(57)【要約】回転翼の翼ピッチ可変機構、またはナセル旋回機構に歯車伝達機構のギヤ間に生じるバックラッシ（ギヤ隙間）分の噛み合いの遊びをなくして、歯面のすべりや衝撃から生じるギヤ歯面の損傷を抑えて歯車伝達機構の長寿命化を可能にすることを課題とする。一つの大歯車１８に夫々噛合する第１のピニオンギヤ２０ａ、及び第２のピニオンギヤ２０ｂが設けられている。第１のピニオンギヤ２０ａ及び第２のピニオンギヤ２０ｂは、第１の駆動モータ３２ａ及び第２の駆動モータ３２ｂで駆動される。コントローラ３６により、内歯車１８と第１のピニオンギヤ２０ａ間のバックラッシの隙間内で内歯車とピニオンギヤとの噛み合いが遊ばないように噛み合わせを制御し、外力が回転翼１６に作用しても、歯車機構にすべりや衝撃力が発生しない。
2011151887.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
翼ピッチ可変機構またはナセル旋回機構に用いられる風力発電装置の歯車伝達機構において、
夫々独立したモータにより駆動される複数のピニオンギヤと、該複数のピニオンギヤと噛み合う１つの大歯車によって駆動力が伝達されるように構成され、前記複数のピニオンギヤを個別に制御して、前記複数のピニオンギヤの動作中または停止中において、前記ピニオンギヤと前記大歯車との間に形成されるバックラッシ分の噛み合いの遊びをなくすようにギヤの噛み合いを制御するコントローラを備えたことを特徴とする風力発電装置の歯車伝達機構。
【請求項２】
前記複数のピニオンギヤが少なくとも第１の駆動モータにより駆動される第１のピニオンギヤと第２の駆動モータにより駆動される第２のピニオンギヤとを備え、動作中または停止移行時に前記第１のピニオンギヤと第２のピニオンギヤとの間で周速差を持たせたことを特徴とする請求項１記載の風力発電装置の歯車伝達機構。
【請求項３】
前記複数のピニオンギヤが少なくとも第１の駆動モータにより駆動される第１のピニオンギヤと第２の駆動モータにより駆動される第２のピニオンギヤとを備え、前記第１のピニオンギヤと第２のピニオンギヤとの間の停止時期を異ならせたことを特徴とする請求項１記載の風力発電装置の歯車伝達機構。
【請求項４】
前記複数のピニオンギヤが少なくとも第１の駆動モータにより駆動される第１のピニオンギヤと第２の駆動モータにより駆動される第２のピニオンギヤとを備え、前記第１のピニオンギヤの停止後に、第２のピニオンギヤの回転方向を逆回転させることを特徴とする請求項１記載の風力発電装置の歯車伝達機構。
【請求項５】
前記第１ピニオンギヤと第２ピニオンギヤとの直径を異ならせたことを特徴とする請求項２記載の風力発電装置の歯車伝達機構。
【請求項６】
風力発電装置の翼ピッチ可変機構またはナセル旋回機構に用いられる歯車伝達機構の歯車噛み合い制御方法において、前記歯車伝達機構を夫々独立したモータにより駆動される複数のピニオンギヤと、該複数のピニオンギヤと噛み合う１つの大歯車によって構成し、前記複数のピニオンギヤを個別に制御して、前記複数のピニオンギヤの動作中または停止中において、前記ピニオンギヤと前記大歯車との間に形成されるバックラッシ分の噛み合いの遊びをなくすように噛み合わせることを特徴とする歯車伝達機構の歯車噛み合い制御方法。
【請求項７】
前記複数のピニオンギヤが少なくとも第１の駆動モータにより駆動される第１のピニオンギヤと第２の駆動モータにより駆動される第２のピニオンギヤとを備え、動作中または停止移行時に前記第１のピニオンギヤと第２のピニオンギヤとの間で周速差を持たせたことを特徴とする請求項６記載の歯車伝達機構の歯車噛み合い制御方法。
【請求項８】
前記複数のピニオンギヤが少なくとも第１の駆動モータにより駆動される第１のピニオンギヤと第２の駆動モータにより駆動される第２のピニオンギヤとを備え、前記第１のピニオンギヤと第２のピニオンギヤとの間の停止時期を異ならせたことを特徴とする請求項６記載の歯車伝達機構の歯車噛み合い制御方法。
【請求項９】
前記複数のピニオンギヤが少なくとも第１の駆動モータにより駆動される第１のピニオンギヤと第２の駆動モータにより駆動される第２のピニオンギヤとを備え、前記第１のピニオンギヤの停止後に、第２のピニオンギヤの回転方向を逆回転させることを特徴とする請求項６記載の歯車伝達機構の歯車噛み合い制御方法。
【請求項１０】
前記請求項１記載の歯車伝達機構を備えたことを特徴とする風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タワーにヨー制御可能に支持されたナセル部、又はハブに翼ピッチ制御可能に支持された複数の回転翼を備えた風力発電装置に係り、翼ピッチ制御、若しくはヨー制御を行う為に設けられる歯車伝達機構、および歯車の噛み合い制御方法に関し、より具体的には、制御される軸側に設けられた大歯車と、該歯車に噛み合うように設けられた駆動用のピニオンギヤからなる歯車伝達機構と、その歯車の制御方法、およびそれらの歯車、制御方法を備えた風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１１により、風力発電装置の概要を説明する。図１１において、風力発電装置１００は、基礎Ｂ上に立設されたタワー１０２と、タワー１０２の上端に設置されたナセル部１０４と、ナセル部１０４に取り付けられたハブ部１０６と、該ハブ部１０６に取り付けられた複数枚の回転翼１０８とで構成されている。【０００３】
ナセル部１０４は、ロータハブ部１０６を支持するとともに、その内部に回転軸１１０や発電機１１２を収納している。回転軸１１０は、ロータハブ部から発電機側にトルクを伝達するためのものである。【０００４】
このような風力発電装置において、翼１０８のロータハブ部１０６に対する、翼ピッチ軸中心の翼ピッチの制御、またはナセル部１０４の、タワー１０２に対するヨー制御が行われ、これら制御を歯車機構を介して行うものとして次のような特許文献が知られている。【０００５】
例えば、特許文献１に示される可変ピッチ機構を図１２により説明する。この可変ピッチ機構１２０は、回転翼１０８の翼環１２２の内周に形成された内歯車１２２ａと、該内歯車１２２ａの内周に噛み合うピニオンギヤ１２４と、該ピニオンギヤ１２４を駆動するモータからの駆動力を伝達する減速器１３６とを備えている。ピニオンギヤ１２４を回転させ、回転翼１０８のピッチを変えるようにしている。【０００６】
また、特許文献２には、回転翼の根元部に翼のピッチ軸心周りに多数の軸が設けられ、そこに回転可能に支持された多数の遊星ギヤを配設した遊星歯車式動力伝達機構が開示されている。この遊星ギヤが公転及び自転して、回転翼の動きをロータに伝達するとともに、リング状のモータの回転部材によって遊星ギヤの自転を制御して翼のピッチ制御が行われる技術が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−２２２０７０号公報
【特許文献２】米国特許公開２００９／００１６８８５Ａ１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１のような1つのピニオンギヤを用いての翼ピッチ制御、または特許文献２のような複数のピニオンギヤを用いての翼ピッチ制御においても、翼ピッチの制御に歯車伝達機構を用いると、ギヤ間にはバックラッシ（ギヤ隙間）を持っているため、ピニオンギヤを停止し、翼ピッチを固定しても、外力によりそのギヤ隙間分の遊びによるピッチの微小揺動が発生し、歯面のすべりや衝撃からギヤ歯面を損傷するおそれがあり、耐久性に問題を生じるおそれがあった。【０００９】
