WO2007066474A1

WO2007066474A1 - モータ一体型の磁気軸受装置

Info

Publication number: WO2007066474A1
Application number: PCT/JP2006/322560
Authority: WO
Inventors: Takayoshi Ozaki; Koichi Okada; Hiroyuki Yamada; Kenichi Suzuki
Original assignee: Ntn Corporation
Priority date: 2005-12-09
Filing date: 2006-11-13
Publication date: 2007-06-14
Also published as: DE112006003333T5; US7723883B2; US20090127956A1

Abstract

過大なアキシアル荷重が作用した場合でも、安定な制御が可能でコントローラの構成を簡略化できるモータ一体型磁気軸受装置を提供する。転がり軸受１５，１６と磁気軸受を併用し、転がり軸受１５，１６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、磁気軸受を構成する電磁石１７は主軸１３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１３ａに非接触で対向するように、スピンドルハウジング１４に取付けられており、主軸１３を回転させるモータ２８のモータロータ２８ａが主軸１３に設けられ、このモータロータ２８ａと対向するようにモータステータ２８ｂが配置され、モータロータ２８ａとモータステータ２８ｂ間の磁気力ないしはローレンツ力により、主軸１３を回転させる構造であり、転がり軸受１５，１６に作用するアキシアル方向の力を検出するセンサ１８と、このセンサ１８の出力に応じて電磁石１７を制御するコントローラ１９とを有し、転がり軸受と転がり軸受の支持系とで形成される合成バネの剛性値が、モータ部の合成バネの負の剛性値よりも大である、という関係を有する。

Description

明細書

モーター体型の磁気軸受装置

技術分野

[0001] 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ー体型の磁気軸受装置に関する。

背景技術

[0002] 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、フロンやアンモニァ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力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)。

[0003] また、一 30°C〜一 60°C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ベられている。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、る（特許文献 1)。

[0004] 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ヤ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力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（特許文特許文献 1：特許第 2623202号公報

特許文献 2：特開平 7— 91760号公報

特許文献 3 :特開平 8— 261237公報

[0005] 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。このタービンュ- 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タル冷凍機の効率を向上させて、る。

[0006] 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っ、ては解決されるに至って!/、な!/、。

[0007] 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ァ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。

[0008] そこで、本発明者等は、上記課題を解決するものとして、図 15に示すようなモータ一体型の磁気軸受装置を開発した。このモーター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、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は、主軸 53に垂直かつ同軸に設けられたスラスト板 53a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別のスラスト板 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 6 8bを配置して構成される。このモータ 68は、電磁石 57とは独立にモータ用コントローラ 69で制御される。また、モータ 68のステータ 68bは、軸方向に延びるステータョーク 68baにコイル 68bbを卷回したコア付き構造とされている。

[0009] 上記構成のモーター体型の磁気軸受装置によると、主軸 53にかかるスラストカを電磁石 57で支承するため、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の長期耐久性を向上させることができる。

[0010] しかし、上記構成のモーター体型の磁気軸受装置において、モータ 68が高負荷領域で動作し、さらに過大なアキシアル負荷が作用した場合、磁気軸受 55, 56の制御系が不安定になる恐れがある。すなわち、過大なアキシアル負荷が作用した場合、電磁石 57の負の剛性 (変位した方向に作用し、変位が大きいほどその力も大きくなる )が大きくなるだけでなぐ前記モータ 68を構成するモータロータ 68aとステータヨーク 68baの間で形成される磁気カップリングの負の剛性も大きくなる。そのため、電磁石 57とモータ 68とで形成される合成パネの負の剛性力転がり軸受 55, 56と転がり軸受の支持系とで形成される合成パネの剛性よりも大きくなつた時、磁気軸受の制御系が不安定になる。この状態を回避するために予め前記コントローラ 59に位相補償回路等を付加する必要が生じ、コントローラ 59を複雑にする要因の一つになるといった問題がある。

発明の開示

[0011] この発明の目的は、過大なアキシアル荷重が作用した場合でも、安定な制御が可能でコントローラの構成を簡略ィ匕できるモーター体型の磁気軸受装置を提供することである。

[0012] この発明の第 1構成のモーター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力も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、スピンドルノヽゥジングに取付けられており、前記主軸を回転させる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するようにモータステータが配置され、モータロータとモータステータ間の磁気力ないしはローレンツ力により、主軸を回転させる構造であり、転がり軸受に作用するアキシアル方向の力を検出するセンサと、このセンサの出力に応じて前記電磁石を制御するコントローラとを有し、転がり軸受と転がり軸受の支持系とで形成される合成パネの剛性値が、モータ部の合成パネの負の剛性値よりも大である、という関係を有する。前記モータ部は、例えばモータおよび前記電磁石で構成される。

