外力）により回転する主軸２を有している風力発電装置である。この風力発電装置１は、ブレード（受風部材）１１、支柱１２、及びナセル１３を備えている。ブレード１１は、主軸２の先端に設けられた複数枚の羽根により構成され、風を受けることによって主軸２を回転させる。ナセル１３は、主軸２、この主軸２を支持するための支持機構１５、主軸２の回転を増速する増速機３、増速機３によって増速された回転動力によって発電する発電機４、及びこれらを収容するケーシング１８等を備えている。支柱１２は、ナセル１３を、上下方向の軸心回りに水平旋回可能に支持している。
図２は、増速機３及び発電機４を示す概略側面図である。
発電機４は、例えば誘導発電機により構成され、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、発電機４は、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。また、この発電機４は、駆動軸４１を制動するブレーキ２０を有している。ブレーキ２０は駆動軸４１の回転を拘束することができる。
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、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、転がり軸受（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の近傍に配置されており、その軸方向両端部は、転がり軸受（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の近傍に配置されており、回転トルクを出力する。出力軸３５は、その軸方向の一端部３５ｂ側及び他端部（出力端部）３５ｃ側において、それぞれ転がり軸受（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を駆動することができる。
図７は、増速機３が有する転がり軸受を示す断面図である。本実施形態では、出力軸３５を回転自在に支持する転がり軸受は、ころ軸受３８である。このころ軸受３８は、特に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内に各円筒ころ３８ｃが配置されている。
図２において、風力発電装置１は、増速機３の出力軸３５と、発電機４の駆動軸４１とを一体回転可能に接続する軸継手装置（カップリング装置）９を備えている。この軸継手装置９は、入力回転体５と、出力回転体６と、一方向クラッチ７とを備えており、クラッチユニットとしても構成されている。なお、一方向クラッチ７は、風力発電装置１のブレーキ２０と、増速機３との間に設けられている。
図３は、軸継手装置９を示す側面図（一部断面図）である。駆動軸４１には、軸継手装置９を覆うカバー部材９２が取り付けられている。
出力軸３５の出力端部３５ｃに、フランジ部３５ｃ１が一体固定されている。また、駆動軸４１の入力端部に、フランジ部４１ａが一体固定されている。フランジ部３５ｃ１に第１固定部材２１がボルトにより取り付けられており、フランジ部４１ａに第２固定部材２２がボルトにより取り付けられている。第１固定部材２１及び第２固定部材２２それぞれは、フランジ部３５ｃ１及びフランジ部４１ａとボルトにより固定される板状のフランジ部材からなる。
そして、第１固定部材２１と第２固定部材２２との間に、第１クラッチ部材２３及び第２クラッチ部材２４を有する一方向クラッチ７が設けられている。第１固定部材２１と第１クラッチ部材２３とは、図示していないボルト（例えば、六角穴付き止めボルト）によって連結固定されている。また、第２固定部材２２と第２クラッチ部材２４とは、図示していないボルト（例えば、六角穴付き止めボルト）によって連結固定されている。
なお、本実施形態では、フランジ部３５ｃ１と第１固定部材２１との間に調整部材５２が介在しており、また、フランジ部４１ａと第２固定部材２２との間に調整部材６２が介在している。
調整部材５２，６２それぞれは、板部材からなる。一枚又は複数枚の調整部材５２が軸方向に積層状態となって、フランジ部３５ｃ１と第１固定部材２１との間に設けられる。また、一枚又は複数枚の調整部材６２が軸方向に積層状態となって、フランジ部４１ａと第２固定部材２２との間に設けられる。調整部材５２（６２）の枚数を変更することにより、フランジ部３５ｃ１（フランジ部４１ａ）に対する第１固定部材２１（第２固定部材２２）の軸方向位置を調整し、これにより、フランジ部３５ｃ１（フランジ部４１ａ）に対する第１クラッチ部材２３（第２クラッチ部材２４）の軸方向位置を調整することができる。この結果、第１クラッチ部材２３と第２クラッチ部材２４との軸方向の間隔（つまり、後述する楔状空間部Ｓの軸方向寸法）が調整される。
本実施形態では、前記入力回転体５は、フランジ部３５ｃ１、第１固定部材２１、及び調整部材５２を含み、前記出力回転体６は、フランジ部４１ａ、第２固定部材２２、及び調整部材６２を含む。そして、一方向クラッチ７は、これら入力回転体５と出力回転体６との間に配置されている。