特に、風力発電装置の回転翼は、回転および風による外力を常に交番しながら受けているため、バックラッシの分の変動によって歯のすべり、衝突が繰り返しで長期に亘って続くと、歯面を破損しやすい。また、風力発電装置は年々大型化する傾向にあり、大型の風車では回転翼が受ける外力も大きく、歯面にかかる力も必然的に大きくなり、その分これら歯車伝達機構が損傷を受ける恐れが増大する可能性がある。【００１０】
また、このような問題は、前記のような回転翼の可変ピッチ機構部分だけではなく、類似の機構をもったナセル回転制御（ヨー制御）部分でも生じ得る。
即ち、ヨー制御機構は、ナセル底部に配置された軸受に大歯車が形成され、この大歯車にピニオンギヤが噛合し、ピニオンギヤの回転でヨー制御がなされている。多くの風力発電装置ではナセルの方向(ヨー)を固定している場合、歯車機構だけではなく、油圧のブレーキを配置して、件のギヤバックラッシ分の揺動を止めているが、制動するブレーキが掛けられていない場合には、風外力や風力発電装置の動的な力により、ヨー制御歯車機構のバックラッシの分だけすべり、衝撃による力が歯面に負荷される。【００１１】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、回転翼の翼ピッチ可変機構、またはナセル旋回機構に歯車伝達機構を備える風力発電装置において、ギヤ間に生じるバックラッシ（ギヤ隙間）分の噛み合いの遊びをなくすようにギヤの噛み合いを制御して、歯面のすべりや衝撃から生じるギヤ歯面の損傷を抑えて歯車伝達機構の長寿命化を可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
第１の発明の風力発電装置の歯車伝達機構は、翼ピッチ可変機構またはナセル旋回機構に用いられる風力発電装置の歯車伝達機構において、夫々独立したモータにより駆動される複数のピニオンギヤと、該複数のピニオンギヤと噛み合う１つの大歯車によって駆動力が伝達されるように構成され、前記複数のピニオンギヤを個別に制御して、前記複数のピニオンギヤの動作中または停止中において、前記ピニオンギヤと前記大歯車との間に形成されるバックラッシ分の噛み合いの遊びをなくすようにギヤの噛み合いを制御するコントローラを備えたことを特徴とする。【００１３】
また、第２の発明の歯車伝達機構の歯車噛み合い制御方法は、風力発電装置の翼ピッチ可変機構またはナセル旋回機構に用いられる歯車伝達機構の歯車噛み合い制御方法において、前記歯車伝達機構を夫々独立したモータにより駆動される複数のピニオンギヤと、該複数のピニオンギヤと噛み合う１つの大歯車によって構成し、前記複数のピニオンギヤを個別に制御して、前記複数のピニオンギヤの動作中または停止中において、前記ピニオンギヤと前記歯車との間に形成されるバックラッシ分の噛み合いの遊びをなくすように噛み合わせることを特徴とする。【００１４】
かかる第１の発明、および第２の発明によれば、独立したモータにより駆動される複数のピニオンギヤと、歯車との噛み合部に形成されるバックラッシに対して、複数のピニオンギヤの回転を個別に制御して、複数のピニオンギヤの動作中または停止中において、前記ピニオンギヤと前記歯車との間に形成されるバックラッシ分の微小隙間内で噛み合いに遊び（ガタ）が生じないように噛み合わせを制御する。【００１５】
翼ピッチ制御またはヨー制御において、制御中、停止移行中、特に停止後において、複数のピニオンギヤと前記ひとつの大歯車との間に形成されるバックラッシの微小隙間分の遊び（ガタ）が抑制されるので、歯面のすべりや衝撃から生じるギヤ歯面の損傷を抑えることができ、歯車伝達機構を長寿命化できる。【００１６】
第１の発明の風力発電装置の歯車伝達機構において、複数のピニオンギヤと一つの大歯車のバックラッシを無くす様にするには下記の作動を達成するような機構が考えられ、または第２の発明の歯車伝達機構の歯車噛み合い制御方法において、複数のピニオンギヤと一つの大歯車のバックラッシを無くす様にするには、下記の作動を達成するように制御方法が考えられる。とくに、停止するときにバックラッシを無くすのが重要であり、下記の制御は組み合わせて同時に採用しても良いし、どれか一つでも良い。
（１）動作中または停止移行時に前記第１のピニオンギヤと第２のピニオンギヤとの間で周速速度差を持たせ常のバックラッシを無くす様に制御することを特徴とする。
（２）動作中から停止移行時に第１のピニオンギヤと第２のピニオンギヤの停止時期を異ならせることにより、バックラッシを無くすことを特徴とする。
（３）動作中から停止した後に、第１のピニオンギヤの停止後に、第２のピニオンギヤの回転方向を逆回転させることでバックラッシを無くすことを特徴とする。【００１７】
また、第３の発明は、前記の歯車伝達機構を備えることを特徴とする風力発電装置であり、このように構成することで、翼ピッチ可変機構およびナセル旋回機構行う歯車伝達機構の耐久性を向上した風力発電装置を得ることができる。
【発明の効果】
【００１８】
独立したモータにより駆動される複数のピニオンギヤとひとつの大歯車との噛合部に形成されるバックラッシに対して、ギヤ間に発生するバックラッシ（ギヤ隙間）の微小隙間分の噛み合い遊び（ガタ）の発生を抑えるので、歯面のすべりや衝撃から生じるギヤ歯面の損傷を抑えることができ、長寿命化できる。
具体的には、翼ピッチ制御機構の部分の場合、翼ピッチ制御の運転時、または停止移行時、歯車に噛み合う複数のピニオンギヤ間に、周速速度差を持たせるか、又は複数のピニオンギヤ間の停止時期を異ならせる。また、複数のピニオンギヤの停止後に、一部のピニオンギヤの回転方向を逆回転させる。このように制御することで、ピニオンギヤと前記歯車との間に形成されるバックラッシ分の噛合いの遊びをなくすように噛み合わせることができ、その結果、バックラッシ分の噛合い遊び（ガタ）の発生が抑えられて、歯面のすべりや衝撃から生じるギヤ歯面の損傷を抑えることができ、長寿命化できる。
また、第３の発明によれば、翼ピッチ可変機構の翼ピッチ制御およびナセル旋回機構のヨー制御を行う歯車伝達機構の耐久性を向上した風力発電装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の歯車伝達機構を翼ピッチ制御機構部分に適用した場合を、翼の一部断截して示す斜視図である。
【図２】図１中のＸ部の拡大断面図、および制御装置の構成を示す説明図である。
【図３】（Ａ）は図２中のＹ矢視図であり、（Ｂ）は（Ａ）の一部拡大図である。
【図４】第１の本発明装置の各実施形態の歯車噛合部を示す説明図である。
【図５】第１実施形態の制御フローチャートである。
【図６】第２実施形態の制御フローチャートである。
【図７】第３実施形態の制御フローチャートである。
【図８】第４実施形態の制御フローチャートである。
【図９】第５実施形態を示し、本発明の歯車伝達機構をナセル旋回機構に適用した場合を示す断面図である。
【図１０】第６実施形態を示し、図２中のＹ矢視対応図である。
【図１１】風力発電装置の全体構成を示す側面図である。
【図１２】従来の風力発電装置の可変ピッチ機構を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではない。
【００２１】
（実施形態１）
第１の本発明装置の第１実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。図１において、本実施形態の風力発電装置１０は、ナセル部１２の前方に設置されたハブ部１４の内部で、回転翼１６の翼環３０の内周に内歯車１８が形成され、該内歯車１８に夫々噛合する第１のピニオンギヤ２０ａ、及び第２のピニオンギヤ２０ｂが設けられている。第１のピニオンギヤ２０ａ及び第２のピニオンギヤ２０ｂには、夫々ピニオン軸２２ａ及び２２ｂが固着されている。
【００２２】
