WO2011016108A1 - 風力発電装置及びその組み立て方法 - Google Patents

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generator
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shrink fit
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智裕 沼尻
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三菱重工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a wind turbine generator and an assembling method thereof, and more particularly, to a coupling structure of a main shaft and a generator rotor in the wind turbine generator.
  • One of the known structures for connecting the main shaft and the generator rotor is a method in which the rotor plate of the generator rotor is connected to a cylindrical sleeve, and the sleeve is connected by tightening with a shrink fit (shrink disk).
  • This structure is preferable in that the coupling strength between the main shaft and the generator rotor can be easily adjusted, and the generator rotor can be connected to the main shaft by a generally available shrink fit, so that the cost can be reduced.
  • Patent Document 1 discloses a coupling structure in which a rotor bearing (corresponding to a sleeve of the present application) to which a generator rotor is joined by a shrink disk (corresponding to the shrink fit of the present application) is fastened to a main shaft.
  • the shrink disk is located between the generator and the bearing, and the rotor bearing is fastened to the main shaft at that position.
  • the shrink disk is composed of a fixed disk and a movable disk, and the fixed disk and the movable disk are connected by a bolt.
  • the bolt is inserted in parallel with the central axis of the main shaft.
  • the bolt is tightened, the movable disk is pressed against the fixed disk, the inner diameter of the shrink disk is narrowed, and the rotor bearing is tightened to the main shaft.
  • an object of the present invention is to provide a coupling structure of a main shaft and a generator rotor that can shorten the interval between the bearing that supports the main shaft and the generator.
  • a wind turbine generator in one aspect of the present invention, includes a main shaft that supports a wind turbine rotor, a main bearing that rotatably supports the main shaft, a generator that includes a generator rotor and a stator, and a generator rotor.
  • the sleeve includes a sleeve that is coupled and inserted into the main shaft, and a hydraulic shrink fit that is provided outside the sleeve and is coupled to the sleeve by tightening the sleeve to the main shaft.
  • the hydraulic shrink fit is configured to tighten the sleeve to the main shaft by decreasing the inner diameter by supplying the working fluid.
  • Hydraulic shrink fit can be provided in various positions. It is desirable that a hydraulic shrink fit is provided in the space inside the generator.
  • the stator includes a stator magnetic pole arranged side by side in the circumferential direction of the main shaft, and first and second stator plates arranged in the axial direction of the main shaft that supports the stator magnetic pole, and the first stator plate and the main shaft Is relatively rotatable by the first generator bearing, the second stator plate and the main shaft are relatively rotatable by the second generator bearing, and the generator rotor is arranged side by side in the circumferential direction of the main shaft
  • the hydraulic shrink fit is performed between the rotor support member and the first stator plate. May be provided.
  • the first stator plate is preferably provided with an opening for supplying the working fluid to the hydraulic shrink fit at a position corresponding to the hydraulic shrink fit.
  • the procedure for tightening the hydraulic shrink fit includes the steps of inserting the temporary protective cylinder into the opening provided in the first stator plate so that the port of the hydraulic shrink fit is positioned inside the temporary protective cylinder; It is preferable to include a step of connecting the hydraulic piping to the port inside the protective cylinder, and a step of supplying the working fluid to the hydraulic shrink fit via the hydraulic piping and fastening the sleeve to the main shaft by the hydraulic shrink fit.
  • a slit is provided in a portion of the sleeve where the hydraulic shrink fit is brought into contact.
  • the sleeve is divided at a position where the hydraulic shrink fit comes into contact.
  • the sleeve includes first and second sleeve members arranged side by side in the axial direction of the main shaft, and the end of the first sleeve member is provided side by side in the circumferential direction of the main shaft.
  • a plurality of first protrusions protruding in the main shaft are provided, and a plurality of second protrusions protruding in the axial direction of the main shaft are provided at the end of the second sleeve member.
  • Each of the first protrusions is preferably inserted between two of the plurality of second protrusions.
  • the hydraulic shrink fit is provided so as to abut on the first protrusion and the second protrusion.
  • a wind turbine generator in another aspect of the present invention, includes a main shaft that supports a wind turbine rotor, a main bearing that rotatably supports the main shaft, a generator that includes a generator rotor and a stator, and a generator rotor. And a sleeve inserted into the main shaft, and a hydraulic shrink fit provided between the sleeve and the main shaft. The hydraulic shrink fit is configured to couple the sleeve and the main shaft by increasing the outer diameter by supplying the working fluid.
  • the stator includes a stator magnetic pole arranged in a circumferential direction with respect to the main shaft, and first and second stator plates arranged in the axial direction of the main shaft that support the stator magnetic pole,
  • the first stator plate and the main shaft may be relatively rotatable by the first generator bearing
  • the second stator plate and the main shaft may be relatively rotatable by the second generator bearing.
  • the hydraulic shrink fit is provided at a position that does not face the first and second generator bearings in the radial direction of the main shaft.
  • the portion of the sleeve between the position where the first and second generator bearings are provided and the position where the sleeve abuts against the hydraulic shrink fit is configured to absorb strain generated by fastening the hydraulic shrink fit. Is preferred.
  • FIG. 1 It is a conceptual diagram which shows roughly the structure of the wind power generator in one Embodiment of this invention. It is sectional drawing which shows the structure of the wind power generator in 1st Embodiment. It is sectional drawing which shows the example of the structure of a hydraulic shrink fit. It is sectional drawing which shows the example of the structure which supports a field magnet and a backplate. It is sectional drawing which shows the other example of the structure which supports a field magnet and a backplate. It is sectional drawing which shows the further another example of the structure which supports a field magnet and a backplate. It is sectional drawing which shows the example of the coupling
  • FIG. 1 is a conceptual diagram schematically showing the structure of a wind turbine generator 1 in a first embodiment of the present invention.
  • the wind power generator 1 of the present embodiment includes a tower 2, a nacelle base plate 3, a main shaft 4, bearings 5 and 6, bearing bases 7 and 8, and a generator 9.
