JP6237273B2 - 風力発電装置用継手部材及び風力発電装置 - Google Patents
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Description
本発明は、風力発電装置用継手部材、及び風力発電装置に関する。
風力発電装置として、風力を受けて回転するブレード、ブレードに接続された主軸、主軸の回転を増速する増速機、及び増速機の出力軸と継手部材を介して連結された入力軸を有する発電機を備えたものが知られている。この風力発電装置では、ブレードが風力を受けて主軸が回転し、この主軸の回転を増速機により増速して発電機を駆動し、これにより、発電が行われる。なお、本明細書の以下の説明では、風力とは、ブレードが受ける風力を意味している。
このような風力発電装置では、風速、風向が変化して、風力が低下した際には、増速機の出力軸の回転が減速し、この減速した回転が継手部材を介して発電機の入力軸に伝達される。これにより、発電機の入力軸の回転が減速するため、発電機の出力が低下して、発電効率が悪いという問題があった。これを解決するために、継手部材に一方向クラッチを設けた発明を、本願発明者は既に提案している(特許文献1参照)。
この一方向クラッチは、増速機の出力軸の回転速度が発電機の入力軸の回転速度を上回る状態で、出力軸と入力軸とを一体回転可能に接続し、出力軸の回転速度が入力軸の回転速度を下回る状態で、出力軸と入力軸との接続を解除するものである。そして、風力が低下して、増速機の出力軸の回転が減速した場合には、一方向クラッチにより、当該出力軸と発電機の入力軸との接続を解除し、これにより、発電機の入力軸が急激に減速することなく、発電機の重量の重いロータの慣性によって、回転し続けるようにして、当該入力軸の平均回転速度の増加と発電効率の向上を図るようにしている。
このような一方向クラッチを備えている継手部材に関して、本出願人が更に鋭意研究を進めている中で、新たな課題が見出された。すなわち、上記のような風力発電装置では、風力が低下して、増速機の出力軸と発電機の入力軸との接続が解除された後、風力の急上昇により、出力軸の回転速度が急上昇して、入力軸の回転速度を上回った際には、一方向クラッチによる出力軸と入力軸の再接続が瞬時に行われることがある。この場合、瞬時に行われる再接続の反動(反作用)により、一方向クラッチから増速機の出力軸に対し、大きな衝撃トルクが当該出力軸の回転方向とは反対方向に瞬間的に作用することが考えられる。これにより、増速機に大きな機械的ストレスが作用して、増速機の耐久性に悪影響を及ぼすおそれがあることが、新たな課題として見出された。なお、このような現象は、風力や風向きが急変動する地域において顕著になると考えられる。
そこで、本発明は、風力の急変動時に、増速機に大きな機械的ストレスが作用して、増速機の耐久性に悪影響を及ぼすおそれがあるという課題を解消可能な風力発電装置用継手部材、及び風力発電装置を提供することを目的とする。
本発明の風力発電装置用継手部材は、増速機が有する出力軸からのトルクによって発電機が有する入力軸を回転させて発電する風力発電装置に用いられる風力発電装置用継手部材であって、前記出力軸と一体回転する第1回転体と、当該第1回転体と同心状に配置されると共に、前記入力軸と一体回転する第2回転体と、前記第1回転体と前記第2回転体との間に設けられ、前記出力軸の回転速度が前記入力軸の回転速度を上回る状態で前記第1回転体と前記第2回転体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入力軸の回転速度を下回る状態で前記第1回転体と前記第2回転体との接続を解除する一方向クラッチと、を有し、前記第1回転体における、前記出力軸から前記一方向クラッチへの動力伝達部分に、ねじれ弾性変形し易いねじれ促進部が設けられていることを特徴としている。
この構成によれば、一方向クラッチでは、風力が増大し、第1回転体が増速回転して、第1回転体の回転速度が第2回転体の回転速度を上回る場合には、第1回転体と第2回転体とが一体回転可能に接続される。
また、第1回転体の増速回転後に、風力が一定となって、第1回転体が定速回転となり、第1回転体の回転速度が第2回転体の回転速度と同一になった場合には、第1回転体及び第2回転体は一体回転し続ける。
一方、第1回転体の増速回転後に、風力が低下し、第1回転体が減速回転して、第1回転体の回転速度が第2回転体の回転速度を下回る場合には、第1回転体と第2回転体との接続が遮断される。
また、第1回転体の増速回転後に、風力が一定となって、第1回転体が定速回転となり、第1回転体の回転速度が第2回転体の回転速度と同一になった場合には、第1回転体及び第2回転体は一体回転し続ける。
