特開2015-224620(P2015-224620A)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2015-224620(P2015-224620A)
(43)【公開日】2015年12月14日
(54)【発明の名称】風力発電装置
(51)【国際特許分類】
   F03D 11/02 20060101AFI20151117BHJP
   F03D 1/06 20060101ALI20151117BHJP
【FI】
   F03D11/02
   F03D1/06 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】OL
【全頁数】11
(21)【出願番号】特願2014-111872(P2014-111872)
(22)【出願日】2014年5月30日
(71)【出願人】
【識別番号】000005108
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
(74)【代理人】
【識別番号】100100310
【弁理士】
【氏名又は名称】井上 学
(74)【代理人】
【識別番号】100098660
【弁理士】
【氏名又は名称】戸田 裕二
(74)【代理人】
【識別番号】100091720
【弁理士】
【氏名又は名称】岩崎 重美
(72)【発明者】
【氏名】相川 慎一郎
(72)【発明者】
【氏名】佐伯 満
【テーマコード(参考)】
3H178
【Fターム(参考)】
3H178AA03
3H178AA40
3H178AA43
3H178BB35
3H178BB37
3H178CC16
3H178DD02X
3H178DD04X
3H178DD08X
3H178DD12Z
3H178EE25
(57)【要約】
【課題】信頼性を向上させた風力発電装置の提供を目的とする。
【解決手段】ブレードを支持するハブに接続される中空の主軸と、主軸の回転を増速して出力する中空の増速機104と、増速機104で増速された回転力により発電運転する中空の発電機106と、主軸、増速機104及び発電機106の中空内を貫通する中空回転軸201、204と、増速機104の出力軸104b及び発電機106の入力軸106aに接続される中空の継手105と、増速機104の出力軸104bと中空回転軸を支持する第1の軸受202と、発電機の回転軸と中空回転軸を支持する第2の軸受205とを備え、少なくとも増速機と発電機の間における中空回転軸には、可撓性構造が設けられることを特徴とする。
【選択図】 図2
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ブレードを支持するハブに接続される中空の主軸と、
前記主軸の回転を増速して出力する中空の増速機と、
前記増速機で増速された回転力により発電運転する中空の発電機と、
前記主軸、前記増速機及び前記発電機の中空内を貫通する中空回転軸と、
前記増速機の出力軸及び前記発電機の入力軸に接続される中空の継手と、
前記増速機の出力軸と前記中空回転軸を支持する第1の軸受と、
前記発電機の回転軸と前記中空回転軸を支持する第2の軸受とを備え、
少なくとも前記増速機と前記発電機の間における前記中空回転軸には、可撓性構造が設けら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であって、
前記中空回転軸は複数本で形成されており、
前記増速機と前記発電機の間に配置されて前記中空回転軸同士を接続すると共に、可撓性を有する中空回転軸用継手を備えることを特徴とする風力発電装置。
【請求項3】
請求項1に記載の風力発電装置であって、
前記中空回転軸が可撓性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のいずれか1項に記載の風力発電装置であって、
前記中空の継手には開口が設けられ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のいずれか1項に記載の風力発電装置であって、
前記第1の軸受は前記増速機の内部に配置され、前記第2の軸受は前記発電機の内部に配置されることを特徴とする風力発電装置。
【請求項6】
請求項1ないし5のいずれか1項に記載の風力発電装置であって、更に前記発電機が有し、かつ前記増速機とは反対側に突出する発電機軸と、該発電機軸に備えられて前記発電機の回転速度を検出する回転検出装置とを備えることを特徴とする風力発電装置。
【請求項7】
請求項6に記載の風力発電装置であって、更に、前記回転検出装置は前記発電機軸の周囲に配置されると共に、少なくとも2つに分割される回転検出リングを備え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、風力発電設備に関するものであり、特に回転軸の支持に関するものである。
【背景技術】
【0002】
