(57)【要約】  一体型ジャーナル軸受（ＩＪＢ）は、軸方向に延在する軸と、軸が軸方向に貫通するハウジングであって、ハウジングが軸を半径方向に取り囲む、ハウジングと、ハウジング内に配置され、軸を半径方向に取り囲む能動型磁気軸受（ＡＭＢ）と、ハウジング内に配置され、軸を半径方向に取り囲む少なくとも第１の流体膜ジャーナル軸受（ＪＢ）とを含む。第１のＪＢとＡＭＢとが共通の半径方向クリアランスを共有しないように第１のＪＢがＡＭＢに軸方向に隣接し、同時に、その両方は通常、オイルに浸される。ＡＭＢと信号通信する制御装置は、それにより発生する磁力を制御することによってＡＭＢを作動させるためにＡＭＢに電流を供給するようにさまざまに構成することができる。
2019516920.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一体型ジャーナル軸受（ＩＪＢ）であって、
軸方向に延在する軸と、
前記軸が前記軸方向に貫通するハウジングであって、前記ハウジングが前記軸を半径方向に取り囲む、ハウジングと、
前記ハウジング内に配置され、前記軸を前記半径方向に取り囲む電磁アクチュエータ（ＥＭＡ）であって、前記ＥＭＡが、前記軸に取り付けられるロータ積層体と、前記ハウジングに配置される外側積層体とを含み、半径方向のＥＭＡクリアランスが前記ロータ積層体と前記外側積層体との間に位置する、電磁アクチュエータ（ＥＭＡ）と、
前記ハウジング内に配置され、前記軸を前記半径方向に取り囲む少なくとも第１の流体膜ジャーナル軸受（ＪＢ）であって、前記第１のＪＢが、前記ロータ積層体に軸方向に隣接して前記軸に取り付けられる第１のＪＢスリーブと、前記ハウジングに配置される第１のＪＢライニングとを含み、半径方向の第１のＪＢクリアランスが前記第１のＪＢスリーブと前記第１のＪＢライニングとの間に位置する、少なくとも第１の流体膜ジャーナル軸受（ＪＢ）と
を備え、
オイル導管が、前記ＥＭＡクリアランスおよび前記第１のＪＢクリアランスの両方を通してオイルを供給および排出するように構成される前記ハウジングを通して画定される、一体型ジャーナル軸受（ＩＪＢ）。
【請求項２】
前記ハウジング内に配置され、前記軸を前記半径方向に取り囲む第２のＪＢであって、前記第２のＪＢが、前記ロータ積層体の、前記第１のＪＢスリーブとは反対側で軸方向に隣接して前記軸に取り付けられる第２のＪＢスリーブと、前記ハウジングに配置される第２のＪＢライニングとを含み、半径方向の第２のＪＢクリアランスが前記第２のＪＢスリーブと前記第２のＪＢライニングとの間に位置する、第２のＪＢをさらに備え、
前記オイル導管が、前記第２のＪＢクリアランスを通してオイルを供給および排出するようにさらに構成される、請求項１に記載のＩＪＢ。
【請求項３】
前記第１および第２のＪＢの軸方向外側で前記ロータにそれぞれ取り付けられる第１および第２の保持スリーブをさらに備える、請求項２に記載のＩＪＢ。
【請求項４】
前記ロータに取り付けられる第１および第２のシールであって、前記第１のシールが軸方向における前記第１のＪＢと前記第１の保持スリーブとの間に位置し、前記第２のシールが軸方向における前記第２のＪＢと前記第２の保持スリーブとの間に位置し、前記第１および第２のシールが前記軸と前記ハウジングとの間でオイルが漏れるのを防ぐように構成される、第１および第２のシールをさらに備える、請求項３に記載のＩＪＢ。
【請求項５】
前記第１および第２の保持スリーブをそれぞれ取り囲む第１および第２の固定アダプタであって、前記第１および第２の固定アダプタがそれぞれ第１および第２の固定ナットで所定の位置にロックされる、第１および第２の固定アダプタをさらに備える、請求項３に記載のＩＪＢ。
【請求項６】
前記軸が前記半径方向外側に延在する肩部を含み、前記第１のＪＢスリーブの反対側の前記ロータ積層体の側部が前記肩部に軸方向に隣接する、請求項１に記載のＩＪＢ。
【請求項７】
前記ロータ積層体の反対側の前記第１のＪＢスリーブの側部に軸方向に隣接して前記軸に取り付けられるクランプをさらに備える、請求項６に記載のＩＪＢ。
【請求項８】
前記軸に取り付けられるホルダスリーブであって、前記ホルダスリーブが、半径方向における前記軸と前記第１のＪＢスリーブとの間に位置し、前記ロータ積層体の、前記第１のＪＢスリーブと同じ側で軸方向に隣接する、ホルダスリーブをさらに備える、請求項６に記載のＩＪＢ。
【請求項９】
前記ロータ積層体の反対側の、前記第１のＪＢスリーブの側部に軸方向に隣接する前記ホルダスリーブに接続されるロックナットをさらに備える、請求項８に記載のＩＪＢ。
【請求項１０】
前記ＥＭＡと信号通信し、それによって発生する磁力を制御することによって前記ＥＭＡを作動させるために前記ＥＭＡに電流を供給するように構成される制御装置をさらに備える、請求項１に記載のＩＪＢ。
【請求項１１】
前記制御装置が、少なくともいくつか軸条件の下で、前記ＪＢに加えて、軸受荷重を支持するために前記ＥＭＡを作動させるように構成され、それにより、前記ＥＭＡが能動型磁気軸受（ＡＭＢ）として機能する、請求項１０に記載のＩＪＢ。
【請求項１２】
前記制御装置が、その異なる状態の間に、前記軸に加えられる外力のフィードバックを受け、それに応答して前記磁力を調整するように構成される、請求項１１に記載のＩＪＢ。
【請求項１３】
前記制御装置が、前記第１のＪＢの前記耐荷がほとんどの状況の下で干渉されないように、前記ＡＭＢによって発生する前記磁力を制御するように構成される、請求項１２に記載のＩＢＪ。
