JP2005503520A - 軸荷重の影響を受けない非常用軸受 - Google Patents

Abstract

本発明は、磁気軸受を備えた回転機械用の非常用軸受に関するものであって、非常用軸受は、中間要素（９）を備えたランディング装置を有していて、中間要素（９）はステータ要素（１０）との広い接触面を有している。前記中間要素（９）は、ロータ部材（１，２，３）と、ステータ（１５）に固定されたステータ要素（１０）との間にはさまれており、前記ステータ要素（１０）に対する半径方向スキ間（１１，１３）となっている。半径方向ダンパ要素（１３）が中間要素（９）とステータ要素（１０）との間に配置されていて、さらに小さな摩擦の接触要素（１４）が中間要素（９）とステータ要素（１０）との間に配置されていて、運転時における前記要素間の摩擦を低減するようになっている。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロータに対する半径方向の平均エアギャップがεｒの磁気軸受を有している回転機械用の、軸荷重の影響を受けない非常用軸受を提供していて；非常用軸受は少なくとも一つの軸受部材を具備しており、半径方向スキ間が軸受部材とロータとの間に備えられ、かつ半径方向スキ間の値εｒ／２が、磁気軸受の半径方向のエアギャップεｒの約半分であり、さらに軸受部材の両側において、軸方向スキ間が、軸受部材と第一軸方向合口要素との間、及び軸受部材と第二軸方向合口要素との間に備えられるようになっている。
【背景技術】
【０００２】
アクティブな磁気軸受を有しているすべての回転機械は一般に非常用軸受と呼ばれている非常用装置を必要としていて、前記磁気軸受が過負荷の場合若しくは電気的あるいは電子的制御回路が損傷した場合、又は停止若しくはサスペンションの過負荷の場合でさえも作動するようになっている。この非常用装置は、機械的冗長性を備えていて、さらに形状及び寸法を正確にする必要があって、機械が損傷されないこと、かつ過負荷又はサーボ制御故障がなくなった場合設備を迅速に復旧できることを保証するようになっている。そのような非常用装置は、一般に乾式潤滑形ころがり軸受であるが、他のタイプの軸受が使用されてもよい。それらはロータに対してスキ間を有しており、運転において回転しない。スキ間は、エアギャップの半分にほぼ等しいけれど、必要に応じてより小さくてもよい。例えば仏国特許第２６１３７９１号明細書において、前述のそのような非常用装置は、ステータに対応してダンパに取りつけられ、かつ半径方向スキ間のあるころがり軸受又は滑らかなリングである。
【０００３】
磁気軸受に取りつけられたロータは特に非常に速い通常回転速度になっている。そのような状況において、サーボ制御故障あるいは電源故障により、ロータが非常用装置に係合する場合、ロータは、非常用軸受のスキ間により規定される偏心した回転速度の、ふれまわり運動を起こす。このふれまわり運動は半径方向ホイップ（radial whiplash）と呼ばれている。そのような状況において、著しくは大きなアンバランスが発生し、軸受の破損又はロータの変形をもたらされる。
【０００４】
従ってダンパの作動を保証することが重要であって、そのダンパの機能は、第一に、ロータが非常用軸受に接触した場合における、ロータのふれまわりを防止することであり、第二に、この半径方向ホイップの振動数を、使用されているボールベアリングあるいは滑らかなリングの損傷を回避するために十分に小さな振動数に限定することである。通常この振動数は機械の通常回転速度に対応する振動数の１／４〜１／３の範囲にある。半径方向の運動の自由度が保証されている限り、装置の半径方向への偏心がダンパのメタルテープ又は粘弾性手段のいずれをも圧縮し、従って前述の条件を満足する。
【０００５】
ある種のターボ機械において、運動時における軸荷重は非常に大きなものとなっている。アクシャル磁気軸受が正しく運転されている限り、半径方向の故障用の非常用軸受の正しい運転を妨げるものはない。しかしながら、磁気軸受により制御できない大きな軸荷重の場合、非常用軸受装置は大きな軸荷重に耐える能力がなければならない。
【０００６】
