(57)【要約】【課題】風力発電機のナセルを旋回自在に支持する軸受であって、耐候性が高く長寿命のヨー軸受を提供する。【解決手段】ヨー軸受１１は、風力発電機３１のナセル３４を旋回自在に支持する軸受であって、ナセル３４の下面に当接してスラスト荷重を支持する円環形状の水平摺動板１２を備え、水平摺動板１２は、ＰＥＥＫ樹脂成形体である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力発電機のナセルを旋回自在に支持するヨー軸受であって、
ナセルの下面に当接してスラスト荷重を支持する円環形状の水平摺動板を備え、
前記水平摺動板は、ポリエーテルエーテルケトン樹脂成形体である、ヨー軸受。
【請求項２】
前記ポリエーテルエーテルケトン樹脂成形体は、強化材を含む、請求項１に記載のヨー軸受。
【請求項３】
前記ポリエーテルエーテルケトン樹脂成形体は、摩擦調整材を含み、
ナセルに当接する前記水平摺動板の壁面に露出する摩擦調整材の面積率は、５％〜４０％である、請求項２に記載のヨー軸受。
【請求項４】
前記強化材および前記摩擦調整材は、非腐食性物質からなる、請求項３に記載のヨー軸受。
【請求項５】
前記非腐食性物質は、ガラス、炭素、炭化ケイ素、チタン酸カリウム、ホウ酸マグネシウム、酸化亜鉛、酸化チタン、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム、酸化鉄、アルミナ、およびウォラストナイトからなる群より選ばれた少なくとも１種類である、請求項４に記載のヨー軸受。
【請求項６】
前記ポリエーテルエーテルケトン樹脂成形体は、固体潤滑材を含む、請求項１〜５のいずれかに記載のヨー軸受。
【請求項７】
前記固体潤滑材は、ポリテトラフルオロエチレンおよび二硫化モリブデンのうちのいずれかである、請求項６に記載のヨー軸受。
【請求項８】
前記水平摺動板は、複数の円弧形状の摺動部材を円周方向に連ねて形成されている、請求項１〜７のいずれかに記載のヨー軸受。
【請求項９】
前記ヨー軸受は、前記水平摺動板の内周面から前記水平摺動板と交差する方向に延びる円筒形状の部材であって、ナセルに負荷されるラジアル荷重を支持する垂直摺動板をさらに備え、
前記垂直摺動板は、ポリエーテルエーテルケトン樹脂成形体である、請求項１〜８のいずれかに記載のヨー軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、風力発電機のナセルを旋回自在に支持するヨー軸受に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の風力発電機のナセルを旋回自在に支持するヨー軸受が、例えば、特開平８−８２２７７号公報（特許文献１）に記載されている。同公報に記載されているヨー軸受には、転がり軸受が採用されている。また、ナセルを風向に対して安定的に保持するために制動ブレーキが設けられている。
【０００３】
従来のヨー軸受である転がり軸受は回転抵抗が小さいので、ナセルが慣性力によって停止位置を越えるのを防止するためには強力な制動力を有する制動ブレーキが必要であった。その結果、制動ブレーキを大型にしたり、多数設置したり、装置の大型化や複雑化、高重量化、高価格化等の問題があった。また、転がり軸受は、グリース補充のメンテナンスが必要であり、グリースによる汚染も問題であった。
【０００４】
そこで、上記の問題を解決した風力発電機が、例えば、米国公開特許２００５−１９６２８０号公報（特許文献２）に記載されている。同公報に記載されている風力発電機は、ヨー軸受として、複数の摺動プレートで構成される滑り軸受を採用している。これにより、制動ブレーキが簡素化され、装置の小型化や低価格化が可能になると記載されている。また、摺動プレートは、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）で形成されていると記載されている。
【特許文献１】特開平８−８２２７７号公報
【特許文献２】米国公開特許２００５−１９６２８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
