JP2010159874A - ジャケット付きアキシアル磁気ベアリング - Google Patents

Abstract

【課題】腐食性、酸性、または粒子を持つ気体雰囲気と接触しているロータを取り付けられている回転機械のための、ジャケット付きアキシアル磁気ベアリングを提供する。
【解決手段】磁気ベアリングは、ロータ６に固定され腐食性、酸性気体雰囲気に設置されているディスク状のロータアーマチャー７と、支持装置１に固定されているステータ磁気回路４とを有し、ステータ４の前記磁気回路は、少なくとも１つのコイル４２，４３と金属性保護カバー２，３中の強磁性体４１とを有する。保護カバー２，３は、ウェブ２０と外側フランジ２２とチャネル−セクションカバー状の環状ジャケット３とを有する。環状ジャケット３は、内側および外側フランジ３１，３２とクロージャーウェブ３０とを有し、環状ジャケット３の内側および外側フランジ３１，３２の自由端は、環状支持部２の内側および外側フランジ２１，２２の自由端に溶接されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、腐食性、酸性である、または粒子を持つ気体雰囲気と接触しているロータを取り付けられている回転機械のための、ジャケット付きアキシアル磁気ベアリングに関連する。

ラジアルベアリングまたはアキシアルベアリングに対するアプリケーションに適した、ジャケット付きアキシアル磁気ベアリングは、例えば文献ＥＰ １ ８３０ ０８１ Ａ１においてすでに説明されている。このようなタイプのジャケット付きベアリングは、汚れた、または腐食性の環境において作動するように設計されている。

添付図６は、ロータ１０６に固定されている、および腐食性、酸性である、または粒子を持つ気体雰囲気の中に設置されているディスク状のロータアーマチャー１０７を有する従来技術のジャケット付きアキシアルベアリングの一例を示している。

据え付けの支持装置１０１に固定されているステータ磁気回路１０４は、ロータアーマチャー１０７に向かい合って設置されている。ステータ磁気回路１０４は、金属性保護カバー１０２，１０３の中に設置されている、少なくとも１つのコイル１４２，１４３および強磁性体１４１を有する。

保護カバー１０２，１０３は、ウェブ１２０と、数ミリメートルの厚さｄ１およびｄ２を持つ、強磁性体１４１の全高に渡って延在する、内側および外側フランジ１２１および１２２と、を有する環状支持部１０２を有する。

厚さｄ０を持つプレート状のジャケット１０３は、環状支持部１０２に固定され、さらに、溶接部１５１および１５２を介して環状支持部１０２の内側および外側フランジ１２１および１２２の自由端に溶接される。

環状支持部１０２は、例えば磁気ステンレス鋼のようなステンレス鋼、特に１７−４ＰＨ型、で作られる。ジャケット１０３またはクロージャープレートは、環状支持部１０２と同様の材料、１７−４ＰＨ型ステンレス鋼、から作られるか、または例えばインコネルのような異なる金属材料から作られる。

ジャケット１０３は、レーザー溶接によって、電子衝撃によって、または、タングステン不活性（ＴＩＧ）溶接によって、環状支持部１０２に溶接される。

ステータ磁気回路１０４およびロータアーマチャー１０７間の間隔が広すぎると、アトラクションキャパシティ(attraction capacity)は非常に限定されてしまうので、ベアリングの動作は、ジャケット１０３の厚さｄ０が厚すぎると最適化されない。

それゆえ、ジャケット１０３の厚さｄ０は削減され、さらに、ジャケット１０３は、概して０．５ミリメートル（ｍｍ）の厚さを持つ、適切な金属シートによって構成されるのが望ましい。それでも、これは困難な設計の問題をもたらす。

注意すべきは、ジャケット付きベアリングを用いることは、汚れた、または腐食性の環境において作動することを可能にするが、加圧動作(pressurized operation)におけるそれらの使用は、減圧と関連付けられている問題（膨張による爆発性減圧、変形）を避けるため、長期にわたって完全に密閉するシールを必要とする、ということである。

ジャケット付きアキシアルベアリングの製造は、それゆえ、その形状に対して特有の制限をもたらす。平らで長い寸法（例えば、概して外径４７０ｍｍおよび内径２７０ｍｍを有する４５，０００ニュートン（Ｎ）のアキシアル橋台）の（概して厚さ０．５ｍｍの）薄い金属シートを用いてカバーをする(jacket)ことは、関係する材料の異なる熱膨張率に非常に影響を受けやすいアセンブリをもたらす。

