JP6802028B2 - 磁気的機械的ベアリングを備えた回転機械 - Google Patents

Description

本発明は、磁界のおかげで能動的な磁気的ベアリングによって回転機械の重量および負荷を支持するための磁気的ベアリングを備えた回転機械の分野に関するものである。

とりわけ、本発明は、径方向において磁気的に懸架された回転子システムのための補助的な機械的ベアリングに関するものである。

鉛直方向の回転子構成を有した回転機械に、軸線方向のおよび径方向の磁気的ベアリングを設けることは、公知である。また、例えば磁気的ベアリングの過負荷時や電気的または電子的制御システムの故障時といったような磁気的ベアリングの故障時に回転子を支持し得るよう、補助的な機械的タッチダウンベアリングを設けることも、公知である。

本明細書には、先行技術文献は記載されていない。

磁気的ベアリングは、機械的な摩擦なしで動作するものの、連続的な電力の供給が必要である。

さらに、例えばフライホイールといったような、一定の一方向性のスラスト負荷を有した回転機械は、径方向の磁気的ベアリングの良好な動的性能を必要とするのみである。実際、軸線方向の磁気的ベアリングは、回転子の重量を支持するのみである。

本発明の１つの目的は、そのような軸線方向の磁気的ベアリングを備えていない回転機械を提供することであり、それによって、そのような回転機械の製造コストを低減することであるとともに、電力消費を低減することである。

回転機械が損傷しないことを完全に保証するためには、補助的な機械的タッチダウンベアリングを正確なサイズで形成する必要がある。

本発明の特別の目的は、固定子ケーシングを有した固定子と；回転軸線を有した回転子シャフトであるとともに、少なくとも１つの径方向の磁気的ベアリングによって固定子ケーシング内に支持された回転子シャフトと；を具備してなる回転機械を提供することである。

回転機械は、回転子シャフトの一方の端部の径方向表面の近傍に、軸線方向の機械的なスラストベアリングを具備している。この軸線方向の機械的なスラストベアリングは、回転子シャフトの回転軸線上に配置された転がり部材を有している。

一実施形態においては、転がり部材は、回転子シャフトの端部に対して軸線方向において直接的に接触し、これにより、回転子シャフトは、転がり部材上において恒久的に回転することができる。

軸線方向の機械的なスラストベアリングと回転子シャフトとの間の軸線方向接触は、径方向の磁気的ベアリングに対して径方向力を生成しない。

さらに、軸線方向の磁気的ベアリングを、そのような軸線方向の機械的なスラストベアリングによって代替することにより、電力消費および製造コストを低減することができる。

他の実施形態においては、軸線方向の機械的なスラストベアリングは、回転子シャフトの端部に対して軸線方向において接触しているとともに、固定子プレートと回転子シャフトの端部との間に設置されたベアリングを有し、このベアリングは、回転子シャフトの重量を支持し得るものとされ、固定子プレートは、転がり部材によって支持されている。この実施形態においては、回転子シャフトの下端部は、転がり部材に対して直接的に接触しておらず、ベアリングに対して直接的に接触している。このことは、転がり部材の摩耗を低減し、これにより、軸線方向の機械的なスラストベアリングの耐用年数を延ばすことができる。

有利には、固定子プレートは、弾性手段を介して固定子ケーシングに対して固定されている。

弾性手段により、径方向の磁気的ベアリングの機能を、軸線方向の機械的なスラストベアリングから、分離することができる。実際、固定子プレートが回転することはなく、転がり部材が、径方向において自由に転がることができ、回転子は、径方向の磁気的ベアリングのエアギャップ内において自由に移動することができる。径方向の磁気的ベアリングは、回転子の動きおよび位置を能動的に制御することができ、その機能が妨害されることがない。

例えば、弾性手段は、少なくとも３つのスプリングを有し、各スプリングは、固定子プレートの外周縁と、固定子ケーシングの内周縁との間で固定されている。

代替例においては、弾性手段は、固定子プレートを径方向に取り囲むＯ−リングを有している。

一実施形態においては、ベアリングは、固定子プレート上に設置された内側リングと、回転子シャフトの端部の径方向表面上に設置された外側リングと、内側リングと外側リングとの間に配置された少なくとも１つの列をなす複数の転がり部材と、を有している。

一実施形態においては、ベアリングは、内側リングと外側リングとの間に配置された２つの環状列をなす複数の転がり部材を有している。

一実施形態においては、回転子シャフトの回転軸線上に配置された転がり部材は、ボールである。

一実施形態においては、回転機械は、上側の径方向タッチダウンベアリングおよび下側の径方向タッチダウンベアリングを具備し、これにより、径方向の磁気的ベアリングの故障時に、回転子シャフトを径方向において支持することができる。

