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JP2008082425A - Magnetic bearing device - Google Patents

Magnetic bearing device Download PDF

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JP2008082425A
JP2008082425A JP2006262499A JP2006262499A JP2008082425A JP 2008082425 A JP2008082425 A JP 2008082425A JP 2006262499 A JP2006262499 A JP 2006262499A JP 2006262499 A JP2006262499 A JP 2006262499A JP 2008082425 A JP2008082425 A JP 2008082425A
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magnetic bearing
sensor
turbine
main shaft
bearing
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Hiroyuki Yamada
裕之 山田
Kenichi Suzuki
健一 鈴木
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NTN Corp
Original Assignee
NTN Corp
NTN Toyo Bearing Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetic bearing device capable of improving durability of a rolling bearing against a load of a thrust load and accurately controlling a magnetic bearing. <P>SOLUTION: This magnetic bearing device uses both rolling bearings 15, 16 and the magnetic bearing. The rolling bearings 15, 16 support a radial load, and the magnetic bearing supports either or both of an axial load and a bearing preload. An electromagnet 17 constituting the magnetic bearing is controlled by a controller 19 according to an output from a force detecting sensor unit 18 for detecting the force of a main shaft 13 in the axial direction. The force detection sensor unit 18 comprises: a pair of ring-shaped sensor targets 31, 32 sandwiching both end faces of an outer ring 16b of the rolling bearing 16; a pair of plate springs 33, 34 supporting each of the sensor targets 31, 32; and a gap sensor 35 for detecting a gap with respect to the sensor targets 31, 32. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

この発明は、空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット等に用いられる磁気軸受装置に関し、特に、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する。   The present invention relates to a magnetic bearing device used in an air cycle refrigeration cooling turbine unit or the like, and in particular, a rolling bearing and a magnetic bearing are used together so that the magnetic bearing supports one or both of an axial load and a bearing preload. The present invention relates to a magnetic bearing device.

冷凍冷却システムの冷媒として空気を用いることは、フロンやアンモニアガス等を用いる場合に比べて、環境保護や安全性の面では好ましいが、エネルギー効率としての特性面では不足する。しかし、冷凍倉庫等のように、冷媒となる空気を直接に吹き込むことができる施設で用いる場合、庫内ファンやデフロストを省略する等の工夫を講じることにより、トータルコストを既存システム並みに引下げられる可能性がある。現在では既に、環境面から冷媒としてフロンを用いることが規制され、また他の冷媒用ガスを用いることも、できるだけ避けることが望まれる。そのため、上記のような用途で、空気を冷媒として用いる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,非特許文献1)。   The use of air as the refrigerant in the refrigeration cooling system is preferable in terms of environmental protection and safety compared to the case of using chlorofluorocarbon or ammonia gas, but is insufficient in terms of characteristics as energy efficiency. However, when used in a facility that can directly blow in air as a refrigerant, such as in a freezer warehouse, the total cost can be reduced to the same level as existing systems by taking measures such as omitting the internal fan and defrost. there is a possibility. At present, the use of chlorofluorocarbon as a refrigerant is already restricted from the environmental viewpoint, and it is desired to avoid using other refrigerant gas as much as possible. Therefore, an air cycle refrigeration cooling system that uses air as a refrigerant has been proposed for the above-described applications (for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 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述べられている(非特許文献1)。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、非特許文献1)。
Further, it is stated that the theoretical efficiency of air cooling is equal to or higher than that of chlorofluorocarbon or ammonia gas in a deep coal region of −30 ° C. to −60 ° C. (Non-patent Document 1). However, it is also stated that obtaining the theoretical efficiency of the air cooling is not possible until there is an optimally designed peripheral device. The peripheral device is a compressor, an expansion turbine, or the like.
As the compressor and the expansion turbine, a turbine unit in which a compressor impeller and an expansion turbine impeller are attached to a common main shaft is used (Patent Document 1, Non-Patent Document 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持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 雑誌,ニッケイメカニカル,「空気で空気を冷やす」,1995年11月13日発行,no467,第46〜52頁
In addition, as a turbine compressor which processes a process gas, a turbine impeller is attached to one end of a main shaft, a compressor impeller is attached to the other end, and the main shaft is supported by a journal and a thrust bearing that are controlled by an electromagnet current. A compressor has been proposed (Patent Document 2).
In addition, although it is a proposal for a gas turbine engine, in order to avoid the thrust load acting on the rolling bearing for supporting the main shaft from shortening the bearing life, the thrust load acting on the rolling bearing should be reduced by the thrust magnetic bearing. Has been proposed (Patent Document 3).
Japanese Patent No. 2623202 Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-91760 JP-A-8-261237 Magazine, Nikkei Mechanical, “Cooling the Air with Air”, published November 13, 1995, no 467, pp. 46-52

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。
As described above, as the air cycle refrigeration cooling system, in order to obtain the theoretical efficiency of air cooling that is highly efficient in the deep coal region, an optimally designed compressor and expansion turbine are required.
As the compressor and the expansion turbine, a turbine unit in which the compressor wheel and the expansion turbine wheel are attached to a common main shaft as described above is used. In this turbine unit, the compressor impeller can be driven by the power generated by the expansion turbine, thereby improving the efficiency of the air cycle refrigerator.

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,非特許文献2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。
However, in order to obtain practical efficiency, it is necessary to keep the gap between each impeller and the housing minute. The fluctuation of the gap hinders stable high-speed rotation and causes a decrease in efficiency.
In addition, a thrust force acts on the main shaft by the air acting on the compressor impeller and the turbine impeller, and a thrust load is applied to the bearing that supports the main shaft. The rotation speed of the main shaft of the turbine unit in the air cycle refrigeration cooling system is 80,000 to 100,000 rotations per minute, which is very high compared with a bearing for general use. For this reason, the thrust load as described above causes a decrease in long-term durability and life of the bearing supporting the main shaft, and decreases the reliability of the turbine unit for air cycle refrigeration cooling. Unless such a problem of long-term durability of the bearing is solved, it is difficult to put the air cycle refrigeration cooling turbine unit into practical use. However, the techniques disclosed in Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 have not yet been solved for the deterioration of the long-term durability of the bearing against the load of the thrust load under high-speed rotation.

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持したものでは、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。   In the case where the main shaft is supported by a journal bearing and a thrust bearing made of a magnetic bearing, such as the magnetic bearing type turbine compressor of Patent Document 2, the journal bearing does not have a restriction function in the axial direction. Therefore, if there is an unstable factor in controlling the thrust bearing, it is difficult to perform stable high-speed rotation while maintaining a minute gap between the impeller and the diffuser. In the case of a magnetic bearing, there is also a problem of contact when the power is stopped.

