JP2008121699A - 軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コスト化が図られる軸受装置を提供する。
【解決手段】軸受装置３は、モータ２０によって回転駆動される駆動装置に備えられる。軸受装置３は、回転軸２１の軸方向におけるモータ２０の両側に設けられるフォイル軸受３０，４０と、回転軸２１の軸方向におけるフォイル軸受３０，４０の外側に設けられ、フランジ部５１，６１と電磁石５２，６２とが設けられるアキシャル磁気軸受５０，６０とを備える。軸受装置３は、ロータ２３とフォイル軸受３０，４０との間にケーシング１０ｂから突出する突出部６，７を設けるとともに、突出部６，７にロータ２３を支承する保護軸受としてすべり軸受８，９を設ける。回転軸２１の軸方向における突出部６とロータ２３との隙間ｘ１は、他の部材同士の隙間ｙ１，ｚ１より狭く形成されてなる。回転軸２１の軸方向における突出部７とロータ２３との隙間ｘ２は、他の部材同士の隙間ｙ２，ｚ２より狭く形成されてなる。
【選択図】図１

Description

この発明は、軸受装置に関する。

コンプレッサ、ブロワ、タービン等の回転機器を駆動する回転駆動装置には、回転軸を支承する軸受装置が備えられている。特に小型な回転機器やオイルの使用を避けたい回転機器においては、磁気軸受やフォイル軸受が用いられている。このような軸受装置では、磁気軸受がアキシャル方向軸受として回転軸を支承するとともに、フォイル軸受がラジアル方向軸受として回転軸を支承する。磁気軸受やフォイル軸受は、オイルを用いず、回転時に非接触であるため、軸受の耐久性を高くすることができる。

上記の軸受装置が備えられた圧縮機には、図３に示されるように、圧縮部１の羽根車１１と一体に回転する回転軸２１と、該回転軸２１を駆動する駆動装置としての駆動部２とが備えられており、該駆動部２に回転軸２１を支承する軸受装置３としてのフォイル軸受３０，４０とアキシャル磁気軸受５０，６０とが設けられている。同回転軸２１は、駆動部２に設けられるビルトイン型のモータ２０により駆動される。モータ２０は、ケーシング１０に固定されるステータ２２と、回転軸２１に一体に設けられるロータ２３とにより構成される。

両フォイル軸受３０，４０は、回転軸２１の軸方向においてモータ２０を挟むように位置している。両フォイル軸受３０，４０は、ケーシング１０に固定される円筒状の軸受ハウジング３１，４１の内周にバンプフォイル３２，４２及びトップフォイル３３，４３が配置され、該トップフォイル３３，４３内に回転軸２１が配置された構成になっている。運転時には、回転軸２１が回転されると、回転軸２１とトップフォイル３３，４３との間に動圧が発生し、気体潤滑作用により回転軸２１がトップフォイル３３，４３に非接触状態で支承される。停止時には、回転軸２１の自重によって鉛直下方に偏移し、トップフォイル３３，４３に接触した状態に保たれる。

両アキシャル磁気軸受５０，６０は、回転軸２１の軸方向においてフォイル軸受３０，４０のモータ２０から離間する側にそれぞれ位置している。両アキシャル磁気軸受５０，６０は、回転軸２１に一体回転可能に設けられるフランジ部５１，６１と、軸受ハウジング３１，４１のフランジ部５１，６１と対向する部位に設けられる電磁石５２，６２とからなる。軸受ハウジング３１，４１のフランジ部５１，６１と対向する面には、環状の凹部３１ａ，４１ａが形成され、該凹部３１ａ，４１ａに電磁石コイル５２ａ，６２ａが収容されている。軸受ハウジング３１は、磁性体により形成されており、電磁石ヨーク５２ｂ，６２ｂを兼ねている。すなわち、電磁石コイル５２ａ，６２ａ及び電磁石ヨーク５２ｂ，６２ｂより電磁石５２，６２が構成されている。電磁石コイル５２ａ，６２ａに電流が流されると、電磁石ヨーク５２ｂ，６２ｂに生じる電磁力によりフランジ部５１，６１が吸引される。ケーシング１０内部の回転軸２１の羽根車１１が設けられる端部と反対側の端部に対向する部位には、回転軸２１のアキシャル方向の位置を検出する位置センサ２６が設けられている。該位置センサ２６によって検出された回転軸２１の位置に基づいて、電磁石コイル５２ａ，６２ａの電流がそれぞれ制御される。これにより、回転軸２１は、アキシャル方向の所定位置に非接触状態で支承される。
特開２００２−３４９５６５号公報