プロペラの回転位置を検出する位置検出器の小型化を可能とする風力発電設備が特許文献1に記載されている。この特許文献1には、「プロペラに連結されるプロペラ軸と同一軸線上に入力軸および出力軸が配置され、前記プロペラ軸の回転を増速して出力する中空状の増速機と、前記増速機と同一軸線上に入力軸が配置され、前記増速機の出力により発電を行う中空状の発電機と、前記増速機および前記発電機と同一軸線上に配置され、前記増速機および前記発電機の中空部に挿通された状態で前記プロペラと一体に回転する回転軸と、前記回転軸の回転位置を検出することによって前記プロペラの回転位置を検出する位置検出器とを備えることを特徴とする発電装置。」と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2013−221406号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献1には、同一軸線上に配置された、中空状の増速機と発電機に挿通された、プロペラ軸と一体に回転する中空回転軸を備える点が記載されているが、このような構成の場合、中空回転軸が長くなり、自重によりたわんで増速機軸および発電機軸と接触したり、増速機および発電機が変位を生じた場合に中空回転軸との相対変位が生じて増速機軸および発電機軸と接触したり支持する軸受に過大な負荷がかかったり、中空回転軸自体の熱伸びによって中空回転軸を支持する軸受に過大な負荷がかかったりするというおそれもある。
【0005】
本発明は、信頼性を向上させた風力発電装置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】
【0006】
上記課題を解決するために、本発明に係る風力発電装置は、ブレードを支持するハブに接続される中空の主軸と、前記主軸の回転を増速して出力する中空の増速機と、前記増速機で増速された回転力により発電運転する中空の発電機と、前記主軸、前記増速機及び前記発電機の中空内を貫通する中空回転軸と、前記増速機の出力軸及び前記発電機の入力軸に接続される中空の継手と、前記増速機の出力軸と前記中空回転軸を支持する第1の軸受と、前記発電機の回転軸と前記中空回転軸を支持する第2の軸受とを備え、少なくとも前記増速機と前記発電機の間における前記中空回転軸には、可撓性構造が設けられることを特徴とする。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、信頼性を向上させた風力発電装置を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
図1】本発明が搭載された風力発電装置の全様を示す概略側面図
図2】本発明の第1の実施形態に関わる動力伝達部を示す側面図
図3】本発明の第2の実施形態に関わる動力伝達部を示す側面図
図4】本発明の第3の実施形態に関わる動力伝達部を示す側面図
図5】本発明の第4の実施形態に関わる動力伝達部を示す側面図
図6】本発明の第5の実施形態に関わる動力伝達部を示す側面図
図7】本発明の第4の実施形態に関わる回転検出リングを軸方向から見た図
図8】本発明の第5の実施形態に関わる回転検出リングを軸方向から見た図
【発明を実施するための形態】
【0009】
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。
【実施例1】
【0010】
以下、本発明の一実施例を図1図2に沿って説明する。
【0011】
図1は、本実施例に関する風力発電装置の構成を示す図である。風力発電装置は、ブレード101が風の力を利用して、ハブ102を回転させ、ハブの回転を伝達する主軸103を回転させる。主軸の回転は、増速機104に伝達され、回転を増速して増速機反駆動軸104bへ伝達される。増速機反駆動軸(出力軸)104bには、発電機の軸(駆動側106a、入力軸)へ接続している中空の継手105で回転が伝達される。発電機106はその回転により発電を行う。発電機には、発電機は中空の継手105で接続されている側から発電機内を貫通して、中空の継手105とは反対側の発電機(反駆動側106b)に突出している。ハブ102の回転中心を回転中心軸xとすると、回転中心軸上に、各回転機器の回転軸が同一に配置される。以降の説明のために、回転中心軸xと直行する周方向をyzと定義する。
【0012】
ブレード101は、ピッチ角を可変可能な状態で設置されている。ピッチ角を可変させることで、ブレードが風から受けるエネルギーを調整することができる。ブレード101はハブ102に接続される。
【0013】
ナセル107は、ハブ102、主軸103、増速機104、発電機106を収納しており、それを支持する構造を有する。ナセル107はタワー108にて支持される。
【0014】
増速機104は、回転速度を増速するためのものである。風車用増速機の歯車構成としては、遊星段と平行段で構成するのが一般的であるが、遊星段のみの歯車構成とすることで、増速機の駆動軸104aと反駆動軸104bの中空な軸を、回転中心軸xと同一軸線上に配置することができる。平行段を有する構成に比べて、回転軸を中心に対称な構成となり、回転時のバランスが取れるため、信頼性を高めることができる。
【0015】
