(57)【要約】【課題】スラスト軸受として磁気軸受を備える軸受構造であって、回転軸が長くなることを防止しつつ流体機械の健全性を確保するのに適した軸受構造を提供する。【解決手段】第１スラスト軸受１０ａは、第１電磁石１２ａと、第１部材１１ａと、を有する。第２スラスト軸受１０ｂは、第２電磁石１２ｂと、第２部材１１ｂと、を有する。第１電磁石１２ａおよび第２電磁石１２ｂが生成する磁力と、回転軸１８の回転により第１部材１１ａおよび第２部材１１ｂで発生する気体の動圧とが、回転軸１８の軸方向荷重を支持する。【選択図】図１Ｃ
2019027501.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と、
前記回転軸に取り付けられ前記回転軸とともに回転するスラストカラーと、
前記スラストカラーからみて前記回転軸の軸方向の両側に配置された一対のスラスト軸受と、を備え、
前記一対のスラスト軸受は、第１スラスト軸受および第２スラスト軸受を有し、
前記第１スラスト軸受は、第１基体と、前記第１基体に取り付けられた第１電磁石と、前記第１基体に取り付けられ前記軸方向について前記第１基体と前記スラストカラーとの間に配置された第１部材と、を有し、
前記第２スラスト軸受は、第２基体と、前記第２基体に取り付けられた第２電磁石と、前記第２基体に取り付けられ前記軸方向について前記第２基体と前記スラストカラーとの間に配置された第２部材と、を有し、
前記第１電磁石および前記第２電磁石が生成する磁力と、前記回転軸の回転により前記第１部材および前記第２部材で発生する気体の動圧とが、前記回転軸の軸方向荷重を支持する、軸受構造。
【請求項２】
前記第１スラスト軸受は、前記第１基体に取り付けられ前記スラストカラーの位置を検出する第１位置検出器を有し、
前記第２スラスト軸受は、前記第２基体に取り付けられ前記スラストカラーの位置を検出する第２位置検出器を有し、
前記第１部材は、前記軸方向に沿って観察したときに前記第１位置検出器を露出させる位置に配置され、
前記第２部材は、前記軸方向に沿って観察したときに前記第２位置検出器を露出させる位置に配置されている、請求項１に記載の軸受構造。
【請求項３】
前記第１部材および前記第２部材は、非磁性材料でできた扁平体であり、
前記第１部材は、前記軸方向に沿って観察したときに前記第１電磁石を覆う位置に配置され、
前記第２部材は、前記軸方向に沿って観察したときに前記第２電磁石を覆う位置に配置されている、請求項１または２に記載の軸受構造。
【請求項４】
前記軸方向に沿って観察したとき、前記第１電磁石、前記第２電磁石、前記第１部材および前記第２部材は、閉じた枠の形状を有し、
前記回転軸の中心軸から前記第１電磁石の外周端までの距離を距離Ｍ１と定義し、前記中心軸から前記第１部材の外周端までの距離を距離Ｐ１と定義し、前記距離Ｍ１に対する前記距離Ｐ１の比率を比率Ｒ１と定義したとき、前記比率Ｒ１は、１．０以上１．３以下であり、
前記中心軸から前記第２電磁石の外周端までの距離を距離Ｍ２と定義し、前記中心軸から前記第２部材の外周端までの距離を距離Ｐ２と定義し、前記距離Ｍ２に対する前記距離Ｐ２の比率を比率Ｒ２と定義したとき、前記比率Ｒ２は、１．０以上１．３以下である、請求項３に記載の軸受構造。
【請求項５】
前記第１スラスト軸受は、前記第１基体に取り付けられ前記スラストカラーの位置を検出する第１位置検出器を有し、
前記第２スラスト軸受は、前記第２基体に取り付けられ前記スラストカラーの位置を検出する第２位置検出器を有し、
前記回転軸の径方向において、前記第１位置検出器は、前記第１電磁石よりも内側に配置され、
前記径方向において、前記第２位置検出器は、前記第２電磁石よりも内側に配置され、
前記第１部材は、前記軸方向に沿って観察したときに前記第１位置検出器を露出させる位置に配置され、
前記第２部材は、前記軸方向に沿って観察したときに前記第２位置検出器を露出させる位置に配置されている、請求項３または４に記載の軸受構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、軸受構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体機械は、回転軸と、該回転軸に取り付けられた圧縮機インペラと、を有している場合がある。そのような流体機械では、圧縮機インペラが、作動流体を圧縮する。流体機械は、回転軸と、該回転軸に取り付けられたタービンホイールと、を有している場合がある。そのような流体機械では、タービンホイールが、作動流体から仕事を取り出す。流体機械は、回転軸と、該回転軸に取り付けられた圧縮機インペラと、該回転軸に取り付けられたタービンホイールと、を有している場合もある。
【０００３】
圧縮機インペラ、タービンホイールなどの部品には、作動流体によって圧力が印加される。この圧力により、流体機械の回転軸の軸方向荷重が生じる。軸方向荷重を支持するために、上記のような部品を有する流体機械は、スラストカラーと、スラスト軸受と、を有する場合がある。スラストカラーは、回転軸上の任意の位置に、回転軸の径方向の一部または全体に取り付けられる。典型的には、スラストカラーは、回転軸よりも軸方向の長さが短い円盤状であって、回転軸と同軸に構成される。スラスト軸受は、スラストカラーに対向するように配置される。
【０００４】
