JP2007024294A - 円錐ころ軸受および風力発電機の主軸支持構造 - Google Patents

円錐ころ軸受および風力発電機の主軸支持構造 Download PDF

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Abstract

【課題】 内輪の大鍔が割れたり、欠けたりするがおそれない円錐ころ軸受およびこのような軸受を使用した風力発電機の主軸支持構造を提供する。
【解決手段】 内輪12bには、円錐ころの大端面に接し、大端面を案内する面である大鍔面27bと、内輪12bの大鍔側の外径面である大鍔外径面26bとの間に、円周方向に連なった斜面部28bが設けられている。ここで、斜面部28bとは、大鍔面27bと大鍔外径面との間に設けられた傾斜のことをいい、荷重作用方向である矢印Yの方向に大鍔21bの肉厚を増すことによって現れる領域をいう。
【選択図】 図1

Description

この発明は、円錐ころ軸受および風力発電機の主軸支持構造に関し、特に、大きなラジアル荷重やスラスト荷重、モーメント荷重を受けることができる円錐ころ軸受およびこのような軸受を使用した風力発電機の主軸支持構造に関する。
風力発電機の主軸に使用される軸受は、ブレードの自重等に対するラジアル荷重、風力に対するスラスト荷重およびモーメント荷重を受ける必要がある。さらには、風力発電機の主軸は片持ちの梁構造であるため、主軸の撓みに対する自動調心性を備えた軸受が求められるため、自動調心ころ軸受および円筒ころ軸受を組み合わせた軸受が使用されていた。図5は、自動調心ころ軸受101を風力発電機の主軸に使用した場合の概略図である。図5を参照して、自動調心ころ軸受101は、内輪102と、左右の列に配置された複数の調心ころ103a、103bと、複数の調心ころ103a、103bの間隔を保持する保持器104と、外輪105とを有する。自動調心ころ軸受101は、風を受けるブレード111が一方端に設けられた主軸112に取り付けられ、ハウジング113に組み込まれる。このように取り付けられた自動調心ころ軸受101と円筒ころ軸受とを組み合わせて、風力発電機の主軸に使用していた。
しかし、上記の二つの転がり軸受を組み合わせた軸受については、部品点数が多く、その削減が求められている。また、軸受の小型化についても要求される。
そのような要求に応じて、自動調心ころ軸受と比較して調心性は劣るものの、一つの軸受で大きなスラスト荷重及びラジアル荷重を受けることができる複列円錐ころ軸受が、風力発電機の主軸に使用されている。図6は、複列円錐ころ軸受121の断面図の一例である。図6を参照して、複列円錐ころ軸受121は、小径側端面が向き合うように配置された左右の内輪122a、122bと、内輪122a、122bの間に配置された内輪間座128と、外輪124と、内輪122a、122bと外輪124との間に配置された複数の円錐ころ123a、123bと、左右の列において複数の円錐ころ123a、123bの間隔を保持する左右の保持器とを有する。
各保持器については、大きなラジアル荷重に対する負荷容量を実現するために、円錐ころ123a、123bをより多く保持することができるピンタイプ保持器が用いられる。ピンタイプ保持器は、各円錐ころ123a、123bを貫通するピン125a、125bと、各円錐ころ123a、123bの大端面側に突出する複数のピン125a、125bの一方端を保持して環状に延びる大径側側板126a、126bと、各円錐ころ123a、123bの小端面側に突出する複数のピン125a、125bの他方端を保持して環状に延びる小径側側板127a、127bとを有する。
また、このようなピンタイプ保持器を使用した複列円錐ころ軸受が特開2003−49843号公報(特許文献1)に開示されており、複列円錐ころ軸受を主軸に使用した風力発電用風車が特開2005−105917号公報(特許文献2)に開示されている。
