JP2007278381A - 磁気軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ダンパ効果を向上させることができ、さらにダンパ効果を回転体に加わる外乱に応じて調整することができる磁気軸受装置を提供する。
【解決手段】固定子側軸受磁極６、７の溝に電磁石巻線１２、１３を挿入し、回転子側軸受磁極２と固定子側軸受磁極６、７との間にダンパ用電極部材１６、１７を配置し、回転体１の半径方向への振動が生じたときに、電磁石巻線１２、１３に流す電流の直流成分を増加させるとともに、電磁石巻線１２、１３に流す電流に交流電流成分を重畳する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転体を磁気吸引力により磁気浮上させて支持する磁気軸受装置において、特に、回転体の半径方向の振動を減衰させる必要のある磁気軸受装置に関する。

従来の磁気軸受としては、電気良導体材料からなりリング状の制動導体として作用するダンパリングを固定子側軸受磁極に組み込み、回転体に一体となった回転子側軸受磁極の磁極歯の先端角を９０度と異なった角度にして磁極歯の両側の側面を回転軸に対して傾斜を持たせることにより、回転体に振動が発生したときに、磁束の変化に基づいてダンパリングの内部に発生する渦電流が振動エネルギを吸収し、振動の減衰を促進するものがあった（例えば、特許文献１参照。）。図３に、この従来の磁気軸受を示す。

図３において、１０１は回転体、１０２は回転子側軸受磁極、１０３は固定子側軸受磁極、１０４は励磁巻線、１０５、１０６はダンパリング、１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ・・・は回転子側軸受磁極の磁極面に形成された溝、１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ・・・は固定子側軸受磁極の磁極面に形成された溝、１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃ・・・は回転子側軸受磁極の磁極面に形成された磁極歯、１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ・・・は固定子側軸受磁極の磁極面に形成された磁極歯である。

図３に示すように、回転体１０１に一体となった回転子側軸受磁極１０２が空隙を介して固定子側軸受磁極１０３に対向している。また、その空隙に面するそれぞれの磁極には、回転体１０１の回転中心を中心とする同心円状の溝１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ・・・および１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ・・・が形成されている。また、固定子側軸受磁極１０３の溝には励磁巻線１０４が挿入されている。また、ダンパリング１０５、１０６が、固定子側軸受磁極１０３の磁極歯１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ・・・に組み込まれている。

以上のように構成された従来の磁気軸受では、励磁巻線１０４に流れる電流により磁束が誘起されて磁気回路が形成される。この磁束により、回転子側軸受磁極１０２と固定子側軸受磁極１０３との間に軸方向の磁気吸引力に基づく推力が発生する。さらに、その磁束により、回転体１０１の半径方向への移動に対して、磁極歯１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃ・・・と磁極歯１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ・・・との対向面積の減少に伴う磁気抵抗の減少に基づく磁気エネルギの減少に逆らう半径方向の力が発生し、その力が回転体１０１の半径方向への移動を押し戻そうとする。

また、回転体１０１に振動が生じたとき、磁束の変化に基づいてダンパリング１０５、１０６の内部に発生する渦電流が振動のエネルギを吸収し、振動の減衰を促進する。このようにダンパリング１０５、１０６はダンパ効果の機能を有する。

以下、ダンパ効果について説明する。図３において、紙面に垂直な方向である円周方向の単位長さ当りの固定子側の磁極歯から回転子側の磁極歯へ通る磁束をφとすると、固定子側の磁極歯に働く半径方向の磁気力は、磁束φの座標ｒ（回転子側の磁極歯の半径方向の中心点の位置）に関する導関数（−ｄφ／ｄｒ）に比例する。

ダンパ効果は磁束の時間変化（ｄφ／ｄｔ）に比例する誘起起電力によって生じたダンパリング内に流れる渦電流のジュール損失によって生じる。磁束の変化は回転体１０１の半径方向（ラジアル方向）の振動による座標ｒの時間変化によって表すことができ、次の式（数１）にて表される。

