JP2005151749A - 風力発電機用軸受の落雷保護装置およびその軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 落雷から軸受を保護すると共に、ブラシの摩耗粉の発生をできる限り抑え、摩耗粉による軸受の早期不具合を防止することができる風力発電機用軸受の落雷保護装置、およびその軸受を提供する。
【解決手段】 外輪１２および軸受ハウジングの組と、内輪１１および軸の組とに渡って通電可能に接触する接触，非接触の切替えが自在な通電部材１７を設ける。この通電部材１７を接触状態と非接触状態に切り替える切替駆動手段１９を設ける。この切替駆動手段９に切替指令を与える切替制御手段を設ける。
【選択図】 図４

Description

この発明は、風力発電機の主軸等を支持する軸受の軌道面等が落雷によって損傷を受けることを防止する風力発電機用軸受の落雷保護装置およびその軸受に関する。

環境問題により、化石燃料から再生可能エネルギへの転換が必要である。そのため、環境への影響が最も少なく、二酸化炭素を全く発生せず、水力発電のように自然破壊をもたらすことのない電力発生装置として、風力発電が注目されて来ている。しかし、風力発電機に発生するトラブルは、落雷によるものが最も多く、その割合は欧州で１００台中の８台程度であり、日本では、気象条件の違いから、その倍以上であるといわれている（例えば、非特許文献１）。

落雷対策として、避雷針を設けることは一般に行われているが、避雷針が設けられていても、ブレードやナセルに落雷することが多い。これを十分に防ぐことが可能な避雷針を設けるには、風車の周囲を囲む多数の高い避雷針が必要であり、現実的でない。風車は大型化するに従って効率が向上するため、大型化が進められて１００ｍを超えるものも開発されている。また、地表から高い位置にある程、速い風を受けることができるため、高所に設置される場合が多い。このことからも、避雷針で対応することができない。

風力発電機に羽根やナセル（ボディ）に落雷があると、羽根やナセルが損傷をするだけでなく、羽根から主軸に電流が流れ、主軸を支える軸受や電装品が損傷する。それを防止するためにアースが施されているが、雷の電力が大きいために、軸受や電装品にも通電する。軸受においては、転動体と軌道輪の軌道面間に金属材料の溶融が発生し、軸受を損傷させる。
風力発電機以外の一般的な電食防止軸受、例えば電動機の軸受等の電位差が生じる部位に使用される電食防止軸受としては、内外輪を通電させる通電軸受が種々提案されている（例えば、特許文献１）。

また、雷雲の近接により落雷放電の可能性が特定の地域に生じた場合に、レーザ誘雷動作や各種電気設備の落雷の影響保護をすべきかの処置については、雷雲を検出し、落雷の可能性を判断する雷雲電界検出装置に関する発明が提案されている（特許文献２）。
講演会頒布資料、第３８回新エネルギー講演会、「急成長する風力発電」、主催：社団法人日本電気工業会、風力発電システム技術専門委員会、２００３年３月１３日 特開平１１−０８２４９２号公報 特開２０００−２３５０８２号公報

通電軸受は、内輪と外輪との間を繋ぎ、その接触部分にブラシを用いるものであるが、軸受は内外輪が相対運動をしているため、ブラシとの接触部分から摩耗粉が発生する。その摩耗粉が軸受内に侵入し、軌道面に摩耗粉が入り込むことで、軸受の不具合を早期に発生させることになる。また、長年の使用によりブラシの摩耗が生じ、通電の信頼性が落ちる可能性がある。一般的な用途の通電軸受では、上記の摩耗粉の問題は、実用上で支障のないことも多いが、風力発電機では、無人の地域に設置されたり、高所に設置されて保守が困難であることが多い。そのため、軸受については、数十年に渡ってメンテナンスフリーで使用可能とされることが望まれる。したがって、ブラシの接触部で生じる摩耗と摩耗粉の発生は極力避けることが必要である。

この発明の目的は、落雷から軸受を保護すると共に、ブラシの摩耗粉の発生をできる限り抑え、摩耗粉による軸受の早期不具合を防止することができる風力発電機用軸受の落雷保護装置、およびその軸受を提供することである。