【請求項１４】
前記制御装置が、さまざまな、かつ制御可能な剛性およびダンピングを提供するように、前記ＡＭＢによって発生する前記磁力を制御するように構成される、請求項１３に記載のＩＢＪ。
【請求項１５】
前記制御装置が、前記ＪＢからの不安定性を打ち消すように、前記ＡＭＢによって発生する前記磁力を制御するように構成される、請求項１３に記載のＩＢＪ。
【請求項１６】
前記制御装置が、軸の不均衡を打ち消すように、前記ＡＭＢによって発生する前記磁力を制御するように構成される、請求項１３に記載のＩＢＪ。
【請求項１７】
前記制御装置が、前記軸に作用する妨害を打ち消すように、前記ＡＭＢによって発生する前記磁力を制御するように構成される、請求項１３に記載のＩＢＪ。
【請求項１８】
前記ＥＭＡが受動的ダンピングを提供するように構成される、請求項１に記載のＩＢＪ。
【請求項１９】
一体型ジャーナル軸受（ＩＪＢ）であって、
軸方向に延在する軸と、
前記軸が前記軸方向に貫通するハウジングであって、前記ハウジングが前記軸を半径方向に取り囲む、ハウジングと、
前記ハウジング内に配置され、前記軸を前記半径方向に取り囲む能動型磁気軸受（ＡＭＢ）と、
前記ハウジング内に配置され、前記軸を前記半径方向に取り囲む少なくとも第１の流体膜ジャーナル軸受（ＪＢ）であって、第１のＪＢと前記ＡＭＢとが共通の半径方向クリアランスを共有しないように前記第１のＪＢが前記ＡＭＢに軸方向に隣接する、少なくとも第１の流体膜ジャーナル軸受（ＪＢ）と、
前記ＡＭＢと信号通信し、それにより発生する磁力を制御することによって前記ＡＭＢを作動させるために前記ＡＭＢに電流を供給するように構成される制御装置と
を備え、
オイル導管が、前記ＡＭＢクリアランスおよび前記第１のＪＢクリアランスの両方を通してオイルを供給および排出するように構成される前記ハウジングを通して画定される、一体型ジャーナル軸受（ＩＪＢ）。
【請求項２０】
前記ＡＭＢが、前記軸に取り付けられるロータ積層体と、前記ハウジングに配置される外側積層体とを含み、ＡＭＢの半径方向クリアランスがその間に形成される、請求項１９に記載のＩＪＢ。
【請求項２１】
前記第１のＪＢが、前記軸に取り付けられるＪＢライニングと、前記ハウジングに配置されるＪＢスリーブとを含み、第１のＪＢの半径方向クリアランスがその間に形成される、請求項２０に記載のＩＪＢ。
【請求項２２】
前記ハウジング内に配置され、前記軸を前記半径方向に取り囲む第２のＪＢであって、前記ＡＭＢが前記第１のＪＢと前記第２のＪＢとの間で前記軸方向に位置する、第２のＪＢをさらに備える、請求項１９に記載のＩＢＪ。
【請求項２３】
前記軸が前記半径方向外側に延在する肩部を含み、前記ＡＭＢが前記軸方向における前記肩部と前記第１のＪＢとの間に位置する、請求項１９に記載のＩＢＪ。
【請求項２４】
前記第１のＪＢと前記軸との間で半径方向に延在し、前記ＡＭＢに軸方向に当接するホルダスリーブをさらに備える、請求項２３に記載のＩＢＪ。
【請求項２５】
回転運動のために軸を支持する方法であって、
軸のまわりに配置される少なくとも第１の流体膜ジャーナル軸受（ＪＢ）で半径方向荷重を支持することと、
少なくともいくつか状況下での半径方向荷重の支持において前記ＪＢ軸受を支援するために、前記軸上で前記第１のＪＢに軸方向に隣接して位置する能動型磁気軸受（ＡＭＢ）を制御することと、
共通のハウジングで前記第１のＪＢおよび前記ＡＭＢをオイルに浸すことと
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１６年５月１７日に出願された米国仮特許出願第６２／３３７，５５５号の利点を請求し、その内容は、参照によって、その全体が本願に組み込まれる。
【０００２】
本発明の分野
本発明は、ジャーナル軸受に関し、より詳細には、流体膜および磁気の耐荷要素の両方を一体化するジャーナル軸受に関する。
【背景技術】
【０００３】
本発明の背景
流体膜軸受（ＦＦＢ（Fluid Film Bearing））と能動型磁気軸受（ＡＭＢ（Active Magnetic Bearing））とは、市場において競合している装置である。ＦＦＢ、特に、ジャーナル軸受（ＪＢ（Journal Bearing））は、より大きな耐荷能力、および受動的ダンピングをロータシステムに導入する機能を有する優れた耐荷要素である。しかしながら、ＪＢは、高速時に、オイルホイップと呼ばれる不安定振動を示し、それは、ロータ速度が第１の臨界速度の約２倍に達したときに引き起こされる。この不安定性は、ロータ回転速度を増加させる可能性を制限する。
【０００４】
他方でＡＭＢは、高速時に、非接触のロータ支持を提供し、ホイップ不安定性はない。ＡＭＢは、制御要素としての能力であるさらなる特徴を有する。ＡＭＢは、さまざまな、かつ制御可能な剛性およびダンピングを提供することができ、さらに、不釣合い制御および多くの他の制御の特徴を提供することができる。しかしながら、ＡＭＢは特定の欠点に悩まされている。特に、信頼性問題は常に、ＡＭＢの設計者にとっての懸念事項である。実際、ＡＭＢは常に、「バックアップ軸受」と呼ばれる冗長な軸受システムとともに設計されており、バックアップ軸受はＡＭＢに故障が発生した場合にロータを支持する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の概要