ダンパリング内に流れる渦電流はこの磁束の時間変化で表されるダンパリング内の誘起電圧に基づいて流れるので、この渦電流に基づくジュール損失Ｗは、次の式（数２）にて表される。ここで、Ｋは比例定数である。

そして、ダンパ効果を表すダンパ定数Ｋｄは、次の式（数３）にて表される。

すなわち、ダンパ効果は磁束φの座標ｒに関する導関数（ｄφ／ｄｒ）の２乗に比例する。

従来の磁気軸受は、固定子側の磁極歯と回転子側の磁極歯の径をあらかじめ若干違えておき、さらに磁極歯の両側の側面を回転軸に対して傾斜をもたせることにより、（−ｄφ／ｄｔ）の値を大きくすることで、ダンパ効果を大きくしていた。

しかしながら、従来の磁気軸受は、受動的なダンパ効果を奏するダンパリングを有するのみであり、回転体に加わる外乱に応じてダンパ効果を任意に調整することができず、最適なダンパ効果を実現することが困難であった。例えば、磁気軸受を加工用の工具の主軸として使用した場合には、加工対象と加工条件に合わせて最適なダンパ効果に調整することが望ましく、また、加工（外乱）による振動を減衰させるダンパ効果が必要となるが、従来の磁気軸受では、加工による振動を減衰させるのに十分なダンパ効果を確保することが困難であった。
特公昭５２−２６２９３号公報

本発明は、上記問題点に鑑み、固定子側の溝に電磁石巻線を挿入し、回転子側軸受磁極と固定子側軸受磁極との間にダンパ用電極部材を配置し、回転体の半径方向への振動に応じた電流を前記電磁石巻線に流すことにより、ダンパ効果を向上させることができ、さらにダンパ効果を回転体に加わる外乱に応じて調整することができる磁気軸受装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１記載の磁気軸受装置は、固定子側軸受磁極と回転子側軸受磁極を空隙を介して対応させ、該空隙に面するそれぞれの磁極に回転体の回転中心を中心とする同心円状の溝を少なくとも１つ有し、固定子側の溝の少なくとも１つに電磁石巻線が挿入され、前記固定子側軸受磁極と前記回転子側軸受磁極の間にダンパ用電極部材を有した磁気軸受装置であって、前記回転体の半径方向への変位量を検出して、前記回転体の半径方向への振動の大きさを求め、その求めた振動の大きさに応じて前記電磁石巻線に流す電流の直流成分を増加させるとともに、その求めた振動の大きさに応じた振幅の交流電流成分を前記電磁石巻線に流す電流に重畳するフィードバック制御処理手段を具備することを特徴とする。

また、本発明の請求項２記載の磁気軸受装置は、請求項１記載の磁気軸受装置であって、前記フィードバック制御処理手段は、前記回転体の半径方向への変位量を検出する検出手段と、前記検出手段により検出された変位量を基に前記回転体の半径方向への振動の大きさを演算する演算手段と、前記演算手段により演算された振動の大きさに応じて前記電磁石巻線に流す電流の直流成分を増加させる直流成分生成手段と、前記検出手段により検出された変位量と前記演算手段により演算された振動の大きさとを基に、前記回転体の半径方向への振動に応じた振幅と周波数の交流電流成分を前記電磁石巻線に流す電流に重畳する交流成分生成手段と、を含むことを特徴とする。

また、本発明の請求項３記載の磁気軸受装置は、請求項１記載の磁気軸受装置であって、前記フィードバック制御処理手段は、前記回転体の半径方向への変位量を検出し、その変位量に従って変化する変位信号を生成する検出手段と、前記変位信号の前記回転体の回転周波数成分を減衰させる減衰手段と、前記回転体の回転周波数成分が減衰された前記変位信号を基に前記回転体の半径方向への振動の大きさを演算する演算手段と、前記演算手段により演算された振動の大きさに応じて前記電磁石巻線に流す電流の直流成分を増加させる直流成分生成手段と、前記演算手段により演算された振動の大きさに応じた振幅の所定周波数の交流電流成分を前記電磁石巻線に流す電流に重畳する交流成分生成手段と、を含むことを特徴とする。

