風力発電機の主軸支持用ころ軸受および風力発電機の主軸支持構造
【課題】機能の低下を防止することのできる風力発電機の主軸支持用ころ軸受を提供する。
【解決手段】円錐ころ軸受３１は、円錐ころ３４を収容するポケットを有し、外輪３２および内輪３３の間で周方向に順次連ねて配置される複数の保持器セグメント１１a、１１ｄとを備える。保持器セグメント１１ａ、１１ｄは、熱による線膨張係数を低下させるために、炭素繊維、ガラス繊維またはカーボンブラックを２０重量％以上４０重量％以下含む樹脂製である。また、複数の保持器セグメント１１ａ、１１ｄを周方向に無間隙に配置した場合に、最初に配置される保持器セグメント１１ａと最後に配置される保持器セグメント１１ｄとの間にすき間３９を有する。ここで、室温において、すき間３９の周方向の寸法Ｒは、保持器セグメント１１ａ、１１ｄの中央を通る円の円周の０．０７５％よりも大きく、０．１２％よりも小さい。
【解決手段】円錐ころ軸受３１は、円錐ころ３４を収容するポケットを有し、外輪３２および内輪３３の間で周方向に順次連ねて配置される複数の保持器セグメント１１a、１１ｄとを備える。保持器セグメント１１ａ、１１ｄは、熱による線膨張係数を低下させるために、炭素繊維、ガラス繊維またはカーボンブラックを２０重量％以上４０重量％以下含む樹脂製である。また、複数の保持器セグメント１１ａ、１１ｄを周方向に無間隙に配置した場合に、最初に配置される保持器セグメント１１ａと最後に配置される保持器セグメント１１ｄとの間にすき間３９を有する。ここで、室温において、すき間３９の周方向の寸法Ｒは、保持器セグメント１１ａ、１１ｄの中央を通る円の円周の０．０７５％よりも大きく、０．１２％よりも小さい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、風力発電機の主軸支持用ころ軸受および主軸支持構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ころ軸受は、一般的には、外輪と、内輪と、外輪および内輪の間に配置される複数のころと、複数のころを保持する保持器とから構成される。保持器は通常、一体型、すなわち、環状の一つの部品で構成されている。
【０００３】
風を受けるためのブレードが取り付けられた風力発電機の主軸を支持するころ軸受については、大きな荷重を受ける必要があるため、ころ軸受自体も大型となる。そうすると、ころや保持器等、ころ軸受を構成する各構成部材も大型となり、部材の生産や組み立てが困難となる。このような場合、各部材を分割可能とすると、生産や組み立てが容易となる。
【０００４】
ここで、ころ軸受に含まれる保持器を軸受の回転軸線に沿う方向に延びる分割線によって分割した分割型の保持器に関する技術が、ヨーロッパ特許公報１４０８２４８Ａ２（特許文献１）に開示されている。図１０は、特許文献１に開示された分割型の保持器である保持器セグメントを示す斜視図である。図１０を参照して、保持器セグメント１０１ａは、ころを収容する複数のポケット１０４を形成するように軸受の回転軸線に沿う方向に延びる複数の柱部１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ、１０３ｅと、複数の柱部１０３ａ〜１０３ｅを連結するように周方向に延びる連結部１０２ａ、１０２ｂとを有する。
【０００５】
図１１は、図１０に示した保持器セグメント１０１ａを含む円錐ころ軸受の一部を示す断面図である。図１０および図１１を参照して、保持器セグメント１０１ａを含む円錐ころ軸受１１１の構成を説明すると、円錐ころ軸受１１１は、外輪１１２と、内輪１１３と、複数の円錐ころ１１４と、複数の円錐ころ１１４を保持する複数の保持器セグメント１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ等とを有する。複数の円錐ころ１１４は、最もころの挙動が安定する位置であるＰＣＤ（Ｐｉｔｃｈ Ｃｉｒｃｌｅ Ｄｉａｍｅｔｅｒ）１０５付近において、複数の保持器セグメント１０１ａ等によって保持されている。複数の円錐ころ１１４を保持する保持器セグメント１０１ａは、周方向において隣接する同一形状の保持器セグメント１０１ｂ、１０１ｃと、周方向のもっとも外側にある柱部１０３ａ、１０３ｅが当接するように連なって配置されている。複数の保持器セグメント１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ等が連なって、円錐ころ軸受１１１に組み込まれ、円錐ころ軸受１１１に含まれる一つの環状の保持器が形成される。
【特許文献１】ヨーロッパ特許公報１４０８２４８Ａ２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１によると、樹脂製の各保持器セグメントを周方向に連ねて配置したときに、最初の保持器セグメントと最後の保持器セグメントとの間に生じる最後のすき間の寸法を、保持器セグメントの中央を通る円の円周の０．１５％以上、かつ、１％未満としている。このように構成することにより、保持器セグメント同士が衝突した際の衝突音等を防止すると共に、熱膨張時における保持器セグメント同士の膠着を防止することにしている。なお、特許文献１においては、保持器セグメントを、ポリフェニルサルファイド（以下、「ＰＰＳ」と称する）やポリエーテルエーテルケトン（以下、「ＰＥＥＫ」と称する）から製造している。
【０００７】
ここで、周方向のすき間をこのような数値範囲としても、発明者が着眼した下記問題点に対応することはできない。図１２は、円錐ころ軸受１１１を、風力発電機の主軸を支持する軸受として使用する場合の円錐ころ軸受１１１の一部を示す概略断面図である。なお、理解の容易の観点から、保持器セグメント１０１ａ、１０１ｃ間に生ずるすき間１１５を、誇張して大きく図示している。
【０００８】
図１２を参照して、円錐ころ軸受１１１に支持される風力発電機の主軸１１０は、横軸で使用される。円錐ころ軸受１１１の使用時において、保持器セグメント１０１ａ〜１０１ｃは、例えば、図１２中の矢印で示す方向に公転運動を行なう。保持器セグメント１０１ａ〜１０１ｃの公転運動は、各保持器セグメント１０１ａ〜１０１ｃが隣接する保持器セグメント１０１ａ〜１０１ｃを矢印の方向に順次押すように行われる。この場合、例えば、図１２中のＸＩＩで示す部分において円錐ころや保持器セグメント１０１ａが自由落下してしまうことになる。そうすると、保持器セグメント１０１ａ、１０１ｃ同士が衝突して、保持器セグメント１０１ａ、１０１ｃの変形や端面の摩耗、衝突音等が発生し、円錐ころ軸受１１１の機能を大きく低下させる恐れがある。
【０００９】
円錐ころ軸受１１１を風力発電機の主軸１１０を支持する軸受として使用する場合、保持器セグメント１０１ａ〜１０１ｃ自体も大型となるため、自由落下時の衝突による問題は大きい。したがって、上記に規定したすき間の寸法では不十分であり、周方向のすき間をさらに小さくする必要がある。しかし、樹脂製の保持器セグメントでは、熱膨張の影響もあり、周方向のすき間の寸法を小さくするにも限界がある。
【００１０】
この発明の目的は、機能の低下を防止することができる風力発電機の主軸支持用ころ軸受を提供することである。
【００１１】
この発明の他の目的は、機能の低下を防止することができる風力発電機の主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】
【００１２】
この発明に係るころ軸受は、風力発電機の主軸を回転可能に支持するものであって、外輪と、内輪と、外輪および内輪の間に配置される複数のころと、ころを収容するポケットを有し、外輪および内輪の間で周方向に順次連ねて配置される複数の保持器セグメントとを備える。保持器セグメントは、熱による線膨張係数を低下させるために、炭素繊維、ガラス繊維およびカーボンブラックからなる群から選ばれた充填材を２０重量％以上４０重量％以下含む樹脂製である。また、複数の保持器セグメントを周方向に無間隙に配置した場合に、最初に配置される保持器セグメントと最後に配置される保持器セグメントとの間にすき間を有する。ここで、室温において、すき間の周方向の寸法は、保持器セグメントの中央を通る円の円周の０．０７５％よりも大きく、０．１２％よりも小さい。
【００１３】
このように、樹脂製保持器セグメントが、炭素繊維またはガラス繊維のうちの少なくともいずれか一方を２０重量％以上４０重量％以下含むようにすることにより、保持器セグメントの熱膨張による寸法変化を小さくすることができる。そうすると、保持器セグメント間に生ずる周方向のすき間を、特許文献１に規定する範囲よりも小さくすることができる。
【００１４】
