JP6167499B2

JP6167499B2 - 発電装置

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Publication number: JP6167499B2
Application number: JP2012231728A
Authority: JP
Inventors: 藤原　英樹; 英樹藤原
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2012-04-19
Filing date: 2012-10-19
Publication date: 2017-07-26
Anticipated expiration: 2032-10-19
Also published as: EP2657521A3; CN103375550A; JP2013238309A; US20130278100A1; EP2657521A2; US9054560B2; EP2657521B1; CN103375550B; DK2657521T3

Description

本発明は、外力による主軸の回転を増速機により増速させて発電機を駆動する発電装置に関する。

従来、風力発電装置として、ブレードにより風力を受けて当該ブレードに接続された主軸を回転させ、その主軸の回転を増速させて発電機を駆動させるために、増速機が用いられるものがある。図９に示すように、この増速機２０２は、主軸２００の回転を入力して増速する遊星歯車機構２０３と、この遊星歯車機構２０３により増速された回転を入力して、さらにその回転を増速する高速段歯車機構２０４と、この高速段歯車機構２０４の回転トルクを出力する出力軸２０５とを備えている。

遊星歯車機構２０３は、主軸２００と一体回転可能に連結された入力軸２０３ａが回転すると、遊星キャリア２０３ｂが回転することによって、遊星歯車２０３ｃを介して太陽歯車２０３ｄが増速回転し、その回転を高速段歯車機構２０４の低速軸２０４ａに伝達するようになっている。
高速段歯車機構２０４は、低速軸２０４ａが回転すると、低速ギヤ２０４ｂ及び第１中間ギヤ２０４ｃを介して中間軸２０４ｄを増速回転させ、さらに第２中間ギヤ２０４ｅ及び高速ギヤ２０４ｆを介して出力軸２０５を増速回転させるようになっている。
増速機２０２の低速軸２０４ａ、中間軸２０４ｄ及び出力軸２０５をそれぞれ回転自在に支持する軸受として、ころ軸受２０６〜２１１が多用されている（例えば、特許文献１参照）。

また、前記風力発電装置には、台風や突発的な強風等によってブレードに作用する風力が一定値以上になると、ブレードをその軸心回りに回動させて、ブレードの風を受ける面積を減少させることにより、主軸２００が一定回転速度以上になるのを規制するブレード調整機構が設けられている。

特開２００７−２３２１８６号公報

従来の風力発電装置では、高速回転する出力軸を支持するころ軸受において、ころの転動面や回転輪の軌道面にスメアリング（表層焼付きが起こる現象）が発生し、ころ軸受の寿命が低下するという問題があった。
また、前記ブレード調整機構が故障した場合には、発電機の駆動軸が高速回転（異常回転）して、発電機のブラシ等の摺動部が異常摩耗したり破損したりするおそれがあった。
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、増速機の出力軸を支持するころ軸受にスメアリングが発生するのを効果的に抑制することができるとともに、発電機の駆動軸が異常回転するのを防止することができる発電装置を提供することを目的とする。

本願発明者は、スメアリングの発生メカニズムについて鋭意研究を重ねた。その結果、風力の低下により主軸の回転速度が急激に低下すると、重量の重い発電機のロータの慣性により、出力軸の回転速度よりも発電機の駆動軸の回転速度が上回ることによっていわゆるトルク抜け（荷重抜け）が発生し、このトルク抜けによって出力軸を支持するころ軸受に作用するラジアル荷重が減少し、ころ軸受のころと回転輪との転がり摩擦抵抗よりも、ころとそれを保持する保持器との摺動摩擦抵抗等が上回ることにより、ころの自転が遅れることを見出した。そして、この状態から風力の増加により主軸の回転速度が急激に増加したときに、増速の慣性トルクが加わり出力軸を支持するころ軸受に作用するラジアル荷重が増加するため、その瞬間にころに高荷重がかかった状態でころが回転輪との接触面で滑り、その接触面が昇温することにより、スメアリングが発生するという知見を得、かかる知見に基づいて本願発明を完成させた。

