JP6946552B2 - 軸受内軸受を備えた装置 - Google Patents

Description

本発明は、軸受内軸受を備えた装置に関する。

具体的には、本発明は高速用途を対象とする。

高速用途のための軸受には課題があることが知られている。

典型的な高速用途は、シャフト上でインペラが超高速回転する、いわゆるターボ圧縮機である。また、スクリュー圧縮機、とりわけオイルフリースクリュー圧縮機、スクリュー真空ポンプ及びターボ分子真空ポンプにも、超高速回転するシャフトが存在する。

従って、このような用途で使用される軸受は、これらの超高速に対処する必要がある。

通常、軸受の用途は、（毎分回転数又はｒｐｍ単位の）速度ｎと（ミリメートル又はｍｍ単位の)平均軸受直径ｄｍとの積を表す、英語では「速度係数」としても知られている、いわゆる「ｎ．ｄｍ」値を用いた速度の観点から特徴付けられる。

別のアナログ定義には、（ｍｍ単位の）内径に（ｒｐｍ単位の）速度を乗算した「ＤＮ」がある。以下では、「ｎ．ｄｍ」値を使用する。

これらの「ｎ．ｄｍ」の値は１×１０⁶〜２×１０⁶に及び、上記の高速用途ではさらに高い値にまで及ぶ。

多くの場合、「ｎ．ｄｍ」が２×１０⁶よりも高い用途の場合には、磁石軸受又は空気軸受が使用される。しかしながら、磁石軸受は、高価なだけではなく複雑でもあるという不利点を有する。さらに、これらの磁石軸受は、空気軸受と同様に特定用途のために設計され、従って限られた使用範囲にしか適さないことが多い。空気軸受は、磁石軸受よりも構造面は単純であるが、やはりこれらの軸受の堅牢性は極めて重要である。

ころ軸受は、磁石軸受又は空気軸受に比べて大幅に複雑度が低いが、高速用途に適するには、ローラ要素、場合によっては軸受リングにもセラミック材料などの非常に高度な材料を使用しなければならず、ケージには適合材料を使用しなければならない。さらに、これらのころ軸受は、極めて正確な公差で特別に設計しなければならず、給油及び油質を純度などの面で非常に厳密に制御しなければならない。このことは、このようなころ軸受が高速に対処できることを意味する。しかしながら、磁石軸受及び空気軸受が使用される超高速では、このようなころ軸受の動作条件が依然として極めて重要であるため、これらのころ軸受の十分に長い寿命を保証することはできない。

軸受内軸受構成は、例えば仏国特許第５８２６６１号において既に知られている。このような既知の軸受内軸受構成は、半径方向外面上に軌道（ｒａｃｅｗａｙ）を有する内側リングと、半径方向内面及び外面上に軌道を有する中間リングと、半径方向内面上に軌道を有する外側リングとを含む。さらに、このような既知の軸受内軸受構成は、２組のローラ要素、すなわち内側リング及び中間リングの軌道と転がり接触する第１のローラ要素の組と、中間リング及び外側リングの軌道と転がり接触する第２のローラ要素の組とを含む。ここで言う軌道は、内側リング、中間リング及び外側リングである軸受リング上でローラ要素が緩む（ｕｎｗｉｎｄ）場所を意味する。ローラ要素が球形である場合、軌道は、軸受リング上の狭い轍である。ローラ要素が円筒形である場合、軌道は、円筒ローラ要素と同じ幅の轍である。

従って、このような既知の軸受内軸受構成は、言うなれば２つの同心状の軸受から成ることにより、外側軸受の内側リングが内側軸受の外側リングとしても機能し、又は上記外側軸受の内側リングと上記内側軸受の外側リングとが結合して軸受内軸受の中間リングを形成する。

このような軸受内軸受では、速度が２つの軸受にわたって分散又は分割される。このように、少なくとも理論上は、「ｎ．ｄｍ」値が両軸受にわたって分散されるはずである。

このような概念は既に知られているが、高速で良好に機能するには、このような軸受内軸受の中間リングを駆動することによってその速度を制御できなければならない。

中間リングを駆動させず、従って両軸受が互いに自由に回転して、一方の被駆動軸受が言うなれば摩擦のみによって他方を推進する場合には、速度が両軸受にわたって十分に分散しないことによって２つの軸受の一方の「ｎ．ｄｍ」値が高くなりすぎる恐れがある。こうなると、全体的な「ｎ．ｄｍ」値を低下させるという軸受内軸受の所期の目的は否定され、内側リング及び外側リングを有する従来の単一の軸受を同じ用途で使用した時よりも状況が悪化してしまう恐れもある。

中間リングを駆動する解決策は、例えば歯車、ベルト及び／又は他の軸受を使用して機械的又は運動学的にリンクさせた解決策などが既に知られている。このような解決策は、東独国特許第４９，７２９号、英国特許第６４７，００２号、米国特許第４，６１８，２７１号、特開平０２−８５１２号及び特開昭６２−４１４２２号に図示及び記載がある。

上記解決策には、複雑かつ高価であるという不利点がある。さらに、これらの解決策は、高速で機能しなければならないことによって非常に故障を起こしやすいさらなる機械システムを含むため、信頼性が低い。