そこで、この発明の発明者等は、上記課題を解決するものとして、図8に示すような磁気軸受装置を開発した。この磁気軸受装置は、主軸53の両端にコンプレッサ46のコンプレッサ翼車46aおよび膨張タービン47のタービン翼車47aを取付けた空気サイクル冷凍冷却用タービンユニットにおいて、主軸53のラジアル負荷を転がり軸受55,56で、アキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を電磁石57でそれぞれ支持し、タービン翼車47aの駆動力でコンプレッサ翼車46aを回転駆動するようにしたものである。電磁石57は、主軸53に垂直かつ同軸に設けられたスラスト板53a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力検出センサユニット58の出力に応じて磁気軸受用コントローラ59で制御される。力検出センサユニット58は、転がり軸受56の外輪56aに固定状態に嵌合すると共に、スピンドルハウジング54の内径面54aにアキシアル方向に移動自在に嵌合する軸受ハウジング63と、この軸受ハウジング63の内鍔と固定部材である電磁石57との間に介在させた力検出素子60と、スピンドルハウジング64に設けられた収容凹所内に収容されて軸受56の外輪56aをアキシアル方向に付勢するセンサ予圧ばね(図示せず)とで構成され、軸受ハウジング63の軸方向変位を前記力検出素子60で力に変換して検出する。   Accordingly, the inventors of the present invention have developed a magnetic bearing device as shown in FIG. 8 in order to solve the above problems. This magnetic bearing device is a turbine unit for air cycle refrigeration cooling in which a compressor impeller 46a of a compressor 46 and a turbine impeller 47a of an expansion turbine 47 are attached to both ends of a main shaft 53. Thus, either or both of the axial load and the bearing preload are supported by the electromagnet 57, and the compressor impeller 46a is rotationally driven by the driving force of the turbine impeller 47a. The electromagnet 57 is disposed so as to face the thrust plate 53a provided perpendicularly and coaxially with the main shaft 53 in a non-contact manner, and according to the output of the force detection sensor unit 58 for detecting the axial force, the magnetic bearing controller 59 is provided. It is controlled by. The force detection sensor unit 58 is fixedly fitted to the outer ring 56a of the rolling bearing 56 and is fitted to the inner diameter surface 54a of the spindle housing 54 so as to be movable in the axial direction. A sensor preload spring that is housed in a housing recess provided in the spindle housing 64 and urges the outer ring 56a of the bearing 56 in the axial direction, interposed between the rod and the electromagnet 57 that is a fixing member. (Not shown), and the axial displacement of the bearing housing 63 is converted into a force by the force detecting element 60 and detected.

上記構成の磁気軸受装置によると、主軸53にかかるスラスト力を電磁石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に作用するスラスト力を軽減することができる。その結果、各翼車46a,47aとハウジング46b,47bとの微小隙間を一定に保つことができ、スラスト荷重の負荷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。   According to the magnetic bearing device having the above configuration, since the thrust force applied to the main shaft 53 is supported by the electromagnet 57, the thrust force acting on the rolling bearings 55 and 56 can be reduced while suppressing an increase in torque without contact. As a result, the minute gaps between the respective impellers 46a and 47a and the housings 46b and 47b can be kept constant, and the long-term durability of the rolling bearings 55 and 56 with respect to the thrust load can be improved.

しかし、上記構成の磁気軸受装置において、力検出センサユニット58を構成する力検出素子60として、磁歪材や超磁歪材、歪ゲージまたは感圧抵抗素子等を使用した場合、スピンドルハウジング54の不均一な温度分布による熱膨張のアンバランスを検出してしまう等、温度変化がある環境において、正確な力検出が難しいという問題がある。また、力検出素子60の温度ドリフトを補償するために、別に温度センサを設けたり、温度補償を行うための制御ループを組む必要が生じ、磁気軸受用コントローラ59が複雑になるという問題もある。   However, in the magnetic bearing device configured as described above, when a magnetostrictive material, a giant magnetostrictive material, a strain gauge, a pressure sensitive resistance element, or the like is used as the force detection element 60 constituting the force detection sensor unit 58, the spindle housing 54 is not uniform. There is a problem that accurate force detection is difficult in an environment where there is a temperature change, such as detecting an imbalance of thermal expansion due to a temperature distribution. Further, in order to compensate for the temperature drift of the force detection element 60, it is necessary to provide a separate temperature sensor or to construct a control loop for performing temperature compensation, and there is a problem that the magnetic bearing controller 59 becomes complicated.

この発明の目的は、スラスト荷重の負荷に対する転がり軸受の長期耐久性を向上させることができ、かつ熱膨張のアンバランスの影響を受けることなく磁気軸受を正確に制御できる磁気軸受装置を提供することである。   An object of the present invention is to provide a magnetic bearing device capable of improving the long-term durability of a rolling bearing against a thrust load and accurately controlling the magnetic bearing without being affected by thermal expansion imbalance. It is.

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、主軸のアキシアル方向の力を検出する力検出センサユニットの出力に応じて、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、前記力検出センサユニットが、前記転がり軸受の外輪の両端面を挟み込んだ一対のリング状のセンサターゲットと、これら各センサターゲットを支持する一対の板ばねと、前記センサターゲットに対するギャップを検出するギャップセンサとから構成され、前記板ばねは主軸径方向の外径側部分でスピンドルハウジングに取付けられかつ内径側部分に前記センサターゲットを取付け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の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、この磁気軸受装置では、主軸のアキシアル方向の力を検出する力検出センサユニットの出力に応じて、コントローラで電磁石を制御することとし、前記力検出センサユニットを、転がり軸受の外輪の両端面を挟み込んだ一対のリング状のセンサターゲットと、これら各センサターゲットを支持する一対の板ばねと、前記センサターゲットに対するギャップを検出するギャップセンサとで構成し、前記板ばねは主軸径方向の外径側部分でスピンドルハウジングに取付け内径側部分に前記センサターゲットを取付けているため、熱膨張のアンバランスの影響を受けることなく磁気軸受を正確に制御することができる。
The magnetic bearing device of the present invention uses both a rolling bearing and a magnetic bearing, the rolling bearing supports a radial load, the magnetic bearing supports one or both of an axial load and a bearing preload, and the electromagnet is perpendicular to the main shaft and Depending on the output of the force detection sensor unit, which is attached to the spindle housing so as to face the flange-shaped thrust plate made of ferromagnetic material coaxially without contact, and detects the axial force of the main shaft A magnetic bearing device having a controller for controlling an electromagnet, wherein the force detection sensor unit includes a pair of ring-shaped sensor targets sandwiching both end surfaces of the outer ring of the rolling bearing, and a pair of supporting each of these sensor targets. And a gap sensor for detecting a gap with respect to the sensor target. It is characterized in that attached to the sensor target mounted and the inner diameter side portion on the spindle housing in the outer diameter side portion of the main shaft radially.
According to this configuration, since the rolling bearing and the magnetic bearing are used in combination, the rolling bearing supports the radial load, and the magnetic bearing supports one or both of the axial load bearing preloads. Good support can be achieved, long-term durability of the rolling bearing can be ensured, and damage when the power supply is stopped when only the magnetic bearing is supported can be avoided.
Further, in this magnetic bearing device, the electromagnet is controlled by a controller in accordance with the output of the force detection sensor unit that detects the axial force of the main shaft, and the force detection sensor unit is connected to both end faces of the outer ring of the rolling bearing. A pair of ring-shaped sensor targets, a pair of leaf springs that support each of the sensor targets, and a gap sensor that detects a gap with respect to the sensor target, the leaf springs having an outer diameter in the main shaft radial direction. Since the sensor target is attached to the spindle housing at the side portion and attached to the inner diameter side portion, the magnetic bearing can be accurately controlled without being affected by thermal expansion imbalance.

