JPH0272217A - 電磁軸受装置 - 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、電磁軸受装置に係り、特に電磁軸受で支持さ
れた回転機械について、回転体および保護用軸受の損傷
を低減させ、安全化と長寿命化を図るのに好適な電磁軸
受装置に関するものである。

［従来の技術］ 従来の、例えばターボ分子ポンプなど電磁軸受を用いた
磁気浮上の回転体を有する回転機械においては、停電等
の電源喪失（電源切れ）の場合。

あるいは制御回路の故障発生の場合、回転体の破壊を防
止するため、保護軸受が数ケ所設けられている０通常は
、保護軸受のギャップは電磁軸受のギャップの１／２程
度に設定され０．１〜０．５ｍであり、浮上時は非接触
状態で回転体は回転している。そして、電源喪失等の発
生時には保護軸受に接触して回転させる。保護軸受には
ギャップがあるため、高速回転時には大きな振動荷重が
作用して保護軸受は損傷を受け、その結果、回転体まで
破損させることになる。

これを防止するため、本発明者らが先に開発した実願昭
６２−１７７０７号の電磁軸受装置では。

保護軸受の支持部と回転体との接触部をテーパにし、電
磁軸受の電磁力がなくなった場合に、回転体が軸方向に
移動して、回転体と保護軸受とのギャップが零となって
回転することにより、低振動となり軸受の損傷を軽微と
している。他方、テーパにすることにより回転体振動は
小さくなるが、電源復帰時に回転体と保護軸受とが固着
し分解しなければならない。また、保護軸受と電磁軸受
とのばね定数が異なるので回転体の危険速度が変わり、
降速時には曲げの危険速度を通過することになり、回転
体が破損することもある。すなわち、保護軸受で回転す
るときの振動についての配慮がなされていなかった。

また、振動特性が変化しないように電磁軸受のばね定数
と同じ弱いばねで保護軸受を支承する方法も考えられる
が、通常時と保護軸受で回転するときとでは中心が大き
くずれて５回転体が固定部と接触し翼などの破損が起こ
る危険があった。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来技術は、保護軸受で回転するときの回転体系の
振動特性の変化に対する配慮がなされておらず、保護軸
受の損傷や回転体の破損による部品の交換も必要になる
という問題があった。

本発明は、上記従来技術における課題を解決するために
なされたもので、保護軸受で回転体を回転させるときの
振動特性を電磁力で支持した状態に近づけ、両者の振動
特性を同様にすることにより回転体の振動を押え、より
安全度の高い保護軸受にするとともに、保護軸受と回転
体とのギャップを小さくして振動力を小さくさせるよう
にした電磁軸受装置を提供することを、その目的とする
ものである。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために２本発明に係る電磁軸受装置
の構成は１回転体を磁気的な径方向軸受で支承した電磁
軸受装置において、電磁軸受の電磁力喪失時に回転体と
接触して回転する保護軸受を備え、この保護軸受を、荷
重方向に撓ませるように弾性支持したものである。

また、より詳しくは、回転体を磁気的な径方向軸受で支
承した電磁軸受装置において、電磁軸受の電磁力喪失時
に回転体と接触して回転する保護軸受を備え、この保護
軸受と前記回転体との半径ギャップδを１重力加速度を
ｇ、前記回転体の最高回転角速度をωとしたとき、 を満足するように設定したものである。

さらに１本発明に係る電磁軸受装置の構成は、回転体を
磁気的な径方向軸受で支承した電磁軸受装置において、
電磁軸受の電磁力喪失時に回転体と接触して回転する保
護軸受を備え、この保護軸受を異方性のばねで支承した
ものである。

なお付記すると、上記目的は、下記の技術的手段により
達成される。

すなわち、電磁軸受の電磁力が喪失した場合に、回転体
と保護軸受とが接触して回転するが、保護軸受をばね等
で弾性支持し、そのばね定数を電磁軸受のばね定数とほ
ぼ等しくするとともに、横形回転機械では軸受荷重に対
応するばねの変形量と等しく、通常時には下方に吸引さ
せて、保護軸受のギャップ（保護軸受と回転体との半径
ギャップ）を小さくするものである。

