TW201400696A - 旋轉軸裝置及垂直軸型流體發電裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明之旋轉軸裝置(3)具備：軸體(20)，其藉由角軸承(35、36)可旋轉地被支撐；及支撐體(40)，其經由角軸承(35、36)支撐軸體(20)使之可旋轉。軸體(20)之外周面上形成有供角軸承(35、36)之滾動體(39)進行滾動之哥德式(Gothic arch)形狀之滾珠滾動槽(21)。

Description

旋轉軸裝置及垂直軸型流體發電裝置
本發明係關於旋轉軸裝置及垂直軸型流體發電裝置。
本申請案係基於2012年4月26日在日本所申請之日本專利申請案第2012-101268號主張優先權，並將其內容援引於此。
作為利用流體之流動進行發電之垂直軸型流體發電裝置，例如，已開發出一種利用風(作動流體)之流動之風力發電裝置。垂直軸型風力發電裝置具備軸體、複數個葉片(風車)、支撐體及發電機等。
複數個葉片係繞軸體之中心軸保持間隔地排列。支撐體係經由軸承支撐軸體使之可繞中心軸進行旋轉。發電機利用軸體之旋轉而發電。
專利文獻1所揭示之風力發電裝置中，與垂直翼(葉片)成為一體之旋轉機構(軸體)係延設於相對地面垂直之方向(對水平面垂直之方向)。旋轉機構(軸體)係經由一對軸承(軸承)相對中間固定軸(支撐體)可旋轉地被支撐。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2006-207374號公報
先前之垂直風力發電裝置存在以下問題。因作動流體之移動或葉片及軸體之自重等，軸承上作用有徑向(與軸體之中心軸方向交叉之方向)或推力方向(沿著中心軸方向之方向)之外力。但，於軸承無法完全承受該等負荷時，軸體將因裝置產生振動等而無法順利地進行旋轉。
再者，先前之垂直風力發電裝置難以確實地設定軸承彼此之同軸度。因此，在無法充分確保同軸度之精度之情形時，易使軸體之旋轉中心自該軸體之中心軸偏離，導致軸體無法順利地進行旋轉。
因此，業界正探討是在軸體之外周面直接採用形成有滾珠滾動槽之軸承。該情形中，要求有效且確實地測量形成於軸體之外周面之滾動槽之加工精度。
本發明之目的在於提供一種可有效且確實地測量形成於軸體之外周面之滾珠滾動槽之加工精度之旋轉軸裝置及垂直軸型流體發電裝置。
本發明之旋轉軸裝置之第一實施態樣係具備：軸體，其藉由角軸承可旋轉地被支撐；及支撐體，其經由上述角軸承支撐上述軸體使之可旋轉；上述軸體係於外周面形成有使上述角軸承之滾動體滾動之哥德式形狀之滾珠滾動槽。
本發明之旋轉軸裝置之第二實施態樣係如第一實施態樣，其中夾持上述滾動體而與上述滾珠滾動槽對向之外輪之滾珠滾動槽係圓弧狀。
本發明之旋轉軸裝置之第三實施態樣係如第一或第二實施態樣，其中於上述滾珠滾動槽之哥德式形狀之頂點部分形成有排油槽，該排油槽具有較上述滾珠滾動槽之曲率半徑更小之曲率半徑。
本發明之垂直軸型流體發電裝置之實施態樣係具備：軸體；複數個葉片，其係繞上述軸體之中心軸保持間隔地排列且連接於上述軸體；支撐體，其經由上述軸承支撐上述軸體使之可旋轉；及發電機，其利用上述軸體之旋轉而發電；作為上述軸體及上述支撐體，使用第一至第三實施態樣之任一種旋轉軸裝置。
本發明可有效且確實地測量形成於軸體之外周面之滾珠滾動槽之加工精度。
1‧‧‧垂直軸型風力發電裝置(垂直軸型流體發電裝置)
