WO2011125969A1 - 増速機とそれを備えた発電装置 - Google Patents
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- Y02E10/20—Hydro energy
Definitions
- the present invention relates to a speed increaser that speeds up rotation of an input shaft and transmits the speed to an output shaft, and a power generation device including the speed increaser.
- Patent Document 1 discloses a waterway hydroelectric power generator that rotates a water wheel with the energy of water, and transmits the rotation to a generator by increasing the rotation speed using a speed increaser. That is, a wind power generator with a speed increaser that rotates a windmill with the energy of the atmosphere and transmits the rotation to a power generator by a planetary gear type speed increaser is disclosed in Patent Document 3. In the same way, the windmill is rotated by the energy of the atmosphere, and the rotation is increased by a gearbox that combines a star-type planetary roller traction drive and a planetary planetary roller-type traction drive, and is transmitted to the generator. A wind power generator is disclosed.
- the conventional speed increaser has the disadvantages that it has a complicated structure, a large number of parts, and is expensive. That is, for example, the planetary gear type speed increaser used in Patent Document 2 has a drawback that the number of gears used is large due to its structure, the structure is complicated, bulky, and expensive. Further, for example, the traction drive type speed increaser used in Patent Document 3 has little noise and vibration, but still has a large number of parts, a complicated structure, and is bulky, and also has a stable rotational torque transmission efficiency. In addition, there is a problem that it is difficult to obtain a large speed increase ratio by itself. JP 2003-269315 A JP 2001-304094 A JP-A-5-0779450
- the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and includes a speed increaser that has a simple structure, can be configured compactly, and has high rotational torque transmission efficiency, and a power generation apparatus including the same.
- the purpose is to provide.
- the present inventor paid attention to the phase gear employed in the rotary engine, and rotated the member corresponding to the rotor in the rotary engine by rotating the input shaft.
- the idea was that if the rotation was transmitted to the output shaft via an eccentric ring, the structure would be simple and efficient acceleration could be achieved.
- a rotor with a built-in internal gear that meshes with the fixed external gear is rotated around the fixed external gear, and an eccentric ring is slidably rotated inside the rotor.
- the present invention includes an input shaft that is rotated by an external force; a base frame; an output shaft that is rotatably supported by the base frame; and a shaft that is concentrically fixed to the base frame.
- a fixed external gear an eccentric wheel that is eccentric with respect to the axis of the output shaft, is coupled to the output shaft, and rotates integrally with the output shaft around the axis of the output shaft;
- a speed increaser comprising: a rotor having a bearing portion that is slidably supported inside; a rotor having an internal gear meshing with the fixed external gear; and a rotation transmission mechanism that transmits the rotation of the input shaft to the rotor.
- the speed increaser of the present invention it is not necessary to use a complicated planetary gear mechanism, and an extremely simple structure of a fixed external gear, a rotor having an internal gear, and an eccentric wheel that is slidably and rotatably supported inside the rotor.
- the speed increasing rate is determined by the ratio of the number of teeth of the fixed external gear and the number of teeth of the internal gear in the rotor, that is, the gear ratio.
- the gear ratio of the fixed external gear and the internal gear in the rotor is 2: If it is 3, the eccentric wheel built in the rotor is rotated three times by one rotation of the rotor, and a threefold speed increase rate is obtained.
- the eccentric wheel is rotated by rotating the rotor by the rotation of the input shaft. Therefore, when the eccentric wheel is rotated, the operating point of the rotational force from the rotor from the rotation center of the eccentric wheel is rotated. The moment with the distance up to the arm length can be used. Therefore, the rotational torque is increased as compared with the case where the input shaft and the output shaft are rotated concentrically without using an eccentric ring, and an efficient speed increase is possible.
- the speed increaser of the present invention preferably transmits the rotation of the input shaft to the rotor by an Oldham joint mechanism. That is, the rotor revolves while rotating around the fixed external gear while meshing the built-in internal gear with the fixed external gear, so the center of the rotor moves without being stationary at one point, but as a rotation transmission mechanism
- the Oldham coupling mechanism the movement of the center of the rotor is absorbed by the Oldham coupling mechanism, and the rotation of the input shaft that rotates with the rotation center stationary at one point is efficiently transmitted to the rotor to rotate the rotor. Can do.
- the Oldham coupling mechanism described above has a drive plate connected to the input shaft, and an intermediate node interposed between the drive plate and the rotor, the intermediate node being a drive plate.
- the drive plate has a third convex portion or concave portion that is slidably fitted to the first convex portion or concave portion, and the rotor is a second convex portion or concave portion.
- At least one convex portion or concave portion of the first to fourth convex portions or concave portions Is preferably provided with a bearing mechanism.
- the bearing mechanism include a flat roller bearing, a dry bearing, and an oil impregnated bearing.
- a rotation transmission mechanism for transmitting the rotation of the input shaft to the rotor an external gear provided on the rotor and an internal gear meshing with the external gear are provided. And a rotation transmission mechanism having a rotation wheel coupled to the input shaft and rotating around the axis of the output shaft as the input shaft rotates.
- the internal gear provided on the rotating wheel and the external gear provided on the rotor may be spur gears. However, from the viewpoint of smooth meshing and reduced vibration and noise. It is preferable to use a gear.
- the fixed external gear, the eccentric wheel, the rotor, and the rotation transmission mechanism are provided on both sides along the axial direction of the output shaft.
- the phases of the eccentric rotations of the rotors and the eccentric rings on both sides are different by 180 degrees.
- the speed increaser of the present invention has the rotation mechanisms including the eccentric wheel on both sides of the output shaft with the rotation phases different from each other by 180 degrees, The vibration accompanying the rotation of the rotor is canceled out, and a quieter and less vibration operation can be realized.
- the speed increaser of the present invention can obtain a high speed increase rate by using it connected in two or more stages so that the output of the front speed increaser becomes the input of the subsequent speed increaser.
- the rotation of the output shaft of the front speed increaser is increased between the front speed increaser and the rear speed increaser to increase the rotation speed of the rear speed increaser.
- An appropriate speed increasing mechanism for transmitting to the input shaft of the speed increaser may be interposed. With this speed increasing mechanism, when the rotation of the output shaft of the front speed increaser is increased by, for example, about 1.5 times and transmitted to the input shaft of the rear speed increaser, the speed increasing rate is further increased. Is possible.
- the present invention also includes a main shaft that is rotated by the energy of the fluid, a generator, and a power transmission unit that transmits the rotation of the main shaft to the generator.
- the power transmission unit is the speed increaser of the present invention.
- the above-mentioned problem is solved by providing a power generator provided with the above.
- Typical examples of the fluid include water, air (atmosphere), water vapor, and the like, and the power generation devices that use the energy possessed by them are produced by various hydroelectric power generation devices, various wind power generation devices, thermal power, or nuclear power. Examples thereof include a thermal power generation apparatus and a nuclear power generation apparatus that convert thermal energy into steam energy to rotate a turbine.
- the speed increaser of the present invention can be used as a speed increaser in any of these power generators.
- the speed increaser of the present invention since the structure of the speed increaser can be simplified, there can be obtained an advantage that the speed increaser can be made compact and the manufacturing cost can be reduced.
- the moment whose arm length is the distance from the center of rotation of the eccentric wheel to the point of application of the rotational force of the rotor.
- Speedup with high efficiency is possible, and stable speedup is possible from when the input rotational force is relatively small to large.
- the power generation device of the present invention having the speed increaser of the present invention in the power transmission unit it is possible to efficiently use the energy of the fluid, and to achieve efficient power generation with a more compact configuration. Is obtained.
- FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line X-X ′ of FIG. 2.
- FIG. 3 is a sectional view taken along the line Y-Y ′ of FIG. 2.
- FIG. 12 is a cross-sectional view taken along the line X-X ′ of FIG. 11. It is sectional drawing which shows the state which the internal gear of a rotor and a fixed external gear mesh in the right end part of a fixed external gear.
- FIG. 14 is a cross-sectional view showing both the rotating wheel and the internal gear in FIG. 13.
- FIG. 1 is a cross-sectional side view showing an example of a speed increaser of the present invention.
- 1 is a speed increaser of the present invention
- 2 is an input shaft
- 3 is an output shaft
- 4 is a base frame
- 5 is a bearing
- 6 is a fixed external gear
- 7 is a rotor
- 8 is an eccentric wheel
- G is an installation surface
- the speed increaser 1 is installed on an appropriate installation surface G via a base frame 4.
- the input shaft 2 and the output shaft 3 are rotatably supported on the base frame 4 by bearings 5, 5, 5,.
- the fixed external gear 6 is fixed to the base frame 4.
