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技術 発電機の回転翼支持構造

出願人 NTN株式会社
発明者 小野広平近藤博光
出願日 2018年7月9日 (2年5ヶ月経過) 出願番号 2018-130131
公開日 2020年1月16日 (11ヶ月経過) 公開番号 2020-007978
状態 未査定
技術分野
  • -
主要キーワード 上端部材 軸受高さ 静的効果 上下複数箇所 粘性損失 受風面 風エネルギー ねじり荷重
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2020年1月16日)のものです。
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図面 (7)

課題

発電装置始動性を改善し、発電効率を向上することができる発電機の回転翼支持構造を提供する。

解決手段

この発電機の回転翼支持構造は、垂直軸型の回転翼1を回転自在に支持し、回転翼1の下方に位置する発電機2に回転翼1の回転を伝達する発電機の回転翼支持構造である。発電機2のケース5の外周に、リング状のベアリング9,9を介して円筒状のベアリングケース4が回転自在に設置されている。ベアリングケース4は回転翼1に互いに同軸心に結合されかつ発電機2の入力軸と接続されている。ベアリングケース4は、円筒状のケース本体4aと、ケース本体4aの軸方向一端部に設けられ回転翼1が結合される端板4bと、を備える。

概要

背景

風力発電装置は一般に自然環境下に設置され、基本的には不規則風エネルギー動力として稼働するので、風力発電装置の構成要素には比較的大きく変動する荷重が作用する(特許文献1,2)。

図5は、従来の垂直軸風車で使用する発電機等の配置・構成を示す断面図である。風力発電装置では、回転翼50の羽根50aの揚力または抗力で発生した発電トルクの他に風が羽根50aの受風面を押すことにより発生する曲げ荷重が発生する。この曲げ荷重および発電トルクは、発電機51の軸51aおよびベアリング52で受けることになり、この対応のために軸径が増大する。
図6に、発電機51の軸51aに作用する曲げ荷重を低減するために中間軸53を設定し、荷重を発電機51の軸51aで直接受けない構造を示す。この場合、中間軸53で曲げ荷重を吸収可能ではあるが、軸間距離が拡大し、装置全体が大きくなる。

概要

発電装置始動性を改善し、発電効率を向上することができる発電機の回転翼支持構造を提供する。この発電機の回転翼支持構造は、垂直軸型の回転翼1を回転自在に支持し、回転翼1の下方に位置する発電機2に回転翼1の回転を伝達する発電機の回転翼支持構造である。発電機2のケース5の外周に、リング状のベアリング9,9を介して円筒状のベアリングケース4が回転自在に設置されている。ベアリングケース4は回転翼1に互いに同軸心に結合されかつ発電機2の入力軸と接続されている。ベアリングケース4は、円筒状のケース本体4aと、ケース本体4aの軸方向一端部に設けられ回転翼1が結合される端板4bと、を備える。

目的

この発明の目的は、発電装置の始動性を改善し、発電効率を向上することができる発電機の回転翼支持構造を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

垂直軸型回転翼を回転自在に支持し、前記回転翼の下方に位置する発電機または増速機に前記回転翼の回転を伝達する発電機の回転翼支持構造であって、前記発電機または前記増速機のケースの外周に、リング状のベアリングを介して円筒状のベアリングケースが回転自在に設置され、このベアリングケースは前記回転翼に互いに同軸心に結合されかつ前記発電機または前記増速機の入力軸と接続されている発電機の回転翼支持構造。

請求項2

請求項1に記載の発電機の回転翼支持構造において、前記ベアリングケースは、トルク伝達用カップリングを介して、前記発電機または前記増速機の入力軸に接続されている発電機の回転翼支持構造。

請求項3

請求項1または請求項2に記載の発電機の回転翼支持構造において、前記ベアリングケースは、円筒状のケース本体と、このケース本体の軸方向一端部に設けられ前記回転翼が結合される端板と、を備え、前記ケース本体に前記端板が印籠嵌合されている発電機の回転翼支持構造。

請求項4

請求項3に記載の発電機の回転翼支持構造において、前記ケース本体と前記端板との嵌合部に環状のシール部材が設けられている発電機の回転翼支持構造。

請求項5

請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の発電機の回転翼支持構造において、前記ベアリングケースに、表面積増大用の凹み部および凸部のいずれか一方または両方が設けられている発電機の回転翼支持構造。

