JP2009050065A - Motor-integrated magnetic bearing device - Google Patents

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Takami Ozaki
孝美 尾崎
Kenichi Suzuki
健一 鈴木
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a motor-integrated magnetic bearing device wherein it is possible to enhance the long-term durability of a roller bearing against thrust load, cope with size reduction and the enhancement of rotation speed, and efficiently cool a motor without degrading motor efficiency through simple construction. <P>SOLUTION: The motor-integrated magnetic bearing device includes the roller bearing and a magnetic bearing that support a spindle 13 provided with a compressor impeller and a turbine impeller. The rotor 28a of a motor 28 is provided on the spindle 13 and a motor stator 28b having a motor coil 28ba is installed opposite to the motor rotor 28a in a spindle housing 14. A motor cooling flow path 41 penetrating the motor 28 placement area in the spindle housing 14 is provided. A current plate 43 that is positioned in the motor cooling flow path 41 and changes the direction of a coolant flow is attached to the spindle housing 14. The current plate 43 changes the direction of the coolant flow so that the direction is identical with the direction of rotation of the motor rotor 28a. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

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。   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 motor-integrated magnetic bearing device.

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)。   Since the air cycle refrigeration cooling system uses air as a refrigerant, energy efficiency is insufficient as compared with the case of using chlorofluorocarbon or ammonia gas, but it is preferable in terms of environmental protection. In addition, in facilities where refrigerant air can be directly blown into, such as a refrigerated warehouse, the total cost may be reduced by omitting the internal fan and defrost, etc. In such applications, the air cycle refrigeration cooling system Has been proposed (for example, 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)。
Further, it is known that the theoretical efficiency of air cooling is equal to or higher than that of Freon or ammonia gas in a deep coal region of -30 ° C to -60 ° C. 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).

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
In addition, as a turbine compressor which processes process gas, a turbine impeller is attached to one end of the main shaft, a compressor impeller is attached to the other end, and the main shaft is supported by a journal and a thrust bearing that is controlled by an electromagnet current. A compressor has been proposed (Patent Document 2).
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).
Japanese Patent No. 2623202 Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-91760 JP-A-8-261237

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。
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. In this turbine unit, the compressor impeller can be driven by the power generated by the expansion turbine, thereby improving the efficiency of the air cycle refrigerator.

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。
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.
Further, a thrust force acts on the main shaft by 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 technique disclosed in Patent Document 1 has not yet been solved for the deterioration of the long-term durability of the bearing against the load of the thrust load under the high-speed rotation.

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。   In the case where the main shaft is supported by a journal bearing made of a magnetic bearing and a thrust bearing, such as the magnetic bearing type turbine compressor of Patent Document 2, the journal bearing does not have a restriction function in the axial direction. Therefore, if there is an unstable factor in controlling the thrust bearing, it is difficult to perform stable high-speed rotation while maintaining a minute gap between the impeller and the diffuser. In the case of a magnetic bearing, there is also a problem of contact when the power is stopped.

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。
Accordingly, a motor-integrated magnetic bearing device has been proposed in which a rolling bearing and a thrust-supporting magnetic bearing are used together to support the main shaft, and the thrust plate of the magnetic bearing is used as a motor rotor (for example, Japanese Patent Application No. 2005-356035).
According to this, since the thrust force applied to the main shaft is supported by the magnetic bearing, it is possible to reduce the thrust force acting on the rolling bearing while suppressing an increase in torque without contact. As a result, the minute gaps between the respective impellers and the housing can be kept constant, and the long-term durability of the rolling bearing against the thrust load can be improved. Moreover, a compact configuration can be achieved by integrating the magnetic bearing and the motor rotor.

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、主軸のスラスト板を磁気軸受の電磁石ターゲットとモータロータ用の永久磁石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。   However, the motor cooling performance was not enough. In the motor-integrated magnetic bearing device, a magnetic bearing and a motor are provided, and heat generated by a coil or the like in the magnetic bearing and heat generated by the motor are generated, so that it is difficult to obtain a sufficient cooling effect. In particular, if the thrust plate of the main shaft is used for mounting the electromagnet target of the magnetic bearing and the permanent magnet for the motor rotor, it is excellent in terms of compactness, but the amount of heat generated by the motor becomes very large. Insufficient cooling of the motor not only reduces the motor efficiency and limits the rotation speed, but also relates to safety, so effective cooling measures are required. In addition, providing the means for circulating the coolant complicates the configuration.

上記した構成のモータ一体型磁気軸受装置において、図6に示すように、ハウジング54内のモータ68の配置部を貫通するモータ冷却流路71を設け、冷凍サイクル装置の冷媒流路に前記モータ冷却流路71を介在させることで、冷媒をモータ68の冷却に用いることを考えた。同図において、モータ68は、主軸53に一体に設けられたスラスト板53aの片面に永久磁石(図示せず)を配置してなるモータロータ68aと、このモータロータ68aに対して軸方向に対面するようにハウジング54に設けられたモータステータ68bとで構成される。   In the motor-integrated magnetic bearing device having the above-described configuration, as shown in FIG. 6, a motor cooling passage 71 that penetrates the placement portion of the motor 68 in the housing 54 is provided, and the motor cooling passage is provided in the refrigerant passage of the refrigeration cycle apparatus. It was considered that the refrigerant is used for cooling the motor 68 by interposing the flow path 71. In the figure, a motor 68 is configured to face a motor rotor 68a in which a permanent magnet (not shown) is disposed on one surface of a thrust plate 53a provided integrally with a main shaft 53, and to face the motor rotor 68a in the axial direction. And a motor stator 68b provided in the housing 54.

