(57)【要約】【課題】  負荷に応じた適正な支持が各列で行なえて、実質寿命を延長することができ、また材料に無駄のない経済的な複列自動調心ころ軸受を提供する。【解決手段】  一方列の球面ころ１１のころ長さ寸法をＬ１、他方列の球面ころ１２のころ長さ寸法をＬ２、他方列の球面ころ１２と軌道輪２０ｂとの接触面に生ずる接触だ円１４の長径をＡとしたとき、次の寸法関係が成立する。  Ｌ２＜Ｌ１  Ｌ２＞Ａ【選択図】      図３
2006090345.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内外の軌道輪の間に複列に球面ころを配置した複列自動調心ころ軸受において、
一方列の球面ころのころ長さをＬ１、他方列の球面ころのころ長さをＬ２、他方列の球面ころと軌道輪との接触面に生ずる接触だ円の長径をＡとしたとき、
Ｌ２＜Ｌ１、
Ｌ２＞Ａ
の寸法関係が成立することを特徴とする、複列自動調心ころ軸受。
【請求項２】
外輪が、軸方向に並ぶ２個の分割外輪で構成されている、請求項１に記載の複列自動調心ころ軸受。
【請求項３】
前記２個の分割外輪間に隙間を設け、これら分割外輪間に予圧を負荷している、請求項２に記載の複列自動調心ころ軸受。
【請求項４】
前記球面ころは、ころの最大径の位置がころ長さの中央に位置する対称ころである、請求項１〜３のいずれかに記載の複列自動調心ころ軸受。
【請求項５】
前記球面ころは、ころの最大径の位置がころ長さの中央から外れている非対称ころである、請求項１〜３のいずれかに記載の複列自動調心ころ軸受。
【請求項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、
固定部材に組込まれ、前記主軸を回転自在に支持する複列自動調心ころ軸受とを備えた風力発電機の主軸支持構造において、
前記ブレードから遠い方の列の球面ころのころ長さをＬ１、近い方の列の球面ころのころ長さをＬ２、ブレードに近い方の列の球面ころと軌道輪との接触面に生ずる接触だ円の長径をＡとしたとき、
Ｌ２＜Ｌ１、
Ｌ２＞Ａ
の寸法関係が成立することを特徴とする、風力発電機の主軸支持構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、複列自動調心ころ軸受に関し、特に左右の列の球面ころに不均等な荷重が作用する複列自動調心ころ軸受およびそのような軸受を備えた風力発電機の主軸支持構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、クリーンで無尽蔵なエネルギを利用できる風力発電が注目されている。大型の風力発電設備では、風車を備えた発電機本体が地上から数十ｍの高さに設置されているので、風車のブレードの主軸を支持する軸受の保守には大変な労力と危険が伴う。そのため、風力発電機の主軸を支持する軸受には、高い信頼性と耐久寿命が要求される。
【０００３】
風力発電機の主軸を回転自在に支持するのに好適な自動調心ころ軸受は、例えば特開２００４−１１７３７号公報（特許文献１）に開示されている。この公報に開示されているように、大型の風力発電機における主軸用軸受には、図１に示すような大型の複列自動調心ころ軸受１が用いられることが多い。
【０００４】
風力発電機の風車の主軸２は、ブレード３が設けられた先端側を片持ち支持するようにハウジング４に取り付けられるので、その片持ち支持用の軸受として、通常、主軸２の撓みに対応可能な大型の自動調心ころ軸受１が使用される。ブレード３が風力を受けると、主軸２がブレード３とともに回転する。この主軸２の回転は、増速機（図示せず）で増速されて発電機に伝達され、発電する。
【０００５】
自動調心ころ軸受１は、内輪５と、外輪６と、複列の球面ころ７，８とを備える。風を受けて発電しているとき、ブレード３を支える主軸２には、ブレード３にかかる風力による軸方向荷重（軸受スラスト荷重）と、径方向荷重（軸受ラジアル荷重）が負荷される。複列自動調心ころ軸受１は、ラジアル荷重とスラスト荷重とを同時に受けることができ、かつ調心性をもつため、ハウジング４の精度誤差や、取り付け誤差による主軸２の傾きを吸収でき、かつ運転中の主軸２の撓みを吸収できる。
【特許文献１】特開２００４−１１７３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の風力発電機の主軸支持用の複列自動調心ころ軸受１では、風車の回転中はラジアル荷重の他に大きなスラスト荷重が負荷される。この場合、複列の球面ころ７，８のうち、ブレード３から遠い方の列の球面ころ８が、ラジアル荷重とスラスト荷重とを同時に受けることになる。ブレード３に近い方の列の球面ころ７については、スラスト荷重があまりかからず、もっぱらラジアル荷重を受けることになる。
