JP6136390B2 - 風力発電装置用の一方向クラッチ及び一方向クラッチユニット - Google Patents

Description

本発明は、風力発電装置用の一方向クラッチ及び一方向クラッチユニットに関する。

従来、風力発電装置として、ブレードで風力を受けて当該ブレードに接続された主軸を回転させ、増速機により前記主軸の回転を増速させて発電機を駆動させる風力発電装置が提案されている。

しかし、前記風力発電装置には、風速又は風向きの変化により、主軸の回転数に変動が生じるため、増速機から発電機に入力される前記主軸の回転トルクが変動し、発電効率が低下するという欠点がある。したがって、前記風力発電装置において、前記回転トルクの変動を抑制し、発電効率を向上させる技術が求められている。

また、前記風力発電装置は、通常、１０年以上の長期間用いられることを前提として設置されている。さらに、前記風力発電装置は、主軸の回転や発電機の駆動に伴う騒音や風況などの理由から、山間部、沿岸部、海洋上などに設置されている。加えて、前記風力発電装置は、風力発電タワーなどの高所に主要部品が取り付ける必要があり、しかも当該部品自体が大きく重いことから、メンテナンス時の組み付けや取り外しに大きな労力を要する。したがって、できるだけメンテナンスを要しないことが望まれるため、長寿命で、かつ信頼性が高い風力発電装置が求められている。

一方、同期発電機を他系統の発電機と同期が取れた運転状態で並列運転させるために、同期発電機の増速機の出力軸と発電機の駆動軸との間に一方向クラッチを設けることが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開平４−３４４１９８号公報

従来の風力発電装置では、高速回転する出力軸を支持するころ軸受等の転がり軸受において、ころ等の転動体の転動面や回転輪の軌道面にスメアリング（表層焼付きが起こる現象）が発生し、ころ軸受等の転がり軸受の寿命が低下するという問題があった。

また、一方向クラッチは、例えば、風速変動が少ない状態が続いた場合のように回転変動幅が小さい場合に、係合子の係合面と内輪及び外輪それぞれの軌道面との間に油膜が形成されにくいため、当該係合子の係合面及び内輪及び外輪それぞれの軌道面は、磨耗しやすく、使用上十分な硬さを長期間維持することが難しいという欠点がある。

本発明は、前記従来技術に鑑みてなされたものであり、風力発電装置の増速機の出力軸を支持するころ軸受にスメアリングが発生するのを効果的に抑制することができ、しかも経年磨耗しても、使用上十分な硬さを長期間維持することができる風力発電装置用の一方向クラッチ及び一方向クラッチユニットを提供することを目的とする。

本発明者は、スメアリングの発生メカニズムについて鋭意研究を重ねた。その結果、風力の低下により主軸の回転速度が急激に低下すると、重い質量を有する発電機のロータの慣性により、出力軸の回転速度よりも発電機の駆動軸の回転速度が上回ることによっていわゆるトルク抜け（荷重抜け）が発生し、このトルク抜けによって出力軸を支持するころ軸受等の転がり軸受に作用するラジアル荷重が減少し、ころ軸受等の転がり軸受の転動体（ころ等）と回転輪との転がり摩擦抵抗よりも、ころ等の転動体とそれを保持する保持器との摺動摩擦抵抗等が上回ることにより、ころ等の転動体の自転が遅れることを見出した。そして、この状態から風力の増加により主軸の回転速度が急激に増加したときに、増速の慣性トルクが加わり出力軸を支持するころ軸受等の転がり軸受に作用するラジアル荷重が増加するため、その瞬間にころに高荷重がかかった状態でころが回転輪との接触面で滑り、その接触面が昇温することにより、スメアリングが発生するという知見を得、かかる知見に基づいて本発明を完成させた。

すなわち、本発明の一方向クラッチは、風力発電装置の増速機の出力軸に一体回転可能に設けられた入力回転体及び前記出力軸の回転が伝達される発電機の駆動軸に一体回転可能に設けられ、前記入力回転体の径方向内側又は径方向外側に同心上に配置された出力回転体のうちの一方の回転体側に設けられる内輪と、他方の回転体側に設けられかつ前記内輪の径方向外側に配置される外輪と、前記内輪及び外輪の両軌道面の間に形成された複数の空間に個別に配置された複数の係合子と、を有し、前記入力回転体の回転速度が前記出力回転体の回転速度を上回る状態で、前記係合子が前記内輪及び外輪の両軌道面に噛み合うことにより前記入力回転体と出力回転体とを一体回転可能に接続し、前記入力回転体の回転速度が前記出力回転体の回転速度を下回る状態で、前記噛み合いを解除することにより前記入力回転体と出力回転体との接続を遮断し、前記複数の係合子又は前記内輪及び外輪が、マルテンサイト系ステンレス鋼製の鋼材に軟窒化が施された母材からなり、当該母材における相手部材との間で相対的に摺動又は係合して接触する接触部の表面から２０μｍまでの部分のビッカース硬さが１０００〜１５００Ｈｖであり、前記係合子が円筒ころ又はスプラグであり、かつ前記入力回転体の軸方向先端部と当該入力回転体の軸方向先端部が対向する駆動軸の対向面との間及び前記出力回転体の軸方向先端部と当該出力回転体の軸方向先端部が対向する入力回転体の対向面との間それぞれに隙間が設けられていることにより、前記内輪及び外輪の軸方向の相対移動が許容されており、前記入力回転体又は出力回転体が温度変化によって軸方向に伸縮したときに前記係合子が相対的に摺動又は係合する部分の表面から２０μｍまでの部分のビッカース硬さが１０００〜１５００Ｈｖであることを特徴としている。