- a through-hole 6h that passes through the fixed external gear 6 in the axial direction is provided at the center of the fixed external gear 6, and the output shaft 3 passes through the inside of the through-hole 6h.
- the center position of the fixed external gear 6 is concentric with the axis of the output shaft 3.
- An eccentric ring 8 is supported in the rotor 7 through a bearing 5 so as to be slidable and rotatable.
- the bearing 5 in the rotor 7 constitutes a bearing portion that supports the eccentric ring 8 so as to be slidable and rotatable. is doing.
- the eccentric ring 8 is coupled to the output shaft 3 and rotates integrally with the output shaft 3 around the axis of the output shaft 3, but the center thereof is eccentric with respect to the axis of the output shaft 3.
- An internal gear 9 is provided inside the rotor 7, and a part of the internal gear 9 meshes with a part of the fixed external gear 6.
- the rotor 7 revolves while rotating around the fixed external gear 6 by rotating while meshing a part of the internal gear 9 with the fixed external gear 6.
- 10 is an intermediate node
- 11 is a drive plate
- 12 is a fixing member that couples the drive plate 11 and the input shaft 2.
- the convex portion 7a, the intermediate joint 8, and the drive plate 9 provided on the side surface of the rotor 7 on the input shaft 2 side constitute an Oldham coupling mechanism as a rotation transmission mechanism, as will be described later. Is transmitted to the rotor 7 through this rotation transmission mechanism.
- FIG. 2 is a partially enlarged view of FIG.
- 6g shows the teeth of the fixed external gear
- 9g shows the teeth of the internal gear 9, respectively.
- the teeth 9g of the internal gear 9 and the teeth 6g of the fixed external gear 6 are in mesh with each other (upper part in FIG. 2), and the rotor 7 has a part of the teeth 9g of the internal gear 9. It rotates around the fixed external gear 6 while meshing with a part of the teeth 6g of the fixed external gear 6, and revolves while rotating around the fixed external gear 6.
- Reference numeral 10b denotes a concave portion provided on the side surface of the intermediate joint 10 on the rotor 7 side, and the convex portion 7a of the rotor 7 is slidably fitted into the concave portion 10b, which will be described later.
- the speed increaser 1 of the present invention is configured as described above, and the rotor 7 is a bearing portion that supports the eccentric wheel 8 so as to slide and rotate along the axial direction of the output shaft 3.
- a bearing 5 and an internal gear 9 that meshes with the fixed external gear 6 are provided.
- the rotor 7 is coupled to the input shaft 2 via the intermediate joint 10, the drive plate 11, and the fixed member 12, the rotor 7 rotates when the input shaft 2 rotates, and the rotor 7 has its internal gear.
- the eccentric wheel 8 slidably supported by the bearing 5 in the rotor 7 rotates.
- the output shaft 3 connected to the eccentric ring 8 rotates.
- the rotation of the input shaft 2 is accelerated and transmitted to the output shaft 3 according to the gear ratio which is the ratio of the number of teeth of the fixed external gear 6 and the number of teeth of the internal gear 9. become.
- the gear ratio of the fixed external gear 6 and the internal gear 9 is 2: 3
- the rotation of the input shaft 2 is tripled, and if it is 1: 2, the rotation of the input shaft 2 is quadrupled.
- it is transmitted to the output shaft 3.
- FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line X-X ′ in FIG.
- an internal gear 9 is provided inside the rotor 7.
- the internal gear 9 meshes with the fixed external gear 6 at the upper portion thereof.
- 6g is the tooth of the fixed internal gear 6
- 9g is the tooth of the internal gear 9, but it is omitted and only the outline of the tooth tip is shown.
- 6h is a through-hole penetrating the fixed external gear 6 as described above.
- Reference numeral 3 c denotes an axis of the output shaft 3, which coincides with the center of the fixed external gear 6.
- FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line Y-Y ′ in FIG.
- the eccentric ring 8 is supported inside the rotor 7 through a bearing 5 so as to be slidable and rotatable.
- 8 c is the center of the eccentric ring 8
- the center 8 c of the eccentric ring 8 is eccentric from the axis 3 c of the output shaft 3 by a distance e.
- FIG. 5 is an exploded view of the Oldham coupling mechanism constituted by the convex portion 7 a of the rotor 7, the intermediate joint 10, and the drive plate 11.
- convex portions 7a and 7a are provided at the end of the rotor 7 with an interval of 180 degrees from each other.
- Concave portions 10b and 10b are provided at opposite positions at an interval of 180 degrees.
- Concave portions 10a and 10a are also provided on the side surface of the intermediate joint 10 on the drive plate 11 side with an interval of 180 degrees, but their positions are shifted by 90 degrees from the grooves 10b and 10b.
- the drive plate 11 is provided with convex portions 11a and 11a at a position facing the concave portions 10a and 10a with an interval of 180 degrees therebetween.
- the convex portions 7a and 7a of the rotor 7 are fitted to the concave portions 10b and 10b of the intermediate node 10, and the convex portions 11a and 11a of the drive plate 11 are fitted to the concave portions 10a and 10a of the intermediate node 10. Assembled by. Since the convex portions 7a and 7a and the convex portions 11a and 11a are slidably movable in the concave portions 10b and 10b and the concave portions 10a and 10a, respectively, the input shaft 2 is rotated and the rotor 7 is rotated.
- the convex portions 7a and 7a, the concave portions 10a, 10a, and 10b and 10b, and the convex portions 11a and 11a are two pairs of convex portions or linearly arranged with an interval of 180 degrees. Although these are formed as recesses, it is of course possible to extend a pair of projections or recesses to form one continuous projection or recess. In addition, since the convex portions and the concave portions may be fitted to each other and slidable, it goes without saying that the relationship between the concave portions of the convex portions may be opposite to that shown in the drawing.
- the intermediate joint 10 has a first convex portion or concave portion on the surface facing the drive plate 11, and a second convex portion or concave portion on the surface facing the rotor 7, and the first convex portion or concave portion and the first convex portion
- the two convex portions or concave portions are in a positional relationship orthogonal to each other
- the drive plate 11 has a third convex portion or concave portion that is slidably fitted to the first convex portion or concave portion of the intermediate node
- the rotor 7 only needs to have a fourth protrusion or recess that is slidably fitted to the second protrusion or recess of the intermediate node.
- bearing mechanism on the contact surface where the convex portion and the concave portion are fitted so that the convex portion and the concave portion which are fitted to each other can slide smoothly.
- the bearing mechanism that can be used include a linear flat roller bearing, a dry bearing, and an oil-impregnated bearing. These bearing mechanisms are at least one of the first to fourth protrusions or recesses described above.
- the rotation transmission mechanism that transmits the rotation of the input shaft 2 to the rotor 7 is not limited to the Oldham coupling mechanism described above, and the rotation of the input shaft 2 is allowed to rotate even if the rotation shaft of the rotor 7 is eccentric with respect to the input shaft 2. Any mechanism may be employed as long as the mechanism can transmit to the sensor.
- a flexible shaft coupling mechanism such as a rubber shaft coupling mechanism or a diaphragm shaft coupling, but it is preferable to use an Oldham coupling mechanism from the viewpoint of reducing the loss of transmitted rotational force.
- the center 8c of the eccentric ring 8 is eccentric by the distance e described above from the center of rotation of the eccentric ring 8, that is, the axis 3c of the output shaft 3.
- the rotational force applied to the eccentric wheel 8 by the shaft 7 is efficiently transmitted to the output shaft 3 as a moment having the distance from the shaft center 3c to the outer periphery of the eccentric wheel 8 through the center 8c of the eccentric wheel 8 as the arm length. Will be.
- efficient speed increase is possible from a low speed area to a high speed area.
- FIG. 10 is a cross-sectional side view showing another example of the speed increaser 1 of the present invention, and the same reference numerals are given to the same members as heretofore.
- the speed increaser 1 of the present example uses a rotating wheel 13, an internal gear 14, and an external gear 15 as a rotation transmission mechanism that transmits the rotation of the input shaft 2 to the rotor 7, instead of the Oldham coupling mechanism.
- This is different from the gearbox 1 shown in FIG. That is, the input shaft 2 is coupled with a rotating wheel 13 that rotates around the axis of the output shaft 3 as the input shaft 2 rotates, and a cylindrical portion that protrudes toward the output shaft 3 of the rotating wheel 13.
- FIG. 11 is a partially enlarged view of FIG.
- 14 g indicates the teeth of the internal gear 14
- 15 g indicates the teeth of the external gear 15.
- the teeth 14g of the internal gear 14 of the rotating wheel 13 and the teeth 15g of the external gear 15 of the rotor 7 are partially engaged (lower part in FIG. 11), and as the input shaft 2 rotates.