風力発電機は、風向および風力が安定的な地理として海岸周辺に設置されることが多く、海岸特有の潮風にさらされ続けるため高い耐候性が要求される。また、風力発電機は、ナセルを支持するタワーの全長が３０ｍ以上あり、メンテナンスが困難である。さらに、ナセル内に配置されるヨー軸受は、夏の炎天下において６０℃にまで達することがあり、熱変化に対しての摩擦特性に変動がないことが必要である。
【０００６】
しかしながら、ポリエチレンテレフタレートは、加水分解により摩擦特性や機械的強度が低下するおそれがあり、風力発電機のトラブルを防止するために摺動プレートの定期的な交換が必要になると考えられる。
【０００７】
そこで、この発明の目的は、風力発電機のナセルを旋回自在に支持する軸受であって、耐候性が高く長寿命のヨー軸受を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係るヨー軸受は、風力発電機のナセルを旋回自在に支持する軸受であって、ナセルの下面に当接してスラスト荷重を支持する円環形状の水平摺動板を備える。そして、水平摺動板は、ポリエーテルエーテルケトン（以下、「ＰＥＥＫ」と表記する。）樹脂成形体である。このため、海岸部に設置されても加水分解、塩水による腐食が無く、摩擦特性、機械的強度が長期的に安定する。その結果、３０年以上のメンテナンスフリー化が可能となる。
【０００９】
好ましくは、ＰＥＥＫ樹脂成形体は、強化材を含む。これにより、耐摩耗性が向上すると共に、荷重によってクリープするのを有効に防止することができる。
【００１０】
さらに好ましくは、ＰＥＥＫ樹脂成形体は、摩擦調整材を含む。そして、ナセルに当接する水平摺動板の壁面に露出する摩擦調整材の面積率は、５％〜４０％である。上記の添加材を添加することにより、ＰＥＥＫ樹脂成形体の摩擦安定性が向上する。その結果、制動ブレーキの小型化または省力化が可能となる。
【００１１】
好ましくは、強化材および摩擦調整材は、非腐食性物質からなる。その結果、風力発電機を海岸周辺に設置した場合でも長期間に亘って高い摩擦特性や機械的強度を維持することができる。
【００１２】
好ましくは、非腐食性物質は、ガラス、炭素、炭化ケイ素、チタン酸カリウム、ホウ酸マグネシウム、酸化亜鉛、酸化チタン、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム、酸化鉄、アルミナ、およびウォラストナイトからなる群より選ばれた少なくとも１種類である。
【００１３】
好ましくは、ＰＥＥＫ樹脂成形体は、固体潤滑材を含む。一実施形態として、固体潤滑材は、ポリテトラフルオロエチレンおよび二硫化モリブデンのうちのいずれかである。これにより、ナセルとの摺動面の発熱を抑制することができる。また、固体潤滑材は、潤滑油やグリース等の液体潤滑材と比較して潤滑寿命が長い。その結果、ヨー軸受のメンテナンス周期を延伸することができる。
【００１４】
なお、強化材、摩擦調整材、および固体潤滑剤は、それぞれ異なる機能を発揮するものであるので、ＰＥＥＫ樹脂成形体に全てを配合してもよいし、ヨー軸受の使用環境等に応じて任意の組合せで配合してもよい。
【００１５】
好ましくは、水平摺動板は、複数の円弧形状の摺動部材を円周方向に連ねて形成されている。ヨー軸受は非常に大型であるので、上記構成とすればヨー軸受の組立性が向上し、メンテナンスが容易となる。
【００１６】
好ましくは、ヨー軸受は、水平摺動板の内周面から水平摺動板と交差する方向に延びる円筒形状の部材であって、ナセルに負荷されるラジアル荷重を支持する垂直摺動板をさらに備える。そして、垂直摺動板は、ＰＥＥＫ樹脂成形体である。
【発明の効果】
【００１７】
この発明によれば、ヨー軸受の摺動板をＰＥＥＫ樹脂成形体としたので、海岸部に設置されても加水分解や塩水による腐食を有効に防止することができる。その結果、耐候性が高く、長寿命のヨー軸受を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図３および図４を参照して、この発明の一実施形態に係るヨー軸受１１（「旋回座軸受」ともいう。）を採用した風力発電機３１を説明する。風力発電機３１は、支持台３２と、ヨー軸受１１と、ナセル３４と、ブレード３５と、主軸３６と、増速機３７と、発電機３８と、軸受ハウジング３９と、主軸支持用軸受４２と、旋回用モータ４０と、減速機４１とを備える。
【００１９】
