JP6403020B2 - タッチダウン軸受、及び回転機械 - Google Patents
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Description
タッチダウン軸受は、磁気軸受が正常な時には、回転部材と接触しないが、何らかのトラブルで磁気軸受が制御不能になった時(言い換えれば、磁気軸受以外の部材に回転部材が接触する時(以下、「タッチダウン時」という))には、回転部材と接触して、軸受として機能する。これにより、磁気軸受及び回転部材を焼き付け等の損傷から保護することが可能となる。
外輪は、内輪の外側に、内輪から離間した状態で配置されている。外輪は、第1の凹部と第2の凹部とが対向するように、内輪と対向するように配置されている。
特許文献1には、内輪及び外輪よりなる回転輪、及びボール(転動体)を、比透磁率が1.4以下の材料で形成することが開示されている。
本発明者らは、冷凍機で使用する回転機械において、高速で回転する回転軸とタッチダウン軸受との間に形成された隙間に存在するガスの粘性の影響により、タッチダウン軸受の内輪が回転(空転)し、磁気軸受のトラブルが発生する前の段階で、複数のボールが摩耗して、タッチダウン軸受の寿命が短くなってしまうという知見を得た。
なお、上記ガスの粘性は、ガスの密度及び/または温度が高くなるにつれて大きくなる。
しかしながら、高速で回転する回転軸とタッチダウン軸受との間に形成された隙間に存在するガスの粘性の影響によるタッチダウン軸受の回転を抑制することは困難であった。
このため、タッチダウン時以外のときに複数のボールが摩耗して、複数のボールが摩耗して、タッチダウン軸受の寿命が短くなってしまうという問題があった。
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る回転機械の概略構成を示す断面図である。図1において、X方向は主軸13が延在する所定の方向(延在方向)、Y方向はX方向に対して直交する方向をそれぞれ示している。なお、図1では、回転機械1の一例として、圧縮機を図示する。
主軸13は、モータケーシング22の一端から突出する一方の端部13Aと、モータケーシング22の他端から突出する他方の端部13Bと、を有する。端部13A,13Bには、後述するインペラ31が設けられている。
これにより、主軸13は、高速モータ2の回転主軸になるとともに、循環ガス圧縮部3の主軸としての機能を有する。
上記構成とされた主軸13の材料は、例えば、磁性を有する鉄系材料を用いるとよい。また、主軸13の材料は、モータケーシング22の材料と熱膨張係数がほぼ等しいことが好ましい。
固定子16は、回転子14の外周を包囲するように設けられている。固定子16には、界磁コイルが取り付けられている。固定子16は、界磁コイルによる磁界を主軸13に伝えることによって主軸13を回転させる。
磁気軸受19は、主軸13の軸方向の荷重を受けるスラスト(アキシャル)軸受として機能する。
モータケーシング22は、その内部に、主軸13の一部、回転子14、固定子16、磁気軸受18,19、及び冷却ブッシュ25を収容している。
貫通部22Cは、冷却液の供給口と接続されている。貫通部22Dは、外側冷却流路23と接続されている。貫通部22Dは、外側冷却流路23を介して、冷却水の排出口と接続されている。
モータケーシング22は、冷却ブッシュ25を介して、その内側に固定子16を保持している。モータケーシング22の材料としては、例えば、鉄や鉄系のステンレス鋼を用いることができる。
キャップ部材23Bは、内部が中空とされた筒状の部材である。キャップ部材23Bは、モータケーシング22の外周面に、溝部23Aの形成領域を覆うように設けられている。キャップ部材23Bの内周面は、モータケーシング22の外周面と密接された状態で、接合されている。
これにより、冷却液は、貫通孔22C,22Dを経て、モータケーシン22の外側から内側冷却流路24に供給される。また、内側冷却流路24を通過後の冷却液は、貫通孔22Dを介して、外側冷却流路23に供給される。
外側冷却流路23を通過後の冷却液は、キャップ部材23Bに設けられた貫通孔(図示せず)を介して、冷却液の排出口からモータケーシング22の外側へと排出される。
循環ガス圧縮部3は、インペラ31と、インデューサ32と、ケーシング34と、を有する。
インペラ31は、主軸13の端部13A,13Bに設けられている。インペラ31は端部13A,13Bに固定されている。
インデューサ32は、ケーシング34に固定されており、インペラ31を囲むように配置されている。2つの循環ガス圧縮部3のうち、一方を、膨張部からの動力を圧縮動力の一部に用いる循環ガス膨張部として用いてもよい。
ケーシング34は、インペラ31の前面31aと対向する固定壁32aを有する。ケーシング34は、インペラ31及びインデューサ32を収納し、インデューサ32を保持している。
インペラ31の前面31aとインデューサ32の固定壁32aとの間には、シュラウドクリアランスと呼ばれる隙間が設けられている。
