JP2009047280A - 軸受構造、および風力発電機の主軸支持構造 - Google Patents

Abstract

【課題】不均一な荷重が作用する環境で各列の負荷状況に応じた適切な支持が行なえて、かつ経済的な軸受構造を提供する。
【解決手段】軸受構造３１は、第１および第２の内側軌道面３２ａ，３２ｂを有する内輪３２と、第１および第２の内側軌道面３２ａ，３２ｂに沿って配置される複数の転動体としての球面ころ３５と、内径面に第１の内側軌道面３２ａに対面する第１の外側軌道面３３ａを有する外輪３３と、外輪３３を保持する外輪保持部３７ａ、および内径面に第２の内側軌道面３２ｂに対面する第２の外側軌道面３４ａの少なくとも一部が形成されている軌道面形成部３７ｂを有するハウジング３７とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、軸受構造、特に風力発電機の主軸支持構造に関するものである。

従来の風力発電機が、例えば、特開２００５−９６６９号公報（特許文献１）に記載されている。同公報に記載されている風力発電機は、支持台と、支持台上に旋回座軸受を介して水平旋回自在に配置される主要部品を格納するナセルと、軸受ハウジングに固定された軸受によって回転自在に支持される主軸と、主軸の一方端側にブレードと、主軸の他方端側に増速機および発電機とを備える。

上記構成の風力発電機は、風を受けて回転するブレードに伴って主軸が回転し、増速機によって主軸の回転が増速され、発電機で電力に変換される。この風力発電機の主軸は、ブレードが風を受けることによって生じるアキシアル荷重の他に、ブレードの自重によって生じるラジアル荷重を受ける。そこで、同公報では、主軸を支持する軸受として複列の自動調心ころ軸受を採用している。
特開２００５−９６６９号公報

上記構成の複列自動調心ころ軸受は、主軸に負荷されるアキシアル荷重をブレードから遠い側の軌道面に配置される転動体で支持し、主軸に負荷されるラジアル荷重を各列の軌道面の下半分に配置される転動体で支持する。すなわち、風力発電機の主軸を支持する軸受には、不均一な荷重が負荷されることになる。

しかし、主軸支持用軸受の選定に際しては、最大荷重を適切に支持できる軸受を選択する必要がある。すなわち、負荷される荷重が相対的に小さい領域（「非負荷領域」という）においてはオーバースペックとなり、不経済である。

そこで、この発明の目的は、不均一な荷重が作用する環境で各列の負荷状況に応じた適切な支持が行なえて、かつ経済的な軸受構造、特に風力発電機の主軸支持構造を提供することである。

この発明に係る軸受構造は、第１および第２の内側軌道面を有する内輪と、第１および第２の内側軌道面に沿って配置される複数の転動体と、内径面に第１の内側軌道面に対面する第１の外側軌道面を有する外輪と、外輪を保持する外輪保持部、および内径面に第２の内側軌道面に対面する第２の外側軌道面の少なくとも一部が形成されている軌道面形成部を有するハウジングとを備える。

上記構成とすることにより、第１の軌道面（「第１の内側軌道面および第１の外側軌道面」の総称）の耐荷重性は、第２の軌道面（「第２の内側軌道面および第２の外側軌道面」の総称）と比較して高くなる。したがって、第１の軌道面に相対的に大きな負荷されるような環境で使用する場合には、経済的で信頼性の高い軸受構造を得ることができる。

好ましくは、外輪は、円弧形状の第１の外輪部材を円周方向に複数連ねて形成されている。これにより、第１の外輪部材は、外輪と比較して小型で軽量となるので、生産性や組立性が向上する。

好ましくは、第２の外側軌道面は、円弧形状の軌道面形成部の内径面と、軌道面形成部の円周方向に連なるようにハウジングに保持される円弧形状の第２の外輪部材の内径面とで構成される。第２の外側軌道面のうちの第２の外輪部材に形成された部分の耐荷重性は、ハウジングに形成された部分と比較して高くなる。したがって、一方方向にラジアル荷重が負荷されるような環境で使用する場合には、さらに経済的で信頼性の高い軸受構造を得ることができる。

好ましくは、外輪とハウジングとの当接面には軟質物質が介在している。これにより、当接面に生じるフレッティングやクリープを防止することができる。また、隣接する外輪部材の当接面に軟質物質を配置しても、同様の効果を得ることができる。

一実施形態として、第１および第２の外側軌道面は単一の球面を構成する。また、転動体は球面ころである。そして、軸受構造は複列自動調心ころ軸受を構成する。

この発明に係る風力発電機の主軸支持構造は、風を受けて回転するブレードと、ブレードを支持する主軸と、主軸を回転自在に支持する上記のいずれかに記載の軸受構造とを備える。好ましくは、軸受構造は複列自動調心ころ軸受であって、外輪はブレードから遠い側に配置される。

