JPH03265439A - クローポール形回転電機 - 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） 本発明は回転軸の両端にタービンとコンプレッサーを装
着したクローポール形発電機装置のような回転電機に関
する。

（従来の技術） 第４図と第５図は従来技術のクローポール形同期発電機
の原理構造を示す縦断面図とロータの要部のＡ−Ａ線に
沿う矢視断面図である。

発電機のロータ（１）は両軸端に設けられたころがり軸
受（２）と軸受ブラケット（３）により支持される。軸
受ブラケット（３）は固定子フレーム（４）に固定され
、固定子フレーム（４）の中央には非磁性材からなる鉄
心支持筒（１０）を介して固定子鉄心（６）が嵌合され
、更にこの内部には、電機子巻線（５）が収められてい
る。

クローポール形同期発電機のロータ（１）は軸方方向に
２割分さ九、ロータ（１）の中央部断面の第５図に示す
ように、各々Ｎ極とＳ極に磁化され非磁性部（７）で突
き合わせ溶接により製作される。

このような２極の永久磁石を持つロータ（１）は機械的
に剛な回転軸となり超高速の回転体に適する。

一方、界磁巻線（８）は磁路（９）を形成するように固
定子フレーム（４）の両端部内に収められ、直流電流を
通電し電力を発生する。

以上の様なりローポール形同期発電機をプレイトンサイ
クル式発電システムに採用した場合１発電機ロータ軸上
にタービンとコンプレッサが装着される。例えば宇宙発
電機用のプレイトンサイクル式発電システムでは、発電
機の超小形軽量化の為に超々高速回転とし、且つこの状
態下で高効率並びに長期信頼性が要求され、これらの要
求を満足する軸受として能動形の磁気軸受またはガス軸
受が上げられる。

第６図は従来のガス軸受技術によるプレイトンサイクル
式クローポール形同期発電機装置の縦断面図を示す。

次にこの構成について説明する。

発電機ロータ（１）の両端にはタービン（１１）とコン
プレッサ（１２）が各々装着されている。固定子フレー
ム（Ｉ３）には非磁性材からなる鉄心支持筒（１０）を
介して固定子鉄心（６）が嵌合され、この内部には電機
子巻線（５）が収められている。固定子フレーム（１３
）の両端には界磁巻線フレーム（１５）が各々固着され
、その内部には界磁巻線（８）が収められている。

タービン（１１）側の界磁巻線フレーム（１５）の端面
には軸受ハウジング（１６）が取り付けられており、第
７図に詳細を示すように軸受ハウジング（１６）の内側
にはパッド（１７）、ピボット（１８）、固定ナツト（
１９）からなるティルテングパッドラジアルガス軸受装
置が設置されている。

一方、コンプレッサ（１２）の側の界磁巻線フレーム（
１５）の端面には第８図に示すようなスパイラル溝（２
０ａ）付きスラストガス軸受（２０）と間隔片（２］）
並びにスラスト円ｇｌ（２２）からなるスラストガス軸
受装置が装着されている。さらに間隔片（２１）のコン
プレッサ（１２）の側にはタービン（１１）の側と同一
のティルテングバッドラジアルガス軸受装置が設置され
ている。また、タービン（１１）、コンプレッサ（１２
）と各々ティルテングパッドラジアルガス軸受装置の間
にはラビリンスシール（２３）が設置されている。　（
２４）は仕切筒である。

（発明が解決しようとする課題） スラスト軸受に作用するスラスト力はタービン（１１）
とコンプレッサ（１２）による軸方向のアンバランスに
よる力、発電機の軸方向の磁気アンバランスによる力、
発電機を支軸とし使用したときの発電機ロータの重量等
があり、このスラスト力はスラスト円板（２２）とスラ
ストガス軸受（２０）で支持する。

この時のスラスト円板（２２）とスラストガス軸受（２
０）との相対的なガス膜厚さは数声〜士数ｐと極めて薄
い状態になる。この状態下でスラスト円板（２２）とス
ラストガス軸受（２０）のミスアライメント（ガス膜厚
さの不均一性）は負荷能力を著しく低減させ、軸受の損
傷に至る。このガス膜厚さの不均一性を与える要因とし
て、次の事が上げられる。

（１）加工精度ならびに組立精度によるミスアライメン
ト６ （２）発電機ロータ（１）の重心やタービン（１１）と
コンプレッサー（Ｉ２）のラジアル力によるモーメント
によるミスアライメント。