用いられている材料が等しい熱膨張率を持つように選択されていても、製造および機械加工の方法は、重要な影響を及ぼす。

例えば、完全にロールされている、（両方とも、概してベアリングをカバーするために用いられる材料である）１７−４ＰＨステンレス鋼またはインコネルで作られている鋼シートは、同様の材料で作られている固体の支持部と異なる熱膨張率を持つ。

さらに、周囲の温度および圧力の影響下で、プレート状のジャケットを固体の支持部に接続する溶接は、様々な部材が同一の方法において膨張および収縮しないと、高レベルの圧力を受ける。

エアギャップΔは、概して約０．４ｍｍから１．２ｍｍの寸法を持つので、クロージャーシートが支持部よりも膨張するとき、およそ５マイクロメートル（μｍ）と同じくらい小さいとしても、シートは圧縮状態にされ、（例えば、上述の４５，０００Ｎ橋台に適用する５μｍの変形に対して、０．６ｍｍまたは０．７ｍｍと同じくらい大きい変形バルジの結果として）、ロータに触れる程度まで変形する。同時に、シートを支持部に接続する溶接は、圧力を受ける。

ステータが、クロージャーシートよりも大きな程度まで膨張すると、溶接部は、シートをはめるので、トラクション圧力を受ける。

ＥＰ １ ８３０ ０８１ Ａ１

本発明は、上述の欠点を改善し、ジャケット付きアキシアル磁気ベアリングがジャケットおよびその支持部間でわずかに異なる膨張率を調節できるようにしようとするものであり、ジャケットは、接続する溶接部が過度のレベルの圧力を受けることなく、さらに、ジャケットがベアリングのロータアーマチャーと接触する程度まで変形する危険を冒すことなく、比較的薄いシートによって構成されている。

本発明に従って、これらの目的は、腐食性、酸性である、または粒子を持つ気体雰囲気を接触しているロータを有する回転機械のための回転機械のためにジャケット付きアキシアル磁気ベアリングによって達成され、ベアリングは、ロータに固定され、前記気体雰囲気に設置されているディスク状のロータアーマチャーと、据え付けの支持装置に固定され、前記ロータアーマチャーに向かい合って設置されているステータ磁気回路と、を有し、ステータの磁気回路は、少なくとも１つのコイルと、金属性保護カバーの中に設置されている強磁性体と、を有し、前記保護カバーは、まず第１に、ウェブを持つチャネルセクションの環状支持部と、数ミリメートルの厚さと、ステータ磁気回路の長さよりも短い長さと、を持つ内側および外側フランジと、第２に、固体のピースから機械で作られる、すなわち溶接部のない、チャネル−セクションカバー状の環状ジャケットと、を有し、ジャケットは、内側および外側フランジの厚さよりも薄い厚さを持つ、内側および外側フランジと、クロージャーウェブと、を有し、ジャケットの内側および外側フランジの自由端は、環状支持部の内側および外側フランジの自由端に溶接されている。

これは、熱または他の圧力に影響を受けやすい溶接を用いることなく薄い厚さｅ０の面を得る。

１つの可能な実施形態において、環状ジャケットは、前記強磁性体に焼き嵌めされているので、異なる膨張率が調節されるのを可能にする。

このような条件下で、好ましくは、環状ジャケットは、強磁性体の膨張率よりもわずかに小さい膨張率を持つので、温度が上がると伸張(tension)がジャケットに適用されることを可能にする。

他の可能な実施形態において、環状ジャケットは、内側および外側フランジの中に形成されている可撓性グルーブを含むので、圧力が溶接部において緩和されるのを可能にする。

本発明の、さらにもう１つの好ましい特性に従って、ベアリングは、ジャケットの内側フランジと、環状支持部の内側フランジと、の間にある溶接部の両側に配置されている少なくとも第１および第２のＯ−リングと、
ジャケットの外側フランジと、環状支持部の外側フランジと、の間にある溶接部の両側に配置されている第３および第４のＯ−リングと、
を含む。

このような条件下で、好ましくは、前記第１、第２、および第３、および第４のＯ−リングのそれぞれは、両シール(double sealing)を提供する一組のＯ−リングを有する。

