KR20150123257A - 풍력 발전 장치 - Google Patents

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KR20150123257A
KR20150123257A KR1020157025013A KR20157025013A KR20150123257A KR 20150123257 A KR20150123257 A KR 20150123257A KR 1020157025013 A KR1020157025013 A KR 1020157025013A KR 20157025013 A KR20157025013 A KR 20157025013A KR 20150123257 A KR20150123257 A KR 20150123257A
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KR1020157025013A
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English (en)
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히데키 후지와라
가즈시게 오쓰카
Original Assignee
가부시키가이샤 제이텍트
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Abstract

풍력 발전 장치에 사용되는 일방향 클러치는, 입력 회전체의 회전 속도가 출력 회전체의 회전 속도보다 높은 상태에서, 입력 회전체와 출력 회전체를 일체로 회전 가능하게 접속하고, 입력 회전체의 회전 속도가 출력 회전체의 회전 속도보다 낮은 상태에서는, 입력 회전체와 출력 회전체의 접속을 차단한다. 입력 회전체와 출력 회전체는 축 방향의 상대적 이동이 허용되고, 그 이동의 최대 허용량은 상태 변화에 의한 입력축과 출력축 간의 축 방향 간격의 변동량보다 크게 설정된다.

Description

풍력 발전 장치{WIND POWER GENERATION DEVICE}
본 발명의 일 태양은, 예를 들면, 풍력에 의한 주축의 회전을 증속 기어에 의해 증속시켜 발전기를 구동하는 풍력 발전 장치에 관한 것이다.
종래 기술에서의 풍력 발전 장치의 일례로서, 블레이드에 의해 풍력을 받아 상기 블레이드에 접속된 주축을 회전시키고, 그 주축의 회전을 증속시켜 발전기를 구동시키기 위해, 증속 기어가 사용되고 있다. 도 23에 나타낸 바와 같이, 이 증속 기어(202)는, 주축(200)의 회전을 입력받아 증속시키는 유성 기어 기구(203)와, 이 유성 기어 기구(203)에 의해 증속된 회전을 입력받아 그 회전을 더욱 증속시키는 고속단 기어 기구(204)와, 이 고속단 기어 기구(204)의 회전 토크를 출력하는 출력축(205)을 포함한다.
유성 기어 기구(203)에서는, 주축(200)과 일체로 회전 가능하게 연결된 입력축(203a)이 회전하면, 유성 캐리어(203b)가 회전함으로써, 유성 기어(203c)를 통하여 태양 기어(203d)가 증속 회전하고, 그 회전이 고속단 기어 기구(204)의 저속축(204a)에 전달된다.
고속단 기어 기구(204)에서는, 저속축(204a)이 회전하면, 저속 기어(204b) 및 제1 중간 기어(204c)를 통하여 중간축(204d)이 증속되어 회전하고, 또한 제2 중간 기어(204e) 및 고속 기어(204f)를 통하여 출력축(205)이 증속되어 회전한다.
증속 기어(202)의 저속축(204a), 중간축(204d) 및 출력축(205)을 각각 회전 가능하게 지지하는 베어링으로서, 롤러 베어링(206∼211)이 종종 사용되고 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).
특허문헌 1: 일본 공개특허 제2007―232186호 공보 특허문헌 2: 일본 공개특허 평4―344198호 공보
상술한 풍력 발전 장치에서는, 고속 회전하는 출력축을 지지하는 롤러 베어링에서, 롤러의 전동면(轉動面)이나 회전륜의 궤도면에 스미어링(smearing)(표층이 늘어붙는 현상)이 발생하고, 롤러 베어링의 수명이 저하되는 문제가 있었다.
이 문제를 고려하여, 본 출원인은, 스미어링의 발생 메카니즘에 관한 예의(銳意) 연구를 거듭하여, 상기 스미어링의 발생을 억제하기 위해서는, 증속 기어의 출력축과 발전기의 구동축과의 사이에 일방향 클러치를 설치하는 것이 유효하다는 것을 발견하고, 이것을 종전에 제안했다. 이 제안은, 특허출원 제2011-198354호에 의해 일본특허청에 특허 출원되어 일본공개특허 제2013-060825호로서 공개되었다. 다만, 특허출원 제2011-198354호는, 본원의 우선권 출원(특허출원 제2013-048593, 제2013-048618호, 특허출원 제2013-048628호, 및 특허출원 제2013-048642호)의 출원시에는 미공개(비공지 기술)였다. 우연히, 목적은 상이하지만, 증속 기어의 출력축과 발전기의 구동축과의 사이에 일방향 클러치를 설치한 기술이, 상기 특허문헌 2에 개시되어 있다.
본 발명의 일 태양은, 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것이며, 증속 기어의 출력축을 지지하는 롤링 베어링에 스미어링이 발생하는 것을 효과적으로 억제할 수 있는 풍력 발전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제1 태양은, 풍력을 받아 주축(主軸)을 회전시키는 수풍 부재; 상기 주축의 회전을 입력받아 상기 회전을 증속시키는 회전 전달 기구와, 상기 회전 전달 기구의 회전 토크를 출력하는 출력축을 회전 가능하게 지지하는 롤링 베어링을 포함하는 증속 기어; 상기 출력축의 회전을 입력으로 하여 회전하는 입력축을 포함하고, 상기 입력축과 일체로 회전하는 로터의 회전에 따라 발전하는 발전기; 상기 출력축에 일체로 회전 가능하게 설치된 입력 회전체; 상기 입력축에 일체로 회전 가능하게 설치되고, 상기 입력 회전체의 직경 방향 내측 또는 직경 방향 외측에 동심(同心)으로 배치된 출력 회전체; 및 상기 입력 회전체와 상기 출력 회전체 사이에 배치되고, 상기 입력 회전체의 회전 속도가 상기 출력 회전체의 회전 속도보다 높은 상태에서는, 상기 입력 회전체와 상기 출력 회전체를 일체로 회전 가능하게 접속하고, 상기 입력 회전체의 회전 속도가 상기 출력 회전체의 회전 속도보다 낮은 상태에서는, 상기 입력 회전체와 상기 출력 회전체의 접속을 차단하는 일방향 클러치를 포함하고, 상기 입력 회전체와 상기 출력 회전체는 축 방향의 상대적 이동이 허용되고, 상기 이동의 최대 허용량은 상태 변화에 의한 상기 입력축과 상기 출력축의 축 방향 간격의 변동량보다 크게 설정되어 있는, 풍력 발전 장치를 제공한다.
본 발명의 제2 태양은, 풍력에 의해 생성된 주축의 회전을 증속하여 출력축으로 출력하는 증속 기어; 상기 출력축의 회전을 입력으로 하여 회전하는 입력축을 포함하고, 상기 입력축과 일체로 회전하는 로터의 회전에 따라 발전하는 발전기; 및 상기 출력축과 상기 입력축 사이에 설치되고, 상기 출력축의 회전 속도가 상기 입력축의 회전 속도보다 높은 상태에서는 상기 출력축과 상기 입력축을 일체로 회전 가능하게 접속하고, 상기 출력축의 회전 속도가 상기 입력축의 회전 속도보다 낮은 상태에서는 상기 출력축과 상기 입력축의 접속을 차단하는 일방향 클러치를 포함하고, 상기 일방향 클러치는, 상기 출력축와 함께 회전하는 회전체에 끼워맞추어지는 륜체(ring); 상기 륜체의 주위면의 직경 방향 외측 또는 직경 방향 내측에 대향하여 배치되고, 상기 입력축 측에 설치되는 다른 주위면; 및 상기 양 주위면의 사이의 공간에 배치되는 복수의 연결 부재를 포함하고, 상기 연결 부재가 상기 양 주위면에 치합하는 것으로 상기 출력축과 상기 입력축이 일체로 회전 가능하게 접속되고, 상기 치합을 해제함으로써 상기 접속이 차단되며, 상기 발전기를 작동시키기 위한 부하 토크가 최대일 때에 상기 회전체로부터 상기 륜체에 전달되는 최대 전달 토크(T1max)와, 상기 회전체와 상기 륜체의 끼워맞춤에 의한 체결력으로 상기 회전체로부터 상기 륜체에 전달 가능한 전달 토크(T2)가, T1max>T2의 관계를 충족하고, 상기 발전기를 작동시키기 위해 상기 회전체로부터 상기 륜체에 전달되어야 하는 필요 최소한의 전달 토크(T1)와, 상기 연결 부재가 상기 륜체의 주위면에 치합하는 것에 의한 체결력으로 상기 회전체로부터 상기 륜체에 전달 가능한 전달 토크(T3)와, 상기 전달 토크(T2)가, T1<T2＋T3의 관계를 충족하는, 풍력 발전 장치를 제공한다.
본 발명의 제3 태양은, 풍력에 의해 생성된 주축의 회전을 증속하여 출력축으로 출력하는 증속 기어; 상기 출력축의 회전을 입력으로 하여 회전하는 입력축을 포함하고, 상기 입력축과 일체로 회전하는 로터의 회전에 따라 발전하는 발전기; 및 상기 출력축과 상기 입력축 사이에 설치되고, 상기 출력축의 회전 속도가 상기 입력축의 회전 속도보다 높은 상태에서는 상기 출력축과 상기 입력축을 일체로 회전 가능하게 접속하고, 상기 출력축의 회전 속도가 상기 입력축의 회전 속도보다 낮은 상태에서는 상기 출력축과 상기 입력축의 접속을 차단하는 일방향 클러치를 포함하고, 상기 일방향 클러치는, 상기 입력축와 함께 회전하는 회전체에 끼워맞추어지는 륜체; 상기 륜체의 주위면의 직경 방향 외측 또는 직경 방향 내측에 대향하여 배치되고, 상기 출력축 측에 설치되는 다른 주위면; 및 상기 양 주위면의 사이의 공간에 배치되는 복수의 연결 부재를 포함하고, 상기 연결 부재가 상기 양 주위면에 치합하는 것으로 상기 출력축과 상기 입력축이 일체로 회전 가능하게 접속되고, 상기 치합을 해제함으로써 상기 접속이 차단되며, 상기 발전기를 작동시키기 위한 부하 토크가 최대일 때에 상기 회전체로부터 상기 륜체에 전달되는 최대 전달 토크(T1max)와, 상기 회전체와 상기 륜체의 끼워맞춤에 의한 체결력으로 상기 회전체로부터 상기 륜체에 전달 가능한 전달 토크(T2)가, T1max>T2의 관계를 충족하고, 상기 발전기를 작동시키기 위해 상기 회전체로부터 상기 륜체에 전달되어야 하는 필요 최소한의 전달 토크(T1)와, 상기 연결 부재가 상기 륜체의 주위면에 치합하는 것에 의한 체결력으로 상기 회전체로부터 상기 륜체에 전달 가능한 전달 토크(T3)와, 상기 전달 토크(T2)가, T1<T2＋T3의 관계를 충족하는, 풍력 발전 장치를 제공한다.
본 발명의 제4 태양은, 풍력에 의해 회전하는 주축; 상기 주축의 회전을 증속하여 출력축으로 출력하는 증속 기어; 상기 출력축의 회전을 입력으로 하여 회전하는 입력축을 포함하고, 상기 입력축과 일체로 회전하는 로터의 회전에 따라 발전하는 발전기; 상기 증속 기어 및 상기 발전기를 수용하는 케이싱; 상기 출력축에 일체로 회전 가능하게 설치된 입력 회전체; 상기 입력축에 일체로 회전 가능하게 설치되고, 상기 입력 회전체의 직경 방향 내측 또는 직경 방향 외측에 동심으로 배치된 출력 회전체; 상기 입력 회전체와 상기 출력 회전체 사이에 배치되고, 상기 입력 회전체의 회전 속도가 상기 출력 회전체의 회전 속도보다 높은 상태에서는 상기 입력 회전체와 상기 출력 회전체를 일체로 회전 가능하게 접속하고, 상기 입력 회전체의 회전 속도가 상기 출력 회전체의 회전 속도보다 낮은 상태에서는, 상기 입력 회전체와 상기 출력 회전체의 접속을 차단하는 일방향 클러치; 및 상기 일방향 클러치가 배치된 영역을 상기 케이싱 내의 공간으로부터 차폐하는 차폐 수단을 포함하는 풍력 발전 장치를 제공한다.
본 발명의 제5 태양은, 외력에 의해 회전하는 주축; 상기 주축으로부터 입력된 회전을 증속하여 출력축으로 출력하는 증속 기어; 상기 출력축의 회전을 입력으로 하여 회전하는 구동축과, 상기 구동축과 일체로 회전하는 로터를 포함하고, 상기 로터의 회전에 따라 발전하는 발전기; 상기 출력축과 상기 구동축 사이에 설치되고, 상기 출력축의 회전 속도가 상기 구동축의 회전 속도보다 높은 제1 상태에서는, 상기 출력축과 상기 구동축을 일체로 회전 가능하게 접속하고, 상기 출력축의 회전 속도가 상기 구동축의 회전 속도보다 낮은 제2 상태에서는, 상기 출력축과 상기 구동축의 접속을 차단하는 일방향 클러치; 상기 출력축과 상기 구동축 사이에 설치되고, 적어도 상기 제2 상태에서 상기 출력축과 상기 구동축을 일체로 회전 가능하게 연결할 수 있는 연결 수단; 및 소정 조건에 따라 상기 출력축과 상기 구동축을 연결하도록 상기 연결 수단의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 발전 장치를 제공한다.
본 발명의 상기 태양에 의하면, 증속 기어의 출력축을 지지하는 롤링 베어링에 스미어링이 발생하는 것을 효과적으로 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 관한 풍력 발전 장치의 개략 측면도이다.
도 2는 증속 기어 및 발전기를 나타내는 개략 측면도이다.
도 3은 축 연결 장치를 나타낸 측면도(일부 단면도)이다.
도 4는 도 3에서의 A-A 선에 따른 단면도이다.
도 5는 일방향 클러치 및 롤링 베어링을 확대하여 나타내는 축 연결 장치의 단면도이다.
도 6은 일방향 클러치의 주요 요부를 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 7은 일방향 클러치의 케이지를 나타낸 사시도이다.
도 8의 (a) 및 (b)는 일방향 클러치의 작용을 나타내는 설명도이다.
도 9는 부하 토크와 전달 토크의 관계를 설명하는 그래프이다.
도 10의 (a)~(d)는, 축 연결 장치의 조립 순서를 나타내는 설명도이다.
도 11은 증속 기어의 롤러 베어링을 나타낸 단면도이다.
도 12는 커버 부재의 연결부를 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 13은 본 발명의 제2 실시형태에 관한 풍력 발전 장치의 축 연결 장치를 나타낸 단면도이다.
도 14는 일방향 클러치의 주요부를 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 15는 풍력 발전 장치의 변형예를 나타낸 개략 측면도이다.
도 16은 다른 실시형태에서의 증속 기어 및 발전기를 나타낸 개략 측면도이다.
도 17은 또 다른 실시형태에서의 일방향 클러치 및 롤링 베어링을 확대하여 나타내는 축 연결 장치의 단면도이다.
도 18은 또 다른 실시형태에서의 일방향 클러치 및 롤링 베어링을 확대하여 나타내는 축 연결 장치의 단면도이다.
도 19는 본 발명의 제3 실시형태에 관한 풍력 발전 장치를 나타낸 개략 측면도이다.
도 20은 상기 풍력 발전 장치에서의 증속 기어의 출력축과 발전기의 구동축의 연결 부분으로서, 특히, 일방향 클러치 및 롤링 베어링의 구조를 상세하게 나타낸 단면도이다.
도 21은 상기 풍력 발전 장치에서의 일방향 클러치를 나타낸 단면도이다.
도 22는 상기 풍력 발전 장치에서의 증속 기어의 출력축과 발전기의 구동축의 연결 부분으로서, 특히, 일방향 클러치, 전자(電磁) 클러치, 및 롤링 베어링의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 23은 배경 기술의 증속 기어를 나타낸 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 첨부 도면을 참조하면서 설명한다.
도 1은, 본 발명의 제1 실시형태에 관한 풍력 발전 장치의 개략 측면도이다.
풍력 발전 장치(1)는, 블레이드(수풍 부재)(11), 지지 기둥(12), 및 나셀(nacelle)(13)을 포함한다. 블레이드(11)는, 주축(2)의 선단에 설치된 복수개의 날개를 포함하고, 바람을 받는 것에 의해 주축(2)을 회전시킨다. 나셀(13)은, 주축(2)과, 상기 주축(2)을 지지하기 위한 지지 기구(15)와, 주축(2)의 회전을 증속하는 증속 기어(3)와, 증속 기어(3)에 의해 증속된 회전동력에 의해 발전하는 발전기(4)와, 이들을 수용하는 케이싱(18) 등을 포함하고 있다. 지지 기둥(12)은, 수직 축 주위로 수평하게 선회 가능하도록 나셀(13)을 지지하고 있다.
도 2는, 증속 기어 및 발전기를 나타내는 개략 측면도이다.
발전기(4)는, 예를 들면 유도 발전기에 의해 구성되며, 증속 기어(3)에 의해 증속된 회전을 입력받아 회전하는 구동축(입력축)(41)과, 발전기(4)에 내장된 로터 (42)와, 도시하지 않은 스테이터 등을 가진다. 로터(42)는 구동축(41)에 일체로 회전 가능하게 연결되어 있고, 발전기(4)는, 구동축(41)이 회전하여 로터(42)가 구동되는 것에 의해 발전하도록 구성되어 있다. 또, 구동축(41)에는, 상기 구동축(41)을 제동하기 위한 브레이크(44)가 설치되어 있다.
증속 기어(3)는, 주축(2)의 회전을 입력받아 그 회전을 증속하는 기어 기구(회전 전달 기구)(30)를 포함한다. 이 기어 기구(30)는, 유성 기어 기구(planetary gear mechanism)(31)와, 이 유성 기어 기구(31)에 의해 증속된 회전을 입력받고 그 회전을 더 증속하는 고속단 기어 기구(32)를 포함하고 있다.
유성 기어 기구(31)는, 내부 기어(링 기어)(31a)와, 주축(2)에 일체로 회전 가능하게 연결된 유성 캐리어(도시하지 않음)에 유지된 복수의 유성 기어(31b)와, 유성 기어(31b)에 서로 치합하는 태양 기어(31c)를 가지고 있다. 이로써, 상기 주축(2)와 함께 유성 캐리어가 회전하면, 유성 기어(31b)를 통하여 태양 기어(31c)가 회전하고, 그 회전이 고속단 기어 기구(32)의 저속축(33)에 전달된다.
고속단 기어 기구(32)는, 저속 기어(33a)를 가지는 저속축(33)과, 제1 중간 기어(34a) 및 제2 중간 기어(34b)를 가지는 중간축(34)과, 고속 기어(35a)를 가지는 출력축(35)을 포함한다.
저속축(33)은, 그 직경이 예를 들면 약 1m의 대형의 회전축으로 이루어지고, 주축(2)과 동심으로 배치되어 있는 저속축(33)의 축 방향 양 단부는 롤러 베어링(36a, 36b)에 의해 회전 가능하게 지지된다.
중간축(34)은, 저속축(33)의 위쪽에 배치되어 있고, 그 축 방향 양 단부는 롤러 베어링(37a, 37b)에 의해 회전 가능하게 지지되어 있다. 중간축(34)의 제1 중간 기어(34a)는 저속 기어(33a)와 치합하고, 제2 중간 기어(34b)는 고속 기어(35a)와 서로 치합하고 있다.
출력축(35)은, 중간축(34)의 위쪽에 배치되어 회전 토크를 출력한다. 출력축(35)의 축 방향의 일단부(35b) 및 타단부(출력단부)(35c)는 각각 롤러 베어링(38, 39)에 의해 회전 가능하게 지지된다.
이상의 구성에 의해, 주축(2)의 회전은, 유성 기어 기구(31)의 기어비, 저속기어(33a)와 제1 중간 기어(34a)와의 기어비, 및 제2 중간 기어(34b)와 고속 기어(35a)와의 기어비에 의해 3단계로 증속되어, 출력축(35)의 출력단부(35c)로 회전 토크가 출력된다. 즉, 풍력에 의한 주축(2)의 회전은, 증속 기어(3)에 의해 3단계로 증속되어, 발전기(4)를 구동한다.
도 11은, 예컨대 출력축(35)의 제1 단부를 지지하는, 증속 기어의 롤러 베어링을 나타낸 단면도이다. 도 11에서, 롤러 베어링(38)은, 원통 롤러 베어링으로 이루어지고, 출력축(35)에 외측에서 끼워 고정된 내륜(38a)과, 하우징(도시하지 않음)에 고정된 외륜(38b)과, 내륜(38a)과 외륜(38b)의 사이에 전동(rolling) 가능하게 배치된 복수의 원통 롤러(38c)와, 각각의 원통 롤러(38c)를 원주 방향을 따라 소정 간격마다 유지하는 환형의 케이지(38d)를 포함한다. 내륜(38a), 외륜(38b), 원통 롤러(38c)는 예를 들면 베어링 강철에 의해 형성되어 있고, 케이지(38d)는 예를 들면 구리 합금에 의해 형성되어 있다.
