JP2016118225A - Magnetic bearing and rotary machine - Google Patents
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Description
本発明は、磁気軸受及び回転機械に関するものである。 The present invention relates to a magnetic bearing and a rotating machine.
例えば、特許文献1に示すように、ターボ圧縮機やモータ等の回転機械では、ロータをできる限り回転抵抗が少なく軸支するために、磁気軸受が用いられている。一般的には、磁気軸受を採用する場合には、磁気軸受として、ロータの径方向への荷重を支持するラジアル磁気軸受と、ロータの軸方向への荷重を支持するアキシャル磁気軸受とが設けられる。 For example, as shown in Patent Document 1, in a rotary machine such as a turbo compressor and a motor, a magnetic bearing is used to support the rotor with as little rotational resistance as possible. In general, when a magnetic bearing is employed, a radial magnetic bearing that supports a load in the radial direction of the rotor and an axial magnetic bearing that supports a load in the axial direction of the rotor are provided as the magnetic bearing. .
ところで、近年、ロータの高速回転化が進み、回転時の安定性向上の観点からロータの軸長が短くなっている。アキシャル磁気軸受が、ロータに対して固定されるディスクを電磁石ユニットで一定の隙間を空けて両側から挟む構成であることから、ロータの軸長が短くなることで、電磁石ユニットの設置スペースの確保が難しくなっている。一方で、電磁石ユニットにおいて一定の磁束を確保するためには、コイルの線積率を保つ必要がある。このため、特にロータが高速回転される回転機械では、電磁石ユニットをロータの径方向に広げることでコイルの線積率を維持しつつロータの軸方向に扁平とすることで、ロータの短軸化に対応している。 By the way, in recent years, the rotation speed of the rotor has been increased, and the axial length of the rotor has been shortened from the viewpoint of improving the stability during rotation. Since the axial magnetic bearing is configured such that the disk fixed to the rotor is sandwiched from both sides by a certain gap with the electromagnet unit, the axial length of the rotor is shortened, so that the installation space for the electromagnet unit can be secured. It's getting harder. On the other hand, in order to ensure a constant magnetic flux in the electromagnet unit, it is necessary to maintain the coil line product ratio. For this reason, especially in rotating machines where the rotor rotates at high speeds, the electromagnet unit is expanded in the radial direction of the rotor, thereby maintaining the coil line area ratio and flattening in the axial direction of the rotor. It corresponds to.
一方で、遠心力による影響を抑制するためにもディスクを径方向に広げることは難しい。このため、上述のように電磁石ユニットを扁平とした場合には、電磁石ユニットがディスクよりも径方向に大きな形状となり、電磁石ユニットの内径側の一部のみがディスクに対向することになる。このような構成のアキシャル磁気軸受では、電磁石ユニットにより発生した磁束が効率的にディスクを通過するように、電磁石ユニットコイルの全体をコアで囲み、当該コアのディスクとの対向領域に、ディスクと電磁石ユニットとの離間距離よりも大きな幅のスリットを形成することで磁極を形成している。 On the other hand, it is difficult to spread the disk in the radial direction in order to suppress the influence of centrifugal force. For this reason, when the electromagnet unit is flattened as described above, the electromagnet unit is larger in the radial direction than the disk, and only a part of the electromagnet unit on the inner diameter side faces the disk. In the axial magnetic bearing having such a configuration, the entire electromagnet unit coil is surrounded by a core so that the magnetic flux generated by the electromagnet unit efficiently passes through the disk, and the disk and the electromagnet are disposed in a region of the core facing the disk. The magnetic pole is formed by forming a slit having a width larger than the separation distance from the unit.
しかしながら、このような複雑な形状のコアにおいては、磁束の形状も歪なものとなり、磁束漏れが増加する。特に、磁極間での磁束漏れが増加する。このため、ディスクをロータの軸方向に支える吸引力を発生させるために有効な磁束が減少し、結果として、電磁石ユニットの吸引力が低下することになる。 However, in such a complex-shaped core, the shape of the magnetic flux is also distorted, and magnetic flux leakage increases. In particular, magnetic flux leakage between the magnetic poles increases. For this reason, the magnetic flux effective for generating the attractive force that supports the disk in the axial direction of the rotor is reduced, and as a result, the attractive force of the electromagnet unit is reduced.
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、アキシャル磁気軸受において、電磁石ユニットの吸引力を維持しつつ、ロータの軸方向の幅を低減することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and aims to reduce the axial width of a rotor in an axial magnetic bearing while maintaining the attractive force of an electromagnet unit.
