DE112006003333T5 - In einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung - Google Patents

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Takayoshi Iwata-shi Ozaki
Koichi Iwata-shi Okada
Hiroyuki Iwata-shi Yamada
Kenichi Iwata-shi Suzuki
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NTN Corp
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Abstract

In einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung, welche umfasst:
eine Hauptwelle;
eine flanschförmige Druckplatte, die koaxial auf der Hauptwelle angebracht ist, um sich senkrecht zur Hauptwelle zu erstrecken, und die aus einem ferromagnetischen Werkstoff hergestellt ist;
eine Wälzlagereinheit zum Abstützen einer Radiallast;
eine Magnetlagereinheit zum Abstützen entweder einer Axiallast oder einer Lagervorspannung oder beider, und welche einen in ein Wellengehäuse eingepassten Elektromagnet aufweist, um der Druckplatte berührungsfrei gegenüberzustehen;
einen Motor zum Antreiben der Hauptwelle mit einem auf der Hauptwelle angebrachten Motorrotor und einem gegenüber dem Motorrotor angeordneten Motorstator, wobei die Hauptwelle durch eine Magnetkraft oder Lorentzkraft angetrieben wird, die zwischen dem Motorrotor und dem Motorstator entwickelt wird;
einen Sensor zum Feststellen einer auf die Wälzlagereinheit wirkenden Axialkraft; und
eine Steuerung zum Steuern des Elektromagnets in Erwiderung auf eine Ausgabe des Sensors;
wobei eine Steifigkeit einer durch die Wälzlagereinheit und ein Abstützsystem für die...

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • (Gebiet der Erfindung)
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Magnetlagervorrichtung, z. B. zur Verwendung in einer Turbineneinheit, welche in einem Luftkreislaufkühlsystem eingesetzt wird, und insbesondere eine in einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung, in welcher eine Wälzlagereinheit und eine Magnetlagereinheit in Verbindung miteinander verwendet werden, wobei die Magnetlagereinheit entweder eine Axiallast oder eine Lagervorspannung oder beide abstützt.
  • (Beschreibung des Stands der Technik)
  • Das Luftkreislaufkühlsystem verwendet Luft als Kühlmittel und schafft es daher nicht, eine ausreichende Energieeffizienz, verglichen mit dem Kühlsystem, das Fluorchlorkohlenwasserstoff oder Ammonium verwendet, bereitzustellen, wird aber im Hinblick auf den Umweltschutz als annehmbar angesehen. In einer Anlage, wie z. B. einem Kühlspeicherwarenhaus, in welches Kühlluft direkt eingeblasen werden kann, können die Gesamtkosten gesenkt werden, falls auf eine Kühlventilatorvorrichtung und/oder einen Entfroster verzichtet wird, und demnach ist die Verwendung des Luftkreislaufkühlsystems in einer derartigen Anwendung vorgeschlagen worden. (Siehe z. B. japanisches Patent Nr. 2623202 .)
  • Ferner ist es wohlbekannt, dass in einem tiefen Kältebereich von –30 bis –60°C die theoretische Effizienz von Luftkühlung gleich oder höher ist als jene von Fluorchlorkohlenwasserstoff oder Ammonium. Es wird jedoch gesagt, dass es optimal gestalteter Zusatzausstattungen bedarf, um die theoretische Effizienz der Luftkühlung sicherzustellen. Diese Zusatzausstattungen können z. B. Kompressoren und/oder Expansionsturbinen enthalten.
  • Für den Kompressor und die Expansionsturbine werden im Allgemeinen eine Turbineneinheit, in welcher ein Kompressorrotor und ein Expansionsturbinenrotor auf einer gemeinsamen Hauptwelle angebracht sind, verwendet. (Siehe das japanische Patent Nr. 2623202 .)
  • Es ist zu beachten, dass für die zum Handhaben eines Prozessgases verwendete Turbineneinheit eine Magnetlagerturbineneinheit vorgeschlagen worden ist, in welcher der Turbinenrotor und der Kompressorrotor jeweils auf jeweils gegenüberliegenden Enden der Hauptwelle angebracht sind, welche durch ein Achslager und ein Drucklager abgestützt wird, die durch einen durch einen Elektromagnet fließenden elektrischen Strom gesteuert werden können. (Siehe Offenlegung zur Publikation japanischer Patente Nr. 07-91760 .)
  • Ferner ist, obwohl es einen Vorschlag bezüglich eines Gasturbinenmotors betrifft, eine Druckmagnetlagervorrichtung verwendet worden, um die Drucklast zu reduzieren, welche auf die Wälzlagervorrichtung zum Abstützen einer Hauptwelle wirkt, um die Möglichkeit zu vermeiden, dass die Drucklast zu einer Reduzierung der Lagerlebenszeit führt. (Siehe z. B. die Offenlegung zur Publikation japanischer Patente Nr. 08-261237 .)
  • Wie oben diskutiert wurde, erfordert das Luftkreislaufkühlsystem die Verwendung eines Kompressors und einer Expansionsturbine, die optimal gestaltet sind, um die theoretische Effizienz der Luftkühlung sicherzustellen, bei welcher eine hohe Effizienz im tiefen Kältebereich erhalten werden kann.
  • Für den oben erwähnten Kompressor und die Expansionsturbine wird die den Kompressorrotor und den Expansionsturbinenrotor, welche beide auf einer gemeinsamen Hauptwelle angebracht sind, enthaltende Turbineneinheit verwendet. Diese Turbineneinheit erhöht die Effizienz des Kühlkreislaufkühlers im Hinblick auf die Tatsache, dass der Kompressorrotor durch eine durch die Expansionsturbine induzierte Leistung angetrieben wird.
  • Um eine in der Praxis akzeptable Effizienz sicherzustellen, muss jedoch notwendigerweise ein zwischen jedem der Rotoren und einem Gehäuse abgegrenzter Zwischenraum klein sein. Eine Veränderung des Zwischenraums verursacht einen unstabilen Betrieb während einer Hochgeschwindigkeitsrotation und daher neigt die Effizienz zu sinken.
  • Durch den Effekt der auf den Kompressorrotor und den Turbinenrotor wirkenden Luft wirkt ferner die Druckkraft auf die Hauptwelle, und die die Hauptwelle abstützende Lagereinheit wird mit der Druckkraft belastet. Die Rotationsgeschwindigkeit der im Luftkreislaufkühlsystem eingesetzten Hauptwelle in der Turbineneinheit ist 80.000 bis 100.000 Umdrehungen pro Minute, was verglichen mit jener der Lagereinheit für die Standardanwendung verhältnismäßig hoch ist. Aus diesem Grund neigt die oben beschriebene Druckkraft dazu, eine Reduzierung hinsichtlich der Langzeithaltbarkeit und der Lebenszeit der zum Abstützen der Hauptwelle verwendeten Lagereinheit mit sich zu bringen, und wiederum eine Reduzierung der Zuverlässigkeit der Luftkreislaufkühlturbineneinheit. Sofern das mit der Reduzierung der Langzeithaltbarkeit der Lagereinheit verbundene Problem nicht gelöst wird, kann die Luftkreislaufkühlturbineneinheit kaum für den praktischen Einsatz eingesetzt werden. Die im japanischen Patent Nr. 2623202 offenbarte Technologie hat jedoch das mit der Reduzierung der Langzeithaltbarkeit der Lagereinheit in Bezug auf die Belastung mit der Druckkraft unter einer derartigen Hochgeschwindigkeitsdrehzahl verbundene Problem noch nicht gelöst.
  • Im Fall des Turbinenkompressors eines Magnetlagertyps, wie in der Publikation zur Offenlegung japanischer Patente Nr. 07-91760 offenbart, in welchem die Hauptwelle durch die Achslagereinheit und die Drucklagereinheit, beide in Form eines Magnetlagers, abgestützt wird, fehlt dem Achslager eine Regulierungsfunktion in der Axialrichtung. Die Anwesenheit eines Faktors oder dgl., der die Steuerung der Drucklagereinheit unstabil macht, macht es aus diesem Grund schwierig, eine stabile Hochgeschwindigkeitsdrehzahl zu erreichen, während der winzige Zwischenraum zwischen dem Rotor und dem Diffusor aufrechterhalten wird. Die Magnetlagereinheit schließt ein Problem ein, das mit einem Kontakt zwischen dem Rotor und dem Diffusor zu einer Zeit, an der die elektrische Leistungsversorgung fehlschlägt, verbunden ist.
  • Im Hinblick auf Obiges haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung eine in einen Motor integrierte Magnetlagervorrichtung mit einem in 15 gezeigten Aufbau entwickelt, um die voranstehenden Probleme zu lindern. Insbesondere enthält die so entwickelte in einen Motor integrierte Magnetlagervorrichtung, in einer Turbineneinheit zur Verwendung in einem Luftkreislaufkühlsystem, einen Kompressorrotor 46a eines Kompressors 46 und einen Turbinenrotor 47a einer Expansionsturbine 47, welche jeweils auf gegenüberliegenden Enden einer Hauptwelle 53 angebracht sind; Wälzlagereinheiten 55 und 56 zum Abstützen einer auf die Hauptwelle 53 wirkenden Radiallast; einen Elektromagnet 57 zum Abstützen einer auf die Hauptwelle 53 wirkenden Axiallast; und einen koaxial zur Hauptwelle 53 angeordneten Motor 68 zum Bereitstellen einer Antriebskraft, die mit einer durch den Turbinenrotor 47a zum Antreiben des Kompressorrotors 46a verursachten Antriebskraft zusammenwirken kann. Der zum Abstützen der Axiallast verwendete Elektro magnet 57 ist berührungsfrei gegenüber einer Druckplatte 53a angeordnet, welche koaxial auf der Hauptwelle 53 angebracht ist, um sich radial nach außen davon zu erstrecken, und wird durch eine Magnetlagersteuerung 59 für die Magnetlagereinheit in Erwiderung auf eine von einem Sensor 58 zum Feststellen einer in der Axialrichtung wirkenden Kraft erzeugten Eingabe gesteuert. Der Motor 68 weist einen Axialspalt auf und enthält einen Motorrotor 68a, der in einer sich von der Druckplatte 53a unterscheidenden Druckplatte 53b gebildet und koaxial auf der Hauptwelle 53 angebracht ist, um sich radial nach außen davon zu erstrecken, und einen axial gegenüber zum Motorrotor 68a gehaltenen Motorstator 68b. Der obige Motor 68 wird durch eine Motorsteuerung 69 unabhängig vom Elektromagnet 57 gesteuert. Ferner weist der Stator 68b des Motors 68 einen Aufbau mit einem Kern mit einer um ein sich axial erstreckendes Statorjoch 68ba gewickelten Spule 68bb auf.
  • Bei der in einen Motor integrierten Magnetlagervorrichtung des oben beschriebenen Aufbaus kann die Druckkraft, welche auf die Wälzlagereinheiten 55 und 56 wirkt, während des Unterdrückens eines Anstiegs des Drehmoments berührungsfrei entlastet werden, da eine auf die Hauptwelle 53 wirkende Druckkraft durch den Elektromagnet 57 abgestützt werden kann. Als ein Ergebnis davon können winzige Zwischenräume zwischen den Rotoren 46a und 47a und den Gehäusen 46b und 47b jeweils auf einem konstanten Wert aufrechterhalten werden, was die Langzeithaltbarkeit der Wälzlager in Bezug auf die durch die Drucklast verursachte Last erlaubt.
