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Title:
MAGNETIC BEARING DEVICE INTEGRAL WITH MOTOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2009/025076
Kind Code:
A1
Abstract:
A magnetic bearing device integral with a motor has improved long term durability, is compact, can be rotated at high speed, and can more efficiently cool the motor. In the magnetic bearing device, a motor rotor of the axial gap motor is mounted on a main shaft (13). A motor stator (28b) is formed by placing motor coils (28ba) in a case (28bb) made of a polymer material. The motor coils (28ba) each use a flat square wire as the winding wire wound to form each of two layers (28ba1, 28ba2), and opposite ends (28baa, 28bab) of the winding wire, which are a winding start portion and a winding end portion, are arranged at the outer periphery of the motor coil (28ba). A cooling liquid circulation path (41) is provided in the case (28bb), and cooling liquid is caused to flow in the circulation path (41) so as to make contact with the winding wire of the motor coils (28ba). The circulation path (41) has a cooling liquid passage groove (41ba) open to face the motor coils (28ba). Ridges and grooves (41baa) are formed on the groove wall surface of the cooling liquid passage groove (41ba).

Inventors:
SUZUKI NOBUYUKI (JP)
Application Number:
JP2008/002195
Publication Date:
February 26, 2009
Filing Date:
August 12, 2008
Export Citation:
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Assignee:
NTN TOYO BEARING CO LTD (JP)
SUZUKI NOBUYUKI (JP)
International Classes:
H02K9/19; F16C32/00; F16C32/04; F25B9/00; H02K7/09; H02K7/14; H02K7/18
Domestic Patent References:
WO2007066474A12007-06-14
Foreign References:
JP2004180367A2004-06-24
JP2002272049A2002-09-20
JP2005261083A2005-09-22
JP2006014564A2006-01-12
JP2004297987A2004-10-21
Attorney, Agent or Firm:
SUGIMOTO, Shuji et al. (10-2 Edobori 1-chome,Nishi-ku, Osaka-shi, Osaka, JP)
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Claims:
 コンプレッサ翼車およびタービン翼車が設けられた主軸を支持する転がり軸受および磁気軸受と、前記主軸を回転駆動するモータとを備え、前記転がり軸受がラジアル負荷を支持し、前記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、前記磁気軸受を構成する電磁石は主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、前記モータのロータが前記スピンドルハウジングに設置されたモータ一体型の磁気軸受装置であって、
 前記モータステータは、高分子材料からなるケース内に、巻線に平角導線を用いて2層に巻回し巻き始め部および巻き終わり部となる上記巻線の両端を外周部に配置してなるモータコイルを収容したものであり、前記ケース内に、前記モータコイルの巻線に冷却液が接するように冷却液を流す冷却液循環経路を設け、この冷却液循環経路は、モータコイルに面して開口した冷却液通過溝を有するものであって、その溝壁面に凹凸を形成したモータ一体型の磁気軸受装置。
 請求項1において、前記モータコイルは、同一円周上に複数個並べて共通のケース内に設け、前記冷却液通過溝を、それぞれ前記各コイルの端面に接して複数設けたモータ一体型の磁気軸受装置。
 請求項1において、前記モータコイルは、同一円周上に複数個並べて共通のケース内に設け、前記冷却液循環経路を構成する冷却液通過路を、それぞれ前記各コイルの2層の中間に介在させて複数設けたモータ一体型の磁気軸受装置。
 請求項1において、前記冷却液は、オイルまたはエチレングリコールであるモータ一体型の磁気軸受装置。
 請求項1において、前記主軸は、コンプレッサ翼車およびタービン翼車が取付けられ、モータ動力とタービン翼車で発生した動力のどちらか一方または両方により、コンプレッサ翼車を駆動させる、圧縮膨張タービンシステムに適用されたものであるモータ一体型の磁気軸受装置。
 請求項5において、前記モータ一体型の磁気軸受装置を適用した膨張圧縮タービンシステムが、流入空気に対して、タービンユニットのコンプレッサによる圧縮、熱交換器による圧縮、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、または予圧縮手段による冷却、前記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モータ一体型の磁気軸受装置。
Description:
モータ一体型の磁気軸受装置 関連出願

