JPH01172631A - 電磁効果により剛性が修正される混成流体軸受 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ラジアル荷重を受ける回転軸用の混成流体軸
受を提供する。この種の軸受け、固定本体と：回転軸の
周囲からわずかの基本隙間を置いた円筒形の軸受表面を
区画する内部ボアを有して前記固定本体内に設けられた
管状部材と；前記円筒形の軸受表面に形成され前記管状
部材の円周方向に沿って配分された一連の凹部と；前記
凹部に流体を供給するとともに前記凹部から流体を排出
する手段と；前記管状部材と前記回転軸との間において
前記管状部材の前記凹部を有する側の両側に設けられた
密封手段とを備える。

（従来の技術、および発明が解決しようとする問題点） 気体軸受や油軸受、特に動圧軸受などの流体軸受け、そ
のケーシングに力を伝える傾向がある。

この力は第１に軸受の剛性に比例し、第２に軸受の偏心
度すなわち回転軸の慣性軸線と軸受軸線との距離に比例
する。回転軸の釣合いをどれほど良好に取っても、不釣
合いを完全に除くことは不可能である。このためケーシ
ングに伝わる力がケーシングに振動を発生させる。この
振動は多くの場合、回転機械を設置した環境に対して有
害である。

この欠点を克服するため、動圧軸受が機械のケーシング
に加える力を、動電励振器を使用することにより補償す
ることが提案された。この動電励振器は、ケーシングに
能動減衰を印加することにより、動圧軸受がケーシング
に加える力の作用を減少させる。この種の装置は安定化
させようとする構造物に直接作用するが、完全な満足は
得られない、これはその作用が残留振動を避けられない
ためであり、また装置を小型化できないためである。

米国特許第４６２６７５４号は、回転機械の振動を減少
させる装置を開示している。この装置は、少なくとも一
つのラジアル磁気軸受を含む能動磁気懸垂によって回転
軸をケーシングに取り付ける場合に適用し帰る。この従
来装置において、ケーシングに配置された振動検出器は
、前記能動磁気軸受のサーボ制御回路を使用してケーシ
ングの振動を減少させる。この種の回転軸用の能動磁気
懸垂は、動圧軸受懸垂と並置することができ、磁気軸受
の負の剛性を利用して動圧軸受によって発生される有害
な力を補償する。しかしこの方式も、寄生偶力を防止で
きないという欠点を有する。寄生偶力は、磁気軸受と動
圧軸受とを軸方向にオフセットさせてステータに並置す
ること番二起因する。

本発明の目的は、前記欠点を小型装置によって克服する
ことである。この小型装置は、回転機械の回転軸を支持
するための動圧軸受がその回転機械のケーシングに発生
させる振動を効果的に減少させ、あるいは除去すること
ができる。

（間Ｈ点を解決するための手段） 本発明によれば、前記目的は、前記産業上の利用分野に
記載したタイプの混成流体軸受によって達成される０本
発明装置において、前記管状部材は非金属で作られ約１
．５１１１１〜約３　ａｖｓの厚さを有する。

また前記回転軸の少なくとも前記管状部材に設けられた
前記凹部に面する周囲領域部分には、軸方向に延びる整
流積層で構成された環状磁気回路が設けられる。

さらに本発明装置は、一連の極およびノツチを区画し、
前記管状部材を中心として同心円状に前記管状部材の軸
受表面から対向側に配置され、前記回転軸の前記環状磁
気回路が設けられた領域にわたって軸方向に延びる積層
によって構成された固定磁気回路を備える。

さらに本発明装置は、軸受に隣接して前記固定本体上に
配置された少なくとも一つの振動検出器から信号を受け
取るサーボ制御ループから電流供給を受けるべく前記固
定磁気回路の前記ノツチ内において前記極の周囲に配置
された電磁巻線を備える。

以上の構成により、流体軸受に内蔵された電磁手段は、
流体軸受の剛性を小型の手段によって変更することを可
能にする。この手段は寄生偶力を発生せず、電磁手段に
よって与えられる負の剛性を使用し、回転軸の不釣合い
に起因して流体軸受が発生する干渉力を補償する。