  • the nacelle base plate 3 is placed on the upper end of the tower 2 so as to be able to turn the yaw.
  • the main shaft 4 is rotatably supported by two bearings 5 and 6, and the bearings 5 and 6 are fixed to the nacelle base plate 3 by bearing bases 7 and 8.
  • a windmill rotor (not shown) is joined to one end of the main shaft 4, and the rotor of the generator 9 is connected to the other end.
  • the main shaft 4 is shared by the wind turbine rotor and the generator rotor, and the wind turbine generator 1 of the present embodiment is configured as a so-called direct drive wind turbine generator.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view showing in detail the structure of the wind turbine generator 1 in the vicinity of the generator 9, in particular, the structure of the generator 9 and the combined structure of the generator 9 and the main shaft 4.
  • the generator 9 includes a generator rotor 11 and a stator 12.
  • the generator rotor 11 includes a field magnet 13 (rotor magnetic pole), a back plate 14 that supports the field magnet 13, and rotor plates 15 and 16 that support the back plate 14.
  • the stator 12 includes a stator winding (stator magnetic pole) 17 and stator plates 18 and 19 that support the stator winding 17.
  • the stator 12 is connected and fixed to the nacelle base plate 3 by a support mechanism (not shown).
  • Bearing fixing members 20a and 20b are used for fixing the bearing 6 to the main shaft 4. Specifically, bearing fixing rings 20 a and 20 b are inserted into the main shaft 4, and the bearing 6 is sandwiched between the bearing fixing rings 20 a and 20 b and fixed to the main shaft 4.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view showing an example of the structure of the hydraulic shrink fit 25.
  • the hydraulic shrink fit 25 includes a fixed ring 26, a movable ring 27, a support ring 28, and a ring nut 29.
  • the movable ring 27 is provided with a tightening port 30a and a release port 30b.
  • working fluid typically working oil
  • the movable ring 27 moves in the direction of arrow A and is pressed against the fixed ring 26.
  • the inner diameter 26 of the fixing ring that is, the inner diameter of the hydraulic shrink fit 25
  • the sleeve 21 is fastened to the main shaft 4.
  • the generator rotor 11 is fixed to the main shaft 4 by fastening the sleeve 21 coupled to the generator rotor 11 to the main shaft 4.
  • a hydraulic shrink fit 25 is used to fasten the sleeve 21 to the main shaft 4.
  • the movable ring 27 moves in the direction of arrow B and the tightening is released.
  • the end plate 22 is used to prevent the sleeve 21 from being displaced in the axial direction (a direction parallel to the center line of the main shaft 4; the same applies hereinafter). Specifically, the end plate 22 is attached so as to straddle the end of the sleeve 21 and the end of the main shaft 4, and the sleeve 21 is sandwiched between the bearing fixing ring 20 b and the end plate 22. Thereby, the movement of the sleeve 21 in the axial direction is suppressed.
  • generator bearings 23 and 24 are provided on the stator plates 18 and 19 of the stator 12, and the main shaft 4 and the sleeve 21 support the stator plates 18 and 19 via the generator bearings 23 and 24.
  • the main shaft 4 and the sleeve 21 are rotatable with respect to the stator plates 18 and 19 by the generator bearings 23 and 24. This structure is effective for distributing the mechanical load due to the weight of the generator 9.
  • the rotor plates 15 and 16 are used as support members for supporting the field magnet 13 and the back plate 14, but the structure for supporting the field magnet 13 and the back plate 14 can be variously changed.
  • one rotor plate 15A as a support member for supporting the field magnet 13 and the back plate 14, and a reinforcing rib 31 joined to the back plate 14 and the rotor plate 15A, 32 may be used.
  • a cone-shaped rotor plate 15B may be used.
  • a rotor plate 15C and a reinforcing arm 15D having one end joined to the back plate 14 and the other end joined to both the rotor plate 15C may be used.
  • the advantage of the structure of the wind turbine generator 1 of the present embodiment is that the distance between the bearing 6 and the generator 9 can be shortened by fixing the sleeve 21 with the hydraulic shrink fit 25.
  • a hydraulic shrink fit 25 that operates with a working fluid is used, a working space is provided between the bearing 6 and the hydraulic shrink fit 25 to perform the work of tightening the hydraulic shrink fit 25 (unlike the shrink fit using bolts). There is no need.
  • This makes it possible to shorten the distance between the bearing 6 and the generator 9.
  • shortening the distance between the bearing 6 and the generator 9 is effective for reducing the mechanical load and the length of the main shaft.
  • the use of the hydraulic shrink fit 25 in which the port for receiving the working fluid is configured so as to supply the working fluid in the radial direction of the main shaft 4 reduces the distance between the bearing 6 and the generator 9. It is further useful for conversion.
  • the hydraulic shrink fit 25 is located between the bearing 6 and the generator 9, but the hydraulic shrink fit 25 may also be provided inside the generator 9. It is preferable that the hydraulic shrink fit 25 is provided inside the generator 9 in that the distance between the bearing 6 and the generator 9 can be further shortened.
  • the hydraulic shrink fit 25 may be provided between the stator plate 18 and the rotor plate 15 on the bearing 6 side. Further, as shown in FIG. 5, a hydraulic shrink fit 25 may be provided between the rotor plates 15 and 16. Further, as shown in FIG. 6, it may be provided between the rotor plate 16 and the stator plate 19.
  • a hydraulic shrink fit 25 may be provided at a position between the generator 9 and the end of the main shaft 4 as shown in FIG.
  • a plurality of hydraulic shrink fits may be used to tighten the sleeve 21 to the main shaft 4.
  • the hydraulic shrink fit 25 ⁇ / b> A is provided at a position between the generator 9 and the end of the main shaft 4, and the hydraulic shrink fit 25 ⁇ / b> B is provided at a position between the generator 9 and the bearing 6.
  • two hydraulic shrink fits 25 ⁇ / b> A and 25 ⁇ / b> B are both provided inside the generator 9.
