JP7042176B2 - 発電機の回転翼支持構造 - Google Patents

Description

この発明は、発電機の回転翼支持構造に関し、風力発電装置、水力発電装置に適用される技術に関する。

風力発電装置は一般に自然環境下に設置され、基本的には不規則な風エネルギーを動力として稼働するので、風力発電装置の構成要素には比較的大きく変動する荷重が作用する（特許文献１，２）。

図５は、従来の垂直軸風車で使用する発電機等の配置・構成を示す断面図である。風力発電装置では、回転翼５０の羽根５０ａの揚力または抗力で発生した発電トルクの他に風が羽根５０ａの受風面を押すことにより発生する曲げ荷重が発生する。この曲げ荷重および発電トルクは、発電機５１の軸５１ａおよびベアリング５２で受けることになり、この対応のために軸径が増大する。
図６に、発電機５１の軸５１ａに作用する曲げ荷重を低減するために中間軸５３を設定し、荷重を発電機５１の軸５１ａで直接受けない構造を示す。この場合、中間軸５３で曲げ荷重を吸収可能ではあるが、軸間距離が拡大し、装置全体が大きくなる。

特開２０１６－８９７３６号公報 特開２００６－３２２４４５号公報 特開平８－３２２２９８号公報

垂直軸風車にあっては、風が発生させる揚力もしくは抗力による発電トルクの他、風が羽根の受風面を押す曲げ荷重が軸に発生する。発電トルクについては、回転翼の慣性モーメントにより急激な変化が妨げられるため、比較的安定的であることに対して、受風面を風が押す曲げ荷重は極めて衝撃的であるため、軸の強度計算では、静的効果を多く見積もる必要があり、結果として軸径を大きくしなければいけない問題があった。

大型の風力発電装置では、始動性改善のため、アシスト機構を具備したもの（特許文献３）があるが、小型風車ではアシスト機構を設けることは、コストの観点から配置には難しいものがあった。
アシスト機構のない風力発電装置の始動に起因する因子としては、摩擦損失、慣性損失、粘性損失があるが、この場合、動き出し前を問題にするため、摩擦損失が支配的になる。摩擦損失は、オイルシールおよびベアリングなどから発生するが、どちらの場合も摩擦損失は軸径に大きく依存することが技術的に示されている。よって、発電に不必要な曲げ荷重を抑制して軸径を小さくすることが始動性向上へとつながる。

この発明の目的は、発電装置の始動性を改善し、発電効率を向上することができる発電機の回転翼支持構造を提供することである。

この発明の発電機の回転翼支持構造は、垂直軸型の回転翼を回転自在に支持し、前記回転翼の下方に位置する発電機または増速機に前記回転翼の回転を伝達する発電機の回転翼支持構造であって、
前記発電機または前記増速機のケースの外周に、リング状のベアリングを介して円筒状のベアリングケースが回転自在に設置され、このベアリングケースは前記回転翼に互いに同軸心に結合されかつ前記発電機または前記増速機の入力軸と接続されている。

この構成によると、発電機または増速機のケースの外周に、リング状のベアリングを介して円筒状のベアリングケースが回転自在に設置され、このベアリングケースは回転翼に結合されかつ発電機または増速機と接続されている。このため、回転翼が風力または水力を受けることで発生する回転力以外の荷重、すなわち発電機軸または増速機の入力軸に対して作用する曲げ荷重を、ベアリングケースおよびベアリングで受けることができる。
この場合、構造物として軸で曲げ荷重を受けるよりも、断面係数を大きくとることが可能となり、前記ベアリングは小さな負荷容量のもので足りる。また発電機軸または増速機の入力軸は、前記ベアリングケースに接続されていて直接には回転翼に接続されていないため、曲げ荷重がほとんど作用せず、そのため、発電トルクであるねじり荷重のみ考慮すればよくなり、軸径を小さくすることができる。結果、発電機または増速機の摩擦損失を小さくし、発電装置の始動性を改善し、発電効率を向上することができる。

