JP2002021850A - 磁気軸受 - Google Patents
磁気軸受Info
- Publication number
- JP2002021850A JP2002021850A JP2000203179A JP2000203179A JP2002021850A JP 2002021850 A JP2002021850 A JP 2002021850A JP 2000203179 A JP2000203179 A JP 2000203179A JP 2000203179 A JP2000203179 A JP 2000203179A JP 2002021850 A JP2002021850 A JP 2002021850A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- magnetic
- magnetic field
- rotating shaft
- magnetic bearing
- rotation axis
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
- F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
- F16C32/0406—Magnetic bearings
- F16C32/044—Active magnetic bearings
- F16C32/0474—Active magnetic bearings for rotary movement
- F16C32/0485—Active magnetic bearings for rotary movement with active support of three degrees of freedom
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 従来のホモポーラ磁気軸受に比して更に回転
損失を少なくすることのできる磁気軸受を提供する。 【解決手段】 回転軸１に、当該軸１の周囲に磁場の方
向が軸方向に沿った一様な静磁場形成する永久磁石５を
含む磁気回路（ロータ６）を固定するとともに、その回
転軸１の回転軸心Ｃに対する変位を互いに異なる複数の
方向において変位センサ９ａ，９ｂで検出する一方、ハ
ウジング２には、各変位センサ９ａ，９ｂに対応して、
上記静磁場内でその磁場の方向を横切るように複数のコ
イル７１ａ，７２ａ、および７１ｂ，７２ｂを固定し、
その各コイルに対して、フィードバック制御回路２０
ａ，２０ｂにより変位センサ９ａ，９ｂの出力に応じた
電流を供給することにより生じるローレンツ力によっ
て、回転軸１を回転軸心Ｃに沿わせることで、回転軸１
側には回転時においても磁場の変化が生じることがな
く、渦電流の発生を抑制して回転損失を軽減する。
損失を少なくすることのできる磁気軸受を提供する。 【解決手段】 回転軸１に、当該軸１の周囲に磁場の方
向が軸方向に沿った一様な静磁場形成する永久磁石５を
含む磁気回路（ロータ６）を固定するとともに、その回
転軸１の回転軸心Ｃに対する変位を互いに異なる複数の
方向において変位センサ９ａ，９ｂで検出する一方、ハ
ウジング２には、各変位センサ９ａ，９ｂに対応して、
上記静磁場内でその磁場の方向を横切るように複数のコ
イル７１ａ，７２ａ、および７１ｂ，７２ｂを固定し、
その各コイルに対して、フィードバック制御回路２０
ａ，２０ｂにより変位センサ９ａ，９ｂの出力に応じた
電流を供給することにより生じるローレンツ力によっ
て、回転軸１を回転軸心Ｃに沿わせることで、回転軸１
側には回転時においても磁場の変化が生じることがな
く、渦電流の発生を抑制して回転損失を軽減する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は磁気軸受に関し、例
えばエネルギ貯蔵フライホール等の低損失が要求される
部位に使用するのに適したラジアル磁気軸受に関する。
えばエネルギ貯蔵フライホール等の低損失が要求される
部位に使用するのに適したラジアル磁気軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】磁気軸受は、一般に、回転軸を磁気の力
によって非接触のもとに支持することができ、回転軸と
軸受間に接触がないが故に摩擦による損失が少ないな
ど、多くの利点があり、近年、超高速回転体や、エネル
ギ貯蔵フライホールなどへの適用が検討されている。
によって非接触のもとに支持することができ、回転軸と
軸受間に接触がないが故に摩擦による損失が少ないな
ど、多くの利点があり、近年、超高速回転体や、エネル
ギ貯蔵フライホールなどへの適用が検討されている。
【０００３】従来の磁気軸受は、磁気吸引力（リラクタ
ンス力）を使うため、回転体内部での渦電流損失に起因
する回転摩擦が発生する。これを抑えるために、近年に
おいては電磁石のコアに積層鋼板が用いられ、通常の回
転速度では渦電流による摩擦は問題ではなくなってい
る。
ンス力）を使うため、回転体内部での渦電流損失に起因
する回転摩擦が発生する。これを抑えるために、近年に
おいては電磁石のコアに積層鋼板が用いられ、通常の回
転速度では渦電流による摩擦は問題ではなくなってい
る。
【０００４】しかしながら、超高速回転や、エネルギ貯
蔵フライホイールに用いるとなるとこの渦電流による損
失が問題となり、従来使われていたヘテロポーラ磁気軸
受よりも、渦電流の発生が少ないホモポーラ磁気軸受が
開発されて有力視されてきていている。
蔵フライホイールに用いるとなるとこの渦電流による損
失が問題となり、従来使われていたヘテロポーラ磁気軸
受よりも、渦電流の発生が少ないホモポーラ磁気軸受が
開発されて有力視されてきていている。
【０００５】図６にヘテロポーラ磁気軸受の平面図
（Ａ）およびそのＢ−Ｂ断面図（Ｂ）を、図７にはホモ
ポーラ磁気軸受の平面図（Ａ）およびそのＢ−Ｂ断面図