Ｏ−リングは、第２の気密シールバリアが設置されるのを可能にし、完全に密閉してシールされていない溶接が実行される場合に現れる欠点を補う。

本発明の他の特性および利点は、例として与えられている本発明の特定の実施形態の以下の説明を読むことによって、および添付図面を参照して、明らかになる。

本発明のジャケット付きアキシアル磁気ベアリングの第１の実施形態を示している、図２の線I−Iの軸方向断面図である。 図１の線II−IIの半径断面図ある。 本発明のジャケット付きアキシアル磁気ベアリングの第２の実施形態の軸方向半断面図である。 本発明のジャケット付きアキシアル磁気ベアリングの第３の実施形態の軸方向半断面図である。 本発明のジャケット付きアキシアル磁気ベアリングの第４の実施形態の軸方向断面図である。 従来技術の、ジャケット付きアキシアル磁気ベアリングの軸方向断面図である。

図１および２は、本発明のジャケット付きアキシアル磁気ベアリングの第１の実施形態を示している。

このアキシアルベアリングは、１つ以上の環状コイル４２，４３および強磁性体４１を従来の方法において含んでいるステータ磁気回路４を有し、ステータ磁気回路４は、軸方向ＺＺ′の回転シャフト６に固定されているロータアーマチャー７に向かい合って設置されている。強磁性体４１は、固体であるか、または局所的にラミネートされている。

ステータ磁気回路４は、据え付けの支持部材１にそれ自体が固定されている、シールされた金属性保護カバー２，３の中に設置されている。

ステータ磁気回路４およびその保護カバー２，３は、ロータアーマチャー７に対してエアギャップΔを画定している。エアギャップΔは、０．４ｍｍから１．５ｍｍの範囲、好ましくは０．４ｍｍから１．２ｍｍの範囲、にある。

ステータ磁気回路４の保護カバーは、ウェブ２０と、内側および外側フランジ２１および２２と、を持つチャネルセクションの環状支持部２を、まず第１に、有する。内側および外側フランジ２１および２２は、それぞれの厚さｅ１およびｅ２を持っており、各々は、数ミリ、例えば３ｍｍから１０ｍｍの範囲にあり、ステータ磁気回路４の強磁性体４１の幅よりも狭い回転シャフト６の軸ＺＺ′の方向において長さを持つ。

ステータ磁気回路４の保護カバーは、固体から機械で作られたチャネル−セクションカバーを形成する環状ジャケット３を、第２に、有し、クロージャーウェブ３０は、必ずしも同一でなく(without necessarily being identical thereto)、環状支持部２の内側および外側フランジ２１および２２の厚さに実質上等しい数ミリのそれぞれの厚さｅ１およびｅ２を持つその内側および外側フランジ３１および３２の厚さよりも薄い厚さｅ０を持っている。

ジャケット３の内側および外側フランジ３１および３２の自由端は、環状支持部２の内側および外側フランジ２１および２２の自由端に溶接されている。溶接部５１および５２は、それゆえ、厚さｅ１およびｅ２が好ましくは３ｍｍよりも大きい、数ミリの厚さを有するパーツ間に作られている。

ジャケット３および環状支持部２間の溶接部５１および５２は、例えば、レーザー溶接によって、電子衝撃によって、または実際はＴＩＧ溶接によって、作られる。

環状ジャケット３のクロージャーウェブ３０は、強磁性体４１およびロータアーマチャー７間の間隔を過度に増加させるのを避けるため、フランジ３１および３２の厚さよりも薄い、薄い厚さが好ましく、薄い厚さは、０．３ｍｍから２ｍｍの範囲にあり、好ましくは、０．４ｍｍから１ｍｍの範囲にある。

環状支持部２およびジャケット３は、例えば磁気ステンレス鋼、特に１７−４ＰＨ型、で作られているが、他の材料も可能である。さらに、ジャケット３の材料は、環状支持部２の材料と異なる。それゆえ、ジャケット３は、例えばインコネルで作られうる。

本発明のアセンブリにおいて、クロージャーシートを構成するジャケット３はチャネルセクションである。このチャネルセクションは、（随意に、材料が環状支持部２を構成するのと同様の方法によって得られている）かなりの(considerable)厚さを持つ、材料の固体のピースから機械加工されている。

アクティブ面(active face)のフラット（ウェブ３０の外面）は、所望の厚さｅ０（概して０．５ｍｍ）が得られるまで材料の特性における変化を最小限にするため、精密加工によって機械加工されている。

チャネルセクションのフランジ３１および３２は、はるかに厚いそれぞれの厚さｅ１およびｅ２を持つために機械加工されており、ジャケットは、はるかに厚い（概して０．５ｍｍの代わりに５ｍｍの）溶接部５１，５２が用いられるのを可能にする（逆さまの）チャネルセクションの底部にあるその支持部２上に溶接されるので、従来技術において周知の種類の、共に溶接されるために薄い材料を必要とする実施形態を用いるよりも、より優れたロバスト性(robustness)を保証することおよびはるかに優れた気密シールが可能である。

