(57)【要約】【目的】風車に作用する風力による大きなスラストおよびラジアル荷重を直接増速機に作用させず、かつ、風車の歯部内部に人が入ることが可能とし、内部でメンテナンスができる構造とすること。【解決手段】風車と発電機で構成される増速機付きの風力発電装置で、増速機を遊星歯車のみとし、増速機を発電機の反風車側に設け、主軸の同芯円上の外側に発電機軸を配置し、両軸を玉軸受ないしころ軸受により、相互に回転可能な一体構造とし、両軸を遊星歯車により接続することを特徴とした風力発電機。【選択図】        図１
2011064141.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブレードが取り付けられたハブと該ハブに先端が連結された主軸とから構成される風車と、前記主軸により回動される増速機と、該増速機によって駆動される発電機と、前記増速機および前記発電機を収納するナセルとを備える風力発電装置において、
前記主軸は、両端で軸受を介して前記ナセルに支持され、
前記発電機は、固定子が前記ナセルに固定され、回転子の発電機軸が発電機軸受を介して前記主軸の外周面上に回動自在に支持され、
前記増速機は遊星歯車であり、該遊星歯車の本体部が前記ナセル内で前記主軸に結合され、前記遊星歯車の外歯歯車が前記発電機の発電機軸に結合されることを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の風力発電装置において、
前記主軸は、点検のための第１空洞部を内部に有することを特徴とする風力発電装置。
【請求項３】
請求項２に記載の風力発電装置において、
前記ハブは、点検のために前記第１空洞部に連通する第２空洞部を有することを特徴とする風力発電装置。
【請求項４】
請求項１ないし３の何れかの項に記載の風力発電装置において、
前記増速機は、前記主軸の後端側に配置され、前記ナセルは、前記主軸の後端側の軸受ブラケットの少なくとも一部が開閉可能であることを特徴とする風力発電装置。
【請求項５】
請求項１ないし４の何れかの項に記載の風力発電装置において、
前記主軸を前記ナセルに支持する軸受のうち、前記ハブ側の軸受は、スラスト軸受を兼用する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、自然エネルギーである風を回転エネルギーに変換する風車を用いて発電機を駆動する風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電装置の構成は、大別すると増速駆動と直接駆動に分かれる。増速駆動とは、風車と発電機の間に増速機を設けた構成の風力発電装置である。また、直接駆動とは、発電機を風車に直結する構成の風力発電装置である。
【０００３】
従来の増速駆動に係る風力発電装置の構造の一例を図４に示す（特許文献１、２参照）。図４において、１は発電機固定子、２は発電機回転子、３は風車のブレード、５は主軸、６は発電機軸、10は増速機である。
【０００４】
図４の風力発電装置では、風車のブレード３が風力により回転すると、この回転が主軸５を介して増速機10に伝達され、さらに発電機軸６を経て発電機に伝わり、発電機回転子２の回転により電力を生み出す。なお、通常、増速機10や発電機（固定子１および回転子２）は、ナセル（翼の後ろにある本体部のことであり、図示しない）に格納されている。
【０００５】
増速駆動は、直接駆動より建設コストが安くなるというメリットがあるため、従来は主流であった。但し、増速機はトラブルが多く、メンテナンスに多くの労力が必要となり、また、騒音も大きいという問題がある。
【０００６】
そのため、主軸を一基の複列テーパーころ軸受を介してナセルで支持したことにより、主軸に加わるスラスト荷重およびラジアル荷重の増速機への伝達を小さくした構成の風力発電装置が知られている（特許文献３参照）。また、発電機と増速機を一体化してメンテナンスを容易にした風力発電装置も知られている（特許文献４参照）。
【０００７】
一方、風力発電装置が大容量化されるに伴い、増速駆動に関する上記の問題点は無視できなくなりつつあるため、直接駆動が注目され始めている。