一実施形態においては、回転機械は、２つの径方向の磁気的ベアリングを具備している。

一実施形態においては、回転機械は、軸線方向の磁気的ベアリングを具備し、軸線方向の機械的なスラストベアリングは、軸線方向の磁気的ベアリングの故障時に、回転子シャフトの端部に対して軸線方向において接触するものとされている。この場合、転がり部材とシャフトの端部との間には、機械的なギャップが存在し、転がり部材は、補助的な軸線方向のタッチダウンベアリングとなる。

本発明およびその利点は、添付図面に図示された本発明を何ら制限することのない特定の実施形態に関する以下の詳細な説明により、明瞭に理解されるであろう。

本発明の第１実施形態による、能動的な径方向の磁気的ベアリングと軸線方向の機械的なスラストベアリングとを備えた回転機械を示す軸線方向の断面図である。 本発明の第２実施形態による、能動的な径方向の磁気的ベアリングと軸線方向の機械的なスラストベアリングとを備えた回転機械を示す軸線方向の断面図である。

回転機械１０の第１実施形態が、図１に示されている。この回転機械１０は、例えば、フライホイールや、鉛直方向の回転子構成を有した任意の回転機械、とすることができる。

回転機械１０は、固定子１２と、回転子１４と、を具備している。回転子１４は、鉛直方向軸線Ｘ−Ｘまわりに回転するシャフト１６を備えている。回転子のシャフト１６は、固定子１２のケーシング１８に対して、２つの径方向の磁気的ベアリング２０，２２によって、および、軸線方向の機械的なスラストベアリング２４によって、回転可能に支持されている。２つの径方向の磁気的ベアリング２０，２２は、互いに同じものとすることができ、回転子シャフト１６の両端部１６ａ，１６ｂのところに配置されている。

各々の径方向の磁気的ベアリング２０，２２は、環状電機子２０ａ，２２ａと、固定子電機子２０ｂ，２２ｂと、を有している。環状電機子２０ａ，２２ａは、強磁性材料からなるものであって、回転子シャフト１６の円筒形外表面１６ｃ上に取り付けられている。固定子電機子２０ｂ，２２ｂは、固定子ケーシング１８に対して固定されている。固定子電機子２０ｂ，２２ｂの各々は、従来的な態様で、固定子磁気回路を有している。固定子磁気回路は、１つまたは複数の環状コイルと強磁性ボディとを有してなるものであって、回転子電機子２０ａ，２０ｂに対して対向して配置されており、環状エアギャップΔ１を形成している。固定子電機子の詳細については、詳細な図示が省略されている。

図１に示すように、軸線方向の機械的なスラストベアリング２４は、固定子ケーシング１８の下端部１８ｂと、回転子シャフト１６の下端部１６ｂと、の間に配置されている。軸線方向の機械的なスラストベアリング２４は、回転子の重量を支持する。軸線方向の機械的なスラストベアリング２４は、例えばボール２４ａといったような転がり部材を備えている。転がり部材は、同じ回転軸線Ｘ−Ｘ上において、回転子シャフト１６の中心上に配置されている。ボール２４ａは、固定子ケーシング１８のうちの、回転子シャフト１６の下端部１６ｂに向けて延出された環状突起１８ｃによって、径方向において囲まれている。径方向のエアギャップΔ２が、環状突起１８ｃとボール２４ａとの間に形成されている。ボール２４ａは、回転子シャフト１６の下端部１６ｂに対して、軸線方向において直接的に接触している。これにより、回転子シャフト１６は、径方向の磁気的ベアリング２０，２２上に径方向力を発生させることなく、ボール２４ａ上において恒久的に回転する。

上側のタッチダウンベアリング２６が、回転子シャフト１６の上端部１６ａのところに配置されており、下側のタッチダウンベアリング２８が、回転子シャフト１６の下端部１６ｂのところに配置されている。これにより、径方向の磁気的ベアリング２０，２２の故障時には、回転子シャフト１６を径方向において中心合わせすることができる。上側のタッチダウンベアリング２６および下側のタッチダウンベアリング２８は、ボールベアリングのタイプのものとすることができる。

図２に示す実施形態は、図１に示す実施形態と比較して、軸線方向の機械的なスラストベアリングの構成のみにおいて、相違している。図２においては、同じ構成部材には、同じ符号が付されている。

図２に示すように、回転機械１０は、固定子１２と、回転子１４と、を具備している。回転子１４は、鉛直方向軸線Ｘ−Ｘまわりに回転するシャフト１６を備えている。回転子のシャフト１６は、固定子１２のケーシング１８に対して、２つの径方向の磁気的ベアリング２０，２２によって、および、軸線方向の機械的なスラストベアリング３０によって、回転可能に支持されている。２つの径方向の磁気的ベアリング２０，２２は、互いに同じものとすることができ、回転子シャフト１６の両端部１６ａ，１６ｂのところに配置されている。

