JP4031747B2 - 風力発電用風車 - Google Patents

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Description

本発明は、風力発電用風車に関するものである。
風力発電用風車は、支柱上に設置されたナセルに、風車回転翼と、この風車回転翼が受けた風の力が主軸等を介して入力される増速機と、増速機の出力によって駆動される発電機とを設けたものである。このような風力発電用風車としては、後記の特許文献１，２，３に記載のものがある。
例えば、特許文献１には、風車回転翼が設けられるローターが、増速機のプラネタリーキャリアに直接装着されて、増速機によって支持された構造の風力発電用風車が記載されている。
また、特許文献２には、ローターのハブが、増速機のプラネタリーホルダーに直接装着されて、増速機によって支持された構造の風力発電用風車が記載されている。
そして、特許文献３には、ローターが増速機に組み込まれて、増速機によって支持された構造の風力発電用風車が記載されている。また、このローターには、増速機の環状ギアキャリア及び環状ギアが直接取り付けられており、ローター自体が増速機の一部を構成している。
欧州特許出願公開第０８１１７６４号明細書（第３欄，及び図１） 国際公開第０２／０７９６４４号パンフレット（第４欄、及び図２） 米国特許出願公開第２００２／００４９１０８号明細書（要約，及び図面）
しかし、これら従来の風力発電用風車には、以下のような問題があった。すなわち、風車回転翼及びローターが増速機に支持される構造であるため、増速機及び増速機を支持する増速機支持体には、ローターに加わる荷重、例えばラジアル荷重、スラスト荷重、曲げ荷重を受け止められるだけの強度が要求される。
増速機の大きさは、その増速比だけでなく、要求される強度によっても左右されるものである。すなわち、同じ増速比であっても、強度の高い増速機は、その分だけ大きくなる。このため、特許文献１，２，３に記載の風力発電用風車では、大型の増速機を用いる必要がある。
そして、このように大型の増速機は、重量も重いので、増速機単体、ナセル、及びナセルを支持する支柱に加わる荷重も大きくなる。このため、これらの部材にもより高い強度を持たせる必要があるが、この場合にはこれらの部材が大型化し、重量も増加してしまう。
このような理由から、従来の構成の風力発電用風車は、製造コストがかかる上、増速機やナセル、支柱等の各構成部材の運搬、据付作業も困難になってしまう。
さらに、このように大型の増速機を用いることで、ナセル内のスペースが狭くなるため、ナセルの構造の自由度、及びナセル内に設置される部品の配置の自由度が低くなり、設計に手間がかかってしまう。
また、このようにローターが増速機に支持されている構成では、メンテナンスのために増速機を分解する場合には、一旦ローターを増速機から取り外して地上に降ろす必要があるので、メンテナンス作業が煩雑になってしまう。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ナセル上に設置される部材の小型、軽量化が可能でかつメンテナンスが容易な風力発電用風車を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の風力発電用風車は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる風力発電用風車は、支柱上に設置されたナセルに、風車回転翼が取り付けられる主軸と、該主軸の回転を増速して出力する増速機と、該増速機の出力によって駆動される発電機とが設けられた風力発電用風車であって、前記主軸は、前記増速機の入力軸端に接続されていて、該入力軸端に対して前記主軸から回転トルクが伝達されるようになっており、前記主軸は、一基の複列テーパーころ軸受を介して前記ナセルに支持されており、前記複列テーパーころ軸受は、支持する前記主軸に加わるラジアル荷重、スラスト荷重、及び曲げ荷重を受ける構成とされ、前記主軸と前記増速機の前記入力軸とは、カップリングを介して接続されていることを特徴とする。
本発明にかかる風力発電用風車では、ナセルに設けられる一基の複列テーパーころ軸受によって、主軸を支持している。複列テーパーころ軸受は、単体で、支持する軸に加わるラジアル荷重、スラスト荷重、及び曲げ荷重を受けることができるものである。すなわち、主軸に加わるラジアル荷重、スラスト荷重、及び曲げ荷重は、すべてこの一基の複列テーパーころ軸受によって受けられる。
このように、本発明にかかる風力発電用風車では、一基の複列テーパーころ軸受によって主軸を支持しているので、主軸の支持構造がコンパクトになる。
また、このように主軸に加わるラジアル荷重、スラスト荷重、及び曲げ荷重は、複列テーパーころ軸受によって受けられるので、増速機に要求される強度が小さくて済む。
増速機の大きさは、その増速比だけでなく、要求される強度によっても左右されるものである。本発明にかかる風力発電用風車では、このように増速機に要求される強度が小さくて済むので、増速機として、従来の風力発電用風車に用いていたものよりも小型、軽量のものを用いることができる。
また、主軸は増速機の入力軸に接続されるものであって、主軸と増速機とが分離可能であるので、増速機のメンテナンスを行う場合には、増速機を主軸と分離して、増速機のみをメンテナンスすることができる。同様に、主軸のメンテナンスを行う場合には、主軸を増速機と分離して、主軸のみをメンテナンスすることができる。
本発明にかかる風力発電用風車では、支柱上に設置されたナセルに、風車回転翼が取り付けられる主軸と、該主軸の回転を増速して出力する増速機と、該増速機の出力によって駆動される発電機とが設けられた風力発電用風車であって、前記主軸は、前記増速機の入力軸端に接続されていて、該入力軸端に対して前記主軸から回転トルクが伝達されるようになっており、前記主軸は、ラジアル荷重を受けるころの列とスラスト荷重を受ける一対のころの列とを有する一基の三列ころ軸受を介して前記ナセルに支持されており、前記三列ころ軸受は、支持する前記主軸に加わるラジアル荷重、スラスト荷重、及び曲げ荷重を受ける構成とされ、前記主軸と前記増速機の前記入力軸とは、カップリングを介して接続されていることを特徴とする。
