WO2015064457A1

WO2015064457A1 - 継手構造及び風力発電装置

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Publication number: WO2015064457A1
Application number: PCT/JP2014/078166
Authority: WO
Inventors: 藤原　英樹
Original assignee: 株式会社ジェイテクト
Priority date: 2013-10-28
Filing date: 2014-10-23
Publication date: 2015-05-07
Also published as: JP6237116B2; US20160265515A1; EP3064771A1; DK3064771T3; CN105683565B; JP2015086709A; EP3064771A4; ES2701850T3; US10495066B2; EP3064771B1; CN105683565A

Abstract

　継手構造は、増速機の出力軸と一体回転する出力側伝動軸と、発電機の入力軸と一体回転する入力側伝動軸と、固定ハウジングと、軸受と、固定ハウジングに内装された一方向クラッチと、を有する。一方向クラッチは、出力軸の回転速度が入力軸の回転速度を上回る状態で出力側伝動軸と入力側伝動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側伝動軸と入力側伝動軸との接続を解除する。

Description

継手構造及び風力発電装置

　本発明の一態様は、風力発電装置に用いられる継手構造、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装置を介して連結された入力軸を有している発電機、これらが装備されるナセル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させて発電機を駆動させ、これにより、発電が行われる。

　このような風力発電装置の増速機では、高速で回転する出力軸を回転自在に支持するころ軸受が設けられているが、ころ軸受は、ころの転動面や内輪や外輪等の回転輪の軌道面に発生したスメアリング（表層焼付きが起こる現象）によって寿命が低下するという問題があった。そこで、本願発明者は、スメアリングの発生メカニズムについて鋭意研究を重ね、このスメアリングの発生を抑制するためには、増速機の出力軸と発電機の入力軸との間の継手装置に、一方向クラッチを設けることが有効であると見出し、これに関する発明を既に提案している（特許文献１参照）。

日本国特開２０１３－７６３９５号公報

　ところで、背景技術においては、出力軸は片持ちはりのようになって、増速機の本体から突出し、入力軸も片持ちはりのようになって、発電機の本体から突出しており、そして、これら軸の間の継手装置に一方向クラッチが設けられた構成である。このような構成であることにあわせて、継手装置の重量が大きくなることから、継手装置及び一方向クラッチにおけるストレスや機械的な負荷が増加する。例えば、継手装置が一方向クラッチの部分で大きく撓んで、一方向クラッチ等に機械的な大きな負荷が掛り、一方向クラッチ等の作動にスムーズさが欠ける問題があった。

　そこで、本発明の一態様は、一方向クラッチ等に機械的な大きな負荷が掛らないようにし、一方向クラッチ等がスムーズに作動する、風力発電装置に用いられる継手構造、及び風力発電装置を提供することを目的とする。

　本発明の第一の態様は、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継手構造であって、前記出力軸と一体回転する出力側伝動軸と、前記入力軸と一体回転する入力側伝動軸と、前記増速機や前記発電機が設置される機械室の構造物に固定されている固定ハウジングと、前記固定ハウジング内に挿入された前記出力側伝動軸と前記入力側伝動軸を、前記固定ハウジングにより支持するための軸受と、前記固定ハウジングに内装され、前記出力側伝動軸と前記入力側伝動軸とを一体回転可能に接続したり、この接続を解除したりする一方向クラッチと、を有し、前記一方向クラッチは、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出力側伝動軸と前記入力側伝動軸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出力側伝動軸と前記入力側伝動軸との接続を解除する、継手構造を含む。

　本発明の第一の態様によれば、一方向クラッチの荷重を、風力発電装置の機械室の構造物に固定されている固定ハウジングにより、軸受を介して、十分に支えることができる。それ故、継手構造が一方向クラッチの部分で大きく撓んで、一方向クラッチ等に機械的な大きな負荷が掛ることがなく、一方向クラッチ等をスムーズに作動させることができる。

