JP2005233382A

JP2005233382A - 磁気軸受装置

Info

Publication number: JP2005233382A
Application number: JP2004046434A
Authority: JP
Inventors: Hironori Kameno; 浩徳亀野
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 2004-02-23
Filing date: 2004-02-23
Publication date: 2005-09-02

Abstract

【課題】タッチダウン軸受の焼き付き性能を向上させ、これにより、回転体の高速化・大型化・高慣性化、タッチダウン軸受の大径化などを可能にした磁気軸受装置を提供する。
【解決手段】回転軸3が中空状とされ、各タッチダウン軸受29,30がこの中空状回転軸3の外側に配置されている。磁気軸受制御不良時の焼き付き性を改良するために、高速回転時に回転軸3が遠心膨張してその外径が増大することを利用して、高速回転時のエアギャップを最適化する。
【選択図】図１

Description

この発明は、複数組の磁気軸受で回転体（例えば、電力貯蔵装置の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。

磁気軸受装置として、回転体をアキシアル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つのラジアル方向に非接触支持する２組のラジアル磁気軸受を備えたものが従来より知られている。そして、このような磁気軸受装置には、回転部分の停止時に回転部分を受けるために、固定部分の複数カ所に回転体を機械的に支持する保護用玉軸受（この明細書では「タッチダウン軸受」と称す）が設けられており（特許文献１）、停電やケーブルの断線などによる磁気軸受の制御不良が発生して、回転体の非接触支持が困難になった場合、回転体は、タッチダウン軸受上に落下（タッチダウン）し、タッチダウン軸受に受けられて停止するようになされている。
特許第２８１１５９２号公報

上記特許文献１の磁気軸受装置では、磁気軸受の制御不良時には、タッチダウン軸受は、停止状態から回転体の回転数まで一瞬に加速されるため、焼き付きなどの問題発生が懸念される。たとえば、フライホイール電力貯蔵装置においては、回転体の高速化・大型化・高慣性化、タッチダウン軸受の大径化などが望まれているが、これらを進めるに際し、タッチダウン軸受の焼き付き防止のために回転体の最高回転数などが制約され、タッチダウン軸受の性能の向上が課題となっている。

この発明の目的は、タッチダウン軸受の焼き付き性能を向上させ、これにより、回転体の高速化・大型化・高慣性化、タッチダウン軸受の大径化などを可能にした磁気軸受装置を提供することにある。

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に回転体を機械的に支持する複数の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、回転体の各タッチダウン軸受に対向する部分が中空状とされ、各タッチダウン軸受がこの中空状部分の外側に配置されていることを特徴とするものである。

磁気軸受装置は、回転体をアキシアル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つのラジアル方向に非接触支持する２組のラジアル磁気軸受を備えた５軸制御型とされ、通常、アキシアル磁気軸受は、２個の電磁石より構成され、各ラジアル磁気軸受は、４個の電磁石より構成されており、装置全体で１０個の電磁石が用いられ、これらの電磁石によって５軸がそれぞれ制御される。アキシアル磁気軸受に相当する２個の電磁石を省略することも可能であり、この場合には、各磁気軸受の各電磁石は、アキシアル方向の２箇所からラジアル方向の内側に突出したラジアル方向吸引磁極およびアキシアル方向吸引磁極を有する略馬蹄形のものとされ、各電磁石のアキシアル方向の吸引力をアキシアル変位信号に基づいて変化させることによってアキシアル方向の制御を行うアキシアル方向制御手段と、各電磁石のラジアル方向の吸引力をラジアル変位信号に基づいて制御するラジアル方向制御手段とによって制御される。磁気軸受は、回転体の周囲に円周方向に等間隔をおいて配置された３個の電磁石を備えたものとすることもできる。

タッチダウン軸受は、例えば深みぞ玉軸受、アンギュラ玉軸受などの転がり軸受よりなり、複数のタッチダウン軸受は、ともに単列であってもよいし、ともに複列であってもよく、また、単列のものと複列のものとが組み合わされてもよい。