図１は、従来形の非常用軸受においてロータからボールを介してステータへ位置される軸荷重１００の作用を示している。接触面積が非常に小さいので、摩擦係数を小さくしておくこと、及び非常に大きなヘルツ圧力（Hertz pressure）を回避することは、困難である。大きな軸荷重の場合、これらの二つの制限は、非常用軸受が、ダンパ装置１３０を圧縮するかわりに、ハウジング内において非常用軸受の半径方向における詰まりをもたらすかも知れない。そのような状況において、ふれまわり又は半径方向ホイップは回転速度に同期し、従って半径方向の荷重をもたらしている。機械が迅速に停止する、すなわち、運転プロセスあるいは駆動機械であるために通常ブレーキ後数秒後に停止する場合でさえ、その半径方向の荷重は、顕著なものであり、時にボールベアリング（又はボールベアリングのかわりに使用されている滑らかなリンベベアリング）の破損をもたらしている。この状況は、設備に対して従って磁気軸受技術に対して有害なものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は前述の欠点を改善し、かつ磁気軸受の故障又は電源そう失の場合に高度な運転の安全性と限定された損耗とを提供することを意図しているものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
これらの目的は以下の非常用軸受により達成されている。非常用軸受は、ロータに対する半径方向の平均エアギャップがεｒの磁気軸受を有している回転機械用の、軸荷重の影響を受けない非常用軸受であって；非常用軸受は少なくとも一つの軸受部材を具備しており、半径方向スキ間が軸受部材とロータとの間に備えられ、かつ半径方向スキ間の値εｒ／２が、磁気軸受の半径方向のエアギャップεｒの約半分であり、さらに軸受部材の両側において、軸方向スキ間（εａ）が、軸受部材と第一軸方向合口要素との間、及び軸受部材と第二軸方向合口要素との間に備えられるようになっており；
軸荷重の影響を受けない非常用軸受が、非常用ランディング装置と接触手段とをさらに具備していて；非常用ランディング装置は中間要素を有しており、中間要素は、ステータ要素に対する広い接触面を有しており、軸受部材と、ステータに固定された前記ステータ要素との間にはさまれていて、前記ステータ要素に対して半径方向スキ間を有しており；接触手段は、中間要素とステータ要素との間に非常に小さな摩擦係数を提供し、これらの要素間の回転運動中における摩擦を低減していることを特徴としている。
【０００９】
本発明の態様において非常用軸受は、中間要素と軸受手段との間にまたがっていて、さらに軸方向に作用している予荷重手段をさらに備えている。
【００１０】
好ましくは、予荷重手段が、中間要素における最も外側の両側面に固定されたばねであって、従って軸受部材に対して両方向から予荷重を作用している。
【００１１】
特定な態様において、軸受部材が、ステータケージ、ロータケージ及びステータケージとロータケージとの間に配置された回転要素を備えている。
【００１２】
他の適切な特定な態様において、軸受部材が滑らかなリングを備えている。
【００１３】
半径方向スキ間の値εｒ／２は、約０．１５mm〜約０．３mmの範囲であるが、非常用軸受の用途あるいは寸法に応じて他の値であってもよい。
【００１４】
同様に軸方向スキ間の値εａは、約０．２mm〜約０．５mmの範囲であるが、非常用軸受の用途あるいは寸法に応じて他の値であってもよい。
【００１５】
他の特定な実施態様において、中間要素がフランジ付き環状雌形部品であり、かつステータ要素が、雌形の中間要素に係合する雄形部品である。
【００１６】
この場合、ステータ要素は二つのピースに作られた部品である。
【００１７】
他の特定な実施態様において、ステータ要素が、フランジ付き雌形部品であって、中間要素が、雌形のステータ要素に係合する雄形部品である。
【００１８】
適切な態様において、中間要素が、二つのピースに作られている部品である。
【００１９】
本発明の第一実施態様において、非常に小さな摩擦の接触手段が、低摩擦材料のデポジットを、中間要素とステータ要素とにおける、回転軸に直交的に延在している対面した表面に接して備えている。
【００２０】
その場合、低摩擦材料がＰＴＦＥ又はＭｏＳ₂を備えている。
【００２１】
本発明の第二実施態様において、非常に小さな摩擦の接触手段が、中間要素とステータ要素とにおける、回転軸に直交的に延在している対面した表面に相対して表面処理されている。
【００２２】
本発明の第三実施態様において、非常に小さな摩擦の接触手段が、中間要素とステータ要素とにおける、回転軸に直交的に延在している対面した表面の間にはさまれているアクシャルボールベアリングである。
【００２３】
特定な実施態様において、ダンパ手段が、中間要素の中央部分とステータ要素の中央部分とにおける、回転軸に平行な対面した表面の間にはさまれたコルゲート形メタル帯板により構成されている。
【００２４】
特定な実施態様において、ダンパ手段が、中間要素の中央部分とステータ要素の中央部分とにおける、回転軸に平行な対面した表面の間にはさまれた粘弾性リングにより構成されている。
【００２５】
本発明における他の特徴及び利点が、添付図面を参照した、特定な実施態様の以下の説明により明らかとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
