TWI525250B - 垂直軸型風車用軸承及垂直軸型風力發電裝置 - Google Patents

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Description

垂直軸型風車用軸承及垂直軸型風力發電裝置
本發明關於一種垂直軸型風車用軸承及垂直軸型風力發電裝置。
本申請案係基於且主張2011年11月29日於日本提出申請之專利申請案第2011-260317號之優先權的權利，該案之全部內容以引用之方式併入本文中。
作為利用流體之流動進行發電之垂直軸型流體發電裝置，例如已開發出利用風(作動流體)之流動之風力發電裝置。如種垂直軸型風力發電裝置具備軸體、複數個葉片(風車)、支持體、及發電機。
複數個葉片間隔圍繞軸體之中心軸而排列，並連接於該軸體。支持體經由軸承將軸體支持為可圍繞中心軸旋轉。發電機將藉由軸體於周向旋轉而獲得之機械能轉換為電能而使電力發電。
例如，專利文獻1中記載之風力發電裝置中，在相對於地面鉛直方向(相對於水平面垂直之方向)上延設有連結垂直翼(葉片)之旋轉機構(軸體)。該旋轉機構經由一對軸承(滾珠軸承)可旋轉地被支持於中間固定軸(支持體)。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2006-207374號公報
然而，在先前之垂直風力發電裝置中具有以下問題。軸體設定為確保強度所需之直徑。且，對應於該軸體之直徑，選定例如70XX系列等(JIS B 1512)之市場中流通之滾珠軸承。然而，如此選定之滾珠軸承中，額定負載過大(超規)。又，由於滾珠軸承之負載容量(額定動負載或額定靜負載)亦較大，故扭力阻力亦變大。因此，其問題在於軸體之旋轉(尤其低風速範圍之旋轉)受阻礙而使發電效率降低，從而成為效率差之風車。
本發明之目的在於提供一種扭力阻力較小，可使軸體順暢地旋轉，從而可提高發電效率之垂直軸型風車用軸承及垂直軸型風力發電裝置。
本發明之垂直軸型風車用軸承之第一實施態樣為可旋轉地支持垂直軸型風車之垂直軸之軸承，且以滿足期望之起動扭力與額定負載之方式，選定滾珠之直徑與滾動槽之曲率。
本發明之垂直軸型風車用軸承之第二實施態樣係如第一實施態樣，其中上述滾動槽之曲率為54%以上100%以下。
本發明之垂直軸型風車用軸承之第三實施態樣係如第一或第二實施態樣，其中上述滾珠之直徑其相對於上述垂直軸之比率為20%以下。
本發明之垂直軸型風車用軸承之第四實施態樣係如第一至第三實施態樣之任一者，於上述垂直軸之外周面上形成 有上述滾珠之滾動槽。
本發明之垂直軸型風力發電裝置之實施態樣為具備：圍繞於垂直方向延伸之中心軸旋轉之風車；沿著上述中心軸配置且連結有上述風車之軸體；經由軸承將上述軸體支持為可圍繞上述中心軸旋轉之支持體；及利用上述軸體之旋轉使電力發電之發電機；且上述軸承為本發明之垂直軸型風車用軸承之第一至第四實施態樣之任一者之垂直軸型風車用軸承。
根據本發明，可實現扭力阻力較小而可使軸體順暢地旋轉，從而可提高發電效率之垂直軸型風車用軸承及垂直軸型風力發電裝置。
(第一實施形態)
圖1係顯示第一實施形態之垂直軸型風力發電裝置10之外觀圖。圖2係顯示垂直軸型風力發電裝置10之側剖面圖。
如圖1、圖2所示，垂直軸型風力發電裝置(垂直軸型流體發電裝置)10具有受風(作動流體)W而旋轉之旋轉機構10A，與將由旋轉機構10A獲得之機械能轉換為電能之發電機構10B。
旋轉機構10A具備受風W之風車1、連結於風車1之旋轉軸(軸體)2、及經由軸承3將旋轉軸2支持為可圍繞中心軸C旋轉之套管(支持體)4。
