JP2008032056A - 回転軸振動抑制装置 - Google Patents

Abstract

【課題】振動・騒音抑制性能が高い回転軸振動抑制装置を提供すること。
【解決手段】軸受３の外周面の上下左右位置にそれぞれ接触するように設けられ、各々は超磁歪素子及び前記各超磁歪素子を包囲する包囲部材により構成され、前記各超磁歪素子に対して電流制御手段１６により電流を流すことで、前記各包囲部材を半径方向に伸縮自在に変化させることができる変位制御手段４と、軸受３の外周側であって各変位制御手段４の包囲部材に接触するように設けられ、回転軸２の振動に伴って前記各包囲部材が半径方向に振動するとき発生する加速度変化に応じて電圧を発生し、この電圧値に基づいてＸ軸方向とＹ軸方向の加速度から振動波形を検出する振動検出手段５と、各振動検出手段５で検出された振動波形と、同一振幅で同一周期であって逆位相となるように各変位制御手段４に流す電流を制御する振動抑制手段１７とを具備したもの。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回転電機等の回転軸により発生する振動を抑制する回転軸振動抑制装置に関する。

図１２及び図１３は、一般的な回転電機の概略構成を示すもので、回転軸(以下単に軸と称する)２には、回転電機の回転子２０が取り付けられている。軸受３は、軸２が回転可能なように支持する。フレーム１は軸受３と固定子２１を保持する。

回転電機の回転軸２にラジアル力が加わった場合、軸２が偏心するため、振動・騒音が発生する。特に高速回転時の振動・騒音は人の可聴域となり、問題となる。

回転機の剛性向上等の対策で、軸２の偏心等による振動・騒音を問題のないレベルに抑えることもできるが、コスト上昇を招くことになる。

また、軸の偏心による振動・騒音を低減するものとして、例えば、特許文献１のように磁気軸受構造にするもの、特許文献２のように変位計による検出信号に基づき微小変位アクチュエータで軸心を制御するものがある。さらに特許文献３には、磁歪素子でスラスト方向に伸長、収縮させる点が記載されている。
特開平８−２９４２４８号公報 特開平５−１５７１１４号公報 特開平１０-２８１２１９号公報

特許文献１のように磁気軸受構造にするものは、軸受用の巻線が必要となりコスト上昇を招く。

特許文献２のように変位計による検出信号に基づき微小変位アクチュエータで軸心を制御するものは、軸偏心の変位を高精度に測定する必要がある。

本発明の目的は、上述した課題を解決するためになされたものであり、振動・騒音抑制性能が高い回転軸振動抑制装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、回転軸を回転自在に支持する軸受と、前記軸受の外周面の上下左右位置にそれぞれ接触するように設けられ、各々は超磁歪素子及び前記各超磁歪素子を包囲する包囲部材により構成され、前記各超磁歪素子に対して電流制御手段により電流を流すことで、前記各包囲部材を半径方向に伸縮自在に変化させることができる変位制御手段と、前記軸受の外周側であって前記各変位制御手段の包囲部材に接触するように設けられ、前記回転軸の振動に伴って前記各包囲部材が半径方向に振動するとき発生する加速度変化に応じて電圧を発生し、この電圧値に基づいてＸ軸方向とＹ軸方向の加速度から振動波形を検出する振動検出手段と、前記各振動検出手段で検出された振動波形と、同一振幅で同一周期であって逆位相となるように前記各変位制御手段に流す電流を制御する振動抑制手段とを具備した回転軸振動抑制装置である。

前記目的を達成するため、請求項２に対応する発明は、回転軸を回転自在に支持する軸受と、
前記軸受の外周面の上下左右位置にそれぞれ接触するように設けられ、各々は超磁歪素子及び前記各超磁歪素子を包囲する包囲部材により構成され、前記各超磁歪素子に対して電流制御手段により電流を流すことで、前記各包囲部材を半径方向に作用する圧力を変化させることができる圧力制御手段と、前記軸受の外周側であって前記各圧力制御手段の包囲部材に接触するように設けられ、前記各包囲部材が半径方向に発生する圧力変化に応じて電圧を発生し、この電圧値に基づいてＸ軸方向とＹ軸方向の圧力を検出する圧力検出手段と、前記各圧力検出手段で検出された振動波形と、同一振幅で同一周期であって逆位相となるように前記各圧力制御手段に流す電流を制御する振動抑制手段とを具備した回転軸振動抑制装置である。