ケーブル109は、ブレード101のピッチ角を制御するための電源、信号用であり、ブレードからハブ102、主軸103、増速機104、中空の継手105、発電機106を通って、発電機のブレード101とは反対側の軸端に設置されるスリップリングへ接続される。
【0016】
図2は増速機104と発電機106の設置状態を表した図である。
【0017】
増速機104は、主軸側に主軸103と連結される駆動軸(入力軸)104aを備え、増速した後の回転を増速機の反駆動軸(出力軸)104bへ伝達する。前記の軸は、回転中心軸上に同一で配置され、中空の構造である。その中空の中に、増速機内を貫通する増速機側中空回転軸201が貫通している。増速機側中空回転軸201はブレード101、ハブ102の回転速度と同一で回転するように、増速機の駆動軸104aと支持部材104cで締結される。増速機104の反駆動軸側の中空回転軸201は、増速機104の反駆動軸104b側に設置された軸受202にて支持される。増速機側中空回転軸201内は、ケーブルが通せるようになっている。
【0018】
発電機106は、増速機104からの回転を、中空の継手105を介して、回転力を伝達される軸106a(入力軸),106bを備える。発電機の軸106a,106bは、中空構造となっており、発電機内部で分割されていても良いが本説明では簡単のため分割されない1本の軸として説明する。発電機の軸106a,106b内を発電機側中空回転軸204が貫通する。発電機側中空回転軸204は、発電機106の反駆動軸106b側に設置された発電機側中空回転軸用の軸受205によって支持される。発電機側中空回転軸204内は、ケーブルが通せるようになっている。
【0019】
中空の継手105は、増速機の反駆動側軸104bと発電機の軸(駆動側)106aを接続するための継手であり、増速機104で増速された回転を増速機の反駆動側軸104bから発電機の軸(駆動側)106aに伝達する。中空の継手105は中空構造となっている。また、中空の継手105には、表面から内部に開口105aが設けられていることが望ましい。ナセル107は前述の通り、タワー108にて支持されているが、タワー108は通常、地上や海上、浮体構造物に設置される。そのため、地震や風の影響によって、ナセル107が揺動することがある。その際、特に増速機104と発電機106は重量物であるため、揺動により変位が発生する。中空の継手105は、これらの動きをある程度吸収できるような構成のものを適用し、各機器の損傷を抑える。中空の継手105内には、増速機側からは、増速機内を貫通してきた増速機側中空回転軸201が突出しており、発電機側からは発電機内を貫通している発電機側中空回転軸204が突出している。本実施例では、中空回転軸は複数本(具体的には二本)設けられており、発電機側の発電機側中空回転軸204は、発電機の軸(駆動側)側106aには支持する軸受は設けずに、増速機側から貫通してきた増速機側中空回転軸201と(可撓性を有する)柔構造の中空回転軸用継手203で連結される。中空回転軸用継手203は増速機104と発電機106の間に配置されて、両者を接続する。本実施例では、中空回転軸用継手203が増速機と発電機の間における中空回転軸に設けられる可撓性構造に該当する。柔構造の中空回転軸用継手203を採用することで、中空回転軸と増速機軸および発電機軸との干渉や、中空回転軸支持軸受に過大な負荷がかからない中空回転軸構成を提供することができる。また、発電機側の発電機側中空回転軸204は、増速機側の増速機側中空回転軸201と共に、ハブ102、主軸103、増速機駆動側104aと同じ回転数で回転するようになる。中空回転軸同士を締結する柔構造の中空回転軸用継手203の要求特性は、周方向(yz方向)には、増速機104の軸104a、104bおよび発電機106の軸106a、106b内側に接触しないように、かつ、増速機側中空回転軸201および発電機側中空回転軸204の自重を支持できる剛性が要求される。軸方向(中心軸x方向)には、増速機側中空回転軸201および発電機側中空回転軸204の熱伸びによる変位を、支持している軸受202、205の許容荷重内に収まるような剛性を持つ。
【0020】
また、中空の継手105に設けられた開口105aから、増速機側中空回転軸201と発電機側中空回転軸204を中空回転軸用継手203で接続する作業ができる。これにより、はじめに中空の継手105を各軸に接続した後、増速機側中空回転軸201と発電機側中空回転軸204同士の接続を、作業用の開口105aから実施することができ、組立て手順の制約をなくすことができる。
【0021】
中空回転軸用継手203で接続することにより、増速機側中空回転軸201および発電機側中空回転軸204は、増速機駆動軸104側から、発電機軸(反駆動側106b)側まで貫通することになるが、増速機側中空回転軸201と発電機側中空回転軸204を接続する中空回転軸用継手203を挟んで、増速機反駆動軸104b側と発電機軸(反駆動側106b)側で支持される。その支持軸受の間隔を、確保することで増速機104と発電機106の相対変位が生じた場合でも、回転軸用継手203と軸受間隔長さで、変位を吸収できるようになる。
【実施例2】
【0022】
