JPH09166141A - 磁気軸受装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 停電等の非常事態発生時に、慣性力で回転す
る高速回転機械の回転軸の回転時間を短くすることによ
りラジアル補助軸受の寿命を長くする。 【解決手段】 ラジアル磁気軸受２とラジアル補助軸受
８，８′とで支持される回転軸１の先端に螺旋溝２２を
周設したテーパ軸部２１を設け、テーパ軸部２１にシリ
ンダ２４を外装し、シリンダ２４とテーパ軸部２１との
間に、テーパ軸部２１の先端側ほど隙間が小さくなるガ
ス圧縮室２４ａを形成すると共に、ガス圧縮室２４ａの
テーパ軸部２１の大径側に回転軸１の回転の減速比が大
きくなると開弁される開閉弁２６を介装したガス供給管
路２５を連通させれば、停電等の非常事態発生時に開閉
弁２６が開弁され、ガス圧縮室２４ａに供給されたガス
の螺旋溝２２による圧縮で回転軸１が制動されて回転時
間が短くなるので、ラジアル補助軸受の負荷が小負荷に
なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高速回転機械の回
転軸の支持に用いられる磁気軸受装置の改善に係り、よ
り詳しくは停電等の非常事態発生時に回転が停止するま
で回転軸を支持する機械式の補助軸受の寿命延長を可能
ならしめるようにした磁気軸受装置に係る技術分野に属
するものである。

【０００２】

【従来の技術】ターボ圧縮機等の高速回転機械の回転軸
の支持に用いられる従来の一般的な磁気軸受装置では、
商用電源や起動用バッテリの電力を磁気軸受制御用電源
回路を介してケーシングに設けた一対のラジアル磁気軸
受と、ケーシングに設けた１個のスラスト磁気軸受とに
送り、これら磁気軸受に発生する磁力により回転軸をケ
ーシング内に浮上させて支持している。

【０００３】そして、回転軸を回転させるときには、ケ
ーシングの各ラジアル磁気軸受付近に設けた一対のラジ
アル変位センサ（例えば、コイルのインダクタンスの変
化により隙間を検出するインダクタンス型変位センサ）
で回転軸のラジアル方向の変位を検出し、ケーシングの
スラスト磁気軸受付近に設けた前記ラジアル変位センサ
と同構成のスラスト変位センサで回転軸のスラスト方向
の変位を検出して、これら変位センサで得られた変位検
出信号を磁気軸受制御用電源回路の比較演算器へ送り、
ここで基準信号と比較して、その結果得られた制御信号
を上記磁気軸受のそれぞれに送り、回転軸のラジアル方
向とスラスト方向の位置を制御するように構成されてい
る。

【０００４】従って、停電等の非常事態発生時には、磁
気軸受は軸受としての機能を発揮し得なくなるので、ケ
ーシングに一対のラジアル補助ベアリングと１個のスラ
スト補助ベアリングとを設けて、回転軸を支持すると同
時に、磁気軸受制御用電源回路内に設けたバックアップ
バッテリの電力をそれぞれの磁気軸受に５〜１０分ほど
送って、それぞれの磁気軸受で発生する磁力で回転軸を
支持するというような緊急対策が講じられている。

【０００５】しかしながら、上記磁気軸受装置のバック
アップバッテリは大重量、かつ大型であるために、磁気
軸受装置の製作費および保守費が嵩むという問題があっ
た。このような製作費や保守費の低減を可能ならしめる
ようにした磁気軸受装置が実開平３−５５９１５号公報
において提案されている。以下、これを、その縦断側面
図の図３を参照しながら、同明細書に記載されている同
一符号と同一名称とを以て説明すると、ケーシング４に
内設されている回転軸１が一対のラジアル磁気軸受２，
２と１個のスラスト磁気軸受３とにより支持されてい
る。ラジアル磁気軸受２，２付近のそれぞれにはラジア
ル変位センサ５，５が設けられ、スラスト磁気軸受３付
近にはスラスト変位センサ６が設けられている。

【０００６】また、ケーシング４には一対のラジアル補
助軸受８，８と１個のスラスト補助軸受９とが設けられ
ている。そして、ケーシング４の一端側には前記回転軸
１により回転される発電機１３が付設されており、この
発電機１３の電力は、切替スイッチ１４を介して磁気軸
受制御用電源回路７に供給されるようになっている。ま
た、前記磁気軸受制御用電源回路７と前記磁気軸受２，
２，３のそれぞれとは、電力を送る送電ケーブルで接続
され、磁気軸受制御用電源回路７と前記変位センサ５，
６とは変位検出信号用ケーブルで接続されている。な
お、上記切替スイッチ１４は、通常、商用電源側に切替
えられている。

