JP2010106908A

JP2010106908A - 磁気軸受

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Publication number: JP2010106908A
Application number: JP2008277874A
Authority: JP
Inventors: Yoji Okada; 養二岡田
Original assignee: OITAKEN SANGYO SOZO KIKO
Current assignee: OITAKEN SANGYO SOZO KIKO
Priority date: 2008-10-29
Filing date: 2008-10-29
Publication date: 2010-05-13
Anticipated expiration: 2028-10-29
Also published as: JP5074350B2

Abstract

【課題】制御性に優れ、より一層の小型化及び軽量化が図れるハイブリッド型の磁気軸受を提供する。
【解決手段】ステータ１０と、このステータ１０に磁気力によって非接触状態で支持されて回転するロータ２０とを有する磁気軸受において、励磁コイル１４が巻回された主突極１３と主突極１３の間の連結部１２に、一端がロータ２０に向けて連結部１２から突出する板状のバイアス用永久磁石１５が挿入され、バイアス用永久磁石１５の径方向突出部の両面に、バイアス用永久磁石１５の着磁面と異極性をロータ２０側、同一極性を連結部１２側にして第１及び第２の磁束吸収用磁石１６，１７が配置されている。これら磁束吸収磁石１６，１７は、バイアス磁束を継鉄１１側に閉じ込める機能を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気力によってロータを非接触状態で支持する磁気軸受に関し、特に永久磁石によるバイアス磁束を用いて電磁石の消費電力を低減させるようにしたハイブリッド型の磁気軸受に関する。

磁気軸受は、回転体を非接触で支持することができるため、制御技術の発展に伴って各種の軸受に利用されてきている。最近では、性能向上が顕著な永久磁石のバイアス磁束を利用したハイブリッド型の磁気軸受が使用されるようになってきた。ハイブリッド型の磁気軸受は、永久磁石によるバイアス磁束を利用するため、消費電力を低減でき、制御特性の面でも優れているという利点がある。

このハイブリッド型の磁気軸受として、例えば、特許文献１に開示された磁気軸受が知られている。この磁気軸受は、中心部でロータを支持する環状のステータが、中心のロータに向かって突出し周方向に所定間隔で配設された複数の突極（電磁石コア）を有し、これら突極の基端部を長手方向に着磁された円弧状の永久磁石で結合することにより、平面内でバイアス磁束の磁気回路を形成している。

しかし、この磁気軸受は、磁気回路に沿って延びる長い永久磁石によって磁気回路の大部分が占められているため、全体的に磁気抵抗が大きく、制御磁束のステータ外部への漏れ量が多く、制御効率が悪いという問題がある。

そこで、薄型で面積の大きなバイアス用永久磁石を使用することにより、主極の磁束密度を高めると共に、磁気回路の全体的な磁気抵抗を低減して外部への漏れ磁束を低減するようにしたハイブリッド型磁気軸受も提案されている（非特許文献１）。

図６は、このタイプの磁気軸受を示す断面図である。
ステータ１１０を構成する継鉄１１１は、中心に配置されたロータ１２０に先端部が対向するようにロータ１２０の周囲に９０°の角度をなして配置された４つの主突極１１２と、これら主突極１１２の基端部を連結する環状の連結部１１３とを有する。主突極１１２には、励磁コイル１１４が巻回されて主極を構成している。連結部１１３は、隣接する主突極１１２間で分割されており、この分割端１１３ａ間に板状のバイアス用永久磁石１１６が挿入されている。永久磁石１１６は、図中点線矢印で示すバイアス磁束を充分に確保することと、図中実線矢印で示す制御磁束への磁気抵抗を低下させるため、薄く広いものを用いており、連結部１１３の分割端もバイアス用永久磁石１１６の両面全体を覆うように内側に張り出した形状となっている。この磁気軸受では、励磁コイル１１４をコントロールして対向する２つの主極間に磁気吸引力の差を発生させることでロータ１２０の支承制御を行うようにしている。
特開２００１−０４１２３８公報（段落００１１〜００１４、図１）「並列永久磁石型ハイブリッド磁気軸受の開発と応用」，佐川幸治他、日本機械学会論文集、別刷、７３巻７３３号Ｃ編，ｐ８１〜８７，(社)日本機械学会

