JP2004286176A - 磁気軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アキシアル磁気軸受の消費電力を減少することができ、しかも、組立て作業中に、回転体とアキシアル磁気軸受の電磁石とが吸着しないようにすることができる磁気軸受装置を提供する。
【解決手段】回転体３をアキシアル方向に非接触支持するアキシアル磁気軸受６は、回転体３をアキシアル方向に吸引する永久磁石２１および電磁石１７を有しており、電磁石１７の鉄心部分１９，２２と回転体３の磁性体部分との間に、両者が直接接触することを防止する非磁性部３２が設けられている。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電力貯蔵装置などにおいて、複数組の磁気軸受で回転体（例えば、フライホイールの回転軸）をアキシアル方向およびラジアル方向に非接触支持して磁気浮上させる磁気軸受装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フライホイールの回転によって電力を貯蔵する電力貯蔵装置は、数時間以上の待機時間が必要であり、軸受損失を低減するために、その支持機構として、転がり軸受でなく、特許文献１に記載される５軸制御型磁気軸受装置が使用されている。
【０００３】
この５軸制御型磁気軸受装置は、回転体をアキシアル制御軸方向に非接触支持する１組のアキシアル磁気軸受、回転体をアキシアル方向の２箇所においてそれぞれ互いに直交する２つのラジアル制御軸方向に非接触支持する２組のラジアル磁気軸受を備えている。回転体を鉛直方向に配置した縦置き型の磁気軸受装置の場合、回転体の自重の支持は、アキシアル磁気軸受の電磁石を制御することによって行われていた。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１−１２６４２３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の磁気軸受装置では、回転体の自重の支持をアキシアル磁気軸受の電磁石を制御することによって行っているため、自重を支持するための制御電流を常時供給する必要があり、この結果、アキシアル磁気軸受の消費電力（銅損）が増大し、フライホイール電力貯蔵装置の損失が増大し、そのエネルギ貯蔵効率を向上させるための妨げになっていた。
【０００６】
そこで、縦置き型の磁気軸受装置において、アキシアル磁気軸受を永久磁石および電磁石から構成し、回転体の自重を支持する吸引力に永久磁石の吸引力を利用し、振動が発生した場合に、これを抑制するために、電磁石に制御電流を流して吸引力を変化させることにより、アキシアル磁気軸受の消費電力を減少することが考えられるが、磁気軸受装置のアキシアル磁気軸受を上記のように構成した場合、電磁石の鉄心が永久磁石によって磁化されることから、組立て作業中に回転体が鉄心に磁力によって吸着してしまい、作業に時間がかかるという問題があり、また、吸着防止のための治具が必要になるという問題もある。
【０００７】
この発明の目的は、アキシアル磁気軸受の消費電力を減少することができ、しかも、組立て作業中に、回転体とアキシアル磁気軸受の電磁石とが吸着しないようにすることができる磁気軸受装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この発明による磁気軸受装置は、回転体と、回転体をアキシアル方向およびラジアル方向に非接触支持するための複数の電磁石を有する複数組の磁気軸受と、回転体のアキシアル方向の位置を検出するためのアキシアルセンサユニットと、回転体のラジアル方向の位置を検出するためのラジアルセンサユニットと、回転体を磁気軸受で非接触支持できなくなったときなどに回転体を機械的に支持するタッチダウン軸受とを備えている磁気軸受装置において、回転体をアキシアル方向に非接触支持するアキシアル磁気軸受は、回転体をアキシアル方向に吸引する永久磁石および電磁石を有しており、電磁石と回転体との間に、両者が直接接触することを防止する非磁性部が設けられていることを特徴とするものである。
【０００９】