スラスト軸受に適用される軸受としては、滑り軸受、転がり軸受および磁気軸受が例示される。滑り軸受は、潤滑油、空気などを用いて軸方向荷重を支持することができる。転がり軸受は、転動体としてころまたは球を用いて軸方向荷重を支持することができる。磁気軸受は、電磁石の磁力を用いて軸方向荷重を支持することができる。磁気軸受を用いる場合、磁性材料でできたスラストカラーが使用され得る。
【０００５】
特許文献１には、磁気軸受を用いた軸受構造の一例が記載されている。図４に示すように、この軸受構造は、一対のスラスト軸受８６と、回転軸５３ｃと、スラストカラー８４と、を備える。一対のスラスト軸受８６は、それぞれ、電磁石８５ａと、電磁石８５ａの表面を保護する合成樹脂製の保護部材９１と、を有している。
【０００６】
ところで、磁気軸受は、電源遮断などによりその機能を喪失することがある。このような事態に備え、予備の軸受を磁気軸受とは別に配置することがある。このような予備の軸受は、バックアップベアリングと称されることがある。特許文献１の軸受構造は、そのような予備の軸受として、タッチダウン軸受を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−３００９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明者らの検討によれば、回転軸が長くなることを防止しつつ流体機械の健全性を確保する観点から、特許文献１の技術には改善の余地がある。本開示は、スラスト軸受として磁気軸受を備える軸受構造であって、回転軸が長くなることを防止しつつ流体機械の健全性を確保するのに適した軸受構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示は、
回転軸と、
前記回転軸に取り付けられ前記回転軸とともに回転するスラストカラーと、
前記スラストカラーからみて前記回転軸の軸方向の両側に配置された一対のスラスト軸受と、を備え、
前記一対のスラスト軸受は、第１スラスト軸受および第２スラスト軸受を有し、
前記第１スラスト軸受は、第１基体と、前記第１基体に取り付けられた第１電磁石と、前記第１基体に取り付けられ前記軸方向について前記第１基体と前記スラストカラーとの間に配置された第１部材と、を有し、
前記第２スラスト軸受は、第２基体と、前記第２基体に取り付けられた第２電磁石と、前記第２基体に取り付けられ前記軸方向について前記第２基体と前記スラストカラーとの間に配置された第２部材と、を有し、
前記第１電磁石および前記第２電磁石が生成する磁力と、前記回転軸の回転により前記第１部材および前記第２部材で発生する気体の動圧とが、前記回転軸の軸方向荷重を支持する、軸受構造を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本開示に係る技術によれば、スラスト軸受として磁気軸受を備える軸受構造であって、回転軸が長くなることを防止しつつ流体機械の健全性を確保するのに適した軸受構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】図１Ａは、実施の形態１における第１スラスト軸受を示す。
【図１Ｂ】図１Ｂは、実施の形態１における第２スラスト軸受を示す。
【図１Ｃ】図１Ｃは、実施の形態１における軸受構造を示す。
【図２Ａ】図２Ａは、実施の形態２における第１スラスト軸受を示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、実施の形態２における第２スラスト軸受を示す。
【図２Ｃ】図２Ｃは、実施の形態２における軸受構造を示す。
【図３Ａ】図３Ａは、実施の形態３における第１スラスト軸受を示す。
【図３Ｂ】図３Ｂは、実施の形態３における第２スラスト軸受を示す。
【図３Ｃ】図３Ｃは、実施の形態３における軸受構造を示す。
【図４】図４は、特許文献１の軸受構造を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（本発明者らによる知見）
特許文献１の軸受構造では、タッチダウン軸受の存在が原因で、回転軸５３ｃが長くなっている。回転軸が長いと、回転軸を含む回転系の固有振動数が低くなる。回転系の固有振動数が低いと、回転系の振動を抑制しつつ回転系の回転数を高くすることが困難になる。このような理由で、タッチダウン軸受の存在は、回転系の高速回転を困難にする。このことは、流体機械の運転効率を確保する観点から不利である。
【００１３】
一方、仮に、タッチダウン軸受を省略するとする。この場合、電源遮断などにより磁気軸受の機能が喪失されたときには、スラストカラー８４が合成樹脂製の保護部材９１に接触し、これらの間で摩擦が生じる。回転軸５３ｃの回転速度が１０００ｒａｄ／ｓｅｃを超えるような流体機械では、この摩擦により、回転軸５３ｃが有するエネルギーが極僅かな時間で吸収される。摩擦熱により、スラストカラー８４および保護部材９１が高温となる。このため、タッチダウン軸受を省略するのみでは、流体機械としての健全性を確保することは難しい。
【００１４】
以上を踏まえ、本開示は、スラスト軸受として磁気軸受を備える軸受構造であって、回転軸が長くなることを防止しつつ流体機械の健全性を確保するのに適した軸受構造を提供することを目的とする。
【００１５】
本開示の第１態様は、
回転軸と、
前記回転軸に取り付けられ前記回転軸とともに回転するスラストカラーと、
前記スラストカラーからみて前記回転軸の軸方向の両側に配置された一対のスラスト軸受と、を備え、
前記一対のスラスト軸受は、第１スラスト軸受および第２スラスト軸受を有し、
