JP2008283813A - モータ一体型磁気軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スラスト荷重に対する転がり軸受の長期耐久性を向上させ、コンパクト化，高速回転化に対応でき、かつ簡単な構成で効率の良いモータ冷却が行えるモータ一体型磁気軸受装置を提供する。
【解決手段】このモータ一体型磁気軸受装置は、主軸１３を、転がり軸受と磁気軸受とで支持する。磁気軸受を構成する電磁石１７は、主軸１３に設けられたスラスト板１３ａ，１３ｂ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る。スピンドルハウジングには、モータ２８の配置部を貫通するモータ冷却流路が設けられる。このモータ冷却流路は、前記スラスト板１３ａ，１３ｂとこのスラスト板１３ａ，１３ｂに対向する部材１７，２８ｂとの間に生じた隙間を含む。スラスト板１３ａ，１３ｂと対向する部材１７，２８ｂにおけるスラスト板１３ａ，１３ｂとの対向面に動圧溝４４を設ける。前記モータ冷却流路は、冷凍サイクル装置の冷媒流路に介在させる。
【選択図】図２

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、膨張タービンに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負荷される。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、主軸の支持に転がり軸受とスラスト支持用の磁気軸受を併用し、かつ磁気軸受のスラスト板をモータロータとして用いるモータ一体型の磁気軸受装置を提案した（例えば、特願２００５−３５６０３５号）。
これによると、主軸にかかるスラスト力を磁気軸受で支持するため、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、各翼車とハウジング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の長期耐久性を向上させることができる。また、磁気軸受とモータロータの一体化により、コンパクトな構成とできる。

しかし、モータの冷却性能につき、いま一つ不十分であった。モータ一体型磁気軸受装置では、磁気軸受とモータとが設けられ、磁気軸受におけるコイル等での発熱と、モータにおける発熱とが生じるため、冷却効果を十分に得ることが難しい。特に、図７に示すように、主軸５３のスラスト板５３ａ，５３ｂを磁気軸受５７の電磁石ターゲットとモータロータ６８ａ用の永久磁石６８ａａの取付けに用いる形式のものであると、コンパクト化の面では優れるが、モータ６８での発熱量が非常に多くなる。モータの冷却不足はモータ効率を下げ、回転速度を制限するばかりか、安全性にも係わるので、効果的な冷却対策が求められる。また、冷却液を循環させる手段を設けるのでは、構成が複雑となる。
なお、図７（Ａ）はモータ配置部の断面図を、図７（Ｂ）は図７（Ａ）のVII − VII矢視断面図をそれぞれ示す。

上記した構成のモータ一体型磁気軸受装置において、ハウジング内の前記モータ６８の配置部を貫通するモータ冷却流路を設け、タービン流入空気あるいは流出空気の一部をモータ６８の冷却に用いることを考えた。

しかし、このような構成とした場合でも、モータ６８の配置部に流入した冷却用空気の大部分はモータロータ６８ａの外周に沿って流れてしまい、モータロータ６８ａの内径部まで流れ込まないため、モータ６８を十分冷却できない。

この発明の目的は、スラスト荷重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、コンパクト化，高速回転化に対応でき、かつ簡単な構成で効率の良いモータ冷却が行えるモータ一体型磁気軸受装置を提供することである。
この発明の他の目定は、モータ冷却のための専用のブロア類を必要とせずに、モータへの冷媒の強制送りが行えるようにすることである。

この発明のモータ一体型磁気軸受装置は、コンプレッサ翼車およびタービン翼車が設けられた主軸を支持する転がり軸受および磁気軸受と、前記主軸を回転駆動するモータとを備え、前記転がり軸受がラジアル負荷を支持し、前記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、前記モータのロータが前記主軸に設けられ、この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たモータ一体型の磁気軸受装置であって、前記スピンドルハウジング内の前記モータの配置部を貫通するモータ冷却流路を設け、このモータ冷却流路は、前記スラスト板とこのスラスト板に対向する部材との間に生じた隙間を含み、前記スラスト板と対向する部材における前記スラスト板との対向面に動圧溝を設け、前記コンプレッサ翼車を有するコンプレッサ、および前記タービン翼車を有する膨張タービンが介在する冷凍サイクル装置の冷媒流路に、前記モータ冷却流路を介在させたことを特徴とする。

