JP2007263357A - 遊星歯車装置および風力発電機用増速機 - Google Patents

Abstract

【課題】遊星歯車の支持軸受にコンパクトで定格荷重および剛性が高く、表面損傷を軽減したころ軸受を使用することで、長年にわたりメンテナンスフリーに運転可能な遊星歯車装置を提供する。
【解決手段】遊星歯車装置12は、太陽歯車22と、太陽歯車22の外周を取り囲む内歯歯車26と、太陽歯車22および内歯歯車26の双方と噛み合う遊星歯車24を有し、遊星歯車24を支持する軸受40が、隣り合うころ6間に間座8を介在させてあり、間座８の軸方向両端にころ端面6bと向き合う拡張部8aが設けてある。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電機用の増速機等に用いられる遊星歯車装置および風力発電機用増速機に関する。

風力発電機は設備の初期投資額が高額であるため、その償却期間が１０年を超える場合が多く、また、高所に設置されておりメンテナンスが困難であることから、その構成部品には約２０年という長期の寿命が要求される。

ロータの回転を増速するために組み込まれている遊星歯車装置（特許文献１参照）もその例外ではなく、特に同装置に使用される軸受、すなわち遊星歯車の支持軸受には高い信頼性と長寿命が求められる。さらに近年は、発電効率の向上を目的とした風車の大型化が進む一方で、タワーへの負荷を軽減する目的でナセルの軽量小型化ニーズが高まっており、遊星歯車装置にもコンパクト化が求められている。

そのため、遊星歯車用の軸受としては、コンパクトで高い定格荷重を備えた軸受が求められており、同装置の回転速度が比較的低いこともあって、保持器を排除してより多くの転動体（ころ）を組み込んだ総転動体軸受が多用されている。また、遊星歯車はその構造上、運転中に変形を生じやすいという点で、総転動体軸受のようにころ本数が多く、剛性の高い軸受の使用が望ましい。
特開２００５−３６８８０公報 特許第３５４９５３０号公報

しかしながら、総転動体軸受は隣り合うころ同士が逆回転で接触するため、ころの自転が阻害されやすいほか、かじりやスミアリングといった表面損傷を生じやすい傾向にある。特に、遊星歯車装置のように回転速度が低い条件下では、軸受内の各接触部において潤滑剤による油膜が形成されにくいこともあって、前記損傷がより顕著に現れる。

本発明の主要な目的は、遊星歯車の支持軸受にコンパクトで定格荷重および剛性が高く、表面損傷を軽減したころ軸受を使用することで、長年にわたりメンテナンスフリーに運転可能な遊星歯車装置を提供することにある。

本発明の遊星歯車装置に使用する軸受は、隣り合うころ間に間座を具備し、間座の軸方向両端にころ端面と向き合う拡張部を設けたことを特徴とするものである。

前記間座は互いに分離独立しており、間座には従来の保持器にみられる引張応力が作用しないため、より多くのころを軸受に組み込むことができ、コンパクトで定格荷重および剛性の高いころ軸受を提供することができる。

さらに、総転動体軸受と異なり、隣り合うころ同士の接触を回避することができ、ころ同士が逆回転で摺動することがないため、ころの自転が阻害されにくく、かじりやスミアリングといった表面損傷を大幅に軽減することができる。

また、前記間座の軸方向両端にころ端面と向かい合う拡張部を設けることで、間座の軸方向への動きを前記拡張部ところ端面とで規制することができ、径方向への動きをころ転動面または内輪つば外径もしくは外輪つば内径にて規制することができる。

すなわち、間座の移動規制手段として内輪や外輪の軌道面やつば側面を使用しないため、隣り合うころ間において、間座を広域にわたって介在させる必要がなく、潤滑油の攪拌抵抗を抑えることができ、また、転がり面付近において潤滑油の円滑な貫流を妨げることがない。

さらに、間座を内輪つば外径または外輪つば内径に案内させる場合、前記拡張部はその案内面積を拡大する効果をも発揮するため、案内面において油膜が形成されやすくなる。

特許文献２に記載のころ軸受においては、間座の動きを内輪および外輪の軌道面とつば側面とによって規制するため、必然的にころの径方向断面と同程度の大きさの間座を介在させることになり、潤滑油の攪拌抵抗が大きい傾向がある。さらに、間座を内輪または外輪の軌道面に摺接させるため、転がり面における円滑な油膜形成が損なわれる可能性がある。