【０００７】
一方、無風状態においては、主軸支持用軸受１にかかる荷重はもっぱらラジアル荷重となる。そのため、ブレード３に近い方の列の球面ころ７については、風車の回転中よりも、風車が回転しない無風状態のときの方が大きなラジアル荷重を受けることになる。
【０００８】
上記のように、風力発電機の主軸支持用複列自動調心ころ軸受１の場合、ブレード３から遠い方の列の球面ころ８の負荷が大きくなるので、ブレード３に近い方の列の球面ころ７に比べて転がり疲労寿命が短くなる。一方、ブレード３に近い方の列の球面ころ７では軽負荷となり、球面ころ７と内外輪５，６の軌道面５ａ，６ａとの間で滑りを生じ、表面損傷や摩耗の問題を引き起こす。大きな荷重に対応するために軸受サイズを大きくすることが考えられるが、軽負荷側では余裕が大きくなりすぎ、不経済である。
【０００９】
この発明の目的は、負荷に応じた適正な支持が各列で行なえて、実質寿命を延長することができ、また材料に無駄のない経済的な複列自動調心ころ軸受およびこの軸受を用いた風力発電機の主軸支持構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に従った複列自動調心ころ軸受は、内外の軌道輪の間に複列に球面ころを配置したものであって、次のことを特徴とする。すなわち、一方列の球面ころのころ長さをＬ１、他方列の球面ころのころ長さをＬ２、他方列の球面ころと軌道輪との接触面に生ずる接触だ円の長径をＡとしたとき、次の寸法関係が成立する。
【００１１】
Ｌ２＜Ｌ１
Ｌ２＞Ａ
上記のように、左右の列の球面ころのころ長さを異ならせるようにすれば、それぞれの球面ころの負荷容量が異なったものとなる。従って、負荷容量が大きくなる列にころ長さが大きな球面ころを用い、軽負荷側の列にころ長さが小さな球面ころを用いれば、負荷に応じた適正な支持が各列で行なえ、軸受寿命が長くなる。軽負荷側の列の球面ころの場合、ころ長さを短くするにも限度がある。すなわち、使用時における荷重を十分に支持できるだけのころ長さが必要である。そこで、本発明では、軽負荷側の球面ころのころ長さを、球面ころと軌道輪との接触面に生じる接触だ円の長径よりも大きくなるようにする。接触だ円の長径よりも大きなころ長さを有する球面ころであれば、使用時の荷重に十分耐えることができ、長寿命となる。
【００１２】
球面ころと軌道輪の軌道面とが荷重を受けると、その接触面は弾性変形し、接点の周りにだ円形の接触面が生じる。このだ円形の接触面が「接触だ円」である。
【００１３】
外輪は、単一のものでもよいし、軸方向に並んだ２個の分割外輪で構成してもよい。外輪を分割構造とする場合に、２個の分割外輪間に隙間を設け、これら分割外輪間に予圧を負荷するようにしてもよい。予圧は、ころ長さの小さいころ列側から与えることが好ましい。
【００１４】
球面ころとしては、ころの最大径の位置がころ長さの中央に位置する対称ころでもよいし、ころの最大径の位置がころ長さの中央から外れている非対称ころでもよい。
【００１５】
この発明に従った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、固定部材に組込まれ、主軸を回転自在に支持する複列自動調心ころ軸受とを備える。自動調心ころ軸受に注目すると、ブレードに遠い方の列の球面ころのころ長さをＬ１、近い方の列の球面ころのころ長さをＬ２、ブレードに近い方の列の球面ころと軌道輪との接触面に生ずる接触だ円の長径をＡとしたとき、次の寸法関係が成立する。
【００１６】
Ｌ２＜Ｌ１
Ｌ２＞Ａ
風力発電機の主軸を支持する軸受では、ブレードに作用する風圧の影響で、ブレードから遠い方の列の球面ころにラジアル荷重とともに大きなスラスト荷重がかかる。一方、ブレードに近い方の列の球面ころには、もっぱらラジアル荷重がかかる。本発明では、高負荷側の列の球面ころにころ長さの大きいものを使用し、軽負荷側の列の球面ころにころ長さの小さいものを使用しているので、各列に対して負荷に応じた適正な支持を行なうことができる。ころ長さを小さくした軽負荷側の球面ころは、風車が静止する無風状態における大きなラジアル荷重に耐えるだけの長さ寸法を有していなければならない。そこで、本発明では、ブレードに近い方の列の球面ころのころ長さ寸法を、この球面ころと軌道輪との接触面に生ずる接触だ円の長径よりも大きくする。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように、この発明に従った複列自動調心ころ軸受によれば、左右の列の球面ころのころ長さを異ならせ、小さい寸法の球面ころのころ長さを接触だ円の長径よりも大きくしているので、負荷に応じた適正な支持が各列で行なえて、実質寿命を延長することができる。また、このような複列自動調心ころ軸受を風力発電機の主軸支持構造に適用することにより、主軸に作用する特性に応じた適正な支持を行なえるので、信頼性が高く、長寿命の主軸支持構造が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図２および図３を参照して、この発明の一実施形態に係る複列自動調心ころ軸受を説明する。