【０００７】従って、停電等の非常自体が発生すると、
ケーシング４に設けられているラジアル補助軸受８，８
と、スラスト補助軸受９とで回転軸１が支持されるが、
切替スイッチ１４の切替えにより、発電機１３で発電さ
れた電力が磁気軸受２，２，３のそれぞれに供給される
ので、バックアップバッテリを設けるまでもなく、回転
軸１は磁気軸受２，２，３により浮上支持される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】確かに、実開平３−５
５９１５号公報に開示されている磁気軸受装置は有用で
ある。しかしながら、回転軸は高速回転であって、例え
磁気軸受と共に回転軸を支持する構成であるとしても磁
気軸受による回転軸の支持力が次第に弱くなる。従っ
て、両補助軸受で回転する回転軸を長時間支えなければ
ならないので、補助軸受の寿命が短いという解決すべき
課題がある。勿論、停電等の非常事態の発生は極めてま
れであるが、一旦発生すると補助軸受を交換しなければ
ならず、極めて不経済であった。

【０００９】従って、本発明は、停電等の非常事態発生
により磁気軸受が軸受の機能を消失した時に、慣性力に
よる回転軸の回転を短時間の間に停止させることによ
り、補助軸受の寿命延長を可能ならしめる磁気軸受装置
の提供を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の請求項１に係る磁気軸受装置が採用した主
たる手段は、ケーシングに内設されてなる回転軸のスラ
スト力を支えるスラスト磁気軸受と、ラジアル力を支え
るラジアル軸受とを備えた磁気軸受装置において、前記
ケーシングに、前記回転軸に制動力を作用させる制動装
置を設けたことを特徴とする。

【００１１】また、本発明の請求項２に係る磁気軸受装
置が採用した主たる手段は、請求項１に記載の磁気軸受
装置において、前記制動装置が、前記回転軸に設けられ
るテーパ軸部と、該テーパ軸部に周設され、かつ回転方
向と逆方向に螺旋する螺旋溝と、テーパ軸部を収容する
状態でケーシングに設けられ、テーパ軸部の大径側の隙
間よりもテーパ軸部の小径側の隙間が小さくなるテーパ
状のガス圧縮室を有するシリンダと、該シリンダのガス
圧縮室の大径側に連通する制動ガス供給管路に介装さ
れ、回転軸の減速程度を検出する回転検出センサからの
減速信号で開弁して前記ガス圧縮室にガスを供給する開
閉弁とからなることを特徴とする。

【００１２】また、本発明の請求項３に係る磁気軸受装
置が採用した主たる手段は、請求項１に記載の磁気軸受
装置において、前記制動装置が、前記回転軸に設けられ
るテーパ軸部と、該テーパ軸部を収容する状態でケーシ
ングに設けられるシリンダと、該シリンダに内設され、
内面に制動パッドが固着されると共に、前記テーパ軸部
が遊嵌されるテーパ穴を有するピストンと、該ピストン
をテーパ軸部の大径側に移動させる側の制動側ガス室に
連通する制動ガス供給管路に介装され、閉弁時では制動
側ガス室を大気側へ連通させ、かつ回転軸の減速程度を
検出する回転検出センサからの減速信号で開弁してガス
を制動側ガス室に供給する制動側開閉弁とからなること
を特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】磁気支持された状態で支障なく回
転軸を高速回転させるために回転軸に特別突出物を付設
を付設せず、停電等の非常事態発生により磁気支持され
ることなく高速回転している回転軸をスムーズにかつ短
時間の間に停止させるためには回転軸に直接制動力を作
用させれば良い。そのためには、正常回転時には回転軸
の高速回転に全く影響を及ぼさないガス圧縮室を設け、
停電等の非常事態発生による回転軸の減速信号により前
記ガス圧縮室にガスを供給し、このガスを回転軸の回転
で圧縮させて、ガス圧縮による反力により回転軸に直接
制動力を作用させるか、あるいは正常回転時には回転軸
の高速回転に全く影響及ぼさず、供給されたガスで回転
軸に直接制動力を及ぼす制動パッドを作動させる構成に
すれば良いと考えたものである。

【００１４】以下、本発明の請求項１と２とに対応する
実施の形態１に係る磁気軸受装置を、その主要部断面図
の図１（ａ）と、図１（ａ）のＢ部拡大図の図１（ｂ）
とを参照しながら、従来と同一のもの並びに同一機能を
有するものを同一符号を以て説明する。但し、磁気軸受
装置の主要構成、即ちラジアル磁気軸受、スラスト磁気
軸受、変位センサ等の配置状態は上記従来例とほぼ同じ
であるため、磁気軸受装置の構成については概要説明に
止める。

