JP2009097597A

JP2009097597A - 磁気軸受装置

Info

Publication number: JP2009097597A
Application number: JP2007268571A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Mizuno; 毅水野; Yutaka Maruyama; 裕丸山; Takayuki Ishigami; 隆之石神
Original assignee: JTEKT Corp; Saitama University NUC
Current assignee: JTEKT Corp; Saitama University NUC
Priority date: 2007-10-16
Filing date: 2007-10-16
Publication date: 2009-05-07

Abstract

【課題】ラジアル電磁石の制御のための補正が不要で、ジャイロセンサとして使用する場合にも、ラジアル電磁石の制御心経の処理に補正が不要な磁気軸受装置を提供する。
【解決手段】磁気軸受装置は、回転体2が、１組の制御型アキシアル磁気軸受3と２組の制御型ラジアル磁気軸受4,5により非接触支持されて電動モータ9により回転させられるものである。アキシアル磁気軸受3が、回転体2の軸方向の２箇所に設けられたフランジ部15,16にそれぞれ対向してフランジ部15,16を互いに逆方向に吸引する２個のアキシアル電磁石17,18を備えており、回転体2の軸方向の中心に電動モータ9のロータ14が設けられて、このロータ14を中心に回転体2が軸方向に対称形をなし、電動モータ9のステータ13を中心に、２個のアキシアル電磁石17,18、２組のラジアル磁気軸受4,5および回転体2のラジアル方向の変位を検出するためのラジアル変位センサ25,27を有する２組のラジアル変位センサユニット7,8が、軸方向に対称に配置されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、磁気軸受型ジャイロセンサなどに使用され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、回転体が、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により非接触支持されて電動モータにより回転させられるものが知られている。磁気軸受装置には、磁気軸受およびモータの他に、アキシアル変位センサ、それぞれ複数のラジアル変位センサを有する２組のラジアル変位センサユニット、２組のタッチダウン軸受などが設けられている。モータは、回転体の軸方向の１箇所に設けられた内蔵型のもので、回転体に設けられたモータロータと、ケーシングなどの固定部分側に設けられたモータステータとから構成されている。アキシアル磁気軸受は、回転体の軸方向の１箇所に形成された１つのフランジ部をアキシアル方向の両側から挟むように配置された１対のアキシアル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つのラジアル方向の両側から挟むように配置された２対のラジアル磁気軸受を備えている。そして、回転体のアキシアル方向およびラジアル方向の変位に基づいてアキシアル電磁石およびラジアル磁気軸受に供給する励磁電流を制御することにより、回転体がアキシアル方向およびラジアル方向の浮上目標位置に非接触支持され、モータにより回転させられる。

このような磁気軸受装置において、回転体の回転中に磁気軸受装置全体の姿勢が変化すると、ジャイロ効果が発生して、回転体に外力が作用し、ラジアル電磁石の励磁電流を制御するための制御信号が変化する。このため、ラジアル電磁石の制御信号により角速度が検出できる。

上記の従来の磁気軸受装置では、モータロータおよびアキシアル磁気軸受のためのフランジ部が、それぞれ、回転体の１箇所に形成されるため、回転体を軸方向に対称にすることができず、また、モータ、アキシアル磁気軸受、ラジアル磁気軸受およびラジアル変位センサユニットを軸方向に対称に配置することができない。このため、ラジアル電磁石の制御のために補正が必要であり、また、ジャイロセンサとして使用する場合には、出力であるラジアル電磁石の制御信号の処理に補正が必要であり、精度が悪化するという問題がある。

この発明の目的は、上記の問題を解決し、ラジアル電磁石の制御のための補正が不要で、ジャイロセンサとして使用する場合にも、ラジアル電磁石の制御信号の処理に補正が不要な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、回転体が、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により非接触支持されて電動モータにより回転させられる磁気軸受装置において、アキシアル磁気軸受が、回転体の軸方向の２箇所に設けられたフランジ部にそれぞれ対向してフランジ部を互いに逆方向に吸引する２個のアキシアル電磁石を備えており、回転体の軸方向の中心に電動モータのロータが設けられて、このロータを中心に回転体が軸方向に対称形をなし、電動モータのステータを中心に、２個のアキシアル電磁石、２組のラジアル磁気軸受および回転体のラジアル方向の変位を検出するためのラジアル変位センサを有する２組のラジアル変位センサユニットが、軸方向に対称に配置されていることを特徴とするものである。

アキシアル磁気軸受が、回転体の軸方向の２箇所に設けられたフランジ部にそれぞれ対向してフランジ部を互いに逆方向に吸引する２個のアキシアル電磁石を備えているものであるから、２つのフランジ部をモータロータを中心に軸方向に対称に配置して、回転体全体を軸方向に対称形にすることができる。

