風力発電装置
【課題】安全性や耐久性を向上できる風力発電装置を提供する。
【解決手段】風力発電装置は、ロータヘッド６から主軸５の軸線Ｃ回りに放射状に突設された複数のブレード７と、ロータヘッド６内に設けられてブレード７をピッチ軸Ｐ回りに回転させるピッチ軸回転機構８と、を備える。ピッチ軸回転機構８は、ロータヘッド６に支持されると共に伸縮可能なロッド１０を有するアクチュエータ１１と、ロッド１０とブレード７とを連結するリンク構造１２と、を備える。アクチュエータ１１は、主軸５の軸線Ｃ上に延設される。
【解決手段】風力発電装置は、ロータヘッド６から主軸５の軸線Ｃ回りに放射状に突設された複数のブレード７と、ロータヘッド６内に設けられてブレード７をピッチ軸Ｐ回りに回転させるピッチ軸回転機構８と、を備える。ピッチ軸回転機構８は、ロータヘッド６に支持されると共に伸縮可能なロッド１０を有するアクチュエータ１１と、ロッド１０とブレード７とを連結するリンク構造１２と、を備える。アクチュエータ１１は、主軸５の軸線Ｃ上に延設される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
風の流れを利用して発電を行う風力発電装置として、例えば下記特許文献１に示す風力発電装置が知られている。
風力発電装置は、地面に立設されたタワー、ナセル、主軸、ロータヘッド、複数のブレード及びピッチ軸回転機構を備える。
ナセル（後部ナセル）は、タワーの上部に配設される。主軸は、ナセルに配設されて回転可能である。ロータヘッド（前部ナセル）は、主軸の先端に配設されてナセルから突出する。複数のブレードは、ロータヘッドから主軸の軸線回りに放射状に突設される。ピッチ軸回転機構（可変ピッチ装置）は、ブレードをそのピッチ軸回りに回転させる。
【０００３】
特許文献１の風力発電装置では、ピッチ軸回転機構は、ナセルに固定されたアクチュエータ本体及びアクチュエータ本体から伸縮可能なロッドを有するアクチュエータ（油圧シリンダ）と、ロッドとブレードとを連結するリンク構造と、を備える。
リンク構造は、ロッド軸受け部を介してロッド先端に連結されるピッチ制御軸と、このピッチ制御軸とブレードとを繋ぐ複数の継ぎ手（リンク及びアーム）と、を含んでいる。
ピッチ制御軸は、ナセルの発電機内及び主軸内を通ってロータヘッド内に至る。ピッチ制御軸は、アクチュエータ本体に対するロッドの伸縮に伴って主軸の軸線方向に往復移動可能である。ピッチ制御軸は、ロッド軸受け部によりロッドに対して回転可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−４６１０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の風力発電装置では、下記の問題がある。
アクチュエータのロッド伸縮をブレードに伝達するためのリンク構造の部品点数が多く、構造が複雑である。このような複雑な構造により、組立やメンテナンス（以下、組立等）に手間がかかる。
【０００６】
アクチュエータとブレードとの間に、発電機、主軸及びロータヘッドが配設されるので、アクチュエータからブレードまでの距離が長くなる。これらを連結するロッド及びリンク構造の全長が長くなる。そのため、アクチュエータやブレードから伝達される軸線方向への大きな荷重（推力）によって、ロッドやリンク構造が座屈するおそれがある。
【０００７】
回転構造体エンド（主軸の軸線回りにこの主軸と一体に回転する構造体における、ロータヘッドとは反対側の端部）にアクチュエータを配設する必要がある。このため、スリップリングや油圧ロータリージョイントを設けることができない。したがって、ブレードのピッチ軸回りの回転位置を検知するセンサやブレードのピッチ軸回りの回動を規制する油圧ブレーキなどの、装置の安全性や耐久性を確保する部材をロータヘッド内に設置できない。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、安全性や耐久性を向上できる風力発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、以下の手段を提案している。
本発明に係る風力発電装置は、タワーの上部に配設されたナセルと、前記ナセルに配設された回転可能な主軸と、前記主軸の先端に配設されて、前記ナセルから突出するロータヘッドと、前記ロータヘッドから前記主軸の軸線回りに放射状に突設された複数のブレードと、前記ロータヘッド内に設けられ、前記ブレードをピッチ軸回りに回転させるピッチ軸回転機構と、を備え、前記ピッチ軸回転機構は、前記ロータヘッドに支持されたアクチュエータ本体及び前記アクチュエータ本体から伸縮可能なロッドを有するアクチュエータと、前記ロッドと前記ブレードとを連結するリンク構造と、を備え、前記アクチュエータは、前記主軸の軸線上に延設されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、風力発電装置の安全性や耐久性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る風力発電装置１を示す外観図である。
【図２】風力発電装置１の構造を説明する図である。
【図３】ロータヘッド６の内部構造を説明する側断面図である。
【図４】ロータヘッド６の内部構造を説明する正面図である（図３のＡ−Ａ矢視であるとともに、ロータヘッド６の一部を透過して示す図である）。
【図５】ロータヘッド６の内部構造を説明する正断面図である（図３のＡ−Ａ矢視であるとともに、ロータヘッド６におけるＢ−Ｂ断面を示す図である）。
【図６】ブレード７のディスク２７をピッチ軸Ｐ方向から見た図であり、リンク構造１２を説明する図である。
【図７】リンク棒２９の長さ調整機構Ｍを示す図である。
【図８】アクチュエータストロークとピッチ回転角との関係を示すグラフである。
【図９】アクチュエータ１１の構造を説明する側断面図である。
【図１０】アクチュエータ１１を軸線Ｃ方向から見た正面図である。
【図１１】アクチュエータ本体９の先端部近傍を拡大して示す側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態に係る風力発電装置１について、図１〜図１１を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る風力発電装置１は、水平軸型の風力発電装置である。風力発電装置１は、タワー２、ナセル３及び回転構造４を備える。
タワー２は、地面Ｆに立設する。ナセル３は、タワー２の上部に配設される。回転構造４は、タワー２に対してナセル３をタワー２の軸回り（ヨー軸回り）に旋回させる。
【００１３】
図１及び図２に示すように、風力発電装置１は、主軸５、ロータヘッド６、複数のブレード７及びピッチ軸回転機構８を備える。
主軸５は、ナセル３に対して回転可能に配設される。ロータヘッド６は、主軸５の先端に配設されて、ナセル３から突出する。複数のブレード７は、ロータヘッド６から主軸５の軸線Ｃ回りに放射状に突設される。ピッチ軸回転機構８は、ロータヘッド６内に設けられて、ブレード７をそのピッチ軸Ｐ回りに回転させる。
【００１４】
以下の説明では、主軸５の軸線Ｃ方向に沿うロータヘッド６側（図２における右側）を先端側と言い、ロータヘッド６とは反対側（図２における左側）を基端側と言う。
【００１５】
風車部分である複数のブレード７は、タワー２によって地面Ｆから所定の高さに設定された状態で、風Ｗを受け主軸５の軸線Ｃ回りに回転する。
ナセル３において、主軸５の基端側には、発電機（不図示）が配設される。発電機は、主軸５が軸線Ｃ回りに回転することで得られる機械エネルギーを電気エネルギーに変換して電力を発電する。
