JP2016211732A

JP2016211732A - 回転機

Info

Publication number: JP2016211732A
Application number: JP2016080881A
Authority: JP
Inventors: エドゥアルド・カラスコ; Eduardo Carrasco
Original assignee: SKF Magnetic Mechatronics SAS
Current assignee: SKF Magnetic Mechatronics SAS
Priority date: 2015-04-29
Filing date: 2016-04-14
Publication date: 2016-12-15
Also published as: CN106090009A; US20160322882A1; EP3089332B1; EP3089332A1; CN106090009B; CA2926120C; CA2926120A1

Abstract

【課題】改良された回転機を提供すること。【解決手段】この回転機（１’）は、シャフト（３）及びハウジング（５）を備えている。シャフト（３）は、シャフト（３）とともに回転可能にシャフト（３）に結合された磁気スラストディスク（７０）と、ハウジング（５）に固定され且つ軸方向において磁気スラストディスク（７０）周りに位置づけられた磁気アクチュエータ（７２，７４）と、を含む少なくとも１つの軸方向磁気軸受（７）によりハウジング（５）に対して回転可能である。この回転機は、磁気スラストディスク（７０）とシャフト（３）との間で接触しないように磁気スラストディスク（７０）とシャフト（３）との間に取り付けられた磁気絶縁インサート（４）を備えている。【選択図】図３

Description

本発明は、シャフト及びハウジングを備える回転機であって、シャフトが、少なくとも１つの軸方向磁気軸受によりハウジングに対して回転可能である、回転機に関する。

いくつかのタイプの回転機、例えばフライホイールは、ロータと、ステータと、ステータに対するロータの軸方向位置を制御するための軸方向磁気軸受と、を備えている。このような機械は、軸方向磁気軸受によって引き起こされるいくつかの欠点を有しており、これら欠点は、軸方向磁気軸受自体又は機械の他の構成要素の性能に影響を及ぼす可能性がある。

軸方向磁気軸受は、磁場を発生させる磁気アクチュエータを含んでいる。アクチュエータに近接した、機械の他の磁性構成要素に対するこの磁場の漏れは、磁気アクチュエータの効率又は負荷容量を減少させる。

磁気位置センサが、アクチュエータから漏れる磁場によって妨害され、誤った位置感知につながる可能性がある。モータ及び径方向磁気軸受も、軸方向軸受から漏れる磁場によって影響を与えられる可能性がある。

磁場の漏れによって引き起こされる妨害を回避するために、軸方向軸受の磁気アクチュエータと回転機の他の磁性構成要素との間にシールドを提供することが公知である。また、空気又は非磁気構成要素を使用して、軸方向軸受の磁気アクチュエータと他の磁気構成要素との間の磁気距離を増大させることが公知である。

加えて、軸方向磁気アクチュエータのコイルと直列に二次コイルを一体化させ、二次コイルを使用して同じ大きさの逆磁場を作り出すことによりアクチュエータによって発生される妨害磁場を減少させることが公知である。

これらの解決法は、さらなる構成要素の一体化に起因する回転機の寸法的増大と、後の追加的コスト及び寸法的問題と、を意味する。

本発明は、改良された回転機を提供することを目的とする。

このために、本発明は、シャフト及びハウジングを備える回転機であって、シャフトが、シャフトとともに回転可能にシャフトに結合された磁気スラストディスクと、ハウジングに固定され且つ軸方向において磁気スラストディスク周りに位置づけられた磁気アクチュエータと、を含む少なくとも１つの軸方向磁気軸受によりハウジングに対して回転可能であり、回転機が、磁気スラストディスクとシャフトとの間で接触しないように磁気スラストディスクとシャフトとの間に取り付けられた磁気絶縁インサートを備えていることを特徴とする、回転機に関する。

本発明により、軸方向磁気軸受の磁気アクチュエータによって引き起こされる磁気妨害は、公知の回転機よりもシンプル且つ安価な方法で減少される。スラストディスクとシャフトとの間の磁気経路は遮断され、従って、シャフトを介して回転機の他の磁気構成要素に向かって漏れる磁場が延びることを回避する。さらに、磁気漏れの減少は、軸方向磁気軸受の性能を改善する。

