(57)【要約】【課題】  弱い風でもブレードの回転が可能な低トルクのものとでき、かつ耐久性が確保できる小型風力発電機主軸用軸受を提供する。【解決手段】  小型風力発電機１のブレード４を取付けた主軸６を回転自在に支持する軸受７であり、グリース潤滑の深溝玉軸受からなる。軸受内に封入されるグリース量を、軸受内部空間Ｓの５〜２０％とする。【選択図】        図１
2005207264.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
小型風力発電機のブレードを取付けた主軸を回転自在に支持する軸受であって、グリース潤滑の深溝玉軸受からなり、軸受内部空間に封入されるグリース量を、軸受内部空間の５〜２０％としたことを特徴とする小型風力発電機主軸用軸受。
【請求項２】
小型風力発電機のブレードを取付けた主軸を回転自在に支持する軸受であって、油潤滑の転がり軸受からなり、前記小型風力発電機の発電電力で駆動されるポンプにより、潤滑油を前記転がり軸受に供給しかつこの転がり軸受から漏れ出た潤滑油を再度供給に用いる潤滑油循環装置を設けたことを特徴とする小型風力発電機主軸用軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は駐車場や公園の照明、企業の看板のライト、各種公共施設の照明など、種々の用途に用いられる小型風力発電機における主軸用軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、小型風力発電機は、環境への配慮や、商用電源を用いるには配線が長くなる場合などの対策として、種々のものが開発、実用化され、使用が増えつつある。
このような小型風力発電機では、風の強い場所や高所を選んで設置される大型の発電機と異なり、設置場所が制限される場合が多く、弱い風でもブレードが回るように支持されることが望まれる。小型風力発電機においてブレードを取付けた主軸を支持する軸受には、グリース潤滑の深溝玉軸受が用いられることが多い。深溝玉軸受は、ラジアル軸受であるが、スラスト負荷の支持が可能であり、また価格面でも有利であり、小型風力発電機における主軸の支持に好適なものとなる。また、グリース潤滑であると、メンテナンスフリー化にも優れている。
【非特許文献１】ＮＴＮ株式会社カタログ「転がり軸受総合カタログ」Ａ６３ＣＡＴ．ＮＯ．２２０２−ＶＩ／Ｊ  ２００１年１２月６日発行（Ａ−７３頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
一般的なグリース潤滑の深溝玉軸受は、軸受空間内に封入される初期充填のグリース量が、軸受内部空間の４０％前後（３６〜５０％）とされることが多い（非特許文献１）。しかし、グリース量が４０％程度であると、グリースの粘性によるトルクが大きく、小型風力発電機の主軸の支持に用いた場合、弱い風ではブレードが回転しないことがある。
【０００４】
この発明の目的は、弱い風でもブレードの回転が可能な低トルクのものとでき、かつ耐久性が確保できる小型風力発電機主軸用軸受を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明における第１の発明の小型風力発電機主軸用軸受は、小型風力発電機のブレードを取付けた主軸を回転自在に支持する軸受であって、グリース潤滑の深溝玉軸受からなり、軸受内部空間に封入されるグリース量を、軸受内部空間の５〜２０％としたことを特徴とする。ここで言うグリース量は、使用初期の封入グリース量である。軸受内部空間は、内外輪間の両端にシールを有する軸受の場合、内外輪間の両側のシールで仕切られた空間における転動体や保持器等の軸受構成部品が占める残りの空間のことである。
【０００６】
小型風力発電機に用いられる程度の大きさのグリース潤滑の深溝玉軸受においては、試験によると、図２に見られるように、封入グリース量が２０％を超えた程度から、回転抵抗となるトルクが急激に大きくなる傾向が見られた。したがって、グリース封入量の最大量は２０％とすることが好ましい。グリース量が２０％以下の場合は、グリース量によるトルクの差は小さいが、封入グリース量が５％未満であると、使用に伴うグリースの劣化のため、耐久性の面で望ましくない。
【０００７】
この発明における第２の発明の小型風力発電機主軸用軸受は、小型風力発電機のブレードを取付けた主軸を回転自在に支持する軸受であって、油潤滑の転がり軸受からなり、前記小型風力発電機の発電電力で駆動されるポンプにより、潤滑油を前記転がり軸受に供給しかつこの転がり軸受から漏れ出た潤滑油を再度供給に用いる潤滑油循環装置を設けたことを特徴とする。