ここで、円錐ころ軸受に備えられる外輪や内輪、円錐ころ等の軸受構成部材は、一般的には肌焼鋼等のような鋼製である。このような外輪等の軸受構成部材も、温度変化により熱膨張する。ここで、保持器セグメントの熱による線膨張係数と軸受構成部材の熱による線膨張係数とを考慮すると、実使用状況において、室温における周方向のすき間の寸法を保持器セグメントの中央を通る円の円周の０．０７５％まで小さくすることができる。すなわち、周方向のすき間を円周の０．０７５％よりも大きくすることにより、すき間の周方向の寸法が負になって保持器セグメント同士が突っ張りあい、膠着する状態を回避することができる。
【００１５】
また、上記した用途に使用される円錐ころ軸受において、複数の保持器セグメントによって構成される保持器は、耐久性、信頼性向上の観点から安全率を大きくすることが好ましい。保持器の安全率は、周方向のすき間の寸法を小さくするほどその値が大きくなる。保持器の安全率は、保持器セグメントの材質の疲労強度および保持器セグメントに発生する応力等の観点から、４．０以上が要求される。ここで、室温におけるすき間の周方向の寸法を保持器セグメントの中央を通る円の円周の０．１２％よりも小さくすることにより、安全率を４．０以上に確保することができる。そうすると、上記した問題も含め、保持器セグメント同士の衝突等による強度的な不具合を回避することができる。
【００１６】
このように保持器セグメントの材質を、熱による線膨張係数を低下させる充填材を含む樹脂製として、保持器セグメント間の周方向のすき間を上記した範囲とすることにより、保持器セグメント同士の衝突による強度的な不具合等や、保持器セグメント同士の周方向の突っ張りあいによる変形等を防止することができる。したがって、このような保持器セグメントを備えるころ軸受の機能の低下を防止することができる。
【００１７】
ここで、保持器セグメントとは、一つの環状の保持器を、少なくともころを収容する１つのポケットを有するように、軸受の回転軸線に沿う方向に延びる分割線によって分割した単位体である。また、最初の保持器セグメントとは、保持器セグメントを周方向に順次連ねて配置する際に、最初に配置される保持器セグメントをいい、最後の保持器セグメントとは、隣接する保持器セグメントを当接させ、周方向に順次連ねて配置していった際に、最後に配置される保持器セグメントをいう。複数の保持器セグメントが周方向に連なってころ軸受に組み込まれ、一つの環状の保持器を構成する。
【００１８】
好ましくは、保持器セグメントを形成する樹脂は、ＰＥＥＫである。ＰＥＥＫは、他の樹脂と比較して熱膨張係数が低く、容易に充填材を含ませて熱膨張係数を低下させることができる。
【００１９】
さらに好ましくは、樹脂の熱による線膨張係数は、１．３×１０−５／℃以上１．７×１０−５／℃以下である。軸受を構成する外輪等の部材には、一般的には肌焼鋼等の鋼が使用される。このような鋼の熱による線膨張係数は、１．１２×１０−５／℃程度である。したがって、樹脂の熱による線膨張係数を上記範囲とすることにより、実使用状況において外輪等の軸受構成部材との熱による線膨張係数の差を許容することができる。なお、上記したＰＥＥＫの熱による線膨張係数は、約４．７×１０−５／℃であり、ＰＰＳの熱による線膨張係数は、約５．０×１０−５／℃である。
【００２０】
樹脂中の充填材の充填比率は、２０重量％以上４０重量％以下である。樹脂中の充填材の充填比率を上記範囲とすることにより、充填材の充填による他の不具合を発生させることなく、樹脂の熱膨張係数を大きく低下させることができる。
【００２１】
さらに好ましくは、ころは、円錐ころである。上記した風力発電機の主軸等に使用されるころ軸受は、大きなモーメント荷重やスラスト荷重、ラジアル荷重等を受ける必要がある。ここで、ころを円錐ころとすることにより、大きなモーメント荷重等を受けることができる。
【００２２】
この発明のさらに他の局面においては、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ころ軸受とを含む。ころ軸受は、外輪と、内輪と、外輪および内輪の間に配置される複数のころと、ころを収容するポケットを有し、外輪および内輪の間で周方向に順次連ねて配置される複数の保持器セグメントとを備える。保持器セグメントは、熱による線膨張係数を低下させるために、炭素繊維、ガラス繊維およびカーボンブラックからなる群から選ばれた充填材を２０重量％以上４０重量％以下含む樹脂製である。複数の保持器セグメントを周方向に無間隙に配置した場合に、最初に配置される保持器セグメントと最後に配置される保持器セグメントとの間にすき間を有する。ここで、室温において、すき間の周方向の寸法は、保持器セグメントの中央を通る円の円周の０．０７５％よりも大きく、０．１２％よりも小さい。
【００２３】
このような風力発電機の主軸支持構造は、軸受の機能の低下を防止したころ軸受を含むため、風力発電機の主軸支持構造自体の機能の低下を防止することができる。
【発明の効果】
【００２４】
この発明によれば、樹脂製保持器セグメントが、充填材として炭素繊維、ガラス繊維またはカーボンブラックを２０重量％以上４０重量％以下含むようにして、保持器セグメント間の周方向のすき間を上記した範囲とすることにより、保持器セグメント同士の衝突による強度的な不具合等や、保持器セグメント同士の周方向の突っ張りあいによる変形等を防止することができる。したがって、このような保持器セグメントを備える風力発電機の主軸支持用ころ軸受の機能の低下を防止することができる。
【００２５】
また、このような風力発電機主軸支持用ころ軸受の保持器セグメントは、風力発電機主軸支持用ころ軸受を構成する外輪等の軸受構成部材との熱による線膨張係数の差を小さくすることができるため、温度変化による周方向のすき間の寸法の変化を小さくすることができる。そうすると、保持器セグメント間の周方向のすき間を小さくし、設定した範囲内に維持することができる。したがって、このような保持器セグメントを備えるころ軸受の機能の低下を防止することができる。
【００２６】
また、このような風力発電機の主軸支持構造は、機能の低下を防止したころ軸受を含むため、風力発電機の主軸支持構造自体の機能の低下を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、この発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図２は、この発明の一実施形態に係る円錐ころ軸受に備えられる風力発電機主軸支持用ころ軸受の保持器セグメント１１ａを示す斜視図である。図３は、図２に示す保持器セグメント１１ａを、図２中の線ＩＩＩ−ＩＩＩを含み、軸受の回転軸線に直交する平面で切断した場合の断面図である。図４は、図２に示す保持器セグメント１１ａを、柱部１４ａの中央を通り、円周方向に直交する平面で切断した場合の断面図である。なお、理解の容易の観点から、図３および図４において、保持器セグメント１１ａが保持する複数の円錐ころ１２ａ、１２ｂ、１２ｃを点線で示している。また、一点鎖線でＰＣＤ２２を示す。
【００２８】
図２〜図４を参照して、まず、円錐ころ軸受に含まれる保持器セグメント１１ａの構成について説明する。保持器セグメント１１ａは、一つの環状の保持器を、少なくともころを収容する一つのポケットを有するように、軸受の回転軸線に沿う方向に延びる分割線によって分割した形状である。保持器セグメント１１ａは、円錐ころ１２ａ、１２ｂ、１２ｃを収容するポケット１３ａ、１３ｂ、１３ｃを形成するように、軸受の回転軸線に沿う方向に延びる４つの柱部１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄと、軸方向の両端に位置し、４つの柱部１４ａ〜１４ｄを連結するように周方向に延びる一対の連結部１５ａ、１５ｂとを含む。ここで、保持器セグメント１１ａは、その周方向外側の端部に柱部１４ａ、１４ｄが位置するよう構成されている。
【００２９】
一対の連結部１５ａ、１５ｂは、複数の保持器セグメント１１ａが円錐ころ軸受に組み込まれた際に、周方向に連なって一つの環状の保持器を形成するように、周方向において所定の曲率半径を有している。一対の連結部１５ａ、１５ｂのうち、円錐ころ１２ａ〜１２ｃの小径側に位置する連結部１５ａの曲率半径は、円錐ころ１２ａ〜１２ｃの大径側に位置する連結部１５ｂの曲率半径よりも小さく構成されている。
【００３０】
