JP4603704B2

JP4603704B2 - 磁気軸受真空ポンプの制振システムと軸受センタリング装置

Info

Publication number: JP4603704B2
Application number: JP2001014193A
Authority: JP
Inventors: アンドレ・ブイユ; ジヤン−エミール・シヨレ
Original assignee: アルカテル−ルーセント
Priority date: 2000-01-31
Filing date: 2001-01-23
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2021-01-23
Also published as: FR2804476B1; JP2001263292A; EP1122442A1; FR2804476A1; US20010010438A1; DE60136021D1; EP1122442B1; US6483216B2; ATE410602T1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空ポンプのロータの懸吊装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
真空ポンプでは、ステータ内部で回転するロータは、正常運転中、正常な中心の保持の精度内に、ロータとステータとの間の機械的な接触なしに半径方向の中心位置にステータ内部のロータを磁気軸受により保持する。磁気軸受は、ステータ内部のロータの半径方向位置を制御する適切な回路により電気エネルギーを供給される電磁石を有する。
【０００３】
ロータが半径方向にステータ内部で保持される有効性は、電磁石の力により決定され、またロータの保持には、電磁石への十分な電気エネルギーの供給が必要となる。
【０００４】
磁気軸受の故障または不十分な正常動作が起こることがある。故障は、例えば電磁石への電力供給が遮られた場合に起こる。この場合、磁気軸受はもはやロータのセンタリング機能を行わず、続いてロータが機械的接触なしに支持される状態から機械的接触により支持される状態へ進む「ランディング（ｌａｎｄｉｎｇ）」状態が起こる。ランディング状態の間は、ロータはステータと接触するようになる。例えば、約３００００ｒｐｍのロータの非常に高い回転速度により、このような接触は真空ポンプを破壊することもある。
【０００５】
ロータへ突然の大きな荷重がかかる場合にも同様に故障が起こることがある。突然の荷重により、ステータ内部のロータが中心から外れ、接触、はねかえりが起こる。これにより、センサおよび磁気軸受の磁石によるロータの位置制御が失われ、その後安全システムがポンプを停止させる停止命令を出す。
【０００６】
ランディング状態間のロータの機械的保持の問題を解決するために、磁気軸受の正常な運転が失われた場合に、ロータを近似的にセンタリングし、ロータの半径方向の運動を磁気軸受のエアギャップを超えない値に制限することにより、ステータ内部のロータの半径方向への変位を制限する真空ポンプに第２のランディング機械転がり軸受は既に付けられている。文献ＦＲ２６１４３７５Ａに記載のように、ランディング状態中のロータの振動を制限する弾性手段と減衰あるいは制振（ｄａｍｐｉｎｇ）手段を有する転がり軸受をランディング機械軸受に組み入れることも提案されてきた。ＦＲ２６１４３７５Ａに記載の解決手段は、ステータと対面する転がり軸受軌道輪との間の環状の空間に波形の金属ブレードを挿入することを含む。
【０００７】
この配置により、軸受の耐用年数が増加することが判明した。
【０００８】
しかしながら、機械軸受の顕著な悪化なしに起こり得るランディング状態の数は、まだ限界があり、真空ポンプの信頼性を低下させ、保守作業の頻度を増す。装置は、ポンプの計画外の停止を防ぐのに十分効果的ではないということが明らかにになる。
【０００９】
起こり得るランディング状態の数とランディング機械転がり軸受の耐用年数を増加させる必要がある。
【００１０】
また、従来技術の装置においては、軸受の固着（ｂｉｎｄ）の危険がある。ロータがまだ高速で回転している時に軸受が固着した場合、真空ポンプが破壊されるのはほぼ確実である。
【００１１】
波形ブレード軸受の組立と分解もまた、精密な標準外の工具の使用を要するためかなり精密で困難な作業であり、かなり長時間かかり、有資格の熟練した作業員が必要である。これにより、生産と維持のコストが増加し、ステータにロータを挿入する前に波形ブレードで軸受を完全に組立てることが強制される。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明により提案される問題は、磁気軸受によるロータの位置に対する制御が失われることによる計画外のポンプの停止を防ぎ、ランディング状態の数をより多くし、結合の危険性を低減させ、故障の時間間隔をより長くすることにより耐用年数を増加させるランディング機械転がり軸受の新しい構造を設計することである。
