JP2007162716A - 磁気軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 転がり軸受と磁気軸受を併用した磁気軸受装置において、最大荷重が作用した場合でも、安定な制御が可能でコントローラの構成も簡略化でき、電磁石での発熱も小さく抑えることができるものを提供する。
【解決手段】 この磁気軸受装置は転がり軸受１５，１６と磁気軸受（１７）を併用し、転がり軸受１５，１６がラジアル負荷を支持し、磁気軸受（１７）がアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を支持するようにしたものである。磁気軸受を構成する電磁石１７は、主軸１３に垂直かつ同軸に設けられた強磁性体からなるフランジ状のスラスト板１３ａに非接触で対向するように、スピンドルハウジング１４に取付けられる。転がり軸受１５，１６と転がり軸受１５，１６の支持系とで形成される合成バネの剛性値は、電磁石１７の負の剛性値よりも大である関係を有するように設定される。また、電磁石１７ヨーク１７ａ内には永久磁石２０が配置される。
【選択図】 図１

Description

この発明は、転がり軸受と磁気軸受を併用し、磁気軸受がアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を支持するようにした磁気軸受装置に関し、例えば空気サイクル冷凍冷却システムにおけるタービンユニット等に用いられる磁気軸受装置に関する。

空気サイクル冷凍冷却システムは、冷媒として空気を用いるため、フロンやアンモニアガス等を用いる場合に比べてエネルギー効率が不足するが、環境保護の面では好ましい。また、冷凍倉庫等のように、冷媒空気を直接に吹き込むことができる施設では、庫内ファンやデフロストの省略等によってトータルコストを引下げられる可能性があり、このような用途で空気サイクル冷凍冷却システムが提案されている（例えば特許文献１）。

また、−３０℃〜−６０℃のディープ・コール領域では、空気冷却の理論効率は、フロンやアンモニアガスと同等以上になることが知られている。ただし、上記空気冷却の理論効率を得ることは、最適に設計された周辺装置があって、始めて成り立つとも述べられている。周辺装置は、圧縮機や膨張タービン等である。
圧縮機，膨張タービンとしては、コンプレッサ翼車および膨張タービン翼車を共通の主軸に取付けたタービンユニットが用いられている（特許文献１）。

なお、プロセスガスを処理するタービン・コンプレッサとしては、主軸の一端にタービン翼車、他端にコンプレッサ翼車を取付け、前記主軸を電磁石の電流で制御するジャーナルおよびスラスト軸受で支承した磁気軸受式タービン・コンプレッサが提案されている（特許文献２）。
また、ガスタービンエンジンにおける提案ではあるが、主軸支持用の転がり軸受に作用するスラスト荷重が軸受寿命の短縮を招くことを回避するため、転がり軸受に作用するスラスト荷重をスラスト磁気軸受により低減することが提案されている（特許文献３）。
特許第２６２３２０２号公報 特開平７−９１７６０号公報 特開平８−２６１２３７公報

上記のように、空気サイクル冷凍冷却システムとして、ディープ・コール領域で高効率となる空気冷却の理論効率を得るためには、最適に設計された圧縮機や膨張タービンが必要となる。
圧縮機，膨張タービンとしては、上記のようにコンプレッサ翼車および膨張タービン翼車を共通の主軸に取付けたタービンユニットが用いられている。このタービンユニットは、膨張タービンの生じる動力によりコンプレッサ翼車を駆動できることで空気サイクル冷凍機の効率を向上させている。

しかし、実用的な効率を得るためには、各翼車とハウジングとの隙間を微小に保つ必要がある。この隙間の変動は、安定した高速回転の妨げとなり効率の低下を招く。
また、コンプレッサ翼車やタービン翼車に作用する空気により、主軸にスラスト力が作用し、主軸を支持する軸受にスラスト荷重が荷される。空気サイクル冷凍冷却システムにおけるタービンユニットの主軸の回転速度は、１分間に８万〜１０万回転であり、一般的な用途の軸受に比べて非常に高速となる。そのため、上記のようなスラスト荷重は、主軸を支持する軸受の長期耐久性の低下、寿命低下を招き、空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットの信頼性を低下させる。このような軸受の長期耐久性の課題を解消しなくては、空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットの実用化が難しい。しかし、上記特許文献１に開示の技術は、この高速回転下におけるスラスト荷重の負荷に対する軸受の長期耐久性の低下については解決されるに至っていない。
特許文献２の磁気軸受式タービン・コンプレッサのように、主軸を磁気軸受からなるジャーナル軸受およびスラスト軸受で支承したものでは、ジャーナル軸受にアキシアル方向の規制機能がない。そのため、スラスト軸受の制御の不安定要因等があると、上記翼車とディフューザ間の微小隙間を保って安定した高速回転を行うことが難しい。磁気軸受の場合は、電源停止時における接触の問題もある。

