JP6611281B2 - ベルトドライブ機構 - Google Patents

Description

本発明はベルト駆動機構に関し、より詳しくは、第１のフレキシブル部材と第２のフレキシブル部材を備え、各々が、作動中に略零ニュートンの張力負荷状態となる、少なくとも一つの部分を有するベルト駆動機構に関する。

１または２以上のロータブレードの手段によって風のエネルギを捕らえるために、また、このエネルギをジェネレータの手段によって電気エネルギに変換するために、ウィンドタービンが設けられている。あるウィンドタービンでは、ロータブレードを支えるハブの回転運動をジェネレータの回転運動に伝達するために、ギア装置を含む動力伝達経路が提供される。ギア装置は、複数の噛み合わされた歯車を備え、これはジェネレータのシャフトの回転運動とハブの回転運動との間の適切な伝動を提供する。選択的に、ギア装置は、プーリ間の回転運動を伝達するために、複数のベルトあるいはチェーンの手段によって相互に連結された、複数のプーリを備えてもよい。

ロータからジェネレータへ回転を伝達するためにベルトを使用することは、とりわけＷＯ２０１５／０５８７７０Ａ１から知られている。ラチェッティングまたは歯飛びを防止するために、歯付きベルトは予荷重がかけられるか引張された状態で取り付けられる。予荷重は、全荷重で作動している間ベルトがスプケット上に飛び乗らないような、十分に大きな荷重でなければならない。予荷重の張力は取り付けの間加えられる。予荷重の張力は、ベルトの摩耗およびノイズの重大な原因になり得る。不適当あるいは不足した予荷重は歯のクラッキングを引き起こすかもしれない。これは装置の能率を落とす可能性がある。ワランス・エリクソンの“マルセル・デッカー社 エンジニアのためのベルトの選択およびアプリケーション（１９８７）２７７−２９９”を参照すると、歯付きベルトの予荷重は、ベルトのピッチおよび幅に依って１００ポンドを超える可能性がある。

従来技術はドライブベルトの単純なルーティングに依存している。不適切なベルトの張力の配分、ルーティング、およびアラインメントは、交換あるいは修繕のための著しいコストに相当する、ドライブベルトの運転寿命を減少させるだろう。これはまたタービンドライブシステムの全体の能率を下げ、増加したコストとしても現れるだろう。

この技術の代表的なものはＥＰ２３９１８２５であり、これは、プーリからジェネレータへ回転を伝達するために適用されたベルトまたはチェーンの少なくとも一つ、およびメインシャフト上に配置された、大きなプーリを備える風車タービン（ウインドミル）のための駆動装置を開示する。プーリは、メインシャフトに対して平行に配置される少なくとも二つの二次シャフトに回転連結される。回転を伝達する１または２以上のベルトは、プーリと二次シャフト上を延びる。二次シャフトは、順に少なくとも一つ、好ましくは二つの発電機に回転連結される。

必要とされるのは、第１のフレキシブル部材と第２のフレキシブル部材とを備え、各々が、作動中におよそゼロ・ニュートンの張力荷重（テンシル・ロード）がかかる状態となる、少なくとも一つの部分を有するベルト駆動機構である。本願発明は本要求を満たす。

本発明のある側面は、第１のフレキシブル部材および第２のフレキシブル部材を備え、各々が、作動中におよそ零ニュートンの引張荷重を伴う、少なくとも一つの部分を有するベルト駆動機構を提供することである。

本発明の他の側面は、本発明の以下の説明および添付の図面によって指摘され、あるいは明らかにされるだろう。

本発明はベルト駆動機構を備え、二次シャフトに対して回転関係にある第１のディスクと、その回転軸周りに二次シャフトを回転駆動するための、第１のディスクおよび二次シャフトの間に係合された第１のフレキシブル部材を備え、第１のフレキシブル部材は作動中に略零ニュートンの引張荷重を伴う部分を有し、出力シャフトを回転駆動するための、二次シャフトおよび出力シャフトに係合された第２のフレキシブル部材を備え、第２のフレキシブル部材は作動中に略零ニュートンの引張荷重を伴う部分を有し、荷重に接続可能な出力シャフトを備える。

