JP2006153117A - Magnetic bearing - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気力によってロータを非接触状態で支持する磁気軸受に関し、特にロータを軸方向(アキシャル方向)に制御することを可能にした磁気軸受に関する。 The present invention relates to a magnetic bearing that supports a rotor in a non-contact state by a magnetic force, and more particularly to a magnetic bearing that can control the rotor in an axial direction (axial direction).
磁気軸受は、回転体を非接触で支持することができるため、制御技術の発展に伴って各種の軸受に利用されてきている。最近では、超小型回転体用の磁気軸受が要望されてきている。しかし、電磁石を利用した磁気軸受は、ロータを浮上させるために大きな電流を必要とするため、消費電力が大きくなってしまう。また、少ない電流で磁気力を大きくするためには、ロータとステータとの間のギャップが小さいことが要求され、高い工作精度が必要となる。 Since the magnetic bearing can support the rotating body in a non-contact manner, it has been used for various bearings with the development of control technology. Recently, there has been a demand for magnetic bearings for micro rotating bodies. However, since the magnetic bearing using an electromagnet requires a large current to float the rotor, the power consumption increases. Further, in order to increase the magnetic force with a small current, it is required that the gap between the rotor and the stator is small, and high machining accuracy is required.
これらの問題を解決する有力な手法として、近年、性能向上が顕著な永久磁石のバイアス磁束を利用したハイブリッド型の磁気軸受が使用されるようになってきた。このハイブリッド型の磁気軸受は、例えば特許文献1〜3により提案されている。
しかし、上述した特許文献に開示された磁気軸受では、軸方向(アキシャル)方向の安定性については受動安定に頼らざるを得ず、そのためにロータに軸方向の負荷がかかると、傾いて回転したり、振動が発生したりして制御が困難になるという問題がある。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、軸方向の制御性に優れ、小型化及び軽量化が可能な磁気軸受を提供することを目的とする。
However, in the magnetic bearing disclosed in the above-mentioned patent document, it is necessary to rely on passive stability for the stability in the axial direction (axial direction). For this reason, when an axial load is applied to the rotor, the magnetic bearing is inclined and rotated. There is a problem that control becomes difficult due to vibration or vibration.
The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a magnetic bearing that is excellent in axial controllability and can be reduced in size and weight.
本発明に係る磁気軸受は、ステータと、このステータに磁気力によって非接触状態で支持されて回転軸を中心に回転するロータとを有する磁気軸受において、前記ステータは、前記ロータに所定のギャップを介して対向し軸方向成分を含む磁束が集中する磁束集中部を有し且つ前記ステータの周方向に所定の間隔で配置される複数の主極、及び先端部において前記ロータに所定のギャップを介して対向し且つ前記複数の主極に対して前記周方向にずれた位置に配置される複数の補極とを含み、前記補極の先端部を第1極性とし隣接する前記主極の磁束集中部を第2極性とするようなバイアス磁束を供給する永久磁石と、前記複数の主極に設けられ前記バイアス磁束の強度を前記軸方向の一方の側においては強め他方の側では弱めることにより前記ロータの軸方向の位置を制御するアキシャル制御磁束を発生させるアキシャル励磁コイルと、前記複数の補極の先端に設けられる複数の磁束センサと、前記複数の磁束センサの検出信号に基づいて前記アキシャル励磁コイルに流れる励磁電流を制御する制御部とを備えたことを特徴とする。 The magnetic bearing according to the present invention is a magnetic bearing having a stator and a rotor that is supported by the stator in a non-contact state by a magnetic force and rotates about a rotation axis. The stator has a predetermined gap in the rotor. A plurality of main poles that are opposed to each other and have a magnetic flux concentrating portion in which a magnetic flux including an axial component is concentrated, and are arranged at predetermined intervals in the circumferential direction of the stator, and a tip of the rotor via a predetermined gap And a plurality of complementary poles arranged at positions shifted in the circumferential direction with respect to the plurality of main poles, and a magnetic flux concentration of the main poles adjacent to each other with a tip portion of the complementary pole as a first polarity A permanent magnet for supplying a bias magnetic flux with the second polarity as a portion, and a strength of the bias magnetic flux provided on the plurality of main poles on one side in the axial direction and on the other side An axial excitation coil for generating an axial control magnetic flux for controlling the axial position of the rotor, a plurality of magnetic flux sensors provided at the tips of the plurality of auxiliary poles, and the axial based on detection signals of the plurality of magnetic flux sensors And a control unit for controlling the excitation current flowing in the excitation coil.