 本願は2007年8月17日出願の特願2007-212604の 先権を主張するものであり、その全体を参 により本出願の一部をなすものとして引用 る。

 この発明は、空気サイクル冷凍冷却用タ ビンユニット等に用いられる磁気軸受装置 関し、特に、転がり軸受と磁気軸受を併用 、磁気軸受がアキシアル負荷と軸受予圧の ちらか一方または両方を支持するようにし モータ一体型の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 して空気を用いるため、フロンやアンモニ ガス等を用いる場合に比べてエネルギー効 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 に吹き込むことができる施設では、庫内フ ンやデフロストの省略等によってトータル ストを引下げられる可能性があり、このよ な用途で空気サイクル冷凍冷却システムが 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・ ンプレッサとしては、主軸の一端にタービ 翼車、他端にコンプレッサ翼車を取付け、 記主軸を電磁石の電流で制御するジャーナ およびスラスト軸受で支承した磁気軸受式 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 はあるが、主軸支持用の転がり軸受に作用 るスラスト荷重が軸受寿命の短縮を招くこ を回避するため、転がり軸受に作用するス スト荷重をスラスト磁気軸受により低減す 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 ムとして、ディープ・コール領域で高効率 なる空気冷却の理論効率を得るためには、 適に設計された圧縮機や膨張タービンが必 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 車とハウジングとの隙間を微小に保つ必要 ある。この隙間の変動は、安定した高速回 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 用する空気により、主軸にスラスト力が作 し、主軸を支持する軸受にスラスト荷重が される。空気サイクル冷凍冷却システムに 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 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 る軸受の長期耐久性の低下、寿命低下を招 、空気サイクル冷凍冷却用タービンユニッ の信頼性を低下させる。このような軸受の 期耐久性の課題を解消しなくては、空気サ クル冷凍冷却用タービンユニットの実用化 難しい。しかし、上記特許文献1に開示の技 は、この高速回転下におけるスラスト荷重 負荷に対する軸受の長期耐久性の低下につ 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 るものとして、図12に示すようなモータ一 型の磁気軸受装置を開発した。このモータ 体型の磁気軸受装置は、主軸53の両端にコン プレッサ46のコンプレッサ翼車46aおよび膨張 ービン47のタービン翼車47aを取付けた空気 イクル冷凍冷却用タービンユニットにおい 、主軸53のラジアル負荷を転がり軸受55,56で アキシアル負荷を電磁石57でそれぞれ支持 ると共に、主軸53に同軸に設けたモータ68に る駆動力とタービン翼車47aの駆動力とでコ プレッサ翼車46aを回転駆動するようにした のである。アキシアル負荷を支持する電磁 57は、主軸53に垂直かつ同軸に設けられたス ラスト板53a,53bに非接触で対向するように配 され、アキシアル方向の力を検出するセン 58の出力に応じて磁気軸受用コントローラ59 制御される。モータ68はアキシアルギャッ 型のものであって、主軸53に垂直かつ同軸に 設けた前記スラスト板53a,53bにモータロータ68 aを形成すると共に、このモータロータ68aと 方向に対向するようにモータステータ68bを 置して構成される。モータロータ68aは、前 スラスト板53a,53bと、これらスラスト板53a,53b に周方向に等ピッチで設けられた複数個の永 久磁石68aaとで構成される。モータステータ68 bは、高分子材料からなるケース68bb内にモー コイル68baを収容して構成される。

 また、上記構成のモータ一体型の磁気軸 装置において、モータステータ68bのケース6 8bb内には、図14に拡大断面図で示すように、 ータコイル68baの巻線に冷却液が接するよう に冷却液を流す冷却液循環経路71が設けられ いる。この冷却液循環経路71は、モータコ ル68baに面して開口した冷却液通過溝71aを有 る。

 上記構成のモータ一体型の磁気軸受装置 よると、主軸53にかかるスラスト力を電磁 57で支持するため、非接触でトルクの増大を 抑えながら、転がり軸受55,56に作用するスラ ト力を軽減することができる。その結果、 翼車46a,47aとハウジング46b,47bとの微小隙間 一定に保つことができ、スラスト荷重の負 に対する転がり軸受55,56の長期耐久性を向上 させることができる。

 また、スラスト板53a,53bを、磁気軸受であ る電磁石57のターゲットとモータロータ68a用 永久磁石68aaの取付に用いているので、主軸 53の長さが短くなって、装置全体がコンパク 化され、固有振動数の低下が回避できて、 速回転が可能となる。

 また、同じスラスト板53a,53bを電磁石57の ーゲットとモータロータ68a用の永久磁石68aa の取付に用いる形式のものであると、モータ ステータ68bでの発熱量が非常に多くなるが、 モータコイル68baの巻線に冷却液が接するよ にモータステータ68bのケース68bbに冷却液を す冷却液循環経路71を設けているので、優 た冷却効果が得られ、冷却不足によるモー 効率の低下や安全性悪化を回避できる。