前記第１スラスト軸受は、第１基体と、前記第１基体に取り付けられた第１電磁石と、前記第１基体に取り付けられ前記軸方向について前記第１基体と前記スラストカラーとの間に配置された第１部材と、を有し、
前記第２スラスト軸受は、第２基体と、前記第２基体に取り付けられた第２電磁石と、前記第２基体に取り付けられ前記軸方向について前記第２基体と前記スラストカラーとの間に配置された第２部材と、を有し、
前記第１電磁石および前記第２電磁石が生成する磁力と、前記回転軸の回転により前記第１部材および前記第２部材で発生する気体の動圧とが、前記回転軸の軸方向荷重を支持する、軸受構造を提供する。
【００１６】
第１態様によれば、スラスト軸受として磁気軸受を備える軸受構造であって、回転軸が長くなることを防止しつつ流体機械の健全性を確保するのに適した軸受構造を提供することができる。
【００１７】
本開示の第２態様は、第１態様に加え、
前記第１スラスト軸受は、前記第１基体に取り付けられ前記スラストカラーの位置を検出する第１位置検出器を有し、
前記第２スラスト軸受は、前記第２基体に取り付けられ前記スラストカラーの位置を検出する第２位置検出器を有し、
前記第１部材は、前記軸方向に沿って観察したときに前記第１位置検出器を露出させる位置に配置され、
前記第２部材は、前記軸方向に沿って観察したときに前記第２位置検出器を露出させる位置に配置されている、軸受構造を提供する。
【００１８】
第２態様では、第１部材および第２部材は、それぞれ、第１位置検出器および第２位置検出器を露出させる位置に配置されている。このようにすれば、第１位置検出器および第２位置検出器によるスラストカラーの位置検出精度が第１部材および第２部材によって低下するという事態を避けることができる。このため、第２態様は、スラストカラーの位置検出の精度確保の観点から有利である。
【００１９】
圧縮機インペラ、タービンホイールなどの部品を回転軸に締結し、当該部品を回転軸とともに回転させる場合がある。スラストカラーの位置検出の精度を確保できることは、この部品の翼端間隙を小さくできることを意味する。このことは、回転軸に当該部品が適用された流体機械の効率などの性能を確保する観点から有利である。なお、翼端間隙とは、上記部品の外周端と、該部品を径方向外側から取り囲むケーシングとの間の間隙を指す。
【００２０】
本開示の第３態様は、第１態様または第２態様に加え、
前記第１部材および前記第２部材は、非磁性材料でできた扁平体であり、
前記第１部材は、前記軸方向に沿って観察したときに前記第１電磁石を覆う位置に配置され、
前記第２部材は、前記軸方向に沿って観察したときに前記第２電磁石を覆う位置に配置されている、軸受構造を提供する。
【００２１】
第３態様では、第１部材および第２部材が、それぞれ、第１電磁石および第２電磁石を覆っている。このようにすると、第１部材および第２部材が第１電磁石および第２電磁石を覆わない場合に比べ、第１部材および第２部材の面積を確保し易い。このため、第３態様によれば、第１部材および第２部材によって支持可能な回転軸の軸方向荷重を大きくすることができる。また、第３態様では、第１部材および第２部材は、非磁性材料でできている。このため、第１部材および第２部材が第１電磁石および第２電磁石を覆っていても、第１電磁石および第２電磁石による軸方向荷重の支持に悪影響が及び難い。
【００２２】
本開示の第４態様は、第３態様に加え、
前記軸方向に沿って観察したとき、前記第１電磁石、前記第２電磁石、前記第１部材および前記第２部材は、閉じた枠の形状を有し、
前記回転軸の中心軸から前記第１電磁石の外周端までの距離を距離Ｍ１と定義し、前記中心軸から前記第１部材の外周端までの距離を距離Ｐ１と定義し、前記距離Ｍ１に対する前記距離Ｐ１の比率を比率Ｒ１と定義したとき、前記比率Ｒ１は、１．０以上１．３以下であり、
前記中心軸から前記第２電磁石の外周端までの距離を距離Ｍ２と定義し、前記中心軸から前記第２部材の外周端までの距離を距離Ｐ２と定義し、前記距離Ｍ２に対する前記距離Ｐ２の比率を比率Ｒ２と定義したとき、前記比率Ｒ２は、１．０以上１．３以下である、軸受構造を提供する。
【００２３】
上述のとおり、第１部材および第２部材が第１電磁石および第２電磁石を覆う場合には、第１部材および第２部材によって支持可能な回転軸の軸方向荷重を大きくすることができる。さらに、第４態様では、比率Ｒ１およびＲ２から理解されるように、第１部材の第１電磁石からの張り出し量および第２部材の第２電磁石からの張り出し量が抑えられている。このようにすれば、スラスト軸受の径方向寸法を抑えることができる。スラストカラーの径方向寸法を抑えることもできる。スラストカラーの径方向寸法を抑えると、回転軸を含む回転系の振れ回りを抑えつつ回転系を高速回転させることが可能となる。回転系の高速回転が可能となることにより、流体機械を高効率に運転することが可能となる。
【００２４】
本開示の第５態様は、第３態様または第４態様に加え、
前記第１スラスト軸受は、前記第１基体に取り付けられ前記スラストカラーの位置を検出する第１位置検出器を有し、
前記第２スラスト軸受は、前記第２基体に取り付けられ前記スラストカラーの位置を検出する第２位置検出器を有し、
前記回転軸の径方向において、前記第１位置検出器は、前記第１電磁石よりも内側に配置され、
前記径方向において、前記第２位置検出器は、前記第２電磁石よりも内側に配置され、
前記第１部材は、前記軸方向に沿って観察したときに前記第１位置検出器を露出させる位置に配置され、
