JP2002199655A

JP2002199655A - 高速電動機

Info

Publication number: JP2002199655A
Application number: JP2000399537A
Authority: JP
Inventors: Kazumi Hasegawa; 和三長谷川; Shinichi Ozaki; 伸一尾崎; Toshio Takahashi; 俊雄高橋; Itsuki Kuwata; 厳桑田; Muneyasu Sugitani; 宗寧杉谷
Original assignee: Ishikawajima Harima Heavy Industries Co Ltd
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2002-07-12

Abstract

(57)【要約】【課題】ロータ軸長を短縮化でき、これによりロータ
軸剛性が増して危険速度を向上させることができ、かつ
回転軸の安定性を向上させることができる高速電動機を
提供する。【解決手段】回転自在な回転子を形成するロータ部３
１を有するロータ軸３４と、ロータ部と所定の間隙を有
して半径方向に対向配置され固定子２５を形成する非回
転のステータ部２６と、ロータ部を挟んで所定の間隙を
有してロータ軸を回転自在に支持する磁気軸受３６、３
６´と、ロータ軸の変位を検出する少なくとも２本の変
位センサ４０とを備える。変位センサ４０は、磁気軸受
ステータの間又は磁気軸受ステータ内部に設置されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ロータ軸長を短縮
化できる高速電動機に関する。

【０００２】

【従来の技術】ターボ圧縮機は、レシプロ圧縮機やスク
リュウ圧縮機に比較して大容量化、小型化に適し、かつ
オイルフリー化が容易である。そのためターボ圧縮機
は、工場の空気源、空気分離の原料空気やプロセス関係
の空気源等の汎用圧縮機として多用されている。

【０００３】図４は、上述するターボ圧縮機等を直結駆
動する従来の高速電動機の模式図である。この図におい
て高速電動機１には、ケーシング３の内周面４に、非回
転の固定子５が取付けられている。この固定子５は、固
定子鉄心７と図示しない固定子巻線からなり、高速電動
機のステータ部６を形成する。固定子鉄心７は、鉄損を
軽減するため複数枚の薄板鋼板を軸方向に積層させてい
る。

【０００４】一方、ステータ部６の内周面と所定の間隙
δを保持して回転子１０が配置されている。回転子１０
は中央部近傍にロータ部１１を形成する積層鉄心（ロー
タコア）１２と、ロータ軸１４からなる。ロータ軸１４
の両端には例えば図示しない１段インペラと２段インペ
ラが取付けられる。

【０００５】上述した回転子１０のロータ部１１と固定
子５のステータ部６とにより高速回転（例えば、１０万
ｍｉｎ^-1以上）する高速電動機を形成している。

【０００６】また、ロータ軸１４のロータ部１１を挟ん
だ状態でロータ部１１の外径より小径の軸部１５が設け
られている。更に夫々の軸部１５と所定の間隙Ｃ１を有
してケーシング３の内周面４に磁気軸受１６が配置され
ている。磁気軸受１６は、ロータ軸１４に発生する半径
方向の変位を制御し、高速回転可能にロータ軸１４を無
接触で支持する。更に、夫々の磁気軸受１６のロータ部
１１と反対側には、夫々の軸部１５と所定の間隙Ｃ２を
有して複数の変位センサ１７が、ケーシング３の内周面
４に配置されている。この変位センサ１７は、ロータ軸
１４の変位を検出する。なお、磁気軸受１６と変位セン
サ１７で高速電動機の磁気軸受ユニットが形成されてい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】図４において上述した
ようにロータ軸１４の小径の軸部１５の両端近傍には、
磁気軸受１６と変位センサ１７から構成される磁気軸受
ユニットが配置されている。しかし、このように変位セ
ンサが、磁気軸受の外側延長部に配置されているので、
その分ロータ軸の全長が長くなり、危険速度が低下す
る。また場合によっては曲げ一次危険速度速度を超えた
定格回転数となるため、磁気軸受の制御が複雑となると
いう問題点があった。このため、ロータ軸バランスや磁
気軸受の調整が困難で、またコストアップとなるという
問題点があった。更に、ロータ軸長が長いと、ロータ軸
の剛性が低下し回転軸に振れが生じて弾性モードとな
り、これにより回転軸の安定性が悪くなり回転数が低下
するという問題点があった。

