(57)【要約】【課題】磁気軸受における磁場の不均一化を抑制しながら回転体の回転バランスの調整が可能な回転機械を提供する。【解決手段】回転機械は、回転軸と、前記回転軸に設けられたスラストカラーに対して磁力を作用させて前記回転軸のスラスト荷重を受けるように構成されたスラスト磁気軸受と、前記スラストカラーに取り付けられた少なくとも一つのバランスウェイトと、を備え、前記バランスウェイトは、非磁性体材料により構成される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と、
前記回転軸に設けられたスラストカラーに対して磁力を作用させて前記回転軸のスラスト荷重を受けるように構成されたスラスト磁気軸受と、
前記スラストカラーに取り付けられた少なくとも一つのバランスウェイトと、を備え、
前記バランスウェイトは、非磁性体材料により構成されることを特徴とする回転機械。
【請求項２】
前記少なくとも一つのバランスウェイトは、前記スラストカラーに形成された凹部に収容されていることを特徴とする請求項１に記載の回転機械。
【請求項３】
前記凹部は、前記スラストカラーの外周面に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の回転機械。
【請求項４】
前記スラストカラーの外周面には、前記スラストカラーの周方向における異なる位置において、前記凹部としてのバランスホールが複数形成されており、
各々の前記バランスウェイトは、前記バランスホールの何れかに収容さていることを特徴とする請求項３に記載の回転機械。
【請求項５】
前記バランスホールは、雌ねじが形成されたねじ穴であり、
前記バランスウェイトに、前記雌ねじに螺合する雄ねじが形成されていることを特徴とする前記請求項４に記載の回転機械。
【請求項６】
前記スラストカラーの外周面には、前記凹部としてのスロットが周方向に連続して形成されており、
前記少なくとも一つのバランスウェイトが、前記スロットに収容されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の回転機械。
【請求項７】
前記凹部は、前記スラストカラーの軸方向端面に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の回転機械。
【請求項８】
前記回転機械は、圧縮機および該圧縮機を駆動するためのモータが同一ケーシング内に収容されたモータ一体型圧縮機であることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の回転機械。
【請求項９】
前記スラスト磁気軸受は、前記圧縮機と前記モータとの間に設けられたことを特徴とする請求項８に記載の回転機械。
【請求項１０】
回転軸と、
前記回転軸に設けられたスラストカラーに対して磁力を作用させて前記回転軸のスラスト荷重を受けるように構成されたスラスト磁気軸受と、を有する回転機械のバランス調整方法であって、
非磁性体材料に構成される少なくとも一つのバランスウェイトを前記スラストカラーに取り付けるステップを備えることを特徴とする回転機械のバランス調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は回転機械及び回転機械のバランス調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転機械において、回転体の回転バランスを調整するためにバランスウェイトを用いることがある。
例えば、特許文献１には、主軸の両端部近傍に取り付けられたスラストディスクを含み、これらのスラストディスクに対して逆方向の電磁力を作用させることでスラスト荷重を受けるように構成されたスラスト磁気軸受を備えた磁気軸受回転電機が開示されている。この磁気軸受回転電機では、主軸の回転バランスを調整するために、スラストディスクの周縁部において円周方向に所定間隔をおいて設けられた雌ねじに、バランスウェイトとしての止めねじを着脱するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２６１９２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
