JP2008043084A - モータ一体型の磁気軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スラスト荷重の負荷に対する転がり軸受の長期耐久性を向上させることができ、かつモータ効率を向上させることができるモータ一体型の磁気軸受装置を提供する。
【解決手段】モータ一体型の磁気軸受装置は、転がり軸受１５，１６と併用し、転がり軸受１５，１６がラジアル負荷を支持し、磁気軸受がアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を支持する。磁気軸受を構成する電磁石１７は、スピンドルハウジング１４に取付けられる。モータロータ２８ａとモータステータ２８ｂ間の角度位相を検出するセンサと、モータ駆動電流位相調整手段とが設けられ、モータロータ２８ａが前記設定回転数で回転する状態で、モータロータ２８ａの永久磁石２８ａａの中心がモータステータ２８ｂの発生する磁束の中心を通過するときにモータコイル２８ｂａの電流値が最大となるように前記電流印加の開始のタイミングを決定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット等に用いられる磁気軸受装置に関し、特に、転がり軸受と磁気軸受を併用し、磁気軸受がアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を支持するようにしたモータ一体型の磁気軸受装置に関する。

空気サイクル冷凍冷却システムは、冷媒として空気を用いるため、フロンやアンモニアガス等を用いる場合に比べてエネルギー効率が不足するが、環境保護の面では好ましい。また、冷凍倉庫等のように、冷媒空気を直接に吹き込むことができる施設では、庫内ファンやデフロストの省略等によってトータルコストを引下げられる可能性があり、このような用途で空気サイクル冷凍冷却システムが提案されている（例えば特許文献１）。

また、−３０℃〜−６０℃のディープ・コール領域では、空気冷却の理論効率は、フロンやアンモニアガスと同等以上になることが知られている。ただし、上記空気冷却の理論効率を得ることは、最適に設計された周辺装置があって、始めて成り立つとも述べられている。周辺装置は、圧縮機や膨張タービン等である。
圧縮機，膨張タービンとしては、コンプレッサ翼車および膨張タービン翼車を共通の主軸に取付けたタービンユニットが用いられている（特許文献１）。

なお、プロセスガスを処理するタービン・コンプレッサとしては、主軸の一端にタービン翼車、他端にコンプレッサ翼車を取付け、前記主軸を電磁石の電流で制御するジャーナルおよびスラスト軸受で支承した磁気軸受式タービン・コンプレッサが提案されている（特許文献２）。
また、ガスタービンエンジンにおける提案ではあるが、主軸支持用の転がり軸受に作用するスラスト荷重が軸受寿命の短縮を招くことを回避するため、転がり軸受に作用するスラスト荷重をスラスト磁気軸受により低減することが提案されている（特許文献３）。
特許第２６２３２０２号公報 特開平７−９１７６０号公報 特開平８−２６１２３７公報

上記のように、空気サイクル冷凍冷却システムとして、ディープ・コール領域で高効率となる空気冷却の理論効率を得るためには、最適に設計された圧縮機や膨張タービンが必要となる。
圧縮機，膨張タービンとしては、上記のようにコンプレッサ翼車および膨張タービン翼車を共通の主軸に取付けたタービンユニットが用いられている。このタービンユニットは、膨張タービンの生じる動力によりコンプレッサ翼車を駆動できることで空気サイクル冷凍機の効率を向上させている。

しかし、実用的な効率を得るためには、各翼車とハウジングとの隙間を微小に保つ必要がある。この隙間の変動は、安定した高速回転の妨げとなり効率の低下を招く。
また、コンプレッサ翼車やタービン翼車に作用する空気により、主軸にスラスト力が作用し、主軸を支持する軸受にスラスト荷重が荷される。空気サイクル冷凍冷却システムにおけるタービンユニットの主軸の回転速度は、１分間に８万〜１０万回転であり、一般的な用途の軸受に比べて非常に高速となる。そのため、上記のようなスラスト荷重は、主軸を支持する軸受の長期耐久性の低下、寿命低下を招き、空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットの信頼性を低下させる。このような軸受の長期耐久性の課題を解消しなくては、空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットの実用化が難しい。しかし、上記特許文献１に開示の技術は、この高速回転下におけるスラスト荷重の負荷に対する軸受の長期耐久性の低下については解決されるに至っていない。

特許文献２の磁気軸受式タービン・コンプレッサのように、主軸を磁気軸受からなるジャーナル軸受およびスラスト軸受で支承したものでは、ジャーナル軸受にアキシアル方向の規制機能がない。そのため、スラスト軸受の制御の不安定要因等があると、上記翼車とディフューザ間の微小隙間を保って安定した高速回転を行うことが難しい。磁気軸受の場合は、電源停止時における接触の問題もある。

