JP6385247B2

JP6385247B2 - 支持機構

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Publication number: JP6385247B2
Application number: JP2014225809A
Authority: JP
Inventors: 文乃階戸
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2014-11-06
Filing date: 2014-11-06
Publication date: 2018-09-05
Anticipated expiration: 2034-11-06
Also published as: JP2016089736A

Description

本発明は、風力発電装置における増速機の支持機構に関する。

近年の環境意識の高まりを受け、環境に優しいクリーンなエネルギへの需要が高まっている。そのようなクリーン・エネルギを代表するもののひとつに風力発電がある。風力発電では、風の力をトルクに変換し、そのトルクを使用して発電するので、環境への負荷が少ない。

風力発電装置は一般に自然環境下に設置され、基本的には不規則な風エネルギを動力として稼動するので、風力発電装置の構成要素には比較的大きく変動するトルクがかかる。このようなトルク変動は風力発電装置の増速機の構成要素の寿命を縮めうる。
そこで従来では、アクティブ制御されるアクチュエータや弾性体としてのブッシュで増速機を支持することによってトルク変動の低減が図られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−１４４９７０号公報

しかしながら、従来の支持機構では、アクチュエータやブッシュで増速機を支持するため、アクチュエータやブッシュには高い強度が求められる。そのため、アクチュエータやブッシュが大型化し、支持機構の重量が増える問題がある。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、比較的軽量でありながらも風車ブレードが風を受けることにより生じるトルク変動による増速機の構成要素への機械的負荷を低減できる増速機の支持機構の提供にある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の支持機構は、風力発電装置の増速機の支持機構であって、増速機のケーシングを軸受を介して支持する支持部材と、増速機のケーシングの回転を阻止する回転阻止機構と、を有する。

この態様によると、増速機のケーシングを支持する支持部材と、増速機のケーシングの回転を阻止する回転阻止機構とを分離することができる。

なお、以上の要素の任意の組み合わせや、本発明の要素や表現を装置、方法、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、比較的軽量でありながらも風車ブレードが風を受けることにより生じるトルク変動による増速機の構成要素への機械的負荷を低減できる増速機の支持機構を提供できる。

第１の実施の形態に係る風力発電装置の側面図である。図１に示されるナセルの内部を示す模式図である。図３（ａ）、（ｂ）は、図２の支持機構を示す図である。図４（ａ）、（ｂ）は、第２の実施の形態に係る風力発電装置の増速機の支持機構を示す図である。図５（ａ）、（ｂ）は、第３の実施の形態に係る風力発電装置の増速機の支持機構を示す図である。第４の実施の形態に係る風力発電装置のナセルの内部を示す模式図である。図７（ａ）、（ｂ）は、図６の支持機構を示す図である。図６の制御部の機能および構成を示すブロック図である。図６の制御部による制御フローを示す図である。

以下、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る風力発電装置１の側面図である。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、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、を備える。ロータヘッド４には、複数枚（例えば、３枚）の風車ブレード（風車翼とも称される）５が取り付けられている。ナセル３の内部には増速機および発電機（図１ではいずれも不図示）が設けられている。風力発電装置１は、風車ブレード５が風を受けることにより生じるトルク（以下、風力トルクと称する）を増速機を用いて増速し、増速されたトルクを発電機で電力に変換する。

図２は、ナセル３の内部を示す模式図である。増速機１０は、風車ブレード５から発電機２０へのトルクの伝達の経路上に設けられる。ロータヘッド４と増速機１０とは入力シャフト１２によって機械的に接続されており、入力トルクＱｉｎ（＝風力トルク）は入力シャフト１２の回転の形で増速機１０に入力される。

増速機１０と発電機２０とは出力シャフト１４によって機械的に接続されている。増速機１０は出力シャフト１４を、入力シャフト１２を介して入力される入力トルクＱｉｎよりも低い出力トルクＱｏｕｔおよび入力シャフト１２の回転数よりも高い回転数で、回転させる。
発電機２０は、出力シャフト１４の回転を使用して発電する。

入力トルクＱｉｎと出力トルクＱｏｕｔとの差分（Ｑｉｎ−Ｑｏｕｔ）は、増速機１０の本体を入力シャフト１２の周りで回転させようとする本体トルクを発生させる。したがって、風力発電装置１は、増速機１０をナセル３に対して機械的に支持する支持機構１００を有し、この支持機構１００は本体トルクに耐える、すなわちナセル３からの反力を増速機１０に伝達する。

