JP4465778B2 - 回転体支持装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，例えば縦型フライホイールロータのような鉛直方向に回転軸を有する回転体を支持する回転体支持装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば，電気自動車や電車などの移動体においては，慣性の大きなフライホイールロータの回転により，例えば減速時のエネルギーを蓄えておくフライホイール蓄電装置が搭載されているものが知られている。このようなフライホイール蓄電装置における一般的な縦型フライホイールロータの支持装置Ｚ０を図４に示す。
図４に示す支持装置Ｚ０では，フライホイールロータ５１は，その回転軸５２の上端部及び下端部近傍に設けられたラジアル荷重用軸受５３，５４によりラジアル方向に，また上記回転軸５２の下端部に設けられたスラスト荷重用軸受５５によりスラスト方向にそれぞれ支持されている。上記ラジアル荷重用軸受５３，５４としては，例えば一般的なボールベアリングや動圧式のすべり軸受などが用いられる。また，上記スラスト荷重用軸受５５としては，例えばピボット式軸受，スラスト式玉軸受などが用いられる。
更に，上記スラスト荷重用軸受５５にかかるスラスト荷重を軽減して軸受５５の高寿命化を図るため，上記フライホイールロータ５１の上面側に対向して設置され，上記フライホイールロータ５１を上方向に付勢する永久磁石等の非接触支持手段５６等を搭載している（例えば特開平１０−１８４５２９号公報）。上記公報には，上記スラスト荷重用軸受５５には予圧のみがかかるように，上記非接触支持手段５６による支持荷重を上記フライホイールロータ５１の自重とほぼ等しくすることによって，軸受５５の長寿命化を図ることが可能であるとしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，上記のように非接触支持手段５６による支持荷重を上記フライホイールロータ５１の自重とほぼ等しくし，スラスト荷重用軸受５５に予圧のみがかかるようにした場合，例えば搭載車両が上下に振動して支持装置Ｚ０に下向きの加速度が生じると，上記フライホイールロータ５１には上記予圧に抗して上記スラスト荷重用軸受５５から離れる方向に力が働くため，上記スラスト荷重用軸受５５によるスラスト方向支持が正しく行えないという問題点があった。
このような問題点を解決するためには，上記非接触支持手段５６による支持荷重を十分に小さくし，上記スラスト荷重用軸受５５にかかる初期荷重を十分に大きくしておけばよいが，これでは支持装置Ｚ０に上向きの加速度が生じた場合に上記スラスト荷重用軸受５５に過大な荷重が作用し，軸受の寿命を極端に短くしてしまう。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり，その目的とするところは，上下方向の加速度が加わるような環境においても，広い加速度変動範囲内において回転体のスラスト方向支持を正しく行うことができ，且つスラスト荷重用軸受の長寿命化を図ることが可能な回転体支持装置を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために第１の発明は，鉛直方向に回転軸を有する回転体と，上記回転軸の下端部近傍をラジアル方向に支持する下部軸受と，上記回転軸の上端部近傍をラジアル方向に支持する上部軸受と，上記回転軸の上端部若しくは下端部近傍をスラスト方向に支持するスラスト荷重軸受と，上記回転体を非接触で鉛直上向きに支持する非接触支持手段とを具備してなる回転体支持装置において，上記非接触支持手段の支持荷重が，上記回転体の自重の略１／２に設定されてなることを特徴とする回転体支持装置として構成されている。
また，第２の発明は，鉛直方向に回転軸を有する回転体と，上記回転軸の下端部近傍をラジアル方向に支持する下部軸受と，上記回転軸の上端部近傍をラジアル方向に支持する上部軸受と，上記回転軸の上端部若しくは下端部近傍をスラスト方向に支持するスラスト荷重軸受と，上記回転体を非接触で鉛直上向きに支持する非接触支持手段とを具備してなる回転体支持装置において，上記スラスト荷重軸受に作用する荷重を検出する検出手段と，上記検出手段で得られた荷重に基づいて上記非接触支持手段の支持荷重を制御する制御手段とを具備してなることを特徴とする回転体支持装置として構成されている。
