JP2008185110A - Magnetic bearing device - Google Patents
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Abstract
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磁気軸受装置に関する。 The present invention relates to a magnetic bearing device used in an air cycle refrigeration cooling turbine unit or the like, and in particular, a rolling bearing and a magnetic bearing are used together so that the magnetic bearing supports one or both of an axial load and a bearing preload. The present invention relates to a magnetic bearing device.
冷凍冷却システムの冷媒として空気を用いることは、フロンやアンモニアガス等を用いる場合に比べて、環境保護や安全性の面では好ましいが、エネルギー効率としての特性面では不足する。しかし、冷凍倉庫等のように、冷媒となる空気を直接に吹き込むことができる施設で用いる場合、庫内ファンやデフロストを省略する等の工夫を講じることにより、トータルコストを既存システム並みに引下げられる可能性がある。現在では既に、環境面から冷媒としてフロンを用いることが規制され、また他の冷媒用ガスを用いることも、できるだけ避けることが望まれる。そのため、上記のような用途で、空気を冷媒として用いる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,非特許文献1)。 The use of air as the refrigerant in the refrigeration cooling system is preferable in terms of environmental protection and safety compared to the case of using chlorofluorocarbon or ammonia gas, but is insufficient in terms of characteristics as energy efficiency. However, when used in a facility that can directly blow in air as a refrigerant, such as in a freezer warehouse, the total cost can be reduced to the same level as existing systems by taking measures such as omitting the internal fan and defrost. there is a possibility. At present, the use of chlorofluorocarbon as a refrigerant is already restricted from the environmental viewpoint, and it is desired to avoid using other refrigerant gas as much as possible. Therefore, an air cycle refrigeration cooling system that uses air as a refrigerant has been proposed for the above-described applications (for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 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述べられている(非特許文献1)。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、非特許文献1)。
Further, it is stated that the theoretical efficiency of air cooling is equal to or higher than that of chlorofluorocarbon or ammonia gas in a deep coal region of −30 ° C. to −60 ° C. (Non-patent Document 1). However, it is also stated that obtaining the theoretical efficiency of the air cooling is not possible until there is an optimally designed peripheral device. The peripheral device is a compressor, an expansion turbine, or the like.
As the compressor and the expansion turbine, a turbine unit in which a compressor impeller and an expansion turbine impeller are attached to a common main shaft is used (Patent Document 1, Non-Patent Document 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持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)。
In addition, although it is a proposal for a gas turbine engine, in order to avoid the thrust load acting on the rolling bearing for supporting the main shaft from shortening the bearing life, the thrust load acting on the rolling bearing should be reduced by the thrust magnetic bearing. Has been proposed (Patent Document 3).
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、膨張タービンで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。
As described above, as the air cycle refrigeration cooling system, in order to obtain the theoretical efficiency of air cooling that is highly efficient in the deep coal region, an optimally designed compressor and expansion turbine are required.
As the compressor and the expansion turbine, a turbine unit in which the compressor wheel and the expansion turbine wheel are attached to a common main shaft as described above is used. This turbine unit improves the efficiency of the air cycle refrigerator by being able to drive the compressor impeller with power generated by the expansion turbine.
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,非特許文献2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。
However, in order to obtain practical efficiency, it is necessary to keep the gap between each impeller and the housing minute. The fluctuation of the gap hinders stable high-speed rotation and causes a decrease in efficiency.
In addition, a thrust force acts on the main shaft by the air acting on the compressor impeller and the turbine impeller, and a thrust load is applied to the bearing that supports the main shaft. The rotation speed of the main shaft of the turbine unit in the air cycle refrigeration cooling system is 80,000 to 100,000 rotations per minute, which is very high compared with a bearing for general use. For this reason, the thrust load as described above causes a decrease in long-term durability and life of the bearing supporting the main shaft, and decreases the reliability of the turbine unit for air cycle refrigeration cooling. Unless such a problem of long-term durability of the bearing is solved, it is difficult to put the air cycle refrigeration cooling turbine unit into practical use. However, the techniques disclosed in Patent Document 1 and
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持したものでは、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。
