(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁軸受（１）及び電磁軸受（１）と回転体軸（２）の間に嵌め込まれる弾性フォイル軸受（３）を含む電磁イネーブル能動型動圧気体軸受であって、
前記弾性フォイル軸受（３）は、頂層弾性フォイル（３１）と底層弾性フォイル（３２）とを含み、
前記頂層弾性フォイル（３１）は、非磁性材料であり、
頂層弾性フォイル（３１）の表面には、それぞれ独立された複数の磁性材料領域が分布されていることを特徴とする電磁イネーブル能動型動圧気体軸受。
【請求項２】
前記磁性材料領域は、ストリップ状磁性材料領域又は点状磁性材料領域であり、
複数のストリップ状磁性材料領域又は点状磁性材料領域は、均一に分布され、
前記ストリップ状磁性材料領域の長さ方向と回転体軸（２）の軸線方向とは、平行することを特徴とする請求項１に記載の電磁イネーブル能動型動圧気体軸受。
【請求項３】
前記頂層弾性フォイル（３１）は、フラットフォイルであり、
前記底層弾性フォイル（３２）は、バンプフォイルであり、
前記フラットフォイルは、非磁性材料であるステンレス鋼帯で作られ、
頂層弾性フォイル（３１）の表面に複数のそれぞれ独立された磁性材料領域をシールドスプレーした後、セラミック塗布層で覆われたものであることを特徴とする請求項２に記載の電磁イネーブル能動型動圧気体軸受。
【請求項４】
弾性フォイル軸受ブラケット（４）と、軸受シェル（５）と、圧力センサー（６）とを更に含み、
前記電磁軸受（１）は、弾性フォイル軸受ブラケット（４）と軸受シェル（５）の間に位置し、
前記弾性フォイル軸受ブラケット（４）は、底層弾性フォイル（３２）を装着するのに用いられ、
前記圧力センサー（６）のプローブは、弾性フォイル軸受ブラケット（４）を通り抜けて、底層弾性フォイル（３２）の部分の気体圧力を測定するのに用いられることを特徴とする請求項１〜３のいずれの一項に記載の電磁イネーブル能動型動圧気体軸受。
【請求項５】
左端キャップ（７）と、右端キャップ（８）とを更に含み、
前記電磁軸受（１）は、磁極（１１）と、磁極（１１）に巻き付いているコイル（１２）とを含み、
前記磁極（１１）は、複数であり、弾性フォイル軸受ブラケット（４）と軸受シェル（５）の間に装着され、気体軸受の周方向に沿って均一に分布され、前記磁極（１１）の一端は、回転体軸（２）の軸線を指し、
前記左端キャップ（７）と右端キャップ（８）は、弾性フォイル軸受ブラケット（４）と軸受シェル（５）の両端に位置して磁極（１１）を押し付けることを特徴とする請求項４に記載の電磁イネーブル能動型動圧気体軸受。
【請求項６】
前記圧力センサー（６）は、８個であり、気体軸受の中部に位置し、気体軸受の周方向に沿って均一に分布され、
前記磁極（１１）は、８個であり、各磁極（１１）は、ケイ素鋼板が積層されてなることを特徴とする請求項５に記載の電磁イネーブル能動型動圧気体軸受。
【請求項７】
前記弾性フォイル軸受ブラケット（４）、左端キャップ（７）及び右端キャップ（８）の材料は、ジュラルミン材料であることを特徴とする請求項６に記載の電磁イネーブル能動型動圧気体軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１６年３月４日に中国特許庁に提出された中国特許出願２０１６１０１２５３８１．５（発明の名称：「電磁イネーブル能動型動圧気体軸受」）の優先権を主張し、その全ての内容が援用により本出願に取り込まれる。
【０００２】
本発明は、高速無給油潤滑支持設備技術に関し、特に電磁イネーブル能動型動圧気体軸受に関する。
【背景技術】
【０００３】
電磁軸受は、電磁力によって回転体を安定的に浮上させ、且つ制御システムにより其の軸心位置が制御できる軸受であり、普通電磁軸受又は磁気浮上軸受とも称するが、従来技術において、最も常用されるタイプとしては、能動型磁気浮上軸受（ＡＭＢ）である。電磁軸受は、磁力の作用を利用して回転軸を空中の特定位置に浮上させて、従来の軸受の作用を実現することによって、回転体と軸受との直接接触を避け、潤滑及び密封も不要とし、完全に摩耗を取り除き、消費電力を減らし得る。電磁軸受は、可制御性を持つため、回転体の位置に対する能動的な制御を行うことができ、しかもシステム制御によって軸受の剛度及びダンピングを調整し得る。また、電磁軸受は、寿命が長く、作業温度範囲が広く、自動平衡が可能である等の利点がある。磁軸受システムは、回転体と、センサーと、制御器と、アクチュエータとの四つの部分で構成され、その内、アクチュエータは、電磁石及びパワーアンプ等を含む。