ナセル３４は、支持台３２の上にヨー軸受１１を介して設置されており、旋回用モータ４０および減速機４１によって水平旋回自在となっている。また、風力発電機３１の主要部品である主軸３６、増速機３７、発電機３８、主軸支持用軸受４２、旋回用モータ４０、および減速機４１等を収容するハウジングとして機能する。
【００２０】
ブレード３５は、主軸３６の一端に固定されて風を受けて回転する。主軸３６は、一端がブレード３５に、他端が増速機３７にそれぞれに接続されて、ブレード３５の回転を増速機３７を介して発電機３８に伝達する。また、軸受ハウジング３９に組み込まれた主軸用軸受４２によって、回転自在に支持されている。
【００２１】
次に、図１および図２を参照して、この発明に係る風力発電機３１のヨー軸受１１を説明する。なお、図１はこの発明の一実施形態に係るヨー軸受１１を示す図、図２はヨー軸受１１の部品拡大図である。
【００２２】
まず、図１を参照して、ヨー軸受１１は、水平摺動板１２と垂直摺動板１３とを備える。水平摺動板１２は、厚さが２ｍｍ〜５ｍｍの円環形状であって、ヨー軸受の厚み方向一方側の壁面を構成する。具体的には、水平摺動板１２は、複数の円弧形状の水平摺動部材１２ａを円周方向に連ねて形成されている。そして、水平摺動板１２は、風力発電機３１のナセル３４の下面に当接してスラスト荷重を支持するスラスト滑り軸受である。
【００２３】
垂直摺動板１３は、水平摺動板１２の内周面から水平摺動板１２と交差（この実施形態では「直交」）する方向に延びる厚さが２ｍｍ〜５ｍｍの円筒形状の部材である。具体的には、垂直摺動板１３は、複数の円弧形状の垂直摺動部材１３ａを円周方向に連ねて形成されている。そして、垂直摺動板１３は、風力発電機３１のナセル３４に負荷されるラジアル荷重を支持するラジアル滑り軸受である。
【００２４】
なお、この実施の形態においては、水平摺動板１２ａを円周方向に１２個連ねて水平摺動板１２を構成した例を示したが、これに限ることなく、任意の個数の水平摺動部材１２ａによって水平摺動板１２を構成することができる。例えば、４個〜１６個程度とすればよい。これは垂直摺動部材１３ａによって垂直摺動板１３を構成する場合についても同様である。
【００２５】
図２を参照して、水平摺動部材１２ａおよび垂直摺動部材１３ａ（以下、これらを総称して「摺動部材」と称する。）は、円弧形状の取付け部２１に保持される。そして、連結手段（図示省略）によって隣接する取付け部２１を円周方向に連結して図１に示すような円環形状のヨー軸受１１を構成する。なお、この実施形態においては、水平摺動部材１２ａおよび垂直摺動部材１３ａを一体として形成している。
【００２６】
水平摺動板１２および垂直摺動板１３（以下、これらを総称して「摺動板」と称する。）は、ＰＥＥＫ樹脂成形体である。このＰＥＥＫ樹脂成形体は、母材としてのＰＥＥＫ樹脂に各種配合材を混合した樹脂組成物の射出成形体である。
【００２７】
ＰＥＥＫ樹脂は、融点が３３４℃のスーパーエンジニアリングプラスチックである。ＰＥＥＫ樹脂は、結晶性樹脂であり、その耐熱性、耐薬品性は極めて優れている。ＰＥＥＫ樹脂によって形成された摺動板は、海岸部に設置されても加水分解、塩水による腐食が無く、摩擦特性、機械的強度が長期的に安定する。その結果、３０年以上のメンテナンスフリー化が可能となる。
【００２８】
上記のＰＥＥＫ樹脂には、摺動板の耐摩耗性を向上させ、荷重によるクリープを防止するために、強化材を配合するのが望ましい。使用できる強化材は、ＰＥＥＫ樹脂の耐クリープ特性を適度に高くすることができるものであればどのようなものでも使用できる。具体的に例示すると、ガラス繊維、ガラスビーズ、炭素繊維、炭素粉末、アラミド繊維、黒鉛、球状黒鉛、酸化鉄粉末、アルミナ粉末、ウォラストナイトおよび炭化ケイ素、チタン酸カリウム、ホウ酸マグネシウム、酸化亜鉛、酸化チタン、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム等の各種ウィスカおよび各種粉末等があげられる。なお、強化材を含むＰＥＥＫ樹脂は、「強化ＰＥＥＫ樹脂」と呼ばれる。
【００２９】
