JP2007162716A - 磁気軸受装置 - Google Patents
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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
【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)。
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
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
Priority Applications (5)
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