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を確保でき、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、前記スピンドルハウジング内の前記モータの配置部を貫通するモータ冷却流路を設け、前記コンプレッサ翼車を有するコンプレッサ、および前記タービン翼車を有する膨張タービンが介在する冷凍サイクル装置の冷媒流路に、前記モータ冷却流路を介在させたため、モータ冷却流路を設けただけの簡単な構成で必要なモータ冷却が行え、ブロア類等の専用の冷媒供給源を必要とせずにモータへの冷媒の強制送りを行うことができる。
特に、前記モータ冷却流路が、前記スラスト板とこのスラスト板に対向する例えばモータステータや電磁石等の部材との間に生じた隙間を含み、前記スラスト板と対向する部材における前記スラスト板との対向面に動圧溝を設けているので、モータステータとモータロータとの隙間や、モータロータと電磁石との隙間、およびモータロータの内径部にモータ冷却流路からの冷却媒体が流れ込み易くなり、モータ冷却を効率良く行うことができる。

この発明において、前記スラスト板と対向し前記動圧溝が形成された部材が、モータステータを構成する隔壁であっても良い。この構成の場合、前記モータ冷却流路からモータの配置部に流入してきた冷却媒体が、動圧溝の作用でスラスト板とモータステータの隔壁との間に生じた隙間に導入されることから、モータの内径部に冷却媒体を通すことができる。

この発明において、前記動圧溝の端部が、前記スラスト板の外径面よりも外径側に位置するものとしても良い。この構成の場合、モータの駆動時のスラスト板の回転で、前記モータ冷却流路からモータの配置部に流入してきて、スラスト板の外周に沿って流れる冷却媒体が、動圧溝の外周端部から、スラスト板とこれに対向する部材との間の隙間内へと導入され易くなり、モータの冷却をより効率良く行うことができる。

この発明において、前記スラスト板と対向し前記動圧溝が形成された部材が、前記電磁石を構成するヨークであっても良い。この構成の場合、前記モータ冷却流路からモータの配置部に流入してきた冷却媒体が、動圧溝の作用でスラスト板と電磁石のヨークとの間に生じた隙間に導入されることから、モータの内径部に冷却媒体を通すことができる。

この発明において、前記スラスト板に対向する部材に前記動圧溝を設ける代わりに、またはスラスト板に対向する部材に前記動圧溝を設けると共に、前記スラスト板に動圧溝を設けても良い。この構成の場合も、前記モータ冷却流路からモータの配置部に流入してきた冷却媒体が、動圧溝の作用でスラスト板とこれに対向する部材との間に生じた隙間に導入されるので、モータの内径部に冷却媒体を通すことができる。

この発明において、前記モータがアキシアルギャップ型のモータであって、前記モータのロータが、前記スラスト板とこのスラスト板の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るものとしても良い。アキシアルギャップ型のモータであると、主軸を短く構成できて、それだけ主軸の固有振動数が高くなり、共振上の問題が生じることなく、主軸を高速回転できる。その反面、モータの効率の良い冷却を行うことが難しい。しかし、上記のようにモータ冷却流路を設けることで、モータの必要な冷却が行える。

この発明において、前記冷凍サイクル装置が、前記冷媒となる流入空気に対して、前記コンプレッサによる圧縮、他の熱交換器による冷却、前記膨張タービンによる断熱膨張、を順次行い、空調または冷凍を行う空気サイクル冷凍冷却システムであっても良い。
前記冷凍サイクル装置がこのような空気サイクル冷凍冷却システムであると、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、しいては空気サイクル冷凍冷却システムの全体としても信頼性が向上する。また、空気サイ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。

