JP5546638B2 - 遊星歯車機構、及び風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、遊星歯車機構及びそれを用いた風力発電装置に関し、特に、遊星歯車のスラスト軸受の構造に関する。

遊星歯車機構は、増速機・減速機として広く用いられる機構の一つである。遊星歯車機構は、少ない段数で大きな減速比が得られ、また、大きなトルクが伝達できるという利点がある。このような利点は、風力発電装置において好ましく、遊星歯車機構は、風力発電装置の増速機として広く採用されている。

遊星歯車機構を風力発電装置に適用する場合における一つの問題は、遊星歯車の軸受の寿命である。遊星歯車機構を風力発電装置の増速機として使用した場合、遊星歯車の軸受に大きな荷重がかかる。遊星歯車機構の遊星歯車の軸受としては、現在、転がり軸受が使用されることが多いが、転がり軸受に大きな荷重がかかると、寿命の低下を招く。特に、近年に開発されているような大出力の風力発電装置では、荷重の増大は重大な問題である。

発明者は、遊星歯車の軸受の長寿命化と小型化を達成するための手法として、遊星歯車の内周に設けられる軸受としてすべり軸受を用いることを検討している。すべり軸受は、流体油膜圧力で荷重を受けるため、大きな荷重に耐えられる。大きな荷重に耐えられるすべり軸受を適用すれば、メンテナンスフリーの遊星歯車機構を実現できる可能性もある。

遊星軸受にすべり軸受を適用した場合、遊星歯車の軸方向位置を一定に保持するためにスラスト軸受も採用する必要がある。スラスト軸受は、典型的には、キャリアの遊星歯車と対向する面に環状のすべり軸受材を取り付けることによって構成される。スラスト軸受を構成する環状のすべり軸受材は、「スラストカラー」や「スラストワッシャー」と呼ばれるが、本明細書では、「スラストカラー」と呼ぶことにする。スラストカラーは、例えば、鋼鉄（Ｓ４５Ｃ、ＳＳ４００等）で構成される。スラストカラーを備えたスラスト軸受の構造は、例えば、実開昭６１−１３３１４６号公報（特許文献１）に開示されている。また、特開２００２−２４２９９９号公報（特許文献２）は、ハウジングに環状のアキシャルプレートを設けて遊星歯車の軸方向の位置規制を行う構造を開示している。

遊星歯車のスラスト軸受の構造における検討事項の一つは、スラストカラーを固定する構造である。不適切な固定構造は、スラスト軸受の性能を低下させたり、摺動面へ傷を与えたりする要因となるため好ましくない。例えば、摺動面からボルトを挿入してスラストカラーを固定する構造は、摺動面に穴があくことになり、この穴は摺動面の面積を減らしてスラスト軸受の性能を低下させる上、摺動面へ傷を与えたりする要因となり得る。また、生産性や生産コストを考慮すると、スラストカラーを固定する構造が複雑であることも好ましくない。実開昭６１−１３３１４６号公報には、キャリアに摺動面に平行な方向の開口を形成し、その開口にスラストカラーに設けられた係止爪を挿入する構造が開示されているが、このような構造ではスラストカラーを固定する構造が複雑であり、好ましくない。

実開昭６１−１３３１４６号公報 特開２００２−２４２９９９号公報

したがって、本発明の目的は、遊星歯車機構の遊星歯車の軸受に関して、簡便な構造で、スラスト軸受の性能の低下や摺動面の損傷の発生を回避できるスラストカラーの取り付け構造を提供することにある。

本発明の一の観点においては、遊星歯車機構が、キャリアと、遊星歯車と、遊星歯車に設けられた挿入孔に挿入されると共にキャリアに結合されて遊星歯車を回転可能に支持する遊星ピンと、キャリアの遊星歯車に対向する面に、遊星ピンを取り囲むように取り付けられたスラストカラーと、スラストカラーをキャリアに結合するピンとを具備する。スラストカラーは、キャリアに対向する第１面と、遊星歯車に対向する第２面とを有すると共に、第２面に到達しないように第１面に設けられた第１ピン穴を有する。キャリアは、遊星歯車に対向する面に第２ピン穴を有する。スラストカラーは、ピンがスラストカラーの第１ピン穴とキャリアの第２ピン穴とに挿入されることによってキャリアに取り付けられている。

