JP2015533410A - ハイブリッド軸受 - Google Patents

Abstract

ガスセクタ（複数可）および磁気セクタ（複数可）を使用して、軸受荷重容量および剛性を増加させ、軸受サイズおよび軸受スパンを小さくし、ならびに、費用を低減するラジアルハイブリッド軸受および軸方向ハイブリッド軸受のための方法および機器は、ステータおよびロータを含む。ハイブリッド軸受と共に使用するためのステータの例示の実施形態はガスセクタに位置付けられる１つまたは複数の軸受パッドを含むことができ、ステータはまた、１つまたは複数の磁気セクタを含むことができる。ハイブリッド軸受は、磁気軸受構造、および、加圧ガス／空気軸受を使用して軸受定常荷重に対応する関連のパワーエレクトロニクス機器の大半の排除を可能にする一方、磁気軸受およびその制御を確保して動的荷重に対応しかつ軸受を安定させる。さらに、ハイブリッド軸受のための磁気軸受制御を使用して、軸受の動作状態を監視し、これらの状態を外部に通信することができる。【選択図】図５

Description

関連出願の相互参照：
本出願は、２０１２年８月１１日に出願した特許文献１の優先権を主張するものであり、この特許文献１の内容は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

連邦支援研究または開発に関する記述：
特許出願に開示されかつ記載された発明を開発または作り出すのに使用された連邦資金はない。

コンパクトディスクで提出した配列表、表、またはコンピュータプログラムリストの付属書類の参照：
該当なし

能動磁気軸受技術では、機械ロータは、強磁性材料で構成されるステータ構成要素とロータ構成要素との間の電磁吸引力によって支持され、その強磁性材料から、電気コイルによる磁気回路が作り出される。能動磁気軸受の一例が特許文献２に開示されており、その内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。この吸引力は、荷重を押すことによってそれらに対応する機械軸受全ての原理とはかなり異なっている。機械軸受が荷重をはねつけるように作用するのに対して、磁気軸受は、ロータの反対側からの作用による荷重の吸引によって動作することができる。

強磁性構造は典型的には、ステータ構成要素およびロータ構成要素両方ともに必要とされ、典型的には、この強磁性構造は、標準的な電気鋼積層パックの形とされる。これらは、ラジアル軸受に対して、ロータの横断面で配向可能である。軸方向軸受に対して、積層パックをロータの長手方向に配向することができる。磁心の周りに取り付けられるコイルにおける電流の流れによって磁気回路が生じる。

磁気軸受技術に関する技術的現状は、極性が交番する磁気回路によって、ロータを完全に包囲することを必要としている。このように包囲することによって、最大荷重容量が生じるだけでなく、生じた軸受力と、ロータとステータとの間の間隙におけるロータの変位との間の関係を線形化する。線形化によって、実際の実装の際にそれほど精緻な制御を使用しなくてもよい場合がある。

米国特許仮出願第６１／７２４，１７９号 米国特許第５，１１１，１０２号 米国特許第７，６１１，２８６号 米国特許第７，９０８，８８５号 米国特許出願第１３／７３３，８０６号 米国特許第８，５１７，６６５号

ラジアル磁気軸受１６ａの場合、従来の配置構成は一般に、多くの場合に機械ロータが通常全３６０度にわたってラジアル磁気軸受１６ａによって包囲されることを要求する。このタイプの構成は、概して、図１の最前面において示されている。図２は、このタイプの設計によって使用可能な工業用のステータを示す。合わせられるロータ構成要素が図３において工業形態で示されている。軸方向またはスラスト磁気軸受１６ｂの場合、この配置構成は、図１の背景部分において示されるように、ロータ構成要素であるスラストつばが当該つばの両側で３６０度の板状ステータ構成要素によって包囲されることを必要とする場合がある。図４は、このタイプの設計によって使用可能な工業用のステータを示す。軸方向磁気軸受１６ｂに対するロータは、典型的には、微細機械加工された固体鋼、平坦な円盤またはつばである。ラジアル磁気軸受１６ａおよび軸方向磁気軸受１６ｂの両方の軸受タイプは、ほとんどの応用分野において、ロータ表面とステータ表面との間に冷却ガスを通らせて、軸受動作によって生成された熱を除去することによって、積極的に冷却する必要がある。

これらの純粋な電磁設計の欠点には、これらの軸受が機械内部を占有する広い空間と、これらの大きな軸受１６ａ、１６ｂおよびそれら関連のパワーエレクトロニクス機器を造り上げる関連費用とが含まれる。広い空間の要件は、単なる機械サイズの不利点ではない。大きい軸受１６ａ、１６ｂにおいてロータを支持する機械軸受間のスパンは大きくなり、そのようにスパンが大きくなることは、ほとんどの場合ロータ力学に悪影響を及ぼすが、これは、結果として生じたロータ固有振動数（臨界速度）が、過剰な機械振動を引き起こす動作速度範囲に位置することが多いからである。最悪の場合、このことは、機械動作の完全な不能を意味する可能性がある。