前記目的を達成するため、請求項３に対応する発明は、回転軸を回転自在に支持するものであって耐荷重が大きい第１軸受と、前記回転軸を回転自在に支持するものであって軸振動が小さい第２軸受と、前記第１軸受と前記第２軸受の間にそれぞれ接触するように設けられ、各々は超磁歪素子及び前記各超磁歪素子を包囲する包囲部材により構成され、前記各超磁歪素子に対して電流制御手段により電流を流すことで、前記各包囲部材のスラスト方向に作用する圧力を変化させることができる負荷制御手段と、前記第１軸受の外周側であって前記各負荷制御手段の包囲部材に接触するように設けられ、前記各包囲部材が半径方向に発生する圧力変化に応じて電圧を発生し、この電圧値に基づいてＸ軸方向とＹ軸方向の圧力を検出する圧力検出手段と、前記圧力検出手段で検出された半径方向の圧力に応じて前記第１軸受の負荷を変化させるために前記負荷制御手段に流す電流を制御する振動抑制手段とを具備した回転軸振動抑制装置である。

前記目的を達成するため、請求項４に対応する発明は、回転軸を回転自在に支持するものであって耐荷重が大きい第１軸受と、前記回転軸を回転自在に支持するものであって軸振動が小さい第２軸受と、前記第１軸受と前記第２軸受の間にそれぞれ接触するように設けられ、各々は超磁歪素子及び前記各超磁歪素子を包囲する包囲部材により構成され、前記各超磁歪素子に対して電流制御手段により電流を流すことで、前記各包囲部材のスラスト方向に作用する圧力を変化させることができる負荷制御手段と、前記回転軸の回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記回転速度検出手段で検出された速度信号が前記負荷制御手段に入力され、前記検出した回転速度に応じて前記第１軸受の負荷を変化させるために前記負荷制御手段に流す電流を制御する振動抑制手段とを具備した回転軸振動抑制装置である。

前記目的を達成するため、請求項５に対応する発明は、回転軸を回転自在に支持するものであって耐荷重が大きい第１軸受と、前記回転軸を回転自在に支持するものであって軸振動が小さい第２軸受と、前記第１軸受の外周面に接するように設けられ、回転遠心力により軸径の一部が変化する軸径変化機構とを具備した回転軸振動抑制装置である。

本発明によれば、振動・騒音抑制性能が高い回転軸振動抑制装置を提供することができる。

以下、本発明に係る回転軸振動抑制装置の実施形態について、図面を参照して説明する。

（実施形態１）
まず、図１乃至図３を用いて実施形態１を説明する。

本実施形態１は、回転軸１を回転自在に支持する軸受３と、軸受３の外周面の上下左右位置にそれぞれ接触するように設けられ、各々は超磁歪素子(図示せず)及び各超磁歪素子を包囲する包囲部材(図示せず)により構成され、各超磁歪素子に対して電流制御手段１６により電流を流すことで、各包囲部材を半径方向例えば図３に示すＸ方向、Ｙ方向に伸縮自在に変化させることができる変位制御手段４と、軸受３の外周側であって各変位制御手段４の包囲部材に接触するように設けられ、回転軸２の振動に伴って各包囲部材が半径方向に振動するとき発生する加速度変化に応じて電圧を発生し、この電圧値に基づいてＸ軸方向とＹ軸方向の加速度から振動波形を検出する振動検出手段５と、図３(ｂ)に示すように各振動検出手段５で検出された振動波形(振動検出値)と、同一振幅で同一周期であって逆位相となるように各変位制御手段４に流す電流を制御する振動抑制手段１７とを具備したものである。

ここで、超磁歪素子とは、磁歪素子の中で、大きな弾性変位が得られるものであって、１００ｐｐｍ以上のものをさしている。なお、磁歪とは、磁性材料が外部からの磁界の影響で弾性変形する物理現象のことで、磁歪素子はこのような物理現象を達成する素子のことである。

実施形態１によれば、振動検出手段５による検出信号に基づき変位制御手段４で軸心を制御するようにしたので、振動・騒音を抑制することができる。前述した特許文献２は、下側と右側の振動検出手段がバネにより構成されているので、一定の周波数で共振現象が起こる可能性があり、採用することは難しい。また特許文献２は、振動検出を、ギャップセンサーにより行っているので、装置自体も大きくなる上、せいぜい検出が出来ても１ＫＨｚまでしかできない。これに対して、本発明の実施形態１では、軸受３と、軸受３の外周面に接するように変位制御手段４と、変位制御手段４と接するように振動検出手段５を設けて一体化しているので、共鳴現象が起こりづらい。また、本実施形態によれば超磁歪素子を使用した変位制御手段４と、振動検出手段５を組み合わせているので、０Ｋｈｚ〜２０ＫＨｚの振動を検出することが可能となる。そのため、高調波の抑制も行うことができる。

