(57)【要約】【課題】騒音や振動を低減できるとともに、入出力軸の逆回転を防止できる効率が高い風力発電機用増速機を提供する。【解決手段】この風力発電機用増速機では、固定変速比型増速部４Ａにおける入力軸１４と出力軸１２とが偏心しており、入力軸１４の逆転時には、可動ローラ１０がくさび領域Ｓから外れる方向に移動して入力軸１４と出力軸１２との間での回転トルクの伝達を遮断するので、入力軸１４と出力軸１２との間で逆回転トルクが伝達されることを防止できる。また、歯車を使用せず、油膜を介したトラクションドライブにより動力を伝達するので、騒音および振動が小さい。【選択図】図２
2008038751.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力を受けて回転するロータと、前記ロータからの回転出力を得て発電する発電機とを備えた風力発電機に設けられ、前記ロータの回転速度を増速するための風力発電機用増速機であって、
変速比が固定されたトラクションドライブ式の固定変速比型増速部を備え、この固定変速比型増速部は、
前記ロータに結合されるとともに、筒状のトルク伝達部を有する入力軸と、
前記トルク伝達部の内側に回転可能に配置され、前記入力軸の回転中心から偏心する中心軸周りに回転することにより前記発電機側に回転トルクを出力する出力軸と、
前記トルク伝達部の内側の所定の位置に回転可能に支持され、前記トルク伝達部の内面と前記出力軸の外面とに接して回転する複数のガイドローラと、
前記出力軸と前記トルク伝達部の内面との間に形成された所定のくさび角を持つくさび領域で移動可能な可動ローラと、
を有し、
前記可動ローラは、前記入力軸の正転時には、前記くさび領域に入り込むように移動して前記トルク伝達部の内面と前記出力軸の外面とに接して回転することにより、出力軸と各ローラとの間に押付力を発生させて前記入力軸から前記出力軸へ回転トルクを伝達し、入力軸の逆転時には、前記くさび領域から外れる方向に移動することにより前記入力軸と前記出力軸との間での回転トルクの伝達を遮断することを特徴とする風力発電機用増速機。
【請求項２】
前記固定変速比型増速部から出力される回転トルクを増大して前記発電機に伝える変速比が可変な可変変速比型増速部を更に有していることを特徴とする請求項１に記載の風力発電機用増速機。
【請求項３】
前記可変変速比型増速部がトロイダル型無段変速機によって構成されていることを特徴とする請求項２に記載の風力発電機用増速機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力を受けて回転するロータの回転を増速して発電機を所定の回転数で回転させるための風力発電機用増速機に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、風力発電機は、風力を受けて回転するブレードと、ブレードと一体で回転するロータと、ロータの主軸と結合され且つ当該主軸の回転速度を増速するための増速機（変速機）と、増速機からの増速された回転出力を得て発電する発電機とから主に構成されている。
【０００３】
ところで、ロータの回転速度を増速して発電機に出力する前記増速機としては、例えば、多軸歯車式増速機や遊星歯車式増速機などの歯車を用いたものや、油膜を介して動力を伝達するトラクションドライブ形式のもの、あるいは、変速比が固定された固定変速比型増速機と変速比を変えることができる可変変速比型増速機とを組み合わせたもの（例えば、特許文献１参照）など、従来から様々なタイプのものが使用されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−６５２１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、歯車式の増速機を使用すると、歯の噛み合いに起因して、騒音や振動が大きくなるという問題がある。また、トラクションドライブ形式のものは、騒音や振動を低減することができるが、それ単体で大きな増速比を得ることは難しい。
【０００６】
