CN103670947A - 扭矩限制器、风车及风力发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明的提供一种扭矩限制器，在内外圈之间的周方向形成多个楔形空间，在各楔形空间配置第一滚子及第二滚子，在内外圈朝一个方向或者另一方向相对旋转时，该第一滚子或第二滚子进行楔卡合而在内外圈之间传递扭矩。在第一滚子和第二滚子之间配置有施力构件，该施力构件对第一滚子以及第二滚子分别朝楔卡合的方向施力。楔形空间形成为，当扭矩在规定值以上时，第一滚子的第一楔角或者第二滚子的第二楔角为解除楔卡合的角度。

Description

扭矩限制器、风车及风力发电装置

2012年9月24日提出的日本专利申请No.2012-209649的所有公开内容、包括说明书、附图以及摘要均通过援引包含于本发明。

技术领域

本发明涉及扭矩限制器、风车及风力发电装置。

背景技术

在风力发电装置设置有：斜度驱动装置，其用于调整风车叶片的迎角；以及偏转驱动装置，其用于使支承叶片的机舱(nacelle)相对于塔架进行旋转。上述两驱动装置分别通过能够正反旋转的马达与减速器组合而构成(例如，参照日本特开2010-1996号公报)。在这样的风力发电装置中，如果发生急剧的风速变化或者风向变化，则过大的扭矩会作用于斜度驱动装置和偏转驱动装置的马达和减速器，从而产生马达、减速器损坏的问题。

为了解决上述问题，如日本特开2005-147316号公报所公开的那样，考虑在马达轴等的驱动部件和被传递该马达的动力的从动部件之间夹装扭矩限制器。该扭矩限制器在内圈外周面和外圈内周面之间沿周方向形成有多个楔形空间，在各楔形空间配置通过施加外力而与该楔形空间楔卡合的滚子。由此，各滚子在内圈和外圈之间楔卡合的状态下，在内外圈之间传递扭矩，当作用规定大小以上的扭矩时，各滚子的楔卡合被解除。如果该楔卡合被解除，则内圈和外圈发生空转，在内外圈之间的扭矩传递被切断。

上述扭矩限制器，在内外圈朝一个方向相对旋转的情况下，能够切断扭矩的传递。但是，在内外圈朝相反方向相对旋转的情况下，无法切断扭矩的传递。因此，如上述斜度驱动装置和偏转驱动装置那样，在使马达朝正反两个方向旋转的情况下，当在上述另一方向作用过大的扭矩时，依然会产生上述马达等损坏的问题。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种扭矩限制器、风车及风力发电装置，当朝正反两个旋转方向分别作用有过大的扭矩时，能够切断上述扭矩的传递。

本发明的一方面的扭矩限制器的结构上的特征在于，该扭矩限制器具备：内圈以及外圈；凸轮面，该凸轮面形成于上述内圈外周面以及上述外圈内周面中的任一方，在上述内外圈之间沿周方向形成有多个楔形空间，该楔形空间形成为随着分别趋向周方向两侧而径向的间隙逐渐变小；第一滚子，该第一滚子配置在上述各楔形空间，当上述内外圈朝一个方向相对旋转时，该第一滚子在上述楔形空间的周方向一侧楔卡合，从而在上述内外圈之间传递第一扭矩；第二滚子，该第二滚子配置在上述各楔形空间，当上述内外圈朝另一方向相对旋转时，该第二滚子在上述楔形空间的周方向另一侧楔卡合，从而在上述内外圈之间传递第二扭矩；以及施力构件，该施力构件配置在上述第一滚子与上述第二滚子之间，对上述第一滚子以及上述第二滚子分别朝楔卡合的方向施力，上述楔形空间形成为，当上述第一扭矩在规定值以上时，上述第一滚子的第一楔角为解除该第一滚子的楔卡合的角度，当上述第二扭矩在规定值以上时，上述第二滚子的第二楔角为解除该第二滚子的楔卡合的角度。