[0013] この第 1構成のモーター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が確保でき、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、転がり軸受と転がり軸受の支持系とで形成される合成パネの剛性値が、電磁石とモータとで形成されるモータ部の合成パネの負の剛性値よりも大である関係を設定すると、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。そのため、コントローラの制御対象を安定なものとでき、コントローラの回路構成も、比例もしくは比例積分のみの簡単な構成にすることが可能になる。 [0014] 第 1構成のモーター体型の磁気軸受装置は、前記モータロータは前記スラスト板と共通の主軸に嵌合してもよい。これを第 2構成のモーター体型の磁気軸受装置とする。

[0015] 第 1構成のモーター体型の磁気軸受装置は、また、前記モータがコアレスモータで構成されてヽてもよヽ。これを第 3構成のモーター体型の磁気軸受装置とする。

[0016] この第 3構成のモーター体型の磁気軸受装置によれば、前記モータをコアレスモータとしたため、モータロータとモータステータ間の磁気力を無くすことができる。すなわち、コア付き構造の場合はモータロータとステータヨーク間の磁気力がアキシアル方向の負の剛性として作用するが、この構成のようにコアレスモータとすることで、モータに作用する負の剛性値をゼロにすることができる。その結果、モータに高負荷が作用した状態、すなわちさらに過大なアキシアル方向荷重が作用した状態においても、転がり軸受と転がり軸受の支持系とで形成される合成パネの剛性値が、電磁石とモータとで形成されるモータ部の合成パネの負の剛性値よりも大である関係を保つことができる。

[0017] 第 1構成のモーター体型の磁気軸受装置は、さらに、前記モータがアキシアルギヤップ型のモータであり、前記モータロータが、前記スラスト板の両端面またはどちらか一方に電磁石ターゲットと共通して配置されて、てもよ、。これを第 4構成のモーター体型の磁気軸受装置とする。

[0018] この第 4構成のモーター体型の磁気軸受装置によれば、アキシアルギャップ型のモータのモータロータ力スラスト板の両端面またはどちらか一方に電磁石ターゲットと共通して配置されるので、電磁石ターゲットとなるスラスト板をモータのためのスラスト板とは別に主軸に設ける必要がなぐ主軸の軸長を短くでき、それだけ主軸の固有振動数が高くなつて、主軸を高速回転させることができる。

[0019] 第 1構成のモーター体型の磁気軸受装置は、さらに、前記モータが前記モータロータおよび前記モータステータ間のローレンツ力により主軸を回転させるアキシアルギヤップ型のコアレスモータであり、前記スラスト板は軸方向に離れて 2つ設けられ、これら 2つのスラスト板は、背向する面それぞれに電磁石ターゲットが形成され、もう一方の対向する面それぞれにはモータロータ用の永久磁石が配置され、前記永久磁石は異極が互いに対向するように、周方向に等ピッチで配置され、前記対向する面の永久磁石に挟まれるように、モータステータが配置されてスピンドルノヽゥジングに取付けられていてもよい。これを第 5構成のモーター体型の磁気軸受装置とする。前記 2つのスラスト板は、主軸に一体に形成されたものである。

[0020] この第 5構成のモーター体型の磁気軸受装置によれば、軸方向に並べて主軸に設けられた 2つのスラスト板の軸方向外側に 2つの電磁石を配置して磁気軸受ユニットとすると共に、前記両スラスト板で挟まれる位置にアキシアルギャップ型のモータを配置してモータユニットとしたため、磁気軸受ユニットとモータユニットとがコンパクトな一体構造とできる。そのため、主軸に 1つのスラスト板を挟んで左右 2個の電磁石を配置して磁気軸受ユニットを構成すると共に、主軸に別に設けたもう 1つのスラスト板を挟んで左右 2個のアキシアルギャップ型のモータを配置することで磁気軸受ユニットと独立にモータユニットを構成する場合に比べて、主軸の軸長を短くでき、それだけ主軸の固有振動数が高くなつて、主軸を高速回転させることができる。

[0021] 第 5構成のモーター体型の磁気軸受装置は、前記スラスト板の外径部の前記対向する面側に鍔が形成されてもよい。これを第 6構成のモーター体型の磁気軸受装置とする。

[0022] この第 6構成のモーター体型の磁気軸受装置によれば、前記スラスト板の外径部に鍔を形成しているので、モータロータ用の永久磁石をスラスト板に固定する接着剤の接着力が熱劣化および経年変化により低下しても、主軸の回転に伴う遠心力で永久磁石カ^ラスト板力も飛散してしまうのをスラスト板外径部の鍔で防止することができる

