JP6489599B2 - 風力発電設備 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電設備に関する。

特許文献１に、図６および図７に示されるような風力発電設備が開示されている。

この風力発電設備９１２は、支柱９１４と、該支柱９１４に対して旋回自在に組み付けられたナセル９１６と、ブレード９１７と、を備えている。ナセル９１６は支柱９１４に滑り軸受９１８を介して旋回可能に組み付けられている。支柱９１４には、旋回歯車９２０が設けられ、ナセル９１６には、旋回歯車９２０と噛合する旋回ピニオン９２２を有するヨーユニット９２４が組み込まれている。ヨーユニット９２４は、この特許文献１に係る風力発電設備９１２では、４台設けられている。

各ヨーユニット９２４はモータ９３０、減速機９３２および制動機構９３４を有し、減速機９３２の出力軸９３３に前記旋回ピニオン９２２が設けられている。旋回ピニオン９２２を駆動すると、該旋回ピニオン９２２は、旋回歯車９２０から噛合反力を受けて旋回歯車９２０の軸心Ｃ９２０（＝支柱９１４の軸心Ｃ９１４）の周りを公転する。これにより、ヨーユニット９２４全体が旋回歯車９２０の軸心Ｃ９２０の周りを公転するため、ナセル９１６は、支柱９１４に対して旋回することができる。

また、各ヨーユニット９２４の制動機構９３４を作動させて旋回ピニオン９２２の回転を制動することにより、旋回歯車９２０を介して支柱９１４に対するナセル９１６の旋回を制動できる。

一方、支柱９１４に対してナセル９１６を旋回可能に支持する構成として、特許文献１では、転がり軸受（図示略）を用いた構成と、滑り軸受９１８を用いた構成を開示している。このうち、滑り軸受９１８を用いた構成（図７参照）では、該滑り軸受９１８に、ナセル９１６の支持と同時に、ナセル９１６の旋回に対して制動を与える制動機能を合わせて持たせるようにしている。具体的には、この制動機能付きの滑り軸受９１８は、支柱９１４側に固定された軸受板９１９を取り囲むように第１〜第３滑り軸受材９２１Ａ〜９２１Ｃが設けられており、（該滑り軸受９１８の滑り抵抗の設定により）所定の制動力が得られるように構成されている。

特許文献１では、強風下の停電時には、ヨーユニット９２４の制動力を弱めて、ナセル９１６が旋回できるように構成している。

特開２０１１−１２７５５１号公報（図１〜図４）

特許文献１では、強風下の停電時には、制動力を弱めて、ナセルが旋回できるように構成している。しかしながら、なお、ヨーユニットの破損を十分に防止できず、ときに破損に至ってしまうことがある、というのが実情であった。

本発明は、このような従来の問題を解消するためになされたものであって、ヨーユニットの破損を、より低減することのできる風力発電設備を提供することをその課題としている。

本発明は、支柱と、該支柱に対して旋回するナセルと、前記支柱に設けられた旋回歯車と、該旋回歯車を介さずに前記ナセルの旋回を制動する第１制動装置と、前記旋回歯車に噛合する旋回ピニオンを有し当該旋回ピニオンの回転を制動することによって前記旋回歯車を介して前記ナセルの旋回を制動する複数の第２制動装置と、を備えた風力発電設備であって、前記複数の第２制動装置のうちの少なくとも一部の第２制動装置は、前記ナセルを旋回駆動する制動機能付きのヨーユニットであり、前記ヨーユニットは、モータと、減速装置と、を有し、前記第２制動装置は、前記ヨーユニットによって旋回駆動された前記ナセルの旋回を制動するときに作動される制動機構を有し、前記ナセルを旋回させようとする外力の想定最大値をＡ、前記第１制動装置の制動力をＢとしたときに、前記複数の第２制動装置のうちの１台の第２制動装置の制動力が、（Ａ−Ｂ）よりも大きく設定され、前記外力の想定最大値Ａは、前記モータの定格出力トルクと前記減速装置の減速比との積を全てのヨーユニットについて合算した合算値であり、前記第１制動装置は、前記支柱と前記ナセルとの間に配置される滑り軸受であり、制動力を調整する調整機構を有し、該調整機構により制動力が調整された後は、旋回時、制動時を問わず当該調整された制動力が作用することにより、上記課題を解決したものである。

本発明者らは、実際にヨーユニットの破損のメカニズムを吟味・検証した結果、これまでの設計思想では対応できない（従来の設計概念とは異なる）新たな知見を得た。上記構成は、この知見に基づくものである（後に詳述）。

本発明は、この知見に基づき、旋回歯車を介した制動を行う第２制動装置として、ナセルを旋回駆動するヨーユニットを含み、かつ、ナセルを旋回させようとする外力の想定最大値をＡ、旋回歯車を介さずにナセルの旋回を制動する第１制動装置の制動力をＢ、（全部ではなく）一部の第２制動装置の制動力の合算値をＣとしたときに、（Ａ−Ｂ）＜Ｃが成立するように構成する。

また、本発明では、前記複数の第２制動装置のうち、少なくとも１台の第２制動装置の制動力を、他の第２制動装置よりも大きく設定してもよい。

これにより、従来の発想では対応し切れないヨーユニットの破損をより低減することができるようになる。

本発明によれば、ヨーユニットの破損を、より低減することのできる風力発電設備を得ることができる。

本発明の実施形態の一例に係る風力発電設備の要部の概略平面図 図１の実施形態におけるヨーユニットの構成例を示す断面図 図１の実施形態におけるブレーキユニットの構成例を示す断面図 大容量のヨーユニットの構成例を示す断面図 本発明の他の実施形態の構成例の概略平面図 従来の風力発電設備の全体を示す側面図 従来の風力発電設備のヨーユニットと旋回歯車の近傍の構成を示す要部概略断面図