上述した従来の磁気軸受では、充分なバイアス磁束を確保するためには、永久磁石をロータ側に張り出して永久磁石の磁極面を増やす必要があるが、永久磁石をあまりロータ側に張り出しすぎると、ロータ側への漏れ磁束が増加してバイアス磁束を強められなくなると同時に、漏れ磁束による負ばね力が増加して電磁石による制御に悪影響を与えるという問題がある。
また、継鉄の永久磁石を挟持する分割端もロータ側に大きく張り出す必要があるため、主突極への励磁コイルの装着も困難になるという問題がある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、充分なバイアス磁束が得られ、制御性に優れ、より一層の小型化及び軽量化が図れるハイブリッド型の磁気軸受を提供することを目的とする。

本発明に係る磁気軸受は、ステータと、このステータに磁気力によって非接触状態で支持されて回転するロータとを有する磁気軸受において、前記ステータは、前記ロータに向けて径方向に突設されて先端の磁束集中部が前記ロータに対して所定のギャップを介して対向する励磁コイルを有する複数の主極と、前記複数の主極の基端を周方向に連結する連結部と、前記連結部に挿入されて一端が前記ロータに向けて前記連結部から突出するように前記径方向に沿って配置され一方の面を第１極性、他方の面を第２極性として厚み方向に着磁された板状のバイアス用永久磁石と、前記バイアス用永久磁石の前記連結部からの径方向突出部の前記一方の面側に配置され前記ロータ側を第２極性、前記連結部側を第１極性とする第１の磁束吸収用磁石と、前記バイアス用永久磁石の前記連結部からの径方向突出部の前記他方の面側に配置され前記ロータ側を第１極性、前記連結部側を第２極性とする第２の磁束吸収用磁石とを有することを特徴とする。

本発明に係る磁気軸受は、また、ステータと、このステータに磁気力によって非接触状態で支持されて回転するロータとを有する磁気軸受において、前記ステータは、環状の連結部及びこの連結部の内周側から中心に向けて突出すると共に前記連結部の周方向に一定の間隔で配置された偶数個の主突極を有し前記連結部が前記主突極から周方向にずれた位置で分割された磁性体からなる継鉄と、前記主突極に巻回された励磁コイルと、前記連結部の分割端間に挿入されて一端が前記ロータに向けて前記連結部から突出するように前記径方向に沿って配置され一方の面を第１極性、他方の面を第２極性として厚み方向に着磁されたバイアス磁束を供給する板状のバイアス用永久磁石と、前記バイアス用永久磁石の前記連結部からの径方向突出部の前記一方の面側に配置され前記ロータ側を第２極性、前記連結部側を第１極性とする第１の磁束吸収用磁石と、前記バイアス用永久磁石の前記連結部からの径方向突出部の前記他方の面側に配置され前記ロータ側を第１極性、前記連結部側を第２極性とする第２の磁束吸収用磁石とを有することを特徴とする。

本発明の一つの実施形態では、前記連結部の分割端は、前記ロータに向けて突出している。また、本発明の他の実施形態では、前記第１及び第２の磁束吸収用磁石は、前記バイアス用永久磁石の前記連結部からの径方向突出部の両面全体を覆うものである。

本発明の更に他の実施形態では、前記バイアス用永久磁石は、全周に亘って前記連結部から張り出し、前記第１の磁束吸収用磁石は、前記バイアス用永久磁石の前記張出部の前記一方の面側に配置され、外側を第２極性、内側を第１極性として着磁され、前記第２の磁束吸収用磁石は、前記バイアス用永久磁石の前記張出部の前記他方の面側に配置され、外側を第１極性、内側を第２極性として着磁されたものであることを特徴としている。

本発明の更に他の実施形態では、前記第１及び第２の磁束吸収用磁石の前記ロータと対向する面に磁束検出用素子を設けることを特徴とする。

本発明によれば、連結部に挿入されて一端がロータに向けて連結部から突出する板状のバイアス用永久磁石の径方向突出部の両面に、バイアス用永久磁石の着磁面と異極性をロータ側、同一極性を連結部側にして第１及び第２の磁束吸収用磁石を配置しているので、バイアス用永久磁石からロータ側に漏れ出そうとする磁束は、第１及び第２の磁束吸収用磁石によってステータ側に戻されることになる。この結果、ロータ側への漏れ磁束は軽減され、ステータ側のバイアス磁束密度をより高めることができるので、バイアス磁束を強められると共に、漏れ磁束による負ばね力が減少し、良好な軸受制御が可能になる。
また、バイアス用永久磁石のロータへの突出部は、第１及び第２の磁束吸収用磁石によって挟持される構造であるため、連結部のロータ側への大きな張出部を形成する必要が無く、主突極への励磁コイルの装着も容易になり、磁気軸受の組立が容易になるという効果を奏する。