スラスト磁気軸受においては、回転軸を支持するために、電磁石が形成する磁場によって回転軸に設けられるスラストカラー（スラストディスク）に磁気的な吸引力を作用させる。ところが、スラストカラーにバランスウェイトを取り付ける場合、バランスウェイトを構成する材料によっては、電磁石により形成される磁場がバランスウェイトの影響を受けて不均一となり、スラスト磁気軸受による回転軸の支持が不安定となる可能性がある。
【０００５】
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、磁気軸受における磁場の不均一化を抑制しながら回転体の回転バランスの調整が可能な回転機械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）本発明の少なくとも一実施形態に係る回転機械は、
回転軸と、
前記回転軸に設けられたスラストカラーに対して磁力を作用させて前記回転軸のスラスト荷重を受けるように構成されたスラスト磁気軸受と、
前記スラストカラーに取り付けられた少なくとも一つのバランスウェイトと、を備え、
前記バランスウェイトは、非磁性体材料により構成される。
【０００７】
上記（１）の構成によれば、バランスウェイトを非磁性体材料により構成したので、スラストカラーに対して作用させる磁力を発生させる磁場は、スラストカラーにバランスウェイトが取り付けられているか否かによってほとんど変化しない。よって、磁気軸受における磁場の不均一化を抑制しながら回転体の回転バランスを調整することができる。
【０００８】
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記少なくとも一つのバランスウェイトは、前記スラストカラーに形成された凹部に収容されている。
上記（２）の構成によれば、スラストカラーに凹部を形成して、該凹部にバランスウェイトを収容するので、スラストカラーの回転時に周辺の部材（例えば、磁場を形成するための電磁石やケーシング等）と干渉することがない。
【０００９】
（３）幾つかの実施形態では、上記（２）の構成において、前記凹部は、前記スラストカラーの外周面に形成されている。
通常、スラストカラーに磁力を作用させる際には、スラストカラーの内周側において比較的強い磁場が形成され、スラストカラーの外周側においては比較的弱い磁場が形成される。上記（３）の構成によれば、バランスウェイトを取り付ける凹部をスラストカラーの外周面に形成したので、磁気軸受において形成される磁場に対する凹部の影響を低減することができる。
また、通常、軸方向においてスラストカラーの両側には、磁場を形成するための電磁石が配置されるため、軸方向からスラストカラーにアクセスすることが困難な場合がある。この点上記（３）の構成によれば、バランスウェイトを取り付ける凹部をスラストカラーの外周面に形成したので、凹部へのアクセスが比較的容易である。このため、例えば、バランスウェイトの凹部への取り付け及び取り外しが容易となる。
また、上記（３）の構成では、バランスウェイトを取り付ける凹部をスラストカラーの外周面に形成したので、バランスウェイトはスラストカラーの最外周側に取り付けられる。この場合、バランスウェイトをより内周側に配置する場合に比べて回転体に作用する遠心力が大きくなるため、効果的にバランス調整を行うことができる。
【００１０】
（４）幾つかの実施形態では、上記（３）の構成において、
前記スラストカラーの外周面には、前記スラストカラーの周方向における異なる位置において、前記凹部としてのバランスホールが複数形成されており、
各々の前記バランスウェイトは、前記バランスホールの何れかに収容さている。
上記（４）の構成によれば、異なる周方向位置においてバランスホールを複数形成したので、複数のバランスホールのうち、バランスウェイトの取り付け位置を複数のバランスホールから適切に選択することが可能であるとともに、スラストカラーに対して複数のバランスウェイトを取り付けることが可能である。よって、バランスウェイトの取り付け個数又は取り付け位置を適切に選択することで、回転バランスの調整を適切に行うことができる。
【００１１】
（５）幾つかの実施形態では、上記（４）の構成において、
前記バランスホールは、雌ねじが形成されたねじ穴であり、
前記バランスウェイトに、前記雌ねじに螺合する雄ねじが形成されている。
