JP6546759B2 - 回転式機械、軸受、及び当該回転式機械を製造するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、ステータ組立体とロータ組立体と磁気軸受と補助軸受とを備えている回転式機械に関する。また、本発明は、回転式機械において補助軸受として利用するように構成されている軸受に関する。また、本発明は、回転式機械を製造するための方法に関する。本発明の技術分野は、磁気軸受及び補助軸受を具備する回転式機械に関する。

特許文献１は、ステータ組立体とロータ組立体と磁気軸受と補助軸受とを備えている電動コンプレッサタイプの回転式機械を開示している。回転式機械は、公称位置からの逸脱を検出するためにロータ組立体の中心シャフトの位置を監視するためのセンサを備えている。

特許文献２は、ステータ組立体とロータ組立体と磁気軸受と補助軸受とを備えている回転式機械を開示している。回転式機械は、補助軸受の物理的変数、例えば温度、力、振動、圧力、又は距離を計測するためのセンサを備えている。

既知の方法では、回転式機械に設けられた補助軸受は、ステータ組立体に保持されている外輪とラジアル方向間隙によってロータ組立体から離隔されている内輪とを有している減摩玉軸受とされる。補助軸受は、外部環境に直接露出しており、好ましくは潤滑剤を一切塗布することなく長持ちする乾式潤滑剤を有している。

磁気軸受が故障した場合には、回転式機械は補助軸受によって保護される。通常動作では、すなわち磁気軸受が適切に動作している場合には、補助軸受の内輪が回転せず、ロータと補助軸受とは接触していない。しかしながら、空気力学的摩擦によって内輪が回転されるので、長期的には、長持ちする潤滑剤が取り除かれ、補助軸受が損傷することになる。一般に、新しい補助軸受の内輪の回転を始動するために必要とされる“動き始めのトルク（break-away torque）”は、空気力学的摩擦より大きい。しかしながら、操作ミス又は誤動作の結果として、動き始めのトルクが著しく低下する場合がある。補助軸受の回転が検出されないことによって、動き始めのトルクの低下が進行し、これにより、磁気軸受が故障した場合やプロセスが過荷重となった場合に、ロータ組立体がステータ組立体に接触することを防止することができない。

欧州特許出願公開第２６７７１７６号明細書 米国特許出願第２０１２／１２６６４８号明細書

本発明の目的は、磁気軸受及び補助軸受を具備する改善された回転式機械を提供することである。

当該目的を達成させるために、本発明は、中心軸線を中心として配置されているステータ組立体及びロータ組立体と；磁気軸受と；ステータ組立体に保持されている第１のリング及びロータ組立体の中心軸線に対するラジアル方向において間隙を形成している第２のリングを含む補助軸受と；を備えている回転式機械に関する。第２のリングが、第１の動作モードにおいて中心軸線を中心として回転せず、第２の動作モードにおいて中心軸線を中心として回転するようになっている。本発明では、回転式機械が、第１の動作モードから第２の動作モードへの移行を検出するための監視システムを含んでおり、監視システムが、第２のリングに形成されているターゲットと、ステータ組立体に対して固定されているセンサユニットとを備えている。

