(57)【要約】【課題】各回転軸の軸受や減速機に給油する潤滑油供給設備を省略することができる駆動装置およびプラント設備を提供する。【解決手段】原動機としてのガスタービン９８に設けられた第１回転軸１と負荷機器としての発電機９４に設けられた第２回転軸５とを複数の磁気軸受装置９５により非接触支持し、第１回転軸１と前記第２回転軸５とを磁気的に接続する磁気歯車装置１００によって、ガスタービン９８（原動機）から第１回転軸に入力された回転動力を予め定めた減速比で調整して第２回転軸５に伝達し、発電機９４（負荷機器）を駆動する。【選択図】図８
2013257021.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原動機に設けられた第１回転軸と、
負荷機器に設けられた第２回転軸と、
前記第１回転軸及び前記第２回転軸をそれぞれ非接触支持する複数の磁気軸受装置と、
前記第１回転軸と前記第２回転軸とを磁気的に接続し、前記原動機から前記第１回転軸に入力された回転動力を予め定めた減速比で調整して前記第２回転軸に伝達する磁気歯車装置と
を備えたことを特徴とする回転駆動装置。
【請求項２】
請求項１記載の回転駆動装置において、
前記磁気歯車装置は、
第１回転軸の軸線周りに設けた鉄心の径方向外側に向けて設けた磁力発生面に複数の磁石を周方向に並べて配置した第１磁気歯車と、
前記第１磁気歯車を同軸状に囲んで設けられ、前記第１磁気歯車の磁力発生面に対向する鉄心の磁力発生面に複数の磁石を周方向に並べて配置した第２磁気歯車と、
前記第１磁気歯車と前記第２磁気歯車の対向する磁力発生面間に、前記第１磁気歯車と第２磁気歯車の磁極間に介在するように周方向に並べて固設された電磁鋼製の磁気経路部材と、
前記第１磁気歯車の複数の磁石の軸心側に同軸状に設けられた第１非磁性体構造部と、
前記第２磁気歯車の複数の磁石の径方向外側に同軸状に設けられた第２非磁性体構造部と
を備えたことを特徴とする回転駆動装置。
【請求項３】
請求項１記載の回転駆動装置において、
前記磁気歯車装置は、
複数の磁石を前記第１回転軸の軸線周りに設けた鉄心に周方向に並べて配置した磁力発生面を径方向外側に向けて設けた第１磁気歯車と、
前記第１磁気歯車を同軸状に囲んで設けられ、複数の磁石を第２回転軸の軸線周りに周方向に並べて配置した鉄心の磁力発生面を前記第１磁気歯車の磁力発生面に対向するように径方向内側に向けて設けた第２磁気歯車と、
前記第１磁気歯車と前記第２磁気歯車の対向する磁力発生面間に設けられ、前記第１磁気歯車と第２磁気歯車の磁極間に介在するように電磁鋼製の複数の磁気経路部材を周方向に並べて保持する保持部材と
を備えたことを特徴とする回転駆動装置。
【請求項４】
請求項１記載の回転駆動装置において、
前記磁気歯車装置は、
複数の磁石を前記第１回転軸の軸線周りに環状に配置した磁力発生面を軸方向に向けた第１磁気歯車と、
前記第１磁気歯車と同軸上に設けられ、複数の磁石を第２回転軸の軸線周りに環状に配置した磁力発生面を前記第１磁気歯車の磁力発生面に対向させた第２側磁気歯車と、
前記第１磁気歯車と前記第２磁気歯車の対向する磁力発生面間にて、前記第１磁気歯車と前記第２磁気歯車の磁石間に介在するように環状に固設された電磁鋼製の複数の磁気経路部材と、
前記第１磁気歯車及び前記第２磁気歯車の磁力発生面に設けられ、少なくとも各磁気歯車の径方向の外側から前記磁石を拘束する固定部と
を備えたことを特徴とする回転駆動装置。
【請求項５】
原動機および負荷機器と、
前記原動機に設けられた第１回転軸と、
前記負荷機器に設けられた第２回転軸と、
前記第１回転軸及び前記第２回転軸をそれぞれ非接触支持する複数の磁気軸受装置と、
前記第１回転軸と前記第２回転軸とを磁気的に接続し、前記原動機から前記第１回転軸に入力された回転動力を、予め定めた減速比に応じて調整し前記第２回転軸に伝達する磁気歯車装置と
を備えたことを特徴とするプラント設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば発電機や圧縮機といった負荷機器をタービンやエンジン等といった原動機で駆動する駆動装置およびそれを用いたプラント設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばプラント設備の一種である発電設備では、一般にガスタービンや蒸気タービン等の原動機に備えられた駆動軸であるタービンロータの回転動力が負荷機器である発電機のロータに伝達され発電される。この種のものとして、例えば、特許文献１には、所定のギア比の機械式減速機を介してガスタービンのタービンロータを発電機ロータに接続したものが記載されている。通常、こうしたタービン発電設備では、回転体であるタービンロータや発電機ロータ等は多数のすべり軸受により支持されている。このような、すべり軸受や減速機には、摩擦低減のための潤滑油が用いられており、ロータ駆動中には潤滑油タンクに貯留された潤滑油が配管等を通して常時供給されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１０６１７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術では、潤滑油の貯留タンク、貯留タンクとすべり軸受や減速機を接続する配管、その他の補記等からなる潤滑油供給設備が必要になるため、全体の設備設置面積を広く確保せねばならず、また設備のコストも増大する。加えて、潤滑油供給設備の設置や配管の引き回しの作業があるために設備設置の工期も長期化する。また、潤滑油を用いても、すべり軸受や減速機の歯面の摩擦摺動部での摩擦損失が少なからず発生するとともに、潤滑油自体の管理や交換等も必要となる。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みなされたものであり、各回転軸の軸受や減速機に給油する潤滑油供給設備を省略することができる駆動装置およびそれを用いたプラント設備を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、原動機に設けられた第１回転軸と、負荷機器に設けられた第２回転軸と、前記第１回転軸及び前記第２回転軸をそれぞれ非接触支持する複数の磁気軸受装置と、前記第１回転軸と前記第２回転軸とを磁気的に接続し、前記原動機から前記第１回転軸に入力された回転動力を予め定めた減速比で調整して前記第２回転軸に伝達する磁気歯車装置とを備えたものとする。
