JPH0734236Y2 - 磁気軸受を備えたターボポンプ等の回転機械 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は、磁気軸受、即ち回転軸に回転子ヨーク（継
鉄）を固着し、該回転子ヨークから微小間隙を設けて、
起磁力を発生させる励磁コイルを備えた電磁石固定子ヨ
ークをケーシングに固定し、回転子ヨークと電磁石固定
子ヨーク間の相対変位を測定する変位センサを設け、該
変位センサからの出力信号をもとに、上記回転子ヨーク
と電磁石固定子ヨーク間に磁気吸引力を作用させて軸受
作用を行わせるようにした磁気軸受を備えたターボポン
プ、圧縮機等のターボ回転機械に関する。

〔従来の技術〕

従来、上記のような磁気軸受を備えたモータポンプは、
第２図に示すように、軸端ナット１によって羽根車２を
取付けたロータ軸３が、スラスト及びラジアルの非常時
用軸受として機能する玉軸受からなるタッチダウン軸受
４、ステータ及びロータからなる反スラスト側（図で下
側）ラジアル磁気軸受５、スラスト側ラジアルタッチダ
ウン軸受（玉軸受）６、ステータ及びロータからなるス
ラスト側（図で上側）ラジアル磁気軸受７、及びディス
ク（回転円板）8a及び対向する２個の励磁コイル8bから
なるスラスト磁気軸受８によって支持され、ステータ９
及びロータ10からなる電動機によって駆動されるように
なっている。図中、11は反スラスト側ラジアルセンサ、
12はスラスト側ラジアルセンサ、13はスラストセンサ、
14はポンプの吸込ケーシング、15は同吐出ケーシング、
16はバランスディスク、17はバランスシート、18は中間
室である。

ポンプ運転時、羽根車２の側板（シュラウド）と主板に
それぞれ作用するポンプ吐出圧による軸推力の不平衡
は、羽根車２の主板側のライナリング2aの外周の軸方向
の隙間（固定絞り部）を経て中間室18に流入した流体の
圧力が、軸３の移動に伴う対向するバランスディスク16
とバランスシート17の半径方向の隙間（可変絞り部）の
変位に対応して変化することによって、平衡（バラン
ス）され、残余の軸推力は、ロータ軸（ポンプ軸）３に
設けられたスラストセンサ13により、該ロータ軸３の変
位挙動を検知し、スラスト磁気軸受８の励磁コイル8bの
励磁電流を制御することによって支承される。

一方、ラジアル荷重による変位については、非接触式ラ
ジアルセンサ11,12により、ロータ軸３の変位挙動を検
知し、これを図示しない負饋還回路に入力して負荷電磁
石5,7の励磁電流を制御することによってロータ軸３の
浮揚支承を行ない、ポンプ羽根車２及びロータ軸３をラ
ジアル方向の適正位置に保持している。

上記のように、磁気軸受は非接触で回転体を支承できる
ので、これをポンプ、圧縮機等のターボ機械に使用する
と便利であり、近年このような形のターボ機械が現われ
始めている。ターボ機械のロータは、これまで磁気軸受
が主として使用されてきた真空用機器に比べて重量も大
きく、運転中にロータに作用する流体反力も大きい。そ
のため、これに対する軸受反力を確保するため、軸受の
大型化、大電流化が行われ、数千キログラムに及ぶ重量
のロータが支承されている。

〔考案が解決しようとする課題〕

上記したように、磁気軸受には必ずタッチダウン軸受が
併設されていて、運転中に軸受電源が喪失して支承不能
となった場合とか、運搬、輸送中等に磁気軸受面が機械
的に接触して損傷するのを防ぐ目的に使用されている。
該タッチダウン軸受には通常玉軸受が使用され、軸と内
輪との間に磁気軸受のギャップよりも狭い隙間を持た
せ、磁気軸受が作動している通常運転状態では接触する
ことなく、磁気軸受が作動していないときにのみ、回転
体と接触し、これを支承するようになっている。

従って、磁気軸受用の電源が何等かの理由によって喪失
した場合、安全回路により回転体駆動用の主電源も同時
に切られたとしても、回転体は慣性によって当初は規定
回転数で駆動されることになり、大きな慣性力に曝され
るので、タッチダウン軸受というものは、安全装置の性
格に過ぎぬものでありながら、技術的に極めて難しい要
因をもっているという問題点があった。

本考案は、上記の問題点を解決し、タッチダウン軸受と
して、一般産業用の低廉な製品が使用でき、且つ長寿命
を保つことのできる磁気軸受を備えたターボポンプ等の
回転機械を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために、本考案は、磁気軸受の回
転体に併設されるタッチダウン軸受の外に、液圧を使用
した静圧軸受を併設し、該静圧軸受によってタッチダウ
ン軸受の機能の一部を受け持たせるようにするととも
に、上記タッチダウン軸受と回転軸との隙間を、静圧軸
受隙間より小さくしたことを特徴としている。