上記（５）の構成によれば、バランスホール及びバランスウェイトを雌ねじと雄ねじで形成したので、ねじを締め込むことで回転軸の回転時におけるバランスウェイトの周方向への飛び出しを抑制することができる。
また、上記（５）の構成によれば、バランスホール及びバランスウェイトを雌ねじと雄ねじで形成したので、ねじを取り付ける深さによって、回転体の回転バランスを精度よく調整することができる。
【００１２】
（６）幾つかの実施形態では、上記（２）又は（３）の構成において、
前記スラストカラーの外周面には、前記凹部としてのスロットが周方向に連続して形成されており、
前記少なくとも一つのバランスウェイトが、前記スロットに収容されている。
上記（６）の構成によれば、凹部として周方向に連続したスロットを形成するので、周方向に間隔を空けて複数の穴（バランスホール）を凹部として設ける場合に比べて、凹部の存在による磁場への影響を緩和することができる。例えば、周方向に間隔を空けて複数のバランスホールを凹部として設ける場合、各バランスウェイトによる回転バランスの調整能力を向上させる観点から各バランスウェイトの質量（体積）を増加させようとすると、各バランスホールの容積が大きくなり、バランスホールが周方向における磁場の分布に影響を与える可能性がある。これに対し、上記（６）の構成では、各バランスウェイトの質量（体積）を増加させても、凹部としてのスロットは周方向に連続しているため、スロット（凹部）が周方向における磁場の分布に影響は小さい。
また、上記（６）の構成では、周方向に連続して形成されるスロット内で、周方向において任意の位置にバランスウェイトを配置できるので、回転バランスの柔軟な調整が可能である。
【００１３】
（７）幾つかの実施形態では、上記（２）の構成において、前記凹部は、前記スラストカラーの軸方向端面に形成されている。
【００１４】
（８）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（７）の何れかの構成において、
前記回転機械は、圧縮機および該圧縮機を駆動するためのモータが同一ケーシング内に収容されたモータ一体型圧縮機である。
モータと圧縮機がそれぞれ個別のケーシングに収容されるタイプの圧縮機では、モータの回転軸と圧縮機の回転軸とはカップリングを介して接続されることがあり、この場合、回転バランスを調整するためのバランスウェイトは、カップリングのフランジ部等に設けることができる。しかしながら、同一ケーシング内に収容されるモータ一体型の圧縮機では、カップリングを介さずに回転軸同士が結合される場合がある。
上記（８）の構成では、回転軸の接続部においてフランジ部が設けられないモータ一体型圧縮機であっても、スラストカラーを有効利用して回転バランスの調整を行うことができる。
【００１５】
（９）幾つかの実施形態では、上記（８）の構成において、
前記スラスト磁気軸受は、前記圧縮機と前記モータとの間に設けられる。
上記（９）の構成によれば、スラスト磁気軸受を圧縮機とモータとの間に設けたので、圧縮機とモータとの間に配置されるスラストカラーにおいて回転バランスの調整を行うことができる。このため、回転軸の片側の端部近傍においてバランスウェイトを配置する場合に比べて、回転体の軸方向に沿った重量バランスが良好となり、回転体の回転バランスの調整がしやすくなる。
【００１６】
（１０）本発明の少なくとも一実施形態に係る回転機械のバランス調整方法は、
回転軸と、
前記回転軸に設けられたスラストカラーに対して磁力を作用させて前記回転軸のスラスト荷重を受けるように構成されたスラスト磁気軸受と、を有する回転機械のバランス調整方法であって、
非磁性体材料に構成される少なくとも一つのバランスウェイトを前記スラストカラーに取り付けるステップを備える。
【００１７】
上記（１０）の方法によれば、バランスウェイトを非磁性体材料により構成したので、スラストカラーに対して作用させる磁力を発生させる磁場は、スラストカラーにバランスウェイトが取り付けられているか否かによってほとんど変化しない。よって、磁気軸受における磁場の不均一化を抑制しながら回転体の回転バランスを調整することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、磁気軸受における磁場の不均一化を抑制しながら回転体の回転バランスの調整が可能な回転機械が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】一実施形態に係る回転機械（モータ一体型圧縮機）の全体構造を示す模式図である。