このような構成とした場合、図6に矢印で示すように、冷媒の流れる方向をモータ68の回転軸(主軸)53に直交する方向とすると、冷媒はスラスト板53aを横切るように流れる。しかし、主軸53が回転している状態で、スラスト板53aの端面および外径面の半周分においては矢印Rで示す回転方向と冷媒の流れる方向が一致して、冷媒がモータ68の回転を助けるように作用するが、スラスト板53aの端面および外径面の他の半周分においては冷媒の流れる方向が回転方向と逆方向となるため、冷媒はモータ68の回転を妨げる方向に作用し、モータ負荷となる。このため、モータ効率が低下してしまうという問題が生じる。   In the case of such a configuration, as indicated by an arrow in FIG. 6, if the refrigerant flows in a direction perpendicular to the rotation axis (main axis) 53 of the motor 68, the refrigerant flows across the thrust plate 53 a. However, in a state where the main shaft 53 is rotating, the rotation direction indicated by the arrow R coincides with the direction in which the refrigerant flows in the half circumference of the end surface and the outer diameter surface of the thrust plate 53a, and the refrigerant helps the motor 68 to rotate. However, since the flow direction of the refrigerant is opposite to the rotation direction in the other half circumference of the end face and the outer diameter surface of the thrust plate 53a, the refrigerant acts in a direction that prevents the motor 68 from rotating. It becomes a load. For this reason, the problem that motor efficiency will fall arises.

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、かつ簡単な構成でモータ効率を低下させずにモータ冷却を効率良く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。
An object of the present invention is to improve the long-term durability of a rolling bearing against a thrust load, to be able to cope with downsizing and high-speed rotation, and to efficiently cool a motor without reducing motor efficiency with a simple configuration. A motor-integrated magnetic bearing device is provided.
Another aspect of the present invention is to enable forced feeding of the refrigerant to the motor without requiring a dedicated blower for cooling the motor.

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、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、このモータ冷却流路内に位置して、冷媒の流れる方向を変える整流板を前記スピンドルハウジングに取付け、前記整流板は、変化後の冷媒の流れる方向を前記モータロータの回転方向と同じ方向とするものであることを特徴とする。   A motor-integrated magnetic bearing device of the present invention includes a rolling bearing and a magnetic bearing that support a main shaft provided with a compressor impeller and a turbine impeller, and a motor that rotationally drives the main shaft, and the rolling bearing is a radial load. The magnetic bearing supports one or both of an axial load and a bearing preload, and the electromagnet constituting the magnetic bearing is in contact with a flange-shaped thrust plate made of a ferromagnetic material provided on the main shaft. A motor-integrated magnetic bearing device that is mounted on a spindle housing so as to be opposed to each other and the rotor of the motor is installed on the spindle housing, the motor cooling flow passing through the motor arrangement portion in the spindle housing A compressor having the compressor impeller, and an expansion turbine having the turbine impeller The motor cooling flow path is interposed in the refrigerant flow path of the refrigeration cycle apparatus in which the bin is interposed, and a rectifying plate that is located in the motor cooling flow path and changes the flow direction of the refrigerant is attached to the spindle housing, and the rectification is performed. The plate is characterized in that the direction in which the changed refrigerant flows is the same as the direction of rotation of the motor rotor.

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内に位置して、冷媒の流れる方向を変える整流板を前記スピンドルハウジングに取付け、その整流板が、変化後の冷媒の流れる方向を前記モータロータの回転方向と同じ方向とするものとしたため、冷媒の流れがモータの回転を助けるように作用することとなり、モータ負荷を低減される。その結果、簡単な構成でモータ効率を低下させずにモータ冷却を効率良く行える。
According to this configuration, the rolling bearing and the magnetic bearing are used together, the rolling bearing supports the radial load, and the magnetic bearing supports one or both of the axial load and the bearing preload. Good support can be achieved, long-term durability of the rolling bearing can be ensured, and damage when the power supply is stopped in the case of supporting only the magnetic bearing can be avoided.
In addition, a motor cooling flow path that penetrates the arrangement portion of the motor in the spindle housing is provided, and the refrigerant flow path of the refrigeration cycle apparatus in which the compressor having the compressor impeller and the expansion turbine having the turbine impeller are interposed. Since the motor cooling flow path is interposed, the necessary motor cooling can be performed with a simple configuration having only the motor cooling flow path, and the refrigerant supply to the motor is not required without using a dedicated refrigerant supply source such as blowers. Forced feeding can be performed.
In particular, a rectifying plate that is located in the motor cooling flow path and changes the direction in which the refrigerant flows is attached to the spindle housing, and the rectifying plate has a direction in which the changed refrigerant flows in the same direction as the rotation direction of the motor rotor. Therefore, the flow of the refrigerant acts to assist the rotation of the motor, and the motor load is reduced. As a result, the motor can be efficiently cooled with a simple configuration without reducing the motor efficiency.

この発明において、前記整流板の先端が、前記モータロータの外径面の近傍に配置されていても良い。整流板の先端がモータロータの外径面の近傍であると、上記の整流板により冷媒の流れる方向をモータロータの回転方向と同じ方向として、冷媒の流れによりモータの回転を助ける作用が、より効果的に発揮される。   In this invention, the front-end | tip of the said baffle plate may be arrange | positioned in the vicinity of the outer diameter surface of the said motor rotor. When the tip of the rectifying plate is in the vicinity of the outer diameter surface of the motor rotor, the action of assisting the rotation of the motor by the flow of the refrigerant is made more effective by making the direction of the refrigerant flowing by the rectifying plate the same as the rotation direction of the motor rotor. To be demonstrated.