特開2003−49843号公報(段落番号0008〜0009、図1) 特開2005−105917号公報(段落番号0020〜0039、図2)
より大きな発電量を得るためには、ブレード111がより大きな風を受ける必要があり、そのような環境下においては、主軸を支持する軸受は、より大きなラジアル荷重やスラスト荷重、モーメント荷重を受ける。より大きなラジアル荷重を受けるためには、上記した複列円錐ころ軸受121の円錐ころ123a、123bのころ長さをできるだけ大きくする必要がある。また、より大きなスラスト荷重、モーメント荷重を受けるためには、外輪軌道面と複列円錐ころ軸受121の回転軸線とのなす角度である接触角を大きくする必要がある。
図7は、接触角を大きくした場合の複列円錐ころ軸受121の断面図である。図7を参照して、外輪軌道面131と複列円錐ころ軸受121の回転軸線(図示せず)とのなす角度である接触角αを大きくすると、内輪122bの大鍔133bのうち、矢印Yの方向の肉厚が薄くなることになる。内輪122aの大鍔133aについても同様である。
ここで、円錐ころ123bの大端面に接する内輪122bの大鍔面134bには、円錐ころ123bを大端面で案内するため、図7中、矢印Yの方向に荷重がかかることになる。具体的には、たとえば、外輪124に、ラジアル荷重やスラスト荷重、モーメント荷重等の外力が加わった場合、その分力が円錐ころ123bを経由して、内輪122bの大鍔面134bに伝わることになる。このような場合、大鍔133bには、大鍔面134bと軌道面との交わる部分に設けられたぬすみ溝135bを中心に、矢印Zの方向に大きな曲げ応力がかかることになり、肉厚が薄くなり剛性が低下した大鍔133bが、割れたり、欠けたりするおそれがある。
ここで、ころ長さを短くして、荷重作用方向である矢印Yの方向の大鍔133bの肉厚を確保することも可能であるが、上記したようにラジアル荷重に対する剛性を維持する観点から、円錐ころ123a、123bのころ長さを短くすることもできない。
この発明は、内輪の大鍔が割れたり、欠けたりするおそれがない円錐ころ軸受およびこのような軸受を使用した風力発電機の主軸支持構造を提供することを目的とする。
この発明に係る円錐ころ軸受は、外輪と、内輪と、外輪と内輪との間に配置された複数の円錐ころと、複数の円錐ころの間隔を保持する保持器とを備える。ここで、上記した内輪は、円錐ころの大端面に接する大鍔面と、大鍔外径面との間に斜面部を設ける。
このような斜面部を設けることにより、荷重作用方向の大鍔の肉厚が増すことになり、荷重作用方向における大鍔の剛性をあげることができる。
好ましくは、斜面部は、円錐台形状の面を形成し、その母線は円錐ころの中心軸線方向に沿って延びている。このように構成することにより、簡単な構成で、荷重作用方向に対して荷重を受け易い方向の肉厚を増すことができる。
より好ましくは、内輪の内径面から大鍔面の最大外径位置に至るまでの厚み寸法をAとし、内輪の内径面から大鍔外径面に至るまでの厚み寸法をBとしたときに、B≧1.05Aの関係が成立し、さらに好ましくは、B≦1.20Aの関係が成立する。
このように構成することにより、大鍔が割れたり、欠けたりするおそれがない最低限の剛性を維持する肉厚を確保することができる。また、内輪の最大外径等その他の寸法も考慮して、肉厚を増す量を適当にすることができる。
さらに好ましくは、円錐ころの大端面側のピッチ円の直径と、大鍔外径面の直径とが等しい。こうすることにより、円錐ころをより安定して転動させることができる。ここで、「等しい」とは、円錐ころの大端面側のピッチ円の直径の値と、大鍔外径面の直径の値とが、ほぼ近似していることをいう。
この発明の他の局面においては、風力発電機の主軸支持構造は、風力を受けるブレードと、その一端がブレードに固定され、ブレードとともに回転する主軸と、固定部材に組み込まれ、主軸を回転自在に支持する円錐ころ軸受とを有する風力発電機の主軸支持構造である。上記した円錐ころ軸受は、外輪と、内輪と、外輪と内輪との間に配置された複数の円錐ころと、複数の円錐ころの間隔を保持する保持器とを備える。ここで、上記した内輪は、円錐ころの大端面に接する大鍔面と、大鍔外径面との間に斜面部を設ける。