一方、第1回転体の増速回転後に、風力が低下し、第1回転体が減速回転して、第1回転体の回転速度が第2回転体の回転速度を下回る場合には、第1回転体と第2回転体との接続が遮断される。
この遮断後、風力が急上昇し、第1回転体の回転速度が急上昇して、第2回転体の回転速度を上回った場合、一方向クラッチによる第1回転体と第2回転体との再接続が瞬時に行われることがある。この場合、瞬時に行われる再接続の反動(反作用)により、一方向クラッチから第1回転体に対し、増速機に向かう大きな衝撃トルクが第1回転体の回転方向とは反対方向に瞬間的に作用する。
この際、本発明の前記構成によれば、第1回転体における、出力軸から一方向クラッチへの動力伝達部分に設けられているねじれ促進部が、ねじれ弾性変形することにより、増速機に向かう衝撃トルクが減衰されるので、増速機に大きな衝撃トルクが作用するのを抑制することができる。したがって、上記衝撃トルクにより、増速機に大きな機械的ストレスが作用して、増速機の耐久性に悪影響を及ぼすことを抑制することが可能となる。
この際、本発明の前記構成によれば、第1回転体における、出力軸から一方向クラッチへの動力伝達部分に設けられているねじれ促進部が、ねじれ弾性変形することにより、増速機に向かう衝撃トルクが減衰されるので、増速機に大きな衝撃トルクが作用するのを抑制することができる。したがって、上記衝撃トルクにより、増速機に大きな機械的ストレスが作用して、増速機の耐久性に悪影響を及ぼすことを抑制することが可能となる。
なお、前記第1回転体における、前記出力軸側の端部から前記一方向クラッチの配置位置と軸方向に関して対応する位置までの部分が、前記ねじれ促進部とされ、前記第2回転体における、前記入力軸側の端部から前記一方向クラッチの配置位置と軸方向に関して対応する位置までの部分よりも、前記ねじれ促進部において、ねじれに対する剛性が低く構成されているのが好ましい。
この構成によれば、第1回転体において、増速機に向かう衝撃トルクの減衰に必要な部分を、ねじれに対する剛性の低いねじれ促進部とすることができる。
この構成によれば、第1回転体において、増速機に向かう衝撃トルクの減衰に必要な部分を、ねじれに対する剛性の低いねじれ促進部とすることができる。
また、前記ねじれ促進部の軸方向長さは、前記第1回転体と前記第2回転体とを含む継手本体部の軸方向全長の1/2よりも、長く設定されていることもある。
この構成によれば、軸方向に長いねじれ促進部が得られる。つまり、前記衝撃トルクを、ねじれ促進部におけるねじれにより吸収しやすい構成が得られる。
この構成によれば、軸方向に長いねじれ促進部が得られる。つまり、前記衝撃トルクを、ねじれ促進部におけるねじれにより吸収しやすい構成が得られる。
さらに、前記ねじれ促進部は、中空の軸部により構成されているのが好ましい。
中空軸は中実軸よりもねじれに対する剛性が低いことから、ねじれ促進部を中空の軸部とすることで、簡単な構成によりねじれ促進部における、ねじれに対する剛性を低下させることが可能となる。
中空軸は中実軸よりもねじれに対する剛性が低いことから、ねじれ促進部を中空の軸部とすることで、簡単な構成によりねじれ促進部における、ねじれに対する剛性を低下させることが可能となる。
また、本発明の風力発電装置は、風力により回転する主軸と、前記主軸の回転を増速して出力する出力軸を有する増速機と、前記出力軸の回転を入力として回転する入力軸を有し当該入力軸の回転により発電を行う発電機と、前記出力軸と前記入力軸との間に設けられ、当該出力軸と当該入力軸との間でトルク伝達を可能とするための前記の風力発電装置用継手部材と、を備えている。
この構成によれば、前記ねじれ促進部を有した第1回転体を含む風力発電装置用継手部材が用いられることで、風力の急変動時に、増速機に大きな機械的ストレスが作用することを抑制することができる。
この構成によれば、前記ねじれ促進部を有した第1回転体を含む風力発電装置用継手部材が用いられることで、風力の急変動時に、増速機に大きな機械的ストレスが作用することを抑制することができる。
本発明によれば、風力の急変動時に、増速機に大きな機械的ストレスが作用して、増速機の耐久性に悪影響を及ぼすことを抑制することが可能となる。
以下、本発明の好ましい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用継手部材を備えている風力発電装置の概略側面図である。図1に示すように、風力発電装置1は、増速機3の出力軸35からのトルクによって発電機4の入力軸41を回転させて発電する構成であり、このような風力発電装置1に本発明の風力発電装置用継手部材7が用いられている。
