JP2008224017A

JP2008224017A - 磁気軸受装置

Info

Publication number: JP2008224017A
Application number: JP2007067872A
Authority: JP
Inventors: Hironori Kameno; 浩徳亀野
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2007-03-16
Filing date: 2007-03-16
Publication date: 2008-09-25

Abstract

【課題】少数の電磁石で、フライホイールを有する回転体を安定良く支持することができ、回転体を短くして、高速回転を可能にする磁気軸受装置を提供する。
【解決手段】磁気軸受装置は、少なくとも一部が円板状をなすフライホイール11を有する回転体10を、電磁石17a,17b,17c,17d,17e,17fにより軸方向および径方向に非接触支持する。フライホイール11の円板状部分を軸方向の両側から挟んで円板状部分を軸方向に吸引するための１対の電磁石が、円周方向に等間隔をおいた３箇所に１組ずつ配置され、円板状部分の両端面に、電磁石の磁極21a,21bと対向する円環状の突条15,16が形成されている。
【選択図】図３

Description

この発明は、余剰電力をフライホイールの回転運動エネルギに変換して貯蔵するフライホイール式電力貯蔵装置などに使用されて、フライホイールを有する回転体を電磁石の磁気吸引力により軸方向および径方向に非接触支持する磁気軸受装置に関する。

この種の磁気軸受装置として、従来、軸部にフライホイールが設けられた回転体を、１組の制御型アキシアル磁気軸受と２組の制御型ラジアル磁気軸受とで軸方向（アキシアル方向）および径方向（ラジアル方向）に非接触支持して、内蔵型電動モータにより回転駆動するものが知られている。

通常、アキシアル磁気軸受は、回転体のフランジ部を軸方向の両側から挟むように配置された１対の電磁石を備えている。各ラジアル磁気軸受は、回転体を互いに直交する２つの径方向の両側から挟むように配置された２対の電磁石を備えている。したがって、磁気軸受装置全体で、１０個（５対）の電磁石が必要であった。また、これら１０個の電磁石と、電動モータが回転体の軸部の周囲に配置されるため、回転体の長さが長くなり、それにより回転体の固有振動数が低くなり、その結果、高速回転が困難であるという問題があった。

一方、細長い軸状の回転体を少数の電磁石で軸方向および径方向に非接触支持する磁気軸受装置として、特許文献１に記載されたものが提案されている。
特開２００４−００３５７２号公報この磁気軸受装置は、軸の外周に、磁性材料よりなる円筒状のロータ部材が固定され、ロータ部材の両端の環状端面に対向するように電磁石が配置されたものである。

上記の磁気軸受装置では、ロータ部材の両端近傍に配置された２個の電磁石により、軸とロータ部材よりなる回転体を軸方向および径方向に非接触支持することができる。そして、２個の電磁石を制御することにより、回転体の軸方向の位置を制御するとともに、回転体の径方向の位置をある程度規制することができる。

しかし、２個の電磁石を制御するだけでは、回転体の傾きを制御することができず、回転体が傾いた場合、制御不能となる。このため、回転体を安定良く支持することができない。フライホイールを有する回転体の場合、傾きが発生しやすく、とくに安定性が悪くなる。

この発明の目的は、上記の問題を解決し、少数の電磁石で、フライホイールを有する回転体を安定良く支持することができ、回転体を短くして、高速回転を可能にする磁気軸受装置を提供することにある。

この発明による磁気軸受装置は、少なくとも一部が円板状をなすフライホイールを有する回転体を、電磁石により軸方向および径方向に非接触支持する磁気軸受装置において、前記フライホイールの円板状部分を軸方向の両側から挟んで円板状部分を軸方向に吸引するための１対の電磁石が、円周方向に等間隔をおいた３箇所に１組ずつ配置され、前記円板状部分の両端面に、前記電磁石の磁極と対向する円環状の突条が形成されていることを特徴とするものである。

３組の電磁石により、回転体が軸方向および径方向に非接触支持される。そして、各組の電磁石を個別に制御することにより、回転体の軸方向の位置を制御するとともに、回転体の傾きを制御することができる。また、円板状部分に形成された円環状の突条と対向する３組の電磁石の磁気吸引力により、回転体の径方向の位置が規制される。したがって、３組６個の電磁石で、回転体を軸方向および径方向に非接触支持するとともに、回転体の傾きを制御して、回転体を安定良く支持することができる。