そこで、本発明者等は、上記課題を解決するものとして、図９に示すようなモータ一体型の磁気軸受装置を開発した。このモータ一体型の磁気軸受装置は、主軸５３の両端にコンプレッサ４６のコンプレッサ翼車４６ａおよび膨張タービン４７のタービン翼車４７ａを取付けた空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットにおいて、主軸５３のラジアル負荷を転がり軸受５５，５６で、アキシアル負荷を電磁石５７でそれぞれ支持すると共に、主軸５３に同軸に設けたモータ６８による駆動力とタービン翼車４７ａの駆動力とでコンプレッサ翼車４６ａを回転駆動するようにしたものである。アキシアル負荷を支持する電磁石５７は、主軸５３に垂直かつ同軸に設けられたスラスト板５３ａに非接触で対向するように配置され、アキシアル方向の力を検出するセンサ５８の出力に応じて磁気軸受用コントローラ５９で制御される。モータ６８はアキシアルギャップ型のものであって、主軸５３に垂直かつ同軸に設けた別のスラスト板５３ｂにモータロータ６８ａを形成すると共に、このモータロータ６８ａと軸方向に対向するようにモータステータ６８ｂを配置して構成される。このモータ６８は、電磁石５７とは独立にモータ用コントローラ６９で制御される。この場合、モータ用コントローラ６９は、図１０にタイミングチャートで示すように、モータロータ６８ａの永久磁石６８ａａがモータステータ６８ｂにおけるモータコイル６８ｂａに差しかかるタイミングで、モータコイル６８ｂａへ電圧を印加することにより、モータ効率を上げるように制御する。

上記構成のモータ一体型の磁気軸受装置によると、主軸５３にかかるスラスト力を電磁石５７で支持するため、非接触でトルクの増大を抑えながら、転がり軸受５５，５６に作用するスラスト力を軽減することができる。その結果、各翼車４６ａ，４７ａとハウジング４６ｂ，４７ｂとの微小隙間を一定に保つことができ、スラスト荷重の負荷に対する転がり軸受５５，５６の長期耐久性を向上させることができる。

しかし、上記構成のモータ一体型の磁気軸受装置において、図１０のように、モータロータ６８ａの永久磁石６８ａａの磁極切替り位置がモータステータ６８ｂにおけるモータコイル６８ｂａの中心に差しかかるタイミングで、モータコイル６８ｂａへの電圧印加を開始するのでは、モータコイルのインダクタンスにより印加電圧に対し電流の立ち上がりに遅れが生じ、最大トルク発生点である永久磁石の磁極切替り位置がモータコイル中心となる位置でモータコイルの電流値が最大とならず、必ずしも最適なモータ効率が得られないという問題がある。

この発明の目的は、スラスト荷重の負荷に対する転がり軸受の長期耐久性を向上させることができ、かつモータ効率を向上させることができるモータ一体型の磁気軸受装置を提供することである。

この発明のモータ一体型の磁気軸受装置は、転がり軸受と磁気軸受を併用し、転がり軸受がラジアル負荷を支持し、磁気軸受がアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を支持し、前記磁気軸受を構成する電磁石は主軸に設けられた強磁性体からなるフランジ状のスラスト板に非接触で対向するように、スピンドルハウジングに取付けられており、アキシアルギャップモータのモータロータが、前記スラスト板とこのスラスト板に周方向に等ピッチで設けられた複数個の永久磁石とで構成され、前記モータロータと対向してモータコイルを有するモータステータが前記スピンドルハウジングに設置され、前記モータロータと前記モータステータ間の角度位相を検出するセンサと、設定回転数に応じ、前記センサの出力によってモータコイルへの電圧印加のタイミングを決定して、前記モータロータの磁石がモータコイルを通過する毎にモータコイルへ電圧を印加するモータ駆動電流位相調整手段とを有し、前記モータ駆動電流位相調整手段は、モータロータが前記設定回転数で回転する状態で、モータロータの永久磁石の磁極切替り位置がモータステータの発生する磁束の中心を通過するときにモータコイルの電流値が最大となるように前記電流印加の開始のタイミングを決定するものとしている。前記設定回転数は、例えば定格回転数とされる。
この構成によると、転がり軸受と磁気軸受を併用し、転がり軸受がラジアル負荷を支持し、磁気軸受がアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を支持するものであるため、アキシアル方向の精度の良い支持が行え、また転がり軸受の長期耐久性が確保でき、磁気軸受のみの支持の場合における電源停止時の損傷も回避される。
また、モータロータの永久磁石の磁極切替り位置がモータステータの発生する磁束の中心を通過するときに、モータコイルの電流値が最大となるように、モータ駆動電流位相調整手段がモータコイルへの電圧印加の開始タイミングを決定するようにしているので、モータの効率を向上させることができる。

この発明において、モータ駆動電流位相調整手段は、複数の設定回転数に切り換え可能とされ、切り換えられた各設定回転数毎に、モータロータの永久磁石の磁極切替り位置がモータステータの発生する磁束の中心を通過するときにモータコイルの電流値が最大となるように前記電流印加の開始のタイミングを決定可能なものとしても良い。この構成の場合、例えば複数の定格回転数において、モータ効率を向上させることができる。

この発明において、前記センサは、前記モータロータの前記永久磁石の通過を検出するものであり、前記モータ駆動電流位相調整手段は、前記センサが前記永久磁石の通過を検出してからセンサ信号を出力するまで時間を設定した出力早出し時間設定手段を有し、上記センサ信号に応答して電流印加を開始させるものとしても良い。この構成の場合、電子回路やその回路素子等で構成される出力早出し時間設定手段で時間を設定するため、センサ信号を出力するまで時間の変更が容易であり、複数の設定回転数に応じて、それぞれセンサ信号を出力するまで時間を設定し、モータ効率を向上させることが容易に行える。