この発明において、前記冷凍サイクル装置の冷媒流路は、前記コンプレッサから吐出された冷媒を冷却する熱交換器を有し、前記冷媒流路における前記熱交換器よりも後段の部分に前記モータ冷却流路を介在させても良い。
この構成の場合、コンプレッサから吐出され熱交換器で冷却された後の冷媒がモータ冷却流路を経てモータに供給されるため、効率の良いモータ冷却が行える。
In this invention, the refrigerant flow path of the refrigeration cycle apparatus includes a heat exchanger that cools the refrigerant discharged from the compressor, and the motor cooling flow is provided in a portion of the refrigerant flow path that is subsequent to the heat exchanger. A road may be interposed.
In this configuration, since the refrigerant discharged from the compressor and cooled by the heat exchanger is supplied to the motor through the motor cooling flow path, efficient motor cooling can be performed.

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るものであっても良い。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。   In the present invention, the motor is an axial gap type motor, and the rotor of the motor is composed of the thrust plate and a plurality of permanent magnets provided on the thrust plate at an equal pitch in the circumferential direction. It may be. In the case of an axial gap type motor, the main shaft can be configured to be short, the natural frequency of the main shaft can be increased accordingly, and the main shaft can be rotated at high speed without causing resonance problems. On the other hand, it is difficult to perform efficient cooling of the motor. However, the necessary cooling of the motor can be performed by providing the motor cooling flow path as described above.

この発明において、前記主軸に前記スラスト板を対向して2枚設け、これら2枚のスラスト板の間に前記モータコイルを配置し、前記2枚のスラスト板に前記永久磁石を設け、前記2枚のスラスト板の互いの対向側とは反対側の面にそれぞれ対向して前記磁気軸受の電磁石を配置し、前記モータ冷却流路は、前記2枚のスラスト板および前記モータコイルが内部に位置するものとしても良い。
この構成の場合、モータ冷却流路に流入する冷媒が、モータロータの構成部材となる2枚のスラスト板と、モータステータを構成するモータコイルの配置部を流れることになるので、より効率の良いモータ冷却を行うことができる。
In the present invention, the two thrust plates are provided opposite to the main shaft, the motor coil is disposed between the two thrust plates, the permanent magnets are provided on the two thrust plates, and the two thrust plates are provided. The electromagnets of the magnetic bearings are arranged so as to face the surfaces of the plates opposite to each other, and the motor cooling channel is located in the two thrust plates and the motor coil. Also good.
In the case of this configuration, the refrigerant flowing into the motor cooling flow path flows through the two thrust plates that constitute the motor rotor and the arrangement portion of the motor coil that constitutes the motor stator. Cooling can be performed.

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。
In this invention, the refrigeration cycle device performs air conditioning or refrigeration by sequentially performing compression by the compressor, cooling by another heat exchanger, and adiabatic expansion by the expansion turbine with respect to the inflow air serving as the refrigerant. It may be a cycle refrigeration cooling system.
When the refrigeration cycle apparatus is such an air cycle refrigeration cooling system, in the compression / expansion turbine system, stable high-speed rotation of the main shaft can be obtained while maintaining an appropriate gap between the impellers, and the long-term durability of the bearing can be improved. Since the improvement and the improvement of the service life can be obtained, the reliability is improved as a whole of the compression / expansion turbine system and also as a whole of the air cycle refrigeration cooling system. In addition, stable high-speed rotation, long-term durability, and reliability of the main shaft bearing of the compression / expansion turbine system, which is the bottleneck of the air cycle refrigeration cooling system, improve the practical use of the air cycle refrigeration cooling system. .

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、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、このモータ冷却流路内に位置して、冷媒の流れる方向を変える整流板を前記スピンドルハウジングに取付け、前記整流板は、変化後の冷媒の流れる方向を前記モータロータの回転方向と同じ方向とするものとしたため、簡単な構成でモータ効率を低下させずにモータ冷却を効率良く行える。
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。
A motor-integrated magnetic bearing device of the present invention includes a rolling bearing and a magnetic bearing that support a main shaft provided with a compressor impeller and a turbine impeller, and a motor that rotationally drives the main shaft, and the rolling bearing is a radial load. The magnetic bearing supports one or both of an axial load and a bearing preload, and the electromagnet constituting the magnetic bearing is in contact with a flange-shaped thrust plate made of a ferromagnetic material provided on the main shaft. A motor-integrated magnetic bearing device that is mounted on a spindle housing so as to be opposed to each other and the rotor of the motor is installed on the spindle housing, the motor cooling flow passing through the motor arrangement portion in the spindle housing A compressor having the compressor impeller, and an expansion turbine having the turbine impeller The motor cooling flow path is interposed in the refrigerant flow path of the refrigeration cycle apparatus in which the bin is interposed, and a rectifying plate that is located in the motor cooling flow path and changes the flow direction of the refrigerant is attached to the spindle housing, and the rectification is performed. Since the direction of the flow of the refrigerant in the plate is the same as the direction of rotation of the motor rotor, the motor can be efficiently cooled with a simple configuration without reducing the motor efficiency.
In particular, the refrigerant can be forcibly fed without requiring a dedicated blower for supplying the refrigerant, and efficient motor cooling can be performed with a simple configuration.