ここで，上記制御手段は，上記スラスト荷重軸受にかかる力が一定となるように，或いは上記回転体の上下方向の振動速度が０となるように上記非接触支持手段の支持荷重を制御するように構成できる。
尚，上記検出手段としては，上記スラスト荷重軸受に取り付けられる荷重センサや，上記回転体の上下方向の変位に基づいて上記スラスト荷重軸受に作用する荷重を検出する手段を用いることが可能である。
【０００５】
【作用】
第１の発明に係る回転体支持装置によれば，下方向を＋として＋０．５Ｇの加速度がかかったときに上記スラスト荷重軸受に作用する力Ｆが０となるから，上下どちらの方向にも同じ大きさの加速度を生じるとすると加速度の許容変動幅は±０．５Ｇとなる。従って，加速度変動の下限値は−０．５Ｇとなり，このときに上記スラスト荷重軸受に作用する力Ｆは上記回転体の自重に等しくなる。最大荷重が回転体の自重に等しい大きさであれば，殆どの場合，軸受の寿命は十分に満足できるものになると考えられる。ここで，上記非接触支持手段の支持荷重を回転体の自重の１／２よりも小さくしていくと，加速度の許容変動幅は拡大するが，スラスト荷重軸受に作用する力Ｆの最大値は大きくなり，摩擦によるエネルギー損失が増大すると共に，軸受の寿命を著しく縮める結果となる。逆に，上記非接触支持手段の支持荷重を回転体の自重の１／２よりも大きくしていくと，スラスト荷重軸受に作用する力Ｆの最大値が小さくなって軸受の寿命を過剰なほどに長くすることができる反面，加速度変動に対する許容幅が小さくなり，適用範囲が狭くなってしまう。即ち，第１の発明に係る回転体支持装置では，上記非接触支持手段の支持荷重を回転体の自重の略１／２とすることにより，上下方向の加速度に対する許容幅を広く保ちつつ，軸受の十分な長寿命化を実現することが可能となった。
また，上記第２の発明に係る回転体支持装置によれば，上記スラスト荷重軸受に作用する上下方向荷重Ｆに対するネガティブフィードバックを行うことにより，上下方向の加速度が生じた場合でも，上記スラスト荷重軸受に作用する上下方向荷重Ｆを一定に保つことができるため，振動加速度の許容変動幅が大幅に拡大すると共に，軸受の寿命を飛躍的に伸ばすことが可能となる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下添付図面を参照して，本発明の実施の形態及び実施例につき説明し，本発明の理解に供する。尚，以下の実施の形態及び実施例は本発明を具体化した一例であって，本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
ここに，図１は本発明の実施の形態に係る回転体支持装置Ｚ１の概略構成を示す断面模式図，図２は本発明の第１の実施例に係る回転体支持装置Ｚ２の概略構成を示す断面模式図，図３は本発明の第２の実施例に係る回転体支持装置Ｚ３及びＺ３′の概略構成を示す断面模式図である。
【０００７】
本実施の形態に係る回転体支持装置Ｚ１は，上記第１の発明を具現化したものであり，図１に示すような概略構成を有する。上記回転体支持装置Ｚ１は，上下方向の振動が生じ得る車両上に搭載されており，鉛直方向に回転軸２を有する縦型フライホイールロータ１（回転体の一例）を具備し，上記回転軸２の上端部近傍及び下端部近傍に，それぞれアンギュラ式軸受３（上部軸受の一例），アンギュラ式軸受４（下部軸受，及びスラスト荷重軸受の一例）が取り付けられている。上記アンギュラ式軸受３は接触角が半径方向斜め上向きとなるように，上記アンギュラ式軸受４は接触角が半径方向斜め下向きとなるように，それぞれ取り付けられている。また，上記アンギュラ式軸受４は，その外輪側において壁面０に固定されており，上記フライホイールロータ１をスラスト方向及びラジアル方向に支持している。一方，上記アンギュラ式軸受３は壁面０に対して鉛直方向に摺動自在であり，上記フライホイールロータ１をラジアル方向にのみ支持する構成となっている。尚，上記アンギュラ式軸受３の外輪側は，壁面０との間に取り付けられたバネ５により下向きに弾性付勢されており，これによって上記アンギュラ式軸受３にはラジアル方向の荷重に対して必要最低限の剛性を確保するための予圧を与える力Ｆ０が常時与えられている。