前記ベアリングケースは、トルク伝達用カップリングを介して、前記発電機または前記増速機の入力軸に接続されていてもよい。発電機軸または増速機の入力軸と、回転翼とが同軸心に設けられている場合であっても、取り付け誤差または経年劣化等による同軸度のずれが生じ得る。この場合、トルク伝達用カップリングの調心性のため、発電機軸または増速機の入力軸と、回転翼との取り付け誤差または経年劣化等による同軸度のずれを吸収し同軸度を所望の値に確保することができる。したがって、発電機または増速機の摩擦損失をさらに小さくし、発電装置の始動性の向上を図れる。

前記ベアリングケースは、円筒状のケース本体と、このケース本体の軸方向一端部に設けられ前記回転翼が結合される端板と、を備え、前記ケース本体に前記端板が印籠嵌合されていてもよい。この構成によると、ベアリングケースと回転翼とが互いに同軸心であるうえ、前記ベアリングケースにおける端板に回転翼が結合されているため、端板と回転翼とは同軸心である。
また発電機または増速機のケースの外周に、ベアリングを介して円筒状のケース本体が回転自在に設置されるため、前記ケースに回転支持される入力軸は、ケース本体の軸心に対し所望の同軸度が確保される。さらにケース本体に端板が印籠嵌合されているため、発電機軸または増速機の入力軸と、回転翼との同軸度を所望の値に簡易に確保することができ、これによりコスト低減を図ることができる。したがって、発電機または増速機の摩擦損失をさらに小さくし、発電装置の始動性の向上を図れる。

前記ケース本体と前記端板との嵌合部に環状のシール部材が設けられていてもよい。この場合、ベアリングケース内のシール性が良好に確保され、発電機または増速機の寿命を延ばすことができる。

前記ベアリングケースに、表面積増大用の凹み部および凸部のいずれか一方または両方が設けられていてもよい。この場合、ベアリングケースの表面積が増加するため、ベアリングケースからの放熱が促進される。前記凹み部として、例えば、ベアリングケースのベアリング嵌合部以外の場所にスリットを設けてもよい。

前記発電機または前記増速機に放熱用のファンが設けられていてもよい。この場合、発電機または前記増速機の回転に例えば同期してファンを回転させることで、発電機または増速機の放熱を促進することができる。

この発明の発電機の回転翼支持構造は、垂直軸型の回転翼を回転自在に支持し、前記回転翼の下方に位置する発電機または増速機に前記回転翼の回転を伝達する発電機の回転翼支持構造であって、前記発電機または前記増速機のケースの外周に、リング状のベアリングを介して円筒状のベアリングケースが回転自在に設置され、このベアリングケースは前記回転翼に互いに同軸心に結合されかつ前記発電機または前記増速機の入力軸と接続されている。このため、発電装置の始動性を改善し、発電効率を向上することができる。

この発明の実施形態に係る発電機の回転翼支持構造の断面図である。 同回転翼支持構造の一部を拡大した拡大断面図である。 同回転翼支持構造を部分的に変更した変更形態の端面図である。 この発明の他の実施形態に係る発電機の回転翼支持構造の断面図である。 従来例の発電機の回転翼支持構造を表す断面図である。 他の従来例の発電機の回転翼支持構造を表す断面図である。

［第１の実施形態］
この発明の実施形態に係る発電機の回転翼支持構造を図１および図２と共に説明する。
図１では、この発電機の回転翼支持構造を垂直軸風車方式の風力発電装置に適用した例を示す。垂直軸風車方式の風力発電装置は、回転翼１と、発電機２と、回転翼支持部３とを備える。

＜回転翼１＞
回転翼１は、垂直方向に延びる複数の羽根１ａと、支持体１ｂとを有する。この回転翼１は、羽根１ａが受ける揚力によって回転する揚力型である。後述する回転翼支持部３に、水平方向に延びる支持体１ｂを介して、複数の羽根１ａが取り付けられている。羽根１ａの数は例えば二枚であり、回転軸Ｌを中心として１８０°位相の異なる位置に設けられている。なお羽根１ａの数は三枚以上であってもよい。

