JP2013076450A - 磁気軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】制御電流用コイルとバイアス電流用コイルとが別個に設けられた磁気軸受けにおいて、巻線工程を簡略化できるようにする。
【解決手段】円環状のバックヨーク（23）を設ける。バックヨーク（23）の内周沿いに、回転軸（13）と対向する複数のティース（24）を設ける。それぞれのティース（24）には第１コイル（Cd）（制御電流用コイル）を設ける。ティース（24）に波巻されて形成された第２コイル（Cb）（バイアス電流用コイル）を設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転軸を電磁力によって非接触支持する磁気軸受に関するものである。

いわゆるターボ圧縮機のように高速回転する駆動軸を有する装置には、磁気軸受が用いられることが多い。磁気軸受では、位置制御系の設計しやすさの観点からは、電磁石に電磁力を発生させる制御電流と、電磁石の合成電磁力とが線形関係にあるのが望ましい。線形化を行うための手法としては、制御電流用コイルとバイアス電流用コイルの２種類のコイルをひとつのティースに巻回して電磁石を構成し、制御電流用コイルに流す電流で位置制御を行いつつ、バイアス電流用コイルにバイアス電流を流す方法がある（例えば特許文献１を参照）。

特開２００１−２４８６３９号公報

しかしながら、ひとつのティースに２種類のコイルを設けると、ティース間に形成されるスロットに収容される巻線部材の束の数が増え、巻線工程が複雑になるという問題がある。

本発明は前記の問題に着目してなされたものであり、制御電流用コイルとバイアス電流用コイルとが別個に設けられた磁気軸受けにおいて、巻線工程を簡略化できるようにすることを目的としている。

前記の課題を解決するため、発明の一態様は、
円環状のバックヨーク（23）と、
前記バックヨーク（23）の内周沿いに設けられた複数のティース（24）と、
前記ティース（24）毎に設けられた第１コイル（Cd）と、
前記ティース（24）に波巻されて形成された第２コイル（Cb）と
を備えていることを特徴とする。

この構成では、第２コイル（Cb）（後述のバイアス電流用コイル（Cb））を波巻方式で構成した。波巻方式のコイルは、波巻用に予め形成した巻線部材の束を、ステータコア（22）のスロット（28）に挿入するだけでよい。そのため、集中巻方式でコイルを形成する場合と比べ、第２コイル（Cb）を容易に形成できる。

本発明によれば、複数種類のコイルを容易に巻回でき、巻線工程の簡略化が可能になる。

図１は、実施形態１に係るターボ圧縮機の構造を示す概略図である。 図２は、磁気軸受の端面側を模式的に示す図である。 図３は、磁気軸受の縦断面図である。 図４は、バイアス電流用コイルの波巻き形状を説明する斜視図である。 図５は、ステータの横断面を示す図である。 図６は、絶縁部材の他の構成例を示す図である。 図７は、実施形態２の磁気軸受の端面側を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

《発明の実施形態１》
〈全体構成〉
本発明の実施形態として磁気軸受を適用したターボ圧縮機を説明する。図１は、実施形態１に係るターボ圧縮機（1）の構造を示す概略図である。ターボ圧縮機（1）は、図１に示すように、ケーシング（2）、羽根車（9）、及び電動機（10）を備えている。

ケーシング（2）は、両端が閉塞された円筒状に形成され、円筒軸線が水平向きとなるように配置されている。ケーシング（2）内の空間は、図１におけるケーシング（2）の右側端部から所定の距離を置いて配置された壁部（3）によって区画されている。該壁部（3）よりも右側の空間が、羽根車（9）を収容するインペラ室（4）を形成し、該壁部（3）よりも左側の空間が、電動機（10）を収容する電動機空間（5）を形成している。羽根車（9）は、複数の羽根によって外形が略円錐形状となるように形成されている。羽根車（9）は、電動機（10）の駆動軸（13）（回転軸）の一端に固定された状態で、インペラ室（4）内に収容されている。

電動機（10）は、ケーシング（2）内に収容され、羽根車（9）を駆動する。この例では、電動機（10）は、いわゆる永久磁石同期モータである。電動機（10）は、電動機用ステータ（11）、ロータ（12）、駆動軸（13）、及び軸受機構（8）を備えている。電動機用ステータ（11）は、ケーシング（2）の内周壁に固定されている。駆動軸（13）は、その軸心がロータ（12）の軸心と同軸となるようにロータ（12）に固定されている。

軸受機構（8）は、２つのタッチダウン軸受（14,14）、スラスト磁気軸受（15）、スラスト方向用タッチダウン軸受（16）(例えばアンギュラ玉軸受)、及び２つの磁気軸受（20,20）を備えている。磁気軸受（20,20）には、後に詳述するように、複数の電磁石（25）が設けられ、各電磁石（25）の電磁力の合成電磁力（F）を駆動軸（13）に付与し、駆動軸（13）を非接触状態で支持するように構成されている。タッチダウン軸受（14）は、例えば玉軸受で構成され、磁気軸受（20）の非通電時に駆動軸（13）を支持する。