附图说明

从以下的参照附图对具体实施方式进行的说明能够清楚本发明的上述的和进一步的目的、特征和优点，其中，对相同或相似的要素标注相同或相似的标号。

图1是示出本发明的一个实施方式所涉及的风力发电装置的剖视图。

图2是示出上述风力发电装置中的风车的驱动装置的剖视图。

图3是示出上述风车的扭矩限制器的剖视图。

图4是示出上述扭矩限制器的主要部分放大剖视图。

图5是示出扭矩限制器的其他实施方式的主要部分放大剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。图1是示出本发明的一个实施方式所涉及的风力发电装置的剖视图。如图1所示，该风力发电装置1具备风车2、增速器3以及发电机4。风车2具有接受风力而旋转的多个叶片7。上述增速器3对叶片7的旋转进行增速。上述发电机4与该增速器3连接。当由增速器3增速后的旋转输入至发电机4时，未图示的转子被驱动，该发电机伴随着该转子的驱动而进行发电。

风车2具备塔架5、机舱6、上述叶片7、斜度驱动装置8、偏转驱动装置9以及扭矩限制器10(参照图2)。上述机舱6由壳体6a和主轴6b构成。上述主轴6b以绕水平方向的轴线X旋转自如的方式支承于上述壳体6a。上述壳体6a以绕上下方向的轴线Z旋转自如的方式支承于塔架5的上端部。在壳体6a的内部收纳有上述增速器3以及发电机4。主轴6b的轴向一端部与增速器3连接。叶片7的基端部支承于主轴6b的轴向另一端部。斜度驱动装置8用于调整叶片7的迎角(安装角)，且配置在主轴6b与各叶片7之间。偏转驱动装置9用于使机舱6相对于塔架5旋转，且配置在塔架5与机舱6之间。

图2是示出斜度驱动装置8和偏转驱动装置9的剖视图。如图2所示，斜度驱动装置8和偏转驱动装置9具备马达11、多级式的减速器12、以及小齿轮13。上述马达11能够进行正反旋转。上述减速器12对马达11的旋转进行减速。旋转体14经由上述扭矩限制器10与减速器12的输出轴12a连接。小齿轮13经由连结轴15以能够一体旋转的方式与旋转体14连接。如图1所示，斜度驱动装置8的小齿轮13与形成于叶片7的基端部的齿轮7a啮合。因而，通过驱动斜度驱动装置8的马达11而使小齿轮13旋转，能够经由齿轮7a使叶片7绕其长度方向的轴线Y转动。另一方面，如图1所示，偏转驱动装置9的小齿轮13与形成于塔架5的上端部的齿轮5a啮合。因而，通过驱动偏转驱动装置9的马达11而使小齿轮13旋转，能够经由齿轮5a使机舱6绕轴线Z旋转。

图3是示出扭矩限制器10的剖视图。如图3所示，扭矩限制器10具备内圈21以及外圈22、凸轮面23、多个(8个)第一滚子24、多个(8个)第二滚子25、以及施力构件26。在图2以及图3中，上述内圈21外嵌固定于减速器2的输出轴12a。上述内圈21与上述输出轴12a一体旋转。上述外圈22在与内圈21同轴心状配置的状态下固定在旋转体14的内周侧。上述外圈22与上述旋转体14一体旋转。

上述凸轮面23形成于内圈外周面21a。在上述凸轮面23与外圈内周面22a之间沿周方向形成有多个(8个)楔形空间S。楔形空间S形成为随着分别趋向周方向两侧而径向的间隙逐渐变小。

上述第一以及第二滚子24、25形成为同一直径的圆柱形状，在各楔形空间S分别各配置一个上述第一以及第二滚子24、25。当内外圈21、22朝一个方向(图3的箭头A方向)相对旋转时，第一滚子24朝楔形空间S的周方向一侧(箭头A方向侧)移动，在凸轮面23和外圈内周面22a之间与之啮合。由此，第一滚子24与内外圈21、22楔卡合，在内外圈21、22之间传递第一扭矩。

当内外圈21、22朝另一方向(图3的箭头B方向)相对旋转时，第二滚子25朝楔形空间S的周方向另一侧(箭头B方向侧)移动，在凸轮面23和外圈内周面22a之间与之啮合。由此，第二滚子25与内外圈21、22楔卡合，在内外圈21、22之间传递第二扭矩。