ピンのキャリアから突出している部分の長さは調節可能であることが好ましい。一実施形態では、第２ピン穴がキャリアを貫通するように形成されると共に、その少なくとも一部には、雌ネジが形成され、ピンの少なくとも一部には、雄ネジが形成される。ピンとキャリアは、雌ネジと雄ネジによって結合される。

この場合、当該遊星歯車機構が、更に、ピンのキャリアからの脱落を防ぐ脱落防止機構を備えることが好ましい。一実施形態では、脱落防止機構は、第２ピン穴に設けられた溝に挿入される突出構造体を備えており、当該突出構造体が、前記第２ピン穴の入口と前記ピンの端との間において前記第２ピン穴から突出するように取り付けられる。突出構造体は、ピンの脱落を有効に防止する。

当該遊星歯車機構が、更に、ピンの緩みを防ぐ緩み防止機構を備えることも好ましい。一実施形態では、緩み防止機構は、前記雄ネジと前記雌ネジとの間に挟まれた弾性体を備える。その代わりに、前記雄ネジが、スプリングネジとして形成されてもよい。

ピンのうちキャリアから突出している部分の長さは、遊星歯車とスラストカラーの間のクリアランスの最大値よりも大きくなるように調節されていることが好ましい。

本発明の他の観点においては、風力発電装置がロータヘッドとロータヘッドに結合された風車翼とを含む風車ロータと、増速機と、増速機の出力軸に連結された発電機とを具備する。増速機は、遊星歯車機構を含んでいる。遊星歯車機構は、ロータヘッドに連結されたキャリアと、遊星歯車と、遊星歯車に設けられた挿入孔に挿入されると共にキャリアに結合されて遊星歯車を回転可能に支持する遊星ピンと、キャリアの遊星歯車に対向する面に、遊星ピンを取り囲むように取り付けられたスラストカラーと、スラストカラーをキャリアに結合するピンとを備えている。スラストカラーは、キャリアに対向する第１面と、遊星歯車に対向する第２面とを有すると共に、第２面に到達しないように第１面に設けられた第１ピン穴を有する。キャリアは、遊星歯車に対向する面に第２ピン穴を有する。スラストカラーは、ピンがスラストカラーの第１ピン穴とキャリアの第２ピン穴とに挿入されることによってキャリアに取り付けられている。

本発明の一実施形態の遊星歯車機構が適用されている風力発電装置の構成を示す外観図である。 本発明の一実施形態におけるナセルの内部の構造を示す鳥瞰図である。 本発明の一実施形態における増速機の構造を示す断面図である。 本発明の一実施形態における遊星歯車機構のスラストカラーの構造を示す正面図である。 本発明の一実施形態における遊星歯車機構のスラストカラーの構造を示す断面図である。 本発明の一実施形態におけるスラストカラーの取り付け構造を示す部分断面図である。 本発明の他の実施形態におけるスラストカラーの取り付け構造を示す部分断面図である。 本発明の更に他の実施形態におけるスラストカラーの取り付け構造を示す部分断面図である。 図８Ａのスラストカラーの取り付け構造に使用されるスナップリングの構造を示す平面図である。 本発明の更に他の実施形態におけるスラストカラーの取り付け構造を示す部分断面図である。 スラストカラーの取り付け構造に好適に使用されるスプリングネジの構造を示す部分断面図である。

図１は、本発明の一実施形態の遊星歯車機構が適用されている風力発電装置の構成を示す外観図である。風力発電装置１は、基礎６に立接される支柱２と、支柱２の上端に設置されるナセル３と、ナセル３に対して回転可能に取り付けられたロータヘッド４と、ロータヘッド４に取り付けられる風車翼５とを備えている。ロータヘッド４と風車翼５とにより、風車ロータが構成されている。