- the rotating wheel 13 rotates, the rotation is transmitted to the rotor 7 via the internal gear 14 and the external gear 15, and the rotor 7 revolves while rotating around the fixed external gear 6.
- the external gear 15 of the rotor 7 revolves while rotating around the fixed external gear 6, but the locus of the point farthest from the axis 3 c of the output shaft 3 of the external gear 15 is the axis of the output shaft 3. Since a circle centered on the center 3c is drawn, the rotor 7 is rotated by providing the internal gear 14 having a radius corresponding to the radius of the circle on the rotating wheel 13 concentrically with the axis 3c of the output shaft 3. Even if the gear 15 revolves while rotating around the fixed external gear 6, the internal gear 14 of the rotating wheel 13 and the external gear 15 of the rotor 7 always mesh with each other while changing the meshing position. The rotation of the rotating wheel 13 accompanying the rotation of the shaft 2 can be continuously transmitted to the rotor 7 via the internal gear 14 and the external gear 15.
- FIG. 12 is a cross-sectional view taken along the line X-X ′ of FIG. 11.
- 3 c is the axis of the output shaft 3
- 7 c is the center of the rotor 7.
- the center 7c of the rotor 7 coincides with the center 8c of the eccentric wheel 8 described above, and is eccentric from the axis 3c of the output shaft 3 by a distance e.
- the internal gear 9 of the rotor 7 meshes with the fixed external gear 6 at the top of the fixed external gear 6 in the figure, and the point P at the lowest end of the external gear 15 provided on the rotor 7 in the figure.
- the rotor 7 revolves from the state shown in FIG. 12 while rotating around the fixed external gear 6, and the internal gear 9 of the rotor 7
- the leftmost point P of the external gear 15 of the rotor 7 in the figure is the point farthest from the axis 3c of the output shaft 3.
- the axis of this point P The distance from 3c is also e + r.
- the distance to the point P that is farthest from the axis 3c of the output shaft 3 is such that the rotor 7 rotates around the fixed external gear 6 and the positional relationship between the rotor 7 and the fixed external gear 6 is the same. Even if it changes, it is e + r.
- FIGS. 15 to 17 (a) in each figure corresponds to a cross-sectional view taken along the line XX ′ in FIG. 11, and the rotor 7 is rotated by the rotation of the rotating wheel 13 accompanying the rotation of the input shaft 2 so that the internal gears thereof. The movement of rotating around the fixed external gear 6 while meshing the teeth 9g of the 9 with the teeth 6g of the fixed external gear 6 is shown. Further, (b) in each figure corresponds to a cross-sectional view taken along line YY ′ in FIG. 11, and shows the movement of the eccentric ring 8 accompanying the rotation of the rotating ring 13 together with the movement of the rotor 7. ) Shows the movement of the output shaft 3 at that time.
- the speed increaser 1 of this example is configured as described above, when the input shaft 2 rotates, the rotation is transmitted to the rotor 7 via the rotating wheel 13, and the rotor 7 is connected to the internal gear 9.
- the eccentric wheel 8 supported by the bearing 5 so as to be slidably rotatable is rotated.
- the output shaft 3 coupled to the eccentric ring 8 rotates.
- the rotation of the input shaft 2 is accelerated and transmitted to the output shaft 3 according to the gear ratio which is the ratio of the number of teeth of the fixed external gear 6 and the number of teeth of the internal gear 9. The same as in the example shown above.
- the rotation of the input shaft 2 is increased according to the ratio of the number of teeth of the internal gear 14 of the rotating wheel 13 and the number of teeth of the external gear 15 of the rotor 7. Since it is transmitted to the rotor 7, a further speed increase rate can be expected.
- FIG. 18 is a cross-sectional side view showing still another example of the speed up gear 1 of the present invention.
- the speed increaser 1 of this example has speed increasing mechanisms such as a fixed external gear 6, a rotor 7, an eccentric wheel 8, and a rotating wheel 13 on both sides along the axial direction of the output shaft 3.
- the members located on both sides of the output shaft 3 are the same on the left and right, but for convenience, the reference numerals of the members located on the right side along the axial direction of the output shaft 3 are marked with “′” and located on the left side. These are shown separately from corresponding members.
- the rotor 7 and the eccentric wheel 8 positioned on the left side along the axial direction of the output shaft 3 and the rotor 7 'and the eccentric wheel 8' positioned on the right side along the axial direction of the output shaft 3 Are 180 degrees different.
- the output shaft 3 is a hollow cylinder, and the left and right rotors 7 and 7 'and the portions corresponding to the hollow portions of the hollow cylinders of the eccentric wheels 8 and 8' are also provided with holes 7h, 7'h, 8h and 8′h are provided.
- a connecting shaft 16 is inserted inside the hollow cylinder and the holes 7h, 7'h, 8h, 8'h which are output shafts, and the left rotating wheel 13 and the right rotating wheel 13 'are mutually connected by the connecting shaft 16. It is connected to.
- Reference numeral 17 denotes a gear for taking out the rotation of the output shaft 3 to the outside.
- the rotor 7 and the eccentric wheel 8 located on the left side along the axial direction of the output shaft 3 and the rotor 7 ′ and the eccentric wheel 8 ′ located on the right side have different rotational phases by 180 degrees.
- the eccentric force generated with the eccentric rotation is canceled out, and the advantage that the generation of vibration and noise can be suppressed is obtained.
- Both the input shaft 2 and the input shaft 2 ' may be rotated by an external force, or only one of them may be rotated by an external force. Since the rotating wheel 13 and the rotating wheel 13 ′ are connected by the connecting shaft 16 as described above, when either the input shaft 2 or the input shaft 2 ′ is rotated, the rotating wheel 13 is rotated along with the rotation. And both of the rotating wheels 13 'rotate.
- FIG. 18 shows the case where the rotating wheel 13 is used as the rotation transmitting mechanism.
- the rotation transmitting mechanism is an Oldham coupling mechanism
- the driving plate 11 instead of the rotating wheels 13, 13 ′, the driving plate 11 is used.
- 11 ′ and intermediate nodes 10, 10 ′ are arranged on both sides in the axial direction of the output shaft 3, and the drive plates 11 and 11 ′ are connected to the hollow portion of the hollow cylinder as the output shaft 3, the intermediate nodes 10 and 10 ′, What is necessary is just to connect with the connecting shaft which penetrates the hole provided in each of the rotors 7 and 7 'and the eccentric rings 8 and 8'.
- the rotation transmission mechanism is an Oldham coupling mechanism
- the rotors 7 and 7 ′ and the rotor 7 and the eccentric wheel 8 on the left side and the rotor 7 ′ and the eccentric wheel 8 ′ on the right side are different from each other by 180 degrees.
- the eccentric rings 8 and 8 ' are arranged.
- FIG. 19 is a cross-sectional side view showing an example of a two-stage gearbox in which the gearbox 1 of the present invention shown in FIG. 1 is connected in two stages. That is, as shown in FIG, front output shaft 3 1 speed increaser 1 1 (left side in the figure) is, via an appropriate fitting 18, subsequent input shaft 2 of the speed increaser 1 2 (right side in the figure) 2 is combined.
- the speed increaser 1 of the present invention can realize a large speed increase rate by being connected in multiple stages. Moreover, since the speed increaser 1 of this invention is simple in structure, it can be comprised compactly without being bulky and is suitable for connecting in multiple stages.
- the number of connecting stages is not limited to two, and may be three or more and any number of stages.
- different gear ratios of the present invention may be connected to the front stage and the rear stage by changing the gear ratio between the internal gear 9 and the fixed external gear 6 or changing the structure.
- FIG. 20 is a plan view showing an example of a three-stage gearbox in which the gearbox 1 of the present invention shown in FIG. 18 is connected in three stages. That is, as shown in FIG., The gear 17 1 which is attached to the output shaft 3 1 speed increaser 1 1 of the first stage is the second stage of the speed increaser 1 2 of the input shaft 2 second gear 19 attached to coupled with 2, similarly, the second stage of the speed increaser 1 second output shaft 3 second gear 17 2 which is attached to is attached to the input shaft 2 3 speed increaser 1 3 of the third stage gear 19 3 .
- the number of gear 17 1 and 17 2 respectively, by more than the number of teeth of the gear 19 2 and 19 3, subsequent increase of further accelerating the rotation of the output shaft of the preceding speed increaser It is possible to transmit to the speed machine, and it is possible to further increase the speed increase rate of the entire speed increaser of the present invention connected in multiple stages.
