JP2018028295A - 圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】占有スペースが小さい漏れ磁束対策によって、磁気軸受部の変位センサへの漏れ磁束の影響を低減する。【解決手段】圧縮機１は、インペラ５ａ，５ｂと、インペラ５ａ，５ｂのシャフト６と、シャフト６周りに設けられシャフト６を回転させるモータ部１３と、モータ部１３とはスラスト方向にずれた別の位置に設けられ、シャフト６の変位を検知する変位センサ３３，３４を有し、シャフト６を軸受けするスラスト磁気軸受部２１及びラジアル磁気軸受部１９ａ，１９ｂと、モータ部１３と変位センサ３３との間にシャフト６に略直交する姿勢で設けられた遮蔽板３９と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、圧縮機に関するものである。

従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載の圧縮機が知られている。この圧縮機は、インペラの回転軸を回転させるモータと、回転軸を非接触で支持する磁気軸受部とを備えている。一般的な磁気軸受部は、回転軸の変位を検知する変位センサを備えており、変位センサで検知された変位に基づいて、回転軸を吸引する電磁石の吸引力が調整され、回転軸の位置が制御される。

特開2014-43834号公報 特開2003-106333号公報

しかしながら、モータが発生する漏れ磁束の影響が変位センサに及ぶと、変位センサの信号のノイズによって上記のような回転軸の位置制御が正確に実行されなくなり、磁気軸受部が正確に機能しなくなる虞がある。従って、変位センサに対する漏れ磁束の影響を低減する対策が必要である。その一方、この種の圧縮機においては、小型化の要請が大きく、漏れ磁束対策の部品を設置するためのスペース確保が困難な場合もある。よって、大きなスペースを占有しないような漏れ磁束対策が求められていた。

本発明は、占有スペースが小さい漏れ磁束対策によって、磁気軸受部の変位センサへの漏れ磁束の影響を低減する圧縮機を提供することを目的とする。

本発明の圧縮機は、インペラと、インペラの回転軸と、回転軸周りに設けられ回転軸を回転させるモータ部と、モータ部とはスラスト方向にずれた別の位置に設けられ、回転軸の変位を検知する変位センサを有し、回転軸を支持する磁気軸受部と、モータ部と変位センサとの間に回転軸に略直交する姿勢で設けられた磁性体板と、を備える。

また、磁気軸受部は、磁力による外力を回転軸に付与する外力付与部を有し、外力付与部が、インペラと変位センサとの間に位置しているようにしてもよい。

本発明の圧縮機によれば、占有スペースが小さい漏れ磁束対策によって、磁気軸受部の変位センサへの漏れ磁束の影響を低減することができる。

本実施形態の圧縮機を模式的に示す断面図である。 圧縮機のスラスト磁気軸受部の近傍を示す断面図である。 変位センサ、遮蔽板及びモータ部を示す分解斜視図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る圧縮機の実施形態について詳細に説明する。

図１に示される圧縮機１は、直列式の２段圧縮機であり、ガスを圧縮する第１コンプレッサ部３ａと、第１コンプレッサ部３ａで圧縮されたガスを更に圧縮する第２コンプレッサ部３ｂと、を備えている。第１コンプレッサ部３ａの第１インペラ５ａと第２コンプレッサ部３ｂの第２インペラ５ｂとはシャフト６（回転軸）を介して連結されており、第１インペラ５ａはシャフト６の一端に設けられ、第２インペラ５ｂはシャフト６の他端に設けられている。第１インペラ５ａ、第２インペラ５ｂ及びシャフト６が一体となって圧縮機１のハウジング７内で回転軸線Ａ周りに回転する。

以下の説明において、単に「軸方向」、「周方向」、「径方向」というときは、それぞれ、シャフト６の回転軸方向、シャフト６の回転周方向、シャフト６の回転径方向を意味するものとする。また、以下の説明において「右方向」、「左方向」などの語を用いる場合には、図１の右左に対応させて、第１インペラ５ａ側を左側、第２インペラ５ｂ側を右側とする。

