WO2008015776A1

WO2008015776A1 - Magnetic bearing device integral with motor

Info

Publication number: WO2008015776A1
Application number: PCT/JP2007/000766
Authority: WO
Inventors: Nobuyuki Suzuki
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2006-08-03
Filing date: 2007-07-13
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2009-02-03
Also published as: JP2008038970A

Description

明細書

モーター体型磁気軸受装置

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ュ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卜の省略等によってト —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、 _ 3 0 °C〜― 6 0 °Cのディ _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 —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ュニッ卜が用いられている（特許文献 1

) o

[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 ) 。

特許文献 1 ：特許第 2 6 2 3 2 0 2号公報

特許文献 2：特開平 7— 9 1 7 6 0号公報

特許文献 3：特開平 8 _ 2 6 1 2 3 7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 _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一ビンが必要となる。

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ュニッ卜が用いられている

。このタービンユニットは、膨張タ一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。

[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。空気サィクル冷凍冷却システムにおけるタービンュニッ卜の主軸の回転速度は、 1 分間に 8万〜 1 0万回転であり、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。

[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。

[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 6に示すようなモーター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 5 3の両端にコンプレッサ 4 6のコンプレッサ翼車 4 6 aおよび膨張タービン 4 7のタービン翼車 4 7 a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 5 3のラジアル負荷を転がり軸受 5 5 , 5 6で、アキシアル負荷を電磁石 5 7でそれぞれ支持すると共に、主軸 5 3に同軸に設けたモータ 6 8による駆動力とタービン翼車 4 7 aの駆動力とでコンプレッサ翼車 4 6 a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 5 7は、主軸 5 3に垂直かつ同軸に設けられたスラスト板 5 3 a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 5 8の出力に応じて磁気軸受用コントロ一ラ 5 9で制御される。モ —タ 6 8はアキシアルギャップ型のものであって、主軸 5 3に垂直かつ同軸に設けた別のスラスト板 5 3 bにモータロータ 6 8 aを形成すると共に、このモータロータ 6 8 aと軸方向に対向するようにモ一タステ一タ 6 8 bを配置して構成される。このモータ 6 8は、電磁石 5 7とは独立にモータ用コントローラ 6 9で制御される。

[0009] 上記構成のモータ一体型の磁気軸受装置によると、主軸 5 3にかかるスラストカを電磁石 5 7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 5 5 , 5 6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 4 6 a , 4 7 aとハウジング 4 6 b , 4 7 b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、上記構成のモータ一体型の磁気軸受装置では、主軸 5 3に設けた

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ュニットを構成すると共に、主軸 5 3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 6 8を配置することで前記磁気軸受ュニッ卜と独立にモータュニットを構成しているため、主軸 5 3の軸長が長くなって固有振動数が低下し、高速回転させることができないという問題がある。

[001 1 ] このような課題を解決するものとして、磁気軸受の電磁石ターゲットを設けるスラスト板を主軸に 2枚設け、これら 2枚のスラスト板の間に、アキシアルギャップ型のモータにおけるステ一タを配置し、両スラスト板にモータロータとなる磁石を設けたものを案出した（特願 2 0 0 5— 3 5 6 0 3 5号

[001 2] し力、し、主軸に 2枚のスラスト板を設けた場合、モータの組立が難しくなる。また、 2枚のスラスト板間の間隔が狭いため、スラスト板に取付けるモータロータ用の永久磁石の貼り付け作業が難しい。モータステータを分割すると、組立が可能であるが、モータステ一タはモータコイルを有するため、分割構造とすると構成が複雑になる。モータステータを分割構造としても、スラスト板への永久磁石の貼り付け作業の困難性は解消されない。このため、スラスト板を主軸とは別部材のリング状板で構成し、主軸に嵌合させて組み立てることで、モータの組立を可能とすることを試みた。しかし、この種のタービンュニットは主軸が例えば 8〜 1 0万 r p mと高速回転するため、上記のようにスラスト板を嵌合させる構成では、スラスト板と主軸の結合部の強度が不足する。

発明の開示

[001 3] この発明の目的は、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、かつ主軸を高速回転させることが可能で、また 2 枚のスラスト板を用いた構造による組立上の問題を、高速回転時の強度不足の問題を招くことなく解消することの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。

