JP2010190400A

JP2010190400A - タッチダウン軸受

Info

Publication number: JP2010190400A
Application number: JP2009038123A
Authority: JP
Inventors: Tadahiko Sakamoto; 宰彦坂本; Masayuki Hosoya; 眞幸細谷
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2009-02-20
Filing date: 2009-02-20
Publication date: 2010-09-02

Abstract

【課題】空転停止性能に優れたタッチダウン軸受を提供する。
【解決手段】内輪６１と、外輪６２と、内輪６１及び外輪６２の間で転動可能に配置された転動体とを有するタッチダウン軸受であって、少なくとも１個の転動体６３ｂの比重又は径を、他の転動体６３ａの比重又は径と異なるようにする。このように構成することにより、タッチダウン軸受が空転し始まる際、重量または径の異なる転動体が、慣性の違いから隣接する転動体に追いつくか、遅れるかして接触し、そのまま摺勤し続ける。この接触により、タッチダウン軸受の回転エネルギーを減少させ、タッチダウン軸受を早く停止させることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、磁気軸受とともに設置され、磁気軸受の制御不能時に軸受として機能するタッチダウン軸受に関する。

タッチダウン軸受は、磁気軸受とともに設置される転がり軸受であり、通常時には、回転輪（内輪又は外輪）が、回転部材（軸又はハウジング）と接触しない構成となっている。一方、前記磁気軸受が何らかのトラブルで制御不能になった時には、回転輪の回転部材との対向面が、前記回転部材に接触（タッチダウン）し、軸受として機能することにより、前記磁気軸受及び回転部材を保護する構成となっている。

このようなタッチダウン軸受としては、例えば、特許文献１〜６に記載されたタッチダウン軸受が提案されている。
特許文献１に開示されたタッチダウン軸受は、転動体を高速度工具鋼製とすることにより、内輪や外輪に用いられるステンレス鋼や軸受鋼と比較して、タッチダウン時に予想される温度（２００〜３００℃）下における硬さを高くするものである。このようなタッチダウン軸受であれば、転動体の発熱による早期損傷を防止することが可能となり、軸受の耐久性を向上させることが可能となる。

また、特許文献２に開示されたタッチダウン軸受は、ボール（転動体）と内輪に透磁率１．４以下の材料を使用する構成を有するものである。
また、特許文献３に開示されたタッチダウン軸受は、少なくとも１個のボールを強磁性体製とした構成を有するものである。
また、特許文献４に開示されたタッチダウン軸受は、負荷ボール間に、よりサイズの小さいスペーサボールを配置する構成を有するものである。

また、特許文献５に開示されたタッチダウン軸受は、外輪及び内輪の対向する肩部を接近させた構成を有するものである。

特開２００６−１５３２４０号公報特開２００２−２２１２２６号公報特開２００６−２６６４３０号公報特開平９−１６６１３３号公報特開２００７−３０９３８０号公報

タッチダウン軸受には、その特有の性能として、「タッチダウン時の回転性能（以下、回転性能と呼ぶ）」及び「ロータ軸接触時の空転停止性能（以下、空転停止機能と呼ぶ）」が求められる。
前記回転性能は、タッチダウン時に回転を円滑に行う回転性能である。この回転性能が高いと、不慮の断線やモータの損傷が原因でロータ軸がタッチダウンした時に、ロータ軸が振れ回ってステータ部材に接触して破損するのを防ぎ、ロータ軸を安全に着陸させることができる。

前記空転停止機能は、タッチダウン軸受がロータ軸と接触し空転したとき、その空転を長く続けることなく、軸受を早い時期に停止させる性能である。タッチダウン軸受には、ターボ分子ポンプが回転中に地震や周辺機器の振動でロータ軸が接触することがある。その後、ロータ軸は、上記、不慮の断線やモータの損傷が原因でロータ軸がタッチダウンした時とは異なり、すぐに磁気的安定を取戻して定常位置に復帰するので、タッチダウン軸受とは一瞬接触するだけで、その後は非接触状態に戻る。このとき、ロータ軸から回転力を受けてタッチダウン軸受は空転（通常内輪）を始めるが、空気抵抗がないため、タッチダウン軸受はそのまま空転し続けることになる。このとき、大きな回転音を生じたり、コーティングされている固体潤滑剤が摩耗して膜厚が減少し、本来のタッチダウン時に上記回転性能を十分に発揮できなかったり、温度が急上昇して焼き付きを生じてしまうという不具合を発生しかねない。したがって、タッチダウン軸受には、空転時に早期に自転を停止する性能が必要なのである。