In the case where the main shaft is supported by a journal bearing and a thrust bearing made of a magnetic bearing, such as the magnetic bearing type turbine compressor of
そこで、この発明の発明者等は、上記課題を解決するものとして、図14に示すような磁気軸受装置を開発した(特願2006−262500号)。この磁気軸受装置は、主軸73の両端にコンプレッサ66のコンプレッサ翼車66aおよび膨張タービン67のタービン翼車67a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73のラジアル負荷を転がり軸受75,76で、アキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方もしくは両方を電磁石77でそれぞれ支持し、タービン翼車67aの駆動力でコンプレッサ翼車66aを回転駆動するようにしたものである。電磁石77は、主軸73に垂直かつ同軸に設けられたスラスト板73a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力検出センサユニット78の出力に応じて磁気軸受用コントローラ79で制御される。
力検出センサユニット78は、図15に拡大して示すように、転がり軸受76の外輪76bの両端面を挟み込んだ一対のリング状のセンサターゲット91,92と、これら各センサターゲット91,92を支持する一対のリング状板ばね93,94と、前記センサターゲット91,92に対するギャップを検出するギャップセンサ95とで構成される。前記板ばね93,94は、主軸径方向の外径側部分でスピンドルハウジング74に取付けられ、板ばね93,94の内径側部分に前記センサターゲット91,92が取付けられる。 スピンドルハウジング74は、前記転がり軸受76の外輪76bを内径面で軸方向に移動自在に支持する軸受ハウジング74bと、この軸受ハウジング74bに結合されたスピンドルハウジング本体74aとでなり、前記一対の板ばね93,94は軸受ハウジング74bに取付けられる。また、前記ギャップセンサ95は、前記軸受ハウジング74bにおける各センサターゲット91,92に対向する各片面において、例えば図16に示すように複数個が周方向の等配位置に配置される。
Accordingly, the inventors of the present invention have developed a magnetic bearing device as shown in FIG. 14 (Japanese Patent Application No. 2006-262500) as a solution to the above-described problems. This magnetic bearing device is a turbine unit for air cycle refrigeration cooling in which a
As shown in an enlarged view in FIG. 15, the force
この力検出センサユニット78は、主軸73に作用するスラスト力に応じて変化するギャップセンサ95とセンサターゲット91,92とのギャップをギャップセンサ95で検出し、その検出値が磁気軸受用コントローラ79でスラスト力に換算される。
The force
上記構成の磁気軸受装置によると、主軸73にかかるスラスト力を電磁石77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75,76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66a,67aとハウジング66b,67b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75,76の長期耐久性を向上させることができる。
According to the magnetic bearing device having the above configuration, since the thrust force applied to the
しかし、上記構成の磁気軸受装置において、力検出センサユニット78では、スピンドルハウジング74における軸受ハウジング74bの両片面に配置したリラクタンス式センサ等からなる複数のギャップセンサ95により、対面するセンサターゲット91,92との間の数μm程度のギャップ変動を検出する構成としているので、ギャップセンサ95の取付け精度が厳しくなり、軸受ハウジング74bの加工も高価になるという問題がある。また、検出感度を向上させるのに、軸受ハウジング74bに高透磁率材を使用すると、さらにコストアップを招くという問題もある。
However, in the magnetic bearing device configured as described above, in the force
さらに、力検出センサユニット78では、そのギャップセンサ95が例えば上記したようにリラクタンス式センサ等からなる場合、電磁石77の直近に配置されると、電磁石77の漏れ磁束によってギャップセンサ95の検出信号にドリフトが生じることになる。そのドリフトの影響は電磁石77からの距離の違いによって異なるため、ドリフトの影響を差動演算でキャンセルすることもできない。そのため、力検出センサユニット78によるギャップ変動の検出精度が低下するという問題がある。
Further, in the force
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、簡単かつ安価な構成で熱膨張のアンバランスの影響や電磁石の漏れ磁束の影響を受けることなく磁気軸受を正確に制御できる磁気軸受装置を提供することである。 An object of the present invention is to improve the long-term durability of a rolling bearing against a thrust load, and with a simple and inexpensive configuration, the magnetic bearing is not affected by the imbalance of thermal expansion or the leakage flux of an electromagnet. It is an object to provide a magnetic bearing device capable of accurately controlling the above.
この発明の磁気軸受装置は、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、電磁石は主軸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、アキシアル方向の力を検出する力検出センサユニットの出力に応じて、電磁石を制御するコントローラを有する磁気軸受装置であって、次の構成としたことを特徴とする。
前記力検出センサユニットは、転がり軸受の外輪の両端面を挟み込んだ一対のリング状のセンサターゲットと、これら各センサターゲットを支持する一対の板ばねと、前記センサターゲットに対するギャップを検出するギャップセンサとから構成され、前記板ばねは主軸径方向の外径側部分でスピンドルハウジングに取付けられかつ内径側部分に前記センサターゲットを取付けてある。
前記電磁石を流れる電流を検出する電流検出手段、または前記電磁石の漏れ磁束量を検出する漏れ磁束検出手段を設け、前記電磁石を制御するコントローラに、前記電流検出手段で検出した電流値または前記漏れ磁束検出手段で検出した漏れ磁束に応じた補正量を演算する補正量演算手段と,この補正量演算手段で演算した補正量を前記力検出センサユニットの出力に加算する加算手段とを設ける。
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の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、この磁気軸受装置では、主軸のアキシアル方向の力を検出する力検出センサユニットの出力に応じて、コントローラで電磁石を制御することとし、前記力検出センサユニットを、転がり軸受の外輪の両端面を挟み込んだ一対のリング状のセンサターゲットと、これら各センサターゲットを支持する一対の板ばねと、前記センサターゲットに対するギャップを検出するギャップセンサとで構成し、前記板ばねは主軸径方向の外径側部分でスピンドルハウジングに取付け、内径側部分に前記センサターゲットを取付けているため、熱膨張のアンバランスの影響を受けることなく磁気軸受を正確に制御することができる。
とくに、電磁石を流れる電流を検出する電流検出手段、または前記電磁石の漏れ磁束量を検出する漏れ磁束検出手段を設け、前記電磁石を制御するコントローラに、前記電流検出手段で検出した電流値または前記漏れ磁束検出手段で検出した漏れ磁束に応じた補正量を演算する補正量演算手段と、この補正量演算手段で演算した補正量を前記力検出センサユニットの出力に加算する加算手段とを設けているので、電磁石の漏れ磁束によってギャップセンサの検出信号にドリフトが生じても、その漏れ磁束の影響をキャンセルして力検出センサユニットの出力精度を向上させることができる。その結果、簡単かつ安価な構成で、熱膨張のアンバランスの影響や電磁石の漏れ磁束の影響を受けることなく磁気軸受を正確に制御できる。
The magnetic bearing device of the present invention uses both a rolling bearing and a magnetic bearing, the rolling bearing supports a radial load, the magnetic bearing supports one or both of an axial load and a bearing preload, and the electromagnet is perpendicular to the main shaft and An electromagnet is attached to the spindle housing so as to face the flange-shaped thrust plate made of a ferromagnetic material provided coaxially in a non-contact manner, and according to the output of a force detection sensor unit that detects a force in the axial direction. A magnetic bearing device having a controller for controlling the motor is characterized by having the following configuration.
