(57)【要約】【課題】小型、軽量、低コストでありながら、信頼性が高く、寿命の長い風力発電用の増速機を得る。【解決手段】風力発電用の増速機５０において、太陽歯車７２を有する遊星歯車機構５２と、該遊星歯車機構５２の後段に設けられた第１平行軸歯車機構５４とを備え、前記遊星歯車機構５２の前記太陽歯車７２が該遊星歯車機構５２の出力軸８０に一体的に形成され、該遊星歯車機構５２の前記出力軸８０の軸方向の少なくとも１箇所が、その両側よりも径が小さな第２小径部８０Ｃとされ、かつ、前記太陽歯車７２の歯面が、該太陽歯車７２の軸方向中央に対して非対称にクラウニングされている構成とする。【選択図】図１
2012197773.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力発電用の増速機において、
太陽歯車を有する遊星歯車機構と、該遊星歯車機構の後段に設けられた平行軸歯車機構とを備え
前記遊星歯車機構の前記太陽歯車が該遊星歯車機構の出力軸に一体的に形成され、
該遊星歯車機構の前記出力軸の軸方向の少なくとも１箇所が、その両側よりも径が小さな小径部とされ、かつ、
前記太陽歯車の歯面が、該太陽歯車の歯筋方向中央に対して非対称にクラウニングされている
ことを特徴とする風力発電用の増速機。
【請求項２】
請求項１において、
前記小径部が、前記遊星歯車機構の出力軸の軸方向複数箇所に形成されている
ことを特徴とする風力発電用の増速機。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記小径部が、前記遊星歯車機構の出力軸の軸方向中央より前記太陽歯車側に形成されている
ことを特徴とする風力発電用の増速機。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記太陽歯車の歯面において、前記クラウニングの最もなされていない部分が、該太陽歯車の歯筋方向中央より、反平行軸歯車機構側にずれている
ことを特徴とする風力発電用の増速機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電用の増速機に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１に、図６〜図８に示されるような風力発電用の増速機が開示されている。
【０００３】
図６及び図７において、風力発電装置１は、基礎６上に立設される支柱２と、支柱２の上端に設置されるナセル３と、該ナセル３に対して回転自在に組付けられたロータヘッド４とを有している。ロータヘッド４は、複数枚（図示の例では３枚）の風車ブレード（風車翼）５が取り付けられている。ナセル３の内部において、ロータヘッド４には、増速機２０及び発電機１１が接続されている。
【０００４】
風車ブレード５に風が当たると、ロータヘッド４が回転し、該ロータヘッド４の回転が増速機２０にて増速した状態で発電機１１に伝達される。これにより、ロータヘッド４の（トルクはあるが）速度が遅い回転を、１００倍程度の速さに増幅することができ、発電機１１から効率的に発電出力を得ることができる。
【０００５】
前記増速機２０は、図８に示すように、初段に遊星歯車機構２２を備えると共に、中段及び後段に平行軸歯車機構２４、２６を備える。初段の遊星歯車機構２２は、入力軸２８と一体化されたキャリヤ３２、該キャリヤ３２に固定された遊星ピン３４、該遊星ピン３４に回転自在に支持された遊星歯車３６、該遊星歯車３６が同時に噛合する内歯歯車３８及び太陽歯車４０から主に構成されている。この従来例に係る遊星歯車機構２２は、キャリヤ３２から入力された回転を太陽歯車４０から出力する。該太陽歯車４０は、遊星歯車機構２２の出力軸４２と一体化されている。出力軸４２は、カップリング４３を介して次段の平行軸歯車機構２４の入力軸４５と連結されている。