上記液圧をターボポンプによる自己の発生圧力によって
生じさせるようにすることができ、若しくは、該液圧
を、他の圧力源によって生じさせるようにすることもで
きる。

〔作用〕

本考案は、上記のように磁気軸受支承の回転体に対して
併設されたタッチダウン軸受に加えて、静圧軸受が取り
付けられ、且つ該タッチダウン軸受と回転軸との隙間を
静圧軸受隙間より小さくし、該静圧軸受はポンプ吐出圧
を利用するか又は他の圧力源より圧力を導いて作動させ
るようになっているので、該静圧軸受は液圧の存在する
限りは回転体を支承する能力がある。従って自己のポン
プ吐出圧力を利用する場合でも、ポンプ回転数が高い限
りは支承能力があり、タッチダウン軸受に負担をかけな
い。該タッチダウン軸受に全面的に負担がかかるのは、
回転数が相当下がってからのことであるので、従来タッ
チダウン軸受において最も問題とされていた高速におけ
る軸受の急速駆動（ドライブ）という問題から全面的に
解放される。

また、ポンプの軸方向に関しては、羽根車背面とバラン
スディスクとにより、ポンプ回転中は水力学的な平衡作
用が行われているので、やはり、ポンプ回転数が或る所
まで下がり、立軸の場合、ポンプ自重を支え得なくなる
までは回転体は水力学的な力により浮遊しており、それ
まではタッチダウン軸受に荷重がかかってくることはな
い。即ち、軸方向荷重についても、かなり回転数が下が
って始めてタッチダウン軸受に荷重がかかる状態にな
る。

静圧軸受に上記のようにポンプ吐出圧力を利用する場
合、半径方向には静圧軸受、軸方向にはバランスディス
クという何れもポンプ吐出圧力を利用する支承装置を併
設することにより、タッチダウン軸受の役割を著しく軽
減することができ、全体の寿命が長くなる。

また、上記のようにタッチダウン軸受と回転軸との隙間
を静圧軸受隙間より小さくしたことにより、静圧軸受の
負荷能力がなくなったときの該部分の金属接触が回避さ
れ、静圧軸受とタッチダウン軸受は相互に補完し合って
長寿命を保つことができる。

〔実施例〕

次に、本考案の実施例を図面と共に説明する。

第１図は、本考案の一実施例を示す磁気軸受を備えたタ
ーボポンプ（モータポンプ）の縦断面図であって、図
中、第２図に記載した符号と同一の符号は同一ないし同
類部分を示すものとする。

図において、単段羽根車２の主板の裏面に一体に形成さ
れたライナリング2aの外周面とケーシング20の内周面間
に固定絞り部を形成し、上記ライナリング2aと主板のボ
ス部に一体に形成されたバランスディスク16との間に中
間室18を形成し、該バランスディスク16とケーシング20
に一体に取付けられたバランスシート（板）17とによっ
て可変絞り部を形成し、該バランスシート17の内径側を
タッチダウン軸受としての玉軸受４の球間隔部又は逃が
し通路21を経て電動機室内に連通しており、また、ロー
タ軸３は、ラジアル磁気軸受５、タッチダウン軸受とし
ての玉軸受６、ラジアル磁気軸受７及びスラスト磁気軸
受８によって支持され、ステータ９とロータ10からなる
電動機によって駆動されるようになっている点は、従来
のもの（第２図）と変りはない。なお、図中、11,12は
ラジアルセンサ、13はスラストセンサ、22aは変位検出
環22を具え軸３に取付けられた環状部材、23は半径方向
変位センサ12と対向する環付部材である。

しかし本実施例においては、上記タッチダウン軸受（玉
軸受）4,6に加えて、その近傍に、静圧軸受31,32がケー
シング20,24にそれぞれ併設されており、且つ該タッチ
ダウン軸受4,6と回転軸３との隙間を該静圧軸受31,32の
隙間より小さく構成されている。そして静圧軸受31に
は、羽根車２によって昇圧され案内羽根25によって整流
された圧力流体が、通路33を経て導入されるようになっ
ており、また、静圧軸受32に吐出流路35より、通路34を
経て圧力流体が導入されるようになっている。

次に作用について説明すると、磁気軸受5,7,8に通電さ
れた状態でポンプを起動すると、ポンプ回転体は、スラ
スト磁気軸受８の中立点の如何に拘らず羽根車主板裏面
の軸推力、バランス機構により、ポンプの水力学的要因
により決定されるバランスシート17部の可変隙間に相当
する位置で運転される。

また、半径方向荷重は、通常時、ラジアル磁気軸受5,7
と静圧軸受31,32とによって支持されており、該静圧軸
受31,32は、液圧のある限りは回転体を支承する能力が
あるので、静圧軸受31のように自己の吐出圧力を利用す
る場合でも、ポンプ回転数が高い限りは支承能力があ
り、従ってタッチダウン軸受4,6に負担をかけない。