上記目的を達成するために、本発明では、第1の解決手段として、ロータに対して設けられるディスクと、当該ディスクに対向配置され、前記ディスクに対向しない領域を含む電磁石ユニットとを有する磁気軸受であって、上記電磁石ユニットは、コイルと、上記コイルを内包すると共に上記ディスクに対向する箇所に設けられる環状のスリットを有するコアと、上記スリットに配置されると共に比透磁率が1より小さい反磁性体からなる磁束漏出防止部材とを備える、という手段を採用する。 In order to achieve the above object, according to the present invention, as a first solution, a magnetic bearing having a disk provided to the rotor and an electromagnet unit that is disposed opposite to the disk and includes a region not facing the disk. The electromagnet unit includes a coil, a core that includes the coil and has an annular slit provided at a location facing the disk, and is disposed in the slit and has a relative permeability smaller than 1. A means of providing a magnetic flux leakage prevention member made of a magnetic material is adopted.
第2の解決手段として、上記第1の解決手段において、上記ディスクの周面に設けられると共に上記反磁性体からなるディスク用磁束漏出防止部材を備える、という手段を採用する。 As a second solving means, the first solving means is provided with a disk magnetic flux leakage preventing member provided on the peripheral surface of the disk and made of the diamagnetic material.
第3の解決手段として、上記第1または第2いずれかの解決手段において、上記ディスク側の上記コアの表面であって上記ディスクと対向しない領域に設けられると共に上記反磁性体からなるコア表面用磁束漏出防止部材を備える、という手段を採用する。 As a third solution, in the first or second solution, the core surface is provided on a region of the core of the disk that is not opposed to the disk and is made of the diamagnetic material. A means of providing a magnetic flux leakage prevention member is adopted.
第4の解決手段として、ロータと、当該ロータを回転可能に支持する磁気軸受とを備える回転機械であって、上記磁気軸受として上記第1〜第3いずれかの解決手段における磁気軸受を備える、という手段を採用する。 As a fourth solution, a rotary machine including a rotor and a magnetic bearing that rotatably supports the rotor, the magnetic bearing according to any one of the first to third solutions as the magnetic bearing, Adopt the means.
第5の解決手段として、ディスクと、上記ディスクに対向する領域及び上記ディスクに対向しない領域のうち、上記ディスクに対向する領域に環状のスリットを含むコアと、上記コアに内包されたコイルと、上記スリットに対して設けられた磁束漏出防止部材と、を有するという手段を採用する。 As a fifth solution, a disk, a core that includes an annular slit in a region facing the disk among a region facing the disk and a region not facing the disk, a coil included in the core, The magnetic flux leakage prevention member provided for the slit is used.
本発明によれば、電磁石ユニットをロータの軸方向に扁平とした場合であっても、磁束漏出防止部材によって、コアに設けられたスリットにおいて磁束が漏出することを防止することできる。このため、有効な磁束の減少を抑制し、電磁石ユニットの吸引力が低下することを防止することができる。したがって、本発明によれば、磁気軸受において、電磁石ユニットの吸引力を維持しつつ、ロータの軸方向の幅を低減することが可能となる。 According to the present invention, even when the electromagnet unit is flat in the axial direction of the rotor, the magnetic flux leakage prevention member can prevent the magnetic flux from leaking through the slit provided in the core. For this reason, the reduction | decrease of an effective magnetic flux can be suppressed and it can prevent that the attraction force of an electromagnet unit falls. Therefore, according to the present invention, in the magnetic bearing, the axial width of the rotor can be reduced while maintaining the attractive force of the electromagnet unit.