これにより、ブレードが風を受けることによって生じるアキシアル荷重を第１の軌道面で適切に支持することができると共に、非負荷領域で外輪を省略することにより、コストを低減することができる。

この発明によれば、相対的に大きな荷重が負荷される領域（「負荷領域」という）の外側軌道面を外輪部材に形成し、非負荷領域の外側軌道面をハウジングに形成することによって、不均一な荷重が作用する環境で各列の負荷状況に応じた適切な支持が行なえて、かつ経済的な軸受構造、特に風力発電機の主軸支持構造を得ることができる。

図１〜図５を参照して、この発明の一実施形態に係る軸受構造３１、および軸受構造３１を採用した風力発電機１１を説明する。なお、図１は軸受構造３１を示す図、図２は図１の矢印ＩＩの方向から見た矢視図、図３は図１のＩＩＩの方向から見た矢視図、図４および図５は風力発電機１１の内部構造を示す図である。

まず、図４および図５を参照して、風力発電機１１は、支持台１２と、旋回座軸受１３と、ナセル１４と、ブレード１５と、主軸１６と、増速機１７と、発電機１８と、主軸支持用軸受としての軸受構造３１と、旋回用モータ２０と、減速機２１とを備える。

ナセル１４は、支持台１２の上に旋回座軸受１３を介して設置されており、旋回用モータ２０および減速機２１によって水平旋回自在となっている。また、風力発電機１１の主要部品である主軸１６、増速機１７、発電機１８、軸受構造３１、旋回用モータ２０、および減速機２１等を収容するハウジングとして機能する。

ブレード１５は、主軸１６の一端に固定されて風を受けて回転する。主軸１６は、一端がブレード１５に他端が増速機１７それぞれに接続されると共に、軸受構造３１によって回転自在に支持されている。そして、ブレード１５の回転を増速機１７を介して発電機１８に伝達する。

軸受構造３１には、ブレード１５が受ける風力等によって大きなアキシアル荷重が負荷されると共に、ブレード１５の自重等によって大きなラジアル荷重が負荷される。そこで、このような環境で使用される軸受構造３１は、複列自動調心ころ軸受を構成する。

次に、図１〜図３を参照して、軸受構造３１は、内輪３２と、外輪部材３３ｂ，３３ｃ，３４と、転動体としての複数の球面ころ３５と、隣接する球面ころ３５の間隔を保持する保持器３６と、ハウジング３７とを備える。

内輪３２は、外径面に第１および第２の内側軌道面３２ａ，３２ｂを有する。また、第１および第２の内側軌道面３２ａ，３２ｂの間に中鍔３２ｃが、軸方向両端部に外鍔３２ｄがそれぞれ形成されている。球面ころ３５は、第１および第２の内側軌道面３２ａ，３２ｂそれぞれに沿って複数個配置されており、内輪３２に嵌合する主軸１６の回転に伴って転動する。

外輪部材３３ｂ，３３ｃは、円弧形状の部材であって、その内径面に第１の内側軌道面３２ａに対面する第１の外側軌道面３３ａの一部が形成されている。そして、外輪部材３３ｂ，３３ｃを円周方向に連ねて円環形状の外輪３３を形成する。外輪部材３４は、円弧形状の部材であって、その内径面に第２の内側軌道面３２ｂに対面する第２の外側軌道面３４ａの一部が形成されている。なお、この実施形態においては、外輪部材３３ｂ，３３ｃ，３４の中心角は、いずれも１８０°である。

ハウジング３７は、外輪３３を保持する外輪保持部３７ａと、内径面に第２の外側軌道面３４ａの一部が形成されている軌道面形成部３７ｂとを備える。この実施形態における第２の外側軌道面３４ａは、円弧形状の軌道面形成部３７ｂの内径面と、軌道面形成部３７ｂの円周方向に連なるようにハウジング３７に保持される円弧形状の第２の外輪部材３４の内径面とで構成されている。

つまり、外側軌道面は、主軸１６の回転軸線に平行な平面で第１および第２の外側軌道面３３ａ，３４ａに分割（「軸方向に分割」という）されている。また、第１および第２の外側軌道面３３ａ，３４ａは、それぞれ主軸１６の回転軸線に垂直な平面で分割（「径方向に分割」という）されている。

なお、この実施形態における第１および第２の外側軌道面３３ａ，３４ａは、滑らかに連なっており、単一の球面の一部を構成している。これにより、内輪３２の内径面に嵌合する主軸１６の撓みを吸収することができる。

ここで、外輪部材３３ｂ，３３ｃ，３４には熱処理が施されているので、非常に硬度が高くなっている。また、外輪部材３３ｂ，３３ｃ，３４の内径面（外側軌道面となる部分を指す）には研削加工が施されているので、非常に平滑な面となっている。