図２は翼ピッチ可変機構４１を示し、図２において、ハブ部１４の上部にボルト２４で軸受支え２６が固定されている。軸受支え２６の内周側に、軸受２８を介して回転翼１６の翼環３０が回転自在に支持されている。該翼環３０の内側には、大径の内歯車１８が形成されている。
【００２３】
図３（Ａ）において、回転翼１６の翼環３０の内側には、第１のピニオンギヤ２０ａと第２のピニオンギヤ２０ｂとが、翼環３０の中心Ｏに対して軸対称に配置され、内歯車１８と噛み合っている。ここで、Ｏ１は第１のピニオンギヤ２０ａの軸心であり、Ｏ２は第２のピニオンギヤ２０ｂの軸心である。
本実施形態では、第１のピニオンギヤ２０ａと第２のピニオンギヤ２０ｂとは同一径であるが、これらのピニオンギヤは異なる径であっても良い。また、第１のピニオンギヤ２０ａと第２のピニオンギヤ２０ｂとは、軸対称に配置されなくてもよく、ピニオンギヤが３個以上配置されても良い。
【００２４】
図２に示すように、ハブ部１４の内側部位１４ａには、第１の駆動モータ３２ａ及び第２の駆動モータ３２ｂが固設されている。第１のピニオンギヤ２０ａのピニオン軸２２ａは、内側部位１４ａに穿設された孔３４に挿入され、第１の駆動モータ３２ａに連結されている。また、第２のピニオンギヤ２０ｂのピニオン軸２２ｂは、孔３４に挿入され、第２の駆動モータ３２ｂに連結されている。
第１の駆動モータ３２ａは、既に広く知られているように、回転翼１６のピッチ制御を行うもので、風の方向や強さ等に応じて、第１の駆動モータ３２ａを駆動させ、第１のピニオンギヤ２０ａに噛み合う内歯車１８を介して、回転翼１６の角度を翼角開（増大）方向あるいは翼角閉（減少）方向に回転させる。
【００２５】
コントローラ３６は、その出力信号によって、第１の駆動モータ３２ａ及び第２の駆動モータ３２ｂの稼動を制御する。第１の駆動モータ３２ａと第２の駆動モータ３２ｂとは、コントローラ３６により、夫々別個に運転制御される。
【００２６】
コントローラ３６には、タイマー３８から時間信号が入力される。また、エンコーダ３９は、ピニオン軸２２ａとピニオン軸２２ｂの単位時間当たりの回転変位を検出し、その検出信号をコントローラ３６に入力している。以上の構成により回転翼１６のピッチを制御するピッチ可変制御装置４０が構成されている。
【００２７】
本実施形態において、図３（Ａ）に示すように、第１の駆動モータ３２ａによって第１のピニオンギヤ２０ａが矢印Ｎ１方向に回転され、同時に、第２の駆動モータ３２ｂによって第２のピニオンギヤ２０ｂが矢印Ｎ１方向に回転される。そして、これらピニオンギヤに噛み合う内歯車１８が矢印Ｎ方向に回転されて、回転翼１６の翼ピッチ制御を行う。このとき、図３（Ｂ）に示すように、内歯車１８と第１のピニオンギヤ２０ａとの噛合部では、内歯車１８の歯１Ｓと、第１のピニオンギヤ２０ａの歯車２Ｓとの間に、バックラッシＣが形成される。なお、図３（Ｂ）中の２ｑは、第１のピニオンギヤ２０ａの基準ピッチ円を示す。
【００２８】
次に、コントローラ３６による制御手順を図５により説明する。図中、Ａは第１のピニオンギヤ２０ａの周速度を示し、Ｂは第２のピニオンギヤ２０ｂの周速度を示す。
図５において、まず、風力発電装置１０の運転が開始され（ステップＳ１０）、コントローラ３６から可変ピッチ制御開始指令が出される（ステップＳ１１）。これによって、図３に示すように、ピニオンギヤ２０ａ、２０ｂはＮ１方向に回転を開始し、内歯車１８はＮ方向に回転を始める。その後、コントローラ３６から可変ピッチ制御の停止指令が出されると（ステップＳ１２）、コントローラ３６で、第２のピニオンギヤ２０ｂの周速度Ｂの減速指令（ステップＳ１３）を出す。
【００２９】
すなわち、第１のピニオンギヤ２０ａの周速度Ａに対しては減速指令を出さずに第２のピニオンギヤ２０ｂの周速度Ｂだけ減速指令（ステップＳ１３）を出すことによって周速度差をつける。
周速度差がつくための一定の時間が経過したかを判定し（ステップＳ１４）、一定時間が経過していれば、第１の駆動モータ３２ａおよび第２の駆動モータ３２ｂにブレーキをかけてその状態を保持して、第１のピニオンギヤ２０ａと第２のピニオンギヤ２０ｂとを停止させた状態にする（ステップＳ１５）。
【００３０】
かかる制御を行なうことにより、翼の可変ピッチ制御の停止時に、図４に示すように、内歯車１８と第１のピニオンギヤ２０ａ間のバックラッシＣ、及び内歯車１８と第２のピニオンギヤ２０ｂ間のバックラッシＣの隙間内で遊ばないように噛み合わせることができ、その結果、回転翼１６が風力を受けても、内歯車１８やピニオンギヤ２０ａ、２０ｂに大きな衝撃力が発生しない。従って、歯車伝達機構が破損するおそれがなく、長寿命化できる。
【００３１】
（実施形態２）
次に、第２実施形態を図６により説明する。本実施形態の装置構成は、前記第１実施形態と同一であり、コントローラ３６による制御のみが異なる。複数のピニオンの駆動時間に差を設けたものである。
その制御手順を図６で説明する。
図６において、ステップＳ２０からステップＳ２２までは、前記第１実施形態と同一の制御手順である。その後、コントローラ３６で、第１のピニオンギヤ２０ａの停止までの時間Ｔ１と第２のピニオンギヤ２０ｂの停止までの時間Ｔ２とをそれぞれ異ならせて、例えばＴ１＞Ｔ２に設定し（ステップＳ２３）、それに応じて第１の駆動モータ３２ａおよび第２の駆動モータ３２ｂの回転数を制御する。なお、Ｔ１、Ｔ２の設定はピッチ制御停止指令がある前に予め設定しておいてもよい。
【００３２】
そして、Ｔ１＞Ｔ２に設定したかを判定（ステップＳ２４）して、達していなければ、ステップＳ２４に戻って時間を経過させ、達していれば、第１の駆動モータ３２ａおよび第２の駆動モータ３２ｂにモータブレーキをかけてその状態を保持して、第１のピニオンギヤ２０ａと第２のピニオンギヤ２０ｂとを停止させた状態にする（ステップＳ２５）。
【００３３】
このように、ピッチ制御開始後、第２のピニオンギヤ２０ｂを第１のピニオンギヤ２０ａより先に停止させるようにする。これによって、図４に図示されているように、内歯車１８と第１のピニオンギヤ２０ａ間のバックラッシＣ、および内歯車１８と第２のピニオンギヤ２０ｂ間のバックラッシＣの隙間内で遊ばないように噛み合わせることができ、その結果、回転翼１６が風力を受けても、歯車伝達機構に加わる衝撃力を低減できる。従って、歯車機構が破損するおそれがなく、長寿命化できる。
【００３４】
（実施形態３）
次に、第３実施形態を図７により説明する。本実施形態の装置構成は、前記第１実施形態と同一であり、コントローラ３６による制御のみが異なる。その制御手順を図７で説明する。
図７において、ステップＳ３０からステップＳ３２までは、前記第１実施形態と同一の制御手順である。コントローラ３６から可変ピッチ制御の停止指令が出されると（ステップＳ３２）、第１のピニオンギヤ２０ａおよび第２のピニオンギヤ２０ｂは回転を停止し、その周速度をそれぞれ零０とする（ステップＳ３３）。
【００３５】
次に、第２のピニオンギヤ２０ｂのみを一定時間だけ、動作時と逆回転する（ステップＳ３４）。一定時間経過した後に、第１の駆動モータ３２ａおよび第２の駆動モータ３２ｂにブレーキをかけてその状態を保持して、第１のピニオンギヤ２０ａと第２のピニオンギヤ２０ｂとを停止させた状態にする（ステップＳ３５）。
【００３６】
かかる制御を行なうことにより、可変ピッチ制御の停止後に、図４に示すように、内歯車１８と第１のピニオンギヤ２０ａ間のバックラッシＣ、及び内歯車１８と第２のピニオンギヤ２０ｂ間のバックラッシＣの隙間内で遊ばないように噛み合わせることができ、その結果、回転翼１６が風力を受けても、内歯車１８やピニオンギヤ２０ａ、２０ｂに大きな衝撃力が発生しない。従って、歯車伝達機構が破損するおそれがなく、長寿命化できる。
【００３７】
