JP2006349033A - 複列円錐ころ軸受および風力発電機の主軸支持構造 - Google Patents

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Abstract

【課題】 内輪と円錐ころとピン型保持器とを組み立てる場合に、小端面側からピンを挿入することができる複列円錐ころ軸受およびこのような軸受を使用した風力発電機の主軸支持構造を提供する。
【解決手段】 内輪12bには、小鍔22bから軸方向に延びる内輪突合せ部18bが設けられている。内輪突合せ部18bの一部には、小径側端面19b側にピンの通過を許容する切り欠き20bが設けられている。切り欠き20bは、内輪突合せ部18bの径方向に貫通しており、その大きさはピン型保持器のピンが通過することができる大きさである。
【選択図】 図1

Description

この発明は、複列円錐ころ軸受および風力発電機の主軸支持構造に関し、特に、大きなラジアル荷重、スラスト荷重およびモーメント荷重を受けることができる複列円錐ころ軸受およびこのような軸受を使用した風力発電機の主軸支持構造に関する。
風力発電機の主軸に使用される軸受は、ブレードの自重等に対するラジアル荷重、風力に対するスラスト荷重およびモーメント荷重を受ける必要がある。さらには、風力発電機の主軸は片持ちの梁構造であるため、主軸の撓みに対する自動調心性を備えた軸受が求められるため、自動調心ころ軸受および円筒ころ軸受を組み合わせた軸受が使用されていた。図6は、自動調心ころ軸受101を風力発電機の主軸に使用した場合の概略図である。図6を参照して、自動調心ころ軸受101は、内輪102と、左右の列に配置された複数の調心ころ103a、103bと、複数の調心ころ103a、103bの間隔を保持する保持器104と、外輪105とを有する。自動調心ころ軸受101は、風を受けるブレード111が一方端に設けられた主軸112に取り付けられ、ハウジング113に組み込まれる。このように取り付けられた自動調心ころ軸受101と円筒ころ軸受とを組み合わせて、風力発電機の主軸に使用していた。
しかし、上記の二つの転がり軸受を組み合わせた軸受については、部品点数が多く、その削減が求められている。また、軸受の小型化についても要求される。
そのような要求に応じて、自動調心ころ軸受と比較して調心性は劣るものの、一つの軸受で大きなラジアル荷重、スラスト荷重およびモーメント荷重を受けることができる複列円錐ころ軸受が、風力発電機の主軸に使用されている。図7は、複列円錐ころ軸受121の断面図の一例である。図7を参照して、複列円錐ころ軸受121は、小径側端面129a、129bが互いに当接するよう配置された左右の内輪122a、122bと、外輪124と、内輪122a、122bと外輪124との間に配置された複数の円錐ころ123a、123bと、左右の列において複数の円錐ころ123a、123bの間隔を保持する左右の保持器とを有する。
部品点数削減の観点から、複列円錐ころ軸受121は、左右の内輪122a、122bの間に配置される内輪間座を有しない。その代わりに、左右の内輪122a、122bには、従来における内輪間座が配置される位置に、小鍔132a、132bから軸方向に延びる内輪突合せ部128a、128bが設けられており、小径側端面129a、129bは互いに当接する。
各保持器については、大きなラジアル荷重に対する負荷容量を実現するために、円錐ころ123a、123bをより多く保持することができるピン型保持器が用いられる。ピン型保持器は、各円錐ころ123a、123bを貫通するピン125a、125bと、各円錐ころ123a、123bの小端面側に突出する複数のピン125a、125bの一方端を保持して環状に延びる小径側側板127a、127bと、各円錐ころ123a、123bの大端面側に突出する複数のピン125a、125bの他方端を保持して環状に延びる大径側側板126a、126bとを有する。