  • Es ist jedoch herausgefunden worden, dass die in einen Motor integrierte Magnetlagervorrichtung des oben beschriebenen Aufbaus eine derartige Möglichkeit einschließt, dass, wenn der Motor 68 in einem Hochlastbereich betrieben wird und eine übermäßige Axiallast wirkt, das Steuersystem für die Magnetlagereinheiten 55 und 56 dann instabil wird. Falls die über mäßige Axialkraft wirkt, steigt mit anderen Worten nicht nur die negative Steifigkeit (welche in einer Verschiebungsrichtung wirkt und deren Kraft dazu neigt, anzusteigen, wenn die Verschiebung größer wird) im Elektromagnet 57 an, sondern es steigt auch die negative Steifigkeit einer zwischen dem Motorrotor 68a und dem Statorjoch 68ba, die beide entsprechende Teile des Motors 68 bilden, gebildeten Magnetkopplung an. Aus diesem Grund wird das Steuersystem für die Magnetlagervorrichtung instabil, falls die negative Steifigkeit einer durch den Elektromagnet 57 und den Motor 68 gebildeten Verbundfeder höher wird als die Steifigkeit der durch die Wälzlagereinheiten 55 und 56 und deren jeweilige Abstützsysteme gebildeten Verbundfeder. Um einen derartigen Zustand zu lindern, ist es erforderlich, die Steuerung 59 mit einer Phasenausgleichsschaltung oder dgl. zu versehen, woraus sich ein komplizierter Aufbau der Steuerung 59 ergibt.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine in einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung bereitzustellen, bei welcher die stabilisierte Steuerung möglich ist, sogar wenn eine übermäßige Axiallast wirkt, und bei welcher der Aufbau der Steuerung vereinfacht werden kann.
  • Die in einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung nach einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung enthält eine Hauptwelle; eine flanschförmige Druckplatte, welche koaxial auf der Hauptwelle angebracht ist, um sich senkrecht zur Hauptwelle zu erstrecken, und welche aus einem ferromagnetischen Werkstoff hergestellt ist; eine Wälzlagereinheit zum Abstützen einer Radiallast; eine Magnetlagereinheit zum Abstützen entweder einer Axiallast oder einer Lagervorspannung oder beider mit einem in ein Wellengehäuse eingepassten Elektromagnet, um der Druckplatte berührungsfrei gegenüber zustehen; einen Motor zum Antreiben der Hauptwelle mit einem auf der Hauptwelle angebrachten Motorrotor und einem gegenüber dem Motorrotor angeordneten Motorstator, wobei die Hauptwelle durch eine Magnetkraft oder eine Lorentzkraft angetrieben wird, welche zwischen dem Motorrotor und dem Motorstator entwickelt wird; einen Sensor zum Feststellen einer auf die Wälzlagereinheit wirkenden Axialkraft; und eine Steuerung zum Steuern des Elektromagnets in Erwiderung auf eine Ausgabe von diesem Sensor. Bei dieser in einen Motor eingebauten Magnetlagervorrichtung wird eine Steifigkeit einer durch die Wälzlagereinheit und ein Abstützsystem für die Wälzlagereinheit gebildeten Verbundfeder höher gewählt als eine negative Steifigkeit einer Verbundfeder eines Motorteils. Das obige Motorteil besteht z. B. aus dem Motor und dem Elektromagnet.
  • Da die in einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung nach der oben beschriebenen ersten Ausführung derart gestaltet ist, dass die Wälzlagereinheit und die Magnetlagereinheit in Verbindung miteinander verwendet werden, ist die Wälzlagereinheit betriebsfähig, die Radiallast abzustützen und die Magnetlagereinheit ist betriebsfähig, entweder die Axiallast oder die Lagervorspannung oder beide abzustützen, wobei eine hochpräzise Abstützung in der Axialrichtung erreicht werden kann, die Langzeithaltbarkeit der Wälzlagereinheit sichergestellt werden kann und Beschädigungen vermieden werden können, die zum Zeitpunkt einer Störung der elektrischen Leistung auftreten würden, in dem Fall, wenn die Abstützung nur durch die Magnetlagereinheit ausgeführt wird.
  • Da die Steifigkeit der durch die Wälzlagereinheit und das Abstützungssystem für die Wälzlagereinheit gebildeten Verbundfeder höher gewählt ist als die negative Steifigkeit der Verbundfeder des durch den Elektromagnet und den Motor gebildeten Motorteils, ist es im Steuerbereich möglich, zu vermei den, dass die Phase des mechanischen System um 180° verzögert ist. Demnach kann das durch die Steuerung zu steuernde Ziel stabilisiert werden und die Steuerung kann eine vereinfachte Schaltungskonfiguration unter Verwenden eines Proportional- oder eines Proportional-Integral-Reglers aufweisen.
  • Bei der in einen Motor eingebauten Magnetlagervorrichtung nach der ersten Ausführung kann der Motorrotor auf der Hauptwelle zusammen mit der Druckplatte angebracht sein. Dies führt zu einer in einen Motor eingebauten Magnetlagervorrichtung nach einer zweiten Ausführung.
  • Bei der in einen Motor eingebauten Magnetlagervorrichtung nach der ersten Ausführung kann der Motor ein kernloser Motor sein. Dies führt zu einer in einen Motor eingebauten Magnetlagervorrichtung nach einer dritten Ausführung.
  • Die in einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung nach der dritten Ausführung ist derart gestaltet, dass der obige Motor in Form eines kernlosen Motors eingesetzt wird, und es ist daher möglich, eine Magnetkraft zwischen dem Motorrotor und dem Motorstator zu eliminieren. Mit anderen Worten wirkt im Fall eines Aufbaus mit eingebauten Kern die zwischen dem Motorrotor und dem Statorjoch entwickelte Magnetkraft als eine negative Steifigkeit in der Axialrichtung, wenn aber, wie in dieser Ausführung, der kernlose Motor eingesetzt wird, kann dies dazuführen, dass die auf den Motor wirkende negative Steifigkeit null ist. Als ein Ergebnis davon ist es sogar in einem Zustand, in welchem die hohe Last auf den Motor wirkt, sprich eine übermäßige Axiallast wirkt, möglich, die Beziehung aufrechtzuerhalten, in welcher die Steifigkeit der durch die Wälzlagereinheit und das Abstützsystem für die Wälzlagereinheit gebildeten Verbundfeder höher ist als die negative Steifigkeit der Verbundfeder des durch den Elektromagnet und den Motor gebildeten Motorteils.
  • Bei der in einen Motor eingebauten Magnetlagervorrichtung nach der ersten Ausführung kann der obige Motor ein Motor mit Axialspalt sein und der Motorrotor kann auf einer oder beiden gegenüberliegenden Flächen der Druckplatte angeordnet sein, in welcher ein Elektromagnetziel des Elektromagnets angeordnet ist. Dies führt zu einer in einen Motor eingebauten Magnetlagervorrichtung nach einer vierten Ausführung.
  • Da der Motorrotor des Motors mit Axialspalt auf einer oder beiden gegenüberliegenden Flächen der Druckplatte zusammen mit dem Elektromagnetziel angeordnet ist, besteht bei der in einen Motor eingebauten Magnetlagervorrichtung nach der vierten Ausführung kein Bedarf, eine zusätzliche Druckplatte, welche ein Elektromagnetziel wird und welche sich von der Druckplatte für den Motor unterscheidet, auf der Hauptwelle vorzusehen und die Hauptwelle kann daher eine reduzierte Wellenlänge aufweisen, was durch eine Erhöhung der natürlichen Frequenz der Hauptwelle begleitet wird, und die Hauptwelle kann mit einer hohen Geschwindigkeit angetrieben werden.
  • Die in einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung nach der ersten Ausführung kann derart gestaltet sein, dass der obige Motor ein kernloser Motor mit Axialspalt zum Antreiben der Hauptwelle mittels einer zwischen dem Motorrotor und dem Motorstator entwickelten Lorentzkraft ist; und dass zwei Druckplatten vorgesehen sind, wobei die beiden Druckplatten räumlich beabstandet voneinander in der Axialrichtung angeordnet sind; dass in jeder der jeweiligen Flächen jener Druckplatten, die gegenüberliegend beabstandet voneinander sind, ein Elektromagnetziel gebildet ist; dass in anderen jeweiligen Flächen der Druckplatten, die einander gegenüber stehen und in einer Umfangsrichtung gleich weit entfernt voneinander sind, Permanentmagneten für den Motorrotor angeordnet sind; dass die Magnetpole der Permanentmagneten auf einer der Druckplatten den Magnetpolen der Permanentmagneten auf der anderen der Druckplatten gegenüberliegen und dass der Motorstator derart angeordnet ist, um zwischen den Permanentmagneten auf den gegenüberliegenden Flächen eingelegt und in das Wellengehäuse eingepasst zu werden. Dies führt zu einer in einen Motor eingebauten Magnetlagervorrichtung nach einer fünften Ausführung. Die beiden obigen Druckplatten sind jene, die integral mit der Hauptwelle gebildet sind.
  • Da die Elektromagneten bei der in einen Motor eingebauten Magnetlagervorrichtung nach der fünften Ausführung auf axial äußeren Seiten der beiden Druckplatten angeordnet sind, die auf der Hauptwelle in einer axial angrenzenden Position zueinander vorgesehen sind, um dabei eine Magnetlagereinheit zu bilden, und der Motor mit Axialspalt an einem zwischen den beiden Druckplatten eingelegten Ort angeordnet ist, um dadurch eine Motoreinheit zu bilden, können die Magnetlagereinheit und die Motoreinheit in einem kompakten einheitlichen Aufbau gebildet werden. verglichen mit dem Fall, in welchem die beiden, der linke und der rechte, Elektromagneten auf jeweiligen Seiten einer Druckplatte auf der Hauptwelle angeordnet sind, und links und rechts zwei Motoren mit Axialspalt auf den jeweiligen Seiten einer auf der Hauptwelle vorgesehenen zusätzlichen Axialplatte getrennt angeordnet sind, um dadurch eine Motoreinheit zu bilden, kann aus diesem Grund die Hauptwelle eine reduzierte Wellenlänge aufweisen, was durch eine Erhöhung der natürlichen Frequenz der Hauptwelle begleitet wird, und die Hauptwelle kann mit einer hohen Geschwindigkeit angetrieben werden.
  • Bei der in einen Motor eingebauten Magnetlagervorrichtung nach der fünften Ausführung kann ein Bund in einem äußeren diametralen Abschnitt jeder der gegenüberstehenden Flächen der Druckplatte gebildet sein. Dies führt zu einer in einen Motor eingebauten Magnetlagervorrichtung nach einer sechsten Ausführung.
  • Da die Druckplatte einen mit dem Bund gebildeten äußeren diametralen Abschnitt aufweist, ist es bei der in einen Motor eingebauten Magnetlagervorrichtung nach der sechsten Ausführung möglich, die Streuung des Permanentmagnets von der Druckplatte unter dem Einfluss der während der Rotation der Hauptwelle entwickelten Zentrifugalkraft zu vermeiden, sogar wenn die Bindungsstärke des zum Sichern des Permanentmagnets für den Motorrotor an den Druckplatten verwendeten Bindemittels sich thermisch oder im Laufe der Zeit verschlechtert.
  • Die in einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung nach der sechsten Ausführung kann derart gestaltet sein, dass die gegenüberstehenden Flächen der Druckplatten mit dem Permanentmagneten gebildet sind, wobei Grundabschnitte der Druckplatten und in äußeren diametralen Abschnitten der Druckplatten gebildete Bünde und Grundabschnitte dieser Bünde einer Einsatzhärtung unterzogen werden. Dies führt zu einer in einen Motor eingebauten Magnetlagervorrichtung nach einer siebten Ausführung.
