JP2011001972A - 磁気軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 タッチダウン軸受の耐久性が低下するのを抑制することができる磁気軸受装置を提供する。
【解決手段】 回転体Ａの重心Ｇ位置付近を接触支持するタッチダウン軸受１０の外輪１５を調心輪１８の内周に取り付ける。調心輪１８の外周には重心Ｇ位置と同心に凸状球面１８ａを形成し、この凸状球面１８ａを球面座１９の内周面に形成した凹状球面１９ｂに対して摺動可能に当接させる。磁気軸受８，９の制御不能により回転体Ａの回転軸３が重心Ｇ位置を中心として歳差運動するときに、調心輪１８を傾動させてタッチダウン軸受１０を回転軸３に追従させて傾動させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回転体を非接触支持する磁気軸受が制御不能のときにタッチダウン軸受により回転体を支持する磁気軸受装置に関する。

従来は、例えばターボ分子ポンプにおいて、磁気軸受により回転軸を非接触支持する磁気軸受装置が用いられている。この磁気軸受装置には、故障や停電等により磁気軸受が制御不能となったときに回転軸を支持する代替支持手段として、転がり軸受からなるタッチダウン軸受が回転軸の軸方向に複数設けられている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−３４６０６９号公報

上記磁気軸受装置にあっては、タッチダウン軸受の内輪と回転軸との間に隙間が設けられているため、磁気軸受が制御不能となったときに、回転軸がその重心を中心として振れ回る歳差運動を起こすことがある。その結果、回転軸の重心位置に近いダッチダウン軸受に過大なモーメント荷重が作用し、軸受の耐久性が低下するという問題があった。
そこで、本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、タッチダウン軸受の耐久性が低下するのを抑制することができる磁気軸受装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、回転体を非接触支持する磁気軸受と、前記回転体が前記磁気軸受により支持されないときに当該回転体をその重心位置付近で接触支持するタッチダウン軸受と、を備えている磁気軸受装置であって、内周に前記ダッチダウン軸受の外輪を取り付けているとともに、外周に前記回転体の重心位置と略同心に形成された凸状球面を有する調心輪と、前記調心輪の凸状球面が摺動可能に当接した凹状球面を内周に有し、前記回転体の軸線の傾動動作に追従させて前記調心輪を傾動可能に支持する環状の球面座と、前記球面座に対して前記調心輪が所定範囲を超えて傾動するのを規制する規制部材と、を備えていることを特徴としている。

上記のように構成された磁気軸受装置によれば、調心輪の外周に回転体の重心位置と略同心に形成された凸状球面を、球面座の凹状球面に対して摺動可能に当接させることにより、調心輪を回転体の軸線の傾動動作に追従させて所定範囲で傾動可能としたので、前記回転体が磁気軸受装置によって支持されないときに、調心輪の内周に取り付けたタッチダウン軸受を、回転体の歳差運動に追従させて傾動させることができる。したがって、タッチダウン軸受に作用するモーメント荷重を低減することができるので、タッチダウン軸受の耐久性が低下するのを抑制することができる。しかも、前記規制部材によって、前記調心輪が所定範囲を超えて傾動するのを規制することができるので、タッチダウン軸受によって、回転体を支障なく支持することができる。

また、前記磁気軸受装置は、前記調心輪を傾動した状態から傾動前の状態に復帰させる方向へ弾性力を付与する弾性部材をさらに備えていることが好ましい。この場合、弾性部材の弾性力により調心輪を傾動した状態から傾動前の状態に復帰させるようにしたので、この弾性力がタッチダウン軸受の傾動抵抗となり、回転体の歳差運動を迅速に減衰させることができる。

本発明の磁気軸受装置によれば、タッチダウン軸受を回転体の歳差運動に追従させて傾動させることができる。したがって、タッチダウン軸受に作用するモーメント荷重を低減することができ、タッチダウン軸受の耐久性が低下するのを抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る磁気軸受装置を備えたフライホイール電力貯蔵装置を示す断面図である。 下方のタッチダウン軸受を示す図１の要部拡大断面図である。 本発明の他の実施形態に係る磁気軸受装置を示す要部拡大断面図である。

次に、本発明の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る磁気軸受装置を備えたフライホイール電力貯蔵装置を示す断面図である。
フライホイール電力貯蔵装置１は、図１に示すように、円筒状のフライホイール２と、フライホイール２の内周に固定された回転軸３と、この回転軸３を支持する磁気軸受装置４とを備えている。フライホイール２と回転軸３とにより回転体Ａが構成されている。

回転軸３は、その軸線Ｘが鉛直方向に延び、軸方向の中央部にロータ５が設けられている。ロータ５は、径方向外側に配置されたステータ６とともに回転軸３を高速回転させるモータ７を構成している。