この発明において、前記センサは、前記モータロータの前記永久磁石の通過を検出するものであり、前記モータ駆動電流位相調整手段は、前記センサの出力するセンサ信号に応答して電流印加を開始させるものとし、前記センサの取付位置を、回転により、モータロータの永久磁石の磁極切替り位置がモータステータの発生する磁束の中心を通過する位置に達するよりも手前で前記永久磁石を検出する位置としても良い。この構成の場合、センサの取付位置の調整だけで、モータ効率の向上に対応でき、構成が簡単である。

この発明のモータ一体型の磁気軸受装置は、コンプレッサ側翼車およびタービン側翼車が、前記主軸に取付けられ、モータ動力とタービン側翼車で発生した動力のどちらか一方または両方により、コンプレッサ側翼車を駆動させる、圧縮膨張テービンシステムに適用されたものであっても良い。

この発明のモータ一体型の磁気軸受装置は、転がり軸受と磁気軸受を併用し、転がり軸受がラジアル負荷を支持し、磁気軸受がアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を支持し、前記磁気軸受を構成する電磁石は主軸に設けられた強磁性体からなるフランジ状のスラスト板に非接触で対向するように、スピンドルハウジングに取付けられており、アキシアルギャップモータのモータロータが、前記スラスト板とこのスラスト板に周方向に等ピッチで設けられた複数個の永久磁石とで構成され、前記モータロータと対向してモータコイルを有するモータステータが前記スピンドルハウジングに設置され、前記モータロータと前記モータステータ間の角度位相を検出するセンサと、設定回転数に応じ、前記センサの出力によってモータコイルへの電圧印加のタイミングを決定して、前記モータロータの磁石がモータコイルを通過する毎にモータコイルへ電圧を印加するモータ駆動電流位相調整手段とを有し、前記モータ駆動電流位相調整手段は、モータロータが前記設定回転数で回転する状態で、モータロータの永久磁石の磁極切替り位置がモータステータの発生する磁束の中心を通過するときにモータコイルの電流値が最大となるように前記電流印加の開始のタイミングを決定するものとしたため、スラスト荷重の負荷に対する転がり軸受の長期耐久性を向上させることができ、かつモータ効率を向上させることができる。

この発明の一実施形態を図１ないし図６と共に説明する。図１は、この実施形態のモータ一体型の磁気軸受装置を組み込んだタービンユニット５の断面図を示す。このタービンユニット５は圧縮膨張タービンシステムを構成するものであり、コンプレッサ６および膨張タービン７を有し、コンプレッサ６のコンプレッサ翼車６ａおよび膨張タービン７のタービン翼車７ａが主軸１３の両端にそれぞれ嵌合している。主軸１３の材料には、磁気特性の良好な低炭素鋼が使用される。

図１において、コンプレッサ６は、コンプレッサ翼車６ａと微小の隙間ｄ１を介して対向するコンプレッサハウジング６ｂを有し、中心部の吸込口６ｃから軸方向に吸入した空気を、コンプレッサ翼車６ａで圧縮し、外周部の出口（図示せず）から矢印６ｄで示すように排出する。
膨張タービン７は、タービン翼車７ａと微小の隙間ｄ２を介して対向するタービンハウジング７ｂを有し、外周部から矢印７ｃで示すように吸い込んだ空気を、タービン翼車７ａで断熱膨張させ、中心部の排出口７ｄから軸方向に排出する。

このタービンユニット５におけるモータ一体型の磁気軸受装置は、主軸１３をラジアル方向に対し複数の軸受１５，１６で支持し、主軸１３にかかるアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を磁気軸受である電磁石１７により支持すると共に、主軸１３を回転駆動するアキシアルギャップ型のモータ２８を設けたものである。このタービンユニット５は、主軸１３に作用するスラスト力を検出するセンサ１８と、このセンサ１８の出力に応じて前記電磁石１７による支持力を制御する磁気軸受用コントローラ１９と、電磁石１７とは独立に前記モータ２８を制御するモータ用コントローラ２９とを有している。
電磁石１７は、主軸１３の軸方向中間部において軸方向に並ぶように主軸１３に垂直かつ同軸に設けられた強磁性体からなるフランジ状の２つのスラスト板１３ａ，１３ｂの各片面に非接触で対向するように、一対のものがスピンドルハウジング１４に設置されている。具体的には、磁気軸受ユニットを構成する一方の電磁石１７は、膨張タービン７寄りに位置するスラスト板１３ａの膨張タービン７側に向く片面を電磁石ターゲットとして、この片面に非接触で対向するようにスピンドルハウジング１４に設置される。また、磁気軸受ユニットを構成する他方の電磁石１７は、コンプレッサ６寄りに位置するスラスト板１３ｂのコンプレッサ６側に向く片面を電磁石ターゲットして、この片面に非接触で対向するようにスピンドルハウジング１４に設置される。

