懸臂式垂直軸風車的製作方法
2023-08-07 20:00:16
專利名稱：懸臂式垂直軸風車的製作方法
技術領域：
本發明涉及垂直軸風車的旋轉支撐構造以及旋轉轉矩的傳遞構造。
背景技術：
在通過升力型葉片受風的垂直軸風車中，有具有曲線翼的達利歐(Darrieus)型風車和直線翼達利歐型風車即直線翼型垂直軸風車，這些垂直軸風車與水平軸螺旋槳型風車同樣，是在原理上通過輸出性能的優良的升力型原理動作的風車，具有不選擇風向、小型化、或者適於城市用途的優點。作為垂直軸風車的轉子的支撐構造，特別是在直線翼風車中存在設置方便的懸臂構造、即支撐風車旋轉體的固定支柱的一端是自由端而另一端是固定端的懸臂式垂直軸風車。在大型的曲線翼達利歐風車中，在風車最上部的旋轉軸的內側中心部具有靜止軸，通過將另一端栓留在地上的線纜從四方系在該靜止軸上並拉伸，來垂直地支撐風車。即，風車的上下被分別固定支撐的形式(中心葉輪式)較多，此外還有在小型的曲線翼達利歐風車中與直線翼風車同樣通過懸臂構造的固定支柱來支撐旋轉體的形式。本發明關於這種懸臂式垂直軸風車的旋轉體的具體的支撐構造和與其相伴的旋轉轉矩傳遞機構，提供比以往的技術更好的解決方案。
以往，在垂直軸旋轉型薩伏紐斯(Savonius)型風車中，已知有如下特徵的風車(例如參照專利文獻1)由在其上端及下端的旋轉面上並且沿著該風車的受風面通過旋轉軸的支撐框架、和在與薩伏紐斯翼充分離開的位置上通過該支撐框架支撐上下的升力利用的翼構成，在旋轉軸上設置有發電機。
此外，以往已知有如下特徵的小型風力發電裝置(例如參照專利文獻2)，構成為，具備安裝在與發電機連接聯動的旋轉軸上的直線翼型風車、旋轉自如地安裝在該旋轉軸上並通過較小的風力產生驅動轉矩的啟動用風車、和夾裝在啟動用風車和直線翼型風車之間並將啟動用風車的旋轉僅向一方向傳遞給直線翼型風車的連接機構；通過該連接機構，在低速旋轉時將啟動風車的驅動轉矩傳遞給直線翼型風車，在直線翼型風車的旋轉速度超過啟動用風車時將直線翼型風車從啟動用風車斷開。
此外，在大型的達利歐型風車中，將風車頭頭部從四方用線纜牽引，將線纜端固定在距離風車較遠的位置上，垂直地支撐風車以使其不會倒下(例如參照非專利文獻1)專利文獻1特開平11-294313號公報(第1-2頁，圖1)專利文獻2特開平11-201020號公報(第1-3頁，圖2)非專利文獻1David A.Spera，Wind turbine technology，Figure2-7，ASME Press 1994發明內容在專利文獻1中記載的混合風車發電方式中，配置為，以比較低的高度的薩伏紐斯型風車為中心，在其上端及下端的旋轉面上設置有通過旋轉軸沿著受風面左右對稱地延伸的兩根支撐框架，在2根支撐框架的兩端上與旋轉軸並行地垂直設置有螺旋槳型升力利用的翼，翼配置為，使曲面朝向旋轉圓的外側，使平面朝向內側。
如專利文獻1的圖2所示，支撐框架2安裝在旋轉軸4上。在支撐架臺6的上部，設有用來可轉動地軸支撐旋轉軸4的發電機及軸承裝置5。由於風車的旋轉軸在軸承的內輪側，所以風車受風的力點的位置和軸承存在的支點的位置離開，所以會產生因風車受到的風力翼的升力差而使風車的旋轉軸較大地彎曲、使風車振擺的不良狀況。
該旋轉軸彎曲的方向由於隨著風車的旋轉而變化，所以在1次模式中至少旋轉1周重複1次的振動。升力型的風車的旋轉體以風速的2倍到10倍左右的前端速度旋轉。其頻率因風車的大小及振動模式而不同，但即使僅著眼於1次模式，也為0～20Hz的範圍，所以與構造物的固有頻率共振的可能性較高。在風車共振的情況下，不僅成為異常振動及噪音的原因，而且風車的構造物本身及旋轉軸、或軸承等有可能受重複負荷的作用而破損等，會給耐久性帶來不良影響。
此外，在旋轉體以較高速旋轉時，如果因風力及旋轉體的不平衡而在旋轉軸上產生彎曲，則對旋轉體施加該彎曲半徑(偏心量)和角速度的平方成比例的離心力，所以旋轉體的彎曲會進一步增大，產生將不平衡放大的不良狀況。
專利文獻2中記載的小型風力發電裝置例如是能夠設置在民宅的屋頂或公寓的屋頂等的簡易型的發電裝置。如專利文獻2的圖1所示，在小型風力發電裝置中，在固定於屋頂上的屋頂架臺10通過軸承10a旋轉自如地立設有同軸狀的2級旋轉軸3A、3B，通過撐條軸承支撐在撐條4上。