管状部材は、その厚さを約２■としセラミック材料で作
ることが好ましい、これにより管状部材は、固定Ｉｉ！
気回路と回転軸上の磁気回路との間の隙間において干渉
することがない。

本発明に基づき、回転軸の軸線ＺＺ゛に直交する非平行
軸を有する少なくとも二つの振動検出器を固定本体上に
配置する。前記振動検出器から信号を受け取る各サーボ
制御ループは、高利得狭帯域選択フィードバック回路で
構成される。この回路は、回転軸の回転周波数または前
記回転周波数の調波周波数によって構成される基準周波
数と同、期した中心周波数を有する。

電磁巻線にはサーボ制御ループから電力が供給される。

また前記巻線の少なくとも数本は、回転軸の半径方向位
置を検出するため前記流体軸受に隣接して配置される少
なくとも一つの検出器から信号を受け取る。

この場合、電磁手段は非常用の電磁軸受として働き、流
体軸受手段が破損した場合に荷重を支持することができ
る。

（実施例） 本発明の実施例を添付図面を参照して説明する。

第１図は、回転機械の主要部品を示す６回転軸１は、ケ
ーシング２内に流体軸受３０によって取り付けられる。

−点ｗ１線１２は回転軸ｌの慣性軸線を示す、この慣性
１１２は一点鎖線１３によって示される回転軸１の幾何
学的軸線とは異なる。

これら２本の軸線により流体軸受３０は偏心度Ｅを有す
る。

補償装置が全くない場合、流体軸受３０（本説明におい
て流体軸受３０は動圧型軸受と考える）は力Ｆｈをケー
シング２に伝える。この力Ｆｈは、動圧軸受３０の剛性
Ｋｈと前記した偏心度Ｅとに比例する。

本発明に基づく混成動圧軸受の構成は、回転軸１からケ
ーシング２へ力が伝達されるのを防止することによって
ケーシング２を静止状態に維持しようとするものであり
、これを動圧支持竿ｇ＋３０によって構成される軸受装
置の全体剛性を相殺する技術およびサーボ制御電磁手段
３によって実現するものである。このサーボ制御電磁手
段３は、動圧軸受に内蔵され、能動ラジアル磁気軸受の
方式で作用する。

これにより回転軸１は、その慣性軸線１２を中心として
回転し、伝達されるような不釣合いな力は発生しない。

回転軸１の偏心度がＥであれば、すなわち動圧軸受３０
の慣性軸線１２と軸線１３との距離がＥ、動圧軸受３０
の剛性がＫｈであって、補助電磁手段がないとすれば、
動圧軸受３０によってケーシング２に伝達される力Ｆｈ
はＥおよびＫｈに比例する。この力Ｆｈを補償するため
、補助電磁手段３を動圧軸受３０番；内蔵し、Ｆｈ＝−
Ｆｍを提供する必要がある。つまり負の剛性Ｋｍを提供
し、動圧軸受３０の剛性Ｋｈを補償しなければならない
。

これは与えられた周波数ｆｏを中心周波数とする狭周波
数帯において可能である。この与えられた周波数ｆＯは
、回転軸１の瞬間回転周波数またはその調波周波数に対
応する。これを行うため、振動検出＠４０が機械のケー
シング２に動圧軸受３０に隣接して配置され、フィード
バックルーズの積分器回路４２に信号を送る。このフィ
ードバックループは、与えられた周波数ｆｏを中心とす
る帯域フィルタ４３を含む、帯域フィルタ４３の出力１
８号は、電力増幅器６０に印加される。電力増幅器６０
は、動圧軸受３０に内蔵された電磁手段３０巻ｍ４に電
力を供給する。このようにして剛性ｒホール」がケーシ
ング２に配置された振動検出器４０から送られる信号に
基づいて作られる。