本発明は、流体膜軸受（ＦＦＢ）と電磁アクチュエータ（ＥＭＡ（electro-magnetic actuator））とを１つの一体型装置に組み合わせた、洗練された高性能な一体型軸受を提供する。あらゆる場合において、流体膜軸受は荷重を支持し、一方、電磁アクチュエータは、純然たる制御装置として、または、制御装置および耐荷要素の両方として、使用することができる。後者の場合、電磁アクチュエータは、能動型磁気軸受（ＡＭＢ）と考えることができる。
【０００６】
ＡＭＢとＪＢとを一体化した１つの装置は、本明細書では一体型ジャーナル軸受（ＩＪＢ）と呼ばれ、明確な利点を有する。ＩＪＢは、ＪＢおよびＡＭＢの利点をすべて有し、ＡＭＢおよびＪＢの欠点をすべて回避する。ＩＪＢは、より大きな耐荷能力、および受動的ダンピングをロータシステムに導入する機能を有する優れた耐荷要素である。さらに、ＩＪＢは、ホイップ不安定性がなく、制御装置としての能力を有する。ＩＪＢは、さまざまな、かつ制御可能な剛性およびダンピングを提供することができ、さらに、不釣合い制御および多くの他の制御の特徴を提供することができる。最も重要なことには、ロータがＪＢ上に支持されるので、あらゆる場合において、バックアップ軸受は必要ない。
【０００７】
したがって、本発明の一般的な目的は、回転機械のための改善された軸受を提供することである。
【０００８】
本発明のさらなる目的は、１つの空間に限定された、電磁アクチュエータと一体化された流体膜軸受を提供することである。
【０００９】
本発明の別の目的は、オイルで満たされた１つの空間に限定された、電磁アクチュエータと一体化された流体膜軸受を提供することである。
【００１０】
本発明のなおも別の目的は、能動型磁気軸受として作用する、一体型軸受内の電磁アクチュエータを提供することである。
【００１１】
本発明のさらに別の目的は、荷重を支持してもよくまたは支持しなくてもよい一体型軸受内の能動型磁気軸受を提供することである。
【００１２】
本発明の特定の目的は、優れた耐荷要素を提供することである。
【００１３】
本発明の追加の目的は、優れた耐荷能力を有する耐荷要素を提供することである。
【００１４】
本発明の別の目的は、受動的ダンピングをロータシステムに導入することができる耐荷要素を提供することである。
【００１５】
本発明のさらに別の目的は、ホイップ不安定性のない耐荷要素を提供することである。
【００１６】
本発明のなおも別の目的は、制御装置として作用することができる耐荷要素を提供することである。
【００１７】
本発明のさらなる目的は、さまざまな、かつ制御可能な剛性およびダンピングを提供することができる耐荷要素を提供することである。
【００１８】
本発明の追加の目的は、不釣合い制御を提供することができる耐荷要素を提供することである。
【００１９】
本発明の追加の目的は、多くの能動制御の特徴を提供することができる耐荷要素を提供することである。
【００２０】
本発明のさらに追加の目的は、バックアップ軸受の必要なしに、上記の特徴をすべて提供することができる優れた耐荷要素を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
有利なことには、本発明による一体型ジャーナル軸受は、上記のすべての目的を同時に達成することができる。
【００２２】
好ましい実施形態において、磁気軸受は、積層ロータを取り囲み、自身の好適なクリアランスを維持する。２つのジャーナル（できる限り積層ロータと同じ直径を有する）は、ＡＭＢの各側部上に組み立てられ、ロータ積層体を所定の位置に維持する。２つのＪＢは、自身の特定のクリアランスを有して、２つのジャーナル上に取り付けられる。オイル導管は、２つのＪＢにオイルを導入し、それはＡＭＢ空間に自由に流れ込むことができる。オイルシールは、一体型軸受の外側のオイルフローをシールするのに使用される。
【００２３】
本実施形態は、独特の方法で必要な目的を達成する。対称性を維持するために２つのジャーナル軸受は、１つの限定された空間でＡＭＢを取り囲む。これによって、オイルは限定された空間に導入され、ＡＭＢおよびＦＦＢの両方を浸す。次いで、制御装置がＡＭＢを制御するために使用されて、必要な性能が達成される。
【００２４】
別の実施形態において、１つのＦＦＢおよび１つのＡＭＢのみが使用される。本実施形態において、磁気軸受は、積層ロータを取り囲み、自身の好適なクリアランスを維持する。ジャーナル（できる限り積層ロータと同じ直径を有する）は、ＡＭＢの横に組み立てられ、ロータ積層体を所定の位置に維持する。ＪＢは、自身の特定のクリアランスを有して、ジャーナル上に取り付けられる。オイル導管は、ＪＢにオイルを導入し、それはＡＭＢ空間に自由に流れ込むことができる。オイルシールは、一体型軸受の外側のオイルフローをシールするのに使用される。
【００２５】
２つのＡＭＢと１つのＦＦＢとを有する他の可能な実施形態が可能であり、当業者は、目前の特定の用途に最も好適な実施形態を、明確に選択することができる。
【００２６】
本出願の目的のために、ＦＦＢが、ＪＢまたは楕円軸受であっても、あるいは、圧力ダム軸受または多円弧軸受またはティルティングパッド軸受であってもよいことは明らかであろう。同様に、ＡＭＢは、耐荷ＡＭＢまたは単にＥＭＡであってもよい。特定の設計および適用分野が、使用されるＦＦＢおよびＡＭＢの種類を規定する。
【００２７】