そこで、本発明者等は、上記課題を解決するものとして、先に図８に示すような構成の空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットを提案した（特願２００５−２３９４６４）。このタービンユニットに搭載された磁気軸受装置では、転がり軸受３５，３６と、磁気軸受を構成する電磁石３７とを併用し、転がり軸受３５，３６がラジアル負荷を支持し、磁気軸受がアキシアル負荷を支持する。磁気軸受を構成する電磁石１７は、主軸３３に垂直かつ同軸に設けられたスラスト板３３ａに非接触で対向するように配置され、アキシアル方向の力を検出するセンサ３８の出力に応じて、コントローラ３９で電磁石３７を制御する。

しかし、上記構成の磁気軸受装置では、過大なアキシアル負荷が作用した場合、電磁石３７の負の剛性（変位した方向に作用し、変位が大きいほどその力も大きくなる）が大きくなり、前記電磁石３７の負の剛性が転がり軸受３５，３６と転がり軸受の支持系とで形成される合成バネの剛性よりも大きくなった時、磁気軸受の制御系が不安定になる。そこで、この状態を回避するために予めコントローラ３９に位相補償回路を付加する必要が生じ、コントローラ３９を複雑にする要因の一つになるといった問題がある。
そこで、上記磁気軸受装置において、転がり軸受３５，３６と転がり軸受の支持系とで形成される合成バネの剛性が、電磁石３７の負の剛性よりも大きくなる大小関係を持たせることを試みた。これにより、磁気軸受が不安定になるという前記問題を解決できる。

ところで、上記磁気軸受装置において、高速回転（８万〜１０万ｒｐｍ）領域では、転がり軸受３５，３６の軸受予圧を軽荷重とした方が好ましいが、それでは転がり軸受３５，３６のアキシアル剛性が小さくなる。そのため、転がり軸受３５，３６と転がり軸受の支持系とで形成される合成バネの剛性も小さくなり、この場合にも合成バネの剛性と電磁石３７の負の剛性との間の上記大小関係を保とうとすると、電磁石３７の負の剛性を小さくする必要があるという新たな問題が生じる。

また、上記磁気軸受装置では、最大のアキシアル荷重が作用した条件において、電磁石３７での消費電力が大きいので発熱が大きくなるという問題もある。

この発明の目的は、転がり軸受と磁気軸受を併用した磁気軸受装置において、最大荷重が作用した場合でも、安定な制御が可能でコントローラの構成を簡略化でき、電磁石での発熱も小さく抑えることができるものを提供することである。

この発明の磁気軸受装置は、転がり軸受と磁気軸受を併用し、転がり軸受がラジアル負荷を支持し、磁気軸受がアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を支持し、電磁石は主軸に垂直かつ同軸に設けられた強磁性体からなるフランジ状のスラスト板に非接触で対向するように、スピンドルハウジングに取付けられており、アキシアル方向の力を検出するセンサの出力に応じて、電磁石を制御するコントローラを有し、転がり軸受と転がり軸受の支持系とで形成される合成バネの剛性値が、電磁石の負の剛性値より大である関係を有し、前記電磁石のヨーク内に永久磁石を配置したことを特徴とする。
この構成によると、転がり軸受と磁気軸受を併用し、転がり軸受がラジアル負荷を支持し、磁気軸受がアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を支持するものであるため、アキシアル方向の精度の良い支持が行え、また転がり軸受の長期耐久性が確保でき、磁気軸受のみの支持の場合における電源停止時の損傷も回避される。
また、転がり軸受と転がり軸受の支持系とで形成される合成バネの剛性値が、電磁石の負の剛性値よりも大である関係を設定したため、制御帯域において、機械システムの位相が１８０°遅れとなることが防止される。そのため、制御対象を安定なものとでき、コントローラの回路構成を比例もしくは比例積分で簡略化できる。
高速回転領域で好適な軽負荷の軸受予圧の条件下では、前記合成バネの剛性値と電磁石の負の剛性値との間の大小関係を保つために電磁石の負の剛性を小さくする必要があるが、上記したように電磁石のヨーク内に永久磁石を配置することで電磁石ギャップを広げるようにしているので、電磁石の負の剛性を小さくすることができる。
また、最大のアキシアル荷重が作用した場合でも、電磁石のヨーク内に永久磁石を配置する構成としたことで、電磁石の消費電力が小さくなり電磁石での発熱を低減できる。

