JP2014051995A - 3軸能動制御型磁気軸受 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ラジアル巻線1、ラジアル制御用固定子2、永久磁石3、スラスト制御用固定子4、軸方向に分割した2つの分割スラスト巻線5a,5bを使用し、円筒型回転子に対してラジアル方向2軸及びスラスト方向1軸の計3軸方向に軸支持力を発生する3軸能動制御型磁気軸受装置において、2つ分割スラスト巻線5a,5bの間を半径方向に延びる環状部分16cを有する非磁性体リング16が設けられ、この環状部分16cの最外周はスラスト制御用固定子4の円筒部分4aの内径に接する一方、環状部分16cの最内周はラジアル制御用固定子2の外周面に接触することを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
従来の磁気軸受では、図4に示すように、モータ100を2個のラジアル磁気軸受200,300で挟み込み、更に大径のディスク形回転子410を備えたスラスト磁気軸受400を回転子主軸500の反側に設置した構造となっている。ディスク形回転子410は回転子主軸500に固定されている。
このように、スラスト磁気軸受400は、大径のディスク形回転子410が必要となるため組立性が悪く、バランス取りが難しい。
更にはディスク形回転子410で周速が上昇するため、回転速度の制限といった問題も生じる。
図5に示すように、ラジアル方向の2軸を制御するために、ティースに巻回された2組のラジアル巻線1を備えたラジアル制御用固定子2が3軸能動制御型磁気軸受の一番内側に設置されている。
従って、各ラジアル巻線Nyに直流電流iyをそれぞれ流すと、ラジアル制御用固定子2においてy軸方向に2極のラジアル磁束Ψyが発生し、また、各ラジアル巻線Nxに直流電流ixをそれぞれ流すと、ラジアル制御用固定子2においてx軸方向に2極のラジアル磁束Ψxが発生する。つまり、相互に直交する2極のラジアル磁束Ψy,Ψxが発生する。
このラジアル制御用固定子2のヨーク部分は、図5中に示すように、軸方向に向き合うように着磁された片側4個の計8個の永久磁石3によって挟み込まれている。
従って、図6(a)に示すように、永久磁石3によって、ラジアル制御用固定子2では、回転子7からラジアル制御用固定子2に向かって放射状にバイアス磁束Ψbが発生している。
永久磁石3の着磁方向は逆でも、つまり、N極がラジアル制御用固定子2に接するようにしても良い。永久磁石3の形状は、リング磁石形状でも良く、多数の立方体の磁石を並べても良い。
即ち、ラジアル制御用固定子2及び永久磁石3の半径方向外側にスラスト巻線5が配置されている。スラスト制御用固定子4は、スラスト巻線5の外周面を軸方向に亘って被う円筒部分4aと、この円筒部分4aの両端部において内周側に向かう円環状部分4b,4bを有するコ字型断面である。
スラスト制御用固定子4の円環状部分4b,4bは、ラジアル巻線1、永久磁石3及びスラスト巻線5の軸方向の端面を被い、スラスト制御用固定子4の円環状部分4b,4bの最内周位置は、ラジアル制御用固定子2の最内周位置と同じ位置に設定されている。
一方、ラジアル制御用固定子2、スラスト制御用固定子4の円環状部分4b,4bの内周側には、僅かな間隙を隔てて、磁性体よりなる円筒型回転子7が回転自在に配置されている。円筒型回転子7は、円筒形の非常にシンプルな形状であり、回転子7の軸方向長さは、スラスト制御用固定子4の軸方向長さより若干短くなっている。円筒型回転子7には、図示しない回転子主軸(非磁性体)が挿入される。
そのため、この励磁磁束にスラスト巻線5によるスラスト磁束Ψz、もしくはラジアル巻線1によるラジアル磁束Ψyを重畳することで、磁束の粗密を作り出し、スラスト力、もしくはラジアル力を発生することができる。
図6(a)に示すように、永久磁石3によって、ラジアル制御用固定子2では、回転子7からラジアル制御用固定子2に向かって放射状にバイアス磁束Ψbが発生している。
このとき、ラジアル巻線Nyに直流電流(ラジアル電流)iyを流すと、2極のラジアル磁束Ψyが発生し、バイアス磁束Ψbとラジアル磁束Ψyの重ね合わせによって生じる磁束密度の不平衡によって、y軸方向のラジアル力Fyが発生する。