  • a hydraulic shrink fit 25A is provided between the stator plate 19 and the rotor plate 16
  • a hydraulic shrink fit 25B is provided between the stator plate 19 and the rotor plate 16.
  • the hydraulic shrink fit 25 When the hydraulic shrink fit 25 is provided inside the generator 9, it is necessary to perform an operation for tightening the hydraulic shrink fit 25, such as supplying a working fluid to the hydraulic shrink fit 25. If foreign matter enters the generator 9 during this work, the foreign matter may cause damage to the generator 9.
  • a temporary protective cylinder 40 as shown in FIG.
  • An opening 18a is provided at a position near the port of the hydraulic shrink fit 25 of the stator plate 18, and the hypothetical protection cylinder 40 is inserted into the opening 18a.
  • the temporary protection cylinder 40 is installed so that the port of the hydraulic shrink fit 25 is positioned inside the temporary protection cylinder 40, and the work for tightening the hydraulic shrink fit 25 is performed inside the hypothetical protection cylinder 40, thereby preventing foreign matter from entering. be able to.
  • a protective tube 41 and a flexible tube 42 are used as the temporary protective cylinder 40.
  • an operation of tightening the hydraulic shrink fit 25 is performed according to the following procedure. First, in a state where one end of the flexible tube 42 is connected to the end of the protective tube 41, the protective tube 41 is inserted into the opening 18 a of the stator plate 18 and fixed. At this time, the other end of the flexible tube 42 is connected to the vicinity of the port while surrounding the port of the hydraulic shrink fit 25. Further, a hydraulic pipe 43 is passed through the protective tube 41 and the flexible tube 42, and the hydraulic pipe 43 is connected to the port.
  • a working fluid (typically, working oil) is supplied to the port via the hydraulic pipe 43 and the hydraulic shrink fit 25 is tightened. Thereafter, after the port is sealed, the protective tube 41, the flexible tube 42, and the hydraulic piping 43 are removed. Finally, the opening 18a is covered and the operation is completed.
  • working oil typically, working oil
  • FIG. 9 the generator rotor 11 having the structure of FIG. 3A is used, but those skilled in the art will understand that various structures can be used as the generator rotor 11.
  • the generator rotor 11 is coupled to the main shaft 4 by the sleeve 21 being inserted into the main shaft 4 after the rotor plates 15 and 16 of the generator rotor 11 are coupled to the sleeve 21.
  • the gap between the main shaft 4 and the sleeve 21 is wide when the sleeve 21 is inserted into the main shaft 4. For example, if the clearance between the main shaft 4 and the sleeve 21 is 0.5 mm or more, the sleeve 21 can be easily inserted into the main shaft 4.
  • the sleeve 21 is configured so that the rigidity of the portion of the sleeve 21 that contacts the hydraulic shrink fit 25 is lower than the other portions. .
  • a slit is formed in the portion of the sleeve 21 that contacts the hydraulic shrink fit 25.
  • a plurality of slits 21c are provided at the end portion of the sleeve 21 as shown in FIG. 10B. It is preferable.
  • reference numeral 21 d indicates a portion with which the hydraulic shrink fit 25 is brought into contact.
  • the slits 21 c are formed in a shape that is long in the axial direction of the main shaft 4, and are arranged side by side in the circumferential direction of the main shaft 4.
  • a plurality of slits 21c may be provided in the middle of the sleeve 21, as shown in FIG. 11B.
  • the slits 21 c are formed in a shape that is long in the axial direction of the main shaft 4, and are arranged side by side in the circumferential direction of the main shaft 4.
  • FIG. 11C is a side view showing an example of the structure of the sleeve 21 having a split structure.
  • the sleeve 21 illustrated in FIG. 11C includes two sleeve members 51 and 52 arranged in the axial direction of the main shaft 4.
  • the end of the sleeve member 51 is provided side by side in the circumferential direction of the main shaft 4, and a plurality of projecting portions 53 that protrude in the axial direction of the main shaft 4 are provided.
  • the end of the sleeve member 52 is provided side by side in the circumferential direction.
  • a plurality of projecting portions 54 projecting in the axial direction are provided.
  • the sleeve members 51 and 52 are meshed with the protrusions 53 and 54. That is, each of the protrusions 53 of the sleeve member 51 is inserted between two of the protrusions 54 of the sleeve member 52.
  • the hydraulic shrink fit 25 is fastened to a portion where the protrusions 53 and 54 are engaged with each other. Even with such a structure, the rigidity of the portion of the sleeve 21 that comes into contact with the hydraulic shrink fit 25 can be reduced.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing the structure of the wind turbine generator 1 according to the second embodiment of the present invention, and in particular, a cross-sectional view showing the coupling structure of the generator rotor 11 and the main shaft 4.
  • a cylindrical hydraulic shrink fit 25 ⁇ / b> C is provided between the main shaft 4 and the sleeve 21.
  • the hydraulic shrink fit 25C is formed so as to increase its outer diameter upon receiving a supply of working fluid (typically working oil).
  • working fluid typically working oil
  • the main shaft 4 and the sleeve 21 can be combined. Even in the structure in which the hydraulic shrink fit 25C as shown in FIG. 12 is provided between the main shaft 4 and the sleeve 21, no working space is required between the generator 9 and the bearing 6. The distance between the bearings 6 can be shortened.
  • the hydraulic shrink fit 25C is provided between the main shaft 4 and the sleeve 21 .
  • an excessive mechanical load acts on the generator bearings 23 and 24.
  • the hydraulic shrink fit 25 ⁇ / b> C is provided at a position that does not face the generator bearings 23 and 24 in the radial direction of the main shaft 4.
  • the portion of the sleeve 21 between the position where the generator bearings 23 and 24 are provided and the position where the generator bearings 23 and 24 abut against the hydraulic shrink fit 25C is configured to absorb the strain generated by the fastening of the hydraulic shrink fit 25C.
  • the sleeve 21 has a thickness of the sleeve 21 at the cross-sections B and C where the generator bearings 23 and 24 of the sleeve 21 are provided. It is configured so as to be thinner than the thickness of the sleeve 21 in the cross section A of the portion in contact with the hydraulic shrink fit 25C.