また、このようなピン型保持器を使用した複列円錐ころ軸受が特開2003−49843号公報(特許文献1)に開示されており、複列円錐ころ軸受を主軸に使用した風力発電用風車が特開2005−105917号公報(特許文献2)に開示されている。
ここで、図7において、右側に位置する内輪122bと円錐ころ123bとピン型保持器とを組み立てる方法について説明する。まず、内輪122bの軌道面134bに、円錐ころ123bの転動面が当接するように円錐ころ123bを取り付け、円錐ころ123bに設けられた貫通穴に、小端面側からピン125bを挿入する。そして、大端面側に突出したピン125bの端部と大径側側板126bに設けられたねじ穴135bとの回転軸方向の位置関係を調整し、ねじ穴135bとピン125bの端部とを螺合させ、保持する。次に、小端面側に突出したピン125bの端部と小径側側板127bに設けられた貫通穴136bとの回転軸方向の位置関係を調整し、貫通穴136bにピン125bの端部を挿通した後、小径側側板127bから突出したピン125bの端部を溶接することによりピン125bを固定し、保持する。なお、図7において、左側に位置する内輪122aと円錐ころ123aとピン型保持器とを組み立てる方法についても、同様である。
ピン125bの端部を溶接して小径側側板127bに固定する際に、作業性を向上させる観点から、溶接面、すなわち小端面側を上方とし、かつ、平行な面とする必要があり、図8に示すような状態で溶接作業が行われる。
特開2003−49843号公報(段落番号0008〜0009、図1) 特開2005−105917号公報(段落番号0020〜0039、図2)
より大きな発電量を得るためには、ブレード111がより大きな風を受ける必要があり、そのような環境下においては、主軸112を支持する軸受は、より大きなラジアル荷重、スラスト荷重およびモーメント荷重を受ける。より大きなラジアル荷重を受けるためには、上記した複列円錐ころ軸受121の円錐ころ123a、123bのころ長さをできるだけ大きくする必要がある。また、より大きなスラスト荷重およびモーメント荷重を受けるためには、外輪軌道面と複列円錐ころ軸受121の回転軸線とのなす角度である接触角を大きくする必要がある。
図9は、接触角を大きくした場合の複列円錐ころ軸受121の断面図である。図9を参照して、外輪軌道面131と複列円錐ころ軸受121の回転軸線(図示せず)とのなす角度である接触角αを大きくすると、上記した方法により内輪122bと円錐ころ123bとピン型保持器を組み立てる場合、円錐ころ123bに設けられた貫通穴に小端面側からピン125bを挿入する際に、内輪突合せ部128bと、図9中の二点鎖線で示すピン125bの挿入経路130bとが干渉することになり、円錐ころ123bに設けられた貫通穴にピン125bを挿入することができないおそれがある。
この場合、大端面側からピン125bを挿入することにより、ピン125bの挿入経路130と内輪突合せ部128bとの干渉を避けることも考えられる。しかし、上記したように、溶接面を上方かつ平行にすることが困難となり、作業性が悪化することになる。さらに、大径側側板126bに貫通穴、小径側側板127bにねじ穴を新たに設ける必要があり、労力がかかる。
また、内輪突合せ部128bの外径を小さくして、内輪突合せ部128bとピン125bの挿入経路130との干渉を防ぐことも考えられる。しかし、内輪突合せ部128bは、軸受の組み立て時に、内輪122aから大きな圧力がかかるため、剛性が必要であり、内輪突合せ部128bの厚みをある程度維持しなければならず、外径を小さくするにも限界がある。
この発明は、内輪と円錐ころとピン型保持器とを組み立てる場合に、小端面側からピンを挿入することができる複列円錐ころ軸受およびこのような軸受を使用した風力発電機の主軸支持構造を提供することを目的とする。