[001 4] この発明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少なくとも一方を支持し、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、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つのスラスト板はそれぞれ、片面に電磁石ターゲッ卜が形成され、もう片方の面にはモータロータ用の永久磁石が配置され、前記モータロータ用の永久磁石は、前記 2つのスラスト板の対向する面に配置され、かつ、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おり、前記モータロータおよび前記モータステ一タ間の口一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を有するものであって、前記主軸が、前記 2枚のスラスト板の間で 2分割され、両主軸分割体が互いに結合されている。

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、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ュニッ卜とすると共に、前記両スラスト板で挟まれる位置にアキシアルギヤップ型のモータを配置してモータュニットとしたため、磁気軸受ュニッ卜とモータュニットとがコンパク卜な一体構造とできる。そのため、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。

また、モータステ一タが主軸の 2枚のスラスト板の間に介在する配置のため、モータステ一タおよび主軸の両方がそれぞれ一体の部材であると装置の組み立てができないが、主軸が、 2枚のスラスト板の間で 2分割され、両主軸分割体が互いに結合されたものであるため、両スラスト板間に一体のモータステータを介在させることで、モータを組み立てることが可能になる。また、主軸を 2枚のスラスト板間で分割したため、これらスラスト板間の隙間が狭くても、両スラスト板に取付けられるモータロータとなる永久磁石を、スラスト板に貼り付け等によって容易に取付けることができる。モ一タステータを分割構造とする場合と異なり、主軸を分割構造とするため、分割しながら、簡単な構成で済む。主軸が高速回転するものであっても、主軸自体を 2枚のスラスト板間で分割された分割構造とするため、スラスト板を主軸と分割させる場合と異なり、堅固な結合構造が自由に設計でき、高速回転時における主軸分割部分の結合箇所が強度不足となることが解消できる。

この発明のモータ一体型の磁気軸受装置において、一方の主軸分割体は分割面となる端面の軸心部に嵌合凸部を有し、他方の主軸分割体は分割面となる端面に前記嵌合凸部の外周に嵌合する嵌合凹部を有し、両主軸分割体は、前記嵌合凸部と嵌合凹部とが嵌合する周面と、前記分割面となる端面の突き合わせにより、径方向および軸方向に拘束され、かつ軸心部でポルトにより互いに結合されたものとしても良い。

このように両主軸分割体に嵌合凸部と嵌合凹部を設けて、いわゆる印籠結合とし、また分割面となる端面の突き合わせ面と、上記嵌合凸部，嵌合凹部間の嵌合面との 2ケ所で拘束し、ポルトで締結するため、両主軸分割体を堅固に結合することができる。ここで前記両主軸分割体は鋼材を熱処理して硬化したものからなり、前記ポルトは熱処理されていない鋼の生材からなるのが好ましい。これにより主軸の剛性が向上する一方で、熱処理によるポルトの脆性の低下が抑制される。

この発明において、前記磁気軸受の電磁石は、 2つ設けられ、前記 2つのスラスト板の軸方向両外側に対向して 1つずつ配置されたものが好ましい。これにより、 2つのスラスト板の間隔を小さくできるので、モータ部分の軸方向寸法を小さく出来る利点がある。

この発明において、前記転がり軸受を一対有し、両転がり軸受が前記磁気軸受を挟んで主軸の軸方向外側に位置しているのが好ましい。この構成により、主軸のラジアル負荷を、大きく離間した一対の転がり軸受により安定して支持できる。

[001 7] この発明の磁気軸受装置は、コンプレッサ側翼車およびタービン側翼車が、前記スラスト板およびモータロータと共通の主軸に取り付けられ、モータ動力とタービン側翼車で発生した動力の少なくとも一方により、コンプレツサ側翼車を駆動させる、圧縮膨張タービンシステムに組み込まれたものであつても良い。この構成の場合、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、寿命の向上が得られる。

この発明において、好ましくは、前記転がり軸受を一対有し、両転がり軸受が前記磁気軸受を挟んで主軸の軸方向外側に位置しており、前記各転がり軸受とその近傍の翼車との間に主軸の外周をシールするラビリンスシールを設ける。これにより、前記各翼車を通る作動流体である空気が軸受装置へ漏出するのを抑制できる。

[0018] 前記モータ一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は、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、前記タービンュニッ卜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、熱交換器による冷却、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一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組み込まれた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用いた場合、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。

