(57)【要約】      （修正有）【課題】磁気軸受を構成する電磁石の磁気特性を損なうことなくコンパクトに電磁石とモータを一体的に構成できると共に、主軸の高速回転が可能なモータ一体型の磁気軸受装置を提供する。【解決手段】このモータ一体型の磁気軸受装置は、転がり軸受１５，１６と磁気軸受を併用する。磁気軸受を構成する電磁石１７は、主軸１３に設けられた２枚のスラスト板１３ａ，１３ｂに非接触で対向するように、スピンドルハウジング１４に取付けられる。アキシアル方向の力を検出するセンサ１８の出力に応じて電磁石１７を制御するコントローラ１９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。主軸１３には、高炭素クロム軸受鋼が用いられる。【選択図】図１
2009047219.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、前記モータロータは、前記２つのスラスト板で挟まれる空間に形成され、前記スラスト板の片面には電磁石ターゲットが形成され、もう一方の面にはモータロータ用の永久磁石が配置され、前記永久磁石は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、モータステータは前記永久磁石に挟まれるように配置されてスピンドルハウジングに取付けられており、前記スラスト板の外径部には、鍔高さが永久磁石厚さと同じもしくはそれ以上でできた鍔が形成されており、
前記転がり軸受に作用する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し、
前記主軸に、高炭素クロム軸受鋼を用いた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】
請求項１において、前記高炭素クロム軸受鋼が、ＪＩＳ規格のＳＵＪ２材であるモータ一体型の磁気軸受装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記主軸は、焼入れおよび焼き戻しの熱処理が施され、硬度がＨＲＣ５８〜６２であるモータ一体型の磁気軸受装置。
【請求項４】
請求項３において、前記主軸の両端に雄ねじ部を有し、これら雄ねじ部が局部高温焼き戻しされた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、前記局部高温焼き戻しが、高周波誘導加熱で行われたモータ一体型の磁気軸受装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記主軸には、コンプレッサ翼車およびタービン翼車が、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７】
請求項６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、他の熱交換器んいよる冷却、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、この発明の発明者等は、上記課題を解決するものとして、図８に示すようなモータ一体型の磁気軸受装置を開発した。このモータ一体型の磁気軸受装置は、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。
【０００９】
アキシアル負荷を支持する電磁石５７は、主軸５３に垂直かつ同軸に軸方向に並べて設けられた強磁性体からなる２つのスラスト板５３ａ，５３ｂの各片面（スラスト板５３ａでは膨張タービン４７に向く片面、スラスト板５３ｂではコンプレッサ４６に向く片面）に非接触で対向するように、左右一対のものが配置され、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、モータロータ６８ａとモータステータ６８ｂとでなり、前記２つのスラスト板５３ａ，５３ｂで挟まれる空間に配置される。モータロータ６８ａは、前記各スラスト板５３ａ，５３ｂの電磁石５７が対向する側とは反対側の各片面に、円周方向に等ピッチで並ぶ永久磁石６８ａａ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６８ａａ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。モータステータ６８ｂは、前記左右一対のモータロータ６８ａに挟まれる位置で、これら両モータロータ６８ａの各面に非接触で対向するようにコイル６８ｂａ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。モータロータ６８ａの永久磁石６８ａａは、スラスト板５３ａ，５３ｂの各片面に接着剤によって固定されるが、接着剤の熱劣化や経年変化により接着初期の接着力が低下すると主軸５３の高速回転時に遠心力によりスラスト板５３ａ，５３ｂから飛散するおそれがあるので、スラスト板５３ａ，５３ｂの外径部には永久磁石６８ａａの飛散防止用として鍔５３ａａ，５３ｂａが形成されている。
また、転がり軸受５５，５６とこれら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、電磁石５７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に設定される。
【００１０】
上記構成のモータ一体型の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５５，５６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の磁気軸受装置において、主軸５３を高速回転させた場合、永久磁石６８ａａの遠心力により、スラスト板５３ａ，５３ｂの永久磁石６８ａａが配置された側の端面、およびスラスト板５３ａ，５３ｂの付け根部分、さらには永久磁石飛散防止用の鍔５３ａａ，５３ｂａの付け根部分に過大な応力が集中し、主軸５３と一体のスラスト板５３ａ，５３ｂが磁気特性の良好な低炭素鋼であると遠心破壊が生じる可能性がある。
