(57)【要約】  シールリング（２０）と接触面との相対滑り速度を低減するとともに、内外輪（１１，１２）の温度差による相対変形を抑制した軸受構造を提供する。外輪（１１）と内輪（１２）との間に形成された空間部（１６）内に転動体（１４）を配設し、転動体（１４）を介して外輪（１１）または内輪（１２）が相対的に回転する軸受構造であって、転動体（１４）の表面と空間部（１６）の内面との摺動部が空間部（１６）内に供給される潤滑剤により冷却され、空間部（１６）の軸方向端部開口が転動体（１４）を保持する保持器（１３）に取り付けられたシールリング（２０）により塞がれている。
2010007677.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外輪と内輪との間に形成された空間内に転動体を配設し、前記転動体を介して前記外輪または前記内輪が相対的に回転する軸受構造であって、
前記転動体の表面と前記空間部の内面との摺動部が前記空間内に供給される潤滑剤により潤滑され、
前記空間の軸方向端部開口が前記転動体を保持する保持器に取り付けられたシール部材により塞がれている軸受構造。
【請求項２】
前記転動体の表面と前記空間部の内面との摺動部が前記空間内に供給される潤滑剤により潤滑ならびに冷却される請求項１に記載の軸受構造。
【請求項３】
風車翼を備えたロータヘッドとともに回転する軸部が、請求項１または２に記載の軸受構造を有する主軸受により支持されている風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸受構造及び風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電装置は、風車翼を備えたロータヘッドが風力を受けて回転し、この回転力を利用して発電機を駆動することにより発電する装置である。このような風力発電装置においては、ロータヘッドの回転を支持する主軸受として、１つの軸受でモーメントを支えることができる複列テーパコロ軸受等が採用されている。また、軸受の外輪や内輪及び外輪と内輪の間に保持されたコロ等の摺動部が滑らかに動作し、または発熱しないように摺動部へ潤滑剤を供給している。この潤滑剤が軸受から洩出することによる摺動部の動作不具合や発熱に起因する軸受の破損等を防止するため、シール部材を設けている。
シール部材は外輪または内輪の一方に固定され、固定していない他方に接触し潤滑剤をシールしている。この接触部がシール部材の摺動部となる。
複列テーパコロ軸受のような軸受構造は、軸受の口径が大きくなるので、摺動部の周速も大きくなって摩擦による発熱量が増す傾向にある。【０００３】
図６に示す軸受１０は、外輪１１と内輪１２との間に、保持器１３によって保持された転動体１４を備えている。この転動体１４には、たとえば球体やコロ等のベアリングが用いられている。
図示の構成例では、コロの転動体１４が使用されている。この転動体１４は、軸方向において一対が略逆ハの字状に配置され、このような略逆ハの字状とした配置状態で、周方向の全周にわたって多数配列されている。
なお、図中の符号１５は、軸受１０のシール１７を保持するケーシングである。【０００４】
このように構成された従来の軸受構造において、転動体１４と外輪１１及び内輪１２とが接触する摺動面では摩擦により発熱する。たとえば内輪１２に設けられたつば部１２ｂによる発熱がある。このため、転動体１４が配置されている空間部（潤滑剤供給エリア）１６は、潤滑剤の供給を受けて冷却されている。
そして、転動体１４を配置した空間部１６内の潤滑剤をシールする構造は、軸受１０の外輪１１と内輪１２との間（隙間１９）、もしくは、軸受１０のケーシング１５と軸（不図示）との間のいずれかに設けられている。
図示の構成例は外輪１１が固定され内輪１２が回転するものであり、シール部材として固定側の外輪１１に取り付けられたリップシール１７が、内輪１２側の摺動面１２ａに接して軸方向端部に形成された空間部１６の端部（隙間１９）をシールするようになっている。なお、図中の符号１８は、内輪１２に固定されたシール部材の押さえ板である。【０００５】
上述した軸受構造に関連する従来技術としては、たとえば特許文献１に記載されたものが知られている。この特許文献１には、板金リテーナ及びリップシールを有する板金リテーナシール等において、リテーナ及びリップシールの嵌合面を、リテーナの外周部であり、かつ、リップシールの内周部に設定することにより、リップシールのみを交換可能とした密封装置が提案されている。
