CN104246254B - 旋转轴装置以及垂直轴型流体发电装置 - Google Patents

旋转轴装置以及垂直轴型流体发电装置 Download PDF

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Abstract

旋转轴装置(3)具备：轴体(20)，其通过角接触轴承(35、36)被支承为能够旋转；支承体(40)，其借助角接触轴承(35、36)将轴体(20)支承为能够旋转。轴体(20)在外周面上形成有用于使角接触轴承(35、36)的滚动体(39)滚行的哥特式拱形状的滚珠滚道槽(21)。

Description

旋转轴装置以及垂直轴型流体发电装置
技术领域
本发明涉及一种旋转轴装置以及垂直轴型流体发电装置。
本申请基于2012年4月26日向日本提出申请的日本特愿2012-101268号而要求优先权，并将其内容援引于此。
背景技术
作为利用流体的流动进行发电的垂直轴型流体发电装置，例如，开发有一种利用风(工作流体)的流动的风力发电装置。垂直轴型风力发电装置具备轴体、多个叶片(风车)、支承体以及发电机等。
多个叶片围绕轴体的中心轴隔开间隔排列。支承体借助轴承将轴体支承为能够绕中心轴进行旋转。发电机通过轴体的旋转而发出电力。
在专利文献1所记载的风力发电装置中，相对于地面在铅直方向(与水平面垂直的方向)上延伸设置有与垂直翼(叶片)一体的旋转机构(轴体)。旋转机构(轴体)借助一对轴承(bearing)以能够旋转的方式支承于中间固定轴(支承体)。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-276304号公报
发明内容
发明要解决的课题
在以往的垂直风力发电装置中，存在以下的课题。因工作流体的移动、叶片以及轴体的自重等，在轴承上作用有径向(与轴体的中心轴方向交叉的方向)、轴向(沿着中心轴方向的方向)的外力。然而，在轴承无法充分地支承这些载荷时，会使装置产生振动等，从而轴体变得无法顺畅地进行旋转。
另外，难以高精度地设定轴承彼此的同轴度。因此，在无法充分确保同轴度的精度的情况下，轴体的旋转中心容易从该轴体的中心轴偏离，从而轴体变得无法顺畅地进行旋转。
因此，研究了采用在轴体的外周面直接形成滚珠滚道槽的轴承的方式。在该情况下，要求高效且可靠地对形成于轴体的外周面的滚道槽的加工精度进行计测。
本发明的目的在于提供一种能够高效且可靠地对形成于轴体的外周面的滚珠滚道槽的加工精度进行计测的旋转轴装置以及垂直轴型流体发电装置。
用于解决课题的手段
本发明的旋转轴装置的第一实施方式为一种如下的旋转轴装置，其具备：轴体，其通过角接触轴承被支承为能够旋转；支承体，其借助所述角接触轴承将所述轴体支承为能够旋转，其中，所述轴体在外周面上形成有用于使所述角接触轴承的滚动体滚行的哥特式拱形状的滚珠滚道槽。
本发明的旋转轴装置的第二实施方式以第一实施方式为基础，其中，隔着所述滚动体与所述滚珠滚道槽对置的外圈的滚珠滚道槽为单圆弧形状。
本发明的旋转轴装置的第三实施方式以第一或第二实施方式为基础，其中，在所述滚珠滚道槽的哥特式拱形状的顶点部分形成有避让槽，该避让槽具有比所述滚珠滚道槽的曲率半径小的曲率半径。
本发明的垂直轴型流体发电装置的实施方式为一种如下的垂直轴型流体发电装置，其具备：轴体；多个叶片，其绕所述轴体的中心轴隔开间隔排列，并且与所述轴体连接；支承体，其借助所述轴承将所述轴体支承为能够旋转；发电机，其通过所述轴体的旋转而发出电力，其中，作为所述轴体以及所述支承体，使用第一实施方式至第三实施方式中任一方式所述的旋转轴装置。
发明效果
本发明能够高效且可靠地对形成于轴体的外周面的滚珠滚道槽的加工精度进行计测。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式所涉及的垂直轴型风力发电装置1的外观图。
图2是表示垂直轴型风力发电装置1的侧剖视图。
图3是表示形成于旋转轴20的外周面的滚珠滚道槽21的放大剖视图。
图4是对滚珠滚道槽21的检查方法进行说明的图。
图5是表示以往的滚珠滚道槽91的放大剖视图。
具体实施方式
参照附图对本发明的实施方式进行说明。
图1是表示本发明的实施方式所涉及的垂直轴型风力发电装置1的外观图。
图2是表示垂直轴型风力发电装置1的侧剖视图。
如图1、图2所示，垂直轴型风力发电装置(垂直轴型流体发电装置)1具备旋转机构2、发电机构4等。旋转机构2接受风W而进行旋转。发电机构4将通过旋转机构2获得的机械能转换为电能。
将铅直方向设为Z方向。有时将Z方向称为中心轴C方向或轴向。将Z方向中的上方侧(风车10侧)称为+Z方向，将Z方向的下方侧(塔60侧)成为-Z方向。
旋转机构2具备风车10、旋转轴20、外壳40等。风车10接受风W。旋转轴20与风车10连结。外壳40借助轴承30将旋转轴20支承为能够绕中心轴C进行旋转。
将由旋转机构2中的、旋转轴20、轴承30以及外壳40构成的装置称为旋转轴装置3。
发电机构4具备发电机50。
发电机50将通过旋转轴20沿周向(绕中心轴C)旋转而获得的机械能转换为电能从而发出电力。旋转机构2以及发电机构4配设于直立设置在地面F上并沿铅直方向延伸的塔(支柱)6的上部。
