(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータに対して設けられるディスクと、当該ディスクに対向配置される電磁石ユニットとを有する磁気軸受であって、
前記電磁石ユニットは、
コイルと、
前記コイルを内包すると共に、前記ディスク側の当該ディスクと対向する領域から前記ディスクと反対側に貫通し、流体が貫通可能な放熱スリットを有するコアとを備え、
前記コイルの端部が前記放熱スリットの内部に配置されている磁気軸受。
【請求項２】
前記放熱スリットは、前記ロータの径方向に長く形成され、前記ロータの周方向に複数設けられている請求項１記載の磁気軸受。
【請求項３】
前記放熱スリットは、前記ロータの径方向から見て、前記放熱スリットと前記ディスクとの間の空気の流れと内部の空気の流れとが同一方向かつ平行に近づくように前記ロータの軸に対して傾斜して設けられている請求項１または２記載の磁気軸受。
【請求項４】
前記放熱スリットは、前記ロータの径方向から見て、前記ディスク側の開口端の幅が前記ディスクと反対側の開口端の幅よりも広い請求項１〜３いずれか一項に記載の磁気軸受。
【請求項５】
ロータと、当該ロータを回転可能に支持する磁気軸受とを備える回転機械であって、  前記磁気軸受として請求項１〜４いずれか一項に記載の磁気軸受を備える回転機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気軸受及び回転機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１に示すように、ターボ圧縮機やモータ等の回転機械では、ロータをできる限り回転抵抗が少なく軸支するために、磁気軸受が用いられている。一般的には、磁気軸受を採用する場合には、磁気軸受として、ロータの径方向への荷重を支持するラジアル磁気軸受と、ロータの軸方向への荷重を支持するアキシャル磁気軸受とが設けられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２１４９３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、近年、ロータの高速回転化が進み、回転時の安定性向上の観点からロータの軸長が短くなっている。アキシャル磁気軸受が、ロータに対して固定されるディスクを電磁石ユニットで一定の隙間を空けて両側から挟む構成であることから、ロータの軸長が短くなることで、電磁石ユニットの設置スペースの確保が難しくなっている。一方で、電磁石ユニットにおいて一定の磁束を確保するためには、コイルの線積率を保つ必要がある。このため、特にロータが高速回転される回転機械では、電磁石ユニットをロータの径方向に広げることでコイルの線積率を維持しつつロータの軸方向に扁平とすることで、ロータの短軸化に対応している。
【０００５】
このようなロータの短軸化に伴って、ディスクと電磁石ユニットとの隙間が狭小となっている。ディスクと空気との摩擦によって生じる熱を排熱するため、ディスクと電磁石ユニットとの隙間に冷却ガスを供給しているが、上述のように当該隙間が狭小であることから、供給する冷却ガスを高圧化する必要がある。しかしながら、冷却ガスを高圧化すると、上記隙間における流速が高まり、ディスクにおける風損が増加する。このため、回転抵抗が増加し、ロータを回転駆動するための動力が増し、この結果、回転機械の効率を悪化させることになる。
【０００６】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、磁気軸受及び回転機械において、高圧の冷却ガスを供給することなく、ディスクと電磁石ユニットとの隙間の排熱を可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。
【０００８】
第１の発明は、ロータに対して設けられるディスクと、当該ディスクに対向配置される電磁石ユニットとを有する磁気軸受であって、上記電磁石ユニットが、コイルと、上記コイルを内包すると共に、上記ディスク側の当該ディスクと対向する領域から上記ディスクと反対側に貫通し、流体が貫通可能な放熱スリットを有するコアとを備えるという構成を採用する。
