JP2007132404A - 回転体の軸受構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 磁気軸受と回転軸との間のギャップを正確に検出し、この検出値に基づき回転軸と磁気軸受との間のギャップを常に適正な状態に制御する。
【解決手段】 フライホイール６が一体に設けられた回転軸５は、磁気軸受ユニット３，４によって非接触状態で回転自在に支持されている。磁気軸受ユニット３，４は、回転軸５の外周部に軸着された軸受用ロータ８ａ，８ｂと、これと対向しハウジングに固定された軸受用電磁石７ａないし７ｄおよび７ｅないし７ｈとからなる。回転軸５の両端部に設けた凹部３０，３１には、軸受用ロータ８ａ，８ｂと、軸受用電磁石７ａないし７ｄおよび７ｅないし７ｈとの間のギャップを検出する位置センサ９，１０が収納されている。位置センサ９，１０は、軸受用電磁石７ａないし７ｄおよび７ｅないし７ｈと、回転軸５の軸線（Ａ−Ｂ）方向において同じ高さに位置している。
【選択図】 図３

Description

本発明は、磁気軸受によって回転体を非接触状態で回転自在に支持する回転体の軸受構造に関するものである。

例えば、この種の軸受構造を採用したスピンドル装置においては、回転軸とロータとの間に芯ずれ等があるとロータの回転中に大きな遠心力が発生し、これに起因して回転軸に振動が発生する。この振動の発生を防止するために、従来は回転軸と磁気軸受との間のギャップを検出する複数の位置センサが回転軸の円周方向に等角度おいて設けられており、これら複数の位置センサのそれぞれの検出値に基づき、回転軸と磁気軸受との間のギャップを常に適正な状態に制御するようにしている（例えば、特許文献１参照）。なお、本出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に密接に関連する先行技術文献を出願時までに見付け出すことはできなかった。
特開平８−３３８４３２号公報（段落「０００４」および「０００５」、図１２）

上述した従来の回転体の軸受構造においては、位置センサが回転軸の軸線方向において磁気軸受と異なる位置に設けられているため、回転軸が軸線を傾斜した状態で支持されている場合には、この位置センサによって検出されるギャップが、磁気軸受と回転軸との間の真のギャップとは一致しなくなる。したがって、磁気軸受と回転軸との間のギャップを正確に検出できないため、回転軸と磁気軸受との間のギャップを常に適正な状態に制御することができないという問題があった。

本発明は上記した従来の問題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、磁気軸受と回転軸との間のギャップを正確に検出し、この検出値に基づき回転軸と磁気軸受との間のギャップを常に適正な状態に制御することにある。

この目的を達成するために、請求項１に係る発明は、外周部に軸受用ロータが設けられた回転軸と、この回転軸と一体的に回転する回転体と、前記軸受用ロータと対向するようにハウジング側に設けられ前記回転軸を非接触状態で回転自在に支持する軸受用電磁石と、この軸受用電磁石と前記回転軸との間のギャップを検出する位置センサとを備えた回転体の軸受構造において、前記回転軸の端部に前記位置センサを収納するセンサ収納用空間を設け、前記位置センサを前記軸受用電磁石と前記回転軸の軸線方向において同じ位置となるように前記ハウジング側に取り付けたものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記センサ収納用空間を前記回転軸の両端部のそれぞれに設けたものである。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に係る発明において、前記回転体をフライホイールとしたものである。

請求項１に係る発明によれば、位置センサを軸受用電磁石と回転軸の軸線方向において同じ位置となるようにハウジング側に取り付けたことにより、仮に回転軸が軸線を傾斜した状態で支持されていたとしても、軸受用電磁石と軸受用ロータとの間のギャップを位置センサによって正確に検出することができる。また、回転軸にセンサ収納用空間を設けたことにより、回転軸の一部を除去することができるため装置の軽量化を図ることができる。

請求項２に係る発明によれば、より装置の軽量化を図ることができる。

請求項３に係る発明によれば、軸受用電磁石と軸受用ロータとの間のギャップを正確に検出し、軸受用電磁石と軸受用ロータとの間のギャップを適正に制御できるため、重量が比較的大きいフライホイールの回転中の振動を低減することができる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は本発明に係る回転体の軸受構造の全体を示す断面図、図２は図１におけるII-II 線断面図、図３は同じく回転体の軸受構造の全体を示すモデル図である。図１に全体を符号１で示す発電装置は、ハウジング２と、このハウジング２に第１および第２の磁気軸受ユニット３，４を介して非接触状態で回転自在に支持された回転軸５と、この回転軸５と一体形成された回転体としてのフライホイール６と、前記第１および第２の磁気軸受ユニット３，４を構成する軸受用電磁石７ａないし７ｈと軸受用ロータ８ａ，８ｂとの間のギャップを検出する第１および第２の位置センサ９，１０とによって概略構成されている。

ハウジング２は、略有底円筒状に形成された大径のシリンダ１２と、この大径のシリンダ１２の底部に取り付けられた底板１３と、略円筒状に形成された小径のシリンダ１４と、この小径のシリンダ１４の上端部に取り付けられた蓋１５とによって構成されている。大径のシリンダ１２の底部の中央部には円筒部１６が一体に立設されており、この円筒部１６の上端部には内向きフランジ１７が一体に突設されている。