次に、図3を用いて本発明による第2の実施例を示す。なお、図3において、図1〜2と同一符号は同一部品を示すので、再度の説明は省略する。第1の実施例では、各機器に生じる変位を吸収するため、柔構造の中空回転軸用継手203を、増速機側中空回転軸201および発電機側中空回転軸204を支持する軸受間に設置したが、第2の実施例は中空回転軸301自体が(可撓性を有する)柔軟性を有する点が、第1の実施例と比較した場合の変更点である。
【0023】
図3に示すように、実施例2では、中空回転軸301を増速機104と発電機106の間で接続する柔構造の継手を使用せず、1本の中空軸で構成される。中空回転軸301を支持する軸受は、増速機側には実施例1と同様に反駆動軸104b側、発電機側には実施例1と同様に発電機軸(反駆動側106b)側に設置し、軸受間隔の長さを確保する点では実施例1と同じである。このような構成とすることで、中空回転軸301自体の柔軟性と軸受間隔長さにより、変位を吸収できるようになり、かつ、部品点数も減らすことができる。
【実施例3】
【0024】
次に、図4を用いて本発明による第3の実施例を示す。なお、図4において、図1〜3と同一符号は同一部品を示すので、再度の説明は省略する。第1および第2の実施例では、中空回転軸を支持する軸受を、増速機および発電機外に設置したが、第3の実施例は、軸受を増速機および発電機内に設置する点が、第1および第2の実施例と比較した場合の変更点である。
【0025】
図4に示すように、実施例3では、増速機側中空回転軸201および発電機側中空回転軸204を支持する軸受を、増速機内に設置する軸受401および発電機内に設置する軸受402にて支持する。増速機内および発電機内とは、例えば、増速機の反駆動軸104b内部、発電機の軸(反駆動側106b)側内部に軸受を設置する方法がある。このような構成とすることで、軸受を支持するための部品の削除、および、システム全体の長さを、軸受を内蔵した分、減らすことができる。
【実施例4】
【0026】
次に、図5を用いて本発明による第4の実施例を示す。なお、図5において、図1〜4と同一符号は同一部品を示すので、再度の説明は省略する。第4の実施例は第1、第2および第3の実施例に加えて、発電機の軸(反駆動側106b)に回転検出装置(回転検出器501aおよび回転検出用リング501b)を備える点を特徴とする。
【0027】
一般的な風車の構成において、回転検出器501aおよび回転検出リング501bはスリップリング502の前記ブレードとは反対側の端部に設置する。スリップリング502の回転部は、ブレード101、ハブ102の回転速度と同一で回転する。スリップリング502の回転部に接続された回転検出器501aおよび回転検出リング501bは、ブレード101、ハブ102の回転速度を検出して、風車制御に使用する。その場合に比べて、本実施例4のように発電機の軸(反駆動側107b)に設置すると、発電機106の軸は、増速機104で増速比分を増速された速度で回転する。この発電機軸に回転検出器501aおよび回転検出リング501bを設置することで、ブレード101、ハブ102が1回転する間に、軸速度は増速比倍された回転速度で検出するため、増速機の増速比分の一の分解能で検出することができ、より細かな速度検出が可能となる。ブレード101、ハブ102と同一の速度で回転検出するよりも、高分解能で検出できるようになり、風車制御をより細かに設定することが可能となる。
【実施例5】
【0028】
次に、図6図7および図8を用いて本発明による第5の実施例を示す。なお、図6図7および図8において、図1〜5と同一符号は同一部品を示すので、再度の説明は省略する。第5の実施例は、第4の実施例の回転検出リング501bを分割タイプとすることを特徴とする。
【0029】
図7は、実施例4における回転検出リングを軸方向x方向から見た図である。
【0030】
図8は、本実施例5における分割タイプの回転検出リングの一例を軸方向から見た図である。
【0031】
分割していない回転検出リング501bを発電機軸106bに取付ける際、軸方向から挿入する必要がある。分割タイプの回転検出リング601とすることで、軸の周方向からの取付けが可能となり、組立性、分解性が向上する。
【0032】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、さまざまな変形例が含まれる。例えば上記した実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を、他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【0033】
101・・・ブレード、102・・・ハブ、103・・・主軸、104・・・増速機、105・・・中空の継手、106・・・発電機、107・・・ナセル、108・・・タワー、201・・・増速機側中空回転軸、202、205・・・中空回転軸支持用軸受、203・・・中空回転軸用継手、204・・・発電機側中空回転軸
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8