The force detection sensor unit includes a pair of ring-shaped sensor targets sandwiching both end surfaces of an outer ring of a rolling bearing, a pair of leaf springs that support each of the sensor targets, and a gap sensor that detects a gap with respect to the sensor target. The leaf spring is attached to the spindle housing at the outer diameter side portion in the main shaft radial direction and the sensor target is attached to the inner diameter side portion.
A current detection means for detecting a current flowing through the electromagnet or a leakage flux detection means for detecting a leakage magnetic flux amount of the electromagnet is provided, and a current value detected by the current detection means or the leakage flux is provided in a controller for controlling the electromagnet. Correction amount calculation means for calculating a correction amount corresponding to the leakage magnetic flux detected by the detection means, and addition means for adding the correction amount calculated by the correction amount calculation means to the output of the force detection sensor unit are provided.
According to this configuration, since the rolling bearing and the magnetic bearing are used in combination, the rolling bearing supports the radial load, and the magnetic bearing supports one or both of the axial load bearing preloads. Good support can be achieved, long-term durability of the rolling bearing can be ensured, and damage when the power supply is stopped when only the magnetic bearing is supported can be avoided.
Further, in this magnetic bearing device, the electromagnet is controlled by a controller in accordance with the output of the force detection sensor unit that detects the axial force of the main shaft, and the force detection sensor unit is connected to both end faces of the outer ring of the rolling bearing. A pair of ring-shaped sensor targets, a pair of leaf springs that support each of the sensor targets, and a gap sensor that detects a gap with respect to the sensor target, the leaf springs having an outer diameter in the main shaft radial direction. Since the side portion is attached to the spindle housing and the sensor target is attached to the inner diameter side portion, the magnetic bearing can be accurately controlled without being affected by thermal expansion imbalance.
In particular, the current detection means for detecting the current flowing through the electromagnet or the leakage flux detection means for detecting the leakage magnetic flux amount of the electromagnet is provided, and the current value detected by the current detection means or the leakage is provided in the controller for controlling the electromagnet. Correction amount calculation means for calculating a correction amount corresponding to the leakage magnetic flux detected by the magnetic flux detection means, and addition means for adding the correction amount calculated by the correction amount calculation means to the output of the force detection sensor unit are provided. Therefore, even if drift occurs in the detection signal of the gap sensor due to the leakage flux of the electromagnet, the influence of the leakage flux can be canceled and the output accuracy of the force detection sensor unit can be improved. As a result, the magnetic bearing can be accurately controlled with a simple and inexpensive configuration without being affected by imbalance of thermal expansion or leakage magnetic flux of the electromagnet.
この発明において、前記ギャップセンサは、スピンドルハウジングにロータ軸心を中心としたリング状の溝を形成しこの溝の中にリング状のコイルを挿入した磁気式のギャップセンサであり、前記リング状コイルの周囲で磁路を形成するヨーク部を前記スピンドルハウジングが兼用するものとしても良い。この構成の場合、磁路の面積を拡大してセンサ感度を向上させることができるので、スピンドルハウジングへのギャップセンサの取付け精度を厳しくしたり、スピンドルハウジングに高透磁率材を使用しないでセンサ感度を向上させることができ、磁気軸受をさらに正確に制御できる。 In the present invention, the gap sensor is a magnetic gap sensor in which a ring-shaped groove centered on a rotor axis is formed in a spindle housing, and a ring-shaped coil is inserted into the groove. The spindle housing may also serve as a yoke portion that forms a magnetic path around the spindle housing. In this configuration, the sensor sensitivity can be improved by enlarging the area of the magnetic path, so the sensor sensitivity can be improved without tightening the accuracy of mounting the gap sensor to the spindle housing or using a high permeability material in the spindle housing. The magnetic bearing can be controlled more accurately.
この発明において、前記主軸にコンプレッサ側翼車およびタービン側翼車が取付けられ、前記タービン翼車で発生した動力により前記コンプレッサ翼車を駆動させる、圧縮膨張タービンシステムに適用されるものとしても良い。
この構成の場合、各翼車の適切な隙間を保って主軸の安定した高速回転が得られ、かつ軸受の長期耐久性、寿命の向上が得られる。
The present invention may be applied to a compression / expansion turbine system in which a compressor side impeller and a turbine side impeller are attached to the main shaft, and the compressor impeller is driven by power generated by the turbine impeller.
In the case of this configuration, a stable high-speed rotation of the main shaft can be obtained while maintaining an appropriate gap between the impellers, and the long-term durability and life of the bearing can be improved.
この発明において、前記主軸に前記スラスト板とモータロータとを設けたモータ一体型の磁気軸受装置とし、かつ前記主軸にコンプレッサ側翼車およびタービン側翼車が取付けられ、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、圧縮膨張タービンシステムに適用されるものとしても良い。
この構成の場合、各翼車の適切な隙間を保って主軸の安定した高速回転が得られ、かつ軸受の長期耐久性、寿命の向上が得られる。また、モータを設けて主軸を駆動するので、コンプレッサよりも前段にブロア等の予圧縮手段を設ける必要がなくなる。
In this invention, a motor-integrated magnetic bearing device in which the main shaft is provided with the thrust plate and a motor rotor, and a compressor-side impeller and a turbine-side impeller are attached to the main shaft, and motor power and power generated by the turbine-side impeller are provided. It is good also as what is applied to the compression expansion turbine system which drives a compressor side impeller by either or both of these.