また、本発明の一方向クラッチユニットは、前述した一方向クラッチと、前記一方向クラッチに隣接し、風力発電装置の増速機の出力軸に一体回転可能に設けられた入力回転体と前記出力軸の回転が伝達される発電機の駆動軸に一体回転可能に設けられ、前記入力回転体の径方向内側又は径方向外側に同心上に配置された出力回転体との間に、当該入力回転体及び出力回転体を互いに相対回転可能に支持する転がり軸受と、を備えていることを特徴としている。

前記構成が採用された一方向クラッチ及び一方向クラッチユニットによれば、前記入力回転体の回転速度が前記出力回転体の回転速度を上回る状態で、前記係合子が前記内輪及び外輪の両軌道面に噛み合うことにより前記入力回転体と出力回転体とを一体回転可能に接続し、前記入力回転体の回転速度が前記出力回転体の回転速度を下回る状態で、前記噛み合いを解除することにより前記入力回転体と出力回転体との接続を遮断するので、外力の低下により主軸を介して出力軸の回転速度が急激に低下しても、発電機のロータの慣性による回転が駆動軸を介して出力軸に伝達されるのを防止することができ、出力軸を支持している転がり軸受に作用するラジアル荷重の減少及びこれに伴う転動体の自転遅れを抑制することができる。したがって、前記構成が採用された一方向クラッチによれば、この状態から外力変化により主軸の回転速度が急激に増加して転動体に高荷重がかかったときに、転動体が回転輪との接触面で滑りにくくなるため、風力発電装置の増速機の出力軸を支持する転がり軸受にスメアリングが発生するのを効果的に抑制することができる。
また、前記構成が採用された一方向クラッチ及び一方向クラッチユニットによれば、マルテンサイト系ステンレス鋼製の鋼材に軟窒化が施された母材からなり、前記接触部の表面から２０μｍまでの部分のビッカース硬さが１０００〜１５００Ｈｖとされているので、経年磨耗しても、前記複数の係合子それぞれの係合面又は前記内輪及び外輪の両軌道面を風力発電装置に使用するのに十分な表面硬さに維持することができる。
さらに、本発明の一方向クラッチ及び一方向クラッチユニットにおいては、前記係合子が円筒ころ又はスプラグであり、かつ前記入力回転体の軸方向先端部と当該入力回転体の軸方向先端部が対向する駆動軸の対向面との間及び前記出力回転体の軸方向先端部と当該出力回転体の軸方向先端部が対向する入力回転体の対向面との間それぞれに隙間が設けられていることにより、前記内輪及び外輪の軸方向の相対移動が許容されており、前記入力回転体又は出力回転体が温度変化によって軸方向に伸縮したときに前記係合子が相対的に摺動又は係合する部分の表面から２０μｍまでの部分のビッカース硬さが１０００〜１５００Ｈｖである。この場合、温度変化により、前記係合子が相対的に摺動又は係合する部分に位置ずれが生じても、経年磨耗しても、前記複数の係合子それぞれの係合面又は前記内輪及び外輪の両軌道面を風力発電装置に使用するのに十分な表面硬さに維持することができる。

本発明の風力発電装置用の一方向クラッチ及び一方向クラッチユニットは、前記接触部における内部硬さが５４ＨＲＣ以上であることが好ましい。この場合、前記接触部における内部硬さが風力発電装置に使用するのに十分な内部硬さとなっているため、十分な耐疲労強度を確保することができる。

また、本発明の一方向クラッチ及び一方向クラッチユニットは、前記接触部の表面から２０μｍまでの部分のビッカース硬さが１１５０〜１５００Ｈｖであることが好ましい。この場合、例えば、１０年間の推定磨耗量を考慮しても十分な硬さを確保することができ、経年磨耗しても、前記複数の係合子それぞれの係合面又は前記内輪及び外輪の両軌道面をより高い表面硬さに維持することができる。

本発明の一方向クラッチユニットにおいては、前記転がり軸受が円筒ころ軸受であることが好ましい。

本発明の風力発電装置用の一方向クラッチ及び一方向クラッチユニットによれば、風力発電装置の増速機の出力軸を支持するころ軸受にスメアリングが発生するのを効果的に抑制することができ、しかも経年磨耗しても、使用上十分な硬さを長期間維持することができる。

本発明の一実施形態に係る一方向クラッチが用いられた風力発電装置を示す概略側面図である。 図１に示される風力発電装置における増速機の出力軸と発電機の駆動軸との連結部分を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る一方向クラッチを示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る一方向クラッチに用いられる係合子（円筒ころ７３）の製法の一例を示す工程図である。 実施例１における熱処理条件等を示す線図である。 実施例２における熱処理条件等を示す線図である。 実施例１で得られた試験片の断面組織を観察した結果を示す図面代用写真である。 実施例１で得られた試験片の内周面の表面からの深さとビッカース硬さとの関係を示したグラフである。 実施例２で得られた試験片の組織を観察した結果を示す図面代用写真である。 実施例２で得られた試験片の内周面の表面からの深さとビッカース硬さとの関係を示したグラフである。