【０００９】
第２の発明は、上記第１の発明において、上記コイルの端部が上記放熱スリットの内部に配置されているという構成を採用する。
【００１０】
第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記放熱スリットが、上記ロータの径方向に長く形成され、上記ロータの周方向に複数設けられているという構成を採用する。
【００１１】
第４の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、上記放熱スリットが、上記ロータの径方向から見て、上記放熱スリットと上記ディスクとの間の空気の流れと内部の空気の流れとが同一方向かつ平行に近づくように上記ロータの軸に対して傾斜して設けられているという構成を採用する。
【００１２】
第５の発明は、上記第１〜第４いずれかの発明において、上記放熱スリットが、上記ロータの径方向から見て、上記ディスク側の開口端の幅が上記ディスクと反対側の開口端の幅よりも広いという構成を採用する。
【００１３】
第６の発明は、ロータと、当該ロータを回転可能に支持する磁気軸受とを備える回転機械であって、上記磁気軸受として上記第１〜第５いずれかの発明である磁気軸受を備えるという構成を採用する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ディスク側の当該ディスクと対向する領域からディスクと反対側に貫通する放熱スリットがコアに対して設けられている。このような放熱スリットは、熱が籠りやすいディスクと電磁石ユニットとの隙間に接続される。このため、放熱スリットが形成されていない場合と比較して、ディスクと電磁石ユニットとの隙間における熱を排熱することが可能となる。このため、本発明によれば、冷却ガスを高圧で供給する必要がなくなり、ディスクにおける風損を増加させることがない。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態におけるモータの概略構成を示す縦断面図である。
【図２】本発明の一実施形態におけるモータが備える電磁石ユニットの正面図及び背面図であり、（ａ）がディスク側から見た正面図であり、（ｂ）がディスクと反対側から見た背面図である。
【図３】本発明の一実施形態におけるモータが備える電磁石ユニットの断面図であり、（ａ）が図２のＡ−Ａ線断面図であり、（ｂ）が図２のＢ−Ｂ線断面図である。
【図４】本発明の一実施形態におけるモータが備える電磁石ユニットとディスクとの一部を含む要部拡大断面図である。
【図５】本発明の一実施形態におけるモータの変形例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明に係る磁気軸受及び回転機械の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
【００１７】
図１は、本実施形態のモータ１（回転機械）の概略構成を示す縦断面図である。この図に示すように、本実施形態のモータ１は、例えば空気圧縮機に搭載され、ハウジング２と、ステータ３と、ロータ４と、ラジアル磁気軸受５と、アキシャル磁気軸受６と、補助軸受７と、冷却ガス供給装置８とを備えている。
【００１８】
ハウジング２は、ステータ３、ロータ４、ラジアル磁気軸受５、アキシャル磁気軸受６及び補助軸受７を収容するケーシングである。このハウジング２には、ロータ４の先端を露出させるために、ロータ４が貫通する貫通孔が設けられている。ステータ３は、ハウジング２の内部に収容されており、ハウジング２に固定されることにより支持されている。このステータ３は、ロータ４を一定の間隔を空けて囲んで配置されるコイルを備えており、不図示のモータ制御装置により、給電状態が制御される。
【００１９】