【０００８】次に、前述したロータ軸の長さの影響につ
いて、図５に示す３質点ロータモデルを使って簡単に説
明する。図５において、均一な軸の等分の位置に３個の
質量ｍを取付け、両端部の質量ｍをばね定数ｋの軸受で
支持している。

【０００９】縦弾性係数をＥ、断面二次モーメントを
Ｉ、３質量ｍ間の全長をＬとすると、この場合の曲げ一
次固有値ωは、（１）式で表される。 ω＝（７２・Ｅ・Ｉ／ｍ・Ｌ³）^0.5 ・・・（１）次に、３質量ｍ間の全長をＬより短いＬ´とした場合を
考えてみると、この時の質量をｍ´とすると、ｍ´＝ｍ
・（Ｌ´／Ｌ）となるので、この時の曲げ一次固有値ω
´は、（２）式となる。 ω´＝（７２・Ｅ・Ｉ・Ｌ／ｍ・Ｌ´⁴）^0.5 ・・・（２）

【００１０】従って、（１）（２）から、（３）式が導
かれる。 ω´／ω＝（Ｌ⁴／Ｌ´⁴ ）^0.5 ＝（Ｌ／Ｌ´）²・・・（３）この（３）式に示すように、軸の全長を短くすることに
より曲げ一次固有値が二乗に比例して大きな値となるの
で、回転軸の安定性を向上させることが可能となる。

【００１１】図６は、磁気軸受長さによる速度裕度を示
す図表である。なお横軸に磁気軸受の短縮率（％）、縦
軸に曲げ速度からの裕度（％）とした。

【００１２】図６において縦軸上の裕度０％をロータ軸
の高速回転における曲げ一次危険速度の限界として、裕
度０％を挟んでプラス側は磁気軸受けにてロータ軸の回
転支持に問題のない剛体モードを、またマイナス側はロ
ータ軸の回転支持が困難である弾性モードをあらわした
ものである。この図表を参照すれば、従来から使用して
いるロータ軸長を約２０％以上短縮すれば弾性モードか
らロータ軸の回転に問題のない剛体モードに移行するこ
とができる。言い換えれば、これまでよりロータ軸の全
長を少なくとも２０％短縮化できれば、危険速度を問題
のない範囲まで向上させることができる。また、曲げ一
次危険速度速度内の定格回転数に抑えることができるの
で、磁気軸受の制御が容易となる。

【００１３】本発明は、かかる課題を達成するために創
案されたものである。すなわち、本発明の目的は、ロー
タ軸長を短縮化でき、これによりロータ軸剛性を増して
危険速度を問題のない範囲まで向上させることができ、
かつ回転軸の安定性を向上させることができる高速電動
機を提供することにある。

【００１４】

【解決するための手段】本発明によれば、回転自在な回
転子を形成するロータ部（３１）を有するロータ軸（３
４）と、前記ロータ部と所定の間隙を有して半径方向に
対向配置され固定子（２５）を形成する非回転のステー
タ部（２６）と、前記ロータ部を挟んで所定の間隙を有
してロータ軸を回転自在に支持する磁気軸受（３６、３
６´）と、ロータ軸の変位を検出する少なくとも２本の
変位センサ（４０）と、を備え、該変位センサが、磁気
軸受ステータの間又は磁気軸受ステータ内部に設置され
ている、ことを特徴とする高速電動機が提供される。

【００１５】上記本発明の構成によれば、ロータ軸の変
位を検出する少なくとも２本（本実施形態では４本）の
変位センサを磁気軸受ステータの間又は磁気軸受ステー
タ内部に設置するので、ロータ軸長を短縮化できる。従
って、ロータ軸の全長が短くなることにより曲げ一次固
有値が二乗で増大し、剛体モードに移行することがで
き、回転軸の安定性を向上させることができる。