（風力発電装置の構成）
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しながら詳述する。
図１は、本発明の一実施形態に係る一方向クラッチが用いられた風力発電装置を示す概略側面図である。この風力発電装置１は、風力を受けて回転する主軸２と、この主軸２に連結された増速機３と、この増速機３に連結された発電機４と、増速機３の出力軸３５に一体回転可能に設けられた入力回転体５と、発電機４の駆動軸４１に一体回転可能に設けられた出力回転体６と、入力回転体５と出力回転体６との間に配置された一方向クラッチ７と、一方向クラッチ７の軸方向両側に配置された一対の転がり軸受８とを備えている。この風力発電装置１は、風力による主軸２の回転を増速機３で増速させて発電機４に伝達し、当該発電機４を駆動させることによって発電する。

主軸２の先端部には、例えば、風力を受ける受風部材であるブレード（図示せず）が一体回転可能に連結されている。このブレードは、風力を受けると主軸２とともに回転するようになっている。
発電機４は、増速機３によって増速された回転を入力して回転する駆動軸４１と、発電機４に内蔵されたロータ４２と、図示しないステータ等とを有する。ロータ４２は駆動軸４１に一体回転可能に連結されており、駆動軸４１が回転してロータ４２が駆動することに伴って発電するようになっている。

増速機３は、主軸２の回転を入力してその回転を増速する歯車機構（回転伝達機構）３０を備えている。この歯車機構３０は、遊星歯車機構３１と、この遊星歯車機構３１により増速された回転を入力して、さらにその回転を増速する高速段歯車機構３２とを備えている。
遊星歯車機構３１は、内歯車３１ａと、主軸２に一体回転可能に連結された遊星キャリア（図示せず）に保持された複数の遊星歯車３１ｂと、遊星歯車３１ｂに噛み合う太陽歯車３１ｃとを有している。これにより、前記主軸２とともに遊星キャリアが回転すると、遊星歯車３１ｂを介して太陽歯車３１ｃが回転し、その回転が高速段歯車機構３２の低速軸３３に伝達される。

高速段歯車機構３２は、低速ギヤ３３ａを有する前記低速軸３３と、第１中間ギヤ３４ａ及び第２中間ギヤ３４ｂを有する中間軸３４と、高速ギヤ３５ａを有する出力軸３５とを備えている。
低速軸３３は、大型の回転軸からなり、主軸２と同心上に配置されている。低速軸３３の軸方向両端部は、ころ軸受３６ａ，３６ｂにより回転自在に支持されている。
中間軸３４は、低速軸３３の上方に配置されている。また、中間軸３４の軸方向両端部は、ころ軸受３７ａ，３７ｂにより回転自在に支持されている。中間軸３４の第１中間ギヤ３４ａは、低速ギヤ３３ａと噛み合っており、第２中間ギヤ３４ｂは、高速ギヤ３５ａと噛み合っている。
出力軸３５は、中間軸３４の上方に配置されており、回転トルクを出力するようになっている。出力軸３５の軸方向の一端部３５ｂ及び他端部（出力端部）３５ｃ側は、それぞれころ軸受３８，３９により回転自在に支持されている。

以上の構成により、主軸２の回転は、遊星歯車機構３１のギヤ比、低速ギヤ３３ａと第１中間ギヤ３４ａとのギヤ比、及び第２中間ギヤ３４ｂと高速ギヤ３５ａとのギヤ比により３段階に増速されて、発電機４を駆動するようになっている。

図２は、増速機３の出力軸３５と発電機４の駆動軸４１との連結部分（一方向クラッチユニット）を示す断面図である。
図２に示される一方向クラッチユニット９は、入力回転体５と、出力回転体６と、一方向クラッチ７と、一対の転がり軸受８とを備えている。一方向クラッチ７及び転がり軸受８は、出力軸３５の回転を入力回転体５及び出力回転体６を介して駆動軸４１に伝達するようになっている。なお、図２に示される一方向クラッチユニット９は、転がり軸受８が一方向クラッチ７の軸方向両側に配置されたものであるが、一方向クラッチ７の軸方向一方側のみに配置されたものであってもよい。

入力回転体５は、出力軸３５と同心上に配置されており、その軸方向一端部（図２の左端部）から軸方向他端部（図２の右端部）に向けて、フランジ部５１、大径部５２及び小径部５３をこの順に有している。
フランジ部５１は、大径部５２の外周面よりも径方向外側に延びて形成されており、出力軸３５の出力端部３５ｃに着脱可能に固定されている。具体的には、フランジ部５１は、前記出力端部３５ｃに形成されたフランジ部３５ｃ１に当接した状態で、図示しないボルト及びナットにより当該フランジ部３５ｃ１に締結固定されている。

出力回転体６は、入力回転体５の径方向外側に同心上に配置されており、円筒部６１と、この円筒部６１の軸方向他端部（図３の右端部）に形成されたフランジ部６２とを有している。
フランジ部６２は、円筒部６１の外周面よりも径方向外側に延びて形成されており、駆動軸４１の一端部に着脱可能に固定されている。具体的には、フランジ部６２は、駆動軸４１の前記一端部に形成されたフランジ部４１ａに当接した状態で、図示しないボルト及びナットにより当該フランジ部４１ａに締結固定されている。
円筒部６１の内周面は円筒面とされており、円筒部６１の軸方向一端部（図３の左端部）の内周面と、入力回転体５の大径部５２の外周面との隙間には、円筒部６１と入力回転体５の小径部５３との間の環状空間を密封するための環状のシール部材１０が設けられている。

一方向クラッチ７は、入力回転体５と出力回転体６との間に配置されている。この一方向クラッチ７は、出力軸３５の回転を入力回転体５及び出力回転体６を介して駆動軸４１に断接可能に伝達するために設けられている。