この発明において、前記板ばねがリング状であっても良い。リング状の板ばねを用いると、円周方向に複数枚の板ばねを並べてセンサターゲットを支持する場合に比べて簡素な構造で済む。   In the present invention, the leaf spring may be ring-shaped. When a ring-shaped leaf spring is used, a simpler structure is sufficient as compared with the case where a plurality of leaf springs are arranged in the circumferential direction to support the sensor target.

この発明において、前記ギャップセンサは磁気式であってもよい。   In the present invention, the gap sensor may be magnetic.

この発明において、前記ギャップセンサは圧力センサからなり、圧縮エア供給源からの圧縮エアを前記スピンドルハウジングに設けたエア導入経路に導入し、センタターゲットとスピンドルハウジングのとの間のギャップ変動から特定位置の圧力変化を検出しスラスト力を推定するものとしてもよい。   In the present invention, the gap sensor is a pressure sensor, and introduces compressed air from a compressed air supply source into an air introduction path provided in the spindle housing, and detects a specific position from a gap fluctuation between the center target and the spindle housing. The thrust force may be estimated by detecting the pressure change.

この発明において、前記主軸にコンプレッサ側翼車およびタービン側翼車が取付けられ、前記タービン翼車で発生した動力により前記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るものとしてもよい。
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、寿命の向上が得られる。
The present invention may be applied to a compression / expansion turbine system in which a compressor side impeller and a turbine side impeller are attached to the main shaft, and the compressor impeller is driven by power generated by the turbine impeller.
In the case of this configuration, a stable high-speed rotation of the main shaft can be obtained while maintaining an appropriate gap between the impellers, and the long-term durability and life of the bearing can be improved.

この発明において、前記主軸に前記スラスト板とモータロータとを設けたモータ一体型の磁気軸受装置とし、かつ前記主軸にコンプレッサ側翼車およびタービン側翼車が取付けられ、モータ動力とタービン側翼車で発生した動力のどちらか一方または両方により、コンプレッサ側翼車を駆動させる、圧縮膨張タービンシステムに適用されるものとしても良い。
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、寿命の向上が得られる。また、モータを設けて主軸を駆動するので、コンプレッサよりも前段にブロア等の予圧縮手段を設ける必要がなくなる。
In this invention, a motor-integrated magnetic bearing device in which the main shaft is provided with the thrust plate and a motor rotor, and a compressor-side impeller and a turbine-side impeller are attached to the main shaft, and motor power and power generated by the turbine-side impeller are provided. It is good also as what is applied to the compression expansion turbine system which drives a compressor side impeller by either or both of these.
In the case of this configuration, a stable high-speed rotation of the main shaft can be obtained while maintaining an appropriate gap between the impellers, and the long-term durability and life of the bearing can be improved. Further, since the main shaft is driven by providing a motor, it is not necessary to provide pre-compression means such as a blower before the compressor.

この発明において、前記モータ一体型の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るものであっても良い。
こ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、しいては空気サク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。
In the present invention, the compression / expansion turbine system to which the motor-integrated magnetic bearing device is applied includes compression by precompression means, cooling by a heat exchanger, compression by a compressor of a turbine unit, and other heat exchange with respect to inflow air. It may be applied to an air cycle refrigeration cooling system that sequentially performs cooling by a vessel and adiabatic expansion by the expansion turbine of the turbine unit.
When a compression / expansion turbine system to which this magnetic bearing device is applied is applied to such an air cycle refrigeration / cooling system, a stable high-speed rotation of the main shaft can be obtained while maintaining an appropriate clearance between the impellers in the compression / expansion turbine system. The long-term durability of the bearing and the improvement of the service life of the bearing can be obtained, so that the main shaft bearing of the compression / expansion turbine system, which is the bottleneck of the air cycle refrigeration cooling system as a whole, can be obtained. Since stable high-speed rotation, long-term durability and reliability are improved, the air cycle refrigeration cooling system can be put to practical use.

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、主軸のアキシアル方向の力を検出する力検出センサユニットの出力に応じて、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、前記力検出センサユニットが、前記転がり軸受の外輪の両端面を挟み込んだ一対のリング状のセンサターゲットと、これら各センサターゲットを支持する一対の板ばねと、前記センサターゲットに対するギャップを検出するギャップセンサとから構成され、前記板ばねは主軸径方向の外径側部分でスピンドルハウジングに取付けられかつ内径側部分に前記センサターゲットを取付けたため、スラスト荷重の負荷に対する転がり軸受の長期耐久性を向上させることができ、かつ熱膨張のアンバランスの影響を受けることなく磁気軸受を正確に制御できる。   The magnetic bearing device of the present invention uses both a rolling bearing and a magnetic bearing, the rolling bearing supports a radial load, the magnetic bearing supports one or both of an axial load and a bearing preload, and the electromagnet is perpendicular to the main shaft and Depending on the output of the force detection sensor unit, which is attached to the spindle housing so as to face the flange-shaped thrust plate made of ferromagnetic material coaxially without contact, and detects the axial force of the main shaft A magnetic bearing device having a controller for controlling an electromagnet, wherein the force detection sensor unit includes a pair of ring-shaped sensor targets sandwiching both end surfaces of the outer ring of the rolling bearing, and a pair of supporting each of these sensor targets. And a gap sensor for detecting a gap with respect to the sensor target. Is attached to the spindle housing at the outer diameter side portion in the main shaft radial direction and the sensor target is attached to the inner diameter side portion, so that the long-term durability of the rolling bearing against the load of the thrust load can be improved and the thermal expansion can be improved. The magnetic bearing can be accurately controlled without being affected by the balance.

この発明の一実施形態を図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。   An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows a cross-sectional view of a turbine unit 5 incorporating the magnetic bearing device of this embodiment. The turbine unit 5 constitutes a compression / expansion turbine system, and includes a compressor 6 and an expansion turbine 7. The compressor impeller 6 a of the compressor 6 and the turbine impeller 7 a of the expansion turbine 7 are attached to both ends of the main shaft 13, respectively. It has been. Further, the compressor impeller 6a is driven by the power generated in the turbine impeller 7a, and no other drive source is provided.