このように構成することにより、荷重作用方向における大鍔の剛性が増すことになり、内輪の大鍔が割れたり、欠けたりするおそれがなく接触角を大きくすることができ、より大きなスラスト荷重およびモーメント荷重を受けることができる。
この発明によれば、内輪の大鍔面と大鍔外径面との間に斜面部を設けたので、荷重作用方向に対する大鍔の肉厚が増すことになることになり、大鍔の剛性をあげることができる。その結果、内輪の大鍔が割れたり、欠けたりするおそれがなく接触角を大きくすることができ、より大きなスラスト荷重を受けることができる。
また、このような円錐ころ軸受を風力発電機の主軸に使用すれば、内輪の大鍔が割れたり、欠けたりするおそれがなく接触角を大きくすることができるので、より大きなスラスト荷重およびモーメント荷重を受けることができる。
以下、この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図1は、この発明の一実施形態に係る円錐ころ軸受を複列で使用した場合の複列円錐ころ軸受11に含まれる内輪12bを示した断面図である。図1を参照して、内輪12bは円錐ころの大端面を案内する大鍔21bと、円錐ころの小端面を案内する小鍔22bと、円錐ころを転動させる軌道面23bとを有する。
内輪12bには、円錐ころの大端面に接し、大端面を案内する面である大鍔面27bと、内輪12bの大鍔21b側の外径面である大鍔外径面26bとの間に、円周方向に連なった斜面部28bが設けられている。ここで、斜面部28bとは、大鍔面27bと大鍔外径面26bとの間に設けられた傾斜のことをいい、矢印Yの方向に大鍔21bの肉厚を増すことによって現れる領域をいう。この場合、斜面部28bは、一つの面でなく、多数の面で構成されていてもよく、また、緩やかな曲面等で構成されていてもよい。なお、大鍔面27bと斜面部28bとの境界部分Xには、C面やR面等の面取りがなされている。
内輪12bの大鍔面27bには、円錐ころ(図示せず)を介して、ラジアル荷重やスラスト荷重、モーメント荷重等の外力の作用した場合、また、内部アキシアルすき間が負の場合等において、矢印Yの方向に荷重がかかる。また、矢印Yの方向の荷重に対して、ぬすみ溝24bを中心に、大鍔21bに対して矢印Zの方向に大きな曲げ応力もかかる。しかし、大鍔21bは、斜面部28bを設けることにより、荷重作用方向である矢印Yの方向に肉厚を増しているため、大鍔21bの剛性をあげることができ、矢印Yの方向の荷重や、矢印Zの方向の大きな曲げ応力に対し、割れたり、欠けたりすることはない。
このように構成することにより、ラジアル荷重やスラスト荷重、モーメント荷重等の外力の作用時等における大鍔21bへの荷重や、曲げ応力に対する剛性を維持する肉厚を十分に確保しているため、大鍔21bが割れたり、欠けたりすることがない。したがって、大鍔21bが割れたり、欠けたりするおそれなく内輪12bを含んだ複列円錐ころ軸受の接触角を大きくすることができ、より大きなスラスト荷重を受けることができる。
なお、斜面部28bの寸法については、回転軸(図示せず)と当接する面である内輪12bの内径面25bから大鍔面27bの最大外径位置に至るまでの厚み寸法をAとし、内径面25bから大鍔外径面26bに至るまでの厚み寸法をBとしたときに、B≧1.05Aの関係が成立し、さらに好ましくは、B≦1.20Aの関係が成立する。
Bが1.05A以下であると、ラジアル荷重やスラスト荷重、モーメント荷重等の外力の作用時における大鍔21bへの荷重や、曲げ応力に対して、大鍔21bの剛性を維持する肉厚を十分に確保することができず、大鍔21bが割れたり、欠けたりするおそれがある。また、Bが1.20A以上であると、内輪12bの寸法関係において、大鍔外径面26bが許容できる最大外径よりも大きくなるおそれがある。