また、本発明の請求項４記載の磁気軸受装置は、請求項２もしくは３のいずれかに記載の磁気軸受装置であって、前記検出手段は、前記回転体の回転軸に対して傾斜した端面部と、その端部面に対向して配置された複数の変位センサとを含み、前記回転体の回転軸に対する前記端面部の傾斜角と前記変位センサの出力とを基に前記回転体の半径方向への変位量を演算し、その変位量に従って変化する変位信号を生成することを特徴とする。

また、本発明の請求項５記載の磁気軸受装置は、請求項１ないし４のいずれかに記載の磁気軸受装置であって、空隙を介して対応する固定子側軸受磁極と回転子側軸受磁極の組を複数備え、その組のうちの少なくとも１つの組の固定子側の溝には永久磁石が挿入されていることを特徴とする。

また、本発明の請求項６記載の磁気軸受装置は、請求項１ないし４のいずれかに記載の磁気軸受装置であって、回転子側軸受磁極の両面に固定子側軸受磁極を空隙を介して対応させ、各固定子側軸受磁極の溝に電磁石巻線が挿入されていることを特徴とする。

また、本発明の請求項７記載の磁気軸受装置は、請求項６記載の磁気軸受装置であって、回転子側軸受磁極の両面に固定子側軸受磁極を空隙を介して対応させた組を複数備え、その組のうちの少なくとも１つの組の各固定子側軸受磁極の溝には永久磁石が挿入されていることを特徴とする。

本発明によれば、回転体にラジアル方向（半径方向）の振動が発生したときに、電磁石巻線に流す電流の直流成分を増加させるので、磁束を増加させてダンパ用電極部材に発生する渦電流を増加させることができる。さらに、電磁石巻線に流す電流に交流電流成分を重畳させるので、その交流電流成分に従って変化する磁束を発生させてダンパ用電極部材に自ら渦電流を発生させることができる。そのため、ダンパ効果を増大させることができる。このように、電磁石巻線に流す電流の直流成分を増加させることで磁気軸受の剛性とダンパ効果を向上させるとともに、電磁石巻線に流す電流に交流電流成分を重畳することでダンパ効果をさらに向上させることができる。さらに、回転体に加わる外乱に応じてダンパ効果を調整することができる。よって、回転体にラジアル方向（半径方向）の振動が発生したときに、最適なダンパ効果を得て速やかに振動を低減できる。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における磁気軸受装置の概略断面および概略構成を示す図である。図１において、１は回転体、２、３は回転子側軸受磁極、４は変位センサターゲット、５は工具、６〜９は固定子側軸受磁極、１０、１１は変位センサ、１２、１３は電磁石巻線、１４、１５は永久磁石、１６〜１９はダンパ用電極部材、２０はケーシングである。また図１において、２１はラジアル、スラスト変位分離処理手段、２２は加算器、２３は位相補償処理手段、２４は加算器、２５はパワー増幅器、２６は回転体振動減衰指令処理手段、２７はバイアス信号発生処理手段、２８は交流信号発生処理手段である。

回転体１には、回転子側軸受磁極２、３、変位センサターゲット４、および工具５が取り付けられている。ケーシング２０には、固定子側軸受磁極６〜９および変位センサ１０、１１が取り付けられている。固定子側軸受磁極６〜９は回転子側軸受磁極２、３から微小間隔の距離をおいて空隙を介して配置されており、回転体１は非接触で支持されている。

回転子側軸受磁極２、３の各々の両磁極面には回転体１の回転中心を中心とするリング状の溝が１つ設けられており、回転子側軸受磁極２、３の各々の両磁極面には回転体１の回転中心を中心とするリング状の２つの磁極歯が形成されている。なお、ここでは溝は１つであるが、複数設けてもよく、その場合、各溝は、回転体１の回転中心を中心とする同心円状に設ける。