図1において、コンプレッサ6は、コンプレッサ翼車6aと微小の隙間d1を介して対向するコンプレッサハウジング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と微小の隙間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。
In FIG. 1, the compressor 6 has a compressor housing 6b facing the compressor impeller 6a with a small gap d1, and compresses air sucked in the axial direction from the suction port 6c in the center by the compressor impeller 6a. And it discharges as shown by the arrow 6d from the exit (not shown) of an outer peripheral part.
The expansion turbine 7 has a turbine housing 7b that is opposed to the turbine impeller 7a via a minute gap d2, and the air sucked from the outer peripheral portion as indicated by an arrow 7c is adiabatically expanded by the turbine impeller 7a, It discharges in the axial direction from the discharge port 7d of the part.

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により支持するものとされる。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力検出センサユニット18と、この力検出センサユニット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とを有している。
電磁石17は、主軸13の軸方向中央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、一対のものがスピンドルハウジング14に設置されている。
In the magnetic bearing device in the turbine unit 5, the main shaft 13 is supported by a plurality of bearings 15 and 16 in the radial direction, and either or both of the axial load and the bearing preload applied to the main shaft 13 are supported by an electromagnet 17 that is a magnetic bearing. It is supposed to support. The turbine unit 5 includes a force detection sensor unit 18 that detects a thrust force acting on the main shaft 13 by air in the compressor 6 and the expansion turbine 7, and a supporting force by the electromagnet 17 according to the output of the force detection sensor unit 18. And a magnetic bearing controller 19 for controlling the motor.
A pair of electromagnets 17 is installed in the spindle housing 14 so as to face the both surfaces of a flange-like thrust plate 13a made of a ferromagnetic material provided in the center of the main shaft 13 in the non-contact manner.

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翼車6aおよびタービン翼車7aの近傍に配置されている。   The bearings 15 and 16 that support the main shaft 13 are rolling bearings and have a function of restricting the position in the axial direction. For example, a deep groove ball bearing or an angular ball bearing is used. In the case of a deep groove ball bearing, it has a thrust support function in both directions, and has the effect of returning the axial position of the inner and outer rings to the neutral position. These two bearings 15 and 16 are arranged in the vicinity of the compressor impeller 6a and the turbine impeller 7a in the spindle housing 14, respectively.

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。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されている。
The main shaft 13 is a stepped shaft having a large-diameter portion 13b at the center and small-diameter portions 13c at both ends. The bearings 15 and 16 on both sides have their inner rings 15a and 16a fitted into the small diameter portion 13c in a press-fit state, and one of the width surfaces engages with a stepped surface between the large diameter portion 13b and the small diameter portion 13c.
The portions of the spindle housing 14 closer to the impellers 6a and 7a than the bearings 15 and 16 on both sides are formed with an inner diameter surface close to the main shaft 13, and non-contact seals 21 and 22 are formed on the inner diameter surface. Yes. The non-contact seals 21 and 22 are labyrinth seals in which a plurality of circumferential grooves are arranged in the axial direction on the inner diameter surface of the spindle housing 14.

前記力検出センサユニット18は、タービン翼車7a側の転がり軸受16における静止側に設けられている。この力検出センサユニット18は、図2に詳細な構造を示すように、転がり軸受16の外輪16bの両端面を挟み込んだ一対のリング状のセンサターゲット31,32と、これら各センサターゲット31,32を支持する一対のリング状の板ばね33,34と、センサターゲット31,32における軸受対面側の各片面に対向するようにスピンドハウジング14における軸受ハウジング14aに設けられたギャップセンサ35とからなる。ギャップセンサ35は、センサターゲット31,32に対するギャップを検出するセンサである。転がり軸受16の外輪16bは、軸受ハウジング14aの内径面に軸方向に移動自在に支持される。
前記一対の板ばね33,34は、主軸13の径方向の外径側部分でスピンドルハウジング14(軸受ハウジング14a)に取付けられ、これら板ばね33,34の内径側部分に前記各センサターゲット31,32が取付けられている。これにより、転がり軸受16の外輪16bに対して、軸方向へのある程度の移動ストロークが与えられる。そこで、主軸13に作用するスラスト力で転がり軸受16の外輪16bが軸方向に変位すると、軸受ハウジング14aの各片面と、これら片面に対面するセンサターゲット31,32の各片面との間のギャップが変動する。なお、一対の板ばね33,34が、転がり軸受16を軸方向に挟み込むように配置されることで、耐モーメント外乱特性の向上が図られる。
The force detection sensor unit 18 is provided on the stationary side of the rolling bearing 16 on the turbine impeller 7a side. As shown in FIG. 2, the force detection sensor unit 18 includes a pair of ring-shaped sensor targets 31 and 32 sandwiching both end surfaces of the outer ring 16 b of the rolling bearing 16, and the sensor targets 31 and 32. And a gap sensor 35 provided on the bearing housing 14a of the spindle housing 14 so as to face each side of the sensor targets 31 and 32 on the bearing facing side. The gap sensor 35 is a sensor that detects a gap with respect to the sensor targets 31 and 32. The outer ring 16b of the rolling bearing 16 is supported on the inner diameter surface of the bearing housing 14a so as to be movable in the axial direction.
The pair of leaf springs 33, 34 are attached to the spindle housing 14 (bearing housing 14 a) at the radially outer diameter side portion of the main shaft 13, and the sensor targets 31, 34 are attached to the inner diameter side portions of the leaf springs 33, 34. 32 is attached. Thereby, a certain amount of movement stroke in the axial direction is given to the outer ring 16 b of the rolling bearing 16. Therefore, when the outer ring 16b of the rolling bearing 16 is displaced in the axial direction by the thrust force acting on the main shaft 13, a gap between each side of the bearing housing 14a and each side of the sensor targets 31 and 32 facing these one side is generated. fluctuate. The pair of leaf springs 33 and 34 are arranged so as to sandwich the rolling bearing 16 in the axial direction, so that the moment disturbance resistance can be improved.

このように構成された力検出センサユニット18では、主軸13に作用するスラスト力に応じて変化するギャップセンサ35とセンサターゲット31,32とのギャップを、ギャップセンサ35で検出し、その検出値を磁気軸受用コントローラ19でスラスト力に換算する。この場合、一方向のスラスト力に対して、転がり軸受16を挟んで軸方向の左右で検出される各ギャップは、増減関係が互いに逆となるので、磁気軸受用コントローラ19では、左右のギャップセンサ35,35の各出力を差動演算してスラスト力に換算する。このように、差動演算することにより、検出結果に生じるギャップセンサ35,35の温度ドリフトの影響が低減される。   In the force detection sensor unit 18 configured as described above, the gap between the gap sensor 35 and the sensor targets 31 and 32 that change according to the thrust force acting on the main shaft 13 is detected by the gap sensor 35, and the detected value is obtained. It is converted into a thrust force by the magnetic bearing controller 19. In this case, with respect to the thrust force in one direction, the gaps detected on the left and right in the axial direction across the rolling bearing 16 are opposite to each other. Each output of 35 and 35 is differentially calculated and converted into a thrust force. As described above, by performing the differential operation, the influence of the temperature drift of the gap sensors 35 and 35 generated in the detection result is reduced.