ロータ４は、軸方向が水平となるように姿勢設定された棒部材であり、ステータ３との対向箇所に永久磁石を備えている。このロータ４は、ステータ３への給電により生じる磁界によって回転駆動され、回転時にはラジアル磁気軸受５及びアキシャル磁気軸受６によって非接触にて軸支される。なお、ロータ４は、停止時には、補助軸受７により支持される。ラジアル磁気軸受５及びアキシャル磁気軸受６は、ロータ４を回転可能に支持する。ラジアル磁気軸受５は、ロータ４の両端部に対して各々設けられている。これらのラジアル磁気軸受５は、不図示の給電装置から給電されることによって磁力を発生し、ロータ４の径方向への荷重を非接触にて支持する。
【００２０】
アキシャル磁気軸受６は、図１に示すように、ディスク６ａと、２つの電磁石ユニット６ｂとを備えている。ディスク６ａは、磁性体からなる円板状の部材であり、ロータ４に対して設けられている。このディスク６ａは、ロータ４よりも大径とされており、ロータ４に対して同心状に固定されている。このようなディスク６ａは、ロータ４の軸方向から見て、外縁部がロータ４の外側に突出されている。２つの電磁石ユニット６ｂは、ディスク６ａをロータ４の軸方向から挟むようにディスク６ａに対して対向配置されており、ディスク６ａに対して僅かな隙間を空けて対向されるようにハウジング２に対して固定されている。このアキシャル磁気軸受６は、不図示の給電装置から給電されることによって磁力を発生し、ロータ４の軸方向への荷重を非接触にて支持する。
【００２１】
図２は、電磁石ユニット６ｂの正面図及び背面図であり、（ａ）がディスク６ａ側から見た正面図であり、（ｂ）がディスク６ａと反対側から見た背面図である。また、図３は、電磁石ユニット６ｂの断面図であり、（ａ）が図２のＡ−Ａ線断面図であり、（ｂ）が図２のＢ−Ｂ線断面図である。さらに、図４は、電磁石ユニット６ｂとディスク６ａとの一部を含む要部拡大断面図である。これらの図に示すように、電磁石ユニット６ｂは、コイル６ｂ１と、コア６ｂ２とを備えている。
【００２２】
コイル６ｂ１は、ロータ４を中心として巻回される巻線により形成されており、不図示の給電装置により給電が行われる。このコイル６ｂ１は、予め定められた線積率となるように巻線が巻回されている。コア６ｂ２は、磁性体からなると共に中央にロータ４が挿通される開口を有する環状の部材であり、コイル６ｂ１を内包する。また、コア６ｂ２は、ディスク６ａと対向する領域Ｒａに環状の磁極スリット６ｂ３及び放射状の放熱スリット６ｂ４を有している。
【００２３】
磁極スリット６ｂ３は、ロータ４を中心とする環状に設けられており、ロータ４の軸方向から見てコイル６ｂ１が内包された領域に設けられることでコイル６ｂ１の一部を露出させている。この磁極スリット６ｂ３により、コア６ｂ２のディスク６ａ側が、内径側と外径側とに分割され、磁極が形成される。
【００２４】
放熱スリット６ｂ４は、ロータ４の軸方向から見てロータ４の軸を中心として放射状に複数設けられている。すなわち、各放熱スリット６ｂ４は、ロータ４の径方向に長く形成され、ロータ４の周方向に複数設けられている。このような放熱スリット６ｂ４は、ディスク６ａ側のディスク６ａと対向する領域Ｒａからディスク６ａと反対側に貫通して設けられ、流体（冷却ガス）が貫通可能とされている。
【００２５】
また、図４に示すように、放熱スリット６ｂ４は、ロータ４の径方向外側の端部位置が、ディスク６ａの周面６ａ１よりもロータ４の径方向内側に位置するように長さが設定されている。これによって、放熱スリット６ｂ４が形成される箇所であっても、コア６ｂ２とディスク６ａとの間に狭隘部６ｃが形成されることなる。仮に、放熱スリット６ｂ４の上記端部位置が、ディスク６ａの周面６ａ１よりもロータ４の径方向外側に位置する場合には、狭隘部６ｃが設けられず、ディスク６ａの径方向外側に突出した放熱スリット６ｂ４の端部を通じて冷却ガスが流れやすくなり、ディスク６ａとコア６ｂ２との隙間に冷却ガスが流れ込み難くなる。これに対して、上記狭隘部６ｃを設けた場合には、ディスク６ａとコア６ｂ２との隙間に冷却ガスを確実に流れ込ませることが可能となる。
【００２６】