請求項6

請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の発電機の回転翼支持構造において、前記発電機または前記増速機に放熱用ファンが設けられている発電機の回転翼支持構造。

技術分野

0001

この発明は、発電機の回転翼支持構造に関し、風力発電装置水力発電装置に適用される技術に関する。

背景技術

0002

風力発電装置は一般に自然環境下に設置され、基本的には不規則風エネルギー動力として稼働するので、風力発電装置の構成要素には比較的大きく変動する荷重が作用する(特許文献1,2)。

0003

図5は、従来の垂直軸風車で使用する発電機等の配置・構成を示す断面図である。風力発電装置では、回転翼50の羽根50aの揚力または抗力で発生した発電トルクの他に風が羽根50aの受風面を押すことにより発生する曲げ荷重が発生する。この曲げ荷重および発電トルクは、発電機51の軸51aおよびベアリング52で受けることになり、この対応のために軸径が増大する。
図6に、発電機51の軸51aに作用する曲げ荷重を低減するために中間軸53を設定し、荷重を発電機51の軸51aで直接受けない構造を示す。この場合、中間軸53で曲げ荷重を吸収可能ではあるが、軸間距離が拡大し、装置全体が大きくなる。

先行技術

0004

特開2016−89736号公報
特開2006−322445号公報
特開平8−322298号公報

発明が解決しようとする課題

0005

垂直軸風車にあっては、風が発生させる揚力もしくは抗力による発電トルクの他、風が羽根の受風面を押す曲げ荷重が軸に発生する。発電トルクについては、回転翼の慣性モーメントにより急激な変化が妨げられるため、比較的安定的であることに対して、受風面を風が押す曲げ荷重は極めて衝撃的であるため、軸の強度計算では、静的効果を多く見積もる必要があり、結果として軸径を大きくしなければいけない問題があった。

0006

大型の風力発電装置では、始動性改善のため、アシスト機構具備したもの(特許文献3)があるが、小型風車ではアシスト機構を設けることは、コストの観点から配置には難しいものがあった。
アシスト機構のない風力発電装置の始動に起因する因子としては、摩擦損失慣性損失粘性損失があるが、この場合、動き出し前を問題にするため、摩擦損失が支配的になる。摩擦損失は、オイルシールおよびベアリングなどから発生するが、どちらの場合も摩擦損失は軸径に大きく依存することが技術的に示されている。よって、発電に不必要な曲げ荷重を抑制して軸径を小さくすることが始動性向上へとつながる。

0007

この発明の目的は、発電装置の始動性を改善し、発電効率を向上することができる発電機の回転翼支持構造を提供することである。

課題を解決するための手段

0008

この発明の発電機の回転翼支持構造は、垂直軸型の回転翼を回転自在に支持し、前記回転翼の下方に位置する発電機または増速機に前記回転翼の回転を伝達する発電機の回転翼支持構造であって、
前記発電機または前記増速機のケースの外周に、リング状のベアリングを介して円筒状のベアリングケースが回転自在に設置され、このベアリングケースは前記回転翼に互いに同軸心に結合されかつ前記発電機または前記増速機の入力軸と接続されている。

0009

この構成によると、発電機または増速機のケースの外周に、リング状のベアリングを介して円筒状のベアリングケースが回転自在に設置され、このベアリングケースは回転翼に結合されかつ発電機または増速機と接続されている。このため、回転翼が風力または水力を受けることで発生する回転力以外の荷重、すなわち発電機軸または増速機の入力軸に対して作用する曲げ荷重を、ベアリングケースおよびベアリングで受けることができる。
この場合、構造物として軸で曲げ荷重を受けるよりも、断面係数を大きくとることが可能となり、前記ベアリングは小さな負荷容量のもので足りる。また発電機軸または増速機の入力軸は、前記ベアリングケースに接続されていて直接には回転翼に接続されていないため、曲げ荷重がほとんど作用せず、そのため、発電トルクであるねじり荷重のみ考慮すればよくなり、軸径を小さくすることができる。結果、発電機または増速機の摩擦損失を小さくし、発電装置の始動性を改善し、発電効率を向上することができる。

0010

前記ベアリングケースは、トルク伝達用カップリングを介して、前記発電機または前記増速機の入力軸に接続されていてもよい。発電機軸または増速機の入力軸と、回転翼とが同軸心に設けられている場合であっても、取り付け誤差または経年劣化等による同軸度のずれが生じ得る。この場合、トルク伝達用カップリングの調心性のため、発電機軸または増速機の入力軸と、回転翼との取り付け誤差または経年劣化等による同軸度のずれを吸収し同軸度を所望の値に確保することができる。したがって、発電機または増速機の摩擦損失をさらに小さくし、発電装置の始動性の向上を図れる。