2‧‧‧旋轉機構
3‧‧‧旋轉軸裝置
4‧‧‧發電機構
10‧‧‧風車
11‧‧‧葉片
12‧‧‧臂
20‧‧‧旋轉軸(軸體)
21‧‧‧滾珠滾動槽
22‧‧‧第一槽面
23‧‧‧第二槽面
24‧‧‧排油槽
30‧‧‧軸承
31‧‧‧徑向軸承
32‧‧‧內輪
33‧‧‧外輪
34‧‧‧滾珠
35‧‧‧角軸承
36‧‧‧角軸承
37‧‧‧外輪
37s‧‧‧滾珠滾動槽
38‧‧‧外輪
38s‧‧‧滾珠滾動槽
39‧‧‧滾珠(滾動體)
40‧‧‧殼體(支撐體)
41‧‧‧支撐體之上側部分
42‧‧‧支撐體之下側部分
50‧‧‧發電機
51‧‧‧磁鐵轉子
52‧‧‧線圈定子
60‧‧‧塔(支柱)
90‧‧‧旋轉軸
91‧‧‧滾珠滾動槽
92‧‧‧槽面
C‧‧‧中心軸
F‧‧‧地面
M‧‧‧測微計
Ms‧‧‧測頭
S1‧‧‧中心
S2‧‧‧中心
S3‧‧‧中心
T‧‧‧槽中央
W‧‧‧風
-Z‧‧‧下方側
+Z‧‧‧上方側
圖1係表示本發明之實施形態之垂直軸型風力發電裝置1的外觀圖。
圖2係表示垂直軸型風力發電裝置1的側剖面圖。
圖3係表示形成於旋轉軸20之外周面之滾珠滾動槽21的放大剖面圖。
圖4(a)、(b)係說明滾珠滾動槽21之檢查方法的圖。
圖5係表示先前之滾珠滾動槽91的放大剖面圖。
參照圖式對本發明之實施形態進行說明。
圖1係表示本發明之實施形態之垂直軸型風力發電裝置1的外觀圖。
圖2係表示垂直軸型風力發電裝置1的側剖面圖。
如圖1及圖2所示，垂直軸型風力發電裝置(垂直軸型流體發電裝置)1具備旋轉機構2及發電機構4等。旋轉機構2藉由接受風W而進行旋轉。發電裝置4將由旋轉機構2所得之機械能轉換為電能。
設垂直方向為Z方向。有時將Z方向稱作中心軸C方向或軸向。設Z方向之上方側(風車10側)為+Z方向、下方側(塔60側)為-Z方向。
旋轉機構2具備風車10、旋轉軸20及殼體40等。風車10接受風W。旋轉軸20連結於風車10。殼體40經由軸承30支撐旋轉軸20使之可繞中心軸C進行旋轉。
將旋轉機構2中由旋轉軸20、軸承30及殼體40構成之裝置稱作旋轉軸裝置3。
發電機構4具備發電機50。
發電機50藉由將旋轉軸20沿圓周方向(繞中心軸C)進行旋轉所得之機械能轉換為電能而發電。旋轉機構2及發電機構4配設於立設於地面F且朝垂直方向延伸之塔(支柱)60之上部。
風車10例如為旋翼型風車(葉輪)。風車10具備形成矩形板狀或帶板狀之複數個葉片11。
複數個葉片11以朝與地面F垂直之方向延伸地配置。複數個葉片11繞旋轉軸20之中心軸C於圓周方向等間隔配設。複數個葉片11藉由複數個臂12而連結於旋轉軸20。
葉片11形成為若接受風W則產生昇力之形狀。風車10藉助該昇力繞旋轉軸20之中心軸C進行旋轉。
風車10對風向無依賴性。風車10係設定為對來自任何方向之風W皆可繞旋轉軸20之中心軸C進行旋轉之形狀。
如圖2所示，旋轉軸20係以中心軸C相對地面F垂直之方式朝垂直方向延伸地配設。旋轉軸20係經由軸承30相對殼體40可旋轉地被軸支。
旋轉軸(軸體)20之外周面連接有臂12之第一端。臂12形成矩形板狀或帶板狀。臂12係自旋轉軸20之外周面朝徑向外側突設有複數個。臂12係於旋轉軸20之圓周方向等間隔而配設。
於臂12之第二端連結有葉片11。相對一個葉片11，於中心軸C方向上分開且平行地配設有一對臂12。
