JP2006009575A

JP2006009575A - 遊星歯車装置

Info

Publication number: JP2006009575A
Application number: JP2004183265A
Authority: JP
Inventors: Hidekuni Hori; 秀邦堀; Yosuke Oya; 洋右大矢
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2004-06-22
Filing date: 2004-06-22
Publication date: 2006-01-12

Abstract

【課題】風力発電設備の風車の回転を増速する増速機に備えられた遊星歯車装置の軽量化を可能とし、その軽量化により必要部分の寸法への影響や機能低下を伴うことのないものとする。これにより、タワーの軽量化、小型化を図る。
【解決手段】この遊星歯車装置４３は、風力発電設備の風車の回転を増速する増速機３８に備えられたものであり、遊星歯車４８を支持する軸５０を中空軸とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、風力発電設備の風車の回転を増速する増速機に備えられた遊星歯車装置に関する。

風力発電設備では、その大型化に伴い、風車の回転を増速する増速機を用いない構造（いわゆるギヤレス風車）を採用したり、増速機の部品点数を少なくすることで簡素な構造とし、コンパクト化や軽量化を図ったものが提案されている（例えば特許文献１）。
しかし、一般的に風力発電設備は現地での補修が困難であることから、上記したような新しい構造を採用した場合、信頼性について課題がある。このような観点から、特に出力が１ＭＷを超える風力発電設備では、既存の増速機を用いた構造のものが多く採用されているのが現実である。

上記増速機は、その入力部として軸，軸受，遊星歯車などからなる遊星歯車装置を有するが、増速機全体および各歯車の主要寸法は風力発電の定格電力に伴って設計されているため、大幅なコンパクト化は困難である。同様に、遊星歯車装置に使用される軸受においても、風力発電設備向けの保険会社や規格協会が設定している軸受計算寿命や荷重負荷による軸受接触面圧を満足させなければならないので、軸受サイズの小型化、すなわち転動体のピッチ円径の大幅な小型化は現実的には難しい。このような理由から、近年の風力発電設備の大型化に伴い、それに使用される上記増速機も必然的に大きくなっており、その遊星歯車装置を軽量化して、設備建設工数・費用の削減，タワーの軽量化・小型化を図ることが重要な課題となっている。

従来から適用されている遊星歯車装置における遊星歯車支持部分の代表例を、図８に示す。同図に示すように、遊星歯車６５の支持軸６６は、基本的には中実軸であり、潤滑の都合上で、潤滑油を軸受６７へ供給できる給油孔６８が施されている程度である。なお、部品点数の削減としての簡素化は、図９に示すように、軸受外輪を遊星歯車６５と一体化したものが、汎用減速機などでは既知である。
特開２００２−３０３２５４号公報

しかし、図８に示すように遊星歯車６５の支持軸６６として、給油孔６８を有するものを用いても、この場合の支持軸６６は実質的には中実軸であり、軽量化にさほど寄与できるとは考えられない。

この発明の目的は、風力発電設備の風車の回転を増速する増速機に備えられた遊星歯車装置において、軽量化を可能とし、その軽量化により必要部分の寸法への影響や機能低下を伴うことのない遊星歯車装置を提供することである。

この発明の遊星歯車装置は、風力発電設備の風車の回転を増速する増速機に備えられた遊星歯車装置において、遊星歯車を支持する軸を中空軸としたことを特徴とする。
この構成によると、遊星歯車を支持する軸を中空軸としたので、軸が軽量化され、遊星歯車装置全体の軽量化が可能となる。中空軸として軽量化したので、小径化する場合と異なり、軸受ピッチ円径の変更を伴うことなく軽量化が図れ、軸の曲げ剛性等の強度も確保し易い。遊星歯車は共通のキャリアに複数設けられるため、遊星歯車を支持する軸は比較的に強度に余裕があり、中空軸とすることで、強度不足の問題を招くことなく、軽量化が図れる。また、複数ある遊星歯車の軸を中空軸とするため、遊星歯車装置の全体への軽量化の効果が大きい。遊星歯車装置が軽量化されると、建設工数と費用の削減、タワーの軽量化・小型化、増速機の組み立てや運搬時の作業効率向上化が図れ、また駆動時のエネルギー損失を改善できる。

