JP5719416B2

JP5719416B2 - 垂直軸型風車用軸受の設計方法

Info

Publication number: JP5719416B2
Application number: JP2013193190A
Authority: JP
Inventors: 浅生　利之; 利之浅生; 飯田　勝也; 勝也飯田; 智幸会田; 勇樹林; 隆咲山
Original assignee: THK Co Ltd
Current assignee: THK Co Ltd
Priority date: 2013-09-18
Filing date: 2013-09-18
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2031-11-29
Also published as: JP2013257045A

Description

本発明は、垂直軸型風車用軸受の設計方法に関する。

流体の流れを利用して発電を行う垂直軸型流体発電装置として、例えば、風（作動流体）の流れを利用した風力発電装置が開発されている。このような垂直軸型風力発電装置は、軸体と、軸体の中心軸回りに間隔をあけて配列されるとともに、該軸体に接続される複数のブレード（風車）と、軸受を介して軸体を中心軸回りに回転可能に支持する支持体と、軸体が周方向に回転することで得られる機械エネルギーを電気エネルギーに変換して電力を発電させる発電機と、を備えている。

例えば、特許文献１に記載された風力発電装置では、垂直翼（ブレード）に一体とされた回転機構（軸体）が、地面に対して鉛直方向（水平面に対して垂直な方向）に延設されているとともに一対のベアリング（玉軸受）が設けられることにより回転可能とされた状態で、中間固定シャフト（支持体）に支持されている。

特開２００６−２０７３７４号公報

しかしながら、従来の垂直風力発電装置においては、以下の課題がある。すなわち、軸体は、強度確保に必要な直径に設定し、この直径に対応して、例えば７０ＸＸ系等の市場に流通している玉軸受を選定する。ところが、このようにして選定した玉軸受では、定格荷重が過大（オーバースペック）となる。また、玉軸受の負荷容量(動定格荷重や静定格荷重)も大きいので、トルク抵抗も大きくなる。このため、軸体の回転（特に低風速域における回転）が阻害されて発電効率を低下させてしまい、効率の悪い風車になってしまうという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、トルク抵抗が小さく、軸体を円滑に回転させて、発電効率を高めることができる垂直軸型風車用軸受の設計方法を提供することを目的とする。

本発明は、垂直軸型風車の垂直軸を回転可能に支持する軸受の設計方法において、前記軸受に要求される動定格荷重を満たすための転動溝曲率とボール比の関係を示す曲線と、前記軸受に要求される静定格荷重を満たすための転動溝曲率とボール比の関係を示す曲線と、前記軸受に要求される起動トルクを満たすための転動溝曲率とボール比の関係を示す曲線と、を求め、これらの曲線に囲まれた領域にある軸受を選定することを特徴とする。

本発明に係る垂直軸型風車用軸受は、前述の垂直軸型風車用軸受の設計方法により設計されたことを特徴とする。

本発明によれば、トルク抵抗が小さく、軸体を円滑に回転させて、発電効率を高めることができる垂直軸型風車用軸受を実現することができる。

本発明の第一実施形態に係る垂直軸型風力発電装置を示す外観図である。本発明の第一実施形態に係る垂直軸型風力発電装置を示す側断面図である。本発明の第一実施形態に係る軸受を示す図である。軸受の要求性能を満たすための転動溝曲率とボール比の関係曲線をグラフ化したものである。本発明の第二実施形態に係る垂直軸型風力発電装置及び軸受を示す側断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
（第一実施形態）
図１は、第一実施形態に係る垂直軸型風力発電装置１０を示す外観図である。図２は、垂直軸型風力発電装置１０を示す側断面図である。
図１、図２に示すように、垂直軸型風力発電装置（垂直軸型流体発電装置）１０は、風（作動流体）Ｗを受けて回転する回転機構１０Ａと、回転機構１０Ａにより得られた機械エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機構１０Ｂと、を有している。
回転機構１０Ａは、風Ｗを受ける風車１と、風車１に連結された回転軸（軸体）２と、軸受３を介して回転軸２を中心軸Ｃ回りに回転可能に支持するケーシング（支持体）４と、を備える。
発電機構１０Ｂは、回転軸２が周方向（中心軸Ｃ回り）に回転することで得られる機械エネルギーを電気エネルギーに変換して電力を発電させる発電機５を備えている。
これら回転機構１０Ａ及び発電機構１０Ｂは、地面Ｆに立設されて鉛直方向に延びるタワー（支柱）６の上部に配設されている。