於旋轉軸20之中央部附近與下端部附近設置有軸承30。旋轉軸20經由軸承30相對殼體40可旋轉地被支撐。
軸承30具備於旋轉軸20之中心軸C方向上彼此分離之徑向軸承31與複數行之角軸承35、36。
徑向軸承31配設於中心軸C方向之發電機50側(-Z方向)之端部。徑向軸承31之內輪32固設於旋轉軸20之下端側。
複數行之角軸承35、36配設於中心軸C方向之風車10側(+Z方向)。複數行角軸承35、36之各者之滾珠滾動槽21以排列於旋轉軸20之中央部之方式形成。
角軸承35、36僅具有外輪37、38。角軸承35、36之內輪(滾珠滾動槽21)係一體地形成於旋轉軸20上。旋轉軸20上，於設置有複數行之角軸承35、36之處之外周面形成有複數個滾珠(滾動體)39進行滾動之2個滾珠滾動槽21。
2個滾珠滾動槽21分別於旋轉軸20之外周面上形成沿圓周方向延伸之環狀，且形成朝中心軸C凹入之凹曲線形。
殼體(支撐體)40係由上側部分41與下側部分42構成。上側部分41係風車10側(+Z方向)之部位。下側部分42係與風車10相反之塔60側(-Z方向)之部位。殼體40係形成為上側部分41較下側部分42直徑縮小之多段筒形。
殼體40之下側部分42之下端部連結於塔60之上端部。
殼體40之上側部分41之內周面上，於上端側(+Z方向)固設有角軸承35、36之外輪37、38。殼體40之上側部分41之內周面上，於下端側(-Z方向)固設有徑向軸承31之外輪33。
角軸承35、36具有直徑相同之複數個滾珠39。滾珠39可具有與徑向軸承31之滾珠34不同之直徑。但並非限定於此，亦可為相同之直徑。
殼體40之下側部分42之內部收納有發電機50或控制部(未圖示)等。
發電機50藉由將旋轉軸20之旋轉所得之旋轉力(機械能)轉換為電能而發電。發電機50具備磁鐵轉子51與線圈定子52。磁鐵轉子51連結於旋轉軸20之下端且與旋轉軸20一起旋轉。線圈定子52以包圍磁鐵轉子51之外周側之方式配設。
垂直軸型風力發電裝置1中，若風車10接受風W而使旋轉軸20繞中心軸C進行旋轉，則連結於旋轉軸20之磁鐵轉子51亦繞中心軸C進行旋轉。磁鐵轉子51係與風車10及旋轉軸20同軸(中心軸C)上而旋轉。
藉由磁鐵轉子51相對線圈定子52繞中心軸C進行旋轉，於磁鐵轉子51與線圈定子52之間產生電磁感應而發電。
圖3係表示形成於旋轉軸20之外周面之滾珠滾動槽21的放大剖面圖。
圖4係說明滾珠滾動槽21之檢査方法的圖。(a)係滾珠滾動槽21的立體圖；(b)係測微計M的示意圖。
圖5係表示先前之滾珠滾動槽的放大剖面圖。
如圖3所示，形成於旋轉軸20之外周面之滾珠滾動槽21係形成為所謂哥德式形狀。滾珠滾動槽21以槽中央T為基準，具有形成於軸向之上方側(+Z方向)之第一槽面22與形成於軸向之下方側(-Z方向)之第二槽面23。
第一槽面22與第二槽面23以槽中央T為基準，為對稱之圓弧狀。第一槽面22之中心S1較槽中央T而位於軸向之下方側(-Z方向)，第二槽面23之中心S2較槽中央T而位於軸向之上方側(+Z方向)。藉此，滾珠滾動槽21形成為以槽中央T之部分變尖之方式深入形成之哥德式形狀(尖頭弓形)。
角軸承35之滾珠39滾動於第二槽面23，角軸承36之滾珠39滾動於第一槽面22。藉此，滾珠滾動槽21與滾珠39成為一點接觸結構，由此可減少差動滑動。
於滾珠滾動槽21之槽中央T(哥德式形狀之頂點部分)形成有較第一槽面22及第二槽面23剖面半徑(曲率半徑)更小之排油槽24。此舉係為例如於超精加工第一槽面22時不致使工具(未圖示)之端部碰觸到第二槽面23。
