JPH06101715A - 軸受装置 - Google Patents

軸受装置

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JPH06101715A
JPH06101715A JP4247776A JP24777692A JPH06101715A JP H06101715 A JPH06101715 A JP H06101715A JP 4247776 A JP4247776 A JP 4247776A JP 24777692 A JP24777692 A JP 24777692A JP H06101715 A JPH06101715 A JP H06101715A
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JP
Japan
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rotating body
bearing
permanent magnet
annular
superconductor
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Withdrawn
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JP4247776A
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Inventor
Ryoichi Takahata
良一 高畑
Hirotomo Kamiyama
拓知 上山
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Koyo Seiko Co Ltd
Original Assignee
Koyo Seiko Co Ltd
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Publication date
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406—Magnetic bearings
    • F16C32/0408—Passive magnetic bearings
    • F16C32/0436—Passive magnetic bearings with a conductor on one part movable with respect to a magnetic field, e.g. a body of copper on one part and a permanent magnet on the other part
    • F16C32/0438—Passive magnetic bearings with a conductor on one part movable with respect to a magnetic field, e.g. a body of copper on one part and a permanent magnet on the other part with a superconducting body, e.g. a body made of high temperature superconducting material such as YBaCuO
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16C32/0603—Bearings not otherwise provided for with moving member supported by a fluid cushion formed, at least to a large extent, otherwise than by movement of the shaft, e.g. hydrostatic air-cushion bearings supported by a gas cushion, e.g. an air cushion
    • F16C32/0614—Bearings not otherwise provided for with moving member supported by a fluid cushion formed, at least to a large extent, otherwise than by movement of the shaft, e.g. hydrostatic air-cushion bearings supported by a gas cushion, e.g. an air cushion the gas being supplied under pressure, e.g. aerostatic bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16C32/06—Bearings not otherwise provided for with moving member supported by a fluid cushion formed, at least to a large extent, otherwise than by movement of the shaft, e.g. hydrostatic air-cushion bearings
