(57)【要約】      （修正有）【課題】モータに高負荷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、かつ主軸を短くできて、高速回転させることが可能なモータ一体型磁気軸受装置を提供する。【解決手段】モータ一体型磁気軸受装置は転がり軸受１５，１６を併用したもので、主軸１３に直角に同軸に形成されたスラスト板１３ａの両端面にアキシアルギャップモータ２８のモータロータ２８ａが配置され、前記モータロータ２８ａに対向するようにモータステータ２８ｂが配置される。アキシアル方向の力を検出するセンサ１８が設けられ、その出力に応じて、アキシアルギャップモータ２８の駆動電流の位相を調整する調整器３８を有し、アキシアルギャップモータ２８の回転数制御を行うコントローラ２９が設けられる。転がり軸受１５，１６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は、モータ部の負の剛性値よりも大という関係を有するように設定される。【選択図】図１
2007162725.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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方向の負荷を支持し、主軸に直角に同軸に形成されたスラスト板の両端面にアキシアルギャップモータのモータロータが配置され、前記モータロータに対向するようにモータステータが配置され、強磁性体からなるステータヨークにモータコイルが巻回され、モータロータとモータステータ間の磁気力により、主軸を回転させる構造であり、
アキシアル方向の力を検出するセンサの出力に応じて、アキシアルギャップモータの駆動電流の位相を調整する調整器を有し、アキシアルギャップモータの回転数制御を行うコントローラを有し、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負の剛性値よりも大という関係を有することを特徴とするモータ一体型の磁気軸受装置。
【請求項２】
転がり軸受と磁気軸受を併用し、転がり軸受がラジアル方向の負荷を支持し、主軸に直角に同軸に形成されたスラスト板のどちらか一方にアキシアルギャップモータのモータロータが配置され、前記モータロータに対向するようにモータステータが配置され、強磁性体からなるステータヨークにモータコイルが巻回され、モータロータとモータステータ間の磁気力により、主軸を回転させる構造であり、
前記スラスト板のもう一方側に電磁石が配置され、電磁石はアキシアル荷重と軸受予圧のどちらか一方または両方を支持し、アキシアル方向の力を検出するセンサの出力に応じて、電磁石の支持力を制御するコントローラを有し、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、電磁石とモータとで形成される合成バネの負の剛性値よりも大という関係を有することを特徴とするモータ一体型の磁気軸受装置。
【請求項３】
転がり軸受と磁気軸受を併用し、転がり軸受がラジアル方向の負荷を支持し、主軸に直角に同軸に形成されたスラスト板のどちらか一方にアキシアルギャップモータのモータロータが配置され、前記モータロータに対向するようにモータステータが配置され、強磁性体からなるステータヨークにモータコイルが巻回され、モータロータとモータステータ間の磁気力により、主軸を回転させる構造であり、
前記スラスト板のもう一方側に電磁石が配置され、電磁石はアキシアル荷重と軸受予圧のどちらか一方または両方を支持し、アキシアル方向の力を検出するセンサの出力に応じて、電磁石の支持力を制御するコントローラを有し、アキシアル方向の力を検出するセンサの出力に応じてアキシアルギャップモータのモータ駆動電流の位相を、電磁石をアシストするように調整する調整器を有し、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、電磁石とモータとで形成される合成バネの負の剛性値よりも大という関係を有することを特徴とするモータ一体型の磁気軸受装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２または請求項３において、前記主軸には、コンプレッサ側翼車およびタービン側翼車が、前記スラスト板とモータロータと共通の主軸に嵌合し、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一体型の磁気軸受装置。
【請求項５】
請求項４において、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一体型の磁気軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【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一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、−３０℃〜−６０℃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べられている。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いる（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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【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。
【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一体型磁気軸受装置を開発した。このモータ一体型磁気軸受装置は、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いて、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６８ｂ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。
【０００９】
ブロック図で示す図７の磁気軸受用コントローラ５９では、センサ５８の出力をセンサ出力演算回路６０で加減算し、その結果を比較器６１で基準値６２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６３により比例積分処理を行うことで、電磁石５７の制御信号を演算する。ＰＩ補償回路６３の出力は、ダイオード６４，６５を介して各方向の電磁石１７を駆動するパワー回路６６，６７に入力される。
同じくブロック図で示す図８のモータ用コントローラ６９では、モータロータ６８ａに設けられる回転角度検出センサ（図示せず）からフィードバックされる回転指令（回転同期指令信号）回転指令に基づき、位相調整回路６８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７０からモータステータ６８ｂに供給することによって、定回転制御が行われる。
【００１０】
上記構成のモータ一体型磁気軸受装置によると、主軸５３にかかるスラスト力を電磁石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。
【００１１】
しかし、上記構成のモータ一体型磁気軸受装置では、主軸５３に、電磁石５７用のスラスト板５３ａとモータ６８用のスラスト板５３ｂを別々に設けているため、主軸５３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。
【００１２】