これにより動圧支持手段の剛性Ｋｈを補償することが可
能になる。

第２図は記号図である。ケーシング２（その重心はＧｓ
である）には、動圧軸受３０によって力Ｆｈが印加され
る。この力Ｆｈは回転軸１の不釣合い質量に起因する０
回転軸１の重心はＧｒである。補助電磁手段３は、負の
剛性Ｋｍを作りだすことにより、動圧軸受３０の剛性を
補償する。

機械のケーシング２に配置された振動検出器４０は、加
速度計または速度検出器によって構成され、少なくとも
二つの検出器を備える。これら二つの検出器の感度軸は
二つの直交する方向Ｘ′ＸおよびＹ’Ｙに沿って向けら
れ、これら両方向は回転軸１の軸線ｚｚ″に直交する。

第１図は方向Ｘ′Ｘに対応するサーボ制御ループのみを
示す。このループは、方向Ｘ′Ｘにおいて作用する電磁
手段３の巻線４を通る電流を制御する。これと全く同様
のサーボ制御ループを使用し、方向Ｙ’Ｙに沿った方向
に感度軸を有する検出器に基づき、方向Ｙ’Ｙに作用す
る電磁手段３の巻線４を通る電流を制御する。

振動検出器４ｏから供給される信号は、積分器回路４２
１：印加される。積分器回路４２は、検出器４０が速度
検出器である場合、単一の積分を実行し、検出器４０が
加速度計である場合、二重積分を実行する。

積分器回路４２からの信号は、回転周波数ｆ。

を中心周波数とする帯域フィルタ４３に印加される。こ
の周波数ｆＯは、回転軸１０回転周波数ｆに対応させる
ことができる。ただしこれは、補償手段３が無い場合に
ケーシング２に印加される振動が基本的に動圧軸受３０
自体の存在に起因する場合である。しかし、回転軸１上
における他の補助装置、例えばシーリングリングなどが
擬似軸受として作用し、周波数２ｆ、３ｆなどにおいて
干渉することがある。これら周波数は、回転軸１０回転
周波数の調波である。スペクトル分析器を使用すること
により、振動検出器４０によって提供される信号を受け
取り、どの振動周波数が長期間にわたって安定であるか
を決定することが好ましい（これら周波数は理論的に回
転軸の回転速度の倍数、例えばｆ、２ｆ、３ｆに対応す
る）、これに続いて帯域フィルタ４３を使用する。この
帯域フィルタ４３の中心周波数ｆｏは、フーリエ分析に
よってあらかじめ同定した周波数に対応する。

このため振動検出器４０は、各振動の補償を制御するよ
うに作用する。これら各振動は、回転軸１からのもので
あり、補償手段３が無い場合、ケーシング２に印加され
るものである。

サーボ制御ループ４１は、振動検出器４０と積分器回路
４２と帯域フィルタ４３と増幅器６０とで基本的に構成
される。増幅器６０は、電磁軸受３の電磁巻１１１４を
駆動する。サーボ制御ループ４１は、高利得狭帯域選択
フィードバックループを構成する。サーボ制御ループ４
１には単一の出力増幅器６０が示されているが、この増
幅器はもちろん、従来の方法に基づいて移相回路と組み
合わせてもよい、移相回路はＸ′ＸまたはＹ’Ｙの直径
方向に対向側の巻線４にｔ流供給するものである。

電磁手段３は、振動検出器４０が供給する信号に基づき
、極めて簡単に制御できる０ｗＩ動検出器４０は、動圧
軸受３ｏに隣接してケーシング２上に配置される。この
場合、電磁手段３は能動電磁軸受に対応する。この電磁
軸受け、荷重支持機能を果たさず、補償目的だけのため
番二作用するものであって、変位検出器と協同しない、
振動検出器４０に基づいて電磁軸受３が提供する補償の
基本的な目的は、回転軸の不釣合いに起因して動圧軸受
３０に伝えられる干渉効果を釣合せることである。しか
しながら電磁軸受３は、ケーシング２に印加される磁気
共鳴を減衰させる役割を果たすとともに、他の供給源を
有することもできる。

