JP2001271836A

JP2001271836A - 磁気軸受装置

Info

Publication number: JP2001271836A
Application number: JP2000088402A
Authority: JP
Inventors: Kazumi Hasegawa; 和三長谷川; Shinichi Ozaki; 伸一尾崎; Toshio Takahashi; 俊雄高橋; Muneyasu Sugitani; 宗寧杉谷
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2000-03-28
Filing date: 2000-03-28
Publication date: 2001-10-05

Abstract

(57)【要約】【課題】積層鋼板を使用することなく、渦電流の発生
を大幅に低減することができ、これによりロータの発熱
及び渦電流損失を大幅に低減することができ、かつロー
タをソリッド化して容易に高速回転が可能となる磁気軸
受装置を提供する。【解決手段】ロータ１を囲むステータ２の歯端部
（２ａ）が軸方向に隣接してＮ極とＳ極を構成するホモ
ポーラ形磁気軸受装置。隣接するＮ極同士及びＳ極同士
をそれぞれ周方向に一体に連結する。または、隣接する
Ｎ極同士及びＳ極同士をそれぞれ材質の異なる磁性体で
周方向に連結する。あるいは隣接するＮ極及びＳ極をそ
れぞれ周方向に張り出し、互いに僅かな隙間を隔てて隣
接する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高速回転軸を無接
触で支持する磁気軸受装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】高速モータ直結駆動のターボコンプレッ
サなどの高速回転軸を支持するために、磁気軸受が従来
から用いられ、特に、高速回転軸のラジアル磁気軸受と
しては、図１２に示すヘテロポーラ形磁気軸受（Ａ）や
ホモポーラ形磁気軸受（Ｂ）が用いられる。ヘテロポー
ラ形磁気軸受（Ａ）は、ロータ１を囲むステータ２の歯
端部２ａが周方向に隣接してコイル３により電磁石のＮ
極とＳ極を構成し、対向位置にある歯端部２ａの吸引力
を制御してロータを無接触で支持する。従ってこのヘテ
ロポーラでは、磁石のＮ極からＳ極に向かう磁界Ｂはロ
ータ表面においてロータ軸にほぼ直交する。

【０００３】一方、ホモポーラ形磁気軸受（Ｂ）は、ロ
ータ１を囲むステータ２の歯端部２ａが軸方向に隣接し
てＮ極とＳ極を構成するようになっており、同様に対向
位置にある歯端部２ａの吸引力を制御してロータを無接
触で支持する。従ってこのホモポーラ形では、磁界Ｂは
ロータ表面においてロータ軸に沿った向きとなる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図１３は、渦電流発生
の原理図（Ａ）とフレミングの右手の法則を示す図
（Ｂ）である。図１２（Ａ）に示した最も一般的なヘテ
ロポーラ形のラジアル磁気軸受では、磁界Ｂがロータ軸
にほぼ直交するため、フレミングの右手の法則から磁界
Ｂの存在下で回転するロータ１の表面にはロータの軸方
向に起電力Ｅが発生し、この起電力によりロータの表面
に渦電流が発生する。そのため、ヘテロポーラ形のラジ
アル磁気軸受では、渦電流が大きく、発熱による熱変形
やエネルギーロスが大きくなる問題点があった。また、
その渦電流を最小限度に抑えるために、ロータを積層鋼
板にする必要があり、ロータ強度が低下し高速回転が困
難となる問題点があった。

【０００５】上述した問題点を回避し、ロータ側に発生
する渦電流を低減するために、ホモポーラ形磁気軸受を
採用することが一部で提案されている。ホモポーラ形磁
気軸受は、磁界Ｂがロータ表面においてロータ軸に沿っ
た向きとなるため、フレミングの右手の法則から回転す
るロータ１の表面に発生する起電力Ｅは半径方向となる
ため、原理的に渦電流の発生を低減することができる。
しかし実際には、ステータの歯が有る部分と無い部分で
磁界の強弱分布が起きるため、局所的に磁界の強い部分
から弱い部分に向かう渦電流が発生する。すなわち、渦
電流発生の原因となる起電力は以下の式（１）で示さ
れ、磁束密度（磁界Ｂ）が小さい場合でも、高速回転軸
のように高速回転する場合には、ホモポーラ形磁気軸受
であっても大きな渦電流が発生してしまう。ｅ∝Ｂ・ｖ・Ｌ．．．（１）ｅ：起電力、Ｂ：磁束密度、ｖ：磁界を切る速度、Ｌ：
導体の長さ