　本発明の第二の態様は、上記第一の態様の継手構造であって、前記出力側伝動軸と前記入力側伝動軸とが同心上に配設され、前記出力側伝動軸と前記入力側伝動軸とは、それぞれ、出力側伝動軸用軸受と入力側伝動軸用軸受を介して、前記固定ハウジングにより、別箇に支持される、継手構造を含む。

　本発明の第三の態様は、上記第一又は第二の態様の継手構造であって、前記一方向クラッチは、前記出力側伝動軸と前記入力側伝動軸の一方と一体回転する内輪部と、前記出力側伝動軸と前記入力側伝動軸の他方に固定される外輪と、前記内輪部と前記外輪間に配設される係合子と、を有し、前記外輪は、前記他方の軸から径方向外方に延びる径方向延在部と、前記径方向延在部における、径方向外方側の端部から軸方向に延びて前記内輪部と径方向で互いに対向する軸方向延在部と、を有する、継手構造を含む。

　本発明の第四の態様は、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軸から出力する増速機と、前記出力軸の回転を入力として回転する入力軸を有すると共に当該入力軸との回転に伴って発電する前記発電機と、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可能とするための上記第一ないし第三のいずれかの態様の継手構造と、を備えている、風力発電装置を含む。

　本発明の一態様によれば、一方向クラッチの荷重を、風力発電装置の機械室の構造物に固定されている固定ハウジングにより、軸受を介して、十分に支えることができる。それ故、継手装置が一方向クラッチの部分で大きく撓んで、一方向クラッチ等に機械的な大きな負荷が掛ることを防止でき、一方向クラッチ等をスムーズに作動させることが可能となる。

図１は、本発明の実施形態に係る継手装置を備えている風力発電装置の概略側面図である。図２は、増速機及び発電機を示す概略側面図である。図３は、増速機が有するころ軸受を示す断面図である。図４は、継手装置を示す半断面図である。図５は、図４におけるＡ矢視断面図である。図６は、一方向クラッチの要部を拡大して示す断面図である。図７は、一方向クラッチの保持器を示す斜視図である。図８（ａ）及び８（ｂ）は、一方向クラッチの作用を説明する説明図である。図９は、負荷トルクと伝達トルクとの関係を説明するグラフである。

　以下、本発明の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、本発明の実施形態に係る継手構造を備えている風力発電装置１の概略側面図である。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に本発明の実施形態に係る継手構造は用いられる。
　この構成をさらに説明すると、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と、これらを収容するケーシング１８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。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が駆動す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。

　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。

　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。

　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段階に増速されて、出力軸３５の出力端部３５ｃから回転として出力される。すなわち、風力による主軸２の回転は増速機３により３段階に増速されて、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。

　図３は、増速機３が有しているころ軸受３８を示す断面図である。ころ軸受３８は、円筒ころ軸受からなり、出力軸３５に外嵌固定された内輪３８ａと、増速機３のハウジング１４に固定された外輪３８ｂと、内輪３８ａと外輪３８ｂとの間に転動可能に配置された複数の円筒ころ３８ｃと、各円筒ころ３８ｃ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３８ｄとを備えている。内輪３８ａ、外輪３８ｂ、円筒ころ３８ｃは例えば軸受鋼によって形成されており、保持器３８ｄは例えば銅合金によって形成されている。

　内輪３８ａは、その外周の軸方向中央部に内輪軌道面３８ａ１が形成されている。外輪３８ｂは、内輪３８ａと同心上に配置されており、その内周の軸方向中央部に外輪軌道面３８ｂ１が形成されている。外輪軌道面３８ｂ１は、内輪軌道面３８ａ１に対向して配置されている。また、外輪３８ｂは、軸方向両側に形成された一対の外輪鍔部３８ｂ２を有している。外輪鍔部３８ｂ２は、外輪３８ｂの内周の軸方向両端部から径方向内側に向かって突出して形成されており、この外輪鍔部３８ｂ２に円筒ころ３８ｃの端面が摺接する。