一方向クラッチ７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に断接可能とするために設けられている。このために、一方向クラッチ７は、第１クラッチ部材２３、第２クラッチ部材２４、及び複数の円錐ころ（係合子）２５を有している。第１クラッチ部材２３と第２クラッチ部材２４とは、軸方向に対向して配置されており、円錐ころ２５は、軸方向に対向する一対のクラッチ部材２３，２４の間に介在している。
図４は、第１クラッチ部材２３を軸方向（第２クラッチ部材２４側）から見た図である。なお、図４では、円錐ころ２５を二点鎖線で示している。また、図５は、第１クラッチ部材２３の斜視図である。図６は、一方向クラッチ７の一部を示す断面図であり、図６中の第１クラッチ部材２３は、図５の二点鎖線Ｊに沿った部分の断面を示している。
第１クラッチ部材２３は、環状の円板部材からなり、第１固定部材２１（図３参照）によって出力軸３５側のフランジ部３５ｃ１に固定され、出力軸３５と一体回転可能となる。
第１クラッチ部材２３の、第２クラッチ部材２４に対向する側面には、複数の凹所２３ａが周方向に間隔をあけて形成されている。各凹所２３ａの底面２３ｂは、周方向一方側が深く（軸方向に深く）、他方側が浅く（軸方向に浅く）なるように傾斜する傾斜面からなる。この傾斜面が後述するカム面２３ｄを構成する。また、凹所２３ａの周方向一端部には軸方向の高さが異なる段部２３ｃが形成されている。なお、第１クラッチ部材２３の反対側の側面は、凹凸のない平坦な面とされ、第１固定部材２１（図３参照）の軸方向側面に当接している。
図３に示すように、第２クラッチ部材２４は、環状の円板部材からなり、第２固定部材２２によって駆動軸４１側のフランジ部４１ａに固定され、駆動軸４１と一体回転可能となる。この第２クラッチ部材２４は、第１クラッチ部材２３と軸方向に対向して配置される。第２クラッチ部材２４の第１クラッチ部材２３に対向する軸方向側面２４ａ（図６参照）は凹凸のない平面に形成されている。また、この側面２４ａの反対側の面は、凹凸のない平坦な面とされ、第２固定部材２２の軸方向側面に当接している。
第１クラッチ部材２３に形成されている凹所２３ａによって、各凹所２３ａの底面２３ｂと、この底面２３ｂに対面する第２クラッチ部材２４の側面２４ａとの間には、楔状空間部Ｓ（図６参照）が周方向に沿って複数形成される。凹所２３ａの底面２３ｂは傾斜面であるため、各楔状空間部Ｓにおいて、凹所２３ａの傾斜面（底面２３ｂ）と第２クラッチ部材２４の側面２４ａとの軸方向の間隔は、周方向一方側（図６の下側）から周方向他方側（図６の上側）に向かって徐々に大きくなる。つまり、各楔状空間部Ｓの軸方向寸法は、周方向一方側（図６の下側）から周方向他方側（図６の上側）に向かって徐々に広くなる。また、この楔状空間部Ｓに円錐ころ２５を設けるために、凹所２３ａの傾斜面（底面２３ｂ）と側面２４ａとの間隔は、径方向外側に向かうにしたがって広く、径方向内側に向かうに従って狭くなる。
円錐ころ２５は、円錐台形状のローラからなり、その中心線が第１と第２クラッチ部材２３，２４の径方向に指向している。そして、円錐ころ２５は、第１クラッチ部材２３と第２クラッチ部材２４との間に挟まれ、両者の相対回転によって周方向に転動可能となる。
特に、底面２３ｂ及び側面２４ａと、これらに接触（線接触）する円錐ころ２５の母線とは、その延長線が第１と第２クラッチ部材２３，２４の回転軸心Ｏ（図４参照）上で交差するように構成されている。このため、第１クラッチ部材２３の底面２３ｂ及び第２クラッチ部材２４の側面２４ａ上において円錐ころ２５の滑りが生じ難くなっている。
円錐ころ２５は、各楔状空間部Ｓ（第１クラッチ部材２３の各凹所２３ａ）に１個ずつ配置されており、第１クラッチ部材２３と第２クラッチ部材２４とは、複数の円錐ころ２５を挟んで相互が軸方向に沿って押し合うことのできる状態で、それぞれ第１固定部材２１と第２固定部材２２とに当接し、フランジ部３５ｃ１とフランジ部４１ａとに固定されている。
また、図６において、各円錐ころ２５は、各凹所２３ａに設けた弾性部材２８によって、楔状空間部Ｓの狭い側（図６では下側）へ付勢されている。本実施形態の弾性部材２８は、圧縮コイルばねからなるが、板ばね等の他の形式のばねであってもよい。
また、各円錐ころ２５は、環状の保持器２６によって相互の周方向の間隔や径方向の位置、傾き等が保持されている。
以上の構成を有する一方向クラッチ７を備えた風力発電装置１によれば、ブレード１１（図１参照）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の回転速度も高まる。これにより、図３において、出力軸３５と一体回転する入力回転体５及び第１クラッチ部材２３は加速され、これらは高速で一体回転する。