風車１は、所謂ジャイロミル型風車である。風車１は、矩形板状又は帯板状をなし地面Ｆと鉛直方向に延びるブレード１Ａを複数有する。複数のブレード１Ａは、回転軸２の中心軸Ｃ回りに、周方向均等に間隔をあけて、配設される。複数のブレード１Ａは、これらを支持する複数のアーム１Ｂを介して回転軸２に連結される。
ブレード１Ａは、風Ｗを受けると揚力を発生する形状に形成される。この揚力によって、風車１が回転軸２の中心軸Ｃ回りに回転する。
風車１は、風向きに対して依存性がない。すなわち、どの方向からの風Ｗに対しても風車１を回転軸２の中心軸Ｃ回りに回転可能な形状に設定される。

図２に示すように、風車１（ブレード１Ａ）が連結される回転軸２は、中心軸Ｃが地面Ｆに対して垂直となるように、鉛直方向に延びて配設される。回転軸２は、軸受３を介してケーシング４に対して回転可能に軸支される。

回転軸２の外周面には、矩形板状又は帯板状をなすアーム１Ｂの一端が接続され、径方向外方へ向けて複数突設されている。これらアーム１Ｂは、回転軸２の周方向均等に間隔をあけて配設される。そして、アーム１Ｂの他端に、ブレード１Ａが連結される。１つのブレード１Ａに対して、一対のアーム１Ｂが中心軸Ｃ方向に離間して平行に設けられる。

回転軸２は、その中央部近傍と下端部近傍に軸受３が設けられることにより、ケーシング４に対して回転可能に支持される。軸受３は、回転軸２の中心軸Ｃ方向に互いに離間するラジアル軸受１３と、複列のアンギュラ軸受１４Ａ，１４Ｂとを備える。
ラジアル軸受１３は、回転軸２における中心軸Ｃ方向の発電機５側の端部に配設される。具体的には、ラジアル軸受１３の内輪１５が、回転軸２の下端側に固設される。
複列のアンギュラ軸受１４Ａ，１４Ｂは、回転軸２における中心軸Ｃ方向の風車１側に配設される。具体的には、複列のアンギュラ軸受１４Ａ，１４Ｂの内輪１７，１７が、回転軸２の中央部に固設される。

ケーシング４は、風車１側（一方側）の上側部分４Ａが、風車１とは反対のタワー６側（他方側）の下側部分４Ｂよりも縮径された多段筒形に形成される。ケーシング４は、下側部分４Ｂの下端部がタワー６の上端部に連結される。
ケーシング４の上側部分４Ａの内周面には、上端側に、アンギュラ軸受１４Ａ，１４Ｂの外輪１８，１８が固設される。ケーシング４の上側部分４Ａの内周面には、下端側に、ラジアル軸受１３の外輪１６が固設される。
軸受３のラジアル軸受１３とアンギュラ軸受１４Ａ，１４Ｂは、同一直径の複数のボール７を有する。同一直径の複数のボール７を有する。

なお、ラジアル軸受１３とアンギュラ軸受１４Ａ，１４Ｂとの上下位置は、前述とは反対に設定されてもよい。すなわち、ラジアル軸受１３が回転軸２の風車１側に配設され、アンギュラ軸受１４Ａ，１４Ｂが回転軸２の発電機５側に配設されてもよい。
また、アンギュラ軸受１４Ａ，１４Ｂ同士は、背面合わせ以外の正面合わせや並列合わせであってもよい。

ケーシング４の下側部分４Ｂの内部には、発電機５や制御部（不図示）等が収容される。
発電機５は、回転軸２の回転によって得られる回転力（機械エネルギー）を電気エネルギーに変換して電力を発電するものである。
発電機５は、回転軸２の下端に連結されて回転軸２とともに回転するマグネットロータ８と、マグネットロータ８の外周側を取り囲むように配設されたコイルステータ９と、を備えている。