図面の簡単な説明

[0019] 本発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明からより明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態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、本発明の範囲を定めるために利用されるべきでない。本発明の範囲は添付のクレームによって定まる。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ュニッ卜の縦断面図である。

[図 2]同タービンュニッ卜における主軸の縦断面図である。

[図 3]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プロック図である。

[図 4]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プロック図である。

[図 5]上記タービンュ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 6]提案例の縦断面図である。

発明を実施するための最良の形態

[0020] この発明の第 1の実施形態を図 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タービンュニット 5 の断面図を示す。このタービンュニット 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 6 aおよび膨張タービン 7のタービン翼車 7 3カ《主軸 1 3の両端にそれぞれ嵌合して取り付けられている。主軸 1 3の材料には、磁気特性の良好な低炭素鋼が使用される。

[0021 ] 図 1において、コンプレッサ 6は、コンプレッサ翼車 6 aと微小の隙間 d

1を介して対向するコンプレッサハウジング 6 bを有し、中心部の吸込口 6 cから軸方向に吸入した空気を、コンプレッサ翼車 6 aで圧縮し、外周部の出口（図示せず）から矢印 6 dで示すように排出する。

膨張タービン 7は、タービン翼車 7 aと微小の隙間 d 2を介して対向するタービンハウジング 7 bを有し、外周部から矢印 7 c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 7 dから軸方向に排出する。

[0022] 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 1 3をラジアル方向に対し複数の軸受 1 5 , 1 6で支持し、主軸 1 3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、磁気軸受を構成する一対の電磁石ユニット 1 7により支持すると共に、主軸 1 3を回転駆動するアキシアルギャップ型のモータ 2 8を設けたものである。このタービンュニット 5は、主軸 1 3に作用するスラストカを検出する複数のセンサ 1 8と、このセンサ 1 8の出力に応じて前記電磁石ユニット 1 7による支持力を制御する磁気軸受用コントローラ 1 9と、電磁石ユニット 1 7とは独立に前記モータ 2 8を制御するモータ用コントロ一ラ 2 9とを有している。

電磁石ュニット 1 7は、主軸 1 3の軸方向中間部において軸方向に並ぶように主軸 1 3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 1 3 a , 1 3 bの各片面、この例では軸方向外側の面に非接触で対向するように、一対の電磁石 1 7 A , 1 7 Bをスピンドルハウジング 1 4に設置したものである。具体的には、電磁石ュニット 1 7を構成する一方の電磁石ユニット 1 7 Aは、膨張タービン 7寄りに位置するスラスト板 1 3 aの膨張タービン 7側に向く片面を電磁石タ一ゲットとして、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 1 4に設置される。また、他方の電磁石ユニット 1 7 Bは、コンプレッサ 6寄りに位置するスラスト板 1 3 bのコンプレッサ 6側に向く片面を電磁石ターゲッ卜して、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 1 4に設置される。こうして磁気軸受が、電磁石ュニット 1 7とスラスト板 1 3 a , 1 3 bとにより構成される。

[0023] モータ 2 8は、前記電磁石ュニット 1 7と並んで主軸 1 3に設けられたモ —タロータ 2 8 aと、このモータロータ 2 8 aに対し軸方向に対向するモータステ一タ 2 8 bとでなるモータユニットである。具体的には、モータュニッ卜の一部品を構成するモータロータ 2 8 aは、前記各スラスト板 1 3 a , 1 3 bにおける電磁石 1 7 A , 1 7 Bが対向する側とは反対側の各片面、この例では軸方向内側の面に、円周方向に等ピッチで並ぶ永久磁石 2 8 a a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 2 8 a a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 1 3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 1 3と一体構造となるように設けられる前記各スラスト板 1 3 a , 1 3 bを、永久磁石 2 8 a aのバックヨークおよび電磁石ターゲッ卜に兼用できる。

[0024] このモータ 2 8は、前記モータロータ 2 8 aとモ一タステ一タ 2 8 b間に作用する口一レンツ力により、主軸 1 3を回転させる。このように、このァキシアルギャップ型のモータ 2 8はコアレスモータとされていることから、モータロータ 2 8 aとモ一タステ一タ 2 8 b間の磁気力ップリングによる負の剛性はゼロとなっている。