上述施力构件26在各楔形空间S中配置在第一滚子24与第二滚子25之间，分别朝楔卡合方向对第一及第二滚子24、25施力。本实施方式的施力构件26通过例如由压缩螺旋弹簧形成的第一弹性部件26a以及第2弹性部件26b而构成。第一弹性部件26a配置在固定于凸轮面23的周方向中央部的弹簧支架部27与第一滚子24之间，朝楔形空间S的上述周方向一侧对第一滚子24施力。并且，第二弹性部件26b配置在上述弹簧支架部27与第二滚子25之间，朝楔形空间S的上述周方向另一侧对第二滚子25施力。

图4是示出扭矩限制器10的主要部分放大剖视图。在图4中，楔形空间S的上述周方向一侧形成为，在上述第一扭矩不足规定值的情况下，为了防止第一滚子24的啮合滑动，使得下述式(1)成立。

tan(θ1/2)<μ......(1)

此处，θ1是第一楔角，μ是摩擦系数。第一楔角θ1是在第一滚子24楔卡合的状态下，第一滚子24和凸轮面23的接触位置处的切线与第一滚子24和外圈内周面22a的接触位置处的切线所成的角度。在本实施方式中，由于摩擦系数μ=0.1，所以当第一楔角θ1不足大约10度时，上述式(1)成立。

此外，楔形空间S的上述周方向一侧形成为下述式(2)成立，以便当上述第一扭矩在规定值以上时第一滚子24进一步朝上述周方向一侧移动而发生啮合滑动。

tan(θ1/2)≥μ......(2)

在本实施方式中，由于摩擦系数μ=0.1，所以当第一楔角θ1在大约10度以上时，上述式(2)成立。

楔形空间S的上述周方向另一侧形成为，在上述第二扭矩不足规定值的情况下，为了防止第二滚子25的啮合滑动，使得下述式(3)成立。

tan(θ2/2)<μ......(3)

此处，θ2是第二楔角，μ是摩擦系数。第二楔角θ2是在第二滚子25楔卡合的状态下，第二滚子25和凸轮面23的接触位置处的切线与第二滚子25和外圈内周面22a的接触位置处的切线所成的角度。在本实施方式中，由于摩擦系数μ=0.1，所以当第二楔角θ2不足大约10度时，上述式(3)成立。

此外，楔形空间S的上述周方向另一侧形成为下述式(4)成立，以便当上述第二扭矩在规定值以上的情况下第二滚子25进一步朝上述周方向另一侧移动而发生啮合滑动。

tan(θ2/2)≥μ......(4)

在本实施方式中，由于摩擦系数μ=0.1，所以当第二楔角θ2在大约10度以上时，上述式(4)成立。

根据以上结构，当驱动马达11而使内圈21以第一扭矩不足规定值的方式朝箭头A方向旋转时，第一滚子24朝楔形空间S的上述周方向一侧移动，第一滚子24在内外圈21、22之间楔卡合。此时，防止了第一滚子24的啮合滑动，因此朝外圈22传递作为内圈21的旋转扭矩的第一扭矩，内外圈21、22成为一体而朝箭头A方向旋转。另外，通过内圈21朝箭头A方向旋转，第二滚子25克服第二弹性部件26b的作用力而朝楔形空间S的上述周方向一侧移动。因此，第二滚子25不会在上述周方向另一侧进行楔卡合。

另一方面，当驱动马达11而经由减速器12的输出轴12a使内圈21朝上述箭头B方向旋转时，第二滚子25朝楔形空间S的上述周方向另一侧移动。由此，第二滚子25在内外圈21、22之间楔卡合，朝外圈22传递作为内圈21的旋转扭矩的第二扭矩，内外圈21、22成为一体而朝箭头B方向旋转。另外，通过内圈21朝箭头B方向旋转，第一滚子24克服第一弹性部件26a的作用力而朝楔形空间S的上述周方向另一侧移动，因此，第一滚子24不会在上述周方向一侧进行楔卡合。

在第一滚子24或者第二滚子25楔卡合的状态下，如果引起急剧的风速变化或者风向变化，则存在该风力等的外力从斜度驱动装置8、偏转驱动装置9的小齿轮13经由旋转体14作用于扭矩限制器10的外圈22的情况。在该情况下，当第一扭矩或者第二扭矩在规定值以上时，扭矩限制器10的第一或者第二滚子24、25的楔卡合被解除。