    • F16C32/0681—Construction or mounting aspects of hydrostatic bearings, for exclusively rotary movement, related to the direction of load
    • F16C32/0685—Construction or mounting aspects of hydrostatic bearings, for exclusively rotary movement, related to the direction of load for radial load only

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 電磁石を不要にする。低回転数での回転体の
ふれを防止する。 【構成】 回転体１に同心状にかつ固定状に設けられた
環状の永久磁石部９、および永久磁石部９と対向するよ
うに配置された環状超電導体部８よりなる超電導軸受部
３を備えている。超電導軸受部３から軸方向に離隔した
位置に、回転体１の互いに直交する２つのラジアル方向
の位置を制御する静圧気体軸受部４を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、軸受装置に関する。
【０００２】
【従来の技術と発明の課題】回転体と、回転体を固定部
に対して非接触状態で支持する軸受部とを備えた軸受装
置として、５軸制御形磁気軸受装置が周知である。この
磁気軸受装置は、通常、アキシアル方向の１つの磁気軸
受と、回転体の一端側に設けられた互いに直交する２つ
のラジアル方向の磁気軸受と、回転体の他端側に設けら
れた互いに直交する２つのラジアル方向の磁気軸受と、
アキシアル方向変位センサと、８個のラジアル方向変位
センサとが設けられたものであり、各磁気軸受が２つの
電磁石を備えている。
【０００３】しかしながら、従来の５軸制御形磁気軸受
装置では、電磁石による吸引力で回転体を固定部に対し
て非接触状態で支持するので、大形の電磁石を使用する
必要があり、しかも回転体の回転中には常に電磁石に通
電しておく必要があって消費電力が多くなり、その結果
コストが高くなるという問題がある。
【０００４】コストの安い軸受装置として、超電導軸受
装置が考えられている。そして、本出願人は、先に、回
転体に取付けられた永久磁石と、これに対向するように
配置される超電導体とを備えており、上記永久磁石が、
上記回転体の回転軸心の周囲の磁束分布が回転によって
変化しないように上記回転体に設けられ、上記超電導体
が上記永久磁石の磁束侵入を許容するもので、上記永久
磁石の磁束が所定量侵入する離隔位置であってかつ上記
回転体の回転によって侵入磁束の分布が変化しない位置
に配置されている超電導軸受装置を提案した（特願平２
−２９３２５６号参照）。この超電導軸受では、超電導
体を冷却するだけで回転体を固定部に対して非接触状態
で支持することができる。
【０００５】ところが、上記のような超電導軸受装置で
は、永久磁石が取付けられた部分の回転体の固有振動数
が低いために、回転体の回転を開始した後、安定回転領
域に達するまでの回転数が低い段階において共振が発生
し、回転体にラジアル方向のふれが発生する。そして、
回転体が固定部に接触して破損するという問題がある。
また、回転体が、たとえば回転体に取付けられたロータ
およびロータの周りに配置されたステータよりなる高周
波電動機によって回転させられる場合、上記ラジアル方
向のふれが発生すると、ロータに回転ふれが発生し、こ
の回転ふれは高周波電動機の磁気的アンバランスにより
さらに増大され、その結果ロータとステータが接触して
破損するという問題がある。
【０００６】この発明の目的は、上記の問題を解決した
軸受装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この発明による軸受装置
は、回転体と、回転体を固定部に対して非接触状態で支
持する軸受部とを備えた軸受装置であって、回転体に同
心状にかつ固定状に設けられた環状の永久磁石部、およ
び永久磁石部と対向するように固定部に配置された環状
超電導体部よりなる超電導軸受部と、超電導軸受部と軸
方向に離隔した位置に設けられ、かつ回転体の互いに直
交する２つのラジアル方向の位置を制御する静圧気体軸
受部とを備えているものである。
【０００８】
【作用】超電導軸受部の超電導体部にピン止めされた永
久磁石部の磁束による拘束作用でもって、永久磁石部と
超電導体部とが所定の間隔をあけて対向した状態で保持
される。この状態においては、永久磁石部を備える回転
