WO2013161566A1 - 回転軸装置及び垂直軸型流体発電装置 - Google Patents

回転軸装置及び垂直軸型流体発電装置 Download PDF

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Abstract

　回転軸装置（３）は、アンギュラ軸受（３５，３６）により回転可能に支持される軸体（２０）と、アンギュラ軸受（３５，３６）を介して軸体（２０）を回転可能に支持する支持体（４０）と、を備える。軸体（２０）の外周面には、アンギュラ軸受（３５，３６）の転動体（３９）を転走させるゴシックアーチ形状のボール転走溝（２１）が形成される。

Description

回転軸装置及び垂直軸型流体発電装置
　本発明は、回転軸装置及び垂直軸型流体発電装置に関する。
　本願は、２０１２年４月２６日に、日本に出願された特願２０１２－１０１２６８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　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。垂直軸型風力発電装置は、軸体、複数のブレード（風車）、支持体及び発電機等を備える。
　複数のブレードは、軸体の中心軸回りに間隔をあけて配列される。支持体は、軸受を介して軸体を中心軸回りに回転可能に支持する。発電機は、軸体の回転から電力を発電する。
　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。回転機構（軸体）は、一対のベアリング（軸受）を介して中間固定シャフト（支持体）に対して回転可能に支持される。
特開２００６－２０７３７４号公報
　従来の垂直風力発電装置においては、以下の課題がある。作動流体の移動やブレード及び軸体の自重等によって、軸受にはラジアル方向（軸体の中心軸方向に交差する方向）やスラスト方向（中心軸方向に沿う方向）の外力が作用する。しかし、これらの荷重を軸受が十分に支持しきれないときに、装置に振動が発生するなどして、軸体が円滑に回転しなくなる。
　また、軸受同士の同軸度を精度よく設定することが難しい。このため、同軸度の精度が十分に確保できなかった場合に、軸体の回転中心が該軸体の中心軸から振れやすくなり、軸体が円滑に回転しなくなる。
　そこで、軸体の外周面に、直接、ボール転走溝を形成した軸受を採用することが検討されている。この場合には、軸体の外周面に形成した転走溝の加工精度を効率よく確実に計測することが要請される。
　本発明は、軸体の外周面に形成したボール転走溝の加工精度を効率よく確実に計測することができる回転軸装置及び垂直軸型流体発電装置を提供することを目的とする。
　本発明の回転軸装置の第一実施態様は、アンギュラ軸受により回転可能に支持される軸体と、前記アンギュラ軸受を介して前記軸体を回転可能に支持する支持体と、を備える回転軸装置であって、前記軸体は、外周面に、前記アンギュラ軸受の転動体を転走させるゴシックアーチ形状のボール転走溝が形成される。
　本発明の回転軸装置の第二実施態様は、第一実施態様において前記転動体を挟んで、前記ボール転走溝と対向する外輪のボール転走溝は、サーキュラーアーク形状である。
　本発明の回転軸装置の第三実施態様は、第一又は第二実施態様において前記ボール転走溝におけるゴシックアーチ形状の頂点部分には、前記ボール転走溝の曲率半径よりも小さな曲率半径を有する逃げ溝が形成される。
　本発明の垂直軸型流体発電装置の実施態様は、軸体と、前記軸体の中心軸回りに間隔をあけて配列されるとともに前記軸体に接続される複数のブレードと、前記軸受を介して前記軸体を回転可能に支持する支持体と、前記軸体の回転により電力を発電する発電機と、を備える垂直軸型流体発電装置であって、前記軸体及び前記支持体として、第一から第三実施態様のいずれかの回転軸装置を用いる。
　本発明は、軸体の外周面に形成したボール転走溝の加工精度を効率よく確実に計測することができる。
