JPH03125014A - 動圧式気体軸受装置 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） この発明は、高温条件下で超高速回転するロータを支承
する動圧式気体軸受に係り、特にそのパッド支持構造の
改良に関する。

（従来の技術） 周知のように、クローポール形同期発電機のロータは、
剛な構造のため、超高速回転に適している。近年のクロ
ーポール形同期発電機には、発電機ロータの両端にター
ビン及びコンプレッサをそれぞれ装着したプレイトンサ
イクル方式の発電機が開発されている。この発電機は超
小形で大容量の発電を実現できるので、小形軽量で出力
の大きな発電機が要望される宇宙発電システムに特に好
適である。このクローポール形同期発電機では、ティル
ティングパッド形動圧式気体軸受によって超高速回転す
るロータを安定に支持している。

第３図は従来のティルティングパッド形動圧式気体軸受
の断面図であり、第４図は第３図のＩＶ−■線に沿う断
面図である。

このティルティングパッド形動圧式気体軸受は、自動調
心機能を持つ複数個のパッド１と、固定式ピボット２及
び軸受ブラケット３とを備えて構成される。発電機ロー
タ４が回転すると、気体の粘性作用により気体が、パッ
ド１と発電機ロータ４との間の非常に狭い軸受隙間５に
導かれ、軸受隙間５のくさび膜効果により第５図に示す
気体膜圧力が発生する。この気体膜圧力によって発電機
ロータ４が支持されると共に、パッド１と発電機ロータ
４との接触が防止される。

ところが、従来のティルティングパッド形動圧式気体軸
受では、タービン、コンプレッサ及び発電機等の高温熱
源からの熱が侵入したり、軸受自身の発熱のために、発
電機ロータ４．パッド１及び固定式ピボット２等が熱変
形して、軸受隙間５が大幅に縮小する。このうち、発電
機ロータ４の熱膨張が大きく、超高速回転では隙間５が
異常に小さくなって、発電機ロータ４と複数のパッド１
とが接触し、焼付が発生する恐れがある。

そこで、通常は最高回転数（定格回転数）において最適
な隙間を維持できるように軸受隙間５の寸法が設定され
るが、このような設定では低速回転での軸受隙間５の寸
法が余りにも太き（なってしまう。この結果、低速回転
領域での軸受特性が悪化して、発電機ロータ４とパッド
１との不安定振動や同期振動が過大となり、超高速回転
に到達することができない恐れがある。

また、第６図に示すように、上部のパッド１を寸法δだ
けオフセットして、高速回転領域におけるパッドｌと発
電機ロータ４との接触や焼付を防止するようにしたティ
ルティングパッド形動圧式気体軸受が提案されている。

しかし、この従来の他のティルティングパッド形動圧式
気体軸受でも、第２図（Ａ）の破線ａに示すように、低
速回転領域において軸受隙間５が大きいので、発電機ロ
ータ４の剛体の共振や上部パッド１の不安定振動が発生
しやすい。しかも、第２図の破線すに示すように、上部
のパッド１の気体膜圧力がある程度の高速回転領域から
発生するため、低速回転領域で発生した発電機ロータ４
の剛体の共振や上部のパッド１の不安定振動に対する制
振効果が小さい。

従って、第２図（Ｂ）の破線Ｃに示すように、発電機ロ
ータ４の振動や上部のパッド１の不安定振動は、低速回
転から高速回転に至る広い領域で大きくなってしまう。

（発明が解決しようとする課題） 上述のように、従来のティルティングパッド形動圧式気
体軸受では、ロータの高速回転領域で軸受隙間５が小さ
くなり、パッド１と発電機ロータ４とが接触して焼付を
発生する恐れがある。また、第６図に示す従来の他のテ
ィルティングパッド形動圧式気体軸受では、低速から高
速回転領域に至る広い範囲で発電機ロータの共振や上部
のパッド１の不安定振動が発生してしまう恐れがある。

この発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、
軸受隙間を最適に自動調整できると共に、ロータの広い
回転領域において、安定運転できる動圧式気体軸受装置
を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） この発明は、軸受ブラケット内に複数のピボットを介し
て複数のパッドが支持され、これらのパッド内にロータ
が気体膜を介して回転可能に支持される動圧式気体軸受
装置において、上記複数のピボットのうち、上記ロータ
の荷重方向と反対側に位置するピボットが上記ロータの
直径方向に移動可能な可動式ピボットであり、この可動
式ピボットの基端部に可動側磁石が設置され、また前記
軸受ブラケットには上記可動側磁石に対向する位置に固
定側磁石が設置され、これら可動側磁石および固定側磁
石による磁気反発力が上記可動式ピボットを経てパッド
押付力となるよう構成されたことを特徴とするものであ
る。