さらに、チャネル−セクションジャケット３は、ジャケット３の中でプレストレスをエスタブリッシュすることによって熱膨張率における小さな違いを調節するために、数十マイクロメートルに渡って焼き嵌めされることによって強磁性支持部４１に設置される（ジャケット３のフランジ３１および３２の近くに作られている焼き嵌め部３１ａおよび３２ａを示す図５の実施形態を参照）。このような条件下で、ジャケット３は、強磁性体４１の膨張率よりも小さい膨張率を持つのが好ましい。

さらに、ジャケット３のフランジ３１および３２の端部に対してずれる(offset)ように置くことは、溶接部にかかる機械負荷が緩和(modify)されるのを可能にするので、そこにかかる圧力を軽減し、そのインテグリティを保証する。そのときどんな薄い材料の溶接も、直接の牽引力および圧縮応力を受けない。そのときジャケット３のフランジ３１および３２の長さは、曲げ角度をディマルティプライ(demultiply)することによって、溶接部５１および５２の負荷に直接影響を与える。それゆえ、チャネル−セクションのフランジ３１および３２は、異なる(differing)膨張および収縮のため、溶接部５１および５２における圧力を最小限にするために十分に長い必要がある。

さらに、Ｏ−リングガスケット８１ないし８８は、容易に組み込まれるので、溶接部５１および５２に非機能的または不必要に(non-functional or unnecessary)気密シールをするか、でなければ、２つのシールバリアを提供する（図３の部材を参照）。

図３に示されているように、好ましい実施形態において、少なくともＯ−リング８１および８２は、ジャケット３の内側フランジ３１と、環状支持部２の内側フランジ２１と、の間の溶接部５１の両側に配置されている。同様に、少なくともＯ−リング８３および８４は、ジャケット３の外側フランジ３２と、環状支持部２の外側フランジ２２と、の間の溶接部５２の両側に配置されている。

好ましくは、図３に示されているように、２つのＯ−リング８１と８５；８２と８６；８３と８７；および８４と８８を、各溶接部５１および５２の両側に配置することが可能であるので、両シールを提供する。

随意に、図４に示されているように、環状ジャケット３は、内側および外側フランジ３１および３２の中にそれぞれ形成されている可撓性グルーブ９１，９２を含む。

可撓性グルーブ９１および９２は、溶接部５１および５２にかかる圧力を緩和するのに役立つ。

当然のことながら、図１，３，４，および５を参照して説明されている様々な実施形態は、互いに結合される。

同様に、本発明に従ったカバー２，３を持つステータ磁気回路４は、ロータアーマチャー７のもう一方の側に対称的に配置されるので、複動のアキシアル橋台を形成する。

ジャケット付きアキシアル磁気ベアリングに動力を供給する、位置検出器または回路は、通常のものであり、カバー２，３が作られる方法から独立しているので、本記述は、これらの部材について説明していない。

１ …支持部材
２ …金属性保護カバー
３ …金属性保護カバー
４ …ステータ磁気回路
６ …回転シャフト
７ …ロータアーマチャー
２０ …ウェブ
２１ …内側フランジ
２２ …外側フランジ
３０ …クロージャーウェブ
３１ …内側フランジ
３２ …外側フランジ
３１ａ…焼き嵌め部
３２ｂ…焼き嵌め部
４１ …強磁性体
４２ …環状コイル
４３ …環状コイル
５１ …溶接部
５２ …溶接部
８１ …Ｏ−リングガスケット
８２ …Ｏ−リングガスケット
８３ …Ｏ−リングガスケット
８４ …Ｏ−リングガスケット
８５ …Ｏ−リングガスケット
８６ …Ｏ−リングガスケット
８７ …Ｏ−リングガスケット
８８ …Ｏ−リングガスケット
９１ …可撓性グルーブ
９２ …可撓性グルーブ
１０１…支持装置
１０２…金属性保護カバー
１０３…金属性保護カバー
１０４…ステータ磁気回路
１０６…ロータ
１０７…ロータアーマチャー
１２０…ウェブ
１２１…内側フランジ
１２１…外側フランジ
１４１…強磁性体
１４２…コイル
１４３…コイル
１５１…溶接部
１５２…溶接部
ｄ０…厚さ
ｄ１…厚さ
ｄ２…厚さ
ｅ０…厚さ
ｅ１…厚さ
ｅ２…厚さ