純粋な電磁軸受１６ａ、１６ｂ設計の別の欠点は、高頻度の励磁で軸受１６ａ、１６ｂによって作り出された磁気浮上方式の剛性が比較的低いことである。これによって、臨界速度の配置を制御して、それら臨界速度を、機械ロータの動作速度範囲から押し広げるための磁気軸受１６ａ、１６ｂシステムの能力が制限されることが多い。

最終的に、これらの従来の設計には、典型的には、任意のタイプの冗長性または過大荷重保護が欠如しており、磁気軸受１６ａ、１６ｂの故障または過大荷重が生じた場合に、ロータおよび機械の内面を保護するために、別個の補助軸受も利用しなければならない。この補助軸受は、典型的には、一種の機械軸受であり、これには追加の空間および費用が必要とされる。

ティルティングパッドジャーナル軸受は、磁気軸受１６ａ、１６ｂとして構成される場合がある、一般に先行技術に見られるような別のタイプの軸受である。概して、ティルティングパッドジャーナル軸受は、一種のロータと隣接して取り付けられる数多くのいろいろな軸受パッドを利用することができる。軸受パッドをロータの方へ付勢することができる。１つの特有のタイプのティルティングパッドジャーナル軸受が特許文献３に開示されており、その内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。

空気軸受は、一般に先行技術に見られるような別のタイプの軸受である。概して、空気軸受は、薄膜の加圧空気を利用して、表面間に荷重支持接触面をもたらすことができる。このため、空気軸受は、典型的には、非接触軸受である。１つの特有のタイプの非接触多孔質空気軸受が特許文献４および特許文献５に開示されており、別の空気軸受が特許文献６に開示されており、それらの内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。

ラジアル磁気軸受１６ａ（最前面）の第１の例示の実施形態、および、軸方向磁気軸受１６ｂ（背景部分）の第１の例示の実施形態の透視図が、図１に示されている。先述したように、これらのタイプの磁気軸受１６ａ、１６ｂは典型的には先行技術に見られる。工業タイプの例示の実施形態のラジアル磁気軸受１６ａに対するステータは図２に示され、そのステータと共に使用することができるロータは図３に示される。軸方向磁気軸受１６ｂの第１の例示の実施形態によって使用可能な工業用のステータの斜視図は、図４に示される。

本発明の利点を理解しやすくするために、上記で簡潔に説明した本発明のより具体的な説明を、添付した図面に例示する特有の実施形態を参照して示す。これらの図面は本発明の典型的な実施形態のみを示し、従って、本発明の範囲を制限するものと解釈されない。添付する図面を使用することによって、本発明をさらに具体的かつ詳細に記載しかつ説明する。

最前面におけるラジアル磁気軸受の第１の例示の実施形態、および、背景部分における軸方向磁気軸受の第１の実施形態の透視図 ラジアル磁気軸受の第１の例示の実施形態のための工業用のステータの斜視図 図２に示されるステータと共に使用することができるロータの斜視図 軸方向磁気軸受の第１の例示の実施形態のための工業用のステータの斜視図 最前面におけるラジアルハイブリッド軸受の第１の例示の実施形態、および、背景部分における軸方向ハイブリッド軸受の第１の実施形態の透視図 ラジアルハイブリッド軸受の第１の例示の実施形態の軸方向断面図 ラジアルハイブリッド軸受の種々の実施形態によって使用することができる軸受パッドの１つの例示の実施形態の詳細側面図 明確にするために、シャフトおよびロータを取り外したラジアルハイブリッド軸受の第１の例示の実施形態の軸方向断面図 軸方向ハイブリッド軸受１０’の種々の実施形態によって使用することができる軸方向軸受ステータの１つの例示の実施形態の透視図 図７Ａに示される軸方向軸受ステータの実施形態の軸方向図

本発明の種々の実施形態を詳細に説明する前に、本発明はその応用において以下の説明に示されるまたは図面に例示される構成要素の構造および配置構成の細部に制限されるものではない。本発明は、他の実施形態でも可能であり、種々の方法で実践または実行可能である。また、本明細書で使用する、装置または要素の向き（たとえば、「前」、「後ろ」、「上」、「下」、「上部」、「底部」などの用語など）に関する表現および術語は、本発明の説明を簡単にするためのみに使用され、これだけで、言及する装置または要素が特定の向きを持たねばならないということを指示または暗示するものではない。さらに、「第１」、「第２」および「第３」などの用語は、本明細書および添付の特許請求の範囲において説明の目的で使用され、相対的な重要性または意義を指示または暗示することを意図するものではない。

