KR101290922B1 - 다이렉트 드라이브형 풍력 발전 장치 및 베어링 구조 - Google Patents

다이렉트 드라이브형 풍력 발전 장치 및 베어링 구조 Download PDF

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Abstract

다이렉트 드라이브형 풍력 발전 장치가, 일단부가 풍차 로터의 로터 헤드에 연결된 주축과, 스테이터와, 스테이터를 지지하는 스테이터 케이싱과, 주축의 타단부에 연결된 로터를 구비하는 발전기와, 로터 헤드와 발전기 사이에 위치하고, 주축을 회전 가능하게 지지하는 제 1 및 제 2 베어링과, 스테이터 케이싱을 지지하는 토크 서포트를 구비하고 있다. 제 2 베어링은 제 1 베어링보다 발전기에 근접하여 위치하고 있다. 제 1 베어링은 조심성을 갖는 베어링이고, 제 2 베어링은 조심성이 없는 베어링이다.

Description

다이렉트 드라이브형 풍력 발전 장치 및 베어링 구조{DIRECT-DRIVE WIND TURBINE GENERATOR AND BEARING STRUCTURE}
본 발명은 다이렉트 드라이브형 풍력 발전 장치 및 그것에 적합한 베어링 구조에 관한 것이고, 특히 다이렉트 드라이브형 풍력 발전 장치에 있어서의 주축 및 발전기의 지지 구조에 관한 것이다.
풍력 발전 장치의 하나의 공지된 형식은 다이렉트 드라이브형 풍력 발전 장치이다. 기어드형 풍력 발전 장치에서는, 풍차 로터의 회전을 증속기를 이용하여 회전수를 증대시켜 발전기에 전달하는 것에 대하여, 다이렉트 드라이브형 풍력 발전 장치에서는, 풍차 로터와 발전기가 주축에 의해 직결된다.
다이렉트 드라이브형 풍력 발전 장치에 있어서는, 동기 발전기를 이용하기 때문에 발전기가 대형으로 되고, 또한 발전기와 주축이 직결되어 있으므로, 주축과 발전기를 지지하는 구조의 설계에 있어서도 특별한 배려가 필요하게 된다. 일반적으로는, 주축을 2개의 베어링으로 회전 가능하게 지지하는 동시에, 발전기의 스테이터 케이싱의 회전을 방지하기 위한 구조체가 마련된다. 발전기의 스테이터 케이싱의 회전을 방지하기 위한 구조체를, 이하 토크 서포트(torque support)라고 칭하기로 한다. 주축의 회전에 따라, 발전기의 스테이터 케이싱에는 주축의 원주방향으로 토크가 가해진다. 이와 같은 토크가 가해져도 스테이터 케이싱이 회전하지 않도록 스테이터 케이싱을 지지하는 것이 토크 서포트의 역할이다. 부가하여, 주축과 스테이터 케이싱 사이에 1개 또는 2개의 발전기 베어링이 추가적으로 마련되고, 이 발전기 베어링에 의해 스테이터 케이싱이 지지되기도 한다. 주축을 2개의 베어링으로 회전 가능하게 지지하는 동시에, 스테이터 케이싱을 토크 서포트로 지지하는 구조는, 예를 들어 유럽 특허 제 EP 1327073B1 호 공보(특허문헌 1), 유럽 공개 특허 제 EP 2014917A1 호 공보(특허문헌 2) 및 대응 일본 출원의 공개 특허 제 2009-19625 호 공보(특허문헌 3), 및 국제 공개 제 WO 2007/111425 호(특허문헌 4)에 개시되어 있다.
여기서, 풍력 발전기의 주축을 지지하는 베어링으로서는, 일반적으로는 조심성(調心性)이 있는 베어링(축의 휨이나 경사를 허용하는 베어링)이 사용된다. 이것은, 다이렉트 드라이브형 풍력 발전 장치에 대해서는 주축에 휨이 발생하기 때문에, 그 휨을 흡수하는 것이 필요하다는 기술적 사상에 근거하는 것으로 생각된다. 예를 들면, 또한, 유럽 특허 제 EP 1327073B1 호는 주축을 지지하는 베어링이 주축의 휨(flexing)을 허용하는 것을 개시하고 있다(예를 들면, 청구항 1). 또한, 국제 공개 제 WO 2007/111425 호에는, 로터 헤드에 근접한 베어링에 원추 롤러 베어링(toroidal roller bearing)을 채용하고, 발전기에 근접한 베어링에 원통 롤러 베어링(spherical roller bearing)을 채용하고, 이에 의해 메인 샤프트의 변위(misalignment) 및 경사(tilting)를 보상하는 것을 개시하고 있다.
그렇지만, 본원 발명자의 검토에 의하면, 주축을 조심성이 있는 2개의 베어링으로 지지하고, 또한 스테이터 케이싱을 토크 서포트로 지지하는 구조는 스테이터와 로터의 갭을 일정하게 유지하기 위하여 적합하다고는 말할 수 없다. 도 8은 그 이유를 설명하는 도면이다. 이하에서는, 도 8에 도시되어 있는 바와 같은, 제 1 베어링(101), 제 2 베어링(102)에 의해 주축(103)을 지지하고, 또한 토크 서포트(104)에 의해 발전기(105)의 스테이터 케이싱(106)에 주축(103)의 원주방향으로 작용하는 토크를 지지하는 구조를 고려한다. 여기서, I1은 로터 헤드측의 하중점과 제 1 베어링(101) 사이의 거리이고, I2는 제 1 베어링(101)과 제 2 베어링(102) 사이의 거리이며, I3은 제 2 베어링(102)과 토크 서포트(104)가 스테이터 케이싱(106)에 힘을 작용하는 점까지의 거리이다. 또한, R1, R2는 제 1 베어링(101), 제 2 베어링(102)이 작용하는 지점(支點) 반력이고, R3은 토크 서포트(104)가 스테이터 케이싱(106)에 작용하게 되는 지점 반력이다.