この発明の磁気軸受装置によると、回転体のアキシアル方向およびラジアル方向の制御は、各磁気軸受の電磁石に制御電流を供給することにより行われ、この際、永久磁石によって回転体をアキシアル方向に吸引して吊り下げることができるので、回転体の自重を支持するための制御電流が少なくて済み、したがって、アキシアル磁気軸受の消費電力（銅損）が減少する。そして、電磁石と回転体との間に非磁性部が設けられているので、組立て時には、電磁石と回転体とが直接接触することがなく、回転体がアキシアル磁気軸受の電磁石に吸着することが防止され、また、吸着した場合でも容易に外すことができる。
【００１０】
非磁性部と回転体との隙間がタッチダウン軸受と回転体との隙間よりも小さくされていることが好ましい。
【００１１】
非磁性部は、例えば、カーボン製の環状体とされて、回転体との間に隙間が存在するようにかつ非磁性部の露出面が電磁石の表面から突出するように、電磁石の鉄心に固定される。
【００１２】
アキシアル磁気軸受は、永久磁石および電磁石コイルを支持した逆Ｕ字形上側鉄心部と、上側鉄心部の内壁部よりも大きい内径を有する下側鉄心部とからなるものとされることがあり、この場合に、非磁性部は、上側鉄心部の内壁部と下側鉄心部の内径側部分とにわたって配置されることがある。
【００１３】
【発明の実施形態】
以下、図面を参照して、この発明をフライホイール電力貯蔵装置に適用した実施形態について説明する。
【００１４】
フライホイール電力貯蔵装置は、図１に示すように、コンテナ（１）内に納められたカーボンファイバ製の円筒状フライホイール（２）と、フライホイール（２）の回転軸（３）を非接触支持する磁気軸受装置（４）とを備えている。
【００１５】
磁気軸受装置（４）は、鉛直に配置された非磁性材料（アルミなど）製の略円筒状ケーシング（５）の内部で鉛直軸状の回転体（この場合は、フライホイールの回転軸）（３）が回転する縦型のものである。なお、以下の説明において、アキシアル方向（上下方向）の制御軸をＺ軸、Ｚ軸に対して直交するとともに互いに直交する２つのラジアル方向（水平方向）の制御軸をそれぞれＸ軸およびＹ軸とする。
【００１６】
磁気軸受装置（４）のケーシング（５）内には、フライホイール回転軸（３）をＺ軸方向に非接触支持する制御型アキシアル磁気軸受（６）、フライホイール回転軸（３）の上下２箇所をＸ軸およびＹ軸方向に非接触支持する上下２組の制御型ラジアル磁気軸受（７）（８）、フライホイール回転軸（３）のアキシアル方向の位置を検出するためのアキシアルセンサユニット（９）、フライホイール回転軸（３）の上下２箇所におけるＸ軸およびＹ軸方向の位置を検出するための上下２組のラジアルセンサユニット（１０）（１１）、フライホイール（２）と一体の周壁およびフライホイール回転軸（３）と一体の頂壁を有する円筒状ロータ（１２）、ロータ（１２）を高速回転させるモータのステータユニット（１３）、フライホイール回転軸（３）の回転速度を検出するための回転センサ（１４）ならびにフライホイール回転軸（３）のアキシアル方向およびラジアル方向の変位を制限してフライホイール回転軸（３）を磁気軸受（６）（７）（８）で非接触支持できなくなったときなどにフライホイール回転軸（３）を機械的に支持する上下２組のタッチダウン軸受（１５）（１６）が設けられている。
【００１７】
アキシアル磁気軸受（６）は、永久磁石（２１）が内蔵されておりフライホイール回転軸（３）を上向きに吸引する上部電磁石（１７）と、永久磁石が内蔵されておらずフライホイール回転軸（３）を下向きに吸引する下部電磁石（１８）とからなる。
【００１８】
各ラジアル磁気軸受（７）（８）は、それぞれ、フライホイール回転軸（３）をＸ軸方向の両側から挟むように配置された１対のラジアル電磁石（７ａ）（８ａ）と、フライホイール回転軸（３）をＹ軸方向の両側から挟むように配置された１対のラジアル電磁石（図示略）とを備えている。
【００１９】