回転子側軸受磁極２、３の磁極面に対向する固定子側軸受磁極６〜９の磁極面には回転体１の回転中心を中心とするリング状の溝が回転子側軸受磁極２、３の溝に対応して設けられており、固定子側軸受磁極６〜９の磁極面には回転子側軸受磁極２、３の磁極歯に対応した磁極歯が形成されている。

固定子側軸受磁極６、７の溝には電磁石巻線１２、１３が挿入されており、固定子側軸受磁極８、９の溝には永久磁石１４、１５が挿入されている。永久磁石には、高い吸引力を得るために希土類鉄系磁石などを使用する。なお、磁極面に複数の溝が設けられている場合には、少なくとも１つの溝に電磁石巻線または永久磁石を挿入する。

当該磁気軸受装置は、回転体１の回転軸に対して傾斜した端面部として変位センサターゲット４を有する。変位センサターゲット４は、回転体１の回転中心を中心とするリング状に配置される。変位センサターゲット４は、回転体１の軸方向に対してθ°傾斜した傾斜面を有する。変位センサ１０、１１は変位センサターゲット４の傾斜面に垂直に対向して配置される。また変位センサ１０と変位センサ１１は、回転体１の中心を中心線として対称な位置に配置される。変位センサ１０、１１は、変位センサターゲット４の変位量を検出して、検出信号を生成する。変位センサとしては、よく知られた渦電流形センサ、静電容量形センサ、光学式センサなどを使用する。

また、当該磁気軸受装置は、回転子側軸受磁極２、３と固定子側軸受磁極６〜９の間にダンパ用電極部材１６〜１９を有する。ダンパ用電極部材１６〜１９は、固定子側軸受磁極６〜９の磁極面に取り付けられている。ダンパ用電極部材１６〜１９は回転体１の回転中心を中心とするリング状に配置されている。図１に示す磁気軸受装置では、ダンパ用電極部材１６〜１９は、ラジアル方向（回転体１の半径方向）の幅が固定子側軸受磁極６〜９の磁極歯のラジアル方向の幅より広く、固定子側軸受磁極６〜９の各々に形成されている複数の磁極歯の全面を覆うように設けられているが、磁極歯ごとにその磁極歯のラジアル方向の幅と同程度の幅で設けてもよい。ダンパ用電極部材としては、渦電流が流れやすい電気良導体の銅やアルミなどを用いる。

また、当該磁気軸受装置は、回転体１のラジアル方向への変位量を検出して、回転体１のラジアル方向への振動の大きさを求め、その求めた振動の大きさに応じて電磁石巻線１２、１３に流す電流の直流成分を増加させるとともに、その求めた振動の大きさに応じた振幅の交流電流成分を電磁石巻線１２、１３に流す電流に重畳するフィードバック制御処理手段として、変位センサターゲット４、変位センサ１０、１１、ラジアル、スラスト変位分離処理手段２１、加算器２２、位相補償処理手段２３、加算器２４、パワー増幅器２５、回転体振動減衰指令処理手段２６、バイアス信号発生処理手段２７、交流信号発生処理手段２８を有する。

また、当該磁気軸受装置は、回転体１のラジアル方向への変位量を検出する検出手段として、変位センサターゲット４と、変位センサ１０、１１と、ラジアル、スラスト変位分離処理手段２１を有する。

また、当該磁気軸受装置は、検出された回転体１のラジアル方向への変位量を基に回転体１のラジアル方向への振動の大きさを演算する演算手段として回転体振動減衰指令処理手段２６を有する。

また、当該磁気軸受装置は、演算された回転体１のラジアル方向への振動の大きさに応じて電磁石巻線１２、１３に流す電流の直流成分を増加させる直流成分生成手段としてバイアス信号発生処理手段２７を有する。