有利であるが必須ではない本発明のさらなる側面によれば、上記回転機は、以下の特性の１つ以上を含んでもよい：
− 磁気絶縁インサートが、低磁気特性の材料から作られている。
− 磁気絶縁インサートが、１．２５６×１０^−６Ｈ／ｍ以下の透磁率を有する材料から作られている。
− 磁気絶縁インサートが、低透磁率のステンレス鋼から作られている。
− 磁気絶縁インサートが、３１６Ｌ又は９０４Ｌから作られている。
− 磁気絶縁インサートが、非鉄材料から作られている。
− 磁気絶縁インサートが、アルミニウムから作られている。
− 磁気絶縁インサートが、プラスチック材料から作られている。
− 磁気絶縁インサートが、セラミック材料から作られている。
− シャフトが、締結ボルトが挿入された中心ネジ孔を備え、磁気絶縁インサート及びスラストディスクが、締結ボルトを通過させるための中心孔をそれぞれ備えている。
− シャフトが、締結ボルトが挿入された中心ネジ孔を備え、磁気絶縁インサートが、締結ボルトを通過させるための中心孔を備え、磁気絶縁インサートが、径方向外側に延在するショルダを備え、スラストディスクが、磁気絶縁インサートの外周面上に且つショルダと接触して取り付けられている。
− 磁気絶縁インサートが、スリーブ状であり、且つシャフトの外周面周りに取り付けられ、磁気絶縁インサートが、径方向外側ショルダを備え、スラストディスクが、磁気絶縁インサートの外周面上に且つショルダと接触して取り付けられている。
− 回転機が、シャフトとともに回転可能にシャフトに結合された磁気ロータと、ハウジングに固定された磁気ステータと、を含む少なくとも１つの磁気回転感知システムを備えている。
− 回転機が、シャフトとともに回転可能にシャフトに結合された磁気ロータと、ハウジングに固定された磁気ステータと、を含む少なくとも１つの径方向磁気軸受を備えている。
− 回転機が、軸方向磁気軸受が故障した場合にハウジングに対するシャフトの回転を可能にするための少なくとも１つの転がり軸受を備えている。

本発明は、説明的な例としての添付の図面を参照してこれから説明される。

従来技術による回転機の断面図である。従来技術の回転機において磁気アクチュエータによって発生される磁場を示す。本発明の第１実施形態による回転機の、図１と同様の断面図である。図３の回転機において磁気アクチュエータによって発生される磁場を示す。本発明の第２実施形態による回転機の、図３と同様の図である。本発明の第３実施形態による回転機の、図３と同様の図である。

従来技術による回転機１が、図１に表してある。回転機１は、シャフト３及びハウジング５を備えている。シャフト３は、軸方向磁気軸受７によりハウジング５に対して回転可能であり、軸方向磁気軸受７は、シャフト３上に取り付けられ且つシャフト３とともに回転可能にシャフト３に結合された磁気スラストディスク７０を含んでいる。スラストディスク７０は、ハウジング５に対するシャフト３の回転軸でもある中心軸Ｘ−Ｘ’に中心合わせされている。また、軸方向磁気軸受７は、ハウジング５上に固定され且つ軸方向においてスラストディスク７０周りに位置づけられた磁気アクチュエータ７２及び７４を含んでいる。

この説明では、形容詞“軸方向に”、“軸方向の”、“径方向に”及び“径方向の”は、中心軸Ｘ−Ｘ’を参照して使用される。

また、回転機１は、シャフト３とともに回転可能にシャフト３に結合された磁気ロータ９０と、ハウジング５上に固定された磁気ステータ９２と、を含んでいる磁気回転感知システム９を備えている。感知システム９は、軸方向磁気軸受７に対して軸Ｘ−Ｘ’に沿って軸方向にシフトされている。

また、回転機１は、シャフト３とともに回転可能にシャフト３に結合された磁気ロータ１１０と、ハウジング５に固定された磁気ステータ１１２と、を含んでいる径方向磁気軸受１１を備えている。径方向軸受１１は、感知システム９から軸方向に且つ軸方向軸受７から離れるようにシフトされている。

また、回転機１は、軸方向磁気軸受７が故障した場合に、例えば電力の切断が生じた場合にハウジング５に対するシャフト３の回転を可能にするための転がり軸受１３を備えている。転がり軸受１３は、任意のタイプ、例えば玉軸受、ニードル軸受又はころ軸受であってもよい。回転機１は、１つよりも多くの転がり軸受１３を備えてもよい。

図１に示すように、スラストディスク７０は、シャフト３上に直接取り付けられ、スラストディスク７０とシャフト３との間には直接的な接触が存在する。シャフト３は、図２に示すようにアクチュエータ７２によって発生される周囲磁場によって磁化される金属材料から作られている。アクチュエータ７２によって発生される磁場は、シャフト３とスラストディスク７０との間の接触を介してスラストディスク７０及びシャフト３内を通過する力線Ｌによって表してある。アクチュエータ７４によって発生される磁場は、回転機１の他の構成要素に対してより小さく妨害し、明瞭にするために表されていない。