以下、添付の図面を参照して、この発明の好ましい実施の形態を説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る４極型の磁気軸受の構成を示す断面図である。
磁気軸受は、外側に配置された環状のステータ１０と、このステータ１０の内側に配置されたロータ２０とを有する。
ステータ１０は、環状の継鉄１１、励磁コイル１４、バイアス用永久磁石１５、第１及び第２の磁束吸収用磁石１６，１７並びに磁束検出用素子１８を備えて構成されている。

継鉄１１は、例えば積層鋼板等の磁性材料からなり、環状の連結部１２と、この連結部１２の内周側から中心に向けて突出し周方向に９０°の間隔で配置された４つの主突極部１３とを有する。４つの主突極部１３には、それぞれ励磁コイル１４が巻回され、この励磁コイル１４と主突極部１３とで主極が構成されている。４つの主突極部１３に対して周方向に４５°ずれた位置で連結部１２が分割されている。連結部１２の分割端１２ａは、ロータ２０に向けて径方向に張り出している。

この連結部１２の隣接する分割端１２ａ間に板状のバイアス用永久磁石１５が挿入されている。バイアス用永久磁石１５は、一端（側面）が連結部１２の分割端１２ａの内周側からロータ２に向けて径方向に突出するように、径方向に沿って配置されており、一方の面をＳ極、他方の面をＮ極として厚み方向に着磁されている。

バイアス用永久磁石１５の、連結部１２からロータ２０側に突出した部分には、その両面から挟み込むように第１及び第２の磁束吸収用磁石１６，１７が配置されている。第１の磁束吸収用磁石１６は、バイアス用永久磁石１５のＳ極面に密着し、ロータ２０側をＮ極、継鉄１１側をＳ極とするようにラジアル方向に着磁されている。また、第２の磁束吸収用磁石１７は、バイアス用永久磁石１６のＮ極面に密着し、ロータ２０側をＳ極、継鉄１１側をＮ極とするようにラジアル方向に着磁されている。
これら第１及び第２の磁束吸収用磁石１６，１７のロータ２０側の端面には、ホール素子等の磁束検出用素子１８が設置されている。
一方、ロータ２０は、少なくとも外周部に積層鋼板や電磁材料等の磁性体を配したもので、主突極部１２の先端と所定のギャップを介してステータ１０の内側に回転可能に配置されている。

このような磁気軸受によれば、図１に点線矢印で示すように、バイアス用永久磁石１５によって生成されるバイアス磁束が、バイアス用永久磁石１５のＮ極面、連結部１２、主突極１３、ロータ２０、主突極１３及び連結部１２を介してバイアス用永久磁石１５のＳ極面に至る磁気回路を形成する。そして、主突極１３に巻回された励磁コイル１４を制御して、例えば図１に実線矢印で示すような制御磁束を発生させると、図中上側に位置する主極では磁束を強め合い、下側に位置する主極では磁束を弱め合うので、上下の主突極１３で磁気吸引力の差を生じ、ロータ２０には上向きの力が発生する。これをラジアル２方向に適用することにより、ラジアル方向の制御を行うことができる。

本実施形態に係る磁気軸受において、バイアス用永久磁石１５の半分は、継鉄１１からロータ２０側にはみ出しているが、このはみ出した部分の両面には、ラジアル方向に着磁された第１及び第２の磁束吸収用磁石１６，１７が配置され、この磁束吸収用磁石１６，１７がバイアス磁束を継鉄１１側に閉じ込める機能を有する。このため、ロータ２０側に磁束が漏れるのを効果的に防止することができると同時に、磁束吸収用磁石１６，１７によって継鉄１１内のバイアス磁束の磁束密度も高められるので、効率の良い制御が可能になる。この構成によれば、高価な希土類磁石を使用する必要がなく、安価なフェライト磁石でも充分な磁束密度を得ることができる。

