JP6711653B2

JP6711653B2 - 風車の可動部位を駆動する駆動装置及び風車

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Publication number: JP6711653B2
Application number: JP2016050406A
Authority: JP
Inventors: 勝彦横山; 茂細田
Original assignee: Nabtesco Corp
Current assignee: Nabtesco Corp
Priority date: 2016-03-15
Filing date: 2016-03-15
Publication date: 2020-06-17
Anticipated expiration: 2036-03-15
Also published as: JP2017166362A; CN107191329B; EP3222882A1; CN107191329A; EP3222882B1

Description

本発明は、風車の可動部位を駆動する駆動装置及び風車に関する。

風車は、ナセルやブレードといった可動部位を備える。風車は、風向や風速に応じて可動部位を動作させ、電力を効率的に生成する。風車は、可動部位を動作させるために、可動部位に設けられた従動歯車と噛み合う駆動歯車を有する駆動装置を用いる。特許文献１は、駆動歯車として、ピニオンを開示する。ピニオンは、ブレードやナセルに設けられたリングギアと噛み合う。

風車は、電力を継続的に生成する必要があるので（たとえば、２０年以上の期間）、一般的な機械設備よりもメンテナンスフリーな構造が、風車に望まれる。したがって、ピニオンとリングギアとの接触圧力は、歯筋方向において、可能な限り均一化されることが望ましい。

クラウニング加工は、接触圧力を均一化する加工技術として知られている。適切なクラウニング加工の結果、駆動装置が、風車の可動部位を駆動している間、ピニオンの歯面は、均一化された接触圧力を受けることができる。

特開２００７−１３２２０７号公報

風車は、突発的な強風に曝されることもある。この場合、駆動装置が、風車の可動部位を駆動していないにも拘わらず、ピニオンの外歯の歯面は、リングギアの内歯の歯面に押され、高い接触圧力を受けることとなる。

本発明者等は、駆動装置が可動部位を駆動している間に生ずる接触圧力の分布が、外力（たとえば、上述の強風）に起因する接触圧力の分布と大きく相違することを見出した。両条件間での接触圧力の分布における差異は、ピニオン及び／又はリングギアの破損のリスクの増大に帰結する。たとえば、駆動装置が可動部位を駆動している間に生ずる接触圧力の分布が平滑化されるように、ピニオンがクラウニング加工されていても、外力の存在下では、非常に不均一な接触圧力の分布（歯筋方向において、変動幅の大きな接触圧力の分布）が現れる。

本発明は、様々な条件下において、歯筋方向における接触圧力の小さな変動幅を得ることができる風車の駆動技術を提供することを目的とする。

本発明の一局面に係る駆動装置は、風向の変化に合わせて発電する風車の可動部位を駆動する。駆動装置は、前記可動部位を駆動する駆動力を生成するモータと、出力シャフトを有するとともに前記駆動力を所定の減速比で増幅する減速機と、前記可動部位に設けられた従動歯車と噛み合い、前記減速機によって増幅された前記駆動力を前記従動歯車に伝達する駆動歯車と、を備える。前記駆動歯車は、片持ち支持された前記出力シャフトに取り付けられ、前記駆動歯車の歯は、前記駆動歯車の回転軸に平行な１つの仮想平面上で湾曲した輪郭線を有する歯面を含む。前記輪郭線は、第１曲線と、前記第１曲線よりも前記減速機の近くに位置し且つ前記第１曲線よりも大きな曲率を有する第２曲線とを含む。前記第１曲線と前記第２曲線との境界が前記輪郭線において減速機側に偏り、前記歯は前記減速機側の端部における厚みが前記減速機とは反対側の端部における厚みよりも薄い。

上記構成によれば、駆動歯車の回転軸に平行な１つの仮想平面上で湾曲した輪郭線は、第１曲線と、第１曲線とは曲率において異なる第２曲線を含むので、外歯の歯面は、様々な条件に適切に適合した曲率を有することができる。したがって、歯筋方向における接触圧力の変動幅は、様々な条件下において小さくなる。

また、片持ち支持された出力シャフトに駆動歯車が取り付けられるので、高いラジアル力が発生する条件下では、減速機に近い位置において、駆動歯車は、従動歯車に片当たりしやすくなる。減速機に近い第２曲線は、第１曲線よりも大きな曲率を有するので、従動歯車に対する駆動歯車の片当たりは、修正されやすくなる。第１曲線は、第２曲線よりも小さな曲率を有するので、高いラジアル力の不存在下において、第１曲線における片当たり状態は生じにくい。したがって、歯筋方向における接触圧力の変動幅は、様々な条件下において小さくなる。