주축(103)을 지지하는 2개의 베어링[제 1 베어링(101), 제 2 베어링(102)]이 모두 조심성이 있는 베어링이면, 각각의 위치에서 휨각(γ1, γ2)이 생긴다. 그리고, 휨각(γ2)과, 풍력 발전 장치의 레이아웃상 필연적으로 존재하는 거리(I3)에 의해, 토크 서포트(104)에 토크가 작용하고 있지 않아도 지점 반력(R3)이 생긴다. 여기서, 지점 반력(R3)의 크기는 토크 서포트(104)의 스프링 정수와 변형(δ)의 곱이 된다.
이러한 지점 반력(R3)은 발전기(105)의 스테이터와 로터 사이의 갭의 언밸런스를 생기게 하기 때문에 바람직하지 않다. 특히, 발전기(105)로서 영구자석 동기 발전기(PMSG)가 사용되는 경우에는, 갭의 언밸런스의 문제는 중대하다. 상세하게는, 계자 자석의 자기 흡인력이나 다양한 전기력이 작용하는 영구자석 동기 발전기(PMSG)에서는, 스테이터와 로터 사이의 갭을 확실히 유지하는 동시에, 수많은 진동 모드 변위를 작게 해야만 한다. 그렇지만, 지점 반력(R3)에 의해, 스테이터 케이싱(106)이 발전기 베어링의 내부 틈새 정도만큼 변위하고, 또한 스테이터 케이싱(106) 자체도 적지만 변형한다. 내부 틈새 정도의 변위와 변형에 의해, 스테이터와 로터 사이의 갭의 언밸런스가 발생하여, 회전에 의한 자기 진동에 부가하여, 굽힘에 의한 모드 진동이 발생한다. 굽힘 모드 진동의 발생은 풍력 발전 장치의 진동을 증대시키기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 굽힘 모드 진동이 발생하면, 피로 하중도 증가하기 때문에, 구조 부재[예를 들면, 주축(103), 토크 서포트(104), 스테이터 케이싱(106) 등]의 강도를 높게 설계할 필요성이 생겨서, 중량이 증대한다는 문제도 생긴다.
유럽 특허 제 EP 1327073B1 호 공보 유럽 공개 특허 제 EP 2014917A1 호 공보 일본 공개 특허 제 2009-09625 호 공보 국제 공개 제 WO 2007/111425 호
따라서, 본 발명의 목적은 다이렉트 드라이브형 풍력 발전 장치에 대하여, 발전기의 스테이터와 로터 사이의 갭의 언밸런스를 방지하기 위한 기술을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 관점에서는, 다이렉트 드라이브형 풍력 발전 장치가, 일단부가 풍차 로터의 로터 헤드에 연결된 주축과, 스테이터와, 스테이터를 지지하는 스테이터 케이싱과, 주축의 타단부에 연결된 로터를 구비하는 발전기와, 로터 헤드와 발전기 사이에 위치하고, 주축을 회전 가능하게 지지하는 제 1 및 제 2 베어링과, 스테이터 케이싱을 지지하는 토크 서포트를 구비하고 있다. 제 1 베어링은 조심성을 갖는 베어링이고, 제 1 베어링보다 발전기에 근접하여 위치하고 있는 제 2 베어링은 조심성이 없는 베어링이다. 제 2 베어링으로서는, 복렬 테이퍼 롤러 베어링이 사용 가능하다. 또한, 제 1 베어링으로서는, 예를 들어 원추 롤러 베어링, 원통 롤러 베어링 또는 자동 조심 베어링이 사용 가능하다.
일 실시형태에서는, 제 2 베어링은 제 1 및 제 2 내륜과, 제 1 및 제 2 외륜과, 제 1 내륜과 제 1 외륜 사이에 마련된 제 1 전동체(轉動體)와, 제 2 내륜과 제 2 외륜 사이에 마련된 제 2 전동체와, 가압 부재를 구비하고 있다. 제 2 외륜과 제 2 내륜 사이의 간격이 가변이고, 가압 부재는 제 2 외륜의 내주면이 제 2 내륜의 외주면에 근접하도록 제 2 외륜을 가압한다.
해당 다이렉트 드라이브형 풍력 발전 장치는, 제 2 베어링은 제 2 베어링을 수용하여 지지하는 베어링 하우징에 대하여 이동 가능하고, 베어링 하우징과 제 2 외륜은 선접촉 또는 점접촉을 이용하여 결합되어 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 예를 들어 베어링 하우징과 제 2 외륜 사이에 원통 롤러가 삽입되어도 좋다.
또한, 제 2 베어링이, 제 3 내륜과, 제 3 외륜과, 제 3 내륜과 제 3 외륜 사이에 마련된 제 3 전동체를 더 구비하고 있는 것도 바람직하다.
호적하게는, 스테이터 케이싱이 제 2 베어링을 수용하여 지지하는 베어링 하우징에 대향하는 대향면에서 오목부를 갖고, 베어링 하우징의 단부가 대향면과 동일면상에 있거나, 베어링 하우징의 일부가 오목부의 내부에 위치하고 있는 것이 바람직하다.
또한, 토크 서포트가 제 2 베어링을 수용하여 지지하는 베어링 하우징에 연결된 토크 서포트부를 구비하고 있는 경우, 토크 서포트부가 베어링 하우징과 스테이터 케이싱을 주축의 반경방향으로 연결하는 것도 바람직하다.
스테이터 케이싱은 베어링 하우징에 대향하는 중심부 플레이트와, 중심부 플레이트의 외연부에 연결된 외주부 플레이트를 구비해도 좋다. 이 경우, 중심부 플레이트는 그 중심부가 외연부보다 움푹하게 형성되고, 이에 의해 스테이터 케이싱에 오목부를 제공하도록 구성되며, 외주부 플레이트는 토크 서포트로서 기능하는 오목부의 외연으로부터 주축의 반경방향 내측으로 돌출하는 돌출부가 형성되도록 구성되어도 좋다. 이 경우, 베어링 하우징의 일부가 오목부에 수용되는 동시에, 돌출부가 베어링 하우징에 마련된 홈에 끼워넣어지는 것에 의해 스테이터 케이싱과 베어링대(bearing stand)가 연결된다.