また、従来のように回転体の軸部の周囲にアキシアル磁気軸受およびラジアル磁気軸受を配置する必要がなく、その分、回転体を短くすることができる。このため、回転体の固有振動数が高くなり、高速回転が可能になる。

この発明の磁気軸受装置において、たとえば、各組の電磁石について、電磁石に対応する位置における前記円板状部分の軸方向の変位を検出するための変位センサと、前記円板状部分の変位に基づいて電磁石を制御する電磁石制御手段とが設けられている。

このようにすると、各組の電磁石に対応する位置において、円板状部分の軸方向の位置が制御され、その結果、回転体の軸方向の位置および傾きが制御される。

この発明の磁気軸受装置において、たとえば、前記各電磁石が、前記回転体の回転駆動と吸引を行うモータ兼用電磁石である。

このようにすれば、従来のように回転体の軸部の周囲に電動モータを設ける必要がなく、さらに回転体を短くすることができる。

モータ兼用電磁石は、たとえば、共通のコイルに、位置制御用電流と、回転駆動用のモータ電流とを合わせた電流が供給されるものである。また、位置制御用電流を流すための位置制御用コイルと、モータ電流を流すためのモータ用コイルとが別に設けられているものであってもよい。たとえば、モータ電流は、正弦波状で、３組の電磁石について互いに１２０度の位相差が設けられている。

しかしながら、電磁石とは別に、回転体の回転駆動手段としての電動モータが設けられてもよい。

その場合、回転体に軸部が設けられ、軸部にモータのロータ部が設けられて、その周囲にモータのステータ部が設けられてもよい。また、フライホイールの一部にモータのロータが設けられ、その周囲にモータのステータ部が設けられてもよい。このようにすると、回転体を短くすることができる。

磁気軸受装置には、通常、電磁石を駆動していないときや回転体の変位が大きくなったときに回転体を機械的に支持するための２組のタッチダウン軸受が設けられる。

タッチダウン軸受は、回転体の軸部を受けるものであってもよいし、フライホイールを受けるものであってもよい。

電磁石がモータ兼用電磁石であって、タッチダウン軸受がフライホイールを受けるものである場合、回転体をフライホイールだけのものにすることができ、回転体をさらに短くすることができる。

また、電磁石とは別の電動モータがフライホイールの部分に設けられ、タッチダウン軸受がフライホイールを受けるものである場合も、回転体をフライホイールだけのものにすることができる。

この発明の磁気軸受装置によれば、上述のように、少数の電磁石で、フライホイールを有する回転体を安定良く支持することができ、回転体を短くして、高速回転を可能にすることができる。

各組の電磁石について、電磁石に対応する位置における円板状部分の軸方向の変位を検出するための変位センサと、円板状部分の変位に基づいて電磁石を制御する電磁石制御手段とが設けられていれば、各組の電磁石に対応する位置において、円板状部分の軸方向の位置を制御して、回転体の軸方向の位置および傾きを制御することができる。

各電磁石が、回転体の回転駆動と吸引を行うモータ兼用電磁石であれば、従来のように回転体の軸部の周囲に電動モータを設ける必要がなく、さらに回転体を短くすることができる。

以下、図面を参照して、この発明をフライホイール式電力貯蔵装置に使用される磁気軸受装置に適用した実施形態について説明する。

図１は磁気軸受装置の機械的構成を示す縦断面図（図２のＸ−Ｘ線の断面図）、図２は同水平断面図（図１のＹ−Ｙ線の断面図）、図３は図１の主要部を示す分解斜視図、図４は磁気軸受装置の電気的構成の主要部を示すブロック図である。

磁気軸受装置は、ケーブルにより接続された機械本体(1)およびコントローラ(2)を備えている。

磁気軸受装置は、上下が閉じた鉛直短円筒状のケーシング(3)の内側で軸心が鉛直な略円板状の回転体(4)が回転する縦型のものである。そして、後述するように、回転体(4)の鉛直な軸方向（アキシアル方向）の制御軸（アキシアル制御軸）についてのみ、回転体(4)の位置の制御が行われる。以下の説明において、このアキシアル制御軸をＺ軸とする。

