JP2009296750A - モータ一体型の磁気軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 アキシアル磁気軸受の負荷容量を軽減できると共に、タービン効率の向上が可能なモータ一体型の磁気軸受装置を提供する。
【解決手段】 ラジアル負荷を支持する転がり軸受１５，１６と、アキシアル負荷と軸受予圧の一方または両方を支持する磁気軸受１７とを併用する。磁気軸受１７はスピンドルハウジング１４に取付け、主軸１３に設けた強磁性体からなるスラスト板１３ｂに非接触で対向させる。主軸１３にはモータ２８を配し、主軸１３の両端にコンプレッサ６およびタービン７の各翼車６ａ，７ａを取付ける。タービン翼車７ａの背面に、背面より大径の背面板２２を設けて、各翼車６ａ，７ａの前面と背面の圧力差の差分を補償する。外周側からタービン翼車７ａに空気を導入するノズルブレード２３を、背面板２２の表面に対向してタービン翼車７ａの周方向複数箇所に配置する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、圧縮機と膨張機が同一軸に設けられる圧縮膨張タービユニット等に用いられる磁気軸受装置に関し、特に、転がり軸受と磁気軸受を併用し、磁気軸受がアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を支持するようにしたモータ一体型の磁気軸受装置に関する。

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

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

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

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

しかし、実用的な効率を得るためには、各翼車とハウジングとの隙間を微小に保つ必要がある。この隙間の変動は、安定した高速回転の妨げとなり効率の低下を招く。
また、コンプレッサ翼車やタービン翼車に作用する空気により、主軸にスラスト力が作用し、主軸を支持する軸受にスラスト荷重が負荷される。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、本発明者等は、上記課題を解決するものとして、図８に示すようなモータ一体型の磁気軸受装置を開発した。このモータ一体型の磁気軸受装置は、主軸５３の両端にコンプレッサ４６のコンプレッサ翼車４６ａおよび膨張タービン４７のタービン翼車４７ａを取付けた空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットにおいて、主軸５３のラジアル負荷を転がり軸受５５，５６で、アキシアル負荷を電磁石５７でそれぞれ支持すると共に、主軸５３に同軸に設けたモータ６８による駆動力とタービン翼車４７ａの駆動力でコンプレッサ翼車４６ａを回転駆動するようにしたものである。アキシアル負荷を支持する電磁石５７は、主軸５３に垂直かつ同軸に設けられたスラスト板５３ａ，５３ｂに非接触で対向するように配置され、アキシアル方向の力を検出するセンサ５８の出力に応じて磁気軸受用コントローラ５９で制御される。モータ６８はアキシアルギャップ型のものであって、主軸５３に垂直かつ同軸に設けた前記スラスト板５３ａ，５３ｂにモータロータ６８ａを形成すると共に、このモータロータ６８ａと軸方向に対向するようにモータステータ６８ｂを配置して構成される。モータロータ６８ａは、前記スラスト板５３ａ，５３ｂと、これらスラスト板５３ａ，５３ｂに周方向に等ピッチで設けられた複数個の永久磁石６８ａａとで構成される。モータステータ６８ｂは、高分子材料からなるケース内にモータコイル６８ｂａを収容して構成される。

上記構成のモータ一体型の磁気軸受装置によると、主軸５３にかかるスラスト力を電磁石５７で支持するため、非接触でトルクの増大を抑えながら、転がり軸受５５，５６に作用するスラスト力を軽減することができる。その結果、各翼車４６ａ，４７ａとハウジング４６ｂ，４７ｂとの微小隙間を一定に保つことができ、スラスト荷重の負荷に対する転がり軸受５５，５６の長期耐久性を向上させることができる。また、磁気軸受である電磁石５７とモータロータ６８ａの一体化により、コンパクトな構成とできる。

しかし、上記構成のモータ一体型の磁気軸受装置において、両翼車４６ａ，４７ａの前面と背面の圧力差の差分が大きく、過大なスラスト力が発生する場合には、アキシアル磁気軸受である電磁石５７の負荷容量および容積が大きくなるという問題がある。