【０００６】
増速機２０の遊星歯車機構２２及び平行軸歯車機構２４、２６の各歯車機構によって増速された回転が、前記発電機１１に入力される。
【０００７】
なお、図７に示す符号１２はトランス、１３はコントローラ、１４はインバータ、１５はインバータクーラ、１６は潤滑油クーラである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−１４４５３３号公報（図６〜図８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
風力発電設備は、その耐用期間が２０年前後となるように設計される。このため、増速機についても基本的に２０年前後の寿命が確保されることが要求される。
【００１０】
しかしながら、風力発電設備は、自然環境下に設置される設備であるため、ときに乱れた風や突風を受けたりすることがある。このような強い風が風車ブレードに掛かると増速機は入力側から巨大な負荷が掛けられた状態となってしまう。このため、（たとえガイドラインに沿った設計がなされている場合であっても）増速機内の各部が過度に速い回転速度で強制的に回転させられる状態が発生してしまい、トラブルの原因となることがあった。
【００１１】
増速機のトラブルは、一度発生するとその被害は深刻なものとなるため、信頼性の確保
が重要視されている。一般に、増速機の信頼性を確保するにあたって有効な対策は、設計時に各要素の安全率（セーフティファクタ）を大きくとることである。しかし、各要素の安全率を大きくとると、当然に増速機全体が大型化して重量も大きくなり、製造コスト、建設コストの増大を招くという問題が生じる。
【００１２】
本発明は、このような問題を解消するためになされたものであって、新たに見つけた「中間課題（後述）」を克服することによって、小型、軽量、低コストでありながら、信頼性が高く、寿命の長い風力発電用の増速機を提供することをその本来の課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、風力発電用の増速機において、太陽歯車を有する遊星歯車機構と、該遊星歯車機構の後段に設けられた平行軸歯車機構とを備え、前記遊星歯車機構の前記太陽歯車が、該遊星歯車機構の出力軸に一体的に形成され、該遊星歯車機構の前記出力軸の軸方向の少なくとも１箇所が、その両側よりも径が小さな小径部とされ、かつ、前記太陽歯車の歯面が、該太陽歯車の歯筋方向中央に対して非対称にクラウニングされている構成とすることにより、上記課題を解決したものである。
【００１４】
本発明の前記中間課題及びその解決原理は、公知のものではないため、ここで、本発明が着目した当該中間課題とその解決原理について、詳細に説明する。
【００１５】
風力発電設備の風車ブレードに、風が当たると、これに伴って増速機の各部に回転トルクが発生する。増速機内の遊星歯車機構や平行軸歯車機構が該回転トルクを伝達する際には、不可避的に振動が発生する。しかしながら、遊星歯車機構と平行軸歯車機構とでは、回転のメカニズムも回転速度も異なることから、発生する振動の特性（周波数成分等）がそれぞれ異なる。このため、入力されてくる風の強さや脈動の仕方によっては、これらの振動が相互に干渉し合って共振が発生してしまうことがある。この結果、特に軸受部において、本来転がり接触であったころ（またはボール）と内輪、外輪等が滑りを起こすようになり、それによりピッチング等の耐久性を低下させる症状が発生し易くなる。
【００１６】
本発明は、遊星歯車機構と平行軸歯車機構との共振の発生を極力抑制することを「中間課題」として捉え、かつ、この中間課題を解消するために採用した構成が、新たな不具合を発生しないように更なる工夫を施すことによって創案された。