体をその軸心まわりに回転させることが可能である。こ
のとき、超電導体部に侵入した磁束は、磁束分布が回転
軸心に対して均一で不変である限り、回転を妨げる抵抗
とはならない。したがって、超電導体部に対して所定の
位置に回転体に備える永久磁石部を相対位置させるだけ
で、アキシアル方向およびラジアル方向に非接触状態で
支持することができる。
【０００９】回転体の回転を開始した後、安定回転領域
に達するまでに回転体に共振が発生し、回転体の互いに
直交する２つのラジアル方向のふれが発生すると、静圧
気体軸受部により回転体の位置が制御されてこのふれが
補正される。
【００１０】回転体の回転数が安定領域に達すると、超
電導軸受部だけで回転体を固定部に対して非接触状態で
支持することができる。
【００１１】安定回転領域で回転している回転体を停止
させる場合や、停電になった場合等に、回転体が完全に
停止するまでに回転体に共振が発生し、回転体の互いに
直交する２つのラジアル方向のふれが発生すると、静圧
気体軸受部により回転体の位置が制御されてこのふれが
補正される。
【００１２】
【実施例】以下、この発明の実施例を、図面を参照して
説明する。
【００１３】図１はこの発明の第１実施例の軸受装置の
全体構成を概略的に示し、図２は同じく静圧気体軸受部
を制御する部分の構成を示す。
【００１４】図１において、軸受装置は、垂直な軸状の
回転体(1) を備えている。回転体(1) は、回転体(1) の
長さの中央部に設けられた駆動用高周波電動機(2) で高
速回転させられるようになっている。高周波電動機(2)
の上下両側にそれぞれ超電導軸受部(3) が設けられ、上
側の超電導軸受部(3) の上側および下側の超電導軸受部
(3) の下側に離隔してそれぞれ静圧気体軸受部(4) が設
けられている。
【００１５】高周波電動機(2) は、回転体(1) に取付け
られたロータ(5) と、その周囲に配置されて固定部(6)
に固定状に設けられたステータ(7) とよりなる。
【００１６】両超電導軸受部(3) は、環状超電導体部
(8) と、超電導体部(8) よりも電動機(2) 側において超
電導体部(8) と間隔をおくように配置された水平円板状
永久磁石部(9) とよりなる。超電導軸受部(3) は、ラジ
アル荷重およびアキシアル荷重を支持しうる。
【００１７】両環状超電導体部(8) は、それぞれたとえ
ば銅あるいは非磁性ステンレス鋼からなりかつ固定部
(6) に固定された水平環状体(10)を備えている。各環状
体(10)の中心にはこれを上下に貫通する穴(10a) が形成
され、この貫通穴(10a) に回転体(1) が隙間をあけて通
されている。各環状体(10)内に環状中空部(11)が形成さ
れ、この中に、周方向に等間隔をおいて互いに近接する
ように、複数の円板状超電導体(12)が配置されている。
全ての円板状超電導体(12)の体積は等しくなっている。
また、各環状体(10)に、その内部の環状中空部(11)と連
通するように、冷却流体供給管(13)および同排出管(14)
が接続されている。各冷却流体供給管(13)は、たとえば
液体窒素からなる冷却流体の供給源(15)に設けられた冷
却流体出口管(17)に導管(16)を介して接続されている。
出口管(17)には電磁弁(18)が設けられている。冷却流体
排出管(14)は、冷却流体供給源(15)に接続されていても
よいし、あるいは図示しない冷却流体回収装置に接続さ
れていてもよい。そして、液体窒素が出口管(17)、導管
(16)、冷却流体供給管(13)、中空部(11)および冷却流体
排出管(14)に送られ、中空部(11)内に満たされる液体窒
素により超電導体(12)が冷却される。
【００１８】円板状超電導体(12)は第２種超電導体であ
り、イットリウム系高温超電導体、たとえばＹＢａ２Ｃ
ｕ３Ｏｘからなるバルクの内部に常電導粒子（Ｙ２Ｂａ
１Ｃｕ１）を均一に混在させたものからなり、第２種超
電導状態が出現する環境下において、内部に侵入した磁
束を拘束する性質を持つものである。
【００１９】各水平円板状永久磁石部(9) は、回転体
(1) に固定状に設けられた、たとえば銅からなる水平円
板(19)を備えている。上側の永久磁石部(9) の水平円板
(19)の上面、および下側の永久磁石部(9) の水平円板(1
9)の下面に、それぞれ回転体(1) と同心状に環状凹みぞ
(20)が形成されており、これらの凹みぞ(20)内に環状永
久磁石(21)が嵌められて固定されている。永久磁石(21)
は、回転体(1) の回転軸心の周囲の磁束分布が回転によ
って変化しないように設けられている。そして、永久磁
石(21)と超電導体(12)とが、永久磁石(21)の磁束が超電
導体(12)に所定量侵入する離隔位置であってかつ上記回
転体(1) の回転によって侵入磁束の分布が変化しない位
置に、相互に対向するように配置されている。
【００２０】両静圧気体軸受部(4) は、それぞれ固定部
(6) に固定された水平環状体(22)を備えている。各環状
体(22)の中心にはこれを上下に貫通する穴(22a) が形成
され、この貫通穴(22a) に回転体(1) が隙間をあけて通
