(57)【要約】【課題】風力発電機の回転軸を支持する軸受の組込み作業および交換作業を簡略化した風力発電機の回転軸支持構造を提供する。【解決手段】風力発電機の回転軸支持構造は、風を受けて回転するブレード１５と、ブレード１５の回転に伴って回転する回転軸としての主軸１６と、主軸１６を回転自在に支持する転がり軸受３１とを備える。転がり軸受３１は、内輪と、外輪と、内輪および外輪の間に配置される複数の転動体とを備える。そして、内輪および外輪のうちの少なくとも一方は、円弧形状の部材を円周方向に複数連ねて形成される。【選択図】図１
2008032147.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風を受けて回転するブレードと、
前記ブレードの回転に伴って回転する回転軸と、
前記回転軸を回転自在に支持する転がり軸受とを備える風力発電機の回転軸支持構造であって、
前記転がり軸受は、内輪と、外輪と、前記内輪および前記外輪の間に配置される複数の転動体とを備え、
前記内輪および前記外輪のうちの少なくとも一方は、円弧形状の部材を円周方向に複数連ねて形成されている、風力発電機の回転軸支持構造。
【請求項２】
前記転がり軸受は、隣接する前記転動体の間隔を保持する保持器をさらに有し、
前記保持器は、円弧形状の保持器セグメントを円周方向に複数連ねて形成されている、請求項１に記載の風力発電機の回転軸支持構造。
【請求項３】
前記回転軸は、その一端が前記ブレードに固定されてブレードとともに回転する主軸である、請求項１または２に記載の風力発電機の回転軸支持構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、風力発電機に用いられる回転軸、例えば、主軸や増速機の低速軸、中間軸、および高速軸等の回転軸支持構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の風力発電機が、例えば、特開２００５−２０７５１７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風力発電機は、支持台と、支持台上に旋回座軸受を介して水平旋回自在に配置される主要部品を格納するナセルと、軸受ハウジングに固定された軸受によって回転自在に支持される主軸と、主軸の一方端側にブレードと、主軸の他方端側に増速機および発電機とを備える。
【０００３】
上記構成の風力発電機は、風を受けて回転するブレードに伴って主軸が回転し、増速機によって主軸の回転が増速され、発電機で電力に変換される。この風力発電機の主軸は、ブレードが風を受けることによって生じるアキシアル荷重の他に、ブレードの自重によって生じるラジアル荷重やモーメント荷重を受ける。このため、主軸を支持する軸受には、ラジアル荷重、アキシアル荷重、およびモーメント荷重が同時に負荷される環境で使用可能な自動調心ころ軸受や自動調心ころ軸受が使用される。
【０００４】
また、一般的に風力発電機の主軸を支持する軸受は、内輪と主軸、および外輪とハウジングとがそれぞれ嵌め合いによって固定される。特に、内輪の内径寸法は主軸の外径寸法より僅かに小さく設定されており、内輪の内径寸法が主軸の外径寸法より大きくなるまで熱膨張させてから主軸に組み込む（以下、この組込み方法を「焼き嵌め」という）。
【特許文献１】特開２００５−２０７５１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
内輪を焼き嵌めによって主軸に組み込む場合、内輪を加熱する工程と、内輪を主軸の所定位置に嵌め込む工程と、内輪および主軸を冷却する工程とが必要となる。また、冷却工程で生じる結露によって軸受が錆びるのを防止するために、防錆処理が必要となる。したがって、焼き嵌めには、加熱・冷却装置が必要になると共に、多くの作業工数と長い作業時間とが必要となる。
【０００６】