添付の図面は、明細書に組み込まれるとともにその一部を形成し、本願発明の好ましい実施形態を表し、また記載とともに本発明の本質の説明を供する。

トランスミッションの斜視図である。

駆動装置の概略図である。

駆動装置の平面概略図である。

第１ステージ駆動の概略図である。

第２ステージ駆動の概略図である。

他の実施形態の背面斜視図である。

他の実施形態の正面斜視図である。

（ａ）は歯付きベルトの平面図である。（ｂ）はリブベルトの平面図である。

図２に示されるような駆動概略図の正面斜視図である。

図１は、トランスミッションの斜視図である。トランスミッションは典型的なナセルフレーム４００に配置される。トランスミッションは軸受け４０１内のフレームに軸支される第１のシャフト１０２を備える。第２のディスク２０４および２０５は、各々それらの独立したシャフト（２０２および２０３）に接続され、これらは順に軸受け４０１上のフレームに軸支される。フレキシブル駆動部材１０１は第１のシャフトディスクと二次シャフトの各々との間に巻き回される。風力タービンの支柱のように、ロータシャフト１０２ａはロータ（図示せず）に接続される。シャフト１０２（ａ）はトランスミッションへのパワー入力用のシャフトである。

ジェネレータ３０２はフレーム４００に取り付けられる。フレキシブル駆動部材２０１は各二次シャフトディスク２０４、２０５、およびジェネレータスプロケット３００の間に巻き回される。スプロケット３００はシャフト３０１に取り付けられる。ジェネレータ３０２は装置の荷重である。

本発明の特徴は、第１ステージフレキシブル駆動部材１０１および第２ステージフレキシブル駆動部材２０１のためのゆるみ側のテンションは各々低いが、取り付け時には零ニュートンより大きい。両方の取付け張力はその後減少し、各駆動ステージに全荷重トルクが与えられるとき零ニュートンに向かう。このトランスミッションはステップアップ・トランスミッションである。大抵の風力タービンは、風速に応じて５から２０ＲＰＭで回転する。ステップアップ変速ギア比は約８０から１である。

図２は駆動装置の概略図である。第１ステージ駆動１００は第１のディスク１０２の周りに巻き回されるフレキシブル駆動部材１０１を備える。半径Ｒ１は第１のディスク１０２の外周を確定する。第１のディスク１０２は風力タービン上のようにロータ（図示せず）に取り付けられる。第１のディスクの回転はロータブレードに突き当たる風によって引き起こされる。

フレキシブル駆動部材１０１は歯付きベルト、マルチリブベルト、フラットベルト、またはチェーンを備えてもよい。第１のディスク１０２の外周は、フレキシブル駆動部材１０１に係合するために、鋸歯状、リブ、またはフラットである。フレキシブル駆動部材１０１は、平行に並んで取り付けられる、１または２以上の部材（ａ、ｂ、ｃ）を備えてもよい。

フレキシブル駆動部材１０１はシャフト２０２およびシャフト２０３に係合する。フレキシブル駆動部材１０１に係合する、シャフト２０２およびシャフト２０３の一部は、部材１０１に係合するために歯付き、リブ、またはフラットに形成される。各シャフト２０２および２０３は、回転可能であるために軸受４０１または他の適切なベアリング内に軸支される。軸受または他のベアリングはフレーム４００に取り付けられる。フレーム４００はタービンナセル（図示せず）内に取り付けられる。

ディスク２０４はシャフト２０２に取り付けられる。ディスク２０５はシャフト２０３に取り付けられる。

フレキシブル駆動部材２０１はディスク２０４、ディスク２０５、および出力シャフト３００の間に巻き回される。フレキシブル駆動部材２０１は１または２以上の部材（ａ、ｂ、ｃ）を平行に備えてもよい。フレキシブル駆動部材２０１は歯付きベルト、マルチリブベルト、フラットベルト、またはチェーンを備えてもよい。

フレキシブル駆動部材２０１に係合するスプロケット３００の一部は、部材２０１に係合するために鋸歯状に形成される。シャフト３０１は発電機３０２のような駆動荷重に接続されてもよい。シャフト３０１の回転軸は、第１のディスク１０２の外周Ｒ１の外側に放射状に配置されてもよい。

