WO2017043298A1 - 回転軸軸支構造 - Google Patents

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明緒 原
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/04Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H02K5/16Means for supporting bearings, e.g. insulating supports or means for fitting bearings in the bearing-shields
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/72Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a rotating shaft support structure that supports a substantially vertically oriented rotating shaft such as an output shaft of a wind turbine for wind power generation so that the rotating shaft can be rotated substantially horizontally.
  • Patent Document 1 discloses a technique for reducing a thrust load at a thrust bearing portion of a water turbine by using buoyancy obtained from flowing water. However, since the buoyancy obtained from running water is unstable, stable shaft support is not easy.
  • Patent Document 2 discloses a bearing device that supports a vertical axis rotating body having a flywheel in a non-contact state using a repulsive force between a superconducting magnet and a permanent magnet. However, since a superconducting magnet is incorporated, the configuration is not simple and inexpensive.
  • Patent Document 3 discloses a technique for levitation of a rotating shaft using the buoyancy of a float in a liquid or the repulsive force of a magnet. However, it is not easy to maintain a stable and highly accurate flying state.
  • the present invention can greatly reduce the thrust load acting in the axial direction of a rotating shaft of a heavy rotating body, and can easily support a rotating shaft that can rotate the rotating shaft horizontally and stably. It is an object to provide a structure.
  • the rotating shaft support structure of the present invention has the following configuration. That is, a rotating shaft support structure that supports a rotating shaft that is oriented substantially vertically so that the rotating shaft can rotate substantially horizontally, and includes a substantially cylindrical pole that accommodates a lower portion of the rotating shaft therein, and the pole A substantially annular magnet that is substantially perpendicular to the axis of the pole is fixed inside, and a substantially annular magnetic body that is perpendicular to the rotation axis is fixed to the lower part of the rotation axis, and is fixed to the pole.
  • the rotating shaft is passed through the substantially annular magnet hole, the lower portion of the rotating shaft is accommodated inside the pole, and the substantially annular magnet fixed to the pole is fixed to the rotating shaft.
  • a substantially annular magnetic body fixed to the rotating shaft is arranged in parallel with the substantially annular magnetic body and below the substantially annular magnet fixed to the pole, and the rotating shaft is poled by magnetic force. It raises with respect to.
  • a power transmission shaft whose axis is parallel to the rotation shaft is provided below the rotation shaft, and the rotation transmission member is connected to both the lower end portion of the rotation shaft and the upper end portion of the power transmission shaft.
  • the power of the rotary shaft may be transmitted to the power transmission shaft via the power transmission, and the power may be transmitted to the input shaft of the generator via the power transmission shaft to contribute to power generation.
  • rotating shaft may be applied to the wind turbine as an output shaft of the wind turbine having the wind turbine connected to the upper portion thereof.
  • the rotating shaft since the substantially annular magnet fixed to the pole is used to attract the substantially annular magnetic material fixed to the rotating shaft, the rotating shaft can be stably arranged and rotated.
  • the rotating shaft can be rotated horizontally and stably while greatly reducing the thrust load applied to the shaft.
  • the output shaft of the wind turbine for wind power generation is given as the rotating shaft to be supported, but the rotating shafts of various devices that are oriented substantially vertically, such as water turbines, helicopter rotor blades, motors, etc.
  • the rotating shaft support structure to be supported is generally applicable in the same manner.
  • FIG. 1 is an explanatory view of the principle of the present invention
  • FIGS. 2 and 3 are a front sectional explanatory view and a partially broken perspective explanatory view of a main part of the present invention.
  • the wind turbine rotating shaft (11) oriented vertically is connected to the blade (13) via the arm (12) and rotates horizontally according to the rotation of the blade (13).
  • the lower part of the windmill rotating shaft (11) is accommodated in a substantially cylindrical pole (21) installed vertically on the ground.
  • the substantially cylindrical shaft unit (22) which penetrates a windmill rotating shaft (11) is extended in the upper part of a pole (21),
  • a radial bearing portion composed of a ball bearing structure or the like may be provided to contribute to the reduction of the radial load acting perpendicularly to the windmill rotating shaft (11).
  • a magnet (24) is fixed to an upper end portion inside the pole (21) via a shaft unit (22) and a housing (23).
  • the magnet (24) has a substantially annular shape substantially perpendicular to the axis of the pole (21), and the annular shape is a discontinuous shape in which a large number of magnets form a substantially annular shape as a whole, even if it is a completely continuous plate. It may be in any form.
  • the number of magnets (24) may be one or more.
  • the magnet (24) may be an electromagnet, a permanent magnet, or a mixture of an electromagnet and a permanent magnet. When an electromagnet is included, there is an advantage that the magnetic force can be adjusted by controlling the amount of power supplied.
  • a magnetic body (14) is fixed to the lower part of the windmill rotating shaft (11). Similarly to the magnet (24), the magnetic body (14) has a substantially annular shape perpendicular to the windmill rotating shaft (11). As a discontinuous form forming a substantially annular shape.
  • the number of magnetic bodies (14) may be singular or plural. Further, the form and number of the magnetic bodies (14) may not coincide with the form and number of the magnets (24).
  • the general material adsorbed by the magnetic force of a magnet (24) is not restricted to a ferromagnetic substance in a narrow sense.
  • the wind turbine rotating shaft (11) is arranged with respect to the pole (21) so that the wind turbine rotating shaft (11) passes through a hole of a substantially annular magnet (24) fixed to the pole (21). ) And a substantially annular magnet (24) fixed to the windmill rotating shaft (11) are parallel to each other, and the magnetic body (14) is a magnet ( 24) below.
  • the wind turbine rotating shaft (11) rises due to the adsorption of the magnetic body (14) by the magnetic force of the magnet (24), and the thrust load applied to the wind turbine rotating shaft (11) is reduced.
  • FIG. 4 is a front sectional view of the main part of the present invention.
  • a rotation transmission member (15) for transmitting the rotational power is coupled to the lower end portion of the wind turbine rotation shaft (11) by fastening coupling or the like.
  • an eccentric coupling that allows eccentricity between the shafts
  • a flexible coupling that allows eccentricity, declination, and deflection between the shafts can be used. It is preferable to absorb misalignment that may occur by providing flexibility and the like.
  • a power transmission shaft (31) parallel to the windmill rotation shaft (11) is connected below the windmill rotation shaft (11), and the rotation transmission member ( 32) are coupled by tightening coupling or the like, and the rotational power of the wind turbine rotating shaft (11) is transmitted by the coupling between the rotation transmission member (32) and the rotation transmission member (15).
  • the power transmission shaft (31) is connected to the input shaft (42) of the generator (41) by spline coupling or the like, and transmits the rotational power of the wind turbine rotating shaft (11) to the generator (41).
  • a probe (16) protrudes from the wind turbine rotating shaft (11) via the magnetic body (14) or the vicinity thereof, and the probe (16) extends from the housing (23) or the vicinity thereof to the pole (21). It is preferable to provide a sensor (25) for detecting 16). Thereby, the detection and control of the position of the windmill rotating shaft (11) with respect to the pole (21), the rotational speed of the windmill rotating shaft (11), and the like can be detected.
  • a rotation side electromagnetic brake (33) is connected to the power transmission shaft (31) by key coupling or the like, and a fixed side corresponding to the rotation side electromagnetic brake (33) is connected to the upper frame (43) of the generator (41).
  • the electromagnetic brake (44) is preferably installed upright. Thereby, the input control of the rotational power to the input shaft (42) of the generator (41) can be performed.
  • the rotating shaft that is oriented substantially vertically can be rotated stably in the horizontal direction, so that the rotating shaft support structure can be applied to various devices, as well as contribute to the new installation of power generation equipment, etc. Can be used and has high industrial value.