　円筒ころ３８ｃは、内輪軌道面３８ａ１と外輪軌道面３８ｂ１との間に転動可能に配置されている。
　保持器３８ｄは、軸方向に離れて配置された一対の円環部３８ｄ１と、この円環部３８ｄ１の周方向に沿って等間隔おきに配置されて両円環部３８ｄ１同士を連結する複数の柱部３８ｄ２とを有している。一対の円環部３８ｄ１と隣接する柱部３８ｄ２との間にはポケット３８ｄ３が形成されており、このポケット３８ｄ３内に各円筒ころ３８ｃが配置されている。なお、大型の風力発電装置１においては、増速機３の出力軸３５を支持する転がり軸受には、大きな負荷が付与されるため、剛性が高く、かつ出力軸３５の熱による軸方向の伸縮を好適に吸収することができるころ軸受３８を用いるのが好ましい。ただし、転がり軸受として玉軸受や円錐ころ軸受を用いてもよい。

　図２において、風力発電装置１は、増速機３の出力軸３５と発電機４の入力軸４１との間に設けられ、これら出力軸３５と入力軸４１との間でトルク伝達可能とするための継手装置（継手構造、カップリング）９を備えている。そして、本実施形態では、継手装置９に一方向クラッチ７が備えられているが、継手装置９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４は、継手装置９を示す半断面図であり、図５は、図４におけるＡ矢視断面図である。
　図４及び図５において、継手装置９は、出力側伝動軸８０と、入力側伝動軸８１と、固定ハウジング８２と、出力側伝動軸用軸受９４と、入力側伝動軸用軸受９５と、一方向クラッチ７と、グリースニップル６４を有する。

　出力側伝動軸８０は、出力軸３５と同心上に配置され、その入力側端部にフランジ８３がキー８４等により固定され、このフランジ８３に、出力軸３５にキー８５等により固定されたフランジ８６がボルト・ナット（図示省略）により固定されている。
　入力側伝動軸８１は、入力軸４１及び出力側伝動軸８０と同心上に配置され、その出力側端部にフランジ８８がキー８９等により固定され、このフランジ８８に、入力軸４１にキー９０等により固定されたフランジ９１がボルト・ナット（図示省略）により固定されている。入力側伝動軸８１における、入力側端部と出力側伝動軸８０における、出力側端部間には、例えば、１０ｍｍ程度の隙間９２が軸方向に設けられている。この隙間９２により、継手装置９の組立（組付）誤差を吸収したり、温度上昇（変化）による出力側伝動軸８０や入力側伝動軸８１の伸び（伸縮）に対応するようにしている。　　

　固定ハウジング８２は、風力発電装置１の増速機３や発電機４が設置される機械室の構造物である、ナセル１３の床面にボルト・ナット（図示省略）等により設置、固定されている。固定ハウジング８２には、出力側伝動軸８０と入力側伝動軸８１が挿入され、これら各軸８０，８１が、軸方向に配設された出力側伝動軸用軸受９４と入力側伝動軸用軸受９５を介して、固定ハウジング８２により、別箇に支持されている。これら軸受９４，９５は、それぞれ、固定ハウジング８２における、各フランジ８３，８８側の端部に配設される。各軸受９４，９５としては、玉軸受やころ軸受が用いられる。