請求項２の発明は、請求項１に記載の遊星歯車装置に使用する前記ころ軸受が、歯車の内径面を外輪軌道面として代用することを特徴とするものである。外輪を省略することで、前述の効果に加えて遊星歯車装置のコンパクト化が可能となるほか、軸やハウジングの剛性を向上させることができる。また、省略した外輪のスペース分だけころ径を大きくした、より定格荷重の高いころ軸受を使用することもでき、遊星歯車装置の長寿命化に貢献することができる。なお、軸受を単体で取り扱う際には、省略した外輪の代わりに、円環部品や締め付けバンド等でころの外接円径を規制することで、ころの脱落を防止することができる。

請求項３の発明は、請求項１に記載の遊星歯車装置に使用する前記ころ軸受が、前記拡張部にころ端面側に突出した凸部を有し、かつ、ころ端面に凹部を有し、前記凸部を前記凹部に進入させた、外輪を省略したころ軸受であって、歯車の内径面を外輪軌道面として代用することを特徴とするものである。このような構成のころ軸受は、間座の前記拡張部によってころ端面を連結することで、ころの外径側への広がりを抑制することができる。すなわち、外輪を省略してもころおよび間座が内輪から脱落することがなく、軸受の取り扱い性を向上させることができる。

なお、運転中は前記凸部ところ端面の凹部が干渉しないように設定することで、間座には引張応力が作用しない。間座は軸受の円周方向ならびに径方向に若干の自由度を持ち、その大きさは主に円周方向すきまの大小によって決まる。すなわち、その自由度を見越して前記凸部ところ端面凹部の位置関係を調整することで、間座が両隣のころによって引っ張られる現象を回避することができる。

請求項４の発明は、請求項１に記載の遊星歯車装置に使用する前記ころ軸受が、間座の前記拡張部にころ端面側に突出した凸部を有し、かつ、ころ端面に凹部を有し、前記凸部を前記凹部に進入させたセパレータ＆ローラタイプの軸受であって、遊星軸の外径面を内輪軌道面として、歯車の内径面を外輪軌道面として代用することを特徴とするものである。このような構成のころ軸受は、間座の前記拡張部によってころ端面を連結することで、鎖状で取り扱うことができるため、内輪と外輪がなくとも容易に装置に取り付けることができる。すなわち、前記ころ軸受は軌道輪を省略したセパレータ＆ローラタイプとすることができ、遊星歯車装置のダウンサイジングが可能となるほか、軸やハウジングの剛性を向上させることができる。あるいは、省略した軌道輪のスペース分だけころ径を大きくした、より定格荷重の高いころ軸受を使用することができ、遊星歯車装置の長寿命化に貢献することができる。

なお、前記セパレータ＆ローラの連結部は、間座を弾性変形させて間座の凸部をころ端面の凹部に進入させることで形成されているため、例えば、前記連結部を一箇所取り外し、取り付け対象である遊星軸に巻きつけた後、再度連結してもよい。また、間座の前記拡張部の根元にスリットを設けることで、軸受の組立て性が向上する。

請求項５の発明は、請求項１に記載の遊星歯車装置に使用する前記ころ軸受が、ころと間座でキーストン効果を発揮させて内輪を省略したころ軸受であって、遊星軸の外径面を内輪軌道面として代用することを特徴とするものである。このような構成のころ軸受は、ころと間座でキーストン効果を発揮させることで、内輪を取り外してもころおよび間座が脱落しない仕様を作り出すことができる。すなわち、前記ころ軸受は内輪を省略することができ、遊星歯車装置のダウンサイジングが可能となるほか、軸やハウジングの剛性を向上させることができる。あるいは、省略した内輪のスペース分だけころ径を大きくした、より定格荷重の高いころ軸受を使用することができ、遊星歯車装置の長寿命化に貢献することができる。

なお、前記ころ軸受は、予め肉厚の異なる２種類以上の間座を製作し、その本数の組合せ（マッチング）によって円周方向すきまを容易に調整することができるため、ころピッチ円径やころ径をシビアに管理することなくキーストンを成立させることができる。すなわち、総転動体軸受よりも低コストでキーストン効果を得ることができる。