図２に図示されているように、ナセル３の内部には、増速機１１と、発電機１２とが設けられている。増速機１１の入力軸はロータヘッド４の主軸（図示されない）に接合されており、増速機１１の出力軸は、発電機１２のロータに接合されている。風力によってロータヘッド４が回転すると、その回転が増速機１１によって増速されて発電機１２のロータに伝達され、発電機１２が駆動される。これにより、発電機１２から電力が得られる。

図３は、増速機１１の構成を示す断面図である。増速機１１は、遊星歯車機構１３と、平行軸歯車増速機構１４と、それらを収納するハウジング１５とを備えている。遊星歯車機構１３は、太陽歯車２１と、複数の遊星歯車２２（１つのみ図示）と、内歯車２３と、複数の遊星ピン２４（１つのみ図示）と、キャリア２５と、遊星出力軸２６を備えている。遊星歯車２２は、太陽歯車２１と内歯車２３の間に位置しており、遊星歯車２２に挿入された遊星ピン２４によってキャリア２５に支持されている。後述のように、遊星歯車２２に設けられた挿入穴の内周面にはすべり軸受が設けられており、遊星歯車２２は、遊星ピン２４に対して回転可能である。キャリア２５は、ハウジング１５に設けられた軸受２７によって回転可能に支持されており、遊星歯車機構１３の入力軸、即ち、増速機１１の入力軸として用いられる。一方、遊星出力軸２６は、太陽歯車２１に結合され、遊星歯車機構１３の出力軸として使用される。キャリア２５が回転されると、その回転が、遊星歯車２２を介して太陽歯車２１に伝えられ、太陽歯車２１に接続された遊星出力軸２６が増速されて回転する。

キャリア２５の遊星歯車２２に対向する面には、遊星ピン２４を取り囲むようにスラストカラー２８が取り付けられており、遊星ピン２４は、スラストカラー２８に通されている。２枚のスラストカラー２８が、遊星歯車２２を挟み込むように取り付けられている。本実施形態の遊星歯車機構１３の特徴の一つは、スラストカラー２８をキャリア２５に取り付ける構造にある。スラストカラー２８をキャリア２５に取り付ける構造については、後述する。

平行軸歯車増速機構１４は、遊星出力軸２６に接合される第１回転軸３１と、第１回転軸３１に接合される第１斜歯歯車３２と、第２斜歯歯車３３と、第２斜歯歯車３３に接合される第２回転軸３４と、第２回転軸３４に接合される第３斜歯歯車３５と、第４斜歯歯車３６と、第４斜歯歯車３６に接合される出力軸３７とを備えている。第１回転軸３１、第２回転軸３４、及び出力軸３７は、それぞれ、ハウジング１５に設けられた軸受３８、３９、４０によって回転可能に支持されている。更に、第１斜歯歯車３２と第２斜歯歯車３３とは噛合しており、第３斜歯歯車３５と第４斜歯歯車３６とは噛合している。このような構造の平行軸歯車増速機構１４では、遊星出力軸２６が回転されると、その回転が、第１斜歯歯車３２、第２斜歯歯車３３、第３斜歯歯車３５及び第４斜歯歯車３６に伝えられ、第４斜歯歯車３６に接続された出力軸３７が増速されて回転する。即ち、増速機１１全体では、キャリア２５が回転すると、その回転が遊星歯車機構１３と平行軸歯車増速機構１４によって増速されて出力軸３７から出力されることになる。

図４〜図６は、一実施形態におけるスラストカラー２８の構造及びスラストカラー２８をキャリア２５に取り付ける構造を図示している。図４を参照して、スラストカラー２８は、リング状の構造を有している。ここで、図５に図示されているように、以下の説明では、スラストカラー２８のキャリア２５と対向する面をキャリア側表面２８ａと記載し、遊星歯車２２と対向する面を遊星歯車側表面２８ｂと記載する。遊星歯車側表面２８ｂは、遊星歯車２２と摺動する摺動面である。