以下、図面に基づいて本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。

既に述べたように、本発明は、実際にヨーユニットの破損のメカニズムを吟味・検証した結果、新たに得られた知見に基づいている。

この知見は、纏めると、概略以下のようになる。

［知見１］各ヨーユニットが、それぞれのモータの駆動力によってそれぞれの旋回ピニオンを駆動し、ナセルを旋回させるときには、各ヨーユニットの旋回ピニオンが旋回歯車に対してトルクを付与する方向は一致している。各ヨーユニットの該トルクのばらつきも小さく、各ヨーユニットは、共同してナセルの旋回に寄与する。

［知見２］しかしながら、モータが停止してヨーユニットが制動状態に入ると、各ヨーユニットの荷重バランス（各ヨーユニットが負担する負荷）は、ナセルを旋回させているときと比べて、より大きくばらつく傾向がある。ただし、静止している限り、極端に大きな荷重の発生は見られない。

［知見３］ヨーユニットの制動機構が、外力に耐えきれず、滑り出した「後」は、非常に大きな荷重のアンバランスが発生する（各ヨーユニットが負担する負荷が大きくばらつく）。それだけではなく、滑り出した後では、もはやそれぞれのヨーユニットの受ける荷重の方向さえ、ばらばらになる。

この［知見３］は、従来の知見の概念とは全く逆の概念である。

従来は、例えばヨーユニットの制動力を非常に強くして、強い外力が掛かってもあくまで滑り出さないように静止状態を維持させておくことは、ヨーユニットの破損に繋がると考えられていた。そのため、上記特許文献１に見られるように、例えば、強風下の停電時に制動力を弱めて、敢えてナセルを旋回させる（ヨーユニットの各部材を回転させる）ように構成するのは、当該ヨーユニットを破損から守るための「セーフティー機構」として機能すると考えられていた。

しかしながら、本発明者らが、実際のヨーユニットの破損のメカニズムを吟味・検証したところ、この従来の知見は妥当とは言えず、むしろ、ヨーユニットの破損を招きやすい、ということが判明した。

この理由は、必ずしも明らかではないが、巨大な質量を有するナセルが、支柱の最上部で、制動装置の制動力を超えるような強い風に煽られながら「旋回する」ときは、ナセルの支持機構のがたつき、つまり支柱の軸心とナセルの軸心のずれや、両軸心の傾きの影響が顕在化するためではないかと推察される。すなわち、このがたつきの影響を、支柱側に設けられている旋回歯車を介して、ナセル側に設けられている旋回ピニオンが直接的に受けるようになってしまうため、ヨーユニットに極端に大きな荷重が発生したり、荷重の掛かる方向がばらばらになってしまうのではないかと解される。

そして、吟味・検証の結果によれば、このような制動機構の滑り出しが生じるような強風時は、多くの場合、ヨーユニットには瞬間的な極めて大きな外力が頻繁に掛かっており、滑りが生じて各部材が高速に回転するまでの時間が極めて短いことも確認された。これは、この状況に対してトルクリミッタ的な対策を講じるのは、時間的に間に合わず、現実には不可能に近いことを意味する。

このようなことから、本発明者らは、「制動時においてはナセルに想定し得る最大の外力が掛かったときでも、該ナセルが静止状態を維持する」という設計思想の方が、むしろ破損に至り難い、という知見に至ったものである。

そこで、本発明の実施形態の一例に係る風力発電設備では、この知見に基づき、以下のような構成を採用している。

先ず、この風力発電設備１２の概略構成から説明する。図１、図２を参照して、この実施形態に係る風力発電設備１２は、支柱１４と、該支柱１４に対して旋回自在に組み付けられたナセル１６と、を備えている。ナセル１６は支柱１４に制動機能を有する滑り軸受１８を介して旋回可能に組み付けられている。

この滑り軸受１８が、本実施形態の「第１制動装置Ｂｒ１」に相当している。ここで、第１制動装置Ｂｒ１とは、旋回歯車２０を介さずにナセル１６の旋回を制動する制動装置を意味している。

第１制動装置Ｂｒ１として、「制動機能を有する滑り軸受１８」を採用する場合、具体的には例えば、図７を用いて既に説明した特許文献１に記載の構成を採用できる。発生される制動力は、軸受板（９１９）や第１〜第３滑り軸受材（９２１Ａ〜９２１Ｃ）の素材の選定等によって調整可能である。後に触れるように、例えば、ばねの圧縮量を調整することで、滑り軸受材の軸受板に対する押付力を調整し、制動力を可変とする機構を設けてもよい。滑り軸受１８によって発生される制動力は、ナセル１６の旋回時、制動時（静止時）を問わず、常時作用することになる。

支柱１４には、旋回歯車２０が設けられ、ナセル１６には、図２に示されるようなヨーユニット１００が組み込まれている。ヨーユニット１００は、旋回歯車２０と噛合する旋回ピニオン１２２を有している。図１に示されるように、ヨーユニット１００は、この実施形態に係る風力発電設備１２では、４台設けられている。

各ヨーユニット１００は、それぞれこの実施形態の「第２制動装置Ｂｒ２」に相当している。ここで、第２制動装置Ｂｒ２とは、「旋回ピニオン１２２の回転を制動することによって旋回歯車２０を介してナセル１６を制動する制動装置」を意味している。そして、この実施形態では、さらに、第２制動装置Ｂｒ２として、図３に示されるような制動専用のブレーキユニット２００が備えられている。該ブレーキユニット２００の旋回ピニオン２２２も、旋回歯車２０と噛合している。

図１において、紙面の上側が、ブレード（図６の符号９１７参照）のある側に相当している。図１に示されるように、４台のヨーユニット１００は、周方向に等間隔ではなく、ブレード（９１７）のある側の間隔が狭く、反ブレード側の間隔が広く設けられている。ブレーキユニット２００は、反ブレード側の２台のヨーユニット１００の中央に配置されている。もっとも、このヨーユニット１００とブレーキユニット２００の配置は、必ずしもこの図１の配置には限定されない。例えば、ヨーユニット１００同士の周方向の間隔が同一となるように配置したり、あるいは、ブレーキユニット２００を含めて、全ユニット１００、２００の周方向の間隔が同一となるように配置してもよい。さらには、ヨーユニット１００やブレーキユニット２００の台数も、図１の例に限定されない。例えば、ヨーユニット１００が３台以下、あるいは５台以上であってもよいし、ブレーキユニット２００が２台以上であってもよい。