この発明の目的は、アキシアル磁気軸受の負荷容量を軽減し、容積を小さくできると共に、タービンノズル部での作動流体の漏れを低減してタービン効率を向上させることができるモータ一体型の磁気軸受装置を提供することである。

この発明のモータ一体型の磁気軸受装置は、転がり軸受と磁気軸受を併用し、転がり軸受がラジアル負荷を支持し、磁気軸受がアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を支持し、前記磁気軸受を構成する電磁石は主軸に設けられた強磁性体からなるフランジ状のスラスト板に非接触で対向するように、スピンドルハウジングに取付けられており、同一の主軸に対してモータを配し、前記主軸の両端にコンプレッサおよびタービンの各翼車が取付けられるモータ一体型の磁気軸受装置であって、前記コンプレッサおよびタービンの翼車の前面と背面の圧力差の差分を補償する手段として、前記いずれかの翼車の背面に、この翼車の背面よりも大径の円盤状の背面板を設けて背圧の作用する面積を大きくすると共に、タービン翼車の外周側からタービン翼車に向けて空気を導入する複数のノズルブレードを、前記背面板の表面に対向してタービン翼車の外周側の周方向複数箇所に配置し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、コンプレッサおよびタービンの翼車の前面と背面の圧力差の差分を補償する手段として、前記いずれかの翼車の背面に、この翼車の背面よりも大径の円盤状の背面板を設けて背圧の作用する面積を大きくしたため、コンプレッサ翼車の前面と背面の間の圧力差と、タービン翼車前面と背面の間の圧力差の差分を小さくすることができる。これにより、これら両翼車の前面と背面の圧力差の差分に起因して過大なアキシアル力が主軸に負荷されるのを回避できる。その結果、アキシアル磁気軸受を構成する前記電磁石の負荷容量および容積を小さくできる。
また、前記背面板の表面に対向してタービン翼車の外周側の周方向複数箇所にノズルブレードを配置することで、タービン翼車の外周側からタービン翼車に向けて空気を導入するノズルを構成しているので、作動流体である空気を膨張タービンの空気取り入れ口からタービン翼車に効率良く導入でき、膨張タービンの効率を向上させることができる。

この発明において、前記背面板と対向する前記ノズルブレードの端面を良好な被削性と潤滑性を有する被膜で被覆して、背面板とノズルブレートの間の隙間を無くしても良い。
背面板とノズルブレードの間に隙間が生じると、作動流体である空気がタービン翼車の外周側から膨張タービンの空気取り入れ口に漏れるので、膨張タービンの効率低下をきたす。良好な被削性と潤滑性を有する被膜でノズルブレードの端面を被覆することで、背面板とノズルブレードの間の隙間を無くすと、隙間からの空気の漏れが低減され、膨張タービンの効率をより一層向上させることができる。また、背面板とノズルブレードの間に介在する被膜は良好な被削性と潤滑性を有するので、被膜がタービン翼車の回転の抵抗要素となるのを極力低減できる。なお、良好な被削性は、回転によって相手側と接触する部分が容易に削れることにより、回転の抵抗要素となることを軽減する。

この発明において、前記ノズルブレードの端面と対向する前記背面板の表面を良好な被削性と潤滑性を有する被膜で被覆して、背面板とノズルブレードの間の隙間を無くしても良い。

この発明において、前記ノズルブレードにおける前記背面板寄りの部分に背面板の表面に対向する仕切り板を設け、この仕切り板の背面板と対向する表面を良好な被削性と潤滑性を有する被膜で被覆して、背面板と仕切り板の間の隙間を無くしても良い。

前記仕切り板は、ノズルブレードと一体であっても良い。また、前記仕切り板は、前記ノズルブレードと別体に設けられて、ボルト締結、溶接、または接着によりノズルブレードに固定されていても良い。

この発明において、前記被膜は二硫化モリブデンを主成分としたものであっても、ポリエステルを主成分としたものであっても、シリコンアルミを主成分としたものであっても良い。