タッチダウン軸受5は、第1のベアリング41と、第2のベアリング42と、位置調整部材44と、を有する。
第1のベアリング41は、内輪46と、外輪48と、複数のボール51(ベアリングボール)と、を有する。
貫通部46Aの直径は、主軸13の外径よりも大きくなるように構成されている。内輪46は、その中心軸が主軸13の中心軸Cと一致するように、主軸13の外周面を囲むように配置されている。内輪46は、主軸13の周方向において、主軸13から離間している。内輪46と主軸13との間には、隙間が形成されている。
これにより、磁気軸受18,19が正常な状態で、主軸13を回転可能に支持しているとき(言い換えれば、タッチダウン以外のとき)には、内輪46は、主軸13と接触しない構成とされている。
なお、図2では、第1の凹部46Bの断面形状の一例として、円の一部を切断した形状を例に挙げて説明したが、第1の凹部46Bの断面形状は、図2に示す形状に限定されない。
外輪48は、内輪46の周方向において、内輪46から離間している。外輪48と内輪46との間には、複数のボール51を配置させるための空間が形成されている。なお、該空間に、保持器(図示せず)が設置されることもある。
面48bは、面48aの反対側に位置する面である。面48bは、後述する第1の部材55または第2の部材56と接触している。
第2の凹部48Aは、外輪48の内周部に設けられている。第2の凹部48Aは、複数のボール51の一部を収容するリング状の凹部である。
なお、図2では、第2の凹部48Aの断面形状の一例として、円の一部を切断した形状を例に挙げて説明したが、第2の凹部48Aの断面形状は、図2に示す形状に限定されない。
第2のベアリング42は、第1のベアリング41と同様な構成とされている。第2のベアリング42は、第1のベアリング41よりも磁気軸受18側に配置されている。
位置調整部材44は、主軸13の延在方向に配置された第1及び第2の面44a,44bを有する。
第1の面44aは、第1のベアリング41を構成する内輪46の面46aと接触している。第2の面44bは、第2のベアリング42を構成する内輪46の面46aと接触している。
また、位置調整部材44の外径は、外輪48の内径よりも小さくなるように構成されている。これにより、内輪46のみをX方向にずらして、複数のボール51の遊動を抑制することができる。
X方向における位置調整部材44の厚さを厚くすると、X方向における2つの内輪46の移動量が大きくなる。また、X方向における位置調整部材44の厚さを薄くすると、X方向における2つの内輪46の移動量が小さくなる。
これにより、高速で回転する主軸13とタッチダウン軸受5との間に形成された隙間に存在するガスの粘性の影響によるタッチダウン軸受5の短命化を抑制できる。
第1の部材55は、第1のベアリング41の外周部の一部と、第2のベアリング42の外周部と、を収容する収容部55Aを有する。収容部55Aは、リング状の切欠き部である。第1のベアリング41の外周部のうち、収容部55Aに収容されていない部分は、第1の部材55から突出している。
第2の部材56は、第1の部材55から突出した第1のベアリング41を収容する収容部56Aを有する。収容部56Aは、座繰り状に加工されたリング状の部分である。
上記構成とされた外輪位置規制部材6は、第1及び第2のベアリング41,42を構成する外輪48のX方向の位置、及びY方向の位置を規制している。
初めに、回転機械1の第1の部材55の収容部55A(嵌合部)に、タッチダウン軸受5を嵌合取付けする。具体的には、第1の部材55の収容部55Aに、第2のベアリング42をはめ込み、次いで、位置調整部材44を介して、第1のベアリング41をはめ込む。
この段階では、位置調整部材44は、第1及び第2のベアリング41,42に対してずれた位置にある場合がある。このような場合には、第1及び第2のベアリング41,42の内輪46の内側に位置調整部材44がはみ出さないように、位置調整部材44を押し込む。
このような条件を満たすことで、第1及び第2のベアリング41,42は、磁気軸受18,19の主軸13を支持する機能が低下或いは離脱された際に、主軸13を回転可能に支持することができる。
なお、タッチダウン時には、第1及び第2のベアリング41,42に、上記第2の所定トルク(例えば、2.0N・m)よりも大きなトルクが印加されるため、第1及び第2のベアリング41,42が回転する。
一方、第1及び第2のベアリング41,42が回転するときのトルクが所望の値よりも大きい場合には、厚さの薄い位置調整部材44に交換し、タッチダウン軸受5の再組立てを行った後に、トルクの再測定を行い、上記2点の条件を満たしているか否かの確認を行う。位置調整部材44の交換は、上記2点の条件を満たすまで行う。
これにより、高速で回転する主軸13とタッチダウン軸受5との間に形成された隙間に存在するガスの粘性の影響によるタッチダウン軸受5の短命化を抑制できる。
また、接着層が熱を受けると、接着層が変質したり焼けたりするため、外輪48の押さえ荷重の値が変化するため、好ましくない。
