JP4616691B2 - 円錐ころ軸受、円錐ころ軸受用ピン型保持器および風力発電機の主軸支持構造 - Google Patents

Description

この発明は、円錐ころ軸受に関し、特にラジアル荷重、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される円錐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。

風力発電機の主軸を回転自在に支持するのに好適な軸受として、自動調心ころ軸受が、例えば、特開２００４−１１７３７号公報（特許文献１）に開示されている。同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自動調心ころ軸受１が用いられることが多い。

風力発電機の主軸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に取り付けられているので、その片持ち支持用の軸受として、通常、主軸２の撓みに対して調心性を有する大型の自動調心ころ軸受１が使用される。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。

風力発電機の主軸２には、ブレード３の自重等によるラジアル荷重と、風力によるアキシアル荷重およびモーメント荷重とが負荷される。そして、ラジアル荷重、アキシアル荷重およびモーメント荷重の全てを同時に支持することができ、かつ、主軸２の撓みに対して調心性を有する自動調心ころ軸受１は、主軸２を支持する軸受として適している。

しかし、近年では、発電効率を高めるために、ブレード３を大型化し、また、風力発電機をより強風環境下に設置すること等により、ラジアル荷重、アキシアル荷重およびモーメント荷重が増大している。自動調心ころ軸受１の大型化により、負荷容量を増大させることも可能であるが、風力発電機の更なる大型化を招き、適切ではない。

そこで、風力発電機の主軸２を支持する軸受として、自動調心ころ軸受１に代えて図２に示すような複列円錐ころ軸受１１が注目されている。円錐ころ軸受１１は、２つの内輪部材の小径側端部を突き合わせた内輪１２と、外輪１３と、内輪１２および外輪１３の間に複列に配置された円錐ころ１４，１５と、円錐ころ１４，１５の間隔を保持する保持器１６とを備える。または、２つの内輪部材の間にさらに間座を有することとしてもよい。
特開２００４−１１７３７号公報（段落番号０００２等）

図２に示したような円錐ころ軸受１１は、自動調心ころ軸受１と比較すると負荷容量が大きいので、高負荷環境下で使用される軸受として好適である。また、自動調心ころ軸受１と同じ負荷容量とした場合には、軸受サイズを小さくすることが可能となる。

しかし、例えば、図２の左側から大きなアキシアル荷重が負荷されると、内輪１２の大鍔面１２ａと、円錐ころ１４の大端面１４ａとの当接面の接触面圧が高くなる。そのため、内輪１２の大鍔面１２ａと円錐ころ１４の大端面１４ａとの間で潤滑不良を生じた場合、油切れによる当接面の焼付きが懸念される。

そこで、本発明の目的は、コンパクトで、高負荷環境下で使用可能な円錐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を提供することを目的とする。

この発明に係る円錐ころ軸受は、内輪と、外輪と、一方側の小端面から他方側の大端面に貫通する貫通孔を有する円錐ころと、貫通孔に挿通するピンおよびこのピンの両端に位置し、円錐ころの両端面に当接する側板を有するピン型保持器とを備える。そして、ピン型保持器の側板は、円錐ころの大端面に当接する面に潤滑剤溜り用凹部を有している。

上記構成の円錐ころ軸受は、ピン型保持器の側板に設けた潤滑剤溜り用凹部に潤滑剤を充填しておくことにより、潤滑剤溜り用凹部から内輪の大鍔部と円錐ころの大端面との当接面に潤滑剤を供給することができる。その結果、高荷重下で使用する場合においても、潤滑不良による当接面の焼付きを防止することが可能となる。また、円錐ころの貫通孔には潤滑剤が溜まるので、円錐ころの端面の潤滑性能が向上し、潤滑寿命を延伸することが可能となる。

潤滑剤溜り用凹部は、例えば、円錐ころの公転軌道に沿って延びる円周溝であることが好ましい。または、潤滑剤溜り用凹部は、例えば、円錐ころの自転中心の周りに位置するように形成されていることが好ましい。

上記のように、潤滑剤溜り用凹部を各円錐ころとの当接部分に少なくとも１箇所設けることにより、軸受全体としての潤滑性能が向上する。なお、本明細書中で「円周溝」とは、円状に切れ目なく形成される溝に限らず、円状の一部に所定の間隔で切れ目を有する溝をも含むものとする。