（実施形態４）
次に、第１の本発明装置の第４実施形態を図８により説明する。図８において、ステップＳ４０からステップＳ４２までは、前記第１実施形態と同一の制御手順である。その後、コントローラ３６で、エンコーダ３９で計測する第１のピニオンギヤ２０ａの周速度Ａの値Ｌ１、および第２のピニオンギヤ２０ｂの周速度Ｂの値Ｌ２を設定する（この場合Ｌ１＞Ｌ２）(ステップＳ４３)。なお、Ｌ１、Ｌ２の設定はピッチ制御停止指令がある前に予め設定しておいてもよい。
【００３８】
次いで、タイマー３８からの時間を基にピッチ制御開始から設定時間Ｔａまでを、第１のピニオンギヤ２０ａおよび第２のピニオンギヤ２０ｂの周速度を共にＬ１に制御し、設定時間Ｔａ後Ｔｓまでを第２のピニオンギヤ２０ｂの周速度のみをＬ２に制御する（ステップＳ４４）。そして、第１の駆動モータ３２ａおよび第２の駆動モータ３２ｂにモータブレーキをかけてその状態を保持して、第１のピニオンギヤ２０ａと第２のピニオンギヤ２０ｂとを停止させた状態にする（ステップＳ４５）。
この周速度制御過程を図８（Ｂ）に示す。
【００３９】
このように、第２のピニオンギヤ２０ｂの回転周速度Ｂを第１のピニオンギヤ２０ａの周速度Ａより先に減速させることにより、ピッチ制御停止後に、内歯車１８と第１のピニオンギヤ２０ａ間のバックラッシＣ、および内歯車１８と第２のピニオンギヤ２０ｂ間のバックラッシＣの隙間内で遊ばないように噛み合わせることができ、その結果、回転翼１６が風力を受けても、歯車伝達機構に加わる衝撃力を低減できる。従って、歯車機構が破損するおそれがなく、長寿命化できる。
【００４０】
また、本実施形態では、第１のピニオンギヤ２０ａと第２のピニオンギヤ２０ｂとを同時に停止させるようにしているので、停止した第２のピニオンギヤ２０ｂに第１のピニオンギヤ２０ａの回転継続による荷重が付加されない。そのため、両ピニオンギヤ及び第１の駆動モータ３２ａ、第２の駆動モータ３２ｂに余分な力が付加されないという利点がある。
【００４１】
（実施形態５）
次に、第５実施形態を図９により説明する。本実施形態は、ヨー制御にかかるナセル旋回機構を備えた風力発電装置５０に適用されたものである。
図９において、ナセル旋回機構５２は、第１のヨーモータ５６ａにより回転する第１のピニオンギヤ５４ａと、該第１のピニオンギヤ５４ａに噛み合う内歯車５８とを備え、第１のヨーモータ５６ａを駆動すると、第１のピニオンギヤ５４ａが回転し、ナセル部１２が旋回する。
【００４２】
ナセル底部に配置された軸受１２の内輪１２ａに内周に形成された内歯車５８には、第１のピニオンギヤ５４ａと第２のピニオンギヤ５４ｂとが、軸対称に配置されている。第１のピニオンギヤ５４ａと第２のピニオンギヤ５４ｂとは同一径であるが、異なる径であっても良い。
第１のヨーモータ５６ａとは別個に且つ別系統に制御される第２のヨーモータ５６ｂが設置されており、該第２のヨーモータ５６ｂには、第２のピニオンギヤ５４ｂが連結されている。
【００４３】
コントローラ６０は、第１のヨーモータ５６ａ及び第２のヨーモータ５６ｂにそれぞれ電気接続され、該第１のヨーモータ５６ａ及び第２のヨーモータ５６ｂは、コントローラ６０の出力信号によって制御される。即ち、コントローラ６０により、第１のピニオンギヤ５４ａと第２のピニオンギヤ５４ｂとが、夫々別個に稼動又は停止される。
【００４４】
コントローラ６０には、タイマー６４から時間信号が入力される。さらに、エンコーダ６２は、第１のヨーモータ５６ａ及び第２のヨーモータ５６ｂの単位時間当たりの変位の検出を行い、その検出信号をコントローラ６０に入力している。以上の構成によりナセル部１２のヨー旋回を制御するナセル旋回制御装置５３が構成されている。
【００４５】
本実施形態における第１のピニオンギヤ５４ａ、第２のピニオンギヤ５４ｂ、第１のヨーモータ５６ａ、第２のヨーモータ５６ｂ、及び内歯車５８が、前記第１〜第４実施形態の第１のピニオンギヤ２０ａ、第２のピニオンギヤ２０ｂ、第１の駆動モータ３２ａ、第２の駆動モータ３２ｂ、及び内歯車１８に相当するものである。
そのため、ナセル旋回機構５２の歯車機構においても、回転翼１６に加わる風力によって、バックラッシに起因した大きな衝撃力が発生し、該歯車機構の破損が起こるおそれがある。
これに対し、本実施形態のナセル旋回制御装置５３によれば、第１〜第４実施形態のピッチ可変制御装置４０と同様の操作手順を行なうことによって、かかる問題を解消できる。
【００４６】
（実施形態６）
次に、第６実施形態を図１０により説明する。図１０は、前記第１〜第４実施形態の図３（Ａ）に相当する図である。図１０以外の構成及び作用は、前記第１〜第４実施形態と同一である。本実施形態の可変ピッチ機構７０においては、ハブ部１４内に収納され、回転翼１６と一体の駆動輪７２は、円環状をなした駆動輪７２の内周下部に内歯車７４が形成されている。内歯車７４には、第１のピニオンギヤ７６ａと第２のピニオンギヤ７６ｂとが、回転翼１６の下部中心Ｏに対して、軸対称に配置されている。
【００４７】
本実施形態では、第１のピニオンギヤ４０ａの直径が、第２のピニオンギヤ４０ｂよりも大きく構成されている。ここで、内歯車７４の回転数をＮとし、第１のピニオンギヤ４０ａの回転数をＮ１とし、バックラッシ制御用の第２のピニオンギヤ７６ｂの回転数をＮ２としている。かかる構成の歯車機構を備えた可変ピッチ機構７０においても、前記第１〜第４実施形態と同様の制御を行なう。これによって、該歯車伝達機構に加わるバックラッシＣに起因した衝撃力を緩和できる。また、第１のピニオンギヤ４０ａと第２のピニオンギヤ４０ｂとの直径が異なるため、それぞれのピニオンギヤの周速度差が得やすく、実施形態２、実施形態４の周速度差を生成する制御が簡単化できるようになる。
【００４８】
また、第２のピニオンギヤ７６ｂを小径としたことにより、バックラッシ制御用の第２のピニオンギヤ７６ｂを小型化でき、そのため、第２のピニオンギヤ７６ｂを駆動するための駆動トルクを小さくできる。従って、歯車機構及びその駆動機構を低コストとすることができる。
なお、第１のピニオンギヤ７６ａと第２のピニオンギヤ７６ｂとは、必ずしも軸対称に配置しなくてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、回転翼の可変ピッチ機構又はヨー制御機構に歯車伝達機構を備えた風力発電装置において、ギヤ間に発生するバックラッシ（ギヤ隙間）の隙間内での遊ばないように噛み合わせて、これら歯車伝達機構の損傷を防止し、長寿命化を可能にすることができるので、風力発電装置への利用に適している。
【図１】
2011151887.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年10月17日(2012.10.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
翼ピッチ可変機構またはナセル旋回機構に用いられる風力発電装置の歯車伝達機構において、
夫々独立したモータにより駆動される複数のピニオンギヤと、該複数のピニオンギヤと噛み合う１つの大歯車によって駆動力が伝達されるように構成され、前記複数のピニオンギヤを個別に制御して、前記複数のピニオンギヤの停止中において、前記ピニオンギヤと前記大歯車との間に形成されるバックラッシ分の噛み合いの遊びをなくすようにギヤの噛み合いを制御するコントローラを備え、
前記複数のピニオンギヤが少なくとも第１の駆動モータにより駆動される第１のピニオンギヤと第２の駆動モータにより駆動される第２のピニオンギヤとを備え、停止移行時に前記第１のピニオンギヤと第２のピニオンギヤとの間で周速差を持たせ、
前記第１のピニオンギヤの直径は、バックラッシ制御用の第２のピニオンギヤの直径よりも大きく、