この構成の場合、油潤滑のため、グリース潤滑に比べて回転抵抗となるトルクが小さいものとできる。油潤滑であると、耐久性確保のために補給を行う必要があるが、潤滑油を転がり軸受に供給しかつこの転がり軸受から漏れ出た潤滑油を再度供給に用いる潤滑油循環装置を設けたため、優れた耐久性が得られる。ポンプの駆動に電力が必要であるが、風力発電機の軸受であり、その発電電力を用いてポンプを駆動するようにしたため、別途に電源を設ける必要がない。
【発明の効果】
【０００８】
この発明の小型風力発電機主軸用軸受は、小型風力発電機のブレードを取付けた主軸を回転自在に支持する軸受であって、グリース潤滑の深溝玉軸受からなり、軸受空間内に封入されるグリース量を、軸受内部空間の５〜２０％としたため、弱い風でもブレードの回転が可能な低トルクのものとでき、かつ耐久性も確保できる。
この発明の他の小型風力発電機主軸用軸受は、油潤滑として、前記小型風力発電機の発電電力で駆動されるポンプにより、潤滑油を前記転がり軸受に供給しかつこの転がり軸受から漏れ出た潤滑油を再度供給に用いる潤滑油循環装置を設けたため、弱い風でもブレードの回転が可能な低トルクのものとでき、かつ耐久性も確保できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
この発明の第１の実施形態を図１，図２と共に説明する。図１（Ａ）は小型風力発電機１の側面図であり、支持台２上にナセル３が水平旋回方向に方向転換自在に設置されている。ナセル３の前端に回転翼となるブレード４が設けられ、後部に、風向きに応じた方向にナセル３を方向転換させるための尾翼５が設けられている。このブレード４は、主軸６に取付けられている。主軸６は、ナセル３に設置された軸受７により、回転自在に支持されている。軸受７は、この実施形態にかかる小型風力発電機主軸用軸受であり、主軸６の支持に１個または複数個が用いられる。ナセル３内には、この他に主軸６の回転より発電を行う発電機８が設けられる。主軸６と発電機８の間には主軸６の回転を発電機の効率化のために増速する増速機（図示せず）を設けても良い。なお、ここで言う小型風力発電機は、発電電力が５〜６ｋｗ以下のもの、特に１ｋｗ以下のものである。
【００１０】
軸受７は、グリース潤滑の深溝玉軸受からなり、内輪１１と外輪１２の間に、保持器１４に保持された玉１３が介在させている。内外輪１１，１２間の軸受内部空間Ｓの両端は、外輪１２に取付けられたシール１５により密封されている。シール１５は芯金にゴム材等の弾性体を設けた接触シールからなる。シール１５の内径側の先端は内輪１１の外径面に摺接する。なお、シール１５は非接触シールでも良く、例えば非接触の鉄板シールであっても良い。内輪１１および外輪１２の玉１３が転走する軌道溝１１ａ，１２ａは、断面形状が半円状に形成されている。軌道溝１１ａ，１２ａの曲率半径は、一般的な深溝玉軸受では、玉１３の直径の１．０２〜１．０４倍の範囲とされるが、例えば１．０８〜１．２５倍の範囲としても良い。
【００１１】
軸受６の軸受内部空間ＳにはグリースＧを充填する。グリースＧの初期封入量は、軸受内部空間Ｓの容積の５〜２０％とする。このグリース封入量は、好ましくは、５〜１５％であり、より好ましくは５〜１０％である。
なお、軸受内部空間Ｓは、同図のようなシール付き軸受の場合は、内外輪１１，１２間の両側のシール１５で仕切られた空間における玉１３や保持器１４等の軸受構成部品が占める残りの空間のことである。
【００１２】
シール無しの軸受の場合は、軸受内部空間Ｓは、厳密には内外輪１１，１２間の空間から玉１３や保持器１４等の軸受構成部品が占める残りの空間のことになるが、シール付き軸受に対応する空間容積、つまりシールがあると仮定した場合の空間容積を、上記軸受内部空間Ｓの容積として扱うこととしている。
軸受内部空間についての一般的な厳密な定義はないが、上記非特許文献１では、軸受内部空間の容積の概略値を次式で求めることができるとされている。
Ｖ＝Ｋ・Ｗ                  …(1) 
ここで、Ｖ：開放型軸受の空間容積（概略値）（ｃｍ3 ）、
Ｋ：軸受空間係数（軸受形式によって定められている係数）、
Ｗ：軸受の質量（ｋｇ）、
である。
Ｋの値は、深溝玉軸受であって保持器形式が打抜き保持器の場合は、例えばＫ＝６１とされる。
例えば、上記の(1) 式で定められる容積Ｖを、シール無し軸受の場合の軸受内部空間Ｓの容積と定めてもよい。
【００１３】
この構成の小型風力発電機主軸用軸受７によると、封入グリースを軸受内部空間Ｓの２０％以下としたため、後の試験例に示すように、通常の４０％前後の封入量とする場合に比べて、回転抵抗となるトルクが大幅に小さくなる。そのため、弱い風でもブレード４の回転が可能になる。また、封入グリース量を５％以上としたため、使用に伴うグリースの劣化に対して、必要な耐久性も確保できる。