特に、風力発電機の主軸のように大径で高所に設置されている回転軸の軸受を交換する場合、主軸をナセルから地上に降ろして作業しなければならず、多くの作業工数と高額な作業費用が必要となる。
【０００７】
そこで、この発明の目的は、風力発電機の回転軸を支持する軸受の組込み作業および交換作業を簡略化した風力発電機の回転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】
【０００８】
この発明に係る風力発電機の回転軸支持構造は、風を受けて回転するブレードと、ブレードの回転に伴って回転する回転軸と、回転軸を回転自在に支持する転がり軸受とを備える。転がり軸受に注目すると、内輪と、外輪と、内輪および外輪の間に配置される複数の転動体とを備える。そして、内輪および外輪のうちの少なくとも一方は、円弧形状の部材を円周方向に複数連ねて形成されている。
【０００９】
好ましくは、転がり軸受は隣接する転動体の間隔を保持する保持器をさらに有する。そして、保持器は円弧形状の保持器セグメントを円周方向に複数連ねて形成されている。
【００１０】
一実施形態として、回転軸は、その一端がブレードに固定されてブレードとともに回転する主軸である。
【００１１】
上記構成の転がり軸受を構成する内輪、外輪、および保持器は、それぞれ円弧形状の部材を円周方向に複数連ねて形成されている。そのため、これらの構成部品を回転軸の径方向から組み込むことができる。その結果、回転軸への軸受組込み作業において、焼き嵌め等の嵌め合い工程を省略することができるので、作業工数および作業時間を削減することができる。また、組込み作業から冷却工程を省略することができるので、軸受の発錆を防止することもできる。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、内輪、外輪、および保持器を回転軸の径方向から組み込むことができるので、軸受の風力発電機の回転軸への組込み作業を簡素化した風力発電機の回転軸支持構造を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１〜図５を参照して、この発明の一実施形態に係る回転軸支持構造を採用した風力発電機１１および自動調心ころ軸受３１を説明する。なお、図１および図２は風力発電機１１の内部構造を示す図、図３は風力発電機１１の主軸１６を支持する自動調心ころ軸受３１を示す図、図４は自動調心ころ軸受３１を主軸１６に組み込む前の状態を示す図、図５は自動調心ころ軸受３１の内輪部材３２ａ，３２ｂの突合部分の拡大図である。
【００１４】
まず、図１および図２を参照して、風力発電機１１は、支持台１２と、旋回座軸受１３と、ナセル１４と、ブレード１５と、回転軸としての主軸１６と、増速機１７と、発電機１８と、軸受ハウジング１９と、主軸支持用軸受としての自動調心ころ軸受３１と、旋回用モータ２０と、減速機２１とを備える。
【００１５】
ナセル１４は、支持台１２の上に旋回座軸受１３を介して設置されており、旋回用モータ２０および減速機２１によって水平旋回自在となっている。また、風力発電機１１の主要部品である主軸１６、増速機１７、発電機１８、自動調心ころ軸受３１、旋回用モータ２０、および減速機２１等を収容するハウジングとして機能する。
【００１６】
ブレード１５は、主軸１６の一端に固定されて風を受けて回転する。主軸１６は、一端がブレード１５に他端が増速機１７それぞれに接続されて、ブレード１５の回転を増速機１７を介して発電機１８に伝達する。また、軸受ハウジング１９に組み込まれた自動調心ころ軸受３１によって、回転自在に支持されている。
【００１７】
自動調心ころ軸受３１には、ブレード１５が受ける風力等によって大きなアキシアル荷重が負荷されると共に、ブレード１５の自重等によって大きなラジアル荷重および大きなモーメント荷重が負荷される。そこで、このような環境で使用される主軸支持用軸受として、図３および図４に示すような、内輪３２と、外輪３３と、複数の球面ころ３４と、保持器３５とを備える自動調心ころ軸受３１を採用する。