従って、ラジアル制御用固定子2の上方のティース2aと回転子7との間隙の間における磁束密度B1は、バイアス磁束Ψbとラジアル磁束Ψyの和をその面積Sで割った値(Ψy+Ψb)/Sとなるのに対し、ラジアル制御用固定子2の下方のティース2aと回転子7との間隙の間における磁束密度B2は、バイアス磁束Ψbとラジアル磁束Ψyの差をその間の面積Sで割った値(Ψy−Ψb)/Sとなる。
つまり、バイアス磁束Ψbとラジアル磁束Ψyの重ね合わせによって磁束密度B1,B2の不平衡(B1>B2)が生じる。
逆に、図6(a)に示す方向とは逆向きの直流電流iyをラジアル巻線Nyに流せば、回転子7には、図中下向きのラジアル力Fyが作用することになる。
また、同様にそれぞれのラジアル巻線Nxに流す直流電流ixを0、もしくは相互に逆方向とすることにより、回転子7にはx軸方向のラジアル力Fxが作用しない。
永久磁石3によって、ラジアル制御用固定子2において放射状に発生したバイアス磁束Ψbは、スラスト制御用固定子4においては、コの字型固定子の先端部分、つまり、図中左側の円環状部分4bの先端部分からは回転子7に向かって図中右向きに方向を変える一方、図中右側の円環状部分4bの先端部分からは回転子7に向かって図中左向きに方向を変える。そして、回転子7において、軸方向両端側から中心に向かうそれぞれのバイアス磁束Ψbは、回転子7の中央部分からラジアル制御用回転子2に向かって半径方向外側(放射状)に方向を変える。
そのため、回転子7とスラスト制御用固定子4の間隙においては、バイアス磁束Ψbとスラスト磁束Ψzの重ね合わせによって生じる磁束密度の不平衡によって、上記と同様にZ軸方向のスラストFzが発生する。
そして、これらの軸支持力を発生させるラジアル磁束やスラスト磁束は、磁気抵抗の大きな永久磁石を通過しないため、軸支持力が効果的に発生できるといった特性も備えている。
この構造では、ラジアル方向に軸支持力が発生する時に、スラスト制御用固定子4側で生じる反力を薄い非磁性体のキャン6で受けることになる。
このため、ラジアル方向の軸支持力によって生じる反力に対して剛性が弱い構造となる問題がある。
従来の3軸能動制御型磁気軸受では、スラスト制御用固定子4の内部に、ラジアル巻線1が巻かれたラジアル制御用固定子2、永久磁石3及び非磁性のキャン6を挿入する際、スラスト制御用固定子4がコの字状であるため、斜めに挿入する必要があり、組立てが非常に困難であるという問題がある。
また、スラスト巻線により発生し、スラスト制御用固定子において何れか一方の円環状部分から回転子に向かって方向を変え、更に他方の円環状部分へ方向を変えるスラスト磁束と、永久磁石によって発生し、各円環状部分から回転子の中央に向かって、或いは、その逆に回転子の中央から各円環状部分に向かって方向をそれぞれ変えるバイアス磁束との重ね合わせによって生じる磁束密度の不平衡によって、回転子に対してスラスト方向1軸の軸支持力が発生する。
本実施例は、図5,図6に示す特許文献1の軸能動制御型磁気軸受に比較し、ラジアル巻線1、ラジアル制御用固定子2、永久磁石3、スラスト制御用固定子4を使用する点では共通し、スラスト巻線5に代えて、軸方向に分割した2つの分割スラスト巻線5a,5bを使用するものであり、図示省略した回転子に対して、ラジアル方向2軸及びスラスト方向1軸の計3軸方向に軸支持力を発生する原理については同様である。
この非磁性体リング16は、2つ分割スラスト巻線5a,5bの間を半径方向に延びる環状部分16cを有し、この環状部分16cの最外周はスラスト制御用固定子4の円筒部分4aの内径に接する形状となる一方、環状部分16cの最内周はラジアル制御用固定子2及び永久磁石3の外周面に接触している。
この非磁性体リング16を用いることによって、ラジアル方向に軸支持力が発生した際に生じるラジアル制御用固定子2への反力を、非磁性体リング16を介してスラスト制御用固定子4で受けることができる。
さらに、非磁性体リング16がスラスト制御用固定子4に接触しているため、ラジアル方向にずれることがなく、軸中心のずれを抑制することができる。
ここで、ラジアル軸支持力発生原理とスラスト制御用固定子4側に生じる反力に関して簡単に説明すると以下の通りである。
すると、永久磁石3とラジアル巻線1の磁束が強め合うy軸正方向側では磁束が吸引力となり、磁束が弱め合うy軸負方向側では磁束が反発力となるため、y軸正方向に回転子は引き付けられ、浮上する。
さらに、非磁性体リング16がスラスト制御用固定子4に接触しているため、ラジアル方向にずれることがなく、軸中心のずれを抑制することができ、回転子の挿入の際に、ラジアル制御用固定子2及びスラスト制御用固定子4に接触する恐れが少なくなり、組立性が向上する。