【００１６】
図２において、ピッチ軸回転機構８は、アクチュエータ１１と、ロッド１０とブレード７とを連結するリンク構造１２と、を備える。アクチュエータ１１は、ロータヘッド６に支持されたアクチュエータ本体９及びアクチュエータ本体９から伸縮可能なロッド１０を有する。
【００１７】
図２に示すように、複数の近接スイッチ１３、エンコーダ１４及び油圧ブレーキ１５は、ロータヘッド６内に配設される。近接スイッチ１３は、アクチュエータ本体９に対するロッド１０の伸縮位置を検知するセンサである。エンコーダ１４は、ブレード７のピッチ軸Ｐ回りの回転位置を検知するセンサである。油圧ブレーキ１５は、ブレード７のピッチ軸Ｐ回りの回動を規制する油圧式のブレーキである。
【００１８】
ナセル３内には、スリップリング１６、油圧ロータリージョイント（フレキシブルジョイント）１７、油圧ブースタ１８及び小型空気圧縮機１９が配設される。油圧ブースタ１８及び小型空気圧縮機１９は、油圧ポンプであっても構わない。
【００１９】
アクチュエータ１１からは、後述するモータ３２の動力ケーブル、近接スイッチ１３のケーブル及びエンコーダ１４のケーブルが引き出される。これらのケーブルは、ロータヘッド６の基端部から筒状の主軸５内を通り、主軸５の基端部に配設されたスリップリング１６に接続される。
油圧ブレーキ１５は、ロータヘッド６の基端部から主軸５内を通り、筒状のスリップリング１６内を通って、油圧ロータリージョイント１７に接続される。油圧ロータリージョイント１７の基端側には、油圧ブースタ１８が接続される。油圧ブースタ１８の基端側には、小型空気圧縮機１９が接続される。
【００２０】
地面Ｆ側であるタワー２の下部には、ドライバ２０が設置される。ドライバ２０には、コントローラ２１が接続される。ドライバ２０は、スリップリング１６に接続される。コントローラ２１は、小型空気圧縮機１９に接続される。
ドライバ２０は、必ずしも地上に配設する必要はない。例えばナセル３内に配設されていてもよい。
【００２１】
図３及び図４に示すように、ロータヘッド６は、中空の内部空間を有する筒状のロータヘッド本体２２と、ロータヘッド本体２２の先端部に配設された円板状のロータヘッド蓋２３と、を備える。
【００２２】
風力発電装置１では、ブレード７が軸線Ｃ回りに周方向均等に３つ設けられる。これに対応して、ロータヘッド本体２２の断面形状が略三角形状をなす（図４参照）。
ブレード７は、ロータヘッド本体２２にピッチ軸Ｐ回りに回動可能に支持される。ブレード７には、ロータヘッド６内に配設された円板状のディスク２７が一体に連結される。
【００２３】
図３に示すように、ロータヘッド蓋２３の先端側を向く面には、ロッドカバー２４が配設される。
ロッドカバー２４は、ロッド１０及びロッド１０に連結されるリンク構造１２の先端側部分を覆う。ロッド１０は、ロータヘッド蓋２３から先端側へ向けて突出する。
ロータヘッドカバー２５は、ロータヘッド６及びロッドカバー２４を覆うように配設される。
【００２４】
図３に示すように、アクチュエータ１１は、主軸５の軸線Ｃ上に延設される。
アクチュエータ本体９の基端部（アクチュエータ本体９の一方）は、ロータヘッド本体２２の基端部に固定される。アクチュエータ本体９の先端部（アクチュエータ本体９の他方）は、球面軸受２６を介してロータヘッド蓋２３に支持される。
【００２５】
アクチュエータ１１のロッド１０は、アクチュエータ本体９から先端側へ向けて突設される。ロッド１０は、その先端側への突出量が変化可能である。このため、ロッド１０は、アクチュエータ本体９に対して主軸５の軸線Ｃ方向に沿って移動可能である。
アクチュエータ１１の詳しい構造については、後述する。
【００２６】
図３〜図６に示すように、リンク構造１２は、ロッド１０の先端部に配設されたリンクアングル２８と、リンクアングル２８及びブレード７のディスク２７を連結するリンク棒２９と、を備える。
リンク棒２９は、軸線Ｃ方向に沿うように延びるリンク棒本体３１と、リンク棒本体３１の両端部に配設されたリンク軸受３０と、を備える。リンク軸受３０は、リンクアングル２８又はディスク２７とリンク棒本体３１とを相対回動可能に連結する。
【００２７】
図６は、アクチュエータ本体９に対するロッド１０の突出量が最も小さくなった状態を表している。この状態において、リンク棒２９とディスク２７との連結部分（リンク軸受３０の中心）と及びピッチ軸Ｐを通る仮想線Ｌ１と、軸線Ｃに垂直な仮想線ＬＣとのなす角度θ１は、４５°である。
仮想線Ｌ２は、アクチュエータ本体９に対するロッド１０の突出量が最も大きくなった状態において、連結部分及びピッチ軸Ｐを通る仮想線である。この仮想線Ｌ２と、仮想線ＬＣとのなす角度θ２は、４５°である。
【００２８】
このように、リンク棒２９とディスク２７との連結部分がロッド１０の伸縮にともなって、仮想線ＬＣを中心（基準）にして仮想線Ｌ１上と仮想線Ｌ２上との間を、ピッチ軸Ｐ回りに回動（揺動）できる。
【００２９】
各リンク棒２９は、それぞれ長さ調整機構Ｍを備える。
図６及び図７に示すように、リンク棒本体３１の両端には、雄ねじ軸５１Ｌと雄ねじ軸５１Ｒが形成される。雄ねじ軸５１Ｌは、左ねじ（反時計回りのねじ：left-hand thread）である。雄ねじ軸５１Ｒは、右ねじ（時計回りのねじ：right-hand thread）である。
ディスク２７に連結されたリンク軸受３０（３０Ｌ）には、左ねじの雌ねじ５２Ｌが形成される。リンクアングル２８に連結されたリンク軸受３０（３０Ｒ）には、右ねじの雌ねじ５２Ｒが形成される。
リンク棒本体３１の雄ねじ軸５１Ｌに対して、リンク軸受３０Ｌの雌ねじ５２Ｌが嵌まる。リンク棒本体３１の雄ねじ軸５１Ｒに対して、リンク軸受３０Ｒの雌ねじ５２Ｒが嵌まる。
【００３０】
雄ねじ軸５１Ｌ及び雄ねじ軸５１Ｒのうち、リンク軸受３０（３０Ｒ，３０Ｌ）の端面に接する箇所には、それぞれ緩み止め用の一対のナット５３（ダブルナット）が設けられる。
ナット５３をリンク軸受３０端面から離間させた状態では、リンク棒本体３１を軸回転させると、リンク棒２９の長さ（リンク長）Ｓを変更（調整）することができる。
リンク棒２９の長さＳを調整した後に、各ナット５３をリンク軸受３０（３０Ｒ，３０Ｌ）の端面に押付けることにより、リンク棒２９の長さＳを固定できる。
このように、各リンク棒２９は、それぞれ長さ調整機構Ｍを備える。
【００３１】
ブレード７は、ディスク２７に対して一体的に連結される。ブレード７に対するディスク２７の取り付け角度（ピッチ軸Ｐ回りの回転角度）は、ブレード７毎に異なる。したがって、仮に３本のリンク棒２９の長さＳが同一の場合には、３枚のブレード７のピッチ角が異なる（ばらつく）ことがある。３枚のブレード７のピッチ角が異なると、風力発電装置１の発電効率は、著しく低下する。
そこで、各リンク棒２９の長さを長さ調整機構Ｍにより調整して、３枚のブレード７のピッチ角を所定の角度に一致させる。例えば、アクチュエータ本体９に対するロッド１０の突出量が最も小さくなった状態において、３枚のブレード７を全てピッチ角０°に一致させる。
【００３２】
ブレード７に対するディスク２７の取り付け角度は、組立前にブレード７毎に予め測定しておく。この測定結果に応じて、各リンク棒２９の長さＳを調整機構Ｍを用いて、組立前に調整しておく。したがって、風力発電装置１の組立時に、タワー２上でのリンク棒２９の長さ調整の作業は不要となる。
このように、風力発電装置１は、長さ調整機構Ｍにより３枚のブレード７のピッチ角を一致させるので、発電効率の低下を防止できる。
【００３３】
