(57)【要約】【課題】タービンシャフトの振動を抑制できるフローティング軸受装置を提供する。【解決手段】フローティング軸受装置２００はタービンシャフト２の径方向変位を検出するギャップセンサと、ギャップセンサにより検出されたタービンシャフト２の径方向位置に基づき、タービンシャフト２の径方向変位を抑制する方向に外輪ブッシュ４３の径方向位置を制御するＵ相アクチュエータ３０Ｕ、Ｖ相アクチュエータ３０ＶおよびＷ相アクチュエータ３０Ｗとを備える。【選択図】図２
2007321852.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体が流体により回転可能に支持されるフローティング軸受装置であって、
回転体の径方向の変位を検出する検出部と、
この検出部により検出された回転体の径方向位置に基づき、回転体の径方向変位を抑制する方向にフローティング軸受の外輪の径方向位置を調整する位置調整部とを備えた、フローティング軸受装置。
【請求項２】
前記位置調整部は非平行な位置に複数設けられる、請求項１に記載のフローティング軸受装置。
【請求項３】
回転体と前記位置調整部との間にブッシュが介在し、前記位置調整部は前記ブッシュを押圧する、請求項１または２に記載のフローティング軸受装置。
【請求項４】
前記ブッシュと回転体との間には流体が介在している、請求項３に記載のフローティング軸受装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の回転体に取付けられたロータと、前記ロータの外周を取囲むステータとを備えた、回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はフローティング軸受装置およびそれを用いた回転電機に関し、より特定的には、流体で軸を保持するフローティング軸受装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、フローティング軸受装置は、たとえば特開２００２−２１３２４８号公報（特許文献１）および特開２００２−１３８８４６号公報（特許文献２）に開示されている。
【特許文献１】特開２００２−２１３２４８号公報
【特許文献２】特開２００２−１３８８４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１では、フローティング軸受の軸受外周幅に対する内周幅等の形状の調整により自励振動による振動を抑制している。
【０００４】
しかしながら、従来の技術では、形状の調整だけで十分な振動が抑制できないという問題があった。
【０００５】
そこで、この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、振動を十分に抑制することが可能なフローティング軸受装置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】
【０００６】
この発明に従ったフローティング軸受装置は、回転体が流体により回転可能に支持されるフローティング軸受装置であって、回転体の径方向の変位を検出する検出手段と、この検出部により検出された回転体の径方向位置に基づき、回転体の径方向変位を抑制する方向にフローティング軸受の外輪の径方向位置を調整する位置調整部とを備える。
【０００７】
このように構成されたフローティング軸受装置では、回転体の径方向変位を検出し、それに応じたフローティング軸受の外輪の径方向位置の調整を行なうことで、回転体の変位を抑制し、振動の少ない滑らかな回転を実現することができる。
【０００８】
好ましくは、調整部は非平行な位置に複数設けられる。
好ましくは、回転体と位置調整部との間にブッシュが介在し、位置調整部はブッシュを押圧する。
【０００９】
好ましくはブッシュと回転体との間には流体が介在する。
この発明に従った回転電機は、上述の回転体に取付けられたロータと、ロータの外周を取囲むステータとを備える。
【発明の効果】
【００１０】
この発明に従えば、回転体の変位を抑制し、振動の少ない滑らかな回転が可能なフローティング軸受装置およびそれを用いた回転電機を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態では同一または相当する部分については同一の参照符号を付し、その説明については繰返さない。
【００１２】
