专利名称：悬臂式垂直轴风车的制作方法
技术领域：
本发明涉及垂直轴风车的旋转支撑构造以及旋转转矩的传递构造。
背景技术：
在通过升力型叶片受风的垂直轴风车中，有具有曲线翼的达利欧(Darrieus)型风车和直线翼达利欧型风车即直线翼型垂直轴风车，这些垂直轴风车与水平轴螺旋桨型风车同样，是在原理上通过输出性能的优良的升力型原理动作的风车，具有不选择风向、小型化、或者适于城市用途的优点。作为垂直轴风车的转子的支撑构造，特别是在直线翼风车中存在设置方便的悬臂构造、即支撑风车旋转体的固定支柱的一端是自由端而另一端是固定端的悬臂式垂直轴风车。在大型的曲线翼达利欧风车中，在风车最上部的旋转轴的内侧中心部具有静止轴，通过将另一端栓留在地上的线缆从四方系在该静止轴上并拉伸，来垂直地支撑风车。即，风车的上下被分别固定支撑的形式(中心叶轮式)较多，此外还有在小型的曲线翼达利欧风车中与直线翼风车同样通过悬臂构造的固定支柱来支撑旋转体的形式。本发明关于这种悬臂式垂直轴风车的旋转体的具体的支撑构造和与其相伴的旋转转矩传递机构，提供比以往的技术更好的解决方案。
以往，在垂直轴旋转型萨伏纽斯(Savonius)型风车中，已知有如下特征的风车(例如参照专利文献1)由在其上端及下端的旋转面上并且沿着该风车的受风面通过旋转轴的支撑框架、和在与萨伏纽斯翼充分离开的位置上通过该支撑框架支撑上下的升力利用的翼构成，在旋转轴上设置有发电机。
此外，以往已知有如下特征的小型风力发电装置(例如参照专利文献2)，构成为，具备安装在与发电机连接联动的旋转轴上的直线翼型风车、旋转自如地安装在该旋转轴上并通过较小的风力产生驱动转矩的启动用风车、和夹装在启动用风车和直线翼型风车之间并将启动用风车的旋转仅向一方向传递给直线翼型风车的连接机构；通过该连接机构，在低速旋转时将启动风车的驱动转矩传递给直线翼型风车，在直线翼型风车的旋转速度超过启动用风车时将直线翼型风车从启动用风车断开。
此外，在大型的达利欧型风车中，将风车头头部从四方用线缆牵引，将线缆端固定在距离风车较远的位置上，垂直地支撑风车以使其不会倒下(例如参照非专利文献1)专利文献1特开平11-294313号公报(第1-2页，图1)专利文献2特开平11-201020号公报(第1-3页，图2)非专利文献1David A.Spera，Wind turbine technology，Figure2-7，ASME Press 1994发明内容在专利文献1中记载的混合风车发电方式中，配置为，以比较低的高度的萨伏纽斯型风车为中心，在其上端及下端的旋转面上设置有通过旋转轴沿着受风面左右对称地延伸的两根支撑框架，在2根支撑框架的两端上与旋转轴并行地垂直设置有螺旋桨型升力利用的翼，翼配置为，使曲面朝向旋转圆的外侧，使平面朝向内侧。
如专利文献1的图2所示，支撑框架2安装在旋转轴4上。在支撑架台6的上部，设有用来可转动地轴支撑旋转轴4的发电机及轴承装置5。由于风车的旋转轴在轴承的内轮侧，所以风车受风的力点的位置和轴承存在的支点的位置离开，所以会产生因风车受到的风力翼的升力差而使风车的旋转轴较大地弯曲、使风车振摆的不良状况。
该旋转轴弯曲的方向由于随着风车的旋转而变化，所以在1次模式中至少旋转1周重复1次的振动。升力型的风车的旋转体以风速的2倍到10倍左右的前端速度旋转。其频率因风车的大小及振动模式而不同，但即使仅着眼于1次模式，也为0～20Hz的范围，所以与构造物的固有频率共振的可能性较高。在风车共振的情况下，不仅成为异常振动及噪音的原因，而且风车的构造物本身及旋转轴、或轴承等有可能受重复负荷的作用而破损等，会给耐久性带来不良影响。
此外，在旋转体以较高速旋转时，如果因风力及旋转体的不平衡而在旋转轴上产生弯曲，则对旋转体施加该弯曲半径(偏心量)和角速度的平方成比例的离心力，所以旋转体的弯曲会进一步增大，产生将不平衡放大的不良状况。
专利文献2中记载的小型风力发电装置例如是能够设置在民宅的屋顶或公寓的屋顶等的简易型的发电装置。如专利文献2的图1所示，在小型风力发电装置中，在固定于屋顶上的屋顶架台10通过轴承10a旋转自如地立设有同轴状的2级旋转轴3A、3B，通过撑条轴承支撑在撑条4上。
在专利文献2中记载的风车中，旋转轴是轴承的内轮，并且风车受风的力点的位置与轴承存在的支点的位置离开，所以也会发生在风车受到的风及翼的升力差、离心力的作用下使风车的旋转轴较大地弯曲的不良状况。
