JP2007056892A

JP2007056892A - 磁気軸受

Info

Publication number: JP2007056892A
Application number: JP2005239612A
Authority: JP
Inventors: Yoji Okada; 養二岡田
Original assignee: Iwaki Co Ltd
Current assignee: Iwaki Co Ltd
Priority date: 2005-08-22
Filing date: 2005-08-22
Publication date: 2007-03-08
Anticipated expiration: 2025-08-22
Also published as: JP4616122B2

Abstract

【課題】ロータを軸方向（アキシャル方向）および径方向（ラジアル方向）に制御可能であり、加工・組立時において永久磁石による磁気吸引力を受けない磁気軸受を提供する。
【解決手段】ステータ１は、少なくとも一対の環状部１２ａ、１２ｂと、環状部１２ａ、１２ｂ各々の内周に設けられた第１磁極１３ａ及び第２磁極１３ｂ、環状部１２ａ、１２ｂ間に位置する環状の永久磁石３を備える。第１磁極１３ａ及び第２磁極１３ｂ内にはラジアル励磁コイル１４、アキシャル励磁コイル１５が巻回され、ラジアル励磁磁束φｒ、アキシャル励磁磁束φａを発生させる。
【選択図】図１

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、特にロータ位置を軸方向（アキシャル方向）および径方向（ラジアル方向）に制御可能な磁気軸受に関する。

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、制御技術の進展に伴って各種の軸受に利用されてきている。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、少ない電力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。

これらの問題を解決する有力な方法として、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、２により提案されている。
特開２００３−０２１１４０号公報（段落００５３〜００５６、図６）特開２００４−２３２７４０号公報（段落００１１〜００２１、図１）

しかし、上述した特許文献に開示された磁気軸受は、加工・組立性に難点があるという問題があった。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、加工・組立性の向上を図った磁気軸受を提供することを目的とする。

本発明に係る磁気軸受は、ステータと、前記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、バイアス磁束を供給するため回転軸周りに環状に成形され軸方向に着磁された永久磁石と、前記永久磁石の軸方向の両端に配置されて回転軸周りに環状に成形された磁性材料からなりその環状の部分の直径が前記永久磁石と略同等である第１環状部及び第２環状部と、前記第１環状部の内周に周方向の所定間隔で接続される一方前記第２環状部とは所定の距離をおいて配置される磁性材料からなる複数の第１磁極と、前記第２環状部の内周に周方向の所定間隔で前記複数の第１磁極を挟むように接続される一方前記第１環状部とは所定の距離をおいて配置される磁性材料からなる複数の第２磁極と、前記第１磁極及び第２磁極に形成され径方向の一方の側においては前記バイアス磁束を強めるように作用し他方の側においては前記バイアス磁束を弱めるように作用するラジアル励磁磁束を発生するラジアル励磁コイルと、前記第１磁極及び第２磁極に形成され前記軸方向の一方の側においては前記バイアス磁束を強めるように作用し他方の側においては前記バイアス磁束を弱めるように作用するアキシャル励磁磁束を発生させるアキシャル励磁コイルとを備えることを特徴とする。

本発明によれば、径方向および軸方向の制御性に優れ、さらには、加工・組立性を向上させた永久磁石による磁気吸引力の障害を受けない磁気軸受を提供することが可能になる。

（第１の実施形態）
まず、図１、図２、図３を参照して、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は第１の実施の形態に係る磁気軸受の分解斜視図であり、図２はその組立斜視図であり、図３は図２における矢印Ａ方向から見た平面図である。
この磁気軸受は、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を有する。ロータ２は、ステータ１から与えられる磁束により非接触状態で支持され、位置制御される。

ステータ１は継鉄から構成されている。継鉄は、積層鋼板等の磁性材料からなる。図１に示すように、ステータ１は、第１環状部１２ａ、第２環状部１２ｂと、第１環状部１２ａ、第２環状部１２ｂの間に配置され、回転軸まわりに環状に成型され軸方向に着磁された永久磁石３から構成されている。なお、この永久磁石３は環状部１２ａ、１２ｂの直径と略同等に設計されている。
また、第１環状部１２ａの内周に１８０°の間隔で、接合部１８を介し、第１環状部１２ａと一体に第１磁極１３ａ（１）、１３ａ（２）が形成されている。同様に、環状部１２ｂの内周に１８０°の間隔で、接合部１８を介し、第２環状部１２ｂと一体に第２磁極１３ｂ（１）、１３ｂ（２）が形成されている（図２に示すように、組立時に磁極１３ａ、１３ｂは９０°の間隔となる）。
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の内側に回転軸を中心として回転可能に配置されている。
以下、永久磁石３の中心面と回転軸の軸心の交点を原点とし、第１磁極１３ａ（１）から第１磁極１３ａ（２）の中心を結ぶ直線をｘ軸、第２磁極１３ｂ（１）から第２磁極１３ｂ（２）の中心を結ぶ直線をｙ軸、第２環状部１２ｂから第１環状部１２ａへ向かう回転軸をｚ軸とする。