また、リップシールのような接触シール部材の他にも、たとえばラビリンスシールのような非接触型が知られている。
【特許文献１】特開２００３−３４３７３９号公報
【発明の開示】
【０００６】
上述した従来の軸受構造では、たとえばリップシール１７のようなシール部材を取り付けて隙間１９を塞ぐため、溝または取付部を施工したリング部材やシール部材の押さえ板１８等の付属物が必要となる。このため、部品点数の増加により構造が複雑になり、製造にも手間を要するという問題が指摘されている。
また、シール部材との接触面は、回転側もしくは固定側のどちらか一方に限定されるため、回転側の速度により定まる相対的な速度差が大きくなり、摩擦による発熱量を増大させる。このため、軸受１０においては、外輪１１と内輪１２との温度差が大きくなって温度差による相対変形を助長するので、転動体１４と外輪１１及び内輪１２との隙間や予圧の管理が難しくなっていた。
【０００７】
さらに、複列テーパコロ軸受のような軸受構造においては、前述の摩擦による発熱の影響で潤滑剤の温度が上昇する問題があるため、使用可能な潤滑剤の種類が限定されるだけでなく、温度上昇した潤滑剤を冷却するための冷却装置が必要になるなど、軸受構造の運転に必要な付帯設備も大掛かりになる傾向にあった。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、シール部材と接触面との相対滑り速度を低減するとともに、内外輪の温度差による相対変形が抑制される軸受構造を提供することにある。また、本発明では、このような軸受構造を主軸受に採用した風力発電装置の提供も目的としている。
【０００８】
本発明では、上記の課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明の軸受構造は、外輪と内輪との間に形成された空間内に転動体を配設し、前記転動体を介して前記外輪または前記内輪が相対的に回転する軸受構造であって、前記転動体の表面と前記空間部の内面との摺動部が前記空間内に供給される潤滑剤により潤滑され、前記空間の軸方向端部開口が前記転動体を保持する保持器に取り付けられたシール部材により塞がれている。
【０００９】
このような軸受構造によれば、転動体を保持する保持器は軸受の回転側に対して略二分の一の速度で回転するので、保持器に取り付けられたシール部材と外輪および内輪の摺動面との相対的な滑り速度は、軸受の固定側及び回転側に生じる相対速度と比較すれば略二分の一程度まで小さくなる。
上記の発明においては、前記転動体の表面と前記空間部の内面との摺動部が前記空間内に供給される潤滑剤により潤滑ならびに冷却されることが好ましい。
【００１０】
この場合、シール部材を保持器に取り付ける構造については、嵌合、接着及びボルト等による固定の他、保持器に対してシール部材が相対滑り可能となるように嵌合させてもよい。
なお、空間の軸方向端部を塞ぐシール部材が接触する相手方（接触面）の部材については、外輪及び内輪の他にも、外輪と取り合うケーシング部材や内輪と取り合う軸部材等でもよい。
【００１１】
本発明の風力発電装置は、風車翼を備えたロータヘッドとともに回転する軸部が、外輪と内輪との間に形成された空間内に転動体を配設し、前記転動体を介して前記外輪または前記内輪が相対的に回転する軸受構造であって、前記転動体の表面と前記空間部の内面との摺動部が前記空間内に供給される潤滑剤により潤滑され、前記空間の軸方向端部開口が前記転動体を保持する保持器に取り付けられたシール部材により塞がれている軸受構造を有する主軸受により支持されている。
この場合の軸受構造において、前記転動体の表面と前記空間部の内面との摺動部が前記空間内に供給される潤滑剤により潤滑ならびに冷却されることが好ましい。
【００１２】
このような風力発電装置によれば、ロータヘッドとともに回転する軸部を支持する主軸受は、シール部材が接触して空間の軸方向端部を塞ぐ接触面との相対滑り速度を半分程度まで遅くすることができる。
【００１３】
上述した本発明の軸受構造によれば、潤滑剤が供給される空間の軸方向端部を塞ぐシール部材と、シール部材が接触してシールする相手方部材の接触面との間に生じる回転時の相対滑り速度を低減することができる。従って、摺動面に発生する摩擦熱等の発熱量が減少するので、外輪及び内輪の温度差による相対変形を抑制することができるようになり、軸受構造における部材間の隙間や予圧に関する管理が容易になる。