前記第２部材は、前記軸方向に沿って観察したときに前記第２位置検出器を露出させる位置に配置されている、軸受構造を提供する。
【００２５】
第５態様は、第２態様と同様、スラストカラーの位置検出の精度確保の観点から有利である。
【００２６】
また、第３態様の技術と第５態様の技術とを組み合わせると、回転軸に近い部分に第１部材および第２部材を配置することを避け、回転軸から遠い部分に第１部材および第２部材を配置することができる。回転軸から遠い部分における第１部材および第２部材は、動圧発生に大きく寄与する。これに対し、他の条件にもよるが、回転軸から近い部分に第１部材および第２部材を配置することで得られる動圧はそれほど大きくない場合がある。回転軸から近い部分ではスラストカラーの周速が比較的低いためである。回転軸から近い部分の第１部材および第２部材を省略すると、得られる動圧の減少を抑えつつ、気体の作動流体と第１部材および第２部材との間の摩擦損失を低減させることができる。摩擦損失の低減は、流体機械の効率確保に繋がる。第３態様の技術と第５態様の技術とを組み合わせには、このような理由で採用の価値がある。
【００２７】
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施の形態に限定されない。
【００２８】
（実施の形態１）
図１Ａに、実施の形態１の第１スラスト軸受１０ａを示す。図１Ｂに、実施の形態１の第２スラスト軸受１０ｂを示す。図１Ｃに、実施の形態１の軸受構造１９を示す。
【００２９】
図１Ａ〜図１Ｃから理解されるように、軸受構造１９は、回転軸１８と、スラストカラー１７と、一対のスラスト軸受１０ａおよび１０ｂと、を備えている。
【００３０】
軸受構造１９は、作動流体として気体を用いる流体機械で採用され得る。特に限定されないが、作動流体としては、空気、フッ素系冷媒などが挙げられる。ここで、フッ素系冷媒は、フッ素原子を含有する成分を含む冷媒を指す。
【００３１】
回転軸１８には、圧縮機インペラ、タービンホイールなどの部品が取り付けられ得る。このようにすれば、軸受構造１９が採用された流体機械において、圧縮機および／または膨張タービンを実現できる。
【００３２】
スラストカラー１７は、回転軸１８に取り付けられている。スラストカラー１７は、回転軸１８とともに回転する。
【００３３】
本実施の形態では、スラストカラー１７は、回転軸１８の径方向４２に拡がっている。スラストカラー１７は、円盤状である。具体的には、軸方向４１に沿って観察したとき、スラストカラー１７は、円形状を有している。また、スラストカラー１７は、回転軸１８と同軸上に配置されている。
【００３４】
スラストカラー１７は、磁性材料でできている。なお、本明細書では、「磁性材料」は、強磁性体としての性質を有するものを指す。スラストカラー１７を構成する磁性材料の比透磁率は、例えば１００以上である。具体的には、スラストカラー１７を構成する磁性材料として、機械構造用炭素鋼および鋳鋼が例示される。
【００３５】
なお、スラストカラー１７に関する上述の特徴は、後述のスラストカラー２７にも適用可能である。
【００３６】
一対のスラスト軸受１０ａおよび１０ｂは、スラストカラー１７からみて回転軸１８の軸方向４１の両側に配置されている。一対のスラスト軸受１０ａおよび１０ｂは、第１スラスト軸受１０ａおよび第２スラスト軸受１０ｂを有している。
【００３７】
第１スラスト軸受１０ａは、第１基体１４ａと、第１電磁石１２ａと、第１部材１１ａと、を有している。また、第１スラスト軸受１０ａは、少なくとも１つの第１位置検出器１３ａを有している。第２スラスト軸受１０ｂは、第２基体１４ｂと、第２電磁石１２ｂと、第２部材１１ｂと、を有している。また、第２スラスト軸受１０ｂは、少なくとも１つの第２位置検出器１３ｂを有している。
【００３８】
第１部材１１ａおよび第２部材１１ｂは、動圧を発生させる部材である。このため、以下では、第１部材１１ａを第１動圧発生部材１１ａと称し、第２部材１１ｂを第２動圧発生部材１１ｂと称することがある。第１部材１１ａを第１動圧発生機構１１ａと称し、第２部材１１ｂを第２動圧発生機構１１ｂと称することもできる。
【００３９】
本実施の形態では、第１基体１４ａは、第１窪み１５ａを有している。第１窪み１５ａには、スラストカラー１７の一部が入り込んでいる。また、第１窪み１５ａの底とスラストカラー１７との間には、第１間隙１６ａがある。第１間隙１６ａの軸方向４１の寸法は、例えば、０．２５〜０．３５ｍｍである。
【００４０】
本実施の形態では、第２基体１４ｂは、第２窪み１５ｂを有している。第２窪み１５ｂには、スラストカラー１７の一部が入り込んでいる。また、第２窪み１５ｂの底とスラストカラー１７との間には、第２間隙１６ｂがある。第２間隙１６ｂの軸方向４１の寸法は、例えば、０．２５〜０．３５ｍｍである。
【００４１】
第１電磁石１２ａは、第１基体１４ａに取り付けられている。具体的には、第１電磁石１２ａは、第１基体１４ａに埋め込まれている。より具体的には、第１電磁石１２ａは、第１電磁石１２ａと第１基体１４ａとが第１窪み１５ａの底で面一となるように、第１基体１４ａに埋め込まれている。
【００４２】
第１電磁石１２ａとスラストカラー１７との間には、第１間隙１６ａがある。上述のとおり、第１間隙１６ａの軸方向４１の寸法は、例えば、０．２５〜０．３５ｍｍである。この程度に第１間隙１６ａが小さいと、第１電磁石１２ａが、スラストカラー１７を好適に吸引し、スラストカラー１７を好適に支持することができる。また、この程度に第１間隙１６ａが大きいと、第１電磁石１２ａとスラストカラー１７とが接触するという不具合が生じ難い。