すなわち、本発明は、外力により回転する主軸と、前記主軸の回転を入力して増速する回転伝達機構と、前記回転伝達機構の回転トルクを出力する出力軸を回転自在に支持するころ軸受とを有する増速機と、前記出力軸の回転を入力として回転する駆動軸を有するとともに、当該駆動軸と一体回転するロータの回転に伴って発電する発電機と、を備えた発電装置であって、前記出力軸に一体回転可能に設けられた入力回転体と、前記駆動軸に一体回転可能に設けられ、前記入力回転体の径方向内側又は径方向外側に同心上に配置された出力回転体と、前記入力回転体と出力回転体との間に配置され、前記入力回転体の回転速度が前記出力回転体の回転速度を上回る状態で、前記入力回転体と出力回転体とを一体回転可能に接続し、前記入力回転体の回転速度が前記出力回転体の回転速度を下回る状態で、前記入力回転体と出力回転体との接続を遮断する一方向クラッチと、前記入力回転体と出力回転体とを接続した状態で前記出力軸の回転速度が所定値を超えると、前記入力回転体と出力回転体との接続を遮断する回転速度リミッタと、前記入力回転体と出力回転体との間に配置され、当該入力回転体及び出力回転体を互いに相対回転可能に支持する転がり軸受と、を備え、前記一方向クラッチが、内輪外周面及び外輪内周面と、当該内輪外周面と外輪内周面との間に形成された複数のくさび状空間において個別に配置された複数のころと、各ころを一方向に付勢して前記内輪外周面及び外輪内周面に噛み合わせるばねとを有し、前記各ころが前記内輪外周面及び外輪内周面に噛み合うことにより前記入力回転体と出力回転体とを一体回転可能に接続し、その噛み合いを解除することにより前記接続を遮断するものであり、前記回転速度リミッタが、前記一方向クラッチのころが前記内輪外周面及び外輪内周面に噛み合った状態で、前記出力軸の回転速度が所定値を超えると、遠心力によって前記複数のころを前記ばねの付勢力に抗して移動させてその噛み合いを解除するものであり、前記一方向クラッチの径方向外側に配置された前記入力回転体又は出力回転体の内周面に、前記一方向クラッチの外輪内周面と、前記転がり軸受を嵌合する嵌合面と、が一体に形成されており、前記外輪内周面には、前記くさび状空間を形成する外輪カム面が形成され、前記外輪カム面の最大内径寸法が、前記嵌合面の内径寸法以下に設定されており、前記一方向クラッチは、前記複数のころを円周方向に沿って所定間隔毎に保持する環状の保持器を有し、前記転がり軸受は、その軸方向端部に前記一方向クラッチの保持器の軸方向両端面が当接可能に、前記一方向クラッチの軸方向両側にそれぞれ隣接して一対配置されており、前記転がり軸受は、複数の円筒ころと、この円筒ころの端面が摺接する鍔部とを有する円筒ころ軸受であり、前記円筒ころ軸受の鍔部に、前記一方向クラッチの保持器の軸方向両端面が当接し、前記一方向クラッチの内輪外周面は、円筒面とされており、前記円筒ころ軸受は、前記円筒ころが転動する内輪軌道面を有し、前記出力回転体は、前記入力回転体の径方向内側に配置され、当該出力回転体の外周面に前記一方向クラッチの内輪外周面及び前記円筒ころ軸受の内輪軌道面が形成されていることを特徴とする。

前記のように構成された発電装置によれば、前記一方向クラッチにより、入力回転体の回転速度が前記出力回転体の回転速度を上回るときは、入力回転体と出力回転体とを一体回転可能に接続し、入力回転体の回転速度が出力回転体の回転速度を下回ると、入力回転体と出力回転体との接続を遮断することができる。つまり、外力の低下により主軸を介して出力軸の回転速度が急激に低下しても、発電機のロータの慣性による回転が駆動軸を介して出力軸に伝達されるのを防止することができる。これにより、出力軸を支持しているころ軸受に作用するラジアル荷重の減少及びこれに伴うころの自転遅れを抑制することができる。したがって、この状態から外力変化により主軸の回転速度が急激に増加してころに高荷重がかかったときに、ころが回転輪との接触面で滑りにくくなるため、ころ軸受にスメアリングが発生するのを効果的に抑制することができる。

また、前記回転速度リミッタによって、入力回転体と出力回転体とを接続した状態で前記出力軸の回転速度が所定値を超えると、前記入力回転体と出力回転体との接続を遮断することができる。このため、発電機の駆動軸が異常回転するのを防止することができる。

また、前記一方向クラッチと回転速度リミッタとを兼用することができるので、別途回転速度リミッタを設ける場合よりも、発電装置の構造を簡素化することができる。

また、一方向クラッチの外輪内周面が一体に形成された入力回転体又は出力回転体を、一方向クラッチの外輪として兼用することができるため、装置全体の構造を簡略化することができる。

また、外輪内周面に形成された外輪カム面の最大内径寸法が、前記嵌合面の内径寸法以下に設定されているため、外輪カム面を冷間鍛造又は引抜き加工により容易に成形することができる。
また、一方向クラッチのころと内輪外周面及び外輪内周面との噛み合いが解除されたときに、これらの間に隙間が生じることに起因して、入力回転体と出力回転体とが互いに径方向に相対移動するのを、転がり軸受によって防止することができる。したがって、発電装置の運転中に、入力回転体及び出力回転体が径方向にがたつくのを防止することができる。

また、一方向クラッチの保持器の軸方向両端面が、一対の転がり軸受の軸方向端部にそれぞれ当接することにより、前記保持器が軸方向両側に移動するのを規制することができる。

また、転がり軸受の鍔部を、保持器の軸方向移動を規制する部材として兼用することができるため、転がり軸受の構造を簡略化することができる。

また、出力回転体を、一方向クラッチの内輪内周面を有する内輪、及び各円筒ころ軸受の内輪軌道面を有する内輪として兼用することができるため、装置全体の構造を簡略化することができる。

前記出力回転体は、前記駆動軸に着脱可能に固定されているとともに、前記入力回転体に対して軸方向に移動可能に配置されていることが好ましい。この場合、出力回転体を駆動軸から取り外して入力回転体に対して軸方向へ移動させれば、入力回転体から出力回転体を取り外すことができる。これにより、一方向クラッチの外輪及び円筒ころ軸受の外輪を同時に取り外すことができるため、一方向クラッチ及び円筒ころ軸受のメンテナンス作業を容易に行うことができる。この際、発電機を移動させる必要がないため、前記メンテナンス作業をさらに容易に行うことができる。

本発明の発電装置によれば、増速機の出力軸を支持するころ軸受にスメアリングが発生するのを効果的に抑制することができるとともに、発電機の駆動軸が異常回転するのを防止することができる。

