JPH09257034A - 磁気軸受と静圧軸受を備えた流体機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 磁気軸受と静圧軸受とで支持された回転軸を
正確にオフセット調整することができる流体機械を提供
する。 【解決手段】 磁気軸受と静圧軸受によって、回転軸
１が支持された流体機械において、静圧軸受１１の近く
に、磁気軸受のオフセット調整用の電磁石２０Ａ，２０
Ｂを磁気軸受の制御軸に合わせて設置し、磁気軸受６
Ａ，６Ｂにバイアス電流を流すことと、調整用電磁石２
０Ａ，２０Ｂに直流電流を流すことにより、磁気吸引力
により流体機械の回転軸をそれぞれの軸受の近傍に配置
された保護軸受１２，１３に接触させて、保護軸受の隙
間だけ回転軸を変位させることにより、磁気軸受の変位
センサ７のオフセット調整が行えるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気軸受と静圧軸
受を備えた流体機械に係り、特に回転軸の一部が磁気軸
受で支持され、回転軸の他の一部が静圧軸受によって支
持された、ターボポンプあるいはガスタービンエンジン
等の流体機械に関する。

【０００２】

【従来の技術】磁気軸受は、回転軸に固着した磁性材料
製の回転子ヨークと、この回転子ヨークから、微少間隔
の距離をおいてケーシングに取付けられた、且つ起磁力
を発生させるコイルを備えた電磁石固定子と、上記回転
軸とケーシング間の相対変位を測定する変位センサと、
この変位センサからの変位信号をもとに上記回転子ヨー
クと上記電磁石固定子間に作用する磁気吸引力をフィー
ドバック制御する補償回路と電力増幅器を具備してい
る。そして、変位センサにより回転軸の目標浮上位置か
らの偏差が検出され、補償回路で振動抑制、安定化のた
めの処理が施され、電力増幅器を通して電磁石に流れる
励磁電流が制御され、回転軸を電磁石固定子間の目標位
置に浮上支持する。

【０００３】静圧軸受は、回転軸に対して例えばポンプ
で加圧した作動流体等の静圧力を、回転軸に直接作用さ
せることにより、回転軸を磁気軸受と同様に軸受部分か
ら非接触で浮上保持する軸受である。この様に磁気軸受
と静圧軸受とは、それぞれの作動状態においては、回転
軸が軸受部分から浮上した非接触状態で支持されるが、
浮上力が作用していない状態では回転軸がそれぞれの軸
受部分に接触することとなる。このため、磁気軸受と静
圧軸受との近傍には、それぞれベアリング等からなる保
護軸受が設けられて、停止状態でも回転軸が軸受部分に
直接接触しないようにしている。

【０００４】磁気軸受は非接触で回転軸を支持できるた
め、回転軸を高速で回転しても損失が小さく、高速運転
が可能である。また、油軸受を使用しなくて済むため
に、そのためのオイルコンソールが不用であり、最近、
ターボポンプ等の流体機械に磁気軸受が使用されること
が多くなっている。しかし、磁気軸受は他の軸受に比べ
ると、回転軸が長くなる傾向があり、危険速度が低下し
問題となることがある。そこで、他の軸受を併用するこ
とによって、磁気軸受の代用あるいは磁気軸受の負荷の
軽減をはかり、回転軸を短くし危険速度を避ける場合が
ある。

【０００５】この場合には、ポンプ等の加圧液体の圧力
をそのまま使用する静圧軸受が用いられることが多い。
静圧軸受も回転軸を流体の静圧の力で非接触で支持する
軸受であるので、磁気軸受との併用が可能である。この
ようなことから、回転軸の一方を磁気軸受で支持し、も
う一方を静圧軸受で支持するポンプ等の流体機械があ
る。特に、例えば回転軸の一部にターボポンプの羽根車
が固着され、そのポンプが加圧圧送する液体の静圧力を
用いて静圧軸受とし、磁気軸受側が大気中に配置される
流体機械では、このような組合せが特に好適である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】一般に磁気軸受で回転
軸を支持した流体機械は、磁気軸受で支持される回転軸
の目標浮上位置を保護軸受の中心に設定するようにオフ
セット調整を行う必要がある。このために、磁気軸受を
構成する電磁石固定子にバイアス電流を流すことによ
り、磁気吸引力により流体機械の回転軸を磁気軸受近傍
に配置された保護軸受に接触させて、保護軸受の隙間だ
け回転軸を変位させ、上記磁気軸受用の変位センサのオ
フセット調整をすることが多い。