【０００７】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記磁気歯車装置は、第１回転軸の軸線周りに設けた鉄心の径方向外側に向けて設けた磁力発生面に複数の磁石を周方向に並べて配置した第１磁気歯車と、前記第１磁気歯車を同軸状に囲んで設けられ、前記第１磁気歯車の磁力発生面に対向する鉄心の磁力発生面に複数の磁石を周方向に並べて配置した第２磁気歯車と、前記第１磁気歯車と前記第２磁気歯車の対向する磁力発生面間に、前記第１磁気歯車と第２磁気歯車の磁極間に介在するように周方向に並べて固設された電磁鋼製の磁気経路部材と、前記第１磁気歯車の複数の磁石の軸心側に同軸状に設けられた第１非磁性体構造部と、前記第２磁気歯車の複数の磁石の径方向外側に同軸状に設けられた第２非磁性体構造部とを備えたものとする。
【０００８】
（３）また、上記（１）において、好ましくは、前記磁気歯車装置は、複数の磁石を前記第１回転軸の軸線周りに設けた鉄心に周方向に並べて配置した磁力発生面を径方向外側に向けて設けた第１磁気歯車と、前記第１磁気歯車を同軸状に囲んで設けられ、複数の磁石を第２回転軸の軸線周りに周方向に並べて配置した鉄心の磁力発生面を前記第１磁気歯車の磁力発生面に対向するように径方向内側に向けて設けた第２磁気歯車と、前記第１磁気歯車と前記第２磁気歯車の対向する磁力発生面間に設けられ、前記第１磁気歯車と第２磁気歯車の磁極間に介在するように電磁鋼製の複数の磁気経路部材を周方向に並べて保持する保持部材とを備えたものとする。
【０００９】
（４）さらに、上記（１）において、好ましくは、前記磁気歯車装置は、複数の磁石を前記第１回転軸の軸線周りに環状に配置した磁力発生面を軸方向に向けた第１磁気歯車と、前記第１磁気歯車と同軸上に設けられ、複数の磁石を第２回転軸の軸線周りに環状に配置した磁力発生面を前記第１磁気歯車の磁力発生面に対向させた第２側磁気歯車と、前記第１磁気歯車と前記第２磁気歯車の対向する磁力発生面間にて、前記第１磁気歯車と前記第２磁気歯車の磁石間に介在するように環状に固設された電磁鋼製の複数の磁気経路部材と、前記第１磁気歯車及び前記第２磁気歯車の磁力発生面に設けられ、少なくとも各磁気歯車の径方向の外側から前記磁石を拘束する固定部とを備えたものとする。
【００１０】
（５）また、上記目的を達成するために、本発明は、原動機および負荷機器と、前記原動機に設けられた第１回転軸と、前記負荷機器に設けられた第２回転軸と、前記第１回転軸及び前記第２回転軸をそれぞれ非接触支持する複数の磁気軸受装置と、前記第１回転軸と前記第２回転軸とを磁気的に接続し、前記原動機から前記第１回転軸に入力された回転動力を、予め定めた減速比に応じて調整し前記第２回転軸に伝達する磁気歯車とを備えたものとする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、各回転軸の軸受や減速機に給油する潤滑油供給設備を省略することができる。よって、潤滑油供給設備に関わるコスト、設置スペース、据え付け工期、潤滑油供給系統のメンテナンス作業等を省略することができ、さらに給油される軸受や減速機における摩擦損失の低減、潤滑油供給系統のトラブルによる稼働率低下の防止という様々な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施の形態に係る磁気歯車装置を概略的に示す図であり、回転軸に垂直な面における断面図である。
【図２】第１の実施の形態に係る磁気歯車装置を概略的に示す図であり、回転軸を含む面における断面図である。
【図３】図１における磁気経路部材付近を拡大して示す拡大断面図である。
【図４】磁気軸受装置の一例を概略的に示す図であり、ラジアル軸受部における各構成の関係を径方向から見た様子を模式的に示す図である。
【図５】磁気軸受装置の一例を概略的に示す図であり、ラジアル軸受部における各構成の関係を軸方向から見た様子を模式的に示す図である。
【図６】スラスト軸受部における各構成の関係を示す断面図である。
【図７】磁気軸受装置の動作を制御する制御部を示す図であり、ラジアル軸受部の制御を行う部分の一部の機能を例示する図である。
【図８】第１の実施の形態に係るガスタービン発電設備の全体構成を示す図である。
【図９】第１の実施の形態の変形例に係る空気圧縮設備の全体構成を示す図である。
【図１０】第２の実施の形態に係る磁気歯車装置の軸心線を包含する鉛直面における断面図である。
【図１１】図１０におけるＡ−Ａ線矢視図である。
【図１２】図１０におけるＢ−Ｂ線矢視図である。
【図１３】図１０におけるＣ−Ｃ線断面図である。
【図１４】第２の実施の形態に係る磁気歯車装置を第１回転軸方向から見た図である。
【図１５】第２の実施の形態に係るガスタービン発電設備の全体構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００１４】
本実施の形態では、プラント設備の一例として、ガスタービン発電設備を例に挙げて説明する。
【００１５】
図８は、本実施の形態に係るガスタービン発電設備の全体構成を示す図である。
【００１６】