従来の直接駆動に係る風力発電装置の構造の一例を図５に示す（特許文献５参照）。図５において、図４の構造と同一部位は同一の符号で示されているが、主軸５は発電機軸も兼ねている。図５の風力発電装置では、風車のブレード３が風力により回転すると、この回転が主軸５を経て発電機に伝達され、発電機回転子２の回転により電力を生み出す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平８−１７７７１１号公報
【特許文献２】特開２００１−３０４０９４号公報
【特許文献３】特開２００５−１０５９１７号公報
【特許文献４】特開２００２−３０３２５４号公報
【特許文献５】特開２００３−６５２０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、これらの従来の風力発電装置には以下のような問題があった。
増速駆動においては、増速機が風車と発電機の間に設けられる。従って、風車に作用する風力による軸方向および径方向の荷重は、直接、増速機に作用する。その結果、増速機は大きな回転トルクと同時に、大きなスラスト荷重およびラジアル荷重に耐えなければならなくなる。
【００１０】
特に、発電装置全体の小型化の観点から、風車を支える軸受の一部を増速機の軸受が兼ねる場合には、増速機には非常に大きな負荷がかかるため、故障などのトラブルが発生し易くなる。また、回転トルクについても、増速駆動では発電機に４極機が使用されることが多く、増速機の増速率は100倍を超える。そのため、風車が低速であるがゆえに増速機が伝達すべき回転トルクも非常に大きなものとなってしまう。
【００１１】
このように、増速駆動では、増速機のトラブルの発生機会が非常に多くなる。そのため、メンテナンスおよび保守作業が必要な機会も増える。
さらに、増速機自体も強度と増速率が高いものが要求される。そのため、非常に大型で重く、構造も複雑な増速機が必要となってしまい、製造可能な業者も限られてしまう。
【００１２】
また、大型の風力発電装置のメンテナンスを行う場合、増速駆動のように、単純に風車と発電機の間に増速機が設けられた構成では、位置関係において増速機が障害となるため、仮に風車のハブ内部が空洞であっても人が入ることができない。そのため、ハブ内部でメンテナンスを行うことができず、メンテナンス作業が困難になってしまう。
【００１３】
そのほか、上述のように増速率が大きい増速機を使用する場合、増速機の歯車の数が多くなり、風車の外に放出される騒音が大きくなるという問題も生じる。
特許文献３では、主軸が複列テーパーころ軸受を介してナセルに支持されており、スラスト荷重およびラジアル荷重、を複列テーパーころ軸受が受ける構成とされている。この構成により、増速機の強度を小さくすることができ、小型、軽量で遊星歯車のみの増速機を使用できるとされている。しかし、あくまで風車と発電機の間に増速機が設けられる構成であることに変わりはないため、従来同様、風車のハブ内部に人が入ることは困難である。従って、メンテナンスおよび保守作業を行うことは容易ではない。さらに、増速機と発電機が分かれた構造であるため、騒音の問題も大きいと思われる。
【００１４】
特許文献２では、増速機と発電機を一体化して構造を簡素化している。この構成では、部品点数は少なくなるため、メンテナンスを容易とする効果はある。しかし、増速機に負荷されるスラスト荷重およびラジアル荷重、の問題は解決されていない。
【００１５】
一方、直接駆動においては、風車に生じる騒音を抑えるために風車の回転速度は低くせざるを得ないため、発電機の回転速度が非常に低いことが問題となる。低速の発電機では、所定の電圧の発生のためには、固定子巻線の巻き回数を多くする必要があるため、銅線量が多くなる。つまり、長い銅線を必要とし、銅損の大きな発電機となってしまう。一般に、発電機は、主要損失である銅損と鉄損がほぼ同じ大きさの場合にバランスのとれた発電機となる。しかし、直接駆動による低速の発電機の場合には、銅損が鉄損の数倍にもなり、無駄が多く、バランスの悪い発電機とならざるを得ない。