この風力発電装置1について具体的に説明すると、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と、この主軸2を支持するための支持機構15と、主軸2の回転を増速する増速機3と、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等を備えている。支柱12は、上下方向の軸心回りに水平旋回可能にナセル13を支持している。
この風力発電装置1について具体的に説明すると、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と、この主軸2を支持するための支持機構15と、主軸2の回転を増速する増速機3と、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等を備えている。支柱12は、上下方向の軸心回りに水平旋回可能にナセル13を支持している。
図2は、増速機3及び発電機4を示す概略側面図である。図2に示すように、発電機4は、例えば誘導発電機により構成されており、増速機3により増速された回転を入力として回転する入力軸41、発電機4に内蔵されたロータ42、及び図示しないステータ等を有する。ロータ42は入力軸41に一体回転可能に連結されており、発電機4は、入力軸41が回転してロータ42が駆動されることに伴って発電するように構成されている。また、入力軸41には、当該入力軸41を制動するためのブレーキ44が設けられている。
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に一体回転可能として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。
遊星歯車機構31は、内歯車(リングギヤ)31aと、主軸2に一体回転可能として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。
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と平行に配置されており、その軸方向両端部がころ軸受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と平行に配置されており、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。
出力軸35は中間軸34と平行に配置されており、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段階で増速されて、出力軸35の出力端部35cから出力される。すなわち、風力による主軸2の回転は増速機3により3段階で増速されて、出力軸35から出力され、この出力軸35の回転トルクによって発電機4を駆動する。
増速機3の出力軸35と発電機4の入力軸41との間には、これら出力軸35と入力軸41との間でトルク伝達を可能とするための風力発電装置用継手部材(継手装置、継手構造、カップリング)7が備えられている。本実施形態では、継手部材7は入力軸41用のブレーキ44よりも増速機3側に設けられている。
図3は、継手部材7を示す半断面図であり、図4は、図3におけるA矢視断面図である。図3及び図4に示すように、継手部材7は、第1回転体50と、第2回転体51と、一方向クラッチ52と、一対の転がり軸受8,9を有している。一方向クラッチ52及び転がり軸受8,9は、第1回転体50と第2回転体51との間に配置されている。
第1回転体50は、出力軸35と同心上に配置され、出力軸35側の端部50aにフランジ54が設けられ、キー55によりフランジ54と第1回転体50とは一体回転可能とされている。このフランジ54に、出力軸35にキー56により固定されたフランジ57がボルト・ナットから成る締結具58により固定されている。第1回転体50の出力軸35側の端部50aには、カバー59がボルト60により固定されており、このカバー59によりキー55の端面が覆われている。
第1回転体50は軸方向全長にわたって中空の軸とされている。第1回転体50の径方向厚さ(肉厚)T1は、第1回転体50の内周面の半径R及び第2回転体51の径方向厚さ(肉厚)T2よりも小とされており、径方向厚さT1は例えば20mm程度とされ、径方向厚さT2は例えば30mm程度とされる。また、第1回転体50の素材はねじれに対する剛性が弱くなるものが好ましく、例えば、機械構造用炭素鋼であるS25C、チタン、繊維強化プラスチック(FRP)等とされている。