このように、本発明にかかる風力発電用風車では、ラジアル荷重を受けるころの列とスラスト荷重を受ける一対のころの列とを有する一基の三列ころ軸受によって主軸を支持しているので、主軸の支持構造がコンパクトになる。
また、このように主軸に加わるラジアル荷重、スラスト荷重、及び曲げ荷重は、各ころ軸受の列によって受けられるので、増速機及び増速機支持体に要求される強度が小さくて済む。
増速機の大きさは、その増速比だけでなく、要求される強度によっても左右されるものである。本発明にかかる風力発電用風車では、このように増速機に要求される強度が小さくて済むので、増速機として、従来の風力発電用風車に用いていたものよりも小型、軽量のものを用いることができる。
また、主軸は増速機の入力軸に接続されるものであって、主軸と増速機とが分離可能であるので、増速機のメンテナンスを行う場合には、増速機を主軸と分離して、増速機のみをメンテナンスすることができる。同様に、主軸のメンテナンスを行う場合には、主軸を増速機と分離して、主軸のみをメンテナンスすることができる。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の風力発電用風車であって、前記主軸は、軸線方向長さに対して外径が大きい円環状または円盤状をなしていることを特徴とする。
このように構成される風力発電用風車は、軸線方向長さに対して外径が大きく設定されている（外径と軸線方向長さとの比が大きく設定されている）。すなわち、従来の主軸に対して、その軸線方向長さが短縮されているのである。但し、主軸には、複列テーパーころ軸受を設置するスペースが確保されている。
これにより、主軸の軸線方向長さが抑えられて、主軸の重量が抑えられる。
また、風車回転翼が風を受けた際に主軸に加わる曲げモーメントが小さくなるので、主軸及び主軸の支持構造に要求される強度が小さくて済む。
そして、このように主軸及び主軸の支持構造に要求される強度が小さくなるので、主軸及び主軸の支持構造をより小型化することができる。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の風力発電用風車であって、前記主軸と前記増速機の入力軸とは、カップリングを介して接続されていることを特徴とする。
このように構成される風力発電用風車では、主軸と増速機の入力軸とが、カップリングを介して接続されているので、主軸と入力軸とのアライメント調整等の熟練を要する調整作業が不要となり、組み立てやメンテナンスが容易となる。
また、カップリングによっても、主軸から増速機へのラジアル荷重、スラスト荷重、及び曲げ荷重の伝達が防止されるので、増速機に要求される強度がさらに小さくて済む。
ここで、本発明では、カップリングとして、ギアカップリング、ディスクカップリング、ブッシュによる接続構造、ピンによる接続構造の他、任意のカップリングを用いることができる。
本発明にかかる風力発電用風車では、主軸の支持構造、増速機、といったナセル上に設置される部材を小型、軽量にすることができるので、ナセルを小型、軽量にすることができる。また、このようにナセル及びナセル上に設置される部材を小型、軽量にすることができるので、ナセル及び各部材の搬送、据付が容易となる。また、これら部材を支持する支柱に加わる負担も少なくなり、支柱の構造も簡略化することができる。
また、主軸と増速機とが構造的に分離されているので、これらを独立してメンテナンスすることが可能となり、メンテナンス性が向上する。
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第一実施形態］
以下、本発明の第一実施形態について、図１から図３を用いて説明する。
本実施形態にかかる風力発電用風車１は、図１に示すように、基礎B上に立設される支柱２と、支柱２の上端に設置されるナセル３と、略水平な軸線周りに回転可能にしてナセル３に設けられるローターヘッド４とを有している。
ローターヘッド４には、その回転軸線周りに放射状にして複数枚の風車回転翼５が取り付けられている。これにより、ローターヘッド４の回転軸線方向から風車回転翼５に当たった風の力が、ローターヘッド４を回転軸線周りに回転させる動力に変換されるようになっている。
支柱２は、例えば複数のユニットを上下に連結した構成とされている。ナセル３は、支柱２を構成するユニットのうち、最上部に設けられるユニット上に設置されている。
ナセル３は、支柱２の上端に取り付けられるナセル台板６（図２参照）と、このナセル台板６を上方から覆うカバー７（図１参照）とを有している。
ここで、ナセル台板６は、支柱２に対して水平面上での回転を可能にして設けられており、ナセル３は、図示せぬ駆動装置によってナセル台板６を駆動されることによって、水平面上での向きを変えることができるようになっている。
ナセル台板６は、図２に示すように、支柱２の上端に略水平にして取り付けられる床部６ａと、床部６ａを上方から覆う殻体６ｂとを有している。
殻体６ｂは、床部６ａとの接続部から上方に立ち上げられる壁部Ｗ１と、この壁部Ｗ１と床部６ａの周縁部同士を接続するドーム部Ｗ２とを有している。
また、壁部Ｗ１には、第一開口部Ｈ１が形成されており、ドーム部Ｗ２において第一開口部Ｈ１に対向する位置には、第二開口部Ｈ２が設けられている。そして、これら第一、第二開口部Ｈ１，Ｈ２を通じて、ナセル台板６の内外に設けられる部材同士が接続されるようになっている。
ナセル台板６には、図２に示すように、主軸１１と、主軸１１の回転を増速して出力する増速機１２と、増速機１２の出力によって駆動される発電機１３とが設けられている。
増速機１２は、ナセル台板６内に設置されており、発電機１３は、ナセル台板６外の、ドーム部Ｗ２の第二開口部Ｈ２と対向する位置に配置されている。これら増速機１２及び発電機１３は、それぞれ図示せぬステー等によってナセル台板６に固定されている。
