JP2576859B2 - Axial magnetic bearings - Google Patents

Axial magnetic bearings

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JP2576859B2
JP2576859B2 JP61283649A JP28364986A JP2576859B2 JP 2576859 B2 JP2576859 B2 JP 2576859B2 JP 61283649 A JP61283649 A JP 61283649A JP 28364986 A JP28364986 A JP 28364986A JP 2576859 B2 JP2576859 B2 JP 2576859B2
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、アキシャル磁気軸受に関する。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an axial magnetic bearing.

従来の技術とその問題点 第８図は、従来のアキャル磁気軸受の原理を示す図で
ある。FIG. 8 is a diagram showing the principle of a conventional ACAL magnetic bearing.

第８図において、（10）は垂直な回転軸（11）に一体
に形成されるかまたは嵌合されたロータディスク、（1
2）（13）はケーシングなどに固定されてロータディス
ク（10）の上下両側（アキシャル方向両側）に配置され
たステータ、（14）（15）はステータ（12）（13）内に
それぞれ設けられた環状の励磁コイルである。また、
（Ａ）はステータ（12）（13）の軸線、（Ｂ）はロータ
ディスク（10）の軸線であり、通常、これらは一致して
いる。上側のステータ（12）の下面の内周側および外周
側にアキシャル方向に突出した環状突起部（16）（17）
が設けられ、ロータディスク（10）の上面の内周側およ
び外周側にアキシャル方向に突出してこれらの突起部
（16）（17）と互いに対向する環状突起部（18）（19）
が形成されている。そして、内周側の突起部（16）（1
8）の対向面積Siは外周側の突起部（17）（19）の対向
面積Soと等しい。下側のステータ（13）の上面とロータ
ディスク（10）の下面の内周側および外周側にも、同様
に、互いに対向する環状突起部（20）（21）（22）（2
3）が設けられている。ステータ（12）（13）は励磁コ
イル（14）（15）と、コイル（14）（15）の内周側に配
置された内周側円筒部（12a）（13a）と、コイル（14）
（15）の外周側に配置された外周側円筒部（12b）（13
b）と、内周側円筒部（12a）（13a）と外周側円筒部（1
2b）（13b）のロータディスク（10）と反対側の端部同
志を連結する環状端壁部（12c）（13c）とを備え、コイ
ル（14）（15）を除く部分の断面形状はコ字状になって
いる。そして、内周側円筒部（12a）（13a）と外周側円
筒部（12b）（13b）のロータディスク（10）側の端部が
環状突起部（16）（17）（20）（21）となっている。In FIG. 8, (10) is a rotor disk integrally formed with or fitted to the vertical rotating shaft (11).
2) (13) are fixed to the casing etc. and are arranged on the upper and lower sides (both axial directions) of the rotor disk (10). (14) and (15) are provided in the stators (12) and (13), respectively. It is a ring-shaped exciting coil. Also,
(A) is the axis of the stators (12) and (13), and (B) is the axis of the rotor disk (10), which usually coincides. Annular projections (16) (17) projecting in the axial direction on the inner and outer peripheral sides of the lower surface of the upper stator (12)
And annular projections (18) (19) projecting in the axial direction on the inner peripheral side and the outer peripheral side of the upper surface of the rotor disk (10) and facing these projections (16) (17).
Are formed. Then, the protrusions (16) (1
The facing area Si of 8) is equal to the facing area So of the projections (17) and (19) on the outer peripheral side. Similarly, the annular projections (20), (21), (22), (2) and (2) which face each other also on the inner and outer peripheral sides of the upper surface of the lower stator (13) and the lower surface of the rotor disk (10).
3) is provided. The stators (12) and (13) are composed of the exciting coils (14) and (15), the inner peripheral cylinders (12a) and (13a) arranged on the inner peripheral side of the coils (14) and (15), and the coil (14).
The outer cylindrical part (12b) (13)
b), the inner cylindrical part (12a) (13a) and the outer cylindrical part (1
2b) The rotor disk (10) of (13b) has annular end walls (12c) (13c) connecting the opposite ends thereof, and the cross-sectional shape of the part excluding the coils (14) (15) is It is shaped like a letter. The ends of the inner cylindrical portion (12a) (13a) and the outer cylindrical portion (12b) (13b) on the rotor disk (10) side are annular projections (16) (17) (20) (21). It has become.

第８図に破線で示す磁気回路において、磁気回路に発
生する全磁束をΦとすると、ステータ（12）の内周側突
起部（16）に発生する吸引力Fiは、磁束の漏れがなく、
鉄心部の透磁率μｓと真空透磁率μの間にμｓ＞＞μの
関係があるとして、次の式（１）で表わされる。In the magnetic circuit shown by the broken line in FIG. 8, if the total magnetic flux generated in the magnetic circuit is Φ, the attractive force Fi generated in the inner peripheral side projection (16) of the stator (12) has no leakage of the magnetic flux.
Assuming that there is a relationship of μs >> μ between the magnetic permeability μs of the iron core portion and the vacuum magnetic permeability μ, it is expressed by the following equation (1).

Fi＝（1/2μ）・（Φ2/Si） ＝（1/2μ）・（Ｎ・Ｉ・μ／δ）２・｛Si・So2/（S
i＋So）２｝ …（１） ここで、Ｎは励磁コイル（14）の巻数、Ｉは電流、δ
は突起部（16）（18）相互間のエアギャップである。Fi = (1 / 2μ) ・ (Φ 2 / Si) = (1 / 2μ) ・ (NI ・ μ / δ) 2・ ｛Si ・ So 2 / (S
i + So) 2 … (1) where N is the number of turns of the exciting coil (14), I is current, δ
Is an air gap between the projections (16) and (18).

一方、ステータ（12）の外周側突起部（17）に発生す
る吸引力Foは、次の式（２）で表わされる。On the other hand, the suction force Fo generated on the outer peripheral side projection (17) of the stator (12) is expressed by the following equation (2).