【０００７】しかしながら、上述した回転軸の一部が磁
気軸受で支持され、他の一部が静圧軸受で支持されてい
る場合には、回転軸は磁気軸受近くの保護軸受の隙間の
範囲では動かすことができるが、他の静圧軸受側では回
転軸がどう動くかは不確定であり、双方の保護軸受の中
心に正確に回転軸を位置合わせすることができない。

【０００８】このような場合には、回転軸を保護軸受の
中心位置に合わせたつもりでも、実際には偏って位置合
わせした状態でオフセット調整しているために、回転中
に軸振動により回転軸が保護軸受に接触する頻度が多く
なる。これは、磁気軸受にとって不安定状態の原因にな
り、保護軸受の損傷を早めることになって好ましくな
い。

【０００９】なお、静圧軸受側の回転軸を押しボルトな
どの別の手段で動かすことも考えられるが、静圧軸受の
作動流体が超低温あるいは超高温状態にある場合には、
静圧軸受側の回転軸を押しボルト等の別の手段で動かす
ことは大変難しい。

【００１０】本発明は上述した事情に鑑みて為されたも
ので、磁気軸受と静圧軸受とで支持された回転軸を正確
にオフセット調整することができる流体機械を提供する
ことを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明の磁気軸受と静圧軸受を備えた流体機械
は、回転軸に固着した磁性材料製の回転子ヨークと、こ
の回転子ヨークから微少間隔の距離をおいてケーシング
に取付けられ、且つ起磁力を発生させるコイルを備えた
電磁石固定子と、上記回転軸とケーシング間の相対変位
を測定する変位センサと、この変位センサからの変位信
号をもとに上記回転子ヨークと上記電磁石固定子間に作
用する磁気吸引力を制御する補償回路と電力増幅器を具
備するラジアル磁気軸受と、作動流体の圧力を用いるラ
ジアル静圧軸受によって、上記回転軸が支持された流体
機械において、上記静圧軸受の近くに、上記磁気軸受の
オフセット調整用の電磁石を上記磁気軸受の制御軸に合
わせて設置し、上記磁気軸受と、上記調整用電磁石に電
流を流すことにより、磁気吸引力により流体機械の回転
軸をそれぞれの軸受の近傍に配置された保護軸受に接触
させて、該保護軸受の隙間だけ回転軸を変位させること
により、上記磁気軸受の変位センサのオフセット位置調
整が行えるようにしたことを特徴とする。

【００１２】また、上記調整用の電磁石の近くに、回転
軸の変位を検出するセンサを配置したことを特徴とす
る。

【００１３】また、上記調整用の電磁石を、上記静圧軸
受の保護軸受の近傍に配置したことを特徴とする。

【００１４】上述した本発明の構成によれば、磁気軸受
と静圧軸受との両方の近傍に配置された電磁石にそれぞ
れバイアス電流を流すことにより、磁気吸引力により回
転軸をそれぞれの保護軸受の一方の側に接触させること
ができる。この時の変位センサの出力を読み取る。次に
電磁石の他方の側にバイアス電流や直流電流を流すこと
により、回転軸をそれぞれの保護軸受の他端側に移動さ
せて接触させる。そしてこの状態で磁気軸受の変位セン
サの出力を読み取り、読取り結果からオフセットを調整
する。この様に保護軸受の隙間だけ回転軸を変位させる
ことにより、変位センサのオフセット調整を正確に行う
ことが可能となる。

【００１５】さらに、調整用電磁石の近くに、回転軸の
変位を検出するセンサを設置することにより、回転軸の
動きを正確に監視することができ、オフセット調整の精
度を向上させることができる。