[0023] 第 6構成のモーター体型の磁気軸受装置は、前記スラスト板の永久磁石が配置された側の端面、前記スラスト板の付け根部分、および前記スラスト板の外径部に形成された鍔と鍔の付け根部分に、浸炭焼入れを行っていてもよい。これを第 7構成のモ一ター体型の磁気軸受装置とする。

[0024] この第 7構成のモーター体型の磁気軸受装置によれば、前記スラスト板の永久磁石が配置された側の端面、前記スラスト板の付け根部分、および前記スラスト板の外径部に形成された鍔と鍔の付け根部分に浸炭焼入れを行っているので、高速回転時にこれらの部分に集中する過大な応力に耐えて遠心破壊を回避でき、電磁石ターゲットとなるスラスト板に要求される良好な磁気特性と高強度を両立させることができる。すなわち、これらの部分には高速回転時に過大な応力が集中するので、主軸と一体のスラスト板が磁気特性の良好な低炭素鋼であると遠心破壊が生じる可能性がある

1S 本構成ではこれを回避できる。したがって、良好な磁気特性が得られる上にスラスト板厚さを厚くする必要がないので、主軸の軸長を短くでき、それだけ主軸の固有振動数が高くなり、主軸をより高速回転させることができる。

[0025] 第 1構成のモーター体型の磁気軸受装置は、前記主軸に、コンプレッサ側翼車およびタービン側翼車が、前記スラスト板と共に嵌合し、モータ動力とタービン側翼車で発生した動力のどちらか一方または両方により、コンプレッサ側翼車を駆動させる、圧縮膨張タービンシステムに適用されたものであっても良い。これを第 8構成のモーター体型の磁気軸受装置とする。

この第 8構成のモーター体型の磁気軸受装置の場合、各翼車の適切な隙間を保つ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。

[0026] 第 8構成のモーター体型の磁気軸受装置は、前記モーター体型の磁気軸受装置を適用した圧縮膨張タービンシステム力流入空気に対して、タービンユニットのコンプレッサによる圧縮、他の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、熱交^^による冷却、タービンュニットのコンプレッサによる圧縮、他の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たものであっても良い。これを第 9構成のモーター体型の磁気軸受装置とする。このモーター体型の磁気軸受装置を適用し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、 L 、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。

図面の簡単な説明

この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施例の説明から、より明瞭に理解されるであろう。し力しながら、実施例および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の部品番号は、同一部分を示す。

[図 1]この発明の第 1および第 3の実施形態に力かるモーター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 2]モーター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。

[図 3]モーター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 4]この発明の第 2の実施形態に力かるモーター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 5]この発明の第 4の実施形態に力かるモーター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 6]この発明の第 5の実施形態に力かるモーター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 7]この発明の第 6の実施形態に力かるモーター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 8]この発明の第 6の実施形態に力かるモーター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および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 9]この発明の第 7の実施形態に力かるモーター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 10]この発明の第 8の実施形態に力かるモーター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 11]この発明の第 9の実施形態に力かるモーター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 12]この発明の第 9の実施形態に力かるモーター体型の磁気軸受装置におけるスラスト板の一部を破断して示す拡大図である。

[図 13]この発明の第 2から第 6の実施形態に力かるモーター体型の磁気軸受装置が組み込まれた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。

[図 14]この発明の第 7から第 9の実施形態に力かるモーター体型の磁気軸受装置が組み込まれた上記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。

[図 15]従来のモーター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。

発明を実施するための最良の形態

[0028] この発明の第 1の実施形態を図 1ないし図 3と共に説明する。図 1は、この実施形態のモーター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。

[0029] 図 1において、コンプレッサ 6は、コンプレッサ翼車 6aと微小の隙間 dlを介して対向する、ディフューザに相当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 力も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)力も矢印 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 7 a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。

[0030] このタービンユニット 5におけるモーター体型の磁気軸受装置は、主軸 13にかかるラジアル負荷を複数の軸受 15, 16で支承し、主軸 13にかかるアキシアル方向の負荷と軸受予圧のいずれか一方または両方を磁気軸受である電磁石 17により支承すると共に、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による主軸支承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口ーラ 29とを有して!/ヽる。

[0031] 電磁石 17は、主軸 13における軸方向中間部の膨張タービン 7寄りの位置で主軸 1 3に垂直かつ同軸に設けられた強磁性体力もなるフランジ状のスラスト板 13aの両面に非接触で対向するように、スピンドルノヽウジング 14に設置されている。