 しかし、上記構成のモータ一体型の磁気軸 装置において、モータコイル68baの巻線とし て、図13(A)のように通常の丸断面導線を用い 場合には、以下のような問題が生じる。
(1) モータコイル68baの巻き始めおよび巻き終 わりの導線部分68baa,68babは、図13(A)のように ータコイル68baの外周側に引き出して結線す ため、図13(A)におけるXIIB-XIIB矢視断面図を す図13(B)のように、その導線部分がモータコ イル68baの端面を横断することになる。その め、モータステータ68bのケース68bbに前記導 部分68baa,68babを逃がすためのスリットを設 る必要があり、ケース68bbの厚さが増す。そ 結果、モータステータ68bのモータコイル68ba とモータロータ68aの永久磁石68aaとの隙間が がり、モータ効率の低下を招く。
(2) モータコイル68baの内部(中心部)の導線部 は冷却液と直接接しないため、冷却液によ モータステータ68bの冷却が十分でない。

 この発明の目的は、スラスト荷重の負荷 対する転がり軸受の長期耐久性を向上させ ことができ、コンパクト化、高速回転化に 応でき、かつ十分なモータ冷却およびモー 効率向上を図ることができるモータ一体型 磁気軸受装置を提供することである。

 この発明のモータ一体型の磁気軸受装置は コンプレッサ翼車およびタービン翼車が設 られた主軸を支持する転がり軸受および磁 軸受と、前記主軸を回転駆動するモータと 備え、前記転がり軸受がラジアル負荷を支 し、前記磁気軸受がアキシアル負荷と軸受 圧のどちらか一方または両方を支持し、前 磁気軸受を構成する電磁石は主軸に設けら た強磁性体からなるフランジ状のスラスト に非接触で対向するように、スピンドルハ ジングに取付けられ、前記モータのロータ 前記スピンドルハウジングに設置されたモ タ一体型の磁気軸受装置であって、前記モ タステータは、高分子材料からなるケース に、巻線に平角導線を用いて2層に巻回し巻 き始め部および巻き終わり部となる上記巻線 の両端を外周部に配置してなるモータコイル を収容したものであり、前記ケース内に、前 記モータコイルの巻線に冷却液が接するよう に冷却液を流す冷却液循環経路を設け、この 冷却液循環経路は、モータコイルに面して開 口した冷却液通過溝を有するものであって、 その溝壁面に凹凸を形成している。なお、「 平角導線」とは、導体断面が長方形である導 線である。
 この構成によると、転がり軸受と磁気軸受 併用し、転がり軸受がラジアル負荷を支持 、磁気軸受がアキシアル負荷と軸受予圧の ちらか一方または両方を支持するものであ ため、アキシアル方向の精度の良い支持が え、また転がり軸受の長期耐久性が確保で 、磁気軸受のみの支持の場合における電源 止時の損傷も回避される。また、磁気軸受 電磁石に対向させるスラスト板にモータロ タの永久磁石を設けたため、磁気軸受とモ タロータとのスラスト板の兼用によって主 長さが短くなり、コンパクト化される共に 固有振動数の低下が回避できて高速回転時 低振動の回転が可能になる。
 上記モータは、アキシアルギャップ型であ て、モータステータでの発熱量が多く、一 のモータで行われるようなモータケースの 側からの間接的な冷却では十分に冷却でき い。しかし、モータコイルの巻線に冷却液 接するように、冷却液をモータステータ内 流す冷却液循環経路を設けたので、優れた 却効果が得られる。上記循環経路は、モー コイルに面して開口した冷却液通過溝を有 るものとし、経路断面を小さくしたため、 じ量の冷却液を流すにつき、冷却液が高速 流れることになり、より一層冷却効率が向 する。また、モータコイルは、巻線として 角導線を用いて2層に巻回し巻き始め部およ び巻き終わり部となる上記巻線の両端を外周 部に配置してモータケース内に収容したので 、前記冷却液循環路の冷却液通過溝を流れる 冷却液がモータコイルの全ての導線部分に接 することになり、コイル全体を均一に冷却で きる。さらに、冷却液通過溝の壁面に凹凸が 形成されているので、冷却液の流れが乱流と なり、より冷却効果が向上する。これにより 、冷却不足によるモータ効率の低下や安全性 悪化を回避できる。モータのケースは高分子 材料からなるため、冷却液通過溝等の冷却液 循環経路の形成が容易であり、また非磁性体 のため、磁界への影響が生じない。
 また、上記したように、モータコイルを、 線として平角導線を用いて2層に巻回し巻き 始め部および巻き終わり部となる上記巻線の 両端を外周部に配置してモータケース内に収 容していることから、モータケースにモータ コイル巻線の両端を逃がすためのスリットを 設ける必要がなく、それだけモータケースの 厚さを薄くできてモータコイルとモータロー タの隙間を狭くでき、モータ効率を向上させ ることができる。