（実施形態２）
次に、図４及び図５を参照して実施形態２を説明する。なお実施形態１と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

軸受３の外周面の上下左右位置にそれぞれ接触するように設けられ、各々は超磁歪素子及び前記各超磁歪素子を包囲する包囲部材により構成され、前記各超磁歪素子に対して電流制御手段１６により電流を流すことで、前記各包囲部材を半径方向に作用する圧力を変化させることができる圧力制御手段６と、軸受３の外周側であって前記各圧力制御手段の包囲部材に接触するように設けられ、前記各包囲部材が半径方向に発生する圧力変化に応じて電圧を発生し、この電圧値に基づいてＸ軸方向とＹ軸方向の圧力を検出する圧力検出手段７と、各圧力検出手段７で検出された振動波形と、同一振幅で同一周期であって逆位相となるように各圧力制御手段６に流す電流を制御する振動抑制手段１７とを具備したものである。

このように構成された実施形態２の作用効果を説明する。

圧力検出手段７により、軸受３の圧力が検出され、圧力制御手段６に入力される。圧力制御手段６は圧力差がなくなるように、圧力を変化させる。

具体的には、圧力検出手段７は、例えば、ロードセル等で、左右及び上下の圧力を検出し、圧力制御手段６では、検出したそれぞれの圧力の大きさに応じて、左右および上下の圧力を所定量に制御する。圧力を与えるものとして、例えば、超磁歪素子を用いる。

本実施形態によれば、圧力検出手段７による検出信号に基づき圧力を制御するようにしたので、振動・騒音を抑制することができる。

（実施形態３）
次に、図６及び図７を参照して説明する。

本実施形態は、回転軸２を回転自在に支持するものであって耐荷重が大きい第１軸受例えばころがり軸受９と、回転軸２を回転自在に支持するものであって軸振動が小さい第２軸受例えばすべり(流体)軸受８と、ころがり軸受９とすべり軸受８の間にそれぞれ接触するように設けられ、各々は超磁歪素子及び前記各超磁歪素子を包囲する包囲部材により構成され、前記各超磁歪素子に対して電流制御手段１６により電流を流すことで、前記各包囲部材のスラスト方向に作用する圧力を変化させることができる負荷制御手段１０と、ころがり軸受９の外周側であって各負荷制御手段１０の包囲部材に接触するように設けられ、各包囲部材が半径方向に発生する圧力変化に応じて電圧を発生し、この電圧値に基づいてＸ軸方向とＹ軸方向の圧力を検出する圧力検出手段７と、前記圧力検出手段７で検出された半径方向の圧力に応じて前記第１軸受の負荷を変化させるために前記負荷制御手段１０に流す電流を制御する振動抑制手段１７とを具備したものである。

このように構成された実施形態３の作用効果を説明する。

一般的な軸受として、ころがり軸受９とすべり軸受８があり、ころがり軸受９は耐荷重が大きいが軸振動が大きく、すべり軸受８は軸振動が小さいが耐荷重が小さいという特徴があり、たとえば、これら２種類の軸受９、８を用いる
圧力検出手段７により、軸受９の圧力が検出され、負荷制御手段１０に入力される。負荷制御手段１０は圧力に応じて耐荷重が大きいころがり軸受９の負荷を変化させる。

具体的には、圧力検出手段７は、たとえば、ロードセル等で、ラジアル方向の圧力を検出し、負荷制御手段１０では、検出した圧力を、耐荷重の大きいころがり軸受９の負荷を変化させて所定量に制御する。負荷を変化させるものとして、たとえば、超磁歪素子で、ころがり軸受９のフレーム接続部分をスラスト方向に変位させるものを用いる。ころがり軸受９は、テーパー形状にしていて、フレーム接続部分をスラスト方向に変化させることにより、軸受の負荷が変化できるようになっている。

本実施形態によれば、圧力検出手段７による検出信号に基づき耐荷重が大きいころがり軸受９と、軸振動が小さいすべり軸受８との負荷を制御するようにしたので、低負荷時の振動・騒音を抑制することができる。

