JP4280320B2 - 磁気軸受機構で支持されたロータの振動減衰装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気軸受機構で支持されたロータの振動減衰装置であって、前記磁気軸受機構が少なくとも１個のラジアル磁気軸受を含んでおり該ラジアル磁気軸受のステータ側部材が中間部材に固定連結されている振動減衰装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高速で回転するロータを支持するための無接触式の軸受機構として、これまでに様々な形式の電子制御式ないし機械補助式の磁気軸受機構が提案されている。一般的に、それら磁気軸受機構には軸方向及び径方向の振動が発生する。特にロータの回転速度が上昇または低下して行くときには、そのロータが共振状態になる回転速度を通過する際に、いわゆる危険回転数状態となることがある。ロータが磁気軸受機構で支持されており、しかも、例えばターボ分子ポンプのように、ロータと周囲の部材との間の隙間寸法を、非常に小さな寸法に保持しなければならない場合には、上述した危険回転数状態においてロータがステータ側部材をこすってしまうことがあり、ついには装置が損傷することもある。従って、磁気軸受機構には、適当な振動減衰部材を装備して、安定した静かな回転が確実に得られるようにすることが重要である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
磁気軸受機構で支持されたロータの振動減衰のための様々な方式がこれまでに提案されている。特に本発明が関係しているのは、磁気軸受機構がラジアル磁気軸受を含んでいる場合である。ラジアル磁気軸受では、渦電流の関与が小さいため、強力な振動減衰性能が得られない。またこの場合に、中間部材を介してロータに対して振動減衰作用を及ぼすようにした振動減衰装置が特に有効であることが明らかとなっている。ドイツ特許公開公報第ＤＥ−ＡＳ２６５８９２５号、及びＰｏｌｌｅｒｍａｎｎの著作である”Ｂａｕｅｌｅｍｅｎｔ ｄｅｒ ｐｈｙｓｉｋａｌｉｓｃｈｅｎ Ｔｅｃｈｎｉｋ”、Ｓｐｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ社刊（１９５５年）の第９７〜第９８頁に、中間部材を介してロータに対して振動減衰作用を及ぼすようにした機械的な振動減衰部材が示されている。ただし、それらに示されている振動減衰部材は、軸方向には固定されていない。従って、軸方向の隙間寸法をできるだけ小さな寸法に保持することが必要とされているロータには、それらの振動減衰部材は適していない。ロータの振動減衰のためのその他の従来の振動減衰装置として、比較的大きな質量の中間部材を必要とする装置があるが、質量の大きな中間部材は振動減衰特性に悪影響を及ぼす。更に別の振動減衰装置として、液体封入構造を備えた機械的な振動減衰装置も公知となっている。しかしながらそのような装置は、振動減衰性能が不十分で動作の信頼性が低いため、適用分野が限られている。また、更に複雑な構造の振動減衰装置として、例えばドイツ特許公告公報ＤＥ−ＯＳ３２３９３２８号に示されている種類の装置があるが、その種の装置は、中間部材をセンタリングするために高コストのセンタリング機構が必要であるため、上述の課題を解決するための好適な構成とはいえない。
【０００４】
本発明は、磁気軸受機構で支持されたロータの振動減衰装置であって、以上に述べた不都合を生じることのない振動減衰装置を提供することを目的とするものである。また特に、本発明が提供する振動減衰装置は、中間部材を介して振動減衰を行うようにした機械的な振動減衰装置を改良したものである。中間部材は、軸方向には固定され、径方向には移動可能なものである。また、本発明が提供する振動減衰装置は、複雑な構造を必要とせず、寸法及び体積を小さく抑えることができ、しかも、簡明な構造でセンタリング機能が得られるものである。また、振動減衰のための機構を別途付加する必要もない。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、請求項１ないし請求項２の特徴部分に記載した構成要件によって達成される。また、請求項３から請求項６は、本発明の実施の形態にかかる具体的な構成を記載したものである。
【０００６】
中間部材を複数の球体の上に載置して支持し、更にそれら球体を、ハウジング側部材及び中間部材に設けたドーム形凹部の中に配設することで、ロータを軸方向には固定し、ロータの径方向の変位に対しては振動減衰がなされるようにしている。軸方向の荷重を支持するこの支持構造は、球体が径方向に変位したときには適切な軸方向の力が作用して、球体をドーム形凹部の中でセンタリングさせるように機能する。これによって、中間部材の構成を簡明なものとすることが可能となっている。また、中間部材を複数の球体の上に直接載置することでセンタリング機能を得ているため、センタリングに関する調整が不要となっている。ドーム形凹部の表面の形状は球面形状としてもよく、そうすれば製作が容易となる。ただし、ドーム形凹部の表面の形状はこれに限られず、必要とされる最大荷重や振動減衰性能の条件に応じてその他の任意の表面形状とすることができる。
