(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、中実金属層２４と、金属粉末を固化して形成され、中実金属層２４の厚み方向一方側の壁面に積層される多孔質金属層２３と、多孔質金属層２３の厚み方向一方側の壁面に積層されると共に、ナセル３４に当接する樹脂層２２とを含み、樹脂層２２は、フッ素樹脂とバインダー樹脂との混合塗膜である。【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、
中実金属層と、
金属粉末を固化して形成され、前記中実金属層の厚み方向一方側の壁面に積層される多孔質金属層と、
前記多孔質金属層の厚み方向一方側の壁面に積層されると共に、ナセルに当接する樹脂層とを含み、
前記樹脂層は、フッ素樹脂とバインダー樹脂との混合塗膜である、ヨー軸受。
【請求項２】
前記フッ素樹脂と前記バインダー樹脂との混合比率は、３５〜６０：６５〜４０である、請求項１に記載のヨー軸受。
【請求項３】
前記バインダー樹脂は、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、エポキシ樹脂、およびフェノール樹脂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１または２に記載のヨー軸受。
【請求項４】
前記樹脂層は、１００容量部のフッ素樹脂に対して１０〜８０容量部の摩擦調整材含む、請求項１〜３のいずれかに記載のヨー軸受。
【請求項５】
前記摩擦調整材は、非腐食性物質からなる、請求項４に記載のヨー軸受。
【請求項６】
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５に記載のヨー軸受。
【請求項７】
前記多孔質金属層は、前記中実金属層の表面上に焼結または溶射によって形成された銅合金粉末層である、請求項１〜６のいずれかに記載のヨー軸受。
【請求項８】
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、
中実金属層と、
金属粉末を固化して形成され、前記中実金属層の内周面に積層される多孔質金属層と、
前記多孔質金属層の内周面に積層されると共に、ナセルに当接する樹脂層とを含む、請求項１〜７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。水平摺動板は、中実金属層と、金属粉末を固化して形成され、中実金属層の厚み方向一方側の壁面に積層される多孔質金属層と、多孔質金属層の厚み方向一方側の壁面に積層されると共に、ナセルに当接する樹脂層とを含む。さらに、樹脂層は、フッ素樹脂とバインダー樹脂との混合塗膜である。
【０００９】
多孔質金属層は、樹脂層と中実金属層とを強固に密着させるアンカー効果を発揮する。また、樹脂層が磨耗して多孔質金属層が表面に露出すると、それ以上の磨耗の進行を防止することができる。その結果、長寿命のヨー軸受を得ることができる。
【００１０】
フッ素樹脂塗膜は、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。
【００１１】
好ましくは、フッ素樹脂とバインダー樹脂との混合比率は、重量比率で３５〜６０：６５〜４０である。フッ素樹脂とバインダー樹脂との合計を１００重量部とした場合、フッ素樹脂が３５重量部未満であれば充分な摺動特性が得られず、６０重量部を超えるとバインダー樹脂が少なくなるため充分な結着力や耐摩耗性を発揮することが困難になる。
【００１２】
好ましくは、バインダー樹脂は、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、エポキシ樹脂、およびフェノール樹脂からなる群より選ばれた少なくとも１種類である。これにより、多孔質金属層およびフッ素樹脂との結着力が向上すると共に、樹脂層の耐候性および耐摩耗性を向上させることができる。
【００１３】
好ましくは、樹脂層は、１００容量部のフッ素樹脂に対して１０〜８０容量部の摩擦調整材を含む。摩擦調整材を添加することにより、樹脂層に充分な摩擦力を付与することができ、樹脂層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や省力化が可能となる。なお、摩擦調整材が１０容量部未満では樹脂層に充分な摩擦力が付与されない。一方、８０容量部を超えると樹脂層の摩擦力が高くなり、ナセルの回転性能が低下する。
【００１４】
好ましくは、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磨耗特性や機械的強度を維持することができる。
【００１５】
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。
【００１６】
好ましくは、多孔質金属層は、中実金属層の表面上に焼結または溶射によって形成された銅合金粉末層である。銅合金の焼結層または溶射層は、樹脂層が磨耗して多孔質金属層が表面に露出した場合でも相手材を傷つけることが無く、加工性および密着性が優れている点で好ましい。
【００１７】
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、中実金属層と、金属粉末を固化して形成され、中実金属層の厚み方向一方側の壁面に積層される多孔質金属層と、多孔質金属層の厚み方向一方側の壁面に積層されると共に、ナセルに当接する樹脂層とを含む。
【発明の効果】
【００１８】
この発明によれば、ヨー軸受の摺動板を、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】
【００１９】