図８に示すように、ロッド１０の突出量とディスク２７のピッチ軸Ｐ回りの回動量との関係を示すグラフは、直線状になる。図８のグラフにおいて、横軸はピッチ回転角、縦軸はアクチュエータストロークである。
【００３４】
図９に示すように、アクチュエータ１１は、電気駆動式のモータ３２、ボールねじ３３、ボールスプライン３４及びケーシング３８と、を含む。
ボールねじ３３は、モータ３２の回転運動のエネルギーを主軸５の軸線Ｃ方向に沿う直線運動のエネルギーに変換する。ボールスプライン３４は、ボールねじ３３に連結されて、アクチュエータ本体９に対して、ロッド１０を主軸５の軸線Ｃ方向に直線案内する。ケーシング３８は、ボールねじ３３及びボールスプライン３４を覆うように、筒状に形成される。
【００３５】
モータ３２の先端部には、減速機３５が配設される。モータ３２を減速機付きギヤードモータやベルト折返し仕様とすることにより、高推力を確保できる。減速機３５は、カップリング３９を介して、ボールねじ３３のねじ軸３６に連結される。
【００３６】
ボールねじ３３は、軸線Ｃ方向に沿って延びるねじ軸３６と、ねじ軸３６が挿入された筒状のボールねじナット３７と、を備える。
ねじ軸３６の外周面には、軸線Ｃ回りに周回しつつ、軸線Ｃ方向に延びる螺旋状の溝である転動体転走面（不図示）が形成される。ボールねじナット３７には、転動体転走面に対向する螺旋状の溝である負荷転動体転走面を含む無端の無限循環路（不図示）が形成される。無限循環路には、複数のボール（転動体）が循環可能に保持される（不図示）。
【００３７】
これらボールを介して、ねじ軸３６にボールねじナット３７が組みつけられる。ボールの転走及び循環によって、ボールねじナット３７がねじ軸３６に対して軸線Ｃ方向に往復移動可能である。ねじ軸３６の基端部は、アンギュラ軸受４０に回転可能に支持される。
【００３８】
アンギュラ軸受４０は、ケーシング３８の基端側に配設されたハウジング４１に支持される。ハウジング４１の基端側には、フランジ４２が配設される。ケーシング３８、ハウジング４１及びフランジ４２は、互いに固定されて一体となる。
【００３９】
ボールスプライン３４は、スプライン軸４３とスプラインナット４４とを備える。
スプライン軸４３は、ボールねじナット３７の先端部に連結されて、軸線Ｃ方向に沿って延びる。スプライン軸４３は、筒状に形成されて、ねじ軸３６が挿入される。スプラインナット４４は、筒状に形成されて、スプライン軸４３が挿入される。スプラインナット４４は、ケーシング３８の先端部に固定される。スプラインナット４４の先端部分４４ａは、ケーシング３８から先端側へ向けて突出する。
【００４０】
図９及び図１０に示すように、スプライン軸４３の外周面には、軸線Ｃ方向に沿って延びる直線状の溝である転動体転走面４５が複数形成される。スプラインナット４４には、転動体転走面４５に対向する直線状の溝である負荷転動体転走面を含む無端の無限循環路（不図示）が形成される。無限循環路には、複数のボール（不図示）が循環可能に保持される。
【００４１】
これらボールを介して、スプライン軸４３にスプラインナット４４が組みつけられる。ボールの転走及び循環によって、スプライン軸４３がスプラインナット４４に対して軸線Ｃ方向に往復移動可能である。スプライン軸４３は、アクチュエータ本体９に対して軸線Ｃ方向に移動するロッド１０である。
【００４２】
図３に示すように、アクチュエータ本体９には、フランジ４２の基端側に連結されるとともにモータ３２を覆う筒状のスタンド４６が配設される。スタンド４６の基端部は、ロータヘッド本体２２の基端部にボルト等で固定される。
これにより、アクチュエータ本体９の基端部において、アキシャル、スラスト及び曲げ方向の各方向の負荷を受けとめるように構成される。スタンド４６の内部と主軸５の内部とは、互いに連通する。
【００４３】
図１１に示すように、球面軸受２６は、アクチュエータ本体９のスプラインナット４４の先端部分４４ａに嵌合する。
球面軸受２６は、球面軸受フランジ４７を介して、ロータヘッド蓋２３に配設される。ロータヘッド蓋２３の中央には、軸線Ｃ方向に貫通する取付孔２３ａが形成される。この取付孔２３ａに球面軸受フランジ４７が装着される。球面軸受２６は、ロータヘッド６の梁であるアクチュエータ１１の支持構造であり、スラスト方向の荷重を受けとめる。
【００４４】
球面軸受フランジ４７は、取付孔２３ａに挿入される筒部４８と、筒部４８の先端部に形成されて、ロータヘッド蓋２３の先端側を向く面に固定される円板状のフランジ部４９と、を備える。
筒部４８内には、球面軸受２６が挿入される。球面軸受２６は、筒部４８に対して軸線Ｃ方向に摺動可能である。筒部４８と球面軸受２６とのはめあい精度及び球面軸受２６とスプラインナット４４とのはめあい精度は、互いに軸線Ｃ方向に相対移動可能なクリアランス（しめ代）に設定される。
フランジ部４９の中央には、軸線Ｃ方向に貫通する貫通孔４９ａが形成される。貫通孔４９ａにはロッド１０が挿入される。
【００４５】
球面軸受２６の先端側を向く面とフランジ部４９の基端側を向く面との間には、隙間Ｇ１が設けられる。これにより、球面軸受２６は、ロータヘッド６に対して、主軸５の軸線Ｃ方向に移動可能である。
【００４６】
筒部４８の外周面と取付孔２３ａの内周面との間には、隙間Ｇ２が設けられる。これにより、球面軸受フランジ４７及び球面軸受２６は、ロータヘッド６に対して、軸線Ｃ方向に垂直な径方向に移動可能である。
組立等が完了した際には、球面軸受フランジ４７とロータヘッド蓋２３とは、ボルト５０によって互いに固定されて、径方向への相対移動が規制される。
【００４７】
以上説明したように、本実施形態に係る風力発電装置１では、ブレード７をピッチ軸Ｐ回りに回転させるピッチ軸回転機構８がロータヘッド６内に設けられる。ピッチ軸回転機構８のアクチュエータ１１が、主軸５の軸線Ｃ上に延設される。アクチュエータ１１のロッド１０が、アクチュエータ本体９に対して主軸５の軸線Ｃ方向に沿って伸縮できる。
このような特別な構成により、下記の顕著な効果を奏する。
【００４８】
風力発電装置１では、アクチュエータ１１がロータヘッド６内に配設されるため、アクチュエータ１１からブレード７までの距離を短くできる（図３参照）。アクチュエータ１１のロッド１０及びリンク構造１２の全長を短くできる。したがって、リンク構造１２の部品点数を削減して簡単な構成とすることができる。
これにより、風力発電装置１は、組立等が容易となる。ロッド１０及びリンク構造１２の全長を短くできるので、アクチュエータ１１やブレード７から伝達される軸線Ｃ方向への大きな荷重（推力）によって、ロッド１０やリンク構造１２のリンク棒２９の座屈を防止できる。
【００４９】
風力発電装置１では、アクチュエータ１１がロータヘッド６内に配設されるため、ロータヘッド６とともに回転する主軸５の基端部（回転構造体エンド）に、スリップリング１６や油圧ロータリージョイント１７を設置できる（図２参照）。
これにより、ロータヘッド６内に、アクチュエータ１１のモータ３２を配設できる。ロータヘッド６内に、近接スイッチ１３、エンコーダ１４等のセンサ及び油圧ブレーキ１５を配設できる。よって、風力発電装置１の安全性や耐久性が高まる。
【００５０】
風力発電装置１では、アクチュエータ１１が主軸５の軸線Ｃ上であるロータヘッド６の回転中心に配置されるので、ロータヘッド６の重心の偏り（偏心）が抑制されて、この偏心にともなう振動の発生が軽減される。
アクチュエータ１１のロッド１０伸縮は主軸５の軸線Ｃ上に沿って行われるので、ロッド１０伸縮による偏心が生じない。
よって、ロータヘッド６は、長期に亘り安定して回転する。このようにロータヘッド６の回転が安定するため、回転バランスをとるためのバランサーの設置量を削減できる。