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１に従ったフローティング軸受装置の断面図である。図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。図１および図２を参照して、シャフト２の両端にタービンホイール１およびコンプレッサホイール３が取付けられている。シャフト２はハウジング４２およびバックプレート５を貫いている。シャフト２にはロータ２０が固定されており、ロータ２０はステータ１０により駆動される。ステータ１０はケーシング４により保持されており、ケーシング４はハウジング４２に取付けられている。
【００１３】
シャフト２に取付けられたタービンホイール１はたとえば排気により回転し、この回転がシャフト２を通じてコンプレッサホイール３へ伝えられる。コンプレッサホイール３は内燃機関に吸入される空気または混合気を過給する。シャフト２にロータ２０が取付けられている。ロータ２０はシャフト２近傍に位置する永久磁石２１と、永久磁石２１を取囲むロータコア２２とを有する。ロータコア２２は電磁鋼板の積層体または軟磁性粒子の圧粉体から構成される。ロータ２０はステータ１０により駆動する。ステータ１０はステータコア１１と、ステータコア１１に巻かれたコイル１２とを有する。ステータコア１１は電磁鋼板の積層体、または軟磁性粒子の圧粉体（焼結体）から構成される。ステータコア１１に巻かれるコイル１２は分布巻きであってもよく、また集中巻きであってもよい。
【００１４】
この実施の形態では、三相交流モータを構成するようにコイル１２が巻かれるが、これに限られず、単相交流モータ、または直流モータがシャフト２に接続されていてもよい。さらに、シャフト２にロータ２０が取付けられておらず、さらに、その周りにステータ１０が設けられていなくてもよい。ロータ２０およびステータ１０から構成される回転電機は、シャフト２の回転を補助することが可能である。具体的には、排気の流量が少ないためタービンホイール１により十分にシャフト２およびコンプレッサホイール３を回せない場合には、回転電機２００がシャフト２の回転を補助する。またこれとは逆にタービンホイール１が十分に回転しているにも拘らず、コンプレッサホイール３を回す必要がないときには、シャフト２の回転エネルギを回転電機により電気エネルギに変換することができる。すなわち、回転電機２００はモータとしてだけでなく、ジェネレータとして作用することが可能である。
【００１５】
シャフト２は長手方向に延びており、長手方向の２箇所でフローティング軸受装置により支持されている。すなわち、２つのフローティング軸受装置２００，２１０の間に回転電機２２０が位置している。回転電機２２０を挟むように２つのフローティング軸受装置２００，２１０が配置されている。フローティング軸受装置２００は、シャフト２に向かい合うように配置されるフローティングベアリング４１と、フローティングベアリング４１の外周に設けられた外輪ブッシュ４３と、外輪ブッシュ４３を押圧することが可能なＵ相アクチュエータ３０Ｕを有する。また、ハウジング４２に設けられたギャップセンサ１３，１４により、シャフト２の半径方向の変位が測定される。フローティング軸受装置２００から離れた位置に配置される別のフローティング軸受装置２１０は、シャフト２の外周に設けられるカラー３４０と、カラー３４０の外周に設けられるフローティングベアリング３４１と、フローティングベアリング３４１の外周に設けられる外輪ブッシュ３４３と、外輪ブッシュ３４３を押圧することが可能なＵ相アクチュエータ１３０Ｕとを有する。各々のＵ相アクチュエータ３０Ｕ，１３０Ｕは駆動シャフト３１Ｕ，１３１Ｕと、駆動シャフト３１Ｕ，１３１Ｕを駆動させるピエゾ素子３２Ｕ，１３２Ｕとを有する。
【００１６】
ギャップセンサ１３，１４と、Ｕ相アクチュエータ３０Ｕ，１３０Ｕは制御部１１０に接続されている。ギャップセンサ１３，１４は、シャフト２の軸方向のずれ（変位）を検出し、変位に関するデータがギャップセンサ１３，１４から制御部１１０へ送られる。制御部１１０はこれらのギャップをなくすようにＵ相アクチュエータ３０Ｕ，１３０Ｕを駆動させる。
【００１７】
図２を参照して、３本のアクチュエータが外輪ブッシュ４３を駆動することが可能である。具体的には、互いに１２０度ずつずれた位置に配置されるＵ相アクチュエータ３０Ｕ、Ｖ相アクチュエータ３０ＶおよびＷ相アクチュエータ３０Ｗが設けられる。Ｕ相アクチュエータ３０Ｕは、Ｖ相アクチュエータ３０ＶおよびＷ相アクチュエータ３０Ｗは、各々駆動シャフト３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗと、駆動シャフト３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗを駆動するピエゾ素子３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗを有する。