図８において、ガスタービン発電設備は、原動機としてのガスタービン９８と、負荷機器としての発電機９４と、ガスタービン９８に設けられた第１回転軸１と、発電機９４に設けられた第２回転軸５と、第１回転軸１及び第２回転軸５をそれぞれ非接触支持する複数の磁気軸受装置９５と、第１回転軸１と第２回転軸５とを磁気的に接続し、原動機としてのガスタービン９８から第１回転軸１に伝達された回転動力を予め定めた減速比で調整して第２回転軸５に伝達する磁気歯車装置１００とから概略構成されている。
【００１７】
ガスタービン９８は、取り入れた空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機９０と、圧縮機９０からの圧縮空気と燃料とを混合燃焼する燃焼器９１と、燃焼器９１からの燃焼ガスにより回転駆動するタービン９２と、タービン９２と圧縮機９０を連結し、タービン９２の回転を圧縮機９０に伝達する中間軸９３とを備えている。また、ガスタービン９８の圧縮機９０には、ガスタービン発電設備内で用いるために圧縮空気の一部を抜き出す抽気空気配管９６が備えられており、抽気空気管路９６の開度を調整する調整弁９６ａ及び調整弁９６ａを駆動する駆動モータ９６ｂが設けられている。
【００１８】
第１回転軸１は、圧縮機９０やタービン９２、中間軸９３等と一体的に回転駆動するよう構成されており、これにより、原動機としてのガスタービン９８からの回転動力が伝達される。また、第２回転軸５は、発電機９４の回転動力の入力部と一体的に回転駆動するよう構成されており、これにより、第２回転軸５の回転動力が発電機９４に入力される。
【００１９】
図１及び図２は、本実施の形態に係る磁気歯車装置１００を概略的に示す図であり、図１は回転軸に垂直な面における断面図、図２は回転軸を含む面における断面図である。また、図３は、図１における磁気経路部材４付近を拡大して示す拡大断面図である。
【００２０】
図１〜図３において、磁気歯車装置１００は、略円柱状の入力側磁気歯車２と、入力側磁気歯車２を同軸状に囲むように配置された略円筒状の出力側磁気歯車３と、入力側磁気歯車２と出力側磁気歯車３の間に配置された複数の磁気経路部材４とを有している。磁気経路部材４は、磁気経路部材ホルダー４１によって入力側磁気歯車２と出力側磁気歯車３の間に保持されている。入力側磁気歯車２、出力側磁気歯車３、及び、磁気経路部材４を保持する磁気経路部材ホルダー４１は、互いに径方向に離間して配置されており、回転駆動によって接触しないように構成されている（図３参照）。
【００２１】
入力側磁気歯車２は、略円柱形状を有しており、その一端において第１回転軸（入力回転軸）１と同軸上に接続されている。また、出力側磁気歯車３は、第２回転軸（出力回転軸）５側、すなわち、第１回転軸１と反対側の一端を閉じた略円筒形状を有しており、その閉じた端部において第２回転軸５と同軸上に接続されている。第１回転軸１と第２回転軸５は同軸上に配置されており、したがって、入力側磁気歯車２と出力側磁気歯車３は同軸状に形成されている。
【００２２】
入力側磁気歯車２は、第１回転軸１の軸線上に沿うように設けられた軸中心部２１と、軸中心部２１の外周を覆うように配置された鉄心２５と、鉄心２５中に周方向に並べて埋設された複数の磁石２４とから構成されている。
【００２３】
磁石２４は、軸中心部２１に沿って軸方向に延在するよう設けられており、それぞれ、互いに絶縁した薄板状の永久磁石を軸方向に積層することにより形成されている。このように形成した複数の磁石２４は、それぞれ、周方向にＮ極２４ａおよびＳ極２４ｂを向けて配置されている。そして、隣り合う磁石２４は、互いの同極が周方向に対向する向きに配置されている。
【００２４】
鉄心２５は、互いに絶縁した薄板状の部材（例えば、珪素鋼板）を軸方向に積層することによって形成されている。
【００２５】
このように構成された入力側磁気歯車２において、隣り合う磁石２４の磁力線は、同極である相手側には向かず、その磁力線のほとんどが径方向外側に作用する。したがって、入力側磁気歯車２においては、その外周面（径方向外側の面）が磁力発生面となる。また、磁力発生面においては、隣り合う磁石２４の対向する極性が現れるため、Ｎ極とＳ極の磁極が周方向に交互に現れ、その磁力発生面における極性対（Ｎ極とＳ極の対）の数は、磁石２４の数の２分の１となる。
【００２６】
出力側磁気歯車３は、略円筒状に形成され入力側磁気歯車２と同軸状に配置された外郭構造部３１と、外郭構造部３１の内周を覆うように配置された鉄心３３と、鉄心３３中に周方向に並べて埋設された複数の磁石３２とから構成されている。
【００２７】
磁石３２は、外郭構造部３１に沿って軸方向に延在するよう設けられており、それぞれ、互いに絶縁した薄板状の永久磁石を軸方向に積層することにより形成されている。このように形成した複数の磁石３２は、それぞれ、周方向にＮ極３２ａおよびＳ極３２ｂを向けて配置されている。そして、隣り合う磁石３２は、互いの同極が周方向に対向する向きに配置されている。
【００２８】
鉄心３３は、互いに絶縁した薄板状の部材（例えば、珪素鋼板）を軸方向に積層することによって形成されている。
【００２９】
このように構成された出力側磁気歯車３において、隣り合う磁石３２の磁力線は、同極である相手側には向かず、その磁力線のほとんどが径方向内側に作用する。したがって、出力側磁気歯車３においては、その内周面（径方向内側の面）が磁力発生面となる。また、磁力発生面においては、隣り合う磁石２４の対向する極性が現れるため、Ｎ極とＳ極の磁極が周方向に交互に現れ、その磁力発生面における極性対（Ｎ極とＳ極の対）の数は、磁石３２の数の２分の１となる。
【００３０】
なお、入力側磁気歯車２及び出力側磁気歯車３のそれぞれにおいて、磁力発生面の複数の磁石２４，３２は、軸線に垂直な面における重心が軸線上となるよう重量計算され配置されている。すなわち、入力側磁気歯車２においては、磁石２４の重量が配置前に測定されており、磁石２４による重心が軸線上、すなわち、回転中心になるように配置される。出力側磁気歯車３においても同様である。
