JP2011163420A - 軸受構造、及び、ダイレクトドライブ型風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】軸受の交換容易性と該軸受の転動体と外輪の間のクリアランスの調節容易性とを向上する。
【解決手段】軸受構造が、主軸４に取り付けられた内輪３１と、内輪３１と対向して設けられた外輪３２と、外輪３２を収容する軸受ハウジング６−１と、内輪３１と外輪３２の間に設けられた円筒ころ３３と、内輪３１を固定するナット３４とを備えている。主軸４は、主軸４の端に近づくほど径が細くなるように形成されたテーパー面４ａを有している。内輪３１は、ナット３４によってテーパー面４ａに押しつけられている。
【選択図】図３

Description

本発明は、軸受構造、及び、それを用いたダイレクトドライブ型風力発電装置に関する。

風力発電装置の一つの公知の形式は、ダイレクトドライブ型風力発電装置である。古典的な風力発電装置は、風車ロータの回転を増速機を用いて回転数を増大させて発電機に伝えるのに対し、ダイレクトドライブ型風力発電装置では、風車ロータと発電機が主軸によって直結される。増速機を排除することにより増速機における機械的損失を避けることができるダイレクトドライブ型風力発電装置は、発電効率の向上のために有利である。

ダイレクトドライブ型の風力発電装置においては、主軸が大型になり、且つ、発電機と主軸が直結されているので、主軸を支持する軸受構造の設計においても特別な配慮が必要になる。欧州特許出願ＥＰ２０１４９１７号公報及び対応日本出願の特開２００９−１９６２５号公報は、ダイレクトドライブ型の風力発電装置における軸受構成について議論している。これらの特許文献は、主軸を２つの軸受で支持すると共に発電機の後側の端板を第３の軸受で支持し、更に、容易に撓むように構成された前側の端板を台板に接続する構造を開示している。

また、欧州特許出願ＥＰ１９６７７３１号公報は、風力発電装置において一般的に用いられる球面ころ軸受（spherical
roller bearing: SRB）について言及し、球面ころ軸受では、ラジアル方向及びアキシャル方向にクリアランスが必然的に発生するが、これは駆動系に印加される機械的負荷に適合していないと論じている。このような事態に対処するための構造として、欧州特許出願ＥＰ１９６７７３１号公報は、転動体を収容する空洞を形成する第１アセンブリと、ベアリングハウジングに固定された第２アセンブリの間に摩擦を軽減するような挿入体（anti-friction insert）が挿入された自動調心軸受を開示している。

一方、発明者の検討によれば、ダイレクトドライブ型の風力発電装置の軸受構造の設計においては、他にも、以下に述べるような２つの課題がある。第１の課題は、軸受の交換容易性である。典型的には、軸受は、主軸に焼き嵌めによって嵌め込まれる。その一方で、主軸を支持する軸受は、風力発電装置に何らかの不具合が発生した場合や定期メンテナンスにおいて交換が必要になる場合があり得る。このような場合、焼き嵌めによって軸受が嵌め込まれていることは、軸受の交換を困難にし、好ましくない。軸受の交換容易性の向上は、特に、洋上に設置されるダイレクトドライブ型の風力発電装置において重要である。

第２の課題は、主軸を支持する軸受の転動体（玉又はころ）と外輪の間のクリアランスの調節容易性である。主軸と発電機のロータとが直結されるダイレクトドライブ型の風力発電装置では、発電機のステータとロータとのクリアランスを確保するために、軸受の転動体と外輪の間のクリアランスが小さいことが望ましい。軸受の転動体と外輪の間のクリアランスが大きいと、主軸の振動が大きくなり、発電機のロータがステータと接触する可能性があるためである。その一方で、発電機のステータとロータとのクリアランスが小さすぎることも好ましくない。なぜなら、発電機のステータとロータとのクリアランスが小さすぎると、内輪と外輪の温度差の問題に対処できないからである。詳細には、風力発電装置の運転中には、軸受の温度が上昇するが、温度上昇は、外輪よりも内輪の方が大きい。内輪の温度が外輪の温度よりも相対的に高くなると、内輪の熱膨張が外輪よりも大きくなり、結果として、転動体に作用する機械的負荷が増大する。これは、転動体の寿命を縮めるため好ましくない。このように、軸受の転動体と外輪の間のクリアランスは、大きすぎても小さすぎても好ましくなく、最適に調節される必要がある。軸受の転動体と外輪の間のクリアランスを最適に調節するためには、クリアランスの調節が容易であることが望ましい。

欧州特許出願ＥＰ２０１４９１７号公報 特開２００９−１９６２５号公報 欧州特許出願ＥＰ１９６７７３１号公報

したがって、本発明の目的は、軸受の交換容易性と、該軸受の転動体と外輪の間のクリアランスの調節容易性のうちの少なくとも一方を向上させるための軸受構造を提供することにある。

以下に、上記の目的を達成するための手段を説明する。その手段に含まれる技術的事項には、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための形態］の記載との対応関係を明らかにするために、［発明を実施するための形態］で使用される番号・符号が付加されている。但し、付加された番号・符号は、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明の一の観点においては、軸受構造が、回転軸（４）と、回転軸（４）に取り付けられた第１内輪（３１）（５２）と、第１内輪（３１、５２）の外側に、第１内輪（３１、５２）と対向して設けられた第１外輪（３２、５３、５３ｂ）と、第１外輪（３２、５３、５３ｂ）を収容する軸受ハウジング（６−１、６−２）と、第１内輪（３１、５２）と第１外輪（３２、５３、５３ｂ）の間に設けられた第１転動体（３３、５５）と、第１内輪（３１、５２）を固定する内輪固定部材（３４、５７、５７ａ〜５７ｃ）とを備えている。回転軸（４）は、回転軸（４）の端に近づくほど回転軸（４）の径が細くなるように形成されたテーパー面（４ａ、４ｂ）を有している。第１内輪（３１、５２）は、内輪固定部材（３４、５７、５７ａ〜５７ｃ）によってテーパー面（４ａ、４ｂ）に押しつけられている。

