JP2001508154A

JP2001508154A - 磁気ベアリングの再心出し用バックアップベアリング

Info

Publication number: JP2001508154A
Application number: JP52447397A
Authority: JP
Inventors: エム．ミラー，ロビン
Original assignee: サザンカンパニーエナジーソルーションズ，インコーポレイテッド
Priority date: 1995-12-29
Filing date: 1996-12-16
Publication date: 2001-06-19
Also published as: US5747907A; ES2123480T1; DE870123T1; CA2241729A1; WO1997024535A1; EP0870123A1

Abstract

(57)【要約】ベアリングシステム、例えば磁気ベアリングは、今日、種々の適用分野において広く使用される。しかしながら、全てのベアリングシステムは故障しがちである。それ故に、主ベアリングが故障すれば該主ベアリングをバックアップするために、バックアップベアリングシステムは、主ベアリングシステムとともにしばしば使用される。磁気ベアリングの再心出しを行うためのバックアップベアリングシステムは、軸のまわりに配置されかつ少なくとも一つのベアリングを有する第１の円錐部材と、第１の円錐部材から離され軸のまわりに配置され少なくとも一つのベアリングを有する第２の円錐部材、および第１の動作位置において第２の円錐部材とベアリングから離されたアクチュエータを含んでいる。アクチュエータアッセンブリーは、バックアップベアリングシステムが磁気ベアリングを再心出しするように動作している第１の動作位置間に配置された第２の円錐部材とベアリングを、磁気ベアリングが再び動作している時に、第２の不動作位置まで動かす。

Description

【発明の詳細な説明】磁気ベアリングの再心出し用バックアップベアリング背景１．技術分野本願は、バックアップベアリングに関し、特に磁気ベアリングの断定的な再心出しを行うための二重円錐バックアップベアリングに関する。２．関連技術の背景フライホイール、回転運動エネルギーとしてのエネルギーを蓄える一定の軸のまわりを回る均衡した質量は、人類の最も初期の装置の一つであり、陶芸家のホイールと砥石の両方に対する基準として役立っている。運動エネルギーとして電気エネルギーを蓄え、かつ蓄積された運動エネルギーから電気エネルギーを蓄積するフライホイールエネルギー蓄積（ＦＥＳ）システムは、今日、多くの応用面に適用されている。ＦＥＳシステムは、例えば有用荷重ならしシステム，しゃ断されない電力供給，およびソーラと風力システムの蓄積容量としてのステーショナリアプリケーションと同様に、自動車分野と宇宙分野の双方で使用されている。伝統的に、ステーショナリという言葉は、幾何学的な位置の変化間を容易に動くことができるモービルシステムに反して、所定の幾何学的位置に位置しているシステムについて言及している。ＦＥＳシステムは、いくつかの主な構成要素、すなわちロータとハブを有するフライホイール，モータ／発電機および磁気ベアリングを含んでいる。典型的に、システムは構造的なハウジング，真空ポンプ，電力入力／出力，および磁気ベアリング用電子制御装置を含んでいる。フライホイールの性能を適正化するために、高強度（すなわち、強度／密度）合成物質のフライホイールロータを構築することは技術分野において知られている。モータ／発電機は、システムがモータとして作用するとき運動エネルギーとして電力をシステムに蓄えるために使用され、システムが発電機として作用しているときシステムからの電気エネルギーを輸送するために使用される。高性能なＦＥＳシステムは、風損，気体力学的な加熱およびロータインスタビリティを小さくするために真空で動作する。それ故に、これらの高性能なシステムは、ロータの故障による異物を囲むする汚染物質として役立つハウジングを含んでいる。現在のＦＥＳシステムは、もちろん、ハウジング内の回転するフライホイールを支持又は懸架するための磁気ベアリングを使用する。使用される磁気ベアリングは、アクティブ又はパッシブである。典型的なアクティブシステムにおいて、フライホイールは磁気ベアリングによって生じる磁力によって支持される。これらの力は、フライホイールに作用する力に加えて、位置センサと電子フィードバック回路によって制御されると共に均衡がとられる。電子フィードバック回路は、ベアリングアッセンブリー内の電磁巻線の電流の制御による磁力を導入して、フライホイールの安定度を制御する。他方、パッシブ磁気ベアリングは、特別な形状の強力な永久磁石を使用して、フィードバック制御にたよることなく、回転するフライホイールを支持安定させる。パッシブグベアリングは寄生的な損失を小さくするために役立ち、アクティブベアリングは、パッシブベアリングよりも動的に安定しており、自動車分野で重要なことである。磁気ベアリングは、これらの磁気ベアリングが正しく配置され中心付けられかつ動作する時、低エネルギー損失と低振動の状況のもとに良く動く。しかしながら、フライホイールが心ずれし、又は電源のしゃ断が生じると、ベアリングはもとの場所に戻るることができず、急速に故障する。故障によるシステム内の損害を小さくするために、多くのフライホイールはこのフライホイールの内径に沿って配置された回転素材バックアップベアリングを使用し、フライホイールが不当な結合になれば磁気ベアリングに作用せず、バックアップベアリングは全システムへの損害を防ぐ。磁気ベアリングが故障すると、技術分野においてワーブとして知られていることが生じる。すきま内でフライホイールが回る時、ワーブは磁気ベアリングにとって必要とされ、システムの固定部材に極めて高い回転力が生じる。ワーブは、バックアップベアリングの寿命を短くし、フライホイールを損傷し破壊する応力を生じる。伝統的なバックアップベアリングは、緊急故障中に役に立つけれども、システムへの損傷なくしてフライホイールを回すことはできない。さらに、フライホイールが心ずれしても電源しゃ断がなければ、伝統的なバックアップベアリングは磁気ベアリング再心出しして再び動作させるのには役立たない。