一対の転がり軸受８は、入力回転体５の小径部５３と出力回転体６の円筒部６１との間にそれぞれ配置されており、入力回転体５及び出力回転体６を介して出力軸３５及び駆動軸４１を互いに相対回転可能に支持している。また、各転がり軸受８は、その軸方向端部に一方向クラッチ７の保持器７４の軸方向両端面にそれぞれ当接可能に、前記一方向クラッチ７の軸方向両側にそれぞれ隣接して配置されている。
転がり軸受８は、内輪８１と、外輪８２と、内輪８１及び外輪８２の間に転動可能に配置された複数の円筒ころ８３とを備えた円筒ころ軸受である。
内輪８１は、外周に形成された内輪軌道面８１ａと、この内輪軌道面８１ａの軸方向両側において径方向外側に向かって突出して形成された内輪鍔部８１ｂとを有している。各内輪鍔部８１ｂの内側面には、円筒ころ８３の両端面がそれぞれ摺接するようになっている。また、一方向クラッチ７に隣接する内輪鍔部８１ｂの外側面８１ｂ１は、一方向クラッチ７の保持器７４の軸方向端面である円環部７４ａの外側面が当接する当接面とされている。
出力回転体６における円筒部６１の軸方向両端部の領域Ａ及び領域Ｃは、転がり軸受８の外輪８２とされており、この領域Ａ，Ｃの各内周面に外輪８２の外輪軌道面８２ａが形成されている。この外輪軌道面８２ａと内輪軌道面８１ａとの間には、円筒ころ８３が転動可能に配置されている。

なお、本発明においては、入力回転体及び出力回転体は、それぞれ出力軸及び駆動軸と一体に形成されていてもよい。また、出力回転体は、入力回転体の径方向内側に配置されていてもよい。この場合、一方向クラッチは、外輪内周面をカム面とし、内輪外周面を円筒面とすればよい。さらにこの場合には、出力回転体の外周面に内輪外周面を形成し、出力回転体を内輪として兼用してもよい。
さらに、一方向クラッチ及び転がり軸受それぞれの外輪を出力回転体に対して別部材として設けてもよい。
また、入力回転体と出力回転体との間に配置される転がり軸受は、出力回転体を軸方向へ移動させるために円筒ころ軸受としているが、出力回転体を軸方向へ移動させない場合には玉軸受としてもよい。
なお、一方向クラッチの保持器は、転がり軸受の外輪を出力回転体に対して別部材として設け、この外輪に当接させてもよい。

（一方向クラッチの構成）
図３は、一方向クラッチ７を示す断面図である。図２及び図３において、一方向クラッチ７は、内輪７１及び外輪７２と、この内輪７１の外周面７１ａと外輪７２の内周面７２ａとの間に配置された係合子としての複数の円筒ころ７３とを備えている。
なお、以下において、内輪７１の外周面７１ａ及び外輪７２の内周面７２ａを、「内外輪７１，７２の軌道面７１ａ，７２ａ」と総称することもある。
内輪７１は、入力回転体５の小径部５３の軸方向中央部に外嵌して固定されており、小径部５３と一体回転するようになっている。出力回転体６における円筒部６１の軸方向中央部の領域Ｂは、一方向クラッチ７の外輪７２とされている。したがって、円筒部６１の領域Ｂの内周面に、前記内周面７２ａが形成されている。円筒ころ７３は、円柱形状であり、本実施形態では周方向に８つ配置されている。

一方向クラッチ７は、各円筒ころ７３を円周方向に沿って所定間隔毎に保持する環状の保持器７４と、各円筒ころ７３を一方向に弾性的に付勢する複数の弾性部材７５とをさらに備えている。
保持器７４は、軸方向に対向する一対の円環部７４ａと、両円環部７４ａの間で軸方向に延びかつ周方向等間隔に配列されて当該両円環部７４ａを連結する複数の柱部７４ｂとを有している。両円環部７４ａと隣接する柱部７４ｂとの間には複数のポケット７４ｃが形成されており、各ポケット７４ｃに各円筒ころ７３が個別に収容されている。
弾性部材７５は、圧縮コイルバネからなり、保持器７４の各ポケット７４ｃに個別に収容されて柱部７４ｂに取り付けられている。
内輪７１の外周面７１ａには、円筒ころ７３と同数（８つ）の平坦なカム面７１ａ１が形成されている。また、外輪７２の内周面７２ａは、円筒面とされている。内輪７１のカム面７１ａ１と外輪７２の円筒面との間には、空間（くさび状空間）Ｓが周方向に複数（８つ）形成されている。そして、円筒ころ７３は、各くさび状空間Ｓに個別に配置されており、弾性部材７５が円筒ころ７３をくさび状空間Ｓが狭くなる方向に付勢している。円筒ころ７３の外周面は、内輪７１のカム面７１ａ１及び外輪７２の円筒面に接触する接触面７３ａとなっており、この接触面７３ａは幅方向（軸方向）に真っ直ぐに形成されている。内輪７１及び外輪７２の間には、エステル化合物を基油とし、ウレア化合物を増ちょう剤として含む、温度変化に影響をうけにくい潤滑剤であるグリースが供給される。