図５に図示されているように、スラストカラー２８のキャリア側表面２８ａには、ピン穴２８ｃが設けられている。ここで、ピン穴２８ｃが、遊星歯車側表面２８ｂに到達していないことに留意されたい。

図６は、遊星歯車２２を回転可能に支持する構造、特に、スラストカラー２８を取り付ける構造を図示する断面図である。遊星歯車２２の挿入孔の内周面には、すべり軸受材２２ａが取り付けられている。すべり軸受材２２ａにより、遊星歯車２２は、遊星ピン２４に対して回転可能に保持されている。

キャリア２５には、ピン穴２５ａが設けられており、本実施形態では、ピン２９が、キャリア２５のピン穴２５ａとスラストカラー２８のピン穴２８ａとに埋め込まれることによってスラストカラー２８が保持されている。ピン２９は、遊星歯車２２が回転したときにスラストカラー２８の回転を防ぐ回転止めとして機能する。

このような構造では、簡便な構造でスラストカラー２８を固定できる一方で、スラスト軸受の性能の低下や摺動面の損傷の発生を回避できる。本実施形態におけるスラストカラー２８の取り付け構造では、キャリア２５のピン穴２５ａ、スラストカラー２８のピン穴２８ａは、いずれも簡便な工程で形成することができるし、また、ピン２９の取り付けも容易に行うことができる。その一方で、スラストカラー２８に設けられているピン穴２８ｃが遊星歯車側表面２８ｂに到達していない構造により、スラスト軸受の性能の低下や摺動面の損傷の発生を回避できる。ピン穴２８ｃが遊星歯車側表面２８ｂに到達していると、摺動面（遊星歯車側表面２８ｂ）の面積が小さくなってスラスト軸受の性能の低下が生じ得る。加えて、ピン穴２８ｃが遊星歯車側表面２８ｂに到達している構造では、ピン穴２８ｃの形成が不適切であると、遊星歯車２２の側の摺動面に損傷が生じ得る。しかしながら、本実施形態では、ピン穴２８ｃが遊星歯車側表面２８ｂに到達していないから、このような不具合は生じない。

ここで、スラストカラー２８の脱落・回転を防ぐためには、ピン２９のうちキャリア２５から突出している部分の長さが、遊星歯車２２とスラストカラー２８の間の隙間の最大値よりも大きくなるように調節されることが好ましい。遊星歯車２２は、遊星ピン２４の軸方向にある程度は動くことを許容され、したがって、遊星歯車２２とスラストカラー２８の間の隙間は増減する。このとき、ピン２９のうちキャリア２５から突出している部分の長さが、遊星歯車２２とスラストカラー２８の間の隙間の最大値よりも大きければ、スラストカラー２８の脱落・回転を確実に防ぐことができ、好ましい。

遊星歯車２２とスラストカラー２８の間の隙間の調節を容易にするためには、ピン２９のうちキャリア２５から突出している部分の長さが調節可能であることが好ましい。図７は、ピン２９のうちキャリア２５から突出している部分の長さを調節可能にするための構造の例を示す断面図である。図７の構造においては、キャリア４１にスラストカラー２８に対向する面に貫通するピン穴４１ａが形成されている。ピン穴４１ａの一部分には、雌ネジ４１ｂが形成されている。図７の構造では、雌ネジ４１ｂは、ピン穴４１ａの入り口付近に設けられている。ピン穴４１ａには、ネジ付ピン４２が挿入されている。ネジ付ピン４２の頭部に雄ネジ４２ａが形成されている。ネジ付ピン４２の雄ネジ４２ａとキャリア４１の雌ネジ４１ｂとが噛合することによってネジ付ピン４２とキャリア４１とが結合されている。更に、ネジ付ピン４２の先端がスラストカラー２８のピン穴２８ｃに挿入されていることによって、スラストカラー２８が保持されている。

図７の構造では、ネジ付ピン４２は、遊星歯車２２が回転したときにスラストカラー２８の回転を防ぐ回転止めとして機能する。加えて、図７の構造では、ネジ付ピン４２を回転させることによってネジ付ピン４２のうちキャリア４１から突出している部分の長さを容易に調節することができる。