0011

前記ベアリングケースは、円筒状のケース本体と、このケース本体の軸方向一端部に設けられ前記回転翼が結合される端板と、を備え、前記ケース本体に前記端板が印籠嵌合されていてもよい。この構成によると、ベアリングケースと回転翼とが互いに同軸心であるうえ、前記ベアリングケースにおける端板に回転翼が結合されているため、端板と回転翼とは同軸心である。
また発電機または増速機のケースの外周に、ベアリングを介して円筒状のケース本体が回転自在に設置されるため、前記ケースに回転支持される入力軸は、ケース本体の軸心に対し所望の同軸度が確保される。さらにケース本体に端板が印籠嵌合されているため、発電機軸または増速機の入力軸と、回転翼との同軸度を所望の値に簡易に確保することができ、これによりコスト低減を図ることができる。したがって、発電機または増速機の摩擦損失をさらに小さくし、発電装置の始動性の向上を図れる。

0012

前記ケース本体と前記端板との嵌合部に環状のシール部材が設けられていてもよい。この場合、ベアリングケース内のシール性が良好に確保され、発電機または増速機の寿命延ばすことができる。

0013

前記ベアリングケースに、表面積増大用の凹み部および凸部のいずれか一方または両方が設けられていてもよい。この場合、ベアリングケースの表面積が増加するため、ベアリングケースからの放熱が促進される。前記凹み部として、例えば、ベアリングケースのベアリング嵌合部以外の場所にスリットを設けてもよい。

0014

前記発電機または前記増速機に放熱用ファンが設けられていてもよい。この場合、発電機または前記増速機の回転に例えば同期してファンを回転させることで、発電機または増速機の放熱を促進することができる。

発明の効果

0015

この発明の発電機の回転翼支持構造は、垂直軸型の回転翼を回転自在に支持し、前記回転翼の下方に位置する発電機または増速機に前記回転翼の回転を伝達する発電機の回転翼支持構造であって、前記発電機または前記増速機のケースの外周に、リング状のベアリングを介して円筒状のベアリングケースが回転自在に設置され、このベアリングケースは前記回転翼に互いに同軸心に結合されかつ前記発電機または前記増速機の入力軸と接続されている。このため、発電装置の始動性を改善し、発電効率を向上することができる。

図面の簡単な説明

0016

この発明の実施形態に係る発電機の回転翼支持構造の断面図である。
同回転翼支持構造の一部を拡大した拡大断面図である。
同回転翼支持構造を部分的に変更した変更形態端面図である。
この発明の他の実施形態に係る発電機の回転翼支持構造の断面図である。
従来例の発電機の回転翼支持構造を表す断面図である。
他の従来例の発電機の回転翼支持構造を表す断面図である。

実施例

0017

[第1の実施形態]
この発明の実施形態に係る発電機の回転翼支持構造を図1および図2と共に説明する。
図1では、この発電機の回転翼支持構造を垂直軸風車方式の風力発電装置に適用した例を示す。垂直軸風車方式の風力発電装置は、回転翼1と、発電機2と、回転翼支持部3とを備える。

0018

<回転翼1>
回転翼1は、垂直方向に延びる複数の羽根1aと、支持体1bとを有する。この回転翼1は、羽根1aが受ける揚力によって回転する揚力型である。後述する回転翼支持部3に、水平方向に延びる支持体1bを介して、複数の羽根1aが取り付けられている。羽根1aの数は例えば二枚であり、回転軸Lを中心として180°位相の異なる位置に設けられている。なお羽根1aの数は三枚以上であってもよい。

0019

<発電機2>
発電機2は回転翼1の下方に位置する。発電機2は、回転翼支持部3におけるベアリングケース4内に設けられる。発電機2は、回転翼1の回転により発電機軸2aが回転することで発電する。発電機2は、例えば、永久磁石同期型誘導型等の三相交流発電機、または単相交流の発電機であり、ケース5、ステータ2b、ロータ2c、発電機内ベアリング6および発電機軸2aを有する。