在专利文献2中记载的小型风力发电装置中，如果想要减小旋转轴的振摆，则需要将旋转轴设置的很粗，还需要使处于下部的2个轴承的距离离开较远，所以因轴的重量增大和轴长方向的空间的增大，在设置上不利。
此外，在专利文献2中记载的小型风力发电装置中，必须将发电机和专用设计的动力传递机构装载在旋转轴的下部的屋顶架台的部分上，在动力传递机构的维护及可靠性、齿轮的噪音及设置空间的方面产生了不良状况。
这样，从以往的垂直轴风车中可看到的内轮侧的轴旋转方式中，需要加长支撑臂下侧的轴承部分的轴长，还需要发电机的设置空间。因此，垂直轴风车的高度变高，风车整体的弯曲力矩增大也成为较大的障碍。因此，在已经设置的柱上追加设置的情况下整体高度也大幅变高，所以难以将风车追加设置在柱的头顶部上，而以将装置整体环抱在柱的周围的形式设置。该设置方法在环境美观上会变差。
如上所述，如果包括经年变化的问题而考虑小型风力发电装置的寿命，则在以往的构造中产生了难以做根本的改善的不良状况。
此外，在非专利文献1中记载的达利欧风车中，由于必须将头顶部从周围用线缆牵引、将线缆的端部固定在远方，所以需要为此的较大的空间，并且有给当地的景观带来不良影响的问题。
所以，本发明鉴于上述以往的状况，目的是提供一种能够减轻在旋转轴上产生的重复负荷的悬臂式垂直轴风车。此外，本发明的目的是提供一种具有能够稳定地运转的高振动稳定性、并且发生较大的噪音等附带问题较少的小型悬臂式垂直轴风车。
为了解决上述问题，有关本发明的悬臂式垂直轴风车的特征在于，具备外轮侧旋转体，具有多个叶片，通过风力而产生旋转转矩；1根内轮侧固定柱，一端是不受外部约束的自由端，另一端是固定端；多个轴承，安装在外轮侧旋转体和内轮侧固定柱之间，在内轮侧固定柱上支撑外轮侧旋转体。
此外，有关本发明的悬臂式垂直轴风车的特征在于，具备外轮侧旋转体，具有多个叶片，通过风力而产生旋转转矩；1根内轮侧固定柱，一端是不受外部约束的自由端，另一端是固定端；多个轴承，安装在外轮侧旋转体和内轮侧固定柱之间，在内轮侧固定柱上支撑外轮侧旋转体；在水平方向的风力作用于外轮侧旋转体上的风压中心位置的上侧至少设置1个上述轴承，在该风压中心位置的下侧至少设置1个上述轴承。
在本发明中，具备通过风力而产生旋转转矩的外轮侧旋转体，一端是不受外部约束的自由端而另一端是固定端的1根内轮侧固定柱，的安装在外轮侧旋转体和内轮侧固定柱之间，在内轮侧固定柱上支撑外轮侧旋转体的多个轴承，通过例如将轴承在水平方向的风力作用在外轮侧旋转体上的风压中心位置的上侧至少设置1个，在该风压中心位置的下侧至少设置1个，能够提供全高较低的悬臂式垂直轴风车，还能够通过大幅地减少旋转机构整体的振动问题的产生而将振动稳定性及耐久性较好的风力发电机设置在接近于人们的生活圈的场所。
此外，通过使固定轴(固定柱)为轴承的内轮侧，作用在固定轴上的负荷成为大致一个方向的负荷，所以能够提供振动较少且稳定的风力发电机。
此外，由于能够在悬臂式的内轮侧固定柱的开放端侧设置发电机，所以不仅不需要在风车下部的旋转轴侧面设置容易产生机械问题的小齿轮、增速齿轮，而且不需要将旋转轴向下方延长过长，能够选择自由的创意设计。
此外，通过在将外轮侧旋转体的旋转转矩传递给发电机的联轴器中设置磁式联轴器，能够较大地容许外轮侧旋转体的旋转轴与内轮侧固定柱位置的偏心，能够大幅减轻伴随着旋转运动的对轴承等的冲击力和振动。
此外，为了解决上述问题，有关本发明的悬臂式垂直轴风车的特征在于，具备外轮侧旋转体，具有多个叶片，通过风力而产生旋转转矩；1根内轮侧固定柱，一端是不受外部约束的自由端，另一端是固定端；多个轴承，安装在外轮侧旋转体和内轮侧固定柱之间，在内轮侧固定柱上支撑外轮侧旋转体；圆柱或中空圆筒状的转矩传递轴，与外轮侧旋转体连接，从自由端向固定端方向贯通内轮侧固定柱的内部，从而轴端部分担负风车的输出轴端功能。
此外，有关本发明的悬臂式垂直轴风车的特征在于，具备外轮侧旋转体，具有多个叶片，通过风力而产生旋转转矩；1根内轮侧固定柱，一端是不受外部约束的自由端，另一端是固定端；多个轴承，安装在外轮侧旋转体和内轮侧固定柱之间，在内轮侧固定柱上支撑外轮侧旋转体；圆柱或中空圆筒状的转矩传递轴，与外轮侧旋转体连接，从自由端向固定端方向贯通内轮侧固定柱的内部，轴端部分担负风车的输出轴端功能；将轴承在水平方向的风力作用在外轮侧旋转体上的风压中心位置的上侧至少设置1个，在风压中心位置的下侧至少设置1个。
