JP4179015B2 - High speed spindle device - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フライホイール電力貯蔵装置やターボ分子ポンプなどの高速スピンドル装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のフライホイール電力貯蔵装置は、例えば特許文献１に開示されている。フライホイール電力貯蔵装置は、電力をフライホイールの回転運動エネルギに変換して貯蔵するものであり、慣性の大きなフライホイールを有する回転体が発電兼用電動機により高速回転させられるようになっている。
図３は、転がり軸受によって回転体を支持するタイプのフライホイール電力貯蔵装置を示している。このフライホイール電力貯蔵装置１００は、フライホイール１０１を備えた主軸１０２が、転がり軸受１０３を介して回転自在にハウジング１０４に支持されている。ハウジング１０４には、発電兼用電動機１０５が設けられており、この電動機１０５は、フライホイール１０１を回転させ、又はフライホイール１０１の回転によって発電する。
そして、装置１００のハウジング１０４は、アンカーボルト１０７を用いて床面などの設置場所１０６に固定されており、定置型となっている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−２２５０１７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
フライホイールは回転時の慣性が大きいため、高速回転時に回転が不安定になった場合、軸受１０３がロックするおそれがある。軸受１０３がロックすると、フライホイールの回転エネルギは、軸受１０３を介してハウジングに伝わり、さらにアンカーボルトに集中するため、これに耐えうる十分な設置強度を得ようとするとアンカーボルトの数を増やしたり、サイズを大きくする必要がある。
そこで、本発明の課題は、軸受のロックによって過大な回転エネルギがハウジングに伝わることに起因する問題を解消することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高速回転する回転体が軸受を介してハウジングに回転自在に支持される高速スピンドル装置において、前記軸受がロックされていない通常回転時には、前記ハウジングが回転しないように固定的に当該ハウジングを保持するとともに、前記軸受のロックによって前記回転体の回転エネルギが前記ハウジングに作用すると当該ハウジングの回転を許容するように当該ハウジングを保持するハウジング保持部、を備えていることを特徴とする。本発明によれば、通常回転時には、ハウジングがハウジング保持部によって固定的に保持される。
一方、回転体の回転エネルギがハウジングに作用する事態になると、ハウジングはハウジング保持部に対して回転することにより、当該回転エネルギが吸収され、ハウジング保持部には大きな回転エネルギが作用しなくなる。
【０００６】
本発明は、タッチダウン時にタッチダウン用の転がり軸受がロックし易い磁気軸受式の高速スピンドル装置に適用するのが好ましい。磁気軸受式は、通常回転時にあっては磁気軸受によって非接触支持されているが、タッチダウン時には転がり軸受によって接触支持され、この際、転がり軸受は停止状態から急に高速回転することになる。このため、転がり軸受にロックが生じ易く、回転エネルギが吸収される構造を採用することで好適な高速スピンドル装置となる。
【０００７】
また、前記ハウジングは、低摩擦材料を介して前記ハウジング保持部に保持されているのが好ましい。ハウジングとハウジング保持部に低摩擦材料を介在させることで、軸受ロック時にハウジングの回転を簡単に許容することができる。
【０００８】
さらに、前記ハウジング保持部は、前記ハウジングを回転体軸方向両側から挟持しているのが好ましい。ハウジング保持部がハウジングを挟持することで、ハウジングの保持状態が安定する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、第１実施形態に係る高速スピンドル装置１を示しており、この高速スピンドル装置１は、工場等のバックアップ電源として用いられるフライホイール電力貯蔵装置として構成されている。
【００１０】
この装置１は、回転体２をハウジング３内に備えて構成され、さらにハウジング３をハウジング保持部４によって保持して構成されている。また、装置１は、いわゆる定置型であり、ハウジング保持部４が床面５等の不動的な設置場所（いわゆる基礎）に固定的に設置される。ハウジング保持部４は、上側保持部４ａと下側保持部４ｂとで上下一対であり、下側保持部４ｂがアンカーボルト６等によって据え付けられている。
【００１１】
上下の保持部４ａ，４ｂは、ハウジング３の上面３ａ及び下面３ｂからハウジング３を上下に挟み込んでおり、この状態で上下の保持部４ａ，４ｂが連結軸７によって連結されている。連結軸７にはナット８が締結されており、上下の保持部４ａ，４ｂの間隔が小さくなる方向にナット８を締結するとハウジング３を大きな力で挟持して強固にハウジング３を保持でき、ナット８を逆方向に緩めると挟持力を弱くできる。このように、本実施形態では、ハウジング保持部４ａ，４ｂによるハウジング３の挟持力が調整可能となっている。
【００１２】
ハウジング３とハウジング保持部４ａ，４ｂとの接触部には、固定潤滑剤９が塗布されている。固定潤滑剤９などの低摩擦材料がハウジング３とハウジング保持部４ａ，４ｂとの間に介在していることで、ハウジング保持部４ａ，４ｂは、ハウジング３をしっかりと挟持した状態で保持しつつも、ハウジング３に所定値以上の回転エネルギが加わると、ハウジング３とハウジング保持部４ａ，４ｂとの間に滑りが生じてハウジング３の回転を許容することになる。なお、ハウジング保持部４ａ，４ｂによる挟持力を調整することで、ハウジング３の回転のし易さを調整することができる。なお、固定潤滑剤に代えて、ハウジング３及び／又はハウジング保持部４ａ，４ｂの摩擦係数が小さくなるような表面処理を行っても良い。
【００１３】