（実施形態４）
次に、図８及び図９を参照して実施形態４を説明する。

本実施形態４は、回転軸２を回転自在に支持するものであって耐荷重が大きい第１軸受例えばころがり軸受９と、回転軸２を回転自在に支持するものであって軸振動が小さい第２軸受例えばすべり(流体)軸受８と、ころがり軸受９とすべり軸受８の間にそれぞれ接触するように設けられ、各々は超磁歪素子及び前記各超磁歪素子を包囲する包囲部材により構成され、前記各超磁歪素子に対して電流制御手段１６により電流を流すことで、前記各包囲部材のスラスト方向に作用する圧力を変化させることができる負荷制御手段１０と、回転軸２の回転速度を検出する回転速度検出手段１１と、回転速度検出手段１１で検出された速度信号が負荷制御手段１０に入力され、前記検出した回転速度に応じて前記第１軸受の負荷を変化させるために前記負荷制御手段に流す電流を制御する振動抑制手段１７とを具備したものである。

このように構成された実施形態４の作用効果について説明する。

回転速度検出手段１１により、回転速度が検出され、負荷制御手段１０に入力される。負荷制御手段１０は回転速度に応じて耐荷重が大きいころがり軸受９の負荷を変化させる。

具体的には、回転速度検出手段は、例えば、レゾルバやロータリエンコーダ等で、回転速度を検出し、負荷制御手段１０では、検出した回転速度の応じて、耐荷重の大きいころがり軸受９の負荷を変化させる。負荷を変化させるものとして、例えば、超磁歪素子で、ころがり軸受９のフレーム１の接続部分をスラスト方向に変位させるものを用いる。ころがり軸受９は、テーパー形状にしていて、フレーム接続部分をスラスト方向に変化させることにより、軸受の負荷が変化できるようになっている。

本実施形態によれば、回転速度検出手段による検出信号に基づき耐荷重が大きいころがり軸受９と、軸振動が小さいすべり軸受８との負荷を制御するようにしたので、高速回転時の振動・騒音を抑制することができる。

（実施形態５）
次に、図１０及び図１１を参照して実施形態５を説明する。

実施形態５は、回転軸２を回転自在に支持するものであって耐荷重が大きい第１軸受例えばころがり軸受９と、回転軸２を回転自在に支持するものであって軸振動が小さい第２軸受例えばすべり(流体)軸受８と、ころがり軸受９の外周面に接するように設けられ、回転遠心力により軸径の一部が変化する軸径変化機構１２とを具備した回転軸振動抑制装置である。

このように構成された実施形態５における作用効果を説明する。

停止・低速回転時は、振動が大きく耐荷重が大きいころがり軸受９の負荷が大きく、振動が小さいすべり軸受８の負荷を小さいようにして、高速回転時には、軸径変化機構により軸径が変化し、それにより、振動が大きく耐荷重が大きい軸受の負荷を小さく、振動が小さいすべり軸受８の負荷が大きくなるよう作用する。

軸径変化機構１２は、円周で数分割され、軸接続部はリンクになっていて、開放部は遠心おもりとなっている。遠心おもりは回転速度に応じてラジアル方向に広がるため、軸径が変化する。

本実施の形態によれば、回転遠心力により軸径が変化する機構１２により、回転速度に基づき耐荷重が大きいころがり軸受９と、軸振動が小さいすべり軸受８との負荷を変化するようにしたので、高速回転時の振動・騒音を抑制することができる。

(変形例)
前述の実施形態では、回転電機の両端側にそれぞれ設けてある軸受ごとに電流制御手段１６及び振動抑制手段１７を設けるようにしたが、これらを共通のものとしてもよい。その他、本発明の要旨を変更しない範囲で種々変形して実施できる。

本発明の実施形態１の回転軸振動抑制装置の正断面図。 本発明の実施形態１の回転軸振動抑制装置の側面図。 本発明の実施形態１の回転軸振動抑制装置の動作を説明するための図。 本発明の実施形態２の回転軸振動抑制装置の正断面図。 本発明の実施形態２の回転軸振動抑制装置の側面図。 本発明の実施形態３の回転軸振動抑制装置の正断面図。 本発明の実施形態３の回転軸振動抑制装置の側面図。 本発明の実施形態４の回転軸振動抑制装置の正断面図。 本発明の実施形態４の回転軸振動抑制装置の側面図。 本発明の実施形態５の回転軸振動抑制装置の正断面図。 本発明の実施形態５の回転軸振動抑制装置の側面図。 従来の回転電機における課題を説明するための正断面図。 従来の回転電機における課題を説明するための側面図。