これに対し、特許文献１に開示された増速機、すなわち、変速比が固定されたトラクションドライブ式の固定変速比型増速機と変速比を変えることができるトラクションドライブ式の可変変速比型増速機とを組み合わせたものは、固定変速比型増速機によって増速された回転数を、更に可変変速比型増速機によって増速するため、大きな増速比が得られるとともに、風が過大な場合には、可変変速比型増速機の変速比を低減することにより常に良質の電力を得ることができる。しかし、特許文献１に開示された増速機の組み合わせ形態では、例えば固定変速比型増速機を構成する遊星ローラ型トラクションドライブの入力軸と出力軸とが同軸であり、入力軸の逆回転がそのまま出力軸にも伝わり、あるいは、出力軸から入力されるトルクが入力軸に伝わって、入力軸が逆回転してしまうといった事態が生じ得る。このような事態が生じると、もはや風力発電機としての機能が果たされなくなってしまう虞もある。
【０００７】
本発明は、前記事情に鑑みて為されたもので、騒音や振動を低減できるとともに、入出力軸の逆回転を防止できる効率が高い風力発電機用増速機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するために、請求項１に記載の風力発電機用増速機は、風力を受けて回転するロータと、前記ロータからの回転出力を得て発電する発電機とを備えた風力発電機に設けられ、前記ロータの回転速度を増速するための風力発電機用増速機であって、変速比が固定されたトラクションドライブ式の固定変速比型増速部を備え、この固定変速比型増速部は、前記ロータに結合されるとともに、筒状のトルク伝達部を有する入力軸と、前記トルク伝達部の内側に回転可能に配置され、前記入力軸の回転中心から偏心する中心軸周りに回転することにより前記発電機側に回転トルクを出力する出力軸と、前記トルク伝達部の内側の所定の位置に回転可能に支持され、前記トルク伝達部の内面と前記出力軸の外面とに接して回転する複数のガイドローラと、前記出力軸と前記トルク伝達部の内面との間に形成された所定のくさび角を持つくさび領域で移動可能な可動ローラとを有し、前記可動ローラは、前記入力軸の正転時には、前記くさび領域に入り込むように移動して前記トルク伝達部の内面と前記出力軸の外面とに接して回転することにより、出力軸と各ローラとの間に押付力を発生させて前記入力軸から前記出力軸へ回転トルクを伝達し、入力軸の逆転時には、前記くさび領域から外れる方向に移動することにより前記入力軸と前記出力軸との間での回転トルクの伝達を遮断することを特徴とする。
【０００９】
この請求項１に記載された発明においては、入力軸と出力軸とが偏心しており、入力軸の逆転時には、可動ローラがくさび領域から外れる方向に移動して入力軸と出力軸との間での回転トルクの伝達を遮断するので、入力軸と出力軸との間で逆回転トルクが伝達されることを防止できる。また、歯車を使用せず、油膜を介したトラクションドライブにより動力を伝達するので、騒音および振動が小さい。また、くさび作用を利用して押付力を発生させるので、伝達トルクに比例した押し付け力が得られる。つまり、全負荷領域にわたって理想的な押付力が得られる（押し付け力の増減で予圧管理ができ、入力トルクに応じてトラクション力を制御できる）。そのため、従来問題であった低負荷領域においても高い伝達効率を得ることができる。また、くさび領域を移動してトルクを伝達するローラが可動であるので、例えばモータ軸等にワンタッチで取り付けることができる（取り付けが容易）。
【００１０】
また、請求項２に記載された風力発電機用増速機は、請求項１に記載された発明において、前記固定変速比型増速部から出力される回転トルクを増大して前記発電機に伝える変速比が可変な可変変速比型増速部を更に有していることを特徴とする
【００１１】
この請求項２に記載された発明においては、固定変速比型増速部によって増速された回転数を更に可変変速比型増速部によって増速するので、大きな増速比が得られ、風が弱い場合でも、発電機を定格回転数で回転させて、所定の電力を得ることができる。また、風が過度に強い場合には、可変変速比型増速部の増速比を低減して、常に良質の電力を得ることができる。更に、トルク伝達容量が大きい固定変速比型増速部をロータ寄りに配置したことにより、固定変速比型増速部によって大きなトルク伝達容量が得られるとともに、可変変速比型増速部に過大なトルクを伝達させないので、十分な耐久性が得られる。