【００１２】
この遠心破壊を避ける対策として、主軸５３の材料に、磁気特性の良好な低炭素鋼を使用すると共に、図９に示すように、スラスト板５３ａ，５３ｂにおける永久磁石６８ａａが配置される各片面や、スラスト板５３ａ，５３ｂの付けね部分、さらには鍔５３ａａ，５３ｂａおよび鍔の付け根部分に、高速回転時の過大な応力に耐えるための浸炭焼入れ処理Ａを施すことで、スラスト板５３ａ，５３ｂに要求される良好な磁気特性と高強度を両立させることが考えられる。しかし、このような構成において、浸炭焼入れした低炭素鋼の疲労限界（５００ＭＰａ程度）を超える遠心力がかかる回転数で運転する場合には、磁気特性を犠牲にしてでも強度を増す必要がある。
【００１３】
この発明の目的は、モータが高負荷状態で動作し過大なアキシアル荷重が作用した場合でも、安定した制御が可能で、コントーラの構成を簡略化でき、また磁気軸受を構成する電磁石の磁気特性を損なうことなくコンパクトに電磁石とモータを一体的に構成でき、主軸の高速回転が可能なモータ一体型の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】
【００１４】
この発明のモータ一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どちらか一方または両方を支持し、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、前記モータロータは、前記２つのスラスト板で挟まれる空間に形成され、前記スラスト板の片面には電磁石ターゲットが形成され、もう一方の面にはモータロータ用の永久磁石が配置され、前記永久磁石は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、モータステータは前記永久磁石に挟まれるように配置されてスピンドルハウジングに取付けられており、前記スラスト板の外径部には、鍔高さが永久磁石厚さと同じもしくはそれ以上でできた鍔が形成されており、
前記転がり軸受に作用する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し、
前記主軸に、高炭素クロム軸受鋼を用いたことを特徴とする。高炭素クロム軸受鋼は、例えばＪＩＳ規格のＳＵＪ２材である。
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ユニットとすると共に、前記両スラスト板で挟まれる位置にアキシアルギャップ型のモータを配置してモータユニットとしたため、磁気軸受ユニットとモータユニットをコンパクト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って、主軸を高速回転させることができる。
また、前記スラスト板の外径部に鍔高さが永久磁石厚さと同じもしくはそれ以上でできた鍔が形成されているので、モータロータ用の永久磁石をスラスト板に固定する接着剤の接着力が熱劣化および経年変化により低下しても、主軸の回転に伴う遠心力で永久磁石がスラスト板から飛散してしまうのを防止することができる。
とくに、主軸の材料に高炭素クロム軸受鋼を用いているので、低炭素鋼浸炭焼入れ材を用いた場合に比べて許容応力が大きくなる。また、例えば高炭素クロム軸受鋼の一鋼種であるＳＵＪ２材の飽和磁束密度は０．６Ｔ程度と大きく、電磁石の最大磁束密度がそれ以下であれば機能的に問題はない。その結果、高速回転時にスラスト板に集中する過大な応力に耐えて遠心破壊を回避でき、電磁石ターゲットとなるスラスト板に要求される良好な磁気特性と高強度を両立させることができる。また、スラスト板の厚さを厚くしないで良好な磁気特性が得られることから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り、主軸をより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（電磁石を含む）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、モータが高負荷動作し過大なアキシアル荷重が作用した場合でも、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て、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簡略化できる。
【００１５】
この発明において、前記主軸は、焼入れおよび焼き戻しの熱処理が施されたものであることが好ましい。この場合に、主軸全体の熱処理条件としては、例えば、焼き入れ温度８２０〜８５０℃、焼き戻し温度１８０〜２００℃の２時間保持とし、硬度は、ＨＲＣ５８〜６２とする。このように主軸に熱処理を施すことで、高強度が確保される。
【００１６】
前記主軸は、両端に雄ねじ部を有するものとしても良い。これら雄ねじ部は、主軸両端にそれぞれ取付けられるコンプレッサ翼車およびタービン翼車をナット止めする部分である。これら両端の雄ねじ部は、局部高温焼き戻しすることが好ましい。雄ねじ部を局部高温焼き戻しすることは、じん性を向上させ、ナット締め付け時のねじ山の破壊を防止する効果がある。
雄ねじ部の局部高温焼き戻しは、例えば、高周波誘導加熱で行う。その場合に、主軸のの局部高温焼き戻しを行わない部分は、冷却液中に浸漬しておく。すなわち、処理する部分のみを液外に出して、コイルを被せて高周波誘導加熱する。この方法によると、短時間で局部高温焼き戻しが可能で、他の部分の焼き戻しは発生しない。前記雄ねじ部のねじ加工は、焼き戻し後に行っても良い。
このように、コンプレッサ翼車およびタービン翼車を主軸に取付ける雄ねじ部を高周波誘導加熱で局部高温焼き戻しを行うことで、他の部分の強度を落とすことなく、じん性を増してナット締結時の破壊を防止することができる。