各々のＵ相アクチュエータ３０Ｕ、Ｖ相アクチュエータ３０ＶおよびＷ相アクチュエータ３０Ｗは制御部１１０に接続されている。制御部１１０がＵ相アクチュエータ３０Ｕ、Ｖ相アクチュエータ３０Ｖ，Ｗ相アクチュエータ３０Ｗを駆動することが可能である。具体的には、Ｕ相アクチュエータ３０Ｕ、Ｖ相アクチュエータ３０Ｖ，Ｗ相アクチュエータ３０Ｗを駆動するピエゾ素子３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗに制御部１１０が接続されており、制御部１１０からピエゾ素子３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗに電圧が印加される。この印加される電圧の大きさにより、ピエゾ素子３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗが歪み、この歪みが駆動シャフト３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗへ伝えられる。駆動シャフト３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗは矢印で示す方向に移動する。この移動が外輪ブッシュ４３へ伝えられる。
【００１８】
外輪ブッシュ４３とハウジング４２との間にはオイル１００が介在しており、外輪ブッシュ４３はハウジング４２内で径方向に移動することが可能である。外輪ブッシュ４３の内周側にはフローティングベアリング４１が位置しており、フローティングベアリング４１の内周側にシャフト２が設けられている。このため、外輪ブッシュ４３を押せば、外輪ブッシュ４３が径方向に移動し、この径方向の移動がフローティングベアリング４１を介してシャフト２へ伝わる。これによりシャフト２の径方向の変位を調整することができる。
【００１９】
ハウジング４２には給油孔１４２が設けられており、矢印１０１で示す方向からオイル１００が供給される。オイル１００はハウジング４２内において外輪ブッシュ４３の孔１４３を通過し、さらにフローティングベアリング４１の孔１４１も通過しシャフト２外周に供給される。シャフト２とフローティングベアリング４１との間にオイルが介在し、オイル１００が介在する。オイル１００の粘性により、シャフト２とフローティングベアリング４１とは直接接触しない。同様に、オイル１００の粘性によりフローティングベアリング４１と外輪ブッシュ４３とも直接接触しない。外輪ブッシュ４３とハウジング４２ともオイル１００の粘性により直接接触しない。これにより、シャフト２はハウジング４２に対して浮いた状態で保持されている。また、オイル１００は常に供給され続けるので、オイル１００はシャフト２を冷却することも可能である。
【００２０】
シャフト２の周りのオイルはフローティングベアリング４１に設けられた孔１４１を通過し、さらに外輪ブッシュ４３に設けられた孔２４３を通過することで排出孔２４２から矢印１０２で示す方向に外部に放出される。この実施の形態では、Ｕ相アクチュエータ３０Ｕ、Ｖ相アクチュエータ３０Ｖ，Ｗ相アクチュエータ３０Ｗは外輪ブッシュ４３を押せば外輪ブッシュ４３が押圧された方向に動くが、Ｕ相アクチュエータ３０Ｕ、Ｖ相アクチュエータ３０Ｖ，Ｗ相アクチュエータ３０Ｗが外輪ブッシュ４３を引くことはできない。これは、Ｕ相アクチュエータ３０Ｕ、Ｖ相アクチュエータ３０Ｖ、Ｗ相アクチュエータ３０Ｗが外輪ブッシュ４３に当接しているだけであり、外輪ブッシュ４３に固着されていないからである。しかしながら、外輪ブッシュ４３にＵ相アクチュエータ３０Ｕ、Ｖ相アクチュエータ３０Ｖ，Ｗ相アクチュエータ３０Ｗを係合させ、Ｕ相アクチュエータ３０Ｕ、Ｖ相アクチュエータ３０Ｖ、Ｗ相アクチュエータ３０Ｗが外輪ブッシュ４３を引き付けることが可能な構成としてもよい。この場合、Ｕ相アクチュエータ３０Ｕ、Ｖ相アクチュエータ３０Ｖ、Ｗ相アクチュエータ３０Ｗの３つを設ける必要はなく、非平行な位置に配置される２つのアクチュエータのみを用いることが可能である。
【００２１】
また、この実施の形態では、ピエゾ素子３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗを用いたＵ相アクチュエータ３０Ｕ、Ｖ相アクチュエータ３０Ｖ，Ｗ相アクチュエータ３０Ｗを用いているが、これに限られるものではなく、ソレノイドを用いてＵ相アクチュエータ３０Ｕ、Ｖ相アクチュエータ３０Ｖ，Ｗ相アクチュエータ３０Ｗを構成してもよい。
【００２２】