【００１３】
本発明の他の目的は、生産および維持のコストを低減させるために軸受の組立と分解を容易にすることである。
【００１４】
本発明は、ランディング機械転がり軸受の信頼性の欠陥のいくつかが実際従来技術の装置における波形ブレードの存在によるという観察に由来する。磁気軸受の正常運転中、ランディング機械軸受の転がり軸受は静止し、ステータに固定されている。磁気軸受による運転の中断の際、ロータはランディング機械軸受の内側の軌道輪に接触しはじめ、転がり軸受の内側の軌道輪と２つの軌道輪の間に配置される転がり手段とを回転に巻き込む。ロータの速い回転により、回転トルクは転がり軸受の外側の軌道輪および波形ブレードに適用される。波形ブレードとステータとの間の摩擦は、外側の転がり軸受軌道輪を停止させるには不十分である。外側の転がり軸受軌道輪および波形ブレードの高速度および大振幅の回転は、それらを包むハウジングの壁を磨耗させ、遊びを増加させ、次第に装置の有効性を低減させる。様々な部品間の摩擦により、さらに機械軸受の転がり手段のつまりの危険を伴うチップや充填物（ｆｉｌｌｉｎｇ）を生ずる危険性が進む。
【００１５】
したがって、本発明は、波形ブレードの使用を除去すると同時にランディング機械軸受の外側の転がり軸受軌道輪を回転に巻き込むことにより起こり得る危険を除去することを目的とする。
【００１６】
本発明はまた、計画外のポンプの停止が波形ブレードの不十分な制振により、その結果、ステータ内部のロータの半径方向のはね返りの抑止が不可能であるということの観察に起因する。
【００１７】
したがって、本発明はランディング機械軸受の制振能力を増加させることを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記および他の発明を達成するために、ステータの内部で回転するように構成されたロータを備え、正常運転で、ロータをステータ内部の中心付けられた（中心に合わされた）半径方向位置に正常な中心付け保持精度以内で保持する少なくとも１つのラジアル磁気軸受を備え、ラジアル磁気軸受が正常に運転しない場合、ロータを近似的に中心付けることによりステータ内部のロータの半径方向の運動を制限する少なくとも１つのランディング機械軸受を備え、前記ランディング機械軸受が、間に転がり部材を持つロータ転がり軸受軌道輪およびステータ転がり軸受軌道輪と、第１のロータまたはステータ転がり軸受軌道輪とそれに対応する第１のロータまたはステータ軸受表面との間に提供される第１のラジアル隙間と、第２のロータまたはステータ転がり軸受軌道輪とそれに対応する第２ロータまたはステータ軸受表面との間に提供される第２のラジアル隙間とを備える、第２のロータまたはステータ転がり軸受軌道輪とそれに対応する第２のロータあるいはステータ軸受表面との間に第２のラジアル隙間を制限する機械的当接（ａｂｕｔｍｅｎｔ）手段とを有する弾性手段および制振手段を備える真空ポンプを提供する。本発明によれば、前記弾性手段および制振手段は、第２のロータまたはステータ転がり軸受軌道輪とそれに対応する第２のロータあるいはステータ軸受表面との間のラジアル軸受係合部に少なくとも１つの弾性または制振材料製の同軸リングを含む。
【００１９】
少なくとも１つの弾性および制振材料製の同軸リングは、同時に第２のステータおよびロータ転がり軸受軌道輪と接触し、それに対応するステータおよびロータとも接触することになる。
【００２０】
少なくとも１つの弾性および制振材料製の同軸リングは、第２のロータまたはステータ転がり軸受軌道輪とそれに対応する第２のロータあるいはステータ軸受表面との間で半径方向に予圧されることが好ましい。
【００２１】
弾性および制振材料製の同軸リングは、有利なことに取付けられた軸方向圧縮手段により予圧され、したがって半径方向の予圧を決定し、調整を可能にし、使用条件に適合するように構成される。
【００２２】
有利な一実施形態では、前記取付けられた軸方向圧縮手段は、前記第２のステータ転がり軸受軌道輪に対応し、かつ弾性および制振材料製の同軸リングの前端表面上に軸方向に支承される、ロータまたはステータに付けられた少なくとも１つの取付けくさびを備える。
【００２３】
前記取付けくさびは、有利にもまた第２のラジアル隙間を制限する機械的当接部の機能を保証する。