この発明に係る複列円錐ころ軸受は、外輪と、小鍔と小径側端面との間に内輪突合せ部が設けられ、小径側端面が互いに当接するよう配置された左右の内輪と、外輪と左右の内輪との間に配置された複数の円錐ころと、左右の列において複数の円錐ころの間隔を保持する左右の保持器とを備える。上記した保持器は、各円錐ころを貫通するピンと、各円錐ころの小端面側に突出する複数のピンの一方端を保持して環状に延びる小径側側板と、各円錐ころの大端面側に突出する複数のピンの他方端を保持して環状に延びる大径側側板とを有する。ここで、左右の内輪に設けられた内輪突合せ部は、ピンの通過を許容する切り欠きを有する。
このように構成することにより、内輪と円錐ころとピン型保持器とを組み立てる場合、小端面側から円錐ころに設けられた貫通穴にピンを挿入する際に、内輪突合せ部に設けられた切り欠きを利用してピンを挿入することができ、内輪突合せ部とピンの挿入経路とが干渉することがない。同様にして、複数のピンを他の複数の円錐ころの貫通穴に挿入することができる。
この発明の他の局面においては、風力発電機の主軸支持構造は、風力を受けるブレードと、その一端がブレードに固定され、ブレードとともに回転する主軸と、固定部材に組み込まれ、主軸を回転自在に支持する複列円錐ころ軸受とを有する風力発電機の主軸支持構造である。上記した複列円錐ころ軸受は、外輪と、小鍔と小径側端面との間に内輪突合せ部が設けられ、小径側端面が互いに当接するよう配置された左右の内輪と、外輪と左右の内輪との間に配置された複数の円錐ころと、左右の列において複数の円錐ころの間隔を保持する左右の保持器とを備える。上記した各保持器は、各円錐ころを貫通するピンと、各円錐ころの小端面側に突出する複数のピンの一方端を保持して環状に延びる小径側側板と、各円錐ころの大端面側に突出する複数のピンの他方端を保持して環状に延びる大径側側板とを有する。ここで、左右の内輪に設けられた内輪突合せ部は、ピンの通過を許容する切り欠きを有する。
このように構成することにより、内輪と円錐ころとピン型保持器とを組み立てる場合に、ピンの挿入経路と内輪突合せ部とを干渉させることなく、接触角を大きくすることができるため、より大きなスラスト荷重およびモーメント荷重を受けることができる風力発電機の主軸支持構造を提供することができる。
この発明によれば、内輪と円錐ころとピン型保持器を組み立てる場合、内輪に取り付けた円錐ころの貫通穴にピンを挿入する際に、内輪突合せ部に設けた切り欠きをピンの挿入経路とすることにより、内輪突合せ部と干渉することなく、ピンを挿入することができる。また、同様にして、複数のピンの挿入経路を確保することができる。
また、そのような複列円錐ころ軸受を風力発電機の主軸支持軸受に使用すれば、ピンの挿入経路を確保しながら、接触角を大きくすることができるので、より大きなスラスト荷重およびモーメント荷重を受けることができる。
以下、この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図1(A)は、この発明の一実施形態に係る複列円錐ころ軸受11に含まれる内輪12bの図解的断面図である。図1(B)は、図1(A)を矢印Xの方向から見た図の一部である。図1(A)、図1(B)を参照して、内輪12bは、円錐ころの大端面を案内する大鍔21bと、円錐ころの小端面を案内する小鍔22bと、円錐ころを転動させる軌道面23bとを有する。
内輪12bには、小鍔22bから軸方向に延びる内輪突合せ部18bが設けられている。軸受の組み込み時には、小径側端面19bは対向する内輪の小径側端面と当接し、圧力がかかるため、内輪突合せ部18bには、その圧力に耐えるだけの剛性が必要であり、ある程度の肉厚、すなわち、径方向にある程度の厚みが必要である。内輪突合せ部18bの一部には、小径側端面19b側にピンの通過を許容する切り欠き20bが設けられている。切り欠き20bは、内輪突合せ部18bの径方向に貫通しており、その大きさは後述するピン型保持器のピンが通過することができる大きさである。