본 발명의 다른 관점에서는, 베어링 구조가, 제 1 및 제 2 내륜과, 제 1 및 제 2 외륜과, 제 1 내륜과 제 1 외륜 사이에 마련된 제 1 전동체와, 제 2 내륜과 제 2 외륜 사이에 마련된 제 2 전동체와, 가압 부재를 구비하고 있다. 제 2 외륜과 제 2 내륜 사이의 간격이 가변이고, 가압 부재는 제 2 외륜의 내주면이 제 2 내륜의 외주면에 근접하도록 제 2 외륜을 가압하고 있다.
본 발명에 의하면, 다이렉트 드라이브형 풍력 발전 장치에 있어서의 발전기의 스테이터와 로터 사이의 갭의 언밸런스를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태의 풍력 발전 장치의 구성을 도시하는 사시도,
도 2는 도 1의 풍력 발전 장치의 구성을 도시하는 단면도,
도 3은 발전기에 가까운 측에 위치하는 제 2 베어링의 구성의 일례를 도시하는 단면도,
도 4a는 제 2 베어링의 구성의 다른 예를 도시하는 단면도,
도 4b는 제 2 베어링의 구성의 또 다른 예를 도시하는 단면도,
도 4c는 제 2 베어링의 구성의 또 다른 예를 도시하는 단면도,
도 4d는 도 4c의 제 2 베어링의 구성을 상세하게 도시하는 단면도,
도 4e는 도 4c의 제 2 베어링의 구성을 상세하게 도시하는 사시도,
도 5는 도 1의 풍력 발전 장치의 구성을 도시하는 확대 단면도,
도 6은 본 발명의 다른 실시형태의 풍력 발전 장치의 구성을 도시하는 사시도,
도 7a는 본 발명의 일 실시형태의 풍력 발전 장치의 구성을 도시하는 사시도,
도 7b는 도 7a의 풍력 발전 장치의 구성을 도시하는 단면도,
도 8은 다이렉트 드라이브형 풍력 발전 장치에서, 2개의 베어링의 양쪽이 조심성을 갖는 경우에 생기는 문제를 설명하는 도면.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 풍력 발전 장치(1)의 구조를 개략적으로 도시하는 사시도이다. 본 실시형태의 풍력 발전 장치(1)는 다이렉트 드라이브형 풍력 발전 장치로 구성되어 있고, 하기와 같은 구성을 갖고 있다. 풍력 발전 장치(1)는 타워(2)와 나셀 대좌(nacelle base; 3)를 구비하고 있다. 나셀 대좌(3)는 타워(2)의 상단에 요(yaw) 선회 가능하도록 탑재되어 있다. 나셀 대좌(3)에는, 제 1 베어링 하우징(5)과 제 2 베어링 하우징(6)이 마련되어 있고, 그 제 1 베어링 하우징(5)과 제 2 베어링 하우징(6)의 내부에 각각 마련된 제 1 베어링(8) 및 제 2 베어링(9)(도 2 참조)에 의해 주축(4)이 회전 가능하게 지지되어 있다. 주축(4)의 일단부는 풍차 로터의 로터 헤드(도시되지 않음)에 접속되고, 타단부는 발전기(7)에 접속되어 있다. 또한, 발전기(7)는 토크 서포트(20)에 의해 제 2 베어링 하우징(6)에 연결되어 있다.
도 2는 본 실시형태의 풍력 발전 장치(1)를 상방에서 본 단면도이다. 발전기(7)는 스테이터(11)와 로터(12)를 구비하고 있다. 스테이터(11)는 스테이터 케이싱(13)에 의해 지지되어 있다. 한편, 로터(12)는 스테이터(11)에 대향하는 계자 자석(14)과 계자 자석(14)을 지지하는 로터 플레이트(15)를 구비하고 있다. 로터 플레이트(15)가 주축(4)의 단부에 연결된 슬리브(16)에 연결되어 있고, 이에 의해 로터(12)가 주축(4)에 연결되어 있다. 또한 본 실시형태에서는, 슬리브(16)가 주축(4)의 단부에 연결되어 있지만, 슬리브(16)가 주축(4)과 연속하여 형성되거나, 또는 일체로 형성되는 것도 가능하다.
슬리브(16)에는 발전기 베어링(17, 18)이 마련되어 있고, 이들 발전기 베어링(17, 18)에 의해 스테이터 케이싱(13)이 지지되어 있다. 주축(4)에 마련된 발전기 베어링(17, 18)에 의해 스테이터 케이싱(13)이 지지되는 것은, 스테이터(11)와 로터(12) 사이의 갭을 일정하게 유지하기 때문에 유효하다.
토크 서포트(20)는 스테이터 케이싱(13)과 제 2 베어링 하우징(6)을 연결하고 있다. 본 실시형태에서는, 토크 서포트(20)가 핀(21)과 슬리브(22)와 고무 부시(23)를 구비하고 있다. 슬리브(22)는 스테이터 케이싱(13)에 고정되어 있고, 고무 부시(23)는 슬리브(22)의 내부에 삽입되어 있다. 또한, 고무 부시(23)에 핀(21)이 삽입되고, 핀(21)이 제 2 베어링 하우징(6)에 고정되어 있다. 이와 같은 구조의 토크 서포트(20)에 의해, 스테이터 케이싱(13)에 주축(4)의 원주방향으로 작용하는 토크가 지지되어 있다.