【０００４】
磁軸受自身の発展から見ると、まだ様々な欠陥が存在し、例えば、磁軸受運転に係る全ての核心データ及びレスポンスは、皆回転体の位置の方から来るものであるが、通常、従来の回転体の基準位置を確定するためのセンサーは、近隣の電磁石磁界の干渉を受けやすいので、センサー信号の誤差は、常に電磁軸受の突発的な破壊性故障を招く主な原因である。材料の磁気飽和性や電磁発熱等の原因で、電磁軸受の支持能力には限界がある。
【０００５】
軸受浮上において割と成熟した技術として、気体軸受は、優秀な適応性を有し、高温、高速及び高汚染の条件の下で長期間運行でき、給油による潤滑を不要とするため、構造が簡単である。潤滑媒体として、気体を適用するため、回転体の低速運転状態において、気体軸受の支持力が割と低く、しかもダンピング及び剛度も比較的低いため、熱停車の性能低下を招く。また、起動及び停止段階において、回転体の起動・停止の時、気体軸受の回転数が落ちるにつれて、軸内気圧が足りなくなり、支持力が不十分である場合には、軸受に不可避の摩耗が発生する。通常の場合、気体軸受の急停車と急速起動・停止とも別途の気源による補助を行う必要がある。それに、毎回起動・停止を繰り返す度、それに応じて、必ずしも使用寿命をある程度短縮させるともに信頼性の低下を招く。構造の加工精度及び材料に対する要求度はいずれも非常に高く、それ故に気体軸受の応用及び発展が制限され、気体軸受を低いコスト及び高い信頼性で各業界に応用し得ない主な原因の一つである。
【０００６】
従来技術における気体磁気混合軸受は、基本的には、一つのセットの完全な静圧気体軸受の構造及び機能に基づいて、もう一つのセットの完全な磁軸受を追加しただけであり、通常、このような仕方は、回転精度を向上させることが唯一の目的である。但し、製造メンテナンスコストや構造複雑度等はかえって大幅に増加し、結局、所謂実験室でのただ１つの高価なコンセプト・プロトタイプに過ぎず、大規模産業には応用できない。
【０００７】
従来の気体磁気混合軸受の不足を補うために、新規気体磁気混合軸受が望まれているが、其の磁軸受の作業は、主に軸受と回転体の間の基準位置を較正するのに用いられる。気体軸受の品質又は精度が悪い場合に来たす振動又は外部からの妨害のせいで、まもなく回転体と軸スリーブの間の「接壁」が発生しようとする頃、電磁軸受により能動的に回転体を牽引して位置復帰させることによって、軸間接触の発生を避け、「軸焼きつき」事故を予防できる。コストの低いセンサーを適用することによって、電磁妨害を減らし、制御効率を向上できる。磁軸受システムに対するダンピング、剛度及び支持力を向上させる一方、気体軸受が制御しにくいという欠陥も克服できる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、電磁イネーブル能動型動圧気体軸受を提供することである。当該電磁イネーブル能動型動圧気体軸受は、構造が簡単で、要求される精度が低く、気体磁気混合軸受の構造を適用し、調整可能な磁性フラットフォイル及びコストの低い圧力センサーを有する。従って、従来動圧気体軸受の作業における低速支持力が低く、軸受妨害による偏心のせいで、潤滑気流が漏れ、制御しにくい問題点を解決する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の具体的な技術方案としては、電磁軸受及び電磁軸受と回転体軸の間に嵌め込まれる弾性フォイル軸受を含む電磁イネーブル能動型動圧気体軸受であって、前記弾性フォイル軸受は、頂層弾性フォイルと底層弾性フォイルとを含み、前記頂層弾性フォイルは、非磁性材料であり、頂層弾性フォイルの表面には、それぞれ独立された複数の磁性材料領域が分布されていることを特徴とする電磁イネーブル能動型動圧気体軸受である。