この発明において、前記電磁石のヨークが、内径側のヨーク部分および外径側のヨーク部分を有していて、前記永久磁石が、これら内径側のヨーク部分ないし外径側のヨーク部分に配置されていても良い。この構成の場合、永久磁石の漏れ磁束を低減できて、永久磁石による吸引力を効率よく弱めることができる。

この発明において、電磁石のヨーク内に配置される前記永久磁石と面接触する前記ヨークの部分が平面形状であっても良い。この構成の場合も、永久磁石の漏れ磁束を低減できて、永久磁石による吸引力を効率よく弱めることができる。

この発明において、電磁石のヨーク内に配置される前記永久磁石と面接触する前記ヨークの部分が突起形状であっても良い。この構成の場合も、永久磁石の漏れ磁束を低減できて、永久磁石による吸引力を効率よく弱めることができる。

この発明において、前記永久磁石の形状が一体のリング形状、または円周方向に分割されたリング形状であっても良い。永久磁石が一体のリング形状であると、スペースを有効利用して永久磁石および電磁石コイルを配置できる。永久磁石が円周方向に分割されたリング形状であると、その取扱いが容易になる。

この発明の磁気軸受装置は、コンプレッサ側翼車およびタービン側翼車が、前記スラスト板と共通の主軸に嵌合し、タービン側翼車で発生した動力により、コンプレッサ側翼車を駆動させる圧縮膨張タービンシステムにおいて、前記主軸の支持に適用されたものであっても良い。この構成の場合、各翼車の適切な隙間を保って主軸の安定した高速回転が得られ、かつ軸受の長期耐久性の向上、寿命の向上が得られる。

この発明において、前記磁気軸受装置を適用した圧縮膨張タービンシステムが、流入空気に対して、予圧縮手段による圧縮、熱交換器による冷却、タービンユニットのコンプレッサによる圧縮、他の熱交換器による冷却、前記タービンユニットの膨張タービンにより断熱膨張、を順次行う空気サイクル冷凍冷却システムに適用されたものであっても良い。 この発明の磁気軸受装置を適用した圧縮膨張タービンシステムを、このような空気サイクル冷凍冷却システムに適用した場合、圧縮膨張タービンシステムにおいて、各翼車の適切な隙間を保って主軸の安定した高速回転が得られ、かつ軸受の長期耐久性の向上、寿命の向上が得られることから、圧縮膨張タービンシステムの全体として、しいては空気サイクル冷凍冷却システムの全体としての信頼性が向上する。また、空気サイクル冷凍冷却システムのネックとなっている圧縮膨張タービンシステムの主軸軸受の安定した高速回転、長期耐久性、信頼性が向上することから、空気サイクル冷凍冷却システムの実用化が可能となる。

この発明の磁気軸受装置は、転がり軸受と磁気軸受を併用し、転がり軸受がラジアル負荷を支持し、磁気軸受がアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を支持し、電磁石は主軸に垂直かつ同軸に設けられた強磁性体からなるフランジ状のスラスト板に非接触で対向するように、スピンドルハウジングに取付けられており、アキシアル方向の力を検出するセンサの出力に応じて、電磁石を制御するコントローラを有し、転がり軸受と転がり軸受の支持系とで形成される合成バネの剛性値が、電磁石の負の剛性値より大である関係を有し、前記電磁石のヨーク内に永久磁石を配置したため、最大荷重が作用した場合でも、安定な制御が可能でコントローラの構成を簡略化でき、電磁石での発熱も小さく抑えることができる。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図４と共に説明する。図１は、この実施形態の磁気軸受装置を組み込んだタービンユニット５の断面図を示す。このタービンユニット５は圧縮膨張タービンシステムを構成するものであり、コンプレッサ６および膨張タービン７を有し、コンプレッサ６のコンプレッサ翼車６ａおよび膨張タービン７のタービン翼車７ａが主軸１３の両端にそれぞれ取付けられている。また、タービン翼車７ａで発生した動力によりコンプレッサ翼車６ａが駆動されるものであり、別の駆動源は設けられていない。

図１において、コンプレッサ６は、コンプレッサ翼車６ａと微小な隙間ｄ１を介して対向するハウジング６ｂを有し、中心部の吸込口６ｃから軸方向に吸入した空気を、コンプレッサ翼車６ａで圧縮し、外周部の出口（図示せず）から矢印６ｄで示すように排出する。
膨張タービン７は、タービン翼車７ａと微小な隙間ｄ２を介して対向するタービンハウジング７ｂを有し、外周部から矢印７ｃで示すように吸い込んだ空気を、タービン翼車７ａで断熱膨張させ、中心部の排出口７ｄから軸方向に排出する。

