专利名称：风力发电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有根据风向使机舱(风车主体)回转的偏航系 统的风力发电装置。
背景技术：
在现有技术中，在通过风力使风车转动并将其旋转运动传递至发 电机而产生电的风力发电装置中，设置有根据风朝向使机舱回转(使 头部摆动)的偏航系统。
现有的偏航系统由偏航驱动装置、偏航回转轮以及偏航制动器构 成，主要的构成要素配置在机舱侧。换言之，搭载有风车及通过其旋
转力进行发电的传动系(power train)的机舱通过偏航系统的动作在支 柱上部回转，朝向与风向相应的最合适的方向来进行发电。
图8所示的现有技术例子的偏航系统10中，机舱3经由使用了兼 用作偏航制动器的滑动轴承20的偏航回转轮11可回转地安装在作为 固定侧的支柱2上。另外，图中标号12是构成机舱3的机舱台板，在 该机舱台板12上固定设置有具有电动机13及驱动齿轮14的偏航驱动 装置15。
上述滑动轴承20由固定在支柱2的凸缘部2a上的固定座21和保 持制动垫22的托架23构成。该情况的托架23为截面形状大致呈L形 的部件，其上端面固定在机舱台板12的下表面上。
以这样方式构成的滑动轴承20中，制动垫片22可滑动地支撑设 于固定座21上的凸肩部21a的上下表面及外周面。此时，图中附图标号C1表示支柱2的轴线，因此，这是偏航驱动
装置15配置在支柱2外侧的一例结构。
该偏航驱动装置15中，驱动齿轮14与固定侧的齿圈16啮合，因 此能对应于电动机13的回转，使作为可动侧的机舱(机舱台板12及 托架23等)与驱动齿轮14一起回转。(例如，参照专利文献l)
专利文献1:日本特开2007-51585号公报
发明内容
近年来，风力发电装置有日益大型化(大输出化)的倾向。伴随 着这种风力发电装置的大型化，设置在支柱上部的机舱及偏航系统也 随之大型化且重量增加。
然而，由于上述的现有技术的偏航驱动装置15中，以电动机13 作为驱动源回转的驱动齿轮14与齿圈16啮合而使机舱3回转，因此 随着机舱3的大型化，齿圈16也随之大径化。§卩，对于齿圈16而言， 需要制造出直径与随着机舱3大型化而大径化的支柱2的上端部内径 大致相等的齿轮，因此存在机械加工成本提高的问题。
此外，在上述现有技术的构造中，为了高精度地管理驱动齿轮14 和齿圈16的啮合部的齿隙，还要求作为固定侧的机舱台板12侧的加 工精度，成本。
从这样的背景技术出发，希望开发一种在风力发电装置的偏航系 统中不需要大径齿轮的偏航驱动装置。
本发明是鉴于上述情况而做出的，其目的在于提供一种在偏航系 统的偏航驱动装置中不需要大径齿轮的风力发电装置。本发明为了解决上述问题，采用以下的技术手段。
本发明的第一方式的风力发电装置具有偏航系统，该偏航系统具 备偏航驱动装置、偏航回转轮及偏航制动器，并根据风向使设在支柱 上部的机舱回转，其特征在于，上述偏航驱动装置具有使输出轴与上 述机舱的回转轴大致一致并固定设置在机舱台板上的偏航马达，上述 输出轴和设置在上述支柱的上端部附近的固定侧支撑部件之间经由两 端设有联轴器的连接轴而连接。
根据这样的风力发电装置，偏航驱动装置具有使输出轴与机舱的 回转轴大致一致并固定设置在机舱台板上的偏航马达，输出轴和设置 在支柱的上端部附近的固定侧支撑部件之间经由两端设有联轴器的连 接轴而连接，因此偏航驱动装置的驱动系统不需要大径的齿轮。
本发明第二方式的风力发电装置具有偏航系统，该偏航系统具备 偏航驱动装置、偏航回转轮及偏航制动器，并根据风向使设在支柱上 部的机舱回转，其特征在于，