  • notches 55 and 56 may be provided at positions between the portion of the sleeve 21 that contacts the hydraulic shrink fit 25 ⁇ / b> C and the generator bearings 23 and 24.

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Abstract

　風力発電装置が、風車ロータを支持する主軸と、主軸を回転可能に支持する主軸受と、発電機ロータとステータとを備えた発電機と、発電機ロータと結合されると共に主軸に挿入されたスリーブと、スリーブの外側に設けられ、スリーブを主軸に締め付けて結合する油圧シュリンクフィットとを具備している。油圧シュリンクフィットは、作動流体の供給によって内径が小さくなることによってスリーブを主軸に締め付けるように構成されている。

Description

風力発電装置及びその組み立て方法
　本発明は、風力発電装置及びその組み立て方法に関し、特に、風力発電装置における主軸と発電機ロータとの結合構造に関する。
　風力発電装置の設計において、主軸と発電機ロータとの結合構造の最適化は、重要な設計項目の一つである。主軸と発電機ロータとは、必要な強度で結合されている必要がある。その一方で、例えば発電機で短絡が起こったときのように、主軸と発電機ロータ間に過剰なトルクがかかるような場合には、相対運動も可能であるように連結されることが望ましい。
　主軸と発電機ロータとの結合構造として公知の構造の一つが、発電機ロータのロータプレートを筒状のスリーブに連結し、そのスリーブをシュリンクフィット（シュリンクディスク）によって締め付けて連結する方法である。この構造は、主軸と発電機ロータとの結合強度の調節が容易であり、また、一般的に入手可能なシュリンクフィットによって発電機ロータを主軸に連結できるためにコストも低減できる点でも好ましい。
　スリーブとシュリンクフィットを用いて主軸と発電機ロータとを結合させる構造は、例えば、国際公開パンフレットＷＯ２００７／１１１４２５　Ａ１（特許文献１）に記載されている。特許文献１は、シュリンクディスク（本願のシュリンクフィットに相当）によって発電機ロータが接合されているロータベアリング（本願のスリーブに相当）を主軸に締め付ける結合構造を開示している。この結合構造においては、シュリンクディスクが、発電機と軸受の間に位置しており、その位置でロータベアリングを主軸に締め付けている。当該シュリンクディスクは、固定ディスクと可動ディスクとで構成されており、その固定ディスクと可動ディスクとがボルトによって連結される。ボルトは、主軸の中心軸と平行に挿入されている。ボルトが締め付けられると、可動ディスクが固定ディスクに押し付けられてシュリンクディスクの内径が狭くなり、ロータベアリングが主軸に締め付けられる。
　このような結合構造の一つの問題は、主軸を支持する軸受と発電機との間隔が増大する点である。上述のように、特許文献１の結合構造では、シュリンクディスクが発電機と軸受の間に位置しており、且つ、ボルトが主軸と平行な方向に挿入されているので、ボルトを締め付けるための作業スペースを発電機と軸受の間に確保する必要がある。これは、発電機と軸受の間隔を増大させてしまう。発電機と軸受の間隔が増大すると、主軸のしなりが大きくなり振動が増大してしまう。これは、機械的負荷を増大させてしまうために好ましくない。発電機と軸受の間隔が増大することは、主軸の長さを増大させてしまう点でも問題である。主軸の長さが増大すると主軸のコストが増大してしまう。
　発電機と軸受の間隔の増大の問題は、特に、ダイレクトドライブ風力発電装置において重大である。増速機が使用されないダイレクトドライブ風力発電装置では、ステータ極数及びロータ極数を増大させる必要があり、このために発電機の重量が増大する傾向にある。この場合に軸受と発電機の距離が大きくなると、主軸のしなりが一層に増大するため、振動の増大の原因になり得る。
国際公開パンフレットＷＯ２００７／１１１４２５　Ａ１
　したがって、本発明の目的は、主軸を支持する軸受と発電機との間隔を短縮できる主軸と発電機ロータとの結合構造を提供することにある。
　本発明の一の観点においては、風力発電装置が、風車ロータを支持する主軸と、主軸を回転可能に支持する主軸受と、発電機ロータとステータとを備えた発電機と、発電機ロータと結合されると共に主軸に挿入されたスリーブと、スリーブの外側に設けられ、スリーブを主軸に締め付けて結合する油圧シュリンクフィットとを具備している。油圧シュリンクフィットは、作動流体の供給によって内径が小さくなることによってスリーブを主軸に締め付けるように構成されている。
　油圧シュリンクフィットは様々な位置に設けられ得る。油圧シュリンクフィットが発電機の内部の空間に設けられていることが望ましい。
　例えば、ステータが、主軸の周方向に並んで配置されたステータ磁極と、該ステータ磁極を支持する主軸の軸方向に並べられた第１及び第２ステータプレートとを備え、第１ステータプレートと主軸が第１発電機軸受によって相対的に回転可能であり、第２ステータプレートと主軸が第２発電機軸受によって相対的に回転可能であり、発電機ロータが主軸の周方向に並んで配置されたロータ磁極と、第１ステータプレートと第２ステータプレートの間に設けられた、ロータ磁極を支持するためロータ支持部材とを備える場合、油圧シュリンクフィットは、ロータ支持部材と、第１ステータプレートの間に設けられてもよい。
　このとき、第１ステータプレートには、油圧シュリンクフィットに対応する位置に、作動流体を油圧シュリンクフィットに供給するための開口が設けられていることが好ましい。この場合、油圧シュリンクフィットを締め付けの手順が、第１ステータプレートに設けられた開口に、仮設保護筒を、油圧シュリンクフィットのポートが仮設保護筒の内部に位置するように挿入する工程と、仮設保護筒の内部で油圧配管をポートに接続する工程と、油圧配管を介して作動流体を油圧シュリンクフィットに供給して油圧シュリンクフィットでスリーブを主軸に締め付ける工程とを備えることが好ましい。