この発明のモータ一体型磁気軸受装置は、コンプレッサ翼車およびタービン翼車が設けられた主軸を支持する転がり軸受および磁気軸受と、前記主軸を回転駆動するモータとを備え、前記転がり軸受がラジアル負荷を支持し、前記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、前記モータのロータが前記主軸に設けられ、この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たモータ一体型の磁気軸受装置であって、前記スピンドルハウジング内の前記モータの配置部を貫通するモータ冷却流路を設け、このモータ冷却流路は、前記スラスト板とこのスラスト板に対向する部材との間に動圧溝を設け、前記コンプレッサ翼車を有するコンプレッサ、および前記タービン翼車を有する膨張タービンが介在する冷凍サイクル装置の冷媒流路に、前記モータ冷却流路を介在させたため、スラスト荷重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、コンパクト化，高速回転化に対応でき、かつ簡単な構成で効率の良いモータ冷却が行える。特に、冷媒供給のための専用のブロア類を必要とせずに、冷媒の強制送りが行え、簡単な構成で効率の良いモータ冷却が行える。

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固定されている。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転がり軸受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、それぞれ磁気軸受となる２つの電磁石１７，１７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。
主軸１３の軸方向中間部には、強磁性体からなるフランジ状の２枚のスラスト板１３ａ，１３ｂが、軸方向に並んで主軸１３に垂直かつ同軸に設けられている。片方の磁気軸受の構成部品である電磁石１７は、前記２枚のスラスト板１３ａ，１３ｂのうち、コンプレッサ６寄りに位置するスラスト板１３ａ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に設置されている。もう片方の磁気軸受の構成部品である電磁石１７は、膨張タービン７寄りに位置するスラスト板１３ｂ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。具体的には、モータ２８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２８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、主軸１３と同心のリング状隔壁４２で被覆保持して構成され、その隔壁４２を介してスピンドルハウジング１４に設置される。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。

モータ２８の冷却手段として、モータ２８の配置部を貫通するモータ冷却流路４１が、スピンドルハウジング１４に設けられている。このモータ冷却流路４１は、前記コンプレッサ翼車６ａを有するコンプレッサ６、および前記タービン翼車７ａを有する膨張タービン７が介在する図６の冷凍サイクル装置５０（後に説明する）の冷媒流路１に介在させている。この場合、モータ冷却流路４１は、その内部に前記２枚のスラスト板１３ａ，１３ｂ、およびこれらスラスト板１３ａ，１３ｂと電磁石１７との間に生じる隙間が位置するように設置される。

図２（Ａ）はモータ２８の配置部の拡大断面図を示し、図２（Ｂ）は図２（Ａ）におけるII−II矢視断面図を示す。磁気軸受の構成部品である電磁石１７は、主軸１３と同心に巻回したコイル１７ａをヨーク１７ｂ内に収容したリング状の部品とされている。スラスト板１３ｂと対向する部材であるモータステータ２８ｂの隔壁４２には、図２（Ｂ）のようにスラスト板１３ｂとの対向面に動圧溝４４が設けられている。この動圧溝４４は、モータステータ２８ｂの内周端に主軸１３と同心に配置されるリング溝部４４ａと、このリング溝部４４ａからモータステータ２８ｂの外周側に向けて直径方向からやや傾斜した所定角度で延びる複数本の放射溝部４４ｂとでなる。動圧溝４４における放射溝部４４ｂの外周端部は、スラスト板１３ｂの外径面よりも外径側に位置するようにされている。

動圧溝４４をこのような形状とすることにより、モータ２８の駆動時のスラスト板１３ｂの回転で、前記モータ冷却流路４１からモータ２８の配置部に流入してきてスラスト板１３ｂの外周に沿って流れる冷却媒体（空気）が、動圧溝４４の放射溝部４４ｂの外周端部からリング溝部４４ｂへと導入された後、別の放射溝部４４ｂから外周側へと導出される。その結果、モータ冷却流路４１からモータ２８の配置部に流入してきた冷却媒体が確実にモータ１３の内径部を通ることになり、モータ２８の冷却を効率良く行うことができる。

図２では、モータステータ２８ｂの隔壁４２における片方のスラスト板１３ｂとの対向面に動圧溝４４を設けた場合を示したが、同様の動圧溝４４を、もう片方のスラスト板１３ａとの対向面にも設けても良い。また、スラスト板１３ａ，１３ｂに対向する他の部材である電磁石１７のヨーク１７ｂにおけるスラスト板１３ａ，１３ｂとの対向面に、上記と同様の動圧溝４４を設けても良い。