図２〜５は非常用軸受の種々の実施態様を示していて、各実施態様において、要素の構造的形状は変化しているが、機能は同じである。種々の異なる実施態様において、構造が同じ要素は同一符号で付番され、機能は同じであるものの構造が異なる要素は、異なる符号で付番されているが、末尾の二つは同一である。
【００２７】
図２は、軸荷重の影響を受けない非常用軸受を示していて、その非常用軸受はアクティブな磁気軸受（図示されていない）との組合せで使用するものである。ステータ１５に対するロータ６の位置とは無関係に、すなわちロータ６がステータ１５の内側あるいは外側であっても、軸受の正しい運転は、保証されている。
【００２８】
非常用軸受は少なくとも一つの軸受部材を備えていて、この場合二つのころがり軸受であるが、その軸受部材各々は、ステータケージ１と、ロータケージ２と、ステータケージ１及びロータケージ２の間に配置された回転要素３とを備えている。
【００２９】
ラジアル磁気軸受が定常的に運転されている状態の非常用軸受を図２に示す。従って、軸受部材のロータケージ２は、εｒ／２の値の半径方向スキ間４だけロータ６から離間していて、その値は、磁気軸受のエアギャップεｒの約半分である。半径方向スキ間εｒ／２は、０．１５mm〜０．３mmの範囲の値であってもよくて、用途に応じてこの範囲からはずれた値であってもよい。ロータケージ２は、第一及び第二軸方向合口要素７及び８から、それぞれ軸方向スキ間εａだけ離間していて、その軸方向スキ間εａは、約０．２mm〜約０．５mmの範囲であるけれど、用途に応じてこの範囲からはずれた値であってもよい。軸荷重が軸受部材に作用した場合、軸方向スキ間は軸受部材が軸方向いずれかの方向へ移動することを可能にしている。
【００３０】
非常用軸受がさらに非常用ランディング装置を備えていて、その装置は、フランジを有している現状雌形中間要素９を備えており、そのフランジは、雌形中間要素９に係合している二つのピースに作られている雄形ステータ要素１０に対して広い接触面を備えている。雌形中間要素９は、ステータケージ１とステータ要素１０との間にはさまれていて、ステータ要素１０に対して半径方向スキ間１１，１３を有しており、ステータ要素１０はステータ１５に固定されている。中間要素９とステータ要素１０との間における広い接触面は、大きな軸荷重がこの接触面に作用した場合における著しい圧力の増加を回避するようになっている。中間要素９の両側面に固定されたばね１２が軸受部材に対して軸方向に作用していて、軸方向両方向に対して予荷重を作用している。内部軸受部材の運動を促進するために、軸受は無荷重でないことを保証する必要がある。なぜなら無荷重は、装置の適切な運転と寿命とに対して有害な内部スリップを招くからである。
【００３１】
半径方向に作用するダンパ手段が、対面している環状面の間のスキ間１３にはさまれていて、それらの環状面は、中間要素９とステータ要素１０との中央部分の回転軸に平行である。これらのダンパ手段は、コルゲートタイプのメタルテープにより、又は粘弾性リングにより構成されていてもよい。さらに、非常に小さな摩擦係数の接触手段１４が、中間要素９とステータ要素１０とにおける、回転軸に対して直交的に延在している対面している面の間に備えられている。これらの接触手段は、接触面の表面処理により、又はＰＴＦＥタイプのデポジットにより、又は他の同様な潤滑剤のいずれかを付着することにより作られていてもよい。
【００３２】
磁気軸受がもはや正常な支持機能を提供しなくなった場合、ロータ６は通常の回転速度に近い速い回転速度でロータケージ２と係合する。その後ロータ６は、次第に減速する一方で、ふれまわり運動を引きおこしていて、その振動数は、利点のあることにダンパ装置により、機械の通常回転速度に対応する振動数の１／４〜１／３の範囲に限定されている。従って、ロータ６に作用する遠心力は、ダンパ手段がない場合に比較して十分小さな値となっている。
【００３３】
ダンパ装置は、軸受の外側ケージ１に直接配置されていなくて、中間要素９の直径が大きいところで、中間要素９とステータ要素１０とが直接的に小さな摩擦となるようなレベルに配置されている。
【００３４】
この装置により以下のことが保証されていて、小さな摩擦係数の大きな接触面１４を介してもたらされる半径方向の力は、非常用軸受に作用する軸荷重に関係なく装置の半径方向の自由な運動を低減することができる。従って、このことが、ダンパ装置１３における効果の持続と前述の機能の実行とを可能にしていて、非常用軸受装置の目的でもある。第一に軸受部材の両方向に作用する予荷重により、第二に軸方向スキ間５により、装置は、軸荷重に関係なく適切に運転される。