 この発明において、前記モータコイルは、 一円周上に複数個並べて共通のケース内に け、前記冷却液通過溝を、それぞれ前記各 イルの端面に接して複数設けても良い。
 このように、冷却液通過溝を、各コイルの 面に面して複数設けると、冷却液が各冷却 通過溝に高速で流れることになるので、モ タコイルに対する冷却効果をより高めるこ ができる。

 この発明において、前記モータコイルは、 一円周上に複数個並べて共通のケース内に け、前記冷却液循環経路を構成する冷却液 過路を、それぞれ前記各コイルの2層の中間 に介在させて複数設けても良い。
 このように、冷却液通過路を、各コイルの2 層の中間に介在させることで、モータコイル に対する冷却効果をより高めることができる 。

 この発明において、前記冷却液は、オイ またはエチレングリコールであっても良い オイルまたはエチレングリコールであると コイルに直接に接して流すようにしても、 イルの被覆を腐食させることがない。

 この発明において、前記主軸には、コン レッサ翼車およびタービン翼車が取付けら 、モータ動力とタービン翼車で発生した動 のどちらか一方または両方により、コンプ ッサ翼車を駆動させる、圧縮膨張タービン ステムに適用されたものであっても良い。 の構成の場合、各翼車の適切な隙間を保っ 主軸の安定した高速回転が得られ、かつ軸 の長期耐久性、寿命の向上が得られる。

 この発明において、前記モータ一体型の磁 軸受装置を適用した膨張圧縮タービンシス ムが、流入空気に対して、タービンユニッ のコンプレッサによる圧縮、熱交換器によ 圧縮、他の熱交換器による冷却、前記ター ンユニットの膨張タービンによる断熱膨張 または予圧縮手段による冷却、前記タービ ユニットのコンプレッサによる圧縮、他の 交換器による冷却、前記タービンユニット 膨張タービンによる断熱膨張、を順次行う 気サイクル冷凍冷却システムに適用された のであっても良い。
 このモータ一体型の磁気軸受装置を適用し 圧縮膨張タービンシステムを、このような 気サイクル冷凍冷却システムに適用した場 、圧縮膨張タービンシステムにおいて、各 車の適切な隙間を保って主軸の安定した高 回転が得られ、かつ軸受の長期耐久性の向 、寿命の向上が得られることから、圧縮膨 タービンシステムの全体として、しいては 気サイクル冷凍冷却スステムの全体として 信頼性が向上する。また、空気サイクル冷 冷却システムのネックとなっている圧縮膨 タービンシステムの主軸軸受の安定した高 回転、長期耐久性、信頼性が向上すること ら、空気サイクル冷凍冷却システムの実用 が可能となる。

 この発明は、添付の図面を参考にした以下 好適な実施形態の説明からより明瞭に理解 れるであろう。しかしながら、実施形態お び図面は単なる図示および説明のためのも であり、この発明の範囲を定めるために利 されるべきでない。この発明の範囲は添付 クレームによって定まる。添付図面におい 、複数の図面における同一の部品番号は、 一部分を示す。
この発明の第1実施形態にかかるモータ 一体型の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。 同タービンユニットにおけるモータス ータの分解平面図である。 (A)はモータステータにおけるモータコ ルの斜視図、(B)は同モータコイルを線図と て示す斜視図である。 モータ一体型の磁気軸受装置に用いら る磁気軸受用コントローラの一例を示すブ ック図である。 モータ一体型の磁気軸受装置に用いら るモータ用コントローラの一例を示すブロ ク図である。 モータ一体型の磁気軸受装置における ータの軸方向に沿う半部断面図である。 モータステータの一部モジュールの軸 垂直な方向に沿う断面図である。 図7におけるVIII- VIII 矢視断面図であ 。 この発明の第2実施形態における、図7 VIII-VIII 矢視断面図に相当するモータステー タの断面図である。 この発明の第3実施形態にかかるモー 一体型の磁気軸受装置が組み込まれたター ンユニットの断面図である。 図1のタービンユニットを適用した空 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。 (A)は同提案例におけるモータコイルに 丸断面導線を用いた場合のモータコイルの正 面図、(B)は(A)におけるXIIB-XIIB矢視断面図であ る。 提案例における部分断面図である。

 この発明の第1実施形態を図1ないし図8と に説明する。図1は、この実施形態のモータ 一体型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 ット5は圧縮膨張タービンシステムを構成す 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 車6aおよび膨張タービン7のタービン翼車7a 主軸13の両端にそれぞれ嵌合している。主軸 13の材料には、磁気特性の良好な低炭素鋼が 用される。