本発明では、補助軸受の異常運転を簡便に且つ効果的に監視することができる。本発明の他の優位な特徴については、以下に説明する。

本発明の必須ではないが優位なさらなる実施態様では、回転式機械は以下の特徴のうち１つ以上の特徴を有している。
− ターゲットが、第２のリングの非機能領域に、例えば第２のリングの外径及び外面に機械加工されている。
− 補助軸受が、補助軸受を製造した後に再度機械加工することによってターゲットが第２のリングに作られた、第２のリングを有している標準規格に適合する玉軸受とされる。
− ターゲットが、少なくとも１つの面取り部分を含んでいる。
− ターゲットが、少なくとも１つの穴を含んでいる。
− センサユニットが、磁気軸受が通常動作している際に、第２の動作モードにおいて中心軸線を中心とするターゲットの回転を検出する。
− センサユニットが、第１の動作モードにおいてターゲットの振動を検出する。
− センサユニットが、高い耐圧性及び／又は耐腐食性を有する材料から作られているハウジングに収容又は封入されているプローブを含んでいる。
− センサユニットが、渦電流プローブを含んでいる。
− センサユニットが、磁気プローブを含んでいる。
− センサユニットが、中心軸線回りのターゲットの位置又は速度を検出する。
− 補助軸受が、第１のリングと第２のリングとの間に配置されている中間リングを備えていない。
− 第１のリングが、補助軸受の外輪とされ、第２のリングが、補助軸受の内輪とされる。
− 第１のリングが、補助軸受の内輪とされ、第２のリングが、補助軸受の外輪とされる。

また、本発明は、上述の回転式機械において補助軸受として機能するように構成されている軸受に関する。

第１の実施例では、軸受が、ステータ組立体に保持されるように構成されている外輪と、内輪と、内輪に形成されており、センサユニットによって検出するように構成されているターゲットとを含んでいる。

第２の実施例では、軸受が、ステータ組立体に保持されるように構成されている内輪と、外輪と、外輪に形成されており、センサユニットによって検出されるように構成されているターゲットとを含んでいる。

また、本発明は、上述の回転式機械を製造するための方法に関する。当該方法は、
− 補助軸受の第２のリングにターゲットを形成するステップと、
− センサユニットをステータ組立体に対して位置決めするステップと、
− ステータ組立体とロータ組立体と磁気軸受と補助軸受とを取り付けるステップと、
を含んでいる。

本発明について、本発明の目的を限定しない例示的な例を挙げて、添付図面に対応させつつ説明する。

ステータとロータと磁気軸受と補助軸受と監視システムとを具備する、本発明における回転式機械の長手方向断面図である。 回転式機械の中心軸線の上半分に位置する補助軸受及び監視システムを表わす、図１の部分拡大図である。 補助軸受の内輪を表わす、図１の矢印ＩＩＩから見た側面図である。 本発明の他の実施例を表わす、図３に類似する図面である。 本発明の他の実施例を表わす、図３に類似する図面である。 本発明の他の実施例を表わす、図２に類似する図面である。

図１〜図３は、中心軸線Ｘ１を中心として配設されている回転式機械１を表わす。

例えば、回転式機械１は、自動車両に装備される電動コンプレッサである。代替的には、回転式機械１は、輸送車両、工作機械、及び家庭用器具等に適した任意の種類の回転式機械とされる。回転式機械１の一部分又は全体が、例えば天然ガスのような加圧媒体中で動作する場合がある。

回転式機械１は、ステータ組立体３とロータ組立体４と磁気軸受５と補助軸受１０と監視システム５０とを備えている。

ステータ組立体３は、ハウジング３１と規格に適合した管状ブッシュ３２と横方向ホルダ３３とバッキング装置３４とを備えている。管状ブッシュ３２は、ハウジング３１の内側に装着されている。横方向ホルダ３３及びバッキング装置３４は、補助軸受１０をステータ組立体３に固定するための手段を形成している。

ロータ組立体４は、中空シャフト４１と管状要素４２と環状要素４３とを含んでいる。管状要素４２及び環状要素４３が、中空シャフト４１に取り付けられており、補助軸受１０を部分的に受容する空間４４の境界を形成している。ロータ組立体４は、軸線Ｘ１を中心とする回転Ｒ１の際に移動可能とされる。

磁気軸受５は、図１のみに概略的に表わされているが、単純化することを目的として、ステータ組立体３及びロータ組立体４に対する磁気軸受５の配置は図示されていない。

補助軸受１０は、非常用軸受、ランディング軸受、バックアップ軸受やタッチダウン軸受としても知られており、回転式機械１の動作の始動又は停止の際に、及び、磁気軸受５が完全に又は部分的に故障した場合に短い間欠的な周期で衝撃荷重を受けた際にロータ組立体４を支持するようになっている。