（Ｂ）をそれぞれ例示する。
（Ａ）およびそのＢ−Ｂ断面図（Ｂ）を、図７にはホモ
ポーラ磁気軸受の平面図（Ａ）およびそのＢ−Ｂ断面図
（Ｂ）をそれぞれ例示する。
【０００６】ヘテロポーラ磁気軸受は、コア６１および
コイル６２からなる電磁石により、回転軸６３の周囲に
おいて、周方向にＮ極とＳ極とが交互に現れるように複
数の磁気回路を形成したものであり、回転軸６３の内部
で渦電流が増えると言われている。すなわち、回転軸６
３の任意の一点Ｐに作用する磁場が、回転時において図
６（Ｃ）で示すようにＮ／Ｓにわたって変化するため、
渦電流が発生しやすいとされている。
コイル６２からなる電磁石により、回転軸６３の周囲に
おいて、周方向にＮ極とＳ極とが交互に現れるように複
数の磁気回路を形成したものであり、回転軸６３の内部
で渦電流が増えると言われている。すなわち、回転軸６
３の任意の一点Ｐに作用する磁場が、回転時において図
６（Ｃ）で示すようにＮ／Ｓにわたって変化するため、
渦電流が発生しやすいとされている。
【０００７】一方、ホモポーラ磁気軸受は、おなじくコ
ア７１およびコイル７２からなる複数の電磁石を、回転
軸７３の周囲においてＮ極とＳ極が軸方向を向くように
配置するとともに、電磁石のＮ極側とＳ極側にそれぞれ
磁性体からなる円盤７４ａ，７４ｂを配置した構造を採
り、一方の円盤７４ａから他方の円盤７４ｂへと向け
て、つまり軸方向に沿う磁束が形成されるようしたもの
であり、円周上では同じ磁極が並ぶため、損失が少ない
と言われている。すなわち、このホモポーラ磁気軸受に
おいては、回転軸７３の任意の一点Ｐに作用する磁場
は、図７（Ｃ）に示すようにＮもしくはＳ側においての
み変化することになり、渦電流の発生が比較的少なくな
るとされている。
ア７１およびコイル７２からなる複数の電磁石を、回転
軸７３の周囲においてＮ極とＳ極が軸方向を向くように
配置するとともに、電磁石のＮ極側とＳ極側にそれぞれ
磁性体からなる円盤７４ａ，７４ｂを配置した構造を採
り、一方の円盤７４ａから他方の円盤７４ｂへと向け
て、つまり軸方向に沿う磁束が形成されるようしたもの
であり、円周上では同じ磁極が並ぶため、損失が少ない
と言われている。すなわち、このホモポーラ磁気軸受に
おいては、回転軸７３の任意の一点Ｐに作用する磁場
は、図７（Ｃ）に示すようにＮもしくはＳ側においての
み変化することになり、渦電流の発生が比較的少なくな
るとされている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】ところで、以上のよう
にホモポーラ磁気軸受はヘテロポーラ磁気軸受に比して
渦電流による損失が少ないとされているものの、超高速
回転域では、無視できる程度ではないことが判明した
（Preprint of 5TH ISMST in Santa Barbara,USA,Dcemb
er 1-3,1999. および IEEE Transaction Applied Super
conductivity,vol.9,No.2,June 1999) 。
にホモポーラ磁気軸受はヘテロポーラ磁気軸受に比して
渦電流による損失が少ないとされているものの、超高速
回転域では、無視できる程度ではないことが判明した
（Preprint of 5TH ISMST in Santa Barbara,USA,Dcemb
er 1-3,1999. および IEEE Transaction Applied Super
conductivity,vol.9,No.2,June 1999) 。
【０００９】前者の文献においては、図６および図７に
示した構造のヘテロポーラ磁気軸受およびホモポーラ磁
気軸受により回転軸を支持した回転実験を行い、図８に
示すような結果を得ている。この実験においては、回転
軸の下端部をラジアルおよびスラスト方向に担荷能力を
有するスパイラルグルーブベアリング（ＳＧＢ）で支承
し、その上方の２箇所をラジアル磁気軸受で支持し、回
転数を種々に変化させて回転損失を測定している。図８
で示されるＳＧＢ＋Ｍｏｔｏｒの曲線は、磁気軸受以外
の部分における損失であり、各磁気軸受の損失を表すグ
ラフからＳＧＢ＋Ｍｏｔｏｒのグラフを減じた値が各磁
気軸受自体の損失を表すことになる。
示した構造のヘテロポーラ磁気軸受およびホモポーラ磁
気軸受により回転軸を支持した回転実験を行い、図８に
示すような結果を得ている。この実験においては、回転
軸の下端部をラジアルおよびスラスト方向に担荷能力を
有するスパイラルグルーブベアリング（ＳＧＢ）で支承
し、その上方の２箇所をラジアル磁気軸受で支持し、回
転数を種々に変化させて回転損失を測定している。図８
で示されるＳＧＢ＋Ｍｏｔｏｒの曲線は、磁気軸受以外
の部分における損失であり、各磁気軸受の損失を表すグ
ラフからＳＧＢ＋Ｍｏｔｏｒのグラフを減じた値が各磁
気軸受自体の損失を表すことになる。
【００１０】この図８に示されるように、ホモポーラ磁
気軸気はヘテロポーラ磁気軸受に比して回転損失は半分
以下と改善されるものの、超高速で回転させた場合には
無視できる量ではない。また、後者の文献においても同
様な報告がなされている。本発明はこのような実情に鑑
みてなされたもので、従来のホモポーラ磁気軸受に比し
て更に回転損失を少なくすることのできる、新たな構造
の磁気軸受の提供を目的としている。
気軸気はヘテロポーラ磁気軸受に比して回転損失は半分
以下と改善されるものの、超高速で回転させた場合には
無視できる量ではない。また、後者の文献においても同
様な報告がなされている。本発明はこのような実情に鑑
みてなされたもので、従来のホモポーラ磁気軸受に比し
て更に回転損失を少なくすることのできる、新たな構造
の磁気軸受の提供を目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の磁気軸受は、回転軸をそのラジアル方向に
非接触のもとに回転自在に支持する磁気軸受であって、
上記回転軸に固定され、当該回転軸の周囲に磁場の方向