  • Da die mit den Permanentmagneten gebildeten gegenüberstehenden Flächen, die Grundabschnitte der Druckplatten und die in äußeren diametralen Abschnitten der Druckplatten gebildeten Bünde und Grundabschnitte dieser Bünde einer Einsatzhärtung unterzogen werden, können sie bei der in einen Motor eingebauten Magnetlagervorrichtung nach der siebten Ausführung der übermäßigen Beanspruchung standhalten, welche auf diese Abschnitte während der Hochgeschwindigkeitsrotation zentriert sein kann, um dadurch eine Zentrifugalzerstörung zu vermeiden, was den Druckplatten erlaubt, welche die Elektromagnetziele bilden, eine erforderliche ausgezeichnete Magneteigenschaft und gleichzeitig eine erforderliche hohe Festigkeit aufzuweisen. Da die übermäßigen Belastungen während der Hochgeschwindigkeitsrotation auf diese Abschnitte zentriert sind, tritt mit anderen Worten die Zentrifugalzerstörung wahrscheinlich auf, falls die Hauptwelle und die Druckplatte aus einem Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt mit ausgezeichneter Magneteigenschaft hergestellt sind, aber diese Ausführung ist zum Vermeiden eines derartigen Problems wirksam. Demnach besteht kein Bedarf, die Dicke jeder der Druckplatten zu erhöhen, da sie eine ausgezeichnete Magneteigenschaft aufweisen, und daher kann die Hauptwelle eine reduzierte Wellenlänge aufweisen, was durch eine Erhöhung der natürlichen Frequenz der Hauptwelle begleitet wird, und die Hauptwelle kann mit einer hohen Geschwindigkeit angetrieben werden.
  • Die in einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung nach der ersten Ausführung kann für ein Kompressions-/Expansions-Turbinensystem angewandt werden, in welchem ein Kompressorrotor und ein Turbinenrotor auf der Hauptwelle zusammen mit der Druckplatte angebracht sind und der Kompressorrotor durch eine oder beide jeweiligen durch den Motor und den Turbinenrotor erzeugte Leistungen angetrieben wird. Dies führt zu einer in einen Motor eingebauten Magnetlagervorrichtung nach einer achten Ausführung.
  • Bei der in einen Motor eingebauten Magnetlagervorrichtung nach der achten Ausführung kann eine stabile Hochgeschwindigkeitsrotation der Hauptwelle erhalten werden, während ein angemessener Zwischenraum zwischen den Rotoren aufrechterhalten werden kann, und folglich, die Langzeithaltbarkeit und die Lebensdauer des Lagers erhalten werden können.
  • Die in einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung nach der achten Ausführung kann derart gestaltet sein, dass das Kompressions-/Expansions-Turbinensystem, in welchem die in einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung angewandt wird, in einem Luftkreislaufkühlsystem angewandt wird, in welchem einströmende Luft sequenziell mittels eines Kompressors, der den Kompressorrotor in der Turbineneinheit enthält, komprimiert wird, mittels eines anderen Wärmetauschers gekühlt wird und mittels einer Expansionsturbine, die den Turbinenrotor in der Turbineneinheit enthält, adiabatisch ausgedehnt wird. Alternativ kann die einströmende Luft sequenziell mittels einer Vorkomprimiereinheit komprimiert werden, mittels eines Wärmetauschers gekühlt werden, mittels des Kompressors komprimiert werden, mittels des anderen Wärmetauschers gekühlt werden und mittels der Expansionsturbine adiabatisch ausgedehnt werden. Dies führt zu einer in einen Motor eingebauten Magnetlagervorrichtung nach einer neunten Ausführung.
  • Wenn das Kompressions-/Expansions-Turbinensystem, für welches die in einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung angewandt wird, für das Luftkreislaufkühlsystem angewandt wird, kann die Zuverlässigkeit der Turbineneinheit als Ganzes und folglich, jene des Luftkreislaufkühlsystems als Ganzes erhöht werden, da im Kompressions-/Expansions-Turbinensystem eine stabilisierte Hochgeschwindigkeitsdrehzahl der Hauptwelle erhalten werden kann, während die angemessenen Zwischenräume der Rotoren aufrechterhalten werden, und die Langzeithaltbarkeit und die Lebensdauer jeder der Lagereinheiten erhöht werden kann. Da die stabilisierte Hochgeschwindigkeitsdrehzahl, die Langzeithaltbarkeit und die Zuverlässigkeit der Hauptwellenlagereinheiten der Turbineneinheit, welche bisher einen Hauptflaschenhals des Luftkreislaufkühlsystems gebildet hat, erhöht werden können, kann das Luftkreislaufkühlsystem jetzt praktisch eingesetzt werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Auf jeden Fall wird die vorliegende Erfindung aus der folgenden Beschreibung ihrer bevorzugten Ausführungsformen deutli cher verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen genommen wird. Die Ausführungsformen und die Zeichnungen sind jedoch nur zum Zweck der Veranschaulichung und Erläuterung gegeben, und sind nicht zum Begrenzen des Umfangs der vorliegenden Erfindung, in welcher Weise auch immer, heranzuziehen, wobei der Umfang der Erfindung durch die anhängenden Ansprüche bestimmt wird. In den begleitenden Zeichnungen werden durchweg gleiche Bezugszeichen zum Bezeichnen gleicher Teile in mehreren Ansichten verwendet, und:
  • 1 ist eine Längsschnittansicht einer Turbineneinheit, die darin eine in einen Motor eingebauten Magnetlagervorrichtung nach einer ersten und einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einschließt;
  • 2 ist ein Blockschaltbild, welches ein Beispiel einer in der in einen Motor eingebauten Magnetlagervorrichtung eingesetzten Magnetlagersteuerung zeigt;
  • 3 ist ein Blockschaltbild, welches ein Beispiel einer in der in einen Motor eingebauten Lagervorrichtung eingesetzten Motorsteuerung zeigt;
  • 4 ist eine Längsschnittansicht der Turbineneinheit, welche darin die in einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung nach einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einschließt;
  • 5 ist eine Längsschnittansicht der Turbineneinheit, welche darin die in einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung nach einer vierten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einschließt;
  • 6 ist eine Längsschnittansicht der Turbineneinheit, welche darin die in einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung nach einer fünften bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einschließt;
  • 7 ist eine Längsschnittansicht der Turbineneinheit, welche darin die in einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung nach einer sechsten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einschließt;
  • 8 ist ein Blockschaltbild, welches ein Beispiel der Magnetlagersteuerung und ein Beispiel der Motorsteuerung zeigt, welche in der in einen Motor eingebauten Magnetlagervorrichtung nach der sechsten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden;
  • 9 ist eine Längsschnittansicht der Turbineneinheit, welche darin die in einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung nach einer siebten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einschließt;
  • 10 ist eine Längsschnittansicht der Turbineneinheit, welche darin die in einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung nach einer achten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einschließt;
  • 11 ist eine Längsschnittansicht der Turbineneinheit, welche darin die in einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung nach einer neunten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einschließt;
  • 12 ist ein bruchstückhaftes vergrößertes Diagramm, mit einem weggebrochenen Abschnitt, einer in der in einen Motor eingebauten Magnetlagervorrichtung nach der neunten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzten Druckplatte;
  • 13 ist ein Systemdiagramm, welches ein Luftkreislaufkühlsystem zeigt, in welchem die Turbineneinheit angewandt wird, welche darin die in einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung nach einer der zweiten bis sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einschließt;
  • 14 ist ein Systemdiagramm, welches ein Luftkreislaufkühlsystem zeigt, in welchem die Turbineneinheit angewandt wird, welche darin die in einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung nach einer der siebten bis neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einschließt; und
  • 15 ist eine Längsschnittansicht der Turbineneinheit, welche darin die herkömmliche in einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung einschließt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Eine erste bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird jetzt mit besonderem Bezug auf die 1 bis 3 beschrieben. 1 veranschaulicht eine Schnittansicht einer Turbineneinheit, welche darin eine in einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung nach der ersten und dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einschließt.
  • Die gezeigte Turbineneinheit 5 bildet einen Teil eines Kompressions-/Expansions-Turbinensystems und enthält einen Kompressor 6 mit einem Kompressorrotor 6a und eine Expansionsturbine 7 mit einem Turbinenrotor 7a, wobei der Kompressor- und der Turbinenrotor 6a und 7a auf jeweiligen gegenüberliegenden Enden einer Hauptwelle 13 angebracht sind. Als Werkstoff für die Hauptwelle 13 wird ein Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt mit einer ausgezeichneten Magneteigenschaft verwendet.
  • Mit Bezug auf 1 enthält der Kompressor 6 ein Kompressorgehäuse 6b, welches zu einem Diffusor korrespondiert und dem Kompressorrotor 6a mit einem winzigen Zwischenraum d1 gegenübersteht, der zwischen dem Gehäuse 6b und dem Kompressorrotor 6a liegt und betriebsfähig ist, die Luft, welche von einer Lufteinlassöffnung 6c an dessen Mittelabschnitt axial eingesaugt wird, mit dem Kompressorrotor 6a zu komprimieren und dann die komprimierte Luft in einer durch den Pfeil 6d gezeigten Richtung von einem in dessen äußeren Randabschnitt definierten Ausgang (nicht gezeigt) zu entlassen.
  • Die Expansionsturbine 7 enthält ein Turbinengehäuse 7b, das dem Turbinenrotor 7a mit einem winzigen Zwischenraum d2 gegenübersteht, welcher zwischen dem Turbinengehäuse 7b und dem Turbinenrotor 7a liegt, und betriebsfähig ist, die Luft, welche von dessen äußeren Randabschnitt in einer durch den Pfeil 7c gezeigten Richtung eingesaugt wird, mit dem Turbinenrotor 7a adiabatisch auszudehnen und dann die ausgedehnte Luft von einer Auslassöffnung 7d an dessen Mittelabschnitt auszulassen.
  • Die in einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung bei dieser Turbineneinheit 5 weist eine Gestaltung auf, bei welcher eine auf die Hauptwelle 13 wirkende Radiallast durch eine Vielzahl von Lagereinheiten 15 und 16 abgestützt wird, und eine auf die Hauptwelle 13 wirkende Axiallast oder eine Lagervorspannung oder beide durch Elektromagneten 17 abgestützt werden, welche eine Magnetlagereinheit sind. Ferner enthält die in einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung einen Motor 28 mit Axialspalt zum Antreiben der Hauptwelle 13. Diese Turbineneinheit 5 enthält Sensoren 18 zum Feststellen einer auf die Hauptwelle 13 wirkenden Druckkraft, eine Magnetlagersteuerung 19 zum Steuern einer Hauptwellenabstützkraft, welche durch jeden der Elektromagneten 17 in Erwiderung auf eine Ausgabe der Sensoren 18 ausgeübt wird, und eine Motorsteuerung 29 zum Steuern des Motors 28 unabhängig von den Elektromagneten 17.
  • Die Elektromagneten 17 sind in einem Wellengehäuse 17 angeordnet, um jeweiligen gegenüberliegenden Flächen einer flanschförmigen Druckplatte 13a berührungsfrei gegenüberzustehen, welche aus einem ferromagnetischen Werkstoff hergestellt und koaxial auf der Hauptwelle 13 angebracht ist, um sich radial nach außen davon an einem im Allgemeinen axialen Mittelabschnitt der Hauptwelle 13 und auf einer Seite nahe der Expansionsturbine 7 zu erstrecken.
  • Der Motor 28 enthält einen Motorrotor 28a, welcher auf der Hauptwelle 13, angrenzend an die Druckplatte 13a, angebracht ist, und Motorstatoren 28b, welche den Motorrotoren 28a axial gegenüberstehen. Die Motorrotoren 28a sind durch Anordnen von umfänglich angrenzenden Permanentmagneten 28aa auf jeweiligen gegenüberliegenden Flächen einer flanschförmigen Druckplatte 13b ausgebildet, welche koaxial auf der Hauptwelle 13 angebracht ist, um sich radial nach außen davon an einem im Allgemeinen axialen Mittelabschnitt der Hauptwelle 13 oder auf einer Seite nahe dem Kompressor 6 zu erstrecken, wobei die Druckplatte 13b als deren Rückschluss dient. Jeder der Motorstatoren 28b enthält ein Statorjoch 28ba, welches aus einem ferromagnetischen Werkstoff hergestellt ist und im Wellenge häuse 14 angeordnet ist, um einer Fläche des Motorrotors 28a berührungsfrei gegenüberzustehen, und eine um das jeweilige Statorjoch 28ba gewickelte Spule 28bb. Dieser Motor 28 ist betriebsfähig, die Hauptwelle 13 mittels einer zwischen den Motorrotoren 28a und den Motorstatoren 28b entwickelten Magnetkraft oder Lorentzkraft zu rotieren. Es ist zu beachten, dass beim Motor 28 mit Axialspalt die zwischen den Motorrotoren 28a und den Statorjochen 28ba entwickelte Magnetkraft als eine negative Steifigkeit in der Axialrichtung wirkt.