【００１７】
この発明において、前記主軸には、コンプレッサ翼車およびタービン翼車が、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】
この発明のモータ一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どちらか一方または両方を支持し、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、前記モータロータは、前記２つのスラスト板で挟まれる空間に形成され、前記スラスト板の片面には電磁石ターゲットが形成され、もう一方の面にはモータロータ用の永久磁石が配置され、前記永久磁石は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、モータステータは前記永久磁石に挟まれるように配置されてスピンドルハウジングに取付けられており、前記スラスト板の外径部には、鍔高さが永久磁石厚さと同じもしくはそれ以上でできた鍔が形成されており、
前記転がり軸受に作用する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し、
前記主軸に、高炭素クロム軸受鋼を用いたため、磁気軸受を構成する電磁石の磁気特性を損なうことなくコンパクトに電磁石とモータを一体的に構成できると共に、主軸の高速回転が可能となり、またモータが高負荷状態で動作し過大なアキシアル荷重が作用した場合でも、案内した制御が可能で、コント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】
【００２０】
この発明の一実施形態を図１ないし図６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。
【００２１】
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。
【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１３にかかるラジアル負荷を複数の軸受１５，１６で支持し、主軸１３にかかるアキシアル方向の負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を磁気軸受である電磁石１７により支持すると共に、主軸１３を回転駆動するアキシアルギャップモータ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方向の力を検出するセンサ１８と、このセンサ１８の出力に応じて前記電磁石１７による主軸支持力を制御する磁気軸受用コントローラ１９と、電磁石１７とは独立に前記モータ２８を制御するモータ用コントローラ２９とを有している。
【００２３】
電磁石１７は、主軸１３の軸方向中間部において軸方向に並ぶように主軸１３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１３ａ，１３ｂの各片面に非接触で対向するように、一対のものがスピンドルハウジング１４に設置されている。具体的には、磁気軸受ユニットを構成する一方の電磁石１７は、膨張タービン７寄りに位置するスラスト板１３ａの膨張タービン７側に向く片面を電磁石ターゲットとして、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１４に設置される。また、磁気軸受ユニットを構成する他方の電磁石１７は、コンプレッサ６寄りに位置するスラスト板１３ｂのコンプレッサ６側に向く片面を電磁石ターゲットして、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１４に設置される。
【００２４】
主軸１３の材料には、高炭素クロム軸受鋼が使用され、前記２つのスラスト板１３ａ，１３ｂは主軸１３と一体に形成される。高炭素クロム軸受鋼は、熱処理として８００〜８５０℃油焼入れ後、１５０〜１８０℃程度の低温焼戻し（ずぶ焼入れ焼戻し）した鋼材であり、焼入硬化能の大きさの順にＪＩＳ規格によりＳＵＪ１，ＳＵＪ２，ＳＵＪ３，ＳＵＪ４，ＳＵＪ５の鋼種などに分類されている。ここでは、前記各鋼種のうち、ＳＵＪ２材が、主軸１３の材料として使用される。ＪＩＳ規格によるＳＵＪ２材の化学成分は、Ｃ（０．９５〜１．１０％），Ｓｉ（０．１５〜０．３５％），Ｍｎ（０．５０％以下），Ｐ（０．０２５％以下），Ｓ（０．０２５％以下），Ｃｒ（１．３０〜１．６０％），Ｍｏ（０．０８％以下）である。図６には、このＳＵＪ２材の磁化特性をグラフで示す。
【００２５】
モータ２８は、前記電磁石１７と並んで主軸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とでなるモータユニットである。具体的には、モータユニットの一部品を構成するモータロータ２８ａは、主軸１３における前記各スラスト板１３ａ，１３ｂの電磁石１７が対向する側とは反対側の各片面に、円周方向に等ピッチで並ぶ永久磁石２８ａａを配置することで左右一対のものが構成される。永久磁石２８ａａは接着剤により各スラスト板１３ａ，１３ｂの各片面に接着固定される。このように軸方向に対向配置される永久磁石２８ａａ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。また、スラスト板１３ａ，１３ｂにおける永久磁石２８ａａが接着固定される各片面の外径部には、永久磁石２８ａａ厚さと同じか、またはそれ以上の高さとした永久磁石飛散防止用の鍔１３ａａ，１３ｂａが形成されている。すなわち、永久磁石２８ａａは、その表面が前記鍔１３ａａ，１３ｂａの先端から突出しないように、スラスト板１３ａ，１３ｂの各片面に埋め込み状態に接着固定されている。