図2は、図1(A)および図1(B)に示した内輪12bを含む複列円錐ころ軸受11を表した断面図である。図2を参照して、複列円錐ころ軸受11は、小径側端面19a、19bが互いに当接するよう配置された左右の内輪12a、12bと、左右の内輪12a、12bに対応する軌道面を有する外輪14と、内輪12a、12bと外輪14の間に配置された複数の円錐ころ13a、13bと、左右の列において複数の円錐ころ13a、13bの間隔を保持する左右の保持器とを有する。なお、ここで、内輪12aは、12bと同じ構成であり、内輪突合せ部18aの一部には、小径側端面19a側にピンの通過を許容する切り欠き20aが設けられている。
内輪12a、12bは、大きなスラスト荷重およびモーメント荷重を受けるため、外輪軌道面と複列円錐ころ軸受11の回転軸線(図示せず)とのなす角度である接触角が大きく構成されている。好ましくは、接触角は40°〜47°の範囲内に設定されている。
外輪14は、中央部が径方向に凸状の断面形状をしており、内輪12a、12bとの間に複数の円錐ころ13a、13bを保持している。本実施形態では、外輪14は一つで構成されているが、内輪12a、12bに対してそれぞれ別個の外輪が設けられていてもよい。
円錐ころ13a、13bは、外輪14と内輪12a、12bとの間に配置されている。また、後述するピン型保持器による保持を可能にするため、円錐ころ13a、13bには、小端面から大端面にかけてピンを挿通するための貫通穴が設けられている。
保持器は、円錐ころ13a、13bをより多く保持することができるピン型保持器を使用している。左右の各保持器は、各円錐ころ13a、13bを貫通するピン15a、15bと、各円錐ころ13a、13bの小端面側に突出する複数のピン15a、15bの一方端を保持する小径側側板17a、17bと、各円錐ころ13a、13bの大端面側に突出する複数のピン15a、15bの一方端を保持する大径側側板16a、16bとを有する。
小径側側板17a、17bおよび大径側側板16a、16bのいずれも回転軸線を中心に環状に延びており、リング状である。小径側側板17a、17bは内輪12a、12bの小鍔側に配置されており、大鍔側に配置された大径側側板16a、16bよりも内径が小さい。また、小径側側板17a、17bおよび大径側側板16a、16bは、いずれも多量のピン15a、15bを保持するため、一定の剛性が必要である。剛性や生産性等の観点から、小径側側板17a、17bおよび大径側側板16a、16bの断面形状は四角形状であることが好適である。ここで、剛性等を確保することができれば、断面形状が円状や楕円状等、他の形状の小径側側板17a、17bおよび大径側側板16a、16bであっても、特に問題はない。
大径側側板16a、16bには、大端面側に突出したピン15a、15bの他方端を保持するための複数のねじ穴26a、26bが、円錐ころ13a、13bを保持する間隔で円周方向に設けられている。ねじ穴26a、26bと円錐ころ13a、13bを挿通したピン15a、15bの端部が螺合することにより、大径側側板16a、16bにピン15a、15bが保持され、固定される。
また、小径側側板17a、17bには、小端面側に突出したピン15a、15bの一方端が挿通することができる直線状の貫通穴27a、27bが設けられている。この貫通穴27a、27bを挿通して小径側側板17a、17bとピン15a、15bの端部とが溶接されることにより、小径側側板17a、17bに保持され、固定される。
内輪12bと円錐ころ13bとピン型保持器とを組み立てる場合について説明すると、まず、内輪12bの軌道面23bに、円錐ころ13bの転動面が当接するように円錐ころ13bを取り付け、小端面側からピン15bを挿入する。ここで、図2中、二点鎖線で示すピン15bを挿入する挿入経路25bは、内輪突合せ部18bに設けられたピン15bの通過を許容する切り欠き20bにより確保されている。ピン15bの挿入後、大端面側に突出したピン15bの端部と大径側側板16bに設けられたねじ穴26bとの回転軸方向の位置関係を調整し、ねじ穴26bとピン15bの端部とを螺合させる。次に、小端面側に突出したピン15bの端部と小径側側板17bに設けられた貫通穴27bとの回転軸方向の位置関係を調整し、貫通穴27bにピン15bの端部を挿通した後、小端面側を上方として、小径側側板17bから突出したピン15bの端部を溶接することにより固定する。なお、内輪12aと円錐ころ13aとピン型保持器とを組み立てる場合も同様である。