In the case of this configuration, a stable high-speed rotation of the main shaft can be obtained while maintaining an appropriate gap between the impellers, and the long-term durability and life of the bearing can be improved. Further, since the main shaft is driven by providing a motor, it is not necessary to provide pre-compression means such as a blower before the compressor.
この発明において、前記磁気軸受装置を適用した圧縮膨張タービンシステムが、流入空気に対して、予圧縮手段による圧縮、熱交換器による冷却、前記タービンユニットの膨張タービンによる断熱膨張、を順次行う空気サイクル冷凍冷却システムに適用されるものであっても良い。
この磁気軸受装置を適用した圧縮膨張タービンシステムを、このような空気サイクル冷凍冷却システムに適用した場合、圧縮膨張タービンシステムにおいて、各翼車の適切な隙間を保って主軸の安定した高速回転が得られ、かつ軸受の長期耐久性の向上、寿命の向上が得られることから、圧縮膨張タービンシステムの全体として、しいては空気サククル冷凍冷却システムのネックとなっている圧縮膨張タービンシステムの主軸軸受の安定した高速回転、長期耐久性、信頼性が向上することから、空気サイクル冷凍冷却システムの実用化が可能となる。
In the present invention, the compression / expansion turbine system to which the magnetic bearing device is applied has an air cycle for sequentially performing compression by pre-compression means, cooling by a heat exchanger, and adiabatic expansion by the expansion turbine of the turbine unit for the incoming air. It may be applied to a refrigeration cooling system.
When a compression / expansion turbine system to which this magnetic bearing device is applied is applied to such an air cycle refrigeration / cooling system, a stable high-speed rotation of the main shaft can be obtained while maintaining an appropriate clearance between the impellers in the compression / expansion turbine system. The long-term durability of the bearing and the improvement of the service life of the bearing can be obtained, so that the main shaft bearing of the compression / expansion turbine system, which is the bottleneck of the air cycle refrigeration cooling system as a whole, can be obtained. Since stable high-speed rotation, long-term durability and reliability are improved, the air cycle refrigeration cooling system can be put to practical use.
この発明の磁気軸受装置は、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、電磁石は主軸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、アキシアル方向の力を検出する力検出センサユニットの出力に応じて、電磁石を制御するコントローラを有する磁気軸受装置であって、前記力検出センサユニットは、転がり軸受の外輪の両端面を挟み込んだ一対のリング状のセンサターゲットと、これら各センサターゲットを支持する一対の板ばねと、前記センサターゲットに対するギャップを検出するギャップセンサとから構成され、前記板ばねは主軸径方向の外径側部分でスピンドルハウジングに取付けられかつ内径側部分に前記センサターゲットを取付けてあり、前記電磁石を流れる電流を検出する電流検出手段、または前記電磁石の漏れ磁束量を検出する漏れ磁束検出手段を設け、前記電磁石を制御するコントローラに、前記電流検出手段で検出した電流値または前記漏れ磁束検出手段で検出した漏れ磁束に応じた補正量を演算する補正量演算手段と、この補正量演算手段で演算した補正量を前記力検出センサユニットの出力に加算する加算手段とを設けたため、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、簡単かつ安価な構成で熱膨張のアンバランスの影響や電磁石の漏れ磁束の影響を受けることなく磁気軸受を正確に制御できる。 The magnetic bearing device of the present invention uses both a rolling bearing and a magnetic bearing, the rolling bearing supports a radial load, the magnetic bearing supports one or both of an axial load and a bearing preload, and the electromagnet is perpendicular to the main shaft and An electromagnet is attached to the spindle housing so as to face the flange-shaped thrust plate made of a ferromagnetic material provided coaxially in a non-contact manner, and according to the output of a force detection sensor unit that detects a force in the axial direction. The force detection sensor unit includes a pair of ring-shaped sensor targets sandwiching both end surfaces of the outer ring of the rolling bearing, and a pair of leaf springs that support the sensor targets. And a gap sensor that detects a gap with respect to the sensor target, and the leaf spring has a main shaft diameter. Current sensor means for detecting the current flowing through the electromagnet, or leakage magnetic flux detection for detecting the amount of magnetic flux leaked from the electromagnet. A correction amount calculating means for calculating a correction amount according to the current value detected by the current detection means or the leakage magnetic flux detected by the leakage magnetic flux detection means, and a controller for controlling the electromagnet; Since the addition means for adding the correction amount calculated by the means to the output of the force detection sensor unit is provided, the long-term durability of the rolling bearing against the load of the thrust load can be improved, and the thermal expansion can be achieved with a simple and inexpensive configuration. The magnetic bearing can be accurately controlled without being affected by the unbalance of the magnet or the magnetic flux leakage of the electromagnet.