【００５１】
図１１に示すように、風力発電装置１によれば、アクチュエータ本体９の先端部が球面軸受２６を介してロータヘッド６に支持されるので、ミスアライメントによる偏角をキャンセルできる。
【００５２】
隙間Ｇ２が形成されることにより、球面軸受２６がロータヘッド６に対して主軸５の軸線Ｃ方向に垂直な径方向に移動可能である。これにより、ミスアライメントによる偏心をキャンセルできる。
隙間Ｇ１が形成されることにより、球面軸受２６がロータヘッド６に対して主軸５の軸線Ｃ方向に移動可能である。これにより、アクチュエータ本体９等が熱膨張（収縮）して軸線Ｃ方向に伸縮した際に、その伸縮量を吸収できる。
【００５３】
風力発電装置１は、ロータヘッド６の振動や、球面軸受２６等の部材へのストレスの発生が防止されるので、安定した発電が可能である。
風力発電装置１は、ミスアライメントによる取り付け誤差や熱膨張による変位誤差をキャンセル又は吸収できるため、部品の加工精度が粗くてもよくなり、組立時の調整作業等の工程を削減できる。よって、生産性が向上するとともに製造費用が削減される。
【００５４】
風力発電装置１では、アクチュエータ１１が、モータ３２、ボールねじ３３及びボールスプライン３４を含む（図３参照）。これにより、下記の効果を奏する。
【００５５】
風力発電装置１では、油圧シリンダ等の従来のアクチュエータに比べて、アクチュエータ１１の組立が容易である。アクチュエータ１１は、油漏れ等がなくメンテナンスも容易である。
アクチュエータ１１は、駆動源として電気駆動のモータ３２を用いているので、応答性に優れる。風力発電装置１は、風向きや風速が大きく変動する自然の風Ｗを受けて駆動するため、ピッチ軸回転機構８のアクチュエータ１１には高い応答性が要求される。アクチュエータ１１（電気駆動のモータ３２）は、このような要求に十分に対応できる。
【００５６】
風力発電装置１では、モータ３２の減速機構としてボールねじ３３を用いているので、高推力かつ低バックラッシを実現できる。
風力発電装置１のブレード７が風Ｗから受ける外力は非常に大きい。ブレード７をピッチ軸Ｐ回りに回動させるために、ピッチ軸回転機構８のアクチュエータ１１には、高推力かつ低バックラッシが要求される。アクチュエータ１１（ボールねじ３３）は、このような要求に十分に対応できる。
【００５７】
風力発電装置１では、ボールスプライン３４がボールねじ３３に連結されるので、ケーシング３８に対するボールねじ３３のボールねじナット３７の軸線Ｃ回りの回転が規制される。したがって、ロッド１０であるスプライン軸４３が軸線Ｃ方向に効率よく高精度に案内される。
【００５８】
風力発電装置１では、ボールねじ３３及びボールスプライン３４の転がり案内構造のみによって、アクチュエータ本体９に対してロッド１０を伸縮させるので、ロッド１０の伸縮量の精度が十分に確保される。そのため、この伸縮にともなう抵抗が小さく、高効率である。これにより、モータ３２容量を小さくできるので、風力発電装置１のランニングコスト（消費電力）が削減される。
【００５９】
風力発電装置１では、リンク棒２９とディスク２７との連結部分（リンク軸受３０の中心）が、ロッド１０の伸縮にともなって、軸線Ｃに垂直な仮想線ＬＣを中心に仮想線Ｌ１上と仮想線Ｌ２上との間をピッチ軸Ｐ回りに回動する（図６参照）。これにより、下記の効果を奏する。
【００６０】
図８に示すように、ロッド１０の突出量とディスク２７のピッチ軸Ｐ回りの回動量との関係を示すグラフは、直線状であるから、略比例する関係を示す。このグラフにおいて、連結部分が仮想線ＬＣ上に位置する部位（グラフ中央部分）が、この部位のグラフ前後の凹曲線及び凸曲線を繋ぐように変曲点となる。
これにより、軸線Ｃ方向に沿うロッド１０伸縮の推力を、ピッチ軸Ｐ回りの回転トルクに変換する効率が高くなるので、制御の簡略化ができる。
【００６１】
風力発電装置１では、ブレード７のディスク２７のピッチ軸Ｐ回りの回転を規制する油圧ブレーキ１５が設けられているので、アクチュエータ１１の非稼動時（アクチュエータ本体９に対してロッド１０が停止状態）における外力及び振動の伝達を防止できる。
【００６２】
本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【００６３】
風力発電装置１では、球面軸受２６がスプラインナット４４の先端部分４４ａに配設される場合に限らない。球面軸受２６がケーシング３８における先端部に配設されても構わない。
【００６４】
風力発電装置１では、アクチュエータ本体９の一方である基端部がロータヘッド６に固定されて、アクチュエータ本体９の他方である先端部が球面軸受２６を介してロータヘッド６に支持される。しかし、この場合に限らない。
球面軸受２６がロータヘッド本体２２の基端部に配設されてもよい。この場合、アクチュエータ本体９の一方である先端部がロータヘッド６に固定される。また、アクチュエータ本体９の他方である基端部が球面軸受２６を介してロータヘッド６に支持される。
【００６５】
風力発電装置１では、ボールねじ３３及びボールスプライン３４の転動体としてボールを用いる場合に限らない。円柱状のローラやコロ等のボール以外の転動体であってもよい。
【符号の説明】
【００６６】
１…風力発電装置、 ２…タワー、 ３…ナセル、 ５…主軸、 ６…ロータヘッド、 ７…ブレード、 ８…ピッチ軸回転機構、 ９…アクチュエータ本体、 １０…ロッド、 １１…アクチュエータ、 １２…リンク構造、 ２６…球面軸受、 ２９…リンク棒、 ３２…モータ、 ３３…ボールねじ、 ３４…ボールスプライン、 Ｃ…主軸の軸線、 Ｐ…ピッチ軸、 Ｍ…長さ調整機構
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
風の流れを利用して発電を行う風力発電装置として、例えば下記特許文献１に示す風力発電装置が知られている。
風力発電装置は、地面に立設されたタワー、ナセル、主軸、ロータヘッド、複数のブレード及びピッチ軸回転機構を備える。
ナセル（後部ナセル）は、タワーの上部に配設される。主軸は、ナセルに配設されて回転可能である。ロータヘッド（前部ナセル）は、主軸の先端に配設されてナセルから突出する。複数のブレードは、ロータヘッドから主軸の軸線回りに放射状に突設される。ピッチ軸回転機構（可変ピッチ装置）は、ブレードをそのピッチ軸回りに回転させる。
【０００３】
特許文献１の風力発電装置では、ピッチ軸回転機構は、ナセルに固定されたアクチュエータ本体及びアクチュエータ本体から伸縮可能なロッドを有するアクチュエータ（油圧シリンダ）と、ロッドとブレードとを連結するリンク構造と、を備える。
リンク構造は、ロッド軸受け部を介してロッド先端に連結されるピッチ制御軸と、このピッチ制御軸とブレードとを繋ぐ複数の継ぎ手（リンク及びアーム）と、を含んでいる。
ピッチ制御軸は、ナセルの発電機内及び主軸内を通ってロータヘッド内に至る。ピッチ制御軸は、アクチュエータ本体に対するロッドの伸縮に伴って主軸の軸線方向に往復移動可能である。ピッチ制御軸は、ロッド軸受け部によりロッドに対して回転可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−４６１０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の風力発電装置では、下記の問題がある。
アクチュエータのロッド伸縮をブレードに伝達するためのリンク構造の部品点数が多く、構造が複雑である。このような複雑な構造により、組立やメンテナンス（以下、組立等）に手間がかかる。
【０００６】