【００１６】
本発明の目的は、以上のような課題を解決するべく、増速機のトラブルを軽減でき、さらに容易にメンテナンス可能な風力発電装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記の目的を達成するために、本発明に係る風力発電装置は、ブレードが取り付けられたハブと該ハブに先端が連結された主軸とから構成される風車と、前記主軸により回動される増速機と、該増速機によって駆動される発電機と、前記増速機および前記発電機を収納するナセルとを備える風力発電装置において、前記主軸は、両端で軸受を介して前記ナセルに支持され、前記発電機は、固定子が前記ナセルに固定され、回転子の発電機軸が発電機軸受を介して前記主軸の外周面上に回動自在に支持され、前記増速機は遊星歯車であり、該遊星歯車の本体部が前記ナセル内で前記主軸に結合され、前記遊星歯車の外歯歯車が前記発電機の発電機軸に結合される構成とする。
【００１８】
また、本発明によれば、上記の構成において、前記主軸は、点検のための第１空洞部を内部に有する構成とする。
また、本発明によれば、上記の構成において、前記ハブは、点検のために前記第１空洞部に連通する第２空洞部を有する構成とする。
【００１９】
また、本発明によれば、上記の構成において、前記増速機は、前記主軸の後端側に配置され、前記ナセルは、前記主軸の後端側の軸受ブラケットの少なくとも一部が開閉可能である構成とする。
【００２０】
また、本発明によれば、上記の構成において、前記主軸を前記ナセルに支持する軸受のうち、前記ハブ側の軸受は、スラスト軸受を兼用する構成とする。
本発明では、主軸は主軸受および支持軸受により支持される。これにより、風車（主軸）に作用する風力に起因したスラスト荷重およびラジアル荷重は増速機には直接作用せず、主軸受および支持軸受によって支持される。増速機に作用する荷重は回転トルクである。発電機は、間に増速機を設けることなく発電機軸受を介して風車（主軸）に直接接続される。増速機は、支持軸受を介して主軸の外周面上かつ後端側に配置される。主軸の外周面上に増速機、発電機、およびナセルが配置されることにより、主軸およびハブの内部に空洞部を備えた場合には、内部に人が入ってメンテナンスまたは保守作業を行うことができる。なお、増速機は、平滑車を用いずに遊星歯車のみで構成することもできる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、増速機のトラブルを軽減でき、容易にメンテナンス可能な風力発電装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施例の風力発電装置の断面図である。
【図２】本発明の実施例の風力発電装置のＡ−Ａ断面の説明図である。
【図３】本発明の他の実施例の風力発電装置の主軸受部分の拡大図である。
【図４】従来技術による増速駆動による風力発電装置の外観図である。
【図５】従来技術による直接駆動による風力発電装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の実施の形態を以下の実施例で説明する。以下の説明では、従来の構造と同一部位には同一の符号を付した。
【実施例】
【００２４】
図１は本発明の実施例の風力発電装置の断面図である。図１において、１は発電機固定子、２は発電機回転子、３は風車のブレード、４は風車のハブ、５は主軸、６は発電機軸である。図１では発電機軸６は発電機回転子２の一部となっているが、発電機軸６と発電機回転子２は別個に構成され、ボルトなどで一体にする構造であってもよい。７は主軸受、８は支持軸受であり、主軸受７はスラスト軸受を兼ねている。９ａ、９ｂは発電機軸受であり、玉軸受ないしころ軸受を使用し、主軸５と発電機軸６を互いに回転可能な状態で一体化し、間に増速機を設けることなく発電機を風車（主軸５）に直接接続する。
【００２５】