本発明の一実施形態に係る風力発電装置を示す概略側面図である。前記風力発電装置における増速機のころ軸受を示す断面図である。前記風力発電装置における増速機の出力軸と発電機の駆動軸との連結部分を示す断面図である。前記風力発電装置における一方向クラッチを示す断面図である。前記風力発電装置における増速機の出力軸と発電機の駆動軸との連結部分の他の実施形態を示す断面図である。図５の実施形態における一方向クラッチを示す断面図である。前記風力発電装置における増速機の出力軸と発電機の駆動軸との連結部分のさらに他の実施形態を示す断面図である。図７の実施形態における一方向クラッチを示す断面図である。従来の増速機を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しながら詳述する。
図１は、本発明の一実施形態に係る風力発電装置を示す概略側面図である。この風力発電装置（発電装置）１は、風力（外力）を受けて回転する主軸２と、この主軸２に連結された増速機３と、この増速機３に連結された発電機４とを備えており、主軸２の回転を増速機３で増速した状態で、発電機４が駆動される。

主軸２の先端部には、例えばブレード（図示省略）が一体回転可能に連結されており、このブレードは風力を受けると主軸２とともに回転するようになっている。
発電機４は、増速機３により増速された回転を入力して回転する駆動軸４１と、発電機４に内蔵されたロータ４２と、図示しないステータ等とを有する。ロータ４２は駆動軸４１に一体回転可能に連結されており、駆動軸４１が回転してロータ４２が駆動することに伴って発電するようになっている。

増速機３は、主軸２の回転を入力してその回転を増速する歯車機構（回転伝達機構）３０を備えている。この歯車機構３０は、遊星歯車機構３１と、この遊星歯車機構３１により増速された回転を入力して、さらにその回転を増速する高速段歯車機構３２とを備えている。
遊星歯車機構３１は、内歯車（リングギヤ）３１ａと、主軸２に一体回転可能に連結された遊星キャリア（図示省略）に保持された複数の遊星歯車３１ｂと、遊星歯車３１ｂに噛み合う太陽歯車３１ｃとを有している。これにより、前記主軸２とともに遊星キャリアが回転すると、遊星歯車３１ｂを介して太陽歯車３１ｃが回転し、その回転が高速段歯車機構３２の低速軸３３に伝達される。

高速段歯車機構３２は、低速ギヤ３３ａを有する前記低速軸３３と、第１中間ギヤ３４ａ及び第２中間ギヤ３４ｂを有する中間軸３４と、高速ギヤ３５ａを有する出力軸３５とを備えている。
低速軸３３は、その直径が例えば約１ｍの大型の回転軸からなり、主軸２と同心上に配置されている。低速軸３３の軸方向両端部はころ軸受３６ａ，３６ｂにより回転自在に支持されている。
中間軸３４は、低速軸３３の上方に配置されており、その軸方向両端部はころ軸受３７ａ，３７ｂにより回転自在に支持されている。中間軸３４の第１中間ギヤ３４ａは低速ギヤ３３ａと噛み合い、第２中間ギヤ３４ｂは高速ギヤ３５ａと噛み合っている。
出力軸３５は、中間軸３４の上方に配置されており、回転トルクを出力するようになっている。出力軸３５の軸方向の一端部３５ｂ及び他端部（出力端部）３５ｃ側は、それぞれころ軸受３８，３９により回転自在に支持されている。

以上の構成により、主軸２の回転は、遊星歯車機構３１のギヤ比、低速ギヤ３３ａと第１中間ギヤ３４ａとのギヤ比、及び第２中間ギヤ３４ｂと高速ギヤ３５ａとのギヤ比により３段階に増速されて、出力軸３５の出力端部３５ｃから回転トルクが出力される。すなわち、風力による主軸２の回転は、増速機３により３段階に増速されて、発電機４を駆動するようになっている。

図２は、出力軸３５の一端部３５ｂを支持するころ軸受３８を示す断面図である。図２において、ころ軸受３８は、円筒ころ軸受からなり、出力軸３５に外嵌固定された内輪３８ａと、ハウジング（図示省略）に固定された外輪３８ｂと、内輪３８ａと外輪３８ｂとの間に転動可能に配置された複数の円筒ころ３８ｃと、各円筒ころ３８ｃを円周方向に沿って所定間隔毎に保持する環状の保持器３８ｄとを備えている。内輪３８ａ、外輪３８ｂ、円筒ころ３８ｃは例えば軸受鋼によって形成されており、保持器３８ｄは例えば銅合金によって形成されている。

内輪３８ａは、その外周の軸方向中央部に形成された内輪軌道面３８ａ１を有している。外輪３８ｂは、内輪３８ａと同心上に配置されており、その内周の軸方向中央部に形成された外輪軌道面３８ｂ１と、この外輪軌道面３８ｂ１の軸方向両側に形成された一対の外輪鍔部３８ｂ２とを有している。外輪軌道面３８ｂ１は、内輪軌道面３８ａ１に対向して配置されている。外輪鍔部３８ｂ２は、外輪３８ｂの内周の軸方向両端部から径方向内側に向かって突出して形成されており、この外輪鍔部３８ｂ２に円筒ころ３８ｃの端面が摺接するようになっている。

