(57)【要約】【課題】メンテナンス性を損なうことなく、動作の安定化を図ることができるようにブレーキ装置を設けた横軸水車発電機を提供する。【解決手段】横軸水車発電機は、軸受け３ａ，３ｂにより支持された横軸の回転軸１２にブレーキリング１６と励磁機４の励磁機回転子４ｂを備え、ブレーキリング１６の外周面を電磁ブレーキ１７で押し付けることにより回転軸２の回転を制動する。横軸水車発電機は、回転軸２の反直結側の軸端近傍にブレーキリング１６を設けて励磁機４の励磁機回転子４ｂを軸受とブレーキリングとの間に設けると共に、ブレーキリング１６の径を小さくして電磁ブレーキ１７によるブレーキリング１６への押し付け力が、横方向に働かず、真下から垂直に上方向に働くように電磁ブレーキ１７を配置する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸受けにより支持された横軸の回転軸にブレーキリングと励磁機の回転子を備え、前記ブレーキリングの外周面を電磁ブレーキで押し付けることにより前記回転軸の回転を制動する横軸水車発電機において、
前記回転軸の反直結側の軸端近傍に前記ブレーキリングを設けて前記励磁機の回転子を前記軸受けとブレーキリングとの間に設けると共に、前記ブレーキリングの径を小さくして前記電磁ブレーキによる前記ブレーキリングへの押し付け力が、横方向に働かず、真下から垂直に上方向に働くように前記電磁ブレーキを前記ブレーキリングの下部に配置したことを特徴とする横軸水車発電機。
【請求項２】
前記ブレーキリングへの押し付け合成力が、横方向に働かず、真下から垂直に上方向に働くように前記電磁ブレーキを前記ブレーキリングの下部に複数設置したことを特徴とする請求項１記載の横軸水車発電機。
【請求項３】
半径ｒ１のブレーキリングが取り付けられた回転軸を制動するための電磁ブレーキによる押し付け力をＦｂ１とすると、前記回転軸に半径ｒ１よりも小さい半径ｒ２のブレーキリングが取り付けられた場合、前記電磁ブレーキによる押し付け力Ｆｂ２は、前記押し付け力Ｆｂ１に前記半径ｒ１を掛け、前記ブレーキリングの半径ｒ２で割った大きさにしたことを特徴とする請求項１記載の横軸水車発電機。
【請求項４】
前記励磁機の回転子を覆う励磁機カバーの反直結側面に突出して取り付けたブレーキ装置のカバー内に、前記ブレーキリングと前記電磁ブレーキを設置したことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の横軸水車発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸を制動するためのブレーキ装置を備えた横軸水車発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の横軸水車発電機と、横軸水車発電機に設けられるブレーキ装置の構造について説明する。図７は、従来の横軸水車発電機の構成を示す図、図８は、図７に示す従来の横軸水車発電機に設けられたブレーキ装置５のＣ−Ｃ線における断面図である。
【０００３】
図７に示すように、従来の横軸水車発電機では、固定子１を挟みこむように、軸受け３ａが直結側に設置され、軸受け３ｂが反直結側に設置され、軸受け３ａ，３ｂにより回転軸２を支持する。軸受け３ａ、３ｂは、重量の重い物を支持できる、例えばすべり軸受けが採用される。
【０００４】
固定子１は、電磁鋼鈑を軸方向に積層した固定子鉄心１ａと固定子鉄心内径側のスロット内に納められた固定子コイル１ｂから構成される。
【０００５】
回転軸２は、固定子１の内径面から半径方向に隙間をあけて配置される。回転軸２は、中央部に電磁鋼鈑を積層した回転子鉄心２ａが設けられ、回転子鉄心２ａの外周部に回転子コイル２ｂが設けられる。
【０００６】