在專利文獻2中記載的風車中，旋轉軸是軸承的內輪，並且風車受風的力點的位置與軸承存在的支點的位置離開，所以也會發生在風車受到的風及翼的升力差、離心力的作用下使風車的旋轉軸較大地彎曲的不良狀況。
在專利文獻2中記載的小型風力發電裝置中，如果想要減小旋轉軸的振擺，則需要將旋轉軸設置的很粗，還需要使處於下部的2個軸承的距離離開較遠，所以因軸的重量增大和軸長方向的空間的增大，在設置上不利。
此外，在專利文獻2中記載的小型風力發電裝置中，必須將發電機和專用設計的動力傳遞機構裝載在旋轉軸的下部的屋頂架臺的部分上，在動力傳遞機構的維護及可靠性、齒輪的噪音及設置空間的方面產生了不良狀況。
這樣，從以往的垂直軸風車中可看到的內輪側的軸旋轉方式中，需要加長支撐臂下側的軸承部分的軸長，還需要發電機的設置空間。因此，垂直軸風車的高度變高，風車整體的彎曲力矩增大也成為較大的障礙。因此，在已經設置的柱上追加設置的情況下整體高度也大幅變高，所以難以將風車追加設置在柱的頭頂部上，而以將裝置整體環抱在柱的周圍的形式設置。該設置方法在環境美觀上會變差。
如上所述，如果包括經年變化的問題而考慮小型風力發電裝置的壽命，則在以往的構造中產生了難以做根本的改善的不良狀況。
此外，在非專利文獻1中記載的達利歐風車中，由於必須將頭頂部從周圍用線纜牽引、將線纜的端部固定在遠方，所以需要為此的較大的空間，並且有給當地的景觀帶來不良影響的問題。
所以，本發明鑑於上述以往的狀況，目的是提供一種能夠減輕在旋轉軸上產生的重複負荷的懸臂式垂直軸風車。此外，本發明的目的是提供一種具有能夠穩定地運轉的高振動穩定性、並且發生較大的噪音等附帶問題較少的小型懸臂式垂直軸風車。
為了解決上述問題，有關本發明的懸臂式垂直軸風車的特徵在於，具備外輪側旋轉體，具有多個葉片，通過風力而產生旋轉轉矩；1根內輪側固定柱，一端是不受外部約束的自由端，另一端是固定端；多個軸承，安裝在外輪側旋轉體和內輪側固定柱之間，在內輪側固定柱上支撐外輪側旋轉體。
此外，有關本發明的懸臂式垂直軸風車的特徵在於，具備外輪側旋轉體，具有多個葉片，通過風力而產生旋轉轉矩；1根內輪側固定柱，一端是不受外部約束的自由端，另一端是固定端；多個軸承，安裝在外輪側旋轉體和內輪側固定柱之間，在內輪側固定柱上支撐外輪側旋轉體；在水平方向的風力作用於外輪側旋轉體上的風壓中心位置的上側至少設置1個上述軸承，在該風壓中心位置的下側至少設置1個上述軸承。
在本發明中，具備通過風力而產生旋轉轉矩的外輪側旋轉體，一端是不受外部約束的自由端而另一端是固定端的1根內輪側固定柱，的安裝在外輪側旋轉體和內輪側固定柱之間，在內輪側固定柱上支撐外輪側旋轉體的多個軸承，通過例如將軸承在水平方向的風力作用在外輪側旋轉體上的風壓中心位置的上側至少設置1個，在該風壓中心位置的下側至少設置1個，能夠提供全高較低的懸臂式垂直軸風車，還能夠通過大幅地減少旋轉機構整體的振動問題的產生而將振動穩定性及耐久性較好的風力發電機設置在接近於人們的生活圈的場所。
此外，通過使固定軸(固定柱)為軸承的內輪側，作用在固定軸上的負荷成為大致一個方向的負荷，所以能夠提供振動較少且穩定的風力發電機。
此外，由於能夠在懸臂式的內輪側固定柱的開放端側設置發電機，所以不僅不需要在風車下部的旋轉軸側面設置容易產生機械問題的小齒輪、增速齒輪，而且不需要將旋轉軸向下方延長過長，能夠選擇自由的創意設計。
此外，通過在將外輪側旋轉體的旋轉轉矩傳遞給發電機的聯軸器中設置磁式聯軸器，能夠較大地容許外輪側旋轉體的旋轉軸與內輪側固定柱位置的偏心，能夠大幅減輕伴隨著旋轉運動的對軸承等的衝擊力和振動。
此外，為了解決上述問題，有關本發明的懸臂式垂直軸風車的特徵在於，具備外輪側旋轉體，具有多個葉片，通過風力而產生旋轉轉矩；1根內輪側固定柱，一端是不受外部約束的自由端，另一端是固定端；多個軸承，安裝在外輪側旋轉體和內輪側固定柱之間，在內輪側固定柱上支撐外輪側旋轉體；圓柱或中空圓筒狀的轉矩傳遞軸，與外輪側旋轉體連接，從自由端向固定端方向貫通內輪側固定柱的內部，從而軸端部分擔負風車的輸出軸端功能。
此外，有關本發明的懸臂式垂直軸風車的特徵在於，具備外輪側旋轉體，具有多個葉片，通過風力而產生旋轉轉矩；1根內輪側固定柱，一端是不受外部約束的自由端，另一端是固定端；多個軸承，安裝在外輪側旋轉體和內輪側固定柱之間，在內輪側固定柱上支撐外輪側旋轉體；圓柱或中空圓筒狀的轉矩傳遞軸，與外輪側旋轉體連接，從自由端向固定端方向貫通內輪側固定柱的內部，軸端部分擔負風車的輸出軸端功能；將軸承在水平方向的風力作用在外輪側旋轉體上的風壓中心位置的上側至少設置1個，在風壓中心位置的下側至少設置1個。