こうすることにより、内輪12a、12bと円錐ころ13a、13bとピン型保持器を組み立てる場合、小端面側からピン15a、15bを挿入する際に、内輪突合せ部18a、18bに設けられたピン15a、15bの通過を許容する切り欠き20a、20bにより、ピン15a、15bの挿入経路25a、25bが確保される。したがって、内輪突合せ部18a、18bとピン15a、15bの挿入経路25a、25bとが干渉することがない。また、同様にして、切り欠き20a、20bを、他の複数のピンの挿入経路とすることができる。
なお、先の実施の形態においては、切り欠き20a、20bの形状については軸方向に垂直に設けられ、径方向に貫通していたが、これに限らず、ピンの通過を許容できれば、軸方向に垂直に設けられていなくてもよいし、径方向に貫通していなくてもよい。
図3(A)は、この場合の内輪50bの図解的断面図であり、図3(B)は、図3(A)を矢印Yの方向から見た図の一部である。図3(A)、図3(B)を参照して、内輪50bは、円錐ころの大端面を案内する大鍔54bと、円錐ころの小端面を案内する小鍔55bと、円錐ころを転動させる軌道面56bとを有する。内輪50bには、小鍔55bから軸方向に延びる内輪突合せ部51bが設けられており、その一部には、小径側端面52b側にピンの通過を許容する切り欠き53bが設けられている。
切り欠き53bは、軸方向に対して垂直ではなく、ピン15bの通過を許容できるある程度の角度をもっており、径方向に貫通していない。しかし、切り欠き53bにより、ピン15bの挿入経路25bは確保される。こうすることにより、内輪突合せ部51bを必要以上に切り欠き部分を設ける必要はなく、内輪突合せ部51bの剛性を維持することができる。
また、先の実施の形態においては、切り欠き20a、20b、53bは内輪突合せ部18a、18b、51bに一つだけ有することとしたが、これに限らず、切り欠き20a、20b、53bは内輪突合せ部18a、18b、51bに複数有することにしてもよい。こうすることにより、ピン15a、15bを貫通穴に挿入する際に、より最適な位置の切り欠きを利用して、ピン15a、15bを挿入することができる。
図4および図5は、上記した複列円錐ころ軸受を主軸支持軸受35として適用した、風力発電機の主軸支持構造の一例を示している。主軸支持構造の主要部品を支持するナセル32のケーシング33は、高い位置で、旋回座軸受31を介して支持台30上に水平旋回自在に設置されている。風力を受けるブレード37を一端に固定する主軸36は、ナセル32のケーシング33内で、軸受ハウジング34に組み込まれた主軸支持軸受35を介して、回転自在に支持されている、主軸36の他端は増速機38に接続され、この増速機38の出力軸が発電機39のロータ軸に結合されている。ナセル32は、旋回用モータ40により、減速機41を介して任意の角度に旋回させられる。
軸受ハウジング34に組み込まれた主軸支持軸受35は、この発明の一実施形態に係る複列円錐ころ軸受であって、外輪と、小鍔と小径側端面との間に内輪突合せ部が設けられ、小径側端面が互いに当接するよう配置された左右の内輪と、外輪と左右の内輪との間に配置された複数の円錐ころと、左右の列において複数の円錐ころの間隔を保持する左右の保持器とを備える。上記した各保持器は、各円錐ころを貫通するピンと、各円錐ころの小端面側に突出する複数のピンの一方端を保持して環状に延びる小径側側板と、各円錐ころの大端面側に突出する複数のピンの他方端を保持して環状に延びる大径側側板とを有する。ここで、上記した左右の内輪に設けられた内輪突合せ部は、ピンの通過を許容する切り欠きを有する。
主軸支持軸受35を、このような構成の複列円錐ころ軸受にすることにより、内輪と円錐ころとピン型保持器を組み立てる場合、内輪突合せ部とピンの挿入経路とが干渉することがない。したがって、主軸支持軸受35は、ピンの挿入経路を確保しながら、接触角を大きくすることができるため、より大きなスラスト荷重およびモーメント荷重を受けることができる。その結果、より大きなスラスト荷重およびモーメント荷重を受けることができる風力発電機の主軸支持構造を提供することができる。