この発明において、前記遊星歯車を支持する軸の内径孔を貫通孔としても良い。遊星歯車を支持する軸を中空化するについて、必ずしも全長に渡って中空としなくても良いが、内径孔を貫通孔とした場合、軸の軽量化を大きく進めることができる。

この発明において、前記遊星歯車を前記軸に支持する転がり軸受を設け、この転がり軸受における外輪と前記遊星歯車とを一体の部品としても良い。
この構成の場合、軸受外輪と遊星歯車とが一体の部品とされることで、軽量化だけでなく、部品点数の削減も可能となる。

この発明において、前記遊星歯車を前記軸に支持する転がり軸受を設け、この転がり軸受における内輪と前記軸とを一体の部品としても良い。軸受内輪と軸とを一体化しても、軽量化だけでなく、部品点数の削減が可能となる。

この発明において、前記遊星歯車の幅面に除肉凹部を設けても良い。除肉凹部は、遊星歯車の全幅に貫通したものであっても、幅寸方の一部に設けたものであっても良い。
遊星歯車の幅面を除肉凹部でえぐることで、遊星歯車も軽量化できるので、遊星歯車装置全体の軽量化がさらに促進される。

この発明の遊星歯車装置は、風力発電設備の風車の回転を増速する増速機に備えられた遊星歯車装置において、遊星歯車を支持する軸を中空軸としたため、必要部分の寸法への影響や機能低下を伴うことなく、軸が軽量化され、遊星歯車装置全体の軽量化が可能となる。この遊星歯車装置全体の軽量化により、建設工数と費用の削減、タワーの軽量化・小型化、増速機の組み立てや運搬時の作業効率向上化が図れ、また駆動時のエネルギー損失を改善できる。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図４と共に説明する。図１は、この発明の遊星歯車装置を用いた風力発電用増速機の一例を示す。この増速機３８は、入力軸４１の回転を増速して低速軸４２に伝達する遊星歯車装置４３と、低速軸４２の回転をさらに増速して出力軸４４に伝達する２次増速装置４５とを備える。遊星歯車装置４３および２次増速装置４５は、共通のケーシング４６内に設けられている。入力軸４１は、風車における主軸に接続され、出力軸４４は発電機に接続される。

遊星歯車装置４３は、旋回自在なキャリア４７の周方向複数箇所に支持軸５０が設けられ、各支持軸５０に遊星歯車４８が転がり軸受１を介して回転自在に支持されている。これら各遊星歯車４８の支持軸５０は、貫通孔とした内径孔５０ａを有する中空軸とされている。

転がり軸受１は、図４に示すように、それぞれ内輪２と外輪３との間に、２列にころ４を介在させた２つの円筒ころ軸受１Ａ，１Ｂの組み合わせからなる。ここでは各円筒ころ軸受１Ａ，１Ｂを総ころ形の軸受としているが、ころ４を保持器により保持しても良い。内輪２は両端と各列のころ４の間に鍔２ａを有する。外輪３は鍔無しのものとされている。なお、２つの円筒ころ軸受１Ａ，１Ｂに代えて、多列で一体型の１つの円筒ころ軸受を用いても良く、また１つの複列円筒ころ軸受や、自動調心ころ軸受を設けても良い。

図１において、キャリア４７は、遊星歯車装置４３における入力部となる部材であり、上記入力軸４１と一体の部材として設けられ、または一体に結合されている。キャリア４７は、軸受５１，５１Ａを介してケーシング４６に旋回自在に支持されている。キャリア４７に支持された各遊星歯車４８は、ケーシング４６に設けられた内歯の太陽歯車であるリングギヤ５２に噛み合い、かつこのリングギヤ５２と同心位置に設けられた外歯の太陽歯車５３に噛み合う。リングギヤ５２は、固定側の太陽歯車となるものであり、ケーシング４６に直接に形成されたものであってもケーシング４６に固定されたものであっても良い。外歯の太陽歯車５３は、遊星歯車装置４３における出力部となる部品であり、上記低速軸４２に設けられている。低速軸４２は、軸受５４，５５を介してケーシング４６に回転自在に支持されている。