この発明の一実施形態を図1ないし図4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。   An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows a cross-sectional view of a turbine unit 5 incorporating a motor-integrated magnetic bearing device of this embodiment. The turbine unit 5 constitutes a compression / expansion turbine system, and includes a compressor 6 and an expansion turbine 7. The compressor impeller 6 a of the compressor 6 and the turbine impeller 7 a of the expansion turbine 7 are fitted to both ends of the main shaft 13. Fixed together. The material of the main shaft 13 is low carbon steel with good magnetic properties.

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。
In FIG. 1, a compressor 6 has a compressor housing 6b facing the compressor impeller 6a via a gap d1, and compresses the air sucked in the axial direction from the suction port 6c in the center with the compressor impeller 6a. As shown by the arrow 6d, it discharges | emits from the exit (not shown) of an outer peripheral part.
The expansion turbine 7 has a turbine housing 7b that is opposed to the turbine impeller 7a via a minute gap d2, and the air sucked from the outer peripheral portion as indicated by an arrow 7c is adiabatically expanded by the turbine impeller 7a, It discharges in the axial direction from the discharge port 7d of the part.

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電磁石17と永久磁石17Aと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つのスラスト板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永久磁石17A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。なお、ここでは片方の磁気軸受に永久磁石17Aを用いたが、永久磁石17Aを電磁石17に置き換えても良い。
The motor-integrated magnetic bearing device in the turbine unit 5 supports the main shaft 13 with a plurality of rolling bearings 15 and 16 in the radial direction, and either or both of an axial load and a bearing preload applied to the main shaft 13 are respectively provided. An axial gap motor 28 is provided which is supported by the electromagnet 17 and the permanent magnet 17A serving as magnetic bearings and which drives the main shaft 13 to rotate. The turbine unit 5 includes a sensor 18 that detects a thrust force acting on the main shaft 13, a magnetic bearing controller 19 that controls the supporting force of the electromagnet 17 in accordance with the output of the sensor 18, and the electromagnet 17. A motor controller 29 for controlling the motor 28;
Two flange-shaped thrust plates 13 a and 13 b made of a ferromagnetic material are provided in the axial direction intermediate portion of the main shaft 13 so as to be perpendicular to the main shaft 13 and coaxial with each other in the axial direction. The electromagnet 17 which is a component of one of the magnetic bearings is configured such that, of the two thrust plates 13a and 13b, one surface of the thrust plate 13a located near the compressor 6 facing the compressor 6 is used as a magnet target. It is installed in the spindle housing 14 so as to face each other by contact. The permanent magnet 17A, which is a component of the other magnetic bearing, has a spindle housing that faces one side of the thrust plate 13b positioned near the expansion turbine 7 facing the expansion turbine 7 in a non-contact manner, with the one side facing the expansion turbine 7 being a magnet target. 14 is installed. Although the permanent magnet 17A is used for one of the magnetic bearings here, the permanent magnet 17A may be replaced with the electromagnet 17.

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および永久磁石17A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磁石ターゲットに兼用できる。   The motor 28 includes a motor rotor 28a provided on the main shaft 13 and a motor stator 28b facing the motor rotor 28a in the axial direction. Specifically, the motor rotor 28a constituting one part of the motor 28 is circumferentially arranged on one side of the main shaft 13 opposite to the side where the electromagnet 17 and the permanent magnet 17A of the thrust plates 13a and 13b face each other. A pair of left and right ones is formed by arranging permanent magnets 28aa arranged at equal pitches. Thus, the permanent magnets 28aa opposed to each other in the axial direction are set so that their magnetic poles are different from each other. Since the main shaft 13 is made of low carbon steel having good magnetic properties, the thrust plates 13a and 13b provided so as to be integrated with the main shaft 13 are also used as the back yoke and the magnet target of the permanent magnet 28aa. it can.

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。   The motor stator 28b, which is another part of the motor 28, is arranged in a state where there is no core so as to face each surface of both the motor rotors 28a in a non-contact manner at a central position in the axial direction between the pair of left and right motor rotors 28a. The motor coil 28ba is covered and held by a ring-shaped partition wall 42 concentric with the main shaft 13, and is installed in the spindle housing 14 via the partition wall 42.

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。   The motor 28 rotates the main shaft 13 by Lorentz force acting between the motor rotor 28a and the motor stator 28b. Thus, since this axial gap type motor 28 is a coreless motor, the negative rigidity due to the magnetic coupling between the motor rotor 28a and the motor stator 28b is zero.

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5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。また、スピンドルハウジング14には、前記モータ冷却流路41内に位置して冷媒の流れる方向を変える整流板43が取付けられている。この整流板43は、変化後の冷媒の流れる方向を、図2に矢印で示すように、モータロータ28aの回転方向(同図に矢印Rで示す)と同じ方向とするものである。整流板43の先端43aは、モータロータ28aの外径面の近傍に配置されている。   As a cooling means for the motor 28, a motor cooling channel 41 that penetrates the arrangement portion of the motor 28 is provided in the spindle housing 14. The motor cooling passage 41 is provided in the refrigerant passage 1 of the refrigeration cycle apparatus 50 (described later) in FIG. 5 in which the compressor 6 having the compressor impeller 6a and the expansion turbine 7 having the turbine impeller 7a are interposed. Intervene. Further, the spindle housing 14 is provided with a rectifying plate 43 that is located in the motor cooling flow path 41 and changes the flow direction of the refrigerant. The rectifying plate 43 is configured so that the direction of flow of the refrigerant after the change is the same as the direction of rotation of the motor rotor 28a (indicated by an arrow R in the same figure) as indicated by an arrow in FIG. The tip 43a of the rectifying plate 43 is disposed in the vicinity of the outer diameter surface of the motor rotor 28a.