検出器７は、回転軸１のケーシング２に対する半径方向
の位置を検出するものである。この検出器７を使用する
ことにより、電磁軸受３は、サーボ制御ループ５１によ
って位置をサーボ制御できる。これにより電磁軸受３は
、動圧軸受３０が破損した場合、荷重支持軸受として働
くことが可能となる。１！磁軸受３は、動圧軸受３０に
内蔵され、非常用軸受として機能するが、これは全体構
造を変更することなしに実現される。

回転軸１のケーシング２に対する静止位置は、検出器７
からの信号を受け取る従来のフィロ−ドパツクループ５
１によって制御される。検出器７は回転軸１のケーシン
グ２に対する位置を検出する。

検出器７は誘導型とすることができ位置検出要素を含む
、これら位置検出要素は、二つの直交方向Ｘ′Ｘおよび
Ｙ’Ｙに沿って配置される。二つのフィードバックルー
プ５１の各々は、回転軸ｌの位置をＸ′ＸまたはＹ’Ｙ
の方向に沿ってサーボ制御するため信号処理修正ネット
ワーク５３を備える。この信号処理修正ネットワーク５
３は、例えばＰＩＤ（比例・積分・微分）型である。　
Ｉｇ正ネットワーク５３は通常、線形化手段を備える。

修正ネットワーク５３からの信号は、総和器６０に加え
られる。

自動的に回転軸１を釣合わせるネットワーク５２は、サ
ーボ制御ループ５１に内蔵され、位置検出器７からエラ
ー信号が電磁軸受３に伝送されることを防止する。この
エラー信号は、位置検出器７の軸線と回転軸１の回転軸
線との間の偏心度に起因する。自動釣合わせネットワー
ク５２は例えば、米国特許第４１２１１４３号に開示さ
れて塾する方法で構成できる。

次に第３図および第４図を参照して電磁手段３の特定の
実施例を説明する。電磁手段３は動圧軸受３０に内蔵さ
れ、混成軸受を提供するものである。この混成軸受け、
小型であり、構造が簡単で、寄生偶力を防止する上で適
当である。この寄生偶力は、動圧軸受３０からの動圧力
と磁気力との間の適切な相互作用によって、その発生が
防止される。またこの混成軸受け、ケーシング２におけ
る振動を効果的Ｉ９抑制する働きをする。

第３図および第４図に示すように、動圧軸受３０は固定
管状部材２０を備える。この管状部材２０は、例えばセ
ラミックなどの非金属非導電材料で作られる。管状部材
２０は、ケーシング２に固定されるとともに、内部ボア
を有する。この内部ボアには円筒形の軸受表面２３が形
成される。軸受表面２３と回転軸ｌの周囲表面との間に
は、小さな基本隙間２６がある。

凹部２４（これは流体軸受が動圧型である場合、動圧効
果間隙を区画する）は、軸受表面２３に形成され、回転
軸１の周囲表面に対して厚さｅ２の隙間を提供する（第
３図）、厚さｅ２の隙間は、基本隙間よりも大きい、第
４図に示すように、凹部２４は軸受表面２３に沿って円
周方向に規則的番；配分される。環状通路２５は、回転
軸１に対して同心円状に配置され、凹部２４の両側に形
成され凹部２４と連絡する。つまり環状通路２５は、凹
部２４の軸方向両側に配置され、凹部２４に流体を供給
するとともに、前記凹部から流体を取り出す、シーリン
グリング２２は、動圧軸受の両端に設けられる。

第３図および第４図に示す好適実施例において、流体は
ダクト２７を介して凹部２４内に半径方向に注入される
。ダクト２７は、固定ステータ磁気回路５の極５ａを通
過し、さらに管状部材２０を通過し、凹部２４に対向す
る。この場合、凹部２４は対応するｉ５ａに対して整列
配置される。ダクト２７を介して注入された流体は、ケ
ーシング２内の環状溝２８に沿って搬送される。この環
状溝２８は、固定ステータ磁気回路５の周囲に配置され
る。また流体は、第３図に示すように、凹部２４と連絡
する環状通路２５などを介して排出することができる。