上記磁極１３は、各々アキシャル励磁コイル１４とラジアル励磁コイル１５を備えている。
アキシャル励磁コイル１４は、磁極１３の中心部に、軸方向を軸心として巻回されている（ｚ軸平行に軸心、ｘ−ｙ平面に巻回）。また、ラジアル励磁コイル１５は、磁極１３に径方向を軸心として巻回されている（ｘ軸平行またはｙ軸平行に軸心、ｚ−ｙ平面またはｚ−ｘ平面に巻回）。

また、各々の磁極１３の内周表面には、２つの突極部１６ａ（ｉ）、１６ａ（ｉ）または１６ｂ（ｉ）、１６ｂ（ｉ）（ｉ＝１，２）と、磁束センサ１７ａ（ｉ）、または１７ｂ（ｉ）、（ｉ＝１，２）が備えられている。
これら突極部１６は、磁極１３の内側から回転軸中心に向けて突出した形状を有し、ロータ２の軸方向（ｚ軸）の端部よりも軸方向（ｚ軸）に関し、外側である磁極１３の縁部に共に離間して形成されている。
磁束センサ１７は、２つの突極部１６の間に形成されており、この磁束センサ１７は、例えばホール素子等である。なお、磁束センサ１７は、上記の配置に限定されるものではなく、磁束が検出できる配置であればよい。更には、このような磁束センサ１７の代わりにギャップセンサ、インダクタンスセンサを用いることもできる。
この磁束センサ１７により検出された磁束の変化に基づき、励磁コイル１４、１５に流す電流の制御が行われる。この制御は、後述する制御系によって行われる。

図２、図３に示すように磁気軸受を組み立てた状態において、環状部１２ａに接合された第１磁極１３ａ（１）、１３ａ（２）は環状部１２ｂと離間し、同様に環状部１２ｂに接合された第２磁極１３ｂ（１）、１３ｂ（２）は環状部１２ａと離間し、空隙１９を形成している。この空隙１９は、磁束が通過しない構造であればよく、空隙１９の代わりに低透磁率の材料を用い磁極１３と環状部１２を接合することも可能である。これら構成により、後述するロータ２の位置を制御するための特徴的なバイアス磁束φｂを生成することが可能となる。
また、上記構成により、環状部１２ａ、１２ｂと、永久磁石３と、磁極１３が、それぞれ独立した製作及び加工工程を経て、組み立てられ得る。したがって、加工・組立時において、永久磁石による磁気吸引力の障害を受けない磁気軸受を提供することが可能となる。また、このような構造であれば、各励磁コイル１４、１５の巻き線工程も容易である。

次に、図３、図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃ、図５を用いて、励磁コイル１４、１５により、軸方向に磁束を形成するアキシャル励磁磁束φａと、径方向に磁束を形成するラジアル励磁磁束φｒと、永久磁石３により生じるバイアス磁束φｂの関係を説明する。図４Ａは磁気軸受のアキシャル励磁コイル１４に同じ回転方向の電流を流した場合におけるｘ−ｚ軸断面図、図４Ｂは磁気軸受のアキシャル励磁コイル１４に同じ回転方向の電流を流した場合におけるｙ−ｚ軸断面図、図４Ｃは磁気軸受のアキシャル励磁コイル１４に異なる回転方向の電流を流した場合におけるｙ−ｚ軸断面図であり、図５はｙ軸の＋方向に磁束をかけた場合におけるロータ２、環状部１２ｂ、第２磁極１３ｂ（１）、１３ｂ（２）のｘ−ｙ断面図である。

図３、図４Ａ、図４Ｂに示すように、永久磁石３によるバイアス磁束φｂは、永久磁石３のＮ極から環状部１２ａ、磁極１３ａに供給される。次に、第１磁極１３ａに供給されたバイアス磁束φｂは空隙１９のため、図４Ａに示されるＳ極には戻れず、突極部１６ａを通り、ロータ２に供給される。
ロータ２に供給されたバイアス磁束φｂは、ロータ２中をｚ軸中心に、ｘ軸からｙ軸へ径方向に９０°進み、ロータ２から突極部１６ｂ、磁極１３ｂへと供給され、環状部１２ｂを通り、永久磁石３のＳ極へと戻る。
ここで、一対の突極部１６は磁極１３のロータ２と対向する面において回転軸（z軸）方向に並ぶように配置されている。この突極部１６の構造から、第１磁極１３ａ側においてバイアス磁束φｂはロータ２のｚ軸方向の縁部からロータ２の中央部へ向かうベクトルを持ち、第２磁極１３ｂ側においてバイアス磁束φｂはロータ２の中央部からロータ２のｚ軸方向の縁部へ向かうベクトルを持つ。したがって、バイアス磁束φｂはアキシャル方向の成分を含むことになる。