磁気軸受装置４は、回転軸３の上下二箇所を非接触支持する二組の磁気軸受８と、これらの磁気軸受８の上方および下方に配置されたタッチダウン軸受９，１０と、下方のタッチダウン軸受１０を支持する調心輪１８と、調心輪１８を傾動可能に支持する球面座１９と、調心輪１８が所定範囲を超えて傾動するのを規制する規制部材２０と、球面座１９を支持する架台１２と、を備えている。

タッチダウン軸受９，１０は、磁気軸受８の正常作動時には回転軸３に接触せず、磁気軸受８の制御不能時に回転軸３に接触して回転軸３を支持するものであって、下方のタッチダウン軸受１０は、回転体Ａの重心Ｇ位置付近に配置されている。

図２は、下方のタッチダウン軸受１０を示す図１の要部拡大断面図である。
タッチダウン軸受１０は、上下対称に組合わせた一対のアンギュラ玉軸受１３により構成されている。各アンギュラ玉軸受１３は、内輪１４、外輪１５、内外輪１４，１５間に転動可能に配置された複数の玉１６、各玉１６を円周方向に沿って等間隔に保持するための保持器１７を有している。内輪１４は、回転軸３の外周面に対して例えば０．０８〜０．１５ｍｍの隙間Ｓ１をあけて配置されている。

調心輪１８は、環状に形成されており、その上部には環状の天板部１８ｂが固定されているとともに、内周下部には径方向内側に突出する突出部１８ｃが一体形成されている。調心輪１８の内周には、アンギュラ玉軸受１３の外輪１５が天板部１８ｂの内周端と突出部１８ｃとにより挟持された状態で固定されている。また、調心輪１８の外周面には凸状球面１８ａが形成されており、この凸状球面１８ａは回転体Ａの重心Ｇ位置と同心に形成されている。

球面座１９は、環状に形成されており、その外周面は架台１２に嵌合支持されている。また、球面座１９の内周面には凸状球面１８ａが摺動可能に当接した凹状球面１９ａが形成されている。この凹状球面１９ａは、図２に示すように凸状球面１８ａと同一の直径Ｄを有し、かつ凸状球面１８ａと同心に形成されている。
調心輪１８の軸線が球面座１９の軸線に対して傾動することにより、各アンギュラ玉軸受１３は回転体Ａの重心Ｇ位置と同心に傾動可能に支持される。したがって、磁気軸受８，９が制御不能となったときに、回転軸３が重心Ｇ位置を中心として歳差運動を起こすことにより回転軸３の軸線Ｘが傾動するが、アンギュラ玉軸受１３は、回転軸３の歳差運動に追従して傾動しながら回転軸３を支持することができる。

規制部材２０は、球面座１９の上端部に配置された上規制部２０ａと、球面座１９の下端部に配置された下規制部２０ｂとを有している。上規制部２０ａは、その下面と調心輪１８の天板部１８ｂの上面との間に隙間Ｓ２を形成した状態で、球面座１９の上面に固定されている。下規制部２０ｂは、その上面と調心輪１８の突出部１８ｃの下面との間に隙間Ｓ３を形成した状態で、球面座１９の下端部に一体形成されている。なお、隙間Ｓ３は、隙間Ｓ２と略同一となるように形成されている。

この上規制部２０ａおよび下規制部２０ｂにより、調心輪１８は球面座１９に対して隙間Ｓ２および隙間Ｓ３によって規定される所定範囲を超えて傾動することが規制される。ここで、「所定範囲」とは、調心輪１８の傾動により回転軸３が他部材に接触しない範囲であることを意味している。したがって、回転軸３が歳差運動を起こしても、当該回転軸３が他部材に接触するのを防止することができる。

以上のように構成された本実施形態の磁気軸受装置４によれば、調心輪１８の外周に回転体Ａの重心Ｇ位置と略同心に形成された凸状球面１８ａを、球面座１９の凹状球面１９ａに対して摺動可能に当接させることにより、調心輪１８を回転軸３の軸線Ｘの傾動動作に追従させて所定範囲で傾動可能としたので、調心輪１８の内周に取り付けたタッチダウン軸受１０を、回転軸３の歳差運動に追従させて傾動させることができる。したがって、タッチダウン軸受１０に作用するモーメント荷重を低減することができるので、タッチダウン軸受１０の耐久性が低下するのを抑制することができる。しかも、規制部材２０によって、調心輪１８が所定範囲を超えて傾動するのを規制することができるので、タッチダウン軸受１０によって、回転軸３を支障なく支持することができる。
特に、ロータ５の慣性力が大きいフライホイール電力貯蔵装置１では、タッチダウン軸受１０に作用するモーメント荷重が大きくなるため、タッチダウン軸受１０の耐久性が著しく低下するのを効果的に抑制することができる。

