JP4969272B2 - モータ一体型磁気軸受装置 - Google Patents
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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)。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
この構成の場合、主軸に設けられた2枚の対向するスラスト板にモータロータとなる永久磁石を設け、これら2枚のスラスト板の間にモータコイルを配置したため、主軸をより一層短くできて全体をコンパクトな構成とできる。しかも、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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2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。
このような使用例において、このタービンユニット5は、コンプレッサ翼車6aおよびタービン翼車7aが、前記スラスト板13a,13bとモータロータ28aと共通の主軸13に嵌合し、モータ28の動力とタービン翼車7aで発生した動力のどちらか一方または両方によりコンプレッサ翼車6aを駆動するものとしている。このため、各翼車6a,7aの適切な隙間d1,d2を保って主軸13の安定した高速回転が得られ、かつ軸受15,16の長期耐久性の向上、寿命の向上が得られる。
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。
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。
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。
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
50…冷凍サイクル装置
Claims (2)
- コンプレッサ翼車およびタービン翼車が設けられた主軸を支持する転がり軸受および磁気軸受と、前記主軸を回転駆動するモータとを備え、前記転がり軸受がラジアル負荷を支持し、前記磁気軸受がアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を支持し、前記磁気軸受を構成する電磁石は主軸に設けられた強磁性体からなるフランジ状のスラスト板に非接触で対向するように、スピンドルハウジングに取付けられ、前記モータのロータが前記主軸に設けられ、このモータロータと対向してモータコイルを有するモータステータが前記スピンドルハウジングに設置されたモータ一体型の磁気軸受装置であって、
前記主軸に作用する両方向のスラスト力を検出するセンサを、前記スピンドルハウジングに設け、このセンサの出力に応じて前記電磁石による支持力を制御する磁気軸受用コントローラを設け、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枚のスラスト板に永久磁石を設け、前記2枚のスラスト板のうち、いずれか一方または両方のスラスト板の、互いの対向側とは反対側の面に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、
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、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、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ことを特徴とするモータ一体型磁気軸受装置。 - 請求項1において、前記モータがアキシアルギャップ型のモータであって、前記モータのロータが、前記スラスト板とこのスラスト板の周方向に等ピッチで設けられた複数個の永久磁石とで構成されるモータ一体型磁気軸受装置。
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