JP2010045905A - モータ一体型の磁気軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 組立時の作業性向上とコンパクト化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】 転がり軸受１５，１６と磁気軸受で支持される主軸１３にモータ２８のロータ２８ａを、ハウジング１４にステータ２８ｂをそれぞれ設ける。ハウジング１４のステータ固定面に開口する冷却液の流入ポート３１ｃと流出ポート３１ｄを有するモータコイル冷却流路３１をステータ２８ｂ内に設ける。流入ポート３１ｃでモータコイル冷却流路３１に連通する入力側冷却流路３２と、流出ポート３１ｄでモータコイル冷却流路３１に連通する出力側冷却流路３３とを、ハウジング１４に設ける。外部から冷却液を入力側冷却流路３２に流入させる入力ポート３６と、出力側冷却流路３３から冷却液を流出させる出力ポート３７をハウジング１４の軸方向に向く表面に設ける。
【選択図】 図１

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号公報 特開２００８−７２８０９号公報

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コンプレッサ・タービンユニットが用いられている。このコンプレッサ・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荷される。空気サイクル冷凍冷却システムにおけるコンプレッサ・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コンプレッサ・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コンプレッサ・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５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コンプレッサ・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と永久磁石５７Ａと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の駆動力と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および永久磁石５７Ａ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、電磁石５７は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、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。

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と永久磁石５７Ａとで支持するため、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、上記構成のモータ一体型の磁気軸受装置では、モータステータ６８ｂでの発熱を抑えるために、図５のVI−VI矢視断面図を示す図６のように、モータステータ６８ｂのケース６８ｂｂ内に冷却流路７０を設け、この冷却流路７０に冷却液を循環させることでモータステータ６８ｂのモータコイル６８ｂａを冷却するようにしている。モータステータ６８ｂは２つのモジュール６８ｂ１，６８ｂ２に分割して、スピンドルハウジング５４への組み込みが可能な構成としている。冷却流路７０は、冷却液が矢印で示すようにモータコイル６８ｂａの外周側から内周側へ流入してから外周側へと流出するように形成され、モータステータ６８ｂの各モジュール６８ｂ１，６８ｂ２には、それぞれ１つの入力ポート８１ａと２つの出力ポート８１ｂが形成され、これら入力ポート８１ａおよび出力ポート８１ｂはスピンドルハウジング５４に形成された貫通孔５４ａを通して外部に突出させている。

しかし、図６のように、スピンドルハウジング５４に設けた通気孔７１、７２から冷媒空気を流してモータ６８の配置部を冷却するようにした構成であると、スピンドルハウジング５４を密封構造とする必要がある。このため、前記貫通孔５４ａを通してモータステータ６８ｂに入力ポート８１ａと出力ポート８１ｂを固定する場合に、その作業性が悪くなる。

また、入力ポート８１ａおよび出力ポート８１ｂと前記貫通孔５４ａとの間を密閉構造とする処理では、モータステータ６８ｂの全体で２つ入力ポート８１ａと４つの出力ポート８１ｂを有するので、計６箇所での密封処理を行なわなければならず、作業回数も多くなる。

さらに、スピンドルハウジング５４の外部で、入力ポート８１ａを２つから１つに、出力ポート８１ｂを４つから１つにまとめる必要があり、この点でも作業性が悪いという問題がある。また、入力ポート８１ａおよび出力ポート８１ｂは、スピンドルハウジング５４に対して径方向に突出するように設けられるため、スピンドルハウジング５４が大きくなるという問題もある。