상술한 바와 같이, 주축을 조심성이 있는 2개의 베어링으로 지지하고, 또한 스테이터 케이싱을 토크 서포트로 지지하는 구조에는, 발전기의 스테이터와 로터 사이의 갭의 언밸런스의 발생이라는 문제가 있다. 이 문제에 대처하기 위해, 본 실시형태의 풍력 발전 장치(1)에서는, 발전기(7)에 가까운 측의 베어링인 제 2 베어링(9)으로서, 조심성이 없는 베어링, 즉 주축(4)의 경사를 허용하지 않는 베어링이 채용된다. 한편, 제 1 베어링(8)으로서는 조심성이 있는 베어링이 사용된다. 보다 구체적으로는 제 1 베어링(8)으로서는, 예를 들어 원추 롤러 베어링(toroidal roller bearing), 원통 롤러 베어링 또는 자동 조심 베어링이 사용된다. 한편, 제 2 베어링(9)으로서는, 예를 들어 복렬 테이퍼 롤러 베어링(double taper roller bearing)이 사용된다.
도 3은 제 2 베어링(9)의 구조의 일례를 도시하는 단면도이다. 제 2 베어링(9)은 내륜(25)과, 외륜(26)과, 그들 사이에 마련된 원추 롤러(27, 28)를 구비하고 있다. 도 3에는 원추 롤러(27, 28)가 각각 하나씩 도시되어 있지만, 복수의 원추 롤러(27)가 주축(4)의 원주방향으로 나란히 일렬로 배치되어 있고, 복수의 원추 롤러(28)가 주축(4)의 원주방향으로 나란히 일렬로 배치되어 있는 것으로 이해되어야 한다. 내륜(25)은 주축(4)에 장착되고, 외륜(26)은 제 2 베어링 하우징(6)에 장착되어 있다. 내륜(25)에는, 제 2 베어링(9)의 중심부에서 오목하게 되도록 테이퍼가 형성되어 있고, 또한 외륜(26)에는, 제 2 베어링(9)의 중심부에서 볼록하게 되도록 테이퍼가 형성되어 있다. 원추 롤러(27, 28)는 제 2 베어링(9)의 중심을 향해서 반경이 작아지도록 배치되어 있다. 이와 같은 구조에 의해, 제 2 베어링(9)은 주축(4)을 경사를 허용하지 않고 회전 가능하게 보지한다.
제 2 베어링(9)으로서 조심성이 없는 베어링을 사용하는 것에 의해, 풍력 발전 장치(1)의 동작시에, 주축(4)의 제 2 베어링(9)보다 발전기(7)에 가까운 측의 부분과, 슬리브(16)와, 로터(12)와, 스테이터 케이싱(13)이 기계적으로 일체화되어, 이들 부재 사이에서의 상대적인 변위(displacement)의 발생이 억제된다. 즉, 주축(4)의 제 2 베어링(9)보다 발전기(7)에 가까운 측의 부분과, 슬리브(16)와, 로터(12)와, 스테이터 케이싱(13)의 부재 사이의 상대적인 위치 관계의 변동이 억제되어, 이들 부재가 전체적으로는 마치 하나의 덩어리(unit)인 것처럼 운동한다. 이것은, 스테이터(11)와 로터(12) 사이의 갭을 일정하게 보지하여, 갭의 언밸런스를 방지하기 때문에 유효하다.
제 2 베어링(9)으로서는 조심성이 없는 베어링이 사용되는 본 실시형태에 있어서는, 갭을 보다 확실하게 보지하기 위해서, 제 2 베어링(9)의 백래쉬(backlash)를 저감하는, 즉 제 2 베어링(9)에 있어서의 전동체(볼 또는 롤러)와 내륜(25) 및 외륜(26) 사이의 간극을 저감하도록 하는 베어링 구조를 채용하는 것이 바람직하다. 도 4a는 간극을 저감하도록 구성된 제 2 베어링(9A), 및 그것을 보지하는 제 2 베어링 하우징(6A)의 구조의 예를 도시하는 도면이다.
제 2 베어링 하우징(6A)은 제 1 환상 부재(36)와, 중간 부재(37)와, 제 2 환상 부재(38)와, 누름 플레이트(39)와, 볼트(40)를 구비하고 있다. 중간 부재(37)와, 제 2 환상 부재(38)와, 누름 플레이트(39)는 볼트(40)에 의해 제 1 환상 부재(36)에 고정되어 있다.
제 2 베어링(9A)은 제 1 내륜(31a)과, 제 2 내륜(31b)과, 스페이서(32)와, 제 1 외륜(33a)과, 제 2 외륜(33b)과, 스프링(35)과, 원추 롤러(34a, 34b)를 구비하고 있다. 제 1 내륜(31a)과 제 2 내륜(31b)과 스페이서(32)는 주축(4)에 삽입되어 있고, 너트(4a)에 의해 주축(4)에 고정되어 있다. 스페이서(32)는 제 1 내륜(31a)과 제 2 내륜(31b)을 소망의 거리에 유지하는 기능을 갖고 있다. 제 1 외륜(33a)은 제 1 환상 부재(36)와 중간 부재(37) 사이에 끼워져 보지되어 있다. 제 2 외륜(33b)은 제 2 환상 부재(38)의 내주면에 가압되어 보지되어 있다. 여기서, 제 2 외륜(33b)은 주축(4)의 축방향으로 미끄럼 운동이 가능하다.
원추 롤러(34a)는 제 1 내륜(31a)과 제 1 외륜(33a) 사이에 삽입되어 있고, 원추 롤러(34b)는 제 2 내륜(31b)과 제 2 외륜(33b) 사이에 삽입되어 있다. 여기서, 도 4a에서는 원추 롤러(34a, 34b)가 각각 하나씩 도시되어 있지만, 복수의 원추 롤러(34a)가 주축(4)의 원주방향으로 나란히 일렬로 배치되어 있고, 복수의 원추 롤러(34b)가 주축(4)의 원주방향으로 나란히 일렬로 배치되어 있는 것으로 이해되어야 한다.