【０００６】本発明はかかる問題点を解決するために創
案されたものである。すなわち、本発明の目的は、積層
鋼板を使用することなく、渦電流の発生を大幅に低減す
ることができ、これによりロータの発熱及び渦電流損失
を大幅に低減することができ、かつロータをソリッド化
して容易に高速回転が可能となる磁気軸受装置を提供す
ることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、ロータ
（１）を囲むステータ（２）の歯端部（２ａ）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
装置において、隣接するＮ極同士及びＳ極同士をそれぞ
れ周方向に一体に連結したことを特徴とする磁気軸受装
置が提供される。

【０００８】また、隣接するＮ極同士及びＳ極同士をそ
れぞれステータ（２）と材質の異なる磁性体で周方向に
連結した磁気軸受装置が提供される。更に、隣接するＮ
極及びＳ極をそれぞれ周方向に張り出し、互いに僅かな
隙間を隔てて隣接する磁気軸受装置も提供される。

【０００９】上記本発明の構成によれば、隣接するＮ極
同士及びＳ極同士をそれぞれ周方向に一体に連結し、或
いは材質の異なる磁性体で周方向に連結するので、隣接
するＮ極（及びＳ極）の中間位置における磁束密度を高
めて周方向の磁束密度の強弱分布の発生を小さくするこ
とができる。また、隣接するＮ極及びＳ極をそれぞれ周
方向に張り出し、互いに僅かな隙間を隔てて隣接する場
合でも、張出部を構成する磁性体（例えば鉄）は空気よ
りも磁界の伝達率が１０００〜２０００倍程度大きいた
め、同様に隣接するＮ極（及びＳ極）の中間位置におけ
る磁束密度を高めて周方向の磁束密度の強弱分布の発生
を小さくすることができる。

【００１０】従って、ホモポーラ形の磁気軸受で渦電流
が発生する磁束密度（磁界）の強弱分布を大幅に低減で
き、渦電流の発生を低減し、ロータの発熱及び渦電流損
失を大幅に低減することができる。また、積層鋼板を使
用することなく渦電流の発生を大幅に低減することがで
きることから、ロータをソリッド化して容易に高速回転
が可能となる。

【００１１】本発明の好ましい実施形態によれば、前記
ロータ（１）と歯端部（２ａ）との間隔が周方向に一定
である。また、前記ロータ（１）と歯端部（２ａ）との
間隔が連結部において相違してもよい。更に、前記歯端
部（２ａ）の張出端部に突起部又はへこみ部を有しても
よい。

【００１２】この構成により、ロータ（１）と歯端部
（２ａ）との間隔を周方向に一定にし、或いは必要に応
じて、その間隔を連結部において変化させ、或いは、歯
端部（２ａ）の張出端部に突起部又はへこみ部を設ける
ことにより、磁気軸受としての機能を損なうことなく、
適切に磁束を流して、ロータ表面の磁束密度を均等化す
ることができる。

【００１３】

【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。図１は、本発明の第１実施形態を示す磁気軸受装置
の構成図である。この図において、（Ａ）は軸方向から
見た正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線における断面図
である。また、図２は、図１のステータのみの斜視図で
ある。図１及び図２に示すように、本発明の磁気軸受装
置は、ロータ１を囲むステータ２の歯端部２ａ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
装置である。また、この例では、隣接するＮ極同士及び
Ｓ極同士がそれぞれ周方向に一体に連結されている。こ
の連結部４は、ステータ２と一体に形成され、その材質
は同一の磁性体からなる。

【００１４】図３は、本発明の第２実施形態を示す磁気
軸受装置の構成図である。この例において、本発明の磁
気軸受装置は、隣接するＮ極同士及びＳ極同士をそれぞ
れステータ２と材質の異なる磁性体からなる連結部４で
周方向に連結されている。この磁性体には、例えば磁性
粉を添加した樹脂などの磁性特性を有する材料を用いる
ことができる。その他の構成は、第１実施形態と同様で
ある。

【００１５】図１及び図３の実施形態において、ロータ
１と歯端部２ａとの間隔は周方向に一定であるのが好ま
しい。しかし、図４の第３実施形態に示すように、ロー
タ１と歯端部２ａとの間隔が連結部４において相違させ
てもよい。この連結部４における間隔の変化は、磁気軸
受としての機能を損なうことなく、適切に磁束を流し
て、ロータ表面の磁束密度を均等化するように設定す
る。