【図２】一実施形態に係るスラストカラーの構成を示す図である。
【図３】図２に示すスラストカラーのバランスウェイト装着部における断面図である。
【図４】一実施形態に係るスラストカラーの構成を示す図である。
【図５】図４に示すスラストカラーのバランスウェイト装着部における断面図である。
【図６】一実施形態に係るスラストカラーの構成を示す図である。
【図７】図６に示すスラストカラーのバランスウェイト装着部における断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２１】
以下の実施形態では、回転機械の一例としてモータ一体型圧縮機について説明する。ただし、本発明は、モータ一体型圧縮機だけでなく、モータとは別筐体の圧縮機、モータを含む任意の回転機械に適用可能である。
【００２２】
まず、図１を参照して一実施形態に係る回転機械について説明する。図１は、一実施形態に係る回転機械であるモータ一体型圧縮機１の全体構造を示す模式図である。同図に示すように、モータ一体型圧縮機１は、圧縮機２と、圧縮機２を駆動するためのモータ４とを含み、圧縮機２及びモータ４は、同一のケーシング６内に収容されている。ケーシング６は、モータ４の外周においてモータ４を囲うモータケーシング部６Ａと、圧縮機２の外周において圧縮機２を囲う圧縮機ケーシング部６Ｂと、軸方向の両端部の部分６Ｃ及び６Ｄと、により構成される。また、モータ一体型圧縮機１は、回転軸３と、スラスト磁気軸受８と、を備える。
【００２３】
モータ一体型圧縮機１の回転軸３は、モータ回転軸３０と、該出力軸に接続された圧縮機回転軸３２を含む。モータ４で生成される回転力は、回転軸３を介して圧縮機２に伝達されるようになっている。
【００２４】
一実施形態において、モータ４は、モータ回転軸３０に取り付けられた回転子導体３４と、回転子導体３４の外周側においてケーシング６の内周面に固定された固定子３６とを有する誘導モータである。固定子３６を構成するコイルに電流を流すと回転磁界が形成されて、回転子導体３４に誘導電流が流れることにより、モータ回転軸３０が誘導回転されるようになっている。
【００２５】
モータ４により回転駆動される圧縮機２において、入口３８から吸い込まれた流体は、圧縮機回転軸３２に設けられるインペラ４０を通過する際に遠心力によって圧縮（昇圧）された後、出口４２を経由して圧縮機２の外部に送られる。
【００２６】
回転軸３の軸方向においてモータ４の両側には、回転軸３を支持するためのラジアル磁気軸受４４（４４Ａ〜４４Ｃ）が設けられている。ラジアル磁気軸受（４４Ａ〜４４Ｃ）は、電磁石に通電させて生じる電磁力によって回転軸３に対して径方向に沿った吸引力を作用させることで、回転軸３を浮上させて回転軸３のラジアル荷重を負担する。
【００２７】
図１に示すモータ一体型圧縮機１において、スラスト磁気軸受８は、圧縮機２とモータ４との間に設けられている。
スラスト磁気軸受８は、回転軸３に設けられたスラストカラー１０の側方に設けられる少なくとも一つの電磁石５０（図１に示す例ではスラストカラー１０の両側に設けられる２つの電磁石（５０ａ，５０ｂ））を含む。この電磁石（５０ａ，５０ｂ）のコイルに通電すると、電磁石が励磁されて電磁力が生じ、磁性体であるスラストカラー１０に吸引力を作用させて、電磁石とスラストカラー１０との間にギャップが形成されるようにスラストカラー１０を浮上させる。このように、スラスト磁気軸受８は、回転軸３に設けられたスラストカラー１０に対して磁力を作用させて回転軸３のスラスト荷重を受けるように構成される。
【００２８】
ケーシング６のうち、回転軸３の軸方向においてスラスト磁気軸受８に対応する部分には、回転軸３の径方向に沿ってケーシング６を貫通して設けられるアクセスポート５６が形成されている。
したがって、ケーシング６に設けられたアクセスポート５６を介してスラストカラー１０の外周側にアクセスすることができ、以下に説明するバランスウェイトを、スラストカラー１０に設けられた凹部に容易に装着することができる。
【００２９】