上述偏航驱动装置具有使输出轴成为与上述机舱的回转轴大致一 致的状态并固定设置在设于上述支柱的上端部附近的固定侧支撑部件 上的偏航马达，上述输出轴和上述机舱之间经由两端设有联轴器的连 接轴而连接。
根据这样的风力发电装置，使输出轴与机舱的回转轴大致一致地 固定设置在设于支柱的上端部附近的固定侧支撑部件上的偏航马达， 上述输出轴和上述机舱之间经由两端设有联轴器的连接轴而连接，因 此偏航驱动装置的驱动系统不需要大径的齿轮。此时，将偏航驱动装 置设置在支柱侧，因此能减轻机舱侧的重量。
上述发明中，希望与主动偏航控制组合的结构，这样，与单独的结构相比，能够减低偏航马达所要求的驱动转矩。
根据上述的本发明，由于使得风力发电装置的偏航系统中偏航驱 动装置不需要大径齿轮，因此可以降低大径齿轮加工所需的成本。
此外，通过取消偏航驱动装置的大径齿轮，不再需要润滑油供给， 能消除向支柱外侧泄漏润滑油的担心。
图1是作为本发明的风力发电装置的一个实施方式表示支柱的上 部及偏航系统的结构例的主要部分剖视图。
图2是表示本发明的风力发电装置的整体结构例的图。
图3是表示风力发电装置的偏航回转驱动控制(主动偏航控制)
的机舱内部的概略结构例的框图。
图4是与图3所示的可变螺距机构的螺距角度控制相关的控制框图。
图5是表示z、 y、 x轴的定义的图。
图6表示由图4的偏航回转控制指令值设定部执行的处理的顺序 的流程图。
图7是表示偏航回转控制指令值表格的一例。 图8是表示风力发电装置的偏航系统的现有技术例子的主要部分 剖视图。
标号说明
1、风力发电装置；2、支柱；2a、凸缘部；2b、内部凸缘；3、机 舱；4、旋翼头；IOA、偏航系统；12、机舱台板；20A、滑动轴承；22、 滑动垫片；23A、托架；30、偏航驱动装置；31、电动机(偏航马达)； 31a、输出轴；32、联轴器；33、连接轴。
具体实施方式
下面，参照图1及图2说明本发明的风力发电装置的一个实施方式。
图2所示的风力发电装置1具有支柱(也称为塔架(tower))
2，其立起设置在地基B上；机舱3，其设置在支柱2的上端；旋翼头
4，其设置在机舱3上，且被支撑为可绕大致水平的旋转轴线旋转。
旋翼头4上绕着其旋转轴线以放射状安装有多片(例如3片)风 车旋翼5。由此，将从旋翼头4的旋转轴线方向吹到风车旋翼5上的风 力变换为使旋翼头4绕旋转轴线旋转的动力。
上述风力发电装置1具有使位于支柱2的上端的机舱3回转的偏 航系统。该偏航系统是用于使机舱3处于与风向相对应的最合适的朝 向并使旋翼头4高效地旋转以进行发电的装置。
图1所示的偏航系统IOA构成为具备偏航驱动装置、偏航回转轮 及偏航制动器。
在图示的结构例中，在作为固定侧的支柱2的上端部形成有朝向 轴中心方向向内的凸缘部2a，利用该凸缘部2a来设置滑动轴承20A， 该滑动轴承20A兼具如下两种功能可回转地支撑由后述的偏航驱动 装置30驱动回转的机舱3的偏航回转轮的功能；以及限制机舱3的回 转或使机舱3停止回转的偏航制动器的功能。
上述滑动轴承20A通过具有截面大致呈L形的托架23A固定在机 舱3的下表面上，具体而言，固定在构成机舱3的机舱台板12的下表 面上。就该滑动轴承20A而言，由于保持在托架23A上的滑动垫片22 可滑动地支撑(夹持)凸缘部2a，因此该滑动轴承20A发挥使机舱3 在支柱2的上部回转的偏航系统的偏航回转轮的功能。托架23A由螺 栓24固定在机舱台板12的规定位置上。这种滑动轴承20A中，优选的滑动垫片22例如具有聚酯、聚氨酯、 聚酰胺、縮醛、或者聚对苯二甲酸乙酯(PET)等低摩擦系数的高分子 材料。