円筒ころ３８ｃは、内輪３８ａの内輪軌道面３８ａ１と外輪３８ｂの外輪軌道面３８ｂ１との間に転動可能に配置されている。
保持器３８ｄは、軸方向に離反して配置された一対の円環部３８ｄ１と、この円環部３８ｄ１の周方向に沿って等間隔おきに配置されて両円環部３８ｄ１同士を連結する複数の柱部３８ｄ２とを有している。一対の円環部３８ｄ１と隣接する柱部３８ｄ２との間には、それぞれポケット３８ｄ３が形成されており、このポケット３８ｄ３内に各円筒ころ３８ｃが配置されている。

図１において、風力発電装置１は、増速機３の出力軸３５に一体回転可能に設けられた入力回転体５と、発電機４の駆動軸４１に一体回転可能に設けられた出力回転体６と、入力回転体５と出力回転体６との間に配置された一方向クラッチ７と、一方向クラッチ７の軸方向両側に配置された一対の転がり軸受８とをさらに備えている。前記一方向クラッチ７及び転がり軸受８は、出力軸３５の回転を入力回転体５及び出力回転体６を介して駆動軸４１に伝達するようになっている。なお、本実施形態の風力発電装置１は、転がり軸受８が一方向クラッチ７の軸方向両側に配置されているが、一方向クラッチ７の軸方向一方側のみに配置されたものであってもよい。

図３は、増速機３の出力軸３５と発電機４の駆動軸４１との連結部分を示す断面図である。図３において、入力回転体５は、出力軸３５と同心上に配置されており、円筒部５１と、この円筒部５１の軸方向他端部（図３の左端部）に形成されたフランジ部５２とを有している。
フランジ部５２は、円筒部５１の外周面よりも径方向外側に延びて形成されており、出力軸３５の出力端部３５ｃに着脱可能に固定されている。具体的には、フランジ部５２は、出力軸３５の前記出力端部３５ｃに形成されたフランジ部３５ｃ１に当接した状態で、図示しないボルト・ナットにより当該フランジ部３５ｃ１に締結固定されている。前記円筒部５１の内周面は円筒面とされている。

出力回転体６は、入力回転体５の径方向内側に同心上に配置されており、その軸方向一端部（図３の右端部）から軸方向他端部（図３の左端部）に向けて、フランジ部６１、大径部６２及び小径部６３をこの順に有している。
フランジ部６１は、大径部６２の外周面よりも径方向外側に延びて形成されており、駆動軸４１に着脱可能に固定されている。具体的には、フランジ部６１は、駆動軸４１に形成されたフランジ部４１ａに当接した状態で、図示しないボルト・ナットにより当該フランジ部４１ａに締結固定されている。なお、小径部６３の端面と出力軸３５のフランジ部３５ｃ１の端面との間には、隙間Ｓ１が形成されている。

入力回転体５の円筒部５１における軸方向一端部（図３の右端部）の内周面と、出力回転体６の大径部６２の外周面との隙間には、当該円筒部５１と大径部６２との間の環状空間を密封するための環状のシール部材１０が設けられている。なお、入力回転体５の円筒部５１の前記一端部側の端面と、この端面に対向する出力回転体６のフランジ部６１の端面との間には、隙間Ｓ２が形成されている。この隙間Ｓ２と前記隙間Ｓ１とにより、駆動軸４１から出力回転体６を切り離した状態で、出力回転体６は入力回転体５に対して軸方向に移動可能となっている。

図４は、一方向クラッチ７を示す断面図である。図３及び図４において、一方向クラッチ７は、外輪７１及び内輪７２と、この外輪７１の内周面７１ａと内輪７２の外周面７２ａとの間に配置された複数のころ７３とを備えている。
外輪７１は、入力回転体５の円筒部５１の軸方向中央部に内嵌して固定されており、入力回転体５と一体回転するようになっている。出力回転体６における小径部６３の軸方向中央部の領域Ｂは、一方向クラッチ７の内輪７２とされている。ころ７３は、円柱形状であり、本実施形態では周方向に８つ配置されている。

一方向クラッチ７は、各ころ７３を円周方向に沿って所定間隔毎に保持する環状の保持器７４と、各ころ７３を一方向に弾性的に付勢する複数の弾性部材（ばね）７５とをさらに備えている。
保持器７４は、軸方向に対向する一対の円環部７４ａと、両円環部７４ａの間で軸方向に延びかつ周方向等間隔に配列されて当該両円環部７４ａを連結する複数の柱部７４ｂとを有している。両円環部７４ａと隣接する柱部７４ｂとの間には複数のポケット７４ｃが形成されており、各ポケット７４ｃに各ころ７３が個別に収容されている。
弾性部材７５は、圧縮コイルバネからなり、保持器７４の各ポケット７４ｃに個別に収容されて柱部７４ｂに取り付けられている。

図４において、外輪７１の内周面７１ａにはころ７３と同数（８つ）の平坦な外輪カム面７１ａ１が形成されている。各外輪カム面７１ａ１は外輪７１の内周面７１ａの接線Ｌに対して径方向外方へ所定角度Ｘ（例えば７〜１０°）傾斜している。また、外輪カム面７１ａ１は、ころ７３が時計回り方向に移動した状態（図４に示す状態）で当該ころ７３が接触する部分Ｙを挟んで周方向の両側に一定長さ延びている。以上により、外輪カム面７１ａ１と内輪外周面７２ａとの間には、くさび状空間Ｓが周方向に複数（８つ）形成されている。