図２のヨーユニット１００の構成を説明する。

ヨーユニット１００は、モータ１３０、減速装置１３２、旋回ピニオン１２２、および制動機構１３４を備えている。減速装置１３２は、入力側偏心揺動減速機１５０、および出力側偏心揺動減速機１５２を備えている。入力側偏心揺動減速機１５０は、センタクランクタイプと称される偏心揺動減速機で、モータ軸１５１と一体化された入力軸１５４と、該入力軸１５４と一体的に回転する偏心体１５６と、該偏心体１５６の外周に揺動回転可能に組み込まれた外歯歯車１５８と、該外歯歯車１５８が内接噛合する内歯歯車１６０と、を有している。内歯歯車１６０の歯数は、外歯歯車１５８よりも僅かだけ（この例では１だけ）多い。

減速装置１３２においては、入力軸１５４の回転によって偏心体１５６を介して外歯歯車１５８が揺動回転すると、該外歯歯車１５８は、内歯歯車１６０に対してゆっくりと自転する。この自転を、外歯歯車１５８を貫通しているピン部材１６２、キャリヤ１６４を介して出力軸１６５から取り出している。

出力側偏心揺動減速機１５２も、センタクランクタイプの偏心揺動減速機で、容量が入力側偏心揺動減速機１５０よりも大きくなっているが、基本的な減速機構は入力側偏心揺動減速機１５０と同一である。したがって、入力側偏心揺動減速機１５０と同一または類似する機能を有する部位に、図中で添え字Ａを付した同一の符号を付し、重複説明を省略する。出力側偏心揺動減速機１５２の出力軸１６５Ａに、スプラインおよびボルト１７０を介して前記旋回ピニオン１２２が固定されている。

図３に、同じく第２制動装置Ｂｒ２を構成するブレーキユニット２００の構成例が示されている。

このブレーキユニット２００は、減速装置２３２、旋回ピニオン２２２、および制動機構２３４を備えている。モータは備えられていない。つまり、ブレーキユニット２００は、ナセル１６を旋回駆動する機能を有していない。ブレーキユニット２００の減速装置２３２は、センタクランクタイプの入力側偏心揺動減速機２５０と、振り分けタイプと称される出力側偏心揺動減速機２５２を備える。

入力側偏心揺動減速機２５０は、ヨーユニット１００の入力側偏心揺動減速機１５０と同様の減速機構を有するため、図３中において、ヨーユニット１００の入力側偏心揺動減速機１５０と機能的に類似する部位に、下２桁が同一の符号を付すことで重複説明を省略する。

出力側偏心揺動減速機２５２は、入力側偏心揺動減速機２５０の出力軸２６５と一体化された入力軸２７２と、該入力軸２７２に一体的に形成された入力ピニオン２７４と、該入力ピニオン２７４と同時に噛合する３個の振り分け歯車（１個のみ図示）２７６を備えている。各振り分け歯車２７６は、入力軸２７２の軸心Ｃ２７２からオフセットされた位置に配置された３本のクランク軸（１本のみ図示）２７８と連結されている。各クランク軸２７８には、偏心体２８０が一体的に形成されており、該偏心体２８０に外歯歯車２８２が揺動回転可能に組み込まれている。外歯歯車２８２は、内歯歯車２８４に内接噛合している。内歯歯車２８４の歯数は、外歯歯車２８２の歯数よりも僅かだけ（この例では１だけ）多い。

この出力側偏心揺動減速機２５２においては、入力軸２７２が回転すると、入力ピニオン２７４および振り分け歯車２７６を介して３本のクランク軸２７８が同一の回転速度で同一方向に回転し、各クランク軸２７８に設けられた偏心体２８０が同期して回転する。これにより、外歯歯車２８２が揺動しながら内歯歯車２８４に対してゆっくりと自転するため、この自転を、クランク軸２７８の公転として負荷側のキャリヤ２８６を介して出力軸２８８から取り出している。出力軸２８８は、スプライン２９０およびボルト２９２を介して前記旋回ピニオン２２２と一体化されている。

ヨーユニット１００のモータ１３０の定格出力トルクは、Ｒｐ１３０、制動機構１３４の制動力は、Ｂｐ１３４、減速装置１３２の減速比は、Ｓｒ１３２である。したがって、ヨーユニット１００の旋回ピニオン１２２での制動力は、制動機構１３４の制動力Ｂｐ１３４に減速装置１３２の減速比Ｓｒ１３２が掛け合わされたＢｐ１００（＝Ｂｐ１３４×Ｓｒ１３２）である。

ブレーキユニット２００の制動機構２３４の制動力は、Ｂｐ２３４、減速装置２３２の減速比は、Ｓｒ２３２である。したがって、ブレーキユニット２００の旋回ピニオン２２２での制動力は、制動機構２３４の制動力Ｂｐ２３４に減速装置２３２の減速比Ｓｒ２３２が掛け合わされたＢｐ２００（＝Ｂｐ２３４×Ｓｒ２３２）である。

そして、ヨーユニット１００の制動機構１３４の制動力Ｂｐ１３４より、ブレーキユニット２００の制動機構２３４の制動力Ｂｐ２３４の方が大きい（Ｂｐ１３４＜Ｂｐ２３４）。また、ヨーユニット１００の減速装置１３２の減速比Ｓｒ１３２より、ブレーキユニット２００の減速装置２３２の減速比Ｓｒ２３２の方が大きい（Ｓｒ１３２＜Ｓｒ２３２）。したがって、ヨーユニット１００の旋回ピニオン１２２での制動力Ｂｐ１００（＝Ｂｐ１３４×Ｓｒ１３２）よりブレーキユニット２００の旋回ピニオン２２２での制動力Ｂｐ２００（＝Ｂｐ２３４×Ｓｒ２３２）の方が大幅に大きい（Ｂｐ１００≪Ｂｐ２００）。

なお、ヨーユニット１００の旋回ピニオン１２２のピッチ円径Ｐｃ１２２より、ブレーキユニット２００の旋回ピニオン２２２のピッチ円径Ｐｃ２２２の方が大きい（Ｐｃ１２２＜Ｐｃ２２２）。一方、ブレーキユニット２００の旋回ピニオン２２２とヨーユニット１００の旋回ピニオン１２２のモジュールは、同一の旋回歯車２０と噛合する必要があるため、同一に設定されている。ただし、この実施形態では、ヨーユニット１００の旋回ピニオン１２２の旋回歯車２０に対するバックラッシよりも、ブレーキユニット２００の旋回ピニオン２２２の旋回歯車２０に対するバックラッシの方が小さく設定されている。バックラッシを小さくするには、具体的には、例えば、ブレーキユニット２００の旋回ピニオン２２２のピッチ円上の歯厚を、ヨーユニット１００の旋回ピニオン１２２のピッチ円上の歯厚よりも大きく設定すればよい。あるいは、ナセル１６にブレーキユニット２００を組み付けるときに、該ブレーキユニット２００の旋回ピニオン２２２の軸心を旋回歯車２０側により寄せるようにして組み込むという手法によっても、バックラッシを小さく設定することができる。

なお、ここでの減速比は、速度比の分母の値である。減速比は、旋回ピニオン１２２、２２２の側から見ると増速比となる。

以上、要するならば、この実施形態では、風力発電設備１２のナセル１６の旋回の制動を、単に、ヨーユニット１００の役目として捉えるのではなく、風力発電設備１２全体で捉えるようにしている。すなわち、本実施形態では、ナセル１６の旋回の制動を、旋回歯車２０を介さないで行う制動機能付きの滑り軸受１８（第１制動装置Ｂｒ１）と、旋回ピニオン１２２、２２２の回転を制動することによって旋回歯車２０を介して行う４台のヨーユニット１００およびブレーキユニット２００（複数の第２制動装置Ｂｒ２）と、の組み合わせによって実現している。

そして、ナセル１６を旋回させようとする外力の想定最大値をＡ、第１制動装置Ｂｒ１の制動力をＢ、一部の第２制動装置Ｂｒ２の制動力の合算値をＣ、としたときに、（Ａ−Ｂ）＜Ｃが成立する構成とする。なお、ここでの「第２制動装置Ｂｒ２の制動力」とは、旋回ピニオン１２２、２２２における制動力Ｂｐ１００、Ｂｐ２００のことである。

具体的には第１制動装置Ｂｒ１の制動力Ｂは、この実施形態では滑り軸受１８の滑り抵抗を指している。換言するならば、この制動力Ｂは、ナセル１６を静止した状態から、旋回させるのに必要な力に相当する。また、一部の第２制動装置Ｂｒ２の制動力の合算値Ｃは、本実施形態においては、ブレーキユニット２００のみの制動力Ｂｐ２００が（Ａ−Ｂ）よりも大きいため、該ブレーキユニット２００の制動力Ｂｐ２００を指している。

以下、この（Ａ−Ｂ）＜Ｃという数式の技術的意義について詳細に説明する。

前記知見１〜知見３に基づき、本実施形態が、「制動時においてはナセルに想定し得る最大の外力が掛かったときでも、該ナセルが静止状態を維持する」という設計思想に立脚していることは既に述べた。この設計思想を実現するためには、何らかの形で外力の想定最大値Ａを確定しなければならない。しかし、この外力の想定最大値Ａは、有限の値ではあるが、自然環境下の風の力によるものであるため、もともと特定の値に定まっているものではない。

そこで、本実施形態では、この外力の想定最大値Ａを、「組み込んでいる各ヨーユニット１００のモータ１３０の定格出力トルクＲｐ１３０×減速装置１３２の減速比Ｓｒ１３２の合算値」と定義する。

なお、本実施形態では全てのヨーユニット１００は同一の構成を有しているので、該想定最大値Ａは、（Ｒｐ１３０×Ｓｒ１３２×４）となるが、もし、異なる定格出力トルクのモータや異なる減速比の減速装置を有するヨーユニットが混在するときは、それぞれのヨーユニットの合算値となる。

すなわち、ヨーユニット１００のモータ１３０は強い風が吹く状況であっても風に抗して数１０秒掛けてナセル１６を一周させる能力があるように選定される。つまり、（約１秒程度の起動出力トルクではなく）継続的な定格出力トルクＲｐ１３０で風に抗してナセル１６を旋回させるだけの駆動力を備えている。

これをベースにして、「ナセル駆動時は、概ね各ヨーユニットは共同してナセルを駆動する」という前記知見１を考慮すると、「当該風力発電設備１２は、外力の想定最大値Ａを、ヨーユニット１００のモータ１３０の定格出力トルクＲｐ１３０×減速装置１３２の減速比Ｓｒ１３２の合算値と捉えたが故に、当該定格出力トルクＲｐ１３０のモータ１３０および減速比Ｓｒ１３２の減速装置１３２を有するヨーユニット１００を選定した」とも言い得る。この定義に従うことより、本実施形態における外力の想定最大値Ａは、一意に特定され得る概念となる。

次に、（Ａ−Ｂ）という数式の技術的意義、つまり、外力の想定最大値Ａから、（旋回歯車２０を介することなく）ナセル１６の旋回を直接制動する第１制動装置Ｂｒ１の制動力Ｂを差し引く、という技術的意義を説明する。

ナセル１６が支柱１４に対して静止しているときは、ナセル１６の支持機構（滑り軸受１８）には、必ず旋回抵抗（すなわち制動力Ｂ）があるため、旋回歯車２０を介した制動を行う第２制動装置Ｂｒ２は、想定最大値Ａから当該支持機構の旋回抵抗相当の制動力Ｂを差し引いた（Ａ−Ｂ）の制動力を提供できれば足りる。これが（Ａ−Ｂ）という数式の第１の意義である。

このほか、（Ａ−Ｂ）という数式には、さらに別の技術的意義がある。制動力が掛かった状態で、第２制動装置Ｂｒ２が滑り出すと、前記知見３から、各第２制動装置Ｂｒ２の受ける荷重は、ばらばらに急増する。これは、「巨大な質量を有するナセルの支持機構のがたつき（支柱の軸心とナセルの軸心のずれや、両軸心の傾き）の影響が顕在化するため」と推察できることを、既に述べた。

この状況に対応するには、ナセル１６の旋回の制動は、単に旋回歯車２０を介した制動だけでなく、旋回歯車２０を介することなく、支柱１４に対してナセル１６を直接制動する構造を積極的に併用する（制動力Ｂをより積極的に増大させる）のが好ましい。これにより、強風下でナセル１６の支持機構のがたつきの影響が顕在化するのを、より低減できるようになる。なお、本実施形態では、制動力Ｂは、ナセル１６が支柱１４に対して静止しているときに常時発生されているため、制動静止中のがたつきの影響をより低減できるようにもなる。これが（Ａ−Ｂ）という数式の第２の意義である。

この観点で、第１制動装置Ｂｒ１の制動力Ｂは、例えば、転がり軸受のように旋回抵抗を意図的に小さくしたものではなく、少なくとも滑り軸受が有する旋回抵抗以上、すなわち、「制動力」として機能し得る程大きな値であることが好ましい。勿論、後述するように、第１制動装置Ｂｒ１は、より積極的にナセル１６を制動する構成を備えたものであってもよい。

次に（Ａ−Ｂ）＜Ｃという数式における合算値Ｃが、「全ての」第２制動装置の制動力の合算値ではなく、「一部の」第２制動装置の制動力の合算値である、という技術的意義について説明する。

前記知見２によれば、ナセル１６が制動・静止状態に入ると、各ヨーユニット１００の荷重バランスは、（ナセル１６を旋回させているときと比べて）より大きくばらつく傾向がある。例えば、ある時点での制動静止中において、たまたま特定のヨーユニット１００の旋回ピニオン１２２と旋回歯車２０との間にバックラッシがあった場合、その特定のヨーユニット１００の制動機構１３４は、旋回ピニオン１２２の回転は制動できても、それによって旋回歯車２０の回転を制動することはできないということになる。この場合は、この特定のヨーユニット１００を除いた第２制動装置Ｂｒ２の制動力で旋回歯車２０を制動ができなければならない。これは、換言するならば、ナセル１６が制動・静止している状態では、ナセル１６に掛け得る制動力は、必ずしも「全ての」ヨーユニット１００の制動力の単純な合算値ではない、ということである。つまり、計算上、全てのヨーユニット１００の制動力の合算値では、（Ａ−Ｂ）を上回っていても、現に発生し得る制動力は、（Ａ−Ｂ）を下回っている可能性がある。しかし、それではナセル１６が動いてしまう可能性がそれだけ高くなってしまう。

また、例えば、特定のヨーユニット１００に過大な外力が掛かると、このヨーユニット１００が破損してしまうこともある。この場合、残ったヨーユニット１００でナセル１６を静止させ得る制動力を分担できなければ、次々に連鎖的な破損が生じ、結果としてナセル１６の静止を維持できなくなってしまう虞がある。しかし、この点でも、一部の第２制動装置Ｂｒ２だけで、制動力が（Ａ−Ｂ）を上回っていれば、全第２制動装置Ｂｒ２が連鎖的に破損してナセル１６が旋回を開始してしまう虞をより低減できる。

これが、（Ａ−Ｂ）＜Ｃという数式における合算値Ｃとして、全ての第２制動装置Ｂｒ２の制動力の合算値ではなく、「一部の」第２制動装置Ｂｒ２の合算値を採用する理由である。

この点に鑑み、より具体的には、「一部の第２制動装置Ｂｒ２」とは、全第２制動装置Ｂｒ２の総数の半数以下の第２制動装置Ｂｒ２（例えば、第２制動装置Ｂｒ２の総数が５台なら２台以下の第２制動装置Ｂｒ２）であることが好ましい。更には、複数の第２制動装置Ｂｒ２のうちの１台の制動力が、前記（Ａ−Ｂ）よりも大きく設定されるのが、より好ましい。また、全ての第２制動装置Ｂｒ２の制動力が（Ａ−Ｂ）よりも大きく設定されるのも好ましい。

本実施形態では、ブレーキユニット２００の１台のみ、すなわち１台の第２制動装置Ｂｒ２のみで制動力Ｂｐ２００が（Ａ−Ｂ）を上回るように構成されている。したがって、たとえ他のヨーユニット１００が、例えばバックラッシの存在により旋回歯車２０の制動に関与できなかったり、あるいはずるずると滑り出して本来の制動力を供与できないような制動状況であったとしても、当該１台の第２制動装置Ｂｒ２（ブレーキユニット２００）のみで、（Ａ−Ｂ）を上回る制動力を提供できる。そのため、ナセル１６が滑り出すのを非常に高い確率で防止できる。

以下、具体的数値を例示するならば、本実施形態では、モータ１３０の定格出力トルクＲｐ１３０が、２．１４５ｋｇｍのヨーユニット１００を４台用いており、それぞれのヨーユニット１００の減速装置１３２の減速比Ｓｒ１３２が１, ０７５（入力側偏心揺動減速機１５０の減速比４３×出力側偏心揺動減速機１５２の減速比２５）である。よって、外力の想定最大値Ａは、２．１４５×１，０７５×４＝９，２２３ｋｇｍである。

また、第１制動装置Ｂｒ１（滑り軸受１８）の制動力Ｂは、５，０００ｋｇｍである。よって、（Ａ−Ｂ）＝９，２２３−５，０００＝４，２２３ｋｇｍである。そして、１台（一部の第２制動装置Ｂｒ２）で４，２２３ｋｇｍを超える制動力Ｂｐ２００（Ｂｐ２３４×Ｓｒ２３２＝４，５００Ｋｇｍ＝Ｃ）を提供し得るブレーキユニット２００を備えている。よって、本実施形態に係る風力発電設備は、（Ａ−Ｂ）＜Ｃの数式を満足していることになる。

次に、本実施形態に係る風力発電設備の作用を説明する。

各ヨーユニット１００のモータ１３０を回転させ、旋回ピニオン１２２を駆動すると、旋回ピニオン１２２は、旋回歯車２０から噛合反力を受けて旋回歯車２０の軸心Ｃ２０（支柱１４の軸心Ｃ１４）の周りを公転する（図１参照）。これにより、ヨーユニット１００全体が旋回歯車２０の軸心Ｃ２０の周りを公転するため、ナセル１６は、支柱１４に対して旋回することができる。

なお、このとき、ブレーキユニット２００は、無負荷で連れ廻ることになる。ブレーキユニット２００は、モータを有していないので、減速比Ｓｒ２３２や旋回ピニオン２２２のピッチ円径Ｐｃ２２２（歯数）をどのように設定しても、他のヨーユニット１００と干渉しないので、設計の自由度が極めて高い。

ナセル１６の旋回を制動するときは、各ヨーユニット１００の制動機構１３４を作動させて旋回ピニオン１２２の回転を制動することにより、旋回歯車２０を介して支柱１４に対するナセル１６の旋回を制動する。そして、これと同時に、ブレーキユニット２００の制動機構２３４を作動させて該ブレーキユニット２００の旋回ピニオン２２２の回転を制動することによっても、旋回歯車２０を介して支柱１４に対するナセル１６の旋回を制動できる。

また、本実施形態では、ナセル１６の旋回を旋回歯車２０を介することなく直接制動する第１制動装置Ｂｒ１（具体的には滑り軸受１８）を設けるようにしたため、この制動力Ｂの分、第２制動装置Ｂｒ２の受け持つ制動力を低減できる（第２制動装置Ｂｒ２の制動力を同一とするならば、それだけ余裕のあるナセル１６の制動力を確保できる）。

また、制動時あるいは、制動時にナセル１６が旋回し始めたようなときにナセル１６が支柱１４に対してがたつくことを、より抑制でき、その分、ヨーユニット１００に過大な荷重が掛かるのを低減できる。

そして、本実施形態では、ナセル１６を旋回させようとする外力の想定最大値をＡ、第１制動装置Ｂｒ１の制動力をＢ、一部の第２制動装置の制動力の合算値をＣ、としたときに、（Ａ−Ｂ）＜Ｃが成立する構成としてあるため、風による外力が想定内である限り、ナセル１６は、静止しており、制動が掛かった状態で滑り出すことがない。そのため、知見３で得られたような強い荷重が無秩序に発生するという状況となるのが未然に防止され、ヨーユニット１００が破損に至るのをより回避することができる。

とりわけ、この実施形態では、第１制動装置Ｂｒ１を、支柱１４とナセル１６との間に配置される滑り軸受１８で構成している。このため、支柱１４とナセル１６との間に制動トルクを常時発生させることができる。つまり、第１制動装置Ｂｒ１の制動力を、モータ１３０によって積極的にナセル１６を旋回させるときにも作用させることができる。このため、制動時だけでなく、通常発電時を含め、ナセルの不要なふらつきを低減するという効果が得られる。何よりも低コストであり、故障もしにくい。そして、この第１制動装置Ｂｒ１の制動力Ｂの分、第２制動装置Ｂｒ２の受け持つ制動力を低減できる。

また、本実施形態では、複数の第２制動装置Ｂｒ２のうち、少なくとも１台の第２制動装置Ｂｒ２（ブレーキユニット２００）の制動力が、他の第２制動装置（ヨーユニット１００）よりも大きく設定されている。このため、他の（制動力が大きくない）第２制動装置Ｂｒ２が、容量不足で（あるいはバックラッシの存在等により）旋回歯車２０を支えることができなくても、制動力の大きく設定された第２制動装置Ｂｒ２が該旋回歯車２０を支えることができる可能性が高くなる（もし、第２制動装置Ｂｒ２を、同じ大きさの制動力を有するものだけで構成した場合には、特定の第２制動装置Ｂｒ２が、何らかの理由で旋回歯車２０を支えることができない場合、これを補って旋回歯車２０を支えることができず、結局、旋回歯車２０の静止状態を維持できなくなる可能性が高い）。

また、本実施形態では、この制動力Ｂｐ２００が大きくされた第２制動装置Ｂｒ２（ブレーキユニット２００）は、旋回ピニオン２２２側から見て、ヨーユニット１００の増速比Ｓｒ１３２よりも大きい増速比Ｓｒ２３２の増速機構を有している。このため、ブレーキユニット２００の制動機構２３４の制動力Ｂｐ２３４自体がヨーユニット１００の制動機構１３４の制動力Ｂｐ１３４よりも強いことと相まって、（掛け合わせにより）ヨーユニット１００の旋回ピニオン１２２での制動力Ｂｐ１００（＝Ｂｐ１３４×Ｓｒ１３２）よりも非常に強力な制動力Ｂｐ２００（＝Ｂｐ２３４×Ｓｒ２３２）を、旋回ピニオン２２２を介して旋回歯車２０に付与することができる。

また、本実施形態では、複数の第２制動装置Ｂｒ２のうちの１台（ブレーキユニット２００）の制動力Ｂｐ２００が、前記（Ａ−Ｂ）よりも大きく設定されている。そのため、外力の想定最大値Ａが想定外に高くない限り、他の第２制動装置Ｂｒ２の制動状況の如何に関わらず、ブレーキユニット２００は、単独で旋回歯車２０が旋回を始めてしまうのを防止することができる。

また、本実施形態では、制動力Ｂｐ２００が前記（Ａ−Ｂ）よりも大きくされた第２制動装置Ｂｒ２（ブレーキユニット２００）の旋回ピニオン２２２のピッチ円径Ｐｃ２２２は、他の第２制動装置Ｂｒ２（ヨーユニット１００）の旋回ピニオン１２２のピッチ円径Ｐｃ１２２よりも、大きい。したがって、制動力が大きくても、旋回ピニオン２２２の面圧をより低めることができ、該旋回ピニオン２２２の強度（あるいは耐久性）をより高めることができる。

さらに、本実施形態では、ヨーユニット１００の旋回ピニオン１２２の旋回歯車２０に対するバックラッシよりも、ブレーキユニット２００の旋回ピニオン２２２の旋回歯車２０に対するバックラッシの方が小さく設定されている。これにより、制動時に、ヨーユニット１００の旋回ピニオン１２２よりも、ブレーキユニット２００の旋回ピニオン２２２の方が、先に旋回歯車２０の制動に寄与する（先に荷重を負担する）ことができる確率をより高めることができる。そのため、ナセル１６が外力によって旋回させられそうな環境下において、該ナセル１６の静止状態をより早期に安定させることができる。なお、もし、ブレーキユニット２００より特定のヨーユニット１００の方が先にバックラッシが詰まり、かつ該特定のヨーユニット１００だけでは旋回歯車の旋回を制動できない場合、旋回歯車２０は、ブレーキユニット２００のバックラッシが詰まって該ブレーキユニット２００の制動力Ｂｐ２００が旋回歯車２０に作用するまで若干動くことになる。しかし、旋回歯車２０が連続的に動き出さなければ、制動力Ｂが動摩擦に変わることはない。したがって、（Ａ−Ｂ）＜Ｃの関係が崩れることはなく、バックラッシが詰まって作用できるようになったブレーキユニット２００の制動力Ｂｐ２００により、旋回歯車２０を確実に静止状態に維持することができる。なお、ブレーキユニット２００は、ヨーユニット１００のモータ１３０によってナセル１６を旋回駆動しているときには、無負荷の状態で連れ廻るだけであるため、該ブレーキユニット２００のバックラッシが小さく設定されていても、悪影響は殆ど生じない。

なお、本実施形態では、第１制動装置として、滑り軸受自体の制動機能を活用するようにしていた。しかしながら、本発明に係る第１制動装置の構成は、要は、支柱に対してナセルの旋回を制動できる構成であればよく、この構成に限定されるものではない。例えば、前述したように、滑り軸受の抵抗（すなわち制動力）をボルト等の締付け手段で積極的に調整できるものは、本発明の第１制動装置として、より有効である。

また、当然に、第１制動装置を滑り軸受で代用するのではなく、専用の制動装置として備えるようにしてもよい。例えば、ナセルの台座の一部に、支柱の軸心と同軸で回転する円筒部（や円板部）を形成し、この円筒部に、支柱側に設けたブレーキシュー部材をばね等の付勢力で押し当て、摩擦力によってナセルの旋回を制動する構成を採用してもよい。

なお、回転と制動は相対的な関係にあるため、支柱側に円筒部や円板部を設け、ナセル側にブレーキシュー部材を設ける構成とすることも可能である。

このような専用の第１制動装置を設けることにより、ナセルの支持機構のがたつきの影響を一層確実に低減することができるようになる。

さらには、第１制動装置として、例えば、前記ブレーキシュー部材の押圧力を得るために、油圧制御機構を利用した制動装置を採用することもできる。油圧制御機構を利用した制動装置は、高コストではあるものの、ナセルを積極的に旋回させるときには、第１制動装置の制動力を「オフ」とすることができるため、旋回駆動時のロスを低減できる。また、第１制動装置による制動トルクを、上記常時制動タイプよりも高めに設定することができるという利点も得られる。

また、上記実施形態においては、第２制動装置として、４台のヨーユニットに、１台の大容量の制動専用のブレーキユニットを加える構成を採用していたが、本発明は、必ずしもこの構成に限定されない。

例えば、複数の第２制動装置のうち、少なくとも１台の第２制動装置の制動力が、他の第２制動装置の制動力よりも大きい、という構成であってもよい。すなわち、例えば、２台以上の第２制動装置の制動力が、他の第２制動装置よりも大きく設定されていてもよい。逆に、制動力が大きく設定された第２制動装置が１台もない（つまり全ての第２制動装置の制動力が同一）に設定されていてもよい。この場合でも、例えば、ヨーユニットのほかに、制動専用の第２制動装置を有していれば、外力の想定最大値をＡ、第１制動装置の制動力をＢ、一部の第２制動装置の制動力の合算値をＣとしたときに、（Ａ−Ｂ）＜Ｃを成立させることは可能であり、本発明の効果を得ることができる。また、制動専用の第２制動装置を有していなくても、つまり、全ての第２制動装置が同一構成のヨーユニットであってもよい。例えば、全てのヨーユニットが（Ａ−Ｂ）よりも大きい制動力Ｃを有していてもよい。

また、上記実施形態においては、制動力Ｂｐ２００が大きくされた第２制動装置は、旋回ピニオン側から見て、ヨーユニットの増速比よりも大きい増速比の増速機構（減速装置２３２）を有していたが、制動力が大きくされた第２制動装置は、必ずしも増速比が大きい増速機構を有する必要はなく、例えば、モータの有無のみが異なるヨーユニットとブレーキユニットで第２制動装置が構成されていてもよい。

勿論、例えば、第２制動装置の制動機構の制動力は、全て同一であり、旋回ピニオン側から見てヨーユニットの増速比よりも大きい増速比の増速機構を有することによって、旋回ピニオンでの制動力の異なる第２制動装置が構成されていてもよい。

また、上記実施形態においては、ナセル制動時の各第２制動装置の制動状態の如何に関わらず、より確実にナセルの制動を維持するべく、複数の第２制動装置のうちの１台の制動力で、前記（Ａ−Ｂ）よりも大きい制動力が確保できるように設定していたが、一部の第２制動装置の制動力である限り、本発明の作用効果を相応に得ることができる。したがって、２台以上の第２制動装置の制動力の合算値が、上記（Ａ−Ｂ）より大きい、という構成でもよい。