[0032] モータ 28は、前記電磁石 17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。モータ口ータ 28aは、主軸 13における軸方向中間部のコンプレッサ 6寄りの位置で主軸 13に垂直かつ同軸に嵌合された別のフランジ状のスラスト板 13bの両面に、スラスト板 13 bをバックヨークとしてその円周方向に並ぶ永久磁石 28aaを配置して構成される。モ一タステータ 28bは、前記モータロータ 28aの両面に非接触で対向するように、スピンドルハウジング 14に設置される強磁性体からなる一対のステータヨーク 28baに、それぞれコイル 28bbを卷回して構成される。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間の磁気力ないしローレンツ力によって、主軸 13を回転させる。なお、このアキシアルギャップ型のモータ 28では、モータロータ 28aとステータヨーク 28ba間の磁気力がアキシアル方向の負の剛性として作用する。

[0033] 主軸 13を支承する軸受 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、例えば深溝玉軸受ゃアンギユ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個の軸受 15, 16は、それぞれスピンドルノヽウジング 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。

[0034] 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。

スピンドルノヽウジング 14における両側の軸受 15, 16よりも各翼車 6a, 7a側の部分は、内径面が主軸 13に近接する径に形成され、この内径面に非接触シール 21, 22 が形成されている。非接触シール 21, 22は、スピドルノヽウジング 14の内径面に複数の円周溝を軸方向に並べて形成したラビリンスシールとして、るが、その他の非接触シール手段でも良い。

[0035] 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、つまりスピンドルノヽゥジング 14側に設けられている。このセンサ 18を近傍に設けた軸受 16は、その外輪 16bが軸受ハウジング 23内に固定状態に嵌合している。軸受ハウジング 23 は、リング状に形成されて一端に軸受 16の外輪 16bの幅面に係合する内鍔 23aを有しており、スピンドルハウジング 14に設けられた内径面 24にアキシアル方向に移動自在に嵌合している。内鍔 23aは、アキシアル方向の中央側端に設けられている。

[0036] センサ 18は主軸 13の回りの円周方向複数箇所 (例えば 2箇所）に分配配置され、軸受ハウジング 23の内鍔 23a側の幅面と、スピンドルハウジング 14に固定された部材である片方の電磁石 17との間に介在させてある。また、センサ 18は、センサ予圧ばね 25により予圧が印加されている。センサ予圧ばね 25は、スピンドルハウジング 1 4に設けられた収容凹部内に収容されて軸受 16の外輪 16bをアキシアル方向に付勢するものとされ、外輪 16bおよび軸受ハウジング 23を介してセンサ 18を予圧する。センサ予圧ばね 25は、例えば主軸 13の回りの円周方向複数箇所に設けられたコィルばね等力なる。

[0037] 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力主軸 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、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る。

[0038] 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力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、外輪 15bとスピンドルノヽウジング 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、主軸 13回りの円周方向複数箇所に設けられたコイルばね等力もなり、それぞれスピンドルハウジング 14に設けられた収容凹部内に収容されている。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。

[0039] 上記タービンユニット 5におけるモーター体型の磁気軸受装置の力学モデルは簡単なパネ系で構成することができる。すなわち、このパネ系は、軸受 15, 16とこれら軸受の支持系（センサ予圧ばね 25、軸受予圧ばね 26、軸受ハウジング 23など）とで形成される合成パネと、電磁石 17とモータ 28とから構成されるモータ部で形成される合成パネとが並列となった構成である。このパネ系において、軸受 15, 16とこれら軸受の支持系とで形成される合成パネは、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とから構成されるモータ部で形成される合成パネは、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、上記した両合成パネの剛性の大小関係を、

軸受等による合成パネの剛性値 <モータ部による合成パネの負の剛性値…（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。

[0040] そこで、この実施形態のモーター体型上記軸受装置では、上記した両合成パネの剛性の大小関係を、

軸受等による合成パネの剛性値 >モータ部による合成パネの負の剛性値' · ·（2) としている。

[0041] このように、上記した両合成パネの剛性の大小関係を設定することにより、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、過大なスラスト荷重が作用した場合でも、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。

[0042] ブロック図で示す図 2の磁気軸受用コントローラ 19では、各センサ 18の検出出力 P 1, 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、ダイオード 34, 35を介して各方向の電磁石 17 , 17を駆動するパワー回路 36, 37に入力される。電磁石 17 , 17 は、図 1に

1 2 1 2 示したスラスト板 13aに対向する一対の電磁石 17であり、吸引力しか作用しないため、予めダイオード 34, 35で電流の向きを決め、 2個の電磁石 17 , 17 を選択的に駆

1 2

動するようにしている。

[0043] 同じくブロック図で示す図 3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。

[0044] この構成のタービンユニット 5は、例えば空気サイクル冷凍冷却システムに適用されて、冷却媒体となる空気を後段の熱交換器 (ここでは図示せず）により効率良く熱交換できるように、コンプレッサ 6で圧縮して温度上昇させ、さらに後段の前記熱交で冷却された空気を、膨張タービン 7により、目標温度、例えば— 30°C〜― 60°C程度の極低温まで断熱膨張により冷却して排出するように使用される。