このように構成された一方向クラッチ７では、入力回転体５が増速回転することにより、入力回転体５の回転速度が、出力回転体６の回転速度を上回る場合には、内輪７１が外輪７２に対して一方向（図３の反時計回り方向）に相対回転しようとする。この場合、弾性部材７５の付勢力により、円筒ころ７３が、くさび状空間Ｓが狭くなる方向へ僅かに移動する。そして、円筒ころ７３の接触面７３ａが内輪７１の外周面７１ａ及び外輪７２の内周面７２ａに圧接し、一方向クラッチ７は円筒ころ７３が内輪７１及び外輪７２の間に噛み合った状態となる。これにより、内輪７１及び外輪７２は前記一方向に一体回転可能となり、入力回転体５と出力回転体６とを一体回転可能に接続することができる。
また、入力回転体５が増速回転後に一定速回転となり、入力回転体５の回転速度が、出力回転体６の回転速度と同一になった場合には、円筒ころ７３が内輪７１及び外輪７２の間に噛み合った状態で保持される。このため、一方向クラッチ７は、内輪７１及び外輪７２の前記一方向への一体回転を維持し、入力回転体５及び出力回転体６は一体回転し続ける。
一方、入力回転体５が減速回転することにより、入力回転体５の回転速度が、出力回転体６の回転速度を下回る場合には、内輪７１が外輪７２に対して他方向（図４の時計回り方向）に相対回転しようとする。この場合には、弾性部材７５の付勢力に抗して、円筒ころ７３が、くさび状空間Ｓが広くなる方向へ僅かに移動することにより、円筒ころ７３と内輪７１及び外輪７２それぞれとの噛み合いが解除される。このように、円筒ころ７３の噛み合いが解除されることで、入力回転体５と出力回転体６との接続が遮断される。
このように、本実施形態に係る一方向クラッチ７は、入力回転体５の回転速度が出力回転体６の回転速度を上回る状態で、入力回転体５と出力回転体６とを一体回転可能に接続し、入力回転体５の回転速度が出力回転体６の回転速度を下回る状態で、入力回転体５と出力回転体６との接続を遮断するので、風力の低下により主軸２を介して出力軸３５の回転速度が急激に低下しても、発電機４のロータ４２の慣性による回転が駆動軸４１を介して出力軸３５に伝達されるのを防止することができるため、出力軸３５を支持しているころ軸受３８，３９に作用するラジアル荷重の減少及びこれに伴うころの自転遅れを抑制することができる。したがって、本実施形態に係る一方向クラッチ７によれば、この状態から風力の変化により主軸２の回転速度が急激に増加してころに高荷重がかかったときに、ころが回転輪との接触面で滑りにくくなるので、ころ軸受にスメアリングが発生するのを効果的に抑制することができる。
風力発電装置１においては、一般的に、当該風力発電装置１を構成する部材が大きいため、温度変化による伸縮量が大きくなる。
本実施形態に係る一方向クラッチ７では、玉軸受と異なり、軸方向に拘束されていない。すなわち、本実施形態に係る一方向クラッチ７では、図２に示されるように、入力回転体５の軸方向先端部５１ａと当該入力回転体５の軸方向先端部５１ａが対向する駆動軸４１の対向面４１ｂとの間には隙間Ｓ１が設けられている。また、出力回転体６の軸方向先端部６１ａと当該出力回転体６の軸方向先端部６１ａが対向する入力回転体５の対向面５１ｂとの間には隙間Ｓ２が設けられている。このように、本実施形態に係る一方向クラッチ７では、軸方向に隙間Ｓ１及びＳ２が設けられていることにより、内輪７１及び外輪７２の軸方向の相対移動が許容されている。
したがって、温度変化によって出力軸３５、駆動軸４１等が軸方向に伸縮して両軸の軸方向間隔が変動した場合、係合子（円筒ころ７３）が相対的に摺動又は係合する部分は、常温使用下での軌道面の位置と異なるものとなる。そこで、常温使用下での軌道面の位置だけでなく、想定される位置ずれ量も含む範囲で、入力回転体５又は出力回転体６が温度変化によって軸方向に伸縮したときに係合子（円筒ころ７３）が相対的に摺動又は係合する部分についても、熱処理を施し、前記部分の表面から２０μｍまでの部分のビッカース硬さを１０００〜１５００Ｈｖ、前記部分における内部硬さを５４ＨＲＣ以上とすることが好ましい。なお、前記位置ずれ量は、風力発電装置１が使用される環境温度、使用時の発電機の発熱量等から温度変化域（例えば、−４０〜６０℃）を想定し、当該温度変化域における各部材の伸縮量を実験や計算で求めることによって推定することができる。

本実施形態においては、一方向クラッチ７の円筒ころ７３、内輪７１及び外輪７２は、マルテンサイト系ステンレス鋼製の鋼材から得られた母材から構成されている。マルテンサイト系ステンレス鋼としては、例えば、ＳＵＳ４４０、ＳＡＥ５１４４０、ＡＩＳ４４０等が挙げられるが、本発明は、かかる例示のみに限定されるものではない。前記マルテンサイト系ステンレス鋼のなかでは、一方向クラッチの軌道面の硬さを確保する観点から、ＳＵＳ４４０が好ましく、ＳＵＳ４４０Ｃがより好ましい。

円筒ころ７３、内輪７１及び外輪７２は、マルテンサイト系ステンレス鋼製の鋼材に軟窒化処理が施された母材からなる。円筒ころ７３の係合面７３ａは、内輪７１及び外輪７２それぞれとの間で相対的に摺動又は係合する接触部である。また、内外輪７１，７２の軌道面７１ａ，７２ａは、円筒ころ７３との間で相対的に摺動又は係合する接触部である。