　一方向クラッチ７は、出力側伝動軸８０と入力側伝動軸８１との間であって、出力側伝動軸用軸受９４と入力側伝動軸用軸受９５間に位置している。一方向クラッチ７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とを備えている。内輪７１は、出力側伝動軸８０の出力側端部に圧入、ネジ、キー等により固定され、出力側伝動軸８０における、内輪７１と出力側伝動軸用軸受９４間には、ワッシャ（スペーサ）９６が嵌合されている。外輪７２は、入力側伝動軸８１の入力側端部にネジ、キー等により固定されている。なお、内輪７１を出力側伝動軸８０に固定する際や、外輪７２を入力側伝動軸８１に固定する際に、キー等を用いずに、上記部材にスプライン軸やスプライン孔等を形成して、内輪７１等を出力側伝動軸８０等に構造的に固定することもある。また、内輪７１を入力側伝動軸８１に備え、外輪７２を出力側伝動軸８０に備えることもある。外輪７２は、入力側伝動軸８１から径方向外方に延びる（突設された）円環状の径方向延在部（径方向突設部）９７と、この径方向延在部９７における、径方向外方側の端部から出力軸３５側の軸方向に延びて（突設されて）内輪７１と径方向で互いに対向する円筒状の軸方向延在部（軸方向突設部）９８を有する。軸方向延在部９８の先端部（出力軸３５側の端部）の内周面には、ころ７３の組付を容易にするための組付用テーパー９８ａが形成されている。尚、荷重の伝達、支持を考慮して、径方向延在部９７の肉厚は、軸方向延在部９８よりも大とされている。ころ７３は、本実施形態では、円柱形状に形成され、周方向に８個設けられている。　

　固定ハウジング８２には、その内部に配置された一方向クラッチ７、出力側伝動軸用軸受９４、及び入力側伝動軸用軸受９５を潤滑するためのグリース（潤滑剤）が充填される。固定ハウジング８２にはその外周面から内周面（前記密封空間）を径方向に貫通する給油孔６１ａが形成されており、この給油孔６１ａにグリースニップル（逆止弁付き給油口）６４が取り付けられている。給油孔６１ａは周方向の複数箇所、例えば、周方向等間隔で４箇所に設けられており、いずれかの給油孔６１ａからも密封空間内にグリースを供給することが可能となる。また、いずれかの給油孔６１ａからグリースを供給する際に、他の給油孔６１ａのグリースニップル６４を取り外すことで、当該他の給油孔６１ａから古いグリースを排出することができる。したがって、給油孔６１ａは、グリースの供給部としての機能だけでなく排出部としての機能をも有している。グリースは、基油にエステル、増ちょう剤にウレア系のもの等を用いた温度変化に影響を受けにくいものを用いることが好ましいが、これに限定されるものではない。図４では、グリースニップル６４は外輪７２の径方向外側に配置されているが、この位置に限定されるものではない。例えば、グリースニップル６４を、出力側伝動軸用軸受９４の外輪と外輪７２との間でかつワッシャ９６の径方向外側に配置してもよい。出力側伝動軸用軸受９４、及び入力側伝動軸用軸受９５の各軸方向外側端部、すなわち、出力側伝動軸用軸受９４のフランジ８３側の端部、及び入力側伝動軸用軸受９５のフランジ８８側端部には、それぞれ、シール部材（図示省略）が配置されている。

　上記のような継手装置によれば、一方向クラッチ７は、出力側伝動軸８０と入力側伝動軸８１とを一体回転可能に接続したり、この接続を解除したりするが、これら両軸８０，８１が、出力側伝動軸用軸受９４と入力側伝動軸用軸受９５を介して、ナセル１３の床上に設置した固定ハウジング８２により支持されているので、一方向クラッチ７の荷重をナセル１３により十分に支えることができる。それ故、継手装置９が一方向クラッチ７の部分で大きく撓んで、一方向クラッチ７等に機械的な大きな負荷が掛ることがなく、一方向クラッチ７等をスムーズに作動させることができる。

　一方向クラッチ７について、さらに説明すると、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を一方向に弾性的に付勢する複数の弾性部材（付勢部材）７５とをさらに備えている。
　図７は、一方向クラッチの保持器を示す斜視図である。図７において、保持器７４は、軸方向に対向する一対の円環部７６と、これら円環部７６とは別体であって、両円環部７６に軸方向両端部がそれぞれ嵌合される複数の柱部７７とを有している。両円環部７６と周方向に隣接する柱部７７とに囲まれた空間によってポケット７８が構成されており、各ポケット７８に各ころ７３が個別に収容されている（図５参照）。