仏国特許第５８２６６１号明細書 東独国特許第４９，７２９号明細書 英国特許第６４７，００２号明細書 米国特許第４，６１８，２７１号明細書 特開平０２−８５１２号公報 特開昭６２−４１４２２号公報 米国特許第５，６３３，５５５号明細書

Ｋ．Ａｔａｌｌａｈ、Ｄ．Ｈｏｗｅ著、「新規高性能磁気歯車（Ａ ｎｏｖｅｌ ｈｉｇｈ−ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｇｅａｒ）」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ、第３７巻、第４号、２００１年７月 Ｘｉａｏｘｕ Ｚｈａｎｇ、Ｘｉａｏ Ｌｉｕ、Ｃｈａｏ Ｗａｎｇ及びＺｈｅ Ｃｈｅｎ著、論文「同軸的表面実装型永久磁石磁気歯車の分析及び設計最適化（Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｃｏａｘｉａｌ Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ−Ｍａｇｎｅｔ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｇｅａｒ）」、ｏｐｅｎ ａｃｃｅｓｓ ｊｏｕｒｎａｌ Ｅｎｅｒｇｉｅｓ、２０１４年１２月２２日

本発明の目的は、上述の及び／又はその他の不利点のうちのいずれか１つに対する解決策を提供することである。

本発明の目的は、内側リングと、中間リングと、外側リングとを含む軸受内軸受を備えた装置であって、内側リングと中間リングとの間、及び中間リングと外側リングとの間に、内側ローラ要素及び外側ローラ要素がそれぞれ設けられ、内側リング及び外側リングを有する軸受内軸受が装置内の２つの部品間に設けられ、これらの部品は、互いに対して、シャフトに対して、及びハウジングに対して回転することができ、２つの部品の一方の部品が駆動装置に接続され又は接続することができ、装置が、中間リングを駆動するために、中間リングと被駆動部品との間に伝動装置を備え、この伝動装置は非接触型伝動装置である、装置である。

非接触型伝動装置は、中間リングに接続された伝動装置の一部と、被駆動部品に接続された伝動装置の一部との間に（物理的）接触が存在しない伝動装置を意味することができる。

この非接触は、部品間の物理的断絶又は間隙を使用して達成することができる。

中間リングを駆動することにより、その速度が軸受内軸受にわたって適切に分散又は分割されるように速度を制御できる点が利点である。

別の利点は、中間リングと被駆動部品との間に伝動装置が取り付けられることにより、駆動生成された（ｄｒｉｖｅ−ｇｅｎｅｒａｔｅｄ）トルクによって伝動装置が使用されて中間リングを駆動し、外部モータ、駆動装置又はその他の電源が不要な点である。換言すれば、さらなるエネルギー源及び／又はエネルギー供給装置が不要である。

さらなる利点は、中間リングの非接触的推進により、摩耗及び断裂又は不具合の影響を受けやすく高速での動作を不可能にする歯車、ベルト又はその他の機械的連結部を使用する必要がない点である。

実用的な実施形態では、伝動装置が、中間リングを非接触的に駆動できるようにするために、被駆動軸受リングの回転と共に回転するように配置された１又は２以上の永久磁石を含む。被駆動軸受リングは、駆動装置に接続された又は接続できる部品に接続された結果として被駆動部品と共に同じ速度で回転する、軸受内軸受の軸受リングを意味する。

被駆動軸受リングと共に回転するように構成された上記１又は２以上の永久磁石は、例えば、好ましくは軸受リングに対して同心状に配置されて被駆動軸受リングに接続されたリング内に設けることができる。

さらなる実用的な実施形態では、中間リングが、好ましくは非磁性である導電性材料の制動リングに接続される。この中間リングは、軸受リングに対して同心状に配置されることが好ましい。１又は２以上の永久磁石と制動リングとの間には間隙が設けられる。

この時、被駆動軸受リングと共に回転するように構成された１又は２以上の永久磁石は、この制動リングにいわゆる渦電流を誘発する。

好ましくは非磁性である導電性材料の制動リングの周囲には、永久磁石によって発生した磁場が内部に閉ざされるように導磁性材料のリングも存在することが好ましい。

このように、導電性材料のリングを通じて最大磁場が伝えられ、その内部には多くの渦電流が発生する。これにより、この好ましくは非磁性である導電性材料のリングも回転し、従って中間リングも回転するようになる。この現象は、「磁気抗力」としても知られている。

１又は２以上の永久磁石と、好ましくは非磁性である導電性材料の制動リングとの間の間隙の幅は、１．５ミリメートル未満であることが好ましく、１ミリメートル未満であることがさらに好ましく、約０．５ミリメートルであることが好ましい。

別の実用的な実施形態では、伝動装置が、伝動装置の間隙内に位置する薄い流体膜を含む。

この薄い流体膜は、被駆動軸受リングに接続されたリングと、中間リングに接続されたリングとの間の間隙において適用することができる。

適切な流体は、軸受自体を潤滑化するために使用できる、例えば油又は別の潤滑剤である。

間隙の厚みは、１００マイクロメートル以下であることが好ましい。

動作は単純であり、以下の通りである。被駆動軸受リングが回転すると、被駆動軸受リングに接続されたリングも同時に回転する。被駆動軸受リングに接続されたリングと、中間リングに接続されたリングとの間の間隙内の薄い流体膜にわたるいわゆる粘性摩擦により、被駆動軸受リングに接続されたリングは、中間リングに接続されたリングにトルクを伝えて、中間リングに接続されたリングと、従って中間リング自体も回転させる。この力は、「粘性抗力」として知られている。