２次増速装置４５は、ギヤ列により構成されている。図示の例では、２次増速装置４５は、低速軸４２に固定されたギヤ５７が中間軸６１の小径側ギヤ５８に噛み合い、中間軸６１に設けられた大径側ギヤ５９が出力軸４４のギヤ６０に噛み合うギヤ列とされている。中間軸６１および出力軸４４は、それぞれ軸受６２，７２および軸受６３，６３Ａによってケーシング４６に回転自在に支持されている。

ケーシング４６の下部は、潤滑油の油浴５６を形成する部分とされ、その油浴５６の油面レベルＬは遊星歯車４８を支持する転がり軸受１が、キャリア４７の旋回によって出入りする高さとされている。

上記構成の増速機３８の動作を説明する。入力軸４１が回転すると、入力軸４１と一体のキャリア４７が旋回し、キャリア４７の複数箇所に支持された遊星歯車４８が公転移動する。このとき各遊星歯車４８は、固定のリングギヤ５２に噛み合いながら公転することで、自転を生じる。この公転しながら自転する遊星歯車４８に外歯の太陽歯車５３が噛み合っており、そのため太陽歯車５３は、入力軸４１に対して増速されて回転する。遊星歯車装置４３の出力部となる太陽歯車５３は、２次増速装置４５の低速軸４２に設けられたものであり、太陽歯車５３の回転が２増速装置４５で増速されて出力軸４４に伝えられる。このように、入力軸４１に入力される風車主軸の回転が、遊星歯車装置４３と２次増速装置４５とで大幅に増幅されて出力軸４４に伝えられる。そのため、風の状況で風車が非常に低速で回転する場合でも、出力軸４４からは発電が可能な高速回転が得られる。

上記構成の遊星歯車装置４３によると、遊星歯車４８を支持する支持軸５０が内径孔５０ａを有する中空軸とされているので、遊星歯車装置４３の各部の寸法を変更することなく、例えば円筒ころ軸受１Ａ，１Ｂのピッチ円径，内外径などを変更することなく、軽量化が可能であり、これにより増速機３８の全体の軽量化を図ることができる。増速機３８の軽量化は、風力発電設備の建設工数および費用の削減，タワーの軽量化・小型化，増速機組立・運搬時の作業効率化に寄与する。また駆動時のエネルギ損失を改善することもできる。

中空軸とした上記支持軸５０は、軽量化の寄与や軸剛性を考慮すると、その軸内径は軸外径に対して３０％〜６０％とすることが望ましい。また、支持軸５０の内径孔５０ａ（図４）は、貫通孔だけでなく、非貫通の孔であっても良い。非貫通とする場合、内径孔５０ａの長さは、軸長さに対して５０％以上とすることが好ましい。

なお、増速機３８における遊星歯車装置４３以外の部位での軽量化を目的として、各軸を中空軸とすることも可能であり、例えば低速軸４２では軸径も太いので中空軸の採用が可能である。しかし、中間軸６１や出力軸４４については軸径も細く、各歯車から作用する荷重による軸たわみの影響が大きいので、内径孔を形成するにしても、それらの軸に設けられる各軸受や歯車へ潤滑油を供給できる給油孔程度のものしか形成できず、中空軸とすることによる軽量化は現実的ではない。
これに対して、遊星歯車４８の支持軸５０は、軸自身および周辺構造が他の軸の場合に比べて比較的に簡素であるため、上記した中空軸とすることが簡単であり、中空軸とすることによる不具合も生じない。また、増速機３８の構成上、遊星歯車装置４３は入力側であるため、駆動に必要なトルクが大きく、かつ遊星歯車４８は３〜４個使用することから、遊星歯車装置４３の機能を低下させることなく軽量化に大きく寄与できる。

図３は、図１，図２の増速機３８を装備した風力発電装置の構成例を示す。支持台３１上に旋回座軸受３２を介してナセル３３が水平旋回自在に設置されている。ナセル３３内には、軸受ハウジング３４に設置された主軸軸受３５を介して主軸３６が回転自在に設置され、主軸３６の一端に風車のブレード３７が取付けられている。主軸３６の他端は増速機３８に接続され、増速機３８の出力軸４４が発電機３９のロータ軸に結合されている。上記増速機３８に、図１，図２の増速機３８が用いられている。