在本发明中，具备通过风力而产生旋转转矩的外轮侧旋转体，一端是不受外部约束的自由端而另一端是固定端的1根内轮侧固定柱，安装在外轮侧旋转体和内轮侧固定柱之间，在内轮侧固定柱上支撑外轮侧旋转体的多个轴承，与外轮侧旋转体连接，从自由端向固定端方向贯通内轮侧固定柱的内部，轴端部分担负风车的输出轴端功能的圆柱或中空圆筒状的转矩传递轴，例如将轴承在水平方向的风力作用在外轮侧旋转体上的风压中心位置的上侧至少设置1个，在该风压中心位置的下侧至少设置1个。此外，内轮侧固定柱装载在具有内部空间的架台之上，发电机在架台下的内部空间中安置在地基上，发电机输入轴与从内轮侧固定柱的内部延伸到架台内部空间中的转矩传递轴直接或间接地连接；此外，转矩传递轴的上端通过柔性接头与风车旋转体连接；此外，将用来抑制转矩传递轴的振动并导引旋转位置的转矩传递用轴承设置在转矩传递轴外周上。
由此，能够在将发电机维持为与外轮侧旋转体的旋转轴同心圆的同时直接设置在外轮侧旋转体的正下方或地基之上，因此，能够在旋转体正下方的自由的空间中设置发电机以及增速机，能够自由地设计大小和布置，并且能够容易地抑制振动，发电机的大型化变得容易并且扩大了实现高自由度的创意设计的可能性。此外，由于在跨越风压中心位置的位置，例如外轮侧旋转体的上下2个部位上配设轴承，所以不需要将风车的轴向下方伸长，并且能够容易地维持使轴振动的负荷和弯曲力矩较小的稳定的运转。
此外，由于发电机配置在设置于地面上的架台之中，所以能够将风车旋转中心、增速机和发电机不与内轮侧固定柱干涉地布置在一个轴上，内轮侧固定柱的地基不会与增速机及发电机干涉而能够自由地扩大，能够容易地实现高强度的内轮侧固定柱及其地基的设计，并且能够将整体设计为匀称且简单的外观。
此外，转矩传递轴在将一端与外轮侧旋转体在相互共用旋转中心轴的位置(上端)上通过柔性接头连接后在内轮侧固定柱的内部中沿轴向贯通，另一端形成输出轴端，所以能够显著地增加对于外轮侧旋转体与转矩传递轴之间的偏心的吸收能力。
此外，通过将转矩传递轴做成圆筒状，能够减轻转矩传递轴的重量，并且增加对偏心的吸收能力。
此外，由于抑制转矩传递轴的振动而将用来导引旋转位置的转矩传递轴用轴承设置在转矩传递轴的外周上，所以转矩传递轴不会较大地振摆而能够在轴承的余隙范围内稳定地旋转。
根据本发明，悬臂式垂直轴风车具备外轮侧旋转体、内轮侧固定柱、支撑外轮侧旋转体的多个轴承，通过例如将轴承在水平方向的风力作用在外轮侧旋转体上的风压中心位置的上侧至少设置1个，在该风压中心位置的下侧至少设置1个，能够将垂直轴风车的全高保持为较低，并且在旋转轴中产生的重复负荷减少，振动稳定性变好。此外，由于作用在作为承受风和不平衡负荷的重要部件的固定轴上的负荷是与风向大致相反侧的一个方向的负荷，所以能够大幅地减少振动的产生。
此外，由于能够将内轮侧的轴做成固定轴、能够容易地将该内轮侧固定柱设定为弯曲较少的截面系数较大的粗尺寸，所以在强度及振动的稳定性方面也成为更好的构造。此外，由此能够将内轮侧固定柱做成中空构造，所以能够将与发电机连接的电力线及各种控制线配线到内轮侧固定柱的内部中。
此外，外轮侧旋转体的套筒由于在跨越风压中心位置的位置、例如外轮侧旋转体的上下2个部位上至少受2个轴承支撑，所以轴的应变变得很小，固有频率也变高，能够交出振摆等引起大振动的可能性。
此外，由于在悬臂式的内轮侧固定柱的开放端侧设置发电机，所以不需要在风车旋转轴下方使用传递效率较低及容易成为噪音的发生源的由齿轮和小齿轮构成的齿轮传递机构。此外，由于没有必要向下方延伸而能够将垂直轴风车的整体高度降低。
此外，由于将外轮侧旋转体的旋转转矩传递给发电机的连轴器设置成磁式联轴器，所以与其他形式相比，能够将联轴器的输入输出端的偏差的容许度设置的较大，且由偏心带来的反作用力产生的负荷不会过大地作用在传递帽及增速机或发电机轴承上，能够几乎完全地仅传递旋转的转矩。
