特許 7242454 スラスト軸受装置および回転電機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-03-10

(45)【発行日】2023-03-20

(54)【発明の名称】スラスト軸受装置および回転電機

(51)【国際特許分類】

   F16C 27/06 20060101AFI20230313BHJP

   F16C 17/04 20060101ALI20230313BHJP

   F16C 35/02 20060101ALI20230313BHJP

   F16C 17/02 20060101ALI20230313BHJP

   H02K 7/08 20060101ALI20230313BHJP

【ＦＩ】

F16C27/06 A

F16C17/04 Z

F16C35/02 G

F16C17/02 Z

H02K7/08 B

H02K7/08 A

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2019128088

(22)【出願日】2019-07-10

(65)【公開番号】P2021014855

(43)【公開日】2021-02-12

【審査請求日】2022-02-07

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003708

【氏名又は名称】弁理士法人鈴榮特許綜合事務所

(72)【発明者】

【氏名】羽生 圭佑

(72)【発明者】

【氏名】牧野 駿介

(72)【発明者】

【氏名】東條 裕宇

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 忠利

(72)【発明者】

【氏名】長田 大

(72)【発明者】

【氏名】池田 和徳

(72)【発明者】

【氏名】見村 勇樹

(72)【発明者】

【氏名】吉水 謙司

【審査官】稲村 正義

(56)【参考文献】

【文献】特開２００３－００４０４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開平０１－０６５４１８（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開平０３－２７２３１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０６１９９９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｃ １７／００－３５／００

Ｈ０２Ｋ ７／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転軸に取り付けられるスラストカラーと、
前記スラストカラーを第１の油膜を介して内径方向に支持するガイド軸受と、
前記スラストカラーの下側に設けられる回転板と、
前記回転板を第２の油膜を介して軸方向に支持する静止板と、
前記回転板もしくは前記スラストカラーに備えられ、前記スラストカラーの熱変形による前記第２の油膜の厚みの変化を緩和する機構と
を具備し、
前記機構として、前記スラストカラーの底面を前記回転板の上面に対して径方向に滑動させる機構を有し、
前記スラストカラーの底面が前記回転板の上面に対して径方向に滑動可能となるように前記スラストカラーの底面および前記回転板の上面がそれぞれ湾曲面に加工されている、
スラスト軸受装置。

【請求項2】

前記スラストカラーの前記第１の油膜と接する面に配置され、前記スラストカラーよりも熱伝導率が小さい低熱伝部材を、更に具備する、
請求項１に記載のスラスト軸受装置。

【請求項3】

前記低熱伝部材は、前記スラストカラーの外周面に配置される別のスラストカラーを含む、
請求項２に記載のスラスト軸受装置。

【請求項4】

前記低熱伝部材は、前記スラストカラーの外周面に配置される断熱材と、前記断熱材の外周面に配置される別のスラストカラーとを含む、
請求項２に記載のスラスト軸受装置。

【請求項5】

請求項１乃至４のいずれか１項に記載のスラスト軸受装置を備えた回転電機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、スラスト軸受装置および回転電機に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば立軸型の水車発電機等に代表される回転電機においては、回転子を含む軸方向荷重を支えるためにスラスト軸受装置が採用されている。図８に、従来のスラスト軸受装置の構成の一例を示す。

【0003】

図８は、従来のスラスト軸受装置の一部の概略構成を示す断面図である。このスラスト軸受装置においては、回転軸１にスラストカラー２が取り付けられ、スラストカラー２の下面には回転板４が取り付けられる。また、回転板４の下部には例えば複数の扇形の静止板５が回転軸１の周りに放射状に設置される。各静止板５の下部にはスプリング６が取り付けられ、各静止板５がスプリング６を介して台板５ａにより支持される構造となっている。スラストカラー２の外径側には周方向に一定の間隔で複数のガイド軸受３が配置される。これらの部材の周りには図示しない油槽があり、油槽内の空間Ｇに潤滑油が封入される。

【0004】

このような構成において、スラストカラー２は、回転軸１の回転に追従して回転する。このとき、回転板４と各静止板５との間に油膜７が形成される。また、図８には図示されていないが、スラストカラー２と各ガイド軸受３との間にも油膜７ａが形成される。

【0005】

各静止板５は、下部に取り付けているスプリング６によって回転方向に対し進み側が狭くなるように傾斜し、回転板４との間に隙間が形成される。当該隙間に油膜７が入ると、油膜７に一定の圧力分布が発生し、当該油膜７によって回転板４が支持されるようになっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開昭５８－２２５２２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