  • Jede der Lagereinheiten 15 und 16 zum Abstützen der Hauptwelle 13 ist ein Wälzlager mit einer Regulierungsfunktion einer Axialposition und wird z. B. in Form eines Rillenkugellagers oder eines Schrägkugellagers eingesetzt. Im Fall des Rillenkugellagers weist dieses eine Drucklagerfunktion in beiden Richtungen auf und arbeitet, um jeweilige Axialpositionen der Innen- und Außenringe zurück in eine Neutralposition zu führen. Diese beiden Lagereinheiten 15 und 16 sind im Wellengehäuse 14 an jeweiligen zum Kompressorrotor 6a und zum Turbinenrotor 7a benachbarten Orten angeordnet.
  • Die Hauptwelle 13 weist eine gestufte Konfiguration mit einem Abschnitt mit großem Durchmesser 13c an deren Mittelabschnitt und Abschnitte mit reduziertem Durchmesser 13b an deren gegenüberliegenden Enden auf. Jede der Lagereinheiten 15 und 16 weist einen Innenring 15a und 16a auf, die auf dem korrespondierenden Abschnitt mit reduziertem Durchmesser 13d eingepresst sind, und weist ferner eine mit einer zwischen dem Abschnitt mit großen Durchmesser 13c und dem Abschnitt mit reduziertem Durchmesser 13d definierten Stufe in Eingriff stehende Endfläche auf.
  • Abschnitte des Wellengehäuses 14 auf einer Seite der Lagereinheiten 15 und 16, die jeweils zu den Rotoren 6a und 7a der Lagereinheiten 15 und 16 benachbart sind, weisen jeweils eine innere diametrale Fläche auf, welche mit einem ausreichenden Durchmesser gebildet ist, der es erlaubt, dass sie nahe an die Hauptwelle 13 reichen, und berührungsfreie Dichtungen 21 und 22 sind jeweils in jenen inneren diametralen Flächen gebildet. Obwohl die berührungsfreien Dichtungen 21 und 22 jeweils in der Form einer Labyrinthdichtung eingesetzt werden, die durch eine Vielzahl von in der korrespondierenden inneren diametralen Fläche des Wellengehäuses 14 und dessen Axialrichtung angeordneten Umfangsnuten definiert ist, kann stattdessen auch jede andere berührungsfreie Dichtung eingesetzt werden.
  • Die Sensoren 18 sind auf einer dem Turbinenrotor 7a benachbarten stationären Seite der Lagereinheit 16 vorgesehen, sprich, auf der Seite des Wellengehäuses 14. Die Lagereinheit 16, welche zur Anordnung der Sensoren 18 benachbart ist, weist einen starr in ein Lagergehäuse 23 angebrachten Außenring 16b auf. Das Lagergehäuse 23, welches in Ringform gebildet ist, weist ein mit einem Innenbund 23a gebildetes Ende auf, das mit einer Endfläche des Außenrings 16b der Lagereinheit 16 in Eingriff steht und welches axial beweglich auf einer inneren diametralen Fläche 24 angebracht ist, welche im Wellengehäuse 14 vorgesehen ist. Dieser Innenbund 23a ist an dem einen axial inneren Ende des Gehäuses 23 vorgesehen.
  • Die Sensoren 18 sind an jeweiligen Orten, z. B. zwei Orten, in einer Umfangsrichtung um die Hauptwelle 13 angeordnet und sind zwischen eine Endfläche des zum Innenbund 23a benachbarten Lagergehäuses 23 und dem Elektromagnet 17, welcher ein an das Wellengehäuse 14 befestigtes Element ist, geschaltet. Die Sensoren 18 werden ferner durch eine Sensorvorspannungsfeder 25 vorgespannt. Diese Sensorvorspannungsfeder 25 ist innerhalb einer Aufnahmeaussparung aufgenommen, welche im Wellengehäuse 14 zum Zwingen des Außenrings 16b der Lagereinheit 16 in die Axialrichtung definiert ist, und legt die Vorspannung an die Sensoren durch den Außenring 16b und das Lagergehäuse 23 an. Die Sensorvorspannungsfeder kann z. B. an einer Vielzahl von Umfangsorten um die Hauptwelle 13 vorgesehene Schraubfedern enthalten.
  • Die durch die Sensorvorspannungsfeder 25 angelegte Vorspannung dient dem Zweck, den Sensoren 18, welche eine Druckkraft mittels einer Anpresskraft feststellen, zu ermöglichen, eine Relativbewegung der Hauptwelle 13 in einer Axialrichtung festzustellen, und wird mit einem höheren Wert als eine mittlere Druckkraft gewählt, die auf die Hauptwelle 13 während eines normalen Betriebszustands der Turbineneinheit 5 wirkt.
  • Die Lagereinheit 15 auf der Seite, auf der kein Sensor 18 angeordnet ist, ist axial beweglich in Bezug auf das Wellengehäuse 14 angeordnet und wird durch eine Lagervorspannungsfeder 26 elastisch abgestützt. Im gezeigten Fall ist ein Außenring 15b der Lagereinheit 15 axial beweglich auf der inneren diametralen Fläche des Wellengehäuses 14 angebracht und die Lagervorspannungsfeder 26 ist zwischen den Außenring 15b und das Wellengehäuse 14 geschaltet. Die Lagervorspannungsfeder 26 liegt gegenüber einer gestuften Fläche der Hauptwelle 13, mit welcher eine Endfläche eines Innenrings 15a in Eingriff steht, um den Außenring 15b zu zwingen, um dadurch eine Vorspannung auf die Lagereinheit 15 anzulegen. Diese Lagervorspannungsfeder 26 ist in Form von Schraubfedern oder dgl. an einer Vielzahl von Umfangsorten um die Hauptwelle 13 vorgesehen und ist innerhalb einer Aufnahmeaussparung aufgenommen, die im Wellengehäuse 14 definiert ist. Die Lagervorspannungsfeder 26 weist eine kleinere Federkonstante als jene der Sensorvorspannungsfeder 25 auf.
  • Das dynamische Modell der in der Turbineneinheit 5 des oben beschriebenen Aufbaus eingesetzten in einen Motor eingebauten Magnetlagervorrichtung kann mittels eines einfachen Federsys tems veranschaulicht werden. Mit anderen Worten enthält dieses Federsystem eine Verbundfeder, welche durch die Lagereinheiten 15 und 16 und ein Abstützsystem dieser Lagereinheiten (enthaltend die Sensorvorspannungsfeder 25, die Lagervorspannungsfeder 26, das Lagergehäuse 23 und andere) definiert ist, und eine durch ein von den Elektromagneten 17 und dem Motor 28 umfasstes Motorteil definierte Verbundfeder, wobei diese Verbundfedern parallel zueinander angeordnet sind. In diesem Federsystem stellt die durch die Lagereinheiten 15 und 16 und deren Abstützsystem definierte Verbundfeder eine Steifigkeit dar, welche in einer Richtung gegen die Verschieberichtung und proportional zur Menge einer derartigen Verschiebung wirkt, wobei die durch das von den Elektromagneten 17 und dem Motor 28 umfasste Motorteil definierte Verbundfeder eine negative Steifigkeit darstellt, welche in einer mit der Verschieberichtung und proportional zur Menge einer derartigen Verschiebung übereinstimmenden Richtung wirkt.
  • Aus diesem Grund wird, falls das Größenverhältnis zwischen den jeweiligen Steifigkeiten der obigen Verbundfedern durch die folgende Formel ausgedrückt wird: Steifigkeit der Verbundfeder der Lagereinheiten und anderer < negative Steifigkeit der Verbundfeder des Motorteils (1)das mechanische System eine um 180° verzögerte Phase aufweisen und wird folglich ein unstabiles System aufwerfen und demnach wird die Magnetlagervorrichtung 19 es zum Steuern der Elektromagneten 17 erfordern, dass eine Phasenkompensationsschaltung hinzugefügt wird, was zu einem komplizierten Aufbau der Steuerung 19 führt.
  • Im Hinblick auf Obiges wird bei der in einen Motor eingebauten Magnetlagervorrichtung nach dieser Ausführungsform das Größenverhältnis zwischen den obigen Verbundfedern derart gewählt, dass es durch die folgende Formel ausgedrückt wird: Steifigkeit der Verbundfeder der Lagereinheiten und anderer > negative Steifigkeit der Verbundfeder des Motorteils (2)
  • Durch derartiges Einstellen des Größenverhältnisses zwischen den jeweiligen Steifigkeiten der Verbundfedern, wie voranstehend beschrieben, ist es daher möglich, die Möglichkeit zu vermeiden, dass die Phase des mechanischen Systems um 180° im Steuerbereich verschoben ist, und daher kann, sogar wenn eine übermässige Drucklast wirkt, ein durch die Magnetlagersteuerung 19 zu steuerndes Ziel stabilisiert werden und die Steuerung 19 kann eine vereinfachte Schaltungskonfiguration unter Verwendung eines Proportional- oder Proportional-Integral-Reglers, wie in 2 gezeigt, aufweisen.
  • Bei der in einem Blockschaltbild in 2 gezeigten Magnetlagersteuerung 19 werden die Feststellungsausgaben P1 und P2 von den Sensoren 18 durch eine Sensorausgabeberechnungsschaltung 30 zueinander addiert oder voneinander subtrahiert; ein derart erhaltenes Berechnungsergebnis wird durch einen Vergleicher 31 mit einem Referenzwert verglichen, der von einer Referenzwerteinstelleinheit 32 eingespeist wird, um eine Abweichung zu berechnen; und eine derart berechnete Abweichung wird schließlich einer Proportional-Integral-Regelung (oder Proportional-Regelung) unterzogen, die geeigneterweise durch eine PI-Kompensationsschaltung (oder eine P-Kompensationsschaltung) 33 gemäß der Turbineneinheit 5 eingestellt ist, wodurch an die Elektromagneten 17 anzulegende Steuersignale berechnet werden können. Eine Ausgabe der PI-Kompensationsschaltung (oder der P-Kompensationsschaltung) 33 wird durch Dioden 34 und 35 an Leistungsschaltungen 36 und 37 zum Antreiben der Elektromagneten 171 und 172 in den jeweiligen Richtungen angelegt. Die Elektromagneten 171 und 172 korrespondieren jeweils zu den Elektromagneten 17, welche der in 1 gezeigten Druckplatte 13a gegenüberliegen, und da nur die magnetische Anziehungskraft wirkt, werden jeweilige Flussrichtung elektrischer Ströme vorher durch die Dioden 34 und 35 bestimmt, so dass die Elektromagneten 171 und 172 wahlweise angetrieben werden können.
  • Bei der im Blockschaltbild in 3 gezeigten Motorsteuerung 29 wird auf der Grundlage eines Rotationssynchronisationsbefehls die Phaseneinstellung eines Motoreintriebsstroms durch eine Phaseneinstellschaltung 38 mit Verwendung des Rotationswinkels des Motorrotors 28a als Rückmeldesignal ausgeführt, und der derart eingestellte Motorantriebsstrom wird von einer Motorantriebsschaltung 39 an die Motorstatoren 28b angelegt, so dass eine konstante Rotationssteuerung ausgeführt werden kann. Der obige Rotationssynchronisationsbefehl wird in Abhängigkeit einer von einem Rotationswinkelfeststellsensor (nicht gezeigt), der im Motorrotor 28a vorgesehen ist, erzeugten Ausgabe berechnet.