내륜(38a)은, 그 외주의 축 방향 중앙부에 형성된 내륜 궤도면(38a1)을 가지고 있다. 외륜(38b)은, 내륜(38a)과 동심 상에 배치되어 있고, 그 내주의 축 방향 중앙부에 형성된 외륜 궤도면(38b1)과, 이 외륜 궤도면(38b1)의 축 방향 양측에 형성된 한쌍의 외륜 플랜지부(38b2)를 가지고 있다. 외륜 궤도면(38b1)은, 내륜 궤도면(38a1)에 대향하여 배치되어 있다. 외륜 플랜지부(38b2)는, 외륜(38b)의 내주의 축 방향 양 단부로부터 직경 방향 내측을 향해 돌출되어 형성되어 있고, 이 외륜 플랜지부(38b2)에 원통 롤러(38c)의 단면(端面)이 슬라이드 접촉한다.
원통 롤러(38c)는, 내륜(38a)의 내륜 궤도면(38a1)과 외륜(38b)의 외륜 궤도면(38b1)의 사이에 전동(rolling) 가능하게 배치되어 있다.
케이지(38d)는, 축 방향으로 이격되어 배치된 한쌍의 원환부(圓環部)(38d1)와, 이 원환부(38d1)의 원주 방향을 따라 등 간격으로 배치되어 양 원환부(38d1)를 서로 연결하는 복수의 필러부(38d2)를 포함한다. 한 쌍의 원환부(38d1)와, 서로 인접하는 필러부(38d2)들 사이에는, 각각 포켓(38d3)이 형성되어 있고, 이 포켓(38d3) 내에 각각의 원통 롤러(38c)가 배치되어 있다. 그리고 대형의 풍력 발전 장치(1)에서는, 증속 기어(3)의 출력축(35)을 지지하는 롤러 베어링에 큰 부하가 가해지므로, 거기에 사용되는 롤러 베어링(38)은, 강성이 높고 또한 출력축(35)의 열에 의한 축 방향의 신축을 적절하게 흡수할 수 있는 것이 바람직하다. 단, 상기 롤러 베어링으로서 볼 베어링이나 원추 롤러 베어링을 사용해도 된다
도 2에서, 풍력 발전 장치(1)는, 증속 기어(3)의 출력축(35)과, 발전기(4)의 구동축(41)을 일체로 회전 가능하게 접속하는 축 연결 장치(커플링 장치)(9)를 포함한다. 이 축 연결 장치(9)는, 입력 회전체(내측 회전체)(5)와, 출력 회전체(외측 회전체)(6)와, 일방향 클러치(7)와, 롤링 베어링(8)을 포함하고, 클러치 유닛으로서도 구성되어 있다. 또, 축 연결 장치(9)는, 구동축(41)용의 브레이크(44)보다도 증속 기어(3)측에 더 가깝게 설치되어 있다.
도 3은, 축 연결 장치를 나타낸 측면도(일부 단면도)이다. 도 4는, 도 3에서의 A-A선에 따른 단면도이다.
입력 회전체(5)는, 축부(51)와, 이 축부(51)의 축 방향 일단부(도 3에서의 좌단부)에 설치된 입력측 연결부(52)를 포함하고 있다. 이 입력측 연결부(52)가 출력축(35)에 일체로 회전 가능하고 또한 착탈(着脫) 가능하게 연결되어 있다.
출력 회전체(6)는, 입력 회전체(5)와 동심으로 배치되어 있고, 원통 형상으로 형성된 원통부(61)와, 이 원통부(61)의 축 방향 타단부(도 3에서의 우단부)에 설치된 출력측 연결부(62)를 포함한다. 이 출력측 연결부(62)가 구동축(41)에 일체로 회전 가능하고 또한 착탈 가능하게 접속되어 있다.
일방향 클러치(7)는, 입력 회전체(5)와 출력 회전체(6) 사이에서, 직경 방향으로 서로 대향하여 중접되는 부분에 배치되어 있다. 또, 롤링 베어링(8)은, 입력 회전체(5)와 출력 회전체(6)의 사이에서 일방향 클러치(7)의 축 방향 양측에 배치되어 있다. 일방향 클러치(7)는, 출력축(35)의 회전을 입력 회전체(5) 및 출력 회전체(6)를 통하여 구동축(41)에 접속/차단할 수 있는 방식으로 전달하기 위해 설치되고, 롤링 베어링(8)은 출력축(35)과 구동축(41)을 서로 지지하기 위해 설치되어 있다. 그리고 본 실시형태의 풍력 발전 장치(1)는, 롤링 베어링(8)이 일방향 클러치(7)의 축 방향 양측에 배치되어 있지만, 일방향 클러치(7)의 축 방향 한쪽 측에만 배치되어 있어도 된다.
도 3에서, 입력측 연결부(52)는, 축부(51)의 일단부에 고정된 플랜지부(52a)와, 이 플랜지부(52a)와 출력축(35) 사이에 개재하는 휨 부재(52b)를 포함한다. 축부(51)는, 원기둥 형상으로 형성되고, 축 방향 일단부(도 3에서의 좌단부)의 외주면에는 키홈(51b)이 형성되어 있다. 플랜지부(52a)는, 원환형으로 형성되고 또한 직경 방향 외측으로 돌출하는 복수(예를 들면 4개)의 돌출부(52al)(도 4 참조)를 원주 방향으로 간격을 두고 포함하고 있다. 각각의 돌출부(52a1)에는 볼트 삽통공(52a2)이 관통하여 형성되어 있다. 플랜지부(52a)의 중심부에는, 끼워맞춤 구멍(52a3)이 형성되고, 이 끼워맞춤 구멍(52a3)에 축부(51)의 일단부가 밀어넣기 등에 의해 끼워맞추어져 있다. 또, 끼워맞춤 구멍(52a3)에는, 키홈(52a4)이 형성되어 있다. 축부(51)과 플랜지부(52a)는, 2개의 키홈(52a4, 51b)에 키(53)가 장착되는 것에 의해, 일체로 회전 가능하게 연결된다.
출력측 연결부(62)는, 원통부(61)의 축 방향 타단부에 설치된 플랜지부(62a)와, 이 플랜지부(62a)와 구동축(41)과의 사이에 개재하는 휨 부재(62b)를 포함한다. 플랜지부(62a)는, 단조 등에 의해 원통부(61)의 일단부에 일체 형성되고, 원통부(61)의 외주면으로부터 직경 방향 외측으로 돌출하고, 볼트 삽통공(62a1)이 관통하여 형성되어 있다. 또, 플랜지부(62a)는, 입력측 연결부(52)의 플랜지부(52a)의 돌출부(52a1)와 마찬가지로, 원주 방향으로 간격을 두고 복수(예를 들면, 4개) 설치되어 있다.
입력측 연결부(52)의 휨 부재(52b)는, 플랜지부(52a)와, 출력축(35)의 출력단부(35c)에 설치된 플랜지부(35c1) 사이에 배치되어 있다. 또, 출력측 연결부(62)의 휨 부재(62b)는, 플랜지부(62a)와, 구동축(41)의 입력단부에 설치된 플랜지부(41a) 사이에 배치되어 있다. 이 휨 부재(52b, 62b)는, 복수의 링크 형상 부재 또는 디스크형 부재로 이루어지고, 각각 볼트 및 너트로 이루어지는 체결구(52c, 62c)에 의해 각각의 플랜지부(52a, 35c1, 62a, 41a)에 연결되어 있다.
이 휨 부재(52b, 62b)는, 자체의 휨(탄성 변형)에 의해 출력축(35)과 구동축(41)과의 사이의 편심이나 편각(축 중심의 어긋남) 등의 부정합을 흡수하는 기능을 가진다. 이 휨 부재(52b, 62b)의 구성이나 이것과 조합하여 사용되는 플랜지부(52a, 35c1, 62a, 41a)의 구성은 특히 한정되지 않고, 상기 기능을 가지는 것이라면 종래에 공지된 구조(예를 들면, 일본공개특허 제2006-250034호 공보, 일본공개특허 제2001-349335호 공보 등에 기재된 구성)를 적용할 수도 있다. 또, 입력측 연결부(52)는 출력축(35) 측의 플랜지부(35c1)를 구성 요소로서 포함해도 되고, 출력측 연결부(62)는, 구동축(41) 측의 플랜지부(41a)를 구성 요소로서 포함해도 된다.
입력 회전체(5)의 축부(51)와 출력 회전체(6)의 원통부(61) 사이에는, 그 내
부에 배치된 일방향 클러치(7) 및 롤링 베어링(8)을 윤활하기 위한 그리스(윤활제)가 충전된다. 그리고 축 연결 장치(9)는, 일방향 클러치(7) 및 롤링 베어링(8)의 수용 영역인 축부(51)와 원통부(61) 사이에 그리스(grease)를 충전하기 위한 밀봉 공간을 형성하는 밀봉 수단(10)을 포함한다. 이 밀봉 수단(10)은, 좌측의 롤링 베어링(8)과 입력 회전체(5)의 플랜지부(52a) 사이에서 축부(51)의 외주면에 끼워맞추어진 환형의 실 수용 부재(101)와, 이 실 수용 부재(101)의 외주면과 출력 회전체(6)의 원통부(61)의 내주면의 간극에 설치된 환형의 제1 실링 부재(102)와, 원통부(61)의 우측단 측의 개구를 막는 커버 부재(103)와, 이 커버 부재(103)와 원통부(61)의 단면과의 사이에 설치된 O 링으로 이루어지는 제2 실링 부재(104)를 포함한다. 커버 부재(103)는, 원형으로 형성된 금속제의 판재로 이루어지고, 플랜지부(62a)의 근부(base)에 장착 나사(103a)에 의해 착탈 가능하게 장착되어 있다. 이와 같은 밀봉 수단(10)을 포함하는 것에 의해 입력 회전체(5)의 축부(51)와 출력 회전체(6)의 원통부(61)의 사이에 윤활유를 봉입하고, 일방향 클러치(7) 및 롤링 베어링(8)을 적절하게 윤활 하는 것이 가능하다.
그리고, 축부(51)와 원통부(61) 사이의 밀봉 공간에서의 일방향 클러치(7)의 영역과 롤링 베어링(8)의 영역은 축 방향으로 연통 되어, 그리스가 일방향 클러치(7)와 롤링 베어링(8) 사이에서 퍼져 나갈 수 있다. 또, 그리스는 원심력에 의해 직경 방향 외측으로 치우치기 쉽기 때문에, 본 실시형태와 같이 일방향 클러치(7)의 외륜 내주면(72a) 및 롤링 베어링(8)의 외륜 궤도면(82a) 측에서 밀봉 공간이 연통되어 있는 것이 바람직하다.
또, 원통부(61)의 외주부에는, 그리스 닙플(grease nipple)(체크 밸브 부착 급유구)(64)이 장착된 급유 구멍(61a)이 상기 밀봉 공간에까지 직경 방향으로 관통하여 형성되어 있다. 이 급유 구멍(61a)은, 일방향 클러치(7)와 한쪽의 롤링 베어링(8)과의 사이에 대응하여 설치되어 있다. 구체적으로, 급유 구멍(61a)은, 일방향 클러치(7)의 외륜 내주면(72a)과 롤링 베어링(8)의 외륜 궤도면(82a)의 사이에 대응하여 형성되어 있다. 또, 급유 구멍(61a)은 원주 방향의 복수 개소, 예를 들면, 도 4에 나타낸 바와 같이 4개소에 등간격으로 설치되고, 그 중 임의의 하나의 급유 구멍(61a)으로부터 밀봉 공간 내에 그리스를 공급하는 것이 가능하다.
또, 임의의 하나의 급유 구멍(61a)으로부터 그리스를 공급할 때, 다른 급유 구멍(61a)의 그리스 닙플(64)을 분리함으로써, 상기 다른 급유 구멍(61a)으로부터 폐윤활유를 배출할 수 있다. 따라서, 급유 구멍(61a)은, 윤활유의 공급부로서의 기능 뿐아니고 배출부로서의 기능도 가지고 있다. 그리고 윤활유의 배출은, 급유 구멍(61a)에 한정되지 않고, 커버 부재(103)를 출력 회전체(6)로부터 분리하는 것에 의해서도 행할 수 있다. 이 경우, 원통부(61)의 단부의 개구 전체를 개방하는 것이 가능하므로, 효율적으로 그리스를 배출할 수 있다.
출력 회전체(6)가 회전하면 급유 구멍(61a)의 위치도 변동하지만, 상기 급유 구멍(61a)은 원주 방향으로 복수 형성되어 있으므로, 가장 급유하기 쉬운 위치에 배치된 급유 구멍(61a)을 선택하여 급유할 수 있다. 따라서, 급유 작업을 용이하게 행할 수 있다.
또, 급유 구멍(61a)은, 일방향 클러치(7)와 한쪽의 롤링 베어링(8) 사이에 대응하여 형성되어 있으므로, 양자에 대한 그리스의 공급을 확실하게 행할 수 있다. 급유 구멍(61a)은, 일방향 클러치(7)와 다른 쪽의 롤링 베어링(8) 사이에 대응하여 설치되어 있어도 되고, 일방향 클러치(7)와 양쪽의 롤링 베어링(8) 사이에 대응하여 설치되어 있어도 된다. 그리고 일방향 클러치(7)의 윤활에 사용하는 그리스는, 한정되는 것은 아니지만, 온도 변화에 영향을 쉽게 받지 않도록, 베이스 오일로서 에스테르(ester) 및 우레아(urea)계의 증점제(thickener)를 사용하는 것이 바람직하다.
원통부(61)의 축 방향 일단부(도 3에서의 좌단부)의 단면과, 이 단면에 대향하는 입력 회전체(5)의 플랜지부(52a)의 단면 사이에는, 간극 s2가 형성되어 있다. 또, 축부(51)의 선단과 커버 부재(103) 사이에는 간극 s3가 형성되어 있다. 이 간극 s2, s3에 의해, 출력 회전체(6)는, 구동축(41)으로부터 출력 회전체(6)가 접속 해제된 상태로, 입력 회전체(5)에 대해 축 방향을 따라 이동할 수 있다.
도 5는, 일방향 클러치 및 롤링 베어링을 확대하여 나타내는 축 연결 장치의 단면도이다.
도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 일방향 클러치(7)는, 내륜(71) 및 외륜(72)과, 이 내륜(71)의 외주면(71a)과 외륜(72)의 내주면(72a) 사이에 배치된 복수의 롤러(연결 부재)(73)를 포함하고 있다.
내륜(71)은, 입력 회전체(5)의 축부(51)의 축 방향 중간부에 끼워져 고정되어 있고, 축부(51)와 일체로 회전하도록 되어 있다. 출력 회전체(6)에서의 원통부(61)의 축 방향 중간부의 영역 B는, 일방향 클러치(7)의 외륜(72)에 대응한다. 따라서, 원통부(61)의 영역 B의 내주면이, 롤러(73)가 전동(rolling)하는 외륜 내주면(72a)을 구성한다. 본 실시형태에서는, 롤러(73)가 원기둥 형상으로 형성되고, 원주 방향으로 8개 설치되어 있다.
일방향 클러치(7)는, 각 롤러(73)를 원주 방향을 따라 소정 간격마다 유지하는 환형의 케이지(74)와, 각 롤러(73)를 일방향으로 탄성적으로 가압하는 복수의 탄성 부재(가압 부재)(75)를 더 포함한다.
도 7은, 일방향 클러치의 케이지를 나타내는 사시도이다. 도 7에서, 케이지(74)는, 축 방향으로 대향하는 한 쌍의 원환부(76)와, 이들 원환부(76)와는 별개로 형성되고 양 원환부(76)에 축 방향 양단부가 각각 끼워맞추어진 복수의 필러부(77)를 가지고 있다. 양 원환부(76) 및 원주 방향으로 인접하는 필러부(77)에 의해 에워싸인 공간에 의해 포켓(78)이 형성되어 있고, 각 포켓(78)에 각 롤러(73)가 개별적으로 수용되어 있다(도 4 참조).
원환부(76)는, 탄소강이나 알루미늄 등의 금속 재료에 의해 형성되고, 예를 들면, 외경이 300mm, 축 방향의 두께가 15mm로 설정되어 있다. 원환부(76)의 내주에는, 원주 방향으로 소정 간격을 두고 복수의 오목부(76a)가 형성되어 있다.
필러부(77)는, 본체부(77a)와, 본체부(77a)의 원주 방향의 일단면에 돌출된 돌기부(77b)와, 본체부(77a)의 축 방향 양 단부에 각각 형성된 한 쌍의 끼워맞춤부(77c)를 가지고 있다. 그리고 본체부(77a), 돌기부(77b), 및 끼워맞춤부(77c)는 합성 수지 재료를 사출 성형하는 것에 의해 일체 형성되어 있다.
돌기부(77b)는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 포켓(78) 내에 수용된 탄성 부재 (75)를 안내(위치를 잡아주는)하는 것이다. 구체적으로는, 돌기부(77b)는, 선단을 향함에 따라서 서서히 가늘게 되도록 형성되어 있다. 그리고 탄성 부재(75)가, 돌기부(77b)의 선단측으로부터 여유를 가지고 끼워지도록 되어 있다. 그리고 탄성 부재(75)는, 축 방향으로 가늘고 길게 형성된 압축 코일 스프링으로 형성되어 있지만, 탄성 부재(75)는 판스프링 등의 다른 형태의 스프링이라도 된다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 끼워맞춤부(77c)는, 본체부(77a)보다도 직경 방향의 두께가 얇게 형성되어 있다. 이 끼워맞춤부(77c)를 오목부(76a)에 끼워맞춰진 상태에서 원환부(76)의 외주면과 본체부(77a)의 외주면이 실질적으로 동일한 레벨이 되도록 끼워맞춤부(77c)의 두께가 설정되어 있다.
이상과 같이 케이지(74)는, 원환부(76)와 필러부(77)로 구성되고, 이것들은 서로 별개로 형성되어 있으므로, 원환부(76) 및 필러부(77)를 각각 개별적으로 제작할 수 있다. 따라서, 케이지(74)의 전체를 일체로 제작하는 경우에 비해, 케이지(74)를 용이하게 제작할 수 있다. 특히, 풍력 발전 장치(1)에 사용되는 케이지(74)는 대형이며, 전체를 일체로 제작하는 것이 곤란하므로, 원환부(76)와 필러부(77)을 별개로 구성하는 것이 보다 유익하다. 또, 원환부(76)를 금속제로 함으로써 케이지(74)의 강도를 충분히 확보할 수 있고, 필러부(77)를 합성 수지제로 함으로써 케이지(74) 전체의 경량화를 도모할 수 있다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 내륜(71)의 외주면(71a)에는 롤러(73)와 같은 수(8개)의 평탄한 캠면(71a1)이 형성되어 있고, 외륜(72)의 내주면(72a)은 원통면으로 형성되어 있다. 내륜(71)의 캠면(71a1)과 외륜(72)의 원통면(72a) 사이에는, 쐐기형 공간 S가 원주 방향으로 복수(8개소) 형성되어 있다.
도 6은, 일방향 클러치의 주요부를 확대하여 나타낸 단면도이다.
롤러(73)는 각각의 쐐기형 공간 S에 개별적으로 배치되어 있다. 또, 롤러(73)는, 탄성 부재(75)에 의해 쐐기형 공간 S가 좁아지는 방향으로 가압되어 있다. 롤러(73)의 외주면은, 내륜(71)의 캠면(71a1) 및 외륜(72)의 내주면(72a)에 접촉하는 접촉면(73a)으로 되어 있고, 이 접촉면(73a)은 폭 방향(축 방향)으로 똑바르게 형성되어 있다.
이상과 같이 구성된 일방향 클러치(7)에서는, 입력 회전체(5)가 증속 회전함으로써, 입력 회전체(5)의 회전 속도가, 출력 회전체(6)의 회전 속도를 초과하는 경우에는, 내륜(71)이 외륜(72)에 대해서 일방향(도 4의 반시계 회전 방향; 도 6의 화살표 a 방향)으로 상대적으로 회전하도록 한다. 이 경우, 탄성 부재(75)의 가압력에 의해, 롤러(73)는 쐐기형 공간 S가 좁아지는 방향(도 6의 우측 방향)으로 약간 이동하여, 롤러(73)의 접촉면(73a)이 내륜(71)의 외주면(71a)(캠면(71al); 치합되는 면) 및 외륜(72)의 내주면(치합되는 면)(72a)로 밀어지고, 롤러(73)가 내외륜(71, 72)의 사이에 치합된 상태로 된다. 이로써, 내외륜(71, 72)은 상기 일방향 a으로 일체로 회전 가능하게 되어 입력 회전체(5)와 출력 회전체(6)를 일체로 회전 가능하게 접속할 수 있다.