第1回転体50は軸方向全長にわたって中空の軸とされている。第1回転体50の径方向厚さ(肉厚)T1は、第1回転体50の内周面の半径R及び第2回転体51の径方向厚さ(肉厚)T2よりも小とされており、径方向厚さT1は例えば20mm程度とされ、径方向厚さT2は例えば30mm程度とされる。また、第1回転体50の素材はねじれに対する剛性が弱くなるものが好ましく、例えば、機械構造用炭素鋼であるS25C、チタン、繊維強化プラスチック(FRP)等とされている。
第2回転体51は、第1回転体50と同心上に配置されている。第2回転体51は、第1回転体50の径方向外側に位置する円筒部51aと、円筒部51aの入力軸41側の端部から径方向外側に延びるフランジ部51bとを有する。円筒部51aは、円筒状の部材からなり、第1回転体50の軸方向中央部及びこの軸方向中央部から入力軸41側の部分に対して、径方向に重なった状態にある。
フランジ部51bは、入力軸41にキー61等により固定されたフランジ62にボルト及びナットから成る締結具63により固定されている。第2回転体51の素材は、例えば、軸受鋼(SUJ2)からなる。
そして、第1回転体50のねじれに対する剛性は、第2回転体51のねじれに対する剛性よりも低くなるように構成されている。
フランジ部51bは、入力軸41にキー61等により固定されたフランジ62にボルト及びナットから成る締結具63により固定されている。第2回転体51の素材は、例えば、軸受鋼(SUJ2)からなる。
そして、第1回転体50のねじれに対する剛性は、第2回転体51のねじれに対する剛性よりも低くなるように構成されている。
一方向クラッチ52は、第1回転体50と第2回転体51との間に設けられている。一方向クラッチ52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(係合子)73と、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を周方向一方に向かって弾性的に付勢する複数の弾性部材75と(図4参照)を備えている。
本実施形態では、図3において、一方向クラッチ52における、ころ73の軸方向中央位置、すなわち、ころ73、内輪71及び外輪72により構成される接続部分(噛み合い部分)の軸方向中央位置を、一方向クラッチ52の配置位置P1と定義している。
この一方向クラッチ52の配置位置P1は、第1回転体50の軸方向中央位置Cよりも入力軸41側に存在している。すなわち、一方向クラッチ52は、出力軸35と入力軸41との間の中央ではなく、入力軸41側(図3の右側)寄りに配置されている。
本実施形態では、図3において、一方向クラッチ52における、ころ73の軸方向中央位置、すなわち、ころ73、内輪71及び外輪72により構成される接続部分(噛み合い部分)の軸方向中央位置を、一方向クラッチ52の配置位置P1と定義している。
この一方向クラッチ52の配置位置P1は、第1回転体50の軸方向中央位置Cよりも入力軸41側に存在している。すなわち、一方向クラッチ52は、出力軸35と入力軸41との間の中央ではなく、入力軸41側(図3の右側)寄りに配置されている。
内輪71は、第1回転体50の入力軸41寄りの部分に外嵌し固定されており、第1回転体50と一体回転する。第2回転体51の円筒部51aの軸方向略中央部の領域Cが、一方向クラッチ52の外輪72としての機能を有しており、この領域Cの内周面が外輪72の内周面72aとされている。
ころ73は円柱形状とされ、本実施形態では周方向に8個配置されている。
ころ73は円柱形状とされ、本実施形態では周方向に8個配置されている。
保持器74は、これらころ73を等間隔に保持する。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いる複数の柱部74b(図4参照)とを有している。これら柱部74bは、両円環部74aを連結する。そして、両円環部74aと周方向で隣り合う一対の柱部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に個別に収容されて柱部74bに取り付けられている。
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(72a)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。
図3において、一対の転がり軸受8,9は、ころ73の軸方向両側でかつ第1回転体50と第2回転体51の円筒部51aとの間に配置されており、第1回転体50及び第2回転体51を互いに相対回転可能に支持している。
転がり軸受8,9は、内輪81,91及び外輪82,92と、内輪81,91と外輪82,92との間に転動可能に配置された複数の円筒ころ83,93とを備えた円筒ころ軸受からなる。