符号の説明

１…回転電機のフレーム、２…回転軸、３…軸受、４…変位制御手段、５…振動検出手段、６…圧力制御手段、７…圧力検出手段、８…すべり（流体）軸受、９…ころがり軸受、１０…負荷制御手段、１１…回転速度検出手段、１２…軸径変化機構、１６…電流制御手段、１７…振動抑制手段。

Claims (5)

1. 回転軸を回転自在に支持する軸受と、
   前記軸受の外周面の上下左右位置にそれぞれ接触するように設けられ、各々は超磁歪素子及び前記各超磁歪素子を包囲する包囲部材により構成され、前記各超磁歪素子に対して電流制御手段により電流を流すことで、前記各包囲部材を半径方向に伸縮自在に変化させることができる変位制御手段と、
   前記軸受の外周側であって前記各変位制御手段の包囲部材に接触するように設けられ、前記回転軸の振動に伴って前記各包囲部材が半径方向に振動するとき発生する加速度変化に応じて電圧を発生し、この電圧値に基づいてＸ軸方向とＹ軸方向の加速度から振動波形を検出する振動検出手段と、
   前記各振動検出手段で検出された振動波形と、同一振幅で同一周期であって逆位相となるように前記各変位制御手段に流す電流を制御する振動抑制手段と、
   を具備したことを特徴とする回転軸振動抑制装置。
2. 回転軸を回転自在に支持する軸受と、
   前記軸受の外周面の上下左右位置にそれぞれ接触するように設けられ、各々は超磁歪素子及び前記各超磁歪素子を包囲する包囲部材により構成され、前記各超磁歪素子に対して電流制御手段により電流を流すことで、前記各包囲部材を半径方向に作用する圧力を変化させることができる圧力制御手段と、
   前記軸受の外周側であって前記各圧力制御手段の包囲部材に接触するように設けられ、前記各包囲部材が半径方向に発生する圧力変化に応じて電圧を発生し、この電圧値に基づいてＸ軸方向とＹ軸方向の圧力を検出する圧力検出手段と、
   前記各圧力検出手段で検出された振動波形と、同一振幅で同一周期であって逆位相となるように前記各圧力制御手段に流す電流を制御する振動抑制手段と、
   を具備したことを特徴とする回転軸振動抑制装置。
3. 回転軸を回転自在に支持するものであって耐荷重が大きい第１軸受と、
   前記回転軸を回転自在に支持するものであって軸振動が小さい第２軸受と、
   前記第１軸受と前記第２軸受の間にそれぞれ接触するように設けられ、各々は超磁歪素子及び前記各超磁歪素子を包囲する包囲部材により構成され、前記各超磁歪素子に対して電流制御手段により電流を流すことで、前記各包囲部材のスラスト方向に作用する圧力を変化させることができる負荷制御手段と、
   前記第１軸受の外周側であって前記各負荷制御手段の包囲部材に接触するように設けられ、前記各包囲部材が半径方向に発生する圧力変化に応じて電圧を発生し、この電圧値に基づいてＸ軸方向とＹ軸方向の圧力を検出する圧力検出手段と、
   前記圧力検出手段で検出された半径方向の圧力に応じて前記第１軸受の負荷を変化させるために前記負荷制御手段に流す電流を制御する振動抑制手段と、
   を具備したことを特徴とする回転軸振動抑制装置。
4. 回転軸を回転自在に支持するものであって耐荷重が大きい第１軸受と、
   前記回転軸を回転自在に支持するものであって軸振動が小さい第２軸受と、
   前記第１軸受と前記第２軸受の間にそれぞれ接触するように設けられ、各々は超磁歪素子及び前記各超磁歪素子を包囲する包囲部材により構成され、前記各超磁歪素子に対して電流制御手段により電流を流すことで、前記各包囲部材のスラスト方向に作用する圧力を変化させることができる負荷制御手段と、
   前記回転軸の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
   前記回転速度検出手段で検出された速度信号が前記負荷制御手段に入力され、前記検出した回転速度に応じて前記第１軸受の負荷を変化させるために前記負荷制御手段に流す電流を制御する振動抑制手段と、
   を具備したことを特徴とする回転軸振動抑制装置。
5. 回転軸を回転自在に支持するものであって耐荷重が大きい第１軸受と、
   前記回転軸を回転自在に支持するものであって軸振動が小さい第２軸受と、
   前記第１軸受の外周面に接するように設けられ、回転遠心力により軸径の一部が変化する軸径変化機構と、
   を具備したことを特徴とする回転軸振動抑制装置。

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