【００１８】
内輪３２の外径面には、２列の軌道面３２ｃ，３２ｄと、２列の軌道面３２ｃ，３２ｄの間に中鍔３２ｅと、軸方向両端部に外鍔３２ｆとを有する。また、内輪３２は、円弧形状の内輪部材３２ａ，３２ｂを円周方向に連ねて構成されている。
【００１９】
外輪３３は、内径面が全体として凹状の球面となっており、転動面３３ｃとして機能する。この外輪３３は、円弧形状の外輪部材３３ａ，３３ｂを円周方向に連ねて構成されている。
【００２０】
球面ころ３４は内輪３２および外輪３３の軌道面３２ｃ，３２ｄ，３３ｃと接する転動面３４ａを有する。この転動面３４ａは、軌道面３２ｃ，３２ｄ，３３ｃに沿う球面形状である。保持器３５は、リング形状の部材であって、球面ころ３４を収容する複数のポケットを有しており、隣接する球面ころ３４の間隔を保持する。この保持器３５は、円弧形状の保持器セグメント３５ａ，３５ｂを円周方向に連ねて構成されており、左右の軌道面３２ｃ，３２ｄそれぞれに別個に設けられている。
【００２１】
次に、図４を参照して、自動調心ころ軸受３１を風力発電機１１の主軸に組み込む手順を説明する。まず、予め保持器３５の各ポケットに球面ころ３４を収容しておく。次に、軸受ハウジング１９ａに一方側の外輪部材３３ａ、保持器セグメント３５ａ、および内輪部材３２ａの順に載置して、その上に主軸１６を組み込む。さらに、他方側の内輪部材３２ｂ、保持器セグメント３５ｂ、および外輪部材３３ｂを載置して、軸受ハウジング１９ａ，１９ｂを固定する。
【００２２】
なお、内輪部材３２は、突合部分に隙間が形成されるのを防止する観点から、隣接する内輪部材３２ａ，３２ｂを任意の固定手段によって固定連結しておくのが望ましい。例えば、外鍔３２ｆの外径面にリングを嵌め込んで固定してもよいし、内輪部材３２ａ，３２ｂそれぞれにボルト穴を設けてボルト等によって両者を固定してもよい。一方、外輪部材３２ａ，３２ｂは軸受ハウジング１９に固定されているので固定しなくてもよい。また、保持器セグメント３５ａ，３５ｂも相互に連結する必要はなく、熱膨張等を考慮して隣接する保持器セグメント間に隙間を設けておくのが望ましい。
【００２３】
上記構成のように、主軸１６の径方向から自動調心ころ軸受３１を組み込むことで、軸受の組み込み工程から焼き嵌め等の嵌め合い工程を省略することができる。これにより、軸受の組込み作業が大幅に簡素化される。特に、嵌め合い工程を省略できることで、主軸１６の自動調心ころ軸受３１を交換する場合でも、主軸１６を地上に降ろすことなくナセル１４内で作業することが可能となる。さらには、軸受の組み込み作業から冷却工程を省略できることで、自動調心ころ軸受３１の発錆を防止することもできる。
【００２４】
また、上記構成の回転軸支持構造において、軸受ハウジング１９についても径方向に分割することによって、さらに自動調心ころ軸受３１の組込み性が向上する。
【００２５】
次に、図５を参照して、図４に示す内輪部材３２ａ，３２ｂの突合部分の形状を説明する。なお、これは外輪部材３３ａ，３３ｂの突合部分にも同様に適用することが可能であるので、詳しい説明は省略する。
【００２６】
内輪部材３２ａ，３２ｂは、円環状の内輪３２を軸線方向に延びる分割線によって分割することによって得られる。したがって、内輪部材３２ａ，３２ｂの生産性の観点、および分割線上を通過する球面ころ３４のスムーズな回転を維持する観点から、突合部分に形成される分割線には様々な形状が考えられる。
【００２７】
まず、内輪部材３２ａ，３２ｂの生産性の観点からは、軸線方向と平行に直線的に延びる分割線４０とするのが望ましい。しかし、左右の軌道面３２ｃ，３２ｄで円周方向の同じ位置に分割線４０が形成されるので、この位置が主軸１６の負荷領域（「主軸１６の円周方向において、相対的に大きな荷重が負荷される領域」を指す）に配置されると、球面ころ３４のスムーズな回転が阻害される恐れがある。
【００２８】