また、他の構成例として、モータステータ２８ｂの隔壁４２や電磁石１７のヨーク１７ｂに動圧溝４４を設ける代わりに、図３（Ｂ）のように、スラスト板１３ｂの電磁石１７との対向面に、同様の動圧溝４４を設けても良い。図３（Ｂ）では片方のスラスト板１３ｂに動圧溝４４を設けた例を示しているが、これと同様の動圧溝４４を、もう片方のスラスト板１３ａにも設けても良い。さらに、動圧溝４４は、モータステータ２８ｂの隔壁４２や電磁石１７のヨーク１７ｂに設けると共に、スラスト板１３ａ，１３ｂにも設けるようにしても良い。これにより、冷却媒体がより確実にモータ１３の内径部を通ることになり、モータ２８の冷却をさらに効率良く行うことができる。

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個の転がり軸受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側の部分には、主軸１３との間の隙間を密封するシール２１，２２が設けられている。

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、軸受１６の外輪１６ｂを支持する軸受ハウジングを兼ねる。このセンサ１８は、アキシアル方向に移動自在にスピンドルハウジング１４に嵌合している。また、センサ１８には、センサ予圧ばね２５によりアキシアル方向の予圧が印加されている。

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、軸受ハウジング２７を介して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、軸受ハウジング２７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、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２７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とでなる）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４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４の磁気軸受用コントローラ１９では、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５のモータ用コントローラ２９では、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、モータロータ２８ａ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。

この構成のタービンユニット５は、図６に冷凍サイクル装置５０として示す例えば空気サイクル冷凍冷却システムに使用される。
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，１３ｂ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。

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枚のスラスト板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、この構成によると、モータ２８の冷却手段として、スピンドルハウジング１４内のモータ２８の配置部を貫通するモータ冷却流路４１を設け、コンプレッサ翼車６ａを有するコンプレッサ６、およびタービン翼車７ａを有する膨張タービン７が介在する冷凍サイクル装置５０（図６）の冷媒流路１に、前記モータ冷却流路４１を介在させたため、モータ冷却流路４１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、モータ冷却流路４１に流す冷媒として、冷凍サイクル装置５０の冷媒流路１を流れる冷却媒体（空気）を利用するため、ブロア類等の専用の冷媒供給源を必要とせずに、冷媒の強制循環が行え、簡単な構成で、効率の良いモータ冷却が行える。

特に、前記モータ冷却流路４１が、前記スラスト板１３ａ，１３ｂとこのスラスト板１３ａ，１３ｂに対向する例えばモータステータ２８ｂや電磁石１７等の部材との間に生じた隙間を含み、前記スラスト板１３ａ，１３ｂと対向する部材における前記スラスト板１３ａ，１３ｂとの対向面に動圧溝４４を設けているので、モータステータ２８ｂとモータロータ２８ａとの間に生じた隙間や、モータロータ２８ａと電磁石との間に生じた隙間、およびモータロータ２８ａの内径部に、モータ冷却流路４１から流入してくる冷却媒体が流れ込み易くなり、モータ冷却を効率良く行うことができる。

モータ２８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、共振上の問題を生じることなく主軸１３を高速回転できる反面、モータ２８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、このモータ一体型磁気軸受装置が組み込まれるタービンユニット５のコンプレッサ６および膨張タービン７が介在する冷凍サイクル装置５０の冷媒流路１を流れる冷媒を、スピンドルハウジング１４内のモータ２８の配置部に導入するため、簡単な構成で、冷媒の強制循環による優れた冷却効果がえられる。

また、モータ冷却流路４１は、その内部に前記２枚のスラスト板１３ａ，１３ｂ、およびこれらのスラスト板１３ａ，１３ｂとこれらに対向する部材（モータステータ２８ｂの隔壁４２や電磁石１７のヨーク１７ｂなど）との間に生じた隙間が位置するように設置されるので、モータ冷却流路４１に流入する冷却媒体である空気が、モータロータ２８ａの構成部材となる２枚のスラスト板１３ａ，１３ｂと、モータステータ２８ｂの配置部に達し、前記隙間を経てモータ２８の内径部を流れることになり、より効率の良いモータ冷却を行うことができる。