が軸方向に沿った一様な静磁場を形成する永久磁石を含
む磁気回路と、上記回転軸の回転軸心からのラジアル方
向への変位を互いに異なる方向から検出する複数の変位
センサと、その各変位センサに対応して上記回転軸の周
囲にハウジングに対して固定され、かつ、上記静磁場内
でその磁場の方向を横切るように配置された複数のコイ
ルと、上記各変位センサの出力を入力し、その各出力の
大きさに応じた電流を対応する各コイルに対して供給す
る複数の制御回路を有し、静磁場中のコイルに電流を流
すことにより生じるローレンツ力によって上記回転軸を
回転軸心に沿わせるように構成されていることによって
特徴づけられる（請求項１）。
め、本発明の磁気軸受は、回転軸をそのラジアル方向に
非接触のもとに回転自在に支持する磁気軸受であって、
上記回転軸に固定され、当該回転軸の周囲に磁場の方向
が軸方向に沿った一様な静磁場を形成する永久磁石を含
む磁気回路と、上記回転軸の回転軸心からのラジアル方
向への変位を互いに異なる方向から検出する複数の変位
センサと、その各変位センサに対応して上記回転軸の周
囲にハウジングに対して固定され、かつ、上記静磁場内
でその磁場の方向を横切るように配置された複数のコイ
ルと、上記各変位センサの出力を入力し、その各出力の
大きさに応じた電流を対応する各コイルに対して供給す
る複数の制御回路を有し、静磁場中のコイルに電流を流
すことにより生じるローレンツ力によって上記回転軸を
回転軸心に沿わせるように構成されていることによって
特徴づけられる（請求項１）。
【００１２】ここで、本発明においては、上記変位セン
サおよび制御回路並びにコイルからなるサーボ機構を２
組有し、変位センサは互いに直交する方向への回転軸の
変位を検出する構成（請求項２）を好適に採用すること
ができる。
サおよび制御回路並びにコイルからなるサーボ機構を２
組有し、変位センサは互いに直交する方向への回転軸の
変位を検出する構成（請求項２）を好適に採用すること
ができる。
【００１３】また、本発明においては、上記各コイルと
して、それぞれ、回転軸を挟んで対向配置され、かつ、
互いに直列に接続されてなる一対のコイルを用いること
（請求項３）が好ましい。
して、それぞれ、回転軸を挟んで対向配置され、かつ、
互いに直列に接続されてなる一対のコイルを用いること
（請求項３）が好ましい。
【００１４】更に、本発明において用いる磁気回路の具
体的構成としては、回転軸の周囲に固定された互いに平
行な２枚の磁性体からなる円盤と、その間に位置するよ
うにいずれか一方の円盤に対して固定された永久磁石と
からなる構成（請求項４）を採用することができる。
体的構成としては、回転軸の周囲に固定された互いに平
行な２枚の磁性体からなる円盤と、その間に位置するよ
うにいずれか一方の円盤に対して固定された永久磁石と
からなる構成（請求項４）を採用することができる。
【００１５】本発明は、回転軸を吸引力（リラクタンス
力）によって回転中心上に位置決めするのではなく、電
磁力（ローレンツ力）によって回転軸を回転中心上に位
置決めする構成を採用することにより、所期の目的を達
成しようとするものである。
力）によって回転中心上に位置決めするのではなく、電
磁力（ローレンツ力）によって回転軸を回転中心上に位
置決めする構成を採用することにより、所期の目的を達
成しようとするものである。
【００１６】すなわち、静磁場中に置かれたコイルに電
流を流すことによって発生する電磁力（ローレンツ力）
は、静磁場の向きおよび強さが一定であれば、コイルに
流れる電流の向きおよび大きさによってその方向および
大きさが一意的に定まる。回転軸側に軸方向に沿った一
様な静磁場を形成する磁気回路を固定して回転させる一
方、ハウジング側にその静磁場内に位置するようにコイ
ルを固定して電流を流すと、回転軸には、磁気回路を介
してその電流の向きに応じた方向に、かつ、電流の大き
さに応じた大きさのローレンツ力が作用する。
流を流すことによって発生する電磁力（ローレンツ力）
は、静磁場の向きおよび強さが一定であれば、コイルに
流れる電流の向きおよび大きさによってその方向および
大きさが一意的に定まる。回転軸側に軸方向に沿った一
様な静磁場を形成する磁気回路を固定して回転させる一
方、ハウジング側にその静磁場内に位置するようにコイ
ルを固定して電流を流すと、回転軸には、磁気回路を介
してその電流の向きに応じた方向に、かつ、電流の大き
さに応じた大きさのローレンツ力が作用する。
【００１７】回転軸のラジアル方向への変位を複数の変
位センサで検出し、その各変位センサに対応して、コイ
ルと、そのコイルに各変位センサの出力に応じた電流を
供給する制御回路を設け、各変位センサによる回転軸の
変位が０（回転軸心上に位置する状態）となるように各
コイルに流れる電流を制御することにより、回転軸は回
転軸心上に位置した状態を保ちつつ回転する。
位センサで検出し、その各変位センサに対応して、コイ
ルと、そのコイルに各変位センサの出力に応じた電流を
供給する制御回路を設け、各変位センサによる回転軸の
変位が０（回転軸心上に位置する状態）となるように各
コイルに流れる電流を制御することにより、回転軸は回
転軸心上に位置した状態を保ちつつ回転する。
【００１８】静磁場を形成する磁気回路側を回転軸に固
定し、コイル側をハウジングに固定した電磁力発生装置
が発生するローレンツ力を用いた磁気軸受によれば、回
転軸に作用する磁場は回転中においても一定であるた
め、ホモポーラ磁気軸受に比して更に回転損失を少なく
することができる。
定し、コイル側をハウジングに固定した電磁力発生装置
が発生するローレンツ力を用いた磁気軸受によれば、回
転軸に作用する磁場は回転中においても一定であるた
め、ホモポーラ磁気軸受に比して更に回転損失を少なく
することができる。
【００１９】回転軸を回転軸心上に位置した状態を保つ
ためには、回転軸の変位はラジアル方向で互いに直交す
る２方向において検出すればよく、従って請求項２に係