されている。各水平環状体(22)に、これを径方向に貫通
する複数、たとえば８つの穴(23)が周方向に等間隔をお
いて形成され、各穴(23)の内側の端部にノズル部(23a)
が形成されている。また、各穴(23)に、外側から気体供
給管(24)が挿入固定されている。すべての気体供給管(2
4)は、それぞれ電磁弁(A1)〜(A8)(B1)〜(B8)を有する導
管(25A)(25B)を介して、供給源(15)の上壁に設けられた
ガス状冷却流体出口管(26)に接続されている。出口管(2
6)の周囲に、冷却流体供給源(15)から送り出されたガス
状冷却流体を加熱するヒータ(27)が設けられている。ま
た、各環状体(22)の内周面におけるノズル部(23a) の上
下両側に、それぞれ環状溝(28)が形成されており、穴(2
3)の上下両側において各環状体(22)を径方向に貫通する
ように固定されたガス状冷却流体吸引管(29)の先端部が
環状溝(28)内に臨んでいる。そして、吸引管(29)によっ
て、ノズル部(23a) から吹出されたガス状冷却流体が環
状溝(28)を経て吸引され、図示しない回収装置に送られ
るようになっている。
【００２１】回転体(1) の互いに直交する２つのラジア
ル方向にのびる軸をＸ軸およびＹ軸とすると、上下の静
圧気体軸受部(4) の水平環状体(22)の内周面に、回転体
(1)をＸ軸方向の両側から挟み、この部分の回転体(1)
のＸ軸方向の変位を検出するラジアル方向変位センサ(X
1)(X2)(X3)(X4)が配置されている。なお、図１において
は図示を省略したが、ラジアル方向変位センサ(X1)〜(X
4)と同一高さ位置に、回転体(1) をＹ軸方向の両側から
挟み、この部分の回転体(1) のＹ軸方向の変位を検出す
るラジアル方向変位センサ(Y1)(Y2)(Y3)(Y4)が配置され
ている。
【００２２】図２は、静圧気体軸受部(4) の制御に関す
る部分のみの構成が示されている。図２において、静圧
気体軸受部(4) の制御装置(30)に、電磁弁(A1)〜(A8)(B
1)〜(B8)およびラジアル方向変位センサ(X1)〜(X4)(Y1)
〜(Y4)が接続されている。そして、共振に起因する回転
体(1) のラジアル方向のふれが発生した場合、制御装置
(30)は、ラジアル方向変位センサ(X1)〜(X4)(Y1)〜(Y4)
の出力により回転体(1) のラジアル方向の変位を検出
し、この変位を検出した場合にのみに、ラジアル方向変
位センサ(X1)〜(X4)(Y1)〜(Y4)の出力に基いて、それぞ
れの電磁弁(A1)〜(A8)(B1)〜(B8)を駆動して開閉し、各
気体供給管(24)へのガス状冷却流体の供給量を調整する
ことによって、各ノズル部(23a) からのガス状冷却流体
の吹出し量を調整し、これにより回転体(1) の位置を制
御して上記ラジアル方向のふれを補正する。
【００２３】図示は省略したが、上記の軸受装置には、
運転前に固定部(6) と回転体(1) の相対位置を設定する
ための初期位置決め装置およびが設けられている。ま
た、固定部(6) と回転体(1) との間に、相対向する部分
が設けられ、この対向部分にタッチダウン軸受が配置さ
れている。
【００２４】停止状態の軸受装置は、次のようにして運
転状態にされる。
【００２５】まず、初期位置決め装置により、永久磁石
部(9) と超電導体部(8) の相対位置が設定されるととも
に、回転体(1) の固定部(6) に対する位置決めが行われ
る。その後、各超電導体(12)を環状中空部(11)内に循環
させられる冷却流体によって冷却し、第２種超電導状態
に保持する。すると、回転体(1) の永久磁石(21)から発
せられる磁束の多くが超電導体(12)の内部に侵入して拘
束されることになる（ピンニング現象）。ここで、超電
導体(12)はその内部に常電導体粒子が均一に混在されて
いるため、超電導体(12)内部への侵入磁束の分布が一定
となり、そのため超電導体(12)に対して永久磁石(21)と
ともに回転体(1) が拘束される。したがって、回転体
(1) は、きわめて安定的に浮上した状態で、アキシアル
方向およびラジアル方向に支持されることになる。この
とき、超電導体(12)に侵入した磁束は、磁束分布が回転
軸心に対して均一で不変である限り、回転を妨げる抵抗
とはならない。
【００２６】そして、回転体(1) が高周波電動機(2) に
より回転させられる。回転開始後、回転体(1) が安定回
転領域に達するまでの間、または安定回転領域で回転し
ていた回転体(1) が停止するまでの間に共振が発生し、
これに起因して回転体(1) にラジアル方向のふれが発生
すると、制御装置(30)はラジアル方向変位センサ(X1)〜
(X4)(Y1)〜(Y4)の出力により回転体(1) のラジアル方向
の変位を検出し、ラジアル方向変位センサ(X1)〜(X4)(Y
1)〜(Y4)の出力に基いて電磁弁(A1)〜(A8)(B1)〜(B8)を
駆動して開閉し、各ノズル部(23a) からのガス状冷却流
体の吹出し量を調整することにより回転体(1) の位置を