上部ラジアルセンサユニット（１０）は、上部ラジアル磁気軸受（７）の近傍におけるフライホイール回転軸（３）のＸ軸およびＹ軸方向の位置を検出するためのものであり、上部ラジアル磁気軸受（７）の上側近傍のフライホイール回転軸（３）の外周に設けられたターゲット部（２５）をＸ軸方向の両側から挟むように配置された１対のＸ軸用ラジアルセンサ（１０ａ）と、ターゲット部（２５）をＹ軸方向の両側から挟むように配置された１対のＹ軸用ラジアルセンサ（図示略）とから構成されている。下部ラジアルセンサユニット（１１）は、下部ラジアル磁気軸受（８）の近傍におけるフライホイール回転軸（３）のＸ軸およびＹ軸方向の位置を検出するためのものであり、下部ラジアル磁気軸受（８）の下側近傍のフライホイール回転軸（３）の外周に設けられたターゲット部（２６）をＸ軸方向の両側から挟むように配置された１対のＸ軸用ラジアルセンサ（１１ａ）と、ターゲット部（２６）をＹ軸方向の両側から挟むように配置された１対のＹ軸用ラジアルセンサ（図示略）とから構成されている。各ラジアルセンサ（１０ａ）（１１ａ）は、公知のものであり、フライホイール回転軸（３）のターゲット部（２５）（２６）とのラジアル方向の隙間の大きさに対応した信号を出力する。したがって、各１対のＸ軸用ラジアルセンサ（１０ａ）（１１ａ）によりフライホイール回転軸（３）のＸ軸方向の位置が検出され、各１対のＹ軸用ラジアルセンサにより回転体のＹ軸方向の位置が検出される。各ターゲット部（２５）（２６）は、無方向性けい素鋼板製の環状の薄板を積層することにより構成されている。
【００２０】
フライホイール回転軸（３）の下端に、短円柱状のアキシアル方向ターゲット（２７）が同心状に取り付けられている。アキシアルセンサユニット（９）は、フライホイール回転軸（３）のＺ軸方向の位置を検出するためのものであり、ターゲット（２７）の下端面の中心部にＺ軸方向の下側から対向するように配置されているアキシアルセンサ（９ａ）を有している。アキシアルセンサ（９ａ）は、コアにコイルが巻かれたものである。回転センサ（１４）はアキシアルセンサ（９ａ）と同じ特性のものである。ターゲット（２７）の下端面の外周部の１つの円周上に、１つまたは複数の被検出部（２８）が形成されている。この例では、ターゲット（２７）の下端面の最外周に凹部を形成することにより、被検出部（２８）が形成されている。複数の被検出部（２８）が形成される場合、それらは円周方向に等間隔をおいて設けられる。アキシアルセンサ（９ａ）は、公知のものであり、フライホイール回転軸（３）のターゲット（２７）のＺ軸方向の位置に対応した信号を出力する。したがって、アキシアルセンサ（９ａ）により、フライホイール回転軸（３）のＺ軸方向の位置が検出される。
【００２１】
上部タッチダウン軸受（１５）は、フライホイール回転軸（３）のラジアル方向の変位を制限するものである。上部タッチダウン軸受（１５）の外輪（１５ａ）はケーシング（５）に固定されており、内輪（１５ｂ）は、フライホイール回転軸（３）が磁気軸受（６）（７）（８）により非接触支持された状態で、フライホイール回転軸（３）の上端寄りの部分の外径が均一な軸部（３ｂ）にラジアル方向にわずかな隙間をあけて対向している。下部タッチダウン軸受（１６）は、フライホイール回転軸（３）のアキシアル方向およびラジアル方向の変位を制限するものである。下部タッチダウン軸受（１６）の外輪（１６ａ）は上部電磁石（１７）の電磁石鉄心（１９）に固定されており、内輪（１６ｂ）は、フライホイール回転軸（３）が磁気軸受（６）（７）（８）により非接触支持された状態で、フライホイール回転軸（３）の下部の外周に形成された環状みぞ（２９）の部分にラジアル方向にわずかな隙間をあけて対向している。また、下部タッチダウン軸受（１６）の内輪（１６ｂ）下面とこの下面に対向しているフライホイール回転軸（３）の環状みぞ（２９）下面との間には、隙間Ｇ１が設けられている。アキシアル方向およびフライホイール回転軸（３）が磁気軸受（６）（７）（８）により非接触支持された状態において、上部タッチダウン軸受（１５）の内輪（１５ｂ）とフライホイール回転軸（３）とのラジアル方向の隙間ならびに下部タッチダウン軸受（１６）の内輪（１６ｂ）とフライホイール回転軸（３）とのアキシアル方向およびラジアル方向の隙間は実際には非常に小さいが、図１には、それらを誇張して示している。
【００２２】