风车10例如为陀螺研磨型(gyromill type)风车(转子)。风车10具备形成为矩形板状或带板状的多个叶片11。
多个叶片11以沿与地面F铅直的方向延伸的方式配置。多个叶片11绕旋转轴20的中心轴C在周向均等地隔开间隔而配设。多个叶片11经由多个臂12而与旋转轴20连结。
叶片11形成为当接受风W时产生升力的形状。通过该升力，风车10绕旋转轴20的中心轴C进行旋转。
风车10对于风向不存在依赖性。风车10设定为对于来自任何方向的风W都能够绕旋转轴20的中心轴C进行旋转的形状。
如图2所示，旋转轴20以中心轴C与地面F垂直的方式沿铅直方向延伸配设。旋转轴20借助轴承30以能够旋转的方式轴支承于外壳40。
在旋转轴(轴体)20的外周面上连接有臂12的第一端。臂12形成为矩形板状或带板状。臂12从旋转轴20的外周面朝向径向外侧突出设置有多个。臂12在旋转轴20的周向上均等地隔开间隔而配设。
在臂12的第二端上连结有叶片11。针对一个叶片11，以在中心轴C方向上分离的方式平行地设置有一对臂12。
在旋转轴20的中央部附近和下端部附近设置有轴承30。旋转轴20借助轴承30以能够旋转的方式支承于外壳40。
轴承30具备在旋转轴20的中心轴C方向上相互分离的径向轴承31、多列角接触轴承35、36。
径向轴承31配设于中心轴C方向的发电机50侧(-Z方向)的端部。径向轴承31的内圈32固定设置于旋转轴20的下端侧。
多列角接触轴承35、36配设于中心轴C方向的风车10侧(+Z方向)。多列角接触轴承35、36各自的滚珠滚道槽21在旋转轴20的中央部排列而形成。
角接触轴承35、36仅具有外圈37、38。角接触轴承35、36的内圈(滚珠滚道槽21)一体地形成于旋转轴20。在旋转轴20上，在设置有多列角接触轴承35、36的位置的外周面形成有供多个滚珠(滚动体)39滚行的两个滚珠滚道槽21。
两个滚珠滚道槽21分别形成为在旋转轴20的外周面沿周向延伸的环状，并且形成为朝向中心轴C凹陷的凹曲线形。
外壳(支承体)40由上侧部分41和下侧部分42构成。上侧部分41为风车10侧(+Z方向)的部位。下侧部分42为与风车10相反的塔60侧(-Z方向)的部位。外壳40形成为上侧部分41与下侧部分42相比缩径的多级筒形。
外壳40的下侧部分42的下端部与塔60的上端部连结。
在外壳40的上侧部分41的内周面，在上端侧(+Z方向)固定设置有角接触轴承35、36的外圈37、38。在外壳40的上侧部分41的内周面，在下端侧(-Z方向)固定设置有径向轴承31的外圈33。
角接触轴承35、36具有相同直径的多个滚珠39。滚珠39能够具有与径向轴承31的滚珠34不同的直径。但并不限定于此，也可以为相同直径。
在外壳40的下侧部分42的内部收容有发电机50、控制部(未图示)等。
发电机50将通过旋转轴20的旋转而获得的旋转力(机械能)转换为电能而发出电力。发电机50具备磁转子51和线圈定子52。磁转子51与旋转轴20的下端连结而与旋转轴20一起进行旋转。线圈定子52以包围磁转子51的外周侧的方式而配设。
在垂直轴型风力发电装置1中，当风车10接受风W而使旋转轴20绕中心轴C进行旋转时，与旋转轴20连结的磁转子51也绕中心轴C进行旋转。磁转子51与风车10以及旋转轴20在同一轴(中心轴C)上进行旋转。
通过磁转子51相对于线圈定子52绕中心轴C进行旋转，从而在磁转子51与线圈定子52之间发生电磁感应，由此发出电力。
图3是表示形成于旋转轴20的外周面的滚珠滚道槽21的放大剖视图。
图4是对滚珠滚道槽21的检查方法进行说明的图。图4(a)是滚珠滚道槽21的立体图，图4(b)是千分尺M的示意图。
图5是表示以往的滚珠滚道槽的放大剖视图。
如图3所示，形成于旋转轴20的外周面的滚珠滚道槽21形成为所谓的哥特式拱形状。滚珠滚道槽21以槽中央T为基准，具有形成于轴向的上方侧(+Z方向)的第一槽面22、形成于轴向的下方侧(-Z方向)的第二槽面23。
第一槽面22和第二槽面23以槽中央T为基准，呈对称的圆弧形状。第一槽面22的中心S1位于比槽中央T靠轴向的下方侧(-Z方向)的位置处，第二槽面23的中心S2位于比槽中央T靠轴向的上方侧(+Z方向)的位置处。由此，滚珠滚道槽21形成为槽中央T的部分以尖突的方式形成得较深的哥特式拱形状(尖头拱形)。
角接触轴承35的滚珠39在第二槽面23上滚动，角接触轴承36的滚珠39在第一槽面22上滚动。由此，滚珠滚道槽21与滚珠39成为一点接触结构，能够减少差动滑移。
在滚珠滚道槽21的槽中央T(哥特式拱形状的顶点部分)形成有与第一槽面22以及第二槽面23相比剖面半径(曲率半径)较小的避让槽24。这是为了例如在对第一槽面22进行超精加工时工具(未图示)的端部不与第二槽面23接触。
当在旋转轴20的外周面形成滚珠滚道槽21的情况下，需要对滚珠滚道槽21的加工精度进行管理。这是为了使滚珠39在滚珠滚道槽21与外圈37、38之间承接适当的载荷并且顺畅地进行滚行。具体而言，需要对滚珠滚道槽21的P.C.D.(the pitch circle diameter)进行严格管理。
如图4(b)所示，在滚珠滚道槽21的P.C.D.的测定中使用千分尺M。千分尺M具有一对测定件Ms。一对测定件Ms使用了球体。测定件Ms的半径尺寸为任意但为已知。例如，测定件Ms的半径尺寸设定为比滚珠39的半径大。