0020

ケース5は、上下方向に延びる円筒状であり、ケース5の軸方向下端部が支持板7に支持されて取り付けられている。このケース5の内周面に発電機内ベアリング6,6を介して発電機軸2aが回転自在に支持されている。発電機内ベアリング6は、例えば、深溝玉軸受アンギュラ玉軸受円すいころ軸受等の転がり軸受である。ケース5の内周面にステータ2bが固定され、発電機軸2aの外周面にロータ2cが固定されている。ロータ2cは、ステータ2bに所定のギャップを隔てて対向する。発電機軸2aと共にロータ2cが回転することで、発電機2は発電する。発電機2で発電した電力は、図示外の配線を介して外部の電力系統に供給される。

0021

<回転翼支持部3>
図1および図2に示すように、回転翼支持部3は、回転翼1を回転自在に支持し、発電機2に回転翼1の回転を伝達する。回転翼支持部3は、支持部材7、ベアリングケース4、ベアリング9、トルク伝達用カップリング10および環状のシール部材11を有する。この例の支持部材7は、タワー支柱12の上端部材12aにボルト13により固定される支持基板7aと、この支持基板7aの上面に固定される固定部材7bとを有する。但し、支持部材7は、同一材料から形成された一体の部材であってもよい。前記タワー支柱12は、例えば、鉄塔で構成され、この鉄塔の最頂部に水平方向に延びる板状の上端部材12aが設けられている。発電機2のケース5における外周の上下複数箇所に、リング状のベアリング9,9を介して円筒状のベアリングケース4が回転自在に設置されている。前記リング状のベアリング9は、外輪外径から内輪内径を減じた値を2で除した軸受高さが、一般的な軸受よりも薄肉に形成されたいわゆる薄肉型の転がり軸受であって、例えば、深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受、円すいころ軸受等の転がり軸受である。

0022

ベアリングケース4は、回転翼1に互いに同軸心に結合され、かつ発電機2の発電機軸2aに、調心性を有するトルク伝達用カップリング10を介して接続されている。ベアリングケース4は、円筒状のケース本体4aと、このケース本体4aにボルト14により締結される端板4bとを備える。端板4bの上端面に、ブラケット15を介して前記支持体1bが固定されている。端板4bの下面には円環状の印籠部16が設けられ、この印籠部16により、ケース本体4aの軸方向上端部(軸方向一端部)に、端板4bが印籠嵌合されている。ケース本体4aと端板4bとの嵌合部には、環状のシール部材11が設けられている。

0023

環状のシール部材11として、例えばパッキング等が適用される。端板4bの下面の中央には、軸方向に突出する軸部17が設けられ、この軸部17は発電機軸2aと同軸心に設けられている。この軸部17に、トルク伝達用カップリング10を介して、発電機軸2aが接続されている。軸部17は発電機軸2aと同軸心に設けられているものの、取り付け誤差または経年劣化等による同軸度のずれが生じ得る。トルク伝達用カップリング10は、軸部17と発電機軸2aとの取り付け誤差または経年劣化等による同軸度のずれを吸収する。なお端板4bの軸部17に、トルク伝達用カップリング10を介在させずに発電機軸2aを直接接続することも可能である。

0024

作用効果について>
以上説明した発電機の回転翼支持構造によれば、発電機2のケース5の外周に、リング状のベアリング9,9を介して円筒状のベアリングケース4が回転自在に設置され、このベアリングケース4は回転翼1に結合されかつ発電機2と接続されている。このため、回転翼1が風を受けることで発生する回転力以外の荷重、すなわち発電機軸2aに対して作用する曲げ荷重を、ベアリングケース4およびベアリング9,9で受けることができる。
この場合、構造物として軸で曲げ荷重を受けるよりも、断面係数を大きくとることが可能となり、前記ベアリング9は小さな負荷容量のもので足りる。また発電機軸2aはベアリングケース4に接続されていて直接には回転翼1に接続されていないため、曲げ荷重が作用せず、そのため、発電トルクであるねじり荷重のみ考慮すればよくなり、軸径を小さくすることができる。結果、発電機2の摩擦損失を小さくし、風力発電装置の始動性を改善し、発電効率を向上することができる。