ハウジング３内部に設けられた回転体２は、鉛直軸状の主軸２ａと、主軸２ａの上下両側に設けられた一対のフライホイール２ｂとを備えている。主軸２ａの軸方向中央位置にはモータ（発電兼用電動機）１０が配置されている。モータ１０は、主軸２ａを回転させ、または主軸２ａの回転により発電するものであり、主軸２ａに設けられたロータ１０ａとハウジング３に設けられたステータ１０ｂとを備えて構成されている。
この装置１は、主軸２が、通常回転時においては磁気軸受１１によって非接触で回転自在に支持される磁気軸受式であり、回転起動時や回転停止時においてはタッチダウン軸受１２によって回転自在に支持される。
【００１４】
具体的には、主軸２ａは、モータ１０の軸方向両側において上下一対のラジアル磁気軸受１１によって非接触状に支持されている。なお、ラジアル磁気軸受１１はハウジング３に取り付けられている。また、図示は省略されているが、主軸２ａは上下両端において上下一対のアキシアル磁気軸受によって非接触状に支持されている。
【００１５】
タッチダウン軸受１２は、ハウジング３に取り付けられた上下一対又は複数対の転がり軸受によって構成されている。通常回転時には転がり軸受１２と主軸５とは非接触であるが、タッチダウン時には転がり軸受１２と主軸５とが接して、転がり軸受１２が高速回転を始め、主軸５の回転を支持する。
【００１６】
ところが、転がり軸受１２は、停止状態から急激に回転を始めるためにロックし易い。転がり軸受１２の回転がロックするとフライホイール２ｂの大きな慣性力（回転エネルギ）は、転がり軸受１２を介してハウジング３に伝わる。回転エネルギがハウジング３に伝わっても、ハウジング３は保持部４ａ，４ｂ間で回転することができるため、回転エネルギはハウジング３の回転によって吸収される。この結果、保持部４ｂを固定しているアンカーボルト６には、回転エネルギがほとんど作用せず、保持部４ｂの安定的な設置状態が維持される。
【００１７】
図２は、第２実施形態に係る高速スピンドル装置２１を示している。この高速スピンドル装置２１もフライホイール電力貯蔵装置として構成されている。この装置２１においても、ハウジング保持部４ａ，４ｂによるハウジング３の保持構造は、第１実施形態と同様であり、その他共通する構造は第１実施形態と同符号を付している。
ただし、第２実施形態では、フライホイール２ｂは主軸２ａの軸方向中途部に１つだけ設けられている。また、主軸２ａを回転自在に支持する軸受としては転がり軸受２３が採用されている。この第２実施形態においても、軸受２３がロックしてハウジング３に回転エネルギが伝わったとしてもハウジング３が回転することにより回転エネルギが吸収されハウジング保持部４ｂを固定するアンカーボルト６に作用する力が小さい。
【００１８】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記ハウジング保持部は、いずれもハウジングを軸方向から保持するものであったが、ハウジングを径方向から保持するものであってもよい。ハウジング保持部がハウジングを径方向から保持するには、例えば、ハウジング保持部が径方向からハウジングを径内方向に締め付けて固定的に保持するとともに、ハウジングに回転エネルギが作用した場合には、ハウジングがハウジング保持部に対して滑ることにより当該ハウジングに回転が生じるようにすればよい。
【００１９】
本発明は、フライホイール電力貯蔵装置に限らず、ターボ分子ポンプなど回転体の慣性が大きくなる装置に適用することができる。また、回転体を支持するベアリングの形式も特に限定されない。さらに、回転体の回転軸心方向は鉛直方向に限定されず、水平方向であってもよい。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、軸受のロックによって回転エネルギがハウジングに伝わっても、回転エネルギが吸収され、ハウジング保持部には大きな回転エネルギが作用しなくなる。この結果、ハウジング保持部を設置場所に固定する際に、過度に強固にする必要がなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る高速スピンドル装置（定置型フライホイール電力貯蔵装置）の断面図である。
【図２】第２実施形態に係る高速スピンドル装置（定置型フライホイール電力貯蔵装置）の断面図である。
【図３】従来の定置型フライホイール電力貯蔵装置の断面図である。
【符号の説明】
１ 高速スピンドル装置
２ 回転体
３ ハウジング
４ａ ハウジング保持部
４ｂ ハウジング保持部
９ 固定潤滑剤（低摩擦材料）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a high-speed spindle device such as a flywheel power storage device or a turbo molecular pump.
[0002]
[Prior art]
A conventional flywheel power storage device is disclosed in Patent Document 1, for example. The flywheel power storage device converts electric power into rotational kinetic energy of the flywheel and stores it, and a rotating body having a flywheel with a large inertia can be rotated at a high speed by a generator / motor.