従来のスラスト軸受装置の構成では、スラストカラー２とこのスラストカラー２を取り囲む各ガイド軸受３との間に形成される油膜（油膜７ａや油膜７など）からの熱により、スラストカラー２が変形すると、その変形に追従して回転板４の摺動面（油膜７がある方の面）が傾く場合がある。例えば図９のように回転板４の摺動面が傾くと、油膜７の厚さが回転板４の径方向に不均一となり、スラスト軸受装置の性能が低下する。

【0008】

発明が解決しようとする課題は、性能の低下を抑えることが可能なスラスト軸受装置および回転電機を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

実施形態のスラスト軸受装置は、回転軸に取り付けられるスラストカラーと、前記スラストカラーを第１の油膜を介して内径方向に支持するガイド軸受と、前記スラストカラーの下側に設けられる回転板と、前記回転板を第２の油膜を介して軸方向に支持する静止板と、前記回転板もしくは前記スラストカラーに備えられ、前記スラストカラーの熱変形による前記第２の油膜の厚みの変化を緩和する機構とを具備し、前記機構として、前記スラストカラーの底面を前記回転板の上面に対して径方向に滑動させる機構を有し、前記スラストカラーの底面が前記回転板の上面に対して径方向に滑動可能となるように前記スラストカラーの底面および前記回転板の上面がそれぞれ湾曲面に加工されている。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、性能の低下を抑えることが可能なスラスト軸受装置および回転電機を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１の実施形態に係るスラスト軸受装置の要部構成を示す縦断面図。

【図2】第２の実施形態に係るスラスト軸受装置の要部構成を示す縦断面図。

【図3】第３の実施形態に係るスラスト軸受装置の要部構成を示す縦断面図。

【図4】第４の実施形態に係るスラスト軸受装置の要部構成を示す縦断面図。

【図5】図４中に示されるガイド軸受３近傍の横断面形状を示す横断面図。

【図6】第５の実施形態に係るスラスト軸受装置の要部構成を示す縦断面図。

【図7】図６中に示されるガイド軸受３近傍の横断面形状を示す横断面図。

【図8】従来のスラスト軸受装置の一部の概略構成を示す断面図。

【図9】図８中に示されるスラストカラー２の熱変形の影響を説明するための図。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図面を参照して、実施の形態について説明する。

【0013】

なお、以下に説明する各実施形態の各図では、前述の説明で使用した図８と共通する要素に同一の符号を付し、重複する説明を省略する。各実施形態では、図８と異なる部分を中心に説明する。

【0014】

（第１の実施形態）
最初に、図１を参照して、第１の実施形態について説明する。以下では、図８も適宜参照する。

【0015】

図１は、第１の実施形態に係るスラスト軸受装置の要部構成を示す縦断面図である。

【0016】

なお、図１では、各部の特徴を理解し易いように強調して表現しているところがあるため、実際のものとは寸法や角度が異なっている部分がある。

【0017】

第１の実施形態に係るスラスト軸受装置は、例えば立軸型の水車発電機等の回転電機に備えられるものであり、回転軸１に取り付けられるスラストカラー２と、スラストカラー２を油膜７ａを介して内径方向に支持するガイド軸受３と、スラストカラー２の下側に設けられる回転板４と、回転板４を油膜７を介して軸方向に支持する静止板５と、静止板５の下部に取り付けられるスプリング６と、スプリング６を介して静止板５を支持する台板５ａとを有する。

【0018】

さらに第１の実施形態に係るスラスト軸受装置は、スラストカラー２の熱変形による油膜７の厚みの変化を緩和する部材として、スラストカラー２と回転板４との間に配置される弾性体８を有する。弾性体８は、ゴムもしくは金属性のバネから成り、スラストカラー２と回転板４とに挟み込まれる構造となっている。

【0019】

図１では、弾性体８が外径側から内径側まで全体的に均一な厚さを有するゴムである場合を例示している。弾性体８は、スラストカラー２が熱変形していないときは、スラストカラー２の荷重により、径方向に殆ど偏り無く均等に一定量分だけわずかに収縮した状態にある。このとき、荷重により油膜７にかかる圧力の分布は外径側または内径側に偏らない理想的な形を示し、油膜７の厚みは外径側から内径側まで全体的に均一な厚さを示す。

【0020】

例えばスラストカラー２とガイド軸受３との間に形成される油膜７ａからの熱により、スラストカラー２が径方向に広がるように変形すると、図１に示されるようにスラストカラー２が内径側に傾き、スラストカラー２の内径側底部が下方に向かって沈む（あるいはスラストカラー２の外径側底部が持ち上がる）ことがある。

【0021】

このとき、スラストカラー２の内径側底部の沈降に追従して、弾性体８の内径側部分が収縮する。すなわち、弾性体８は緩衝材の役割を果たす。これにより、回転板４の内径側部分が沈降することが抑制され、回転板４の摺動面が傾くことが抑制され、油膜７の内径側の厚みが小さくなることが抑制される。このとき、荷重により油膜７にかかる圧力の分布は内径側には殆ど偏っておらず、油膜７の厚みは外径側から内径側までほぼ均一な厚さを示す。