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Abstract

大重量の回転体の回転軸であっても、その軸方向に作用するスラスト荷重を大幅に低減でき、回転軸を水平に安定して回転させられる簡易な回転軸軸支構造を提供することを課題とする。 課題の解決手段として、略鉛直に配向される回転軸を、略水平に回転可能に軸支する回転軸軸支構造であって、その回転軸の下部を内部に収容する略筒状のポールを備え、そのポールの内部には、ポールの軸に略垂直な略円環状の磁石を固設すると共に、回転軸の下部には、回転軸に垂直な略円環状の磁性体を固設し、ポールに固設された略円環状の磁石の孔に、回転軸を貫通させて、回転軸の下部をポールの内部に収容し、ポールに固設された略円環状の磁石と、回転軸に固設された略円環状の磁性体とを平行、かつ、ポールに固設された略円環状の磁石の下方に、回転軸に固設された略円環状の磁性体を配置させ、磁力によって回転軸をポールに対して上昇させる。

Description

回転軸軸支構造
 本発明は、風力発電用風車の出力軸など、略鉛直に配向される回転軸を、略水平に回転可能に軸支する回転軸軸支構造に関する。
 略水平に回転する回転軸の軸支構造は、その軸方向に作用するスラスト荷重を低減させることが、良好な回転特性を得るうえで不可欠である。
 例えば、風車のような回転体の場合、大重量であるので、スラスト荷重の低減が特に重要であり、これを実現すれば、微風時においても回転させることができ、風力発電に有効に寄与する。
 従来の回転軸軸支構造としては、特許文献1~3が挙げられる。
 特許文献1には、流水から得られる浮力を利用して、水車のスラスト軸受部分のスラスト荷重を軽減する技術が開示されている。しかし、流水から得られる浮力は不安定なため、安定した軸支は容易でない。
 特許文献2には、フライホイールを有する鉛直軸の回転体を、超伝導磁石と永久磁石との間の反発力を利用して非接触状態で支持する軸受装置が開示されている。しかし、超伝導磁石を組み込むため、簡易で安価な構成ではない。
 特許文献3には、液体中のフロートの浮力または磁石の反発力を利用して、回転軸を浮上させる技術が開示されている。しかし、安定した高精度の浮上状態を維持することは容易ではない。
特開平08-028426 特開平08-296647 特開2011-43171
 そこで、本発明は、大重量の回転体の回転軸であっても、その軸方向に作用するスラスト荷重を大幅に低減でき、回転軸を水平に安定して回転させられる簡易な回転軸軸支構造を提供することを課題とする。
 上記課題を解決するために、本発明の回転軸軸支構造は次の構成を備える。
 すなわち、略鉛直に配向される回転軸を、略水平に回転可能に軸支する回転軸軸支構造であって、 その回転軸の下部を内部に収容する略筒状のポールを備え、そのポールの内部には、ポールの軸に略垂直な略円環状の磁石を固設すると共に、回転軸の下部には、回転軸に垂直な略円環状の磁性体を固設し、ポールに固設された略円環状の磁石の孔に、回転軸を貫通させて、回転軸の下部をポールの内部に収容し、ポールに固設された略円環状の磁石と、回転軸に固設された略円環状の磁性体とを平行、かつ、ポールに固設された略円環状の磁石の下方に、回転軸に固設された略円環状の磁性体を配置させ、磁力によって回転軸をポールに対して上昇させることを特徴とする。
 ここで、回転軸の下方に、その回転軸と軸が平行な動力伝達軸を設け、回転軸の下端部と動力伝達軸の上端部との双方に回転伝達部材を連結し、両回転伝達部材を介して回転軸の動力を動力伝達軸に伝達し、その動力伝達軸を介して動力を発電機の入力軸に伝達して、発電に寄与させてもよい。
 また、回転軸を、その上部に風車の連結された風車の出力軸として、風車に適用してもよい。
 本発明によると、ポールに固設された略円環状の磁石による、回転軸に固設された略円環状の磁性体の吸着を利用するため、回転軸の安定した配置が可能であり、回転軸にかかるスラスト荷重を大幅に低減しつつ、回転軸を水平に安定して回転させられる。
本発明の原理の説明図 本発明の要部の正面断面説明図 本発明の要部の一部破断斜視説明図 本発明の要部の正面断面図
 以下に、本発明の実施形態を、図面に示す実施例を基に説明する。なお、実施形態は下記の例示に限らず、本発明の趣旨から逸脱しない範囲で、前記特許文献など従来公知の技術を援用して適宜設計変更可能である。
 ここでは、軸支する回転軸として、風力発電用風車の出力軸を挙げるが、水車やヘリコプター回転翼やモーターなど、略鉛直に配向される各種機器の回転軸を、略水平に回転可能に軸支する回転軸軸支構造一般に、同様に適用可能である。
