JP2005207264A - Bearing for small wind power generator main spindle - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は駐車場や公園の照明、企業の看板のライト、各種公共施設の照明など、種々の用途に用いられる小型風力発電機における主軸用軸受に関する。 The present invention relates to a bearing for a main shaft in a small wind power generator used for various applications such as lighting for parking lots and parks, lighting for corporate signs, and lighting for various public facilities.
近年、小型風力発電機は、環境への配慮や、商用電源を用いるには配線が長くなる場合などの対策として、種々のものが開発、実用化され、使用が増えつつある。
このような小型風力発電機では、風の強い場所や高所を選んで設置される大型の発電機と異なり、設置場所が制限される場合が多く、弱い風でもブレードが回るように支持されることが望まれる。小型風力発電機においてブレードを取付けた主軸を支持する軸受には、グリース潤滑の深溝玉軸受が用いられることが多い。深溝玉軸受は、ラジアル軸受であるが、スラスト負荷の支持が可能であり、また価格面でも有利であり、小型風力発電機における主軸の支持に好適なものとなる。また、グリース潤滑であると、メンテナンスフリー化にも優れている。
In such a small wind power generator, unlike a large power generator that is installed by selecting a windy place or high place, the installation place is often limited, and it is supported so that the blade can rotate even in a weak wind It is desirable. Grease-lubricated deep groove ball bearings are often used as bearings for supporting the main shaft on which blades are mounted in a small wind power generator. Although the deep groove ball bearing is a radial bearing, it can support a thrust load and is advantageous in terms of price, and is suitable for supporting a main shaft in a small wind power generator. Grease lubrication is also excellent for maintenance-free.
一般的なグリース潤滑の深溝玉軸受は、軸受空間内に封入される初期充填のグリース量が、軸受内部空間の40%前後(36〜50%)とされることが多い(非特許文献1)。しかし、グリース量が40%程度であると、グリースの粘性によるトルクが大きく、小型風力発電機の主軸の支持に用いた場合、弱い風ではブレードが回転しないことがある。 In general grease-lubricated deep groove ball bearings, the amount of initially filled grease filled in the bearing space is often about 40% (36 to 50%) of the bearing internal space (Non-patent Document 1). . However, when the amount of grease is about 40%, the torque due to the viscosity of the grease is large, and when used for supporting the main shaft of a small wind power generator, the blade may not rotate with a weak wind.
この発明の目的は、弱い風でもブレードの回転が可能な低トルクのものとでき、かつ耐久性が確保できる小型風力発電機主軸用軸受を提供することである。 An object of the present invention is to provide a bearing for a small wind power generator main shaft that has a low torque capable of rotating a blade even in a weak wind and can ensure durability.
この発明における第1の発明の小型風力発電機主軸用軸受は、小型風力発電機のブレードを取付けた主軸を回転自在に支持する軸受であって、グリース潤滑の深溝玉軸受からなり、軸受内部空間に封入されるグリース量を、軸受内部空間の5〜20%としたことを特徴とする。ここで言うグリース量は、使用初期の封入グリース量である。軸受内部空間は、内外輪間の両端にシールを有する軸受の場合、内外輪間の両側のシールで仕切られた空間における転動体や保持器等の軸受構成部品が占める残りの空間のことである。 A bearing for a main shaft of a small wind generator according to a first aspect of the present invention is a bearing that rotatably supports a main shaft to which a blade of a small wind power generator is attached, and is constituted by a grease-lubricated deep groove ball bearing. The amount of grease enclosed in the bearing is 5 to 20% of the bearing internal space. The amount of grease referred to here is the amount of grease charged in the initial stage of use. In the case of a bearing having seals at both ends between the inner and outer rings, the bearing inner space is the remaining space occupied by bearing components such as rolling elements and cages in a space partitioned by seals on both sides between the inner and outer rings. .
小型風力発電機に用いられる程度の大きさのグリース潤滑の深溝玉軸受においては、試験によると、図2に見られるように、封入グリース量が20%を超えた程度から、回転抵抗となるトルクが急激に大きくなる傾向が見られた。したがって、グリース封入量の最大量は20%とすることが好ましい。グリース量が20%以下の場合は、グリース量によるトルクの差は小さいが、封入グリース量が5%未満であると、使用に伴うグリースの劣化のため、耐久性の面で望ましくない。 In grease-lubricated deep groove ball bearings of a size that can be used for small wind power generators, as shown in FIG. 2, the torque that causes rotational resistance from the extent that the amount of enclosed grease exceeds 20%, as shown in FIG. Tended to increase rapidly. Therefore, the maximum amount of grease filled is preferably 20%. When the amount of grease is 20% or less, the difference in torque due to the amount of grease is small, but when the amount of enclosed grease is less than 5%, it is not desirable in terms of durability because the grease deteriorates with use.