このタービンユニット５における磁気軸受装置は、主軸１３をラジアル方向に対し複数の軸受１５，１６で支承し、主軸１３にかかるスラスト力を磁気軸受である電磁石１７により支承するものとされる。このタービンユニット５は、コンプレッサ６および膨張タービン７内の空気により主軸１３に作用するスラスト力を検出するセンサ１８と、このセンサ１８の出力に応じて前記電磁石１７による支承力を制御するコントローラ１９とを有している。電磁石１７は、主軸１３の中央で主軸１３に垂直かつ同軸に設けられた強磁性体からなるフランジ状のスラスト板１３ａの両面に非接触で対向するように、スピンドルハウジング１４に設置されている。

主軸１３を支承する軸受１５，１６は、転がり軸受であって、アキシアル方向位置の規制機能を有するものであり、例えば深溝玉軸受やアンギュラ玉軸受が用いられる。深溝玉軸受の場合、両方向のスラスト支持機能を有し、内外輪のアキシアル方向位置を中立位置に戻す作用を持つ。これら２個の軸受１５，１６は、それぞれスピンドルハウジング１４におけるコンプレッサ翼車６ａおよびタービン翼車７ａの近傍に配置されている。

主軸１３は、中央部の大径部１３ｂと、両端部の小径部１３ｃとを有する段付き軸とされている。両側の軸受１５，１６は、その内輪１５ａ，１６ａが小径部１３ｃに圧入状態に嵌合し、片方の幅面が大径部１３ｂと小径部１３ｃ間の段差面に係合する。
スピンドルハウジング１４における両側の軸受１５，１６よりも各翼車６ａ，７ａ側の部分は、内径面が主軸１３に近接する径に形成され、この内径面に非接触シール２１，２２が形成されている。この実施形態では、非接触シール２１，２２は、スピンドルハウジング１４の内径面に複数の円周溝を軸方向に並べて形成したラビリンスシールとしているが、その他の非接触シール手段でも良い。

前記センサ１８は、タービン翼車７ａ側の軸受１６の近傍における静止側、つまりスピンドルハウジング１４側に設けられている。このセンサ１８を近傍に設けた軸受１６は、その外輪１６ｂが軸受ハウジング２３内に固定状態に嵌合している。軸受ハウジング２３は、リング状に形成されて一端に軸受１６の外輪１６ｂの幅面に係合する内鍔２３ａを有しており、スピンドルハウジング１４に設けられた内径面２４にアキシアル方向に移動自在に嵌合している。内鍔２３ａは、アキシアル方向の中央側端に設けられている。

センサ１８は主軸１３の回りの円周方向複数箇所（例えば２箇所）に分配配置され、軸受ハウジング２３の内鍔２３ａ側の幅面と、スピンドルハウジング１４に固定された部材である片方の電磁石１７との間に介在させてある。また、センサ１８は、センサ予圧ばね２５により予圧が印加されている。センサ予圧ばね２５は、スピンドルハウジング１４に設けられた収容凹部内に収容されて軸受１６の外輪１６ｂをアキシアル方向に付勢するものとされ、外輪１６ｂおよび軸受ハウジング２３を介してセンサ１８を予圧する。センサ予圧ばね２５は、例えば主軸１３の回りの円周方向複数箇所に設けられたコイルばね等からなる。

センサ予圧ばね２５による予圧は、押し付け力によってスラスト力を検出するセンサ１８が、主軸１３のアキシアル方向のいずれの向きの移動に対しても検出できるようにするためであり、タービンユニット５の通常の運転状態で主軸１３に作用する平均的なスラスト力以上の大きさとされる。

センサ１８の非配置側の軸受１５は、スピンドルハウジング１４に対してアキシアル方向に移動自在に設置され、かつ軸受予圧ばね２６によって弾性支持されている。この例では軸受１５の外輪１５ｂが、スピンドルハウジング１４の内径面にアキシアル方向移動自在に嵌合していて、軸受予圧ばね２６は、外輪１５ｂとスピンドルハウジング１４との間に介在している。軸受予圧ばね２６は、内輪１５ａの幅面が係合した主軸１３の段面に対向して外輪１５ｂを付勢するものとされ、軸受１５に予圧を与えている。軸受予圧ばね２６は、主軸１３回りの円周方向複数箇所に設けられたコイルばね等からなり、それぞれスピンドルハウジング１４に設けられた収容凹部内に収容されている。軸受予圧ばね２６は、センサ予圧ばね２５よりもばね定数が小さいものとされる。