10は増速機であり、遊星歯車のみで構成され、その大部分が発電機内部に組み込まれる。組み込まれる位置は、主軸５の後端側であり、回転子２の位置からはハブ４とは反対側の端とすることが、メンテナンスや保守作業を容易にするために好適である。主軸５と発電機軸６を後述する遊星歯車13により接続し、風車のトルクを発電機に伝達する。ハブ４および主軸５の内部には、人が中に入ってメンテナンスや保守作業を行うことが可能なように、風車のハブの空洞部16および主軸の空洞部17を備えている。
【００２６】
遊星歯車は、内歯歯車11、外歯歯車12、遊星キャリア13ａ〜13ｃから構成されている。内歯歯車11は、支持軸受８を介して主軸５と接続される。外歯歯車12は発電機軸６と固着される。遊星キャリアは、遊星キャリアの円板13ａ、遊星キャリアの支持リング13ｂ、遊星歯車の本体部13ｃより構成されている。円板13ａは主軸５に固着され、支持リング13ｂは遊星キャリア支持軸受14により発電機軸６に支持される。遊星歯車の本体部13ｃは円板13ａより突出したピン（図示せず）に軸受（図示せず）を介して取付けられる。遊星歯車の本体部13ｃは、内歯歯車11と外歯歯車12との間に所定の間隔をおいて複数設けられている。
【００２７】
発電機（固定子１および回転子２等）および増速機10は、ナセル15に収納される。ナセル15の端には、ナセルの軸受ブラケット15ａ、15ｂが設けられている。
本発明の実施例において、主軸５は、主軸受７および支持軸受８を介してナセル15により支持される。風車（主軸５）に作用する風力に起因するスラスト荷重、ラジアル荷重は、増速機10には直接作用しない。これらの荷重は主軸受７および支持軸受８を介してナセル15において支持される。従って、増速機10に作用する荷重は回転トルクのみである。
【００２８】
また、発電機軸受９ａ、９ｂに、ころ軸受または玉軸受を使用することにより、主軸５と発電機軸６は同芯で回転することができ、その同芯性は風車に作用する風力が変化しても維持される。なぜなら、ころ軸受または玉軸受は軸受すき間が小さいため、剛性が高く、主軸５および発電機軸６の剛性も、高い回転トルク伝達の必要性から必然的に高いものとなるからである。
【００２９】
従って、仮に両軸の芯違いが生じたとしても僅かであり、増速機10には両軸のずれによる無理な荷重は作用しない。
以上により、増速機10には大きなスラスト荷重、ラジアル荷重が負荷されないため、増速機10の構造を小型で簡素なものとすることが可能となり、メンテナンスを容易にすることができる。
【００３０】
増速機10は、主軸５の後端側であって、発電機（回転子２）の位置からはハブ４とは反対側のナセル15の端に取り付けられる。そのため、作業者からは手近な位置に位置し、メンテナンスや保守作業を容易にすることができる。但し、ナセルの軸受ブラケット15ａを分割構造とした上で、これらを外す作業は必要である。しかし、従来のように、増速機が風車と発電機の間に位置する場合と比較するとはるかにメンテナンスや保守作業が行い易くなり、修理もはるかに容易となる。
【００３１】
従来、増速駆動に係る風力発電装置では、増速率が100倍を超えるため、増速機には遊星歯車に数段の平歯車を組み合わせる。しかし、本発明の実施例では、増速率を2〜10倍程度とすることにより、増速機10を遊星歯車のみで構成し、平歯車との組み合わせは行わない。従って、増速機10の構造を簡素化し、かつ小型で軽量なものとすることができ、メンテナンスや保守作業を容易とすることができる。加えて、発電機も2〜10倍程度増速されるため、直接駆動に係る風力発電装置における超低速の問題も解決できる。
【００３２】
また、従来の増速駆動に係る風力発電装置では、上述のとおり、増速機は、遊星歯車と平歯車を組み合わせたものであり、別個に製作されて風車と発電機の間に配置される。このような構造では、ナセルから発電機および増速機を通過して、風車のハブ内部に人が入ることができず、内部で点検などの作業を行うことができない。
【００３３】
ところが、本発明の実施例では、増速機10および発電機（固定子１および回転子２等）が主軸５の外周面上に配置される。そして、ハブ４および主軸５の内部には、ハブの空洞部16および主軸の空洞部17が形成される。これにより、ナセル15の端部（15ａの側）から主軸５の内部を通ってハブ４の内部まで人が入って移動することでき、ハブの空洞部16および主軸の空洞部17における点検などの作業が可能となる。