發電機構10B具備將藉由旋轉軸2於周向(圍繞中心軸C)旋轉而獲得之機械能轉換為電能而使電力發電之發電機5。
該等旋轉機構10A及發電機構10B配設於直立設置於地面F並於鉛直方向延伸之塔(支柱)6之上部。
風車1為所謂之旋翼型風車。風車1具有複數個形成為矩形板狀或帶板狀並於鉛直方向延伸之葉片1A。複數個葉片1A圍繞旋轉軸2之中心軸C於周向均等地間隔配置。複數個葉片1A經由支持該等之複數個臂1B連結於旋轉軸2。
葉片1A形成為一受到風W即產生升力之形狀。利用該升力，使風車1圍繞旋轉軸2之中心軸C旋轉。
風車1對風向無依存性。無論對於來自哪個方向之風W，風車1均設定為可圍繞旋轉軸2之中心軸C旋轉。
如圖2所示，連結風車1(葉片1A)之旋轉軸2以其中心軸C相對於地面F為垂直之方式於鉛直方向上延伸而配設。旋轉軸2經由軸承3相對於套管4可旋轉地被軸支。
於旋轉軸2之外周面上，連接呈矩形板狀或帶板狀之臂1B之第一端。臂1B朝徑方向外側突出設置有複數個。該等臂1B於旋轉軸2之周向上均等地間隔配設。且，於臂1B之第二端上連結葉片1A。相對於1個葉片1A，於中心軸C方向隔開並平行地設置一對之臂1B。
旋轉軸2於其中央部附近與下端部附近設置軸承3，而可相對於套管4旋轉地被支持。軸承3具備於旋轉軸2之中心軸C方向上相互隔開之徑向軸承13與雙列之斜角滾珠軸承 14A、14B。
徑向軸承13配設於旋轉軸2之中心軸C方向之發電機5側之端部。徑向軸承13之內環15固定設置於旋轉軸2之下端側。
雙列之斜角滾珠軸承14A、14B配設於旋轉軸2之中心軸C方向中之風車1側。雙列之斜角滾珠軸承14A、14B之內環17、17固定設置於旋轉軸2之中央部。
套管4形成為其風車1側(第一端側)即上側部分4A之直徑相較於與風車1側相反之塔6側(第二端側)即下側部分4B經縮小之多段筒形。套管4其下側部分4B之下端部連結於塔6之上端部。
於套管4之上側部分4A之內周面上，於上端側固定設置斜角滾珠軸承14A、14B之外環18、18。套管4之上側部分4A之內周面上，於下端側固定設置徑向軸承13之外環16。
軸承3之徑向軸承13與斜角滾珠軸承14A、14B具有相同直徑之複數個滾珠7。具有相同直徑之複數個滾珠7。
徑向軸承13與斜角滾珠軸承14A、14B之上下位置亦可與上述相反地設定。可將徑向軸承13配設於旋轉軸2之風車1側，而將斜角滾珠軸承14A、14B配設於旋轉軸2之發電機5側。
斜角滾珠軸承14A、14B彼此亦可為背面對準以外之正面對準或並列對準。
套管4之下側部分4B之內部，收納有發電機5或控制部(未圖示)等。
發電機5係將利用旋轉軸2之旋轉而獲得之旋轉力(機械能)轉換為電能而使電力發電者。發電機5具備連結於旋轉軸2之下端而與旋轉軸2一起旋轉之磁鐵轉子8、與以包圍磁鐵轉子8之外周側之方式配設之線圈定子9。
若風車1受到風W因而旋轉軸2圍繞中心軸C旋轉，則連結於旋轉軸2之磁鐵轉子8亦圍繞中心軸C旋轉。磁鐵轉子8與風車1及旋轉軸2在同軸(中心軸C)上旋轉。
藉由磁鐵轉子8相對於線圈定子9圍繞中心軸C旋轉，磁鐵轉子8與線圈定子9之間產生電磁感應，從而電力發電。
就軸支旋轉軸2之軸承3之要求性能，詳細進行說明。
圖3係顯示第一實施形態之軸承3之圖。
期望垂直軸型風力發電裝置10之旋轉軸2有效率、輕巧地旋轉。要求使用於旋轉軸2之軸承3即使當風車1受到微弱之風速之風W之情形下，旋轉軸2仍會旋轉之方式予以軸支。因此，軸承3(徑向軸承13、斜角滾珠軸承14A、14B)之起動扭力及旋轉扭力必須非常小。