또, 입력 회전체(5)가 증속 회전 후에 일정 속도로 회전하면, 입력 회전체(5)의 회전 속도가 출력 회전체(6)의 회전 속도와 동일하게 되고, 롤러(73)가 내외륜(71, 72)의 사이에 치합된 상태로 유지된다. 그러므로 일방향 클러치(7)는, 내외륜(71, 72)이 상기 일방향으로 일체로 회전하는 것을 유지하여, 입력 회전체(5) 및 출력 회전체(6)는 일체로 회전을 계속한다.
한편, 입력 회전체(5)가 감속 회전함으로써, 입력 회전체(5)의 회전 속도가, 출력 회전체(6)의 회전 속도보다 낮은 경우, 내륜(71)이 외륜(72)에 대해서 다른 방향(도 4의 시계 회전 방향; 도 6의 화살표 h 방향)으로 상대적으로 회전한다. 이 경우에는, 탄성 부재(75)의 가압력에 저항하여, 롤러(73)가 쐐기 공간 S가 넓어지는 방향으로 약간 이동함으로써, 롤러(73)와 내외륜(71, 72)의 치합이 해제된다. 이와 같이, 롤러(73)의 치합이 해제되는 것으로, 입력 회전체(5)와 출력 회전체(6)의 접속이 차단된다.
그리고 각각의 쐐기형 공간 S를 형성하는 외륜 내주면(72a)은, 원주 방향으로 연속하는 원통면의 일부(원호면)로 구성되어 있지만, 원주 방향으로 연속되지 않는 원호면, 예를 들면, 원주 방향으로 인접하는 쐐기형 공간 S의 외륜 내주면(72a)의 사이에 평탄면이나 변곡점이 개재하도록 한 독립된 원호면이라도 된다.
입력 회전체(5)에서, 일방향 클러치(7)의 내륜(71)은, 축부(51)에 대하여 소정의 체결도(interference)를 가지고 억지 끼워맞춤(interference fit)에 의해 끼워맞추어져 있다. 따라서 축부(51)에 대한 내륜(71)의 체결력에 의해 양자가 일체로 회전 가능해진다. 또, 축부(51)에 대한 내륜(71)의 체결력은, 롤러(73)와 내외륜(71, 72)의 치합에 의해 증대하도록 되어 있다. 이 작용에 대하여 상세하게 설명한다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 내륜(71)이 외륜(72)에 대해서 도 6의 화살표 a 방향으로 상대적으로 회전하려고 했을 때, 캠면(71a1)과 외륜 외주면(72a)에 롤러(73)가 치합되고, 롤러(73)는, 도 8의 (a) 및 (b)에 나타낸 바와 같이, 외륜 내주면(72a)으로부터 하중 Fa, Fb를 받고, 내륜(71)의 캠면(71a1)은, 하중 Fa, Fb의 분력인 수직 성분 하중 Fa1, Fb1를 롤러(73)로부터 받는다. 따라서 이 수직 성분 하중 Fa1, Fb1에 의해 축부(51)에 대한 내륜(71)의 체결력은 증대한다.
그러므로 축부(51)와 내륜(71)과의 끼워맞춤에 의한 체결력(이하, '초기 체결력'이라 함)에 의해 축부(51)로부터 내륜(71)에 전달 가능한 토크(전달 토크) T2는, 풍력 발전 장치(1)를 작동시키기 위한 부하 토크(발전기(4)의 로터(42)를 돌리기 위한 발전 토크나 관성 토크)가 최대가 되었을 때에, 축부(51)로부터 내륜(71)에 전달되어야 할 최대의 전달 토크 T1max 보다도 작게 할 수 있다. 즉, T2와 T1max를,
T1max>T2···(1)
의 관계로 설정할 수 있다.
또, 롤러(73)와 내외륜(71, 72)과의 치합에 의한 체결력(이하, '추가 체결력'이라고 함)에 의해 축부(51)로부터 내륜(71)에 전달 가능한 전달 토크를 T3로 했을 때, T2와 T3를 가산한 값이, 풍력 발전 장치(1)를 작동시키기 위하여 필요한 최소한의 전달 토크 T1보다도 항상 크다. 즉, 다음 관계가 성립된다.
T1<T2+T3···(2)
특히, 부하 토크가 최대로 되었을 때의 추가 체결력으로, 축부(51)로부터 내륜(71)에 전달 가능한 전달 토크 T3max는, 이하의 조건을 만족시킨다.
T1max<T2+T3max···(3)
이상의 부하 토크와 각 전달 토크 T1~T3와의 관계는, 도 9에 그래프로 나타낸 것과 같다. 그리고 전술한 최대 부하 토크란, 풍력 발전 장치(1)의 설계 조건으로서 가정한 최대 부하 토크를 말하고, 풍력 발전 장치(1)가 고장났을 때나 이상 기상에 의해 가정을 초과하는 풍속의 급변동이 생겼을 때 등에 발생하는 과도한 부하 토크는 아니다.
상기 (1)~(3)의 관계를 만족시키는 것에 의해, 축부(51)와 내륜(71)의 끼워맞춤에 의한 초기 체결력을 가급적으로 작게 할 수 있고, 양자의 끼워맞춤에 필요한 체결 마진(interference)을 작게 하고, 이 끼워맞춤에 의한 내륜(71)에 생기는 내부 응력(특히 원주 방향의 응력)을 작게 할 수 있다. 내륜(71)의 내부 응력을 작게 함으로써 내륜(71)의 내구성을 높이고, 일방향 클러치(7), 나아가서는 축 연결 장치(9)의 수명을 높일 수 있다. 그리고 축부(51)와 내륜(71)의 사이의 체결 마진은 최소 10㎛로 할 수 있다.
그리고, 일방향 클러치(7)의 내륜(71)을 생략하고, 축부(51)에 직접 캠면을 형성하면, 상기와 같은 끼워맞춤에 따르는 내륜(71)의 응력 집중을 억제할 수 있ㅇ어 바람직하다. 그러나 본 실시형태와 같이 풍력 발전 장치(1)에 사용되는 일방향 클러치(7)는 대형이므로, 축부(51)에 직접 캠면을 형성하는 것은 어렵고 현실적이지 않다. 따라서, 상기 (1)~(3)과 같이 각 전달 토크 T1~T3와 부하 토크와의 관계를 설정하는 것이 가장 유효하다.
한편, 부하 토크의 증대에 따라, 롤러(73)와 내외륜(71, 72)과의 치합에 의한 체결력이 과도하게 커지면, 내륜(71)의 부담이 크게 되고, 오히려 내구성이 저하되어 버릴 우려가 있다. 그러므로 본 실시형태에서는, 부하 토크가 커질수록, 부하 토크의 증가분에 대한, 롤러(73)로부터 내륜(71)(캠면(71al))에 가해지는 수직 성분 하중의 증가분을 작게 하여, 내륜(71)에의 부담을 가급적으로 작게 할 수 있다.
구체적으로는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 외륜 내주면(72a)은, 원호면으로서 형성되어 있으므로, 쐐기형 공간 S가 좁은 영역일수록, 쐐기각은 커진다. 도 8의 (a)는, 쐐기형 공간 S가 비교적 넓고, 쐐기각 θa가 작은 영역에 롤러(73)가 위치한 상태를 나타내고, 도 8의 (b)는, 쐐기형 공간 S가 비교적 좁고, 쐐기각 θb가 큰 영역에 롤러(73)가 위치한 상태를 나타내고 있다.
또, 롤러(73)가 쐐기형 공간 S의 넓은 영역에 위치하는 것은, 롤러(73)와 내외륜(71, 72)의 치합의 초기 단계와 같이, 예를 들면 비회전 상태로부터 컷인(cut-in) 풍속(발전에 필요한 최저 풍속)에 이른 때나, 컷인 풍속으로 회전이 일정하고 안정적으로 된 때 등과 같이 부하 토크가 작은 경우이며, 또, 롤러(73)가 쐐기형 공간 S의 좁은 영역에 위치하는 것은, 정격 풍속 이상의 풍속으로 되고 정격 출력에 도달했을 때 등의 부하 토크가 큰 경우이다. 컷인 풍속은, 순간 풍속이어도 되고, 소정 시간의 평균 풍속이라도 된다.
따라서, 도 8의 (a) 및 (b)에서, 외륜 내주면(72a)으로부터 롤러(73)에 부여되는 하중 Fa, Fb는,
Fa<Fb···(4)
의 관계에 있다.
그리고, 도 8의 (b)에서, 외륜 내주면(72a)으로부터 롤러(73)에 가해지는 하중 Fb에 대한 수직 성분 하중 Fb1의 비율(Fb/Fbl)은, 도 8의 (a)에서, 하중 Fa에 대한 수직 성분 하중 Fa1의 비율(Fa/Fa1)보다도 작아진다. 그러므로 부하 토크가 증대한다고 해도 수직 성분 하중 Fb1은 그만큼 크게 되지 않으므로, 내륜(71)에 대한 부담을 경감시킬 수 있다.
롤러(73)와 내외륜(71, 72)의 치합의 초기 단계에서의 부하 토크가 작용했을 때의 쐐기각 θa와 최대 부하 토크가 작용했을 때의 쐐기각 θb는,
1.0°<θb-θa<1.5°···(5)
의 관계로 설정되어 있다.
쐐기각 θa는, 4°~9°의 범위에 있는 것이 바람직하고, 쐐기각 θb는, 5.5°~10°의 범위에 있는 것이 바람직하다. 쐐기각 θa가 4°보다도 작으면, 롤러(73)로부터 캠면(71a1)에 가해지는 수직 성분 하중 Fa1가 필요 이상으로 커질 가능성이 있고, 쐐기각 θa가 9°를 넘으면, 다른 쪽의 쐐기각 θb가 너무 커져서, 롤러과 양 주면과의 치합이 불충분해질 가능성이 있다. 또, 쐐기각 θb가, 5.5°보다도 작으면, 다른 쪽의 쐐기각 θa가 너무 작아져서, 롤러(73)로부터 캠면(71a1)에 가해지는 수직 성분 하중 Fa1가 필요 이상으로 높아질 가능성이 있고, 쐐기각 θb가 10°을 넘으면, 롤러(73)와 내외륜(71, 72)의 치합이 불충분해질 가능성이 있다.
또, 쐐기각 θa와 θb의 비는,
1.1<θb/θa<1.4.··(6)
(보다 바람직하게는, 1.11<θb/θa<1.38)로 설정되어 있다.
쐐기각 θa, θb가 이상과 같은 관계로 설정되는 것에 의해, 롤러(73)와 내륜(71) 및 외륜(72)의 치합의 초기 단계부터 부하 토크가 최대가 되기까지, 축부(51)와 내륜(71)의 토크 전달을 확실하게 행할 수 있는 동시에 내륜(71)의 부담도 경감시킬 수 있다.
상기 (5), (6)과 같은 관계는, 외륜(72)의 내경, 롤러(73)의 외경이나 P. C. D, 외륜 내주면(72a)과 캠면(71a1)의 간격 등을 조정함으로써 설정할 수 있다. 또, 일방향 클러치(7)에서의 롤러(73)의 수는 4개~8개로 설정하는 것이 바람직하다. 롤러(73)의 수가 8개를 넘으면, 외륜 내주면(72a)으로부터 각 롤러(73)에의 하중 Fa, Fb가 분산되고, 롤러(73)로부터 캠면(71a1)에의 수직 성분 하중 Fal, Fb1가 작아져ㅅ서축부(51)에 대한 내륜(71)의 체결력을 충분히 얻을 수 없게 될 가능성이 있다. 또, 롤러(73)의 수가 4개 보다 적으면, 축부(51)에 대한 내륜(71)의 체결력이 지나치게 커져서, 내륜(71)으로의 국소적인 부담이 커진다.
도 5에서, 한 쌍의 롤링 베어링(8)은, 입력 회전체(5)의 축부(51)와 출력 회전체(6)의 원통부(61)의 사이에 각각 배치되어 있고, 입력 회전체(5) 및 출력 회전체(6)를 서로 상대적으로 회전 가능하게 지지하고 있다. 또, 각각의 롤링 베어링(8)은, 일방향 클러치(7)의 축 방향 양측에 각각 와셔(포지셔닝 부재)(91)를 통하여 인접하여 배치되어 있다.
각 롤링 베어링(8)은, 베어링 링(bearing ring)으로서 기능하는 내륜(81) 및 외륜(82)과, 내륜(81)과 외륜(82)의 사이에 전동(轉動) 가능하게 배치된 복수의 원통 롤러(롤링 부재)(83)와, 복수의 원통 롤러(83)의 원주 방향의 간격을 유지하는 케이지(84)를 포함한 원통 롤러 베어링으로 이루어진다.
내륜(81)은, 외주에 형성된 내륜 궤도면(81a)과, 이 내륜 궤도면(81a)의 축 방향 양측에서 직경 방향 외측으로 돌출되어 형성된 내륜 플랜지부(81b)를 가지고 있다. 각각의 내륜 플랜지부(81b)의 내측면에는, 원통 롤러(83)의 양 단면이 각각 슬라이드 접촉하도록 되어 있다. 또, 일방향 클러치(7)에 인접하는 내륜 플랜지부(81b)는, 그 직경 방향 외측 단부가, 일방향 클러치(7)의 케이지(74)의 축 방향 측방에 위치하도록 일방향 클러치(7)의 내륜(71)보다도 직경 방향 외측으로 돌출되어 있다.
출력 회전체(6)에서의 원통부(61)의 축 방향 양 단부의 영역 A 및 영역 C는, 롤링 베어링(8)의 외륜(82)으로 되어 있고, 이 영역 A, C의 각각의 내주면에 외륜(82)의 외륜 궤도면(82a)이 형성되어 있다. 이 외륜 궤도면(82a)과 내륜 궤도면(81a)의 사이에는, 원통 롤러(83)가 전동 가능하게 배치되어 있다. 따라서, 출력 회전체(6)의 원통부(61)는, 일방향 클러치(7)의 외륜(72)와 롤링 베어링(8)의 외륜(82)을 겸하고 있어 일방향 클러치(7)의 외륜 내주면(72a)과 롤링 베어링(8)의 외륜 궤도면(82a)은 동일한 내경으로 형성되어 있다. 부가하자면, 일방향 클러치(7)의 외륜(72)과 롤링 베어링(8)의 외륜(82)은 일체로 형성되어 있다.
와셔(91)는, SPCC와 같은 금속제의 박판재를 링형으로 형성하는 것에 의해 구성되며, 그 단면 형상의 축 방향의 두께 치수는, 직경 방향의 폭 치수보다도 작게 형성되어 있다. 또, 와셔(91)는, 입력 회전체(5)의 축부(51)의 외주면에 끼워맞춤되어 일방향 클러치(7)의 내륜(71)과 롤링 베어링(8)의 내륜(81)으로 협지되어 있다. 또, 와셔(91)는, 일방향 클러치(7)의 내륜(71)보다도 직경 방향 외측으로 돌출되어 있고, 일방향 클러치(7)의 케이지(74)의 축 방향 측면에 접촉 가능하게 되어 있다.
따라서, 일방향 클러치(7)의 케이지(74)는, 와셔(91)에 의해 축 방향에 대해 위치가 결정된다. 또, 일방향 클러치(7)의 케이지(74)와 롤링 베어링(8)의 케이지(84) 사이에 와셔(91)가 배치되므로, 양자는 직접적으로 접촉하지 않는다. 따라서, 양 케이지(74, 84)가 접촉하는 것에 따른 마모나 눌러붙음을 방지할 수 있다. 또, 와셔(91)를 일방향 클러치(7)의 내륜(71)과 롤링 베어링(8)의 내륜(81) 사이에서 협지함으로써, 와셔(91)를 축부(51)에 대해서 여유있게 끼워맞추어도 상기 와셔(91)를 견고하게 고정시킬 수 있다. 따라서, 와셔(91)를 가급적으로 얇게 형성할 수 있는 동시에, 확실하게 케이지(74)의 위치결정을 행할 수 있다. 또, 롤링 베어링(8)의 내륜(81)에 형성된 플랜지부(81b)는, 일방향 클러치(7)의 내륜(71)보다도 직경 방향 외측으로 돌출하고, 케이지(74)의 축 방향 측방에 배치되어 있으므로, 내륜(81)의 플랜지부(81b)에 의해 와셔(91)를 백업하여, 보다 견고하게 와셔(91)를 지지할 수 있다. 그러므로, 와셔(91)를 더욱 얇게 형성할 수 있고, 와셔(91)를 설치하는 것에 수반하는 일방향 클러치(7)의 축 방향 치수의 증대를 억제할 수 있다.
그리고, 와셔(91)는, 일방향 클러치(7)와 롤링 베어링(8) 간의 그리스의 유통을 방해하지 않도록, 원통부(61)와의 사이에 그리스의 유통로가 되는 간극을 두고 배치되어 있다.
도 10의 (a)~(d)는, 축 연결 장치의 조립 순서를 나타내는 설명도이다.
이하, 도 10의 (a)~(d)를 참조하여 축 연결 장치(9)의 조립 순서를 설명한다. 먼저, 도 10의 (a)에 나타낸 바와 같이, 입력 회전체(5)의 축부(51)의 외주면에, 한쪽의 롤링 베어링(8), 와셔(91), 일방향 클러치(7)의 내륜(71), 케이지(74)의 원환부(76), 필러부(77), 원환부(76), 와셔(91), 다른 쪽의 롤링 베어링(8)을 순차적으로 장착한다. 이때, 롤링 베어링(8)은, 미리 그 내륜(81)에 케이지(84) 및 원통 롤러(83)이 장착되어 있다. 롤링 베어링(8)의 내륜(81) 및 일방향 클러치(7)의 내륜(71)은, 수축 끼워맞춤(shrink fitting) 또는 팽창 끼워맞춤(expansion fitting)에 의해 축부(51)의 외주면(51a)에 끼워맞춤으로써 장착한다. 따라서, 내륜(81, 71)은, 소정의 체결 마진을 가지고 끼워맞춤에 의해 축부(51)에 견고하게 끼워맞추어진다. 케이지(74)의 장착은, 먼저 한쪽의 원환부(76)를 내륜(71)의 외주면에 여유롭게 끼워맞추고, 이 원환부(76)의 각각의 오목부(76a)(도 7 참조)에, 필러부(77)의 한쪽의 끼워맞춤부(77c)(도 7 참조)를 끼워맞추고, 그 후, 다른 쪽의 원환부(76)을 내륜(71)에 여유롭게 끼워맞추면서, 그 오목부(76a)를 필러부(77)의 다른 쪽의 끼워맞춤부(77c)에 끼워맞추는 것에 의해 행한다.
이어서, 도 10의 (b)에 나타낸 바와 같이, 실 수용 부재(101)를 축부(51)의 외주면에 수축 끼워맞춤 등에 의해 끼워맞춘다. 또, 일방향 클러치(7)의 탄성 부재(75) 및 롤러(73)를 케이지(74)에 장착한다.
이어서, 도 10의 (c)에 나타낸 바와 같이, 출력 회전체(6)의 원통부(61)를, 입력 회전체(5)에 장착한 롤링 베어링(8)의 원통 롤러(83) 및 일방향 클러치(7)의 롤러(73)의 직경 방향 외측에 장착한다. 이때, 일방향 클러치(7)의 롤러(73)는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 포켓(78) 내에서 탄성 부재(75)에 의해 가압되고, 캠면(71a1)의 단부측에 위치하고 있으므로, 출력 회전체(6)의 원통부(61)의 내주면, 즉, 일방향 클러치(7)의 외륜 내주면(72a)보다도 직경 방향 외측으로 돌출된 상태로 된다. 그러므로, 원통부(61)를 롤러(73)의 직경 방향 외측에 끼워맞출 때에, 원통부(61)의 선단부(도면에서의 하단부)를 롤러(73)의 단부에 맞닿게 한 상태로, 탄성 부재(75)가 롤러(73)를 가압하는 방향과는 반대 방향으로 원통부(61)를 회전시킨다.
이로써, 롤러(73)를 캠면(71a1)의 중앙측으로 이동시키면서 직경 방향 내측으로 후퇴시킬 수 있고, 롤러(73)의 직경 방향 외측에 원통부(61)의 내주면을 용이하게 끼워맞추는 것이 가능해진다.