　また、スリーブの油圧シュリンクフィットが当接される部分にスリットが設けられることも好ましい。
　その代わりに、スリーブが、油圧シュリンクフィットが当接される位置において分割されることも好ましい。具体的には、スリーブが主軸の軸方向に並んで配置された第１及び第２スリーブ部材を備え、第１スリーブ部材の端には、主軸の周方向に並んで設けられ、主軸の軸方向に突出する複数の第１突出部が設けられ、第２スリーブ部材の端には、主軸の周方向に並んで設けられ、主軸の軸方向に突出する複数の第２突出部が設けられ、複数の第１突出部のそれぞれは、複数の第２突出部のうちの２つの間に挿入される事が好ましい。この場合、油圧シュリンクフィットは、第１突出部及び第２突出部に当接するように設けられる。
　本発明の他の観点では、風力発電装置が、風車ロータを支持する主軸と、主軸を回転可能に支持する主軸受と、発電機ロータとステータとを備えた発電機と、発電機ロータと結合されると共に主軸に挿入されたスリーブと、スリーブと主軸の間に設けられた油圧シュリンクフィットとを具備する。油圧シュリンクフィットは、作動流体の供給によって外径が増大することによってスリーブと主軸とを結合するように構成されている。
　当該風力発電装置において、ステータが、主軸に対して周方向に並んで配置されたステータ磁極と、ステータ磁極を支持する、主軸の軸方向に並べられた第１及び第２ステータプレートとを備え、第１ステータプレートと主軸が第１発電機軸受によって相対的に回転可能であり、第２ステータプレートと主軸が第２発電機軸受によって相対的に回転可能であってもよい。この場合、油圧シュリンクフィットが、主軸の半径方向において第１及び第２発電機軸受と対向しない位置に設けられる事が好ましい。
　また、スリーブの第１及び第２発電機軸受が設けられる位置と油圧シュリンクフィットに当接する位置との間の部分が、油圧シュリンクフィットの締結によって発生するひずみを吸収するように構成されていることが好ましい。
　本発明によれば、発電機と軸受の間隔を短縮できる主軸と発電機ロータとの結合構造を提供することができる。
本発明の一実施形態における風力発電装置の構成を概略的に示す概念図である。 第１の実施形態における風力発電装置の構成を示す断面図である。 油圧シュリンクフィットの構造の例を示す断面図である。 界磁磁石及びバックプレートを支持する構成の例を示す断面図である。 界磁磁石及びバックプレートを支持する構成の他の例を示す断面図である。 界磁磁石及びバックプレートを支持する構成の更に他の例を示す断面図である。 第１の実施形態における発電機とスリーブの結合構造の例を示す断面図である。 第１の実施形態における発電機とスリーブの結合構造の他の例を示す断面図である。 第１の実施形態における発電機とスリーブの結合構造の更に他の例を示す断面図である。 第１の実施形態における発電機とスリーブの結合構造の更に他の例を示す断面図である。 第１の実施形態における発電機とスリーブの結合構造の更に他の例を示す断面図である。 第１の実施形態における発電機とスリーブの結合構造の更に他の例を示す断面図である。 発電機の内部への異物の侵入を防ぐ為の油圧シュリンクフィットの締結方法を示す概念図である。 第１の実施形態における発電機とスリーブの結合構造の更に他の例を示す断面図である。 第１の実施形態におけるスリーブの構造の例を示す鳥瞰図である。 第１の実施形態における発電機とスリーブの結合構造の更に他の例を示す断面図である。 第１の実施形態におけるスリーブの構造の他の例を示す鳥瞰図である。 第１の実施形態におけるスリーブの構造の他の例を示す側面図である。 本発明の第２の実施形態における発電機とスリーブの結合構造の例を示す断面図である。 第２の実施形態における発電機とスリーブの結合構造の他の例を示す断面図である。
（第１の実施形態）
　図１は、本発明の第１の実施形態における風力発電装置１の構造を概略的に示す概念図である。本実施形態の風力発電装置１は、タワー２と、ナセル台板３と、主軸４と、軸受５、６と、軸受台７、８、発電機９とを備えている。ナセル台板３は、タワー２の上端にヨー旋回可能に載置されている。主軸４は、２つの軸受５、６によって回転可能に支持されており、軸受５、６が、軸受台７、８によってナセル台板３に固定されている。主軸４の一端には風車ロータ（図示されない）が接合され、他端には発電機９のロータが連結されている。本実施形態の風力発電装置１では主軸４が風車ロータと発電機ロータとに共用されており、本実施形態の風力発電装置１は、いわゆるダイレクトドライブ風力発電装置として構成されている。
　図２Ａは、発電機９の近傍における風力発電装置１の構造、特に、発電機９の構造と、発電機９と主軸４の結合構造を詳細に示す断面図である。
　発電機９は、発電機ロータ１１とステータ１２とを備えている。発電機ロータ１１は、界磁磁石１３（ロータ磁極）と、界磁磁石１３を支持するバックプレート１４と、バックプレート１４を支持するロータプレート１５、１６とを備えている。ステータ１２は、ステータ巻線（ステータ磁極）１７と、ステータ巻線１７を支持するステータプレート１８、１９とを備えている。ステータ１２は、図示されない支持機構により、ナセル台板３に連結されて固定されている。
　軸受６の主軸４への固定には軸受固定部材２０ａ、２０ｂが使用される。詳細には、主軸４には軸受固定リング２０ａ、２０ｂが挿入されており、軸受６は軸受固定リング２０ａ、２０ｂによって挟まれて主軸４に固定されている。