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。   The bearings 15 and 16 that support the main shaft 13 are rolling bearings and have a function of restricting the position in the axial direction. For example, a deep groove ball bearing or an angular ball bearing is used. In the case of a deep groove ball bearing, it has a thrust support function in both directions, and has the effect of returning the axial position of the inner and outer rings to the neutral position. These two rolling bearings 15 and 16 are arranged in the vicinity of the compressor impeller 6a and the turbine impeller 7a in the spindle housing 14, respectively.

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。   The main shaft 13 is a stepped shaft having a large-diameter portion 13c at an intermediate portion and small-diameter portions 13d at both ends. The bearings 15 and 16 on both sides have their inner rings 15a and 16a fitted into the small diameter portion 13d in a press-fit state, and one of the width surfaces engages with a stepped surface between the large diameter portion 13c and the small diameter portion 13d. Seals 21 and 22 for sealing a gap with the main shaft 13 are provided at portions of the spindle housing 14 that are closer to the impellers 6a and 7a than the bearings 15 and 16 on both sides.

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。   The sensor 18 is provided on the stationary side in the vicinity of the bearing 16 on the turbine impeller 7 a side, that is, on the spindle housing 14 side, and also serves as a bearing housing that supports the outer ring 16 b of the bearing 16. The sensor 18 is fitted to the spindle housing 14 so as to be movable in the axial direction. A preload in the axial direction is applied to the sensor 18 by a sensor preload spring 25.

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。   The preload by the sensor preload spring 25 is for the sensor 18 that detects the thrust force by the pressing force to detect any movement of the main shaft 13 in the axial direction. The magnitude is greater than the average thrust force acting on the main shaft 13 in the operating state.

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。   The bearing 15 on the non-arrangement side of the sensor 18 is installed so as to be movable in the axial direction with respect to the spindle housing 14 and is elastically supported by a bearing preload spring 26. In this example, the outer ring 15 b of the bearing 15 is fitted to the inner diameter surface of the spindle housing 14 via the bearing housing 27 so as to be movable in the axial direction, and the bearing preload spring 26 is provided between the bearing housing 27 and the spindle housing 14. Is intervening. The bearing preload spring 26 biases the outer ring 15 b so as to face the step surface of the main shaft 13 with which the width surface of the inner ring 15 a is engaged, and applies a preload to the bearing 15. The bearing preload spring 26 has a smaller spring constant than the sensor preload spring 25.

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と永久磁石17A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と永久磁石17A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。
The dynamic model of the motor-integrated magnetic bearing device in the turbine unit 5 can be constituted by a simple spring system. That is, the spring system includes a composite spring formed by the bearings 15 and 16 and a support system for these bearings (a sensor preload spring 25, a bearing preload spring 26, a bearing housing 27, and the like), and a motor unit (an electromagnet 17 and a permanent magnet). 17A and the composite spring formed by the motor 28) are arranged in parallel. In this spring system, the composite spring formed by the bearings 15 and 16 and the support system of these bearings has rigidity acting in proportion to the amount of displacement in the direction opposite to the displaced direction, while the electromagnet 17 and The composite spring formed by the permanent magnet 17A and the motor 28 has a negative stiffness that acts in proportion to the amount of displacement in the displaced direction.
For this reason, the magnitude relationship between the stiffnesses of the two composite springs described above is
If the stiffness value of the composite spring by the bearing etc. <the negative stiffness value of the composite spring by the electromagnet / motor ... (1), the phase of the mechanical system is delayed by 180 ° and the system becomes unstable, so the electromagnet 17 is controlled. In the magnetic bearing controller 19, the phase compensation circuit needs to be added in advance, and the configuration of the controller 19 becomes complicated.

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3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。
Therefore, in the motor-integrated magnetic bearing device of this embodiment, the above-described rigidity relationship of the two composite springs is expressed as follows:
Rigidity value of the combined spring by the bearing or the like> Negative rigidity value of the combined spring by the electromagnet / motor (2). In particular, in this motor-integrated magnetic bearing device, since the axial gap type motor 28 is a coreless motor as described above, the negative rigidity value acting on the motor 28 can be made zero, and the motor 28 is high. Even in the state where the load operation is performed and an excessive axial load is applied, the magnitude relationship of the above equation (2) can be maintained.
As a result, since the phase of the mechanical system can be prevented from being delayed by 180 ° in the control band, the controlled object of the magnetic bearing controller 19 can be stabilized even when the motor 28 is operated at a high load and an excessive axial load is applied. The circuit configuration of the controller 19 can be configured as a simple one using proportional or proportional integration as shown in FIG.

ブロック図で示す図3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、電磁石17を駆動するパワー回路34に入力される。   In the magnetic bearing controller 19 shown in the block diagram of FIG. 3, the detection outputs P1 and P2 of the sensor 18 are added and subtracted by the sensor output calculation circuit 30 and the calculation result is compared with the reference value of the reference value setting means 32 by the comparator 31. Then, the deviation is calculated, and the calculated deviation is subjected to proportional integration (or proportional) processing appropriately set according to the turbine unit 5 by the PI compensation circuit (or P compensation circuit) 33, whereby the control signal of the electromagnet 17 is obtained. Is calculated. The output of the PI compensation circuit (or P compensation circuit) 33 is input to a power circuit 34 that drives the electromagnet 17.