在本發明中，具備通過風力而產生旋轉轉矩的外輪側旋轉體，一端是不受外部約束的自由端而另一端是固定端的1根內輪側固定柱，安裝在外輪側旋轉體和內輪側固定柱之間，在內輪側固定柱上支撐外輪側旋轉體的多個軸承，與外輪側旋轉體連接，從自由端向固定端方向貫通內輪側固定柱的內部，軸端部分擔負風車的輸出軸端功能的圓柱或中空圓筒狀的轉矩傳遞軸，例如將軸承在水平方向的風力作用在外輪側旋轉體上的風壓中心位置的上側至少設置1個，在該風壓中心位置的下側至少設置1個。此外，內輪側固定柱裝載在具有內部空間的架臺之上，發電機在架臺下的內部空間中安置在地基上，發電機輸入軸與從內輪側固定柱的內部延伸到架臺內部空間中的轉矩傳遞軸直接或間接地連接；此外，轉矩傳遞軸的上端通過柔性接頭與風車旋轉體連接；此外，將用來抑制轉矩傳遞軸的振動並導引旋轉位置的轉矩傳遞用軸承設置在轉矩傳遞軸外周上。
由此，能夠在將發電機維持為與外輪側旋轉體的旋轉軸同心圓的同時直接設置在外輪側旋轉體的正下方或地基之上，因此，能夠在旋轉體正下方的自由的空間中設置發電機以及增速機，能夠自由地設計大小和布置，並且能夠容易地抑制振動，發電機的大型化變得容易並且擴大了實現高自由度的創意設計的可能性。此外，由於在跨越風壓中心位置的位置，例如外輪側旋轉體的上下2個部位上配設軸承，所以不需要將風車的軸向下方伸長，並且能夠容易地維持使軸振動的負荷和彎曲力矩較小的穩定的運轉。
此外，由於發電機配置在設置於地面上的架臺之中，所以能夠將風車旋轉中心、增速機和發電機不與內輪側固定柱幹涉地布置在一個軸上，內輪側固定柱的地基不會與增速機及發電機幹涉而能夠自由地擴大，能夠容易地實現高強度的內輪側固定柱及其地基的設計，並且能夠將整體設計為勻稱且簡單的外觀。
此外，轉矩傳遞軸在將一端與外輪側旋轉體在相互共用旋轉中心軸的位置(上端)上通過柔性接頭連接後在內輪側固定柱的內部中沿軸向貫通，另一端形成輸出軸端，所以能夠顯著地增加對於外輪側旋轉體與轉矩傳遞軸之間的偏心的吸收能力。
此外，通過將轉矩傳遞軸做成圓筒狀，能夠減輕轉矩傳遞軸的重量，並且增加對偏心的吸收能力。
此外，由於抑制轉矩傳遞軸的振動而將用來導引旋轉位置的轉矩傳遞軸用軸承設置在轉矩傳遞軸的外周上，所以轉矩傳遞軸不會較大地振擺而能夠在軸承的餘隙範圍內穩定地旋轉。
根據本發明，懸臂式垂直軸風車具備外輪側旋轉體、內輪側固定柱、支撐外輪側旋轉體的多個軸承，通過例如將軸承在水平方向的風力作用在外輪側旋轉體上的風壓中心位置的上側至少設置1個，在該風壓中心位置的下側至少設置1個，能夠將垂直軸風車的全高保持為較低，並且在旋轉軸中產生的重複負荷減少，振動穩定性變好。此外，由於作用在作為承受風和不平衡負荷的重要部件的固定軸上的負荷是與風向大致相反側的一個方向的負荷，所以能夠大幅地減少振動的產生。
此外，由於能夠將內輪側的軸做成固定軸、能夠容易地將該內輪側固定柱設定為彎曲較少的截面係數較大的粗尺寸，所以在強度及振動的穩定性方面也成為更好的構造。此外，由此能夠將內輪側固定柱做成中空構造，所以能夠將與發電機連接的電力線及各種控制線配線到內輪側固定柱的內部中。
此外，外輪側旋轉體的套筒由於在跨越風壓中心位置的位置、例如外輪側旋轉體的上下2個部位上至少受2個軸承支撐，所以軸的應變變得很小，固有頻率也變高，能夠交出振擺等引起大振動的可能性。
此外，由於在懸臂式的內輪側固定柱的開放端側設置發電機，所以不需要在風車旋轉軸下方使用傳遞效率較低及容易成為噪音的發生源的由齒輪和小齒輪構成的齒輪傳遞機構。此外，由於沒有必要向下方延伸而能夠將垂直軸風車的整體高度降低。
此外，由於將外輪側旋轉體的旋轉轉矩傳遞給發電機的連軸器設置成磁式聯軸器，所以與其他形式相比，能夠將聯軸器的輸入輸出端的偏差的容許度設置的較大，且由偏心帶來的反作用力產生的負荷不會過大地作用在傳遞帽及增速機或發電機軸承上，能夠幾乎完全地僅傳遞旋轉的轉矩。