【００１２】
また、請求項３に記載された風力発電機用増速機は、請求項２に記載された発明において、前記可変変速比型増速部がトロイダル型無段変速機によって構成されていることを特徴とする。
【００１３】
この請求項３に記載された発明においては、可変変速比型増速部としてトロイダル型無段変速機を用いるので、風力が大きい場合でも、増速比を連続的に可変して、発電機を定格回転数で回転させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の風力発電機用増速機によれば、入力軸と出力軸とが偏心しており、入力軸の逆転時には、可動ローラがくさび領域から外れる方向に移動して入力軸と出力軸との間での回転トルクの伝達を遮断するので、入出力軸の逆回転を防止でき、また、高い伝達効率が得られる。更に、トラクションドライブで動力を伝達するので、騒音や振動を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る風力発電機用増速機を備えた風力発電機の概略構成図である。図示のように、風力発電機１は、風力を受けて回転するブレード２と、ブレード２と一体で回転するロータ８と、ロータ８の主軸１０と結合され且つ主軸１０の回転速度を増速するための風力発電機用増速機（以下、単に増幅器という。）４と、増速機４からの増速された回転出力を得て発電する発電機６とから主に構成されている。増速機４は、ロータ８側に位置される変速比が固定されたトラクションドライブ式の固定変速比型増速部４Ａと、発電機６側に位置され且つ固定変速比型増速部４Ａから出力される回転トルクを増大して発電機６に伝える変速比が可変な可変変速比型増速部（トラクションドライブ式）４Ｂとから成る。
【００１６】
図２および図３は固定変速比型増速部４Ａの構造を概略的に示している。図示のように、固定変速比型増速部４Ａは、ロータ８の主軸１０に結合されるとともに、筒状のトルク伝達部１４ａを有する入力軸１４を有している。トルク伝達部１４ａの内側には出力軸１２が回転可能に配置されている。この出力軸１２は、入力軸１４の回転中心Ｏ１から所定量δだけ偏心する中心軸Ｏ２周りに回転することにより可変変速比型増速部４Ｂに回転トルクを出力することができる。また、トルク伝達部１４ａの内側の所定の位置には、図示しないハウジングに固定されたピンおよび軸受を介して回転可能に支持された２つのガイドローラ１６Ａ，１６Ｂが配設されている。これらのガイドローラ１６Ａ，１６Ｂは、トルク伝達部１４ａの内面と出力軸１２の外面とに接して回転する。更に、トルク伝達部１４ａの内側には、出力軸１２とトルク伝達部１４ａの内面との間に、所定のくさび角θを持つくさび領域Ｓが形成されており、このさび領域Ｓには可動ローラ１０がピン（図示せず）により移動可能に保持されている。
【００１７】
このような構成においては、入力軸１４が正転方向（図２中に矢印で示される反時計回り方向）に回転すると、可動ローラ１０は、入力トルクＴ（入力軸１４の回転トルク）が大きくなるにしたがってくさび領域Ｓに入り込む方向（図２中の矢印Ａ方向）に移動し、これにより、入力軸１４と各ローラ１０，１６Ａ，１６Ｂとの接触面および各ローラ１０，１６Ａ，１６Ｂと出力軸１２との接触面にそれぞれ押圧力Ｆｃが発生して、油膜を介したトラクションドライブにより動力が伝達される（図２には、入力軸１４の正転に伴う各ローラの回転方向が矢印で示されている）。つまり、可動ローラ１０は、トルク伝達部１４ａの内面と出力軸１２の外面とに接して回転することにより、出力軸１２と各ローラとの間に押付力Ｆｃを発生させて入力軸１４から出力軸１２へ回転トルクを伝達する。なお、この押圧力Ｆｃは入力トルクＴに比例するため、入力トルクＴに応じた適正な押圧力Ｆｃを常に得ることができる。したがって、低トルク領域から伝達効率は高い。
【００１８】
また、この可動ローラ１０の位置はトルクＴによってくさび方向Ａに移動するため、各ローラ１０，１６Ａ，１６Ｂと接する入力軸１４の位置も若干移動する。したがって、入力軸１４が径方向に自在に動く構造であることが望ましい。
【００１９】
