CN101326377B - 磁轴承装置 - Google Patents

Abstract

本发明的课题在于提供一种磁轴承装置，其可进行稳定的控制，控制器的结构也可简化，且可并用滚动轴承和磁轴承。并用滚动轴承和磁轴承，滚动轴承承受径向负荷，磁轴承承受轴向负荷和轴承预压中的任意一者或两者，电磁铁(17)以下述方式安装于主轴外壳(14)上，该方式为与和主轴(13)垂直而同轴地设置的由强磁性体形成的凸缘状的推力板(13a)非接触地面对，具有对应于检测作用于轴向的力的传感器(18)的输出，控制电磁铁(17)的控制器(19)，具有由滚动轴承和滚动轴承的支承***形成的合成弹簧的刚性值大于电磁铁的负的刚性值的关系。

Description

磁轴承装置

技术领域

本发明涉及一种磁轴承装置，其并用滚动轴承和磁轴承，通过磁轴承，承受轴向负荷和轴承预压中的任意一者或两者，本发明涉及比如，空气循环冷冻冷却***中的涡轮机组件等所采用的磁轴承装置。

背景技术

在空气循环冷冻冷却***中，由于制冷剂采用空气，故与采用氟碳致冷剂、氨气等的场合相比较，能量效率不足，但是，在环境保护的方面是好的。另外，像冷冻库等那样，在可直接吹入制冷空气的设施中，具有因库内风扇、除霜器的省略等，降低总成本的可能性，在这样的用途中，提出有空气循环冷冻冷却***(比如，专利文献1)。

另外，人们知道，在-30℃～-60℃的深冷区域，空气冷却的理论效率大于等于氟碳致冷剂、氨气。但是，人们还提到，获得上述空气冷却的理论效率的包括有最佳设计的周边装置，其开始成立。周边装置为压缩机、膨胀涡轮机等。

作为压缩机、膨胀涡轮机，采用压缩机叶片和膨胀涡轮机叶片安装于共同的主轴上的涡轮机组件(专利文献1)。

此外，作为处理工艺气体的涡轮机组件，人们提出有磁轴承式涡轮机组件，其中，在主轴的一端安装涡轮机叶片，在其另一端安装压缩机叶片，借助通过电磁铁的电流控制的轴颈和推力轴承而支承上述主轴的磁轴承式涡轮机组件(专利文献2)。

还有，虽然人们提出有气体涡轮发动机，但是，为了避免作用于主轴支承用的滚动轴承上的推力荷载导致轴承寿命的缩短，人们提出通过推力磁轴承，减小作用于滚动轴承上的推力荷载(专利文献3)。

专利文献1：日本特许第2623202号文献

专利文献2：日本特开平7-91760号文献

专利文献3：日本特开平8-261237号文献

像上述那样，作为空气循环冷冻冷却***，为了获得在深冷区域高效率的空气冷却的理论效率，必须要求最佳设计的压缩机、膨胀涡轮机。

作为压缩机、膨胀涡轮机，像上述那样，采用压缩机叶片和膨胀涡轮机叶片安装于共同的主轴上的涡轮机组件。在该涡轮机组件中，借助膨胀涡轮机所产生的动力，可驱动压缩机叶片，由此，使空气循环冷冻机的效率提高。

但是，为了获得实用的效率，必须微小地保持各叶片和外壳的间隙。该间隙的变化构成稳定的高速旋转的妨碍，导致效率的降低。

另外，通过作用于压缩机叶片、膨胀涡轮机叶片上的空气，在主轴上作用推力，在支承主轴的轴承上施加推力荷载。空气循环冷冻冷却***中的涡轮机组件的主轴的旋转速度为每1分钟8～10万转，与普通用途的轴承相比较，是非常高的速度。由此，上述这样的推力荷载使支承主轴的轴承的耐久性降低，寿命降低，使空气循环冷冻冷却用涡轮机组件的可靠性降低。不解决这样的轴承的长期耐久性的课题，空气循环冷冻冷却用涡轮机组件难以实用化。但是，上述专利文献1中公开的技术并不是针对轴承相对高速旋转下的推力荷载的负荷的轴承的长期耐久性的降低而解决的。

像专利文献2的磁轴承式涡轮机压缩机那样，通过由磁轴承形成的轴颈轴承和推力轴承支承主轴，轴颈轴承没有轴向的限制功能。由此，如果具有推力轴承的控制的不稳定原因等，则难以保持上述叶片和除霜器之间的微小间隙而进行稳定的高速旋转。在磁轴承的场合，还具有电源停止时的接触的问题。

如果主轴的支承并用滚动轴承和磁轴承，滚动轴承承受径向负荷，磁轴承承受轴向负荷与轴承预压中的任意一者或两者，则进行主轴的轴向的限制，另外，也不产生磁轴承的场合的电源停止时的接触的问题。在该方案的场合，按照与和主轴垂直而同轴设置的由强磁性体形成的凸缘状的推力板不接触而面对的方式，设置磁轴承的电磁铁，对应于检测轴向的力的传感器的输出，通过控制器控制电磁铁。

如果通过滚动轴承，支承叶片的主轴，则通过滚动轴承所具有的轴向位置的限制功能，限制主轴位置，可将各叶片和外壳的微小间隙保持一定。在具有这样的轴向位置的限制功能的滚动轴承的场合，高速旋转的轴承的上述推力的长期耐久性的降低成为问题，但是，由于通过电磁铁支承推力，故可确保滚动轴承的长期耐久性。