【００１６】さらに、上記調整用電磁石を、保護軸受の
近傍に配置したことから、回転軸は調整用電磁石の電流
により保護軸受に接触して吸着する。回転軸の接触点が
回転軸に対して吸着力が作用する点と近いので、回転軸
には撓み等が生ぜず正確なオフセット調整を行うことが
できる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の一実施例について添付図面を
参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施例の
磁気軸受と静圧軸受を備えた流体機械の説明図である。
回転軸１には、その中ほどにタービン翼２が取り付けら
れており、その翼２に高圧ガスを流入させて回転軸１を
高速駆動する。回転軸１の下端には、羽根車１０が取り
付けられ、ターボポンプを構成している。回転軸１の下
端側では、静圧軸受１１によりラジアル方向に支持され
る。静圧軸受１１には、ターボポンプの羽根車１０で加
圧された取扱液が供給され、羽根車１０の回転時にはこ
の静圧により回転軸１が浮上支持される。従って、回転
軸が停止しているときには、回転軸１は保護軸受１２に
接触して支持されている。なお、保護軸受としては、ボ
ールベアリングのみならず、スリーブ軸受であってもよ
い。

【００１８】回転軸１の上端側は、ラジアル磁気軸受３
及びスラスト磁気軸受１４により支持されている。ラジ
アル磁気軸受３は回転軸１に固着した磁性材料製の回転
子ヨーク４と、この回転子ヨークから微少間隔の距離を
おいてケーシングに取り付けられ、且つ起滋力を発生さ
せるコイルを備えた電磁石固定子６Ａ，６Ｂとから構成
されている。又、スラスト磁気軸受１４は回転軸１に固
着された磁性材料製のスラストディスク１５と、これに
微少間隔の距離をおいてケーシングに取り付けられ、コ
イルを備えた電磁石固定子１６Ａ，１６Ｂとから構成さ
れている。同様に保護軸受１３が設けられている。

【００１９】これらの磁気軸受は、変位センサ７，１７
からの変位信号を元に、回転軸に固着された磁性材と電
磁石固定子間に作用する磁気吸引力を補償回路と電力増
幅器を介してフィードバック制御することにより、回転
軸位置を目標浮上位置に保持することができる。ここで
補償回路は回転軸の振動防止及び安定性向上のため、重
要な役割を果たしている。

【００２０】本発明の流体機械においては、静圧軸受１
１の近くに、磁気軸受３のオフセット調整用の電磁石２
０Ａ，２０Ｂを備えている。この電磁石２０Ａ，２０Ｂ
は回転軸１に固着した回転子ヨーク２１と微小間隔の距
離をおいて対向しており、ラジアル磁気軸受３と同じ制
御軸を有している。又、電磁石２０Ａ，２０Ｂの近傍に
は、変位センサ２２が配置されており、回転軸１の変位
を検出することができる。

【００２１】次に本発明のオフセット調整動作の一例に
ついて説明する。先ずラジアル磁気軸受３の図中右側に
位置する電磁石固定子６Ａにバイアス電流を供給する。
同時に右側の調整用電磁石２０Ａに直流電流を供給す
る。回転軸１はそれぞれの磁気吸引力により図中右側に
移動し、それぞれ保護軸受１２，１３の右端側に接触し
て吸着する。この状態で変位センサ７の出力を読み取
る。同時に調整用変位センサ２２の出力を読取り回転軸
１が静圧軸受１１の近傍において保護軸受１２の右側に
接触していることを確認する。尚、調整用変位センサ２
２は、本実施例では調整用電磁石２０Ａ，２０Ｂに隣接
した位置に配置されているが、調整用電磁石と同一位置
に組み込むことも可能である。

【００２２】次に、図中左側の電磁石固定子６Ｂにバイ
アス電流を、調整用電磁石２０Ｂに直流電流を供給す
る。これらの電磁石６Ｂ，２０Ｂの磁気吸引力により回
転軸１は左側に移動して保護軸受け１２，１３の左端側
にそれぞれ接触して吸着する。この状態で磁気軸受３の
変位センサ７の出力を読み取る。同様に調整用変位セン
サ２２の出力を読み取り、回転軸１が静圧軸受１１の近
傍において保護軸受１２の左端側に接触していることを
確認する。