　円環部７６は、炭素鋼やアルミ等の金属材料により形成され、例えば、外径が３００ｍｍ、軸方向の厚みが１５ｍｍに設定されている。円環部７６の内周には、円周方向に所定間隔をあけて複数の凹部７６ａが形成されている。
　柱部７７は、本体部７７ａと、本体部７７ａの周方向の一端面に突設された突起部７７ｂと、本体部７７ａの軸方向両端部にそれぞれ形成された一対の嵌合部７７ｃとを有している。そして、本体部７７ａ、突起部７７ｂ、及び嵌合部７７ｃは、合成樹脂材料を射出成形することにより一体成形されている。

　突起部７７ｂは、図５に示すように、ポケット７８内に収容された弾性部材７５を案内（位置決め）するものである。具体的には、突起部７７ｂは、先端に向かうに従って徐々に細くなるように形成されている。そして、弾性部材７５が、突起部７７ｂの先端側から遊嵌されるようになっている。なお、弾性部材７５は、軸方向に細長く形成された圧縮コイルバネからなっている。但し、弾性部材７５は、板バネ等の他の形式のバネであってもよい。

　図７に示すように、嵌合部７７ｃは、本体部７７ａよりも径方向の厚みが薄く形成されており、この嵌合部７７ｃを凹部７６ａに嵌合させた状態で円環部７６の外周面と本体部７７ａの外周面とがほぼ面一となるように嵌合部７７ｃの厚さが設定されている。

　以上のように保持器７４は、円環部７６と柱部７７とから構成され、これらは互いに別体で形成されているので、円環部７６及び柱部７７をそれぞれ個別に製作することができる。したがって、保持器７４の全体を一体に製作する場合に比べて、保持器７４を容易に製作することができる。特に、風力発電装置１に用いられる保持器７４は大型であり、全体を一体に製作することが困難であるので、円環部７６と柱部７７とを別体で構成することがより有益である。また、円環部７６を金属製とすることによって保持器７４の強度を十分に確保することができ、柱部７７を合成樹脂製とすることによって保持器７４全体の軽量化を図ることができる。

　図５に示すように、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は円筒面に形成されている。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箇所）形成されている。
　図６は、一方向クラッチの要部を拡大して示す断面図である。
　ころ７３は各くさび状空間Ｓに個別に配置されている。また、ころ７３は、弾性部材７５によってくさび状空間Ｓが狭くなる方向に付勢されている。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。

　以上のように構成された一方向クラッチ７では、出力側伝動軸８０が増速回転することにより、出力側伝動軸８０の回転速度が、入力側伝動軸８１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５の反時計回り方向；図６の矢印ａ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（図６の右方向）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（カム面７１ａ１；被噛み合い面）及び外輪７２の内周面（被噛み合い面）７２ａに圧接し、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ａに一体回転可能となり、出力側伝動軸８０と入力側伝動軸８１とを一体回転可能に接続することができる。

　また、出力側伝動軸８０、すなわち、出力軸３５が増速回転後に一定速回転となり、出力側伝動軸８０の回転速度が、入力側伝動軸８１、すなわち、入力軸４１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で保持される。このため、一方向クラッチ７は、内外輪７１，７２の前記一方向への一体回転を維持し、出力側伝動軸８０及び入力側伝動軸８１は一体回転し続ける。

　一方、出力側伝動軸８０が減速回転することにより、出力側伝動軸８０の回転速度が、入力側伝動軸８１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５の時計回り方向；図６の矢印ｂ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がくさび状空間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７３の噛み合いが解除されることで、出力側伝動軸８０と入力側伝動軸８１との接続が遮断される。
　なお、各くさび状空間Ｓを形成する外輪内周面７２ａは、周方向に連続する円筒面の一部（円弧面）によって構成されているが、周方向に連続しない円弧面、例えば、周方向に隣接するくさび状空間Ｓの外輪内周面７２ａの間に平坦面や変曲点が介在するような独立した円弧面であってもよい。