[0025] 図 2に拡大して示すように、主軸 1 3は、 2枚のスラスト板 1 3 a , 1 3 bの間で 2つの主軸分割体 1 3 A , 1 3 Bに 2分割され、両主軸分割体 1 3 A , 1 3 Bが互いに結合されて一体のものとされている。一方の主軸分割体 1 3 Aは、分割面となる端面 S 1の軸心部に丸軸状の嵌合凸部 1 3 A aを有し、他方の主軸分割体 1 3 Bは分割面となる端面 S 2に、前記嵌合凸部 1 3 A aの外周に嵌合する円形の嵌合凹部 1 3 B aを有している。両主軸分割体 1 3 A , 1 3 Bは、前記嵌合凸部 1 3 A aの外周面 S 3と嵌合凹部 1 3 B a の内周面 S 4との嵌合と、前記分割面となる端面 S 1 , S 2の突き合わせとにより、径方向および軸方向に拘束され、かつ軸心部でポルト 4 0により互いに結合されている。ポルト 4 0は両切ポルトであり、一方の主軸分割体 1 3 Aの嵌合凸部 1 3 A aの先端面中央に形成されたねじ孔 4 1 と、他方の主軸分割体 1 3 Bの嵌合凹部 1 3 B aの底面中央に形成されたねじ孔 4 2とに渡ってねじ込まれている。各主軸分割体 1 3 A , 1 3 Bは、例えば鋼材の焼入等の硬化のための熱処理が施されたものとされ、ポルト 4 0は、硬化のための熱処理を施さない鋼の生材とされている。

[0026] 各主軸分割体 1 3 A , 1 3 Bの有するスラスト板 1 3 a , 1 3 bの対向面は、中心部付近と外周縁との間に環状の凹部 4 3を有する形状とされ、この凹部 4 3内に、前記モータロータ 2 8 aを構成する相対向する永久磁石 2 8 a a , 2 8 a aが接着等により取付けられている。

[0027] 図 1において、主軸 1 3を支持する軸受 1 5 , 1 6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 1 5 , 1 6は、それぞれスピンドルハウジング 1 4におけるコンプレッサ翼車 6 aおよびタービン翼車 7 aの近傍に配置されて、磁気軸受 1 7 , 1 3 a , 1 3 bを挟んで主軸 1 3の軸方向外側に位置している。したがって、主軸 1 3のラジアル負荷を支持する転がり軸受 1 5 , 1 6が軸方向に離間して位置するので、主軸 1 3を安定して支持できる。

[0028] 主軸 1 3は、中間部の大径部 1 3 cと、両端部の小径部 1 3 dとを有する段付き軸とされている。両側の軸受 1 5 , 1 6は、その内輪 1 5 a , 1 6 a が小径部 1 3 dに圧入状態に嵌合し、片方の幅面が大径部 1 3 cと小径部 1 3 d間の段差面に係合する。

スピンドルハウジング 1 4における両側の軸受 1 5 , 1 6よりも各翼車 6 a , 7 a側の部分は、内径面が主軸 1 3に近接する径に形成され、この内径面に非接触シール 2 1 , 2 2が形成されている。この実施形態では、非接触シール 2 1 , 2 2は、スピンドルハウジング 1 4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いるが、その他の非接触シール手段でも良い。こうして、各翼車 6 a , 7 aを通る作動流体である空気が軸受装置へ漏れるのを抑制する。

[0029] 前記センサ 1 8は、タービン翼車 7 a側の軸受 1 6の近傍における静止側、つまりスピンドルハウジング 1 4側に設けられている。このセンサ 1 8を近傍に設けた軸受 1 6は、その外輪 1 6 bが軸受ハウジング 2 3内に固定状態に嵌合している。軸受ハウジング 2 3は、リング状に形成されて一端に軸受 1 6の外輪 1 6 bの幅面に係合する内鍔 2 3 aを有しており、スピンドルハウジング 1 4に設けられた内径面 2 4にアキシアル方向に移動自在に嵌合している。内鍔 2 3 aは、アキシアル方向の中央側端に設けられている。