増速機１２は、入力軸１２ａが、第一開口部Ｈ１を通じて、主軸１１に対する軸線周りの相対回転を規制して接続されており、主軸１１から入力軸１２ａに入力された回転を、発電機１３の発電に適した回転速度に増速して、出力軸１２ｂに出力するものである。
本実施形態にかかる増速機１２は、一段もしくは複数段の増速を行うものであって、例えば、入力軸１２ａと出力軸１２ｂとの間には、遊星歯車装置を用いた遊星段と、平歯車を用いた平行段とがそれぞれ一段もしくは複数段直列にして設けられている。そして、これら遊星段、平行段によって、入力軸１２ａに入力された回転がそれぞれ増速されて、最終的に適切な回転速度として出力軸１２ｂに出力されるようになっている。
また、発電機１３の発電機軸（図示せず）は、第二開口部Ｈ２を通じて、増速機１２の出力軸１２ｂに対する軸線周りの相対回転を規制して接続されており、出力軸１２ｂが回転することで、発電機１３が駆動されて、発電が行われるようになっている。
ここで、発電機１３としては、誘導型、巻線型、２次抵抗制御巻線誘導型（以下RCC、ローターカレントコントロール型）、２次励磁制御巻線誘導型（以下D.F、静止セルビウス式）、同期型、永久磁石方式、誘導多極式等、任意の方式の発電機１３を用いることができる。
主軸１１は、ナセル台板６外の、壁部Ｗ１の第一開口部Ｈ１と対向する位置に配置されている。主軸１１は、その軸線方向の一端を第一開口部Ｈ１に向けて設けられており、主軸１１と壁部Ｗ１との間には、複列テーパーころ軸受１６が介装されている。主軸１１は、増速機１２の入力軸１２ａの先端に対して、複列テーパーころ軸受１６を介して接続されている。
また、主軸１１の軸線方向の他端には、ローターヘッド４が、主軸１１に対する回転軸線周りの相対的な回転を規制して設けられている。これにより、ローターヘッド４と主軸１１とは、一体的に軸線周りに回転するようになっている。
複列テーパーころ軸受１６は、主軸１１の軸線方向の一端と壁部Ｗ１との間に、主軸１１と同軸にして設けられており、主軸１１をその軸線周りの回転を可能にして支持している。すなわち、主軸１１は、複列テーパーころ軸受１６を介して壁部Ｗ１に支持されている。
また、複列テーパーころ軸受１６と増速機１２の入力軸１２ａとの間には、カップリング１７が設けられている（図３参照）。すなわち、主軸１１は、入力軸１２ａに対して、複列テーパーころ軸受１６及びカップリング１７を介して接続されている。ここで、本実施の形態では、カップリング１７として、ギアカップリングを用いている。
以下、主軸１１の構造、主軸１１の支持構造、及び主軸１１と増速機１２との接続構造について、図２及び図３を用いて詳細に説明する。
図２に示すように、主軸１１は、短軸とされており、具体的には軸線方向長さＬ１に対して外径Ｄ１が大きい略円環状をなしている（略円盤状であってもよい）。また、主軸１１の軸線方向の端部において、ローターヘッド４が装着される一端には、第一フランジ１１ａが設けられている。この第一フランジ１１ａには、ローターヘッド４がボルト止め等によって装着されている。
また、主軸１１の軸線方向の他端には、第二フランジ１１ｂが設けられている。この第二フランジ１１ｂには、複列テーパーころ軸受１６がボルト止め等によって接続されている。
図２及び図３に示すように、複列テーパーころ軸受１６は、壁部Ｗ１に対してボルト止め等によって接続される外輪１６ａと、外輪１６ａの径方向内側に同軸にして設けられて主軸１１がボルト止め等によって接続される内輪１６ｂとを有している。
図３に示すように、これら外輪１６ａ、内輪１６ｂとの間には、周方向に沿って複数の転動体が設けられている。転動体としては、テーパーころ(円錐ころ)Ｒが用いられている。以下、複列テーパーころ軸受１６において、軸線方向の同一位置で周方向に配置されるテーパーころを、まとめてテーパーころの列と呼ぶ。このテーパーころＲの列は、軸線方向に沿って複数列配置されている(本実施形態ではテーパーころＲの列を二列設けた例を示している)。
さらに具体的な構成について説明すると、外輪１６ａの内周面には、軸線に対して傾斜する外輪傾斜面Ｃ１が、全周にわたって設けられている。この外輪傾斜面Ｃ１は、軸線方向に沿って二つ設けられており、各外輪傾斜面Ｃ１は、それぞれ軸線に対する傾斜方向が反対向きとされている。
本実施形態では、主軸１１側の外輪傾斜面Ｃ１は、主軸１１側が径方向外側に位置し、増速機１２側が径方向内側に位置する傾斜面とされている。また、増速機１２側の外輪傾斜面Ｃ１は、主軸１１側が径方向内側に位置し、増速機１２側が径方向外側に位置する傾斜面とされている。すなわち、外輪１６ａの内周面は、断面視山形をなしている。
また、内輪１６ｂの外周面において、各外輪傾斜面Ｃ１に対向する位置には、それぞれ内輪傾斜面Ｃ２が設けられている。各内輪傾斜面Ｃ２の傾斜方向は、対向する外輪傾斜面Ｃ１の傾斜方向と同一の向きとされており、各内輪傾斜面Ｃ２の軸線に対する傾斜角度は、対向する外輪傾斜面Ｃ１よりもわずかに緩く設定されている。
本実施形態では、主軸１１側の内輪傾斜面Ｃ２は、主軸１１側が径方向外側に位置し、増速機１２側が径方向内側に位置する傾斜面とされている。また、増速機１２側の内輪傾斜面Ｃ２は、主軸１１側が径方向内側に位置し、増速機１２側が径方向外側に位置する傾斜面とされている。すなわち、内輪１６ｂの外周面は、断面視谷形をなしている。
テーパーころＲは、これら外輪傾斜面Ｃ１と内輪傾斜面Ｃ２の各対の間に、それぞれ周方向に沿って複数設けられており、これらテーパーころＲの列は、主軸１１側に設けられる列と、増速機１２側に設けられる列との計二列配置されている。
各列のテーパーころＲは、複列テーパーころ軸受１６の軸線に対して、対向する外輪傾斜面Ｃ１、内輪傾斜面Ｃ２と同一方向に軸線を傾斜させて設けられている。
具体的には、各列のテーパーころＲは、それぞれ小径側が径方向内側に位置し、大径側が径方向外側に位置するようにして設けられている。そして、主軸１１側のテーパーころＲの列では、テーパーころＲは、大径側を主軸１１側に向けられ、小径側を増速機１２側に向けられて設置されている。また、増速機１２側のテーパーころＲの列では、テーパーころＲは、大径側を増速機１２側に向けられ、小径側を主軸１１側に向けられて設置されている。