【００２４】
本発明は、前記弾性手段が弾性および制振材料製の単一の同軸リングを備えるランディング機械軸受に適用できる。しかしながら、前記弾性手段は、有利なことにランディング機械軸受の転がり軸受を保持するために、互いに関して軸方向にずれ、例えば互いに接触しているか同軸ブシュにより分離しているかのどちらかの２つの弾性および制振材料製の同一な同軸リングを備えることができる。
【００２５】
本発明によれば、本発明によるランディング転がり軸受を伴う磁気軸受により、真空ポンプを半径方向に保持することができる。しかしながら、ロータは有利なことに、各々が上記で規定した弾性および制振材料製の同軸リングによる弾性手段を備える、少なくとも２つのラジアル磁気軸受および少なくとも２つのランディング機械転がり軸受によって、半径方向に保持されることができる。
【００２６】
本発明の有利な一実施形態において、第１のラジアル隙間は、ロータとロータ転がり軸受軌道輪との間にあり、ステータとステータ転がり軸受軌道輪との間にある第２のラジアル隙間は弾性および制振材料製の同軸リングのラジアル挿入物を持つ。
【００２７】
本発明の他の目的、特徴、利点は、付属する図面を参照して記載する本発明の特定の実施形態の以下の記述により明らかになるであろう。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図１の実施形態において、真空ポンプは一般に軸方向の吸込口２および半径方向の吐出し口３を有するステータ１を備える。ロータ４は、ステータ１内部で長軸Ｉ−Ｉのまわりで軸方向に関して回転する。ロータ４は、羽根５により図示された吸込システム、およびステータ１の軸受に回転自在に支えられたシャフト６を備える。図は２個のラジアル磁気軸受７、８、および２個の半径方向に作用するランディング機械軸受９、１０を示す。アキシャル軸受１１もある。
【００２９】
正常な動作中、すなわちポンプのシャフト６への過度の荷重がなく、磁気軸受が正常に動作している場合、磁気軸受は正確な軸位置に中心があるロータ４を支持し、ランディング機械軸受９、１０はシャフト６に接触しない。
【００３０】
ランディング機械軸受９は、ロータ４のシャフト６の近くおよび周りにロータ転がり軸受軌道輪１２およびステータ１の近くにステータ転がり軸受軌道輪１３を備える。玉１４、針状ころ等従来技術で知られた他のどんな種類の転がり部材も、ロータ転がり軸受１２とステータ転がり軸受軌道輪１３との間に配置され、２つの軸受軌道輪１２、１３の相対的な軸回転をさせる軸受を構成する。
【００３１】
いま、ロータ４のシャフト６とステータ１の対応する部分の間のランディング機械半軸受９をより詳細に拡大して示す図２を参照する。ロータ転がり軸受軌道輪１２とステータ転がり軸受軌道輪１３との間の転がり部材１４を示す。また正常動作中、ステータ１内部のロータ４のシャフト６に中心があり、ステータ１内部のシャフト６の最大隙間を規定する環状のエアギャップ１５を残すラジアル磁気軸受７を示す。正常状態下で、エアギャップ１５は例えば幅約０．２ｍｍから約０．４ｍｍである。ランディング機械軸受９の目的は、ランディングの際の磁気軸受への損傷を防ぐためにステータ１内部のロータ４のシャフト６の軸方向の移動の可能性をエアギャップ１５よりもかなり小さい値まで低減することである。
【００３２】
ロータ転がり軸受軌道輪１２の環状面１６内部とそれに対応するロータ４の第１の軸受表面１７との間に、エアギャップ１５よりも明らかに小さいが、それ以内にロータ４が磁気軸受７により通常中心付けられる精度よりわずかに大きな第１のラジアル隙間１８がある。ロータ４が通常中心を保持される精度は一般に非常に良好で、数ミクロン未満である。同様に、第２のラジアル隙間２１、すなわちステータ転がり軸受軌道輪１３が、ステータ転がり軸受軌道輪１３の外周の環状面１９とステータ１の対応する第２の軸受表面２０との間でステータの内部１を移動可能なラジアル隙間がある。
【００３３】
ステータ転がり軸受軌道輪１３は、軸の肩部２２と頭部２４が見えるねじによりステータ１に固定された取付固定リング２３との間のステータ１前面のハウジング内に固定されている。取付固定リング２３とステータ転がり軸受軌道輪１３外部前面との間に小さなアキシャル隙間２５が残るのが好ましい。
【００３４】
取付け固定リング２３は、ステータ１とステータ転がり軸受け軌道輪１３との間の環状のハウジング２７に軸方向に固定されている同軸な円筒状の環状リブ２６を持っている。エラストマー等の弾性制振材料製の同軸リング２８がハウジング２７内に置かれ、ステータ転がり軸受け軌道輪１３と対応する第２のステータ軸受面２０との間に半径方向に位置し、ステータ転がり軸受け軌道輪１３および前記第２のステータ軸受面２０の両方を半径方向に押す。
