JP2008069964A - ハイブリッド型磁気軸受 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数の電磁石と永久磁石の磁気力を制御して非接触状態で支持する支持対象物を有するハイブリッド型磁気軸受であって、支持対象物を挟んで軸方向に対向する第1の突極と第2の突極を両端部に配設する軸受コアを、支持対象物を挟んで径方向に対向するように配設し、軸受コアに電磁石用コイルを巻着するとともに、軸受コアを挟んで配設する永久磁石の磁極を同一に配設するハイブリッド型磁気軸受である。
【選択図】 図1
Description
特許文献1によれば、円周上の外面または内面に多数の突極を持つロータと、このロータの外側または内側に対向する突極と上下に案内用の突極を持ったステータコアを2つで1組とし、この間に永久磁石を挟んでバイアス磁束を与え、上下の突極に巻かれた位置制御用のコイルによってロータの磁気浮上制御を行い、ロータの外面または内面に対向した突極に巻かれた駆動用のコイルがロータに回転トルクを与えるマルチポール磁気浮上回転方法およびその装置により小型化を行う提案がされている。
本発明の他の態様のある複数の電磁石と永久磁石の磁気力を制御して非接触状態で支持する支持対象物を有するハイブリッド型磁気軸受であって、前記支持対象物を挟んで軸方向に対向する第1の突極と第2の突極を両端部に配設する軸受コアの前記第1の突極と前記第2の突極の間に第3の突極を設け、前記支持対象物を挟んで径方向に対向するように配設し、前記第3の突極と前記軸受コア本体部分に電磁石用コイルを巻着するとともに、前記軸受コアを挟んで配設する前記永久磁石の磁極を同一に配設する構成とする。
本発明の他の態様の複数の電磁石と永久磁石の磁気力を制御して非接触状態で支持する支持対象物を有するハイブリッド型磁気軸受であって、前記支持対象物を挟んで軸方向に対向する第1の突極と第2の突極を両端部に配設する軸受コアを対向するように配設し、前記軸受コアに電磁石用コイルを巻着するとともに、前記軸受コアを挟んで配設する前記永久磁石の磁極を同一に配設する構成である。
また、複数の電磁石と永久磁石の磁気力を制御して非接触状態で支持する支持対象物を有するハイブリッド型磁気軸受であって、前記支持対象物を挟んで軸方向に対向する第1の突極と第2の突極を両端部に配設する軸受コアを対向するように配設し、前記軸受コアに電磁石用コイルを巻着し、前記軸受コアの両端に前記電磁石用コイルを挟み対向して前記永久磁石を配置し、前記永久磁石の磁極を前記軸受コアを挟んで同一に配設する構成である。
(実施例1)
本発明であるハイブリッド型磁気軸受は、4つの磁気軸受を使いプッシュプル方式により支持対象物(ロータなどの磁気支持対象)を浮上制御するものである。
。
制御磁束(c−1)は、軸受コア1(図2で示す1a)のコア本体を介して突極3(図2で示す3a)側の端部(下向き)より支持対象物2の上端部に発生する。そして、支持対象物2の上端部より下端部に抜け、突極3(図2で示す3c)側の端部(上向き)より、軸受コア1に発生する。制御磁束(c−2)は、軸受コア1(図2で示す1b)のコア本体を介して突極3(図2で示す3b)側の端部(下向き)より支持対象物2の上端部に発生する。そして、支持対象物2の上端部より下端部に抜け、突極3(図2で示す3d)側の端部(上向き)より、軸受コア1に発生する。
減少する。
なお、逆に電磁石に図2と逆方向の制御磁束を発生させると上記説明と逆方向への磁気吸引力が発生する。
また、各軸受コアを個別に制御することで軸方向の制御のみならず、径方向軸周りの傾きの制御も可能となる。
(浮上制御方法の説明)
上記説明したように磁気軸受の中央に設置してある永久磁石4によって、図2の破線のようにバイアス磁束が流れている。ここで、支持対象物2が図の下方向にずれたときには磁気軸受に設置される電磁石用コイル6によって図2の実線のように磁束を流す。これにより、図2の上のエアギャップの磁束を強め、下側のエアギャップの磁束を弱める。したがって、支持対象物には図の上向きの吸引力が加わり支持対象物を中心に戻すことが可能となる。ラジアル方向の位置は受動安定性で支持する。
図4、5に本磁気軸受の制御システムを示す。図4に示すセンサ7a〜7cを永久磁石以外の部分の電磁石間に設置する。センサ7a〜7cは、支持対象物2の変位により永久磁石4によるバイアス磁束が変化する量を検出し磁束の変化量より変位と傾きを推定する。