回転軸２の反直結側の軸端部に設置された励磁機４は、回転軸２に設けられた整流器（図示せず）を介して直流電流を回転子コイル２ｂに印加する。回転子コイル２ｂに直流が印加された状態で、回転軸２が回転すると固定子コイル１ｂに交流電流が発生し、回転軸２の回転数に応じた電力を得ることができる。このように、図７に示す構造による横軸水車発電機は、水車と直結された回転軸２が回転することで、流水による機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換することができる。
【０００７】
軸受け３ｂと励磁機４の間にはブレーキ装置５が設置される。ブレーキ装置５は、回転軸２に設けられたブレーキリング６の外周面に対して電磁ブレーキ７を押し当てることで、摩擦力により回転軸２の回転を制動する。ブレーキ装置５は、軸受け３ｂと励磁機４の間に設けられているため、側面からメンテナンスし易くなるように、ブレーキリング６（回転軸２）の斜め下に設置される。従って、電磁ブレーキ７は、ブレーキリング６に対して斜め下から押し当てられる。回転軸に対して斜め下から押し当てるブレーキ装置は、例えば特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】実開平２−６６７４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来、水車に流れる流量を調整する弁の開閉の制御が難しく、流量を一定にできなかったために、最大流量に対応できるように回転軸２に要求されるＧＤ２の値が大きくなり、ブレーキリング６の半径ｒ１も要求に応じて大きくする必要があった。ブレーキリング６は、半径ｒ１を大きくすると重量が増加するため、回転軸２が撓まないように軸受け３ｂの近傍において回転軸２に取り付けられている。
【００１０】
従来の水車発電機において、回転軸２に制動を掛ける際に、例えば電磁ブレーキ７によりブレーキリング６の外周面を押し付け力Ｆｂ１により押し当てるものとする。この場合、ブレーキリングの半径ｒ１、ブレーキリング６と電磁ブレーキ７が接触する面の摩擦係数をμとすると、電磁ブレーキ７の押し付け力による制動トルクＴ１は、
Ｔ１＝μ×Ｆｂ１×ｒ１      …（式１）
で与えられる。
【００１１】
押し付け力Ｆｂ１を分解すると、図９（ａ）に示すベクトル図の通り、軸断面の上方向の力Ｆｂ１ｙと横方向の力Ｆｂ１ｘに分けることができる。回転軸２の自重Ｆ１と電磁ブレーキ７の押し付け力（Ｆｂ１ｘ，Ｆｂ１ｙ）の合成力は、図９（ｂ）に示す通りである。横方向の力Ｆｂ１ｘが回転軸２に加わったとき、回転軸２が横方向に動き、すべり軸受け（軸受け３ａ，３ｂ）の油の少ない側面に押し当てられる可能性がある。回転軸２がすべり軸受けの側面に押し当てられた場合、回転軸２と軸受けとの摩擦力が大きくなり、軸受け３ａ，３ｂの寿命が短くなるおそれがある。また、電磁ブレーキ７による横方向の力Ｆｂ１ｘにより回転軸２の位置が本来の軸位置からずれるため、回転軸２の振動が大きくなるおそれがある。
【００１２】
制動トルクＴ１を大きくするために、電磁ブレーキ７の押し付け力Ｆｂ１を大きくすると、図１０（ａ）のベクトル図に示す通り電磁ブレーキ７の押し付け力（Ｆｂ１ｘ，Ｆｂ１ｙ）が大きくなり、図１０（ｂ）の合成力も横方向の成分（Ｆｂ１ｘ）が大きくなる。このため、さらに回転軸２の振動が大きくなり、軸受け３ａ、３ｂの寿命もさらに短くなるおそれがある。
【００１３】
電磁ブレーキ７の押し付け力Ｆｂ１を大きくせずに制動トルクＴ１を大きくするためには、ブレーキリング６の半径ｒ１を大きくすれば良いが、ブレーキリング６の半径を大きくすると重量が増加し、価格も上昇してしまう。また、電磁ブレーキ７をブレーキリング６（回転軸２）の真下に設ければ、電磁ブレーキ７による押し付けに伴う横方向の力を０にすることができるが、図７に示すように、ブレーキリング６のサイズが大きければ、ブレーキ装置７を地面に設置しなければならない。この場合、電磁ブレーキ７を設置するための基礎工事が必要となり、またブレーキ装置７が軸受け３ｂと励磁機４との間の地面近くにあることからメンテナンス作業が困難となってしまう。