請求項６の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の遊星歯車装置に使用する前記ころ軸受の間座が、潤滑油の保持を目的とした凹部を有することを特徴とするものである。ここで、前記凹部は有底のものと貫通穴の両方を含むものとする。このような構成を採用することで、凹部に潤滑油を保持させることができ、遊星歯車装置の長寿命化に貢献することができる。

遊星歯車装置の潤滑方法の多くは油浴潤滑であり、遊星歯車は公転して底に位置したときに初めて油浴に浸かり、潤滑油が供給される。そのため、ある時点では潤滑油に浸かっていない軸受が存在することになる。風力発電機は、風の状況によって長期間運転が停止する場合があり、油浴に浸かっていない遊星歯車内の軸受は、潤滑油が流れ落ちてしまい、その大半を失ってしまう。その状態から、風の状況変化によって運転が再開されると、軸受に潤滑不良が生じ、円滑な回転が損なわれることがある。このことは、風力発電の効率低下を招き、前記軸受の長寿命化の妨げにもなる。

なお、前記間座の材質としては、一般的に自己潤滑性を有する合成樹脂や、気孔に潤滑油を含浸させることができる焼結合金等が望ましい。

本発明は、コンパクトで定格荷重および剛性が高く、表面損傷を軽減したころ軸受を遊星歯車の支持軸受に適用することで、長年にわたりメンテナンスフリーに運転可能な遊星歯車装置を提供することができ、設備のコンパクト化にも貢献することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１および図２は遊星歯車装置を備えた風力発電機用増速機を示す。この増速機は、共通のケーシング１０内に配置した遊星歯車装置１２と２次増速装置１４とを含む。遊星歯車装置１２は入力軸１６の回転を増速して低速軸１８に伝達する役割を果たす。２次増速装置１４は低速軸１８の回転をさらに増速して出力軸２０に伝達する役割を果たす。入力軸１６は風車（図示せず）の主軸（図示せず）等に接続され、出力軸２０は発電機（図示せず）に接続される。

遊星歯車装置１２は、太陽歯車２２と遊星歯車２４と内歯歯車２６を含む歯車列で構成される。遊星歯車２４は太陽歯車２２および内歯歯車２６の双方と噛み合っている。内歯歯車２６は、ケーシング１０に直接形成してもよく、あるいは、別体のものをケーシング１０に固定してもよい。太陽歯車２２は遊星歯車装置１２における出力軸となる部材で、低速軸１８に取り付けてある。低速軸１８は軸受２８，３０によって支持され、ケーシング１０に対して回転自在である。

遊星歯車２４はキャリア３２によって担持されている。キャリア３２は遊星歯車装置１２における入力部となる部材であり、入力軸１６と一体に形成し、または一体に結合してある。キャリア３２は入力軸１６の部分で軸受３４，３６によって支持され、ケーシング１０に対して旋回自在である。キャリア３２の円周方向に複数（図２では３）の遊星軸３８が配設してあり、各遊星軸３８に遊星歯車２４が軸受４０を介して回転自在に支持させてある。各遊星歯車２４の軸受４０は、図示の例では２個並べてあるが、１個でもよい。

２次増速装置１４はギヤ列により構成されている。図示の例では、低速軸１８に固定したギヤ４２が中間軸４４の小径側ギヤ４６と噛み合い、中間軸４４に設けた大径側ギヤ４８が出力軸２０のギヤ５０と噛み合っている。中間軸４４および出力軸２０は、それぞれ軸受５２，５４によって支持され、ケーシング１０に対して回転自在である。

ケーシング１０の下部は潤滑油の油浴５６を形成する部分とされ、その油浴５６の油面レベルＬは、遊星歯車２４を支持する軸受４０がキャリア３２の旋回によって出入りする高さとしてある。

上記構成の動作を説明する。入力軸１６が回転すると、入力軸１６と一体のキャリア３２が旋回し、キャリア３２に担持された遊星歯車２４が公転移動する。このとき各遊星歯車２４は、固定の内歯歯車２６に噛み合いながら公転することで、自転を生じる。この公転しながら自転する遊星歯車２４が太陽歯車２２と噛み合っており、そのため太陽歯車２２は、入力軸１６に対して増速されて回転する。遊星歯車装置１２の出力部となる太陽歯車２２は、２次増速装置１４の低速軸１８に設けてあり、太陽歯車２２の回転が２次増速装置１４で増速されて出力軸２０に伝えられる。このように、入力軸１６に入力される風車主軸（図示せず）の回転が、遊星歯車装置１２と２次増速装置２０とで大幅に増速されて出力軸２０に伝えられ、出力軸２０からは発電が可能な高速回転が得られる。