磁気軸受の各コイルにアンプを介して電流を流した。アンプはパワーアンプを使用し、入力電流に比例した電流を供給する。制御にはディジタルPID制御を用いる。また、センサの信号はA/Dコンバータ51を介して、磁気軸受の各コイルに流す電流値を計算し、D/Aコンバータ513を介してアンプに出力する。
力電圧を距離ZX、ZYに変換する。次に、その距離からアキシャル方向の位置Zと傾きθX、θYを求め、目標差をPIDコントローラに入力することによって、それぞれの制御のためにコイルに流す電流値を決定する。次に、アキシャル方向の位置制御の電流値Izと傾き制御の電流値IθX、IθYを一方では足し、もう一方では引くことによって4つの電磁石用コイル6に流す電流値を決定する。
(変形例)
図6に示す永久磁石の形状は、曲面を有する形状ではなく略平面となるように形成した図である。このように配置することによりコストを下げることができ磁気軸受の小型化ができる。
(実施例2)
図7は、本発明である3突極形のハイブリッド型磁気軸受の構造を示す正面上側からの斜視図である。図7に示す本発明のハイブリッド型磁気軸受は、ステータ(軸受コア8と永久磁石から構成)、支持対象物2から構成される。ただし、図7では説明のため図1に示した永久磁石は図示していない。実際には永久磁石4を図1に示したように軸受コア8間に配設する。
バイアス磁束(破線)Bpは、第2の磁極から第1の磁極の方向に発生し、さらに、バイアス磁束の一方は、軸受コア8の本体上側を介して下向きの突極の端部より支持対象物
2を介し発生する(Bp1)。また、軸受コア8の他方は本体下側を介して上向きの突極の端部より支持対象物2を介し発生する(Bp2)。また、突極10には支持対象物方向にバイアス磁束が発生する(Bp3)。これらのバイアス磁束Bp1、Bp2、Bp3は支持対象物2で合成され、支持対象物2に磁束が発生する。このように各軸受コア8と支持対象物2にはバイアス磁束が同じように発生する。
このとき数式8に示すように上側方向の吸引力F1と下側方向の吸引力F2は、バイアス磁束(破線)Bp、制御磁束(実線)Be、軸受コア8の上側と下側の端部断面積A、真空時透磁率μ0によりを示すことができる。
(浮上制御回路)
図9、10に本磁気軸受の制御システムを示す。図9に示すセンサ7a〜7cを永久磁石以外の部分の電磁石間に設置する。センサ7a〜7cは、支持対象物2の変位により永久磁石4によるバイアス磁束が変化する量を検出し磁束の変化量より変位を推定する。さらにセンサ9aと9bを設置することで、上記径方向の制御を行う。
(実施例3)
図11は、本発明であるステータ(軸受コア1と永久磁石4から構成)の全体を支持対象物2で被う形のハイブリッド型磁気軸受の構造を示す正面上側からの斜視図である。
電磁石用コイル6は軸受コア1に巻回される。電磁石用コイル6は永久磁石4の配設された軸受コア1の両端に分割または直列に構成する。また、軸受コア1のどちらか一方の端に構成してもよい。
支持対象物2はステータ(軸受コア1と永久磁石4、電磁石用コイル6から構成)を被うように配置される(インナーステータ)。
(磁路説明)
永久磁石4により破線で示した方向にバイアス磁束(b−1、b−2)が発生する。バイアス磁束(b−1、b−2)は、第2の磁極から第1の磁極の方向に発生し、バイアス磁束の一方(b−1)は、軸受コア1のコア本体を介して突極3a側の端部より支持対象物2に流れ込み、突極3b側の端部から軸受コア1のコア本体を介して第2の磁極に戻る。また、バイアス磁束のもう一方(b−2)は、軸受コア1のコア本体を介して突極3c側の端部より支持対象物2に流れ込み、突極3d側の端部から軸受コア1のコア本体を介して第2の磁極に戻る。
、突極3b側の端部より支持対象物2に流れ込み、支持対象物2側面を通り、突極3d側の端部から軸受コア1bに戻る経路と軸受コア1aを通り軸受コア1bに戻る経路となる。
なお、軸受コア1a、1bに基づいた磁路以外については説明を省略するが、他の磁路についても上記と同じように発生する。
(浮上制御説明)
突極3aと支持対象物2のギャップでは、制御磁束(c−1)をバイアス磁束(b−1)と同じ方向に発生させる。その結果、磁束密度が増加し、上方向への磁気吸引力が発生する。同様に突極3bと支持対象物2のギャップでは、制御磁束(c−2)をバイアス磁束(b−1)と同じ方向に発生させる。その結果、磁束密度が増加し、上方向への磁気吸引力が発生する。一方、突極3cと支持対象物2のギャップでは、制御磁束(c−1)はバイアス磁束(b−2)と反対方向に発生しており、磁束が打ち消し合い磁束密度が減少する。同様に突極3dと支持対象物2のギャップでは、制御磁束(c−2)が打ち消しあい磁束密度が減少する。このようにして、支持対象物2の一方端で磁束を強め、他端で磁束を弱め、軸方向の磁気力を発生する。