前記カップリング１７は、図２及び図３に示すように、複列テーパーころ軸受１６の内輪１６ｂと、複列テーパーころ軸受１６と入力軸１２ａとの間に入力軸１２ａと略同軸にして介装される略円筒形状の内筒１８と、入力軸１２ａとによって構成されている。ここで、入力軸１２ａの先端部は円筒状に形成されており、この内部に内筒１８の軸線方向の一端が挿入されている。そして、増速機１２を発電機１３側に移動させることで、入力軸１２ａから内筒１８を引き出して、入力軸１２ａと内筒１８との係合を解除することができるようになっている。
図３に示すように、内輪１６ｂの内周面には、第一内歯車２１が設けられており、内筒１８において内輪１６ｂの内周面に対向する領域には、第一内歯車２１に噛み合う第一外歯車２２が設けられている。
内筒１８において入力軸１２ａに挿入される領域には、第二外歯車２３が設けられており、入力軸１２ａの先端部内面には、第二外歯車２３と噛み合う第二内歯車２４が設けられている。
第二内歯車２４は、第一内歯車２１よりも小径とされており、これによって、内輪１６ｂと入力軸１２ａとの間でトルク伝達が行われるようになっている。
以下、このように構成される風力発電用風車１の動作について説明する。
風力発電用風車１においては、ローターヘッド４の回転軸線方向から風車回転翼５に当たった風の力が、ローターヘッド４を回転軸線周りに回転させる動力に変換される。
このローターヘッド４の回転は、主軸１１に伝達されて、主軸１１から、複列テーパーころ軸受１６の内輪１６ｂ、カップリング１７の内筒１８を通じて、増速機１２の入力軸１２ａに伝達される。そして、この回転は、増速機１２によって増速されて、出力軸１２ｂを通じて発電機１３に入力され、発電機１３による発電が行われる。
ここで、少なくとも発電を行っている間は、風の力を風車回転翼４に効果的に作用させることができるよう、適宜ナセル３を水平面上で回転させて、ローターヘッド４を風上に向ける。
このように風車回転翼５に風が当たると、主軸１１には、回転トルク以外にも、ラジアル荷重、スラスト荷重、及び曲げ荷重が加わる。
しかし、本実施形態にかかる風力発電用風車１では、このように主軸１１に加わった荷重は、主軸１１を支持する複列テーパーころ軸受１６によって受けられ、増速機１２の入力軸１２ａには、回転トルク以外の荷重がほとんど伝達されないようになっている。
以下、複列テーパーころ軸受１６の作用について具体的に説明する。
複列テーパーころ軸受１６において、内輪１６ｂの径方向外側には、テーパーころＲの列が設けられている。このテーパーころＲの列の、さらに径方向外側には、外輪１６ａが設けられており、この外輪１６ａは、ナセル台板６の壁部Ｗ１に支持されている。
すなわち、内輪１６ｂは、壁部Ｗ１によって径方向の支持が行われているので、主軸１１にラジアル荷重が加わっても、主軸１１の径方向への変位が最小限に抑えられる。このように、主軸１１にラジアル荷重が加わっても、このラジアル荷重が複列テーパーころ軸受１６によって受けられるので、増速機１２の入力軸１２ａには、ラジアル荷重はほとんど伝達されない。
そして、複列テーパーころ軸受１６では、テーパーころＲの列が、軸線方向に沿って二列設けられている。すなわち、内輪１６ｂは、軸線方向の二箇所で支持されているので、主軸１１に曲げ荷重が加わっても、主軸１１の傾きが最小限に抑えられる。このように、主軸１１に曲げ荷重が加わっても、この曲げ荷重が複列テーパーころ軸受１６によって受けられるので、増速機１２の入力軸１２ａには、ほとんど曲げ荷重が伝達されない。
一方、複列テーパーころ軸受１６において、外輪１６ａの内周面には、軸線に対して傾斜する外輪傾斜面Ｃ１が、軸線方向に沿って二つ設けられており、内輪１６ｂには、各外輪傾斜面Ｃ１に対向させて、内輪傾斜面Ｃ２が設けられている。
そして、これら外輪傾斜面Ｃ１と内輪傾斜面Ｃ２の対は、それぞれ軸線に対する傾斜方向が反対向きとされている。
このため、主軸１１にスラスト荷重が加わった場合には、スラスト荷重の加わる向きが軸線方向のいずれの向きであっても、これら外輪傾斜面Ｃ１と内輪傾斜面Ｃ２の対のうち、いずれか一方の対で、内輪傾斜面Ｃ２が、テーパーころＲ越しに外輪傾斜面Ｃ１に受けられる。
すなわち、内輪１６ｂは、外輪１６ａ及びテーパーころＲによって、軸線方向からも支持されていて、主軸１１にスラスト荷重が加わっても、このスラスト荷重が複列テーパーころ軸受１６によって受けられるので、増速機１２の入力軸１２ａには、スラスト荷重はほとんど伝達されない。
このように、本実施形態にかかる風力発電用風車１では、一基の複列テーパーころ軸受１６によって主軸１１を支持しているので、主軸１１の支持構造がコンパクトになる。
また、このように主軸１１に加わるラジアル荷重、スラスト荷重、及び曲げ荷重は、複列テーパーころ軸受１６によって受けられるので、増速機１２及び増速機支持体に要求される強度が小さくて済む。
そして、このように増速機１２に要求される強度が小さくて済むので、増速機１２として、従来の風力発電用風車に用いていたものよりも小型、軽量のものを用いることができる。
また、主軸１１は、軸線方向長さＬ１に対して外径Ｄ１が大きい円環状をなしている。すなわち、主軸１１の長さＬ（軸線方向の寸法）が従来の主軸よりも短く設定されている。
これにより、主軸１１の重量が抑えられ、また風車回転翼５が風を受けた際に主軸１１に加わる曲げモーメントが小さくなるので、主軸１１及び主軸１１の支持構造に要求される強度が小さくて済む。
そして、このように主軸１１及び主軸１１の支持構造に要求される強度が小さくなるので、主軸１１及び主軸１１の支持構造をより小型化することができる。
このように、本実施形態にかかる風力発電用風車１では、主軸１１の支持構造、増速機１２、増速機の支持体、といったナセル３上に設置される部材を小型、軽量にすることができるので、ナセル３を小型、軽量にすることができる。また、このようにナセル３及びナセル３上に設置される部材を小型、軽量にすることができるので、ナセル３及び各部材の搬送、据付が容易となる。また、これら部材を支持する支柱２に加わる負担も少なくなり、支柱２の構造も簡略化することができる。
