JP2008064248A - 転がり軸受用保持器、転がり軸受、および風力発電機の主軸支持構造 - Google Patents

Abstract

【課題】より多くの転動体を収容可能な転がり軸受用保持器を提供する。
【解決手段】転がり軸受用保持器１１は、隣接する転動体のピッチ円の外側に位置する第１の柱部１２と、隣接する転動体のピッチ円の内側に位置する第２の柱部１３と、転動体の公転軌道から外れた位置で第１の柱部１２と第２の柱部１３とを相互に連結する連結部１４とを有し、第１の柱部１２および第２の柱部１３の間には、転動体を受け入れる貫通孔１５が設けられている。そして、この転がり軸受用保持器１１は、隣接する転動体の間に配置される。
【選択図】図１

Description

この発明は、転がり軸受に関し、特に風力発電機の主軸のような長寿命を要求される環境下で使用される転がり軸受に関するものである。

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。

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円錐ころ軸受や、複数の自動調心ころ軸受等の転がり軸受が使用される。

転がり軸受は、一般的に内輪と、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、隣接する転動体の間隔を保持する保持器とを備える。そして、転がり軸受に採用される保持器の一例が、特開平１１−２８０７６９号公報（特許文献２）に記載されている。図１２を参照して、同公報に記載されている保持器１１１は、両端面に転動体１１２を受け入れる曲面１１１ａを有し、隣接する転動体１１２の間に配置される間座型保持器である。
特開２００５−２０７５１７号公報 特開平１１−２８０７６９号公報

近年、ブレードの大型化や風力発電機をより風速の強い場所へ設置する等、発電効率の向上のための取り組みがなされている。これに伴い、回転軸を支持する軸受に負荷される荷重も増大する。また、風力発電機用増速機は高所に設置されるため、さらなる信頼性の向上およびメンテナンス周期の延伸が望まれる。

そこで、転がり軸受の軸受サイズを維持したまま、定格荷重を向上させることが望まれる。転がり軸受の定格荷重を向上させる方法としては、例えば、収容可能な転動体の本数を増やすことが考えられる。

ここで、特開平１１−２８０７６９号公報（特許文献２）に記載されている転がり軸受において、収容可能な転動体１１２の本数を増やすためには、保持器１１１の厚み寸法を減ずる必要がある。しかし、製造上の観点から保持器１１１の最薄部の厚み寸法をあまり薄くすることはできない。なお、これは図１２に示す間座型保持器に限らず、他の形状の保持器にも当てはまる。

そこで、この発明の目的は、より多くの転動体を収容可能な転がり軸受用保持器、軸受サイズを維持したまま定格荷重を向上させた転がり軸受、およびこのような転がり軸受を採用した信頼性の高い風力発電機の主軸支持構造を提供することである。

この発明に係る転がり軸受用保持器は、隣接する転動体の間に配置される転がり軸受用保持器である。具体的には、ピッチ円の外側に位置する第１の柱部と、ピッチ円の内側に位置する第２の柱部と、転動体の公転軌道から外れた位置で第１の柱部と第２の柱部とを相互に連結する連結部とを有する。そして、第１の柱部および第２の柱部の間には、転動体を受け入れる貫通孔が設けられている。

上記構成の転がり軸受用保持器は、最薄部を含む領域に貫通孔を設けたので、保持器の厚み寸法を大幅に減ずることができる。これにより、隣接する転動体の間隔を小さくすることができるので、この転がり軸受用保持器を採用した転がり軸受は、より多くの転動体を収容することが可能となる。

一実施形態として、転がり軸受用保持器は、隣接する第１の柱部、および／または、隣接する第２の柱部を相互に連結するリング部をさらに有する。上記構成の保持器は、隣接する転動体の間に独立して配置される間座型保持器のほか、円弧形状の保持器セグメント、および円環形状の一体型保持器にも適用することができる。なお、本明細書中「リング部」とは、円環形状の部材だけでなく、円の一部を構成する円弧形状の部材をも含むものとする。

この発明に係る転がり軸受は、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、隣接する転動体の間に配置される保持器とを備える。保持器は、ピッチ円の外側に位置する第１の柱部と、ピッチ円の内側に位置する第２の柱部と、転動体の公転軌道から外れた位置で第１の柱部と第２の柱部とを相互に連結する連結部とを有する。そして、第１の柱部および第２の柱部の間には、前記転動体を受け入れる貫通孔が設けられている。