（３）第９図（ａ）、（ｂ）、　（ｃ）に示す各危険速
度の通過時における軸振動に伴うミスアライメント。

（４）軸受ハウジング（１６）などの熱変形に伴うミス
アライメント。

本発明は上記の従来技術の問題点に鑑みなされたもので
、スラストガス軸受のガス膜厚さの不均一化を防止しス
ラストガス軸受の高性能化を計り、また危険速度の通過
時や不釣合振動に対し、高安定性で且つ高信頼性を有す
るクローポール形発電機のような超高速で小形軽量の回
転電機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） 上記目的を達成するために１本発明においては、スラス
トガス軸受を備えたクローポール形回転電機において、
スラストガス軸受の底面ならびにそれを支持する対向面
をロータの中心線上に中心を持つ球面にし、その対向す
る球面の少なくとも何れか一方に固体潤滑剤からなるコ
ーティング層を設ける。

（作　用） 本発明は上記目的のように構成されているので、加工精
度、組立精度、軸振動ならびに熱変形等の諸々のミスア
ライメントを修正できることにより、スラスト軸受の負
荷能力を向上する（低膜を厚くする）ことができる。こ
のことはスラスト軸受の性能が向上することを意味し、
このことにより小形化が可能となる。

従って信頼性が高く、かつ小形軽量化が可能なりローポ
ール形回転電機を提供することができる。

（実施例） 実施例１ 以下、本発明の第１の実施例について第１図を参照して
説明する。

尚、第４図〜第９図の従来技術で説明した部品と共通す
る部分については同一符号を付して説明を省略する。

第１図は本実施例１のスラストガス軸受の主要部の縦断
面であり、他の構成部品は従来技術と全く同じである。

本実施例１の特徴は廻り止めビン（２５）が追加明記さ
れていることと、スラスト円板（２０）を挟み設置した
両スラスｌ−軸受（２０）の底面ならびに、これに相対
する界磁巻線フレーム（１５）と軸受ハウジング（１６
）に発電機の軸中心線″０″Ｉ　　１１０　ｎ上に中心
Ｃを持つ半径Ｒの凹・凸球面（２０ｂ）、　（１５ａ）
、（１６ａ）を設け、この対向する球面の少なくとも何
れか一方に固体潤滑剤（例えば金、鉛、二硫化モリブデ
ン等）のコーティング層（２６）を設けていることにあ
る。

次に作用について説明する。

本実施例は従来技術の問題点どし明記した諸々の要因な
らびに現象によるスラスト円板（２２）とスラストガス
軸受（２０）の相対間隙の不均一性、即ちミスアライメ
ントの解消を狙いどしたものである。

そこでミスアライメントが発生した時、こ扛らの球面（
２０ｂ）、（１５ａ）、（１６ａ）ならびに固体潤滑剤
のコーティング層（２６）の機能について説明する。

第２図はミスアライメン！−の発生時のガス膜圧力の分
布ならびに力とモーメントの平衡関係を示す原理説明図
である。

原理説明を簡単にするために、スラストガス軸受（２０
）を単位幅（紙面直角方向）とし取扱う。図のようなミ
スアライメントが発生している（図では発電機ロータ（
１）が傾いている。）時は上部のスラストガス軸受（２
０）のガス膜圧力分布が下部のそれに比して、極めて小
さい。ここで、上・下部のスラストガス軸受（２０）の
面に発生したガス膜圧力分布の合成力Ｆ１、Ｆ２ならび
にその作用点を（ｒｌ、θ１）、（Ｆ２．θ２）とする
とスラストガス軸受（２０）の球面（２０ｂ）の中心Ｃ
を芯として回転しようとするモーメントＭは時計方向廼
り１正とするとＭ＝Ｍ１−Ｍ、＝Ｆ、　・ｓｉｎθ、　
ｏ　ｒ、−Ｆ２・ｓｉｎθ２”Ｆ２ここで図のようなミ
スアライメントではＦ２＞Ｆｌ、θ２〉θ１、ｒ、＞ｒ
、が成立するから、負のモーメントＭとなり、スラスト
ガス軸受（２０）が反時計方向に回動し、スラスト円板
（２２）とスラストガス軸受（２０）の相対間隙が均一
になる様に作用する。一方、スラストガス軸受（２０）
の球面（２０ｂ）に垂直に作用する荷重Ｗは Ｗ＝（Ｆ□・ｃＯ８θ、）２＋（Ｆ２・ｃｏｓ６）２と
なる。