【００１４】
この結果、内外輪温度差による相対変形等の影響を回避するために必要だった潤滑剤等を冷却するような冷却装置が不要となる。従って、軸受構造の簡略化及び小型化やコストダウンを可能にするとともに、信頼性や耐久性の向上にも貢献するという顕著な効果が得られる。
また、上述した軸受構造の軸受を採用した風力発電装置等の装置においても、軸受構造の簡略化、小型化及びコストダウンが可能になったことから、装置全体としても構造の簡略化、小型化及びコストダウンが可能になり、さらに、信頼性や耐久性も向上するという顕著な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る軸受構造の一実施形態として、複列テーパコロ軸受の構成例を示す要部の断面図である。
【図２】本発明に係る軸受構造を主軸受に採用した風力発電装置の概要を示す側面図である。
【図３】図２に示した風力発電装置において、主軸受の外輪側がロータヘッドとともに回転する軸受構造の構成例を示す断面図である。
【図４】図２に示した風力発電装置において、主軸受の内輪側がロータヘッドとともに回転する軸受構造の構成例を示す断面図である。
【図５】本発明に係る軸受構造の他の実施形態として、３ローラ軸受の構成例を示す要部の断面図である。
【図６】軸受構造の従来例として複列テーパコロ軸受を示す要部の断面図である。
【符号の説明】
【００１６】
１    風力発電装置
３    ナセル
４    ロータヘッド
５    ブレード（風車回転翼）
１０，１０Ａ    軸受
１１，５１    外輪
１２，５２    内輪
１３，５３    保持器
１４，５４    転動体
１６，５５    空間部（潤滑剤供給エリア）
１７，２１，６１    リップシール
２０，６０    シールリング
５０    ３ローラ軸受
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る軸受構造及び風力発電装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図２に示す風力発電装置１は、基礎６上に立設される支柱２と、支柱２の上端に設置されるナセル３と、略水平な軸線周りに回転可能にしてナセル３に設けられるロータヘッド４とを有している。【００１８】
ロータヘッド４には、その回転軸線周りに放射状にして複数枚のブレード（風車回転翼）５が取り付けられている。このため、ロータヘッド４の回転軸線方向からブレード（風車回転翼）５に風力を受けると、ロータヘッド４を回転軸線周りに回転させる動力に変換され、この動力を利用してナセル３内に配設された発電機を駆動して発電することができる。【００１９】
図３は、風力発電装置１のナセル３外、ロータヘッド側に設置されるドライブトレイン３０の構成例を示しており、この場合、ロータヘッド４の回転を増速する増速機は設けられていない。このドライブトレイン３０は、ブレード（風車回転翼）５を備えたロータヘッド４の回転を主軸受１０Ａが支持している。この場合のロータヘッド４は、主軸受１０Ａの外輪１１とともに回転する。【００２０】
図示のドライブトレイン３０は、発電機３１の回転子３２がロータヘッド４と一体に回転する。発電機３１は、回転子３２の外周側に固定子３３が配設されているので、電磁誘導の法則により発電を行うことができる。
固定子３３は、ナセル３に２段のフレキシブルカップリング３４を介して取り付けられた発電機軸３５の先端に取り付けられている。回転子３２は、発電機軸３５の外周面に設けた軸受３６を介して回転する。【００２１】
図１に示す軸受１０Ａは、外輪１１と内輪１２との間に、保持器１３によって保持された転動体１４を備えている。図示の構成例では、転動体１４としてコロのベアリングが用いられており、外輪１１と内輪１２との間に形成された空間部１６に収納設置されている。転動体１４は、軸受１０Ａの軸方向において一対が略逆ハの字状となるように配置され、このような略逆ハの字状とした配置状態で、軸受１０Ａの周方向全周にわたって多数配列されている。【００２２】
空間１６の軸方向端部には、外輪１１と内輪１２との間に、転動体１４の直径と略等しい隙間１９が開口している。この隙間１９は、軸受１０Ａの全周にわたって、軸方向の両端部に存在している。