  • Die Turbineneinheit 5 mit dem zuvor beschriebenen Aufbau wird z. B. in einem Luftkreislaufkühlsystem angewandt. Und die Einheit 5 wird derart verwendet, dass, um der Luft, welche als Kühlmittel verwendet wird, zu ermöglichen, einen Wärmeaustausch effizient in einem Wärmetauscher (nicht gezeigt) in der nachfolgenden Stufe auszuführen, wobei die Luft durch den Kompressor 6 komprimiert wird, um die Temperatur zu erhöhen, und die Luft, welche durch den Wärmetauscher in der nachfolgenden Stufe gekühlt wird, wird durch die Expansionsturbine 7 mittels adiabatischer Ausdehnung, auf eine Zieltemperatur abgekühlt wird, die eine sehr tiefe Temperatur von z. B. –30 bis –60°C ist, bevor die Luft entlassen wird.
  • Wie oben diskutiert, sind in diesem Beispiel bei dieser Turbineneinheit 5 der Kompressorrotor 6a und der Turbinenrotor 7a auf der Hauptwelle 13 angebracht, welche gemeinsam für die Druckplatte 13a und den Motorrotor 28a ist, und der Kompressorrotor 6a wird durch eine durch den Motor 28 erzeugte Leistung oder eine durch den Turbinenrotor 7a erzeugte Leistung oder beide angetrieben. Deswegen kann eine stabile Hochgeschwindigkeitsdrehzahl der Hauptwelle 13 erhalten werden, während die angemessenen Zwischenräume d1 und d2 jeweils für die Rotoren 6a und 7a aufrechterhalten werden, und eine Erhöhung der Langzeithaltbarkeit und der Lebenszeit der Lagereinheiten 15 und 16 kann erhalten werden.
  • Um die Effizienz der Kompression und Expansion der Turbineneinheit 5 sicherzustellen, ist es mit anderen Worten notwendig, die jeweiligen Zwischenräume d1 und d2 zwischen den Rotoren 6a und 7a und den Gehäusen 6b und 7b auf einem kleinen Wert aufrechtzuerhalten. Wenn diese Turbineneinheit 5 für das Luftkreislaufkühlsystem angewandt wird, ist es beispielsweise wichtig, die Effizienz der Kompression und Expansion der Turbineneinheit 5 sicherzustellen. Da die Hauptwelle 13 durch die Wälzlagereinheiten 15 und 16 abgestützt wird, kann insofern die Axialposition der Hauptwelle 13 durch die Funktion der Wälzlager zum Regulieren der Position in der Axialrichtung um ein bestimmtes Maß reguliert werden, und demnach werden die jeweiligen Zwischenräume d1 und d2 zwischen den Rotoren 6a und 7a und den Gehäusen 6b und 7b auf einem konstanten Wert gehalten.
  • Die Hauptwelle 13 der Turbineneinheit 5 wird jedoch durch die Wirkung z. B. des auf jeden der Rotoren 6a und 7a wirkenden Luftdrucks und einer durch den Motor 28 verursachten Magnetkraft einer Druckkraft ausgesetzt. Im Fall der in einem Luftkühlsystem verwendeten Turbineneinheit 5 rotiert die Hauptwelle 13 ferner bei einer sehr hohen Geschwindigkeit von z. B. 80.000 bis 100.000 Umdrehungen pro Minute. Wenn die Druckkraft einer oben diskutierten Art auf die Wälzlagereinheiten 15 und 16 beim rotierenden Abstützen der Hauptwelle 13 wirkt, neigt aus diesen Gründen die Langzeithaltbarkeit dieser Lagereinheiten 15 und 16 dazu, sich zu verringern.
  • Diese jetzt diskutierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist dahingehend wirksam, dass die auf die Wälzlagereinheiten 15 und 16 zum Abstützen der Hauptwelle 13 wirkende Druckkraft reduziert werden kann, während ein Anstieg eines Drehmoments berührungsfrei reduziert werden kann, da die Druckkraft der oben diskutierten Art durch die Elektromagneten 17 abgestützt wird. Da die Sensoren 18 zum Feststellen der auf die Hauptwelle 13 wirkenden Druckkraft und die Magnetlagersteuerung 19 zum Steuern der durch die Elektromagneten 17 (171 und 172 ) in Erwiderung auf die Ausgaben der Sensoren 18 geleisteten Abstützkraft vorgesehen worden sind, können in diesem Fall die Wälzlagereinheiten 15 und 16 in einem optimalen Zustand gegen die Druckkraft in Abhängigkeit der Vorgaben jener Lagereinheiten verwendet werden.
  • Insbesondere da die Sensoren 18 nahe der Lagereinheit 16 angeordnet sind, kann die in Frage kommende auf die Lagereinheit 16 wirkende Druckkraft direkt gemessen werden, und die Genauigkeit einer derartigen Messung ist hoch, was es möglich macht, die Druckkraft präzise zu steuern.
  • 4 veranschaulicht eine zweite bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese zweite Ausführungsform ist ähnlich zu der in einen Motor eingebauten Magnetlagervorrichtung nach der ersten Ausführungsform, welche mit besonderem Bezug auf 1 beschrieben und gezeigt worden ist, unterscheidet sich aber davon darin, dass der Motor 28 mit Axialspalt von einem Motorrotor 28a, welcher einen Permanentmagnet 28aa enthält, der in einer Fläche der Druckplatte 13b an geordnet ist, und einem Motorstator 28b umfasst wird, der im Wellengehäuse 14 vorgesehen ist, um der einen Fläche auf der Seite, in welcher der Permanentmagnet 28aa des Motorrotors 28a angeordnet ist, berührungsfrei gegenüberzustehen. Andere als jene oben beschriebenen Aufbaumerkmale sind ähnlich zu jenen, die in der voranstehend beschriebenen ersten Ausführungsform gezeigt und eingesetzt worden sind.
  • An nächster Stelle wird eine dritte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammen mit 1 beschrieben, auf welche Bezug in Verbindung mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung genommen worden ist. Es ist zu beachten, dass die Details der Elemente in dieser Ausführungsform, die gemeinsam mit jenen der ersten Ausführungsform sind, der Kürze wegen nicht wiederholt werden.
  • Der Motorstator 28b des Motors 28 hat einen Aufbau, in welchem ein aus einem ferromagnetischen Werkstoff hergestelltes und im Wellengehäuse 14 angeordnetes Statorjochpaar 28ba mit jeweiligen Spulen 28bb ohne Kern vorgesehen ist. Dieser Motor 28 rotiert die Hauptwelle 13 mittels einer zwischen dem Motorrotoren 28a und den Motorstatoren 28b entwickelten Lorentzkraft. Da der Motor 28 mit Axialspalt in dieser dritten Ausführungsform in Form eines kernlosen Motors eingesetzt wird, ist die durch eine Magnetkopplung zwischen den Motorrotoren 28a und den Motorstatoren 28b verursachte negative Steifigkeit null.
  • Mit anderen Worten ist es bei dieser in einen Motor eingebauten Magnetlagervorrichtung möglich, die auf den Motor 28 wirkende negative Steifigkeit null werden zu lassen, sogar in einem Zustand, in welchem eine hohe Last auf den Motor 28 wirkt, da der Motor 28 mit Axialspalt in Form eines kernlosen Motors eingesetzt wird, wobei das hierin zuvor diskutierte, durch die Formel (2) ausgedrückte Größenverhältnis aufrechterhalten werden kann.
  • Im Ergebnis ist es möglich, im Steuerbereich zu vermeiden, dass die Phase des mechanischen Systems um 180° verzögert ist, und demnach kann das durch die Steuerung 19 zu steuernde Ziel, sogar wenn die Maximallast wirkt, stabilisiert werden und die Steuerung 19 kann eine vereinfachte Schaltungskonfiguration unter Verwendung eines Proportional- oder Proportional-Integral-Reglers aufweisen, wie in 2 in Verbindung mit der ersten Ausführungsform gezeigt ist.
  • An nächster Stelle wird eine vierte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit besonderem Bezug auf 5 beschrieben. 5 veranschaulicht eine Längsschnittansicht der Turbineneinheit 5, welche darin die in einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung nach dieser Ausführungsform einschließt. In dieser Ausführungsform werden in Verbindung mit dieser Ausführungsform gezeigte und beschriebene Komponententeile, welche gleich zu jenen, die in Verbindung mit der ersten Ausführungsform gezeigt und beschrieben worden sind, durch die gleichen in Verbindung mit der ersten Ausführungsform eingesetzten Bezugszeichen bezeichnet, und daher werden deren Details der Kürze wegen nicht wiederholt.
  • In dieser vierten bevorzugten Ausführungsform sind die Elektromagneten 17 im Wellengehäuse 14 angeordnet, um den gegenüberliegenden Flächen der flanschartigen, aus einem ferromagnetischen Werkstoff hergestellten Druckplatte 13a gegenüberzustehen, wobei die Platte 13a auf dem Mittelabschnitt der Hauptwelle 13 koaxial angebracht ist, um sich radial nach außen davon zu erstrecken, und als das Elektromagnetziel verwendet wird.
  • Der Motor 28 enthält Motorrotoren 28a, welche auf der Hauptwelle 13 angebracht sind, und Motorstatoren 28b, welche den Motorrotoren 28a axial gegenüberliegen. Die Motorrotoren 28a sind eingebaut, indem Permanentmagneten 28aa auf jeweiligen äußeren diametralen Abschnitten der gegenüberliegenden Flächen der Druckplatte 13a entfernt von deren verbleibenden Abschnitten liegen, welche den zugeordneten Elektromagneten 17 gegenüberstehen, so dass sie gleich weit voneinander beabstandet in deren Umfangsrichtung sind. Zwischen den Permanentmagneten 28aa, welche derart angeordnet sind, um in Bezug aufeinander axial gegenüberzuliegen, sind deren Magnetpole derart eingestellt, dass sie sich voneinander unterscheiden. Da der Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt mit einer ausgezeichneten Magneteigenschaft für die Hauptwelle 13 verwendet wird, dient die in einer Struktur integral mit der Hauptwelle 13 vorgesehene Druckplatte 13a gleichzeitig als ein Rückschluss für die Permanentmagneten 28aa.
  • Die Motorstatoren 28b sind durch Wickeln von Motorspulen 28bb jeweils um die Statorjoche 28ba ausgebildet, welche aus einem ferromagnetischen Werkstoff (z. B. einem Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt und einer Siliziumstahlplatte) hergestellt und auf dem Wellengehäuse 14 angeordnet sind, um den zugehörigen Motorrotoren 28a auf den gegenüberliegenden Flächen der Druckplatte 13a berührungsfrei gegenüberzustehen. Mit anderen Worten enthält jeder der Motorstatoren 28b ein Statorjoch 28ba, welches aus einem ferromagnetischen Werkstoff hergestellt und im Wellengehäuse 14 angeordnet ist, um einer Fläche des Motorrotors 28a berührungsfrei gegenüberzustehen, sowie eine um das jeweilige Statorjoch 28ba gewickelte Spule 28bb. Dieser Motor 28 ist betriebsfähig, die Hauptwelle 13 mittels einer zwischen den Motorrotoren 28a und den Motorstatoren 28b entwickelten Magnetkraft zu rotieren. Es ist zu beachten, dass in den linken und rechten Motoren 28 mit Axialspalt, zwischen welche die Druckplatte 13a in der oben be schriebenen Weise eingelegt ist, die zwischen den Motorrotoren 28a und den Statorjochen 28ba entwickelte Magnetkraft als eine negative Steifigkeit in der Axialrichtung wirkt. Da die Position der Motorrotoren 28a in Bezug auf die Druckplatte 13a gewählt ist, auf einer äußeren diametralen Seite der Position zu sein, an welcher die Elektromagneten 17 gegenüberliegen, kann in einem derartigen Fall ein größeres Drehmoment mit einem minimierten Motorantriebsstrom erhalten werden.