ポケット１３ａの周方向両側に位置する柱部１４ａ、１４ｂおよびポケット１３ｃの周方向両側に位置する柱部１４ｃ、１４ｄのうち、柱部１４ａ〜１４ｄの側壁面の内径側には、保持器セグメント１１ａの径方向外側への移動を規制する内径側の案内爪１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄが設けられている。案内爪１７ａ〜１７ｄは、ポケット１３ａ、１３ｃに収容された円錐ころ１２ａ、１２ｃと内径側で接触する。また、ポケット１３ｂの周方向両側に位置する柱部１４ｂ、１４ｃのうち、柱部１４ｂ、１４ｃの側壁面の外径側には、保持器セグメント１１ａの径方向内側への移動を規制する外径側の案内爪１８ｂ、１８ｃが設けられている。案内爪１８ｂ、１８ｃは、ポケット１３ｂに収容された円錐ころ１２ｂと外径側で接触する。各案内爪１７ａ〜１７ｄ、１８ｂ、１８ｃは、ポケット１３ａ〜１３ｃ側に突出した形状である。また、図３に示す断面において、各案内爪１７ａ〜１７ｄ、１８ｂ、１８ｃの案内面は、断面円弧状であって、円錐ころ１２ａ〜１２ｃの転動面に沿う形状である。このように内径側および外径側の案内爪１７ａ〜１７ｄ、１８ｂ、１８ｃを設けることにより、保持器セグメント１１ａを案内爪１７ａ〜１７ｄ、１８ｂ、１８ｃの案内面に接触させて、ころ案内とすることができる。なお、周方向外側に位置する柱部１４ａ、１４ｄの周方向外側の端面２１ａ、２１ｂは、平らである。
【００３１】
ここで、保持器セグメント１１ａは、熱による線膨張係数を低下させる充填材を含む樹脂製である。こうすることにより、後述するように風力発電機主軸支持用ころ軸受を構成する外輪等の軸受構成部材との熱による線膨張係数の差を小さくすることができるため、温度変化による周方向のすき間の寸法の変化を小さくすることができる。
【００３２】
なお、樹脂は、ＰＥＥＫとすることが好ましい。ＰＥＥＫ自体の熱による線膨張係数は、４．７×１０−５／℃程度であり、他の樹脂素材と比較して熱による線膨張係数が低いため、充填材を含ませて熱による線膨張係数を低下させることが容易になる。
【００３３】
また、充填材は、少なくとも炭素繊維またはガラス繊維のいずれかを含むよう構成することが好ましい。このような充填材は、繊維状であるため、効率的に熱による線膨張係数、すなわち、熱膨張係数を低下させることができる。
【００３４】
なお、樹脂の熱による線膨張係数は、１．３×１０−５／℃以上１．７×１０−５／℃以下であることが好ましい。軸受を構成する外輪等の軸受構成部材には、一般的には肌焼鋼等の鋼が使用される。このような鋼の熱による線膨張係数は、１．１２×１０−５／℃程度である。したがって、樹脂の熱による線膨張係数を上記範囲とすることにより、実使用状況において外輪等の軸受構成部材との熱による線膨張係数の差を許容することができる。
【００３５】
また、樹脂中の充填材の充填比率は、２０重量％以上４０重量％以下であることが好ましい。こうすることにより、充填材の充填による他の不具合、例えば、充填量過多による強度不足を発生させることなく、樹脂の熱膨張係数を大きく低下させることができる。
【００３６】
なお、保持器セグメント１１ａは、一つの円錐ころ軸受に複数備えられるため、生産性の向上が要求されるが、このように構成することにより、射出成形等によって、大量に同形状の保持器セグメントを製造することが容易になる。
【００３７】
ここで、保持器セグメント１１ａは、具体的には、充填材として炭素繊維を３０重量％含み、線膨張係数が１．５×１０−５／℃であるＰＥＥＫ製であることが好ましい。このような保持器セグメント１１ａは、熱による線膨張係数が４．７×１０−５／℃であるＰＥＥＫ製の保持器セグメントや、熱による線膨張係数が５．０×１０−５／℃であるＰＰＳ製の保持器セグメントと、熱による線膨張係数において大きく異なるものである。
【００３８】
次に、上記した保持器セグメント１１ａを含む円錐ころ軸受の構成について説明する。図５は、複数の保持器セグメント１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ等を周方向に配置させた円錐ころ軸受３１を、軸方向から見た概略断面図である。また、図６は、図５中においてＶＩで示す部分の拡大断面図である。ここで、保持器セグメント１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは、保持器セグメント１１ａと同一形状および同一素材であるため、その説明を省略する。なお、図５においては、保持器セグメント１１ａ等に保持される円錐ころを省略している。また、ここでは、複数の保持器セグメント１１ａ〜１１ｄのうち、最初に配置される保持器セグメントを保持器セグメント１１ａとし、最後に配置される保持器セグメントを保持器セグメント１１ｄとする。
【００３９】
図５および図６を参照して、円錐ころ軸受３１は、外輪３２と、内輪３３と、複数の円錐ころ３４と、複数の保持器セグメント１１ａ〜１１ｄとを備える。保持器セグメント１１ａ〜１１ｄは、周方向において、順次連ねられて無間隙に配置される。ここでは、まず、最初に保持器セグメント１１ａが配置され、次に、保持器セグメント１１ｂが保持器セグメント１１ａと当接するように、具体的には、保持器セグメント１１ａの端面２１ａと保持器セグメント１１ｂの端面２１ｃとが当接するように配置される。その後、保持器セグメント１１ｃが保持器セグメント１１ｂと当接するように、具体的には、保持器セグメント１１ｂの端面２１ｄと保持器セグメント１１ｃの端面２１ｅとが当接するように配置され、順次、保持器セグメントが配置されていき、最後に、保持器セグメント１１ｄが配置される。このようにして、周方向に連ねられて、保持器セグメント１１ａ〜１１ｄが配置される。この場合、最初の保持器セグメント１１ａと最後の保持器セグメント１１ｄとの間には、周方向のすき間３９を有する。
【００４０】
次に、最初の保持器セグメント１１ａと最後の保持器セグメント１１ｄとの間の周方向のすき間について説明する。図１は、図５においてＩで示す部分の拡大断面図である。ここで、すき間３９の周方向の寸法Ｒを、保持器セグメント１１ａ〜１１ｄの中央を通る円の円周の０．０７５％よりも大きく、かつ、０．１２％よりも小さくする。この場合、すき間３９の周方向の寸法Ｒが上記範囲となるように、各保持器セグメント１１ａ〜１１ｄの周方向の長さをそれぞれ調整することにしてもよいし、保持器セグメント１１ａ〜１１ｃを順次配置していき、最後の保持器セグメント１１ｄを配置する際に、その端面２１ｆを削って寸法を調整し、上記範囲となるようにしてもよい。
【００４１】
図７は、すき間３９の比率と保持器の安全率の関係を示すグラフである。図１および図７を参照して、複数の保持器セグメント１１ａ〜１１ｄによって構成される保持器の安全率は、保持器セグメント１１ａ〜１１ｄの材質の疲労強度および保持器セグメント１１ａ〜１１ｄに発生する応力等の観点から、４．０以上が要求される。ここで、すき間３９の周方向の寸法を円周の０．１２％よりも小さくすることにより、安全率を４．０以上に確保することができる。そうすると、保持器セグメント１１ａ〜１１ｄ同士の衝突等による強度的な不具合を回避することができる。
【００４２】
ここで、上記した保持器セグメント１１ａの線膨張係数Ｋｂは、１．５×１０−５／℃程度である。一方、軸受構成部材である外輪等は肌焼鋼であり、その線膨張係数Ｋａは、１．１２×１０−５／℃程度である。ここで、温度上昇をΔｔとし、温度上昇時における各部材の膨張量の差をδとすると、膨張量の差δは、数１の式によって表される。
【００４３】
【数１】
【００４４】
この場合、仮に保持器セグメント１１ａのみが５０℃上昇していた場合であっても、膨張量の差δは、０．０７５％となる。また、焼き嵌めで円錐ころ軸受をΔｔ＝１００℃に加熱した場合であっても、膨張量の差δは、０．０３５％となる。したがって、実使用状況において、０．０７５％よりも大きくすることにより、外輪３２や内輪３３等の軸受構成部材と保持器セグメント１１ａ〜１１ｄとの熱膨張の差を許容することができる。そうすると、すき間３９の周方向の寸法が負になって保持器セグメント１１ａ〜１１ｄ同士が突っ張る状態を回避することができる。そうすると、保持器セグメント１１ａ〜１１ｄの突っ張りあいによる変形を防止することができる。
【００４５】
以上より、保持器セグメント１１ａ〜１１ｄの材質を、熱による線膨張係数を低下させる充填材を含む樹脂製として、保持器セグメント１１ａ〜１１ｄ間の周方向のすき間３９を上記した範囲とすることにより、保持器セグメント１１ａ〜１１ｄ同士の衝突による強度的な不具合等や、保持器セグメント１１ａ〜１１ｄ同士の周方向の突っ張りあいによる変形等を防止することができる。したがって、このような保持器セグメント１１ａ〜１１ｄを備える円錐ころ軸受３１の機能の低下を防止することができる。
【００４６】
また、このような保持器セグメント１１ａ〜１１ｄは、円錐ころ軸受３１を構成する外輪３２等の軸受構成部材と熱による線膨張係数の差を小さくすることができるため、温度変化による周方向のすき間３９の寸法の変化を小さくすることができる。そうすると、保持器セグメント１１ａ〜１１ｄ間の周方向のすき間３９を設定した範囲内に維持することができる。したがって、このような保持器セグメント１１ａ〜１１ｄを備える円錐ころ軸受３１の機能の低下を防止することができる。
【００４７】