Fo＝（1/2μ）・（Φ2/So） ＝（1/2μ）・（Ｎ・Ｉ・μ／δ）２・｛So・Si2/（S
i＋So）２｝ …（２） また、内周側突起部（16）（18）のエアギャップ部の
磁束密度Biおよび外周側突起部（17）（19）のエアギャ
ップ部の磁束密度Boは、それぞれ、次の式（３）（４）
で表わされる。Fo = (1 / 2μ) ・ (Φ 2 / So) = (1 / 2μ) ・ (NI ・ μ / δ) 2・ ｛So ・ Si 2 / (S
i + So) 2 … (2) The magnetic flux density Bi of the air gap portion of the inner peripheral projections (16) and (18) and the magnetic flux density Bo of the air gap portion of the outer peripheral projections (17) and (19) are: The following equations (3) and (4) respectively
Is represented by

Bi＝（Ｎ・Ｉ・μ／δ）・｛So/（Si＋So）｝ …（３） Bo＝（Ｎ・Ｉ・μ／δ）・｛Si/（Si＋So）｝ …（４） ステータ（12）全体に発生する吸引力ＦはFiとFoの和
であり、次の式（５）で表わされる。Bi = (NI ・ /δ)）{So/(Si+So)｝...(3) Bo = (NI ・ / δ) Ｎ {Si / (Si + So)} ＋ (4) Stator (12) The suction force F generated as a whole is the sum of Fi and Fo, and is represented by the following equation (5).

Ｆ＝Fi＋Fo ＝（1/2μ）・（Ｎ・Ｉ・μ／δ）２・｛Si・So/（Si
＋So）｝ …（５） 式（５）はSiに関してもSoに関しても単調増加関数で
あり、起磁力Ｎ・Ｉが一定ならば、対向面積を大きくす
る方が吸引力Ｆが大きくなることを示している。このた
め、従来のアキシャル磁気軸受においては、FiとFoが等
しくなるように、SiとSoを等しくしている。F = Fi + Fo = (1 / 2μ) ・ (NI ・ μ / δ) 2. ｛Si ・ So / (Si
+ So)｝ (5) Equation (5) is a monotonically increasing function for both Si and So, and if the magnetomotive force NI is constant, increasing the facing area will increase the attraction force F. ing. For this reason, in the conventional axial magnetic bearing, Si and So are made equal so that Fi and Fo become equal.

第９図はロータディスク（10）の傾いていない状態を
示す。同図において、ロータディスク（10）の上面の突
起部（18）（19）には上向きの吸引力Fi1およびFo1が作
用し、下面の突起部（22）（23）には下向きの吸引力Fi
2およびFo2が作用する。そして、軸（11）とロータディ
スク（10）を合わせた回転体の重量をＭ・ｇとすると、
次の力のつり合い式（６）が成立つ。FIG. 9 shows a state where the rotor disk (10) is not inclined. In the figure, upward suction forces Fi1 and Fo1 act on the projections (18) and (19) on the upper surface of the rotor disk (10), and downward suction force Fi on the projections (22) and (23) on the lower surface.
2 and Fo2 act. When the weight of the rotating body including the shaft (11) and the rotor disk (10) is M · g,
The following balance equation (6) holds.

（Fi1＋Fo1）−（Fi2＋Fo2）＝Ｍ・ｇ …（６） なお、軸（11）が水平な場合は、Ｍ・ｇ＝０である。(Fi1 + Fo1)-(Fi2 + Fo2) = M · g (6) When the axis (11) is horizontal, M · g = 0.

アキシャル磁気軸受には、軸（11）の軸方向位置を検
出するセンサーが設けられており、軸（11）が軸方向に
変位するとステータ（12）（13）の励磁電流を変化させ
て突起部相互間のエアギャップすなわち軸（11）の軸方
向位置を一定に保持するようになっている。ところが、
このセンサーは、軸（11）が傾いてその検出面が傾いた
場合でも、検出面の略平均距離に対応する出力を発生す
るだけであり、検出面の傾きを検出することはできな
い。このため、軸（11）が傾いた場合でも、ステータ
（12）（13）の励磁電流が変化しない場合がある。The axial magnetic bearing is provided with a sensor for detecting the axial position of the shaft (11). When the shaft (11) is displaced in the axial direction, the exciting current of the stators (12) and (13) is changed so that the protrusion is formed. The air gap between them, that is, the axial position of the shaft (11) is kept constant. However,
Even when the axis (11) is tilted and the detection surface is tilted, this sensor only generates an output corresponding to the substantially average distance of the detection surface, and cannot detect the tilt of the detection surface. Therefore, even when the shaft (11) is inclined, the exciting current of the stators (12) and (13) may not change.

上記のように軸（11）が傾いてもステータ（12）（1
3）の励磁電流が変化しない場合、ロータディスク（1
0）の各部の吸引力は第10図のように変化する。この場
合でも、全体として力のつり合い式（６）は成立する
が、突起部相互間のエアギャップが減少する部分では吸
引力が増大し、エアギャップが増大する部分では吸引力
が減少するため、ロータディスク（10）に作用する力は
明らかに軸（11）の傾きを増大させるモーメントとして
働く。また、このモーメントは、当然、ロータディスク
の直径が大きいほど大きい。Even if the shaft (11) is tilted as described above, the stator (12) (1
If the exciting current in 3) does not change, the rotor disk (1
The suction force of each part of (0) changes as shown in FIG. In this case as well, the force balance equation (6) holds as a whole, but the suction force increases in the portion where the air gap between the projections decreases, and the suction force decreases in the portion where the air gap increases, The force acting on the rotor disk (10) obviously acts as a moment which increases the inclination of the shaft (11). Also, this moment naturally increases as the diameter of the rotor disk increases.

以上のように、従来のアキシャル磁気軸受において
は、軸が傾くとその傾きが増大するという問題がある。
そして、軸およびロータディスクが傾いたまま回転する
と、渦電流損失が大きくなるなど種々の弊害が生じる。
したがって、軸を支承するラジアル力を大きくして軸の
傾きを防止する必要があるが、このためにラジアル磁気
軸受を併用した場合にはラジアル軸受の渦電流損失、過
負荷などの問題が生じる。As described above, the conventional axial magnetic bearing has a problem that the inclination increases when the shaft is inclined.
If the shaft and the rotor disk rotate while being tilted, various adverse effects occur such as an increase in eddy current loss.
Therefore, it is necessary to increase the radial force for supporting the shaft to prevent the shaft from tilting. However, if a radial magnetic bearing is used in combination, problems such as eddy current loss and overload of the radial bearing occur.

