(57)【要約】【課題】風速の変化に伴う増速機に有害なトルク変動を緩和し増速機の信頼性、耐久性を簡単な構成で向上させるとともに，風速の変化しやすい環境において風力発電装置の設置を可能とする風力発電用動力伝達装置を提供する。【解決手段】風力発電装置５０は、ロータブレード５１の動力を風力発電用動力伝達装置５２を介して発電機５３に伝えることにより、発電機５３を駆動して電気エネルギーを発生するものである。風力発電装置５０の風力発電用動力伝達装置５２は、ロータブレード５１と増速機５６との間に、トルク変動を緩和するトルク平滑化装置５７を設け、トルク平滑化装置５７と増速機５６との間に制動装置５５の制動により発生した急激なトルク増大を回避するクラッチ装置５８を設けたものである。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風を受けてロータブレードを回転することで風の運動エネルギーを動力に変換し、このロータブレードの動力を増速機を介して発電機に伝えることにより、発電機を駆動して前記動力を電気エネルギーに変換し、前記増速機の回転を発電機に伝える出力軸を制動する制動装置を備えた風力発電装置において、
前記ロータブレードと前記増速機との間に、トルク変動を緩和するトルク平滑化装置を設け、該トルク平滑化装置と前記増速機との間に、前記制動装置の制動により発生した急激なトルク増大を回避するクラッチ装置を設けたことを特徴とする風力発電用動力伝達装置。
【請求項２】
前記トルク平滑化装置は、機械式トルク平滑化装置であることを特徴とする請求項１に記載の風力発電用動力伝達装置。
【請求項３】
風を受けてロータブレードを回転することで風の運動エネルギーを動力に変換し、このロータブレードの動力を増速機を介して発電機に伝えることにより、発電機を駆動して前記動力を電気エネルギーに変換する風力発電装置において、
前記ロータブレードと前記増速機との間に、トルク変動を緩和するトルク平滑化装置を設け、該トルク平滑化装置にクラッチ装置を内蔵したことを特徴とする風力発電用動力伝達装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は風力発電用動力伝達装置に係り、特にロータブレードの回転を増速機に伝えるロータ軸の有害なトルク変動を緩和して、増速機および発電機に好適なトルクを伝える風力発電用動力伝達装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、図３に示す風力発電装置１は、ロータブレード１０と、このロータブレード１０のロータシャフト１１に取り付けられた変速機１２を介して駆動される発電機１７と、これらのロータブレード１０、変速機１２、発電機１７等を所定高さに保持するタワー１３とを有している。
このような風車１を利用した風力発電装置１は、風を受けて回転するロータブレード１０を使用して風の運動エネルギーを動力に変換し、この動力で発電機１７を駆動して電気エネルギーに変換する。
【０００３】
すなわち、風力発電装置１は、ロータブレード１０がカットイン風速を超えた風を受けて発電するように構成されている。
このロータブレード１０には、ロータブレード１０の取付角度を風速に合わせて変化させて回転速度が制御されるピッチ制御方式と、ロータブレード１０の取付角度を一定とし、風速がしきい値を超えると失速するストール制御方式の２方式がある。
【０００４】
ロータブレード１０の回転を増速機１２に伝えるロータシャフト１１は、図４に示すように一対の軸受１４で支持され増速機１２に連結され、発電機１７の仕様に合わせた回転数まで増速される。
ロータシャフト１１の回転数は通常数十ｒｐｍであり、発電機１７の定格回転速度は１５００〜１８００ｒｐｍである。よって、増速機１２による増速比は１００倍程度になる。
【０００５】
増速機１２で増速された出力軸１５で発電機１７を駆動することにより、発電機１７で発電を行う。
増速機１２は、柔構造体１６で支持され、ある程度のトルク変動を吸収する。