〈磁気軸受（20）の構成〉
以下の説明では、軸方向とは駆動軸（13）の軸心の方向をいい、径方向とは前記軸心と直交する方向をいう。また、外周側とは前記軸心からより遠い側をいい、内周側とは前記軸心により近い側をいう。図２は、磁気軸受（20）の端面側を模式的に示す図である。また、図３は、磁気軸受（20）の縦断面図（駆動軸方向の断面図）である。本実施形態の磁気軸受（20）は、いわゆる４極型ヘテロポーラ型のラジアル磁気軸受である。磁気軸受（20）は、ステータ（21）、及びギャップセンサ（26）を備えている。

−ステータ（21）−
ステータ（21）は、ステータコア（22）、制御電流用コイル（Cd）、及びバイアス電流用コイル（Cb）を備えている。ステータコア（22）は、バックヨーク（23）と複数のティース（24）とを備えている。ステータコア（22）は、例えば電磁鋼板を積層して構成する。

バックヨーク（23）は、円環状に形成されている。図２に示すように、ティース（24）は、４つ設けられている。それぞれのティース（24）は、バックヨーク（23）と一体形成され、該バックヨーク（23）の内周面から内周側へ向かって突出している。４つのティース（24）は、バックヨーク（23）の内周に沿って９０度ピッチで配置されている。それぞれのティース（24）には、制御電流用コイル（Cd）とバイアス電流用コイル（Cb）とによって電磁石（25）が形成されている。それぞれのティース（24）は、直方体状であり、前記軸心に平行な面と該軸心に直交する面（軸方向端面と呼ぶ）を有している。

制御電流用コイル（Cd）は、ティース（24）ごとに設けられている。制御電流用コイル（Cd）は、本発明の第１コイルの一例である。この例では、制御電流用コイル（Cd）は、ティース（24）の外周寄りに配置されている。勿論、制御電流用コイル（Cd）をティース（24）の内周寄りに配置することも可能である。各ティース（24）の制御電流用コイル（Cd）は、集中巻方式で巻線部材（例えば被覆付き銅線）が巻回されて形成され、駆動軸（13）を挟んで互いに対向した制御電流用コイル（Cd）同士は直列接続されている。それぞれのティース（24）への巻線部材の巻回は、例えば、巻線用ノズルを用いて行えばよい。なお、図２は、各コイル（Cb,Cd）の配置箇所を説明するものであって、実際の巻数やコイル同士の間隔などを示したものではない。

バイアス電流用コイル（Cb）は、制御電流用コイル（Cd）に流す電流（後述の制御電流（Id））の値と合成電磁力（F）との関係を線形にするための電磁力を発生させるコイルである。バイアス電流用コイル（Cb）は、本発明の第２コイルの一例である。バイアス電流用コイル（Cb）は、ひとつの巻線部材で構成され、各ティース（24）に波巻されている。図４は、バイアス電流用コイル（Cb）の波巻き形状を説明する斜視図である。磁気軸受（20）では、図４に示す形態にバイアス電流用コイル（Cb）を予め形成し、それをステータコア（22）に嵌め込んでいる。なお、本実施形態では、制御電流用コイル（Cd）を先にティース（24）に巻回した後に、バイアス電流用コイル（Cb）を嵌め込んでいる。そのため、バイアス電流用コイル（Cb）は、制御電流用コイル（Cd）よりも、ティース（24）の内周側に位置している。バイアス電流用コイル（Cb）に電流を流すと、各ティース（24）に電磁力を発生させることができる。

図５は、ステータ（21）の横断面（駆動軸に垂直な方向の断面）を示す図である。図５は、図３のＢ-Ｂ断面に対応し、スロット内のコイル同士の位置関係を示している。図５に示すように、ひとつのスロット（28）の横断面には、制御電流用コイル（Cd）の２つの束が存在する。また、ひとつのスロット（28）には、バイアス電流用コイル（Cb）を構成する巻線部材の束が１つ存在する。つまり、スロット（28）の横断面は、３つのコイルの束で占められる。

制御電流用コイル（Cd）の巻線部材の束と、バイアス電流用コイル（Cb）の巻線部材の束とは、図５に示すように互いに近接している。そこで、バイアス電流用コイル（Cb）には、制御電流用コイル（Cd）とバイアス電流用コイル（Cb）とを絶縁するために、絶縁部材（27）が設けられている。絶縁部材（27）は、テープ状の絶縁材（例えば樹脂）である。絶縁部材（27）は、図４に模式的に示したように、バイアス電流用コイル（Cb）においてスロット（28）に収容される部分に、螺旋状に巻きつけられている。なお、絶縁部材（27）は、図６に示すように、スリットを有するチューブ状の絶縁材で構成してもよい。