通常，在对圆柱形部件的直径进行测定时，千分尺M的测定件Ms在轴向上不发生位置偏移为必需条件。如果一对测定件Ms的中心未分别配置在与圆柱形部件的中心轴垂直的剖面上，则无法准确地对圆柱形部件的直径进行测定。
与此相同，在滚珠滚道槽21的P.C.D.的测定中，千分尺M的测定件Ms在轴向上不发生位置偏移也为必需条件。
在垂直轴型风力发电装置1中，如图3所示，当将千分尺M的测定件Ms压抵于滚珠滚道槽21中时，测定件Ms分别与第一槽面22和第二槽面23抵接。测定件Ms与滚珠滚道槽21二点接触。因此，测定件Ms不在轴向(在图3中为Z方向)上发生位置偏移。因此，能够使用千分尺M(测定件Ms)可靠地对滚珠滚道槽21的P.C.D.进行测定。
与此相对，如图5所示，在以往的旋转轴90中，滚珠滚道槽91形成为单圆弧形状。滚珠滚道槽91由单一的槽面92形成。槽面92的中心S3位于槽中央T。
然而，对于作为圆柱形部件的旋转轴90的滚珠滚道槽91而言，无法使用千分尺M(测定件Ms)可靠地对P.C.D.进行测定。
在千分尺M的一对测定件Ms具有比槽面92的半径小的半径的情况下，当将千分尺M的测定件Ms压抵于滚珠滚道槽91中时，测定件Ms与槽面92抵接。然而，测定件Ms的轴向(在图3中为Z方向)上的位置不确定。这是由于测定件Ms只不过与滚珠滚道槽91一点接触。因此，测定件Ms在与槽面92抵接的同时沿轴向移动(位置偏移)。因此，无法使用千分尺M(测定件Ms)可靠地对滚珠滚道槽91的P.C.D.进行测定。
在测定件Ms具有比槽面92的半径大的半径的情况下，当将千分尺M的测定件Ms压抵于滚珠滚道槽91中时，测定件Ms与槽面92的边缘部抵接。因此，测定件Ms的轴向上的位置确定。然而，由于测定件Ms不与槽面92抵接，因此无法准确地对滚珠滚道槽91的P.C.D.进行测定。
在测定件Ms具有与槽面92的半径相同的半径的情况下，认为能够消除上述缺点。然而，使槽面92的半径与测定件Ms的半径一致实际上是不可能的。这是由于即使以与槽面92的半径相同的方式形成测定件Ms的半径，测定件Ms的半径也必然含有加工误差。
这样，无法使用千分尺M(测定件Ms)可靠地对滚珠滚道槽91的P.C.D.进行测定。
如以上说明的那样，在本发明的实施方式所涉及的旋转轴装置3中，在旋转轴20的外周面上，形成有供多列角接触轴承35、36的滚珠39滚行的滚珠滚道槽21。滚珠滚道槽21形成为所谓的哥特式拱形状。因此，能够使用千分尺M可靠地对滚珠滚道槽21的P.C.D.进行测定。
在旋转轴装置3中，通过将旋转轴20与轴承30(角接触轴承35、36)一体构成，能够去除轴承30的内圈。因此，旋转轴装置3能够紧凑地形成装置的径向上的外形，并且实现成本降低。
在旋转轴20的第一端侧配置有多列角接触轴承35、36，在第二端侧配置有径向轴承31，因此能够可靠地承受轴向(轴方向)的载荷和径向(半径方向)的载荷，使旋转轴20顺畅地进行旋转。
本发明的实施方式所涉及的垂直轴型风力发电装置1使用旋转轴装置3，因此即使与风车10接触的风W的风量(风速)微弱，风车10以及旋转轴20也容易旋转。因此，垂直轴型风力发电装置1的发电效率提高。
在旋转轴装置3中，外圈37、38的滚珠滚道槽37s、38s的槽形状为单圆弧形状。滚珠滚道槽37s、38s隔着滚珠39与形成于旋转轴20的外周面的滚珠滚道槽21对置。因此，滚珠39向角接触轴承35、36的插入变得容易，从而旋转轴装置3的组装性提高。
本发明并不限定于上述实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内能够施加各种变更。
例如，在上述实施方式中，作为垂直轴型流体发电装置，对于工作流体使用风W而使风车10旋转的垂直轴型风力发电装置1进行了说明，然而并不限定于此。垂直轴型流体发电装置也可以为对于工作流体使用水而使水轮机(叶轮)旋转的垂直轴型水力发电装置。也可以为将叶片沉入到水渠的水中，将发电机设置在水上的水力发电装置。在这种水力发电装置中，也能够获得与垂直轴型水力发电装置相同的效果。
在上述实施方式中，对将轴承30中的多列角接触轴承配置于旋转轴20的中心轴C方向的上方侧(+Z方向)并将径向轴承配置于旋转轴20的中心轴C方向的下方侧(-Z方向)的情况进行了说明，然而并不限定于此。也可以将多列角接触轴承配置于旋转轴20的中心轴C方向的下方侧，将径向轴承配置于旋转轴20的中心轴C方向的上方侧。
角接触轴承35、36彼此也可以为背面对接以外的正面对接、并列对接。
对于径向轴承31的滚动体使用了滚珠39，然而并不限定于此。例如，作为滚动体，也可以使用辊等。
风车(转子)并不限定于陀螺研磨型。风车(转子)也可以为达里厄(Darrieus)型、直线翼型、萨沃纽斯(Savonius)型、螺旋桨型、交叉流动型、S型转子型等。
附图标记说明
1…垂直轴型风力发电装置(垂直轴型流体发电装置)；3…旋转轴装置；10…风车；11…叶片；20…旋转轴(轴体)；21…滚珠滚道槽；24…避让槽；31…径向轴承；35、36…角接触轴承；37、38…外圈；37s、38s…滚珠滚道槽；39…滚珠(滚动体)；40…外壳(支承体)；50…发电机。