　出力側伝動軸８０に対して、一方向クラッチ７の内輪７１は、所定の締め代をもって締まり嵌めによって嵌合されている。したがって、出力側伝動軸８０に対する内輪７１の締め付け力によって両者が一体回転可能となる。また出力側伝動軸８０に対する内輪７１の締め付け力は、ころ７３と内外輪７１，７２との噛み合いによって増大するようになっている。以下、この作用について詳細に説明する。

　図６に示すように、内輪７１が外輪７２に対して図６の矢印ａ方向に相対回転しようとしたとき、カム面７１ａ１と外輪内周面７２ａとにころ７３が噛み込み、ころ７３は、図８（ａ）及び８（ｂ）に示すように、外輪内周面７２ａから荷重Ｆａ，Ｆｂを受け、内輪７１のカム面７１ａ１は、荷重Ｆａ，Ｆｂの分力である垂直成分荷重Ｆａ１，Ｆｂ１をころ７３から受ける。したがって、この垂直成分荷重Ｆａ１，Ｆｂ１によって出力側伝動軸８０に対する内輪７１の締め付け力は増大する。

　そのため、出力側伝動軸８０と内輪７１との嵌め合いによる締め付け力（以下、「初期の締め付け力」ともいう）によって出力側伝動軸８０から内輪７１に伝達可能なトルク（伝達トルク）Ｔ２は、風力発電装置１を作動させるための負荷トルク（発電機４のロータ４２を回すための発電トルクや慣性トルク）が最大となったときに、出力側伝動軸８０から内輪７１に伝達されるべき最大の伝達トルクＴ１ｍａｘよりも小さくすることができる。すなわち、Ｔ２とＴ１ｍａｘとを、
　Ｔ１ｍａｘ＞Ｔ２　　・・・（１）
　の関係に設定することができる。

　また、ころ７３と内外輪７１，７２との噛み合いによる締め付け力（以下、「追加の締め付け力」ともいう）によって出力側伝動軸８０から内輪７１に伝達可能な伝達トルクをＴ３としたとき、Ｔ２とＴ３とを加算した値が、風力発電装置１を作動させるために必要な最小限の伝達トルクＴ１よりも常に大きくなっている。すなわち、
　Ｔ１＜Ｔ２＋Ｔ３　　・・・（２）
　特に、負荷トルクが最大となったときの追加の締め付け力で、出力側伝動軸８０から内輪７１に伝達可能な伝達トルクＴ３ｍａｘは、以下の条件を満たしている。
　Ｔ１ｍａｘ＜Ｔ２＋Ｔ３ｍａｘ　　・・・（３）

　以上の負荷トルクと各伝達トルクＴ１～Ｔ３との関係は、図９にグラフで示す通りである。なお、上述の最大の負荷トルクとは、風力発電装置１の設計条件として想定した最大の負荷トルクのことをいい、風力発電装置１が故障したときや異常気象により想定を超える風速の急変動が生じたときなどに発生する過大な負荷トルクのことではない。
　上記（１）～（３）の関係が満たされることによって、出力側伝動軸８０と内輪７１との嵌め合いによる初期の締め付け力を可及的に小さくすることができ、両者の嵌め合いに必要な締め代を小さくし、当該嵌め合いによって内輪７１に生じる内部応力（特に円周方向の応力）を小さくすることができる。内輪７１の内部応力を小さくすることで内輪７１の耐久性を高め、一方向クラッチ７、ひいては継手装置９の寿命を高めることができる。なお、出力側伝動軸８０と内輪７１の間の締め代は、最小で１０μｍとすることができる。

　なお、一方向クラッチ７の内輪７１を省略し、出力側伝動軸８０に直接カム面を形成すれば、上記のような嵌め合いに伴う内輪７１の応力集中を抑制することができ、好適である。しかし、本実施形態のように風力発電装置１に用いられる一方向クラッチ７は大型であるため、入力側伝動軸８１に対して直接カム面を形成するのは困難であり、現実的ではない。したがって、上記（１）～（３）のように各伝達トルクＴ１～Ｔ３と負荷トルクとの関係を設定することが最も有効である。