本発明の実施形態に係る垂直軸型風力発電装置１を示す外観図である。 垂直軸型風力発電装置１を示す側断面図である。 回転軸２０の外周面に形成されたボール転走溝２１を示す拡大断面図である。 ボール転走溝２１の検査方法を説明する図である。 従来のボール転走溝９１を示す拡大断面図である。
　本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
　図１は、本発明の実施形態に係る垂直軸型風力発電装置１を示す外観図である。
　図２は、垂直軸型風力発電装置１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）１は、回転機構２、発電機構４等を備える。回転機構２は、風Ｗを受けて回転する。発電機構４は、回転機構２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。
　鉛直方向をＺ方向とする。Ｚ方向を、中心軸Ｃ方向又は軸方向と呼ぶ場合がある。Ｚ方向のうち、上方側（風車１０側）を＋Ｚ方向、下方側（タワー６０側）を－Ｚ方向とする。
　回転機構２は、風車１０、回転軸２０、ケーシング４０等を備える。風車１０は、風Ｗを受ける。回転軸２０は、風車１０に連結される。ケーシング４０は、軸受３０を介して回転軸２０を中心軸Ｃ回りに回転可能に支持する。
　回転機構２のうち、回転軸２０、軸受３０及びケーシング４０から構成される装置を回転軸装置３と呼ぶ。
　発電機構４は、発電機５０を備える。
　発電機５０は、回転軸２０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。回転機構２及び発電機構４は、地面Ｆに立設されて鉛直方向に延びるタワー（支柱）６の上部に配設される。
　風車１０は、例えばジャイロミル型風車（ローター）である。風車１０は、矩形板状又は帯板状に形成された複数枚のブレード１１を備える。
　複数のブレード１１は、地面Ｆと鉛直方向に延びるように配置される。複数のブレード１１は、回転軸２０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１１は、複数のアーム１２を介して回転軸２０に連結される。
　ブレード１１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１０が回転軸２０の中心軸Ｃ回りに回転する。
　風車１０は、風向きに対して依存性がない。風車１０は、どの方向からの風Ｗに対しても、回転軸２０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、回転軸２０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２０は、軸受３０を介してケーシング４０に対して回転可能に軸支される。
　回転軸（軸体）２０の外周面には、アーム１２の第一端が接続される。アーム１２は、矩形板状又は帯板状に形成される。アーム１２は、回転軸２０の外周面から、径方向外方へ向けて複数突設される。アーム１２は、回転軸２０の周方向均等に間隔をあけて配設される。
　アーム１２の第二端には、ブレード１１が連結される。１つのブレード１１に対して、一対のアーム１２が中心軸Ｃ方向に離間して平行に設けられる。
　回転軸２０の中央部近傍と下端部近傍には、軸受３０が設けられる。回転軸２０は、軸受３０を介してケーシング４０に対して回転可能に支持される。
　軸受３０は、回転軸２０の中心軸Ｃ方向に互いに離間するラジアル軸受３１と、複列のアンギュラ軸受３５，３６とを備える。
　ラジアル軸受３１は、中心軸Ｃ方向の発電機５０側（－Ｚ方向）の端部に配設される。ラジアル軸受３１の内輪３２が、回転軸２０の下端側に固設される。
　複列のアンギュラ軸受３５，３６は、中心軸Ｃ方向の風車１０側（＋Ｚ方向）に配設される。複列のアンギュラ軸受３５，３６のそれぞれのボール転走溝２１が回転軸２０の中央部に並んで形成される。