但是，在并用这样的滚动轴承和磁轴承的磁轴承装置中，在作用有过大的轴向负荷的场合，电磁铁的负的刚性(沿发生位移的方向作用，位移越大，其力也越大)增加，上述电磁铁的负的刚性大于通过滚动轴承和滚动轴承的支承***形成的合成弹簧的刚性，此时，磁轴承的控制***不稳定。为了避免该状态，具有必须预先在控制器中附加相位补偿电路，构成控制器复杂的原因之一的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种并用滚动轴承和磁轴承的磁轴承装置，其中，可进行稳定的控制，控制器的结构也可简化。

本发明的第1方案的磁轴承装置并用滚动轴承和磁轴承，滚动轴承支承径向负荷，磁轴承承受轴向负荷和轴承预压中的任意一者或两者，电磁铁按照与和主轴垂直而同轴地设置的由强磁性体形成的凸缘状的推力板非接触地面对的方式安装于主轴外壳上，具有对应于检测作用于轴向的力的传感器的输出，控制电磁铁的控制器，具有由滚动轴承和滚动轴承的支承***形成的合成弹簧的刚性值大于电磁铁的负的刚性值的关系。

在该第1方案的磁轴承装置中，由于并用滚动轴承和磁轴承，滚动轴承承受径向负荷，磁轴承承受轴向负荷和轴承预压中的任意一者或两者，故进行轴向的精度良好的支承，另外，可确保滚动轴承的长期耐久性，避免仅仅磁轴承的支承的场合的电源停止时的损伤。

另外，由于形成由滚动轴承和滚动轴承的支承***形成的合成弹簧的刚性值大于电磁铁的负的刚性值的关系，故可防止在控制频带，机械***的相位延迟为180°的情况。由此，控制对象稳定，控制器的电路结构为比例或比例积分等的简单的结构，即使这样，仍可进行稳定的控制。

在第1方案的磁轴承装置中，也可在由滚动轴承和滚动轴承的支承***形成的合成弹簧的刚性值为Kbrg、最大负荷为Fmax、电磁铁间隙为d、比例常数为k的场合，具有满足由下述式表示的条件式的电磁铁间隙：d＞k×Fmax/Kbrg。其构成第2方案的磁轴承装置。

在该第2方案的磁轴承装置中，由于按照满足上述条件式的方式设置电磁铁间隙，故即使在高速旋转区域，最佳的轻荷载的轴承预压的条件下，通过扩大电磁铁间隙，可保持由滚动轴承和滚动轴承的支承***形成的合成弹簧的刚性值大于电磁铁的负的刚性值的关系。其结果是，可防止在控制频带中，机械***的相位延迟180°的情况，由此，即使在最大荷载作用的情况下，仍可使控制对象稳定，可通过比例或比例积分，简化控制器的电路结构。

另外，在第1方案的磁轴承装置中，也可在上述电磁铁的磁轭的内部设置永久磁铁。其构成第3方案的磁轴承装置。

按照该第3方案的磁轴承装置，在高速旋转区域最佳的轻负荷的轴承预压的条件下，为了保持上述合成弹簧的刚性值和电磁铁的负的刚性值之间的大小关系，必须减小电磁铁的负的刚性，但是，像上述那样，在电磁铁的磁轭内部设置永久磁铁，由此，扩大电磁铁间隙，这样，可减小电磁铁的负的刚性。

此外，即使在作用最大的轴向荷载的情况下，上述永久磁铁设置于电磁铁的磁轭的内部，电磁铁的耗电量减小，可减小电磁铁的发热。

还有，在第1方案的磁轴承装置中，也可将上述永久磁铁仅仅设置于上述推力板的一侧的电磁铁的磁轭的内部，在轴向荷载的轻负荷区域，并用将永久磁铁设置于磁轭的内部的电磁铁和将该永久磁铁设置于磁轭的内部的电磁铁面对而设置的不包括永久磁铁的电磁铁。其为第4方案的磁轴承装置。

按照该第4方案的磁轴承装置，由于在轴向荷载的轻负荷区域，并用将永久磁铁设置于磁轭内部的电磁铁；与上述电磁铁面对而设置的不包括永久磁铁的电磁铁，故可最大程度地减小轴向荷载所作用的动作范围内的电磁铁的耗电量。即，在所面对的电磁铁的两方，设置永久磁铁的场合，为了在轴向荷载的轻负荷区域，减小永久磁铁的吸引力，电磁铁的耗电量增加，发热增加，但是，可通过该第4方案而消除该情况。

在第4方案的磁轴承装置中，也可将上述永久磁铁设置于磁轭内部的电磁铁设置在承受过大的轴向荷载的一侧，不包括上述永久磁铁的电磁铁以夹持上述推力板、与将上述永久磁铁设置于磁轭的内部的电磁铁面对地方式设置。其构成第5方案的磁轴承装置。

第1方案的磁轴承装置也可为下述形式，其中，在压缩机侧叶片和涡轮机侧叶片嵌合于与上述推力板共同的主轴上，通过由涡轮机侧叶片产生的动力，驱动压缩机侧叶片的压缩膨胀涡轮机***中，适用于上述主轴的支承。其构成第6方案的磁轴承装置。

在第6方案的场合，有效发挥可进行本发明的磁轴承装置的稳定的控制，控制器的结构也可简化的优点，保持各叶片的适合的叶片端间隙，获得主轴稳定的高速旋转。另外，实现轴承的长期耐久性的提高。

第1方案的磁轴承装置也可为下述形式，其中，适用上述磁轴承装置的压缩膨胀涡轮机***适用于相对流入空气，依次进行预压缩机构的压缩、热交换器的冷却、涡轮机组件的压缩机的压缩、其它的热交换器的冷却、上述涡轮机组件的膨胀涡轮机产生的隔热膨胀的空气循环冷冻冷却***。其构成第7方案的磁轴承装置。

