(57)【要約】【課題】風車機器の製造効率、風車建設の効率を向上させることを目的とする。【解決手段】上記の課題を解決するために、本発明に係る風力発電システムは、タワー６と、タワー６に対して回転可能に支持されるナセル５と、ナセル５に支持されて風を受けて回転するロータと、ロータの回転に伴い電力を発生させる発電機４と、タワー６とナセル５の間に配置されて、タワー６に対してナセル５が回転するための操作力を発生させるアクチュエータとを備え、該アクチュエータは、タワー６側に、タワー６に対して周上に配置される固定子９と、ナセル５側に、固定子９と対向して配置される回転子８とを備えており、固定子９または回転子８は周方向に分割されていることを特徴とする。【選択図】  図１
2013227866.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タワーと、該タワーに対して回転可能に支持されるナセルと、該ナセルに支持されて風を受けて回転するロータと、該ロータの回転に伴い電力を発生させる発電機と、
前記タワーと前記ナセルの間に配置されて、前記タワーに対して前記ナセルが回転するための操作力を発生させるアクチュエータとを備え、
該アクチュエータは、前記タワー側に、前記タワーに対して周上に配置される固定子と、
前記ナセル側に、前記固定子と対向して配置される回転子とを備えており、
前記固定子または前記回転子は周方向に分割されていることを特徴とする風力発電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の風力発電システムであって、
前記アクチュエータは、電磁力により操作力を発生させるアクチュエータであることを特徴とする風力発電システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の風力発電システムであって、
前記固定子は前記回転子の径方向外側に配置されていることを特徴とする風力発電システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一つに記載の風力発電システムであって、
前記ロータは、前記発電機の発電運転時に、前記ロータが風下に位置するダウンウィンドロータであることを特徴とする風力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は風力発電システムに関するものであり、特にヨー駆動アクチュエータの大型化を防止するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
水平軸型の風力発電設備（風車）は、発電出力を最大化するために、風向に合わせてナセルとロータをタワーの鉛直軸周りに回転させる。ロータ軸の鉛直軸周りの回転はヨー運動（ｙａｗｉｎｇ）と呼ばれる。ヨー運動を行うため、大型風車ではナセル下部に設置されたモータの動力でヨーを駆動する「アクティブヨー」が用いられている。
【０００３】
アクティブヨーを行うヨー駆動装置は、ロータを保持し、増速機や発電機を搭載するナセルを回転させるため、過大なトルクを必要とする。このため、ヨー駆動装置としては、ラックとピニオン歯車による機構と、歯車を駆動するモータが使われている。モータが電動の場合、高トルクを得るために減速ギヤを組み込んだギヤモータが使われている。
【０００４】
ここで、ギヤモータに代えて電動モータを用いた例が特許文献に記載されている。該特許文献では、ヨー駆動のためにナセル側に設けられた「ヨーの回転中心軸線回りを回転するリング状の回転子」と、タワー側に設けられ「回転子と対向したリング状の固定子」を備える技術について記載している。該特許文献では、回転子と固定子の間にギャップ（空隙）を確保し、回転子と固定子とで電動モータを構成して、ヨー駆動するためのトルクを発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３０１０３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年の風車大型化に伴っては、タワー上部に設置されるヨーベアリングの直径も大型化している。この場合、特許文献の技術によれば、リング状の回転子またはリング状の固定子の大型化は回避できず、ロータリーアクチュエータの製造や、風車建設時の施工が困難になり、ひいては風車機器の製造効率、風車建設の効率が低下することが考えられる。
【０００７】