此外，根据本发明，悬臂式垂直轴风车具备外轮侧旋转体、内轮侧固定柱、支撑外轮侧旋转体的多个轴承、和圆柱或中空圆筒状的转矩传递轴，通过例如将轴承在水平方向的风力作用在外轮侧旋转体上的风压中心位置的上侧至少设置1个、在该风压中心位置的下侧至少设置1个，能够在旋转体正下方的自由的空间中设置发电机以及增速机，能够自由地设计大小和布置，并且能够容易地抑制振动，发电机的大型化变得容易并且扩大了实现高自由度的创意设计的可能性。此外，由于在跨越风压中心位置的位置、例如外轮侧旋转体的上下2个部位上配设轴承，所以不需要将风车的轴向下方伸长，并且能够容易地维持使轴振动的负荷和弯曲力矩较小的稳定的运转。
此外，由于发电机配置在设置于地面上的架台之中，所以能够将风车旋转中心、增速机和发电机不与内轮侧固定柱干涉地布置在一个轴上，内轮侧固定柱的地基不会与增速机及发电机干涉而能够自由地扩大，能够容易地实现高强度的内轮侧固定柱及其地基的设计，并且能够将整体设计为匀称且简单的外观。
此外，转矩传递轴在将一端与外轮侧旋转体在相互共用旋转中心轴的位置(上端)上通过柔性接头连接后在内轮侧固定柱的内部中沿轴向贯通，另一端形成输出轴端，所以能够显著地增加对于外轮侧旋转体与转矩传递轴之间的偏心的吸收能力。
此外，通过将转矩传递轴做成圆筒状，能够减轻转矩传递轴的重量，并且增加对偏心的吸收能力。
此外，由于抑制转矩传递轴的振动而将用来导引旋转位置的转矩传递轴用轴承设置在转矩传递轴的外周上，所以转矩传递轴不会较大地振摆而能够在轴承的余隙范围内稳定地旋转。
图1是表示第1实施方式的悬臂式垂直轴风车的结构的部分剖开立体图。
图2是表示第1实施方式的悬臂式垂直轴风车10的结构的剖视图。
图3是记载了有关作用在旋转轴上的风力的试算结果的图。
图4是表示第2实施方式的悬臂式垂直轴风车10A的结构的剖视图。
图5是表示使用柔性接头的其他连接例的图。
标号说明8柱12安装部14、32内轮侧固定柱16发电机17外轮侧旋转体
18叶片20支撑臂22、31外轮套筒24转矩传递帽26增速机28联轴器30a、30b、30c轴承33柔性接头34转矩传递轴35架台36防尘密封37转矩传递轴用轴承70旋转轴具体实施方式
下面，对本发明的第1实施方式的悬臂式垂直轴风车进行说明。图1是表示悬臂式垂直轴风车10的结构的部分剖开立体图。图2是表示悬臂式垂直轴风车10的结构的剖视图。
如图1及图2所示，在垂直轴风车10中，设有安装在电线杆或其他柱8上的安装部12、下端固定在安装部12上并通过轴承30a、30b、30c支撑垂直轴风车10的外轮侧旋转体17的悬臂式的内轮侧固定柱14、设置在该内轮侧固定柱14的开放端侧的发电机16、和通过风力而产生旋转转矩的外轮侧旋转体17。
在外轮侧旋转体17中，设有将风速变换为升力而产生旋转转矩的叶片18、上下支撑叶片18的流线形截面的支撑臂20、安装支撑臂20的外轮套筒22、和将外轮套筒22的旋转转矩传递给发电机16的转矩传递帽24。
该图所示的“G”表示外轮侧旋转体17受风时施加的力的平均位置(称作风压中心)。
根据该结构，由于内轮侧固定柱14不旋转，所以能够不考虑惯性力矩等而容易地将内轮侧固定柱14设置为弯曲较少的截面系数较大的粗的齿轮。由此，能够将内轮侧固定柱14做成中空构造(参照图2)，所以能够将连接在发电机16上的电力线及各种控制线配线到内轮侧固定柱14的内部中。
此外，外轮侧旋转体17的外轮套筒22由于以跨越风压位置的2个部位的轴承(例如轴承30a、30b、30c)支撑径向的力，所以外轮套筒22的应变变得很小，固有频率也较高，能够减小因振摆等引起较大振动的可能性。
在图1及图2所示的例子中，在发电机16的输入轴上安装有增速机26，将外轮侧旋转体17的旋转的发电电压调节为较高。在传递帽24与增速机26之间设有柔软型的联轴器28，该联轴器28具有将外轮侧旋转体17的旋转转矩通过增速机26传递给发电机16的功能，并且可将两轴间的偏差及倾斜、距离的变动吸收。联轴器28既可以采用使用橡胶、弹簧等弹性体及欧式、夹头式的接触式的联轴器，也可以采用利用磁力的磁式联轴器等非接触式的联轴器。
在以往的垂直轴风车中，将发电机设置在风车转子的下方、通过齿轮传递机构传递风车转子的旋转转矩的例子较多。如本发明那样，在使旋转体为外轮侧的构造中，由于能够使悬臂构造的内轮侧固定柱14贯通到外轮侧旋转体17的上部，所以能够进行将发电机16和组合式的增速机26容易地配置在内轮侧固定柱14的前端(上端)上的设计。此外，传递旋转转矩的传递帽24能够兼具作为遮蔽发电机16及增速机26、联轴器28的盖的功能。