また、上記の従来のアキシャル磁気軸受では、ステー
タ（12）（13）のコイル（14）（15）を除く部分の断面
形状がコ字状で、その内周側円筒部（12a）（13b）およ
び外周側円筒部（12b）（13b）のロータディスク（10）
側の端部に環状突起部（16）（17）（20）（21）が設け
られているので、次に説明するように、ロータディスク
（10）の外径を小さくすることができず、アキシャル剛
性を高くすることができず、ロータディスク（10）すな
わち回転軸（11）の最高回転数を高くすることができな
いという問題がある。In the conventional axial magnetic bearing described above, the cross-sectional shape of the stator (12) (13) except for the coils (14) (15) is U-shaped, and the inner peripheral cylindrical portions (12a) (13b) And the rotor disk (10) of the outer cylindrical part (12b) (13b)
Since the annular protrusions (16), (17), (20), and (21) are provided at the end on the side, the outer diameter of the rotor disk (10) cannot be reduced as described below. There is a problem that the axial rigidity cannot be increased and the maximum rotation speed of the rotor disk (10), that is, the rotating shaft (11) cannot be increased.

この種のアキシャル磁気軸受において、使用回転数が
非常に高い場合、ロータディスク（10）の外径が大きい
と遠心破壊を起こす危険があり、また、ロータディスク
（10）が傾斜したときに外周側でステータ（12）（13）
とのエアギャップが小さくならないためにも、ロータデ
ィスク（10）の外径はできるだけ小さい方が望ましい。
しかし、励磁コイル（14）（15）を除く部分の断面形状
がコ字状である上記のようなステータ（12）（13）を使
用した場合、ステータ（12）（13）の内周側と外周側の
突起部（16）（17）（20）（21）の間隔をコイル（14）
（15）の径方向の幅よりも小さくできず、外周側の突起
部（17）（21）はコイル（14）（15）の外周部よりも径
方向外側に位置する。したがって、これに対抗するロー
タ（10）の外周側の突起部（19）（23）もコイル（14）
（15）の外周部よりも径方向外側に位置する。このた
め、ロータディスク（10）の外径は、コイル（14）（1
5）の外径より小さくすることができず、大きくなって
しまう。また、ロータディスク（10）の外径を小さくす
るために、ステータ（12）（13）の内周側と外周側の突
起部（16）（17）（20）（21）の間隔を小さくすると、
コイル（14）（15）の径方向の幅が小さくなり、コイル
（14）（15）の発生する磁力が低下して、アキシャル剛
性が低下してしまう。これを補うために、コイル（14）
（15）をアキシャル方向に長くすると、その分だけ回転
軸（11）を長くしなければならず、これにより、回転軸
（11）の固有振動数が低下して、高速回転させることが
困難になる。In this type of axial magnetic bearing, when the operating speed is very high, if the outer diameter of the rotor disk (10) is large, there is a danger of centrifugal breakage. In the stator (12) (13)
It is desirable that the outer diameter of the rotor disk (10) be as small as possible, so that the air gap between the rotor disk and the air gap does not become small.
However, when the above-described stators (12) and (13) having a U-shaped cross section except for the excitation coils (14) and (15) are used, the inner peripheral side of the stators (12) and (13) is Adjust the distance between the protrusions (16), (17), (20), and (21) on the outer peripheral side to the coil (14).
It cannot be smaller than the radial width of (15), and the protrusions (17) and (21) on the outer peripheral side are located radially outside the outer peripheral parts of the coils (14) and (15). Therefore, the protrusions (19) and (23) on the outer peripheral side of the rotor (10) that oppose this also have the coil (14).
It is located radially outward from the outer periphery of (15). For this reason, the outer diameter of the rotor disk (10) is
It cannot be made smaller than the outer diameter of 5), and it becomes larger. In order to reduce the outer diameter of the rotor disk (10), the distance between the inner peripheral side and outer peripheral side protrusions (16) (17) (20) (21) of the stators (12) (13) is reduced. ,
The radial width of the coils (14) and (15) is reduced, and the magnetic force generated by the coils (14) and (15) is reduced, resulting in reduced axial rigidity. To make up for this, the coil (14)
If (15) is lengthened in the axial direction, the rotating shaft (11) must be lengthened by that amount, which lowers the natural frequency of the rotating shaft (11) and makes it difficult to rotate at high speed. Become.

この発明の目的は、上記の問題を解決したアキシャル
磁気軸受を提供することにある。An object of the present invention is to provide an axial magnetic bearing that solves the above problem.

