JP2001012385A

JP2001012385A - 流体機械

Info

Publication number: JP2001012385A
Application number: JP11177420A
Authority: JP
Inventors: Susumu Osawa; 将大沢; Satoshi Mori; 敏森; Tadashi Sato; 忠佐藤
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1999-06-23
Filing date: 1999-06-23
Publication date: 2001-01-16

Abstract

(57)【要約】【課題】静圧軸受を損傷する問題が生ぜず、常に安定
に動作させることができる磁気軸受と静圧軸受との併用
型の流体機械を提供する。【解決手段】１個のラジアル磁気軸受と１個の静圧軸
受１５とで回転するロータ１２を支持し、静圧軸受１５
が流体機械のプロセス流体により作動する流体機械であ
って、ラジアル磁気軸受２０がロータ１２を回転駆動す
るモータ機能を併せて備えたものとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、羽根車を備えたロ
ータを回転することにより液体を移送する流体機械に係
り、特に、磁気軸受及び静圧軸受とで回転するロータを
支持した流体機械に関する。

【０００２】

【従来の技術】既に多くの技術文献等で発表されている
ように、磁気軸受は高真空排気用のターボ分子ポンプに
数多く搭載されており、その有用な機能を十二分に発揮
している。更に、近年、磁気軸受は産業用流体機械にも
数多く搭載されるようになってきた。多くはコンプレッ
サーやブロワなどの気体を圧送する機械で実績を積んで
いる。他方、ポンプなど液体を扱う流体機械にも磁気軸
受が適用される傾向にある。この場合には、流体機械の
外部に磁気軸受を設置し、流体機械のケ−シングの軸貫
通部にシール要素を用いるものや、磁気軸受自体を流体
機械の中に設けるものとがある。

【０００３】しかしながら、磁気軸受はその製造コスト
低減の努力がされているものの未だ導入時のコストは高
い。そこで、磁気軸受を流体機械の内部に設ける場合に
は、１個の磁気軸受と１個の静圧軸受とを併用するケー
スがある。磁気軸受は価格が高いというデメリットがあ
り、静圧軸受は価格的には比較的安いが漏れ損失が大き
いというデメリットがある。そこで、これらの軸受を併
用することで、両者のデメリットを半減させようとする
ものである。これらの流体機械は油軸受が適用できない
場合に、例えば高温ポンプでは有用な選択肢である。

【０００４】図３は、従来の磁気軸受と静圧軸受との併
用型の流体機械を示す。ケーシング１０内では、羽根車
１１を備えたロータ１２が、磁気軸受１３，１４と静圧
軸受１５により支持され、モータ１６により回転駆動さ
れる。即ち、ロータ１２は軸方向（スラスト方向）には
スラスト磁気軸受１３で非接触支持される。又、ロータ
１２の上部Ａは、ラジアル磁気軸受１４で非接触支持さ
れる。ここで磁気軸受１３，１４は、ロータに配設され
た磁性材に電磁石の磁気吸引力を作用させ、ロータ位置
に対応させて磁気吸引力を調整することで、ロータを目
標位置に非接触で支持するものである。

【０００５】ロータ１２の下部Ｃは、静圧軸受１５で支
持される。ここで、静圧軸受１５はプロセス流体、即ち
羽根車１１で移送される液体の一部をポケット１５ａか
ら供給することにより、その供給圧でロータ１２を軸受
の略中央部に軸受部材から非接触で支持するものであ
る。しかしながら、回転起動時或いは所定回転数以下の
低速状態では、プロセス流体の供給圧が不足するため、
ロータ１２は静圧軸受の軸受部材に接触している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このような場合には、
ロータ上部Ａはラジアル磁気軸受１４により位置決めさ
れ、非接触に支持されるが、ロータ下部Ｃは静圧軸受が
十分に作動しないので、軸受部材Ｄに接触する状態とな
る。このような状態でモータ１６によりロータを回転駆
動すると、高速回転状態になればロータ下部は静圧軸受
が作動し非接触状態で支持されるが、起動から回転上昇
しきるまでは、ロータのモータによる駆動部Ｂには不平
衡磁気吸引力が作用し、ロータの下部Ｃは静圧軸受部Ｄ
に接触して回転駆動されることになる。即ち、ロータ１
２は上部Ａをラジアル磁気軸受１４で非接触支持されて
いても、モータ部分Ｂでは偏芯しているため磁気的な不
平衡力Ｅが作用するので、ロータ下部Ｃは更に静圧軸受
にこすり付けられる力を受けて回転せざるを得なくな
り、その結果静圧軸受部Ｄが摩耗する問題が生じる。こ
のため、しばしば、静圧軸受部Ｄを補修する必要が生じ
問題となる。