ところで、上記軸受装置では、停電等によりアキシャル磁気軸受５０，６０の電磁石コイル５２ａ，６２ａへの給電が停止すると、回転軸２１のアキシャル方向の支承ができなくなる。このような場合には、フランジ部５１，６１とケーシング１０との接触や、軸受ハウジング３１，４１とロータ２３との接触が起こるおそれがある。そのため、アキシャル方向の保護軸受として、ケーシング１０とフランジ部５１との間に転がり軸受５が設けられている（例えば、特許文献１参照。）。

しかし、この転がり軸受５は、回転精度、耐久性等に優れるため高価である。ひいては、軸受装置のコストアップの一因となっていた。
この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、低コスト化が図られる軸受装置を提供することにある。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について説明する。
請求項１に記載の発明は、回転軸に一体に設けられるロータとケーシングに固定されるステータとを備えるモータによって回転駆動される駆動装置に設けられ、同回転軸の軸方向における同モータの両側に設けられるラジアル方向軸受として作用するフォイル軸受と、同回転軸の軸方向における同フォイル軸受の外側に設けられ、アキシャル方向軸受として作用し、フランジ部と電磁石とが設けられるアキシャル磁気軸受とを備える軸受装置において、前記ロータと前記フォイル軸受との間に前記ケーシングから突出する突出部を設けるとともに、同突出部に前記ロータを支承する保護軸受としてすべり軸受を設け、前記アキシャル磁気軸受が作用しなくなった際に、前記回転軸の軸方向における前記突出部と前記ロータとが接触するように、前記回転軸の軸方向における前記突出部と前記ロータとの隙間を前記回転軸の軸方向における他の部材同士の隙間より狭く形成されてなることをその要旨としている。

同構成によれば、ロータとフォイル軸受との間に突出部を設け、その突出部にすべり軸受を設けたため、従来の転がり軸受と比較して安価にすることができ、低コスト化を図ることができる。また、回転軸の軸方向において、突出部とロータとの隙間を他の部材同士の隙間より狭く形成したため、好適に保護軸受として作用することができる。

請求項２に記載の発明は、回転軸に一体に設けられるロータとケーシングに固定されるステータとを備えるモータによって回転駆動される駆動装置に設けられ、同回転軸の軸方向における同モータの両側に設けられるラジアル方向軸受として作用するフォイル軸受と、同回転軸の軸方向における同フォイル軸受の外側に設けられるアキシャル方向軸受として作用し、フランジ部と電磁石とが設けられるアキシャル磁気軸受とを備える軸受装置において、前記フランジ部の前記ケーシングに対向する面には、突出部を設けるとともに、前記ケーシングの同突出部に対向する部位に前記突出部を支承する保護軸受としてすべり軸受を設け、前記アキシャル磁気軸受が作用しなくなった際に、前記回転軸の軸方向における前記ケーシングと前記フランジ部の突出部とが接触するように、前記回転軸の軸方向における前記ケーシングと前記フランジ部の突出部との隙間を前記回転軸の軸方向における他の部材同士の隙間より狭く形成されてなることをその要旨としている。

同構成によれば、フランジ部のケーシングに対向する面に突出部を設け、その突出部にすべり軸受を設けたため、従来の転がり軸受と比較して安価にすることができ、低コスト化を図ることができる。また、回転軸の軸方向において、突出部とケーシングとの隙間を他の部材同士の隙間より狭く形成したため、好適に保護軸受として作用することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の軸受装置において、前記回転軸に掛かるアキシャル方向の力が一方向のみの場合には、同方向にのみすべり軸受を設けることをその要旨としている。