力線Ｌは、シャフト３を介して感知システム９及び径方向軸受１１内をも通過する。これは、感知システム９によってなされる回転検出の不正確さと、軸方向軸受９の効率のロスと、を招く。径方向軸受１１内を通過する力線Ｌは、ロータ１１０とステータ１２０との間に力を作り出す“負の剛性”を発生させ、この力は、径方向軸受１１の動作を妨害する。

この問題を解決するために、図３に表すように、本発明による回転機１’は、スラストディスク７０とシャフト３との間で接触しないようにスラストディスク７０とシャフト３との間に取り付けられた磁気絶縁インサート４を備えている。用語“磁気絶縁”は、インサート４が、スラストディスク７０とシャフト３との間の磁気経路を遮断することを意味し、このため、スラストディスク７０内に漏れた磁場が、シャフト３内及び感知システム９内並びに径方向軸受１１内を通過しない。

回転機１’において磁気アクチュエータ７２によって発生される磁場は、図４において表される力線Ｌ’によって示すようにシャフト３内を通過せず、力線Ｌ’は、アクチュエータ要素７２及び７４周りに集中させられている。力線Ｌ’は、感知システム９及び径方向軸受１１内を通過しない。従って、回転検出の不正確さは、回避される。また、磁気アクチュエータ７２によって発生される磁場の漏れが少なくなるので、径方向軸受１１内での妨害がより小さくなり、軸方向軸受７の効率が改善される。

インサート４は、好ましくは、インサート４がシャフト３からスラストディスク７０をより効率的に絶縁するように低磁気特性の材料から作られる。用語“低磁気特性”は、インサート４の材料がそれ自体を磁化させる低い能力を有することを意味する。インサート４は、少なくとも、シャフト３の磁気特性よりも低い磁気特性を有している。

インサート４の材料の磁気特性は、その透磁率によって定義されてもよい。透磁率は、それ自体内での磁場の形成をサポートする材料の能力の程度である。言い換えると、透磁率は、付与される磁場への応答で材料が得る磁化の程度に相当する。低透磁率は、材料が低磁気特性からなることを意味する。

インサート４の材料の透磁率は、１．２５６×１０^−６Ｈ/ｍ以下であってもよい。インサート４は、好ましくは、低透磁率のステンレス鋼、例えば３１６Ｌ又は９０４Ｌから作られる。あるいは、インサート４は、非鉄材料、例えばアルミニウム又はプラスチック材料もしくはセラミック材料から作られてもよい。

シャフト３は、締結ボルト３２が挿入された中心ネジ孔３０を備えている。締結ボルト３２は、低透磁率材料、例えば３１６Ｌスチールから作られてもよい。インサート４及びスラストディスク７０は、締結ボルト３２を通過させるための中心孔４０及び７００をそれぞれ備えている。従って、インサート４及びスラストディスク７０は、ボルト３２によってシャフト３に締結されている。

本発明の第２実施形態及び第３実施形態が、それぞれ図５及び図６に表してある。これらの実施形態では、第１実施形態と共通する要素は、同じ参照符号を有し、且つ同様に働く。第１実施形態に対する差異のみを以下で説明する。

図５の実施形態では、スラストディスク７０は、インサート４の外周面４２上に取り付けられ、且つインサート４の径方向外側に延在するショルダ４４に接触して取り付けられている。ショルダ４４は、軸方向においてスラストディスク７０とシャフト３との間で延在し、これによって、スラストディスク７０からのシャフト３の磁気絶縁を保証する。

図６の実施形態では、インサート４は、スリーブ状であり、且つシャフト３の外周面３４周りに取り付けられている。インサート４は、外周面４６と、径方向外側に延在するショルダ４８と、を備えている。スラストディスク７０は、外面４６上に且つショルダ４８と接触して取り付けられ、従って、ショルダ４８は、軸方向においてスラストディスク７０とシャフト３との間で延在している。

この実施形態では、回転機１は、いかなる締結ボルト３２も備えていない。スラストディスク７０は、追加的磁気絶縁インサート６によりシャフト３に締結され、追加的磁気絶縁インサート６は、インサート４と同じ材料から作られ、外面４６に取り付けられ、且つスラストディスク７０におけるショルダ４８に対する反対側でスラストディスク７０に接触して取り付けられている。標準的な金属材料から作られてもよいブロック要素３６が、シャフト３の外面３４に取り付けられ、且つインサート４及び６に接触して取り付けられ、これにより、スラストディスク７０の軸方向の並進移動をブロックする。例えば、ブロック要素３６は、シャフト３上で圧入されている。