本発明によれば、軸方向の制御性に優れ、小型化及び軽量化が可能な磁気軸受を提供することが可能になる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the magnetic bearing which is excellent in controllability of an axial direction, and can be reduced in size and weight.
まず、図1を参照して、本発明の第1の実施の形態に係る磁気軸受を説明する。図1(a)は、この磁気軸受の軸方向からみた平面図であり、同図(b)は同図(a)におけるA−A’断面図である。磁気軸受は、外側に配置された環状のステータ1と、このステータ1の内側に配置されたロータ2とを有する。
First, a magnetic bearing according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1A is a plan view of the magnetic bearing as viewed from the axial direction, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line A-A ′ in FIG. The magnetic bearing has an
ステータ1は継鉄11から構成されている。継鉄11は、積層鋼板等の磁性材料からなり、環状部12と、2つの主突極部13と、2つの補突極部14とを有する。一方、ロータ2は、少なくとも外周面に積層鋼板や電磁材料等の磁性体を配したもので、ステータ1の内側に回転軸2aを軸心として回転可能に配置されている。
The
2つの主突極部13は、この環状部12の内側から中心に向けて突出し、ロータ2の外周面と所定のギャップを介して対向する磁気集中部を有しており、周方向に180°の間隔で配置されている。また、図1(b)に示すように、主突極部13は、ロータ2の軸方向(Z軸方向)と平行な軸を中心に巻回されたアキシャル励磁コイル15を備えている。この主突極部13とアキシャル励磁コイル15とにより2つの主極3(3(1)、3(2))が形成されている。アキシャル励磁コイル15は、後述する磁束センサ17の検出出力に基づき励磁電流の大きさ及び向きを変化させることにより、ロータ2の軸方向の位置制御を行うためのものである。
The two main
また、補突極部14は、主突極部13から周方向に90°ずれた位置に形成されており、その先端には永久磁石16が装着されている。この補突極部14と永久磁石16とにより、2つの補極4(4(1)〜4(2))が形成されている。永久磁石16は、主極3にバイアス磁束φbを提供するためのものである。永久磁石16は、第1の極性(例えばS極)をロータ2に向かう先端側にして装着されている。S極が先端側の場合、バイアス磁束φbは、補突極部14の底部から環状部12を介して隣接する主突極部13に至り、更にロータ2を介して補突極部14に戻る経路に形成される。これにより、主極3の先端である磁束集中部はN極となる。
Further, the supplementary
また、各補極4(i)の先端すなわち永久磁石16の先端には、磁束を検出するための磁束センサ17A(i)、17B(i)が装着されている(i=1、2)。この磁束センサ17は、例えばホール素子等である。1つの永久磁石16に装着される磁束センサ17A(i)、17B(i)は、図1(b)に示すように、軸方向(Z方向)に関し異なる位置に装着されている。ここでは、磁束センサ17A(i)が、17B(i)よりもZ方向に関し上側に存在するものとする。
Further,
図1(b)にも示すように、ロータ2の少なくとも外周面側は円板状に形成され、その外周面の軸方向幅は、少なくとも主突極部13の軸方向幅よりも小さく設定されている。このため、バイアス磁束φbは、主極3とロータ2の間のギャップ部分においては、主極3の上側から下方向に向かう磁束φbaと、主極3の下側から上方向に向かう磁束φbbとなる。
アキシャル励磁コイル15に励磁電流が流れていない場合には、この磁束φbaとφbbの軸方向成分が均等であり相殺されるので、軸方向成分の磁束は発生せず、ロータ2にも軸方向の力は加わらない。
As shown in FIG. 1B, at least the outer peripheral surface side of the
When no excitation current flows through the
アキシャル励磁コイル15に励磁電流が例えば図1(b)に示す方向に流れている場合には、図1に矢印で示す方向にアキシャル制御磁束φcaが形成される。このアキシャル制御磁束φcaは、磁束φbbを強める一方、磁束φbaを弱めるように作用する。これにより、ロータ2には図1(b)に示すように下向き(Z軸負方向)の力Fが加わり、ロータ2は下方向に移動する。アキシャル励磁コイル15の励磁電流が図1(b)とは逆方向に流れる場合、力Fも図1(b)とは逆に下向きとなる。このように、アキシャル励磁コイル15の励磁電流の大きさ及び向きを制御することにより、ロータ2の軸方向の位置制御が可能となる。励磁電流の制御は、磁束センサ17の検出出力に基づき、制御回路102により行われる。例えば、上側の磁束センサ17A(1)と17A(2)の和と、下側の磁束センサ17B(1)、17B(2)の和との差をコンパレータ101で演算し、この演算出力に基づき、制御回路102において励磁電流の制御を行うことができる。