  • Da die Motorrotoren 28a des Motors 28 mit Axialspalt auf gegenüberliegenden Flächen der auf der Hauptwelle 13 angebrachten Druckplatte 13a, gemeinsam mit dem Elektromagnetziel, angeordnet sind, besteht, wie oben beschrieben, kein Bedarf, die Hauptwelle 13, getrennt von der Druckplatte für den Motor 28, mit einer Druckplatte zu versehen, welche ein Elektromagnetziel bildet, und die Hauptwelle 13 kann eine reduzierte Wellenlänge aufweisen, die durch eine Erhöhung der natürlichen Frequenz der Hauptwelle 13 begleitet wird, und daher kann die Hauptwelle 13 mit einer hohen Geschwindigkeit angetrieben werden.
  • Es ist zu beachten, dass obwohl in dieser jetzt diskutierten Ausführungsform der Einsatz von zwei Motoren 29 mit Axialspalt und die Anordnung auf den jeweiligen Seiten der Druckplatte 13a gezeigt und beschrieben worden ist, Anordnungen gemacht werden können, in denen nur ein Motor 28 mit Axialspalt auf einer Seite der Druckplatte 13a angeordnet ist.
  • 6 veranschaulicht eine fünfte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform ist derart gestaltet, dass bei der in einen Motor eingebauten Magnetlagervorrichtung nach der vierten Ausführungsform, welche mit besonderem Bezug auf 5 beschrieben und gezeigt ist, der Rückschluss des Elektromagnets 17 aus einem einheitlichen ferromagnetischen Werkstoff (z. B. einem Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt und einer Siliziumstahlplatte) gemeinsam mit dem Statorjoch 28ba hergestellt ist, welches der Rückschluss des Motorstators 28b ist. Andere Aufbaumerkmale als jene oben beschriebenen, sind gleich zu jenen, die in Verbindung mit der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind.
  • Wie oben beschrieben, kann die Handhabung des Motorstators 28b und des Elektromagnets 17, der ein Komponententeil ist, zum Vereinfachen der Montage oder dgl. vereinfacht werden, wenn der Rückschluss des Elektromagnets 17 und der Rückschluss 28ba des Motorstators 28b (Statorjoch 28ba) von integraler Struktur sind.
  • Die 7 und 8 veranschaulichen eine sechste bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform ist ähnlich zu der in einem Motor eingebauten Magnetlagervorrichtung nach der vierten Ausführungsform, die in Verbindung mit der in 5 gezeigten vierten Ausführungsform beschrieben worden ist, unterscheidet sich davon aber darin, dass der Motor 28 so ausgebildet ist, die Funktion des Elektromagnets 17 zu unterstützen.
  • Wie in dem Blockschaltbild in 8 gezeigt ist, werden bei der Magnetlagersteuerung 19, in einer zu jener zuvor in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschriebenen Weise, die Feststellungsausgaben P1 und P2 von den Sensoren 18 durch eine Sensorausgabeberechnungsschaltung 30 zueinander addiert oder voneinander subtrahiert; ein derart erhaltenes Berechnungsergebnis wird durch einen Vergleicher 31 mit einem Referenzwert verglichen, welcher von einer Referenzwerteinstelleinheit 32 eingespeist wird, um eine Abweichung zu berechnen; und eine derart berechnete Abweichung wird schließlich einer Proportional-Integral-Regelung (oder Proportional-Regelung) unterzogen, welche durch eine PI-Kompensationsschaltung (oder eine P-Kompensationsschaltung) 33 nach der Turbineneinheit 5 geeignet eingestellt wird, wodurch an die Elektromagneten 17 anzulegende Steuersignale berechnet werden können. Auf der Grundlage eines durch die PI-Kompensationsschaltung (oder die P-Kompensationsschaltung) berechneten Steuersignals werden die Elektromagneten 171 und 172 durch die Dioden 34 und 35 angetrieben. Andererseits wird bei der Motorsteuerung 29 in einer Phaseneinstellschaltung 38 für den Motorantriebsstrom auf Grundlage des durch die PI-Kompensationsschaltung (oder die P-Kompensationsschaltung) 33 berechneten Steuersignals und eines Rotations-Synchronisations-Befehls die Phaseneinstellung ausgeführt, um die Magnetlagerfunktion mittels der Elektromagneten 17 zu unterstützen, und der derart eingestellte Motorantriebsstrom in Phase wird von einer Motorantriebsschaltung 39 an die Motorstatoren 28b angelegt, woraus sich eine konstante Rotation des Motors 28 ergibt. Andere Aufbaumerkmale als jene oben beschriebenen sind ähnlich zu jenen, die in Verbindung mit der vierten Ausführungsform gezeigt und beschrieben worden sind.
  • Eine siebte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird jetzt mit besonderem Bezug auf 9 beschrieben. 9 veranschaulicht eine Längsschnittansicht der Turbineneinheit 5, welche darin die in einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung nach dieser Ausführungsform einschließt. In dieser Ausführungsform sind in Verbindung mit dieser Ausführungsform gezeigte und beschriebene Komponententeile, welche ähnlich zu jenen, die in Verbindung mit der ersten Ausführungsform gezeigt und beschrieben worden sind, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, die in Verbindung mit der ersten Ausführungsform verwendet worden sind, und daher werden deren Details der Kürze wegen nicht wiederholt.
  • Die Elektromagneten 17 sind als Paar im Wellengehäuse 14 angeordnet, um Rückflächen oder Flächen berührungsfrei gegenüberzustehen, die gegenüberliegenden Richtungen von zwei flanschförmigen Druckplatten 13a und 13b zugewandt sind, die koaxial auf der Hauptwelle an deren axialen Mittelabschnitt angebracht sind, um sich radial nach außen zu erstrecken und um in Bezug aufeinander axial nebeneinanderzuliegen, und welche aus einem ferromagnetischen Werkstoff hergestellt sind. Insbesondere ist einer der Elektromagneten 17, welcher einen Teil der Magnetlagereinheit bildet, innerhalb des Wellengehäuses 14 angeordnet, wobei dessen Elektromagnetziel durch eine der Rückflächen dargestellt wird, welche in Richtung der Expansionsturbine 7 orientiert ist und auf der auf einer Seite nahe der Expansionsturbine 7 angeordneten Druckplatte 13a vorgesehen ist, um dieser Rückfläche gegenüberzustehen. Ferner ist der andere Elektromagnet 17, der einen anderen Teil der Magnetlagereinheit bildet, innerhalb des Wellengehäuses 14 angeordnet, wobei dessen Elektromagnetziel durch eine der Rückflächen dargestellt wird, welche in Richtung des Kompressors 6 orientiert ist und auf der auf einer Seite nahe dem Kompressor 6 angeordneten Druckplatte 13b vorgesehen ist, um der anderen der Rückflächen gegenüberzustehen.
  • Der Motor 28 ist eine Motoreinheit, welche Motorrotoren 28a, die auf der Hauptwelle 13 neben den Elektromagneten 17 angebracht sind, und einen Motorstator 28b enthält, der in Bezug auf diese Motorrotoren 28a axial gegenüberliegt. Insbesondere sind die einen Teil der Motoreinheit bildenden Motorrotoren 28a durch Anordnen von Permanentmagneten 28aa jeweils auf Vorderflächen oder gegenüberliegenden Flächen der jeweiligen Druckplatten 13a und 13b ausgeführt, die in einer Gegenrichtung zu den zugeordneten Elektromagneten 17 gegenüberstehen, sprich, die einander gegenüberliegen, um gleich weit voneinander beabstandet in deren Umfangsrichtung zu sein. Auf diese Weise werden die Magnetpole zwischen den axial gegenüberlie gend zueinander angeordneten Permanentmagneten 28aa gegenüberliegend zueinander festgelegt. Da der Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt mit einer ausgezeichneten Magneteigenschaft für die Hauptwelle 13 eingesetzt wird, kann jede der derart vorgesehenen Druckplatten 13a und 13b zum Bilden eines integralen Aufbaus mit der Hauptwelle 13 verwendet werden, um gleichzeitig als ein Rückschluss der Permanentmagneten 28aa und des Elektromagnetziels zu dienen.
  • Der den anderen Teil der Motoreinheit bildende Motorstator 28b ist derart ausgeführt, dass an einer zwischen dem linken und dem rechten Motorrotor 28a eingelegten axialen Zwischenposition eine Spule 28ba, die in einem kernlosen Zustand angeordnet ist, um den jeweiligen Flächen der Motorrotoren 28a berührungsfrei gegenüberzustehen, im Wellengehäuse 14 angeordnet werden kann. Dieser Motor 28 ist betriebsfähig, die Hauptwelle 13 mittels einer zwischen den Motorrotoren 28a und den Motorstatoren 28b entwickelten Lorentzkraft anzutreiben. Somit ist die durch die Magnetkopplung zwischen den Motorrotoren 28a und dem Motorstator 28b verursachte negative Steifigkeit null, da der Motor 28 mit Axialspalt in Form eines kernlosen Motors eingesetzt wird.
  • Mit anderen Worten ist es bei dieser in einen Motor eingebauten Magnetlagervorrichtung möglich, da der Motor 28 mit Axialspalt in Form eines kernlosen Motors eingesetzt wird, die negative Steifigkeit, welche auf den Motor 28 wirkt, null werden zu lassen, sogar in einem Zustand, in welchem eine hohe Last auf den Motor 28 wirkt, wobei das durch die hierin zuvor in Verbindung mit der ersten Ausführungsform diskutierte Formel (2) ausgedrückte Größenverhältnis aufrechterhalten werden kann.
  • Im Ergebnis ist es im Steuerbereich möglich, zu vermeiden, dass die Phase des mechanischen Systems um 180° verzögert ist und demnach kann, sogar wenn die Maximallast wirkt, das durch die Steuerung 19 zu steuernde Ziel stabilisiert werden und die Steuerung 19 kann eine vereinfachte Schaltungskonfiguration unter Verwendung eines Proportional- oder Proportional-Integral-Reglers aufweisen, wie in 2 in Verbindung mit der ersten Ausführungsform gezeigt ist.
  • Ferner können bei dieser Ausführungsform die Magnetlagereinheit und die Motoreinheit als eine kompakte einheitliche Konstruktion gebildet werden, wenn die Magnetlagereinheit durch Anordnen der beiden Elektromagnete 17 an jeweiligen Orten axial außerhalb der beiden Druckplatten 13a und 13b gebildet ist, welche auf der Hauptwelle 13 axial nebeneinanderliegend angebracht sind, und ferner die Motoreinheit durch Anordnen des Motors 28 mit Axialspalt an einem zwischen den Druckplatten 13a und 13b eingelegten Ort gebildet ist. Demnach kann die Wellenlänge der Hauptwelle 13 vermindert werden, was durch eine Erhöhung der natürlichen Frequenz der Hauptwelle begleitet wird, die ausreicht, um das Antreiben der Hauptwelle 13 bei einer hohen Geschwindigkeit zuzulassen.
  • Eine achte bevorzugte Ausführungsform wird nachfolgend mit besonderem Bezug auf 10 beschrieben. 10 veranschaulicht eine Längsschnittansicht der Turbineneinheit 5, die darin die in einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung nach dieser Ausführungsform einschließt. In dieser Ausführungsform werden Komponententeile, die in Verbindung mit dieser Ausführungsform gezeigt und beschrieben sind, welche ähnlich zu jenen, die in Verbindung mit der ersten und der siebten Ausführungsform gezeigt und beschrieben worden sind, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, die in Verbindung mit der ersten und siebten Ausführungsform verwendet worden sind, und daher werden deren Details der Kürze wegen nicht wiederholt.