図３は駆動装置の平面概略図である。第１ステージ１００はロータ（図示せず）に結合される。第２ステージ２００は、第１ステージ１００と出力シャフト３０１すなわち発電機３０２のような荷重との間に配置される。

図４は第１ステージ駆動の概略図である。図４において第１ステージの装置の可変性が確認される。ゆるみ側の部材部分はＴ_S≒０によって示される。入力トルクはシャフト２０２とシャフト２０３の間で分けられるので、全荷重におけるゆるみ特性を有する二つのベルト部分、つまり、部分１０１ａおよび部分１０１ｂが存在する。「スラック」は張力荷重がごくわずかであるか、あるいは無いものをいう。この場合、駆動はディスク１０２であり、従動はシャフト２０２およびシャフト２０３である。回転の方向は図中の矢印で示される。他の実施形態において、電源装置または他の荷重がダイレクトに各シャフト２０２、２０３へ接続されてもよい。

図５は第２ステージ駆動の概略図である。第２ステージの装置の可変性は図５において示される。ゆるみ側部材部分はＴ₃≒０によって示される。部分２０１ａはゆるみ特性を有する。この第２ステージに対して、２０４および２０５の二つのドライバが存在する。従動はシャフト３０１である。回転の方向は矢印によって示される。第１ステージおよび第２ステージはともに同じ方向に回転する。回転の方向は時計回りまたは反時計回りのいずれでもよい。この例では、図４および図５に示されるように、ロータ端（入力端）からみて反時計回りである。

本発明の駆動に関する例示的な解決方法は以下のとおりである。

各変数は以下のように定義される。
符号 ［単位］ 説明
θ₁ ［ｒａｄ］ シャフト２０３の回転
θ_r ［ｒａｄ］ シャフト２０２の回転
θ_i ［ｒａｄ］ ディスク１０２の回転
Ｒ₁ ［ｍｍ］ ディスク１０２の半径
ｒ₁ ［ｍｍ］ シャフト２０３およびシャフト２０２の半径
Ｔ₁ ［Ｎ］ 駆動部材１０１の張り側の張力
Ｔ_r ［Ｎ］ 駆動部材１０１の張り側の張力
Ｔ_s ［Ｎ］ 駆動部材１０１のゆるみ側の張力
Ｌ_ll ［ｍｍ］ 第１ステージ駆動スパン長
Ｌ_lr ［ｍｍ］ 第１ステージ駆動スパン長
Ｍ₁ ［Ｎ／ｍｍ］ ベルト１０１のベルト係数
Ｗ₁ ［ｍｍ］ 第１ステージ駆動１０１の幅
Ｑ₁ ［Ｎ−ｍｍ］ シャフト２０３による伝達トルク
Ｑ_r ［Ｎ−ｍｍ］ シャフト２０２による伝達トルク
Ｑ₀ ［Ｎ−ｍｍ］ シャフト３００の出力トルク
θ_o ［ｒａｄ］ シャフト３０１の回転
Ｒ₂ ［ｍｍ］ スプロケット２０５の半径
ｒ₂ ［ｍｍ］ スプロケット３００の半径
ｒ₃ ［ｍｍ］ 二次シャフト２０２、２０３の半径
Ｔ₁ ［Ｎ］ 駆動部材２０１の張り側の張力
Ｔ₂ ［Ｎ］ 駆動部材２０１の中間の張力
Ｔ₃ ［Ｎ］ 駆動部材２０１のゆるみ側の張力
Ｌ_2t ［ｍｍ］ 第２ステージ駆動、駆動部材２０１の張り状態のスパン長
Ｌ_2m ［ｍｍ］ 第２ステージ駆動、駆動部材２０１の中間状態のスパン長
Ｌ_2s ［ｍｍ］ 第２ステージ駆動、駆動部材２０１のゆるみ状態のスパン長
Ｍ₂ ［Ｎ／ｍｍ］ ベルト２０１のベルト係数
ｗ₂ ［ｍｍ］ 第２ステージ駆動２０１のベルト幅
Ｑ_t ［Ｎ−ｍｍ］ 張り状態のスパンＴ₂と中間状態の間隔Ｔ₂との間の伝達トルク
Ｑ_m ［Ｎ−ｍｍ］ 中間状態のスパンＴ₂とゆるみ状態の間隔Ｔ₃との間の伝達トルク

