JP2005147329A - 風力発電機用軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 落雷から軸受を保護することができ、かつ摩耗粉の発生や、回転トルクの増大が生じない風力発電機用軸受装置を提供する。
【解決手段】 軸受ハウジング１５と軸３との間に導電性流動体２０を介在させる。導電性流動体２０の介在は、例えば軸受ハウジング１５と軸３の間に形成されたラビリンスシール１６の円周上の少なくとも一部とする。導電性流動体２０としては、例えば常温で液体の有機塩のイオン性液体を用いることができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、風力発電機の主軸等を支持する軸受装置であって、落雷保護対策を施した風力発電機用軸受装置に関する。

環境問題により、化石燃料から再生可能エネルギへの転換が必要である。そのため、環境への影響が最も少なく、二酸化炭素を全く発生せず、水力発電のように自然破壊をもたらすことのない電力発生装置として、風力発電が注目されて来ている。しかし、風力発電機に発生するトラブルは、落雷によるものが最も多く、その割合は欧州で１００台中の８台程度であり、日本では、気象条件の違いから、その倍以上であるといわれている（例えば、非特許文献１）。

落雷対策として、避雷針を設けることは一般に行われているが、避雷針が設けられていても、ブレードやナセルに落雷することが多い。これを十分に防ぐことが可能な避雷針を設けるには、風車の周囲を囲む多数の高い避雷針が必要であり、現実的でない。風車は大型化するに従って効率が向上するため、大型化が進められて１００ｍを超えるものも開発されている。また、地表から高い位置にある程、速い風を受けることができるため、高所に設置される場合が多い。このことからも、避雷針で対応することができない。

風力発電機に羽根やナセル（ボディ）に落雷があると、羽根やナセルが損傷をするだけでなく、羽根から主軸に電流が流れ、主軸を支える軸受や電装品が損傷する。それを防止するためにアースが施されているが、雷の電力が大きいために、軸受や電装品にも通電する。軸受においては、転動体と軌道輪の軌道面間に金属材料の溶融が発生し、軸受を損傷させる。

風力発電機以外の一般的な電食防止軸受、例えば主電動機の軸受等の電位差が生じる部位に使用される電食防止軸受としては、内外輪を通電させる通電軸受が種々提案されている（例えば、特許文献１）。また、軸受内に封入するグリースとして、導電性グリースを封入したものも提案されている。
講演会頒布資料、第３８回新エネルギー講演会、「急成長する風力発電」、主催：社団法人日本電気工業会、風力発電システム技術専門委員会、２００３年３月１３日 特開平１１−０８２４９２号公報

通電軸受は、内輪と外輪との間を繋ぎ、その接触部分にブラシを用いるものであるが、軸受は内外輪が相対運動をしているため、ブラシとの接触部分から摩耗粉が発生する。その摩耗粉が軸受内に侵入し、軌道面に摩耗粉が入り込むことで、軸受の不具合を早期に発生させることになる。また、長年の使用によりブラシの摩耗が生じ、通電の信頼性が落ちる可能性がある。一般的な用途の通電軸受では、上記の摩耗粉の問題は、実用上で支障のないことも多いが、風力発電機では、無人の地域に設置されたり、高所に設置されて保守が困難であることが多い。そのため、軸受については、数十年に渡ってメンテナンスフリーで使用可能とされることが望まれる。したがって、ブラシの接触部で生じる摩耗粉の発生は極力避けることが必要である。

また、ブラシを接触させると、軸受の回転トルクが増大する。風力発電では風を電力に変換する効率が高度に求められており、軸受における回転トルクの増大は回避する必要がある。従来の軸受内に導電性グリースを封入したものでは、摩耗粉の発生の問題がなく、また回転トルクの増大が回避できるが、雷は大電流であるため、軸受内に封入した導電性グリースでは対応できず、雷による軌道面や転動体の損傷が避けられない。