この発明の目的は、モータに高負荷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、かつ主軸の軸長を短くできて、高速回転させることが可能なモータ一体型磁気軸受装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明の第１の発明に係るモータ一体型磁気軸受装置は、転がり軸受と磁気軸受を併用し、転がり軸受がラジアル方向の負荷を支持し、主軸に直角に同軸に形成されたスラスト板の両端面にアキシアルギャップモータのモータロータが配置され、前記モータロータに対向するようにモータステータが配置され、強磁性体からなるステータヨークにモータコイルが巻回され、モータロータとモータステータ間の磁気力により、主軸を回転させる構造であり、アキシアル方向の力を検出するセンサの出力に応じて、アキシアルギャップモータの駆動電流の位相を調整する調整器を有し、アキシアルギャップモータの回転数制御を行うコントローラを有し、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負の剛性値よりも大という関係を有することを特徴とする。
【００１４】
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、主軸にかかるスラスト力を支承する磁気軸受をモータが兼ねるので、磁気軸受のための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く、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って、主軸を高速回転させることができる。
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バネの剛性値がモータ部の負の剛性値よりも大という関係を有するものとしているので、モータに高負荷が作用した状態でも、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を比例もしくは比例積分のみの簡単な構成とすることができる。
【００１５】
この発明の第２の発明に係るモータ一体型磁気軸受装置は、転がり軸受と磁気軸受を併用し、転がり軸受がラジアル方向の負荷を支持し、主軸に直角に同軸に形成されたスラスト板のどちらか一方にアキシアルギャップモータのモータロータが配置され、前記モータロータに対向するようにモータステータが配置され、強磁性体からなるステータヨークにモータコイルが巻回され、モータロータとモータステータ間の磁気力により、主軸を回転させる構造であり、前記スラスト板のもう一方側に電磁石が配置され、電磁石はアキシアル荷重と軸受予圧のどちらか一方または両方を支持し、アキシアル方向の力を検出するセンサの出力に応じて、電磁石の支持力を制御するコントローラを有し、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、電磁石とモータとで形成される合成バネの負の剛性値よりも大という関係を有することを特徴とする。
この構成によると、主軸に形成された１つのスラスト板がモータロータと電磁石の共通のバックヨークとされるので、磁気軸受のための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く、主軸の軸長を短くできて固有振動数が低下し、それだけ主軸を高速回転させることができる。
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バネの剛性値が、電磁石とモータとで形成される合成バネの負の剛性値よりも大という関係を有するものとしているので、モータに高負荷が作用した状態でも、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を比例もしくは比例積分のみの簡単の構成とすることができる。
【００１６】
この発明の第３の発明に係るモータ一体型磁気軸受装置は、転がり軸受と磁気軸受を併用し、転がり軸受がラジアル方向の負荷を支持し、主軸に直角に同軸に形成されたスラスト板のどちらか一方にアキシアルギャップモータのモータロータが配置され、前記モータロータに対向するようにモータステータが配置され、強磁性体からなるステータヨークにモータコイルが巻回され、モータロータとモータステータ間の磁気力により、主軸を回転させる構造であり、前記スラスト板のもう一方側に電磁石が配置され、電磁石はアキシアル荷重と軸受予圧のどちらか一方または両方を支持し、アキシアル方向の力を検出するセンサの出力に応じて、電磁石の支持力を制御するコントローラを有し、アキシアル方向の力を検出するセンサの出力に応じてアキシアルギャップモータのモータ駆動電流の位相を、電磁石をアシストするように調整する調整器を有し、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、電磁石とモータとで形成される合成バネの負の剛性値よりも大という関係を有することを特徴とする。
この構成の場合も、主軸に形成された１つのスラスト板がモータロータと電磁石の共通のバックヨークとされるので、磁気軸受のための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く、主軸の軸長を短くできて固有振動数が低下し、それだけ主軸を高速回転させることができる。
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バネの剛性値が、電磁石とモータとで形成される合成バネの負の剛性値よりも大という関係を有するものとしているので、モータに高負荷が作用した状態でも、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を比例もしくは比例積分のみの簡単な構成とすることができる。
【００１７】
上記各発明のいずれかにおいて、前記主軸には、コンプレッサ側翼車およびタービン側翼車が、前記スラスト板とモータロータと共通の主軸に嵌合し、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。
【００１８】
この発明において、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。
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、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。
【発明の効果】
【００１９】
この発明の第１の発明に係るモータ一体型磁気軸受装置は、転がり軸受と磁気軸受を併用し、主軸に直角に同軸に形成されたスラスト板の両端面にアキシアルギャップモータのモータロータが配置され、２つのアキシアルギャップモータの電流位相を相対的に変化させて軸推力を生じさせ、アキシアル荷重と軸受予圧のどちらか一方または両方を支持する構成としたため、モータと磁気軸受の一部が兼用されて、スラスト板を１枚とすることが可能となり、そのため軸長を短く、コンパクトに構成できて、主軸の固有振動数が高くなり、主軸を高速回転させることが可能となる。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バネの剛性値がモータ部の負の剛性値よりも大という関係を有することとしたため、モータに高負荷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。
【００２０】
この発明の第２，第３の発明に係るモータ一体型磁気軸受装置は、前記スラスト板のどちらか一方にアキシアルギャップモータを形成し、もう一方側に電磁石を形成し、前記アキシアルギャップモータは主軸を回転させるかまたは電流位相を変化させて電磁石をアシストし、前記電磁石は、アキシアル荷重と軸受予圧のどちらか一方または両方を支持する構成としたため、モータと磁気軸受の一部が兼用されて、スラスト板を１枚とすることが可能となり、そのため軸長を短く、コンパクトに構成できて、主軸の固有振動数が高くなり、主軸を高速回転させることが可能となる。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バネの剛性値が電磁石とモータ部とで形成される合成バネの負の剛性値よりも大という関係を有することとしたため、モータに高負荷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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