この発明の風力発電機用軸受の落雷保護装置は、風力発電機に設けられ、一対の軌道輪および両軌道輪間に介在した複数の転動体を有する転がり軸受を落雷から保護する装置であって、一方の軌道輪およびこの軌道輪を設置した部材の組と、他方の軌道輪およびこの他方の軌道輪に支持された部材の組とに渡って通電可能に接触する接触，非接触の切替えが自在な通電部材と、この通電部材を接触状態と非接触状態に切り替える切替駆動手段と、この切替駆動手段に切替指令を与える切替制御手段とを備える。上記一方の軌道輪およびこの軌道輪を設置した部材の組は、例えば外輪となる軌道輪と軸受ハウジングである。他方の軌道輪およびこの他方の軌道輪に支持された部材の組は、例えば内輪となる軌道輪と主軸等の軸である。

この構成によると、常時は通電部材を非接触としておき、風力発電機に雷が近づいたときや、近づくことが予想されたときに、切替制御手段により切替駆動手段を動作させて通電部材を接触させ、通電状態とすることができる。つまり、落雷が発生する可能性が出てきた時点で、通電部材を接触させ、軸受を保護するための通電路ができるので、落雷を受けても軸受内の転動体を通した通電を防止できる。そのため、軌道輪の軌道面や転動体の損傷が防止される。また、通常は通電部材が接触しておらず、必要な時だけ接触することから、通電部材やこの通電部材が接触する部材の摩耗粉の発生をできるだけ少なくでき、摩耗粉による早期不具合が防止される。また、通電部材の摩耗が少ないため、長年使用されても通電部材の確実な接触が確保でき、通電の信頼性が高いものとなる。さらに、必要時のみ通電部材を接触させることで、常時は通電部材の接触による摩擦抵抗が生じず、回転トルクの増大が防止できる。

この発明の風力発電機用軸受の落雷保護装置において、前記風力発電機の設けられた所定地域における雷雲電界を検出する雷雲電界検出装置を設け、前記切替制御手段は、前記雷雲電界検出装置の検出結果が表示される検出結果表示手段の設置位置の近傍に、オペレータによる接触，非接触の切替え操作を行わせる操作部を有するものとしても良い。検出結果表示手段の設置位置の近傍とは、オペレータが検出結果表示手段から雷雲電界を認識して遅滞なく操作部の操作ができる範囲、例えば検出結果表示手段と上記操作部が同室にある程度に近いことを言う。検出結果表示手段は、画面に表示するものであっても、また音声や光の信号等で表示するものであっても良い。
雷雲電界検出装置を設けることで、風力発電機の位置する限られた地域に雷雲電界が生じたことを正確に認識できる。オペレータは、この雷雲電界の発生状況を検出結果表示手段で認識して、その近くにある替制御手段の操作部を操作し、通電部材の接触，非接触の切替えを適切に行うことができる。オペレータに操作させるため、雷雲電界の発生状況に柔軟に対応して通電させることができる。上記操作部は、複数台の風力発電機について、それらの切替駆動手段を一括して操作するものであっても良い。

この発明の風力発電機用軸受の落雷保護装置において、前記風力発電機の設けられた所定地域における雷雲電界を検出する雷雲電界検出装置を設けた場合に、前記切替制御手段は、常時は前記切替駆動手段を通電部材が非接触となる動作状態とし、雷雲電界検出装置の検出信号に応答して前記切替駆動手段に通電部材を接触とさせるものとしても良い。
この構成の場合は、オペレータを必要とせずに、雷雲電界の検出状況に応じて自動的に通電部材による通電状態に切替えることができる。

この発明の風力発電機用軸受の落雷保護装置において、前記転がり軸受が、風力発電機の羽根が取付けられた主軸を支持する主軸支持用軸受であっても良い。
主軸は羽根を取付けた軸であるため、風力発電機を構成する軸受の中で、落雷の影響を受ける可能性が最も高い。そのため、この発明の落雷からの軸受保護および摩耗粉発生防止等の各効果が有効に発揮される。