- the mechanism for transmitting the rotation of the output shaft 3 in the upstream gearbox 1 to the input shaft 2 of the downstream gearbox 1 is not limited to that shown in FIG. 20, for example, the output shaft in the upstream gearbox 1.
- the rotation of the gear 17 attached to 3 may be transmitted to the gear 19 attached to the input shaft 2 of the speed-up gear 1 at the subsequent stage via a chain or the like.
- FIG. 21 is a conceptual diagram showing an example of the power generator of the present invention having the speed increaser 1 of the present invention in the power transmission unit.
- 20 is water, that is, a water wheel that rotates by the energy of the water flow
- 21 is a power transmission unit
- 22 is a generator
- 23 is a coupling unit
- 24 is a clutch.
- the rotation of the water turbine 20 is transmitted to the power transmission unit 21 via the coupling unit 23 and is increased by the speed increasers 1 1 and 1 2 of the present invention connected to the two stages provided in the power transmission unit 21. Then, it is transmitted to the rotor of the generator 22 to generate power.
- FIG. 22 is a conceptual diagram showing another example of the power generator of the present invention having the speed increaser 1 of the present invention in the power transmission unit.
- 25 is a windmill that rotates by the energy of the atmosphere, that is, wind
- 21 is a power transmission unit
- 22 is a generator
- 23 is a coupling unit
- 24 is a clutch.
- the rotation of the windmill 25 is transmitted to the power transmission unit 21 via the coupling unit 23, and the speed increasers 1 1 , 1 2 , 1 3 of the present invention connected to the three stages provided in the power transmission unit 21. Is transmitted to the rotor of the generator 22 to generate power.
- the energy that can be used by the power generation device of the present invention is not limited to the energy that water or air has. It may be the energy of water vapor obtained by converting heat generated by thermal power or nuclear power, or the energy of other fluids.
- the speed increaser of the present invention can efficiently increase the speed even if the force for rotating the input shaft 2 is small. Therefore, the use of flowing water with a low energy such as a water channel or a water channel with a small head is used. It is suitable for use in hydroelectric power generators and wind power generators installed in areas where strong winds cannot be expected.
- used water flow and steam in normal hydroelectric power generation facilities, thermal power plants, and nuclear power generation facilities are used for turbines and turbines. It is a very good useful speed increaser that can be reused as an energy source for rotating the motor, and can use the energy of various fluids without waste.
- the speed increaser of the present invention since the rotation of the input shaft can be efficiently increased and transmitted to the output shaft with a simple and compact structure, it is extremely useful in all fields that require speed increase. .
- the power generation device provided with the gearbox of the present invention in the power transmission unit not only large energy of the fluid but also relatively small energy can be used for power generation without waste. Is highly useful and has excellent industrial applicability.
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Abstract
構造が簡単で、コンパクトに構成することができ、かつ、回転トルクの伝達効率が良い増速機と、それを備えた発電装置を提供することを課題とし、外力によって回転する入力軸と;ベースフレームと;前記ベースフレームに回転自在に支持された出力軸と;前記出力軸の軸心と同心で前記ベースフレームに対して固定された固定外歯車と;前記出力軸の軸心に対して偏心しており、前記出力軸と結合され、前記出力軸の軸心の回りに前記出力軸と一体に回転する偏心輪と;前記偏心輪を内部に摺動回転自在に支持する軸受部と、前記固定外歯車と噛み合う内歯車を有するローターと;前記入力軸の回転を前記ローターに伝達する回転伝達機構とを有する増速機、及び当該増速機を備えた発電装置を提供することによって上記の課題を解決する。
Description
本発明は、入力軸の回転を増速して出力軸に伝達する増速機と、それを備えた発電装置に関する。
従来、風力や水力等の自然エネルギーを利用して発電を行う発電装置が知られている。これらの発電装置においては、風車や水車の回転を発電機の回転子に伝達するに際して、主軸と回転子の間に増速機を介在させ、主軸の回転速度を増速して回転子に伝えることが行われている。
例えば、特許文献1には、水の持つエネルギーによって水車を回転させ、その回転を増速機によって増速して発電機に伝えるようにした用水路用水力発電装置が、特許文献2には、風、すなわち、大気の持つエネルギーによって風車を回転させ、その回転を遊星歯車式の増速機によって増速して発電機に伝えるようにした増速機付き風力発電装置が、また、特許文献3には、同じく大気の持つエネルギーによって風車を回転させ、その回転をスター型遊星ローラ式トラクションドライブと、プラネタリ型遊星ローラ式トラクションドライブを組み合わせた増速機によって増速して発電機に伝えるようにした風力発電装置が、それぞれ開示されている。