問題点を解決するための手段 この発明によるアキシャル磁気軸受は、回転軸に設け
られたロータディスクと、上記ロータディスクの少なく
ともアキシャル方向片側に配置されたステータとを備
え、上記ロータディスクに、アキシャル方向に突出した
内周側環状突起部および外周側環状突起部が設けられ、
上記ステータに、アキシャル方向に突出して上記ロータ
ディスクの内周側環状突起部および外周側環状突起部に
それぞれ対向する内周側環状突起部および外周側環状突
起部が設けられているアキシャル磁気軸受において、上
記ステータは、環状の励磁コイルと、上記励磁コイルの
内周側に配置された内周側円筒部と、上記励磁コイルの
外周側に配置された外周側円筒部と、上記外周側円筒部
の上記ロータディスク側の端部から上記励磁コイルの外
周部よりも内周側に張出した平板状の鍔部と、上記内周
側円筒部と外周側円筒部の反対側の端部同志を連結する
環状端壁部とを備え、上記内周側円筒部の上記ロータデ
ィスク側の端部に上記内周側環状突起部が形成され、上
記鍔部の内周側縁部近傍の上記ロータディスク側の端面
に環状みぞが形成されることによりこのみぞより内周側
の上記鍔部の上記ロータディスク側に上記外周側環状突
起部が形成されており、上記ロータディスクとステータ
の外周側環状突起部同志の対向面積が同内周側環状突起
部同志の対向面積より大きくなっていることを特徴とす
るものである。Means for Solving the Problems An axial magnetic bearing according to the present invention includes a rotor disk provided on a rotating shaft, and a stator arranged at least on one side in the axial direction of the rotor disk. An inner peripheral side annular projection and an outer peripheral side annular projection are provided,
An axial magnetic bearing in which the stator is provided with an inner annular protrusion and an outer annular protrusion which project in the axial direction and respectively oppose the inner annular protrusion and the outer annular protrusion of the rotor disk. The stator includes an annular exciting coil, an inner cylindrical portion disposed on an inner peripheral side of the exciting coil, an outer cylindrical portion disposed on an outer peripheral side of the exciting coil, and an outer cylindrical portion. A flat plate-shaped flange extending from the end on the rotor disk side to the inner periphery side of the outer periphery of the excitation coil, and the opposite end portions of the inner and outer cylindrical portions connected to each other. An annular end wall portion, wherein the inner peripheral side annular projection is formed at an end of the inner peripheral side cylindrical portion on the rotor disk side, and the rotor disk side near an inner peripheral side edge of the flange portion. Annular grooves formed on the end face As a result, the outer peripheral side annular projection is formed on the rotor disk side of the flange portion on the inner peripheral side of the groove, and the facing area of the outer peripheral side annular projections of the rotor disk and the stator is equal to the inner peripheral area. It is characterized in that it is larger than the facing area of the side annular projections.

第１図はこの発明のアキシャル磁気軸受の原理を示す
図であり、第８図のものと同じ部分には同じ符号を付し
ている。FIG. 1 is a view showing the principle of an axial magnetic bearing according to the present invention, and the same parts as those in FIG. 8 are denoted by the same reference numerals.

第１図において、（31b）（33b）は励磁コイル（14）
（15）の内周側に配置されたステータ（12）（13）の内
周側円筒部、（30b）（32b）はコイル（14）（15）の外
周側に配置されたステータ（12）（13）の外周側円筒
部、（30a）（32a）は外周側円筒部（30b）（32b）のロ
ータディスク（10）側の端部からコイル（14）（15）の
外周部よりも内周側に張出したステータ（12）（13）の
平板状の鍔部、（31a）（33a）は内周側円筒部（31b）
（33b）と外周側円筒部（30b）（32b）の反対側の端部
同志を連結する環状端壁部である。内周側円筒部（31
b）（33b）のロータディスク（10）側の端部が、内周側
環状端部（16）（20）となっている。（28）（29）は鍔
部（30a）（32a）の内周側縁部近傍のロータディスク
（10）側の端面に形成された環状みぞであり、鍔部（30
a）（32a）のみぞ（28）（29）より内周側のロータディ
スク（10）側の部分が外周側突起部（17）（21）となっ
ている。そして、上部における外周側の突起部（17）
（19）の対向面積Soは内周側の突起部（16）（18）の対
向面積Siより大きい。また、下部における外周側の突起
部（21）（23）の対向面積も内周側の突起部（20）（2
2）の対向面積より大きい。In FIG. 1, (31b) and (33b) are excitation coils (14)
The inner cylindrical portion of the stators (12) and (13) disposed on the inner peripheral side of (15), and the stators (30) and (32b) disposed on the outer peripheral side of the coils (14) and (15) The outer peripheral cylindrical portion of (13), (30a) and (32a) are inside the outer peripheral portions of the coils (14) and (15) from the end of the outer peripheral cylindrical portion (30b) (32b) on the rotor disk (10) side. Flat flanges of stators (12) and (13) projecting to the peripheral side, (31a) and (33a) are inner cylindrical parts (31b)
(33b) and an annular end wall portion connecting the opposite end portions of the outer peripheral side cylindrical portions (30b) and (32b). The inner cylindrical part (31
b) The end on the rotor disk (10) side of (33b) is the inner peripheral annular end (16) (20). (28) and (29) are annular grooves formed on the end face on the rotor disk (10) side near the inner peripheral edge of the flanges (30a) and (32a).
a) The portion of the rotor disk (10) closer to the inner periphery than the grooves (28) and (29) is the outer protrusion (17) (21). And the outer peripheral side protrusion (17) in the upper part
The facing area So of (19) is larger than the facing area Si of the protrusions (16) and (18) on the inner peripheral side. In addition, the opposing area of the projections (21) and (23) on the outer periphery in the lower part is also smaller than the projections (20) (2
2) Larger than the opposing area.

作用 外周側と突起部（17）（19）の対向面積soが内周側の
突起部（16）（18）の対向面積siより大きいので、次に
説明するように、軸（11）が傾いたときにその傾きを増
大させるモーメントが小さくなる。Since the opposing area so of the outer peripheral side and the projections (17) and (19) is larger than the opposing area si of the inner peripheral side projections (16) and (18), the shaft (11) is inclined as described below. The moment that increases the inclination becomes smaller.

第１図の場合も、前述の式（１）〜（５）が成立つ。 Also in the case of FIG. 1, the above-mentioned equations (1) to (5) hold.