る発明のように、互いに直交するように配置された２つ
の変位センサと、それぞれに対応する制御回路およびコ
イルを設けた構成が、最もシンプルで機能を全うする構
成となって好適である。
ためには、回転軸の変位はラジアル方向で互いに直交す
る２方向において検出すればよく、従って請求項２に係
る発明のように、互いに直交するように配置された２つ
の変位センサと、それぞれに対応する制御回路およびコ
イルを設けた構成が、最もシンプルで機能を全うする構
成となって好適である。
【００２０】また、本発明における各コイルは、それぞ
れに単体としてもよいが、請求項３に係る発明のよう
に、回転軸を挟んで対向配置されて互いに直列に接続さ
れた一対のコイルとすることにより、回転軸の周囲のス
ペースを有効に利用して、単体で用いる場合に比して、
静磁場の強されおよびコイル電流を一定とした場合には
発生電磁力を２倍とすることができる。
れに単体としてもよいが、請求項３に係る発明のよう
に、回転軸を挟んで対向配置されて互いに直列に接続さ
れた一対のコイルとすることにより、回転軸の周囲のス
ペースを有効に利用して、単体で用いる場合に比して、
静磁場の強されおよびコイル電流を一定とした場合には
発生電磁力を２倍とすることができる。
【００２１】更に、本発明における磁気回路の具体的構
成としては、請求項４に係る発明のように、回転軸の周
囲に互いに平行な２枚の磁性体からなる円盤を固定する
とともに、その間に位置するようにいずれか一方の円盤
に永久磁石を固定した構成を採用することができ、この
構成により、各円盤がフラックスガイドの役割を担い、
磁気回路内の磁場を安定させることができる。
成としては、請求項４に係る発明のように、回転軸の周
囲に互いに平行な２枚の磁性体からなる円盤を固定する
とともに、その間に位置するようにいずれか一方の円盤
に永久磁石を固定した構成を採用することができ、この
構成により、各円盤がフラックスガイドの役割を担い、
磁気回路内の磁場を安定させることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ本発明の
好適な実施の形態について説明する。図１は本発明の実
施の形態の構成を示す軸平行断面図であり、図２はその
ロータ６の説明図で、（Ａ）は軸平行断面図で（Ｂ）は
そのＢ−Ｂ断面図である。また、図３はステータ７の平
面図である。
好適な実施の形態について説明する。図１は本発明の実
施の形態の構成を示す軸平行断面図であり、図２はその
ロータ６の説明図で、（Ａ）は軸平行断面図で（Ｂ）は
そのＢ−Ｂ断面図である。また、図３はステータ７の平
面図である。
【００２３】この例における回転軸１は、鉛直の軸Ｃを
中心として回転するものであり、その下端部に円錐面１
ａが形成されており、その円錐面１ａがハウジング２の
内底面に形成された凹部２ａに嵌まり込んでピボット３
が形成され、このピボット３によって回転軸１がその下
端部においてスラスト方向およびラジアル方向に支持さ
れている。そして、その上方に、以下に示すようなロー
タ６およびステータ７からなる本発明に係るラジアル磁
気軸受１０が配置されている。
中心として回転するものであり、その下端部に円錐面１
ａが形成されており、その円錐面１ａがハウジング２の
内底面に形成された凹部２ａに嵌まり込んでピボット３
が形成され、このピボット３によって回転軸１がその下
端部においてスラスト方向およびラジアル方向に支持さ
れている。そして、その上方に、以下に示すようなロー
タ６およびステータ７からなる本発明に係るラジアル磁
気軸受１０が配置されている。
【００２４】回転軸１には、互いに平行な円盤４１，４
２をその中央部分において円筒部４３で繋ぎ合わせた形
状の磁性体からなるヨーク４が固定されており、各円盤
４１，４２は回転軸１に直交して水平方向に突出してい
る。ヨーク４の上側の円盤４１の下面には円環状の永久
磁石５が固定されており、これらによってロータ６を形
成している。
２をその中央部分において円筒部４３で繋ぎ合わせた形
状の磁性体からなるヨーク４が固定されており、各円盤
４１，４２は回転軸１に直交して水平方向に突出してい
る。ヨーク４の上側の円盤４１の下面には円環状の永久
磁石５が固定されており、これらによってロータ６を形
成している。
【００２５】永久磁石５は、そのＳ極を上、Ｎ極を下に
向けた状態で円盤４１に固定されており、また、Ｎ極側
の下面と下側の円盤４２との間には空隙が形成されてい
る。この構成により、図２（Ａ）に示すように、永久磁
石５のＮ極から出た磁束は対向する下側の円盤４２に至
り、円筒部４３を経て上側の円盤４１を介して永久磁石
５のＳ極に至る磁気回路が形成され、永久磁石５の下面
と下側の円盤４２との間に形成された空間に、磁束が回
転軸の軸方向に沿う環状の静磁場が形成されることにな
る。
向けた状態で円盤４１に固定されており、また、Ｎ極側
の下面と下側の円盤４２との間には空隙が形成されてい
る。この構成により、図２（Ａ）に示すように、永久磁
石５のＮ極から出た磁束は対向する下側の円盤４２に至
り、円筒部４３を経て上側の円盤４１を介して永久磁石
５のＳ極に至る磁気回路が形成され、永久磁石５の下面
と下側の円盤４２との間に形成された空間に、磁束が回
転軸の軸方向に沿う環状の静磁場が形成されることにな
る。
【００２６】ロータ６の永久磁石５と下側の円盤４２と
の間に形成されている環状の静磁場空間内には、ハウジ
ング２に固定されたステータ７が配置されている。ステ
ータ７は、互いに対向配置された二対のコイル７１ａと
７２ａ，７１ｂと７２ｂを主体として構成されている。
各コイル７１ａ、７２ａ、７１ｂおよび７２ｂは、図３
に示すようにそれぞれ鉛直軸の回りに巻回されており、
その各巻回中心よりも内側の巻線部分のみが上記した環
状の静磁場空間内に位置しているとともに、一つのコイ
ルは平面視において９０°の範囲内に収められている。
そして、互いに対向する各対のコイル７１ａと７２ｂど