 図1において、コンプレッサ6は、コンプレ サ翼車6aと微小の隙間d1を介して対向するコ プレッサハウジング6bを有し、中心部の吸 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と微小の 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 んだ空気を、タービン翼車7aで断熱膨張さ 、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におけるモータ一体 型の磁気軸受装置は、主軸13をラジアル方向 対し複数の軸受15,16で支持し、主軸13にかか るアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方 または両方を磁気軸受である電磁石17により 持すると共に、主軸13を回転駆動するアキ アルギャップ型のモータ28を設けたものであ る。このタービンユニット5は、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 ンサ18の出力に応じて前記電磁石17による支 持力を制御する磁気軸受用コントローラ19と 電磁石17とは独立に前記モータ28を制御する モータ用コントローラ29とを有している。
 電磁石17は、主軸13の軸方向中間部において 軸方向に並ぶように主軸13に垂直かつ同軸に けられた強磁性体からなるフランジ状の2つ のスラスト板13a,13bの各片面に非接触で対向 るように、一対のものがスピンドルハウジ グ14に設置されている。具体的には、磁気軸 受ユニットを構成する一方の電磁石17は、膨 タービン7寄りに位置するスラスト板13aの膨 張タービン7側に向く片面を電磁石ターゲッ として、この片面に非接触で対向するよう スピンドルハウジング14に設置される。また 、磁気軸受ユニットを構成する他方の電磁石 17は、コンプレッサ6寄りに位置するスラスト 板13bのコンプレッサ6側に向く片面を電磁石 ーゲットとして、この片面に非接触で対向 るようにスピンドルハウジング14に設置され る。

 モータ28は、前記電磁石17と並んで主軸13に けられたモータロータ28aと、このモータロ タ28aに対し軸方向に対向するモータステー 28bとでなるモータユニットである。具体的 は、モータユニットの一部品を構成するモ タロータ28aは、主軸13における前記各スラ ト板13a,13bの電磁石17が対向する側とは反対 の各片面に、円周方向に等ピッチで並ぶ永 磁石28aaを配置することで左右一対のものが 成される。このように軸方向に対向配置さ る永久磁石28aaの間では、その磁極が互いに 異極となるように設定される。主軸13には磁 特性の良好な低炭素鋼を使用しているので 主軸13と一体構造となるように設けられる 記各スラスト板13a,13bを、永久磁石28aaのバッ クヨークおよび電磁石ターゲットに兼用でき る。
 モータユニットの他の部品であるモータス ータ28bは、前記左右一対のモータロータ28a 挟まれる軸方向中央の位置において、これ 両モータロータ28aの各面に非接触で対向す ようにコアの無い状態で配置した集中巻き 式の複数個のモータコイル28baを、スピンド ルハウジング14に設置して構成される。具体 には、モータステータ28bは、分解した平面 で示す図2のように、前記モータコイル28ba 周方向に複数並び互いに一体化された複数 (ここでは2個)のモジュール28b1,28b2に分けて 成される。これにより、主軸13と一体である 2つのスラスト板13a,13bに挟まれて配置される ータステータ28bが、モータユニットの一部 として組み込み可能とされる。
 このモータ28は、前記モータロータ28aとモ タステータ28b間に作用するローレンツ力に り、主軸13を回転させる。このように、この アキシアルギャップ型のモータ28はコアレス ータとされていることから、モータロータ2 8aとモータステータ28b間の磁気カップリング よる負の剛性はゼロとなっている。