アクチュエータとブレードとの間に、発電機、主軸及びロータヘッドが配設されるので、アクチュエータからブレードまでの距離が長くなる。これらを連結するロッド及びリンク構造の全長が長くなる。そのため、アクチュエータやブレードから伝達される軸線方向への大きな荷重（推力）によって、ロッドやリンク構造が座屈するおそれがある。
【０００７】
回転構造体エンド（主軸の軸線回りにこの主軸と一体に回転する構造体における、ロータヘッドとは反対側の端部）にアクチュエータを配設する必要がある。このため、スリップリングや油圧ロータリージョイントを設けることができない。したがって、ブレードのピッチ軸回りの回転位置を検知するセンサやブレードのピッチ軸回りの回動を規制する油圧ブレーキなどの、装置の安全性や耐久性を確保する部材をロータヘッド内に設置できない。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、安全性や耐久性を向上できる風力発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、以下の手段を提案している。
本発明に係る風力発電装置は、タワーの上部に配設されたナセルと、前記ナセルに配設された回転可能な主軸と、前記主軸の先端に配設されて、前記ナセルから突出するロータヘッドと、前記ロータヘッドから前記主軸の軸線回りに放射状に突設された複数のブレードと、前記ロータヘッド内に設けられ、前記ブレードをピッチ軸回りに回転させるピッチ軸回転機構と、を備え、前記ピッチ軸回転機構は、前記ロータヘッドに支持されたアクチュエータ本体及び前記アクチュエータ本体から伸縮可能なロッドを有するアクチュエータと、前記ロッドと前記ブレードとを連結するリンク構造と、を備え、前記アクチュエータは、前記主軸の軸線上に延設されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、風力発電装置の安全性や耐久性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る風力発電装置１を示す外観図である。
【図２】風力発電装置１の構造を説明する図である。
【図３】ロータヘッド６の内部構造を説明する側断面図である。
【図４】ロータヘッド６の内部構造を説明する正面図である（図３のＡ−Ａ矢視であるとともに、ロータヘッド６の一部を透過して示す図である）。
【図５】ロータヘッド６の内部構造を説明する正断面図である（図３のＡ−Ａ矢視であるとともに、ロータヘッド６におけるＢ−Ｂ断面を示す図である）。
【図６】ブレード７のディスク２７をピッチ軸Ｐ方向から見た図であり、リンク構造１２を説明する図である。
【図７】リンク棒２９の長さ調整機構Ｍを示す図である。
【図８】アクチュエータストロークとピッチ回転角との関係を示すグラフである。
【図９】アクチュエータ１１の構造を説明する側断面図である。
【図１０】アクチュエータ１１を軸線Ｃ方向から見た正面図である。
【図１１】アクチュエータ本体９の先端部近傍を拡大して示す側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態に係る風力発電装置１について、図１〜図１１を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る風力発電装置１は、水平軸型の風力発電装置である。風力発電装置１は、タワー２、ナセル３及び回転構造４を備える。
タワー２は、地面Ｆに立設する。ナセル３は、タワー２の上部に配設される。回転構造４は、タワー２に対してナセル３をタワー２の軸回り（ヨー軸回り）に旋回させる。
【００１３】
図１及び図２に示すように、風力発電装置１は、主軸５、ロータヘッド６、複数のブレード７及びピッチ軸回転機構８を備える。
主軸５は、ナセル３に対して回転可能に配設される。ロータヘッド６は、主軸５の先端に配設されて、ナセル３から突出する。複数のブレード７は、ロータヘッド６から主軸５の軸線Ｃ回りに放射状に突設される。ピッチ軸回転機構８は、ロータヘッド６内に設けられて、ブレード７をそのピッチ軸Ｐ回りに回転させる。
【００１４】
以下の説明では、主軸５の軸線Ｃ方向に沿うロータヘッド６側（図２における右側）を先端側と言い、ロータヘッド６とは反対側（図２における左側）を基端側と言う。
【００１５】
風車部分である複数のブレード７は、タワー２によって地面Ｆから所定の高さに設定された状態で、風Ｗを受け主軸５の軸線Ｃ回りに回転する。
ナセル３において、主軸５の基端側には、発電機（不図示）が配設される。発電機は、主軸５が軸線Ｃ回りに回転することで得られる機械エネルギーを電気エネルギーに変換して電力を発電する。
【００１６】
図２において、ピッチ軸回転機構８は、アクチュエータ１１と、ロッド１０とブレード７とを連結するリンク構造１２と、を備える。アクチュエータ１１は、ロータヘッド６に支持されたアクチュエータ本体９及びアクチュエータ本体９から伸縮可能なロッド１０を有する。
【００１７】
図２に示すように、複数の近接スイッチ１３、エンコーダ１４及び油圧ブレーキ１５は、ロータヘッド６内に配設される。近接スイッチ１３は、アクチュエータ本体９に対するロッド１０の伸縮位置を検知するセンサである。エンコーダ１４は、ブレード７のピッチ軸Ｐ回りの回転位置を検知するセンサである。油圧ブレーキ１５は、ブレード７のピッチ軸Ｐ回りの回動を規制する油圧式のブレーキである。
【００１８】
ナセル３内には、スリップリング１６、油圧ロータリージョイント（フレキシブルジョイント）１７、油圧ブースタ１８及び小型空気圧縮機１９が配設される。油圧ブースタ１８及び小型空気圧縮機１９は、油圧ポンプであっても構わない。
【００１９】
アクチュエータ１１からは、後述するモータ３２の動力ケーブル、近接スイッチ１３のケーブル及びエンコーダ１４のケーブルが引き出される。これらのケーブルは、ロータヘッド６の基端部から筒状の主軸５内を通り、主軸５の基端部に配設されたスリップリング１６に接続される。
油圧ブレーキ１５は、ロータヘッド６の基端部から主軸５内を通り、筒状のスリップリング１６内を通って、油圧ロータリージョイント１７に接続される。油圧ロータリージョイント１７の基端側には、油圧ブースタ１８が接続される。油圧ブースタ１８の基端側には、小型空気圧縮機１９が接続される。
【００２０】
地面Ｆ側であるタワー２の下部には、ドライバ２０が設置される。ドライバ２０には、コントローラ２１が接続される。ドライバ２０は、スリップリング１６に接続される。コントローラ２１は、小型空気圧縮機１９に接続される。
ドライバ２０は、必ずしも地上に配設する必要はない。例えばナセル３内に配設されていてもよい。
【００２１】
図３及び図４に示すように、ロータヘッド６は、中空の内部空間を有する筒状のロータヘッド本体２２と、ロータヘッド本体２２の先端部に配設された円板状のロータヘッド蓋２３と、を備える。
【００２２】
風力発電装置１では、ブレード７が軸線Ｃ回りに周方向均等に３つ設けられる。これに対応して、ロータヘッド本体２２の断面形状が略三角形状をなす（図４参照）。
ブレード７は、ロータヘッド本体２２にピッチ軸Ｐ回りに回動可能に支持される。ブレード７には、ロータヘッド６内に配設された円板状のディスク２７が一体に連結される。
【００２３】
図３に示すように、ロータヘッド蓋２３の先端側を向く面には、ロッドカバー２４が配設される。
ロッドカバー２４は、ロッド１０及びロッド１０に連結されるリンク構造１２の先端側部分を覆う。ロッド１０は、ロータヘッド蓋２３から先端側へ向けて突出する。
ロータヘッドカバー２５は、ロータヘッド６及びロッドカバー２４を覆うように配設される。