次に、図１及び図２〜図７を参照して、幾つかの実施形態に係るスラストカラー１０について説明する。図２、図４及び図６は、それぞれ、一実施形態に係るスラストカラーの構成を示す図である。図３、図５及び図７は、それぞれ、図２、図４及び図６に示すスラストカラーのバランスウェイト装着部における断面図であり、図３は回転軸直交方向に沿った断面図であり、図５は回転軸半径方向に沿った断面図であり、図７は、回転軸軸方向に沿った断面図である。
【００３０】
図１〜図７に示すように、幾つかの実施形態では、モータ一体型圧縮機１のスラストカラー１０には凹部１４が形成されており、凹部１４には少なくとも一つのバランスウェイト１２が収容される。バランスウェイト１２は、非磁性体材料により構成される。
バランスウェイトを非磁性体材料により構成することで、スラストカラー１０に対して作用させる磁力を発生させる磁場は、スラストカラー１０にバランスウェイト１２が取り付けられているか否かによってほとんど変化しない。よって、スラスト磁気軸受８における磁場の不均一化を抑制しながら回転体の回転バランスを調整することができる。
また、スラストカラー１０に凹部１４を形成して、凹部１４にバランスウェイト１２を収容することで、スラストカラー１０の回転時に周辺の部材と干渉することがない。
【００３１】
バランスウェイト１２を構成する非磁性体材料の例として、樹脂、又は、非磁性ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０５、３０５Ｍ、ＳＵＳ３１６又はＳＵＳ３１０Ｓ等）やアルミニウム等の非磁性金属が挙げられる。
【００３２】
図２〜図３及び図４〜図５に示す実施形態では、凹部１４は、スラストカラー１０の外周面２０に形成されている。このように、バランスウェイト１２を取り付ける凹部１４をスラストカラー１０の外周面２０に形成したので、スラスト磁気軸受８において形成される磁場に対する凹部１４の影響を低減することができる。
【００３３】
また、図６〜図７に示す実施形態のように、凹部１４は、スラストカラー１０の軸方向端面２２に形成されてもよい。
【００３４】
図２〜図３に示す実施形態では、スラストカラー１０の外周面２０には、スラストカラー１０の周方向における異なる位置において、凹部１４としてのバランスホール１６が複数形成されており、バランスウェイト１２は、バランスホール１６の何れかに収容さている。
一方、図６〜図７に示す実施形態では、スラストカラー１０の軸方向端面２２には、スラストカラー１０の周方向における異なる位置において、凹部１４としてのバランスホール１６が複数形成されており、バランスウェイト１２は、バランスホール１６の何れかに収容さている。バランスホール１６は、スラストカラー１０の軸方向端面２２において周縁部に設けられてもよい。バランスホール１６をスラストカラー１０の周縁部に配置することで、スラスト磁気軸受８において形成される磁場に対するバランスホール１６（凹部１４）の影響を低減することができる。
【００３５】
図２〜図３及び図６〜図７に示す実施形態では、スラストカラー１０の外周面２０又は軸方向端面２２に形成されたバランスホール１６は、雌ねじが形成されたねじ穴である。また、バランスホール１６に収容されるバランスウェイト１２には、バランスホール１６に形成された雌ねじに螺合する雄ねじが形成されている。
このように、バランスホール１６及びバランスウェイト１２を雌ねじと雄ねじで形成することで、ねじを締め込むことで回転軸３の回転時におけるバランスウェイト１２の周方向への飛び出しを抑制することができる。また、バランスホール１６及びバランスウェイト１２を雌ねじと雄ねじで形成することで、ねじを取り付ける深さによって、回転軸３を含む回転体の回転バランスを精度よく調整することができる。
【００３６】
図４〜図５に示す実施形態では、スラストカラー１０の外周面には、凹部１４としてスロット１８が周方向に連続して形成されており、少なくとも一つのバランスウェイト１２がスロット１８に収容されている。
凹部１４として周方向に連続したスロット１８を形成することで、周方向に間隔を空けて複数の穴（バランスホール）を凹部１４として設ける場合に比べて、凹部１４の存在による磁場への影響を緩和することができる。
【００３７】