一実施形態では、当該軸受構造が、更に、回転軸（４）に第１内輪（５２）に隣接して取り付けられた第２内輪（５１）と、第２内輪（５１）と第１外輪（５３）の間に設けられた第２転動体（５４）とを具備している。第１内輪（５２）と第１転動体（５５）と第１外輪（５３）の第１部分でラジアル方向の荷重を支持するラジアル軸受が構成される一方、第２内輪（５１）と第２転動体（５４）と第１外輪（５３）の第２部分でアキシャル方向の荷重を支持するスラスト軸受が構成されている。

このような軸受構造において、第２内輪（５１）と回転軸（４）の間に設けられた第１クリアランス（δ_２）が、第１転動体と第１外輪（５３）の間に設けられた第２クリアランス（δ_３）よりも大きいことが好ましい。

他の実施形態では、ラジアル軸受の外輪とアキシャル軸受の外輪とが別々に用意されてもよい。この場合、当該軸受構造が、第２内輪（５１）の外側に、第２内輪（５１）と対向して設けられた第２外輪（５３ａ）と、第２内輪（５１）と第２外輪（５３ａ）の間に設けられた第２転動体（５４）とを具備する。第１内輪（５２）と第１転動体（５５）と第１外輪（５３ｂ）でラジアル方向の荷重を支持するラジアル軸受が構成され、第２内輪（５１）と第２転動体（５４）と第２外輪（５３ｂ）でアキシャル方向の荷重を支持するスラスト軸受が構成されている。この場合、第２外輪（５３ａ）と軸受ハウジング（６−２）の間に設けられた第１クリアランス（δ_２）が、第１転動体（５５）と第１外輪（５３ｂ）の間に設けられた第２クリアランス（δ_３）よりも大きいことが好ましい。

当該軸受構造は、軸受ハウジング（６−２）に第１外輪（５３ｂ）の外周面に到達する作動油供給経路（４１ａ）が形成され、作動油供給経路（４１ａ）を介して第１外輪（５３ｂ）の外周面に油圧を印加することによって第２クリアランス（δ_３）を調節可能に構成されることが好ましい。

一実施形態では、回転軸（４）の端の側においてテーパー面（４ａ、４ｂ）に隣接するネジが回転軸（４）に形成され、内輪固定部材（３４、５７）は、ネジと螺合するナットを備えている。

一実施形態では、内輪固定部材が、回転軸（４）に挿入されるリング（５７ａ）と、リング（５７ａ）を回転軸（４）に固定する固定部材（５７ｂ）と、リング（５７ａ）を回転軸（４）のアキシャル方向に貫通するボルト（５７ｃ）とを備え、第１内輪（５２）が、ボルト（５７ｃ）によりテーパー面（４ｂ）に押しつけられる。

一実施形態では、 第１内輪（５２）が、回転軸（４）の端に近づくほど径が小さくなるように形成され、テーパー面（４ａ、４ｂ）に当接される内周面と、径が一定であるように形成された外周面とを有するテーパー付リング（５２ａ）と、テーパー付リング（５２ａ）の外周面に当接され、径が一定であるように形成された内周面を備えるストレート内輪（５２ｂ）とを備えている。この場合、第１転動体（５５）がストレート内輪（５２ｂ）と第１外輪（５３）の間に設けられる。

回転軸（４）の傾きを吸収するためには、軸受ハウジング（６−１）と第１外輪（３２）とが、相対的に変位可能に接合されることが好ましい。この場合、一実施形態では、軸受ハウジング（６−１）と第１外輪（３２）の間に弾性体（２４、２５）が設けられてもよい。

回転軸（４）の傾きを吸収するためには、第１外輪（３２）が、内側部材（３２ａ）と、内側部材（３２ａ）の外側に位置する外側部材（３２ｂ）とを備え、内側部材（３２ａ）と外側部材（３２ｂ）とが、相対的に変位可能に接合されてもよい。この場合、第１転動体（３３）は、第１内輪（３１）と内側部材（３２ａ）との間に設けられる。この場合、一実施形態では、内側部材（３２ａ）と外側部材（３２ｂ）との間に弾性体（３２ｃ）が設けられる。その代わりに、外側部材（３２ｂ）に内側部材（３２ａ）の外周面に到達する潤滑油溜め（３２ｄ）が設けられ、内側部材（３２ａ）の外周面及び／又は外側部材（３２ｂ）の内周面に溝（３２ｅ）が設けられ、潤滑油溜め（３２ｄ）と溝（３２ｅ）に潤滑流体が充填されてもよい。

交換容易性を向上させるためには、第１内輪（３１）が回転軸（４）の周方向において複数の部材（６１、６２）に分割可能であり、第１外輪（３２）が回転軸（４）の周方向において複数の部材（７１、７２）に分割可能であることが好ましい。

このような軸受構造は、ダイレクトドライブ型風力発電装置（１）の主軸（４）を回転可能に支持するために好適である。

本発明によれば、主軸を支持する軸受の交換容易性と、該軸受の転動体と外輪の間のクリアランスの調節容易性のうちの少なくとも一方を向上させることができる。

本発明の一実施形態におけるダイレクトドライブ型の風力発電装置の構成を示す斜視図である。 本発明の一実施形態におけるダイレクトドライブ型の風力発電装置の構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態における軸受の構造を示す断面図である。 本発明の他の実施形態における軸受の構造を示す断面図である。 本発明の更に他の実施形態における軸受の構造を示す断面図である。 本発明の更に他の実施形態における軸受の構造を示す断面図である。 本発明の更に他の実施形態における軸受の構造を示す断面図である。 本発明の更に他の実施形態における軸受の構造を示す断面図である。 本発明の更に他の実施形態における軸受の構造を示す断面図である。 本発明の更に他の実施形態における軸受の構造を示す断面図である。 本発明の更に他の実施形態における軸受の構造を示す断面図である。 本発明の更に他の実施形態における軸受の構造を示す断面図である。 本発明の更に他の実施形態における軸受の構造を示す平面図である。 本発明の更に他の実施形態における軸受の構造を示す正面図である。