底板１３の中央部と蓋１５の中央部には、それぞれ孔１８，１９が設けられている。小径のシリンダ１４の下端には外向きフランジ２０が設けられており、この外向きフランジ２０を介して小径のシリンダ１４が大径のシリンダ１２の上端に取り付けられている。上記した第１および第２の磁気軸受ユニット３，４のそれぞれを構成する２個の軸受用ロータ８ａ，８ｂは永久磁石によって円筒状に形成されており、これら軸受用ロータ８ｂ，８ａは回転軸５の外周部の上下に軸着されている。

一方、第１の磁気軸受ユニット３を構成する４個の軸受用電磁石７ａないし７ｄは、円周方向に等角度おいて軸受用ロータ８ａに対向するように、大径のシリンダ１２の円筒部１６の内周面にスペーサ２１を介して取り付けられている。また、第２の磁気軸受ユニット４を構成する４個の軸受用電磁石７ｅないし７ｈは、図２に示すように円周方向に等角度おいて軸受用ロータ８ｂに対向するように、蓋１５の裏面にスペーサ２２を介して取り付けられている。これら軸受用電磁石７ａないし７ｈは電磁コイルによって形成され、電磁コイルに通電することにより軸受用電磁石７ａないし７ｈと軸受用ロータ８ａ，８ｂとの間に所定のギャップが形成されて、回転軸５が第１および第２の磁気軸受ユニット３，４によって非接触状態で回転自在に支持されている。

そして、軸受用ロータ８ａと各軸受用電磁石７ａないし７ｄとのギャップおよび軸受用ロータ８ｂと各軸受用電磁石７ｅないし７ｈとのギャップは、後述する第１および第２の位置センサ９，１０のそれぞれのセンサ９ａないし９ｄおよびセンサ１０ａないし１０ｄによって検出される。この検出結果に基づいて各軸受用電磁石７ａないし７ｈへの通電量を制御することにより、軸受用ロータ８ａと各軸受用電磁石７ａないし７ｄとのギャップおよび軸受用ロータ８ｂと各軸受用電磁石７ｅないし７ｈとのギャップが適正に保持されるように構成されている。

２４は大径のシリンダ１２の内向きフランジ１７の内周面と、回転軸５の下部外周面との間に介装された補助用のころがり軸受である。２５は蓋１５の孔１９の内周面と回転軸５の上部外周面との間に介装された補助用のころがり軸受である。２６は永久磁石によって円筒状に形成されたモータ用ロータであって、回転軸５の中央部外周面に軸着されている。２７は電磁コイルによって形成されたモータ用ステータであって、モータ用ロータ２６に対向するように小径のシリンダ１４の内周面に取り付けられている。このモータ用ステータ２７には風力発電等によって発生した電力が供給されることにより、回転軸５が回転を開始し、回転軸５が一定の回転に達すると電力の供給が停止される。その後、フライホイール６の慣性によって回転軸５が回転し続けることにより、モータ用ステータ２７の電磁コイルに電流が発生し、これを安定的に蓄電するように構成されている。

回転軸５の下端部には、端面の中央部に凹設したセンサ収納用空間としての凹部３０が設けられており、回転軸５の上端部には、端面の中央部に凹設したセンサ収納用空間としての凹部３１が設けられている。上記した第１の位置センサ９には、４個のセンサ９ａないし９ｄが円周方向に等角度おいて設けられており、この第１の位置センサ９は回転軸５の凹部３０内に収納されるように、孔１８に貫挿されたセンサブロック３２を介して底板１３に取り付けられている。このように取り付けられた第１の位置センサ９の各センサ９ａないし９ｄは、凹部３０の外周部３０ｂおよび軸受用ロータ８ａを間に挟むようにして４個の軸受用電磁石７ａないし７ｄのそれぞれに対向し、凹部３０の内周面３０ａとの間隔ΔａないしΔｄを検出する。また、これら４個のセンサ９ａないし９ｄは軸受用電磁石７ａないし７ｄの回転軸５の軸線（矢印Ａ−Ｂ）方向において同じ位置、すなわち軸受用電磁石７ａないし７ｄの矢印Ａ−Ｂ方向における中央に位置する線Ｃ１と一致するように、ハウジング２側に取り付けられている。

また、第２の位置センサ１０には、図２に示すように４個のセンサ１０ａないし１０ｄが円周方向に等角度おいて設けられており、この第２の位置センサ１０は回転軸５の凹部３１内に収納されるように、孔１９に貫挿されたセンサブロック３３を介して蓋１５に取り付けられている。このように取り付けられた第２の位置センサ１０の各センサ１０ａないし１０ｄは、凹部３１の外周部３１ｂおよび軸受用ロータ８ｂを間に挟むようにして４個の軸受用電磁石７ｅないし７ｈのそれぞれに対向し、凹部３１の内周面３１ａとの間隔ΔｅないしΔｈを検出する。また、これら４個のセンサ１０ａないし１０ｄは、軸受用電磁石７ｅないし７ｈの回転軸５の軸線（矢印Ａ−Ｂ）方向において同じ位置、すなわち軸受用電磁石７ｅないし７ｈの矢印Ａ−Ｂ方向における中央に位置する線Ｃ２と一致するように、ハウジング２側に取り付けられている。