【００３１】
磁気経路部材４は、入力側磁気歯車２と出力側磁気歯車３の対向する磁力発生面間に同軸状に形成された樹脂製（例えば、非金属材料であるＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastics）の磁気経路部材ホルダー４１により保持されて、周方向に複数並べて配置されている。
【００３２】
磁気経路部材ホルダー４１には、軸方向に延在する穴が周方向に等間隔に複数設けられており、この穴に、互いに絶縁した薄板状の電磁鋼製部材を軸方向に積層することにより、磁気経路部材４が軸方向に延在するよう形成されている。磁気経路ホルダー４１は、第１回転軸１側の一端にボルト４２で接続された保持部４３を介して磁気歯車装置１００の基部等に固設されており、これにより、磁気経路部材４１が固設されている。
【００３３】
また、磁気経路部材ホルダー４１には、周方向に並べて固設された複数の磁気経路部材４のそれぞれの間に軸方向に延在するよう設けられ、対向する磁力発生面の少なくとも何れか一方に向けて吐出される冷媒を導く冷媒流路４５が設けられている。冷媒流路４５は、複数の磁気経路部材４のそれぞれの間に１つずつ設けられている。
【００３４】
入力側磁気歯車２と出力側磁気歯車３は、第２回転軸５側の端部において、ボールベアリング３ａを介して互いに周方向に摺動可能に保持されている。また、出力側磁気歯車３と磁気経路ホルダー４１は、第２回転軸５側の端部において、ボールベアリング２ａを介して互いに周方向に摺動可能に保持されている。すなわち、入力側磁気歯車２、出力側磁気歯車３、及び磁気経路ホルダー４１は、第２回転軸５側の端部において、ボールベアリング２ａ，３ａを介して互いに周方向に摺動可能に保持されており、各部材間の中心軸のずれが抑制されている（図２参照）。
【００３５】
磁気歯車１００における入力側磁気歯車２の磁力発生面と出力側磁気歯車３の磁力発生面は、磁気経路部材４を介して磁気的に噛み合っている。入力側磁気歯車２が磁気経路部材４に相対して回転すると、各磁気経路部材４における入力側磁気歯車２および出力側磁気歯車３との対向面がＮ極又はＳ極に交互に磁化され、磁化された磁気経路部材４と出力側磁気歯車３の磁力発生面の間にはたらく磁気的吸引力または反発力によって出力側磁気歯車３が周方向に回転駆動される。
【００３６】
磁気歯車装置１００における第１回転軸１（入力側磁気歯車２）の回転数と第２回転軸５（出力側磁気歯車３）の回転数の関係は、入力側磁気歯車２の磁力発生面における極性対数と出力側磁気歯車３の磁力発生面における極性対数の比により決まる。前述のように、入力側磁気歯車２の磁力発生面における極性対数は磁石２４の個数の２分の１であり、同様に、出力側磁気歯車３の磁力発生面における極性対数は磁石３２の個数の２分の１である。したがって、第１回転軸１の回転数と第２回転軸５の回転数の関係は、入力側磁気歯車２の磁石２４の数と出力側磁気歯車３の磁石３２の数の比で決まるということである。
【００３７】
ここで、第１回転軸１の回転数（入力回転数）をＮｉｎ、入力側磁気歯車２の磁力発生面における極性対数（磁石２４の数の２分の１）をＸｉｎ、第２回転軸５の回転数（出力回転数）をＮｏｕｔ、出力側磁気歯車３の磁力発生面における極性対数（磁石３２の数の２分の１）をＸｏｕｔとすると、入力回転数Ｎｉｎと出力回転数Ｎｏｕｔの関係は以下の式で表される。
【００３８】
Ｎｉｎ：Ｎｏｕｔ＝Ｘｏｕｔ：Ｘｉｎ  ・・・（１）
例えば、本実施の形態で示したように（図１等参照）、入力側磁気歯車２の磁力発生面の極性対数を７、出力側磁気歯車３の磁力発生面の極性対数を１７とする（つまり、磁石２４の個数を１４個、磁石３２の数を３４個とする）と、入力回転数Ｎｉｎと出力回転数Ｎｏｕｔの比は、１７：７となる。
【００３９】
また、入力側磁気歯車２と出力側磁気歯車３の間の伝達可能トルクは、磁石２４，３２の磁力（磁石２４，３２単位体積あたりの磁力が一定の場合は、それぞれの体積）が増えるに従って増加する。その際、鉄心２５，３３、磁気経路部材４は、磁気飽和を起こさない寸法である必要がある。
【００４０】
また、磁気経路部材４の員数を入力側磁気歯車２の磁力発生面の極性対数と出力側磁気歯車３の磁力発生面の極性対数の和となるように構成した場合に、第１回転軸１から第２回転軸５への伝達可能トルクは最大となる。この知見は、フーリエ解析等を用いたシミュレーション等により得られる。例えば、本実施の形態のように、入力側磁気歯車２の磁力発生面の極性対数を７、出力側磁気歯車３の磁力発生面の極性対数を１７とし、磁気経路部材４の員数を２４とした場合において、入力側磁気歯車２と出力側磁気歯車３の間の伝達可能トルクは最大となる。
【００４１】
図４〜図７は、磁気軸受装置９５の一例を概略的に示す図であり、図４はラジアル軸受部における各構成の関係を径方向から見た様子、図５は軸方向から見た様子をそれぞれ模式的に示す図である。また、図６はスラスト軸受部における各構成の関係を示す断面図である。
【００４２】
磁気軸受装置９５は、第１及び第２回転軸１，５の径方向に働く力を受け止めるラジアル軸受部９５Ａと、軸方向に働く力を受け止めるスラスト軸受部９５Ｂとから構成されている。
【００４３】
図４及び図５において、磁気軸受装置９５のラジアル軸受部９５Ａは、回転軸１，５の外周を囲むように設けられたケーシング９５ａと、ケーシング９５ａ内周の回転軸１，５を挟んで対向する位置に設けられた複数対（本実施の形態では２対）の電磁石９５ｂと、各電磁石９５ｂの近傍に設けられた複数の位置センサ９５ｃと、回転軸１，５の外周部を囲むように設けられた複数の補助軸受９５ｄとから概略構成されている。
【００４４】