この発明の第１の実施形態を図１および図２と共に説明する。図１は、この実施形態のモータ一体型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。
【００２２】
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ｄ１を介して対向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から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）から矢印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。
【００２３】
このタービンユニット５におけるモータ一体型磁気軸受装置は、主軸１３をラジアル方向に対し複数の軸受１５，１６で支承すると共に、この主軸１３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、前記モータ２８を制御するモータ用コントローラ２９とを有している。
【００２４】
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、主軸１３の中央部で主軸１３に垂直かつ同軸に形成されたフランジ状のスラスト板１３ａの両面に、スラスト板１３ｂをバックヨークとしてその円周方向に並ぶ永久磁石２８ａａを配置することで一対のものが構成される。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から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を巻回することで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２８ｂ間に作用する磁気力により、主軸１３を回転させる。また、これら両モータ２８は、モータロータ２８ａを回転駆動させるために両モータステータ２８ｂに印加する電流の位相を変化させることにより、モータロータ２８ａとモータステータ２８ｂ間の磁気力を変化させることが可能である。このように前記スラスト板１３ａを挟んで配置される左右２個のモータ２８は、これら両モータ２８の間で、モータステータ２８ｂに印加する電流位相を相対的に変化させることにより、アキシアル方向の軸推力を発生させ、この軸推力で主軸１３にかかるアキシアル荷重と軸受予圧のどちらか一方もしくは両方を支持する。すなわち、前記モータ２８は、主軸１３にかかるスラスト力を支承する磁気軸受を兼ねる。
【００２５】
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、例えば深溝玉軸受やアンギュ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ハウジング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。
【００２６】
主軸１３は、中央部の大径部１３ｂと、両端部の小径部１３ｃ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１３ｃに圧入状態に嵌合し、片方の幅面が大径部１３ｂと小径部１３ｃ間の段差面に係合する。
スピンドルハウジング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、スピドルハウジング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いるが、その他の非接触シール手段でも良い。
【００２７】
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、つまりスピンドルハウジング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。
【００２８】
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モータステータ２８ｂ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１４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イルばね等からなる。
【００２９】
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が、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。
【００３０】
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が、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とスピンドルハウジング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からなり、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。
【００３１】
上記タービンユニット５におけるモータ一体型磁気軸受装置の力学モデルは簡単なバネ系で構成することができる。すなわち、このバネ系は、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バネと、モータ２８で形成される合成バ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１５，１６とこれら軸受の支持系とで形成される合成バネは、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、モータ２８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＜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。
【００３２】
そこで、この実施形態のモータ一体型磁気軸受装置では、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＞モータによる合成バネの負の剛性値…（２）
としている。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に高負荷が作用した状態でもモータ用コントローラ２９の制御対象を安定なものとでき、コントローラ２９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とすることができる。
【００３３】
ブロック図で示す図２のモータ用コントローラ２９では、各センサ１８の検出出力Ｐ１，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、制御信号が演算される。また、コントローラ２９の位相調整回路３８では、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、モータ駆動電流の最適な位相調整が演算され、その演算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。前記回転同期指令信号は、モータロータ２８ａに設けられる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。このように、主軸１３にかかるアキシアル方向の力を検出するセンサ１８の検出信号と回転角度同期指令信号とに基づき、前記スラスト板１３ａを挟んで左右に配置される２個のモータ２８の電流位相を相対的に調整することにより、主軸１３にかかるスラスト力を支承する軸推力が発生される。すなわち、モータ２８は、主軸１３にかかるスラスト力を支承する磁気軸受を兼ねる。
【００３４】