前記コントローラは、可変ピッチ制御またはナセル旋回制御の開始指令に従って前記第１の駆動モータ及び前記第２の駆動モータを制御して、第１のピニオンギヤと第２のピニオンギヤとをともに周速度Ｌ１で同一方向に回転させるとともに、可変ピッチ制御またはナセル旋回制御の停止指令に従って前記第１の駆動モータ及び前記第２の駆動モータを制御して、第１のピニオンギヤの周速度をＬ１に保ったまま第２のピニオンギヤの周速度をＬ１からＬ２に低減した状態を所定時間維持した後、第１のピニオンギヤ及び第２のピニオンギヤを停止させ、前記第１の駆動モータ及び前記第２の駆動モータにモータブレーキをかけて前記第１のピニオンギヤ及び前記第２のピニオンギヤを不動とすることを特徴とする風力発電装置の歯車伝達機構。
【請求項２】
前記第１のピニオンギヤと第２のピニオンギヤとの間の停止時期を異ならせたことを特徴とする請求項１記載の風力発電装置の歯車伝達機構。
【請求項３】
前記第１のピニオンギヤの停止後に、第２のピニオンギヤの回転方向を逆回転させることを特徴とする請求項１記載の風力発電装置の歯車伝達機構。
【請求項４】
風力発電装置の翼ピッチ可変機構またはナセル旋回機構に用いられる歯車伝達機構の歯車噛み合い制御方法において、前記歯車伝達機構を夫々独立したモータにより駆動される複数のピニオンギヤと、該複数のピニオンギヤと噛み合う１つの大歯車によって構成し、前記複数のピニオンギヤを個別に制御して、前記複数のピニオンギヤの停止中において前記ピニオンギヤと前記大歯車との間に形成されるバックラッシ分の噛み合いの遊びをなくすように噛み合わせるとともに、
前記複数のピニオンギヤが、少なくとも第１の駆動モータにより駆動される第１のピニオンギヤと、第２の駆動モータにより駆動される第２のピニオンギヤとを備え、前記第１ピニオンギヤの直径は、バックラッシ制御用の第２のピニオンギヤの直径よりも大きく、
停止移行時に前記第１のピニオンギヤと第２のピニオンギヤとの間で周速差を持たせ、
可変ピッチ制御またはナセル旋回制御の開始指令に従って前記第１の駆動モータ及び前記第２の駆動モータを制御して、第１のピニオンギヤと第２のピニオンギヤとをともに周速度Ｌ１で同一方向に回転させるとともに、可変ピッチ制御またはナセル旋回制御の停止指令に従って前記第１の駆動モータ及び前記第２の駆動モータを制御して、第１のピニオンギヤの周速度をＬ１に保ったまま第２のピニオンギヤの周速度をＬ１からＬ２に低減した状態を所定時間維持した後、第１のピニオンギヤ及び第２のピニオンギヤを停止させ、前記第１の駆動モータ及び前記第２の駆動モータにモータブレーキをかけて前記第１のピニオンギヤ及び前記第２のピニオンギヤを不動とすることを特徴とする歯車伝達機構の歯車噛み合い制御方法。
【請求項５】
前記第１のピニオンギヤと第２のピニオンギヤとの間の停止時期を異ならせたことを特徴とする請求項４記載の歯車伝達機構の歯車噛み合い制御方法。
【請求項６】
前記第１のピニオンギヤの停止後に、第２のピニオンギヤの回転方向を逆回転させることを特徴とする請求項４記載の歯車伝達機構の歯車噛み合い制御方法。
【請求項７】
前記請求項１記載の歯車伝達機構を備えたことを特徴とする風力発電装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タワーにヨー制御可能に支持されたナセル部、又はハブに翼ピッチ制御可能に支持された複数の回転翼を備えた風力発電装置に係り、翼ピッチ制御、若しくはヨー制御を行う為に設けられる歯車伝達機構、および歯車の噛み合い制御方法に関し、より具体的には、制御される軸側に設けられた大歯車と、該歯車に噛み合うように設けられた駆動用のピニオンギヤからなる歯車伝達機構と、その歯車の制御方法、およびそれらの歯車、制御方法を備えた風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１１により、風力発電装置の概要を説明する。図１１において、風力発電装置１００は、基礎Ｂ上に立設されたタワー１０２と、タワー１０２の上端に設置されたナセル部１０４と、ナセル部１０４に取り付けられたハブ部１０６と、該ハブ部１０６に取り付けられた複数枚の回転翼１０８とで構成されている。
【０００３】
ナセル部１０４は、ロータハブ部１０６を支持するとともに、その内部に回転軸１１０や発電機１１２を収納している。回転軸１１０は、ロータハブ部から発電機側にトルクを伝達するためのものである。
【０００４】
このような風力発電装置において、翼１０８のロータハブ部１０６に対する、翼ピッチ軸中心の翼ピッチの制御、またはナセル部１０４の、タワー１０２に対するヨー制御が行われ、これら制御を歯車機構を介して行うものとして次のような特許文献が知られている。
【０００５】
例えば、特許文献１に示される可変ピッチ機構を図１２により説明する。この可変ピッチ機構１２０は、回転翼１０８の翼環１２２の内周に形成された内歯車１２２ａと、該内歯車１２２ａの内周に噛み合うピニオンギヤ１２４と、該ピニオンギヤ１２４を駆動するモータからの駆動力を伝達する減速器１３６とを備えている。ピニオンギヤ１２４を回転させ、回転翼１０８のピッチを変えるようにしている。
【０００６】
また、特許文献２には、回転翼の根元部に翼のピッチ軸心周りに多数の軸が設けられ、そこに回転可能に支持された多数の遊星ギヤを配設した遊星歯車式動力伝達機構が開示されている。この遊星ギヤが公転及び自転して、回転翼の動きをロータに伝達するとともに、リング状のモータの回転部材によって遊星ギヤの自転を制御して翼のピッチ制御が行われる技術が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−２２２０７０号公報
【特許文献２】米国特許公開２００９／００１６８８５Ａ１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１のような1つのピニオンギヤを用いての翼ピッチ制御、または特許文献２のような複数のピニオンギヤを用いての翼ピッチ制御においても、翼ピッチの制御に歯車伝達機構を用いると、ギヤ間にはバックラッシ（ギヤ隙間）を持っているため、ピニオンギヤを停止し、翼ピッチを固定しても、外力によりそのギヤ隙間分の遊びによるピッチの微小揺動が発生し、歯面のすべりや衝撃からギヤ歯面を損傷するおそれがあり、耐久性に問題を生じるおそれがあった。
【０００９】
特に、風力発電装置の回転翼は、回転および風による外力を常に交番しながら受けているため、バックラッシの分の変動によって歯のすべり、衝突が繰り返しで長期に亘って続くと、歯面を破損しやすい。また、風力発電装置は年々大型化する傾向にあり、大型の風車では回転翼が受ける外力も大きく、歯面にかかる力も必然的に大きくなり、その分これら歯車伝達機構が損傷を受ける恐れが増大する可能性がある。
【００１０】
また、このような問題は、前記のような回転翼の可変ピッチ機構部分だけではなく、類似の機構をもったナセル回転制御（ヨー制御）部分でも生じ得る。
即ち、ヨー制御機構は、ナセル底部に配置された軸受に大歯車が形成され、この大歯車にピニオンギヤが噛合し、ピニオンギヤの回転でヨー制御がなされている。多くの風力発電装置ではナセルの方向(ヨー)を固定している場合、歯車機構だけではなく、油圧のブレーキを配置して、件のギヤバックラッシ分の揺動を止めているが、制動するブレーキが掛けられていない場合には、風外力や風力発電装置の動的な力により、ヨー制御歯車機構のバックラッシの分だけすべり、衝撃による力が歯面に負荷される。