【０００７】本発明は、上記事情に鑑みて為されたもの
で、上記のような静圧軸受を損傷する問題が生ぜず、常
に安定に動作させることができる磁気軸受と静圧軸受と
の併用型の流体機械を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の流体機械は、１
個のラジアル磁気軸受と１個の静圧軸受とで回転するロ
ータを支持し、前記静圧軸受が流体機械のプロセス流体
により作動する流体機械であって、前記ラジアル磁気軸
受がロータを回転駆動するモータ機能を併せて備えたこ
とを特徴とする。

【０００９】本発明によれば、ロータを支持する１個の
ラジアル磁気軸受がモータの機能を併せ備えた流体機械
であるので、ロータを偏芯させる不平衡力がロータに作
用していても、ラジアル磁気軸受作用により該不平衡力
を打ち消して、常にロータを軸芯に保持した状態で、ロ
ータをモータ機能により回転駆動することができる。従
って、静圧軸受が十分に作動しない低速回転時において
も、ロータを軸芯に保持しつつ、モータ機能により回転
駆動するので、ロータが静圧軸受部に摺動して、これを
損傷することを防止できる。

【００１０】また、前記モータ機能を併せ備えたラジア
ル磁気軸受は、モータの回転駆動磁界に制御磁界を重畳
することで、不平衡磁気吸引力を積極的に制御して、前
記ロータを所定位置に保持するものである。これによ
り、モータ駆動巻線の形成する回転磁界に、位置制御巻
線の形成する回転磁界を重畳するという比較的簡単な構
造で、モータ機能を備えたラジアル磁気軸受を構成する
ことができる。

【００１１】また、前記ロータが鉛直方向に配置された
縦型の流体機械において、ロータの一端にプロセス流体
を移送する羽根車を固着し、該羽根車の近傍に前記プロ
セス流体で作動する静圧軸受を配置し、前記ロータの他
端にスラスト磁気軸受を配置し、該スラスト磁気軸受と
前記静圧軸受との間に前記モータ機能を併せて備えたラ
ジアル磁気軸受を配置したことを特徴とする。

【００１２】また、前記ロータが水平方向に配置された
横形の流体機械において、ロータの一端にプロセス流体
を移送する羽根車を固着し、該羽根車の近傍に前記プロ
セス流体で作動する静圧軸受を配置し、前記ロータの他
端にスラスト磁気軸受を配置し、該スラスト磁気軸受と
前記静圧軸受との間に前記モータ機能を併せて備えたラ
ジアル磁気軸受を配置し、前記静圧軸受の近傍に前記ロ
ータを上方に引き上げる磁気吸引力を作用させる磁性材
を配置したことを特徴とする。

【００１３】流体機械が横置きの場合には、モータ機能
を併せ備えたラジアル磁気軸受では、羽根車を固着した
ロータ端部で、その保持力が不十分であり、静圧軸受部
ではロータ自重で接触を生じる可能性がある。この状態
でモータを起動するとロータが静圧軸受部にこすりつけ
られる力が作用して、静圧軸受部が損傷する。そこで、
このロータ自重の力を緩和するため、上方への磁気吸引
力を有する磁性材を静圧軸受の近くに設けることによ
り、ロータの静圧軸受側を静圧軸受部から非接触となる
ように持ち上げることで、静圧軸受部の摩耗現象を改善
できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図１及び図２を参照しながら説明する。