２０１０年の米国特許第７，８３６，６０１号の発明において発明者は、ＦＦＢとＡＭＢとを１つの装置に一体化する可能性を明らかにした。これは重要な進展であった。その日まで、オイルを磁気軸受に加えることなど誰も考えていなかった。実際、ＡＭＢの推進者は、それらを「オイルフリー」装置と呼び、これを利点の１つとして主張していた。米国特許第７，８３６，６０１号は、オイルがＡＭＢに導入される考え方のパラダイムシフトであった。
【００２８】
米国特許第７，８３６，６０１号の明細書は、一体型軸受は、流体膜軸受のための流体が磁気軸受のロータを通過して、磁気軸受のロータとステータとの間のクリアランスに入るような、磁気軸受内に流体膜軸受を有する１つの一体型軸受の形態を有することができることを説明している。
【００２９】
しかしながら、この場合、発生する熱を消散させるために磁気軸受に大きなクリアランスが必要であり、流体膜軸受は耐荷能力を改善するために小さなクリアランスを必要とする、という設計上の問題が生じる。この設計上の問題には、２つの方法で取り組むことができる。１つは、２つの相反する要求間の妥協するクリアランスを選択することであり、もう１つは、流体膜軸受には荷重用の小さいクリアランスを使用し、磁気軸受において発生した熱を消散させるために増やした流体低さを使用することである。
【００３０】
米国特許第７，８３６，６０１号と同様に、本出願はＦＦＢとＡＭＢとを一体型軸受と考えるが、米国特許第７，８３６，６０１号とは異なり、ＦＦＢとＡＭＢとは同じクリアランスを共有しない。本発明では、一体型軸受は、１つの装置に一体化されているが、クリアランスを共有しないＡＭＢとＦＦＢとからなる。しかしながら、ＡＭＢおよびＦＦＢはどちらもオイルに浸されている。
【００３１】
米国特許第７，８３６，６０１号は、発明が、実際、両デバイスの利点および欠点によるものであることを明らかにしている。発明は、流体膜軸受（円筒形のジャーナル軸受であるか、楕円軸受であるか、オフセットハーフ軸受であるか、多円弧型軸受であるか、ティルティングパッド軸受であるかは、問題ではない）を、主耐荷軸受として使用し、この流体膜軸受と組み合わせた磁気軸受を不安定性の制御に使用するものである。これは、非常に効果的な組合せであり、この組合せによって安定性の問題も信頼性の問題もなく、高速で使用することができる軸受にできる。
【００３２】
さらに、米国特許第７，８３６，６０１号は、磁気軸受に関する多くの特許に言及している。たとえば、
米国特許第６，７３７，７７７号  Magnetic bearing and use thereof、
米国特許第６，７２７，６１７号  Method and apparatus for providing three axis magnetic bearing having permanent magnets mounted on radial pole stock、
米国特許第６，７２０，６９５号  Rotor spinning device with a contact less, passive, radial bearing for the spinning rotor、
米国特許第６，７１７，３１１号  Combination magnetic radial and thrust bearing、
米国特許第６，７０７，２００号  Integrated magnetic bearing、
米国特許第６，７０３，７３６号  Magnetic bearing、
米国特許第６，６５３，７５６号  Magnetic bearing device、および、
米国特許第６，６０６，５３６号  Magnetic bearing device and magnetic bearing control device。
【００３３】
しかしながら、これらの特許のいずれも、磁気軸受をジャーナル軸受の不安定性の制御手段として使用することに関しては述べていない。実際、この技術の状態のほとんど、および現在の磁気軸受の開発努力は、磁気軸受を主耐荷要素として使用することに関するものであり、過剰な制御動作を用いて、回転機械にいくらかの所望の安定性の利益を提供するものである。
【００３４】
また、米国特許第７，８３６，６０１号は、流体膜軸受に関する多くの特許に言及している。たとえば、
米国特許第６，０８９，７５６号  Plain bearing、
米国特許第５，８７９，０８５号  Tilt pad hydrodynamic bearing for rotating machinery、
米国特許第５，７９５，０７６号  Tilt pad hydrodynamic bearing for rotating machinery、
米国特許第５，７７２，３３４号  Fluid film bearings、
米国特許第５，７４３，６５７号  Tilting pad journal bearing、
米国特許第５，７４３，６５４号  Hydrostatic and active control movable pad bearing、
米国特許第５，６３４，７２３号  Hydrodynamic fluid film bearings、
米国特許第５，５４９，３９２号  Shaft seal for hydrodynamic bearing unit、
米国特許第５，５３１，５２３号  Rotor journal bearing having adjustable bearing pads、