【００１１】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、回転翼の翼ピッチ可変機構、またはナセル旋回機構に歯車伝達機構を備える風力発電装置において、ギヤ間に生じるバックラッシ（ギヤ隙間）分の噛み合いの遊びをなくすようにギヤの噛み合いを制御して、歯面のすべりや衝撃から生じるギヤ歯面の損傷を抑えて歯車伝達機構の長寿命化を可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る風力発電装置の歯車伝達機構は、翼ピッチ可変機構またはナセル旋回機構に用いられる風力発電装置の歯車伝達機構において、夫々独立したモータにより駆動される複数のピニオンギヤと、該複数のピニオンギヤと噛み合う１つの大歯車によって駆動力が伝達されるように構成され、前記複数のピニオンギヤを個別に制御して、前記複数のピニオンギヤの停止中において、前記ピニオンギヤと前記大歯車との間に形成されるバックラッシ分の噛み合いの遊びをなくすようにギヤの噛み合いを制御するコントローラを備え、前記複数のピニオンギヤが少なくとも第１の駆動モータにより駆動される第１のピニオンギヤと第２の駆動モータにより駆動される第２のピニオンギヤとを備え、停止移行時に前記第１のピニオンギヤと第２のピニオンギヤとの間で周速差を持たせ、前記第１ピニオンギヤの直径は、バックラッシ制御用の第２のピニオンギヤの直径よりも大きく、前記コントローラは、可変ピッチ制御またはナセル旋回制御の開始指令に従って前記第１の駆動モータ及び前記第２の駆動モータを制御して、第１ピニオンギヤと第２ピニオンギヤとをともに周速度Ｌ１で同一方向に回転させるとともに、可変ピッチ制御またはナセル旋回制御の停止指令に従って前記第１の駆動モータ及び前記第２の駆動モータを制御して、第１ピニオンギヤの周速度をＬ１に保ったまま第２ピニオンギヤの周速度をＬ１からＬ２に低減した状態を所定時間維持した後、第１ピニオンギヤ及び第２ピニオンギヤを停止させ、前記第１の駆動モータ及び前記第２の駆動モータにモータブレーキをかけて前記第１ピニオンギヤ及び前記第２ピニオンギヤを不動とすることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る歯車伝達機構の歯車噛み合い制御方法は、風力発電装置の翼ピッチ可変機構またはナセル旋回機構に用いられる歯車伝達機構の歯車噛み合い制御方法において、前記歯車伝達機構を夫々独立したモータにより駆動される複数のピニオンギヤと、該複数のピニオンギヤと噛み合う１つの大歯車によって構成し、前記複数のピニオンギヤを個別に制御して、前記複数のピニオンギヤの停止中において前記ピニオンギヤと前記大歯車との間に形成されるバックラッシ分の噛み合いの遊びをなくすように噛み合わせるとともに、前記複数のピニオンギヤが、少なくとも第１の駆動モータにより駆動される第１のピニオンギヤと、第２の駆動モータにより駆動される第２のピニオンギヤとを備え、前記第１ピニオンギヤの直径は、バックラッシ制御用の第２のピニオンギヤの直径よりも大きく、停止移行時に前記第１のピニオンギヤと第２のピニオンギヤとの間で周速差を持たせ、可変ピッチ制御またはナセル旋回制御の開始指令に従って前記第１の駆動モータ及び前記第２の駆動モータを制御して、第１ピニオンギヤと第２ピニオンギヤとをともに周速度Ｌ１で同一方向に回転させるとともに、可変ピッチ制御またはナセル旋回制御の停止指令に従って前記第１の駆動モータ及び前記第２の駆動モータを制御して、第１ピニオンギヤの周速度をＬ１に保ったまま第２ピニオンギヤの周速度をＬ１からＬ２に低減した状態を所定時間維持した後、第１ピニオンギヤ及び第２ピニオンギヤを停止させ、前記第１の駆動モータ及び前記第２の駆動モータにモータブレーキをかけて前記第１ピニオンギヤ及び前記第２ピニオンギヤを不動とすることを特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、独立したモータにより駆動される複数のピニオンギヤと、歯車との噛み合部に形成されるバックラッシに対して、複数のピニオンギヤの回転を個別に制御して、複数のピニオンギヤの動作中または停止中において、前記ピニオンギヤと前記歯車との間に形成されるバックラッシ分の微小隙間内で噛み合いに遊び（ガタ）が生じないように噛み合わせを制御する。
【００１５】
翼ピッチ制御またはヨー制御において、制御中、停止移行中、特に停止後において、複数のピニオンギヤと前記ひとつの大歯車との間に形成されるバックラッシの微小隙間分の遊び（ガタ）が抑制されるので、歯面のすべりや衝撃から生じるギヤ歯面の損傷を抑えることができ、歯車伝達機構を長寿命化できる。
【００１６】
本発明に係る風力発電装置の歯車伝達機構において、複数のピニオンギヤと一つの大歯車のバックラッシを無くす様にするには下記の作動を達成するような機構が考えられ、または本発明に係る歯車伝達機構の歯車噛み合い制御方法において、複数のピニオンギヤと一つの大歯車のバックラッシを無くす様にするには、下記の作動を達成するように制御方法が考えられる。とくに、停止するときにバックラッシを無くすのが重要であり、下記の制御は組み合わせて同時に採用しても良いし、どれか一つでも良い。
（１）動作中または停止移行時に前記第１のピニオンギヤと第２のピニオンギヤとの間で周速速度差を持たせ常のバックラッシを無くす様に制御することを特徴とする。
（２）動作中から停止移行時に第１のピニオンギヤと第２のピニオンギヤの停止時期を異ならせることにより、バックラッシを無くすことを特徴とする。
（３）動作中から停止した後に、第１のピニオンギヤの停止後に、第２のピニオンギヤの回転方向を逆回転させることでバックラッシを無くすことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係る風力発電装置は、前記の歯車伝達機構を備えることを特徴とし、このように構成することで、翼ピッチ可変機構およびナセル旋回機構行う歯車伝達機構の耐久性を向上した風力発電装置を得ることができる。
【発明の効果】
【００１８】
独立したモータにより駆動される複数のピニオンギヤとひとつの大歯車との噛合部に形成されるバックラッシに対して、ギヤ間に発生するバックラッシ（ギヤ隙間）の微小隙間分の噛み合い遊び（ガタ）の発生を抑えるので、歯面のすべりや衝撃から生じるギヤ歯面の損傷を抑えることができ、長寿命化できる。
具体的には、翼ピッチ制御機構の部分の場合、翼ピッチ制御の運転時、または停止移行時、歯車に噛み合う複数のピニオンギヤ間に、周速速度差を持たせるか、又は複数のピニオンギヤ間の停止時期を異ならせる。また、複数のピニオンギヤの停止後に、一部のピニオンギヤの回転方向を逆回転させる。このように制御することで、ピニオンギヤと前記歯車との間に形成されるバックラッシ分の噛合いの遊びをなくすように噛み合わせることができ、その結果、バックラッシ分の噛合い遊び（ガタ）の発生が抑えられて、歯面のすべりや衝撃から生じるギヤ歯面の損傷を抑えることができ、長寿命化できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の歯車伝達機構を翼ピッチ制御機構部分に適用した場合を、翼の一部断截して示す斜視図である。
【図２】図１中のＸ部の拡大断面図、および制御装置の構成を示す説明図である。
【図３】（Ａ）は図２中のＹ矢視図であり、（Ｂ）は（Ａ）の一部拡大図である。
【図４】第１の本発明装置の各実施形態の歯車噛合部を示す説明図である。
【図５】第１制御手法に関する制御フローチャートである。
【図６】第２制御手法に関する制御フローチャートである。
【図７】第３制御手法に関する制御フローチャートである。
【図８】第４制御手法に関する制御フローチャートである。
【図９】本発明の歯車伝達機構をナセル旋回機構に適用した場合を示す断面図である。
【図１０】一実施形態を示し、図２中のＹ矢視対応図である。
