JP6184643B1 - 動力伝達装置及び水力発電装置 - Google Patents

Abstract

水力発電において、タービンと発電機との間に配置され、小型化及び低コスト化が可能な、磁気カップリング装置を用いた動力伝達装置及びそれを用いた水力発電装置を提供する。タービン１０によって水力から変換された回転力を発電機１１に伝達する動力伝達装置１であって、前記タービン１０により回転された第１部材１２の回転を、前記第１部材１２の回転より高速な第２部材２１の回転に変換する増速機２０と、前記第２部材２１の回転を、前記第２部材２１と非接触で、前記発電機１１に連結される第３部材１４に伝達する磁気カップリング装置３０とを備える。本実施形態によると、水流で回転されたタービン１０の回転力はトルクが大きいが、磁気カップリング装置３０で動力が伝達される前に、増速機２０で増速される。増速機２０で増速される際、トルクは小さくなる。

Description

本発明は、動力伝達装置及び水力発電装置に関する。

従来、水力発電において、タービンと、増速機と、発電機とが連結された水力発電装置がある。タービンは、羽根やスクリューを、水流を利用して回転させることにより回転力を発生させ、その回転力を、増速機によって増速した後、発電機に伝達する。ここで、タービンは水中に配置される。しかし、タービンに連結されている発電機や増速機は、内部へ水が浸入すると故障等の原因となる。このため、タービンと増速機の間において、非接触で動力伝達が可能な磁気カップリング装置が用いられた動力伝達装置が設けられている（特許文献１参照）。

特開２０１６−１３８５４０号公報

しかし、水流によって発生されたタービンの回転トルクが大きい。このような大きなトルクを、磁気カップリング装置で伝達する場合、大きな磁石が必要となり、装置が大型化するとともに製造コストが高くなる。また、大きな磁力が発生するため、製作、組立面でも大掛な組立治具、装置が必要となる。

本発明は、水力発電において、タービンと発電機との間に配置され、小型化及び低コスト化が可能な、磁気カップリング装置を用いた動力伝達装置及びそれを用いた水力発電装置を提供することを目的とする。

本発明の動力伝達装置は、タービンによって水力から変換された回転力を発電機に伝達する動力伝達装置であって、前記タービンにより回転された第１部材の回転を、前記第１部材の回転より高速な第２部材の回転に変換する増速機と、前記第２部材の回転を、前記第２部材と非接触で、前記発電機に連結される第３部材に伝達する磁気カップリング装置とを備える。

前記第２部材及び前記増速機を覆う筐体を備えることが好ましい。

前記筐体の内部を加圧する加圧装置を備えることが好ましい。

前記増速機は、遊星歯車構造を有していることが好ましい。

本発明の水力発電装置は、タービンと、発電機と、前記タービンによって水力から変換された回転力を発電機に伝達する動力伝達装置と、を備え、前記動力伝達装置は、前記タービンにより回転された第１部材の回転を、前記第１部材の回転より高速な第２部材の回転に変換する増速機と、前記第２部材の回転を、前記第２部材と非接触で、前記発電機に連結される第３部材に伝達する磁気カップリング装置とを備える。

本発明によれば、水力発電において、タービンと発電機との間に配置され、小型化及び低コスト化が可能な、磁気カップリング装置を用いた動力伝達装置及びそれを用いた水力発電装置を提供することができる。

本発明の実施形態の動力伝達装置を含む水力発電装置の概念図である。 実施形態の動力伝達装置の断面図である。 比較形態の水力発電装置である。

図１は本発明の実施形態の動力伝達装置１を含む水力発電装置１００の概念図である。図２は、動力伝達装置１の断面図である。図示するように、水力発電装置１００は、タービン１０と、動力伝達装置１と、発電機１１とを備える。

（タービン１０）
タービン１０は、河川等の水中に配置されている。タービン１０は、例えばタービン軸（第１部材）１２と、そのタービン軸１２の周囲に配置された羽根部材（図示せず）を備える。水流によって羽根部材が回転され、これによってタービン軸１２が回転する。タービン軸１２は、上方（水上方向）へ延びている。

（発電機１１）
発電機１１は、タービン１０によって発生され、本実施形態の動力伝達装置１を介して伝達された回転力を用いて発電を行う。発電機１１は、図示しないが、例えば中心軸（第３部材）に連結されたロータと、ロータの外周に配置されたコイルとを備える。ロータ表面には、極性の異なる磁石が交互に取り付けられ、ロータの回転によってコイルに電力が発生する。