被駆動軸受リングと共に回転する１又は２以上の永久磁石によって中間リングが非接触的に駆動される場合、さらなる実用的な実施形態は、
− 永久磁石を含む第１のリングに接続された被駆動軸受リングと、
− 磁極片を含むリングに接続された中間リングと、
− 永久磁石を含む第２のリングに接続された非被駆動軸受リングと、
から成る。

磁極片は、導磁性材料のブロックであり、従っていわゆる磁力線を引き寄せる高い透磁率を有する。

第１のリングと磁極片を含むリングとの間、及び磁極片を含むリングと第２のリングとの間には、最大２ミリメートルの、好ましくは最大１ミリメートルの、さらに好ましくは最大０．５ミリメートルの厚みを有する狭い間隙が常に設けられることが好ましい。

永久磁石を含む上記第１のリング及び第２のリングにおける永久磁石の数、及び磁極片を含むリングにおける磁極片の数は、被駆動軸受リングに対して中間リングが回転しなければならない速度に適合するように選択されることが好ましい。

中間リングに作用する駆動トルクは、永久磁石を含むリング及び磁極片を含むリングのパラメータを選択することにより、中間リングを所望の速度に到達するように駆動して、とりわけ軸受の摩擦損失及び空力的損失などの他の損失に打ち勝つために過不足がないように選択されることが好ましい。

このように、永久磁石を含むリング及び磁極片を含むリングの寸法を制限することによってユニットをコンパクトにすることができる。コンパクトな実施形態は、安価であるとともに、例えば他のモード形及び振動問題の原因となり得る長いシャフトなどのマイナスの副作用を引き起こす恐れがある大きな調整を伴わずに、このような軸受内軸受を機械に一体化しやすくする。

このような駆動装置又は伝動装置は、「磁気駆動装置」又は「磁気歯車」としても知られている。このような「磁気駆動装置」及び／又は「磁気歯車」駆動装置及び／又は伝動装置、及びその設計は、米国特許第５，６３３，５５５号、並びに２０１４年１２月２２日に出版されたｏｐｅｎ ａｃｃｅｓｓ ｊｏｕｒｎａｌ Ｅｎｅｒｇｉｅｓにおける、Ｘｉａｏｘｕ Ｚｈａｎｇ、Ｘｉａｏ Ｌｉｕ、Ｃｈａｏ Ｗａｎｇ及びＺｈｅ Ｃｈｅｎによる論文「同軸的表面実装型永久磁石磁気歯車の分析及び設計最適化（Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｃｏａｘｉａｌ Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ−Ｍａｇｎｅｔ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｇｅａｒ）」に記載されている。

本発明による、「磁気抗力」及び／又は「粘性抗力」を使用して中間リングを駆動する軸受内軸受を含む装置のさらなる実用的な実施形態では、中間リングが、電磁力によって非接触的に減速され、中間リングが、好ましくは非磁性である導電性材料で形成されたリングに接続され、軸受内軸受を含む装置が固定電磁石を備え、好ましくは非磁性である導電性材料で形成されたリングと電磁石との間に間隙が存在し、電磁石が、この間隙を横切って、好ましくは非磁性である導電性材料のリング内に電磁場を形成することができる。

好ましくは非磁性である導電性材料のリングの電磁石から離れる方向を向いた側には導磁性材料のリングが配置され、電磁石によって発生した磁場がその内部に閉ざされることが好ましい。

このようにすると、電磁石によって発生した磁場が、好ましくは非磁性である導電性材料のリングを通じて最大限に導かれる。

従って、中間リングが回転すると、好ましくは非磁性である導電性材料で形成されたリングの電磁石を使用して電磁場を形成することによって、好ましくは非磁性である導電性材料で形成されたリングに渦電流を発生させることにより、好ましくは非磁性である導電性材料で形成されたリングをいわゆる渦電流ブレーキの場合と全く同様に減速させることができる。

従って、単に電磁石の励起を調節し、すなわち周波数、電流及び／又は電圧をオン又はオフに切り替えることにより、好ましくは非磁性である導電性材料で形成されたリングと、従って中間リングとが所望の速度で回転するように制動を調節することが可能である。

装置は、センサ測定値を使用して電磁石の励起を制御することによって、好ましくはいわゆる閉ループで中間リングの速度を正確に調節するために、中間リングの速度を測定するセンサを備えることが好ましい。この測定は、センサを使用して直接行うこともできるが、機械の動作状態についての他のパラメータから間接的に導出することもできる。