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およびタ一ビン翼車 7aが、前記スラスト板 13a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 dl, 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。 [0045] すなわち、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と各ハウジング 6b, 7bとの隙間 dl, d2を微小に保つ必要がある。例えば、このタ一ビンユニット 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により支承するため、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と各ハウジング 6b, 7bとの微小隙間 d 1, d2を一定に保つことができる。

[0046] し力し、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やモータ 28による磁気力等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を回転支承する転がり軸受 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で支承するため、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、センサ 18を、軸受 16の近傍に配置したため、問題となる軸受 16に作用するスラスト力を直接に測定することができて、その測定精度が良ぐ精密なスラスト力の制御が可能となる。

[0047] 図 4は、この発明の第 2の実施形態を示す。この実施形態は、図 1に示した第 1の実施形態のモーター体型の磁気軸受装置において、アキシアルギャップ型のモータ 28 を、スラスト板 13bの片面に永久磁石 28aaを配置してなるモータロータ 28aと、このモータロータ 28aの永久磁石 28aa配置側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に設置されるモータステータ 28bとで構成したものである。その他の構成は第 1の実施形態の場合と同じである。

[0048] 次に、この発明の第 3の実施形態を第 1の実施形態の説明で示した図 1と共に説明する。なお、この実施形態において、第 1の実施形態と共通する点はその説明を省略する。

[0049] モータ 28のモータステータ 28bは、スピンドルハウジング 14に設置される強磁性体力もなる一対のステータヨーク 28baに、それぞれコイル 28bbをコアの無!、状態で配置して構成されている。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、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。

[0050] すなわち、このモーター体型の磁気軸受装置では、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に高負荷が作用した状態においても第 1の実施形態の説明で示した上記 (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、モータに高負荷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の回路構成を第 1の実施形態の説明で示した図 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。

[0051] 次に、この発明の第 4の実施形態を図 5と共に説明する。図 5は、この実施形態のモ一ター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。この実施形態において、第 1の実施形態と共通する点は、図において同一の符号を付してその説明を省略する。

[0052] この第 4の実施形態において、電磁石 17は、主軸 13の中央部で主軸 13に垂直かつ同軸に設けられた強磁性体力もなるフランジ状のスラスト板 13aを電磁石ターゲットとして、そのスラスト板 13aの両面に非接触で対向するように、スピンドルハウジング 1 4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。モータロータ 28aは、前記スラスト板 13aの両面における前記電磁石 17の対向位置よりも外径側に、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スラスト板 13aは、前記永久磁石 28aaのバックヨークを兼ねることになる。

モータステータ 28bは、前記スラスト板 13bの両面のモータロータ 28aに非接触で対向するように、スピンドルハウジング 14に設置される強磁性体 (例えば低炭素鋼およびケィ素鋼板）力もなる一対のステータヨーク 28baに、それぞれモータコイル 28bb を卷回することで左右一対のものが構成される。このようにして前記スラスト板 13aを挟んで構成される左右 2個のモータ 28は、前記モータロータ 28aとモータステータ 28 b間に作用する磁気力により、主軸 13を回転させる。この場合、スラスト板 13aにおけるモータロータ 28aの位置を、電磁石 17の対向位置よりも外径側としているので、少な、モータ駆動電流でより大き、トルクを得ることができる。

[0053] このように、主軸 13に設けられたスラスト板 13aの両面に電磁石ターゲットと共通して、アキシアルギャップ型のモータ 28のモータロータ 28を配置しているので、モータ 28のためのスラスト板とは別に電磁石ターゲットとなるスラスト板を主軸 13に設ける必要がなぐ主軸 13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つて、主軸 13を高速回転させることができる。

[0054] なお、この実施形態では、アキシアルギャップ型のモータ 28を、スラスト板 13aを挟んで左右に 2個設けた例を示した力スラスト板 13aの片面側に 1個だけアキシアルギャップ型のモータ 28を配置した構成であっても良い。

[0055] 図 6は、この発明の第 5の実施形態を示す。この実施形態は、図 5に示した第 4の実施形態のモーター体型の磁気軸受装置において、電磁石 17のバックヨークを、モータステータ 28bのバックヨークであるステータヨーク 28baと共通一体の強磁性体（例えば低炭素鋼およびケィ素鋼板)で構成したものである。その他の構成は第 4の実施形態の場合と同じである。

このように、電磁石 17のバックヨークとモータステータ 28bのバックヨーク（ステータョーク 28ba)を一体構造とすることにより、部品である電磁石 17およびモータステータ 2 8bの取扱、が容易となり、組立等の作業性が向上する。 [0056] 図 7および図 8は、この発明の第 6の実施形態を示す。この実施形態は、図 5に示した第 4の実施形態のモーター体型の磁気軸受装置において、モータ 28が電磁石 17 の機能をアシストするように構成したものである。