　一方、発電機ロータ１１の主軸４への固定には、スリーブ２１と油圧シュリンクフィット２５とが使用される。詳細には、発電機ロータ１１のロータプレート１５、１６がボルトにより、スリーブ２１に設けられたフランジ２１ａ、２１ｂに固定される。更に、スリーブ２１が、油圧シュリンクフィット２５によって主軸４に締め付けられて固定される。図２Ｂは、油圧シュリンクフィット２５の構造の例を示す断面図である。油圧シュリンクフィット２５は、図２Ｂに示されているように、固定リング２６、可動リング２７、サポートリング２８と、リングナット２９とを備えている。可動リング２７には、締付ポート３０ａと解除ポート３０ｂとが設けられている。締付ポート３０ａに作動流体（典型的には作動油）が供給されると矢印Ａの方向に可動リング２７が移動して固定リング２６に押しつけられる。これにより、固定リングの内径２６（即ち、油圧シュリンクフィット２５の内径）が小さくなり、スリーブ２１が主軸４に締め付けられる。発電機ロータ１１に結合されたスリーブ２１が主軸４に締め付けられることにより、発電機ロータ１１が主軸４に固定される。後述のように、スリーブ２１を主軸４に締め付けるために油圧シュリンクフィット２５が使用されることが本実施形態においては重要である。一方、解除ポート３０ｂに作動流体が供給されると矢印Ｂの方向に可動リング２７が移動して締め付けが解除される。
　図２Ａを再度に参照して、加えて、エンドプレート２２が、スリーブ２１の軸方向（主軸４の中心線と平行な方向。以下、同じ）への変位を防ぐ為に使用される。詳細には、エンドプレート２２はスリーブ２１の端と主軸４の端にまたがるように取り付けられており、スリーブ２１は、軸受固定リング２０ｂとエンドプレート２２とに挟まれている。これにより、スリーブ２１の軸方向の移動が抑制されている。
　また、ステータ１２のステータプレート１８、１９には発電機軸受２３、２４が設けられ、主軸４及びスリーブ２１は、発電機軸受２３、２４を介してステータプレート１８、１９を支持している。発電機軸受２３、２４により、主軸４及びスリーブ２１が、ステータプレート１８、１９に対して回転可能である。この構造は、発電機９の重量による機械的負荷を分散させるために有効である。
　なお、図２Ａでは、界磁磁石１３及びバックプレート１４を支持する支持部材としてロータプレート１５、１６が使用されているが、界磁磁石１３及びバックプレート１４を支持する構造は様々に変更され得る。例えば、図３Ａに示されているように、界磁磁石１３及びバックプレート１４を支持する支持部材として１枚のロータプレート１５Ａと、バックプレート１４とロータプレート１５Ａとに接合された補強リブ３１、３２が用いられてもよい。また、図３Ｂに示されているように、コーン状のロータプレート１５Ｂが使用されてもよい。更に、図３Ｃに示されているように、ロータプレート１５Ｃと、一端がバックプレート１４に接合され、他端がロータプレート１５Ｃの両方に接合された補強アーム１５Ｄが用いられてもよい。
　本実施形態の風力発電装置１の構造の利点は、スリーブ２１が油圧シュリンクフィット２５によって固定されることにより、軸受６と発電機９の間の距離を短くすることができることである。作動流体で動作する油圧シュリンクフィット２５が使用される場合、（ボルトを用いるシュリンクフィットとは異なり）油圧シュリンクフィット２５を締め付ける作業をするための作業スペースを軸受６と油圧シュリンクフィット２５の間に設ける必要が無い。これは、軸受６と発電機９の間の距離を短くすることを可能にする。上述のように、軸受６と発電機９の間の距離の短縮は、機械的負荷の低減と主軸の長さの短縮に有効である。このとき、油圧シュリンクフィット２５として、作動流体を受け入れるポートが作動流体を主軸４の半径方向に供給するように構成されたものを使用することは、軸受６と発電機９の間の距離の短縮化に更に有用である。
　ここで、図２Ａの構造では、油圧シュリンクフィット２５が軸受６と発電機９の間に位置しているが、油圧シュリンクフィット２５は、発電機９の内部にも設けられてもよい。油圧シュリンクフィット２５が発電機９の内部に設けられることは、軸受６と発電機９の間の距離を一層に短くできる点で好適である。
　例えば、図４に示されているように、油圧シュリンクフィット２５は、軸受６の側のステータプレート１８とロータプレート１５との間に設けられてもよい。また、図５に示されているように、油圧シュリンクフィット２５がロータプレート１５、１６の間に設けられてもよい。更に、図６に示されているように、ロータプレート１６とステータプレート１９との間に設けられもよい。
　軸受６と発電機９の間の距離を短くするという観点からは、図７のように、油圧シュリンクフィット２５が発電機９と主軸４の端の間の位置に設けられてもよい。
　また、図８Ａ、図８Ｂに図示されているように、複数の油圧シュリンクフィットがスリーブ２１を主軸４に締め付けるために使用されてもよい。図８Ａでは、油圧シュリンクフィット２５Ａが発電機９と主軸４の端の間の位置に設けられ、油圧シュリンクフィット２５Ｂが発電機９と軸受６の間の位置に設けられる。一方、図８Ｂでは、２つの油圧シュリンクフィット２５Ａ、２５Ｂが、いずれも発電機９の内部に設けられている。具体的には、油圧シュリンクフィット２５Ａが、ステータプレート１９とロータプレート１６の間に設けられ、油圧シュリンクフィット２５Ｂが、ステータプレート１９とロータプレート１６の間に設けられている。
　油圧シュリンクフィット２５が発電機９の内部に設けられる場合、油圧シュリンクフィット２５に作業流体を供給する等、油圧シュリンクフィット２５を締めるための作業を行う必要がある。この作業を行う際に発電機９の内部に異物が侵入すると、その異物によって発電機９に損傷が発生する恐れがある。
　異物の侵入による発電機９の損傷を避けるためには、図９に図示されているように、仮設保護筒４０を使用することが好ましい。ステータプレート１８の油圧シュリンクフィット２５のポートの近傍の位置に開口１８ａが設けられ、その開口１８ａに仮説保護筒４０が挿入される。仮設保護筒４０は、油圧シュリンクフィット２５のポートがその内部に位置するように設置される、仮説保護筒４０の内部で油圧シュリンクフィット２５を締めるための作業を行うことにより、異物の侵入を防ぐことができる。