0025

ベアリングケース4は、トルク伝達用カップリング10を介して発電機軸2aに接続されている。このトルク伝達用カップリングの調心性のため、発電機軸2aと回転翼1との同軸度を所望の値に確保することができる。したがって、発電機2の摩擦損失をさらに小さくし、風力発電装置の始動性の向上を図れる。
ベアリングケース4と回転翼1とが互いに同軸心であるうえ、ベアリングケース4における端板4bに回転翼1が結合されているため、端板4bと回転翼1とは同軸心である。
また発電機2のケース5の外周に、ベアリング9を介して円筒状のケース本体4aが回転自在に設置されるため、ケース5に回転支持される入力軸である発電機軸2aは、ケース本体4aの軸心に対し所望の同軸度が確保される。さらにケース本体4aに端板4bが印籠嵌合されているため、発電機軸2aと回転翼1との同軸度を所望の値に簡易に確保することができ、これによりコスト低減を図ることができる。したがって、発電機2の摩擦損失をさらに小さくし、風力発電装置の始動性の向上を図れる。
ケース本体4aと端板4bとの嵌合部に環状のシール部材11が設けられているため、ベアリングケース4内のシール性が良好に確保され、発電機2の寿命を延ばすことができる。

0026

図1に示すように、発電機2に放熱用のファン18が設けられていてもよい。この例では、発電機軸2aの下端にファン18の回転軸18aが連結されている。この場合、発電機2の回転に同期してファン18を回転させることで、タワー支柱12に形成された図示外の通風孔から風を送り、発電機2の放熱を促進することができる。

0027

<他の実施形態>
以下の説明においては、各実施の形態で先行して説明している事項に対応している部分には同一の参照符号を付し、重複する説明を略する。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、特に記載のない限り先行して説明している形態と同様とする。同一の構成から同一の作用効果を奏する。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組合せることも可能である。

0028

放熱構造
図3は、第1の実施形態において、ベアリングケース4の形状を変更した例を示し、ケース本体4aの一部(例えば図2のIII-III線)を水平方向に切断して見た端面図である。図3(a)に示すように、ベアリングケース4のケース本体4aの外周面に、この外周面よりも半径方向内方に凹む凹み部19が複数形成されてもよい。これら凹み部19は、表面積増大用の凹み部であり、例えば円周方向一定間隔おきに形成され、かつ軸方向に延びるスリットから成る。

0029

図3(b)に示すように、ケース本体4aの外周面に、凹み部19と凸部20が円周方向に交互に形成されてもよい。各凸部20は軸方向に延びる突条から成る。以下図示しないがケース本体4aの外周面に、この外周面よりも半径方向外方所定距離突出する凸部のみが複数形成されていてもよい。ケース本体4aの内周面でベアリング嵌合部以外の箇所に、凹み部および凸部のいずれか一方または両方が設けられていてもよい。端板4bの一部に凹み部および凸部のいずれか一方または両方が設けられていてもよい。凹み部および凸部のいずれか一方または両方は、ケース本体4aの周面に環状に形成されてもよい。
これらの構成によると、ベアリングケース4の表面積が増加するため、ベアリングケース4からの放熱が促進される。

0030

<増速機への適用例>
図4に示すように、回転翼1の回転を増速して発電機2に伝達する増速機21を設け、増速機21のケース21aの外周に、リング状のベアリング9,9を介して円筒状のベアリングケース4が回転自在に設置されてもよい。ベアリングケース4は回転翼1に互いに同軸心に結合されかつ増速機21の入力軸21bと接続されている。

0031

増速機21は、例えば、入力軸21bの回転を増速して低速軸(図示せず)に伝達する図示外の遊星歯車装置と、前記低速軸の回転を増速して出力軸21cに伝達する図示外の二次増速装置とを備える。入力軸21bは、ベアリングケース4における端板4bの軸部17に接続され、出力軸21cは、発電機2に接続される。なお図示しないが、増速機21の出力軸21cを傘歯車等を介して発電機軸に連結することにより、回転軸の角度を90°変えてもよい。

0032

<抗力型の垂直軸風車>
各実施形態では、垂直軸風車が揚力型である例を示すが、場合によっては、この発明の構成を抗力型の垂直軸風車に適用してもよい。

0033

<水力発電装置への適用例>
各実施形態では、回転翼支持構造を垂直軸風車方式の風力発電装置に適用しているが、回転翼支持構造を水力発電装置に適用してもよい。

0034

以上、実施形態に基づいてこの発明を実施するための形態を説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

0035

1…回転翼、2…発電機、5…ケース、4…ベアリングケース、4a…ケース本体、4b…端板、9…ベアリング、10…トルク伝達用カップリング、11…環状のシール部材、18…ファン、19…凹み部、20…凸部、21…増速機、21b…入力軸

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