図２に拡大して詳しく示すように、上部電磁石（１７）は、フライホイール回転軸（３）の下端部に設けられたフランジ部すなわちアキシアルディスク部（３ａ）のＺ軸方向上方においてフライホイール回転軸（３）の下端部を囲むように配置された断面逆Ｕ字形の電磁石鉄心（１９）と、アキシアルディスク部（３ａ）をＺ軸方向の上方から臨むように電磁石鉄心（１９）に支持されたアキシアル電磁石コイル（２０）と、これの径方向外側に隣り合うように電磁石鉄心（１９）に支持された永久磁石（２１）と、電磁石鉄心（１９）にギャップを介して対向する環状の磁気回路形成用鉄心（２２）とを備えている。永久磁石（２１）の吸引力は、フライホイール（２）、フライホイール回転軸（３）およびロータ（１２）の自重を支持する大きさとされている。電磁石鉄心（１９）の内壁部の下端とアキシアルディスク部（３ａ）上面との間には、隙間Ｇ２が設けられている。磁気回路形成用鉄心（２２）の内端部は、電磁石鉄心（１９）の内壁部の径方向外側にあり、かつその下面は、電磁石鉄心（１９）の内壁部の下端と同レベルとされている。そして、電磁石鉄心（１９）の内壁部と磁気回路形成用鉄心（２２）の内端部との間に、鉄心（１９）（２２）とアキシアルディスク部（３ａ）とが直接接触することを防止する非磁性部（３２）が設けられている。この実施形態では、非磁性部（３２）は、カーボン製環状体とされており、電磁石鉄心（１９）の内壁部の下端部と磁気回路形成用鉄心（２２）の内端部との間に形成された隙間を埋めるように両部に固定されている。非磁性部（３２）の下面は、電磁石鉄心（１９）の内壁部の下端よりも下方にあり、非磁性部（３２）とアキシアルディスク部（３ａ）との間には、隙間Ｇ３が設けられている。なお、隙間Ｇ２およびＧ３は、実際には非常に小さいが、図２には、それらを誇張して示している。
【００２３】
下部電磁石（１８）は、アキシアルディスク部（３ａ）のＺ軸方向下方においてフライホイール回転軸（３）の下端部およびその下方空間を囲むように配置された断面Ｕ字形の電磁石鉄心（２３）と、アキシアルディスク部（３ａ）をＺ軸方向の下方から臨むように電磁石鉄心（２３）に支持されたアキシアル電磁石コイル（２４）とを備えている。
【００２４】
アキシアルディスク部（３ａ）は、フライホイール回転軸（３）と別体に形成されて同軸（３）の下端部に嵌め入れられており、フライホイール回転軸（３）の下端部には、アキシアルディスク部（３ａ）のさらに上側に、小径の環状スペーサ（３０）および大径の環状スペーサ（３１）が、小径のスペーサ（３０）をアキシアルディスク部（３ａ）側にしてかつこれらが互いに当接するように嵌め入れられて固定されている。小径のスペーサ（３０）は、外径がフライホイール回転軸（３）の環状みぞ（２９）の底面の径と同じにされており、大径のスペーサ（３１）は、外径がフライホイール回転軸（３）の環状みぞ（２９）の底面の径より大きくされて、環状みぞ（２９）の下面部分を形成している。そして、小径のスペーサ（３０）の厚みの設定によって、下部タッチダウン軸受（１６）の内輪（１６ｂ）下面とこの下面に対向しているフライホイール回転軸（３）の環状みぞ（２９）下面（すなわち大径のスペーサ（３１）上面）との間の隙間Ｇ１が調整されている。そして、大径のスペーサ（３１）の厚みの設定によって、電磁石鉄心（１９）の内壁部の下端とアキシアルディスク部（３ａ）との間の隙間Ｇ２が調整されている。非磁性部（３２）とアキシアルディスク部（３ａ）との間の隙間Ｇ３は、電磁石鉄心（１９）の内壁部の下端とアキシアルディスク部（３ａ）との間の隙間Ｇ２より小さくなされている。すなわち、非磁性部（３２）は、その下面が上部電磁石（１７）の磁気回路形成用鉄心（２２）下面から突出するように、同鉄心（２２）に固定されている。そして、この突出量は、Ｇ３（非磁性部（３２）とアキシアルディスク部（３ａ）との間の隙間）がＧ１（下部タッチダウン軸受（１６）の内輪（１６ｂ）下面とこの下面に対向しているフライホイール回転軸（３）の環状みぞ（２９）下面との間の隙間）よりも小さくなるように設定されている。
【００２５】
上記の磁気軸受装置（４）が作動を停止しているときなど、フライホイール回転軸（３）を磁気軸受（６）（７）（８）で非接触支持していないときには、フライホイール回転軸（３）は、タッチダウン軸受（１５）（１６）によって機械的に支持される。このとき、フライホイール回転軸（３）が磁気軸受（６）（７）（８）、センサ（９）（１０）（１１）などに接触しないように、各部の寸法が決められている。
【００２６】
磁気軸受装置（４）の運転中は、アキシアルセンサユニット（９）により検出されたフライホイール回転軸（３）のＺ軸方向の位置、ならびにラジアルセンサユニット（１０）（１１）により検出されたフライホイール回転軸（３）のＸ軸およびＹ軸方向の位置に基づいて、各磁気軸受（６）（７）（８）を制御することにより、フライホイール回転軸（３）がアキシアル方向およびラジアル方向の所定位置に非接触支持される。そして、このようにフライホイール回転軸（３）が磁気軸受（６）（７）（８）により非接触支持された状態で、モータのステータユニット（１３）およびロータ（１２）によりフライホイール回転軸（３）とこれと一体のフライホイール（２）が高速回転させられる。