【００３５】
ここに示す実施形態では、エラストマー等の弾性および制振材料製の同軸リング２８が、円環の形をしており、取付固定リング２３の同軸円筒状の環状リブ２６とハウジング２７底部との間で軸方向に圧縮され、エラストマー同軸ラジアルリング２８を半径方向に広げる。それはステータ転がり軸受軌道輪１３の外周の環状面１９とステータ１の第２の軸受面２０を同時に押す。
【００３６】
図２に示す装置では、ハウジング２７の形状は、エラストマー同軸リング２８がランディング機械軸受９の軸長の本質的に中間にあるようになっている。第１と第２の軸受表面１７および２０は同軸であり円筒状である。あるいは、本発明による類似の構造は円錐形の軸受表面１７および２０を有する設計とされることもある。
【００３７】
同軸の円筒状の環状リブ２６は、ステータ１に固定される取付くさびとエラストマー同軸リング２８の前端表面を軸方向に受ける端部環状表面１２６とにより構成される。図に示すように、端部環状面１２６は、この水平な交差するリングである可能性がある。あるいは、エラストマー同軸リング２８に結果として生じる半径方向の圧縮を調整するために、端部環状表面は、円錐状で、右または左に傾斜して、角ばった凸面または凹面、湾曲した凸面または凹面であることもある。
【００３８】
これらの実施形態では、同軸の円筒状取付リブ２６により構成される前記取付くさびも第２のラジアル隙間２１をその半径方向の厚さがハウジング２７の半径方向の厚さ以上であるように制限する機械的当接部の機能を提供する。このようにして、エラストマー同軸リング２８の弾性変形に対する能力以上およびこれを超えて、ステータ転がり軸受軌道輪１３は前部円筒状リング２６に対して半径方向に支える。
【００３９】
ランディングの場合の運転は以下のとおりである。最初に、ロータ転がり軸受軌道輪１２は軸Ｉ−Ｉに関して高速に回転している軸６には接触していない。軸受７等のラジアル磁気軸受が運転を停止する場合、ロータ４は、ロータ転がり軸受軌道輪１２と接触するまで第１のラジアル隙間１８により半径方向に移動することができ、次いでロータ転がり軸受軌道軸１２は回転に巻き込まれ、やはり軸受部材１４を回転に巻き込む。従来技術の波形ブレード装置で起こることとは対照的に、ステータ転がり軸受軌道輪１３の回転は予圧したエラストマー同軸リング２８により生じる摩擦によってブレーキをかけられる。これにより、ステータ転がり軸受軌道輪１３のステータ１および取付固定リング２３の摩擦により生じる磨耗の危険をすべて防止する。したがって、エラストマー同軸リング２８はステータ転がり軸受軌道輪１３の回転を停め、磨耗による損傷と転がり軸受の固着の危険を防ぐ、という第１の機能を有する。同時に、半径方向の弾性圧縮の能力により、エラストマー同軸リング２８は、ステータ転がり軸受軌道輪１３を、したがってロータ４のシャフト６を半径方向に運動させ、第２のラジアル隙間２１により、同軸円筒状環状リブ２６および／またはステータ１の同軸円筒状軸受表面２０ａと接触するまで、制振する弾性結合も提供する。当業者が困難なく選択可能である、同軸リング２８を構成する弾性および制振材料の特性により、制振効果は従来技術の波形ブレード装置で得られるよりもずっと大きくなり得る。５０から９０の範囲のショアー硬度を有するエラストマー同軸リング２８の使用により、良い結果が得られるが、適用分野により、他の値も適切である。
【００４０】
図３に示す第２の実施形態において、部品は本質的に図２の実施形態と同様で、同じ形状、同じ機能を持ち、同じ参照番号で特定される。
【００４１】
ハウジング２７に、エラストマー等の弾性および制振材料製の２つの特定の同軸リング２８および１２８が、互いに軸に関してずらしてあるという事実にのみ相違がある。
【００４２】
本発明は、明確に記述してきた実施形態に制限されず、変更点、一般化を包含することは当業者に明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】磁気軸受および付属するランディング機械軸受によりロータが保持される真空ポンプの長手部分の一般図である。
【図２】本発明の第１の実施形態を構成するランディング機械転がり半軸受を示す図１の領域Ａの部分拡大図である。
【図３】本発明の第２の実施形態を構成するランディング機械転がり半軸受を示す領域Ａの部分拡大図である。
【符号の説明】
１ステータ
２吸込口
３吐出口
４ロータ
５羽根
６シャフト
７、８ラジアル磁気軸受
９、１０ランディング機械軸受
１２ロータころがり軸受軌道輪
１３ステータころがり軸受軌道輪