また、当該磁気軸受装置は、検出された回転体１のラジアル方向への変位量と演算された回転体１のラジアル方向への振動の大きさとを基に、回転体１のラジアル方向への振動に応じた振幅と周波数の交流電流成分を電磁石巻線１２、１３に流す電流に重畳する交流成分生成手段として交流信号発生処理手段２８を有する。

続いて、ラジアル方向の磁気浮上による支持について説明する。固定子側軸受磁極６、７に取り付けられている電磁石巻線１２、１３に電流を流し磁束を発生させ、磁気回路を形成する。この磁束により、固定子側軸受磁極６、７と回転子側軸受磁極２との間に軸方向の磁気吸引力に基づく推力が発生する。さらに、回転体１のラジアル方向への変位に対して、固定子側軸受磁極６、７と回転子側軸受磁極２の磁極歯の対向面積の減少に伴う磁気エネルギの減少に逆らうラジアル方向の力が発生し、その力が回転体１のラジアル方向への移動を押し戻す。

同様に、固定子側軸受磁極８、９に取り付けられている永久磁石１４、１５により発生する磁束によって磁気回路が形成され、この磁束により、固定子側軸受磁極８、９と回転子側軸受磁極３との間に軸方向の磁気吸引力に基づく推力が発生する。さらに、回転体１のラジアル方向への変位に対して、固定子側軸受磁極８、９と回転子側軸受磁極３の磁極歯の対向面積の減少に伴う磁気エネルギの減少に逆らうラジアル方向の力が発生し、その力が回転体１のラジアル方向への移動を押し戻す。

続いて、スラスト方向（回転体１の軸方向）の磁気浮上による支持について詳しく説明する。当該磁気軸受装置は、電磁石巻線１２、１３に流す電流の直流成分を回転体１のスラスト方向への変位量に応じて制御して、電磁石巻線１２、１３により発生する磁束を制御することで、回転体１のスラスト方向の位置が目標位置となるようにする。

変位センサ１０、１１からの検出信号は、ラジアル、スラスト変位分離処理手段２１に入力される。ラジアル、スラスト変位分離処理手段２１は、変位センサ１０の検出信号から変位センサ１１の検出信号を減算した信号と、回転体１の回転軸と変位センサターゲット４の傾斜面との角度θと、を基に回転体１のラジアル方向への変位量を演算する。さらに、ラジアル、スラスト変位分離処理手段２１は、変位センサ１０と変位センサ１１の検出信号を加算した信号と、回転体１の回転軸と変位センサターゲット４の傾斜面との角度θと、を基に回転体１のスラスト方向への変位量を演算する。ラジアル、スラスト変位分離処理手段２１は、回転体１のラジアル方向への変位量を示すラジアル方向変位信号とスラスト方向への変位量を示すスラスト方向変位信号を生成する。

加算器２２は、ラジアル、スラスト変位分離処理手段２１からのスラスト方向変位信号と、回転体１のスラスト方向目標位置を示す位置指令信号と、を入力する。そして、加算器２２は、位置指令信号からスラスト方向変位信号を減算し、その減算した信号を位相補償処理手段２３に入力する。

位相補償処理手段２３は、加算器２２からの信号に所定の位相補償処理を施す。位相補償処理手段２３により位相補償された信号が加算器２４を介してパワー増幅器２５に入力される。パワー増幅器２５はその信号に基づく電流を電磁石巻線１２、１３に流し、固定子側軸受磁極６、７と回転子側軸受磁極２との間に生じる磁気吸引力によって回転体１のスラスト方向の位置を浮上制御する。これをスラスト制御ループと称す。位相補償処理手段２３を用いることで、このスラスト制御ループの発振を回避できる。

続いて、ダンパ効果（回転体１のラジアル方向の振動の減衰作用）について説明する。固定子側軸受磁極６〜９に取り付けられたダンパ用電極部材１６〜１９はリング状の制動導体として作用する。つまり、回転体１にラジアル方向の振動が生じたとき、磁束の変化に基づくダンパ用電極部材１６〜１９内部に発生する渦電流がその振動のエネルギを吸収して、振動の減衰を促進する。当該磁気軸受装置は、電磁石巻線１２、１３に流す電流を回転体１のラジアル方向への変位量に応じて制御して、電磁石巻線１２、１３により発生する磁束を制御することで、ダンパ用電極部材１６〜１９の内部に発生する渦電流を制御して、ダンパ効果を調整する。