うし、および７１ｂと７２ｂどうしはそれぞれに直列接
続され、その巻回の向きは、図３に矢印で示すように、
各対において反対となっており、従って、各対のコイル
に電流を流したとき、静磁場内における電流の向きは平
面視において各対のコイルどうしは同じ向きとなる。
の間に形成されている環状の静磁場空間内には、ハウジ
ング２に固定されたステータ７が配置されている。ステ
ータ７は、互いに対向配置された二対のコイル７１ａと
７２ａ，７１ｂと７２ｂを主体として構成されている。
各コイル７１ａ、７２ａ、７１ｂおよび７２ｂは、図３
に示すようにそれぞれ鉛直軸の回りに巻回されており、
その各巻回中心よりも内側の巻線部分のみが上記した環
状の静磁場空間内に位置しているとともに、一つのコイ
ルは平面視において９０°の範囲内に収められている。
そして、互いに対向する各対のコイル７１ａと７２ｂど
うし、および７１ｂと７２ｂどうしはそれぞれに直列接
続され、その巻回の向きは、図３に矢印で示すように、
各対において反対となっており、従って、各対のコイル
に電流を流したとき、静磁場内における電流の向きは平
面視において各対のコイルどうしは同じ向きとなる。
【００２７】回転軸１には、また、ロータ６の上方に円
筒体からなるセンサターゲット８が固定されている。そ
して、ハウジング２には、互いに直交する方向からその
センサターゲット８に向けて２つの変位センサ９ａ，９
ｂが固定されており、これらの変位センサ９ａ，９ｂに
よって、ターゲット８の装着位置における回転軸１の水
平方向への変位が互いに直交する２方向から検出され
る。ここで、各変位センサ９ａ，９ｂのうち、一方の変
位センサ９ａは一方の対のコイル７１ａ，７２ａの対向
方向（ｘ方向）への回転軸１の変位を、他方の変位セン
サ９ｂは他方の対のコイル７１ｂ，７２ｂの対向方向
（ｙ方向）への回転軸１の変位をそれぞれ検出するよう
に配置されている。
筒体からなるセンサターゲット８が固定されている。そ
して、ハウジング２には、互いに直交する方向からその
センサターゲット８に向けて２つの変位センサ９ａ，９
ｂが固定されており、これらの変位センサ９ａ，９ｂに
よって、ターゲット８の装着位置における回転軸１の水
平方向への変位が互いに直交する２方向から検出され
る。ここで、各変位センサ９ａ，９ｂのうち、一方の変
位センサ９ａは一方の対のコイル７１ａ，７２ａの対向
方向（ｘ方向）への回転軸１の変位を、他方の変位セン
サ９ｂは他方の対のコイル７１ｂ，７２ｂの対向方向
（ｙ方向）への回転軸１の変位をそれぞれ検出するよう
に配置されている。
【００２８】各変位センサ９ａ，９ｂは、それぞれ図４
に示すフィードバック制御回路２０ａ，２０ｂに組み込
まれ、その各変位センサ９ａ，９ｂの出力に応じた電流
が各対のコイル７１ａと７２ａ，７１ｂと７２ｂに流さ
れ、これによって回転軸１は常に鉛直の軸Ｃの回りを回
転するように制御される。
に示すフィードバック制御回路２０ａ，２０ｂに組み込
まれ、その各変位センサ９ａ，９ｂの出力に応じた電流
が各対のコイル７１ａと７２ａ，７１ｂと７２ｂに流さ
れ、これによって回転軸１は常に鉛直の軸Ｃの回りを回
転するように制御される。
【００２９】すなわち、一方の変位センサ９ａの出力
は、アンプ２１ａによって増幅された後、ＰＩＤ（比例
・積分・微分）演算回路２２ａによって適宜の演算が施
され、そのＰＩＤ出力がパワーアンプ２３ａに入力さ
れ、このパワーアンプ２３ａから変位センサ９ａの出力
の大きさ、従ってコイル７１ａ，７２ａの対向方向であ
るｘ方向への回転軸１の変位量に応じた電流が当該各コ
イル７１ａ，７２ａに供給される。
は、アンプ２１ａによって増幅された後、ＰＩＤ（比例
・積分・微分）演算回路２２ａによって適宜の演算が施
され、そのＰＩＤ出力がパワーアンプ２３ａに入力さ
れ、このパワーアンプ２３ａから変位センサ９ａの出力
の大きさ、従ってコイル７１ａ，７２ａの対向方向であ
るｘ方向への回転軸１の変位量に応じた電流が当該各コ
イル７１ａ，７２ａに供給される。
【００３０】他方の変位センサ９ｂの出力は、同様にし
てアンプ２１ｂによって増幅された後、ＰＩＤ（比例・
積分・微分）演算回路２２ｂによって適宜の演算が施さ
れ、そのＰＩＤ出力がパワーアンプ２３ｂに入力され、
このパワーアンプ２３ｂから変位センサ９ｂの出力の大
きさ、従ってコイル７１ｂ，７２ｂの対向方向であるｙ
方向への回転軸１の変位量に応じた電流が当該各コイル
７１ｂ，７２ｂに流される。
てアンプ２１ｂによって増幅された後、ＰＩＤ（比例・
積分・微分）演算回路２２ｂによって適宜の演算が施さ
れ、そのＰＩＤ出力がパワーアンプ２３ｂに入力され、
このパワーアンプ２３ｂから変位センサ９ｂの出力の大
きさ、従ってコイル７１ｂ，７２ｂの対向方向であるｙ
方向への回転軸１の変位量に応じた電流が当該各コイル
７１ｂ，７２ｂに流される。
【００３１】ロータ６が作る静磁場中のコイル７１ａと
７２ａの対、あるいは７１ｂと７２ｂの対に電流が流さ
れると、図５（Ａ），（Ｂ）に原理図を示すように、フ
レミングの法則に従ってその電流の向き並びに大きさに
従ったローレンツ力がコイル７１ａと７２ａの対、ある
いは７１ｂと７２ｂの対に作用する。各コイルはハウジ
ング２に固定されているため、その反作用によってロー
タ６、従って回転軸１に力が作用することになる。図５
において（Ａ）ではコイル７１ａ，７２ａに対して右向
きにローレンツ力が作用し、これにより回転軸１は左向
きへの力Ｆが掛かり、電流の向きを逆にした（Ｂ）にお
いてはその逆の力Ｆ′が掛かる。
７２ａの対、あるいは７１ｂと７２ｂの対に電流が流さ
れると、図５（Ａ），（Ｂ）に原理図を示すように、フ
レミングの法則に従ってその電流の向き並びに大きさに
従ったローレンツ力がコイル７１ａと７２ａの対、ある
いは７１ｂと７２ｂの対に作用する。各コイルはハウジ
ング２に固定されているため、その反作用によってロー
タ６、従って回転軸１に力が作用することになる。図５
において（Ａ）ではコイル７１ａ，７２ａに対して右向