この発明の風力発電機用軸受は、風力発電機に用いられ、一対の軌道輪および両軌道輪間に介在した複数の転動体を有する転がり軸受であって、一方の軌道輪およびこの軌道輪を設置した部材の組と、他方の軌道輪およびこの他方の軌道輪に支持された部材の組とに渡り通電可能に接触する接触，非接触の切替えが自在な通電部材を有するものである。
このように接触，非接触の切替えが自在な通電部材を設けることで、上記のような雷雲電界の近づき状況等に応じた必要時のみの通電部材の接触が行える。そのため、落雷から軸受を保護すると共に、ブラシの摩耗粉の発生をできる限り抑え、摩耗粉による軸受の早期不具合を防止することができる。

この発明の風力発電機は、前記通電部材を接触状態と非接触状態に切り替える切替駆動手段を設けても良い。通電部材の接触状態と非接触状態との切替え動作は、例えば機械的な伝達機構を用いて人力で行うようにしても良いが、切替駆動手段を設けることで、自動化や、遠隔地からの切替え操作が可能になる。

この発明の風力発電機用軸受において、前記通電部材が一方の軌道輪に取付けられた導電性弾性体であり、この導電性弾性体は、自然状態では前記他方の軌道輪に対して非接触となり、強制的に弾性変形させた状態で他方の軌道輪に接触可能なものであっても良い。 通電部材が弾性体であると、切替駆動手段を設ける場合に、接触側へのみ駆動力を与える単動型のソレノイドやシリンダ装置等の簡易な切替駆動手段で済む。通電部材の接触圧の調整も容易である。また、通電部材が一方の軌道輪に取付けられて他方の軌道輪に接触するものであるため、軸受単独で通電部材付およびその接触部位が得られ、風力発電機への軸受の組込みが容易である。

この発明の風力発電機用軸受において、前記通電部材が一方の軌道輪に取付けられた導電性弾性体であり、この導電性弾性体は、自然状態では前記他方の軌道輪に支持される部材に対して非接触となり、強制的に弾性変形させた状態で前記他方の軌道輪に支持された部材に接触可能なものであっても良い。
この構成の場合も、切替駆動手段が簡易なもので済む。また、この構成の場合、通電部材が軸受軌道輪ではなく、軌道輪に支持される軸等の部材接触するものであるため、通電経路をより短くできる。

この発明の風力発電機用軸受において、上記通電部材が、導電製金属部材と導電製ブラシからなるものであっても良い。
この構成の場合、導電製ブラシによって確実な接触が得られる。

この発明の風力発電機用軸受は、風力発電機の羽根が取付けられた主軸を支持する主軸支持軸受であっても良い。上記のように、主軸は落雷の影響を受ける可能性が最も高く、そのためこの発明の各効果が有効に発揮される。

この発明の風力発電機用軸受の落雷保護装置およびその風力発電機用軸受は、一方の軌道輪およびこの軌道輪を設置した部材の組と、他方の軌道輪およびこの他方の軌道輪に支持された部材の組とに渡って通電可能に接触する接触，非接触の切替えが自在な通電部材を備えるため、落雷から軸受を保護すると共に、ブラシの摩耗粉の発生をできる限り抑え、摩耗粉による軸受の早期不具合を防止することができる。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図５と共に説明する。図２に示すように、風力発電機１は、風車となる羽根２が取付けられた主軸３を、ナセル４内に設置された軸受５により回転自在に設置し、ナセル４内に増速機６および発電機７を設置したものである。増速機６は、主軸３の回転を増速して発電機７の入力軸に伝達するものである。ナセル４は、支持台８（図１）上に旋回座軸受２０を介して旋回自在に設置され、図２の旋回用のモータ９の駆動により、減速機１０を介して旋回させられる。ナセル３の旋回は、風向きに羽根２の方向を対向させるために行われる。主軸支持用の軸受５は、図２の例では２個設けているが、１個であっても良い。