図１、図２は、本発明の一実施形態におけるダイレクトドライブ型の風力発電装置１の構造を示す図である。図１を参照して、風力発電装置１は、タワー２と、タワー２の上に搭載されたナセル台座３と、主軸４とを備えている。主軸４の一端には、ロータヘッドと風車翼とを備える風車ロータ（図示されない）が結合され、他端には発電機７が結合される。発電機７のステータケーシング１１は、トルクサポート８によってナセル台座３に連結されており、トルクサポート８により、ステータケーシング１１に主軸４の周方向に作用するトルクが支持されている。

図２に示されているように、ナセル台座３には、２つの軸受ハウジング６−１、６−２が設けられており、主軸４は、軸受ハウジング６−１、６−２の内側に設けられた軸受５−１、５−２によって回転可能に支持されている。

発電機７は、ステータ１２と発電機ロータ１３とを備えている。ステータ１２は、ステータケーシング１１に固定されている。発電機ロータ１３は、界磁磁石１４と界磁磁石１４を支持するロータプレート１５とを備えており、ロータプレート１５は、主軸４に挿入されたスリーブ９に結合されている。ステータケーシング１１は、主軸４に設けられた２つの発電機軸受１６によって支持されており、主軸４は、ステータケーシング１１に対して回転可能である。

図３は、軸受５−１、５−２と軸受ハウジング６−１、６−２の構造を示す断面図である。まず、風車ロータに近い側に位置する軸受５−１、軸受ハウジング６−１の構造を説明する。軸受５−１は、内輪３１と、外輪３２と、それらの間に挟まれた円筒ころ３３を備えている。円筒ころ３３は、図示されないセパレータ保持器によって保持される。一方、軸受ハウジング６−１は、環状体２１と、プレート２２と、プレート２２を環状体２１に結合するボルト２３とを備えている。軸受５−１の外輪３２は、環状体２１の内周面に当接されており、環状体２１に設けられた突出部とプレート２２とによって挟まれて保持されている。

本実施形態の軸受構造においては、内輪３１が主軸４に取り付けられる構造に一つの特徴がある。主軸４には、主軸４の端に近づくほど主軸４の径が小さくなるようにテーパー面４ａが形成されている。一方、内輪３１は、主軸４の端に近づくほど内径が小さくなるように形成されており、内輪３１の内周面がテーパー面４ａに押し当てられている。更に、テーパー面４ａに隣接してネジが形成されており、そのネジにナット３４が螺合されている。ナット３４は、内輪３１を固定する内輪固定部材としての機能を有している。即ち、ナット３４が締められると、内輪３１がテーパー面４ａに押しつけられ、これにより、内輪３１が固定される。

このような構造によれば、軸受５−１の内輪３１を主軸４に取り付け、又は取り外すことが容易になり、軸受５−１の交換容易性を向上させることができる。内輪と主軸が焼き嵌めで締結される一般的な風力発電装置では、内輪と主軸とを取り外すために多くの労力が必要になる。しかし、図３の構造では、ナット３４を外した上で内輪３１に主軸４の中心軸に平行で、且つ、主軸４の端に向かう方向に力を作用させることにより、内輪３１を容易に外すことができる。その一方で、内輪３１を主軸４に挿入した上でナット３４を締め付け、内輪３１がテーパー面４ａに押し付けることによって、内輪３１を容易に主軸４に取り付けることができる。

加えて、ナット３４の締め具合によって円筒ころ３３と外輪３２の間のクリアランスδ_１（又は、内輪３１と外輪３２の間隔）を容易に調節することができる。ナット３４を強く締め付けて内輪３１を主軸４の端から離れる方向に変位させれば、クリアランスδ_１を容易に狭くできる。また、ナット３４を緩めた上で内輪３１を主軸４の端に向かう方向に変位させれば、クリアランスδ_１を容易に広くすることもできる。

一方、発電機７に近い側に位置する軸受５−２、軸受ハウジング６−２は、下記のような構造を有している。軸受５−２は、アキシャル方向の荷重Ｆａとラジアル方向の荷重Ｆｒとを別々の転動体で支持する構造を有しており、具体的には、第１内輪５１と、第２内輪５２と、共通外輪５３と、ボール５４と、円筒ころ５５とを備えている。ボール５４は、第１内輪５１と共通外輪５３の間に配列され、円筒ころ５５は、第２内輪５２と共通外輪５３の間に配列されている。軸受ハウジング６−２は、環状体４１と、プレート４２と、プレート４２を環状体４１に結合するボルト４３とを備えている。

ここで、第１内輪５１と共通外輪５３とボール５４は、アキシャル方向への荷重Ｆａのみを支持するスラスト玉軸受を構成しており、第２内輪５２と共通外輪５３と円筒ころ５５は、ラジアル方向の荷重Ｆｒのみを支持するラジアルころ軸受を構成している。アキシャル荷重Ｆａが主軸４に作用した場合、アキシャル荷重Ｆａは、第１内輪５１、ボール５４、共通外輪５３を介して軸受ハウジング６−２に伝わって支持される。一方、ラジアル荷重Ｆｒが主軸４に作用した場合、ラジアル荷重Ｆｒは、第２内輪５２、円筒ころ５５、共通外輪５３を介して軸受ハウジング６−２に伝わって支持される。