ここで図面を参照する。図面において、同様の参照符号は、いくつかの図を通して同一のまたは対応する部分を示す。図５は、最前面におけるラジアルハイブリッド軸受１０の第１の例示の実施形態の透視図と、背景部分における軸方向ハイブリッド軸受１０’の第１の実施形態の透視図とを示す。（他の利点の中で）軸受荷重容量および剛性を増加させ、軸受サイズおよび軸受スパンを小さくし、ならびに、費用を低減するために、本明細書で開示されるラジアルハイブリッド軸受１０および軸方向ハイブリッド軸受１０’を利用することができる。ハイブリッド軸受１０、１０’は、磁気軸受構造、および、加圧ガス軸受を使用して軸受定常荷重に対応する関連のパワーエレクトロニクス機器の大半の排除を可能にする一方、磁気軸受およびその制御を確保して動的荷重に対応しかつ軸受を安定させる。さらに、従来の磁気軸受技術によってもたらされるのと同様に、磁気軸受制御をハイブリッド軸受１０、１０’で使用して、ハイブリッド軸受１０、１０’の動作状態を監視し、かつ、これらの状態を遠隔地に通信することができる。

ラジアルハイブリッド軸受１０および軸方向ハイブリッド軸受１０’の例示の実施形態において、ガス軸受部（複数可）および磁気軸受部（複数可）は、同じ軸方向空間を占有し、それによって、二重機能性を互いに増大させるように構成可能である。この方式を利用して、適度の軸受の冗長性を容易にすることができ、１つの軸受タイプが故障した（ガスまたは磁気）場合、振動レベルが高くなっている可能性があるとしても、残りの軸受を依然続けて動作させることができる。このような冗長性には、ガス軸受が故障した場合、磁気軸受制御アルゴリズムの変更を必要とする場合がある。磁気軸受が故障した場合、ロータが、軸受パッドの個々のばね支持物における支持状態に対する新しい平衡位置を求める時、ガス軸受のすきまを自動的に調節して、欠如した磁気軸受支持を補償することで、軸受１０、１０’の孔を効果的に変更することができる。よって、ハイブリッド軸受１０、１０’は、固有の補助軸受の機能性をもたらすことができる。自己潤滑性材料で構成された簡易なバンプストップによって、大きな過荷重に対する保護が可能となる場合があり、そういったバンプストップの多くは、当業者には既知であり、本明細書ではさらに説明しない。

静力学的および流体力学的動作原理の両方で動作するいくつかのタイプのガス軸受があるのに対して、磁気軸受技術と最も容易に統合することができるタイプは、静力学的ガス軸受のタイプである多孔質空気軸受である。これらの軸受は、いくつかの別個の軸受パッド２３、２３’で構成されてよい。図６Ｂは、ラジアルハイブリッド軸受１０の種々の実施形態によって使用することができる工業用の１つの例示の軸受パッド２３を示す。これら軸受パッド２３は、ロータ周辺の１セクタまたは１部のみを占有し、各軸受パッド２３は互いから独立して動作することができる。図６Ｂに示される軸受パッド２３の例示の実施形態は、使用中、ラジアル軸受ロータ３０に隣接して位置付けられた能動表面２３ａを含むことができる。軸受パッド２３の反対面を支持物２３ｃと係合させて、軸受パッド２３に所望の構造および／または硬性をもたらすのはもちろん、軸受パッド２３と、柱２５および／または軸受箱１４との間に接触面をもたらすことができる。他の機械軸受のように、ガス軸受は、荷重を押すことによってその荷重に対応する。この場合、ロータ３０、３０’とステータ２０、２０’との間のガス膜は、能動表面２３ａ、２３ａ’の方へのロータ３０、３０’の運動に抵抗する。この抵抗は概して軸受剛性と言われ、その大きさは、ロータ３０、３０’の運動の頻度と共に可変である。

図６Ｂに示されるように、および、以下で詳細にかつ特許文献３でさらに詳細に記載されるように、軸受パッド２３、２３’を支持するための１つの方法および／または構造は、ばね式柱２５を軸受パッド２３の密封表面２３ｂと係合させることである。さらに、保持部材２８を使用して、１つまたは複数の寸法の軸受パッド２３の動きを制限することができ、このことは、特許文献３にも詳細に記載されている。軸受パッド２３、２３’を支持するための任意の適切な方法および／または構造を、本明細書に開示されたハイブリッド軸受１０、１０’と共に制限なく使用することができ、これには、軸受パッド２３、２３’の、軸受ステータ２０、２０’または他の構造へのボールソケット型取り付け構造または固定取り付けが含まれるがこれらに限定されない。