另一方面，軸支旋轉軸2之軸承3，由於長期間受到變動較大之外力(風車1所受之風W)，故需要具有滿足充分之靜負載容量(基本額定靜負載)與動負載容量(基本額定動負載)之性能。
因此，軸承3必須為一方面具有充分之額定負載，且為旋轉扭力較小者。
軸承3之規格(性能)中，決定旋轉轉動力矩、額定負載(基本額定靜負載、基本額定動負載)之形狀參數已知有以 下4項：
(1)滾珠直徑Dw
(2)滾動槽曲率α(α=R/Dw，滾動槽半徑R)
(3)滾珠中心徑Dpw
(4)滾珠數量z
一般而言，若增大(1)、(3)、(4)之數值，則旋轉轉動力矩及額定負載亦變大。另一方面，已知若增大(2)之數值，則旋轉轉動力矩及額定負載變小。
因此，該等4個參數之平衡很重要。
根據風車1受到之最大風力等之條件(使用條件)，旋轉軸2之直徑d1必然大致為一定(必要最小限度之直徑以上)。軸承3之內徑d由於與旋轉軸2之直徑d1相同，故必然大致為一定。
若下軸承3之內徑d為一定，則(3)滾珠中心徑Dpw可藉由決定(1)滾珠直徑Dw而導出。
(4)滾珠數量z藉由決定(1)滾珠直徑Dw與(3)滾珠中心徑Dpw而導出。因為可配置於軌道上之滾珠B之最大數目乃物理性決定。若減少滾珠數量z，則由於每個滾珠B之負載變大而可靠性降低，因此現實上不可行。
如此一來，欲設計(採用)最適合風車1之旋轉軸2之軸承3之情形時，可知(1)滾珠直徑Dw與(2)滾動槽曲率α此2者為重要之參數。
因此，軸承3若要具有充足之負載容量且為低旋轉扭力，則必須滿足以下條件：
條件(1)縮小滾珠直徑Dw
條件(2)增大滾動槽曲率α
為設計(採用)滿足上述條件之軸承3，進行以下程序。
首先，根據風車1之規格(使用條件)，求出對於軸支旋轉軸2之軸承3所要求之性能。求出對於軸承3所要求之額定負載(基本額定動負載、基本額定靜負載)及起動扭力。
求出可滿足所求得之要求性能(基本額定動負載、基本額定靜負載及起動扭力)之各者之關係曲線。即，求出(1)滾珠直徑Dw與(2)滾動槽曲率α之關係(關係曲線)。
圖4係將軸承3之用以滿足要求性能之滾珠比β與滾動槽曲率α之關係曲線圖表化者。圖4中，顯示風車1之受風面積為9 m2之情形。風條件為IEC61400-2classIV。
在IEC61400-2中，將受風面積不到2 m2~200 m2之風車稱為小型風車。
圖4中，縱軸表示滾珠比β，橫軸表示滾動槽曲率α。縱軸並非(1)滾珠直徑Dw本身，而是表示相對於旋轉軸2之直徑d1之滾珠直徑Dw之比率(滾珠比β)。旋轉軸2之直徑d1由於並非必須設計為必要最小限度之尺寸，故使用滾珠比β。
滾珠比β=Dw/d(滾珠直徑Dw，旋轉軸直徑d)
如上所述，軸承3必須滿足額定負載與起動扭力。軸承3必須至少滿足基本額定動負載及基本額定靜負載之任一者，且必須滿足起動扭力。更好的是，軸承3滿足基本額定動負載、基本額定靜負載及起動扭力之全部。
在圖4所示之情形下，若(1)滾珠直徑Dw與(2)滾動槽曲率α為描繪於區域I、區域II及區域III中者，則可知軸承3合適作為用於垂直軸型風力發電裝置10之旋轉軸2之軸承。
再者，對於軸承3，(1)滾珠直徑Dw與(2)滾動槽曲率α為描繪於區域I中者最合適。(1)滾珠直徑Dw大致為20%以下。較好的是，(1)滾珠直徑Dw為10%~15%。(2)滾動槽曲率α為54%~100%。較好的是，(2)滾動槽曲率α為55%~65%。
例如，作為軸承3，只要設計(採用)滾動槽曲率α=60%、滾珠比β=12%之軸承即可。