一方、入力軸１４が逆転方向に回転する場合（あるいは、出力軸１２からトルクが入力される場合）には、可動ローラ１０は、くさび領域Ｓから外れる方向（図２中の矢印Ｂ方向）に移動する。そのため、入力軸１４と出力軸１２との間で動力を伝達できず空転し、出力軸１２が逆転することはない（可動ローラ１０は、入力軸１４と出力軸１２との間での回転トルクの伝達を遮断する）。
【００２０】
なお、本構成において、可動ローラ１０を保持する前記ピンには、予め、ばね予圧が可動ローラ１０のくさび方向Ａに与えられており、無負荷時の動力伝達を可能とする押圧力を発生させている。また、本構成においては、ローラ間に滑りが発生した場合、焼き付きによるローラ破損の可能性があるが、そのような場合には予圧を抜くことにより破損を回避できる。
【００２１】
一方、可変変速比型増速部４Ｂは例えばトロイダル型無段変速機によって構成されている。図４および図５は、そのようなトロイダル型無段変速機の原理構造を概略的に示している。図示のように、このトロイダル型無段変速機は、入力軸２１と同心に入力側ディスク２２を支持し、入力軸２1と同心に配置された出力軸２３の端部に、出力側ディスク２４を固定している。トロイダル型無段変速機を納めたケーシングの内側には、入力軸２１並びに出力軸２３に対し捻れの位置にある枢軸（傾転軸）２５，２５を中心として揺動するトラニオン２６，２６が設けられている。各トラニオン２６，２６には、パワーローラ３１が回転自在に支持されており、各パワーローラ３１，３１は、入力側および出力側の両ディスク２２，２４の間に挟持（転接）されている。
【００２２】
入力側および出力側の両ディスク２２，２４の互いに対向する内周面２２ａ，２４ａの断面はそれぞれ、枢軸２５を中心とする円弧或いはこのような円弧に近い曲線を回転させて得られる凹面を成している。そして、球状の凸面に形成された各パワーローラ３１，３１の周面３１ａ，３１ａが各内周面２２ａ，２４ａに当接されている。
【００２３】
入力軸２１と入力側ディスク２２との間には、ローディングカム式の押圧装置（以下、ローディング機構という。）３２が設けられている。このローディング機構３２は、入力側ディスク２２を出力側ディスク２４に向けて弾性的に押圧している。また、ローディング機構３２は、入力軸２１と共に回転するカム板３３と、保持器３４により保持された複数個(例えば４個)のローラ３５とから構成されている。また、カム板３３の片側面(図４および図５の左側面)には、周方向に亙って凹凸面（波状面）であるカム面３６が形成され、入力側ディスク２２の外側面(図４および図５の右側面)にも同様のカム面３７が形成されている。そして、複数個のローラ３５は、入力軸２1に対して放射方向に延びる軸を中心に回転できるように、支持されている。
【００２４】
このような構成のトロイダル型無段変速機においては、入力軸２１を回転させると、その回転に伴ってカム板３３が回転し、カム面３６によって複数個のローラ３５，３５が、入力側ディスク２２の外側面に設けられたカム面３７に押圧される。この結果、入力側ディスク２２が複数のパワーローラ３１，３１に押圧されると同時に、一対のカム面３６，３７と複数個のローラ３５，３５の転動面との押し付け合いに基づいて、入力側ディスク２２が回転する。そして、この入力側ディスク２２の回転が、各パワーローラ３１，３１を介して、出力側ディスク２４に伝達され、この出力側ディスク２４に固定された出力軸２３が回転する。
【００２５】
入力軸２１と出力軸２３との回転速度を変える場合であって、入力軸２１と出力軸２３との間で減速を行なう場合には、枢軸２５，２５を中心として各トラニオン２６，２６を揺動させ、各パワーローラ３１，３１の周面３１ａ，３１ａが、図４に示すように、入力側ディスク２２の内周面２２ａの中心寄り部分と出力側ディスク２４の内周面２４ａの外周寄り部分とにそれぞれ当接するように、各変位軸２９，２９を傾斜させる。
【００２６】
反対に、増速を行なう場合には、各トラニオン２６，２６を揺動させ、各パワーローラ３１，３１の周面３１ａ，３１ａが、図５に示すように、入力側ディスク２２の内周面２２ａの外周寄り部分と出力側ディスク２４の内周面２４ａの中心寄り部分とにそれぞれ当接するように、各変位軸２９，２９を傾斜させる。各変位軸２９，２９の傾斜角度を図４と図５との中間にすれば、入力軸２1と出力軸２３との間で、中間の変速比が得られる。