次に、各遊星歯車２４を支持する軸受４０について述べる。図３に示す実施の形態は、外輪を省略し、遊星歯車の内径面を外輪軌道面として代用する円筒ころ軸受である。この円筒ころ軸受は、内輪２の軌道面上に複数の円筒ころ６を配列し、隣り合う円筒ころ６の間に間座８を介在させてある。内輪２は軸方向の両端につば部を有し、間座８は、図４に示すように、軸受の軸方向に延在する円筒ころ６の転動面６ａと接するころ接触面８ａを有し、その両端にはころ端面６ｂと向き合う拡張部８ｂが設けてある。間座８の軸受の軸方向への動きは、拡張部８ｂがころ端面６ｂと摺接することで規制され、半径方向への動きは、ころの転動面６ａまたは内輪のつば外径面にて規制される。

図５に示す実施の形態は、図３の円筒ころ軸受において、間座８の拡張部８ｂにころ端面側に突出した凸部８ｃが形成してあり（図８（Ａ）参照）、一方、ころ端面には凹部６ｃが形成してある。間座８の凸部８ｃを円筒ころ６の凹部６ｃに進入させることにより、各間座によって隣り合った円筒ころ６が連結されるため、円筒ころ６の外径側への広がりを抑制することができ、外輪がなくてもころおよび間座が内輪から脱落することはない。

図６に示すように、軸受の運転中に凸部８ｃが凹部６ｃの内周壁面と干渉しないように設定することで、間座８に発生する引張応力を回避することができる。間座８は軸受の円周方向ならびに半径方向に若干の自由度を持ち、その大きさは主に円周方向すきまの大小によって決まる。すなわち、その自由度を見越して凸部８ｃと凹部６ｃの位置関係を調整することで、間座８が両隣の円筒ころ６によって引っ張られる現象を回避することができる。

図７に示す実施の形態は、内輪、外輪とも省略したいわゆるセパレータ＆ローラタイプの円筒ころ軸受で、遊星軸の外径面を内輪軌道面として、遊星歯車の内径面を外輪軌道面として代用するようにしたものである。間座８の拡張部８ｂに形成した凸部８ｃを、ころ端面６ｂに形成した凹部６ｃに進入させる点は前述の実施の形態と同じである。このようにして間座８の拡張部８ｂによって隣り合った円筒ころ６を連結することでころ列全体が一連の鎖状となるため取扱いが容易で、内輪と外輪がなくとも容易に装置に取り付けることができる。

なお、間座８の凸部８ｃをころ端面６ｂの凹部６ｃに進入させる際には間座８の弾性変形を利用する。図８（Ｂ）（Ｃ）に示すように、間座８の拡張部８ｂの根元に周囲よりも薄肉にしたスリットその他の薄肉部８ｄを設けると、拡張部８ａを間座８の長手方向に弾性変形させやすくなり、軸受の組立て性が向上する。

図９に示す実施の形態は、円筒ころ６と間座８でキーストン効果を発揮させて内輪を省略した円筒ころ軸受であって、遊星軸の外径面を内輪軌道面として代用するようにしたものである。同図中、符号Ｓｒは最後の１個の円筒ころ６と一対の間座８を押し込む前のころ列のすきまを表し、符号Ａは円筒ころ６と一対の間座８の肉厚の和Ａを表している。両者の関係がＳｒ＜Ａとなるような寸法設定とすることで、最後の１個の円筒ころ６と一対の間座８を押し込めば、ころ列全体が外輪から半径方向内側に脱落することはない（キーストン効果）。この円筒ころ軸受は、予め肉厚の異なる２種類以上の間座を製作し、その組合せ（マッチング）によって円周方向すきま（図６参照）を容易に調整することができるため、ころピッチ円径やころ径をシビアに管理することなくキーストンを成立させることができる。