(変形例)
図12に示す支持対象物2の形状は、実施例3のようにステータの全体を磁性体で被う形状ではなくカゴ形形状としたものである。図12に示すようにステータ形状をすることにより、支持対象物2の軽量化、製作の簡単化、製作コストの削減ができる。また、カゴ形の支持対象物2の材質は、磁性軟鉄、磁性ステンレス、圧粉磁心などの(軟磁性材料)を使用する。ただし、支持対象物2の柱2bは非磁性ステンレス、アルミニウムなどの(非磁性材料)でも良い。なお、支持対象物2の材質は上記説明した材料に限定されるものではない。
(変形例)
図13に、実施例1に示したハイブリッド型磁気軸受の変形例を正面上側からの斜視図により示す。
吸引力が発生でき、小型化も可能である。この永久磁石4と電磁石用コイル6の配置は実施例3においても可能であり、同様に強力な磁気吸引力が発生可能となり、小型化も可能である。
4 永久磁石、6 電磁石用コイル、7 センサ
8 軸受コア、9 電磁石用コイル、10 突極(第3の突極)
51 A/Dコンバータ、52 Zy2算出部
53 軸方向コントローラ、54 Y方向コントローラ、55 X方向コントローラ
56〜58 PIDコントローラ
59〜512、514 加算器
513 D/Aコンバータ
101 A/Dコンバータ
102 X軸方向移動量コントローラ、103 Y軸方向移動量コントローラ
104、105 PIDコントローラ
106、107 乗算器
108 D/Aコンバータ
109、110 加算器
Claims (7)
- 複数の電磁石と永久磁石の磁気力を制御して非接触状態で支持する支持対象物を有するハイブリッド型磁気軸受であって、
前記支持対象物を挟んで軸方向に対向する第1の突極と第2の突極を両端部に配設する軸受コアを、前記支持対象物を挟んで径方向に対向するように配設し、前記軸受コアに電磁石用コイルを巻着するとともに、前記軸受コアを挟んで配設する前記永久磁石の磁極を同一に配設することを特徴とするハイブリッド型磁気軸受。 - 前記電磁石用コイルは、前記永久磁石が発生するバイアス磁束と同方向または逆方向に制御磁束を発生し、前記支持対象物の位置を制御することを特徴とする請求項1に記載のハイブリッド型磁気軸受。
- 複数の電磁石と永久磁石の磁気力を制御して非接触状態で支持する支持対象物を有するハイブリッド型磁気軸受であって、
前記支持対象物を挟んで軸方向に対向する第1の突極と第2の突極を両端部に配設する軸受コアの前記第1の突極と前記第2の突極の間に第3の突極を設け、前記支持対象物を挟んで径方向に対向するように配設し、前記第3の突極と前記軸受コア本体部分に電磁石用コイルを巻着するとともに、前記軸受コアを挟んで配設する前記永久磁石の磁極を同一に配設することを特徴とするハイブリッド型磁気軸受。 - 前記電磁石用コイルは、前記永久磁石が発生するバイアス磁束と同方向または逆方向に制御磁束を発生し、前記支持対象物の位置を制御することを特徴とする請求項3に記載のハイブリッド型磁気軸受。
- 複数の電磁石と永久磁石の磁気力を制御して非接触状態で支持する支持対象物を有するハイブリッド型磁気軸受であって、
前記支持対象物を挟んで軸方向に対向する第1の突極と第2の突極を両端部に配設する軸受コアを対向するように配設し、前記軸受コアに電磁石用コイルを巻着するとともに、前記軸受コアを挟んで配設する前記永久磁石の磁極を同一に配設することを特徴とするハイブリッド型磁気軸受。 - 支持対象物をステータの外側に配置するインナーステータであることを特徴とする請求項5に記載のハイブリッド型磁気軸受。
- 複数の電磁石と永久磁石の磁気力を制御して非接触状態で支持する支持対象物を有するハイブリッド型磁気軸受であって、
前記支持対象物を挟んで軸方向に対向する第1の突極と第2の突極を両端部に配設する軸受コアを対向するように配設し、
前記軸受コアに電磁石用コイルを巻着し、前記軸受コアの両端に前記電磁石用コイルを挟み対向して前記永久磁石を配置し、
前記永久磁石の磁極を前記軸受コアを挟んで同一に配設することを特徴とするハイブリッド型磁気軸受。
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