このような構成により、風車１が風Ｗを受けて回転軸２を中心軸Ｃ回りに回転させると、回転軸２に連結されたマグネットロータ８も中心軸Ｃ回りに回転する。つまり、マグネットロータ８が風車１及び回転軸２と同軸（中心軸Ｃ）上で回転する。
そして、マグネットロータ８がコイルステータ９に対して中心軸Ｃ回りに回転することにより、マグネットロータ８とコイルステータ９との間で電磁誘導が発生して、電力が発電される。

次に、回転軸２を軸支する軸受３の要求性能について、詳細に説明する。
図３は、第一実施形態に係る軸受３を示す図である。
垂直軸型風力発電装置１０の回転軸２は、効率よく、軽く回転することが望まれる。このため、回転軸２に用いられる軸受３は、風車１が微弱な風速の風Ｗを受けた場合であっても、回転軸２が回転するように軸支することが要請される。
このため、軸受３（ラジアル軸受１３、アンギュラ軸受１４Ａ，１４Ｂ）は、起動トルク及び回転トルクが極力小さいことが必要である。
その一方で、回転軸２を軸支する軸受３は、変動が大きい外力（風車１が受ける風Ｗ）を長期間に亘って受けるため、十分な静的負荷容量 (基本静定格荷重)と動的負荷容量（基本動定格荷重）を満足する性能を有することが必要である。
したがって、軸受３は、十分な定格荷重を有する一方で、回転トルクが小さいものである必要がある。

軸受３の仕様（性能)のうち、回転トルク、定格荷重（基本静定格荷重・基本動定格荷重）を決定する形状パラメータには、以下の４項目があることが知られている。

（１）ボール直径Dw
（２）転動溝曲率α（α=R／Dw、R=転動溝半径）
（３）ボール中心径Dpw
（４）ボール数z

一般的に、（１），（３），（４）の数値を大きくすると、回転トルク及び定格荷重も大きくなる。一方、（２）の数値を大きくすると、回転トルク及び定格荷重が小さくなることが知られている。このため、これら4つのパラメータのバランスが重要となる。

一方、風車１が受ける最大風力などの条件（使用条件）から、回転軸２の直径ｄ１は、ほぼ必然的に定まる（必要最小限の直径以上）。そして、軸受３の内径ｄは、回転軸２の直径ｄ１と同一なので、ほぼ必然的に定まる。
軸受３の内径ｄが定まると、（３）ボール中心径Dpwは、（１）ボール直径Dwを決定することにより導かれる。
また、（４）ボール数ｚは、（１）ボール直径Dwと（３）ボール中心径Dpwを決定することにより導かれる。軌道上に配置できるボールＢの最大数は物理的に定まるからである。ボール数ｚを減らすと、ボールＢ一つあたりの負荷が大きくなり信頼性が低下してしまうため現実的ではない。

そうすると、風車１の回転軸２に最適な軸受３を設計（採用）しようとする場合、（１）ボール直径Dwと（２）転動溝曲率αの２つが重要なパラメータとなることが理解できる。
したがって、軸受３が十分な負荷容量を有し、低回転トルクとなるためには、軸受３は、以下の条件を満足する必要である。
（ｉ）ボール直径Dwを小さくする。
（ii）転動溝曲率αを大きくする。

そして、上述した条件を満たす軸受３を設計（採用）するには、以下の手順を行う。
まず、風車１の仕様（使用条件）から、回転軸２を軸支する軸受３に要求される性能を求める。具体的には、軸受３に要求される定格荷重（基本動定格荷重・基本静定格荷重）及び起動トルクを求める。
次に、求めた要求性能（基本動定格荷重、基本静定格荷重及び起動トルク）のそれぞれについて、その要求性能を満たすための（１）ボール直径Dwと（２）転動溝曲率αの関係（関係曲線）を求める。

図４は、軸受３が要求性能を満たすためのボール比βと転動溝曲率αの関係曲線をグラフ化したものである。図４は、風車１の受風面積が９ｍ^２の場合を示す。風条件は、ＩＥＣ６１４００−２ｃｌａｓｓＩＶである。
なお、ＩＥＣ６１４００−２において、受風面積が２ｍ^２〜２００ｍ^２未満の風車を小型風車とよぶ。