この発明に係る風力発電機の主軸支持構造は、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、内輪、外輪、内輪および外輪の間に配置される複数の転動体、および隣接する転動体の間に配置される保持器を有し、回転軸を回転自在に支持する転がり軸受とを備える。保持器は、ピッチ円の外側に位置する第１の柱部と、ピッチ円の内側に位置する第２の柱部と、転動体の公転軌道から外れた位置で第１の柱部と第２の柱部とを相互に連結する連結部とを有する。そして、第１の柱部および第２の柱部の間には、転動体を受け入れる貫通孔が設けられている。

上記構成の保持器を採用することにより、軸受サイズを維持したまま定格荷重の向上した転がり軸受を得ることができる。さらにこのような転がり軸受を採用することにより、長寿命で信頼性の高い風力発電機の主軸支持構造を得ることができる。

この発明によれば、保持器の最薄部を含む領域に貫通孔を設けたことにより、隣接する転動体の間隔を小さくすることができる。このような保持器を採用することにより、軸受サイズを維持したまま定格荷重を向上した転がり軸受、および長寿命で信頼性の高い風力発電機の主軸支持構造を得ることができる。

図１〜図３を参照して、この発明に係る転がり軸受用保持器１１，２１を説明する。なお、図１はこの発明の一実施形態に係る転がり軸受用保持器１１を示す図、図２は図１の変形例を示す図、図３は図１の転がり軸受用保持器を転がり軸受に組み込んだ状態を示す図である。

まず、図１を参照して、転がり軸受用保持器１１は、第１および第２の柱部１２，１３と、第１および第２の柱部１２，１３の長手方向両端部に両者を相互に連結する連結部１４とを備える。そして、第１および第２の柱部１２，１３および一対の連結部１４とに囲まれた領域には貫通孔１５が設けられている。

次に、図３を参照して、第１の柱部１２は、転動体１６のピッチ円（図３中の一点鎖線）の外側に配置され、両端面に転動体１６の曲率に沿う案内面１２ａを有している。この案内面１２ａは、転動体１６の回転を案内すると共に、保持器１１が径方向内側（図３中の下側）へ移動することにより発生する内輪との干渉を防止する。また、第２の柱部１３は、転動体１６のピッチ円の内側に配置されて、保持器１１が径方向外側（図３中の上側）へ移動することにより発生する外輪との干渉を防止する。なお、その他の構成は第１の柱部１２と同様であるので、説明は省略する。

さらに、転がり軸受用保持器１１は、隣接する転動体１６の間に配置されて隣接する転動体１６の間隔を保持する。なお、連結部１４（図３では図示省略）は、転動体１６の公転軌道から外れた位置に配置される。また、貫通孔１５は、転動体１６のピッチ円（図３の一転鎖線）を含む位置に配置されて左右の転動体１６を受け入れる。

上記構成の転がり軸受用保持器１１は、隣接する転動体１６の間隔が最も小さいピッチ円を含む領域に貫通孔１５を設けたので、転がり軸受用保持器１１の厚み寸法を削減することができる。その結果、隣接する転動体１６の間隔を小さくすることができるので、転がり軸受により多くの転動体１６を収容することができるようになる。

また、連結部１４を転動体１６の公転軌道から外れた位置に配置することにより、連結部１４を太くすることができる。その結果、厚み寸法を減じても転がり軸受用保持器１１に必要な剛性を確保することができる。

次に、図２を参照して、転がり軸受用保持器１１の変形例としての転がり軸受用保持器２１を説明する。なお、基本構成は転がり軸受用保持器１１と共通するので、共通点の説明は省略し、相違点を中心に説明する。

転がり軸受用保持器２１は、第１および第２の柱部２２，２３と、第１および第２の柱部２２，２３の長手方向一方側端部に両者を相互に接続する連結部２４とを備え、第１および第２の柱部２２，２３および連結部２４で囲まれた領域に貫通孔２５が形成されている櫛型保持器である。このように、連結部２４は、少なくとも第１および第２の柱部２２，２３の長手方向一方側に設ければよい。

ここで、連結部１４，２４は、転動体の公転軌道から外れた位置に配置される。したがって、図１に示すような転がり軸受用保持器１１を鍔部や案内輪（以下「鍔部等」という）を有する転がり軸受に組み込むと、連結部１４と鍔部等が干渉する可能性がある。そこで、鍔部等を有する転がり軸受には、一方側にのみ連結部２４を有する転がり軸受用２１を採用することにより、このような問題を解消することができる。