また、ヨー軸受１１はナセル３４を円滑に旋回可能とすると共に、制動ブレーキを作動させた場合に慣性力で停止位置を越えることがないように摩擦力が必要とされる。そこで、ＰＥＥＫ樹脂成形体に十分な摩擦力を付与するため、上記のＰＥＥＫ樹脂に摩擦調整材を配合することが望ましい。使用できる摩擦調整材は、ＰＥＥＫ樹脂の摩擦係数を適度に高くすることができるものであればどのようなものでも使用できる。具体的に例示すると、ガラス繊維、ガラスビーズ、炭素繊維、炭素粉末、アラミド繊維、黒鉛、球状黒鉛、酸化鉄粉末、アルミナ粉末、ウォラストナイトおよび炭化ケイ素、チタン酸カリウム、ホウ酸マグネシウム、酸化亜鉛、酸化チタン、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム等の各種ウィスカおよび各種粉末等があげられる。なお、摩擦調整材の形状としては、摩擦面で方向性の出ない等方性形状が望ましい。
【００３０】
強化材や摩擦調整材は、酸化劣化の生じない非腐食性物質からなることが望ましく、吸水率の低い低吸水率物質であればさらに望ましい。非腐食性物質は、酸化劣化しないため、風力発電機３１を海岸周辺に設置した場合でも、摺動板の摩擦特性や機械的強度を長期間に維持することが可能である。
【００３１】
上記の性質を有する非腐食性物質としては、例えば、ガラス、炭素、炭化ケイ素、チタン酸カリウム、ホウ酸マグネシウム、酸化亜鉛、酸化チタン、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム、酸化鉄、アルミナ、ウォラストナイト等が例示される。
【００３２】
さらに、母材となるＰＥＥＫ樹脂成形体に、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）や二硫化モリブデンの固体潤滑材を配合してもよい。強化材や摩擦調整材をＰＥＥＫ樹脂に添加すると、場合によっては摺動面が発熱するおそれがある。そこで、固体潤滑材を適切に配合すれば、ナセル３４との摺動面における発熱の発生を効果的に抑制することができる。また、固体潤滑材は、液体潤滑材と比較して潤滑寿命が極めて長いので、風力発電機３１のメンテナンス周期を延伸することができる。
【００３３】
次に、ヨー軸受１１の製造方法を説明する。
【００３４】
まず、母材となるＰＥＥＫ樹脂に各種配合材を配合したＰＥＥＫ樹脂組成物の射出成形用ペレットを準備する。そして、射出成形によってＰＥＥＫ樹脂からなる摺動部材を得る。このように、摺動部材の材料として射出成形可能なＰＥＥＫ樹脂を採用することにより、ヨー軸受の製造効率が向上する。
【００３５】
さらに、水平摺動部材１２ａおよび垂直摺動部材１３ａを一体として成形するのが望ましい。具体的には、図２に示すように、水平摺動部材１２ａおよび垂直摺動部材１３ａを断面形状がＬ字型の部材として一体成形すればよい。これにより、さらに製造効率が向上すると共に、取付け部２１に対する位置決めを簡素化することができる。
【００３６】
次に、ＰＥＥＫ樹脂成形体の表面、特にナセル３４に当接する壁面に研削加工（研磨）等の機械加工を施す。これにより、スキン層が除去されると共に、加工面に摩擦調整材を露出させることができる。
【００３７】
スキン層とは、射出成形によって形成されたＰＥＥＫ樹脂成形体の表面に存在する樹脂成分の含有量が多い層を指す。スキン層には摩擦調整材の露出が少ないので、所期した摩擦特性を得ることが出来ない。また、ナセル３４との摺動面のスキン層が磨耗すると、ヨー軸受１１の摩擦特性が変化してしまうという問題もある。そこで、予めスキン層を除去しておくことにより、摺動板の摩擦特性を長期間に亘って安定させることができる。
【００３８】
また、摺動面に露出する摩擦調整材の面積率を５％〜４０％とすれば、摺動部材に適度な摩擦力を付与することができる。その結果、ナセル３４の旋回を停止させる制動ブレーキ(図示省略)を作動させた場合に、慣性力によってナセル３４が停止位置を越えることがない。摺動面に露出する摩擦調整材の面積率が５％未満であれば摩擦係数が小さくなりすぎて高い制動力が必要となり、面積率が４０％を超えると摺動抵抗が高くなるため、円滑な回動が困難となる。
【００３９】
そして、射出成形した摺動部材を取付け部２１に接着固定するか、または、ボルト等の締結手段で固定する。
【００４０】