この発明の目的は、組立時の作業性が向上し、コンパクトに構成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、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、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前記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、前記モータのモータ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における前記モータステータの固定面に開口する１つ以上の冷却液流入ポートおよび冷却液流出ポートを有し、前記モータコイルに接するように冷却液を流すモータコイル冷却流路を前記モータステータ内に設け、前記冷却液流入ポートを介して前記モータコイル冷却流路に連通する入力側冷却流路と前記冷却液流出ポートを介して前記モータコイル冷却流路に連通する出力側冷却流路とを前記スピンドルハウジングに設け、外部から冷却液を前記入力側冷却流路に流入させる入力ポート、および前記出力側冷却流路から外部に冷却液を流出させる出力ポートを前記スピンドルハウジングの軸方向に向く表面に設けたことを特徴とする。
この構成によると、モータステータからスピンドルハウジングの外側へ入力ポートおよび出力ポートを突出させる配管構造に比べてスピンドルハウジング組立時の作業性が向上する。また、入力ポートおよび出力ポートをスピンドルハウジングの軸方向に向く表面に設けたことで、スピンドルハウジングをコンパクトに構成できる。

この発明において、前記スピンドルハウジングに設けられた入力側冷却流路および出力側冷却流路は、スピンドルハウジングに形成された溝と、この溝を覆う蓋とで構成されるものであっても良い。

この発明において、前記スピンドルハウジングと前記蓋との間にシール材を介在させるのが、入力側冷却流路および出力側冷却流路を密封構造とするうえで望ましい。

この発明において、前記シール材は金属製薄板の両面に合成ゴム層を形成してなるものとしても良い。
シール材として、シリコーン系に代表される液状のものを用いても良いが、それではスピンドルハウジングに蓋を取り付けた際に、余分なシール材が溝を塞ぐおそれがある。シール材として、金属製薄板の両面に合成ゴム層を形成したものを用いれば、シール材で溝が塞がれるのを回避できる。

この発明において、前記入力ポートおよび出力ポートを前記蓋に設けても良い。

この発明において、前記冷却液流入ポートのすべてを介して前記モータコイル冷却流路に連通する前記入力側冷却流路、および前記冷却液流出ポートのすべてを介して前記モータコイル冷却流路に連通する前記出力側冷却流路をそれぞれ１つ設け、これらの入力側冷却流路および出力側冷却流路に対応させて前記入力ポートおよび出力ポートをそれぞれ１箇所に設けても良い。
このように、入力ポートおよび出力ポートをそれぞれ１つにまとめることにより、スピンドルハウジング組立時の配管時間を短縮できる。

この発明において、前記主軸は、その両端にコンプレッサ翼車およびタービン翼車が取付けられたコンプレッサ・ターンビンユニットの主軸であっても良い。

この発明のモータ一体型の磁気軸受装置は、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、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前記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、前記モータのモータ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における前記モータステータの固定面に開口する１つ以上の冷却液流入ポートおよび冷却液流出ポートを有し、前記モータコイルに接するように冷却液を流すモータコイル冷却流路を前記モータステータ内に設け、前記冷却液流入ポートを介して前記モータコイル冷却流路に連通する入力側冷却流路と前記冷却液流出ポートを介して前記モータコイル冷却流路に連通する出力側冷却流路とを前記スピンドルハウジングに設け、外部から冷却液を前記入力側冷却流路に流入させる入力ポート、および前記出力側冷却流路から外部に冷却液を流出させる出力ポートを前記スピンドルハウジングの軸方向に向く表面に設けたため、組立時の作業性が向上し、コンパクトに構成できる。

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コンプレッサ・タービンユニット５の断面図を示す。このコンプレッサ・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が共通の主軸１３の両端にそれぞれ嵌合して取り付けられ、その主軸１３がモータ一体型の磁気軸受装置で支持されている。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。

このコンプレッサ・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軸受１５，１６で支持し、主軸１３にかかるアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を磁気軸受である電磁石１７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。このコンプレッサ・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。

磁気軸受の一部構成部品である電磁石１７は、主軸１３の軸方向中間部において軸方向に並ぶように主軸１３に垂直かつ同軸に設けられた強磁性体からなるフランジ状の２つのスラスト板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。また、磁気軸受の他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、ここでは電磁石１７と永久磁石１７Ａとで磁気軸受を構成しているが、永久磁石１７Ａを電磁石１７に置き換えて、一対の電磁石１７，１７で磁気軸受を構成しても良い。