きにローレンツ力が作用し、これにより回転軸１は左向
きへの力Ｆが掛かり、電流の向きを逆にした（Ｂ）にお
いてはその逆の力Ｆ′が掛かる。
【００３２】上記したフィードバック制御回路２０ａ，
２０ｂにより、各変位センサ９ａ，９ｂの出力を用い
て、対応する各対のコイル７１ａと７２ａ、および７１
ｂと７２ｂに流れる電流を制御することによって、回転
軸１には水平方向において互いに直交するｘ方向および
ｙ方向の変位が０となるような力が作用し、回転軸１は
常に鉛直の軸Ｃを回転軸心として回転することになる。
２０ｂにより、各変位センサ９ａ，９ｂの出力を用い
て、対応する各対のコイル７１ａと７２ａ、および７１
ｂと７２ｂに流れる電流を制御することによって、回転
軸１には水平方向において互いに直交するｘ方向および
ｙ方向の変位が０となるような力が作用し、回転軸１は
常に鉛直の軸Ｃを回転軸心として回転することになる。
【００３３】以上の実施の形態において特に注目すべき
点は、回転軸１の周囲の一様な静磁場は、当該回転軸１
に固定されて一体的に回転するロータ６により形成され
る点であり、これにより、回転時において回転軸１側の
磁場は全く変化することがなく、従って、回転軸１側に
渦電流が生じることがない。よって、渦電流の発生に起
因する回転損失は生じない。
点は、回転軸１の周囲の一様な静磁場は、当該回転軸１
に固定されて一体的に回転するロータ６により形成され
る点であり、これにより、回転時において回転軸１側の
磁場は全く変化することがなく、従って、回転軸１側に
渦電流が生じることがない。よって、渦電流の発生に起
因する回転損失は生じない。
【００３４】なお、以上の実施の形態においては、変位
センサとコイルを含むフィードバック制御回路を主体と
するサーボ機構を二組設けて、互いに直交する２方向か
らのローレンツ力によって回転軸の位置をフィードバッ
ク制御するように構成したが、サーボ機構の数は２に限
定されることなく、３以上であってもよいことは勿論で
あるが、上記した実施の形態のように互いに直交する２
つの方向に対応したサーボ機構を設けることが合理的で
ある。
センサとコイルを含むフィードバック制御回路を主体と
するサーボ機構を二組設けて、互いに直交する２方向か
らのローレンツ力によって回転軸の位置をフィードバッ
ク制御するように構成したが、サーボ機構の数は２に限
定されることなく、３以上であってもよいことは勿論で
あるが、上記した実施の形態のように互いに直交する２
つの方向に対応したサーボ機構を設けることが合理的で
ある。
【００３５】また、以上の実施の形態においては、１つ
のサーボ機構に対して互いに対向配置され、かつ、直列
接続された一対のコイルを設けて、その各コイルによっ
て同方向へのローレンツ力を発生するようにしたが、１
つのサーボ機構に対して１つのコイルとてもよい。ただ
し、上記した実施の形態のように対向する一対のコイル
を用いることで、静磁場空間を有効に利用することがで
きて望ましい。
のサーボ機構に対して互いに対向配置され、かつ、直列
接続された一対のコイルを設けて、その各コイルによっ
て同方向へのローレンツ力を発生するようにしたが、１
つのサーボ機構に対して１つのコイルとてもよい。ただ
し、上記した実施の形態のように対向する一対のコイル
を用いることで、静磁場空間を有効に利用することがで
きて望ましい。
【００３６】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、永久磁
石を主体とする磁気回路を回転軸側に固定して、回転軸
の周囲にその軸方向に沿った静磁場を形成するととも
に、この回転軸の回転軸心に対する変位を少なくとも２
方向において変位センサで検出する一方、ハウジング側
には、上記静磁場内においてその磁場の方向に直交する
方向に巻回されたコイルを各変位センサに対応させて固
定し、その各コイルには、フィードバック制御回路によ
って各変位センサの出力に応じた電流を流すことによっ
て、回転軸の回転軸心に対する変位量に応じたローレン
ツ力を発生させて回転軸を回転軸心上に位置決めするか
ら、回転時においても回転軸側の磁場は変動することな
く常に一様となるため、従来のヘテロポーラおよびホモ
ポーラ磁気軸受のように吸引力（リラクタンス力）を用
いる場合に比して、渦電流が発生することがなく、回転
損失を大幅に低減させることができる。
石を主体とする磁気回路を回転軸側に固定して、回転軸
の周囲にその軸方向に沿った静磁場を形成するととも
に、この回転軸の回転軸心に対する変位を少なくとも２
方向において変位センサで検出する一方、ハウジング側
には、上記静磁場内においてその磁場の方向に直交する
方向に巻回されたコイルを各変位センサに対応させて固
定し、その各コイルには、フィードバック制御回路によ
って各変位センサの出力に応じた電流を流すことによっ
て、回転軸の回転軸心に対する変位量に応じたローレン
ツ力を発生させて回転軸を回転軸心上に位置決めするか
ら、回転時においても回転軸側の磁場は変動することな
く常に一様となるため、従来のヘテロポーラおよびホモ
ポーラ磁気軸受のように吸引力（リラクタンス力）を用
いる場合に比して、渦電流が発生することがなく、回転
損失を大幅に低減させることができる。
【図１】本発明の実施の形態の構成を示す軸平行断面図
である。
である。
【図２】本発明の実施の形態のロータ６の説明図であっ
て、（Ａ）は軸平行断面図で、（Ｂ）はそのＢ−Ｂ断面
図である。
て、（Ａ）は軸平行断面図で、（Ｂ）はそのＢ−Ｂ断面
図である。
【図３】本発明の実施の形態のステータ７の平面図であ
る。
る。
【図４】本発明の実施の形態におけるステータ７の各コ
イルに流れる電流を制御するフィードバック制御回路の
構成例を示すブロック図である。
イルに流れる電流を制御するフィードバック制御回路の
構成例を示すブロック図である。
【図５】本発明の実施の形態の原理説明図で、（Ａ）は
回転軸１を図中左方に移動させる場合、（Ｂ）は同じく
