JP2009168072A - 軸受装置およびこれを備えた遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数を削減して低コスト化を図ることができる軸受装置を提供する。
【解決手段】軸受装置Ｂは、アキシアル磁気軸受１３及びラジアルフォイル軸受１４と、アキシアル磁気軸受１３及びラジアルフォイル軸受１４によって回転可能に支持された回転軸Ｓと、アキシアル方向Ａにおける回転軸Ｓの変位を検出するための磁気センサ１５とを備えている。回転軸Ｓは、磁性材料により形成されるとともに径が異なる２つの外周面２０ａ，２０ｂを有し、磁気センサ１５は、ラジアル方向Ｒにおいて、２つの外周面２０ａ，２０ｂに対向して配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、アキシアル方向における回転軸の変位を検出するための磁気センサを備えた軸受装置およびこれを備えた遠心圧縮機に関する。

遠心圧縮機や工作機械等において、高速で回転する回転軸を支持するために磁気軸受等の非接触型の軸受装置が使用される。このような軸受装置は、回転軸と非接触の状態でアキシアル方向（即ち、回転軸の中心軸に平行な方向）に回転軸を支持するため、アキシアル方向において回転軸が変位する。従って、アキシアル方向において回転軸が変位することによって、回転軸及び回転軸に取り付けられた回転部材が、回転しない部材（即ち、固定部材）に対して接触しないようにするために、アキシアル方向における回転軸の変位を検出するための磁気センサを使用することが知られている。

例えば、軸受装置は、アキシアル磁気軸受と、アキシアル磁気軸受によって回転可能に支持される回転軸と、回転軸のアキシアル方向における位置を検出するための磁気センサとを備えている。そして、磁気センサが、アキシアル方向において回転軸の端部に対向して配置されたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、磁気センサの配置の自由度を高めるものとして、磁気センサが、ラジアル方向（即ち、回転軸の中心軸に垂直な方向）において、回転軸に対向して配置したものが開示されている（例えば、特許文献２参照）。

より具体的には、例えば図３に示すように、圧縮部Ｑにおいてインペラ１３１及びボリュート１３２によって吐出口（不図示）へ気体を圧送する遠心圧縮機１０１は、インペラ１３１の駆動源となる電動モータ部Ｐにおいて軸受装置Ｃを備えている。そして、この軸受装置Ｃは、アキシアル磁気軸受１１３と、ラジアルフォイル軸受１１４と、アキシアル磁気軸受１１３及びラジアルフォイル軸受１１４によって回転可能に支持される回転軸Ｔと、アキシアル方向Ａにおける回転軸Ｔの変位を検出するための磁気センサ１１５とを備えている。この磁気センサ１１５は、ラジアル方向Ｒにおいて回転軸Ｔに対向して配置されている。そして、回転軸Ｔは非磁性材料により形成され、磁気センサ１１５によってアキシアル方向Ａにおける回転軸Ｔの変位を検出するために、磁気センサ１１５に対向する回転軸Ｔの外周１２０Ｃには、磁性材料である積層された珪素鋼板により形成されたターゲット部１２３が設けられている。従って、ラジアル方向Ｒにおいて回転軸Ｔに対向した磁気センサ１１５は、アキシアル方向Ａにおける回転軸Ｔの変位に伴い、ターゲット部１２３において磁気センサ１１５と対向する箇所Ｚの面積の変化を検出ことができ、アキシアル方向Ａにおける回転軸Ｔの変位を検出することができる。
特開２００５−２４０９６７号公報 特開２００４−６０８４０号公報

しかしながら、磁気センサ１１５がラジアル方向Ｒにおいて回転軸Ｔに対向して配置された軸受装置Ｃは、磁気センサ１１５の配置に関する自由度を高めることができるものの、回転軸Ｔを形成する材料（即ち、非磁性材料）と透磁率が異なる材料（即ち、磁性材料）により形成されたターゲット部１２３を設ける必要がある。このため、ターゲット部１２３を形成するために積層された珪素鋼板等の部品が必要となるため、コストがアップするという問題があった。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、部品点数を削減して低コスト化を図ることができる軸受装置およびこれを備えた遠心圧縮機を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、軸受と、軸受によって回転可能に支持された回転軸と、アキシアル方向における回転軸の変位を検出するための磁気センサとを備え、回転軸は、磁性材料により形成されるとともに径が異なる２つの外周面を有し、磁気センサは、ラジアル方向において、２つの外周面に対向して配置されていることを特徴とする。