増速機１２と発電機１７との間には制動装置１８が設けられ、この制動装置１８は、主に異常時の緊急用もしくは点検時に使用される。
これらの機器はロータブレード１０（図３参照）を除いてタワー１３上に設置されたナセル１９（図３参照）内に格納されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この風力発電装置１は自然現象たる風に頼るものであることから、発電機１７の出力はその日により、また時間によっても激しく変化することがある。
このように風速が急激に変化することにより、ロータシャフト１１に伝わるトルクが急激に変化する。また、使用されるロータブレード１０の枚数が２枚から３枚と少ないので、アンバランス等による周期的なトルク変動も起こりやすい。
【０００７】
この急激な、および周期的なトルク変動は、歯車機構やトラクションドライブ機構の増速機１２に以下のような不具合を発生させる虞れがある。
（１）増速機が歯車機構の場合
歯車には、通常バックラッシュが存在するが、トルク変動によって噛み合う歯面間で荷重が変動するため、バックラッシュ分のガタによる歯車の騒音を発生し、ひいては繰返し振幅荷重が歯面に加わるため疲労破損（ピッチング）を誘発し歯車の早期損傷につながる。
【０００８】
（２）増速機がトラクションドライブ機構の場合
歯車の代わりにローラの接触力でトルクを伝達するトラクションドライブ方式も増速機に使用される。この場合、トルク変動があると接触力を伝えるローラ間で滑りを生じ、油膜破断によるスメアリング、焼付きといった損傷につながる。
【０００９】
この不具合を解消する方法として、トラクションドライブ機構の入力側と出力側との回転速度比を制御することにより、トルク変動で発生するローラ間の滑りを最小限に抑える技術が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【００１０】
【特許文献１】
特開平６−６６３６０号公報（第１頁、図１）
【特許文献２】
特開２００２−１４７３３４号公報（第１頁、図１）
【００１１】
しかし、歯車機構の増速機は、入力軸と出力軸との回転速度比が一定なので、この方法を適用することができない。
さらに、この方式をトラクションドライブ機構に適用した場合でも、増速機のローラ間に滑りが生じない場合には、入力軸と出力軸との回転速度比が変化しないので、トルク変動を検知することはできない。
このため、増速機のローラ間に油膜破断によるスメアリング、焼付きといった損傷が発生することが考えられる。
【００１２】
そこで、本発明の目的は上記課題を解消することであり、風速の変化に伴う増速機に有害なトルク変動を緩和し増速機の信頼性、耐久性を簡単な構成で向上させるとともに，風速の変化しやすい環境において風力発電装置の設置を可能とする風力発電用動力伝達装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、風を受けてロータブレードを回転することで風の運動エネルギーを動力に変換し、このロータブレードの動力を増速機を介して発電機に伝えることにより、発電機を駆動して前記動力を電気エネルギーに変換し、前記増速機の回転を発電機に伝える出力軸を制動する制動装置を備えた風力発電装置において、前記ロータブレードと前記増速機との間に、トルク変動を緩和するトルク平滑化装置を設け、該トルク平滑化装置と前記増速機との間に、前記制動装置の制動により発生した急激なトルク増大を回避するクラッチ装置を設けたことを特徴とする。
【００１４】
本発明では、ロータブレードと増速機との間に、トルク変動を緩和するトルク平滑化装置を設けた。
よって、ロータブレードが風を受けて回転を開始する際に、突風等の急激な風を受けた場合、トルク平滑化装置に急激に増化したトルクがかかる。この際に、トルク平滑化装置は急激に増化したトルクを吸収して、増速機に急激なトルクが伝わることを防止する。
【００１５】