【００１０】
なお、前記磁性材料領域は、ストリップ状磁性材料領域又は点状磁性材料領域であり、複数のストリップ状磁性材料領域又は点状磁性材料領域は、均一に分布され、前記ストリップ状磁性材料領域の長さ方向と回転体軸の軸線方向とは、平行する。
【００１１】
なお、前記頂層弾性フォイルは、フラットフォイルであり、前記底層弾性フォイルは、バンプフォイルであり、前記フラットフォイルは、非磁性材料であるステンレス鋼帯で作られ、頂層弾性フォイルの表面に複数のそれぞれ独立された磁性材料領域をシールドスプレーした後、セラミック塗布層で覆われたものである。
【００１２】
なお、弾性フォイル軸受ブラケットと、軸受シェルと、圧力センサーとを更に含み、前記電磁軸受は、弾性フォイル軸受ブラケットと軸受シェルの間に位置し、前記弾性フォイル軸受ブラケットは、底層弾性フォイルを装着するのに用いられ、前記圧力センサーのプローブは、弾性フォイル軸受ブラケットを通り抜けて、底層弾性フォイルの部分の気体圧力を測定するのに用いられる。
【００１３】
なお、左端キャップと、右端キャップとを更に含み、前記電磁軸受は、磁極と、磁極に巻き付いているコイルとを含み、前記磁極は、複数であり、弾性フォイル軸受ブラケットと軸受シェルの間に装着され、弾性フォイル軸受の周方向に沿って均一に分布され、前記磁極の一端は、回転体軸の軸線を指し、前記左端キャップと右端キャップは、弾性フォイル軸受ブラケットと軸受シェルの両端に位置して磁極を押し付ける。
【００１４】
なお、前記圧力センサーは、８個であり、弾性フォイル軸受の中部に位置し、弾性フォイル軸受の周方向に沿って均一に分布され、前記磁極は、８個であり、各磁極は、ケイ素鋼板が積層されてなる。
【００１５】
なお、前記弾性フォイル軸受ブラケット、左端キャップ及び右端キャップの材料は、ジュラルミン材料である。
【００１６】
本発明の有益な効果としては、従来技術に比べ、本発明の電磁イネーブル能動型動圧気体軸受は、以下のような利点がある。
【００１７】
１）頂層フォイル上に複数の磁性材料領域が設置され、電磁軸受の磁極の吸引によって頂層フォイルを適当に変形させて、軸受内の潤滑気膜側の最高圧力を上げ、潤滑気流漏れを防止し、回転体の妨害による偏心の影響を受けて壁衝突に耐える能力を向上させるともに、軸受の支持力を向上させる。
【００１８】
２）コストのわりに低い圧力センサーを適用して気体圧力変化を採集し、簡単な制御法則で頂層フォイルの変形を制御するため、高い回転体ダンピングを提供でき、しかも回転体の安定性を改善する。このように単純化された制御の下で、要求される軸受加工精度が低くなる。
【００１９】
３）電磁軸受と気体軸受、即ち弾性フォイル軸受とが嵌め込みの並列型構造を適用することによって、気電磁軸受の軸方向長さを短縮し、構造を簡素化し、集積度を上げ、軸受の総合性能を向上させる。
【００２０】
４）電磁軸受と気体軸受、即ち弾性フォイル軸受が協調作業することによって、軸受の高速運転状態での動的性能及び安定性を改善する。
【００２１】
５）軸受が低速である時、動圧気膜がまだ構築されず、電磁軸受によって回転体を浮上させ、気体軸受、即ち弾性フォイル軸受の低速性能を向上させる。
【００２２】
本発明の気体軸受は、構造が簡単で、操作しやすく、要求される精度が低く、実用性に優れ、経済的費用が低い。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の電磁イネーブル能動型動圧気体軸受の正面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａの断面図である。
【図３】図２におけるＢの拡大図である。
【図４】本発明に係るストリップ状磁性材料の頂層フォイルを有する電磁イネーブル能動型動圧気体軸受の展開模式図である。
【図５】本発明に係る点状磁性材料の頂層フォイルを有する電磁イネーブル能動型動圧気体軸受の展開模式図である。