もちろんこの他に、磁気回路５の存在に適することを条
件として、流体軸受の分野において既知の他の形態を使
用してもよい。

ステータ磁気回路５を構成する積層用のシールを保持す
るため、まず磁気回路５を非磁性材料に埋め込んでから
、管状部材２０を磁気回路５の極５ａの端部に取り付け
る。

管状部材２０はケーシング２に接続手段２１によって固
定され、その凹部を有さない外側円筒形表面は、電磁軸
受３のステータ磁気回路５の極５ａの端面に載置される
。またこの極５ａの端面は動圧軸受の内部に含まれてい
る０回転軸１自体は、環状磁気回路６を有する。環状磁
気回路６は回転軸１の周囲において、ステータ磁気回路
５に面する領域内に配置される。環状磁気回路６は積層
によって構成され、その外側周囲表面は、軸受表面２３
に対して基本隙間を区画し、整流される。

電磁軸受３のステータ磁気回路５は、積層によって構成
され、この積層はノツチ５ｂを有する。ノツチ５ｂは電
磁巻１ｌ１４を収容し、電磁巻！１１４は磁気回路５の
突出する極５ａの周囲に巻かれる。極５ａは管状部材２
０を支持する。

固定ステータ磁気回路５の極５ａと回転軸１上の環状磁
気回路６との間の隙間ｅ１は１．５■−と３ｍ■との間
であり、約２■■であることが好ましい。

この比較的大きな隙間は、管状部材２０の厚さによって
基本的に決定される。この管状部材２０は、動圧軸受３
０自体のスリーブを構成する。管状部材２０は、例えば
それがステータ磁気回路５のノツチ５ｂを通過して延び
る箇所において補強することができる。

振動検出器４０は、電磁軸受３に隣接してケーシング２
上に配置される０回転軸１の半径方向位置を検出するた
めに検出器７を使用する場合、この検出器７は電磁軸受
３に隣接して配置され、電磁軸受３の磁気回路１０は、
環状磁気回路６に隣接して回転軸１上に形成される０位
置検出ＭＩ７は、誘導型であることが好ましく、複数の
巻線８を設けた固定磁気回路９を有する。固定磁気回路
９の一端は、管状部材２０の凹部を含まない箇所におい
てその表面に接触し、管状部材２０の向こう例に位置す
る回転軸１上の磁気回路１０と協同する。

第４図に示すよう番こ、電磁軸受３の電磁石は、二つの
固定した直交軸Ｘ′ＸおよびＹ″Ｙ上に対をなして配置
される。これら直行軸は軸受の回転軸ｚＺ°に直交する
。すべての対をなす二つの電磁石は、互いに直径方向反
対例に配置され、対応する巻線に電流が供給されると、
回転軸ｌの環状磁気回路６に対して吸引力を印加する０
図示の実施例において、各電磁石は、直列ｆｌ続された
二つの巻線４を備える。

本発明に基づく混成流体軸受け、流体軸受の利点を維持
し、特に短時間の重荷重に耐える性能を有するとともに
、該軸受に一体形成された電磁手段を利用して干渉を著
しく抑制する。この干渉はかかる手段を設けない場合、
流体膜を有する流体軸受によってケーシングに印加され
る。特に本発明は、大形の低速回転機械に応用可能であ
る。

以下余白

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に基づく混成流体軸受の主要部品を示
す図、 第２図は、第１図と等価の記号図、 第３図は、第４図の平面ＩＩＩ　−１■に沿った本発明
に基づく混成流体軸受の軸方向１／２を示す断面図、お
よび 第４図は、第３図の平面ＴＶ−ＩＶに沿った断面図であ
る。 １・・・回転軸 ２・・・ケーシング ３・・・サーボ制御電磁手段（電磁軸受）４・・・電磁
巻線 ５・・・固定ステータ磁気回路 ５ｂ・・・ノツチ ６・・・環状磁気回路 ７・・・位置検出器 ８・・・位置検出器の巻締 ９・・・位置検出器の固定磁気回路 ｌＯ・・・磁気回路 ２０・・・管状部材 ２３・・・軸受表面 ２４・・・凹部 ２５・・・環状通路 ２６・・・基本隙間 ２７・・・ダクト ２８・・・環状溝 ３０・・・流体軸受（動圧軸受） ４０・・・振動検出器 ４１・・・サーボ制御ループ ４２・・・積分器回路 ４３・・・帯域フィルタ ５１・・・サーボ制御ループ ５２・・・自動釣合わせネットワーク ５３・・・信号処理修正ネットワーク ■ 費