また、風によるロータブレードの回転中に、風速が変化する場合がある。この際に風速の変化に対応してロータブレードの回転数が変化することにより、トルクが変化する。このトルクの変化をトルク平滑化装置で吸収することで、増速機にトルクの変化が伝わることを防止する。
【００１６】
さらに、トルク平滑化装置と増速機との間に、制動装置の制動により発生した急激なトルク増大を回避するクラッチ装置を設けた。
よって、ロータブレードの回転中に異常（停電、機械的異常等）を検知して、増速機の出力軸と発電機の間に設置した制動装置で増速機の出力軸を制動する際に、制動装置の制動時に合わせて、クラッチ装置を「連結」の状態から「切断」の状態に切りかえることができる。
これにより、トルク平滑化装置をロータブレードと一体に無負荷の状態で回転させることができるので、トルク平滑化装置に過大なトルクがかかることを防止できる。
【００１７】
また、請求項２に記載の発明は、前記トルク平滑化装置は、機械式トルク平滑化装置であることを特徴とする。
ここで、機械式トルク平滑化装置は、比較的入手が容易で、構成が簡素なので、トルク平滑化装置として機械式トルク平滑化装置を使用することで、風力発電装置のコストを抑えることができる。
【００１８】
さらに、請求項３に記載の発明は、風を受けてロータブレードを回転することで風の運動エネルギーを動力に変換し、このロータブレードの動力を増速機を介して発電機に伝えることにより、発電機を駆動して前記動力を電気エネルギーに変換する風力発電装置において、前記ロータブレードと前記増速機との間に、トルク変動を緩和するトルク平滑化装置を設け、該トルク平滑化装置にクラッチ装置を内蔵したことを特徴とする。
【００１９】
本発明では、ロータブレードと増速機との間に、トルク変動を緩和するトルク平滑化装置を設けた。
よって、ロータブレードが風を受けて回転を開始する際に、突風等の急激な風を受けた場合、トルク平滑化装置に急激に増化したトルクがかかる。この際に、トルク平滑化装置は急激に増化したトルクを吸収して、増速機に急激なトルクが伝わることを防止する。
【００２０】
また、風によるロータブレードの回転中に、風速が変化する場合がある。この際に風速の変化に対応してロータブレードの回転数が変化することにより、トルクが変化する。このトルクの変化をトルク平滑化装置で吸収することで、増速機にトルクの変化が伝わることを防止する。
【００２１】
さらに、トルク平滑化装置にクラッチ装置を内蔵した。よって、ロータブレードの回転中に異常（停電、機械的異常等）を検知して風車発電装置の運転を停止した場合に、内蔵したクラッチを「連結」の状態から「切断」の状態に切りかえることができる。
これにより、トルク平滑化装置をロータブレードと一体に無負荷の状態で回転させることができるので、トルク平滑化装置に過大なトルクがかかることを防止できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る風力発電用動力伝達装置の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明に係る第１実施形態の風力発電用動力伝達装置を備えた風力発電装置を示す概略図である。
第１実施形態の風力発電装置５０は、風を受けてロータブレード５１を回転することで風の運動エネルギーを動力に変換し、このロータブレード５１の動力を風力発電用動力伝達装置５２を介して発電機５３に伝えることにより、発電機５３を駆動して前記動力を電気エネルギーに変換し、増速機５２の回転を発電機５３に伝える出力軸５４を制動する制動装置５５を備える。
【００２３】
第１実施形態の風力発電用動力伝達装置５２は、ロータブレード５１と増速機５６との間に、トルク変動を緩和するトルク平滑化装置５７を設け、トルク平滑化装置５７と増速機５６との間に制動装置５５の制動により発生した急激なトルク増大を回避するクラッチ装置５８を設けたものである。
【００２４】