＜発電機２＞
発電機２は回転翼１の下方に位置する。発電機２は、回転翼支持部３におけるベアリングケース４内に設けられる。発電機２は、回転翼１の回転により発電機軸２ａが回転することで発電する。発電機２は、例えば、永久磁石同期型、誘導型等の三相交流発電機、または単相交流の発電機であり、ケース５、ステータ２ｂ、ロータ２ｃ、発電機内ベアリング６および発電機軸２ａを有する。

ケース５は、上下方向に延びる円筒状であり、ケース５の軸方向下端部が支持板７に支持されて取り付けられている。このケース５の内周面に発電機内ベアリング６，６を介して発電機軸２ａが回転自在に支持されている。発電機内ベアリング６は、例えば、深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受、円すいころ軸受等の転がり軸受である。ケース５の内周面にステータ２ｂが固定され、発電機軸２ａの外周面にロータ２ｃが固定されている。ロータ２ｃは、ステータ２ｂに所定のギャップを隔てて対向する。発電機軸２ａと共にロータ２ｃが回転することで、発電機２は発電する。発電機２で発電した電力は、図示外の配線を介して外部の電力系統に供給される。

＜回転翼支持部３＞
図１および図２に示すように、回転翼支持部３は、回転翼１を回転自在に支持し、発電機２に回転翼１の回転を伝達する。回転翼支持部３は、支持部材７、ベアリングケース４、ベアリング９、トルク伝達用カップリング１０および環状のシール部材１１を有する。この例の支持部材７は、タワー支柱１２の上端部材１２ａにボルト１３により固定される支持基板７ａと、この支持基板７ａの上面に固定される固定部材７ｂとを有する。但し、支持部材７は、同一材料から形成された一体の部材であってもよい。前記タワー支柱１２は、例えば、鉄塔で構成され、この鉄塔の最頂部に水平方向に延びる板状の上端部材１２ａが設けられている。発電機２のケース５における外周の上下複数箇所に、リング状のベアリング９，９を介して円筒状のベアリングケース４が回転自在に設置されている。前記リング状のベアリング９は、外輪外径から内輪内径を減じた値を２で除した軸受高さが、一般的な軸受よりも薄肉に形成されたいわゆる薄肉型の転がり軸受であって、例えば、深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受、円すいころ軸受等の転がり軸受である。

ベアリングケース４は、回転翼１に互いに同軸心に結合され、かつ発電機２の発電機軸２ａに、調心性を有するトルク伝達用カップリング１０を介して接続されている。ベアリングケース４は、円筒状のケース本体４ａと、このケース本体４ａにボルト１４により締結される端板４ｂとを備える。端板４ｂの上端面に、ブラケット１５を介して前記支持体１ｂが固定されている。端板４ｂの下面には円環状の印籠部１６が設けられ、この印籠部１６により、ケース本体４ａの軸方向上端部（軸方向一端部）に、端板４ｂが印籠嵌合されている。ケース本体４ａと端板４ｂとの嵌合部には、環状のシール部材１１が設けられている。

環状のシール部材１１として、例えばパッキング等が適用される。端板４ｂの下面の中央には、軸方向に突出する軸部１７が設けられ、この軸部１７は発電機軸２ａと同軸心に設けられている。この軸部１７に、トルク伝達用カップリング１０を介して、発電機軸２ａが接続されている。軸部１７は発電機軸２ａと同軸心に設けられているものの、取り付け誤差または経年劣化等による同軸度のずれが生じ得る。トルク伝達用カップリング１０は、軸部１７と発電機軸２ａとの取り付け誤差または経年劣化等による同軸度のずれを吸収する。なお端板４ｂの軸部１７に、トルク伝達用カップリング１０を介在させずに発電機軸２ａを直接接続することも可能である。