前記ギャップセンサ35は、前記軸受ハウジング14aにおける各センサターゲット31,32に対向する各片面に、図3(A)のように複数個を配置しても、図3(B)のように1個ずつ配置しても良い。図3(A)のように複数個を配置する場合は、周方向の等配位置に配置して各片面での検出出力を求めることで検出精度の向上が図られる。図3(B)のように各片面に1個を配置する場合は、片面のギャップセンサ35と、もう片面のギャップセンサ35とを、互いに周方向に180度位相をずらして配置することにより、主軸13に対して軸受ハウジング14aに傾きがある場合でも、検出結果に生じる傾きの影響をキャンセルすることができる。   Even if a plurality of the gap sensors 35 are arranged as shown in FIG. 3A on each side of the bearing housing 14a facing the sensor targets 31, 32, one piece as shown in FIG. 3B. You may arrange them one by one. In the case where a plurality are arranged as shown in FIG. 3A, the detection accuracy can be improved by arranging the detection outputs on each side by arranging them at equidistant positions in the circumferential direction. When one is arranged on each side as shown in FIG. 3B, the gap sensor 35 on one side and the gap sensor 35 on the other side are arranged 180 degrees out of phase with each other in the circumferential direction. Even when the bearing housing 14a is inclined with respect to the main shaft 13, the influence of the inclination generated in the detection result can be canceled.

力検出センサユニット18におけるセンサターゲット31,32の支持系の構成では、固有振動数の問題から軸長をなるべく短くする必要があり、このため支持系を偏平構造とする必要がある。この実施形態では、センサターゲット31,32を板ばね33,34で支持しているので、偏平構造を容易に実現できるが、例えば板ばね33,34の代わりにコイルばねを使用した場合、偏平構造を実現することは困難である。また、板ばね33,34を使用した場合には、板の厚さや、内外径を調整することで様々な剛性を実現することができる。板ばね33,34の代わりに、ウェイブワッシャやベルビルスプリングを使用することもできるが、この場合、ばね部材の構造上、バネ剛性を低くすることが難しくなる。   In the configuration of the support system for the sensor targets 31 and 32 in the force detection sensor unit 18, it is necessary to shorten the axial length as much as possible due to the problem of the natural frequency. For this reason, the support system needs to have a flat structure. In this embodiment, since the sensor targets 31 and 32 are supported by the leaf springs 33 and 34, a flat structure can be easily realized. For example, when a coil spring is used instead of the leaf springs 33 and 34, the flat structure is provided. It is difficult to realize. Moreover, when the leaf | plate springs 33 and 34 are used, various rigidity can be implement | achieved by adjusting the thickness and inner / outer diameter of a board | plate. A wave washer or a Belleville spring can be used in place of the leaf springs 33 and 34. However, in this case, it is difficult to reduce the spring rigidity because of the structure of the spring member.

前記ギャップセンサ35としては、非接触式のものではリラクタンス式センサや渦電流式センサ、静電式センサ、光学式センサなど分解能の高いセンサの使用が考えられるが、ここではリラクタンス式センサを使用している。光学式センサや静電式センサは、センサの軸方向長さが長く、力検出センサユニット18を偏平構造とすることが難しくなる。渦電流式センサは高感度ではあるが、センサターゲット31,32の表面の傷までも検出してしまう等、取り扱いが難しい。これに対して、リラクタンス式センサは、ギャップ変化による透磁率変化を検出するため、正確にギャップ検出することが可能である。
また、ギャップセンサ35としてリラクタンス式センサを使用するにあたり、コイルのインダクタンス変化の検出に位相検波回路を用い、温度変化によるコイル抵抗変化をキャンセル可能としている。これにより、正確なギャップ検出が可能となる。
As the gap sensor 35, a non-contact type sensor such as a reluctance sensor, an eddy current sensor, an electrostatic sensor, or an optical sensor may be used. However, a reluctance sensor is used here. ing. Optical sensors and electrostatic sensors have a long axial length, making it difficult to make the force detection sensor unit 18 have a flat structure. Although the eddy current sensor is highly sensitive, it is difficult to handle because it detects even scratches on the surface of the sensor targets 31 and 32. On the other hand, since the reluctance sensor detects a change in permeability due to a gap change, it is possible to accurately detect the gap.
Further, when a reluctance sensor is used as the gap sensor 35, a phase detection circuit is used to detect a change in coil inductance, and a change in coil resistance due to a temperature change can be canceled. Thereby, accurate gap detection becomes possible.

スピンドルハウジング14のうち、少なくとも前記ギャップセンサ35が設けられて力検出センサユニット18の検出部となる軸受ハウジング14aには高透磁率材が使用され、これにより検出感度の向上が図られている。この場合、板ばね33,34および軸受16も軸受ハウジング14aと同系の材料とするのが好ましく、これにより熱膨張によるギャップ変動を最小に抑えることができる。   Of the spindle housing 14, at least the gap sensor 35 is provided and the bearing housing 14a serving as the detection portion of the force detection sensor unit 18 is made of a high magnetic permeability material, thereby improving detection sensitivity. In this case, the leaf springs 33 and 34 and the bearing 16 are preferably made of the same material as that of the bearing housing 14a, so that gap fluctuation due to thermal expansion can be minimized.

図4は、力検出センサユニット18の他の構成例を示す。この構成例では、図2におけるリラクタンス式センサからなるギャップセンサ35を、圧力センサ36を用いたギャップセンサ35Aに置き換えている。この場合のギャップセンサ35Aは、軸受ハウジング14a内に設けられたエア導入経路37およびエア導出経路38と、エア導出経路38に連通する圧力センサ36と、エア導入経路37に圧縮エアを導入する圧縮エア供給源39とでなる。エア導入経路37は、そのエア導入孔37aを軸受ハウジング14aの外径面に開口させ、エア導出孔37bを軸受ハウジング14aのセンサターゲット31,32と対面する各片面に開口させたものである。エア導出経路38は、そのエア導入孔38aを軸受ハウジング14aの片面に開口させ、エア導出孔38bを軸受ハウジング14aの外径面に開口させたものであり、そのエア導出孔38bに圧力センサ36を連通させている。その他の構成は、図2における力検出センサユニット18の場合と略同様である。   FIG. 4 shows another configuration example of the force detection sensor unit 18. In this configuration example, the gap sensor 35 including the reluctance sensor in FIG. 2 is replaced with a gap sensor 35A using a pressure sensor 36. In this case, the gap sensor 35A includes an air introduction path 37 and an air lead path 38 provided in the bearing housing 14a, a pressure sensor 36 communicating with the air lead path 38, and a compression that introduces compressed air into the air introduction path 37. An air supply source 39; In the air introduction path 37, the air introduction hole 37a is opened on the outer diameter surface of the bearing housing 14a, and the air lead-out hole 37b is opened on each side facing the sensor targets 31 and 32 of the bearing housing 14a. The air lead-out path 38 has an air introduction hole 38a opened on one surface of the bearing housing 14a and an air lead-out hole 38b opened on the outer diameter surface of the bearing housing 14a. The pressure sensor 36 is provided in the air lead-out hole 38b. Is in communication. The other configuration is substantially the same as that of the force detection sensor unit 18 in FIG.