この発明の磁気軸受装置は、横置き型にも縦置き型にも適用できるが、典型的には、縦型の磁気軸受装置に適用される。

いずれか一方のタッチダウン軸受の内輪は、中空回転軸に設けられた外向きフランジ部の近傍に位置させられており、このタッチダウン軸受の内輪と中空回転軸の外向きフランジ部との隙間が所定のアキシアル隙間とされていることが好ましい。この場合に、フライホイールなどは、その端部が外向きフランジ部に当接した状態で回転軸に固定される。タッチダウン軸受と回転体との間には、所要のラジアル隙間とアキシアル隙間とが必要となるが、タッチダウン軸受の内輪と外向きフランジ部との間がこのアキシアル隙間とされる。

この発明の磁気軸受装置によると、回転体の各タッチダウン軸受に対向する部分が中空状とされ、各タッチダウン軸受がこの中空状部分の外側に配置されているので、回転体の中空状部分の外径は、その回転数の増大とともに遠心力により膨張し、高速回転時には、回転体外径とタッチダウン軸受との間の隙間が小さくなる。タッチダウン軸受が落下した回転体から受ける衝撃応力は、回転体外径とタッチダウン軸受との間の隙間（エアギャップ）に依存し、隙間が大きいほど衝撃応力が大きくなるのに対し、回転体のタッチダウン軸受に対向する部分が中空状とされていることにより、低速回転時に隙間が大きく、高速回転時に隙間が小さくなり、回転体が中実で外径の遠心膨張が少ないものに比べて、高速回転時の衝撃応力が小さくなり、タッチダウン軸受の焼き付き性能が向上する。このような特性を考慮して、回転体およびタッチダウン軸受を最適設計しておくことにより、回転体の高速化・大型化・高慣性化、タッチダウン軸受の大径化などが可能になる。なお、隙間が小さくなるのは、遠心力が作用したときだけなので、組立て時の隙間は十分大きく取ることができ、組立て性に支障を来すことはない。

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。

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)内に収められ厚肉円筒状フライホイール(2)と、フライホイール(2)の内周に固定された中空状の回転軸（回転体）(3)と、この回転軸(3)を非接触支持する縦型の５軸制御型磁気軸受装置(4)とを備えている。

以下の説明において、回転軸(3)のアキシアル方向（鉛直方向）の軸をＺ軸、Ｚ軸と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）の軸をＸ軸およびＹ軸とする。

コンテナ(1)は、軸部(5)、軸部(5)と同心で上下方向の長さが軸部(5)より短い円筒部(6)、軸部(5)の上端部と円筒部(6)の上端部とを連結する段付き状の頂部(7)、および軸部(5)の下端部と円筒部(6)の下端部とを連結する段付き状の底部(8)からなる。フライホイール(2)および回転軸(3)は、コンテナ(1)の軸部(5)と円筒部(6)との間に配置されている。段付き状の頂部(7)は、軸部(5)の頂部に固定された小径円板部(7a)、小径円板部(7a)の外径から下方にのびる小径円筒部(7b)、および小径円筒部(7b)の下端から外方にのびる孔あきの大径円板部(7c)からなり、段付き状の底部(8)は、軸部(5)の底部に固定された小径円板部(8a)、小径円板部(8a)の外径から上方にのびる小径円筒部(8b)、および小径円筒部(8b)の上端から外方にのびる孔あきの大径円板部(8c)からなる。

回転軸(3)は、コンテナ(1)の軸部(5)と同心で上下方向の長さがコンテナ(1)の軸部(5)と円筒部(6)との中間の長さとされた円筒部(9)、円筒部(9)の上端に設けられてコンテナ(1)の頂部(7)の小径円板部(7a)にアキシアル方向の下方から対向する内向きフランジ部(10)、内向きフランジ部(10)と同位置に設けられた上部外向きフランジ部(11)、および上部外向きフランジ部(11)と所定間隙をおいて対向するように設けられた下部外向きフランジ部(12)からなる。