「対称的」とは装置において、出力シャフト３０１の各側上のＴ₁と部材部分２０１ａとが同じ長さであることをいう。「非対称的」とは装置において、部分２０１ａとＴ₁とが同じ長さではないことをいう。

「ロック・センター駆動」とも呼ばれる部材テンショナを伴わないフレキシブル部材駆動の場合、フレキシブル部材１０１およびフレキシブル部材２０１に対する最初の取り付け張力、つまり、Ｔ_sおよびＴ₃は以下の方法で決定されてもよい。

１．フレキシブル部材、この場合、例えば歯付きベルトは試験装置上の二つの同じ大きさの歯付きスプロケットの間に配置される。このベルトはその後静的な引張り（荷重）を受ける。荷重が加えられる前、ベルトはいくらか緩んだ形状である。この状態において、ベルトに荷重がかかっていないので、スプロケットハブ荷重に対する工程曲線はとてもフラットである。これが設置領域（シーティング・リジョン）である。ベルトが一度設置されると、スプロケット間の二つのベルト部分は各々が荷重を巻き取るように真っ直ぐになる。この時点において、スプロケット荷重に対する工程は、スプロケット移動（ｘ）に対する荷重（ｙ）に示される、線形領域に入るだろう。水平線（無荷重：ｙ＝０）から線形（荷重あり）へのトランジション・ニーは容易に特定されるだろう。ニー・リジョンにおける張力は、ベルトスパン部分を真っ直ぐに維持するために必要とされる初期張力Ｔ０である。この値は対象となるベルトの取り付け張力の最小値：Ｔ０_minである。この方法は部材１０１および２０１に対して適用され得る。

２．運転中の装置の最大トルクはＱ_maxである。ＤＴＲ＝８を使用し、与えられたベルトの初期取付張力Ｔ０１を決定することができる。第一に、試験装置はＱ_maxの状態でＴ０１において運転する。この試験の間、ベルトの歯飛びは無いのが当然である。歯飛びは、歯がスプロケットから外れて次の隣接する歯へ、スキップあるいは「飛ぶ」ときに起こる。これは典型的にベルト張力が低い状況で起こる。

３．Ｔ０１の初期値はその後半分である、Ｔ０２＝（Ｔ０１）／２、に減少し、また試験が再実施される。仮に歯飛びが検出されないとき、第２の値は再び半減された、Ｔ０３＝（Ｔ０２）／２となる。

４．この工程は歯飛びが検出されるまで繰り返される。歯飛びが検出されると、適切な取付張力は先のレベルＴ０_n-1、すなわち、歯飛びが検出されなかった最後の設定にリセットされる。試験はＴ０_n-1においてこの張力設定を確認するために再び実施される。ゆるみ側（Ｔ_SまたはＴ₃）の全荷重における、最終的な張力設定は略零ニュートンになるべきである。

ロック・センター駆動にとって、取り付けられたフレキシブル駆動部材の適切な初期取付張力、Ｔ_SおよびＴ₃は、以下によって達成される：

１．第１ステージ駆動初期張力Ｔ_Sを設定するために、各シャフト２０２およびシャフト２０３を、ディスク１０２の回転軸「Ａ」から離れた放射状に外側に移動する。すべての部分がまっすぐであることが好ましい。

２．第２ステージスプロケット２０４、２０５を取り付けるが、各シャフト２０２、２０３に対して下げて固定しない。テーパ・ロック・ブッシング（ａ ｔａｐｅｒ ｌｏｃｋ ｂｕｓｈｉｎｇ）はこれを達成する方法である。この工程にとって、各ディスク２０４、２０５は各シャフト２０２、２０３まわりに自由に回転する。シャフトを一時的に潤滑するために、いかなる適切な潤滑油が用いられてもよい。

３．初期張力Ｔ₃を設定するために、第２ステージフレキシブル駆動部材２０１に対して、軸Ａから放射状に外側にジェネレータシャフト３００を移動する。すべての部分がまっすぐであることが好ましい。

４．各スプロケット２０４、２０５をその各々のシャフト２０２、２０３上に固定する。

５．装置を起動し、全荷重における両方の駆動部材の歯飛びを確認する。飛びが発生する場合、ベルト張力をわずかに増加させるように、各駆動部材のシャフト２０２、２０３またはシャフト３００を移動する。全荷重において歯飛びが起こらなくなるまで必要に応じて確認および調節を繰り返す。