　より具体的には、本実施形態では、仮設保護筒４０として保護管４１とフレキシブルチューブ４２とが使用される。一例としては、下記の手順で油圧シュリンクフィット２５を締める作業が行われる。まず、フレキシブルチューブ４２の一端が保護管４１の端に接続された状態で、保護管４１がステータプレート１８の開口１８ａに挿入されて固定される。このとき、フレキシブルチューブ４２の他端は油圧シュリンクフィット２５のポートを取り囲むようにしながら該ポートの近傍に接続される。更に、保護管４１、フレキシブルチューブ４２の中に油圧配管４３が通され、その油圧配管４３がポートに接続される。続いて、油圧配管４３を介して作動流体（典型的には作動油）がポートに供給されて油圧シュリンクフィット２５が締め付けられる。その後、ポートが封じられた後で保護管４１、フレキシブルチューブ４２、油圧配管４３が撤去される。最後に、開口１８ａに蓋がされて作業が完了する。
　なお、図９では、図３Ａの構造の発電機ロータ１１が使用されているが、発電機ロータ１１として様々な構造が使用可能なことは当業者には理解されよう。
　本実施形態の構造では、発電機ロータ１１の主軸４への結合は、発電機ロータ１１のロータプレート１５、１６をスリーブ２１に結合した後にスリーブ２１が主軸４に挿入されることによって行われる。このとき、発電機ロータ１１とスリーブ２１とは相当な重量があるので、スリーブ２１を主軸４に挿入する作業を行う場合には、主軸４とスリーブ２１の間の隙間が広い事が望ましい。例えば、主軸４とスリーブ２１の間の隙間が０．５ｍｍ以上あれば、スリーブ２１の主軸４への挿入が容易になる。
　主軸４とスリーブ２１との隙間の増大を可能にする為には、スリーブ２１の油圧シュリンクフィット２５と当接する部分の剛性が他の部分よりも低くなるようにスリーブ２１が構成されることが好ましい。このためには、スリーブ２１の油圧シュリンクフィット２５と当接する部分にスリットが形成されることが好ましい。
　例えば、図１０Ａに示されているように、スリーブ２１の端部において油圧シュリンクフィット２５が締め付けられる場合、図１０Ｂに示されているように、スリーブ２１の端部に複数のスリット２１ｃが設けられることが好ましい。ここで図１０Ａ、図１０Ｂにおいて、符号２１ｄは、油圧シュリンクフィット２５が当接される部分を示している。図１０Ａの構成では、スリット２１ｃは、主軸４の軸方向に長い形状に形成され、また、主軸４の周方向に並んで配置されている。
　また、図１１Ａに示されているように、スリーブ２１の中間において油圧シュリンクフィット２５が締め付けられる場合、図１１Ｂに示されているように、スリーブ２１の中間に複数のスリット２１ｃが設けられることが好ましい。図１１Ｂの構成では、スリット２１ｃは、主軸４の軸方向に長い形状に形成され、また、主軸４の周方向に並んで配置されている。
　スリットを形成する代わりに、油圧シュリンクフィット２５と当接する位置でスリーブ２１を分割することにより、油圧シュリンクフィット２５と当接する部分の剛性を低下させることも可能である。図１１Ｃは、分割構造のスリーブ２１の構造の例を示す側面図である。図１１Ｃに図示されているスリーブ２１は、主軸４の軸方向に並んだ２つのスリーブ部材５１、５２を備えて構成されている。スリーブ部材５１の端には、主軸４の周方向に並んで設けられ、主軸４の軸方向に突出する複数の突出部５３が設けられ、スリーブ部材５２の端には、周方向に並んで設けられ、軸方向に突出する複数の突出部５４が設けられる。スリーブ部材５１、５２は、突出部５３、５４によって噛み合わされている。即ち、スリーブ部材５１の突出部５３のそれぞれは、スリーブ部材５２の突出部５４のうちの２つの間に挿入されている。油圧シュリンクフィット２５は、突出部５３、５４が噛み合わされている部分に締め付けられる。このような構造でも、スリーブ２１の油圧シュリンクフィット２５と当接する部分の剛性を低下させることができる。
（第２の実施形態）
　図１２は、本発明の第２の実施形態における風力発電装置１の構造を示す断面図であり、特に、発電機ロータ１１と主軸４の結合構造を示す断面図である。第２の実施形態では、筒状の油圧シュリンクフィット２５Ｃが、主軸４とスリーブ２１との間に設けられる。油圧シュリンクフィット２５Ｃは、作動流体（典型的には作業油）の供給を受けてその外径が増大するように形成されている。油圧シュリンクフィット２５Ｃの外径が増大すると、主軸４と油圧シュリンクフィット２５Ｃとの間に作用する摩擦力、及び、油圧シュリンクフィット２５Ｃとスリーブ２１との間に作用する摩擦力が増大し、これにより、主軸４とスリーブ２１を結合させることができる。図１２に示されているような油圧シュリンクフィット２５Ｃが主軸４とスリーブ２１との間に設けられる構造においても、発電機９と軸受６の間に作業スペースを必要としないから、発電機９と軸受６の間の距離を短縮することができる。
　油圧シュリンクフィット２５Ｃが主軸４とスリーブ２１との間に設けられる構造の一つの問題は、油圧シュリンクフィット２５Ｃの外径が増大したときに、発電機ベアリング２３、２４に過剰な機械的負荷が作用する可能性がある点である。この問題を回避する為には、油圧シュリンクフィット２５Ｃが、主軸４の半径方向において発電機軸受２３、２４と対向しない位置に設けられることが好ましい。これにより、油圧シュリンクフィット２５Ｃの外径が増大した時に直接的に発電機軸受２３、２４に作用する応力を低減させることができる。
　加えて、スリーブ２１の発電機軸受２３、２４が設けられる位置と油圧シュリンクフィット２５Ｃに当接する位置との間の部分で、油圧シュリンクフィット２５Ｃの締結によって発生するひずみを吸収するように構成されていることが好ましい。例えば、一実施形態では、図１２に図示されているように、スリーブ２１が、スリーブ２１の発電機軸受２３、２４が設けられる部分の断面Ｂ、Ｃにおけるスリーブ２１の厚さが、スリーブ２１の油圧シュリンクフィット２５Ｃに当接する部分の断面Ａにおけるスリーブ２１の厚さよりも薄くなるように構成されている。このような構造では、断面Ａにおいては油圧シュリンクフィット２５Ｃの外径の増大に対するスリーブ２１の変形を抑制して摩擦力を増大させると共に、断面Ｂ、Ｃにおいてはスリーブ２１の変形を許容し、これにより、発電機軸受２３、２４に作用する機械的負荷を抑制することができる。