在适用上述磁轴承装置的压缩膨胀涡轮机***适用于这样的空气循环冷冻冷却***的场合，在压缩膨胀涡轮机***中，保持各叶片的适合的叶片端部间隙，获得主轴稳定的高速旋转，并且轴承的长期耐久性提高，由此，作为压缩膨胀涡轮机***的整体，进而作为空气循环冷冻冷却***的整体的可靠性提高。另外，构成空气循环冷冻冷却***的薄弱环节的压缩膨胀涡轮机***的主轴轴承稳定的高速旋转、长期耐久性、可靠性提高，由此，空气循环冷冻冷却***可投入实用。

附图说明

根据参考附图的下面的优选实施例的说明，会更加清楚地理解本发明。但是，实施例和附图用于简单的图示和说明，不应确定本发明的范围。本发明的范围由后附的权利要求的范围确定。在附图中，多个附图中的相同的部件标号表示同一部分。

图1为组装有本发明的第1实施形态的磁轴承装置的涡轮机组件的剖视图；

图2为表示图1的涡轮机组件所采用的控制器的一个实例的方框图；

图3为组装有本发明的第2实施形态的磁轴承装置的涡轮机组件的剖视图；

图4为组装有本发明的第3实施形态的磁轴承装置的涡轮机组件的剖视图；

图5(A)为表示第3实施形态的磁轴承装置中的电磁铁的另一实例的放大剖视图，图5(B)为表示还一实例的放大剖视图；

图6为针对内置永久磁铁的电磁铁，与未内置永久磁铁的单体的电磁铁，表示吸力与耗电量之间的关系的曲线图；

图7为组装有本发明的第4实施形态的磁轴承装置的涡轮机组件的剖视图；

图8为沿图7中的VI-VI线的向视剖视图；

图9为组装有本发明的第5实施形态的磁轴承装置的涡轮机组件的剖视图；

图10为表示在并用磁轴承装置的两个电磁铁的场合，轴向荷载为轻负荷、中间负荷、最大负荷时的电磁铁部分的耗电量的柱状图；

图11为表示在磁轴承装置的两个电磁铁采用内置永久磁铁的电磁铁的场合，轴向荷载为轻负荷、中间负荷、最大负荷时的电磁铁部分的耗电量的柱状图；

图12为表示在磁轴承装置的两个电磁铁采用未内置永久磁铁的电磁铁的场合，轴向荷载为轻负荷、中间负荷、最大负荷时的电磁铁部分的耗电量的柱状图；

图13为采用组装有第1～第5实施形态的磁轴承装置的涡轮机组件的空气循环冷冻冷却***的***图。

具体实施方式

结合图1和图2，对本发明的第1实施形态进行说明。图1表示组装有本发明的磁轴承装置的涡轮机组件5的剖视图。该涡轮机组件5构成压缩膨胀涡轮***，其包括压缩机6和膨胀涡轮机7，该压缩机6的压缩机叶片6a和膨胀涡轮机7的涡轮机叶片7a分别安装于主轴13的两端。另外，通过由涡轮机叶片7a产生的动力，驱动压缩机叶片6a，未设置另外的驱动源。

压缩机6包括通过微小间隙d1而与压缩机叶片6a面对的外壳6b，通过压缩机叶片6a，将从中心部的吸入口6c沿轴向吸入的空气压缩，从外周部的出口(图中未示出)，像箭头6d所示的那样排出。

膨胀涡轮机7包括通过微小间隙d2而与涡轮机叶片7a面对的涡轮机外壳7b，通过涡轮机叶片7a，将从外周部像箭头7c所示的那样吸入的空气隔热膨胀，将其从中心部的排出7d沿轴向排出。

该涡轮机组件5中的磁轴承装置相对径向，通过多个轴承15，16支承主轴13，通过构成磁轴承的电磁铁17，承受作用于主轴13上的推力。该涡轮机组件5包括传感器18，该传感器18检测通过压缩机6和膨胀涡轮机7内的空气，作用于主轴13上的推力；控制器19，该控制器19对应于该传感器18的输出，控制电磁铁17的支承力。电磁铁17按照在主轴13的中间，与主轴13垂直而同轴设置的由强磁性体形成的凸缘状的推力板13a的两面非接触地面对的方式设置于接纳有主轴的主轴外壳14上。

支承主轴13的轴承15，16为滚动轴承，具有轴向位置的限制功能，比如，采用深槽球轴承、角接触球轴承。在深槽球轴承的场合，具有双向的推力承受功能，具有将内外圈的轴向位置返回到中立位置的作用。该2个轴承15、16分别设置于主轴外壳14中的压缩机叶片6a和涡轮机叶片7a的附近。

主轴13为带有台阶的轴，其包括中间部的大直径部13b；两端部的小直径部13c。两侧的轴承15、16中的内圈15a、16a在压配合状态与小直径部13c嵌合，一个幅面与大直径部13b和小直径部13c之间的高差面卡合。

主轴外壳14中的两侧的轴承15、16中的各叶片6a、7a侧的部分按照内径面接近主轴13的直径形成，在该内径面上形成非接触密封件21、22。在本实施形态中，非接触密封件21、22构成迷宫式密封件，其中，在主轴外壳14的内径面上，沿轴向并列地形成有多个圆周槽，但是，也可为其它的非接触密封件。

上述传感器18设置于涡轮机叶片7a侧的轴承16的附近的静止侧，即，主轴外壳14侧。在附近设置有该传感器18的轴承16的外圈16b在固定状态，嵌合于轴承外壳23的内部。轴承外壳23呈环状，在一端具有与轴承16的外圈16b的幅面卡合的内凸缘23a，按照可沿轴向移动的方式与设置于主轴外壳14上的内径面24嵌合。内凸缘23a设置于轴向的中间侧端。