【００１４】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、メンテナンス性を損なうことなく、動作の安定化を図ることができるようにブレーキ装置を設けた横軸水車発電機を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の課題を解決するために、請求項１の発明に対応する横軸水車発電機は、軸受けにより支持された横軸の回転軸にブレーキリングと励磁機の回転子を備え、前記ブレーキリングの外周面を電磁ブレーキで押し付けることにより前記回転軸の回転を制動する。横軸水車発電機は、前記回転軸の反直結側の軸端近傍に前記ブレーキリングを設けて前記励磁機の回転子を前記軸受とブレーキリングとの間に設けると共に、前記ブレーキリングの径を小さくして前記軸受けと前記ブレーキ装置の間に励磁機を配置した構成で、前記電磁ブレーキによる前記ブレーキリングへの押し付け力が、横方向に働かず、真下から垂直に上方向に働くように前記電磁ブレーキを前記ブレーキリングの下部に配置したことを特徴とする。
【００１６】
請求項２に対応する発明による横軸水車発電機は、請求項１の横軸水車発電機において、前記ブレーキリングへの押し付け合成力が、横方向に働かず、真下から垂直に上方向に働くように前記電磁ブレーキを前記ブレーキリングの下部に複数設置したことを特徴とする。
【００１７】
請求項３に対応する発明による横軸水車発電機は、請求項１の横軸水車発電機において、半径ｒ１のブレーキリングが取り付けられた回転軸を制動のための電磁ブレーキによる押し付け力をＦｂ１とすると、前記回転軸に半径ｒ１よりも小さい半径ｒ２のブレーキリングが取り付けられた場合、前記電磁ブレーキによる押し付け力Ｆｂ２は、前記押し付け力Ｆｂ１に前記半径ｒ１を掛け、前記ブレーキリングの半径ｒ２で割った大きさにしたことを特徴とする。
【００１８】
請求項４に対応する発明による横軸水車発電機は、請求項１乃至請求項３の何れかに記載の横軸水車発電機において、前記励磁機の回転子を覆う励磁機カバーの反直結側面に突出して取り付けたブレーキ装置のカバー内に、前記ブレーキリングと前記電磁ブレーキを設置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、メンテナンス性を損なうことなく、動作の安定化を図ることができるようにブレーキ装置を設けた横軸水車発電機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る横軸水車発電機の構成図。
【図２】図１に示す横軸水車発電機に設けられたブレーキ装置のＡ−Ａ線における断面図。
【図３】本発明の第１の実施の形態の電磁ブレーキによる押し付け力と回転軸自重のベクトル図と、電磁ブレーキによる押し付け力と回転軸自重の合成力のベクトル図。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る横軸水車発電機の構成図。
【図５】図４に示す横軸水車発電機に設けられたブレーキ装置のＢ−Ｂ線における断面図。
【図６】本発明の実施の形態に係る電磁ブレーキの他の配置例を示す図。
【図７】従来の横軸水車発電機の構成を示す図。
【図８】図７に示す従来の横軸水車発電機に設けられたブレーキ装置のＣ−Ｃ線における断面図。
【図９】従来の電磁ブレーキによる押し付け力と回転軸自重のベクトル図と、電磁ブレーキによる押し付け力と回転軸自重の合成力のベクトル図。
【図１０】従来の電磁ブレーキによる押し付け力と回転軸自重のベクトル図と、電磁ブレーキによる押し付け力と回転軸自重の合成力のベクトル図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。  