１４軸受部材
１５エアギャップ
１６環状面
１７第１の軸受表面
１８第１のラジアル隙間
１９外周の環状面
２０第２の軸受表面
２０ａ同軸円筒状の軸受表面
２１第２のラジアル隙間
２２肩部
２３取付け固定リング
２４頭部
２５アキシャル隙間
２６環状リブ
２７ハウジング
２８、１２８同軸環状リング

Claims

ステータ（１）内部で回転するように構成されたロータ（４）を備え、正常運転中ロータ（４）をステータ（１）内部の中心付けられた半径方向位置に正常な中心付け保持精度以内に保持する少なくとも１つのラジアル磁気軸受（７、８）を備え、さらに、ラジアル磁気軸受（７、８）が正常に運転しない場合、ロータ（４）を近似的に中心付けることによりステータ（１）内部のロータ（４）の半径方向の運動を制限する少なくとも１つのランディング機械軸受（９、１０）を備え、前記ランディング機械軸受（９）が、間に転がり部材（１４）を有するロータ転がり軸受軌道輪（１２）およびステータ転がり軸受軌道輪（１３）と、第１のロータまたはステータ転がり軸受軌道輪（１２）とそれに対応する第１のロータまたはステータ軸受表面（１７）との間に提供される第１のラジアル隙間（１８）と、第２のロータまたはステータ転がり軸受軌道輪（１３）とそれに対応する第２のロータまたはステータ軸受表面（２０）との間に提供される第２のラジアル隙間（２１）と、第２のロータまたはステータ転がり軸受軌道輪（１３）とそれに対応する第２のロータあるいはステータ軸受表面（２０）との間に提供される第２のラジアル隙間（２１）を制限する機械的当接手段とを有する弾性手段および制振手段とを備える真空ポンプであって、前記弾性手段および制振手段が、第２のロータまたはステータ転がり軸受軌道輪（１３）とそれに対応する第２のロータあるいはステータ軸受表面（２０）との間のラジアル軸受係合部に少なくとも１つの弾性および制振材料製の同軸リング（２８）を備える真空ポンプ。
前記少なくとも１つの弾性および制振材料製の同軸リング（２８）が、第２のロータまたはロータ転がり軸受軌道輪（１３）とそれに対応する第２のステータまたはロータ軸受表面（２０）との間で半径方向に前もって圧縮されることを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。
前記少なくとも１つの弾性および制振材料製の同軸リング（２８）が、その半径方向の予圧を決定する取付けられた軸方向圧縮手段（２３、２６）により荷重を受けることを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。
前記取付けられた軸方向圧縮手段が、前記第２のステータ転がり軸受軌道輪（１３）に対応し、かつ弾性および制振材料製の同軸リング（２８）の前端表面上に軸方向に支承される、ロータまたはステータ（１）に付けられた少なくとも１つの取付けくさび（２６）を備えることを特徴とする請求項３に記載の真空ポンプ。
前記取付けくさび（２６）がまた、第２のラジアル隙間（２１）を制限する機械的当接部の機能を保証することを特徴とする請求項４に記載の真空ポンプ。
前記弾性手段が、ランディング機械軸受(９)を保持するために互いに関して軸方向にずれた、２つの同一の弾性および制振材料製の同軸リング（２８、１２８）を備えることを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。
ロータ（４）が、弾性および制振材料製の同軸リング（２８）を有する弾性手段を各々が備える、少なくとも２つのラジアル磁気軸受（７、８）、および、少なくとも２つのランディング機械転がり軸受（９、１０）により、半径方向に保持されることを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。
第１のラジアル隙間（１８）がロータ（４）とロータ転がり軸受軌道輪（１２）との間にあり、第２のラジアル隙間（２１）が、ステータ（１）とステータ転がり軸受軌道輪（１３）との間にあり、弾性および制振材料製の同軸リング（２８）がそれらの間に半径方向に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。
前記少なくとも１つの弾性および制振材料製の同軸リング（２８）が、円環面形状をしていることを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。
前記少なくとも１つの弾性および制振材料製の同軸リング（２８）が、エラストマー製であることを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。