此外，根據本發明，懸臂式垂直軸風車具備外輪側旋轉體、內輪側固定柱、支撐外輪側旋轉體的多個軸承、和圓柱或中空圓筒狀的轉矩傳遞軸，通過例如將軸承在水平方向的風力作用在外輪側旋轉體上的風壓中心位置的上側至少設置1個、在該風壓中心位置的下側至少設置1個，能夠在旋轉體正下方的自由的空間中設置發電機以及增速機，能夠自由地設計大小和布置，並且能夠容易地抑制振動，發電機的大型化變得容易並且擴大了實現高自由度的創意設計的可能性。此外，由於在跨越風壓中心位置的位置、例如外輪側旋轉體的上下2個部位上配設軸承，所以不需要將風車的軸向下方伸長，並且能夠容易地維持使軸振動的負荷和彎曲力矩較小的穩定的運轉。
此外，由於發電機配置在設置於地面上的架臺之中，所以能夠將風車旋轉中心、增速機和發電機不與內輪側固定柱幹涉地布置在一個軸上，內輪側固定柱的地基不會與增速機及發電機幹涉而能夠自由地擴大，能夠容易地實現高強度的內輪側固定柱及其地基的設計，並且能夠將整體設計為勻稱且簡單的外觀。
此外，轉矩傳遞軸在將一端與外輪側旋轉體在相互共用旋轉中心軸的位置(上端)上通過柔性接頭連接後在內輪側固定柱的內部中沿軸向貫通，另一端形成輸出軸端，所以能夠顯著地增加對於外輪側旋轉體與轉矩傳遞軸之間的偏心的吸收能力。
此外，通過將轉矩傳遞軸做成圓筒狀，能夠減輕轉矩傳遞軸的重量，並且增加對偏心的吸收能力。
此外，由於抑制轉矩傳遞軸的振動而將用來導引旋轉位置的轉矩傳遞軸用軸承設置在轉矩傳遞軸的外周上，所以轉矩傳遞軸不會較大地振擺而能夠在軸承的餘隙範圍內穩定地旋轉。
圖1是表示第1實施方式的懸臂式垂直軸風車的結構的部分剖開立體圖。
圖2是表示第1實施方式的懸臂式垂直軸風車10的結構的剖視圖。
圖3是記載了有關作用在旋轉軸上的風力的試算結果的圖。
圖4是表示第2實施方式的懸臂式垂直軸風車10A的結構的剖視圖。
圖5是表示使用柔性接頭的其他連接例的圖。
標號說明8柱12安裝部14、32內輪側固定柱16發電機17外輪側旋轉體
18葉片20支撐臂22、31外輪套筒24轉矩傳遞帽26增速機28聯軸器30a、30b、30c軸承33柔性接頭34轉矩傳遞軸35架臺36防塵密封37轉矩傳遞軸用軸承70旋轉軸具體實施方式
下面，對本發明的第1實施方式的懸臂式垂直軸風車進行說明。圖1是表示懸臂式垂直軸風車10的結構的部分剖開立體圖。圖2是表示懸臂式垂直軸風車10的結構的剖視圖。
如圖1及圖2所示，在垂直軸風車10中，設有安裝在電線桿或其他柱8上的安裝部12、下端固定在安裝部12上並通過軸承30a、30b、30c支撐垂直軸風車10的外輪側旋轉體17的懸臂式的內輪側固定柱14、設置在該內輪側固定柱14的開放端側的發電機16、和通過風力而產生旋轉轉矩的外輪側旋轉體17。
在外輪側旋轉體17中，設有將風速變換為升力而產生旋轉轉矩的葉片18、上下支撐葉片18的流線形截面的支撐臂20、安裝支撐臂20的外輪套筒22、和將外輪套筒22的旋轉轉矩傳遞給發電機16的轉矩傳遞帽24。
該圖所示的「G」表示外輪側旋轉體17受風時施加的力的平均位置(稱作風壓中心)。
根據該結構，由於內輪側固定柱14不旋轉，所以能夠不考慮慣性力矩等而容易地將內輪側固定柱14設置為彎曲較少的截面係數較大的粗的齒輪。由此，能夠將內輪側固定柱14做成中空構造(參照圖2)，所以能夠將連接在發電機16上的電力線及各種控制線配線到內輪側固定柱14的內部中。
此外，外輪側旋轉體17的外輪套筒22由於以跨越風壓位置的2個部位的軸承(例如軸承30a、30b、30c)支撐徑向的力，所以外輪套筒22的應變變得很小，固有頻率也較高，能夠減小因振擺等引起較大振動的可能性。
在圖1及圖2所示的例子中，在發電機16的輸入軸上安裝有增速機26，將外輪側旋轉體17的旋轉的發電電壓調節為較高。在傳遞帽24與增速機26之間設有柔軟型的聯軸器28，該聯軸器28具有將外輪側旋轉體17的旋轉轉矩通過增速機26傳遞給發電機16的功能，並且可將兩軸間的偏差及傾斜、距離的變動吸收。聯軸器28既可以採用使用橡膠、彈簧等彈性體及歐式、夾頭式的接觸式的聯軸器，也可以採用利用磁力的磁式聯軸器等非接觸式的聯軸器。
在以往的垂直軸風車中，將發電機設置在風車轉子的下方、通過齒輪傳遞機構傳遞風車轉子的旋轉轉矩的例子較多。如本發明那樣，在使旋轉體為外輪側的構造中，由於能夠使懸臂構造的內輪側固定柱14貫通到外輪側旋轉體17的上部，所以能夠進行將發電機16和組合式的增速機26容易地配置在內輪側固定柱14的前端(上端)上的設計。此外，傳遞旋轉轉矩的傳遞帽24能夠兼具作為遮蔽發電機16及增速機26、聯軸器28的蓋的功能。
