JP5779098B2 - 誘導発熱ローラ装置 - Google Patents

Description

本発明は、誘導発熱ローラ装置に関し、特に片持ち式の誘導発熱ローラ装置に関するものである。

ナイロン、ポリエステル等の合成繊維等の製造工程において、紡糸後に加熱し長さ方向に引き伸ばすことによって分子配向を整えて、引張強度等の特性を向上させる直延伸工程が行われている。

そして、この直延伸工程においては、複数の誘導発熱ロール装置が用いられ、合成繊維の加熱を行うとともに、各誘導発熱ロール装置の回転速度差によって合成繊維を延伸することが一般的である。

この誘導発熱ローラ装置は、特許文献１に示すように、底部中央部に軸嵌合部を有するローラ本体と、ローラ本体内部に配置された円筒状鉄心及び誘導コイルからなる磁束発生機構と、を備え、モータの回転軸の先端をローラ本体の軸嵌合部に嵌合連結することによりローラ本体を片持ち式に支持してモータにより直接回転させるようにしたものである。このような構成において、モータによりローラ本体を回転させ、また磁束発生機構の誘導コイルを交流電源により励磁させることにより、ローラ本体が発熱する。

この誘導発熱ローラ装置のより具体的な構成として、ローラ本体の中空内に延びる円筒部を有し、モータに一体的に連結されるフランジ部を備えている。この円筒部は、ローラ本体の軸心方向に沿うようにローラ本体内部に延長させてある。そして、この円筒部の外面に磁束発生機構が固定されている。また、円筒部の先端側の内面と回転軸との間に転がり軸受を設置し、この転がり軸受により回転軸を円筒部に対して回転自在に支持するようにしている。

しかしながら、回転軸を転がり軸受によって支持する構成では、転がり軸受の摩耗による寿命によって、定期的に転がり軸受の交換を行う必要があるという問題がある。特に、誘導発熱ローラ装置における転がり軸受の交換作業は極めて負担が大きい。

一方で、特許文献２に示すように、ローラ本体を磁気軸受によって支持するものがあり、この磁気軸受は、円筒部の外周面に設けられて、その磁極部がローラ本体の内周面に対向するように設けられている。このように磁気軸受をいわゆる径方向外向きに配置することにより、磁極部とローラ本体（被支持体）との対向面積を可及的に大きくして支持安定性を向上させるようにしている。

しかしながら、磁気軸受によりローラ本体を支持する場合には磁束発生機構の軸方向両側に磁気軸受が配置される構成となり、磁束発生機構により生じる磁束の磁路が磁気軸受により制約されてしまうという問題がある。これにより、磁束がローラ本体全体を通過することができずに、ローラ本体を均一に温度制御することが極めて難しいという問題がある。

また、磁気軸受及び磁束発生機構の配置関係によるローラ本体の温度不均一の問題を解決するために、特許文献３に示すように、ガイド部材によって磁路を軸方向に伸ばし、磁束を磁気磁束よりも外側に導くように構成して、これによってローラ本体の温度の均一化を図っているものがある。

しかしながら、ガイド部材によって磁路を伸ばす構成であっても、ローラ本体を通過する磁束密度が軸方向の各位置で異なることからローラ本体の温度を均一にすることは難しい。また、ガイド部材をローラ本体の内部に設ける構成は、ローラ本体の大型化及び磁気軸受等のその他の構成部品の配置に制約を与えることになってしまい得策ではない。

また、先端側の磁気軸受は磁極部が回転軸の外周面に対向するようにいわゆる内向きに設けられているが、支持安定性を確保するためには、長手方向に大きくする必要があり、この場合、磁束が通過する領域がさらに制限されてしまいローラ本体の温度均一性を確保することが難しくなるという問題がある。