しかしながら、特許文献１に記載のタッチダウン軸受では、耐熱性改善によるタッチダウン時の耐久性の向上には効果があるが、空転停止性能を向上させる構成について開示されていない。
また、特許文献２に記載されたタッチダウン軸受では、軸受近傍にある磁気軸受やモータからの漏洩磁界の影響を小さくして、外部磁界による連れ回りを防止することによってタッチダウン時の回転性能を向上させる効果があるが、空転停止性能を向上させる構成について開示されていない。

また、特許文献３に記載のタッチダウン軸受では、外部磁界にともなう軸受の連れ回り防止には効果があるが、外部磁界が微弱である場合において、空転停止性能を向上させる構成について開示されていない。また、外部磁界がある程度の強度である場合においても、空転停止性能を向上させる構成について開示されていない。
また、特許文献４に記載のタッチダウン軸受では、回転性能向上には効果があるが、空転停止性能を向上させる構成について開示されていない。

また、特許文献５に記載のタッチダウン軸受では、外部磁界で生じる外輪内及び内輪内のうず電流による軸受の昇温を少なくすることには効果があるが、空転停止性能を向上させる構成について開示されていない。
そこで、本発明は上記の問題点に着目してなされたものであり、その目的は、空転停止性能に優れたタッチダウン軸受を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のうち、請求項１に記載の発明に係るタッチダウン軸受は、磁気軸受と共に設置され、通常時には内輪又は外輪からなる回転輪が軸又はハウジングからなる回転部材と接触せず、前記磁気軸受の制御不能時に前記回転輪が前記回転部材と接触して軸受として機能するタッチダウン軸受において、
前記内輪及び外輪の間に転動自在に配設された複数の転動体のうち、少なくとも１個の転動体の比重が、他の転動体の比重と異なることを特徴としている。

また、請求項２に記載の発明に係るタッチダウン軸受は、磁気軸受と共に設置され、通常時には内輪又は外輪からなる回転輪が軸又はハウジングからなる回転部材と接触せず、前記磁気軸受の制御不能時に前記回転輪が前記回転部材と接触して軸受として機能するタッチダウン軸受において、
前記内輪及び外輪の間に転動自在に配設された複数の転動体のうち、少なくとも１個の転動体の径が、他の転動体の径よりも小さいことを特徴としている。

本発明の請求項１に係るタッチダウン軸受によれば、タッチダウン軸受が空転し始まる際、重量の異なる転動体が、慣性の違いから隣接する転動体に追いつくか、遅れるかして接触し、そのまま摺勤し続ける。この接触により、タッチダウン軸受の回転エネルギーを減少させ、タッチダウン軸受を早く停止させることができる。
また、本発明の請求項２に係るタッチダウン軸受によれば、タッチダウン軸受が空転し始まる際、径の異なる転動体が、慣性の違いから隣接する転動体に追いつくか、遅れるかして接触し、そのまま摺勤し続ける。この接触により、タッチダウン軸受の回転エネルギーを減少させ、タッチダウン軸受を早く停止させることができる。

本発明に係るタッチダウン軸受を備えた磁気浮上式ターボ分子ポンプを示す断面図である。本発明に係るタッチダウン軸受の第１の実施形態における構成を示す断面図である。本発明に係るタッチダウン軸受の第１の実施形態における構成を示す断面図である。本発明に係るタッチダウン軸受の第２の実施形態における構成を示す断面図である。本発明に係るタッチダウン軸受の第３の実施形態における構成を示す断面図である。本発明に係るタッチダウン軸受の実施例における試験装置の構成を示す断面図である。本発明に係るタッチダウン軸受の実施例における試験装置の構成を示す断面図である。

（第１の実施形態）
以下、本発明に係るタッチダウン軸受の第１の実施形態について図面に基づいて説明する。図１は本実施形態の２種類のタッチダウン軸受を備えた磁気浮上式ターボ分子ポンプを示す縦断面図である。図２は本実施形態のタッチダウン軸受の構成を示す図であり、図２（ａ）は一方のタッチダウン軸受の構成を示す縦断面図、図２（ｂ）は、他方のタッチダウン軸受の構成を示す縦断面図である。図３は本発明に係るタッチダウン軸受の第１の実施形態を示す横断面図である。