【００４３】
本実施の形態では、軸方向４１に沿って観察したとき、具体的には図１Ａの視点において、第１電磁石１２ａは、閉じた枠の形状を有している。具体的には、軸方向４１に沿って観察したとき、第１電磁石１２ａは、円環形状を有している。また、第１電磁石１２ａは、回転軸１８と同軸上に配置されている。
【００４４】
第２電磁石１２ｂは、第２基体１４ｂに取り付けられている。具体的には、第２電磁石１２ｂは、第２基体１４ｂに埋め込まれている。より具体的には、第２電磁石１２ｂは、第２電磁石１２ｂと第２基体１４ｂとが第２窪み１５ｂの底で面一となるように、第２基体１４ｂに埋め込まれている。
【００４５】
第２電磁石１２ｂとスラストカラー１７との間には、第２間隙１６ｂがある。
【００４６】
本実施の形態では、軸方向４１に沿って観察したとき、具体的には図１Ｂの視点において、第２電磁石１２ｂは、閉じた枠の形状を有している。具体的には、軸方向４１に沿って観察したとき、第２電磁石１２ｂは、円環形状を有している。また、第２電磁石１２ｂは、回転軸１８と同軸上に配置されている。
【００４７】
第１位置検出器１３ａおよび第２位置検出器１３ｂは、スラストカラー１７の位置を検出する。本実施の形態では、第１位置検出器１３ａおよび第２位置検出器１３ｂは、静電容量式間隙センサである。
【００４８】
第１位置検出器１３ａは、第１基体１４ａに取り付けられている。具体的には、第１位置検出器１３ａは、第１基体１４ａに埋め込まれている。より具体的には、第１位置検出器１３ａは、第１位置検出器１３ａと第１基体１４ａとが第１窪み１５ａの底で面一となるように、第１基体１４ａに埋め込まれている。
【００４９】
第１位置検出器１３ａとスラストカラー１７との間には、第１間隙１６ａがある。
【００５０】
本実施の形態では、第１スラスト軸受１０ａは、複数の、具体的には４つの第１位置検出器１３ａを有している。これらの第１位置検出器１３ａは、回転軸１８を取り込む周方向４３に沿って等間隔に並んでいる。
【００５１】
本実施の形態では、径方向４２において、第１位置検出器１３ａは、第１電磁石１２ａよりも内側に配置されている。
【００５２】
第２位置検出器１３ｂは、第２基体１４ｂに取り付けられている。具体的には、第２位置検出器１３ｂは、第２基体１４ｂに埋め込まれている。より具体的には、第２位置検出器１３ｂは、第２位置検出器１３ｂと第２基体１４ｂとが第２窪み１５ｂの底で面一となるように、第２基体１４ｂに埋め込まれている。
【００５３】
第２位置検出器１３ｂとスラストカラー１７との間には、第２間隙１６ｂがある。
【００５４】
本実施の形態では、第２スラスト軸受１０ｂは、複数の、具体的には４つの第２位置検出器１３ｂを有している。これらの第２位置検出器１３ｂは、回転軸１８を取り込む周方向４３に沿って等間隔に並んでいる。
【００５５】
本実施の形態では、径方向４２において、第２位置検出器１３ｂは、第２電磁石１２ｂよりも内側に配置されている。
【００５６】
第１動圧発生部材１１ａは、第１基体１４ａに取り付けられている。第１動圧発生部材１１ａは、軸方向４１について第１基体１４ａとスラストカラー１７との間に配置されている。具体的には、第１動圧発生部材１１ａは、第１窪み１５ａに収まっている。
【００５７】
本実施の形態では、第１動圧発生部材１１ａは、径方向４２に拡がっている。第１動圧発生部材１１ａは、扁平体である。第１動圧発生部材１１ａは、薄板状の部材であるとも言える。第１動圧発生部材１１ａの厚さは、第１間隙１６ａの軸方向４１の寸法よりも小さい。このため、第１動圧発生部材１１ａの施工が可能となっている。第１動圧発生部材１１ａの薄さにより、第１動圧発生部材１１ａが第１窪み１５ａに収まることが可能となっており、回転軸１８が軸方向４１に長くなることが防止されている。ただし、第１動圧発生部材１１ａが第１窪み１５ａに収まることは必須ではない。第１窪み１５ａがない場合であっても、第１動圧発生部材１１ａの薄さにより回転軸１８が長くなることが防止される。この場合にも、第１基体１４ａとスラストカラー１７との間に軸方向４１の寸法が０．２５〜０．３５ｍｍ程度の間隙が生じ、この間隙に第１動圧発生部材１１が配置されるように軸受構造を設計することは可能である。
【００５８】
本実施の形態では、軸方向４１に沿って観察したとき、第１動圧発生部材１１ａは、閉じた枠の形状を有している。具体的には、軸方向４１に沿って観察したとき、第１動圧発生部材１１ａは、円環形状を有している。また、第１動圧発生部材１１ａは、回転軸１８と同軸上に配置されている。
【００５９】
本実施の形態では、第１動圧発生部材１１ａは、複数の扁平片の組み合わせである。扁平片を、薄板片と称することもできる。具体的には、隣り合う扁平片が部分的に重なり合うように並ぶことによって、複数の扁平片が回転軸１８を取り囲んでいる。この構成によれば、第１動圧発生部材１１ａは、第１基体１４ａとスラストカラー１７との間で気体の動圧を好適に発生させることができる。具体的には、本実施形態では、複数の扁平片とスラストカラー１７との間に僅かな隙間が形成された状態で、スラストカラー１７が回転する。これにより、これらの間で動圧が発生する。
【００６０】
第２動圧発生部材１１ｂは、第２基体１４ｂに取り付けられている。第２動圧発生部材１１ｂは、軸方向４１について第２基体１４ｂとスラストカラー１７との間に配置されている。具体的には、第２動圧発生部材１１ｂは、第２窪み１５ｂに収まっている。