또, 풍력 발전 장치(1)는 대형이며, 축 연결 장치(9)의 각각의 부품도 대형화되기 때문에, 해당 부품을 크레인에 매단 불안정한 상태로 조립 작업이 행해지게 된다. 그러므로, 출력 회전체(6)의 원통부(61)를, 입력 회전체(5)에 장착한 일방향 클러치(7)의 롤러(73)의 직경 방향 외측에 장착할 때에, 원통부(61)의 선단부와 일방향 클러치(7)의 롤러(73)의 단부를 맞추는 것이 어렵다. 또, 롤러(73)는 탄성 부재(75)에 의해 가압되어 캠면(71a1)의 원주 방향 단부측에 위치하고 있으므로, 원통부(61)를 롤러(73)의 직경 방향 외측에 장착하기 위해서는, 상기 롤러(73)를 캠면(71a1)의 원주 방향 중앙측으로 움직일 필요가 있지만, 원통부(61)의 선단부와 일방향 클러치(7)의 롤러(73)의 단부와의 위치를 맞추기 어려운 상태에서는 조립 작업이 현저하게 어렵다. 본 실시형태에서는, 원통부(61)의 선단 내주면에는, 내경을 확대하도록 테이퍼면(61b)이 형성되어 있다. 그리고 이 테이퍼면(61b)을 롤러(73)의 단부에 대해 가압함으로써, 원통부(61)의 선단부와 롤러(73)의 단부와의 위치맞춤을 용이하게 하고, 원통부(61)의 선단부를 롤러(73)의 단부에 치합하기 쉽게 한다. 또, 테이퍼면(61b)을 롤러(73)의 단부에 대해 가압한 상태에서 원통부(61)의 유지가 용이해지므로, 롤러(73)를 캠면(71a1)의 원주 방향 중앙측으로 쉽게 이동시킬 수 있어, 원통부(61)의 조립을 더욱 용이하게 행할 수 있다.
그리고 일방향 클러치(7)의 롤러(73)의 축 방향 단부의 외주 에지(73e)에는, 원통부(61)의 조립시에 테이퍼면(61b)가 위치맞춤이 용이하도록 테이퍼면이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 또, 축부(51)의 축 방향 단부의 외주면이나 축부(51)에 끼워맞추어지는 내륜(71, 81)의 축 방향 단부의 내주면에도 테이퍼면이나 R면을 형성함으로써, 양자의 정렬 및 조립을 용이하게 행할 수 있다.
마지막으로, 도 10의 (d)에 나타낸 바와 같이, 축부(51)의 키홈(51b)에 키(53)를 장착하고, 축부(51)의 외주면(51a)에 플랜지부(52a)를 끼워맞춘다.
그리고 일방향 클러치(7)의 조립 방법으로서, 먼저, 입력 회전체(5)의 축부(51)의 외주부에 한쪽의 롤링 베어링(8)을 조립하고, 그 후, 출력 회전체(6)의 원통부(61)를 조립하고, 축부(51)와 원통부(61)의 사이에, 미리 조립해 둔 일방향 클러치를 삽입하는 방법이 채용될 수도 있다. 그러나 풍력 발전 장치(1)에 사용되는 일방향 클러치는 대형이므로, 상기 일방향 클러치를 미리 조립해 둔 상태에서 축부(51)와 원통부(61) 사이의 좁은 공간에 삽입하는 것은 매우 어렵다. 또한, 롤러(73)는, 탄성 부재(75)와 캠면(71a1)의 작용에 의해 원통부(61)의 내주면(72a) 보다도 직경 방향 외측으로 돌출하므로, 일방향 클러치(7)를 원통부(61)의 내측에 삽입하기 위해서는 각 롤러(73)를 직경 방향 내측으로 가압하지 않으면 안 되므로, 작업이 극히 복잡해진다.
이에 대하여, 도 10의 (a)~(d)를 참조하여 설명한 본 실시형태의 조립 방법에서는, 외륜(72, 82)을 제외하고 일방향 클러치(7) 및 롤링 베어링(8)을 입력 회전체(5)의 축부(51)에 결합한 상태로 출력 회전체(6)를 붙여 두고, 조립 시에 출력 회전체(6)의 원통부(61)를 회전시키는 것에 의해 복수의 롤러(73)를 동시에 직경 방향 내측으로 후퇴시킬 수 있으므로, 축 연결 장치(9)를 용이하게 조립할 수 있다.
그리고, 정격 출력이 1MW를 초과하는 것과 같은 대형의 풍력 발전 장치(1)에서는, 증속 기어(3)의 출력축(35)이나 발전기(4)의 구동축(41)의 축 직경도 커지고, 축 연결 장치(9)의 중량도 필연적으로 커진다. 따라서, 축 연결 장치(9)를 조립할 때 사람이 직접 부품을 들어올려 작업하는 것은 매우 곤란해진다. 예를 들면, 2MW급의 발전기(4)를 가지는 풍력 발전 장치(1)는, 축 연결 장치(9)의 중량이 100 kg를 초과하는 경우가 있고, 크레인으로 매단 부품을 불안정한 상태에서 조립하거나, 특별한 지그를 사용하거나 하는 등, 조립 작업에 요하는 수고가 매우 커진다.그러므로 상기한 바와 같이 축 연결 장치(9)를 조립하는 것이 극히 유효하게 된다.
그리고, 도 10의 (c)에 도달할 때까지의 조립 순서은, 적절히 변경하는 것이 가능하다. 예를 들면, 롤링 베어링(8)의 내륜(81), 케이지(84), 및 원통 롤러(83)는, 각각 별개로 축부(51)에 조립하여도 된다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태의 풍력 발전 장치(1)는, 축 연결 장치(9)를 덮는 커버 부재(차폐 수단)(92)가 설치되어 있다. 이 커버 부재(92)는, 탄성 변형 가능한 합성수지나 고무 등에 의해 형성되어 있다. 또, 도 3에도 도시된 바와 같이, 커버 부재(92)는, 원통 형상으로 형성되어 있고, 축 방향의 양 단부에 연결부(93, 94)가 설치되고, 양 연결부(93, 94)의 사이에 주름부(95)가 설치되어 있다. 한쪽의 연결부(93)는, 구동축(41)의 외주면(또는, 플랜지부(41a)여도 된다)에 고정 밴드 등에 의해 고정되어 있다. 또, 다른 쪽의 연결부(94)는, 출력축(35)의 플랜지부(35c1)에 걸어맞춤으로써 연결되어 있다. 주름부(95)는, 축 방향의 신축과 직경 방향의 휨, 변형 등이 가능하다.
도 12는, 커버 부재의 연결부를 확대하여 나타낸 단면도이다.
연결부(94)는, 단면 L자 형상의 코어 금속(core metal)(94a)과, 이 코어 메탈(94a)의 외면에 접착된 탄성 부재(94b)를 포함한다. 또, 연결부(94)의 선단부에는, 플랜지부(35c1)의 증속 기어(3) 측의 측면에 맞닿는 슬라이딩 부재(94c)가 설치되어 있고, 이 슬라이딩 부재(94c)는, 플랜지부(35c1)에 대한 슬라이딩 저항이 작은 부재, 예를 들면 금속판의 표면에 코팅 처리를 행하는 것에 의해 마찰 계수를 작게 한 부재가 사용된다. 또, 슬라이딩 부재(94c)는, 주름부(95)가 화살표 c 방향으로 수축하는 힘에 의해 플랜지부(35c1)에 가압되고, 이 슬라이딩 부재(94c)의 밀봉 작용에 의해 커버 부재(92)의 내외로 기류가 유통되는 것이 억제되어 있다.
연안이나 해상에 설치되는 풍력 발전 장치(1)는, 염분을 다량으로 포함하는 바람을 받아 작동하지만, 나셀(nacelle) 내의 기기에 외기류가 침입하면 염분에 의한 손상으로 인한 금속 부식 등의 문제가 생기고, 내구성에 크게 영향을 준다. 본 실시형태의 풍력 발전 장치(1)는, 축 연결 장치(9)가 커버 부재(92)에 의해 덮혀 있고, 축 연결 장치(9)로의 외부 물질이나 기류의 침입이 억제된다. 그러므로 염분에 의한 손상 등에 의한 축 연결 장치(9)의 기능 저하, 특히, 일방향 클러치(7)의 기능 저하를 방지할 수 있다.
또, 커버 부재(92)는, 축 방향의 일단이 예컨대 상대적으로 회전 불가능하게 구동축(41)에 고정되나, 축 방향의 타단은 출력축(35)에 상대적으로 회전 가능하게 연결되므로, 일방향 클러치(7)에 의한 출력축(35)과 구동축(41)의 상대적 회전으로 커버 부재(92)가 비틀어져 버리는 문제가 방지된다. 또한, 주름부(95)의 탄성 변형(수축)을 이용하여 연결부(94)의 슬라이딩 부재(94c)를 플랜지부(35c1)에 가압하고 있으므로, 외부 물질이나 기류의 침입을 억제하면서 양자의 상대적인 회전을 가능하게 한다.
본 실시형태의 풍력 발전 장치(1)에 의하면, 증속 기어(3)의 출력축(35)과 함께 일체로 회전하는 입력 회전체(5)와, 발전기(4)의 구동축(41)과 함께 일체로 회전하는 출력 회전체(6)와의 사이에 배치된 일방향 클러치(7)에 의해, 입력 회전체(5)의 회전 속도가 출력 회전체(6)의 회전 속도보다 낮은 경우, 입력 회전체(5)와 출력 회전체(6)의 접속을 차단할 수 있다. 즉, 풍력의 저하에 의해 주축(2)을 통하여 출력축(35)의 회전 속도가 급격하게 저하되어도, 발전기(4)의 로터(42)의 관성에 의한 회전이 구동축(41)을 통하여 출력축(35)에 전달되는 것을 방지할 수 있다. 이로써, 출력축(35)을 지지하고 있는 롤러 베어링(38)에 작용하는 반경 방향 하중의 감소 및 이에 따른 원통 롤러(38c)의 회전 지연을 억제할 수 있다. 따라서, 이 상태로부터 풍력 변화에 따라 주축(2)의 회전 속도가 급격하게 증가하여 원통 롤러(38c)에 높은 하중이 걸리는 경우, 원통 롤러(38c)가 내륜(38a)과의 접촉면에서 미끄러지기 어렵고, 그래서 롤러 베어링(38)에 스미어링이 발생하는 것을 효과적으로 억제할 수 있다.
또, 로터(42)의 관성에 의한 회전이 출력축(35)에 전달되는 것을 방지하는 것에 의해, 증속 기어(3)의 롤러 베어링(36a, 36b, 37a, 37b, 38,39) 등에 작용하는 부하를 저감할 수 있다. 이로써, 유성 기어 기구(31)의 각각의 기어(31b, 31c)나, 고속단 기어 기구(32)의 각 축(33~35)및 롤러 베어링(36a, 36b, 37a, 37b, 38,39)를 모두 소형화할 수 있으므로, 증속 기어(3)를 경량화할 수 있고, 또한 저비용으로 제조할 수 있다.
또한, 입력 회전체(5)와 출력 회전체(6)의 접속을 차단함으로써, 발전기(4)의 로터(42)는 급격하게 감속하지 않고 관성에 의해 계속 회전하고 따라서 로터(42)의 평균 회전 속도가 높아진다. 이로써, 발전기(4)의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
또, 입력 회전체(5)와 출력 회전체(6) 사이에는, 이들을 서로 상대적으로 회전 가능하게 지지하는 롤링 베어링(8)이 배치되어 있으므로, 일방향 클러치(7)에서 롤러(73)와 내외륜(71, 72)의 치합이 해제되는 것에 의해, 쐐기형 공간 S에서 롤러(73)와 내외륜(71, 72) 사이에 간극이 발생한 때, 롤링 베어링(8)에 의해 입력 회전체(5) 및 출력 회전체(6)가 서로 직경 방향으로 상대적으로 이동하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 풍력 발전 장치(1)의 운전 중에, 입력 회전체(5) 및 출력 회전체(6)가 직경 방향으로 덜거덕거리는 것을 방지할 수 있는 다.
또, 일방향 클러치(7)의 외륜 내주면(72a) 및 롤링 베어링(8)의 외륜 궤도면(82a)은, 공통의 부재인 출력 회전체(6)의 원통부(61)의 내주면에 형성되어 있다. 그러므로 출력 회전체(6)를 일방향 클러치(7)의 외륜(72) 및 각각의 롤링 베어링(8)의 외륜(82)로서 겸용할 수 있다. 이로써, 풍력 발전 장치(1) 전체의 구조를 간소화 할 수 있다.
또, 출력 회전체(6)는, 발전기(4)의 구동축(41)에 착탈 가능하게 고정되고, 또 입력 회전체(5)에 대해 축 방향으로 이동 가능하게 배치되어 있으므로, 출력 회전체(6)를 구동축(41)으로부터 분리하여 입력 회전체(5)에 대해서 축 방향으로 이동시키면, 입력 회전체(5)로부터 출력 회전체(6)를 분리해 낼 수 있다. 이로써, 일방향 클러치(7)의 외륜(72) 및 롤링 베어링(8)의 외륜(82)를 동시에 분리해 낼 수 있고 또한 일방향 클러치(7) 및 롤링 베어링(8)의 유지보수 작업을 용이하게 행할 수 있다. 이때, 발전기(4)를 이동할 필요가 없기 때문에, 상기 유지보수 작업을 또한 용이하게 행할 수 있다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 입력 회전체(5)와 출력 회전체(6)는, 간극(s2, s3)이 설치되어 있는 점, 일방향 클러치(7)의 연결 부재(73)와, 롤링 베어링(8)의 롤링 부재(83)가 원통 롤러로 형성되어 있는 점 또 상기 원통 롤러(73, 83)가 전동(rolling)하는 외륜 내주면(72a) 및 외륜 궤도면(82a)이 원통면(원호면)에 형성되어 있는 점 등으로 인해, 축 방향으로 상대적으로 이동이 가능하다. 그러므로 주위의 상태 변화, 예를 들면, 온도 변화에 따라 출력축(35) 및 구동축(41)이 축 방향으로 신축(즉, 축 방향으로 양축의 간격이 변동)했다고 해도, 입력 회전체(5)와 출력 회전체(6)의 축 방향의 상대적인 이동에 의해 이 신축을 흡수할 수 있다. 이로써, 출력축(35)과 구동축(41)을 지지하고 있는 부재(롤링 베어링 등)에 축 방향의 부하가 부여되는 것을 억제할 수 있다.
또, 입력 회전체(5)와 출력 회전체(6)의 축 방향의 상대적 이동에 의해 일방향 클러치(7)의 외륜 내주면(72a) 및 롤링 베어링(8)의 외륜 궤도면(82a)이 원통 롤러(73, 83)에 대해 축 방향으로 이동하면, 실질적인 외륜 내주면(72a) 및 외륜 궤도면(82a)이 축 방향으로 위치가 어긋난다. 특히, 풍력 발전 장치(1)은 대형이기 때문에 위치 어긋남량도 필연적으로 커진다. 이와 같은 위치 어긋남에 대응하기 위해, 미리 원통부(61)의 내주면에는, 예상되는 위치 어긋남량도 포함하는 범위에서 외륜 원통면(72a) 및 외륜 궤도면(82a)에 필요한 표면 처리를 행하여 두는 것이 바람직하다. 그리고 이 위치 어긋남량은, 풍력 발전 장치(1)가 사용되는 환경 온도, 발전기(4)의 발열량을 가미한 나셀 내의 온도 등으로부터 온도 변화 영역(예를 들면, -40℃~60℃)을 상정하고, 이 온도 변화 영역에서의 각 부재의 신축량을 계산이나 실험에 의해 구함으로써, 추정할 수 있다. 또, 간극 s2, s3는, 상정되는 온도 변화 영역의 상한(최고 온도)에서의 각 축의 축 방향의 신장양보다 큰 치수로 설정되는 것이 바람직하다. 또, 외륜 내주면(72a)과 외륜 궤도면(82a)의 표면 처리로서는, 예를 들면, 침탄질화(carbonitriding) 처리 등의 표면 개질 처리나, 흑염(blackening) 처리나 DLC 코팅 등의 코팅 처리라도 된다. 또, 담금질이나 템퍼링 등의 열처리라도 된다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 구동축(41)을 제동하는 브레이크(44)가 설치되어 있는 경우, 일방향 클러치(7)나 이것을 내장한 축 연결 장치(9)는, 증속 기어(3)와 브레이크(44) 사이에 배치되는 것이 바람직하다. 만일 브레이크(44)와 발전기(4) 사이에 일방향 클러치(7)가 배치되어 있으면, 회전 중에 브레이크(44)를 걸어도, 증속 기어(3)측의 회전이 감속할 뿐, 발전기(4)측의 회전은 일방향 클러치(7)에 의해 계속하고 공전하기 때문에, 발전기(4)에 이상이 발생한 때 등에 발전기(4)를 신속히 멈추는 것이 곤란하게 되기 때문이다.
그러나 일방향 클러치(7)나 축 연결 장치(9)는, 반드시 브레이크(44)와 발전기(4) 사이에 설치되어 있지 않아도 되고, 도 14에 나타낸 바와 같이 브레이크(44)와 발전기(4) 사이에 설치되어 있어도 된다, 또, 출력축(35)용의 브레이크와 구동축(41)용의 브레이크가 설치되어 있는 경우에는, 양 브레이크의 사이에 일방향 클러치(7)이나 축 연결 장치(9)를 설치해도 된다.
도 13은 본 발명의 제2 실시형태에 관한 축 연결 장치를 나타낸 단면도, 도 14는 일방향 클러치(7)의 주요부를 확대하여 나타낸 단면도이다.
본 실시형태의 축 연결 장치(9)는, 연결 부재(73)로서 스프래그(sprag)를 사용한다. 또한, 일방향 클러치(7)의 내륜이 입력 회전체(5)의 축부(51)에 의해 구성되며, 내륜의 외주면(71a)이 축부(51)의 외주면(51a)에 의해 구성되어 있다. 내륜의 외주면(71a)은, 제1 실시형태와 같은 캠면은 형성되어 있지 않고, 원통면으로 형성되어 있다.
또한, 롤링 베어링(8)의 내륜도, 입력 회전체(5)의 축부(51)에 의해 구성되며, 내륜의 외주면(81a)이 축부(51)의 외주면(51a)에 의해 구성되어 있다.
일방향 클러치(7)의 케이지(74)의 한쪽 원환부(76)에는, 직경 방향 외측으로 돌출하는 리지부(ridge portion)(76b)가 형성되어 있다. 이 리지부(76b)는, 출력 회전체(6)의 원통부(61)의 내주면에 형성된 원주 방향 홈(61c1)에 슬라이딩 이동이 가능하게 끼워맞추어져 있고, 이로써, 케이지(74)의 축 방향의 위치가 규제되어 있다.
마찬가지로, 롤링 베어링(8)의 케이지(84)의 한쪽 원환부(86)에도 직경 방향 외측으로 돌출하는 리지부(86b)가 형성되어 있다. 이 리지부(86b)는, 원통부(61)의 내주면에 형성된 원주 방향 홈(61c2)에 슬라이딩 이동이 가능하게 끼워맞추어져 있고, 이로써, 케이지(84)의 축 방향의 위치가 규제되어 있다.
스프래그(73)는, 축부(51)의 외주면(51a)(내륜 외주면(71a)에 맞닿은 제1 접촉면(73b)과 외륜(72)(원통부(61))의 내주면(72a)에 맞닿은 제2 접촉면(73c)을 포함하고, 제1 접촉면(73b) 및 제2 접촉면(73c)은 각각 볼록형 또한 대략 원호형으로 형성되어 있다. 또한, 축부(51)의 외주면(51a)과 외륜 내주면(72a)에 맞닿아 있는 제1 접촉면(73b)과 제2 접촉면(73c)의 거리는 스프래그(73)의 기울기에 의해 변하고, 축부(51)가 화살표 a 방향으로 회전할 때는, 스프래그(73)는 화살표 e 방향으로 기울어, 제1 접촉면(73b)과 제2 접촉면(73c)의 거리가 커진다. 반대로, 축부(51)가 화살표 b 방향으로 회전할 때는, 스프래그(73)는 화살표 e와는 반대 방향으로 기울어 제1 접촉면(73b)과 제2 접촉면(73c)의 거리는 줄어든다.
그리고 제1 접촉면(73b)과 제2 접촉면(73c)의 거리가 커지면, 스프래그(73)는 축부(51)의 외주면(51a)과 외륜(72)의 내주면(72a)에 치합하고, 반대로, 제1 접촉면(73b)과 제2 접촉면(73c)의 거리가 줄어들면, 스프래그(73)와 축부(51)의 외주면(51a) 및 외륜(72)의 내주면(72a)의 치합이 해제된다. 따라서, 축부(51)가 외륜(72)에 대하여 화살표 a 방향으로 상대적으로 회전했을 때, 축부(51)와 외륜(72)이 일체로 회전 가능하게 접속되고, 축부(51)가 외륜(72)에 대하여 화살표 b 방향으로 상대적으로 회전했을 때, 축부(51)와 외륜의 접속이 차단되도록 되어 있다.