FIG. 3 shows a flywheel power storage device of the type in which a rotating body is supported by rolling bearings. In the flywheel power storage device 100, a main shaft 102 provided with a flywheel 101 is supported by a housing 104 so as to be rotatable via a rolling bearing 103. The housing 104 is provided with a generator / electric motor 105, and the electric motor 105 rotates the flywheel 101 or generates electric power by the rotation of the flywheel 101.
The housing 104 of the apparatus 100 is fixed to an installation place 106 such as a floor surface using anchor bolts 107, and is a stationary type.
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-225017
[Problems to be solved by the invention]
Since the flywheel has a large inertia at the time of rotation, if the rotation becomes unstable at the time of high speed rotation, the bearing 103 may be locked. When the bearing 103 is locked, the rotational energy of the flywheel is transmitted to the housing via the bearing 103 and further concentrated on the anchor bolts. Therefore, in order to obtain sufficient installation strength to withstand this, the number of anchor bolts may be increased. Need to increase the size.
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to eliminate a problem caused by excessive rotational energy transmitted to a housing by a bearing lock.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a high-speed spindle device in which a rotating body that rotates at high speed is rotatably supported by a housing via a bearing, and the housing is fixedly fixed so that the housing does not rotate during normal rotation when the bearing is not locked. And a housing holding portion that holds the housing so as to allow rotation of the housing when rotational energy of the rotating body acts on the housing by locking the bearing. According to the present invention, the housing is fixedly held by the housing holding portion during normal rotation.
On the other hand, when the rotational energy of the rotating body acts on the housing, the housing rotates with respect to the housing holding portion, so that the rotational energy is absorbed and no large rotational energy acts on the housing holding portion.
[0006]
The present invention is preferably applied to a magnetic bearing type high-speed spindle device in which a rolling bearing for touchdown is easily locked during touchdown. The magnetic bearing type is normally supported by a magnetic bearing at the time of rotation, but is contact-supported by a rolling bearing at the time of touchdown. At this time, the rolling bearing suddenly rotates at a high speed from a stopped state. For this reason, it becomes a suitable high speed spindle apparatus by employ | adopting the structure where a rolling bearing is easy to produce a lock | rock and a rotational energy is absorbed.