此外，上述滑动轴承20A中，保持在托架23A上的滑动垫片22 被设置为与凸缘部2a的上下两面及凸缘部2a的内周面接触。此外，对 与凸缘部2a的三面接触的滑动垫片22分别施以适当的预压。其结果， 由于在滑动垫片22和凸缘2a之间作用有摩擦力，因此滑动轴承20A 发挥对机舱3的回转施以规定载荷的制动力的偏航制动器的功能。
对于上述的预压可以采用例如通过油压缸(未图示)等对滑动垫 片22施压而将其推压到滑动面等众所周知的预压施加方法。
这样的偏航驱动装置30固定设置在回转的机舱3侧。具体而言， 电动机(偏航马达)31固定设置在机舱台板12上，其输出轴31a与支 柱2的轴中心位置CL大致一致。换言之，电动机31的输出轴31a位 于与上述滑动轴承20A的轴中心位置大致一致的偏航回转中心位置 处。也可以在电动机31的内部设置未图示的离合器、阻尼器、和/或制 动器。
电动机31的输出轴31a，在偏航系统IOA中，在偏航回转轴线处， 通过上下两端设有一对联轴器32的连接轴33，与作为固定侧支撑部件 的支柱2的内部凸缘2b相连。对于在此使用的联轴器32而言，只要 其能允许在内部凸缘2b的轴中心位置和偏航驱动装置30的轴中心位 置之间产生的轴偏移，并且允许机舱3相对于内部凸缘2a回转，就没 有特别限定。
对于内部凸缘2b，优选根据需要，设有在建设时或维修时等使用 的维修孔(未图示)。对于上述结构的偏航系统IOA，通过驱动偏航驱动装置30的电动 机31来使输出轴31a向希望的方向旋转。但是，由于输出轴31a的另 一端侧通过联轴器32及连接轴33固定在内部凸缘2b上，因此固定设 置有电动机31的机舱3侧相对于支柱2旋转。此时，滑动轴承20A作 为可回转地支撑机舱3的偏航回转轮起作用。
这样构成的偏航驱动装置30的结构为，与机舱3的回转轴大致一 致的输出轴31a通过一对联轴器32及连接轴33固定在支柱2的内部凸 缘2a上，因此即便不使用齿圈16这样的大径齿轮，也能使机舱3回转。 即，由于本发明的偏航驱动装置30，不再需要直径与支柱2上端部内 径大致相同、增加机械加工成本的大径齿轮，因此可以降低偏航驱动 装置30以及具备该偏航驱动装置的浮力发电装置1的成本。
此外，没有驱动齿轮14及齿圈16的啮合部的本发明的偏航驱动 装置30不再需要对啮合部供给润滑油，因此也不会向支柱2的外部泄 漏润滑油。
此外，在通过大径齿轮来回转驱动机舱3的构造中，为了高精度 地管理啮合部的齿隙，对机舱台板12的固定面也要求加工精度。但是， 在没有啮合部的本发明构造中，由于不需要管理齿隙，因此可降低固 定设置有电动机31的部分所要求的机舱台板12侧的加工精度，从而 降低成本。
此外，上述实施方式中，电动机31固定设置在机舱台板12上， 但也可以使电动机31和衬套32a的位置关系颠倒，将电动机31固定在 内部凸缘2b侦iJ。
艮P，偏航驱动装置30的结构也可以是，电动机31以输出轴31a 与机舱3的回转轴大致一致的方式固定设置在设于支柱2上端部附近的内部凸缘2b上，并使输出轴31a和机舱3之间通过两端设有联轴器 32的连接轴33连接在一起。如果采用这样的结构，则偏航驱动装置 30的驱动系统中不再需要大径齿轮，而且，通过将偏航驱动装置30设 置在支柱2侧，可以降低机舱3侧的重量，因此有效地降低搬运时或 建造时所需的吊车的承载量。
然而，希望具备上述偏航驱动装置30的偏航系统10A与以下说明 的偏航回转驱动控制(也称为主动偏航控制)组合使用。