【０００７】
本発明の特に優れた点は、荷重支持機能を有する部材に振動減衰機能を直接組み込んだ構成としたことにある。１つの実施の形態では、複数の球体を弾性変形し易い材料で形成することで、それら球体が、それらの配設位置において、振動に伴うエネルギを吸収するようにしており、それによって、それら球体が振動減衰機能を提供するようにしている。尚、この場合には、それら球体に作用する応力の大きさが、それら球体の材料の弾性変形領域内にあるようにすることが重要である。また、軸方向剛性が径方向剛性より大きくなければならないが、十分に多くの個数の球体を用いることでそうすることができる。更に、十分に多くの個数の球体を用いることで、各球体に作用する面応力を低く抑えることができ、ひいては転がり抵抗を小さく抑えることができる。付加的な振動減衰部材を装備することは必ずしも必要ではないが、作動条件が特に厳しい場合には、それを装備するようにしてもよい。中間部材及びそれを支持する構造に関する別の実施の形態として、ドーム形凹部の表面を弾性変形し易い材料で形成するようにしてもよい。この場合には、球体を金属材料で形成することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に図１〜図３を参照しつつ、本発明をその実施の形態に即して更に詳細に説明して行く。
図１は、本発明をターボ分子ポンプに適用した場合の具体例を示したものである。この具体例に示した実施の形態では、単軸アクティブ制御方式（１つの軸方向にのみアクティブ制御を行う方式）の磁気軸受機構によってロータ２が支持されており、この磁気軸受機構は、パッシブ形ラジアル磁気軸受とアクティブ形アキシャル磁気軸受とで構成されている。パッシブ形ラジアル磁気軸受は２個の軸受部から成り、それら軸受部は、各々が、ロータ側磁石アセンブリ３、３’とステータ側磁石アセンブリ４、４’とで構成されている。アクティブ形アキシャル磁気軸受は、図中に電磁石コイル５の記号で表した。参照番号７は駆動機構を示すものである。
【０００９】
ロータ２は、ハウジングに対して固定された部材であるハウジング側部材１１に対して相対的に振動するため、その振動を、中間部材８を介して減衰させるようにしている。中間部材８は、下側のパッシブ形ラジアル磁気軸受のステータ側磁石部材４と、支持板部９とで構成されている。中間部材８は、下側のパッシブ形ラジアル磁気軸受のステータ側磁石部材４とロータ側磁石部材３とを介してロータ２に接続されている。更に、この中間部材８とハウジング側部材１１との間が、複数の球体１４を介して接続されている。それら球体１４の各々は、ハウジング側部材１１に設けられたドーム形凹部１０及び中間部材８の支持板部９に設けられたドーム形凹部１２の中に配設されている。それら球体１４は、本発明のこの実施の形態では、その弾性係数が金属材料の弾性係数より小さく弾性変形し易い材料で形成されており、従って、荷重支持機能を有する部材に振動減衰機能を直接組み込んだ構成となっている。また、別の実施の形態として、ドーム形凹部の表面を弾性変形し易い材料で形成するようにしてもよく、そうした場合には球体１４を金属材料で形成することができる。また、図１及び図２に示したように、振動減衰部材１６を介して中間部材８をハウジング側部材１１に接続するようにしてもよい。
【００１０】
ロータ側磁石部材３とステータ側磁石部材４との間には、図２に大きさｄで示したように相対変位が発生し、この相対変位によって、中間部材８の支持板部９に軸方向の力が伝達される。そのため、中間部材８の支持板部９が球体１４を押圧し、更にハウジング側部材１１を押圧することになる。ロータ２の軸方向位置は、電磁石５の磁力制御によって目標位置に保持される。一方、ロータ２の径方向位置が目標位置から変位したならば、下側のパッシブ形ラジアル磁気軸受のロータ側磁石部材３及びステータ側磁石部材４を介してロータ２と中間部材８とが接続されているため、ロータ２と共に中間部材８も径方向に変位する。そして、中間部材８が複数の球体１４の上に載置されて支持されており、それら球体１４がハウジング側部材１１及び中間部材８に夫々に形成されたドーム形凹部１０及び１２の中に配設されているため、センタ位置から径方向への変位が生じたときには復帰力が発生する。この復帰力の大きさは、球体１４の半径とドーム形凹部１０、１２の半径との差、並びにその径方向への変位の大きさにも応じたものとなる。ロータ２を軸方向の両方向に固定したい場合には、図３に示したように、中間部材８の、球体１４とは反対側にも、球体１４’とドーム形凹部１２’及び１０’とから成る、上述の構造と同様の構造を備えるようにすればよい。またこの場合も、付加的な振動減衰部材１６を用いて中間部材８の径方向の運動に対する振動減衰を行わせるようにしてもよい。パッシブ形ラジアル磁気軸受３、４を介して中間部材８とロータ２とが接続されているため、以上によってロータ２の径方向の運動に対する振動減衰がなされる。変位が小さい場合には、中間部材８の軸方向の運動の大きさは、径方向の変位の大きさと比べて更に小さく、無視し得る程度のものとなる。また、そのためには、軸方向剛性が径方向剛性より大きくなければならないが、十分に多くの個数の球体１４を使用することで軸方向剛性を径方向剛性より大きくすることができる。