米国特許第５，５１６，２１２号  Hydrodynamic bearing with controlled lubricant pressure distribution、
米国特許第５，４８９，１５５号  Tilt pad variable geometry bearings, having tilting bearing pads and methods of making same、
米国特許第５，４８０，２３４号  Journal bearing、
米国特許第５，３２２，３７１号  Fluid film bearing、
米国特許第５，２０１，５８５号  Fluid film journal bearing with squeeze film damper for turbo machinery、
米国特許第５，０９６，３０９号  Hydrodynamic bearing system、
米国特許第５，０３２，０２８号  Fluid film bearing、
米国特許第４，９６１，１２２号  Hydrodynamic grooved bearing device、
米国特許第４，８２８，４０３号  Resiliently mounted fluid bearing assembly、
米国特許第４，８８０，３２０号  Fluid film journal bearings、
米国特許第４，７６７，２２３号  Hydrodynamic journal bearings、
米国特許第４，５９７，６７６号  Hybrid bearing、
米国特許第４，５２６，４８３号  Fluid foil bearing、
米国特許第４，４１５，２８１号  Hydrodynamic fluid film bearing、
米国特許第４，３００，８０８号  Tilting-pad bearings、
米国特許第４，０３４，２２８号  Tilting pad bearing、および、
米国特許第３，９６９，８０４号  Bearing housing assembly method for high speed rotating shafts。
【００３５】
しかしながら、これらの特許はいずれも、流体膜の不安定性を制御する手段としての磁気軸受の使用を提言するものではない。
【００３６】
実際、磁気軸受の開発および流体膜軸受の開発は、２つの完全に別のアイテムであり、両分野における調査は、あたかもこれらが２つの島にあるように、他方の分野における開発を認識していない。
【００３７】
米国特許第６，３５３，２７３号の、ハイブリッドフォイル−磁気軸受は例外である。この発明では、フォイル軸受および磁気軸受の両方が耐荷要素として使用されると提言している。大きな荷重を支持するにあたり、このように、フォイル軸受と磁気軸受とのそれぞれが荷重の一部を負担することが可能である。しかしながら、本発明者の意見では、これはよい解決方法ではない。ハイブリッドフォイル−磁気軸受は、高速での動作は可能であるが、磁気軸受の同じ不利益を被っている。
【００３８】
流体膜軸受および磁気軸受はよく知られている装置であるが、これらを組み合わせた形態で使用できることは自明ではない。なぜなら現在の技術では、これらの軸受は競合する装置であり、補完しあう装置ではないからである。双方とも、ある制御能力（流体膜軸受は受動制御、および磁気軸受は能動制御）を有する耐荷装置であると考えられている。したがって、磁気軸受を制御装置としてのみ、また、流体膜軸受を耐荷装置としてのみ考えることは発明である。これらの組み合わされた効果は、流体膜軸受および磁気軸受のすべての知られている利点に加えて、大きな耐荷能力、優れた信頼性、および不安定性のない高速での使用という利点を有する軸受を提供することである。さらに、磁気軸受は耐荷要素としては使用されないので、必要な電力が低減され、したがって、ロータの振動を確実に制御することができる、より小型で軽量の磁気軸受を使用することができるというさらなる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
図面の簡単な説明
【図１】図１は、一体型ジャーナル軸受を示す本発明の１つの実施形態の断面立面図であり、磁気軸受は、積層ロータを取り囲み、自身の好適なクリアランスを維持する。２つのジャーナル（できる限り積層ロータと同じ直径を有する）は、ＡＭＢの各側部上に組み立てられ、ロータ積層体を所定の位置に維持する。
【図２】図２は、図１に示される実施形態の分解図であり、構成要素の詳細を示す。これは、発明者によって構築されて、試験が行われた実施形態である。
【図３】図３は、一体型ジャーナル軸受を示す本発明の別の実施形態の断面立面図であり、磁気軸受は、積層ロータを取り囲んで、自身の好適なクリアランスを維持し、ジャーナルは、ＡＭＢに隣接して組み立てられて、ロータ積層体を所定の位置に維持する。
【図４】図４は、図３に示される実施形態の分解図であり、構成要素の詳細を示す。
【図５】図５は、一体型ジャーナル軸受を示す本発明のさらに別の実施形態の断面立面図であり、磁気軸受は、積層ロータを取り囲んで、自身の好適なクリアランスを維持し、ジャーナルは、ＡＭＢに隣接して組み立てられて、代替的な固定によってロータ積層体を所定の位置に維持する。
【図６】図６は、図５に示される実施形態の分解図であり、構成要素の詳細を示す。
【図７】図７は、ロータ状態からのおよびジャーナル軸受特性を含むフィードバックによって能動型磁気軸受を制御するのに使用される基本制御回路を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