【００１５】図１に示す符号１は、ケーシング４に内設
されてなる回転軸であり、この回転軸１はケーシング４
内に設けられたラジアル磁気軸受２によってカラー１ａ
を介して支えられている。さらに、この回転軸１は、ケ
ーシング４の端部に固着された軸受箱４ａに内設されて
いるラジアル補助軸受８，８′によっても支えられるよ
うになっている。以上の説明から良く理解されるとお
り、この構成は従来例に係る磁気軸受装置の構成と同等
である。なお、図示省略しているが、従来と同様に、ス
ラスト磁気軸受、スラスト補助軸受、ラジアル変位セン
サおよびスラスト変位センサ等も設けられている。

【００１６】本実施の形態１では、上記構成になる磁気
軸受装置に、回転軸１に設けられたテーパ軸部２１と、
このテーパ軸部１に周設された螺旋溝と、ガス圧縮室を
有するシリンダと、回転軸の減速程度により開弁される
開閉弁を有し、前記ガス圧縮室にガスを供給するガス供
給管路とから構成されてなる後述する制動装置を設けた
ものである。

【００１７】以下、この制動装置の構成を、図１（ａ）
と図１（ｂ）とを参照しながら説明すると、回転軸１の
端部に設けられ、基端より先端側ほど小径となるように
形成されると共に、回転軸１の回転方向と逆方向に螺旋
する螺旋溝２２が周設されてなるテーパ軸部２１が、前
記軸受箱４ａに取付けられたキャプ状ケーシング２３内
に突出している。また、テーパ軸部２１には、このテー
パ軸部２１の大径側の隙間ｔ₁ よりもテーパ軸部２１の
小径側の隙間ｔ₂ が小さくなるテーパ状のガス圧縮室２
４ａを有するシリンダ２４が外装されている。そして、
シリンダ２４のガス圧縮室２４ａのテーパ軸部２１の大
径側には、ガス圧縮室２４ａにガスを供給する、後述す
る弁開閉制御系統２７により開閉される開閉弁２６が介
装されてなるガス供給管路２５が連通している。

【００１８】前記弁開閉制御系統２７は、パルスカウン
トにより回転軸１の回転数を検出する回転検出センサで
ある回転計２８と、この回転計２８からの回転数信号を
受けて回転軸１の減速比（停電等の非常事態発生直前の
回転軸の回転数で、非常事態発後所定時間経過した後の
回転軸の回転数を除した値。）が演算により求められ、
求められた減速比を予め設定された設定値と比較してこ
の減速比が設定値以上になると、前記開閉弁２６を開弁
させる弁制御器２９とから構成されている。

【００１９】以下、上記制動装置の作用態様を説明する
と、停電等の非常事態が発生すると、回転軸１は磁気軸
受装置で支えられなくなるので、ラジアル補助軸受８，
８′で支えられる。そして、慣性力で回転する回転軸１
の回転数が低下するが、この回転数が回転計２８で検出
され、回転軸１の減速比が設定した値を超えると弁制御
器２９により開閉弁２６が開弁され、図示しないガス供
給源からガス供給管路２５を介してガスがガス圧縮室２
４ａ内に流入する。ガス圧縮室２４ａに流入したガス
は、慣性力で回転軸１と共に回転しているテーパ軸部２
１の螺旋溝２２により圧縮され、これにより回転軸１の
回転方向に対向する抗力が作用する。

【００２０】この抗力は回転軸１の回転が低速になるに
つれて弱くなるが、回転軸１が回転している限り作用し
続けて回転軸１を制動するので、回転軸１の回転が比較
的短時間に停止する。従って、従来のように、補助軸受
が長時間高速回転されるようなことがなくなるので補助
軸受の寿命が延長され、また発電機を設ける必要もない
ので制御系も簡単になる。一方、補助軸受の寿命の延長
に伴って、補助軸受の交換作業頻度が少なくなるので、
磁気軸受装置の分解・再組立等に要する労力が軽減され
ると共に、高速回転機械の稼働率も向上するという多大
な効果がある。なお、ガス圧縮室２４ａ内に供給するガ
ス圧を制御することにより、制動力を自在に変えること
ができる。

【００２１】次に、本発明の請求項１と３とに対応する
実施の形態２に係る磁気軸受装置を、その主要部断面図
の図２を参照しながら説明する。但し、本実施の形態２
が上記実施の形態１と相違するところは制動装置の構成
の相違にあるから、その相違点だけの説明に止める。