【００２４】
図３に示すように、アクチュエータ１１は、主軸５の軸線Ｃ上に延設される。
アクチュエータ本体９の基端部（アクチュエータ本体９の一方）は、ロータヘッド本体２２の基端部に固定される。アクチュエータ本体９の先端部（アクチュエータ本体９の他方）は、球面軸受２６を介してロータヘッド蓋２３に支持される。
【００２５】
アクチュエータ１１のロッド１０は、アクチュエータ本体９から先端側へ向けて突設される。ロッド１０は、その先端側への突出量が変化可能である。このため、ロッド１０は、アクチュエータ本体９に対して主軸５の軸線Ｃ方向に沿って移動可能である。
アクチュエータ１１の詳しい構造については、後述する。
【００２６】
図３〜図６に示すように、リンク構造１２は、ロッド１０の先端部に配設されたリンクアングル２８と、リンクアングル２８及びブレード７のディスク２７を連結するリンク棒２９と、を備える。
リンク棒２９は、軸線Ｃ方向に沿うように延びるリンク棒本体３１と、リンク棒本体３１の両端部に配設されたリンク軸受３０と、を備える。リンク軸受３０は、リンクアングル２８又はディスク２７とリンク棒本体３１とを相対回動可能に連結する。
【００２７】
図６は、アクチュエータ本体９に対するロッド１０の突出量が最も小さくなった状態を表している。この状態において、リンク棒２９とディスク２７との連結部分（リンク軸受３０の中心）と及びピッチ軸Ｐを通る仮想線Ｌ１と、軸線Ｃに垂直な仮想線ＬＣとのなす角度θ１は、４５°である。
仮想線Ｌ２は、アクチュエータ本体９に対するロッド１０の突出量が最も大きくなった状態において、連結部分及びピッチ軸Ｐを通る仮想線である。この仮想線Ｌ２と、仮想線ＬＣとのなす角度θ２は、４５°である。
【００２８】
このように、リンク棒２９とディスク２７との連結部分がロッド１０の伸縮にともなって、仮想線ＬＣを中心（基準）にして仮想線Ｌ１上と仮想線Ｌ２上との間を、ピッチ軸Ｐ回りに回動（揺動）できる。
【００２９】
各リンク棒２９は、それぞれ長さ調整機構Ｍを備える。
図６及び図７に示すように、リンク棒本体３１の両端には、雄ねじ軸５１Ｌと雄ねじ軸５１Ｒが形成される。雄ねじ軸５１Ｌは、左ねじ（反時計回りのねじ：left-hand thread）である。雄ねじ軸５１Ｒは、右ねじ（時計回りのねじ：right-hand thread）である。
ディスク２７に連結されたリンク軸受３０（３０Ｌ）には、左ねじの雌ねじ５２Ｌが形成される。リンクアングル２８に連結されたリンク軸受３０（３０Ｒ）には、右ねじの雌ねじ５２Ｒが形成される。
リンク棒本体３１の雄ねじ軸５１Ｌに対して、リンク軸受３０Ｌの雌ねじ５２Ｌが嵌まる。リンク棒本体３１の雄ねじ軸５１Ｒに対して、リンク軸受３０Ｒの雌ねじ５２Ｒが嵌まる。
【００３０】
雄ねじ軸５１Ｌ及び雄ねじ軸５１Ｒのうち、リンク軸受３０（３０Ｒ，３０Ｌ）の端面に接する箇所には、それぞれ緩み止め用の一対のナット５３（ダブルナット）が設けられる。
ナット５３をリンク軸受３０端面から離間させた状態では、リンク棒本体３１を軸回転させると、リンク棒２９の長さ（リンク長）Ｓを変更（調整）することができる。
リンク棒２９の長さＳを調整した後に、各ナット５３をリンク軸受３０（３０Ｒ，３０Ｌ）の端面に押付けることにより、リンク棒２９の長さＳを固定できる。
このように、各リンク棒２９は、それぞれ長さ調整機構Ｍを備える。
【００３１】
ブレード７は、ディスク２７に対して一体的に連結される。ブレード７に対するディスク２７の取り付け角度（ピッチ軸Ｐ回りの回転角度）は、ブレード７毎に異なる。したがって、仮に３本のリンク棒２９の長さＳが同一の場合には、３枚のブレード７のピッチ角が異なる（ばらつく）ことがある。３枚のブレード７のピッチ角が異なると、風力発電装置１の発電効率は、著しく低下する。
そこで、各リンク棒２９の長さを長さ調整機構Ｍにより調整して、３枚のブレード７のピッチ角を所定の角度に一致させる。例えば、アクチュエータ本体９に対するロッド１０の突出量が最も小さくなった状態において、３枚のブレード７を全てピッチ角０°に一致させる。
【００３２】
ブレード７に対するディスク２７の取り付け角度は、組立前にブレード７毎に予め測定しておく。この測定結果に応じて、各リンク棒２９の長さＳを調整機構Ｍを用いて、組立前に調整しておく。したがって、風力発電装置１の組立時に、タワー２上でのリンク棒２９の長さ調整の作業は不要となる。
このように、風力発電装置１は、長さ調整機構Ｍにより３枚のブレード７のピッチ角を一致させるので、発電効率の低下を防止できる。
【００３３】
図８に示すように、ロッド１０の突出量とディスク２７のピッチ軸Ｐ回りの回動量との関係を示すグラフは、直線状になる。図８のグラフにおいて、横軸はピッチ回転角、縦軸はアクチュエータストロークである。
【００３４】
図９に示すように、アクチュエータ１１は、電気駆動式のモータ３２、ボールねじ３３、ボールスプライン３４及びケーシング３８と、を含む。
ボールねじ３３は、モータ３２の回転運動のエネルギーを主軸５の軸線Ｃ方向に沿う直線運動のエネルギーに変換する。ボールスプライン３４は、ボールねじ３３に連結されて、アクチュエータ本体９に対して、ロッド１０を主軸５の軸線Ｃ方向に直線案内する。ケーシング３８は、ボールねじ３３及びボールスプライン３４を覆うように、筒状に形成される。
【００３５】
モータ３２の先端部には、減速機３５が配設される。モータ３２を減速機付きギヤードモータやベルト折返し仕様とすることにより、高推力を確保できる。減速機３５は、カップリング３９を介して、ボールねじ３３のねじ軸３６に連結される。
【００３６】
ボールねじ３３は、軸線Ｃ方向に沿って延びるねじ軸３６と、ねじ軸３６が挿入された筒状のボールねじナット３７と、を備える。
ねじ軸３６の外周面には、軸線Ｃ回りに周回しつつ、軸線Ｃ方向に延びる螺旋状の溝である転動体転走面（不図示）が形成される。ボールねじナット３７には、転動体転走面に対向する螺旋状の溝である負荷転動体転走面を含む無端の無限循環路（不図示）が形成される。無限循環路には、複数のボール（転動体）が循環可能に保持される（不図示）。
【００３７】
これらボールを介して、ねじ軸３６にボールねじナット３７が組みつけられる。ボールの転走及び循環によって、ボールねじナット３７がねじ軸３６に対して軸線Ｃ方向に往復移動可能である。ねじ軸３６の基端部は、アンギュラ軸受４０に回転可能に支持される。
【００３８】
アンギュラ軸受４０は、ケーシング３８の基端側に配設されたハウジング４１に支持される。ハウジング４１の基端側には、フランジ４２が配設される。ケーシング３８、ハウジング４１及びフランジ４２は、互いに固定されて一体となる。
【００３９】
ボールスプライン３４は、スプライン軸４３とスプラインナット４４とを備える。
スプライン軸４３は、ボールねじナット３７の先端部に連結されて、軸線Ｃ方向に沿って延びる。スプライン軸４３は、筒状に形成されて、ねじ軸３６が挿入される。スプラインナット４４は、筒状に形成されて、スプライン軸４３が挿入される。スプラインナット４４は、ケーシング３８の先端部に固定される。スプラインナット４４の先端部分４４ａは、ケーシング３８から先端側へ向けて突出する。
【００４０】
図９及び図１０に示すように、スプライン軸４３の外周面には、軸線Ｃ方向に沿って延びる直線状の溝である転動体転走面４５が複数形成される。スプラインナット４４には、転動体転走面４５に対向する直線状の溝である負荷転動体転走面を含む無端の無限循環路（不図示）が形成される。無限循環路には、複数のボール（不図示）が循環可能に保持される。
【００４１】