図４において、縦軸はボール比βを、横軸は転動溝曲率αを示す。縦軸は（１）ボール直径Dwそのものではなく、回転軸２の直径ｄ１に対するボール直径Dwの比率（ボール比β）を示す。回転軸２の直径ｄ１は、必ずしも必要最小限の寸法に設計されるとは限らないので、ボール比βを用いている。

ボール比β＝Dw／d （Dw=ボール直径、d=回転軸直径）

上述したように、軸受３は、定格荷重と起動トルクを満たす必要がある。軸受３は、少なくとも基本動定格荷重及び基本静定格荷重のいずれか一方を満たし、更に起動トルクを満たす必要がある。より好ましくは、軸受３は、基本動定格荷重、基本静定格荷重及び起動トルクの全てを満たすことが望まれる。

図４の場合には、軸受３の（１）ボール直径Dwと（２）転動溝曲率αが、領域Ｉ、領域II及び領域IIIにプロットされるものであれば、垂直軸型風力発電装置１０の回転軸２に用いる軸受として適していることが理解できる。
さらに、軸受３の（１）ボール直径Dwと（２）転動溝曲率αが、領域Ｉにプロットされるものが最適である。おおよそ、（１）ボール直径Dwが２０％以下である。好ましくは、１０％〜１５％である。（２）転動溝曲率αが５４％〜１００％である。好ましくは、５５％〜６５％である。
例えば、転動溝曲率α＝６０％、ボール比β＝１２％である軸受３を設計（採用）すればよい。

ボール直径Dwが２０％を超える場合には、定格荷重と起動トルクの両者を満足させることが困難となる。また、回転軸２の直径に対してあまりにボール径Dwが大きくなりすぎると、軸受３に配置できるボール７の数が少なくなってしまい、ボール７の一個あたりの負荷が過大となってしまい現実的ではない。さらに、一般的に、直径が小さ過ぎるボールや大きいボール(特に直径1インチ以上)は市場性が低く、コストが増加してしまう。
このため、ボール直径Dwは２０％以下が好適である。

ボール直径Dwが１０％未満の場合には、定格荷重と起動トルクの両者を満足させることが困難となる。
このため、ボール直径Dwは１０％以上が好適である。

転動溝曲率αが５４％未満の場合には、ボール直径Dwが１０％以下の場合と同様に、定格荷重と起動トルクの両者を満足させることが困難となる。
このため、転動溝曲率αは５４％以上が好適である。

転動溝曲率αが１００％を超えるの場合には、ボール直径Dwが２０％を超える場合と同様に、定格荷重と起動トルクの両者を満足させることが困難となる。
このため、転動溝曲率αは１００％以下が好適である。

以上説明したように、第一実施形態に係る垂直軸型風力発電装置１０では、軸受３は、（ｉ）ボール直径Dwが小さく、（ii）転動溝曲率αが大きいので、十分な定格荷重を有する一方で回転トルクが小さい。
したがって、風車１が微弱な風速の風Ｗを受けた場合であっても、回転軸２が回転するように軸支される。また、変動が大きい外力（風車１が受ける風Ｗ）を長期間に亘って受けることができる。よって、垂直軸型風力発電装置１０は、高い効率で発電できる。

（第二実施形態）
図５は、第二実施形態に係る垂直軸型風力発電装置２０及び軸受２３を示す側断面図である。
以下では、第一実施形態に係る垂直軸型風力発電装置１０及び軸受３とは異なる点について説明し、垂直軸型風力発電装置１０及び軸受３と同一の部材等については説明を省略等する。

垂直軸型風力発電装置２０の回転軸２２は、軸受２３により軸支される。軸受２３は、上述したラジアル軸受１３と、アンギュラ軸受２４Ａ，２４Ｂとを備える。
風車１が連結される回転軸２２において、複列のアンギュラ軸受２４Ａ，２４Ｂが設けられる部分には、複数のボール７が転走する転走溝３３が形成される。つまり、アンギュラ軸受２４Ａ，２４Ｂは、外輪２８のみを有し、内輪を有しない。このため、回転軸２２の外周面にボール７が転走する転走溝３３が形成される。
転走溝３３は、回転軸２２の外周面において周方向に沿って延びる環状をなしており、中心軸Ｃ側に向かって窪む凹曲線状に形成される。