この発明の一実施形態を図1ないし図5と共に説明する。図1は、この実施形態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の両端にそれぞれ取付けられている。また、タービン翼車7aで発生した動力によりコンプレッサ翼車6aが駆動されるものであり、別の駆動源は設けられていない。
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows a cross-sectional view of a
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。
In FIG. 1, the
The
このタービンユニット5における磁気軸受装置は、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により支持するものとされる。このタービンユニット5は、コンプレッサ6および膨張タービン7内の空気により主軸13に作用するスラスト力を検出する力検出センサユニット18と、この力検出センサユニット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とを有している。
電磁石17は、主軸13の軸方向中央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13aの両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。
In the magnetic bearing device in the
A pair of
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。
The
主軸13は、中央部の大径部13bと、両端部の小径部13c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13cに圧入状態に嵌合し、片方の幅面が大径部13bと小径部13c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。非接触シール21,22は、スピンドルハウジング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されている。
The
The portions of the
前記力検出センサユニット18は、タービン翼車7a側の転がり軸受16における静止側に設けられている。この力検出センサユニット18は、図2に詳細な構造を示すように、転がり軸受16の外輪16bの両端面を挟み込んだ一対のリング状のセンサターゲット31,32と、これら各センサターゲット31,32を支持する一対のリング状の板ばね33,34と、センサターゲット31,32における軸受対面側の各片面に対向するようにスピンドハウジング14における軸受ハウジング14bに設けられたギャップセンサ35とからなる。スピンドルハウジグ14は、転がり軸受16の周囲に位置して転がり軸受16の外輪16bを支持する前記軸受ハウジング14bと、この軸受ハウジング14bに結合されたスピンドルハウジング本体14aとでなる。ギャップセンサ35は、センサターゲット31,32に対するギャップを検出するセンサである。転がり軸受16の外輪16bは、軸受ハウジング14bの内径面に軸方向に移動自在に支持される。
前記一対の板ばね33,34は、主軸13の径方向の外径側部分でスピンドルハウジング14(軸受ハウジング14b)に取付けられ、これら板ばね33,34の内径側部分に前記各センサターゲット31,32が取付けられている。これにより、各センサターゲット31,32には、転がり軸受16の外輪16bに対して、軸方向へのある程度の移動ストロークが与えられる。そこで、主軸13に作用するスラスト力で転がり軸受16の外輪16bが軸方向に変位すると、軸受ハウジング14bの各片面と、これら片面に対面するセンサターゲット31,32の各片面との間のギャップが変動する。なお、一対の板ばね33,34が、転がり軸受16を軸方向に挟み込むように配置されることで、耐モーメント外乱特性の向上が図られる。
The force
The pair of
このように構成された力検出センサユニット18では、主軸13に作用するスラスト力に応じて変化するギャップセンサ35とセンサターゲット31,32とのギャップを、ギャップセンサ35で検出し、その検出値を磁気軸受用コントローラ19でスラスト力に換算する。この場合、一方向のスラスト力に対して、転がり軸受16を挟んで軸方向の左右で検出される各ギャップは、増減関係が互いに逆となるので、磁気軸受用コントローラ19では、左右のギャップセンサ35,35の各出力を差動演算してスラスト力に換算する。このように、差動演算することにより、検出結果に生じるギャップセンサ35,35の温度ドリフトの影響が低減される。
In the force
前記ギャップセンサ35は磁気式のギャップセンサであり、前記軸受ハウジング14bにおける各センサターゲット31,32に対向する各片面に、主軸13の軸心Oを中心としてリング状の溝14baを形成し、この溝14baの中にリング状のコイル36を挿入して構成される。この場合、軸受ハウジング14bは、ギャップセンサ35におけるコイル36の周囲で磁路を形成するヨーク部を兼ねる。このように構成して磁路の面積を拡大することにより、センサ感度を向上させることができる。その結果、軸受ハウジング14bへのギャップセンサ35の取付け精度を厳しくしたり、軸受ハウジング14bに高透磁率材を使用しないでセンサ感度を向上させることができ、簡単かつ安価な構成で熱膨張のアンバランスの影響を受けることなく磁気軸受を正確に制御できる。
また、ギャップセンサ35として上記構成の磁気式のセンサを使用するにあたり、コイルのインダクタンス変化を検出する検出回路として、共振回路あるいは位相検波回路を用いるものとすれば、軸受ハウジング14bの材質によりキャリア周波数を低下させることで感度を向上させることが可能となる。
The
Further, when the magnetic sensor having the above configuration is used as the
力検出センサユニット18におけるセンサターゲット31,32の支持系の構成では、固有振動数の問題から軸長をなるべく短くする必要があり、このため支持系を偏平構造とする必要がある。この実施形態では、センサターゲット31,32を板ばね33,34で支持しているので、偏平構造を容易に実現できるが、例えば板ばね33,34の代わりにコイルばねを使用した場合、偏平構造を実現することは困難である。また、板ばね33,34を使用した場合には、板の厚さや、内外径を調整することで様々な剛性を実現することができる。板ばね33,34の代わりに、ウェイワッシャやベルビルスプリングを使用することもできるが、この場合、ばね部材の構造上、バネ剛性を低くすることが難しくなる。
In the configuration of the support system for the sensor targets 31 and 32 in the force
図4は、力検出センサユニット18の他の構成例を示す。この構成例では、図2におけるギャップセンサ35において、軸受ハウジング14bにおける各片面のリング状の溝14baの溝幅を拡幅し、溝14baの中に挿入されるコイル36の内径側および外径側に高透磁率材のリング37A,37Bを挿入して、コイル36の周囲の磁路面積を大きくし,感度向上を図っている。前記リング37A,37Bが内径側および外径側のうちいずれか一方だけとしても良い。その他の構成は図2の構成の場合と同様である。
FIG. 4 shows another configuration example of the force
ブロック図で示す図5の磁気軸受用コントローラ19では、力検出センサユニット18における各ギャップセンサ35の検出出力P1,P2をセンサ出力演算回路40で加減算する。また、磁気軸受用コントローラ19には、電磁石17を流れる電流を検出する電流検出回路41と、この電流検出回路41で検出した電流値に応じた補正量を演算する補正量演算回路42が設けられる。電磁石17からの漏れ磁束は、その近傍に配置されるギャップセンサ35の検出出力P1,P2にドリフトとなって影響する。そこで、補正量演算回路42は、電流検出回路41で検出した電磁石17の電流値から、ギャップセンサ35の検出出力P1,P2に漏れ磁束の影響として生じるドリフトに相当する補正量を演算する。ギャップセンサ35の検出出力P1,P2と、補正演算回路42で演算した補正量は加算器43で加算され、これによりギャップセンサ35の検出出力P1,P2に生じるドリフトがキャンセルされる。その結果、電磁石17の漏れ磁束の影響を受けることなく、磁気軸受を正確に制御できる。