各々の径方向の磁気的ベアリング２０，２２は、環状電機子２０ａ，２２ａと、固定子電機子２０ｂ，２２ｂと、を有している。環状電機子２０ａ，２２ａは、強磁性材料からなるものであって、回転子シャフト１６の円筒形外表面１６ｃ上に取り付けられている。固定子電機子２０ｂ，２２ｂは、固定子ケーシング１８に対して固定されている。固定子電機子２０ｂ，２２ｂの各々は、従来的な態様で、固定子磁気回路を有している。固定子磁気回路は、１つまたは複数の環状コイルと強磁性ボディとを有してなるものであって、回転子電機子２０ａ，２０ｂに対して対向して配置されており、環状エアギャップΔ１を形成している。固定子電機子の詳細については、詳細な図示が省略されている。

上側のタッチダウンベアリング２６が、回転子シャフト１６の上端部１６ａのところに配置されており、下側のタッチダウンベアリング２８が、回転子シャフト１６の下端部１６ｂのところに配置されている。これにより、径方向の磁気的ベアリング２０，２２の故障時には、回転子シャフト１６を径方向において中心合わせすることができる。上側のタッチダウンベアリング２６および下側のタッチダウンベアリング２８は、ボールベアリングのタイプのものとすることができる。

図２に示すように、軸線方向の機械的なスラストベアリング３０は、固定子ケーシング１８の下端部１８ｂと、回転子シャフト１６の下端部１６ｂと、の間に配置されている。軸線方向の機械的なスラストベアリング３０は、同じ回転軸線Ｘ−Ｘ上において回転子シャフト１６の中心上に配置されており、回転子の重量を支持する。軸線方向の機械的なスラストベアリング３０は、例えばボール３２といったような転がり部材を備えている。転がり部材は、固定子ケーシング１８のうちの、回転子シャフト１６の下端部１６ｂに向けて延出された環状突起１８ｃによって、径方向において囲まれている。径方向のエアギャップΔ２が、環状突起１８ｃとボール３２との間に形成されている。

軸線方向の機械的なスラストベアリング３０は、さらに、ロールベアリング３４を備えている。ロールベアリング３４は、固定子プレート３６と回転子シャフト１６の下端部１６ｂとの間に取り付けられたものであって、回転子の重量を支持し得るよう構成されている。

ボール３２は、固定子プレート３６の下表面３６ｂに対して、軸線方向において直接的に接触している。これにより、ボールの摩耗を低減し得るとともに、これにより、軸線方向の機械的なスラストベアリングの耐用年数を延ばすことができる。

固定子プレート３６は、弾性手段３８によって、固定子ケーシング１８に対して固定されている。弾性手段３８は、例えば３つのスプリングを有しており、各スプリングは、固定子プレート３６の外周端と固定子ケーシング１８の内周縁１８ｄとに対して固定されている。代替例においては、弾性手段は、固定子プレート３６を径方向に取り囲むＯ−リングを有することができる、あるいは、固定子プレート３６を径方向に取り囲む波状の金属リボンを有することができる。弾性手段のおかげで、径方向の磁気的ベアリング機能を、軸線方向の機械的なスラストベアリングから分離することができる。

図示のように、ロールベアリング３４は、固定子プレート３６の上面３６ａに対して固定された内側リング３４ａと、回転子シャフト１６の下端部１６ｂの径方向表面上に設置された外側リング３４ｂと、内側リング３４ａと外側リング３４ｂとの間に配置された環状列をなす複数の転がり部材３４ｃ，３４ｄと、を有している。ロールベアリングのおかげで、固定子プレートが回転することはない。

軸線方向の機械的なベアリングのそのような特別の構成により、ボール３２は、径方向において自由に転がることができ、回転子１６は、径方向の磁気的ベアリング２０，２２の径方向エアギャップΔ１内において自由に移動することができる。よって、径方向の磁気的ベアリングは、回転子の動きおよび回転子の位置を能動的に制御することができ、軸線方向の機械的なスラストベアリング３０によって妨害されることがない。

第２実施形態につき、内側リングと外側リングとの間において径方向に配置された少なくとも一列の転がり部材が設けられたロールベアリングを備えた軸線方向の機械的なスラストベアリングに基づいて、上述した。これに代えて、ロールベアリングは、滑りベアリングや、１つまたは２つのリングを有したスライドベアリング、とすることができる。

代替例においては、添付図面に図示された各実施形態を、軸線方向の磁気的ベアリングを備えた回転機械に対して適用することができる。軸線方向の磁気的ベアリングを備えた回転機械の場合には、軸線方向の機械的なスラストベアリングは、電源の遮断や過負荷のために軸線方向の磁気的ベアリングが故障した際に、機能する。軸線方向の機械的なスラストベアリングは、径方向の磁気的ベアリングの機能を妨害することがない安全ベアリングを提供する。よって、通常の動作時には、軸線方向の機械的なスラストベアリングと回転子シャフトとの間には、機械的なギャップが存在する。