上述した空間部１６の内面は、転動体１４が接触して摺動することにより、摩擦による発熱で温度上昇する。このような温度上昇を防止するため、転動体１４が配置されている空間部１６は潤滑剤の供給を受けて冷却される。すなわち、転動体１４が配設された空間部１６には、図示しない潤滑剤供給源を設けた潤滑剤循環系統が接続されている。この潤滑油循環系統は、潤滑油供給源から空間部１６の内部に潤滑剤を供給するとともに、空間部１６内の必要箇所を流れた冷却後の潤滑剤を潤滑剤供給源に回収するように構成された閉回路の潤滑剤循環流路である。【００２３】
潤滑剤の供給を受ける空間部１６は、潤滑剤の循環を確実にするため、軸方向の両端部に形成されている隙間１９がシールリング２０によって塞がれている。このシールリング２０は、ゴム等を成形して両端部にリップシール２１を設けたシール部材である。なお、シールリング２０は、一体のリング状としてもよいし、あるいは、必要に応じて分割したものを接着等により一体化して取り付けてもよい。
上述したシールリング２０は、転動体１４を保持する部材である保持器１３に取り付けられている。図示の構成例では、保持器１３の一端部側に係止突起１３ａを設けておき、弾性を有するシールリング２０側に設けた係合凹部２２を嵌め込むようにして、シールリング２０をワンタッチで係合させることが可能な嵌合構造を採用している。【００２４】
上述したシールリング２０は、所定の取付状態においてリップシール２１が外輪１１及び内輪１２に密着し、隙間１９を塞ぐようになっている。この結果、潤滑剤の供給を受ける空間部１６は密閉空間となり、潤滑剤が空間部１６を含む潤滑剤循環系統から漏出することを防止できる。
また、上述した構成のシールリング２０は保持器１３に取り付けられている。保持器１３は軸受１０Ａの回転側に対して略二分の一の回転速度で回転するので、保持器１３に取付けられるシールリング２０のリップシール２１と外輪１１及び内輪１２の摺動面との相対的な滑り速度は、軸受１０Ａの固定側及び回転側に生じる相対的な回転速度と比較すれば、略二分の一程度まで小さくなる。【００２５】
このように、リップシール２１の相対的な滑り速度が小さくなると、摩擦により生じる摩耗量が減少するだけでなく、摩擦による発熱量も減少する。すなわち、保持器１３と一体に回転するリップシール２１は、回転側となる外輪１１の摺動面との間に生じる相対的な滑り速度と、固定側となる内輪１２の摺動面との間に生じる相対的な滑り速度とが略同じになり、従って、外輪１１側及び内輪１２側に発生する発熱量も略同じになるので、内外輪温度差による部材間の相対温度差を抑制することができる。【００２６】
こうして部材間の相対温度差が抑制されると、軸受１０Ａを構成する各部材間の隙間や予圧の管理が容易になる。この結果、内外輪の温度差による影響を回避するために必要であった潤滑剤等の冷却装置については、これを不要とすることも可能になる。すなわち、摺動部の発熱量が減少したことにより、潤滑剤が冷却して吸熱する熱量も減少するので、外気等との熱交換により潤滑剤を冷却するような冷却装置は不要となる。【００２７】
ところで、上述した軸受１０Ａにおいては、シールリング２０の取り付けが図１に示す嵌合構造に限定されることはない。
シールリング２０に適用可能な他の取付構造としては、接着剤を用いて保持器１３に固定する接着構造や、保持器１３に対してボルト等を用いて機械的に固定する固定構造等を採用してもよい。
保持器１３に取り付けられるシールリング２０は、上述のような保持器１３に固定される構造に限定されることはなく、シールリング２０を保持器１３に対して相対滑り可能に取り付けてもよい。【００２８】
シールリング２０のリップシール２１が接触してシールする摺動面は、外輪１１及び内輪１２の両面に直接リップシール２１を接触させる構造が望ましい。しかし、空間部１６の隙間１９を塞ぐことができれば、たとえばリップシール２１の一方を内輪１２と取り合う軸部に接触させる構造、あるいは、リップシール２１の一方を外輪１１と取り合うケーシング等の部材に接触させる構造としてもよい。【００２９】
図４は、軸受１０Ａの内輪１２が回転する構成例として、風力発電装置１のナセル３外、ロータヘッド側に設置されるドライブトレイン３０Ａの構成例を示している。図示のドライブトレイン３０Ａは、ロータヘッド４の回転を増速する増速機４０を備えており、増速後の回転数で発電機３１Ａを駆動して発電する。また、図示の構成例では、軸受１０Ａの内輪１２側がロータヘッド４とともに回転する。なお、上述した図３と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。【００３０】