同構成によれば、回転軸は、磁性材料により形成されるとともに径が異なる２つの外周面を有し、磁気センサは、ラジアル方向において、径が異なる２つの外周面に対向して配置されている。このため、ラジアル方向において回転軸の外周面に対向した磁気センサは、アキシアル方向における回転軸の変位に伴い、２つの外周面のうち大きい径を有する外周面において磁気センサと対向する箇所の面積の変化を検出することができ、アキシアル方向における回転軸の変位を検出することができる。従って、回転軸を形成する材料と透磁率が異なる材料により形成されたターゲット部を設けずにアキシアル方向における回転軸の変位を検出することができる。その結果、部品点数を削減することができるため、軸受装置の低コスト化を図ることができ、また、軸受装置の組み立てが容易となる。なお、「アキシアル方向」とは回転軸の中心軸に平行な方向であって、「ラジアル方向」とは、回転軸の中心軸に垂直な方向である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の軸受装置であって、回転軸が回転するトルクを得るためのモータロータが、２つの外周面のうち大きい径を有する外周面に設けられていることを特徴とする。

同構成によれば、磁気センサが対向する２つの外周面のうち大きい径を有する外周面を、回転トルクを得るためのモータロータを設ける外周面と兼用する構成としている。このため、磁気センサと対向するためのみの外周面を形成する必要がない。従って、磁気センサと対向するためのみの外周面を形成する場合に比し、アキシアル方向における回転軸の長さを短くすることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の軸受装置を備えることを特徴とする遠心圧縮機。
同構成によれば、請求項１または請求項２に記載の軸受装置を備えるため、上記請求項１または請求項２に記載の発明と同じ効果を得ることができる。

本発明によれば、部品点数を削減することができるため、軸受装置の低コスト化を図ることができ、また、軸受装置の組み立てが容易となる。

以下に本発明に係る実施形態について、図１を参照しながら説明する。なお、図中の矢印Ａは、回転軸の中心軸に平行な方向であるアキシアル方向を示すとともに、図中の矢印Ｒは、回転軸の中心軸に垂直な方向であるラジアル方向を示している。

本実施形態に係る軸受装置Ｂを備えた遠心圧縮機１は、遠心圧縮機１の駆動源となる電動モータ部Ｍと、電動モータ部Ｍにおいて回転トルクを得る回転軸Ｓと、回転軸Ｓの回転によって空気を圧送するための圧縮部Ｎとから構成されている。

（電動モータ部の構成）
電動モータ部Ｍは、ハウジング１１と、ハウジング１１に嵌合固定されたステータ１２と、回転軸Ｓをアキシアル方向Ａに支持するアキシアル磁気軸受１３と、回転軸Ｓをラジアル方向Ｒに支持するラジアルフォイル軸受１４と、アキシアル方向Ａにおける回転軸Ｓの変位を検出するための磁気センサ１５とから構成されている。

より具体的には、ハウジング１１の内周１１Ａには、圧入固定されたステータ１２が設けられている。このステータ１２は、略円筒状のステータコア１２ａと、ステータコア１２ａに巻かれた導線からなるコイル１２ｂとから構成され、コイル１２ｂに電流を流すことで回転磁界を発生させることができる。

また、ハウジング１１の内周１１Ａには、ステータ１２をアキシアル方向Ａにおいて挟むように、一対のアキシアル磁気軸受１３が設けられている。このアキシアル磁気軸受１３は、アキシアル方向Ａに開口している環状の溝１３ｂが形成された環状のヨーク部材１３ａと、環状の溝１３ｂに収容された電磁石１３ｃとから構成されている。

また、アキシアル磁気軸受１３の内方（即ち、環状のヨーク部材１３ａの内周１３Ａ）には、ラジアルフォイル軸受１４が設けられている。このラジアルフォイル軸受１４は、波形状に形成された環状のバンプフォイル１４ａと、バンプフォイル１４ａの内周１４Ａに設けられた円筒状のトップフォイル１４ｂとから構成されている。

また、ハウジング１１の内周１１Ａには、アキシアル方向Ａにおいてステータ１２を挟むように、ラジアル方向Ｒにおいて回転軸Ｓに対向している一対の（即ち、２つの）磁気センサ１５が設けられている。この磁気センサ１５は、インダクタンス型のアキシアル変位センサである。