他の手段として、弾性支持した保護軸受の撓みを通常時
と荷重を受けたときとでほぼ等しくするには異方性ばね
で支承すればよく、荷重を受ける側のばね定数を他の方
向に比べて大きくすることにより、上記目的は達成され
る。

［作用コ 上記技術的手段による働きは次のとおりである。

保護軸受は、電磁軸受のばね定数とほぼ等しいばねで弾
性支持しておき、横形回転機械の場合、通常時には、軸
受荷重によるばねの変形量と等しく下方に吸引しておき
、この状態で回転体の浮上時において回転中心と保護軸
受の中心とを一致させておく。例えば停電等により電磁
軸受の電磁力がなくなると１回転体は保護軸受に接触し
、このとき下方への吸引力を解除する。このような作用
により、保護軸受のギャップを必要最低限に設定できる
とともに振動特性も変化しないので曲げの危険速度を通
過することはない。

また、保護軸受のギャップを小さく設定できるので、大
きな加振力が作用しないし、復帰動作も簡単となる。

さらに、保護軸受の荷重側ばね定数を他方より大きくし
ておくと、保護軸受作動時の撓みが通常時とそれほど変
化しないので、ギャップを小さく設定できるとともに、
振動特性も大きく変化しない。［実施例コ 以下、本発明の各実施例を第１図ないし第８図を参照し
て説明する。

第１図は１本発明の一実施例に係る電磁軸受装置の保護
軸受部の主要構成を示す断面図、第２図は、第１図のＡ
−Ａ断面図、第３図は、第１図の回転体の振動特性の変
化を示す説明図である。

第１図において、１は軸受ハウジング、２は、磁気的な
径方向軸受に係るラジアル電磁軸受、３は、回転体に係
るロータ、４は、電磁軸受の電磁力喪失時に回転体と接
触して回転する保護軸受、５　（５ａ、５ｂ、５ｃ、５
ｄの総称）は弾性支持用のばね、６は吸引電磁石である
。すなわち、第１．２図に示す電磁軸受装置は、軸受ハ
ウジング１内に、ラジアル電磁軸受２で電磁的に支承さ
れたロータ３と、停電など電源切れの異常時にロータ３
の回転を維持するための保護軸受４とが設けられている
。保護軸受４は、ばね５で弾性支持されていて、吸引電
磁石６により軸受荷重に相当する力で下方に引張ってい
て、ラジアル電磁軸受２の中心と保護軸受４の中心とを
一致させるように構成されている。

停電など電源切れが発生したときには、ラジアル電磁軸
受２の電磁力がなくなり、同時に吸引電磁石６の吸引力
もなくなる。このとき、ロータ３は保護軸受４に接触し
て回転を維持する。保護軸受４は５作用していた吸引電
磁石６の吸引力の代りに、これと等しい大きさのロータ
３の自重が働き、結果としてロータ２の回転中心は通常
時の回転中心と変らないので、ここには図示しないがロ
ータ３にある環状シール部や翼先端と固定部（ケーシン
グなど）との接触が回避できる。

第３図は、電磁軸受で支承された回転体の振動特性を示
したもので、実線に示す振幅応答となる。

一般に電磁軸受のばね定数は通常の軸受に比べてばね定
数が小さいので、低回転数で回転体全体が剛体のまま振
動する剛体モードの危険速度７，８を通過する。定格速
度は、上記危険速度７，８よりはるかに高い回転数とな
っていて、回転体が弾性的に振動する曲げモードの危険
速度９より低く設定される。

停電など電源切れが発生した場合、ばね等で弾性支持し
ていない保護軸受では、そのばね定数が電磁軸受のばね
定数に比べて１ｏ〜１００倍程度大きいため、剛体モー
ドの危険速度７，８は消滅するが、曲げモードの危険速
度９が低下して、図上に破線で示した曲げモードの危険
速度１０が定格速度以下の回転数となる。定格速度にお
いて電源切れ等が発生すると、保護軸受を使用して降速
する際１曲げの危険速度１０を通過することになり、振
動振幅が急増し、回転体が固定部に接触し、回転体が損
傷を受けてしまう。

一方、本実施例の弾性支持形の保護軸受では、ばね定数
をラジアル電磁軸受２のばね定数にほぼ等しく設定して
おけば、通常時と保護軸受で回転するときの振動特性は
等しくなり、曲げの危険速度１０を超える必要はなくな
り、安全に降速することができる。