上記タービンユニット５における磁気軸受装置の力学モデルは簡単なバネ系で構成することができる。すなわち、このバネ系は、軸受１５，１６とこれら軸受の支持系（センサ予圧ばね２５、軸受予圧ばね２６，軸受ハウジング２３など）とで構成される合成バネと、電磁石１７のバネとが並列となった構成である。このバネ系において、軸受１５，１６とこれら軸受の支持系とで構成される合成バネは、変位した方向と逆の方向に変位量に比例して作用する剛性となるのに対し、電磁石１７のバネは、変位した方向に変位量に比例して作用する負の剛性となる。
このため、上記した合成バネの剛性と電磁石１７のバネの負の剛性との大小関係を、
合成バネの剛性値＜電磁石の負の剛性値……（１）
とした場合、機械システムの位相は１８０°遅れとなり不安定な系となることから、電磁石１７を制御するコントローラ１９において、予め位相補償回路を付加する必要が生じ、コントローラ１９の構成が複雑なものになる。

そこで、この実施形態の磁気軸受装置では、上記した合成バネの剛性と電磁石１７のバネの負の剛性との大小関係を、
合成バネの剛性値＞電磁石の負の剛性値……（２）
としている。

一方、上記磁気軸受装置の構成において、高速回転（８万〜１０万ｒｐｍ）領域では、軸受予圧ばね２５やセンサ予圧ばね２６で付与される軸受１５，１６の軸受予圧は軽荷重のほうが好ましいが、軸受予圧を軽荷重にすると軸受１５，１６のアキシアル剛性が小さくなり、軸受１５，１６と軸受１５，１６の支持系とで形成される合成バネの剛性も小さくなる。その結果、過大なアキシアル荷重が作用した場合に、合成バネの剛性値と電磁石１７のバネの負の剛性値との間での上記した（２）式の大小関係を保つためには、電磁石１７の負の剛性を小さくする必要がある。また、電磁石１７の負の剛性を低減するためには、電磁石ギャップを広げる必要がある。

そこで、この磁気軸受装置では、上記（２）式の大小関係を保つために、スラスト板１３ａを挟む両電磁石１７のうち、センサ１８に隣接して配置される片側の電磁石１７のヨーク１７ａ内に永久磁石２０を配置することで、その電磁石ギャップを広げている。両側の電磁石１７とも永久磁石２０を配置したものとすることも可能であるが、この実施形態のように片側の電磁石１７だけに永久磁石２０を内蔵させる構成のほうが好ましい。図１では、永久磁石２０の漏れ磁束を低減するために、電磁石１７のコイル１７ｂよりも外径側のヨーク１７ａ内に主軸１３と同心の一体のリング形状とした永久磁石２０を配置しているが、図２（Ｂ）のように電磁石１７のコイル１７ｂよりも内径側のヨーク１７ａ内に永久磁石２０を配置しても、永久磁石２０の漏れ磁束を低減できる。また、図１では、電磁石１７の磁極表面から内側に後退したコイル１７ｂの軸方向一端部に近接した位置に永久磁石２０を配置しているが、図２（Ａ）のようにコイル１７ａの軸方向中間部の位置に永久磁石２０を配置しても良い。

図３は、永久磁石２０を内蔵した電磁石１７と、永久磁石２０を内蔵しない単体の電磁石１７について、消費電力に対する吸引力の特性を示したグラフである。同図から明らかなように、永久磁石２０を内蔵した電磁石１７（グラフＡ）では、永久磁石２０による吸引力が作用しているため、最大荷重が作用したときの消費電力を、単体の電磁石１７（グラフＢ）に比べて小さくすることができる。また、グラフＡにおいて、符号イで示す部分は永久磁石２０を電磁石１７の磁極表面に配置した場合の特性を示し、符号ロで示す部分は永久磁石２０をヨーク１７ａ内に配置した場合の特性を示す。このことから、永久磁石２０を磁極表面に配置した構成では、永久磁石２０の漏れ磁束が大きく、電磁石コイル１７ｂの磁界で永久磁石２０による吸引力をゼロにすることが難しいのに対して、永久磁石２０を電磁石ヨーク１７ａの内部に配置したこの実施形態の場合の構成では、漏れ磁束を低減できて永久磁石２０による吸引力を容易にゼロにすることができることが分かる。
なお、永久磁石２０を内蔵した電磁石１７（グラフＡ）の消費電力に対する吸引力の変化率は、単体の電磁石１７（グラフＢ）と比較して小さいが、これは永久磁石２０の部分での磁束漏れに起因する。