图3是表示适用于风力发电装置的主动偏航控制的机舱内部的结 构例的框图，在机舱3的外周面的适当位置(例如上部等)设置测定 周围的风速值的风速计7和测定风向的风向计8。进而，在各风车翼5 上设置有用来计测各风车翼5上的载荷的载荷计测传感器(例如光纤 传感器)9。
风向计8计测风向偏差并将风向偏差作为计测值输出。
此外，载荷计测传感器9计测例如风车翼5的形变，并根据该形 变量计测载荷。
在机舱3的内部设置有发电机41，该发电机41通过与旋翼头4 同轴的增速器40相连。进而，在机舱3的内部设置有进行风车的运转 控制的风车控制装置50以及接受来自风车控制装置50的控制信号而 改变各风车翼5的螺距角度的可变螺距机构51。
在风车控制装置50中输入由各载荷计测传感器9计测出的各风车 翼5的载荷计测值、由风向计8计测的风向偏差以及由风速计7计测 的风速。
风车控制装置50根据这些输入信息设定各风车翼5的螺距角度，并将与设定的螺距角度对应的控制信号向可变螺距机构51输出。可变
螺距机构51基于从风车控制装置50得来的控制信号分别改变各风车 翼5的螺距角度。
图4是表示与上述风车控制装置50所具有的螺距角度控制相关的 控制框图的图。
如图4所示，风车控制装置50具有转矩算出部61、成分指令值设 定部62、螺距角度指令设定部63以及偏航回转控制指令值设定部64。
转矩算出部61通过对由各载荷计测传感器9计测出的各风车翼5 的载荷M1、 M2、 M3进行坐标变换，从而算出绕图5所示的z轴的转 矩Mz和绕y轴的转矩My。如图5所示，z轴为与支柱2的主轴平行 的轴线，x轴为旋翼头4的旋转轴，y轴为与z轴和x轴正交的轴线。
转矩算出部61算出转矩My、 Mz后，将它们输出到成分指令值设 定部62。成分指令值设定部62基于由转矩算出部61算出的转矩Mz、 My来设定与y轴相关的角度指令值9 y和与z轴相关的角度指令值9
具体而言，成分指令值设定部62求出抵消绕y轴的转矩My的基 准指令值，将该指令值作为绕y轴的角度指令值ey。此外，成分指令 值设定部62求出抵消绕z轴的转矩Mz的基准指令值，进而，在该基 准指令值上加上从偏航回转控制指令值设定部64输入的偏航回转控制 指令值Mz'，并将该值作为绕z轴的角度指令值8z'。成分指令值设定 部62将角度指令值9 y、 e z'输出到螺距角度指令设定部63。
螺距角度指令设定部63通过对输入的角度指令值e y、 e z'进行坐 标变换来设定各风车翼5的螺距角度指令e 1、 0 2、 6 3，并将它们输
出给可变螺距机构51。其结果，通过可变螺距机构51使各风车翼5的螺距角度根据螺距角度指令e 1、 9 2、 6 3改变。因此，降低各风车翼 5的载荷，并且使机舱3仅以与偏航回转控制指令值Mz'相对应的量绕
接下来，参照图6说明上述的偏航回转控制指令值设定部64。
图6是表示由偏航回转控制指令值设定部64执行的处理的顺序的 流程图。图6所示的处理以规定时间间隔反复执行。
偏航回转控制指令值设定部64算出从风向计8输入的风向偏差在 过去规定期间内的平均值(步骤SA1)。
接下来，判断在步骤SA1中算出的平均风向偏差是否大于预先设 定的阈值。其结果，在平均风向偏差为阈值以下的情况下，判断为机 舱3相对于风向朝向最好的方向，不进行机舱3的偏航回转驱动而结 束该处理。
另一方面，在平均风向偏差超过阈值的情况下，判断为机舱3相 对于风向不是最合适的方向，并在步骤SA3中设定偏航回转设定指令 值。具体而言，偏航回转控制指令值设定部64参照预先存储的偏航回 转控制指令值表，根据在步骤SA1中算出的平均风向偏差和从风速计 7输入的风速得到特定的偏航回转控制指令值。