【図１１】風力発電装置の全体構成を示す側面図である。
【図１２】従来の風力発電装置の可変ピッチ機構を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではない。
【００２１】
本発明の実施形態について、図１〜１０に基づいて説明する。図１において、本実施形態の風力発電装置１０は、ナセル部１２の前方に設置されたハブ部１４の内部で、回転翼１６の翼環３０の内周に内歯車１８が形成され、該内歯車１８に夫々噛合する第１のピニオンギヤ２０ａ、及び第２のピニオンギヤ２０ｂが設けられている。第１のピニオンギヤ２０ａ及び第２のピニオンギヤ２０ｂには、夫々ピニオン軸２２ａ及び２２ｂが固着されている。
【００２２】
図２は翼ピッチ可変機構４１を示し、図２において、ハブ部１４の上部にボルト２４で軸受支え２６が固定されている。軸受支え２６の内周側に、軸受２８を介して回転翼１６の翼環３０が回転自在に支持されている。該翼環３０の内側には、大径の内歯車１８が形成されている。
【００２３】
図３（Ａ）において、回転翼１６の翼環３０の内側には、第１のピニオンギヤ２０ａと第２のピニオンギヤ２０ｂとが、翼環３０の中心Ｏに対して軸対称に配置され、内歯車１８と噛み合っている。ここで、Ｏ１は第１のピニオンギヤ２０ａの軸心であり、Ｏ２は第２のピニオンギヤ２０ｂの軸心である。
本実施形態では、第１のピニオンギヤ２０ａと第２のピニオンギヤ２０ｂとは同一径であるが、これらのピニオンギヤは異なる径であっても良い。また、第１のピニオンギヤ２０ａと第２のピニオンギヤ２０ｂとは、軸対称に配置されなくてもよく、ピニオンギヤが３個以上配置されても良い。
【００２４】
図２に示すように、ハブ部１４の内側部位１４ａには、第１の駆動モータ３２ａ及び第２の駆動モータ３２ｂが固設されている。第１のピニオンギヤ２０ａのピニオン軸２２ａは、内側部位１４ａに穿設された孔３４に挿入され、第１の駆動モータ３２ａに連結されている。また、第２のピニオンギヤ２０ｂのピニオン軸２２ｂは、孔３４に挿入され、第２の駆動モータ３２ｂに連結されている。
第１の駆動モータ３２ａは、既に広く知られているように、回転翼１６のピッチ制御を行うもので、風の方向や強さ等に応じて、第１の駆動モータ３２ａを駆動させ、第１のピニオンギヤ２０ａに噛み合う内歯車１８を介して、回転翼１６の角度を翼角開（増大）方向あるいは翼角閉（減少）方向に回転させる。
【００２５】
コントローラ３６は、その出力信号によって、第１の駆動モータ３２ａ及び第２の駆動モータ３２ｂの稼動を制御する。第１の駆動モータ３２ａと第２の駆動モータ３２ｂとは、コントローラ３６により、夫々別個に運転制御される。
【００２６】
コントローラ３６には、タイマー３８から時間信号が入力される。また、エンコーダ３９は、ピニオン軸２２ａとピニオン軸２２ｂの単位時間当たりの回転変位を検出し、その検出信号をコントローラ３６に入力している。以上の構成により回転翼１６のピッチを制御するピッチ可変制御装置４０が構成されている。
【００２７】
図３（Ａ）に示すように、第１の駆動モータ３２ａによって第１のピニオンギヤ２０ａが矢印Ｎ１方向に回転され、同時に、第２の駆動モータ３２ｂによって第２のピニオンギヤ２０ｂが矢印Ｎ１方向に回転される。そして、これらピニオンギヤに噛み合う内歯車１８が矢印Ｎ方向に回転されて、回転翼１６の翼ピッチ制御を行う。このとき、図３（Ｂ）に示すように、内歯車１８と第１のピニオンギヤ２０ａとの噛合部では、内歯車１８の歯１Ｓと、第１のピニオンギヤ２０ａの歯車２Ｓとの間に、バックラッシＣが形成される。なお、図３（Ｂ）中の２ｑは、第１のピニオンギヤ２０ａの基準ピッチ円を示す。
【００２８】
（第１制御手法）
次に、コントローラ３６による制御手法を図５により説明する。図中、Ａは第１のピニオンギヤ２０ａの周速度を示し、Ｂは第２のピニオンギヤ２０ｂの周速度を示す。
図５において、まず、風力発電装置１０の運転が開始され（ステップＳ１０）、コントローラ３６から可変ピッチ制御開始指令が出される（ステップＳ１１）。これによって、図３に示すように、ピニオンギヤ２０ａ、２０ｂはＮ１方向に回転を開始し、内歯車１８はＮ方向に回転を始める。その後、コントローラ３６から可変ピッチ制御の停止指令が出されると（ステップＳ１２）、コントローラ３６で、第２のピニオンギヤ２０ｂの周速度Ｂの減速指令（ステップＳ１３）を出す。
【００２９】
すなわち、第１のピニオンギヤ２０ａの周速度Ａに対しては減速指令を出さずに第２のピニオンギヤ２０ｂの周速度Ｂだけ減速指令（ステップＳ１３）を出すことによって周速度差をつける。
周速度差がつくための一定の時間が経過したかを判定し（ステップＳ１４）、一定時間が経過していれば、第１の駆動モータ３２ａおよび第２の駆動モータ３２ｂにブレーキをかけてその状態を保持して、第１のピニオンギヤ２０ａと第２のピニオンギヤ２０ｂとを停止させた状態にする（ステップＳ１５）。
【００３０】
かかる制御を行なうことにより、翼の可変ピッチ制御の停止時に、図４に示すように、内歯車１８と第１のピニオンギヤ２０ａ間のバックラッシＣ、及び内歯車１８と第２のピニオンギヤ２０ｂ間のバックラッシＣの隙間内で遊ばないように噛み合わせることができ、その結果、回転翼１６が風力を受けても、内歯車１８やピニオンギヤ２０ａ、２０ｂに大きな衝撃力が発生しない。従って、歯車伝達機構が破損するおそれがなく、長寿命化できる。
【００３１】
（第２制御手法）
次に、コントローラ３６による第２制御手法を図６により説明する。なお、本制御手法が前提とする装置構成は、前記第１制御手法と同一であり、コントローラ３６による制御手法のみが異なる。複数のピニオンの駆動時間に差を設けたものである。
その制御手順を図６で説明する。
図６において、ステップＳ２０からステップＳ２２までは、前記第１実施形態と同一の制御手順である。その後、コントローラ３６で、第１のピニオンギヤ２０ａの停止までの時間Ｔ１と第２のピニオンギヤ２０ｂの停止までの時間Ｔ２とをそれぞれ異ならせて、例えばＴ１＞Ｔ２に設定し（ステップＳ２３）、それに応じて第１の駆動モータ３２ａおよび第２の駆動モータ３２ｂの回転数を制御する。なお、Ｔ１、Ｔ２の設定はピッチ制御停止指令がある前に予め設定しておいてもよい。
【００３２】
そして、Ｔ１＞Ｔ２に設定したかを判定（ステップＳ２４）して、達していなければ、ステップＳ２４に戻って時間を経過させ、達していれば、第１の駆動モータ３２ａおよび第２の駆動モータ３２ｂにモータブレーキをかけてその状態を保持して、第１のピニオンギヤ２０ａと第２のピニオンギヤ２０ｂとを停止させた状態にする（ステップＳ２５）。
【００３３】
このように、ピッチ制御開始後、第２のピニオンギヤ２０ｂを第１のピニオンギヤ２０ａより先に停止させるようにする。これによって、図４に図示されているように、内歯車１８と第１のピニオンギヤ２０ａ間のバックラッシＣ、および内歯車１８と第２のピニオンギヤ２０ｂ間のバックラッシＣの隙間内で遊ばないように噛み合わせることができ、その結果、回転翼１６が風力を受けても、歯車伝達機構に加わる衝撃力を低減できる。従って、歯車機構が破損するおそれがなく、長寿命化できる。
【００３４】
（第３制御手法）
次に、コントローラ３６による第３制御手法を図７により説明する。本制御手法が前提とする装置構成は、前記第１制御手法と同一であり、コントローラ３６による制御手法のみが異なる。その制御手順を図７で説明する。
図７において、ステップＳ３０からステップＳ３２までは、前記第１実施形態と同一の制御手順である。コントローラ３６から可変ピッチ制御の停止指令が出されると（ステップＳ３２）、第１のピニオンギヤ２０ａおよび第２のピニオンギヤ２０ｂは回転を停止し、その周速度をそれぞれ零０とする（ステップＳ３３）。