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る横軸水車発電機の構成を示す図、図２は、図１に示す横軸水車発電機に設けられたブレーキ装置１５のＡ−Ａ線における断面図、図３（ａ）は、本発明の第１の実施の形態の電磁ブレーキ１７による押し付け力と回転軸自重のベクトル図、図３（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態の電磁ブレーキ１７による押し付け力と回転軸自重の合成力のベクトル図である。図１及び図２において、図７及び図８に示した従来の横軸水車発電機と同じ構成については、同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
【００２２】
図１及び図２に示す横軸水車発電機では、励磁機４を軸受け３ｂの反直結側の隣に配置する。さらに、回転軸２の反直結側軸端が収容されるようにブレーキ装置１５を配置する。すなわち、軸受け３ｂとブレーキ装置１５の間に励磁機４を配置した構成とする。励磁機４は、励磁機カバー４ａにより覆われており、励磁機カバー４ａ内の回転軸１２に励磁機回転子４ｂが設けられ、励磁機回転子４ｂとの間に隙間を設けて励磁機固定子４ｃが設けられている。ブレーキ装置１５に収容される回転軸１２の反直結側の軸端近傍（軸端を含む）にはブレーキリング１６が設けられ、ブレーキリング１６の下端の下方に電磁ブレーキ１７が設置されている。反直結側の軸端近傍にブレーキリング１６を設けることにより、回転軸１２に備えられた励磁機４の励磁機回転子４ｂが、軸受け３ｂとブレーキリング１６との間に配置される。また、ブレーキリング１６の下端の下方に電磁ブレーキ１７を設けることで、電磁ブレーキ１７によるブレーキリング１６への押し付け力が、回転軸１２の軸心に対して横方向に働かず、真下から垂直に上方向に働くようにすることができる。
【００２３】
図２に示すように、ブレーキリング１６の半径ｒ２は、図８に示すブレーキリング６の半径ｒ１よりも小さくしている（ｒ２＜ｒ１）。電磁ブレーキ１７は、小さくした半径ｒ２のブレーキリング１６に対して押し付けられるように、ブレーキ台座１８の上に載置され、ブレーキリング１６の下端に近接される。従って、電磁ブレーキ１７によるブレーキリング１６への押し付けは、下から上へ垂直方向となる。電磁ブレーキ１７による押し付けを垂直方向とすることで、ブレーキリング１６の外周面（回転軸１２）に対する押し付け力Ｆｂ２が回転軸断面横方向に作用せず、上方向だけに働くようになる。
【００２４】
ブレーキリング１６の半径ｒ２を、図８に示す従来のブレーキリング６の半径ｒ１より小さくできる理由として、近年、横軸水車発電機の水車に流れる流量を調整する弁の開閉の制御機器が発達したことがある。すなわち、制御機器により流量を一定にできることで、回転軸２に要求されるＧＤ２の値を小さくできるようになったためである。
【００２５】
第１の実施の形態において、電磁ブレーキ１７による押し付け力Ｆｂ２の制動トルクＴ２は以下の式で表される。
【００２６】
Ｔ２＝μ×Ｆｂ２×ｒ２  …（式２）
制動トルクＴ２を図７及び図８に示す従来構造と同様に得るためには、
Ｔ２＝Ｔ１    …（式３）
とすることであるので、（式１）、（式２）、（式３）より
μ×Ｆｂ２×ｒ２＝μ×Ｆｂ１×ｒ１
Ｆｂ２＝Ｆｂ１×ｒ１／ｒ２    …（式４）となる。
【００２７】
（式４）のとおり、第１の実施の形態では、電磁ブレーキ１７による押し付け力Ｆｂ２は、従来構造の半径ｒ１のブレーキリング６が取り付けられた回転軸２のために押し付け力Ｆｂ１が必要な場合に、押し付け力Ｆｂ１に従来のブレーキリング６の半径ｒ１を掛けてブレーキリング１６の半径ｒ２で割った大きさの力が必要となる。すなわち、ブレーキリング１６の半径を小さくすると共に、電磁ブレーキ１７のブレーキリング６への押し付け力Ｆｂ２をそれに見合って大きくすることで、同じ制動能力を維持したまま、ブレーキリング１６の下部スペースを広めることができる。