これらボールを介して、スプライン軸４３にスプラインナット４４が組みつけられる。ボールの転走及び循環によって、スプライン軸４３がスプラインナット４４に対して軸線Ｃ方向に往復移動可能である。スプライン軸４３は、アクチュエータ本体９に対して軸線Ｃ方向に移動するロッド１０である。
【００４２】
図３に示すように、アクチュエータ本体９には、フランジ４２の基端側に連結されるとともにモータ３２を覆う筒状のスタンド４６が配設される。スタンド４６の基端部は、ロータヘッド本体２２の基端部にボルト等で固定される。
これにより、アクチュエータ本体９の基端部において、アキシャル、スラスト及び曲げ方向の各方向の負荷を受けとめるように構成される。スタンド４６の内部と主軸５の内部とは、互いに連通する。
【００４３】
図１１に示すように、球面軸受２６は、アクチュエータ本体９のスプラインナット４４の先端部分４４ａに嵌合する。
球面軸受２６は、球面軸受フランジ４７を介して、ロータヘッド蓋２３に配設される。ロータヘッド蓋２３の中央には、軸線Ｃ方向に貫通する取付孔２３ａが形成される。この取付孔２３ａに球面軸受フランジ４７が装着される。球面軸受２６は、ロータヘッド６の梁であるアクチュエータ１１の支持構造であり、スラスト方向の荷重を受けとめる。
【００４４】
球面軸受フランジ４７は、取付孔２３ａに挿入される筒部４８と、筒部４８の先端部に形成されて、ロータヘッド蓋２３の先端側を向く面に固定される円板状のフランジ部４９と、を備える。
筒部４８内には、球面軸受２６が挿入される。球面軸受２６は、筒部４８に対して軸線Ｃ方向に摺動可能である。筒部４８と球面軸受２６とのはめあい精度及び球面軸受２６とスプラインナット４４とのはめあい精度は、互いに軸線Ｃ方向に相対移動可能なクリアランス（しめ代）に設定される。
フランジ部４９の中央には、軸線Ｃ方向に貫通する貫通孔４９ａが形成される。貫通孔４９ａにはロッド１０が挿入される。
【００４５】
球面軸受２６の先端側を向く面とフランジ部４９の基端側を向く面との間には、隙間Ｇ１が設けられる。これにより、球面軸受２６は、ロータヘッド６に対して、主軸５の軸線Ｃ方向に移動可能である。
【００４６】
筒部４８の外周面と取付孔２３ａの内周面との間には、隙間Ｇ２が設けられる。これにより、球面軸受フランジ４７及び球面軸受２６は、ロータヘッド６に対して、軸線Ｃ方向に垂直な径方向に移動可能である。
組立等が完了した際には、球面軸受フランジ４７とロータヘッド蓋２３とは、ボルト５０によって互いに固定されて、径方向への相対移動が規制される。
【００４７】
以上説明したように、本実施形態に係る風力発電装置１では、ブレード７をピッチ軸Ｐ回りに回転させるピッチ軸回転機構８がロータヘッド６内に設けられる。ピッチ軸回転機構８のアクチュエータ１１が、主軸５の軸線Ｃ上に延設される。アクチュエータ１１のロッド１０が、アクチュエータ本体９に対して主軸５の軸線Ｃ方向に沿って伸縮できる。
このような特別な構成により、下記の顕著な効果を奏する。
【００４８】
風力発電装置１では、アクチュエータ１１がロータヘッド６内に配設されるため、アクチュエータ１１からブレード７までの距離を短くできる（図３参照）。アクチュエータ１１のロッド１０及びリンク構造１２の全長を短くできる。したがって、リンク構造１２の部品点数を削減して簡単な構成とすることができる。
これにより、風力発電装置１は、組立等が容易となる。ロッド１０及びリンク構造１２の全長を短くできるので、アクチュエータ１１やブレード７から伝達される軸線Ｃ方向への大きな荷重（推力）によって、ロッド１０やリンク構造１２のリンク棒２９の座屈を防止できる。
【００４９】
風力発電装置１では、アクチュエータ１１がロータヘッド６内に配設されるため、ロータヘッド６とともに回転する主軸５の基端部（回転構造体エンド）に、スリップリング１６や油圧ロータリージョイント１７を設置できる（図２参照）。
これにより、ロータヘッド６内に、アクチュエータ１１のモータ３２を配設できる。ロータヘッド６内に、近接スイッチ１３、エンコーダ１４等のセンサ及び油圧ブレーキ１５を配設できる。よって、風力発電装置１の安全性や耐久性が高まる。
【００５０】
風力発電装置１では、アクチュエータ１１が主軸５の軸線Ｃ上であるロータヘッド６の回転中心に配置されるので、ロータヘッド６の重心の偏り（偏心）が抑制されて、この偏心にともなう振動の発生が軽減される。
アクチュエータ１１のロッド１０伸縮は主軸５の軸線Ｃ上に沿って行われるので、ロッド１０伸縮による偏心が生じない。
よって、ロータヘッド６は、長期に亘り安定して回転する。このようにロータヘッド６の回転が安定するため、回転バランスをとるためのバランサーの設置量を削減できる。
【００５１】
図１１に示すように、風力発電装置１によれば、アクチュエータ本体９の先端部が球面軸受２６を介してロータヘッド６に支持されるので、ミスアライメントによる偏角をキャンセルできる。
【００５２】
隙間Ｇ２が形成されることにより、球面軸受２６がロータヘッド６に対して主軸５の軸線Ｃ方向に垂直な径方向に移動可能である。これにより、ミスアライメントによる偏心をキャンセルできる。
隙間Ｇ１が形成されることにより、球面軸受２６がロータヘッド６に対して主軸５の軸線Ｃ方向に移動可能である。これにより、アクチュエータ本体９等が熱膨張（収縮）して軸線Ｃ方向に伸縮した際に、その伸縮量を吸収できる。
【００５３】
風力発電装置１は、ロータヘッド６の振動や、球面軸受２６等の部材へのストレスの発生が防止されるので、安定した発電が可能である。
風力発電装置１は、ミスアライメントによる取り付け誤差や熱膨張による変位誤差をキャンセル又は吸収できるため、部品の加工精度が粗くてもよくなり、組立時の調整作業等の工程を削減できる。よって、生産性が向上するとともに製造費用が削減される。
【００５４】
風力発電装置１では、アクチュエータ１１が、モータ３２、ボールねじ３３及びボールスプライン３４を含む（図３参照）。これにより、下記の効果を奏する。
【００５５】
風力発電装置１では、油圧シリンダ等の従来のアクチュエータに比べて、アクチュエータ１１の組立が容易である。アクチュエータ１１は、油漏れ等がなくメンテナンスも容易である。
アクチュエータ１１は、駆動源として電気駆動のモータ３２を用いているので、応答性に優れる。風力発電装置１は、風向きや風速が大きく変動する自然の風Ｗを受けて駆動するため、ピッチ軸回転機構８のアクチュエータ１１には高い応答性が要求される。アクチュエータ１１（電気駆動のモータ３２）は、このような要求に十分に対応できる。
【００５６】
風力発電装置１では、モータ３２の減速機構としてボールねじ３３を用いているので、高推力かつ低バックラッシを実現できる。
風力発電装置１のブレード７が風Ｗから受ける外力は非常に大きい。ブレード７をピッチ軸Ｐ回りに回動させるために、ピッチ軸回転機構８のアクチュエータ１１には、高推力かつ低バックラッシが要求される。アクチュエータ１１（ボールねじ３３）は、このような要求に十分に対応できる。
【００５７】
風力発電装置１では、ボールスプライン３４がボールねじ３３に連結されるので、ケーシング３８に対するボールねじ３３のボールねじナット３７の軸線Ｃ回りの回転が規制される。したがって、ロッド１０であるスプライン軸４３が軸線Ｃ方向に効率よく高精度に案内される。
【００５８】
風力発電装置１では、ボールねじ３３及びボールスプライン３４の転がり案内構造のみによって、アクチュエータ本体９に対してロッド１０を伸縮させるので、ロッド１０の伸縮量の精度が十分に確保される。そのため、この伸縮にともなう抵抗が小さく、高効率である。これにより、モータ３２容量を小さくできるので、風力発電装置１のランニングコスト（消費電力）が削減される。