回転軸１を図中右方に移動させる場合の説明図である。
回転軸１を図中左方に移動させる場合、（Ｂ）は同じく
回転軸１を図中右方に移動させる場合の説明図である。
【図６】従来のヘテロポーラ磁気軸受の説明図で、その
構成例を示す平面図（Ａ）およびそのＢ−Ｂ断面図
（Ｂ）と、回転中の回転軸側の磁場の変化の例を示すグ
ラフである。
構成例を示す平面図（Ａ）およびそのＢ−Ｂ断面図
（Ｂ）と、回転中の回転軸側の磁場の変化の例を示すグ
ラフである。
【図７】従来のホモポーラ磁気軸受の説明図で、その構
成例を示す平面図（Ａ）およびそのＢ−Ｂ断面図（Ｂ）
と、回転中の回転軸側の磁場の変化の例を示すグラフで
ある。
成例を示す平面図（Ａ）およびそのＢ−Ｂ断面図（Ｂ）
と、回転中の回転軸側の磁場の変化の例を示すグラフで
ある。
【図８】図６および図７に示した従来のヘテロポーラ磁
気軸受およびホモポーラ磁気軸受の回転損失の測定例を
示すグラフである。
気軸受およびホモポーラ磁気軸受の回転損失の測定例を
示すグラフである。
１ 回転軸 ２ ハウジング ３ ピボット ４ ヨーク ４１，４２ 円盤 ４３ 円筒部 ５ 永久磁石 ６ ロータ ７ ステータ ７１ａ，７２ａ，７１ｂ，７２ｂ コイル ８ センサターゲット ９ａ，９ｂ 変位センサ １０ 磁気軸受 ２０ａ，２０ｂ フィードバック制御回路 ２１ａ，２１ｂ アンプ ２２ａ，２２ｂ ＰＩＤ演算回路 ２３ａ，２３ｂ パワーアンプ Ｃ 回転軸心
フロントページの続き (72)発明者 庄司 安男 大阪府大阪市中央区南船場三丁目５番８号 光洋精工株式会社内 Ｆターム(参考） 3J102 AA01 BA03 BA17 CA29 DA02 DA09 DA30 DB05 GA09
Claims (4)
- 【請求項１】 回転軸をそのラジアル方向に非接触のも
とに回転自在に支持する磁気軸受であって、 上記回転軸に固定され、当該回転軸の周囲に磁場の方向
が軸方向に沿った一様な静磁場を形成する永久磁石を含
む磁気回路と、上記回転軸の回転軸心からのラジアル方
向への変位を互いに異なる方向から検出する複数の変位
センサと、その各変位センサに対応して上記回転軸の周
囲にハウジングに対して固定され、かつ、上記静磁場内
でその磁場の方向を横切るように配置された複数のコイ
ルと、上記各変位センサの出力を入力し、その各出力の
大きさに応じた電流を対応する各コイルに対して供給す
る複数の制御回路を有し、静磁場中のコイルに電流を流
すことにより生じるローレンツ力によって上記回転軸を
回転軸心に沿わせるように構成されていることを特徴と
する磁気軸受。 - 【請求項２】 上記変位センサおよび制御回路並びにコ
イルからなるサーボ機構を２組有し、変位センサは互い
に直交する方向への回転軸の変位を検出するように構成
されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気軸
受。 - 【請求項３】 上記各コイルは、それぞれ、回転軸を挟
んで対向配置され、かつ、互いに直列に接続されてなる
一対のコイルからなることを特徴とする請求項１または
２に記載の磁気軸受。 - 【請求項４】 上記磁気回路は、回転軸の周囲に固定さ
れた互いに平行な２枚の磁性体からなる円盤と、その間
に位置するようにいずれか一方の円盤に対して固定され
た永久磁石とからなることを特徴とする請求項１、２ま
たは３に記載の磁気軸受。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000203179A JP2002021850A (ja) | 2000-07-05 | 2000-07-05 | 磁気軸受 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000203179A JP2002021850A (ja) | 2000-07-05 | 2000-07-05 | 磁気軸受 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002021850A true JP2002021850A (ja) | 2002-01-23 |
Family
ID=18700615
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000203179A Pending JP2002021850A (ja) | 2000-07-05 | 2000-07-05 | 磁気軸受 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002021850A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003027520A1 (en) * | 2001-09-25 | 2003-04-03 | Korea Institute Of Science And Technology | Passive and active magnetic bearing by using the lorentz force |
| WO2007031758A2 (en) * | 2005-09-14 | 2007-03-22 | Wee Keong Khoo | Radial magnetic bearing with coils on the stator and an axial magnetic field provided by magnets on a rotor disc |
| JP2008537872A (ja) * | 2005-02-15 | 2008-09-25 | レビシ | 磁気的に浮上される物体を安定化させるための方法 |
| CN102076981A (zh) * | 2008-06-27 | 2011-05-25 | 株式会社Ihi | 磁力轴承装置 |
| CN111832127A (zh) * | 2020-06-22 | 2020-10-27 | 北京控制工程研究所 | 一种洛仑兹力径向磁轴承设计方法 |