図６は他の実施形態の背面からの斜視図である。この実施形態において、第２ステージ駆動は３つの歯付きディスク２０４、２０５、２０６を備える。この実施形態において、ロータ１０２からのパワー（トルク）は３分割に分けられ、３分割の各々は３つの二次シャフトの一つに伝達される。各二次シャフト２０７、２０８、２０９はフレキシブル部材１０１に係合する。各歯付きディスク２０４、２０５、２０６は、二次シャフト２０７、２０８、２０９の各々に接続される。二次シャフトディスクの各々はフレキシブル部材２０１に係合される。各二次シャフトは、歯付きベルトフレキシブル部材２０１に係合するために鋸歯状であってもよい。各二次シャフトはリブまたはフラットであってもよい。

フレキシブル部材１０１は第１のディスク１０２の外周に係合する。第１のディスク１０２からフレキシブル部材１０１へのパワー伝達を高めるために、アイドラー２０４ａ、２０５ａ、および２０６ａは、フレキシブル部材１０１をプレスして第１のディスク１０２の外周に係合させるのに用いられる。係合の追加の周線はフレキシブル部材１０１のさらに多くの歯の第１のディスク１０２への係合をもたらし、これは、次に歯ごとの荷重を減少させる。これは次に、パワー（ＨＰ）＝（トルク×スピード）／５２５２のとき、高められたパワー・コンディション（ハイトルク）における歯飛びの機会を減少させる。

各アイドラー２０４ａ、２０５ａおよび２０６ａは、フレキシブル部材１０１にルートするために各シャフト２０７、２０８、２０９と係合する歯の数を増加させるように、提供される。ラップアングル（α）とも呼ばれるが、ルーティングは各シャフトの周りのフレキシブル部材１０１の多くを覆い、パワー・コンディションが高められた状態での歯飛びの機会を減らす。各シャフト２０７、２０８、２０９周りのラップアングル（α）は１２０度よりも大きい。

フレキシブル部材２０１は各ディスク２０４、２０５、２０６に係合する。フレキシブル部材２０１はまたアイドラーディスク２１０および歯付きディスクまたはスプロケット３００に係合する。スプロケット３００はジェネレータ３０２のような荷重に接続される。ディスク２１０は、スプロケット３００の周りのフレキシブル部材２０１のラップアングル（β）を、１２０度よりも大きく約１８０度まで増加するために用いられる。

図７は他の実施形態の正面斜視図である。各アイドラー２０４ａ、２０５ａ、および２０６ａは、各シャフト２０７、２０８、２０９の周りの適切なラップアングルαを確立するためにフレキシブル部材１０１にルートする。このような各アイドラーはベルトのルーティングの決定を促すが、ベルトに前もって大きな負荷を与えるためには用いられず、したがって、全荷重においてコンディションＴ_s≒０が維持される。

適切なラップアングルβを確立するためにアイドラーディスク２１０はフレキシブル部材２０１にルートされる。このようなアイドラーディスク２１０はベルトのルーティングの決定を促すが、ベルトに前もって大きな負荷を与えるためには用いられず、したがって、全荷重においてコンディションＴ₃≒０が維持される。

図８（ａ）は歯付きベルトの平面図である。歯付きベルトは歯８００を備え、ベルトの幅（ｗ）にわたって延びる。

図８（ｂ）はリブベルトの平面図である。リブベルトはリブ８０１を備え、ベルトの長手（エンドレス）方向に延びる。フラットベルトは歯またはリブを備えない。

図９は図２における駆動概略図の正面斜視図である。シャフト１０２ａはプロペラシャフト（図示せず）に接続されてもよい。シャフト３０１はジェネレータのような荷重に接続されてもよい。

本発明の形態は、本明細書に記載されているが、本明細書に記載された発明の精神および範囲から逸脱することなく、部品の構成および関係において、当業者が変形可能であることは明らかであろう。

Claims (19)