補助軸受１０は、２列の玉軸受１１，１２を含んでおり、複列玉軸受１１，１２として知られており、与圧荷重が作用されており、特に与圧環境下における利用に適している。玉軸受１１は外輪１３及び内輪１４を含んでおり、玉軸受１２は外輪１５及び内輪１６を含んでいる。玉軸受１１は、外輪１３と内輪１４との間に配置されている一連の玉１７を含んでおり、玉軸受１２は、外輪１５と内輪１６との間に配置されている一連の玉１８を含んでいる。玉１７，１８はセラミック又は鋼から作られている。外輪１３，１５は管状ブッシュ３２の内側に装着されている。横方向ホルダ３３は外輪１３に当接した状態で位置決めされており、バッキング装置３４は外輪１５に当接した状態で位置決めされている。横方向ホルダ３３及びバッキング装置３４は、外輪１３，１５をステータ組立体３に固定するための手段を形成している。内輪１４，１６は空間４４に配置されている。

通常動作時には、間隙又は空隙が、補助軸受１０とロータ組立体４との間において、より正確には内輪１４，１６と管状要素４２との間において軸線Ｘ１に関するラジアル方向に形成されている。図２は、内輪１４とロータ組立体４との間に形成された間隙Ｇを表わす。例えば、補助軸受１０についての間隙Ｇは磁気軸受５の空隙の幅の約半分とされる。

実際には、補助軸受１０の内輪１４，１６は、第１の動作モードにおいて、軸線Ｘ１を中心として回転しないが、第２の動作モードにおいて、軸線Ｘ１を中心として回転させられるようになっている。補助軸受１０に作用する与圧が、動き始めのトルク（take away torque）を、すなわち、複列玉軸受１１，１２に作用させることによって軸線Ｘ１を中心として内輪１４，１６を回転させるための最小トルクを高めるので、これにより第１の動作モードから第２の動作モードに切り替えられる。一般に、最小トルクは３Ｎ・ｍ〜５Ｎ・ｍとされるが、著しく小さくても良い。最小トルクは、玉軸受及び周囲の構造の大きさ及び形式に依存する。

近年、回転式機械１は、さらに高い圧力及びさらに高いガス密度で動作するようになっている。操作ミス又は誤動作の場合には、内部摩擦係数が減少する場合がある。従って、ロータ組立体４の回転に起因する空気力学的効果は、補助軸受１０を回転させるに十分である。このような条件下においては、補助軸受１０が損傷し、補助軸受１０の剛性が損なわれるので、磁気軸受５が故障した場合に回転式機械１を防護するための能力を失う場合がある。

補助軸受１０の回転を検出するためには、既知の解決手段は大きい欠点を有している。

第１の解決手段では、例えば渦電流プローブのような位置センサによって、保持軸受１０の玉１７，１８の回転が監視される。しかしながら、当該解決手段は、セラミックから作られた玉１７，１８に対しては機能しない。しかしながら、大抵の場合、玉はセラミックから作られている。

第２の解決手段では、磁気軸受５が補助軸受１０の内輪１４に取り付けられている。しかしながら、当該解決手段は、磁性を有するターゲットを特別に製造することを必要とする。さらに、磁性を有するターゲットは、補助軸受１０のための腐食させる可能性がある環境に適合せず、ロータがドロップ又はランディングした場合に内輪１４を大きく加速させることと両立させることができない。

本発明では、回転式機械１は、内輪１４に形成されたターゲット６０と、ステータ組立体３に対して固定されたセンサユニット７０とを備えている。監視システム５０は、内輪１４が軸線Ｘ１を中心として回転しない第１の動作モードから、内輪１４が軸線Ｘ１を中心として回転される第２の動作モードへの移行を検出することができる。