モータ２８は、前記電磁石１７と並んで主軸１３に設けられたモータロータ２８ａと、このモータロータ２８ａに対し軸方向に対向するモータステータ２８ｂとでなるモータユニットである。具体的には、モータユニットの一部品を構成するモータロータ２８ａは、主軸１３における前記各スラスト板１３ａ，１３ｂの電磁石１７が対向する側とは反対側の各片面に、円周方向に等ピッチで並ぶ永久磁石２８ａａを配置することで左右一対のものが構成される。このように軸方向に対向配置される永久磁石２８ａａの間では、その磁極が互いに異極となるように設定される。主軸１３には磁気特性の良好な低炭素鋼を使用しているので、主軸１３と一体構造となるように設けられる前記各スラスト板１３ａ，１３ｂを、永久磁石２８ａａのバックヨークおよび電磁石ターゲットに兼用できる。
モータユニットの他の部品であるモータステータ２８ｂは、前記左右一対のモータロータ２８ａに挟まれる軸方向中央の位置において、これら両モータロータ２８ａの各面に非接触で対向するようにコアの無い状態で配置したモータコイル２８ｂａを、スピンドルハウジング１４に設置して構成される。このモータ２８は、前記モータロータ２８ａとモータステータ２８ｂ間に作用するローレンツ力により、主軸１３を回転させる。このように、このアキシアルギャップ型のモータ２８はコアレスモータとされていることから、モータロータ２８ａとモータステータ２８ｂ間の磁気カップリングによる負の剛性はゼロとなっている。

主軸１３を支持する軸受１５，１６は転がり軸受であって、アキシアル方向位置の規制機能を有するものであり、例えば深溝玉軸受やアンギュラ玉軸受が用いられる。深溝玉軸受の場合、両方向のスラスト支持機能を有し、内外輪のアキシアル方向位置を中立位置に戻す作用を持つ。これら２個の軸受１５，１６は、それぞれスピンドルハウジング１４におけるコンプレッサ翼車６ａおよびタービン翼車７ａの近傍に配置されている。

主軸１３は、中間部の大径部１３ｃと、両端部の小径部１３ｄとを有する段付き軸とされている。両側の軸受１５，１６は、その内輪１５ａ，１６ａが小径部１３ｄに圧入状態に嵌合し、片方の幅面が大径部１３ｃと小径部１３ｄ間の段差面に係合する。
スピンドルハウジング１４における両側の軸受１５，１６よりも各翼車６ａ，７ａ側の部分は、内径面が主軸１３に近接する径に形成され、この内径面に非接触シール２１，２２が形成されている。この実施形態では、非接触シール２１，２２は、スピドルハウジング１４の内径面に複数の円周溝を軸方向に並べて形成したラビリンスシールとしているが、その他の非接触シール手段でも良い。

前記センサ１８は、タービン翼車７ａ側の軸受１６の近傍における静止側、つまりスピンドルハウジング１４側に設けられている。このセンサ１８を近傍に設けた軸受１６は、その外輪１６ｂが軸受ハウジング２３内に固定状態に嵌合している。軸受ハウジング２３は、リング状に形成されて一端に軸受１６の外輪１６ｂの幅面に係合する内鍔２３ａを有しており、スピンドルハウジング１４に設けられた内径面２４にアキシアル方向に移動自在に嵌合している。内鍔２３ａは、アキシアル方向の中央側端に設けられている。

センサ１８は主軸１３の回りの円周方向複数箇所（例えば２箇所）に分配配置され、軸受ハウジング２３の内鍔２３ａ側の幅面と、スピンドルハウジング１４に固定された部材である片方の電磁石１７との間に介在させてある。また、センサ１８は、センサ予圧ばね２５により予圧が印加されている。センサ予圧ばね２５は、スピンドルハウジング１４に設けられた収容凹部内に収容されて軸受１６の外輪１６ｂをアキシアル方向に付勢するものとされ、外輪１６ｂおよび軸受ハウジング２３を介してセンサ１８を予圧する。センサ予圧ばね２５は、例えば主軸１３の回りの円周方向複数箇所に設けられたコイルばね等からなる。

センサ予圧ばね２５による予圧は、押し付け力によってスラスト力を検出するセンサ１８が、主軸１３のアキシアル方向のいずれの向きの移動に対しても検出できるようにするためであり、タービンユニット５の通常の運転状態で主軸１３に作用する平均的なスラスト力以上の大きさとされる。

センサ１８の非配置側の軸受１５は、スピンドルハウジング１４に対してアキシアル方向に移動自在に設置され、かつ軸受予圧ばね２６によって弾性支持されている。この例では軸受１５の外輪１５ｂが、スピンドルハウジング１４の内径面にアキシアル方向移動自在に嵌合していて、軸受予圧ばね２６は、外輪１５ｂとスピンドルハウジング１４との間に介在している。軸受予圧ばね２６は、内輪１５ａの幅面が係合した主軸１３の段面に対向して外輪１５ｂを付勢するものとされ、軸受１５に予圧を与えている。軸受予圧ばね２６は、主軸１３回りの円周方向複数箇所に設けられたコイルばね等からなり、それぞれスピンドルハウジング１４に設けられた収容凹部内に収容されている。軸受予圧ばね２６は、センサ予圧ばね２５よりもばね定数が小さいものとされる。