【００２２】即ち、図２に示す符号１は回転軸であり、
この回転軸１には、この回転軸１の端部より先端側ほど
小径となるテーパ軸部３１と、このテーパ軸部３１の小
径部の中央から突出する小径軸部３２とが設けられてい
る。そして、回転軸１は図示しない軸受箱にテーパ軸部
３１が位置する状態でシリンダ３３を貫通している。こ
のシリンダ３３には回転軸１が貫通する大径穴と、小径
軸部３２が貫通する小径穴とが設けられ、これら穴のそ
れぞれの内周面には軸封手段として、周知のラビリンス
溝３３ａ，３３ｂが周設されている。また、このシリン
ダ３３には、内面に漏斗状に形成された制動パッド３５
が固着されると共に、前記テーパ軸部３１が遊嵌される
テーパ穴を有するピストン３４が内設されている。な
お、制動パッドの材質としては、例えば焼結合金、ある
いは鉄粉や布をモールドしたフェノール樹脂を採用する
ことができる。

【００２３】前記シリンダ３３とピストン３４との軸封
手段には、ピストン３４に周設したＯ−リング溝３４ｂ
に嵌着されるＯ−リング３６が用いられ、ピストン３４
と小径軸部３２との軸封手段にはラビリンス溝３４ａが
用いられている。そして、ピストン３４の回転軸１の回
転中心廻りの回転は、滑りキー３４ｃで防止されるよう
に構成されている。なお、前記Ｏ−リング３６をラビリ
ンス溝（ピストン３４の摺動抵抗の大小を考えれば、摺
動抵抗が小さいラビリンス溝が好ましい。）に置換する
ことができる。

【００２４】また、前記シリンダ３３は、ピストン３４
によって、ピストン３４をテーパ軸部３１の大径側に移
動させる側の制動側ガス室３３ｃと、このピストン３４
をテーパ軸部３１の小径側に戻す側の戻し側ガス室３３
ｄとに仕切られており、これら制動側ガス室３３ｃと戻
し側ガス室３３ｄとには、それぞれ後述するガス供給管
路３７と戻しガス供給管路３９とが連通している。

【００２５】制動側ガス室３３ｃに連通するガス供給管
路３７には閉弁時では、制動側ガス室３３ｃを大気側へ
連通させ、かつ後述する構成になる弁開閉制御系統４１
による制御で開弁して、制動側ガス室３３ｃにガスを供
給する制動側開閉弁３８が介装されている。前記弁開閉
制御系統４１は、小径軸部３２の回転数を検出する回転
計４２と弁制御器４３とからなり、弁制御器４３は回転
計４２からの回転信号を受けて、間接的に回転軸１の減
速比を演算し、減速比が予め設定されている設定値を超
えた時に前記制動側開閉弁３８を開弁させるもので、こ
れは上記実施の形態１と同構成である。また、戻し側ガ
ス室３３ｄに連通する戻しガス供給管路３９には、テー
パ軸部３１の大径側に移動しているピストン３４を小径
側に戻すための、閉弁時では戻し側ガス室３３ｄを大気
側へ連通させ、開弁操作により戻し側ガス室３３ｄにガ
スを供給する戻し側開閉弁４０が介装されている。

【００２６】以下、上記構成になる制動装置の作用態様
を説明すると、停電等の非常事態の発生で回転軸１が磁
気軸受装置で支えられなくなり、慣性力で回転する回転
軸１の回転数が低下すると、この回転数が回転計４２で
検出され、回転軸１の減速比が設定値を超えると弁制御
器４３により制動側開閉弁３８が開弁され、図示しない
ガス供給源からガス供給管路３７を介して制動側ガス室
３３ｃ内にガスが流入する。制動側ガス室３３ｃ内に流
入したガスにより、ピストン３４がテーパ軸部３１の大
径側へ移動すると共に、制動パッド３５がテーパ軸部３
１の外周面を押圧するので回転軸１が制動される。この
ように回転軸１が制動されるので、本実施の形態２は上
記実施の形態１と同効である。なお、この時、戻し側開
閉弁４０は閉弁状態にあり、戻し側ガス室３３ｄは大気
側へ連通している。

【００２７】そして、停電等の非常事態が回復すると、
今度は制動側開閉弁３８が閉弁されると共に戻し側開閉
弁４０が開弁され、戻しガス供給管路３９を介して戻し
側ガス室３３ｄに流入するガスによってピストン３４が
テーパ軸部３１の小径側に押され、テーパ軸部３１の大
径側に移動していたピストン３４が小径側に戻ることに
より回転軸１の制動が解除され、磁気軸受装置は回転軸
１を磁気軸受によって正常支持し得る状態に復元され
る。