본 실시형태에서는, 제1 실시형태와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있는 외에, 일방향 클러치(7)의 내륜(축부(51)에 캠면을 형성할 필요가 없기 때문에, 제조 비용을 절감할 수 있다. 또한, 내륜으로서 축부(51)를 사용할 수 있으므로, 보다 제조 비용을 절감할 수 있는 동시에, 일방향 클러치(7)의 구조의 간소화 및 직경 방향의 소형화를 도모할 수 있다. 또한, 스프래그(73)는, 롤러에 비해 강성을 높게 하고 토크 용량을 높이기 쉽기 때문에, 스프래그(73) 자체의 직경 방향 및 축 방향의 치수를 작게 할 수 있다. 따라서, 일방향 클러치(7)의 직경 방향 및 축 방향의 치수를 작게 하고, 소형화를 도모할 수 있다. 이와 같이 일방향 클러치(7)를 소형화함으로써, 축 연결 장치(9) 전체를 직경 방향 및 축 방향으로 소형화할 수 있다. 따라서, 증속 기어(3)의 출력축(35)과 발전기(4)의 구동축(41)과의 사이의 공간이 좁은 경우라도 축 연결 장치(9)를 적합하게 설치할 수 있다.
그리고 제2 실시형태에서는, 축부(51)의 외주면(51a) 상에서 스프래그(73) 및 원통 롤러(83)가 축 방향으로 이동 가능하게 되고, 이로써, 입력 회전체(5)와 출력 회전체(6)의 축 방향의 상대적 이동이 허용된다. 또한, 이 상대적 이동에 의해, 스프래그(73) 및 원통 롤러(83)에 대응하는 내륜 외주면(71a) 및 내륜 궤도면(81a)이 축 방향으로 위치어긋남이 있는데, 내륜 외주면(71a) 및 내륜 궤도면(81a)에는, 예상되는 위치어긋남량도 포함하는 범위에서 필요한 표면 처리(표면 개질 처리나 피막 처리, 열처리 등)를 행하는 것이 바람직하다.
또한, 제2 실시형태에서는, 축부(51)의 외주면에 내륜을 끼워맞추는 동시에, 이 내륜의 외주면에 스프래그(73)를 치합하여도 된다. 이 경우, 축부(51)와 내륜은, 상기 식(1)∼(3)를 만족시키도록, 억지 끼워맞춤(interference fit)에 의해 끼워맞추는 것이 바람직하다.
본 발명은, 상기한 실시형태에 한정되지 않고 적절히 변경하여 실시 가능하며, 예를 들면, 출력 회전체(6)는, 입력 회전체(5)의 직경 방향 외측에 배치되어 있지만, 도 18에 나타낸 바와 같이, 입력 회전체(5)의 직경 방향 내측에 배치되어 있어도 된다. 구체적으로는, 출력 회전체(6)에 축부(65)를 설치하는 한편, 입력 회전체(5)에 원통부(54)를 설치하고, 축부(65)의 직경 방향 외측에 원통부(54)를 동심으로 배치해도 된다. 또, 원통부(54)의 내주면을 일방향 클러치(7)의 외륜 내주면 및 롤링 베어링(8)의 외륜 궤도면으로 하고, 출력 회전체(6)의 축부(65)에 일방향 클러치(7) 및 롤링 베어링(8)의 내륜(71, 81)을 끼워맞추어도 된다.
또, 이 경우, 일방향 클러치(7)는 외륜 내주면을 캠면으로 하고, 내륜 외주면을 원통면으로 해도 된다. 또한 이 경우에는, 출력 회전체(6)의 축부(65)의 외주면에 내륜 외주면을 형성하고, 축부(65)를 내륜으로서 겸용해도 된다.
또한, 출력 회전체를, 일방향 클러치의 외륜 및 롤링 베어링의 외륜으로 하고 있지만, 이들의 외륜을 출력 회전체와는 별개의 부재로서 설치해도 된다.
또, 입력 회전체와 출력 회전체 사이에 배치되는 롤링 베어링은, 출력 회전체를 축 방향으로 이동시키기 위해 원통 롤러 베어링으로 하고 있지만, 출력 회전체를 축 방향으로 이동시키지 않는 경우에는 볼 베어링으로 해도 좋다.
일방향 클러치의 케이지는, 원환부와 필러부를 동일한 재료로 일체로 형성해도 되고, 그 재료는 금속이어도 되고 합성수지라도 된다. 케이지를 형성하는 합성 수지 재료로서는, 페놀 수지나 폴리아미드 수지, PEEK(polyether ether ketone) 수지 등을 사용할 수 있다.
본 발명의 풍력 발전 장치는, 도 1에 나타낸 수평축 타입에 한정되지 않고, 도 15에 나타낸 수직축 타입이어도 된다. 이 경우에도 증속 기어(3)와 발전기(4) 사이에 일방향 클러치를 포함하는 축 연결 장치(9)를 설치할 수 있다.
밀봉 수단(10)을 구성하는 커버 부재(103)는, 도 17에 나타낸 바와 같이 입력 회전체(5)의 축부(51)에 대해서 고정 나사(103b)에 의해 장착되어도 된다. 이 경우, 커버 부재(103)는, 밀봉 수단(10)으로서 구성될 뿐 아니라, 입력 회전체(5)와 출력 회전체(6) 간의 축 방향 어긋남을 방지하는 "어긋남 방지 부재"로서도 기능한다. 이와 같은 어긋남 방지 부재(103)가 설치되는 것에 의해, 증속 기어(3)와 발전기(4) 사이에 축 연결 장치(9)를 조립하는 경우나 출하를 위해서 축 연결 장치(9)를 수송하는 경우 등에 크레인으로 축 연결 장치(9)를 매달아 올렸을 때, 입력 회전체(5)와 출력 회전체(6)가 분리되지 않도록 할 수 있다. 또, 어긋남 방지 부재로서의 기능만이 필요한 경우에는, 실링 부재(104)를 생략할 수도 있다.
본 발명은, 증속 기어(3)의 출력축(35)과 발전기(4)의 구동축(41)을 축 연결 장치(9)를 통하여 접속한 것에 한정되지 않고, 출력축(35) 및 구동축(41) 사이에 직접적으로 일방향 클러치(7)를 조립한 구성이라도 좋다.
또, 본 발명의 실시형태에서의 출력축(35)은, 축 연결 장치(9)에서 출력축(35)에 접속된 부분까지 포함할 수 있고, 마찬가지로 구동축(41)은, 축 연결 장치(9)에서 구동축(41)에 접속된 부분까지를 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 제3 실시형태에 대하여 첨부 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 본 실시형태에서, 제1 및 제2 실시형태와 동일하거나 또는 유사한 부분에 대해서는 동일한 부호를 부여하고, 상세한 설명을 생략한다.
도 19는, 본 발명의 제3 실시형태에 관한 풍력 발전 장치를 나타낸 개략 측면도이다. 이 풍력 발전 장치(발전 장치)(100)는, 풍력(외력)을 받아 회전하는 주축(2)과 이 주축(2)에 연결된 증속 기어(3)와 이 증속 기어(3)에 연결된 발전기(4)를 포함하고, 주축(2)의 회전을 증속 기어(3)로 증속한 상태로, 발전기(4)가 구동된다.
주축(2)의 선단부에는, 예를 들면, 블레이드(도시하지 않음)를 가지는 풍차(113)가 일체로 회전 가능하게 연결되어 있고, 이 풍차(113)는 블레이드에 의해 풍력을 받아 주축(2)과 함께 회전한다.
발전기(4)는, 증속 기어(3)에 의해 증속된 회전을 입력받아 회전하는 구동축(41)과, 발전기(4)의 케이싱(4a)에 내장된 로터(42)와, 도시하지 않은 스테이터 등을 포함한다. 로터(42)는 구동축(41)에 일체로 회전 가능하게 연결되어 있고, 구동축(41)과 함께 로터(42)가 회전함으로써 발전한다.
도 19에서, 풍력 발전 장치(100)는, 증속 기어(3)의 출력축(35)에 일체로 회전 가능하게 설치된 입력 회전체(105)와, 발전기(4)의 구동축(41)에 일체로 회전 가능하게 설치된 출력 회전체(106)와, 입력 회전체(105)와 출력 회전체(106) 사이에 배치된 일방향 클러치(107) 및 전자기(electromagnetic) 클러치(연결 수단)(109)와, 일방향 클러치(107)의 축 방향 양측에 배치된 한 쌍의 롤링 베어링(108)을 더 포함한다.
상기 일방향 클러치(107) 및 전자기 클러치(109)는, 출력축(35)의 회전을 입력 회전체(105) 및 출력 회전체(106)를 통하여 구동축(41)에 전달한다. 전자기 클러치(109)는, 하우징(111)에 의해 지지된다. 또한, 전자기 클러치(109)는, 발전기(4)의 통상의 운전 시에는 입력 회전체(105)와 출력 회전체(106)를 접속하지 않고 주로 발전기(4)를 정지시키는 경우에 작동될 수 있다. 이 전자기 클러치(109)의 상세한 것에 대해서는 후술한다. 롤링 베어링(108)은, 일방향 클러치(107)의 축 방향 양측에 배치되어 있지만, 일방향 클러치(107)의 축 방향 일측에만 배치되어 있어도 된다.
도 20은, 증속 기어(3)의 출력축(35)과 발전기(4)의 구동축(41)의 연결 부분으로서, 특히 일방향 클러치(107) 및 롤링 베어링(108)의 구조를 상세하게 나타낸 단면도이다. 따라서, 이 도면에서는 전자기 클러치(109)가 생략되어 있다. 또한, 도 22는, 출력축(35)과 구동축(41)의 연결 부분으로서, 특히 일방향 클러치(107), 롤링 베어링(108), 및 전자기 클러치(109)의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 20 및 도 22에서, 입력 회전체(105)는, 출력축(35)과 동심으로 배치된다. 또한, 입력 회전체(105)에는, 그 축 방향 일단부(도 22의 좌단부)로부터 축 방향 타단부(도 22의 우단부)를 향해, 플랜지부(151), 대경부(大徑部)(152), 스플라인부(154), 및 소경부(小徑部)(153)를 순서대로 가지고 있다.
플랜지부(151)는, 대경부(152)의 외주면보다 직경 방향 외측으로 연장되어 형성되어 있고, 출력축(35)의 출력단부(35c)에 착탈 가능하게 고정되어 있다. 구체적으로는, 플랜지부(151)는, 상기 출력단부(35c)에 형성된 플랜지부(35c1)와 맞닿은 상태로, 도시하지 않은 볼트·너트에 의해 상기 플랜지부(35c1)에 체결 고정되어 있다. 도 20에 나타낸 바와 같이, 소경부(153)의 단면과 구동축(41)의 플랜지부(41a)의 단면과의 사이에는, 간극(S1)이 형성되어 있다.
출력 회전체(106)는, 입력 회전체(105)의 직경 방향 외측에 동심으로 배치되어 있고, 원통부(161)와 이 원통부(161)의 축 방향 타단부(도 20의 우단부)에 형성된 플랜지부(162)를 가지고 있다.
플랜지부(162)는, 원통부(161)의 외주면보다 직경 방향 외측으로 연장되어 형성되어 있고, 구동축(41)의 일단부에 착탈 가능하게 고정되어 있다. 구체적으로는, 플랜지부(162)는, 구동축(41)의 상기 일단부에 형성된 플랜지부(41a)와 맞닿은 상태로, 도시하지 않은 볼트·너트에 의해 상기 플랜지부(41a)에 체결 고정되어 있다.
원통부(161)의 내주면은 원통면으로 되어 있고, 원통부(161)의 축 방향 일단부(도 20의 좌단부)의 내주면과 입력 회전체(105)의 외주면과의 간극에는, 원통부(161)와 입력 회전체(105)와의 사이의 환형 공간을 밀봉하기 위한 환형의 실링 부재(110)가 설치되어 있다. 출력 회전체(106)는, 구동축(41)으로부터 출력 회전체(106)를 떼어낸 상태에서 입력 회전체(105)에 대하여 축 방향으로 이동 가능해진다.
도 21은, 일방향 클러치(107)를 나타낸 단면도이다. 도 20 및 도 21에서, 일방향 클러치(107)는, 내륜(171) 및 외륜(172)과, 이 내륜(171)의 외주면(171a)과 외륜(172)의 내주면(172a) 사이에 배치된 복수의 롤러(173)를 포함하고 있다.
내륜(171)은, 입력 회전체(105)의 소경부(153)의 축 방향 중앙부에 외측으로부터 끼워져 고정되어 있고, 소경부(153)와 일체로 회전하게 되어 있다. 출력 회전체(106)에서의 원통부(161)의 축 방향 중앙부의 영역(B)은, 일방향 클러치(107)의 외륜(172)에 대응한다. 따라서, 원통부(161)의 영역(B)의 내주면에, 상기 내주면(172a)이 형성되어 있다. 롤러(173)는, 원기둥 형상이며, 본 실시형태에서는 원주 방향으로 8개가 배치되어 있다.
일방향 클러치(107)는, 각 롤러(173)를 원주 방향을 따라 소정 간격마다 유지하는 환형의 케이지(174)와, 각 롤러(173)를 일방향으로 탄성적으로 가압하는 복수의 탄성 부재(175)를 더 포함한다.
케이지(174)는, 축 방향으로 대향하는 한 쌍의 원환부(174a)와, 양 원환부(174a)의 사이에서 축 방향으로 연장되고, 또한 원주 방향 등간격으로 배열되어 상기 양 원환부(174a)를 연결하는 복수의 기둥부(174b)를 가진다. 양 원환부(174a)와 인접하는 기둥부(174b) 사이에는 복수의 포켓(174c)이 형성되고, 각 포켓(174c)에 각 롤러(173)가 개별적으로 수용되고 있다.
탄성 부재(175)는, 압축 코일 스프링으로 이루어지고, 케이지(174)의 각 포켓(174c)에 개별적으로 수용되어 기둥부(174b)에 장착되어 있다.
도 21에서, 내륜(171)의 외주면(171a)에는 롤러(173)와 같은 수(8개)의 평탄한 캠면(171c1)이 형성되어 있고, 외륜(172)의 내주면(172a)은 원통면으로 되어 있다. 내륜(171)의 캠면(171c1)과 외륜(172)의 원통면 사이에는, 쐐기형 공간(2S)이 원주 방향으로 복수(8개) 형성되어 있다. 그리고 롤러(173)는 각각의 쐐기형 공간(2S)에 개별적으로 배치되어 있고, 탄성 부재(175)가 롤러(173)를 쐐기형 공간(2S)이 좁아지는 방향으로 가압하고 있다. 롤러(173)의 외주면은, 내륜(171)의 캠면(171c1) 및 외륜(172)의 원통면에 접촉하는 접촉면(173a)으로 되고, 이 접촉면(173a)은 폭 방향(축 방향)으로 똑바르게(롤러 중심과 평행) 형성되어 있다. 그리고 일방향 클러치(107)는, 내외륜(171, 172) 사이에, 베이스 오일의 에스테르와 우레아(urea)계의 증점제를 함유한, 온도 변화에 영향을 받기 어려운 윤활제인 그리스(grease)가 설치된 환경에 있다.
이와 같이 구성된 일방향 클러치(107)에서는, 입력 회전체(105)가 증속 회전함으로써, 입력 회전체(105)의 회전 속도가, 출력 회전체(106)의 회전 속도를 초과하는 경우에는, 내륜(171)이 외륜(172)에 대하여 일방향(도 21의 반시계 회전 방향)으로 상대적으로 회전한다. 이 경우, 탄성 부재(175)의 가압력에 의해, 롤러(173)는 쐐기형 공간(2S)이 좁아지는 방향으로 약간 이동하여, 롤러(173)의 접촉면(173a)이 내륜(171)의 외주면(171a) 및 외륜(172)의 내주면(172a)에 압접하여, 일방향 클러치(107)는 롤러(173)가 내외륜(171, 172) 사이에 치합된 상태로 된다. 이로써, 내외륜(171, 172)은 상기 일방향으로 일체로 회전 가능해지고, 입력 회전체(105)와 출력 회전체(106)를 일체로 회전 가능하게 접속할 수 있다.
또한, 입력 회전체(105)가 증속 회전 후에 일정 속도로 회전하게 되어, 입력 회전체(105)의 회전 속도가, 출력 회전체(106)의 회전 속도와 동일하게 되었을 경우에는, 롤러(173)가 내외륜(171, 172)의 사이에 치합된 상태로 유지된다. 그러므로 일방향 클러치(107)는, 내외륜(171, 172)이 상기 일방향으로 일체로 회전하는 것을 유지하고, 입력 회전체(105) 및 출력 회전체(106)는 일체로 계속 회전한다.
한편, 입력 회전체(105)가 감속 회전함으로써, 입력 회전체(105)의 회전 속도가 출력 회전체(106)의 회전 속도보다 낮은 경우에는, 내륜(171)이 외륜(172)에 대하여 다른 방향(도 21의 시계 회전 방향)으로 상대적으로 회전한다. 이 경우에는, 탄성 부재(175)의 가압력에 저항하여, 롤러(173)가 쐐기형 공간(2S)이 넓어지는 방향으로 약간 이동함으로써, 롤러(173)와 내외륜(171, 172)의 치합이 해제된다. 이와 같이, 롤러(173)의 치합이 해제됨으로써, 입력 회전체(105)와 출력 회전체(106)의 접속이 차단된다.
도 20에서, 한 쌍의 롤링 베어링(108)은, 입력 회전체(105)의 소경부(153)와 출력 회전체(106)의 원통부(161) 사이에 배치되어 입력 회전체(105) 및 출력 회전체(106)를 서로 상대적으로 회전 가능하게 지지하고 있다. 또한, 각각의 롤링 베어링(108)은, 그 축 방향 단부가 일방향 클러치(107)의 케이지(174)의 축 방향 단면에 접촉 가능하게, 상기 일방향 클러치(107)의 축 방향 양측에 각각에 접하여 배치되어 있다.
롤링 베어링(108)은, 내륜(181) 및 외륜(182)과, 내륜(181)과 외륜(182) 사이에 전동(rolling) 가능하게 배치된 복수의 원통 롤러(183)를 포함한 원통 롤러 베어링으로 이루어진다.
내륜(181)은, 외주에 형성된 내륜 궤도면(181a)과 이 내륜 궤도면(181a)의 축 방향 양측에서 직경 방향 외측을 향해 돌출되어 형성된 내륜 플랜지부(181b)를 포함한다. 각각의 내륜 플랜지부(181b)의 내측면에는, 원통 롤러(183)의 양 단면이 각각 슬라이딩 접촉하게 되어 있다. 또한, 일방향 클러치(107)에 인접하는 내륜 플랜지부(181b)의 외측면(181b1)은, 일방향 클러치(107)의 케이지(174)의 축 방향 단면인 원환부(174a)의 외측면이 맞닿는 접촉면에 상응한다.
출력 회전체(106)에서의 원통부(161)의 축 방향 양 단부의 영역 A 및 c는, 롤링 베어링(108)의 외륜(182)에 상응하고, 이 영역(A, C)의 각각의 내주면에 외륜(182)의 외륜 궤도면(182a)이 형성되어 있다. 이 외륜 궤도면(182a)과 내륜 궤도면(181a) 사이에는 원통 롤러(183)가 전동 가능하게 배치되어 있다.
이상의 풍력 발전 장치(100)는, 증속 기어(3)의 출력축(35)과 함께 일체로 회전하는 입력 회전체(105)와 발전기(4)의 구동축(41)과 함께 일체로 회전하는 출력 회전체(106) 사이에 배치한 일방향 클러치(107)에 의해, 입력 회전체(105)의 회전 속도가 출력 회전체(106)의 회전 속도보다 낮으면, 입력 회전체(105)와 출력 회전체(106)의 접속을 차단할 수 있다. 즉, 풍력의 저하에 의해 주축(2)을 통하여 출력축(35)의 회전 속도가 급격하게 저하되어도, 발전기(4)의 로터(42)의 관성에 의한 회전이 구동축(41)을 통하여 출력축(35)에 전달되는 것을 방지할 수 있다. 이로써, 출력축(35)을 지지하고 있는 롤러 베어링(38)에 작용하는 직경 방향 하중의 감소 및 이에 따른 원통 롤러(38c)의 회전 지연을 억제할 수 있다. 따라서, 이 상태로부터 풍력 변화에 따라 주축(2)의 회전 속도가 급격하게 증가하여 원통 롤러(38c)에 높은 하중이 걸렸을 때, 원통 롤러(38c)가 내륜(38a)과의 접촉면에서 미끄러지기 어렵기 때문에, 롤러 베어링(38)에 스미어링이 발생하는 것을 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 로터(42)의 관성에 의한 회전이 출력축(35)에 전달되는 것을 방지함으로써, 증속 기어(3)의 롤러 베어링(36a, 36b, 37a, 37b, 38, 39 등)에 작용하는 부하를 저감할 수 있다. 이로써, 유성 기어 기구(31)의 각 기어(31b, 31c)나, 고속단 기어 기구(32)의 각 축(33∼35) 및 롤러 베어링(36a, 36b, 37a, 37b, 38, 39)을 모두 소형화할 수 있으므로, 증속 기어(3)를 경량화할 수 있고, 또한 저비용으로 제조할 수 있다.