在滾珠直徑Dw超過20%之情形下，難以滿足額定負載與起動扭力之兩者。若滾珠直徑Dw相對於旋轉軸2之直徑過大，則可配置於軸承3之滾珠7之數量減少，從而每個滾珠7之負載過大，故現實上不可行。
一般而言，直徑過小之滾珠或較大之滾珠(尤其直徑1英吋以上)市場性較低，且成本增加。因此，滾珠直徑Dw為20%以下較合適。
在滾珠直徑Dw不足10%之情形下，難以滿足額定負載與起動扭力之兩者。因此，滾珠直徑Dw為10%以上較合適。
在滾動槽曲率α不足54%之情形下，與滾珠直徑Dw為10%以下之情形相同，難以滿足額定負載與起動扭力之兩者。因此，滾動槽曲率α為54%以上較合適。
在滾動槽曲率α超過100%之情形下，與滾珠直徑Dw超過20%之情形相同，難以滿足額定負載與起動扭力之兩者。因此，滾動槽曲率α為100%以下較合適。
如以上說明所示，第一實施形態之垂直軸型風力發電裝置10中，軸承3由於(i)滾珠直徑Dw較小，(ii)滾動槽曲率α較大，故一方面具有充分之額定負載且旋轉扭力較小。因此，即使風車1受到微弱之風速之風W之情形下，旋轉軸2仍可旋轉。
又，風車1可長期間接收變動較大之外力(風車1所受之風W)。因此，垂直軸型風力發電裝置10可以高效率發電。
(第2實施形態)
圖5係顯示第二實施形態之垂直軸型風力發電裝置20及軸承23之側剖面圖。
就與第一實施形態之垂直軸型風力發電裝置10及軸承3不同之點進行說明，對於與垂直軸型風力發電裝置10及軸承3相同之構件省略說明。
垂直軸型風力發電裝置20之旋轉軸22由軸承23予以軸支。軸承23具備上述之徑向軸承13與斜角滾珠軸承24A、24B。
連結風車1之旋轉軸22中，於設置雙列之斜角滾珠軸承24A、24B之部分中，形成複數個滾珠7轉走之滾動槽33。斜角滾珠軸承24A、24B僅具有外環28，不具有內環。因此，於旋轉軸22之外周面上形成有供滾珠7轉走之滾動槽33。
滾動槽33在旋轉軸22之外周面上形成為沿著周向延伸之環狀。滾動槽33形成為向著中心軸C側凹陷之半圓形狀。
徑向軸承13與斜角滾珠軸承24A、24B之上下位置，可 與上述之形態相反地設定。徑向軸承13可配設於旋轉軸2之風車1側，斜角滾珠軸承24A、24B可配設於旋轉軸2之發電機5側。
斜角滾珠軸承24A、24B彼此亦可為背面對準以外之正面對準或並列對準。
軸支旋轉軸22之軸承23之要求性能與軸承3相同。因此，若要設計(採用)滿足上述條件之軸承23，只要進行與軸承3之設計(採用)相同之程序即可。
然而，由於徑向軸承13與斜角滾珠軸承24A、24B之間，半徑d、滾珠直徑Dw、滾動槽半徑R、滾珠中心徑Dpw、滾珠數量z之值不同，故需要各自分別設計(採用)。例如，斜角滾珠軸承24A、24B之半徑d非旋轉軸22之直徑d1，而是形成有滾動槽33之部位之直徑d2。
在第二實施形態之垂直軸型風力發電裝置20中，軸承23亦由於(i)滾珠直徑Dw較小，(ii)滾動槽曲率α較大，故一方面具有充分之額定負載且旋轉扭力較小。因此，風車1即使受到微弱之風速之風W之情形下，旋轉軸22仍可旋轉。又，風車1可長期間接收變動較大之外力(風車1所受之風W)。因此，垂直軸型風力發電裝置20可以高效率發電。
上述實施形態中所示之各構成構件之諸形狀或組合等皆為一例，在不脫離本發明之宗旨之範圍內可基於設計要求等進行各種更改。
亦可為徑向軸承不具有內環，且在旋轉軸22中形成滾動 槽之情形。
可為徑向軸承與斜角滾珠軸承僅具有內環，不具有外環，且在套管4(上側部分4A)之內周面上形成滾動槽之情形。
旋轉軸2、22不限於整體構造，可為連結複數個軸構件之情形。