【0022】

かりに、弾性体８が無いと仮定すると、スラストカラー２の内径側底部の沈降に追従して、回転板４の内径側部分が沈降し、回転板４の摺動面が傾き、油膜７の内径側の厚みが小さくなる。このとき、荷重により油膜７にかかる圧力の分布は内径側に偏っており、油膜７の厚みは外径側から内径側まで全体的に均一な厚さを示さない。

【0023】

第１の実施形態によれば、スラストカラー２の熱変形によって回転板４の摺動面が傾くことを抑制することができ、静止板５上に形成される油膜７の厚さが不均一になることを抑制することができる。また、弾性体８が緩衝材となり、回転板４の摺動面の平面性が保たれるため、回転板４の摺動面に対して高い加工精度を求める必要もなくなる。

【0024】

（第２の実施形態）
次に、図２を参照して、第２の実施形態について説明する。以下では、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

【0025】

図２は、第２の実施形態に係るスラスト軸受装置の要部構成を示す縦断面図である。

【0026】

なお、図２では、各部の特徴を理解し易いように強調して表現しているところがあるため、実際のものとは寸法や角度が異なっている部分がある。

【0027】

前述の第１の実施形態では、弾性体８がスラストカラー２と回転板４との間に配置される場合を示したが、この第２の実施形態では、弾性体８は、上下に二分される二枚の回転板９、４Ａの間に配置される。すなわち、前述の回転板４の代わりに二枚の回転板４Ａ、９を採用し、弾性体８が回転板４Ａと回転板９とに挟まれる構造としている。このように弾性体８を回転板４Ａと回転板９とで挟み込んだ構造の新たな回転板がスラストカラー２に取り付けられている。

【0028】

例えばスラストカラー２とガイド軸受３との間に形成される油膜７ａからの熱により、スラストカラー２が径方向に広がるように変形すると、図２に示されるようにスラストカラー２および回転板９が内径側に傾き、スラストカラー２および回転板９の内径側底部が下方に向かって沈む（あるいはスラストカラー２の外径側底部が持ち上がる）ことがある。

【0029】

このとき、スラストカラー２および回転板９の内径側底部の沈降に追従して、弾性体８の内径側部分が収縮する。すなわち、弾性体８は緩衝材の役割を果たす。これにより、回転板４Ａの内径側部分が沈降することが抑制され、回転板４Ａの摺動面が傾くことが抑制され、油膜７の内径側の厚みが小さくなることが抑制される。このとき、荷重により油膜７にかかる圧力の分布は内径側には殆ど偏っておらず、油膜７の厚みは外径側から内径側までほぼ均一な厚さを示す。

【0030】

第２の実施形態によれば、第１の実施形態で得られる効果に加え、スラストカラー２に弾性体８を取り付けるに際し、回転板４と回転板９とで弾性体８を挟んだものを予め組み立てておくことにより、スラストカラー２への取付けが容易となる。

【0031】

（第３の実施形態）
次に、図３を参照して、第３の実施形態について説明する。以下では、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

【0032】

図３は、第３の実施形態に係るスラスト軸受装置の要部構成を示す縦断面図である。

【0033】

なお、図３では、各部の特徴を理解し易いように強調して表現しているところがあるため、実際のものとは寸法や角度が異なっている部分がある。

【0034】

前述の第１の実施形態では、スラストカラー２と回転板４とで弾性体８を挟んだ構造を採用したが、この第３の実施形態では、弾性体８を挟まないスラストカラー２Ａと回転板４Ｂとを採用する。

【0035】

第３の実施形態に係るスラスト軸受装置は、スラストカラー２Ａの熱変形による油膜７の厚みの変化を緩和する機構として、スラストカラー２Ａの底面２１を回転板４Ｂの上面４１に対して径方向に滑動させる機構を備えている。具体的には、スラストカラー２Ａの底面２１が回転板４Ｂの上面４１に対して径方向に滑動可能となるようにスラストカラー２Ａの底面２１および回転板４Ｂの上面４１がそれぞれ湾曲面に加工されている。