另外，在要將發電機設置在軸承的下方的情況下，需要在外輪側旋轉體上安裝齒輪，並在發電機側安裝小齒輪、並且需要設置罩住這些傳遞機構的蓋類或防水構造。由上述齒輪和小齒輪構成的齒輪傳遞機構是傳遞效率較低或成為噪音的發生源的可能性較高的構造。
此外，特別是通過使用磁式聯軸器，聯軸器用盤不與聯軸器機構主體直接接觸，而是一邊保持著空隙一邊通過磁力將旋轉運動向增速機26側傳遞，所以聯軸器的輸入輸出兩軸間的偏心的容許度變大，由偏心帶來的反作用力所產生的負荷不會過大地施加給傳遞帽24或增速機以及發電機軸承，能夠幾乎完全地只傳遞旋轉的轉矩。在外輪側旋轉體17中產生的轉矩以外的力和力矩都由軸承30a、30b、30c支撐。
在內輪側固定柱14與外輪套筒22之間設有軸承30a、30b、30c，內輪側固定柱14可轉動地支撐著外輪套筒22。外輪套筒22一邊承受外輪側旋轉體17整體的重量和所有動態的力及力矩，一邊繞內輪側固定柱14的外周旋轉。
在圖1及圖2所示的例子中，軸承30a、30b使用背面配合在一起的能夠支撐徑向負荷和軸向負荷兩者的負荷的角接觸軸承，但本發明並不限於該組合，也可以使用圓錐滾珠軸承，也可以獨力地設置徑向軸承及推力軸承。此外，在圖2所示的例子中，在軸承30c中使用可支撐徑向負荷的球軸承，但本發明並不限於球軸承。此外，在圖1所示的例子中，在軸承30a的上方設有防塵密封36，對於軸承30a防止塵埃混入及水分混入。
如圖1及圖2所示，在本發明中，在跨越風力作用在垂直軸風車10的外輪側旋轉體17(旋轉體)上的風壓中心位置G的位置上，設有具有徑向軸承功能的外輪側旋轉體17的軸承30a、30b、30c。通過採用該構造，能夠大幅地減小風力作用帶來的外輪側旋轉體17的彎曲、和該彎曲帶來的振擺，能夠實現穩定的外輪側旋轉體17的支撐系統。所以，能夠大幅地減小外輪側旋轉體17的振動、旋轉機構整體的共振以及噪音的產生。
上述軸承30a、30b及30c的間隔優選為至少充分地離開軸承內徑的5倍以上距離而配置。此外，通過在風力作用在垂直軸風車10的外輪側旋轉體17(旋轉體)上的風壓中心位置G上設置徑向軸承，也能夠取得同樣的作用、效果。
圖3中記載著關於作用在旋轉軸上的風力的試算結果。例如，在2片翼風車的葉片的翼弦長為0.2m、葉片的翼展為1.8m的情況下，在從旋轉的葉片的一個方向受到風速(V＝12m/s)的情況下(使葉片的翼面方向的阻力係數CD≈2的情況下)，1片葉片在旋轉1周的期間受到1次大約65N的阻力，再旋轉180度時，受到反方向的力-65N的阻力。第2片葉片簡單化來說也受到同樣的阻力，所以在2片葉片中，在單側方向上受到合計約130N的負荷。如果風車旋轉一周，則+130N和-130N的較大的重複變動負荷作用在軸旋轉型的風車的旋轉軸上，該負荷的變動成為旋轉軸70的振擺的原因。
這樣，在本實施方式中，具備具有多個葉片18並通過風力而產生旋轉轉矩的外輪側旋轉體17、上端為自由端而下端為固定端的內輪側固定柱14、和設在外輪側旋轉體17與內輪側固定柱14之間的軸承30a、30b、30c，軸承30a、30b、30c設在外輪套筒22的上下端的2個部位上。此外，在內輪側固定柱的上端上設有發電機，在外輪側旋轉體17與發電機之間設有將外輪側旋轉體17的旋轉轉矩傳遞給發電機16的磁式聯軸器28。
由此，能夠將垂直軸風車自身的整體高度壓低，並且在旋轉軸上產生的重複負荷減少，振動穩定性變好。此外，作用在作為承受風和轉子不平衡負荷的重要部件的固定軸上的負荷由於是與風向大致相反側的一方向的負荷，所以能夠大幅地減少振動的產生。
此外，由於能夠將內輪側固定柱14容易地設定為彎曲較少的截面係數較大的粗的尺寸，所以在強度及振動的穩定性方面形成很好的構造。此外，由此能夠將內輪側固定柱14做成中空構造，所以能夠將連接在發電機16上的電力線及各種控制線配線在內輪側固定柱14的內部。
此外，外輪側旋轉體17的套筒22由於在跨越風壓中心位置的2個位置上受軸承30a、30b、30c的支撐，所以軸的應變很小，固有頻率也變高，因振擺等引起大振動的可能性減小。
此外，由於使用磁式聯軸器28，所以與其他形式相比較，能夠特別地增大聯軸器的輸入輸出兩軸間的偏心的容許度，由偏心帶來的反作用力產生的負荷不會過大地施加在傳遞帽或增速機26以及發電機16的軸承上，能夠幾乎完全地僅傳遞旋轉的轉矩。