  • Während der Motorstator 28b des Motors 28 einen identischen Aufbau mit jenem in der siebten Ausführungsform eingesetzten aufweist, unterscheiden sich die Motorrotoren 28a von jenen in der siebten Ausführungsform eingesetzten in folgender Hinsicht. Die Permanentmagneten 28aa der Motorrotoren 28a sind an den jeweiligen Flächen der Druckplatten 13a und 13b durch die Verwendung eines Bindemittels befestigt. Zwischen den axial in Bezug aufeinander gegenüberliegend angeordneten Permanentmagneten 28aa unterscheiden sich deren Magnetpole. Ferner ist ein äußerer diametraler Abschnitt jeder der jeweiligen Flächen der Druckplatten 13a und 13b, an welche die Permanentmagneten 28aa gebunden werden, mit einem Bund 13aa und 13ba mit einer Höhe gebildet, die gleich oder größer ist als die Dicke der Permanentmagneten 28aa. Mit anderen Worten werden die Permanentmagneten 28aa an jede der jeweiligen Flächen der Druckplatten 13a und 13b in einer eingebetten Art gebunden, ohne es den Flächen der Permanentmagneten 28aa zu erlauben, von Spitzen der Bünde 13aa und 13ba vorzuspringen. Da der Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt mit einer ausgezeichneten Magneteigenschaft für die Hauptwelle 13 verwendet wird, dienen die in einem integralen Aufbau mit der Hauptwelle 13 vorgesehenen Druckplatten 13a und 13b gleichzeitig als ein Rückschluss für die Permanentmagneten 28aa und das Elektromagnetziel.
  • Da in dieser in einen Motor eingebauten Magnetlagervorrichtung, wie hierin oben beschrieben ist, ein Abschnitt des äußeren diametralen Abschnitts jeder der Druckplatten 13a und 13b, welcher auf einer Seite benachbart zu den Permanentmagneten 28aa liegt, mit dem jeweiligen Bund 13aa und 13ba gebildet ist, sind die Bünde 13aa und 13ba in den äußeren diametralen Abschnitten der Druckplatten wirksam, die Streuung der Permanentmagneten 28aa von den Druckplatten 13a und 13b unter dem Einfluss der während der Rotation der Hauptwelle 13 entwickelten Zentrifugalkraft zu vermindern, sogar wenn die Bindungsstärke des zum Sichern der Permanentmagneten 28aa für die Motorrotoren 28a an die Druckplatten 13a und 13b verwendeten Bindemittels sich thermisch oder im Laufe der Zeit verschlechtert.
  • Falls die Höhe jedes der Bünde 13aa und 13ba der Druckplatten 13a und 13b geringer ist als die Dicke der Permanentmagneten 28aa, besteht zusätzlich das Risiko, dass, wenn die Permanentmagneten 28aa gegen die Bünde 13aa und 13ba gepresst werden, die Permanentmagneten 28aa komprimiert und folglich zerstört werden können, weil eine in den Kanten der Bünde 13aa und 13ba entwickelte Kantenlast auf Seitenflächen der Permanentmagneten 28aa wirkt. Da jedoch bei der veranschaulichten Ausführungsform die Höhe jedes der Bünde 13aa und 13ba ausgewählt ist, gleich oder höher als die Dicke der Permanentmagneten 28aa zu sein, ist es möglich, die Möglichkeit zu vermeiden, dass die in den Kanten der Bünde 13aa und 13ba entwickelte Kantenlast die Seitenflächen der Permanentmagneten 28aa wirkt, und daher kann eine Kompressionszerstörung der Permanentmagneten 28aa vermieden werden.
  • Nachstehend wird eine neunte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit besonderem Bezug auf die 11 und 12 beschrieben. In 11 veranschaulicht eine Längsschnittansicht der Turbineneinheit 5, die darin die in einen Motor eingebaute Motorlagervorrichtung nach dieser Ausführungsform einschließt. In dieser Ausführungsform sind Komponententeile, welche in Verbindung mit dieser Ausführungsform gezeigt und beschrieben werden, welche ähnlich zu jenen sind, die in Verbindung mit der ersten, siebten und achten Ausführungsform gezeigt und beschrieben worden sind, durch die gleichen in Verbindung mit der ersten, siebten und achten Ausführungsform eingesetzten Bezugszeichen bezeichnet, und daher werden deren Details der Kürze wegen nicht wiederholt.
  • Sogar in dieser Ausführungsform wird als ein Werkstoff für die Hauptwelle ein Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt (ein einsatzgehärteter Stahl (SCM 415, SCM 420), S15CK und andere) eingesetzt und die beiden Druckplatten 13a und 13b sind integral mit der Hauptwelle 13 gebildet.
  • Bei dieser Ausführungsform ist ein äußerer diametraler Abschnitt jeder der jeweiligen Flächen der Druckplatten 13a und 13b, an welche die Permanentmagneten 28aa gebunden sind, mit einem Bund 13aa und 13ba gebildet, dessen Höhe gleich oder größer ist als die Dicke der Permanentmagneten 28aa, um die Streuung der Permanentmagneten zu vermeiden. Mit anderen Worten werden die Permanentmagneten 28aa an jede der jeweiligen Flächen der Druckplatten 13a und 13b in einer eingebetteten Art gebunden, ohne den Flächen der Permanentmagneten 28aa zu erlauben, von Spitzen der Bünde 13aa und 13ba vorzuspringen.
  • Da der äußere diametrale Abschnitt jeder der Druckplatten 13a und 13b mit dem jeweiligen Bund 13aa und 13ba gebildet ist, sind die Bünde 13aa und 13ba in den äußeren diametralen Abschnitten der Druckplatte, wie oben beschrieben ist, wirksam zum Vermeiden der Streuung der Permanentmagneten 28aa der Druckplatten 13a und 13b unter dem Einfluss der während der Rotation der Hauptwelle 13 entwickelten Zentrifugalkraft, sogar wenn die Bindungsstärke des zum Sichern der Permanentmagneten 28aa für die Motorrotoren 28a an die Druckplatten 13a und 13b verwendeten Bindemittels sich thermisch oder im Laufe der Zeit verschlechtert.
  • Da der Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt mit ausgezeichneter Magneteigenschaft für die Hauptwelle 13 verwendet wird, ist, wie hierin oben beschrieben, zu beachten, dass die in einem integralen Aufbau mit der Hauptwelle 13 vorgesehenen Druckplatten 13a und 13b gleichzeitig als ein Rückschluss für die Permanentmagneten 28aa und den Elektromagnet dienen.
  • Wie in 12 in vergrößertem Maßstab gezeigt ist, werden die jeweiligen Grundabschnitte der beiden Druckplatten 13a und 13b einer Eckabrundung oder Abfasung unterzogen, um R1 oder mehr aufzuweisen. Die Flächen der Druckplatten 13a und 13b, an welchen die Permanentmagneten 28aa angeordnet sind, die Grundabschnitte der Druckplatten 13a und 13b, die Bünde 13aa und 13ba und die Grundabschnitte dieser Bünde 13aa und 13ba werden einer Einsatzhärtung und Abschreckbehandlung A unterzogen, so dass sie einer übermäßigen Belastung standhalten können, die während einer Hochgeschwindigkeitsrotation entwickelt werden kann.
  • Da die Flächen der Druckplatten 13a und 13b, in denen die Permanentmagneten 28aa angeordnet sind, die Grundabschnitte der Druckplatten 13a und 13b, die Bünde 13aa und 13ba, welche in den äußeren diametralen Abschnitten der Druckplatten 13a und 13b gebildet sind, und die Grundabschnitte dieser Bünde der Einsatzhärtung und Abschreckung A (12) unterzogen werden, können sie bei der in einen Motor eingebauten Magnetlagervorrichtung nach dieser Ausführungsform der übermäßigen Belastung standhalten, welche während der Hochgeschwindigkeitsrotation auf diese Abschnitte konzentriert sein kann, und daher kann eine Zentrifugalzerstörung vermieden werden, was den Druckplatten 13a und 13b, welche die Elektromagnetziele bilden, erlaubt, eine erforderliche ausgezeichnete Magneteigenschaft und gleichzeitig eine erforderlich hohe Festigkeit aufzuweisen. Demnach besteht kein Bedarf, die Dicke jeder der Druckplatten 13a und 13b zu erhöhen, während sie eine ausgezeichnete Magneteigenschaft aufweisen, und daher kann die Hauptwelle 13 eine reduzierte Wellenlänge aufweisen, was durch eine Erhöhung der natürlichen Frequenz der Hauptwelle 13 begleitet wird, und die Hauptwelle 13 kann mit einer hohen Geschwindigkeit angetrieben werden.
  • Die 13 und 14 veranschaulichen das gesamte Luftkreislaufkühlsystem, welches die Turbineneinheit des hierin zuvor beschriebenen Aufbaus verwendet. Insbesondere 13 veranschaulicht die Ausführung des Systems, in welcher die obige Turbineneinheit 5 darin die in einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung nach einer der ersten bis sechsten Ausführungsform einschließt, während 14 die Ausführung des Systems veranschaulicht, in welcher die obige Turbineneinheit 5 darin die in einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung nach der siebten bis neunten Ausführungsform einschließt. Dieses Luftkreislaufkühlsystem ist ein Kühlsystem, in welchem abzukühlende Luft innerhalb eines Raums 10, z. B. einem Kältespeicherwarenhaus, direkt als Kühlmittel verwendet wird, und einen Luftzirkulationskreislauf 1 enthält, welcher sich von einem Lufteinlassanschluss 1a, welcher in den abzukühlenden Raum 10 geöffnet ist, zurück zu einem Auslassanschluss 1b erstreckt, welcher auch in den abzukühlenden Raum 10 geöffnet ist. Dieser Luftzirkulationskreislauf 1 enthält eine Vorkomprimiereinheit 2, einen ersten Wärmetauscher 3, den Kompressor 6 der Luftkreislaufkühlturbineneinheit 5, einen zweiten Wärmetauscher 8, einen mittleren Wärmetauscher 9 und die Expansionsturbine 7 der Turbineneinheit 5. Der mittlere Wärmetauscher 9 ist betriebsfähig, um innerhalb des gleichen Luftzirkulationskreislaufs 1 einen Wärmeaustausch zwischen der einströmenden Luft in der Nähe eines Lufteinlassanschlusses 1a und der Luft durchzuführen, deren Temperatur an der nachfolgenden Stufe erhöht worden ist und dann abgekühlt wird, und die Luft in der Nähe des Lufteinlassanschlusses 1a fließt durch den Wärmetauscher 9a.
  • Die Vorkomprimiereinheit 2 ist z. B. in Form eines Gebläses ausgeführt und wird durch einen Motor 2a angetrieben. Der erste Wärmetauscher 3 und der zweite Wärmetauscher 8 enthalten jeweils Wärmetauscher 3a und 8a zum Zirkulieren des Kühlmittels und zum Durchführen eines Wärmeaustauschs zwischen dem Wasser innerhalb der Wärmetauscher 3a und 8a und der Luft innerhalb des Luftzirkulationskreislaufs 1. Jeder der Wärmetauscher 3a und 8a ist durch Rohre mit einem Kühlturm 11 verbunden oder mit einem Kühlturm 11 strömungstechnisch verbunden, und das Kühlmittel mit einer erhöhten Temperatur als ein Ergebnis des Wärmeaustauschs kann innerhalb dieses Kühlturms 11 abgekühlt werden. Es ist zu beachten, dass das Luftkreislaufkühlsystem jenes sein kann, in welchem die Vorkomprimiereinheit 2 nicht verwendet wird.
  • Dieses obige Luftkreislaufkühlsystem ist ein System zum Aufrechterhalten des abzukühlenden Raums 10 bei einer Temperatur von etwa 0 bis –60°C, und die Luft von etwa 0 bis –60°C und einer physikalischen Atmosphäre von 1 (1 atm) fließt vom abzukühlenden Raum 10 zum Lufteinlassanschluss 1a des Luftzirkulationskreislaufs 1. Es ist zu beachten, dass bestimmte die Temperatur und den Druck darstellende Zahlen, welche in der nachfolgenden Beschreibung verwendet werden, nur dem Zweck der Veranschaulichung grober Betriebsbedingungen dienen. Die in den Lufteinlassanschluss eintretende Luft 1a wird durch den mittleren Wärmetauscher 9 zum Abkühlen der Luft in der nachfolgenden Stufe des Luftzirkulationskreislaufs 1 verwendet und wird auf 30°C erhitzt. Diese erhitzte Luft verbleibt bei einer physikalischen Atmosphäre von 1, wird aber durch die Vorkomprimiereinheit 2 auf eine physikalische Atmosphäre von 1,4 komprimiert und als ein Ergebnis dieser Komprimierung auf 70°C erhitzt. Der erste Wärmetauscher 3 ist ein Typ, welcher nur die auf 70°C erhitzte Luft abkühlen kann, und ist demnach wirksam, um die Luft mit kaltem Wasser, dessen Temperatur ungefähr bei Raumtemperatur liegt, effizient abzukühlen und kühlt die Luft auf 40°C ab.