次に、図４Ａ、図４Ｂを参照して、ロータ２にアキシャル方向に制御力を発生させる場合を説明する。上記記載のようにバイアス磁束φｂはアキシャル方向の成分を含んでいる。ここに、アキシャル励磁コイル１４に同方向の励磁電流を流すと、上下逆回転のアキシャル励磁磁束φａが発生し、ｚ軸方向の＋側或は−側のどちらか片方の磁束は強め合い、反対側の磁束は弱め合う。その結果、ｚ軸方向にアキシャル並進力Ｆａが生じ、ロータ２のアキシャル制御が可能となる。

また、図４Ｃのように、励磁電流を逆方向に流すと、ｙ軸＋方向かつｚ軸＋方向と、ｙ軸−方向かつｚ軸−方向に強め合う磁束が生成される。しかし、この磁束は図４Ａおよび図４Ｂとは異なり、互いに逆方向のベクトルを有するので、反時計回りのモーメントＭが発生する。従って、このモーメントＭにより、ロータ２の傾き制御も可能となる。

次に、図５を参照して、ロータ２にラジアル方向に制御力を発生させる場合を説明する。図５に示すように、上記バイアス磁束φｂに加え、ラジアル励磁コイル１５に励磁電流を流し、ラジアル励磁磁束φｒを生成させる。このラジアル励磁磁束φｒによって、磁束の片側（ｙ軸＋方向）が強め合い、反対側（ｙ軸−方向）が弱め合う。その結果、ラジアル方向（ｙ軸＋方向）にラジアル制御力Ｆｒが発生する。

次に、本発明の第１の実施形態に係るアキシャル励磁コイル１４、及びラジアル励磁コイル１５に流す励磁電流を制御するための制御系の構成例を図６を参照して説明する。
この制御系は、ラジアル励磁コイル１４、及びラジアル励磁コイル１５の励磁電流の制御のため、Ａ／Ｄ変換器１０１、制御部１０２を備えている。Ａ／Ｄ変換器１０１は、磁束センサ１７により検出したアナログ信号をデジタル信号に変換し、制御部１０２に出力する。制御部１０２は、このデジタル信号に基づき、ラジアル励磁コイル１４、アキシャル励磁コイル１５の励磁電流を制御する。これにより、ラジアル励磁磁束φｒ、アキシャル励磁磁束φａが変化し、ロータ２の径方向及び軸方向の位置制御が可能となる。上記図６は、簡略のため第２磁極１３ｂ（１）、１３ｂ（２）のみを説明したが、同様に、第１磁極１３ａ（１）、１３ａ（２）の磁束も制御される。

（第２の実施形態）
次に、図７を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。図７は本発明の第２の実施形態に係る磁気軸受の分解斜視図である。
図７に示すように、第１の実施形態と異なる箇所は、永久磁石３’とそれを格納するケース３０の構成である。ケース３０には凸部３１と凹部３２が形成されている。永久磁石３’は円弧状に分割されており、ケース３０の凹部３２に格納される。また、永久磁石３’及び凹部３２は４つに限定されるものではない。
上記構成により、環状部１２ａ、１２ｂ、ケース３０を接合した後であっても、円弧状の永久磁石３’を挿入し、磁気軸受を製作することが可能となる。