【図６】本発明の電磁イネーブル能動型動圧気体軸受の頂層フォイルの変形模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、明細書に添付された図面を参照しながら、本発明の技術方案を更に詳細に説明する。
【００２５】
図１〜２に示すように、本発明の電磁イネーブル能動型動圧気体軸受は、電磁軸受１と、電磁軸受１と回転体軸２の間に嵌め込まれる弾性フォイル軸受３と、弾性フォイル軸受ブラケット４と、軸受シェル５と、圧力センサー６と、左端キャップ７と、右端キャップ８とを含み、前記弾性フォイル軸受３は、頂層弾性フォイル３１と、底層弾性フォイル３２とを含み、前記頂層弾性フォイル３１は、非磁性材料であり、頂層弾性フォイル３１の表面には、それぞれ独立された複数の磁性材料領域が分布されていることを特徴とする。
【００２６】
前記電磁軸受１は、弾性フォイル軸受ブラケット４と軸受シェル５の間に位置し、前記弾性フォイル軸受ブラケット４は、底層弾性フォイル３２を装着するのに用いられ、前記圧力センサー６のプローブは、弾性フォイル軸受ブラケット４を通り抜けて、底層弾性フォイル３２の部分の気体圧力を測定するのに用いられる。前記圧力センサー６は、８個であり、弾性フォイル軸受３、即ち気体軸受の中部に位置し、弾性フォイル軸受３、即ち気体軸受の周方向に沿って均一に分布される。前記圧力センサー６は、圧力センサー盖６１と、圧力センサープローブ６２とを含む。
【００２７】
前記電磁軸受１は、磁極１１と、磁極１１に巻き付いているコイル１２とを含み、前記磁極１１は、８個であり、各磁極１１は、ケイ素鋼板が積層されてなる。磁極１１は、弾性フォイル軸受ブラケット４と軸受シェル５の間に装着され、弾性フォイル軸受３、即ち気体軸受の周方向に沿って均一に分布され、前記磁極１１の一端は、回転体軸２の軸線を指し、前記左端キャップ７と右端キャップ８は、弾性フォイル軸受ブラケット４と軸受シェル５の両端に位置して磁極１１を押し付ける。
【００２８】
前記弾性フォイル軸受ブラケット４、左端キャップ７及び右端キャップ８の材料は、非磁性のジュラルミン材料である。
【００２９】
図４〜５が示すように、前記頂層弾性フォイル３１の表面に分布された磁性材料領域は、ストリップ状磁性材料領域又は点状磁性材料領域であり、複数のストリップ状磁性材料領域又は点状磁性材料領域は、均一に分布され、前記ストリップ状磁性材料領域の長さ方向と回転体軸２の軸線方向とは、平行する。全一枚の頂層弾性フォイル３１で磁性材料を完全に覆う場合、磁力による制御を施す時のリストリクタ薄板の力受けの複雑度が大幅に高まる。頂層弾性フォイル３１の屈曲性が足りない場合、曲率が動きにつれて変形される問題が発生しやすい。
【００３０】
前記頂層弾性フォイル３１は、フラットフォイルであり、前記底層弾性フォイル３２は、バンプフォイルであり、前記フラットフォイルは、非磁性材料であるステンレス鋼帯で作られ、頂層弾性フォイル３１の表面に複数のそれぞれ独立された磁性材料領域をシールドスプレーした後、セラミック塗布層で覆われたものである。頂層弾性フォイル３１は、４０％酸化ジルコニウム＋３０％α酸化アルミニウム＋３０％アルミン酸マグネシウムスピネルのセラミックスナノ粉末を焼結して薄板を製造しても良い。
【００３１】
図６が示すように、現実において、回転体軸２の断面は理想円形であり得ず、回転中、非円形度が気膜の圧力に影響を与える場合、気体軸受内の頂層弾性フォイル３１が下に移り、下キャビティ圧力が大きくなる反面、上キャビティ圧力は低下する。
【００３２】
回転体軸精度を下げるために軸受間隔を広げた後、回転体軸２の非円形度が気膜圧力及び分布に対する影響もそれに応じて弱まる。そのため、このような軸受間隔が広がった動圧気体軸受が十分な回転数に達して、始動完了及び平衡状態になると、間隔の狭い軸受に比べ、其の軸受剛度及び支持力ともある程度低下する。この場合、電磁軸受を導入することによってこの問題点を補う必要がある。
【００３３】