本発明の詳細な説明
本発明は、流体膜軸受（ＦＦＢ）と電磁アクチュエータ（ＥＭＡ）とを１つの一体型装置に組み合わせた、洗練された高性能な一体型軸受である。あらゆる場合において、流体膜軸受は荷重を支持し、一方、電磁アクチュエータは、純然たる制御装置として、または、制御装置および耐荷要素の両方として、使用することができる。後者の場合、電磁アクチュエータは、能動型磁気軸受（ＡＭＢ）と考えることができる。
【００４１】
ＡＭＢとＪＢとを一体化した１つの装置である一体型ジャーナル軸受（ＩＪＢ）は、明確な利点を有する。ＩＪＢは、ＪＢおよびＡＭＢの利点をすべて有し、ＡＭＢおよびＪＢの欠点をすべて回避する。ＩＪＢは、より大きな耐荷能力、および受動的ダンピングをロータシステムに導入する機能を有する優れた耐荷要素である。さらに、ＩＪＢは、ホイップ不安定性がなく、制御装置としての能力を有する。ＩＪＢは、さまざまな、かつ制御可能な剛性およびダンピングを提供することができ、さらに、不釣合い制御および多くの他の制御の特徴を提供することができる。最も重要なことには、ロータがＪＢ上に支持されるので、あらゆる場合において、バックアップ軸受は必要ない。
【００４２】
図１および図２は、ＩＪＢの好ましい実施形態を示す。本実施形態において、ＡＭＢロータ積層体４０は軸に取り付けられ、一方、外側積層体３０は、ＩＪＢ下部ハウジング１０および上部ハウジング６０によって所定の位置に保持される。ＡＭＢのクリアランスは、実際は、ロータ積層体４０と外側積層体３０との間のクリアランスである。２つのジャーナル軸受スリーブ８０は、ロータ積層体４０の両側でロータ上に配置される。ジャーナル軸受ライニング７０は、ＩＪＢ下部ハウジング１０および上部ハウジング６０によって所定の位置に保持されるジャーナル軸受ハウジング２０によってスリーブ８０を取り囲む所定の位置に保持される。ジャーナル軸受クリアランスは、スリーブ８０とライニング７０との間にある。オイルは、導管１２０を通して供給および排出され、ジャーナル軸受およびＡＭＢのキャビティの両方を満たす。シール５０は、オイルがキャビティから漏れるのを防ぐ。２つの保持スリーブ９０は、軸上の所定の位置に軸受スリーブ８０を保持するのに使用される。固定アダプタ１００は、各保持スリーブ９０上で固定ナット１１０によって所定の位置にロックされる。
【００４３】
図３および図４は、ＩＪＢの別の実施形態を示す。本実施形態において、ＡＭＢロータ積層体１８０は軸に取り付けられ、一方、外側積層体１６０は、ＩＪＢ下部ハウジング１４０および上部ハウジング１５０によって所定の位置に保持される。ＡＭＢのクリアランスは、実際は、ロータ積層体１８０と外側積層体１６０との間のクリアランスである。１つのジャーナル軸受スリーブ１９０は、ロータ積層体１８０の横でロータ上に配置される。ジャーナル軸受ライニング１３０は、ＩＪＢ下部ハウジング１４０および上部ハウジング１５０によってスリーブ１９０を取り囲む所定の位置に保持される。ジャーナル軸受クリアランスは、スリーブ１９０とライニング１３０との間にある。オイルは、導管２１０を通して供給および排出され、ジャーナル軸受およびＡＭＢのキャビティの両方を満たす。クランプ２００は、軸上の所定の位置に軸受スリーブ１９０を保持するのに使用される。本実施形態は、図３に示されるような肩部を有するシャフトに好適であることに注目すべきである。ここで、ロータ積層体１８０は、軸肩部に対して接して、ジャーナルスリーブ１９０によって所定の位置に保持され、次に、クランプ２００によって所定の位置に保持される。
【００４４】
同じ実施形態が図５および図６に示されるが、ロータ積層体およびジャーナルスリーブの固定方法が異なる。図５および図６において、ＡＭＢロータ積層体２３０は軸に取り付けられ、一方、外側積層体２７０は、ＩＪＢ下部ハウジング３００および上部ハウジング２９０によって所定の位置に保持される。ＡＭＢのクリアランスは、実際は、ロータ積層体２３０と外側積層体２７０との間のクリアランスである。ホルダスリーブ２５０は、ロータ積層体２７０を保持するのに使用される。ジャーナル軸受スリーブ２４０は、ホルダスリーブ２５０上に挿入され、ロックナット２６０によって所定の位置に保持される。ジャーナル軸受ライニング２８０は、ＩＪＢ下部ハウジング３００および上部ハウジング２９０によってスリーブ２４０を取り囲む所定の位置に保持される。ジャーナル軸受クリアランスは、スリーブ２４０とライニング２８０との間にある。オイルは、導管３２０を通して供給および排出され、ジャーナル軸受およびＡＭＢのキャビティの両方を満たす。本実施形態も、図５に示されるような肩部を有するシャフトに好適であり、ここで、ロータ積層体２３０は、軸肩部に対して接して、ホルダスリーブ２５０およびロックナット２６０を所定の位置に保持した。
【００４５】
図７は、ＩＪＢシステムのブロック図を示す。ロータは外力Ｆｅｘｔを受ける、しかしながら、ロータ状態ｘおよびｘ’は、磁気軸受力Ｆｍに加えられる軸受力Ｆｂを次に提供するＪＢに影響を及ぼす。フィードバック状態ｘおよびｘ’は、ＡＭＢに電力増幅器を通して電流を提供し、それにより、磁力Ｆｍを発生させるプログラマブル制御装置に電子的に向けられる。
【００４６】