さらに好ましくは、内輪12bを組み込んだ円錐ころ軸受において、後述する円錐ころの大端面側のピッチ円の直径と、内輪12bの大鍔外径面26bの直径とを等しくする。こうすることにより、より最適な肉厚量とすることができる。ここで、ピッチ円とは、軸方向からみて、円錐ころの大端面の中心が、回転軸を中心に回転する際に描く円をいう。
図2は、図1に示した内輪12bを含む円錐ころ軸受を複列で使用した場合の複列円錐ころ軸受11を表した断面図である。図2を参照して、複列円錐ころ軸受11は、小径側端面が互いに向き合うよう配置された左右の内輪12a、12bと、左右の内輪12a、12bの間に配置された内輪間座18と、左右の内輪12a、12bに対応する軌道面を有する外輪14と、内輪12a、12bと外輪14の間に配置された複数の円錐ころ13a、13bと、左右の列において複数の円錐ころ13a、13bの間隔を保持する左右の保持器とを有する。ここで、内輪12bに向き合うよう配置された内輪12aは、内輪12bと同じ構成であり、内輪12aの大鍔面27aと大鍔外径面26aとの間には、斜面部28aが設けられている。
内輪12a、12bは、大きなスラスト荷重およびモーメント荷重を受けるため、外輪軌道面と複列円錐ころ軸受11の回転軸線(図示せず)とのなす角度である接触角が大きく構成されている。好ましくは、接触角は40°〜47°の範囲内に設定されている。
内輪12aと12bの間には、小径側側板17a、17bとの干渉を避け得る形状を有する内輪間座18が配置されている。内輪間座18は、その両端面がそれぞれ左右の内輪12a、12bの小径側端面に接しており、軸受の組み込み時や、ラジアル荷重やスラスト荷重、モーメント荷重等の外力の作用時等に互いの内輪12a、12bから圧力がかかる。したがって、内輪間座18には、その圧力に耐えるだけの剛性が必要である。剛性を確保するためには、たとえば、内輪間座18の中央部の径方向の断面積を大きくする等、内輪間座18の径方向の厚みを増すことが必要である。
外輪14は、中央部が径方向に凸状の断面形状をしており、内輪12a、12bとの間に複数の円錐ころ13a、13bを保持している。本実施形態では、外輪14は一つで構成されているが、内輪12a、12bに対してそれぞれ別個の外輪が設けられていてもよい。
円錐ころ13a、13bは、外輪14と内輪12a、12bとの間に配置されている。また、後述するピンタイプ保持器による保持を可能にするため、円錐ころ13a、13bには、小端面から大端面にかけてピンを挿通するための貫通穴が設けられている。
保持器は、円錐ころ13a、13bをより多く保持することができるピンタイプ保持器を使用している。左右の各保持器は、各円錐ころ13a、13bを貫通するピン15a、15bと、各円錐ころ13a、13bの小端面側に突出する複数のピン15a、15bの一方端を保持する小径側側板17a、17bと、各円錐ころ13a、13bの大端面側に突出する複数のピン15a、15bの他方端を保持する大径側側板16a、16bとを有する。
ここで、斜面部28a、28bは、円錐台形状の面を形成し、その母線は円錐ころ13a、13bの中心軸線19a、19bの方向に沿って延びていることにしてもよい。こうすることにより、荷重を受け易い方向に大鍔21a、21bの肉厚を増すことができる。また、内輪12a、12bを含んだ複列円錐ころ軸受11の組み立てにおいて、大鍔21a、21bと近接する大径側側板16a、16bとの干渉を避けることができる。この場合、中心軸線19a、19bと母線とが平行であってもよいし、互いの線が若干の角度を有する関係であってもよい。