另外，在要将发电机设置在轴承的下方的情况下，需要在外轮侧旋转体上安装齿轮，并在发电机侧安装小齿轮、并且需要设置罩住这些传递机构的盖类或防水构造。由上述齿轮和小齿轮构成的齿轮传递机构是传递效率较低或成为噪音的发生源的可能性较高的构造。
此外，特别是通过使用磁式联轴器，联轴器用盘不与联轴器机构主体直接接触，而是一边保持着空隙一边通过磁力将旋转运动向增速机26侧传递，所以联轴器的输入输出两轴间的偏心的容许度变大，由偏心带来的反作用力所产生的负荷不会过大地施加给传递帽24或增速机以及发电机轴承，能够几乎完全地只传递旋转的转矩。在外轮侧旋转体17中产生的转矩以外的力和力矩都由轴承30a、30b、30c支撑。
在内轮侧固定柱14与外轮套筒22之间设有轴承30a、30b、30c，内轮侧固定柱14可转动地支撑着外轮套筒22。外轮套筒22一边承受外轮侧旋转体17整体的重量和所有动态的力及力矩，一边绕内轮侧固定柱14的外周旋转。
在图1及图2所示的例子中，轴承30a、30b使用背面配合在一起的能够支撑径向负荷和轴向负荷两者的负荷的角接触轴承，但本发明并不限于该组合，也可以使用圆锥滚珠轴承，也可以独力地设置径向轴承及推力轴承。此外，在图2所示的例子中，在轴承30c中使用可支撑径向负荷的球轴承，但本发明并不限于球轴承。此外，在图1所示的例子中，在轴承30a的上方设有防尘密封36，对于轴承30a防止尘埃混入及水分混入。
如图1及图2所示，在本发明中，在跨越风力作用在垂直轴风车10的外轮侧旋转体17(旋转体)上的风压中心位置G的位置上，设有具有径向轴承功能的外轮侧旋转体17的轴承30a、30b、30c。通过采用该构造，能够大幅地减小风力作用带来的外轮侧旋转体17的弯曲、和该弯曲带来的振摆，能够实现稳定的外轮侧旋转体17的支撑系统。所以，能够大幅地减小外轮侧旋转体17的振动、旋转机构整体的共振以及噪音的产生。
上述轴承30a、30b及30c的间隔优选为至少充分地离开轴承内径的5倍以上距离而配置。此外，通过在风力作用在垂直轴风车10的外轮侧旋转体17(旋转体)上的风压中心位置G上设置径向轴承，也能够取得同样的作用、效果。
图3中记载着关于作用在旋转轴上的风力的试算结果。例如，在2片翼风车的叶片的翼弦长为0.2m、叶片的翼展为1.8m的情况下，在从旋转的叶片的一个方向受到风速(V＝12m/s)的情况下(使叶片的翼面方向的阻力系数CD≈2的情况下)，1片叶片在旋转1周的期间受到1次大约65N的阻力，再旋转180度时，受到反方向的力-65N的阻力。第2片叶片简单化来说也受到同样的阻力，所以在2片叶片中，在单侧方向上受到合计约130N的负荷。如果风车旋转一周，则+130N和-130N的较大的重复变动负荷作用在轴旋转型的风车的旋转轴上，该负荷的变动成为旋转轴70的振摆的原因。
这样，在本实施方式中，具备具有多个叶片18并通过风力而产生旋转转矩的外轮侧旋转体17、上端为自由端而下端为固定端的内轮侧固定柱14、和设在外轮侧旋转体17与内轮侧固定柱14之间的轴承30a、30b、30c，轴承30a、30b、30c设在外轮套筒22的上下端的2个部位上。此外，在内轮侧固定柱的上端上设有发电机，在外轮侧旋转体17与发电机之间设有将外轮侧旋转体17的旋转转矩传递给发电机16的磁式联轴器28。
由此，能够将垂直轴风车自身的整体高度压低，并且在旋转轴上产生的重复负荷减少，振动稳定性变好。此外，作用在作为承受风和转子不平衡负荷的重要部件的固定轴上的负荷由于是与风向大致相反侧的一方向的负荷，所以能够大幅地减少振动的产生。
此外，由于能够将内轮侧固定柱14容易地设定为弯曲较少的截面系数较大的粗的尺寸，所以在强度及振动的稳定性方面形成很好的构造。此外，由此能够将内轮侧固定柱14做成中空构造，所以能够将连接在发电机16上的电力线及各种控制线配线在内轮侧固定柱14的内部。
此外，外轮侧旋转体17的套筒22由于在跨越风压中心位置的2个位置上受轴承30a、30b、30c的支撑，所以轴的应变很小，固有频率也变高，因振摆等引起大振动的可能性减小。
此外，由于使用磁式联轴器28，所以与其他形式相比较，能够特别地增大联轴器的输入输出两轴间的偏心的容许度，由偏心带来的反作用力产生的负荷不会过大地施加在传递帽或增速机26以及发电机16的轴承上，能够几乎完全地仅传递旋转的转矩。