各ころ７３は各くさび状空間Ｓに個別に配置されており、弾性部材７５がころ７３をくさび状空間Ｓが狭くなる方向に付勢している。ころ７３の外周面は、外輪カム面７１ａ１及び内輪外周面７２ａに接触する接触面７３ａとなっており、この接触面７３ａは幅方向（軸方向）に真っ直ぐに形成されている。なお、一方向クラッチ７は、内外輪７２，７１間に、基油にエステル、増ちょう剤にウレア系のもの等を用いた温度変化に影響をうけにくい潤滑剤であるグリースが設けられた環境にある。

このように構成された一方向クラッチ７では、入力回転体５が増速回転することにより、入力回転体５の回転速度が、出力回転体６の回転速度を上回る場合には、外輪７１が内輪７２に対して一方向（図４の反時計回り方向）に相対回転しようとする。この場合、弾性部材７５の付勢力により、ころ７３はくさび状空間Ｓが狭くなる方向へ僅かに移動して、ころ７３の接触面７３ａが外輪カム面７１ａ１及び内輪外周面７２ａに圧接し、一方向クラッチ７はころ７３が内外輪７２，７１の間に噛み合った状態となる。これにより、内外輪７２，７１は前記一方向に一体回転可能となり、入力回転体５と出力回転体６とを一体回転可能に接続することができる。

また、入力回転体５が増速回転後に一定速回転となり、入力回転体５の回転速度が、出力回転体６の回転速度と同一になった場合には、ころ７３が内外輪７２，７１の間に噛み合った状態で保持される。このため、一方向クラッチ７は、内外輪７２，７１の前記一方向への一体回転を維持し、入力回転体５及び出力回転体６は一体回転し続ける。

一方、入力回転体５が減速回転することにより、入力回転体５の回転速度が、出力回転体６の回転速度を下回る場合には、外輪７１が内輪７２に対して他方向（図４の時計回り方向）に相対回転しようとする。この場合には、弾性部材７５の付勢力に抗して、ころ７３がくさび状空間Ｓが広くなる方向へ僅かに移動することにより、ころ７３と内外輪７２，７１との噛み合いが解除される。このように、ころ３の噛み合いが解除されることで、入力回転体５と出力回転体６との接続が遮断される。

前記した一方向クラッチ７において、弾性部材７５の付勢力は、ころ７３が内外輪７２，７１の間に噛み合った状態で、出力軸３５が一定の回転速度を超えると、各ころ７３に作用する強い遠心力によって、各ころ７３が外輪カム面７１ａ１に沿って内輪外周面７２ａから離れる方向へ移動するのを許容する値に設定されている。これにより、外輪カム面７１ａ１と協動して一方向クラッチ７に回転速度リミッタ機能を付加している。なお、前記「一定の回転速度」とは、発電機４の駆動軸４１を安全に回転させることができる限界値であり、例えば２５００〜４０００ｒｐｍの範囲に設定される。

したがって、一方向クラッチ７の各ころ７３を内外輪７２，７１の間に噛み合わせて、発電機４を駆動させた状態で、出力軸３５が一定の回転速度を超えると、各ころ７３に作用する遠心力によって、各ころ７３が弾性部材７５の付勢力に抗して外輪カム面７１ａ１に沿って移動して、各ころ７３と内外輪７２，７１との噛み合い状態が解除される。これにより、強風によって主軸２が一定回転速度以上になるのを規制するためのブレード調整機構が、何らかの原因で作動しなかったとしても、発電機４の駆動軸４１が許容回転速度を超える高速で回転するのを防止することができる。

図３において、一対の転がり軸受８は、入力回転体５の円筒部５１と出力回転体６の小径部６３との間にそれぞれ配置されており、入力回転体５及び出力回転体６を互いに相対回転可能に支持している。また、各転がり軸受８は、その軸方向端部に一方向クラッチ７の保持器７４の軸方向両端面にそれぞれ当接可能に、前記一方向クラッチ７の軸方向両側にそれぞれ隣接して配置されている。

転がり軸受８は、外輪８１及び内輪８２と、外輪８１と内輪８２との間に転動可能に配置された複数の円筒ころ８３とを備えた円筒ころ軸受からなる。
外輪８１は、内周に形成された外輪軌道面８１ａと、この外輪軌道面８１ａの軸方向両側において径方向内側に向かって突出して形成された外輪鍔部８１ｂとを有している。各外輪鍔部８１ｂの内側面には、円筒ころ８３の両端面がそれぞれ摺接するようになっている。また、一方向クラッチ７に隣接する外輪鍔部８１ｂの外側面８１ｂ１は、一方向クラッチ７の保持器７４の軸方向端面である円環部７４ａの外側面が当接する当接面とされている。

出力回転体６における小径部６３の軸方向両端部の領域Ａ及び領域Ｃは、転がり軸受８の内輪８２とされており、この領域Ａ，Ｃの各外周面が内輪８２の内輪軌道面８２ａとして構成されている。この内輪軌道面８２ａと外輪軌道面８１ａとの間には、円筒ころ８３が転動可能に配置されている。

以上のように構成された風力発電装置１によれば、増速機３の出力軸３５とともに一体回転する入力回転体５と、発電機４の駆動軸４１とともに一体回転する出力回転体６との間に配置した一方向クラッチ７により、入力回転体５の回転速度が出力回転体６の回転速度を下回ると、入力回転体５と出力回転体６との接続を遮断することができる。つまり、風力の低下により主軸２を介して出力軸３５の回転速度が急激に低下しても、発電機４のロータ４２の慣性による回転が駆動軸４１を介して出力軸３５に伝達されるのを防止することができる。これにより、出力軸３５を支持しているころ軸受３８に作用するラジアル荷重の減少及びこれに伴う円筒ころ３８ｃの自転遅れを抑制することができる。したがって、この状態から風力変化により主軸２の回転速度が急激に増加して円筒ころ３８ｃに高荷重がかかったときに、円筒ころ３８ｃが内輪３８ａとの接触面で滑りにくくなるため、ころ軸受３８にスメアリングが発生するのを効果的に抑制することができる。