それ故に、システムがワーブすることなく、磁気ベアリングへの電力のしゃ断があれば、磁気ベアリングが再びアクティブになるように磁気ベアリングを再心出し可能にするか、若しくはフライホイールを安全にスピンダウンさせることができる装置が必要である。本願は、システムがワーブすることなく、磁気ベアリングへの電力のしゃ断があれば、磁気ベアリングが再びアクティブになるように磁気ベアリングを再心出し可能にするか、若しくはフライホイールを安全にスピンダウンさせることができるバックアップベアリングを提供する。本システムは、ワーブを生じることなく、これらの両方の目的を達成する。概要磁気ベアリングの再心出しを行うためのバックアップベアリングは、軸のまわりに配置され少なくとも一つのベアリングを有する第１の円錐部材と、軸のまわりに配置され、少なくとも一つのべアリングを有し、第１の円錐部材から離間された第２の円錐部材と、バネ部材、および第１の動作位置又は第２の円錐部材とベアリングから離間されたアクチュエータアッセンブリーを含んでいる。アクチュエータアッセンブリーは、第１の動作位置と第２の円錐部材間に配置されたベアリングを動かすために動作し、第１の動作位置では、バックアップベアリングシステムが磁気ベアリングを再心出しするために動作し、磁気ベアリングが再び動作する時は、第２の動作位置である。一つの実施例において、アクチュエータアッセンブリーは、そこに配置された巻線を有する磁気的に導通する固定子を含んでいる。巻線を付勢することによって固定子に磁界が生じ、磁気導通板，ベアリングおよび第２の円錐部材を、固定子とは反対に第２の不動作位置に動かす。ベアリングを動作位置へ戻すために、磁界はカットされ、圧縮バネの力によって磁気導通板，ベアリングおよび第２の円錐部材を第１の動作位置に戻す。他の実施例において、アクチュエータアッセンブリーは、第２の円錐部材内に配置されたベアリングの内径に端部が取り付けられたピストンを含んでいる。ピストンの動作により、ベアリングと第２の円錐部材が、第１の動作位置と第２の不動作位置間で動かされる。図面の簡単な説明種々の実施例が、以下に、図面に関して述べられている。第１図は、本発明によるバックアップベアリングアッセンブリーの一実施例を使用するフライホイールエネルギー蓄積（ＦＥＳ）システムの、断面図である。第２図は、フライホイールアッセンブリーとの係合にあたって、第１図のバックアップベアリングの一部を部分的に破断した部分断面拡大図である。第３図は、フライホイールアッセンブリーとの離脱にあたって、第２図のバックアップベアリングの一部を部分的に破断した部分断面拡大図である。第３Ｂ図は、第１図のバックアップベアリングの他の部分を部分的に破断した部分断面拡大図である。第４図は、フライホイールアッセンブリーとの係合にあたって、本願によるバックアップベアリングアッセンブリーの他の実施例の部分的に破断した部分断面拡大図である。第５図は、フライホイールアッセンブリーとの離脱にあたって、本願によるバックアップベアリングアッセンブリーの第４図の実施例の部分的に破断した、部分断面拡大図である。図は、本願の例示を意味するものであって、本願の範囲を制限するものではない。好ましい実施例の詳細な説明第１図を参照すると、本願によるフライホイールエネルギー蓄積（ＦＥＳ）システムの一実施例の断面図が示されている。システム１０は、外部真空ハウジング１２，内部汚染物質リング１４，回転フライホイールアッセンブリー16，固定シャフト１７，モータ／発電機２４および主ベアリング２６ａ，２６ｂ，２６ｃからなる。システム１０は、好ましくは、約３５，０００回転／分（ｒｐｍ）の最高速度で８００ワット／時（Ｗｈ）の全エネルギーを蓄えるように、設計される。一定の電力での通常のエネルギー蓄積は、約１７，０００ｒｐｍから約３５，０００ｒｐｍまでの動作範囲にわたって６００Ｗｈである。システムの定格電力は、最高速度で数秒間に対して有効なほぼ５０ｋＷの動作範囲を通して２５ｋＷである。ハウジング１２は、フライホイールが動作する真空室１３を囲んでいる。内部の汚染物質リング１４は、故障が起これば、フライホイールアッセンブリー１６の故障による介在物を含有する。フライホイール１６のまわりに位置する内部汚染物質リング１４は、フライホイール故障による介在物のモーメントに耐えるために、高張力物質例えばスチールによって作られる。本実施例では汚染物質リング１４に関連してハウジング１２を使用しているけれども、多数の種々な汚染物質を使用できる。汚染物質システムが必要とする知識は、１）フライホイールの故障モード，２）故障した部品の運動，および３）汚染物質の応答である。これらの基準の各々を評価することによって、当業者は特殊なＦＥＳシステム用の適正な汚染物質システムを設計することが出来る。本実施例において、モータ／発電機２４は、ブラシなし永久磁石発電機であって、モータ電力密度（ｗａｔｔ／Ｋｇ）と効率を最大にし、かつ真空室１３内で動作するフライホイールアッセンブリーのエネルギー放散を最小にするために、水冷式である。モータ／発電機２４は、技術分野で知られているように、システムがモータとして動作している時に運動エネルギーとして蓄えるために電力をシステムに供給する速度までフライホイールアッセンブリー１６を回し、システムが発電機として動作している時に、フライホイールに結合することによってシステムから電気エネルギーを送るために蓄積された運動エネルギーからの電気エネルギーを発生するように動作する。実施例においては、モータ／発電機２４は、２５Ｋｗ，２５％テューティファクター，５０Ｋｗ最大入出力を備える１８０Ｖ永久磁石３相モータとして設計される。また、モータ／発電機はＦＥＳシステム用の特別な用途に応じて使用される。続いて第１図を参照すると、フライホイールアッセンブリー２６は、合成の回転子１８，ハブ２０およびシリンダー２１によって構成され、シリンダー２１はモータ／発電機２４およびベアリング２６ａ，２６ｂ，２６ｃのバックアイロン２２を含んでいる。本実施例は合成の回転子を使用しているけれども、金属回転子を含む他のタイプの回転子も、特に低エネルギー，高パワー用として、使用できる。しかしながら、ＦＥＳシステムの適正なエネルギー蓄積が質量に対するエネルギーの比率、すなわちエネルギー密度を最大にすることによって達成されるので、合成の回転子は好ましいものであり、かつ最も大きいエネルギー密度は最も大きい特別な張力のフライホイール物質を使用することによって見い出される。