 図1は、本発明の原理の説明図、図2及び3は、本発明の要部の正面断面説明図及び一部破断斜視説明図である。
 鉛直に配向された風車回転軸(11)は、アーム(12)を介してブレード(13)が連結され、ブレード(13)の回転に従って水平回転する。
 風車回転軸(11)の下部は、地上に鉛直に設置される略筒状のポール(21)の内部に収容される。
 なお、ポール(21)の上部に、風車回転軸(11)を挿通する略筒状のシャフトユニット(22)を延設し、シャフトユニット(22)と風車回転軸(11)との間に、ボールベアリング構造等から成るラジアル軸受部を設けて、風車回転軸(11)に垂直に作用するラジアル荷重の低減に寄与させてもよい。
 ポール(21)の内部の上端部には、シャフトユニット(22)及びハウジング(23)を介して、磁石(24)が固設される。
 磁石(24)は、ポール(21)の軸に略垂直な略円環状であり、その円環形態は、完全に連続した板状でも、多数の磁石が全体として略円環状を形成する不連続な形態でもよい。なお、磁石(24)の個数も単数でも複数でもよい。
 また、磁石(24)としては、電磁石でも、永久磁石でも、電磁石と永久磁石との混在でもよい。電磁石を含む場合は、供給電力量の制御によって磁力を調整できる利点がある。
 一方、風車回転軸(11)の下部には、磁性体(14)が固設される。
 磁性体(14)も、磁石(24)と同様に、風車回転軸(11)に垂直な略円環状であり、その円環形態は、完全に連続した板状でも、多数の磁性体が全体として略円環状を形成する不連続な形態でもよい。なお、磁性体(14)の個数も単数でも複数でもよい。また、磁性体(14)の形態及び個数は、磁石(24)の形態及び個数と合致しなくてもよい。
 また、磁性体(14)としては、狭義の強磁性体に限らず、磁石(24)の磁力によって吸着する材料一般を指す。
 そして、ポール(21)に対する風車回転軸(11)の配置は、ポール(21)に固設された略円環状の磁石(24)の孔を風車回転軸(11)が貫通し、ポール(21)に固設された略円環状の磁石(24)と、風車回転軸(11)に固設された略円環状の磁性体(14)とが平行、かつ、磁性体(14)が磁石(24)の下方である。
 これによって、磁石(24)の磁力による磁性体(14)の吸着で、風車回転軸(11)が上昇し、風車回転軸(11)にかかるスラスト荷重が低減する。
 図4は、本発明の要部の正面断面図である。
 風車回転軸(11)の下端部には、その回転動力を伝達する回転伝達部材(15)が締付結合等により連結される。回転伝達部材(15)としては、軸間の偏芯を許容する偏芯カップリングや、軸間の偏芯及び偏角及び振れを許容するフレキシブルカップリングなどが利用でき、軸間のカップリングに柔軟性等をもたせて、発生し得るミスアライメントを吸収することが好ましい。
 一方、風車回転軸(11)の下方には、風車回転軸(11)と平行な動力伝達軸(31)が連なり、その動力伝達軸(31)の上端部にも同様に、回転伝達部材(32)が締付結合等により連結され、回転伝達部材(32)と回転伝達部材(15)とのカップリングによって、風車回転軸(11)の回転動力を伝達される。
 動力伝達軸(31)は、スプライン結合等により発電機(41)の入力軸(42)に連結され、風車回転軸(11)の回転動力を発電機(41)に伝達する。
 風車回転軸(11)には、磁性体(14)またはその近傍を介して、プローブ(16)を突設させ、ポール(21)には、ハウジング(23)またはその近傍を介して、プローブ(16)を検知するセンサー(25)を設けることが好ましい。これにより、ポール(21)に対する風車回転軸(11)の位置の検知や制御、風車回転軸(11)の回転速度等の検知を行える。
 動力伝達軸(31)には、キー結合等により回転側電磁ブレーキ(33)を連結し、発電機(41)の上部フレーム(43)には、回転側電磁ブレーキ(33)に呼応する固定側電磁ブレーキ(44)を立設することが好ましい。これにより、発電機(41)の入力軸(42)への回転動力の入力制御を行える。
 本発明によると、略鉛直に配向される回転軸を、水平に安定して回転させられるので、その回転軸軸支構造の諸装置への適用の他、発電設備等の新設にも寄与することができ、産業上利用価値が高い。
 11 風車回転軸
 12 アーム
 13 ブレード
 14 磁性体
 15 回転伝達部材
 16 プローブ
 21 ポール
 22 シャフトユニット
 23 ハウジング
 24 磁石
 25 センサー
 26 ヨーク
 31 動力伝達軸
 32 回転伝達部材
 33 回転側電磁ブレーキ
 34 スペーサー
 41 発電機
 42 入力軸
 43 上部フレーム
 44 固定側電磁ブレーキ