When an exciting current flows through the axial
図2に、本発明の第2の実施の形態に係る3極型の磁気軸受を示す。図1の構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。この磁気軸受は、ロータ2の軸方向の位置制御に加え、ロータ2の傾き制御(チルト制御)、及びステータ1の径方向(ラジアル方向)の制御も行うことを可能にしたものである。すなわち、主極3は、ステータ1の周方向に120°間隔で形成され、補極4は各主極3から60°ずれた位置に、周方向に120°間隔で形成される。主極3には、径方向を軸心として巻回されたラジアル励磁コイル18が設置されている。このラジアル励磁コイル18は、バイアス磁束φbにより形成された主極3の先端(磁束集中部)の磁極を強めたり弱めたりするためのラジアル励磁磁束φrを発生させるためのものである。ラジアル励磁磁束φrの変化に基づいて主極3の磁極が制御されることにより、ロータ2の径方向の位置制御が行われる。
また、この実施の形態では、3つの主極3に設けられた3つのアキシャル励磁コイル120に流れる励磁電流を各々異ならせることにより、ロータ2の軸方向の位置制御だけでなく、傾き(X軸方向のチルト角θx、Y軸方向のチルト角θy)の制御も行うことができる。
FIG. 2 shows a three-pole magnetic bearing according to the second embodiment of the present invention. The same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. This magnetic bearing makes it possible to perform tilt control (tilt control) of the
In this embodiment, the excitation currents flowing through the three axial excitation coils 120 provided on the three
ラジアル励磁コイル18の励磁電流は、アキシャル励磁コイル15と同様に、磁束センサ17の検出出力に基づいて制御される。
この制御を行うための制御回路を含む制御系の構成を、図3に示す。この制御系は、アキシャル制御系100と、ラジアル制御系200とから構成される。
アキシャル制御系100は、コンパレータ101A−C、座標変換回路103、制御回路102’、座標変換回路104、及びパワーアンプ105A−Cから構成される。コンパレータ101A―Cは、それぞれ補極4(i)に設置された磁束センサ17A(i)及び17B(i)の検出出力の差分を演算するものである。
座標変換回路103は、この磁束センサ17で検出された検出出力に基づき、図3に示すXY座標を基準とした軸方向変位(Z)、チルト角(θx、θy)を求め、z方向変位信号、θx方向変位信号、及びθy方向変位信号を制御回路102’に出力する。制御回路102’は、これら変位信号に基づいて、例えばPID制御信号を出力する。座標変換回路104は、このPID制御信号を、アキシャル励磁コイル15の位置に対応した3相の座標系の信号に変換し、これをパワーアンプ105A−Cで増幅してアキシャル励磁コイル15に印加する。チルト角θx、θyが検出された場合には、3つのアキシャル励磁コイル15に流れる励磁電流の大きさを互いに異ならせることにより、ロータ2のチルト角の制御を行うことができる。
The excitation current of the
A configuration of a control system including a control circuit for performing this control is shown in FIG. This control system includes an
The
The coordinate
ラジアル制御系200は、加算器201A−Cと、座標変換回路202と、制御回路203と、パワーアンプ204A−Cから構成される。
コンパレータ201A−Cは、それぞれ、1つの補極4(i)に設置された2つの磁束センサ17A(i)及び17B(i)の検出出力の和を出力する。座標変換回路202は、この磁束センサ17で検出された検出出力に基づき、図3に示すXY座標を基準としたX方向変位(x)、Y方向変位(y)を求め、X方向変位信号、Y方向変位信号を制御回路203に出力する。
制御回路203は、これら変位信号に基づいて、ラジアル励磁コイル18の位置に対応した3相の座標系に従ったPID制御信号を生成し、これをパワーアンプ204A−Cで増幅してラジアル励磁コイル18に印加する。
The
Each of the
Based on these displacement signals, the
図4は、本発明の第3の実施の形態に係る4極型の磁気軸受の構成を示す。
この磁気軸受は、4つの主極3(i)が、図4に示すXY座標系において、周方向に0°、90°、180°、170°と90°間隔で形成される。主極3(i)から45°周方向にずれた位置に、45°、135°、225°、315°と90°間隔で4つの補極(i)が形成されている。その他は上記の実施の形態と同様である。
FIG. 4 shows the configuration of a four-pole magnetic bearing according to the third embodiment of the present invention.