アキシャル荷重Ｆａとラジアル荷重Ｆｒの両方を受けるためには、複列軸受（例えば、複列円すいころ軸受）が使用されることが多いが、複列軸受では、アキシャル荷重が大きいと片列側に荷重が集中する片列負荷が発生し得る。片列負荷が発生すると、軸受の寿命が短くなってしまう。しかし、本実施形態の軸受５−２では、アキシャル方向の荷重Ｆａとラジアル方向の荷重Ｆｒが別々の転動体で受けられているため、片列負荷の問題は発生しない。

軸受５−２の共通外輪５３は、環状体４１の内周面に当接されており、環状体４１に設けられた突出部とプレート４２とによって挟まれて保持されている。

第１内輪５１は、主軸４に設けられている段差４ｃとナット５６によって挟まれて保持されている。ここで、第１内輪５１は、その内周面と主軸４の間にクリアランスδ_２が保たれるように挟持されている。後述のように、クリアランスδ_２が存在することは、第１内輪５１と共通外輪５３とボール５４を、アキシャル方向の荷重Ｆａのみを支持するスラスト軸受として機能させるために重要である。

一方、第２内輪５２は、その内周面がナット５７によって主軸４に設けられたテーパー面４ｂに押しつけられることによって主軸４に取り付けられている。詳細には、主軸４には、主軸４の端に近づくほど主軸４の径が小さくなるようにテーパー面４ｂが形成されている。一方、第２内輪５２は、主軸４の端に近づくほど内径が小さくなるように形成されており、第２内輪５２の内周面がテーパー面４ｂに押し当てられている。更に、テーパー面４ｂに隣接してネジが形成されており、そのネジにナット５７が螺合されている。ナット５７は、第２内輪５２を固定する内輪固定部材としての機能を有している。即ち、ナット５７が締められると、第２内輪５２がテーパー面４ｂに押しつけられ、これにより、第２内輪５２が固定される。

第２内輪５２と円筒ころ５５は、円筒ころ５５と共通外輪５３の間にクリアランスδ_３が存在するように主軸４に取り付けられる。ここで、円筒ころ５５と共通外輪５３の間のクリアランスδ_３は、第１内輪５１の内周面と主軸４の間のクリアランスδ_２よりも小さくなるように調節されている。クリアランスδ_３がクリアランスδ_２よりも小さいことは、軸受５−２の機能上重要である。クリアランスδ_３がクリアランスδ_２よりも大きいと、軸受５−２にラジアル方向の荷重Ｆａが印加された場合に、円筒ころ５５と共通外輪５３とが接触する前に第１内輪５１の内周面と主軸４とが接触し、アキシャル軸受として機能すべき第１内輪５１と共通外輪５３とボール５４にラジアル方向の荷重Ｆｒが作用してしまう。本実施形態の軸受５−２では、クリアランスδ_３がクリアランスδ_２よりも小さいことにより、軸受５−２にラジアル方向の荷重Ｆａが印加された場合に、第１内輪５１の内周面と主軸４とが接触する前に円筒ころ５５と共通外輪５３とが接触し、第２内輪５２、円筒ころ５５、及び共通外輪５３が、所望のとおりにラジアル軸受として機能する。このように、本実施形態の軸受５−２では、クリアランスδ_３がクリアランスδ_２よりも小さいことによりアキシャル軸受とラジアル軸受の分離が実現されている。

上述の軸受５−２の構造によれば、軸受５−１と同様に、第１内輪５１、第２内輪５２を主軸４に取り付け、又は取り外すことが容易になり、軸受５−２の交換容易性を向上させることができる。ナット５７を外した上で第２内輪５２に主軸４の中心軸に平行で、且つ、主軸４の端に向かう方向に力を作用させることにより、第２内輪５２を容易に取り外すことができる。更に、ナット５６を外せば、第１内輪５１も容易に取り外すことができる。その一方で、第１内輪５１を主軸４に挿入した上でナット５６を締め付け、第２内輪５２を主軸４に挿入した後でナット５７を締め付けることにより、第１内輪５１、第２内輪５２を容易に主軸４に取り付けることができる。

また、上述の軸受５−２の構造によれば、円筒ころ５５と共通外輪５３の間のクリアランスδ_３の調節も容易である。上述のように、円筒ころ５５と共通外輪５３の間にクリアランスδ_３の最適な調節は、発電機７の発電機ロータ１３とステータ１２との接触を防ぐ一方で、第２内輪５２と共通外輪５３の温度差の問題に対処するために重要である。図３に図示された軸受５−２の構造によれば、ナット５７の締め具合によって円筒ころ５５と共通外輪５３の間のクリアランスδ_３（又は、第２内輪５２と共通外輪５３の間隔）を容易に調節することができる。これは、円筒ころ５５と共通外輪５３の間のクリアランスδ_３を最適に調節する上で好ましい。

なお、図３の軸受５−２の構造において、ボール５４の代わりに円錐ころが使用されてもよい。また、上記説明では、軸受ハウジング６−１を風車ロータ側、軸受ハウジング６−２を発電機側としているが、その逆、軸受ハウジング６−１を発電機側、軸受ハウジング６−２を風車ロータ側としても差し支えない。また、上記説明では、軸受ハウジング６−１、６−２において環状体（２１、４１）と外輪（３２、５３）は、プレート（２２、４１）とボルト（２３、４３）にて固定されているが、環状体（２１、４１）と外輪（３２、５）を各々焼き嵌めし、環状体（２１、４１）と外輪（３２、５３）の隙間をなくしガタを防ぐ構造としてもよい。その場合、プレート（２２、４１）とボルト（２３、４３）は不要となる。