好ましくは、ターゲット６０は、内輪１４の非機能領域に、例えば図１〜図３に表わすように内輪１４の外径且つ外面に機械加工されている。ターゲット６０は、軸線Ｘ１を中心とした不規則形状に、例えば非円状の形状に機械加工されている。言い換えれば、軸線Ｘ１は、ターゲット６０についての対称軸線を規定していない。しかしながら、内輪１４のバランスは維持されている。

特定の実施例では、補助軸受１０が、補助軸受１０を製造した後に再度機械加工することによってターゲット６０が内輪１４に作られた、内輪１４を有している標準規格に従った玉軸受とされる。従って、コスト及び調達時間を劇的に高める特別な製造をすることなく、標準的基準が補助軸受１０について適用される。

図３に表わすように、ターゲット６０は、軸線Ｘ１を通過する対角線上において対向している２つの面取り部分６２，６４を含んでいる。面取り部分６２，６４それぞれが平頭状の不規則形状とされる。面取り部分６２，６４それぞれの表面は、最大径から、軸線Ｘ１を中心として最大径から９０°回転させた箇所に形成されている最小径に変化する。最大径の表面の近傍において、内径１４の直径が０．１ミリメートル〜１ミリメートル、例えば０．２ミリメートル小さくなっている。図３に表わすように、内径１４の側面は長円状の外径とされる。面取り部分６２，６４は、スロットと比較して内輪１４の剛性を低下させないので、補助軸受１０の構造安定性を損なうことなく、内輪１４はロータのランディング時における巨大な加速度に耐えることができる。代替的には、ターゲット６０は単一の面取り部分６２又は６４を含んでいる。

センサユニット７０は、軸線Ｘ１を中心とするターゲット６０の回転を検出するように構成されている。センサユニット７０は、センサユニット７０の先端と内輪１４の外径との距離を読み取る。従って、センサユニット７０は、センサユニット７０の先端の前方において、面取り部分６２，６４の存在を検出する。センサユニット７０は、ターゲット６０の位置を検出するための位置センサとして構成されているか、又は軸線Ｘ１回りのターゲット６０の速度を検出するための速度センサとして構成されている。特に、センサユニット７０は、磁気軸受５が通常動作している際に、第２の動作モードにおいて軸線Ｘ１を中心とするターゲット６０の回転を検出するように構成されている。さらに、センサユニット７０は、回転式機械１が動作している際に、又は回転式機械１が点検を受けている際に、第１の動作モードにおいてターゲット６０の振動を検出するように構成されている。

図１に表わすように、センサユニット７０は、プローブ７２とハウジング７４と伝送ケーブル７６とを含んでいる。プローブ７２は、高い耐圧性及び／又は耐腐食性を有する材料から作られているハウジング７４に収容又は封入されている。プローブ７２は、回転式機械１に基づいて、渦電流プローブ又は磁性プローブとして構成されている。渦電流プローブは拡張性に乏しいが、磁性プローブは過酷環境において一層有効である。

監視システム５０は、内輪１４が回転されているか否かを検査し、予防保守についての警告を発することができる。また、監視システム５０は、ランディングの際に又はランディングの後に、補助軸受１０を健全性を分析するために利用可能とされる。優位には、監視システム５０は、補助軸受１０に構成部品を全く追加する必要が無い。

本発明によって、ターゲット６０を形成する以前に製造していた特別の軸受が不要となり、内輪１４の内部に負荷が発生しなくなり、元々の玉軸受１１の特性が損なわれることなく、バランス手段を内輪１４に付加する必要が無くなり、回転する部品を追加する必要が無くなり、補助軸受１０及び監視システム５０によって形成される集合体のアキシアル方向における長さを大きくする必要が無くなる。

図４〜図６は、本発明の他の実施例を表わす。当該実施例では、第１の実施例の要素に類似する要素は、同一の参照符号が付されており、同様に機能する。第１の実施例との差異についてのみ、以下に説明する。