この発明における第2の発明の小型風力発電機主軸用軸受は、小型風力発電機のブレードを取付けた主軸を回転自在に支持する軸受であって、油潤滑の転がり軸受からなり、前記小型風力発電機の発電電力で駆動されるポンプにより、潤滑油を前記転がり軸受に供給しかつこの転がり軸受から漏れ出た潤滑油を再度供給に用いる潤滑油循環装置を設けたことを特徴とする。
この構成の場合、油潤滑のため、グリース潤滑に比べて回転抵抗となるトルクが小さいものとできる。油潤滑であると、耐久性確保のために補給を行う必要があるが、潤滑油を転がり軸受に供給しかつこの転がり軸受から漏れ出た潤滑油を再度供給に用いる潤滑油循環装置を設けたため、優れた耐久性が得られる。ポンプの駆動に電力が必要であるが、風力発電機の軸受であり、その発電電力を用いてポンプを駆動するようにしたため、別途に電源を設ける必要がない。
A small wind power generator main shaft bearing according to a second aspect of the present invention is a bearing that rotatably supports a main shaft to which a blade of a small wind power generator is attached, and is composed of an oil-lubricated rolling bearing. According to another aspect of the present invention, there is provided a lubricating oil circulation device that supplies lubricating oil to the rolling bearing by a pump driven by power generated by the machine and uses the lubricating oil leaked from the rolling bearing for supply again.
In the case of this configuration, because of oil lubrication, it is possible to reduce torque that becomes rotational resistance compared to grease lubrication. In the case of oil lubrication, it is necessary to replenish in order to ensure durability. However, a lubricating oil circulation device is provided that supplies lubricating oil to the rolling bearing and uses again the lubricating oil leaked from the rolling bearing. Excellent durability can be obtained. Electric power is required to drive the pump, but since it is a bearing of a wind power generator and the pump is driven using the generated electric power, it is not necessary to provide a separate power source.
この発明の小型風力発電機主軸用軸受は、小型風力発電機のブレードを取付けた主軸を回転自在に支持する軸受であって、グリース潤滑の深溝玉軸受からなり、軸受空間内に封入されるグリース量を、軸受内部空間の5〜20%としたため、弱い風でもブレードの回転が可能な低トルクのものとでき、かつ耐久性も確保できる。
この発明の他の小型風力発電機主軸用軸受は、油潤滑として、前記小型風力発電機の発電電力で駆動されるポンプにより、潤滑油を前記転がり軸受に供給しかつこの転がり軸受から漏れ出た潤滑油を再度供給に用いる潤滑油循環装置を設けたため、弱い風でもブレードの回転が可能な低トルクのものとでき、かつ耐久性も確保できる。
A bearing for a main shaft of a small wind power generator according to the present invention is a bearing that rotatably supports a main shaft on which a blade of a small wind power generator is mounted, and is a grease-lubricated deep groove ball bearing that is sealed in a bearing space. Since the amount is 5 to 20% of the internal space of the bearing, it is possible to achieve a low torque capable of rotating the blade even in a weak wind and to ensure durability.
Another small wind power generator main shaft bearing of the present invention supplies lubricating oil to the rolling bearing and leaks out from the rolling bearing by a pump driven by power generated by the small wind power generator as oil lubrication. Since the lubricating oil circulating device for supplying the lubricating oil again is provided, it is possible to achieve a low torque that can rotate the blade even in a weak wind and to ensure durability.