好ましくは、側板は、円錐ころの大端面に当接する面の角部に面取り加工部を有するとよい。これにより、潤滑剤溜り用凹部に充填された潤滑剤が、内輪の大鍔部と円錐ころの大端面との当接面に供給されやすくなるので、より効果的に当接面の焼付きを防止することができる。また、円錐ころ軸受の組立ての際に、円錐ころの端面を傷つけることがない点で有利である。

この発明に係る円錐ころ軸受用保持器は、円錐ころを貫通するピンと、ピンの両端に位置し、円錐ころの両端面に当接する側板とを備える。そして、側板は、円錐ころの大端面に当接する面に潤滑剤溜り用凹部を有している。上記構成のピン型保持器を円錐ころ軸受に使用する場合、潤滑剤溜り用凹部に潤滑剤を充填しておくことにより、潤滑剤溜り用凹部から内輪の大鍔部と円錐ころの大端面との当接面に潤滑剤を供給することができる。これにより、潤滑性能に優れた円錐ころ軸受を得ることができる。

この発明に係る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、固定部材に組み込まれ、主軸を回転自在に支持する円錐ころ軸受とを備える。円錐ころ軸受に注目すると、内輪と、外輪と、一方側の小端面から他方側の大端面に貫通する貫通孔を有する円錐ころと、貫通孔に挿通するピンおよびこのピンの両端に位置し、円錐ころの両端面に当接する側板を有するピン型保持器とを備えることを特徴とする。

上記構成の円錐ころ軸受は、大きなラジアル荷重、アキシアル荷重およびモーメント荷重を同時に支持可能であるので、高負荷環境下に設置される風力発電機の主軸を支持する軸受として好適である。また、自動調心ころ軸受に代えて上記の円錐ころ軸受を使用することによって、コンパクトで、耐久性に優れた風力発電機の主軸支持構造を得ることができる。

好ましくは、ピン型保持器の側板は、円錐ころの大端面に当接する面に潤滑剤溜り用凹部を有しているとよい。上記構成のピン型保持器の潤滑剤溜り用凹部に潤滑剤を充填しておくことにより、潤滑剤溜り用凹部から内輪の大鍔部と円錐ころの大端面との当接面に潤滑剤を供給することができる。その結果、大きなラジアル荷重、アキシアル荷重およびモーメント荷重が負荷される風力発電機の主軸を支持する軸受として使用する場合においても、潤滑不良による当接面の焼付きを防止することが可能となる。

この発明は、潤滑剤溜り用凹部から内輪の大鍔部と円錐ころの大端面との当接面に潤滑剤を供給することができるので、高負荷環境下においても潤滑不良による当接面の焼付きを防止可能な円錐ころ軸受を得ることができる。

また、そのような円錐ころ軸受を風力発電機の主軸を支持する軸受として使用することにより、コンパクトで、耐久性に優れた風力発電機の主軸支持構造を得ることができる。

図３〜図５を参照して、この発明に係る円錐ころ軸受２１を説明する。

円錐ころ軸受２１は、２つの内輪部材の小径側端部を突き合わせた内輪２２と、外輪２３と、内輪２２および外輪２３の間に複列に配置された円錐ころ２４，２５と、円錐ころ２４，２５の間隔を保持する保持器２６とを備える。

円錐ころ２４，２５は、それぞれ一方側の小端面２４ａ，２５ａから他方側の大端面２４ｂ、２５ｂに貫通する貫通孔２４ｃ，２５ｃを有し、保持器２６は、円錐ころ２４，２５の貫通孔２４ｃ，２５ｃに挿通するピン２６ａおよびこのピン２６ａの両端に位置し、円錐ころ２４，２５の両端面２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂに当接する側板２６ｂを有するピン型保持器である。さらに、側板２６ｂは、図４および図５に示すように、円錐ころ２４の端面２４ａ，２４ｂと当接する面に潤滑剤溜り用凹部としての円周溝２６ｃが設けられており、その角部には、面取り加工部２６ｄを有する。

上記構成の円錐ころ軸受２１は、ピン型保持器２６の側板２６ｂに設けた円周溝２６ｃに潤滑剤を充填しておくことにより、円周溝２６ｃから内輪２２の大鍔部２２ａと円錐ころ２４，２５の大端面２４ｂ，２５ｂとの当接面に潤滑剤を供給することができる。その結果、高荷重下で使用する場合においても、潤滑不良による当接面の焼付きを防止することが可能となる。

例えば、図３の左側からアキシアル荷重が負荷された場合、内輪２２の大鍔面２２ａと円錐ころ２４の大端面２４ｂとの当接面の接触面圧が高くなるが、ピン型保持器２６の円周溝２６ｃから供給される潤滑剤により、当接面の焼付きを防止することができる。