【００５９】
風力発電装置１では、リンク棒２９とディスク２７との連結部分（リンク軸受３０の中心）が、ロッド１０の伸縮にともなって、軸線Ｃに垂直な仮想線ＬＣを中心に仮想線Ｌ１上と仮想線Ｌ２上との間をピッチ軸Ｐ回りに回動する（図６参照）。これにより、下記の効果を奏する。
【００６０】
図８に示すように、ロッド１０の突出量とディスク２７のピッチ軸Ｐ回りの回動量との関係を示すグラフは、直線状であるから、略比例する関係を示す。このグラフにおいて、連結部分が仮想線ＬＣ上に位置する部位（グラフ中央部分）が、この部位のグラフ前後の凹曲線及び凸曲線を繋ぐように変曲点となる。
これにより、軸線Ｃ方向に沿うロッド１０伸縮の推力を、ピッチ軸Ｐ回りの回転トルクに変換する効率が高くなるので、制御の簡略化ができる。
【００６１】
風力発電装置１では、ブレード７のディスク２７のピッチ軸Ｐ回りの回転を規制する油圧ブレーキ１５が設けられているので、アクチュエータ１１の非稼動時（アクチュエータ本体９に対してロッド１０が停止状態）における外力及び振動の伝達を防止できる。
【００６２】
本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【００６３】
風力発電装置１では、球面軸受２６がスプラインナット４４の先端部分４４ａに配設される場合に限らない。球面軸受２６がケーシング３８における先端部に配設されても構わない。
【００６４】
風力発電装置１では、アクチュエータ本体９の一方である基端部がロータヘッド６に固定されて、アクチュエータ本体９の他方である先端部が球面軸受２６を介してロータヘッド６に支持される。しかし、この場合に限らない。
球面軸受２６がロータヘッド本体２２の基端部に配設されてもよい。この場合、アクチュエータ本体９の一方である先端部がロータヘッド６に固定される。また、アクチュエータ本体９の他方である基端部が球面軸受２６を介してロータヘッド６に支持される。
【００６５】
風力発電装置１では、ボールねじ３３及びボールスプライン３４の転動体としてボールを用いる場合に限らない。円柱状のローラやコロ等のボール以外の転動体であってもよい。
【符号の説明】
【００６６】
１…風力発電装置、 ２…タワー、 ３…ナセル、 ５…主軸、 ６…ロータヘッド、 ７…ブレード、 ８…ピッチ軸回転機構、 ９…アクチュエータ本体、 １０…ロッド、 １１…アクチュエータ、 １２…リンク構造、 ２６…球面軸受、 ２９…リンク棒、 ３２…モータ、 ３３…ボールねじ、 ３４…ボールスプライン、 Ｃ…主軸の軸線、 Ｐ…ピッチ軸、 Ｍ…長さ調整機構
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タワーの上部に配設されたナセルと、
前記ナセルに配設された回転可能な主軸と、
前記主軸の先端に配設されて、前記ナセルから突出するロータヘッドと、
前記ロータヘッドから前記主軸の軸線回りに放射状に突設された複数のブレードと、
前記ロータヘッド内に設けられ、前記ブレードをピッチ軸回りに回転させるピッチ軸回転機構と、
を備え、
前記ピッチ軸回転機構は、
前記ロータヘッドに支持されたアクチュエータ本体及び前記アクチュエータ本体から伸縮可能なロッドを有するアクチュエータと、
前記ロッドと前記ブレードとを連結するリンク構造と、を備え、
前記アクチュエータは、前記主軸の軸線上に延設されることを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の風力発電装置であって、
前記アクチュエータ本体の一方が前記ロータヘッドに固定され、
前記アクチュエータ本体の他方が球面軸受を介して前記ロータヘッドに支持されることを特徴とする風力発電装置。
【請求項３】
請求項２に記載の風力発電装置であって、
前記球面軸受は、前記ロータヘッドに対して、前記主軸の軸線方向に垂直な径方向及び前記軸線方向に移動可能であることを特徴とする風力発電装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の風力発電装置であって、
前記アクチュエータは、
モータと、
前記モータの回転運動のエネルギーを前記主軸の軸線方向に沿う直線運動のエネルギーに変換するボールねじと、
前記ボールねじに連結されて、前記アクチュエータ本体に対して前記ロッドを前記主軸の軸線方向に直線案内するボールスプラインと、を含むことを特徴とする風力発電装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の風力発電装置であって、
前記リンク構造は、
前記ロッドの先端部と前記ブレードの基端部を連結すると共に、長さ調整機構を有するリンク棒を備えることを特徴とする風力発電装置。
【請求項１】
タワーの上部に配設されたナセルと、
前記ナセルに配設された回転可能な主軸と、
前記主軸の先端に配設されて、前記ナセルから突出するロータヘッドと、
前記ロータヘッドから前記主軸の軸線回りに放射状に突設された複数のブレードと、
前記ロータヘッド内に設けられ、前記ブレードをピッチ軸回りに回転させるピッチ軸回転機構と、
を備え、
前記ピッチ軸回転機構は、
前記ロータヘッドに支持されたアクチュエータ本体及び前記アクチュエータ本体から伸縮可能なロッドを有するアクチュエータと、
前記ロッドと前記ブレードとを連結するリンク構造と、を備え、
前記アクチュエータは、前記主軸の軸線上に延設されることを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の風力発電装置であって、
前記アクチュエータ本体の一方が前記ロータヘッドに固定され、
前記アクチュエータ本体の他方が球面軸受を介して前記ロータヘッドに支持されることを特徴とする風力発電装置。
【請求項３】
請求項２に記載の風力発電装置であって、
前記球面軸受は、前記ロータヘッドに対して、前記主軸の軸線方向に垂直な径方向及び前記軸線方向に移動可能であることを特徴とする風力発電装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の風力発電装置であって、
前記アクチュエータは、
モータと、
前記モータの回転運動のエネルギーを前記主軸の軸線方向に沿う直線運動のエネルギーに変換するボールねじと、
前記ボールねじに連結されて、前記アクチュエータ本体に対して前記ロッドを前記主軸の軸線方向に直線案内するボールスプラインと、を含むことを特徴とする風力発電装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の風力発電装置であって、
前記リンク構造は、
前記ロッドの先端部と前記ブレードの基端部を連結すると共に、長さ調整機構を有するリンク棒を備えることを特徴とする風力発電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−２０７６６２（Ｐ２０１２−２０７６６２Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−４５６１８（Ｐ２０１２−４５６１８）
【出願日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【出願人】（３９００２９８０５）ＴＨＫ株式会社 (420)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【出願人】（３９００２９８０５）ＴＨＫ株式会社 (420)
【Ｆターム（参考）】
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