本実施例では、第1の実施例に対して、非磁性体リング16の円筒部分16a,16bを、双方の軸方向に更に延長させて、スラスト制御用固定子4の円環状部分4b,4bに接する構成となっている。その他の構成については、第1の実施例と同様である。
そこで、本実施例では、スラスト制御用固定子4へのスラスト方向の反力に対して構造上強くするために、図2に示すように、ラジアル制御用固定子2と永久磁石3に接している非磁性体リング16の円筒部分16a,16bをスラスト方向に延長し、スラスト制御用固定子4に接する構成とした。
よって、本実施例では、スラスト方向に対する反力に対して強い構造となる。
さらに、非磁性体リング16はラジアル方向とスラスト方向において、スラスト制御用固定子4と接触しているため、実施例1よりさらに軸中心のずれを抑制することができる。
さらに、非磁性体リング16がスラスト制御用固定子4に対して、スラスト方向とラジアル方向に接触しているため、非磁性体リング16のずれを抑制することが出来るため、軸中心のずれを抑制することができ、回転子の挿入の際に、ラジアル制御用固定子2及びスラスト制御用固定子4に接触する恐れが少なくなり、組立性が向上する。
本実施例は、第1の実施例に対して、スラスト制御用固定子4を、一方の円環状部分4bであるスラスト制御用固定子(蓋部分)14と、他方の円環状部分4b及び円筒部分4aとからなるスラスト制御用固定子(箱部分)15とに2分割可能としたものである。
非磁性体リング16には、ラジアル制御用固定子2との接触部に段差16dが設けられ、さらに非磁性のキャン12との接触部に段差16eが設けられている。その他の点については、前述した第1の実施例と同様なものである。
また、実施例1と同様に、非磁性体リング16がy方向にスラスト制御用固定子(箱部分)15と接触しているため、ラジアル方向に生じる反力に対して強い構造となる。
さらに、各部品の接触部において、段差を設けたことにより、各部品の位置決めが容易となり、組立性が向上する。
2 ラジアル制御用固定子
3 永久磁石
4 スラスト制御用固定子
4a 円筒部分
4b 円環状部分
5 スラスト巻線
5a,5b 分割スラスト巻線
6 キャン
7 円筒型回転子
9,10,11,12 非磁性のキャン
14 スラスト制御用固定子(蓋部分)
15 スラスト制御用固定子(箱部分)
16 非磁性体リング
16a,16b 円筒部分
16c 環状部分
100 モータ
200,300 ラジアル磁気軸受
400 スラスト磁気軸受
410 ディスク形回転子
500 回転子主軸
Claims (4)
- 円筒型回転子に対してラジアル方向2軸及びスラスト方向1軸の計3軸方向に軸支持力を発生する3軸能動制御型磁気軸受であって、
ラジアル巻線が巻回されたラジアル制御用固定子と、
前記ラジアル制御用固定子に隣接して配置された永久磁石と、
前記ラジアル制御用固定子及び前記永久磁石の半径方向外側に配置された円筒部分とを備えると共に、前記ラジアル制御用固定子及び前記永久磁石の軸方向両側にそれぞれ配置された円環状部分とを備えたスラスト制御用固定子と、
前記スラスト制御用固定子と前記ラジアル制御用固定子との間において周方向に巻回されたスラスト巻線とからなる3軸能動制御型磁気軸受において、
前記スラスト巻線は、軸方向に分割された二つの分割スラスト巻線よりなり、
前記分割スラスト巻線の間を半径方向に延びる環状部分を有する非磁性体リングが設けられ、
前記環状部分の最外周は前記スラスト制御用固定子の前記円筒部分に接触する一方、前記環状部分の最内周は前記ラジアル制御用固定子に接触する
ことを特徴とする3軸能動制御型磁気軸受。 - 前記非磁性体リングは、前記分割スラスト巻線と前記ラジアル制御用固定子の間を双方の軸方向に延び、前記スラスト制御用固定子の前記円環状部分に各々接触する円筒部分を各々有することを特徴とする請求項1記載の3軸能動制御型磁気軸受。
- 前記スラスト制御用固定子の前記円筒部分には、前記非磁性体リングの前記環状部分との接触部に段差を設けたことを特徴とする請求項1又は2記載の3軸能動制御型磁気軸受。
- 前記スラスト制御用固定子は、分割されていることを特徴とする請求項1,2又は3記載の3軸能動制御型磁気軸受。
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