また，上記フライホイールロータ１の上面に対向する壁面０上には，永久磁石６（非接触支持手段の一例）が設置されている。上記永久磁石６には，上記フライホイールロータ１の重量ｍの略１／２の力で上記フライホイールロータ１を上向きに支持するだけの磁力が与えられている。これにより，静止状態で上記アンギュラ式軸受４にかかる力Ｆは，
Ｆ ＝ ｍ／２ ＋ Ｆ０ …（１）
である。ここで，多くの場合Ｆ０≪（ｍ／２）であるから，上記（１）式はＦ０を無視して次のように書き直すことができる。
Ｆ ＝ ｍ／２ …（２）
【０００８】
ここで，当該回転体支持装置Ｚ１を搭載した車両に上下方向の振動が発生した場合を考える。
上記アンギュラ式軸受４に作用する力Ｆがマイナスになると，上記アンギュラ式軸受４はスラスト方向及びラジアル方向の支持力を失い，フライホイールロータ１を安定的に支持できなくなる。上記回転体支持装置Ｚ１では，上記（２）式より，下方向を＋として＋０．５Ｇの加速度がかかったときに上記アンギュラ式軸受４に作用する力Ｆが０となるから，加速度変動の上限値は＋０．５Ｇとなる。
ここで，車両に生じる上下振動では，通常上下どちらの方向にも同じ大きさの加速度を生じるから，加速度変動の上限値が＋０．５Ｇであれば，加速度の許容変動幅は±０．５Ｇと考える必要がある。従って，加速度変動の下限値は−０．５Ｇとなり，このときに上記アンギュラ式軸受４に作用する力Ｆはｍとなる。即ち，回転体支持装置Ｚ１の加速度許容範囲内で上記アンギュラ式軸受４に作用する力Ｆの最大値は，上記フライホイールロータ１の自重に等しくなる。最大荷重がフライホイールロータ１の自重に等しい大きさであれば，殆どの場合，軸受の寿命は十分に満足できるものになると考えられる。
ちなみに，上記永久磁石６の支持荷重を（１／２）ｍよりも小さくしていくと，加速度の許容変動幅は最終的に±１．０Ｇ（永久磁石６の支持荷重が０のとき）まで拡大する。しかしながらこの時，アンギュラ式軸受４に作用する力Ｆの最大値は２ｍ，即ちフライホイールロータ１の自重の２倍にもなり，摩擦によるエネルギー損失が増大すると共に，軸受の寿命を著しく縮める結果となる。
逆に，上記永久磁石６の支持荷重を（１／２）ｍよりも大きくしていくと，アンギュラ式軸受４に作用する力Ｆの最大値が小さくなって軸受の寿命を過剰なほどに長くすることができる反面，加速度変動に対する許容幅が小さくなり，適用範囲が狭くなってしまう。
本実施の形態に係る回転体支持装置Ｚ１は，上記永久磁石６の支持荷重をフライホイールロータ１の重量ｍの略１／２とすることにより，上下方向の加速度に対する許容幅を広く保ちつつ，軸受の十分な長寿命化を実現したものである。
【０００９】
【実施例】
図２に示す回転体支持装置Ｚ２は，上記実施の形態に係る回転体支持装置Ｚ１の上下の軸受構成を入れ換えたものであるが，このような構成においても上記実施の形態と全く同様の効果を得ることができる。
上記回転体支持装置Ｚ２では，縦型フライホイールロータ１′（回転体の一例）の回転軸２′の上端部近傍及び下端部近傍に，それぞれアンギュラ式軸受３′（上部軸受，及びスラスト荷重軸受の一例），アンギュラ式軸受４′（下部軸受の一例）が取り付けられている。上記アンギュラ式軸受３′は接触角が半径方向斜め下向きとなるように，上記アンギュラ式軸受４′は接触角が半径方向斜め上向きとなるように，それぞれ取り付けられている。また，上記アンギュラ式軸受３′は，その外輪側において壁面０に固定されており，上記フライホイールロータ１をスラスト方向及びラジアル方向に支持している。一方，上記アンギュラ式軸受４′は壁面０に対して鉛直方向に摺動自在であり，上記フライホイールロータ１′をラジアル方向にのみ支持する構成となっている。尚，上記アンギュラ式軸受４′の外輪側は，壁面０との間に取り付けられたバネ５′により下向きに弾性付勢されており，これによって上記アンギュラ式軸受４′にはラジアル方向の荷重に対して必要最低限の剛性を確保するための予圧を与える力Ｆ０が常時与えられている。