本実施の形態では、電磁石９５ｂが、回転軸１，５を上下方向から挟んで対向する位置に１対と、側方から挟んで対向する位置に１対の計２対設けられている場合について説明する。この電磁石９５ｂに電流を供給することにより、電磁石９５ｂと回転軸１，５の間に磁界を発生させ、この磁界によって回転軸１，５を吸引して空中に保持する。
【００４５】
図７は、磁気軸受装置９５の動作を制御する制御部９９を示す図である。図７では、制御部９９のうち、ラジアル軸受部９５Ａの制御を行う部分の一部の機能を例示している。
【００４６】
図７に示すように、制御部９９により、位置センサ９５ｃからの検出結果（検出信号９９ｄ）と基準位置の信号（基準信号９９ａ）とに基づいて、回転軸１，５の径方向の検出位置と基準位置との偏差が無くなるように信号処理部９９ｂで演算し、各電磁石９５ｂに対応するパワーアンプ９９ｃから供給する電流を個々に制御し、発生する磁界の強さを制御することにより、回転軸１，５をケーシング９５ａや電磁石９５ｂ等の他の部材に接触しないように、空中（基準位置）に保持する。なお、図７では、回転軸１，５を上下方向から挟んで対向する位置に設けた１対の電磁石９５ｂを示して説明したが、回転軸１，５を側方から挟んで対向する位置に設けた１対の電磁石９５ｂについても、同様の制御を行うことにより、回転軸１，５をケーシング９５ａや電磁石９５ｂ等の他の部材に接触しないように、空中（基準位置）に保持する。
【００４７】
なお、回転軸１，５において、少なくとも磁気軸受装置９５のラジアル軸受部９５Ａに支持されている部分は、その回転に伴って表面の磁界が変化し、渦電流損失が生じるので、この渦電流損失を出来るだけ抑制するために、ラミネーション構造のスリーブが回転軸１，５に圧入されている。
【００４８】
補助軸受９５ｄは、例えば、電磁石９５ｃの始動前や停止後、或いは、装置の不具合が生じた場合など、ラジアル軸受部９５Ａの磁気による回転軸１，５の径方向の保持が十分にできない場合において、回転軸１，５と、電磁石９５ｂを含む他の構成部材との接触を防止する補助的なものである。補助軸受９５ｄは、ケーシング９５ａ側に固定されており、回転軸１，５の外周と磁石９５ｃとの間のエアギャップの約１／２のギャップを回転軸１，５と他の構成部材との間に保持するよう配置されている。つまり、補助軸受９５ｄは、電磁石９５ｃの磁力により回転軸１，５が正常に（基準位置に）保持されている場合は、回転軸１，５とは接触しない構成となっている。
【００４９】
図６において、磁気軸受装置９５のスラスト軸受部９５Ｂは、回転軸１，５の外周を囲むように設けられたケーシング９５ｅと、回転軸１，５の外周部にフランジ状に固設されたスラストカラー９５ｇと、ケーシング９５ａ内周のスラストカラー９５ｇを軸方向に挟んで対向する位置に、周方向に延在して設けられた１対の電磁石９５ｆと、回転軸１，５の端部に設けられた位置センサ９５ｈとから概略構成されている。
【００５０】
電磁石９５ｆは、スラストカラー９５ｇを軸方向から挟んで対向する位置に設けられている。この電磁石９５ｆに電流を供給することにより、電磁石９５ｆとスラストカラー９５ｇの間に磁界を発生させ、この磁界によってスラストカラー９５ｇ、すなわち、スラストカラー９５ｇが固設された回転軸１，５を軸方向に吸引して保持する。
【００５１】
スラスト軸受部９５Ｂの動作制御もラジアル軸受部９５Ａと同様に行う。すなわち、制御部９９により、位置センサ９５ｈからの検出結果（検出信号）と基準位置の信号（基準信号）に基づいて、回転軸１，５の軸方向の検出位置と基準位置との偏差が無くなるように信号処理部（図示せず）で演算し、各電磁石９５ｆに対応するパワーアンプ（図示せず）から供給する電流を個々に制御し、発生する磁界の強さを制御することにより、回転軸１，５の軸方向への移動を抑制し、基準位置に保持する。
【００５２】
なお、スラスト軸受部９５Ｂでは、電磁石９５ｆが回転軸１，５の径方向外側に設置されるため、スラストカラー９５ｇに作用する磁界はほぼ一定であるので、渦電流がほとんど発生しない。したがって、スラストカラー９５ｇには、油軸受と同じ高強度の合金鋼を使用することができる。
【００５３】
以上のように構成した本実施の形態の動作を説明する。
【００５４】
まず、制御部９９により、時期軸受装置９５を作動させ、回転軸１，５を空中（基準位置）に保持する。
【００５５】
この状態で、原動機としてのガスタービン９８（つまり、圧縮機９０及びタービン９２）を起動し、第１回転軸１を回転駆動することにより、磁気歯車装置１００の入力側磁気歯車２を回転駆動する。入力側磁気歯車２が回転駆動されると、この入力側磁気歯車２と磁気経路部材４を介して磁気的に噛み合う出力側磁気歯車３が、予め定めた減速比に応じた回転数で回転駆動される。出力側磁気歯車３の回転により第２回転軸５が回転駆動されると、負荷機器としての発電機９４により、その回転数に応じて発電が行われる。
【００５６】
以上のように構成した本実施の形態の効果を説明する。
【００５７】
例えばプラント設備の一種である発電設備では、一般にガスタービンや蒸気タービン等の原動機に備えられた駆動軸であるタービンロータの回転動力が負荷機器である発電機のロータに伝達され発電される。この種のものとしては、例えば、所定のギア比の機械式減速機を介してガスタービンのタービンロータを発電機ロータに接続したものがある。そして、通常、こうしたタービン発電設備では、回転体であるタービンロータや発電機ロータ等は多数のすべり軸受により支持されている。このような、すべり軸受や減速機には、摩擦低減のための潤滑油が用いられており、ロータ駆動中には潤滑油タンクに貯留された潤滑油が配管等を通して常時供給されている。しかしながら、上記のような従来技術では、潤滑油の貯留タンク、貯留タンクとすべり軸受や減速機を接続する配管、その他の補記等からなる潤滑油供給設備が必要になるため、全体の設備設置面積を広く確保せねばならず、また設備のコストも増大する。加えて、潤滑油供給設備の設置や配管の引き回しの作業があるために設備設置の工期も長期化する。また、潤滑油を用いても、すべり軸受や減速機の歯面の摩擦摺動部での摩擦損失が少なからず発生するとともに、潤滑油自体の管理や交換等も必要となる。