転がり軸受8,9は、内輪81,91及び外輪82,92と、内輪81,91と外輪82,92との間に転動可能に配置された複数の円筒ころ83,93とを備えた円筒ころ軸受からなる。
内輪81,91は第1回転体50に外嵌し、外周面に内輪軌道面81a,91aが形成されている。第2回転体51の円筒部51aの軸方向両端部側の領域B及び領域Dが転がり軸受8,9の外輪82,92としての機能を有しており、この領域B,Dの内周面が外輪82,92の外輪軌道面82a,92aとされている。この外輪軌道面82a,92aと内輪軌道面81a,91aとの間に円筒ころ83,93が転動可能に配置されている。
第1回転体50の外周面には一対の環状部材85,86が外嵌し固定されている。出力軸35側の環状部材85は転がり軸受8の内輪81の出力軸35側の端部と軸方向に関して当接し、入力軸41側の環状部材86は転がり軸受9の内輪91の入力軸41側の端部と軸方向に関して当接している。各環状部材85,86の外周面と第2回転体51の円筒部51aにおける軸方向両端部の内周面との間には、シール部材87,88が介装されている。
第1回転体50の外周面には一対の環状部材85,86が外嵌し固定されている。出力軸35側の環状部材85は転がり軸受8の内輪81の出力軸35側の端部と軸方向に関して当接し、入力軸41側の環状部材86は転がり軸受9の内輪91の入力軸41側の端部と軸方向に関して当接している。各環状部材85,86の外周面と第2回転体51の円筒部51aにおける軸方向両端部の内周面との間には、シール部材87,88が介装されている。
そして、第1回転体50において、出力軸35側の端部(図3では、左側端部)50aから一方向クラッチ52の配置位置P1と軸方向に関して対応する対応位置P2までの部分、すなわち、第1回転体50における、出力軸35から一方向クラッチ52への動力伝達部分が、ねじれ弾性変形し易いねじれ促進部50bとされている。つまり、ねじれ促進部50bは、トーションバー的なばね機能を有している。なお、前記ねじれ弾性変形は、第1回転体50の中心線回りの変形である。
特に本実施形態では、第2回転体51における、入力軸41側の端部50dから一方向クラッチ52の配置位置P1と軸方向に関して対応する対応位置P3までの部分(以下、この部分を、第2回転体51側部分と呼ぶ)よりも、前記ねじれ促進部50bにおいて、ねじれに対する剛性が低く構成されている。
ここで、「第2回転体51側部分よりも、ねじれ促進部50bにおいて、ねじれに対する剛性が低い」とは、第1回転体50、第2回転体51、及びこれら第1回転体50と第2回転体51とを一体回転可能に接続した(後述の)ロック状態にある一方向クラッチ52を含む継手本体部(継手部材7)をねじり弾性変形させた場合に、「ねじれ促進部50bにおける周方向に関する相対的な変位量(ねじれ量、ねじれ角)が、第2回転体51側部分における周方向に関する相対的な変位量(ねじれ量、ねじれ角)よりも大である」ことを意味している。
なお、第1回転体50のねじれ促進部50b以外の残部50c、すなわち、第1回転体50における上記対応位置P2から入力軸41側の端部50dまでの部分は、ねじれ弾性変形について特に考慮しなくてもよい部分となる。
ここで、「第2回転体51側部分よりも、ねじれ促進部50bにおいて、ねじれに対する剛性が低い」とは、第1回転体50、第2回転体51、及びこれら第1回転体50と第2回転体51とを一体回転可能に接続した(後述の)ロック状態にある一方向クラッチ52を含む継手本体部(継手部材7)をねじり弾性変形させた場合に、「ねじれ促進部50bにおける周方向に関する相対的な変位量(ねじれ量、ねじれ角)が、第2回転体51側部分における周方向に関する相対的な変位量(ねじれ量、ねじれ角)よりも大である」ことを意味している。
なお、第1回転体50のねじれ促進部50b以外の残部50c、すなわち、第1回転体50における上記対応位置P2から入力軸41側の端部50dまでの部分は、ねじれ弾性変形について特に考慮しなくてもよい部分となる。
ねじれ促進部50bについて更に説明する。前記のとおり、第1回転体50では、軸方向に関して、一方向クラッチ52の配置位置P1と対応する対応位置P2を境界として、この境界よりも出力軸35側をねじれ促進部50bとして機能させる。
そして、この対応位置P2が第1回転体50の軸方向中央位置Cよりも入力軸41側に配置されていることで、ねじれ促進部50bの軸方向長さL1は、第1回転体50と第2回転体51とを含む継手本体部(継手部材7)の軸方向全長Lの1/2よりも、長く設定されている。なお、第1回転体50の残部50cの軸方向長さをL2としている。