下面对本发明的第2实施方式的悬臂式垂直轴风车进行说明。图4是表示悬臂式垂直轴风车10A的结构的剖视图。
如图4所示，悬臂式垂直轴风车10A具备由叶片18、支撑臂20及外轮套筒31构成的外轮侧旋转体17；支撑外轮侧旋转体17的悬臂式的内轮侧固定柱32；设在外轮侧旋转体17与内轮侧固定柱32之间的轴承30a、30b、30c；转矩传递轴34；架台35；发电机16；增速机26；联轴器28；转矩传递轴用轴承36。
叶片18通过支撑臂20被安装在外轮套筒31上。在该例中，支撑臂20被设在上、中、下的3个位置上。外轮套筒31通过轴承30a、30b、30c支撑在内轮侧固定柱32上。轴承30a、30b、30c设置在跨越风力对外轮侧旋转体17作用的风压中心位置G上，即轴承30a、30b设置在外轮套筒31的上部，轴承30c设在外轮套筒31的下部。
内轮侧固定柱32是中空圆筒状，上端是自由端，下端是固定端。该内轮侧固定柱32的下端固定在架台35上。
此外，转矩传递轴34形成为中空圆筒状，在上端通过柔性接头33连接在外轮套筒31上。该转矩传递轴34在内轮侧固定柱的内部中从自由端向固定端方向贯通而插入到架台35中，其下端的轴端部分负担风车的输出轴端功能。此外，转矩传递轴34的下端受转矩传递轴用轴承36导引。
增速机26和发电机16配置在架台35的内部的地基上，并且通过联轴器28与转矩传递轴34的下端连接。外轮侧旋转体17产生的旋转转矩通过转矩传递轴34向发电机16传送。
图5是表示使用柔性接头33的其他连接例的图。如图5所示，在将转矩传递轴34与外轮套筒31连接时，转矩传递轴34的上端通过螺钉固定在柔性接头33的中央部。此外，外轮套筒31的上端形成有凸缘部，该凸缘部被固定在柔性接头33的外周部上。
这样，在本实施方式中，具备通过风力而产生旋转转矩的外轮侧旋转体17；上端为自由端而下端为固定端的圆筒状的内轮侧固定柱32；设在外轮侧旋转体17与内轮侧固定柱32之间的轴承30a、30b、30c；上端连接在外轮侧旋转体17上、以使其具有与风车旋转体相同的旋转中心轴、并且沿轴向贯通内轮侧固定柱32的内部、下端形成输出轴端的中空圆筒状的转矩传递轴34，转矩传递轴34的上端通过柔性接头33连接在外轮套筒31上，下端受转矩传递轴用轴承36导引。
由此，能够在将发电机16维持与风车的外轮侧旋转体17的旋转轴同心圆的同时，能够直接设置在外轮侧旋转体17的正下方并且地基的上方，因此，由于将发电机16及增速机26设置在旋转体正下方的自由的空间中，所以能够自由地设计大小和配置，并且能够容易地抑制振动，发电机16的大型化变得容易，并且增大了实现自由度较高的创意设计的可能性。此外，由于在跨越风压中心的位置、例如上下地配设轴承，所以不需要将风车的轴向下方伸长，并且能够容易地维持使轴振动的负荷以及弯曲力矩较小的稳定的运转。
此外，由于发电机16配置在设于地面上的架台35之中，所以能够将风车旋转中心、增速机26以及发电机16不与内轮侧固定柱32干涉地布置在一个轴上，内轮侧固定柱32的地基不与增速机26及发电机16干涉而自由地扩大，能够容易地实现高强度的内轮侧固定柱32及其地基的设计，并且能够将整体设计成匀称且简单的外观。
此外，转矩传递轴34在将一端与外轮侧旋转体17在相互共用旋转中心轴的位置上，通过柔性接头33连接后，沿轴向贯通内轮侧固定柱32的内部，另一端形成输出轴端，所以能够显著地增加对于外轮侧旋转体17与转矩传递轴34之间的偏心的吸收能力。
此外，通过将转矩传递轴34做成了中空圆筒状，能够减轻转矩传递轴34的重量，并且增加对偏心的吸收能力。
此外，由于抑制转矩传递轴34的振动而将用来导引旋转位置的转矩传递轴用轴承36设置在转矩传递轴34的外周上，所以转矩传递轴34不会较大地振摆，而能够在轴承30a、30b、30c的余隙范围内稳定地旋转。
另外，在上述实施方式中，在内轮侧固定柱14与外轮套筒22之间(或在内轮侧固定柱32与外轮套筒31之间)，做成了将2个轴承30a、30b设置在上部的结构，但并不限于此。例如也可以在上部只设置1个轴承30a。
此外，在上述实施方式中，对于将轴承30a、30b、30c设置在外轮侧旋转体的上下2个部位上的情况进行了说明，但并不限于此。也可以设置在跨越风压中心位置的其他位置上。