本発明の図示しない実施形態によれば、回転機１’は、１つよりも多い軸方向磁気軸受、１つよりも多い径方向磁気軸受又は１つよりも多い感知システムを備えてもよい。

上記で説明した実施形態及び変形例の技術的特性は、本発明の新たな実施形態を形成するために組み合わせることができる。

１回転機、３シャフト、４磁気絶縁インサート、５ハウジング、７軸方向磁気軸受、１１径方向磁気軸受、１３転がり軸受、３０中心ネジ孔、３２締結ボルト、３４外周面、４０，７００中心孔、４２外周面、４４ショルダ、４６外周面、４８径方向外側ショルダ、７０磁気スラストディスク、７２，７４磁気アクチュエータ、９０磁気ロータ、１１２磁気ステータ

Claims

シャフト（３）及びハウジング（５）を備える回転機（１’）であって、
前記シャフト（３）が、前記シャフト（３）とともに回転可能に前記シャフト（３）に結合された磁気スラストディスク（７０）と、前記ハウジング（５）に固定され且つ軸方向において前記磁気スラストディスク（７０）周りに位置づけられた磁気アクチュエータ（７２，７４）と、を含む少なくとも１つの軸方向磁気軸受（７）により前記ハウジング（５）に対して回転可能であり、前記回転機が、前記磁気スラストディスク（７０）と前記シャフト（３）との間で接触しないように前記磁気スラストディスク（７０）と前記シャフト（３）との間に取り付けられた磁気絶縁インサート（４）を備えていることを特徴とする回転機。
前記磁気絶縁インサート（４）が、低磁気特性の材料から作られていることを特徴とする請求項１に記載の回転機。
前記磁気絶縁インサート（４）が、１．２５６×１０^−６Ｈ／ｍ以下の透磁率を有する材料から作られていることを特徴とする請求項２に記載の回転機。
前記磁気絶縁インサート（４）が、低透磁率のステンレス鋼から作られていることを特徴とする請求項３に記載の回転機。
前記磁気絶縁インサート（４）が、３１６Ｌ又は９０４Ｌから作られていることを特徴とする請求項４に記載の回転機。
前記磁気絶縁インサート（４）が、非鉄材料から作られていることを特徴とする請求項３に記載の回転機。
前記磁気絶縁インサート（４）が、アルミニウムから作られていることを特徴とする請求項６に記載の回転機。
前記磁気絶縁インサート（４）が、プラスチック材料から作られていることを特徴とする請求項６に記載の回転機。
前記磁気絶縁インサート（４）が、セラミック材料から作られていることを特徴とする請求項６に記載の回転機。
前記シャフト（３）が、締結ボルト（３２）が挿入された中心ネジ孔（３０）を備え、前記磁気絶縁インサート（４）及び前記磁気スラストディスク（７０）が、前記締結ボルト（３２）を通過させるための中心孔（４０，７００）をそれぞれ備えていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の回転機。
前記シャフト（３）が、締結ボルト（３２）が挿入された中心ネジ孔（３０）を備え、前記磁気絶縁インサート（４）が、前記締結ボルト（３２）を通過させるための中心孔（４０）を備え、前記磁気絶縁インサート（４）が、径方向外側に延在するショルダ（４４）を備え、前記磁気スラストディスク（７０）が、前記磁気絶縁インサート（４）の外周面（４２）上に且つ前記ショルダ（４４）と接触して取り付けられていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の回転機。
前記磁気絶縁インサート（４０）が、スリーブ状であり、且つ前記シャフト（３）の外周面（３４）周りに取り付けられ、前記磁気絶縁インサート（４）が、径方向外側ショルダ（４８）を備え、前記磁気スラストディスク（７０）が、前記磁気絶縁インサート（４）の外周面（４６）上に且つ前記径方向外側ショルダ（４８）と接触して取り付けられていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の回転機。
前記シャフト（３）とともに回転可能に前記シャフト（３）に結合された磁気ロータ（９０）と、前記ハウジング（５）に固定された磁気ステータ（９２）と、を含む少なくとも１つの磁気回転感知システム（９）を備えていることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の回転機。
前記シャフト（３）とともに回転可能に前記シャフト（３）に結合された磁気ロータ（１１０）と、前記ハウジング（５）に固定された磁気ステータ（１１２）と、を含む少なくとも１つの径方向磁気軸受（１１）を備えていることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の回転機。
前記軸方向磁気軸受（７）が故障した場合に前記ハウジング（５）に対する前記シャフト（３）の回転を可能にするための少なくとも１つの転がり軸受（１３）を備えていることを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載の回転機。