これにより、装置は、例えば上記センサの出力に基づいて電磁石の励起を調節するステアリングユニット又はコントローラなどの調節器を備えることが好ましい。

中間リングの速度は、例えば軸受内軸受の異なる速度レベル又は負荷レベルに合わせて、軸受内軸受を構成する軸受の速度間の他の比率を設定するために調節することができる。

従って、例えば本発明による軸受内軸受をシャフト上に支持するターボ機械の静止パターンと比べて、例えば起動時に別の速度比を設定することができる。

軸受内軸受を構成する両軸受について同様の摩耗及び断裂を達成し、従って軸受内軸受全体の寿命を最大化するために、時間の経過と共に速度比を調整することも可能である。

実用的な実施形態では、中間リングが、圧入又は同様のものを使用して互いに取り付けられて全体を形成する２つの同心リングで構成され、内側の同心リングは、内側リング及び内側ローラ要素と共に第１の軸受を形成し、外側の同心リングは、外側リング及び外側ローラ要素と共に、第１の軸受の周囲に同心状に設けられた第２の軸受を形成する。

この利点は、２つの既存の又は標準的な軸受を使用して軸受内軸受を構成できる点である。

当然ながら、本発明によれば、専用の中間リングを使用して軸受内軸受を形成することも排除されるものではない。

本発明は、内側リングが駆動されて外側リングが固定されたままの軸受内軸受を含む装置（回転シャフト）、及び外側リングが駆動されて内側リングが固定されたままの軸受内軸受を含む装置（固定シャフト）の両方に関する。

好ましい実施形態では、内側リング、中間リング及び内側ローラ要素、及び／又は、中間リング、外側リング及び外側ローラ要素が、以下のタイプの軸受のうちの１つを形成する。
− 単列又は複列玉軸受、
− 単列又は複列アンギュラコンタクト玉軸受、
− ４点軸受、
− 単列又は複列シリンダ軸受、
− 円錐ころ軸受、
− スイベルジョイントころ軸受、
− ニードル軸受、
− スラスト玉軸受、
− 円筒ローラスラスト軸受。

本発明は、このような全ての標準的な軸受タイプについて実現することができ、このことは本発明の汎用性及び可能性を示す。

本発明は、油潤滑された軸受内軸受を含む装置、及びグリース潤滑された軸受内軸受を含む装置の両方に関する。両タイプは、標準的な軸受にとって通常の速度よりも速い、すなわち油潤滑の場合には１．５×１０⁶「ｎ．ｄｍ」を上回る、又は２．０×１０⁶「ｎ．ｄｍ」を上回る、さらには２．６×１０⁶「ｎ．ｄｍ」を上回る速度に、グリース潤滑の場合には、１×１０⁶「ｎ．ｄｍ」を上回る、又は１．３×１０⁶「ｎ．ｄｍ」を上回る、さらには１．６×１０⁶「ｎ．ｄｍ」を上回る速度に適している。

従って、このような軸受内軸受は、磁気軸受又は空気軸受の代わりに使用することができる。従って、状況によっては、投資及びメンテナンスの面で高価なだけでなく常に油汚染のリスクを伴う油軌道（ｏｉｌ ｒａｃｅｗａｙ）が不要になるように、油潤滑式高速軸受ではなくグリース潤滑式軸受内軸受を使用することも可能である。

本発明は、インペラを含む少なくとも１つのシャフトの軸受のための本発明による装置を含むターボ機械にも関する。

本発明は、ロータを含む少なくとも１つのシャフトの軸受のための本発明による装置を含むスクリュー圧縮機に関することもできる。スクリュー圧縮機は、スクリュー真空ポンプ又はスクリューブロワに関することもできる。

以下、本発明の特徴をより良好に示す目的で、本発明による軸受内軸受のいくつかの好ましい実施形態を、添付図面を参照しながら限定的な性質を一切伴わずにほんの一例として説明する。

本発明による軸受内軸受の前面を概略的に示す図である。 本発明による軸受内軸受の後面を概略的に示す図である。 図１の線ＩＩＩ−ＩＩＩに従う断面を示す図である。 図３の別の実施形態を示す図である。 図３の別の実施形態を示す図である。 図５の軸受内軸受の斜視図を概略的に示す図である。 図３のさらに別の実施形態を示す図である。

図１〜図３に示す軸受内軸受１は、内側リング２と、中間リング３と、外側リング４とで構成される。

内側リング２と中間リング３との間には内側ローラ要素５が設けられ、外側リング４と中間リング３との間には外側ローラ要素６が設けられる。

この例では、軸受内軸受１が、２つの標準的な玉軸受、すなわち同心状の外側玉軸受９及び内側玉軸受１０で構成され、中間リング３が、２つの同心状の軸受リング、すなわち外側玉軸受９の内側リング７及び内側玉軸受１０の外側リング８と、場合によってはリングなどのさらなる追加部品とで構成される。

外側玉軸受９の内側リング７は、圧入などを使用して内側玉軸受１０の外側リング８に取り付けられて、軸受内軸受１の中間リング３を形成する。

図３に明確に示すように、軸受内軸受１は、回転シャフト１１の周囲に設けられ、軸受内軸受１の内側リング２が、回転シャフト１１からのトルクによって駆動される被駆動軸受リングである。

軸受内軸受１の外側リング４は、ハウジング１２内に取り付けられる。

上記回転シャフト１１は、例えば圧縮機要素のスクリューロータのシャフトとすることができ、上記ハウジング１２は、例えば圧縮機ハウジングとすることができる。

しかしながら、軸受内軸受１は、例えばターボ圧縮機、膨張器、真空ポンプ、ターボ分子ポンプ、スピンドル、モータ、タービン、ジェットエンジンなどの他の多くの機械で使用することもできる。