  • Die als ein Ergebnis des Wärmeaustauschs derart abgekühlte Luft von 40°C und einer physikalischen Atmosphäre von 1 wird nachfolgend durch den Kompressor 6 der Turbineneinheit 5 auf eine physikalische Atmosphäre von 1,8 komprimiert und die als ein Ergebnis dieser Komprimierung auf etwa 70°C erhitzte Luft wird durch den zweiten Wärmetauscher 8 auf 40°C abgekühlt. Die Luft von 40°C wird dann durch den mittleren Wärmetauscher 9 auf –20°C als ein Ergebnis des Wärmeaustauschs mit der einströmenden Luft von –30°C abgekühlt. Der Druck wird bei einer physikalischen Atmosphäre von 1,8 aufrechterhalten, wie vom Kompressor 6 entlassen.
  • Die durch den mittleren Wärmetauscher 9 auf –20°C abgekühlte Luft wird durch die Expansionsturbine 7 der Turbineneinheit 5 adiabatisch ausgedehnt und wird, nachdem sie weiter auf –55°C abgekühlt worden ist, vom Auslassanschluss 1b des abzukühlenden Raums 10 entlassen. Dieses Luftkreislaufkühlsystem führt einen derartigen Kühlkreislauf, wie oben beschrieben, durch.
  • Da in der Turbineneinheit 5 eine stabilisierte Hochgeschwindigkeitsdrehzahl der Hauptwelle 13 erhalten werden kann, während die angemessenen Zwischenräume d1 und d2 der Rotoren 6a und 7a aufrechterhalten werden, und die Langzeithaltbarkeit und die Lebensdauer jeder der Lagereinheiten 15 und 16 erhöht werden kann, kann mit diesem Luftkreislaufkühlsystem die Zuverlässigkeit der Turbineneinheit 5 als Ganzes und folglich jene des Luftkreislaufkühlsystems als Ganzes erhöht werden. Da, wie hierin oben beschrieben ist, die stabilisierte Hochgeschwindigkeitsdrehzahl, die Langzeithaltbarkeit und die Zuverlässigkeit der Hauptwellenlagereinheiten 15 und 16 der Turbineneinheit 15, welche bisher einen Hauptflaschenhals des Luftkreislaufkühlsystems aufgeworfen hat, erhöht werden kann, kann das Luftkreislaufkühlsystem jetzt praktisch eingesetzt werden.
  • Nachstehend werden einige Ausführungen zusammengefasst, welche eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bilden und welche die Magnetlagervorrichtung nach einer der zuvor beschriebenen ersten bis neunten Ausführung als Grundlage einsetzen:
  • [Zehnte Ausführungsform]
  • Die in einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung nach der vierten Ausführungsform, in welcher der gemeinsam mit dem Elektromagnet in der Druckplatte gebildete Motorrotor auf einer äußeren diametralen Seite des Elektromagnets angeordnet ist: Im Fall dieser zehnten Ausführungsform kann ein größeres Drehmoment mit einem minimierten Motorantriebsstrom erhalten werden.
  • [Elfte Ausführungsform]
  • Die in einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung nach der vierten Ausführungform, in welcher der Rückschluss des Elektromagnets und der Rückschluss des Motorstators miteinander gemeinsam sind: Im Fall dieser elften Ausführungsform kann deren Handhabung während der Montage vereinfacht werden, da der Elektromagnet und der Motorstator als einheitlicher Aufbau gebildet werden können.
  • [Zwölfte Ausführungsform]
  • Die in einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung nach der vierten Ausführungsform, in welcher eine Steuerung zum Einstellen der Phase eines Antriebsstroms eines Motors mit Axialspalt vorgesehen ist, um den Elektromagnet in Abhängigkeit der Ausgaben der Sensoren zu unterstützen.
  • [Dreizehnte Ausführungsform]
  • Die in einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung nach der fünften Ausführungsform, in welcher die beiden Druckplatten integral mit der Hauptwelle gebildet sind: Im Fall dieser dreizehnten Ausführungsform können diese Druckplatten gleichzeitig als der Rückschluss der Permanentmagneten und des Elektromagnets verwendet werden.
  • [Vierzehnte Ausführungsform]
  • Die in einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung nach der sechsten Ausführungsform, in welcher die Höhe des in der Druckplatte gebildeten Bunds gleich oder größer ist als die Dicke des Permanentmagnets.
  • [Fünfzehnte Ausführungsform]
  • Die in einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung nach der siebten Ausführungsform, in welcher die Höhe des in der Druckplatte gebildeten Bunds gleich oder größer ist als die Dicke des Permanentmagnets.
  • Falls die Höhe des Bunds der Druckplatte kleiner ist als die Dicke des Permanentmagnets, besteht nach der vierzehnten und fünfzehnten Ausführungsform das Risiko, dass wenn der Permanentmagnet gegen den Bund gepresst wird, der Permanentmagnet komprimiert werden kann und folglich zerstört werden kann, weil eine in Kanten des Bunds entwickelte Kantenlast auf eine Seitenfläche des Permanentmagnets wirkt. Die Auswahl der Höhe des Bunds der Druckplatte, welche gleich oder größer ist als die Dicke der Permanentmagneten, ist jedoch wirksam, um die Möglichkeit zu verhindern, dass die in den Kanten des Bunds entwickelte Kantenlast auf die Seitenfläche des Permanentmagnets wirkt, und daher kann an eine Kompressionszerstörung des Permanentmagnets verhindert werden.
  • Zusammenfassung
  • Die Vorrichtung enthält eine Wälzlagereinheit, welche eine Radiallast abstützt, und eine Magnetlagereinheit, welche eine Axiallast und/oder eine Lagervorspannung abstützt; einen in ein Wellengehäuse eingepassten Elektromagnet, um einer auf einer Hauptwelle angebrachten flanschförmigen Druckplatte berührungsfrei gegenüberzustehen; einen Motorrotor eines Motors zum Antreiben der Welle und einen dem Rotor gegenüberliegenden Motorstator, wobei die Welle durch Magnet- oder Lorentzkräfte angetrieben wird, welche zwischen dem Rotor und dem Stator entwickelt werden; und einen Sensor zum Feststellen einer auf die Lagereinheit wirkenden Axialkraft, und eine Steuerung zum Steuern der Elektromagnets. In dieser Vorrichtung wird die Steifigkeit einer durch die Lagereinheit und ein Abstützsystem für die Lagereinheit gebildeten Verbundfeder höher gewählt als die negative Steifigkeit einer Verbundfeder eines Motorteils, welches vom Elektromagnet und vom Motor umfasst wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - JP 2623202 [0002, 0004, 0010]
    • - JP 07-91760 [0005, 0011]
    • - JP 08-261237 [0006]

Claims (9)

  1. In einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung, welche umfasst: eine Hauptwelle; eine flanschförmige Druckplatte, die koaxial auf der Hauptwelle angebracht ist, um sich senkrecht zur Hauptwelle zu erstrecken, und die aus einem ferromagnetischen Werkstoff hergestellt ist; eine Wälzlagereinheit zum Abstützen einer Radiallast; eine Magnetlagereinheit zum Abstützen entweder einer Axiallast oder einer Lagervorspannung oder beider, und welche einen in ein Wellengehäuse eingepassten Elektromagnet aufweist, um der Druckplatte berührungsfrei gegenüberzustehen; einen Motor zum Antreiben der Hauptwelle mit einem auf der Hauptwelle angebrachten Motorrotor und einem gegenüber dem Motorrotor angeordneten Motorstator, wobei die Hauptwelle durch eine Magnetkraft oder Lorentzkraft angetrieben wird, die zwischen dem Motorrotor und dem Motorstator entwickelt wird; einen Sensor zum Feststellen einer auf die Wälzlagereinheit wirkenden Axialkraft; und eine Steuerung zum Steuern des Elektromagnets in Erwiderung auf eine Ausgabe des Sensors; wobei eine Steifigkeit einer durch die Wälzlagereinheit und ein Abstützsystem für die Wälzlagereinheit gebildeten Verbundfeder höher ist als eine negative Steifigkeit einer Verbundfeder eines vom Motor und vom Elektromagnet umfassten Motorteils.
  2. In einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Motorrotor auf der Hauptwelle zusammen mit der Druckplatte angebracht ist.
  3. In einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Motor ein kernloser Motor ist.
  4. In einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Motor ein Motor mit Axialspalt ist und auf einer oder beiden gegenüberliegenden Flächen der Druckplatte zusammen mit einem Elektromagnetziel angeordnet ist.
  5. In einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Motor ein kernloser Motor mit Axialspalt zum Antreiben der Hauptwelle mittels einer zwischen dem Motorrotor und dem Motorstator entwickelten Lorentzkraft ist; und wobei zwei Druckplatten vorgesehen sind, wobei die beiden Druckplatten voneinander in einem Abstand in der Axialrichtung beabstandet sind; wobei ein Elektromagnetziel in jeder Fläche jener entfernt voneinander gegenüberliegender Druckplatten gebildet ist; wobei Permanentmagneten für den Motorrotor in anderen jeweiligen Flächen der Druckplatten, die einander gegenüberstehen und in einer Umfangsrichtung gleich weit voneinander beabstandet sind, angeordnet sind; wobei die Magnetpole der Permanentmagneten auf einer der Druckplatten den Magnetpolen der Permanentmagneten auf der anderen Druckplatte gegenüberliegen; und wobei der Motorstator angeordnet ist, um zwischen die Permanentmagneten auf den gegenüberliegenden Flächen eingelegt und in das Wellengehäuse eingepasst zu werden.
  6. In einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung nach Anspruch 5, wobei in einem äußeren diametralen Abschnitt jeder der gegenüberstehenden Flächen der Druckplatte ein Bund gebildet ist.
  7. In einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung nach Anspruch 6, wobei die gegenüberstehenden und mit den Permanentmagneten gebildeten Flächen der Druckplatten, Grundabschnitte der Druckplatten und in äußeren diametralen Abschnitten der Grundplatten gebildete Bünde und Grundabschnitte jener Bünde einer Einsatzhärtung unterzogen werden.
  8. In einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung nach Anspruch 1, welche in einem Kompressions-Expansions-Turbinensystem angewandt wird, in welche ein Kompressorrotor und ein Turbinenrotor zusammen mit der Druckplatte auf der Hauptwelle angebracht sind und der Kompressorrotor durch eine oder beide jeweiligen durch den Motor und den Turbinenrotor erzeugte Leistungen angetrieben wird.
  9. In einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Kompressions-Expansions-Turbinensystem, in welchem die in einen Motor eingebaute Magnetlagervorrichtung angewandt wird, in einem Luftkreislaufkühlsystem angewandt wird, in welchem einströmende Luft sequenziell mittels eines Kompressors, der den Kompressorrotor in der Turbineneinheit enthält, komprimiert wird, mittels eines anderen Wärmetauschers gekühlt wird und mittels einer Expansionsturbine, welche den Turbinenrotor in der Turbineneinheit enthält, adiabatisch ausgedehnt wird oder mittels einer Vorkomprimiereinheit komprimiert wird, mittels eines Wärmetauschers gekühlt wird, mittels des Kompressors komprimiert wird, mittels des anderen Wärmetauschers gekühlt wird und mittels der Expansionsturbine adiabatisch ausgedehnt wird.
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