[0030] センサ 1 8は主軸 1 3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 2 3の内鍔 2 3 a側の幅面と、スピンドルハウジング 1 4に固定された部材である片方の電磁石ュニット 1 7との間に介在させてある。また、センサ 1 8は、センサ予圧ばね 2 5により予圧が印加されている。センサ予圧ばね 2 5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 1 6の外輪 1 6 bをアキシアル方向に付勢するものとされ、外輪 1 6 bおよび軸受ハウジング 2 3を介してセンサ 1 8を予圧する。センサ予圧ばね 2 5は、例えば主軸 1 3の回りの円周方向複数箇所に設けられた複数のコィルばね等からなる。

[0031 ] センサ予圧ばね 2 5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 1 8力主軸 1 3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、タービンュニット 5の通常の運転状態で主軸 1 3に作用する平均的なスラストカ以上の大きさとされる。

[0032] センサ 1 8の非配置側の軸受 1 5は、スピンドルハウジング 1 4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 2 6によって弾性支持されている。この例では軸受 1 5の外輪 1 5 b力スピンドルハウジング 1 4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 2 6は、外輪 1 5 bとスピンドルハウジング 1 4との間に介在している。軸受予圧ばね 2 6は、内輪 1 5 aの幅面が係合した主軸 1 3の段面に対向して外輪 1 5 bを付勢するものとされ、軸受 1 5に予圧を与えている。軸受予圧ばね 2 6は、主軸 1 3回りの円周方向複数箇所に設けられた複数のコイルばね等からなり、それぞれ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いる。軸受予圧ばね 2 6は、センサ予圧ばね 2 5よりもばね定数が小さいものとされる。

[0033] 上記タービンュニット 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 1 5 , 1 6とこれら軸受の支持系（センサ予圧ばね 2 5、軸受予圧ばね 2 6 、軸受ハウジング 2 3など）とで形成される合成パネと、モータ部（電磁石ユニット 1 7とモータ 2 8 ) で形成される合成パネとが並列となった構成である。このバネ系において、軸受 1 5 , 1 6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、電磁石ユニット 1 7とモータ 2 8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 <電磁石■モータ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 1 8 0 ° 遅れとなり不安定な系となることから、電磁石ユニット 1 7を制御する磁気軸受用コントローラ 1 9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 1 9の構成が複雑なものになる。

[0034] 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 >電磁石■モータによる合成パネの負の剛性値… （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 2 8をコアレスモータとしているので、モータ 2 8に作用する負の剛性値をゼロとすることができ、モータ 2 8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 1 8 0 ° 遅れとなることを防止できるので、モータ 2 8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 1 9の制御対象を安定なものとでき、コントローラ 1 9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。

[0035] ブロック図で示す図 3の磁気軸受用コントローラ 1 9では、各センサ 1 8 の検出出力 P 1 , P 2をセンサ出力演算回路 3 0で加減算し、その演算結果を比較器 3 1で基準値設定手段 3 2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 P I補償回路（もしくは P補償回路） 3 3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、電磁石ュニット 1 7の制御信号を演算するようにしている。 P I補償回路（もしくは P補償回路） 3 3の出力は、ダイオード 3 4 , 3 5を介して各方向の電磁石 1 7 A , 1 7 Bを駆動するパワー回路 3 6 , 3 7に入力される。電磁石 1 7 A , 1 7 Bは、図 1に示したスラスト板 1 3 a , 1 3 bに対して吸引力しか作用しないため、予めダイオード 3 4 , 3 5で電流の向きを決め、 2個の電磁石 1 7 A , 1 7 Bを選択的に駆動するようにしている。

[0036] 同じくブロック図で示す図 4のモータ用コントローラ 2 9では、回転同期指令信号を基に、モータロータ 2 8 aの回転角をフィードバック信号として位相調整回路 3 8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 3 9からモータステ一タ 2 8 b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 2 8 a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。

[0037] 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組み込まれて、冷却媒体となる空気を後段の熱交換器（後述する図 5の熱交換器 8 , 9 ) 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換器で冷却された空気を、膨張タ —ビン 7により、目標温度、例えば— 3 0 °C〜― 6 0 °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 6 aおよびタービン翼車 7 a力前記スラスト板 1 3 aとモータロータ 2 8 aと共通の主軸 1 3に嵌合し、モータ 2 8の動力とタービン翼車 7 a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 6 aを駆動するものとしている。このため、各翼車 6 a, 7 aの適切な隙間 d 1 , d 2を保って主軸 1 3の安定した高速回転が得られ、かつ軸受 1 5, 1 6の長期耐久性の向上、寿命の向上が得られる。