ドライブトレイン３０Ａは、スター型１段の増速機４０を採用したものである。このドライブトレイン３０Ａは、２段のフレキシブルカップリング３４を備えている発電機軸３５の先端に遊星歯車４１を支持し、さらに、先端部側には固定子３３が取り付けられている。一方、回転子３２は、固定子３３の後端面に回転可能に支持された太陽歯車４２と同軸に連結されている。【００３１】
そして、ケーシング４３がロータヘッド４と一体に回転することにより、ケーシング４３のギア部４４、遊星歯車４１及び太陽歯車４２が噛合しているので、ギア比に応じてロータヘッド４の回転数から増速されて回転子３２も回転する。すなわち、この場合の発電機３１Ａでは、太陽歯車４２とともに回転する回転子３２が固定子３３の内側を略同軸に回転するので、電磁誘導の法則により発電が行われるようになっている。【００３２】
図５は、本発明を３ローラ軸受５０に適用した構成例を示している。
図示の３ローラ軸受５０は、外輪５１と内輪５２との間に、保持器５３に保持された転動体５４が配設されている。この場合の転動体５４は、断面形状において３本使用され、軸方向に向けて配置された１本のローラと、周方向に向けて配置された２本のローラとにより構成されている。
３つの転動体５４は、外輪５１と内輪５２との間に形成された空間部５５内に収納され、この空間５５の軸方向両端部に形成される隙間１９Ａを塞ぐようにして、保持器５３にシールリング６０が取り付けられている。【００３３】
シールリング６０は、外輪５１及び内輪５２の摺動面に密着してシールするリップシール６１を備えている。
シールリング６０を保持器５３に取り付ける構造は、上述した図１と同様に、保持器５３の一端部側に係止突起５３ａを設けてシールリング６０を嵌め込む嵌合構造を採用しているが、これに限定されることはない。【００３４】
このような構成の３ローラ軸受５０としても、所定の取付状態においてリップシール６１が外輪５１及び内輪５２に密着し、隙間１９Ａを塞ぐようになっている。従って、潤滑剤の供給を受ける空間部５５は密閉空間となり、潤滑剤が空間部５５を含む潤滑剤循環系統から漏出することを防止できる。
また、上述した構成のシールリング６０は保持器５３に取り付けられている。保持器５３は３ローラ軸受５０の回転側に対して略二分の一の回転速度で回転するので、保持器５３に取付けられるシールリング６０のリップシール６１と外輪５１及び内輪５２の摺動面との相対的な滑り速度は、３ローラ軸受５０の固定側及び回転側に生じる相対的な回転速度と比較すれば、略二分の一程度まで小さくなる。【００３５】
このように、上述した本発明の軸受構造によれば、潤滑剤が供給される空間部１６，５５の軸方向端部を塞ぐシール部材２０，６０と、シール部材２０，６０が接触してシールする相手方部材の接触面との間に生じる回転時の相対滑り速度を低減することができる。従って、摺動面に発生する摩擦熱等の発熱量が減少するので、外輪１１，５１及び内輪１２，５２の温度差による相対変形を抑制することができるようになり、軸受構造における部材間の隙間や予圧に関する管理が容易になる。【００３６】
このため、内外輪温度差による相対変形等の影響を回避するために必要だった潤滑剤等を冷却するような冷却装置が不要となる。従って、軸受構造の簡略化及び小型化やコストダウンが可能になり、さらに、軸受構造の信頼性や耐久性を向上させることもできる。
また、上述した軸受構造の軸受を採用した風力発電装置は、軸受構造の簡略化、小型化及びコストダウンが可能になったことから、装置全体としても構造の簡略化、小型化及びコストダウンが可能になる。【００３７】
上述した本発明を適用する軸受の種類については、特に限定するものではないが、風力発電装置１に使用する複列テーパコロ軸受に適用すると、部品削減等の効果が特に大きなものとなる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、たとえば増速機の構成や発電機の構成等に関する組合せの変更、あるいは、軸受及びカップリングに関する組合せの変更など、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
【図１】
2010007677.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
2010007677.tif 000009
2010007677.tif 000010
2010007677.tif 000011
2010007677.tif 000012