モータ２８は、前記電磁石１７および永久磁石１７Ａと並んで主軸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とでなるモータユニットである。具体的には、モータユニット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の間では、その磁極が互いに異極となるように設定される。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。

モータユニット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集中巻き方式の複数個のモータコイル２８ｂａと、これらモータコイル２８ｂａを内部に収容した絶縁材であるケース２８ｂｂとでなる。このケース２８ｂｂがスピンドルハウジング１４に固定される。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。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、コンプレッサ・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ている。

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。

図１のII−II矢視断面図を示す図２のように、前記モータステータ２８ｂは、モータコイル２８ｂａが周方向に並び互いに一体化された２個のモジュール２８ｂ１，２８ｂ２に分けて構成される。これにより、主軸１３と一体である２つのスラスト板１３ａ，１３ｂに挟まれて配置されるモータステータ２８ｂが、モータユニットの一部品として組み込み可能とされる。モータステータ２８ｂのケース２８ｂｂには、モータコイル２８ｂａに接するように冷却液を流すモータコイル冷却流路３１が、各モジュール２８ｂ１，２８ｂ２ごとに個別に設けられている。冷却液としては、例えば、オイルまたはエチレングリコールが用いられる。

これらのモータコイル冷却流路３１は、各モータコイル２８ｂａの配置部となる内周側から外周側へと径方向に延びる複数の分割流路部３１ａと、隣接する分割流路部３１ａの内周部を互いに連結する連結流路部３１ｂと、冷却液を流入させる冷却液流入ポート３１ｃと、冷却液を流出させる冷却液流出ポート３１ｄとでなる。冷却液流入ポート３１ｃは各モジュール２８ｂ１，２８ｂ２ごとに１つ設けられ、冷却液流出ポート３１ｄは各モジュール２８ｂ１，２８ｂ２ごとに２つ設けられる。冷却液流入ポート３１ｃは１つの分割流路部３１ａの外周部に配置され、冷却液流出ポート３１ｄは他の２つの分割流路部３１ａの外周部に配置される。冷却液流入ポート３１ｃおよび冷却液流入ポート３１ｄは、スピンドルハウジング１４におけるモータステータ２８ｂのケース２８ｂｂの固定面に開口する。これにより、各モジュール２８ｂ１，２８ｂ２のモータコイル冷却流路３１において、冷却液流入ポート３１ｃから流入した冷却液は、図２に矢印で示すように各モータコイル２８ｂａを冷却した後に、冷却液流出ポート３１ｄから流出する。

図１のIII −III 矢視断面図を示す図３のように、モータステータ２８ｂが固定されるスピンドルハウジング１４の軸方向を向く部分には、モータコイル冷却流路３１の冷却液流入ポート３１ｃを介してモータコイル冷却流路３１に連通する１つの入力側冷却流路３２と、モータコイル冷却流路３１の冷却液流出ポート３１ｄを介してモータコイル冷却流路３１に連通する１つの出力側冷却流路３３とが設けられる。これら入力側冷却流路３２および出力側冷却流路３３は、スピンドルハウジング１４の凹陥平坦面１４ａに形成された溝３２Ａ，３３Ａと、前記凹陥平坦面１４ａに嵌合して前記各溝３２Ａ，３３Ａを覆う蓋３４（図１）とで構成される。スピンドルハウジング１４の凹陥平坦面１４ａと蓋３４との間にはシール材３５（図１）を介在させ、これにより入力側冷却流路３２および出力側冷却流路３３を密閉構造としている。シール材３５としては、シリコーン系に代表される液状のものを用いても良いが、それでは前記凹陥平坦面１４ａに蓋３４を嵌合させた際に、余分なシール材３５が溝３２Ａ，３３Ａを塞ぐおそれがある。そこで、この実施形態では、シール材３５として、金属製薄板の両面に合成ゴム層を形成した厚さ１ｍｍ以下のもの（製品名／メーカ：ソフトメタル／ＮＯＫ）を用いている。