内側リング２が回転シャフト１１からのトルクによって直接駆動される本発明によれば、中間リング３がこのトルクの一部によって非接触的に駆動される。

図１〜図４の実施形態では、この駆動がいわゆる磁気歯車によって行われる。

図３で分かるように、内側リング２は、永久磁石１４を含む第１のリング１３に接続され、中間リング３は、磁極片１８を含むリング１５に接続される。

磁極片１８は、導磁性材料のブロックである。

リング１５を構成する他の材料は、磁極片１８を適所に保持し、この材料内ではさらなる電磁損失が全く又はほとんど発生しないように、例えば合成材料又は複合材料などの非磁性かつ非導電性の材料であることが好ましい。

永久磁石１４を含む第１のリング１３と、磁極片１８が固定された非磁性かつ非導電性材料のリング１５との間には、間隙１６ａが存在する。

この間隙１６ａは、約０．５ｍｍの厚みを有する。

本発明によれば、この間隙１６ａの厚みは１．５ｍｍ未満であり、１ｍｍ未満であることが好ましい。

さらに、外側リング４は、永久磁石１７を含む第２のリング１９に接続される。

また、永久磁石１７を含む第２のリング１９と磁極片１８を含むリング１５との間には間隙１６ｂが存在し、間隙１６ｂも、１．５ｍｍ未満であることが好ましく、１ｍｍ未満であることがさらに好ましい。この例では、間隙１６ｂが０．５ｍｍの厚みを有する。

永久磁石１４及び１７をそれぞれ含む第１のリング１３及び第２のリング１９、並びに磁極片１８を含むリング１５は、共同して磁気歯車伝動装置２０又は「磁気歯車」を形成する。このような磁気歯車伝動装置２０は、米国特許第５，６３３，５５５号、及びＫ．Ａｔａｌｌａｈ、Ｄ．Ｈｏｗｅ著、「新規高性能磁気歯車（Ａ ｎｏｖｅｌ ｈｉｇｈ−ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｇｅａｒ）」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ、第３７巻、第４号、２００１年７月、に記載されている。

永久磁石１４及び１７には、リング１３及び１９の回転時に交番磁場が誘発されるように交番極性が配置される。永久磁石１４及び１７は、それぞれこのようなリング内の磁石の数の半分に等しい特定数の磁極対を形成する。第１のリング１３内の永久磁石１４の数に一致する磁極対の数、第２のリング１９内の永久磁石１７の数に一致する磁極対の数、及びリング１５内の磁極片１８の数は、中間リング３が内側リング２に対して回転しなければならない速度に応じて選択される。これらの関数は、文献から公知である。

中間リング３が内側リング２、すなわち被駆動軸受リングに対して回転しなければならない速度は、軸受内軸受１が使用される用途に依存する。

永久磁石１４を含む上記第１のリング１３及び第２のリング１９内の永久磁石１４、１７の数、及び磁極片１８を含むリング１５内の磁極片１８の数は、中間リング３が被駆動軸受リングの速度よりも遅い速度で、好ましくは被駆動軸受リングの半分の速度に概ね等しい速度で回転するように決定されることが好ましい。

装置１の動作は非常に単純であり、以下の通りである。

使用中、シャフト１１が回転することにより、シャフト１１に取り付けられた内側リング２がシャフト１１の速度で回転する。

内側リング２と共に、永久磁石１４を含む第１のリング１３も回転する。

永久磁石１４は、間隙１６ａを横切って、リング１５に固定された磁性材料の磁極片１８にわたって閉ざされる磁場を発生させる。リング１５は、中間リング３に接続される。

同様に、回転しない永久磁石１７が、間隙１６ｂを横切って、リング１５に固定された磁性材料の磁極片１８にわたって閉ざされる磁場を発生させる。

離散数の永久磁石１４及び１７、及び離散数の磁極片１８により、空隙１６ａ及び１６ｂ内に変調磁場が得られる。上述したような文献から周知の公式に基づいて、永久磁石１４の数と、磁極片１８の数と、永久磁石１７の数との間の適切な関係を選択することにより、空隙１６ａ及び１６ｂ内の変調場が同期的に相互作用して、中間リング３を内側リング２の速度に対して特定の比率で回転させる。

このように、中間リング３は、高周波コントローラを含む電気モータを必要とせずに駆動シャフト１１に対して特定の速度比で回転する。

中間リング３が磁気歯車伝動装置２０によって内側リング２に対して特定の速度で駆動されることにより、第１のリング１３内の永久磁石１４の数、第２のリング１９内の永久磁石１７の数、及びリング１５内の磁極片１８の数によって速度間の関係が固定され決定される。

図１〜図３に示すようなシステムは、能動的制御を一切使用しない完全受動システムである。これらの図に示すような実施形態は、単純で比較的安価で堅牢であることが明らかである。