図３は、本発明の他の実施形態に係る磁気軸受装置を示す要部拡大断面図である。以下、この実施形態について説明する。なお、この実施形態のうち、上記実施形態と同一構成であるものは、上記実施形態と同一符号で示す。
図３において、この磁気軸受装置の特徴は、回転軸３の歳差運動により傾動する調整輪１８を、傾動前の状態（図３の状態）に復帰させる方向へ弾性力を付与する弾性部材として複数（３〜４個）のコイルばね３１を備えている点である。

各コイルばね３１は、一端が上規制部２０ａに取り付けた環状の取付部材３２に周方向等配に固定されており、他端が調心輪１８の天板部１８ｂの上面に当接している。これにより、球面座１９に対して調心輪１８がアンギュラ玉軸受１３とともに上方へ傾動すると、コイルばね３１により調心輪１８を下方に押し下げる方向、すなわち傾動前の状態に復帰させる方向へ弾性力が付与される。

したがって、磁気軸受８，９が制御不能となったときに、回転軸３の歳差運動により調心輪１８とともにアンギュラ玉軸受１３が傾動するが、調心輪１８にはコイルばね３１により傾動前の状態に復帰させる方向へ弾性力が付与されるため、その弾性力をアンギュラ玉軸受１３の傾動抵抗として作用させることができる。

このように、この実施形態によれば、回転軸３の歳差運動により傾動する調心輪１８を、コイルばね３１の弾性力により傾動前の状態に復帰させるようにしたので、この弾性力がタッチダウン軸受１０の傾動抵抗となり、回転軸３の歳差運動を迅速に減衰させることができる。

なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではない。例えば、調心輪１８の凸状球面１８ａは、回転体Ａの重心Ｇ位置と同心に形成されているが、必ずしも同心に形成されている必要はなく、重心Ｇ位置と略同心に形成されていればよい。ここで、重心Ｇ位置と「略同心」とは、重心Ｇ位置と同心位置であることはもちろん、調心輪１８が回転軸３の歳差運動に追従して傾動可能であれば重心Ｇ位置から少しずれた位置であってもよいことを意味する。重心Ｇ位置から少しずれた位置とする場合は、回転軸３が下方のタッチダウン軸受１０に回転軸３の軸方向に接触した状態で、下方のタッチダウン軸受１０の２列のアンギュラ玉軸受１３の軸方向の間に回転体Ａの重心Ｇがあるように、凸状球面１８ａを形成することが好ましい。さらには、回転軸３が下方のタッチダウン軸受１０に回転軸３の軸方向に接触した状態で、下方のタッチダウン軸受１０の各アンギュラ玉軸受１３の内輪１４と各複数の玉１６との接触点が形成する２つの仮想円のアンギュラ玉軸受１３の軸方向の間に回転体Ａの重心Ｇがあるように、凸状球面１８ａを形成することが好ましい。
また、調心輪１８は、下方のタッチダウン軸受１０を支持しているが、回転体Ａの重心Ｇ位置が上方のタッチダウン軸受９の近くにある場合には、この上方のタッチダウン軸受９を支持するようにしてもよい。

さらに、タッチダウン軸受１０は、アンギュラ玉軸受１３に限らず、深溝玉軸受等の他の一般的な転がり軸受に適用することも可能である。
また、他の実施施形態において、弾性部材として、コイルばね３１を使用しているが、皿ばね、波ワッシャ等の他の一般的な弾性部材や、ゴム等の非金属の弾性部材を使用することも可能である。また、弾性部材を調心輪１８の上方のみに配置しているが、調心輪１８の下方のみ、または上下両方に配置することも可能である。

４：磁気軸受装置、８：磁気軸受、９：磁気軸受、１０：タッチダウン軸受、１５：外輪、１８：調心輪、１８ａ：凸状球面、１９：球面座、１９ａ：凹状球面、２０：規制部材、３１：コイルばね（弾性部材）、Ａ：回転体、Ｇ：重心、軸線：Ｘ

Claims (2)

1. 回転体を非接触支持する磁気軸受と、前記回転体が前記磁気軸受により支持されないときに当該回転体をその重心位置付近で接触支持するタッチダウン軸受と、を備えている磁気軸受装置であって、
   内周に前記ダッチダウン軸受の外輪を取り付けているとともに、外周に前記回転体の重心位置と略同心に形成された凸状球面を有する調心輪と、
   前記調心輪の凸状球面が摺動可能に当接した凹状球面を内周に有し、前記回転体の軸線の傾動動作に追従させて前記調心輪を傾動可能に支持する環状の球面座と、
   前記球面座に対して前記調心輪が所定範囲を超えて傾動するのを規制する規制部材と、
   を備えていることを特徴とする磁気軸受装置。
2. 前記調心輪を傾動した状態から傾動前の状態に復帰させる方向へ弾性力を付与する弾性部材をさらに備えている請求項１に記載の磁気軸受装置。

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