 主軸13を支持する軸受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 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、中間部の大径部13cと、両端部の 径部13dとを有する段付き軸とされている。 側の軸受15,16は、その内輪15a,16aが小径部13d 圧入状態に嵌合し、片方の幅面が大径部13c 小径部13d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 15,16よりも各翼車6a,7a側の部分は、内径面が 軸13に近接する径に形成され、この内径面 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、スピドル ウジング14の内径面に複数の円周溝を軸方 に並べて形成したラビリンスシールとして 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 ウジング14側に設けられている。このセン 18を近傍に設けた軸受16は、その外輪16bが軸 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2 3aを有しており、スピンドルハウジング14に 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 ング14に固定された部材である片方の電磁 17との間に介在させてある。また、センサ18 、センサ予圧ばね25により予圧が印加され 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 軸受16の外輪16bをアキシアル方向に付勢す 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 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 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 動に対しても検出できるようにするためで 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 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 自在に設置され、かつ軸受予圧ばね26によ 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 アキシアル方向移動自在に嵌合していて、 受予圧ばね26は、外輪15bとスピンドルハウ 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 対向して外輪15bを付勢するものとされ、軸 15に予圧を与えている。軸受予圧ばね26は、 軸13回りの円周方向複数箇所に設けられた イルばね等からなり、それぞれスピンドル 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 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におけるモータ一体 型の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 ング23など)とで形成される合成バネと、モ タ部(電磁石17とモータ28)で形成される合成 ネとが並列となった構成である。このバネ において、軸受15,16とこれら軸受の支持系と で形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とモータ28とで形成さ る合成バネは、変位した方向に変位量に比 して作用する負の剛性となる。
 このため、上記した両合成バネの剛性の大 関係を、
 軸受等による合成バネの剛性値<電磁石・ モータによる合成バネの負の剛性値…(1)とし た場合、機械システムの位相は180°遅れとな 不安定な系となることから、電磁石17を制 する磁気軸受用コントローラ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、この第1実施形態のモータ一体型の 磁気軸受装置では、上記した両合成バネの剛 性の大小関係を、
 軸受等による合成バネの剛性値>電磁石・ モータによる合成バネの負の剛性値…(2)とし ている。とくに、このモータ一体型の磁気軸 受装置では、上記したようにアキシアルギャ ップ型のモータ28をコアレスモータとしてい ので、モータ28に作用する負の剛性値をゼ とすることができ、モータ28が高負荷動作し 過大なアキシアル荷重が作用した状態におい ても上記(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 の位相が180°遅れとなることを防止できる で、モータ28が高負荷動作し過大なアキシア ル荷重が作用した状態でも磁気軸受用コント ローラ19の制御対象を安定なものとでき、コ トローラ19の回路構成を図4のように比例も くは比例積分を用いた簡単なものに構成で る。

 ブロック図で示す図4の磁気軸受用コント 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30で加減算し、その演算結 を比較器31で基準値設定手段32の基準値と比 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)33によりター ンユニット5に応じて適宜設定される比例積 (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 回路(もしくはP補償回路)33の出力は、ダイ ード34,35を介して各方向の電磁石171 ,172 を 動するパワー回路36,37に入力される。電磁 171 ,172 は、図1に示したスラスト板13a,13bに 向する一対の電磁石17であり、吸引力しか 用しないため、予めダイオード34,35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。

 同じくブロック図で示す図5のモータ用コ ントローラ29では、回転同期指令信号を基に モータロータ28aの回転角をフィードバック 号として位相調整回路38でモータ駆動電流 位相調整が行われ、その調整結果に応じた ータ駆動電流をモータ駆動回路39からモータ ステータ28bのモータコイル28baに供給するこ によって、定回転制御が行われる。モータ イル28baへのモータ駆動電流の供給切替えの イミングは、モータステータ28bに設けられ ータロータ28aの永久磁石28aaの通過を検出す る位置センサ40の出力に基づき、位相調整回 38で決定される。前記回転同期指令信号は モータロータ28aに設けられた回転角度検出 ンサ(図示せず)の出力に応じて演算される。

 図6は前記モータ28の半部を軸方向に沿って 面した図を示し、図7はモータステータ28bの 一部モジュール28b1を軸に垂直な方向に沿っ 断面した図を示す。モータステータ28bは、 記した複数個のモータコイル28baと、これら ータコイル28baを内部に収容した絶縁材であ る高分子材料のケース28bbとでなる。ケース28 bbは、上記のようにモジュール28b1,28b2毎に設 られる。
 モータコイル28baは、図3(A)に斜視図で示す うに、その巻線として平角導線を用い、2層 各層部分28ba1,28ba2に重ねて巻回し、その巻 始め部および巻き終わり部となる巻線両端28 baa,28babを外周部に配置してなる。図3(B)は、 の巻線構造を線図として示したものであり 1層部分28ba1と2層部分28ba2とは内周部で連続 ている。

 図6および図7に示すように、モータステー 28bのケース28bbには、モータコイル28baの巻線 に冷却液20が接するように、冷却液20をモー ステータ28b内に流す冷却液循環経路41が設け られている。冷却液20としては、例えば、オ ルまたはエチレングリコールが用いられる オイルまたはエチレングリコールを冷却液2 0とした場合、モータコイル28baに直接に接し 流すようにしても、モータコイル28baの被覆 を腐食させることがない。冷却液循環経路41 、ケース28bbの外部から冷却液20が供給され 注入口41aと、この注入口41aに連通してケー 28bb内に設けられたケース内冷却経路41bと、 このケース内冷却経路41bに設けられた一つま たは複数の排出口41cとを有する。注入口41aお よび排出口41cは、ケース内冷却経路41bの外周 部に配置される。
 ケース内冷却経路41bは、モータコイル28baに 面して開口した冷却液通過溝41baを有する。 体的には、ケース内冷却経路41bは、モータ イル28baよりも外周に位置して円弧状に延び 冷却経路外周部41bbと、この冷却経路外周部 41bbからモータコイル28baの両側の端面におけ ステータ半径方向に延びる部分に沿ってそ ぞれ設けられた複数の放射状配置の冷却液 過溝41baと、モータコイル両面の各冷却液通 過溝41baのステータ半径方向の内端を連通さ た連通部41bcとでなる。各モータコイル28bの 端面に沿う冷却液通過溝41baは、モータコイ ル28baの表面に沿って開口しており、溝内を れる冷却液が、モータコイル28baのコイル巻 に直接に接触する。冷却経路外周部41bbは、 円弧方向に並んで複数設けられ、そのうちの いずれか(図示の例では中央の1つ)の冷却経路 外周部41bbに注入口41aが設けられ、残りの(図 の例では両側の2つ)の冷却経路外周部41bbに 出口41cが形成されている。