図４は、２つの面取り部分１６２，１６４を含んでいるターゲット１６０を具備する内輪１４を表わす。面取り部分１６２，１６４は、軸線Ｘ１を通過する対角線上において対向しており、それぞれ平坦な表面を有している。

図５は、３つの面取り部分２６２，２６４，２６６を含んでいるターゲット２６０を具備する内輪１４を表わす。面取り部分２６２，２６４，２６６は、軸線Ｘを中心として１２０°毎に配置されており、それぞれ平坦な表面を有している。

図６は、補助軸受１０と、ターゲット２６０及びセンサユニット１７０を具備する監視システム５０とを表わす。ターゲット２６０は、第１の実施例におけるターゲット６０に類似していても、異なるように構成されていても良い。センサユニット１７０は、横方向ホルダ１３３の内側に形成されたキャビティ１３７に位置決めされている。センサユニット１７０は、ターゲット６０を読み取るために、センサユニット７０の先端とは相違する先端を有している。

回転式機械１についての他の図示しない実施例も、本発明の技術的範囲に属する。特にステータ組立体３、ロータ組立体４、磁気軸受５、補助軸受１０、及び／又は監視システム５０も、本発明の技術的範囲に属する限り、他の構成や配置とされても良い。

図示しない実施例では、回転式機械１は、幾つかの磁気軸受５及び／又は幾つかの補助軸受１０を備えている。いかなる実施例であっても、回転式機械１は、少なくとも１つの磁気軸受５と少なくとも１つの補助軸受１０とを備えている。

他の図示しない実施例では、補助軸受１０は、単列玉軸受又は３列以上の複列玉軸受１１，１２を含んでいる。

他の図示しない実施例では、補助軸受１０は、ニードル軸受又は滑り軸受とされる。

他の図示しない実施例では、内輪１３がステータ組立体３に対して固定されており、外輪１４にはターゲット６０が形成されている。

他の図示しない実施例では、ターゲット６０，１６０、又は２６０には、少なくとも１つの面取り部分ではなく、少なくとも１つの穴が形成されている。

他の図示しない実施例では、幾つかのセンサユニット７０が軸線Ｘ１に関して対称に配置されている。好ましくは、内輪１４の位置情報から独立して速度情報を発生させるように、信号が互いに比較される。

さらに、様々な実施例の技術的特徴が完全に又は部分的に互いに組み合わされる場合がある。従って、回転式機械１及びその製造方法は、利用分野の特定の仕様に適合している。

１ 回転式機械
３ ステータ組立体
４ ロータ組立体
５ 磁気軸受
１０ 補助軸受
１１ 玉軸受
１２ 玉軸受
１３ 外輪
１４ 内輪
１５ 外輪
１６ 内輪
１７ 玉
１８ 玉
３１ ハウジング
３２ 管状ブッシュ
３３ 横方向ホルダ
３４ バッキング装置
４１ 中空シャフト
４２ 管状要素
４３ 環状要素
４４ 空間
５０ 監視システム
６０ ターゲット
６２ 面取り部分
６４ 面取り部分
７０ センサユニット
７２ プローブ
７４ ハウジング
７６ 伝送ケーブル
１３７ キャビティ
１６０ ターゲット
１６２ 面取り部分
１６４ 面取り部分
１７０ センサユニット
２６０ ターゲット
２６２ 面取り部分
２６４ 面取り部分
２６６ 面取り部分

Claims (14)