制御し、上記ラジアル方向のふれを補正する。その結
果、回転体(1) と固定部(6) とが接触することによる回
転体(1) の破損が防止される。
【００２７】図３はこの発明の第２実施例の軸受装置の
全体構成を概略的に示し、図４は同じく静圧気体軸受部
を制御する部分の構成を示す。なお、図３および図４に
おいて、図１および図２に示すものと同一物および同一
部分には同一符号を付す。
【００２８】この場合、上下の静圧気体軸受部(4) の水
平環状体(22)の内周寄りの部分に環状中空部(40)が形成
されている。各環状体(22)における中空部(40)よりも内
周側の壁部分には、貫通穴(22a) に向かって開口したノ
ズル部(41)が、周方向に等間隔をおいて複数、たとえば
８つ形成されている。また、各水平環状体(22)に、径方
向にのびかつ一端が外周面に開口するとともに他端が中
空部(40)に開口した１つの穴(42)が形成され、この穴(4
2)に、外側から気体供給管(24)が挿入固定されている。
そして、気体供給管(24)から供給された気体が、中空部
(40)を経て一定の圧力で各ノズル部(41)に流れるように
なっている。上下の気体供給管(24)は、それぞれ電磁弁
(A)(B)を有する導管(25A)(25B)を介してガス状冷却流体
出口管(26)に接続されている。
【００２９】この実施例の場合も、図示は省略したが、
運転前に固定部(6) と回転体(1) の相対位置を設定する
ための初期位置決め装置およびが設けられている。ま
た、固定部(6) と回転体(1) との間に、相対向する部分
が設けられ、この対向部分にタッチダウン軸受が配置さ
れている。
【００３０】図４は、静圧気体軸受部(4) の制御に関す
る部分のみの構成が示されている。図４において、静圧
気体軸受部(4) の制御装置(30)に、電磁弁(A)(B)および
ラジアル方向変位センサ(X1)〜(X4)(Y1)〜(Y4)が接続さ
れている。そして、共振に起因する回転体(1) のラジア
ル方向のふれが発生した場合、制御装置(30)は、ラジア
ル方向変位センサ(X1)〜(X4)(Y1)〜(Y4)の出力により回
転体(1) のラジアル方向の変位を検出し、この変位を検
出した場合にのみに、ラジアル方向変位センサ(X1)〜(X
4)(Y1)〜(Y4)の出力に基いて、電磁弁(A) または(B) を
駆動して開閉し、各気体供給管(24)へのガス状冷却流体
の供給量を調整することによって、各ノズル部(41)から
のガス状冷却流体の吹出し量を調整し、これにより回転
体(1) の位置を制御してラジアル方向のふれを補正す
る。
【００３１】また、この実施例の場合も上記第１実施例
の場合と同様にして停止状態の軸受装置は運転状態にさ
れる。
【００３２】
【発明の効果】この発明の軸受装置によれば、上述のよ
うに、回転体の回転数が安定領域に達すると、超電導軸
受部だけで回転体を固定部に対して非接触状態で支持す
ることができるので、従来の５軸制御型静圧気体軸受装
置のように電磁石を用いる必要がなくなってコストが安
くなる。
【００３３】また、回転体の回転数が安定領域よりも低
い場合に、回転体に互いに直交する２つのラジアル方向
のふれが発生すると、このふれは静圧気体軸受部により
補正されるので、上記ふれに起因する高周波電動機など
の破損を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施例の軸受装置の概略を示す
一部切欠き斜視図である。
【図２】図１に示す軸受装置の静圧気体軸受部を制御す
る部分の構成を示すブロック図である。
【図３】この発明の第２実施例の軸受装置の概略を示す
一部切欠き斜視図である。
【図４】図３に示す軸受装置の静圧気体軸受部を制御す
る部分の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】 １ 回転体 ３ 超電導軸受部 ４ 静圧気体軸受部 ６ 固定部 ８ 超電導体部 ９ 永久磁石部

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 回転体と、回転体を固定部に対して非接
    触状態で支持する軸受部とを備えた軸受装置であって、 回転体に同心状にかつ固定状に設けられた環状の永久磁
    石部、および永久磁石部と対向するように固定部に配置
    された環状超電導体部よりなる超電導軸受部と、超電導
    軸受部と軸方向に離隔した位置に設けられ、かつ回転体
    の互いに直交する２つのラジアル方向の位置を制御する
    静圧気体軸受部とを備えている軸受装置。
JP4247776A 1992-09-17 1992-09-17 軸受装置 Withdrawn JPH06101715A (ja)

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JPH06101715A true JPH06101715A (ja) 1994-04-12

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