【００１６】図５は、本発明の第４実施形態を示す磁気
軸受装置の構成図である。この例において、本発明の磁
気軸受装置は、隣接するＮ極及びＳ極をそれぞれ周方向
に張り出し、互いに僅かな隙間を隔てて隣接している。
歯端部２ａの張出部５は、ステータ２と一体に形成さ
れ、その材質は同一の磁性体からなる。また、隙間６
は、張出部５を構成する磁性体（例えば鉄）は空気より
も磁界の伝達率が１０００〜２０００倍程度大きいた
め、隣接するＮ極（及びＳ極）の中間位置における磁束
密度を高めて周方向の磁束密度の強弱分布の発生を小さ
くすることができる範囲で設定する。

【００１７】図５の第４実施形態において、ロータ１と
歯端部２ａとの間隔は周方向に一定であるのが好まし
い。しかし、図６の第５実施形態に示すように、歯端部
２ａの張出部５の端部に突起部又はへこみ部を設けても
よい。この突起部又はへこみ部は、磁気軸受としての機
能を損なうことなく、適切に磁束を流して、ロータ表面
の磁束密度を均等化するように設定する。

【００１８】図７は、本発明の第６実施形態を示す磁気
軸受装置の構成図である。この例において、ステータ２
は、Ｎ極側とＳ極側に軸方向に分割できるようになって
おり、それぞれ別々に製作し後で接合部７で接合するよ
うになっている。この接合は、接着剤、拡散接合、ボル
ト等による締結であってもよい。

【００１９】

【実施例】以下、上述した本発明の磁気軸受装置の実施
例を説明する。まず、上述した本発明の構造により、渦
電流を低減する効果がどの程度期待できるか、渦電流が
発生しやすいソリッド構造のロータに対する各磁気軸受
の渦電流の発生状態を電磁気解析により計算した。（１）解析条件ステータ：積層鋼板構造とし、渦電流の発生は考慮しな
いものとした。ロータ：鉄材のソリッド構造とし、渦電流の発生を考慮
した。磁束密度：空隙中間部で０．２Ｔとなるバイアス電流と
した。回転速度：１０万ｍｉｎ^-1

【００２０】（２）渦電流の解析結果図８は、渦電流の解析結果の比較図である。この図に示
すように、渦電流の発生量として、ホモポーラ形はヘテ
ロポーラ形の１／２となるが、本発明の磁気軸受装置で
は更に大幅な低減ができることが解析結果から明らかと
なった。

【００２１】図９は、渦電流の解析結果である。この図
において（Ａ）は従来のホモポーラ形磁気軸受、（Ｂ）
は本発明の磁気軸受装置であり、図中の矢印は渦電流の
大きさと向きを示している。この図９（Ａ）から、ホモ
ポーラ形でも磁束分布が起きる部分で渦電流が発生して
いることが確認された。これに対して、本発明の構造で
は、図９（Ｂ）に示すように、磁束の強弱が非常に少な
くなるため、渦電流がほとんど発生していないことがわ
かる。

【００２２】図８及び図９の結果から、本発明の磁気軸
受装置の構成により、ロータ部に発生する渦電流を大き
く低減できることがわかる。また、この結果、渦電流対
策のための積層鋼板も不要となる。

【００２３】（３）電磁吸引力の効果上述した解析では、一定のバイアス電流で解析したが、
磁気軸受は電流値を変化させ、電磁吸引力でロータを引
きつける位置制御を行っている。そこで、本発明の構造
の磁気軸受が適切な電磁吸引力を発生するかを、同様に
電磁気解析した。図１０は、本発明の磁気軸受装置の電
磁吸引力の解析結果である。この解析結果は、の位置
の電流を上げ、その分の位置を電流を下げ、かつと
の位置の電流をバイアス電流とすることでの方向に
電磁吸引力を働かせた結果である。図中の小さい矢印
は、ロータ各部に作用する力の大きさと方向であり、大
きい矢印はその総和である。この図からロータが反時計
方向に回転している状態において、ベクトルの方向と強
さとはの方向に向かっていることがわかり、磁気軸受
として十分に機能していることが確認された。

【００２４】図１１は、磁束密度分布の解析結果であ
り、横軸は周方向位置、縦軸は磁束密度を示している。
また図中の実線は本発明の磁気軸受装置、二点鎖線は従
来のホモポーラ形磁気軸受である。この解析結果から
も、従来のホモポーラ形では、周方向の磁束密度の強弱
が大きいのに対して、本発明の磁気軸受装置では周方向
にほぼ一定となっており、渦電流が発生しにくいことが
わかる。