図７の構造において、ネジ付ピン４２が緩んだり脱落したりすることは、好ましくない。したがって、遊星歯車機構１３には、ネジ付ピン４２の緩みを防止するための緩み防止機構又は脱落を防止するための脱落防止機構が設けられていることが好ましい。一実施形態では、図８Ａに図示されているように、ネジ付ピン４２の脱落を防止するスナップリング４４が設けられる。スナップリング４４は、キャリア４１のピン穴４１ａの入口の近傍に設けられた溝４１ｃに挿入されている。スナップリング４４は弾性変形可能な材料（例えば、バネ用鋼やバネ用ステンレス鋼）によって形成されており、図８Ｂに図示されているように、一部が欠けたリング状の構造をしている。なお、スナップリング４４の構造は、様々に変更可能であり、図８Ｂに図示されているものに限定されない。

図８Ａに戻り、スナップリング４４は、下記の手順で取り付けられる。ネジ付ピン４２を挿入した後、スナップリング４４は、その外径を縮めた状態でピン穴４１ａの溝４１ｃに対応する位置まで挿入される。続いて、スナップリング４４自身の弾性で外径が広げられ、これにより、スナップリング４４が溝４１ｃに取り付けられる。スナップリング４４は、溝４１ｃに取り付けられた状態ではピン穴４１ａから半径方向内側に突出している。スナップリング４４は、ネジ付ピン４２の頭部とネジ穴４１ａの入口の間に取り付けられ、ネジ付ピン４２が緩んだ場合にネジ付ピン４２のキャリア４１からの脱落を防止する。

他の実施形態では、図９に図示されているように、ネジ付ピン４２の雄ネジ４２ａとキャリア４１の雌ネジ４１ｂとの間に弾性体が挟まれる。弾性体は、雄ネジ４２ａと雌ネジ４１ｂとの間に充填され、一実施形態では、弾性体スリーブ４３が雄ネジ４２ａと雌ネジ４１ｂとの間に挟まれる。弾性体スリーブ４３は、例えば、ゴムで形成される。弾性体スリーブ４３は、樹脂テープ、例えば、一般に配管のシールに使用されるシールテープをネジ付ピン４２の雄ネジ４２ａに巻き付けることによって形成されてもよい。

更に他の実施形態では、ネジ付ピン４２の雄ネジ４２ａとしてスプリングネジが使用される。スプリングネジにおいては、図１０に図示されているように、ネジ山の頂上付近にスパイラル状の溝が設けられており、これにより、ネジ山が弾性変形可能である。スプリングネジが使用されたネジ付ピン４２が締め付けられると、雄ネジ４２ａの弾性によって雄ネジ４２ａとキャリア４１の雌ネジ４１ｂとの間の隙間が無くなる。したがって、ネジ付ピン４２の緩みを防止することができる。

なお、上述には、本発明の実施形態が具体的に説明されているが、本発明は、当業者には自明的な様々な変形が可能である。例えば、図４〜図６に図示されている構造では、２本のピン２９によってスラストカラー２８が保持されるが、ピン２９の数は、適宜に変更可能である。キャリア２５のピン穴２５ａの個数、及び、スラストカラー２８のピン穴２８ｃの個数は、ピン２９の数に応じて増減される。また、上記には風力発電装置１の増速機１１に遊星歯車機構が適用された実施形態が提示されているが、本発明の遊星歯車機構は、遊星歯車に大きな荷重がかかる他の動力機械にも好適に適用され得る。

Claims (10)