軸方向ハイブリッド軸受１０’のある実施形態によって使用することができる例示の軸受パッド２３’が図７Ａに示されている。本図は、本開示による、軸方向軸受ステータ２０’の例示の実施形態の透視図である。当業者には認識されることであるが、軸方向ハイブリッド軸受１０’のための典型的な配置構成は、２つの軸方向軸受ステータ２０’間に挟まれた軸方向軸受ロータ３０’（「スラストつば」とも言う場合がある）を含むものとする。

多孔質空気軸受と共に使用するための軸受パッド２３、２３’は典型的には、多孔質炭素または同様の媒体で構成され、能動軸受表面（能動表面２３ａ、２３ａ’）以外の全ては、典型的には、内部のガス圧を保持するために密封される。能動表面２３ａ、２３’以外の表面は、本明細書では、密封表面２３ｂ、２３ｂ’と言う。この密封能力をもたらすために、多孔質空気軸受産業では特殊化合物が使用される。清浄な加圧空気またはガスは、密封表面２３ｂ、２３ｂ’における通気孔２３ｄから導入可能であり、能動表面２３ａ、２３ａ’に自然に流れ、そこで、ロータ３０、３０’と相対し、軸受の荷重に対応する。任意の適切な圧縮流体源を使用して、加圧ガス／空気を軸受パッド２３、２３’に供給する。圧縮流体源に使用される構造および／または方法によって、ハイブリッド軸受１０、１０’の範囲は全く制限されない。

加圧空気またはガスは、任意の適切なコンジットを介して各軸受パッド２３、２３’に供給可能であり、任意の適切は場所で多孔質媒体に進入することができる。例えば、一実施形態において、加圧空気またはガスは軸受パッド２３、２３’にその横側で進入する。別の実施形態では、加圧空気またはガスは、柱２５において形成されたコンジットを通って軸受パッド２３、２３’に進入する。従って、本明細書で開示されるハイブリッド軸受１０、１０’は、加圧ガスまたは空気を軸受パッド２３、２３’に送るために利用される場所および／または構造には全く制限されない。合わせられるロータ３０、３０’構成要素は、典型的には、シャフト１２と係合する微細機械加工された固体鋼表面である。しかしながら、図３に示されるラジアル軸受ロータ３０といった、従来の、きっちりと積み上げられた積層を有する（スリーブとして構成されることが多い）ラジアル磁気軸受の典型的なロータ３０、３０’でも事足りる場合がある。

磁気軸受制御器によって安定したロータ３０、３０’の位置制御を調整し、同時に、ガス／空気消費量をロータ３０、３０’の支持およびハイブリッド軸受１０、１０’の冷却に対して必要とされるガス／空気消費量のみに制限するために、ロータ３０、３０’表面に対するガスセクタ２２、２２’における能動表面２３ａ、２３ａ’のすきまをわずか数ミクロンに静的に制御することができる。ガス圧をハイブリッド軸受１０、１０’に加えると、高いガス膜剛性が、軸受パッド２３、２３’を支持する構造の剛性に打ち勝つことができ、これによって、軸受パッド２３、２３’をロータ３０、３０’表面から遠ざけて、ロータ３０、３０’に対する安定した平衡位置で全膜を生じさせることができる。ガスセクタ２２、２２’の作動するすきまは、実質的に、磁気セクタ２４、２４’のすきまより小さくてもよい。従って、軸受パッド２３、２３’は、磁気セクタ２４、２４’に対して突き出ている場合がある。この構成は、図７Ａに示される軸方向軸受ステータ２０’の実施形態に最も良く示されており、これには、ガスセクタ２２’の軸方向寸法が磁気セクタ２４’の軸方向寸法より大きいことが示されている。

電流によって磁界をもたらすコイル２６’は、図７Ｂに最も良く示されるように、軸方向軸受ステータ２０’内に１つまたは複数の完全な円を形成するように構成可能である。この実施形態において、コイル２６’は、ガスセクタ２２’にも存在してよく、軸受パッド２３’において形成される溝２３ｃ’内にあってよい。この構成によって、コイル２６’はコイル２６’の全長に沿って空隙に隣接可能となる。しかしながら、コイル２６’の一部をガスセクタ２２’における軸受パッド２３’の下に位置付けることを含む他の構成を制限なく使用することができるがこれに制限されない。ラジアル軸受ステータ２０のコイル（複数可）２６は、各コイル２６が所定量でラジアル軸受ステータ２０の軸方向寸法にそって延在するように構成可能である。しかしながら、本明細書で開示されたハイブリッド軸受１０、１０’の範囲は、当該ハイブリッド軸受１０、１０’において使用されるコイル２６、２６’の構成および／またはタイプには全く制限されない。可変の電流を、磁気軸受制御器（図示せず）を介してコイル（複数可）２６、２６’に供給することで、動的軸方向荷重に対応することができる。