この構成例の力検出センサユニット18では、圧縮エア供給源39からエア導入経路37に導入される圧縮エアによって、軸受ハウジング14aの各片面とこれに対面する一対のセンサターゲット31,32との間に数〜数十μmのギャップが確保され、このギャップ量は主軸13に作用するスラスト力に応じて変化し、この変化によりギャップに圧力変化が生じる。圧力センサ36は、エア導出経路38を介して、ギャップの特定位置での圧力を検出する。このようにして検出された圧力は、磁気軸受用コントローラ19でギャップの変化量→スラスト力へと換算される。このように、圧力センサ36を用いることで、検出精度の向上、耐ノイズ性の向上、検出回路の簡素化を図ることができる。   In the force detection sensor unit 18 of this configuration example, the compressed air introduced into the air introduction path 37 from the compressed air supply source 39 causes the bearing housing 14a to move between one side of the bearing housing 14a and the pair of sensor targets 31 and 32 facing each other. On the other hand, a gap of several to several tens of μm is secured, and the gap amount changes according to the thrust force acting on the main shaft 13, and this change causes a pressure change in the gap. The pressure sensor 36 detects the pressure at a specific position of the gap via the air lead-out path 38. The pressure detected in this way is converted by the magnetic bearing controller 19 from gap change amount to thrust force. Thus, by using the pressure sensor 36, it is possible to improve detection accuracy, improve noise resistance, and simplify the detection circuit.

図5は、力検出センサユニット18のさらに他の構成例を示す。この構成例では、図2における力検出センサユニット18の構成において、転がり軸受16の外輪16bと軸受ハウジング14aとの間に軸受スリーブ40を介在させたものである。この場合、転がり軸受16の外輪16bは軸受スリーブ40の内径部に固定状態で支持され、軸受スリーブ40は軸受ハウジング14aの内径面に軸方向に移動自在に支持される。その他の構成は図2の構成の場合と同様である。   FIG. 5 shows still another configuration example of the force detection sensor unit 18. In this configuration example, in the configuration of the force detection sensor unit 18 in FIG. 2, a bearing sleeve 40 is interposed between the outer ring 16b of the rolling bearing 16 and the bearing housing 14a. In this case, the outer ring 16b of the rolling bearing 16 is supported in a fixed state on the inner diameter portion of the bearing sleeve 40, and the bearing sleeve 40 is supported on the inner diameter surface of the bearing housing 14a so as to be movable in the axial direction. Other configurations are the same as those in the configuration of FIG.

この構成例の力検出センサユニット18では、転がり軸受16の外輪16bを、軸受スリーブ40を介して軸受ハウジング14aに支持させた構造としているので、力検出センサユニット18を主軸13から外径側に離れた位置に配置できる。これにより、主軸13を含む回転部と力検出センサユニット18との干渉を回避して、主軸13の長さを短くすることができる。高速回転体では、主軸固有振動数の問題から軸長はなるべく短くする必要があるが、この構成例の力検出センサユニット18では、このような要請に十分応えることができる。   In the force detection sensor unit 18 of this configuration example, since the outer ring 16b of the rolling bearing 16 is supported on the bearing housing 14a via the bearing sleeve 40, the force detection sensor unit 18 is moved from the main shaft 13 to the outer diameter side. Can be placed at a distant location. Thereby, interference with the rotation part containing the main axis | shaft 13 and the force detection sensor unit 18 can be avoided, and the length of the main axis | shaft 13 can be shortened. In the high-speed rotating body, the shaft length needs to be as short as possible due to the problem of the main shaft natural frequency. However, the force detection sensor unit 18 of this configuration example can sufficiently meet such a request.

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。   The turbine unit 5 having this configuration is applied to, for example, an air cycle refrigeration cooling system and compressed by a compressor 6 so that air as a cooling medium can be efficiently heat-exchanged by a subsequent heat exchanger (not shown here). Then, the temperature is increased, and the air cooled by the heat exchanger in the subsequent stage is cooled and discharged by the adiabatic expansion to a target temperature, for example, a very low temperature of about −30 ° C. to 60 ° C., by the expansion turbine 7. used.

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。空気サイクル冷凍冷却システムでは、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。
In this turbine unit 5, the compressor impeller 6a and the turbine impeller 7a are attached to a common main shaft 13, and the compressor impeller 6a is driven by the power generated in the turbine impeller 7a, so that no power source is required. Cooling can be efficiently performed with a compact configuration.
In order to secure the efficiency of compression and expansion of the turbine unit 5, it is necessary to keep the gaps d1 and d2 between the impellers 6a and 7a and the housings 6b and 7b minute. In the air cycle refrigeration cooling system, ensuring this efficiency is important. On the other hand, since the main shaft 13 is supported by rolling type bearings 15 and 16, the axial direction position of the main shaft 13 is regulated to some extent by the restriction function of the axial direction position of the rolling bearing, and each impeller 6a, 7a and The minute gaps d1 and d2 between the housings 6b and 7b can be kept constant.

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で支持するため、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力検出センサユニット18と、この力検出センサユニット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、力検出センサユニット18を、転がり軸受16の外輪16bの両端面を挟み込んだ一対のリング状のセンサターゲット31,32と、これら各センサターゲット31,32を支持する一対の板ばね33,34と、前記センサターゲット31,32に対するギャップを検出するギャップセンサ35とで構成したため、熱膨張のアンバランスの影響を受けることなく磁気軸受を正確に制御できる。
However, a thrust force is applied to the main shaft 13 of the turbine unit 5 by the pressure of air acting on the impellers 6a and 7a. Further, the turbine unit 5 used in the air cooling system rotates at a very high speed of about 80,000 to 100,000 rotations per minute, for example. Therefore, when the thrust force acts on the rolling bearings 15 and 16 that rotatably support the main shaft 13, the long-term durability of the bearings 15 and 16 decreases.
In this embodiment, since the thrust force is supported by the electromagnet 17, the thrust force acting on the rolling bearings 15 and 16 for supporting the main shaft 13 can be reduced while suppressing an increase in torque without contact. In this case, a force detection sensor unit 18 that detects a thrust force acting on the main shaft 13 by the air in the compressor 6 and the expansion turbine 7, and the supporting force by the electromagnet 17 is controlled according to the output of the force detection sensor unit 18. Since the magnetic bearing controller 19 is provided, the rolling bearings 15 and 16 can be used in an optimum state with respect to the thrust force according to the bearing specifications.
In particular, the force detection sensor unit 18 includes a pair of ring-shaped sensor targets 31 and 32 sandwiching both end surfaces of the outer ring 16b of the rolling bearing 16 and a pair of leaf springs 33 and 34 that support the sensor targets 31 and 32. And the gap sensor 35 for detecting the gap with respect to the sensor targets 31 and 32, the magnetic bearing can be accurately controlled without being affected by the imbalance of thermal expansion.