於旋轉軸20之外周面形成有滾珠滾動槽21之情形時，需管理滾珠滾動槽21之加工精度。此舉係為使滾珠39一面承受適當之負荷一面順利地滾動於滾珠滾動槽21與外輪37、38之間。具體而言，需嚴格管理滾珠滾動槽21之P.C.D.(the pitch circle diameter：節圓直徑)。
如圖4(b)所示，在測定滾珠滾動槽21之P.C.D時使用測微計M。測微計M具有一對測頭Ms。一對測頭Ms係使用球體。雖測頭Ms之半徑尺寸為任意之尺寸，但其為已知。例如，設測頭Ms之半徑尺寸大於滾珠39之半徑。
一般而言，測定圓柱形構件之直徑時，必要條件為測微計M之測頭Ms不會於軸向位置偏移。若一對測頭Ms之中心並非分別配置於相對圓柱形構件之中心軸垂直之剖面上，則無法正確地測定圓柱形構件之直徑。
與此相同，即使於測定滾珠滾動槽21之P.C.D.時，必要條件仍為測微計M之測頭Ms不於軸向位置偏移。
如圖3所示，垂直軸型風力發電裝置1中，若將測微計M之測頭Ms抵接於滾珠滾動槽21，則測頭Ms分別抵接第一槽面22與第二槽面23。測頭Ms與滾珠滾動槽21進行二點接觸。因此，並未出現測頭Ms於軸向(圖3中為Z方向)位置偏移之情形。因此，可利用測微計M(測頭Ms)確實地測定滾珠滾動槽21之P.C.D.。
與此相對，如圖5所示，先前之旋轉軸90中，滾珠滾動槽91形成為圓弧狀。滾珠滾動槽91係由單一之槽面92而形成。槽面92之中心S3位於槽中央T。
但，對於圓柱形構件即旋轉軸90之滾珠滾動槽91，無法利用測微計M(測頭Ms)確實地測定P.C.D.。
於測微計M之一對測頭Ms具有較槽面92之半徑更小之半徑之情形時，若將測微計M之測頭Ms抵接於滾珠滾動槽91，則測頭Ms抵接槽面92。但測頭Ms之軸向(圖3中為Z方向)之位置卻並不固定。原因在於，測頭Ms只不過與滾珠滾動槽91進行一點接觸。因此，測頭Ms將一面抵接於槽面92，一面於軸向移動(位置偏移)。因此，無法利用測微計M(測頭Ms)而確實地測定滾珠滾動槽91之P.C.D.。
於測頭Ms具有較槽面92之半徑更大之半徑之情形時，若將測微計M之測頭Ms抵接滾珠滾動槽91，則測頭Ms將抵接於槽面92之緣部。因此，測頭Ms之軸向之位置固定。但，因測頭Ms並未抵接槽面92，故無法確實地測定滾珠滾動槽91之P.C.D.。
可認為，於測頭Ms具有與槽面92之半徑相同之半徑之情形時，可解決上述問題。但，使槽面92之半徑與測頭Ms之半徑一致之情形，實際上並不可能。原因在於，即使以與槽面92之半徑相同地形成測頭Ms之半徑，測頭Ms之半徑仍必然包含加工誤差。
如此，無法利用測微計M(測頭Ms)而確實地測定滾珠滾動槽91之P.C.D.。
如以上說明般，本發明之實施形態之旋轉軸裝置3中，於旋轉軸20之外周面形成有供複數行之角軸承35、36之滾珠39進行滾動之滾珠滾動槽21。滾珠滾動槽21形成所謂哥德式形狀。因此，可利用測微計M確實地測定滾珠滾動槽21之P.C.D.。
旋轉軸裝置3中，藉由一體地構成旋轉軸20與軸承30(角軸承35、 36)，可無需軸承30之內輪。因此，旋轉軸裝置3可小型化地形成裝置之徑向之外形，且可謀求降低成本。
因於旋轉軸20之第一端側配置有複數行之角軸承35、36，於第二端側配置有徑向軸承31，故可確實承受推力方向(軸向)之負荷與徑向(半徑方向)之負荷，從而可使旋轉軸20順利地進行旋轉。