传感器18分配设置于围绕主轴13的圆周方向的多个部位(比如，2个位置)，介设于轴承外壳23的内凸缘23a侧的幅面与固定于主轴外壳14上的部件的一个电磁铁17之间。另外，在传感器18中，通过传感器预压弹簧25外加预压。传感器预压弹簧25使接纳于设在主轴外壳14上的接纳凹部内的轴承16的外圈16b沿轴向偏置，通过外圈16b和轴承外壳23，对传感器18进行预压。传感器预压弹簧25由比如，设置于围绕主轴13的圆周方向多个部位的螺旋弹簧等构成。

由于通过按压力，检测推力的传感器18即使相对主轴13的轴向的任意方向的移动，仍可检测，故传感器预压弹簧25的预压为在涡轮机组件5的通常的运转状态，作用于主轴13上的平均的推力以上的值。

传感器18的非设置侧的轴承15按照可相对主轴外壳14，沿轴向移动的方式设置，并且通过轴承预压弹簧26弹性地支承。在本实例中，轴承15的外圈15b按照可沿轴向移动的方式嵌合于主轴外壳14的内径面上，轴承预压弹簧26介设于外圈15b和主轴外壳14之间。轴承预压弹簧26按照与内圈15a的幅面所卡合的主轴13的台阶面面对的方式使外圈15b偏置，对轴承15施加预压。轴承预压弹簧26由设置于围绕主轴13的圆周方向的多个部位的螺旋弹簧等构成，分别接纳于设置在主轴外壳14上的接纳凹部中。轴承预压弹簧26的弹簧常数小于传感器预压弹簧25。

上述涡轮机组件5中的磁轴承装置的力学模型可通过简单的弹簧***构成。即，该弹簧***为下述的方案，其中，由轴承15，16和这些轴承的支承***(传感器预压弹簧25、轴承预压弹簧26、轴承外壳23等)构成的合成弹簧与电磁铁17的弹簧并列。在该弹簧***中，由轴承15、16和这些轴承的支承***构成的合成弹簧具有沿与位移方向相反的方向与位移量成比例而作用的刚性，相对该情况，电磁铁17的弹簧具有沿位移方向与位移量成比例作用的负的刚性。

由此，在上述合成弹簧和电磁铁的弹簧的刚性的大小关系为：

合成弹簧的刚性＜电磁铁的负的刚性值    ......(1)

的场合，机械***的相位延迟180°，形成不稳定的***，由此，在控制电磁铁17的控制器19中，必须预先附加相位补偿电路，控制器19的结构复杂。

于是，在该实施形态的磁轴承装置中，上述合成弹簧的刚性和电磁铁17的弹簧的刚性的大小关系为：

合成弹簧的刚性＞电磁铁的负的刚性值    ......(2)

像那样，通过设定上述合成弹簧和电磁铁的弹簧的刚性的大小关系，可防止在控制频带，机械***的相位延迟180°的情况。由此，可使控制器19的控制对象稳定，可像图2那样，按照比例，或比例积分简单地构成控制器19的电路结构。

在由方框图所示的图2的控制器19中，通过传感器输出运算电路27，对各传感器18的检测输出P1、P2进行加减法运算，通过比较器28，将该运算结果与基准设定机构29的目标值相比较，对偏差进行运算，还通过PI补偿电路(或P补偿电路)30，对已运算的偏差，进行与涡轮机组件5相对应而适当地设定的比例积分(或比例)处理，由此，对电磁铁17的控制信号进行运算。PI补偿电路(或P补偿电路)30的输出经由二极管31、32，输入到驱动各向的电磁铁17₁、17₂的电源电路33、34中。电磁铁17₁、17₂为与图1所示的推力板13a面对的一对电磁铁17，只作用有吸引力，由此，预先通过二极管31、32确定电流的方向，有选择地驱动2个电磁铁17₁、17₂。

像这样，在适用于涡轮机组件5的第1实施形态的磁轴承装置中，由于像(2)式那样设定上述合成弹簧和电磁铁17的弹簧的负的刚性的大小关系，故可形成使控制器19的控制对象稳定的方案，可使控制器19的电路方案为比例或比例积分的简单的方案。

下面通过图3和在第1实施形态的说明中给出的图2，对本发明的第2实施形态进行说明。图3表示组装有本实施形态的磁轴承装置的涡轮机组件5的剖视图。在本实施形态中，与第1实施形态共同的方面在图中采用同一标号，其说明省略。

组装有第2实施形态的磁轴承装置的涡轮机组件的结构与第1实施形态相同，不同的方面在于像在下面所说明的那样，还设定电磁铁间隙。

于是，本第2实施形态的磁轴承装置也与第1实施形态的磁轴承装置相同，合成弹簧和电磁铁的弹簧的刚性的大小关系满足上述(2)式。

另一方面，在上述磁轴承装置的方案中，在高速旋转(8万～10万rpm)区域，最好由传感器预压弹簧25和轴承预压弹簧26提供的轴承15、16的轴向预压为轻荷载，但是如果轴向预压为轻荷载，则轴承15、16的轴向刚性减小，由轴承15、16和轴承15、16的支承***形成的合成弹簧的刚性也变小。其结果是，在作用过大的轴向荷载的场合，为了保持合成弹簧的刚性值和电磁铁17的弹簧的负的刚性之间的上述(2)式的大小关系，必须减小电磁铁17的负的刚性。另外，为了减小电磁铁17的负的刚性，必须扩大电磁铁间隙。

在上述合成弹簧的刚性值为Kbrg，电磁铁17的负的刚性值为Kns，最大负荷为Fmax，电磁铁间隙为d，比例常数为k时，电磁铁17的负的刚性值Kns通过下述的关系式(3)表示：

kns＝k×Fmax/d    ......(3)