この発明において、前記モータ一体型の磁気軸受装置を備えた圧縮膨張タービンシステムが、流入空気に対して、タービンユニットのコンプレッサによる圧縮、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、もしくは予圧縮手段による圧縮、前記タービンユニットのコンプレッサによる圧縮、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。
このモータ一体型の磁気軸受装置を備え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の磁気軸受装置は、転がり軸受と磁気軸受を併用し、転がり軸受がラジアル負荷を支持し、磁気軸受がアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を支持し、前記磁気軸受を構成する電磁石は主軸に設けられた強磁性体からなるフランジ状のスラスト板に非接触で対向するように、スピンドルハウジングに取付けられており、同一の主軸に対してモータを配し、前記主軸の両端にコンプレッサおよびタービンの各翼車が取付けられるモータ一体型の磁気軸受装置であって、前記コンプレッサおよびタービンの翼車の前面と背面の圧力差の差分を補償する手段として、前記いずれかの翼車の背面に、この翼車の背面よりも大径の円盤状背面板を設けて背圧の作用する面積を大きくすると共に、タービン翼車の外周側からタービン翼車に向けて空気を導入する複数のノズルブレードを、前記背面板の表面に対向してタービン翼車の外周側の周方向複数箇所に配置したため、アキシアル磁気軸受の負荷容量を軽減し、電流や容積を小さくできると共に、タービン効率を向上させることができる。

この発明の一実施形態を図１ないし図６と共に説明する。図１は、この実施形態のモータ一体型の磁気軸受装置を組み込んだタービンユニット５の断面図を示す。このタービンユニット５は圧縮膨張タービンシステムを構成するものであり、コンプレッサ６および膨張タービン７を有し、コンプレッサ６のコンプレッサ翼車６ａおよび膨張タービン７のタービン翼車７ａが主軸１３の両端にそれぞれ嵌合して固定されている。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、外周部のノズル１２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。

この実施形態では、タービン翼車７ａに比べて、コンプレッサ翼車６ａの外径が大きいものとされている。このままでは、コンプレッサ翼車６ａの前面（吸込口６ｃに向く面）と背面（タービン翼車７ａに向く面）の間の圧力差と、タービン翼車７ａの前面（排出口７ｄに向く面）と背面（コンプレッサ翼車６ａに向く面）の間の圧力差の差分が大きくなる。すなわち、コンプレッサ翼車６ａでの圧力差の方が大きくなる。そこで、この圧力差の差分を補償する、つまり差分を小さくする手段として、コンプレッサ翼車６ａの部分拡大図を示す図２（Ａ）のように、タービン翼車７ａの背面に、このターンビン翼車７ａの背面よりも大径の円盤状の背面板２２を設けて、背圧の作用する面積を大きくしている。円盤状の背面板２２はタービン翼車７ａと別体に設けられて、ボルト締結、締り嵌め、または接着等の固定手段によりタービン翼車７ａに固定されている。これにより、例えば既存のタービン翼車７ａに対して円盤状の背面板２２を付加した構成を容易に実現できるので、タービン翼車７ａを汎用品として扱うことができる。このほか、円盤状の背面板２２は、タービン翼車７ａと一体に形成しても良い。この場合、タービン翼車７ａへ円盤状の背面板２２を固定する工程が要らないので、組立作業が容易となる。

タービン翼車７ａの外周部に設けられてタービン翼車７ａに向けて空気を導入するノズル１２は、タービンハウジング７ｂの前記背面板２２と対向する内壁面に設けられた複数のノズルブレード２３からなる。すなわち、ノズルブレード２３は、前記背面板２２の表面に対向してタービン翼車７ａの外周側の周方向複数箇所に配置される。ここでは、図２（Ｂ）に拡大断面図で示すように、これらのノズルブレード２３の前記背面板２２と対向する端面を、良好な被削性と潤滑性を有する材料からなる被膜２４で被覆して、背面板２２とノズルブレード２３の間の隙間を無くしている。

背面板２２とノズルブレード２３の間に隙間が生じると、作動流体である空気がタービン翼車７ａの外周側から膨張タービン７の図示しない空気取り入れ口に漏れるので、膨張タービン７の効率低下をきたす。ここでは、上記したように、良好な被削性と潤滑性を有する被膜２４でノズルブレード２３の端面を被覆することで、背面板２２とノズルブレード２３の間の隙間を無くしているので、隙間からの空気の漏れが低減され、膨張タービン７の効率を向上させることができる。また、背面板２２とノズルブレード２３の間に介在する被膜２４は良好な被削性と潤滑性を有する材料からなるので、被膜２４がタービン翼車７ａの回転の抵抗要素となるのを極力低減できる。良好な被削性と潤滑性を有する被膜２４の材料としては、例えば二流化モリブデンを主成分としたもの、ポリエステルを主成分としたもの、シリコンアルミを主成分としたものなどが好ましい。