【００２８】ところで、回転軸１の制動によって摩擦熱
が発生するが、制動側ガス室３３ｃに供給するガス圧を
調整して押圧力を制御することにより、摩擦熱をＯ−リ
ング３６やテーパ軸部３１に対して悪影響を与えない程
度に抑制することができる。また、制動パッド３５から
磨滅粉が生じるが、ラビリンス溝への噛込みによるピス
トン３４の作動不良もなく、非常時における回転軸１の
制動終了後に制動装置を分解して磨滅粉を除去するとい
うような作業は不要であった。

【００２９】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の請求項
１，２または３に係る磁気軸受装置によれば、停電等の
非常事態発生時に、回転軸の回転を制動装置で制動する
ことにより、補助軸受による回転軸の支持時間を短くす
ることができる。従って、従来例に係る磁気軸受装置の
ように、補助軸受が長時間高速回転されるようなことが
なくなるので補助軸受の寿命が延長され、また発電機を
設ける必要もないので制御系も簡単になる。一方、補助
軸受の寿命の延長に伴って、補助軸受の交換作業頻度が
少なくなるので、磁気軸受装置の分解・再組立等に要す
る労力が軽減されると共に、高速回転機械の稼働率も向
上するという多大な効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）は本発明の実施の形態１に係る磁気
軸受装置の主要部断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ
部拡大図である。

【図２】本発明の実施の形態２に係る磁気軸受装置の主
要部断面図である。

【図３】従来例に係る磁気軸受装置の縦断側面図であ
る。

【符号の説明】

１…回転軸，１ａ…カラー，２…ラジアル磁気軸受，４
…ケーシング，４ａ…軸受箱，８…ラジアル補助軸受，
８′…ラジアル補助軸受，２１…テーパ軸部，２２…螺
旋溝，２３…キャップ状ケーシング，２４…シリンダ，
２４ａ…ガス圧縮室，２５…ガス供給管路，２６…開閉
弁，２７…弁開閉制御系統，２８…回転計，２９…弁制
御器，３１…テーパ軸部，３２…小径軸部，３３…シリ
ンダ，３３ａ，３３ｂ…ラビリンス溝，３３ｃ…制動側
ガス室，３３ｄ…戻し側ガス室，３４…ピストン，３４
ａ…ラビリンス溝，３４ｂ…Ｏ−リング溝，３４ｃ…滑
りキー，３５…制動パッド，３６…Ｏ−リング，３７…
ガス供給管路，３８…制動側開閉弁，３９…戻しガス供
給管路，４０…戻し側開閉弁，４１…弁開閉制御系統，
４２…回転計，４３…弁制御器

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ケーシングに内設されてなる回転軸のス
   ラスト力を支えるスラスト磁気軸受と、ラジアル力を支
   えるラジアル軸受とを備えた磁気軸受装置において、前
   記ケーシングに、前記回転軸に制動力を作用させる制動
   装置を設けたことを特徴とする磁気軸受装置。
2. 【請求項２】 前記制動装置が、前記回転軸に設けられ
   るテーパ軸部と、該テーパ軸部に周設され、かつ回転方
   向と逆方向に螺旋する螺旋溝と、テーパ軸部を収容する
   状態でケーシングに設けられ、テーパ軸部の大径側の隙
   間よりもテーパ軸部の小径側の隙間が小さくなるテーパ
   状のガス圧縮室を有するシリンダと、該シリンダのガス
   圧縮室の大径側に連通する制動ガス供給管路に介装さ
   れ、回転軸の減速程度を検出する回転検出センサからの
   減速信号で開弁して前記ガス圧縮室にガスを供給する開
   閉弁とからなることを特徴とする請求項１に記載の磁気
   軸受装置。
3. 【請求項３】 前記制動装置が、前記回転軸に設けられ
   るテーパ軸部と、該テーパ軸部を収容する状態でケーシ
   ングに設けられるシリンダと、該シリンダに内設され、
   内面に制動パッドが固着されると共に、前記テーパ軸部
   が遊嵌されるテーパ穴を有するピストンと、該ピストン
   をテーパ軸部の大径側に移動させる側の制動側ガス室に
   連通する制動ガス供給管路に介装され、閉弁時では制動
   側ガス室を大気側へ連通させ、かつ回転軸の減速程度を
   検出する回転検出センサからの減速信号で開弁してガス
   を制動側ガス室に供給する制動側開閉弁とからなること
   を特徴とする請求項１に記載の磁気軸受装置。