本実施形態においては、一方向クラッチ７の円筒ころ７３、内輪７１及び外輪７２のすべてがマルテンサイト系ステンレス鋼製の鋼材から得られた母材から構成されているが、本発明においては、円筒ころ７３、内輪７１及び外輪７２の少なくとも１つがマルテンサイト系ステンレス鋼製の鋼材から得られた母材から構成されていてもよい。十分な硬さを確保する観点から、少なくとも内輪７１がマルテンサイト系ステンレス鋼製の鋼材から得られた母材から構成されていればよく、円筒ころ７３、内輪７１及び外輪７２のすべてがマルテンサイト系ステンレス鋼製の鋼材から得られた母材から構成されていてもよい。

また、円筒ころ７３において、内輪７１及び外輪７２との間で相対的に摺動又は係合する接触部である係合面７３ａ並びに内輪７１及び外輪７２において、円筒ころ７３との間で相対的に摺動又は係合する接触部である軌道面７１ａ，７２ａそれぞれの表面から２０μｍまでの部分の硬さ（ビッカース硬さ）は、１０００Ｈｖ以上である。前記硬さは、風力発電装置に用いるのに十分な硬さを確保する観点から、好ましくは１０００〜１５００Ｈｖ以下である。前記硬さ（ビッカース硬さ）は、円筒ころ７３、内輪７１及び外輪７２それぞれの断面組織における接触部側から所定の深さにおける位置でＪＩＳ Ｚ ２２４４に準じて測定することによって得られた値である。
なお、本実施形態においては、係合面７３ａ及び軌道面７１ａ，７２ａのすべての表面硬さが１０００Ｈｖ以上とされているが、本発明においては、円筒ころ７３、内輪７１及び外輪７２のうち、マルテンサイト系ステンレス鋼製の鋼材から得られる母材から構成された部材の前記接触部の表面硬さのみが１０００Ｈｖ以上とされていてもよい。耐摩耗性を向上させる観点から、少なくとも内輪７１の軌道面７１ａの表面から２０μｍまでの部分の硬さ（ビッカース硬さ）が１０００Ｈｖ以上であればよく、円筒ころ７３の係合面７３ａ、内外輪７１，７２の両軌道面７１ａ，７２ａのすべての表面硬さが１０００Ｈｖ以上であってもよい。

さらに、円筒ころ７３において、内輪７１及び外輪７２それぞれとの間で相対的に摺動又は係合する接触部である係合面７３ａ、内輪７１及び外輪７２それぞれにおいて、円筒ころ７３との間で相対的に摺動又は係合する接触部である軌道面７１ａ，７２ａにおける内部硬さ（ロックウェルＣ硬さ）は、経年磨耗したときにも十分な硬さを確保する観点から、５４ＨＲＣ以上である。なお、前記内部硬さの上限は、通常、表面硬さ以下である。前記内部硬さは、円筒ころ７３、内輪７１及び外輪７２それぞれの断面組織における接触部側から所定の深さにおける位置でＪＩＳ Ｚ２２４５に準じて測定することによって得られた値である。
なお、本実施形態においては、係合面７３ａ及び軌道面７１ａ，７２ａにおける内部硬さが５４ＨＲＣ以上とされているが、本発明においては、円筒ころ７３、内輪７１及び外輪７２のうち、前記母材からなる部材の前記接触部の内部硬さのみが５４ＨＲＣ以上とされていてもよい。経年磨耗したときにも十分な硬さを確保する観点から、少なくとも内輪７１の軌道面７１ａの内部硬さが５４ＨＲＣ以上であればよく、円筒ころ７３の係合面７３ａ、内外輪７１，７２の両軌道面７１ａ，７２ａのすべての内部硬さが５４ＨＲＣ以上であってもよい。
本実施形態においては、係合子が円筒ころとされているが、本発明においては、係合子は、スプラグであってもよい。

本実施形態に係る一方向クラッチ７に用いられる円筒ころ７３、内輪７１及び外輪７２は、例えば、マルテンサイト系ステンレス鋼製の鋼材を用い、図４に示される各工程を含む方法を行なうことによって得ることができる。以下、本発明の一実施形態に係る一方向クラッチに用いられる係合子（円筒ころ７３）の製法を例として挙げて説明するが、本発明は、かかる例示のみに限定されるものではない
図４は、本発明の一実施形態に係る一方向クラッチに用いられる係合子（円筒ころ７３）の製法の一例を示す工程図である。

まず、マルテンサイト系ステンレス鋼製の鋼材からマルテンサイト系ステンレス鋼製の円柱状のワークＷ（図４（ａ）参照）を製造し、得られたワークＷに切削加工等を施して、所定形状に加工して、外周面１０１ａ及び端面１０１ｂ１，１０１ｂ２それぞれを形成する部分に研磨取代を有するころの素形材１０１を得る〔「前加工工程」、図４（ｂ）参照〕。

つぎに、素形材１０１における外周面１０１ａ及び端面１０１ｂ１，１０１ｂ２それぞれを形成する部分に対して研磨仕上げ加工を施すとともに、外周面１０１ａを形成する部分に対して超仕上げ加工をさらに施して、所定精度に仕上げる（「仕上げ加工工程」、図４（ｃ）参照）。

その後、前記仕上げ加工工程で得られた中間素材に対して、焼入れ処理を施す（「焼入れ工程」、図４（ｄ）参照）。かかる焼入れ処理は、例えば、中間素材を１０００〜１１００℃で５分間以上加熱し、急冷することによって行なわれる。
急冷は、冷却油の湯浴中における油冷によって行なわれる。