[0007]
The housing is preferably held by the housing holding portion via a low friction material. By interposing a low friction material between the housing and the housing holding portion, the rotation of the housing can be easily allowed when the bearing is locked.
[0008]
Furthermore, it is preferable that the housing holding part holds the housing from both sides in the rotating body axial direction. Since the housing holding portion holds the housing, the holding state of the housing is stabilized.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a high-speed spindle device 1 according to the first embodiment, and this high-speed spindle device 1 is configured as a flywheel power storage device used as a backup power source in a factory or the like.
[0010]
The device 1 is configured by including a rotating body 2 in a housing 3 and further configured to hold the housing 3 by a housing holding portion 4. Further, the device 1 is a so-called stationary type, and the housing holding portion 4 is fixedly installed at an immovable installation place (so-called foundation) such as the floor surface 5. The housing holding part 4 is a pair of upper and lower parts of an upper holding part 4a and a lower holding part 4b, and the lower holding part 4b is installed by an anchor bolt 6 or the like.
[0011]
The upper and lower holding portions 4 a and 4 b sandwich the housing 3 vertically from the upper surface 3 a and the lower surface 3 b of the housing 3, and the upper and lower holding portions 4 a and 4 b are connected by the connecting shaft 7 in this state. A nut 8 is fastened to the connecting shaft 7. When the nut 8 is fastened in a direction in which the distance between the upper and lower holding portions 4 a and 4 b is reduced, the housing 3 can be held firmly with a large force, and the nut 3 can be firmly held. When 8 is loosened in the opposite direction, the clamping force can be weakened. Thus, in this embodiment, the clamping force of the housing 3 by the housing holding parts 4a and 4b can be adjusted.
[0012]
A fixed lubricant 9 is applied to the contact portion between the housing 3 and the housing holding portions 4a and 4b. Since the low friction material such as the fixed lubricant 9 is interposed between the housing 3 and the housing holding portions 4a and 4b, the housing holding portions 4a and 4b hold the housing 3 in a state of firmly holding it. However, when rotational energy of a predetermined value or more is applied to the housing 3, slippage occurs between the housing 3 and the housing holding portions 4a and 4b, thereby allowing the housing 3 to rotate. In addition, the ease of rotation of the housing 3 can be adjusted by adjusting the clamping force by the housing holding parts 4a and 4b. In addition, it may replace with fixed lubricant and may perform the surface treatment that the friction coefficient of the housing 3 and / or the housing holding parts 4a and 4b becomes small.
[0013]
The rotator 2 provided inside the housing 3 includes a main shaft 2a having a vertical axis and a pair of flywheels 2b provided on both upper and lower sides of the main shaft 2a. A motor (electric generator / motor) 10 is disposed at the axial center position of the main shaft 2a. The motor 10 generates power by rotating the main shaft 2a or rotating the main shaft 2a, and includes a rotor 10a provided on the main shaft 2a and a stator 10b provided on the housing 3.
This apparatus 1 is of a magnetic bearing type in which the main shaft 2 is rotatably supported in a non-contact manner by a magnetic bearing 11 during normal rotation, and can be freely rotated by a touch-down bearing 12 when rotation is started or stopped. Supported.
[0014]
Specifically, the main shaft 2 a is supported in a non-contact manner by a pair of upper and lower radial magnetic bearings 11 on both axial sides of the motor 10. The radial magnetic bearing 11 is attached to the housing 3. Although not shown, the main shaft 2a is supported in a non-contact manner by a pair of upper and lower axial magnetic bearings at both upper and lower ends.
[0015]
The touchdown bearing 12 is constituted by a pair of upper and lower or a plurality of pairs of rolling bearings attached to the housing 3. During normal rotation, the rolling bearing 12 and the main shaft 5 are not in contact with each other, but at the time of touchdown, the rolling bearing 12 and the main shaft 5 are in contact with each other, and the rolling bearing 12 starts high-speed rotation and supports the rotation of the main shaft 5.