小径側側板17a、17bおよび大径側側板16a、16bのいずれも複列円錐ころ軸受11の回転軸線を中心に環状に延びており、リング状である。小径側側板17a、17bは内輪12a、12bの小鍔側に配置されており、大鍔側に配置された大径側側板16a、16bよりも内径が小さい。また、小径側側板17a、17bおよび大径側側板16a、16bは、いずれも多量のピン15a、15bを保持するため、一定の剛性が必要である。剛性や生産性等の観点から、小径側側板17a、17bおよび大径側側板16a、16bの断面形状は四角形状であることが好適である。ここで、剛性等を確保することができれば、断面形状が円状や楕円状等、他の形状の小径側側板17a、17bおよび大径側側板16a、16bであっても、特に問題はない。
特に、大径側側板16a、16bは、複列円錐ころ軸受11の組み立てる際に、斜面部28a、28bと近接する位置にある。そのため、斜面部28a、28bが大径側側板16a、16bの存する方向に角度を有する場合、大径側側板16a、16bと斜面部28a、28bとが干渉するおそれがある。このような場合、斜面部28a、28bと干渉しないよう、大径側側板16a、16bの干渉部分に逃げ部を設ける等、大径側側板16a、16bの形状について、多少の変形を行ってもよい。
なお、先の実施の形態においては、円錐ころ13a、13bを保持する保持器としてピンタイプ保持器を使用したが、これに限らず、プレス保持器、成型保持器、揉みぬき保持器等を使用してもよい。このように構成することにより、用途等に応じて最適な保持器を選択して、複列円錐ころ軸受11を構成することができる。
また、先の実施の形態においては、複列円錐ころ軸受11が内輪間座18を含むこととしたが、これに限らず、内輪間座18を設けず、内輪の小鍔から軸方向に延びて内輪の小径側端面とが当接する内輪突合せ部を内輪12a、12bに設けてもよい。このように構成することにより、複列円錐ころ軸受11を構成する部材を削減することができる。
なお、先の実施の形態においては、この発明の実施の形態にかかる円錐ころ軸受として複列円錐ころ軸受を用いて説明したが、これに限らず、単列の円錐ころ軸受を複数使用し、各円錐ころ軸受を組み合わせて用いる場合、さらには、単列の円錐ころ軸受を単独で用いた場合についても同様に適用される。具体的には、単列の円錐ころ軸受は、外輪と、内輪と、外輪と内輪との間に配置された複数の円錐ころと、複数の円錐ころの間隔を保持する保持器とを備え、内輪は、円錐ころの大端面に接する大鍔面と、大鍔外径面との間に斜面部が設けられている。
図3および図4は、上記した円錐ころ軸受を主軸支持軸受35として適用した、風力発電機の主軸支持構造の一例を示している。主軸支持構造の主要部品を支持するナセル32のケーシング33は、高い位置で、旋回座軸受31を介して支持台30上に水平旋回自在に設置されている。風力を受けるブレード37を一端に固定する主軸36は、ナセル32のケーシング33内で、軸受ハウジング34に組み込まれた主軸支持軸受35を介して、回転自在に支持されている、主軸36の他端は増速機38に接続され、この増速機38の出力軸が発電機39のロータ軸に結合されている。ナセル32は、旋回用モータ40により、減速機41を介して任意の角度に旋回させられる。
軸受ハウジング34に組み込まれた主軸支持軸受35は、この発明の一実施形態に係る円錐ころ軸受を複列で使用した場合の複列円錐ころ軸受であって、外輪と、小径側端面を向き合わせるよう配置された左右の内輪と、左右の内輪の間に配置された内輪間座と、外輪と左右の内輪との間に配置された複数の円錐ころと、左右の列において複数の円錐ころの間隔を保持する左右の保持器とを備える。上記した各保持器は、各円錐ころを貫通するピンと、各円錐ころの小端面側に突出する複数のピンの一方端を保持して環状に延びる小径側側板と、各円錐ころの大端面側に突出する複数のピンの他方端を保持して環状に延びる大径側側板とを有する。ここで、上記した各内輪は、円錐ころの大端面に接する大鍔面と、大鍔外径面との間に斜面部を設ける。