このようにして補正された検出出力は、PI補償回路(もしくはP補償回路)44に入力される。PI補償回路(もしくはP補償回路)44の前段部は比較器とされ、上記した補正済みの検出出力を所定の基準値と比較して偏差を演算する。さらに、演算した偏差をタービンユニット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、PI補償回路(もしくはP補償回路)44は電磁石17の制御信号を演算する。PI補償回路(もしくはP補償回路)44の出力は、ダイオード45,46を介して各方向の電磁石171 ,172 を駆動するパワー回路47,48に入力される。電磁石171 ,172 は、図1に示したスラスト板13a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45,46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。前記電流検出回路41は、前記パワー回路47,48から出力される電流を検出する。
In the
The detection output corrected in this way is input to the PI compensation circuit (or P compensation circuit) 44. The pre-stage portion of the PI compensation circuit (or P compensation circuit) 44 is a comparator, which calculates the deviation by comparing the corrected detection output described above with a predetermined reference value. Further, the PI compensation circuit (or P compensation circuit) 44 computes a control signal for the
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。
The
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を共通の主軸13に取付け、タービン翼車7aで発生した動力によりコンプレッサ翼車6aを駆動するものであるため、動力源が不要であり、コンパクトな構成で効率良く冷却できる。
このタービンユニット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。空気サイクル冷凍冷却システムでは、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間の微小隙間d1,d2を一定に保つことができる。
In this
In order to secure the efficiency of compression and expansion of the
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等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、コンプレッサ6および膨張タービン7内の空気により主軸13に作用するスラスト力を検出する力検出センサユニット18と、この力検出センサユニット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。
また、力検出センサユニット18を、転がり軸受16の外輪16bの両端面を挟み込んだ一対のリング状のセンサターゲット31,32と、これら各センサターゲット31,32を支持する一対の板ばね33,34と、前記センサターゲット31,32に対するギャップを検出するギャップセンサ35とで構成したため、熱膨張のアンバランスの影響を受けることなく磁気軸受を正確に制御できる。
特に、磁気軸受用コントローラ19において、電磁石17を流れる電流を電流検出回路41で検出し、この電流検出回路41で検出した電流値に応じた補正量を補正量演算回路42で演算し、その演算した補正量を加算器43で力検出センサユニット18の出力に加算することで電磁石17の漏れ磁束の影響によるドリフトをキャンセルするようにしているので、電磁石17の漏れ磁束の影響を受けることなく磁気軸受を正確に制御できる。
また、ギャップセンサ35は、スピンドルハウジング14(軸受ハウジング14b)に主軸軸心Oを中心としたリング状の溝14baを形成し、この溝14baの中にリング状のコイル36を挿入したギャップセンサとし、リング状コイル36の周囲で磁路を形成するヨーク部をスピンドルハウジング14(軸受ハウジング14b)で兼用しているので、簡単かつ安価な構成により感度の向上を図ることができる。
However, a thrust force is applied to the
In this embodiment, since the thrust force is supported by the
Further, the force
In particular, in the
Further, the
そのため、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。軸受15,16の長期耐久性が向上するため、空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット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。
Therefore, stable high-speed rotation of the
各軸受15,16は、コンプレッサ翼車6aの近傍とタービン翼車7aの近傍とに配置され、主軸13が両端支持となるため、より一層安定した高速回転が可能になる。
The
各軸受15,16よりも端部側の主軸13とスピンドルハウジング14との間には、非接触シール21,22が設けられているため、軸受15,16内などを通って空気がコンプレッサ6と膨張タービン7の間に漏れることが防止される。コンプレッサ6の内部と膨張タービン7の内部とでは気圧差が大きいため、各軸受15,16の内部や、各軸受15,16の内外輪15a,16aが主軸13やスピンドルハウジング14に嵌合する面を取って空気の漏れが生じようとする。このような空気の漏れは、コンプレッサ6や膨張タービン7の効率の低下を招き、また軸受15,16内を通過する空気は、塵埃があると軸受15,16内を汚したり、軸受内の潤滑材を乾燥させたりして、耐久性を低下させる恐れがある。このような効率低下、および軸受15,16の汚損が、上記非接触シール21,22によって防止される。
Since
図6および図7は、タービンユニット5の他の実施形態を示す。この実施形態では、図6のように力検出センサユニット18の近傍に、電磁石17からの漏れ磁束を検出する磁束検出センサ49を設けると共に、この磁束検出センサ49で検出した漏れ磁束に応じた補正量を演算する補正量演算回路42Aを設け、補正量演算回路42Aで演算した補正量を加算器43でセンサ出力演算回路40の出力に加算することにより、力検出センサユニット18の出力に生じる前記漏れ磁束に起因するドリフトをキャンセルするようにしている。その他の構成は、先の実施形態の場合と同様である。
6 and 7 show another embodiment of the
この実施形態の場合も、電磁石17の漏れ磁束に起因して力検出センサユニット18の出力に生じるドリフトをキャンセルできるので、漏れ磁束の影響を受けることなく磁気軸受を正確に制御できる。
Also in this embodiment, the drift generated in the output of the force
図8はタービンユニット5のさらに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を回転駆動するモータ25を設けたものである。モータ25は、電磁石17と並んで設けられており、スピンドルハウジング14に設けられたステータ26と主軸13に設けられたロータ27とで構成される。ステータ26はステータコイル26aを有し、ロータ27は磁石等からなる。モータ25の制御は、ブロック図で示す図9のモータコントローラ28で行われる。すなわち、モータコントローラ28は、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位相調整回路29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モータ駆動電流をモータ駆動回路30からステータコイル26aに供給することによって、定回転制御が行われる。前記回転同期指令信号は、ロータ27に設けられた回転角度検出センサ(図示せず)の出力に応じて演算される。その他の構成は、図1に示す実施形態の場合と同様である。
FIG. 8 shows still another embodiment of the