【0036】

例えばスラストカラー２Ａとガイド軸受３との間に形成される油膜７ａからの熱により、スラストカラー２が径方向に広がるように変形すると、スラストカラー２は内径側に傾こうとする。このとき、スラストカラー２Ａの底面２１が回転板４Ｂの上面４１に対して径方向に滑動可能に形成されていることから、図３に示されるようにスラストカラー２Ａの底面２１が外径方向に滑動する。なお、図３中ではスラストカラー２Ａの滑動を理解し易いように大きく表現しているが、実際には微動である。これにより、回転板４Ｂの内径側部分が沈降することが抑制され、回転板４Ｂの摺動面が傾くことが抑制され、油膜７の内径側の厚みが小さくなることが抑制される。このとき、荷重により油膜７にかかる圧力の分布は内径側には殆ど偏っておらず、油膜７の厚みは外径側から内径側までほぼ均一な厚さを示す。

【0037】

第３の実施形態によれば、弾性体８を設ける必要がなく、スラストカラー２Ａの底面２１および回転板４Ｂの上面４１を加工することにより、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0038】

（第４の実施形態）
次に、図４及び図５を参照して、第４の実施形態について説明する。以下では、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

【0039】

図４は、第４の実施形態に係るスラスト軸受装置の要部構成を示す縦断面図である。図５は、図４中に示されるガイド軸受３近傍の横断面形状を示す横断面図である。

【0040】

なお、図４及び図５では、各部の特徴を理解し易いように強調して表現しているところがあるため、実際のものとは寸法や角度が異なっている部分がある。

【0041】

前述の第１の実施形態では、スラストカラー２と回転板４とで弾性体８を挟んだ構造を採用したが、この第２の実施形態では、スラストカラー２と回転板４とは弾性体８を挟まない構造とし、スラストカラー２の油膜７ａと接する面に、スラストカラー２よりも熱伝導率が小さい低熱伝部材を配置する。例えば、図４及び図５に示されるように、スラストカラー２の外周面に別のスラストカラー１１を配置する。スラストカラー１１は、例えばセラミック等の熱伝導性の低い材料を用いて構成される。

【0042】

例えば油膜７ａに熱に発生すると、その熱がスラストカラー２に伝わろうとするが、スラストカラー１１が存在することにより、油膜７ａからスラストカラー２に伝わる熱が低減される。これにより、スラストカラー２の熱変形が抑えられる。

【0043】

第４の実施形態によれば、スラストカラー２の熱変形が抑えられることから、スラストカラー２の熱変形によって回転板４の摺動面が傾くことを抑制することができ、静止板５上に形成される油膜７の厚さが不均一になることを抑制することができる。

【0044】

なお、第４の実施形態は、前述した第１～第３の実施形態と組み合わせて実施してもよい。そのようにした場合、併せて第１～第３の実施形態と同様の効果を得ることもできる。

【0045】

（第５の実施形態）
次に、図６及び図７を参照して、第５の実施形態について説明する。以下では、第４の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

【0046】

図６は、第５の実施形態に係るスラスト軸受装置の要部構成を示す縦断面図である。図７は、図６中に示されるガイド軸受３近傍の横断面形状を示す横断面図である。

【0047】

なお、図６及び図７では、各部の特徴を理解し易いように強調して表現しているところがあるため、実際のものとは寸法や角度が異なっている部分がある。

【0048】

前述の第４の実施形態では、スラストカラー２の外周面に別のスラストカラー１１を配置する構成としたが、この第５の実施形態では、図６及び図７に示されるように、低熱伝部材として、スラストカラー２の外周面に断熱材１２を配置し、更にこの断熱材１２の外周面に前述したスラストカラー１１を配置する。すなわち、スラストカラー２とスラストカラー１１との間に断熱材１２を挟む構造となっている。断熱材１２は、例えばグラスウール等を用いて構成される。

【0049】

例えば油膜７ａに熱に発生すると、その熱がスラストカラー２に伝わろうとするが、スラストカラー１１と断熱材１２とが存在することにより、油膜７ａからスラストカラー２に伝わる熱がより一層低減される。これにより、スラストカラー２の熱変形がより一層抑えられる。

【0050】

第５の実施形態によれば、スラストカラー２の熱変形がより一層抑えられることから、スラストカラー２の熱変形によって回転板４の摺動面が傾くことをより一層抑制することができ、静止板５上に形成される油膜７の厚さが不均一になることをより一層抑制することができる。

【0051】

なお、第５の実施形態は、前述した第１～第３の実施形態と組み合わせて実施してもよい。そのようにした場合、併せて第１～第３の実施形態と同様の効果を得ることもできる。

【0052】

以上詳述したように、各実施形態によれば、性能の低下を抑えることが可能なスラスト軸受装置および回転電機を提供することができる。

【0053】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0054】

１…回転軸、２，２Ａ…スラストカラー、３…ガイド軸受、４，４Ａ，４Ｂ…回転板、５…静止板、５ａ…台板、６…スプリング、７ａ…油膜（第１の油膜）、７…油膜（第２の油膜）、８…弾性体、９…回転板、１０，１１…スラストカラー、１２…断熱材。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】