以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。
この発明に係る複列円錐ころ軸受および風力発電機の主軸支持構造は、内輪と円錐ころとピン型保持器を組み立てる場合、ピンの挿入経路を確保しながら、接触角を大きくすることができるため、特に、大きなスラスト荷重およびモーメント荷重を受ける複列円錐ころ軸受および風力発電機の主軸支持構造に有効に利用できる。
この発明の一実施形態に係る複列円錐ころ軸受11に含まれる内輪12bの図解的断面図である。 図1に示した内輪12bを含む複列円錐ころ軸受11を表した断面図である。 この発明の他の実施形態に係る複列円錐ころ軸受に含まれる内輪50bの図解的断面図である。 この発明に係る複列円錐ころ軸受を用いた風力発電機の主軸支持構造の一例を示す図である。 図4に示した風力発電機の主軸支持構造の図解的側面図である。 自動調心ころ軸受101を風力発電機の主軸に使用した場合の概略図である。 従来における複列円錐ころ軸受121の一例を示す断面図である。 従来におけるピン125bを小径側側板127bに固定する際の溶接作業を行う場合の断面図である。 従来における接触角が大きい場合の複列円錐ころ軸受121を示す断面図である。
符号の説明
11 複列円錐ころ軸受、12a,12b,50b 内輪、13a,13b 円錐ころ、14 外輪、15a,15b ピン、16a,16b 大径側側板、17a,17b 小径側側板、18a、18b,51b 内輪突合せ部、19a,19b,52b 小径側端面、20a,20b,53b 切り欠き、21b,54b 大鍔、22b,55b 小鍔、23b,56b 軌道面、25a,25b 挿入経路、26a,26b ねじ穴、27a,27b 貫通穴、30 支持台、31 旋回座軸受、32 ナセル、33 ケーシング、34 軸受ハウジング、35 主軸支持軸受、36 主軸、37 ブレード、38 増速機、39 発電機、40 旋回用モータ、41 減速機。

Claims (2)

  1. 外輪と、小鍔と小径側端面との間に内輪突合せ部が設けられ、小径側端面が互いに当接するよう配置された左右の内輪と、外輪と左右の内輪との間に配置された複数の円錐ころと、左右の列において複数の円錐ころの間隔を保持する左右の保持器とを備えた複列円錐ころ軸受であって、
    前記各保持器は、各円錐ころを貫通するピンと、各円錐ころの小端面側に突出する複数のピンの一方端を保持して環状に延びる小径側側板と、各円錐ころの大端面側に突出する複数のピンの他方端を保持して環状に延びる大径側側板とを有し、
    前記左右の内輪に設けられた内輪突合せ部は、前記ピンの通過を許容する切り欠きを有する、複列円錐ころ軸受。
  2. 風力を受けるブレードと、
    その一端が前記ブレードに固定され、ブレードとともに回転する主軸と、
    固定部材に組み込まれ、前記主軸を回転自在に支持する複列円錐ころ軸受とを有する風力発電機の主軸支持構造であって、
    前記複列円錐ころ軸受は、外輪と、小鍔と小径側端面との間に内輪突合せ部が設けられ、小径側端面が互いに当接するよう配置された左右の内輪と、外輪と左右の内輪との間に配置された複数の円錐ころと、左右の列において複数の円錐ころの間隔を保持する左右の保持器とを備え、
    前記各保持器は、各円錐ころを貫通するピンと、各円錐ころの小端面側に突出する複数のピンの一方端を保持して環状に延びる小径側側板と、各円錐ころの大端面側に突出する複数のピンの他方端を保持して環状に延びる大径側側板とを有し、
    前記左右の内輪に設けられた内輪突合せ部は、前記ピンの通過を許容する切り欠きを有する、風力発電機の主軸支持構造。
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