そこで、他の実施形態としての分割線４１は、左右の軌道面３２ｃ，３２ｄ上の円周方向の異なる位置で軸線方向に延びる軸方向分割線４１ａ，４１ｂと、中鍔３２ｅを円周方向に延びて左右の軸方向分割線４１ａ，４１ｂに接続する円周方向分割線４１ｃとで構成される。
【００２９】
このように、左右の軌道面３２ｃ，３２ｄで軸方向分割線４１ａ，４１ｂの位置を互いに異ならせることにより、円周上の全ての位置において左右の軌道面３２ｃ，３２ｄのうちの少なくとも一方は平滑な状態となるので、自動調心ころ軸受３１の回転がスムーズとなる。
【００３０】
なお、軸方向分割線４１ａ，４１ｂは、軸線方向と平行であってもよいが、球面ころ３４のスムーズな回転を維持する観点からは、軸線方向に対して所定角度傾斜しているのが望ましい。
【００３１】
なお、内輪部材３２ａ，３２ｂの分割線の形状は、図５に示した分割線４０，４１に限られず、任意の形状を採用することが可能である。
【００３２】
また、上記の実施形態において、内輪３２、外輪３３、および保持器３５をそれぞれ２つの部材で構成した例を示したが、これらのうちの少なくとも１つを分割すればこの発明の効果を得ることができる。また、この発明の効果を得るためには、各構成部品を２つ以上の任意の個数に分割することができる。さらにこの発明は、保持器３５を省略して総ころ形式とした自動調心ころ軸受にも適用することが可能である。
【００３３】
また、上記の各実施形態における自動調心ころ軸受３１は、複列の例を示したが、これに限ることなく、単列であってもよいし、軌道面が３列以上ある多列の軸受であってもよい。
【００３４】
また、上記の各実施形態においては、風力発電機１１の主軸１６を支持する転がり軸受として自動調心ころ軸受３１の例を示したが、これに限ることなく、円錐ころ軸受、円筒ころ軸受、針状ころ軸受、深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受、および４点接触玉軸受等、転動体がころであるか玉であるかを問わず、軌道輪を有するあらゆる転がり軸受を採用することができる。
【００３５】
さらに、上記の実施形態においては、風力発電機の主軸支持構造にこの発明を適用した例を示したが、これに限ることなく、この発明は、風力発電機の他の回転軸支持構造にも適用することが可能である。例えば、増速機１７の低速軸（入力軸）、中間軸、および高速軸（出力軸）等に適用してもこの発明の効果を得ることができる。
【００３６】
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】
【００３７】
この発明は、風力発電機の回転軸支持構造に有利に利用される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】この発明の一実施形態に係る主軸支持構造を採用した風力発電機を示す図である。
【図２】図１に示す風力発電機の図解的側面図である。
【図３】図１に示す風力発電機の回転軸を支持する自動調心ころ軸受を示す図である。
【図４】図３に示す自動調心ころ軸受を風力発電機の主軸に組み込む手順を示す図である。
【図５】図３に示す自動調心ころ軸受用内輪の分割部分の拡大図である。
【符号の説明】
【００３９】
１１  風力発電機、１２  支持台、１３  旋回座軸、１４  ナセル、１５  ブレード、１６  主軸、１７  増速機、１８  発電機、１９  軸受ハウジング、２０  旋回モータ、２１  減速機、３１  自動調心ころ軸受、３２  内輪、３２ａ，３２ｂ  内輪部材、３２ｃ，３２ｄ，３３ｃ  軌道面、３２ｅ，３２ｆ  鍔、３３  外輪、３３ａ，３３ｂ  外輪部材、３４  球面ころ、３４ａ  転動面、３５  保持器、４０，４１  分割線、４１ａ，４１ｂ  軸方向分割線、４１ｃ  円周方向分割線。
【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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