　一方、負荷トルクの増大に伴って、ころ７３と内外輪７１，７２との噛み合いによる締め付け力が過度に大きくなると、内輪７１の負担が大きくなり、却って耐久性が低下してしまうおそれがある。そのため、本実施形態では、負荷トルクが大きくなるほど、負荷トルクの増分に対する、ころ７３から内輪７１（カム面７１ａ１）に付与される垂直成分荷重の増分を小さくし、内輪７１への負担を可及的に小さくできるようにしている。

　具体的には、図６に示すように、外輪内周面７２ａは、円弧面に形成されているため、くさび状空間Ｓが狭い領域ほど、くさび角は大きくなる。図８（ａ）は、くさび状空間Ｓが比較的広く、くさび角θａが小さい領域にころ７３が位置している状態を示し、図８（ｂ）は、くさび状空間Ｓが比較的狭く、くさび角θｂが大きい領域にころ７３が位置している状態を示している。

　また、ころ７３がくさび状空間Ｓの広い領域に位置するのは、ころ７３と内外輪７１，７２との噛み合いの初期、例えば非回転の状態からカットイン風速（発電のために最低必要な風速）に達して回転し始めるときや、カットイン風速で回転が一定となり安定しているとき等のように負荷トルクが小さい場合であり、また、ころ７３がくさび状空間Ｓの狭い領域に位置するのは、定格風速以上の風速となり定格出力に達したときなどの負荷トルクが大きい場合である。カットイン風速は、瞬間風速であってもよいし、所定時間の平均風速であってもよい。
　したがって、図８（ａ）及び８（ｂ）において、外輪内周面７２ａからころ７３に付与される荷重Ｆａ，Ｆｂは、
　Ｆａ＜Ｆｂ　　・・・（４）の関係がある。

　そして、図８（ｂ）において、外輪内周面７２ａからころ７３に付与される荷重Ｆｂに対する垂直成分荷重Ｆｂ１の割合（Ｆｂ／Ｆｂ１）は、図８（ａ）において、荷重Ｆａに対する垂直成分荷重Ｆａ１の割合（Ｆａ／Ｆａ１）よりも小さくなる。そのため、負荷トルクが増大したとしても、垂直成分荷重Ｆｂ１はそれほど大きくならず、内輪７１に対する負担を軽減することができる。

　ころ７３と内外輪７１，７２との噛み合いの初期の負荷トルクが作用したときのくさび角θａと、最大の負荷トルクが作用したときのくさび角θｂとは、
　１．０°＜θｂ－θａ＜１．５°　・・・（５）
　の関係に設定されている。
　くさび角θａは、４°～９°の範囲にあることが好ましく、くさび角θｂは、５．５°～１０°の範囲にあることが好ましい。くさび角θａが４°よりも小さいと、ころ７３からカム面７１ａ１に付与される垂直成分荷重Ｆａ１が必要以上に大きくなる可能性があり、くさび角θａが９°を超えると、他方のくさび角θｂが大きくなりすぎ、ころ７３と両周面との噛み合いが不十分となる可能性があるからである。また、くさび角θｂが、５．５°よりも小さいと、他方のくさび角θａが小さくなりすぎ、ころ７３からカム面７１ａ１に付与される垂直成分荷重Ｆａ１が必要以上に高まる可能性があり、くさび角θｂが１０°を超えると、ころ７３と内外輪７１，７２との噛み合いが不十分となる可能性があるからである。