前記蓋３３は２つの溝３２Ａ，３３Ａに共通の一体の部材とされている。入力側冷却流路３２の溝３２Ａは、モータステータ２８ｂにおけるモータコイル冷却流路３１のすべての冷却液流入ポート３１ｃに重なる２つの連通孔３２Ａａを有する。すなわち、入力側冷却流路３２は、すべての冷却液流入ポート３１ｃを介してモータコイル冷却流路３１に連通する。また、出力側冷却流路３３の溝３３Ａは、モータステータ２８ｂにおけるモータコイル冷却流路３１のすべての冷却液流出ポート３１ｄに重なる４つの連通孔３３Ａａを有する。すなわち、出力側冷却流路３３は、すべての冷却液流出ポート３１ｄを介してモータコイル冷却流路３１に連通する。

なお、モータステータ２８ｂのケース２８ｂｂと、このケース２８ｂｂが固定されるスピンドルハウジング１４との間は、図示しないＯリングを介在させることによりシールが図られている。このモータ一体型の磁気軸受装置の場合、モータロータ２８ａは高速（６〜８万ｒｐｍ）で回転するため、モータロータ２８ａの永久磁石２８ａａとモータステータ２８の間のギャップは１００μｍのオーダで調整する必要がある。この要請に応えるために、前記Ｏリングは平面固定とし、機械的なギャップを管理できるようにしている。

図１のIV−IV矢視断面図、つまりスピンドルハウジグ１４の凹陥平坦面１４ａに蓋３４を嵌合せた状態を示す図４のように、前記蓋３４には、外部から前記入力側冷却流路３２に冷却液を流入させる入力ポート３６と、前記出力側冷却流路３３から外部に冷却液を流出させる出力ポート３７が設けられている。入力ポート３６は蓋３４における前記入力側冷却流路３２に対応する位置の１箇所に、また出力ポート３７は蓋３４における前記出力側冷却流路３３に対応する位置の１箇所に、それぞれ軸方向に向けて設けられている。これら入力ポート３６および出力ポート３７は、スピンドルハウジング１４における軸方向を向く面の中央より上位置に互いに近接して配置される。

入力ポート３６および出力ポート３７は、図示しないポンプ、タンクおよび熱交換器がこれらの順に介在する外部の冷却流路に接続されて、全体として冷却液の循環経路が構成される。これにより、タンクの冷却液がポンプから入力ポート３６に供給され、出力ポート３７を出た冷却液は熱交換器で外気と熱交換されて冷却されタンクに戻される。

入力ポート３６に供給された冷却液は、スピンドルハウジング１４の入力側冷却流路３２から４つの冷却液流入ポート３１ｃに分流されてモータコイル冷却流路３１に流入し、すべてのモータコイル２８ｂａを冷却する。モータコイル２８ｂａの冷却に使用された冷却液は、モータコイル冷却流路３１の２つの冷却液流出ポート３１ｄからスピンドルハウジング１４の出力側冷却流路３３に集約され、出力ポート３７から外部の冷却流路に流出し前記熱交換器を経てタンクに回収される。