[0057] 図 8にブロック図で示すように磁気軸受用コントローラ 19では、第 1の実施形態と同様に、各センサ 18の検出出力 PI, 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の制御信号が演算される。 PI補償回路 (もしくは P補償回路) 33で演算された制御信号に基づき、ダイオード 34, 35およびパワー回路 36, 37を通して電磁石 17 , 17 が駆動される。

1 2

一方、モータ用コントローラ 29では、モータ駆動電流の位相調整回路 38において、前記 PI補償回路 (もしくは P補償回路) 33で演算された制御信号と回転同期指令信号とに基づき、前記電磁石 17による磁気軸受機能をアシストするような位相調整が行われ、その位相調整されたモータ駆動電流がモータ駆動回路 39からモータステータ 28bに供給されることにより、モータ 28が定回転駆動される。その他の構成は第 4 の実施形態の場合と同じである。

[0058] 次に、この発明の第 7の実施形態を図 9と共に説明する。図 9は、この実施形態のモ一ター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。この実施形態において、第 1の実施形態と共通する点は、図において同一の符号を付してその説明を省略する。

[0059] 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力もなるフランジ状の 2つのスラスト板 13a, 13bの各片面に非接触で対向するように、一対のものがスピンドルノ、ウジング 14に設置されている。具体的には、磁気軸受ユニットを構成する一方の電磁石 17は、膨張タービン 7寄りに位置するスラスト板 13aの膨張タービン 7側に向く片面を電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ノヽウジング 14に設置される。また、磁気軸受ユニットを構成する他方の電磁石 17は、コンプレッサ 6寄りに位置するスラスト板 13bのコンプレッサ 6側に向く片面を電磁石ターゲットして、この片面に非接触で対向するようにスピンドルノ、ウジング 14に設置される。

[0060] モータ 28は、前記電磁石 17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とでなるモータュ- 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が対向する側とは反対側の各片面に、すなわち対向する面のそれぞれに円周方向に等ピッチで並ぶ永久磁石 28 aa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ヽるので、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電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口ータ 28aに挟まれる軸方向中央の位置にお!、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、状態で配置したコイル 28baを、スピンドルハウジング 14に設置して構成される。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!/、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

[0061] すなわち、このモーター体型の磁気軸受装置では、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第 1の実施形態の説明で示した上記 (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の回路構成を第 1の実施形態の説明で示した図 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。 [0062] また、この実施形態では、軸方向に並べて主軸 13に設けられた 2つのスラスト板 13 a, 13bの軸方向外側に 2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 13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つて、主軸 13を高速回転させることができる。

[0063] 次に、この発明の第 8の実施形態を図 10と共に説明する。図 10は、この実施形態のモーター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。この実施形態において、第 1および第 7の実施形態と共通する点は、図において同一の符号を付してその説明を省略する。

[0064] モータ 28のモータステータ 28bは第 7の実施形態と同一の構成であるのに対して、モータロータ 28aは以下の点で第 7の実施形態と異なる。モータロータ 28aの永久磁石 28aaは接着剤により各スラスト板 13a, 13bの各片面に接着固定される。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。また、スラスト板 13a, 13bにおける永久磁石 28aaが接着固定される各片面の外径部には、永久磁石 28aa厚さと同じ力、またはそれ以上の高さとした鍔 13aa, 13baが形成されている。すなわち、永久磁石 28aaは、その表面が前記鍔 13aa, 13baの先端力も突出しないように、スラスト板 13a, 13bの各片面に埋め込み状態に接着固定されている。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電磁石ターゲットに兼用できる。

[0065] このように、このモーター体型の磁気軸受装置では、前記スラスト板 13a, 13bの外径部の永久磁石 28aaが配置された側に鍔 13aa, 13baを形成しているので、モータロータ 28a用の永久磁石 28aaをスラスト板 13a, 13bに固定する接着剤の接着力が熱劣化および経年変化により低下しても、主軸 13の回転に伴う遠心力で永久磁石 2 8aaがスラスト板 13a, 13bから飛散してしまうのをスラスト板外径部の鍔 13aa, 13ba で防止することができる。

また、スラスト板 13a, 13bの鍔 13aa, 13baの高さが永久磁石 28aaの厚さより低いと、永久磁石 28aaが鍔 13aa, 13baに押しつけられた場合に、永久磁石 28aaの側面に鍔 13aa, 13baのエッジ部に生じるエッジロードが作用して永久磁石 28aaが圧縮破壊するおそれがあるが、この実施形態では、鍔 13aa, 13baの高さを、永久磁石 28aaの厚さと同じ力、またはそれ以上の高さとしているので、永久磁石 28aaの側面に鍔 13aa, 13baのエッジ部に生じるエッジロードが作用するのを防止でき、永久磁石 28aaの圧縮破壊を回避できる。