そのため、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の長期耐久性の向上、寿命の向上が得られる。軸受15,16の長期耐久性が向上するため、空気サイクル冷凍冷却用タービンユニット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。   Therefore, stable high-speed rotation of the main shaft 13 can be obtained while maintaining appropriate gaps d1 and d2 between the impellers 6a and 7a, and the long-term durability and life of the bearings 15 and 16 can be improved. Since the long-term durability of the bearings 15 and 16 is improved, the reliability of the entire air cycle refrigeration cooling turbine unit 5 and, as a whole, the air cycle refrigeration cooling system is improved. As described above, stable high-speed rotation, long-term durability, and reliability of the main shaft bearings 15 and 16 of the turbine unit 5 that are the bottleneck of the air cycle refrigeration cooling system are improved. It becomes possible.

各軸受15,16は、コンプレッサ翼車6aの近傍とタービン翼車7aの近傍とに配置され、主軸13が両端支持となるため、より一層安定した高速回転が可能になる。   The bearings 15 and 16 are disposed in the vicinity of the compressor impeller 6a and in the vicinity of the turbine impeller 7a, and the main shaft 13 is supported at both ends, so that more stable high-speed rotation is possible.

各軸受15,16よりも端部側の主軸13とスピンドルハウジング14との間には、非接触シール21,22が設けられているため、軸受15,16内などを通って空気がコンプレッサ6と膨張タービン7の間に漏れることが防止される。コンプレッサ6の内部と膨張タービン7の内部とでは気圧差が大きいため、各軸受15,16の内部や、各軸受15,16の内外輪15a,16aが主軸13やスピンドルハウジング14に嵌合する面を取って空気の漏れが生じようとする。このような空気の漏れは、コンプレッサ6や膨張タービン7の効率の低下を招き、また軸受15,16内を通過する空気は、塵埃があると軸受15,16内を汚したり、軸受内の潤滑材を乾燥させたりして、耐久性を低下させる恐れがある。このような効率低下、および軸受15,16の汚損が、上記非接触シール21,22によって防止される。   Since non-contact seals 21 and 22 are provided between the main shaft 13 and the spindle housing 14 on the end side of the bearings 15 and 16, air passes through the bearings 15 and 16 and the like with the compressor 6. Leakage between the expansion turbines 7 is prevented. Since there is a large pressure difference between the inside of the compressor 6 and the inside of the expansion turbine 7, the inside of each bearing 15, 16 and the surface on which the inner and outer rings 15 a, 16 a of each bearing 15, 16 are fitted to the main shaft 13 and the spindle housing 14 Air leaks are about to occur. Such air leakage causes the efficiency of the compressor 6 and the expansion turbine 7 to decrease, and the air passing through the bearings 15 and 16 contaminates the bearings 15 and 16 when there is dust, or lubricates the bearings. There is a risk that the material may be dried to reduce durability. Such a decrease in efficiency and the fouling of the bearings 15 and 16 are prevented by the non-contact seals 21 and 22.

図6はタービンユニット5の他の実施形態を示す。このタービンユニット5は、図1に示す実施形態において、主軸13を回転駆動するモータ25を設けたものである。モータ25は、電磁石17と並んで設けられており、スピンドルハウジング14に設けられたステータ26と主軸13に設けられたロータ27とで構成される。ステータ26はステータコイル26aを有し、ロータ27は磁石等からなる。モータ25の制御は、モータコントローラ28で行われる。   FIG. 6 shows another embodiment of the turbine unit 5. In the embodiment shown in FIG. 1, the turbine unit 5 is provided with a motor 25 that rotationally drives the main shaft 13. The motor 25 is provided side by side with the electromagnet 17 and includes a stator 26 provided on the spindle housing 14 and a rotor 27 provided on the main shaft 13. The stator 26 has a stator coil 26a, and the rotor 27 is made of a magnet or the like. The motor 25 is controlled by the motor controller 28.

このタービンユニット5は、膨張タービン7で生じるタービン翼車7aの駆動力と、モータ25による駆動力とでコンプレッサ翼車6aが回転駆動される。そのため予圧縮段がなくてもコンプレッサ6の駆動が可能となり、システムのコンパクト化が図れる。   In the turbine unit 5, the compressor impeller 6 a is rotationally driven by the driving force of the turbine impeller 7 a generated in the expansion turbine 7 and the driving force of the motor 25. Therefore, the compressor 6 can be driven without a pre-compression stage, and the system can be made compact.

図7は、図6のタービンユニット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、除湿器4、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。   FIG. 7 shows an overall configuration of an air cycle refrigeration cooling system using the turbine unit 5 of FIG. This air cycle refrigeration cooling system is a system that directly cools air in a space to be cooled 10 such as a freezer as a refrigerant, and an air circulation path from an air intake port 1a to a discharge port 1b respectively opened in the space to be cooled 10 1 In this air circulation path 1, pre-compression means 2, first heat exchanger 3, dehumidifier 4, compressor 6 of air cycle refrigeration cooling turbine unit 5, second heat exchanger 8, intermediate heat exchanger 9, And the expansion turbine 7 of the said turbine unit 5 is provided in order. The intermediate heat exchanger 9 exchanges heat between the inflow air near the intake port 1a in the same air circulation path 1 and the air that has been heated by the subsequent compression and cooled. The air in the vicinity of 1a passes through the heat exchanger 9a.

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。   The pre-compression means 2 comprises a blower or the like and is driven by a motor 2a. The first heat exchanger 3 and the second heat exchanger 8 have heat exchangers 3a and 8a for circulating a cooling medium, respectively, and a cooling medium such as water and an air circulation path in the heat exchangers 3a and 8a. Heat exchange with 1 air. Each of the heat exchangers 3 a and 8 a is connected to the cooling tower 11 by piping, and the cooling medium whose temperature is increased by heat exchange is cooled by the cooling tower 11.

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。除湿器4は、空気循環経路1内の空気の水分が、後段における氷点下への冷却により凍りついて空気循環経路1の詰まりや膨張タービン7のかじり等を生じることを防止するために、経路内の空気を除湿する。   This air cycle refrigeration cooling system is a system that keeps the space 10 to be cooled at about 0 ° C. to −60 ° C., from the space to be cooled 10 to the intake 1a of the air circulation path 1 at about 0 to −60 ° C. and 1 atm. Air flows in. Note that the numerical values of temperature and atmospheric pressure shown below are examples that serve as a guide. The air that has flowed into the intake port 1a is used by the intermediate heat exchanger 9 to cool the downstream air in the air circulation path 1 and is heated to 30 ° C. The heated air remains at 1 atm, but is compressed to 1.4 atm by the pre-compression means 2, and the temperature is raised to 70 ° C. by the compression. Since the 1st heat exchanger 3 should just cool the air of 70 degreeC which raised temperature, even if it is cold water about normal temperature, it can cool efficiently and it cools to 40 degreeC. The dehumidifier 4 prevents the moisture in the air in the air circulation path 1 from freezing due to cooling below the freezing point in the subsequent stage and causing clogging of the air circulation path 1 and galling of the expansion turbine 7. Dehumidify the air.