なお、ここでの「ガタ」とは、ベアリングを製作寸法に起因するもの、及びベアリングを構成するための目的の寸法に対して、ベアリングを製造する際に生じる機械製作的な寸法公差のことをいう。
位置調整部材61は、Y方向の厚さが位置調整部材44よりも薄く、かつ外径が位置調整部材44よりも小さいこと以外は、位置調整部材44と同様に構成されている。位置調整部材61の外径は、内輪46の外径以下の大きさとされている。
(第2の実施の形態)
図4は、本発明の第2の実施の形態に係るタッチダウン軸受の断面図である。図4において、図2に示す第1の実施の形態のタッチダウン軸受5と同一構成部分には、同一符号を付す。
リング状部材68は、第1の実施の形態で説明した位置調整部材44と同様な部材である。リング状部材68は、第1の面68aと、第2の面68bと、を有する。第1の面68aは、第1のベアリング41を構成する内輪46の面46aに当接されている。第2の面68bは、第2のベアリング42を構成する内輪46の面46aに当接されている。
突出部69は、例えば、位置調整部材66の周方向に連続して突出するリング状の突出部でもよいし、位置調整部材66の周方向に配置され、かつ不連続とされた複数の突出部でもよい。
突出部69の突出量としては、例えば、0.1〜0.2mmの範囲内で適宜選択することができる。突出部69のY方向の厚さは、例えば、0.5〜1.0mmの範囲内で適宜選択することができる。
突出部挿入部46Cは、突出部69を収容している。突出部挿入部46Cの形状は、突出部69の形状に応じて、適宜選択することができる。
また、第2の実施の形態のタッチダウン軸受65は、第1の実施の形態のタッチダウン軸受5と同様な効果を得ることができる。
内輪46の内面と外面との間に突出部挿入部46Cを設ける場合、突出部挿入部46Cは、切欠き部ではなく、凹部となる。
さらに、2つの内輪のそれぞれに対して、突出部挿入部46Cを設けるとともに、位置調整部材66の第2の面68bにも突出部69を設けてもよい。
なお、位置調整部材66や第1のベアリング41の加工性を考慮すると、大型のベアリングを用いる際に有効である。
図5は、本発明の第3の実施の形態に係るタッチダウン軸受の断面図である。図5において、図2及び図4に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。
複数の係合部72は、リング状部材68の第1の面68aのうち、外周部分に位置する部分から内輪46の外周側面に係合可能なように突出している。複数の係合部72は、リング状部材68の周方向に所定の間隔で配置されている。複数の係合部72は、リング状部材68と一体に構成されている。
また、第3の実施の形態のタッチダウン軸受70は、第1の実施の形態のタッチダウン軸受5と同様な効果を得ることができる。
また、リング状部材68の第1及び第2の面68aにそれぞれ係合部72を設けてもよい。
さらに、係合部72は、先に説明した突出部69、及び突出部挿入部46Cと組み合わせてもよい。
図6は、本発明の第4の実施の形態に係るタッチダウン軸受の断面図である。図6において、図2に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。
第1及び第2の端部挿入部46D,46Eは、リング状の凹部である。位置調整部材76の一方の端部76Aは、第1の端部挿入部46Dに挿入されている。位置調整部材76の他方の端部76Bは、第2の端部挿入部46Eに挿入されている。
これにより、第1及び第2のベアリング41,42を構成する内輪46に対して、位置調整部材76の位置が規制されている。
また、第4の実施の形態のタッチダウン軸受75は、第1の実施の形態のタッチダウン軸受5と同様な効果を得ることができる。
図7は、本発明の第5の実施の形態に係るタッチダウン軸受の断面図である。図7において、図2に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。
複数のピン88は、貫通穴86Aに挿入された状態で、位置調整部材86からX方向に両端部が突出している。
複数の第2のピン挿入穴46Gは、第2のベアリング42の内輪46の周方向に配置されている。第2のピン挿入穴46Gには、ピン88の他方の端部が挿入されている。
また、第5の実施の形態のタッチダウン軸受85は、第1の実施の形態のタッチダウン軸受5と同様な効果を得ることができる。
なお、タッチダウン軸受85は、第1及び第2のベアリング41,42として、ガスの影響を受けやすい、大型のベアリングを用いる際に有効である。
図8は、本発明の第6の実施の形態に係るタッチダウン軸受の断面図である。図8において、図2に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。
図9は、図8に示すタッチダウン軸受のうち、領域Aで囲まれた部分を拡大した断面図である。図9において、図8に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。