＜作用効果について＞
以上説明した発電機の回転翼支持構造によれば、発電機２のケース５の外周に、リング状のベアリング９，９を介して円筒状のベアリングケース４が回転自在に設置され、このベアリングケース４は回転翼１に結合されかつ発電機２と接続されている。このため、回転翼１が風を受けることで発生する回転力以外の荷重、すなわち発電機軸２ａに対して作用する曲げ荷重を、ベアリングケース４およびベアリング９，９で受けることができる。
この場合、構造物として軸で曲げ荷重を受けるよりも、断面係数を大きくとることが可能となり、前記ベアリング９は小さな負荷容量のもので足りる。また発電機軸２ａはベアリングケース４に接続されていて直接には回転翼１に接続されていないため、曲げ荷重が作用せず、そのため、発電トルクであるねじり荷重のみ考慮すればよくなり、軸径を小さくすることができる。結果、発電機２の摩擦損失を小さくし、風力発電装置の始動性を改善し、発電効率を向上することができる。

ベアリングケース４は、トルク伝達用カップリング１０を介して発電機軸２ａに接続されている。このトルク伝達用カップリングの調心性のため、発電機軸２ａと回転翼１との同軸度を所望の値に確保することができる。したがって、発電機２の摩擦損失をさらに小さくし、風力発電装置の始動性の向上を図れる。
ベアリングケース４と回転翼１とが互いに同軸心であるうえ、ベアリングケース４における端板４ｂに回転翼１が結合されているため、端板４ｂと回転翼１とは同軸心である。
また発電機２のケース５の外周に、ベアリング９を介して円筒状のケース本体４ａが回転自在に設置されるため、ケース５に回転支持される入力軸である発電機軸２ａは、ケース本体４ａの軸心に対し所望の同軸度が確保される。さらにケース本体４ａに端板４ｂが印籠嵌合されているため、発電機軸２ａと回転翼１との同軸度を所望の値に簡易に確保することができ、これによりコスト低減を図ることができる。したがって、発電機２の摩擦損失をさらに小さくし、風力発電装置の始動性の向上を図れる。
ケース本体４ａと端板４ｂとの嵌合部に環状のシール部材１１が設けられているため、ベアリングケース４内のシール性が良好に確保され、発電機２の寿命を延ばすことができる。

図１に示すように、発電機２に放熱用のファン１８が設けられていてもよい。この例では、発電機軸２ａの下端にファン１８の回転軸１８ａが連結されている。この場合、発電機２の回転に同期してファン１８を回転させることで、タワー支柱１２に形成された図示外の通風孔から風を送り、発電機２の放熱を促進することができる。

＜他の実施形態＞
以下の説明においては、各実施の形態で先行して説明している事項に対応している部分には同一の参照符号を付し、重複する説明を略する。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、特に記載のない限り先行して説明している形態と同様とする。同一の構成から同一の作用効果を奏する。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組合せることも可能である。

＜放熱構造＞
図３は、第１の実施形態において、ベアリングケース４の形状を変更した例を示し、ケース本体４ａの一部（例えば図２のIII-III線）を水平方向に切断して見た端面図である。図３（ａ）に示すように、ベアリングケース４のケース本体４ａの外周面に、この外周面よりも半径方向内方に凹む凹み部１９が複数形成されてもよい。これら凹み部１９は、表面積増大用の凹み部であり、例えば円周方向一定間隔おきに形成され、かつ軸方向に延びるスリットから成る。

図３（ｂ）に示すように、ケース本体４ａの外周面に、凹み部１９と凸部２０が円周方向に交互に形成されてもよい。各凸部２０は軸方向に延びる突条から成る。以下図示しないがケース本体４ａの外周面に、この外周面よりも半径方向外方に所定距離突出する凸部のみが複数形成されていてもよい。ケース本体４ａの内周面でベアリング嵌合部以外の箇所に、凹み部および凸部のいずれか一方または両方が設けられていてもよい。端板４ｂの一部に凹み部および凸部のいずれか一方または両方が設けられていてもよい。凹み部および凸部のいずれか一方または両方は、ケース本体４ａの周面に環状に形成されてもよい。
これらの構成によると、ベアリングケース４の表面積が増加するため、ベアリングケース４からの放熱が促進される。