-
2000
- 2000-07-05 JP JP2000203179A patent/JP2002021850A/ja active Pending
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003027520A1 (en) * | 2001-09-25 | 2003-04-03 | Korea Institute Of Science And Technology | Passive and active magnetic bearing by using the lorentz force |
| KR100460130B1 (ko) * | 2001-09-25 | 2004-12-03 | 한국과학기술연구원 | 로렌쯔 힘을 이용한 수동/능동 겸용 자기 베어링 |
| JP2008537872A (ja) * | 2005-02-15 | 2008-09-25 | レビシ | 磁気的に浮上される物体を安定化させるための方法 |
| WO2007031758A2 (en) * | 2005-09-14 | 2007-03-22 | Wee Keong Khoo | Radial magnetic bearing with coils on the stator and an axial magnetic field provided by magnets on a rotor disc |
| WO2007031758A3 (en) * | 2005-09-14 | 2007-06-07 | Wee Keong Khoo | Radial magnetic bearing with coils on the stator and an axial magnetic field provided by magnets on a rotor disc |
| CN102076981A (zh) * | 2008-06-27 | 2011-05-25 | 株式会社Ihi | 磁力轴承装置 |
| CN102076981B (zh) * | 2008-06-27 | 2015-11-25 | 株式会社Ihi | 磁力轴承装置 |
| CN111832127A (zh) * | 2020-06-22 | 2020-10-27 | 北京控制工程研究所 | 一种洛仑兹力径向磁轴承设计方法 |
| CN111832127B (zh) * | 2020-06-22 | 2024-02-09 | 北京控制工程研究所 | 一种洛仑兹力径向磁轴承设计方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8482174B2 (en) | Electromagnetic actuator | |
| JP2644374B2 (ja) | 磁気軸受構造体 | |
| US6727617B2 (en) | Method and apparatus for providing three axis magnetic bearing having permanent magnets mounted on radial pole stack | |
| US5767597A (en) | Electromagnetically biased homopolar magnetic bearing | |
| EP0364993A2 (en) | Magnetic bearing system | |
| US4983869A (en) | Magnetic bearing | |
| US7847453B2 (en) | Bearingless step motor | |
| US4370004A (en) | Magnetically suspended type momentum ring assembly | |
| JP3057047B2 (ja) | 磁気懸架装置 | |
| JP2002021850A (ja) | 磁気軸受 | |
| JP2002257136A (ja) | 磁気軸受 | |
| da Silva et al. | An attraction-type magnetic bearing with control in a single direction | |
| JP2860398B2 (ja) | アキシャル磁気浮上回転モータ及びこれを用いた回転機器 | |
| Okada et al. | General solution of levitation control of a permanent magnet (PM)-type rotating motor | |
| JPH09303395A (ja) | 磁気軸受装置 | |
| JP2002257135A (ja) | 磁気軸受装置 | |
| JP2004132513A (ja) | 磁気軸受装置、及びそれを用いた磁気浮上モータ | |
| JPH076541B2 (ja) | 磁気軸受装置 | |
| Qiang et al. | Principle and design of a novel Lorenz force type bearingless motor with single-axis actively regulated capability | |
| JPS5884220A (ja) | 磁気軸受 | |
| Van Toan et al. | Electromagnetic force analysis of a 5-DOF controlled disk type PM motor | |
| JP2006153037A (ja) | 磁気軸受装置 | |
| JPS58137618A (ja) | 磁気軸受 | |
| JP2519537Y2 (ja) | 磁気軸受の制御回路 | |
| KR20100136252A (ko) | 하이브리드 스러스트 마그네틱 베어링 |