図１に示すように、磁気浮上式ターボ分子ポンプ１は、ロータ翼１０と、ロータ軸２０と、磁気軸受３０，４０，５０と、タッチダウン軸受６０，７０とを有する。ロータ翼１０と一体に回転するロータ軸２０は、一組のアキシアル磁気軸受３０と二組のラジアル磁気軸受４０，５０とにより、非接触状態で回転自在に支持されている。また、ラジアル荷重を受ける総玉タイプの深溝玉軸受６０と、アキシアル荷重を受ける組み合わせアンギュラ玉軸受７０が、タッチダウン軸受として設置されている。ロータ軸２０は鉛直方向に延びる回転軸であって、ロータ軸２０の下部にはフランジ２１が一体に形成されている。アキシアル磁気軸受３０は、このフランジ２１を、対をなす電磁石３０ａ，３０ｂで挟むように配置されている。深溝玉軸受６０はロータ軸２０の上部に設置され、アンギュラ玉軸受７０はロータ軸２０の下部のフランジ２１の直上に設置されている。

図１に示す磁気浮上式ターボ分子ポンプ１は、その他に、上部ケーシング８０Ａ、下部ケーシング８０Ｂ、電動モータ９０、及びハウジング８１を備えている。電動モータ９０は、ロータ軸２０を高速回転させる動力源である。ハウジング８１は、上部ケーシング８０Ａの一部をなす部材であって、ラジアル磁気軸受４０，５０及び深溝玉軸受６０のハウジングとして機能する。

次に、図２（ａ）に示すように、深溝玉軸受６０は、内輪６１と、外輪６２と、内輪６１と外輪６２との間で転動可能に配設された複数の転動体６３とを有する。内輪６１及び外輪６２には、それぞれ転動体６３側に突出して互いに対向するフランジ６１ａ，６２ａが形成されている。深溝玉軸受６０の内輪（回転輪）６１とロータ軸２０との間には、半径方向に所定の隙間６０Ａが設けられている。この隙間６０Ａは、ラジアル磁気軸受４０，５０のロータ軸２０に対する半径方向の隙間（図１参照）より小さい。

同様に、図２（ｂ）に示すように、アンギュラ玉軸受７０は、内輪（回転輪）７１と、外輪７２と、内輪７１と外輪７２との間で転動可能に配設された複数の転動体７３とを有する。内輪７１及び外輪７２には、それぞれ転動体７３側に突出して互いに対向するフランジ７１ａ，７２ａが形成されている。内輪７１とロータ軸２０との間にも、半径方向に所定の隙間７０Ａが設けられている。この隙間７０Ａも、ラジアル磁気軸受４０，５０のロータ軸２０に対する半径方向の隙間（図１参照）より小さい。アンギュラ玉軸受７０の外輪７２は、アキシアル磁気軸受３０のハウジング３１に取り付けられている。

したがって、ロータ軸２０は、通常時には、ラジアル磁気軸受４０，５０とアキシアル磁気軸受３０とにより、回転自在に支持される。また、これらの磁気軸受３０，４０，５０が制御不能となった時に、深溝玉軸受６０の内輪６１及びアンギュラ玉軸受７０の内輪７１がタッチダウンして、軸受として機能するようになる。

ここで、図３に示すように、本実施形態では、タッチダウン軸受６０を構成する内輪６１、外輪６２及び複数の転動体６３のうち、転動体６３が、大多数の転動体６３ａと、該転動体６３ａの比重又は重量が異なる１つの転動体６３ｂとからなる構成を有する。一般に、タッチダウン軸受６０に用いられる転動体６３は、耐摩性能がいいことからセラミックボールが使用されることが多い。例えば、転動体６３ａの材料がＳｉ₃Ｎ₄製（比重：約３．２）である場合、転動体６３ｂの材料としては、例えばアルミナ製（比重：約３．９）が好ましく、比重の違いの大きいジルコニア製（比重：約６．０）がより好ましい。また、転動体６３ｂの材料としては、ＳＵＳ４４０Ｃ製（比重：約７．７）でもよいが、耐摩性能がセラミックボールよりは劣る。したがって、耐摩用材料であるＷＣ−Ｃｏ系超硬合金（比重：約１４．４；Ｃｏ１０ｗｔ％）を転動体６３ｂの材料として用いると耐摩性能も良好である。