一方、図２に示すような転がり軸受用保持器２１は、軸受の回転に伴う遠心力によって変形しやすい。したがって、比較的高速回転する転がり軸受には図１に示すような転がり軸受用保持器１１が適している。

次に、図４〜図７を参照して、この発明に係る転がり軸受用保持器３１，４１，５１，６１を説明する。なお、図４はこの発明の他の実施形態に係る転がり軸受用保持器３１、図５〜図７は図４の変形例を示す図である。

まず、図４を参照して、転がり軸受用保持器３１は、隣接する転動体の間に配置される複数の第１の柱部３２および複数の第２の柱部３３と、第１および第２の柱部３２，３３の長手方向両端部に両者を相互に連結する連結部３４と、隣接する第１の柱部３２の長手方向両端部に両者を相互に連結する第１のリング部３６と、隣接する第２の柱部３３の長手方向両端部に両者を相互に連結する第２のリング部３７とを備える。そして、第１および第２の柱部３２，３３および連結部３４で囲まれた領域に貫通孔３５が形成されている。また、第１および第２の柱部３２，３３および第１および第２のリング部３６，３７は、転動体の公転軌道からは外れた位置に配置される。

この転がり軸受用保持器３１は、隣接する２つの第１の柱部３２および隣接する２つの第２の柱部３３で囲まれた空間に転動体を保持するポケットが形成されている。図４に示す実施形態においては、３つの第１柱部３２および３つの第２柱部３３によって２つのポケットが形成されている。また、この転がり軸受用保持器３１は軌道輪に沿う円弧形状の保持器セグメントであって、転がり軸受用保持器３１を円周方向に複数連ねて円環形状の保持器を構成する。

この発明は、上記構成の保持器セグメントに適用した場合でも、図１〜図３に示したような間座型保持器に適用した場合と同様の効果を得ることができる。なお、第１および第２の柱部３２，３３、連結部３４、および貫通孔３５の役割は、図１に示す転がり軸受用保持器１１と同様であるので、説明は省略する。

次に、図５〜図６を参照して、転がり軸受用保持器３１の変形例としての転がり軸受用保持器４１，５１，６１を説明する。なお、基本構成は転がり軸受用保持器３１と共通するので、共通点の説明は省略し、相違点を中心に説明する。

まず、図５を参照して、転がり軸受用保持器４１は、複数の第１および第２の柱部４２，４３と、第１および第２の柱部４２，４３を相互に連結すると共に、隣接する第１の柱部４２および隣接する第２の柱部４３を相互に連結する円弧形状の連結部４４とを備える。そして、第１および第２の柱部４２，４３および連結部４４とで囲まれた領域に貫通孔４５が形成されている。

図４および図５を比較して、転がり軸受用保持器３１は、第１および第２のリング部３６，３７と連結部３４とで囲まれた領域に軸方向に貫通する貫通孔が形成されている。これにより、ポケットに流入する潤滑油量が増加する。一方、転がり軸受４１は、連結部４４によって軸方向両端部が閉鎖されている。これにより、転がり軸受用保持器４１の剛性が向上する。したがって、転がり軸受用保持器３１は希薄潤滑環境下での使用に適し、転がり軸受用保持器４１は高負荷あるいは高速回転環境下での使用に適している。

次に、図６を参照して、転がり軸受用保持器５１は、図４に示す転がり軸受用保持器３１と同様の構成であって、リング部５６が隣接する第１の柱部５２の長手方向一方側端部にのみ設けられている。このように、図４に示す転がり軸受用保持器３１には、４箇所にリング部３６，３７が設けられているが、このうちの少なくとも１箇所に設ければ保持器セグメントを構成することができる。ただし、転がり軸受用保持器５１は、転がり軸受用保持器３１と比較して剛性が低下するので、高速回転および高負荷環境下での使用には適していない。

さらに、図７を参照して、転がり軸受用保持器６１は、図４に示す転がり軸受用保持器３１と同様の構成であって、第１および第２の柱部５２，５３の長手方向一方側にのみ両者を相互に連結する連結部５４が、隣接する第１の柱部５２の長手方向一方側にのみ第１のリング部５６が、隣接する第１の柱部５３の長手方向一方側にのみ第２のリング部５７がそれぞれ設けられている。