図４および図５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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
次に、図１〜図３を参照して、この発明の一実施形態に係る風力発電機３１のヨー軸受１１を説明する。なお、図１は図３に示す水平摺動板のＩ−Ｉにおける断面図、図２はこの発明の一実施形態に係るヨー軸受１１を示す図、図３は図２に示すヨー軸受１１の部分拡大図である。
【００２３】
まず、図２を参照して、ヨー軸受１１は、水平摺動板１２と垂直摺動板１３（以下、これらを総称して「摺動板」と称する。）とを備える。水平摺動板１２は、円環形状であって、ヨー軸受１１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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
図３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２に示すような円環形状のヨー軸受１１を構成する。ヨー軸受１１は非常に大型であるので、上記構成とすればヨー軸受１１の組立性が向上し、メンテナンスが容易となる。
【００２７】
図１および図２を参照して、水平摺動板１２は、樹脂層２２と、多孔質金属層２３と、中実金属層２４とを厚み方向に積層した積層構造体である。中実金属層２４は、アルミニウム合金、ステンレス鋼、または鉄鋼等によって形成される。
【００２８】
多孔質金属層２３は、金属粉末を中実金属層２４の厚み方向一方側の壁面に固化して形成される。具体的には、上記の金属粉末を焼結、または中実金属層２４の厚み方向一方側の壁面に溶射して形成する。金属粉末としては、例えば、鉄系、銅系、ニッケル系、モリブデン系、アルミニウム系、およびこれらを複合したものを採用することができる。なお、コスト、加工性および密着性の観点からは銅合金の粉末を使用するのが望ましい。
【００２９】
この多孔質金属層２３は、樹脂層２２と中実金属層２４とを強固に密着させるアンカー効果を発揮する。また、樹脂層２２を形成する樹脂材料本来の耐圧縮特性を高める。また、樹脂層２２が磨耗して多孔質金属層２３が表面に露出すると、それ以上の磨耗の進行を防止することができる。
【００３０】
樹脂層２２は、多孔質金属層２３の厚み方向一方側の壁面に形成されると共に、ナセル３４の下面に当接する。なお、樹脂層２２は、固体潤滑材であるフッ素樹脂と樹脂層２２の母材としてのバインダー樹脂との混合塗膜である。
【００３１】
樹脂層２２の固体潤滑材であるフッ素樹脂は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（以下、「ＰＴＦＥ」とする。）、テトラフルオロエチレン―パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン―ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、エチレン―テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン―フルオロアルキルビニルエーテル―フルオロオレフィン共重合体（ＥＰＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、エチレン―クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル（ＰＤＦ）が使用できる。上記のフッ素樹脂の中で、ＰＴＦＥは低価格で入手性に優れ、摩擦特性の制御が容易であるため好ましい。
【００３２】
ＰＴＦＥの中でも、滑剤のような機能を有する粉末ＰＴＦＥが好ましい。具体的には、一度焼成したＰＴＦＥを粉砕した再生ＰＴＦＥや、ＰＴＦＥにガンマ線照射処理をして分子鎖を切断することにより低分子量化したＰＴＦＥ粉末を使用することができる。前者に該当する市販品は、ダイキン工業社製のポリフロンＭ１５、ルブロンＬ−２、デュポン社製のテフロン（登録商標）ＴＬＰ−１０、旭硝子社製のフルオンＧ１６３等が挙げられる。後者に該当する市販品は、喜多村社製のＫＴＬ６１０等がある。
【００３３】
樹脂層２２の母材であるバインダー樹脂は、樹脂層２２と多孔質金属層２３との結着力および樹脂層２２内へのフッ素樹脂の保持性を高めると共に、樹脂層２２の耐摩耗性を向上させる。
【００３４】
バインダー樹脂としては、ポリイミド樹脂（以下、「ＰＩ」とする。）、ポリアミドイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂（以下、「ＰＰＳ」とする。）、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等が挙げられる。中でも、ＰＩおよびＰＰＳは吸水率が低く、寸法安定性が良好であるため機械的強度の低下が小さい。また、ＰＩおよびＰＰＳは、多孔質金属層２３との結着性に優れる。この二点から、バインダー樹脂は、ＰＩおよびＰＰＳが好ましい。
【００３５】
樹脂層２２におけるフッ素樹脂とバインダー樹脂との混合比率は、重量比率で３５〜６０：６５〜４０である。フッ素樹脂とバインダー樹脂との合計を１００重量部とした場合、フッ素樹脂が３５重量部未満であれば充分な摺動特性が得られず、６０重量部を超えるとバインダー樹脂が少なくなるため充分な結着力や耐摩耗性を発揮することが困難になる。
【００３６】
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。具体的には、樹脂層２２に摩擦調整材を添加することにより、樹脂層２２に十分な摩擦力を付与する。その結果、樹脂層２２の摩擦安定性が向上し、制動ブレーキの小型化または省力化が可能となる。