次に、タッチダウン軸受６０の空転が開始されて、転動体６３ｂが隣接する転動体６３ａ，６３ａと摺動する動作について説明する。図４は、タッチダウン軸受６０の空転が開始されて、転動体６３ｂが隣接する転動体６３ａ，６３ａと摺動する状態を示す図である。図４に示すように、転動体６３ｂが、転動体６３ａより軽い場合、空転開始時において転動体６３ｂが転動体６３ａより先に公転を始めるため、転動体６３ａを追いかけて摺動している。このような現象が起きることによって、タッチダウン軸受６０の回転エネルギーが減少するため、空転が早期に停止することになる。

ここで、転動体６３ｂは、１個配置されていれば効果を奏することができるが、複数あればより効果が高くなる。しかしながら多すぎるとアンバランスとなり、回転性能に支障が生じる可能性があるので、回転性能を損なわずに空転停止性能を得るには転動体６３ｂの個数は、転動体の総個数の２０％以内であることが望ましい。

（第２の実施形態）
図５は、本発明に係るタッチダウン軸受の第２の実施形態を示す横断面図である。なお、図５に示す第２の実施の形態においても、転動体の構成を異ならせた以外は、前述した第１の実施形態と同様であるので、第１の実施形態と同じ符号を付した同様の構成については説明を省略する。図５に示すように、本実施形態では、他の転動体６３ａに比して径を小さくした１個の転動体（以下、小径ボールと呼ぶ）６３ｃが配置された構成を有する。本実施形態では、ロータ軸２０がタッチダウン軸受６０の内輪６１に接触して回転の加速度を受けると、小径ボール６３ｃがすぐに移動を開始して、隣接する一方の転動体６３ａ₁に追いついて衝突する。この隣接する一方の転動体６３ａ₁は、小径ボール６３ｃから見て回転方向側に位置する転動体である。転動体６３ａ₁は、外輪６２及び内輪６１の両方に接触していて、それらに伴われて公転するため、小径ボール６３ｃより回転開始が遅くなる。転動体６３ａ₁に衝突した小径ボール６３ｃは、反発して今度は隣接する他方の転動体６３ａ₂に衝突する。このような現象が小径ボール６３ｃに繰り返し発生し、エネルギーを消費する。その結果、タッチダウン軸受６０の回転エネルギーを減少させるため、空転が早期に停止することになる。ここで、小径ボール６３ｃは他の転動体６３ａと重量又は比重が異なる転動体であってもよい。この場合は２つの作用が複合するため、小径ボール６３ｃの挙動は複雑になると考えられるが、タッチダウン軸受６０の回転エネルギーを消費することにかわりはなく、その消費量は、径又は重量（比重）を異ならせたどちらか一方だけの時よりも多いので、より早く空転は停止することは明らかである。本実施形態についても、第１の実施形態と同様、小径ボール６３ｃの個数はタッチダウン軸受６０の転動体６３の総数の２０％以内であるのが望ましい。また、小径ボール６３ｃの径の寸法は、小さすぎてタッチダウン軸受６０内をはね回ることがあると回転性能を阻害するので、他のボール６３ａより２０〜４０μｍ程度小さいことが好適である。

以下、本発明の実施例について説明する。本実施例では、上述した第１の実施形態、図３に示す構成のタッチダウン軸受６０について、内輪６１が空転し始めてから停止するまでの回転数を計測した。
試験対象となるタッチダウン軸受６０は、転動体６３のうち、重量が異なる転動体（異重量ボール）を１つの軸受につき１個設けた実施例１〜３と、実施例１〜３と同一寸法で転動体６３の全てがほぼ同じ重量とされた比較例１〜３とを用意した。

実施例１〜３及び比較例１〜３は、それぞれ個体差を考慮して３個ずつ用意した。なお、各試験軸受のその他の諸元は同一としている。試験軸受の諸元及び試験条件を以下に示す。
（試験軸受）
サイズ：φ４２×φ２５×９
材質：外輪：ＳＵＳ４４０Ｃ相当
内輪：ＳＵＳ４４０Ｃ相当
ボール：Ｓｉ₃Ｎ₄
異重量ボール：ＷＣ−Ｃｏ系（１個／１軸受）
潤滑：ＭｏＳ₂コーティング
コート部位：内輪、ボール
個数：実施例１〜３：３個
比較例１〜３：３個
（試験条件）
軸受初期回転速度：１０００［ｍｉｎ^-1］
圧力：１０^-4［Ｐａ］
温度：常温成り行き