マトリックス繊維からなる軽量の合成物質は固体密度に比べて高物質強度を持っている。さらに、金属回転子は故障が発生すれば破損して鋭く突き通る傾向にあり、一方合成回転子はそのようなことはない。使用される物質に拘わらず、フライホイールアッセンブリーの設計を決める要素は、ＦＥＳシステムの適用に関連する所望のエネルギー蓄積容量，コスト，サイクル数とサイズの制限などの全てを含んでいる。フライホイールアッセンブリー１６は、シャフト１７のまわりに回転するので、主ベアリング２６ａ，２６ｂ，２６ｃによって支持される。本実施例においては、主ベアリング２６ａ，２６ｂ，２６ｃは好ましくはアクティブ磁気ベアリングであり、一対の径方向磁気ベアリング２６ｂ，２６ｃと同様に軸方向ベアリング２６ａを含む。アクティブベアリングは、低摩擦損であり、高速度容量が真空条件に適合し、潤滑性を必要とせず、フライホイールアッセンブリーのアクティブ制御ができるので、フライホイール１６を支持するのに好ましい方法である。軸方向磁気ベアリング２６ａはハウジング１２内のフライホイールアッセンブリー１６を支持し、径方向の磁気ベアリング２６ｂ，２６ｃはシャフト１７のまわりのフライホイールアッセンブリー１６を位置合わせする。本実施例において、径方向ベアリング２６ｂ，２６ｃは負荷の１５０１ｂｓの荷重を取ることが出来る。センサ２８ａ，２８ｂ，２８ｃは、全部で５つの軸（径方向ベアリングｘとｙ軸、軸方向ベアリングｚ軸）に対して、それぞれ、各ベアリング２６ａ，２６ｂ，２６ｃ用の各アクティブベアリングに接続されている。センサ２８は近接センサであり、この近接センサは、ベアリングの特性と動作でデジタル制御することによって、フライホイールアッセンブリーの安定度を制御するための電子フィードバック制御を行い、ベアリングとフライホイールを相互に正しく配置する。本実施例においては、磁気ベアリング２６ａ，２６ｂ，２６ｃは、１０００ｒｐｍ以上の速度で一定に動作するアクティブベアリングによってバイアスされる。しかし、他のベアリングは、当業者によって知られており、特殊な用途に応じて使用される。磁気ベアリング２６ａ，２６ｂ，２６ｃは、ほとんどの動作状況において良く働くが負荷限界を有しかつ不安定になるか又は多くの理由で故障するけれども、電力損失には制限されない。それ故に、本願においてはバックアップベアリングアッセンブリー３０が設けられており、このバックアップベアリングアッセンブリーは、磁気ベアリング２６ａ，２６ｂ，２６ｃが不安定又は故障になる状況において、磁気ベアリング２６ａ，２６ｂ，２６ｃをバックアップする。第２図を参照すると、バックアップベアリングアッセンブリー３０の拡大断面図が示されている。バックアップベアリングアッセンブリー３０は、本質的に第１の円錐部材３３（第１図）内に配置された回転素材ベアリング３１の第１の二重列と、本質的に第２の円錐部材３４内に配置された回転素材ベアリング３２の第２の二重の素材ベアリング３２、および円錐部材３４に隣接するアクチュエータアッセンブリー３８を含んでいる。本実施例においては、回転素材ベアリング３１，３２は、好ましくは、二重列、定角度、外径回転、自己潤滑型のベアリングであり、このベアリングは、直径が３５ｍｍで、受け入れ可能なベアリング寿命が達成される限り、別の大きさとスチールのような物質を使用できるけれども、回転素材としてセラミックロールを使用できる。バックアップベアリングとしてどのタイプのベアリングが使用されるにしても、ベアリングは、低摩擦損失を有するべきであり、真空（すなわち、乾燥潤滑）において動作できかつ動作中に非常に小さい熱発生のものであるべきである。さらに、動作時に回転素材ベアリングは回転子に接触すると共に、回転素材への高い遠心荷重が発生する速度まで“スピンアップ”する。回転素材速度がベアリング直径とｒｐｍによるものであるから、当業者によって知られているように、ベアリングの直径は所定の荷重に対して出来るだけ小さいものでなければならない。ベアリング３１，３２および円錐部材３３，３４はシャフト１７のまわりに配置されている。ベアリング３１はベアリング板３５と部材３７，３９間でシャフト１７のまわりに配置されている。円錐部材３３とベアリング３１がシャフト１７に関して軸方向に静止状態なるるように、シャフト１７は予め荷重がかけられている。円錐部材３４とベアリング３２は、円錐部材３４とシャフト１７のまわりに配置されているベアリング受け板40に取り付けられている。ベアリング受け板４０は、好ましくは、縦方向の運動に対し嵌合可能にシャフト１７のまわりに配置されている。本実施例においては、受け板４０とシャフト１７間の約．０００４〜．００１０インチの範囲で対立的な取り付けになっている。ベアリング受け板４０は、円錐部材３４とベアリング３２をシャフトに沿って縦方向に動かすと共に、それ故に、受け板40をシャフト１７に沿って縦方向に動かす適当な方法でシャフト１７のまわりに取り付けられる。リアクトル板４２は、スナップリングを有するすきまに嵌合することによってベアリング受け板４０に取り付けられている。また、リアクトル板４２は、アクチュエータアッセンブリー３８と円錐部材３４間に配置されており、好ましくは、高磁気導通物質からなる。高磁気導通物質としては、例えば、イリノイのアーノルドエンジニアリングのＲｅｍｏｋｏ−Ｂ^TM 物質、又は鉄又は低カーボンスチールなどの他の適当な高透磁率物質がある。ベアリング受け板４０とリアクトル板４２は、２つの素材として示されているけれども、単一の一体構造として作ることができる。続いて第２図を参照すると、固定子４４が静止したままである限り他の取り付け方法が使用できるけれども、アクチュエータアッセンブリー３８は、ボルト４５によってハウジング１２に取り付けられている固定子４４を含んでいる。他の高磁気導通物質を使用できるけれども、固定子４４は好ましくは高導電物質例えばＲｅｍｏｋｏ−Ｂ^TM物質で作られる。アクチュエータアッセンブリー３８は、ワッシャー間に配置されたスペーサ３６ｂを有するイリノイのスマレイスプリングの多数の“波状のワッシャー”からなる圧縮バネ部材３６を含んでいる。