ケーシング(3)は、上下が開口した短円筒状の側壁部(5)、側壁部(5)の上部開口を塞ぐように側壁部(5)の上端部に固定された円板状の頂壁部(6)、側壁部(5)の下端部内側に固定された穴あき円板状の底壁部(7)、および側壁部(5)の下部開口を塞ぐように底壁部(7)の下側から側壁部(5)の下端部に固定された底蓋(8)より構成されている。

ケーシング(3)の頂壁部(6)の下面中心に、下方に突出した円筒部(6a)が一体に形成され、円筒部(6a)の内側が凹部(6b)となっている。ケーシング(3)の底壁部(7)の中心に形成された開口の周縁に、上方に突出した円筒部(7a)が一体に形成され、円筒部(7a)の上端に、内向きフランジ部(7b)が一体に形成されている。

回転体(4)は、鉛直上の軸(10)に円板状のフライホイール(11)が一体に形成されたものである。フライホイール(11)は、軸(10)の中間部にある大径部(10a)の中間部に一体に形成されている。軸(10)の大径部(10a)より上方および下方の部分は小径部(10b)(10c)となっており、大径部(10a)と上下の小径部(10b)(10c)との間が肩部(10d)(10e)となっている。下側小径部(10c)の下部は、さらに小径のおねじ部(10f)となっている。間隔調整用カラー(12)とその下側に位置するタッチダウン用カラー(13)が、おねじ部(10f)の上端部にはめられ、おねじ部(10f)に下側からねじはめられたナット(14)により固定されている。フライホイール(11)の上下両面の同じ位置に、内外２つの円環状の突条(15)(16)が一体状にかつ同心状に形成されている。回転体(4)は、上側小径部(10b)がケーシング頂壁部(6)の凹部(6b)の内側に入り、下側小径部(10c)がケーシング底壁部(7)の円筒部(7a)の内側に入り、フライホイール(11)が頂壁部(6)と底壁部(7)の間に位置するように、ケーシング(3)内に配置されている。

ケーシング(3)内には、３対の電磁石(17a)(17b)(17c)(17d)(17e)(17f)、３対の変位センサ(18a)(18b)(18c)(18d)(18e)(18f)および上下２組のタッチダウン軸受(19)(20)が設けられている。電磁石は符号(17)で、変位センサは符号(18)で総称する。

電磁石(17)は、回転体(4)を軸方向および径方向に非接触支持するためのものであって、フライホイール(11)を上下方向から挟むように配置された1対のもので１組をなし、３組の電磁石(17)が、円周方向に等間隔をおいた３箇所に１組ずつ配置されている。変位センサ(18)についても、同様である。電磁石(17)および変位センサ(18)が配置された円周方向の３つの位置を、それぞれ、第１位置(A)、第２位置(B)および第３位置(C)と呼ぶことにする。

各電磁石(17)は、平面視円弧状のコア(21)にコイル(22)が巻かれたものである。上側の各電磁石(17)のコア(21)は、ケーシング(3)の軸心を通る半径方向の鉛直面内における断面形状が逆Ｕ状をなし、内外２つの平面視円弧状の磁極(21a)(21b)を有する。そして、外側の磁極(21b)に、コイル(22)が巻かれている。上側の各電磁石(17)は、コア(21)の内周側の面がケーシング頂壁部(6)の円筒部(6a)の外周面に密着し、コア(21)の上面がケーシング頂壁部(6)の下面に密着するように、ケーシング(3)内に固定され、内側の磁極(21a)がフライホイール(11)上面の内側の突条(15)に、外側の磁極(21b)がフライホイール(11)上面の外側の突条(16)に上側から対向している。下側の各電磁石(17)は、上側の各電磁石(17)と上下対称である。下側の各電磁石(17)は、コア(21)の内周側の面がケーシング底壁部(7)の円筒部(7a)の外周面に密着し、コア(21)の下面がケーシング底壁部(7)の上面に密着するように、ケーシング(3)内に固定され、内側の磁極(21a)がフライホイール(11)下面の内側の突条(15)に、外側の磁極(21b)がフライホイール(11)下面の外側の突条(16)に下側から対向している。この例では、各電磁石(17)は、回転体(4)の回転駆動と磁気吸引による位置制御を行うモータ兼用電磁石であり、共通のコイル(22)には、位置制御用電流とモータ電流とを合わせた電流が供給される。位置制御用電流は、たとえば、一定の定常電流（バイアス電流）に、回転体(4)の変位に応じて変化する制御電流とを合わせたものである。モータ電流は、たとえば、正弦波状で、３組の電流(17)について互いに１２０度の位相差が設けられている。