このように、このモータ一体型の磁気軸受装置では、スピンドルハウジング１４におけるモータステータ２８ｂの固定面に開口する１つ以上の冷却液流入ポート３１ｃおよび冷却液流出ポート３１ｄを有し、モータコイル２８ｂａに接するように冷却液を流すモータコイル冷却流路３１をモータステータ２８ｂ内に設け、冷却液流入ポート３１ｃを介してモータコイル冷却流路３１に連通する入力側冷却流路３２と冷却液流出ポート３１ｄを介してモータコイル冷却流路３１に連通する出力側冷却流路３３とをスピンドルハウジング１４に設け、外部から冷却液を入力側冷却流路３２に流入させる入力ポート３６、および出力側冷却流路３３から外部に冷却液を流出させる出力ポート３７をスピンドルハウジング１４の軸方向に向く表面に設けたため、モータステータ２８ｂからスピンドルハウジング１４の外側へ入力ポート３６および出力ポート３７を突出させる配管構造に比べてスピンドルハウジング１４の組立が容易になり、配管作業時間を短縮できる。
また、入力ポート３６および出力ポート３７をスピンドルハウジング１４の軸方向に向く表面に設けたことで、スピンドルハウジング１４をコンパクトに構成できる。

また、この実施形態では、冷却液流入ポート３１ｃのすべてを介してモータコイル冷却流路３１に連通する入力側冷却流路３２、および冷却液流出ポート３１ｄのすべてを介してモータコイル冷却流路３１に連通する出力側冷却流路３３をそれぞれ１つ設け、これらの入力側冷却流路３２および出力側冷却流路３３に対応させて入力ポート３６および出力ポート３７をそれぞれ１箇所に設けているので、スピンドルハウジング組立時の配管時間をさらに短縮できる。

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。 図１のII−II矢視断面図である。 図１のIII −III 矢視断面図である。 図１のIV−IV矢視断面図である。 従来例の縦断面図である。 図５のVI−VI矢視断面図である。

符号の説明

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
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…モータ
２８ａ…モータロータ
２８ｂ…モータステータ
２８ｂａ…モータコイル
３１…モータコイル冷却流路
３１ｃ…冷却液流入ポート
３１ｄ…冷却液流出ポート
３２…入力側冷却流路
３２Ａ…溝
３３…出力側冷却流路
３３Ａ…溝
３４…蓋
３５…シール材
３６…入力ポート
３７…出力ポート

Claims (7)

1. 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、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前記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、前記モータのモータ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における前記モータステータの固定面に開口する１つ以上の冷却液流入ポートおよび冷却液流出ポートを有し、前記モータコイルに接するように冷却液を流すモータコイル冷却流路を前記モータステータ内に設け、前記冷却液流入ポートを介して前記モータコイル冷却流路に連通する入力側冷却流路と前記冷却液流出ポートを介して前記モータコイル冷却流路に連通する出力側冷却流路とを前記スピンドルハウジングに設け、外部から冷却液を前記入力側冷却流路に流入させる入力ポート、および前記出力側冷却流路から外部に冷却液を流出させる出力ポートを前記スピンドルハウジングの軸方向に向く表面に設け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、前記スピンドルハウジングに設けられた入力側冷却流路および出力側冷却流路は、スピンドルハウジングに形成された溝と、この溝を覆う蓋とで構成されるモータ一体型の磁気軸受装置。
3. 請求項２において、前記スピンドルハウジングと前記蓋との間にシール材を介在させたモータ一体型の磁気軸受装置。
4. 請求項３において、前記シール材は金属製薄板の両面に合成ゴム層を形成してなるモータ一体型の磁気軸受装置。
5. 請求項２ないし請求項４のいずれか１項において、前記入力ポートおよび出力ポートを前記蓋に設けたモータ一体型の磁気軸受装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記冷却液流入ポートのすべてを介して前記モータコイル冷却流路に連通する前記入力側冷却流路、および前記冷却液流出ポートのすべてを介して前記モータコイル冷却流路に連通する前記出力側冷却流路をそれぞれ１つ設け、これらの入力側冷却流路および出力側冷却流路に対応させて前記入力ポートおよび出力ポートをそれぞれ１箇所に設けたモータ一体型の磁気軸受装置。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記主軸は、その両端にコンプレッサ翼車およびタービン翼車が取付けられたコンプレッサ・ターンビンユニットの主軸であるモータ一体型の磁気軸受装置。

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