同じくブロック図で示す図4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。   In the motor controller 29 of FIG. 4 also shown in the block diagram, the phase adjustment circuit 38 adjusts the phase of the motor drive current using the rotation angle of the motor rotor 28a as a feedback signal based on the rotation synchronization command signal. Constant rotation control is performed by supplying a corresponding motor drive current from the motor drive circuit 39 to the motor stator 28b. The rotation synchronization command signal is calculated according to the output of a rotation angle detection sensor (not shown) provided in the motor rotor 28a.

この構成のタービンユニット5は、図5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およびモータロータ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。
The turbine unit 5 having this configuration is used in, for example, an air cycle refrigeration cooling system shown as a refrigeration cycle apparatus 50 in FIG.
In such an example of use, the turbine unit 5 includes a compressor impeller 6a and a turbine impeller 7a fitted on the main shaft 13 common to the thrust plates 13a and 13b and the motor rotor 28a. The compressor impeller 6a is driven by either one or both of the power generated in the vehicle 7a. For this reason, stable high-speed rotation of the main shaft 13 can be obtained while maintaining appropriate gaps d1 and d2 between the impellers 6a and 7a, and the long-term durability and life of the bearings 15 and 16 can be improved.

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。   In order to ensure the efficiency of compression and expansion of the turbine unit 5, it is necessary to keep the gaps d1 and d2 between the impellers 6a and 7a and the housings 6b and 7b minute. For example, when this turbine unit 5 is applied to an air cycle refrigeration cooling system, ensuring this efficiency is important. On the other hand, since the main shaft 13 is supported by rolling type bearings 15 and 16, the axial direction position of the main shaft 13 is regulated to some extent by the restriction function of the axial direction position of the rolling bearing, and each impeller 6a, 7a and The gaps d1 and d2 between the housings 6b and 7b can be kept constant.

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と永久磁石17Aとで支持するため、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1つの電磁石17と1つの永久磁石17A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。
However, a thrust force is applied to the main shaft 13 of the turbine unit 5 by the air pressure acting on the impellers 6a and 7a. Further, the turbine unit 5 used in the air cooling system rotates at a very high speed of about 80,000 to 100,000 rotations per minute, for example. Therefore, when the thrust force acts on the rolling bearings 15 and 16 that rotatably support the main shaft 13, the long-term durability of the bearings 15 and 16 decreases.
In this embodiment, since the thrust force is supported by the electromagnet 17 and the permanent magnet 17A, the thrust force acting on the rolling bearings 15 and 16 for supporting the main shaft 13 is reduced while suppressing an increase in torque without contact. be able to. In this case, since the sensor 18 for detecting the thrust force acting on the main shaft 13 and the magnetic bearing controller 19 for controlling the supporting force by the electromagnet 17 according to the output of the sensor 18 are provided, the rolling bearings 15 and 16 are provided. Can be used in an optimum state against the thrust force according to the bearing specifications.
In particular, one electromagnet 17 and one permanent magnet 17A are arranged on the axially outer side of two thrust plates 13a and 13b provided on the main shaft 13 side by side in the axial direction to constitute a magnetic bearing unit, and both the thrust plates By arranging the axial gap type motor 28 at a position sandwiched between 13a and 13b and configuring the motor unit, the magnetic bearing unit and the motor unit have a compact integrated structure, so that the shaft length of the main shaft 53 can be shortened. Accordingly, the natural frequency of the main shaft 13 is increased, and the main shaft 13 can be rotated at high speed.

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5)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。   Further, according to this configuration, as a cooling means for the motor 28, the motor cooling channel 41 penetrating the arrangement portion of the motor 28 in the spindle housing 14 is provided, and the compressor 6 having the compressor impeller 6a and the turbine impeller 7a are provided. Since the motor cooling flow path 41 is interposed in the refrigerant flow path 1 of the refrigeration cycle apparatus 50 (FIG. 5) in which the expansion turbine 7 is included, a simple configuration in which the motor cooling flow path 41 is provided is necessary. Motor cooling can be performed. In this case, since the cooling medium (air) flowing through the refrigerant flow path 1 of the refrigeration cycle apparatus 50 is used as the refrigerant flowing through the motor cooling flow path 41, a dedicated refrigerant supply source such as a blower is not required. The refrigerant can be forcedly circulated, and the motor can be efficiently cooled with a simple configuration.

特に、モータ冷却流路41内に位置して冷媒の流れる方向を変える整流板43を設け、変化後の冷媒の流れる方向を、図2のようにモータロータ28bの回転方向Rと同じ方向としているので、冷媒の流れがモータ28の回転を助けるように作用する。これにより、モータ負荷を低減し、モータ効率を向上させながらモータ28の冷却を効率良く行うことができる。この実施形態では、整流板43の先端43aがモータロータ28bの外径面の近傍であるため、整流板43により冷媒流れ方向をモータロータ28bの回転方向と同じ方向として、冷媒の流れによりモータ28の回転を助ける作用が、より効果的に発揮される。   In particular, a rectifying plate 43 that changes the direction of refrigerant flow is provided in the motor cooling flow path 41, and the changed refrigerant flow direction is the same as the rotation direction R of the motor rotor 28b as shown in FIG. The refrigerant flow acts to assist the rotation of the motor 28. Thereby, the motor load can be reduced and the motor 28 can be efficiently cooled while improving the motor efficiency. In this embodiment, since the front end 43a of the rectifying plate 43 is in the vicinity of the outer diameter surface of the motor rotor 28b, the refrigerant flow direction is set to the same direction as the rotation direction of the motor rotor 28b by the rectifying plate 43. The effect of helping is demonstrated more effectively.