上記構成に関して、駆動装置は、前記モータから前記駆動歯車への前記駆動力の伝達を遮断する遮断機構を更に備えてもよい。

上記構成によれば、遮断機構は、モータから駆動歯車への駆動力の伝達を遮断するので、過度に高いラジアル力は、駆動歯車に生じにくくなる。したがって、駆動歯車及び／又は従動歯車の破損のリスクは低減される。

本発明の他の局面に係る風車は、上述の駆動装置と、前記駆動歯車に噛み合うリングギアと、を備える。

上記構成によれば、風車は、上述の駆動装置を備えるので、リングギアは、様々な条件において、歯筋方向における低減された変動幅を有する接触圧力を受けることができる。したがって、風車の破損のリスクは、低減される。

上述の技術は、歯筋方向における接触圧力の小さな変動幅を得ることができる。

第１実施形態の風車の概略的な部分断面図である。ピニオンの外歯の歯面の輪郭形状と歯面に加わる接触圧力の分布との関係を表す表である。両持ち支持されるピニオンが有する外歯の概略的な断面図である（第２実施形態）。

＜第１実施形態＞
クラウニング加工が、風車を駆動するためのピニオンに施与されることがある。クラウニング加工によって得られる歯面の曲率は、駆動装置が、風車を駆動するときに、ピニオンが風車のリングギアに片当たりしないように設定される。しかしながら、風車が、突発的な強風といった外力に曝されたときには、歯面の曲率は、不適切であることもある。第１実施形態において、様々な環境に適切に適合する歯面形状を有するピニオンを備える駆動装置が説明される。

図１は、第１実施形態の風車１００の概略的な部分断面図である。図１を参照して、風車１００が説明される。

風車１００は、第１部位１０１と、第２部位１０２と、駆動装置２００と、を備える。第２部位１０２は、第１部位１０１に対して相対的に回転する。第１部位１０１は、タワーであってもよい。この場合、第２部位１０２は、タワーの上端に取り付けられたナセルである。代替的に、第１部位１０１は、ハブであってもよい。この場合、第２部位１０２は、ハブから放射状に突出する複数のブレードのうち１つである。既知の風車に用いられる様々な接続構造が、第１部位１０１と第２部位１０２との間の接続に利用可能である。本実施形態の原理は、第１部位１０１と第２部位１０２との間の特定の接続構造に限定されない。本実施形態において、可動部位は、第２部位１０２によって例示される。

第２部位１０２は、全体的に円筒形状である。第２部位１０２は、内周面に形成されたリングギア１１０を含む。駆動装置２００は、リングギア１１０に連結される。この結果、第２部位１０２は、駆動装置２００によって駆動される。本実施形態において、従動歯車は、リングギア１１０によって例示される。

駆動装置２００は、モータ２１０と、減速機２２０と、ピニオン２３０と、を備える。モータ２１０は、第２部位１０２を駆動するための駆動力を生成する。モータ２１０は、減速機２２０に固定される。減速機２２０は、モータ２１０から出力された駆動力を所定の減速比で増幅する。減速機２２０は、減速機構（図示せず）を内蔵する筐体２２１と、筐体２２１から突出する出力シャフト２２２と、を含む。筐体２２１は、略円筒形状の第１部位１０１の内周面に固定される。出力シャフト２２２は、ピニオン２３０に挿通される。ピニオン２３０は、リングギア１１０と噛み合う。この結果、減速機２２０によって増幅された駆動力は、リングギア１１０へ伝達される。本実施形態において、駆動歯車は、ピニオン２３０によって例示される。

既知の風車の駆動に用いられる様々なモータ装置が、モータ２１０として利用可能である。本実施形態の原理は、モータ２１０として利用される特定のモータ装置に限定されない。

減速機２２０は、揺動歯車を有する減速機構を含んでもよい。代替的に、減速機２２０は、遊星歯車を有する減速機構を含んでもよい。本実施形態の原理は、減速機２２０が内蔵する特定の減速機構に限定されない。