図３（ａ）、（ｂ）は、支持機構１００を示す。図３（ａ）は支持機構１００の正面図であり、図３（ｂ）は支持機構１００の側面図である。支持機構１００は、ブラケット１０２と、軸受１０４と、回転阻止機構１０６と、減衰機構１０８と、増速機構１１０と、を含む。ブラケット１０２は、ブロック状の部材であり、ナセル３に固定される。ブラケット１０２には、入力シャフト１２の回転軸Ｒに沿って貫通孔１０２ａが設けられている。

軸受１０４は、環状のころ軸受であり、回転軸Ｒを環囲するよう貫通孔１０２ａに固定される。軸受１０４は特に、その外輪部材１０４ａが、接着または圧入により、または接着と圧入を併用して、貫通孔１０２ａに固定される。軸受１０４は、増速機１０のケーシングをブラケット１０２に対して回転自在に支持する。具体的には、内輪部材１０４ｂの内周面に、接着または圧入により、または接着と圧入を併用して、増速機１０のケーシングが固定される。これにより、増速機１０と内輪部材１０４ｂは一体に動く。特に、増速機１０と内輪部材１０４ｂは、外輪部材１０４ａに対してひいてはブラケット１０２に対して回転する。なお、軸受１０４は、玉軸受、滑り軸受、その他の軸受であってもよい。以上のように、ナセル３に固定されたブラケット１０２と、増速機１０のケーシングとの間に軸受１０４が配置される。

回転阻止機構１０６は、回転軸Ｒ周りの増速機１０のケーシングの回転を阻止する。回転阻止機構１０６は、本実施の形態では、支持機構１００を入力シャフト１２側から見たときに入力シャフト１２の右側に設けられる。回転阻止機構１０６は、第１アーム１１２と、弾性部材としてのバネ１１４とを含む。第１アーム１１２は増速機１０のケーシングに取り付けられる。バネ１１４は、一端が第１アーム１１２に固定され、他端はナセル３に固定された架台１１６に固定される。つまり、バネ１１４は、軸受１０４によって支持される部材と、軸受１０４に支持されていない部材とに接続される。増速機１０のケーシングが時計回り（反時計回り）に傾くと第１アーム１１２を介してバネ１１４は縮み（伸び）、増速機１０のケーシングは平衡位置に戻ろうとする力をバネ１１４から受ける。バネ１１４の剛性は、風力トルクの周波数スペクトルにおいて、増速機１０のケーシングを含む系の固有振動数が、風車ブレード５の回転数に対応するピークから外れるように、決定される。

増速機構１１０は増速機１０のケーシングの回転を増速する。増速機構１１０は、本実施の形態では、カム機構によって構成され、入力シャフト１２の左側に設けられる。具体的には、増速機構１１０は、増速機１０のケーシングに取り付けられる接続部材１２０と、Ｖ字アーム１２２と、ナセル３に固定される支持台１２４と、を含む。Ｖ字アーム１２２の屈曲部側は、軸１２２ａにおいて支持台１２４に回動自在に支持される。Ｖ字アーム１２２の一端側は、軸１２２ｂにおいて接続部材１２０に回動自在に固定される。Ｖ字アーム１２２の他端は、連結部１２２ｃにおいて、連結アーム１２６の一端に回動自在に固定される。連結アーム１２６の他端は減衰機構１０８に連結される。増速機構１１０では、回転軸Ｒを回転（揺動）中心とする軸１２２ｂの運動が、軸１２２ａを回転（揺動）中心とする連結部１２２ｃの運動に変換される。回転軸Ｒと軸１２２ｂとの距離をｒ１１、軸１２２ａと連結部１２２ｃとの距離をｒ１２とすると、増速機構１１０の増速比はｒ１１／ｒ１２となる。増速機構１１０で増速された回転は、連結アーム１２６を介して減衰機構１０８に入力される。

減衰機構１０８は、増速機１０にかかるトルクの変動を軽減する。減衰機構１０８はダンパ１１８を含む。ダンパ１１８は、直動式のダンパであり、ナセル３に固定される。ダンパ１１８は、例えば油圧シリンダ、エアシリンダ、またはバネにより構成される。ダンパ１１８は、増速機構１１０によって増速されたトルク変動を減衰させる。