Claims (3)

1.一种垂直轴型流体发电装置的旋转轴装置，所述垂直轴型流体发电装置具备：
轴体；
多个叶片，其绕所述轴体的中心轴隔开间隔排列，并且与所述轴体连接；
支承体，其借助轴承将所述轴体支承为能够旋转；以及
发电机，其通过所述轴体的旋转而发出电力，
其特征在于，
作为所述轴承具备多列角接触轴承，所述轴体在外周面上与所述角接触轴承对应地形成有多列供所述角接触轴承的滚动体滚行的滚珠滚道槽，
所述滚珠滚道槽形成为哥特式拱形状，所述滚珠滚道槽以槽中央为基准具有形成于所述轴体的轴向上的一侧的第一槽面和形成于所述轴体的轴向上的另一侧的第二槽面，
所述第一槽面及所述第二槽面以分别与球体的测定件在一点接触的间隔形成，所述球体的测定件具有比所述第一槽面及所述第二槽面的曲率半径小且比所述滚动体的曲率半径大的曲率半径，
所述旋转轴装置具有所述滚动体仅与所述第一槽面及所述第二槽面中的任一方接触而滚行而与另一方不接触的角接触结构。
2.根据权利要求1所述的垂直轴型流体发电装置的旋转轴装置，其特征在于，
作为所述轴承还具备径向轴承。
3.一种垂直轴型流体发电装置，其特征在于，具备权利要求1或2所述的垂直轴型流体发电装置的旋转轴装置。
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