 図7のVIII- VIII 矢視断面図を示す図8のよ に、冷却液通過溝41baの溝壁面には凹凸41baa 形成されている。ケース28bb内に収容される モータコイル28baは、図3で示したように、巻 として平角導線を用い2層の各層部分28ba1,28b a2に重ねて巻回し、その巻き始め部および巻 終わり部となる巻線両端28baa,28babを外周部 配置してなるので、通常の丸断面導線を用 る場合のようにモータコイル28baの端面を巻 両端28baa,28babが横切らず、したがってケー 28bb内に前記巻線両端28baa,28babを逃がすため スリットを設ける必要がない。その結果、 ース28bbの厚さをそれだけ薄くできる。

 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 は図示せず)により効率良く熱交換できるよ 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 ば-30℃~-60℃程度の極低温まで断熱膨張によ 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 ニット5は、コンプレッサ翼車6aおよびター ン翼車7aが、前記スラスト板13aとモータロ タ28aと共通の主軸13に嵌合し、モータ28の動 とタービン翼車7aで発生した動力のどちら 一方または両方によりコンプレッサ翼車6aを 駆動するものとしている。このため、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 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 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 ある。例えば、このタービンユニット5を空 サイクル冷凍冷却システムに適用する場合 は、この効率確保が重要となる。これに対 て、主軸13を転がり形式の軸受15,16により支 持するため、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 方向位置がある程度規制され、各翼車6a,7a ハウジング6b,7bとの微小隙間d1,d2を一定に保 ことができる。

 しかし、タービンユニット5の主軸13には、 翼車6a,7aに作用する空気の圧力でスラスト がかかる。また、空気冷却システムで使用 るタービンユニット5では、1分間に例えば8 ~10万回転程度の非常に高速の回転となる。 のため、主軸13を回転支持する転がり軸受15, 16に上記スラスト力が作用すると、軸受15,16 長期耐久性が低下する。
 この第1実施形態は、上記スラスト力を電磁 石17で支持するため、非接触でトルクの増大 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、主軸13に作用するスラス 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による支持力を制御 る磁気軸受用コントローラ19とを設けたた 、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、軸方向に並べて主軸13に設けられた2 のスラスト板13a,13bの軸方向外側に2つの電 石17を配置して磁気軸受ユニットを構成する と共に、前記両スラスト板13a,13bで挟まれる 置にアキシアルギャップ型のモータ28を配置 してモータユニットを構成することにより、 磁気軸受ユニットとモータユニットをコンパ クトな一体構造としているため、主軸53の軸 を短くでき、それだけ主軸13の固有振動数 高くなって、主軸13を高速回転させることが できる。

 また、このモータ一体型の磁気軸受装置で 、モータ28は、アキシアルギャップ型であ て、モータステータ28bでの発熱量が多く、 般のモータで行われるようなモータケース 外側からの間接的な冷却では十分に冷却で ない。しかし、モータコイル28baの巻線に冷 液20が接するように、冷却液20をモータステ ータ28b内に流す冷却液循環経路41を設けてい ため、効果的な冷却が行われる。また、冷 液循環経路41は、モータコイル28baに面して 口する冷却通過溝41baを流すようにしている ため、全体流量が同じ場合、狭い流路断面内 を流れることになって流速が高速となる。そ のため、より一層、効率的に冷却できる。
 また、モータコイル28baは、巻線として平角 導線を用いて2層の各層部分28ba1,28ba2に巻回し 、巻き始め部および巻き終わり部となる巻線 両端28baa,28babを外周部に配置してケース28bb内 に収容しているので、前記冷却液循環路41の 却液通過溝41baを流れる冷却液がモータコイ ル28baの全ての導線部分に接することになり コイル全体を均一に冷却できる。さらに、 却液通過溝41baの壁面に凹凸41baaが形成され いるので、冷却液の流れが乱流となり、よ 十分な冷却効果が得られる。これにより、 却不足によるモータ効率の低下や安全性悪 を回避できる。また、モータステータ28bの ース28bbは高分子材料からなるため、冷却液 過溝41ba等の冷却液循環経路41の形成が容易 あり、また非磁性体であることから、磁界 の影響が生じない。