1. キャリアと、
   遊星歯車と、
   前記遊星歯車に設けられた挿入孔に挿入されると共に前記キャリアに結合されて前記遊星歯車を回転可能に支持する遊星ピンと、
   前記キャリアの前記遊星歯車に対向する面に、前記遊星ピンを取り囲むように取り付けられたスラストカラーと、
   前記スラストカラーを前記キャリアに結合するピン
   とを具備し、
   前記遊星歯車は、前記遊星ピンの軸方向に動くことが許容されるように前記遊星ピンに支持されており、
   前記スラストカラーは、前記キャリアに対向する第１面と、前記遊星歯車に対向する第２面とを有すると共に、前記第２面に到達しないように前記第１面に設けられた第１ピン穴を有し、
   前記キャリアは、前記遊星歯車に対向する前記面に第２ピン穴を有し、
   前記ピンが前記スラストカラーの前記第１ピン穴と前記キャリアの第２ピン穴とに挿入されることにより、前記スラストカラーが前記キャリアに取り付けられ、
   前記ピンの前記キャリアから突出している部分の長さが調節可能な
   遊星歯車機構。
2. 請求項１に記載の遊星歯車機構であって、
   前記第２ピン穴は、前記キャリアを貫通するように形成され、
   前記第２ピン穴の少なくとも一部には、雌ネジが形成され、
   前記ピンの少なくとも一部には、雄ネジが形成され、
   前記ピンと前記キャリアは、前記雌ネジと前記雄ネジによって結合されている
   遊星歯車機構。
3. 請求項２に記載の遊星歯車機構であって、
   更に、
   前記ピンの前記キャリアからの脱落を防ぐ脱落防止機構を備える
   遊星歯車機構。
4. 請求項３に記載の遊星歯車機構であって、
   前記脱落防止機構は、前記第２ピン穴に設けられた溝に挿入される突出構造体を備え、
   前記突出構造体は、前記第２ピン穴の入口と前記ピンの端との間において前記第２ピン穴から突出するように取り付けられ、前記ピンの脱落を防止する
   遊星歯車機構。
5. 請求項２に記載の遊星歯車機構であって、
   更に、
   前記ピンの緩みを防ぐ緩み防止機構を備える
   遊星歯車機構。
6. 請求項５に記載の遊星歯車機構であって、
   前記緩み防止機構は、前記雄ネジと前記雌ネジとの間に挟まれた弾性体を備える
   遊星歯車機構。
7. 請求項５に記載の遊星歯車機構であって、
   前記雄ネジが、スプリングネジとして形成されている
   遊星歯車機構。
8. 請求項１に記載の遊星歯車機構であって、
   前記ピンのうち前記キャリアから突出している部分の長さが、前記遊星歯車と前記スラストカラーの間のクリアランスの最大値よりも大きくなるように調節された
   遊星歯車機構。
9. ロータヘッドと前記ロータヘッドに結合された風車翼とを含む風車ロータと、
   増速機と、
   前記増速機の出力軸に連結された発電機
   とを具備し、
   前記増速機が、遊星歯車機構を含み、
   前記遊星歯車機構が、
   前記ロータヘッドに連結されたキャリアと、
   遊星歯車と、
   前記遊星歯車に設けられた挿入孔に挿入されると共に前記キャリアに結合されて前記遊星歯車を回転可能に支持する遊星ピンと、
   前記キャリアの前記遊星歯車に対向する面に、前記遊星ピンを取り囲むように取り付けられたスラストカラーと、
   前記スラストカラーを前記キャリアに結合するピン
   とを備え、
   前記遊星歯車は、前記遊星ピンの軸方向に動くことが許容されるように前記遊星ピンに支持されており、
   前記スラストカラーは、前記キャリアに対向する第１面と、前記遊星歯車に対向する第２面とを有すると共に、前記第２面に到達しないように前記第１面に設けられた第１ピン穴を有し、
   前記キャリアは、前記遊星歯車に対向する前記面に第２ピン穴を有し、
   前記ピンが前記スラストカラーの前記第１ピン穴と前記キャリアの第２ピン穴とに挿入されることにより、前記スラストカラーが前記キャリアに取り付けられ、
   前記ピンの前記キャリアから突出している部分の長さが調節可能な
   風力発電装置。
10. 請求項９に記載の風力発電装置であって、
    前記ピンのうち前記キャリアから突出している部分の長さが、前記遊星歯車と前記スラストカラーの間のクリアランスの最大値よりも大きくなるように調節された
    風力発電装置。

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