必要に応じて、減速機２２０は、クラッチ機構（図示せず）を内蔵してもよい。出力シャフト２２２に加わるトルクが、所定の閾値を超えると、クラッチ機構は、モータ２１０とピニオン２３０との間での駆動力の伝達を遮断してもよい。この結果、ピニオン２３０とリングギア１１０との間の接触圧力は、過度に高くならない。本実施形態において、遮断機構は、減速機２２０に内蔵されるクラッチ機構によって例示される。遮断機構は、モータと減速機との間に配置されてもよい。代替的に、遮断機構は、減速機とピニオンとの間に配置されてもよい。

ピニオン２３０は、平歯車であってもよい。この場合、ピニオン２３０は、容易且つ精度よく加工される。加えて、ピニオン２３０は、スラスト方向への不必要な力を生じさせない。代替的に、ピニオン２３０は、他の種類の歯車部品であってもよい。設計者は、ピニオン２３０として用いられる歯車の種類を、風車１００に要求される特性に適合するように決定してもよい。本実施形態の原理は、ピニオン２３０として用いられる歯車の特定の種類に限定されない。

図１は、第１軸ＦＡＸと、第２軸ＳＡＸと、を概念的に示す。第１軸ＦＡＸは、ピニオン２３０の回転軸を意味する。第２軸ＳＡＸは、第２部位１０２の回転軸を意味する。

駆動装置２００が、通常の環境（たとえば、風車１００が、過度に強い風に曝されていない環境）下で、第２部位１０２を駆動しているとき、第１軸ＦＡＸは、第２軸ＳＡＸに対して略平行である。風車１００が、過度に強い風に曝されると（すなわち、高負荷環境下において）、第２部位１０２は、駆動装置２００が、駆動力を生成していなくても、強風によって回転される。このとき、ピニオン２３０には、強いラジアル力が作用する。ピニオン２３０は、片持ち支持された出力シャフト２２２に取り付けられているので、ラジアル力は、出力シャフト２２２の先端が、リングギア１１０から離れるように、出力シャフト２２２を撓ませる。

図２は、ピニオンの外歯の歯面の輪郭形状と歯面に加わる接触圧力の分布との関係を表す表である。図１及び図２を参照して、外歯に加わる接触圧力が説明される。

図２の左欄は、低い負荷が加わる通常環境に適合するように全体的に形成されたピニオンの外歯２３１（比較例）に関する。図２の中欄は、図３は、高い負荷が加わる環境に適合するように全体的に形成されたピニオンの外歯２３２（比較例）に関する。図２の右欄は、第１軸ＦＡＸに水平な仮想平面上における外歯２３３の概略的な断面を示す。図２の右欄に示される外歯２３３の形状は、図１に示されるピニオン２３０に適用される。

左欄のセクション（ａ）は、ピニオンの回転軸に平行な仮想平面上における外歯２３１の概略的な断面を示す。減速機は、外歯２３１の右側に位置する。

左欄のセクション（ａ）は、歯面において歯筋方向に延びる輪郭線ＣＴ１の形状を示す。輪郭線ＣＴ１は、歯筋方向全長に亘って、曲率半径Ｒ１の弧によって描かれる。曲率半径Ｒ１は、低い負荷が加わる通常環境に適合するように定められている。

左欄のセクション（ｂ）は、低い負荷が加わる通常環境下における接触圧力の歯筋方向の分布を概略的に表すグラフである。曲率半径Ｒ１は、低い負荷が加わる通常環境に適合するように定められているので、接触圧力の歯筋方向における変動は、通常環境下において小さい。

左欄のセクション（ｃ）は、高い負荷が加わる環境（たとえば、風車が、非常に強い風に曝される環境）下における接触圧力の歯筋方向の分布を概略的に表すグラフである。図１を参照して説明された如く、ピニオンの回転軸は、高い負荷が加わる環境下において傾斜するので、ピニオンは、減速機に近い領域において片当たりする。したがって、減速機に近い領域の接触圧力は、非常に高くなる。一方、接触圧力は、減速機から離れた位置では、非常に小さくなる。したがって、左欄に示される外歯２３１の歯面形状は、通常環境下において適切であるけれども、高い負荷が生ずる環境下においては不適切である。

中欄のセクション（ａ）は、ピニオンの回転軸に平行な仮想平面上における外歯２３２の概略的な断面を示す。減速機は、外歯２３２の右側に位置する。

中欄のセクション（ａ）は、歯面において歯筋方向に延びる輪郭線ＣＴ２の形状を示す。輪郭線ＣＴ２は、歯筋方向全長に亘って、曲率半径Ｒ２の弧によって描かれる。曲率半径Ｒ２は、高い負荷が加わる環境に適合するように定められているので、曲率半径Ｒ２は、左欄を参照して説明された曲率半径Ｒ１よりも小さい。加えて、高い負荷が加わるときの回転軸の傾斜（図１を参照）を考慮して、外歯２３２の厚さは、左欄を参照して説明された外歯２３１よりも、減速機から離れた位置において最も厚くなるように設計されている。

