JPH06147191A - 磁気軸受搭載型遠心圧縮機及び遠心流体機械装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 磁気軸受搭載型遠心圧縮機のロータ制御特性
及び制御精度を向上する。 【構成】 スラストセンサ２４をラジアル磁気軸受２１
ａとスラスト磁気軸受２２ａの間に取付け、またメカニ
カルダンパ１７をロータ１１の両側の軸端部に取り付け
る。さらにハウジング７ａ〜７ｄを別体として個々に取
り外し可能とする。 【効果】本発明の配置・構成によれば、ロータ固有振動
数を高くできる、センサ検出感度を向上できる、メカニ
カルダンパの減衰力の向上とその能力調整が容易、等の
効果がある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は磁気軸受搭載型遠心圧縮
機及び遠心流体機械装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】石油プラント、化学プラントなどの原材
料生成過程で原材料の圧縮に使用される遠心圧縮機に
も、回転軸を磁力により非接触で支持する磁気軸受が用
いられるようになってきた。たとえば "I-R New Offers
Large Rotating Equipment withRevolutionary Fricti
on-free Bearings",The Turbo Report, Number 17/Janu
ary 1985（“インガソル社は画期的な摩擦の無いベアリ
ングを持つ大回転装置を提案する”、ターボレポート、
1985年1月号、No、17） に示された、５軸制御を使用し
た磁気軸受搭載型遠心圧縮機を、図６に示す。この圧縮
機はガスを圧縮する複数個のインペラ１２を取り付けた
ロータ１１と、インペラ１２の外部を包み流路を形成す
るケーシング１と、ケーシング１に取り付けたハウジン
グ７、及び磁気軸受２１、２２、センサ２３、２４で構
成される。カップリング１３を介して駆動機（図示せ
ず）によりロータ１１を回転すると、ガスが吸込ノズル
からケーシング１内に吸込まれ、インペラ１２により圧
縮され、圧縮されたガスはケーシング１とダイヤフラム
４により形成される流路５を通って次の段のインペラ１
２で更に圧縮される。全段のインペラ１２で圧縮された
ガスは吐出ノズル３を通ってケーシング１外に吐出され
る。この圧縮機は磁気軸受で支持されている。即ち、４
個の電磁石で構成された２個のラジアル磁気軸受２１
ａ、２１ｂ、各１個の電磁石からなる２個のスラスト磁
気軸受２２ａ、２２ｂ、ロータ１１の径方向変位量を検
出する２個のラジアルセンサ２３ａ、２３ｂ、ロータ１
１の軸方向変位量を検出する１個のスラストセンサ２
４、及び電磁石への供給電源が失われロータを磁気浮上
できなくなった時にロータ１１を支持するための補助軸
受２５ａ、２５ｂが組込まれている。時には、機械的に
減衰を与えるため、メカニカルダンパが並用されること
もある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の磁気軸受搭載型
遠心圧縮機においては、ベアリングの配置に際して、磁
気軸受は油軸受の置き換え品であるという観点から、油
軸受を使用していた時と同様な配置にしたり、スペース
的な制約条件から配置される場合が多い。またセンサ
は、その出力信号で制御するベアリングに近ければ良い
という観点だけから取り付け位置が決められている。さ
らに補助軸受やメカニカルダンパは、ベアリング、セン
サ配置後の取り付け可能な位置に配置されている。しか
し、各磁気軸受部品の配置を決定するに当っては、制御
されるロータの振動特性を考慮して、適切な制御が行な
われるような配置を決める必要がある。特にロータの回
転数が高く、ロータの振動モードが曲げモードの範囲で
運転される場合には、部品配置は十分に注意しなければ
ならない。しかし従来の磁気軸受搭載型遠心圧縮機で
は、こうした配慮がなされていなかった。又、スラスト
荷重を予想することが難しいため、スラスト荷重を変更
する場合があるが、現状のスラスト磁気軸受は容量固定
方式のため、容量を変化させて対応することができな
い。

【０００４】本発明の目的は、ロータの振動特性を考慮
して磁気軸受部品の配置を行うことにより、制御特性が
よく、安全で保守効率もよい磁気軸受搭載型遠心圧縮機
及び遠心流体機械装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明においては、下記のような部品配置・構成
とする。 （１）ロータの軸方向位置を検出するためのスラストセ
ンサを、ラジアル磁気軸受の内側に配置する。 （２）前記メカニカルダンパを、ロータ両側の軸端部に
配置する。 （３）ラジアル磁気軸受及びスラスト磁気軸受のステー
タ部をそれぞれ別体のハウジングに取り付ける。 （４）ラジアル磁気軸受及びスラスト磁気軸受に電流を
供給するためのリード線を、前記各磁気軸受対応のハウ
ジングごとに設けた穴を通して当該ハウジングの外部に
取り出すようにする。 （５）前記リード線を通す穴と当該ハウジング側面との
間に溝を設け、リード線をこの溝と上記穴を通して配置
できるようにする。 （６）スラスト磁気軸受が複数個のコイルを有する場
合、各コイルごとにリード線を外部へ引き出して接続用
に設けた端子板に接続し、該端子板上で上記各コイルの
接続方法を可変できるようにする。