また、円錐ころ２４，２５の貫通孔２４ｃ，２５ｃには潤滑剤が溜まるので、円錐ころ２４，２５の端面２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂの潤滑性能が向上し、潤滑寿命を延伸することが可能となる。

また、側板２６ｂの円錐ころ２４，２５の端面２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂと当接する面の角部を面取り加工部２６ｄとすることにより、円周溝２６ｃに充填された潤滑剤が、内輪２２の大鍔部２２ａと円錐ころ２４，２５の大端面２４ｂ，２５ｂとの当接面に供給されやすくなるので、より効果的に当接面の焼付きを防止することができる。また、円錐ころ軸受２１の組立ての際に、円錐ころ２４，２５の端面２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂを傷つけることがない。

なお、円周溝２６は、図５に示すように、側板２６ｂの円周に沿って切れ目なく設けることとしてもよいが、これに限ることなく、一定間隔毎に切れ目を設けて形成することとしてもよい。例えば、図６に示すように、１２０°毎に切れ目を設けて円周溝２６ｃを形成することもできる。

また、潤滑剤溜り用凹部は、円錐ころの自転中心の周りに位置するように形成してもよい。例えば、図７に示すように、円錐ころ３４はピン型保持器３６のピン３６ａを中心に自転するので、ピン３６ａの周りに潤滑剤溜り用凹部としての円周溝３６ｃを設けることとしてもよい。

さらには、図８に示すように、潤滑剤溜り用凹部４６ｃは、円錐ころ４４とピン型保持器４６の側板４６ｂとが当接する部分に少なくとも１箇所設けることにより、軸受全体としての潤滑性能を向上させることが可能となる。

上記の実施形態においては、円錐ころ２４，２５の両端面２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂに当接する面に潤滑剤溜り用凹部を設けた例を示したが、これに限ることなく、円錐ころ２４，２５の大端面２４ｂ，２５ｂ側にのみ潤滑剤溜り用凹部を設けることとしてもよい。

また、図４に示す実施形態においては、側板２６ｂの一方側の角部にのみ面取り加工部２６ｄを設けたが、これに限ることなく、両側の角部を面取り加工部としてもよい。

上記の実施形態において、円錐ころ軸受２１は、円錐ころ２４，２５の小径側端部を突き合わせた背面組み合わせ軸受の例を示したが、これに限ることなく、円錐ころ２４，２５の大径側端部を突き合わせた正面組み合わせ軸受としてもよい。

背面組み合わせとした場合には、軸受の回転中心線と、左右の列の円錐ころ２４，２５と内外輪２２，２３の接触線との交点の距離（以下「作用点間距離」という）が長くなるので、ラジアル剛性が向上する。一方、正面組み合わせとした場合には、外輪２３の肉厚が円周上であまり差のないバランスの良い設計ができるとともに、同じ断面高さであれば、背面組み合わせ軸受より負荷容量を大きくすることができる。

また、上記の実施形態において、円錐ころ軸受２１は複列の例を示したが、これに限ることなく、単列の円錐ころ軸受にも適用可能である。

次に、図９および図１０は、図３に示したような本発明の一実施形態に係る円錐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に組み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。

上記実施形態に示したような主軸支持軸受５５に本発明の一実施形態に係る円錐ころ軸受２１を使用する。円錐ころ軸受２１は、大きなラジアル荷重アキシアル荷重およびモーメント荷重を同時に支持可能であるので、高負荷環境下に設置される風力発電機の主軸を支持する軸受として好適である。また、自動調心ころ軸受に代えて円錐ころ軸受２１を使用することによって、コンパクトで、耐久性に優れた風力発電機の主軸支持構造を得ることができる。

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。

この発明は、大きなラジアル荷重、アキシアル荷重およびモーメント荷重が負荷される環境下で使用される円錐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る。

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。 従来の円錐ころ軸受を示す概略断面図である。 この発明の一実施形態に係る円錐ころ軸受を示す概略断面図である。 図３に示した円錐ころおよび保持器の拡大図である。 図３に示した保持器の側板の円錐ころとの当接面の一例を示す図である。 図３に示した保持器の側板の円錐ころとの当接面の他の一例を示す図である。 図３に示した保持器の側板の円錐ころとの当接面の他の一例を示す図である。 図３に示した保持器の側板の円錐ころとの当接面の他の一例を示す図である。 本発明に係る円錐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７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