【００１５】図１は、本発明の第１の実施の形態の流体
機械を示す。この流体機械は、ロータ１２の一端に流体
を移送する羽根車１１が固着され、ケーシング１０の下
方に配置されている縦型の機械である。ロータ１２は、
その上端にスラスト板１３ａが固着され、スラスト磁気
軸受１３により、非接触で軸方向（スラスト方向）に支
持されている。ロータ１２の羽根車１１が固着された下
端部の近傍Ｃには、移送流体の一部で作動する静圧軸受
１５が配置され、回転するロータ１２を半径方向に支持
している。ケーシング１０内のスラスト磁気軸受１３と
静圧軸受１５との中間部には、モータ機能を備えたラジ
アル磁気軸受２０が配置されている。

【００１６】静圧軸受１５は、流体を軸受部材に設けた
複数のポケット１５ａからロータ側に導き、基本的にそ
の静圧力を利用してロータを支持する非接触の形式の軸
受である。このため、摩擦が小さく、高速回転するロー
タの支持に好適であり、又、軸受の摩耗等の問題も生じ
ない。係る静圧軸受を、ポンプ等のターボ機械のロータ
の支持に用いる場合には、ポンプの吐出側から取扱（プ
ロセス）液の一部を軸受に供給することにより、ロータ
を自液により非接触支持することができる。

【００１７】スラスト磁気軸受１３は、ロータ１２に円
板状の磁性材からなるスラストディスク１３ａを備え、
これを上側及び下側から挟むように電磁石１３ｂ，１３
ｃを配置したものである。従って、上側の電磁石１３ｂ
が及ぼす磁気吸引力と、下側の電磁石１３ｃが及ぼす磁
気吸引力とのバランスにより、図示しない位置センサか
らの信号に基づいて、ロータ１２を軸方向の所定位置に
非接触で保持する。このようなスラスト磁気軸受１３に
よれば、羽根車１１の回転により生じるスラスト力の大
小に係わらず、常にロータ１２を所定の軸方向位置に保
持することができる。又、非接触の軸受であるので、摩
耗等の問題が生ぜず、高速回転に適したメンテナンスフ
リーの軸受である。

【００１８】次に、モータ機能を備えたラジアル磁気軸
受２０について、具体的な構造を説明する。これは、円
筒型ステータ内に円筒型のモータロータを組み込み、ス
テータに励磁巻線回路を配置して極数の異なる二種類の
回転磁界を形成し、ここでモータロータに回転力を与え
ると同時に、所定の半径方向位置に浮上保持する位置制
御力を作用させるものである。具体例としては、ステー
タに回転駆動用の巻線と位置制御用の巻線を備え、それ
ぞれに三相交流電流又は二相交流電流を流すことによ
り、所定の関係の極数の異なる回転磁界をステータとモ
ータロータの空隙に形成し、円筒型モータロータに半径
方向の磁気的吸引力を偏配するものである。即ち、不平
衡な磁気吸引力を生成して、これをラジアル磁気軸受と
しての制御力として利用する。

【００１９】係るモータ機能を備えたラジアル磁気軸受
において、ステータの巻線に電流を流すことによりｍ極
の回転磁界とｎ極の回転磁界が生成される。以後、ｍ極
の回転磁界を駆動磁界、ｎ極の回転磁界を位置制御磁界
と呼ぶ。駆動磁界は通常のモータのようにモータロータ
に回転駆動力を与えるために使用する。位置制御磁界は
駆動磁界に重畳することにより、モータロータに半径方
向力を偏配することが可能となるため、モータロータの
半径方向浮上位置を磁気軸受として、自在に調整でき
る。ｍ極とｎ極とは、ｎ＝ｍ±２の関係を有することにより、上記浮上位置制御が可能と
なる。