なお、上記の実施の形態において、最初の保持器セグメント１１ａと最後の保持器セグメント１１ｄとの間に、周方向のすき間３９の寸法Ｒを調整する間座を、最後の保持器セグメント１１ｄに当接するように配置することにしてもよい。この場合、間座と最初の保持器セグメント１１ａとの間にすき間３９が生ずることになる。このように構成することにより、最初の保持器セグメント１１ａと最後の保持器セグメント１１ｄと周方向のすき間３９の寸法を上記範囲とすることが、より容易になる。なお、この場合、間座は保持器セグメントと解釈すべきである。また、このような間座の周方向の寸法は、各保持器セグメント１１ａ〜１１ｄが連なる周方向の寸法において微小であるため、保持器セグメント１１ａ〜１１ｄと同じ素材であってもよいし、金属製であってもよいし、単なる樹脂製であってもよい。
【００４８】
図８および図９は、この発明の一実施形態に係る円錐ころ軸受を主軸支持軸受７５として適用した、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７２のケーシング７３は、高い位置で、旋回座軸受７１を介して支持台７０上に水平旋回自在に設置されている。風力を受けるブレード７７を一端に固定する主軸７６は、ナセル７２のケーシング７３内で、軸受ハウジング７４に組み込まれた主軸支持軸受７５を介して、回転自在に支持されている、主軸７６の他端は増速機７８に接続され、この増速機７８の出力軸が発電機７９のロータ軸に結合されている。ナセル７２は、旋回用モータ８０により、減速機８１を介して任意の角度に旋回させられる。
【００４９】
軸受ハウジング７４に組み込まれた主軸支持軸受７５は、この発明の一実施形態に係る円錐ころ軸受であって、外輪と、内輪と、外輪および内輪の間に配置される複数の円錐ころと、円錐ころを収容するポケットを有し、外輪および内輪の間で周方向に順次連ねて配置される複数の保持器セグメントとを備える。保持器セグメントは、熱による線膨張係数を低下させる充填材を含む樹脂製である。複数の保持器セグメントを周方向に無間隙に配置した場合に、最初に配置される保持器セグメントと最後に配置される保持器セグメントとの間にすき間を有する。ここで、室温において、すき間の周方向の寸法は、保持器セグメントの中央を通る円の円周の０．０７５％よりも大きく、０．１２％よりも小さい。
【００５０】
主軸支持軸受７５は、大きな風力を受けるブレード７７を一端に固定する主軸７６を支持するため、大きなモーメント荷重やスラスト荷重、ラジアル荷重等を受ける必要がある。ここで、ころを円錐ころとすることにより、大きなモーメント荷重等を受けることができる。
【００５１】
また、このような風力発電機の主軸支持構造は、機能の低下を防止した円錐ころ軸受を含むため、風力発電機の主軸支持構造自体の機能の低下を防止することができる。
【００５２】
なお、上記の実施の形態においては、室温において、すき間の周方向の寸法を、保持器セグメントの中央を通る円の円周の０．０７５％よりも大きく、０．１２％よりも小さくすることにしたが、さらには、保持器セグメントの中央を通る円の円周の０．０７５％よりも大きく、０．１０％よりも小さくすることにしてもよい。こうすることにより、保持器の安全率をより高くすることができるため、さらに衝突による変形等を低減することができる。
【００５３】
また、上記の実施の形態においては、保持器セグメントの素材として、樹脂中に含まれる充填材を炭素繊維のみからなる構成としたが、これに限らず、充填材をガラス繊維のみとしてもよい。さらには、充填材を炭素繊維またはガラス繊維のいずれをも含む構成としてもよい。また、カーボンブラック等の粉末状の充填材や粒状の充填材を含む構成としてもよい。
【００５４】
なお、上記の実施の形態においては、保持器セグメントに収容されるころとして、円錐ころを用いたが、これに限らず、円筒ころや針状ころ、棒状ころ等を用いてもよい。
【００５５】
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】
【００５６】
この発明に係るころ軸受は、機能の低下の防止が要求される風力発電機の主軸支持構造に、有効に利用される。
【００５７】
また、この発明に係る風力発電機の主軸支持構造は、機能の低下の防止が要求される場合に、有効に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】この発明の一実施形態に係る円錐ころ軸受のうち、最初の保持器セグメントと最後の保持器セグメントの間のすき間を示す拡大断面図である。
【図２】この発明の一実施形態に係る円錐ころ軸受に含まれる保持器セグメントの斜視図である。
【図３】図２に示す保持器セグメントを、図２中の線ＩＩＩ−ＩＩＩを含み、軸受の回転軸線に直交する平面で切断した場合の断面図である。
【図４】図２に示す保持器セグメントを、柱部の中央を通り、円周方向に直交する平面で切断した場合の断面図である。
【図５】複数の保持器セグメントを周方向に配置した場合の円錐ころ軸受の概略断面図である。
【図６】隣接する保持器セグメントを示す拡大断面図である。
【図７】保持器安全率と周方向のすき間との関係を示すグラフである。
【図８】この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９】図８に示す風力発電機の主軸支持構造の図解的側面図である。
【図１０】従来における保持器セグメントの斜視図である。
【図１１】図１０に示す保持器セグメントを備える円錐ころ軸受の一部を、軸受の転動軸線に直交する平面で切断した場合の断面図である。
【図１２】図１０に示す保持器セグメントを備える円錐ころ軸受を、軸受の転動軸線に直交する平面で切断した場合の概略断面図である。
【符号の説明】
【００５９】
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ 保持器セグメント、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，３４ 円錐ころ、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ ポケット、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ 柱部、１５ａ，１５ｂ 連結部、１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１８ｂ，１８ｃ 案内爪、２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ，２１ｆ 端面、２２ ＰＣＤ、３１ 円錐ころ軸受、３２ 外輪、３３ 内輪、３９ すき間、７０ 支持台、７１ 旋回座軸受、７２ ナセル、７３ ケーシング、７４ 軸受ハウジング、７５ 主軸支持軸受、７６
主軸、７７ ブレード、７８ 増速機、７９ 発電機、８０ 旋回用モータ、８１ 減速機。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、風力発電機の主軸支持用ころ軸受および主軸支持構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ころ軸受は、一般的には、外輪と、内輪と、外輪および内輪の間に配置される複数のころと、複数のころを保持する保持器とから構成される。保持器は通常、一体型、すなわち、環状の一つの部品で構成されている。
【０００３】
風を受けるためのブレードが取り付けられた風力発電機の主軸を支持するころ軸受については、大きな荷重を受ける必要があるため、ころ軸受自体も大型となる。そうすると、ころや保持器等、ころ軸受を構成する各構成部材も大型となり、部材の生産や組み立てが困難となる。このような場合、各部材を分割可能とすると、生産や組み立てが容易となる。
【０００４】
ここで、ころ軸受に含まれる保持器を軸受の回転軸線に沿う方向に延びる分割線によって分割した分割型の保持器に関する技術が、ヨーロッパ特許公報１４０８２４８Ａ２（特許文献１）に開示されている。図１０は、特許文献１に開示された分割型の保持器である保持器セグメントを示す斜視図である。図１０を参照して、保持器セグメント１０１ａは、ころを収容する複数のポケット１０４を形成するように軸受の回転軸線に沿う方向に延びる複数の柱部１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ、１０３ｅと、複数の柱部１０３ａ〜１０３ｅを連結するように周方向に延びる連結部１０２ａ、１０２ｂとを有する。
【０００５】