또한, 입력 회전체(105)와 출력 회전체(106)의 접속을 차단함으로써, 발전기(4)의 로터(42)는, 급격하게 감속하지 않고 관성에 의해 계속 회전하므로 로터(42)의 평균 회전 속도를 높일 수 있다. 이로써, 발전기(4)의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 입력 회전체(105)와 출력 회전체(106) 사이에는, 이들을 서로 상대적으로 회전 가능하게 지지하는 롤링 베어링(108)이 배치되어 있으므로, 일방향 클러치(107)에서 롤러(173)와 내외륜(171, 172)의 치합이 해제되는 것에 의해, 쐐기형 공간(2S)에서 롤러(173)와 내외륜(171, 172)의 사이에 간극이 발생했을 때, 롤링 베어링(108)에 의해 입력 회전체(105) 및 출력 회전체(106)가 서로 직경 방향으로 상대적으로 이동하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 풍력 발전 장치(100)의 운전 중에, 입력 회전체(105) 및 출력 회전체(106)가 직경 방향으로 덜거덕거리는 것을 방지할 수 있다.
또한, 한 쌍의 롤링 베어링(108)을, 그 축 방향 단부에 일방향 클러치(107)의 케이지(174)의 축 방향 단면이 접촉 가능하게, 일방향 클러치(107)의 축 방향 양측에 각각 접하여 배치하였으므로, 각각의 롤링 베어링(108)의 축 방향 단부에 상기 케이지(174)의 축 방향 단면을 맞닿게 함으로써, 상기 케이지(174)가 축 방향 양측으로 이동하는 것을 규제할 수 있다.
또한, 롤링 베어링(108)의 내륜 플랜지부(181b)에, 일방향 클러치(107)의 케이지(174)의 축 방향 단면(원환부(174a)의 외측면)을 접촉시키므로 롤링 베어링(108)의 내륜 플랜지부(181b)를, 상기 케이지(174)의 축 방향 이동을 규제하는 부재로서 겸용할 수 있다. 이로써, 롤링 베어링(108)의 구조를 간략화할 수 있다.
또한, 출력 회전체(106)의 내주면에, 일방향 클러치(107)의 외륜 내주면(172a) 및 롤링 베어링(108)의 외륜 궤도면(182a)을 형성하였으므로, 출력 회전체(106)를, 일방향 클러치(107)의 외륜(172), 및 각각의 롤링 베어링(108)의 외륜(182)으로서 겸용할 수 있다. 이로써, 풍력 발전 장치(100) 전체의 구조를 간략화할 수 있다.
또한, 외륜 내주면(172a) 및 외륜 궤도면(182a)을 포함하는 출력 회전체(106)의 내주면은 일정한 내경으로 형성되고, 출력 회전체(106)는, 발전기(4)의 구동축(41)에 착탈 가능하게 고정되는 동시에, 입력 회전체(105)에 대하여 축 방향으로 이동 가능하게 배치되어 있다. 그러므로 출력 회전체(106)를 구동축(41)으로부터 분리하여 입력 회전체(105)에 대하여 축방향으로 상대적으로 이동시키면, 입력 회전체(105)로부터 출력 회전체(106)를 분리해 낼 수 있다. 이로써, 일방향 클러치(107)의 외륜(172) 및 롤링 베어링(108)의 외륜(182)을 동시에 분리해 낼 수 있으므로, 일방향 클러치(107) 및 롤링 베어링(108)의 유지보수 작업을 용이하게 행할 수 있다. 이때, 발전기(4)를 이동시킬 필요가 없기 때문에, 상기 유지보수 작업을 또한 용이하게 행할 수 있다.
다음으로, 전자기 클러치(109)의 구성과 그 제어에 대하여 상세하게 설명한다.
도 22에 나타낸 바와 같이, 전자기 클러치(109)는, 출력축(35)에 접속된 입력 회전체(105)와 구동축(41)에 연결된 출력 회전체(106)를 연결/연결해제 가능하게 접속(연결)하는 연결 수단으로서 기능한다. 이 전자기 클러치(109)는, 이른바 마찰식 클러치로 되어 있고, 서로 마찰 결합하는 제1 클러치부재(191) 및 제2 클러치부재(192)와 클러치 코일(193)을 가지고 있다. 제1 클러치부재(191)는, 강재(鋼材)에 의해 원반형으로 형성된 제1 디스크부(191a)와 이 제1 디스크부(191a)의 직경 방향 내측에 설치된 제1 통부(191b)를 가지고 있고, 이 제1 통부(191b)가 입력 회전체(105)의 스플라인부(154)에 스플라인을 이용한 끼워맞춤에 의해, 이로써 제1 클러치부재(191)가 입력 회전체(105)에 일체로 회전 가능하며 축 방향 이동 가능하게 장착되어 있다.
제2 클러치부재(192)는, 원반형으로 형성된 제2 디스크부(192a)와 이 제2 디스크부(192a)의 직경 방향 내측에 설치된 제2 통부(192b)를 가지고 있고, 이 제2 통부(192b)가, 출력 회전체(106)의 외주면에 일체로 회전 가능하게 끼워맞추어져 있다.
클러치 코일(193)은, 코일 홀더(194)에 수용되어 제2 디스크부(192a)의 배면측, 즉 제1 클러치부재(191)와는 반대측에 배치되어 있고, 제어부(112)(도 19 참조)로부터 전력이 공급되는 것에 의해 자력(磁力)을 발생하게 되어 있다. 코일 홀더(194)는, 그 외주측이 하우징(111)에 의해 지지되고, 내주측에 베어링(195)을 통하여 제2 클러치부재(192)가 회전 가능하게 연결되어 있다. 그리고 클러치 코일(193)에 자력이 생기면, 제1 클러치부재(191)가 제2 클러치부재(192)에 가까워지는 방향으로 이동하여, 각각의 디스크부(191a, 192a)가 서로 압접하여 마찰결합된다. 이로써, 입력 회전체(105)와 출력 회전체(106)가 연결되고, 출력축(35)의 회전을 구동축(41)에 전달할 수 있게 된다.
전자기 클러치(109)는, 소정 조건이 만족되었을 때 출력축(35)과 구동축(41)을 연결하도록 제어부(112)에 의해 제어된다. 구체적으로, 본 실시형태에서는, 소정 조건이 발전기(4)의 정지 조건이다. 그리고, 발전기(4)의 정지 조건이 충족되었는지 여부는, 풍력 발전 장치(100)의 각종 상태를 검출하는 검출 수단의 검출 결과에 기초하여 제어부(112)에 의해 판단된다.
도 19에 나타낸 바와 같이, 발전기(4)의 케이싱(4a) 내에는, 검출 수단의 하나인 온도 센서(121)가 설치되어 있다. 이 온도 센서(121)는, 케이싱(4a) 내의 온도를 상시 검출하고 그 검출 신호는 제어부(112)에 입력된다.
또한, 발전기(4)의 케이싱(4a) 또는 그 근방에는, 검출 수단의 하나인 진동 센서(122)가 설치되어 있다. 이 진동 센서(122)는, 케이싱(4a)의 진동을 상시 검출하고 그 검출 신호는 제어부(112)에 입력된다.
발전기(4)에는, 발전량을 계측하는 발전량 측정기(124)가 접속되어 있다. 한편, 출력축(35)에는, 상기 출력축(35)의 회전 속도를 검출하는 속도 센서(123)가 설치되어 있다. 이 발전량 측정기(124)와 속도 센서(123)도 검출 수단의 하나이며, 발전량 측정기(124)에 의해 측정된 발전량, 및 속도 센서(123)의 검출값은, 각각 제어부(112)에 입력된다.
또한, 본 실시형태의 풍력 발전 장치(100)에는, 상기한 검출 수단과는 별개로, 발전기(4)의 정지 지시의 입력을 접수하는 접수 수단(125)이 설치되어 있다. 본 실시형태의 접수 수단(125)은, 발전기(4)를 정지시키기 위한 정지 스위치로 되어 이 정지 스위치(125)를 조작하면, 그 신호가 제어부(112)에 입력된다.
제어부(112)는, 각종 센서(121∼123) 및 측정기(124)(이하, '센서 등'이라고 한다)나, 정지 스위치(125)로부터의 신호에 기초하여 전자기 클러치(109)의 동작을 제어한다. 구체적으로, 제어부(112)는, 센서 등의 검출 신호에 기초하여 발전기(4)에 문제가 발생하였다고 판단한 경우에, 출력축(35)과 구동축(41)을 연결하도록 전자기 클러치(109)를 제어한다. 또한, 제어부(112)는, 발전기(4)를 정지시키기 위해, 풍차(113)의 회전을 멈추어 주축(2)으로의 외력의 공급을 정지시키는 제어도 행한다. 예를 들면, 제어부(112)는, 풍차(113)의 블레이드의 피치각을 제어하고, 페어링(feathering) 상태로 함으로써 풍차(113)의 회전을 정지시키는 것이 가능하다.
발전기(4)의 케이싱(4a) 내가 이상으로 온도가 올라간 경우, 케이싱(4a) 내에서 눌러붙음 등의 문제가 발생한 것으로 생각할 수 있다. 그러므로 제어부(112)는, 온도 센서(121)로부터의 검출 신호가 소정의 임계값(예를 들면, 눌러붙음 등의 가능성이 있는 온도)을 넘었는지를 판단하고, 풍차(113)를 정지시키는 제어를 행하는 동시에, 출력축(35)과 구동축(41)을 연결시키도록 전자기 클러치(109)를 제어한다. 풍차(113)를 정지시키면, 주축(2)으로의 외력의 공급도 정지되고, 증속 기어(3)의 출력축(35)은 급감속한 후에 정지한다. 그러므로 출력축(35)의 회전 속도는 발전기(4)의 구동축(41)의 회전 속도보다 낮게 되고, 일방향 클러치(107)에 의한 출력축(35)과 구동축(41)의 접속이 차단된다. 이때, 전자기 클러치(109)가 작동하고 있지 않으면, 출력축(35)이 정지했다고 해도 구동축(41)은 정지하지 않고 로터(42)의 관성력에 의해 회전을 계속하고, 발전기(4)를 신속히 정지시킬 수 없다. 그러나 본 실시형태에서는, 전자기 클러치(109)를 작동시킴으로써 출력축(35)과 구동축(41)을 연결하므로, 출력축(35)과 함께 구동축(41)도 급감속한 후 정지시키는 것이 가능하다. 이때, 증속 기어(3)는 발전기(4)의 브레이크로서 작용하게 되므로, 발전기(4)를 신속히 정지시키는 것이 가능하다.
마찬가지로, 발전기(4)의 진동이 이상적으로 높아졌을 경우에는, 발전기(4) 내의 축이나 베어링에 파손 등의 문제가 발생한 것으로 생각할 수 있다. 그러므로 제어부(112)는, 진동 센서(122)로부터의 검출 신호가 소정의 임계값을 넘었는지를 판단하고, 소정의 임계값을 넘은 경우에는, 풍차(113)를 정지시키는 제어를 행하는 동시에, 출력축(35)과 구동축(41)을 연결하도록 전자기 클러치(109)를 제어한다.
또한, 출력축(35)의 회전 속도에 대하여 발전기(4)의 발전량이 적은 경우에도, 발전기(4)에 어떠한 문제가 발생한 것으로 생각할 수 있다. 그러므로 제어부(112)는, 속도 센서(123)로부터의 검출 신호로부터 적정한 발전량을 추정하고, 그 추정된 발전량과 발전량 측정기(124)로부터 출력 신호를 비교한다. 그리고 제어부(112)는, 양자의 차이가 소정의 임계값을 넘었는지를 판단하고, 소정의 임계값을 넘은 경우에는, 풍차(113)를 정지시키는 제어를 행하는 동시에, 출력축(35)과 구동축(41)을 연결하도록 전자기 클러치(109)를 제어한다.
이상과 같은 제어를 행함으로써, 발전기(4)의 정지 조건이 충족되었을 때 자동적으로 또한 신속하게 발전기(4)를 정지시키는 것이 가능해진다. 그러므로 문제가 생긴 발전기(4)가 계속하여 작동하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 정지 스위치(125)를 조작하는 것에 의해서도 발전기(4)를 신속하게 정지시키는 것이 가능하다. 따라서, 발전기(4)의 유지보수 등을 행하는 경우에는, 정지 스위치(125)를 조작함으로써 신속히 발전기(4)를 정지시켜 작업을 행할 수 있다.
본 발명은, 상기한 실시형태에 한정되지 않고 적절히 변경하여 실시 가능하다.
예를 들면, 증속 기어의 출력축과 발전기의 구동축을 연결하는 연결 수단은, 전자기 클러치 이외의 수단을 사용할 수 있다. 단, 연결 수단으로서 전자기 클러치를 사용함으로써 출력축과 구동축과의 연결이나 그 해제를 신속하고 정확하게 전환할 수 있다. 또한, 연결 수단은, 적어도 출력축의 회전 속도가 구동축의 회전 속도보다 낮은 제2 상태에서 출력축과 구동축을 일체로 회전 가능하게 연결할 수 있는 것이면 된다.
출력축의 회전 속도를 검출하는 속도 센서 대신에, 구동축이나 주축의 회전 속도를 검출하는 속도 센서를 구비하고 있어도 된다. 또한, 검출 수단으로서는, 상기에 예시한 센서 등의 적어도 일부를 구비하고 있으면 되고, 다른 검출 수단을 구비하고 있어도 된다.
본 실시형태에서는, 입력 회전체 및 출력 회전체가, 각각 출력축 및 구동축에 대하여 별개의 부재로서 설치되어 있지만, 각각 출력축 및 구동축와 일체로 형성되어 있어도 된다.
또한, 출력 회전체는, 입력 회전체의 직경 방향 외측에 배치되어 있지만, 입력 회전체의 직경 방향 내측에 배치되어 있어도 된다. 이 경우, 일방향 클러치는 외륜 내주면을 캠면으로 하고, 내륜 외주면을 원통면으로 하면 된다. 또한 이 경우에는, 출력 회전체의 외주면에 내륜 외주면을 형성하고, 출력 회전체를 내륜로서 겸용해도 된다.
즉, 본 발명의 발전 장치에서는, 상기 실시형태와 같이 입력 회전체를 내측(내륜측)으로 하고, 출력 회전체를 외측(외륜측)으로 하는 경우와, 입력 회전체를 외측(외륜측)으로 하고, 출력 회전체를 내측(내륜측)으로 하는 케이스 중 어느 구성도 채용할 수 있다.
또한, 출력 회전체를, 일방향 클러치의 외륜 및 롤링 베어링의 외륜으로 하고 있지만, 이들의 외륜을 출력 회전체에 대하여 별개의 부재로서 설치해도 된다.
또한, 입력 회전체와 출력 회전체와의 사이에 배치되는 롤링 베어링은, 출력 회전체를 축방향으로 이동시키기 위해 원통 롤러 베어링으로 하고 있지만, 출력 회전체를 축방향으로 이동시키지 않는 경우에는 볼베어링로 해도 된다.
또한, 일방향 클러치의 케이지는, 롤링 베어링의 내륜와 맞닿게 하고 있지만, 롤링 베어링의 외륜을 출력 회전체에 대하여 별개의 부재로서 설치하고, 이 외륜에 일방향 클러치의 케이지를 맞닿게 해도 된다.
또한, 본 실시형태의 발전 장치는, 외력로서 풍력을 사용하는 경우에 대하여 예시했지만, 수력이나 화력 등의 다른 외력을 사용하여 발전하는 발전 장치에도 적용할 수 있다.
검출 수단은, 예를 들면, 일방향 클러치나 롤링 베어링을 수용한 출력 회전체 또는 입력 회전체의 직경 방향 외측의 하우징 등, 일방향 클러치나 롤링 베어링의 근방에 설치된 센서(예를 들면, 온도 센서나 진동 센서 등의 상태 감시 센서)라도 된다. 그리고 이 상태 감시 센서의 검출값을 제어부에 입력하고, 상기 검출값을 소정의 임계값과 비교함으로써 고장 등의 원인이 되는 이상이 있는지 여부를 판정하고, 이상이 있는 경우에는 발전기를 정지하는 제어를 실행하면 된다. 또한, 검출 수단은, 증속 기어 내부의 베어링이나 기어, 풍차의 블레이드, 주축을 지지하는 베어링 등에 설치된 상태 감시 센서라도 된다.
본 발명의 제1 태양에 관하여, 본 발명자는, 스미어링의 발생 메카니즘에 대하여 예의 연구를 거듭하였다. 그 결과, 풍력의 저하에 의해 주축의 회전 속도가 급격하게 저하되면, 중량이 무거운 발전기의 로터의 관성에 의해, 출력축의 회전 속도보다 발전기의 구동축의 회전 속도가 높아지면 이른바 토크 빠짐(하중 빠짐)이 발생하고, 이 토크 빠짐에 의해 출력축을 지지하는 롤링 베어링에 작용하는 직경 방향 하중이 감소하고, 롤링 베어링의 전동체와 회전륜의 롤링 마찰 저항보다, 전동체와 그것을 유지하는 케이지의 슬라이딩 이동 마찰 저항 등이 높아짐으로써, 전동체의 회전이 지연되는 것을 발견하였다. 그리고 이 상태로부터 풍력의 증가에 의해 주축의 회전 속도가 급격하게 증가했을 때, 증속의 관성 토크가 더해져 출력축을 지지하는 롤링 베어링에 작용하는 직경 방향 하중이 증가하므로, 그 순간에 전동체에 높은 하중이 걸린 상태로 전동체가 회전륜과의 접촉면에서 미끄러져, 그 접촉면이 승온함으로써 스미어링이 발생한다.
즉, 본 발명의 제1 태양은, 풍력을 받아서 주축을 회전시키는 수풍 부재와, 상기 주축의 회전을 입력받아 증속하는 회전 전달 기구와, 상기 회전 전달 기구의 회전 토크를 출력하는 출력축을 회전 가능하게 지지하는 롤링 베어링을 가지는 증속 기어와, 상기 출력축의 회전을 입력으로 하여 회전하는 입력축을 포함하고, 상기 입력축과 일체로 회전하는 로터의 회전에 따라 발전하는 발전기와, 상기 출력축에 일체로 회전 가능하게 설치된 입력 회전체와, 상기 입력축에 일체로 회전 가능하게 설치되고, 상기 입력 회전체의 직경 방향 내측 또는 직경 방향 외측에 동심으로 배치된 출력 회전체와, 상기 입력 회전체와 상기 출력 회전체 사이에 배치되고, 상기 입력 회전체의 회전 속도가 상기 출력 회전체의 회전 속도보다 높은 상태에서, 상기 입력 회전체와 상기 출력 회전체를 일체로 회전 가능하게 접속하고, 상기 입력 회전체의 회전 속도가 상기 출력 회전체의 회전 속도보다 낮은 상태에서, 상기 입력 회전체와 상기 출력 회전체와의 접속을 차단하는 일방향 클러치를 포함하고, 상기 입력 회전체와 상기 출력 회전체는 축 방향의 상대적인 이동이 허용되어 그 최대의 허용량이 상태 변화에 의한 상기 입력축과 상기 출력축의 축 방향 간격의 변동량보다 크게 설정되어 있는 풍력 발전 장치를 제공한다.
상기한 바와 같이 구성된 풍력 발전 장치에 의하면, 상기 일방향 클러치에 의해, 입력 회전체의 회전 속도가 출력 회전체의 회전 속도보다 높은 때는, 입력 회전체와 출력 회전체를 일체로 회전 가능하게 접속하고, 입력 회전체의 회전 속도가 출력 회전체의 회전 속도보다 낮으면, 입력 회전체와 출력 회전체의 접속을 차단할 수 있다. 즉, 풍력의 저하에 의해 주축을 통하여 출력축의 회전 속도가 급격하게 저하되어도, 발전기의 로터의 관성에 의한 회전이 입력축을 통하여 출력축에 전달되는 것을 방지할 수 있다. 이로써, 출력축을 지지하고 있는 롤링 베어링에 작용하는 직경 방향 하중의 감소 및 이에 따른 전동체의 회전 지연을 억제할 수 있다. 따라서, 이 상태로부터 풍력 변화에 따라 주축의 회전 속도가 급격하게 증가하여 롤링 베어링의 전동체에 높은 하중이 걸렸을 때, 전동체가 회전륜과의 접촉면에서 미끄러지기 어렵기 때문에, 롤링 베어링에 스미어링이 발생하는 것을 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 상기 입력 회전체와 상기 출력 회전체는 축 방향의 상대적인 이동이 허용되는 동시에, 그 최대의 허용량이, 상태 변화에 의한 상기 입력축과 상기 출력축의 축 방향 간격의 변동량보다 크게 설정되어 있으므로, 풍력 발전 장치의 환경 온도 변화나 나셀 내의 온도 변화 등에 의해 입력축이나 출력축이 신축되는 경우라도 입력 회전체 및 출력 회전체가 이에 따라 상대적으로 이동하고, 입력축 및 출력축이나 이들을 지지하는 부재 등에 축 방향의 부하가 생기는 것을 억제할 수 있다.