図４は、他の実施形態における軸受５−２の構造を示す断面図である。図４の構造では、ナット５７の代わりに、リング５７ａとボルト５７ｂ、５７ｃの組み合わせにより第２内輪５２が主軸４に取り付けられる。リング５７ａは、第２内輪５２に隣接して主軸４に挿入される。ボルト５７ｂは、主軸４のラジアル方向にリング５７ａに挿入され、リング５７ａ及び主軸４に設けられた雌ネジに螺合される。一方、ボルト５７ｃは、主軸４のアキシャル方向にリング５７ａに挿入されている。ここで、図４では、ボルト５７ｂ、５７ｃがリング５７ａの周方向において異なる位置にあることを示すために、ボルト５７ｂが単なる線によって図示されている。図４の構造では、リング５７ａがボルト５７ｂによって主軸４に固定される一方で、リング５７ａに螺合するボルト５７ｃによって第２内輪５２がテーパー面４ｂに押しつけられ、これにより、第２内輪５２が主軸４に取り付けられる。

図４の構造においても、第１内輪５１、第２内輪５２を主軸４に取り付け、又は取り外すことが容易になり、軸受５−２の交換容易性を向上させることができる。ボルト５７ｂを緩めてリング５７ａ、ボルト５７ｃを主軸４から外した上で、第２内輪５２に主軸４の中心軸に平行で、且つ、主軸４の端に向かう方向に力を作用させることにより、第２内輪５２を容易に取り外すことができる。その一方で、第２内輪５２を主軸４に挿入した後でボルト５７ｂによってリング５７ａを主軸４に取り付け、更に、ボルト５７ｃを締め付けることにより、第２内輪５２を容易に主軸４に取り付けることができる。

図４の軸受５−２の構造によれば、円筒ころ５５と共通外輪５３の間のクリアランスδ_３の調節も容易である。図４の構造では、ボルト５７ｃの締め具合によって円筒ころ５５と共通外輪５３の間のクリアランスδ_３（又は、第２内輪５２と共通外輪５２の間隔）を容易に調節することができる。具体的には、ボルト５７ｃを強く締め付けて第２内輪５２を主軸４の端から離れる方向に変位させれば、クリアランスδ_３を容易に狭くできる。また、ボルト５７ｃを緩めた上で第２内輪５２を主軸４の端に向かう方向に変位させれば、クリアランスδ_３を容易に広くすることもできる。これは、円筒ころ５５と共通外輪５３の間のクリアランスδ_３を最適に調節する上で好ましい。

なお、図４に図示されたリング５７ａとボルト５７ｂ、５７ｃの組み合わせにより第２内輪５２をテーパー面４ｂに押しつけて固定する構造は、軸受５−１の内輪３１を固定する構造にも適用可能である。また、図３の場合と同様に環状体４１と外輪５３を焼き嵌めし、プレート４２とボルト４３を使用しない構造とすることもできる。

図５は、更に他の実施形態における軸受５−２の構造、特に、第２内輪５２の構造の変形例を示す断面図である。図３、図４の構造では、第２内輪５２は、主軸４の端に近づくほど内径が小さくなるように形成されているが、図５に示されているように、第２内輪５２は、２つの部材：テーパー付リング５２ａと、ストレート内輪５２ｂとで構成されてもよい。テーパー付リング５２ａは、主軸４の端に近づくほど内径が小さくなる一方で、外径が一定である構造を有している。一方、ストレート内輪５２ｂは、内径が一定である。このような構造は、第２内輪５２の製造を容易にするために好ましい。図３、図４に図示されている第２内輪５２は、構造が特殊であり、一般的な内輪の製造方法では製造できない。一方、図５に図示されている２分割構造の第２内輪５２では、ストレート内輪５２ｂが一般的な内輪の製造工程で製造でき、また、テーパー付リング５２ａの加工も困難でない。このように、図５に図示されている２分割構造を採用することにより、第２内輪５２の製造を容易にすることができる。

図６Ａは、更に他の実施形態における軸受５−２の構造を示す断面図である。図３、図４の軸受５−２の構造では、スラスト軸受、ラジアル軸受に共通の共通外輪５３が使用されていたが、図６Ａの構造では、スラスト軸受とラジアル軸受とで別々の外輪：第１外輪５３ａ、第２外輪５３ｂが使用される。ボール５４は、第１内輪５１と第１外輪５３ａの間に挿入され、第１内輪５１、ボール５４、第１外輪５３ａによってスラスト軸受が構成されている。一方、円筒ころ５５が第２内輪５２と第２外輪５３ｂの間に挿入され、第２内輪５２、円筒ころ５５、第２外輪５３ｂによってラジアル軸受が構成されている。

図６Ａの構成では、第１内輪５１と主軸４の間ではなく、軸受ハウジング６−２の環状体４１と第１外輪５３ａとの間にクリアランスδ_２が設けられている。また、円筒ころ５５と第２外輪５３ｂの間にクリアランスδ_３が設けられている。このクリアランスδ_３は、クリアランスδ_２よりも小さくなるように調節されている。これは、図３、図４の軸受５−２の構成と同様に、アキシャル軸受とラジアル軸受の分離を実現するためである。クリアランスδ_３がクリアランスδ_２よりも小さいことによりアキシャル軸受とラジアル軸受の分離が実現されている。

図６Ａの構成でも、図３、図４の構成と同様に、第１内輪５１、第２内輪５２の取り付け及び取り外しが容易であり、軸受５−２の交換容易性が向上されている。また、ナット５７の締め付け具合によってクリアランスδ_３の調節が可能であり、クリアランスδ_３の調節が容易である。