本実施例においては、他の形状のものも使用できるけれども、バネの全範囲を通して均一な力を生成させるために、３つのグループのワッシャーを有する全部で４つのスペーサが使用される。波状のワッシャーは、非常に小さい領域で軸方向の力を生じるので好ましいものであるが、標準のコイル圧縮バネのような別のバネ構造のものも使用できる。バネ部材３６は、一端でリアクトル板４２の肩４７に対して圧縮されると共に、対向端で固定子４４の肩に対して圧縮される。バネ受４８はシャフトのまわりに摺動自在に配置されていると共に、支持リング５１によってシャフト１７のまわりに支持される。バックアップベアリングアッセンブリー３０の動作が第２〜３図によって説明される。第２図に示すように、第１又は“動作”位置において、リアクトル板４２は、本実施例においては、ギャップ５０として示されている固定子４４からの所定の間隔で配置されている。ギャップ５０を近づけるために、巻線５０はリアクトル板４２を引き付けるＮとＳ極を有する磁界を発生させるためにまわり、リアクトル板４２，ベアリング受け板４０，円錐部材３４およびベアリング３２を軸１７に沿って矢印“Ａ”の方向で縦方向に動かす。矢印Ａ方向における動きによりリアクトル板４２が固定子４４に接触し、ギャップを閉じ、第３図に示すようにバックアップベアリングアッセンブリーを第２すなわち不動作位置まで動かす。不動作位置にある時、バネ部材３６は、圧縮された状態にありかつ、矢印“Ｃ”と“Ｄ”で示すように、約１００１ｂｓの一定の力を及ぼす。本実施例においては、バックアップベアリングを不動作位置まで動かすために、作動アッセンブリーは、約５アンペアの電流の短いパルスによって動作させられ、上述したようにリアクトル板４２を固定子４４に接触させる。技術分野で知られているように、一端が巻線に接続され反対の端部が外部の制御ボックスに接続された電気ケーブル５２を介して、電流が供給される。リアクトル板４２，円錐部材３４およびベアリング３２は、作動アッセンブリー３８の固定子４４と接触する“不動作”位置に保持され、かつ約２アンペアの細流電流によってフライホイールアッセンブリー１６との接触が離される。フライホイールアッセンブリー３６が機械的な故障を起こしシャフト１７から心ずれされると、磁気ベアリング２６ａ，２６ｂ，２６ｃは不揃いになり、また磁気ベアリングが電気故障により正しく揃っていなければ、近接センサー２８ａ，２８ｂ，２８ｃの出力値は制御ボックス内の所定のレベルを越える。近接センサー２８ａ，２８ｂ，２８ｃの出力値が所定のレベルを越えると、制御ボックスは、制御ボックスから固定子４４まで電気リード５２を介して流れる電流をしゃ断し、固定子４４はリアクトル４２を保持する磁界を不能にする。一担、磁界が不能にされると、バネ部材３６からの力は、リアクトル板４２，ベアリング受け板４０，円錐部材３４およびベアリング３２を、矢印“Ｂ”の方向においてフライホイールアッセンブリー１６に接触するように押さなくなる。円錐部材３４とベアリング３２はその一端でフライホイール１６に接触し、フライホイールアッセンブリーを、円錐部材３３とベアリング３１に接触させる。フライホイールアッセンブリー１６は、好ましくは、円錐部材３３，３４の形状に対応するどちらかの端部の円錐形状接触面３５ａ，３５ｂを含んでおり、円錐部材３３，３４との接触にあたって、フライホイールアッセンブリー１６の運動は、シャフト１７のまわりの再揃いが起こるまで、各方向における円錐部材間に包含される。接触面３５ａ，３５ｂは、加熱と接触面の摩耗を制限するために、好ましくは低摩擦面である。回転するフライホイールアッセンブリー１６に接触する時、大きな再心出し力を生成するために、接触面３５ａ，３５ｂは、好ましくは、シャフト１７の中心軸“Ｙ”に対して角度θで配置される。角度θが狭ければ、フライホイールアッセンブリー１６の心出し力が大きくなる。本実施例においては、θはほぼ１５°〜６０°の間であり、第２図にはほぼ３０°で示されており、円錐部材３４がフライホイールアッセンブリー３４と係合している時、３０°の角度は約１５０〜２００ｌｂｓの一定の再心出し力を発生する。本実施例においては円錐形状のものが示されているけれども、フライホイールアッセンブリーがバックアップベアリングアッセンブリーとの低摩擦係合に対心する形状を持っていると共にフライホイールアッセンブリー１６を再び揃えるために充分な再心出し力を持っていれば、フライホイールアッセンブリー１６を再び揃えることができる他の形状例えば長円形状であってもよい。フライホイールアッセンブリー１６の運動が円錐部材３３，３４によって制限されるので、フライホイールアッセンブリーは、ワーブに遭遇することから防止されると共、にシャフト１７に関して磁気ベアリング２６ａ，２６ｂ，２６ｃを再調心でき、再びアクティブになる。加えて、本実施例のバックアップベアリングは、電力しゃ断があっても、フェールセーフとして作用する。ＦＥＳへの電力がしゃ断されると、固定子４４への電流がしゃ断され、磁界は不能になり、かつバックアップベアリングアッセンブリーは上述したように作動される。このことは、フライホイールアッセンブリー１６が、各方向において、円錐部材３３，３４間に位置されるので、フライホイールアッセンブリーを安全にスピンダウンさせ、“ワーブ”の発生を防ぐ。それ故に、本実施例は、磁気ベアリングの再心出しを可能にするバックアップベアリングシステムを提供し、フライホイールが心ずれされると再びアクティブになり、磁気ベアリングへの電源しゃ断が有っても、フライホイールを安全にスピンダウン可能にする。本システムは、“ワーブ”を発生することなく、これらの目的の両方を達成する。さらに、本実施例は、製造が容易であり、コスト的に効果があり、移送中のシステムに損傷を与える大きな移動なくして、フライホイールアッセンブリーを保持するために、ＦＥＳシステムの移送中に使用できる。第４図を参照すると、フライホイールエネルギー蓄積（ＦＥＳ）システム１１０用のバックアップベアリングアッセンブリー１３０の別の実施例の拡大断面図が示されている。第４図の実施例で示されている同じ部材は第１図〜第３図の符号の前に“１”を加えることによって識別される。バックアップベアリングアッセンブリー１３０は、本質的に円錐部材１３３（図示せず）に配置された第１の二重列の回転素材ベアリング１３１（図示せず）と、円錐室１３４内に配置された第２の二重列回転素材ベアリング１３２と、バネ部材１３６、および円錐部材１３４に隣接するアクチュエータアッセンブリー１８８を含んでいる。