フライホイール(2)は、その内周部上端面が下部外向きフランジ部(12)に下方から当接させられた状態で回転軸(3)の外周に固定されている。フライホイール(2)の上下方向の長さは、回転軸(3)の上下方向の長さより小さく、回転軸(3)の下端部には、フライホイール(2)が固定されていない部分が残されている。

磁気軸受装置(4)は、コンテナ(1)の頂部(7)の小径円板部(7a)に設けられた制御型アキシアル磁気軸受(21)および永久磁石(22)と、コンテナ(1)の軸部(5)の上端部に設けられているアキシアルセンサユニット(23)と、コンテナ(1)の軸部(5)の外周に上から順に設けられている上部のラジアルセンサユニット(24)、上部の制御型ラジアル磁気軸受(25)、モータのステータユニット(26)、下部の制御型ラジアル磁気軸受(27)、ならびに下部のラジアルセンサユニット(28)と、コンテナ(1)の頂部(7)の小径円筒部(7b)の下端部内周に設けられた上部タッチダウン軸受(29)と、コンテナ(1)の底部(8)の小径円筒部(8b)の上端部内周に設けられた下部タッチダウン軸受(30)とを備えている。

アキシアル磁気軸受(21)は、回転軸(3)を上向きに吸引してＺ軸方向に非接触支持するもので、回転軸(3)の内向きフランジ部(10)に所定の間隙をおいて上方から対向させられている。永久磁石(22)は、回転軸(3)およびフライホイール(2))の自重に相当する吸着力で回転軸(3)を上向きに吸引している。

上部ラジアル磁気軸受(25)は、回転軸(3)の上部をＸ軸およびＹ軸方向に非接触支持するもので、回転軸(3)の上部にＸ軸の内側から対向するように配置された１対のラジアル電磁石(25a)および回転軸(3)の上部にＹ軸の内側から挟むように配置された１対のラジアル電磁石（図には現れず）からなり、上部のラジアルセンサユニット(24)のすぐ下方に配されて、回転軸(3)の上部ターゲット部(31)に所定の間隙をおいて径方向内方から対向させられている。

モータのステータユニット(26)は、回転軸(3)を高速回転させるためのもので、コンテナ(1)の軸部(5)の上下の中央部に配されて、回転軸(3)の内周の上下の中央部に一体に設けられた円筒状ロータ(32)に対向させられている。

下部ラジアル磁気軸受(27)は、回転軸(3)の下部をＸ軸およびＹ軸方向に非接触支持するもので、回転軸(3)の下部にＸ軸の内側から対向するように配置された１対のラジアル電磁石(27a)および回転軸(3)の上部にＹ軸の内側から挟むように配置された１対のラジアル電磁石（図には現れず）からなり、下部のラジアルセンサユニット(28)のすぐ上方に配されて、回転軸(3)の下部ターゲット部(33)に所定の間隙をおいて径方向内方から対向させられている。

アキシアルセンサユニット(23)は、回転軸(3)のＺ軸方向の位置を検出するためのもので、回転軸(3)の内向きフランジ部(10)に所定の間隙をおいて下方から対向するように配置されているアキシアルセンサ(23a)を有している。アキシアルセンサ(23a)は、公知のものであり、回転軸(3)の内向きフランジ部（ターゲット部）(10)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(23a)により、回転軸(3)のＺ軸方向の位置が検出される。

上部ラジアルセンサユニット(24)は、上部ラジアル磁気軸受(25)の近傍における回転軸(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、回転軸(3)の円筒部(9)の上部の内周に設けられた上部ターゲット部(31)にＸ軸方向の内側から対向するように配置された１対のＸ軸用ラジアルセンサ(24a)と、上部ターゲット部(31)にＹ軸方向の内側から対向するように配置された１対のＹ軸用ラジアルセンサ（図には現れず）とから構成されている。