加えて、図６Ａの構成では、スラスト軸受とラジアル軸受とで別々の外輪：第１外輪５３ａ、第２外輪５３ｂが使用されるため、低コストを実現できる。図３、図４のように、スラスト軸受、ラジアル軸受に共通の共通外輪５３が使用される構成では、特殊な構造の外輪を製造する必要がある。一方、スラスト軸受とラジアル軸受とで別々の外輪を使用する図６Ａの構成では、一般的な構造の外輪を採用できるので、コストの低減を図ることができる。

なお、図６Ａの軸受５−２の構造においても、ボール５４の代わりに円錐ころが使用可能である。また、図３、図４の構造と同様に、環状体４１と外輪５３ｂとを焼き嵌めし、プレート４２とボルト４３とを使用しない構造とすることもできる。

スラスト軸受とラジアル軸受とで別々の外輪が使用される場合、図６Ｂに示されているように、円筒ころ５５と第２外輪５３ｂの間のクリアランスδ_３は、油圧によって調節されてもよい。図６Ｂの構造では、軸受ハウジング６−２の環状体４１に、第２外輪５３ｂの外周面に到達する作動油供給経路４１ａが形成され、この作動油供給経路４１ａに作動油が満たされる。作動油供給経路４１ａを介して第２外輪５３ｂの外周面に油圧が作用される。第２外輪５３ｂの外周面に油圧が作用されることにより、円筒ころ５５と第２外輪５３ｂの間のクリアランスδ_３が調節される。

図１、図２に図示されているように、上述の実施形態では、２つの軸受５−１、５−２を収容する軸受ハウジング６−１、６−２が別々に用意されている。これは、大型の風力発電装置１を提供するためには、避けがたい構成である。しかし、軸受ハウジング６−１、６−２が別体に形成されていると、主軸４に傾きが発生しやすくなる。主軸４に傾きが発生すると、軸受５−１、５−２に大きな片当りが作用し、軸受５−１、５−２の寿命が短くなるという問題が起こる。

主軸４の傾きの問題に対処するためには、外輪と軸受ハウジングとが弾性的に結合され、相対的に変位可能であることが好ましい。図７Ａ〜図７Ｃは、軸受５−１の外輪３２と軸受ハウジング６−１とが弾性的に結合された軸受構造の好適な実施形態を示す断面図である。

図７Ａの軸受構造では、軸受ハウジング６−１の環状体２１の内周面に溝２１ａが複数形成され、これにより、環状体２１の、外輪３２と接触する部分の剛性が弱められている。これにより、軸受ハウジング６−１と外輪３２とが相対的に変位可能に支持されている。図７Ａの構造では、軸受ハウジング６−１と外輪３２とが相対的に変位することにより、主軸４の傾きが吸収される。

また、図７Ｂ、図７Ｃに図示されているように、軸受ハウジング６−１の環状体２１と外輪３２の間に弾性体が挟まれてもよい。図７Ｂの構造では、軸受ハウジング６−１の環状体２１と外輪３２の間に弾性体シート２４が挟まれている。一方、図７Ｃの構造では、環状体２１の内周面に環状の溝が複数形成され、その溝のそれぞれに環状の弾性体リング２５が嵌め込まれている。弾性体シート２４、又は弾性体リング２５により、軸受ハウジング６−１と外輪３２とが相対的に変位可能に支持されている。

なお、図７Ａ〜図７Ｃでは、軸受５−１の外輪３２と軸受ハウジング６−１との間の結合について図示されているが、図３、図４の構造において、軸受５−２の共通外輪５３と軸受ハウジング６−２とが弾性的に結合され、相対的に変位可能であってもよい。また、図６Ａ、図６Ｂの構造において、第１外輪５３ａ及び第２外輪５３ｂが、軸受ハウジング６−２に弾性的に結合され、相対的に変位可能であってもよい。

また、図８Ａ、図８Ｂに図示されているように、外輪が相対的に変位可能な２つの部材を備えて構成され、当該２つの部材が相対的に変位することにより、主軸４の傾きが吸収されてもよい。例えば、図８Ａの構造では、外輪３２が、内側部材３２ａ、外側部材３２ｂと、弾性体シート３２ｃとを備えて構成されている。内側部材３２ａの内周面には、円筒ころ３３を収容する溝が形成されており、内側部材３２ａの外周面は、円筒面の一部となるような形状を有している。外側部材３２ｂの内周面は、内側部材３２ａの外周面に対向して位置しており、円筒面の一部となるような形状を有している。弾性体シート３２ｃは、内側部材３２ａと外側部材３２ｂとの間に挿入されている。図８Ａの構造では、弾性体シート３２ｃによって内側部材３２ａと外側部材３２ｂとが相対的に変位可能に保持されており、これにより、主軸４の傾きが吸収される。

一方、図８Ｂの構造では、外輪３２が、内側部材３２ａが外側部材３２ｂに当接されて構成されている。内側部材３２ａの外周面と外側部材３２ｂの内周面とは、いずれも円筒面の一部となるような形状を有している。加えて、図８Ｃに図示されているように、内側部材３２ａの外周面に溝３２ｅが形成されると共に、図８Ｂに図示されているように、外側部材３２ｂに内側部材３２ａの外周面に通じる潤滑油溜め３２ｄが形成されている。潤滑油溜め３２ｄと溝３２ｅには、グリース又は潤滑油のような潤滑流体が充填又は供給されている。このような構造により、内側部材３２ａと外側部材３２ｂの間にグリース又は潤滑油が介在して保持される。図８Ｂの構造では、グリース又は潤滑油によって内側部材３２ａと外側部材３２ｂとが相対的に変位可能であり、これにより、主軸４の傾きが吸収される。なお、内側部材３２ａの外周面に溝３２ｅが形成される代わりに外側部材３２ｂの内周面に溝を設けてもよく、内側部材３２ａの外周面に溝３２ｅが形成されるのに加えて外側部材３２ｂの内周面に溝を設けてもよい。なお、環状体２１と外輪３２ｂとを焼き嵌めし、プレート２２とボルト２３とを使用しない構造とすることもできる。