軸（11）が傾いた場合、第２図に示すように、内周側
の突起部（16）（18）のエアギャップδ１の変化量Δδ
ｉに比べて、外周側の突起部（17）（19）のエアギャッ
プδｏの変化量Δδｏははるかに大きい。そして、第３
図および第４図に示すように、軸（11）の傾きに対し
て、ロータディスク（10）の外周側の突起部（19）の円
周上に作用する吸引力Foの部分力foは円周方向に不均一
となり、その割合は内周側の突起部（18）の円周上に作
用する吸引力Fiの部分力fiのそれより大きい。これは、
軸（11）の傾きによりエアギャップの減少した部分での
磁気抵抗が減少し、そこに磁束が集中することによるも
のである。このとき、fo1（max）付近の磁束密度bo（ma
x）は、式（４）より次の式（７）で表わされる。When the shaft (11) is inclined, as shown in FIG. 2, the change amount Δδ of the air gap δ1 of the protrusions (16) and (18) on the inner peripheral side.
Compared with i, the change amount Δδo of the air gap δo of the protrusions (17) and (19) on the outer peripheral side is much larger. And the third
As shown in FIG. 4 and FIG. 4, the partial force fo of the suction force Fo acting on the circumference of the protrusion (19) on the outer peripheral side of the rotor disk (10) with respect to the inclination of the shaft (11) is circular. It becomes uneven in the circumferential direction, and the ratio is larger than that of the partial force fi of the suction force Fi acting on the circumference of the protrusion (18) on the inner circumferential side. this is,
This is due to the fact that the magnetic resistance is reduced at the portion where the air gap is reduced due to the inclination of the axis (11), and the magnetic flux is concentrated there. At this time, the magnetic flux density bo (ma) near fo1 (max)
x) is represented by the following equation (7) from equation (4).

bo（max）＝｛（Ｎ・Ｉ＋ΔＮ・Ｉ）μ／（δｏ−Δδ
ｏ）｝・｛Si/（Si＋So）｝ …（７） ここで、ΔＮ・Ｉは磁気抵抗が減少したことによりさ
らにfo1（max）付近に集中する起磁力分、Δδｏはエア
ギャップδｏの減少分である。bo (max) = ｛(NI + ΔNI) μ / (δo−Δδ)
o)｝ · {Si / (Si + So)} (7) where ΔNI is a magnetomotive force that is further concentrated near fo1 (max) due to a decrease in magnetic resistance, and Δδo is a decrease in the air gap δo. It is.

この磁気密度の変化はSi/（Si＋So）をその係数と
し、SoがSiより大きくなるほどその係数は小さくなる。This change in magnetic density has Si / (Si + So) as its coefficient, and the coefficient becomes smaller as So becomes larger than Si.

また、fo1（mox）は、式（２）（７）より次の式
（８）で表わされる。Further, fo1 (mox) is expressed by the following equation (8) from the equations (2) and (7).

fo1（max）＝（1/2μ）・bo（max）２・ΔSo …（８） ここで、ΔSoはbo（max）の働く部分面積である。fo1 (max) = (1 / 2μ) · bo (max) 2 · ΔSo (8) Here, ΔSo is a partial area where bo (max) works.

式（８）において、bo（max）はSi/（Si＋So）に比例
しており、やはり、SoがSiより大きいほど、fo1（max）
が小さくなり、したがって、軸（11）の傾きを増大させ
るモーメントが小さくなる。In the equation (8), bo (max) is proportional to Si / (Si + So). Again, as So is larger than Si, fo1 (max)
And therefore the moment to increase the tilt of the axis (11) is reduced.

しかも、ステータ（12）（13）が外周側円筒部（30
b）（32b）のロータディスク（10）側の端部からコイル
（14）（15）の外周部よりも内周側に張出した平板状の
鍔部（30a）（32a）を備え、この鍔部（30a）（32a）の
内周側縁部に外周側環状突起部（17）（21）が形成され
ているので、次に説明するように、ロータディスク（1
0）の外径を小さくすることができ、アキシャル剛性を
向上させることができ、回転軸（11）の最高回転数を高
くすることができる。In addition, the stators (12) and (13) are
b) Flat flanges (30a) (32a) projecting from the end of the rotor disk (10) side of (32b) to the inner circumference side of the outer circumferences of the coils (14) and (15). Since the outer annular protrusions (17) and (21) are formed on the inner peripheral edge of the portions (30a) and (32a), the rotor disk (1) will be described below.
The outer diameter of 0) can be reduced, the axial rigidity can be improved, and the maximum rotation speed of the rotating shaft (11) can be increased.

外周側円筒部（30b）（32b）のロータディスク（10）
側の端部からコイル（14）（15）の外周部よりも内周側
に張出した鍔部（30a）（32a）の内周側縁部付近に外周
側環状突起部（17）（21）が形成されているので、これ
に対応するロータディスク（10）の外周側環状突起部
（19）（23）をコイル（14）（15）の外周部よりも内周
側に位置させることができ、したがって、ロータディス
ク（10）の外径をコイル（14）（15）の外径よりも小さ
くすることができる。言替えれば、ロータディスク（1
0）の外径を大きくせずに、コイル（14）（15）の外径
だけを大きくすることができる。このため、従来と同じ
大きさのコイル（14）（15）を使用することができ、ア
キシャル剛性を低下させずに、ロータディスク（10）の
傾斜を抑制することができる。また、コイル（14）（1
5）の外径をさらに大きくして、従来よりも大型のコイ
ル（14）（15）を使用することもでき、これによりアキ
シャル剛性をさらに向上させることができる。そして、
このようにコイル（14）（15）の外径を大きくすること
によってアキシャル剛性を高めることができるため、コ
イル（14）（15）をアキシャル方向に長くする必要がな
く、したがって、回転軸（11）を長くする必要がない。
しかも、鍔部（30a）（32a）が平板状をなすものである
から、これによって回転軸（11）が長くなることがな
い。このため、回転軸（11）の固有振動数が低下するこ
とがなく、回転軸（11）を高速回転させることが可能で
ある。Rotor disk (10) of outer cylindrical part (30b) (32b)
Outer peripheral side annular projections (17) (21) near the inner peripheral edge of the flanges (30a) (32a) projecting from the outer end to the inner peripheral side of the outer peripheral part of the coils (14) (15) Is formed, the corresponding outer circumferential annular projections (19) and (23) of the rotor disk (10) can be located on the inner circumferential side with respect to the outer circumferential portions of the coils (14) and (15). Therefore, the outer diameter of the rotor disk (10) can be made smaller than the outer diameters of the coils (14) and (15). In other words, the rotor disk (1
It is possible to increase only the outer diameter of the coils (14) and (15) without increasing the outer diameter of (0). For this reason, the coils (14) and (15) having the same size as the conventional one can be used, and the inclination of the rotor disk (10) can be suppressed without reducing the axial rigidity. The coils (14) (1
The outer diameter of 5) can be further increased, and larger coils (14) and (15) can be used than before, so that the axial rigidity can be further improved. And
Since the axial rigidity can be increased by increasing the outer diameters of the coils (14) and (15), it is not necessary to lengthen the coils (14) and (15) in the axial direction. Need not be longer.
In addition, since the flanges (30a) and (32a) have a flat plate shape, the rotation shaft (11) does not become long. For this reason, the natural frequency of the rotating shaft (11) does not decrease, and the rotating shaft (11) can be rotated at high speed.