具体而言，在第一滚子24楔卡合的状态下，如果第一扭矩在规定值以上，则第一滚子24在楔形空间S内进一步朝上述周方向一侧移动，由此第一楔角θ1逐渐变大。当第一楔角θ1变大至满足上述式(2)的角度时，在内外圈21、22之间发生第一滚子24的啮合滑动。由此，第一滚子24克服第一弹性部件26a的作用力而朝上述周方向另一侧突出，楔卡合被解除。由此，能够切断在内外圈21、22之间扭矩传递成为规定值以上的第一扭矩。

同样地，在第二滚子24楔卡合的状态下，如果第二扭矩在规定值以上，则第二滚子25在楔形空间S内进一步朝上述周方向另一侧移动，由此第二楔角θ2逐渐变大。当第二楔角θ2变大至满足上述式(4)的角度时，在内外圈21、22之间发生第二滚子25的啮合滑动。由此，第二滚子25克服第二弹性部件26b的作用力而朝上述周方向一侧突出，楔卡合被解除。由此，能够切断在内外圈21、22之间扭矩传递成为规定值以上的第二扭矩。

因而，根据本实施方式的扭矩限制器10以及风车2，即使在内外圈21、22朝一个方向以及另一方向中的任一方向相对旋转的情况下，也能够在规定值以上的第一扭矩或者第二扭矩作用时切断该扭矩的传递。由此，当发生急剧的风速变化或者风向变化时，能够防止在马达11或者减速器12作用规定值以上的第一扭矩或者第二扭矩，能够防止马达11以及减速器12损坏。

图5是示出扭矩限制器的其他实施方式的主要部分放大剖视图。在图5中，在本实施方式的扭矩限制器10中，施力构件26通过由例如压缩螺旋弹簧形成的单一的弹性部件26c而构成。上述弹性部件26c的两端部分别与第一滚子24和第二滚子25抵接，对第一滚子24朝楔形空间S的上述周方向一侧施力，并且对第二滚子25朝楔形空间S的上述周方向另一侧施力。

本实施方式的扭矩限制器10具有限制部件(限制构件)31，在分别解除第一以及第二滚子24、25的楔卡合时，该限制部件31限制第一或第二滚子24、25朝周方向的相反侧的大幅度突出。上述限制部件31以朝楔形空间S突出的方式一体形成于外圈内周面22a。在上述限制部件31的周方向两端部分别形成有供第一滚子24抵接的第一抵接部31a以及供第二滚子25抵接的第二抵接部31b。由此，第一滚子24当解除楔卡合时与第一抵接部31a抵接，从而能够限制第一滚子24朝上述周方向另一侧移动。此外，第二滚子25当解除楔卡合时与第二抵接部31b抵接，由此能够限制第二滚子25朝上述周方向一侧移动。限制部件31形成为沿着弹性部件26c的长度方向延伸，也起到引导弹性部件26c的作用。

山形状的第一突出部32以及第二突出部33以朝楔形空间S突出的方式一体形成于与本实施方式的扭矩限制器10的凸轮面23对置的外圈内周面22a。第一突出部32在楔形空间S的上述周方向一侧突出，且具有曲率半径大于外圈内周面22a的曲率半径的第一圆弧面32a。第二突出部33在楔形空间S的上述周方向另一侧突出，且具有曲率半径大于外圈内周面22a的曲率半径的第二圆弧面33a。在本实施方式中，第一圆弧面32a以及第二圆弧面33a的各曲率半径设定为同一长度。另外，本实施方式的其他结构与图4所示的实施方式相同，因此省略对其进行说明。

根据按照上述方式构成的本实施方式的扭矩限制器10，由于第一及第二突出部32、33的第一及第二圆弧面32a、33a的曲率半径大于外圈内周面22a的曲率半径，所以当第一及第二滚子24、25沿着外圈内周面22a到达第一及第二圆弧面32a、33a时，第一及第二楔角θ1、θ2急剧变大。由此，当第一扭矩及第二扭矩在规定值以上时，能够提高第一及第二滚子24、25的楔卡合解除的应对性。