中欄のセクション（ｂ）は、低い負荷が加わる通常環境下における接触圧力の歯筋方向の分布を概略的に表すグラフである。曲率半径Ｒ２は、低い負荷が加わる通常環境に適合するように定められていないので、接触圧力は、歯筋方向の中央近くにおいて高くなる。その一方で、接触圧力は、歯筋方向の端部近くにおいて小さくなる。

中欄のセクション（ｃ）は、高い負荷が加わる環境下における接触圧力の歯筋方向の分布を概略的に表すグラフである。曲率半径Ｒ２は、高い負荷が加わる通常環境に適合するように定められているので、接触圧力の歯筋方向における変動は、高い負荷が生ずる環境下において小さい。中欄に示される外歯２３２の歯面形状は、高い負荷が生ずる環境下において適切であるけれども、通常環境下においては不適切である。

右欄のセクション（ａ）は、第１軸ＦＡＸに水平な仮想平面上における外歯２３３の概略的な断面を示す。減速機２２０は、外歯２３３の右側に位置する。

右欄のセクション（ａ）は、歯面において歯筋方向に延びる輪郭線ＣＴ３の形状を示す。輪郭線ＣＴ３は、曲率半径において相異なる輪郭線ＣＴ４，ＣＴ５を含む。輪郭線ＣＴ４は、曲率半径Ｒ４の弧によって描かれる。輪郭線ＣＴ５は、曲率半径Ｒ５の弧によって描かれる。曲率半径Ｒ４は、曲率半径Ｒ５よりも大きい。

輪郭線ＣＴ５によって表される歯面領域は、輪郭線ＣＴ４によって表される歯面領域よりも減速機２２０の近くに位置する。本実施形態において、第１曲線は、輪郭線ＣＴ４によって例示される。第２曲線は、輪郭線ＣＴ５によって例示される。輪郭線ＣＴ４，ＣＴ５は、第１軸ＦＡＸに水平な仮想平面と外歯２３３の歯面との交線として定義されてもよい。

右欄のセクション（ｂ）は、低い負荷が加わる通常環境下における接触圧力の歯筋方向の分布を概略的に表すグラフである。曲率半径Ｒ４は、曲率半径Ｒ５よりも大きいので、ピニオン２３０を設計する設計者は、曲率半径Ｒ４を低い負荷が加わる通常環境に適合させることができる。通常環境下において、第１軸ＦＡＸは、第２軸ＳＡＸに対して略平行であるので、輪郭線ＣＴ５の小さな曲率半径Ｒ５は、接触圧力の分布に大きな変動を与えない。したがって、接触圧力は、通常環境下において、均一化される。

右欄のセクション（ｃ）は、高い負荷が加わる環境下における接触圧力の歯筋方向の分布を概略的に表すグラフである。図１を参照して説明された如く、第１軸ＦＡＸは、高い負荷が加わる環境下において、第２軸ＳＡＸと略平行な位置から傾斜する。この結果、輪郭線ＣＴ５で形成される歯面領域がリングギア１１０に片当たりしやすくなる。しかしながら、輪郭線ＣＴ５の曲率半径Ｒ５は、小さいので、輪郭線ＣＴ４で形成される歯面領域がリングギア１１０に当たるように、ピニオン２３０は、第１軸ＦＡＸの偏向を効果的に自己修正することができる。この結果、接触圧力は、高い負荷が生ずる環境下においても、均一化される。

＜第２実施形態＞
第１実施形態に関連して説明された歯面の設計原理は、両持ち支持されるピニオンに対しても適用可能である。第２実施形態において、両持ち支持されるピニオンに対して適用される歯面の設計技術が説明される。

図３は、両持ち支持されるピニオン（図示せず）が有する外歯２３４の概略的な部分断面図である。図２及び図３を参照して、外歯２３４が説明される。第１実施形態の説明は、第１実施形態と同一の符号が付された要素に援用される。

図３は、歯面において歯筋方向に延びる輪郭線ＣＴ７の形状を示す。図２を参照して説明された輪郭線ＣＴ３と同様に、輪郭線ＣＴ７は、輪郭線ＣＴ４，ＣＴ５を含む。第１実施形態の説明は、輪郭線ＣＴ４，ＣＴ５に援用される。