（作用） したがって、この発明に係る動圧式気体軸受装置によれ
ば、ロータが回転してロータ及びパッド間の軸受隙間に
発生する気体膜圧力が上昇すると、可動式ピボットはロ
ータの直径方向外向きに持ち上げられるが、この時、可
動側磁石が固定側磁石に接近して両磁石による磁気反発
力が増大するので、可動式ピボットがパッドに付与する
パッド押付力も増大する。この結果、ロータの共振やパ
ッドの不安定振動を抑制できる。

ロータが高速回転すればするほど、軸受隙間に発生する
気体膜圧力が高まり、可動式ピボットが一層持上げられ
るが、この時、可動側磁石が固定側磁石に一層接近する
ので、両磁石による磁気反発力が大となり、可動式ピボ
ットはより大きなｔＺフッド付力をパッドに付与できる
。このため、ロータが高速回転するにつれ、パッド押付
力が増大し、ロータの共振やパッドの不安定振動を制振
できる。

また、ロータが熱膨張して軸受隙間が小さくなっても、
この軸受隙間に発生した気体膜圧力がロータ直径方向外
側へ可動式ピボットを持上げるので、ロータとパッドと
の接触を防止でき、両者の焼付の発生を防止できる。

（実施例） 以下、この発明の実施例を図面に基いて説明する。

第１図はこの発明に係る動圧式気体軸受装置の一実施例
が適用されたティルティングパッド形動圧式気体軸受を
示す断面図である。この一実施例において前記従来例と
同様な部分は同一の符号を付すことにより説明を省略す
る。

このティルティングパッド形動圧式気体軸受装置では、
発電機ロータ４の荷重方向（第５図参照）と反対側に位
置するピボットが可動式ピボット１０とされている。こ
の可動式ピボット１０は、基端部に頭部１１を有する断
面丁字形状に構成され、先端部が上部のパッド１に当接
する。また、頭部１１の中央には可動側永久磁石１２が
設置される。

さらに、頭部１１には、可動式ピボット１０の長手方向
に貫通するダンパ１３が穿設される。

上述のような可動式ピボット１０が軸受ブラケット３に
、発電機ロータ４の直径方向に移動可能に配設される。

可動式ピボット１０が配設される軸受ブラケット３の穿
設孔１４には、可動式ピボット１０の長手方向中央部と
接触するようにしてシール１５が装着される。そして、
穿設孔１４内に磁性流体１６が充填される。可動式ピボ
ット１０は、この磁性流体１６に浮遊状態に配設される
。

磁性流体１６は、ダンパ孔１３内を経て可動側永久磁石
１２の上面に至る。軸受ブラケット３には、上記可動側
永久磁石１２と対向する位置に、固定側永久磁石１７が
配設される。

磁性流体１６は、この固定側永久磁石１７と可動側永久
磁石１２との間隙１８内に充填され、両磁石１２及び１
７間の磁束密度を増大させて、感度を上昇させる主要な
機能を有する。

可動側永久磁石１２及び固定側永久磁石１７は、磁気反
発力を可動式ピボット１０に付与して、この可動式ピボ
ット１０を移動させ、可動式ピボツ）１０が上部のパッ
ド１を押圧するパッド押圧力を、可動式ピボット１０に
与えるものである。このパッド押圧力が大きいほど、発
電機ロータ４の共振やパッド１の不安定振動を制振する
作用が大きくなる。なお、固定側永久磁石１７は永久磁
石固定板１９によって軸受ブラケット３に固定される。

次に、作用を説明する。

発電機ロータ４が静止している時には、永久磁石１２お
よび１７による磁気反発力が弱いので、上部のパッド１
が発電機ロータ４に接触状態にある。

発電機ロータ４が回転すると、気体の動圧作用により、
発電機ロータ４及びパッド１間の軸受隙間５に気体膜圧
力が発生し、この気体膜圧力が上昇して、動圧式ピボッ
ト１０はロータ４の直径方向外向きに持ち上げられる。

しかし、このとき、可動側磁石１２が固定側磁石１７に
接近して両磁石１２および１７による磁気反発力が増大
し、この磁気反力がやがて気体膜圧力と釣合う。このよ
うに、発電機ロータ４の回転に伴ない磁気反発力が増大
するので、可動式ピボット１０が上部のパッド１に付与
するパッド押付力が増大し、ロータ４の共振やパッド１
の不安定振動を抑制できる。

発電機ロータ４が高速回転すればするほど軸受隙間５に
発生する気体膜圧力が高まり、可動式ピポット１０が一
層持上げられるが、この時、可動側磁石１２と固定側磁
石１７が一層接近するので両磁石１２及び１７による磁
気反発力が大となり、可動式ピボット１０はより大きな
パッド押付力をパッド１に付与できる。このため、発電
機ロータ４が高速回転するにつれて、パッド押付力が増
し、発電機ロータ４の共振やパッド１の不安定振動を好
適に制振できる。