このように、バイアス電流用コイル（Cb）に絶縁部材（27）を設けることで、スロット（28）では、それぞれの制御電流用コイル（Cd）と、バイアス電流用コイル（Cb）との絶縁を、ひとつの絶縁部材（27）で実現することが可能になる。また、スロット（28）内において、バイアス電流用コイル（Cb）を構成する巻線部材の束によって、それぞれの制御電流用コイル（Cd）の束を押さえつけて固定することも可能になる。

−ギャップセンサ（26）−
ギャップセンサ（26）は、ステータ（21）（より詳しくはティース（24）)と駆動軸（13）とのギャップを検出するセンサである。なお、各図のギャップセンサ（26）は模式的に表示したものであり、実際の形状を示すものではない。ステータ（21）では、バイアス電流用コイル（Cb）が波巻されているので、ティース（24）の軸方向の両端面のうちの一方は、バイアス電流用コイル（Cb）のコイルエンドが存在しない面（以下、空き端面（S））である。図２に示すように、ステータ（21）の一端側（ここでは図２で視認できる側とする）には、２つの空き端面（S）がある。一端側の２つの空き端面（S）は、周方向位置の位相が１８０°ずれた関係にある。つまり、ステータ（21）の一方の端面では、空き端面（S）を有したティース（24）が周方向に交互に並んでいる。同様に、ステータ（21）の他端側にも２つの空き端面（S）が周方向に交互に並んでいる。一端側の空き端面（S）と他端側の空き端面（S）とは、周方向位置の位相が９０°ずれた関係にある。

ギャップセンサ（26）は、一端側及び他端側の空き端面（S）にそれぞれ設けられている。すなわち、磁気軸受（20）では、４つのギャップセンサ（26）が設けられている。そして、一端側のギャップセンサ（26）によって、所定の径方向（Ｘ方向とする）のギャップを検知し、他端側のギャップセンサ（26）によって、Ｘ方向に直行するＹ方向のギャップを検知する。ギャップセンサ（26）で検知した値は、駆動軸（13）の位置制御などに使用される。

〈各コイル（Cb,Cd）への電力供給〉
軸受機構（8）には、各コイル（Cb,Cd）に電力を供給する電源装置(図示は省略)とそれを制御する制御装置(図示は省略)が設けられている。磁気軸受（20）では、制御電流用コイル（Cd）に対し、前記位置制御用の電磁力を発生させるための電流である制御電流（Id）を流す。磁気軸受（20）では、制御電流（Id）を、直列接続の制御電流用コイル（Cd）の対の単位で制御できるようになっている。すなわち、磁気軸受（20）では、制御電流用コイル（Cd）による電磁力を軸（例えばＸ軸、Ｙ軸）単位で制御できる。なお、制御電流用コイル（Cd）同士を直列接続せずに、制御電流（Id）を制御電流用コイル（Cd）ごとに制御すれば、ティース単位で電磁力を制御することができる。

バイアス電流用コイル（Cb）には、制御電流（Id）の値と合成電磁力（F）との関係を線形にするための電流（バイアス電流（Ib）と呼ぶ）を流す。この例では、バイアス電流（Ib）は一定値の電流である。バイアス電流用コイル（Cb）は、ひとつの巻線部材で構成されているので、バイアス電流用コイル（Cb）による電磁力の大きさは、各ティース（24）とも同じである。なお、バイアス電流用コイル（Cb）は、可変するように制御してもよい。

〈本実施形態における効果〉
本実施形態では、ティース（磁極）単位、又は軸（Ｘ軸、Ｙ軸）単位で電磁力を制御する必要がある制御電流用コイル（Cd）を集中巻方式で構成し、ティース単位で電磁力を制御する必要がないバイアス電流用コイル（Cb）を波巻方式で構成した。波巻方式では、波巻用に予め形成した巻線部材の束をスロット（28）に挿入するだけでよいので、集中巻方式で形成する場合と比べ、バイアス電流用コイル（Cb）を容易に形成できる。すなわち、本実施形態の磁気軸受（20）では、巻線工程の簡略化が可能になる。そして、波巻方式ではバイアス電流用コイル（Cb）を容易に形成できるので、ティースの幅（図２参照）が大きな磁気軸受でも問題なく製造できる。

また、例えば制御電流用コイルとバイアス電流用コイルの両者を集中巻方式で構成したとすれば、ひとつのスロット断面を占める巻線部材の束は４つになる。これに対し、本実施形態では、既述の通り、ひとつのスロット（28）は、３つの巻線部材の束で占められるのみである。このように、ひとつのスロット断面を占める巻線部材の束の数が減ることで、スロット内に占めるコイルの量（占積率）が高くなる。さらには、絶縁が必要な箇所も減り、スロット内におけるコイル同士の絶縁が容易になる。