なお、永久磁石２０を内蔵した上記電磁石１７の構成において、永久磁石２０が配置される電磁石ヨーク１７ａに、例えば位置決め用の鍔を形成した場合、鍔部分での磁束漏れにより吸引力が低下してしまうため、ヨーク１７ａの断面は、永久磁石２０と面接触するように平面形状にしたほうが好ましい。さらには、磁束漏れの影響を低減できるように、永久磁石２０と面接触するヨーク１７ａの部分は突起形状とするのが好ましい。また、永久磁石２０は、アキシアル方向に着磁されていることが好ましいが、永久磁石２０を配置する場所を変更することで、ラジアル着磁した永久磁石２０を使用した構成とすることも可能である。

このように、片側の電磁石１７を永久磁石２０を内蔵したものとすることで電磁石ギャップを広げることにより、高速回転領域で好適な軽荷重の軸受予圧の条件下でも、上記（２）式の大小関係を保つことができる。その結果、制御帯域において、機械システムの位相が１８０°遅れとなることを防止できるので、最大荷重が作用した場合でも、コントローラ１９の制御対象を安定なものとでき、コントローラ１９の回路構成を図４のように比例もしくは比例積分で簡単に構成できる。

ブロック図で示す図４のコントローラ１９では、各センサ１８の検出出力Ｐ１，Ｐ２をセンサ出力演算回路２７で加減し、その演算結果を比較器２８で基準値設定手段２９の目標値と比較して偏差を演算し、さらに演算した偏差をＰＩ補償回路（もしくはＰ補償回路）３０によりタービンユニット５に応じて適宜設定される比例積分（もしくは比例）処理を行うことで、電磁石１７の制御信号を演算するようにしている。ＰＩ補償回路（もしくはＰ補償回路）３０の出力は、ダイオード３１，３２を介して各方向の電磁石１７₁ ，１７₂ を駆動するパワー回路３３，３４に入力される。電磁石１７₁ ，１７₂ は、図１に示したスラスト板１３ａに対向する一対の電磁石１７であり、吸引力しか作用しないため、予めダイオード３１，３２で電流の向きを決め、２個の電磁石１７₁ ，１７₂ を選択的に駆動するようにしている。

この構成のタービンユニット５は、例えば空気サイクル冷凍冷却システムに適用されて、冷却媒体となる空気を後段の熱交換器（ここでは図示せず）により効率良く熱交換できるように、コンプレッサ６で圧縮して温度上昇させ、さらに後段の前記熱交換器で冷却された空気を、膨張タービン７により、目標温度、例えば−３０℃〜−６０℃程度の極低温まで断熱膨張により冷却して排出するように使用される。
このような使用例において、このタービンユニット５は、コンプレッサ翼車６ａおよびタービン翼車７ａを共通の主軸１３に取付け、タービン翼車７ａで発生した動力によりコンプレッサ翼車６ａを駆動するものであるため、動力源が不要であり、コンパクトな構成で効率良く冷却できる。

このように、タービンユニット５に適用したこの実施形態の磁気軸受装置では、上記した合成バネと電磁石１７のバネの負の剛性の大小関係を（２）式のように設定し、しかも電磁石１７のヨーク１７ａ内に永久磁石２０を配置することで電磁石ギャップを広げるようにしたため、最大荷重が作用した場合でも、コントローラ１９による制御対象を安定した構成とすることができ、コントローラ１９の回路構成を比例もしくは比例積分とした簡単なものにできる。

また、この実施形態では、コンプレッサ翼車６ａおよびタービン翼車７ａが、スラスト板１３ａと共通の主軸１３に嵌合し、タービン翼車７ａで発生した動力により、コンプレッサ翼車６ａを駆動させる圧縮膨張タービンシステムを構成するタービンユニット５において、主軸１３の支持に上記構成の磁気軸受装置を適用したので、各翼車６ａ，７ａの適切な隙間ｄ１，ｄ２を保って主軸１３の安定した高速回転が得られ、かつ軸受１５，１６の長期耐久性の向上、寿命の向上が得られる。

すなわち、タービンユニット５の圧縮，膨張の効率を確保するためには、各翼車６ａ，７ａとハウジング６ｂ，７ｂとの隙間ｄ１，ｄ２を微小に保つ必要がある。例えば，このタービンユニット５を空気サイクル冷凍冷却システムに適用する場合には、この効率確保が重要となる。これに対して、主軸１３を転がり形式の軸受１５，１６により支承するため、転がり軸受の持つアキシアル方向位置の規制機能により、主軸１３のアキシアル方向位置がある程度規制され、各翼車６ａ，７ａとハウジング６ｂ，７ｂ間の微小隙間ｄ１，ｄ２を一定に保つことができる。