つぎに、焼入れ処理後の中間素材に対して、サブゼロ処理を施す（「サブゼロ処理工程」、図４（ｅ）参照）。かかるサブゼロ処理は、例えば、−８０〜−６０℃で５分間以上当該中間素材を冷却することによって行なわれる。

つぎに、サブゼロ処理後の中間素材に対して、焼戻し処理を施す（「焼戻し処理」、図４（ｆ）参照）。かかる焼戻し処理は、例えば、中間素材を、４００℃を超える温度、通常、４５０〜５５０℃で加熱することによって行なわれる。

つぎに、焼戻し処理後の中間素材１０２における外周面１０１ａを形成する部分の表面に生じた酸化被膜１０３を除去する（「表面酸化被膜除去処理」、図４（ｇ）参照）。
マルテンサイト系ステンレス鋼製の鋼材では、熱処理等によって当該鋼材の表面に酸化被膜が形成されることから、そのままでは、窒化処理によって当該鋼材の表面に窒化物からなる層を形成させることが困難である。そこで、上記のように、焼戻し処理後の中間素材１０２に対して表面酸化被膜除去処理を施すことによって、以降のガス軟窒化処理を効率よく行なうことができる。
中間素材１０２の表面からの酸化被膜１０３の除去は、例えば、中間素材１０２を還元ガス雰囲気中に静置することによって行なうことができる。還元ガスとしては、例えば、フッ化窒素等が挙げられるが、本発明は、かかる例示のみに限定されるものではない。

つぎに、表面酸化被膜除去処理後の中間素材１０４に対して、ガス軟窒化処理を施す（「ガス軟窒化工程」、図４（ｈ）参照）。
これにより、本実施形態に係る一方向クラッチ７の係合子である円筒ころ７３が得られる（図４（ｉ）参照）。かかる係合子は、マルテンサイト系ステンレス鋼製の鋼材に軟窒化が施された母材からなる。また、前記係合子の接触部の表面から２０μｍまでの部分のビッカース硬さは、１０００〜１５００Ｈｖであり、前記接触部の内部硬さは、５４ＨＲＣ以上である。

ガス軟窒化処理は、例えば、表面酸化被膜除去処理後の中間素材１０４を、ガス軟窒化雰囲気下に４００〜５００℃で加熱することによって行なわれる。加熱時間は適宜決定することができる。
従来、ガス軟窒化処理は、５８０℃前後の温度条件下に行なわれている。
しかし、本実施形態に係る製法では、鋼材として、他の鋼材と比べてクロム含有量が多いマルテンサイト系ステンレス鋼製の鋼材が用いられていることから、当該マルテンサイト系ステンレス鋼の組織中への窒化物の分散及び当該組織中における窒化物の析出が容易である。また、本実施形態に係る製法では、約５００℃までの温度で加熱しても組織変化を生じにくいマルテンサイト系ステンレス鋼製の鋼材が用いられているので、ガス軟窒化処理における加熱保持温度を５００℃以下とすることにより、組織変化を生じさせず、寸法及び硬さの変化を抑制することができる。
したがって、本実施形態に係る製法では、ガス軟窒化処理における加熱保持温度が５００℃未満とされているので、ガス軟窒化処理後に仕上げ加工を施さなくてもよく、製造工程を簡略化し、製造コストを低減させることができる。

ガス軟窒化処理に用いられる雰囲気ガスは、アンモニアガス、窒素ガス、水素ガス、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス等を含む混合ガスである。

なお、本実施形態においては、係合子の製法を例としてあげて説明したが、一方向クラッチ７の内輪７１及び外輪７２も同様の工程によって製造することができる。

以下に実施例等を挙げ、本発明を詳細に説明するが、本発明は、かかる実施例のみに限定されるものではない。

（実施例１）
マルテンサイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃ）製の鋼材を所定形状に加工して、一方向クラッチ７の外輪７２〔設計寸法（内径７５ｍｍ、厚さ１７５ｍｍ）〕用の素形材を得た。得られた素形材は、内周面を形成する部分に研磨取代を有する。つぎに、得られた素形材における内周面を形成する部分に対して研磨仕上げ加工を施した後、超仕上げ加工をさらに施して、所定精度に仕上げ、中間素材を得た。

得られた中間素材に対して、図５に示される熱処理等を施した。具体的には、中間素材を８４０℃で３０分間及び１０２０℃で４５分間加熱した後、油浴で急冷することによって焼入れ処理を行なった。つぎに、得られた中間素材を−７５℃で６０分間冷却するサブゼロ処理を行なった。その後、得られた中間素材を５２０℃で２時間加熱する焼戻し処理を行なった。得られた中間素材を還元ガス雰囲気中に静置することにより、前記中間素材における内周面を形成する部分の表面に生じた酸化被膜を除去した。つぎに、表面酸化被膜除去処理後の中間素材を、ガス軟窒化雰囲気中に４５０℃で８時間加熱するガス軟窒化処理を行なった。これにより、外輪を得た。なお、ガス軟窒化処理前後の外輪の寸法変化は、公差（±２０μｍ）未満であった。

（実施例２）
実施例１において、ガス軟窒化処理の際の加熱保持温度を４５０℃とし、かつ加熱保持時間を８時間とする代わりに、ガス軟窒化処理の際の加熱保持温度を５００℃とし、かつ加熱保持時間を３時間としたことを除き、実施例１と同様の操作を行ない、試験片（外輪）を得た。実施例２で行なった熱処理条件を図６に示す。なお、ガス軟窒化処理前後の外輪の寸法変化は、公差（±３０μｍ）未満であった。