加圧後でさえも、軸受パッド２３、２３’とロータ３０、３０’との間のすきまが密であるため、ガスセクタ（複数可）２２、２２’に対する体積流量の要件は非常に低いものであってよい。さらに、ロータ３０と磁気セクタ（複数可）２４との間のすきま、および、ロータ３０とガスセクタ（複数可）２２との間のすきまの差異は、ラジアルハイブリッド軸受１０に対して、軸受パッド（複数可）２３の曲率半径が磁気セクタ２４の曲率半径と異なることを必要とする場合が多い。

軸受パッド２３、２３’の数およびサイズは、ロータ３０、３０’のサイズおよび軸受１０、１０’にかかる荷重の要求に合わせることができる。通常、軸受パッド２３、２３’への空気／ガスの供給圧の約５０％を、荷重を相殺するために荷重をかける有用な軸受表面として回復することができる。本明細書で開示されたハイブリッド軸受１０、１０’では、供給空気またはガスは、軸受に「必要不可欠なもの」としての供給に使用可能であるだけでなく、ロータ３０、３０’とステータ２０、２０’との間の軸受間隙において生成される熱を消散させることによって、ハイブリッド軸受１０、１０’（および具体的にはその磁気セクタ２４、２４’）を冷却する準備された手段として供給可能である。このような構成では、ガスの温度は、ガスがハイブリッド軸受１０、１０’表面を通り、かつ、軸受コンパートメント外に排出されると上昇する。

ガス軸受膜の剛性は、ゼロ（静的状態）より高い頻度全てにおける磁気セクタ２４、２４’の剛性よりかなり高いものとすることができるが、この膜の高剛性でさえも、変動状態中のロータ３０、３０’とガス軸受パッド２３、２３’の能動表面２３ａ、２３ａ’との間の瞬時接触を防止することができない場合がある。概して、多くの軸受パッド２３、２３’における多孔質材料の圧縮強度が低いことによって、硬いロータ３０、３０’と能動表面２３ａ、２３ａ’との接触（衝突）を防止および／または緩和することが望ましい場合がある。さらに、軸受パッド２３、２３’における多孔質材料の摩擦係数が高いことによって、接触時にロータ３０、３０’の逆回転の振る舞い（例えば、シャフト旋回）を引き起こす場合がある。

ロータ３０、３０’と軸受パッド２３、２３’との間の硬い接触状態を改善するために、軸受パッド２３、２３’のばね取り付けを、通常はボールソケット型連結部を係合する１つまたは複数の柱と共に、軸受パッド２３、２３’の裏側で使用することができる。重要なことだが、また、このばね取り付けを使用して、磁気軸受制御器によってロータ３０、３０’の位置制御を確実に調整することができるのはもちろん、上述したように、ハイブリッド軸受１０、１０’の適した量の冷却流を可能にする／もたらす。従って、ばね取り付けは、磁気セクタ２４、２４’と併せて適正に作動する安定したガス膜を生じさせることができるように、ガス軸受支持ばねのたわみ対力の特性の適した選択を必要し、これにはベルビルばねがふさわしい。しかしながら、多くの場合、所与のハイブリッド軸受１０、１０’および／またはその応用のための支持ばねのたわみ対力の特性を適正に均衡させるために、試行錯誤法を必要とする可能性がある。他のロータ３０、３０’およびステータ２０、２０’構成要素の接触を防止しながら、最大ロータ３０、３０’動を制限するために、硬いバンプストップを含むことができる。このバンプストップを、ラジアルハイブリッド軸受１０の設計に合わせて、自己潤滑性材料の軸方向長さが短いブシュとすることができる。軸方向ハイブリッド軸受１０’の設計のために、自己潤滑性材料で構成された軸方向軸受ロータ３０’のスラストワッシャのセクタを必要とする場合がある。しかしながら、ロータ３０、３０’と軸受パッド２３、２３’との間の硬い接触を緩和するための任意の他の構造および／または方法を、制限なしで使用することができる。

水平ロータを有する機械用のラジアルハイブリッド軸受１０設計の第１の例示の実施形態は、ラジアル軸受ステータ２０の上四分円（磁気セクタ２４）に能動磁気軸受コイル２６を位置付け、かつ、ラジアルハイブリッド軸受１０の下１８０度区分（ガスセクタ２２）においてガス軸受パッド２３を使用してラジアル軸受ロータ３０を上げることができ、その構成は、図６Ａにおいて、軸方向に透視した例示の実施形態で示される。いくつかの場合では、別個の軸受パッド２３は、磁気セクタ２４におけるラジアル軸受ステータ２０の１２時方向に位置して、単力源（この場合、ガス／空気圧）を２つの相対する方向においてロータ３０、３０’に作用させることができるようにすることは有利となり得る。ラジアルハイブリッド軸受１０の例示の実施形態の簡略化された軸方向断面図が図６Ｃに示されている。本図で、磁気セクタ２４は概して図の上部に向いており、ガスセクタは概して図の底部に向いている。ラジアル軸受ステータ２０全体（すなわち、ガスセクタ２２および磁気セクタ２４両方とも）を、軸受箱１４に係合させて、ラジアルハイブリッド軸受１０を支持および／または保持することができる。