また、ロータ４２の慣性による回転が出力軸３５に伝達されるのを防止することにより、増速機３のころ軸受３６ａ，３６ｂ，３７ａ，３７ｂ，３８，３９等に作用する負荷を低減することができる。これにより、遊星歯車機構３１の各歯車３１ｂ，３１ｃや、高速段歯車機構３２の各軸３３〜３５及びころ軸受３６ａ，３６ｂ，３７ａ，３７ｂ，３８，３９をいずれも小型化することができるため、増速機３を軽量化することができ、かつ低コストで製造することができる。
さらに、入力回転体５と出力回転体６との接続を遮断することにより、発電機４のロータ４２は、急激に減速することなく慣性によって回転し続けるため、ロータ４２の平均回転速度を上げることができる。これにより、発電機４の発電効率を向上させることができる。

また、本実施形態においては、弾性部材７５の付勢力を調整するとともに、外輪カム面７１ａ１を、各ころ７３が遠心力にて内輪外周面７２ａから離れるのを許容する形状に形成することにより、一方向クラッチ７に回転速度リミッタの機能を付加しているので、部品点数を増やすことなく当該回転速度リミッタを簡単に構成することができる。

また、入力回転体５と出力回転体６との間には、これらを互いに相対回転可能に支持する転がり軸受８が配置されているため、一方向クラッチ７においてころ７３と内外輪７２，７１との噛み合いが解除されることにより、くさび状空間Ｓでころ７３と内外輪７２，７１との間に隙間が発生したときに、転がり軸受８によって入力回転体５及び出力回転体６が互いに径方向に相対移動するのを防止することができる。したがって、風力発電装置１の運転中に、入力回転体５及び出力回転体６が径方向にがたつくのを防止することができる。

また、一対の転がり軸受８を、その軸方向端部に一方向クラッチ７の保持器７４の軸方向両端面が当接可能に、一方向クラッチ７の軸方向両側にそれぞれ隣接して配置したので、各転がり軸受８の軸方向端部に前記保持器７４の軸方向両端面を当接させることにより、前記保持器７４が軸方向両側に移動するのを規制することができる。
また、転がり軸受８の外輪鍔部８１ｂに、一方向クラッチ７の保持器７４の軸方向両端面（円環部７４ａの外側面）を当接させるため、転がり軸受８の外輪鍔部８１ｂを、前記保持器７４の軸方向移動を規制する部材として兼用することができる。これにより、転がり軸受８の構造を簡略化することができる。

また、出力回転体６の外周面に、一方向クラッチ７の内輪外周面７２ａ及び転がり軸受８の内輪軌道面８２ａを形成したので、出力回転体６を、一方向クラッチ７の内輪７２、及び各転がり軸受８の内輪８２として兼用することができる。これにより、風力発電装置１全体の構造を簡略化することができる。
また、出力回転体６は、発電機４の駆動軸４１に着脱可能に固定されるとともに、入力回転体５に対して軸方向に移動可能に配置されているため、出力回転体６を駆動軸４１から取り外して入力回転体５に対して軸方向へ移動させれば、入力回転体５から出力回転体６を取り外すことができる。これにより、一方向クラッチ７の内輪７２及び転がり軸受８の内輪８２を同時に取り外すことができるため、一方向クラッチ７及び転がり軸受８のメンテナンス作業を容易に行うことができる。この際、発電機４を移動させる必要がないため、前記メンテナンス作業をさらに容易に行うことができる。

図５は増速機の出力軸と発電機の駆動軸との連結部分の他の実施形態を示す断面図であり、図６は図５の実施形態における一方向クラッチを示す断面図である。
この実施形態が図３及び図４に示す実施形態と主に相違する点は、出力回転体６０を入力回転体５０の径方向外側に配置している点であり、図３に示す実施形態と同じ部分については同じ符号を付している。

入力回転体５０は、図３に示す実施形態における出力回転体６と同じ形状のものを、図５において左右対称に配置し、その軸方向一端部（図５の左端部）のフランジ部５１を、出力軸３５のフランジ部３５ｃ１に着脱可能に固定している。
出力回転体６０は、図３に示す実施形態における出力回転体６と同じ形状のものを、図５において左右対称に配置し、そのフランジ部６２を、駆動軸４１のフランジ部４１ａに着脱可能に固定している。

図５において、一対の転がり軸受８の内輪８２は、入力回転体５０の小径部５３と別の部材で構成されている。
内輪８２は、外周に形成された内輪軌道面８２ａと、この内輪軌道面８２ａの軸方向両側において径方向外側に向かって突出して形成された内輪鍔部８２ｂとを有している。この内輪８２は入力回転体５０の小径部５３の外周に一体回転可能に嵌合されている。
各内輪鍔部８２ｂの内側面には、円筒ころ８３の両端面がそれぞれ摺接するようになっている。また、一方向クラッチ７に隣接する内輪鍔部８２ｂの外側面８２ｂ１は、一方向クラッチ７の保持器７４の軸方向端面である円環部７４ａの外側面が当接する当接面とされている。