主軸支持軸受35を、このような構成の複列円錐ころ軸受にすることにより、大鍔の肉厚を増すことができるので、内輪の大鍔が割れたり、欠けたりすることがなく接触角を大きくすることができ、より大きなスラスト荷重およびモーメント荷重を受けることができる。その結果、より大きなスラスト荷重およびモーメント荷重を受けることができる風力発電機の主軸支持構造を提供することができる。
なお、この場合についても、この発明の実施の形態に係る主軸支持構造に用いる主軸支持軸受として複列円錐ころ軸受を使用したが、これに限らず、単列の円錐ころ軸受を複数使用し、各円錐ころ軸受を組み合わせて用いてもよいし、さらには、単列の円錐ころ軸受を単独で用いてもよい。
以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。
この発明に係る円錐ころ軸受および風力発電機の主軸支持構造は、内輪の大鍔が割れたり、欠けたりすることなく接触角を大きくすることができるため、特に、大きなラジアル荷重やスラスト荷重、モーメント荷重を受ける円錐ころ軸受および風力発電機の主軸支持構造に有効に利用できる。
この発明の一実施形態に係る円錐ころ軸受を複列円錐ころ軸受として使用した場合の複列円錐ころ軸受11に含まれる内輪12bを示す断面図である。 図1に示す内輪12bを含む複列円錐ころ軸受11の断面図である。 この発明の一実施形態に係る風力発電機の主軸支持構造の一例を示す図である。 図3に示した風力発電機の主軸支持構造の図解的側面図である。 自動調心ころ軸受101を風力発電機の主軸に使用した場合の概略図である。 従来における複列円錐ころ軸受121の一例を示す断面図である。 従来における接触角が大きい場合の複列円錐ころ軸受121を示す断面図である。
符号の説明
11 複列円錐ころ軸受、12a,12b 内輪、13a,13b 円錐ころ、14 外輪、15a,15b ピン、16a,16b 大径側側板、17a,17b 小径側側板、18 内輪間座、19a,19b 中心軸線、21a,21b 大鍔、22b 小鍔、23b 軌道面、24b ぬすみ溝、25b 内径面、26a,26b 大鍔外径面、27a,27b 大鍔面、28a,28b 斜面部、30 支持台、31 旋回座軸受、32 ナセル、33 ケーシング、34 軸受ハウジング、35 主軸支持軸受、36 主軸、37 ブレード、38 増速機、39 発電機、40 旋回用モータ、41 減速機。

Claims (6)

  1. 外輪と、内輪と、外輪と内輪との間に配置された複数の円錐ころと、複数の円錐ころの間隔を保持する保持器とを備えた円錐ころ軸受であって、
    前記内輪は、前記円錐ころの大端面に接する大鍔面と、大鍔外径面との間に斜面部を設けた、円錐ころ軸受。
  2. 前記斜面部は、円錐台形状の面を形成し、その母線は前記円錐ころの中心軸線方向に沿って延びている、請求項1に記載の円錐ころ軸受。
  3. 前記内輪の内径面から前記大鍔面の最大外径位置に至るまでの厚み寸法をAとし、前記内輪の内径面から前記大鍔外径面に至るまでの厚み寸法をBとしたときに、
    B≧1.05Aの関係が成立する、請求項1または2に記載の円錐ころ軸受。
  4. 前記寸法関係において、
    B≦1.20Aの関係が成立する、請求項1〜3のいずれかに記載の円錐ころ軸受。
  5. 前記円錐ころの大端面側のピッチ円の直径と、前記大鍔外径面の直径とが等しい、請求項1〜4のいずれかに記載の円錐ころ軸受。
  6. 風力を受けるブレードと、
    その一端が前記ブレードに固定され、ブレードとともに回転する主軸と、
    固定部材に組み込まれ、前記主軸を回転自在に支持する円錐ころ軸受とを有する風力発電機の主軸支持構造であって、
    前記円錐ころ軸受は、外輪と、内輪と、外輪と内輪との間に配置された複数の円錐ころと、複数の円錐ころの間隔を保持する保持器とを備え、
    前記内輪は、前記円錐ころの大端面に接する大鍔面と、大鍔外径面との間に斜面部を設けた、風力発電機の主軸支持構造。
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