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係るモータ1(回転機械)は、例えば空気圧縮機に搭載され、ハウジング2と、ステータ3と、ロータ4と、ラジアル磁気軸受5と、アキシャル磁気軸受6と、補助軸受7とを備えている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
A motor 1 (rotary machine) according to the present embodiment is mounted on, for example, an air compressor, and includes a housing 2, a
ハウジング2は、ステータ3、ロータ4、ラジアル磁気軸受5、アキシャル磁気軸受6及び補助軸受7を収容するケーシングである。このハウジング2には、ロータ4の先端を露出させるために、ロータ4が貫通する貫通孔が設けられている。ステータ3は、ハウジング2の内部に収容されており、ハウジング2に固定されることにより支持されている。このステータ3は、ロータ4を一定の間隔を空けて囲んで配置されるコイルを備えており、不図示のモータ制御装置により、給電状態が制御される。
The housing 2 is a casing that houses the
ロータ4は、棒部材であり、ステータ3との対向箇所に永久磁石を備えている。このロータ4は、ステータ3への給電により生じる磁界によって回転駆動され、回転時にはラジアル磁気軸受5及びアキシャル磁気軸受6によって非接触にて軸支される。なお、ロータ4は、停止時には、補助軸受7により支持される。ラジアル磁気軸受5は、ロータ4の両端部に対して各々設けられている。これらのラジアル磁気軸受5は、不図示の給電装置から給電されることによって磁力を発生し、ロータ4の径方向への荷重を非接触にて支持する。
The rotor 4 is a bar member and includes a permanent magnet at a location facing the
アキシャル磁気軸受6は、図1に示すように、ディスク6aと、2つの電磁石ユニット6bと、磁束漏出防止部材6cとを備えている。ディスク6aは、磁性体からなる円板状の部材であり、ロータ4に対して設けられている。このディスク6aは、ロータ4よりも大径とされており、ロータ4に対して同心状に固定されている。このようなディスク6aは、ロータ4の軸方向から見て、外縁部がロータ4の外側に突出されている。2つの電磁石ユニット6bは、ディスク6aをロータ4の軸方向から挟むようにディスク6aに対して対向配置されており、ディスク6aに対して僅かな隙間を空けて対向されるようにハウジング2に対して固定されている。
As shown in FIG. 1, the axial
図2は、ディスク6aの一方側(図1の左側)に設けられた電磁石ユニット6bの全体図であり、(a)が縦断面図であり、(b)が正面図であり、(c)が(a)のA−A線断面図である。また、図3は、電磁石ユニット6bとディスク6aの一部を含む拡大模式図である。これらの図に示すように、電磁石ユニット6bは、コイル6b1と、コア6b2とを備えている。
2 is an overall view of the
コイル6b1は、ロータ4を中心として巻回される巻線により形成されており、不図示の給電装置により給電が行われる。このコイル6b1は、予め定められた線積率となるように巻線が巻回されている。 The coil 6b1 is formed by a winding wound around the rotor 4, and power is supplied by a power supply device (not shown). The coil 6b1 is wound with a winding so as to have a predetermined line product ratio.
コア6b2は、磁性体からなると共に中央にロータ4が挿通される開口を有する環状の部材であり、コイル6b1を内包する。また、コア6b2は、ディスク6aと対向する領域Raに対向する箇所に設けられる環状のスリット6b3(磁極間のスリット)を有している。このスリット6b3は、ロータ4を中心とする環状に設けられている。
The core 6b2 is an annular member made of a magnetic material and having an opening through which the rotor 4 is inserted at the center, and includes the coil 6b1. The core 6b2 has an annular slit 6b3 (a slit between the magnetic poles) provided at a location facing the area Ra facing the
なお、ディスク6aの他方側(図1の右側)に設けられた電磁石ユニット6bは、ディスク6aの一方側に設けられた電磁石ユニット6bとディスク6aを中心として対称な構成となっている。このため、ディスク6aの他方側に設けられた電磁石ユニット6bの詳細な説明は省略する。
The
磁束漏出防止部材6cは、比透磁率が1より小さい反磁性体からなる部材であり、図3に示すように、スリット6b3の内壁面6b4と、ディスク6aの周面6a1と、コア6b2の表面であってディスク6aの対向しない領域Rbに設けられている。以下、スリット6b3の内壁面6b4に設けられた磁束漏出防止部材6cをスリット用磁束漏出防止部材6c1と、ディスク6aの周面6a1に設けられた磁束漏出防止部材6cをディスク用磁束漏出防止部材6c2と、コア6b2の表面であってディスク6aの対向しない領域Rbに設けられた磁束漏出防止部材6cをコア表面用磁束漏出防止部材6c3と称する。
The magnetic flux
スリット用磁束漏出防止部材6c1は、対向するスリット6b3の内壁面6b4(径方向内側の内壁面6b4及び径方向外側の内壁面6b4)の全面を覆うように設けられている。このスリット用磁束漏出防止部材6c1は、図3に示すように、スリット6b3において磁束が漏出することを防止し、コア6b2を通過する磁束をディスク6aに案内する。ディスク用磁束漏出防止部材6c2及びコア表面用磁束漏出防止部材6c3は、コア6b2のディスク6aと対向しない領域Rbとディスク6aの周面6a1との間で磁束が漏出することを防止し、コア6b2を通過する磁束をディスク6aに案内する。