具体的には、風力発電用動力伝達装置５２は、ロータブレード５１をロータシャフト５９に取り付け、ロータシャフト５９を一対のロータ支持軸受６１で回転自在に支え、ロータシャフト５９をトルク平滑化装置５７の入力軸に連結し、このトルク平滑化装置５７の出力軸をクラッチ装置５８の入力軸に連結し、クラッチ装置５８の出力軸６２を増速機５６のキャリア６３に連結し、増速機５６の出力軸５４に制動装置５５を備える。
【００２５】
トルク平滑化装置５７は、機械式トルク平滑化装置であり、例えば、慣性体継手、弾性体継手、流体継手や撓み構造の継手が該当する。
機械式トルク平滑化装置は、比較的入手が容易で、構成が簡素なので、トルク平滑化装置として機械式トルク平滑化装置を使用することで、風力発電装置のコストを抑えることができる。
【００２６】
慣性体継手としては、フライホイールを使用した継手であり、回転慣性により過大なトルクを吸収するように構成したものである。
【００２７】
また、弾性体継手としては、ゴムやバネ等の弾性体を介在させた継手で、弾性体を弾性変形させることで過大なトルクを吸収するように構成したものである。
【００２８】
流体継手は、流体を利用してトルクを伝える継手で、過大なトルクが発生した場合に、トルクの伝達を不能にすることで過大なトルクを吸収するように構成したものである。
【００２９】
撓み構造の継手は、トーションバーやかご型構造体等を使用した継手で、撓み構造を弾性変形させることで過大なトルクを吸収するように構成したものである。
【００３０】
増速機５６は、サンギア６４の周囲に複数個のプラネタリアギア６５を噛み合わせ、複数個のプラネタリアギア６５をキャリア６３で連結し、キャリア６３にクラッチ装置５８の出力軸６２を連結し、プラネタリアギア６５の外側にリングギア６６を噛み合わせた遊星歯車機構を採用している。
サンギア６４を支える軸６７にはギア６８が取り付けられ、このギア６８にピニオンギア６９が噛み合わされ、ピニオンギア６９を支える出力軸５４に制動装置５５が備えられている。
【００３１】
制動装置５５は、一例として油圧式ディスクブレーキが採用されている。
ここで、制動装置５５を増速機５６の出力軸５４に備えた理由は、増速機５６で回転数を増速することで、出力軸５４はトルクが小さいので、増速機５６の出力軸５４であれば、小さな制動力で制動できるからである。
【００３２】
また、風力発電用動力伝達装置５２は、制動装置５５の制動に基づいてクラッチ装置５８を作動する信号を出力する制御部７０を備え、この制御部７０の信号に基づいてクラッチ装置５８を作動させるアクチュエータ７１を備える。
ここで、制動装置５５には、一例として油圧式ディスクブレーキを使用しているので、アクチュエータ７１として油圧式のアクチュエータを使用する。これにより、制動装置５５を油圧で制動させる際に、この制動に合わせて、クラッチ装置５８を「連結」の状態から「切断」の状態に油圧で切りかえることができる。
【００３３】
また、クラッチ装置５８として、トルクリミッタを内蔵したクラッチ装置を使用することで、制動装置５５の制動の際にトルクリミッタでクラッチ装置５８を過大トルクから保護することができる。
よって、制動装置５５の制動に合わせてクラッチ装置５８を制御部７０で操作する必要がなくなり、油圧配管等を不要にでき、構成の簡略化を図ることができる。
【００３４】
次に、風力発電用動力伝達装置５２の作用について説明する。
ロータブレード５１が風を受けて回転することにより、ロータシャフト５９が回転する。ロータシャフト５９の回転がトルク平滑化装置５７およびクラッチ装置５８を介して増速機５６に伝えられる。
このとき突風等の急激な風を受けてもトルク平滑化装置５７により急激に増化したトルクを吸収することで、増速機５６に急激なトルクが伝わることを防ぐことができる。
【００３５】
増速機５６に伝えられたロータシャフト５９の回転数は増速機５６で概略１００倍に増速され、増速機５６の出力軸５４を介して発電機５３に伝えられる。
これにより、発電機５３を駆動させて、風の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。
【００３６】