図４に、図１による変形例を示しており、この例では、２つの隣接する軸受内軸受１間に磁気歯車伝動装置２０が取り付けられた二重軸受内軸受１を示す。

或いは、換言すれば、図３の磁気歯車伝動装置２０の横にさらなる軸受内軸受１が取り付けられる。

図４に示すように、磁極片１８を含むリング１５に両方の中間リング３が接続される。

同様に、永久磁石１４を含む第１のリング１３及び永久磁石１７を含む第２のリング１９に、両方の内側リング２及び両方の外側リング４がそれぞれ接続される。

換言すれば、磁気歯車伝動装置２０は、両方の軸受内軸受１を制御する。その他の動作は、前の実施形態と完全に同様である。

図５及び図６には別の実施形態を示しており、この例では、中間リング３が「磁気抗力」によって非接触的に駆動され、被駆動内側リング２が、永久磁石１４を含む第１のリング１３に接続され、中間リング３が制動リング２７に接続される。

図５には、この制動リング２７の潜在的実施形態を示す。この例の制動リングは、例えば鋼などの導磁性材料のリング２８と、例えばアルミニウムなどの導磁性ではなく導電性である材料の２つのリング２９ａ及び２９ｂとから成り、これらはリング２８の内側又は外側にそれぞれ同心状に取り付けられる。

永久磁石１４を含む第１のリング１３と導電性材料のリング２９ａとの間には、間隙１６ａが存在する。この間隙の厚みは、約０．５ｍｍである。本発明によれば、この間隙１６ａの厚みが１．５ｍｍ未満であり、１ｍｍ未満であることが好ましい。

永久磁石１４は、第１のリング１３が回転した時に、空隙１６ａ、及び導磁性ではなく導電性である材料のリング２９ａに交番磁場が誘発されて導磁性材料のリング２８内に閉ざされるように交番極性で配置される。リング２９ａの材料は導電性であるため、交番磁場にいわゆる渦電流が発生し、いわゆる渦電流損失をもたらす。これらの損失を補償するために、リング２９ａと、従って制動リング２７も回転し始める。従って、制動リング２７は「磁気抗力」によって駆動される。

この「磁気抗力」が制動リング２７を駆動するトルクは、誘導磁場の強度、リング１３と制動リング２７との間の速度差、並びに制動リング２７の構造及び材料特性などの異なる要因に依存する。

例えば、間隙１６ａの適切な厚み、永久磁石１４の数、及びこれらの磁気強度を選択することにより、中間リング３が特定の軸受内軸受用途にとって望ましい速度よりも速く回転するように保証すべきである。

この場合も、中間リング３を減速させて所望の速度で回転できるようにするために、やはりいわゆる「渦電流」の原理に基づいて動作する非接触型伝動装置を使用する。

導磁性材料で形成された上記リング２８と、導磁性ではなく導電性である材料で形成されたリング２９ｂと、導磁性ではなく導電性である材料で形成されたリング２９ｂと電磁石２２との間に存在する間隙２３を横切って、リング２８内に閉ざされる電磁場をリング２９ｂ内に発生できるように設けられた固定電磁石２２とによって形成される磁気ブレーキ２１、いわゆる「渦電流ブレーキ」を使用する。

リング２９ｂと固定電磁石２２との間の間隙２３は、図１〜図３の実施形態における、それぞれ永久磁石１４及び１７を含む第１のリング１３及び第２のリング１９とリング１５との間の上記間隙１６ａ及び１６ｂと同じ大きさのものである。

制動リング２７が回転している時に固定電磁石２２に電流を付与することにより、導電性材料で形成されたリング２９ｂに渦電流が発生することによって中間リング３が減速する。

中間リング３における制動の発生度合いは、電流及び／又は電圧の大きさと、電力をオン及びオフに切り替える方法と、周波数とによって決まる。

中間リング３を所望の速度に減速できるようにするために、図示していないセンサを設け、測定された速度に基づいて、中間リング３の速度、及び電磁石２２を通じて電流を送る制御を決定することができる。

この目的のために、制御は、内側軸受１０の「ｎ．ｄｍ」値が外側軸受９の「ｎ．ｄｍ」値に等しいこと、又は両値の比率が特定のマージン内に存在することを確実にするアルゴリズムを含むことができる。この例では、この比率が、７０〜３０から６０〜４０までの速度比に一致する。この比率は、用途に応じて変化できることが明らかである。

図６では、電磁石２２がはっきりと見える。電磁石２２は固定されており、すなわちこの例ではハウジング１２に固定され、従って軸受内軸受１と共に回転しない。

電磁石２２は、この例では馬蹄形であり、巻線２４を備える。しかしながら、これは説明例にすぎず、本発明はこのように限定されるものではない。

図５及び図６の実施形態は完全に受動的ではなく、さらなる制御及びセンサを必要とするが、この実施形態には、中間リング３の速度を自由に制御できるという利点がある。前の実施形態では、中間リングの速度が一定である。

図７にさらなる変形例を示しており、この例では、中間リング３の減速が図５及び図６の例と同じ形で、すなわち磁気ブレーキ２１を使用して行われるが、この例における非接触的駆動は、抵抗又は抗力の粘性力を使用して行われる。

これを行うために、内側リング２及び中間リング３の両方が、間に間隙２６を有するリング２５ａ、２５ｂを備え、この間隙２６が流体で満たされる。

この間隙２６の厚みは、関連する流体に依存する。流体は、例えば油又は水などの潤滑剤とすることができる。

油の場合、間隙２６の厚みは、１００マイクロメートル以下であることが好ましい。

非接触的駆動の動作は、内側リング２を回転させることにより、間隙２６における薄い流体膜によって生じる抵抗又は抗力の粘性力によって中間リング３が回転し始めるという事実に基づく。