上述(2)式的大小关系通过下述关系表示：

Kbrg＞Kns    ......(4)

于是，在第2实施形态的磁轴承装置中，为了保持上述(2)式的大小关系，根据(3)和(4)式的关系，按照电磁铁间隙d满足下述条件式：

d＞k×Fmax/Kbrg    ......(5)

的方式设定。

像这样，按照满足由上述(5)式表示的条件式的方式设定电磁铁间隙d，由此，即使在于高速旋转区域最佳的轻荷载的轴承预压的条件下，仍可通过扩大电磁铁间隙d，保持上述(2)式的大小关系。其结果是，由于可防止在控制频带，机械***的相位延迟180°的情况，由此，即使在作用有最大荷载的情况下，仍可使控制器19的控制对象稳定，可像第1实施形态的说明而给出图2那样，通过比例或比例积分简单地构成控制器19的电路结构。另外，由于该控制器19的电路结构也与第1实施形态相同，故其说明省略。

像这样，在适用于涡轮机组件5的第2实施形态的磁轴承装置中，按照在第1实施形态的说明中给出的上述式(2)的方式设定上述合成弹簧和电磁铁的弹簧的刚性的大小关系，另外，按照满足(5)式的条件式的方式设定电磁铁间隙d，由此，即使在作用有最大荷载的情况下，可形成使控制器19的控制对象稳定的方案，可形成控制器19的电路结构为比例或比例积分的简单的方案。

下面结合图4～图6，与在第1实施形态的说明中给出的图2，对本发明的第3实施形态进行说明。图4表示组装有本实施形态的磁轴承装置的涡轮机组件5的剖视图。在本实施形态中，与第1实施形态共同的方面在图中采用同一标号，其说明省略。

组装有该第3实施形态的磁轴承装置的涡轮机组件与第1实施形态的不同之处在于像在下面说明的那样，电磁铁内置有永久磁铁。

于是，该第3实施形态的磁轴承装置也与第1实施形态的磁轴承装置相同，合成弹簧与电磁铁的刚性的大小关系满足上述(2)式。

另一方面，像在第2实施形态中说明的那样，在上述磁轴承装置的方案中，在高速旋转(8万～10万rpm)区域，由轴承预压弹簧25、传感器预压弹簧26提供的轴承15、16的轴承预压最好为轻荷载，但是，如果轴向预压为轻荷载，则轴承15、16的轴向刚性减小，由轴承15、16和轴承15、16的支承***形成的合成弹簧的刚性也减小。其结果是，在作用有过大的轴向荷载的场合，为了保持合成弹簧的刚性值和电磁铁17的弹簧的负的刚性值之间的上述(2)式的大小关系，必须减小电磁铁17的负的刚性。另外，为了减小电磁铁17的负的刚性，必须扩大电磁铁间隙。

于是，在第3实施形态的磁轴承装置中，为了保持上述(2)式的大小关系，在夹持推力板13a的两电磁铁17中的，与传感器18邻接而设置的一侧的电磁铁17的磁轭17a的内部设置永久磁铁20，由此，扩大该电磁铁间隙。也可将永久磁铁20与两侧的电磁铁17一起设置，但是，最好，像本实施形态那样，形成仅仅在一侧的电磁铁17中，内置永久磁铁20的方案。在图4中，为了减小永久磁铁20的泄漏磁通量，在电磁铁17的线圈17b的外径侧的磁轭17a的内部，设置与主轴13同心的一体的环状的永久磁铁20，但是，即使在像图5(B)那样，电磁铁17的线圈17b的内径侧的磁轭17a的内部设置永久磁铁20的情况下，仍可减小永久磁铁20的泄漏磁通量。另外，在图4中，在接近从电磁铁17的磁极表面，向内侧后退的线圈17b的轴向一端部的位置，设置永久磁铁20，但是，也可像图5(A)那样，在线圈17a的轴向中间部的位置，设置永久磁铁20。

图6为表示内置永久磁铁20的电磁铁17，未内置永久磁铁20的单体的电磁铁17呈现相对耗电量的吸引力的特性的曲线图。像根据该图而明白的那样，在内置有永久磁铁20的电磁铁17(曲线图A)中，作用有永久磁铁20的吸引力，由此，作用有最大荷载时的耗电量可小于单体的电磁铁17(曲线图B)。另外，在曲线图A中，由符号I表示的部分表示永久磁铁20设置于电磁铁17的磁极表面的场合的特性，由符号H表示的部分呈现永久磁铁20设置于磁轭17a的内部的场合的特性。由此知道，在永久磁铁20设置于磁极表面的方案中，永久磁铁20的泄漏磁通量增加，通过电磁铁线圈17b的磁场，永久磁铁20的吸引力为零的情况难以产生，相对该情况，在永久磁铁20设置于电磁铁磁轭17a的内部的本实施形态的场合的方案中，可减小泄漏磁通量，可容易使永久磁铁20的吸引力为零。

另外，内置永久磁铁20的电磁铁17(曲线图A)的耗电量的吸引力的变化率小于单体的电磁铁17(曲线图B)，但是，其由永久磁铁20的部分的磁通量泄漏造成。

另外，在内置有永久磁铁20的上述电磁铁17的方案中，在设置永久磁铁20的电磁铁磁轭17a中，形成比如，定位用的凸缘的场合，由于因凸缘部分的磁通量泄漏，吸引力降低，故最好将磁轭17a的剖面与永久磁铁20的面呈平面形状接触的方式设置。另外，最好，按照可减小磁通泄漏的影响的方式，与永久磁铁20面接触的磁轭17a的部分为突起形状。另外，最好，沿轴向对永久磁铁20进行磁化，但是，也可形成通过改变设置永久磁铁20的部位，采用径向磁化的永久磁铁20的方案。