しかし、タービンユニット５の主軸１３には、各翼車６ａ，７ａに作用する空気の圧力等でスラスト力がかかる。また、空気冷却システムで使用するタービンユニット５では、１分間に例えば８万〜１０万回転程度の非常に高速の回転となる。そのため、主軸１３を回転支承する転がり軸受１５，１６に上記スラスト力が作用すると、軸受１５，１６の長期耐久性が低下する。
この実施形態は、上記スラスト力を電磁石１７で支承するため、非接触でトルクの増大を抑えながら、主軸１３の支持用の転がり軸受１５，１６に作用するスラスト力を軽減することができる。この場合に、コンプレッサ６および膨張タービン７内の空気により主軸１３に作用するスラスト力を検出するセンサ１８と、このセンサ１８の出力に応じて前記電磁石１７による支承力を制御するコントローラ１９とを設けたため、転がり軸受１５，１６を、その軸受仕様に応じてスラスト力に対し最適な状態で使用することができる。
特に、センサ１８を、軸受１６の近傍に配置したため、問題となる軸受１６に作用するスラスト力を直接に測定することができて、その測定精度が良く、精密なスラスト力の制御が可能になる。

図５および図６は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態は、図１に示した第１の実施形態の磁気軸受装置において、永久磁石２０を内蔵した電磁石１７の構成を、図６のように構成したものである。図６は、図５のVI−VI矢視断面図を示し、永久磁石２０は円周方向に複数個（ここでは４個）に分割されたリング形状とされており、永久磁石２０の各分割片２０Ａ〜２０Ｄに個別にコイル１７ｂを巻回することで、分割片２０Ａ〜２０Ｄをコイル１７ｂで囲むようにしている。その他の構成は図１の実施形態の場合と同じである。

永久磁石２０を内蔵した電磁石１７をこのように構成した場合、コイル１７ｂで発生させた磁界を永久磁石２０に直接付加することができるので、永久磁石２０の磁束漏れを低減でき、永久磁石２０による吸引力を効率良く弱めることができる。また、永久磁石２０を分割構造としているので、その取扱いが容易になる。
ただし、この構成では、スペースを有効利用して永久磁石２０およびコイル１７ｂを配置し難い。例えば、この場合に、図１の実施形態のようにヨーク１７ａ内に一体のリング状の永久磁石２０を配置した構成の電磁石１７と同じ吸引力性能を実現しようとすると、永久磁石２０の厚さが厚くなり、そのため磁束漏れが増えて、永久磁石２０による吸引力を弱めるためのコイル１７ｂの消費電力が増加してしまう。

図７は、上記タービンユニット５を用いた空気サイクル冷凍冷却システムの全体の構成を示す。この空気サイクル冷凍冷却システムは、冷凍庫等の被冷却空間１０の空気を直接に冷媒として冷却するシステムであり、被冷却空間１０にそれぞれ開口した空気の取入口１ａから排出口１ｂに至る空気循環経路１を有している。この空気循環経路１に、予圧縮手段２、第１の熱交換器３、空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット５のコンプレッサ６、第２の熱交換器８、中間熱交換器９、および前記タービンユニット５の膨張タービン７が順に設けられている。中間熱交換器９は、同じ空気循環経路１内で取入口１ａの付近の流入空気と、後段の圧縮で昇温し、冷却された空気との間で熱交換を行うものであり、取入口１ａの付近の空気は熱交換器９ａ内を通る。

予圧縮手段２はブロア等からなり、モータ２ａにより駆動される。第１の熱交換器３および第２の熱交換器８は、冷却媒体を循環させる熱交換器３ａ，８ａをそれぞれ有し、熱交換器３ａ，８ａ内の水等の冷却媒体と空気循環経路１の空気との間で熱交換を行う。各熱交換器３ａ，８ａは、冷却塔１１に配管接続されており、熱交換で昇温した冷却媒体が冷却塔１１で冷却される。

この空気サイクル冷凍冷却システムは、被冷却空間１０を０℃〜−６０℃程度に保つシステムであり、被冷却空間１０から空気循環経路１の取入口１ａに０℃〜−６０℃程度で１気圧の空気が流入する。なお、以下に示す温度および気圧の数値は、一応の目安となる一例である。取入口１ａに流入した空気は、中間熱交換器９により、空気循環経路１中の後段の空気の冷却に使用され、３０℃まで昇温する。この昇温した空気は１気圧のままであるが、予圧縮手段２により１．４気圧に圧縮させられ、その圧縮により、７０℃まで昇温する。第１の熱交換器３は、昇温した７０℃の空気を冷却すれば良いため、常温程度の冷水であっても効率良く冷却することができ、４０℃に冷却する。