発明者は、図７のブロック図と同様の多くの制御アルゴリズムを適用している。参考文献２では、発明者および彼の学生は、複数のアルゴリズムによってＩＪＢを使用するオイルホイップの制御について論じており、ダンピング制御がＩＪＢを制御するための効果的な方法であることを示している。一方、参考文献３では、ＩＪＢを使用した不安定性制御および不釣合い制御が導入されている。参考文献４は、オイルがＡＭＢの性能に悪影響を与えないことを示す重要な貢献である。実際、ＡＭＢのオイルがＡＭＢ性能に関していくつかの小さな改善を実際に提供していることが示されている。参考文献５は、ＰＩＤ制御を使用した１つのＩＪＢおよび１つの転動要素軸受上のロータの試験を導入しており、一方、参考文献６は、ＩＪＢにファジイ論理制御を導入している。参考文献７は、ＩＪＢにＨ∞制御を導入し、ＡＭＢとＪＢとの間の荷重分担について論じている。参考文献８は、２つのＩＪＢ軸受上のロータの試験、および、ＰＤ制御を適用することによって第１のモードおよび第２のモードのオイルホイップ不安定性を克服する機能を導入している。実際、参考文献８はＩＪＢの成功の明示である。それは、ＩＪＢが高速で高荷重ロータを支持することができ、複数の不安定性を制御する機能を有することを示している。
【００４７】
上記のすべての実験において、既製のプログラマブル制御装置が使用されている。前の段落で論じられた制御アルゴリズムはすべて、実験的に実装されて、非常に成功した。制御アルゴリズムの選択は、各用途に対して選択できる問題である。多くの場合、ＪＢによる耐荷を妨害しないように磁気軸受に指示することは重要である。実際、参考文献７で導入されたＨ∞制御装置は、実際に、ＡＭＢへの荷重の一部を支持する傾向があり、一方、ＰＤ制御装置は制御装置としてのみ作用する傾向がある。問題は、ＡＭＢはロータを中心に置くことを好み、一方、ＪＢはロータ中心を下におよび横に移動させる傾向があることである。これらの２つの競合している装置は、ＪＢ上の荷重を支持して、制御のためにＡＭＢの電力をすべて維持するように設計された制御装置を必要とする。特殊な状況（共振の移転など）でのみ、ＡＭＢが荷重を支持することを可能にするべきである。上記の参考文献は、制御装置の用途の十分な例を提供している。しかしながら、当業者は、適切な制御アルゴリズムを賢明に選択することができる。上述した内容は、単に本発明の１つまたは複数の実施形態の詳細な説明に過ぎず、本発明の精神および範囲から逸脱することなく本明細書に示す開示によって、開示した実施形態にさまざまな変更を行うことができると解するべきである。したがって、上述の説明は、本発明の範囲を制限することを意味するものではない。むしろ、本発明の範囲は、請求の範囲およびその均等物によってのみ決められるものである。
【００４８】
参考文献
１）Ｅｌ−Ｓｈａｆｅｉ，Ａ．，２０１０，“Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｏｆ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ  ｉｎ  Ｆｌｕｉｄ  Ｆｉｌｍ  Ｂｅａｒｉｎｇｓ”，米国特許第７，８３６，６０１号。
２）Ｅｌ−Ｓｈａｆｅｉ，Ａ．，ａｎｄ  Ｄｉｍｉｔｒｉ，Ａ．Ｓ．，２０１０，“Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ  Ｊｏｕｒｎａｌ  Ｂｅａｒｉｎｇ  Ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ  Ｕｓｉｎｇ  Ａｃｔｉｖｅ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｂｅａｒｉｎｇ”，ＡＳＭＥ  Ｔｒａｎｓ．，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ｆｏｒ  Ｇａｓ  Ｔｕｒｂｉｎｅ  ａｎｄ  Ｐｏｗｅｒ，Ｖｏｌ．１３２  Ｊａｎ．，Ｎｏ．１．
３）Ｄｉｍｉｔｒｉ，Ａ．Ｓ．，ａｎｄ  Ｅｌ−Ｓｈａｆｅｉ，Ａ．，２０１０，“Ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ａｎｄ  Ｕｎｂａｌａｎｃｅ  Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  Ｒｏｔｏｒｓ  Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ  ｏｎ  Ｊｏｕｒｎａｌ  Ｂｅａｒｉｎｇｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｂｅａｒｉｎｇｓ”，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ８ｔｈ  ＩＦＴｏＭＭ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｒｏｔｏｒｄｙｎａｍｉｃｓ  Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ  １２−１５，ＫＩＳＴ，Ｓｅｏｕｌ，Ｋｏｒｅａ．