【００２３】オフセット調整は、回転軸１が保護軸受１
２，１３内で右端側に接触したときの変位センサ出力
と、左端側に接触したときの変位センサ出力とから、保
護軸受１２，１３内の中心位置に回転軸１が位置してい
る時の変位センサ出力をゼロとするように、オフセット
調整回路を設定する。即ち、保護軸受の内径の隙間の分
だけ回転軸を変位させることにより、磁気軸受の変位セ
ンサのオフセット調整が行える。

【００２４】本実施例の流体機械は、上記のように構成
されるので、保護軸受の中心に正確に回転軸を位置させ
た状態で変位センサのオフセット調整を行うことができ
る。従って、このように正確にオフセット調整した回転
軸は、回転中に軸振動により回転軸が保護軸受に接触す
る頻度が著しく少なくなり、磁気軸受にとって安定状態
が多くなり、さらに保護軸受の損傷を早めるような接触
もほとんど無くすことができる。

【００２５】尚、調整用電磁石２０Ａ，２０Ｂは回転軸
を静的に吸引するだけの力が出ればよいので、電磁石は
小さくてすむため、軸振動や危険速度の低下には大きな
影響を与えない。また、調整用の変位センサ２２も電磁
石２０Ａ，２０Ｂと略同じ場所に組み込むことができる
ので、同様に軸振動や危険速度の低下には大きな影響を
与えない。更に又、調整用電磁石２０Ａ，２０Ｂは制御
を行わないので、変位センサ２２にノイズが混入するこ
ともない。更に又、調整用の変位センサ２２は回転軸の
回転中にも、静圧軸受側における回転軸の振動監視にも
用いることができる。

【００２６】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、静圧軸受と磁気軸受で回転軸が支持された流体機械
において、回転軸のオフセット調整を簡単に、且つ正確
に行うことができる。これにより、回転軸の一部が静圧
軸受で支持された流体機械においても、磁気軸受の変位
センサが正確にオフセット調整されるので、流体機械の
運転中に軸振動により回転軸が保護軸受に接触する頻度
が著しく少なくなる。そして、回転軸が磁気軸受及び静
圧軸受によって安定に浮上支持されるので保護軸受の損
傷を早めるような接触も殆ど無くすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の磁気軸受と静圧軸受を備え
た流体機械の説明図。

【符号の説明】

１ 回転軸 ２ タービン翼 ３ 磁気軸受 ４，２１ 回転子ヨーク ５ ケーシング ６Ａ，６Ｂ 電磁石固定子 ７，２２ 変位センサ １０ 羽根車 １１ 静圧軸受 １２，１３ 保護軸受 ２０Ａ，２０Ｂ 調整用電磁石

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転軸に固着した磁性材料製の回転子ヨ
   ークと、この回転子ヨークから微少間隔の距離をおいて
   ケーシングに取付けられ、且つ起磁力を発生させるコイ
   ルを備えた電磁石固定子と、上記回転軸とケーシング間
   の相対変位を測定する変位センサと、この変位センサか
   らの変位信号をもとに上記回転子ヨークと上記電磁石固
   定子間に作用する磁気吸引力を制御する補償回路と電力
   増幅器を具備するラジアル磁気軸受と、作動流体の圧力
   を用いるラジアル静圧軸受によって、上記回転軸が支持
   された流体機械において、 上記静圧軸受の近くに、上記磁気軸受のオフセット調整
   用の電磁石を上記磁気軸受の制御軸に合わせて設置し、
   上記磁気軸受と、上記調整用電磁石に電流を流すことに
   より、磁気吸引力により流体機械の回転軸をそれぞれの
   軸受の近傍に配置された保護軸受に接触させて、該保護
   軸受の隙間だけ回転軸を変位させることにより、上記磁
   気軸受の変位センサのオフセット調整が行えるようにし
   たことを特徴とする磁気軸受と静圧軸受を備えた流体機
   械。
2. 【請求項２】 上記調整用の電磁石の近くに、回転軸の
   変位を検出するセンサを配置したことを特徴とする請求
   項１記載の磁気軸受と静圧軸受を備えた流体機械。
3. 【請求項３】 上記調整用の電磁石を、上記静圧軸受の
   保護軸受の近傍に配置したことを特徴とする請求項１記
   載の磁気軸受と静圧軸受を備えた流体機械。