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換器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℃〜−６０℃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およびタービン翼車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。
【００３５】
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ｄ１，ｄ２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ｄ１，ｄ２を一定に保つことができる。
【００３６】
しかし、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、上記スラスト力をモータ２９で発生する軸推力で支承するため、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の検出信号と回転角度同期指令信号とに基づき、モータ２８を定回転制御し、前記スラスト力を支承する軸推力を制御するモータ用コントローラ２９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。
しかも、主軸１３にかかるスラスト力を支承する磁気軸受をモータ２９が兼ねる構成としているので、磁気軸受のためのスラスト板を主軸１３に別に設ける必要がなく、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って、主軸１３を高速回転させることができる。また、センサ１８を、軸受１８の近傍に配置していることから、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、その測定精度が良く、精密なスラスト力の制御が可能となる。
【００３７】
図３および図４は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態は、図１に示した第１の実施形態のモータ一体型磁気軸受において、スラストギャップ型のモータ２８を、スラスト板１３ａの片面（ここではコンプレッサ６側に向く片面）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１個のものに構成すると共に、主軸１３にかかるアキシアル荷重と軸受予圧のどちらか一方または両方を支持する磁気軸受として、前記スラスト板１３ａの他の片面（ここでは膨張タービン７側に向く片面）に非接触で対向するようにスピンドルハウジング１４に電磁石１７を設置したものである。モータ２８の回転制御はモータ用コントローラ２９で行われ、前記電磁石１７の支持力制御は専用の磁気軸受用コントローラ１９で行われる。この場合、モータ２８は主軸１３を回転駆動するだけでなく、前記電磁石１７の機能をアシストする磁気軸受にも兼用される。
【００３８】
図４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、各センサ１８の検出出力Ｐ１，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、パワー回路３４を通して電磁石１７が駆動される。また、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１の実施形態の場合と同じである。
【００３９】
この実施形態の場合、主軸１３に形成された１つのスラスト板１３ａが、モータロータ２８ａと電磁石１７の共通のバックヨークとされているので、磁気軸受のためのスラスト板を主軸１３に別に設ける必要がなく、主軸１３の軸長を短くできて固有振動数が低下し、それだけ主軸１３を高速回転させることができる。
なお、この実施形態では、モータ用コントローラ２９が、モータ駆動電流の位相を調整して電磁石１７の磁気軸受機能をアシストするようにしているが、これに限らずモータ２８の回転数制御だけを行うようにしても良い。
【００４０】
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１ａから排出口１ｂ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。
【００４１】
予圧縮手段２はブロア等からなり、モータ２ａ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３ａ，８ａをそれぞれ有し、熱交換器３ａ，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い。
【００４２】
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℃〜−６０℃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１ａに０℃〜−６０℃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１ａ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℃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℃まで昇温する。第１の熱交換器３は、昇温した７０℃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℃に冷却する。
【００４３】
熱交換により冷却された４０℃，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℃程度に昇温した状態で、第２の熱交換器８により４０℃に冷却される。この４０℃の空気は、中間熱交換器９で−３０℃の空気により−２０℃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℃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℃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。
【００４４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】この発明の第１の実施形態にかかるモータ一体型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】同モータ一体型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３】この発明の他の実施形態にかかるモータ一体型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４】同モータ一体型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５】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６】提案例の断面図である。
【図７】同提案例における磁気軸受用コントローラのブロック図である。
【図８】同提案例におけるモータ用コントローラのブロック図である。
【符号の説明】
【００４６】
２…予圧縮手段
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
１３…主軸
１３ａ…スラスト板
１５，１６…転がり軸受
１７…電磁石
１８…センサ
１９…モータ用コントローラ
２８…モータ
２８ａ…モータロータ
２８ｂ…モータステータ
２８ｂａ…ステータヨーク
２８ｂｂ…モータコイル
２９…磁気軸受用コントローラ
３８…位相調整回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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