以上のように構成された風力発電装置１の支持機構１００の動作について説明する。
支持機構１００のブラケット１０２は、軸受１０４を介して増速機１０を回転自在に支持する。本体トルクを受けて増速機１０が時計回り（反時計回り）に傾くと第１アーム１１２を介してバネ１１４は縮む（伸びる）。増速機１０は、縮んだ（伸びた）バネ１１４から第１アーム１１２を介して反時計回り（時計回り）方向の力を受け、平衡位置に戻ろうとする。また、突風等による突発的なトルク変動によって本体トルクが変動すると、増速機構１１０によって増速されたトルク変動を減衰機構１０８が減衰させる。

本実施の形態に係る支持機構１００によると、増速機１０のケーシングはナセル３に支持されるブラケット１０２により支持される。したがって、回転阻止機構１０６は増速機１０にかかるトルクを受けさえすればよく、増速機１０の重量を支持する必要がない。同様に、減衰機構１０８は、増速機１０の重さを受けずに、増速機１０に係るトルク変動を受けさえすればよい。つまり、支持機構１００によると、増速機１０の重さを受ける部分と増速機１０にかかるトルクおよびトルク変動を受ける部分とを分離することができる。これにより、回転阻止機構１０６および減衰機構１０８に求められる強度が下がり、回転阻止機構１０６および減衰機構１０８を軽量化できる。つまり、軽量化を図りつつも増速機１０の寿命を延ばすことができる。

一般的に、回転阻止機構１０６や減衰機構１０８により増速機１０を支持する場合、回転阻止機構１０６（特にバネ１１４）や減衰機構１０８が増速機１０の回転軸に対して左右対称に配置されないと、増速機１０の回転軸がずれる虞がある。これに対し、本実施の形態に係る風力発電装置１では、増速機１０はブラケット１０２により支持される。したがって、回転阻止機構１０６が入力シャフト１２の右側に配置され、減衰機構１０８が入力シャフト１２の左側に配置されても、すなわち増速機１０の回転軸に対して回転阻止機構１０６や減衰機構１０８が左右対称に配置されていなくても、増速機１０の回転軸はずれない。これにより、回転阻止機構１０６や減衰機構１０８の配置に関しての設計自由度が向上する。

また、本実施の形態に係る支持機構１００では、増速機構１１０によって増速された回転が減衰機構１０８に入力される。したがって、減衰機構１０８に入力される回転のトルクは、増速比分だけ小さくなる。これにより、減衰機構１０８を比較的コンパクトなものにできる。

また、本実施の形態に係る支持機構１００では、バネ１１４の剛性は、風力トルクの周波数スペクトルにおいて、増速機１０を含む系の固有振動数が、風車ブレード５の回転数に対応するピークから外れるように、決定される。したがって、風車ブレード５の回転と系との共振を抑えることができる。その結果、系にかかる機械的負荷を低減して系の寿命を延ばすことができる。

また、本実施の形態に係る風力発電装置１では、増速機１０は回転阻止機構１０６により元の平衡位置に戻ろうとする。したがって、減衰機構１０８のダンパ１１８の可動範囲（伸縮量）には限界があるという状況において、より効率的に突発的なトルクの変動を抑えることができる。

（第２の実施の形態）
図４（ａ）、（ｂ）は、第２の実施の形態に係る風力発電装置の増速機１０の支持機構２００を示す。図４（ａ）は支持機構２００の正面図であり、図４（ｂ）は支持機構２００の側面図である。支持機構２００は、ブラケット１０２と、軸受１０４と、回転阻止機構２０６と、減衰機構２０８と、増速機構２１０と、を含む。

増速機構２１０は外歯歯車２２０を含む。第２の実施の形態では、増速機１０のケーシング外周にピッチ円半径がｒ２１の歯車１０ａが形成されており、外歯歯車２２０はこの歯車１０ａと噛み合う。外歯歯車２２０は歯車１０ａよりも小さいピッチ円半径ｒ２２を有する。したがって、増速機構２１０の増速比はｒ２１／ｒ２２である。外歯歯車２２０の回転軸には第２アーム２２２の一端が取り付けられている。第２アーム２２２の他端には、回転阻止機構２０６としてのバネ２１４の一端と、減衰機構１０８としてのダンパ２１８の一端と、が固定されている。バネ２１４の他端とダンパ２１８の他端はナセル３に固定される。