図３は、主軸支持用の軸受５の設置構造を示す。この軸受５は、一対の軌道輪となる内輪１１および外輪１２と、これら内外輪１１，１２間に介在した複数の転動体１３とを有する。軸受５は、スラスト負荷が可能なラジアル軸受であれば良く、自動調心ころ軸受の他に、アンギュラ玉軸受や、円すいころ軸受、深溝玉軸受等であっても良いが、この例では複列の自動調心ころ軸受とされている。

軸受５の外輪１２は軌道面１２ａが球面状とされ、各転動体１３は外周面が外輪軌道面１２ａに沿う球面形状のころとされている。内輪１１は各列の軌道面１１ａ，１１ａを個別に有する鍔付きのものとされている。転動体１３は、各列毎に保持器１４（図４参照）で保持されている。

図３において、外輪１２は軸受ハウジング１５の内径面に嵌合して設置され、内輪１１は主軸３の外周に嵌合して主軸３を支持している。軸受ハウジング１５は、軸受５の両端を覆う側壁部１５ａを有し、各側壁部１５ａと主軸３との間にラビリンスシール等のシール１６が構成されている。軸受ハウジング１５で密封性が得られるため、軸受５にはシール無しのものが用いられている。軸受５は、この発明の実施形態にかかる風力発電機用軸受となるものである。

図４に示すように、軸受５には、一方の軌道輪となる外輪１２と、他方の軌道輪となる内輪１１とに渡って通電可能に接触する接触，非接触の切替えが自在な通電部材１７が設けられている。通電部材１７は導電性弾性体からなる。通電部材１７は、詳しくは板ばね状の導電性金属部材１７ａと、この導電性金属部材１７ａの先端に取付けられた導電性ブラシ１７ｂとを有し、導電性金属部材１７ａが基端で外輪１２の端面に固定されている。通電部材１７は、自然状態では同図（Ａ）に示すように内輪１１の端面に対して非接触であり、図５のように強制的に弾性変形させることで、内輪１１の端面に導電性ブラシ１７ｂが接触可能である。通電部材１６の強制押し付け、つまり接触状態への切り替えは、切替駆動手段１９により行われる。切替駆動手段１９は、例えば電磁ソレノイドからなり、本体が軸受ハウジング１５に設置され、プランジャ部で通電部材１７を押し付ける。

図４（Ｂ）は、通電部材１７および切替駆動手段１９を図４（Ａ）の矢印Ｂ方向から見た図を示す。通電部材１７は、導電性ブラシ１７ｂにおける内輪円周方向の両側または片側に、グリース除去ヘラ１８を有している。グリース除去ヘラ１８は、軸受５内に給脂されて内輪幅面に流出したグリースが接点となる導電性ブラシ１７ｂに付着することを防止し、接触の信頼性を向上させる。

切替駆動手段１９の操作は、図１に示すようにナセル４から離れた切替制御手段２１により行われる。切替制御手段２１は、例えば、風力発電機１の全体を監視する監視室２３内において、監視盤２４の一部等に設けられる。切替制御手段２１は、オペレータ２５による手動操作用の操作部２１ａを設けたものとされている。なお、切替制御手段２１は自動制御を行うものとしても良い。その場合、切替制御手段２１は、雷雲電界検出装置２６による雷雲電界の検出信号に応じて設定条件で切替駆動手段１９をオンに切替え、設定条件が充足されなくなると切替駆動手段１９をオフに切替えるものとされる。

操作部２１ａを設けた監視室２３の室内には、雷雲電界検出装置２６の検出結果表示手段２７が設けられている。検出結果表示手段２７は、液晶表示装置やＣＲＴ等の画面を表示する装置であっても、音声またはランプの点灯状態等で検出結果を表示するものであっても良い。

雷雲電界検出装置２６は、風力発電機１の設けられた所定地域における雷雲電界を検出する装置である。雷雲電界検出装置２６は、例えば雷雲２８の前駆放電により放出される電磁波の変化を測定する電界変化測定器と、この測定器の測定信号から設定値以上の雷雲を検出して検出信号を出力する検出部（いずれも図示せず）とを備えるものである。また雷雲電界検出装置２６は、空間での複数箇所の電界強度を測定し、測定した電界強度の値を演算処理して雷雲の位置を検出するものとされる。雷雲電界検出装置２６は、各種のものが開発されており、いずれの形式のものを用いても良い。