一方、ハウジング３７は、外輪部材３３ｂ，３３ｃ，３４と比較すると硬度が低く、内径面（外側軌道面となる部分を指す）の表面粗さも粗い。しかし、上記の熱処理や研削加工の一部または全部を省略できるので、外輪部材３３ｂ，３３ｃ，３４と比較すると製造コストを低減することができる。

したがって、外輪部材３３ｂ，３３ｃ，３４の内径面に形成されている第１および第２の外側軌道面３３ａ，３４ａは、ハウジング３７に形成されている第２の外側軌道面３４ａと比較して耐荷重性が高い。すなわち、球面ころ３５から大きな荷重を受けても変形せず、球面ころ３５のスムーズな回転を阻害することもない。

そこで、上記構成の軸受構造３１を風力発電機１１に組み込む場合、外輪３３をブレード１５から遠い側に配置する。これによりブレード１５が風を受けることによって生じるアキシアル荷重を適切に支持することができる。また、第２の外輪部材３４を主軸１６の下部に配置する。これにより、ブレード１５の自重によって生じるラジアル荷重を適切に支持することができる。一方、非負荷領域の軌道面をハウジング３７に形成することにより、製品コストを低減することができる。

なお、上記の実施形態においては、外輪３３を第１の外輪部材３３ｂ，３３ｃを円周方向に連ねて形成した例を示したが、これに限ることなく、円環形状の外輪を主軸１６の軸方向から組み込むようにしてもよい。ただし、風力発電機１１の主軸１６を支持する軸受は、大型で高所に設置されるので、第１の外輪部材３３ｂ，３３ｃを主軸１６の径方向から組み込むほうが容易である。

また、上記の実施形態においては、外輪３３を２つの第１の外輪部材３３ｂ，３３ｃで形成した例を示したが、これに限ることなく、３つ以上の外輪部材を円周方向に連ねて形成してもよい。また、各外輪部材の中心角は同一である必要はなく、相互に異ならせてもよい。同様に、第２の外輪部材３４の中心角も１８０°に限定されない。しかし、第２の外輪部材３４と軌道面形成部３７ｂとの境界部分が非負荷領域に配置されるように、第２の外輪部材３４の中心角を設定するのが望ましい。

また、内輪３２およびハウジング３７についても、組立性の観点から軸方向、および／または、径方向に分割するのが望ましい。このときの分割数や中心角は、外輪３３の場合と同様に任意に設定することができる。

また、上記の実施形態においては、第２の外側軌道面３４ａの一部を第２の外輪部材３４に形成した例を示したが、これに限ることなく、第２の外輪部材３４を省略してもよい。この場合、第２の外側軌道面３４ａは、全てハウジング３７の軌道面形成部３７ｂに形成される。

また、上記の実施形態においては、第２の外側軌道面３４ａの一部をハウジング３７の内径面に形成した例を示したが、これに限ることなく、ハウジング３７の内径面に他の部材を嵌め込んで第２の外側軌道面３４ａを構成してもよい。このリング部材は非負荷領域に配置されるので、金属を所定の曲率にプレス加工しただけのものであってもよいし、樹脂材料を射出成型して形成してもよい。このとき、リング部材はハウジングを構成する要素として捉えるべきである。

また、上記の実施形態においては、内輪３２に中鍔３２ｃおよび外鍔３２ｄを設けた例を示したが、これらはこの発明の必須の構成要素ではなく、省略することができる。この場合、第１および第２の内側軌道面３２ａ，３２ｂの間に案内輪を配置するなどしてもよい。

さらに、外輪３３とハウジング３７との当接面には、軟質物質３８が介在している。具体的には、外輪３３の外径面とハウジング３７の内径面との間にリング形状の軟質物質３８を配置している。この軟質物質３８は、外輪３３とハウジング３７との当接面に生じるフレッティングやクリープを防止する。これにより、軸受構造３１の耐久性が向上するので、風力発電機１１のメンテナンス周期を延伸することができる。

この軟質物質３８は、外輪３３およびハウジング３７より硬度の低い材料で構成される。例えば、銅や銀を含む軟質金属、ゴムや樹脂を含む弾性物質、またはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）や二硫化モリブデンを含む固体潤滑剤等が該当する。または、上記の材料単体でなく、鋼の表面に上記の材料を被覆した複合材料であってもよい。

また、当接面の少なくともいずれか一方に表面処理を施して、軟質物質層を形成してもよい。例えば、リン酸塩被膜処理（パーカー処理）、硬質クロムメッキ処理、窒化処理、セラミックコーティング処理および防錆処理等が該当する。これにより、フレッティングやクリープの防止に加えて、各表面処理特有の効果を合わせて享受することができる。