【００５８】
これに対し、本実施の形態においては、原動機としてのガスタービン９８に設けられた第１回転軸１と負荷機器としての発電機９４に設けられた第２回転軸５とを複数の磁気軸受装置９５により非接触支持し、第１回転軸１と前記第２回転軸５とを磁気的に接続する磁気歯車装置１００によって、ガスタービン９８（原動機）から第１回転軸に入力された回転動力を予め定めた減速比で調整して第２回転軸５に伝達し、発電機９４（負荷機器）を駆動するように構成したので、各回転軸の軸受や減速機に給油する潤滑油供給設備を省略することができる。
【００５９】
したがって、潤滑油供給設備に関わるコスト、設置スペース、据え付け工期、潤滑油供給系統のメンテナンス作業等を省略することができる。
【００６０】
また、軸受や減速機における摩擦損失の低減、潤滑油供給系統のトラブルによる稼働率の低下の抑制、騒音の抑制、或いは、部品等の磨耗による寿命低下の抑制という効果を奏する。
【００６１】
また、機械式減速機等に用いられる潤滑油の中には、引火点温度が比較的低いものもあり、特に潤滑油に対応する防火対策装置等が必要となる場合もあるが、本実施の形態においては、非接触の磁気軸受装置９５および磁気歯車装置１００を用いるので、摩擦の発生も無く潤滑油も不要となるため、潤滑油使用により必要となる防火対策装置等を省略することができる。
【００６２】
＜第１の実施の形態の変形例＞
本発明の第１の実施の形態の変形例を図面を参照しつつ説明する。
【００６３】
本変形例は、第１の実施の形態でプラント設備の一例として示したガスタービン発電設備において、発電機に換えて空気圧縮機を用いて空気圧縮設備とした場合を示すものである。本変形例の図中において、第１の実施の形態と同様の構成には同じ符号を付し、説明を省略する。
【００６４】
図９は、本変形例に係る空気圧縮設備の全体構成を示す図である。
【００６５】
図９において、ガスタービン発電設備は、原動機としてのガスタービン９８と、負荷機器としての空気圧縮機１９４と、ガスタービン９８に設けられた第１回転軸１と、発電機９４に設けられた第２回転軸５と、第１回転軸１及び第２回転軸５をそれぞれ非接触支持する複数の磁気軸受装置９５と、第１回転軸１と第２回転軸５とを磁気的に接続し、原動機としてのガスタービン９８から第１回転軸１に伝達された回転動力を予め定めた減速比で調整して第２回転軸５に伝達する磁気歯車装置１００とから概略構成されている。
【００６６】
ガスタービン９８は、取り入れた空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機９０と、圧縮機９０からの圧縮空気と燃料とを混合燃焼する燃焼器９１と、燃焼器９１からの燃焼ガスにより回転駆動するタービン９２と、タービン９２と圧縮機９０を連結し、タービン９２の回転を圧縮機９０に伝達する中間軸９３とを備えている。また、ガスタービン９８の圧縮機９０には、ガスタービン発電設備内で用いるために圧縮空気の一部を抜き出す抽気空気配管９６が備えられており、抽気空気管路９６の開度を調整する調整弁９６ａ及び調整弁９６ａを駆動する駆動モータ９６ｂが設けられている。
【００６７】
第１回転軸１は、圧縮機９０やタービン９２、中間軸９３等と一体的に回転駆動するよう構成されており、これにより、原動機としてのガスタービン９８からの回転動力が伝達される。また、第２回転軸５は、空気圧縮機１９４の回転動力の入力部と一体的に回転駆動するよう構成されており、これにより、第２回転軸５の回転動力が空気圧縮機１９４に入力される。
【００６８】
その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。
【００６９】
以上のように構成した本実施の形態の動作を説明する。
【００７０】
まず、制御部９９により、時期軸受装置９５を作動させ、回転軸１，５を空中（基準位置）に保持する。
【００７１】
この状態で、原動機としてのガスタービン９８（つまり、圧縮機９０及びタービン９２）を起動し、第１回転軸１を回転駆動することにより、磁気歯車装置１００の入力側磁気歯車２を回転駆動する。入力側磁気歯車２が回転駆動されると、この入力側磁気歯車２と磁気経路部材４を介して磁気的に噛み合う出力側磁気歯車３が、予め定めた減速比に応じた回転数で回転駆動される。出力側磁気歯車３の回転により第２回転軸５が回転駆動されると、負荷機器としての空気圧縮機１９４により、その回転数に応じて圧縮空気が生成され送出される。
【００７２】
以上のように構成した本変形例においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００７３】
＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００７４】
本実施の形態は、第１の実施の形態でプラント設備の一例として示したガスタービン発電設備において、磁気歯車装置の構成を換えた場合を示すものである。本実施の形態の図中において、第１の実施の形態と同様の構成には同じ符号を付し、説明を省略する。
【００７５】
図１５は、本実施の形態に係るガスタービン発電設備の全体構成を示す図である。
【００７６】
図１５において、ガスタービン発電設備は、原動機としてのガスタービン９８と、負荷機器としての発電機９４と、ガスタービン９８に設けられた第１回転軸１と、発電機９４に設けられた第２回転軸５と、第１回転軸１及び第２回転軸５をそれぞれ非接触支持する複数の磁気軸受装置９５と、第１回転軸１と第２回転軸５とを磁気的に接続し、原動機としてのガスタービン９８から第１回転軸１に伝達された回転動力を予め定めた減速比で調整して第２回転軸５に伝達する磁気歯車装置２００とから概略構成されている。