また、コイル６ｂ１は、樹脂モールド６ｂ５によってモールドされており、ロータ４の径方向内側の端部位置６ｂ６が放熱スリット６ｂ４の内部に配置されるように固定されている。これによって、コイル６ｂ１の一部が樹脂モールド６ｂ５にモールドされた状態で、冷却ガスの流路となる放熱スリット６ｂ４内に配置されることになる。
【００２７】
なお、このような磁極スリット６ｂ３及び放熱スリット６ｂ４は、放電ワイヤ加工によって容易に形成することができる。また、磁極スリット６ｂ３及び放熱スリット６ｂ４が形成されたコア６ｂ２にコイル６ｂ１を内包し、磁極スリット６ｂ３及び放熱スリット６ｂ４に邪魔板等を挿入した状態で、コア６ｂ２の内部に樹脂を注入することで、容易に磁極スリット６ｂ３及び放熱スリット６ｂ４が空隙とされた電磁石ユニット６ｂを形成することができる。
【００２８】
また、放熱スリット６ｂ４は、放射状に複数設けられている。このため、コア６ｂ２のディスク６ａ側のディスク６ａと対向する領域Ｒａは、ロータ４の周方向において、放熱スリット６ｂ４によって複数の領域に分割されている。
【００２９】
図１に戻り、補助軸受７は、ロータ４の両端部各々に対応して設けられており、ハウジング２に対して固定されている。これらの補助軸受７は、ロータ４がラジアル磁気軸受５及びアキシャル磁気軸受６によって軸支されているときに、ロータ４に対して僅かな隙間が空くように設けられている。このような補助軸受７は、ロータ４の回転が停止され、ラジアル磁気軸受５及びアキシャル磁気軸受６への給電が停止された状態において、ロータ４を支える。また、停電や地震等の緊急時に何らかの影響により回転しているロータ４が本来の基準位置から外れたときにロータ４を軸支する。
【００３０】
冷却ガス供給装置８は、ハウジング２に設けられた冷却ガス導入孔２ａと接続されており、冷却ガス導入孔２ａを通じて、ハウジング２内部の２つの電磁石ユニット６ｂに挟まれた空間に対して冷却ガスＸを供給する。このように供給された冷却ガスＸは、図４に示すように、狭隘部６ｃを通じてディスク６ａと電磁石ユニット６ｂとの隙間に流れ込み、一部が放熱スリット６ｂ４を介することで電磁石ユニット６ｂを通過し、残りがロータ４と電磁石ユニット６ｂとの隙間を介する電磁石ユニット６ｂを通過する。なお、このように電磁石ユニット６ｂを通過した冷却ガスＸは、図１に示す補助軸受７とロータ４との隙間等からハウジング２の外部に流れ出る。
【００３１】
このような構成の本実施形態のモータ１では、ステータ３に対して給電されることでロータ４が回転駆動され、さらにラジアル磁気軸受５及びアキシャル磁気軸受６に対して給電されることでロータ４が非接触にて軸支される。このため、極めて回転抵抗が少ない状態でロータ４を回転することができる。
【００３２】
上述のような本実施形態のモータ１によれば、ディスク６ａ側の当該ディスク６ａと対向する領域Ｒａからディスク６ａと反対側に貫通する放熱スリット６ｂ４がコア６ｂ２に対して設けられている。このような放熱スリット６ｂ４は、熱が籠りやすいディスク６ａと電磁石ユニット６ｂとの隙間に接続される。このため、放熱スリット６ｂ４が形成されていない場合と比較して、ディスク６ａと電磁石ユニット６ｂとの隙間における熱を排熱することが可能となる。このため、本実施形態のモータ１によれば、冷却ガスＸを高圧で供給する必要がなくなり、ディスク６ａにおける風損を増加させることがない。
【００３３】
また、本実施形態のモータ１においては、コイル６ｂ１の端部が放熱スリット６ｂ４の内部に配置されている。このため、放熱スリット６ｂ４を通過する冷却ガスＸによってコイル６ｂ１の一部が直接的に冷却され、これによってコイル６ｂ１の冷却効率を高めることが可能となる。
【００３４】
また、本実施形態のモータ１においては、放熱スリット６ｂ４は、ロータ４の径方向に長く形成され、ロータ４の周方向に複数設けられている。このため、コア６ｂ２のディスク６ａ側のディスク６ａと対向する領域Ｒａが、ロータ４の周方向において、放熱スリット６ｂ４によって複数の領域に分割され、この領域Ｒａにおける大きな渦電流の発生を抑制する。これによって、電磁石ユニット６ｂにおける渦電流損失を減らし、電磁石ユニット６ｂの透磁率の周波数特性を向上させることができる。