背面板２２とノズルブレード２３の間の隙間を無くす対策としては、このほか図３に拡大断面図で示すように、ノスルブレード２３の端面と対向する背面板２２の表面を、良好な被削性と潤滑性を有する材料からなる被膜２４Ａで被覆しても良い。この場合の被膜２４Ａの材料としても、例えば二流化モリブデンを主成分としたもの、ポリエステルを主成分としたもの、シリコンアルミを主成分としたものなどが好ましい。

また、背面板２２とノズルブレード２３の間の隙間を無くす他の対策として、図４に拡大断面図で示すように、ノズルブレード２３における背面板２２寄りの部分（ここではノズルブレード２３の端面）に背面板２２の表面に対向する仕切り板２５を設け、この仕切り板２５の表面を良好な被削性と潤滑性を有する材料からなる被膜２４Ｂで被覆しても良い。この場合、仕切り板２５はノズルブレード２３と一体であっても別体であっても良い。別体である場合には、ボルト締結、溶接、または接着により仕切り板２５をノズルブレード２３に固定すれば良い。この場合の被膜２４Ａの材料としても、例えば二流化モリブデンを主成分としたもの、ポリエステルを主成分としたもの、シリコンアルミを主成分としたものなどが好ましい。なお、上記各被膜２４，２４Ａ，２４Ｂは、必ずしも被削性が良好でなくてもよく、被削性があればよいが、被削性が良好であると、回転抵抗の低減効果がより優れる。

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電磁石１７により支持すると共に、主軸１３を回転駆動するアキシアルギャップ型のモータ２８を設けたものである。このタービンユニット５は、主軸１３に作用するスラスト力を検出する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、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。磁気軸受である電磁石１７は、前記２枚のスラスト板１３ａ，１３ｂのうち、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。

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の内向きの各片面に、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。

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２１で被覆保持して構成され、その隔壁２１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。

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。

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、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４１，４２と、これら各センサターゲット４１，４２を支持する一対のリング状の板ばね４３，４４と、センサターゲット４１，４２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ルハウジング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４５とからなる。スピンドルハウジング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４５は、センサターゲット４１，４２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。

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４５とセンサターゲット４１，４２とのギャップを、ギャップセンサ４５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。

力検出センサユニット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。

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（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）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５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。

同じくブロック図で示す図６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７に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。

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。
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のうちの１つの軸方向外側に１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、コンプレッサ翼車６ａに比べて外径が小さいタービン翼車７ａの背面に、このターンビン翼車７ａの背面よりも大径の円盤状の背面板２２を設けて、背圧の作用する面積を大きくしているので、コンプレッサ翼車６ａの前面と背面の間の圧力差と、タービン翼車７ａの前面と背面の間の圧力差の差分を小さくすることができる。これにより、これら両翼車６ａ，７ａの前面と背面の圧力差の差分に起因して過大なアキシアル力が主軸１３に負荷されるのを回避できる。その結果、アキシアル磁気軸受を構成する前記電磁石１７の負荷容量および容積を小さくできる。

また、前記背面板２２の表面に対向してタービン翼車７ａの外周側の周方向複数箇所にノズルブレード２３を配置することで、タービン翼車７ａの外周側からタービン翼車７ａに向けて空気を導入するノズル１２を構成しているので、作動流体である空気を膨張タービン７の図示しない空気取り入れ口からタービン翼車７ａに効率良く導入でき、膨張タービン７の効率を向上させることができる。とくに、この実施形態では、前記背面板２２と対向するノズルブレード２３の端面、あるいは背面板２２の表面、あるいはノズルブレード２３の背面板２２寄りの部分に設けた仕切り板２５の背面板２２と対向する表面を、良好な被削性と潤滑性を有する被膜２４，２４Ａ，２４Ｂで被覆して、背面板２２とノズルブレート２３の間、あるいは背面板２２と仕切り板２５の間の隙間を無くしているので、空気が前記隙間から漏れるのを低減でき、膨張タービン７の効率をより一層向上させることができる。