图7表示偏航回转控制指令值表的一例。如图7所示，偏航回转 控制指令值表中，对应于风速和平均风向偏差的组合分别设定偏航回 转控制指令值。偏航回转控制指令值设定部64将所取得的偏航回转控 制指令值输出给成分指令值设定部62。
由此，通过将根据风速和风向设定的偏航回转控制指令值加到绕z 轴的基准指令值上，能使机舱3绕z轴仅回转与偏航回转控制指令值相应的量。
这样，根据具有上述主动偏航控制的风力发电装置1，能在各风车 翼5产生与偏航回转控制指令值MZ'相应大小的转矩，利用该转矩使机
舱3绕支柱2的主轴回转。由此，通过控制各风车翼5的螺距角度， 利用气动力使机舱3回转，因此能实现配置在机舱3内的发动机31的 小型化。此外，能够降低电动机31的使用频率，可实现消耗输出的降 低。
虽然在上述说明中，偏航回转控制指令值设定部64从偏航回转控 制指令值表取得偏航回转控制指令值，但是，也可以取而代之，偏航 回转控制指令值设定部3具有以平均风向偏差和风速为参数的运算式， 通过将平均风向偏差及风速带入该运算式，取得偏航回转控制指令值。
这样，上述驱动装置30通过采用与主动偏航控制组合的结构及控 制，与单独的情况相比，能降低电动机31所要求的驱动转矩，可使之 小型/轻量化。
此外，在上述偏航系统10A中，有效利用了在支柱2的上端部形 成的凸缘2a而采用滑动轴承20A，因此，可由该滑动轴承20A自身的 部件数量减少带来的轻量化。
进而，对于现有技术中以独立结构体形成的偏航回转轮及偏航制 动器的功能，利用支柱2的凸缘部2a所构成的滑动轴承20A是兼具偏 航回转轮及偏航制动器的功能的构造，因此就设在支柱2的上部且使 机舱3回转的偏航系统整体而言，可降低部件数量，实现轻量化和降 低成本。
此外，优点还在于，在支柱2的上部构造体被轻量化后，还能降 低支柱2或地基B的载荷负担、建设时所需的吊车的载荷负担。另外，本发明不限于上述实施方式，可在不脱离其主旨的范围内 进行适当地改变。
权利要求
1.一种风力发电装置，具有偏航系统，该偏航系统具备偏航驱动装置、偏航回转轮及偏航制动器，并根据风向使设在支柱上部的机舱回转，其特征在于，上述偏航驱动装置具有使输出轴与上述机舱的回转轴大致一致并固定设置在机舱台板上的偏航马达，上述输出轴和设置在上述支柱的上端部附近的固定侧支撑部件之间经由两端设有联轴器的连接轴而连接。
2. —种风力发电装置，具有偏航系统，该偏航系统具备偏航驱动 装置、偏航回转轮及偏航制动器，并根据风向使设在支柱上部的机舱 回转，其特征在于，上述偏航驱动装置具有偏航马达，该偏航马达使输出轴成为与上 述机舱的回转轴大致一致的状态，固定设置在设于上述支柱的上端部 附近的固定侧支撑部件上，上述输出轴和上述机舱之间经由两端设有 联轴器的连接轴而连接。
全文摘要
本发明提供一种在偏航系统(10A)的偏航驱动装置(30)中不需要大径齿轮的风力发电装置。根据风向使机舱(3)回转的偏航系统(10A)的偏航驱动装置(30)具有使输出轴(31a)与机舱(3)的回转轴大致一致地固定设置在台板(12)上的电动机(31)，输出轴(31a)和设置在支柱(2)的上端部附近的固定侧支撑部件(2b)之间经由两端设有联轴器(32)的连接轴(33)而连接。
文档编号F03D7/04GK101688522SQ200880001350
公开日2010年3月31日 申请日期2008年6月11日 优先权日2008年6月11日
发明者沼尻智裕 申请人:三菱重工业株式会社