ここで、ロータブレード５１の回転中に、風速の変化に合わせてロータブレード５１の回転数が変化する。このロータブレード５１の回転数の変化により、トルクが変化するが、このトルクの変化をトルク平滑化装置５７で吸収する。
よって、増速機５６にトルクの変化が伝わることを防止できる。
【００３７】
一方、ロータブレード５１の回転中に異常（停電、機械的異常等）を検知した場合には、増速機５６の出力軸５４と発電機５３の間に設置した制動装置５５によって、増速機５６の出力軸５４を制動するとともに、風車発電装置５０の運転を停止する。
【００３８】
このとき、制動装置５５の制動時に合わせて、クラッチ装置を「連結」の状態から「切断」の状態に切りかえる。これにより、ロータシャフト５９およびトルク平滑化装置５７を無負荷の状態で回転させることができるので、トルク平滑化装置５７に過大なトルクがかかることを防できる。
【００３９】
次に、図２に基づいて第２実施形態の風力発電用動力伝達装置８０について説明する。なお、第２実施形態において、図１に示す第１実施形態と同一部材については同一符号を付して説明を省略する。
図２は本発明に係る第２実施形態の風力発電用動力伝達装置を備えた風力発電装置を示す概略図である。
第２実施形態の風力発電用動力伝達装置８０は、風を受けてロータブレード５１を回転することで風の運動エネルギーを動力に変換し、このロータブレード５１の動力を風力発電用動力伝達装置８２を介して発電機５３に伝えることにより、発電機５３を駆動して前記動力を電気エネルギーに変換し、増速機５２の回転を発電機５３に伝える出力軸５４を制動する制動装置５５を備える。
【００４０】
第２実施形態の風力発電用動力伝達装置８２は、ロータブレード５１と増速機５６との間に、トルク変動を緩和するトルク平滑化装置８３を設け、増速機５６の入力軸８４に入力軸トルクセンサー８５を設け、増速機５６の出力軸５４に出力軸トルクセンサー８６を設け、入力軸トルクセンサー８５で検知した入力軸８４のトルクと、出力軸トルクセンサー８６で検知した出力軸５４のトルクとを比較したトルク比を表示するモニターを設け、トルク比が所定のしきい値を超えた場合に制御装置８８がアクチュエータ８９を稼動し、アクチュエータ８９でトルク平滑化装置８３を作動させてトルク比を調整するように構成したものである。
【００４１】
入力軸トルクセンサー８５および出力軸トルクセンサー８６としては、非接触式のトルクセンサーや、歪ゲージ式のトルクセンサーが使用される。
トルク平滑化装置８３としては、トルク制御機能付きクラッチ装置や電気・磁気粘性流体継手が使用される。
トルク制御機能付きクラッチ装置や電気・磁気粘性流体継手は、制御装置８８の信号に基づいて駆動したアクチュエータ８９で作動可能に構成されている。
【００４２】
すなわち、トルク制御機能付きクラッチ装置や電気・磁気粘性流体継手は、入力軸８４と出力軸５４とのトルク比がしきい値以下の場合には、入力軸８４のトルクと出力軸５４のトルクを１：１の割合で伝え、トルク比がしきい値を超えた場合には、トルク比がしきい値以下になるように入力軸８４のトルクを低減させて出力軸５４に伝えるものである。
【００４３】
さらに、トルク制御機能付きクラッチ装置は、クラッチが内蔵されていて、ロータブレード５１の回転中に異常（停電、機械的異常等）を、トルク比から検知して風車発電装置８０の運転を停止した場合に、内蔵したクラッチを「連結」状態から「切断」状態に切りかえるように構成したものである。
これにより、ロータシャフト５９およびトルク平滑化装置８３を無負荷の状態で回転させることができるので、トルク平滑化装置８３に過大なトルクがかかることを防する。
【００４４】
第２実施形態の風力発電用動力伝達装置８２によれば、増速機５６の入力軸８４のトルクを入力軸トルクセンサー８５で検知し、出力軸５４のトルクを出力軸トルクセンサー８６で検知し、それぞれのトルク比をモニター８７で表示し、トルク比が所定のしきい値を超えた場合に、制御装置８８がアクチュエータ８９を稼動し、トルク比がしきい値以下になるように調整する。
この場合は、第１実施形態の風力発電用動力伝達装置８２で必要としたクラッチ装置５８を不要にできる。