此外，能够利用限制部件31限制第一及第二滚子24、25分别解除楔卡合时克服弹性部件26c的作用力而朝楔形空间S的周方向相反侧大幅度突出。由此，能够抑制因第一及第二滚子24、25的突出而导致弹性部件26c损坏。

另外，本发明并不限定于上述的实施方式，能够适当变更并加以实施。例如，在上述实施方式中，凸轮面23形成于内圈外周面21a。但是，凸轮面23也可以形成于外圈内周面22a。此外，在图4所示的实施方式中，设置了弹簧支架部27。但是，也可以不设置该弹簧支架部27。在该情况下，也可以利用单一的弹性部件构成施力构件26。进而，在图5所示的实施方式中，限制构件31由单一的限制部件构成，但也可以由供第一及第二滚子24、25单独抵接的两个限制部件构成。

根据本发明，当在正反两个旋转方向上分别作用有过大的扭矩时，能够切断该过大的扭矩的传递。

Claims (6)

1.一种扭矩限制器，其特征在于，

所述扭矩限制器具备：

内圈以及外圈；

凸轮面，该凸轮面形成于所述内圈外周面以及所述外圈内周面中的任一方，在所述内外圈之间沿周方向形成有多个楔形空间，该楔形空间形成为随着分别趋向周方向两侧而径向的间隙逐渐变小；

第一滚子，该第一滚子配置在所述各楔形空间，当所述内外圈朝一个方向相对旋转时，该第一滚子在所述楔形空间的周方向一侧楔卡合，从而在所述内外圈之间传递第一扭矩；

第二滚子，该第二滚子配置在所述各楔形空间，当所述内外圈朝另一方向相对旋转时，该第二滚子在所述楔形空间的周方向另一侧楔卡合，从而在所述内外圈之间传递第二扭矩；以及

施力构件，该施力构件配置在所述第一滚子与所述第二滚子之间，对所述第一滚子以及所述第二滚子分别朝楔卡合的方向施力，

所述楔形空间形成为，当所述第一扭矩在规定值以上时，所述第一滚子的第一楔角为解除该第一滚子的楔卡合的角度，当所述第二扭矩在规定值以上时，所述第二滚子的第二楔角为解除该第二滚子的楔卡合的角度。

2.根据权利要求1所述的扭矩限制器，其特征在于，

在与所述凸轮面对置的所述内圈外周面或者所述外圈内周面的所述周方向一侧，以朝所述楔形空间突出的方式形成有第一突出部，该第一突出部具有曲率半径大于与所述凸轮面对置的所述内圈外周面或者所述外圈内周面的曲率半径的第一圆弧面，

在与所述凸轮面对置的所述内圈外周面或者所述外圈内周面的所述周方向另一侧，以朝所述楔形空间突出的方式形成有第二突出部，该第二突出部具有曲率半径大于与所述凸轮面对置的所述内圈外周面或者所述外圈内周面的曲率半径的第二圆弧面。

3.根据权利要求1所述的扭矩限制器，其特征在于，

所述扭矩限制器具备限制构件，该限制构件设置在所述内圈外周面以及所述外圈内周面中的任一方，限制所述第一滚子在解除楔卡合时朝所述周方向另一侧移动，并且，限制所述第二滚子在解除楔卡合时朝所述周方向一侧移动。

4.根据权利要求2所述的扭矩限制器，其特征在于，

所述扭矩限制器具备限制构件，该限制构件设置在所述内圈外周面以及所述外圈内周面中的任一方，限制所述第一滚子在解除楔卡合时朝所述周方向另一侧移动，并且，限制所述第二滚子在解除楔卡合时朝所述周方向一侧移动。

5.一种风车，其特征在于，所述风车具备：能够正反旋转的马达以及减速器，构成用于调整接受风力而旋转的叶片的迎角的斜度驱动装置，或者使支承所述叶片的机舱相对于塔架旋转的偏转驱动装置；以及

权利要求1～4中任一项所述的扭矩限制器，当因外力而作用有规定值以上的扭矩时，该扭矩限制器切断朝所述马达或者减速器的扭矩传递。

6.一种风力发电装置，其特征在于，

所述风力发电装置具备：

权利要求5所述的风车；以及

发电机，通过所述风车的叶片接受风力而旋转，该发电机进行发电。

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