（第３の実施形態）
次に、図８を参照して、本発明の第３の実施形態について説明する。図８は、本発明の第３の実施形態に係る磁気軸受の分解斜視図である。第１の実施形態と異なる箇所は、環状部１２ａに第１磁極１３ａが配置されず、環状部１２ｂに第１磁極１３ａ及び第２磁極１３ｂが配置されている点である。
また、環状部１２ｂと磁極１３ａ、磁極１３ｂはそれぞれ別工程で加工され、第２磁極１３ｂ（１）、１３ｂ（２）は高透磁率の材料からなる接合部１８により環状部１２ｂと接合される。一方、磁極１３ａ（１）、１３ａ（２）は低透磁率の材料からなる接合部１８’により環状部１２ｂと接合されている。
この接合部１８’により、磁極１３ａ（１）と環状部１２ｂの間及び磁極１３ａ（２）と環状部１２ｂの間で磁束が形成されることはない。したがって、接合部１８’は第１の実施形態で説明した空隙１９と同様の効果を持ち、磁極１３と環状部１２を接合する。
また、磁極１３ａ（１）、１３ａ（２）の環状部１２ａ方向の外周側には、各々接合部１８が備えられている。磁気軸受を組み立てた際、この接合部１８に環状部１２ａが接触し、磁極１３ａ（１）と環状部１２ｂの間及び１３ａ（２）と環状部１２ｂの間で磁束が形成可能となる。
第１磁極１３ａ及び第２磁極１３ｂの配置はこのような配置に限られず、環状部１２ａに第１磁極１３ａを一つ、環状部１２ｂに第１磁極１３ａを一つと第２磁極１３ｂを２つ配置する等の構成であってもよい。
なお、環状部１２の形状、永久磁石３の形状は、図７の環状部１２ａ’、円弧状の永久磁石３’を採用することができる。また、磁極１３は４つに限られるものでなく、偶数個であれば、さらに複数配置することも可能である。

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。

本発明の第１の実施形態に係る磁気軸受の分解斜視図である。本発明の第１の実施形態に係る磁気軸受の組立斜視図である。本発明の第１の実施形態に係る磁気軸受の図２における矢印Ａ方向から見た平面図である。本発明の第１の実施形態に係る磁気軸受において、アキシャル励磁コイルに同じ回転方向の励磁電流を流したｘ−ｚ面断面図である。本発明の第１の実施形態に係る磁気軸受において、アキシャル励磁コイル１４に同じ回転方向の励磁電流を流したｙ−ｚ面断面図である。本発明の第１の実施形態に係る磁気軸受において、アキシャル励磁コイル１４に異なる回転方向の励磁電流を流したｙ−ｚ面軸断面図である。本発明の第１の実施形態に係る磁気軸受において、ｙ軸の＋方向に磁束をかけた場合における、ロータ２、環状部１２ｂ、磁極１３ｂ（１）、磁極１３ｂ（２）のｘ−ｙ断面図である。本発明の第１の実施形態に係る磁気軸受において、アキシャル励磁コイル１４、及びラジアル励磁コイル１５に流す励磁電流を制御するための制御系の構成例を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る磁気軸受の分解斜視図である。本発明の第３の実施形態に係る磁気軸受の分解斜視図である。

符号の説明

１・・・ステータ
１２ａ・・・第１環状部
１２ｂ・・・第２環状部
１３ａ・・・第１磁極
１３ｂ・・・第２磁極
１４・・・アキシャル励磁コイル
１５・・・ラジアル励磁コイル
１６ａ、１６ｂ・・・突極部
１７・・・磁束センサ
１８、１８’・・・接合部
１９・・・空隙
２・・・ロータ
３、３’・・・永久磁石
３０・・・ケース
３１・・・凸部
３２・・・凹部
１０１・・・Ａ／Ｄ変換器
１０２・・・制御部
φａ・・・アキシャル励磁磁束
φｒ・・・ラジアル励磁磁束
φｂ・・・バイアス磁束

Claims

ステータと、前記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、
バイアス磁束を供給するため回転軸周りに環状に成形され軸方向に着磁された永久磁石と、
前記永久磁石の軸方向の両端に配置されて回転軸周りに環状に成形された磁性材料からなりその環状の部分の直径が前記永久磁石と略同等である第１環状部及び第２環状部と、
前記第１環状部の内周に周方向の所定間隔で接続される一方前記第２環状部とは所定の距離をおいて配置される磁性材料からなる複数の第１磁極と、
前記第２環状部の内周に周方向の所定間隔で前記複数の第１磁極を挟むように接続される一方前記第１環状部とは所定の距離をおいて配置される磁性材料からなる複数の第２磁極と、
前記第１磁極及び第２磁極に形成され径方向の一方の側においては前記バイアス磁束を強めるように作用し他方の側においては前記バイアス磁束を弱めるように作用するラジアル励磁磁束を発生するラジアル励磁コイルと、
前記第１磁極及び第２磁極に形成され前記軸方向の一方の側においては前記バイアス磁束を強めるように作用し他方の側においては前記バイアス磁束を弱めるように作用するアキシャル励磁磁束を発生させるアキシャル励磁コイルと
を備えることを特徴とする磁気軸受。
前記ロータを流れる磁束の大きさを検出するセンサと、
前記センサの検出信号に基づいて前記ラジアル励磁コイル及び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
を備えることを特徴とする請求項１に記載の磁気軸受。
前記環状に形成された永久磁石は、複数の円弧状の永久磁石であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の磁気軸受。