すると、一方向クラッチ７では、出力軸３５の回転速度が高まって、この出力軸３５の回転速度が駆動軸４１の回転速度を上回ると、出力軸３５と一体回転する第１クラッチ部材２３が、第２クラッチ部材２４に対して一方向（図３において矢印Ｒ１方向）に相対回転しようとする。この場合、図６に示すように、円錐ころ２５は、弾性部材２８の付勢力により、周方向に沿って楔状空間部Ｓが狭くなる方向（矢印ｃ方向）へ僅かに移動して、円錐ころ２５の外周面が第１クラッチ部材２３のカム面２３ｄ（凹所２３ａの底面２３ｂ）及び第２クラッチ部材２４の側面２４ａに圧接し、円錐ころ２５が第１クラッチ部材２３と第２クラッチ部材２４との間に噛み合った状態となる。
これにより、第１と第２クラッチ部材２３，２４は前記一方向（図３において矢印Ｒ１方向）に一体回転可能となり、出力軸３５と駆動軸４１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、出力軸３５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、出力軸３５が増速回転後に一定速回転となり、出力軸３５の回転速度が、駆動軸４１の回転速度と同一になった場合には、円錐ころ２５が第１と第２クラッチ部材２３，２４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、第１と第２クラッチ部材２３，２４の前記一方向への一体回転を維持し、出力軸３５及び駆動軸４１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（図２参照）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、第１クラッチ部材２３の回転速度も低下する。これに対して、駆動軸４１及び第２クラッチ部材２４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。
このように出力軸３５の回転速度が低下し、出力軸３５の回転速度が駆動軸４１の回転速度を下回る場合、一方向クラッチ７において、第１クラッチ部材２３が第２クラッチ部材２４に対して他方向（図３において矢印Ｒ２方向）に相対回転しようとする（相対回転する）。この場合、円錐ころ２５は、弾性部材２８の付勢力に抗して、周方向に沿って、楔状空間部Ｓが広くなる方向（図６の矢印ｃの反対方向）へ僅かに移動することにより、円錐ころ２５と、第１及び第２クラッチ部材２３，２４との噛み合いが解除される。このように、円錐ころ２５の噛み合いが解除されることで、出力軸３５と駆動軸４１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。
以上のように、風力発電装置１の増速機３と発電機４との間に（図３参照）、増速機３の出力軸３５と発電機４の駆動軸４１との間に軸方向に対向して配置された一対のクラッチ部材２３，２４、及びこれらクラッチ部材２３，２４の間に介在する複数の円錐ころ２５を有する一方向クラッチ７が設置されている。この一方向クラッチ７によれば、出力軸３５の回転速度が駆動軸４１の回転速度を下回ると、前記のとおり、一対のクラッチ部材２３，２４に対する円錐ころ２５の噛み合いが解除状態となり、出力軸３５と駆動軸４１との接続（動力伝達）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を介して増速機３の出力軸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７参照）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（図２参照）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。このため、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、所定の条件で、一方向クラッチ７は出力軸３５と駆動軸４１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、本実施形態（図３参照）では、一方向クラッチ７に第１固定部材２１及び第２固定部材２２を含めて、一方向クラッチ構造を構成している。第１固定部材２１は、第１クラッチ部材２３を出力軸３５（出力軸３５に固定のフランジ部３５ｃ１）に取り付けて固定するための部材である。この第１固定部材２１は、フランジ部３５ｃ１にボルトにより固定されていることから、このボルトを外すことで第１固定部材２１と共に第１クラッチ部材２３を出力軸３５から取り外すことができる。つまり、第１固定部材２１は、第１クラッチ部材２３を、出力軸３５に一体回転可能かつ着脱可能として出力軸３５に取り付けている。
これと同様に、第２固定部材２２は、第２クラッチ部２４を駆動軸４１（駆動軸４１に固定のフランジ部４１ａ）に取り付けて固定するための部材である。この第２固定部材２２は、フランジ部４１ａにボルトにより固定されていることから、このボルトを外すことで第２固定部材２２と共に第２クラッチ部材２４を駆動軸４１から取り外すことができる。つまり、第２固定部材２２は、第２クラッチ部材２４を、駆動軸４１に一体回転可能かつ着脱可能として駆動軸４１に取り付けている。