この構成によると、風力発電機１に雷が近づいて来ると、その状況を雷雲電界検出装置２６で捉え、風力発電機１内に設けられた切替駆動手段１９により通電部材１７を接触状態とすることができる。通電部材１７は、風力発電機１が通常の運転をしている状態では軸受５の内輪１１と接触しておらず、内外輪１１，１２間が通電状態にないが、雷の近接により、操作部２１ａの手動操作によりソレノイド等からなる切替駆動手段１９を駆動させて通電部材１７を内輪１１に接触させることができる。
つまり、落雷が発生する可能性が出てきた時点で、通電部材１７を接触させ、軸受５を保護するための通電路ができるので、落雷を受けても軸受５内の転動体１３を通した通電を防止できる。そのため、内外輪１１，１２の軌道面１１ａ，１２ａや転動体１３の損傷が防止される。また、通常は通電部材１７が接触しておらず、必要な時だけ接触することから、通電部材１７やこの通電部材１７が接触する部材の摩耗粉の発生をできるだけ少なくでき、摩耗粉による早期不具合が防止される。また、通電部材１７の摩耗が少ないため、長年使用されても通電部材１７の確実な接触が確保でき、通電の信頼性が高くなる。

図６，図７は、この発明の風力発電機用軸受における他の実施形態を示す。この軸受５Ａは、図１ないし図５に示した実施形態において、その主軸支持用の軸受５に代えて設けられるものである。この軸受５Ａは、複列自動調心ころ軸受としての構成、つまり内外輪１１，１２、転動体１３、および保持器１４については、第１の実施形態にかかる軸受５と同じである。この実施形態の軸受５Ａは、通電部材１７Ａが、外輪１２に取付けられて主軸３に対して接触，非接触の切替えが自在なものとされている。通電部材１７Ａは、導電性弾性体、例えば導電性金属部材等からなり、線状ないしリボン状に形成されて両端が外輪１２の一部の円弧に対する弦となる位置に設けられ、両端が外輪に固定されている。通電部材１７Ａに対して、主軸３の半径方向にプランジャが進退する切替駆動手段１９（図７（Ａ））が配置され、軸受ハウジング１５（図３）に設置されている。

この構成の軸受５Ａの場合、通常は図７（Ａ）のように通電部材１７Ａが主軸３に対して非接触となり、切替駆動手段１９で通電部材１７Ａを主軸３に押し当てることで、外輪１２と主軸３とが通電状態となる。そのため、第１の実施形態と同様に、通電によって軸受１５を保護でき、また必要な時だけ接触することから、摩耗粉の発生を抑制し、早期不具合の防止、通電の信頼性向上が得られる。

なお、前記各実施形態では、いずれも通電部材１７，１７Ａにより外輪１２と内輪１１または主軸３との間で通電を行うようにしたが、この発明の風力発電機用軸受は、一方の軌道輪およびこの軌道輪を設置した部材の組と、他方の軌道輪およびこの他方の軌道輪に支持された部材の組とに渡って通電可能に接触する接触，非接触の切替えが自在な通電部材を設けたものであれば良い。また、通電部材１７，１７Ａは外輪１２等の軌道輪に取付けたものに限らず、常時は両方の軌道輪またはその部材組に対して非接触であって、押し付け動作によって両側の軌道輪またはその部材組に接触するものとしても良い。さらに、この発明の通電部材を有する風力発電機用軸受は、主軸支持用の軸受に限らず、風力発電機１のいずれかに用いられるものであれば良い。例えば、増速機６（図２）を構成する各ギヤまたはギヤ支持軸を支持する軸受や、ナセル４（図１）を支持する旋回座軸受２０にも適用することができる。