熱交換により冷却された４０℃，１．４気圧の空気が、タービンユニット５のコンプレッサ６により、１．８気圧まで圧縮され、この圧縮により７０℃程度に昇温した状態で、第２の熱交換器８により４０℃に冷却される。この４０℃の空気は、中間熱交換器９で−３０℃の空気により−２０℃まで冷却される。気圧はコンプレッサ６から排出された１．８気圧が維持される。
中間熱交換器９で−２０℃まで冷却された空気は、タービンユニット５の膨張タービン７により断熱膨張され、−５５℃まで冷却されて排出口１ｂから被冷却空間１０に排出される。この空気サイクル冷凍冷却システムは、このような冷凍サイクルを行う。

この空気サイクル冷凍冷却システムでは、タービンユニット５において、各翼車６ａ，７ａの適切な隙間ｄ１，ｄ２を保って主軸１３の安定した高速回転が得られ、かつ軸受１５，１６の長期耐久性の向上、寿命の向上が得られることで、軸受１５，１６の長期耐久性が向上することから、タービンユニット５の全体として、しいては空気サイクル冷凍冷却システムの全体としての信頼性が向上する。このように、空気サイクル冷凍冷却システムのネックとなっているタービンユニット５の主軸軸受１５，１６の安定した高速回転、長期耐久性、信頼性が向上するため、空気サイクル冷凍冷却システムの実用化が可能となる。

この発明の第１の実施形態にかかる磁気軸受装置が組み込まれたタービンユニットの断面図である。 同磁気軸受装置における電磁石の他の各例を示す拡大断面図である。 永久磁石を内蔵した電磁石と単体の電磁石について、消費電力に対する吸引力の関係を示したグラフである。 磁気軸受装置に用いられるコントローラの一例を示すブロック図である。 この発明の他の実施形態にかかる磁気軸受装置が組み込まれたタービンユニットの断面図である。 図５におけるVI−VI矢視断面図である。 上記タービンユニットを適用した空気サイクル冷凍冷却システムの系統図である。 提案例の断面図である。

符号の説明

２…予圧縮手段
３…第１の熱交換器
５…タービンユニット
６…コンプレッサ
６ａ…コンプレッサ翼車
７…膨張タービン
７ａ…タービン翼車
８…第２の熱交換器
１３…主軸
１３ａ…スラスト板
１４…スピンドルハウジング
１５，１６…転がり軸受
１７…電磁石（磁気軸受）
１７ａ…ヨーク
１８…センサ
１９…コントローラ
２０…永久磁石
２３…軸受ハウジング
２５…センサ予圧ばね
２６…軸受予圧ばね

Claims (7)

1. 転がり軸受と磁気軸受を併用し、転がり軸受がラジアル負荷を支持し、磁気軸受がアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を支持し、電磁石は主軸に垂直かつ同軸に設けられた強磁性体からなるフランジ状のスラスト板に非接触で対向するように、スピンドルハウジングに取付けられており、アキシアル方向の力を検出するセンサの出力に応じて、電磁石を制御するコントローラを有し、転がり軸受と転がり軸受の支持系とで形成される合成バネの剛性値が、電磁石の負の剛性値より大である関係を有し、
   前記電磁石のヨーク内に永久磁石を配置したことを特徴とする磁気軸受装置。
2. 請求項１において、前記電磁石のヨークが、内径側のヨーク部分および外径側のヨーク部分を有していて、前記永久磁石が、これら内径側のヨーク部分ないし外径側のヨーク部分に配置された磁気軸受装置。
3. 請求項１または請求項２において、電磁石のヨーク内に配置される前記永久磁石と面接触する前記ヨークの部分が平面形状である磁気軸受装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、電磁石のヨーク内に配置される前記永久磁石と面接触する前記ヨークの部分が突起形状である磁気軸受装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記永久磁石の形状が一体のリング形状、または円周方向に分割されたリング形状である磁気軸受装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記磁気軸受装置は、コンプレッサ側翼車およびタービン側翼車が、前記スラスト板と共通の主軸に嵌合し、タービン側翼車で発生した動力により、コンプレッサ側翼車を駆動させる圧縮膨張タービンシステムにおいて、前記主軸の支持に適用されたものである磁気軸受装置。
7. 請求項６において、前記磁気軸受装置を適用した圧縮膨張タービンシステムが、流入空気に対して、予圧縮手段による圧縮、熱交換器による冷却、タービンユニットのコンプレッサによる圧縮、他の熱交換器による冷却、前記タービンユニットの膨張タービンにより断熱膨張、を順次行う空気サイクル冷凍冷却システムに適用されたものである磁気軸受装置。

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