輪郭線ＣＴ７は、歯筋方向に延びる輪郭線ＣＴ６を更に含む。輪郭線ＣＴ６は、輪郭線ＣＴ４，ＣＴ５と共通の仮想平面上に位置する。輪郭線ＣＴ６は、輪郭線ＣＴ４，ＣＴ５と連続的である。輪郭線ＣＴ４は、輪郭線ＣＴ５，ＣＴ６の間に位置する。図４は、輪郭線ＣＴ４と交差する対称軸を示す。輪郭線ＣＴ６は、対称軸について、輪郭線ＣＴ５と略線対称である。

輪郭線ＣＴ６は、曲率半径Ｒ６の弧によって描かれる。曲率半径Ｒ６は、曲率半径Ｒ５と略等しい。本実施形態において、第３曲線は、輪郭線ＣＴ６によって例示される。

低い負荷が加わる通常環境下において、外歯２３４の中央領域（すなわち、輪郭線ＣＴ４によって形成された歯面領域）がリングギア（図示せず）に主に当たる。輪郭線ＣＴ４の曲率半径Ｒ４は、他の領域（すなわち、輪郭線ＣＴ５，ＣＴ６を含む歯面領域）よりも大きいので、外歯２３４の中央領域とリングギアとの間の接触圧力は、過度に大きくならない。この結果、接触圧力は、低い負荷が加わる通常環境下においても、均一化される。

高い負荷が生ずる環境下では、外歯２３４の端部領域（すなわち、輪郭線ＣＴ５，ＣＴ６によって形成された歯面領域）がリングギアに当たりやすくなる。しかしながら、輪郭線ＣＴ５，ＣＴ６の曲率半径Ｒ５，Ｒ６は、小さいので、輪郭線ＣＴ４で形成された歯面領域がリングギア１１０に当たるように、ピニオン２３０は、リングギア１１０との当たりを、効果的に自己修正することができる。この結果、接触圧力は、高い負荷が生ずる環境下においても、均一化される。

輪郭線ＣＴ４によって形成された歯面領域と輪郭線ＣＴ５，ＣＴ６によって形成された歯面領域との境界は、輪郭線ＣＴ７の滑らかな湾曲形状が形成されるように、適切なフィッティング曲線によって形成されてもよい。フィッティング曲線は、輪郭線ＣＴ４，ＣＴ５，ＣＴ６の曲率及び／又は弧長に基づいて決定されてもよい。本実施形態の原理は、輪郭線ＣＴ４によって形成された歯面領域と輪郭線ＣＴ５，ＣＴ６によって形成された歯面領域との境界における特定の湾曲形状に限定されない。

上述の様々な実施形態の原理は、風車に要求される性能に適合するように、部分的或いは全体的に組み合わされてもよいし、変更されてもよい。

上述の実施形態の原理は、風車の可動部位の駆動に好適に利用可能である。

１００・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・風車
１０２・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・第２部位
１１０・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・リングギア
２００・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・駆動装置
２１０・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・モータ
２２０・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・減速機
２３０・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ピニオン

Claims

風向の変化に合わせて発電する風車の可動部位を駆動する駆動装置であって、
前記可動部位を駆動する駆動力を生成するモータと、
出力シャフトを有するとともに前記駆動力を所定の減速比で増幅する減速機と、
前記可動部位に設けられた従動歯車と噛み合い、前記減速機によって増幅された前記駆動力を前記従動歯車に伝達する駆動歯車と、を備え、
前記駆動歯車は、片持ち支持された前記出力シャフトに取り付けられ、前記駆動歯車の歯は、前記駆動歯車の回転軸に平行な１つの仮想平面上で湾曲した輪郭線を有する歯面を含み、
前記輪郭線は、第１曲線と、前記第１曲線よりも前記減速機の近くに位置し且つ前記第１曲線よりも大きな曲率を有する第２曲線と、を含み、
前記第１曲線と前記第２曲線との境界が前記輪郭線において減速機側に偏り、前記歯は前記減速機側の端部における厚みが前記減速機とは反対側の端部における厚みよりも薄い
駆動装置。
前記モータから前記駆動歯車への前記駆動力の伝達を遮断する遮断機構を更に備える
請求項１に記載の駆動装置。
請求項１又は２に記載の駆動装置と、
前記駆動歯車に噛み合うリングギアと、を備える
風車。