[0066] 次に、この発明の第 9の実施形態を図 11および図 12と共に説明する。図 11は、この実施形態のモーター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。この実施形態において、第 1、第 7および第 8の実施形態と共通する点は、図において同一の符号を付してその説明を省略する。

[0067] この実施形態にお!、ても、主軸 13の材料には、磁気特性の良好な低炭素鋼 (浸炭鋼（SCM415, SCM420)や S15CK等）力使用され、前記 2つのスラス卜板 13a, 13 bは主軸 13と一体に形成される。

[0068] この実施形態において、スラスト板 13a, 13bにおける永久磁石 28aaが接着固定される各片面の外径部には、永久磁石 28aa厚さと同じ力、またはそれ以上の高さとした永久磁石飛散防止用の鍔 13aa, 13baが形成されている。すなわち、永久磁石 28 aaは、その表面が前記鍔 13aa, 13baの先端力突出しないように、スラスト板 13a, 13bの各片面に埋め込み状態に接着固定されている。

このように、スラスト板 13a, 13bの外径部に鍔 13aa, 13baを形成することで、モータロータ 28a用の永久磁石 28aaをスラスト板 13a, 13bに固定する接着剤の接着力が熱劣化および経年変化により低下しても、主軸 13の回転に伴う遠心力で永久磁石 28aaがスラスト板 13a, 13bから飛散してしまうのを防止することができる。

なお、上記したように、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と一体構造とされた前記各スラスト板 13a, 13bを、永久磁石 28aaのバックヨークおよび電磁石ターゲットに兼用できる。

[0069] 図 12に拡大して示すように、前記 2つのスラスト板 13a, 13bの付け根部分には R1 以上の角 R処理が施されると共に、永久磁石 28aaが配置される各スラスト板 13a, 13 bの片面ゃスラスト板 13a, 13bの付け根部分、さらには鍔 13aa, 13baおよび鍔の付け根部分には、高速回転時の過大な応力に耐えるため、浸炭焼入れ処理 Aが施されている。

[0070] この実施形態のモーター体型の磁気軸受装置では、スラスト板 13a, 13bの永久磁石 28aaが配置された側の片面、スラスト板 13a, 13bの付け根部分、およびスラスト板 13a, 13bの外径部に形成された鍔 13aa, 13baと鍔の付け根部分に、浸炭焼入れ処理 A (図 2)を行っているので、高速回転時にこれらの部分に集中する過大な応力に耐えて遠心破壊を回避でき、電磁石ターゲットとなるスラスト板 13a, 13bに要求される良好な磁気特性と高強度を両立させることができる。したがって、良好な磁気特性が得られる上にスラスト板 13a, 13bの厚さを厚くする必要がないので、主軸 13 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り、主軸 13をより高速回転させることができる。

[0071] 図 13および図 14は、上記タービンユニット 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。なお、図 13は第 1から第 6の実施形態におけるモーター体型の磁気軸受装置をタービンユニット 5が組み込んだ場合のシステム構成を示し、図 14は第 7から第 9の実施形態におけるモーター体型の磁気軸受装置をタービンュ- ット 5が組み込んだ場合のシステム構成を示す。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 laから排出口 lb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 la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 laの付近の空気は熱交換器 9a内を通る。

[0072] 予圧縮手段 2はブロア等力なり、モータ 2aにより駆動される。第 1の熱交 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 3_a, 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、。

[0073] 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°C〜一 60°C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 laに 0°C〜一 60°C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 laに流入した空気は、中間熱交 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°Cまで昇温する。この昇温した空気は 1気圧のままである力予圧縮手段 2により 1. 4気圧に圧縮させられ、その圧縮により、 70°Cまで昇温する。第 1の熱交換器 3は、昇温した 70°C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°Cに冷却する。

[0074] 熱交換により冷却された 40°C, 1. 4気圧の空気力タービンユニット 5のコンプレツサ 6により、 1. 8気圧まで圧縮され、この圧縮により 70°C程度に昇温した状態で、第 2 の熱交換器 8により 40°Cに冷却される。この 40°Cの空気は、中間熱交換器 9で—30 °Cの空気により— 20°C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°C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°Cまで冷却されて排出口 lb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。

[0075] 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 dl, 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 1 5, 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。

[0076] 前記第 1〜第 9構成の磁気軸受装置を基本として、本発明の実施形態となり得る構成を以下にまとめる。

[0077] [第 10構成] 前記第 4構成において、前記スラスト板に前記電磁石と共通して形成される前記モータロータを、電磁石よりも外径側に配置したモーター体型の磁気軸受装置。この第 10構成の場合、少ないモータ駆動電流でより大きなトルクを得ることができる。