この発明の目的は、落雷から軸受を保護することができ、かつ摩耗粉の発生や、回転トルクの増大が生じない風力発電機用軸受装置を提供することである。

この発明の風力発電機用軸受装置は、風力発電機に設けられ、軸受ハウジングに設置された転がり軸受により軸を支持した軸受装置であって、軸受ハウジングと軸との間に、これらハウジングと軸とに接触する導電性流動体を介在させたことを特徴とする。導電性流動体の介在箇所は、円周方向の一部であっても、全周であっても良い。導電性流動体は、液体の他に、ゲル状やゾル状のものを含む。
このように、軸受ハウジングと軸間に導電性流動体を介在させたため、落雷が何時発生しても、軸受内に通電することなく、軸受ハウジングと軸との間で通電し、雷の電流を逃がすことができる。軸受内に通電しないため、軸受の軌道面や転動体表面の溶融を防止することができる。導電性流動体を通電のための介在物とするため、摩擦抵抗が小さく、軸の回転トルクがブラシの接触に比較して大幅に小さくできる。したがって、通電性を確保しながら、軸受回転トルクの増大が防止できる。また、導電性流動体を用いるため、ブラシを接触させる場合のような摩耗粉の発生による問題が生じない。

前記導電性流動体としては、常温で液体のイオン性液体を用いることができる。常温でも液体となる有機塩であるイオン性液体で、優れた導電性を持つものが開発されており、このような液体のイオン性液体を用いることで、回転トルクの増大を極力抑えて、軸受ハウジングと軸間の通電性を向上させることができる。また、イオン性液体は揮発の問題がないため、長期に渡って補給を必要とせずに液面レベルを維持できる。

この発明において、前記軸受ハウジングおよび前記軸が、互いの間にラビリンスシールを形成したものである場合に、前記ラビリンスシールとなる隙間の円周上の少なくとも一部に、前記導電性流動体を介在させても良い。
風力発電機の主軸支持用の軸受装置では、軸受にシールを設けずに、軸受ハウジングと軸との間にラビリンスシールを設けたものが多く用いられている。このような軸受ハウジングを用いる場合、そのラビリンスシールとなる隙間を利用することで、特別な加工を施すことなく、導電性流動体を封入状態に介在させることができる。導電性流動体の保持量を増やしたい場合は、次のように導電性流動体貯蔵部を設ければ良い。

すなわち、この発明において、前記軸受ハウジングと軸間の導電性流動体の介在部に連通して、前記導電性流動体を貯蔵する導電性流動体貯蔵部を設けても良い。前記のようにラビリンスシールとなる隙間を利用する場合でも、また導電性流動体の介在専用の部位を設ける場合であっても、導電性流動体貯蔵部を設けることで、導電性流動体の漏れや揮発等による液面レベルの低下を押えることができ、長期に渡って通電性の確保が行える。

この発明において、前記転がり軸受が、風力発電機における羽根を取付けた主軸を支持する主軸支持用軸受であっても良い。
主軸は羽根を取付けた軸であるため、風力発電機を構成する軸受の中で、落雷の影響を受ける可能性が最も高い。また、最も低速の軸であるため、軸受の回転トルクの影響が大きい。そのため、この発明の導電性流動体を用いたことによる落雷からの軸受保護および回転トルク増大防止の各効果が有効に発揮される。

この発明の風力発電機用軸受装置は、軸受ハウジングと軸との間に、これらハウジングと軸とに接触する導電性流動体を介在させたものであるため、落雷から軸受を保護することができ、かつ摩耗粉の発生や、回転トルクの増大が生じないという効果が得られる。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図３と共に説明する。この風力発電機用軸受装置は、軸受ハウジング１５に設置された転がり軸受５により軸３を支持したものであって、軸受ハウジング１５と軸３との間に、これら軸受ハウジング１５と軸３とに接触する導電性流動体２０を介在させたものである。軸３は、例えば、風力発電機における主軸である。