さらに、風力発電用風車１は、主軸１１と増速機１２とが構造的に分離されている。このため、主軸１１と増速機１２とをそれぞれ独立してメンテナンスすることが可能であり、メンテナンス性が高い。
例えば、増速機１２のメンテナンスを行う場合には、増速機１２を主軸１１と分離して、主軸１１をナセル３から取り外すことなく、増速機１２のみをメンテナンスすることができる。また、主軸１１のメンテナンスを行う場合には、主軸１１を増速機１２と分離して、主軸１１のみをメンテナンスすることができる。
また、主軸１１と増速機１２の入力軸１２ａとが、カップリングを介して接続されているので、主軸１１と入力軸１２ａとのアライメント調整等の熟練を要する調整作業が不要となり、組み立てやメンテナンスが容易となる。
そして、カップリング１７によっても、主軸１１から増速機１２へのラジアル荷重、スラスト荷重、及び曲げ荷重の伝達が防止されるので、増速機１２及び増速機支持体に要求される強度がさらに小さくて済む。
さらに、本実施の形態では、主軸１１と増速機１２とは、ギアカップリングであるカップリング１７を介して接続されている。そして、増速機１２を主軸１１から離間する向きに引き出すことで、カップリング１７を分離させて、主軸１１と増速機１２とを容易に分離することが可能である。このように、本実施形態にかかる風力発電用風車１では、主軸１１と増速機１２とが容易に分離可能であるので、メンテナンス性が高い。
ここで、本実施形態では、カップリングとして、ギアカップリングを用いた例を示したが、これに限られることなく、ディスクカップリング、ブッシュによる接続構造、ピンによる接続構造の他、任意のカップリングを用いることができる。
［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について、図４を用いて説明する。
本実施の形態にかかる風力発電用風車３１は、図４に示すように、第一実施形態に示した風力発電用風車１において、一部構成を変更したものである。
以下、風力発電用風車３１において、風力発電用風車１と同一または同様の構成については同じ符号を用いて示し、すでに説明した構成については、詳細な説明を省略する。
本実施形態にかかる風力発電用風車３１は、風力発電用風車１において、主軸の形状、主軸の支持構造、及び増速機の構成を変更したことを主たる特徴とするものである。
風力発電用風車３１では、ローターヘッド４が接続される主軸として、短軸の主軸３２、具体的には、軸線方向長さＬ２に対して外径Ｄ２が大きい略円環状の主軸３２を用いている（略円盤状であってもよい）。
なお、ローターヘッド４と主軸３２とは、例えばボルト止め等の任意の接続構造によって接続される。
主軸３２は、その外周を複列テーパー軸受１６の内輪１６ｂに受けられており、複列テーパー軸受１６を介して、ナセル台板６に支持されている。
また、主軸３２の径方向内側には、カップリング３３を介して増速機３４の入力軸３４ａが接続されている。入力軸３４ａは、主軸３２に対して、同軸かつ主軸３２に対する軸線周りの相対回転を規制して接続されている。
カップリング３３としては、例えば、主軸３２の内周面に設けられる内歯車と、入力軸３４ａの外周面に設けられて内歯車と噛み合う外歯車とからなる、ギアカップリングが用いられる。ここで、カップリング３３は、ギアカップリングに限定されるものではなく、ディスクカップリング、ブッシュによる接続構造、ピンによる接続構造の他、任意のカップリングを用いることができる。
増速機３４は、主軸３２から入力軸３４ａに入力された回転を、適切な回転速度に増速して出力軸３４ｂに出力するものであって、入力軸端及び出力軸端以外の部分は、ケース３４ｃ内に収容されている。
入力軸３４ａと出力軸３４ｂとの間には、遊星歯車装置を用いた遊星段３６と、遊星段３６と直列に接続された平歯車を用いた平行段３７とが設置されており、各段で増速を行うようになっている。本実施形態では、増速機３４は、遊星段３６を一段、平行段３７を二段有しており、入力軸３４ａから入力された回転を、三段階の増速で適切な回転速度まで増速するようになっている。
遊星段３６は、入力軸３４ａと平行段３７との間に設けられるものであって、いわゆるプラネタリ方式のものである。具体的には、平行段３７の入力軸３７ａに設けられる太陽歯車４１と、太陽歯車４１と同軸かつ軸線方向の位置を同一にして設けられるリング状の内歯車４２と、太陽歯車４１と内歯車４２との間に設けられて、これらと噛み合う一対の遊星歯車４３，４４とを有している。
内歯車４２は、図示せぬステー等によってケース３４ｃに固定的に設けられていて、ケース３４ｃに対する軸線周りの相対回転を規制されている。
一対の遊星歯車４３，４４は、太陽歯車４２を挟んで反対側に設けられており、各遊星歯車４３，４４の支持軸４３ａ，４４ａは、それぞれ入力軸３４ａに支持されている。
入力軸３４ａは、主軸３２と同軸にして設けられるものであって、主軸３２の径方向内側に挿入される円盤部４６（円環部であってもよい）と、円盤部４６から遊星歯車４３，４４側に突出して設けられて、遊星歯車４３，４４の支持軸４３ａ，４４ａを、軸線周りの回転を許容しつつ支持する軸受部４７とを有している。
このように構成される風力発電用風車３１では、主軸３２が風力によって軸線周りに回転駆動されると、カップリング３３によって主軸３２と接続される増速機３４の入力軸３４ａも、主軸３２と一体となって軸線周りに回転される。
すると、入力軸３４ａの軸受部４７に保持される遊星歯車４３，４４が、入力軸３４ａの軸線周りに回転する（公転する）。
遊星歯車４３，４４は、固定的に設けられる内歯車４２と噛み合っており、入力軸３４ａの軸線周りに回転駆動されることで、それぞれ支持軸４３ａ，４４ａ周りに回転する（自転する）。
このように遊星歯車４３，４４がそれぞれ自転することで、遊星歯車４３，４４に噛み合う太陽歯車４１が、平行段３７の入力軸３７ａとともに軸線周りに回転駆動される。
このようにして、遊星段３６は、主軸３２の回転を一段増速して平行段３７に伝達する。平行段３７は、入力軸３７ａに入力された回転を、さらに二段増速して、出力軸３４ｂに出力する。そして、出力軸３４ｂの回転は、発電機１３に入力されて、発電機１３による発電に供される。