【００３５】
次に、第２のピニオンギヤ２０ｂのみを一定時間だけ、動作時と逆回転する（ステップＳ３４）。一定時間経過した後に、第１の駆動モータ３２ａおよび第２の駆動モータ３２ｂにブレーキをかけてその状態を保持して、第１のピニオンギヤ２０ａと第２のピニオンギヤ２０ｂとを停止させた状態にする（ステップＳ３５）。
【００３６】
かかる制御を行なうことにより、可変ピッチ制御の停止後に、図４に示すように、内歯車１８と第１のピニオンギヤ２０ａ間のバックラッシＣ、及び内歯車１８と第２のピニオンギヤ２０ｂ間のバックラッシＣの隙間内で遊ばないように噛み合わせることができ、その結果、回転翼１６が風力を受けても、内歯車１８やピニオンギヤ２０ａ、２０ｂに大きな衝撃力が発生しない。従って、歯車伝達機構が破損するおそれがなく、長寿命化できる。
【００３７】
（第４制御手法）
次に、コントローラ３６による第４制御手法を図８により説明する。図８において、ステップＳ４０からステップＳ４２までは、前記第１制御手法と同一の制御手順である。その後、コントローラ３６で、エンコーダ３９で計測する第１のピニオンギヤ２０ａの周速度Ａの値Ｌ１、および第２のピニオンギヤ２０ｂの周速度Ｂの値Ｌ２を設定する（この場合Ｌ１＞Ｌ２）(ステップＳ４３)。なお、Ｌ１、Ｌ２の設定はピッチ制御停止指令がある前に予め設定しておいてもよい。
【００３８】
次いで、タイマー３８からの時間を基にピッチ制御開始から設定時間Ｔａまでを、第１のピニオンギヤ２０ａおよび第２のピニオンギヤ２０ｂの周速度を共にＬ１に制御し、設定時間Ｔａ後Ｔｓまでを第２のピニオンギヤ２０ｂの周速度のみをＬ２に制御する（ステップＳ４４）。そして、第１の駆動モータ３２ａおよび第２の駆動モータ３２ｂにモータブレーキをかけてその状態を保持して、第１のピニオンギヤ２０ａと第２のピニオンギヤ２０ｂとを停止させた状態にする（ステップＳ４５）。
この周速度制御過程を図８（Ｂ）に示す。
【００３９】
このように、第２のピニオンギヤ２０ｂの回転周速度Ｂを第１のピニオンギヤ２０ａの周速度Ａより先に減速させることにより、ピッチ制御停止後に、内歯車１８と第１のピニオンギヤ２０ａ間のバックラッシＣ、および内歯車１８と第２のピニオンギヤ２０ｂ間のバックラッシＣの隙間内で遊ばないように噛み合わせることができ、その結果、回転翼１６が風力を受けても、歯車伝達機構に加わる衝撃力を低減できる。従って、歯車機構が破損するおそれがなく、長寿命化できる。
【００４０】
また、本制御手法では、第１のピニオンギヤ２０ａと第２のピニオンギヤ２０ｂとを同時に停止させるようにしているので、停止した第２のピニオンギヤ２０ｂに第１のピニオンギヤ２０ａの回転継続による荷重が付加されない。そのため、両ピニオンギヤ及び第１の駆動モータ３２ａ、第２の駆動モータ３２ｂに余分な力が付加されないという利点がある。
【００４１】
ところで、本発明の適用例は翼ピッチ可変機構４１を備えた風力発電装置１０に限られない。本発明の他の適用例を図９により説明する。本適用例は、ヨー制御にかかるナセル旋回機構を備えた風力発電装置５０に適用されたものである。
図９において、ナセル旋回機構５２は、第１のヨーモータ５６ａにより回転する第１のピニオンギヤ５４ａと、該第１のピニオンギヤ５４ａに噛み合う内歯車５８とを備え、第１のヨーモータ５６ａを駆動すると、第１のピニオンギヤ５４ａが回転し、ナセル部１２が旋回する。
【００４２】
ナセル底部に配置された軸受１２の内輪１２ａに内周に形成された内歯車５８には、第１のピニオンギヤ５４ａと第２のピニオンギヤ５４ｂとが、軸対称に配置されている。第１のピニオンギヤ５４ａと第２のピニオンギヤ５４ｂとは同一径であるが、異なる径であっても良い。
第１のヨーモータ５６ａとは別個に且つ別系統に制御される第２のヨーモータ５６ｂが設置されており、該第２のヨーモータ５６ｂには、第２のピニオンギヤ５４ｂが連結されている。
【００４３】
コントローラ６０は、第１のヨーモータ５６ａ及び第２のヨーモータ５６ｂにそれぞれ電気接続され、該第１のヨーモータ５６ａ及び第２のヨーモータ５６ｂは、コントローラ６０の出力信号によって制御される。即ち、コントローラ６０により、第１のピニオンギヤ５４ａと第２のピニオンギヤ５４ｂとが、夫々別個に稼動又は停止される。
【００４４】
コントローラ６０には、タイマー６４から時間信号が入力される。さらに、エンコーダ６２は、第１のヨーモータ５６ａ及び第２のヨーモータ５６ｂの単位時間当たりの変位の検出を行い、その検出信号をコントローラ６０に入力している。以上の構成によりナセル部１２のヨー旋回を制御するナセル旋回制御装置５３が構成されている。
【００４５】
本適用例における第１のピニオンギヤ５４ａ、第２のピニオンギヤ５４ｂ、第１のヨーモータ５６ａ、第２のヨーモータ５６ｂ、及び内歯車５８が、最初に述べた適用例における第１のピニオンギヤ２０ａ、第２のピニオンギヤ２０ｂ、第１の駆動モータ３２ａ、第２の駆動モータ３２ｂ、及び内歯車１８に相当するものである。
そのため、ナセル旋回機構５２の歯車機構においても、回転翼１６に加わる風力によって、バックラッシに起因した大きな衝撃力が発生し、該歯車機構の破損が起こるおそれがある。
これに対し、本適用例のナセル旋回制御装置５３によれば、第１〜第４実施形態のピッチ可変制御装置４０と同様の操作手順を行なうことによって、かかる問題を解消できる。
【００４６】
次に、本発明の一実施形態について図１０により説明する。図１０は、前記第１〜第４制御手法の図３（Ａ）に相当する図である。図１０以外の構成及び作用は、前記第１〜第４制御手法について説明した内容と同一である。本実施形態の可変ピッチ機構７０においては、ハブ部１４内に収納され、回転翼１６と一体の駆動輪７２は、円環状をなした駆動輪７２の内周下部に内歯車７４が形成されている。内歯車７４には、第１のピニオンギヤ７６ａと第２のピニオンギヤ７６ｂとが、回転翼１６の下部中心Ｏに対して、軸対称に配置されている。
【００４７】
本実施形態では、第１のピニオンギヤ４０ａの直径が、第２のピニオンギヤ４０ｂよりも大きく構成されている。ここで、内歯車７４の回転数をＮとし、第１のピニオンギヤ４０ａの回転数をＮ１とし、バックラッシ制御用の第２のピニオンギヤ７６ｂの回転数をＮ２としている。かかる構成の歯車機構を備えた可変ピッチ機構７０においても、前記第１〜第４実施形態と同様の制御を行なう。これによって、該歯車伝達機構に加わるバックラッシＣに起因した衝撃力を緩和できる。また、第１のピニオンギヤ４０ａと第２のピニオンギヤ４０ｂとの直径が異なるため、それぞれのピニオンギヤの周速度差が得やすく、実施形態２、実施形態４の周速度差を生成する制御が簡単化できるようになる。
【００４８】
また、第２のピニオンギヤ７６ｂを小径としたことにより、バックラッシ制御用の第２のピニオンギヤ７６ｂを小型化でき、そのため、第２のピニオンギヤ７６ｂを駆動するための駆動トルクを小さくできる。従って、歯車機構及びその駆動機構を低コストとすることができる。
なお、第１のピニオンギヤ７６ａと第２のピニオンギヤ７６ｂとは、必ずしも軸対称に配置しなくてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、回転翼の可変ピッチ機構又はヨー制御機構に歯車伝達機構を備えた風力発電装置において、ギヤ間に発生するバックラッシ（ギヤ隙間）の隙間内での遊ばないように噛み合わせて、これら歯車伝達機構の損傷を防止し、長寿命化を可能にすることができるので、風力発電装置への利用に適している。
【国際調査報告】
2011151887.tif 000015
2011151887.tif 000016
2011151887.tif 000017