　アンギュラ軸受３５，３６は、外輪３７，３８のみを有する。アンギュラ軸受３５，３６の内輪（ボール転走溝２１）は、回転軸２０に一体的に形成される。回転軸２０には、複列のアンギュラ軸受３５，３６が設けられる箇所の外周面に、複数のボール（転動体）３９が転走する２つのボール転走溝２１が形成される。
　２つのボール転走溝２１は、それぞれ、回転軸２０の外周面において周方向に沿って延びる環状に形成され、かつ、中心軸Ｃに向かって窪む凹曲線形に形成される。
　ケーシング（支持体）４０は、上側部分４１と下側部分４２となら構成される上側部分４１は、風車１０側（＋Ｚ方向）の部位である。下側部分４２は、風車１０とは反対のタワー６０側（－Ｚ方向）の部位である。ケーシング４０は、上側部分４１が下側部分４２よりも縮径された多段筒形に形成される。
　ケーシング４０の下側部分４２の下端部が、タワー６０の上端部に連結される。
　ケーシング４０の上側部分４１の内周面には、上端側（＋Ｚ方向）に、アンギュラ軸受３５，３６の外輪３７，３８が固設される。ケーシング４０の上側部分４１の内周面には、下端側（－Ｚ方向）に、ラジアル軸受３１の外輪３３が固設される。
　アンギュラ軸受３５，３６は、同一直径の複数のボール３９を有する。ボール３９は、ラジアル軸受３１のボール３４とは、異なる直径を有することができる。これに限定されず、同一直径であってもよい。
　ケーシング４０の下側部分４２の内部には、発電機５０や制御部（不図示）等が収容される。
　発電機５０は、回転軸２０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。発電機５０は、マグネットロータ５１とコイルステイタ５２を備える。マグネットロータ５１は、回転軸２０の下端に連結されて回転軸２０とともに回転する。コイルステイタ５２は、マグネットロータ５１の外周側を取り囲むように配設される。
　垂直軸型風力発電装置１では、風車１０が風Ｗを受けて回転軸２０を中心軸Ｃ回りに回転させると、回転軸２０に連結されたマグネットロータ５１も中心軸Ｃ回りに回転する。マグネットロータ５１が風車１０及び回転軸２０と同軸（中心軸Ｃ）上で回転する。
　マグネットロータ５１がコイルステイタ５２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５１とコイルステイタ５２との間で電磁誘導が発生して、電力が発電される。
　図３は、回転軸２０の外周面に形成されたボール転走溝２１を示す拡大断面図である。
　図４は、ボール転走溝２１の検査方法を説明する図である。（ａ）はボール転走溝２１の斜視図、（ｂ）はマイクロメータＭの模式図である。
　図５は、従来のボール転走溝を示す拡大断面図である。
　図３に示すように、回転軸２０の外周面に形成されたボール転走溝２１は、いわゆるゴシックアーチ形状に形成される。ボール転走溝２１は、溝中央Ｔを基準にして、軸方向の上方側（＋Ｚ方向）に形成される第一溝面２２と、軸方向の下方側（－Ｚ方向）に形成される第二溝面２３と、を有する。
　第一溝面２２と第二溝面２３とは、溝中央Ｔを基準にして、対称な円弧形状である。第一溝面２２の中心Ｓ１は、溝中央Ｔよりも軸方向の下方側（－Ｚ方向）に位置し、第二溝面２３の中心Ｓ２は、溝中央Ｔよりも軸方向の上方側（＋Ｚ方向）に位置する。これにより、ボール転走溝２１は、溝中央Ｔの部分が尖ったように深く形成されたゴシックアーチ形状（尖頭アーチ形）に形成される。
　アンギュラ軸受３５のボール３９は、第二溝面２３を転動し、アンギュラ軸受３６のボール３９は、第一溝面２２を転動する。これにより、ボール転走溝２１とボール３９が一点接触構造となり、差動滑りを低減できる。
　ボール転走溝２１の溝中央Ｔ（ゴシックアーチ形状の頂点部分）には、第一溝面２２及び第二溝面２３よりも断面半径（曲率半径）が小さい逃げ溝２４が形成される。例えば、第一溝面２２を超仕上げ加工する際に、工具（不図示）の端部が第二溝面２３に触れないようにするためである。