像这样，通过使一侧的电磁铁17内置永久磁铁20，扩大电磁铁间隙，这样即使在高速旋转区域最佳的轻荷载的轴承预压的条件下，仍可保持在第1实施形态的说明给出的上述(2)式的大小关系。其结果是，由于可防止在控制频带，机械***的相位延迟180°的情况，故即使在作用最大荷载的情况下，仍可使控制器19的控制对象稳定，像在第1实施形态的说明中给出的图2那样，可按照比例或比例积分简单地构成控制器19的电路结构。

像这样，在适用于涡轮机组件5的第3实施形态的磁轴承装置中，上述合成弹簧和电磁铁17的弹簧的负的刚性的大小关系按照在第1实施形态的说明中给出的上述(2)式的方式设定，另外，在电磁铁17的磁轭17a的内部设置永久磁铁20，由此，扩大电磁铁间隙，这样，可形成即使在作用最大荷载的情况下，控制器19的控制对象仍稳定的方案，可形成控制器19的电路结构为比例或比例积分的简单的方案。

图7和图8表示本发明的第4实施形态。本实施形态针对图4所示的第3实施形态的磁轴承装置，内置永久磁铁20的电磁铁17的方案像图8那样构成。图8表示沿图7的VI-VI线的向视剖视图，永久磁铁20为沿圆周方向分成多个(在这里4个)的环状，在永久磁铁20的各分割片20A～20D上，分别卷绕有线圈17b，由此，通过线圈17b围绕分割片20A～20D。其它的方案与图4的第3实施形态的场合相同。

在内置永久磁铁20的电磁铁17像这样构成的场合，由于可直接将由线圈17b产生的磁场施加于永久磁铁20上，故可减小永久磁铁20的磁通量泄漏，可以良好的效率减小永久磁铁20的吸引力。另外，由于永久磁铁20为组合结构，故其搬运容易。

但是，在该方案中，难以有效采用空间，设置永久磁铁20和线圈17b。如果比如，在该场合，如果要实现与像图4的第3实施形态那样，在磁轭17a的内部，设置一体的环状的永久磁铁20的方案的电磁铁17相同的吸引力性能，则永久磁铁20的厚度增加，由此，磁通量泄漏增加，用于减小永久磁铁20产生的吸引力的线圈17b的耗电量增加。

下面结合图9～图12，与在第1实施形态的说明中给出的图2，对本发明的第5实施形态进行说明。图9表示组装本实施形态的磁轴承装置的涡轮机组件5的剖视图。在本实施形态中，与第1和第3实施形态共同的方面在图中采用同一标号，省略对其的说明。

组装该第5实施形态的磁轴承装置的涡轮机组件的方案与第3实施形态相同，不同之处在于像下面说明的那样，有选择地使用电磁铁。另外，在本实施形态中，像图9所示的那样，分内置永久磁铁的电磁铁17A和未内置永久磁铁20的单体的电磁铁17B，对电磁铁17的标号进行说明。

在本第5实施形态的磁轴承装置中，为了保持在第1实施形态中给出的上述(2)式的大小关系，在夹持推力板13a的两个电磁铁17A、17B中的，承受过大的轴向荷载的一侧的电磁铁(比如，在这里与传感器18邻接而设置的一侧的电磁铁17A)的磁轭17a的内部，设置永久磁铁20，由此，扩大该电磁铁间隙。在图9中，为了减小永久磁铁20的泄漏磁通量，在电磁铁17A的线圈17b的外径侧的磁轭17a的内部，设置呈与主轴13同心的一体的环状的永久磁铁20，但是，也可像针对第4实施形态而说明的图8的剖视图所示的那样，永久磁铁20呈沿圆周方向分成多个的环状。

像在第4实施形态中采用图6而说明的那样，将承受过大的轴向荷载的一侧的电磁铁17A作为内置永久磁铁20的电磁铁，由此，通过扩大该电磁铁间隙，即使在于高速旋转区域最佳的轻荷载的轴承预压的条件下，仍可保持在第1实施形态的说明给出的上述(2)式的大小关系。其结果是，可防止在控制频带，机械***的相位延迟180°的情况，即使在作用有过大的轴向荷载的情况下，控制器19的控制对象可稳定，可将控制器19的电路结构简化为比例或比例积分的类型。

图10通过柱状曲线图而表示在并用上述两个电磁铁17A、17B的场合，轴向荷载为轻负载、中间负荷、以及最大负荷时的电磁铁部分的耗电量。另外，图11通过柱状曲线图而表示在夹持推力板13a的两个电磁铁采用内置永久磁铁20的电磁铁17A的场合，轴向荷载为轻负载、中间负荷以及最大负荷时的电磁铁部分的耗电量。另外，图12通过柱状曲线图而表示在夹持推力板13a的两个电磁铁采用未内置永久磁铁20的电磁铁17B的场合，轴向荷载为轻负载、中间负荷以及最大负荷时的电磁铁部分的耗电量。

像根据图11而明白的那样，在两个电磁铁采用内置永久磁铁20的电磁铁17A的场合，由于作用设置于电磁铁磁轭17a的内部的永久磁铁20的吸引力，故与两个电磁铁采用未内置永久磁铁20的单体的电磁铁17B的图6的场合相比较，可减小最大轴向荷载外加时的线圈电流，电源的负荷容量增加。但是，另一方面，在图11的实例中，轴向负荷必须在轻负荷区域，按照减小磁轴承的控制力的方式在电磁铁线圈上外加电流，永久磁铁20的吸引力完全为零，在此场合，电磁铁线圈的耗电量增加，发热增加。