一對之臂1B可在中心軸C方向上隔開而不平行。
軸承3、23之徑向軸承13與斜角滾珠軸承14A、14B、24A、24B之滾珠直徑既可為各自相同，亦可為不同之直徑。
1‧‧‧風車
1A‧‧‧葉片
1B‧‧‧臂
2‧‧‧旋轉軸(軸體)
3‧‧‧軸承(垂直軸型風車用軸承)
4‧‧‧套管(支持體)
4A‧‧‧上側部分
4B‧‧‧下側部分
5‧‧‧發電機
6‧‧‧塔(支柱)
7‧‧‧滾珠
8‧‧‧磁鐵轉子
9‧‧‧線圈定子
10‧‧‧垂直軸型風力發電裝置
10A‧‧‧旋轉機構
10B‧‧‧發電機構
13‧‧‧徑向軸承
14A‧‧‧斜角滾珠軸承
14B‧‧‧斜角滾珠軸承
15‧‧‧內環
16‧‧‧外環
17‧‧‧內環
18‧‧‧外環
20‧‧‧垂直軸型風力發電裝置
22‧‧‧旋轉軸(軸體)
23‧‧‧軸承(垂直軸型風車用軸承)
24A‧‧‧斜角滾珠軸承
24B‧‧‧斜角滾珠軸承
28‧‧‧外環
33‧‧‧滾動槽
C‧‧‧中心軸
d‧‧‧軸承內徑
d1‧‧‧旋轉軸直徑
Dpw‧‧‧滾珠中心徑
Dw‧‧‧滾珠直徑
F‧‧‧地面
R‧‧‧滾動槽半徑
W‧‧‧風
圖1係顯示本發明之第一實施形態之垂直軸型風力發電裝置之外觀圖。
圖2係顯示本發明之第一實施形態之垂直軸型風力發電裝置之側剖面圖。
圖3係顯示本發明之第一實施形態之軸承之圖。
圖4係將用以滿足軸承之要求性能之滾動槽曲率與滾珠比之關係曲線圖表化者。
圖5係顯示本發明之第二實施形態之垂直軸型風力發電裝置及軸承之側剖面圖。
1‧‧‧風車
1A‧‧‧葉片
1B‧‧‧臂
2‧‧‧旋轉軸(軸體)
3‧‧‧軸承(垂直軸型風車用軸承)
4‧‧‧套管(支持體)
4A‧‧‧上側部分
4B‧‧‧下側部分
5‧‧‧發電機
7‧‧‧滾珠
8‧‧‧磁鐵轉子
9‧‧‧線圈定子
10‧‧‧垂直軸型風力發電裝置
14A‧‧‧斜角滾珠軸承
14B‧‧‧斜角滾珠軸承
15‧‧‧內環
16‧‧‧外環
17‧‧‧內環
18‧‧‧外環
C‧‧‧中心軸

Claims (5)

  1. 一種垂直軸型風車用軸承，其係可旋轉地支持垂直軸型風車之垂直軸之軸承，其中滾珠的直徑相對於上述垂直軸的直徑之比率即第一比率，以及滾動槽的半徑相對於上述滾珠的直徑之比率即第二比率，其等係設定為在以上述第一比率為縱軸、以上述第二比率為橫軸之圖中，屬於由第一曲線、第二曲線及第三曲線所包圍之區域，其中，上述第一曲線係表示成為由上述垂直軸型風車的使用條件所求出之起動扭力之上述第一比率及上述第二比率的關係，上述第二曲線係表示成為由上述垂直軸型風車的使用條件所求出之額定動負載之上述第一比率及上述第二比率的關係，上述第三曲線係表示成為由上述垂直軸型風車的使用條件所求出之額定靜負載之上述第一比率及上述第二比率的關係。
  2. 如請求項1之垂直軸型風車用軸承，其中上述滾動槽的半徑相對於滾珠的直徑之比率為54%以上、100%以下。
  3. 如請求項1之垂直軸型風車用軸承，其中上述滾珠之直徑，其相對於上述垂直軸的直徑之比率為20%以下。
  4. 如請求項1之垂直軸型風車用軸承，其中於上述垂直軸之外周面上形成有上述滾珠之滾動槽。
  5. 一種垂直軸型風力發電裝置，其係具備繞於垂直方向上 延伸之中心軸旋轉之風車、沿著上述中心軸配置且連結上述風車之軸體、經由軸承將上述軸體支持為可繞上述中心軸旋轉之支持體、及利用上述軸體之旋轉使電力發電之發電機者，其特徵在於：上述軸承為如請求項1至4中任一項之垂直軸型風車用軸承。
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