実 施 例 第５図はこの発明の第１実施例を示し、第１図のもの
と同じ部分には同じ符号を付している。Embodiment 5 FIG. 5 shows a first embodiment of the present invention, and the same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.

第５図において、ケーシング（24）の内面にロータデ
ィスク（10）の径方向外側に位置するカラー（25）がは
められており、このカラー（25）の上下のケーシング
（24）の内面にステータ（12）（13）がはめ止められて
いる。上下のステータ（12）（13）は、ロータディスク
（10）に対し、上下対称をなす。ステータ（12）（13）
は、環状の励磁コイル（14）（15）と、外周側の鍔付筒
体（30）（32）と、内周側の環状筒体（31）（33）とが
組合わされたものであり、２つの筒体（30）（31）（3
2）（33）で囲まれた環状の空間内にコイル（14）（1
5）が配置されている。外周側の筒体（30）（32）は、
外周側円筒部（30b）（32b）と、そのロータディスク
（10）側の端部から内周側に張出した鍔部（30a）（32
a）とが一体に形成されたものである。外周側円筒部（3
0b）（32b）は、ケーシング（24）の内面にはめられ、
コイル（14）（15）の外周側に位置している。鍔部（30
a）（32a）は、コイル（14）（15）のロータディスク
（10）側に位置し、コイル（14）（15）の外周部よりも
内周側に張出している。内周側の筒体（31）（33）は、
内周側円筒部（31b）（33b）と、そのロータディスク
（10）と反対側の端部から外周側に張出した鍔状の環状
端壁部（31a）（33a）とが一体に形成されたものであ
る。環状端壁部（31a）（33a）は、外周部において外周
側の筒体（30）（32）の円筒部（30b）（32b）の端部と
嵌合し、外周側の筒体（30）（32）の鍔部（30a）（32
a）に対してコイル（14）（15）の反対側に位置してい
る。内周側円筒部（31b）（33b）はコイル（14）（15）
の内周側に位置し、そのロータディスク（10）側の端部
が鍔部（30a）（32a）の内側に環状のすきまをあけて配
置されている。内周側の筒体（31）（33）の円筒部（31
b）（33b）のロータディスク（10）側の端部に、内周側
環状突起部（16）（20）が形成されている。外周側の筒
体（30）（32）の鍔部（30a）（32a）のロータディスク
（10）側の面の内周寄りの部分に、三角形の浅い環状み
ぞ（28）（29）が形成され、鍔部（30a）（32a）のみぞ
（28）（29）より内周側の部分すなわち内周側縁部に外
周側環状突起部（17）（21）が形成されている。そし
て、上部における外周側の突起部（17）（19）の対向面
積Soは内周側の突起部（16）（18）の対向面積Siより大
きくなっている。また、下部における外周側の突起部
（21）（23）の対向面積も内周側の突起部（20）（22）
の対向面積より大きくなっている。In FIG. 5, a collar (25) located radially outside the rotor disk (10) is fitted on the inner surface of the casing (24), and the inner surfaces of the casing (24) above and below the collar (25) are fixed to the stator. (12) and (13) are locked. The upper and lower stators (12, 13) are vertically symmetric with respect to the rotor disk (10). Stator (12) (13)
Is a combination of an annular exciting coil (14) (15), a flanged tubular body (30) (32) on the outer peripheral side, and an annular tubular body (31) (33) on the inner peripheral side. , Two cylinders (30) (31) (3
2) In the annular space surrounded by (33), coil (14) (1
5) is located. Outer cylinders (30) and (32)
An outer cylindrical portion (30b) (32b) and a flange portion (30a) (32) protruding inward from the end on the rotor disk (10) side.
and a) are integrally formed. Outer cylinder (3
0b) (32b) is fitted on the inner surface of the casing (24),
It is located on the outer peripheral side of the coils (14) and (15). Tsuba (30
a) and (32a) are located on the rotor disk (10) side of the coils (14) and (15), and project more inward than the outer peripheral portions of the coils (14) and (15). The inner cylinder (31) (33)
The inner peripheral cylindrical portions (31b) and (33b) are integrally formed with flange-shaped annular end walls (31a) and (33a) projecting outward from the end opposite to the rotor disk (10). It is a thing. The annular end wall portions (31a) and (33a) are fitted on the outer peripheral portion with the ends of the cylindrical portions (30b) and (32b) of the outer peripheral cylinders (30) and (32), respectively. ) (32) flange (30a) (32
It is located on the opposite side of coils (14) and (15) with respect to a). The inner cylindrical part (31b) (33b) is a coil (14) (15)
The rotor disk (10) side end is arranged inside the flanges (30a) (32a) with an annular clearance. The cylindrical portion (31) of the inner cylinder (31) (33)
b) At the end on the rotor disk (10) side of (33b), inner circumferential side annular projections (16) and (20) are formed. Triangular shallow annular grooves (28) and (29) are formed on the inner periphery of the surface of the outer cylinders (30) and (32) facing the rotor disk (10) of the flanges (30a) and (32a). Outer peripheral annular projections (17) and (21) are formed on the inner peripheral side of the grooves (28) and (29), that is, on the inner peripheral edge of the grooves (30a) and (32a). The facing area So of the projections (17) and (19) on the outer peripheral side in the upper part is larger than the facing area Si of the projections (16) and (18) on the inner peripheral side. In addition, the opposing area of the projections (21) and (23) on the outer periphery in the lower part is also the projections (20) and (22) on the inner periphery.
Is larger than the facing area of

第１実施例の場合、前に説明したように、ロータディ
スク（10）の傾斜を抑制することができ、しかも、ロー
タディスク（10）の外径を小さくすることができ、アキ
シャル剛性を向上させることができ、回転軸（11）の最
高回転数を高くすることができる。In the case of the first embodiment, as described above, the inclination of the rotor disk (10) can be suppressed, the outer diameter of the rotor disk (10) can be reduced, and the axial rigidity can be improved. And the maximum number of rotations of the rotating shaft (11) can be increased.