【０００６】

【作用】上記の各部品配置・構成によれば、 （１）スラストセンサを、ロータの半径方向の振れが小
さい、ラジアル磁気軸受の内側に設けることで、軸方向
変位の検出感度が向上する。 （２）２つのメカニカルダンパを設けてそのウエイトを
調整することにより、２つの帯域で減衰をきかせたり２
つの固有振動数の値を調整できる。 （３）ハウジングを磁気軸受ごとに別体としたことで、
個々の磁気軸受の点検を、該当するハウジングをはずす
だけで行え、保守が容易となる。 （４）各ハウジングにリード線用の穴を設けることで、
ハウジング分解時にリード線を取り出す必要がなくな
る。 （５）穴とハウジング側面との間に溝を設けることによ
り、磁気軸受の取付作業が容易となる。 （６）複数個のコイルの接続方法を外部の端子板で簡単
に変えられるから、磁気軸受の出力を変更したり、１個
のパワーアンプで制御するか複数個のパワーアンプで個
々に制御するか等の回路構成を容易に変更できる。

【０００７】

【実施例】以下、本発明を実施例により説明する。図１
は本発明の磁気軸受搭載型遠心圧縮機の一実施例を示す
もので、圧縮機を断面図で示している。この遠心圧縮機
は、ガスを圧縮する複数個のインペラ１２を取り付けた
ロータ１１と、インペラ１２の外部を包み流路を形成す
るケーシング１、及びロータ１１を支持する軸受部から
構成されている。軸受部はラジアル磁気軸受２１ａ、２
１ｂとスラスト磁気軸受２２ａ、２２ｂを有している。
ラジアルセンサ２３ａ、２３ｂとスラストセンサ２４
は、ロータ１１の半径方向変位量と軸方向変位量をそれ
ぞれ検出し、その信号によりラジアル磁気軸受２１ａ、
２１ｂ及びスラスト磁気軸受２２ａ、２２ｂへ供給する
電流が制御器（図示せず）により制御され、これによっ
てロータ１１は適切に回転できるように支持される。

【０００８】カップリング１３を介して駆動機（図示せ
ず）によりロータ１１を回転すると、ガスが吸込ノズル
２からケーシング１内に吸込まれ、インペラ１２により
圧縮される。圧縮されたガスはケーシング１とダイアフ
ラム４により形成される流路５を通って次の段のインペ
ラ１２でさらに圧縮される。全段のインペラ１２で圧縮
されたガスは吐出ノズル３を通ってケーシング１外に吐
出される。ケーシング１の吸込側端部と吐出側端部に
は、ガスがケーシング１から漏れいないようにするた
め、シール６ａ、６ｂが設けられている。

【０００９】ロータ１１を支持する各磁気軸受２１ａ、
２１ｂ、２２ａ、２２ｂ及びセンサ２３ａ、２３ｂ、２
４は、ケーシング１の両側に取り付けられたハウジング
７ａ〜７ｄ内に取り付けられている。又、各磁気軸受２
１ａ、２１ｂ，２２ａ、２２ｂへの電源供給が停止した
時、これらの磁気軸受や圧縮機を構成している部品を損
傷しないように、ロータ１１が停止するまでロータ１１
を支持できるラジアル補助軸受２５ａ、２５ｂおよびス
ラスト補助軸受２６もハウジング７ａ〜７ｄ内に取り付
けられている。さらに各々独立のハウジング７ａ〜７ｄ
（斜線で示した部分）には、それぞれ貫通穴８ａ〜８ｄ
が加工されており、各磁気軸受及びセンサに電源を供
給、あるいは信号を取り出すためのリード線がその貫通
穴を通して外部に取り出される。尚、１５ａ、１５ｂは
ラジアルスリーブ、１６はスラストスリーブである。

【００１０】ラジアル磁気軸受２１ａの内側に配置され
た。スラストセンサ２４は、軸方向の変位量を検出する
センサであるが、半径方向の変位量が大きいと測定誤差
が大きくなる。したがって、半径方向の変位量が小さい
ラジアル磁気軸受２１ａの内側に置くのが好ましい。さ
らに曲げの振動に対しては、ラジアル磁気軸受２１ａと
スラスト磁気軸受２２ａの間でモードの節が出来、半径
方向の変位置も小さいため、スラストセンサ２４を特に
ラジアル磁気軸受２１ａとスラスト磁気軸受２２ａの間
に配置することで、更に検出精度を向上できる。又、ス
ラストセンサ２４を、ラジアル磁気軸受２１ａの内側に
配置するため、ラジアル磁気軸受２１ａをより軸端部に
配置でき、ラジアル磁気軸受２１ａの制御特性の向上、
ラジアルセンサ２３ａの検出精度の向上に効果がある。