【００２０】これにより、モータロータを磁気的に吸引
して、モータロータに回転力を付与するモータとして機
能すると共に、その半径方向浮上位置を制御して、ステ
ータに対して非接触浮上支持が可能な磁気軸受として機
能させることができる。このため、モータの回転軸保持
に従来必要とされていた磁気軸受を構成する電磁石ヨー
ク部分及び巻線が不要となり、回転機械の軸長を短縮し
て、軸振動からの高速回転の制限を少なくすることがで
きる。また、回転機械を小型軽量化することができる。
また、位置制御巻線の電流と駆動巻線の電流とにより生
じる磁界分布の相乗効果的な作用により、磁気軸受に相
当する動作を行えるので、従来の磁気軸受と比較しては
るかに小さな電流で大きな制御力が生じ、大幅な省エネ
ルギー化が可能である。

【００２１】ステータで生成される回転磁界により、モ
ータロータの二次導体に誘導電流を生成して回転駆動力
を付与する方式として誘導型回転子がある。誘導型回転
子にも種々の構造があるが、その代表的なものがかご型
回転子であり、これは回転子に低抵抗の金属導体棒（二
次導体）を電流路として回転軸に平行に同心状に多数配
置し、その両端において各金属導体棒を低抵抗の金属導
体環（エンドリング）で接続することにより、回転子に
電流路を設ける構造である。係る回転子においても、上
述したモータ機能を備えたラジアル磁気軸受を同様に適
用することができる。これにより、このモータ機能を備
えたラジアル磁気軸受を、回転子としては通常のかご型
回転子を用い、ステータ側に回転駆動用の巻線と位置制
御用の巻線を具備することにより、比較的簡単な構造で
モータ機能を備えたラジアル磁気軸受を構成することが
できる。

【００２２】上述したようにモータ機能を備えたラジア
ル磁気軸受２０は、モータ機能として必要な回転磁界で
ある平衡磁気吸引力に、位置制御巻線が形成する回転磁
界を重畳することで、不平衡磁気吸引力を生成し、これ
を積極的に利用してラジアル磁気軸受としての機能を持
たせたものである。従って、ロータの半径方向位置が中
心位置からずれると、通常のモータでは不平衡な磁気吸
引力が作用するが、ラジアル磁気軸受としてこれを打ち
消すように半径方向の不平衡な磁気吸引力を作用させ
て、ロータを常に中心位置に保持するように動作する。
これにより従来技術で説明したような、モータロータを
片寄らせるような不平衡力は作用せず、従ってロータの
下端部が静圧軸受の軸受部材にこすりつけられ、摩耗を
引き起こすという問題が防止される。

【００２３】図２は、本発明の第２の実施の形態の流体
機械を示す。この流体機械は、ロータを水平方向に配置
した横形の機械であり、ロータの一端には羽根車１１が
固着され、取扱液であるプロセス流体を移送する。ロー
タ１２は、スラスト方向にスラスト磁気軸受１３により
支持され、又ラジアル方向には、モータ機能を備えたラ
ジアル磁気軸受２０及び静圧軸受１５により支持されて
いる。静圧軸受１５は、上述したのと同様に、羽根車が
移送するプロセス流体の一部をポケット１５ａからロー
タ軸に静圧力を供給することで、ロータ１２を静圧軸受
部Ｄから非接触で保持するものである。モータ機能を備
えたラジアル磁気軸受２０は、第１の実施の形態で説明
したものと同様であり、単にこれを横置きに配置してい
る。

【００２４】このような横置きの場合には、ロータの自
重の約半分の荷重Ｇがロータの部分Ｃに作用する。この
ため、静圧軸受１５では、モータ起動時或いは所定回転
数以下の状態ではロータ１２は静圧軸受部Ｄに接触し、
摺動して摩耗を引起こすことになる。このため、ロータ
の自重の約半分の力Ｇを緩和するため、磁気吸引力を有
する磁性材２１を静圧軸受近くに設けている。この磁性
材２１は例えば永久磁石であり、ロータ１２の対向する
部分に継鉄を配置することで、上向きの磁気吸引力Ｆを
ロータの静圧軸受の近くに作用させることができる。こ
の上向きの磁気吸引力Ｆを、ロータの部分Ｃに作用する
自重Ｇと平衡させることで、ロータの回転停止時にも、
ロータの部分Ｃにおいてロータ１２が殆ど軸受部材Ｄに
接触しなくなる。従って、ロータ１２の羽根車１１の近
傍を軸受部材Ｄにこすりつける力が減り、摩耗現象も改
善できる。