ベアリング１３１，１３２は、本質的に、上述した回転素材ベアリング３１，３２と同じである。円錐部材１３３はその一端がシャフト１１７のまわりに配置され、シャフト１１７はプリロードされており、円錐部材１３３とベアリング１３１（図示せず）は、円錐部材３３とベアリング３１について前述したように、シャフト１１７に対して静止している。円錐部材１３４とベアリング１３２は、反対側の端でシャフトのまわりに配置されており、シャフト１１７に沿う縦方向の動きに対して嵌合されている。また、円錐部材１３４とベアリング１３２はまた、円錐部材１３４とベアリング１３２はアクチュエータ部材１３８に接続されており、このアクチュエータ部材は円錐部材１３４とシャフト１１７に縦方向に沿うバックアップベアリング１３２を使用する。アクチュエータアッセンブリー１３８はその一端でベアリング１３２の内径に取り付けられており、円錐部材１３２とベアリング１３２を動作させ、ベアリング１３２は自由に回転できる。アクチュエータアッセンブリー１３８は、技術分野で知られているように、外部の制御ボックス（図示せず）に接続されており、さらに、ベース１４１が静止している限り別の取り付け方法を使用できるけれども、ボルト１４５によってハウジング１１２に取り付けられたベース１４１を含んでいる。アクチュエータアッセンブリー１３８は、限定されるものではなく、水圧，ソレノイド又は空気アクチュエータを含むいかなるタイプのものであってもよい。バックアップベアリング１３０は、さらに、バネ部材１３６を含み、バネ部材１３６は、その一端でシャフト１１７の肩１４７に対して圧縮されていると共に、その反対端でベアリング１３２に対して圧縮されている。バネ部材１３６は、縦方向の動きに対して、シャフト１１７のまわりに摺動可能に配置されている。バネ部材１３６は、好ましくは、波状のワッシャスラストバネであって、このバネは、本実施例においては、バックアップベアリングアッセンブリーを、フライホイールアッセンブリー１１６との接触が外れる“不動作”位置に戻すために使用される。バックアップベアリングの動作については第４〜５図によって説明する。第５図に示すように、“不動作”位置において、ピストン１４３は、本質的にベース１４１内に配置され、バネ部材１３６はベアリング１３２に力を及ぼし、円錐部材１３４と、フライホイールアッセンブリー１１６との接触を外すベアリング１３２を保持する。フライホイールアッセンブリー１１６との接触を外す“不動作”位置からフライホイールアッセンブリーと接触する“動作”又は操作位置まで、バックアップベアリングを戻すために、ピストン１４３は矢印“Ｅ”の方向においてバネ部材１３６によってベアリング１３２に及ぼされる力に打ち勝つために使用されなければならない。フライホイールアッセンブリー１１６は、シャフト１１７から心ずれして動けば、磁気ベアリング（図示せず）を不揃いにし、又は磁気ベアリングが何かの理由で正しく揃えられていなければ、近接センサが、磁気ベアリングを正しく置くために制御ボックスに電子フィードバックをかけ、制御ボックスにおける所定のレベルを越える出力値を出す。近接センサーの出力値が所定レベルを越えると、制御ボックスは、電気リード１５２を介してアクチュエータアッセンブリーに信号を供給し、ピストンを矢印“Ｅ”の方向に動作させる。動作時にピストンによってベアリング１３２に生じた力は、バネ部材１３６によってベアリング１３２に生じた力を越えなければならない。バネ部材１３６用の力はほぼ５〜１０ｌｂｓの力であり、円錐部材１３４とバックアップベアリング１３２を矢印“Ｅ”の方向に動かすと共に、フライホイールアッセンブリー１１６に接触する。バネ部材１３６の力が越えると、ピストン１４３は、円錐部材１３４とベアリング１３２を矢印“Ｅ”の方向に押さず、フライホイールアッセンブリー１１６と係合する。円錐部材１３４とベアリング１３２がフライホイールアッセンブリー１１６と係合すると、ピストン１４３によって生じたフライホイールアッセンブリーへの負荷力は、フライホイールアッセンブリー１１６を円錐部材１３３とベアリング１３１に接触させるのに充分に大きなものでなければならない。バネ部材１３６の力に打ち勝つために、かつフライホイールアッセンブリーを円錐部材１３３に接触させるのに充分な力を生成するために、本実施例におけるピストン１４３は約１００ｌｂｓ又はそれ以上の力を生じる。フライホイールアッセンブリー１１６は、円錐部材１３３，１３４の形状に対応するどちらかの端部の円錐形状の接触面１３５ａ，１３５ｂを含んでおり、円錐部材１３３，１３４に接触するにあたって、フライホイールアッセンブリー１１６の運動は、シャフト１１７のまわりのフライホイールアッセンブリー１１６の再調整が行われるまで、各方向において円錐部材間に含まれる。接触面１３５ａ，１３５ｂは、好ましくは、加熱と接触面の摩耗を制限するために、低摩擦面である。本実施例においては円錐形状が示されているけれども、フライホイールアッセンブリーがバックアップベアリングとの低摩擦係合に対応する形状を持っていれば、フライホイールの再調整ができる他の形状、たとえば長円形状のものを使用できる。フライホイールアッセンブリー１１６がシャフト１１７のまわりに再調整されかつ磁気ベアリングがアクティブになった後、近接センサーの出力値は制御ボックスにおける所定レベル内に落ちる。近接センサーの出力値が所定レベル内に落ちると、制御ボックスはアクチュエータアッセンブリーに不動作となるように指令すると共に、バネ部材１３６からの円錐部材１３４への力は、ベアリング１３４上のピストン１３４によって生じた力を越え、円錐部材１３４，ベアリンゾ１３２およびピストン１４３を、フライホイールアッセンブリー１１６との接触を外す矢印Ｆ（第４図）の方向に動かす。フライホイール１１６が円錐部材１３３，１３４によって含有されるので、フライホイールアッセンブリーは、“ワーブ”から防がれ、シャフト１１７のまわりに再調整でき、磁気ベアリングを再心出しできると共に、再びアクティブになる。フライホイールアッセンブリーの再調整を行うことと磁気ベアリングの再心出しに加えて、本実施例は一時なフェールセーフ装置としても使用される。ＦＥＳシステムの故障が発生しおよび／若しくは磁気ベアリングが永久に不能になれば、近接センサー出力値は、制御ボックスで設定された所定レベル，システムの故障を示す所定のレベルに達する。故障にあたって、制御ボックスは、別の制御装置によって、例えばＣＯ₂カートリッジ（図示せず）におけるピンを緩めることによってアクチュエータアッセンブリーを動作させるようにセットされる。ＣＯ₂カートリッジは故障たとえば電力の損失の場合にピストンを動作させる。フライホイールアッセンブリー１１６が円錐部材１３３，１３４間で安全に回るまで、動作は磁気ベアリングの代りにバックアップベアリングアッセンブリー上で動作するフライホイールアッセンブリーによる。フライホイールの運動は、再び、各方向において円錐部材１３３，１３４間に含まれ、“ワーブ”の発生を防止する。それ故に、本実施例は磁気ベアリングの再心出しを可能にするバックアップベアリングシステムを提供するもので、フライホイールが心ずれしていれば、ベアリングは再びアクティブになり、システムの故障があれば、フライホイールを安全に回すことが出来る一時的なフェールセーフ装置としても動作する。本システムは、“ワーブ”を発生させることなく、これらの目的の両方を達成する。加えて、本実施例は製造容易にして、コスト面での効果を提する。種々の変更がここに述べられている実施例に行えることは理解できる。例えげ、ベアリングアッセンブリーはベアリングの代りにブッシングとし、磁気ベアリングを空気ベアリングとし、およびバックアップベアリングアッセンブリーは、フライホイールエネルギー蓄積システム以外の、磁気ベアリング又は空気ベアリングに使用できる。さらに、本願の固定シャフトは垂直なものであるとして示されているけれども、シャフトは水平又はある角度を持たせて配置できる。それ故に、上記説明は限定されたものとして構成されたものではなく、単なる好ましい実施例の例示である。当業者であれば、添付された特許請求の範囲内で他の変更を想像できる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】平成１０年１月１５日（１９９８．１．１５）【補正内容】特許請求の範囲１．フライホイールアッセンブリーの主ベアリングの再心だしを行うためのバックアップベアリングアッセンブリーであって、軸のまわりに配置された再整列（３３，１３３）できる形状を有するとともに、少なくとも一つのベアリングを有する第１の部材と、第１の部材から離して軸のまわりに配置された再整列（３３，１３３）を有するとともに、少なくとも一つのベアリングを有する第２の部材と、前記軸のまわりに配置されたバネ部財（３６，１４７）と、前記第２の部材と、前記少なくとも一つのベアリングを前記軸縦方向に沿う方向に動かし第２の部材と動作的に関連するアクチュエータアッセンブリー（３８，１４７）、によって構成され、前記バネ部材は前記第２の部材を第２の方向に動かし、前記フライホイールアッセンブリーに接触する第１の動作位置と前記フライホイールアッセンブリーから離脱する第２の位置第２の部材を動かす、ことを特徴とするバックアップベアリングアッセンブリー。２．前記第１の部材と第２の部材が円錐状に形成されている事を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のバックアップベアリングアッセンブリー。３．さらに、第２の円錐部材と動作的に関連する磁気導電板によって構成されていることを特徴とする、特許請求の範囲第２項に記載のバックアップベアリングアッセンブリー。４．前記アクチュエータアッセンブリーが、前記第１の動作位置において前記磁気導通板から離され、巻線を有する磁気導通固定子と、圧縮バネ部材によって構成されていることを特徴とする、特許請求の範囲第３項に記載のバックアップベアリングアッセンブリー。５．前記バックアップベアリングアッセンブリーは、磁気ベアリングの再心出し時に、磁界を生じる固定子内の巻線のサイクルによって、第２の不動作位置に動かされ、磁界は、磁気導通板を引き付け、磁気導電板、第２の円錐部材および少なくとも一つのベアリングを、圧縮バネ部材の力に反して固定子が接触する第２の位置に動かす、ことを特徴とする、特許請求の範囲第２項に記載のバックアップベアリングアッセンブリー。６．前記アクチュエータが、前記第２の円錐部材内に配置された前記少なくとも一つのベアリングの内径に取り付けられたピストンを含み前記アクチュエータアッセンブリーの動作により前記第２の円錐部材と前記少なくとも一つのベアリングに力を及ぼす、前記アクチュエータアッセンブリーによって及ぼされた前記力が前記第２の円錐部材と前記少なくとも一つのベアリングを前記シャフトに縦方向に沿って、前記フライホイールアッセンブリーと接触する動作位置にすることを特徴とする、特許請求の範囲第２項に記載のバックアップベアリングアッセンブリー。７．磁気導通板が第２の円錐部材に関連して動作し、アクチュエータアッセンブリーが第１の動作位置において磁気導通板から離されており、前記アクチュエータアッセンブリーが、巻線を有する磁気導通ステータ、および圧縮バネを含み、第１の位置においてバックアップベアリングシステムが磁気ベアリングを再心だしするように動作し、磁気ベアリングの再心だしにあったってバックアップベアリングは磁界を生じるステータ内の巻線のサイクリングによって第２の不動作位置に動かされ、磁界が磁気導通板を引き付け、磁気導通板、第２の円錐部材および少なくとも一つのベアリングを、圧縮バネに抗してステータに接触する第２の位置に動かされる、ことを特徴とする特徴とする範囲第２項に記載のバックアップベアリングアッセンブリー。８．前記少なくとも一つのベアリングが二重列の回転素材ベアリング（３１）であることを特徴とする、特許請求の範囲第７項に記載のバックアップベアリングシステム。９．前記少なくとも一つのベアリングが低摩擦損を有することを特徴とする、特許請求の範囲第７項に記載のバックアップベアリングシステム。１０．前記少なくとも一つのベアリングが動作中に少しの温度を発生することを特徴とする、特許請求の範囲第７項に記載のバックアップベアリングシステム。１１．前記第１の円錐部材と前記少なくとも一つのベアリングが前記軸に対して本質的に軸方向に静止していることを特徴とする、特許請求の範囲第７項に記載のバックアップベアリングシステム。１２．前記磁気導電板が前記第２の円錐部材と前記アクチュエータアッセンブリー間に配置されていることを特徴とする、特許請求の範囲第７項に記載のバックアップベアリングシステム。１３，前記バネ部材がワッシャーの間に配置されたスペーサ（３６ｂ）を有する複数のワッシャー（３６ａ）を含んでいることを特徴とする、特許請求の範囲第２項に記載のバックアップベアリングシステム。１４．前記巻線が電気リードに接続され、前記電気リードが前記巻線に電流を供給することを特徴とする、特許請求の範囲第７項に記載のバックアップベアリングシステム。１５．エネルギーを蓄えるために使用されるフライホイールアッセンブリーであって、ａ）真空室を囲むハウジング（１２）と、ｂ）前記ハウジング内に配置された固定シャフト（１７）と、ｃ）前記固定シャフトのまわりに配置された回転フライホイールアッセンブリーと、ｄ）フライホイールアッセンブリーがモータとして動作している時、電力をフライホイールアッセンブリーに移送し、フライホイールアッセンブリーからの電気エネルギーを移送するために蓄えられた運動エネルギーから電気エネルギーを発生するために動作する発電機（２４）と、ｅ）前記固定シャフトのまわりに配置された少なくとも一つの主ベアリング（２６ａ，２６ｂ，２６ｃ）、およびｆ）バックアップベアリングアッセンブリー、によって構成され、前記バックアップベアリングアッセンブリーは、ｉ）前記シャフトのまわりに配置され、少なくとも一つのベアリングを有する第１の円錐部材（３３，１３３）と、 ii）前記第１の円錐部材から離され、前記シャフトのまわりに配置され、かつ少なくとも一つのベアリングを有する第２の円錐部材（３４，１３４）と、 iii）一端で前記シャフトの肩（４７）に対して圧縮され、さらに対向端で前記第２の円錐部材に配置された前記ベアリングに対して圧縮されていると共に、前記バックアップベアリングアッセンブリーを、前記フライホイールアッセンブリーから外す不動作位置にする圧縮バネ（３６）、および iv）前記第２の円錐部材内に配置された前記少なくとも一つのベアリングの内径に取り付けられたピストンを含むアクチュエータアッセンブリー（３８，１３８）によって構成されているとともに、前記アクチュエータアッセンブリーの動作により前記第２の円錐部材と前記少なくとも一つのベアリングに力を及ぼし、前記アクチュエータアッセンブリーによって及ぼされた前記力が、前記第２の円錐部材と前記少なくとも一つのベアリングを前記シャフトに縦方向に沿って、前記フライホイールアッセンブリーと接触する動作位置にするとともに、前記ベアリングを回転自在にする、ことを特徴とするフライホイールアッセンブリー。１６．前記少なくとも一つの主ベアリングが磁気ベアリングであることを特徴とする、特許請求の範囲第１５項に記載のフライホイールアッセンブリー。１７．前記シャフトが予め荷重をかけられ、前記第１の円錐部材と前記少なくとも一つのベアリングが前記シャフトに対して軸方向に固定であることを特徴とする、特許請求の範囲第１５項に記載のフラィホィールアッセンブリー。１８．前記バネ部材が、前記シャフトのまわりに配置されているとともに、前記シャフトに対して縦方向に移動可能であることを特徴とする、特許請求の範囲第１５項に記載のフライホイールアッセンブリー。１９．前記アクチュエータアッセンブリーが、外部の制御ボックスに接続されるとともに、前記ハウジングに取り付けられたベースを含んでいることを特徴とする、特許請求の範囲第１５項に記載のフライホイールアッセンブリー。２０．前記不動作位置において前記ピストンが前記アクチュエータアッセンブリーの前記ベース内に配置されていることを特徴とする、特許請求の範囲第１５項に記載のフライホイールアッセンブリー。前記バネ部材がワッシャーの間に配置されたスペーサを有する複数のワッシャーを含んでいることを特徴とする、特許請求の範囲第１９項に記載のバックアップベアリングシステム。

Claims

【特許請求の範囲】１．磁気ベアリングの再心だしを行うためのバックアップベアリングシステムであって、軸のまわりに配置され、少なくとも一つのアリングを有する第１の円錐部材と、第１の円錐部材から離して軸のまわりに配置され、少なくとも一つのベアリングを有する第２の円錐部材と、第２の円錐部材に動作的に関連する磁気導通板と、第１の動作位置において磁気導通板から離され、巻線を有する磁気導通固定子および圧縮バネ部材を含むアクチュエータアッセンブリー、によって構成され、第１の動作位置においてバックアップベアリングシステムは磁気ベアリングの再心出しを行うために動作し、バックアップベアリングシステムは、磁気ベアリングの再心出し時に、磁界を生じる固定子内の巻線のサイクルによって、第２の不動作位置に動かされ、磁界は、磁気導通板を引き付け、磁気導電板、第２の円錐部材および少なくとも一つのベアリングを、圧縮バネ部材の力に反して固定子が接触する第２の位置に動かす、ことを特徴とするバックアップベアリングシステム。２．前記少なくとも一つのベアリングが二重列の回転素材ベアリングであることを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載のバックアップベアリングシステム。３．前記少なくとも一つのベアリングが低摩擦損を有することを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載のバックアップベアリングシステム。４．前記少なくとも一つのベアリングが動作中に少しの温度を発生することを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載のバックアップベアリングシステム。５．前記第１の円錐部材と前記少なくとも一つのベアリングが前記軸に対して本質的に軸方向に静止していることを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載のバックアップベアリングシステム。６．前記第２の円錐部材と前記少なくとも一つのベアリングが前記軸に対して縦方向に動くことができることを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載のバックアップベアリングシステム。７．前記磁気導電板が前記第２の円錐部材と前記アクチュエータアッセンブリー間に配置されていることを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載のバックアップベアリングシステム。８，前記バネ部材がワッシャーの間に配置されたスペーサを有する複数のワッシャーを含んでいることを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載のバックアップベアリングシステム。９．前記巻線が電気リードに接続され、前記電気リードが前記巻線に電流を供給することを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載のバックアップベアリングシステム。１０．エネルギーを蓄えるために使用されるフライホイールアッセンブリーであって、ａ）真空室を囲むハウジングと、ｂ）前記ハウジング内に配置された固定シャフトと、ｃ）前記固定シャフトのまわりに配置された回転フライホイールアッセンブリーと、ｄ）フライホイールアッセンブリーがモータとして動作している時、電力をフライホイールアッセンブリーに移送し、フライホイールアッセンブリーからの電気エネルギーを移送するために蓄えられた運動エネルギーから電気エネルギーを発生するために動作する発電機と、ｅ）前記固定シャフトのまわりに配置された少なくとも一つの主ベアリング、およびｆ）バックアップベアリングアッセンブリー、によって構成され、前記バックアップベアリングアッセンブリーは、ｉ）前記シャフトのまわりに配置され、少なくとも一つのベアリングを有する第１の円錐部材と、 ii）前記第１の円錐部材から離され、前記シャフトのまわりに配置され、かつ少なくとも一つのベアリングを有する第２の円錐部材と、 iii）一端で前記シャフトの肩に対して圧縮され、さらに対向端で前記第２の円錐部材に配置された前記ベアリングに対して圧縮されていると共に、前記バックアップベアリングアッセンブリーを、前記フライホイールアッセンブリーから外す不動作位置にする圧縮バネ、および iv）前記第２の円錐部材内に配置された前記少なくとも一つのベアリングの内径に取り付けられたピストンを含むアクチュエータアッセンブリーによって構成されているとともに、前記アクチュエータアッセンブリーの動作により前記第２の円錐部材と前記少なくとも一つのベアリングに力を及ぼし、前記アクチュエータアッセンブリーによって及ぼされた前記力が、前記第２の円錐部材と前記少なくとも一つのベアリングを前記シャフトに縦方向に沿って、前記フライホイールアッセンブリーと接触する動作位置にするとともに、前記ベアリングを回転自在にする、ことを特徴とするフライホイールアッセンブリー。１１．前記少なくとも一つの主ベアリングが磁気ベアリングであることを特徴とする、特許請求の範囲第１０項に記載のフライホイールアッセンブリー。１２．前記シャフトが予め荷重をかけられ、前記第１の円錐部材と前記少なくとも一つのベアリングが前記シャフトに対して軸方向に固定であることを特徴とする、特許請求の範囲第１０項に記載のフライホイールアッセンブリー。１３．前記第２の円錐部材と、該第２の円錐部材内に配置された前記少なくとも一つのベアリングが前記シャフトに関して軸方向に移動可能であることを特徴とする、特許請求の範囲第１０項に記載のフライホイールアッセンブリー。１４．前記バネ部材が、前記シャフトのまわりに配置されているとともに、前記シャフトに対して縦方向に移動可能であることを特徴とする、特許請求の範囲第１０項に記載のフライホイールアッセンブリー。１５．前記アクチュエータアッセンブリーが、外部の制御ボックスに接続されるとともに、前記ハウジングに取り付けられたベースを含んでいることを特徴とする、特許請求の範囲第１０項に記載のフライホイールアッセンブリー。１６．前記不動作位置において前記ピストンが前記アクチュエータアッセンブリーの前記ベース内に配置されていることを特徴とする、特許請求の範囲第１５項に記載のフライホイールアッセンブリー。１７．フライホイールの主ベアリングを再心出しするためのバックアップベアリングアッセンブリーであって、軸のまわりに配置され、少なくとも一つのベアリングを有する第１の円錐部材と、第１の円錐部材から離して軸のまわりに配置され、少なくとも一つのベアリングを有する第２の円錐部材と、前記軸のまわりに配置されたバネ部材、および前記第２の円錐部材と前記少なくとも一つのベアリングに動作的に関連し、前記第２の円錐部材と前記少なくとも一つのベアリングを、前記シャフトに縦方向に沿って、前記フライホイールアッセンブリーに接触する第１の動作位置と前記フライホイールアッセンブリーとの接触を外す第２の不動作位置間で動かすアクチュエータアッセンブリー、によって構成されていることを特徴とするバックアップベアリングアッセンブリー。１８．さらに、第２の円錐部材と動作的に関連する磁気導電板によって構成されていることを特徴とする、特許請求の範囲第１７項に記載のバックアップベアリングアッセンブリー。１９．前記アクチュエータアッセンブリーが、前記第１の動作位置において前記磁気導通板から離され、巻線を有する磁気導通固定子と、圧縮バネ部材によって構成されていることを特徴とする、特許請求の範囲第１８項に記載のバックアップベアリングアッセンブリー。２０．前記バックアップベアリングアッセンブリーは、磁気ベアリングの再心出し時に、磁界を生じる固定子内の巻線のサイクルによって、第２の不動作位置に動かされ、磁界は、磁気導通板を引き付け、磁気導電板、第２の円錐部材および少なくとも一つのベアリングを、圧縮バネ部材の力に反して固定子が接触する第２の位置に動かす、ことを特徴とする、特許請求の範囲第１９項に記載のバックアップベアリングアッセンブリー２１．前記アクチュエータが、前記第２の円錐部材内に配置された前記少なくとも一つのベアリングの内径に取り付けられたピストンを含み前記アクチュエータアッセンブリーの動作により前記第２の円錐部材と前記少なくとも一つのベアリングに力を及ぼす、前記アクチュエータアッセンブリーによって及ぼされた前記力が前記第２の円錐部材と前記少なくとも一つのベアリングを前記シャフトに縦方向に沿って、前記フライホイールアッセンブリーと接触する動作位置にすることを特徴とする、特許請求の範囲第１７項に記載のバックアップベアリングアッセンブリー。