特開２００９−１６３９６８号公報 特許第４１０６２７７号公報 特許第４２２１２２７号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、ローラ本体の温度の均一性を確保しながらも、磁気軸受による支持安定性を向上することをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る誘導発熱ローラ装置は、気液二相の熱媒体が封入され軸方向に延設されたジャケット室を有する、有底円筒状のローラ本体と、前記ローラ本体の回転中心軸上に沿うように、前記ローラ本体の底部中央部に設けられた回転軸と、前記回転軸が内部に挿入されるとともに、前記ローラ本体及び回転軸の間の中空内に配設され、円筒状鉄心及びこの円筒状鉄心に巻装された誘導コイルからなる磁束発生機構が設けられた支持体と、前記支持体の内周面に設けられて前記回転軸の外周面に対向する磁極部を有し、前記回転軸を先端側及び後端側においてラジアル方向に非接触支持するラジアル磁気軸受とを備え、前記先端側のラジアル磁気軸受は前記ローラ本体の内部に配置され、前記後端側のラジアル磁気軸受は前記ローラ本体の外部に配置されており、前記ラジアル磁気軸受が、両端に磁極部が形成される断面コの字形状のヨークと、当該ヨークの磁極部に巻回されたコイルとからなり、前記磁極部の先端には、前記回転軸の外周面と同じ曲率をなす円弧状凹部が形成されており、その先端面が前記回転軸の外周面に対向して配置されていることを特徴とする。

このようなものであれば、磁気軸受により回転軸を支持していることから、転がり軸受を用いた場合等の摩耗が無く、軸受の寿命を格段に延ばすことができる。また、ローラ本体に気液二相の熱媒体が封入されたジャケット室を設けているので、ローラ本体の軸方向の温度を均一にすることができる。さらに、ジャケット室を設けていることから、磁気軸受を軸方向に長くしても温度を均一にすることができるので、磁気軸受を軸方向に大きくすることができ、回転軸の支持安定性を向上させることができる。その上、磁気軸受をいわゆる径方向内向きにして回転軸を回転自在に支持していることから、ローラ本体と磁気軸受との配置関係を考慮することなく磁気軸受を配置することができ、後端側の磁気軸受をローラ本体の外部に配置する等のように一層支持安定性を向上させることができる。加えて、前記先端側のラジアル磁気軸受は前記ローラ本体の内部に配置され、前記後端側のラジアル磁気軸受は前記ローラ本体の外部に配置されているので、ローラ本体及び回転軸の支持安定性を向上させることができる。

磁気軸受により回転軸を支持するものは、転がり軸受により回転軸を支持するものよりも高速回転が可能となることから、ローラ本体と回転軸とをテーパ嵌合させて締結要素により連結するとローラ本体と回転軸とのがたつきが大きくなってしまい、剛性が小さくなってしまうという問題がある。この問題を解決するためには、前記ローラ本体と前記回転軸とが一体であることが望ましい。

支持体及びローラ本体を径方向に大型化させないためには、前記先端側のラジアル磁気軸受と前記磁束発生機構とが軸方向において重ならないように設けられていることが望ましい。

磁気軸受の温度変化に起因する不安定振動の発生を抑制するためには、前記支持体のラジアル磁気軸受が設けられる部分に、冷却流体が流通する冷却流体通路が形成されていることが望ましい。

同様に、前記支持体における前記ローラ本体の内周面と対向する外周面に断熱材を設けていることによっても、定常状態における磁気軸受の温度の上昇を抑えることができ、不安定振動の発生を抑制できる。

このように構成した本発明によれば、ローラ本体の温度の均一性を確保しながらも、磁気軸受による支持安定性を向上することができる。

本発明の一実施形態に係る誘導発熱ローラ装置の断面図である。 同実施形態の先端側の磁気軸受を示すＡ−Ａ線断面図である。 変形実施形態に係る誘導発熱ローラ装置の断面図である。 変形実施形態に係る誘導発熱ローラ装置の断面図である。