この転がり軸受用保持器６１は、転がり軸受用保持器３１と比較して鍔部等を有する転がり軸受にも適用可能であるという利点を有する。一方、転がり軸受用保持器３１と比較して剛性が低下するので、高速回転および高負荷環境下での使用には適していない。

なお、図４〜図７に示す転がり軸受用保持器３１，４１，５１，６１として、それぞれポケットを２個ずつ有する保持器セグメントの例を示したが、これに限ることなく、任意の個数のポケットを有する保持器セグメントであってよい。さらに、円環形状の一体型保持器であってもよい。

また、図２および図７に示す転がり軸受用保持器２１，６１には長手方向一方側に連結部が設けられていないので、貫通孔２５，６５は完全な孔となっていないが、この発明においては貫通孔に含めることとする。

次に、図８および図９を参照して、この発明に係る転がり軸受を説明する。なお、図８はこの発明の一実施形態に係る転がり軸受としての円錐ころ軸受７１を示す図、図９はこの発明の他の実施形態に係る転がり軸受としての自動調心ころ軸受８１を示す図である。

まず、図８を参照して、円錐ころ軸受７１は、軌道輪としての内輪７２および外輪７３と、内輪７２および外輪７３の間に配置される転動体としての複数の円錐ころ７４と、隣接する円錐ころ７４の間隔を保持する保持器７５とを備える。

内輪７２は、組立性の観点から２つの内輪部材７２ａ，７２ｂと、２つの内輪部材７２ａ，７２ｂの間に配置される間座７２ｃとで構成される。内輪部材７２ａは、１つの内輪軌道面７２ｄと、小鍔７２ｅと、大鍔７２ｆとを有する。内輪部材７２ｂも同様の構成である。そして、この内輪部材７２ａ，７２ｂは、間座７２ｃを挟んで互いの小鍔７２ｅを向かい合わせて配置することによって内輪７２を構成する。一方、外輪７３は、左右の内輪軌道面７２ｄそれぞれに対面する複列の外輪軌道面７３ａを有する一体型外輪である。

上記構成の円錐ころ軸受７１には、大鍔７２ｆとの干渉を防止するために図２および図７に示すような転がり軸受用保持器２１，６１が適している。

次に、図９を参照して、自動調心ころ軸受８１は、内輪８２と、外輪８３と、複数の球面ころ８４と、保持器８５とを備える。内輪８２は、その外径面に左右２列の内輪軌道面８２ａ，８２ｂを有する。外輪８３は、その内径面に内輪軌道面８２ａ，８２ｂ対面する球面形状の外輪軌道面８３ａを有する。球面ころ８４は、転動面８４ａが球の一部を構成する樽型の転動体であり、左右の軌道面それぞれに複数配置されている。

上記構成の自動調心ころ軸受８１には、図１〜図７に示すような全ての転がり軸受用保持器１１，２１，３１，４１，５１，６１，７１を採用することができる。ただし、左右の軌道面の間に案内輪を配置した場合には、案内輪との干渉を防止するために図２および図７に示すような転がり軸受用保持器２１，６１が適している。

次に図１０および図１１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９１を説明する。風力発電機９１は、支持台９２と、旋回座軸受９３と、ナセル９４と、ブレード９５と、回転軸としての主軸９６と、増速機９７と、発電機９８と、軸受ハウジング９９と、主軸支持用軸受１０２と、旋回用モータ１００と、減速機１０１とを備える。

ナセル９４は、支持台９２の上に旋回座軸受９３を介して設置されており、旋回用モータ１００および減速機１０１によって水平旋回自在となっている。また、風力発電機９１の主要部品である主軸９６、増速機９７、発電機９８、主軸支持用軸受９２、旋回用モータ１００、および減速機１０１等を収容するハウジングとして機能する。

ブレード９５は、主軸９６の一端に固定されて風を受けて回転する。主軸９６は、一端がブレード９５に他端が増速機９７にそれぞれ接続されて、ブレード９５の回転を増速機９７を介して発電機９８に伝達する。また、軸受ハウジング９９に組み込まれた主軸支持用軸受１０２によって、回転自在に支持されている。