このタービンユニット5は、膨張タービン7で生じるタービン翼車7aの駆動力と、モータ25による駆動力とでコンプレッサ翼車6aが回転駆動される。そのため予圧縮手段がなくてもコンプレッサ6の駆動が可能となり、システムのコンパクト化が図れる。
In the
図10はタービンユニット5のさらに他の実施形態を示す。このタービンユニット5も、図1に示す実施形態において、主軸13を回転駆動するモータ25を設けたものである。
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13aa,13ab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、磁気軸受を構成する一方の電磁石17は、膨張タービン寄りに位置するスラスト板13aa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13abのコンプレッサ6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。
FIG. 10 shows still another embodiment of the
The
モータ25は、前記電磁石17と並んで主軸13に設けられたロータ27と、このロータ27に対して軸方向に対向するステータ26とでなる。ロータ27は、主軸13における前記各スラスト板13aa,13ab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27a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27a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。
The
モータ25のステータ26は、前記左右一対のロータ27に挟まれる軸方向中央の位置において、これら両ロータ27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ステータコイル26a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25は、前記ロータ27とステータ26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25はコアレスモータとされていることから、ロータ27とステータ26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。
The
このタービンユニット5では、モータ25の冷却手段として、モータ25内に外部から冷却用の空気を給気するモータ部冷却エア導入経路50、および給気された空気をモータ25外に排気する排気経路51が、スピンドルハウジング14に設けられている。
In the
モータ部冷却エア導入経路50は、タービン翼車7aに流入する空気の一部をモータ25内に導入するものであり、タービンハウジング7b内の空間における吸い込み口とタ−ビン翼車7aとの間に経路入口52が開口している。経路入口52は、タービンハウジング7bにおける排出口7dに開口させても良く、その場合、タービン翼車7aから吐出される空気の一部がモータ25内に導入される。
モータ部冷却エア導入経路50は、2本の分岐経路50A,50Bに分岐され、各分岐経路50A,50Bの先端の経路出口となるモータ側開口53から、モータ25内のロータ周辺空間に開口している。2本の分岐経路50A,50Bは、それぞれ両側の磁気軸受の電磁石17におけるヨーク内を通っており、モータ側開口53は、ロータ27の内周部に位置している。
排気経路51は、モータ25内の空間における、ロータ27の外径部から、スピンドルハウジング14の外径面に開通している。その他の構成は、図1の実施形態の場合と略同様である。
The motor part cooling
The motor part cooling
The
この実施形態では、軸方向に並べて主軸13に設けられた2つのスラスト板13aa,13abの軸方向外側に2つの電磁石17を配置して磁気軸受を構成すると共に、前記両スラスト板13aa,13abで挟まれる位置にアキシアルギャップ型のモータ25を配置することにより、磁気軸受とモータ25をコンパクトな一体構造としているため、主軸13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。
In this embodiment, two
また、この実施形態では、モータ25の冷却手段として、モータ25内に外部から冷却用の空気を給気するモータ部冷却エア導入経路50、および給気された空気をモータ外に排気する排気経路51を設けたため、これら導入経路50および排気経路51を設けただけの簡単な構成で、必要なモータ冷却が行える。この場合に、モータ部冷却エア導入経路50は、タービン翼車7aへの流入または吐出空気を利用するため、ファン類等の専用の空気供給源を必要とせずに、冷却空気の強制循環が行え、簡単な構成で、効率の良いモータ冷却が行える。
In this embodiment, as a cooling means for the
モータ25はアキシアルギャップモータであるため、主軸13を短く構成できて、共振上の問題が生じることなく主軸13を高速回転できるが、反面、モータ25の効率の良い冷却を行うことが難しい。しかし、上記のようにタービン翼車7aに流入する空気またはタービン翼車7aから吐出される空気の一部をモータ25に導入するため、簡単な構成で、冷却空気の強制循環による優れた冷却効果が得られる。また、アキシアルギャップモータは、ロータ27が半径方向に大きなものとなり、またロータ27の回転による遠心力がモータ25内の空気に影響するが、モータ部冷却エア導入経路50および排出経路51は、ロータ27の内径部から導入して外径部から排出するようにしたため、冷却空気の効率の良い流れが得られ、より優れた冷却効果が得られる。
Since the
図11はタービンユニット5のさらに他の実施形態を示す。このタービンユニット5も、図10に示す実施形態と同様に、主軸13を回転駆動するモータ25を設けたものである。このタービンユニット5は、図10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、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。
FIG. 11 shows still another embodiment of the
モータ25は、主軸13に設けられたロータ27と、このロータ27に対し軸方向に対向するステータ26とでなる。ロータ27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に並ぶ永久磁石27a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27a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27aのバックヨークを兼ねる。
ステータ26は、前記スラスト板13aの両面のロータ27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25は、前記ロータ27とステータ26間に作用する磁気力により、主軸13を回転させる。モータ部冷却エア導入経路50は、分岐させずに1本としてある。その他の構成は図10の実施形態の場合と同様である。
The
A pair of left and
図12は、図1のタービンユニット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、除湿器4、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8,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。
FIG. 12 shows the overall configuration of an air cycle refrigeration cooling system using the
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。
The pre-compression means 2 comprises a blower or the like and is driven by a
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。除湿器4は、空気循環経路1内の空気の水分が、後段における氷点下への冷却により凍りついて空気循環経路1の詰まりや膨張タービン7のかじり等を生じることを防止するために、経路内の空気を除湿する。
This air cycle refrigeration cooling system is a system that keeps the
除湿後の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。