ラジアル軸受ステータのガスセクタ２２および磁気セクタ２４は両方とも従来のラジアル磁気軸受ロータ３０との接触面を特徴とすることができる。このラジアル軸受ロータ３０は、図３に最も良く示されるように、きっちりと積み上げられた電気鋼積層で構成可能である。この設計によって、ガスセクタ２２は重量による静的荷重を相殺することができ、また、ラジアル軸受ロータ３０の不均衡および空力荷重に起因して、磁気セクタ２４を、動的荷重のみを相殺するための所定の大きさに作ることができる。ハイブリッド軸受１０、１０’に対するラジアル軸受ロータ３０および軸方向軸受ロータ３０’にとっての最適な構成は、ハイブリッド軸受１０、１０’のある応用から次の応用へ変化していく。しかしながら、多くの応用は、少なくとも部分的に、ロータ３０、３０’と磁気セクタ２４、２４’との間の適した接触面のための強磁性材料で構成されたロータ３０、３０’から利益を得ることになると考えられる。ガス軸受の減衰は本質的に劣っているため、磁気セクタ２４を使用して、付与されたラジアル軸受ロータ３０の力に対して対応する軸受力の位相を進ませるその独特の特質を使用することによって、高速動作を安定させることができる。これは、比例積分偏差（ＰＩＤ）サーボ制御器の微分制御、「Ｄ」特性であり、磁気軸受から減衰を生じさせることによる方法であるが、簡潔にするために本明細書では詳細に記載しない。

軸方向軸受ロータ３０’が水平に配向された（スラスト軸受として構成可能である）軸方向ハイブリッド軸受１０’の例示の実施形態が図５に示されている。この実施形態は、定常空力スラストを相殺するために使用可能なガスセクタ２２’と共に増大する（軸方向軸受ステータ（複数可）２０’上に１つまたは複数の磁気セクタ２４’として構成される）小さな従来の磁気スラスト軸受を使用することができる。図５の図示は、図１に示されるような先行技術の磁気軸受と比較すると概して空間を節約することができることを表現しているわけではない。実際の空間の節約は、少なくとも、利用可能なガス圧供給の大きさに左右される。

垂直に配向されたロータを有する機械では、ラジアル側荷重は、水平方向構成よりも著しく少ないが、軸方向ハイブリッド軸受１０’は全静的荷重に対応するように構成可能である。従って、シャフト重量は、スラストつば（軸方向軸受ロータ３０’）より下の適した大きさに作られたガス軸受パッド２３’の大きさによって対応可能である。このような構成における軸方向ハイブリッド軸受１０’の上側は、特に、動的荷重に、高頻度で吸引力を生じさせるその能力によって対応することによって、より低いガス軸受および／またはガスセクタ２２’を支援するような大きさに作られた、磁気軸受および／または１つまたは複数の磁気セクタ２４’によって占有されてもよい。磁気軸受コイル２６’は、応用要件に従って、より低い軸方向軸受ステータ２０’上で使用されてもよいし使用されなくてもよい。軸方向ハイブリッド軸受１０’およびラジアルハイブリッド軸受１０が両方とも同じ空間を占有する場合、基礎のハイブリッド軸受１０’ＩＤからハイブリッド軸受１０’ＯＤに達するガス軸受パッド２３’を収容するために、軸方向軸受ステータ２０’をガスセクタ２２’と磁気セクタ２４’とに区分することができ、磁気セクタ２４’に対するコイル２６’を、図７Ａおよび図７Ｂに最も良く示されるようにそれらの全環状の３６０度の形で保持することができる。ラジアルハイブリッド軸受１０の例示の実施形態において磁気セクタ（複数可）２４が対応しなければならないシャフト重量が皆無かそれに近いため、ラジアル軸受ステータ３０は、図３に示されるラジアル磁気軸受実施形態に示されるようなコイル２６を使用して、適切なサイズに作られた磁気セクタ２４を含むことができる。

ラジアルハイブリッド軸受１０も、垂直に配向されたロータを有する機械における先行技術に対して利点をもたらすことができる。このような利点の１つは、軸受組立体のサイズの縮小および費用の低下である。このようなサイズの縮小によって、軸受間のスパンの縮小と、それに伴って問題となっていた機械の振動の低減とを可能とすることができる。