変位センサ(18)は、フライホイール(11)の軸方向の変位を検出するためのものである。各組の変位センサ(18)は、対応する組の電磁石(17)の円周方向中心位置の外側に位置し、フライホイール(11)の外周寄りの部分の上面および下面に対向するように、ケーシング頂壁部(6)の下面に固定された支持部材(23)の下端部およびケーシング底壁部(7)の上面に固定された支持部材(24)の上端部に取り付けられている。各変位センサ(18)は、フライホイール(11)の上面あるいは下面との距離（空隙）に比例する距離信号を出力する。

タッチダウン軸受(19)(20)は、回転体(4)の軸方向および径方向の可動範囲を規制して回転体(4)を電磁石(17)で支持していないときに回転体(4)を機械的に支持するためのものであって、アンギュラ玉軸受などの転がり軸受よりなる。上側のタッチダウン軸受(19)では、外輪が、ケーシング頂壁部(6)の円筒部(6a)の内周面に取り付けられ、内輪が、回転体(4)の軸(10)の上側小径部(10a)の周囲に、小径部(10a)外周面および肩部(10d)と所定の間隔をあけて位置している。下側のタッチダウン軸受(20)では、外輪が、ケーシング底壁部(7)のフランジ部(7b)の内周面に取り付けられ、内輪が、回転体(4)の軸(10)の肩部(10e)とタッチダウン用カラー(13)の間の小径部(10c)の周囲に、これらと所定の間隔をあけて位置している。２組のタッチダウン軸受(19)(20)はいずれも径方向の支持が可能なものであり、少なくとも１組は軸方向の支持も可能なものである。この例では、上側のタッチダウン軸受(19)は径方向の支持のみを行い、下側のタッチダウン軸受(20)は径方向の支持と軸方向の支持を行うようになっている。

図１〜図３には図示されていないが、機械本体(1)には、回転体(4)の回転数を検出するための回転センサ(25)が設けられている。

コントローラ(2)には、センサ回路(26)(27)、電磁石駆動回路(28)およびＤＳＰボード(29)が設けられ、ＤＳＰボード(29)には、電磁石制御手段を構成する、ソフトウェアプログラムが可能なディジタル処理手段としてのＤＳＰ(30)、ＡＤ変換器(31)(32)およびＤＡ変換器(33)が設けられている。

センサ回路(26)は、各変位センサ(18)を駆動し、各組の変位センサ(18)の出力に基づいて各位置(A)(B)(C)におけるフライホイール(11)のＺ軸方向の変位を検出し、変位信号ＺA、ＺB、ＺCをＡＤ変換器(31)を介してＤＳＰ(30)に出力する。さらに詳しくは、第１位置(A)における１対の変位センサ(18)の出力の差を演算することにより、この位置におけるフライホイール(11)の変位信号ＺAを求める。第２位置(B)および第３位置(C)においても、同様に、その位置におけるフライホイール(11)の変位信号ＺBおよびＺCを求める。

センサ回路(27)は、回転センサ(25)を駆動し、回転センサ(25)の出力を回転体(4)の回転数に対応する回転数信号に変換し、これをＡＤ変換器(32)を介してＤＳＰ(30)に出力する。