【００１１】磁気軸受は、全運転範囲においてロータ１
１を安定に回転できるように、センサ出力にもとづいて
電気的に制御されるが、ロータ１１が高速回転になって
くると、この制御のみで安定化させることが難しくな
る。そこで、機械的に減衰を与えるメカニカルダンパ１
７が用いられる。このメカニカルダンパ１７は、ロータ
１１に取り付けるスリーブ、その外周に取り付けられた
弾性体及び弾性体で支持されたウエイトから構成されて
いる。メカニカルダンパ１７に大きな減衰効果を要求す
る場合には、図１に示すように感度の高い軸端に取り付
けるのが好ましい。但し、軸端部に取り付けると、ラジ
アル磁気軸受２１ａが軸端部より内側に配置されること
になり、制御特性が多少低下する。メカニカルダンパ１
７とラジアル磁気軸受２１ａのどちらを軸端部に配置す
るかは、減衰効果の向上と制御特性の向上のどちらにウ
エイトを置くかで選定すれば良い。図１の実施例では、
減衰効果の向上にウエイト置いた場合の配置を示してい
る。

【００１２】以上に説明した図１の実施例では、両軸端
部にメカニカルダンパ１７ａ、１７ｂを設けている。本
実施例によれば、運転する回転数範囲の上下にある２つ
の固有周波数の値が適切になるように、メカニカルダン
パ１７ａ、１７ｂを設計することで、運転範囲内での安
定な減衰特性を得ることができる。

【００１３】図１、の実施例では、メカニカルダンパを
軸外周部に取り付けるものとしたが、軸端部では振動モ
ードに対する感度が高いから、メカニカルダンパ自体の
不均衡があると、振動を増加させてしまう場合がある。
図２はこの問題を解決するようにした本発明の第２の実
施例を示すもので、ロータ１１の軸端部に穴を加工し、
その中にメカニカルダンパ１７ａ、１７ｂを取り付けて
いる。こうするとメカニカルダンパ１７ａ、１７ｂ自体
に不均衡があってもそのための振動増加はほとんど無視
できる程度に小さくなる。さらにメカニカルダンパ１７
ａ、１７ｂもラジアル磁気軸受２１ａ、２１ｂも同時に
軸端部に配置でき、減衰特性も制御特性も最良の状態と
することができる。

【００１４】次に以上の図１〜図２の実施例に共通の、
上記以外の特徴点を説明する。まずラジアル磁気軸受２
１ａ、２１ｂはハウジング７ａ、７ｄに、またスラスト
磁気軸受２２ａ、２２ｂはハウジング７ｂ、７ｃにそれ
ぞれ取り付けられているから、１つの磁気軸受だけを取
り出すには１つのハウジングだけを分解すればよい。従
って各磁気軸受の点検作業が容易となり、作業性が向上
する。

【００１５】図３はラジアル磁気軸受に付属のリード線
を外部へ導くための構造を示している。同図（ａ）は磁
気軸受２１ａの部分の断面を示しており、このＡ−Ａ断
面が同図（ｂ）に、さらにこの断面のＢ−Ｂ断面が同図
（ｃ）である。リード線３２は、磁気軸受端面の半径方
向に設けられたリード線用の溝２９を通して引き出され
るが、このままではラジアル磁気軸受２１ａをハウジン
グ７ａに取り付けるときに、ハウジング７ａに設けたリ
ード線８ａ用の穴にリード線３２を通しながら取付作業
することになり、作業がきわめて困難である。そこで本
発明では、ラジアル磁気軸受２１ａをハウジング７ａに
取り付けた後に、リード線３２をハウジング７ａに設け
たリード線取り出し用の穴８ａから外部に取り出す作業
が容易となるように、ハウジング７ａ端面からリード線
取り出し用の穴８ａに達するような溝９を設けている。
他の磁気軸受を取り付けたハウジング７ｂ〜７ｄについ
ても同様である。

【００１６】図４及び図５は、スラスト磁気軸受２２ａ
が複数個のコイル３１ａ３１ｂを持つ場合のリード線接
続方法を示したものであり、各コイル３１ａ、３１ｂご
とのリード線３２ａ、３２ｂをハウジング７ｂの外部で
端子板３３へ接続する。図４の端子板３３はコイル３１
ｂと３１ａと直列接続を行う接続方法、図５の端子板３
３はコイル３１ｂと３１ａとを並列接続を行う接続方法
を示す。そしてこの端子板経由で制御用のパワーアンプ
４１、または４１ａ、４１ｂと接続する。このようにす
ることで、リード線を使用方法に合わせて接続でき、ま
た接続を変更するのも容易となる。尚、遠心圧縮機の例
で説明したが、本発明は遠心流体機械装置一般にも適用
できる。