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。   Since the motor 28 is an axial gap motor, the main shaft 13 can be configured to be short, and the main shaft 13 can be rotated at high speed without causing a resonance problem. However, it is difficult to efficiently cool the motor 28. However, as described above, the refrigerant flowing in the refrigerant flow path 1 of the refrigeration cycle apparatus 50 in which the compressor 6 and the expansion turbine 7 of the turbine unit 5 in which the motor-integrated magnetic bearing device is incorporated is used as the motor in the spindle housing 14. Since it is introduced into the 28 arrangement portions, an excellent cooling effect by forced circulation of the refrigerant can be obtained with a simple configuration.

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および前記モータコイル28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を構成するモータコイル28baの配置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。   The motor cooling channel 41 is installed so that the two thrust plates 13a and 13b and the motor coil 28 are located inside the motor cooling channel 41, so that air as a cooling medium flowing into the motor cooling channel 41 is present. The two thrust plates 13a and 13b, which are constituent members of the motor rotor 28a, and the motor coil 28ba constituting the motor stator 28b flow through the arrangement portion, so that more efficient motor cooling can be performed.

図5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。
FIG. 5 shows the overall configuration of a refrigeration system apparatus 50 using the turbine unit 5. The refrigeration system device 50 is a system that directly cools air in a space to be cooled 10 such as a freezer as a refrigerant, and a refrigerant flow path 1 extending from an air intake port 1a to an exhaust port 1b respectively opened in the space to be cooled 10. have. The refrigerant flow path 1 is an air circulation path. The refrigerant flow path 1 includes a first heat exchanger 3, a compressor 6 of an air cycle refrigeration cooling turbine unit 5, a second heat exchanger 8, and intermediate heat. An exchanger 9 and an expansion turbine 7 of the turbine unit 5 are provided in this order. The middle of the path from the first heat exchanger 3 to the second heat exchanger 8 is the above-described motor cooling flow path 41 that penetrates the arrangement portion of the motor 28. If the motor cooling flow path 41 is arranged in this way, the air after being discharged from the compressor 6 and cooled by the first heat exchanger 3 is supplied to the motor 28 via the motor cooling flow path 41. Good motor cooling.
The intermediate heat exchanger 9 exchanges heat between the inflow air in the vicinity of the intake port 1a in the same refrigerant flow path 1 and the air that has been heated by the subsequent compression and cooled. The air in the vicinity of 1a passes through the heat exchanger 9a.

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。   The first heat exchanger 3 and the second heat exchanger 8 have heat exchangers 3a and 8a for circulating a cooling medium, respectively, and a cooling medium such as water and a refrigerant flow path in the heat exchangers 3a and 8a. Heat exchange with 1 air. Each of the heat exchangers 3 a and 8 a is connected to the cooling tower 11 by piping, and the cooling medium whose temperature is increased by heat exchange is cooled by the cooling tower 11.

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。   The refrigeration cycle apparatus 50 is a system that keeps the space 10 to be cooled at about 0 ° C. to −60 ° C., and has a pressure of about 1 ° C. from 0 ° C. to −60 ° C. from the space to be cooled 10 to the inlet 1a of the refrigerant flow path 1. Air flows in. Note that the numerical values of temperature and atmospheric pressure shown below are examples that serve as a guide. The air that has flowed into the intake port 1a is used for cooling the subsequent air in the refrigerant flow path 1 by the intermediate heat exchanger 9, and the temperature is raised to 30 ° C.

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。
The air at 30 ° C. and 1 atm that has passed through the intermediate heat exchanger 9 is compressed to 1.8 atm by the compressor 6 of the turbine unit 5, and the temperature is raised to about 80 ° C. by this compression. Cooled to 30 ° C. by vessel 3. The 30 ° C. air is cooled to −20 ° C. by the second heat exchanger 8 and the intermediate heat exchanger 9 while being heated to about 50 ° C. for cooling the motor 28. The atmospheric pressure is maintained at 1.8 atmospheric pressure discharged from the compressor 6.
The air cooled to −20 ° C. by the intermediate heat exchanger 9 is adiabatically expanded by the expansion turbine 7 of the turbine unit 5, cooled to −50 ° C., and discharged from the outlet 1 b to the cooled space 10. The refrigeration cycle apparatus 50 performs such a refrigeration cycle.

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。   In the refrigeration cycle apparatus 50, in the turbine unit 5, stable high-speed rotation of the main shaft 13 is obtained while maintaining appropriate gaps d1 and d2 between the impellers 6a and 7a, and long-term durability of the bearings 15 and 16 is improved. By improving the life, the long-term durability of the bearings 15 and 16 is improved. Therefore, the reliability of the turbine unit 5 as a whole, and the refrigeration cycle apparatus 50 as a whole, is improved. As described above, stable high-speed rotation, long-term durability, and reliability of the main shaft bearings 15 and 16 of the turbine unit 5 that are the bottleneck of the air cycle refrigeration cooling system are improved. It becomes possible.