[0038] 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 6 a, 7 aとハウジング 6 b, 7 13との隙間01 1 , d 2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

1 3を転がり形式の軸受 1 5, 1 6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 1 3のアキシアル方向位置がある程度規制され、各翼車 6 a, 7 aとハウジング 6 b, 7 bとの微小隙間 d

1 , d 2を一定に保つことができる。

[0039] しかし、タービンユニット 5の主軸 1 3には、各翼車 6 a, 7 a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 —ビンュニット 5では、 1分間に例えば 8万〜 1 0万回転程度の非常に高速の回転となる。そのため、主軸 1 3を回転支持する転がり軸受 1 5, 1 6に上記スラスト力が作用すると、軸受 1 5, 1 6の長期耐久性が低下する。この実施形態は、上記スラストカを電磁石ュニット 1 7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 1 3の支持用の転がり軸受 1 5,

1 6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 1 3 に作用するスラスト力を検出するセンサ 1 8と、このセンサ 1 8の出力に応じて前記電磁石ュニット 1 7による支持力を制御する磁気軸受用コントローラ 1 9とを設けたため、転がり軸受 1 5, 1 6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 1 3に設けられた 2つのスラスト板 1 3 a, 1

3 bの軸方向外側に 2つの電磁石ュニット 1 7を配置して磁気軸受ュニットを構成すると共に、前記両スラスト板 1 3 a, 1 3 bで挟まれる位置にアキシアルギャップ型のモータ 28を配置してモータュニットを構成することにより、磁気軸受ュニッ卜とモータュニットをコンパク卜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 1 3の固有振動数が高くなって、主軸 1 3を高速回転させることができる。

[0040] また、このモータ一体型の磁気軸受装置は、モータステ一タ 28 bが主軸

1 3の 2枚のスラスト板 1 3 a, 1 3 bの間に介在する配置のため、モータステ一タ 28 bおよび主軸 1 3の両方が一体の部材であると装置の組み立てができないが、図 2のように、主軸 1 3力 2枚のスラスト板 1 3 a, 1 3 bの間で 2分割され、両主軸分割体 1 3 A, 1 3 Bが互いに結合されたものであるため、両スラスト板 1 3 a, 1 3 b間に一体のモ一タステ一タ 28 b を介在させるようにモータを組み立てることが可能になる。また、主軸 1 3 を 2枚のスラスト板 1 3 a, 1 3 b間で分割したため、これらスラスト板 1 3 a, 1 3 b間の隙間が狭くても、両スラスト板 1 3 a, 1 3 bに取付けられるモータロータ 28 aとなる永久磁石 28 a aを、スラスト板 1 3 a , 1 3 bに容易に貼り付けることができる。すなわち、両主軸分割体 1 3 A, 1 3 Bが離れた状態で永久磁石 28 a aの貼り付け作業が行え、両スラスト板 1 3 a, 1 3 b間の隙間の大きさに関係なく、永久磁石 28 a aの貼り付け作業が行える。

モータステータ 28 bを分割構造とする場合と異なり、主軸 1 3を分割構造とするため、分割しながら、簡単な構成で済む。主軸 1 3が高速回転するものであっても、主軸 1 3自体を 2枚のスラスト板間で分割された分割構造とするため、スラスト板 1 3 a, 1 3 bを主軸 1 3と分割させる場合と異なり、堅固な結合構造が自由に設計でき、高速回転時における主軸分割部分の結合箇所が強度不足となることが解消できる。

[0041] この実施形態では、両主軸分割体 1 3 A, 1 3 Bに嵌合凸部 1 3 A aと嵌合凹部 1 3 B aを設けて、いわゆる印籠結合とし、また分割面となる端面 S 1 , S 2の突き合わせ面と、上記嵌合凸部 1 3 A a, 嵌合凹部 1 3 B aの嵌合する周面 S 3, S 4との 2ケ所で拘束し、ポルト 40で締結するため、両主軸分割体 1 3 A, 1 3 Bを堅固に結合することができる。上記ポルト 4 0は、いずれか一方の主軸分割体 1 3 A , 1 3 Bと一体に設けたものとしても良いが、両主軸分割体 1 3 A , 1 3 Bと別の独立した部品とすると、ポルト 4 0の材質が自由に選定できる。この例では、主軸 1 3は剛性確保等のために焼入等の硬度を向上させる熱処理が施されるが、主軸分割体 1 3 A , 1 3 Bとポルト 4 0を一体構造として熱処理を行うと、ポルト部分の脆性が不足する恐れがある。しかし、ポルト 4 0を別部材として非焼人材としたため、脆性不足の問題が解消され、ポルト 4 0の不測の破損の問題のない信頼性の高い締結が行える。