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、固定本体と、 回転軸の周囲からわずかの基本隙間を置いた円筒形の軸
   受表面を区画する内部ボアを有して前記固定本体内に設
   けられた管状部材と、 前記円筒形の軸受表面に形成され前記管状部材の円周方
   向に沿って配分された一連の凹部と、前記凹部に流体を
   供給するとともに前記凹部から流体を排出する手段と、 前記管状部材と前記回転軸との間において前記管状部材
   の前記凹部を有する側の両側に設けられた密封手段とを
   備え、 前記管状部材が非金属で作られて約１．５ｍｍ〜約３ｍ
   ｍの厚さを有し、 前記回転軸の少なくとも前記管状部材に設けられた前記
   凹部に面する周囲領域部分には、軸方向に延びる整流積
   層で構成された環状磁気回路が設けられ、 前記回転軸の前記環状磁気回路が設けられた領域にわた
   って軸方向に延びて一連の極およびノッチを区画する積
   層によつて構成され前記管状部材を中心として同心円状
   に前記管状部材の軸受表面の反対側に配置された固定磁
   気回路を備え、軸受に隣接して前記固定本体上に配置さ
   れた少なくとも一つの振動検出器から信号を受け取るサ
   ーボ制御ループから電流供給を受けるべく前記固定磁気
   回路の前記ノッチ内において前記極の周囲に配置された
   電磁巻線を備える、ラジアル荷重を受ける回転軸用の混
   成流体軸受。 ２、前記管状部材の厚さが約２ｍｍである、特許請求の
   範囲第１項に記載の軸受。 ３、前記管状部材がセラミック材料で作られる、特許請
   求の範囲第１項に記載の軸受。 ４、前記電磁巻線にはサーボ制御ループから電流が供給
   され、前記電磁巻線の少なくとも数本が、前記回転軸の
   半径方向位置を検出するため前記流体軸受に隣接配置さ
   れた少なくとも一つの検出器から信号を受け取る、特許
   請求の範囲第１項に記載の軸受。 ５、前記回転軸の半径方向位置を検出する前記検出器が
   誘導型である、特許請求の範囲第４項に記載の軸受。 ６、前記固定本体上に配置され前記回転軸の軸ＺＺ′に
   直交する非平行軸を有する少なくとも二つの振動検出器
   を備えるとともに、前記振動検出器から信号を受け取る
   各サーボ制御ループが、前記回転軸の回転周波数または
   該回転周波数の調波周波数によって構成される基準周波
   数に同期した中心周波数を有する高利得狭帯域選択フィ
   ードバック回路によって構成される、特許請求の範囲第
   １項に記載の軸受。 ７、前記振動検出器が加速度計によって構成され、前記
   振動検出器から信号を受け取る前記各サーボ制御ループ
   が二重積分を実行する入力回路を備える、特許請求の範
   囲第６項に記載の軸受。 ８、前記振動検出器が速度検出器によって構成され、前
   記振動検出器から信号を受け取る前記各サーボ制御ルー
   プが単一積分を実行する入力回路を備える、特許請求の
   範囲第６項に記載の軸受。 ９、前記固定磁気回路が、前記管状部材に組み込まれる
   前に非金属材料によって被覆される、特許請求の範囲第
   １項に記載の軸受。 １０、前記凹部が前記固定磁気回路の極に面する管状部
   材の箇所に設けられ、流体を前記凹部に注入するための
   ダクトが前記固定磁気回路の極と前記管状部材とを通過
   して半径方向に配置される、特許請求の範囲第１項に記
   載の軸受。