しかしながら、従来から用いられている増速機には、構造が複雑で、部品点数が多く、高価であるという欠点があった。すなわち、例えば特許文献2で用いられているような遊星歯車式の増速機は、その構造上、用いる歯車の数が多く、構造も複雑となり、嵩張るとともに、製造コストが掛かるという欠点がある。また、例えば特許文献3で用いられているトラクションドライブ形式の増速機は、騒音や振動は少ないものの、やはり部品点数が多く、構造が複雑で、嵩張る上に、回転トルクの伝達効率が安定せず、また、単体で大きな増速比を得ることが難しいといった問題点がある。
特開2003-269315号公報
特開2001-304094号公報
特開平5-079450号公報
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、構造が簡単で、コンパクトに構成することができ、かつ、回転トルクの伝達効率が良い増速機と、それを備えた発電装置を提供することを目的とする。
本発明者は、上記の課題を解決すべく種々試行錯誤を重ねた結果、ロータリーエンジンで採用されている位相歯車に着目し、入力軸の回転によってロータリーエンジンにおけるローターに相当する部材を回転させ、その回転を偏心輪を介して出力軸に伝達すれば、構造が簡単で効率の良い増速ができるのではないかとの発想を得た。そして、この発想の下、さらに研究を重ねた結果、固定外歯車の周囲に固定外歯車と噛み合う内歯車を内蔵したローターを回転させる構造とし、ローターにはその内側に偏心輪を摺動回転自在に収容させ、ローターを入力軸に、偏心輪を出力軸に、それぞれ接続することによって、簡単な構造で、入力軸の回転を低速の場合から高速の場合まで幅広く、効率の良い増速が可能であることを見出して本発明を完成した。
すなわち、本発明は、外力によって回転する入力軸と;ベースフレームと;前記ベースフレームに回転自在に支持された出力軸と;前記出力軸の軸心と同心で前記ベースフレームに対して固定された固定外歯車と;前記出力軸の軸心に対して偏心しており、前記出力軸と結合され、前記出力軸の軸心の回りに前記出力軸と一体に回転する偏心輪と;前記偏心輪を内部に摺動回転自在に支持する軸受部と、前記固定外歯車と噛み合う内歯車とを有するローターと;前記入力軸の回転を前記ローターに伝達する回転伝達機構とを有する増速機を提供することによって上記の課題を解決するものである。
本発明の増速機においては、複雑な遊星歯車機構を用いる必要がなく、固定外歯車と、内歯車を備えたローターと、ローター内部に摺動回転自在に支持される偏心輪という極めてシンプルな構成要素によって、入力軸の回転を増速して出力軸に伝達することができる。増速率は、固定外歯車の歯数と、ローター内の内歯車の歯数の比、すなわちギヤ比によって決まり、例えば、固定外歯車の歯数とローター内の内歯車のギヤ比が、2:3であれば、ローターの1回の回転によってローターに内蔵される偏心輪は3回転し、3倍の増速率が得られる。また、固定外歯車の歯数とローター内の内歯車のギヤ比が、1:2であれば、ローターの1回の回転によってローターに内蔵される偏心輪は4回転し、4倍の増速率が得られる。なお、位相歯車機構におけるギヤ比と回転数との関係については、例えば、GP企画センター編、「マツダ・ロータリーエンジンの歴史」、株式会社グランプリ出版、2003年2月10日初版発行、28~36頁、44頁に詳述されている。
また、本発明の増速機においては、入力軸の回転によってローターを回転させることにより、偏心輪を回転させるので、偏心輪を回転させるにあたって、偏心輪の回転中心からローターによる回転力の作用点までの距離を腕の長さとするモーメントを利用することができる。したがって、偏心輪を介さずに入力軸と出力軸を同心で回転させる場合よりも回転トルクが上昇することとなり、効率の良い増速が可能である。
本発明の増速機は、その好適な一態様において、前記入力軸の回転をオルダム継手機構によって前記ローターに伝達するのが好ましい。すなわち、ローターは、内蔵する内歯車を固定外歯車と噛み合わせながら固定外歯車の周囲を自転しながら公転するので、ローターの中心は一点に静止しておらずに移動するが、回転伝達機構としてオルダム継手機構を用いる場合には、ローターの中心の移動がオルダム継手機構によって吸収され、回転中心が一点に静止して回転する入力軸の回転を、効率良くローターに伝達してローターを回転させることができる。
上述のオルダム継手機構は、その好適な一態様において、入力軸と連結された駆動板と、駆動板と前記ローターとの間に介在する中間節とを有しており、中間節は、駆動板と対向する面に第1の凸部又は凹部を有するとともに、ローターと対向する面に第2の凸部又は凹部を有しており、第1の凸部又は凹部と第2の凸部又は凹部は互いに直交する位置関係にあり、駆動板は、第1の凸部又は凹部と摺動移動自在に嵌合する第3の凸部又は凹部を有し、ローターは、第2の凸部又は凹部と摺動移動自在に嵌合する第4の凸部又は凹部を有している。互いに摺動移動自在に嵌合されている凸部又は凹部の摺動移動を滑らかなものとするために、第1~第4の凸部又は凹部のうちの少なくともいずれか1つの凸部又は凹部には、軸受機構が設けられているのが望ましい。軸受機構としては、例えば、フラットローラーベアリング、ドライベアリング、油含浸軸受などが挙げられる。
また、本発明の増速機は、その好適な一態様において、前記入力軸の回転を前記ローターに伝達する回転伝達機構として、前記ローターに設けられた外歯車と、当該外歯車と噛み合う内歯車を有する回転輪であって、前記入力軸と連結され、前記入力軸の回転に伴って前記出力軸の軸心の回りに回転する回転輪とを有している回転伝達機構を備えている。本発明の増速機がこのような回転伝達機構を備える場合には、回転中心が一点に静止して回転する入力軸の回転を、前記内歯車と外歯車とを介して、前記ローターに伝達することができるので、入力軸の回転をより効率良くローターに伝達することが可能となる。なお、前記回転輪に設けられた内歯車と前記ローターに設けられた外歯車とは平歯車であっても良いが、噛み合いが滑らかになり、振動、騒音が小さくなるという観点からは、はすば歯車とするのが好ましい。
また、本発明の増速機は、その好ましい一態様において、前記固定外歯車と、前記偏心輪と、前記ローターと、前記回転伝達機構とを、前記出力軸の軸方向に沿った両側に有しており、前記両側のローター及び偏心輪の偏心回転の位相が180度異なっている。このように本発明の増速機が、前記偏心輪を始めとする回転機構を互いの回転位相を180度異ならせて出力軸の両側に有している場合には、偏心回転する偏心輪やローターの回転に伴う振動が打ち消されて、より静かで振動の少ない運転を実現することができる。
また、本発明の増速機は、前段の増速機の出力が後段の増速機の入力となるように2段又は3段以上に連結して用いることによって、高い増速率を得ることが可能である。例えば、上記ギヤ比が1:2の本発明の増速機を2段に連結すれば、1段当たりの増速率が4倍であるので、入力軸の回転を4×4=16倍に増速することができ、3段に連結する場合には、4×4×4=64倍に増速することができる。本発明の増速機は、構造がシンプルでコンパクトに構成できるので、2段又は3段以上に連結した場合でも、全体がそれほど嵩張らず、比較的小型で増速率の大きい増速機とすることができる。
なお、本発明の増速機を多段に連結する場合には、前段の増速機と後段の増速機との間に、前段の増速機の出力軸の回転を増速して後段の増速機の入力軸に伝達する適宜の増速機構を介在させても良い。この増速機構によって、前段の増速機の出力軸の回転を、例えば1.5倍程度に増速して後段の増速機の入力軸に伝達する場合には、増速率をさらに高めることが可能となる。
本発明は、また、流体が持つエネルギーによって回転する主軸と、発電機と、前記主軸の回転を前記発電機に伝達する動力伝達部とを有し、前記動力伝達部が本発明の増速機を備えている発電装置を提供することによって上記の課題を解決するものである。流体としては、水、空気(大気)、水蒸気などが代表的なものとして挙げられ、それらが持つエネルギーを利用する発電装置としては、各種水力発電装置、各種風力発電装置、火力又は原子力によって生み出される熱エネルギーを水蒸気のエネルギーに変換してタービンを回転させる火力発電装置や原子力発電装置などが挙げられる。本発明の増速機は、これらいずれの発電装置においても増速機として利用することができる。
本発明の増速機によれば、増速機の構造を簡単にすることができるので、増速機をコンパクトにし、かつ、製造コストを下げることができるという利点が得られる。また、出力軸に連結された偏心輪を回転させるにあたり、偏心輪の回転中心からローターによる回転力の作用点までの距離を腕の長さとするモーメントを利用することができるので、回転トルクの伝達効率が良い増速が可能になり、入力される回転力が比較的小さな場合から大きな場合まで、安定した増速が可能になる。さらに、本発明の増速機を動力伝達部に有する本発明の発電装置によれば、流体の持つエネルギーを無駄なく利用して、効率の良い発電が、よりコンパクトな構成で可能になるという利点が得られる。
以下、図面を用いて本発明を詳細に説明するが、本発明が図示のものに限られないことは勿論である。
図1は、本発明の増速機の一例を示す断面側面図である。図1において、1は本発明の増速機であり、2は入力軸、3は出力軸、4はベースフレーム、5はベアリング、6は固定外歯車、7はローター、8は偏心輪、9は内歯車、Gは設置面であり、増速機1は、ベースフレーム4を介して適宜の設置面Gに設置される。
図に示すとおり、入力軸2と出力軸3は、それぞれベアリング5、5、5・・・によってベースフレーム4に回転自在に支持されている。一方、固定外歯車6はベースフレーム4に固定されている。固定外歯車6の中央には固定外歯車6を軸方向に貫通する貫通孔6hが設けられており、この貫通孔6hの内部を出力軸3が貫通している。なお、固定外歯車6の中心位置は出力軸3の軸心と同心である。