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。1 is a cross-sectional view of a turbine unit in which a motor-integrated magnetic bearing device according to an embodiment of the present invention is incorporated. 図1におけるII−II矢視断面図である。It is II-II arrow sectional drawing in FIG. 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。It is a block diagram which shows an example of the controller for magnetic bearings used for a motor integrated magnetic bearing apparatus. 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。It is a block diagram which shows an example of the controller for motors used for a motor-integrated magnetic bearing apparatus. 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。It is a systematic diagram of the refrigeration cycle apparatus to which the turbine unit of FIG. 1 is applied. 提案例におけるモータ配置部の断面図である。It is sectional drawing of the motor arrangement | positioning part in a proposal example.

符号の説明Explanation of symbols

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)
17A…永久磁石(磁気軸受)
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
43…整流板
43a…先端
50…冷凍サイクル装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Refrigerant flow path 3 ... 1st heat exchanger 5 ... Turbine unit 6 ... Compressor 6a ... Compressor impeller 7 ... Expansion turbine 7a ... Turbine impeller 8 ... Second heat exchanger 9 ... Intermediate heat exchanger 13 ... Spindles 13a, 13b ... thrust plate 14 ... spindle housings 15, 16 ... rolling bearings 17 ... electromagnets (magnetic bearings)
17A ... Permanent magnet (magnetic bearing)
28 ... Axial gap motor 28a ... Motor rotor 28aa ... Permanent magnet 28b ... Motor stator 28ba ... Motor coil 41 ... Motor cooling flow path 43 ... Rectifying plate 43a ... Tip 50 ... Refrigeration cycle apparatus

Claims (6)

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、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、このモータ冷却流路内に位置して、冷媒の流れる方向を変える整流板を前記スピンドルハウジングに取付け、前記整流板は、変化後の冷媒の流れる方向を前記モータロータの回転方向と同じ方向とするものであることを特徴とするモータ一体型磁気軸受装置。
A rolling bearing and a magnetic bearing that support a main shaft provided with a compressor wheel and a turbine wheel, and a motor that rotationally drives the main shaft; the rolling bearing supports a radial load; and the magnetic bearing is an axial load. The electromagnet that supports either or both of the bearing preloads and that constitutes the magnetic bearing is attached to the spindle housing so as to face the flange-shaped thrust plate made of a ferromagnetic material provided on the main shaft in a non-contact manner, A motor-integrated magnetic bearing device in which a rotor of the motor is installed in the spindle housing,
A motor cooling flow path that penetrates the motor arrangement portion in the spindle housing is provided, and the refrigerant flow path of the refrigeration cycle apparatus in which the compressor having the compressor impeller and the expansion turbine having the turbine impeller are interposed, A rectifying plate is attached to the spindle housing to interpose a motor cooling flow path and is located in the motor cooling flow path to change the flow direction of the refrigerant, and the rectification plate changes the flow direction of the changed refrigerant to the motor rotor. A motor-integrated magnetic bearing device characterized by having the same direction as the rotation direction.
請求項1において、前記整流板の先端が、前記モータロータの外径面の近傍に配置されているモータ一体型磁気軸受装置。   The motor-integrated magnetic bearing device according to claim 1, wherein a tip of the rectifying plate is disposed in the vicinity of an outer diameter surface of the motor rotor. 請求項1または請求項2において、前記冷凍サイクル装置の冷媒流路は、前記コンプレッサから吐出された冷媒を冷却する熱交換器を有し、前記冷媒流路における前記熱交換器よりも後段の部分に前記モータ冷却流路を介在させたモータ一体型磁気軸受装置。   3. The refrigerant flow path of the refrigeration cycle apparatus according to claim 1, wherein the refrigerant flow path includes a heat exchanger that cools the refrigerant discharged from the compressor, and a portion of the refrigerant flow path that is subsequent to the heat exchanger. A motor-integrated magnetic bearing device in which the motor cooling flow path is interposed. 請求項1ないし請求項3のいずれか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るモータ一体型磁気軸受装置。   4. The motor according to claim 1, wherein the motor is an axial gap type motor, and a plurality of rotors of the motor are provided at equal pitches in the circumferential direction on the thrust plate and the thrust plate. A motor-integrated magnetic bearing device composed of a single permanent magnet. 請求項3において、前記主軸に前記スラスト板を対向して2枚設け、これら2枚のスラスト板の間に前記モータコイルを配置し、前記2枚のスラスト板に前記永久磁石を設け、前記2枚のスラスト板の互いの対向側とは反対側の面にそれぞれ対向して前記磁気軸受の電磁石を配置し、前記モータ冷却流路は、前記2枚のスラスト板および前記モータコイルが内部に位置するものとしたモータ一体型磁気軸受装置。   The thrust plate according to claim 3, wherein the two thrust plates are opposed to the main shaft, the motor coil is disposed between the two thrust plates, the permanent magnets are disposed on the two thrust plates, The electromagnets of the magnetic bearings are arranged to face opposite surfaces of the thrust plate opposite to each other, and the motor cooling flow path has the two thrust plates and the motor coil located inside The motor-integrated magnetic bearing device. 請求項1ないし請求項5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。   The refrigeration cycle apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein the refrigeration cycle apparatus compresses the inflow air as the refrigerant by the compressor, cooling by another heat exchanger, adiabatic expansion by the expansion turbine, Motor-integrated magnetic bearing device that is an air cycle refrigeration cooling system that performs air conditioning or refrigeration in sequence.
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