　回転軸２０の外周面にボール転走溝２１を形成した場合、ボール転走溝２１の加工精度を管理する必要がある。ボール転走溝２１と外輪３７，３８の間で、ボール３９が適切な荷重を受けつつ円滑に転走するためである。具体的には、ボール転走溝２１のＰ．Ｃ．Ｄ．（the pitch circle diameter）を厳密に管理する必要がある。
　図４（ｂ）に示すように、ボール転走溝２１のＰ．Ｃ．Ｄ．の測定には、マイクロメータＭが用いられる。マイクロメータＭは、一対の測定子Ｍｓを有する。一対の測定子Ｍｓには、球体が用いられる。測定子Ｍｓの半径寸法は任意であるが、既知である。例えば、測定子Ｍｓの半径寸法は、ボール３９の半径よりも大きく設定される。
　一般に、円柱形部材の直径を測定する際には、マイクロメータＭの測定子Ｍｓが軸方向に位置ずれしないことが必須条件となる。円柱形部材の中心軸に対して垂直な断面上に、一対の測定子Ｍｓの中心がそれぞれ配置されないと、円柱形部材の直径を正確に測定することができない。
　これと同様に、ボール転走溝２１のＰ．Ｃ．Ｄ．の測定においても、マイクロメータＭの測定子Ｍｓが軸方向に位置ずれしないことが必須条件となる。
　垂直軸型風力発電装置１では、図３に示すように、ボール転走溝２１にマイクロメータＭの測定子Ｍｓを押し当てると、測定子Ｍｓが第一溝面２２と第二溝面２３にそれぞれ当接する。測定子Ｍｓは、ボール転走溝２１に対して二点接触する。このため、測定子Ｍｓが軸方向（図３ではＺ方向）に位置ずれが発生することはない。したがって、マイクロメータＭ（測定子Ｍｓ）を用いてボール転走溝２１のＰ．Ｃ．Ｄ．を確実に測定することができる。
　これに対して、図５に示すように、従来の回転軸９０では、ボール転走溝９１がサーキュラーアーク形状に形成される。ボール転走溝９１は、単一の溝面９２から形成される。溝面９２の中心Ｓ３は溝中央Ｔに位置する。
　しかし、円柱形部材である回転軸９０のボール転走溝９１に対しては、Ｐ．Ｃ．Ｄ．を、マイクロメータＭ（測定子Ｍｓ）用いて確実に測定することは不可能である。
　マイクロメータＭの一対の測定子Ｍｓが溝面９２の半径よりも小さな半径を有する場合には、ボール転走溝９１にマイクロメータＭの測定子Ｍｓを押し当てると、測定子Ｍｓが溝面９２に当接する。しかし、測定子Ｍｓの軸方向（図３ではＺ方向）の位置が定まらない。なぜなら、測定子Ｍｓは、ボール転走溝９１に対して一点接触するに過ぎないからである。このため、測定子Ｍｓは、溝面９２に当接しつつ、軸方向に移動（位置ずれ）してしまう。したがって、マイクロメータＭ（測定子Ｍｓ）を用いてボール転走溝９１のＰ．Ｃ．Ｄ．を確実に測定することは不可能である。
　測定子Ｍｓが溝面９２の半径よりも大きい半径を有する場合には、ボール転走溝９１にマイクロメータＭの測定子Ｍｓを押し当てると、測定子Ｍｓが溝面９２の縁部に当接してしまう。このため、測定子Ｍｓの軸方向の位置が定まる。しかし、測定子Ｍｓが溝面９２に当接しないので、ボール転走溝９１のＰ．Ｃ．Ｄ．を確実に測定することは不可能である。
　測定子Ｍｓが溝面９２の半径と同一半径を有する場合には、前述した欠点を解消することができるとも考えられる。しかし、溝面９２の半径を測定子Ｍｓの半径に一致させることは、事実上不可能である。測定子Ｍｓの半径を溝面９２の半径と同一に形成しても、測定子Ｍｓの半径に加工誤差が必ず含まれるからである。
　このように、マイクロメータＭ（測定子Ｍｓ）を用いてボール転走溝９１のＰ．Ｃ．Ｄ．を確実に測定することは不可能である。
　以上説明したように、本発明の実施形態に係る回転軸装置３では、回転軸２０の外周面に、複列のアンギュラ軸受３５，３６のボール３９が転走するボール転走溝２１が形成される。ボール転走溝２１は、いわゆるゴシックアーチ形状に形成される。このため、ボール転走溝２１のＰ．Ｃ．Ｄ．をマイクロメータＭを用いて確実に測定することができる。
　回転軸装置３では、回転軸２０と軸受３０（アンギュラ軸受３５，３６）が一体的に構成とされることにより、軸受３０の内輪を削除できる。このため、回転軸装置３は、装置の径方向の外形をコンパクトに形成でき、かつ、コストダウンが図られる。