そこで本発明では、風車機器の製造効率、風車建設の効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明に係る風力発電システムでは、タワーと、該タワーに対して回転可能に支持されるナセルと、該ナセルに支持されて風を受けて回転するロータと、該ロータの回転に伴い電力を発生させる発電機と、前記タワーと前記ナセルの間に配置されて、前記タワーに対して前記ナセルが回転するための操作力を発生させるアクチュエータとを備え、該アクチュエータは、前記タワー側に、前記タワーに対して周上に配置される固定子と、前記ナセル側に、前記固定子と対向して配置される回転子とを備えており、前記固定子または前記回転子は周方向に分割されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、風車機器の製造効率、風車建設の効率を向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例１に係る風力発電システムのナセル近傍における側面図である。
【図２】実施例１におけるタワーとナセルの接続を拡大して示す図である。
【図３】実施例１におけるアクチュエータを説明するための図である。
【図４】実施例１におけるアップウィンドロータで風向偏差によって生じるトルクを説明する図である。
【図５】実施例２におけるダウンウィンドロータで風向偏差によって生じるトルクを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を実施する上で好適な実施例について図面を用いて説明する。下記はあくまでも実施例であり、発明の内容を下記一実施例の態様に限定する趣旨ではない。発明自体は、特許請求の範囲に記載された内容を基準に種々の態様に変形することが可能である。
【実施例１】
【００１２】
実施例１について図１ないし図４を用いて説明する。図１に示す様に、本実施例に係る風力発電システムは、風を受けるブレード１と、ブレードを支持するハブ２からロータが構成され、ロータの回転によって、シャフトを介してロータに接続される増速機３及び発電機４が回転する。即ち、ロータが回転することで発電機４の回転子（図示せず）を回転させることができ、発電運転できる。
【００１３】
ロータを支持し、増速機３、発電機４更には図示を省略した制御機器等を収納するナセル５は、タワー６に対して回転可能に支持される。ナセル５とタワー６の間には、ベアリング７を備えており、ナセル５がタワー６を中心にしてヨー駆動されることを可能としている。更に本実施例に係る風力発電システムでは、ヨー駆動装置としてタワー６に固定された回転子８と、ナセル５に接続された固定子９を備えており、これらがヨー駆動する際のアクチュエータとなる。図１において、矢印１０は風の方向を示している。
【００１４】
図２は、ヨー駆動装置部の断面を拡大した模式図である。ベアリング７は、主に外輪７１と、内輪７２と、転動体７３から構成され、外輪７１と内輪７２に作用する荷重は転動体７３を介して支持される。これにより、他方に対しての一方のみの回転が可能になる。本実施例では、外輪７１がタワー６の上部に取り付けられ、内輪７２がナセル５の下部に取り付けられる。ヨー駆動装置は、前述のように回転子８がタワー６に固定される。一方、固定子９は、ナセル５に接続された支持部材９１、鉄心９２、および鉄心９２に巻かれた巻線９３から構成される。
【００１５】
次に、本実施例におけるヨー駆動装置である回転子８および固定子９について説明する。
【００１６】
上述の様に図２において、鉄心９２には巻線９３が巻かれる。なお、本実施例では、電気エネルギーを供給する巻線を持つ部位を固定子とし、巻線を持たない部位を回転子としている。回転子８および固定子９を電動モータとするためには、複数のコイルを円周方向に並べ、相数に応じてコイル間の巻線を相互に接続する必要がある。固定子９がリング状だとすると、固定子９はタワー上部の直径と同等の直径となるため、巻線９３を巻く製造工程に必要な装置も大型化する。
【００１７】
従来技術で説明した特許文献に記載の風車では、ヨー運動させるためのトルク発生源として、ロータリーアクチュエータを用いている。ロータリーアクチュエータは、リニアアクチュエータを円弧状に湾曲させたものであり、推力を生み出すのに電磁力を用いる。一般に電磁式のリニアアクチュエータは、原理的に推力密度が小さい欠点が知られている。
このため、ヨー運動に必要な推力を得るために、回転子８と固定子９が対向する面積を拡大する必要があり、ヨー駆動装置が大型化する課題がある。一方で、本実施例によれば、固定子９が分割されるため外形寸法が大型にならず、巻線９３を巻く製造工程に必要な装置も簡易となる。
【００１８】
図３は、図１に示すＡ−Ａ矢印の断面図である。ベアリング内輪７２およびベアリング外輪７１の外側に、リング状の回転子８が設置される。更に、回転子８の外側には、８個に分割された固定子９が配置される。