回転体が軸方向に対称形をなし、アキシアル電磁石、ラジアル磁気軸受およびラジアル変位センサユニットが軸方向に対称に配置されているので、ラジアル電磁石の制御のための補正が不要で、ジャイロセンサとして使用する場合でも、ラジアル電磁石の制御信号の処理に補正が不要であり、性能向上が可能である。

この発明の磁気軸受装置によれば、上述のように、ラジアル電磁石の制御のための補正が不要で、ジャイロセンサとして使用する場合でも、ラジアル電磁石の制御信号の処理に補正が不要であり、性能向上が可能である。また、１つしか必要でない電動モータが中心に配置されていることにより、軸方向に対称にする際の全体の小型化が可能である。

以下、図面を参照して、この発明を磁気軸受型ジャイロセンサ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である。以下の説明において、図１の上下を上下とし、図１の左側を前、右側を後とし、後から前を見たときの左右を左右とする。

磁気軸受装置は、固定部分である水平円筒状のケーシング(1)の内側で水平な軸状の回転体(2)が回転する横型のものであり、回転体(2)の向きが前後方向となるように配置されている。回転体(2)の軸方向（アキシアル方向）すなわち前後方向の制御軸（アキシアル制御軸）をＺ軸、Ｚ軸と直交するとともに互いに直交する２つの径方向（ラジアル方向)の制御軸（ラジアル制御軸）のうち、上下方向の制御軸をＸ軸、左右方向の制御軸をＹ軸とする。

磁気軸受装置には、回転体(2)を軸方向に非接触支持する１組の制御型アキシアル磁気軸受(3)、回転体(2)を径方向に非接触支持する前後２組の制御型ラジアル磁気軸受(4)(5)、回転体(2)の軸方向の変位を検出するための１個のアキシアル変位センサ(6)、回転体(2)の径方向の変位を検出するための前後２組のラジアル変位センサユニット(7)(8)、回転体(2)を高速回転するためのビルトイン型電動モータ(9)、回転体(2)の回転数を検出するための回転センサ(10)、ならびに回転体(2)の軸方向および径方向の可動範囲を規制して回転体(2)を磁気軸受(3)(4)(5)で支持していないときに回転体(2)を機械的に支持する前後２組のタッチダウン軸受(11)(12)が設けられている。

モータ(9)は、ケーシング(1)に設けられたステータ(13)と、回転体(2)に設けられたロータ(14)とから構成されている。

アキシアル磁気軸受(3)は、回転体の前後２箇所に形成されたフランジ部(15)(16)にそれぞれ対向してフランジ部(15)(16)を互いに逆方向に吸引する前後２個のアキシアル電磁石(17)(18)を備えている。この例では、前側の電磁石(17)は前側のフランジ部(15)の前端面に、後側の電磁石(18)は後側のフランジ部(16)の後端面に対向している。

アキシアル変位センサ(6)は、回転体(2)の前端に設けられたターゲット部(19)の前端面に対向するように配置され、該端面との距離（空隙）に比例する距離信号を出力する。

前側のラジアル磁気軸受(4)は、回転体(2)の外周面に設けられたターゲット部(20)をＸ軸方向の両側から挟むように配置されて回転体(2)をＸ軸方向の外向きに吸引する上下１対のラジアル電磁石(21)、およびターゲット部(20)をＹ軸方向の両側から挟むように配置されて回転体(2)をＹ軸方向の外向きに吸引する左右１対のラジアル電磁石（図示略）を備えている。同様に、後側のラジアル磁気軸受(5)は、回転体(2)の外周面のターゲット(22)に対向する上下１対のラジアル電磁石(23)および左右１対のラジアル電磁石（図示略）を備えている。

前側のラジアル変位センサユニット(7)は、前側のラジアル磁気軸受(4)の近傍に配置されており、回転体(2)の外周面に設けられたターゲット部(24)をＸ軸方向の両側から挟むように配置された上下１対のラジアル変位センサ(25)、およびターゲット部(24)をＹ軸方向の両側から挟むように配置された左右１対のラジアル変位センサ（図示略）を備えている。後側のラジアル変位センサユニット(8)は、後側のラジアル磁気軸受(5)の近傍に配置されており、同様に、回転体(2)の外周面のターゲット部(26)に対向する上下１対のラジアル変位センサ(27)および左右１対のラジアル変位センサ（図示略）を備えている。各ラジアル変位センサ(25)(27)は、回転体(2)のターゲット部(24)(26)の外周面との距離（空隙）に比例する距離信号を出力する。

回転センサ(10)は、回転体(2)の前端のターゲット部(19)の前端面の外周寄りの部分に対向するように配置されている。

ステータ(13)、電磁石(17)(18)(21)(23)、変位センサ(6)(25)(27)および回転センサ(10)は、ケーシング(2)に固定されている。

各タッチダウン軸受(11)(12)は、２個のアンギュラ玉軸受を組み合わせたものである。各軸受(11)の外輪はケーシング(1)に固定され、内輪は回転体(2)に形成された環状みぞ部(28)(29)に臨ませられている。２組の軸受(11)(12)は、いずれも、径方向および軸方向の支持が可能なものである。