上記タービンユニット５におけるモータ一体型の磁気軸受装置の力学モデルは簡単なバネ系で構成することができる。すなわち、このバネ系は、軸受１５，１６とこれら軸受の支持系（センサ予圧ばね２５、軸受予圧ばね２６、軸受ハウジング２３など）とで形成される合成バネと、モータ部（電磁石１７とモータ２８）で形成される合成バネとが並列となった構成である。このバネ系において、軸受１５，１６とこれら軸受の支持系とで形成される合成バネは、変位した方向と逆の方向に変位量に比例して作用する剛性となるのに対し、電磁石１７とモータ２８とで形成される合成バネは、変位した方向に変位量に比例して作用する負の剛性となる。
このため、上記した両合成バネの剛性の大小関係を、
軸受等による合成バネの剛性値＜電磁石・モータによる合成バネの負の剛性値…（１）とした場合、機械システムの位相は１８０°遅れとなり不安定な系となることから、電磁石１７を制御する磁気軸受用コントローラ１９において、予め位相補償回路を付加する必要が生じ、コントローラ１９の構成が複雑なものになる。

そこで、この実施形態のモータ一体型の磁気軸受装置では、上記した両合成バネの剛性の大小関係を、
軸受等による合成バネの剛性値＞電磁石・モータによる合成バネの負の剛性値…（２）としている。とくに、このモータ一体型の磁気軸受装置では、上記したようにアキシアルギャップ型のモータ２８をコアレスモータとしているので、モータ２８に作用する負の剛性値をゼロとすることができ、モータ２８が高負荷動作し過大なアキシアル荷重が作用した状態においても上記（２）式の大小関係を保つことができる。
その結果、制御帯域において、機械システムの位相が１８０°遅れとなることを防止できるので、モータ２８が高負荷動作し過大なアキシアル荷重が作用した状態でも磁気軸受用コントローラ１９の制御対象を安定なものとでき、コントローラ１９の回路構成を図２のように比例もしくは比例積分を用いた簡単なものに構成できる。

ブロック図で示す図２の磁気軸受用コントローラ１９では、各センサ１８の検出出力Ｐ１，Ｐ２をセンサ出力演算回路３０で加減算し、その演算結果を比較器３１で基準値設定手段３２の基準値と比較して偏差を演算し、さらに演算した偏差をＰＩ補償回路（もしくはＰ補償回路）３３によりタービンユニット５に応じて適宜設定される比例積分（もしくは比例）処理を行うことで、電磁石１７の制御信号を演算するようにしている。ＰＩ補償回路（もしくはＰ補償回路）３３の出力は、ダイオード３４，３５を介して各方向の電磁石１７1 ，１７2 を駆動するパワー回路３６，３７に入力される。電磁石１７1 ，１７2 は、図１に示したスラスト板１３ａ，１３ｂに対向する一対の電磁石１７であり、吸引力しか作用しないため、予めダイオード３４，３５で電流の向きを決め、２個の電磁石１７1 ，１７2 を選択的に駆動するようにしている。

同じくブロック図で示す図３のモータ用コントローラ２９では、位相調整回路３８で演算されたモータロータ２８ａの回転角を基に位相調整回路３８でモータ駆動電流の位相調整が行われ、その調整結果に応じたタイミングでモータ駆動電流をモータ駆動回路３９からモータステータ２８ｂに供給する。位相調整を行うことにより回転数に変動が生じるため、回転同期指令信号を基に、モータロータ２８ａの回転角をフィードバック信号として、モータ駆動電流の大きさを調整し、定回転制御が行われる。

前記位相調整回路３８によるモータ駆動電流の位相調整の一つとして、具体的には、以下のような制御が行われる。位相調整回路３８は、モータロータ２８ａとモータステータ２８ｂ間の角度位相を検出する図４の位相検出センサ４０の出力によって、モータステータ２８ｂのモータコイル２８ｂａへの電圧印加のタイミングを、モータ２８の定格回転数に応じて決定する。このように決定されたタイミングで、モータ駆動回路３９は、モータロータ２８ａの永久磁石２８ａａがモータステータ２８ｂのモータコイル２８ｂａを通過する毎に、モータコイル２８ｂａへ電圧を印加する。

図４では、前記位相検出センサ４０が、回転方向におけるモータコイル２８ｂａの中心相当位置に取付けられているので、図５（Ａ）のようにモータロータ２８ａの永久磁石２８ａａがモータコイル２８ｂａを通過するとき、位相検出センサ４０の検出信号は、図５（Ｂ）のように通過時間に一致したパルス幅の信号となる。
ところが、この検出信号に基づき、モータコイル２８ｂａへの電圧印加タイミングを決定すると、モータコイル２８ｂａの電流は図５（Ｃ）に示す波形となって、モータロータ２８ａの永久磁石２８ａａの磁極切替り位置がモータステータ２８ｂの発生する磁束の中心（モータコイル２８ｂａの中心）を通過するときにモータコイル２８ｂａの電流値が最大とならない。
そこで、ここでは前記位相調整回路３８が、前記位相検出センサ４０の出力を所定角度だけ進み位相に変換する出力早出し時間設定手段４１を有するものとされ、この出力早出し時間設定手段４１の出力に応答してモータコイル２８ｂａへの電圧印加の開始を行うことにより、モータロータ２８ａの永久磁石２８ａａの磁極切替り位置がモータステータ２８ｂの発生する磁束の中心（モータコイル２８ｂａの中心）を通過するときにモータコイル２８ｂａの電流値が最大となるようにされる。換言すると、出力早出し時間設定手段４１は、位相検出センサ４０が永久磁石２８ａａの通過を検出してから次回の永久磁石２８ａａの通過を検出するまでの経過時間よりも短い所定の遅れ時間後に、位相検出センサ４０の前回の検出信号を出力する。図５（Ｄ）には、前記出力早出し時間設定手段４１によって進み位相に変換された出力信号の波形を示し、図５（Ｅ）にはその出力タイミングでモータコイル２８ｂａへの電圧印加が開始されたときのモータコイル２８ｂａの電流の波形図を示す。前記出力早出し時間設定手段４１により変換される出力信号の進み角度（出力早出し時間）は、測定または計算によって求められ、前記出力早出し時間設定手段４１に予め設定される。なお、その設定値は、モータ２８の各定格回転数に応じたものがそれぞれ用意される。