このように構成される風力発電用風車３１において、増速機３４とは構成が異なる他の増速機を採用してもよい。
以下に、本実施形態にかかる風力発電用風車の増速機の他の構成例について、図５から図７を用いて説明する。
図５に示す増速機５１(第一例)は、図４に示す増速機３４において、遊星段３６の代わりに、いわゆるスター方式の遊星段５２を用いたものである。具体的には、遊星段５２は、遊星段３６において、遊星歯車４３，４４の支持軸４３ａ，４４ａを入力軸３４ａに支持させる代わりに、ケース３４ｃ（図５では図示せず）に接続されるステー５３によって支持した構成とされている。
ここで、支持軸４３ａ，４４ａは、太陽歯車４１回りの回転（公転）を規制して支持されており、遊星歯車４３，４４は、それぞれ自転可能にして支持されている。
また、遊星段５２では、入力軸３４ａと内歯車４２とを設ける代わりに、入力軸５１ａを用いている。入力軸５１ａは、主軸３２の径方向内側に同軸にして挿入される円柱部５６（円筒部であってもよい）と、円柱部５６の太陽歯車４１側に設けられて遊星歯車４３，４４と噛み合う内歯車５７とを有している。
ここで、円柱部５６もまた、主軸３２に対して、カップリング３３を介して接続されている。
このように構成される増速機５１では、主軸３２が風力によって軸線周りに回転駆動されると、カップリング３３によって主軸３２と接続される増速機５１の入力軸５１ａも、主軸３２と一体となって軸線周りに回転する。
すると、入力軸５１ａの内歯車５７に噛み合う遊星歯車４３，４４が、それぞれ自転する。
このように遊星歯車４３，４４がそれぞれ自転することで、遊星歯車４３，４４に噛み合う太陽歯車４１が、平行段３７の入力軸３７ａとともに軸線周りに回転駆動される。
このようにして、遊星段５２では、主軸３２の回転を一段増速して平行段３７に伝達する。
図６に示す増速機６１(第二例)は、図４に示す増速機３４において、遊星段３６の代わりに、いわゆる複合遊星方式の遊星段６２を用いたものである。具体的には、遊星段６２では、遊星段３６において内歯車４２と噛み合っていた太陽歯車４１を、内歯車４２よりも平行段３７側にずらして設けている。そして、遊星歯車４３，４４の代わりに、太陽歯車４１に噛み合う第一遊星歯車６３，６４と、これら第一遊星歯車６３，６４の入力軸３４ａ側に配置されてそれぞれ内歯車４２と噛み合う第二遊星歯車６６，６７とが設けられている。
第一遊星歯車６３と第二遊星歯車６６とは、入力軸３４ａに支持される支持軸６８によって同軸にしてかつ軸線周りの相対回転を規制して支持されている。同様に、第一遊星歯車６４と第二遊星歯車６７とは、入力軸３４ａに支持される支持軸６９によって同軸にしてかつ軸線周りの相対回転を規制して支持されている。
ここで、第一遊星歯車６３と第二遊星歯車６６とは、支持軸６８とともに軸線周りに回転可能とされている。同様に、第一遊星歯車６４と第二遊星歯車６７とは、支持軸６９とともに軸線周りに回転可能とされている。
この増速機６１では、入力軸３４ａが回転すると、入力軸３４ａに保持される第二遊星歯車６６，６７が公転する。第二遊星歯車６６，６７は、内歯車４２に噛み合っているので、このように公転することで、支持軸６８，６９とともに自転する。
このように第二遊星歯車６６，６７が自転すると、これら第二遊星歯車６６，６７と支持軸６８，６９を介して接続される第一遊星歯車６３，６４も自転することとなる。これにより、これら第一遊星歯車６３，６４に噛み合う太陽歯車４１が回転駆動され、後段の平行段３７に回転が入力される。
この増速機６１では、太陽歯車４１及び第一遊星歯車６３，６４が、内歯車４２よりも平行段３７側に位置しているので、これらの歯車の組の寸法を、内歯車４２の内径以内に収める必要がなくなる。
すなわち、この増速機６１では、第一遊星歯車６３，６４の径を、第二遊星歯車６６，６７よりも大径とすることができ、これら第一、第二遊星歯車の間で、一段の増速を行うことができる。
これにより、この増速機６１では、図４に示す増速機３４に比べて、より増速比を高めることができる。
図７に示す増速機７１(第三例)は、図５に示す増速機５１において、遊星段５２の代わりに、いわゆる複合遊星方式の遊星段７２を用いたものである。具体的には、遊星段７２では、遊星段５２において内歯車４２と噛み合っていた太陽歯車４１を、内歯車４２よりも平行段３７側にずらして設けている。そして、遊星歯車４３，４４の代わりに、太陽歯車４１に噛み合う第一遊星歯車７３，７４と、これら第一遊星歯車７３，７４の入力軸３４ａ側に配置されてそれぞれ内歯車４２と噛み合う第二遊星歯車７６，７７とが設けられている。
第一遊星歯車７３と第二遊星歯車７６とは、ステー８０を介して図示せぬケースに支持される支持軸７８に設けられており、これら第一遊星歯車７３と第二遊星歯車７６とは、支持軸７８によって同軸にしてかつ軸線周りの相対回転を規制して支持されている。同様に、第一遊星歯車７４と第二遊星歯車７７とは、ステー８０を介してケースに支持される支持軸７９に設けられており、これら第一遊星歯車７４と第二遊星歯車７７とは、支持軸７９によって同軸にしてかつ軸線周りの相対回転を規制して支持されている。
ここで、第一遊星歯車７３と第二遊星歯車７６とは、支持軸７８とともに軸線周りに回転可能とされている。同様に、第一遊星歯車７４と第二遊星歯車７７とは、支持軸７９とともに軸線周りに回転可能とされている。
この増速機７１では、入力軸５１ａが回転すると、入力軸５１ａの内歯車５７に噛み合う第二遊星歯車７６，７７が、それぞれ自転する。
このように第二遊星歯車７６，７７が自転すると、これらと支持軸７８，７９を介して接続される第一遊星歯車７３，７４も自転することとなる。これにより、第一遊星歯車７３，７４に噛み合う太陽歯車４１が回転駆動され、後段の平行段３７に回転が入力される。
この増速機７１においても、太陽歯車４１及び第一遊星歯車７３，７４が、内歯車４２よりも平行段３７側に位置しているので、これらの歯車の組の寸法を、内歯車４２の内径以内に収める必要がなくなる。
このため、第一遊星歯車７３，７４の径を、第二遊星歯車７６，７７よりも大径とすることができ、これら第一、第二遊星歯車の間で、一段の増速を行うことができる。