転がり軸受５は、この実施形態では自動調心ころ軸受が用いられているが、この他に各種の形式の軸受が使用できる。風力発電機の主軸支持用の軸受は、スラスト荷重の負荷が可能なラジアル軸受が好ましく、このような軸受として、例えば複列または単列の円すいころ軸受、アンギュラ玉軸受、深溝玉軸受等が用いられる。
同図の転がり軸受５は、内輪１１および外輪１２と、これら内外輪１１，１２間に介在した複数の転動体１３とを有する。軸受５の外輪１２は軌道面１２ａが球面状とされ、各転動体１３は外周面が外輪軌道面１２ａに沿う球面形状のころとされている。内輪１１は各列の軌道面１１ａ，１１ａを個別に有する鍔付きのものとされている。転動体１３は、各列毎に保持器１４で保持されている。この転がり軸受５は、軸受ハウジング１５で密封機能を持たせることで、シール無しのものとされている。

軸受ハウジング１５は、軸受５の両端を覆う側壁部１５ａを有し、各側壁部１５ａと軸３との間にラビリンスシール１６が構成されている。このラビリンスシール１６となる隙間の円周上の一部に、前記導電性流動体２０を介在させている。

ラビリンスシール１６は、図１（Ｂ）に拡大して示すように、軸受ハウジング１５の側壁部１５ａの軸挿通孔の内径面に形成された軸方向に並ぶ複数の円周状突条２１と、軸３の外径面に嵌合して取付けられたシール形成リング２３の外径面に軸方向に並んで形成された複数のシール形成リング２３とを、隙間を介して噛み合わせたものである。各円周状突条２１，２２の個数は、軸受ハウジング１５側の円周状突条２１が２個以上であれば良く、特に問わない。軸３側の円周状突条２２は１個であっても良い。

軸受ハウジング１５の隣り合う円周状突条２１間の溝２４が、導電性流動体２０の溜まり部となる。この溝２４は、図２に示すように、円周上の下端となる一部の区間を深く形成してあり、その深くなった溝部が、導電性流動体の貯蔵量を増大するための導電性流動体貯蔵部２５とされている。図３（Ａ）は図２の導電性流動体貯蔵部２５のない箇所となるＡ−Ａ線拡大断面図である。図３（Ｂ）は図２の導電性流動体貯蔵部２５のある箇所となるＢ−Ｂ線拡大断面図である。

導電性流動体２０としては、液体の他に、ゲル状やゾル状のもの、例えばグリース状のものであっても良い。ただし、潤滑性は要求されないので、グリースの持つ程の潤滑性は不要である。
導電性流動体２０としては、例えば常温で液体のイオン性液体を用いることができる。イオン性液体としては、常温でも液体の有機塩が使用できる。有機塩は、プラスイオン・マイナスイオンを持つ有機化合物からなる塩である。イオン性液体は、導電性に優れる他に、塩であるため、真空下でも揮発せず、また燃えないという性質を持つ。そのため、長期に渡って液面レベルが維持される。

このようなイオン性液体としては、キャパシター用として日清紡で開発され、次のホームページで紹介されたものが使用できる（日清紡−ニュース−イオン性液体を用いたキャパシターを開発、２００２年６月１７日掲載分、〔２００３年１１月８日検索〕、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.nisshinbo.co.jp/press/data/20020617ion.html＞）。

この構成の風力発電機用軸受装置によると、軸受ハウジング１５と軸３間に導電性流動体２０を介在させたため、落雷が何時発生しても、軸受５内に通電することなく、軸受ハウジング１５と軸３との間で通電し、雷の電流を逃がすことができる。軸受５内に通電しないため、軸受５の軌道面１１ａ，１２ａや転動体１３の表面の溶融を防止することができる。導電性流動体２０を通電のための介在物とするため、摩擦抵抗が小さく、軸３の回転トルクがブラシの接触に比較して大幅に小さくできる。したがって、通電性を確保しながら、軸受回転トルクの増大が防止できる。また、導電性流動体２０を用いるため、ブラシを接触させる場合のような摩耗粉の発生による問題が生じない。