このように、スラスト板１３ａ，１３ｂの外径部に鍔１３ａａ，１３ｂａを形成することで、モータロータ２８ａ用の永久磁石２８ａａをスラスト板１３ａ，１３ｂに固定する接着剤の接着力が熱劣化および経年変化により低下しても、主軸１３の回転に伴う遠心力で永久磁石２８ａａがスラスト板１３ａ，１３ｂから飛散してしまうのを防止することができる。
また、スラスト板１３ａ，１３ｂの鍔１３ａａ，１３ｂａの高さが永久磁石２８ａａの厚さより低いと、永久磁石２８ａａが鍔１３ａａ，１３ｂａに押しつけられた場合に、永久磁石２８ａａの側面に鍔１３ａａ，１３ｂａのエッジ部に生じるエッジロードが作用して永久磁石２８ａａが圧縮破壊するおそれがあるが、上記したように、鍔１３ａａ，１３ｂａの高さを、永久磁石２８ａａの厚さと同じか、またはそれ以上の高さとすることで、永久磁石２８ａａの側面に鍔１３ａａ，１３ｂａのエッジ部に生じるエッジロードが作用するのを防止でき、永久磁石２８ａａの圧縮破壊を回避できる。
【００２６】
モータユニットの他の部品であるモータステータ２８ｂは、前記左右一対のモータロータ２８ａに挟まれる軸方向中央の位置において、これら両モータロータ２８ａの各面に非接触で対向するようにコアの無い状態で配置したコイル２８ｂａを、スピンドルハウジング１４に設置して構成される。このモータ２８は、前記モータロータ２８ａとモータステータ２８ｂ間に作用するローレンツ力により、主軸１３を回転させる。このように、このアキシアルギャップ型のモータ２８はコアレスモータとされていることから、モータロータ２８ａとモータステータ２８ｂ間の磁気カップリングによる負の剛性が低減されている。
【００２７】
主軸１３を支持する軸受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。
【００２８】
主軸１３は、中間部の大径部１３ｃと、両端部の小径部１３ｄ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１３ｄに圧入状態に嵌合し、片方の幅面が大径部１３ｃと小径部１３ｄ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。この実施形態では、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。
【００２９】
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。
【００３０】
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電磁石１７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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
上記タービンユニット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、モータ部（モータ２８と電磁石１７）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、モータ部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＜モータ部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ことから、電磁石１７を制御する磁気軸受用コントローラ１９において、予め位相補償回路を負荷する必要が生じ、コントローラ１９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＞モータ部による合成バネの負の剛性値…（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２８をコアレスモータとしているので、モータ２８に作用する負の剛性値を低減することができ、モータ２８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１８０°遅れとなることを防止できるので、モータ２８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１９の制御対象を安定なものとでき、コントローラ１９の回路構成を図５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２の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の制御信号を演算するようにしている。ＰＩ補償回路（もしくはＰ補償回路）３３の出力は、ダイオード３４，３５を介して各方向の電磁石１７1 ，１７2 を駆動するパワー回路３６，３７に入力される。電磁石１７1 ，１７2 は、図１に示したスラスト板１３ａ，１３ｂに対向する一対の電磁石１７であり、吸引力しか作用しないため、予めダイオード３４，３５で電流の向きを決め、２個の電磁石１７1 ，１７2 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５のモータ用コントローラ２９では、回転同期指令信号を基に、モータロータ２８ａの回転角をフィードバック信号として位相調整回路３８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３９からモータステータ２８ｂ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２８ａ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，１３ｂおよびモータロータ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。
【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。