４）Ｅｌ−Ｈａｋｉｍ，Ｍ．，Ｄｉｍｉｔｒｉ，Ａ．Ｓ，Ｓａｋｒ，Ｔ．．，Ｍａｈｆｏｕｄ，Ｊ．，Ａｄｌｙ，Ａ．Ａ．，ａｎｄ  Ｅｌ−Ｓｈａｆｅｉ，Ａ．，２０１２，“Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  ａｎｄ  ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  ｃｏｍｂｉｎｅｄ  Ｊｏｕｒｎａｌ−Ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｂｅａｒｉｎｇ：Ｓｍａｒｔ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｂｅａｒｉｎｇ，”  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  １０ｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ  ｉｎ  Ｒｏｔａｔｉｎｇ  Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ，ＩＭｅｃｈＥ，Ｌｏｎｄｏｎ  ＵＫ，ｐ．３９９−４０７，１１−１３  Ｓｅｐ．
５）Ｅｌ−Ｓｈａｆｅｉ，Ａ．，Ｄｉｍｉｔｒｉ，Ａ．Ｓ．，Ｓａｑｒ，Ｔ．，ａｎｄ  Ｅｌ−Ｈａｋｉｍ，Ｍ．，“Ｔｅｓｔ  Ｒｉｇ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｔｅｓｔｉｎｇ  ｏｆ  ａ  Ｓｍａｒｔ  Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ａｃｔｕａｔｏｒ  Ｊｏｕｒｎａｌ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｂｅａｒｉｎｇ”，Ｐｒｏｃ．９ｔｈ  ＩＦＴｏＭＭ  Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．ｏｎ  Ｒｏｔｏｒｄｙｎａｍｉｃｓ，Ｓｅｐ．２２−２５，Ｍｉｌａｎ，Ｉｔａｌｙ，２０１４．Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ  ａｎｄ  Ｍａｃｈｉｎｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｖｏｌ．２１，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ．
６）Ｄｉｍｉｔｒｉ，Ａ．Ｓ．，Ｍａｈｆｏｕｄ，Ｊ．ａｎｄ  Ｅｌ−Ｓｈａｆｅｉ，Ａ．，２０１５，“Ｏｉｌ  Ｗｈｉｐ  Ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  Ｆｕｚｚｙ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ”，Ｊ．Ｅｎｇ．Ｇａｓ  Ｔｕｒｂｉｎｅｓ  Ｐｏｗｅｒ，Ｖｏｌ．１３８，Ｎｏ．６．
７）Ｄｉｍｉｔｒｉ，Ａ．Ｓ．，Ｅｌ−Ｓｈａｆｅｉ，Ａ．，Ａｄｌｙ，Ａ．Ａ．，Ｍａｈｆｏｕｄ，Ｊ．，２０１５，“Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ａｃｔｕａｔｏｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  Ｏｉｌ  Ｗｈｉｐ  Ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ  ｉｎ  Ｂｅａｒｉｎｇｓ”  ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．５１，Ｎｏ．１１．
８）Ｅｌ−Ｓｈａｆｅｉ，Ａ．，Ｄｉｍｉｔｒｉ，Ａ．Ｓ．，ａｎｄ  Ｍａｈｆｏｕｄ，Ｊ．，２０１６，“ＰＤ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ａ  Ｓｍａｒｔ  Ｅｌｅｃｔｒｏ−  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ａｃｔｕａｔｏｒ  Ｊｏｕｒｎａｌ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｂｅａｒｉｎｇ（ＩＪＢ）”  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｔｈｅ  １１ｔｈＩＭｅｃｈＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ  ｉｎ  Ｒｏｔａｔｉｎｇ  Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ，Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ，ＵＫ，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ  ２０１６，ｐａｐｅｒ  Ｃ１０３０，ｐｐ．２３９−２５０．
【図１】
2019516920.tif 000003
【図２】
2019516920.tif 000004
【図３】
2019516920.tif 000005
【図４】
2019516920.tif 000006
【図５】
2019516920.tif 000007
【図６】
2019516920.tif 000008
【図７】
2019516920.tif 000009
【国際調査報告】
2019516920.tif 000010
2019516920.tif 000011
2019516920.tif 000012