また、上記の実施形態においては、外輪３３の外径面とハウジング３７の内径面との間に軟質物質３８を配置した例を示したが、これに限ることなく、異なる構成部品の当接面であれば他の部分に配置しても同様の効果を得ることができる。具体的には、外輪３３の軸方向端面とハウジング３７との間、隣接する第１の外輪部材３３ｂ，３３ｃの互いに対面する円周方向端面の間、外輪３３の軸方向端面と第２の外輪部材３４の軸方向端面との間、および第２の外輪部材３４の外径面とハウジング３７の内径面との間にも適用することができる。

さらに、上記の実施形態においては、当接面の一部にのみ軟質物質３８を介在させた例を示したが、これに限ることなく、当接面の全面に介在させてもよい。

なお、この軟質物質３８は、上記の軸受構造３１に限らずハウジングを構成要素としない通常の転がり軸受にも適用することができる。つまり、軸方向、および／または、径方向に分割された軌道輪（「内輪」および「外輪」の両方を含む）の当接部分に軟質物質を介在させることにより、フレッティングやクリープを防止することができる。

上記の実施形態においては、軸受構造３１を構成する軸受として自動調心ころ軸受の例を示したが、これに限ることなく、円錐ころ軸受、円筒ころ軸受、針状ころ軸受、深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受、および４点接触玉軸受等、転動体がころであるか玉であるかを問わず、複列の軌道面を有するあらゆる転がり軸受を採用することができる。

例えば、この発明を複列円錐ころ軸受に使用する場合において、円錐ころの大径側端部を突き合わせた正面組み合わせの円錐ころ軸受の場合には、外輪をブレード１５から遠い側に配置する。一方、円錐ころの小径側端部を突き合わせた背面組み合わせの円錐ころ軸受の場合には、外輪をブレード１５に近い側に配置する。

また、上記の実施形態においては、風力発電機の主軸支持構造にこの発明を適用した例を示したが、これに限ることなく、この発明は、不均一な荷重が負荷されるあらゆる軸受構造に適用することができる。

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。

この発明は、不均一な荷重が負荷される軸受構造に有利に利用される。

この発明の一実施形態に係る軸受構造を示す図である。 図１のＩＩの方向から見た矢視図である。 図１のＩＩＩの方向から見た矢視図である。 図１の軸受構造を採用した風力発電機を示す図である。 図４に示す風力発電機の図解的側面図である。

符号の説明

１１ 風力発電機、１２ 支持台、１３ 旋回座軸受、１４ ナセル、１５ ブレード、１６ 主軸、１７ 増速機、１８ 発電機、２０ 旋回モータ、２１ 減速機、３１ 軸受構造、３２ 内輪、３２ａ，３２ｂ 内側軌道面、３２ｃ，３２ｄ 鍔部、３３ 外輪、３３ａ，３４ａ 外側軌道面、３３ｂ，３３ｃ，３４ 外輪部材、３５ 球面ころ、３６ 保持器、３７ ハウジング、３７ａ 外輪保持部、３７ｂ 軌道面形成部、３８ 軟質物質。

Claims (7)

1. 第１および第２の内側軌道面を有する内輪と、
   前記第１および第２の内側軌道面に沿って配置される複数の転動体と、
   内径面に前記第１の内側軌道面に対面する第１の外側軌道面を有する外輪と、
   前記外輪を保持する外輪保持部、および内径面に前記第２の内側軌道面に対面する第２の外側軌道面の少なくとも一部が形成されている軌道面形成部を有するハウジングとを備える、軸受構造。
2. 前記外輪は、円弧形状の第１の外輪部材を円周方向に複数連ねて形成されている、請求項１に記載の軸受構造。
3. 前記第２の外側軌道面は、円弧形状の前記軌道面形成部の内径面と、前記軌道面形成部の円周方向に連なるように前記ハウジングに保持される円弧形状の第２の外輪部材の内径面とで構成される、請求項１または２に記載の軸受構造。
4. 前記外輪と前記ハウジングとの当接面には、軟質物質が介在している、請求項１〜３のいずれかに記載の軸受構造。
5. 前記第１および第２の外側軌道面は、単一の球面を構成し、
   前記転動体は、球面ころであって、
   前記軸受構造は、複列自動調心ころ軸受を構成する、請求項１〜４のいずれかに記載の軸受構造。
6. 風を受けて回転するブレードと、
   前記ブレードを支持する主軸と、
   前記主軸を回転自在に支持する請求項１〜５のいずれかに記載の軸受構造とを備える、風力発電機の主軸支持構造。
7. 前記軸受構造は、複列自動調心ころ軸受であって、
   前記外輪は、前記ブレードから遠い側に配置される、請求項６に記載の風力発電機の主軸支持構造。
   

Images