【００３５】
図３における非常用軸受は、ある要素の配置の点において、図２における非常用軸受と異なっている。軸受材料は滑らかなリング１０１であって、従って内部の軸受部材を含んでいる。従って中間要素９の両側面に固定されたばねはもはや必要ない。
【００３６】
図４において中間要素１０９が二つの部分１０９Ａ及び１０９Ｂからなるフランジ付き雌形環状要素を備えている。しかしながら、ステータ要素１１０は一体ピースとして作られてもよい回転体である。非常に小さな摩擦係数の接触手段が、アクシアルボールベアリング１１４を備えていて、そのアクシアルボールベアリング１１４は、中間要素１０９とステータ要素１１０における、回転軸に直交的に延在している、対面している面の間に挿入されている。この場合、荷重は、多数のボールにわたって分散されていて、従って非常に小さな摩擦係数を保証している。
【００３７】
従ってアクシアルボールベアリング１１４は、非常に小さな摩擦係数の接触コーティング１４を取り替えた別の実施態様を構成している。
【００３８】
図５は本発明の他の実施態様であって、ステータ要素２１０が、二つのピース２１０Ａ及び２１０Ｂからなるフランジ付き環状雌形部品であって、中間要素２０９は、一体ピースとして作られ、かつ雌形ステータ要素２１０と係合する雄形回転体である。
【００３９】
図６は、図２のIV−IV断面を示していて、ロータ６が内部にあって、軸受部材は、ステータケージ１、ロータケージ２及びステータケージ１とロータケージ２との間にはさまれた回転要素３を備えていて、かつロータ６に取りつけられている。ばね１２が、中間要素９に固定されていて、従ってステータケージ１に予荷重を作用している。
【００４０】
図７は、図２における矢印Ｆから見た図であって、二つのピース１０Ａ及び１０Ｂを備えているステータ要素１０を示すために部分的に切断したものである。中間要素９が一体ピースとして作られる場合に装置を組立てることを可能にするために、このステータ要素１０は、二つのピースにする必要がある。
【００４１】
本発明の範囲を逸脱することなく、種々の修正が本実施態様に行なわれてもよい。とくに、種々の態様をお互いに組合わせてもよい。例えば、図４及び５におけるアクシアルボールベアリング１１４は、図２及び３における接触コーティング１４と取り替えてもよい。滑らかなリング１０１が、軸受部材１，２，３の代りに図４及び５の実施態様に組みこまれてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１は、従来技術の非常用軸受における、ボールを介してロータからステータへ伝達される軸荷重を概略的に示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の第一実施態様における非常用軸受であって、軸受部材が、二つのケージの間に保持された一セットの回転要素を備えている。
【図３】図３は、図２と同様の図であって、予荷重手段がなくて、軸受部材が滑らかなリングを備えている。
【図４】図４は、本発明の他の実施態様における非常用軸受の断面図である。
【図５】図５は、本発明の他の実施態様における非常用軸受の断面図である。
【図６】図６は、図２における線VI−VIから見た図である。
【図７】図７は、図２における矢印Ｆから見た図であって、切断面は二つのピースで作られたステータ要素を示している。

Claims (16)

1. ロータ（６）に対する半径方向の平均エアギャップがεｒの磁気軸受を有している回転機械用の、軸荷重の影響を受けない非常用軸受であって；軸荷重の影響を受けない非常用軸受は少なくとも一つの軸受部材（１，２，３；１０１）を具備しており、半径方向スキ間（４）が軸受部材（１，２，３；１０１）とロータ（６）との間に備えられ、かつ半径方向スキ間の値εｒ／２が、磁気軸受の半径方向のエアギャップεｒの約半分であり、さらに軸受部材（１，２，３：１０１）の両側において、軸方向スキ間（εａ）（５）が、軸受部材と第一軸方向合口要素（７）との間、及び軸受部材と第二軸方向合口要素（８）との間に備えられるようになっており；
   軸荷重の影響を受けない非常用軸受が、非常用ランディング装置と接触手段（１４；１１４）と予荷重手段（１２）とをさらに具備していて；非常用ランディング装置は中間要素（９；１０９；２０９）を有しており、前記中間要素（９；１０９；２０９）は、ステータ要素（１０；１１０；２１０）に対する広い接触面を有しており、軸受部材（１，２，３；１０１）と、ステータ（１５）に固定された前記ステータ要素（１０；１１０；２１０）との間にはさまれていて、前記ステータ要素（１０；１１０；２１０）に対して半径方向スキ間（１１，１３）を有しており；接触手段（１４；１１４）は、中間要素（９；１０９；２０９）とステータ要素（１０；１１０；２１０）との間に非常に小さな摩擦係数を提供し、これらの要素間の回転運動中における摩擦を低減しており；そして予荷重手段（１２）は、中間要素（９；１０９；２０９）と軸受手段（１，２，３）との間にまたがっていて、さらに軸方向に作用している；ことを特徴とする軸荷重の影響を受けない非常用軸受。