【００３７】
摩擦調整材は、フッ素樹脂１００容量部に対して１０〜８０容量部を添加するのが好ましい。摩擦調整材が１０容量部では樹脂層２２に十分な摩擦力が付与されない。また、８０容量部を超えると樹脂層２２の摩擦力が高くなり過ぎ、ナセル３４の回転性能が低下する。
【００３８】
また、摩擦調整材は、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の低下を長期間に亘って防止するために、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。
【００３９】
上記の性質を有する摩擦調整材としては、例えば、ガラス繊維、ガラスビーズ、炭素繊維、炭素粉末、黒鉛、球状黒鉛、アラミド繊維、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挙げられる。
【００４０】
非腐食性物質としては、ガラス、炭素、酸化鉄、アルミナ、ウォラストナイト、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が挙げられる。
【００４１】
同様に、垂直摺動板１３は、樹脂層２５と、多孔質金属層２６と、中実金属層２７とを径方向に積層した積層構造体である。具体的には、中実金属層２７の内周面に多孔質金属層２６が形成され、多孔質金属層２６の内周面に樹脂層２５が形成されている。なお、垂直摺動板１３の各層の組成および役割は水平摺動板１２と共通するので、説明は省略する。
【００４２】
次に、ヨー軸受１１の製造方法を説明する。
【００４３】
まず、水平摺動部材１２ａとなる積層構造体を形成する。具体的には、中実金属層２４の厚み方向一方側の壁面に多孔質金属層２３を形成する。多孔質金属層２３は、金属粉末を固化することで形成される。一実施形態として、金属粉末を焼結して形成することができる。また、他の実施形態として、金属粉末を中実金属層２４の表面に溶射して形成することができる。
【００４４】
次に、多孔質金属層２３の厚み方向一方側の壁面に樹脂層２２を形成する。具体的には、まず、フッ素樹脂とバインダー樹脂と摩擦調整材とからなる混合材を溶媒に分散させて塗料を調整する。調製した塗料を多孔質金属層２３の厚み方向一方側の壁面に塗布する。そして、多孔質金属層２３の空孔に樹脂成分が含浸されるようにプレス等で圧接することにより樹脂層２２を形成する。
【００４５】
次に、上記の積層構造体を電気炉にて焼成して水平摺動部材１２ａを形成する。なお、焼成温度はバインダー樹脂の焼成温度とする。また、垂直摺動部材１３ａの形成方法もほぼ共通するので、説明は省略する。最後に、水平摺動部材１２ａおよび垂直摺動部材１３ａを金属製の取付け部２１に接着固定するか、またはボルト等の締結手段で固定し、ヨー軸受１１を組み立てる。
【００４６】
なお、多孔質金属層２３を形成する工程に先立って、中実金属層２４の表面（特に、多孔質金属層２３を形成する壁面）にメッキ処理を行うのが望ましい。これにより、多孔質金属層２３と中実金属層２４の密着性が向上する。なお、メッキは多孔質金属層２３が有する金属元素と同一の金属元素で行う。
【００４７】
また、摺動部材を取付け部２１に取り付ける工程に先立って、上記の方法で得られた摺動部材のナセル３４に当接する壁面を機械加工（研磨等）するのが望ましい。樹脂層２２の表面に研磨等を施すことにより、ナセル３４に当接する摺動面に摩擦調整材を露出させることができる。加工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。
【００４８】
また、水平摺動板１２および垂直摺動板１３を構成する樹脂層２２，２５は、同一の組成であってもよいし、相互に異なる組成であってもよい。例えば、摺動板に負荷される荷重の特性等に応じて、バインダー樹脂や摩擦調整材を適切に組み合わせれば、より高い効果が期待できる。
【００４９】
さらに、上記の実施形態においては、水平摺動板１２および垂直摺動板１３でヨー軸受を構成した例を示したが、水平摺動板１２のみを上記構成とすれば、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。
【００５０】
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】
【００５１】
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】
【００５２】
【図１】図３に示す水平摺動板のＩ−Ｉにおける断面図である。
【図２】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３】図２に示すヨー軸受の部分拡大図である。
【図４】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５】図４に示す風力発電機の図解的側面図である。
【符号の説明】
【００５３】
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、２２，２５  樹脂層、２３，２６  多孔質金属層、２４，２７  中実金属層、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】
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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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