外輪が相対的に変位可能な２つの部材を備える構成は、図３、図４の共通外輪５３、及び、図６Ａ、図６Ｂの第１外輪５３ａ及び第２外輪５３ｂにも適用可能である。

軸受５−１の交換容易性を向上させるためには、軸受５−１が周方向に複数部材に分割可能な構造を有していることが望ましい。図９は、分割可能な軸受５−１の構造を示す正面図である。内輪３１が、２つの内輪部材６１、６２と、それらを締結するボルト６３とで構成される。内輪部材６１の一端には切欠６１ａが形成され、内輪部材６２の一端には切欠６２ａが形成されており、それらの切欠６１ａ、６２ａにボルト６３が挿入されることにより、内輪部材６１と６２とが連結されている。同様に、外輪３２が、２つの外輪部材７１、７２と、それらを締結するボルト７３とで構成される。外輪部材７１の一端には切欠７１ａが形成され、外輪部材７２の一端には切欠７２ａが形成されており、それらの切欠７１ａ、７２ａにボルト７３が挿入されることにより、外輪部材７１と７２とが連結されている。この場合、図示されていないプレート２２及びセパレータ保持器も周方向に分割されて構成される。軸受５−１が周方向に複数部材に分割可能な構造を有していることにより、軸受５−１を主軸４及び軸受ハウジング６−１に取り付け、又は、主軸４及び軸受ハウジング６−１から取り外すことが容易になる。なお、図９に図示されているような、周方向に分割可能な軸受の構造は、軸受５−２にも適用可能である。

以上には、本発明の実施形態が様々に記述されているが、本発明は、自明的な様々な変更をした上で実施可能であり、また、上記に記述された構造を様々に組み合わせて実施可能であることは当業者には理解されよう。例えば、上述の軸受５−１の構造と上述の軸受５−２の構造とを任意に組み合わせて風力発電装置１に実装することができることは当業者には自明的であろう。更に、本発明の軸受構造は、特にダイレクトドライブ型の風力発電装置１に適しているが、他の機械装置にも適用可能であることも当業者には理解されよう。

１：風力発電装置
２：タワー
３：ナセル台座
４：主軸
４ａ、４ｂ：テーパー面
４ｃ：段差
５−１、５−２：軸受
６−１、６−２：軸受ハウジング
７：発電機
８：トルクサポート
９：スリーブ
１１：ステータケーシング
１２：ステータ
１３：発電機ロータ
１４：界磁磁石
１５：ロータプレート
１６：発電機軸受
２１：環状体
２１ａ：溝
２２：プレート
２３：ボルト
２４：弾性体シート
２５：弾性体リング
３１：内輪
３２：外輪
３２ａ：内側部材
３２ｂ：外側部材
３２ｃ：弾性体シート
３２ｄ：潤滑油溜め
３２ｅ：溝
３３：円筒ころ
３４：ナット
４１：環状体
４１ａ：作動油供給経路
４２：プレート
４３：ボルト
５１：第１内輪
５２：第２内輪
５２ａ：テーパー付リング
５２ｂ：ストレート内輪
５３：共通外輪
５３ａ：第１外輪
５３ｂ：第２外輪
５４：ボール
５５：円筒ころ
５６、５７：ナット
５７ａ：リング
５７ｂ、５７ｃ：ボルト
６１、６２：内輪部材
６１ａ、６２ａ：切欠
６３：ボルト
７１、７２：外輪部材
７１ａ、７２ａ：切欠
７３：ボルト

Claims (20)