また，上記フライホイールロータ１′の上面に対向する壁面０上には，永久磁石６（非接触支持手段の一例）が設置されている。上記永久磁石６には，上記フライホイールロータ１′の重量ｍの略１／２の力で上記フライホイールロータ１′を上向きに支持するだけの磁力が与えられている。これにより，静止状態で上記アンギュラ式軸受３′にかかる力Ｆは，上記実施の形態に係る回転体支持装置Ｚ１と同様，ほぼｍ／２となっている。
このように，上記回転体支持装置Ｚ２は，上記実施の形態に係る回転体支持装置Ｚ１の上下の軸受構成を入れ換えただけであり，上下方向への加速度の許容幅や上記アンギュラ式軸受３′の寿命等については上記回転体支持装置Ｚ１と変わるところはない。従って，上記回転体支持装置Ｚ１と同様，上下方向の加速度に対する許容幅を広く保ちつつ，軸受の十分な長寿命化を実現することが可能である。
【００１０】
続いて，上記第２の発明を具現化した例を図３を用いて説明する。
図３（ａ）に示す回転体支持装置Ｚ３は，図１に示す回転支持装置Ｚ１を基本として一部改良を加えたものであり，上記回転支持装置Ｚ１と共通する要素については同符号を付してそれらについての説明は省略する。
上記回転体支持装置Ｚ３では，非接触支持手段が永久磁石ではなく電磁石６′により構成されている。また，アンギュラ式軸受４の外輪側と壁面０との間には，上記アンギュラ式軸受４に作用する上下方向荷重Ｆを測定する荷重センサ４（検出手段の一例）が取り付けられている。上記荷重センサ４で測定された荷重Ｆは，予め設定された所定の指令値Ｆ₀ との偏差がとられ，制御器１２（制御手段に相当）に入力される。制御器１２では，上記偏差を０とするような上記電磁石６′の制御値を計算し，出力する。上記制御器１２から出力された制御信号は，電流増幅器１３を介して電磁石６′に与えられ，上記電磁石６′は上記制御信号に応じた磁力を発生する。以上のように，上記アンギュラ式軸受４に作用する上下方向荷重Ｆに対するネガティブフィードバックを行うことにより，上下方向の加速度が生じた場合でも，上記アンギュラ式軸受４に作用する上下方向荷重Ｆを一定に保つことができるため，振動加速度の許容変動幅が大幅に拡大すると共に，軸受の寿命を飛躍的に伸ばすことが可能となる。
尚，図３（ｂ）に示す回転体支持装置Ｚ３′は，上記荷重センサ４に代えて，フライホイールロータ１の上下方向変位を検出する変位センサ１４と微分器１５を用い，フライホイールロータ１の上下方向の加速度に基づいて上記アンギュラ式軸受４に作用する上下方向荷重Ｆを測定するようにしたものである。
また，上記図３の例では，アンギュラ式軸受４に作用する上下方向荷重Ｆを一定にする制御を行っうようにしたが，フライホイールロータ１の上下方向の振動速度を０に保つような制御を行うようにしても同様の効果を得ることが可能である。
【００１１】
以上の例では，回転軸の上端部近傍及び下端部近傍の軸受として共にアンギュラ式軸受を用いたが，これに限られるものではない。例えば図１における軸受３はラジアル方向のみを支持できればよいため，一般的なボールベアリングやころ軸受，すべり軸受などを用いることも可能である。尚，ボールベアリング等を用いる場合には，予圧Ｆ０を与えるバネ５は不要となる。
また，図１における軸受４についても，ラジアル方向とスラスト方向とを同時に支持できるアンギュラ式軸受に代えて，例えば図４に示したようにラジアル方向を支持するボールベアリングとスラスト方向を支持するピボット式軸受等を併用することも可能である。
また，図１，図２では非接触支持手段として永久磁石を用いたが，非接触でフライホイールロータ１を支持できるものであればどのようなものでもよい。
更に，スラスト方向を支持する上記軸受４，４′には最大加速度が生じた時にはかなり大きな荷重が作用するが，例えば複数のベアリングを並列に組み合わせて用いることにより負荷を分散させ，寿命を延ばすことが可能である。
【００１２】
【発明の効果】
以上説明したように，第１の発明は，鉛直方向に回転軸を有する回転体と，上記回転軸の下端部近傍をラジアル方向に支持する下部軸受と，上記回転軸の上端部近傍をラジアル方向に支持する上部軸受と，上記回転軸の上端部若しくは下端部近傍をスラスト方向に支持するスラスト荷重軸受と，上記回転体を非接触で鉛直上向きに支持する非接触支持手段とを具備してなる回転体支持装置において，上記非接触支持手段の支持荷重が，上記回転体の自重の略１／２に設定されてなることを特徴とする回転体支持装置として構成されているため，上下方向の加速度に対する許容幅を広く保ちつつ，軸受の十分な長寿命化を実現することが可能となる。