【００２７】
各磁気軸受（６）（７）（８）の制御に際しては、アキシアル磁気軸受（６）の永久磁石（２１）がフライホイール回転軸（３）を吸引してフライホイールユニット（２）（３）（１２）の自重分を保持することから、アキシアル磁気軸受（６）の電磁石コイル（２０）には、フライホイールユニット（２）（３）（１２）の自重を支持するためのバイアス電流は供給されずに、軸方向の振動による変位を制御するための電流だけが供給される。こうして、振動が発生せずに安定回転している時には、バイアス電流が流れないので、制御電流が少なくて済み、微小振動が発生した時には、上部電磁石（１７）に制御電流が供給されることによって、その吸引力が増加または減少することにより、振動が抑制される。
【００２８】
この磁気軸受装置の組立て作業においては、アキシアルディスク部（３ａ）をフライホイール回転軸（３）に嵌め入れる際およびその後の作業の際には、電磁石鉄心（１９）の内壁部の下端とアキシアルディスク部（３ａ）との間の隙間Ｇ２が実際には非常に小さいことから、アキシアルディスク部（３ａ）が電磁石鉄心（１９）または磁気回路形成用鉄心（２２）に吸着して作業がやりにくくなる可能性があるが、アキシアルディスク部（３ａ）とこれらの鉄心（１９）（２２）との間には非磁性部（３２）が設けられているので、両者が直接接触することはなく、その吸着が防止されて作業を容易に行うことができる。また、アキシアルディスク部（３ａ）と鉄心（１９）（２２）とが吸着した場合でも、その吸着力が非磁性部（３２）によって大幅に弱められることから、容易に外すことができる。なお、アキシアルディスク部（３ａ）を鉄心（１９）（２２）から外す際には、下部電磁石（１８）に制御電流を一時的に流すことによって行うこともできる。
【００２９】
上記の実施形態においては、フライホイール電力貯蔵装置用の磁気軸受装置について説明したが、上記磁気軸受装置は、その他の種々の回転体の支持装置として使用することができる。この場合に、非磁性部は、回転体および磁気軸受の形状に応じて適宜の形状としかつ適宜の位置に設ければよい。また、アキシアル磁気軸受（６）は、下部電磁石（１８）を省略して上部電磁石（１７）のみで構成することも可能であり、磁気軸受装置（４）の各部の構成についても、上記実施形態のものに限らず、適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明の実施形態を示すフライホイール電力貯蔵装置用の磁気軸受装置の機械的部分を示す縦断面図である。
【図２】図２は、図１の要部を示す拡大縦断面図である。
【符号の説明】
（３） フライホイール回転軸（回転体）
（４） 磁気軸受装置
（６） アキシアル磁気軸受
（７）（８） ラジアル磁気軸受
（７ａ）（８ａ） ラジアル電磁石
（９） アキシアルセンサユニット
（１０）（１１） ラジアルセンサユニット
（１６） 下部タッチダウン軸受
（１７） 上部電磁石
（１８） 下部電磁石
（１９）（２２） 鉄心
（２１） 永久磁石
（３２） 非磁性部

Claims (2)

1. 回転体と、回転体をアキシアル方向およびラジアル方向に非接触支持するための複数の電磁石を有する複数組の磁気軸受と、回転体のアキシアル方向の位置を検出するためのアキシアルセンサユニットと、回転体のラジアル方向の位置を検出するためのラジアルセンサユニットと、回転体を磁気軸受で非接触支持できなくなったときなどに回転体を機械的に支持するタッチダウン軸受とを備えている磁気軸受装置において、回転体をアキシアル方向に非接触支持するアキシアル磁気軸受は、回転体をアキシアル方向に吸引する永久磁石および電磁石を有しており、電磁石と回転体との間に、両者が直接接触することを防止する非磁性部が設けられていることを特徴とする磁気軸受装置。
2. 非磁性部と回転体との隙間がタッチダウン軸受と回転体との隙間よりも小さくされている請求項１の磁気軸受装置。

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