下部ラジアルセンサユニット(28)は、下部ラジアル磁気軸受(27)の近傍における回転軸(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、回転軸(3)の円筒部(9)の下部の内周に設けられた下部ターゲット部(33)にＸ軸方向の内側から対向するように配置された１対のＸ軸用ラジアルセンサ(28a)と、下部ターゲット部(33)にＹ軸方向の内側から対向するように配置された１対のＹ軸用ラジアルセンサ（図には現れず）とから構成されている。

各ラジアルセンサ(24a)(28a)は、公知のものであり、回転軸(3)のターゲット部(31)(33)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(24a)(28a)により回転軸(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軸(3)のＹ軸方向の位置が検出される。各ターゲット部(31)(33)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。

上部タッチダウン軸受(29)および下部タッチダウン軸受(30)は、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回転軸(3)を磁気軸受(21)(25)(27)で非接触支持できなくなったときなどに回転軸(3)を機械的に支持するもので、いずれも、玉軸受とされている。

上部タッチダウン軸受(29)は、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。上部タッチダウン軸受(29)の外輪(29a)はコンテナ(1)の頂部(7)の小径円筒部(7b)に固定されており、内輪(29b)は、回転軸(3)が磁気軸受(21)(25)(27)により非接触支持された状態で、回転軸(3)の上部外向きフランジ部(11)と下部外向きフランジ部(12)との間に、わずかなアキシアル方向隙間およびラジアル方向隙間を有するように位置させられている。

下部タッチダウン軸受(30)は、回転軸(3)の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(30)の外輪(30a)はコンテナ(1)の底部(8)の小径円筒部(8b)に固定されており、内輪(30b)は、回転軸(3)が磁気軸受(21)(25)(27)により非接触支持された状態で、回転軸(3)の下端寄りの外径が均一な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。

回転軸(3)が磁気軸受(21)(25)(27)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(29)の内輪(29b)上面と上部外向きフランジ部(11)との間のアキシアル方向の隙間、内輪(29b)下面と下部外向きフランジ部(12)との間のアキシアル方向の隙間および内輪(29b)内周と回転軸(3)外周との間のラジアル方向の隙間、ならびに下部タッチダウン軸受(30)の内輪(30b)と回転軸(3)との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。

上記の磁気軸受装置(4)が作動を停止しているときなど、回転軸(3)を磁気軸受(21)(25)(27)で非接触支持していないときには、回転軸(3)は、タッチダウン軸受(29)(30)によって機械的に支持される。このとき、回転軸(3)が磁気軸受(21)(25)(27)、センサユニット(23)(24)(28)などに接触しないように、各部の寸法が決められている。

磁気軸受装置(4)の運転中は、アキシアルセンサユニット(23)により検出された回転軸(3)のＺ軸方向の位置、ならびにラジアルセンサユニット(24)(28)により検出された回転軸(3)のＸ軸およびＹ軸方向の位置に基づいて、各磁気軸受(21)(25)(27)を制御することにより、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、このように回転軸(3)が磁気軸受(21)(25)(27)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(26)およびロータ(32)により回転軸(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。

各磁気軸受(21)(25)(27)の制御に際しては、アキシアル磁気軸受(21)に隣接して配置された永久磁石(22)が回転軸(3)を吸引して回転軸(3)およびフライホイール(2)の自重分を保持することから、アキシアル磁気軸受(21)の電磁石コイルには、回転軸(3)およびフライホイール(2)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、アキシアル磁気軸受(21)の電磁石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。