ＤＳＰ(30)は、ＡＤ変換器(31)から入力する各位置(A)(B)(C)における変位信号ＺA、ＺB、ＺCに基づいて、各位置におけるフライホイール(11)の変位が０になるような、各組の電磁石(17)に対する制御電流値を求め、これらに一定の定常電流値を加算して、各組の電磁石(17)に対する位置制御用電流値を求める。一方、ＤＳＰ(30)は、ＡＤ変換器(32)から入力する回転数信号に基づいて、回転体(4)を所定の回転数で回転させるために、各組の電磁石(17)に供給するモータ用電流値を求める。そして、ＤＳＰ(30)は、各組の電磁石(17)について、位置制御電流値とモータ用電流値を合わせた励磁電流値を求め、それらをＤＡ変換器(33)を介して電磁石駆動回路(28)に出力する。駆動回路(28)は、ＤＳＰ(30)からの励磁電流信号値に基づく励磁電流を対応する組の電磁石(17)に供給する。これにより、回転体(4)は、フライホイール(11)の３つの位置における変位が０となるような所定の目標位置に非接触支持され、その状態で、高速回転させられる。このとき、フライホイール(11)に形成された突条(15)(16)と対向する３組の電磁石(17)の磁極(21a)(21b)の磁気吸引力により、回転体(4)の径方向の位置が規制され、回転体(4)は、径方向にもほぼ一定の位置に非接触支持される。

このように、上記の磁気軸受装置では、３組の電磁石(17)を制御することにより、回転体(4)全体の軸方向の位置を制御するとともに、回転体(4)の傾きを制御して、回転体(4)に傾きが発生しないようにすることができる。

また、軸(10)の周囲にはタッチダウン軸受(19)(20)を設けるだけでよく、従来のようなラジアル磁気軸受、アキシアル磁気軸受、電動モータなどを設ける必要がないので、回転体(4)を短くして、その固有振動数を高くすることができる。

上記の実施形態では、タッチダウン軸受(19)(20)が回転体(4)の軸(10)の部分を受けるようになっているが、タッチダウン軸受がフライホイールを受けるようにすることもできる。そうすれば、回転体をフライホイールだけのものにすることができ、さらに回転体を短くすることができる。たとえば、フライホイールの外周に円筒部を形成し、この円筒部をタッチダウン軸受で支持するようにすることができる。

上記の実施形態では、電磁石(17)に回転体(4)を回転駆動する機能を持たせているが、電磁石とは別に電動モータが設けられていてもよい。その場合、たとえば、回転体の軸の部分にモータのロータ部が設けられ、それに対向するケーシングの部分にモータのステータ部が設けられる。また、フライホイールの一部にモータのロータ部が設けられ、それに対向するケーシングの部分にモータのステータ部が設けられてもよい。

フライホイールは、上記の実施形態では、全体が円板状をなすものであるが、一部が円板状をなすものであってもよい。

図１は、この発明の実施形態における磁気軸受装置の機械的構成を示す縦断面図（図２のＸ−Ｘ線の断面図）である。図２は、同水平断面図（図１のＹ−Ｙ線の断面図）である。図３は、図２の主要部を示す分解斜視図である。図４は、同磁気軸受装置の電気的構成の主要部を示すブロック図である。

符号の説明

(4) 回転体
(11) フライホイール
(5) アキシアル磁気軸受
(15)(16) 突条
(17a)(17b)(17c)(17d)(17e)(17f) 電磁石
(18a)(18b)(18c)(18d)(18e)(18f) 変位センサ
(21a)(21b) 磁極
(30) 電磁石制御手段

Claims

少なくとも一部が円板状をなすフライホイールを有する回転体を、電磁石により軸方向および径方向に非接触支持する磁気軸受装置において、
前記フライホイールの円板状部分を軸方向の両側から挟んで円板状部分を軸方向に吸引するための１対の電磁石が、円周方向に等間隔をおいた３箇所に１組ずつ配置され、前記円板状部分の両端面に、前記電磁石の磁極と対向する円環状の突条が形成されていることを特徴とする磁気軸受装置。
各組の電磁石について、電磁石に対応する位置における前記円板状部分の軸方向の変位を検出するための変位センサと、前記円板状部分の変位に基づいて電磁石を制御する電磁石制御手段とが設けられていることを特徴とする請求項１の磁気軸受装置。
前記各電磁石が、前記回転体の回転駆動と吸引を行うモータ兼用電磁石であることを特徴とする請求項１または２の磁気軸受装置。