　回転軸２０の第一端側に複列のアンギュラ軸受３５，３６が配置され、第二端側にラジアル軸受３１が配置されるので、スラスト方向（軸方向）の荷重とラジアル方向（半径方向）の荷重を確実に受けとめて、回転軸２０を円滑に回転させることができる。
　本発明の実施形態に係る垂直軸型風力発電装置１は、回転軸装置３を用いているので、たとえ風車１０に当たる風Ｗの風量（風速）が微かであっても、風車１０及び回転軸２０が回転しやすい。このため、垂直軸型風力発電装置１の発電効率が高められる。
　回転軸装置３では、外輪３７，３８のボール転走溝３７ｓ，３８ｓの溝形状は、サーキュラーアーク形状である。ボール転走溝３７ｓ，３８ｓは、ボール３９を挟んで、回転軸２０の外周面に形成されたボール転走溝２１に対向する。このため、アンギュラ軸受３５，３６へのボール３９の挿入が容易になり、回転軸装置３の組立性が向上する。
　本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
　例えば、前述した実施形態では、垂直軸型流体発電装置として、作動流体に風Ｗを用いて風車１０を回転させる垂直軸型風力発電装置１について説明したが、これに限定されない。垂直軸型流体発電装置が、作動流体に水を用いて水車（羽根車）を回転させる垂直軸型水力発電装置であってもよい。ブレードを用水路の水中に沈めて、発電機を水上に設ける水力発電装置であってもよい。このような水力発電装置においても、垂直軸型水力発電装置と同様の効果が得られる。
　前述した実施形態では、軸受３０のうち、複列のアンギュラ軸受が回転軸２０の中心軸Ｃ方向の上方側（＋Ｚ方向）に配置され、ラジアル軸受が回転軸２０の中心軸Ｃ方向の下方側（－Ｚ方向）に配置される場合について説明したが、これに限定されない。複列のアンギュラ軸受が回転軸２０の中心軸Ｃ方向の下方側に配置され、ラジアル軸受が回転軸２０の中心軸Ｃ方向の上方側に配置されてもよい。
　アンギュラ軸受３５，３６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。
　ラジアル軸受３１の転動体にボール３９を用いることとしたが、これに限定されない。例えば、転動体として、ローラ等を用いてもよい。
　風車（ローター）は、ジャイロミル型に限定されない。風車（ローター）は、ダリウス型、直線翼型、サボニウス型、パドル型、クロスフロー型、Ｓ型ロータ型等であってもよい。
　１…垂直軸型風力発電装置（垂直軸型流体発電装置）、　３…回転軸装置、　１０…風車、　１１…ブレード、　２０…回転軸（軸体）、　２１…ボール転走溝、　２４…逃げ溝、　３１…ラジアル軸受、　３５，３６…アンギュラ軸受、　３７，３８…外輪、　３７ｓ，３８ｓ…ボール転走溝、　３９…ボール（転動体）、　４０…ケーシング（支持体）、　５０…発電機

Claims (4)

  1. 　アンギュラ軸受により回転可能に支持される軸体と、
    　前記アンギュラ軸受を介して前記軸体を回転可能に支持する支持体と、
    を備える回転軸装置であって、
    　前記軸体は、外周面に、前記アンギュラ軸受の転動体を転走させるゴシックアーチ形状のボール転走溝が形成される回転軸装置。
  2. 　前記転動体を挟んで、前記ボール転走溝と対向する外輪のボール転走溝は、サーキュラーアーク形状である請求項１に記載の回転軸装置。
  3. 　前記ボール転走溝におけるゴシックアーチ形状の頂点部分には、前記ボール転走溝の曲率半径よりも小さな曲率半径を有する逃げ溝が形成される請求項１または２に記載の回転軸装置。
  4. 　軸体と、
    　前記軸体の中心軸回りに間隔をあけて配列されるとともに、前記軸体に接続される複数のブレードと、
    　前記軸受を介して前記軸体を回転可能に支持する支持体と、
    　前記軸体の回転により電力を発電する発電機と、
    を備える垂直軸型流体発電装置であって、
    　前記軸体及び前記支持体として、請求項１から３のうちいずれか一項に記載の回転軸装置を用いる垂直軸型流体発電装置。
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