さらに、保護軸受４を、通常時は下方に吸引しているの
で、保護軸受４とロータ３とのギャップを小さくするこ
とが可能となる。下方に吸引していないと、保護軸受４
がロータ３の自重により下方に偏心するため、回転体が
固定部に接触してしまう。

二つの保護軸受でロータを支承する場合の保護軸受とロ
ータとの半径ギャップδは次のように設定する。

いま、ロータ重量　　　　　　　２Ｗ ロータの最高回転角速度　ω 重力加速度　　　　　　　ｇ とすると、保護軸受とロータとの摩擦を無視したとき、
ロータ３が保護軸受４のギャップ内で振れまわらないた
めには、ロータの遠心力より自重が大きいことが条件と
なる。すなわち、 一δω２くＷ を満たせばよい。したがって、ギャップσはδく− となる。

本実施例によれば、保護軸受４でロータ３が回転すると
き、ラジアル電磁軸受２と同じばね定数で支承されるの
で回転体系の振動特性が変化せず、曲げの危険速度を通
過することがなくなり、保護軸受４を下方に吸引してお
けるので、保護軸受のギャップを小さくでき、その値δ
を に設定することにより、ロータ３の振れまわりを防止す
ることができる。

このことから、回転体振動を小さく押えることができ、
保護軸受の損傷が軽微となり、安全な回転機械を提供す
ることができる。

次に、第４図は、本発明の他の実施例に係る保護軸受部
の部分断面図である。第４図に図示を省略した電磁軸受
部は第１図と同等であり、図中、第１図と同一符号のも
のは第１図の実施例と同等部分であるから、その説明を
省略する。

第４図の実施例は、保護軸受４を荷重方向に撓ませる手
段を、第１図の吸引電磁石６の代りに、フック１２、復
元ばね１３を採用したものである。

このフック１２、復元ばね１３で構成されるものは、荷
重方向の撓みを解除する手段でもある。

すなわち、通常時はフック１２で保護軸受４を下方にひ
っばっておき、電源切れ等が発生すると電磁力がなくな
ってロータ３は保護軸受４に接触し、ロータ３の自重が
保護軸受４に作用し下方に移動する。すると、フック１
２は復元ばね１３により回転し、保護軸受４から離れる
ことになり、保護軸受４とロータ３の回転中心がずれる
ことなく、ロータ３は回転を維持できる。

第４図の実施例によれば、先の実施例と同様の効果が期
待されるとともに、フック１２の解除を自動的に行いう
るという本実施例特有の効果がある。また、特に図示し
ないが、フック１２を制御回路の故障検知回路からの信
号に連動して解除するように構成することも可能である
。

次に５保護軸受を異方性のばねで支承する実施例につい
て説明する。ここに異方性のばねとは、上下方向により
たわみ量が異なるばねをいう。

第５図は、本発明のさらに他の実施例に係る保護軸受部
の部分断面図である。図中、第１図と同一符号のものは
同等部分であるから、その説明を省略する。

第５図の実施例では、保護軸受４は上側を１個のばね５
ａ、下側を３個のばね５ｂで支承している。このように
、ロータ３の荷重を受ける下側を多数のばねで支承する
ようにしている。

これにより、保護軸受４に荷重が作用しない通常時と、
停電などの電源切れで電磁力がなくなってロータ３が保
護軸受４で回転し、保護軸受４に荷重が作用するときの
保護軸受４の中心の移動を小さくできるので、保護軸受
４とロータ３とのギャップを小さくすることができ、低
振動で安定な回転機械を提供することができる。

次に、第６図は、本発明のさらに他の実施例に係る保護
軸受部の部分断面図、第７図は、第６図の積層板ばねの
変位−荷重線図である。図中、第１図と同一符号のもの
は同等部であるから、その説明を省略する。

第６図の実施例では、保護軸受４は円弧状の積層ばね１
４で支承されている。この積層板ばね１４は、第７図の
変位−荷重線図を示すように、上下方向によってたわみ
量（変位）の異なる。いわゆる異方性ばねである。この
ばねは、下側方向への変位に対しては大きなばね定数と
なり、一方、上方に変位すると不感帯、すなわち変位し
ても荷重を発生させない領域があり、さらに変位すると
除々にばね定数が大きくなる。