下面對本發明的第2實施方式的懸臂式垂直軸風車進行說明。圖4是表示懸臂式垂直軸風車10A的結構的剖視圖。
如圖4所示，懸臂式垂直軸風車10A具備由葉片18、支撐臂20及外輪套筒31構成的外輪側旋轉體17；支撐外輪側旋轉體17的懸臂式的內輪側固定柱32；設在外輪側旋轉體17與內輪側固定柱32之間的軸承30a、30b、30c；轉矩傳遞軸34；架臺35；發電機16；增速機26；聯軸器28；轉矩傳遞軸用軸承36。
葉片18通過支撐臂20被安裝在外輪套筒31上。在該例中，支撐臂20被設在上、中、下的3個位置上。外輪套筒31通過軸承30a、30b、30c支撐在內輪側固定柱32上。軸承30a、30b、30c設置在跨越風力對外輪側旋轉體17作用的風壓中心位置G上，即軸承30a、30b設置在外輪套筒31的上部，軸承30c設在外輪套筒31的下部。
內輪側固定柱32是中空圓筒狀，上端是自由端，下端是固定端。該內輪側固定柱32的下端固定在架臺35上。
此外，轉矩傳遞軸34形成為中空圓筒狀，在上端通過柔性接頭33連接在外輪套筒31上。該轉矩傳遞軸34在內輪側固定柱的內部中從自由端向固定端方向貫通而插入到架臺35中，其下端的軸端部分負擔風車的輸出軸端功能。此外，轉矩傳遞軸34的下端受轉矩傳遞軸用軸承36導引。
增速機26和發電機16配置在架臺35的內部的地基上，並且通過聯軸器28與轉矩傳遞軸34的下端連接。外輪側旋轉體17產生的旋轉轉矩通過轉矩傳遞軸34向發電機16傳送。
圖5是表示使用柔性接頭33的其他連接例的圖。如圖5所示，在將轉矩傳遞軸34與外輪套筒31連接時，轉矩傳遞軸34的上端通過螺釘固定在柔性接頭33的中央部。此外，外輪套筒31的上端形成有凸緣部，該凸緣部被固定在柔性接頭33的外周部上。
這樣，在本實施方式中，具備通過風力而產生旋轉轉矩的外輪側旋轉體17；上端為自由端而下端為固定端的圓筒狀的內輪側固定柱32；設在外輪側旋轉體17與內輪側固定柱32之間的軸承30a、30b、30c；上端連接在外輪側旋轉體17上、以使其具有與風車旋轉體相同的旋轉中心軸、並且沿軸向貫通內輪側固定柱32的內部、下端形成輸出軸端的中空圓筒狀的轉矩傳遞軸34，轉矩傳遞軸34的上端通過柔性接頭33連接在外輪套筒31上，下端受轉矩傳遞軸用軸承36導引。
由此，能夠在將發電機16維持與風車的外輪側旋轉體17的旋轉軸同心圓的同時，能夠直接設置在外輪側旋轉體17的正下方並且地基的上方，因此，由於將發電機16及增速機26設置在旋轉體正下方的自由的空間中，所以能夠自由地設計大小和配置，並且能夠容易地抑制振動，發電機16的大型化變得容易，並且增大了實現自由度較高的創意設計的可能性。此外，由於在跨越風壓中心的位置、例如上下地配設軸承，所以不需要將風車的軸向下方伸長，並且能夠容易地維持使軸振動的負荷以及彎曲力矩較小的穩定的運轉。
此外，由於發電機16配置在設於地面上的架臺35之中，所以能夠將風車旋轉中心、增速機26以及發電機16不與內輪側固定柱32幹涉地布置在一個軸上，內輪側固定柱32的地基不與增速機26及發電機16幹涉而自由地擴大，能夠容易地實現高強度的內輪側固定柱32及其地基的設計，並且能夠將整體設計成勻稱且簡單的外觀。
此外，轉矩傳遞軸34在將一端與外輪側旋轉體17在相互共用旋轉中心軸的位置上，通過柔性接頭33連接後，沿軸向貫通內輪側固定柱32的內部，另一端形成輸出軸端，所以能夠顯著地增加對於外輪側旋轉體17與轉矩傳遞軸34之間的偏心的吸收能力。
此外，通過將轉矩傳遞軸34做成了中空圓筒狀，能夠減輕轉矩傳遞軸34的重量，並且增加對偏心的吸收能力。
此外，由於抑制轉矩傳遞軸34的振動而將用來導引旋轉位置的轉矩傳遞軸用軸承36設置在轉矩傳遞軸34的外周上，所以轉矩傳遞軸34不會較大地振擺，而能夠在軸承30a、30b、30c的餘隙範圍內穩定地旋轉。
另外，在上述實施方式中，在內輪側固定柱14與外輪套筒22之間(或在內輪側固定柱32與外輪套筒31之間)，做成了將2個軸承30a、30b設置在上部的結構，但並不限於此。例如也可以在上部只設置1個軸承30a。
此外，在上述實施方式中，對於將軸承30a、30b、30c設置在外輪側旋轉體的上下2個部位上的情況進行了說明，但並不限於此。也可以設置在跨越風壓中心位置的其他位置上。