前記出力早出し時間設定手段４１により進み位相に変換した信号でモータコイル２８ｂａへの電圧印加の開始タイミングを決定する位相調整回路３８の動作は、モータ２８の回転数が変動していないことが前提となるが、この種のモータ一体型の磁気軸受装置を用いるタービンユニット５は一定回転で運転するので何ら問題はない。

モータコイル２８ｂａへの電圧印加の開始タイミングを早めて、モータロータ２８ａの永久磁石２８ａａの中心がモータステータ２８ｂの発生する磁束の中心（モータコイル２８ｂａの中心）を通過するときにモータコイル２８ｂａの電流値が最大となるようにする他の手段として、図４に破線で示すように、位相検出センサ４０の取付位置を、回転により、モータロータ２８ａの永久磁石２８ａａの中心がモータステータ２８ｂの発生する磁束の中心（モータコイル２８ｂａの中心）を通過する位置に達するよりも手前としても良い。この場合には、図３における位相調整回路３８での出力早出し時間設定手段４１は省略される。

この場合、図６（Ａ）のようにモータロータ２８ａの永久磁石２８ａａがモータコイル２８ｂａを通過するとき、位相検出センサ４０の検出信号は、図６（Ｂ）のように永久磁石２８ａａがモータコイル２８ｂａに差しかかる手前から立ち上がる進み位相となり、位相調整回路３８はこの検出信号に基づき、モータコイル２８ｂａへの電圧印加の開始タイミングを決定する。これにより、モータコイル２８ｂａの電流は図６（Ｃ）に示す波形となって、モータロータ２８ａの永久磁石２８ａａの中心がモータステータ２８ｂの発生する磁束の中心（モータコイル２８ｂａの中心）を通過するときにモータコイル２８ｂａの電流値が最大となる。

この構成のタービンユニット５は、例えば空気サイクル冷凍冷却システムに適用されて、冷却媒体となる空気を後段の熱交換器（ここでは図示せず）により効率良く熱交換できるように、コンプレッサ６で圧縮して温度上昇させ、さらに後段の前記熱交換器で冷却された空気を、膨張タービン７により、目標温度、例えば−３０℃〜−６０℃程度の極低温まで断熱膨張により冷却して排出するように使用される。
このような使用例において、このタービンユニット５は、コンプレッサ翼車６ａおよびタービン翼車７ａが、前記スラスト板１３ａとモータロータ２８ａと共通の主軸１３に嵌合し、モータ２８の動力とタービン翼車７ａで発生した動力のどちらか一方または両方によりコンプレッサ翼車６ａを駆動するものとしている。このため、各翼車６ａ，７ａの適切な隙間ｄ１，ｄ２を保って主軸１３の安定した高速回転が得られ、かつ軸受１５，１６の長期耐久性の向上、寿命の向上が得られる。

すなわち、タービンユニット５の圧縮，膨張の効率を確保するためには、各翼車６ａ，７ａとハウジング６ｂ，７ｂとの隙間ｄ１，ｄ２を微小に保つ必要がある。例えば、このタービンユニット５を空気サイクル冷凍冷却システムに適用する場合には、この効率確保が重要となる。これに対して、主軸１３を転がり形式の軸受１５，１６により支持するため、転がり軸受の持つアキシアル方向位置の規制機能により、主軸１３のアキシアル方向位置がある程度規制され、各翼車６ａ，７ａとハウジング６ｂ，７ｂとの微小隙間ｄ１，ｄ２を一定に保つことができる。

しかし、タービンユニット５の主軸１３には、各翼車６ａ，７ａに作用する空気の圧力でスラスト力がかかる。また、空気冷却システムで使用するタービンユニット５では、１分間に例えば８万〜１０万回転程度の非常に高速の回転となる。そのため、主軸１３を回転支持する転がり軸受１５，１６に上記スラスト力が作用すると、軸受１５，１６の長期耐久性が低下する。
この実施形態は、上記スラスト力を電磁石１７で支持するため、非接触でトルクの増大を抑えながら、主軸１３の支持用の転がり軸受１５，１６に作用するスラスト力を軽減することができる。この場合に、主軸１３に作用するスラスト力を検出するセンサ１８と、このセンサ１８の出力に応じて前記電磁石１７による支持力を制御する磁気軸受用コントローラ１９とを設けたため、転がり軸受１５，１６を、その軸受仕様に応じてスラスト力に対し最適な状態で使用することができる。
特に、軸方向に並べて主軸１３に設けられた２つのスラスト板１３ａ，１３ｂの軸方向外側に２つの電磁石１７を配置して磁気軸受ユニットを構成すると共に、前記両スラスト板１３ａ，１３ｂで挟まれる位置にアキシアルギャップ型のモータ２８を配置してモータユニットを構成することにより、磁気軸受ユニットとモータユニットをコンパクトな一体構造としているため、主軸５３の軸長を短くでき、それだけ主軸１３の固有振動数が高くなって、主軸１３を高速回転させることができる。