【００３９】
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、上記スラスト力を電磁石１７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の出力に応じて電磁石１７による支持力を制御する磁気軸受用コントローラ１９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。
また、主軸１３に設けられた２つのスラスト板１３ａ，１３ｂの軸方向外側に２つの電磁石１７を配置して磁気軸受ユニットを構成すると共に、前記両スラスト板１３ａ，１３ｂで挟まれる位置にアキシアルギャップ型のモータ２８を配置してモータユニットを構成することにより、磁気軸受ユニットとモータユニットをコンパクト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。
【００４０】
とくに、このモータ一体型の磁気軸受装置では、主軸１３の材料に高炭素クロム軸受鋼（ここではＳＵＪ２）を用いているので、低炭素鋼浸炭焼入れ材を用いた場合に比べて許容応力が大きくなる。すなわち、浸炭焼入れした低炭素鋼の疲労限界は５００ＭＰａ程度であるのに対して、ここで主軸１３の材料として用いるＳＵＪ２材（熱処理品）の疲労限界は９００ＭＰａと大きい。また、ＳＵＪ２材の飽和磁束密度は、図６に示すように０．６Ｔ程度と大きく、電磁石１７の最大磁束密度がそれ以下であれば機能的に問題はない。その結果、高速回転時にスラスト板１３ａ，１３ｂに集中する過大な応力に耐えて遠心破壊を回避でき、電磁石ターゲットとなるスラスト板１３ａ，１３ｂに要求される良好な磁気特性と高強度を両立させることができる。また、スラスト板１３ａ，１３ｂの厚さを厚くしないで良好な磁気特性が得られることから主軸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り、主軸１３をより高速回転させることができる。
【００４１】
主軸１３の全体の熱処理方法としては、例えば、焼き入れ温度８２０〜８５０℃、焼き戻し温度１８０〜２００℃の２時間保持とし、硬度は、ＨＲＣ５８〜６２とする。このように主軸１３に熱処理を施すことで、高強度が確保される。
主軸１３の両端は、図２に示すように雄ねじ部１３ｅを形成する。これら雄ねじ部１３ｅは、主軸１３の両端の外周にそれぞれ嵌合したコンプレッサ翼車６ａおよびタービン翼車７ａを、ナット１３ｆのねじ込みより止め付ける部分である。これら両端の雄ねじ部１３ｅは、局部高温焼き戻しすることが好ましい。
局部高温焼き戻しの焼き戻し温度は、一般的な焼き戻し温度（  150  〜  200  ℃）よりも高い温度であり、例えば  200  〜  250  ℃とする。
雄ねじ部１３ｅを局部高温焼き戻しすることは、じん性を向上させ、ナット１３ｆの締め付け時のねじ山の破壊を防止する効果がある。
【００４２】
雄ねじ部１３ｅの局部高温焼き戻しの一例としては、例えば、図３のように主軸１３を冷却液Ｒ中に浸し、処理する部分のみを冷却液Ｒの外部に出して、コイル６０を被せ、高周波電流で誘導加熱する方法がある。この方法によると、短時間で局部高温焼き戻しが可能で、他の部分の焼き戻しは発生しない。雄ねじ部１３ｅのねじ加工は、焼き戻し後に行っても良い。
このように、コンプレッサ翼車６ａおよびタービン翼車７ａを主軸１３に取付ける雄ねじ部１３ｅを、高周波誘導加熱で局部高温焼き戻しを行うことで、他の部分の強度を落とすことなく、じん性を増してナット１３ｆの締結時の破壊を防止することができる。
【００４３】
図７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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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】
【００４８】
【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ユニットの断面図である。
【図２】同磁気軸受装置の主軸にモータロータ、タービン翼車、およびコンプレッサ翼車を取付けた状態を示す破断正面図である。
【図３】同主軸の誘導加熱による局部高温焼き戻しの方法を示す説明図である。
【図４】同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ブロック図である。
【図５】同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６】ＳＵＪ２材の磁化特性を示すグラフである。
【図７】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８】提案例の断面図である。
【図９】同提案例におけるスラスト板の一部を破断して示す拡大図である。
【符号の説明】
【００４９】
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，１３ｂ…スラスト板
１３ａａ，１３ｂａ…鍔
１４…スピンドルハウジング
１５，１６…転がり軸受
１７…電磁石
１８…センサ
１９…磁気軸受用コントローラ
２８…モータ
２８ａ…モータロータ
２８ａａ…永久磁石
２８ｂ…モータステータ
【図１】
2009047219.tif 000003
【図２】
2009047219.tif 000004
【図３】
2009047219.tif 000005
【図４】
2009047219.tif 000006
【図５】
2009047219.tif 000007
【図６】
2009047219.tif 000008
【図７】
2009047219.tif 000009
【図８】
2009047219.tif 000010
【図９】
2009047219.tif 000011