【００１７】

【発明の効果】本発明によれば次の効果がある。 （１）スラストセンサの検出感度が向上する。 （２）メカニカルダンパの全体としての減衰能力を低下
をさせずに、運転範囲の上下の固有振動数を個別に調整
し適切な運転範囲を確保できる。 （３）磁気軸受をハウジングから取りはずさなくても、
その点検ができ、作業性が改善される。 （４）ハウジングを分解する時、リード線をハウジング
から取りはずさなくても良いので、作業時間が短縮でき
る。 （５）ベアリング取り付け時のリード線の配置が容易と
なり、作業性を改善できる。 （６）スラスト磁気軸受が複数のコイルを有していると
き、その磁気軸受の出力変更、制御方法の変更が容易と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の磁気軸受搭載型遠心圧縮機の第１の実
施例を示す断面図である。

【図２】本発明の磁気軸受搭載型遠心圧縮機の第２の実
施例を示す断面図である。

【図３】リード線引き出し部分のハウジング構造を示す
図である。

【図４】複数コイルを有するスラストベアリングのリー
ド線結線方法の例を示す図である。

【図５】複数コイルを有するスラストベアリングのリー
ド線結線方法の例を示す図である。

【図６】従来の磁気軸受搭載型遠心圧縮機の断面図であ
る。

【符号の説明】

７ａ ハウジング ７ｂ ハウジング ７ｃ ハウジング ７ｄ ハウジング ８ａ リード線取出用穴 ８ｂ リード線取出用穴 ８ｃ リード線取出用穴 ８ｄ リード線取出用穴 １１ ロータ １７ メカニカルダンパ １７ａ メカニカルダンパ １７ｂ メカニカルダンパ ２１ａ ラジアル磁気軸受 ２１ｂ ラジアル磁気軸受 ２２ａ スラスト磁気軸受 ２２ｂ スラスト磁気軸受 ２３ａ ラジアルセンサ ２３ｂ ラジアルセンサ ２４ スラストセンサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 米山 光穂 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社日 立製作所土浦工場内 (72)発明者 坂梨 尚文 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社日 立製作所土浦工場内 (72)発明者 高橋 直彦 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社日 立製作所土浦工場内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ラジアル磁気軸受とスラスト磁気軸受を
   使用して磁気力によりロータを非接触で保持した磁気軸
   受搭載型遠心圧縮機において、ロータの軸方向位置を検
   出するためのスラストセンサを、ラジアル磁気軸受の内
   側に配置したことを特徴とする磁気軸受搭載型遠心圧縮
   機。
2. 【請求項２】 ラジアル磁気軸受とスラスト磁気軸受を
   使用して磁気力によりロータを非接触で保持した磁気軸
   受搭載型遠心圧縮機において、ロータの振動に機械的減
   衰を付与するためのメカニカルダンパを、ロータ両側の
   軸端部に配置したことを特徴とする磁気軸受搭載型遠心
   圧縮機。
3. 【請求項３】 ラジアル磁気軸受とスラスト磁気軸受を
   使用して磁気力によりロータを非接触で保持した磁気軸
   受搭載型遠心圧縮機において、ラジアル磁気軸受および
   スラスト磁気軸受のステータ部をそれぞれ別体のハウジ
   ングに取り付けたことを特徴とする磁気軸受搭載型遠心
   圧縮機。
4. 【請求項４】 ラジアル磁気軸受及びスラスト磁気軸受
   に電流を供給するためのリード線を、前記各磁気軸受対
   応のハウジングごとに設けた穴を通して当該ハウジング
   の外部に取り出すようにしたことを特徴とする請求項３
   記載の磁気軸受搭載型遠心圧縮機。
5. 【請求項５】 前記リード線を通す穴と当該ハウジング
   側面との間に溝を設け、リード線をこの溝と上記穴を通
   して配置できるようにしたことを特徴とする請求項４記
   載の磁気軸受搭載型遠心圧縮機。
6. 【請求項６】 スラスト磁気軸受が複数個のコイルを有
   する場合、各コイルごとにリード線を外部へ引き出して
   接続用に設けた端子板に接続し、該端子板上で上記各コ
   イルの接続方法を可変できるようにしたことを特徴とす
   る請求項１記載の磁気軸受搭載型遠心圧縮機。
7. 【請求項７】 請求項１〜請求項６のいずれか１つに記
   載の磁気軸受けを搭載する対象は、遠心圧縮機に代わっ
   て遠心形流体機械とする磁気軸受搭載型遠心流体機械装
   置。