また、このモータ一体型の磁気軸受装置では、モータ用コントローラ２９において、モータロータ２８ａの永久磁石２８ａａの中心がモータステータ２８ｂの発生する磁束の中心（モータコイル２８ｂａの中心）を通過するときに、モータコイル２８ｂａの電流値が最大となるように、位相調整回路３８がモータコイル２８ｂａへの電圧印加の開始タイミングを決定するようにしているので、モータ２８の効率を向上させることができる。

図７はタービンユニット５の他の実施形態を示す。このタービンユニット５は、図１に示す実施形態において、主軸１３に垂直かつ同軸に設けられた強磁性体からなるフランジ状のスラスト板を１つだけとして、このスラスト板１３ａを電磁石ターゲットとして、その両面に非接触で対向するように、左右一対の電磁石１７，１７がスピンドルハウジング１４に設置されている。

モータ２８は、主軸１３に設けられたモータロータ２８ａと、このモータロータ２８ａに対し軸方向に対向するモータステータ２８ｂとでなる。モータロータ２８ａは、前記スラスト板１３ａの両面における前記電磁石１７の対向位置よりも外径側に、円周方向に等ピッチで並ぶ永久磁石２８ａａを配置することで左右一対のものが構成される。このように軸方向に対向配置される永久磁石２８ａａの間では、その磁極が互いに異極となるように設定される。スラスト板１３ａは永久磁石２８ａａのバックヨークを兼ねる。
モータステータ２８ｂは、前記スラスト板１３ａの両面のモータロータ２８ａに非接触で対向するように、スピンドルハウジング１４に設置される強磁性体（例えば低炭素鋼およびケイ素鋼板）からなる一対のステータヨーク２８ｂｂに、それぞれモータコイルｂａを巻回することで左右一対のものが構成される。このようにして前記スラスト板１３ａを挟んで構成される左右２個のモータ２８は、前記モータロータ２８ａとモータステータ２８ｂ間に作用する磁気力により、主軸１３を回転させる。この場合、スラスト板１３ａにおけるモータロータ２８ｂの位置を、電磁石１７の対向位置よりも外径側としているので、少ないモータ駆動電流でより大きいトルクを得ることができる。その他の構成は図１の実施形態の場合と同様であり、ここではその説明を省略する。

図８は、図１に示すタービンユニット５を用いた空気サイクル冷凍冷却システムの全体の構成を示す。この空気サイクル冷凍冷却システムは、冷凍倉庫等の被冷却空間１０の空気を直接に冷媒として冷却するシステムであり、被冷却空間１０にそれぞれ開口した空気の取入口１ａから排出口１ｂに至る空気循環経路１を有している。この空気循環経路１に、予圧縮手段２、第１の熱交換器３、空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット５のコンプレッサ６、第２の熱交換器３、中間熱交換器９、および前記タービンユニット５の膨張タービン７が順に設けられている。中間熱交換器９は、同じ空気循環経路１内で取入口１ａの付近の流入空気と、後段の圧縮で昇温し、冷却された空気との間で熱交換を行うものであり、取入口１ａの付近の空気は熱交換器９ａ内を通る。

予圧縮手段２はブロア等からなり、モータ２ａにより駆動される。第１の熱交換器３および第２の熱交換器８は、冷却媒体を循環させる熱交換器３ａ，８ａをそれぞれ有し、熱交換器３ａ，８ａ内の水等の冷却媒体と空気循環経路１の空気との間で熱交換を行う。各熱交換器３ａ，８ａは、冷却塔１１に配管接続されており、熱交換で昇温した冷却媒体が冷却塔１１で冷却される。なお、前記予圧縮手段２を含まない構成の空気サイクル冷凍冷却システムでもよい。

この空気サイクル冷凍冷却システムは、被冷却空間１０を０℃〜−６０℃程度に保つシステムであり、被冷却空間１０から空気循環経路１の取入口１ａに０℃〜−６０℃程度で１気圧の空気が流入する。なお、以下に示す温度および気圧の数値は、一応の目安となる一例である。取入口１ａに流入した空気は、中間熱交換器９により、空気循環経路１中の後段の空気の冷却に使用され、３０℃まで昇温する。この昇温した空気は１気圧のままであるが、予圧縮手段２により１．４気圧に圧縮させられ、その圧縮により、７０℃まで昇温する。第１の熱交換器３は、昇温した７０℃の空気を冷却すれば良いため、常温程度の冷水であっても効率良く冷却することができ、４０℃に冷却する。

熱交換により冷却された４０℃，１．４気圧の空気が、タービンユニット５のコンプレッサ６により、１．８気圧まで圧縮され、この圧縮により７０℃程度に昇温した状態で、第２の熱交換器８により４０℃に冷却される。この４０℃の空気は、中間熱交換器９で−３０℃の空気により−２０℃まで冷却される。気圧はコンプレッサ６から排出された１．８気圧が維持される。
中間熱交換器９で−２０℃まで冷却された空気は、タービンユニット５の膨張タービン７により断熱膨張され、−５５℃まで冷却されて排出口１ｂから被冷却空間１０に排出される。この空気サイクル冷凍冷却システムは、このような冷凍サイクルを行う。