バネ２１４は、増速機１０にかかるトルクを増速機構２１０を介して受ける。具体的には、本体トルクを受けて増速機１０が時計回り（反時計回り）に傾くと外歯歯車２２０は反時計回り（時計回り）に傾く。すると、外歯歯車２２０に取り付けられた第２アーム２２２を介してバネ２１４は伸びる（縮む）。増速機１０は、伸びた（縮んだ）バネ２１４から、第２アーム２２２および外歯歯車２２０を介して反時計回り（時計回り）方向の力を受け、平衡位置に戻ろうとする。
減衰機構２０８は、増速機構２１０によって増速されたトルク変動を減衰させる。

本実施の形態に係る支持機構２００によると、第１の実施の形態に係る支持機構１００によって奏される作用効果と同様の作用効果が奏される。加えて、本実施の形態に係る支持機構２００によると、増速機構２１０によって増速されたトルクがバネ２１４に入力される。したがって、バネ２１４に入力されるトルクは、増速比分だけ小さくなる。これにより、バネ２１４に求められる剛性が下がり、バネ２１４に安価なバネを使用することができる。その結果、支持機構２００の製造コストを低減できる。

（第３の実施の形態）
図５（ａ）、（ｂ）は、第３の実施の形態に係る風力発電装置の増速機１０の支持機構３００を示す。図５（ａ）は支持機構３００の正面図であり、図５（ｂ）は支持機構３００の側面図である。支持機構３００は、ブラケット１０２と、軸受１０４と、回転阻止機構３０６と、を含む。

回転阻止機構３０６は、ねじりバネ３１４を含む。ねじりバネ３１４の一端はブラケット１０２に固定され、他端は増速機１０のケーシングに固定される。本体トルクを受けて増速機１０が時計回り（反時計回り）に傾くと、増速機１０は、ねじりバネ３１４から反時計回り（時計回り）方向の力を受け、平衡位置に戻ろうとする。

本実施の形態に係る支持機構３００によると、第１の実施の形態に係る支持機構１００によって奏される作用効果と同様の作用効果が奏される。加えて、本実施の形態に係る支持機構３００によると、増速機１０とねじりバネ３１４とを接続するアームを必要としないため、回転阻止機構３０６の構成が比較的簡単になる。これにより、支持機構３００の製造コストを低減できる。

（第４の実施の形態）
図６は、第４の実施の形態に係る風力発電装置のナセル３の内部を示す模式図である。図６は図２に対応する。制御部４３０は、風車ブレード５および支持機構４００と接続される。

図７（ａ）、（ｂ）は、支持機構４００を示す。図７（ａ）は支持機構４００の正面図であり、図７（ｂ）は支持機構４００の側面図である。支持機構４００は、ブラケット１０２と、軸受１０４と、回転阻止機構１０６と、減衰機構４０８と、増速機構４１０と、を含む。

減衰機構４０８は、サーボモータ４１８を含む。サーボモータ４１８の回転軸には増速機構４１０としての外歯歯車４２０が取り付けられている。第４の実施の形態では、増速機１０のケーシング外周に歯車１０ａが形成されており、外歯歯車４２０はこの歯車１０ａと噛み合う。外歯歯車４２０は、歯車１０ａよりも小さいピッチ円直径を有する。サーボモータ４１８は、制御部４３０の指示を受け、外歯歯車４２０を回転させる。

図８は、制御部４３０の機能および構成を示すブロック図である。これら各ブロックは、ハードウェア的には、コンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウェア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。

制御部４３０は、風速取得部４３２と、平均風速算出部４３４と、回転速度取得部４３８と、サーボモータ制御部４４０と、終了判定部４４２と、を含む。
風速取得部４３２は、風力発電装置の周囲に配置された風速計によって測定された風速を取得する。平均風速算出部４３４は、風速取得部４３２が取得した風速から平均風速（例えば１０秒間の平均風速）を算出する。回転速度取得部４３８は、サーボモータ４１８からサーボモータ４１８の回転軸の回転角速度を取得する。サーボモータ制御部４４０は、サーボモータ４１８を制御する。終了判定部４４２は、終了指示の有無を判定する。