1. 第１のシャフト（１０２ａ）に設けられる第１のディスク（１０２）と、
   前記第１のシャフトに対して平行に設けられる複数の二次シャフト（２０２、２０３）と、
   前記各二次シャフトに設けられる二次シャフトディスク（２０４、２０５）と、
   前記第１のディスクと前記二次シャフトに掛け回される第１のフレキシブル部材（１０１）と、
   前記二次シャフトディスクと出力シャフト（３００）に掛け回される第２のフレキシブル部材（２０１）とを備え、
   前記第１のフレキシブル部材は全負荷稼働中に略零ニュートンの引張荷重状態となる少なくとも一つの部分を有し、
   前記第２のフレキシブル部材は全負荷稼働中に略零ニュートンの引張荷重状態となる少なくとも一つの部分を有する
   ことを特徴とするフレキシブル部材トランスミッション。
2. 前記第１のフレキシブル部材が歯付きベルトを備えることを特徴とする請求項１に記載のトランスミッション。
3. 前記第２のフレキシブル部材が歯付きベルトを備えることを特徴とする請求項１に記載のトランスミッション。
4. 前記第２のフレキシブル部材の少なくとも一部が零ニュートンより大きい取付張力を有することを特徴とする請求項１に記載のトランスミッション。
5. 前記第１のフレキシブル部材の少なくとも一部が零ニュートンより大きい取付張力を有することを特徴とする請求項１に記載のトランスミッション。
6. 前記出力シャフトの各側の前記第２のフレキシブル部材の各部分が同じ長さであることを特徴とする請求項１に記載のトランスミッション。
7. 前記出力シャフトの各側の前記第２のフレキシブル部材の各部分が異なる長さであることを特徴とする請求項１に記載のトランスミッション。
8. 前記第１のフレキシブル部材が複数のフレキシブル部材を備えることを特徴とする請求項１に記載のトランスミッション。
9. 前記出力シャフトが発電機に接続されることを特徴とする請求項１に記載のトランスミッション。
10. 前記第１のシャフトに平行な第３の二次シャフトをさらに備え、前記第３の二次シャフトが前記第１のフレキシブル部材に係合され、
    前記第３の二次シャフトに取り付けられる二次シャフトディスクをさらに備え、前記二次シャフトディスクは前記第２のフレキシブル部材に係合されることを特徴とする請求項１に記載のトランスミッション。
11. 前記第１のフレキシブル部材の前記第３の二次シャフトの周りのラップアングルαを少なくとも１２０度にする手段をさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載のトランスミッション。
12. 前記出力シャフトに設けられる出力軸スプロケットの周りの第２のフレキシブル部材ラップアングルβが１２０度よりも大きくなるように前記第２のフレキシブル部材を係合させる手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のトランスミッション。
13. 前記出力シャフトが前記第１のディスクの外周の外側に配置されることを特徴とする請求項１に記載のトランスミッション。
14. 二次シャフトに対して回転関係にある第１のディスクと、
    前記第１のディスクと前記二次シャフトに掛け回され、前記二次シャフトを回転駆動する第１のフレキシブル部材と、
    前記二次シャフトと出力シャフトに掛け回され、前記出力シャフトを回転駆動する第２のフレキシブル部材とを備え、
    前記第１のフレキシブル部材は全負荷稼働中に略零ニュートンの引張荷重状態となる部分を有し、
    前記第２のフレキシブル部材は全負荷稼働中に略零ニュートンの引張荷重状態となる部分を有し、前記出力シャフトは負荷に接続可能であることを特徴とするベルト駆動機構。
15. 前記第１のフレキシブル部材は歯付きベルトを備えることを特徴とする請求項１４に記載のベルト駆動機構。
16. 前記第２のフレキシブル部材は歯付きベルトを備えることを特徴とする請求項１４に記載のベルト駆動機構。
17. 前記二次シャフトは前記第１のフレキシブル部材に係合するための第１の径を備え、前記第２のフレキシブル部材に係合するための第２の径を備えることを特徴とする請求項１４に記載のベルト駆動機構。
18. 前記二次シャフトが複数設けられ、各二次シャフトにおける前記第１の径が互いに等しく、各二次シャフトにおける前記第２の径が互いに等しいことを特徴とする請求項１７に記載のベルト駆動機構。
19. 複数の二次シャフトを備えることを特徴とする請求項１４に記載のベルト駆動機構。

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