このように、第１クラッチ部材２３及び第２クラッチ部材２４は、出力軸３５及び駆動軸４１と別体となることで、一方向クラッチ７の組み立てが容易になる。
さらに、本実施形態では、調整部材５２によって、出力軸３５（フランジ部３５ｃ１）と第１クラッチ部材２３との軸方向の間隔が調整可能であり、また、調整部材６２によって、駆動軸４１（フランジ部４１ａ）と第２クラッチ部材２４との軸方向の間隔が調整可能である。この結果、第１クラッチ部材２３と第２クラッチ部２４との軸方向の間隔（楔状空間部Ｓの軸方向寸法）を調整することができ、クラッチ部材２３，２４による円錐ころ２５への軸方向接触力を調整することができる。
なお、出力軸３５側の調整部材５２と、駆動軸４１側の調整部材６２との双方を設ける場合について説明したが、いずれか一方側のみであってもよい。
また、本発明の発電装置等は、図示する形態に限らず本発明の範囲内において他の形態のものであってもよい。前記実施形態では、出力軸３５を支持する転がり軸受をころ軸受（図７参照）として説明したが、他の型式の転がり軸受であってもよく、例えば、玉軸受であってもよい。
１：風力発電装置（発電装置）
２：主軸 ３：増速機 ４：発電機 ７：一方向クラッチ
２０：ブレーキ ２１：第１固定部材 ２２：第２固定部材
２３：第１クラッチ部材（第１クラッチ部）
２４：第２クラッチ部材（第２クラッチ部）
２５：円錐ころ（係合子） ３０：歯車機構（回転伝達機構） ３５：出力軸
３８：ころ軸受（転がり軸受） ３９：ころ軸受（転がり軸受）
４１：駆動軸 ４２：ロータ ５２：調整部材 ６２：調整部材
Ｓ：楔状空間部

Claims (6)

  1. 外力により回転する主軸の回転を増速する増速機が有し転がり軸受により支持される出力軸と、発電機の駆動軸との間に配置される一方向クラッチ構造であって、
    前記出力軸と前記駆動軸との間に軸方向に対向して配置された当該出力軸と一体回転する第１クラッチ部及び当該駆動軸と一体回転する第２クラッチ部と、これら一対のクラッチ部の間に介在する係合子と、を有し、
    前記主軸が正方向に回転し、前記出力軸の回転速度が前記駆動軸の回転速度を上回ると、前記係合子が前記一対のクラッチ部に噛み合って当該出力軸と当該駆動軸とを一体回転可能に接続し、前記出力軸の回転速度が前記駆動軸の回転速度を下回ると、前記係合子の噛み合いが解除されて当該出力軸と当該駆動軸との接続を遮断することを特徴とする一方向クラッチ構造。
  2. 前記一対のクラッチ部の間に、軸方向寸法が周方向一方側から他方側に向かって徐々に広くなり前記係合子が１つずつ配置される楔状空間部が、周方向に複数形成され、
    前記係合子が、周方向に前記楔状空間部の狭い側へ移動することで前記一対のクラッチ部に噛み合って前記出力軸と前記駆動軸とを一体回転可能に接続し、周方向に前記楔状空間部の広い側へ移動することで前記係合子の噛み合いが解除されて前記出力軸と前記駆動軸との接続を遮断する請求項１に記載の一方向クラッチ構造。
  3. 前記第１クラッチ部を前記出力軸に取り付けて固定する第１固定部材と、前記第２クラッチ部を前記駆動軸に取り付けて固定する第２固定部材と、を更に有している請求項１又は２に記載の一方向クラッチ構造。
  4. 前記出力軸と前記第１クラッチ部との軸方向の間隔、及び、前記駆動軸と前記第２クラッチ部との軸方向の間隔、の内の少なくとも一方の間隔を調整する調整部材を、更に有している請求項１〜３のいずれか一項に記載の一方向クラッチ構造。
  5. 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、前記回転伝達機構により増速された回転を出力する出力軸、及び前記出力軸を回転自在に支持する転がり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、及び前記駆動軸と一体回転するロータを有し、前記ロータの回転に伴って発電する発電機と、
    前記出力軸と前記駆動軸との間に軸方向に対向して配置された当該出力軸と一体回転する第１クラッチ部及び当該駆動軸と一体回転する第２クラッチ部と、これら一対のクラッチ部の間に介在する係合子とを有する一方向クラッチと、
    を備え、
    前記主軸が正方向に回転し、前記出力軸の回転速度が前記駆動軸の回転速度を上回ると、前記係合子が前記一対のクラッチ部に噛み合って当該出力軸と当該駆動軸とを一体回転可能に接続し、前記出力軸の回転速度が前記駆動軸の回転速度を下回ると、前記係合子の噛み合いが解除されて当該出力軸と当該駆動軸との接続を遮断することを特徴とする発電装置。
  6. 前記発電機は、前記駆動軸を制動するブレーキを有し、
    前記一方向クラッチは、前記ブレーキと、前記増速機との間に設けられている請求項５に記載の発電装置。
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