[0078] [第 11構成] 前記第 4構成において、前記電磁石のバックヨークとモータステータのバックヨークを共通にしたモーター体型の磁気軸受装置。この第 11構成の場合、電磁石とモータステータを一体構造とできるので、組立等において取り扱いが容易となる。

[0079] [第 12構成] 前記第 4構成において、さらに、前記センサの出力に応じて、前記電磁石をアシストするように前記アキシアルギャップモータのモータ駆動電流の位相を調整するコントローラを有しているモーター体型の磁気軸受装置。

[0080] [第 13構成] 前記第 5構成において、前記 2つのスラスト板が主軸に一体で形成されたものであるモーター体型の磁気軸受装置。この第 13構成の場合、これら両スラスト板を前記永久磁石のバックヨークおよび電磁石ターゲットに兼用できる。

[0081] [第 14構成] 前記第 6構成において、前記スラスト板に形成した鍔の高さが、前記永久磁石の厚さと同じ力、またはそれ以上の高さであるモーター体型の磁気軸受装置。

[0082] [第 15構成] 前記第 7構成において、前記スラスト板に形成した鍔の高さが、前記永久磁石の厚さと同じ力、またはそれ以上の高さであるモーター体型の磁気軸受装置。

[0083] 第 14および第 15構成によれば、スラスト板の鍔の高さが永久磁石の厚さより低いと、永久磁石が鍔に押しつけられた場合に、永久磁石の側面に鍔のエッジ部に生じるエッジロードが作用して永久磁石が圧縮破壊するおそれがあるが、スラスト板の鍔の高さを永久磁石の厚さと同じ力、またはそれ以上の高さとすると、永久磁石の側面に鍔のエッジ部に生じるエッジロードが作用するのを防止でき、永久磁石の圧縮破壊を回避できる。

Claims

請求の範囲

[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カゝ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、スピンドルノ、ウジングに取付けられており、

前記主軸を回転させるモータのモータロータが前記主軸に設けられ、このモータ口ータと対向するようにモータステータが配置され、モータロータとモータステータ間の磁気力な、しはローレンツ力により、主軸を回転させる構造であり、

転がり軸受に作用するアキシアル方向の力を検出するセンサと、このセンサの出力に応じて前記電磁石を制御するコントローラとを有し、

転がり軸受と転がり軸受の支持系とで形成される合成パネの剛性値力モータ部の合成パネの負の剛性値よりも大である、という関係を有するモーター体型の磁気軸受装置。

[2] 請求項 1において、前記モータロータは前記スラスト板と共通の主軸に嵌合するモ一ター体型の磁気軸受装置。

[3] 請求項 2にお、て、前記モータがコアレスモータで構成されて、るモーター体型の磁気軸受装置。

[4] 請求項 1にお、て、前記モータがアキシアルギャップ型のモータであり、前記モータロータが、前記スラスト板の両端面またはどちらか一方に電磁石ターゲットと共通して配置されて!、るモーター体型の磁気軸受装置。

[5] 請求項 1において、前記モータが前記モータロータおよび前記モータステータ間のローレンツ力により主軸を回転させるアキシアルギャップ型のコアレスモータであり、前記スラスト板は軸方向に離れて 2つ設けられ、これら 2つのスラスト板は、背向する面それぞれに電磁石ターゲットが形成され、もう一方の対向する面それぞれにはモータロータ用の永久磁石が配置され、前記永久磁石は異極が互いに対向するように、周方向に等ピッチで配置され、前記対向する面の永久磁石に挟まれるように、モータステータが配置されてスピンドルハウジングに取付けられているモーター体型の磁気軸受装置。

[6] 請求項 5において、前記スラスト板の外径部の前記対向する面側に鍔が形成されてヽるモーター体型の磁気軸受装置。

[7] 請求項 6におヽて、前記スラスト板の永久磁石が配置された側の端面、前記スラスト板の付け根部分、および前記スラスト板の外径部に形成された鍔と鍔の付け根部分に、浸炭焼入れを行って!、るモーター体型の磁気軸受装置。

[8] ( 請求項 1において、前記主軸に、コンプレッサ側翼車およびタービン側翼車が、前記スラスト板と共に嵌合し、モータ動力とタービン側翼車で発生した動力のどちらか一方または両方により、コンプレッサ側翼車を駆動させる、圧縮膨張タービンシステムに適用されたものであるモーター体型の磁気軸受装置。

[9] 請求項 8において、前記モーター体型の磁気軸受装置を適用し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、他の熱交^^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、熱交^^による冷却、タービンユニットのコンプレッサによる圧縮、他の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たものであるモーター体型の磁気軸受装置。