여기서, 제 1 내륜(31a)은, 원추 롤러(34a)에 대하여, 주축(4)의 축방향에 대해 비스듬하고, 반경방향 외측이고, 또한 발전기(7)를 향하는 방향으로 하중을 작용한다. 또한, 제 2 내륜(31b)은, 원추 롤러(34b)에 대하여, 주축(4)의 축방향에 대해 비스듬하고, 반경방향 외측이고, 또한 로터 헤드를 향하는 방향으로 하중을 작용한다. 또한, 제 1 외륜(33a)은, 원추 롤러(34a)에 대하여, 주축(4)의 축방향에 대해 비스듬하고, 반경방향 내측이고, 또한 로터 헤드를 향하는 방향으로 하중을 작용한다. 또한, 제 2 외륜(33b)은, 원추 롤러(34b)에 대하여, 주축(4)의 축방향에 대해 비스듬하고, 반경방향 내측이고, 또한 발전기(7)를 향하는 방향으로 하중을 작용한다. 이와 같은 구조에 의해, 주축(4)에 작용하는 축방향 하중(Fa) 및 반경방향 하중(Fr)이 지지된다.
부가하여, 제 2 외륜(33b)과 중간 부재(37) 사이에 스프링(35)이 삽입되어 있고, 제 2 외륜(33b)은 주축(4)의 축방향으로 가압되어 있다. 제 2 내륜(31b)의 외주면과 제 2 외륜(33b)의 내주면은 주축(4)의 축방향에 대하여 경사져 있으므로, 결과적으로, 스프링(35)은 제 2 외륜(33b)의 내주면이 제 2 내륜(31b)의 외주면에 근접하도록 제 2 외륜(33b)을 가압하게 된다. 이러한 스프링(35)의 작용에 의해, 제 2 베어링(9)의 백래쉬, 즉 원추 롤러(34b)와 제 2 내륜(31b) 사이의 간극, 및 원추 롤러(34b)와 제 2 외륜(33b) 사이의 간극이 작아지게 된다. 이와 같은 구조는 주축(4)의 제 2 베어링(9)보다 발전기(7)에 가까운 측의 부분, 슬리브(16), 로터(12), 및 스테이터 케이싱(13)을 기계적으로 일체화하여, 이들 부재 사이에서의 상대적인 변위의 발생을 유효하게 억제한다. 이것은 스테이터(11)와 로터(12) 사이의 갭의 언밸런스를 방지하기 때문에 유효하다.
도 4a와 같은 베어링 구조는, 또한, 원추 롤러(34a, 34b) 사이의 부하의 균일성을 향상시켜, 제 1 내륜(31a), 제 2 내륜(31b)과 제 1 외륜(33a), 제 2 외륜(33b) 사이의 온도차의 문제에 대처하기 위해서도 유효하다. 도 3의 베어링 구조에서는, 주축(4)의 축방향으로 부하가 걸렸을 때에, 한쪽의 원추 롤러의 열[예를 들면, 원추 롤러(28)의 열]에 큰 부하가 걸린다. 이것은, 제 2 베어링(9)의 수명을 짧게 하기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 주축(4)이 회전하면, 제 2 베어링(9)의 온도가 상승하지만, 온도 상승은 외륜(26)보다 내륜(25)쪽이 크다. 내륜(25)의 온도가 외륜(26)의 온도보다 상대적으로 높아지면, 내륜(25)의 열팽창이 외륜(26)보다도 커지고, 결과적으로, 원추 롤러(27, 28)에 작용하는 기계적 부하가 증대한다. 이것은 원추 롤러(27, 28)의 수명을 줄이기 때문에 바람직하지 않다.
한편, 도 4a의 구조에 의하면, 제 2 베어링(9)에 축방향의 하중(Fa)이 작용했을 경우에, 그 하중(Fa)은 스프링(35)의 작용에 의해, 원추 롤러(34a, 34b)에 균등하게 작용한다. 따라서, 한쪽의 원추 롤러의 열에 큰 부하가 걸리는 것에 의한 수명의 단축이 방지된다. 또한, 도 4a의 구조에 의하면, 제 1 내륜(31a), 제 2 내륜(31b)의 온도 상승이 제 1 외륜(33a), 제 2 외륜(33b)의 온도 상승보다 커도, 제 1 내륜(31a), 제 2 내륜(31b)의 열팽창이 스프링(35)에 의해 흡수된다. 따라서, 제 1 내륜(31a), 제 2 내륜(31b)과 제 1 외륜(33a), 제 2 외륜(33b) 사이의 온도차의 문제를 회피할 수 있다.
주축(4)의 변위를 한층 저감하기 위해서는, 도 4b에 도시되어 있는 바와 같이, 3열의 원추 롤러가 마련되어도 좋다. 도 4b의 제 2 베어링(9B)의 구조에서는, 제 3 내륜(31c) 및 제 3 외륜(33c)이 추가적으로 마련되고, 그 사이에 원추 롤러(34c)가 마련된다. 제 1 내륜(31a)과 제 3 내륜(31c) 사이에는 스페이서(32a)가 마련되고, 제 2 내륜(31b)과 제 3 내륜(31c) 사이에는 스페이서(32b)가 마련되며, 이에 의해 제 1 내륜(31a)과 제 3 내륜(31c)이 소망의 간격으로 보지되고, 또한 제 2 내륜(31b)과 제 3 내륜(31c)이 소망의 간격으로 보지된다. 또한, 제 1 외륜(33a)과 제 3 외륜(33c)은 제 1 환상 부재(36a)와 중간 부재(37) 사이에 끼워져 보지된다. 이 때, 제 1 외륜(33a)과 제 3 외륜(33c) 사이에 스페이서(36b)가 삽입되어, 제 1 외륜(33a)과 제 3 외륜(33c)이 소망의 간격으로 보지된다.