ロータ３０の両側に同一の両面磁気セクタ（複数可）２４が無いラジアルハイブリッド軸受１０の実施形態において、磁気吸引力対ロータ３０変位特性の線形化を、いわゆるクラスＢ制御について既に一般に利用されている特殊なソフトウェアアルゴリズムによって回復することができる。典型的には、軸受電流指令の平方根機能が利用される。

ガスセクタ（複数可）２２、２２’、軸受パッド（複数可）２３、２３’、磁気セクタ（複数可）２４、２４’、コイル（複数可）２６、２６’、および、ロータ３０、３０’の最適な寸法および／または構成は、ラジアルハイブリッド軸受１０および軸方向ハイブリッド軸受１０’の１つの実施形態から次の実施形態へと変化していき、従って、その範囲に全く制限されない。ハイブリッド軸受１０、１０’の種々の要素を、ハイブリッド軸受１０、１０’が使用される応用分野に適切な任意の材料から形成可能である。このような材料は、金属およびその金属合金、ポリマー材料、および／または、それらの組み合わせを含むがこれらに制限されない。

本明細書に叙述されかつ記載された特有の実施形態は、１つのガスセクタ２２および１つの磁気セクタ２４を有するラジアルハイブリッド軸受１０、ならびに、４つのガスセクタ２２’および４つの磁気セクタ２４’を有する軸方向ハイブリッド軸受１０’に関するが、ハイブリッド軸受１０は、他の向きで、ならびに／または、異なる形状および／もしくは向きを有する異なる数量の種々の要素によって、構成可能である。従って、ハイブリッド軸受１０、１０’の範囲は、ガスセクタ（複数可）２２、２２’、軸受パッド（複数可）２３、２３’、磁気セクタ（複数可）２４、２４’、コイル（複数可）２６、２６’、および、ロータ３０、３０’の特有の形状および／もしくは寸法、または、それらの相対的な数量、寸法、向き、および／もしくは位置には全く制限されない。

好ましい実施形態を説明してきたが、ハイブリッド軸受１０、１０’の他の特徴、利点、および／または効果は、全てが、本明細書で開示しかつ特許請求するハイブリッド軸受１０、１０’の要旨および範囲から逸脱せずに実現することができる開示した実施形態および方法の多くの修正および変更と共に、当業者には明確に想到される。ハイブリッド軸受１０、１０’は本明細書で叙述しかつ説明した特有の実施形態に制限されず、ハイブリッド軸受１０、１０’の利点のいずれも備えるための同様の機器全てに応用されることを意図している。ハイブリッド軸受１０、１０’の要旨および範囲から逸脱しない、説明した実施形態の修正および変更は、当業者には想到される。

１０ ラジアルハイブリッド軸受
１０’ 軸方向ハイブリッド軸受
１２ シャフト
１４ 軸受箱
１６ａ ラジアル磁気軸受
１６ｂ 軸方向磁気軸受
２０ ラジアル軸受ステータ
２２ ガスセクタ
２３ 軸受パッド
２３ａ 能動表面
２３ｂ 密封表面
２３ｃ 支持物
２３ｄ 通気孔
２４ 磁気セクタ
２５ 柱
２６ コイル
２８ 保持部材
２０’ 軸方向軸受ステータ
２２’ ガスセクタ
２３’ 軸受パッド
２３ａ’ 能動表面
２３ｂ’ 密封表面
２３ｃ’ 溝
２４’ 磁気セクタ
２６’ コイル
３０ ラジアル軸受ロータ
３０’ 軸方向軸受ロータ（スラストつば）

Claims (20)