出力回転体６０における円筒部６１の軸方向両端部の領域Ａ及び領域Ｃは、転がり軸受８の外輪８１とされており、この領域Ａ，Ｃの各内周面に外輪８１の外輪軌道面８１ａが形成されている。この外輪軌道面８１ａと内輪軌道面８２ａとの間には、円筒ころ８３が転動可能に配置されている。

図６は、一方向クラッチ７を示す断面図である。この一方向クラッチ７の基本的な構成は図４に示す一方向クラッチ７と同じである。すなわち、一方向クラッチ７は、内輪７２及び外輪７１と、この内輪７２の外周面７２ａと外輪７１の内周面７１ａとの間に配置された複数のころ７３とを備えている。
内輪７２は、入力回転体５０の小径部５３の軸方向中央部に外嵌して固定されており、小径部５３と一体回転するようになっている。出力回転体６０における円筒部６１の軸方向中央部の領域Ｂは、一方向クラッチ７の外輪７１とされている。したがって、円筒部７１の領域Ｂの内周面に、前記内周面７１ａが形成されている。
なお、入力回転体５０の大径部５２と出力回転体６０の左端部の内周との間の環状空間は、シール部材１０によって密封されている。

このように構成された一方向クラッチ７についても、図３に示す一方向クラッチ７と同じ作用効果を奏することができる。特に、この実施形態においては、出力回転体６０の円筒部６１の内周面に、一方向クラッチ７の外輪内周面７１ａ及び転がり軸受８の外輪軌道面８１ａを形成したので、出力回転体６０を、一方向クラッチ７の外輪７１、及び各転がり軸受８の外輪８１として兼用することができる。これにより、風力発電装置１全体の構造を簡略化することができる。

図７は増速機の出力軸と発電機の駆動軸との連結部分のさらに他の実施形態を示す断面図であり、図８は図７の実施形態における一方向クラッチを示す断面図である。
この実施形態が図３及び図４に示す実施形態と主に相違する点は、一方向クラッチ７の構成が異なる点であり、図３に示す実施形態と同じ部分については同じ符号を付している。

図７及び図８において、一方向クラッチ７の外輪７１は、その径方向外側に配置された入力回転体５の内周面５ａと一体に形成されている。外輪７１の内周面７１ａには、くさび状空間Ｓを形成する外輪カム面７１ａ１が形成されている。
外輪カム面７１ａ１の最大内径寸法ｄ１（接線Ｌに対して径方向外方に最も離れている点における内径寸法）は、入力回転体５の内周面５ａ（転がり軸受８の外輪８１が圧入される面）の内径寸法ｄ２以下に設定されている。

上記寸法に設定された外輪カム面７１ａ１は、冷間鍛造又は引抜き加工により成形することができる。例えば、冷間鍛造により入力回転体５を成形する際は、内周面５ａ及び外輪７１を一体成形した後、内周面５ａの内径寸法ｄ２以下に形成されたパンチを、入力回転体５の一端側から内周面５ａに沿って挿入する。これにより、外輪７１の内周面７１ａに、複数の外輪カム面７１ａ１を同時に成形することができる。したがって、外輪７１の内周面７１ａに外輪カム面７１ａ１を１個ずつ切削する必要がないので、外輪カム面７１ａ１を容易に成形することができる。

図８において、外輪７１の内周面７１ａには、弾性部材７５の一端部をころ７３に当接させた状態で、弾性部材７５の他端部が当接する当接部７６が一体に形成されている。当接部７６は、外輪カム面７１ａ１の周方向一端部から連続して形成されるとともに、径方向内方に突出して形成されている。当接部７６は、弾性部材７５の前記他端部が当接する当接面７６ａと、この当接面７６ａに当接している弾性部材７５が遠心力によって径方向外方へ移動するのを規制する規制面７６ｂとを有している。これにより、弾性部材７５は、その両端部を外輪７１の内周面７１ａところ７３との間に当接した状態で保持される。したがって、この実施形態の一方向クラッチ７は、図３に示す弾性部材７５を取り付けるための保持器７４を備えていない。

なお、この実施形態では、図３に示す実施形態の変形例として説明したが、図５に示す実施形態の変形例としてもよい。この場合、出力回転体６０の領域Ｂの内周面に形成される外輪カム面７１ａ１の最大内径寸法を、出力回転体６０の領域Ａ，Ｃの内周面の内径寸法以下に設定すればよい。
また、この実施形態では、一方向クラッチ７の弾性部材７５を外輪内周面７１ａに形成された当接部７６により保持されているが、図４に示す実施形態のように、保持器７４により保持されていてもよい。

このように構成された一方向クラッチ７についても、図３に示す一方向クラッチ７と同じ作用効果を奏することができる。特に、この実施形態においては、一方向クラッチ７の外輪内周面７１ａを入力回転体５の内周面５ａに一体に形成したので、入力回転体５を一方向クラッチ７の外輪７１として兼用することができる。これにより、装置全体の構造を簡略化することができる。
また、外輪カム面７１ａ１の最大内径寸法ｄ１が、入力回転体５の内周面５ａの内径寸法ｄ２以下に設定されているため、上述のように外輪カム面７１ａ１を冷間鍛造又は引抜き加工により容易に成形することができる。
また、一方向クラッチ７の外輪内周面７１ａには、弾性部材７５の一端部をころ７３に当接させた状態で弾性部材７５の他端部が当接する当接部７６が形成されているため、弾性部材７５をころ７３と当接部７６との間で保持することができる。これにより、弾性部材７５を保持するための保持器が不要になるため、装置全体の構造をさらに簡略化することができる。