図６は、上記タービンユニット５を用いた冷凍システム装置５０の全体の構成を示す。この冷凍システム装置５０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に至る冷媒流路１を有している。この冷媒流路１は空気の循環経路であり、この冷媒流路１に、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。第１の熱交換器３から第２の熱交換器８に至る経路の途中が、モータ２８の配置部を貫通する上記したモータ冷却流路４１とされる。モータ冷却流路４１をこのような配置とすると、コンプレッサ６から吐出され第１の熱交換器３で冷却された後の空気がモータ冷却流路４１を経てモータ２８に供給されるため、効率の良いモータ冷却が行える。
中間熱交換器９は、同じ冷媒流路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。

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冷媒流路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。

この冷凍サイクル装置５０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から冷媒流路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、冷媒流路１中の後段の空気の冷却に使用され、３０℃まで昇温する。

中間熱交換器９を経た３０℃，１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８０℃程度に昇温した状態で、第１の熱交換器３により３０℃に冷却される。この３０℃の空気は、モータ２８の冷却に利用されて５０℃程度に昇温した状態で、第２の熱交換器８および中間熱交換器９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、−５０℃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。この冷凍サイクル装置５０は、このような冷凍サイクルを行う。

この冷凍サイクル装置５０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、しいては冷凍サイクル装置５０のシステム全体として信頼性が向上する。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。 （Ａ）は同磁気軸受装置におけるモータ配置部の拡大断面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるII−II矢視断面図として示すモータステータの一構成例である。 （Ａ）は同磁気軸受装置におけるモータ配置部の拡大断面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるIII −III 矢視断面図として示すスラスト板の一構成例である。 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。 図１のタービンユニットを適用した冷凍サイクル装置の系統図である。 （Ａ）は提案例におけるモータ配置部の拡大断面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるVII − VII矢視断面図である。

符号の説明

１…冷媒流路
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
９…中間熱交換器
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（磁気軸受）
１７ｂ…電磁石のヨーク
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
４１…モータ冷却流路
４２…モータステータの隔壁
４４…動圧溝
５０…冷凍サイクル装置

Claims (7)

1. コンプレッサ翼車およびタービン翼車が設けられた主軸を支持する転がり軸受および磁気軸受と、前記主軸を回転駆動するモータとを備え、前記転がり軸受がラジアル負荷を支持し、前記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、前記モータのロータが前記主軸に設けられ、この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たモータ一体型の磁気軸受装置であって、
   前記スピンドルハウジング内の前記モータの配置部を貫通するモータ冷却流路を設け、このモータ冷却流路は、前記スラスト板とこのスラスト板に対向する部材との間に生じた隙間を含み、前記スラスト板と対向する部材における前記スラスト板との対向面に動圧溝を設け、前記コンプレッサ翼車を有するコンプレッサ、および前記タービン翼車を有する膨張タービンが介在する冷凍サイクル装置の冷媒流路に、前記モータ冷却流路を介在させたことを特徴とするモータ一体型磁気軸受装置。
2. 請求項１において、前記スラスト板と対向し前記動圧溝が形成された部材が、モータステータを構成する隔壁であるモータ一体型磁気軸受装置。
3. 請求項２において、前記動圧溝の端部が、前記スラスト板の外径面よりも外径側に位置するモータ一体型磁気軸受装置。
4. 請求項１において、前記スラスト板と対向し前記動圧溝が形成された部材が、前記電磁石を構成するヨークであるモータ一体型磁気軸受装置。
5. 請求項１において、前記スラスト板に対向する部材に前記動圧溝を設ける代わりに、またはスラスト板に対向する部材に前記動圧溝を設けると共に、前記スラスト板に動圧溝を設けたモータ一体型磁気軸受装置。
6. 請求項１ないし請求項５いずれか１項において、前記モータがアキシアルギャップ型のモータであって、前記モータのロータが、前記スラスト板とこのスラスト板の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るモータ一体型磁気軸受装置。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記冷凍サイクル装置が、前記冷媒となる流入空気に対して、前記コンプレッサによる圧縮、他の熱交換器による冷却、前記膨張タービンによる断熱膨張、を順次行い、空調または冷凍を行う空気サイクル冷凍冷却システムであるモータ一体型磁気軸受装置。

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