 また、モータコイル28baを、巻線として平 角導線を用いて2層の各層部分28ba1,28ba2に巻回 し、その巻き始め部および巻き終わり部とな る巻線両端28baa,28babを外周部に配置してケー 28bb内に収容していることから、ケース28bb モータコイル28baの巻線両端28baa,28baを逃がす ためのスリットを設ける必要がなく、それだ けケース28bbの厚さを薄くできる。その結果 モータコイル28baとモータロータ28aの永久磁 28aaの隙間を狭くでき、モータ効率を向上さ せることができる。

 なお、この発明の第2実施形態は、上記第1 施形態において、図9に示すように、冷却液 環経路41を構成する冷却液通過路41bdを、そ ぞれ前記各モータコイル28baの2層の各層部 28ba1,28ba2の中間に介在させて複数設けても良 い。これら冷却液通過路41bdは、例えば、2層 各層部分28ba1,28ba2の間に間座部材49を配置す ることで空間を設け、その空間を冷却液通過 路41dとすることで形成する。各冷却液通過路 41bdは冷却経路外周部41bbおよび連通部41bcに連 通させる。
 このようにモータコイル28baの2層の各層部 28ba1,28ba2の中間に冷却液通過路41dを設けた場 合、さらに冷却効果を向上させることができ る。この第1実施形態におけるその他の構成, 果は、図1ないし図7に示す第1実施形態と同 である。
 なお、中間の冷却液通過路41dを設けた場合 冷却液通過溝41baを省略しても良い。

 図10はタービンユニット5の第3実施形態を 示す。このタービンユニット5は、図1に示す 施形態において、主軸13に垂直かつ同軸に けられた強磁性体からなるフランジ状のス スト板を1つだけとして、このスラスト板13a 電磁石ターゲットとして、その両面に非接 で対向するように、左右一対の電磁石17,17 スピンドルハウジング14に設置されている。

 モータ28は、主軸13に設けられたモータロー タ28aと、このモータロータ28aに対し軸方向に 対向するモータステータ28bとでなる。モータ ロータ28aは、前記スラスト板13aの両面におけ る前記電磁石17の対向位置よりも外径側に、 周方向に等ピッチで並ぶ永久磁石28aaを配置 することで左右一対のものが構成される。こ のように軸方向に対向配置される永久磁石28a aの間では、その磁極が互いに異極となるよ に設定される。スラスト板13aは永久磁石28aa バックヨークを兼ねる。
 モータステータ28bは、前記スラスト板13aの 面のモータロータ28aに非接触で対向するよ に、スピンドルハウジング14に設置される 右一対のものが構成される。このようにし 前記スラスト板13aを挟んで構成される左右2 のモータ28は、前記モータロータ28aとモー ステータ28b間に作用する磁気力により、主 13を回転させる。その他の構成は図1~図8の実 施形態の場合と同様であり、ここではその説 明を省略する。

 図11は、図1に示すタービンユニット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、冷凍倉庫等の被冷却空間10の空気を 接に冷媒として冷却するシステムであり、 冷却空間10にそれぞれ開口した空気の取入 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、 1の熱交換器3、空気サイクル冷凍冷却用タ ビンユニット5のコンプレッサ6、第2の熱交 器3、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 。中間熱交換器9は、同じ空気循環経路1内 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 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 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 等の冷却媒体と空気循環経路1の空気との間 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。なお、前記 圧縮手段2を含まない構成の空気サイクル冷 凍冷却システムでもよい。

 この空気サイクル冷凍冷却システムは、 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 入した空気は、中間熱交換器9により、空気 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 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 気を冷却すれば良いため、常温程度の冷水 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 、タービンユニット5のコンプレッサ6によ 、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 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 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 熱膨張され、-55℃まで冷却されて排出口1b 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 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 上、寿命の向上が得られることで、軸受15,1 6の長期耐久性が向上することから、タービ ユニット5の全体として、しいては空気サイ ル冷凍冷却システムの全体としての信頼性 向上する。このように、空気サイクル冷凍 却システムのネックとなっているタービン 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 イクル冷凍冷却システムの実用化が可能と る。

 以上のとおり、図面を参照しながら好適 実施例を説明したが、当業者であれば、本 明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更 よび修正を容易に想定するであろう。した って、そのような変更および修正は、請求 範囲から定まる発明の範囲内のものと解釈 れる。