この主軸支持用軸受１０２には、ブレード９５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９５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１０２として、図８に示すような円錐ころ軸受７１や図９に示すような複数の自動調心ころ軸受８１を採用する。これにより、ラジアル荷重、アキシアル荷重、およびモーメント荷重を適切に支持することができる。また、自動調心ころ軸受８１は調心性を有しており、回転軸の撓みやハウジングに対する取付誤差等によって内輪８２および外輪８３の間に傾きを生じる環境で使用する場合に有利である。

上記構成とすることにより、長寿命で信頼性の高い風力発電機９１の主軸支持構造を得ることができる。

なお、上記の各実施形態においては、転がり軸受として円錐ころ軸受７１および自動調心ころ軸受８１の例を示したが、これに限ることなく、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、あらゆる転がり軸受を採用することができる。

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９７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。

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、転がり軸受に有利に利用される。

この発明の一実施形態に係る転がり軸受用保持器を示す図である。 図１の変形例に係る転がり軸受用保持器を示す図である。 図１の転がり軸受用保持器を軸受に組み込んだ状態を示す図である。 この発明の他の実施形態に係る転がり軸受用保持器を示す図である。 図４の変形例に係る転がり軸受用保持器を示す図である。 図４の変形例に係る転がり軸受用保持器を示す図である。 図４の変形例に係る転がり軸受用保持器を示す図である。 この発明の一実施形態に係る転がり軸受を示す図である。 この発明の他の実施形態に係る転がり軸受を示す図である。 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１０に示す風力発電機の図解的側面図である。 従来の転がり軸受の部分拡大図である。

符号の説明

１１，２１，３１，４１，５１，６１ 転がり軸受用保持器、１２，２２，３２，４２，５２，６２ 第１の柱部、１３，２３，３３，４３，５３，６３ 第２の保持器、１４，２４，３４，４４，５４，６４ 連結部、１５，２５，３５，４５，５５，６５ 貫通孔、３６，３７，５６，６６ リング部、１６，１１２ 転動体、７１ 円錐ころ軸受、７２，８２ 内輪、７２ａ，７２ｂ 内輪部材、７２ｃ 間座、７２ｄ，８２ａ，８２ｂ 内輪軌道面、７２ｅ 小鍔、７２ｆ 大鍔、７３，８３ 外輪、７３ａ，８３ａ 外輪軌道面、７４ 円錐ころ、７５ 保持器、８１ 自動調心ころ軸受、８４ 球面ころ、８４ａ 転動面、 ９１ 風力発電機、９２ 支持台、９３ 旋回座軸受、９４ ナセル、９５ ブレード、９６ 主軸、９７ 増速機、９８ 発電機、９９ 軸受ハウジング、１００ 旋回モータ、１０１ 減速機、１０２ 主軸支持軸受、１１１ 保持器、１１１ａ 曲面。

Claims (4)

1. 隣接する転動体の間に配置される転がり軸受用保持器であって、
   ピッチ円の外側に位置する第１の柱部と、
   ピッチ円の内側に位置する第２の柱部と、
   転動体の公転軌道から外れた位置で前記第１の柱部と前記第２の柱部とを相互に連結する連結部とを有し、
   前記第１の柱部および前記第２の柱部の間には、転動体を受け入れる貫通孔が設けられている、転がり軸受用保持器。
2. 前記転がり軸受用保持器は、隣接する前記第１の柱部、および／または、隣接する前記第２の柱部を相互に連結するリング部をさらに有する、請求項１に記載の転がり軸受用保持器。
3. 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、
   隣接する前記転動体の間に配置される保持器とを備え、
   前記保持器は、
   ピッチ円の外側に位置する第１の柱部と、
   ピッチ円の内側に位置する第２の柱部と、
   前記転動体の公転軌道から外れた位置で前記第１の柱部と前記第２の柱部とを相互に連結する連結部とを有し、
   前記第１の柱部および前記第２の柱部の間には、前記転動体を受け入れる貫通孔が設けられている、転がり軸受。
4. 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、
   内輪、外輪、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、および隣接する前記転動体の間に配置される保持器を有し、前記回転軸を回転自在に支持する転がり軸受とを備え、
   前記保持器は、
   ピッチ円の外側に位置する第１の柱部と、
   ピッチ円の内側に位置する第２の柱部と、
   前記転動体の公転軌道から外れた位置で前記第１の柱部と前記第２の柱部とを相互に連結する連結部とを有し、
   前記第１の柱部および前記第２の柱部の間には、前記転動体を受け入れる貫通孔が設けられている、風力発電機の主軸支持構造。

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