（試験例１）
実施例１〜２で得られた試験片それぞれの断面組織を電子顕微鏡で観察した。また、実施例１〜２で得られた試験片それぞれの表面硬さ分布を調べた。表面硬さは、ＪＩＳ Ｚ ２２４４に準じて測定した。

さらに、実施例１〜２で得られた試験片それぞれの断面硬さ分布を調べた。断面硬さは、各試験片の断面組織を用い、ＪＩＳ Ｚ ２２４４に準じて測定した。

実施例１で得られた試験片の断面組織を観察した結果を図７、実施例１で得られた試験片の内周面の表面からの深さとビッカース硬さとの関係を調べた結果を図８、実施例２で得られた試験片の組織を観察した結果を図９、実施例２で得られた試験片の内周面の表面からの深さとビッカース硬さとの関係を調べた結果を図１０に示す。

本発明のように、表面酸化被膜除去処理を行ない、かつ加熱保持温度４５０℃でガス軟窒化処理を行なった実施例１（図７及び８参照）では、拡散層が見られ、表面から２０μｍまでの部分のビッカース硬さが１１３８〜１３４８Ｈｖであり、表面から５０μｍ以上の深さの部分における内部硬さが６５８Ｈｖ（約５８ＨＲＣ）以上であり、しかも表面（拡散層の上部）に化合物層がほとんど観察されないことがわかる。
また、本発明のように、表面酸化被膜除去処理を行ない、かつ加熱保持温度５００℃でガス軟窒化処理を行なった実施例２（図９及び１０参照）では、拡散層が見られ、表面から２０μｍまでの部分のビッカース硬さが１２０３〜１３７０Ｈｖ以上であり、内部硬さが５８０Ｈｖ（約５４ＨＲＣ）以上であり、しかも表面（拡散層の上部）に化合物層がほとんど観察されないことがわかる。

１：風力発電装置、３：増速機、４：発電機、５：入力回転体、６：出力回転体、７：一方向クラッチ、８：転がり軸受（円筒ころ軸受）、９：一方向クラッチユニット、３０：歯車機構（回転伝達機構）、３５：出力軸、３８：ころ軸受、４１：駆動軸、４２：ロータ、７１ａ：接触部（内輪外周面）、７２ａ：接触部（外輪内周面）、７３：ころ、Ｓ：空間（くさび状空間）

Claims (5)

1. 風力発電装置の増速機の出力軸に一体回転可能に設けられた入力回転体及び前記出力軸の回転が伝達される発電機の駆動軸に一体回転可能に設けられ、前記入力回転体の径方向内側又は径方向外側に同心上に配置された出力回転体のうちの一方の回転体側に設けられる内輪と、
   他方の回転体側に設けられかつ前記内輪の径方向外側に配置される外輪と、
   前記内輪及び外輪の両軌道面の間に形成された複数の空間に個別に配置された複数の係合子と、
   を有し、
   前記入力回転体の回転速度が前記出力回転体の回転速度を上回る状態で、前記係合子が前記内輪及び外輪の両軌道面に噛み合うことにより前記入力回転体と出力回転体とを一体回転可能に接続し、前記入力回転体の回転速度が前記出力回転体の回転速度を下回る状態で、前記噛み合いを解除することにより前記入力回転体と出力回転体との接続を遮断し、
   前記複数の係合子又は前記内輪及び外輪が、マルテンサイト系ステンレス鋼製の鋼材に軟窒化が施された母材からなり、当該母材における相手部材との間で相対的に摺動又は係合して接触する接触部の表面から２０μｍまでの部分のビッカース硬さが１０００〜１５００Ｈｖであり、
   前記係合子が円筒ころ又はスプラグであり、かつ前記入力回転体の軸方向先端部と当該入力回転体の軸方向先端部が対向する駆動軸の対向面との間及び前記出力回転体の軸方向先端部と当該出力回転体の軸方向先端部が対向する入力回転体の対向面との間それぞれに隙間が設けられていることにより、前記内輪及び外輪の軸方向の相対移動が許容されており、
   前記入力回転体又は出力回転体が温度変化によって軸方向に伸縮したときに前記係合子が相対的に摺動又は係合する部分の表面から２０μｍまでの部分のビッカース硬さが１０００〜１５００Ｈｖであることを特徴とする風力発電装置用の一方向クラッチ。
2. 前記接触部の内部硬さが５４ＨＲＣ以上である請求項１に記載の風力発電装置用の一方向クラッチ。
3. 前記接触部の表面から２０μｍまでの部分のビッカース硬さが１１５０〜１５００Ｈｖである請求項１又は２に記載の風力発電装置用の一方向クラッチ。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の風力発電装置用の一方向クラッチと、
   前記一方向クラッチに隣接し、風力発電装置の増速機の出力軸に一体回転可能に設けられた入力回転体と前記出力軸の回転が伝達される発電機の駆動軸に一体回転可能に設けられ、前記入力回転体の径方向内側又は径方向外側に同心上に配置された出力回転体との間に、当該入力回転体及び出力回転体を互いに相対回転可能に支持する転がり軸受と、
   を備えていることを特徴とする風力発電装置用の一方向クラッチユニット。
5. 前記転がり軸受が円筒ころ軸受である請求項４に記載の風力発電装置用の一方向クラッチユニット。