【００１６】本発明の好ましい実施形態によれば前記磁
気軸受（３６、３６´）は、ロータ軸を囲むステータの
磁極が軸方向に隣接してＮ極とＳ極を構成するホモポー
ラ形磁気軸受である。

【００１７】この構成によれば、変位センサを、ホモポ
ーラ形磁気軸受ステータの間又は磁気軸受ステータ内部
に設置して、ロータ軸長を従来の長さより短縮化するこ
とができる。これにより、ロータ軸を剛体モードで設計
できるため、ロータ軸の回転バランス取りが容易とな
り、製造時間の短縮化ができる。また、危険速度を大幅
に向上して、高速回転でも従来制御法を適用できるので
安定した軸支持ができる。更に、磁気軸受を適用する回
転磁界の全体装置を小型化できる。

【００１８】また、別の本発明の好ましい実施形態は、
前記磁気軸受（３６、３６´）は、ロータ軸を囲むステ
ータの磁極が周方向に隣接してＮ極とＳ極を構成するヘ
テロポーラ形磁気軸受である。

【００１９】この構成によれば、変位センサを、ヘテロ
ポーラ形磁気軸受内部に設置したので、ロータ軸長をホ
モポーラ形磁気軸受と同様に大幅に短縮し、同様の効果
を得ることができる。

【００２０】更に、別の本発明の好ましい実施形態は、
前記変位センサ（４０）は、渦電流形又はインダクタン
ス形又は静電容量形とした。

【００２１】渦電流形のセンサを磁気軸受間又は磁気軸
受内部に設置した場合、ロータ軸が中心から変位した場
合、渦電流のエネルギー損失から容易かつ迅速にロータ
軸の変位を推定することができ、これによりロータ軸の
変位の制御が容易にできる。また、もうインダクタンス
形の変位センサを磁気軸受間又は磁気軸受内部に設置し
た場合も、ロータ軸が中心から変位すれば、コイルのイ
ンダクタンス変化から前述の渦電流形と同様にロータ軸
の変位を容易に推定し制御することができる。また、静
電容量形は、軸の変位による静電容量の変化から前述の
センサ同様に、ロータ軸の変位を推定し、制御すること
ができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通
する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略す
る。

【００２３】図１は、ターボ圧縮機等を直結駆動する高
速電動機を示す全体構成図である。図２は、図１のＡ−
Ａ矢視図で、ホモポーラ形磁気軸受に本発明を適用した
ものである。同様に図３は、図１のＡ−Ａ矢視図の別の
実施形態のヘテロポーラ形磁気軸受に本発明を適用した
ものである。

【００２４】図１において、本発明の高速電動機２１
は、ケーシング２３の内周面２４に、非回転の固定子２
５が取付けられている。この固定子２５は、固定子鉄心
２７と図示しない固定子巻線とからなり、高速電動機の
ステータ部２６を形成する。固定子鉄心２７は、鉄損を
軽減するため複数枚の薄板鋼板を軸方向に積層させてい
る。

【００２５】一方、ステータ部２６の内周面と所定の間
隙δを保持して回転子３０が配置されている。回転子３
０は中央部近傍に高速電動機のをなすロータ部３１を形
成する積層鉄心（ロータコア）３２と、ロータ軸３４か
らなる。ロータ軸３４の両端には例えば図示しない１段
インペラと２段インペラを取付けている。

【００２６】上述した回転子３０のロータ部３１と固定
子２５のステータ部２６により、高速回転（例えば、１
０万ｍｉｎ^-1以上）する高速電動機を形成している。

【００２７】また、ロータ軸３４のロータ部３１を挟ん
だ状態でロータ部３１の外径より小径の軸部３５が設け
られている。更に夫々の軸部３５と所定の間隙Ｃ１を有
してケーシング２３の内周面２４に磁気軸受３６が配置
されている。磁気軸受３６は、ロータ軸３４に発生する
半径方向の変位を制御し、高速で回転自在にロータ軸３
４を無接触で支持する。