Claims (3)

  1.  略鉛直に配向される回転軸を、略水平に回転可能に軸支する回転軸軸支構造であって、
     その回転軸の下部を内部に収容する略筒状のポールを備え、
     そのポールの内部には、ポールの軸に略垂直な略円環状の磁石を固設すると共に、回転軸の下部には、回転軸に垂直な略円環状の磁性体を固設し、
     ポールに固設された略円環状の磁石の孔に、回転軸を貫通させて、回転軸の下部をポールの内部に収容し、
     ポールに固設された略円環状の磁石と、回転軸に固設された略円環状の磁性体とを平行、かつ、ポールに固設された略円環状の磁石の下方に、回転軸に固設された略円環状の磁性体を配置させ、磁力によって回転軸をポールに対して上昇させる
     ことを特徴とする回転軸軸支構造。
  2.  回転軸の下方に、その回転軸と軸が平行な動力伝達軸を備え、
     回転軸の下端部と動力伝達軸の上端部との双方に回転伝達部材を連結し、両回転伝達部材を介して回転軸の動力を動力伝達軸に伝達し、
     その動力伝達軸を介して動力を発電機の入力軸に伝達する
     請求項1に記載の回転軸軸支構造。
  3.  回転軸が、その上部に風車の連結された風車の出力軸である
     請求項1または2に記載の回転軸軸支構造。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH05306714A (ja) * 1992-04-30 1993-11-19 Nippon Seiko Kk 複合軸受ユニット
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JP2003247483A (ja) * 2002-02-21 2003-09-05 Hiroshi Katori 垂直回転軸用重力負荷低減装置

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