또한, 3열의 전동체가 마련되는 도 4b의 구조에서는, 원추 롤러(34a, 34b, 34c) 대신에, 전동체로서 볼이 사용되어도 좋다. 전동체로서 볼을 사용하는 것은 비용의 저감을 위해서 바람직하다.
도 4a, 도 4b의 구조에서는, 제 2 외륜(33b)이 제 2 환상 부재(38)의 내주면상을 축방향으로 미끄럼 운동 가능하여야만 한다. 이 때, 제 2 환상 부재(38)가 대형화되었을 경우에는, 제 2 환상 부재(38)의 제조 오차가 커져서, 제 2 외륜(33b)이 제 2 환상 부재(38)의 내주면을 미끄럼 운동 가능하게 하는 것이 곤란한 경우가 있다.
제 2 외륜(33b)이 제 2 환상 부재(38)에 대하여 이동 가능하게 하기 위해서는, 제 2 외륜(33b)과 제 2 환상 부재(38) 사이의 접촉이 (면접촉이 아니라) 선접촉 또는 점접촉으로 되어 있는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 제 2 외륜(33b)과 제 2 환상 부재(38) 사이에 작용하는 마찰이 작아져, 제 2 외륜(33b)이 제 2 환상 부재(38)에 대하여 이동하기 쉬워진다.
보다 구체적으로는, 도 4c에 도시되어 있는 바와 같이, 제 2 외륜(33b)과 제 2 환상 부재(38) 사이에 원통 롤러(51)가 삽입되어도 좋다. 도 4c에는 하나의 원통 롤러(51)만이 도시되어 있지만, 도 4c는 복수의 원통 롤러(51)가 주축(4)의 원주방향으로 나란히 배치되어 있는 것으로 이해하여야 한다. 각 원통 롤러(51)는 그 중심축이 주축(4)의 축방향에 평행하게 되도록 배치된다. 도 4d 및 도 4e에 도시되어 있는 바와 같이, 원통 롤러(51)는 보지기(保持器; 52)에 의해 소망의 위치에 보지된다. 원통 롤러(51)와 제 2 환상 부재(38)가 선접촉하고, 또한 원통 롤러(51)와 제 2 외륜(33b)이 선접촉하고, 이에 의해 제 2 외륜(33b)이 제 2 환상 부재(38)에 대하여 이동하기 용이하게 되어 있다. 도 4c 내지 도 4e에서는, 원통 롤러가 사용되고 있지만, 원통 롤러 대신에 볼이 사용되어도 좋다. 또한, 도 4c 내지 도 4e와 같은 원통 롤러 또는 볼이 제 2 외륜(33b)과 제 2 환상 부재(38) 사이에 삽입되는 구조는 도 4b와 같은 3열의 전동체가 마련되는 구조에도 적용 가능하다.
주축(4)의 제 2 베어링(9)보다 발전기(7)에 가까운 측의 부분과, 슬리브(16)와, 로터(12)와, 스테이터 케이싱(13) 사이에 있어서의 상대적인 변위의 발생을 한층더 억제하고, 스테이터(11)와 로터(12) 사이의 갭의 언밸런스를 보다 저감하기 위해서는, 토크 서포트(20)로부터 스테이터 케이싱(13)에 힘이 작용하는 위치로부터 제 2 베어링(9)까지의 주축(4)의 축방향에 있어서의 거리를 작게 하는 것이 바람직하다.
이 때문에, 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 스테이터 케이싱(13)에 오목부(13a)가 마련되고, 제 2 베어링 하우징(6)의 단부(6a)가 스테이터 케이싱(13)의 오목부(13a)의 내부에 위치하는 것이 바람직하다. 또한, 제 2 베어링 하우징(6)의 단부(6a)가 스테이터 케이싱(13)의 제 2 베어링 하우징(6)에 대향하는 대향면(13b)과 동일면상에 있어도 좋다. 어느 경우에도, 토크 서포트(20)로부터 스테이터 케이싱(13)에 힘이 작용하는 위치로부터 제 2 베어링(9)까지의 주축(4)의 축방향에 있어서의 거리를 작게 할 수 있다.
또한, 도 6은 토크 서포트로부터 스테이터 케이싱(13)에 힘이 작용하는 위치로부터 제 2 베어링(9)까지의 거리를 작게 하기 위한 다른 구조를 도시하는 단면도이다. 도 6의 구조에서는 제 2 베어링 하우징(6)의 단부에 원반형상의 토크 서포트 부재(24)가 직접적으로 접합되고, 또한 토크 서포트 부재(24)의 외주부에 스테이터 케이싱(13)이 연결되어 있다. 토크 서포트 부재(24)의 중심에는 개구가 마련되어 있고, 주축(4)은 그 개구에 통과되어 있다. 또한, 도 6의 구조에서는, 제 2 베어링(9)과 스테이터 케이싱(13) 사이의 거리가 가깝기 때문에 제 2 베어링(9)에 가까운 측의 발전기 베어링(17)은 마련되어 있지 않다.
이와 같은 구조에 의하면, 토크 서포트 부재(24)로부터 스테이터 케이싱(13)에 힘이 작용하는 위치를 제 2 베어링 하우징(6)의 단부로 할 수 있다. 즉, 토크 서포트 부재(24)는, 제 2 베어링 하우징(6)의 단부로부터 주축(4)의 반경방향으로 연신하여 스테이터 케이싱(13)과 연결하도록 구성되어 있고, 따라서 토크 서포트 부재(24)로부터 스테이터 케이싱(13)에 힘이 작용하는 위치로부터 제 2 베어링(9)까지의 거리를 작게 할 수 있다. 이것은 주축(4)의 제 2 베어링(9)보다 발전기(7)에 가까운 측의 부분과, 슬리브(16)와, 로터(12)와, 스테이터 케이싱(13) 사이에 있어서의 상대적인 변위의 발생을 한층더 억제하기 때문에 유효하다.