（回転軸の構成）
回転軸Ｓは、ステータコア１２ａとトップフォイル１４ｂに挿通されるとともに、回転軸Ｓは、ハウジング１１に形成された貫通孔１１ａから圧縮部Ｎへ突出している。回転軸Ｓは、磁性材料（例えば、炭素鋼）により形成されている。

回転軸Ｓのステータ１２に対向する外周２０Ａには、回転軸Ｓの回転方向に磁極が交互に着磁されている円筒状のモータロータ（回転子）である永久磁石（界磁）２１が固定されている。従って、電動モータ部Ｍにおいて発生した回転磁界によって、永久磁石２１が固定された回転軸Ｓに回転トルクが発生して、回転軸Ｓが回転する。

また、回転軸Ｓには、アキシアル磁気軸受１３の電磁石１３ｃに対向する磁性材料からなるフランジ部２２が形成されている。このため、電磁石１３ｃに電流を供給することにより、フランジ部２２に磁気吸引力が発生するため、アキシアル方向Ａにおける回転軸Ｓの変位が制御される。

なお、アキシアル方向Ａにおける回転軸Ｓの変位を制御するために電磁石１３ｃに供給される電流の量は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等の制御装置（不図示）が、磁気センサ１５によって検出されたアキシアル方向Ａにおける回転軸Ｓの変位に応じて制御する。

（圧縮部の構成）
圧縮部Ｎは、回転軸Ｓの先端２０Ｂに取り付けられたインペラ３１と、インペラ３１によって遠心方向へ送られた気体の流路を形成するボリュート３２とから構成されている。

従って、回転軸Ｓが回転することによって、インペラ３１が回転して空気が遠心方向へ送られ、インペラ３１によって遠心方向へ送られた気体は、ボリュート３２によって吐出口（不図示）へ圧送される。

以上のように圧縮部Ｎにおいてインペラ３１及びボリュート３２によって吐出口（不図示）へ気体を圧送する遠心圧縮機１は、インペラ３１の駆動源となる電動モータ部Ｍにおいて軸受装置Ｂを備えている。そして、この軸受装置Ｂは、アキシアル磁気軸受１３及びラジアルフォイル軸受１４と、アキシアル磁気軸受１３及びラジアルフォイル軸受１４によって回転可能に支持された回転軸Ｓと、アキシアル方向Ａにおける回転軸Ｓの変位を検出するための磁気センサ１５とを備えている。

ここで本実施形態においては、図１及び図２に示すように、回転軸Ｓは、磁性材料により形成されるとともに径Ｄ１，Ｄ２が異なる２つの外周面２０ａ，２０ｂを有し、磁気センサ１５は、ラジアル方向Ｒにおいて、２つの外周面２０ａ，２０ｂに対向して配置されている点に特徴がある。なおここでいう「径」とは、回転軸Ｓの中心軸Ｘに垂直な方向（即ち、ラジアル方向Ｒ）における回転軸Ｓの中心軸Ｘからの長さ（即ち、半径）である。

このように構成すれば、ラジアル方向Ｒにおいて回転軸Ｓの外周面２０ａ，２０ｂに対向した磁気センサ１５は、アキシアル方向Ａにおける回転軸Ｓの変位に伴い、２つの外周面２０ａ，２０ｂのうち大きい径Ｄ２を有する外周面２０ｂにおいて磁気センサ１５と対向する箇所Ｙの面積の変化を検出することができる。従って、アキシアル方向Ａにおける回転軸Ｓの変位を検出することができ、回転軸Ｓを形成する材料と透磁率が異なる材料により形成されたターゲット部を設けずに、アキシアル方向Ａにおける回転軸Ｓの変位を検出することができる。

また、回転軸Ｓがラジアルフォイル軸受１４によって回転可能に支持されてラジアル方向Ｒにおいて回転軸Ｓが変位する場合、磁気センサ１５が１つでは、外周面２０ｂにおいて磁気センサ１５と対向する箇所Ｙの面積が変化したか、または、磁気センサ１５と回転軸Ｓとのギャップ（間隔）が変化したかを判別することが困難である。そこで、本実施形態においては、ラジアル方向Ｒにおいて径Ｄ１，Ｄ２が異なる２つの外周面２０ａ，２０ｂに対向する磁気センサ１５を複数備えている。