圧縮機１のハウジング７は、第１インペラ５ａを内部に収容する第１ハウジング７ａと、第２インペラ５ｂを内部に収容する第２ハウジング７ｂと、第１ハウジング７ａと第２ハウジング７ｂとの間に配置されたシャフトハウジング７ｃとを備えている。第１ハウジング７ａには、第１インペラ５ａを周方向に囲む第１スクロール９ａが形成されている。同様に、第２ハウジング７ｂには、第２インペラ５ｂを周方向に囲む第２スクロール９ｂが形成されている。シャフトハウジング７ｃの内部にはシャフト６が収容されている。

シャフトハウジング７ｃの内部には、シャフト６を回転させるモータ部１３が当該シャフト６の周囲に設けられている。モータ部１３は、シャフト６に固定されたロータ１３ｒと、シャフトハウジング７ｃに固定されたステータ１３ｓとを備えている。ステータ１３ｓのモータコイルに電流が供給されることにより、ロータ１３ｒ及びシャフト６が回転し、第１インペラ５ａ及び第２インペラ５ｂが回転する。このように、圧縮機１は、モータ部１３の回転力が第１インペラ５ａ及び第２インペラ５ｂに直接伝達されるダイレクトドライブ方式の圧縮機である。

第１ハウジング７ａの吸気口１５ａから軸方向に流入したガスは、回転する第１インペラ５ａで径方向に加速された後、第１スクロール９ａにより減速され昇圧される。第１スクロール９ａから送出されたガスは、接続配管（図示せず）を経由して第２ハウジング７ｂの吸気口１５ｂから軸方向に導入される。上記接続配管の途中にはガスを冷却するクーラが設けられてもよい。吸気口１５ｂから導入されたガスは、回転する第２インペラ５ｂで径方向に加速され、第２スクロール９ｂで減速され昇圧される。このように、圧縮機１は、第１インペラ５ａを含む第１コンプレッサ部３ａと、第２インペラ５ｂを含む第２コンプレッサ部３ｂと、によって２段階でガスを圧縮する。

シャフトハウジング７ｃの内部には、シャフト６を径方向に支持する２つのラジアル磁気軸受部１９ａ，１９ｂと、シャフト６を軸方向に支持する１つのスラスト磁気軸受部２１と、が設けられている。ラジアル磁気軸受部１９ａ，１９ｂは、モータ部１３を間に挟んで第１インペラ５ａ側と第２インペラ５ｂ側とに配置されている。ラジアル磁気軸受部１９ａ，１９ｂは、径方向への磁気吸引力によってシャフト６の径方向の位置を規制し、シャフト６を非接触で径方向に支持する。

スラスト磁気軸受部２１は、軸方向において、モータ部１３とラジアル磁気軸受部１９ａとの間に配置されている。スラスト磁気軸受部２１は、シャフト６から径方向に張出すように鍔状に設けられた円板状のアキシャルディスク部２３と、アキシャルディスク部２３を軸方向に挟む一対の電磁石２５ａ，２５ｂと、を備えている。電磁石２５ａは、磁力によってアキシャルディスク部２３を第１コンプレッサ部３ａ側に吸引する。電磁石２５ｂは、磁力によってアキシャルディスク部２３を第２コンプレッサ部３ｂ側に吸引する。そして、電磁石２５ａによる吸引力と電磁石２５ｂによる吸引力とが制御されることで、アキシャルディスク部２３及びシャフト６の軸方向の位置が維持され、シャフト６はスラスト磁気軸受部２１によって非接触で軸方向に支持される。

また、シャフトハウジング７ｃ内において、ラジアル磁気軸受部１９ａと第１インペラ５ａとの間には、タッチダウン軸受２９ａが設けられており、ラジアル磁気軸受部１９ｂと第２インペラ５ｂとの間には、タッチダウン軸受２９ｂが設けられている。タッチダウン軸受２９ａ，２９ｂは、通常時にはシャフト６と非接触であり、ラジアル磁気軸受部１９ａ，１９ｂに不具合が発生した場合に、非常用のシャフト６の軸受として機能する。タッチダウン軸受２９ａ，２９ｂには、玉軸受などが採用される。