【００１９】
複列自動調心ころ軸受１０は、内輪２０と、外輪３０と、両軌道輪の間に複列に配置した球面ころ１１，１２と、これらの球面ころ１１，１２を保持する保持器１３とを備える。保持器１３は、各列毎に別個に設けられたものである。外輪３０の軌道面３０ａは球面状に形成されており、各列の球面ころ１１，１２の外周面は、外輪３０の軌道面３０ａに沿う球面形状を有している。
【００２０】
外輪３０は、その外径面における中間位置に油溝３１を有し、さらに油溝３１から内径面にまで貫通する油孔３２を有している。油孔３２は、円周方向の１箇所または複数箇所に設けられている。
【００２１】
図示した実施形態における内輪２０は、幅方向の両端に外鍔２２，２３を有し、また中間に中鍔２１を有している。なお、他の実施形態として、鍔無しの内輪を用いることも可能である。内輪２０は、各列の球面ころ１１，１２の外周面に沿う断面形状の複列の軌道面２０ａ，２０ｂを有している。
【００２２】
左右の列の球面ころ１１，１２のころ長さ寸法に注目すると、図中右側列の球面ころ１１の長さ寸法Ｌ１は、左側列の球面ころ１２の長さ寸法Ｌ２よりも大きくされている。また、図示した実施形態では、左右の列の軸受部分１０ａ，１０ｂは、互いに接触角θ１，θ２が異なるものとされる。この場合、長さ寸法の大きな球面ころ１１の列に対応する軸受部分１０ａの接触角θ１の方が、長さ寸法の小さな球面ころ１２の列の軸受部分１０ｂの接触角θ２よりも大きく設定されている。
【００２３】
両列の球面ころ１１，１２の外径は、例えば最大径が同じとされる。変更例として、両列の球面ころ１１，１２の外径を互いに異ならせてもよい。例えば、長さ寸法の大きな球面ころ１１の方が、長さ寸法の小さな球面ころ１２よりも大きな外径を有するようにしてもよい。各列の球面ころ１１，１２の形状に関しては、ころの最大径の位置がころ長さの中央に位置する対称ころであってもよいし、ころの最大径の位置がころ長さの中央から外れている非対称ころであってもよい。
【００２４】
図３は、小さなころ長さ寸法Ｌ２を有する球面ころ１２が、内輪２０の軌道面２０ｂ上に位置している状態を模式的に示している。球面ころ１２と内輪２０の軌道面２０ｂとが荷重を受けると、その接触面は弾性変形し、接点の周りにだ円形の接触面、すなわち接触だ円１４が生じる。図示していないが、球面ころ１２と外輪３０の軌道面３０ａとの接触面においても同様の接触だ円が生じる。球面ころ１２のころ長さ寸法Ｌ２は、接触だ円１４の長径Ａよりも大きくなるようにされている。
【００２５】
上記構成の複列自動調心ころ軸受１０は、左右の列に非対称の負荷が作用する用途、例えば一方の列にスラスト荷重とラジアル荷重とを受け、他方の列にはもっぱらラジアル荷重のみを受けるような用途に用いられる。この場合、スラスト荷重およびラジアル荷重を受ける高負荷列側にころ長さ寸法の大きな球面ころ１１を用い、もっぱらラジアル荷重のみを受ける軽負荷側列にころ長さ寸法の小さな球面ころ１２を用いる。
【００２６】
上記のように、高負荷側列にころ長さ寸法の大きな球面ころ１１を配置し、軽負荷側列にころ長さ寸法の小さな球面ころ１２を配置することにより、各列の負荷状況に応じた適正な支持を行なうことができる。すなわち、高負荷側列では負荷能力が増大しているので、転がり疲労寿命が向上する。また、軽負荷側列ではころ長さ寸法の小さな球面ころ１２と軌道面３０ａ，２０ｂとの接触応力が大きくなり、かつころの自重が小さくなるので滑りが軽減される。
【００２７】
さらに、ころ長さ寸法を小さくした球面ころ１２においても、そのころ長さ寸法Ｌ２は接触だ円１４の長径Ａよりも大きいので、使用時におけるラジアル荷重に十分に耐えることができる。
【００２８】
図４は、この発明の他の実施形態に係る自動調心ころ軸受を示している。なお、図２に示した実施形態と同一の参照番号は、同一または相当の要素を示すものであるので、詳しい説明を省略する。図４に示す実施形態では、外輪３０を、軸方向に並ぶ２個の分割外輪３０Ａ，３０Ｂで構成している。両分割外輪３０Ａ，３０Ｂは、自然状態、つまり両分割外輪の軌道面が同じ球面状に位置する状態で、互いの間に隙間ｄが生じるように設けられている。