此外，在上述實施方式中，對於在上下2個部位使用具有作為徑向軸承的功能的軸承30a、30b、30c的情況進行了說明，但並不限於此。例如，也可以在第1實施方式的懸臂式垂直軸風車10中，在上部設置徑向軸承、而在下部設置推力軸承。此外，也可以在第2實施方式的懸臂式垂直軸風車10A中，在上部設置推力軸承、而在下部設置徑向軸承。
此外，在上述實施方式中，對轉矩傳遞軸34為中空圓筒狀的情況進行了說明，但並不限於此。也可以將轉矩傳遞軸34做成圓柱狀。
此外，在上述第1實施方式的懸臂式垂直軸風車10中，以下端為固定端的例子進行了說明，但並不限於此。
此外，圖1、圖2、圖4中翼的形狀是直線翼型，但只要是在風車上部沒有支撐線纜的懸臂構造就可以，翼的形狀也可以是曲線狀。
工業實用性有關本發明的懸臂式垂直軸風車，能夠在具有升力型的較高的輸出性能的同時，預防旋轉機構整體的振動問題而實現高運轉穩定性和可靠性以及耐久性、並且還能夠帶來對城市型特別重要的創意設計方面的自由度而能夠進行優秀的創意設計，可以說是非常適合設置在人們的生活圈中的城市型風力發電機的技術。
權利要求書(按照條約第19條的修改)1、(修正後)一種懸臂式垂直軸風車，其特徵在於，具備外輪側旋轉體，具有多個葉片，通過風力而產生旋轉轉矩；1根具有中空構造的內輪側固定柱，一端是不受外部約束的自由端，另一端是固定端；多個軸承，安裝在上述外輪側旋轉體和上述內輪側固定柱之間，在內輪側固定柱上支撐上述外輪側旋轉體；將與上述外輪側旋轉體的上述固定柱自由端相對或相鄰的位置作為上述旋轉轉矩的輸出端。
2、(修正後)一種懸臂式垂直軸風車，其特徵在於，具備外輪側旋轉體，具有多個葉片，通過風力而產生旋轉轉矩；1根具有中空構造的內輪側固定柱，一端是不受外部約束的自由端，另一端是固定端；多個軸承，安裝在上述外輪側旋轉體和上述內輪側固定柱之間，在內輪側固定柱上支撐上述外輪側旋轉體；將與上述外輪側旋轉體的上述固定柱自由端相對或相鄰的位置作為上述旋轉轉矩的輸出端；在水平方向的風力作用於上述外輪側旋轉體上的風壓中心位置的上側至少設置1個上述軸承，在上述風壓中心位置的下側至少設置1個上述軸承。
3、(修正後)如權利要求1或2所述的懸臂式垂直軸風車，其特徵在於，具備發電機，裝載在上述內輪側固定柱的自由端，旋轉主軸直接或通過增速機等與上述外輪側旋轉體的輸出端連接。
4、如權利要求3所述的懸臂式垂直軸風車，其特徵在於，在上述外輪側旋轉體與上述發電機之間，設有將上述外輪側旋轉體的旋轉轉矩傳遞給上述發電機的磁式聯軸器。
5、(修正後)一種懸臂式垂直軸風車，其特徵在於，具備
外輪側旋轉體，具有多個葉片，通過風力而產生旋轉轉矩；1根內輪側固定柱，一端是不受外部約束的自由端，另一端是固定端；多個軸承，安裝在上述外輪側旋轉體和上述內輪側固定柱之間，在內輪側固定柱上支撐上述外輪側旋轉體；圓柱或中空圓筒狀的轉矩傳遞軸，將與上述外輪側旋轉體的上述固定柱自由端相對或相鄰的位置作為上述旋轉轉矩的輸出端，連接在該輸出端上，從自由端向固定端方向貫通上述內輪側固定柱的內部，從而軸的下端部分擔負風車的輸出軸端的功能。
6、如權利要求5所述的懸臂式垂直軸風車，其特徵在於，上述內輪側固定柱裝載在具有內部空間的架臺之上，發電機被安裝在上述架臺下的內部空間的地基上，發電機輸入軸與從上述內輪側固定柱的內部延伸到架臺內部空間的上述轉矩傳遞軸直接或間接地連接。
7、(修正後)如權利要求6所述的懸臂式垂直軸風車，其特徵在於，上述轉矩傳遞軸的上端通過柔性接頭與上述外輪側旋轉體的上述輸出端連接。
8、如權利要求5至7中任一項所述的懸臂式垂直軸風車，其特徵在於，將用來抑制上述轉矩傳遞軸的振動並導引旋轉位置的轉矩傳遞軸用軸承設置在上述轉矩傳遞軸外周上。
9、(修正後)一種懸臂式垂直軸風車，其特徵在於，具備外輪側旋轉體，具有多個葉片，通過風力而產生旋轉轉矩；1根內輪側固定柱，一端是不受外部約束的自由端，另一端是固定端；多個軸承，安裝在上述外輪側旋轉體和上述內輪側固定柱之間，在內輪側固定柱上支撐上述外輪側旋轉體；圓柱或中空圓筒狀的轉矩傳遞軸，將與上述外輪側旋轉體的上述固定柱自由端相對或相鄰的位置作為上述旋轉轉矩的輸出端，連接在該輸出端上，從自由端向固定端方向貫通上述內輪側固定柱的內部，從而軸的下端部分擔負風車的輸出軸端功能；上述軸承在水平方向的風力作用於上述外輪側旋轉體上的風壓中心位置的上側至少設置1個上述軸承，在上述風壓中心位置的下側至少設置1個上述軸承。