同構成によれば、すべり軸受を一方向のみに設けるため、低コスト化を図ることができる。

本発明によれば、低コスト化が図られる軸受装置とすることができる。

以下、本発明にかかる軸受装置を圧縮機に具体化した一実施形態について図１を参照して説明する。図１は、圧縮機の構成を示す概略構成図である。
圧縮機は、駆動装置に設けられる回転軸の軸線が水平方向となる横置きで用いられる。同図１に示されるように、圧縮機には、圧縮部１及び駆動装置としての駆動部２が設けられている。これら圧縮部１及び駆動部２は、ケーシング１０の圧縮部ケーシング１０ａと駆動部ケーシング１０ｂとにそれぞれが設けられている。圧縮部１は、駆動部２の前方（同図左側）に位置している。圧縮部１には、気体（空気）が流入する気体流入路１２と、該圧縮部ケーシング１０ａ内で回転することにより気体流入路１２を通じて流入した気体を圧縮するとともに図示しない気体流出路を通じて吐出する羽根車１１とが設けられている。駆動部２には、モータ２０と、該モータ２０によって回転駆動される回転軸２１と、該回転軸２１を支承する軸受装置３とが設けられている。モータ２０は、駆動部ケーシング１０ｂの内壁に設けられたステータ２２と、回転軸２１の外周に設けられたロータ２３とを備えている。回転軸２１の先端には、圧縮部１に設けられた羽根車１１が接続されている。軸受装置３には、回転軸２１の軸方向においてモータ２０を挟むように前後（同図左右）に位置し回転軸２１をラジアル方向において支承する前後一対の前側フォイル軸受３０及び後側フォイル軸受４０と、回転軸２１をアキシャル方向において支承する前側アキシャル磁気軸受５０及び後側アキシャル磁気軸受６０と、前後フォイル軸受３０，４０とロータ２３との間に形成される前側突出部６及び後側突出部７に設けられる保護軸受としての前側すべり軸受８及び後側すべり軸受９とが設けられている。

前側フォイル軸受３０は、回転軸２１においてモータ２０より前方（同図左側）、すなわち、ロータ２３と羽根車１１との間に配設されている。そして、前側フォイル軸受３０は、駆動部ケーシング１０ｂに固定される円筒状の前側軸受ハウジング３１を備え、該前側軸受ハウジング３１の内周面には、波形状のバンプフォイル３２及びスリーブ状のトップフォイル３３が配設されている。回転軸２１は、該トップフォイル３３内に位置している。後側フォイル軸受４０は、回転軸２１においてモータ２０より後方（同図右側）に配設されている。後側フォイル軸受４０は、前側フォイル軸受３０と同様に構成されており、駆動部ケーシング１０ｂに固定される後側軸受ハウジング４１と、バンプフォイル４２と、トップフォイル４３とを備えている。

前側アキシャル磁気軸受５０は、回転軸２１の前側フォイル軸受３０より前方に一体回転可能に設けられる前側フランジ部５１と、前側軸受ハウジング３１に設けられる電磁石５２とを備えている。前側軸受ハウジング３１の前側フランジ部５１に対向する面には、環状の凹部３１ａが形成されており、同凹部３１ａには電磁石コイル５２ａが収容されている。前側軸受ハウジング３１は、磁性体により形成されており、電磁石ヨーク５２ｂを兼ねている。すなわち、電磁石コイル５２ａ及び電磁石ヨーク５２ｂより電磁石５２が構成されている。前側フランジ部５１の前側軸受ハウジング３１に対向する面は、電磁石５２によって発生する磁力によって吸引される。後側アキシャル磁気軸受６０は、前側アキシャル磁気軸受５０と同様に構成されており、後側フォイル軸受４０より後方（同図右側）の回転軸２１に一体回転可能に設けられる後側フランジ部６１並びに、後側フォイル軸受４０を構成する磁性体よりなる軸受ハウジング４１（電磁石ヨーク６２ｂ）と、その後側フランジ部６１と対向する面に形成された凹部４１ａに収容された電磁石コイル６２ａとからなる電磁石５２を備えている。駆動部ケーシング１０ｂ内部の回転軸２１末端に対向する部位には、回転軸２１のアキシャル方向の位置を検出する位置センサ２６が設けられている。該位置センサ２６によって検出された回転軸２１の位置に基づいて、前側アキシャル磁気軸受５０に設けられる電磁石コイル５２ａ及び後側アキシャル磁気軸受６０に設けられる電磁石コイル６２ａの電流がそれぞれ制御される。

前側突出部６は、前側フォイル軸受３０とロータ２３との間に駆動部ケーシング１０ｂの内壁から環状に突出している。前側突出部６は、前側軸受ハウジング３１に接している。そして、前側突出部６のロータ２３と対向する部位には、円状にホワイトメタル等からなるすべり軸受８が設けられている。後側突出部７は、後側フォイル軸受４０とロータ２３との間に駆動部ケーシング１０ｂの内壁から環状に突出している。後側突出部７は、後側軸受ハウジング４１に接している。そして、後側突出部７のロータ２３と対向する部位には、円状にホワイトメタル等からなるすべり軸受９が設けられている。