荷重が回転体軸２にかかれ、回転体軸２が徐々に下がって、頂層弾性フォイル３１に近付く時、電磁軸受１は、圧力センサー６から伝送する気圧が増大された信号を取得し、作業に介入し始められる。電磁軸受１は、決して完全に直接磁力を回転体軸２に加えてそれを浮上させるわけではなく、磁力によって頂層弾性フォイル３１を能動的に上向きに押すことによって、下キャビティ圧力を能動的に上げ、回転体軸２にかかる荷重に適応して、自動的に軸受内の各方向での気流の圧力を新たに割り当てるようにする。回転体軸２が新たな平衡位置に達した時、新たな妨害が発生しない限り、電磁軸受１は、作業を中止する。
【００３４】
外部からの衝撃の妨害が発生する時、回転体軸２は、速やかに頂層弾性フォイル３１に近付く可能性がある。この時、弾性フォイル軸受３、即ち気体軸受が適時にレスポンスを返さない場合、瞬間的な間隔過小による局部の気体流速が音速に近付き、甚だしくは音速に達して、衝撃波によるエアハンマの自励現象を引き起こす可能性がある。衝撃波の発生は、局部の気体流動の妨害及び混乱を招き、流体速度が音速から亜音速の間で変化する時、其の圧力は段階的に著しく下がる。この場合、流体動力の原理は、通常の場合とは逆に、回転体軸２の表面と頂層弾性フォイル３１の間の流動間隔が小さくなればなるほど、圧力はかえって低くなる。この場合、頂層弾性フォイル３１が能動的に回転体軸２の表面を「避譲」することによって、もっと大きい流動間隔を作り出して、出来る限り気流速度を亜音速区間に維持させて、其の正常な流体圧力を維持させる必要がある。
【００３５】
このような気体軸受自身の補償能力を超える作業条件の下で、気体軸受を継続的に正常に作業させたい場合、ある外力を取り入れて新たに頂層弾性フォイル３１と回転体軸２の間の相対的位置を調整する必要がある。要するに、電磁軸受１の作用を利用して狭窄場所である回転体軸２と頂層弾性フォイル３１の間隔を「強制的に引き開ける」べきである。この場合、当該方向での両端の磁極が同じ極性で励磁するように制御する必要がある。即ち、間隔の狭い方向で発生した吸引力は、頂層弾性フォイル３１を吸い戻すのに用いられ、間隔の広い方向で発生した吸引力は、回転体軸２を引き戻すのに用いられる。両端磁力の作用距離の差を利用して磁力差を生成することによって回転体軸２を引っ張って、頂層弾性フォイル３１との正常間隔を回復させ、従って弾性フォイル軸受３、即ち気体軸受の気流及び作業条件を再び平衡状態に戻す。若し同じ状況が工程要求度の低い（間隔が大きい）従来の気体磁気混合軸受に発生する場合、気体軸受が適応調整能力を失うにつれて、回転体が絶えず気体差圧により軸スリーブ側に挟圧される反面、電磁軸受は、磁力を発生させて回転体を「引き留め」ようとする。要するに、両軸受の間に相互の対抗が形成される。この場合、往々にして、軸受の剛度は、気体軸受のほうが割と高いので、両軸受体系間で絶えず「鋸引き」による大幅の揺れ動きが発生し、或いは「対立したまま互いに譲らず」、回転体軸が正常の作業状態に戻らず、ずっと互いに「対峙して譲らない」等の一連の軸受作業及び性能を深刻に影響する問題点を招く。
【００３６】
本発明の動圧式気体軸受は、もう一つのセットの変位センサー９を更に含む（図６を参照）。これは、動圧気体軸受は、外部からの気源の補助がなく、自己構造によって気源を産生しなければならないからである。そのため、往々にして、このような動圧気体軸受に基づいた気体磁気混合軸受は、「ゼロスタート」及び「暖機急停止」の能力を保留する必要がある。即ち、回転体の回転数がかなり低い時又はもうすぐ停車しようとする頃、 弾性フォイル軸受３、即ち気体軸受の気源圧力がかなり低く、回転体の重量を完全に負荷できなくなり、この場合、深刻な摩耗が発生しやすい。そのため、この段階において、変位センサー９を介入させ、能動的に電磁軸受１を利用して回転体を暫く持ち上げ、回転体の回転数が弾性フォイル軸受３、即ち気体軸受の荷重作業条件を満たす水準まで上昇し、或いは既に停車完了に近付く水準まで低下した理想作業条件になってから、また他の作業状態に切り替える必要がある。
【図１】
0006351873.tif 000002
【図２】
0006351873.tif 000003
【図３】
0006351873.tif 000004
【図４】
0006351873.tif 000005
【図５】
0006351873.tif 000006
【図６】
0006351873.tif 000007