上記の様に構成された風力発電システムについて、図４を用いて風がブレード正面からずれた角度で吹いた場合（風向偏差が存在する場合）について説明する。
【００１９】
現在、商用化されている大型の水平軸風車の大半は、アップウィンドロータである。図４は、アップウィンドロータで、風車正面方向が風向と一致せず、ある所定の角度の風向偏差が生じた場合に、風車のヨーに生じるトルクを示している。アップウィンドロータは、風上側にロータ回転面がある。
【００２０】
ここでは説明を簡単にするため、風１０によって、２枚のブレード１ａと１ｂに力ｆａ、ｆｂがそれぞれ生じ、トルクが発生すると仮定した。風車のヨー運動は、タワー６の断面中央のｃ点を中心にして回転する。力ｆａ、ｆｂについて、ｃ点を中心にした円の接線成分を考えると、ブレード１ｂ側はｆｂ′となる。よって、力の大きさは、ｆａ＞ｆｂ′となり、図４の紙面上で反時計まわりの向きにヨーを回転させるトルクを生じさせる。即ち、風向偏差を拡大する方向に回転モーメントが生じることとなる。つまり、アップウィンドロータを用いた場合、風車正面が風向きの方向からずれて、風向偏差が存在する場合、偏差を拡大する方向に回転モーメントが生じる。
【００２１】
ここで、風力発電システムは、正面から受風できる様、即ち風向偏差を零にするようにヨー制御する必要がある。即ち、ヨー駆動装置には、アップウィンドロータを使用する場合、風によって生じるモーメントを上回るトルクを発生することが必要となる。よって、ヨー運動に必要な推力を得るために、回転子８と固定子９が対向する面積を拡大する必要があり、ヨー駆動装置が大型化してしまう。特に、電磁力により操作力を発生させるアクチュエータについては、ヨー運動に必要な推力を得るための大型化が顕著である。しかし、本実施例では、固定子を分割することにより装置の大型化を防止することが可能になる。これにより、製造効率を向上させることが可能になる。
【００２２】
尚、本実施例では固定子を分割させているが、固定子に代えて回転子を分割させても良い。いずれにしても回転子または固定子の一方を分割することで、コイルが大型化せず、コイル配線加工などのヨー駆動装置の製作を容易にすることが可能になる。
【実施例２】
【００２３】
次に、図５を用いてダウンウィンドロータを使用する場合におけるヨー駆動について説明する。本図では、ダウンウィンドロータの風車を用いており、発電運転時において、風を受けて回転するロータは風下側に配置される。この点に関する部分を除いた他の構成及び効果については実施例１と同様であり、ここでの重複説明は省略する。実施例１で説明したいずれの内容も実施例２と組合せて適用することが可能であることは言うまでもない。
【００２４】
ダウンウィンドロータは、風車正面が風上方向からずれて風向偏差を持った場合には、偏差を縮小する方向に回転モーメントが生じる。図５は、ダウンウィンドロータで、風車正面方向が風向と一致せず、ある所定の角度の風向偏差が生じた場合に、風車のヨーに生じるトルクを示している。ここでも実施例１と同様に、説明を簡単にするため、風１０によって、２枚のブレード１ａと１ｂに力ｆａ、ｆｂがそれぞれ生じ、トルクが発生すると仮定している。風車ヨー駆動は、タワー６の断面中央のｃ点を中心にして回転する。力ｆａ、ｆｂについて、ｃ点を中心にした円の接線成分を考えると、ブレード１ａ側はｆａ′となる。よって、この場合、力の大きさは、ｆａ′＜ｆｂとなり、図５の紙面でみて時計まわりの向きにヨーを回転させるトルクを生じ、風向偏差を縮小する方向に回転モーメントが生じる。
【００２５】
即ち、ダウンウィンドロータを使用する場合、風向偏差を零にするように制御するヨー駆動装置は、風によって生じるモーメントを利用できるので、風によるヨー駆動装置へのサポートを受け、（風がヨー駆動装置に対して一層の負荷をかけることになる）アップウィンドロータに比べ著しく小さいトルクで駆動させることが可能となる。よって、ヨー駆動装置の外形寸法を一層小型化することが可能になり、製造効率を更に向上させることができる。
【符号の説明】
【００２６】
１  ブレード
２  ハブ
３  増速機
４  発電機
５  ナセル
６  タワー
７  ベアリング
８  回転子
９  固定子
１０  風の方向
７１  外輪
７２  内輪
７３  転動体
９１  支持部材
９２  鉄心
９３  巻線
【図１】
2013227866.tif 000003
【図２】
2013227866.tif 000004
【図３】
2013227866.tif 000005
【図４】
2013227866.tif 000006
【図５】
2013227866.tif 000007