このように該タッチダウン軸受4,6に全面的に負担がか
かるのは、回転数が相当下ってからのことであるので、
従来のタッチダウン軸受において最も問題とされていた
高速における軸受の急速駆動（ドライブ）という問題か
ら全面的に解放される。

このことは上記したポンプの軸方向について同様にいえ
ることであって、ポンプ回転数が或る値まで下がり、立
軸の場合、ポンプ自重を支え得なくなるまでは、回転体
はポンプの水力学的な平衡作用によって浮遊しており、
それまでは、該タッチダウン軸受４に荷重がかかってく
ることはない。即ち、軸方向荷重についても、かなり回
転数が下がって始めてタッチダウン軸受に荷重がかかる
状態になる。

この実施例によれば、半径方向には静圧軸受31,32また
軸方向にはバランスディスク16という何れもポンプ吐出
圧力を利用する支承装置を併設しているので、タッチダ
ウン軸受４の役割を著しく軽減することができ、ポンプ
全体の寿命を延ばすことができる。

また、タッチダウン軸受4,6と軸３との隙間を、静圧軸
受隙間より小さくしたことにより、該静圧軸受31,32の
負荷能力がなくなったときの該軸受部分の金属接触を避
けることができる。即ち、静圧軸受31,32とタッチダウ
ン軸受4,6は相互に補完し合って長寿命を保つことがで
きる。

上記した実施例において、静圧軸受31,32にポンプの吐
出液を導入するようにした構造について説明したが、こ
れらの静圧軸受31,32には外部圧力源より圧力流体を導
入することもでき、この場合、ポンプの回転数の低下に
影響を受けることがなく、また、ポンプ以外の圧縮機
等、一般のターボ回転機械にも広く適用することが可能
となる。また、横軸型にも同様に適用できることは勿論
である。

また、静圧軸受への圧力液の注入による損失が問題であ
るときは、注入口部に電磁弁を設けて常時閉とすること
によって液の注入を行わず、軸受励磁電流喪失と同時に
これを開として注液を開始し、静圧軸受の機能を生じさ
せるようにして、上記した本考案の効果を損わずに損失
を減らすことができる。

〔考案の効果〕

以上説明したように、本考案によれば、磁気軸受を使用
したポンプ等のターボ機械において、軸受励磁電流の喪
失時等危急時の軸支承のためのタッチダウン軸受に加え
て、ポンプ吐出圧力又は外部の圧力源を利用する静圧軸
受を併設するとともに、タッチダウン軸受と回転軸との
隙間を静圧軸受隙間より小さくしたことにより、タッチ
ダウン軸受の受ける衝撃的な軸との接触開始、駆動を大
幅に緩和することができるので、該タッチダウン軸受に
対する性能要求を引下げることができ、長寿命化を図る
と同時に価格の引下げを行なうことが可能となるばかり
でなく、静圧軸受の負荷能力がなくなったときの該静圧
軸受の金属接触を避けることができるので、該静圧軸受
とタッチダウン軸受は相互に補完し合って長寿命を保つ
ことができる。

上記のように静圧軸受へ導く圧力液を、ポンプによる自
己発生圧力液を用いるときは、装置がコンパクトにな
り、また外部圧力源を利用するときは、ポンプ以外のタ
ーボ機械へ広く適用することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例を示す磁気軸受を備えたター
ボポンプの縦断面図、第２図は従来通りのタッチダウン
軸受適用例を示す縦断面図である。 ２……羽根車、4,6……タッチダウン軸受、5,7……ラジ
アル磁気軸受、８……スラスト磁気軸受、11,12……ラ
ジアルセンサ、13……スラストセンサ、16……バランス
ディスク、17……バランスシート、31,32……静圧軸
受。

Claims (3)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】磁気軸受によって回転体を支承し運転する
   ターボポンプ等の回転機械において、磁気軸受に併設さ
   れるタッチダウン軸受の外に、液圧を使用した静圧軸受
   を併設し、該静圧軸受によってタッチダウン軸受の機能
   の一部を受け持たせるようにするとともに、上記タッチ
   ダウン軸受と回転軸との隙間を、静圧軸受隙間より小さ
   くしたことを特徴とする磁気軸受を備えたターボポンプ
   等の回転機械。
2. 【請求項２】静圧軸受へ、ポンプによる自己の発生圧力
   液を導くようにしたことを特徴とする請求項１記載の磁
   気軸受を備えたターボポンプ等の回転機械。
3. 【請求項３】静圧軸受へ、他の圧力源より圧力液を導く
   ようにしたことを特徴とする請求項１記載の磁気軸受を
   備えたターボポンプ等の回転機械。