１ 自動調心ころ軸受、２ 風力発電機主軸、３ ブレード、４ ハウジング、１１，２１ 円錐ころ軸受、５，１２，２２ 内輪、１２ａ，２２ａ 大鍔部、６，１３，２３ 外輪、７，８ 球面ころ、１４，１５，２４，２５，３４，４４ 円錐ころ、２４ａ，２５ａ 小端面、２４ｂ，２５ｂ 大端面、１６，２６，３６，４６ 保持器、２６ａ，３６ａ，４６ａ ピン、２６ｂ，３６ｂ，４６ｂ 側板、２６ｃ、３６ｃ 円周溝、４６ｃ 潤滑剤溜り用凹部、２６ｄ 面取り加工部、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。

Claims (7)

1. 風力を受けるブレードと共に回転する風力発電機の主軸を回転自在に支持する円錐ころ軸受であって、
   軸方向端部に大鍔部を有する内輪と、
   外輪と、
   一方側の小端面から他方側の大端面に貫通する貫通孔を有する円錐ころと、
   前記貫通孔に挿通するピンおよびこの前記ピンの両端に位置し、前記円錐ころの両端面に当接する側板を有するピン型保持器とを備え、
   前記側板は、前記円錐ころの大端面に当接する面に潤滑剤溜り用凹部を有し、
   前記潤滑剤溜り用凹部には、前記大鍔部と前記円錐ころの大端面との当接面に供給するための潤滑剤が予め充填されており、
   前記潤滑剤溜り用凹部は、前記側板の内周面と前記側板の外周面の間の位置であって、前記側板の内周面および前記側板の外周面から離れた位置に設けられており、前記円錐ころの大端面に当接する面から軸方向に貫通することなく凹んだ形状である、円錐ころ軸受。
2. 前記潤滑剤溜り用凹部は、前記円錐ころの公転軌道に沿って延びる円周溝である、請求項１に記載の円錐ころ軸受。
3. 前記潤滑剤溜り用凹部は、前記円錐ころの自転中心の周りに位置するように形成されている、請求項１に記載の円錐ころ軸受。
4. 前記側板は、前記円錐ころの大端面に当接する面の角部に面取り加工部を有する、請求項１〜３のいずれかに記載の円錐ころ軸受。
5. 前記潤滑剤溜り用凹部は、前記円錐ころの小端面に当接する面に設けられている、請求項１〜４のいずれかに記載の円錐ころ軸受。
6. 風力を受けるブレードと共に回転する風力発電機の主軸を回転自在に支持する円錐ころ軸受用ピン型保持器であって、
   前記ピン型保持器は、円錐ころを貫通するピンと、前記ピンの両端に位置し、前記円錐ころの両端面に当接する側板とを備え、前記側板は、前記円錐ころの大端面に当接する面に潤滑剤溜り用凹部を有し、
   前記潤滑剤溜り用凹部には、前記円錐ころ軸受に備えられる内輪の軸方向端部に設けられる大鍔部と前記円錐ころの大端面との当接面に供給するための潤滑剤が予め充填されており、
   前記潤滑剤溜り用凹部は、前記側板の内周面と前記側板の外周面の間の位置であって、前記側板の内周面および前記側板の外周面から離れた位置に設けられており、前記円錐ころの大端面に当接する面から軸方向に貫通することなく凹んだ形状である、円錐ころ軸受用ピン型保持器。
7. 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、
   固定部材に組み込まれ、前記主軸を回転自在に支持する円錐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、
   前記円錐ころ軸受は、軸方向端部に大鍔部を有する内輪と、外輪と、一方側の小端面から他方側の大端面に貫通する貫通孔を有する円錐ころと、前記貫通孔に挿通するピンおよびこの前記ピンの両端に位置し、前記円錐ころの両端面に当接する側板を有するピン型保持器とを備え、
   前記ピン型保持器の側板は、前記円錐ころの大端面に当接する面に潤滑剤溜り用凹部を有し、
   前記潤滑剤溜り用凹部には、前記大鍔部と前記円錐ころの大端面との当接面に供給するための潤滑剤が予め充填されており、
   前記潤滑剤溜り用凹部は、前記側板の内周面と前記側板の外周面の間の位置であって、前記側板の内周面および前記側板の外周面から離れた位置に設けられており、前記円錐ころの大端面に当接する面から軸方向に貫通することなく凹んだ形状である、風力発電機の主軸支持構造。

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