가장 이상적인 것은 토크 서포트(20)로부터 스테이터 케이싱(13)에 힘이 작용하는 위치가 제 2 베어링(9)의 중심과 일치하는 것이다. 도 7a, 도 7b는 토크 서포트(20)로부터 스테이터 케이싱(13)에 힘이 작용하는 위치를 제 2 베어링(9)의 중심과 일치시키는 것을 가능하게 하는 구조를 도시하는 도면이다.
도 7a, 도 7b의 구조에서는, 스테이터 케이싱(13)에 오목부가 형성되고, 이 오목부에 제 2 베어링 하우징(6C)의 일부분이 수용된다. 상세하게는, 스테이터 케이싱(13)의 정면 플레이트가 외주부 플레이트(41)와 중심부 플레이트(42)로 구성되어 있다. 외주부 플레이트(41)는 중심부 플레이트(42)의 외연부에 접합되어 있다. 중심부 플레이트(42)는 그 중심 부분이 외연부보다 움푹한 형상을 하고 있다.
부가하여, 외주부 플레이트(41)의 일부분이 중심부 플레이트(42)의 접합 위치로부터 반경방향 내측으로 돌출되어 있고, 이 돌출되어 있는 부분[돌출부(41a)]이 제 2 베어링 하우징(6C)에 마련된 홈(44)에 끼워넣어지는 것에 의해 스테이터 케이싱(13)이 지지되어 있다. 즉, 본 실시형태에서는, 스테이터 케이싱(13)의 외주부 플레이트(41)의 돌출부(41a)가 토크 서포트로서 기능한다. 상세하게는, 도 7a에 도시되어 있는 제 2 베어링 하우징(6C)에는, 홈(44)과, 홈(44)을 횡단하도록 하여 주축(4)의 축방향으로 관통하는 개구(45)가 형성되어 있다. 한편, 외주부 플레이트(41)의 돌출부(41a)에는, 개구(41b)가 형성되어 있다. 외주부 플레이트(41)의 돌출부(41a)가 제 2 베어링 하우징(6C)에 마련된 홈(44)에 끼워넣어진 상태에서, 제 2 베어링 하우징(6C)의 개구(45)에 핀(43)이 삽입된다. 핀(43)은 제 2 베어링 하우징(6C)에 마련된 개구(45)와 외주부 플레이트(41)의 돌출부(41a)에 마련된 개구(41b)를 관통하도록 삽입된다. 이것에 의해, 스테이터 케이싱(13)이 제 2 베어링 하우징(6C)에 고정된다.
도 7a, 도 7b의 구조에서는, 외주부 플레이트(41)의 돌출부(41a)가 제 2 베어링 하우징(6C)의 중간 부위와 스테이터 케이싱(13)을 주축(4)의 반경방향으로 연결하고 있으므로, 토크 서포트(20)로부터 스테이터 케이싱(13)에 힘이 작용하는 위치로부터 제 2 베어링(9)의 중심까지의 주축(4)의 축방향에 있어서의 거리를 작게 하여, 이상적으로는 일치시킬 수 있다. 이것은 주축(4)의 제 2 베어링(9)보다 발전기(7)에 가까운 측의 부분과, 슬리브(16)와, 로터(12)와, 스테이터 케이싱(13) 사이의 상대적인 변위의 발생을 한층더 억제하여, 스테이터(11)와 로터(12) 사이의 갭의 언밸런스를 한층더 저감하기 때문에 바람직하다.

Claims (14)

  1. 일단부가 풍차 로터의 로터 헤드에 연결된 주축과,
    스테이터와, 상기 스테이터를 지지하는 스테이터 케이싱과, 상기 주축의 타단부에 연결된 로터를 구비하는 발전기와,
    상기 로터 헤드와 상기 발전기 사이에 위치하고, 상기 주축을 회전 가능하게 지지하는 제 1 및 제 2 베어링과,
    상기 스테이터 케이싱을 지지하는 토크 서포트와,
    상기 제 2 베어링을 수용하여 지지하는 베어링 하우징을 구비하며,
    상기 제 2 베어링은 상기 제 1 베어링보다 상기 발전기에 근접하여 위치하고 있으며,
    상기 제 1 베어링은 조심성(調心性)을 갖는 베어링이고,
    상기 제 2 베어링은 조심성이 없는 베어링이며,
    상기 제 2 베어링은,
    제 1 및 제 2 내륜과,
    제 1 및 제 2 외륜과,
    상기 제 1 내륜과 상기 제 1 외륜 사이에 마련된 제 1 전동체와,
    상기 제 2 내륜과 상기 제 2 외륜 사이에 마련된 제 2 전동체와,
    가압 부재를 구비하며,
    상기 제 2 외륜과 상기 제 2 내륜 사이의 간격이 가변이고,
    상기 가압 부재는 상기 제 2 외륜의 내주면이 상기 제 2 내륜의 외주면에 근접하도록 상기 제 2 외륜을 가압하며,
    상기 제 2 베어링의 상기 제 2 외륜은 선접촉 또는 점접촉을 거쳐서 상기 베어링 하우징에 대하여 이동 가능한
    다이렉트 드라이브형 풍력 발전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 베어링은 복렬 테이퍼 롤러 베어링인
    다이렉트 드라이브형 풍력 발전 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 베어링이 원추 롤러 베어링, 원통 롤러 베어링 또는 자동 조심(調心) 베어링인
    다이렉트 드라이브형 풍력 발전 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베어링 하우징과 상기 제 2 외륜 사이에, 원통 롤러가 삽입되어 있는
    다이렉트 드라이브형 풍력 발전 장치.