なお、ラジアル軸受１３とアンギュラ軸受２４Ａ，２４Ｂとの上下位置は、前述とは反対に設定されてもよい。すなわち、ラジアル軸受１３が回転軸２の風車１側に配設され、アンギュラ軸受２４Ａ，２４Ｂが回転軸２の発電機５側に配設されてもよい。
また、アンギュラ軸受２４Ａ，２４Ｂ同士は、背面合わせ以外の正面合わせや並列合わせであってもよい。

回転軸２２を軸支する軸受２３の要求性能は、軸受３と同一である。
したがって、上述した条件を満たす軸受２３を設計（採用）するには、軸受３の設計（採用）と同一の手順を行えばよい。
ただし、ラジアル軸受１３とアンギュラ軸受２４Ａ，２４Ｂでは、半径ｄ、ボール直径Dw、転動溝半径Ｒ、ボール中心径Dpw、ボール数zの値が異なるので、それぞれ別個に設計（採用）する必要がある。例えば、アンギュラ軸受２４Ａ，２４Ｂの半径ｄは、回転軸２２の直径ｄ１ではなく、転走溝３３が形成された部位の直径ｄ２となる。

第二実施形態に係る垂直軸型風力発電装置２０においても、軸受２３は（ｉ）ボール直径Dwが小さく、（ii）転動溝曲率αが大きいので、十分な定格荷重を有する一方で回転トルクが小さい。したがって、風車１が微弱な風速の風Ｗを受けた場合であっても、回転軸２２が回転するように軸支される。また、変動が大きい外力（風車１が受ける風Ｗ）を長期間に亘って受けることができる。よって、垂直軸型風力発電装置２０は、高い効率で発電できる。

上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

ラジアル軸受が内輪を有さずに、回転軸２２に転走溝を形成する場合であってもよい。

ラジアル軸受とアンギュラ軸受が内輪のみを有し、外輪を有さずに、ケーシング４（上側部分４Ａ）の内周面に転走溝を形成する場合であってもよい。

回転軸２，２２は、一体構造に限らず、複数の軸部材を連結する場合であってもよい。
一対のアーム１Ｂは、中心軸Ｃ方向に離間して平行でなくてもよい。
軸受３，２３のラジアル軸受１３とアンギュラ軸受１４Ａ，１４Ｂ，２４Ａ，２４Ｂのボール径は、それぞれ同径であってもよいし、異径であってもよい。

１…風車、２…回転軸（軸体）、３…軸受（垂直軸型風車用軸受）、４…ケーシング（支持体）、５…発電機、７…ボール、１０…垂直軸型風力発電装置、１３…ラジアル軸受、１４Ａ，１４Ｂ…アンギュラ軸受、２０…垂直軸型風力発電装置、２２…回転軸（軸体）、２３…軸受（垂直軸型風車用軸受）、２４Ａ，２４Ｂ…アンギュラ軸受、３３…転走溝、Ｃ…中心軸

Claims

垂直軸型風車の垂直軸を回転可能に支持する軸受の設計方法において、
前記垂直軸の直径に対するボールの直径の比率を第一比率とし、
前記ボールの直径に対する転動溝の半径の比率を第二比率とし、
前記軸受に要求される動定格荷重を満たすための前記第一比率と前記第二比率の関係を示す曲線と、
前記軸受に要求される静定格荷重を満たすための前記第一比率と前記第二比率の関係を示す曲線と、
前記軸受に要求される起動トルクを満たすための前記第一比率と前記第二比率の関係を示す曲線と、を求め、
これらの曲線に囲まれた領域にある軸受を選定することを特徴とする垂直軸型風車用軸受の設計方法。
前記領域のうち、前記第一比率が１５％より大きく２０％以下であり、かつ、前記第二比率が６５％より大きく１００％以下である領域にある軸受を選定することを特徴とする請求項１に記載の垂直軸型風車用軸受の設計方法。
前記垂直軸の外周面に、前記ボールの転走溝を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の垂直軸型風車用軸受の設計方法。