また、従来の磁気軸受では、ティースのそれぞれの軸方向端面には、コイルエンドが存在するので空きスペースが殆どない。そのため、従来の磁気軸受においてティース部分にギャップセンサを設けようとすれば、例えばギャップセンサを搭載するベースをコイルエンド上に形成し、そのベース上に該センサを搭載することが考えられる。しかしながら、このようにギャップセンサをコイルエンド上に設ける構成では、軸方向の全長（軸長）が長くなりがちである。これに対し、本実施形態では、ティース（24）の軸方向端面に、バイアス電流用コイルのコイルエンドがない空きスペース（空き端面（S））が形成され、その空きスペースにギャップセンサ（26）を搭載することができる。これにより、本実施形態では、従来の磁気軸受よりも軸長を短くすることが可能になる。また、ギャップセンサ（26）を磁気吸引力作用点により近く設置できる。

《発明の実施形態２》
図７は、実施形態２の磁気軸受（20）の端面側を模式的に示す図である。磁気軸受（20）は、図７に示すように、いわゆる８極型ヘテロポーラ型のラジアル軸受である。この例でも、磁気軸受（20）は、ステータ（21）、及びギャップセンサ（26）を備えている。

ステータ（21）は、ステータコア（22）、制御電流用コイル（Cd）、及びバイアス電流用コイル（Cb）を備えている。本実施形態においても、制御電流用コイル（Cd）は、ステータコア（22）のそれぞれのティース（24）に集中巻方式で巻線部材が巻回されている。また、バイアス電流用コイル（Cb）は、ひとつの巻線部材で構成され、各ティース（24）に波巻されている。したがって、この構造においても、ステータ（21）の一方の端面を見ると、バイアス電流用コイル（Cb）のコイルエンドが存在しない空き端面（S）を有したティース（24）が、周方向に交互に並んでいる。本実施形態でも、空き端面（S）に、ギャップセンサ（26）を配置してある。本実施形態のステータ（21）の構成により、実施形態１と同様の効果を得ることが可能になる。

《その他の実施形態》
なお、磁気軸受（20）の用途はターボ圧縮機（1）には限定されない。例えば、ターボ分子ポンプ等、回転軸を有する種々の機器に応用できる。

また、ギャップセンサ（26）は、一方の軸方向端面にのみに設けてもよいし、両方の軸方向端面に設けてもよい。また、ギャップセンサ（26）の数も適宜定めればよい。

また、空き端面（S）に配置する部材は、ギャップセンサ（26）には限定されない。例えば、空き端面（S）には、磁気軸受を構成する部品の少なくとも一部分を配置することが考えられる。磁気軸受では、コイルエンドを固定する処理（例えば溶接等によるコイルの固定）が行われる場合があるが、このような処理用のスペース（コイルエンドの固定部材を配置するスペース）として空き端面（S）を利用してもよい。

また、絶縁部材（27）は、制御電流用コイル（Cd）のみに設けてもよいし、バイアス電流用コイル（Cb）と制御電流用コイル（Cd）の両方に設けてもよい。

また、制御電流用コイル（Cd）をバイアス電流用コイル（Cb）よりも内周側に配置してもよい。

本発明は、回転軸を電磁力によって非接触支持する磁気軸受として有用である。

１３ 駆動軸（回転軸）
２０ 磁気軸受
２３ バックヨーク
２４ ティース
２６ ギャップセンサ
２７ 絶縁部材
２８ スロット
Ｃｂ バイアス電流用コイル（第２コイル）
Ｃｄ 制御電流用コイル（第１コイル）

Claims (4)

1. 円環状のバックヨーク（23）と、
   前記バックヨーク（23）の内周沿いに設けられた複数のティース（24）と、
   前記ティース（24）毎に設けられた第１コイル（Cd）と、
   前記ティース（24）に波巻されて形成された第２コイル（Cb）と
   を備えていることを特徴とする磁気軸受。
2. 請求項１の磁気軸受において、
   前記第２コイル（Cb）のコイルエンドがない側の、前記ティース（24）の軸方向端面（S）には、所定の部材が配置されていることを特徴とする磁気軸受。
3. 請求項２の磁気軸受において、
   前所定の部材は、前記ティース（24）と該ティース（24）が対向する回転軸（13）とのギャップを検出するギャップセンサ（26）であることを特徴とする磁気軸受。
4. 請求項１から請求項３の何れかの磁気軸受において、
   隣接するティース（24）間に形成されるスロット（28）内に、前記第１及び第２コイル（Cb,Cd）の少なくとも一方を覆うように設けられて、該第１コイル（Cd）と該第２コイル（Cb）とを絶縁する絶縁部材（27）を備えていることを特徴とする磁気軸受。

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