于是，在该磁轴承装置中，作为由像上述那样内置永久磁铁20的电磁铁17A与未内置永久磁铁20的单体的电磁铁17B夹持推力板13a的方案，在轴向荷载的轻负荷区域，并用两个电磁铁17A、17B。在此场合，对于未内置永久磁铁20的电磁铁17B，未产生电磁铁17A的场合那样的永久磁铁20的部分的磁通量泄漏，由此，可增加吸引力相对耗电量的变化率(参照在第4实施形式中说明的图6)，可像图10那样，减小作为两个电磁铁17A、17B的整体的耗电量。另外，在轻负荷区域以外的轴向荷载的负荷区域，仅仅采用内置永久磁铁20的电磁铁17A。这样的电磁铁17A、17B的选择使用通过控制器19控制。

像这样，在该磁轴承装置中，作为通过内置永久磁铁20的电磁铁17A与未内置永久磁铁20的单体的电磁铁17B，夹持推力板13a的方案，与在轴向荷载的轻负荷区域并用两电磁铁17A、17B，由此，与夹持推力板13a的两电磁铁采用未内置永久磁铁20的单体的电磁铁17B的场合(参照图12)，夹持推力板13a的两个电磁铁采用内置永久磁铁20的电磁铁17A的场合(参照图11)相比较，可最大地减小轴向荷载所作用的动作范围内的电磁铁17A、17B的耗电量。

组装第1～第5实施形式的磁轴承装置的涡轮机组件5适用于比如，空气循环冷冻冷却***，按照可通过后级的热交换器(在后面结合图13而说明)，以良好的效率对构成冷却媒体的空气进行热交换的方式，通过压缩机6进行压缩，温度上升，另外，通过后级的上述热交换器冷却的空气借助膨胀涡轮机7，借助隔热膨胀而冷却到目标温度，比如，-30℃～-60℃的极低温度，将其排出而用。

在这样的使用实例中，在该涡轮机组件5中，压缩机叶片6a和涡轮机叶片7a安装于共同的主轴13上，通过由涡轮机叶片7a产生的动力，驱动压缩机叶片6a，由此，动力源是不需要的，为紧凑的结构，可以良好的效率进行冷却。

另外，在第1～第5实施形态中，在压缩机叶片6a和涡轮机叶片7a嵌合于与推力板13a共同的主轴13上，通过由涡轮机叶片7a产生的动力，构成驱动压缩机叶片6a的压缩膨胀涡轮***的涡轮机组件5中，上述结构的磁轴承装置适用于主轴13的支承，由此，保持各叶片6a、7a的适合的间隙d1、d2而获得主轴13稳定的高速旋转，并且轴承15、16的长期耐久性提高，寿命的提高。

即，为了确保涡轮机组件5的压缩、膨胀的效率，必须以微小程度保持各叶片6a、7a与外壳6b、7b的间隙d1、d2。比如，在该涡轮机组件5适用于空气循环冷冻冷却***的场合，该效率确保是重要的。相对该情况，由于通过滚动形式的轴承15、16而支承主轴13，故通过滚动轴承所具有的轴向位置的限制功能，以某种程度限制主轴13的轴向位置，可将各叶片6a、7a和外壳6b、7b的微小间隙d1、d2保持一定。

但是，在涡轮机组件5的主轴13上，通过作用于各叶片6a、7a上的空气的压力等，作用推力。另外，在空气冷却***中所采用的涡轮机组件5中，形成在1分钟的期间，比如，8～10万转的非常高速的旋转。由此，如果在旋转支承主轴13的滚动轴承15、16上作用上述推力，则轴承15，16的长期耐久性降低。

由于第1～第5实施形态通过电磁铁17(17A、17B)支承上述推力，故可通过非接触而抑制转矩的增加的同时，减轻作用于主轴13的支承用的滚动轴承15、16上的推力。在此场合，由于设置传感器18，其检测通过压缩机6和膨胀涡轮机7内的空气，作用于主轴13上的推力；控制器19，该控制器19对应于该传感器18的输出，控制上述电磁铁17(17A、17B)的支承力，故可在对应于该轴承类型，在最适合于推力的状态，采用滚动轴承15、16。

特别是，由于传感器18设置于轴承16的附近，故可直接测定作用于成为问题的轴承16上的推力，其测定精度良好，可进行精密的推力的控制。

图13表示采用上述第1第5实施形态的涡轮机组件5的空气循环冷冻冷却***的整体的方案。该空气循环冷冻冷却***为直接将冷冻库等的被冷却空间10的空气作为制冷剂而冷却的***，具有从分别开口于被冷却空间10的空气的取入口1a到排出口1b的空气循环通路1。在该空气循环通路1中，依次设置预压缩机构2、第1热交换器3、空气循环冷冻冷却用涡轮机组件5的压缩机6、第2热交换器8、中间热交换器9以及上述涡轮机组件5的膨胀涡轮机7。中间热交换器9在上述空气循环通路1的内部，在取入口1a的附近的流入空气与通过后级的压缩而升温、冷却的空气之间进行热交换，取入口1a的附近的空气通过热交换器9a的内部。

预压缩机构2由吹风机等构成，通过电动机2a启动。第1热交换器3和第2热交换器8分别具有使冷却媒体循环的热交换器3a、8a，在热交换器3a、8a内的水等的冷却媒体和空气循环通路1的空气之间，进行热交换。各热交换器3a、8a通过管而与冷却塔11连接，通过热交换而升温的冷却媒体通过冷却塔11而冷却。