ラジアル、スラスト変位分離処理２１からのラジアル方向変位信号は回転体振動減衰指令処理手段２６と交流信号発生処理手段２８に入力される。ラジアル方向変位信号は、回転体１のラジアル方向への変位量と振動周波数に応じた振幅と周波数をもつ信号である。

減衰指令処理手段２６は、ラジアル方向変位信号の振幅を基に回転体１の振動の大きさ（例えば、回転体１のラジアル方向への変位量の１周期ごとの最大値）を演算し、その演算結果を示す信号を回転体の振動を減衰させる指令信号としてバイアス信号発生処理手段２７と交流信号発生処理手段２８へ出力する。

バイアス信号発生処理手段２７は、回転体１のラジアル方向への振動の大きさに応じて電磁石巻線１２、１３に流す電流の直流成分を増加させるためのバイアス信号を生成して、加算器２４へ出力する。パワー増幅器２５は位相補償処理手段２３からの信号にバイアス信号発生処理手段２７からの信号が加算されて直流成分が増加した信号に基づく電流を電磁石巻線１２、１３に流す。よって、電磁石巻線１２、１３に流す電流の直流成分が増加する。

なお、電磁石巻線１２、１３に流す電流の直流成分を増加させることにより回転体１のスラスト方向の位置が変化しないようにするために、電磁石巻線１２、１３に流れる電流の直流成分の増加量が同じになるようにする必要がある。

電磁石巻線１２、１３に流れる電流の直流成分が増加すると、磁気回路のスラスト方向の磁束が増加して、ダンパ用電極部材１６、１７を横切る磁束の変化に伴い発生する渦電流値が増加する。その結果、その渦電流によって発生する、回転体１のラジアル方向への変位を戻す力（ローレンツ力）が増加するので、ダンパ効果を増加させることができる。

交流信号発生処理手段２８は、回転体１のラジアル方向への振動の大きさに応じたゲインをラジアル方向変位信号に乗じてその変位信号の振幅を増加または減少させることで、回転体１のラジアル方向の振動周波数と同じ周波数の交流電流成分を電磁石巻線１２、１３に流れる電流に重畳させるための交流信号を生成して、加算器２４に出力する。パワー増幅器２５は位相補償処理手段２３からの信号に交流信号発生処理手段２８からの信号が加算されて交流電流成分が重畳された信号に基づく電流を電磁石巻線１２、１３に流す。よって、電磁石巻線１２、１３に流す電流に交流電流成分が重畳される。

なお、電磁石巻線１２、１３に流す電流に交流電流成分を重畳することにより回転体１のスラスト方向の位置が変化しないようにするために、電磁石巻線１２、１３に流れる交流電流成分の振幅、周波数、位相が同じになるようにする必要がある。

電磁石巻線１２、１３に流れる電流に交流電流成分を重畳することで、ダンパ用電極部材１６、１７に、回転体１のラジアル方向の変位によって発生する渦電流とは別の渦電流が発生するので、ダンパ効果をさらに増大させることができる。

（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２における磁気軸受装置の概略断面および概略構成を示す図である。但し、前述の実施の形態１で説明した部材と同一の部材には同一符号を付して、説明を省略する。

本実施の形態２では、回転体のラジアル方向への変位量を示すラジアル方向変位信号の回転体の回転周波数成分を減衰させ、その信号を用いて電磁石巻線に流す電流に重畳する交流電流成分を生成する構成にした点が前述した実施の形態１と異なる。それ以外の構成は実施の形態１と同様である。

図２において、２９は回転周波数検出処理手段、３０は回転周波数信号減衰処理手段である。本実施の形態２では、ラジアル、スラスト変位分離処理２１により生成されたラジアル方向変位信号は、回転周波数検出処理手段２９と回転周波数信号減衰処理手段３０へ入力される。