＜増速機への適用例＞
図４に示すように、回転翼１の回転を増速して発電機２に伝達する増速機２１を設け、増速機２１のケース２１ａの外周に、リング状のベアリング９，９を介して円筒状のベアリングケース４が回転自在に設置されてもよい。ベアリングケース４は回転翼１に互いに同軸心に結合されかつ増速機２１の入力軸２１ｂと接続されている。

増速機２１は、例えば、入力軸２１ｂの回転を増速して低速軸（図示せず）に伝達する図示外の遊星歯車装置と、前記低速軸の回転を増速して出力軸２１ｃに伝達する図示外の二次増速装置とを備える。入力軸２１ｂは、ベアリングケース４における端板４ｂの軸部１７に接続され、出力軸２１ｃは、発電機２に接続される。なお図示しないが、増速機２１の出力軸２１ｃを傘歯車等を介して発電機軸に連結することにより、回転軸の角度を９０°変えてもよい。

＜抗力型の垂直軸風車＞
各実施形態では、垂直軸風車が揚力型である例を示すが、場合によっては、この発明の構成を抗力型の垂直軸風車に適用してもよい。

＜水力発電装置への適用例＞
各実施形態では、回転翼支持構造を垂直軸風車方式の風力発電装置に適用しているが、回転翼支持構造を水力発電装置に適用してもよい。

以上、実施形態に基づいてこの発明を実施するための形態を説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１…回転翼、２…発電機、５…ケース、４…ベアリングケース、４ａ…ケース本体、４ｂ…端板、９…ベアリング、１０…トルク伝達用カップリング、１１…環状のシール部材、１８…ファン、１９…凹み部、２０…凸部、２１…増速機、２１ｂ…入力軸

Claims (6)

1. 垂直軸型の回転翼を回転自在に支持し、前記回転翼の下方に位置する発電機または前記回転翼の下方に位置し、回転翼の回転を増速して発電機に伝達する増速機に前記回転翼の回転を伝達する回転翼支持構造であって、
   前記発電機または前記増速機の径方向外側で回転軸方向に対して前記発電機または前記増速機と同位置にリング状のベアリングを有し、
   前記発電機または前記増速機のケースの外周に、前記ベアリングを介して円筒状のベアリングケースが回転自在に設置され、
   前記ベアリングケースは、前記回転翼に互いに同軸心に結合され、かつ前記発電機または前記増速機の入力軸と接続されており、前記ベアリングケースの上端部に結合した水平な支持体を介して前記回転翼の羽根が取り付けられている回転翼支持構造。
2. 請求項１に記載の発電機の回転翼支持構造において、前記ベアリングケースは、トルク伝達用カップリングを介して、前記発電機または前記増速機の入力軸に接続されている発電機の回転翼支持構造。
3. 請求項１または請求項２に記載の発電機の回転翼支持構造において、前記ベアリングケースは、円筒状のケース本体と、このケース本体の上端部に設けられ前記回転翼が結合される端板と、を備え、前記ケース本体に前記端板が印籠嵌合されている発電機の回転翼支持構造。
4. 請求項３に記載の発電機の回転翼支持構造において、前記ケース本体と前記端板との嵌合部に環状のシール部材が設けられている発電機の回転翼支持構造。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の発電機の回転翼支持構造において、前記ベアリングケースに、表面積増大用の凹み部および凸部のいずれか一方または両方が設けられている発電機の回転翼支持構造。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の発電機の回転翼支持構造において、前記発電機または前記増速機に放熱用のファンが設けられている発電機の回転翼支持構造。

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