図９は、制御部４３０による制御フローを示す。なお、風速取得部４３２は、所定の間隔で風速を取得しているものとする。
平均風速算出部４３４は、風速取得部４３２が取得した風速から平均風速（ここでは１０秒間平均風速）を算出する（Ｓ１０）。平均風速算出部４３４によって算出された平均風速が第１の風速（例えば７ｍ／ｓ）以上の場合（Ｓ１２のＹ）、回転速度取得部４３８は、時刻ｔにおけるサーボモータの回転軸の回転角速度（θ’（ｔ））を取得する（Ｓ１４）。サーボモータ制御部４４０は、（ｔ＋Δｔ）秒後に、次式（１）のサーボモータトルクを発生させるようサーボモータ４１８に指示する（Ｓ１６）。なお、Δｔは例えば０．０１秒以下とされる。
（式１）Ｑ（ｔ＋Δｔ）＝−ｃθ’（ｔ）
ここで、ｃは任意の定数である。
つまり、サーボモータ制御部４４０は、増速機１０にかかるトルクによって回転するサーボモータ４１８の回転軸に対して、その回転とは反対向きの回転を発生させるようサーボモータ４１８に指示する。

平均風速算出部４３４によって算出された平均風速が第１の風速（例えば７ｍ／ｓ）未満の場合（Ｓ１２のＮ）、風力トルクは小さいため、本体トルクやそのトルク変動も比較的小さい。この場合はサーボモータ４１８を作動させるまでもないため、Ｓ１４およびＳ１６をスキップし、処理を後述のＳ１８に渡す。終了判定部４４２は、所定の終了指示の有無を判定する（Ｓ１８）。終了指示が無い場合（Ｓ１８のＮ）、処理はステップＳ１０に戻る。終了指示が有る場合（Ｓ１８のＹ）、処理を終了する。

本実施の形態に係る支持機構４００によると、第１の実施の形態に係る支持機構１００によって奏される作用効果と同様の作用効果が奏される。加えて、本実施の形態に係る支持機構４００によると、トルクに応じてサーボモータ４１８をアクティブに制御するため、トルク変動をより効果的に低減できる。

以上、実施の形態に係る風力発電装置の構成および動作について説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

（変形例１）
第１、２、４の実施の形態では、支持機構は、増速機１０と回転阻止機構および減衰機構との間に１段の増速機構を含む場合について説明したが、これに限られない。支持機構は、増速機１０と回転阻止機構および減衰機構との間に２段以上の増速機構を備えてもいてもよい。

（変形例２）
第３の実施の形態では、支持機構３００が減衰機構を有しない場合について説明したが、これに限られない。支持機構３００は、例えばロータリダンパや直動式のダンパを設けてもよい。

（変形例３）
第１〜４の実施の形態では、支持機構は、増速機１０と回転阻止機構との間、および、増速機１０と減衰機構との間、の少なくとも一方に増速機構を含む場合について説明したが、これに限られない。支持機構は、増速機１０と回転阻止機構との間、および、増速機１０と減衰機構との間のいずれにも増速機構を含まなくてもよい。

１風力発電装置、２支柱、３ナセル、４ロータヘッド、５風車ブレード、６基礎、１０増速機、１２入力シャフト、２０発電機、１００支持機構、１０２ブラケット、１０４軸受、１０６回転阻止機構、１０８減衰機構、１１０増速機構。

Claims

風力発電装置の増速機の支持機構であって、
前記増速機のケーシングを軸受を介して支持する支持部材と、
前記増速機のケーシングの回転を阻止する回転阻止機構と、を有することを特徴とする支持機構。
前記回転阻止機構は、弾性部材により構成されることを特徴とする請求項１に記載の支持機構。
前記増速機のケーシングに作用するトルク変動を減衰する減衰機構を有することを特徴とする請求項１または２に記載の支持機構。
前記増速機のケーシングの回転を増速する増速機構を有し、
前記減衰機構は、前記増速機構により増速された回転を受けることを特徴とする請求項３に記載の支持機構。
前記回転阻止機構は、前記増速機のケーシングの増減速されていない回転を阻止することを特徴とする請求項４に記載の支持機構。
前記増速機のケーシングの回転を増速する増速機構を有し、
前記回転阻止機構は、前記増速機構により増速された回転を阻止することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の支持機構。
前記増速機構は、前記増速機のケーシング外周に設けられた大歯車と、大歯車と噛合い、大歯車よりも歯数の少ない小歯車と、を有することを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載の支持機構。
前記増速機構は、カム機構により構成されることを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載の支持機構。
前記減衰機構は、サーボモータにより構成されることを特徴とする請求項３または４に記載の支持機構。
前記回転阻止機構は、前記増速機の入力軸の軸心に対して左右対称に配置されていないことを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の支持機構。