続いて、図１〜図３を参照しながらスラスト磁気軸受部２１について更に詳細に説明する。図２は、スラスト磁気軸受部２１の近傍を拡大して示す断面図である。図３は、変位センサ３３，３４、遮蔽板３９及びモータ部１３の配列を示す分解斜視図である。図１及び図２に示されるように、スラスト磁気軸受部２１は電磁石２５ａ，２５ｂと、変位センサ３３と、を備えている。電磁石２５ａ，２５ｂと変位センサ３３は、ホルダ部材３５に取り付けられており、当該ホルダ部材３５はシャフトハウジング７ｃに固定されている。軸方向において、電磁石２５ａ，２５ｂは、第１インペラ５ａと変位センサ３３との間に位置している。

電磁石２５ａ，２５ｂはアキシャルディスク部２３を軸方向に吸引する磁力を発生する。電磁石２５ａはアキシャルディスク部２３を左方向に吸引し、電磁石２５ｂはアキシャルディスク部２３を右方向に吸引する。電磁石２５ａ，２５ｂは、磁力による左方向又は右方向の外力（吸引力）をアキシャルディスク部２３を介してシャフト６に付与する外力付与部として機能する。

変位センサ３３は、電磁石２５ｂとモータ部１３との間に設けられており、シャフト６の軸方向の変位を検知する。また、図３に示されるように、軸方向における変位センサ３３と同じ位置には、シャフト６の径方向の変位を検知する変位センサ３４が配置されている。図３の例では、４つの変位センサ３３と、４つの変位センサ３４とがシャフト６を囲むように周方向に交互に配列されている。例えば、変位センサ３３，３４としては、シャフト６の外周面に設けられたセンサターゲット３３ｔを非接触で検出する方式のものを用いてもよい。

更に、圧縮機１は、スラスト磁気軸受部２１を制御する制御装置３７（図１参照）を備えている。制御装置３７は、シャフト６の軸方向の変位を示す変位信号を変位センサ３３から取得する。制御装置３７は、４つの変位センサ３３から取得した変位信号に基づく所定の演算により、シャフト６の軸方向の変位を算出する。また、制御装置３７は、電磁石２５ａ，２５ｂに供給する駆動電流を操作し、電磁石２５ａ，２５ｂがアキシャルディスク部２３に対して発生する磁気吸引力を調整することができる。そして、制御装置３７が、上記のように算出されたシャフト６の変位に基づいて電磁石２５ａ，２５ｂの吸引力をフィードバック制御することで、シャフト６の軸方向の位置が一定に維持される。

なお、ラジアル磁気軸受部１９ａ，１９ｂについても、４つの変位センサ３４で検知されたシャフト６の径方向の変位に基づいて、制御装置３７による同様のフィードバック制御が実行され、シャフト６の径方向の位置が一定に維持される。なお、圧縮機１は、ラジアル磁気軸受部１９ａ，１９ｂを制御する他の制御装置（図示せず）を更に備えてもよい。

ここで、圧縮機１のモータ部１３からは漏れ磁束が発生する。この漏れ磁束の影響により変位センサ３３，３４にノイズが発生すると、上記のようなシャフト６の位置制御が正確に実行されなくなり、スラスト磁気軸受部２１及びラジアル磁気軸受部１９ａ，１９ｂが正確に機能しなくなる虞がある。従って、変位センサ３３，３４に対する漏れ磁束の影響を低減する対策が必要である。その一方、圧縮機１は、特に、ダイレクトドライブ方式の圧縮機であるので、シャフト６を軸方向に可能な限り短くすることが好ましい。従って、圧縮機１のモータ部１３、変位センサ３３，３４、電磁石２５ａ，２５ｂ等のデバイスも軸方向に密に収容する必要があり、漏れ磁束対策の部品を設置するスペースの確保が困難な場合もある。よって、大きなスペースを占有しないような漏れ磁束対策が必要である。

そこで、この対策として、圧縮機１は、モータ部１３と変位センサ３３，３４との間においてシャフト６に直交する姿勢で設けられた遮蔽板３９を備えている。具体的には、遮蔽板３９は、軸方向において、モータ部１３のステータ１３ｓと変位センサ３３との間に位置している。遮蔽板３９は回転軸線Ａ方向の視線で見てリング形状をなし、また、軸方向を厚み方向とする平板状をなしている。遮蔽板３９は、例えばビス留め等の固定手段によりホルダ部材３５の右端面に取り付けられている。遮蔽板３９は、磁性体材料からなり、例えば鉄板である。

この遮蔽板３９が、モータ部１３と変位センサ３３，３４との間に位置することにより、モータ部１３で発生する漏れ磁束が遮蔽され、当該漏れ磁束の変位センサ３３，３４への影響が低減される。すなわち、モータ部１３からの漏れ磁束が磁性体である遮蔽板３９を通過しようとするときに、渦電流が発生する、一般的に、モータからの漏れ磁束は高調波であるので、渦電流損失は大きく、漏れ磁束のエネルギーの大部分が遮蔽板３９で熱として消費される。従って、変位センサ３３，３４に到達する漏れ磁束が低減され、変位センサ３３，３４のノイズが低減される。その結果、スラスト磁気軸受部２１及びラジアル磁気軸受部１９ａ，１９ｂの制御が正確に実行される。また、遮蔽板３９は回転軸線Ａに直交する姿勢で設けられた平板状の部材であるので、特に、軸方向の占有スペースが小さく抑えられる。すなわち、例えば変位センサ３３，３４を完全に覆うような遮蔽カバーを設ける構成等に比較して、遮蔽板３９では占有スペースが極めて小さく抑えられる。また、前述の通り漏れ磁束が高調波であることから、遮蔽板３９が比較的薄い磁性体板であっても遮蔽効果が得られる。なお、ここで、遮蔽板３９の姿勢を回転軸線Ａに「直交する姿勢」と説明したが、本実施の形態で言うところの「直交する」とは、実際に機器に設けられた場合に誤差の範囲で回転軸線Ａに対する直交からずれる範囲を含む。これを「略直交する」と表現する場合もある。

なお、他の漏れ磁束対策として、電磁石２５ａ，２５ｂをモータ部１３と変位センサ３３，３４との間に配置するようにし、電磁石２５ａ，２５ｂによってモータ部１３からの漏れ磁束を遮蔽することも考えられる。しかしながらこの場合、変位センサ３３，３４の位置が第２コンプレッサ部３ｂの第２インペラ５ｂに近くなる。そうすると、第２コンプレッサ部３ｂから漏れる高温のガスの影響により、変位センサ３３，３４が損傷する虞がある。従って、圧縮機１のように、電磁石２５ａ，２５ｂが、第２インペラ５ｂと変位センサ３３，３４との間に位置し、変位センサ３３，３４とモータ部１３との間に遮蔽板３９を設置する構成が好ましい。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形したものであってもよい。各実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。例えば、実施形態では、本発明を２段圧縮機に適用しているが、本発明は、１段圧縮機や３段以上の多段圧縮機にも適用可能である。

１ 圧縮機
５ａ 第１インペラ
５ｂ 第２インペラ
６ シャフト（回転軸）
１３ モータ部
２１ スラスト磁気軸受部
２５ａ、２５ｂ 電磁石（外力付与部）
３３、３４ 変位センサ
３９ 遮蔽板（磁性体板）

Claims (2)

1. インペラと、
   前記インペラの回転軸と、
   前記回転軸の周囲に設けられ前記回転軸を回転させるモータ部と、
   前記モータ部とはスラスト方向にずれた別の位置に設けられ、前記回転軸の変位を検知する変位センサを有し、前記回転軸を支持する磁気軸受部と、
   前記モータ部と前記変位センサとの間に前記回転軸に略直交する姿勢で設けられた磁性体板と、を備える圧縮機。
2. 前記磁気軸受部は、磁力による外力を前記回転軸に付与する外力付与部を有し、
   前記外力付与部が、前記インペラと前記変位センサとの間に位置している、請求項１に記載の圧縮機。

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