なお、前側突出部６に設けられた前側すべり軸受８とロータ２３との隙間ｘ１は、後側フランジ部６１と後側フォイル軸受４０との隙間ｙ１及び、駆動部ケーシング１０ｂと前側フランジ部５１との隙間ｚ１より狭く構成されている。後側突出部７に設けられた後側すべり軸受９とロータ２３との隙間ｘ２は、前側フランジ部５１と前側フォイル軸受３０との隙間ｙ２及び、駆動部ケーシング１０ｂと後側フランジ部６１との隙間ｚ２より狭く構成されている。

次に、前述のように構成された圧縮機の動作態様について説明する。
圧縮機は、駆動部２に設けられるモータ２０が回転すると回転軸２１が回転し、回転軸２１に接続された圧縮部１に設けられる羽根車１１が回転される。これにより、圧縮部１において気体流入路を通じて、流入した気体が圧縮され、圧縮部ケーシング１０ａに設けられた図示しない突出口から吐出される。

回転軸２１が回転されると、回転軸２１の外周面とトップフォイル３３，４３の内周面との間に好適な動圧が発生する。そして、該動圧による気体潤滑作用によって、回転軸２１が前後フォイル軸受３０，４０と非接触状態で支承される。また、羽根車１１の回転により回転軸２１には、図１の白抜き矢印に示すように、アキシャル方向の前方に作用する力（スラスト力）が発生する。しかし、位置センサ２６によって検出される回転軸２１の位置から前記作用する力と釣り合う吸引力がアキシャル磁気軸受５０，６０に生成されるため、回転軸２１はアキシャル方向の所定位置に非接触状態で支承される。

停電等によりアキシャル磁気軸受５０，６０の電磁石コイル５２ａ，６２ａに流される電流が停止すると、アキシャル磁気軸受５０，６０による回転軸２１のアキシャル方向の支承ができなくなる。そして、図１の白抜き矢印に示すように、回転軸２１に対するアキシャル方向の前方に作用する力によって、回転軸２１はアキシャル方向に偏移するが、ロータ２３が保護軸受としての前側すべり軸受８に支持されることにより回転軸２１が支持される。また、アキシャル方向の前方への偏移による反動でアキシャル方向の後方へ偏移した場合には、ロータ２３が保護軸受としての後側すべり軸受９に支持されることにより回転軸２１が支持される。

以上、説明した実施形態によれば、以下の作用効果を奏することができる。
ロータ２３と前後フォイル軸受３０，４０との間に前後突出部６，７を設け、該前側突出部６に前側すべり軸受８を設け、該後側突出部７に後側すべり軸受９を設けたため、従来の転がり軸受と比較して安価にすることができ、低コスト化を図ることができる。また、前側突出部６に設けられた前側すべり軸受８とロータ２３との隙間ｘ１は、後側フランジ部６１と後側フォイル軸受４０との隙間ｙ１及び、駆動部ケーシング１０ｂと前側フランジ部５１との隙間ｚ１より狭く構成されている。後側突出部７に設けられた後側すべり軸受９とロータ２３との隙間ｘ２は、前側フランジ部５１と前側フォイル軸受３０との隙間ｙ２及び、駆動部ケーシング１０ｂと後側フランジ部６１との隙間ｚ２より狭く構成したため、好適に保護軸受として作用することができる。

なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することができる。
・上記実施形態では、前側及び後側の両側にすべり軸受８，９を設けたが、回転軸２１に掛かる前方へのアキシャル方向の力が大きい場合には、一方のすべり軸受８だけを設けるようにしてもよい。また、回転軸２１に掛かる後方へのアキシャル方向の力が大きい場合には、一方のすべり軸受９だけを設けるようにしてもよい。このような構成によれば、一つのすべり軸受を設けるだけでよいので、低コスト化を図ることができる。

・また、羽根車１１による回転軸２１に掛かる前方へのアキシャル方向の力が大きい場合には、図２に示されるように、前側フランジ部５１と駆動部ケーシング１０ｂとの間にすべり軸受１８を設けるようにしてもよい。すなわち、前側フランジ部５１の駆動部ケーシング１０ｂに対向する部位に円状の突出部１６を設け、該突出部１６に対向する駆動部ケーシング１０ｂに円状にホワイトメタル等からなるすべり軸受１８を設ける。そして、回転軸２１の軸方向において、すべり軸受１８と前側フランジ部５１に設けられた突出部１６との隙間ｕは、前側フォイル軸受３０とロータ２３との隙間ｖ及び、後側フォイル軸受４０と後側フランジ部６１との隙間ｗより狭く構成される。