図５は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態の遊星歯車装置４３は、図４に示す第１の実施形態において、転がり軸受１における内輪２を支持軸５０と一体の部品ととすると共に、外輪３を遊星歯車４８と一体の部品としたものである。その他の構成は第１の実施形態の場合と同じである。

このように、転がり軸受１の内外輪２，３を支持軸５０や遊星歯車４８と一体の部品とすることにより、遊星歯車装置４３の軽量化だけでなく部品点数の削減も図ることができ、それだけ遊星歯車装置をコンパクト化できる。なお、転がり軸受１の内外輪２，３の両方でなく、内輪２だけを支持軸５０と一体の部品としても良く、あるいは外輪３だけを遊星歯車４８と一体の部品としても良い。

図６（Ａ），（Ｂ）は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態の遊星歯車装置４３は、図４に示す第１の実施形態において、遊星歯車４８に、その一方の幅面から他方の幅面に渡って軸方向に貫通する貫通孔からなる除肉凹部６を形成したものである。除肉凹部６は、円周方向の複数箇所に設けられている。各除肉凹部６の断面形状は、強度確保が容易な任意の形状とすれば良く、この例では、断面円形の除肉凹部６と、断面トラック形状の除肉凹部６とを交互に設けている。その他の構成は第１の実施形態の場合と同じである。

このように、遊星歯車４８に貫通孔からなる除肉凹部６を形成することにより、支持軸５０だけでなく遊星歯車４８も軽量化でき、増速機３８の全体のさらなる軽量化を図ることができる。

図７（Ａ），（Ｂ）は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態の遊星歯車装置４３は、図４に示す第１の実施形態において、遊星歯車４８の両幅面に、複数の非貫通の除肉凹部７を形成したものである。各除肉凹部７は扇形状とされ、その深さは遊星歯車４８の幅中心に達しないものとされている。隣合う除肉凹部７の間の部分はリブ部８となっている。その他の構成は第１の実施形態の場合と同じである。

このように、遊星歯車４８の幅面に非貫通の除肉凹部７を形成した場合にも、支持軸５０だけでなく遊星歯車４８も軽量化でき、増速機３８全体のさらなる軽量化を図ることができる。

この発明の第１の実施形態にかかる遊星歯車装置を用いた風力発電用増速機の破断側面図である。同風力発電用増速機における遊星歯車装置部分の破断正面図である。風力発電装置の概略破断側面図である。第１の実施形態に係る遊星歯車装置の部分断面図である。この発明の他の実施形態に係る遊星歯車装置の部分断面図である。（Ａ）はこの発明のさらに他の実施形態に係る遊星歯車装置の部分断面図、（Ｂ）は同遊星歯車装置の部分正面図である。（Ａ）はこの発明のさらに他の実施形態に係る遊星歯車装置の部分断面図、（Ｂ）は同遊星歯車装置の部分正面図である。従来例の部分断面図である。他の従来例の部分断面図である。

符号の説明

１…転がり軸受
２…内輪
３…外輪
５…内径孔
６…貫通孔
７…除肉凹部
３８…増速機
４３…遊星歯車装置
４８…遊星歯車
５０…支持軸

Claims

風力発電設備の風車の回転を増速する増速機に備えられた遊星歯車装置において、遊星歯車を支持する軸を中空軸としたことを特徴とする遊星歯車装置。
請求項１において、前記遊星歯車を支持する軸の内径孔を貫通孔とした遊星歯車装置。
請求項１または請求項２において、前記遊星歯車を前記軸に支持する転がり軸受を設け、この転がり軸受における外輪と前記遊星歯車とを一体の部品とした遊星歯車装置。
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記遊星歯車を前記軸に支持する転がり軸受を設け、この転がり軸受における内輪と前記軸とを一体の部品とした遊星歯車装置。
請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記遊星歯車の幅面に除肉凹部を設けた遊星歯車装置。