1. 回転軸と、
   前記回転軸に取り付けられた第１内輪と、
   前記第１内輪の外側に、前記第１内輪と対向して設けられた第１外輪と、
   前記第１外輪を収容する軸受ハウジングと、
   前記第１内輪と前記第１外輪の間に設けられた第１転動体と、
   前記第１内輪を固定する内輪固定部材
   とを備え、
   前記回転軸は、前記回転軸の端に近づくほど前記回転軸の径が細くなるように形成されたテーパー面を有し、
   前記第１内輪が、前記内輪固定部材によって前記テーパー面に押しつけられている
   軸受構造。
2. 請求項１に記載の軸受構造であって、
   更に、
   前記回転軸に前記第１内輪に隣接して取り付けられた第２内輪と、
   前記第２内輪と前記第１外輪の間に設けられた第２転動体
   とを具備し、
   前記第１内輪と前記第１転動体と前記第１外輪の第１部分でラジアル方向の荷重を支持するラジアル軸受が構成され、
   前記第２内輪と前記第２転動体と前記第１外輪の第２部分でアキシャル方向の荷重を支持するスラスト軸受が構成された
   軸受構造。
3. 請求項２に記載の軸受構造であって、
   前記第２内輪と前記回転軸の間に設けられた第１クリアランスが、前記第１転動体と前記第１外輪の間に設けられた第２クリアランスよりも大きい
   軸受構造。
4. 請求項１に記載の軸受構造であって、
   更に、
   前記回転軸に前記第１内輪に隣接して取り付けられた第２内輪と、
   前記第２内輪の外側に、前記第２内輪と対向して設けられた第２外輪と、
   前記第２内輪と前記第２外輪の間に設けられた第２転動体
   とを具備し、
   前記第１内輪と前記第１転動体と前記第１外輪でラジアル方向の荷重を支持するラジアル軸受が構成され、
   前記第２内輪と前記第２転動体と前記第２外輪でアキシャル方向の荷重を支持するスラスト軸受が構成された
   軸受構造。
5. 請求項４に記載の軸受構造であって、
   更に、
   前記軸受ハウジングが、前記第１外輪と前記第２外輪とを収容し、
   前記第２外輪と前記軸受ハウジングの間に設けられた第１クリアランスが、前記第１転動体と前記第１外輪の間に設けられた第２クリアランスよりも大きい
   軸受構造。
6. 請求項５に記載の軸受構造であって、
   前記軸受ハウジングには、前記第１外輪の外周面に到達する作動油供給経路が形成されており、
   前記作動油供給経路を介して前記第１外輪の外周面に油圧を印加することによって前記第２クリアランスを調節可能な
   軸受構造。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の軸受構造であって、
   前記回転軸には前記回転軸の端の側において前記テーパー面に隣接してネジが形成され、
   前記内輪固定部材は、前記ネジと螺合するナットを備えている
   軸受構造。
8. 請求項１乃至６のいずれかに記載の軸受構造であって、
   前記内輪固定部材は、
   前記回転軸に挿入されるリングと、
   前記リングを前記回転軸に固定する固定部材と、
   前記リングを前記回転軸のアキシャル方向に貫通するボルト
   とを備え、
   前記第１内輪が、前記ボルトにより前記テーパー面に押しつけられている
   軸受構造。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の軸受構造であって、
   前記第１内輪は、
   前記回転軸の端に近づくほど径が小さくなるように形成され、前記テーパー面に当接される内周面と、径が一定であるように形成された外周面とを有するテーパー付リングと、
   前記テーパー付リングの外周面に当接され、径が一定であるように形成された内周面を備えるストレート内輪とを備え、
   前記第１転動体が前記ストレート内輪と前記第１外輪の間に設けられた
   軸受構造。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載の軸受構造であって、
    前記軸受ハウジングと前記第１外輪とが、相対的に変位可能に接合されている
    軸受構造。
11. 請求項１０に記載の軸受構造であって、
    前記軸受ハウジングと前記第１外輪の間に弾性体が設けられた
    軸受構造。
12. 請求項１乃至９のいずれかに記載の軸受構造であって、
    前記第１外輪が、
    内側部材と、
    前記内側部材の外側に位置する外側部材
    とを備え、
    前記第１転動体が、前記第１内輪と前記内側部材との間に設けられ、
    前記内側部材と前記外側部材とが、相対的に変位可能に接合されている
    軸受構造。
13. 請求項１２に記載の軸受構造であって、
    前記内側部材と前記外側部材との間に弾性体が設けられた
    軸受構造。
14. 請求項１２に記載の軸受構造であって、
    前記外側部材には前記内側部材の外周面に到達する潤滑油溜めが設けられ、
    前記内側部材の前記外周面及び／又は前記外側部材の内周面に溝が設けられ、
    前記潤滑油溜めと前記溝に潤滑流体が充填されている
    軸受構造。
15. 請求項１乃至１４に記載の軸受構造であって
    前記第１内輪が前記回転軸の周方向において複数の部材に分割可能であり、
    前記第１外輪が前記回転軸の周方向において複数の部材に分割可能である
    軸受構造。
16. 発電機と、
    一端が風車ロータに接合され、他端が前記発電機のロータに接合された主軸と、
    前記主軸に取り付けられた第１内輪と、
    前記第１内輪の外側に、前記第１内輪と対向して設けられた第１外輪と、
    前記第１外輪を収容する軸受ハウジングと、
    前記第１内輪と前記第１外輪の間に設けられた第１転動体と、
    前記第１内輪を固定する内輪固定部材
    とを備え、
    前記主軸は、前記主軸の端に近づくほど前記主軸の径が細くなるように形成されたテーパー面を有し、
    前記第１内輪が、前記内輪固定部材によって前記テーパー面に押しつけられている
    ダイレクトドライブ型風力発電装置。
17. 請求項１６に記載のダイレクトドライブ型風力発電装置であって、
    更に、
    前記主軸に前記第１内輪に隣接して取り付けられた第２内輪と、
    前記第２内輪と前記第１外輪の間に設けられた第２転動体
    とを具備し、
    前記第１内輪と前記第１転動体と前記第１外輪の第１部分でラジアル方向の荷重を支持するラジアル軸受が構成され、
    前記第２内輪と前記第２転動体と前記第１外輪の第２部分でアキシャル方向の荷重を支持するスラスト軸受が構成された
    ダイレクトドライブ型風力発電装置。
18. 請求項１７に記載のダイレクトドライブ型風力発電装置であって、
    前記第２内輪と前記主軸の間に設けられた第１クリアランスが、前記第１転動体と前記第１外輪の間に設けられた第２クリアランスよりも大きい
    ダイレクトドライブ型風力発電装置。
19. 請求項１６に記載のダイレクトドライブ型風力発電装置であって、
    更に、
    前記主軸に前記第１内輪に隣接して取り付けられた第２内輪と、
    前記第２内輪の外側に、前記第２内輪と対向して設けられた第２外輪と、
    前記第２内輪と前記第２外輪の間に設けられた第２転動体
    とを具備し、
    前記第１内輪と前記第１転動体と前記第１外輪でラジアル方向の荷重を支持するラジアル軸受が構成され、
    前記第２内輪と前記第２転動体と前記第２外輪でアキシャル方向の荷重を支持するスラスト軸受が構成された
    ダイレクトドライブ型風力発電装置。
20. 請求項１９に記載のダイレクトドライブ型風力発電装置であって、
    更に、
    前記軸受ハウジングが、前記第１外輪と前記第２外輪とを収容し、
    前記第２外輪と前記軸受ハウジングの間に設けられた第１クリアランスが、前記第１転動体と前記第１外輪の間に設けられた第２クリアランスよりも大きい
    ダイレクトドライブ型風力発電装置。

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