【００２８】更に、図１及び図２において、磁気軸受３
６は、ロータ軸３４を囲むステータ部２６の磁極３７が
軸方向に隣接してＮ極とＳ極を構成するホモポーラ形磁
気軸受である。このホモポーラ形磁気軸受３６は、ケー
シング２３内に取付けられている。図２（Ｃ）に示すよ
うに、各磁気軸受３６は、断面形状がコ字形状でかつ積
層鋼板で形成されたステータコア３８とコイル３９から
なる。この構成により軸方向に隣接して、磁極３７にＮ
極とＳ極を有し、非接触でロータ軸３４を支持する。

【００２９】また、本発明では、ロータ軸３４の変位を
検出する４本の変位センサ４０を、図２（Ａ）では、４
等分されたホモポーラ形磁気軸受３６の間にケーシング
２３を貫通させて設置させた。また、図２（Ｂ）、
（Ｃ）の例では、同じく４本の変位センサ４０を４等分
された夫々のホモポーラ形磁気軸受３６内部にケーシン
グ２３と共に貫通させて配置させた。

【００３０】このように変位センサの設置場所を、ホモ
ポーラ形磁気軸受の間又は磁気軸受内部としたので、ロ
ータ軸長を従来の長さより大幅に短縮することができ
る。これにより前述の図５の（３）式に示したように曲
げ一次固有値が増大して回転軸の安定性が向上する。更
に図６で説明したように例えば従来設計のロータ軸でも
変位センサを磁気軸受ユニットの領域内に挿入すれば、
ロータ軸長を短縮化できれば、ロータ軸を剛体モードで
設計できるため、高速回転でも従来制御法を適用できる
ので安定した軸支持ができる。またロータ軸の回転バラ
ンス取りが容易となり、製造時間の短縮化ができる。更
に危険速度を向上させる共に磁気軸受を適用する回転磁
界の全体装置を小型化できる。

【００３１】次に、図３は本発明の別の実施形態で、ヘ
テロポーラ形磁気軸受と変位センサとの関連を示す配置
図である。図３において、図２と同様に、ロータ軸３４
のロータ部３１を挟んだ状態でロータ部３１の外径より
小径の軸部３５が設けられている。更に軸部３５と所定
の間隙Ｃ１を有して、ケーシング２３の内周面２４にロ
ータ軸３４を支持する磁気軸受３６´が配置されてい
る。

【００３２】また、この例で、磁気軸受３６´は、ロー
タ軸３４の軸部３５を囲むステータ４１の磁極４２が周
方向に隣接してＮ極とＳ極を構成するヘテロポーラ形磁
気軸受３６´である。更にこのヘテロポーラ形磁気軸受
３６´は、図３に示すように回転するロータ軸３４の軸
部３５を所定の間隙Ｃ１を有してケーシング２３内に取
付けられ、ロータ軸３４の軸部３５を囲むステータ４１
の磁極４２が，周方向に隣接してコイル４３により磁石
のＮ極とＳ極を構成し、対向位置にある磁極４２の吸引
力を制御してロータ軸３４を非接触で支持している。

【００３３】このように構成されたヘテロポーラ形磁気
軸受３６´に対して、図３（Ａ）に示す例では、４本の
変位センサ４０を、周方向に隣接する磁極のＮ極とＮ極
の間、及びＳ極とＳ極の間にケーシング２３を貫通させ
て設置している。また、図３（Ｂ）の例では、同じく４
本の変位センサ４０を４５度移動させて周方向に隣接す
る磁極のＮ極とＳ極の間にケーシング２３を貫通させて
配置ししている。このように変位センサの設置場所を、
ヘテロポーラ形磁気軸受の内部としたので、ロータ軸長
をホモポーラ形磁気軸受と同様に従来より短縮化でき、
前述のホモポーラ形磁気軸受と同様な効果を得ることが
できる。