ローター7の内部には、ベアリング5を介して、偏心輪8が摺動回転自在に支持されており、ローター7内部のベアリング5は、偏心輪8を摺動回転自在に支持する軸受部を構成している。偏心輪8は、出力軸3と結合され、出力軸3の軸心の回りに出力軸3と一体に回転するが、その中心は、出力軸3の軸心に対して偏心している。ローター7の内部には内歯車9が設けられており、内歯車9の一部は固定外歯車6の一部と噛み合っている。ローター7は、内歯車9の一部を固定外歯車6と噛み合わせながら回転することによって、固定外歯車6の周囲を自転しながら公転する。
10は中間節、11は駆動板、12は駆動板11と入力軸2とを結合する固定部材である。ローター7の入力軸2側の側面に設けられた凸部7aと、中間節8、及び駆動板9は、後述するとおり、回転伝達機構としてオルダム継手機構を構成しており、入力軸2の回転は、この回転伝達機構を介してローター7に伝達される。
図2は、図1の部分拡大図である。図2において、6gは固定外歯車6の歯、9gは内歯車9の歯を、それぞれ示している。図に示すとおり、内歯車9の歯9gと、固定外歯車6の歯6gとは一部(図2においては上部)で噛み合っており、ローター7は、内歯車9の歯9gの一部を固定外歯車6の歯6gの一部と噛み合わせながら、固定外歯車6の周囲を回転し、固定外歯車6の周囲を自転しながら公転する。10bは、中間節10のローター7側の側面に設けられた凹部であり、この凹部10bにはローター7の凸部7aが摺動自在に嵌合しているが、これについては後述する。
本発明の増速機1は上述のように構成されており、ローター7は、その内部に、出力軸3の軸方向に沿って、偏心輪8を摺動回転自在に支持する軸受部であるベアリング5と、固定外歯車6と噛み合う内歯車9とを備えている。また、ローター7は、中間節10、駆動板11、及び固定部材12を介して入力軸2と結合されているので、入力軸2が回転するとローター7も回転し、ローター7が、その内歯車9の一部を固定外歯車6と噛み合わせながら固定外歯車6の周囲を自転しながら公転することによって、ローター7内にベアリング5によって摺動回転自在に支持されている偏心輪8が回転し、その結果、偏心輪8と結合されている出力軸3が回転することになる。このとき、上述したとおり、固定外歯車6の歯数と、内歯車9の歯数の比であるギヤ比に応じて、入力軸2の回転は増速して出力軸3に伝達されることになる。因みに、固定外歯車6と内歯車9のギヤ比が2:3であると、入力軸2の回転は3倍に、1:2であると、入力軸2の回転は4倍に増速されて、出力軸3に伝えられることになる。
図3は図2におけるX-X’断面図である。図3に示すとおり、ローター7内部には内歯車9が設けられており、図に示す状態では、内歯車9はその上部において固定外歯車6と噛み合っている。6gは固定内歯車6の歯、9gは内歯車9の歯であるが、省略して歯先の輪郭線のみで示してある。6hは、前述したとおり、固定外歯車6を貫通する貫通孔である。3cは出力軸3の軸心であり、固定外歯車6の中心と一致している。
図4は図2におけるY-Y’断面図であり、便宜上、出力軸3とその軸心3cも併せて示してある。図4に示すとおり、偏心輪8はローター7の内部に、ベアリング5を介して、摺動回転自在に支持されている。8cは偏心輪8の中心であり、偏心輪8の中心8cは、出力軸3の軸心3cから距離eだけ偏心している。これにより、ローター7が軸心3cの回りに回転すると、その回転力は、軸心3cから偏心輪8の中心8cを通って、偏心輪8の外周までの距離を腕の長さとするモーメントとなって出力軸3に効率良く伝達されることになる。これにより、入力軸2の回転は増速されて効率良く出力軸3に伝達されることになる。
図5は、ローター7の凸部7aと、中間節10と、駆動板11とによって構成されるオルダム継手機構の分解図である。図に示すとおり、ローター7の端部には、凸部7a、7aが互いに180度の間隔をあけて設けられており、中間節10のローター7側の側面には、凸部7a、7aと対向する位置に、凹部10b、10bが互いに180度の間隔をあけて設けられている。中間節10の駆動板11側の側面には、凹部10a、10aが同じく180度の間隔をあけて設けられているが、その位置は、溝10b、10bと90度ずれており、凹部10a、10aと凹部10b、10bとは直交する位置関係にある。また、駆動板11には、凹部10a、10aと対向する位置に、凸部11a、11aが互いに180度の間隔をあけて設けられている。
オルダム継手機構は、ローター7の凸部7a、7aを中間節10の凹部10b、10bと嵌合させ、駆動板11の凸部11a、11aを中間節10の凹部10a、10aと嵌合させることによって組み立てられる。凸部7a,7a、及び、凸部11a、11aは、それぞれ、凹部10b、10b、及び凹部10a、10a内を摺動移動自在であるので、入力軸2を回転させてローター7を回転させたとき、ローター7駆動板11に対して、凹部10a、10aを結ぶ方向、及び、それとは90度ずれた凹部10b、10bを結ぶ方向のいずれの方向に移動しても、その移動は凸部7a、7a、及び凸部11a、11aが、それぞれ凹部10b、10b内、及び凹部10a、10a内を摺動移動することによって吸収され、駆動板11の中心、すなわち、入力軸2は移動しない。このようにオルダム継手機構を用いることにより、軸心が移動しない入力軸2の回転を、回転に伴いその中心が移動するローター7に効率良く伝達することができるという利点が得られる。
なお、図示の例では、凸部7a、7a、凹部10a、10a、及び10b、10b、凸部11a、11aは、180度の間隔をあけて直線状に配置された2個一対の凸部又は凹部として形成されているが、これらは、それぞれ一対の凸部又は凹部を延長して、連続した1個の凸部又は凹部としても良いことは勿論である。また、これら凸部と凹部とは互いに嵌合して、摺動自在であれば良いので、凸部の凹部の関係が図示のものと逆であっても良いことはいうまでもない。すなわち、中間節10には、駆動板11と対向する面に第1の凸部又は凹部、ローター7と対向する面に第2の凸部又は凹部があり、第1の凸部又は凹部と第2の凸部又は凹部が互いに直交する位置関係にあり、駆動板11には、中間節の第1の凸部又は凹部と摺動移動自在に嵌合する第3の凸部又は凹部があり、ローター7には、中間節の第2の凸部又は凹部と摺動移動自在に嵌合する第4の凸部又は凹部があれば良い。
なお、互いに嵌合する凸部と凹部の摺動移動をよりスムースに行わせるために、凸部と凹部が嵌合する接触面には、適宜の軸受機構を設けるのが望ましい。用いうる軸受機構としては、例えば、リニアフラットローラベアリングや、ドライベアリング、油含浸軸受などが挙げられ、これらの軸受機構を上述した第1~第4の凸部又は凹部のうちの少なくともいずれか1つに設けることによって、ローター7,中間節10、及び駆動板11相互の摺動移動をよりスムースに行わせ、入力軸2の回転力をより効率良くローター7に伝えることができる。
なお、入力軸2の回転をローター7に伝える回転伝達機構としては、上述したオルダム継手機構に限られず、入力軸2に対してローター7の回転軸が偏心しても入力軸2の回転をローター7に伝達することができる機構であればどのような機構を採用しても良い。例えば、ゴム軸継手機構やダイヤフラム軸継手などのたわみ軸継手機構を用いることも可能であるが、伝達する回転力のロスが少ないという観点からはオルダム継手機構を用いるのが好ましい。
次に、図6~図9を用いて、本例の増速機1の動作を説明する。図6~図9において、各図の(a)は、入力軸2の回転によってローター7が、その内歯車9の歯9gを固定外歯車6の歯6gと噛み合わせながら、固定外歯車6の周囲を回転する運動を示しており、各図の(b)は、そのときの偏心輪8の運動をローター7の運動と共に示しており、各図の(c)は、そのときの出力軸3の運動を示している。なお、便宜上、内歯車9の歯9g及び固定外歯車6の歯6gは、その歯先の輪郭線でのみ示し、各図の(b)においては、出力軸3を併せて示してある。
図6~図9の各図の(a)に示すように、ローター7が内歯車9の一部を固定外歯車6と噛み合わせながら固定外歯車6の周囲を回転すると、それに伴い、各図の(b)に示すとおり、ローター7の内部に摺動回転自在に支持されている偏心輪8は、出力軸3の軸心3cを中心に図中矢印方向に回転し、その結果、各図の(c)に示すとおり、偏心輪8と結合されている出力軸3も図中矢印方向に回転する。このとき各図の(b)に示すように、偏心輪8の中心8cは、偏心輪8の回転の中心、すなわち、出力軸3の軸心3cから前述した距離eだけ偏心しているので、ローター7によって偏心輪8に加えられる回転力は、軸心3cから偏心輪8の中心8cをとおって偏心輪8の外周までの距離を腕の長さとするモーメントとなって出力軸3に効率良く伝達されることになる。これにより、本発明の増速機1においては、低速域から高速域まで、効率の良い増速が可能である。
図10は、本発明の増速機1の他の一例を示す断面側面図であり、これまでと同じ部材には同じ符号を付してある。本例の増速機1は、入力軸2の回転をローター7に伝達する回転伝達機構として、オルダム継手機構ではなく、回転輪13、内歯車14、及び外歯車15を用いている点において、図1に示した増速機1とは異なっている。すなわち、入力軸2には、入力軸2の回転に伴って出力軸3の軸心の回りに回転する回転輪13が結合されており、回転輪13の出力軸3側に突出した円筒状部分の内側には内歯車14が、また、ローター7の外周面には、内歯車14と一部分で噛み合う外歯車15がそれぞれ設けられているので、入力軸2が回転すると、その回転は回転輪13、内歯車14、及び外歯車15を介してローター7に伝達される。本例の増速機1においては、入力軸2の軸心は出力軸3の軸心と一致しているので、回転輪13は固定部材12を介して入力軸2に対して同心に結合されることによって、入力軸2の回転に伴い出力軸3の軸心の回りに回転するようになっているが、入力軸2の軸心と出力軸3の軸心とが一致していない場合には、回転輪13を出力軸3の軸心の回りに回転自在に支持するとともに、適宜の軸継手を介して、入力軸2の回転を回転輪13に伝達すれば良い。