より具体的には、本実施形態においては、外周面２０ｂの両端に磁気センサ１５が複数設けられている。このため、図２（ａ）に回転軸Ｓが図中の矢印Ａ１の方向へ変位した場合、図２（ｂ）に示すように、外周面２０ｂにおいて矢印Ａ１側の磁気センサ１５と対向する箇所Ｙ１の面積は大きくなり、矢印Ａ２側の磁気センサ１５と対向する箇所Ｙ２の面積は小さくなる。また、図２（ａ）に回転軸Ｓが図中の矢印Ａ２の方向へ変位した場合、図２（ｃ）に示すように、外周面２０ｂにおいて矢印Ａ１側の磁気センサ１５と対向する箇所Ｙ１の面積は小さくなり、矢印Ａ２側の磁気センサ１５と対向する箇所Ｙ２の面積は大きくなる。即ち、外周面２０ｂにおいて磁気センサ１５と対向する箇所Ｙの各々の面積は、アキシアル方向Ａにおける回転軸Ｓの変位に伴って、互いに異なる変化をする。従って、複数の磁気センサ１５の各々によって検出された、外周面２０ｂにおいて各磁気センサ１５と対向する箇所Ｙの各々の面積の変化に基づき、アキシアル方向Ａにおける回転軸Ｓの変位を検出することができる。

また、本実施形態においては、２つの外周面２０ａ，２０ｂは、アキシアル方向Ａに垂直な面２０ｃによって連続している。このため、例えば、２つの外周面２０ａ，２０ｂがテーパ状に形成された面（不図示）によって連続している場合に比し、２つの外周面２０ａ，２０ｂのうち大きい径Ｄ２を有する外周面２０ｂにおいて磁気センサ１５と対向する箇所Ｙの面積の変化を検出し易くすることができる。

また、本実施形態においては、回転軸Ｓが回転する回転トルクを得るためのモータロータである永久磁石２１が、２つの外周面２０ａ，２０ｂのうち大きい径Ｄ２を有する外周面２０ｂに設けられている。従って、磁気センサ１５が対向する２つの外周面２０ａ，２０ｂのうち大きい径Ｄ２を有する外周面２０ｂを、回転トルクを得るための永久磁石２１を設ける外周面と兼用する構成としている。このため、磁気センサ１５と対向するためのみの外周面（不図示）を形成する必要がない。

上記実施形態の軸受装置Ｂによれば、以下のような作用効果を得ることができる。
（１）軸受装置Ｂは、アキシアル磁気軸受１３及びラジアルフォイル軸受１４と回転軸Ｓと磁気センサ１５とを備え、回転軸Ｓは、磁性材料により形成されるとともに径Ｄ１，Ｄ２が異なる２つの外周面２０ａ，２０ｂを有し、磁気センサ１５は、ラジアル方向Ｒにおいて、２つの外周面２０ａ，２０ｂに対向して配置されている。従って、上述のごとく、回転軸Ｓを形成する材料と透磁率が異なる材料により形成されたターゲット部を設けずに、アキシアル方向Ａにおける回転軸Ｓの変位を検出することができる。その結果、部品点数を削減することができるため、軸受装置Ｂの低コスト化を図ることができ、また、軸受装置Ｂの組み立てが容易となる。

（２）磁気センサ１５を複数備えているため、ラジアル方向Ｒにおいて回転軸Ｓが変位可能であっても、上述のごとく、複数の磁気センサ１５の各々によって検出された、外周面２０ｂにおいて各磁気センサ１５と対向する箇所Ｙの各々の面積の変化に基づき、アキシアル方向Ａにおける回転軸Ｓの変位を検出することができる。

（３）２つの外周面２０ａ，２０ｂは、アキシアル方向Ａに垂直な面２０ｃによって連続しているため、上述のごとく、２つの外周面２０ａ，２０ｂがテーパ状に形成された面によって連続している場合に比し、外周面２０ｂにおいて磁気センサ１５と対向する箇所Ｙの面積の変化を検出し易くすることができる。従って、アキシアル方向Ａにおける回転軸Ｓの変位を精度よく検出することができる。

（４）回転軸Ｓが回転する回転トルクを得るためのモータロータである永久磁石２１が、２つの外周面２０ａ，２０ｂのうち大きい径Ｄ２を有する外周面２０ｂに設けられているため、上述のごとく、磁気センサ１５と対向するためのみの外周面を形成する必要がない。従って、磁気センサ１５と対向するためのみの外周面を形成する場合に比し、アキシアル方向Ａにおける回転軸Ｓの長さを短くすることができる。

また、上記実施形態における遠心圧縮機１は、上記（１）の作用効果を得ることができる軸受装置Ｂを備えているため、上記（１）と同様の作用効果を得ることができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の設計変更をすることが可能であり、それらを本発明の範囲から除外するものではない。例えば、上記実施形態を以下のように変更してもよい。