10、如權利要求9所述的懸臂式垂直軸風車，其特徵在於，上述內輪側固定柱裝載在具有內部空間的架臺之上，發電機安裝在上述架臺下的內部空間的地基上，發電機輸入軸與從上述內輪側固定柱的內部延伸到架臺內部空間中的上述轉矩傳遞軸直接或間接地連接。
權利要求
1.一種懸臂式垂直軸風車，其特徵在於，具備外輪側旋轉體，具有多個葉片，通過風力而產生旋轉轉矩；1根具有中空構造的內輪側固定柱，一端是不受外部約束的自由端，另一端是固定端；多個軸承，安裝在上述外輪側旋轉體和上述內輪側固定柱之間，在內輪側固定柱上支撐上述外輪側旋轉體。
2.一種懸臂式垂直軸風車，其特徵在於，具備外輪側旋轉體，具有多個葉片，通過風力而產生旋轉轉矩；1根具有中空構造的內輪側固定柱，一端是不受外部約束的自由端，另一端是固定端；多個軸承，安裝在上述外輪側旋轉體和上述內輪側固定柱之間，在內輪側固定柱上支撐上述外輪側旋轉體；在水平方向的風力作用於上述外輪側旋轉體上的風壓中心位置的上側至少設置1個上述軸承、在上述風壓中心位置的下側至少設置1個上述軸承。
3.如權利要求1或2所述的懸臂式垂直軸風車，其特徵在於，在上述內輪側固定柱的自由端側設有發電機。
4.如權利要求3所述的懸臂式垂直軸風車，其特徵在於，在上述外輪側旋轉體與上述發電機之間，設有將上述外輪側旋轉體的旋轉轉矩傳遞給上述發電機的磁式聯軸器。
5.一種懸臂式垂直軸風車，其特徵在於，具備外輪側旋轉體，具有多個葉片，通過風力而產生旋轉轉矩；1根內輪側固定柱，一端是不受外部約束的自由端，另一端是固定端；多個軸承，安裝在上述外輪側旋轉體和上述內輪側固定柱之間，在內輪側固定柱上支撐上述外輪側旋轉體；圓柱或中空圓筒狀的轉矩傳遞軸，與上述外輪側旋轉體連接，從自由端向固定端方向貫通上述內輪側固定柱的內部，從而軸的下端部分擔負風車的輸出軸端的功能。
6.如權利要求5所述的懸臂式垂直軸風車，其特徵在於，上述內輪側固定柱裝載在具有內部空間的架臺之上，發電機被安裝在上述架臺下的內部空間的地基上，發電機輸入軸與從上述內輪側固定柱的內部延伸到架臺內部空間的上述轉矩傳遞軸直接或間接地連接。
7.如權利要求6所述的懸臂式垂直軸風車，其特徵在於，上述轉矩傳遞軸的上端通過柔性接頭與上述風車旋轉體連接。
8.如權利要求5至7中任一項所述的懸臂式垂直軸風車，其特徵在於，將用來抑制上述轉矩傳遞軸的振動並導引旋轉位置的轉矩傳遞軸用軸承設置在上述轉矩傳遞軸外周上。
9.一種懸臂式垂直軸風車，其特徵在於，具備外輪側旋轉體，具有多個葉片，通過風力而產生旋轉轉矩；1根內輪側固定柱，一端是不受外部約束的自由端，另一端是固定端；多個軸承，安裝在上述外輪側旋轉體和上述內輪側固定柱之間，在內輪側固定柱上支撐上述外輪側旋轉體；圓柱或中空圓筒狀的轉矩傳遞軸，與上述外輪側旋轉體連接，從自由端向固定端方向貫通上述內輪側固定柱的內部，從而軸端部分擔負風車的輸出軸端的功能；在水平方向的風力作用於上述外輪側旋轉體上的風壓中心位置的上側至少設置1個上述軸承，在上述風壓中心位置的下側至少設置1個上述軸承。
10.如權利要求9所述的懸臂式垂直軸風車，其特徵在於，上述內輪側固定柱裝載在具有內部空間的架臺之上，發電機安裝在上述架臺下的內部空間的地基上，發電機輸入軸與從上述內輪側固定柱的內部延伸到架臺內部空間中的上述轉矩傳遞軸直接或間接地連接。
全文摘要
本發明目的是提供一種在旋轉軸上產生的重複負荷較少、具有高度的振動穩定性和低噪音性的懸臂式垂直軸風車。具備通過風力而產生旋轉轉矩的垂直軸風車(10)的外輪側旋轉體(17)、通過軸支撐徑向的力的軸承(30a、30b、30c)支撐垂直軸風車(10)的外輪側旋轉體(17)的懸臂式的內輪側固定柱(14)、以及存在於跨越風力作用在垂直軸風車(10)的外輪側旋轉體(17)上的風壓中心位置的位置上、軸支撐外輪側旋轉體(17)和內輪側固定柱(14)的軸承(30a、30b、30c)。
文檔編號F03D11/02GK1938517SQ20058001040
公開日2007年3月28日 申請日期2005年3月30日 優先權日2004年3月31日
發明者橫井正 申請人:株式會社Ipb