【００７７】
ガスタービン９８は、取り入れた空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮機９０と、圧縮機９０からの圧縮空気と燃料とを混合燃焼する燃焼器９１と、燃焼器９１からの燃焼ガスにより回転駆動するタービン９２と、タービン９２と圧縮機９０を連結し、タービン９２の回転を圧縮機９０に伝達する中間軸９３とを備えている。また、ガスタービン９８の圧縮機９０には、ガスタービン発電設備内で用いるために圧縮空気の一部を抜き出す抽気空気配管９６が備えられており、抽気空気管路９６の開度を調整する調整弁９６ａ及び調整弁９６ａを駆動する駆動モータ９６ｂが設けられている。
【００７８】
第１回転軸１は、圧縮機９０やタービン９２、中間軸９３等と一体的に回転駆動するよう構成されており、これにより、原動機としてのガスタービン９８からの回転動力が伝達される。また、第２回転軸５は、発電機９４の回転動力の入力部と一体的に回転駆動するよう構成されており、これにより、第２回転軸５の回転動力が発電機９４に入力される。
【００７９】
図１０は、第１及び第２回転軸１，５の軸心線を包含する鉛直面における磁気歯車装置２００の断面図であり、図１１及び図１２は、図１０におけるＡ−Ａ線矢視図及びＢ−Ｂ線矢視図であり、図１３は、図１０におけるＣ−Ｃ線断面図であり、図１４は、磁気歯車装置２００を第１回転軸１方向から見た図である。
【００８０】
図１０〜図１４において、磁気歯車装置２００は、一方の面を互いに対向して配置された略円盤状の入力側磁気歯車２０２及び出力側磁気歯車２０３と、入力側磁気歯車２０２と出力側磁気歯車２０３の間に配置された複数の磁気経路部材２０４と、複数の磁気経路部材２０４を固定するサポート２０８と、サポート２０８を図示しない基礎に対して固定する板部２０９とを有している。
【００８１】
入力側磁気歯車２０２の一方の面の中心部には、その面に垂直に第１回転軸１が接続されている。第１回転軸１が回転することにより入力側磁気歯車２０２は周方向に回転駆動される。また、入力側磁気歯車２０２の他方の面、つまり、出力側磁気歯車２０３と対向する面には、複数（例えば１０個）の磁石２３２（例えば永久磁石）が第１回転軸１の軸線周りに環状に設けられている（図１１参照）。
【００８２】
出力側磁気歯車２０３も入力側磁気歯車２０２と同様に構成されている。すなわち、出力側磁気歯車２０３の一方の面の中心部には、その面に垂直に第２回転軸５が接続されており、出力側磁気歯車２０３が周方向に回転することにより第２回転軸５は回転駆動される。また、出力側磁気歯車２０３の他方の面、つまり、入力側磁気歯車２０２と対向する面には、複数（例えば１４個）の磁石２２４（例えば永久磁石）が第２回転軸５の軸線周りに環状に設けられている（図１２参照）。
【００８３】
入力側磁気歯車２０２及び出力側磁気歯車２０３において、磁石２２４，２３２は、軸線から複数の磁石２２４までの距離（半径）と軸線から複数の磁石２３２までの距離（半径）が同じになるよう配置されている。また、第１回転軸１と第２回転軸５は同軸上に配置されている。したがって、入力側磁気歯車２０２及び出力側磁気歯車２０３の周方向の相対位置によらず磁石２２４と磁石２３２の対向状態は保持される。
【００８４】
入力側磁気歯車２０２の磁石２２４が設けられた面、及び出力側磁気歯車２０３の磁石２３２が設けられた面を磁力発生面と呼ぶ。
【００８５】
磁石２２４，２３２は、入力側磁気歯車２０２及び出力側磁気歯車２０３の磁力発生面に軸線周りに、かつ軸線を中心として環状に設けられた磁石固定溝に嵌め込まれて固定されている。入力側磁気歯車２０２及び出力側磁気歯車２０３において、軸線から磁石固定溝までの距離（半径）は同じになるよう構成されている。磁石２２４，２３２及び磁石固定溝は、第１回転軸１及び第２回転軸５の軸心線を包含する平面で切断した断面が、磁気経路部材２０４に向かって縮径する台形状に形成されており、この台形状の断面における下底及び斜辺に相当する面で接することにより磁石２２４，２３２は磁石固定溝に固定されている。特に、入力側磁気歯車２０２及び出力側磁気歯車２０３の磁石固定溝から見て径方向外側の部分は、径方向外側から磁石２２４，２３２を拘束する固定部を構成している。これにより、例えば入力側磁気歯車２０２及び出力側磁気歯車２０３の回転によってはたらく遠心力による磁石２２４，２３２の径方向の動きを拘束することができる。また、磁石２２４，２３２は、磁極を軸方向に向けて配置されており、軸方向から見た場合に、周方向にＮ極とＳ極が交互に並ぶように配置されている。なお、磁石２２４，２３２は、板状の磁石を軸方向、周方向、或いは径方向に積層した構成としても良い。これにより、磁石２２４，２３２に発生する渦電流を抑制することができる。
【００８６】
サポート２０８は、板状に形成され、軸線に直交するように配置されており、軸線を中心とした円形状の孔が設けられている。また、サポート２０８は、樹脂等の非金属（非磁性体）により形成されており、磁石２２４，２３２により発生する磁場による影響を受けにくい構成となっている。したがって、磁石２２４，２３２により発生する磁場によってサポート２０８にはたらく力や発生する渦電流を抑制することができる。
【００８７】
磁気経路部材２０４は、棒状の部材である。その断面形状は限定されないが、例えば長方形（正方形）や円形等の断面形状を有する。磁気経路部材２０４は一端をサポート２０８の孔の内側に接続（埋設）されており、他端を径方向に向けて配置されている。また、複数の磁気経路部材２０４は、サポート２０８の孔の内側に等間隔に配置されている。すなわち、複数の磁気経路部材２０４は、軸線周りに環状に、周方向に等間隔に配置されている。