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

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

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

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

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

この発明の一実施形態にかかるモータ一体型の磁気軸受装置が組み込まれたタービンユニットの断面図である。 （Ａ）は図１の部分拡大図、（Ｂ）は（Ａ）におけるノズル部の部分拡大図である。 前記ノズル部の他の構成例の部分拡大断面図である。 前記ノズル部のさらに他の構成例の部分拡大断面図である。 モータ一体型の磁気軸受装置に用いられる磁気軸受用コントローラの一例を示すブロック図である。 モータ一体型の磁気軸受装置に用いられるモータ用コントローラの一例を示すブロック図である。 図１のタービンユニットを適用した空気サイクル冷凍冷却システムの系統図である。 提案例の断面図である。

符号の説明

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
１２…ノズル
１３…主軸
１４…スピンドルハウジング
１５，１６…転がり軸受
１７…電磁石
２２…円盤状背面板
２８…モータ

Claims (10)

1. 転がり軸受と磁気軸受を併用し、転がり軸受がラジアル負荷を支持し、磁気軸受がアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を支持し、前記磁気軸受を構成する電磁石は主軸に設けられた強磁性体からなるフランジ状のスラスト板に非接触で対向するように、スピンドルハウジングに取付けられており、同一の主軸に対してモータを配し、前記主軸の両端にコンプレッサおよびタービンの各翼車が取付けられるモータ一体型の磁気軸受装置であって、
   前記コンプレッサおよびタービンの翼車の前面と背面の圧力差の差分を補償する手段として、前記タービン翼車の背面に、タービン翼車の背面よりも大径の円盤状背面板を設けて背圧の作用する面積を大きくすると共に、タービン翼車の外周側からタービン翼車に向けて空気を導入する複数のノズルブレードを、前記背面板の表面に対向してタービン翼車の外周側の周方向複数箇所に配置したことを特徴とするモータ一体型の磁気軸受装置。
2. 請求項１において、前記背面板と対向する前記ノズルブレードの端面を良好な被削性と潤滑性を有する被膜で被覆して、背面板とノズルブレートの間の隙間を無くしたモータ一体型の磁気軸受装置。
3. 請求項１において、前記ノズルブレードの端面と対向する前記背面板の表面を良好な被削性と潤滑性を有する被膜で被覆して、背面板とノズルブレードの間の隙間を無くしたモータ一体型の磁気軸受装置。
4. 請求項１において、前記ノズルブレードにおける前記背面板寄りの部分に背面板の表面に対向する仕切り板を設け、この仕切り板の背面板と対向する表面を良好な被削性と潤滑性を有する被膜で被覆して、背面板と仕切り板の間の隙間を無くしたモータ一体型の磁気軸受装置。
5. 請求項４において、前記仕切り板が、前記ノズルブレードと一体であるモータ一体型の磁気軸受装置。
6. 請求項４において、前記仕切り板が、前記ノズルブレードと別体に設けられて、ボルト締結、溶接、または接着によりノズルブレードに固定されたモータ一体型の磁気軸受装置。
7. 請求項２ないし請求項６のいずれか１項において、前記被膜は二硫化モリブデンを主成分としたものであるモータ一体型の磁気軸受装置。
8. 請求項２ないし請求項６のいずれか１項において、前記被膜はポリエステルを主成分としたものであるモータ一体型の磁気軸受装置。
9. 請求項２ないし請求項６のいずれか１項において、前記被膜はシリコンアルミを主成分としたものであるモータ一体型の磁気軸受装置。
10. 請求項１ないし請求項９のいずれか１項において、前記モータ一体型の磁気軸受装置を備えた圧縮膨張タービンシステムが、流入空気に対して、タービンユニットのコンプレッサによる圧縮、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、もしくは予圧縮手段による圧縮、前記タービンユニットのコンプレッサによる圧縮、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るモータ一体型の磁気軸受装置。

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