図１１は、図１０に示した保持器セグメント１０１ａを含む円錐ころ軸受の一部を示す断面図である。図１０および図１１を参照して、保持器セグメント１０１ａを含む円錐ころ軸受１１１の構成を説明すると、円錐ころ軸受１１１は、外輪１１２と、内輪１１３と、複数の円錐ころ１１４と、複数の円錐ころ１１４を保持する複数の保持器セグメント１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ等とを有する。複数の円錐ころ１１４は、最もころの挙動が安定する位置であるＰＣＤ（Ｐｉｔｃｈ Ｃｉｒｃｌｅ Ｄｉａｍｅｔｅｒ）１０５付近において、複数の保持器セグメント１０１ａ等によって保持されている。複数の円錐ころ１１４を保持する保持器セグメント１０１ａは、周方向において隣接する同一形状の保持器セグメント１０１ｂ、１０１ｃと、周方向のもっとも外側にある柱部１０３ａ、１０３ｅが当接するように連なって配置されている。複数の保持器セグメント１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ等が連なって、円錐ころ軸受１１１に組み込まれ、円錐ころ軸受１１１に含まれる一つの環状の保持器が形成される。
【特許文献１】ヨーロッパ特許公報１４０８２４８Ａ２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１によると、樹脂製の各保持器セグメントを周方向に連ねて配置したときに、最初の保持器セグメントと最後の保持器セグメントとの間に生じる最後のすき間の寸法を、保持器セグメントの中央を通る円の円周の０．１５％以上、かつ、１％未満としている。このように構成することにより、保持器セグメント同士が衝突した際の衝突音等を防止すると共に、熱膨張時における保持器セグメント同士の膠着を防止することにしている。なお、特許文献１においては、保持器セグメントを、ポリフェニルサルファイド（以下、「ＰＰＳ」と称する）やポリエーテルエーテルケトン（以下、「ＰＥＥＫ」と称する）から製造している。
【０００７】
ここで、周方向のすき間をこのような数値範囲としても、発明者が着眼した下記問題点に対応することはできない。図１２は、円錐ころ軸受１１１を、風力発電機の主軸を支持する軸受として使用する場合の円錐ころ軸受１１１の一部を示す概略断面図である。なお、理解の容易の観点から、保持器セグメント１０１ａ、１０１ｃ間に生ずるすき間１１５を、誇張して大きく図示している。
【０００８】
図１２を参照して、円錐ころ軸受１１１に支持される風力発電機の主軸１１０は、横軸で使用される。円錐ころ軸受１１１の使用時において、保持器セグメント１０１ａ〜１０１ｃは、例えば、図１２中の矢印で示す方向に公転運動を行なう。保持器セグメント１０１ａ〜１０１ｃの公転運動は、各保持器セグメント１０１ａ〜１０１ｃが隣接する保持器セグメント１０１ａ〜１０１ｃを矢印の方向に順次押すように行われる。この場合、例えば、図１２中のＸＩＩで示す部分において円錐ころや保持器セグメント１０１ａが自由落下してしまうことになる。そうすると、保持器セグメント１０１ａ、１０１ｃ同士が衝突して、保持器セグメント１０１ａ、１０１ｃの変形や端面の摩耗、衝突音等が発生し、円錐ころ軸受１１１の機能を大きく低下させる恐れがある。
【０００９】
円錐ころ軸受１１１を風力発電機の主軸１１０を支持する軸受として使用する場合、保持器セグメント１０１ａ〜１０１ｃ自体も大型となるため、自由落下時の衝突による問題は大きい。したがって、上記に規定したすき間の寸法では不十分であり、周方向のすき間をさらに小さくする必要がある。しかし、樹脂製の保持器セグメントでは、熱膨張の影響もあり、周方向のすき間の寸法を小さくするにも限界がある。
【００１０】
この発明の目的は、機能の低下を防止することができる風力発電機の主軸支持用ころ軸受を提供することである。
【００１１】
この発明の他の目的は、機能の低下を防止することができる風力発電機の主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】
【００１２】
この発明に係るころ軸受は、風力発電機の主軸を回転可能に支持するものであって、外輪と、内輪と、外輪および内輪の間に配置される複数のころと、ころを収容するポケットを有し、外輪および内輪の間で周方向に順次連ねて配置される複数の保持器セグメントとを備える。保持器セグメントは、熱による線膨張係数を低下させるために、炭素繊維、ガラス繊維およびカーボンブラックからなる群から選ばれた充填材を２０重量％以上４０重量％以下含む樹脂製である。また、複数の保持器セグメントを周方向に無間隙に配置した場合に、最初に配置される保持器セグメントと最後に配置される保持器セグメントとの間にすき間を有する。ここで、室温において、すき間の周方向の寸法は、保持器セグメントの中央を通る円の円周の０．０７５％よりも大きく、０．１２％よりも小さい。
【００１３】
このように、樹脂製保持器セグメントが、炭素繊維またはガラス繊維のうちの少なくともいずれか一方を２０重量％以上４０重量％以下含むようにすることにより、保持器セグメントの熱膨張による寸法変化を小さくすることができる。そうすると、保持器セグメント間に生ずる周方向のすき間を、特許文献１に規定する範囲よりも小さくすることができる。
【００１４】
ここで、円錐ころ軸受に備えられる外輪や内輪、円錐ころ等の軸受構成部材は、一般的には肌焼鋼等のような鋼製である。このような外輪等の軸受構成部材も、温度変化により熱膨張する。ここで、保持器セグメントの熱による線膨張係数と軸受構成部材の熱による線膨張係数とを考慮すると、実使用状況において、室温における周方向のすき間の寸法を保持器セグメントの中央を通る円の円周の０．０７５％まで小さくすることができる。すなわち、周方向のすき間を円周の０．０７５％よりも大きくすることにより、すき間の周方向の寸法が負になって保持器セグメント同士が突っ張りあい、膠着する状態を回避することができる。
【００１５】
また、上記した用途に使用される円錐ころ軸受において、複数の保持器セグメントによって構成される保持器は、耐久性、信頼性向上の観点から安全率を大きくすることが好ましい。保持器の安全率は、周方向のすき間の寸法を小さくするほどその値が大きくなる。保持器の安全率は、保持器セグメントの材質の疲労強度および保持器セグメントに発生する応力等の観点から、４．０以上が要求される。ここで、室温におけるすき間の周方向の寸法を保持器セグメントの中央を通る円の円周の０．１２％よりも小さくすることにより、安全率を４．０以上に確保することができる。そうすると、上記した問題も含め、保持器セグメント同士の衝突等による強度的な不具合を回避することができる。
【００１６】
このように保持器セグメントの材質を、熱による線膨張係数を低下させる充填材を含む樹脂製として、保持器セグメント間の周方向のすき間を上記した範囲とすることにより、保持器セグメント同士の衝突による強度的な不具合等や、保持器セグメント同士の周方向の突っ張りあいによる変形等を防止することができる。したがって、このような保持器セグメントを備えるころ軸受の機能の低下を防止することができる。
【００１７】
ここで、保持器セグメントとは、一つの環状の保持器を、少なくともころを収容する１つのポケットを有するように、軸受の回転軸線に沿う方向に延びる分割線によって分割した単位体である。また、最初の保持器セグメントとは、保持器セグメントを周方向に順次連ねて配置する際に、最初に配置される保持器セグメントをいい、最後の保持器セグメントとは、隣接する保持器セグメントを当接させ、周方向に順次連ねて配置していった際に、最後に配置される保持器セグメントをいう。複数の保持器セグメントが周方向に連なってころ軸受に組み込まれ、一つの環状の保持器を構成する。
【００１８】
好ましくは、保持器セグメントを形成する樹脂は、ＰＥＥＫである。ＰＥＥＫは、他の樹脂と比較して熱膨張係数が低く、容易に充填材を含ませて熱膨張係数を低下させることができる。
【００１９】
さらに好ましくは、樹脂の熱による線膨張係数は、１．３×１０−５／℃以上１．７×１０−５／℃以下である。軸受を構成する外輪等の部材には、一般的には肌焼鋼等の鋼が使用される。このような鋼の熱による線膨張係数は、１．１２×１０−５／℃程度である。したがって、樹脂の熱による線膨張係数を上記範囲とすることにより、実使用状況において外輪等の軸受構成部材との熱による線膨張係数の差を許容することができる。なお、上記したＰＥＥＫの熱による線膨張係数は、約４．７×１０−５／℃であり、ＰＰＳの熱による線膨張係数は、約５．０×１０−５／℃である。
【００２０】
樹脂中の充填材の充填比率は、２０重量％以上４０重量％以下である。樹脂中の充填材の充填比率を上記範囲とすることにより、充填材の充填による他の不具合を発生させることなく、樹脂の熱膨張係数を大きく低下させることができる。
【００２１】
さらに好ましくは、ころは、円錐ころである。上記した風力発電機の主軸等に使用されるころ軸受は、大きなモーメント荷重やスラスト荷重、ラジアル荷重等を受ける必要がある。ここで、ころを円錐ころとすることにより、大きなモーメント荷重等を受けることができる。
【００２２】