【００２８】
図３（ａ）には、回転軸１２の自重Ｆ２と電磁ブレーキ１７の押し付け力Ｆｂ２のベクトル図、図３（ｂ）は合成力（Ｆ２−Ｆｂ２）のベクトル図を示している。電磁ブレーキ１７の押し付け力Ｆｂ２が回転軸１２の自重Ｆ２よりも大きくなった場合、回転軸１２が上方向に動いてしまうため、図３（ｂ）に示すように、合成力Ｆ２−Ｆｂ２＞０となるように電磁ブレーキ１７の押し付け力Ｆｂ２を決定する必要がある。
【００２９】
（効果）
このようにして、第１の実施の形態によれば、電磁ブレーキ１７によるブレーキリング１６に対する押し付けを下から上へ垂直方向にしたことにより、電磁ブレーキ１７による押し付け力Ｆｂ２が回転軸１２（ブレーキリング１６）に対して上方向のみに働き、横方向には作用しない。このため、電磁ブレーキ１７の押し付けにより回転軸１２を横方向に動かすおそれがないので、軸受け３ａ，３ｂの側面に回転軸１２が当たることが無くなる。よって、従来の横軸水車発電機よりも軸受け３ａ，３ｂの寿命を長くすることができる。また、電磁ブレーキ１７の押し付けにより回転軸１２の横方向の軸心のずれが無くなるため、軸振動の低減を図ることができ、回転軸２の寿命も長くすることができる。すなわち、横軸水車発電機の動作の安定化を図ることで、軸受け３ａ，３ｂ、回転軸１２の長寿命化が可能となり、メンテナンス費用などの低減が実現される。
【００３０】
また、ブレーキリング１６の半径寸法を従来より小さくすることで重量を軽くすることができる。これにより、ブレーキリング１６を軸受け３ｂの近くではなく、回転軸２の反直結側の軸端近傍に設けても回転軸２を撓まないようにできる。また、ブレーキリング１６を小さくすることで価格の低減も図ることができる。さらに、回転軸２の反直結側の軸端近傍にブレーキリング１６を設けることで、ブレーキ装置１５（電磁ブレーキ１７）を回転軸２の軸端に配置でき、電磁ブレーキ１７へのアクセスが容易となる。また、ブレーキリング１６の半径が小さくなっていることから、電磁ブレーキ１７がブレーキ台座１８に載置され、地面から高い位置に設けられるので、この点からも電磁ブレーキ１７へのアクセスが容易となる。よって、ブレーキ装置１５に対するメンテナンスを容易にすることが可能なる。
【００３１】
（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施の形態の横軸水車発電機の構成を示す図、図５は、図４に示す横軸水車発電機に設けられたブレーキ装置２５のＢ−Ｂ線における断面図である。図４及び図５において、図１及び図２に示した横軸水車発電機と同じ構成については、同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
【００３２】
図１に示す第１の実施の形態における横軸水車発電機では、回転軸１２の反直結側の軸端を含むようにブレーキ装置１５を独立して配置しているが、第２の実施の形態では、図４に示すように、励磁機４を収容する励磁機カバー４ａの反直結側面に突出してブレーキ装置２５のブレーキカバー３０を取り付け、ブレーキカバー３０内に電磁ブレーキ１７を設置する。
【００３３】
ブレーキカバー３０は、回転軸１２に設けられたブレーキリング１６を含む反直結側の軸端を収容し、下面が地面から離れるように形成されている。ブレーキカバー３０内の下面には、電磁ブレーキ１７が例えばブレーキ台座２８を介して設置されている。図５に示すように、電磁ブレーキ１７は、ブレーキカバー３０の下面に取り付けられることにより、ブレーキリング１６に対して押し付けられるように、ブレーキリング１６の下端に近接する。すなわち、ブレーキカバー３０は、電磁ブレーキ１７を下面に取り付けることで、電磁ブレーキ１７がブレーキリング１６の下端に近接するように下面の位置が決められた形状（サイズ）に形成される。