【００３４】
例えば、ハブの空洞部16には油圧ディスクブレーキや回転部全体の機械的なロック装置などが設けられることがあるが、本発明の実施例では、ハブの空洞部16に人が入り、油圧ディスクブレーキの点検作業や回転部のロック作業を行うことができる。もちろん、ハブ４の内部に入る必要がなければ、ハブ４および主軸５の内部に空洞を備える必要はない。
【００３５】
また、従来の増速駆動に係る風力発電装置では、増速機の増速率が大きいため、歯車の数が多くなり、放出される騒音の大きさが問題となることが多い。しかし、本発明の実施例では、上述したように、増速機10の増速率は2〜10倍程度であるため、増速機10の増速率を小さくできる。そのため、歯車の数を少なくでき、騒音を減少させることができる。同時に、増速機10の大部分が発電機内部に組み込まれたことにより、増速機10が放出する騒音を発電機を通過する際に減衰させることができる。これにより、風車の外に放出される騒音を低く抑えることができる。
【００３６】
図２は本発明の実施例の風力発電装置のＡ−Ａ断面の説明図である。図２のＡ−Ａ断面では、図１では図示されていない風力発電装置の下側の部分も含めて図示している。図２において、図１の構造と同一部位は同一の符号で示されている。主軸５からの回転は、遊星キャリアの円板13ａを介して、周方向に複数個（３個）設けられた遊星歯車の本体部13ｃを回転させる。遊星歯車の内歯歯車11はナセル15に固定されているため、遊星歯車の本体部13ｃの回転は、これらの中心部に位置する遊星歯車の外歯歯車12に増速されて伝わり、外歯歯車12の回転は発電機軸６に伝えられる。
【００３７】
図３は本発明の他の実施例の風力発電装置の主軸受部分の拡大図である。図３において、図１の構造と同一部位は同一の符号で示されているが、主軸受７は、ナセルの軸受ブラケット15ｂに接続される７ａと、主軸５に接続される７ｂ、７ｃにより構成されている。
【００３８】
７ａの主軸方向の面と、７ｂ、７ｃの７ａに対向する面はそれぞれ傾斜面で構成されており、間には複数の転動体が設けられる。傾斜面は、それぞれ軸方向に対する傾斜方向が反対向きとされている。転動体は、ころＲが用いられる。なお、本実施例では、Ｒ１、Ｒ２の２つのころを設けた例を示している。
【００３９】
本発明の実施例において、主軸受７はスラスト軸受を兼ねており、主軸５は、ころＲ１、Ｒ２によって軸方向からも支持されている。主軸５にスラスト荷重が加わった場合、スラスト荷重の加わる向きが軸方向のいずれの向きであっても、ころＲ１、Ｒ２を介してナセル15により受けられる。従って、スラスト荷重は主軸５に接続された増速機にはほとんど伝達されない。
【００４０】
なお、上記実施形態は好ましい一実施例について述べたものであり、本発明の趣旨を逸脱することなく、種々の変形実施例が可能なことは勿論である。即ち、風車の寸法及び発電機、増速機の諸元等は、設置現場の要求及び状況等に応じて種々変更されるべきものである。
【符号の説明】
【００４１】
１    発電機固定子
２    発電機回転子
３    風車のブレード
４    風車のハブ
５    主軸
６    発電機軸
７、７ａ、７ｂ、７ｃ    主軸受
Ｒ１、Ｒ２    ころ
８    支持軸受
９ａ、９ｂ    発電機軸受
10    増速機
11    遊星歯車の内歯歯車
12    遊星歯車の外歯歯車
13ａ  遊星キャリアの円板
13ｂ  遊星キャリアの支持リング
13ｃ  遊星歯車の本体部
14    遊星キャリア支持軸受
15    ナセル
15ａ、15ｂ    ナセルの軸受ブラケット
16    風車のハブの空洞部
17    主軸の空洞部
【図３】
2011064141.tif 000003
【図４】
2011064141.tif 000004
【図５】
2011064141.tif 000005
【図１】
2011064141.tif 000006
【図２】
2011064141.tif 000007