상기 일방향 클러치는, 상기 입력 회전체 및 상기 출력 회전체 중 한쪽의 회전체 측에 설치되는 내륜 외주면과, 다른 쪽의 회전체 측에 설치되고, 또한 상기 내륜 외주면의 직경 방향 외측에 배치되는 외륜 내주면과, 상기 내륜 외주면과 상기 외륜 내주면 사이에 형성된 공간에 원주 방향으로 간격을 두고 배치된 복수의 연결 부재를 포함하고, 상기 연결 부재가 상기 내륜 외주면 및 상기 외륜 내주면에 치합하는 것으로 상기 입력 회전체와 상기 출력 회전체를 일체로 회전 가능하게 접속하고, 그 치합을 해제함으로써 상기 접속을 차단하는 것이며, 상기 입력 회전체와 상기 출력 회전체 사이에, 상기 입력 회전체 및 출력 회전체를 서로 상대적으로 회전 가능하게 지지하는 원통 롤러 베어링을 포함하고 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 일방향 클러치의 연결 부재와 내륜 외주면 및 외륜 내주면의 치합이 해제되었을 때, 이들 간에 간극이 생기는 것에 기인하여, 입력 회전체와 출력 회전체가 서로 직경 방향으로 상대적으로 이동하는 것을, 제2 롤링 베어링에 의해 방지할 수 있다. 따라서, 풍력 발전 장치의 운전 중에, 입력 회전체 및 출력 회전체가 직경 방향으로 덜거덕거리는 것을 방지할 수 있다.
상기 내륜 외주면 및 상기 외륜 내주면은, 원통면으로 형성되고, 상기 연결 부재는, 스프래그에 의해 구성되어 있는 것이 바람직하다.
연결 부재로서 스프래그를 사용하는 경우, 내륜 외주면 및 외륜 내주면의 양쪽을 원통면으로 형성할 수 있으므로, 내륜 외주면 및 외륜 내주면을 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 스프래그는, 연결 부재로서 '롤러'를 사용하는 경우와 비교할 때 강성을 높게 하고 토크 용량을 높이기 쉽기 때문에, 상기 스프래그의 직경 방향이나 축 방향의 치수를 작게 할 수 있고, 그 결과, 외륜 내주면이 형성된 다른 쪽의 회전체의 치수를 작게 하고, 일방향 클러치를 소형화할 수 있다.
또한, 연결 부재가 스프래그로 구성되어 있는 경우에는, 상기 내륜 외주면이, 상기 입력 회전체 및 상기 출력 회전체 중 직경 방향 내측에 배치된 한쪽의 회전체의 외주면으로 구성되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같은 구성에 의해, 한쪽의 회전체와는 별개로, 내륜 외주면을 구비한 내륜 등을 형성하지 않아도 되므로, 일방향 클러치를 더욱 직경 방향으로 컴팩트하게 형성할 수 있다.
단, 연결 부재는, 상기 내륜 외주면과 상기 외륜 내주면 사이에 형성된 복수의 쐐기형 공간에 배치되는 원통 롤러에 의해 구성되어 있어도 된다.
상기 입력 회전체 및 상기 출력 회전체 중 직경 방향 외측에 배치된 한쪽의 회전체의 내주면이 원통면으로 형성되는 동시에, 상기 외륜 내주면과 외륜 궤도면을 구성하고 있는 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 상기 한쪽의 회전체의 내주면이 외륜 내주면 및 외륜 궤도면을 구성하고 있으므로, 상기 한쪽의 회전체를, 외륜 내주면을 가지는 외륜 및 외륜 궤도면을 가지는 외륜으로서 겸용할 수 있고, 일방향 클러치 및 제2 롤링 베어링의 구조의 간소화를 도모할 수 있다. 또한, 한쪽의 회전체의 내주면을 내경이 일정한 원통면으로 형성하면, 상기 회전체를 연결 부재 및 롤러에 대하여 축 방향으로 이동시킬 수 있다. 따라서, 출력축과 입력축의 축 방향의 간격 등에 따라 입력 회전체와 출력 회전체의 축 방향의 상대적 위치를 조절하는 것이 가능해진다.
상기 입력 회전체 및 상기 출력 회전체는, 상기 출력축과 상기 입력축을 일체로 회전 가능하게 접속하는 축 연결 장치를 구성하고, 상기 일방향 클러치가 상기 축 연결 장치에 내장되어 있는 것이 바람직하다.
이와 같은 구성에 의해, 출력축과 입력축 사이의 공간이 좁은 경우라도, 출력축과 입력축을 접속하는 축 연결 장치를 이용하여 일방향 클러치를 적절하게 설치할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제2 및 제3 태양에 관하여, 일방향 클러치가, 증속 기어의 출력축측 또는 발전기의 입력축측에 설치되는 회전체와, 이 회전체에 끼워맞추어지는 륜체(ring)와, 이 륜체에 치합하는 연결 부재를 포함하는 경우, 이 회전체로부터 륜체으로의 동력 전달을 양자의 마찰력에 의해 행하기 위해서는 양자를 억지 끼워맞춤(interference fit)에 의해 연결할 필요가 있다. 이 경우에, 발전기를 작동시키기 위한 부하가 최대로 되었을 때, 억지 끼워맞춤에 의한 마찰력만으로 양자 사이의 동력 전달을 행하면, 회전축과 륜체 사이의 체결 마진(interference)을 극히 크게 하지 않으면 안되므로, 륜체에 생기는 내부 응력이 과대해지고, 륜체의 수명, 나아가서는 일방향 클러치의 수명이 저하된다.
그리고 풍력 발전 장치에서의 증속 기어의 출력축측 또는 발전기의 입력축측에 설치되는 회전체는 매우 크기 때문에, 일방향 클러치를 위한 가공을 직접적으로 회전체에 행하는 것은 곤란하다. 그러므로, 통상은, 별도로 가공한 륜체를 회전체에 조립하는 것이 행해지고 있고, 그러므로, 상기한 문제점을 해결하는 것은 극히 중요하다.
본 발명의 제2 및 제3 태양은, 예를 들면, 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것이며, 증속 기어의 출력축과 발전기의 입력축(구동축) 사이에 설치되는 일방향 클러치의 수명을 높일 수 있는 풍력 발전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제2 태양은, 풍력에 의해 생성된 주축의 회전을 증속하여 출력축으로 출력하는 증속 기어와, 상기 출력축의 회전을 입력으로 하여 회전하는 입력축을 포함하고, 상기 입력축과 일체로 회전하는 로터의 회전에 따라 발전하는 발전기와, 상기 출력축과 상기 입력축 사이에 설치되고, 상기 출력축의 회전 속도가 상기 입력축의 회전 속도보다 높은 상태에서 상기 출력축과 상기 입력축을 일체로 회전 가능하게 접속하고, 상기 출력축의 회전 속도가 상기 입력축의 회전 속도보다 낮은 상태에서는 상기 출력축과 상기 입력축의 접속을 차단하는 일방향 클러치를 포함하고, 상기 일방향 클러치는, 상기 출력축와 함께 회전하는 회전체에 끼워맞추어지는 륜체(내륜 또는 외륜)와, 이 륜체의 주위면의 직경 방향 외측 또는 직경 방향 내측에 대향하여 배치되고, 상기 입력축측에 설치되는 다른 주위면과, 양 주위면의 사이의 공간에 배치되는 복수의 연결 부재를 가지고, 상기 연결 부재가 상기 양주위면에 치합하는 것으로 상기 출력축과 상기 입력축을 일체로 회전 가능하게 접속하고, 그 치합을 해제함으로써 상기 접속을 차단하는 것이며, 상기 발전기를 작동시키기 위한 부하 토크가 최대일 때에 상기 회전체로부터 상기 륜체에 전달되어야 하는 최대 전달 토크(T1max)와, 상기 회전체와 상기 륜체의 끼워맞춤에 의한 체결력으로 상기 회전체로부터 상기 륜체에 전달 가능한 전달 토크(T2)가 T1max>T2의 관계에 있고, 상기 발전기를 작동시키기 위해 상기 회전체로부터 상기 륜체에 전달되어야 하는 필요 최소한의 전달 토크(T1)와, 상기 연결 부재가 상기 륜체의 주위면에 치합하는 것에 의한 체결력으로 상기 회전체로부터 상기 륜체에 전달 가능한 전달 토크(T3)와, 상기 전달 토크(T2)가 T1<T2＋T3의 관계에 있는, 풍력 발전 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 제3 태양은, 풍력에 의해 생성된 주축의 회전을 증속하여 출력축으로 출력하는 증속 기어와, 상기 출력축의 회전을 입력으로 하여 회전하는 입력축을 포함하고, 상기 입력축과 일체로 회전하는 로터의 회전에 따라 발전하는 발전기와, 상기 출력축과 상기 입력축 사이에 설치되고, 상기 출력축의 회전 속도가 상기 입력축의 회전 속도보다 높은 상태에서 상기 출력축과 상기 입력축을 일체로 회전 가능하게 접속하고, 상기 출력축의 회전 속도가 상기 입력축의 회전 속도보다 낮은 상태에서 상기 출력축과 상기 입력축의 접속을 차단하는 일방향 클러치를 포함하고, 상기 일방향 클러치는, 상기 입력축와 함께 회전하는 회전체에 끼워맞추어지는 륜체와, 이 륜체의 주위면의 직경 방향 외측 또는 직경 방향 내측에 대향하여 배치되고, 상기 출력축측에 설치되는 다른 주위면과, 양 주위면의 사이의 공간에 배치되는 복수의 연결 부재를 가지고, 상기 연결 부재가 상기 양 주위면에 치합하는 것으로 상기 출력축과 상기 입력축을 일체로 회전 가능하게 접속하고, 그 치합을 해제함으로써 상기 접속을 차단하는 것이며, 상기 발전기를 작동시키기 위한 부하 토크가 최대일 때에 상기 회전체로부터 상기 륜체에 전달되어야 하는 최대 전달 토크(T1max)와, 상기 회전체와 상기 륜체와의 끼워맞춤에 의한 체결력으로 상기 회전체로부터 상기 륜체에 전달 가능한 전달 토크(T2)가 T1max>T2의 관계에 있어, 상기 발전기를 작동시키기 위해 상기 회전체로부터 상기 륜체에 전달되어야 하는 필요 최소한의 전달 토크(T1)와, 상기 연결 부재가 상기 륜체의 주위면에 치합하는 것에 의한 체결력으로 상기 회전체로부터 상기 륜체에 전달 가능한 전달 토크(T3)와, 상기 전달 토크(T2)가 T1<T2＋T3의 관계에 있는, 풍력 발전 장치를 제공한다.
이 구성에 의하면, 회전체와 륜체 끼워맞춤에 의한 체결력(초기의 체결력)뿐 아니라, 륜체와 연결 부재의 치합에 의한 체결력(추가의 체결력)도 고려하여, 회전체와 륜체 사이의 전달 토크가 발전기를 작동시키기 위한 필요 최소한의 전달 토크를 만족시키도록 설정된다. 그러므로 초기의 체결력을 과도하게 높일 필요가 없고, 륜체에 생기는 응력을 가급적으로 저감할 수 있다. 따라서, 륜체의 수명, 나아가서는 일방향 클러치의 수명을 높일 수 있다.
그리고 상기 회전체와 상기 륜체의 체결 마진은 10㎛ 이상으로 되는 것이 바람직하다. 이로써, 연결 부재와 륜체의 치합 초기에서의 륜체와 회전체 사이의 전달 토크를 충분히 확보할 수 있다.
또한, 상기 연결 부재는, 원주 방향으로 4개∼8개 설치되어 있는 것이 바람직하다.
연결 부재의 수가 8개를 넘으면, 연결 부재로부터 륜체의 주위면에 부여되는 힘이 분산되어, 양자가 치합하는 것에 의한 체결력이 작아지게 되어 충분한 전달 토크(T3)를 확보하기 어려워지고, 연결 부재의 수가 4개 보다 적으면, 반대로 전달 토크(T3)가 너무 커져서 륜체로의 부담이 증대할 가능성이 있기 때문이다.
상기 일방향 클러치는, 상기 출력축과 상기 입력축을 일체로 회전 가능하게 접속하는 축 연결 장치에 내장되어 있는 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 증속 기어의 출력축과 발전기의 입력축 사이의 축 방향의 공간을 확보할 수 없는 것과 같은 경우라도, 양축을 접속하는 축 연결 장치를 이용하여 일방향 클러치를 설치하는 것이 가능해진다.
본 발명의 제2 및 제3 태양에 의하면, 예를 들면, 증속 기어의 출력축과 발전기의 입력축 사이에 설치되는 일방향 클러치의 수명을 높일 수 있다.
다음에, 본 발명의 제4 태양에 관하여, 일반적으로, 풍력 발전 장치는, 강한 풍력을 얻을 수 있고, 또한 소음(騷音) 등의 영향이 적은 환경, 예를 들면, 연안부나 해상 등에 설치된다. 그러나 연안부 등에서는 풍력 발전 장치가 염분을 많이 포함하는 기류에 노출되게 되므로, 풍력 발전 장치의 내부 기기에 대한 염분에 의한 손상에 대한 대책을 강구할 필요가 있다. 특히, 증속 기어와 발전기 사이에 일방향 클러치를 설치한 경우, 염분에 의한 손상에 의해 금속 부식 등이 생기면, 출력축과 구동축과의 사이의 동력의 연결/연결 해제(접속/차단)이 적절히 행해지지 않아서, 발전 효율 등에 악영향을 미치게 된다.
본 발명의 제4 태양은, 증속 기어의 출력축과 발전기의 입력축(구동축)을 접속하는 일방향 클러치의 기능이 주위의 환경의 영향에 의해 손상되지 않는 풍력 발전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제4 태양은, 풍력에 의해 회전하는 주축과, 상기 주축의 회전을 증속하여 출력축으로 출력하는 증속 기어와, 상기 출력축의 회전을 입력으로 하여 회전하는 입력축을 포함하고, 상기 입력축과 일체로 회전하는 로터의 회전에 따라 발전하는 발전기와, 상기 증속 기어 및 상기 발전기를 수용하는 케이싱과, 상기 출력축에 일체로 회전 가능하게 설치된 입력 회전체와, 상기 입력축에 일체로 회전 가능하게 설치되고, 상기 입력 회전체의 직경 방향 내측 또는 직경 방향 외측에 동심으로 배치된 출력 회전체와, 상기 입력 회전체와 상기 출력 회전체 사이에 배치되고, 상기 입력 회전체의 회전 속도가 상기 출력 회전체의 회전 속도보다 높은 상태에서, 상기 입력 회전체와 상기 출력 회전체를 일체로 회전 가능하게 접속하고, 상기 입력 회전체의 회전 속도가 상기 출력 회전체의 회전 속도보다 낮은 상태에서는, 상기 입력 회전체와 상기 출력 회전체와의 접속을 차단하는 일방향 클러치와, 상기 일방향 클러치가 배치된 영역을 상기 케이싱 내의 공간으로부터 차폐하는 차폐 수단을 포함하는 풍력 발전 장치를 제공한다.
본 발명의 제4 태양에 관한 풍력 발전 장치는, 증속 기어의 출력축과 발전기의 입력축 사이에 일방향 클러치가 설치되고, 이 일방향 클러치가 배치된 영역을 그 주위의 공간인 케이싱 내의 공간으로부터 차폐하는 차폐 수단이 설치되어 있으므로, 일방향 클러치가 배치된 영역으로의 이물질이나 기류 등의 침입이 차폐 수단에 의해 억제되고, 일방향 클러치가 염분에 의한 손상 등의 영향을 쉽게 받지 않아되어, 출력축과 입력축 사이의 동력의 전달/차단 등, 일방향 클러치의 기능을 바람직하게 유지할 수 있다. 그리고 일방향 클러치가 배치되는 영역은, 입력 회전체와 출력 회전체가 직경 방향으로 대향하는 범위 내에서 일방향 클러치가 배치되어 있는 부분을 말한다.
상기 차폐 수단은, 상기 입력 회전체 및 상기 출력 회전체를 직경 방향 외측으로부터 덮는 커버 부재를 포함하고, 상기 커버 부재는, 상기 입력 회전체 및 상기 출력 회전체의 한쪽에 대하여 상대적인 회전이 불가능하게 연결되고, 다른 쪽에 대하여 상대적인 회전이 가능하게 연결되어 있는 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 일방향 클러치에 의해 출력축과 입력축의 접속이 차단되어 양축이 상대적으로 회전한 경우라도 커버 부재가 그 회전을 추종할 수 있다.
상기 커버 부재는, 축 방향으로 신축 가능하게 구성되어 있는 것이 바람직하다.
이와 같은 구성에 의해, 출력축과 입력축의 축 방향의 간격의 변동 등에 커버 부재를 추종시키는 것이 가능하다.
상기 입력 회전체 및 상기 출력 회전체가, 상기 출력축과 상기 입력축을 일체로 회전 가능하게 접속하는 축 연결 장치를 구성하고, 상기 일방향 클러치가 상기 축 연결 장치에 내장되어 있는 것이 바람직하다.
일방향 클러치가, 출력축과 입력축을 접속하는 축 연결 장치에 내장되는 것에 의해, 양축의 축 방향의 간격이 좁고, 일방향 클러치를 단독으로 설치하는 공간을 확보할 수 없는 경우라도 양축의 사이에 축 연결 장치와 함께 일방향 클러치를 설치하는 것이 가능해진다.
본 발명의 제4 태양에 관한 풍력 발전 장치에 의하면, 예를 들면, 증속 기어의 출력축과 발전기의 입력축 사이에 설치한 일방향 클러치가 염분에 의한 손상 등의 영향을 쉽게 받지 않으므로, 일방향 클러치의 기능을 바람직하게 유지할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제5 태양에 관하여, 발전기의 고장이나 사고로 인해, 또는 유지보수 등을 위해 발전기를 정지시킨 경우, 통상, 풍차의 블레이드의 방향(피치각)을 변경함으로써, 풍력이 작용하지 않는 상태로 하여 풍차를 정지시킨다. 그러나 상기한 바와 같이 증속 기어의 출력축과 발전기의 구동축 사이에 일방향 클러치가 설치되어 있으면, 풍차를 정지시킴으로써 증속 기어의 출력축을 정지시켜도 발전기의 구동축은 로터의 관성으로 계속 회전하기 때문에, 신속히 발전기를 정지시킬 수 없게 된다.
따라서, 본 발명의 제5 태양은, 상기한 바와 같은 사정에 감안하여, 감속기의 출력축과 발전기의 구동축 사이에 일방향 클러치를 구비하고 있는 경우라도, 외력의 공급을 멈춤으로써 발전기를 신속히 정지시키는 것이 가능한 발전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제5 태양은, 외력에 의해 회전하는 주축과, 상기 주축으로부터 입력된 회전을 증속하여 출력축으로 출력하는 증속 기어와, 상기 출력축의 회전을 입력으로 하여 회전하는 구동축, 및 이 구동축과 일체로 회전하는 로터를 가지고, 이 로터의 회전에 따라 발전하는 발전기와, 상기 출력축과 상기 구동축 사이에 설치되고, 상기 출력축의 회전 속도가 상기 구동축의 회전 속도보다 높은 제1 상태에서, 상기 출력축과 상기 구동축을 일체로 회전 가능하게 접속하고, 상기 출력축의 회전 속도가 상기 구동축의 회전 속도보다 낮은 제2 상태에서는, 상기 출력축과 상기 구동축과의 접속을 차단하는 일방향 클러치와, 상기 출력축과 상기 구동축과의 사이에 설치되고, 적어도 상기 제2 상태에서, 상기 출력축과 상기 구동축을 일체로 회전 가능하게 연결 가능한 연결 수단과, 소정 조건에 따라 상기 출력축과 상기 구동축을 연결시키도록 상기 연결 수단을 동작 제어하는 제어부를 포함하는 발전 장치를 제공한다.
본 발명의 제5 태양에 관한 발전 장치는, 증속 기어의 출력축과 발전기의 구동축 사이에 일방향 클러치를 설치하고 있고, 출력축의 회전이 구동축의 회전 속도보다 높은 상태(제1 상태)에서는, 출력축의 회전을 구동축에 적절하게 전달하고, 발전기를 작동시키는 것이 가능하다. 반대로, 출력축의 회전이 구동축의 회전 속도보다 낮은 상태(제2 상태)에서는, 출력축의 회전을 구동축에 전달하지 않도록 함으로써 구동축이 감속되는 것을 방지하고, 발전기의 로터를 관성으로 회전시키는 것이 가능하다. 그러므로 발전기의 평균 회전 속도의 저하 및 발전 효율의 저하를 억제할 수 있다.