【００３４】
（効果）
このようにして、第２の実施の形態によれば、電磁ブレーキ１７を地面ではなく、ブレーキカバー３０内に設置することで、第１の実施の形態の効果に加え、ブレーキ装置２５を設置するための基礎（ソールプレート等）が不要となり、ブレーキ装置２５の基礎の材料費、基礎工事費用を削減することができる。
【００３５】
（電磁ブレーキの他の配置例）
前述した第１及び第２の実施の形態では、ブレーキ装置１５，２５に１つの電磁ブレーキ１７を設け、ブレーキリング１６の下端の下方に電磁ブレーキ１７を設置することにより、電磁ブレーキ１７によるブレーキリング１６への押し付け力が、横方向に働かず、真下から垂直に上方向に働くようにしている。本発明に係る横軸水車発電機では、ブレーキ装置に複数の電磁ブレーキを設けて、ブレーキリング１６への押し付け力が、横方向に働かず、真下から垂直に上方向に働くように構成することもできる。
【００３６】
図６は、図５に示す第２の実施の形態におけるブレーキ装置２５の構成と対応づけて示すブレーキ装置の変形例を示す図である。図６に示すブレーキ装置では、２つの電磁ブレーキ１７ａ，１７ｂが配置されている。電磁ブレーキ１７ａ，１７ｂは、例えば同じ構成を有しており、ブレーキ台座２８ａ上に、回転軸１２（ブレーキリング１６）に対して斜め下方の左右対称となる位置に配置されている。
【００３７】
図６に示す構成において、電磁ブレーキ１７ａ，１７ｂによりブレーキリング１６を押し付けた場合、前述した図９及び図１０に示すように、電磁ブレーキ１７ａ，１７ｂのそれぞれの押し付け力により、回転軸１２に対して横方向の力Ｆｂ１ｘが加わる。このとき、電磁ブレーキ１７ａ，１７ｂを同じ押し付け力によりブレーキリング１６に押し付けることにより、電磁ブレーキ１７ａ，１７ｂのそれぞれの押し付け力により発生する横方向の力が左右逆方向となり横方向の合成力が０となる。従って、電磁ブレーキ１７ａ，１７ｂによるブレーキリング１６への押し付け力（合成力）が、横方向に働かず、真下から垂直に上方向に働くことになる。
【００３８】
なお、図６に示す例では、同じ構成の電磁ブレーキ１７ａ，１７ｂを左右対称に配置し、同じ押し付け力によりブレーキリング１６に押し付けることで横方向の合成力が０となるようにしているが、電磁ブレーキ１７ａ，１７ｂに押し付け力の横方向の合成力が０になれば他の変形も可能である。例えば、電磁ブレーキ１７ａ，１７ｂを異なる（例えば、ブレーキリング１６との接触面積が異なる）構成にしたり、電磁ブレーキ１７ａ，１７ｂを左右対称ではない位置に配置したり、あるいは電磁ブレーキ１７ａ，１７ｂのそれぞれの押し付け力が異なるようにしたりすることも可能である。さらに、３つ以上の電磁ブレーキを配置して、同様にして、押し付け力の横方向の合成力が０になるようにして、真下から垂直に上方向にのみ合成力が働くようにすることも可能である。
【００３９】
また、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００４０】
１…固定子、１ａ…固定子鉄心、１ｂ…固定子コイル、２，１２…回転軸、２ａ…回転子鉄心、２ｂ…回転子コイル、３ａ，３ｂ…軸受け、４…励磁機、４ａ…励磁機カバー、４ｂ…励磁機回転子、４ｃ…励磁機固定子、５，１５，２５…ブレーキ装置、６，１６…ブレーキリング、７，１７、１７ａ、１７ｂ…電磁ブレーキ、１８，２８，２８ａ…ブレーキ台座、３０…ブレーキカバー。
【図１】
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【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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