【００１７】
本発明に係る風力発電用の増速機では、遊星歯車機構の太陽歯車は、該遊星歯車機構の出力軸と一体的に形成される。ここで言う「一体的に形成」とは、キーやスプライン等を介して２つの部材（太陽歯車部材と出力軸部材）を連結して結果として一体化するのではなく、太陽歯車と出力軸とが初めから一つの部材として一体化されていることを意味している。
【００１８】
その上で、本発明では、該遊星歯車機構の出力軸の軸方向の少なくとも１箇所が、その両側よりも径が小さな小径部とされる。この構成により、該小径部の存在によって該遊星歯車機構の出力軸の一部が意図的に脆弱化され、遊星歯車機構と平行軸歯車機構のそれぞれの振動の伝播をここで吸収・遮断することができる。
【００１９】
しかも、本発明では、さらに、太陽歯車の歯面が、該太陽歯車の歯筋方向中央に対して非対称にクラウニングされる構成が同時に採用されている。このため、仮に遊星歯車機構の出力軸の一部が脆弱化されたが故に該出力軸が多少振れ廻ってその軸心が傾いたとしても、太陽歯車と遊星歯車との間で良好な歯当たりを常に維持することができる。したがって、遊星歯車機構の太陽歯車の回転や遊星歯車の公転等を極めて安定した状態で行わせることができ、特に（遊星歯車の軸受を含む）各軸受の寿命をより伸ばすことができるようになる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、小型、軽量、低コストでありながら、信頼性が高く、寿命の長い風力発電用の増速機を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態の一例を示す風力発電用の増速機の全体構成を示す断面図
【図２】図１の増速機の主要部を示す断面図
【図３】上記実施形態における太陽歯車のクラウニングの形成態様を模式的に示した線図
【図４】本発明の他の実施形態に係る風力発電用の増速機の主要部を示す断面図
【図５】歯車に対する一般的なクラウニングの形成態様を示したもので、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は図３相当の線図
【図６】従来（及び本発明）の風力発電設備の全体構成の一例を示す正面図
【図７】図６の風力発電設備のナセルの内部構成を示す斜視図
【図８】図６の風力発電設備のナセル内に設置された従来の風力発電用の増速機の一例を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。
【００２３】
本発明に係る増速機が組み込まれる風力発電設備の概略構成については、既に図６、図７を用いて説明したものと同様であるため、重複説明は省略し、以降、増速機自体の構成について詳細にする。
【００２４】
図１は、本発明の実施形態の一例を示す風力発電用の増速機５０の全体断面図、図２は、その主要部を示す断面図である。
【００２５】
先ず、図１を参照して、この風力発電用の増速機５０は、初段に遊星歯車機構５２を備えると共に、中段及び後段に第１、第２平行軸歯車機構５４、５６を備える。入力軸５８から入力されるロータヘッド（従来のロータヘッド４と同様：図６、７参照）の回転は、計３段の歯車機構５２、５４、５６によって増速され、出力軸６０から出力される。出力軸６０には、発電機（従来の発電機１１と同様：図７参照）が連結され、所定の発電がなされる。
【００２６】
前記遊星歯車機構５２は、入力軸５８と一体化されたキャリヤ６２、該キャリヤ６２に両持ち支持された遊星ピン６４、該遊星ピン６４に軸受６５を介して回転自在に支持された３個（図２では１個のみ図示）の遊星歯車６８、該遊星歯車６８が同時に内接噛合すると共にケーシングに固定された内歯歯車７０、及び遊星歯車６８が同時に外接噛合する太陽歯車７２から構成されている。これらの遊星歯車６８、内歯歯車７０、及び太陽歯車７２は、この実施形態ではいずれも平歯車で構成されているが、ヘリカル歯車で構成しても良い。