このよう構成において、第１の位置センサ９と軸受用電磁石７ａないし７ｄが共にハウジング２側に取り付けられ、軸受用ロータ８ａが回転軸５に取り付けられている。このため、軸受用ロータ８ａと各軸受用電磁石７ａないし７ｄとのギャップδａないしδｄの検出を、第１の位置センサ９の各センサ９ａないし９ｄによって検出される凹部３０の内周面３０ａとの間隔ΔａないしΔｄに置き換えることができる。

したがって、第１の位置センサ９の各センサ９ａないし９ｄに検出される凹部３０の内周面３０ａとの間隔ΔａないしΔｄの検出量に基づいて、各軸受用電磁石７ａないし７ｄを形成する電磁コイルへの通電量を制御することにより、軸受用ロータ８ａと各軸受用電磁石７ａないし７ｄとのギャップδａないしδｄを適正なギャップに保持することができる。しかも、これら４個のセンサ９ａないし９ｄは軸受用電磁石７ａないし７ｄの回転軸５の軸線（矢印Ａ−Ｂ）方向において同じ位置、すなわち軸受用電磁石７ａないし７ｄの矢印Ａ−Ｂ方向の中央に位置する線Ｃ１と一致している。このため、仮に回転軸５が軸線を傾斜した状態で支持されていたとしても、軸受用ロータ８ａと軸受用電磁石７ａないし７ｄとの間のギャップδａないしδｄを、第１の位置センサ９の各センサ９ａないし９ｄによって正確に検出することができる。

同様に、第２の位置センサ１０の各センサ１０ａないし１０ｄに検出される凹部３１の内周面３１ａとの間隔ΔｅないしΔｈの検出量に基づいて、各軸受用電磁石７ｅないし７ｈを形成する電磁コイルへの通電量を制御することにより、軸受用ロータ８ｂと各軸受用電磁石７ｅないし７ｈとのギャップδｅないしδｈを適正なギャップに保持することができる。また、これら４個のセンサ１０ａないし１０ｄは軸受用電磁石ｅａないし７ｈの回転軸５の軸線（矢印Ａ−Ｂ）方向において同じ位置、すなわち軸受用電磁石７ｅないし７ｈの矢印Ａ−Ｂ方向の中央に位置する線Ｃ２と一致している。このため、仮に回転軸５が軸線を傾斜した状態で支持されていたとしても、軸受用ロータ８ｂと軸受用電磁石７ｅないし７ｈとの間のギャップδｅないしδｈを、第２の位置センサ１０の各センサ１０ａないし１０ｄによって正確に検出することができる。

また、回転軸５にセンサ収納用空間としての凹部３０，３１を設けたことにより、回転軸５の一部を除去することができるため、発電装置１の軽量化を図ることができる。また、軸受用電磁石７ａないし７ｈと軸受用ロータ８ａ，８ｂとの間のギャップδａないしδｈを正確に検出し、軸受用電磁石７ａないし７ｈと軸受用ロータ８ａ，８ｂとの間のギャップδａないしδｈを適正に制御できるため、重量が比較的大きいフライホイール６の回転中の振動を低減することができる。

本発明に係る回転体の軸受構造の全体を示す断面図である。 図１におけるII-II 線断面図である。 本発明に係る回転体の軸受構造の全体を示すモデル図である。

符号の説明

１…発電装置、２…ハウジング、３…第１の磁気軸受ユニット、４…第２の磁気軸受ユニット、５…回転軸、６…フライホイール、７ａないし７ｈ…軸受用電磁石、８ａ，８ｂ…軸受用ロータ、９…第１の位置センサ、９ａないし９ｄ…センサ、１０…第２の位置センサ、１０ａないし１０ｄ…センサ、２６…モータ用ロータ、２７…モータ用ステータ、３０，３１…凹部（センサ収納用空間）、３０ａ，３１ａ…内周面、３０ｂ，３１ｂ…外周部。

Claims (3)

1. 外周部に軸受用ロータが設けられた回転軸と、この回転軸と一体的に回転する回転体と、前記軸受用ロータと対向するようにハウジング側に設けられ前記回転軸を非接触状態で回転自在に支持する軸受用電磁石と、この軸受用電磁石と前記回転軸との間のギャップを検出する位置センサとを備えた回転体の軸受構造において、前記回転軸の端部に前記位置センサを収納するセンサ収納用空間を設け、前記位置センサを前記軸受用電磁石と前記回転軸の軸線方向において同じ位置となるように前記ハウジング側に取り付けたことを特徴とする回転体の軸受構造。
2. 請求項１記載の回転体の軸受構造において、前記センサ収納用空間を前記回転軸の両端部のそれぞれに設けたことを特徴とする回転体の軸受構造。
3. 請求項１または２記載の回転体の軸受構造において、前記回転体をフライホイールとしたことを特徴とする回転体の軸受構造。

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