図11は、図10の部分拡大図である。図11において、14gは内歯車14の歯、15gは外歯車15の歯を示している。図に示すとおり、回転輪13の内歯車14の歯14gと、ローター7の外歯車15の歯15gとは一部(図11においては下部)で噛み合っており、入力軸2の回転に伴って回転輪13が回転すると、その回転は内歯車14と外歯車15を介して、ローター7に伝達され、ローター7は、固定外歯車6の周囲を自転しながら公転する。このとき、ローター7の外歯車15も固定外歯車6の周囲を自転しながら公転するが、外歯車15の出力軸3の軸心3cから最も遠い位置にある点の軌跡は出力軸3の軸心3cを中心とする円を描くので、この円の半径に対応する半径の内歯車14を、出力軸3の軸心3cと同心に回転輪13に設けることによって、ローター7が回転し、外歯車15が固定外歯車6の周囲を自転しながら公転しても、回転輪13の内歯車14とローター7の外歯車15とは、その噛み合い位置を変化させながらも常に一部で噛み合い、入力軸2の回転に伴う回転輪13の回転を内歯車14と外歯車15を介して連続してローター7に伝達することが可能となる。
この点を図面を用いて詳述すれば以下のとおりである。すなわち、図12は図11のX-X’断面図であるが、図12において、3cは出力軸3の軸心、7cはローター7の中心である。ローター7の中心7cは、前述した偏心輪8の中心8cと一致しており、出力軸3の軸心3cから距離eだけ偏心している。図12に示す状態では、ローター7の内歯車9は、固定外歯車6の図中頂部で固定外歯車6と噛み合っており、ローター7に設けられた外歯車15の図中最下端の点Pが、外歯車15の出力軸3の軸心3cから最も遠い位置にある点となる。ローター7の中心7cからローター7の外周面に設けられている外歯車15の歯15gの先端までの距離、つまりは外歯車15の半径をrとすると、軸心3cから点Pまでの距離はe+rとなる。ローター7がその内歯車9を固定外歯車6と噛み合わせながら固定外歯車6の周囲を自転しながら公転すると、ローター7と固定外歯車6との位置関係は変化し、出力軸3の軸心3cから最も遠い位置にある点Pも移動するが、出力軸3の軸心3cから点Pまでの距離は常にe+rであり、変化しない。
すなわち、例えば図13に示すように、図12に示す状態からローター7が固定外歯車6の周囲を自転しながら公転して、固定外歯車6の図中右端部においてローター7の内歯車9と固定外歯車6とが噛み合う状態になると、ローター7の外歯車15の図中最左端の点Pが出力軸3の軸心3cから最も遠い位置にある点となるが、この点Pの軸心3cからの距離もe+rである。このように、出力軸3の軸心3cから最も遠い位置にある点Pまでの距離は、ローター7が固定外歯車6の周囲を回転して、ローター7と固定外歯車6との位置関係が変化しても変わらずe+rである。つまり、出力軸3の軸心3cを中心として、半径がe+rとなる円Cを想定すると、ローター7が固定外歯車6の周囲を自転しながら公転しても、ローター7の外歯車15の軸心3cから最も遠い位置にある点Pは、常にこの円Cに内接していることになる。したがって、図14に示すように、距離e+rに対応した半径を有する内歯車14を、その歯14gがローター7の外歯車15の歯15gと一部分で噛み合うように、出力軸3の軸心3cと同心に回転輪13に設けることによって、ローター7が回転して外歯車15が固定外歯車6の周囲を自転しながら公転しても、内歯車14と外歯車15とは常にその一部分で噛み合い、入力軸2の回転に伴う回転輪13の回転を連続してローター7に伝達することが可能となる。
次に、図15~図17を用いて、本例の増速機1の動作を説明する。なお、図15~図17において、各図の(a)は、図11におけるX-X’断面図に相当し、入力軸2の回転に伴う回転輪13の回転よってローター7が、その内歯車9の歯9gを固定外歯車6の歯6gと噛み合わせながら、固定外歯車6の周囲を回転する運動を示している。また、各図の(b)は、図11におけるY-Y’断面図に相当し、回転輪13の回転に伴う偏心輪8の運動をローター7の運動と共に示しており、各図の(c)は、そのときの出力軸3の運動を示している。
各図の(a)に示すように、入力軸2の回転に伴って回転輪13が図中矢印方向に回転すると、その回転は、回転輪13の内歯車14及びローター7の外歯車15を介してローター7に伝達され、ローター7は内歯車9の一部を固定外歯車6と噛み合わせながら固定外歯車6の周囲を回転する。このローター7の回転に伴い、各図の(b)に示すとおり、ローター7の内部に摺動回転自在に支持されている偏心輪8は、出力軸3の軸心3cを中心に図中矢印方向に回転し、その結果、各図の(c)に示すとおり、偏心輪8と結合されている出力軸3も図中矢印方向に回転する。このとき各図の(b)に 示すように、偏心輪8の中心8cは出力軸3の軸心3cから前述した距離eだけ偏心しているので、ローター7によって偏心輪8に加えられる回転力は、軸心3cから偏心輪8の中心8cをとおって偏心輪8の外周までの距離を腕の長さとするモーメントとなって出力軸3に効率良く伝達されることになる。また、入力軸2の回転は、回転輪13の内歯車14及びローター7の外歯車15という歯車機構を介してローター7に伝達されるので、オルダム継手機構を用いる場合のように摺動摩擦によるエネルギーロスが少なく、低速域から高速域まで、より効率の良い増速が可能である。
本例の増速機1は、上記のように構成されているので、入力軸2が回転すると、その回転は回転輪13を介してローター7に伝達され、ローター7が、その内歯車9の一部を固定外歯車6と噛み合わせながら固定外歯車6の周囲を自転しながら公転することによって、ローター7内にベアリング5によって摺動回転自在に支持されている偏心輪8が回転し、その結果、偏心輪8と結合されている出力軸3が回転することになる。このとき、固定外歯車6の歯数と、内歯車9の歯数の比であるギヤ比に応じて、入力軸2の回転は増速して出力軸3に伝達されることになるのは先に示した例におけると同じである。また、本例の増速機1においては、回転輪13の内歯車14の歯数と、ローター7の外歯車15の歯数の比に応じて、入力軸2の回転が、増速されてローター7に伝達されることになるので、より一層の増速率を期待することができる。
図18は、本発明の増速機1のさらに他の一例を示す断面側面図である。本例の増速機1は、固定外歯車6、ローター7、偏心輪8、回転輪13等の増速機構を、出力軸3の軸方向に沿った両側に有している。出力軸3の両側に位置する各部材はそれぞれ左右で同じものであるが、便宜上、出力軸3の軸方向に沿った右側に位置する各部材の符号には「’」をつけて左側に位置する対応する各部材と区別して示してある。ただし、出力軸3の軸方向に沿った左側に位置するローター7及び偏心輪8と、出力軸3の軸方向に沿った右側に位置するローター7’及び偏心輪8’とは、その回転位相が180度異なっている。また、本例においては、出力軸3は中空シリンダであり、左右のローター7及び7’並びに偏心輪8及び8’の前記中空シリンダの中空部に対応する部分にも孔7h、7’h、8h、8’hがそれぞれ設けられている。出力軸である前記中空シリンダ及び孔7h、7’h、8h、8’hの内側には連結シャフト16が挿通され、左側の回転輪13と右側の回転輪13’とは連結シャフト16によって相互に連結されている。17は出力軸3の回転を外部に取り出す歯車である。
このような増速機1において、入力軸2及び/又は入力軸2’を回転させると、その回転に伴い回転輪13及び13’は出力軸3の軸心3cの回りに回転し、その回転は、内歯車14及び14’と外歯車15及び15’を介してそれぞれローター7及び7’に伝達される。これにより、ローター7及び7’は、その内歯車9及び9’を固定外歯車6及び6’に噛み合わせながら固定外歯車6及び6’の回りを自転しながら公転し、それぞれ偏心輪8及び8’を出力軸3の軸心3cの回りに偏心回転させ、出力軸3を回転させる。このとき、出力軸3の軸方向に沿った左側に位置するローター7及び偏心輪8と、右側に位置するローター7’及び偏心輪8’とは、その回転位相が180度異なっているので、偏心回転に伴って発生する偏心力は相殺され、振動や騒音の発生を抑制することができるという利点が得られる。
入力軸2と入力軸2’とは、その双方を外力によって回転させても良いし、そのいずれか一方だけを外力によって回転させるようにしても良い。回転輪13と回転輪13’とは、前述したとおり、連結シャフト16によって連結されているので、入力軸2又は入力軸2’のいずれか一方を回転させると、その回転に伴い、回転輪13及び回転輪13’の双方が回転することになる。
また、図18には、回転伝達機構として回転輪13を用いる場合を示したが、回転伝達機構がオルダム継手機構であっても同様であり、回転輪13、13’に代えて、駆動板11、11’及び中間節10、10’を出力軸3の軸方向の両側に配置して、駆動板11及び11’を、出力軸3である中空シリンダの中空部、中間節10及び10’、ローター7及び7’、偏心輪8及び8’のそれぞれに設けられた孔を挿通する連結シャフトで連結すれば良い。なお、回転伝達機構がオルダム継手機構であっても、左側のローター7及び偏心輪8と、右側のローター7’及び偏心輪8’の回転位相が180度異なるように、ローター7、7’と偏心輪8、8’とが配置されるのは勿論である。