また、上記実施形態においては、制動力が前記（Ａ−Ｂ）よりも大きくされた第２制動装置（ブレーキユニット２００）の旋回ピニオン２２２のピッチ円径Ｐｃ２２２は、他の第２制動装置（ヨーユニット１００）の旋回ピニオン１２２のピッチ円径Ｐｃ１２２よりも、大きく設定され、特に旋回ピニオン２２２の歯部のより高い強度が確保されていた。しかし、本発明は、必ずしもこのような構成とする必要はなく、例えば、旋回ピニオンのピッチ円径は全て同一でもよい。

また、上記実施形態においては、第２制動装置として、旋回歯車の駆動に寄与しない制動専用のブレーキユニットが配備されていたが、本発明では、第２制動装置をヨーユニットのみで構成するようにしてもよい。例えば、図５に示されるように、３台の小容量のヨーユニット１００と、１台の大容量のヨーユニット３００とを、備え、結果として計４台の第２制動装置Ｂｒ２を備えるような構成としてもよい。具体的には、図２に示されるヨーユニット１００と、図４に示されるような、ヨーユニット３００を用いればよい。ヨーユニット３００は、ブレーキユニット２００にモータ３３０を付設したものである。そのため、ブレーキユニット２００と同様な部位に下２桁が同一の符号を付し、重複説明を省略する。

この構成では、大容量のヨーユニット３００に前記ブレーキユニット２００の機能を兼ねさせることができ、狭いナセル１６内で第２制動装置Ｂｒ２の総数を増やさなくてもよい点で優れる。ただし、制動専用のブレーキユニット２００と異なり、ヨーユニット３００は、小容量のヨーユニット１００と同期して旋回歯車２０を駆動する必要があるため、小容量のヨーユニット１００の旋回ピニオン１２２のピッチ円での接線速度と、大容量のヨーユニット３００の旋回ピニオン３２２のピッチ円での接線速度が同一となるように旋回ピニオン３２２のピッチ円径Ｐｃ３２２や減速装置３３２の減速比Ｓｒ３３２等を設定する必要がある。

なお、上記「複数の第２制動装置のうち、少なくとも１台の第２制動装置の制動力が、他の第２制動装置の制動力よりも大きい」という構成、「制動力が大きくされた第２制動装置は、他の第２制動装置よりも旋回ピニオン側から見て増速比が大きい増速機構を有する」という構成、あるいは、「制動力が大きくされた第２制動装置の旋回ピニオンのピッチ円径は、他の第２制動装置の旋回ピニオンのピッチ円径よりも大きい」という構成は、外力の最大想定値Ａの概念と切り離しても、技術的意義がある構成である。それは、これらの構成は、前記知見２や知見３に鑑みるに、制動時の旋回歯車の旋回を、より回避し得る構成と捉えることができるためである。

また、上記実施形態における外力の最大想定値Ａの決め方は、一例であり、他の決め方を排除するものではない。例えば、一定期間（例えば１年間）に亘って計測された風速等のデータ、ナセル、支柱、ヨーユニットの破損状況や変形量等の実測データに基づいて、例えば、当該風力発電設備において実際に測定された最大外力を若干超える外力を、「外力の最大想定値Ａ」として決定するのは、合理的である。この手法は、当該風力発電設備が現に設置されている土地特有の地理的事情をより考慮できる点で優れる。

１２…風力発電設備
１４…支柱
１６…ナセル
１８…滑り軸受（第１制動装置）
２０…旋回歯車
１２２…旋回ピニオン
１００…ヨーユニット（第２制動装置）
２００…ブレーキユニット（第２制動装置）
Ａ…外力の想定最大値
Ｂ…第１制動装置の制動力
Ｃ…一部の第２制動装置の制動力の合算値

Claims (4)

1. 支柱と、該支柱に対して旋回するナセルと、前記支柱に設けられた旋回歯車と、該旋回歯車を介さずに前記ナセルの旋回を制動する第１制動装置と、前記旋回歯車に噛合する旋回ピニオンを有し当該旋回ピニオンの回転を制動することによって前記旋回歯車を介して前記ナセルの旋回を制動する複数の第２制動装置と、を備えた風力発電設備であって、
   前記複数の第２制動装置のうちの少なくとも一部の第２制動装置は、前記ナセルを旋回駆動する制動機能付きのヨーユニットであり、
   前記ヨーユニットは、モータと、減速装置と、を有し、
   前記第２制動装置は、前記ヨーユニットによって旋回駆動された前記ナセルの旋回を制動するときに作動される制動機構を有し、
   前記ナセルを旋回させようとする外力の想定最大値をＡ、前記第１制動装置の制動力をＢとしたときに、前記複数の第２制動装置のうちの１台の第２制動装置の制動力が、（Ａ−Ｂ）よりも大きく設定され、
   前記外力の想定最大値Ａは、前記モータの定格出力トルクと前記減速装置の減速比との積を全てのヨーユニットについて合算した合算値であり、
   前記第１制動装置は、前記支柱と前記ナセルとの間に配置される滑り軸受であり、制動力を調整する調整機構を有し、該調整機構により制動力が調整された後は、旋回時、制動時を問わず当該調整された制動力が作用することを特徴とする風力発電設備。
2. 請求項１において、
   前記複数の第２制動装置のうち、少なくとも１台の第２制動装置の制動力が、他の第２制動装置よりも大きいことを特徴とする風力発電設備。
3. 請求項２において、
   前記第２制動装置は、該第２制動装置の制動機構と前記旋回ピニオンとの間に、該制動機構での回転を前記旋回ピニオンの回転より速める増速機構を有し、
   前記制動力が大きくされた第２制動装置は、前記ヨーユニット以外の制動装置であって、
   該制動力が大きくされた第２制動装置の増速機構の増速比は、前記ヨーユニットの増速機構の増速比よりも大きいことを特徴とする風力発電設備。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、
   前記制動力が前記（Ａ−Ｂ）よりも大きくされた第２制動装置は、他の第２制動装置よりも前記旋回ピニオンのピッチ円径が大きいことを特徴とする風力発電設備。
   

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