また、第１実施例の場合、突起部（17）（21）を形成
するための環状みぞ（28）（29）が三角形の浅いもので
あるから、次に説明するように、突起部（17）（21）の
撓みが小さく、軸（11）の軸方向位置の制御が正確であ
るという効果を奏する。In the case of the first embodiment, since the annular grooves (28) and (29) for forming the projections (17) and (21) are triangular and shallow, the projections (17) and (29) will be described below. The effect that the deflection of (21) is small and the control of the axial position of the shaft (11) is accurate is achieved.

アキシャル磁気軸受においては、前述のように、軸
（11）の軸方向位置を検出するセンサーが設けられ、軸
（11）の軸方向位置すなわち突起部相互間のエアギャッ
プを一定に保持するようにステータ（12）（13）の励磁
電流を制御している。ところが、仮に突起部（17）（2
1）を形成するため環状みぞ（28）（29）が大きい場
合、吸引力によって突起部（17）（21）が撓み易くな
り、エアギャップが変化する。このため、軸（11）の軸
方向位置より求めたエアギャップと実際のエアギャップ
との間に誤差が生じ、正確な制御が困難になる。これに
対し、第１実施例の場合は、環状みぞ（28）（29）が三
角形の浅いものであるから、吸引力による突起部（17）
（21）の撓みが小さい。したがって、吸引力によりエア
ギャップが変化することがなく、軸（11）の軸方向位置
より求めたエアギャップと実際のエアギャップの間に誤
差が生じることがなく、正確な制御が容易である。In the axial magnetic bearing, as described above, the sensor for detecting the axial position of the shaft (11) is provided so that the axial position of the shaft (11), that is, the air gap between the projections is kept constant. It controls the exciting current of the stator (12) (13). However, if the projections (17) (2
When the annular grooves (28) and (29) are large to form 1), the protrusions (17) and (21) are easily bent by the suction force, and the air gap changes. For this reason, an error occurs between the air gap obtained from the axial position of the shaft (11) and the actual air gap, and accurate control becomes difficult. On the other hand, in the case of the first embodiment, since the annular grooves (28) and (29) are triangular and shallow, the protrusions (17) due to the suction force are used.
(21) The deflection is small. Therefore, the air gap does not change due to the suction force, no error occurs between the air gap obtained from the axial position of the shaft (11) and the actual air gap, and accurate control is easy.

第６図および第７図はこの発明の第２実施例を示し、
第１実施例のものと同じ部分には同じ符号を付してい
る。6 and 7 show a second embodiment of the present invention.
The same parts as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals.

第６図および第７図において、上側のステータ（12）
の内周側の突起部（16）は環状みぞにより分割された複
数の同心円状の部分（16a）（16b）（16c）よりなり、
これに対向するロータディスク（10）の突起部（18）も
複数の同心円状の部分（18a）（18b）（18c）よりな
る。そして、各部分の対向面積Si1、Si2、Si3の和が突
起部（16）（18）の対向面積Siとなっている。同様に、
上側のステータ（12）の外周側の突起部（17）も複数の
同心円状の部分（17a）（17b）（17c）よりなり、これ
に対向するロータディスク（10）の突起部（19）も複数
の同心円状の部分（19a）（19b）（19c）よりなる。そ
して、各部分の対向面積So1、So2、So3の和が突起部（1
7）（19）の対向面積Soとなっている。下側のステータ
（13）の突起部（20）（21）およびこれらに対向するロ
ータディスク（10）の突起部（22）（23）についても同
様である。6 and 7, the upper stator (12)
The inner peripheral side projection (16) is composed of a plurality of concentric parts (16a) (16b) (16c) divided by an annular groove,
The protruding portion (18) of the rotor disk (10) opposed thereto also includes a plurality of concentric portions (18a) (18b) (18c). The sum of the opposing areas Si1, Si2, and Si3 of each portion is the opposing area Si of the projections (16) and (18). Similarly,
The protrusion (17) on the outer peripheral side of the upper stator (12) also includes a plurality of concentric portions (17a), (17b), and (17c), and the protrusion (19) of the rotor disk (10) opposed thereto is also formed. It consists of a plurality of concentric parts (19a), (19b) and (19c). Then, the sum of the opposing areas So1, So2, and So3 of the respective parts is the protrusion (1
7) The facing area So of (19) is obtained. The same applies to the projections (20) and (21) of the lower stator (13) and the projections (22) and (23) of the rotor disk (10) opposed thereto.

上記実施例には、ロータディスク（10）の両側にステ
ータ（12）（13）が設けられたもののみを示したが、こ
の発明は、ロータディスクの片側にのみステータが設け
られたアキシャル磁気軸受にも適用できる。また、回転
軸が水平または斜めに設置されたアキシャル磁気軸受に
も適用できる。In the above-described embodiment, only the stator in which the stators (12) and (13) are provided on both sides of the rotor disk (10) is shown. However, the present invention relates to an axial magnetic bearing in which the stator is provided on only one side of the rotor disk. Also applicable to Further, the present invention can also be applied to an axial magnetic bearing in which a rotating shaft is installed horizontally or obliquely.

発明の効果 この発明のアキシャル磁気軸受によれば、外周側の環
状突起部の対向面積が内周側の環状突起部の対向面積よ
り大きいので、上述のように、軸が傾いたときにその傾
きを増大させるモーメントが小さくなり、軸が傾いたま
ま回転することにより渦電流損失を減少することができ
る。したがって、軸を支承するラジアル力が小さくてす
み、ラジアル磁気軸受を併用した場合の渦電流損失、過
負荷の減少、防止が可能である。According to the axial magnetic bearing of the present invention, since the facing area of the annular projection on the outer peripheral side is larger than the facing area of the annular projection on the inner peripheral side, as described above, when the shaft is inclined, And the eddy current loss can be reduced by rotating the shaft while tilting. Therefore, only a small radial force is required to support the shaft, and eddy current loss and overload can be reduced and prevented when a radial magnetic bearing is used in combination.