この実施形態において、内外輪１１，１２の軌道面１１ａ，１２ａの曲率半径を、玉径（玉の半径）に対して、従来の１．０２〜１．０４倍から１．０８〜１．２５倍の範囲と大きくした場合は、回転トルクがさらに低減される。軌道面１１ａ，１２ａの玉径に対する曲率半径を大きくすると、トルクが低減する反面、支持精度が低下するが、小型風力発電機１の主軸６の支持では、あまり高い精度は要求されない。そのため、曲率半径が１．２５倍まであれば、精度面の支障を生じることなく、トルク低減の効果が得られる。また曲率半径が１．０８倍以上であれば、従来の一般的な曲率半径の割合である１．０２〜１．０４倍の場合に比べて明らかなトルク低減の効果が得られる。
【００１４】
図２は、グリース封入割合とトルクとの関係の試験結果を示す。供試軸受には、ＪＩＳ規格の６２０５番の深溝玉軸受を用いた。この軸受は内径が２５mmのものである。回転速度は８００ｒｐｍとした。
同図からわかるように、グリース封入割合（グリース封入量）が５％から２０％の範囲では、封入量が増えるに従ってトルクが増大する傾向は見られるが、その増大割合は僅かであり、トルク値は２０ｍＮ・ｍ程度と略一定となっている。グリース封入割合が２０％を超え、３０％程度となると、トルク値が４０Ｎ・ｍ程度と略２倍になっており、この間ではグリース封入割合が増えるに従ってトルク価は急激に増大する。４０％を超えると、６０％程度までは、略一定のトルク価となっている。
同図の結果から、トルクを低減させるには、グリース封入量（封入割合）を２０％以下とすることが好ましいことが判る。
【００１５】
図３は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態は、図１（Ａ）に示した小型風力発電機１において、その軸受７を油潤滑の深溝玉軸受とし、次の構成の潤滑油循環装置２０を設けたものである。
【００１６】
この潤滑油循環装置２０は、小型風力発電機１（図１）における上記発電機８の発電電力で駆動されるポンプ２１により、潤滑油を軸受７に供給し、かつこの軸受７から漏れ出た潤滑油を再度供給に用いるものである。潤滑油循環装置２０は、油溜め２２に溜めた潤滑油を供給路２３によって軸受７内に供給するものであり、軸受７から漏れた潤滑油を受ける潤滑油受け２４を有している。潤滑油受け２４の潤滑油が、上記ポンプ２１により、循環路２５を介して油溜め２２に送られる。循環路２５の油溜め２２に対向する出口にはフィルタ２６が設けられている。油溜め２２には潤滑油の油面を検出するレベルセンサ２７が設けられ、レベルセンサ２７の検出値によってポンプ２１を駆動するモータ２８のオンオフ制御が行われる。
【００１７】
ポンプ２１のモータ２８は、発電機８の発電電力を直接用いるものであっても良いが、この例では、発電機８の発電電力を充電回路２９によって二次電池３０に充電し、二次電池３０の電力をモータ２８の駆動に用いるようにしている。
【００１８】
この実施形態の場合、軸受７は油潤滑のため、グリース潤滑に比べて回転抵抗となるトルクが小さいものとできる。油潤滑であると、耐久性確保のために補給を行う必要があるが、ポンプ２１によって潤滑油を軸受７に供給し、この軸受７から漏れ出た潤滑油を、潤滑油循環装置２０により再度供給に用いるようにしたため、優れた耐久性が得られる。ポンプ２８の駆動に電力が必要であるが、風力発電機１の軸受７であり、その発電電力を用いてポンプ２８を駆動するようにしたため、別途に電源を設ける必要がない。
【００１９】
なお、図３に示すような油潤滑とする場合は、軸受７は、深溝玉軸受に限らず、種々の形式の転がり軸受を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】（Ａ）はこの発明の第１の実施形態にかかる軸受を用いた小型風力発電機の概略側面図、（Ｂ）はその軸受の部分断面図である。
【図２】深溝玉軸受におけるグリース封入割合とトルクの関係を示すグラフである。
【図３】この発明の他の実施形態にかかる小型風力発電機主軸用軸受、およびその潤滑油循環装置の構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２１】
１…小型風力発電機
４…ブレード
６…主軸
７…小型風力発電機主軸用軸受
１１…内輪
１２…外輪
１１ａ，１２ａ…軌道溝
１３…玉
１５…シール
２０…潤滑油循環装置
２１…ボンプ
２８…モータ
Ｇ…グリース
Ｓ…軸受内部空間
【図１】
2005207264.tif 000003
【図２】
2005207264.tif 000004
【図３】
2005207264.tif 000005