なお、上記の実施形態においては、水平摺動部材１２ａおよび垂直摺動部材１３ａを一体成形した例を示したが、これに限ることなく、両者を別体として成形し、それぞれを取付け部２１に取り付けてもよい。これにより、水平摺動部材１２ａおよび垂直摺動部材１３ａを構成するＰＥＥＫ樹脂成形体を相互に異なる組成とすることができる。例えば、水平摺動部材１２ａおよび垂直摺動部材１３ａに負荷される荷重の特性等に応じて、母材と各種配合材とを適切に組み合わせれば、より高い効果が期待できる。
【００４１】
また、上記の実施形態においては、水平摺動板１２と垂直摺動板１３の両方をＰＥＥＫ樹脂成形体で構成した例を示したが、水平摺動板１２のみを上記のＰＥＥＫ樹脂成形体で構成すれば、この発明の効果を得ることができる。例えば、垂直摺動板１３に代えて、ラジアル軸受を採用してもよい。
【００４２】
次に、この発明の効果を確認するために行った塩水噴霧試験および引張強度試験について説明する。
【００４３】
なお、各試験では、ＪＩＳ  Ｋ７１６２（Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｓｔａｎｄａｒｄｓ）に規定される５Ａ形ダンベル形状に成形した３種類の試験片（実施例１、２、および比較例１）を使用した。実施例１は、ＰＥＥＫ樹脂を母材とし、３０容量％の炭素繊維を配合するＰＥＥＫ樹脂成形体である。実施例２は、ＰＥＥＫ樹脂を母材とし、１０容量％の炭素繊維、１０容量％の硫酸カルシウム粉末および１０容量％のＰＴＦＥを配合するＰＥＥＫ樹脂成形体である。比較例１は、従来の摺動部材の材料であるＰＥＴである。
【００４４】
まず、摺動板の耐食性を評価するために、ＪＩＳ  Ｚ２３７１に規定される塩水噴霧試験を実施した。具体的には、試験片に３５℃に管理した５％の食塩水を２０００時間噴霧して、表面の変色を目視と顕微鏡（×１００）で確認した。
【００４５】
その結果、実施例１および２は、目視および顕微鏡観察によって変色は認められなかった。一方、比較例１は、目視でかすかに白濁しているのが確認された。これにより、この発明に係る摺動板は、従来の摺動板と比較して耐食性が高いことが確認された。
【００４６】
次に、摺動板の塩水噴霧試験の前後における機械的強度の変化、つまり摺動板の耐候性を確認するために、ＪＩＳ  Ｋ７１６２に規定される引張強度試験を実施した。
【００４７】
具体的には、各試験片（実施例１、２、および比較例１）の塩水噴霧試験前の引張強度Ｆ１（Ｐａ）、および塩水噴霧試験後の引張強度Ｆ２（Ｐａ）をそれぞれ測定し、強度低下率（Ｆ１−Ｆ２）／Ｆ１を算出した。なお、正確を期すため各試験片についてそれぞれ３回ずつ行い、その平均値を試験結果とした。
【００４８】
その結果、実施例１および２の強度低下率は、いずれも３％〜５％であった。一方、比較例１の強度低下率は、９％〜１２％であった。これにより、この発明に係る摺動板は、従来の摺動板と比較して耐候性が高いことが確認された。
【００４９】
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。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
この発明は、風力発電機のナセルを旋回自在に支持するヨー軸受に有利に利用される。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】この発明の一実施形態に係るヨー軸受を示す図である。
【図２】図１に示すヨー軸受の部分拡大図である。
【図３】この発明の一実施形態に係るヨー軸受を採用した風力発電機を示す図である。
【図４】図３に示す風力発電機の図解的側面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１１  ヨー軸受、１２  水平摺動板、１２ａ  水平摺動部材、１３  垂直摺動板、１３ａ  垂直摺動部材、２１  取付け部、３１  風力発電機、３２  支持台、３４  ナセル、  ３５  ブレード、３６  主軸、３７  増速機、３８  発電機、３９  軸受ハウジング、４０  旋回モータ、４１  減速機、４２  主軸支持用軸受。
【図１】
2008303915.tif 000003
【図２】
2008303915.tif 000004
【図３】
2008303915.tif 000005
【図４】
2008303915.tif 000006