2. 予荷重手段が、中間要素（９；１０９；２０９）における最も外側の両側面に固定されたばね（１２）であって、従って軸受部材（１，２，３）に対して両方向から予荷重を作用していることを特徴とする、請求項１に記載の軸荷重の影響を受けない非常用軸受。
3. 軸受部材（１，２，３）が、ステータケージ（１）、ロータケージ（２）及びステータケージ（１）とロータケージ（２）との間に配置された回転要素（３）を備えていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の軸荷重の影響を受けない非常用軸受。
4. 軸受部材（１０１）が滑らかなリング（１０１）を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の軸荷重の影響を受けない非常用軸受。
5. 半径方向スキ間（４）の値εｒ／２が、約０．１５mm〜約０．３mmの範囲である。ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の軸荷重の影響を受けない非常用軸受。
6. 軸方向スキ間（５）の値εａが、約０．２mm〜約０．５mmの範囲であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の軸荷重の影響を受けない非常用軸受。
7. 中間要素がフランジ付き環状雌形部品（９：１０９）であり、かつステータ要素が、雌形の前記中間要素（９；１０９）に係合する雄形部品（１０；１１０）であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の軸荷重の影響を受けない非常用軸受。
8. ステータ要素が、フランジ付き雌形部品（２１０）であって、中間要素が、雌形のステータ要素（２１０）に係合する雄形部品（２０９）であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の軸荷重の影響を受けない非常用軸受。
9. 中間要素が、二つのピースに作られている部品（１０９）であることを特徴とする、請求項７に記載の軸荷重の影響を受けない非常用軸受。
10. ステータ要素が、二つのピース（１０；２１０）に作られている部品であることを特徴とする、請求項７又は８に記載の軸荷重の影響を受けない非常用軸受。
11. 非常に小さな摩擦の接触手段が、低摩擦材料のデポジット（１４）を、中間要素（９；１０９；２０９）とステータ要素（１０；１１０；２１０）とにおける、回転軸に直交的に延在している対面した表面に接して備えていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の軸荷重の影響を受けない非常用軸受。
12. 低摩擦材料（１４）がＰＴＦＥ又はＭｏＳ₂を備えている請求項１１に記載の軸荷重の影響を受けない非常用軸受。
13. 非常に小さな摩擦の接触手段が、中間要素（９；１０９；２０９）とステータ要素（１０；１１０；２１０）とにおける、回転軸に直交的に延在している対面した表面に相対して表面処理されていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の軸荷重の影響を受けない非常用軸受。
14. 非常に小さな摩擦の接触手段が、中間要素（９；１０９；２０９）とステータ要素（１０；１１０；２１０）とにおける、回転軸に直交的に延在している対面した表面の間にはさまれているアクシャルボールベアリング（１１４）であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の軸荷重の影響を受けない非常用軸受。
15. ダンパ手段（１３）が、中間要素（９；１０９；２０９）の中央部分とステータ要素（１０；１１０；２１０）の中央部分とにおける、回転軸に平行な対面した表面の間にはさまれたコルゲート形メタル帯板により構成されていることを特徴とする、請求項１〜１４に記載の軸荷重の影響を受けない非常用軸受。
16. ダンパ手段（１３）が、中間要素（９；１０９；２０９）の中央部分とステータ要素（１０；１１０；２１０）の中央部分とにおける、回転軸に平行な対面した表面の間にはさまれた粘弾性リングにより構成されていることを特徴とする、請求項１〜１４に記載の軸荷重の影響を受けない非常用軸受。