間隙２６の厚みは、どれほどのトルクが生じるか、従って中間リング３がどれほどの速度で回転するかを決定する。

この場合も、磁気ブレーキ２１を使用して中間リング３を所望の速度に減速できるように、中間リング３が速く回転しすぎないことが保証される。

この実施形態のさらなる利点は、間隙２６における油膜が減衰効果を有してあらゆる振動に対応できる点である。

説明した全ての軸受内軸受１は、グリースで潤滑化することもできる。このことは、図１〜図６及び図７の軸受内軸受１が、油膜を使用しない限り、例えばオイルフリーターボ又はスクリュー圧縮機などのオイルフリー圧縮機などのオイルフリー用途に適していることを意味する。

このようなグリース潤滑式軸受内軸受１は、１×１０⁶「ｎ．ｄｍ」［毎分回転数．ミリメートル］よりも速い速度に適しており、これによって１．３×１０⁶「ｎ．ｄｍ」又は１．６×１０⁶「ｎ．ｄｍ」を超える速度にまで到達することができる。

代替的に、軸受内軸受１を油で潤滑化することもできる。

この場合、油は、オイルジェット又はオイルミストを使用して軸受内軸受１内に注入されることが好ましい。

このような軸受内軸受１は、１．５×１０⁶「ｎ．ｄｍ」［毎分回転数．ミリメートル］よりも速い超高速に適しており、これによって２．０×１０⁶「ｎ．ｄｍ」よりも速い、さらには２．６×１０⁶「ｎ．ｄｍ」よりもさらに速い速度が可能である。

軸受内軸受１は、取り付け先のシャフト１１をできるだけ短く保って超高速での使用に適することができるように、軸方向にできるだけコンパクトであることが好ましい。このため、内側リング２から中間リング３に伝わる力、従ってトルクは、中間リング３も同様に回転するように外側軸受の摩擦トルクを補償するのに必要なトルクをわずかに上回るように最良に制限される。

上記間隙１６ａ、１６ｂ、２３、２６の軸方向の幅は、軸受内軸受１のローラ要素５、６の幅の３倍未満であることが好ましく、ローラ要素５、６の幅の２倍未満であることがさらに好ましい。

このことは、文献に示されるような軸方向にコンパクトでない既知の磁気歯車伝動装置２０がはるかに低速ではあるが高トルク用途のために設計されていることを考えると、このような既知の磁気歯車伝動装置２０とは全く異なる。

図示の例では、内側リング２が常に上記トルクによって駆動され、すなわち回転シャフト１１上に取り付けられ、外側リング４が固定され、従ってハウジング１２に取り付けられているが、本発明によれば、外側リング４が上記トルクによって駆動されて内側リング２が固定されることも除外されるものではない。

本発明は、一例として説明して図面に示した実施形態に決して限定されるものではなく、本発明による軸受内軸受は、本発明の範囲から逸脱することなく全ての種類の形態及び寸法で実現することができる。

１ 軸受内軸受
２ 内側リング
３ 中間リング
４ 外側リング
５ 内側ローラ要素
６ 外側ローラ要素
７ 内側リング
８ 外側リング
９ 外側玉軸受
１０ 内側玉軸受
１１ 回転シャフト
１２ ハウジング
１３ 第１のリング
１４ 永久磁石
１５ リング
１６ａ 間隙
１６ｂ 間隙
１７ 永久磁石
１８ 磁極片
１９ 第２のリング
２０ 磁気歯車伝動装置

Claims (23)