また、上述のように可動式ピボット１０が発電機ロータ
４の直径方向外側へ移動するとき、磁性流体１６は、ダ
ンパ孔１３を経て隙間１８からロータ４側へ流れる。実
際には、発電機ロータ４やパッド１の振動によって、磁
性流体１６はダンパ孔１３内をロータ４の直径方向に往
復移動する。

この磁性流体１６の往復移動により、発電機ロータ４お
よびパッド１の振動を一層好適に減衰させることができ
る。

第２図（Ａ）はパッド押付力および気体膜厚と発電機ロ
ータの回転数との関係を示すグラフであり、第２図（Ｂ
）は発電機ロータの振動と発電機ロータの回転数との関
係を示すグラフである。この一実施例では、第２図（Ａ
）の実線Ｂで示すように発電機ロータ４の低速回転時か
らパッド押付力が発生するので、第２図（Ｂ）の実線Ｃ
で示すように、低速回転から高速回転に至る広い範囲に
渡って発電機ロータ４の共振やパッド１の不安定振動が
抑制されている。また、第２図（Ａ）の実線Ａに示すよ
うに発電機ロータ４の低速回転時にパッド１と発電機ロ
ータ４との軸受隙間５が大きすぎないので、低速回転時
における発電機ロータ４の振動も第２図（Ｂ）の実線Ｃ
に示すように低減させることができる。

さらに、発電機ロータ４および軸受部が熱変形した場合
、例えば、発電機ロータ４が熱膨張して軸受隙間５が小
さくなっても、この軸受隙間５に発生した気体膜圧力が
ロータ４の直径方向外側へ可動式ピボット１０を持上げ
るので、発電機ロータ４とパッド１との接触を防止でき
両者１および４の焼付の発生を防止できる。

これらのことから、この実施例に係るティルティングパ
ッド形動圧式気体軸受装置をクローポール形同期発電機
に適用することにより、高性能かつ長期信頼性に優れた
超高速用発電機を提供できる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明に係る動圧式気体軸受装置によ
れば、ロータの荷重方向と反対側に位置するピボットが
上記ロータの直径方向に可動可能な可動式ピボットであ
り、この可動式ピボットの基端部に可動側磁石が設置さ
れ、また前記軸受ブラケットには上記可動側磁石に対向
する位置に固定側磁石が設置され、これら可動側磁石お
よび固定側磁石による磁気反発力が上記可動式ピボット
を経てパッド押付力となるよう構成されたことから、軸
受隙間を最適に自動調整できるとともに、ロータの広い
回転領域において安定運転を実現させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る動圧式気体軸受装置の一実施例
を示すティルティングパッド形動圧式気体軸受装置の断
面図、第２図（Ａ）は第１図のテイルティングバッド形
気体軸受装置と従来の他のティルティングパッド形動圧
式気体軸受装置とにおけるパッド押付力及び気体膜厚と
ロータ回転数との関係を示すグラフ、第２図（Ｂ）はこ
の一実施例におけるティルティングパッド形動圧式気体
軸受装置と従来の他のティルティングバッド形気体軸受
装置とにおけるロータの振動数とロータ回転数との関係
を示すグラフ、第３図は従来のティルティングパッド形
動圧式気体軸受装置の断面図、第４図は第３図のＩＶ−
ＩＶ線に沿う断面図、第５図はティルティングパッド形
動圧式気体軸受装置の原理図、第６図は従来の他のティ
ルティングパッド形動圧式気体軸受装置を示す模式図で
ある。 １・・・パッド、２・・・固定式ピボット、３・・・軸
受ブラケット、４・・・発電機ロータ、ｌＯ・・・可動
式ピボット、１２・・・可動側永久磁石、１６・・・磁
性流体、１７・・・固定側永久磁石。 （Ａ） （Ｂ） ＄２ 図 第 回 ／別Ｆ″鯖４ 渠 図 第 回

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 軸受ブラケット内に複数のピボットを介して複数のパッ
   ドが支持され、これらのパッド内にロータが気体膜を介
   して回転可能に支持される動圧式気体軸受装置において
   、上記複数のピボットのうち、上記ロータの荷重方向と
   反対側に位置するピボットが上記ロータの直径方向に移
   動可能な可動式ピボットであり、この可動式ピボットの
   基端部に可動側磁石が設置され、また前記軸受ブラケッ
   トには上記可動側磁石に対向する位置に固定側磁石が設
   置され、これら可動側磁石および固定側磁石による磁気
   反発力が上記可動式ピボットを経てパッド押付力となる
   よう構成されたことを特徴とする動圧式気体軸受装置。