该空气循环冷冻冷却***为将被冷却空间10保持在0℃～-60℃程度的***，从被冷却空间10，0℃～-60℃程度的1个气压的空气流入空气循环通路1的取入口1a中。另外，在下面给出的温度和气压的数值为专门的目的的一个实例。流入取入口1a中的空气通过中间热交换器9用于空气循环通路1中的后级的空气的冷却，升温到30℃。升温的空气在1个气压的状态，通过预压缩机构2压缩到1.4个气压，通过该压缩升温到70℃。由于第1热交换器3可对升温的70℃的空气进行冷却，故即使在常温程度的冷水，仍可以良好的效率冷却，冷却到40℃。

通过热交换而冷却的40℃、1.4气压的空气通过涡轮机组件5的压缩机6，压缩到1.8气压，在通过该压缩而升温到70℃的状态，通过第2热交换器8而冷却到40℃。该40℃的空气通过中间热交换器9，通过-30℃的空气冷却到-20℃。对于气压，维持从压缩机6排出的1.8气压。

通过中间热交换器9而冷却到-20℃的空气通过涡轮机组件5的膨胀涡轮机7而隔热膨胀，冷却到-55℃，从排出口1b排出到被冷却空间10。该空气循环冷冻冷却***进行这样的冷冻循环。

在该空气循环冷冻冷却***中，在涡轮机组件5中，保持各叶片6a、7a的适合的间隙d1、d2，获得主轴13稳定的高速旋转，并且轴承15、16的长期耐久性提高、寿命提高，由此，由于轴承15、16的长期耐久性提高，涡轮机组件5的整体，进而空气循环冷冻冷却***的整体的可靠性提高。像这样，由于构成空气循环冷冻冷却***的薄弱环节的涡轮机组件5的主轴轴承15、16稳定的高速旋转、长期耐久性、可靠性提高，故可实现空气循环冷冻冷却***的实用化。

以上述第1～第7磁轴承装置为基础，可构成本发明的实施形态的方案总结如下。

(第8方案)其为磁轴承装置，其涉及上述第3方案，其中，上述电磁铁的磁轭包括内径侧的磁轭部分和外径侧的磁轭部分，上述永久磁铁设置于这些内径侧的磁轭部分，或外径侧的磁轭部分。

在该第8方案的场合，可减小永久磁铁的泄漏磁通量，可有效地减小永久磁铁的吸引力。

(第9方案)其为磁轴承装置，其涉及上述第3或第8方案，其中，与设置于电磁铁的磁轭内部的上述永久磁铁面接触的上述磁轭的部分为平面形状。

同样在该第9方案的场合，可减小永久磁铁的泄漏磁通量，可有效地减小永久磁铁的吸引力。

(第10方案)其为磁轴承装置，其涉及上述第3，第8或第9方案，其中，与设置于电磁铁的磁轭内部的上述永久磁铁面接触的上述磁轭的部分为突起形状。

同样在该第10方案的场合，可减小永久磁铁的泄漏磁通量，可有效地减小永久磁铁产生的吸引力。

(第11方案)其为磁轴承装置，其涉及上述第3、第8～10方案，其中，上述永久磁铁的形状呈一体的环状，或沿圆周方向分割的环状。

即，如果永久磁铁呈一体的环状，则可有效利用空间，设置永久磁铁和电磁铁线圈。如果永久磁铁呈沿圆周方向分割的环状，则其搬运容易。

Claims (5)

1.一种磁轴承装置，其并用滚动轴承和磁轴承，滚动轴承承受径向负荷，磁轴承承受轴向负荷和轴承预压中的任意一者或两者，电磁铁按照与和主轴垂直而同轴地设置的由强磁性体形成的凸缘状的推力板非接触地面对的方式安装于主轴外壳上，具有对应于检测作用于主轴上的轴向的力的传感器的输出，控制电磁铁的控制器；

具有由滚动轴承和滚动轴承的支承***形成的合成弹簧的刚性值大于电磁铁的负的刚性值的关系；

在上述电磁铁的磁轭的内部设置永久磁铁；上述永久磁铁设置于上述推力板的仅仅一侧的电磁铁的磁轭的内部，在轴向荷载的轻负荷区域，并用将永久磁铁设置于磁轭的内部的电磁铁；与将该永久磁铁设置于磁轭的内部的电磁铁面对而设置于推力板的另一侧的不包括永久磁铁的电磁铁。

2.根据权利要求1所述的磁轴承装置，其特征在于在由滚动轴承和滚动轴承的支承***形成的合成弹簧的刚性值为Kbrg、最大负荷为Fmax、电磁铁间隙为d、比例常数为k的场合，则具有满足由下述式表示的条件式的电磁铁间隙：d＞k×Fmax/Kbrg。

3.根据权利要求1所述的磁轴承装置，其特征在于将上述永久磁铁设置于磁轭的内部的电磁铁设置在承受过大的轴向荷载的一侧，不包括上述永久磁铁的电磁铁以夹持上述推力板、与将上述永久磁铁设置于磁轭的内部的电磁铁面对地方式设置。

4.根据权利要求1所述的磁轴承装置，其特征在于在压缩机侧叶片和涡轮机侧叶片嵌合于与上述推力板共同的主轴上，通过由涡轮机侧叶片产生的动力，驱动压缩机侧叶片的压缩膨胀涡轮机***中，适用于上述主轴的支承。

5.根据权利要求4所述的磁轴承装置，其特征在于适用上述磁轴承装置的压缩膨胀涡轮机***适用于相对流入空气，依次进行预压缩机构的压缩、热交换器的冷却、涡轮机组件的包括上述压缩机侧叶片的压缩机的压缩、其它的热交换器的冷却、上述涡轮机组件的包括上述涡轮机侧叶片的膨胀涡轮机产生的隔热膨胀的空气循环冷冻冷却***。

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