  7. 일단부가 풍차 로터의 로터 헤드에 연결된 주축과,
    스테이터와, 상기 스테이터를 지지하는 스테이터 케이싱과, 상기 주축의 타단부에 연결된 로터를 구비하는 발전기와,
    상기 로터 헤드와 상기 발전기 사이에 위치하고, 상기 주축을 회전 가능하게 지지하는 제 1 및 제 2 베어링과,
    상기 스테이터 케이싱을 지지하는 토크 서포트를 구비하며,
    상기 제 2 베어링은 상기 제 1 베어링보다 상기 발전기에 근접하여 위치하고 있으며,
    상기 제 1 베어링은 조심성(調心性)을 갖는 베어링이고,
    상기 제 2 베어링은 조심성이 없는 베어링이며,
    상기 제 2 베어링은,
    제 1, 제 2 및 제 3 내륜과,
    제 1, 제 2 및 제 3 외륜과,
    상기 제 1 내륜과 상기 제 1 외륜 사이에 마련된 제 1 전동체와,
    상기 제 2 내륜과 상기 제 2 외륜 사이에 마련된 제 2 전동체와,
    상기 제 3 내륜과 상기 제 3 외륜 사이에 마련된 제 3 전동체와,
    가압 부재를 구비하며,
    상기 제 2 외륜과 상기 제 2 내륜 사이의 간격이 가변이고,
    상기 가압 부재는 상기 제 2 외륜의 내주면이 상기 제 2 내륜의 외주면에 근접하도록 상기 제 2 외륜을 가압하는
    다이렉트 드라이브형 풍력 발전 장치.
  8. 일단부가 풍차 로터의 로터 헤드에 연결된 주축과,
    스테이터와, 상기 스테이터를 지지하는 스테이터 케이싱과, 상기 주축의 타단부에 연결된 로터를 구비하는 발전기와,
    상기 로터 헤드와 상기 발전기 사이에 위치하고, 상기 주축을 회전 가능하게 지지하는 제 1 및 제 2 베어링과,
    상기 스테이터 케이싱을 지지하는 토크 서포트와,
    상기 제 2 베어링을 수용하여 지지하는 베어링 하우징을 구비하며,
    상기 제 2 베어링은 상기 제 1 베어링보다 상기 발전기에 근접하여 위치하고 있으며,
    상기 제 1 베어링은 조심성(調心性)을 갖는 베어링이고,
    상기 제 2 베어링은 조심성이 없는 베어링이며,
    상기 스테이터 케이싱이 상기 베어링 하우징에 대향하는 대향면에서 오목부를 갖고,
    상기 베어링 하우징의 단부가 상기 대향면과 동일면상에 있거나, 상기 베어링 하우징의 일부가 상기 오목부의 내부에 위치하고 있는
    다이렉트 드라이브형 풍력 발전 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 토크 서포트는 상기 베어링 하우징에 연결된 토크 서포트 부재를 구비하고,
    상기 토크 서포트 부재는 상기 베어링의 반경방향으로 연신하여 상기 베어링 하우징과 상기 스테이터 케이싱을 연결하는
    다이렉트 드라이브형 풍력 발전 장치.
  10. 일단부가 풍차 로터의 로터 헤드에 연결된 주축과,
    스테이터와, 상기 스테이터를 지지하는 스테이터 케이싱과, 상기 주축의 타단부에 연결된 로터를 구비하는 발전기와,
    상기 로터 헤드와 상기 발전기 사이에 위치하고, 상기 주축을 회전 가능하게 지지하는 제 1 및 제 2 베어링과,
    상기 스테이터 케이싱을 지지하는 토크 서포트와,
    상기 제 2 베어링을 수용하여 지지하는 베어링 하우징을 구비하며,
    상기 제 2 베어링은 상기 제 1 베어링보다 상기 발전기에 근접하여 위치하고 있으며,
    상기 제 1 베어링은 조심성(調心性)을 갖는 베어링이고,
    상기 제 2 베어링은 조심성이 없는 베어링이며,
    상기 스테이터 케이싱은,
    상기 베어링 하우징에 대향하는 중심부 플레이트와,
    상기 중심부 플레이트의 외연부에 연결된 외주부 플레이트를 구비하며,
    상기 중심부 플레이트는 그 중심부가 상기 외연부보다도 움푹하게 형성되고, 이에 의해 상기 스테이터 케이싱에 오목부를 제공하도록 구성되고,
    상기 외주부 플레이트는 상기 토크 서포트로서 기능하는, 상기 오목부의 외연으로부터 상기 주축의 반경방향 내측으로 돌출하는 돌출부가 형성되도록 구성되고,
    상기 베어링 하우징의 일부가 상기 오목부에 수용되는 동시에, 상기 돌출부가 상기 베어링 하우징에 연결되는 것에 의해 상기 스테이터 케이싱과 상기 베어링 하우징이 연결되는
    다이렉트 드라이브형 풍력 발전 장치.
  11. 베어링과, 상기 베어링을 지지하는 베어링 하우징을 구비하는 베어링 구조에 있어서,
    상기 베어링은,
    제 1 및 제 2 내륜과,
    제 1 및 제 2 외륜과,
    상기 제 1 내륜과 상기 제 1 외륜 사이에 마련된 제 1 전동체와,
    상기 제 2 내륜과 상기 제 2 외륜 사이에 마련된 제 2 전동체와,
    가압 부재를 구비하며,
    상기 제 2 외륜과 상기 제 2 내륜 사이의 간격이 가변이고,
    상기 가압 부재는 상기 제 2 외륜의 내주면이 상기 제 2 내륜의 외주면에 근접하도록 상기 제 2 외륜을 가압하며,
    상기 베어링은 상기 베어링 하우징에 대하여 이동 가능하고,
    상기 베어링 하우징과 상기 제 2 외륜은 선접촉 또는 점접촉을 이용하여 결합되어 있는
    베어링 구조.
  12. 삭제
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 베어링 하우징과 상기 제 2 외륜 사이에, 원통 롤러가 삽입되어 있는
    베어링 구조.
  14. 제 11 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 베어링은,
    제 3 내륜과,
    제 3 외륜과,
    상기 제 3 내륜과 상기 제 3 외륜 사이에 마련된 제 3 전동체를 더 구비하는
    베어링 구조.
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