[0016]
However, the rolling bearing 12 is easy to lock because it starts to rotate rapidly from the stopped state. When the rotation of the rolling bearing 12 is locked, a large inertial force (rotational energy) of the flywheel 2 b is transmitted to the housing 3 through the rolling bearing 12. Even if the rotational energy is transmitted to the housing 3, the housing 3 can rotate between the holding portions 4 a and 4 b, so that the rotational energy is absorbed by the rotation of the housing 3. As a result, almost no rotational energy acts on the anchor bolt 6 fixing the holding portion 4b, and the stable installation state of the holding portion 4b is maintained.
[0017]
FIG. 2 shows a high-speed spindle device 21 according to the second embodiment. The high-speed spindle device 21 is also configured as a flywheel power storage device. Also in this device 21, the holding structure of the housing 3 by the housing holding portions 4a and 4b is the same as that of the first embodiment, and other common structures are denoted by the same reference numerals as those of the first embodiment.
However, in the second embodiment, only one flywheel 2b is provided in the midway portion of the main shaft 2a in the axial direction. In addition, a rolling bearing 23 is employed as a bearing that rotatably supports the main shaft 2a. Also in the second embodiment, even if the bearing 23 is locked and rotational energy is transmitted to the housing 3, the rotational energy is absorbed by the rotation of the housing 3, and the force acting on the anchor bolt 6 that fixes the housing holding portion 4b. Is small.
[0018]
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, each of the housing holding portions holds the housing from the axial direction, but may hold the housing from the radial direction. In order for the housing holding portion to hold the housing from the radial direction, for example, the housing holding portion fastens the housing from the radial direction in the radial inner direction and holds the housing in a fixed manner. It is only necessary that the housing is rotated by sliding with respect to the housing holding portion.
[0019]
The present invention can be applied not only to a flywheel power storage device but also to a device in which inertia of a rotating body is increased, such as a turbo molecular pump. Further, the type of bearing that supports the rotating body is not particularly limited. Furthermore, the rotational axis direction of the rotating body is not limited to the vertical direction, and may be a horizontal direction.
[0020]
【The invention's effect】
According to the present invention, even if rotational energy is transmitted to the housing by the lock of the bearing, the rotational energy is absorbed and large rotational energy does not act on the housing holding portion. As a result, when the housing holding part is fixed to the installation place, it is not necessary to be excessively strong.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a high-speed spindle device (stationary flywheel power storage device) according to a first embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a high-speed spindle device (stationary flywheel power storage device) according to a second embodiment.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a conventional stationary flywheel power storage device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 High-speed spindle apparatus 2 Rotating body 3 Housing 4a Housing holding part 4b Housing holding part 9 Fixed lubricant (low friction material)

Claims (4)

高速回転する回転体が軸受を介してハウジングに回転自在に支持される高速スピンドル装置において、
前記軸受がロックされていない通常回転時には、前記ハウジングが回転しないように固定的に当該ハウジングを保持するとともに、前記軸受のロックによって前記回転体の回転エネルギが前記ハウジングに作用すると当該ハウジングの回転を許容するように当該ハウジングを保持するハウジング保持部、を備えていることを特徴とする高速スピンドル装置。In a high-speed spindle device in which a rotating body that rotates at high speed is rotatably supported by a housing via a bearing,
During normal rotation when the bearing is not locked, the housing is fixedly held so that the housing does not rotate, and when the rotational energy of the rotating body acts on the housing due to the locking of the bearing, the housing is rotated. A high-speed spindle device comprising a housing holding portion for holding the housing to allow. 前記回転体が通常回転時には磁気軸受によって非接触支持され、タッチダウン時には転がり軸受によって接触支持されることを特徴とする請求項１記載の高速スピンドル装置。2. The high-speed spindle device according to claim 1, wherein the rotating body is non-contact supported by a magnetic bearing during normal rotation, and is contact-supported by a rolling bearing during touchdown. 前記ハウジングは、低摩擦材料を介して前記ハウジング保持部に保持されていることを特徴とする請求項１又は２記載の高速スピンドル装置。  The high-speed spindle device according to claim 1 or 2, wherein the housing is held by the housing holding portion via a low friction material. 前記ハウジング保持部は、前記ハウジングを回転体軸方向両側から挟持していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高速スピンドル装置。  The high-speed spindle device according to any one of claims 1 to 3, wherein the housing holding portion clamps the housing from both sides in the rotating body axial direction.
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