此外，在上述实施方式中，对于在上下2个部位使用具有作为径向轴承的功能的轴承30a、30b、30c的情况进行了说明，但并不限于此。例如，也可以在第1实施方式的悬臂式垂直轴风车10中，在上部设置径向轴承、而在下部设置推力轴承。此外，也可以在第2实施方式的悬臂式垂直轴风车10A中，在上部设置推力轴承、而在下部设置径向轴承。
此外，在上述实施方式中，对转矩传递轴34为中空圆筒状的情况进行了说明，但并不限于此。也可以将转矩传递轴34做成圆柱状。
此外，在上述第1实施方式的悬臂式垂直轴风车10中，以下端为固定端的例子进行了说明，但并不限于此。
此外，图1、图2、图4中翼的形状是直线翼型，但只要是在风车上部没有支撑线缆的悬臂构造就可以，翼的形状也可以是曲线状。
工业实用性有关本发明的悬臂式垂直轴风车，能够在具有升力型的较高的输出性能的同时，预防旋转机构整体的振动问题而实现高运转稳定性和可靠性以及耐久性、并且还能够带来对城市型特别重要的创意设计方面的自由度而能够进行优秀的创意设计，可以说是非常适合设置在人们的生活圈中的城市型风力发电机的技术。
权利要求书(按照条约第19条的修改)1、(修正后)一种悬臂式垂直轴风车，其特征在于，具备外轮侧旋转体，具有多个叶片，通过风力而产生旋转转矩；1根具有中空构造的内轮侧固定柱，一端是不受外部约束的自由端，另一端是固定端；多个轴承，安装在上述外轮侧旋转体和上述内轮侧固定柱之间，在内轮侧固定柱上支撑上述外轮侧旋转体；将与上述外轮侧旋转体的上述固定柱自由端相对或相邻的位置作为上述旋转转矩的输出端。
2、(修正后)一种悬臂式垂直轴风车，其特征在于，具备外轮侧旋转体，具有多个叶片，通过风力而产生旋转转矩；1根具有中空构造的内轮侧固定柱，一端是不受外部约束的自由端，另一端是固定端；多个轴承，安装在上述外轮侧旋转体和上述内轮侧固定柱之间，在内轮侧固定柱上支撑上述外轮侧旋转体；将与上述外轮侧旋转体的上述固定柱自由端相对或相邻的位置作为上述旋转转矩的输出端；在水平方向的风力作用于上述外轮侧旋转体上的风压中心位置的上侧至少设置1个上述轴承，在上述风压中心位置的下侧至少设置1个上述轴承。
3、(修正后)如权利要求1或2所述的悬臂式垂直轴风车，其特征在于，具备发电机，装载在上述内轮侧固定柱的自由端，旋转主轴直接或通过增速机等与上述外轮侧旋转体的输出端连接。
4、如权利要求3所述的悬臂式垂直轴风车，其特征在于，在上述外轮侧旋转体与上述发电机之间，设有将上述外轮侧旋转体的旋转转矩传递给上述发电机的磁式联轴器。
5、(修正后)一种悬臂式垂直轴风车，其特征在于，具备
外轮侧旋转体，具有多个叶片，通过风力而产生旋转转矩；1根内轮侧固定柱，一端是不受外部约束的自由端，另一端是固定端；多个轴承，安装在上述外轮侧旋转体和上述内轮侧固定柱之间，在内轮侧固定柱上支撑上述外轮侧旋转体；圆柱或中空圆筒状的转矩传递轴，将与上述外轮侧旋转体的上述固定柱自由端相对或相邻的位置作为上述旋转转矩的输出端，连接在该输出端上，从自由端向固定端方向贯通上述内轮侧固定柱的内部，从而轴的下端部分担负风车的输出轴端的功能。
6、如权利要求5所述的悬臂式垂直轴风车，其特征在于，上述内轮侧固定柱装载在具有内部空间的架台之上，发电机被安装在上述架台下的内部空间的地基上，发电机输入轴与从上述内轮侧固定柱的内部延伸到架台内部空间的上述转矩传递轴直接或间接地连接。
7、(修正后)如权利要求6所述的悬臂式垂直轴风车，其特征在于，上述转矩传递轴的上端通过柔性接头与上述外轮侧旋转体的上述输出端连接。
8、如权利要求5至7中任一项所述的悬臂式垂直轴风车，其特征在于，将用来抑制上述转矩传递轴的振动并导引旋转位置的转矩传递轴用轴承设置在上述转矩传递轴外周上。
9、(修正后)一种悬臂式垂直轴风车，其特征在于，具备外轮侧旋转体，具有多个叶片，通过风力而产生旋转转矩；1根内轮侧固定柱，一端是不受外部约束的自由端，另一端是固定端；多个轴承，安装在上述外轮侧旋转体和上述内轮侧固定柱之间，在内轮侧固定柱上支撑上述外轮侧旋转体；圆柱或中空圆筒状的转矩传递轴，将与上述外轮侧旋转体的上述固定柱自由端相对或相邻的位置作为上述旋转转矩的输出端，连接在该输出端上，从自由端向固定端方向贯通上述内轮侧固定柱的内部，从而轴的下端部分担负风车的输出轴端功能；上述轴承在水平方向的风力作用于上述外轮侧旋转体上的风压中心位置的上侧至少设置1个上述轴承，在上述风压中心位置的下侧至少设置1个上述轴承。