1. 中心軸線（Ｘ１）を中心として配置されているステータ組立体（３）及びロータ組立体（４）と、
   磁気軸受（５）と、
   補助軸受（１０）と、
   を備えている回転式機械（１）において、
   前記補助軸受（１０）が、
   前記ステータ組立体（３）に保持されている第１のリング（１３）と、
   前記ロータ組立体（４）の前記中心軸線（Ｘ１）に対するラジアル方向において間隙（Ｇ）を形成している第２のリング（１４）であって、第１の動作モードにおいて前記中心軸線（Ｘ１）を中心として回転せず、第２の動作モードにおいて前記中心軸線（Ｘ１）を中心として回転する前記第２のリング（１４）と、
   を備えており、
   前記回転式機械（１）が、前記第１の動作モードから前記第２の動作モードへの移行を検出するための監視システム（５０）を含んでおり、
   前記監視システム（５０）が、前記第２のリング（１４）に形成されているターゲット（６０；１６０；２６０）と、前記ステータ組立体（３）に対して固定されているセンサユニット（７０；１７０）とを備えており、
   前記補助軸受（１０）が、前記第２のリング（１４）を有している標準規格に適合する玉軸受とされ、
   前記ターゲット（６０；１６０；２６０）が、前記補助軸受（１０）を製造した後に再度機械加工することによって、前記第２のリング（１４）に形成されることを特徴とする回転式機械（１）。
2. 前記ターゲット（６０；１６０；２６０）が、前記第２のリング（１４）の非機能領域に、例えば前記第２のリング（１４）の外径及び外面に機械加工されていることを特徴とする請求項１に記載の回転式機械（１）。
3. 前記ターゲット（６０）が、少なくとも１つの面取り部分（６２，６４；１６２，１６４；２６２，２６４，２６６）を含んでいることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転式機械（１）。
4. 前記ターゲット（６０）が、少なくとも１つの穴を含んでいることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転式機械（１）。
5. 前記センサユニット（７０；１７０）が、前記磁気軸受（５）が通常動作している際に、前記第２の動作モードにおいて前記中心軸線（Ｘ１）を中心とする前記ターゲット（６０；１６０；２６０）の回転を検出することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転式機械（１）。
6. 前記センサユニット（７０；１７０）が、前記第１の動作モードにおいて前記ターゲット（６０；１６０；２６０）の振動を検出することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の回転式機械（１）。
7. 前記センサユニット（７０；１７０）が、高い耐圧性及び／又は耐腐食性を有する材料から作られているハウジング（７４）に収容又は封入されているプローブ（７２）を含んでいることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の回転式機械（１）。
8. 前記センサユニット（７０；１７０）が、渦電流プローブ（７２）を含んでいることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の回転式機械（１）。
9. 前記センサユニット（７０；１７０）が、磁気プローブ（７２）を含んでいることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の回転式機械（１）。
10. 前記センサユニット（７０；１７０）が、前記中心軸線（Ｘ１）回りの前記ターゲット（６０；１６０；２６０）の位置又は速度を検出することを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の回転式機械（１）。
11. 前記補助軸受（１０）が、前記第１のリング（１３）と前記第２のリング（１４）との間に配置されている中間リングを備えていないことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の回転式機械（１）。
12. 前記第１のリング（１３）が、前記補助軸受（１０）の外輪とされ、
    前記第２のリング（１４）が、前記補助軸受（１０）の内輪とされることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の回転式機械（１）。
13. 前記第１のリング（１３）が、前記補助軸受（１０）の内輪とされ、
    前記第２のリング（１４）が、前記補助軸受（１０）の外輪とされることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の回転式機械（１）。
14. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の回転式機械（１）を製造するための方法において、
    補助軸受（１０）の第２のリング（１４）にターゲット（６０；１６０；２６０）を形成するステップであって、前記補助軸受（１０）が、前記第２のリング（１４）を有している標準規格に適合する玉軸受とされ、前記ターゲット（６０；１６０；２６０）が、前記補助軸受（１０）を製造した後に再度機械加工することによって、前記第２のリング（１４）に形成される、前記ステップと、
    センサユニット（７０；１７０）をステータ組立体（３）に対して位置決めするステップと、
    前記ステータ組立体（３）とロータ組立体（４）と磁気軸受（５）と補助軸受（１０）とを取り付けるステップと、
    を備えていることを特徴とする方法。

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