【００８８】
軸線から各磁気経路部材２０４までの距離（半径）は、軸線から磁石２２４又は磁石２３２までの距離（半径）と同じになるように設定されており、したがって、磁気経路部材２０４は、軸方向の磁石２２４と磁石２３２の間に位置するよう配置されている。
【００８９】
また、磁気経路部材２０４は、表面を絶縁処理した珪素鋼板を周方向、或いは半径方向に積層して形成されている。これにより回転軸１，５方向の磁界の変化により発生する渦電流を抑制することができる。なお、磁石２２４，２３２からの磁界によって発生する周方向の回転トルク荷重に対する強度を重視する場合、磁気経路部材２０４は珪素鋼板を軸方向に積層して形成しても良い。
【００９０】
図１０に示したように、入力側磁気歯車２０２の磁力発生面及び磁石２２４と磁気経路部材２０４の間、および、出力側磁気歯車２０３の磁力発生面及び磁石２３２と磁気経路部材２０４の間には間隙が設けられており互いに非接触に配置されている。磁気経路部材２０４は、磁石２２４と磁石２３２の間の磁界を互いに伝達するものであり、入力側磁気歯車２０２と出力側磁気歯車２０３は、磁気経路部材２０４を介して磁気的に噛み合っている。
【００９１】
磁気歯車装置２００の入力側磁気歯車２０２の回転数と出力側磁気歯車２０３の回転数の関係は、磁石２２４，２３２の員数の比により決まる。第１回転軸１（入力側磁気歯車２０２）の回転数（入力回転数）をＮｉｎ、入力側磁気歯車２０２に設けられた磁石２２４の員数をＸｉｎ、第２回転軸５（出力側磁気歯車２０３）の回転数（出力回転数）をＮｏｕｔ、出力側磁気歯車２０３に設けられた磁石２３２の員数をＸｏｕｔとすると、入力回転数Ｎｉｎと出力回転数Ｎｏｕｔの関係は以下の式で表される。
【００９２】
Ｎｉｎ：Ｎｏｕｔ＝Ｘｏｕｔ：Ｘｉｎ  ・・・（２）
例えば、本実施の形態に示したように、磁石２２４の員数を１０（図１１参照）、磁石２３２の員数を１４（図１２参照）とすると、入力回転数Ｎｉｎと出力回転軸Ｎｏｕｔの比は、１４：１０となる。
【００９３】
入力側磁気歯車２０２と出力側磁気歯車２０３の間の伝達可能トルクは、磁石２２４，２３２の員数が増えるに従って増加する。また、入力側磁気歯車２０２と出力側磁気歯車２０３の間の伝達可能トルクは、磁石２２４，２３２それぞれの極性対数と磁気経路部材２０４の員数の関係で決まる。極性対とは、入力側及び出力側磁気歯車２０２，２０３の磁力発生面に環状に配置された磁石２２４，２３２のそれぞれにおいて、隣り合って配置されたＮ極とＳ極の組のことであり、極性対数とは、Ｎ極とＳ極の組数のことである。
【００９４】
磁石２２４，２３２の員数を一定とした場合において、磁気経路部材２０４の員数を磁石２２４の極性対数と磁石２３２の極性対数の和となるように構成した場合に、第１回転軸１から第２回転軸５への伝達可能トルクは最大となる。この知見は、フーリエ解析等を用いたシミュレーションにより得られる。例えば、磁石２２４の極性対数を５（磁石２２４の員数は１０個）、磁石２３２の極性対数を７（磁石２３２の員数は１４個）とした場合において、磁気経路部材２０４の員数を１２とすると入力側磁気歯車２０２と出力側磁気歯車２０３の間の伝達可能トルクは最大となる。
【００９５】
その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。
【００９６】
以上のように構成した本実施の形態の動作を説明する。
【００９７】
まず、制御部９９により、時期軸受装置９５を作動させ、回転軸１，５を空中（基準位置）に保持する。
【００９８】
この状態で、原動機としてのガスタービン９８（つまり、圧縮機９０及びタービン９２）を起動し、第１回転軸１を回転駆動することにより、磁気歯車装置２００の入力側磁気歯車２０２を回転駆動する。入力側磁気歯車２０２が回転駆動されると、この入力側磁気歯車２０２と磁気経路部材２０４を介して磁気的に噛み合う出力側磁気歯車２０３が、予め定めた減速比に応じた回転数で回転駆動される。出力側磁気歯車２０３の回転により第２回転軸５が回転駆動されると、負荷機器としての発電機９４により、その回転数に応じて発電が行われる。
【００９９】
以上のように構成した本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【０１００】
１  第１回転軸
２，２０２  入力側磁気歯車
３，２０３  出力側磁気歯車
４，２０４  磁気経路部材
５  出力回転軸
２４，３２，２２４，２３２  磁石
２５，３３  鉄心
４１  磁気経路部材ホルダー
４３  保持部
９０  圧縮機
９１  燃焼器
９２  タービン
９３  中間軸
９４  発電機
９５  磁気軸受
９６  抽気空気管路
１００，２００  磁気歯車装置
【図１】
2013257021.tif 000003
【図２】
2013257021.tif 000004
【図３】
2013257021.tif 000005
【図４】
2013257021.tif 000006
【図５】
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【図６】
2013257021.tif 000008
【図７】
2013257021.tif 000009
【図８】
2013257021.tif 000010
【図９】
2013257021.tif 000011
【図１０】
2013257021.tif 000012
【図１１】
2013257021.tif 000013
【図１２】
2013257021.tif 000014
【図１３】
2013257021.tif 000015
【図１４】
2013257021.tif 000016
【図１５】
2013257021.tif 000017