【００４５】
その他、前述した各実施形態において例示した制動装置５５、トルク平滑化装置５７，８３、クラッチ装置５８等の材質，形状，寸法，形態，数，配置個所，厚さ寸法等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１によれば、ロータブレードと増速機との間に、トルク変動を緩和するトルク平滑化装置を設けた。
よって、ロータブレードが風を受けて回転を開始する際や突風等の急激な風を受けた場合、トルク平滑化装置は急激に増化したトルクを吸収して、増速機に急激なトルクが伝わることを防止する。
【００４７】
また、風速の変化に対応してロータブレードの回転数が変化することにより、トルクが変化するが、このトルクの変化をトルク平滑化装置で吸収することで、増速機にトルクの変化が伝わることを防止する。
【００４８】
さらに、トルク平滑化装置と増速機との間に、制動装置の制動により発生した急激なトルク増大を回避するクラッチ装置（図示せず）を設けた。
よって、ロータブレードの回転中に異常（停電、機械的異常等）を検知して、増速機の出力軸と発電機の間に設置した制動装置で増速機の出力軸を制動する際に、制動装置の制動時に合わせて、クラッチ装置を「連結」状態から「切断」状態に切りかえることができる。
これにより、トルク平滑化装置をロータブレードと一体に無負荷の状態で回転させることができるので、トルク平滑化装置に過大なトルクがかかることを防できる。
【００４９】
この結果、風速の変化に伴うトルク変動を緩和し増速機の信頼性、耐久性を向上させるとともに、風速の変化しやすい環境において風力発電装置の設置を可能とした。
【００５０】
また、請求項２によれば、トルク平滑化装置として、比較的入手が容易で、構成が簡素な機械式トルク平滑化装置を使用することで、風力発電装置のコストを抑えることができる。
【００５１】
さらに、請求項３によれば、ロータブレードと増速機との間に、トルク変動を緩和するトルク平滑化装置を設けた。
よって、ロータブレードが風を受けて回転を開始する際や突風等の急激な風を受けた場合、トルク平滑化装置は急激に増化したトルクを吸収して、増速機に急激なトルクが伝わることを防止する。
【００５２】
また、風速の変化に対応してロータブレードの回転数が変化することにより、トルクが変化するが、このトルクの変化をトルク平滑化装置で吸収することで、増速機にトルクの変化が伝わることを防止する。
【００５３】
さらに、トルク平滑化装置にクラッチ装置を内蔵した。よって、ロータブレードの回転中に異常（停電、機械的異常等）を検知して風車発電装置の運転を停止した場合に、内蔵したクラッチを「連結」状態から「切断」状態に切りかえることができる。
これにより、トルク平滑化装置をロータブレードと一体に無負荷の状態で回転させることができるので、トルク平滑化装置に過大なトルクがかかることを防できる。
【００５４】
この結果、風速の変化に伴うトルク変動を緩和し増速機の信頼性、耐久性を向上させるとともに、風速の変化しやすい環境において風力発電装置の設置を可能とした。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１実施形態の風力発電用動力伝達装置を備えた風力発電装置を示す概略図である。
【図２】本発明に係る第２実施形態の風力発電用動力伝達装置を備えた風力発電装置を示す概略図である。
【図３】従来の風力発電装置を示す側面図である。
【図４】従来の風力発電装置の要部を示す側面図である。
【符号の説明】
５０，８０  風力発電装置
５２，８２  風力発電用動力伝達装置
５１  ロータブレード
５６  増速機
５３  発電機
５５  制動装置
５７，８３  トルク平滑化装置
５８  クラッチ装置
【図１】
2004353525.tif 000003
【図２】
2004353525.tif 000004
【図３】
2004353525.tif 000005
【図４】
2004353525.tif 000006