1. ａ．ステータであって、
   ｉ．圧縮流体源に流体連結するガスセクタであって、前記ガスセクタは能動表面を有する軸受パッドを含み、前記圧縮流体源からの圧縮流体は前記能動表面において前記軸受パッドを出る、ガスセクタと、
   ｉｉ．電源に連結される磁気セクタであって、前記磁気セクタはコイルを含み、前記電源によって前記コイルへ電流がもたらされて磁界を形成する、磁気セクタと、を含むステータと、
   ｂ．前記ステータに対して回転可能なロータであって、
   ｉ．強磁性部であって、前記強磁性部は前記ステータに対する前記ロータの全回転中に少なくとも一度前記磁気セクタに隣接して位置付けられる、強磁性部を含む、ロータと、を備える
   ことを特徴とするハイブリッド軸受。
2. 前記ハイブリッド軸受はラジアルハイブリッド軸受である
   請求項１に記載のハイブリッド軸受。
3. 前記磁気セクタは、前記ステータのラジアル平面に対して前記ステータの１８０度上に位置付けられる
   請求項２に記載のハイブリッド軸受。
4. 前記ガスセクタは、前記ステータの前記ラジアル平面に対して前記ステータの１８０度下に位置付けられる
   請求項３に記載のハイブリッド軸受。
5. 前記ロータは、前記ラジアルハイブリッド軸受を通るシャフトと係合される
   請求項４に記載のハイブリッド軸受。
6. 前記ガスセクタは、前記シャフトにかけられる重量を支持する
   請求項５に記載のハイブリッド軸受。
7. 前記ハイブリッド軸受は軸方向ハイブリッド軸受である
   請求項１に記載のハイブリッド軸受。
8. 前記ハイブリッド軸受は、複数の軸受パッドを有する、複数の磁気セクタおよび複数のガスセクタをさらに含み、前記複数の磁気セクタおよび前記複数のガスセクタは前記ステータ上に位置付けられる
   請求項７に記載のハイブリッド軸受。
9. 前記複数の軸受パッドは、前記コイルを収容するために形成された溝を含む
   請求項８に記載のハイブリッド軸受。
10. 前記軸受パッドは前記ロータの方へ付勢される
    請求項１に記載のハイブリッド軸受。
11. 動作中、前記ガスセクタと前記ロータとの間のすきまは、前記磁気セクタと前記ロータとの間のすきまより狭い
    請求項１に記載のハイブリッド軸受。
12. 前記電源は磁気軸受制御器としてさらに定義され、前記磁気軸受制御器は外部電源と係合し、前記磁気軸受制御器は所望の動作状態の所定のセットに従って、前記磁場を変化させる
    請求項１に記載のハイブリッド軸受。
13. 前記ロータおよび前記強磁性部は同一範囲に及び、前記強磁性部は前記ハイブリッド軸受の動作中に継続して前記磁気セクタに隣接して位置付けられる
    請求項１に記載のハイブリッド軸受。
14. ａ．ステータであって、
    ｉ．圧縮流体源に流体連結するガスセクタであって、前記ガスセクタは能動表面を有する軸受パッドを含み、前記圧縮流体源からの圧縮流体は前記能動表面において前記軸受パッドを出て、前記ガスセクタは前記ステータのラジアル平面に対して前記ステータの１８０度下に位置付けられる、ガスセクタと、
    ｉｉ．電源に連結される磁気セクタであって、前記磁気セクタはコイルを含み、前記電源によって前記コイルへ電流がもたらされて磁界を形成し、前記磁気セクタは前記ステータの前記ラジアル平面に対して前記ステータの１８０度上に位置付けられる、磁気セクタと、を含むステータと、
    ｂ．前記ステータに対して回転可能なロータであって、
    ｉ．強磁性部であって、前記強磁性部は前記ステータに対する前記ロータの全回転中に少なくとも一度前記磁気セクタに隣接して位置付けられる、強磁性部を含む、ロータと、を備える
    ことを特徴とするラジアルハイブリッド軸受。
15. 前記ガスセクタは複数の軸受パッドをさらに含み、前記圧縮流体は前記軸受パッドの密封表面を介して前記軸受パッドのそれぞれに進入する
    請求項１４に記載のラジアルハイブリッド軸受。
16. 前記軸受パッドは付勢部材を介して前記ロータの方へ付勢される
    請求項１４に記載のラジアルハイブリッド軸受。
17. 前記付勢部材はベルビルワッシャである
    請求項１６に記載のラジアルハイブリッド軸受。
18. 柱によって前記軸受パッドへ前記圧縮流体がもたらされる
    請求項１４に記載のラジアルハイブリッド軸受。
19. ａ．ロータを回転可能なシャフトに係合することと、
    ｂ．前記ロータに隣接してステータを位置付けることであって、前記ステータは、
    ｉ．圧縮流体源に流体連結されるガスセクタであって、前記ガスセクタは能動表面を有する軸受パッドを含み、前記圧縮流体源からの圧縮流体は前記能動表面において前記軸受パッドを出る、ガスセクタと、
    ｉｉ．電源に連結される磁気セクタであって、前記磁気セクタはコイルを含み、前記電源によって前記コイルへ電流がもたらされて磁界を形成する、磁気セクタと、を含むステータと、を含む、前記ロータに隣接してステータを位置付けることと、
    ｃ．前記シャフトを介して前記ハイブリッド軸受に付与される定常荷重に対応するために前記ガスセクタを使用することによって前記ハイブリッド軸受を利用することと、
    ｄ．前記シャフトを介して前記ハイブリッド軸受に付与される動的荷重に対応するために前記磁気セクタおよび前記磁気セクタのための制御システムを使用することと、を有する
    ことを特徴とする方法。
20. 前記磁気セクタおよび前記磁気セクタのための前記制御システムを介して前記ハイブリッド軸受を安定させるステップを含む
    請求項１９に記載の方法。

Images