【００２７】
風力によるロータヘッド（４）の回転は、入力軸５８と一体化されたキャリヤ６２から入力され、太陽歯車７２と一体の（遊星歯車機構５２の）出力軸８０から増速された回転が取り出される構成とされている。遊星歯車機構５２の出力軸８０は、そのまま（直接）第１平行軸歯車機構５４の入力軸とされており、該第１平行軸歯車機構５４の第１ヘリカルギヤ８６がスプライン８８を介して連結されている。
【００２８】
本発明は、このうちの遊星歯車機構５２と第１平行軸歯車機構５４との間の連結構成に適用されている（後に詳述）。
【００２９】
第１ヘリカルギヤ８６は第１ヘリカルピニオン９０と噛合している。第１ヘリカルギヤ８６と第１ヘリカルピニオン９０が第１平行軸歯車機構５４を構成している。
【００３０】
第１ヘリカルピニオン９０は第２中間軸９２に直切り形成されている。第２中間軸９２には第２ヘリカルギヤ９４がキー９６を介して円周方向に連結されている。第２ヘリカルギヤ９４は第２ヘリカルピニオン１００と噛合している。第２ヘリカルピニオン１００は当該増速機５０の出力軸６０に直切り形成されている。第２ヘリカルギヤ９４と第２ヘリカルピニオン１００が第２平行軸歯車機構５６を構成している。出力軸６０は、軸受１０３、１０５を介してケーシング７４により回転自在に支持されている。
【００３１】
以下、主に図２を参照して、遊星歯車機構５２と第１平行軸歯車機構５４との連結部付近の構成について詳細に説明する。
【００３２】
前述したように、本実施形態においては、遊星歯車機構５２の太陽歯車７２は該遊星歯車機構５２の出力軸８０と一体化されている。すなわち、太陽歯車７２と出力軸８０は、単一の部材から太陽歯車７２を切削形成することによって製造されている。遊星歯車機構５２の出力軸８０は、（カップリング等を介することなく）そのまま「直接」第１平行軸歯車機構５４の入力軸とされている。
【００３３】
遊星歯車機構５２の出力軸８０は、太陽歯車７２が形成されている太陽歯車形成部８０Ａ、該太陽歯車形成部８０Ａから連続して形成された第１小径部８０Ｂ、第２小径部８０Ｃ、及び前記スプライン８８が形成されているスプライン形成部８０Ｄを備える。太陽歯車形成部８０Ａの歯底円径はｄ１であり、第１小径部８０Ｂの外径ｄ２は該太陽歯車形成部８０Ａの歯底円径ｄ１より２・Δ１だけ小さい（ｄ１＞ｄ２）。また、第２小径部８０Ｃの外径ｄ３は、該第１小径部８０Ｂの外径ｄ２よりも更に２・Δ２だけ小さい（ｄ２＞ｄ３）。また、スプライン形成部８０Ｄの歯底円径ｄ４は、第２小径部８０Ｃの外径ｄ３より２・Δ３だけ大きい（ｄ３＜ｄ４）。すなわち、第２小径部８０Ｃは、その両側の第１小径部８０Ｂ及びスプライン形成部８０Ｄよりも小さな径とされており（ｄ３＜ｄ２、ｄ３＜ｄ４）、かつ、その軸方向長さＬ１が遊星歯車機構５２の出力軸８０全体の軸方向長さＬｏのほぼ半分を占めていることと相まって、いわゆる「脆弱部」を形成している。
【００３４】
一方、出力軸８０に一体形成されている太陽歯車７２には、クラウニング処理（歯筋調整）がなされている。この実施形態では、図３に示されるように、該クラウニング処理を歯筋方向中央Ｘｃに対して「非対称」に施すようにしている。図３の破線Ｋｏがクラウニング処理をする前の太陽歯車７２のもともとの歯筋形状（幅方向の端面形状）、実線Ｋ１がクラウニング処理をした後の歯筋形状である。一般に、歯車の歯面に対してクラウニング処理を施すときには、図５（Ａ）に示されるように、歯筋方向Ｘの中央Ｘｃに対して対称となるように、クラウニング処理がなされる。すなわち、歯筋方向Ｘにおけるクラウニング処理前後の形状Ｋｏ、Ｋ２を図示すると、図５（Ｂ）のようになっている。なお、本実施形態の太陽歯車７２は、平歯車であるため、歯筋方向Ｘは、太陽歯車７２の軸方向（歯幅方向）に一致している。なお、これらクラウニング処理の形状描写は、歯筋方向Ｘにおけるクラウニング処理（クラウニング量）の定性的な傾向を理解し易くするため、歯筋方向Ｘの大きさに対しクラウニング量を誇張して非常に大きく取っている。