（動力伝達装置１）
タービン１０と発電機１１との間には、本実施形態の動力伝達装置１が配置されている。動力伝達装置１は、増速機２０と磁気カップリング装置３０とを備える。本実施形態において増速機２０はタービン１０側に配置され、磁気カップリング装置３０は発電機１１側に配置されている。

（増速機２０）
増速機２０は、遊星歯車機構を用いた増速機２０である。図２に示すように増速機２０は、中心に配置されたサンギア（第２部材）２１と、サンギア２１の外周を取り囲むように設けられたリングギア２２と、サンギア２１とリングギア２２の間に配置され、サンギア２１の外歯とリングギア２２の内歯の両方に噛み合う複数個のプラネタリギア２３と、プラネタリギア２３同士を連結する上下のプラネタリキャリア２４（２４ａ，２４ｂ）とを備える。

下部のプラネタリキャリア２４ａは、タービン１０のタービン軸１２に連結され、タービン軸１２とともに回転する。プラネタリキャリア２４ａには、プラネタリギア２３の数に対応して凹部２５が設けられ、その凹部２５には、プラネタリギア２３が回転（自転）可能に配置されている。

リングギア２２の下端には、プラネタリキャリア２４の外周を覆う下部筐体４０が水密状態で連結されている。下部筐体４０は、タービン軸１２の上端の外周も覆っている。タービン軸１２は、下部筐体４０に対して相対回転可能となっている。

タービン１０のタービン軸１２が回転すると、プラネタリキャリア２４ａが回転する。プラネタリキャリア２４ａが回転すると、プラネタリギア２３もリングギア２２の内周に沿って回転（公転）する。
その際、リングギア２２の内歯と、プラネタリギア２３の外歯とが噛み合い、プラネタリギア２３は自転する。そのプラネタリギア２３の自転によって、プラネタリギア２３と噛み合っているサンギア２１が回転する。
ここで、プラネタリギア２３がサンギア２１の周りを公転すると、サンギア２１は、サンギア２１の歯数に対するリングギア２２の歯数分だけ増速されて回転する。

（磁気カップリング装置３０）
磁気カップリング装置３０は、互いに非接触な上部カップリング３１と下部カップリング３２とを有し、永久磁石の吸引力を利用して下部カップリング３２から上部カップリング３１へと、トルクの伝達を行なう。上部カップリング３１と下部カップリング３２とは非接触であるので、トルク伝達を行う際に磨耗による発塵が発生せず、また静音化が可能である。

下部カップリング３２は、サンギア２１の上端に連結されて、サンギア２１と共に回転する下部マグネットプレート３３を有する。下部マグネットプレート３３の上面及び側部は、非磁性体で製造された上部筐体３５で覆われている。
上部筐体３５は、有底円筒形状の底部を上にして、下部マグネットプレート３３の上部より被せたような形状である。上部筐体３５の上面（底部）と下部マグネットプレート３３とは非接触である。
上部筐体３５の側部は、円筒形状であり、その円筒形状の下端は、リングギア２２の上端に水密状態で連結されている。

上部カップリング３１は、下部マグネットプレート３３と対向する上部マグネットプレート３６を有する。上部マグネットプレート３６は、発電機１１へと続く中心軸１４（第３部材）に連結され、共に回転する。

増速機２０で増速されたサンギア２１が回転すると、下部マグネットプレート３３も回転する。下部マグネットプレート３３の回転に伴い、上部マグネットプレート３６は下部マグネットプレート３３に対して非接触で回転し、上部マグネットプレート３６の回転と共に、中心軸１４も回転する。中心軸１４は、発電機１１に連結され、発電機１１において発電が行われる。

ここで、上述のように、磁気カップリング装置３０の下部マグネットプレート３３の上面及び側部は、上部筐体３５で覆われている。そして、上部筐体３５の下端は、リングギア２２の上端に水密状態で連結されている。また、リングギア２２の下端には、プラネタリキャリア２４の外周を覆う下部筐体４０が水密状態で連結されている。下部筐体４０は、プラネタリキャリア２４に連結されているタービン軸１２の上端の外周も覆っている。タービン軸１２は下部筐体４０の内部において、下部筐体４０に対して相対回転可能な状態で、メカニカルシール５５を介して保持されている。