The air at 40 ° C. and 1.4 atm after dehumidification is compressed to 1.8 atm by the
The air cooled to −20 ° C. by the
図13は、図10のタービンユニット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。タービンユニット5を除く構成は、図12の空気サイクル冷凍冷却システムの場合と略同様である。この場合、膨張タービン7へ入力される−20℃の空気の一部を、モータ25の冷却に使用し、これを、コンプレッサ6の入力に混入させる構成をとっている。この方法によって、モータ25を簡単な方法で冷却を可能としている。
FIG. 13 shows an overall configuration of an air cycle refrigeration cooling system using the
2…予圧縮手段
3…第1の熱交換器
5…タービンユニット
6…コンプレッサ
6a…コンプレッサ翼車
7…膨張タービン
7a…タービン翼車
8…第2の熱交換器
13…主軸
13a,13aa,13ab…スラスト板
14…スピンドルハウジング
14a…スピンドルハウジング本体
14b…軸受ハウジング
14ba…溝
15,16…転がり軸受
17…電磁石
18…力検出センサユニット
19…磁気軸受用コントローラ
25…モータ
26…モータステータ
27…モータロータ
31,32…センサターゲット
33,34…板ばね
35…ギャップセンサ
36…コイル
41…電流検出回路
42,42A…補正量演算回路
43…加算器
49…磁束検出センサ
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記力検出センサユニットは、転がり軸受の外輪の両端面を挟み込んだ一対のリング状のセンサターゲットと、これら各センサターゲットを支持する一対の板ばねと、前記センサターゲットに対するギャップを検出するギャップセンサとから構成され、前記板ばねは主軸径方向の外径側部分でスピンドルハウジングに取付けられかつ内径側部分に前記センサターゲットを取付けてあり、
前記電磁石を流れる電流を検出する電流検出手段、または前記電磁石の漏れ磁束量を検出する漏れ磁束検出手段を設け、前記電磁石を制御するコントローラに、前記電流検出手段で検出した電流値または前記漏れ磁束検出手段で検出した漏れ磁束に応じた補正量を演算する補正量演算手段と、この補正量演算手段で演算した補正量を前記力検出センサユニットの出力に加算する加算手段とを設けたことを特徴とする磁気軸受装置。 Rolling bearing and magnetic bearing are used together, the rolling bearing supports the radial load, the magnetic bearing supports the axial load and / or the bearing preload, and the electromagnet is a ferromagnetic body that is perpendicular and coaxial with the main shaft. Magnetic bearing having a controller that controls an electromagnet according to an output of a force detection sensor unit that is attached to a spindle housing so as to face a flange-shaped thrust plate made of A device,
The force detection sensor unit includes a pair of ring-shaped sensor targets sandwiching both end surfaces of an outer ring of a rolling bearing, a pair of leaf springs that support each of the sensor targets, and a gap sensor that detects a gap with respect to the sensor target. The leaf spring is attached to the spindle housing at the outer diameter side portion in the main shaft radial direction and the sensor target is attached to the inner diameter side portion.
A current detection means for detecting a current flowing through the electromagnet or a leakage flux detection means for detecting a leakage magnetic flux amount of the electromagnet is provided, and a current value detected by the current detection means or the leakage flux is provided in a controller for controlling the electromagnet. A correction amount calculation means for calculating a correction amount according to the leakage magnetic flux detected by the detection means, and an addition means for adding the correction amount calculated by the correction amount calculation means to the output of the force detection sensor unit. A magnetic bearing device.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007018339A JP2008185110A (en) | 2007-01-29 | 2007-01-29 | Magnetic bearing device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007018339A JP2008185110A (en) | 2007-01-29 | 2007-01-29 | Magnetic bearing device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2008185110A true JP2008185110A (en) | 2008-08-14 |
Family
ID=39728298
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2007018339A Pending JP2008185110A (en) | 2007-01-29 | 2007-01-29 | Magnetic bearing device |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2008185110A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9092010B2 (en) | 2009-11-11 | 2015-07-28 | Sharp Kabushiki Kaisha | Image forming apparatus |
CN108869540A (en) * | 2018-01-12 | 2018-11-23 | 至玥腾风科技投资集团有限公司 | A kind of control method of thrust bearing, rotor-support-foundation system and thrust bearing |
JP2023503419A (en) * | 2019-12-18 | 2023-01-30 | アトラス コプコ エアーパワー,ナームローゼ フェンノートシャップ | Device with compressor device and bearing damper |
-
2007
- 2007-01-29 JP JP2007018339A patent/JP2008185110A/en active Pending
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