【００３４】また、変位センサ４０には、渦電流形又は
インダクタンス形又は静電容量形を用いる。これらの変
位センサを夫々の磁気軸受の磁気軸受の間又は磁気軸受
内部に、等配の位置に設置するのがよい。渦電流形の変
位センサを設置した場合に、ロータ軸が中心から変位し
た場合は渦電流のエネルギー損失から容易かつ迅速にロ
ータ軸の変位を推定することができ、これによりロータ
軸の変位の制御が容易にできる。また、インダクタンス
形の変位センサを設置しても、ロータ軸が中心から変位
すれば、コイルのインダクタンス変化から前述の渦電流
形と同様にロータ軸の変位を容易に推定し制御すること
ができる。また、静電容量形は、軸変位による静電容量
変化により、変位を推定でき、同様の効果が得られる。

【００３５】なお、本発明は上述した実施形態に限定さ
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できる
ことは勿論である。

【００３６】

【発明の効果】上述したように本発明の高速電動機によ
れば、ロータ軸長を短縮化でき、これにより軸ロータ剛
性が増して危険速度を向上させることができ、かつ回転
軸の安定性を向上させることができる、等の優れた効果
を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】ターボ圧縮機等を直結駆動する本発明の高速電
動機を示す全体構成図である。

【図２】図１のＡ−Ａ矢視図である。

【図３】別の実施形態を示す図２と同様の矢視図であ
る。

【図４】従来の高速電動機の模式図である。

【図５】３質点ロータモデルを示す模式図である。

【図６】磁気軸受長さによる速度裕度を示す図表であ
る。

【符号の説明】

１、２１高速電動機駆動圧縮機３、２３ケーシング４、２４内周面５、２５固定子６、２６ステータ部７、２７固定子鉄心１０、３０回転子１１、３１ロータ部１２、３２積層鉄心（ロータコア）１４、３４ロータ軸１５、３５軸部１６磁気軸受１７、４０変位センサ３６ホモポーラ形磁気軸受（磁気軸受）３６´ ヘテロポーラ形磁気軸受（磁気軸受）３７、４２磁極３８ステータコア３９、４３コイル４１ステータ δ、Ｃ１、Ｃ２間隙

フロントページの続き (72)発明者高橋俊雄東京都江東区豊洲２丁目１番１番地石川島播磨重工業株式会社東京第一工場内 (72)発明者桑田厳東京都江東区豊洲２丁目１番１番地石川島播磨重工業株式会社東京第一工場内 (72)発明者杉谷宗寧東京都江東区豊洲２丁目１番１番地石川島播磨重工業株式会社東京第一工場内Ｆターム(参考） 3J102 AA01 BA03 BA17 CA09 CA10 CA19 DA03 DA09 DA30 DB01 DB05 DB10 GA13 5H605 AA04 BB07 CC02 CC04 EB12 5H607 AA04 BB01 BB14 BB26 CC01 DD03 DD09 DD16 FF07 GG01 GG17 HH01 HH05 HH09 5H611 AA01 AA03 PP03 QQ03 RR00 TT00 UA05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転自在な回転子を形成するロータ部
（３１）を有するロータ軸（３４）と、前記ロータ部と
所定の間隙を有して半径方向に対向配置され固定子（２
５）を形成する非回転のステータ部（２６）と、前記ロ
ータ部を挟んで所定の間隙を有してロータ軸を回転自在
に支持する磁気軸受（３６、３６´）と、ロータ軸の変
位を検出する少なくとも２本の変位センサ（４０）と、
を備え、該変位センサが、磁気軸受ステータの間又は磁気軸受ス
テータ内部に設置されている、ことを特徴とする高速電
動機。
【請求項２】前記磁気軸受（３６、３６´）は、ロー
タ軸を囲むステータの磁極が軸方向に隣接してＮ極とＳ
極を構成するホモポーラ形磁気軸受である、ことを特徴
とする請求項１に記載の高速電動機。
【請求項３】前記磁気軸受（３６、３６´）は、ロー
タ軸を囲むステータの磁極が周方向に隣接してＮ極とＳ
極を構成するヘテロポーラ形磁気軸受である、ことを特
徴とする請求項１に記載の高速電動機。
【請求項４】前記変位センサ（４０）は、渦電流形又
はインダクタンス形又は静電容量形である、ことを特徴
とする請求項１乃至３のいずれかに記載の高速電動機。