In the magnetic bearing, four main poles 3 (i) are formed at intervals of 0 °, 90 °, 180 °, and 170 ° in the circumferential direction in the XY coordinate system shown in FIG. Four complementary poles (i) are formed at intervals of 45 °, 135 °, 225 °, 315 ° and 90 ° at positions shifted from the main pole 3 (i) by 45 ° in the circumferential direction. Others are the same as in the above embodiment.
この図4の実施の形態の制御を行うための制御回路を含む制御系の構成を、図5に示す。アキシャル制御系100は、コンパレータ101A’−C’、制御回路102A’−C’、及び演算増幅器106A−Cから構成される。
コンパレータ101A’は、各補極4(i)に設置された磁束センサ17A(i)(i=1〜4)の検出出力の総和と、磁束センサ17B(i)(i=1〜4)の検出出力の総和の差分を演算するものである。この差分は、ロータ2のZ方向変位信号として制御回路102A’に出力される。
また、コンパレータ101B’は、補極4(1)、4(4)の上側の磁束センサ17A(1)及び17A(4)の検出出力の和と、下側の磁束センサ17B(1)及び17B(4)の和との差分を演算するものである。この差分は、ロータ2のθx方向変位信号として制御回路102B’に出力される。
また、コンパレータ101C’は、補極4(1)、4(2)の上側の磁束センサ17A(1)及び17A(2)の検出出力の和と、下側の磁束センサ17B(1)及び17B(2)の和との差分を演算するものである。この差分は、ロータ2のθy方向変位信号として制御回路102C’に出力される。
FIG. 5 shows the configuration of a control system including a control circuit for performing the control of the embodiment of FIG. The
The
Further, the
Further, the
制御回路102A’〜C’は、これら変位信号に基づいて、ラジアル励磁コイル18の位置に対応した3相の座標系に従ったPID制御信号を生成する。演算増幅器106A−Dは、このPID制御信号に基づいて各アキシャル励磁コイル15の励磁電流を制御する。
Based on these displacement signals, the
図6は、本発明の第4の実施の形態に係る3極型の磁気軸受を示す。この実施の形態では、永久磁石16を各補極4の先端に形成する代わりに、ロータ2の外周面全体に亘って永久磁石16’を形成する点において、上記の実施の形態と異なっている。ラジアル制御系200は、第2の実施の形態とほぼ同様である。ただし、主極3、補極4のXY座標系に対する位置が異なっているため、座標変換回路202での変換式は第2の実施の形態とは異なっている。
FIG. 6 shows a three-pole magnetic bearing according to the fourth embodiment of the present invention. This embodiment differs from the above embodiment in that the permanent magnet 16 'is formed over the entire outer peripheral surface of the
また、アキシャル制御系100は、コンパレータ101A”〜C”、制御回路102A”〜C”、及び演算増幅器106A’〜C’を備えている。
コンパレータ101A”は、各補極4(i)に設置された磁束センサ17A(i)(i=1〜3)の検出出力の総和と、磁束センサ17B(i)(i=1〜3)の検出出力の総和との差分を演算するものである。この差分は、ロータ2のZ方向変位信号として制御回路102A”に出力される。
また、コンパレータ101B”は、ロータ2のX軸方向のチルト角θxを検出するため、磁束センサ17A(1)、17B(2)及び17B(3)の総和と、磁束センサ17A(2)、17A(3)及び17B(1)の総和との差分を演算するものである。この差分は、ロータ2のθx方向変位信号として制御回路102B’に出力される。
Further, the
The
Further, the
また、コンパレータ101C’は、ロータ2のY軸方向のチルト角θyを検出するため、磁束センサ17A(1)、17B(1)、17B(2)及び17A(3)の総和と、磁束センサ17A(2)及び17B(3)の総和との差分を演算するものである。この差分は、ロータ2のθy方向変位信号として制御回路102C’に出力される。
Further, the
制御回路102A”〜C”は、これらの変位信号に基づいて、ラジアル励磁コイル18の位置に対応した3相の座標系に従ったPID制御信号を生成する。演算増幅器106A’〜C’は、このPID制御信号に基づいて各アキシャル励磁コイル15の励磁電流を制御する。
なお、この図6に示すラジアル制御系200,アキシャル制御系100の構成は、図3に示す構成に置き換えることも可能である。
Based on these displacement signals, the
The configuration of the
図7は、第2の実施の形態の第1の変形例を示す。この例では、永久磁石16”が、補極4だけでなく主極3の先端にも形成されている点で、第2の実施の形態と異なっている。なお、アキシャル制御系100、及びラジアル制御系200の構成は図6の構成と同様であるが、図3の構成と同様にしてもよいことは言うまでもない。
FIG. 7 shows a first modification of the second embodiment. This example is different from the second embodiment in that the