１００・・・誘導発熱ローラ装置
２・・・ローラ本体
２１Ａ・・・ジャケット室
３・・・回転軸
５・・・磁束発生機構
５１・・・円筒状鉄心
５２・・・誘導コイル
４・・・支持体
６・・・先端側のラジアル磁気軸受
６ａ、６ｂ・・・磁極部
７・・後端側のラジアル磁気軸受
７ａ、７ｂ・・・磁極部
４Ａ・・・冷却流体通路

以下に本発明に係る誘導発熱ローラ装置の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る誘導発熱ローラ装置１００は、図１に示すように、ローラ本体２と、ローラ本体２の底部中央部に設けられた回転軸３と、回転軸３を回転可能に支持するとともに、磁束発生機構５が設けられた支持体４と、支持体４の内周面に設けられて回転軸３を先端側及び後端側においてラジアル方向に非接触支持するラジアル磁気軸受６、７とを具備する。なお、図示しないが回転軸３をスラスト方向に非接触支持するスラスト磁気軸受を配置している。

ローラ本体２は、底部中央部において回転軸３が一体的に設けられた有底円筒状をなすものである。また、ローラ本体２の側周壁２１には、長手方向（軸方向）に延びる気液二相の熱媒体を封入するジャケット室２１Ａが、周方向に複数例えば等間隔に形成され、各ジャケット室２１Ａ内の端部は側周壁２１の周方向に設けられた環状の孔と連通して各ジャケット室２１Ａ同士は連続している。このジャケット室２１Ａ内に封入した気液二相の熱媒体の潜熱移動によりローラ本体２の外表面温度を均一化する。また、ジャケット室２１Ａは、磁束発生機構５と向かい合う位置を超えて、ローラ本体２の側周壁２１において軸方向略全長に亘って設けられている。さらに、ローラ本体２の側周壁２１の先端側には、外表面の温度を検出するための温度センサ１０が埋設されている。

本実施形態の回転軸３は、ローラ本体２と一体成型されるものであり、ローラ本体２の底部中央部に回転中心軸Ｃ上に沿うように設けられている。また、回転軸３の後端部３０１には、駆動モータ８のロータ８１が周方向に等間隔となるように着脱可能に固定されている。その一例としては、回転軸３の後端部３０１が後端に行くに従って縮径するテーパ状をなし、ロータ８１の内周面が前記後端部３０１のテーパに相対するテーパ状をなし、前記回転軸３の後端部３０１にロータ８１が嵌合した状態で、ボルト、ナット等の締結要素９によって後端部３０１とロータ８１を締結固定している。このような構成により、後端側の磁気軸受７を交換する場合には、締結要素９を取り外してロータ８１を取り外せば、後端側の磁気軸受７を容易に後端側に抜くことができる。

支持体４は、回転軸３が内部に挿入されるとともに、先端部がローラ本体２及び回転軸３の間の中空内に配設され、回転軸３を先端側及び後端側において磁気軸受６、７により回転自在に支持する。また、支持体４における回転軸３のロータ８１に対向する内周面に駆動モータ８のステータ８２が設けられている。具体的に支持体４は、先端側の磁気軸受６及び後端側の磁気軸受７が取り付けられる支持体本体４１と、当該支持体本体４１の後端に設けられ、ステータ８２が固定されるステータ固定部４２とを備えている。

支持体本体４１は、ローラ本体２の内径よりも小さい外径を有する円筒部４１１と、当該円筒部４１１の外径よりも大きい外径を有し、円筒部４１１の基端部においてローラ本体２の開口部を覆うフランジ部４１２と、を有する。また、支持体本体４１の側周壁には、フランジ部４１２の外周面で開口し、円筒部４１１の先端部に延びる複数の冷却流体通路４Ａが形成され、各冷却流体通路４Ａは、支持体４の先端部で折り返してフランジ部４１２の外周面で開口する。この冷却流体通路４Ａ内には、例えば水又は油等の冷却流体が供給され、この冷却流体の流通によって支持体４を冷却し、この冷却によって磁束発生機構５及び先端側の磁気軸受６を冷却する。