第1の磁石91と第2の磁石92とが引き合う磁力は、タッチダウン時に第1及び第2のベアリング41,42が回転可能で、かつタッチダウン以外のときに第1及び第2のベアリング41,42が回転しない強さである。
なお、内輪46と外輪48との間に、複数のボール51を回転可能な状態で、保持する保持器(図示せず)を設置する構造でもよい。
なお、第1及び第2のベアリング41,42の一方のベアリングのみでタッチダウン軸受を構成する場合にも同様な効果を得ることができる。
図10は、本発明の第7の実施の形態に係るタッチダウン軸受の断面図である。図10において、図6、図8、及び図9に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。
複数の磁石101は、面46a側に第1のS極94が位置するように配置されている。
複数の磁石101は、面46a側に配置され、かつ第1のS極94と対向配置された第2のS極97と、第2のN極96と、を有する。
これにより、2つの内輪46は、磁石101と磁石102とが離れ合う磁力により、中心軸Cの延在方向において、互いに離間した状態にある。
つまり、磁石101と磁石102とが離れ合う磁力により、外輪48に対する内輪46の位置が回転部材の軸方向にずれた状態となる。したがって、内輪46と外輪48との間に複数のボール51を挟み込むことが可能となる。
なお、内輪46と外輪48との間に、複数のボール51を回転可能な状態で、保持する保持器(図示せず)を設置する構造でもよい。
Claims (9)
- 複数のボールと、
複数の磁気軸受により回転可能に支持される回転部材から離間した状態で、該回転部材の外周面を囲むように設けられており、外周部に前記複数のボールを回転可能な状態で該複数のボールの一部を収容する第1の凹部を有する内輪と、
前記内輪の外径よりも内径が大きくなるように構成されており、内周部に前記複数のボールを回転可能な状態で該複数のボールの一部を収容する第2の凹部を有する外輪と、
を有するベアリングと、
前記第1及び第2の凹部間に形成された空間内において、タッチダウン時に前記ボールが回転可能な状態で、前記第1の凹部を区画する前記内輪と、前記第2の凹部を区画する前記外輪と、で前記ボールを挟むように、前記外輪に対する前記内輪の位置を前記回転部材の軸方向にずらす、位置調整部材と、
を含むことを特徴とするタッチダウン軸受。 - 前記位置調整部材は、前記回転部材の延在方向に配置された前記内輪の一方の側と接触するリング状部材を含み、
前記位置調整部材は、該位置調整部材の中心軸が前記回転部材の中心軸と一致するように配置されており、
前記リング状部材の内径は、前記内輪の内径以上の大きさであり、
前記リング状部材の外径は、前記外輪の内径よりも小さいことを特徴とする請求項1記載のタッチダウン軸受。 - 前記位置調整部材は、前記リング状部材に設けられ、前記内輪側に突出する突出部を含み、
前記内輪は、前記位置調整部材が配置される側に、前記突出部が挿入される突出部挿入部を含むことを特徴とする請求項2記載のタッチダウン軸受。 - 前記位置調整部材は、前記リング状部材に設けられ、前記内輪の外面に係合される係合部を含むことを特徴とする請求項2記載のタッチダウン軸受。
- 前記ベアリングを2つ有しており、
前記リング状部材は、前記内輪の一方の面に当接される第1の面と、該面の反対側に配置された第2の面と、を含んでおり、
前記位置調整部材は、一方の前記ベアリングを構成する内輪と、他方の前記ベアリングを構成する内輪と、の間に配置することを特徴とする請求項2ないし4のうち、いずれか1項記載のタッチダウン軸受。 - 前記一方のベアリングを構成する前記内輪に設けられ、前記位置調整部材の一方の端部が挿入される第1の端部挿入部と、
前記他方のベアリングを構成する前記内輪に設けられ、前記位置調整部材の他方の端部が挿入される第2の端部挿入部と、
を有することを特徴とする請求項5記載のタッチダウン軸受。 - 前記リング状部材は、該リング状部材の周方向に配置された複数の貫通穴を有しており、
前記貫通穴に挿入された状態で、前記リング状部材から両端部が突出するピンと、
前記一方のベアリングを構成する前記内輪に複数設けられ、前記ピンの一方の端部が挿入される第1のピン挿入穴と、
前記他方のベアリングを構成する前記内輪に複数設けられ、前記ピンの他方の端部が挿入される第2のピン挿入穴と、
を有することを特徴とする請求項5記載のタッチダウン軸受。 - 前記2つのベアリングを構成する2つの内輪の対向する部分にそれぞれ内設された磁石を設け、
前記2つの内輪に内設された磁石は、同じ磁極が対向するように配置されていることを特徴とする請求項5記載のタッチダウン軸受。 - 請求項1ないし8のうち、いずれか1項記載のタッチダウン軸受と、
所定の方向に延在する前記回転部材と、
前記回転部材を回転可能に支持する前記複数の磁気軸受と、
前記外輪の位置を規制する外輪位置規制部材と、
を含むことを特徴とする回転機械。
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