図8は、第2の実施の形態の第2の変形例を示す。この例では、永久磁石16が、ステータの環状部12に環状に埋め込まれている点で、第2の実施の形態と異なっている。この環状の永久磁石に加えて、上記の実施の形態と同様の位置に更に永久磁石を設置することも可能である。なお、アキシャル制御系100、及びラジアル制御系200の構成は、図3、図6の構成のいずれでも採用することができる。
FIG. 8 shows a second modification of the second embodiment. This example is different from the second embodiment in that the
以上、発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更、追加、置換等が可能である。 Although the embodiments of the invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications, additions, substitutions, and the like can be made without departing from the spirit of the invention.
1・・・ステータ、 2・・・ロータ、 3・・・主極、 4・・・補極、 111・・・継鉄、 12・・・環状部、 13・・・主突極部、 14・・・補突極部、 15・・・アキシャル励磁コイル、 16・・・永久磁石、 17・・・磁束センサ、 18・・・ラジアル励磁コイル。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記ステータは、前記ロータに所定のギャップを介して対向し軸方向成分を含む磁束が集中する磁束集中部を有し且つ前記ステータの周方向に所定の間隔で配置される複数の主極、及び先端部において前記ロータに所定のギャップを介して対向し且つ前記複数の主極に対して前記周方向にずれた位置に配置される複数の補極を含み、
前記補極の先端部を第1極性とし隣接する前記主極の磁束集中部を第2極性とするようなバイアス磁束を供給する永久磁石と、
前記複数の主極に設けられ前記バイアス磁束の強度を前記軸方向の一方の側においては強め他方の側では弱めることにより前記ロータの軸方向の位置を制御するアキシャル制御磁束を発生させるアキシャル励磁コイルと、
前記複数の補極の先端に設けられる複数の磁束センサと、
前記複数の磁束センサの検出信号に基づいて前記アキシャル励磁コイルに流れる励磁電流を制御する制御部と
を備えたことを特徴とする磁気軸受。 In a magnetic bearing having a stator and a rotor that is supported by the stator in a non-contact state by a magnetic force and rotates about a rotation axis,
The stator has a plurality of main poles that are opposed to the rotor via a predetermined gap and have a magnetic flux concentrating portion in which a magnetic flux including an axial component is concentrated, and are arranged at predetermined intervals in the circumferential direction of the stator, and A plurality of complementary poles disposed at positions that are opposed to the rotor via a predetermined gap at the tip and are displaced in the circumferential direction with respect to the plurality of main poles;
A permanent magnet for supplying a bias magnetic flux so that the tip of the auxiliary pole has a first polarity and the magnetic flux concentrating portion of the adjacent main pole has a second polarity;
An axial excitation coil that is provided in the plurality of main poles and generates an axial control magnetic flux that controls the position of the rotor in the axial direction by increasing the intensity of the bias magnetic flux on one side in the axial direction and weakening it on the other side. When,
A plurality of magnetic flux sensors provided at tips of the plurality of complementary poles;
A magnetic bearing comprising: a control unit that controls an excitation current flowing through the axial excitation coil based on detection signals of the plurality of magnetic flux sensors.
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