　また、図１３に示されているように、スリーブ２１の油圧シュリンクフィット２５Ｃに当接する部分と発電機軸受２３、２４の間の位置にノッチ５５、５６を設けてもよい。ノッチ５５、５６においてスリーブ２１の変形を許容することにより、発電機軸受２３、２４に作用する機械的負荷を抑制することができる。

Claims (10)

  1. 　風車ロータを支持する主軸と、
    　前記主軸を回転可能に支持する主軸受と、
    　発電機ロータとステータとを備えた発電機と、
    　前記発電機ロータと結合されると共に前記主軸に挿入されたスリーブと、
    　前記スリーブの外側に設けられ、前記スリーブを前記主軸に締め付けて結合する油圧シュリンクフィット
    とを具備し、
    　前記油圧シュリンクフィットは、作動流体の供給によって内径が小さくなることによって前記スリーブを前記主軸に締め付けるように構成された
    　風力発電装置。
  2. 　請求の範囲１に記載の風力発電装置であって、
    　前記油圧シュリンクフィットが前記発電機の内部の空間に設けられている
    　風力発電装置。
  3. 　請求の範囲２に記載の風力発電装置であって、
    　第１及び第２発電機軸受を更に具備し、
    　前記ステータは、
    　　前記主軸の周方向に並んで配置されたステータ磁極と、
    　　前記ステータ磁極を支持する、前記主軸の軸方向に並べられた第１及び第２ステータプレート
    とを備え、
    　前記第１ステータプレートと前記主軸は、前記第１発電機軸受によって相対的に回転可能であり、
    　前記第２ステータプレートと前記主軸は、前記第２発電機軸受によって相対的に回転可能であり、
    　前記発電機ロータは、
    　　前記主軸の周方向に並んで配置されたロータ磁極と、
    　　前記第１ステータプレートと前記第２ステータプレートの間に設けられた、前記ロータ磁極を支持するためロータ支持部材
    とを備え、
    　前記油圧シュリンクフィットは、前記ロータ支持部材と、前記第１ステータプレートの間に設けられた
    　風力発電装置。
  4. 　請求の範囲３に記載の風力発電装置であって、
    　前記第１ステータプレートには、前記油圧シュリンクフィットに対応する位置に、前記作動流体を前記油圧シュリンクフィットに供給するための開口が設けられている
    　風力発電装置。
  5. 　請求の範囲１乃至４のいずれかに記載の風力発電装置であって、
    　前記スリーブの前記油圧シュリンクフィットが当接される部分にスリットが設けられた
    　風力発電装置。
  6. 　請求の範囲１乃至４のいずれかに記載の風力発電装置であって、
    　前記スリーブは、
    　　前記主軸の軸方向に並んで配置された第１及び第２スリーブ部材を備え、
    　前記第１スリーブ部材の端には、前記主軸の周方向に並んで設けられ、前記主軸の軸方向に突出する複数の第１突出部が設けられ、
    　前記第２スリーブ部材の端には、前記主軸の周方向に並んで設けられ、前記主軸の軸方向に突出する複数の第２突出部が設けられ、
    　前記複数の第１突出部のそれぞれは、前記複数の第２突出部のうちの２つの間に挿入され、
    　前記油圧シュリンクフィットは、前記第１突出部及び前記第２突出部に当接される
    　風力発電装置。
  7. 　風車ロータを支持する主軸と、
    　前記主軸を回転可能に支持する主軸受と、
    　発電機ロータとステータとを備えた発電機と、
    　前記発電機ロータと結合されると共に前記主軸に挿入されたスリーブと、
    　前記スリーブと前記主軸の間に設けられた油圧シュリンクフィット
    とを具備し、
    　前記油圧シュリンクフィットは、作動流体の供給によって外径が増大することによって前記スリーブと前記主軸とを結合するように構成された
    　風力発電装置。
  8. 　請求の範囲７に記載の風力発電装置であって、
    　第１及び第２発電機軸受を更に具備し、
    　前記ステータは、
    　　前記主軸に対して周方向に並んで配置されたステータ磁極と、
    　　前記ステータ磁極を支持する、前記主軸の軸方向に並べられた第１及び第２ステータプレート
    とを備え、
    　前記第１ステータプレートと前記主軸は、前記第１発電機軸受によって相対的に回転可能であり、
    　前記第２ステータプレートと前記主軸は、前記第２発電機軸受によって相対的に回転可能であり、
    　前記油圧シュリンクフィットが、前記主軸の半径方向において前記第１及び前記第２発電機軸受と対向しない位置に設けられている
    　風力発電装置。
  9. 　請求の範囲８に記載の風力発電装置であって、
    　前記スリーブの前記第１及び前記第２発電機軸受が設けられる位置と前記油圧シュリンクフィットに当接する位置との間の部分が、前記油圧シュリンクフィットの締結によって発生するひずみを吸収するように構成されている
    　風力発電装置。
  10. 　請求の範囲４に記載の風力発電装置の組立方法であって、
    　前記第１ステータプレートに設けられた前記開口に、仮設保護筒を、前記油圧シュリンクフィットのポートが前記仮設保護筒の内部に位置するように挿入する工程と、
    　前記仮設保護筒の内部で油圧配管を前記ポートに接続するステップと、
    　前記油圧配管を介して前記作動流体を前記油圧シュリンクフィットに供給して前記油圧シュリンクフィットで前記スリーブを前記主軸に締め付けるステップ
    とを備える
    　組立方法。
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