また、ロータディスクの外径を小さくすることがで
き、アキシャル剛性を向上させることができ、回転軸の
最高回転数を高くすることができる。Further, the outer diameter of the rotor disk can be reduced, the axial rigidity can be improved, and the maximum rotation speed of the rotating shaft can be increased.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第１図〜第４図はこの発明の原理を説明するための図で
あり、第１図はアキシャル磁気軸受の要部縦断面図、第
２図はロータディスクの傾いた状態を示す側面図、第３
図は同斜視図、第４図は第３図のロータディスクの円周
方向の位置と吸引力の部分力との関係を示すグラフ、第
５図はこの発明の第１実施例を示すアキシャル磁気軸受
の要部縦断面図、第６図は第２実施例を示す第５図相当
の図面、第７図は第６図の要部拡大図、第８図は従来例
を示す第１図相当の図面、第９図は第８図のロータディ
スクの傾いていない状態を示す側面図、第10図は第８図
のロータディスクの傾いた状態を示す側面図である。 （10）……ロータディスク、（11）……回転軸、（12）
（13）……ステータ、（14）（15）……励磁コイル、
（16）（20）……ステータの内周側環状突起部、（17）
（21）……ステータの外周側環状突起部、（18）（22）
……ロータディスクの内周側環状突起部、（19）（23）
……ロータディスクの外周側環状突起部、（28）（29）
……環状みぞ、（30a）（32a）……鍔部、（30b）（32
b）……外周側円筒部、（31a）（32a）……環状端壁
部、（31b）（33b）……内周側円筒部。1 to 4 are views for explaining the principle of the present invention. FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a main part of an axial magnetic bearing, FIG. 2 is a side view showing a tilted state of a rotor disk, Third
FIG. 4 is a perspective view, FIG. 4 is a graph showing the relationship between the circumferential position of the rotor disk in FIG. 3 and the partial force of the suction force, and FIG. 5 is an axial magnetism showing the first embodiment of the present invention. FIG. 6 is a drawing corresponding to FIG. 5 showing the second embodiment, FIG. 7 is an enlarged view of the main part of FIG. 6, and FIG. 8 is a drawing corresponding to FIG. 9 is a side view showing a state where the rotor disk of FIG. 8 is not tilted, and FIG. 10 is a side view showing a state where the rotor disk of FIG. 8 is tilted. (10) Rotor disk (11) Rotating shaft (12)
(13) ... stator, (14) (15) ... excitation coil,
(16) (20) ... inner circumferential side annular projection of stator, (17)
(21) ... annular protrusion on the outer peripheral side of the stator, (18) (22)
…… Rotary inner annular protrusion of rotor disk, (19) (23)
…… Rotary disk side annular protrusion, (28), (29)
…… Circular groove, (30a) (32a) …… Flange, (30b) (32
b) ... outer peripheral side cylindrical part, (31a) (32a) ... annular end wall part, (31b) (33b) ... inner peripheral side cylindrical part.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項１】回転軸に設けられたロータディスクと、上
記ロータディスクの少なくともアキシャル方向片側に配
置されたステータとを備え、上記ロータディスクに、ア
キシャル方向に突出した内周側環状突起部および外周側
環状突起部が設けられ、上記ステータに、アキシャル方
向に突出して上記ロータディスクの内周側環状突起部お
よび外周側環状突起部にそれぞれ対向する内周側環状突
起部および外周側環状突起部が設けられているアキシャ
ル磁気軸受において、 上記ステータは、環状の励磁コイルと、上記励磁コイル
の内周側に配置された内周側円筒部と、上記励磁コイル
の外周側に配置された外周側円筒部と、上記外周側円筒
部の上記ロータディスク側の端部から上記励磁コイルの
外周部よりも内周側に張出した平板状の鍔部と、上記内
周側円筒部と外周側円筒部の反対側の端部同志を連結す
る環状端壁部とを備え、上記内周側円筒部の上記ロータ
ディスク側の端部に上記内周側環状突起部が形成され、
上記鍔部の内周側縁部近傍の上記ロータディスク側の端
面に環状みぞが形成されることによりこのみぞより内周
側の上記鍔部の上記ロータディスク側に上記外周側環状
突起部が形成されており、上記ロータディスクとステー
タの外周側環状突起部同志の対向面積が同内周側環状突
起部同志の対向面積より大きくなっていることを特徴と
するアキシャル磁気軸受。1. A rotor disk provided on a rotating shaft, and a stator arranged at least on one side in the axial direction of the rotor disk, wherein an inner peripheral annular projection and an outer periphery projecting in the axial direction are provided on the rotor disk. A side annular protrusion is provided, and the stator has an inner circumferential annular protrusion and an outer circumferential annular protrusion that protrude in the axial direction and respectively oppose the inner circumferential annular protrusion and the outer circumferential annular protrusion of the rotor disk. In the axial magnetic bearing provided, the stator includes an annular exciting coil, an inner cylindrical portion disposed on an inner peripheral side of the exciting coil, and an outer cylindrical member disposed on an outer peripheral side of the exciting coil. A flat flange portion extending from an end of the outer peripheral side cylindrical portion on the rotor disk side to an inner peripheral side of an outer peripheral portion of the excitation coil; An annular end wall portion connecting the inner peripheral side cylindrical portion and an end portion on the opposite side of the outer peripheral side cylindrical portion, wherein the inner peripheral side annular projection is provided at an end of the inner peripheral side cylindrical portion on the rotor disk side. Part is formed,
An annular groove is formed on the end face on the rotor disk side near the inner peripheral edge of the flange, so that the outer peripheral annular protrusion is formed on the rotor disk side of the flange on the inner peripheral side of the groove. An axial magnetic bearing, wherein the opposed area between the outer annular protrusions of the rotor disk and the stator is larger than the opposed area of the inner annular protrusions.
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