回転周波数検出処理手段２９は、ラジアル方向変位信号を微分器に通し、Ｆ／Ｖ変換することで回転体１の回転周波数を演算し、その演算結果を示す回転周波数検出信号を生成して回転周波数信号減衰処理手段３０に入力する。

回転周波数信号減衰処理手段３０は、回転周波数検出処理手段２９からの回転周波数検出信号を基に、ラジアル方向変位信号の回転体１の回転周波数成分を減衰させ、減衰指令処理手段２６に出力する。回転周波数成分を減衰させる処理としては、例えばノッチフィルタによりラジアル方向変位信号の回転体１の回転周波数成分を減衰する。

回転体振動減衰指令処理手段２６は、回転周波数信号減衰処理手段３０からの信号の振幅を基に回転体１の振動の大きさ（例えば、回転体１のラジアル方向への変位量の１周期ごとの最大値）を演算し、その演算結果を示す信号を回転体の振動を減衰させる指令信号としてバイアス信号発生処理手段２７と交流信号発生処理手段２８へ出力する。

バイアス信号発生処理手段２７は、前述した実施の形態１と同様に、回転体１のラジアル方向への振動の大きさに応じて電磁石巻線１２、１３に流す電流の直流成分を増加させるためのバイアス信号を生成する。

なお、前述の実施の形態１と同様に、電磁石巻線１２、１３に流す電流の直流成分を増加させることにより回転体１のスラスト方向の位置が変化しないようにするために、電磁石巻線１２、１３に流れる電流の直流成分の増加量が同じになるようにする必要がある。

交流信号発生処理手段２８は、回転体１のラジアル方向への振動の大きさに応じた振幅の所定周波数の交流電流成分を電磁石巻線１２、１３に流れる電流に重畳させるための交流信号を生成する。この交流信号の周波数は、実際に回転体１が回転することが可能な回転周波数よりも高い周波数に設定する必要がある。

なお、前述の実施の形態１と同様に、電磁石巻線１２、１３に流す電流に交流電流成分を重畳することにより回転体１のスラスト方向の位置が変化しないようにするために、電磁石巻線１２、１３に流れる交流電流成分の振幅、周波数、位相が同じになるようにする必要がある。

本実施の形態２における磁気軸受装置は、前述した実施の形態１における磁気軸受装置と比較して、回転体のアンバランス量が比較的大きく回転振れが大きい場合でもその影響を抑制して効果的にダンパ効果を増大させる構成となっている。

なお、上記実施の形態１、２では、電磁石巻線と永久磁石を併用した構成について説明したが、電磁石巻線のみを用いた構成としてもよい。また、１つの回転子側軸受磁極に対して２つの固定子側軸受磁極を設けた構成について説明したが、１つの回転子側軸受磁極に対して固定子側軸受磁極を１つ設ける構成としてもよい。また、回転子側軸受磁極を２つ設けた構成について説明したが、回転子側軸受磁極を１つ以上設けた構成であっても同様に実施できる。

本発明にかかる磁気軸受装置は回転体に加わる外乱の大きさに応じてダンパ効果を増大させることができるので、回転体に加わる外乱が大きく変化する用途に一般的に適用でき、特に工作機械用の磁気軸受装置において有効である。

本発明の実施の形態１における磁気軸受装置の概略断面および概略構成を示す図 本発明の実施の形態２における磁気軸受装置の概略断面および概略構成を示す図 従来の磁気軸受を説明するための断面図