【００６１】
本実施の形態では、第２動圧発生部材１１ｂは、径方向４２に拡がっている。第２動圧発生部材１１ｂは、扁平体である。第２動圧発生部材１１ｂは、薄板状の部材であるとも言える。第２動圧発生部材１１ｂの厚さは、第２間隙１６ｂの軸方向４１の寸法よりも小さい。このため、第２動圧発生部材１１ｂの施工が可能となっている。第２動圧発生部材１１ｂの薄さにより、第２動圧発生部材１１ｂが第２窪み１５ｂに収まることが可能となっており、回転軸１８が軸方向４１に長くなることが防止されている。ただし、第２動圧発生部材１１ｂが第２窪み１５ｂに収まることは必須ではない。第２窪み１５ｂがない場合であっても、第２動圧発生部材１１ｂの薄さにより回転軸１８が長くなることが防止される。この場合にも、第２基体１４ｂとスラストカラー１７との間に軸方向４１の寸法が０．２５〜０．３５ｍｍ程度の間隙が生じ、この間隙に第２動圧発生部材１１ｂが配置されるように軸受構造を設計することは可能である。
【００６２】
本実施の形態では、軸方向４１に沿って観察したとき、第２動圧発生部材１１ｂは、閉じた枠の形状を有している。具体的には、軸方向４１に沿って観察したとき、第２動圧発生部材１１ｂは、円環形状を有している。また、第２動圧発生部材１１ｂは、回転軸１８と同軸上に配置されている。
【００６３】
本実施の形態では、第２動圧発生部材１１ｂは、複数の扁平片の組み合わせである。扁平片を、薄板片と称することもできる。具体的には、隣り合う扁平片が部分的に重なり合うように並ぶことによって、複数の扁平片が回転軸１８を取り囲んでいる。この構成によれば、第２動圧発生部材１１ｂは、第２基体１４ｂとスラストカラー１７との間で気体の動圧を好適に発生させることができる。具体的には、本実施形態では、複数の扁平片とスラストカラー１７との間に僅かな隙間が形成された状態で、スラストカラー１７が回転する。これにより、これらの間で動圧が発生する。
【００６４】
第１動圧発生部材１１ａおよび第２動圧発生部材１１ｂの材料として、非磁性材料を使用できる。本明細書では、「非磁性材料」は、強磁性体ではない材料である。「非磁性材料」は、磁性を実質的に示さない材料を指す。動圧発生部材１１ａおよび１１ｂを構成する非磁性材料の比透磁率は、例えば０．９９〜１．０１である。具体的には、動圧発生部材１１ａおよび１１ｂの材料として、ステンレス鋼のうち非磁性材料に分類されるものが例示される。
【００６５】
第１動圧発生部材１１ａおよび第２動圧発生部材１１ｂを構成する各扁平片の厚さは、例えば、０．１〜０．１５ｍｍである。
【００６６】
第１動圧発生部材１１ａおよび第２動圧発生部材１１ｂによれば、静圧を発生させる場合と異なり、補機が不要になるというメリットが得られる。
【００６７】
なお、第１動圧発生部材１１ａおよび第２動圧発生部材１１ｂに関する上述の特徴は、矛盾がない限り、後述の第１動圧発生部材２１ａおよび３１ａならびに第２動圧発生部材２１ｂおよび３１ｂに適用可能である。
【００６８】
軸受構造１９では、第１電磁石１２ａおよび第２電磁石１２ｂが、磁力を生成する。また、回転軸１８の回転により、第１動圧発生部材１１ａおよび第２動圧発生部材１１ｂにおいて、気体の動圧が発生する。これらの磁力および動圧が、回転軸１８の軸方向荷重を支持する。軸受構造１９では、このようにして、磁気軸受の機能と動圧気体軸受の機能とが発揮される。
【００６９】
磁気軸受の機能と動圧気体軸受の機能とは、独立して発揮される。このため、電源遮断などにより軸受構造１９の磁気軸受の機能が喪失されたとしても、動圧気体軸受の機能によって回転軸１８の軸方向荷重を支持できる。このため、スラスト軸受１０ａおよび１０ｂとスラストカラー１７との接触を回避し易い。このため、軸受構造１９が適用された流体機械では、この接触が原因の故障が発生し難い。
【００７０】
また、電磁石１２ａおよび１２ｂと動圧発生部材１１ａおよび１１ｂの併用は、回転軸１８を長くする原因にはなり難い。
【００７１】
以上の理由で、本実施の形態によれば、スラスト軸受として磁気軸受を備える軸受構造であって、回転軸が長くなることを防止しつつ流体機械の健全性を確保するのに適した軸受構造を提供することができる。
【００７２】
回転軸１８が長くなることが防止される場合には、回転軸１８を含む回転系の固有振動数が低くなり難い。このことにより、回転系の高速回転が可能となり、軸受構造１９が適用された流体機械の高効率な運転が可能となる。
【００７３】
本実施形態では、第１動圧発生部材１１ａは、軸方向４１に沿って観察したときに第１位置検出器１３ａを露出させる位置、具体的には第１位置検出器１３ａを第１間隙１６ａに露出させる位置に配置されている。第２動圧発生部材１１ｂは、軸方向４１に沿って観察したときに第２位置検出器１３ｂを露出させる位置、具体的には第２位置検出器１３ｂを第２間隙１６ｂに露出させる位置に配置されている。このようにすれば、位置検出器１３ａおよび１３ｂによるスラストカラー１７の位置検出精度が動圧発生部材１１ａおよび１１ｂによって低下するという事態を避けることができる。このため、本実施の形態は、スラストカラー１７の位置検出の精度確保の観点から有利である。
【００７４】
典型的には、圧縮機インペラ、タービンホイールなどの部品を回転軸１８に締結し、当該部品を回転軸１８とともに回転させる。この際にスラストカラー１７の位置検出の精度を確保できることは、この部品の翼端間隙を小さくできることを意味する。このことは、回転軸１８に当該部品が適用された流体機械の効率などの性能を確保する観点から有利である。