そして、この対応位置P2が第1回転体50の軸方向中央位置Cよりも入力軸41側に配置されていることで、ねじれ促進部50bの軸方向長さL1は、第1回転体50と第2回転体51とを含む継手本体部(継手部材7)の軸方向全長Lの1/2よりも、長く設定されている。なお、第1回転体50の残部50cの軸方向長さをL2としている。
上記構成を備えた一方向クラッチ52及びねじれ促進部50bを含む継手部材7によれば、一方向クラッチ52では、風力が増大し、第1回転体50が増速回転して、第1回転体50の回転速度が第2回転体51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52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、第1回転体50と第2回転体51とを一体回転可能に接続することができる。このように一体回転可能に接続されている状態を「ロック状態」と呼ぶ。
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52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、第1回転体50と第2回転体51とを一体回転可能に接続することができる。このように一体回転可能に接続されている状態を「ロック状態」と呼ぶ。
また、第1回転体50の増速回転後に、風力が一定となって、第1回転体50が定速回転となり、第1回転体50の回転速度が第2回転体51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(ロック状態)で保持される。このため、一方向クラッチ52は内外輪71,72の前記一方向への一体回転を維持し、第1回転体50及び第2回転体51は一体回転し続ける。
一方、第1回転体50の増速回転後に、風力が低下して、第1回転体50が減速回転し、第1回転体50の回転速度が第2回転体51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はくさび状空間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、第1回転体50と第2回転体51との接続が遮断される。この接続が遮断されている状態を「ロック解除状態」と呼ぶ。
一方、第1回転体50の増速回転後に、風力が低下して、第1回転体50が減速回転し、第1回転体50の回転速度が第2回転体51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はくさび状空間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、第1回転体50と第2回転体51との接続が遮断される。この接続が遮断されている状態を「ロック解除状態」と呼ぶ。
そして、この遮断後、風力が急上昇して、第1回転体50の回転速度が急上昇し、第2回転体51の回転速度を上回った場合、一方向クラッチ52では、ころ73が内外輪71,72に瞬時に噛み合って、第1回転体50と第2回転体51との接続が瞬時に行われる。この場合、瞬時に行われる再接続の反動(反作用)により、一方向クラッチ52から第1回転体50に対し、増速機3に向かう大きな衝撃トルクが、第1回転体50の回転方向と反対方向に瞬間的に作用する。
この際、本実施形態の第1回転体50では、出力軸35から一方向クラッチ52への動力伝達部分までに設けられている前記ねじれ促進部50bが、ねじれ弾性変形し、増速機3に向かう衝撃トルクを減衰する。このため、増速機3の出力軸35に大きな衝撃トルクが作用することを抑制することができる。したがって、上記衝撃トルクにより、増速機3に大きな機械的ストレスが作用して、増速機3の耐久性に悪影響を及ぼすことを抑制することが可能となる。
そして、上記再接続後には、第1回転体50のねじれ促進部50bが、弾性復元力により、元の体勢に戻る。
この際、本実施形態の第1回転体50では、出力軸35から一方向クラッチ52への動力伝達部分までに設けられている前記ねじれ促進部50bが、ねじれ弾性変形し、増速機3に向かう衝撃トルクを減衰する。このため、増速機3の出力軸35に大きな衝撃トルクが作用することを抑制することができる。したがって、上記衝撃トルクにより、増速機3に大きな機械的ストレスが作用して、増速機3の耐久性に悪影響を及ぼすことを抑制することが可能となる。
そして、上記再接続後には、第1回転体50のねじれ促進部50bが、弾性復元力により、元の体勢に戻る。
以上のように、本実施形態では、第1回転体50における、出力軸35から一方向クラッチ52への動力伝達部分、換言すれば、第1回転体50における、増速機3に作用する衝撃トルクの減衰に必要な部分を、ねじれ弾性変形し易いねじれ促進部50bとしている。