・上記実施形態では、前側フォイル軸受３０とロータ２３との間及び、後側フォイル軸受４０とロータ２３との間に突出部６，７をそれぞれ設けてすべり軸受８，９をそれぞれ設けるようにしたが、駆動部ケーシング１０ｂと前側フランジ部５１との間及び、駆動部ケーシング１０ｂと後側フランジ部６１との間にすべり軸受を設けるようにしてもよい。すなわち、前後フランジ部５１，６１の駆動部ケーシング１０ｂに対向する部位に円状の突出部を設け、該突出部に対向する駆動部ケーシング１０ｂに対向する部位に円状のホワイトメタル等からなるすべり軸受を設ける。

・上記構成において、アキシャル磁気軸受５０，６０は、フランジ部５１，６１と電磁石５２，６２からなるものを用いたが、このような構成の磁気軸受に限るものではない。
・上記実施形態では、圧縮機に具体化したが、ブロワ、タービン等の回転機器を駆動する回転駆動装置に適用してもよい。

圧縮機の縦断面図。 圧縮機の縦断面図。 圧縮機の縦断面図。

符号の説明

１…圧縮部、２…駆動部、３…軸受装置、５…転がり軸受、６…前側突出部、７…後側突出部、８…前側すべり軸受、９…後側すべり軸受、１０…ケーシング、１０ａ…圧縮部ケーシング、１０ｂ…駆動部ケーシング、１１…羽根車、１２…気体流入路、１６…突出部、１８…すべり軸受、２０…モータ、２１…回転軸、２２…ステータ、２３…ロータ、２６…位置センサ、３０…前側フォイル軸受、３１…前側軸受ハウジング、３１ａ，４１ａ…凹部、３２，４２…バンプフォイル、３３，４３…トップフォイル、４０…後側フォイル軸受、４１…後側軸受ハウジング、５０…前側アキシャル磁気軸受、５１…前側フランジ部、５２，６２…電磁石、５２ａ，６２ａ…電磁石コイル、５２ｂ，６２ｂ…電磁石ヨーク、ｕ，ｖ，ｗ，ｘ１，ｘ２，ｙ１，ｙ２，ｚ１，ｚ２…隙間。

Claims (3)

1. 回転軸に一体に設けられるロータとケーシングに固定されるステータとを備えるモータによって回転駆動される駆動装置に設けられ、
   同回転軸の軸方向における同モータの両側に設けられるラジアル方向軸受として作用するフォイル軸受と、同回転軸の軸方向における同フォイル軸受の外側に設けられ、アキシャル方向軸受として作用し、フランジ部と電磁石とが設けられるアキシャル磁気軸受とを備える軸受装置において、
   前記ロータと前記フォイル軸受との間に前記ケーシングから突出する突出部を設けるとともに、同突出部に前記ロータを支承する保護軸受としてすべり軸受を設け、
   前記アキシャル磁気軸受が作用しなくなった際に、前記回転軸の軸方向における前記突出部と前記ロータとが接触するように、前記回転軸の軸方向における前記突出部と前記ロータとの隙間を前記回転軸の軸方向における他の部材同士の隙間より狭く形成されてなる
   ことを特徴とする軸受装置。
2. 回転軸に一体に設けられるロータとケーシングに固定されるステータとを備えるモータによって回転駆動される駆動装置に設けられ、
   同回転軸の軸方向における同モータの両側に設けられるラジアル方向軸受として作用するフォイル軸受と、同回転軸の軸方向における同フォイル軸受の外側に設けられるアキシャル方向軸受として作用し、フランジ部と電磁石とが設けられるアキシャル磁気軸受とを備える軸受装置において、
   前記フランジ部の前記ケーシングに対向する面には、突出部を設けるとともに、前記ケーシングの同突出部に対向する部位に前記突出部を支承する保護軸受としてすべり軸受を設け、
   前記アキシャル磁気軸受が作用しなくなった際に、前記回転軸の軸方向における前記ケーシングと前記フランジ部の突出部とが接触するように、前記回転軸の軸方向における前記ケーシングと前記フランジ部の突出部との隙間を前記回転軸の軸方向における他の部材同士の隙間より狭く形成されてなる
   ことを特徴とする軸受装置。
3. 請求項１又は２に記載の軸受装置において、
   前記回転軸に掛かるアキシャル方向の力が一方向のみの場合には、同方向にのみすべり軸受を設ける
   ことを特徴とする軸受装置。

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