・上記実施形態においては、回転軸Ｓが回転する回転トルクを得るための永久磁石２１が、磁気センサ１５と対向する外周面２０ｂに設けられていたが、磁気センサ１５と対向する外周面２０ｂに永久磁石２１が必ずしも設けられていなくてもよい。このようにしても上記（１）〜（３）の効果を得ることができる。

・上記実施形態においては、２つの外周面２０ａ，２０ｂは、アキシアル方向Ａに垂直な面２０ｃによって連続していたが、例えば、２つの外周面２０ａ，２０ｂテーパ状に形成された面によって連続していてもよい。このようにしても上記（１）〜（２）の効果を得ることができる。

・上記実施形態においては、一対の磁気センサ１５は、それぞれ、外周面２０ａ，２０ｂに対向していたが、それぞれ異なる外周面に対向していてもよい。即ち、一対の磁気センサ１５が対向する径が異なる２つの外周面のうち大きい径を有する外周面は、それぞれ径が異なっていてもよく、一対の磁気センサ１５が対向する径が異なる２つの外周面のうち径の小さい外周面も、それぞれ径が異なっていてもよい。

・上記実施形態においては、回転軸Ｓはアキシアル磁気軸受１３及びラジアルフォイル軸受１４によって回転可能に支持されていたが、その他の軸受（不図示）によって回転可能に支持されていてもよい。

・上記実施形態においては、磁気センサ１５を複数備えていたが、回転軸Ｓが転がり軸受等の接触型の軸受によって回転可能に支持されてラジアル方向Ｒにおいて回転軸Ｓが変位しない場合は、磁気センサ１５は１つであってもよい。このようにしても上記（１）の効果を得ることができる。

次に、上記実施形態から把握できる技術的思想について、その効果とともに以下に追記する。
（付記１）磁気センサを複数備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の軸受装置。

同構成によれば、ラジアル方向において径が異なる２つの外周面に対向する磁気センサを複数備えるため、例えば、回転軸がラジアルフォイル軸受によって回転可能に支持されてラジアル方向において回転軸が変位可能であっても、複数の磁気センサの各々によって検出された、径が異なる２つの外周面のうち大きい径を有する外周面において磁気センサと対向する箇所の各々の面積の変化に基づき、アキシアル方向における回転軸の変位を検出することができる。

（付記２）前記２つの外周面は、アキシアル方向に垂直な面によって連続していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の軸受装置。

同構成によれば、２つの外周面は、アキシアル方向に垂直な面によって連続しているため、例えば、２つの外周面がテーパ状に形成された面によって連続している場合に比し、径が異なる２つの外周面のうち大きい径を有する外周面において磁気センサと対向する箇所の面積の変化を検出し易くすることができる。従って、アキシアル方向における回転軸の変位を精度よく検出することができる。

本発明の実施形態に係る軸受装置を備えた遠心圧縮機を示す概略構成図。 （ａ）〜（ｃ）アキシアル方向における回転軸の変位に伴う、磁気センサに対向する箇所の面積の変化を説明するための部分拡大図。 従来の軸受装置を備えた遠心圧縮機を示す概略構成図。

符号の説明

Ａ…アキシアル方向、Ｂ…軸受装置、Ｄ１，Ｄ２…径、Ｍ…電動モータ部、Ｎ…圧縮部、Ｒ…ラジアル方向、Ｓ…回転軸、Ｘ…中心軸、Ｙ…磁気センサと対向する箇所、１…遠心圧縮機、１２…ステータ、１３…アキシアル磁気軸受、１４…ラジアルフォイル軸受、１５…磁気センサ、２０ａ，２０ｂ…外周面、２０ｃ…面、２１…永久磁石（モータロータ）。

Claims (3)

1. 軸受と、前記軸受によって回転可能に支持された回転軸と、アキシアル方向における前記回転軸の変位を検出するための磁気センサとを備え、
   前記回転軸は、磁性材料により形成されるとともに径が異なる２つの外周面を有し、
   前記磁気センサは、ラジアル方向において、前記２つの外周面に対向して配置されていることを特徴とする軸受装置。
2. 前記回転軸が回転するトルクを得るためのモータロータが、前記２つの外周面のうち大きい径を有する外周面に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の軸受装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の軸受装置を備えることを特徴とする遠心圧縮機。

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