【００２５】尚、上記実施の形態においては、一般的な
流体機械に関して、モータの不平衡磁気力による摩耗力
発生について説明した。しかしながら、液体を取り扱う
流体機械においては、モータロータびモータステータ又
は軸受部等をキャン封止する場合がある。流体機械内部
に設けられるキャン封止のモータロータとキャン封止の
モータステータの狭い隙間部では、複雑な流体力によ
り、モータに起因する不平衡磁気力と同様な不平衡力が
発生する場合もある。このような流体に起因する不平衡
力に対しても、モータ機能を持つラジアル磁気軸受を用
いることによって、モータ不平衡磁気力の場合と同様な
不平衡力の補償の効果を発揮できる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、静
圧軸受と磁気軸受とを併用した流体機械において、モー
タ機能を備えたラジアル磁気軸受を用いることにより、
ロータを静圧軸受の静圧軸受部から殆ど接触しない状態
で保持することができる。これにより、静圧軸受の摩耗
が防止され、流体機械の耐久性を高め、又メンテナンス
性を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の流体機械の断面図
である。

【図２】本発明の第２の実施の形態の流体機械の断面図
である。

【図３】従来の磁気軸受と静圧軸受とを併用した流体機
械の断面図である。

【符号の説明】

１０ケーシング１１羽根車１２ロータ１３スラスト磁気軸受１５静圧軸受２０モータ機能を備えたラジアル磁気軸受Ｂモータ機能を備えたラジアル磁気軸受によるロ
ータの支持部Ｃ静圧軸受によるロータの支持部Ｄ静圧軸受部（軸受部材）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐藤忠神奈川県藤沢市本藤沢４丁目２番１号株式会社荏原総合研究所内Ｆターム(参考） 3H022 CA14 CA15 CA16 CA18 CA19 CA20 CA48 CA50 CA56 DA00 DA08 DA09 DA13 DA15 DA16 DA20 3J102 AA01 AA02 BA03 BA19 CA10 DA02 DA03 DA09 DB05 EA03 GA06 5H607 AA12 BB01 BB14 CC01 DD01 DD03 FF27 GG01 GG02 GG13 GG20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１個のラジアル磁気軸受と１個の静圧軸
受とで回転するロータを支持し、前記静圧軸受が流体機
械のプロセス流体により作動する流体機械であって、前
記ラジアル磁気軸受がロータを回転駆動するモータ機能
を併せて備えたことを特徴とする流体機械。
【請求項２】前記モータ機能を併せ備えたラジアル磁
気軸受は、モータの回転駆動磁界に制御磁界を重畳する
ことで、不平衡磁気吸引力を積極的に制御して、前記ロ
ータを所定位置に保持することを特徴とする請求項１記
載の流体機械。
【請求項３】前記ロータが鉛直方向に配置された縦型
の流体機械において、ロータの一端にプロセス流体を移
送する羽根車を固着し、該羽根車の近傍に前記プロセス
流体で作動する静圧軸受を配置し、前記ロータの他端に
スラスト磁気軸受を配置し、該スラスト磁気軸受と前記
静圧軸受との間に前記モータ機能を併せて備えたラジア
ル磁気軸受を配置したことを特徴とする請求項１又は２
記載の流体機械。
【請求項４】前記ロータが水平方向に配置された横形
の流体機械において、ロータの一端にプロセス流体を移
送する羽根車を固着し、該羽根車の近傍に前記プロセス
流体で作動する静圧軸受を配置し、前記ロータの他端に
スラスト磁気軸受を配置し、該スラスト磁気軸受と前記
静圧軸受との間に前記モータ機能を併せて備えたラジア
ル磁気軸受を配置し、前記静圧軸受の近傍に前記ロータ
を上方に引き上げる磁気吸引力を作用させる磁性材を配
置したことを特徴とする請求項１又は２記載の流体機
械。