10、如权利要求9所述的悬臂式垂直轴风车，其特征在于，上述内轮侧固定柱装载在具有内部空间的架台之上，发电机安装在上述架台下的内部空间的地基上，发电机输入轴与从上述内轮侧固定柱的内部延伸到架台内部空间中的上述转矩传递轴直接或间接地连接。
权利要求
1.一种悬臂式垂直轴风车，其特征在于，具备外轮侧旋转体，具有多个叶片，通过风力而产生旋转转矩；1根具有中空构造的内轮侧固定柱，一端是不受外部约束的自由端，另一端是固定端；多个轴承，安装在上述外轮侧旋转体和上述内轮侧固定柱之间，在内轮侧固定柱上支撑上述外轮侧旋转体。
2.一种悬臂式垂直轴风车，其特征在于，具备外轮侧旋转体，具有多个叶片，通过风力而产生旋转转矩；1根具有中空构造的内轮侧固定柱，一端是不受外部约束的自由端，另一端是固定端；多个轴承，安装在上述外轮侧旋转体和上述内轮侧固定柱之间，在内轮侧固定柱上支撑上述外轮侧旋转体；在水平方向的风力作用于上述外轮侧旋转体上的风压中心位置的上侧至少设置1个上述轴承、在上述风压中心位置的下侧至少设置1个上述轴承。
3.如权利要求1或2所述的悬臂式垂直轴风车，其特征在于，在上述内轮侧固定柱的自由端侧设有发电机。
4.如权利要求3所述的悬臂式垂直轴风车，其特征在于，在上述外轮侧旋转体与上述发电机之间，设有将上述外轮侧旋转体的旋转转矩传递给上述发电机的磁式联轴器。
5.一种悬臂式垂直轴风车，其特征在于，具备外轮侧旋转体，具有多个叶片，通过风力而产生旋转转矩；1根内轮侧固定柱，一端是不受外部约束的自由端，另一端是固定端；多个轴承，安装在上述外轮侧旋转体和上述内轮侧固定柱之间，在内轮侧固定柱上支撑上述外轮侧旋转体；圆柱或中空圆筒状的转矩传递轴，与上述外轮侧旋转体连接，从自由端向固定端方向贯通上述内轮侧固定柱的内部，从而轴的下端部分担负风车的输出轴端的功能。
6.如权利要求5所述的悬臂式垂直轴风车，其特征在于，上述内轮侧固定柱装载在具有内部空间的架台之上，发电机被安装在上述架台下的内部空间的地基上，发电机输入轴与从上述内轮侧固定柱的内部延伸到架台内部空间的上述转矩传递轴直接或间接地连接。
7.如权利要求6所述的悬臂式垂直轴风车，其特征在于，上述转矩传递轴的上端通过柔性接头与上述风车旋转体连接。
8.如权利要求5至7中任一项所述的悬臂式垂直轴风车，其特征在于，将用来抑制上述转矩传递轴的振动并导引旋转位置的转矩传递轴用轴承设置在上述转矩传递轴外周上。
9.一种悬臂式垂直轴风车，其特征在于，具备外轮侧旋转体，具有多个叶片，通过风力而产生旋转转矩；1根内轮侧固定柱，一端是不受外部约束的自由端，另一端是固定端；多个轴承，安装在上述外轮侧旋转体和上述内轮侧固定柱之间，在内轮侧固定柱上支撑上述外轮侧旋转体；圆柱或中空圆筒状的转矩传递轴，与上述外轮侧旋转体连接，从自由端向固定端方向贯通上述内轮侧固定柱的内部，从而轴端部分担负风车的输出轴端的功能；在水平方向的风力作用于上述外轮侧旋转体上的风压中心位置的上侧至少设置1个上述轴承，在上述风压中心位置的下侧至少设置1个上述轴承。
10.如权利要求9所述的悬臂式垂直轴风车，其特征在于，上述内轮侧固定柱装载在具有内部空间的架台之上，发电机安装在上述架台下的内部空间的地基上，发电机输入轴与从上述内轮侧固定柱的内部延伸到架台内部空间中的上述转矩传递轴直接或间接地连接。
全文摘要
本发明目的是提供一种在旋转轴上产生的重复负荷较少、具有高度的振动稳定性和低噪音性的悬臂式垂直轴风车。具备通过风力而产生旋转转矩的垂直轴风车(10)的外轮侧旋转体(17)、通过轴支撑径向的力的轴承(30a、30b、30c)支撑垂直轴风车(10)的外轮侧旋转体(17)的悬臂式的内轮侧固定柱(14)、以及存在于跨越风力作用在垂直轴风车(10)的外轮侧旋转体(17)上的风压中心位置的位置上、轴支撑外轮侧旋转体(17)和内轮侧固定柱(14)的轴承(30a、30b、30c)。
文档编号F03D11/02GK1938517SQ20058001040
公开日2007年3月28日 申请日期2005年3月30日 优先权日2004年3月31日
发明者横井正 申请人:株式会社Ipb