また、本実施形態の磁気軸受によれば、第１及び第２の磁束吸収用磁石１６，１７のロータ２０側の先端に磁束検出用素子１８が装着されているので、制御磁束に影響されずにロータ２０の変位を正確に検出することができる。
更に、この実施形態によれば、連結部１２の分割端１２ｂの張り出し量が、図６に示した従来例と比べて小さいので、分割状態の継鉄１１に励磁コイル１４を巻回し易く、励磁コイル１４の主突極１３への装着後にバイアス用永久磁石１５を組み付けることにより、磁気軸受の製作も容易になる。

図２は、本発明の第２の実施形態に係る磁気軸受の構成を示す断面図である。先の実施形態は４極型であったが、この実施形態は６極構造である。
ステータ３０は、環状の継鉄３１、励磁コイル３４、バイアス用永久磁石３５並びに第１及び第２の磁束吸収用磁石３６，３７を備えて構成されている。
継鉄３１は、環状の連結部３２と、この連結部３２の内周側から中心に向けて突出し周方向に６０°の間隔で配置された６つの主突極３３とを有する。他の構成は先の実施形態と同様である。

このように６極構造の場合には、４極構造と異なり、対向する極対が１２０°毎に配置されるので、ｘ−ｙ方向の制御を２相３相変換し、Ｕ，Ｖ，Ｗ相毎の制御を必要とするが、この制御には、モータ制御用に使用されている一般的な３相インバータを利用することができる。図２では、上の２つの主極で磁束を強め合い、下の２つの主極で磁束を弱め合うことにより、上向きの力を発生する例を示している。このように、主突極の数は偶数個であることが望ましい。

図３は、本発明の第３の実施形態に係る磁気軸受の構成を示す断面図である。この実施形態は４極構造にアキシャル制御を付加した例である。
ステータ５０は、環状の継鉄５１、ラジアル制御コイル５４、アキシャル制御コイル５８、バイアス用永久磁石５５並びに第１及び第２の磁束吸収用磁石５６，５７を備えて構成されている。

継鉄５１は、環状の連結部５２と、この連結部５２の内周側から中心に向けて突出し周方向に９０°の間隔で配置された４つの主突極５３とを有する。主突極５３は、上述した各実施形態と同様に、ラジアル制御のためのラジアル制御コイル５４が巻回されると共に、図３（ｂ）に示すように、主突極５３の厚み方向の中央部の外周に溝を形成してアキシャル制御のためのアキシャル制御コイル５８を巻回している。ステータ５０の厚みをロータ６０の厚みよりも若干厚くすることにより、同図（ｂ）の点線矢印で示すバイアス磁束にアキシャル方向成分を持たせる。
図示のように、アキシャル制御コイル５８に電流を流すと、図示の実線矢印のような制御磁束が発生し、図中左側の磁束は強め合い、右側の磁束は弱め合う。この結果、アキシャル方向における右向きの力が発生する。これを他の主極でも行うことによりラジアル制御に加えてアキシャル制御を行うことができる。

図４は、本発明の第４の実施形態に係る磁気軸受の構成を示す断面図である。先の実施形態はインナーロータ型であったが、この実施形態はアウターロータ型である。すなわち、本実施形態では、円筒状のロータ８０の内側にステータ７０が配置されている。
ステータ７０は、十字状の継鉄７１、励磁コイル７４、バイアス用永久磁石７５並びに第１及び第２の磁束吸収用磁石７６，７７を備えて構成されている。
継鉄７１は、中心から径方向外側に向けて突出し周方向に９０°の間隔で配置された４つの主突極７３と、これら主突極７３の基端部を連結する連結部７２とを有する。連結部７２の、主突極７３とは周方向に４５°ずれた位置が分割されて、そこに板状のバイアス用永久磁石７５が挿入されている。そして、バイアス用永久磁石７５の一部が連結部７２から外側に突出し、その突出した部分の両面に第１及び第２の磁束吸収用磁石７６，７７が装着されている。
この実施形態においても、先の実施形態と同様、制御性に優れた磁気軸受を実現することができる。

図５は、本発明の第５の実施形態に係る磁気軸受の構成を示す断面図である。この実施形態では、バイアス用永久磁石９５が全周に亘って連結部９２から張り出している。第１の磁束吸収用磁石９６は、バイアス用永久磁石９５の張出部のＳ極面側に配置され、外側をＮ極、内側をＳ極として着磁された環状の磁石である。第２の磁束吸収用磁石９７は、バイアス用永久磁石９５の張出部のＮ極面側に配置され、外側をＳ極、内側をＮ極として着磁された環状の磁石である。なお、これらの磁束吸収用磁石９６，９７は、棒状磁石を組み合わせたものでも良い。