このように、冷却流体通路４Ａを設けて先端側軸受６を冷却することより、熱的な定常状態における軸受温度を低くすることができるので、組み立て時と定常状態時との軸受隙間や予圧の差を小さくすることができ、定常状態に至るまでの間も不安定振動が発生することを抑制することができる。

磁束発生機構５は、ローラ本体２の内周面に沿うように支持体４（具体的には円筒部４１１）に設けられており、湾曲する磁性鋼板を放射状に円周方向に沿って配列積層して形成される円筒状鉄心５１と、円筒状鉄心５１の外周面に巻装された誘導コイル５２とから円筒状のものである。

このような磁束発生機構５により、誘導コイル５２に交流電圧が印加されると交番磁束が発生し、その交番磁束は円筒状鉄心５１及びローラ本体２の側周壁２１を通過する。この通過によりローラ本体２に電流が発生し、その電流でローラ本体２はジュール発熱する。

また、支持体４におけるローラ本体２の内周面と対向する外周面、具体的には支持体４の円筒部４１１及び磁束発生機構５の外周面には断熱材１１が設けられている。これにより、定常状態における磁気軸受の温度の上昇を抑えることができ、不安定振動の発生を抑制できる。

先端側の磁気軸受６は、支持体４の内周面に設けられて回転軸３の外周面に対向する磁極部６ａ、６ｂを有し、回転軸３を先端側においてラジアル方向に非接触支持するものである。この先端側の磁気軸受６は、磁束発生機構５よりも先端側に設けられるとともに、ローラ本体２の内部に設けられている。

具体的に先端側の磁気軸受６は、図１の部分拡大図、図２のＡ−Ａ線断面図に示すように、支持体４の先端部内周面（具体的に円筒部４１１先端の内周面）に周方向に等間隔に配置された４つの磁気軸受を有する。各磁気軸受６は、両端に磁極部６ａ、６ｂが形成される断面概略コの字形状のヨーク６１と、当該ヨーク６１の磁極部６ａ、６ｂに巻回されたコイル６２とからなる。磁極部６ａ、６ｂの先端には、回転軸３の外周面と略同じ曲率をなす円弧状凹部が形成され、その先端面が回転軸３の外周面に対向して配置される。なお、先端側の磁気軸受６が設けられる円筒部４１１先端の内周面は、先端側の磁気軸受６の磁極部６ａ、６ｂ先端がその他の内周面と略面一となるように内径が大きく形成されている。

また、後端側の磁気軸受７は、支持体４の内周面に設けられて回転軸３の外周面に対向する磁極部７ａ、７ｂを有し、回転軸３を後端側においてラジアル方向に非接触支持するものである。この後端側の磁気軸受７は、磁束発生機構５よりも後端側に設けられるとともに、ローラ本体２の外部に設けられている。このように、ローラ本体２の外部に設けられるのは、後端側の磁気軸受７が支持体４の内周面に設けられ、磁極部７ａ、７ｂが回転軸３の外周面に対向して設けられ、ローラ本体２の内周面に対向して設ける構成としていないためである。

具体的に後端側の磁気軸受７は、図１に示すように、支持体４（フランジ部）の内周面に周方向に等間隔に配置された４つの磁気軸受を有する。各磁気軸受は、先端側の磁気軸受６と同様に、両端に磁極部７ａ、７ｂが形成される断面概略コの字形状のヨーク７１と、当該ヨーク７１の磁極部７ａ、７ｂに巻回されたコイル７２とからなる。