上記の磁気軸受装置(4)において、磁気軸受(21)(25)(27)の制御不良時には、上下タッチダウン軸受(29)(30)は、停止状態から回転軸(3)の回転数まで一瞬に加速されるため、焼き付きなどの問題発生が懸念される。そこで、上部タッチダウン軸受(29)と回転軸(3)との間のラジアル方向の隙間および下部タッチダウン軸受(30)と回転軸(3)との間のラジアル方向の隙間は、回転軸(3)が静止している時と回転軸(3)が高速回転している時との２条件について、その適正値が求められている。この適正値を求めるに際しては、例えば、まず、高速回転時のラジアル方向隙間（エアギャップ量）が焼き付き性確保の点から設定される。次いで、高速回転による回転軸(3)の外径の増大量がＦＥＭ解析などの適宜な解析手段により求められる。そして、高速回転時のエアギャップ量に高速回転による回転軸(3)の外径の増大量を加えることにより、回転軸(3)が停止しているときのエアギャップ量が求められる。

回転軸(3)は、中空状とされていることから、その外径は、回転数の増大とともに遠心力により膨張する。したがって、高速回転時には、静止時に比べて、回転軸(3)外径と上下タッチダウン軸受(29)(30)との間の隙間が小さくなる。高速回転時は安定な状態であることから、高速時隙間を０．１ｍｍ以下の例えば５０μｍ程度というように非常に小さくしても、回転軸(3)が振れて上下タッチダウン軸受(29)(30)に接触するようなことはない。一方、磁気軸受(21)(25)(27)の制御不良時に、上下タッチダウン軸受(29)(30)が落下した回転軸(3)から受ける衝撃応力は、回転軸(3)と上下タッチダウン軸受(29)(30)との間の隙間に依存し、隙間が大きいほど衝撃応力が大きくなるのに対し、回転軸(3)の上下タッチダウン軸受(29)(30)に対向する部分が中空状とされていることにより、低速回転時に隙間が大きく、高速回転時の隙間したがって高速回転時の衝撃応力が小さくなり、上下タッチダウン軸受(29)(30)の焼き付き性能が向上する。この磁気軸受装置の組立て作業においては、静止状態における回転軸(3)と上下タッチダウン軸受(29)(30)との間の隙間を十分な大きさとできるので、両者が接触することはなく、作業を容易に行うことができる。

こうして、磁気軸受(21)(25)(27)に異常が発生し、磁気軸受(21)(25)(27)によって支持されなくなった回転軸(3)は、上下タッチダウン軸受(29)(30)に接触し、上下タッチダウン軸受(29)(30)が焼きつきを起こすことなく、回転軸(3)が減速して停止する。

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(4)について説明したが、上記磁気軸受装置(4)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。磁気軸受装置(4)の各部の構成は、上記実施形態のものに限らず、適宜変更可能である。また、回転軸(3)全体が中空とされているが、少なくとも上下タッチダウン軸受(29)(30)に対向する部分が中空状であればよい。また、上記の実施形態のロータ(32)は、中空である回転軸(3)に設けられているアウターロータ型とされているが、ロータを中実の回転体に設けるインナーロータ型とすることもできる。さらにまた、アキシアル磁気軸受(21)近傍の永久磁石(22)を省略して、アキシアル方向の吸引をアキシアル磁気軸受(21)だけで行うようにしてももちろんよい。

図１は、この発明の磁気軸受装置の実施形態を示す縦断面図である。

符号の説明

(3) 中空状回転軸（回転体）
(4) 磁気軸受装置
(21) アキシアル磁気軸受
(23) アキシアルセンサユニット
(24)(28) ラジアルセンサユニット
(25)(27) ラジアル磁気軸受
(29)(30) タッチダウン軸受

Claims

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に回転体を機械的に支持する複数の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、回転体の各タッチダウン軸受に対向する部分が中空状とされ、各タッチダウン軸受がこの中空状部分の外側に配置されていることを特徴とする磁気軸受装置。
いずれか一方のタッチダウン軸受の内輪は、中空回転軸に設けられた外向きフランジ部の近傍に位置させられており、このタッチダウン軸受の内輪と中空回転軸の外向きフランジ部との隙間が所定のアキシアル隙間とされている請求項１の磁気軸受装置。