本実施形態によれば、バイアス用永久磁石９５の全周に亘って磁束漏れを防止することができるので、更に強力なバイアス磁束を形成することができる。

本発明の第１の実施形態に係る磁気軸受の断面図である。本発明の第２の実施形態に係る磁気軸受の断面図である。本発明の第３の実施形態に係る磁気軸受の断面図である。本発明の第４の実施形態に係る磁気軸受の断面図である。本発明の第５の実施形態に係る磁気軸受の断面図である。従来の磁気軸受の断面図である。

符号の説明

１０，３０，５０，７０，９０，１１０…ステータ、２０，４０，６０，８０，１００，１２０…ロータ、１１，，３１，５１，７１，９１，１１１…継鉄、１３，３３，５３，７３，９３，１１３…主突極、１４，３４，７４，９４，１１４…励磁コイル、１５，３５，５５，７５，９５，１１６…バイアス用永久磁石、１６，３６，５６，７６，９６…第１の磁束吸収用磁石、１７，６７，５７，７７，９７…第２の磁束吸収用磁石、１８…磁束検出用素子。

Claims

ステータと、このステータに磁気力によって非接触状態で支持されて回転するロータとを有する磁気軸受において、
前記ステータは、
前記ロータに向けて径方向に突設されて先端の磁束集中部が前記ロータに対して所定のギャップを介して対向する励磁コイルを有する複数の主極と、
前記複数の主極の基端を周方向に連結する連結部と、
前記連結部に挿入されて一端が前記ロータに向けて前記連結部から突出するように前記径方向に沿って配置され一方の面を第１極性、他方の面を第２極性として厚み方向に着磁された板状のバイアス用永久磁石と、
前記バイアス用永久磁石の前記連結部からの径方向突出部の前記一方の面側に配置され前記ロータ側を第２極性、前記連結部側を第１極性とする第１の磁束吸収用磁石と、
前記バイアス用永久磁石の前記連結部からの径方向突出部の前記他方の面側に配置され前記ロータ側を第１極性、前記連結部側を第２極性とする第２の磁束吸収用磁石と
を有することを特徴とする磁気軸受。
ステータと、このステータに磁気力によって非接触状態で支持されて回転するロータとを有する磁気軸受において、
前記ステータは、
環状の連結部及びこの連結部の内周側から中心に向けて突出すると共に前記連結部の周方向に一定の間隔で配置された偶数個の主突極を有し前記連結部が前記主突極から周方向にずれた位置で分割された磁性体からなる継鉄と、
前記主突極に巻回された励磁コイルと、
前記連結部の分割端間に挿入されて一端が前記ロータに向けて前記連結部から突出するように前記径方向に沿って配置され一方の面を第１極性、他方の面を第２極性として厚み方向に着磁されたバイアス磁束を供給する板状のバイアス用永久磁石と、
前記バイアス用永久磁石の前記連結部からの径方向突出部の前記一方の面側に配置され前記ロータ側を第２極性、前記連結部側を第１極性とする第１の磁束吸収用磁石と、
前記バイアス用永久磁石の前記連結部からの径方向突出部の前記他方の面側に配置され前記ロータ側を第１極性、前記連結部側を第２極性とする第２の磁束吸収用磁石と
を有することを特徴とする磁気軸受。
前記連結部の分割端は、前記ロータに向けて突出していることを特徴とする請求項２記載の磁気軸受。
前記第１及び第２の磁束吸収用磁石は、前記バイアス用永久磁石の前記連結部からの径方向突出部の両面全体を覆うものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の磁気軸受。
前記バイアス用永久磁石は、全周に亘って前記連結部から張り出し、
前記第１の磁束吸収用磁石は、前記バイアス用永久磁石の前記張出部の前記一方の面側に配置され、外側を第２極性、内側を第１極性として着磁され、
前記第２の磁束吸収用磁石は、前記バイアス用永久磁石の前記張出部の前記他方の面側に配置され、外側を第１極性、内側を第２極性として着磁されたものである
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の磁気軸受。
前記第１及び第２の磁束吸収用磁石の前記ロータと対向する面に磁束検出用素子を設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の磁気軸受。