【００２９】
図４に示すように、好ましくは、予圧付与手段４１によって、両側の分割外輪３０Ａ，３０Ｂの隙間ｄが狭まるように予圧が付与される。予圧付与手段４１として、例えばばね部材や、締め付けねじ等を用いることができる。ばね部材を用いる場合、例えば、円周方向の複数箇所において外輪３０Ｂの端面に接するように圧縮ばねを配置する。予圧付与手段４１は、好ましくは、ころ長さの小さい球面ころ１２側から予圧を与える。
【００３０】
上記のように、外輪３０を分割構造にすると、非対称形状の外輪３０を容易に製造することができる。また、外輪３０に予圧を与えることで、ころ長さの小さな球面ころ１２の滑りを積極的に抑制することができる。なお、外輪を分割構造にすることに加えて、内輪２０も軸方向に並んだ２個の分割内輪で構成するようにしてもよい。このようにすれば、左右非対称の内輪２０の製造が容易になる。
【００３１】
図５および図６は、図２〜図４に示したような本発明の実施形態に係る複列自動調心ころ軸受が適用され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５２のケーシング５３は、高い位置で、旋回座軸受５１を介して支持台５０上に水平旋回自在に設置されている。一端にブレード５７を保持する主軸５６は、ナセル５２のケーシング５３内で、軸受ハウジング５４に組込まれた主軸支持軸受５５を介して回転自在に支持されている。主軸５６の他端は増速機５８に接続され、この増速機５８の出力軸が発電機５９のロータ軸に結合されている。ナセル５２は、旋回用モータ６０により、減速機６１を介して任意の角度に旋回させられる。
【００３２】
図示した実施形態では、主軸支持軸受５５は２個並べて設置されているが、１個であってもよい。この主軸支持軸受５５として、本発明の実施形態に係る複列自動調心ころ軸受が用いられる。この場合、ブレード５７から遠い方の列の球面ころに大きな負荷がかかるので、ころ長さ寸法の大きな球面ころを用いる。ブレード５７に近い方の列の球面ころには主としてラジアル荷重のみが加わるので、ころ長さ寸法の小さな球面ころを用いる。
【００３３】
風力発電機の風車が静止する無風状態においては、大きなラジアル荷重が作用するので、この荷重に耐えられるようにするために、ブレード５７に近い方の列に位置する球面ころのころ長さ寸法を、この球面ころと軌道輪との接触面に生ずる接触だ円の長径よりも大きくする。
【００３４】
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、種々の修正や変更を加えることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
この発明は、左右の列の球面ころに不均等な荷重が作用する複列自動調心ころ軸受およびそのような軸受を備えた風力発電機の主軸支持構造に有利に利用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】風力発電機の主軸支持軸受の従来例を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る複列自動調心ころ軸受を示す断面図である。
【図３】ころ長さ寸法の小さな球面ころと内輪軌道面との接触面に生じた接触だ円を示す図解図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る複列自動調心ころ軸受を示す断面図である。
【図５】本発明に係る複列自動調心ころ軸受を用いた風力発電機の主軸支持構造の一例を示す図である。
【図６】図５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。
【符号の説明】
【００３７】
１０  複列自動調心ころ軸受、１１，１２  球面ころ、１３  保持器、１４  接触だ円、２０  内輪、２０ａ，２０ｂ  軌道面、２１  中鍔、２２，２３  外鍔、３０  外輪、３０ａ  軌道面、３１  油溝、３２  油孔、４０  軸受ハウジング、４１  予圧付与手段、５０  支持台、５１  旋回座軸受、５２  ナセル、５３  ケーシング、５４  軸受ハウジング、５５  主軸支持軸受、５６  主軸、５７  ブレード、５８  増速機、５９  発電機、６０  旋回用モータ、６１  減速機。
【図１】
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【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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