【００７５】
なお、本実施の形態では、第１動圧発生部材１１ａは、第１電磁石１２ａを露出させる位置、具体的には第１電磁石１２ａを第１間隙１６ａに露出させる位置に配置されている。また、第２動圧発生部材１１ｂは、第２電磁石１２ｂを露出させる位置、具体的には第２電磁石１２ｂを第２間隙１６ｂに露出させる位置に配置されている。ただし、後述の実施の形態により理解されるように、この構成は必須ではない。
【００７６】
また、本実施の形態では、径方向４２において、第１位置検出器１３ａは、第１電磁石１２ａよりも内側に配置されている。径方向４２において、第２位置検出器１３ｂは、第２電磁石１２ｂよりも内側に配置されている。径方向４２の比較的内側では、スラストカラー１７の周速が比較的低い。径方向４２の比較的内側に位置検出器１３ａおよび１３ｂを配置されているため、スラストカラー１７の位置検出精度が確保され易い。一方、径方向４２の比較的外側に電磁石１２ａおよび１２ｂが配置されているため、電磁石１２ａおよび１２ｂの面積を確保し易い。このため、電磁石１２ａおよび１２ｂによって回転軸１８の軸方向荷重を好適に支持できる。
【００７７】
（実施の形態２）
以下、実施の形態２について説明する。なお、実施の形態２では、実施の形態１と同様の部分については同一符号を付し、説明を省略することがある。
【００７８】
図２Ａに、実施の形態２の第１スラスト軸受２０ａを示す。図２Ｂに、実施の形態２の第２スラスト軸受２０ｂを示す。図２Ｃに、実施の形態２の軸受構造２９を示す。
【００７９】
図２Ａ〜図２Ｃから理解されるように、軸受構造２９は、回転軸１８と、一対のスラスト軸受２０ａおよび２０ｂと、を備えている。軸受構造２９は、実施の形態１のスラストカラー１７に代えて、スラストカラー２７を備えている。
【００８０】
本実施の形態では、スラストカラー２７の径方向４２の寸法は、スラストカラー１７の径方向４２の寸法よりも小さい。ただし、本実施の形態において、スラストカラー２７に代えてスラストカラー１７を使用することも可能である。これらの点は、後述の実施の形態３においても同様である。
【００８１】
一対のスラスト軸受２０ａおよび２０ｂは、スラストカラー２７からみて回転軸１８の軸方向４１の両側に配置されている。一対のスラスト軸受２０ａおよび２０ｂは、第１スラスト軸受２０ａおよび第２スラスト軸受２０ｂを有している。
【００８２】
第１スラスト軸受２０ａは、実施の形態１の第１動圧発生部材１１ａに代えて、第１動圧発生部材２１ａを有している。また、第２スラスト軸受２０ｂは、実施の形態１の第２動圧発生部材１１ｂに代えて、第２動圧発生部材２１ｂを有している。
【００８３】
本実施の形態では、実施の形態１と同様、軸方向４１に沿って観察したとき、第１電磁石１２ａ、第２電磁石１２ｂ、第１動圧発生部材２１ａおよび第２動圧発生部材２１ｂは、閉じた枠の形状を有している。第１動圧発生部材２１ａおよび第２動圧発生部材２１ｂは、非磁性材料でできた扁平体である。
【００８４】
本実施の形態では、第１動圧発生部材２１ａは、軸方向４１に沿って観察したときに第１電磁石１２ａを覆う位置に配置されている。第２動圧発生部材２１ｂは、軸方向４１に沿って観察したときに第２電磁石１２ｂを覆う位置に配置されている。
【００８５】
上述のように、本実施の形態では、動圧発生部材２１ａおよび２１ｂが電磁石１２ａおよび１２ｂを覆っている。このようにすると、動圧発生部材２１ａおよび２１ｂが電磁石１２ａおよび１２ｂを覆わない場合に比べ、動圧発生部材２１ａおよび２１ｂの面積を確保し易い。このため、本実施の形態によれば、動圧発生部材２１ａおよび２１ｂによって支持可能な回転軸１８の軸方向荷重を大きくすることができる。また、本実施の形態では、動圧発生部材２１ａおよび２１ｂは、非磁性材料でできている。このため、動圧発生部材２１ａおよび２１ｂが電磁石１２ａおよび１２ｂを覆っていても、電磁石１２ａおよび１２ｂによる軸方向荷重の支持に悪影響が及び難い。
【００８６】
本実施の形態では、第１動圧発生部材２１ａは、軸方向４１に沿って観察したときに第１位置検出器１３ａを覆う位置に配置されている。第２動圧発生部材２１ｂは、軸方向４１に沿って観察したときに第２位置検出器１３ｂを覆う位置に配置されている。この構成も、動圧発生部材２１ａおよび２１ｂの面積確保および動圧発生部材２１ａおよび２１ｂによる軸方向荷重支持に寄与する。
【００８７】
本実施の形態では、回転軸１８の中心軸１８ｃから第１電磁石１２ａの外周端までの距離を距離Ｍ１と定義し、中心軸１８ｃから第１動圧発生部材２１ａの外周端までの距離を距離Ｐ１と定義し、距離Ｍ１に対する距離Ｐ１の比率を比率Ｒ１と定義したとき、比率Ｒ１＝Ｐ１／Ｍ１は、１．０以上１．３以下である。中心軸１８ｃから第２電磁石１２ｂの外周端までの距離を距離Ｍ２と定義し、中心軸１８ｃから第２動圧発生部材２１ｂの外周端までの距離を距離Ｐ２と定義し、距離Ｍ２に対する距離Ｐ２の比率を比率Ｒ２と定義したとき、比率Ｒ２＝Ｐ２／Ｍ２は、１．０以上１．３以下である。ここで、「外周端」は、径方向４２の外周端を指す。
【００８８】