[0042] 図 5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。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 1 0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 1 0にそれぞれ開口した空気の取入口 1 aから排出口 1 b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 8、中間熱交換器 9、および前記タービンユニット 5の膨張タ一ビン 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 1 a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 1 aの付近の空気は熱交換器 9 a内を通る。

[0043] 予圧縮手段 2はブロア等からなり、モータ 2 a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 3 a , 8 aをそれぞれ有し、熱交換器 3 a , 8 a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 3 a , 8 aは、冷却塔 1 1 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 1 1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。

[0044] この空気サイクル冷凍冷却システムは、被冷却空間 1 0を 0 °C〜― 6 0 °C 程度に保つシステムであり、被冷却空間 1 0から空気循環経路 1の取入口 1 aに 0°C〜― 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 1 a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°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°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。

[0045] 熱交換により冷却された 40°C, 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 °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で一 20°Cまで冷却された空気は、タービンュニット 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 1 bから被冷却空間 1 0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。

[0046] 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 6 a, 7 aの適切な隙間 d 1 , d 2を保って主軸 1 3の安定した高速回転が得られ、かつ軸受 1 5, 1 6の長期耐久性の向上、寿命の向上が得られることで、軸受 1 5, 1 6の長期耐久性が向上することから、タービンュニット 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ュニット 5の主軸軸受 1 5, 1 6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。

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少なくとも一方を支持し、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、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つのスラスト板はそれぞれ、片面に電磁石ターゲットが形成され、もう片方の面にはモータロータ用の永久磁石が配置され、前記モータロータ用の永久磁石は、前記 2つのスラスト板の対向する面に配置され、かつ、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、前記永久磁石に挟まれるように、モ一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おり、前記モータロータおよび前記モータステ一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を有するものであって、前記主軸が、前記 2枚のスラスト板の間で 2分割され、両主軸分割体が互いに結合されているモータ一体型の磁気軸受装置。

[2] 請求項 1において、一方の主軸分割体は分割面となる端面の軸心部に嵌合凸部を有し、他方の主軸分割体は分割面となる端面に前記嵌合凸部の外周に嵌合する嵌合凹部を有し、両主軸分割体は、前記嵌合凸部と嵌合凹部とが嵌合する周面と、前記分割面となる端面の突き合わせにより、径方向および軸方向に拘束され、かつ軸心部でポルトにより互いに結合されたモーター体型の磁気軸受装置。

[3] 請求項 2において、前記両主軸分割体は鋼材を熱処理して硬化したものからなり、前記ポルトは熱処理されていない鋼の生材からなるモーター体型の磁気軸受装置。

[4] 請求項 1において、前記磁気軸受の電磁石は、 2つ設けられ、前記 2つのスラスト板の軸方向両外側に対向して 1つずつ配置されているモータ一体型の磁気軸受装置。

[5] 請求項 1において、前記転がり軸受を一対有し、両転がり軸受が前記磁気軸受を挟んで主軸の軸方向外側に位置しているモーター体型の磁気軸受装置

[6] 請求項 1において、コンプレッサ側翼車およびタービン側翼車が、前記スラスト板およびモータロータと共通の主軸に取り付けられ、モータ動力とタ -ビン側翼車で発生した動力の少なくとも一方により、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組み込まれたものであるモータ一体型の磁気軸受装置。

[7] 請求項 6において、前記転がり軸受を一対有し、両転がり軸受が前記磁気軸受を挟んで主軸の軸方向外側に位置しており、前記各転がり軸受とその近傍の翼車との間に主軸の外周をシールするラビリンスシールが設けられているモータ一体型の磁気軸受装置。

[8] 請求項 6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、熱交換器による冷却、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、前記タービンュニッ卜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組み込まれたものであるモータ一体型の磁気軸受装置