【００３５】
図３の本実施形態の説明に戻って、本実施形態では、（このように歯筋方向Ｘの中央Ｘｃに対して対称にクラウニングを施すのではなく）該クラウニングを歯筋方向Ｘの中央Ｘｃに対して「非対称」に施すようにしている。具体的には、太陽歯車７２の歯面において、クラウニングの最もなされていない部分Ｘｍが、該太陽歯車７２の歯筋方向Ｘの中央Ｘｃより反第１平行軸歯車機構側にＸｓだけずれている（クラウニング処理される第１平行軸歯車機構側の歯筋方向Ｘの範囲Ｘ１が、反第１平行軸歯車機構側の範囲Ｘ２よりも広範囲）。なお、この実施形態では、太陽歯車７２の歯筋方向端面における第１平行軸歯車機構側のクラウニング量δ１と、反第１平行軸歯車機構側のクラウニング量δ２は、同一である（δ１＝δ２）。このため、結果として、第１平行軸歯車機構５４側の方が、反第１平行軸歯車機構側よりなだらかなクラウニング処理となっている。
【００３６】
次に、この実施形態に係る風力発電用の増速機５０の作用を説明する。
【００３７】
風車ブレード（５）の回転は、増速機５０の入力軸５８に伝達される。入力軸５８の回転はキャリヤ６２を介して遊星歯車６８の公転として遊星歯車機構５２に入力され、遊星歯車６８、内歯歯車７０、太陽歯車７２の３者の相対回転により、増速された回転が太陽歯車７２と一体化された（遊星歯車機構５２の）出力軸８０へと出力される。
【００３８】
遊星歯車機構５２の出力軸８０の回転は、スプライン８８を介してそのまま第１平行軸歯車機構５４の第１ヘリカルギヤ８６に伝達される。第１ヘリカルギヤ８６の回転は、第１ヘリカルピニオン９０に伝達され、これにより第２中間軸９２が回転する。第２中間軸９２が回転すると、第２ヘリカルギヤ９４が回転し、該第２ヘリカルギヤ９４と噛合している第２ヘリカルピニオン１００を介して増速機５０の出力軸６０が回転する。
【００３９】
ここで、遊星歯車機構５２及び第１平行軸歯車機構５４の連結部付近において、以下のような作用がなされる。
【００４０】
即ち、入力軸５８から回転トルクが入力されてくると、該回転トルクが伝達される際に遊星歯車機構５２及び第１平行軸歯車機構５４では不可避的に振動が発生する。遊星歯車機構５２の振動と第１平行軸歯車機構５４の振動は、回転のメカニズムの違い、及び回転速度の違い等からそれぞれの周波数特性（振動の波形）が異なるため、（何らの対策も施さないと）互いに干渉して共振が発生してしまい、増速機５０全体の振動がより増幅されてしまう。明確な共振が発生しないまでも、特に高速回転している第１平行軸歯車機構５４側から遊星歯車機構５２側に該高速回転の振動が伝播すると、遊星歯車機構５２の遊星歯車６８の（太陽歯車７２及び内歯歯車７０の間での）円滑な回転及び公転が損なわれ、特に軸受６５の寿命に影響する恐れがある。
【００４１】
しかしながら、この実施形態では、遊星歯車機構５２の出力軸８０に、その両側（第１小径部８０Ｂ及びスプライン形成部８０Ｄ）の径ｄ２、ｄ４よりも小径の径ｄ３を有する第２小径部８０Ｃが存在しているため、この第２小径部８０Ｃが脆弱部として機能してこの振動の伝播を吸収・遮断することができる。このため、遊星歯車機構５２と、第１平行軸歯車機構５４との間の振動の伝播が効果的に抑制され、共振の発生が抑制される。また、とりわけ第１平行軸歯車機構５４側から遊星歯車機構５２側に振動が伝搬されるのが防止されるため、該遊星歯車機構５２の遊星歯車６８の（太陽歯車７２及び内歯歯車７０の間での）円滑な回転及び公転が確保され、特に軸受６５の寿命を延ばすことができる。