（試験装置）
次に試験装置の構成について説明する。図６及び図７は試験装置の構成を示す断面図である。図６に示すように、試験装置１００は、密封容器１１０の底部に形成された貫通孔１１１の上部に試験軸受２００が外輪２０２を固定した状態で取り付けられている。また、密封容器１１０の天井側のビューポート１１２から試験軸受２００を観察することができるようになっている。ビューポート１１２の上方には２つの光学センサ１２０，１２０が配置されている。これら光学センサ１２０，１２０は、試験軸受２００の内輪２０１の回転速度と、回転開始から停止までの総回転数を記録できるようなっている。

貫通孔１１１には、密封容器１１０の外部から回転軸１３０が挿入されていて、回転軸１３０の一方の端部１３０ａが内輪２０１に嵌合されている。貫通孔１１１と回転軸１３０の周面とは、回転軸シール１４０によってシールされている。そのため、回転軸１３０を内輪２０１に嵌合させた後に密封容器１１０の内部を真空状態にしても貫通孔１１１から空気が流入しないようになっている。

回転軸１３０は、試験軸受２００の内輪２０１が固定された一方の端部１３０ａと反対側の他方の端部１３０ｂにモータ１５０が結合されている。このモータ１５０を回転させることで試験軸受２００の内輪２０１を回転させることができる。回転軸１３０とモータ１５０とは一台の台車１６０に固定されている。この台車１６０にはエアシリンダ（図示せず）が連結され、このエアシリンダによって密封容器１１０の底部から遠ざかる方向に移動させることができる。台車１６０を後退（密封容器１１０の底部から遠ざかる方向に移動）させると、試験軸受２００に嵌合していた回転軸１３０の他方の端部１３０ａが内輪２０１から外れるため、試験軸受２００と回転軸１３０とは機械的にフリーとなる。そのときの状態を図７に示す。

（試験方法）
次に試験方法について説明する。まず、回転軸１３０を内輪２０１に嵌合させて、モータ１５０によって回転軸１３０を回転させる。内輪２０１が所定の回転速度に到達したら、すぐに台車１６０を後退させて、回転軸１３０を内輪２０１から引き抜く。その時点から内輪２０１は空転を開始することになるので、内輪２０１の回転回数を光学センサ１２０，１２０で計数し始めて、内輪２０１の回転速度が零になるまで累計し、それを試験軸受２００の回転から停止までの総回転数とする。これを１つの試験軸受２００に対して３回繰返し、３回の総回転数の平均値をその試験軸受２００の試験結果とする。試験結果を表１に示す。

表１に示すように、実施例１〜３の停止までの総回転数は、比較例１〜３の停止までの総回転数のおおよそ５割から７割程度となった。これにより、真空での軸受空転時において、比較例１〜３より早く停止する実施例１〜３が、空転停止性能に優れていることが分かる。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されずに、種々の変更、改良を行うことができる。

１０ロータ翼
２０ロータ軸
３０アキシアル磁気軸受
４０，５０ラジアル磁気軸受
６０深溝玉軸受
６１内輪（回転輪）
６２外輪
６３転動体
６３ａ転動体
６３ｂ転動体６３ａと重量が異なる転動体
６３ｃ転動体６３ａと径が異なる転動体
７０アンギュラ玉軸受
７１内輪（回転輪）
７２外輪

Claims

磁気軸受と共に設置され、通常時には内輪又は外輪からなる回転輪が軸又はハウジングからなる回転部材と接触せず、前記磁気軸受の制御不能時に前記回転輪が前記回転部材と接触して軸受として機能するタッチダウン軸受において、
前記内輪及び外輪の間に転動自在に配設された複数の転動体のうち、少なくとも１個の転動体の比重が、他の転動体の比重と異なることを特徴とするタッチダウン軸受。
磁気軸受と共に設置され、通常時には内輪又は外輪からなる回転輪が軸又はハウジングからなる回転部材と接触せず、前記磁気軸受の制御不能時に前記回転輪が前記回転部材と接触して軸受として機能するタッチダウン軸受において、
前記内輪及び外輪の間に転動自在に配設された複数の転動体のうち、少なくとも１個の前記転動体の径が、他の転動体の径よりも小さいことを特徴とするタッチダウン軸受。