この発明のさらに他の局面においては、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ころ軸受とを含む。ころ軸受は、外輪と、内輪と、外輪および内輪の間に配置される複数のころと、ころを収容するポケットを有し、外輪および内輪の間で周方向に順次連ねて配置される複数の保持器セグメントとを備える。保持器セグメントは、熱による線膨張係数を低下させるために、炭素繊維、ガラス繊維およびカーボンブラックからなる群から選ばれた充填材を２０重量％以上４０重量％以下含む樹脂製である。複数の保持器セグメントを周方向に無間隙に配置した場合に、最初に配置される保持器セグメントと最後に配置される保持器セグメントとの間にすき間を有する。ここで、室温において、すき間の周方向の寸法は、保持器セグメントの中央を通る円の円周の０．０７５％よりも大きく、０．１２％よりも小さい。
【００２３】
このような風力発電機の主軸支持構造は、軸受の機能の低下を防止したころ軸受を含むため、風力発電機の主軸支持構造自体の機能の低下を防止することができる。
【発明の効果】
【００２４】
この発明によれば、樹脂製保持器セグメントが、充填材として炭素繊維、ガラス繊維またはカーボンブラックを２０重量％以上４０重量％以下含むようにして、保持器セグメント間の周方向のすき間を上記した範囲とすることにより、保持器セグメント同士の衝突による強度的な不具合等や、保持器セグメント同士の周方向の突っ張りあいによる変形等を防止することができる。したがって、このような保持器セグメントを備える風力発電機の主軸支持用ころ軸受の機能の低下を防止することができる。
【００２５】
また、このような風力発電機主軸支持用ころ軸受の保持器セグメントは、風力発電機主軸支持用ころ軸受を構成する外輪等の軸受構成部材との熱による線膨張係数の差を小さくすることができるため、温度変化による周方向のすき間の寸法の変化を小さくすることができる。そうすると、保持器セグメント間の周方向のすき間を小さくし、設定した範囲内に維持することができる。したがって、このような保持器セグメントを備えるころ軸受の機能の低下を防止することができる。
【００２６】
また、このような風力発電機の主軸支持構造は、機能の低下を防止したころ軸受を含むため、風力発電機の主軸支持構造自体の機能の低下を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、この発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図２は、この発明の一実施形態に係る円錐ころ軸受に備えられる風力発電機主軸支持用ころ軸受の保持器セグメント１１ａを示す斜視図である。図３は、図２に示す保持器セグメント１１ａを、図２中の線ＩＩＩ−ＩＩＩを含み、軸受の回転軸線に直交する平面で切断した場合の断面図である。図４は、図２に示す保持器セグメント１１ａを、柱部１４ａの中央を通り、円周方向に直交する平面で切断した場合の断面図である。なお、理解の容易の観点から、図３および図４において、保持器セグメント１１ａが保持する複数の円錐ころ１２ａ、１２ｂ、１２ｃを点線で示している。また、一点鎖線でＰＣＤ２２を示す。
【００２８】
図２〜図４を参照して、まず、円錐ころ軸受に含まれる保持器セグメント１１ａの構成について説明する。保持器セグメント１１ａは、一つの環状の保持器を、少なくともころを収容する一つのポケットを有するように、軸受の回転軸線に沿う方向に延びる分割線によって分割した形状である。保持器セグメント１１ａは、円錐ころ１２ａ、１２ｂ、１２ｃを収容するポケット１３ａ、１３ｂ、１３ｃを形成するように、軸受の回転軸線に沿う方向に延びる４つの柱部１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄと、軸方向の両端に位置し、４つの柱部１４ａ〜１４ｄを連結するように周方向に延びる一対の連結部１５ａ、１５ｂとを含む。ここで、保持器セグメント１１ａは、その周方向外側の端部に柱部１４ａ、１４ｄが位置するよう構成されている。
【００２９】
一対の連結部１５ａ、１５ｂは、複数の保持器セグメント１１ａが円錐ころ軸受に組み込まれた際に、周方向に連なって一つの環状の保持器を形成するように、周方向において所定の曲率半径を有している。一対の連結部１５ａ、１５ｂのうち、円錐ころ１２ａ〜１２ｃの小径側に位置する連結部１５ａの曲率半径は、円錐ころ１２ａ〜１２ｃの大径側に位置する連結部１５ｂの曲率半径よりも小さく構成されている。
【００３０】
ポケット１３ａの周方向両側に位置する柱部１４ａ、１４ｂおよびポケット１３ｃの周方向両側に位置する柱部１４ｃ、１４ｄのうち、柱部１４ａ〜１４ｄの側壁面の内径側には、保持器セグメント１１ａの径方向外側への移動を規制する内径側の案内爪１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄが設けられている。案内爪１７ａ〜１７ｄは、ポケット１３ａ、１３ｃに収容された円錐ころ１２ａ、１２ｃと内径側で接触する。また、ポケット１３ｂの周方向両側に位置する柱部１４ｂ、１４ｃのうち、柱部１４ｂ、１４ｃの側壁面の外径側には、保持器セグメント１１ａの径方向内側への移動を規制する外径側の案内爪１８ｂ、１８ｃが設けられている。案内爪１８ｂ、１８ｃは、ポケット１３ｂに収容された円錐ころ１２ｂと外径側で接触する。各案内爪１７ａ〜１７ｄ、１８ｂ、１８ｃは、ポケット１３ａ〜１３ｃ側に突出した形状である。また、図３に示す断面において、各案内爪１７ａ〜１７ｄ、１８ｂ、１８ｃの案内面は、断面円弧状であって、円錐ころ１２ａ〜１２ｃの転動面に沿う形状である。このように内径側および外径側の案内爪１７ａ〜１７ｄ、１８ｂ、１８ｃを設けることにより、保持器セグメント１１ａを案内爪１７ａ〜１７ｄ、１８ｂ、１８ｃの案内面に接触させて、ころ案内とすることができる。なお、周方向外側に位置する柱部１４ａ、１４ｄの周方向外側の端面２１ａ、２１ｂは、平らである。
【００３１】
ここで、保持器セグメント１１ａは、熱による線膨張係数を低下させる充填材を含む樹脂製である。こうすることにより、後述するように風力発電機主軸支持用ころ軸受を構成する外輪等の軸受構成部材との熱による線膨張係数の差を小さくすることができるため、温度変化による周方向のすき間の寸法の変化を小さくすることができる。
【００３２】
なお、樹脂は、ＰＥＥＫとすることが好ましい。ＰＥＥＫ自体の熱による線膨張係数は、４．７×１０−５／℃程度であり、他の樹脂素材と比較して熱による線膨張係数が低いため、充填材を含ませて熱による線膨張係数を低下させることが容易になる。
【００３３】
また、充填材は、少なくとも炭素繊維またはガラス繊維のいずれかを含むよう構成することが好ましい。このような充填材は、繊維状であるため、効率的に熱による線膨張係数、すなわち、熱膨張係数を低下させることができる。
【００３４】
なお、樹脂の熱による線膨張係数は、１．３×１０−５／℃以上１．７×１０−５／℃以下であることが好ましい。軸受を構成する外輪等の軸受構成部材には、一般的には肌焼鋼等の鋼が使用される。このような鋼の熱による線膨張係数は、１．１２×１０−５／℃程度である。したがって、樹脂の熱による線膨張係数を上記範囲とすることにより、実使用状況において外輪等の軸受構成部材との熱による線膨張係数の差を許容することができる。
【００３５】
また、樹脂中の充填材の充填比率は、２０重量％以上４０重量％以下であることが好ましい。こうすることにより、充填材の充填による他の不具合、例えば、充填量過多による強度不足を発生させることなく、樹脂の熱膨張係数を大きく低下させることができる。
【００３６】
なお、保持器セグメント１１ａは、一つの円錐ころ軸受に複数備えられるため、生産性の向上が要求されるが、このように構成することにより、射出成形等によって、大量に同形状の保持器セグメントを製造することが容易になる。
【００３７】
ここで、保持器セグメント１１ａは、具体的には、充填材として炭素繊維を３０重量％含み、線膨張係数が１．５×１０−５／℃であるＰＥＥＫ製であることが好ましい。このような保持器セグメント１１ａは、熱による線膨張係数が４．７×１０−５／℃であるＰＥＥＫ製の保持器セグメントや、熱による線膨張係数が５．０×１０−５／℃であるＰＰＳ製の保持器セグメントと、熱による線膨張係数において大きく異なるものである。
【００３８】
次に、上記した保持器セグメント１１ａを含む円錐ころ軸受の構成について説明する。図５は、複数の保持器セグメント１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ等を周方向に配置させた円錐ころ軸受３１を、軸方向から見た概略断面図である。また、図６は、図５中においてＶＩで示す部分の拡大断面図である。ここで、保持器セグメント１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは、保持器セグメント１１ａと同一形状および同一素材であるため、その説明を省略する。なお、図５においては、保持器セグメント１１ａ等に保持される円錐ころを省略している。また、ここでは、複数の保持器セグメント１１ａ〜１１ｄのうち、最初に配置される保持器セグメントを保持器セグメント１１ａとし、最後に配置される保持器セグメントを保持器セグメント１１ｄとする。