한편, 발전기를 정지시키기 위해, 외력(예를 들면, 풍차로부터의 회전 이동력)의 공급을 정지시키면, 증속 기어의 출력축은 급감속해 정지하므로, 전술한 제2 상태로 되어 일방향 클러치는 출력축과 구동축과의 접속을 차단한다. 따라서, 그대로는 구동축은 로터의 관성에 의해 계속 회전하여 발전기를 신속히 정지시킬 수 없다. 그러나 본 발명의 발전 장치에는, 일방향 클러치에 더하여, 적어도 제2 상태에서 출력축과 구동축을 일체로 회전 가능하게 연결 가능한 연결 수단이 설치되어 있고, 이 연결 수단은 제어부에 의해 소정 조건에 따라 출력축과 구동축을 연결시키도록 제어된다. 그러므로 발전기를 정지시키는 경우 등에는, 연결 수단에 의해 출력축과 구동축을 연결함으로써 증속 기어를 브레이크로서 작용시켜, 구동축을 급감속시켜 발전기를 신속히 정지시키는 것이 가능해진다.
상기 증속 기어는, 상기 주축의 회전을 증속하는 회전 전달 기구, 이 회전 전달 기구에 의해 증속된 회전을 출력하는 상기 출력축, 및 이 출력축을 회전 가능하게 지지하는 롤러 베어링을 가지고 있고, 상기 출력축에는, 입력 회전체가 일체로 회전 가능하게 설치되고, 상기 구동축에는, 상기 입력 회전체의 직경 방향 내측 또는 직경 방향 외측에 동심으로 배치된 출력 회전체가 일체로 회전 가능하게 설치되고, 상기 일방향 클러치가, 상기 입력 회전체와 상기 출력 회전체 사이에 배치되어 있는 것이 바람직하다.
전술한 종래 기술(도 23, 특허 문헌 1)에서는, 롤러 베어링에 스미어링이 생기는 것에 의해 수명이 저하되는 문제가 있었기 때문에, 본 발명자는, 스미어링의 발생 메카니즘에 대하여 예의 연구를 거듭하였다. 그 결과, 풍력의 저하에 의해 주축의 회전 속도가 급격하게 저하되면, 중량이 무거운 발전기의 로터의 관성에 의해, 출력축의 회전 속도보다 발전기의 구동축의 회전 속도가 상회함으로써 이른바 토크 빠짐(하중 빠짐)이 발생하고, 이 토크 빠짐에 의해 출력축을 지지하는 롤러 베어링에 작용하는 직경 방향 하중이 감소하고, 롤러 베어링의 롤러와 회전륜의 롤링 마찰 저항보다, 롤러와 그것을 유지하는 케이지의 슬라이딩 이동 마찰 저항 등이 상회함으로써, 롤러의 회전이 지연되는 것을 발견하였다. 그리고 이 상태로부터 풍력의 증가에 의해 주축의 회전 속도가 급격하게 증가했을 때, 증속의 관성 토크가 더해져 출력축을 지지하는 롤러 베어링에 작용하는 직경 방향 하중이 증가하므로, 그 순간에 롤러에 높은 하중이 걸린 상태로 롤러가 회전륜과의 접촉면에서 미끄러져, 그 접촉면이 승온함으로써 스미어링이 발생한다.
본 발명의 제5 태양에서는, 일방향 클러치에 의해, 입력 회전체의 회전 속도가 상기 출력 회전체의 회전 속도보다 높은 때는, 입력 회전체와 출력 회전체를 일체로 회전 가능하게 접속하고, 입력 회전체의 회전 속도가 출력 회전체의 회전 속도보다 낮은 때는, 입력 회전체와 출력 회전체의 접속을 차단할 수 있다. 즉, 외력의 저하에 의해 주축을 통하여 출력축의 회전 속도가 급격하게 저하되어도, 발전기의 로터의 관성에 의한 회전이 구동축을 통하여 출력축에 전달되는 것을 방지할 수 있다. 이로써, 출력축을 지지하고 있는 롤러 베어링에 작용하는 직경 방향 하중의 감소 및 이에 따른 롤러의 회전 지연을 억제할 수 있다. 따라서, 이 상태로부터 외력 변화에 따라 주축의 회전 속도가 급격하게 증가하여 롤러에 높은 하중이 걸렸을 때, 롤러가 회전륜과의 접촉면에서 미끄러지기 어려워지기 때문에, 롤러 베어링에 스미어링이 발생하는 것을 효과적으로 억제할 수 있다.
상기 소정 조건은, 상기 발전기의 정지 조건인 것이 바람직하다.
발전기의 정지 조건을 만족시켰을 때, 출력축과 구동축을 연결시키도록 하면, 발전기의 신속히 정지시키는 것이 가능해진다.
또한, 본 발명의 제5 태양에 관한 발전 장치는, 상기 발전 장치의 상태를 검출하기 위한 검출 수단을 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 검출 수단에 의한 검출 결과에 기초하여 상기 연결 수단을 제어하는 것이 바람직하다.
발전기에 고장이나 사고 등의 문제점이 생기면, 발전 장치의 각종 상태로 변화가 생긴다. 그러므로 발전 장치의 상태를 검출 수단에 의해 검출함으로써, 발전기의 문제점을 조기에 발견할 수 있고, 발전기를 신속하게 또 자동적으로 정지시키는 것이 가능해진다.
상기 검출 수단은, 상기 발전기의 온도를 검출하는 온도 센서를 포함해도 된다.
발전기의 온도가 이상적으로 상승한 경우, 발전기에 눌러붙음 등의 문제가 생기고 있는 가능성이 있는 것으로 생각된다. 그러므로 검출 수단으로서 온도 센서를 포함함으로써, 이와 같은 문제를 조기에 발견하여 발전기를 신속히 정지시키는 것이 가능해진다.
상기 검출 수단은, 상기 발전기의 진동을 검출하는 진동 센서를 포함해도 된다.
발전기의 진동이 이상적으로 큰 경우, 내부의 축이나 베어링에 파손 등의 문제가 생긴 가능성이 있는 것으로 생각된다. 그러므로 검출 수단으로서 진동 센서를 포함함으로써, 이와 같은 문제점을 조기에 발견하여 발전기를 신속히 정지시키는 것이 가능해진다.
상기 검출 수단은, 상기 출력축, 상기 구동축, 또는 상기 주축의 회전 속도를 검출하는 속도 센서와, 상기 발전기의 발전량을 검출하는 발전량 측정기를 포함해도 된다.
출력축, 구동축, 또는 주축의 회전 속도와 발전기의 발전량과의 사이에는 상관이 있으므로, 예를 들면, 각 축의 회전 속도가 큰데도 불구하고 발전량이 작은 경우에는, 발전기에 어떠한 문제가 생기고 있는 가능성이 있는 것으로 생각된다. 그러므로 검출 수단으로서 속도 센서와 발전량 측정기를 포함하고 있으면, 이와 같은 문제를 조기에 발견하여 발전기를 신속히 정지시키는 것이 가능해진다.
본 발명의 제5 태양에 관한 발전 장치는, 인위적인 발전기의 정지 지시의 입력을 접수하는 접수 수단을 포함하고 있고, 상기 제어부는, 상기 접수 수단이 상기 정지 지시를 접수하였는지에 기초하여 상기 연결 수단을 제어하는 것이어도 된다.
이와 같은 구성에 의해, 예를 들면, 유지보수 등을 위해 발전기를 인위적으로 정지시켜야 하는 경우에는, 접수 수단에 대하여 정지 지시를 입력함으로써 신속히 발전 장치를 정지시키는 것이 가능하다.
상기 구성에서, 상기 출력축 및 상기 구동축과 동심으로, 상기 일방향 클러치 및 상기 연결 수단이 배치되어 있는 것이 바람직하다.
이와 같은 구성에 의해, 일방향 클러치와 연결 수단을 컴팩트하게 배치할 수 있다.
또한, 상기 연결 수단은 전자기 클러치인 것이 바람직하다.
이와 같은 구성에 의해, 출력축과 구동축의 접속/차단을 신속하고 정확하게 행할 수 있다.
본 발명의 제5 태양에 관한 발전 장치에 의하면, 예를 들면, 감속기의 출력축과 발전기의 구동축 사이의 일방향 클러치를 포함하고 있는 경우라도, 외력의 공급을 멈춤으로써 발전기를 신속히 정지시키는 것이 가능하다.
본 출원은, 2013년 3월 12일 출원의 일본 특허 출원(특허출원 제2013―048593호), 2013년 3월 12일 출원의 일본 특허 출원(특허출원 제2013―048618호), 2013년 3월 12일 출원의 일본 특허 출원(특허출원 제2013―048628호), 2013년 3월 12일 출원의 일본 특허 출원(특허출원 제2013―048642호)에 기초한 것이며, 그 내용은 여기에 참조로서 인용된다.
1: 풍력 발전 장치; 2: 주축; 3: 증속 기어; 4: 발전기; 5, 105: 입력 회전체(내측 회전체); 6, 106: 출력 회전체(외측 회전체); 7, 107: 일방향 클러치; 8, 108: 롤링 베어링(원통 롤러 베어링); 9, 109: 축 연결 장치; 11: 블레이드(수풍 부재); 30: 기어 기구(회전 전달 기구); 35: 출력축; 38: 롤러 베어링; 41: 구동축; 42: 로터; 71: 내륜(륜체); 71a: 외주면(내륜 외주면); 72a: 내주면(외륜 내주면); 73: 연결 부재(롤러, 스프래그); 74: 케이지; 81b: 내륜 플랜지부; 82a: 외륜 궤도면; 83: 원통 롤러; 92: 커버 부재(차폐 수단); S: 쐐기형 공간; 112: 제어부; 121: 온도 센서; 122: 진동 센서; 123: 속도 센서; 124: 발전량 측정기; 125: 정지 스위치(접수 수단)

Claims (14)

  1. 풍력을 받아 주축(主軸)을 회전시키는 수풍 부재;
    상기 주축의 회전을 입력받아 상기 회전을 증속시키는 회전 전달 기구와, 상기 회전 전달 기구의 회전 토크를 출력하는 출력축을 회전 가능하게 지지하는 롤링 베어링을 포함하는 증속 기어;
    상기 출력축의 회전을 입력으로 하여 회전하는 입력축을 포함하고, 상기 입력축과 일체로 회전하는 로터의 회전에 따라 발전하는 발전기;
    상기 출력축에 일체로 회전 가능하게 설치된 입력 회전체;
    상기 입력축에 일체로 회전 가능하게 설치되고, 상기 입력 회전체의 눌러붙음측 또는 직경 방향 외측에 동심(同心)으로 배치된 출력 회전체; 및
    상기 입력 회전체와 상기 출력 회전체 사이에 배치되고, 상기 입력 회전체의 회전 속도가 상기 출력 회전체의 회전 속도보다 높은 상태에서는, 상기 입력 회전체와 상기 출력 회전체를 일체로 회전 가능하게 접속하고, 상기 입력 회전체의 회전 속도가 상기 출력 회전체의 회전 속도보다 낮은 상태에서는, 상기 입력 회전체와 상기 출력 회전체의 접속을 차단하는 일방향 클러치
    를 포함하고,
    상기 입력 회전체와 상기 출력 회전체는 축 방향의 상대적 이동이 허용되고, 상기 이동의 최대 허용량은 상태 변화에 의한 상기 입력축과 상기 출력축의 축 방향 간격의 변동량보다 크게 설정되어 있는,
    풍력 발전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 일방향 클러치는,
    상기 입력 회전체 및 상기 출력 회전체 중 한쪽의 회전체 측에 설치된 내륜 외주면(外周面);
    다른 쪽의 회전체 측에 설치되고, 또 상기 내륜 외주면의 직경 방향 외측에 배치된 외륜 내주면(內周面); 및
    상기 내륜 외주면과 상기 외륜 내주면 사이에 형성된 공간에 원주 방향으로 간격을 두고 배치된 복수의 연결 부재
    를 포함하고,
    상기 연결 부재가 상기 내륜 외주면 및 상기 외륜 내주면에 치합하는 것으로 상기 입력 회전체와 상기 출력 회전체가 일체로 회전 가능하게 접속되고, 상기 치합을 해제함으로써 상기 접속이 차단되며,
    상기 입력 회전체와 상기 출력 회전체 사이에, 상기 입력 회전체 및 출력 회전체를 서로 상대적으로 회전 가능하게 지지하는 원통 롤러 베어링이 구비되어 있는,
    풍력 발전 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 내륜 외주면 및 상기 외륜 내주면은 원통면으로 형성되고, 상기 연결 부재는 스프래그(sprag)로 이루어진, 풍력 발전 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 내륜 외주면이, 상기 입력 회전체 및 상기 출력 회전체 중 직경 방향 내측에 배치된 한쪽의 회전체의 외주면으로 형성되어 있는, 풍력 발전 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 내륜 외주면과 상기 외륜 내주면 사이에 복수의 쐐기형 공간이 형성되고, 상기 연결 부재가, 각각의 쐐기형 공간에 배치되는 원통 롤러로 구성되어 있는, 풍력 발전 장치.
  6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입력 회전체 및 상기 출력 회전체 중 직경 방향 외측에 배치된 한쪽의 회전체의 내주면이, 원통면으로 형성되고 또 상기 외륜 내주면과 외륜 궤도면을 구성하는, 풍력 발전 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입력 회전체 및 상기 출력 회전체는, 상기 출력축과 상기 입력축을 일체로 회전 가능하게 접속하는 축 연결 장치를 구성하고, 상기 일방향 클러치가 상기 축 연결 장치에 내장되어 있는, 풍력 발전 장치.
  8. 풍력에 의해 생성된 주축의 회전을 증속하여 출력축으로 출력하는 증속 기어;
    상기 출력축의 회전을 입력으로 하여 회전하는 입력축을 포함하고, 상기 입력축과 일체로 회전하는 로터의 회전에 따라 발전하는 발전기; 및
    상기 출력축과 상기 입력축 사이에 설치되고, 상기 출력축의 회전 속도가 상기 입력축의 회전 속도보다 높은 상태에서는 상기 출력축과 상기 입력축을 일체로 회전 가능하게 접속하고, 상기 출력축의 회전 속도가 상기 입력축의 회전 속도보다 낮은 상태에서는 상기 출력축과 상기 입력축의 접속을 차단하는 일방향 클러치
    를 포함하고,
    상기 일방향 클러치는,
    상기 출력축와 함께 회전하는 회전체에 끼워맞추어지는 륜체(ring);
    상기 륜체의 주위면의 직경 방향 외측 또는 직경 방향 내측에 대향하여 배치되고, 상기 입력축 측에 설치되는 다른 주위면; 및
    상기 양 주위면의 사이의 공간에 배치되는 복수의 연결 부재
    를 포함하고,
    상기 연결 부재가 상기 양 주위면에 치합하는 것으로 상기 출력축과 상기 입력축이 일체로 회전 가능하게 접속되고, 상기 치합을 해제함으로써 상기 접속이 차단되며,
    상기 발전기를 작동시키기 위한 부하 토크가 최대일 때에 상기 회전체로부터 상기 륜체에 전달되는 최대 전달 토크(T1max)와, 상기 회전체와 상기 륜체의 끼워맞춤에 의한 체결력으로 상기 회전체로부터 상기 륜체에 전달 가능한 전달 토크(T2)가, T1max>T2의 관계를 충족하고,
    상기 발전기를 작동시키기 위해 상기 회전체로부터 상기 륜체에 전달되어야 하는 필요 최소한의 전달 토크(T1)와, 상기 연결 부재가 상기 륜체의 주위면에 치합하는 것에 의한 체결력으로 상기 회전체로부터 상기 륜체에 전달 가능한 전달 토크(T3)와, 상기 전달 토크(T2)가, T1<T2＋T3의 관계를 충족하는,
    풍력 발전 장치.
  9. 풍력에 의해 생성된 주축의 회전을 증속하여 출력축으로 출력하는 증속 기어;
    상기 출력축의 회전을 입력으로 하여 회전하는 입력축을 포함하고, 상기 입력축과 일체로 회전하는 로터의 회전에 따라 발전하는 발전기; 및
    상기 출력축과 상기 입력축 사이에 설치되고, 상기 출력축의 회전 속도가 상기 입력축의 회전 속도보다 높은 상태에서는 상기 출력축과 상기 입력축을 일체로 회전 가능하게 접속하고, 상기 출력축의 회전 속도가 상기 입력축의 회전 속도보다 낮은 상태에서는 상기 출력축과 상기 입력축의 접속을 차단하는 일방향 클러치
    를 포함하고,
    상기 일방향 클러치는,
    상기 입력축와 함께 회전하는 회전체에 끼워맞추어지는 륜체;
    상기 륜체의 주위면의 직경 방향 외측 또는 직경 방향 내측에 대향하여 배치되고, 상기 출력축 측에 설치되는 다른 주위면; 및
    상기 양 주위면의 사이의 공간에 배치되는 복수의 연결 부재
    를 포함하고,
    상기 연결 부재가 상기 양 주위면에 치합하는 것으로 상기 출력축과 상기 입력축이 일체로 회전 가능하게 접속되고, 상기 치합을 해제함으로써 상기 접속이 차단되며,
    상기 발전기를 작동시키기 위한 부하 토크가 최대일 때에 상기 회전체로부터 상기 륜체에 전달되는 최대 전달 토크(T1max)와, 상기 회전체와 상기 륜체의 끼워맞춤에 의한 체결력으로 상기 회전체로부터 상기 륜체에 전달 가능한 전달 토크(T2)가, T1max>T2의 관계를 충족하고,
    상기 발전기를 작동시키기 위해 상기 회전체로부터 상기 륜체에 전달되어야 하는 필요 최소한의 전달 토크(T1)와, 상기 연결 부재가 상기 륜체의 주위면에 치합하는 것에 의한 체결력으로 상기 회전체로부터 상기 륜체에 전달 가능한 전달 토크(T3)와, 상기 전달 토크(T2)가, T1<T2＋T3의 관계를 충족하는,
    풍력 발전 장치.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 회전체와 상기 륜체의 체결 마진(interference)이 10㎛ 이상인, 풍력 발전 장치.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연결 부재가, 원주 방향으로 4개 내지 8개가 설치되어 있는, 풍력 발전 장치.
  12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 일방향 클러치가, 상기 출력축과 상기 입력축을 일체로 회전 가능하게 접속하는 축 연결 장치에 내장되어 있는, 풍력 발전 장치.
  13. 풍력에 의해 회전하는 주축;
    상기 주축의 회전을 증속하여 출력축으로 출력하는 증속 기어;
    상기 출력축의 회전을 입력으로 하여 회전하는 입력축을 포함하고, 상기 입력축과 일체로 회전하는 로터의 회전에 따라 발전하는 발전기;
    상기 증속 기어 및 상기 발전기를 수용하는 케이싱;
    상기 출력축에 일체로 회전 가능하게 설치된 입력 회전체;
    상기 입력축에 일체로 회전 가능하게 설치되고, 상기 입력 회전체의 직경 방향 내측 또는 직경 방향 외측에 동심으로 배치된 출력 회전체;
    상기 입력 회전체와 상기 출력 회전체 사이에 배치되고, 상기 입력 회전체의 회전 속도가 상기 출력 회전체의 회전 속도보다 높은 상태에서는 상기 입력 회전체와 상기 출력 회전체를 일체로 회전 가능하게 접속하고, 상기 입력 회전체의 회전 속도가 상기 출력 회전체의 회전 속도보다 낮은 상태에서는, 상기 입력 회전체와 상기 출력 회전체의 접속을 차단하는 일방향 클러치; 및
    상기 일방향 클러치가 배치된 영역을 상기 케이싱 내의 공간으로부터 차폐하는 차폐 수단
    을 포함하는 풍력 발전 장치.
  14. 외력에 의해 회전하는 주축;
    상기 주축으로부터 입력된 회전을 증속하여 출력축으로 출력하는 증속 기어;
    상기 출력축의 회전을 입력으로 하여 회전하는 구동축과, 상기 구동축과 일체로 회전하는 로터를 포함하고, 상기 로터의 회전에 따라 발전하는 발전기;
    상기 출력축과 상기 구동축 사이에 설치되고, 상기 출력축의 회전 속도가 상기 구동축의 회전 속도보다 높은 제1 상태에서는, 상기 출력축과 상기 구동축을 일체로 회전 가능하게 접속하고, 상기 출력축의 회전 속도가 상기 구동축의 회전 속도보다 낮은 제2 상태에서는, 상기 출력축과 상기 구동축의 접속을 차단하는 일방향 클러치;
    상기 출력축과 상기 구동축 사이에 설치되고, 적어도 상기 제2 상태에서 상기 출력축과 상기 구동축을 일체로 회전 가능하게 연결할 수 있는 연결 수단; 및
    소정 조건에 따라 상기 출력축과 상기 구동축을 연결하도록 상기 연결 수단의 동작을 제어하는 제어부
    를 포함하는 발전 장치.
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