これにより、この増速機７１では、図５に示す増速機５１に比べて、より増速比を高めることができる。
なお、上記の増速機５１、６１，７１の構成は、第一実施形態で示した風力発電用風車１の増速機１２に適用してもよい。
ここで、上記各実施の形態において、発電機１３として、多極の発電機を用いてもよい。
多極の発電機は、発電機１３の発電機軸の回転速度が低くても、十分な電力を発生させることができるものである。すなわち、増速機による増速比が小さくても済むので、増速機として一段のみの増速を行う増速機を用いることができる。
例えば、図８に示すように、増速機として前記遊星段３６のみからなる増速機８１を用いたり、図９に示すように、増速機として前記遊星段５２のみからなる増速機８２を用いることができる。
なお、発電機は、極数が多ければ安定して発電可能な発電機軸の回転速度の下限を下げることができるので、８極以上のものを用いることが好ましい。
図８と図９は増速機キャリア及び発電機の固定子がナセル台板６に直接組みつけられた模式図となっているが、増速機８１，８２のケーシングや発電機１３のケーシングがナセル台板６に組み込まれることもできる。
このように一段のみの増速を行う増速機は、従来の多段の増速を行う増速機に比べて、非常に小型、軽量で済む。また、このような増速機は、歯車の使用数が少ないので、信頼性が高く、メンテナンスの手間が大幅に省ける。また、増速機が発する騒音が小さいので、周囲の環境に悪影響を与えにくい。
ここで、同期型の発電機は、発電した電力をすべて電力変換装置に入力して適正な出力に調整する必要があるため、ナセル３上に比較的大型の電力変換装置を設置する必要がある。これに対して、誘導型の発電機（例えばdoubly-fed式、またはローターカレントコントロール式）は、二次側の出力のみをインバーターに入力して変換するので、ナセル３上には、小型のインバーターを設けるだけでよい。このため、誘導型の発電機を用いることで、同期型の発電機を用いた場合に比べて、ナセル３上のスペースを有効利用することができる。
また、上記各実施の形態において、主軸とローターヘッドとを別部材とした例を示したが、これに限られることなく、例えば、図１０に示すように、主軸１１とローターヘッド４とを一体化した結合体８６としてもよい。このような結合体８６は、例えば鋳造によって製造される。
この構成では、ローターヘッドと主軸との組付作業が不要になるため、風力発電用風車の組み立て工数を低減することができる。また、主軸に取り付けのためのフランジを設ける必要がなくなるので、主軸とローターとを別部材とした場合に比べて、軽量化を図ることができる。
また、上記各実施の形態において、主軸と増速機の入力軸との接続構造として、ギアカップリングを用いた例を示したが、これに限られることなく、例えば図１１に示す接続構造を用いてもよい。
図１１に示す接続構造は、第一の実施形態において、内筒１８に設けられていた第二外歯車２３及び入力軸１２に設けられていた第二内歯車２４をなくし、その代わりに、第二外歯車２３が設けられていた領域の外周面に、入力軸１２ａ側に向かうにつれて外径が縮径される断面視クサビ形状をなすテーパー状リング８７をボルトまたは油圧にて軸方向に挿入したものである。
この接続構造では、内筒１８の外周面に設けられるテーパー状リング８７が、入力軸１２ａの内面に協力に挿入され、面圧によってテーパー状リング８７と入力軸１２ａとの間に大きな摩擦力が生じる。そして、この摩擦力によって、主軸１１から内筒１８に伝達された回転が、テーパー状リング８７を介して入力軸１２ａに伝達される。
［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態について、図１２を用いて説明する。
本実施の形態にかかる風力発電用風車９１は、図１２に示すように、第一実施形態に示した風力発電用風車１の一部を変更したものである。
以下、風力発電用風車９１において、風力発電用風車１と同一または同様の構成については同じ符号を用いて示し、すでに説明した構成については、詳細な説明を省略する。
本実施形態にかかる風力発電用風車９１は、前述した風力発電用風車１において、主軸の支持構造を変更したことを主たる特徴とするものである。
具体的には、風力発電用風車９１では、主軸１１を支持する支持構造として、複列テーパーころ軸受１６の代わりに、ラジアル荷重を受けるころの列とスラスト荷重を受ける一対のころの列とを有する一基の三列ころ軸受９２を介してナセル３に支持する構造を採用している。
三列ころ軸受９２は、主軸１１の軸線方向の一端と壁部Ｗ１との間に、主軸１１と同一軸線を有して設けられており、主軸１１をその軸線周りの回転を可能にして支持している。すなわち、主軸１１は、三列ころ軸受９２を介して壁部Ｗ１に支持されている。
三列ころ軸受９２は、壁部Ｗ１に対してボルト止め等によって接続される外輪９２ａと、外輪９２ａの径方向内側に同一軸線を有して設けられて主軸１１に対してボルト止め等によって固定される内輪９２ｂとを有している。
これら外輪９２ａ、内輪９２ｂとの間には、周方向に沿って複数の転動体が設けられている。転動体としては、円筒ころＲｃが用いられている。以下、三列ころ軸受９２において、軸線方向の同一位置で周方向に配置される円筒ころを、まとめてころの列と呼ぶ。このころの列は、軸線方向に沿って三列配置されている。
さらに具体的な構成について説明すると、外輪９２ａの内周面には、径方向に延びる断面視矩形をなす第一の溝９３が、全周にわたって形成されている。また、第一の溝９３の底面には、第一の溝９３よりも幅の狭い、径方向に延びる断面視矩形をなす第二の溝９４が、全周にわたって形成されている。
第一の溝９３の側壁９３ａは、外輪９２ａの軸線と同軸でかつ軸線に略直交する平面とされている。また、第二の溝９４の底面９４ａは、外輪９２ａの軸線と同軸の円筒面とされている。
また、内輪９２ｂの外周面において、第一の溝９３ａに対向する領域には、周方向に延びる断面視矩形の突状部９５が、全周にわたって形成されている。この突状部９５は、外輪９２ａに形成される第一の溝９３ａ内に位置している。