この発明の第1の実施形態を図1,図2と共に説明する。図1(A)は小型風力発電機1の側面図であり、支持台2上にナセル3が水平旋回方向に方向転換自在に設置されている。ナセル3の前端に回転翼となるブレード4が設けられ、後部に、風向きに応じた方向にナセル3を方向転換させるための尾翼5が設けられている。このブレード4は、主軸6に取付けられている。主軸6は、ナセル3に設置された軸受7により、回転自在に支持されている。軸受7は、この実施形態にかかる小型風力発電機主軸用軸受であり、主軸6の支持に1個または複数個が用いられる。ナセル3内には、この他に主軸6の回転より発電を行う発電機8が設けられる。主軸6と発電機8の間には主軸6の回転を発電機の効率化のために増速する増速機(図示せず)を設けても良い。なお、ここで言う小型風力発電機は、発電電力が5〜6kw以下のもの、特に1kw以下のものである。
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1A is a side view of a small wind power generator 1, and a nacelle 3 is installed on a support base 2 so as to be capable of changing its direction in a horizontal turning direction. A blade 4 serving as a rotating blade is provided at the front end of the nacelle 3, and a
軸受7は、グリース潤滑の深溝玉軸受からなり、内輪11と外輪12の間に、保持器14に保持された玉13が介在させている。内外輪11,12間の軸受内部空間Sの両端は、外輪12に取付けられたシール15により密封されている。シール15は芯金にゴム材等の弾性体を設けた接触シールからなる。シール15の内径側の先端は内輪11の外径面に摺接する。なお、シール15は非接触シールでも良く、例えば非接触の鉄板シールであっても良い。内輪11および外輪12の玉13が転走する軌道溝11a,12aは、断面形状が半円状に形成されている。軌道溝11a,12aの曲率半径は、一般的な深溝玉軸受では、玉13の直径の1.02〜1.04倍の範囲とされるが、例えば1.08〜1.25倍の範囲としても良い。
The
軸受6の軸受内部空間SにはグリースGを充填する。グリースGの初期封入量は、軸受内部空間Sの容積の5〜20%とする。このグリース封入量は、好ましくは、5〜15%であり、より好ましくは5〜10%である。
なお、軸受内部空間Sは、同図のようなシール付き軸受の場合は、内外輪11,12間の両側のシール15で仕切られた空間における玉13や保持器14等の軸受構成部品が占める残りの空間のことである。
The bearing internal space S of the
In the case of a bearing with a seal as shown in the figure, the bearing internal space S is occupied by bearing components such as
シール無しの軸受の場合は、軸受内部空間Sは、厳密には内外輪11,12間の空間から玉13や保持器14等の軸受構成部品が占める残りの空間のことになるが、シール付き軸受に対応する空間容積、つまりシールがあると仮定した場合の空間容積を、上記軸受内部空間Sの容積として扱うこととしている。
軸受内部空間についての一般的な厳密な定義はないが、上記非特許文献1では、軸受内部空間の容積の概略値を次式で求めることができるとされている。
V=K・W …(1)
ここで、V:開放型軸受の空間容積(概略値)(cm3 )、
K:軸受空間係数(軸受形式によって定められている係数)、
W:軸受の質量(kg)、
である。
Kの値は、深溝玉軸受であって保持器形式が打抜き保持器の場合は、例えばK=61とされる。
例えば、上記の(1) 式で定められる容積Vを、シール無し軸受の場合の軸受内部空間Sの容積と定めてもよい。
In the case of a bearing without a seal, the bearing inner space S is strictly the remaining space occupied by bearing components such as the
Although there is no general strict definition for the bearing internal space, the non-patent document 1 states that an approximate value of the volume of the bearing internal space can be obtained by the following equation.
V = K · W (1)
Where V: space volume of open type bearing (approximate value) (cm 3 ),
K: Bearing space coefficient (coefficient determined by bearing type),
W: Mass of bearing (kg),
It is.
When the value of K is a deep groove ball bearing and the cage type is a punched cage, for example, K = 61.
For example, the volume V defined by the above equation (1) may be determined as the volume of the bearing internal space S in the case of a bearing without a seal.
この構成の小型風力発電機主軸用軸受7によると、封入グリースを軸受内部空間Sの20%以下としたため、後の試験例に示すように、通常の40%前後の封入量とする場合に比べて、回転抵抗となるトルクが大幅に小さくなる。そのため、弱い風でもブレード4の回転が可能になる。また、封入グリース量を5%以上としたため、使用に伴うグリースの劣化に対して、必要な耐久性も確保できる。
この実施形態において、内外輪11,12の軌道面11a,12aの曲率半径を、玉径(玉の半径)に対して、従来の1.02〜1.04倍から1.08〜1.25倍の範囲と大きくした場合は、回転トルクがさらに低減される。軌道面11a,12aの玉径に対する曲率半径を大きくすると、トルクが低減する反面、支持精度が低下するが、小型風力発電機1の主軸6の支持では、あまり高い精度は要求されない。そのため、曲率半径が1.25倍まであれば、精度面の支障を生じることなく、トルク低減の効果が得られる。また曲率半径が1.08倍以上であれば、従来の一般的な曲率半径の割合である1.02〜1.04倍の場合に比べて明らかなトルク低減の効果が得られる。
According to the small-sized wind power generator main shaft bearing 7 having this configuration, since the sealed grease is 20% or less of the bearing internal space S, as shown in a later test example, compared with a case where the sealed amount is about 40% as usual. Thus, the torque that becomes the rotational resistance is significantly reduced. Therefore, the blade 4 can be rotated even in a weak wind. Further, since the amount of the enclosed grease is 5% or more, necessary durability can be ensured against the deterioration of the grease due to use.