因本發明之實施形態之垂直軸型風力發電裝置1使用旋轉軸裝置3，故即使吹至風車10之風W之風量(風速)較小，仍易使風車10及旋轉軸20進行旋轉。因此，可提高垂直軸型風力發電裝置1之發電效率。
旋轉軸裝置3中，外輪37、38之滾珠滾動槽37s、38s之槽形狀為圓弧狀。滾珠滾動槽37s、38s係夾持滾珠39而與形成於旋轉軸20之外周面之滾珠滾動槽21對向。因此，可容易地將滾珠39插入角軸承35、36，從而提高旋轉軸裝置3之組裝性。
本發明並非限定於上述實施形態，而係可在不脫離本發明之主旨之範圍內加上各種變更。
例如，上述實施形態中，作為垂直軸型流體發電裝置，雖已對利用作動流體中之風W使風車10旋轉之垂直軸型風力發電裝置1予以說明，但，並非限定於此。垂直軸型流體發電裝置亦可為利用作動流體中之水使水車(葉片輪)旋轉之垂直軸型水力發電裝置。亦可為使葉片浸入水渠之水中，將發電機設置於水上之水力發電裝置。即使如此之水力發電裝置，仍可獲得與垂直軸型水力發電裝置相同之效果。
上述實施形態中，雖以對將軸承30中複數行之角軸承配置於旋轉軸20之中心軸C方向之上方側(+Z方向)，而將徑向軸承配置於旋轉軸20之中心軸C方向之下方側(-Z方向)之情形予以說明，但並非限定於此。亦可將複數行之角軸承配置於旋轉軸20之中心軸C方向之下方側，將徑向軸承配置於旋轉軸20之中心軸C方向之上方側。
角軸承35、36彼此除背面對齊外亦可正面對齊或並排對齊。
雖角軸承31之滾動體係使用滾珠39，但並非限定於此。例如，作為滾動體，亦可使用輥等。
風車(轉子)並非限定於旋翼型。風車(轉子)亦可為達裏厄(Darrieus)型、直線翼型、薩伏紐斯(Savonius)型、槳輪型、橫流型及S型轉子型等。
2‧‧‧旋轉機構
3‧‧‧旋轉軸裝置
10‧‧‧風車
11‧‧‧葉片
12‧‧‧臂
20‧‧‧旋轉軸(軸體)
21‧‧‧滾珠滾動槽
30‧‧‧軸承
31‧‧‧徑向軸承
32‧‧‧內輪
33‧‧‧外輪
34‧‧‧滾珠
35‧‧‧角軸承
36‧‧‧角軸承
37‧‧‧外輪
37s‧‧‧滾珠滾動槽
38‧‧‧外輪
38s‧‧‧滾珠滾動槽
39‧‧‧滾珠(滾動體)
40‧‧‧殼體(支撐體)
41‧‧‧支撐體之上側部分
42‧‧‧支撐體之下側部分
50‧‧‧發電機
52‧‧‧線圈定子
C‧‧‧中心軸
+Z‧‧‧上方側
-Z‧‧‧下方側

Claims (4)

  1. 一種旋轉軸裝置，其包含：軸體，其藉由角軸承可旋轉地被支撐；及支撐體，其經由上述角軸承支撐上述軸體使之可旋轉；且上述軸體係於外周面形成有使上述角軸承之滾動體滾動之哥德式形狀之滾珠滾動槽。
  2. 如請求項1之旋轉軸裝置，其中夾持上述滾動體而與上述滾珠滾動槽對向之外輪之滾珠滾動槽係圓弧狀。
  3. 如請求項1之旋轉軸裝置，其中於上述滾珠滾動槽之哥德式形狀之頂點部分形成有具有較上述滾珠滾動槽之曲率半徑更小之曲率半徑之排油槽。
  4. 一種垂直軸型流體發電裝置，其包含：軸體；複數個葉片，其係繞上述軸體之中心軸保持間隔而排列且連接於上述軸體；支撐體，其經由上述軸承支撐上述軸體使之可旋轉；及發電機，其利用上述軸體之旋轉而發電；且作為上述軸體及上述支撐體，係使用如請求項1之旋轉軸裝置。
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