Claims (11)

1. 腐食性、酸性である、または粒子を持つ気体雰囲気と接触しているロータ（６）を有している回転機械のための、ジャケット付きアキシアル磁気ベアリングであって、
   前記ベアリングは、前記ロータ（６）に固定され、前記気体雰囲気に設置されているディスク状のロータアーマチャー（７）と、据え付けの支持装置（１）に固定され、前記ロータアーマチャー（７）に向かい合って設置されているステータ磁気回路（４）と、を有し、
   前記ステータ（４）の前記磁気回路は、少なくとも１つのコイル（４２，４３）と、金属性保護カバー（２，３）の中に設置されている強磁性体（４１）と、を有し、
   前記ベアリングは、
   前記保護カバー（２，３）が、
   まず第１に、ウェブ（２０）を持つチャネルセクションの環状支持部（２）と、数ミリメートルの厚さと、前記ステータ磁気回路（４）の長さよりも短い長さと、を持つ内側および外側フランジ（２１，２２）と、
   第２に、固体のピースから機械加工された、すなわち溶接部のない、チャネルセクションカバー状の環状ジャケット（３）と、
   を備え、
   前記ジャケットは、
   内側および外側フランジ（３１，３２）と、前記内側および外側フランジ（３１，３２）の厚さ（ｅ１，ｅ２）よりも薄い厚さ（ｅ０）を持つクロージャーウェブ（３０）とを有し、
   前記ジャケット（３）の前記内側および外側フランジ（３１，３２）の自由端は、前記環状支持部（２）の前記内側および外側フランジ（２１，２２）の自由端に溶接されている、
   ことを特徴とするベアリング。
2. 前記環状ジャケット（３）は、前記強磁性体（４１）に焼き嵌めされていることを特徴とする、請求項１に記載のベアリング。
3. 前記環状ジャケット（３）は、前記内側および外側フランジ（３１，３２）の中に形成されている可撓性グルーブ（９１，９２）を含むことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のベアリング。
4. 前記ジャケット（３）の前記内側フランジ（３１）と、前記環状支持部（２）の前記内側フランジ（２１）と、の間にある前記溶接部（５１）の両側に配置されている少なくとも第１および第２のＯ−リング（８１，８２）と、
   前記ジャケット（３）の前記外側フランジ（３２）と、前記環状支持部（２）の前記外側フランジ（２２）と、の間にある前記溶接部（５２）の両側に配置されている第３および第４のＯ−リング（８３，８４）と、
   を含むことを特徴とする、請求項１ないし３のうちのいずれか１つに記載のベアリング。
5. 前記第１、第２、第３、および第４のＯ−リング（８１，８５；８２，８６；８３，８７；８４，８８）はそれぞれ、両シールを提供する一組のＯ−リングを具備することを特徴とする、請求項４に記載のベアリング。
6. 前記環状ジャケット（３）および前記環状支持部（２）は、１７−４ＰＨ型、またはインコネル、の磁気ステンレス鋼で作られていることを特徴とする、請求項１ないし５のうちのいずれか１つに記載のベアリング。
7. 前記環状ジャケット（３）の前記クロージャーウェブ（３０）は、０．３ｍｍから２ｍｍの範囲にある厚さ（ｅ０）を持つことを特徴とする、請求項１ないし６のうちのいずれか１つに記載のベアリング。
8. 前記ジャケット（３）と、前記環状支持部（２）と、の間にある前記溶接部（５１，５２）は、３ｍｍよりも厚い厚さを持つ壁上に形成されていることを特徴とする、請求項１ないし７のうちのいずれか１つに記載のベアリング。
9. 前記ジャケット（３）と、前記環状支持部（２）と、の間にある前記溶接部（５１，５２）は、レーザー溶接によって、電子衝撃によって、またはＴＩＧ溶接によって、作られていることを特徴とする、請求項１ないし８のうちのいずれか１つに記載のベアリング。
10. 前記ロータアーマチャー（７）と、前記ステータ磁気回路（４）と、の間にあるエアギャップ（Δ）は、０．４ｍｍから１．２ｍｍの範囲にあることを特徴とする、請求項１ないし９のうちのいずれか１つに記載のベアリング。
11. 前記環状ジャケット（３）は、前記強磁性体（４１）の膨張率よりも小さい膨張率を持つことを特徴とする、請求項２に記載のベアリング。

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