また、構造力学的に、同じ外径であっても中空軸は中実軸よりもねじれに対する剛性が低くなる。そこで、本実施形態では、ねじれ促進部50bを中空の軸部により構成している。このように、ねじれ促進部50bを中空の軸部とすることで、簡単な構成によりねじれ促進部50bにおける、ねじれに対する剛性を低下させることが可能となる。
また、本実施形態では、前記のとおり、ねじれ促進部50bの軸方向長さL1が、継手本体部(継手部材7)の軸方向全長Lの1/2よりも、長く設定されており、これにより、軸方向に長いねじれ促進部50bが得られる。つまり、前記衝撃トルクを、ねじれ促進部50bにおけるねじれにより、吸収しやすい構成が得られる。
また、本実施形態では、前記のとおり、ねじれ促進部50bの軸方向長さL1が、継手本体部(継手部材7)の軸方向全長Lの1/2よりも、長く設定されており、これにより、軸方向に長いねじれ促進部50bが得られる。つまり、前記衝撃トルクを、ねじれ促進部50bにおけるねじれにより、吸収しやすい構成が得られる。
第1回転体50のねじれに対する剛性が、第2回転体51のねじれに対する剛性よりも低くなるように、第1回転体50と第2回転体51とを別素材により形成してもよい。例えば、第1回転体50が、ねじれに対する剛性が弱くなる素材からなり、一方で、第2回転体51の素材を、材料コストや強度等を重視して選定してもよい。つまり、第1回転体50の素材のねじれに対する剛性が、第2回転体51の素材のねじれに対する剛性よりも小さいものであってもよい。
本発明は、上記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、上記実施の形態では、第1回転体50の外周側に第2回転体51を配置したが、これとは反対に、第1回転体50を円筒状の部材とし、この内周側に軸状の第2回転体51を配置してもよい。この場合であっても、第1回転体50にねじれ促進部50bを設け、このねじれ促進部50bは、第2回転体51側部分よりもねじれに対する剛性が低くなるように構成される。さらに、風力発電装置1は図1に示す水平軸タイプのものに限らず、垂直軸タイプのものであってもよい。
1:風力発電装置、 2:主軸、 3:増速機、 4:発電機、 7:継手部材、 35:出力軸、 41:入力軸、 50:第1回転体、 50a:端部、 50b:ねじれ促進部、 50c:残部、 51:第2回転体、 52:一方向クラッチ、 L:軸方向全長、 L1:軸方向長さ、 P1:配置位置、 P2:対応位置、 P3:対応位置
Claims (5)
- 増速機が有する出力軸からのトルクによって発電機が有する入力軸を回転させて発電する風力発電装置に用いられる風力発電装置用継手部材であって、
前記出力軸と一体回転する第1回転体と、
当該第1回転体と同心状に配置されると共に、前記入力軸と一体回転する第2回転体と、
前記第1回転体と前記第2回転体との間に設けられ、前記出力軸の回転速度が前記入力軸の回転速度を上回る状態で前記第1回転体と前記第2回転体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入力軸の回転速度を下回る状態で前記第1回転体と前記第2回転体との接続を解除する一方向クラッチと、
を有し、
前記第1回転体における、前記出力軸から前記一方向クラッチへの動力伝達部分に、ねじれ弾性変形し易いねじれ促進部が設けられていることを特徴とする風力発電装置用継手部材。 - 前記第1回転体における、前記出力軸側の端部から前記一方向クラッチの配置位置と軸方向に関して対応する位置までの部分が、前記ねじれ促進部とされ、
前記第2回転体における、前記入力軸側の端部から前記一方向クラッチの配置位置と軸方向に関して対応する位置までの部分よりも、前記ねじれ促進部において、ねじれに対する剛性が低く構成されている請求項1に記載の風力発電装置用継手部材。 - 前記ねじれ促進部の軸方向長さは、前記第1回転体と前記第2回転体とを含む継手本体部の軸方向全長の1/2よりも、長く設定されている請求項2に記載の風力発電装置用継手部材。
- 前記ねじれ促進部は、中空の軸部により構成されている請求項1〜3の何れか一項に記載の風力発電装置用継手部材。
- 風力により回転する主軸と、
前記主軸の回転を増速して出力する出力軸を有する増速機と、
前記出力軸の回転を入力として回転する入力軸を有し当該入力軸の回転により発電を行う発電機と、
前記出力軸と前記入力軸との間に設けられ、当該出力軸と当該入力軸との間でトルク伝達を可能とするための請求項1〜4の何れか一項に記載の風力発電装置用継手部材と、
を備えていることを特徴とする風力発電装置。
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