導電性流動体２０として、上記イオン性液体を用いた場合は、回転トルクの増大を極力抑えて、軸受ハウジング１５と軸３間の通電性を向上させることができ、また揮発の問題がなく、長期に渡って補給を必要とせずに液面レベルが維持される。
導電性流動体２０の介在場所としてラビリンスシール１６の隙間を利用した場合は、特別な加工を施すことなく、または専用の空間を必要とせずに、導電性流動体２０を封入状態に介在させることができる。また導電性流動体貯蔵部２５を設けた場合は、導電性流動体２０の保持量を増やし、導電性流動体の漏れ等による液面レベルの低下を抑え、通電状態が長期に渡って維持される。

なお、軸受ハウジング１５および軸３の導電性流動体２０の介在させる部位、例えばラビリンスシール１６の隙間形成面には、例えば図４に示すように導電性が母材よりも優れた導電層３０を設けても良い。導電層３０は、例えば銅等の層とでき、メッキ層やイオンオプレーティング層等とされる。
このように導電層３０を設けることで、導電性流動体２０を介した通電性がより一層向上する。

図５は、この風力発電機用軸受装置を適用した風力発電機の一例を示す。この風力発電機１は、風車となる羽根２が取付けられた主軸となる軸３を、ナセル４内に設置された軸受５により回転自在に設置し、ナセル４内に増速機６および発電機７を設置したものである。増速機６は、主軸３の回転を増速して発電機７の入力軸に伝達するものである。ナセル４は、支持台上に旋回座軸受（いずれも図示せず）を介して旋回自在に設置され、旋回用のモータ９の駆動により、減速機１０を介して旋回させられる。ナセル４の旋回は、風向きに羽根２の方向を対向させるために行われる。主軸支持用の軸受５は、図５の例では２個設けているが、１個であっても良い。
このような構成の風力発電機１における主軸３の支持用の軸受５等に、この発明の上記各実施形態の風力発電機用軸受装置が用いられる。

なお、上記各実施形態では、導電性流動体２０は円周方向の一部に設けたが、導電性流動体２０がグリース状等の粘性を持つものである場合は、ラビリンスシール１６の隙間等の全周に介在させても良い。
また、この発明の風力発電機用軸受装置は、主軸３の支持用軸受５に限らず、風力発電機１のいずれかに用いられるものであれば良い。例えば、増速機６を構成する各ギヤまたはギヤ支持軸を支持する軸受や、ナセル４を支持する旋回座軸受にも適用することができる。

この発明の第１の実施形態にかかる風力発電機用軸受装置の破断正面図およびその一部の拡大断面図である。 同風力発電機用軸受装置の導電性流動体介在箇所の破断側面図である。 （Ａ），（Ｂ）はそれぞれ図２のＡ−Ａ矢視断面図、およびＢ−Ｂ矢視断面図である。 同風力発電機用軸受装置のラビリンスシール形成部の変形例を示す断面図である。 同風力発電機用軸受装置を適用する風力発電機の一例を示す切欠斜視図である。

符号の説明

１…風力発電機
２…羽根
３…主軸
４…ナセル
５…軸受
６…増速機
７…発電機
１１…内輪
１２…外輪
１５…軸受ハウジング
１５ａ…側壁部
１６…ラビリンスシール
２０…導電性流動体
２５…導電性流動体貯蔵部

Claims (5)

1. 風力発電機に設けられ、軸受ハウジングに設置された転がり軸受により軸を支持した軸受装置であって、前記軸受ハウジングと軸との間に、これらハウジングと軸とに接触する導電性流動体を介在させたことを特徴とする風力発電機用軸受装置。
2. 請求項１において、前記導電性流動体は、常温で液体のイオン性液体である風力発電機用軸受装置。
3. 請求項１または請求項２において、前記軸受ハウジングおよび前記軸が、互いの間にラビリンスシールを形成したものであり、このラビリンスシールとなる隙間の円周上の少なくとも一部に、前記導電性流動体を介在させた風力発電機用軸受装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかにおいて、前記軸受ハウジングと軸間の導電性流動体の介在部に連通して、前記導電性流動体を貯蔵する導電性流動体貯蔵部を設けた風力発電機用軸受装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかにおいて、前記転がり軸受が、風力発電機における羽根を取付けた主軸を支持する主軸支持用軸受である風力発電機用軸受装置。
   

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