【００３５】
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００３６】
例えば、上記実施形態においては、電磁石ユニット６ｂ同士の間から狭隘部６ｃを通じてディスク６ａと電磁石ユニット６ｂとの隙間に冷却ガスＸが流れる構成を採用した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、冷却ガスＸの流れを逆とすることも可能である。
【００３７】
また、上記実施形態においては、ロータ４の径方向から見て、ロータ４の軸と平行に、放熱スリット６ｂ４がコア６ｂ２を貫通した構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。図５（ａ）に示すように、電磁石ユニット６ｂとディスク６ａとの間の空気の流れと放熱スリット６ｂ４の内部を流れる空気の流れとが同一方向かつ平行に近づくように、放熱スリット６ｂ４をロータ４の軸に対して傾斜するように貫通されても良い。本実施形態においては、ディスク６ａ側から放熱スリット６ｂ４に空気が流れ込むため、放熱スリット６ｂ４の入口側の開口端がディスク６ａの回転方向の上流側に位置し、放熱スリット６ｂ４の出口側の開口端がディスク６ａの回転方向の下流側に位置するように、放熱スリット６ｂ４が傾斜される。なお、冷却ガスＸの流れ方向が上記実施形態と逆とされる場合には、放熱スリット６ｂ４の出口側の開口端がディスク６ａの回転方向の上流側に位置し、放熱スリット６ｂ４の入口側の開口端がディスク６ａの回転方向の下流側に位置するように、放熱スリット６ｂ４が傾斜される。
【００３８】
また、上記実施形態においては、ロータ４の径方向から見て、放熱スリット６ｂ４の入口側の開口端の幅と、放熱スリット６ｂ４の出口側の開口端の幅とが同一である構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、図５（ｂ）に示すように、放熱スリット６ｂ４のディスク６ａ側の開口端の幅が、ディスク６ａと反対側の開口端の幅よりも広くすることも可能である。これによって、発熱部となるディスク６ａ側の放熱スリット６ｂ４の開口面積が広くなり放熱効果が高まると共に、ディスク６ａと反対側の開口面積が狭いことからコア６ｂ２の強度を維持することも可能となる。
【００３９】
また、上記実施形態においては、本発明を扁平型の電磁石ユニット６ｂを有する磁気軸受に適用した例について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、他の形状の電磁石ユニットを有する磁気軸受に適用することも可能である。
【００４０】
また、上記実施形態では、本発明をモータに適用した例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、本発明は、特性を決定するのにロータの固有振動数が大きな要因となる回転機械や、限られた空間で所定の吸引力が求められる回転機械に対して好適に適用することができる。このような回転機械としては、例えば、空気圧縮機、ターボ冷凍機、空気分離機及びガスタービンが挙げられる。
【符号の説明】
【００４１】
１……モータ（回転機械）、２……ハウジング、２ａ……冷却ガス導入孔、２ｂ……電磁石ユニット、３……ステータ、４……ロータ、５……ラジアル磁気軸受、６……アキシャル磁気軸受、６ａ……ディスク、６ａ１……周面、６ｂ……電磁石ユニット、６ｂ１……コイル、６ｂ２……コア、６ｂ３……磁極スリット、６ｂ４……放熱スリット、６ｂ５……樹脂モールド、６ｂ６……端部位置、６ｃ……狭隘部、７……補助軸受、８……冷却ガス供給装置、Ｒａ……領域、Ｘ……冷却ガス
【図１】
0006391160.tif 000002
【図２】
0006391160.tif 000003
【図３】
0006391160.tif 000004
【図４】
0006391160.tif 000005
【図５】
0006391160.tif 000006