なお、本発明は、前記の実施形態に限定されることなく適宜変更して実施可能である。例えば、本実施形態においては、入力回転体及び出力回転体が、それぞれ出力軸及び駆動軸に対して別部材として設けられているが、それぞれ出力軸及び駆動軸と一体に形成されていてもよい。
また、入力回転体と出力回転体との間に配置される転がり軸受は、出力回転体を軸方向へ移動させるために円筒ころ軸受としているが、出力回転体を軸方向へ移動させない場合には玉軸受としてもよい。

さらに、本実施形態の発電装置は、外力として風力を用いる場合について例示したが、水力や火力等の他の外力を用いて発電する発電装置にも適用することができる。

１：風力発電装置（発電装置）、２：主軸、３：増速機、４：発電機、５：入力回転体、６：出力回転体、７：一方向クラッチ、８：転がり軸受（円筒ころ軸受）、３０：歯車機構（回転伝達機構）、３５：出力軸、３８：ころ軸受、４１：駆動軸、４２：ロータ、５０：入力回転体、６０：出力回転体、７１ａ：内周面（外輪内周面）、７１ａ１：外輪カム面、７２ａ：外周面（内輪外周面）、７３：ころ、７４：保持器、７５：弾性部材（ばね）、７６：当接部、８１ａ：外輪軌道面、８１ｂ：外輪鍔部、８２ａ：内輪軌道面、８２ｂ：内輪鍔部、８３：円筒ころ、ｄ１：最大内径寸法、ｄ２：内径寸法、Ｓ：くさび状空間

Claims

外力により回転する主軸と、
前記主軸の回転を入力して増速する回転伝達機構と、前記回転伝達機構の回転トルクを出力する出力軸を回転自在に支持するころ軸受とを有する増速機と、
前記出力軸の回転を入力として回転する駆動軸を有するとともに、当該駆動軸と一体回転するロータの回転に伴って発電する発電機と、を備えた発電装置であって、
前記出力軸に一体回転可能に設けられた入力回転体と、
前記駆動軸に一体回転可能に設けられ、前記入力回転体の径方向内側又は径方向外側に同心上に配置された出力回転体と、
前記入力回転体と出力回転体との間に配置され、前記入力回転体の回転速度が前記出力回転体の回転速度を上回る状態で、前記入力回転体と出力回転体とを一体回転可能に接続し、前記入力回転体の回転速度が前記出力回転体の回転速度を下回る状態で、前記入力回転体と出力回転体との接続を遮断する一方向クラッチと、
前記入力回転体と出力回転体とを接続した状態で前記出力軸の回転速度が所定値を超えると、前記入力回転体と出力回転体との接続を遮断する回転速度リミッタと、
前記入力回転体と出力回転体との間に配置され、当該入力回転体及び出力回転体を互いに相対回転可能に支持する転がり軸受と、を備え、
前記一方向クラッチが、内輪外周面及び外輪内周面と、当該内輪外周面と外輪内周面との間に形成された複数のくさび状空間において個別に配置された複数のころと、各ころを一方向に付勢して前記内輪外周面及び外輪内周面に噛み合わせるばねとを有し、前記各ころが前記内輪外周面及び外輪内周面に噛み合うことにより前記入力回転体と出力回転体とを一体回転可能に接続し、その噛み合いを解除することにより前記接続を遮断するものであり、
前記回転速度リミッタが、前記一方向クラッチのころが前記内輪外周面及び外輪内周面に噛み合った状態で、前記出力軸の回転速度が所定値を超えると、遠心力によって前記複数のころを前記ばねの付勢力に抗して移動させてその噛み合いを解除するものであり、
前記一方向クラッチの径方向外側に配置された前記入力回転体又は出力回転体の内周面に、前記一方向クラッチの外輪内周面と、前記転がり軸受を嵌合する嵌合面と、が一体に形成されており、
前記外輪内周面には、前記くさび状空間を形成する外輪カム面が形成され、
前記外輪カム面の最大内径寸法が、前記嵌合面の内径寸法以下に設定されており、
前記一方向クラッチは、前記複数のころを円周方向に沿って所定間隔毎に保持する環状の保持器を有し、
前記転がり軸受は、その軸方向端部に前記一方向クラッチの保持器の軸方向両端面が当接可能に、前記一方向クラッチの軸方向両側にそれぞれ隣接して一対配置されており、
前記転がり軸受は、複数の円筒ころと、この円筒ころの端面が摺接する鍔部とを有する円筒ころ軸受であり、
前記円筒ころ軸受の鍔部に、前記一方向クラッチの保持器の軸方向両端面が当接し、
前記一方向クラッチの内輪外周面は、円筒面とされており、
前記円筒ころ軸受は、前記円筒ころが転動する内輪軌道面を有し、
前記出力回転体は、前記入力回転体の径方向内側に配置され、当該出力回転体の外周面に前記一方向クラッチの内輪外周面及び前記円筒ころ軸受の内輪軌道面が形成されていることを特徴とする発電装置。
前記出力回転体は、前記駆動軸に着脱可能に固定されているとともに、前記入力回転体に対して軸方向に移動可能に配置されている請求項１に記載の発電装置。