In this embodiment, the radius of curvature of the raceway surfaces 11a and 12a of the inner and
図2は、グリース封入割合とトルクとの関係の試験結果を示す。供試軸受には、JIS規格の6205番の深溝玉軸受を用いた。この軸受は内径が25mmのものである。回転速度は800rpmとした。
同図からわかるように、グリース封入割合(グリース封入量)が5%から20%の範囲では、封入量が増えるに従ってトルクが増大する傾向は見られるが、その増大割合は僅かであり、トルク値は20mN・m程度と略一定となっている。グリース封入割合が20%を超え、30%程度となると、トルク値が40N・m程度と略2倍になっており、この間ではグリース封入割合が増えるに従ってトルク価は急激に増大する。40%を超えると、60%程度までは、略一定のトルク価となっている。
同図の結果から、トルクを低減させるには、グリース封入量(封入割合)を20%以下とすることが好ましいことが判る。
FIG. 2 shows a test result of the relationship between the grease filling ratio and the torque. A JIS standard 6205 deep groove ball bearing was used as the test bearing. This bearing has an inner diameter of 25 mm. The rotation speed was 800 rpm.
As can be seen from the figure, when the grease filling ratio (grease filling amount) is in the range of 5% to 20%, the torque tends to increase as the filling amount increases, but the increase ratio is slight and the torque value is small. Is approximately constant at about 20 mN · m. When the grease filling ratio exceeds 20% and is about 30%, the torque value is approximately doubled to about 40 N · m. During this period, the torque value increases rapidly as the grease filling ratio increases. If it exceeds 40%, the torque value is substantially constant up to about 60%.
From the results shown in FIG. 6, it can be seen that the amount of grease (encapsulation ratio) is preferably 20% or less in order to reduce the torque.
図3は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態は、図1(A)に示した小型風力発電機1において、その軸受7を油潤滑の深溝玉軸受とし、次の構成の潤滑油循環装置20を設けたものである。
FIG. 3 shows another embodiment of the present invention. In this embodiment, in the small wind power generator 1 shown in FIG. 1A, the
この潤滑油循環装置20は、小型風力発電機1(図1)における上記発電機8の発電電力で駆動されるポンプ21により、潤滑油を軸受7に供給し、かつこの軸受7から漏れ出た潤滑油を再度供給に用いるものである。潤滑油循環装置20は、油溜め22に溜めた潤滑油を供給路23によって軸受7内に供給するものであり、軸受7から漏れた潤滑油を受ける潤滑油受け24を有している。潤滑油受け24の潤滑油が、上記ポンプ21により、循環路25を介して油溜め22に送られる。循環路25の油溜め22に対向する出口にはフィルタ26が設けられている。油溜め22には潤滑油の油面を検出するレベルセンサ27が設けられ、レベルセンサ27の検出値によってポンプ21を駆動するモータ28のオンオフ制御が行われる。
The lubricating
ポンプ21のモータ28は、発電機8の発電電力を直接用いるものであっても良いが、この例では、発電機8の発電電力を充電回路29によって二次電池30に充電し、二次電池30の電力をモータ28の駆動に用いるようにしている。
The motor 28 of the pump 21 may directly use the generated power of the
この実施形態の場合、軸受7は油潤滑のため、グリース潤滑に比べて回転抵抗となるトルクが小さいものとできる。油潤滑であると、耐久性確保のために補給を行う必要があるが、ポンプ21によって潤滑油を軸受7に供給し、この軸受7から漏れ出た潤滑油を、潤滑油循環装置20により再度供給に用いるようにしたため、優れた耐久性が得られる。ポンプ28の駆動に電力が必要であるが、風力発電機1の軸受7であり、その発電電力を用いてポンプ28を駆動するようにしたため、別途に電源を設ける必要がない。
In the case of this embodiment, since the
なお、図3に示すような油潤滑とする場合は、軸受7は、深溝玉軸受に限らず、種々の形式の転がり軸受を用いることができる。
In the case of oil lubrication as shown in FIG. 3, the
1…小型風力発電機
4…ブレード
6…主軸
7…小型風力発電機主軸用軸受
11…内輪
12…外輪
11a,12a…軌道溝
13…玉
15…シール
20…潤滑油循環装置
21…ボンプ
28…モータ
G…グリース
S…軸受内部空間
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Small wind power generator 4 ...
Claims (2)
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