【００４２】
本発明は、様々なバリエーションが考えられる。
【００４３】
まず、遊星歯車機構の出力軸（平行軸歯車機構の入力軸）に形成される小径部は、前記実施形態においては、軸方向に長い単一の小径部とされていたが、例えば、図４（Ａ）に示すように変形しても良い。図４（Ａ）に示す変形例では、基本的な構成は、前記実施形態と同様であるため、便宜上対応する部位に同一末尾２桁の符号を付している。遊星歯車機構１５２の出力軸１８０の第２小径部１８０Ｃの軸方向長Ｌ２を短くし、該第２小径部１８０Ｃを、出力軸１８０の軸方向中央１１４Ｃよりも太陽歯車１７２側に形成するようにしている。このような構成とすることにより、（スプライン１８８で第１ヘリカルギヤ１８６と連結されている）出力軸１８０の第１平行軸歯車機構側の振れ廻りを最小限に抑えつつ、遊星歯車機構１５２側の振れ廻りを太陽歯車１７２のクラウニングによって効果的に吸収するようにしている。
【００４４】
また、図４（Ｂ）のように、遊星歯車機構の出力軸の小径部は、該出力軸の軸方向複数箇所に形成するようにしてもよい。図４（Ｂ）の例では、出力軸２８０が、外径がｄ７の第１、第３小径部２８０Ｂ、２８０Ｄ、及びスプライン形成部２８０Ｆを備えると共に、これらより小径（ｄ８）の第２小径部２８０Ｃ及び第４小径部２８０Ｅの２つの小径部を有している。このうち、第２小径部２８０Ｃ及び第４小径部２８０Ｅは、自身の外径がｄ８で、それぞれの両側の外径ｄ７の方が大きく、本発明の「小径部」に相当している。図４（Ｂ）のように複数の小径部を形成するようにすると、脆弱性をより効果的に機能させることができ、振動の伝播抑制効果をより高めることができる。
【００４５】
このように、本発明では、遊星歯車機構の出力軸の小径部を具体的にどのような構成で形成するかについては、特に限定されるものではなく、吸収しようとする振動の大きさ、或いは周波数特性等を考慮してその大きさ、形状、形成数、或いは形成位置等を設定すればよい。
【００４６】
また、太陽歯車のクラウニング処理におけるクラウニング量の具体的な大きさ、或いは形状（例えば、歯筋方向中央からどの程度非対称とするか）についても、小径部の形成の仕方によって遊星歯車機構の出力軸の振れ廻り程度が異なってくるため、該振れ廻りの程度を考慮して設定すればよい。
【００４７】
なお、本発明の「クラウニング」の概念には、「エンドレリーフ（レリービング）」の概念が含まれる。エンドレリーフとは、歯車の歯筋方向の両端部のみを歯当たりから逃がす処理方法であるが、本発明の趣旨から逸脱する処理方法ではない。エンドレリーフ処理を本発明に適用する場合には、レリービングの範囲或いは大きさが、歯筋方向中央に対して対称でないことが要件となる。
【符号の説明】
【００４８】
１…風力発電設備
３…ナセル
４…ロータヘッド
５…風車ブレード
１１…発電機
５０…増速機
５２…遊星歯車機構
５４…第１平行軸歯車機構
５６…第２平行軸歯車機構
５８…入力軸
６０…出力軸
８０、１８０、２８０…遊星歯車機構の出力軸（第１平行軸歯車機構の入力軸）
【図１】
2012197773.tif 000003
【図２】
2012197773.tif 000004
【図３】
2012197773.tif 000005
【図４】
2012197773.tif 000006
【図５】
2012197773.tif 000007
【図６】
2012197773.tif 000008
【図７】
2012197773.tif 000009
【図８】
2012197773.tif 000010