ロータ(14)は回転体(2)の軸方向（前後方向）の中心に設けられ、回転体(2)は、ロータ(14)の中心（重心）を中心に前後対称形をなす。そして、回転体(2)の重心とロータ(14)の重心が一致している。この例では、ロータ(14)の中心（重心）に対し、ロータ(14)の前後にアキシアル磁気軸受(3)のフランジ部(15)(16)が前後対称に設けられ、フランジ部(15)(16)の前後にラジアル磁気軸受(4)(5)のターゲット部(20)(22)が前後対称に設けられ、ターゲット部(20)(22)の前後にラジアル変位センサ(25)(27)のターゲット部(24)(26)が設けられ、ターゲット部(24)(26)の前後にみぞ部(18)(19)が前後対称に設けられている。さらに、回転体(2)の後端に、前端のターゲット部(19)と前後対称なフランジ部(30)が設けられている。ステータ(13)の中心(重心）はロータ(14)の中心（重心）と一致しており、ステータ(13)の中心（重心）を中心に、２個のアキシアル電磁石(17)(18)、２組のラジアル磁気軸受(4)(5)、２組のラジアル変位センサユニット(7)(8)および２組のタッチダウン軸受(11)(12)が前後対称に配置されている。

上記の磁気軸受装置では、変位センサ(6)(25)(27)の出力より検出された回転体(2)のアキシアル方向およびラジアル方向の変位に基づいて、各電磁石(17)(18)(21)(23)に供給される励磁電流が制御され、それにより、回転体(2)がアキシアル方向およびラジアル方向の浮上目標位置に非接触支持される。そして、回転センサ(10)の出力より検出された回転体(2)の回転数に基づいて、電動機(9)が制御され、回転体(2)が高速回転させられる。

上記のように回転体(2)が浮上目標位置に非接触支持されて回転しているときに、磁気軸受装置全体の姿勢が変化すると、ジャイロ効果が発生して、回転体(2)に径方向の外力が作用し、ラジアル電磁石(21)(23)の励磁電流を制御するための制御信号が変化する。このため、ラジアル電磁石(21)(23)の制御信号により角速度が検出できる。

上記の磁気軸受装置において、アキシアル磁気軸受(3)が、回転体(2)の軸方向の２箇所に設けられたフランジ部(15)(16)にそれぞれ対向してフランジ部(15)(16)を互いに逆方向に吸引する２個のアキシアル電磁石(17)(18)を備えているものであるから、２つのフランジ部(15)(16)をモータロータ(14)を中心に軸方向に対称に配置して、回転体(2)全体を軸方向に対称形にすることができる。

そして、回転体(2)が軸方向に対称形をなし、アキシアル電磁石(17)(18)、ラジアル磁気軸受(4)(5)、ラジアル変位センサユニット(7)(8)が軸方向に対称に配置されているので、ラジアル電磁石(21)(23)の制御のための補正が不要で、ジャイロセンサとして使用する場合でも、ラジアル電磁石(21)(23)の制御信号の処理に補正が不要であり、性能向上が可能である。また、１つしか必要でないモータ(9)が中心に配置されていることにより、前後対称にする際の全体の小型化が可能である。

磁気軸受装置の全体構成あるいは各部の構成は、上記実施形態のものに限らず、適宜変更可能である。

たとえば、磁気軸受装置は、回転体が鉛直に配置された縦型のものでもよい。

図１は、この発明の実施形態を示す磁気軸受装置の縦断面図である。

符号の説明

(2) 回転体
(3) アキシアル磁気軸受
(4)(5) ラジアル磁気軸受
(7)(8) ラジアル変位センサユニット
(9) 電動機
(13) モータステータ
(14) モータロータ
(15)(16) フランジ部
(17)(18) アキシアル電磁石
(25)(27) ラジアル変位センサ

Claims

回転体が、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により非接触支持されて電動モータにより回転させられる磁気軸受装置において、
アキシアル磁気軸受が、回転体の軸方向の２箇所に設けられたフランジ部にそれぞれ対向してフランジ部を互いに逆方向に吸引する２個のアキシアル電磁石を備えており、回転体の軸方向の中心に電動モータのロータが設けられて、このロータを中心に回転体が軸方向に対称形をなし、電動モータのステータを中心に、２個のアキシアル電磁石、２組のラジアル磁気軸受および回転体のラジアル方向の変位を検出するためのラジアル変位センサを有する２組のラジアル変位センサユニットが、軸方向に対称に配置されていることを特徴とする磁気軸受装置。