この発明の第１の実施形態にかかる風力発電機用軸受の落雷保護装置の概念構成を示す説明図である。 その風力発電機の切欠斜視図である。 同風力発電機における主軸支持用軸受の軸受ハウジングへの設置部を示す断面図である。 （Ａ）は同風力発電機用軸受の部分断面図、（Ｂ）は同図（Ａ）を矢印Ｂ方向から見た部分矢視図である。 同風力発電機用軸受の通電部材接触状態を示す部分断面図である。 この発明の他の実施形態にかかる風力発電機用軸受の断面図である。 （Ａ）は同風力発電機用軸受の側面図、（Ｂ）はその通電部材接触状態を示す部分側面図である。

符号の説明

１…風力発電機
２…羽根
３…主軸
４…ナセル
５，５Ａ…軸受
６…増速機
７…発電機
１１…内輪（軌道輪）
１２…外輪（軌道輪）
１５…軸受ハウジング
１７…通電部材
１９…切替駆動手段
２１…切替制御手段
２１ａ…操作部
２６…雷雲電界検出装置

Claims (10)

1. 風力発電機に設けられ、一対の軌道輪および両軌道輪間に介在した複数の転動体を有する転がり軸受を落雷から保護する装置であって、
   一方の軌道輪およびこの軌道輪を設置した部材の組と、他方の軌道輪およびこの他方の軌道輪に支持された部材の組とに渡って通電可能に接触する接触，非接触の切替えが自在な通電部材と、この通電部材を接触状態と非接触状態に切り替える切替駆動手段と、この切替駆動手段に切替指令を与える切替制御手段とを備えることを特徴とする風力発電機用軸受の落雷保護装置。
2. 請求項１において、前記風力発電機の設けられた所定地域における雷雲電界を検出する雷雲電界検出装置を設け、前記切替制御手段は、前記雷雲電界検出装置の検出結果が表示される検出結果表示手段の設置位置の近傍に、オペレータによる接触，非接触の切替え操作を行わせる操作部を有するものとした風力発電機用軸受の落雷保護装置。
3. 請求項１において、前記風力発電機の設けられた所定地域における雷雲電界を検出する雷雲電界検出装置を設け、前記切替制御手段は、常時は前記切替駆動手段を通電部材が非接触となる動作状態とし、雷雲電界検出装置の検出信号に応答して前記切替駆動手段に通電部材を接触とさせるものとした風力発電機用軸受の落雷保護装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかにおいて、前記転がり軸受が、風力発電機の羽根が取付けられた主軸を支持する主軸支持用軸受である風力発電機用軸受の落雷保護装置。
5. 風力発電機に用いられ、一対の軌道輪および両軌道輪間に介在した複数の転動体を有する転がり軸受であって、
   一方の軌道輪およびこの軌道輪を設置した部材の組と、他方の軌道輪およびこの他方の軌道輪に支持された部材の組とに渡り通電可能に接触する接触，非接触の切替えが自在な通電部材を有することを特徴とする風力発電機用軸受。
6. 請求項５において、前記通電部材を接触状態と非接触状態に切り替える切替駆動手段を設けた風力発電機用軸受。
7. 請求項５または請求項６において、前記通電部材が一方の軌道輪に取付けられた導電性弾性体であり、この導電性弾性体は、自然状態では前記他方の軌道輪に対して非接触となり、強制的に弾性変形させた状態で他方の軌道輪に接触可能なものである風力発電機用軸受。
8. 請求項５または請求項６において、前記通電部材が一方の軌道輪に取付けられた導電性弾性体であり、この導電性弾性体は、自然状態では前記他方の軌道輪に支持される部材に対して非接触となり、強制的に弾性変形させた状態で前記他方の軌道輪に支持された部材に接触可能なものである風力発電機用軸受。
9. 請求項５ないし請求項８のいずれかにおいて、上記通電部材が、導電製金属部材と導電製ブラシからなる風力発電機用軸受。
10. 請求項５ないし請求項９のいずれかにおいて、風力発電機の羽根が取付けられた主軸を支持する主軸支持軸受である風力発電機用軸受。
    

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