　また、くさび角θａとθｂとの比は、
　１．１＜θｂ／θａ＜１．４　・・・（６）
　（より好ましくは、１．１１＜θｂ／θａ＜１．３８）
　に設定されている。
　くさび角θａ，θｂが以上のような関係に設定されることによって、ころ７３と内輪７１及び外輪７２との噛み合いの初期から負荷トルクが最大となるまでの間、出力側伝動軸８０と内輪７１とのトルク伝達を確実に行うことができるとともに内輪７１の負担も軽減することができる。

　上記（５）、（６）のような関係は、外輪７２の内径、ころ７３の外径やＰ．Ｃ．Ｄ、外輪内周面７２ａとカム面７１ａ１との間隔等を調整することによって設定することができる。また、一方向クラッチ７におけるころ７３の数は、４個～８個に設定することが好ましい。ころ７３の数が８個を超えると、外輪内周面７２ａから各ころ７３への荷重Ｆａ，Ｆｂが分散し、ころ７３からカム面７１ａ１への垂直成分荷重Ｆａ１，Ｆｂ１が小さくなり、出力側伝動軸８０に対する内輪７１の締め付け力を十分に得ることができなくなる可能性があるからである。また、ころ７３の数が４個より少ないと、出力側伝動軸８０に対する内輪７１の締め付け力が大きくなりすぎ、内輪７１への局所的な負担が大きくなるからである。

　本発明は、上記の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、前記実施形態では、一方向クラッチを径方向に対向するタイプとしたが、一方向クラッチをスラスト型としてもよい。また、風力発電装置は、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。

　本出願は、２０１３年１０月２８日出願の日本特許出願（特願２０１３－２２３２９７）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

　１：風力発電装置、２：主軸、３：増速機、４：発電機、７：一方向クラッチ、９：継手装置（継手構造）、１３：ナセル、３５：出力軸、４１：入力軸、７１：内輪、７２：外輪、７３：ころ（係合子）、８０：出力側伝動軸、８１：入力側伝動軸、８２：固定ハウジング、９４：出力側伝動軸用軸受、９５：入力側伝動軸用軸受、９７：径方向延在部、９８：軸方向延在部

Claims

　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継手構造であって、
　前記出力軸と一体回転する出力側伝動軸と、
　前記入力軸と一体回転する入力側伝動軸と、
　前記増速機や前記発電機が設置される機械室の構造物に固定されている固定ハウジングと、
　前記固定ハウジング内に挿入された前記出力側伝動軸と前記入力側伝動軸を、前記固定ハウジングにより支持するための軸受と、
　前記固定ハウジングに内装され、前記出力側伝動軸と前記入力側伝動軸とを一体回転可能に接続したり、この接続を解除したりする一方向クラッチと、
を有し、
　前記一方向クラッチは、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出力側伝動軸と前記入力側伝動軸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出力側伝動軸と前記入力側伝動軸との接続を解除する、
　継手構造。
　前記出力側伝動軸と前記入力側伝動軸とが同心上に配設され、
　前記出力側伝動軸と前記入力側伝動軸とは、それぞれ、出力側伝動軸用軸受と入力側伝動軸用軸受を介して、前記固定ハウジングにより、別箇に支持された、
　請求項１記載の継手構造。
　前記一方向クラッチは、
　　前記出力側伝動軸と前記入力側伝動軸との一方と一体回転する内輪部と、
　　前記出力側伝動軸と前記入力側伝動軸との他方に固定される外輪と、
　　前記内輪部と前記外輪間に配設される係合子と、
を有し、
　前記外輪は、
　　前記他方の軸から径方向外方に延びる径方向延在部と、
　　前記径方向延在部における、径方向外方側の端部から軸方向に延びて前記内輪部と径方向で互いに対向する軸方向延在部と、
を有する、
　請求項１または２に記載の継手構造。
　風力により回転する主軸と、
　前記主軸の回転を増速して前記出力軸から出力する前記増速機と、
　前記出力軸の回転を入力として回転する前記入力軸を有すると共に当該入力軸の回転に伴って発電する前記発電機と、
　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可能とするための請求項１～３の何れかに記載の継手構造と、
を備えている、
　風力発電装置。