すなわち、増速機２０及び磁気カップリング装置３０の下部カップリング３２は、上部筐体３５、リングギア２２、下部筐体４０によって構成される筐体５０によって、水密状態で覆われている。
また、筐体５０の上部筐体３５には、開口５１が設けられ、その開口５１から延びる筒部材５２の先端にはポンプ５３が連結されている。ポンプ５３より筐体５０の内部に空気が送られ、筐体５０の内部は、水圧とほぼ同等に保たれている。これにより、筐体５０においてメカニカルシール５５を介してタービン軸１２が挿入されている部分からの筐体５０内部への水の侵入が防止される。

（１）本実施形態によると、トルク伝達の流れを、水中のタービン１０、増速機２０、磁気カップリング装置３０、発電機１１としている。本実施形態の効果の説明を容易にするために、まず比較形態について説明する。図３は、比較形態の水力発電装置１００Ａである。比較形態においてはタービン１０Ａ、磁気カップリング装置３０Ａ、増速機２０Ａ、発電機１１Ａの順で配置されている。この場合、タービン１０Ａと増速機２０Ａとの間に、磁気カップリング装置３０Ａが配置され、非接触でトルクが伝達される。

しかし、水流で回転されたタービン１０Ａの回転トルクが大きい。このようなトルクが大きな力を磁気カップリング装置３０Ａを用いて伝達する場合、大きな磁石が必要となり、磁気カップリング装置３０Ａが大型化するとともに製造コストが高くなる。また、大きな磁力が発生するため、製作、組立面でも大掛な組立治具、装置が必要となる。

これに対して実施形態によると、磁気カップリング装置３０、増速機２０、発電機１１の順で配置されている。したがって、水流で回転されたタービン１０の回転力はトルクが大きいが、磁気カップリング装置３０で動力が伝達される前に、増速機２０で増速される。増速機２０で増速される際、トルクは小さくなる。したがって、大きな力を伝達する場合と比べて、磁気カップリング装置３０において伝達されるトルクが小さい。ゆえに、用いる磁石が小さくて良く、装置が小型化するとともに製造コストが安くなる。また、発生する磁力も小さいため、製作、組立面でも大掛な組立治具、装置が不要となる。

（２）増速機２０は、磁気カップリング装置３０による非接触部分よりもタービン１０側に配置される。しかし、圧縮空気が内部に送付されるため、増速機２０の内部に海水等が浸入することがなく、腐食等の被害を防止することができる。

（３）増速機２０内部の圧力は、水圧に近い圧力が水圧よりわずかに小さい。したがって、メカニカルシール５５のシール性を阻害することがない。

１ 動力伝達装置
１０ タービン
１１ 発電機
１２ タービン軸
１４ 中心軸
２０ 増速機
２１ サンギア
２２ リングギア
２３ プラネタリギア
２４ プラネタリキャリア
３０ 磁気カップリング装置
３１ 上部カップリング
３２ 下部カップリング
３３ 下部マグネットプレート
３５ 上部筐体
３６ 上部マグネットプレート
４０ 下部筐体
５０ 筐体
５１ 開口
５２ 筒部材
５３ ポンプ
５５ メカニカルシール
１００ 水力発電装置

Claims (5)

1. タービンによって水力から変換された回転力を発電機に伝達する動力伝達装置であって、
   前記タービンにより回転された第１部材の回転を、前記第１部材の回転より高速な第２部材の回転に変換する増速機と、
   前記第２部材の回転を、前記第２部材と非接触で、前記発電機に連結される第３部材に伝達する磁気カップリング装置とを備える動力伝達装置。
2. 前記第２部材及び前記増速機を覆う筐体を備える請求項１に記載の動力伝達装置。
3. 前記筐体の内部を加圧する加圧装置を備える請求項２に記載の動力伝達装置。
4. 前記増速機は、遊星歯車構造を有する請求項１から３のいずれか１項に記載の動力伝達装置。
5. タービンと、
   発電機と、
   前記タービンによって水力から変換された回転力を発電機に伝達する動力伝達装置と、を備え、
   前記動力伝達装置は、
   前記タービンにより回転された第１部材の回転を、前記第１部材の回転より高速な第２部材の回転に変換する増速機と、
   前記第２部材の回転を、前記第２部材と非接触で、前記発電機に連結される第３部材に伝達する磁気カップリング装置とを備える水力発電装置。
   

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