【００３９】
図５および図６を参照して、円錐ころ軸受３１は、外輪３２と、内輪３３と、複数の円錐ころ３４と、複数の保持器セグメント１１ａ〜１１ｄとを備える。保持器セグメント１１ａ〜１１ｄは、周方向において、順次連ねられて無間隙に配置される。ここでは、まず、最初に保持器セグメント１１ａが配置され、次に、保持器セグメント１１ｂが保持器セグメント１１ａと当接するように、具体的には、保持器セグメント１１ａの端面２１ａと保持器セグメント１１ｂの端面２１ｃとが当接するように配置される。その後、保持器セグメント１１ｃが保持器セグメント１１ｂと当接するように、具体的には、保持器セグメント１１ｂの端面２１ｄと保持器セグメント１１ｃの端面２１ｅとが当接するように配置され、順次、保持器セグメントが配置されていき、最後に、保持器セグメント１１ｄが配置される。このようにして、周方向に連ねられて、保持器セグメント１１ａ〜１１ｄが配置される。この場合、最初の保持器セグメント１１ａと最後の保持器セグメント１１ｄとの間には、周方向のすき間３９を有する。
【００４０】
次に、最初の保持器セグメント１１ａと最後の保持器セグメント１１ｄとの間の周方向のすき間について説明する。図１は、図５においてＩで示す部分の拡大断面図である。ここで、すき間３９の周方向の寸法Ｒを、保持器セグメント１１ａ〜１１ｄの中央を通る円の円周の０．０７５％よりも大きく、かつ、０．１２％よりも小さくする。この場合、すき間３９の周方向の寸法Ｒが上記範囲となるように、各保持器セグメント１１ａ〜１１ｄの周方向の長さをそれぞれ調整することにしてもよいし、保持器セグメント１１ａ〜１１ｃを順次配置していき、最後の保持器セグメント１１ｄを配置する際に、その端面２１ｆを削って寸法を調整し、上記範囲となるようにしてもよい。
【００４１】
図７は、すき間３９の比率と保持器の安全率の関係を示すグラフである。図１および図７を参照して、複数の保持器セグメント１１ａ〜１１ｄによって構成される保持器の安全率は、保持器セグメント１１ａ〜１１ｄの材質の疲労強度および保持器セグメント１１ａ〜１１ｄに発生する応力等の観点から、４．０以上が要求される。ここで、すき間３９の周方向の寸法を円周の０．１２％よりも小さくすることにより、安全率を４．０以上に確保することができる。そうすると、保持器セグメント１１ａ〜１１ｄ同士の衝突等による強度的な不具合を回避することができる。
【００４２】
ここで、上記した保持器セグメント１１ａの線膨張係数Ｋｂは、１．５×１０−５／℃程度である。一方、軸受構成部材である外輪等は肌焼鋼であり、その線膨張係数Ｋａは、１．１２×１０−５／℃程度である。ここで、温度上昇をΔｔとし、温度上昇時における各部材の膨張量の差をδとすると、膨張量の差δは、数１の式によって表される。
【００４３】
【数１】
【００４４】
この場合、仮に保持器セグメント１１ａのみが５０℃上昇していた場合であっても、膨張量の差δは、０．０７５％となる。また、焼き嵌めで円錐ころ軸受をΔｔ＝１００℃に加熱した場合であっても、膨張量の差δは、０．０３５％となる。したがって、実使用状況において、０．０７５％よりも大きくすることにより、外輪３２や内輪３３等の軸受構成部材と保持器セグメント１１ａ〜１１ｄとの熱膨張の差を許容することができる。そうすると、すき間３９の周方向の寸法が負になって保持器セグメント１１ａ〜１１ｄ同士が突っ張る状態を回避することができる。そうすると、保持器セグメント１１ａ〜１１ｄの突っ張りあいによる変形を防止することができる。
【００４５】
以上より、保持器セグメント１１ａ〜１１ｄの材質を、熱による線膨張係数を低下させる充填材を含む樹脂製として、保持器セグメント１１ａ〜１１ｄ間の周方向のすき間３９を上記した範囲とすることにより、保持器セグメント１１ａ〜１１ｄ同士の衝突による強度的な不具合等や、保持器セグメント１１ａ〜１１ｄ同士の周方向の突っ張りあいによる変形等を防止することができる。したがって、このような保持器セグメント１１ａ〜１１ｄを備える円錐ころ軸受３１の機能の低下を防止することができる。
【００４６】
また、このような保持器セグメント１１ａ〜１１ｄは、円錐ころ軸受３１を構成する外輪３２等の軸受構成部材と熱による線膨張係数の差を小さくすることができるため、温度変化による周方向のすき間３９の寸法の変化を小さくすることができる。そうすると、保持器セグメント１１ａ〜１１ｄ間の周方向のすき間３９を設定した範囲内に維持することができる。したがって、このような保持器セグメント１１ａ〜１１ｄを備える円錐ころ軸受３１の機能の低下を防止することができる。
【００４７】
なお、上記の実施の形態において、最初の保持器セグメント１１ａと最後の保持器セグメント１１ｄとの間に、周方向のすき間３９の寸法Ｒを調整する間座を、最後の保持器セグメント１１ｄに当接するように配置することにしてもよい。この場合、間座と最初の保持器セグメント１１ａとの間にすき間３９が生ずることになる。このように構成することにより、最初の保持器セグメント１１ａと最後の保持器セグメント１１ｄと周方向のすき間３９の寸法を上記範囲とすることが、より容易になる。なお、この場合、間座は保持器セグメントと解釈すべきである。また、このような間座の周方向の寸法は、各保持器セグメント１１ａ〜１１ｄが連なる周方向の寸法において微小であるため、保持器セグメント１１ａ〜１１ｄと同じ素材であってもよいし、金属製であってもよいし、単なる樹脂製であってもよい。
【００４８】
図８および図９は、この発明の一実施形態に係る円錐ころ軸受を主軸支持軸受７５として適用した、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７２のケーシング７３は、高い位置で、旋回座軸受７１を介して支持台７０上に水平旋回自在に設置されている。風力を受けるブレード７７を一端に固定する主軸７６は、ナセル７２のケーシング７３内で、軸受ハウジング７４に組み込まれた主軸支持軸受７５を介して、回転自在に支持されている、主軸７６の他端は増速機７８に接続され、この増速機７８の出力軸が発電機７９のロータ軸に結合されている。ナセル７２は、旋回用モータ８０により、減速機８１を介して任意の角度に旋回させられる。
【００４９】
軸受ハウジング７４に組み込まれた主軸支持軸受７５は、この発明の一実施形態に係る円錐ころ軸受であって、外輪と、内輪と、外輪および内輪の間に配置される複数の円錐ころと、円錐ころを収容するポケットを有し、外輪および内輪の間で周方向に順次連ねて配置される複数の保持器セグメントとを備える。保持器セグメントは、熱による線膨張係数を低下させる充填材を含む樹脂製である。複数の保持器セグメントを周方向に無間隙に配置した場合に、最初に配置される保持器セグメントと最後に配置される保持器セグメントとの間にすき間を有する。ここで、室温において、すき間の周方向の寸法は、保持器セグメントの中央を通る円の円周の０．０７５％よりも大きく、０．１２％よりも小さい。
【００５０】
主軸支持軸受７５は、大きな風力を受けるブレード７７を一端に固定する主軸７６を支持するため、大きなモーメント荷重やスラスト荷重、ラジアル荷重等を受ける必要がある。ここで、ころを円錐ころとすることにより、大きなモーメント荷重等を受けることができる。
【００５１】
また、このような風力発電機の主軸支持構造は、機能の低下を防止した円錐ころ軸受を含むため、風力発電機の主軸支持構造自体の機能の低下を防止することができる。
【００５２】
なお、上記の実施の形態においては、室温において、すき間の周方向の寸法を、保持器セグメントの中央を通る円の円周の０．０７５％よりも大きく、０．１２％よりも小さくすることにしたが、さらには、保持器セグメントの中央を通る円の円周の０．０７５％よりも大きく、０．１０％よりも小さくすることにしてもよい。こうすることにより、保持器の安全率をより高くすることができるため、さらに衝突による変形等を低減することができる。
【００５３】
また、上記の実施の形態においては、保持器セグメントの素材として、樹脂中に含まれる充填材を炭素繊維のみからなる構成としたが、これに限らず、充填材をガラス繊維のみとしてもよい。さらには、充填材を炭素繊維またはガラス繊維のいずれをも含む構成としてもよい。また、カーボンブラック等の粉末状の充填材や粒状の充填材を含む構成としてもよい。
【００５４】
なお、上記の実施の形態においては、保持器セグメントに収容されるころとして、円錐ころを用いたが、これに限らず、円筒ころや針状ころ、棒状ころ等を用いてもよい。