今、スラストガス軸受（２０）の球面（２０ｂ）と相手
の軸受ハウジング（１６）の球面（１６ａ）（または界
磁巻線フレーム（１５）の球面（１５ａ）との摩擦係数
をμとすると Ｆ、＝μｍＷ−＝ｐ−（Ｆ□・ｃｏｓθｘ）２＋　（Ｆ
、　・ｅｏｓθ２）２の摩擦力が作用し、上記モーメン
トＭによる回転を阻止するようになる。従って、スラス
トガス軸受（２２）が滑って回転するためには Ｆ、　・ｓｉｎ　ｅ、　・ｒｌ−Ｆ２・ｓｉｎθ２・ｒ
、十Ｆ０・Ｒ≦Ｏどなる。これより、摩擦係数μを求め
るととなり、摩擦係数μを極力小さくすることが必要と
なる。そこで、本実施例１ではスラストガス軸受（２０
）の凸球面（２０ａ）および、これに対向する凹球面の
少なくとも何れか一方に固体潤滑剤のコーティング層（
２６）を設け、摩擦係数μの低減を図っている。

以上の実施例１の説明から明らかなように、スパイラル
溝を有するスラストガス軸受の底面ならびに、これに対
向する電機子巻線フレームと軸受ハウジングに凸・凹球
面を設け、さらに、対向する球面の少なくとも何れか一
方に固体潤滑剤のコーティング層を設けることにより、
諸々の要因と現象により、ミスアライメントが発生した
場合、スラストガス軸受（２０）はこの球面に泊った回
転運動を行い、常にスラストガス軸受（２０）とスラス
ト円板（２２）の相対間隙を均一化するように作用する
。

従って、この間隙が均一化された状態では、軸受の負荷
容蓋ならびに動的定数（ばね定数、減衰定数）も高く保
持できる。このことは、軸受の焼付防止、軸系の制振効
果に優れることから高性能で高信頼性な超高速のクロー
ポール形同期発電機のような回転電機を提供できる。

実施例２ 次に、第２の実施例について第３図を用いて説明する。

第３図は第１図の変形例を示す、ガス軸受は高速回転に
なってガス膜を形成できるが、起動時ならび低速回転で
はガス軸受と回転軸の固体接触運転による。この為、軸
受材ならびに回転軸材の選定や表面改質の技術が重要視
される。最近、軸受材にセラミックス材５回転軸に超硬
合金の処理を施こしたものが注目されている。本実施例
２はこれに鑑みたもので、スラストガス軸受にセラミッ
クス材を利用したものに関する。

スラストガス軸受（２０）は平面円板状のセラミックス
部材（２７）と、これを支持する球面座（２８）からな
る。他は実施例１の通りである。

セラミックス部材（２７）の場合は硬度が極めて高いこ
とや加工後の熱処理ができないことから、複雑な形状や
超精密加工を用する時には技術とコストの面で問題が残
されているから、本実施例２はこれを解消するためセラ
ミックス部材（２７）は平面円板とし、鉄系の球面座（
２８）とを組合せてスラストガス軸受（２０）に採用し
たものであって、低速時にも安全で、他は実施例１に示
した作用効果を奏するものである。

〔発明の効果Ｊ 以上の説明のように、スラストガス軸受の底面ならびに
それを支持する軸受ハウジング面を回転軸の中心線上に
中心を持つ球面に形成し、これらの対向する球面の少な
くとも何れが一方に固体潤滑剤のコーティング層を設け
ることにより、スラスト円板がミスアライメントを生じ
ても自動的にミスアライメントを解除できることから、
スラストガス軸受の性能が大幅に向上する。

このことによって、高効率、小形軽量、長期信頼性に優
れた超高速のクローポール形発電機のような回転電機を
提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示すスラスト軸受部の
縦断面図、第２図は本発明の機能を示す原理説明図、第
３図は第２の実施例を示す縦断面図、第４図は従来技術
によるクローポール形発電機の本体の断面の原理説明図
、第５図は第４図のＡ−Ａ線に沿う矢視断面図、第６図
は従来技術のプレートンサイクル式りローポール形発電
機゛装置の縦断面図、第７図は第６図のティルテングパ
ッドラジアルガス軸受を示す横断面図、第８図は第６図
のスラストガス軸受面を示す立面図、第９図は危険速度
通過時の振動モード図である。 １５ａ・・・界磁巻線フレームの球面、１６ａ・・・軸
受ハウジングの球面、 ２０・・・スラストガス軸受、 ２０ｂ・・・スラストガス軸受の球面、２６・・・固体
潤滑剤のコーティング層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　スラストガス軸受を備えたクローポール形回転電機に
   おいて、スラストガス軸受の底面ならびにそれを支持す
   る対向面をロータの中心線上に中心を持つ球面にし、そ
   の対向する球面の少なくとも何れか一方に固体潤滑剤か
   らなるコーティング層を設けたことを特徴とするクロー
   ポール形回転電機。