【００２５】上述したように、本発明の構成によれば、
隣接するＮ極同士及びＳ極同士をそれぞれ周方向に一体
に連結し、或いは材質の異なる磁性体で周方向に連結す
るので、隣接するＮ極（及びＳ極）の中間位置における
磁束密度を高めて周方向の磁束密度の強弱分布の発生を
小さくすることができる。また、隣接するＮ極及びＳ極
をそれぞれ周方向に張り出し、互いに僅かな隙間を隔て
て隣接する場合でも、張出部を構成する磁性体（例えば
鉄）は空気よりも磁界の伝達率が１０００〜２０００倍
程度大きいため、同様に隣接するＮ極（及びＳ極）の中
間位置における磁束密度を高めて周方向の磁束密度の強
弱分布の発生を小さくすることができる。

【００２６】従って、ホモポーラ形の磁気軸受で渦電流
が発生する磁束密度（磁界）の強弱分布を大幅に低減で
き、渦電流の発生を低減し、ロータの発熱及び渦電流損
失を大幅に低減することができる。また、積層鋼板を使
用することなく渦電流の発生を大幅に低減することがで
きることから、ロータをソリッド化して容易に高速回転
が可能となる。

【００２７】なお、本発明は上述した実施の形態に限定
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。

【００２８】

【発明の効果】上述したように、本発明の磁気軸受装置
は、積層鋼板を使用することなく、渦電流の発生を大幅
に低減することができ、これによりロータの発熱及び渦
電流損失を大幅に低減することができ、かつロータをソ
リッド化して容易に高速回転が可能となる、等の優れた
効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態を示す磁気軸受装置の構
成図である。

【図２】図１のステータの斜視図である。

【図３】本発明の第２実施形態を示す磁気軸受装置の構
成図である。

【図４】本発明の第３実施形態を示す磁気軸受装置の構
成図である。

【図５】本発明の第４実施形態を示す磁気軸受装置の構
成図である。

【図６】本発明の第５実施形態を示す磁気軸受装置の構
成図である。

【図７】本発明の第６実施形態を示す磁気軸受装置の構
成図である。

【図８】渦電流の比較図である。

【図９】渦電流の解析結果である。

【図１０】本発明の磁気軸受装置の電磁吸引力の解析結
果である。

【図１１】磁束密度分布の解析結果である。

【図１２】従来のラジアル磁気軸受の構成図である。

【図１３】渦電流発生の原理図（Ａ）とフレミングの右
手の法則の説明図（Ｂ）である。

【符号の説明】

１ロータ、２ステータ、２ａ歯端部、３コイ
ル、４連結部、５張出部、６隙間、７接合部

───────────────────────────────────────────────────── 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３丁目２番16号石川島播磨重工業株式会社東京エンジニアリングセンター内 (72)発明者杉谷宗寧東京都江東区豊洲３丁目２番16号石川島播磨重工業株式会社東京エンジニアリングセンター内Ｆターム(参考） 3J102 AA01 BA03 BA17 CA29 DA03 DA09 DA30 GA08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ロータ（１）を囲むステータ（２）の歯
端部（２ａ）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装置において、隣接するＮ極同士及びＳ極同士をそれぞれ周方向に一体
に連結したことを特徴とする磁気軸受装置。
【請求項２】ロータ（１）を囲むステータ（２）の歯
端部（２ａ）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装置において、隣接するＮ極同士及びＳ極同士をそれぞれステータ
（２）と材質の異なる磁性体で周方向に連結したことを
特徴とする磁気軸受装置。
【請求項３】ロータ（１）を囲むステータ（２）の歯
端部（２ａ）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装置において、隣接するＮ極及びＳ極をそれぞれ周方向に張り出し、互
いに僅かな隙間を隔てて隣接することを特徴とする磁気
軸受装置。
【請求項４】前記ロータ（１）と歯端部（２ａ）との
間隔が周方向に一定である、ことを特徴とする請求項１
乃至３のいずれかの磁気軸受装置。
【請求項５】前記ロータ（１）と歯端部（２ａ）との
間隔が連結部において相違する、ことを特徴とする請求
項１又は２の磁気軸受装置。
【請求項６】前記歯端部（２ａ）の張出端部に突起部
又はへこみ部を有する、ことを特徴とする請求項３の磁
気軸受装置。