図４〜５に示すスラストカラー１０の外周面２０には、スロット１８に収容されるバランスウェイト１２を固定するための孔２４が形成されている。また、バランスウェイト１２にも固定用の孔２６が形成されており、該孔２６と、スラストカラー１０に形成された孔２４とを通してボルト２８等によってバランスウェイト１２をスロット１８の内部に固定することができる。
【００３８】
また、スロット１８は、スラストカラー１０の周方向において、孔２４が形成された位置に対応する部分である小幅部１７と、小幅部１７と小幅部１７の間の部分であり、小幅部１７よりも広い幅を有する大幅部１９とを含む。
図４〜５に示すバランスウェイト１２の取付け時には、比較的広い幅の大幅部１９を通してバランスウェイト１２をスロット１８に挿入し、スロット１８内を周方向に小幅部１７まで移動させる。そして、孔２４と孔２６において、ボルト２８等で締結してバランスウェイト１２をスロット１８に固定する。
図４〜図５に示すバランスウェイト１２はブロック状の形状を有しているが、バランスウェイト１２の形状はスロット１８に収容することができるものである限り問われない。よって、必要に応じて適切な質量（体積）を有するバランスウェイト１２を選択してスロット１８に装着することができる。
【００３９】
以上に説明した回転機械（モータ一体型圧縮機１）の一実施形態に係るバランス調整方法は、非磁性体材料に構成される少なくとも一つのバランスウェイト１２をスラストカラー１０に取り付けるステップを備える。
【００４０】
一実施形態に係るバランス調整方法では、まず、回転軸３を含む回転体の重量バランスを考慮して、スラストカラー１０に設けられた凹部１４におけるバランスウェイト１２の取付け位置及び取り付けるバランスウェイト１２の重量（体積）や個数を決定する。
次いで、回転軸３を回転させて、スラストカラー１０においてバランスウェイト１２を装着する位置をアクセスポート５６の位置に合わせる。
そして、アクセスポート５６からバランスウェイト１２をスラストカラー１０に設けられた凹部に挿入し、ねじ止め又はボルトを締めて固定する。
【００４１】
以上に説明したモータ一体型圧縮機１は、地下や海底に存在するガス田や油田で採掘された資源に含まれる採掘ガスを圧縮して、例えば外部の処理設備や貯蔵設備等に圧送するために用いる圧縮機であってもよい。
また、モータ一体型圧縮機１は、海底又は湖底などの水中に設置して用いられるように構成されていてもよい。
【００４２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
【００４３】
本明細書において、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
また、本明細書において、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
また、本明細書において、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【符号の説明】
【００４４】
１        モータ一体型圧縮機
２        圧縮機
３        回転軸
４        モータ
６        ケーシング
８        スラスト磁気軸受
１０      スラストカラー
１２      バランスウェイト
１４      凹部
１６      バランスホール
１７      小幅部
１８      スロット
１９      大幅部
２０      外周面
２２      軸方向端面
２４      孔
２６      孔
２８      ボルト
３０      モータ回転軸
３２      圧縮機回転軸
３４      回転子導体
３６      固定子
３８      入口
４０      インペラ
４２      出口
４４      ラジアル磁気軸受
５０      電磁石
５６      アクセスポート
【図１】
2016169809.tif 000003
【図２】
2016169809.tif 000004
【図３】
2016169809.tif 000005
【図４】
2016169809.tif 000006
【図５】
2016169809.tif 000007
【図６】
2016169809.tif 000008
【図７】
2016169809.tif 000009