上述のとおり、動圧発生部材２１ａおよび２１ｂが電磁石１２ａおよび１２ｂを覆う場合には、動圧発生部材２１ａおよび２１ｂによって支持可能な回転軸１８の軸方向荷重を大きくすることができる。さらに、本実施の形態では、比率Ｒ１およびＲ２から理解されるように、動圧発生部材２１ａおよび２１ｂの電磁石１２ａおよび１２ｂからの張り出し量が抑えられている。このようにすれば、スラスト軸受２０ａおよび２０ｂの径方向寸法を抑えることができる。スラストカラー２７の径方向寸法を抑えることもできる。スラストカラー２７の径方向寸法を抑えると、回転軸１８を含む回転系の振れ回りを抑えつつ回転系を高速回転させることが可能となる。回転系の高速回転が可能となることにより、流体機械を高効率に運転することが可能となる。
【００８９】
なお、比率Ｒ１およびＲ２を、１．００以上１．１５以下にすることもできる。本実施形態の比率Ｒ１およびＲ２は、実施の形態３にも適用できる。
【００９０】
図２Ｃの例では、動圧発生部材２１ａおよび２１ｂはスラストカラー２７の径よりも小さい。ただし、動圧発生部材２１ａおよび２１ｂの径は、スラストカラー２７の径と同じであってもよい。また、動圧発生部材２１ａおよび２１ｂの径は、スラストカラー２７の径よりも大きくてもよい。
【００９１】
（実施の形態３）
以下、実施の形態３について説明する。なお、実施の形態３では、実施の形態２と同様の部分については同一符号を付し、説明を省略することがある。
【００９２】
図３Ａに、実施の形態３の第１スラスト軸受３０ａを示す。図３Ｂに、実施の形態３の第２スラスト軸受３０ｂを示す。図３Ｃに、実施の形態３の軸受構造３９を示す。
【００９３】
図３Ａ〜図３Ｃから理解されるように、軸受構造３９は、回転軸１８と、スラストカラー２７と、一対のスラスト軸受３０ａおよび３０ｂと、を備えている。一対のスラスト軸受３０ａおよび３０ｂは、第１スラスト軸受３０ａおよび第２スラスト軸受３０ｂを有している。
【００９４】
第１スラスト軸受３０ａは、実施の形態２の第１動圧発生部材２１ａに代えて、第１動圧発生部材３１ａを有している。また、第２スラスト軸受３０ｂは、実施の形態２の第２動圧発生部材２１ｂに代えて、第２動圧発生部材３１ｂを有している。
【００９５】
本実施の形態では、実施の形態２と同様、第１スラスト軸受３０ａは、第１基体１４ａに取り付けられスラストカラー２７の位置を検出する第１位置検出器１３ａを有する。第２スラスト軸受３０ｂは、第２基体１４ｂに取り付けられスラストカラー２７の位置を検出する第２位置検出器１３ｂを有する。
【００９６】
本実施形態では、実施の形態１と同様、第１動圧発生部材３１ａは、軸方向４１に沿って観察したときに第１位置検出器１３ａを露出させる位置、具体的には第１位置検出器１３ａを第１間隙１６ａに露出させる位置に配置されている。第２動圧発生部材３１ｂは、軸方向４１に沿って観察したときに第２位置検出器１３ｂを露出させる位置、具体的には第２位置検出器１３ｂを第２間隙１６ｂに露出させる位置に配置されている。このため、本実施の形態は、スラストカラーの位置検出の精度確保の観点から有利である。
【００９７】
本実施の形態では、径方向４２において、第１位置検出器１３ａは、第１電磁石１２ａよりも内側に配置されている。径方向４２において、第２位置検出器１３ｂは、第２電磁石１２ｂよりも内側に配置されている。具体的には、このように位置検出器１３ａおよび１３ｂと電磁石１２ａおよび１２ｂの位置関係が設定され、かつ、位置検出器１３ａおよび１３ｂを露出させ電磁石１２ａおよび１２ｂを覆うように動圧発生部材３１ａおよび３１ｂが配置されている。これにより、回転軸１８に近い部分に動圧発生部材３１ａおよび３１ｂを配置することを避け、回転軸１８から遠い部分に動圧発生部材３１ａおよび３１ｂを配置することが可能となっている。回転軸１８から遠い部分における動圧発生部材３１ａおよび３１ｂは、動圧発生に大きく寄与する。これに対し、他の条件にもよるが、回転軸１８から近い部分に動圧発生部材３１ａおよび３１ｂを配置することで得られる動圧はそれほど大きくない場合がある。回転軸１８から近い部分ではスラストカラー２７の周速が比較的低いためである。回転軸１８から近い部分の動圧発生部材３１ａおよび３１ｂを省略すると、得られる動圧の減少を抑えつつ、気体の作動流体と動圧発生部材３１ａおよび３１ｂとの間の摩擦損失を低減させることができる。摩擦損失の低減は、流体機械の効率確保に繋がる。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
上述の実施形態で説明した軸受構造は、圧縮機、膨張タービン発電機、ガスタービン発電機、ブロワなどに適用できる。
【符号の説明】
【００９９】
１０ａ，１０ｂ，２０ａ，２０ｂ，３０ａ，３０ｂ  スラスト軸受
１１ａ，１１ｂ，２１ａ，２１ｂ，３１ａ，３１ｂ  動圧発生部材
１２ａ，１２ｂ  電磁石
１３ａ，１３ｂ  位置検出器
１４ａ，１４ｂ  基体
１５ａ，１５ｂ  窪み
１６ａ，１６ｂ  間隙
１７，２７  スラストカラー
１８  回転軸
１８ｃ  中心軸
１９，２９，３９  軸受構造
４１  軸方向
４２  径方向
４３  周方向
【図１Ａ】
2019027501.tif 000003
【図１Ｂ】
2019027501.tif 000004
【図１Ｃ】
2019027501.tif 000005
【図２Ａ】
2019027501.tif 000006
【図２Ｂ】
2019027501.tif 000007
【図２Ｃ】
2019027501.tif 000008
【図３Ａ】
2019027501.tif 000009
【図３Ｂ】
2019027501.tif 000010
【図３Ｃ】
2019027501.tif 000011
【図４】
2019027501.tif 000012