JP4942337B2 - 磁気軸受装置 - Google Patents
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Description
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)。
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)。
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。
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。
翼車の主軸を転がり軸受により支承すると、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、主軸位置が規制され、各翼車とハウジングの微小隙間を一定に保つことができる。このようなアキシアル方向位置の規制機能を有する転がり軸受の場合に、高速回転する軸受の上記スラスト力による長期耐久性の低下が問題となるが、電磁石でスラスト力を支承するため、転がり軸受の長期耐久性が確保できる。
しかし、次の新たな問題が生じる。すなわち、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のアキシアル剛性が小さくなる。そのため、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も小さくなり、この場合にも合成バネの剛性と電磁石の負の剛性との間の上記大小関係を保とうとすると、電磁石の負の剛性を小さくする必要があるといった問題がある。
d>k*Fmax/Kbrg
で示される条件式を満足する電磁石ギャップを有し、
前記電磁石は、スラスト板に対向する一対の電磁石であり、前記コントローラは、前記一対の電磁石を選択的に駆動可能であり、
前記転がり軸受の支持系は、前記スピンドルハウジングに設けられて軸受の外輪をアキシアル方向に付勢するセンサ予圧ばねを有し、前記センサが、主軸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、センサ予圧ばねがセンサに予圧を印加するものとしたことを特徴とする。
また、上記条件式を満足するように電磁石ギャップを設定したため、高速回転領域で好適な軽荷重の軸受予圧の条件下でも、電磁石ギャップを広げることにより、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、そのため、最大荷重が作用した場合でも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。
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。
d>k*Fmax/Kbrg
で示される条件式を満足する電磁石ギャップを有し、
前記電磁石は、スラスト板に対向する一対の電磁石であり、前記コントローラは、前記一対の電磁石を選択的に駆動可能であり、
前記転がり軸受の支持系は、前記スピンドルハウジングに設けられて軸受の外輪をアキシアル方向に付勢するセンサ予圧ばねを有し、前記センサが、主軸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、センサ予圧ばねがセンサに予圧を印加するものとしたので、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。
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。
このため、上記した合成バネと電磁石のバネの剛性の大小関係を、
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。
合成バネの剛性値>電磁石の負の剛性値……(2)
としている。
Kns=k*Fmax/d……(3)
という関係式で表され、上記(2)式の大小関係は、
Kbrg>Kns……(4)
という関係式で表される。
d>k*Fmax/Kbrg……(5)
で示す条件式を満足するように設定している。
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。
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。
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)
18…センサ
19…コントローラ
23…軸受ハウジング
25…センサ予圧ばね
26…軸受予圧ばね
Claims (3)
- 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する磁気軸受装置であって、
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をKbrg、前記主軸に作用するスラスト力の最大負荷をFmax、電磁石ギャップをd、比例定数をkとした場合に、
d>k*Fmax/Kbrg
で示される条件式を満足する電磁石ギャップを有し、
前記電磁石は、スラスト板に対向する一対の電磁石であり、前記コントローラは、前記一対の電磁石を選択的に駆動可能であり、
前記転がり軸受の支持系は、前記スピンドルハウジングに設けられて軸受の外輪をアキシアル方向に付勢するセンサ予圧ばねを有し、前記センサが、主軸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、センサ予圧ばねがセンサに予圧を印加するものとしたことを特徴とする磁気軸受装置。 - 請求項1記載の磁気軸受装置は、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る磁気軸受装置。
- 請求項2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、余圧縮手段による圧縮、熱交換器による冷却、タービンユニットのコンプレッサによる圧縮、他の熱交換器による冷却、前記タービンユニットの膨張タービンによる断熱膨張、を順次行う空気サイクル冷凍冷却システムに適用されたものである磁気軸受装置。
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