【００１１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、磁気軸受機構で支持されたロータの振動減衰装置として、コンパクトな構成で、動作信頼性が高く、高性能の振動減衰装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる構成の１つの実施の形態であって、ターボ分子ポンプに適用した具体例を示した図である。
【図２】図１のうちの本発明にかかる構成の部分を拡大して示した図である。
【図３】本発明にかかる構成の別の実施の形態であって、中間部材の両側に球体及びドーム形凹部を設けた具体例を示した図である。
【符号の説明】
２ ロータ
３ ロータ側磁石部材
４ ステータ側磁石部材
１１ ハウジング側部材
１０、１０’ ドーム形凹部
１２、１２’ ドーム形凹部
１４、１４’ 球体
１６ 付加的な振動減衰部材

Claims (5)

1. 磁気軸受機構で支持されたロータの振動減衰装置であって、前記磁気軸受機構が少なくとも１個のラジアル磁気軸受（３、４）を含んでおり該ラジアル磁気軸受のステータ側部材（４）が中間部材（８）に固定連結されている振動減衰装置において、
   前記中間部材（８）は、ハウジングに対して固定された部材であるハウジング側部材（１１）に、複数の球体（１４）を介して軸方向に接続されており、前記複数の球体（１４）の各々は、前記中間部材に設けられたドーム形凹部（１２）及び前記ハウジング側部材（１１）に設けられたドーム形凹部（１０）の中に配設されており、前記中間部材（８）が、前記複数の球体（１４）とは反対側において、別の複数の球体（１４’）を介して前記ハウジング側部材に軸方向に接続されており、前記別の複数の球体（１４’）の各々は、前記中間部材に設けられたドーム形凹部（１２’）及び前記ハウジング側部材に設けられたドーム形凹部（１０’）の中に配設されており、それらドーム形凹部（１０、１２、１０’、１２’）の直径は前記球体（１４、１４’）の直径より大きく、前記球体（１４、１４’）は、その弾性係数が金属材料の弾性係数より小さく弾性変形し易い材料で形成されていることを特徴とする振動減衰装置。
2. 磁気軸受機構で支持されたロータの振動減衰装置であって、前記磁気軸受機構が少なくとも１個のラジアル磁気軸受（３、４）を含んでおり該ラジアル磁気軸受のステータ側部材（４）が中間部材（８）に固定連結されている振動減衰装置において、
   前記中間部材（８）は、ハウジングに対して固定された部材であるハウジング側部材（１１）に、複数の球体（１４）を介して軸方向に接続されており、前記複数の球体（１４）の各々は、前記中間部材に設けられたドーム形凹部（１２）及び前記ハウジング側部材（１１）に設けられたドーム形凹部（１０）の中に配設されており、前記中間部材（８）が、前記複数の球体（１４）とは反対側において、別の複数の球体（１４’）を介して前記ハウジング側部材に軸方向に接続されており、前記別の複数の球体（１４’）の各々は、前記中間部材に設けられたドーム形凹部（１２’）及び前記ハウジング側部材に設けられたドーム形凹部（１０’）の中に配設されており、それらドーム形凹部（１０、１２、１０’、１２’）の直径は前記球体（１４、１４’）の直径より大きく、前記ドーム形凹部（１０、１２、１０’、１２’）の表面は、その弾性係数が金属材料の弾性係数より小さく弾性変形し易い材料で形成されていることを特徴とする振動減衰装置。
3. 前記中間部材（８）が、前記ハウジング側部材（１１）に、付加的な振動減衰部材（１６）を介して径方向に接続されていることを特徴とする請求項１または２記載の振動減衰装置。
4. 前記ドーム形凹部（１０、１０’、１２、１２’）の表面の形状が球面形状であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の振動減衰装置。
5. 軸方向剛性が径方向剛性より大きくなるように前記球体の個数が選択されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の振動減衰装置。

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