この突状部９５の側壁９５ａは、軸線に略直交する平面とされており、外周面９５ｂは、軸線と同軸の円筒面とされている。
すなわち、第一の溝９３の側壁９３ａと突状部９５の側壁９５ａとは、互いに平行な平面とされており、第二の溝９４の底面９４ａと突状部９５の外周面９５ｂとは、互いに平行な円筒面とされている。
これら側壁９３ａと側壁９５ａとの間には、複数の円筒ころＲｃが、軸線を三列ころ軸受９２の軸線を中心とする放射状にして設けられている。これら円筒ころＲｃの形成するころの列を、第一のころの列Ｒ１とする。
また、底面９４ａと外周面９５ｂとの間には、複数の円筒ころＲｃが、軸線を三列ころ軸受９２の軸線と略平行にして設けられている。これら円筒ころＲｃの列を、第二のころの列Ｒ２とする。
この構成を採用した風力発電用風車９１においては、主軸１１に加わった荷重は、主軸１１を支持する三列ころ軸受９２を介して壁部１６に受けられ、増速機１２の入力軸１２ａには、回転トルク以外の荷重がほとんど伝達されないようになっている。
以下、三列ころ軸受９２の作用について具体的に説明する。
主軸１１が取り付けられる内輪９２ｂの突状部９５軸線方向における両側は、第一のころの列Ｒ１を介して外輪９２ａに受けられている。このため、主軸１１にスラスト荷重が加わると、外輪９２ａに対する内輪９２ｂの相対回転が許容された状態のまま、外輪９２ａによってスラスト荷重が受けられる。
また、この第一のころの列Ｒ１は突状部９５の両側にそれぞれ設けられていて、突状部９５は、軸線方向の両側から外輪９２ａに支持されているので、主軸１１に曲げ荷重が加わっても、外輪９２ａに対する内輪９２ｂの相対回転を許容しながら、曲げ荷重が外輪９２ａによって受けられる。
また、内輪９２ｂに設けられる突状部９５の外周面９５ｂと外輪９２ｂに設けられる第二の溝９４の底面９４ａとの間には、第二のころの列Ｒ２が設けられている。
内輪９２ａは、この第二のころの列Ｒ２を介して外周から外輪９２ａに受けられている。このため、主軸１１にラジアル荷重が加わると、外輪９２ａに対する内輪９２ｂの相対回転が許容された状態のまま、外輪９２ａによってラジアル荷重が受けられる。
外輪９２ａは、ナセル３の壁部１６に取り付けられており、主軸１１から内輪９２ｂに伝えられたスラスト荷重、曲げ荷重、及びラジアル荷重は、三列ころ軸受９２を介して壁部１６によって受けられる。
このように、本実施形態にかかる風力発電用風車９１では、一基の三列ころ軸受９２によって主軸１１を支持しているので、主軸１１の支持構造がコンパクトになる。
また、このように主軸１１に加わるラジアル荷重、スラスト荷重、及び曲げ荷重は、三列ころ軸受９２によって受けられるので、増速機１２及び増速機支持体に要求される強度が小さくて済む。
そして、このように増速機１２に要求される強度が小さくて済むので、増速機１２として、従来の風力発電用風車に用いていたものよりも小型、軽量のものを用いることができる。
なお、本実施の形態にかかる風力発電用風車９１について、第二実施形態にかかる風力発電用風車の構成、及び第一、第二実施形態にかかる風力発電用風車の変形例の構成を適用してもよい。
本発明の第一実施形態にかかる風力発電用風車を示す側断面図である。 本発明の第一実施形態にかかる風力発電用風車のナセル内の構成を示す側断面図である。 図２の一部拡大図である。 本発明の第二実施形態にかかる風力発電用風車の構成を示す側断面図である。 第二の実施の形態にかかる風力発電用風車の他の構成例を示す側断面図である。 第二の実施の形態にかかる風力発電用風車の他の構成例を示す側断面図である。 第二の実施の形態にかかる風力発電用風車の他の構成例を示す側断面図である。 本発明にかかる風力発電用風車の一変形例を示す側断面図である。 本発明にかかる風力発電用風車の一変形例を示す側断面図である。 本発明にかかる風力発電用風車の一変形例を示す側断面図である。 本発明にかかる風力発電用風車の一変形例を示す側断面図である。 本発明の第三実施形態にかかる風力発電用風車を示す側断面図である。
符号の説明
１，３１，９１ 風力発電用風車
２ 支柱
３ ナセル
５ 風車回転翼
１１，３２ 主軸
１２，３４，５１，６１，７１，８１，８２ 増速機
１３ 発電機
１２ａ，３４ａ，５１ａ 入力軸
１６ 複列テーパーころ軸受
１７，３３ カップリング
９２ 三列ころ軸受

Claims (3)

  1. 支柱上に設置されたナセルに、風車回転翼が取り付けられる主軸と、該主軸の回転を増速して出力する増速機と、該増速機の出力によって駆動される発電機とが設けられた風力発電用風車であって、
    前記主軸は、前記増速機の入力軸端に接続されていて、該入力軸端に対して前記主軸から回転トルクが伝達されるようになっており、
    前記主軸は、一基の複列テーパーころ軸受を介して前記ナセルに支持されており、
    前記複列テーパーころ軸受は、支持する前記主軸に加わるラジアル荷重、スラスト荷重、及び曲げ荷重を受ける構成とされ、
    前記主軸と前記増速機の前記入力軸とは、カップリングを介して接続されていることを特徴とする風力発電用風車。
  2. 支柱上に設置されたナセルに、風車回転翼が取り付けられる主軸と、該主軸の回転を増速して出力する増速機と、該増速機の出力によって駆動される発電機とが設けられた風力発電用風車であって、
    前記主軸は、前記増速機の入力軸端に接続されていて、該入力軸端に対して前記主軸から回転トルクが伝達されるようになっており、
    前記主軸は、ラジアル荷重を受けるころの列とスラスト荷重を受ける一対のころの列とを有する一基の三列ころ軸受を介して前記ナセルに支持されており、
    前記三列ころ軸受は、支持する前記主軸に加わるラジアル荷重、スラスト荷重、及び曲げ荷重を受ける構成とされ、
    前記主軸と前記増速機の前記入力軸とは、カップリングを介して接続されていることを特徴とする風力発電用風車。
  3. 前記主軸は、軸線方向長さに対して外径が大きい円環状または円盤状をなしていることを特徴とする請求項１または２に記載の風力発電用風車。
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