また，第２の発明は，鉛直方向に回転軸を有する回転体と，上記回転軸の下端部近傍をラジアル方向に支持する下部軸受と，上記回転軸の上端部近傍をラジアル方向に支持する上部軸受と，上記回転軸の上端部若しくは下端部近傍をスラスト方向に支持するスラスト荷重軸受と，上記回転体を非接触で鉛直上向きに支持する非接触支持手段とを具備してなる回転体支持装置において，上記スラスト荷重軸受に作用する荷重を検出する検出手段と，上記検出手段で得られた荷重に基づいて上記非接触支持手段の支持荷重を制御する制御手段とを具備してなることを特徴とする回転体支持装置として構成されているため，上記スラスト荷重軸受に作用する上下方向荷重Ｆに対するネガティブフィードバックを行うことにより，上下方向の加速度が生じた場合でも，上記スラスト荷重軸受に作用する上下方向荷重Ｆを一定に保つことができ，振動加速度の許容変動幅が大幅に拡大すると共に，軸受の寿命を飛躍的に伸ばすことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係る回転体支持装置Ｚ１の概略構成を示す断面模式図。
【図２】 本発明の第１の実施例に係る回転体支持装置Ｚ２の概略構成を示す断面模式図。
【図３】 本発明の第２の実施例に係る回転体支持装置Ｚ３及びＺ３′の概略構成を示す断面模式図。
【図４】 従来技術に係る回転体支持装置Ｚ０の概略構成を示す断面模式図。
【符号の説明】
０…壁面
１…フライホイールロータ（回転体の一例）
２…回転軸
３…アンギュラ式軸受（上部軸受の一例）
３′…アンギュラ式軸受（上部軸受，及びスラスト荷重軸受の一例）
４…アンギュラ式軸受（下部軸受，及びスラスト荷重軸受の一例）
４′…アンギュラ式軸受（下部軸受の一例）
５，５′…バネ
６…永久磁石（非接触支持手段の一例）
６′…電磁石（非接触支持手段の一例）
１１…荷重センサ（検出手段の一例）
１２…制御器（制御手段に相当）
１４…変位センサ
１５…微分器（上記変位センサ１４と共に検出手段の一例を構成）

Claims (6)

1. 鉛直方向に回転軸を有する回転体と，上記回転軸の下端部近傍をラジアル方向に支持する下部軸受と，上記回転軸の上端部近傍をラジアル方向に支持する上部軸受と，上記回転軸の上端部若しくは下端部近傍をスラスト方向に支持するスラスト荷重軸受と，上記回転体を非接触で鉛直上向きに支持する非接触支持手段とを具備してなる回転体支持装置において，
   上記非接触支持手段の支持荷重が，上記回転体の自重の略１／２に設定されてなることを特徴とする回転体支持装置。
2. 鉛直方向に回転軸を有する回転体と，上記回転軸の下端部近傍をラジアル方向に支持する下部軸受と，上記回転軸の上端部近傍をラジアル方向に支持する上部軸受と，上記回転軸の上端部若しくは下端部近傍をスラスト方向に支持するスラスト荷重軸受と，上記回転体を非接触で鉛直上向きに支持する非接触支持手段とを具備してなる回転体支持装置において，
   上記スラスト荷重軸受に作用する荷重を検出する検出手段と，
   上記検出手段で得られた荷重に基づいて上記非接触支持手段の支持荷重を制御する制御手段とを具備してなることを特徴とする回転体支持装置。
3. 上記制御手段は，上記スラスト荷重軸受にかかる力が一定となるように上記非接触支持手段の支持荷重を制御する請求項２記載の回転体支持装置。
4. 上記制御手段は，上記回転体の上下方向の振動速度が０となるように上記非接触支持手段の支持荷重を制御する請求項２記載の回転体支持装置。
5. 上記検出手段が，上記スラスト荷重軸受に取り付けられる荷重センサである請求項２〜４のいずれかに記載の回転体支持装置。
6. 上記検出手段が，上記回転体の上下方向の変位に基づいて上記スラスト荷重軸受に作用する荷重を検出する請求項２〜４のいずれかに記載の回転体支持装置。

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