1. 内側リング（２）と、中間リング（３）と、外側リング（４）とを含む軸受内軸受（１）を備えた装置であって、前記内側リング（２）と前記中間リング（３）との間、及び前記中間リング（３）と前記外側リング（４）との間に、内側ローラ要素（５）及び外側ローラ要素（６）がそれぞれ設けられ、内側リング（２）及び外側リング（４）を有する前記軸受内軸受（１）が前記装置内のシャフト（１１）及びハウジング（１２）の間に設けられ、該シャフト（１１）及びハウジング（１２）は、互いに対して回転可能であり、前記シャフト（１１）及びハウジング（１２）の一方は駆動装置に接続され又は接続することができ、前記装置は、前記中間リング（３）を駆動するために、前記中間リング（３）と前記シャフト（１１）又は前記ハウジング（１２）との間に伝動装置を備え、前記伝動装置は非接触型伝動装置であり、前記内側リング（２）又は前記外側リング（４）は、前記シャフト（１１）又は前記ハウジング（１２）を介して駆動される被駆動軸受リングであり、
   前記中間リング（３）を非接触的に駆動するために、前記伝動装置は、前記被駆動軸受リングと共に回転する１又は２以上の永久磁石（１４）を含む、
   ことを特徴とする装置。
2. 前記伝動装置は、前記中間リング（３）に接続された制動リング（２７）を含み、該制動リング（２７）は、前記１又は２以上の永久磁石（１４）と前記制動リング（２７）との間に間隙（１６ａ）が存在するように、導磁性ではなく導電性である材料のリング（２９ａ）を含む、
   請求項１に記載の装置。
3. 前記間隙（１６ａ）の厚みは１．５ミリメートルよりも小さい、
   請求項２に記載の装置。
4. 前記導磁性ではなく導電性である材料のリング（２９ａ）の周囲の前記制動リング（２７）は、導磁性材料のリング（２８）を含む、
   請求項２又は３に記載の装置。
5. 前記伝動装置は、薄い流体膜を適用できる間隙（２６）を備える、
   請求項１に記載の装置。
6. 前記被駆動軸受リング及び前記中間リング（３）は、いずれもリング（２５ａ、２５ｂ）を備え、該両リング（２５ａ、２５ｂ）間に間隙（２６）が存在し、該間隙（２６）には流体を満たすことができる、
   請求項５に記載の装置。
7. 前記間隙（２６）の厚みは、１００マイクロメートル以下である、
   請求項６に記載の装置。
8. 前記中間リング（３）を駆動する前記伝動装置は、前記シャフト（１１）及び前記ハウジング（１２）の間の磁気歯車伝動装置（２０）である、
   請求項１に記載の装置。
9. 前記被駆動軸受リングは、永久磁石（１４）を含む同心状の第１のリング（１３）に接続され、前記中間リング（３）は、磁極片（１８）を含む同心状のリング（１５）に接続され、非被駆動軸受リングは、永久磁石（１７）を含む同心状の第２のリング（１９）に接続される、
   請求項１又は８に記載の装置。
10. 前記第１のリング（１３）と磁極片（１８）を含む前記リング（１５）との間、及び磁極片（１８）を含む前記リング（１５）と前記第２のリング（１９）との間に、最大２ミリメートルの厚みの間隙（１６ａ、１６ｂ）が存在する、
    請求項９に記載の装置。
11. 永久磁石（１４、１７）を含む前記第１のリング（１３）及び第２のリング（１９）における永久磁石（１４、１７）の数、並びに磁極片（１８）を含む前記リング（１５）における磁極片（１８）の数は、前記中間リング（３）が前記被駆動軸受リングの速度よりも遅い速度で回転するように決定される、
    請求項９又は１０に記載の装置。
12. 前記装置は、前記中間リング（３）を非接触的に減速させるために磁気ブレーキ（２１）を備える、
    請求項１から７のいずれか１項に記載の装置。
13. 前記中間リング（３）は、電磁力によって非接触的に減速され、前記中間リング（３）は、導磁性ではなく導電性である材料で形成されたリング（２９ｂ）に接続され、前記軸受内軸受（１）を含む前記装置は固定電磁石（２２）を備え、前記リング（２９ｂ）と前記電磁石（２２）との間に間隙（２３）が存在し、前記電磁石（２２）は、前記間隙（２３）を横切って前記リング（２９ｂ）内に電磁場を形成することができる、
    請求項１から７のいずれか１項に記載の装置。
14. 前記装置は、前記中間リング（３）の速度を測定するセンサを備える、
    請求項１３に記載の装置。
15. 前記装置は、前記中間リング（３）の速度に基づいて前記電磁石（２２）の巻線（２４）の励起を調節するように構成されたコントローラを備える、
    請求項１３又は１４に記載の装置。
16. 前記被駆動軸受リングが前記内側リング（２）である場合、前記中間リング（３）は、圧入又は同様のものを使用して互いに取り付けられて全体を形成する２つの同心リング（７、８）で構成され、内側の前記同心リング（８）は、前記内側リング（２）及び前記内側ローラ要素（５）と共に第１の軸受（１０）を形成し、外側の前記同心リング（７）は、前記外側リング（４）及び前記外側ローラ要素（６）と共に、前記第１の軸受（１０）の周囲に同心状に取り付けられた第２の軸受（９）を形成する、
    請求項１から１５のいずれか１項に記載の装置。
17. 前記内側リング（２）、前記中間リング（３）及び前記内側ローラ要素（５）、及び／又は、前記中間リング（３）、前記外側リング（４）及び前記外側ローラ要素（６）は、単列又は複列玉軸受、単列又は複列アンギュラコンタクト玉軸受、４点軸受、単列又は複列シリンダ軸受、円錐ころ軸受、スイベルジョイントころ軸受、ニードル軸受、スラスト玉軸受、又は円筒ローラスラスト軸受である、
    請求項１から１６のいずれか１項に記載の装置。
18. 前記軸受内軸受（１）は、油潤滑される、
    請求項１から１７のいずれか１項に記載の装置。
19. 前記軸受内軸受（１）は、１．５×１０⁶「ｎ．ｄｍ」［毎分回転数．ミリメートル］を上回る速度に適する、
    請求項１７に記載の装置。
20. 前記被駆動軸受リングが前記内側リング（２）である場合、前記軸受内軸受（１）は、グリース潤滑される、
    請求項１から１６のいずれか１項に記載の装置。
21. 前記軸受内軸受（１）は、１×１０⁶「ｎ．ｄｍ」［毎分回転数．ミリメートル］を上回る速度に適する、
    請求項１９に記載の装置。
22. インペラを含む少なくとも１つのシャフトの軸受のための、請求項１から２１のいずれか１項に記載の装置を含む、
    ことを特徴とするターボ機械。
23. ロータを含む少なくとも１つのシャフトの軸受のための、請求項１から２１のいずれか１項に記載の装置を含む、
    ことを特徴とするスクリュー圧縮機。

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