【００２７】
以上説明したように、本実施形態の風力発電機用増速機４では、固定変速比型増速部４Ａにおける入力軸１４と出力軸１２とが偏心しており、入力軸１４の逆転時には、可動ローラ１０がくさび領域Ｓから外れる方向に移動して入力軸１４と出力軸１２との間での回転トルクの伝達を遮断するため、入力軸１４と出力軸１２との間で逆回転トルクが伝達されることを防止できる（出力軸１２の逆回転を防止できる）。また、歯車を使用せず、油膜を介したトラクションドライブにより動力を伝達するため、騒音および振動が小さい。また、くさび作用を利用して押付力Ｆｃを発生させるため、伝達トルクに比例した押付力Ｆｃが得られる。つまり、全負荷領域にわたって理想的な押付力Ｆｃが得られる（押付力Ｆｃの増減で予圧管理ができ、入力トルクＴに応じてトラクション力を制御できる）。そのため、従来問題であった低負荷領域においても高い伝達効率を得ることができる。なお、本構成における伝達トルクと効率の測定結果を図６に示す。また、本構成では、くさび領域Ｓを移動してトルクを伝達するローラ１０が可動であるため、例えばモータ軸等にワンタッチで取り付けることができる（取り付けが容易である）。
【００２８】
また、本実施形態では、増速機４は、固定変速比型増速部４Ａから出力される回転トルクを増大して発電機６に伝える変速比が可変な可変変速比型増速部４Ｂを備えている。このような構成では、固定変速比型増速部４Ａによって増速された回転数を更に可変変速比型増速部Ｂによって増速できるため、大きな増速比が得られ、風が弱い場合でも、発電機６を定格回転数で回転させて、所定の電力を得ることができる。また、風が過度に強い場合には、可変変速比型増速部４Ｂの増速比を低減して、常に良質の電力を得ることもできる。更に、トルク伝達容量が大きい固定変速比型増速部４Ａをロータ８寄りに配置したことにより、固定変速比型増速部４Ａによって大きなトルク伝達容量が得られるとともに、可変変速比型増速部４Ｂに過大なトルクを伝達させないので、十分な耐久性が得られる。
【００２９】
また、本実施形態では、可変変速比型増速部４Ｂがトロイダル型無段変速機によって構成されている。そのため、風力が大きい場合でも、増速比を連続的に可変して、発電機６を定格回転数で回転させることができる。
【００３０】
なお、本発明の増速機の構成は、風力発電機に限らず、あらゆる変速用途において適用することができる。また、固定変速比型増速部の構成は、出力軸側から動力を伝達する逆の構成をとることにより、減速機としての機能をもたせることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施形態に係る風力発電機用増速機を備えた風力発電機の概略構成図である。
【図２】図１の風力発電機用増速機を構成する固定変速比型増速部の原理構造を示す概略図である。
【図３】図２の固定変速比型増速部の概略断面図である。
【図４】図１の風力発電機用増速機を構成する可変変速比型増速部の原理構造を示す概略図である。
【図５】図１の風力発電機用増速機を構成する可変変速比型増速部の原理構造を示す概略図である。
【図６】図２の固定変速比型増速部における伝達トルクと効率の測定結果を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００３２】
１    風力発電機
４    風力発電機用増速機
４Ａ    固定変速比型増速部
４Ｂ    可変変速比型増速部
６    発電機
８    ロータ
１０    可動ローラ
１２    出力軸
１４    入力軸
１４    トルク伝達部
１６Ａ，１６Ｂ    ガイドローラ
Ｓ    くさび領域
【図１】
2008038751.tif 000003
【図２】
2008038751.tif 000004
【図３】
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【図４】
2008038751.tif 000006
【図５】
2008038751.tif 000007
【図６】
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