符号の説明

１、１０１ 回転体
２、３、１０２ 回転子側軸受磁極
４ 変位センサターゲット
５ 工具
６〜９、１０３ 固定子側軸受磁極
１０、１１ 変位センサ
１２、１３ 電磁石巻線
１４、１５ 永久磁石
１６〜１９ ダンパ用電極部材
２０ ケーシング
２１ ラジアル、スラスト変位分離処理手段
２２ 加算器
２３ 位相補償処理手段
２４ 加算器
２５ パワー増幅器
２６ 回転体振動減衰指令処理手段
２７ バイアス信号発生処理手段
２８ 交流信号発生処理手段
２９ 回転周波数検出処理手段
３０ 回転周波数信号減衰処理手段
１０４ 励磁巻線
１０５、１０６ ダンパリング
１０７、１０８ 溝
１０９、１１０ 磁極歯

Claims (7)

1. 固定子側軸受磁極と回転子側軸受磁極を空隙を介して対応させ、該空隙に面するそれぞれの磁極に回転体の回転中心を中心とする同心円状の溝を少なくとも１つ有し、固定子側の溝の少なくとも１つに電磁石巻線が挿入され、前記固定子側軸受磁極と前記回転子側軸受磁極の間にダンパ用電極部材を有した磁気軸受装置であって、
   前記回転体の半径方向への変位量を検出して、前記回転体の半径方向への振動の大きさを求め、その求めた振動の大きさに応じて前記電磁石巻線に流す電流の直流成分を増加させるとともに、その求めた振動の大きさに応じた振幅の交流電流成分を前記電磁石巻線に流す電流に重畳するフィードバック制御処理手段
   を具備することを特徴とする磁気軸受装置。
2. 前記フィードバック制御処理手段は、
   前記回転体の半径方向への変位量を検出する検出手段と、
   前記検出手段により検出された変位量を基に前記回転体の半径方向への振動の大きさを演算する演算手段と、
   前記演算手段により演算された振動の大きさに応じて前記電磁石巻線に流す電流の直流成分を増加させる直流成分生成手段と、
   前記検出手段により検出された変位量と前記演算手段により演算された振動の大きさとを基に、前記回転体の半径方向への振動に応じた振幅と周波数の交流電流成分を前記電磁石巻線に流す電流に重畳する交流成分生成手段と、
   を含むことを特徴とする請求項１記載の磁気軸受装置。
3. 前記フィードバック制御処理手段は、
   前記回転体の半径方向への変位量を検出し、その変位量に従って変化する変位信号を生成する検出手段と、
   前記変位信号の前記回転体の回転周波数成分を減衰させる減衰手段と、
   前記回転体の回転周波数成分が減衰された前記変位信号を基に前記回転体の半径方向への振動の大きさを演算する演算手段と、
   前記演算手段により演算された振動の大きさに応じて前記電磁石巻線に流す電流の直流成分を増加させる直流成分生成手段と、
   前記演算手段により演算された振動の大きさに応じた振幅の所定周波数の交流電流成分を前記電磁石巻線に流す電流に重畳する交流成分生成手段と、
   を含むことを特徴とする請求項１記載の磁気軸受装置。
4. 前記検出手段は、前記回転体の回転軸に対して傾斜した端面部と、その端部面に対向して配置された複数の変位センサとを含み、前記回転体の回転軸に対する前記端面部の傾斜角と前記変位センサの出力とを基に前記回転体の半径方向への変位量を演算し、その変位量に従って変化する変位信号を生成することを特徴とする請求項２もしくは３のいずれかに記載の磁気軸受装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の磁気軸受装置であって、空隙を介して対応する固定子側軸受磁極と回転子側軸受磁極の組を複数備え、その組のうちの少なくとも１つの組の固定子側の溝には永久磁石が挿入されていることを特徴とする磁気軸受装置。
6. 回転子側軸受磁極の両面に固定子側軸受磁極を空隙を介して対応させ、各固定子側軸受磁極の溝に電磁石巻線が挿入されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の磁気軸受装置。
7. 請求項６記載の磁気軸受装置であって、回転子側軸受磁極の両面に固定子側軸受磁極を空隙を介して対応させた組を複数備え、その組のうちの少なくとも１つの組の各固定子側軸受磁極の溝には永久磁石が挿入されていることを特徴とする磁気軸受装置。
   

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