なお、間座８の材質としては、一般的に自己潤滑性を有する合成樹脂や、気孔に潤滑油を含浸させることができる焼結合金等が望ましい。また、間座８には、潤滑油の保持を目的とした凹部や貫通穴その他の種々形態をした潤滑油保持部を設けてもよい。そのような凹部の例を図１０にいくつか示してある。図１０（Ａ）は、間座８のころ接触面８ａに形成した、互いに独立した窪みの形態をした潤滑油保持部８ｅを示している。図１０（Ｂ）は、間座８のころ接触面８ａに形成した、軸受の軸方向に延びた溝の形態をした潤滑油保持部８ｅを示している。図１０（Ｃ）は、間座８のころ接触面８ａに形成した、軸受の内径側から外径側に切り通した溝状の潤滑油保持部８ｅを示している。図１０（Ｄ）は、間座８の拡張部８ｂの内側、つまり、ころ端面６ｂと向き合う面に形成した、軸受の内径側から外径側まで切り通した溝状の潤滑油保持部８ｅを示している。図１０（Ｅ）は、間座８のころ接触面８ａに設けた貫通穴の形態をした潤滑油保持部を示している。図１０（Ｆ）は、間座８の一部を、軸受の円周方向および半径方向に切り欠くことによって形成した潤滑油保持部８ｅを示している。

遊星歯車装置の実施例を示す縦断面図 図１の遊星歯車装置の横断面図 軸受の実施例を示す破断斜視図 図３の軸受における間座の斜視図 軸受の別の実施例を示す破断斜視図 図５の軸受の部分側面図 軸受の別の実施例を示す斜視図 図５および図７の軸受における間座の斜視図 軸受の別の実施例を示す断面図 間座の各種変形例を示す斜視図

符号の説明

２ 内輪
４ 外輪
６ 円筒ころ
６ａ 転動面
６ｂ ころ端面
６ｃ 凹部
８ 間座
８ａ ころ接触面
８ｂ 拡張部
８ｃ 凸部
８ｄ 薄肉部
８ｅ 潤滑油保持部
１０ ケーシング
１２ 遊星歯車装置
１４ ２次増速装置
１６ 入力軸
１８ 低速軸
２０ 出力軸
２２ 太陽歯車
２４ 遊星歯車
２６ 内歯歯車
２８ 軸受
３０ 軸受
３２ キャリア
３４ 軸受
３６ 軸受
３８ 遊星軸
４０ 軸受
４２ ギヤ
４４ 中間軸
４６ 小径側ギヤ
４８ 大径側ギヤ
５０ ギヤ
５２ 軸受
５４ 軸受
５６ 油浴
１４ ２次増速装置

Claims (7)

1. 太陽歯車と、前記太陽歯車の外周を取り囲む内歯歯車と、前記太陽歯車および内歯歯車の双方に噛み合う遊星歯車を有する遊星歯車装置において、前記遊星歯車を支持する軸受が、隣り合うころ間に間座を具備し、間座の軸方向両端にころ端面と向き合う拡張部を有するころ軸受である遊星歯車装置。
2. 前記ころ軸受が、外輪を省略したころ軸受であって、歯車の内径面を外輪軌道面として代用する請求項１の遊星歯車装置。
3. 前記ころ軸受が、間座の前記拡張部にころ端面側に突出した凸部を有し、かつ、ころ端面に凹部を有し、前記凸部を前記凹部に進入させた外輪を省略したころ軸受であって、歯車の内径面を外輪軌道面として代用する請求項１の遊星歯車装置。
4. 前記ころ軸受が、間座の前記拡張部にころ端面側に突出した凸部を有し、かつ、ころ端面に凹部を有し、前記凸部を前記凹部に進入させたセパレータ＆ローラタイプの軸受であって、遊星軸の外径面を内輪軌道面として、歯車の内径面を外輪軌道面として代用する請求項１の遊星歯車装置。
5. 前記ころ軸受が、ころと間座でキーストン効果を発揮させて内輪を省略したころ軸受であって、遊星軸の外径面を内輪軌道面として代用する請求項１の遊星歯車装置。
6. 前記ころ軸受の間座が、潤滑油の保持を目的とした凹部を有する請求項１ないし５のいずれかの遊星歯車装置。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の遊星歯車装置を備えた風力発電機用増速機。

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