図19は、図1に示す本発明の増速機1を2段に連結した2段式増速機の一例を示す断面側面図である。すなわち、図に示すとおり、前段(図中左側)の増速機11の出力軸31が、適宜の継手18を介して、後段(図中右側)の増速機12の入力軸22と結合されている。前段の増速機11と後段の増速機12における固定外歯車6と内歯車9とのギヤ比がいずれも1:2である場合には、各段においてそれぞれ4倍の回転速度の増速が得られるので、2段に連結した本例の増速機全体では、4×4=16倍の増速が得られることになる。このように、本発明の増速機1は、多段に連結することによって、大きな増速率を実現することができる。また、本発明の増速機1は、構造が簡単であるので、嵩張らず、コンパクトに構成できるので、多段に連結することに適している。なお、連結段数は2段に限られず、3段以上、何段でも構わない。また、前段と後段とで、内歯車9と固定外歯車6のギヤ比を異ならせたり、構造を異ならせたりして、それぞれ異種の本発明の増速機を連結しても良い。
図20は、図18に示す本発明の増速機1を3段に連結した3段式増速機の一例を示す平面図である。すなわち、図に示すとおり、1段目の増速機11の出力軸31に取り付けられた歯車171が、2段目の増速機12の入力軸22に取り付けられた歯車192と結合され、同様に、2段目の増速機12の出力軸32に取り付けられた歯車172が、3段目の増速機13の入力軸23に取り付けられた歯車193と結合されている。各段の増速機11~13における固定外歯車6と内歯車9とのギヤ比がいずれも1:2である場合には、各段においてそれぞれ4倍の回転速度の増速が得られるので、3段に連結した本例の増速機全体では、4×4×4=64倍の増速が得られることになる。また、歯車171及び172の歯数を、それぞれ、歯車192及び193の歯数よりも多くすることによって、前段の増速機の出力軸の回転をさらに増速して後段の増速機に伝えることが可能であり、多段に連結された本発明の増速機全体の増速率をさらに高めることが可能である。
なお、前段の増速機1における出力軸3の回転を後段の増速機1の入力軸2に伝える機構は図20に示したものに限られず、例えば、前段の増速機1における出力軸3に取り付けられた歯車17の回転をチェーン等を介して後段の増速機1の入力軸2に取り付けた歯車19に伝達するようにしても良い。
図21は、本発明の増速機1を動力伝達部に有する本発明の発電装置の一例を示す概念図である。図21において、20は水、すなわち水流が持つエネルギーによって回転する水車であり、21は動力伝達部、22は発電機、23は結合部、24はクラッチである。水車20の回転は、結合部23を介して、動力伝達部21に伝えられ、動力伝達部21に備えられている2段に連結された本発明の増速機11、12によって増速され、発電機22の回転子に伝えられ、発電が行われる。
図22は、本発明の増速機1を動力伝達部に有する本発明の発電装置の他の一例を示す概念図である。図22において、25は大気、すなわち風が持つエネルギーによって回転する風車であり、21は動力伝達部、22は発電機、23は結合部、24はクラッチである。風車25の回転は、結合部23を介して、動力伝達部21に伝えられ、動力伝達部21に備えられている3段に連結された本発明の増速機11、12、13によって増速され、発電機22の回転子に伝えられ、発電が行われる。
本発明の発電装置が利用できるエネルギーは水や大気が持つエネルギーに限られない。火力や原子力によって生み出される熱を変換して得られる水蒸気が持つエネルギーであっても良いし、その他の流体の持つエネルギーであっても良い。また、本発明の増速機は、入力軸2を回転させる力が小さくても、効率良く増速することができるので、用水路や、落差の小さな水路などのエネルギーのそれほど大きくない流水を利用した水力発電装置や、強風の期待できない地域に設置される風力発電装置などに用いて好適であり、加えて、通常の水力発電施設や火力、原子力発電施設における使用済みの水流や水蒸気を水車やタービンを回転させるエネルギー源として再利用することを可能にし、種々の流体が持つエネルギーを無駄なく利用することを可能にする極めて優れた有用な増速機である。
本発明の増速機によれば、簡単でコンパクトな構造で、効率良く入力軸の回転を増速して出力軸に伝えることができるので、増速を必要とするあらゆる分野において極めて有用である。また、本発明の増速機を動力伝達部に備えた発電装置によれば、流体が持つ大きなエネルギーはもとより、比較的小さなエネルギーでも無駄なく発電に利用することができるので、発電装置や発電施設におけるエネルギー効率を高め、極めて有用、且つ優れた産業上の利用可能性を有するものである。
1 増速機
2 入力軸
3 出力軸
3c 出力軸の軸心
4 ベースフレーム
5 ベアリング
6 固定外歯車
7 ローター
8 偏心輪
9 内歯車
10 中間節
11 駆動板
12 固定部材
13 回転輪
14 内歯車
15 外歯車
16 連結シャフト
17 歯車
18 継手
19 歯車
20 水車
21 動力伝達部
22 発電機
23 結合部
24 クラッチ
25 風車
G 設置面
e 偏心距離
r ローターに設けられている外歯車の半径
2 入力軸
3 出力軸
3c 出力軸の軸心
4 ベースフレーム
5 ベアリング
6 固定外歯車
7 ローター
8 偏心輪
9 内歯車
10 中間節
11 駆動板
12 固定部材
13 回転輪
14 内歯車
15 外歯車
16 連結シャフト
17 歯車
18 継手
19 歯車
20 水車
21 動力伝達部
22 発電機
23 結合部
24 クラッチ
25 風車
G 設置面
e 偏心距離
r ローターに設けられている外歯車の半径
Claims (11)
- 外力によって回転する入力軸と;ベースフレームと;前記ベースフレームに回転自在に支持された出力軸と;前記出力軸の軸心と同心で前記ベースフレームに対して固定された固定外歯車と;前記出力軸の軸心に対して偏心しており、前記出力軸と結合され、前記出力軸の軸心の回りに前記出力軸と一体に回転する偏心輪と;前記偏心輪を内部に摺動回転自在に支持する軸受部と、前記固定外歯車と噛み合う内歯車とを有するローターと;前記入力軸の回転を前記ローターに伝達する回転伝達機構とを有する増速機。
- 前記回転伝達機構がオルダム継手機構である請求項1記載の増速機。
- 前記オルダム継手機構が、前記入力軸と連結された駆動板と、前記駆動板と前記ローターとの間に介在する中間節とを有しており、前記中間節は、前記駆動板と対向する面に第1の凸部又は凹部を有するとともに、前記ローターと対向する面に第2の凸部又は凹部を有しており、前記第1の凸部又は凹部と前記第2の凸部又は凹部は互いに直交する位置関係にあり、前記駆動板は、前記第1の凸部又は凹部と摺動移動自在に嵌合する第3の凸部又は凹部を有し、前記ローターは、前記第2の凸部又は凹部と摺動移動自在に嵌合する第4の凸部又は凹部を有していることを特徴とする請求項2記載の増速機。
- 前記第1~第4の凸部又は凹部のうちの少なくともいずれか1つの凸部又は凹部には、軸受機構が設けられていることを特徴とする請求項3記載の増速機。
- 前記回転伝達機構が、前記ローターに設けられた外歯車と、当該外歯車と噛み合う内歯車を有する回転輪であって、前記入力軸と連結され、前記入力軸の回転に伴って前記出力軸の軸心の回りに回転する回転輪とを有している請求項1記載の増速機。
- 前記固定外歯車と、前記偏心輪と、前記ローターと、前記回転伝達機構とを、前記出力軸の軸方向に沿った両側に有し、前記両側のローター及び偏心輪の偏心回転の位相が180度異なっている請求項1~5のいずれかに記載の増速機。
- 前記固定外歯車と前記ローターが有する内歯車のギヤ比が1:2又は2:3であることを特徴とする請求項1~6のいずれか1項に記載の増速機。
- 増速機を2段又は3段以上に連結してなる多段式増速機であって、連結された二つの増速機は前段の増速機の出力が後段の増速機の入力となるように前段の増速機の出力軸と後段の増速機の入力軸とが連結されており、かつ、それぞれの増速機は請求項1~7のいずれか1項に記載の増速機であることを特徴とする多段式増速機。
- 前段の増速機と後段の増速機との間に、前段の増速機の出力軸の回転を増速して後段の増速機の入力軸に伝達する増速機構を備えている請求項8記載の多段式増速機。
- 流体が持つエネルギーによって回転する主軸と、発電機と、前記主軸の回転を前記発電機に伝達する動力伝達部とを有し、前記動力伝達部が請求項1~9のいずれか1項に記載の増速機を備えていることを特徴とする発電装置。
- 流体が水、空気、又は水蒸気である請求項10記載の発電装置。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 11765869 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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WWE | Wipo information: entry into national phase |
Ref document number: 2011552260 Country of ref document: JP |
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NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
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122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 11765869 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |