JP2001511498A - 流体機械のロータ用軸受装置およびその使用方法 - Google Patents

流体機械のロータ用軸受装置およびその使用方法

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ヴェルナー・シュテファン
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Abstract

(57)【要約】 一つ以上の永久磁石軸受（２０、２２）によって、ロータを径方向に案内する流体機械のロータ（１６）用軸受装置が開示されている。軸方向の案内は、ロータの一端面に作用する一つ以上の動圧平軸受（２４）により行われる。永久磁石軸受（２０、２２）は、同時に、動圧平軸受（２４）の摺動面を持上げる装置としても機能する。ハウジング側の軸受要素（２８）に対して軸方向スラスト（Ｂ）の方向と逆方向に、永久磁石軸受（２２）のロータ側の軸受要素（２８）が軸方向に変位しており、これにより軸方向スラストとは逆方向の力（Ａ）が生じる。この力により、停止へ向けての減速段階において動圧平軸受（２４）の摺動面は互いに引離される。停止中ならびに始動段階中および減速段階中、ロータは一つ以上の平軸受または転がり軸受により案内され、これら軸受は低速回転および停止中には軸受構造に用いられている動圧平軸受よりも十分に低い摩擦モーメントを有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、稼働中における径方向の案内用の少なくとも一つの永久磁石軸受と
、軸方向、または軸方向および径方向の案内用の流体機械のスラストを負担する
少なくとも一つの動圧平軸受とを有する流体機械のロータ用軸受装置に関する。
更に本発明は、この流体機械の使用方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
流体機械またはタービンの転がり軸受および平軸受の潤滑を、流体媒質自身に
より行うことが知られている。耐摩耗性の軸受材料、例えば転がり軸受における
シリコンニトライド、又は平軸受におけるシリコンカーバイドのような材料を用
いると、潤滑される軸受の耐用年数は延びる。
【０００３】 動圧型又は静圧型の平軸受が使用されると、稼働中において摺動面が接触しな
い軸受装置となり、これにより軸受の摩耗度合いが減少する。非接触軸受装置は
、超伝導材料を用いた軸受、又は永久磁石軸受において、例えばＷＯ９５／１３
４７７による能動的磁気軸受のような電力、又は磁力を用いることによっても実
現される。この場合、支持作用を作り出すのに潤滑媒質は不必要である。永久磁
石軸受は、必ず他の種類の軸受と共に使用される。何故ならばアーンシャウ（Ｅ
ａｒｎｓｈａｗ）の法則によれば、静的な物体を専ら永久磁石のみで三次元の方
向に安定的に支持することは不可能だからである。大抵の場合、永久磁石軸受は
、能動的磁気軸受と組合せて使用される。更に、能動的磁気軸受の場合の構造で
は、ロータの振動を防止するために、ロータは、始動段階および停止段階または
停止へ向けての減速段階において、転がり軸受により径方向に案内される。
【０００４】 例えば、液体媒質により軸方向スラストを作り出す補償板のような流体補償装
置が公知である。過渡的な稼働段階における軸方向スラストの補償効果を向上さ
せるために、ＥＰ０３５５７９６は、軸方向スラストの補償と能動的磁気装置と
の組合せを開示している。永久磁石を用いて、停止状態の負荷防止ディスクの接
触を防止する持ち上げ装置と軸方向スラスト補償装置との組合せは、ＥＰ０６９
４６９６で知ることが出来る。この場合の永久磁石は、軸受機能を有しない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
公知の軸受装置は幾つかの短所を持つ。転がり軸受および平軸受は、潤滑性の
低い、例えば低粘度の媒質によって潤滑されると、高い負荷を受け、有効耐用年
数が短縮し、或いはメンテナンス、または取替えの頻度が高まる。別の軸受は、
完全に機能するには、始動段階および場合によっては稼働中も、追加的な技術的
複雑さや費用がかかるという、短所を持つ。静圧平軸受への供給圧力は、例えば
ポンプ内で軸受が使用される場合のように、稼働中ポンプ自身により作り出すこ
とが出来るが、始動段階には外部に存在しなければならない圧力源を必要とする
。同様のことは、その高い始動モーメントがしばしば適切な機械的な対策、例え
ば静圧を利用した始動により補完されなければならない動圧平軸受にも当てはま
る。従来の流体補償装置は、同様に機械装置、例えば過渡的な稼働中の流体機械
の軸方向スラストを補償し、又例えば補償プレートの接触による大きな始動モー
メントの発生を防止する補助軸受を必要とする。能動的磁気軸受は、機能する為
に電気エネルギーを必要とし、さらに能動的な調節および磁気軸受の故障の際の
追加補助軸受も必要とする。
【０００６】 極低温流体媒質を用いるような超伝導磁気軸受を用いる場合には、超伝導体の
超伝導時を上回る温度下でのロータの正しい位置を保証するために、追加的な手
段が必要である。極低温媒質を用いる場合には、上記の軸受の多くにおいて流体
機械の停止中に極低温媒質中に含まれる不純物が凍結することによりロータが動
かなくなるという危険性が生じる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の事情に鑑み発明者は、流体媒質以外に潤滑剤を使用しない流体機械のロ
ータ用であり、摩耗の少ない軸受装置を提供すると共に、その際ロータの軸受装
置が低い始動トルクと技術的な複雑さや費用を低く抑えることができることとを
その特徴とすることを目的とする。
【０００８】 上記の目的は、独立請求項の教示により達成され、従属請求項は有利な改良を
定める。明細書、図面および／または請求の範囲に開示された特徴の２つ以上か
らなる組合せも、また本発明の範囲内に含まれる。
【０００９】 本発明によれば、ロータの運転位置において、ロータ上の一つ以上の永久磁石
軸受の構成要素は、ハウジング側に配置された構成要素に対して流体機械の軸方
向スラストの方向と逆方向に、力のつりあい位置から軸方向に変位し、軸方向ス
ラストとは反対の方向の力が生じ、これにより稼働中に動作する動圧軸受の摺動
面は始動段階に互いに引離され、ロータは一つ以上の追加的な平軸受又は転がり
軸受に向かって押圧される。平軸受又は転がり軸受は、始動段階中および停止段
階中にロータを案内し、構造的には、低速回転および停止中には軸受装置に用い
られる動圧平軸受よりも十分に低い摩擦モーメントを有する。
【００１０】 本発明によれば、ロータは一つ以上の永久磁石軸受によって、径方向に案内さ
れる。軸方向の案内はロータの一端面に作用する一つ以上の動圧平軸受により行
われ、流体機械のロータは、稼働中に生じる軸方向のスラストによって、軸受に
向かって押圧される。適切な形状の動圧軸受であれば、径方向の力が稼働中の動
圧平軸受によって負担されることも可能である。永久磁石軸受は、同時に、動圧
平軸受の摺動面を持ち上げる装置としても機能する。
【００１１】 ロータ側の軸受要素がハウジング側の軸受要素に対して軸方向に変位すること
によって、軸方向スラストに対抗する力が生じ、この力により動圧軸受の摺動面
は減速中または停止段階において互いに引離される。停止中並びに始動段階中お
よび停止段階中にロータは、一つ以上の平軸受又は転がり軸受によって案内され
、構造的に、低速回転および停止中には、用いられる動圧軸受よりも十分に低い
摩擦モーメントを有する。これにより、流体機械の始動トルクが小さくなる。
【００１２】 始動時において運転位置へロータを軸方向に変位させるのを、技術的な複雑さ
や費用を抑えて達成するために、上述のロータの軸方向の変位は、好ましくは、
永久磁石軸受に生じる磁力が軸方向において、稼働中の流体機械の最小軸方向ス
ラストよりも小さく抑えられる。これによりロータは、始動すると、自動的に運
転位置に移動する。
【００１３】 ロータの軸方向の変位の制限が不可能であるか、又は望まれない場合には、始
動段階中に別の装置、例えば電磁石により、動圧軸受の軸方向に、流体機械の軸
方向スラストが永久磁石軸受の磁力を越えて、ロータが自動的に運転位置に移動
するまで、本発明によるロータ又は補助軸受を移動させることが出来る。
【００１４】 気体または極めて粘度の低い流体媒質を用いる流体機械のロータを支持するた
めに、本発明では、さらに、動圧平軸受を気体平軸受(aerodynamic plain bear
ing)で形成してもよい。
【００１５】 構造を簡単にし、ギャップによる損失を減少させる為に、本発明の別の構成に
よる動圧平軸受は、閉鎖型インペラのカバープレートまたはディスクに接続され
る。潤滑ギャップは、同時に、インペラ用のシールギャップの役割を果たす。こ
の点において、少なくとも一つの動圧平軸受のロータ側の摺動面を、カバープレ
ートまたはディスクを有する一つのインペラの端面に一体化し、平軸受がこの位
置においてインペラの高圧側を低圧側に対してシールすれば有利であることが実
証されている。
【００１６】 本発明のさらに別の構成によれば、ロータは、永久磁石軸受により径方向に支
持され、動圧軸方向スラスト軸受をロータの重心の近くに設ける。補助軸受、具
体的には円錐型の平軸受をロータの重心の近くに配置する。有利な実施形態では
、補助軸受は、インペラの背面に一体化される。
【００１７】 本発明によれば、また、流体機械を駆動する電動モータ、例えば永久磁石励磁
装置を有する同期モータを、流体機械のロータに一体化できる。
【００１８】 耐用年数を延ばすために、本発明のさらに別の構成によれば、永久磁石軸受の
軸受またはマグネットリング、場合によっては励磁マグネットまたは電動モータ
のマグネットリングが、好ましくは導電性の保護リングにより保護される。特に
回転数が高い場合には、ロータ側のマグネットリングは、特に強固で、重量の小
さい、例えば炭素繊維により強化されたプラスチック材料からなるバンドまたは
保持リングにより保護される。
【００１９】 動圧平軸受に、少なくとも一つの動圧平軸受もしくは液体式補償装置を補助的
に組み合わせること、又は動圧平軸受を静圧平軸受もしくは液体式補償装置に置
換えることも有利であることが実証されている。本発明によれば、磁気軸受に前
端インペラまたは吸入インペラを設けることもできる。この吸入インペラは、ロ
ータ側の軸受リングの内方に固定される。
【００２０】 本発明による有利な点は、軸受装置の摩耗が少なくなり、長い耐用年数を持ち
、技術的な複雑さや費用を低く抑えられることである。軸受装置の運転には、電
気もしくは油圧の供給、または調節装置も必要ではない。軸受装置は、僅かな構
成要素を簡単に製造して作り出され、出来あがったものは軽量である。ロータの
軸方向の支持の為に気体軸受を用いると、摺動面または摺動部材の追加的な弾性
支持構造は不要となる。
【００２１】 本発明の軸受装置は、ギャップクリアランスを小さくし、これにより極めて粘
度の低い流体媒質を用いる流体機械の場合に、特にギャップ損失を最小にできる
。極低温媒質を用いる流体機械の稼働中において、本発明によるロータ軸受装置
により、停止中における不純物の凍結の危険性は最小に抑えられる。何故ならば
、停止中のポンプギャップは稼働中のポンプギャップに比べて大きく、ロータと
ハウジングとの間の接触は、補助軸受の領域においてのみ出現するからである。
始動段階および停止段階中の軸方向および径方向に作用する補助軸受によるロー
タの軸受は、永久磁石軸受の危険振動回転数を安全に通過することを可能にする
。
【００２２】 液体水素は、粘度が極めて低く、潤滑が極めて悪い。従ってこの媒質を用いる
流体機械の軸受装置には、特別の要求が寄せられる。運転温度が極めて低いため
に、追加的な潤滑剤による軸受の潤滑は不可能である。何故ならば潤滑剤は固体
になるからである。宇宙飛行には、従来は主として一般的な平軸受又は転がり軸
受が使用されていたが、その著しい摩耗も、使用時間と耐用年数を短くして、許
容されていた。航空およびその他の分野で、推進剤として液体水素の使用が計画
されているもので、この摩耗が問題となる。
【００２３】 遠心すなわち回転ポンプのための本発明による軸受は、液体水素を使用する流
体機械の耐用年数の増加と稼働の容易さの向上に寄与する。
【００２４】 本発明のこれ以上の利点、特徴および詳細は、図面を参照した次の好ましい実
施形態の説明により明らかになるであろう。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１に示す遠心すなわち回転ポンプ１０は、液体水素を送る為の水中ポンプと
して特別に設計されている。このポンプは、運ばれる媒質の中に浸漬され、図２
にさらに示すように、ハウジング１２内に、ロータ１６に直交するロータ軸１４
を有する。ロータ１６には、媒質を運び、媒質の圧力を高める、３つの半開型イ
ンペラ１８が設置されている。
【００２６】 ロータ１６は、永久磁石軸受２０、２２により径方向に支持されている。動圧
スラスト軸受２４が、ロータ１６の重心Ｓの近くに配置されている。この軸受は
、気体平軸受であり、約１μｍの軸方向の支持ギャップを有する。これにより、
液体水素の潤滑剤に適切な支持力を提供する。このポンプの場合、スラスト軸受
２４の軸方向の剛性に比べて磁気軸受２０、２２の径方向の剛性は極めて小さい
ので、支持ギャップが非常に小さい時に動圧スラスト軸受２４の相対向する摺動
面又は摺動部材の一つに関して、弾性支持構造はなくてもよい。スラスト軸受２
４の小さい支持ギャップとその高い軸方向の剛性は、半開型インペラ１８の羽根
とハウジングの壁との間のギャップ２６を極めて正確に設定することを可能にす
る。これによりギャップ損失を最小に抑えることが出来る。ロータ１６の運転位
置では、ロータ側の軸受リング、すなわち上部磁気軸受２２の内方マグネットリ
ング２８は、ハウジング側の軸受リングとしてのその外方マグネットリング３０
に比べて約０．１ｍｍだけ軸方向上方に変位している。したがって、停止段階に
おいてロータ１６を平軸受２４から持ち上げるのに必要な力が作り出される。軸
方向下側の磁気軸受２０の該当する軸受、すなわちマグネットリング３２、３４
は、運転時には変位を示さない。
【００２７】 ロータ１６の軸方向の移動を制限する補助軸受３６が、ロータ１６の重心Ｓの
近くに配置されている。この軸受は、円錐型の平軸受の形で、最後段のインペラ
１８の背面に一体化され、始動段階および停止段階にロータ１６を径方向にも支
持する。補助軸受３６によるロータ１６の径方向の支持と、補助軸受３６がロー
タ１６の重心の近くに設置されることとにより、低回転数においてロータ１６が
第１剛体モードを通過することが容易になる。
【００２８】 ポンプを駆動し、かつ永久磁石励磁装置を有する同期モータの形をした電動モ
ータ３８のロータは、ポンプ１０のロータ１６内に一体化されている。励磁マグ
ネット４０と鉄リターン部材４２との間の大きなエアーギャップを設け、かつ電
動モータ３８においてロータ側には鉄を用いない仕様により、この電動モータ３
８の径方向における不安定な力を小さくすることが保証される。したがって、ロ
ータ１６が径方向の剛性の比較的小さい永久磁石軸受２０、２２により径方向に
支持されることが可能となる。エアーギャップが大きいことにより、すべての流
体がエアーギャップを通過することが容易となり、従って電動モータ３８の良好
な冷却が保証される。軸受２２、２０のマグネットリング２８、３０、３２、３
４、および電動モータ３８の励磁マグネットまたはマグネットリング４０は、金
属製の保護またはシュラウドリング４４により損傷が防止されている。さらに上
記の保護リングは、ロータの振動の緩衝に役立つ。何故ならばロータ１６の振動
時にリング内に、磁界によって緩衝性の渦電流が誘導されるからである。
【００２９】 耐摩耗性を高める為に、かつポンプ１０の重量を最小にする為に、インペラ１
８、中間ディスクまたは中間プレート４５ならびにハウジングプレートまたはハ
ウジングディスク４６、４８のような、ロータ１６の構成要素をセラミック製に
する。ロータ１６のセラミック製の構成要素は、締付ボルト５０により組合され
る。機械の稼働中にロータ１６に作用する曲げ荷重は、前記構成要素のボス断面
に作用する圧縮力として負担される。
【００３０】 本発明による軸受装置について図３に示すように、インペラ１８を持つ流体機
械のロータは、永久磁石軸受２０、２２の作用により、接触せずに径方向に支持
されている。流体機械の稼働中に、インペラ１８は軸方向にスラストを作り出し
、この力は動圧平軸受２４により支持される。ロータ１６上の磁気軸受２２の構
成要素２８は、動圧平軸受２４に対するロータ１６の接触位置上で、ハウジング
側の磁気軸受２２の構成要素３０に対して、軸方向に寸法ｔだけ補助軸受３６の
方向に変位している。したがって、永久磁石軸受２２の軸方向の軸受力の不安定
な特性のために、磁力Ａが軸方向に生じ、この力はインペラ１８のスラストＢと
は反対の方向である。この磁力Ａによってロータ１６が平軸受２４から持ち上げ
られると、永久磁石軸受２０においても、ハウジング側の構成要素３４に対する
ロータ側の構成要素３２の軸方向の変位が生じる。磁気軸受２０、２２の軸方向
における合力は、平軸受２４からのロータ１６の間隔の増加に伴って増加する。
【００３１】 軸受要素の軸方向の変位は、図３において円錐型平軸受の構造を持つ補助軸受
３６により制限される。軸受２４と３６の接触位置の間で、流体機械のロータ１
６は、自由に動くことが出来る。軸受２０、２２、２４、３６の軸受要素の配置
は、永久磁石軸受２２により生成される軸方向の力が流体機械の停止段階におけ
るロータ１６を動圧平軸受２４から持ち上げるのに十分大きい値となるように定
められている。稼働中にインペラ１８により生成される下向きの最小軸方向スラ
ストが、ロータ１６の補助軸受３６との接触位置において軸方向に永久磁石軸受
２０、２２により作り出される上向きの最大力よりも大きくなるように、ロータ
１６の変位が補助軸受３６により制限される。これにより、稼働中のロータ１６
は、補助軸受３６から離れ、動圧平軸受２４により摺動面に接触することなく軸
方向に支持されることが保証される。停止段階には、ロータ１６は、磁力により
再び動圧軸受２４から持ち上げられ、補助軸受３６に向かって押圧される。軸受
材料を適切に選び、補助軸受３６の径を小さくすることにより、軸受装置の始動
トルクを小さくすることが出来る。
【００３２】 図４の実施形態では、ロータ１６は静止位置にあり、磁気軸受２２のロータ側
の内方マグネットリング２８は、インペラ側に寸法ｔだけ突出している。この場
合、磁力Ａはインペラ１８に向かう方向である。この場合、磁力Ａは、ロータ１
６を補助軸受３６から離れた運転位置に押圧する。運転位置から軸受装置を持ち
上げる為に必要な電磁石のような持ち上げ装置は図示されていない。
【００３３】 図５は、ロータ軸１４に於けるロータに近いマグネットリング、すなわち軸受
リング２８と、これを取り囲み上記の寸法ｔだけ軸方向に変位した外方マグネッ
トリング、すなわち軸受リング３０とを示す。磁化方向は矢印５２で示されてい
る。この軸受装置は、マグネット２８、３０の反発力を利用している。
【００３４】 剪断力を利用する図６による軸受では、ロータおよびハウジング側のマグネッ
トリング２８、３０はほぼ同じ高さ、即ち内方または外方に変位せず、即ち長手
方向Ｑに対して異なる間隔で配置されている。
【００３５】 図７に示すいわゆる磁気抵抗軸受の場合には、ハウジング側にのみ、又はロー
タ側にのみマグネットが配置されることで、支持作用が果たされる。この場合、
強磁性体材料、一般には鉄５４のみが、対向して設けられる。ハウジング１２へ
の固定部分が符号１３で示されている。
【００３６】 図において変位の寸法ｔは、磁気軸受のマグネットリング２８、３０により定
められている。図６においては、寸法ｔは図に示されている２つの間隔ｔ１およ
びｔ２から求められ、ｔ＝（ｔ１−ｔ２）／２である。
【００３７】 図８から図１０は、カバープレートまたはディスクを有するインペラ１８に対
して、動圧平軸受２４の一体化を示す。平軸受２４をインペラ１８に一体化する
ことの重要な利点は、動圧的に反発する摺動面を有する摺動リングシールの作用
と同様の特別のシール作用であり、従って平軸受２４のインペラ１８に対するス
リットタイプまたはラビリンスシールとして適切である。
【００３８】 図８に、軸方向にのみ作用する動圧平軸受２４の閉鎖型インペラ１８への一体
化を示す。ロータ１６の多数のインペラ１８に気体平軸受を一体化する場合には
、一つを除くすべての平軸受には、弾性的に支持された摺動面すなわち軸受面が
構成されている。剛性の小さいロータ１６を永久磁石軸受２０、２２により吊下
げることは、磁気軸受とは別の個別の平軸受に対してのみ、その摺動面の位置誤
差を補償する為に利用できる。図９においてはハウジング側の摺動面が、図１０
においては平軸受２４のインペラ側摺動面（この場合には全インペラ１８）が、
弾性的に支持されている。
【００３９】 図９、１０に、それぞれ符号５６で弾性リングを示し、さらに動圧軸受２４は
、図９、図１０では円錐またはテーパー軸受の形である。これにより稼働中にロ
ータ１６は、軸方向に正確に案内される上に、径方向にもきわめて正確に案内さ
れる。
【００４０】 図１１、１２は、それぞれ、液体式補償装置（補償プレートまたは補償ディス
ク５８（図１１））と、静圧平軸受６０の一例を示す。図１１では、符号６２は
環状ギャップを示し、図１２では、符号６４は圧力源６６を持つ軸受ディスクを
示す。
【００４１】 図１１において補償ディスク５８には、インペラ側で稼働中にインペラ出口圧
力を受け、他の側は外部圧力、または低い段の圧力を受ける。環状ギャップ６２
は、稼働中にインペラ１８の軸方向のスラストにより吸込側または吸入側の方向
への移動がギャップ幅を縮少させ、ギャップ中に生じた圧力上昇はギャップ幅が
最小値を下回らない状態で、軸方向スラストを補償することの出来るように、そ
のサイズを定められる。
【００４２】 図１２の静圧平軸受６０は、例えば最前段のインペラ１８に取付けることが出
来る。平軸受６０への圧力の供給は、稼働中にはより高い段からの出口圧力を入
れることにより行うことが出来る。
【００４３】 図１３は、前端インペラまたは吸入インペラ６８をマグネット軸受２８、３０
の内部に一体化した構成を示す。この配置によりスペースが節約され、運ばれる
媒質の供給（吸込能力が向上する軸方向供給）が最適化され、インペラ６８はロ
ータ１６の径方向の変位に左右されない。
【００４４】 本発明は通常の軸流型インペラにも当てはまる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 運転状態におけるロータ用の本発明による軸受装置を有し、液体水素を送るポ
ンプの縦断面図である。
【図２】 図１のポンプのロータを示す図である。
【図３】 運転状態における本発明によるロータ軸受装置の線図である。
【図４】 静止状態における別のロータ軸受装置の線図である。
【図５】 永久磁石軸受の縦断面図である。
【図６】 図５とは別の永久磁石軸受の縦断面図である。
【図７】 図５および図６とは別の永久磁石軸受の縦断面図である。
【図８】 ポンプのカバープレートを有するインペラに動圧平軸受を一体化した実施形態
を示す図である。
【図９】 図８とは別の実施形態を示す図である。
【図１０】 図８および図９とは別の実施形態を示す図である。
【図１１】 液体式補償装置の縦断面図である。
【図１２】 静圧平軸受の縦断面図である。
【図１３】 前端インペラまたは吸入インペラを一体化した永久磁石軸受の縦断面図である
。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ) ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ， ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，Ｄ Ｋ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ， ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，Ｌ Ｖ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ， ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，Ｕ Ｓ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims (25)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ロータを径方向に案内する少なくとも一つの永久磁石軸受と
    、稼働中に流体機械の軸方向スラストを負担してロータを軸方向または軸方向お
    よび径方向に案内する少なくとも一つの動圧平軸受とを備えた流体機械のロータ
    用軸受装置において、 前記ロータ（１６）の運転位置において、ロータ上の少なくとも一つの永久磁
    石軸受（２０、２２）の構成要素（３２、２８）がハウジング側に配置された構
    成要素（３４、３０）に対して軸方向スラストの方向（Ｂ）とは逆の方向に力の
    つりあい位置から軸方向に変位しており、流体機械（１０）の前記軸方向スラス
    トとは逆方向の力（Ａ）が作り出されることを特徴とする流体機械のロータ用軸
    受装置。
  2. 【請求項２】 請求項１において、稼働中に動作する前記動圧平軸受（２４
    ）の摺動面が停止中、始動段階中および停止段階中に互いに引離され、前記ロー
    タ（１６）が少なくとも一つの追加的な平軸受または転がり軸受に向かって押圧
    され、これら平軸受または転がり軸受は低速回転中および停止中には軸受装置に
    用いられる動圧平軸受よりも低い摩擦モーメントを有することを特徴とする流体
    機械のロータ用軸受装置。
  3. 【請求項３】 請求項１または２において、前記動圧平軸受（２４）に対す
    る補助軸受（３６）として追加的な平軸受または転がり軸受を設置することで、
    前記ロータ上の前記永久磁石軸受（２０、２２）の軸方向の作用力が稼働中の前
    記流体機械（１０）の最小軸方向スラストよりも小さくなるように前記ロータ（
    １６）の軸方向の変位の大きさが制限されていることを特徴とする流体機械のロ
    ータ用軸受装置。
  4. 【請求項４】 請求項１から３のいずれかにおいて、前記変位の寸法（ｔ）
    は、前記流体機械（１０）の一つの磁気軸受（２２）のロータ側軸受リング（２
    ８）およびハウジング側軸受リング（３０）によって定まっていることを特徴と
    する流体機械のロータ用軸受装置。
  5. 【請求項５】 請求項１から４のいずれかにおいて、モータのギャップを介
    して流体を送る通路を備えていることを特徴とする流体機械のロータ用軸受装置
    。
  6. 【請求項６】 請求項１から５のいずれかにおいて、圧力側の永久磁石軸受
    （２２）の軸受ギャップを介して流体を送る通路を備えていることを特徴とする
    流体機械のロータ用軸受装置。
  7. 【請求項７】 請求項１から６のいずれかにおいて、前記ロータ（１６）ま
    たは前記補助軸受（３６）が、始動段階中に補助装置、特にロータの場合には電
    磁石によって前記動圧平軸受（２４）の軸方向に移動することにより、稼働中の
    ロータの永久磁石軸受（２０、２２）の軸方向に作用する力が前記流体機械（１
    ０）の最小軸方向スラストよりも小さくなっていることを特徴とする流体機械の
    ロータ用軸受装置。
  8. 【請求項８】 請求項１から７のいずれかにおいて、前記動圧平軸受（２４
    ）が気体平軸受であることを特徴とする流体機械のロータ用軸受装置。
  9. 【請求項９】 請求項１から８のいずれかにおいて、前記動圧平軸受（２４
    ）が閉鎖型インペラ（１８）のカバーディスク（４６、４８）に接続されている
    ことを特徴とする流体機械のロータ用軸受装置。
  10. 【請求項１０】 請求項９において、少なくとも一つの動圧平軸受（２４）
    のロータ側の摺動面がカバーディスク（４６、４８）を有する一つのインペラ（
    １８）の端面に一体化され、前記平軸受がこの位置において前記インペラの高圧
    側を低圧側に対してシールすることを特徴とする流体機械のロータ用軸受装置。
  11. 【請求項１１】 請求項１から１０のいずれかにおいて、前記ロータ（１６
    ）が前記永久磁石軸受（２０、２２）により径方向に支持され、前記動圧スラス
    ト軸受（２４）が前記ロータの重心（Ｓ）の近くに設けられていることを特徴と
    する流体機械のロータ用軸受装置。
  12. 【請求項１２】 請求項１１において、補助軸受（３６）、特に円錐型の平
    軸受が前記ロータ（１６）の重心（Ｓ）の近くに設けられていることを特徴とす
    る流体機械のロータ用軸受装置。
  13. 【請求項１３】 請求項１２において、前記補助軸受（３６）が前記インペ
    ラ（１８）の背面に一体化されていることを特徴とする流体機械のロータ用軸受
    装置。
  14. 【請求項１４】 請求項９から１３のいずれかにおいて、前記気体平軸受（
    ２４）の支持ギャップが約１μｍであることを特徴とする流体機械のロータ用軸
    受装置。
  15. 【請求項１５】 請求項１から１４のいずれかにおいて、前記流体機械（１
    ０）を駆動する電動モータ（３８）のロータが前記流体機械のロータ（１６）に
    一体化されていることを特徴とする流体機械のロータ用軸受装置。
  16. 【請求項１６】 請求項１５おいて、永久磁石励磁装置を有する同期モータ
    からなる電動モータを備えていることを特徴とする流体機械のロータ用軸受装置
    。
  17. 【請求項１７】 請求項１から１６のいずれかにおいて、前記永久磁石軸受
    （２２、２０）の軸受リングまたはマグネットリング（２８、３０、３２、３４
    ）および前記電動モータ（３８）の励磁マグネットまたはマグネットリング（４
    ０）が保護リング（４４）、好ましくは導電性の保護リングにより保護されてい
    ることを特徴とする流体機械のロータ用軸受装置。
  18. 【請求項１８】 請求項１７において、前記ロータ側のマグネットリング（
    ２８、３０、３２、３４）に炭素繊維またはガラス繊維により強化されたプラス
    チック材料からなるバンドまたは同等の保護層が設けられていることを特徴とす
    る流体機械のロータ用軸受装置。
  19. 【請求項１９】 請求項１から１８のいずれかにおいて、インペラ（１８）
    、中間ディスク（４５）、および／またはハウジングディスク（３６、４８）の
    ような前記ロータ（１６）の構成要素がセラミックから形成されていることを特
    徴とする流体機械のロータ用軸受装置。
  20. 【請求項２０】 請求項３、または請求項１２から１９のいずれかにおいて
    、前記ロータ（１６）の前記変位の大きさが前記補助軸受（３６）により制限さ
    れていることを特徴とする流体機械のロータ用軸受装置。
  21. 【請求項２１】 請求項２０において、前記ロータ（１６）が稼働中に前記
    補助軸受（３６）から離れて、前記動圧平軸受（２４）により摺動面の接触なし
    に軸方向に案内されることを特徴とする流体機械のロータ用軸受装置。
  22. 【請求項２２】 請求項１から２０のいずれかにおいて、少なくとも一つの
    静圧平軸受（６０）または液体式補償装置（５８）が、補助的に前記動圧平軸受
    （２４）に組み合わされていることを特徴とする流体機械のロータ用軸受装置。
  23. 【請求項２３】 請求項１から２０のいずれかにおいて、前記動圧平軸受（
    ２４）が静圧平軸受（６０）または液体式補償装置（５８）により置換えられて
    いることを特徴とする流体機械のロータ用軸受装置。
  24. 【請求項２４】 請求項１から２３のいずれかにおいて、前記磁気軸受（２
    ８、３０）に前端インペラ（６８）を備えていることを特徴とする流体機械のロ
    ータ用軸受装置。
  25. 【請求項２５】 請求項１から２４のいずれかに記載の軸受装置を、液体水
    素を送る流体機械のロータ用軸受装置として用いる使用方法。
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