したがって、保護軸受４にロータ３の自重が作用した場
合でも、その撓みは小さいので、保護軸受の中心が通常
時と変わらず、ギャップを小さく設定できる。また、保
護軸受の平均的ばね定数は大きくならず、振動特性の変
化も小さい。したがって、安全な保護軸受となる。

なお、積層板ばね１４の間に潤滑油を注入しておけば、
当然ダンピング効果も期待できる。

第８図は１本発明のさらに他の実施例に係る保護軸受部
の平面図である。図中、第２図と同一符号のものは同等
部分を示す。また、第８図の実施例は、第５図の実施例
で説明した異方性ばね支持の保護軸受の別の実施例であ
る。

保護軸受４Ａは、ばね５ａ、５ｃ、５ｄの弱いばね、お
よび荷重方向を強いばね５ｂで支持してあり、その保護
軸受４Ａの内輪４ａには内周に切欠き４ｂを形成したも
のとなっている。

このように構成すると、ロータ３が保護軸受４Ａで回転
するとき、接触面圧が高まって、ロータ３と内輪４ａと
の接触位置が安定し、ロータ３が内輪４ａ内で振れまわ
り難くなることによって荷重方向が一定となるという本
実施例特有の効果がある。

［発明の効果］ 以上述べたように１本発明によれば、保護軸受で回転体
を回転させるときの振動特性を電磁力で支持した状態に
近づけ、両者の振動特性を同様にすることにより回転体
の振動を押え、より安全度の高い保護軸受にするととも
に、保護軸受と回転体とのギャップを小さくして振動力
を小さくさせるようにした電磁軸受装置を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明の一実施例に係る電磁軸受装置の保護
軸受部の主要構成を示す断面図、第２図は、第１図のＡ
−Ａ断面図、第３図は、第１図の回転体の振動特性の変
化を示す説明図、第４図は、本発明の他の実施例に係る
保護軸受部の部分断面図、第５図および第６図は、いず
れも本発明のさらに他の実施例に係る保護軸受部の部分
断面図、第７図は、第６図の積層板ばねの変位−荷重線
図。 第８図は、本発明のさらに他の実施例に係る保護軸受部
の平面図である。 １・・・軸受ハウジング、２・・・ラジアル電磁軸受、
３・・・ロータ、４，４Ａ−・・保護軸受、５．５ａ、
５ｂ、５ｃ、５ｄ・・・ばね、６・・吸引電磁石、１２
・・・フック、１３・・・復元ばね、１４・・・積層板
ばね。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、回転体を磁気的な径方向軸受で支承した電磁軸受装
   置において、電磁軸受の電磁力喪失時に回転体と接触し
   て回転する保護軸受を備え、この保護軸受を、荷重方向
   に撓ませるように弾性支持したことを特徴とする電磁軸
   受装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、弾性支
   持した保護軸受は、荷重方向の撓みを解除する手段を具
   備したことを特徴とする電磁軸受装置。 ３、特許請求の範囲第２項記載のものにおいて、保護軸
   受の撓み解除手段は、制御回路の故障検知回路の出力で
   作動するように構成したことを特徴とする電磁軸受装置
   。 ４、回転体を磁気的な径方向軸受で支承した電磁軸受装
   置において、電磁軸受の電磁力喪失時に回転体と接触し
   て回転する保護軸受を備え、この保護軸受と前記回転体
   との半径ギャップδを、重力加速度をｇ、前記回転体の
   最高回転角速度をωとしたとき、 δ＜（ｇ／ω＾２） を満足するように設定したことを特徴とする電磁軸受装
   置。 ５、回転体を磁気的な径方向軸受で支承した電磁軸受装
   置において、電磁軸受の電磁力喪失時に回転体と接触し
   て回転する保護軸受を備え、この保護軸受を異方性のば
   ねで支承したことを特徴とする電磁軸受装置。 ６、特許請求の範囲第５項記載のものにおいて、保護軸
   受は、不感帯を有する異方性のばねで支承したことを特
   徴とする電磁軸受装置。 ７、特許請求の範囲第５項記載のものにおいて、保護軸
   受は、荷重が作用する方向のばね定数を他の方向のばね
   定数より大きくした異方性のばねで支承したことを特徴
   とする電磁軸受装置。