本発明により、回転機械の製造コストおよび電力消費は、径方向の磁気的ベアリングの機能を妨害することなく、低減される。

１０ 回転機械
１２ 固定子
１６ 回転子シャフト
１６ｂ 端部
１８ 固定子ケーシング
２０ 径方向の磁気的ベアリング
２２ 径方向の磁気的ベアリング
２４ 軸線方向の機械的なスラストベアリング
２４ａ 転がり部材
３０ 軸線方向の機械的なスラストベアリング
３２ 転がり部材
３４ ベアリング
３６ 固定子プレート
３８ 弾性手段
Ｘ−Ｘ 回転軸線

Claims (10)

1. 回転機械（１０）であって、
   固定子ケーシング（１８）を有した固定子（１２）と；
   回転軸線（Ｘ−Ｘ）を有した回転子シャフト（１６）であるとともに、少なくとも１つの径方向の磁気的ベアリング（２０，２２）によって前記固定子ケーシング（１８）内に支持された回転子シャフト（１６）と；
   を具備してなり、
   前記回転機械（１０）が、前記回転子シャフト（１６）の一方の端部（１６ｂ）の径方向表面の近傍に、軸線方向の機械的なスラストベアリング（２４，３０）を具備し、
   前記軸線方向の機械的なスラストベアリング（２４，３０）が、前記回転子シャフト（１６）の前記回転軸線（Ｘ−Ｘ）上に配置された転がり部材（２４ａ，３２）を有しており、
   前記軸線方向の機械的なスラストベアリング（３０）が、前記回転子シャフト（１６）の前記端部（１６ａ）に対して軸線方向において接触しているとともに、固定子プレート（３６）と前記回転子シャフト（１６）の前記端部（１６ｂ）との間に設置されたベアリング（３４）を有し、
   前記ベアリング（３４）が、前記回転子シャフトの重量を支持し得るものとされ、
   前記固定子プレート（３６）が、転がり部材（３２）によって支持されている、
   ことを特徴とする回転機械。
2. 請求項１記載の回転機械において、
   前記固定子プレート（３６）が、弾性手段（３８）を介して前記固定子ケーシング（１８）に対して固定されている、
   ことを特徴とする回転機械。
3. 請求項２記載の回転機械において、
   前記弾性手段（３８）が、少なくとも３つのスプリングを有し、
   各スプリングが、前記固定子プレート（３６）の外周縁と、前記固定子ケーシング（１８）の内周縁（１８ｄ）との間で固定されている、
   ことを特徴とする回転機械。
4. 請求項２記載の回転機械において、
   前記弾性手段が、前記固定子プレートを径方向に取り囲むＯ−リングを有している、
   ことを特徴とする回転機械。
5. 請求項２〜４のいずれか１項に記載の回転機械において、
   前記ベアリング（３４）が、前記固定子プレート（３６）上に設置された内側リング（３４ａ）と、前記回転子シャフト（１６）の前記端部（１６ｂ）の径方向表面上に設置された外側リング（３４ｂ）と、前記内側リング（３４ａ）と前記外側リング（３４ｂ）との間に配置された少なくとも１つの列をなす複数の転がり部材（３４ｃ，３４ｄ）と、を有している、
   ことを特徴とする回転機械。
6. 請求項５記載の回転機械において、
   前記ベアリング（３４）が、前記内側リング（３４ａ）と前記外側リング（３４ｂ）との間に配置された環状列をなす複数の転がり部材（３４ｃ，３４ｄ）を有している、
   ことを特徴とする回転機械。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の回転機械において、
   前記回転子シャフト（１６）の前記回転軸線（Ｘ−Ｘ）上に配置された前記転がり部材（２４ａ，３２）が、ボールである、
   ことを特徴とする回転機械。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の回転機械において、
   上側の径方向タッチダウンベアリング（２６）および下側の径方向タッチダウンベアリング（２８）を具備し、
   これにより、前記径方向の磁気的ベアリング（２０，２２）の故障時に、前記回転子シャフト（１６）を径方向において支持することができる、
   ことを特徴とする回転機械。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の回転機械において、
   ２つの径方向の磁気的ベアリング（２０，２２）を具備している、
   ことを特徴とする回転機械。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の回転機械において、
    軸線方向の磁気的ベアリングを具備し、
    前記軸線方向の機械的なスラストベアリング（２４，３０）が、前記軸線方向の磁気的ベアリングの故障時に、前記回転子シャフト（１６）の前記端部（１６ｂ）に対して軸線方向において接触するものとされている、
    ことを特徴とする回転機械。

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