【００５５】
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】
【００５６】
この発明に係るころ軸受は、機能の低下の防止が要求される風力発電機の主軸支持構造に、有効に利用される。
【００５７】
また、この発明に係る風力発電機の主軸支持構造は、機能の低下の防止が要求される場合に、有効に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】この発明の一実施形態に係る円錐ころ軸受のうち、最初の保持器セグメントと最後の保持器セグメントの間のすき間を示す拡大断面図である。
【図２】この発明の一実施形態に係る円錐ころ軸受に含まれる保持器セグメントの斜視図である。
【図３】図２に示す保持器セグメントを、図２中の線ＩＩＩ−ＩＩＩを含み、軸受の回転軸線に直交する平面で切断した場合の断面図である。
【図４】図２に示す保持器セグメントを、柱部の中央を通り、円周方向に直交する平面で切断した場合の断面図である。
【図５】複数の保持器セグメントを周方向に配置した場合の円錐ころ軸受の概略断面図である。
【図６】隣接する保持器セグメントを示す拡大断面図である。
【図７】保持器安全率と周方向のすき間との関係を示すグラフである。
【図８】この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９】図８に示す風力発電機の主軸支持構造の図解的側面図である。
【図１０】従来における保持器セグメントの斜視図である。
【図１１】図１０に示す保持器セグメントを備える円錐ころ軸受の一部を、軸受の転動軸線に直交する平面で切断した場合の断面図である。
【図１２】図１０に示す保持器セグメントを備える円錐ころ軸受を、軸受の転動軸線に直交する平面で切断した場合の概略断面図である。
【符号の説明】
【００５９】
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ 保持器セグメント、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，３４ 円錐ころ、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ ポケット、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ 柱部、１５ａ，１５ｂ 連結部、１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１８ｂ，１８ｃ 案内爪、２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ，２１ｆ 端面、２２ ＰＣＤ、３１ 円錐ころ軸受、３２ 外輪、３３ 内輪、３９ すき間、７０ 支持台、７１ 旋回座軸受、７２ ナセル、７３ ケーシング、７４ 軸受ハウジング、７５ 主軸支持軸受、７６
主軸、７７ ブレード、７８ 増速機、７９ 発電機、８０ 旋回用モータ、８１ 減速機。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外輪と、内輪と、前記外輪および前記内輪の間に配置される複数のころと、前記ころを収容するポケットを有し、前記外輪および前記内輪の間で周方向に順次連ねて配置される複数の保持器セグメントとを備え、風力発電機の主軸を回転可能に支持するころ軸受であって、
前記保持器セグメントは、熱による線膨張係数を低下させるために、炭素繊維、ガラス繊維およびカーボンブラックからなる群から選ばれた充填材を２０重量％以上４０重量％以下含む樹脂製であり、
複数の前記保持器セグメントを周方向に無間隙に配置した場合に、最初に配置される保持器セグメントと最後に配置される保持器セグメントとの間にすき間を有し、
室温において、前記すき間の周方向の寸法は、前記保持器セグメントの中央を通る円の円周の０．０７５％よりも大きく、０．１２％よりも小さい、ころ軸受。
【請求項２】
前記樹脂は、ポリエーテルエーテルケトンである、請求項１に記載のころ軸受。
【請求項３】
前記樹脂の熱による線膨張係数は、１．３×１０−５／℃以上１．７×１０−５／℃以下である、請求項１または２に記載のころ軸受。
【請求項４】
前記ころは、円錐ころである、請求項１〜３のいずれかに記載のころ軸受。
【請求項５】
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ころ軸受とを含む風力発電機の主軸支持構造であって、
前記ころ軸受は、外輪と、内輪と、前記外輪および前記内輪の間に配置される複数のころと、前記ころを収容するポケットを有し、前記外輪および前記内輪の間で周方向に順次連ねて配置される複数の保持器セグメントとを備え、
前記保持器セグメントは、熱による線膨張係数を低下させるために、炭素繊維、ガラス繊維およびカーボンブラックからなる群から選ばれた充填材を２０重量％以上４０重量％以下含む樹脂製であり、
複数の前記保持器セグメントを周方向に無間隙に配置した場合に、最初に配置される保持器セグメントと最後に配置される保持器セグメントとの間にすき間を有し、
室温において、前記すき間の周方向の寸法は、前記保持器セグメントの中央を通る円の円周の０．０７５％よりも大きく、０．１２％よりも小さい、風力発電機の主軸支持構造。
【請求項１】
外輪と、内輪と、前記外輪および前記内輪の間に配置される複数のころと、前記ころを収容するポケットを有し、前記外輪および前記内輪の間で周方向に順次連ねて配置される複数の保持器セグメントとを備え、風力発電機の主軸を回転可能に支持するころ軸受であって、
前記保持器セグメントは、熱による線膨張係数を低下させるために、炭素繊維、ガラス繊維およびカーボンブラックからなる群から選ばれた充填材を２０重量％以上４０重量％以下含む樹脂製であり、
複数の前記保持器セグメントを周方向に無間隙に配置した場合に、最初に配置される保持器セグメントと最後に配置される保持器セグメントとの間にすき間を有し、
室温において、前記すき間の周方向の寸法は、前記保持器セグメントの中央を通る円の円周の０．０７５％よりも大きく、０．１２％よりも小さい、ころ軸受。
【請求項２】
前記樹脂は、ポリエーテルエーテルケトンである、請求項１に記載のころ軸受。
【請求項３】
前記樹脂の熱による線膨張係数は、１．３×１０−５／℃以上１．７×１０−５／℃以下である、請求項１または２に記載のころ軸受。
【請求項４】
前記ころは、円錐ころである、請求項１〜３のいずれかに記載のころ軸受。
【請求項５】
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ころ軸受とを含む風力発電機の主軸支持構造であって、
前記ころ軸受は、外輪と、内輪と、前記外輪および前記内輪の間に配置される複数のころと、前記ころを収容するポケットを有し、前記外輪および前記内輪の間で周方向に順次連ねて配置される複数の保持器セグメントとを備え、
前記保持器セグメントは、熱による線膨張係数を低下させるために、炭素繊維、ガラス繊維およびカーボンブラックからなる群から選ばれた充填材を２０重量％以上４０重量％以下含む樹脂製であり、
複数の前記保持器セグメントを周方向に無間隙に配置した場合に、最初に配置される保持器セグメントと最後に配置される保持器セグメントとの間にすき間を有し、
室温において、前記すき間の周方向の寸法は、前記保持器セグメントの中央を通る円の円周の０．０７５％よりも大きく、０．１２％よりも小さい、風力発電機の主軸支持構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００８−２９８２８３（Ｐ２００８−２９８２８３Ａ）
【公開日】平成２０年１２月１１日（２００８．１２．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−８６３２０（Ｐ２００８−８６３２０）
【出願日】平成２０年３月２８日（２００８．３．２８）
【分割の表示】特願２００７−１４８３５２（Ｐ２００７−１４８３５２）の分割
【原出願日】平成１９年６月４日（２００７．６．４）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月１１日（２００８．１２．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月２８日（２００８．３．２８）
【分割の表示】特願２００７−１４８３５２（Ｐ２００７−１４８３５２）の分割
【原出願日】平成１９年６月４日（２００７．６．４）
【出願人】（０００１０２６９２）ＮＴＮ株式会社 (9,006)
【Ｆターム（参考）】
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