除湿後の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。
The air at 40 ° C. and 1.4 atm after dehumidification is compressed to 1.8 atm by the compressor 6 of the turbine unit 5, and the second heat exchanger 8 is heated to about 70 ° C. by this compression. To 40 ° C. The 40 ° C. air is cooled to −20 ° C. by the −30 ° C. air in the intermediate heat exchanger 9. The atmospheric pressure is maintained at 1.8 atmospheric pressure discharged from the compressor 6.
The air cooled to −20 ° C. by the intermediate heat exchanger 9 is adiabatically expanded by the expansion turbine 7 of the turbine unit 5, cooled to −55 ° C., and discharged from the outlet 1 b to the cooled space 10. This air cycle refrigeration cooling system performs such a refrigeration cycle.

この発明の一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。It is sectional drawing of the turbine unit in which the magnetic bearing apparatus concerning one Embodiment of this invention was integrated. 同タービンユニットにおける力検出センサユニットの一構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows one structural example of the force detection sensor unit in the turbine unit. (A)は同力検出センサユニットにおけるギャップセンサの配置例を示す正面図、(B)はギャップセンサの他の配置例を示す正面図である。(A) is a front view which shows the example of arrangement | positioning of the gap sensor in the same force detection sensor unit, (B) is a front view which shows the other example of arrangement | positioning of a gap sensor. 力検出センサユニットの他の構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other structural example of a force detection sensor unit. 力検出センサユニットのさらに他の構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the further another structural example of a force detection sensor unit. 他の実施形態にかかるタービンユニットの断面図である。It is sectional drawing of the turbine unit concerning other embodiment. 図6の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。FIG. 7 is a system diagram of an air cycle refrigeration cooling system to which the turbine unit of FIG. 6 is applied. 提案例の断面図である。It is sectional drawing of a proposal example.

符号の説明Explanation of symbols

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
14a…軸受ハウジング
15,16…転がり軸受
17…電磁石
18…力検出センサユニット
19…磁気軸受用コントローラ
25…モータ
26…モータステータ
27…モータロータ
31,32…センサターゲット
33,34…板ばね
35,35A…ギャップセンサ
90…モータ
92…モータロータ
2 ... Pre-compression means 3 ... First heat exchanger 5 ... Turbine unit 6 ... Compressor 6a ... Compressor impeller 7 ... Expansion turbine 7a ... Turbine impeller 8 ... Second heat exchanger 13 ... Main shaft 13a ... Thrust plate 14 ... spindle housing 14a ... bearing housings 15 and 16 ... rolling bearings 17 ... electromagnet 18 ... force detection sensor unit 19 ... magnetic bearing controller 25 ... motor 26 ... motor stator 27 ... motor rotors 31 and 32 ... sensor targets 33 and 34 ... leaf springs 35, 35A ... Gap sensor 90 ... Motor 92 ... Motor rotor

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、主軸のアキシアル方向の力を検出する力検出センサユニットの出力に応じて、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、
前記力検出センサユニットは、前記転がり軸受の外輪の両端面を挟み込んだ一対のリング状のセンサターゲットと、これら各センサターゲットを支持する一対の板ばねと、前記センサターゲットに対するギャップを検出するギャップセンサとから構成され、前記板ばねは主軸径方向の外径側部分でスピンドルハウジングに取付けられかつ内径側部分に前記センサターゲットを取付けたことを特徴とする磁気軸受装置。
Rolling bearing and magnetic bearing are used together, the rolling bearing supports the radial load, the magnetic bearing supports the axial load and / or the bearing preload, and the electromagnet is a ferromagnetic body that is perpendicular and coaxial with the main shaft. And a controller that controls the electromagnet according to the output of the force detection sensor unit that detects the axial force of the spindle. A magnetic bearing device,
The force detection sensor unit includes a pair of ring-shaped sensor targets sandwiching both end faces of the outer ring of the rolling bearing, a pair of leaf springs that support the sensor targets, and a gap sensor that detects a gap with respect to the sensor target. The plate spring is attached to the spindle housing at the outer diameter side portion in the main shaft radial direction, and the sensor target is attached to the inner diameter side portion.
請求項1において、前記板ばねがリング状である請求項1記載の磁気軸受装置   2. The magnetic bearing device according to claim 1, wherein the leaf spring has a ring shape. 請求項1または請求項2において、前記ギャップセンサは磁気式である磁気軸受装置。   3. The magnetic bearing device according to claim 1, wherein the gap sensor is a magnetic type. 請求項1または請求項2において、前記ギャップセンサは圧力センサからなり、圧縮エア供給源からの圧縮エアを前記スピンドルハウジングに設けたエア導入経路に導入し、センタターゲットとスピンドルハウジングのとの間のギャップ変動から特定位置の圧力変化を検出しスラスト力を推定するものとした磁気軸受装置。   3. The gap sensor according to claim 1, wherein the gap sensor is a pressure sensor, and introduces compressed air from a compressed air supply source into an air introduction path provided in the spindle housing, and between the center target and the spindle housing. A magnetic bearing device that detects a pressure change at a specific position from a gap fluctuation and estimates a thrust force. 請求項1ないし請求項4のいずれか1項において、前記主軸にコンプレッサ側翼車およびタービン側翼車が取付けられ、前記タービン翼車で発生した動力により前記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るものとした磁気軸受装置。   5. The compression / expansion turbine system according to claim 1, wherein a compressor side impeller and a turbine side impeller are attached to the main shaft, and the compressor impeller is driven by power generated by the turbine impeller. Magnetic bearing device to be applied. 請求項1ないし請求項4のいずれか1項において、前記主軸に前記スラスト板とモータロータとを設けたモータ一体型の磁気軸受装置とし、かつ前記主軸にコンプレッサ側翼車およびタービン側翼車が取付けられ、モータ動力とタービン側翼車で発生した動力のどちらか一方または両方により、コンプレッサ側翼車を駆動させる、圧縮膨張タービンシステムに適用されるものとした磁気軸受装置。   The motor-integrated magnetic bearing device according to any one of claims 1 to 4, wherein the main shaft is provided with the thrust plate and a motor rotor, and a compressor-side impeller and a turbine-side impeller are attached to the main shaft. A magnetic bearing device applied to a compression / expansion turbine system in which a compressor side impeller is driven by one or both of motor power and power generated by a turbine side impeller. 請求項5または請求項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るものである磁気軸受装置。
7. The compression / expansion turbine system to which the magnetic bearing device is applied according to claim 5 or 6, wherein the inflowing air is compressed by a pre-compression means, cooled by a heat exchanger, compressed by a compressor of a turbine unit, or other heat. A magnetic bearing device that is applied to an air cycle refrigeration cooling system that sequentially performs cooling by an exchanger and adiabatic expansion by an expansion turbine of the turbine unit.
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