また、単一のアクチュエータを用い、このアクチュエータを外輪ブッシュ４３と結合することで、一方向の変位のみを調整することが可能な構成を採用することも可能である。
【００２３】
タービンホイール１側のフローティング軸受装置２１０でも、図２で示すようなフローティング軸受装置と同様の構成が採用される。
【００２４】
この実施の形態では、シャフト２に回転電機２２０を結合する構成を示したが、これに限られるものではなく、シャフト２にレゾルバを結合してあってもよい。
【００２５】
フローティングベアリング４１とハウジング４２との間に外輪ブッシュ４３を設けている。フローティングベアリング４１と外輪ブッシュ４３との間には数十ミクロン程度の隙間が設けられている。外輪ブッシュ４３とハウジング４２との間にも同様に数十ミクロンの隙間を設けている。小型のＵ相アクチュエータ３０Ｕ、Ｖ相アクチュエータ３０Ｖ、Ｗ相アクチュエータ３０Ｗのボデーを回転軸に対して垂直にハウジング４２に固定し、Ｕ相アクチュエータ３０Ｕ、Ｖ相アクチュエータ３０Ｖ、Ｗ相アクチュエータ３０Ｗの先端を外輪ブッシュ４３に押し当てる。Ｕ相アクチュエータ３０Ｕを中央上部に配置し、時計回りに１２０度間隔でＶ相およびＷ相を配置する。シャフト２の変位を把握するためにギャップセンサ１３，１４をＵ相アクチュエータ３０Ｕ，１３０Ｕと同じ中央上端の外側に配置する。このようなシステムにより構成されるフローティング軸受装置２００，２１０をシャフト２に対して左右対称になるように１対設ける。直流電源から、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の３相を作るインバータ機能と、ギャップセンサ１３，１４の信号を受取り、シャフト２の偏芯量をキャンセルするようにＵ相の位相を合わせる機能を持った制御部１１０を配置し、各々のアクチュエータとギャップセンサ１３，１４とを配線で結ぶ。
【００２６】
シャフト２の変位量をギャップセンサ１３，１４で測定し、１２０度の間隔を隔てて配置された３本のＵ相アクチュエータ３０Ｕ、Ｖ相アクチュエータ３０Ｖ、Ｗ相アクチュエータ３０Ｗで外輪ブッシュ４３の変位を調整し、回転しているフローティングベアリング４１と、その間にオイル１００を介してその内側にあるシャフト２の変位がキャンセルするようにコントロールし、振動の少ない滑らかな回転を生み出すシステムが作られる。
【００２７】
すなわち、実施の形態に従ったフローティング軸受装置２００は、回転体としてのシャフト２が流体としてのオイル１００により回転可能に支持されるフローティング軸受装置２００であって、シャフト２の径方向変位を検出する検出部としてのギャップセンサ１３，１４と、この検出部により検出されたシャフト２の径方向変位を制御する方向に外輪の径方向位置を移動させる位置調整部としてのＵ相アクチュエータ３０Ｕ、Ｖ相アクチュエータ３０Ｖ、Ｗ相アクチュエータ３０Ｗとを備える。位置調整部としてのＵ相アクチュエータ３０Ｕ、Ｖ相アクチュエータ３０Ｖ、Ｗ相アクチュエータ３０Ｗは複数個設けられる。シャフト２とＵ相アクチュエータ３０Ｕ、Ｖ相アクチュエータ３０Ｖ、Ｗ相アクチュエータ３０Ｗとの間に外輪ブッシュ４３が介在し、これらのアクチュエータは外輪ブッシュ４３を押圧する。外輪ブッシュ４３とシャフト２との間にはフローティングベアリング４１とオイル１００が介在する。回転電機２２０は、シャフト２に取付けられたロータ２０と、ロータ２０の外周を取囲むステータ１０とを有する。
【００２８】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】この発明の実施の形態１に従ったフローティング軸受装置の断面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  タービンホイール、２  シャフト、３  コンプレッサホイール、４  ケーシング、５  バックプレート、１０  ステータ、１１  ステータコア、１２  コイル、２０  ロータ、２１  ロータコア、２２  永久磁石、３０Ｕ  Ｕ相用アクチュエータ、３０Ｖ  Ｖ相用アクチュエータ、３０Ｗ  Ｗ相用アクチュエータ、３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗ  駆動シャフト、３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗ  ピエゾ素子、４１  フローティングベアリング、４２  ハウジング、４３  外輪ブッシュ、１００  オイル。
【図１】
2007321852.tif 000003
【図２】
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