なお、先端側の磁気軸受６及び後端側の磁気軸受７の間には、磁気軸受６、７が停電などにより停止した場合に回転軸３を緊急的に支持するための、例えば転がり軸受又はすべり軸受等のタッチダウン軸受１２が設けられている。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係る誘導発熱ローラ装置１００によれば、磁気軸受６、７により回転軸３を支持していることから、転がり軸受を用いた場合等の消耗が無く、軸受の寿命を格段に延ばすことができる。また、ローラ本体２に気液二相の熱媒体が封入されたジャケット室２１Ａを設けているので、ローラ本体２の軸方向の温度を均一にすることができる。さらに、ジャケット室２１Ａを設けていることから、磁気軸受６、７を軸方向に長くしても温度を均一にすることができるので、磁気軸受６、７を軸方向に大きくすることができ、回転軸３及びローラ本体２の支持安定性を向上させることができる。その上、磁気軸受６、７をいわゆる径方向内向きにして回転軸３を支持していることから、ローラ本体２と磁気軸受６、７との配置関係を考慮することなく磁気軸受６、７を配置することができる。特に後端側の磁気軸受７をローラ本体２の外部に配置する等のように先端側の磁気軸受６と後端側の磁気軸受７との距離を大きくとることができ、一層支持安定性を向上させることができる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、前記実施形態では、支持体４が軸方向に１つの磁束発生機構５を有し、その磁束発生機構５を先端側の磁気軸受６及び後端側の磁気軸受７により挟むような配置により構成しているが、図３に示すように、支持体４が軸方向に２つの磁束発生機構５を有し、先端側の磁気軸受６をその磁束発生機構５の間に配置しても良い。

また、磁束発生機構５は２つに限られず、軸方向に３つ以上設けても良い。

さらに、前記実施形態の磁気軸受は、先端側の磁気軸受６及び後端側の磁気軸受７により軸方向に２点磁気軸受を配置しているが、軸方向に３点以上配置する構成としても良い。

その上、前記実施形態の後端側の磁気軸受７は、ローラ本体２の外部において駆動モータ８よりも先端側に配置されたもの、つまりローラ本体２と駆動モータ８の間に配置されたものであったが、図４に示すように、駆動モータ８よりも後端側、具体的には駆動モータ８と温度検出装置（回転トランス）ＲＴＳとの間に配置するように構成しても良い。

その上、前記実施形態ではローラ本体２及び回転軸３を一体として、回転によるローラ本体２及び回転軸３同士のがたつきが生じないように構成しているが、ローラ本体２及び回転軸３をテーパ嵌合等を用いて締結要素により連結するように構成しても良い。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

本発明により、ローラ本体の温度の均一性を確保しながらも、磁気軸受による支持安定性を向上することができる。

Claims (4)

1. 気液二相の熱媒体が封入され軸方向に延設されたジャケット室を有する、有底円筒状のローラ本体と、
   前記ローラ本体の回転中心軸上に沿うように、前記ローラ本体の底部中央部に設けられた回転軸と、
   前記回転軸が内部に挿入されるとともに、前記ローラ本体及び回転軸の間の中空内に配設され、円筒状鉄心及びこの円筒状鉄心に巻装された誘導コイルからなる磁束発生機構が設けられた支持体と、
   前記支持体の内周面に設けられて前記回転軸の外周面に対向する磁極部を有し、前記回転軸を先端側及び後端側においてラジアル方向に非接触支持するラジアル磁気軸受とを備え、
   前記先端側のラジアル磁気軸受は前記ローラ本体の内部に配置され、前記後端側のラジアル磁気軸受は前記ローラ本体の外部に配置されており、
   前記ラジアル磁気軸受が、両端に磁極部が形成される断面コの字形状のヨークと、当該ヨークの磁極部に巻回されたコイルとからなり、前記磁極部の先端には、前記回転軸の外周面と同じ曲率をなす円弧状凹部が形成されており、その先端面が前記回転軸の外周面に対向して配置されている誘導発熱ローラ装置。
2. 前記ローラ本体と前記回転軸とが一体である請求項１記載の誘導発熱ローラ装置。
3. 前記先端側のラジアル磁気軸受と前記磁束発生機構とが軸方向において重ならないように設けられている請求項１記載の誘導発熱ローラ装置。
4. 前記支持体のラジアル磁気軸受が設けられる部分に、冷却流体が流通する冷却流体通路が形成されている請求項１記載の誘導発熱ローラ装置。

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