この空気サイクル冷凍冷却システムでは、タービンユニット５において、各翼車６ａ，７ａの適切な隙間ｄ１，ｄ２を保って主軸１３の安定した高速回転が得られ、かつ軸受１５，１６の長期耐久性の向上、寿命の向上が得られることで、軸受１５，１６の長期耐久性が向上することから、タービンユニット５の全体として、しいては空気サイクル冷凍冷却システムの全体としての信頼性が向上する。このように、空気サイクル冷凍冷却システムのネックとなっているタービンユニット５の主軸軸受１５，１６の安定した高速回転、長期耐久性、信頼性が向上するため、空気サイクル冷凍冷却システムの実用化が可能となる。

この発明の一実施形態にかかるモータ一体型の磁気軸受装置が組み込まれたタービンユニットの断面図である。 モータ一体型の磁気軸受装置に用いられる磁気軸受用コントローラの一例を示すブロック図である。 モータ一体型の磁気軸受装置に用いられるモータ用コントローラの一例を示すブロック図である。 モータ一体型の磁気軸受装置における位相検出センサの取付位置の説明図である。 モータ用コントローラにおける位相調整回路の一例の機能による位相検出センサの検出信号とモータコイルの電流との関係を示すタイミングチャートである。 モータ用コントローラにおける位相調整回路の他の例の機能による位相検出センサの検出信号とモータコイルの電流との関係を示すタイミングチャートである。 この発明の他の実施形態にかかるモータ一体型の磁気軸受装置が組み込まれたタービンユニットの断面図である。 図１のタービンユニットを適用した空気サイクル冷凍冷却システムの系統図である。 提案例の断面図である。 同提案例でのモータ用コントローラの制御による位相検出センサの検出信号とモータコイルの電流との関係を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１３…主軸
１３ａ，１３ｂ…スラスト板
１４…スピンドルハウジング
１５，１６…転がり軸受
１７…電磁石
２８…アキシアルギャップモータ
２８ａ…モータロータ
２８ａａ…永久磁石
２８ｂ…モータステータ
２８ｂａ…モータコイル
３８…位相調整回路
４０…位相検出センサ
４１…出力早出し時間設定手段

Claims (5)

1. 転がり軸受と磁気軸受を併用し、転がり軸受がラジアル負荷を支持し、磁気軸受がアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を支持し、
   前記磁気軸受を構成する電磁石は主軸に設けられた強磁性体からなるフランジ状のスラスト板に非接触で対向するように、スピンドルハウジングに取付けられており、
   アキシアルギャップモータのモータロータが、前記スラスト板とこのスラスト板に周方向に等ピッチで設けられた複数個の永久磁石とで構成され、前記モータロータと対向してモータコイルを有するモータステータが前記スピンドルハウジングに設置され、
   前記モータロータと前記モータステータ間の角度位相を検出するセンサと、設定回転数に応じ、前記センサの出力によってモータコイルへの電圧印加のタイミングを決定して、前記モータロータの磁石がモータコイルを通過する毎にモータコイルへ電圧を印加するモータ駆動電流位相調整手段とを有し、
   前記モータ駆動電流位相調整手段は、モータロータが前記設定回転数で回転する状態で、モータロータの永久磁石の磁極切替り位置がモータステータの発生する磁束の中心を通過するときにモータコイルの電流値が最大となるように前記電圧印加の開始のタイミングを決定するものとしたモータ一体型の磁気軸受装置。
2. 請求項１において、モータ駆動電流位相調整手段は、複数の設定回転数に切り換え可能とされ、切り換えられた各設定回転数毎に、モータロータの永久磁石の磁極切替り位置がモータステータの発生する磁束の中心を通過するときにモータコイルの電流値が最大となるように前記電流印加の開始のタイミングを決定可能なものとしたモータ一体型の磁気軸受装置。
3. 請求項１または請求項２において、前記センサは、前記モータロータの前記永久磁石の通過を検出するものであり、前記モータ駆動電流位相調整手段は、前記センサが前記永久磁石の通過を検出してからセンサ信号を出力するまでの時間を設定した出力早出し時間設定手段を有し、上記センサ信号に応答して電流印加を開始させるものとしたモータ一体型の磁気軸受装置。
4. 請求項１または請求項２において、前記センサは、前記モータロータの前記永久磁石の通過を検出するものであり、前記モータ駆動電流位相調整手段は、前記センサの出力するセンサ信号に応答して電流印加を開始させるものとし、前記センサの取付位置を、回転により、モータロータの永久磁石の磁極切替り位置がモータステータの発生する磁束の中心を通過する位置に達するよりも手前で前記永久磁石を検出する位置としたモータ一体型の磁気軸受装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、コンプレッサ側翼車およびタービン側翼車が、前記主軸に取付けられ、モータ動力とタービン側翼車で発生した動力のどちらか一方または両方により、コンプレッサ側翼車を駆動させる、圧縮膨張テービンシステムに適用されたものであるモータ一体型の磁気軸受装置。

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