The slit magnetic flux leakage preventing member 6c1 is provided so as to cover the entire inner wall surface 6b4 (the radially inner wall surface 6b4 and the radially outer wall surface 6b4) of the opposing slit 6b3. As shown in FIG. 3, the slit magnetic flux leakage preventing member 6c1 prevents the magnetic flux from leaking through the slit 6b3 and guides the magnetic flux passing through the core 6b2 to the
また、ディスク用磁束漏出防止部材6c2は、ディスク6aの他方側(図1の右側)に設けられた電磁石ユニット6bが備えるコア6b2のディスク6aと対向しない領域Rbとディスク6aの周面6a1との間で磁束が漏出することも防止する。また、コア表面用磁束漏出防止部材6c3は、ディスク6aの他方側に設けられた電磁石ユニット6bにも同様に設けられており、ディスク6aの他方側(図1の右側)に設けられた電磁石ユニット6bが備えるコア6b2のディスク6aと対向しない領域Rbとディスク6aの周面6a1との間で磁束が漏出することを防止する。
Further, the magnetic flux leakage preventing member 6c2 for the disk is formed between the region Rb of the core 6b2 provided in the
このような磁束漏出防止部材6cは、例えば、ビヒマス、あるいは鉛、もしくはこれらを含む材料によって磁束漏出防止部材6cを形成することができる。ただし、このような磁束漏出防止部材6cを形成する反磁性体は特に限定されるものではない。
Such a magnetic flux
このような構成の本実施形態のモータ1では、ステータ3に対して給電されることでロータ4が回転駆動され、さらにラジアル磁気軸受5及びアキシャル磁気軸受6に対して給電されることでロータ4が非接触にて軸支される。このため、極めて回転抵抗が少ない状態でロータ4を回転することができる。
In the motor 1 of this embodiment having such a configuration, the rotor 4 is rotationally driven by supplying power to the
上述のような本実施形態のモータ1によれば、図1に示すように電磁石ユニット6bをロータ4の軸方向に扁平とした場合であっても、スリット用磁束漏出防止部材6c1によって、コア6b2に設けられたスリット6b3において磁束が漏出することを防止することできる(図3参照)。このため、有効な磁束の減少を抑制し、電磁石ユニット6bの吸引力が低下することを防止することができる。したがって、本実施形態のモータ1によれば、アキシャル磁気軸受6において、電磁石ユニット6bの吸引力を維持しつつ、ロータ4の軸方向の幅を低減することが可能となる。
According to the motor 1 of the present embodiment as described above, even if the
また、本実施形態のモータ1においては、ディスク6aの周面6a1に設けられると共に反磁性体からなるディスク用磁束漏出防止部材6c2と、ディスク6a側のコア6b2の表面であってディスク6aと対向しない領域Rbに設けられると共に反磁性体からなるコア表面用磁束漏出防止部材6c3とを備えている。このため、コア6b2のディスク6aと対向しない領域Rbとディスク6aの周面6a1との間で磁束が漏出することを防止することができ、有効な磁束の減少をさらに抑制し、電磁石ユニット6bの吸引力をさらに高い水準で維持することができる。
In the motor 1 of the present embodiment, the disk magnetic flux leakage prevention member 6c2 made of a diamagnetic material is provided on the peripheral surface 6a1 of the
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
(1)上記実施形態では、対向するスリット6b3の内壁面6b4に対してスリット用磁束漏出防止部材6c1を設けることで、磁束漏出防止部材6cをスリット6b3に配置したが、本発明はこれに限定されない。例えば、スリット6b3の全体あるいは一部を埋める反磁性体からなる部材をスリット6b3に配置し、これを磁束漏出防止部材とすることも可能である。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, For example, the following modifications can be considered.
(1) In the above embodiment, the magnetic flux
(2)上記実施形態では、対向するスリット6b3の内壁面6b4の両方に対してスリット用磁束漏出防止部材6c1を設けたが、本発明はこれに限定されない。例えば、対向するスリット6b3の内壁面6b4のいずれか一方のみにスリット用磁束漏出防止部材6c1を設けても良い。 (2) In the above embodiment, the slit magnetic flux leakage preventing member 6c1 is provided for both the inner wall surfaces 6b4 of the opposed slits 6b3. However, the present invention is not limited to this. For example, the slit magnetic flux leakage prevention member 6c1 may be provided only on one of the inner wall surfaces 6b4 of the facing slit 6b3.
(3)上記実施形態では、ディスク6aの周面6a1に設けられると共に反磁性体からなるディスク用磁束漏出防止部材6c2と、ディスク6a側のコア6b2の表面であってディスク6aと対向しない領域Rbに設けられると共に反磁性体からなるコア表面用磁束漏出防止部材6c3とを備えたが、本発明はこれに限定されない。例えば、ディスク用磁束漏出防止部材6c2及びコア表面用磁束漏出防止部材6c3を設けない構成や、ディスク用磁束漏出防止部材6c2及びコア表面用磁束漏出防止部材6c3のいずれかのみを設ける構成とすることもできる。なお、ディスク用磁束漏出防止部材6c2及びコア表面用磁束漏出防止部材6c3のいずれかのみを設ける場合には、ディスク用磁束漏出防止部材6c2のみを設けることが好ましい。これは、1つのディスク用磁束漏出防止部材6c2によって、ディスク6aを挟んで配置される2つの電磁石ユニット6bとの間における磁束の漏出を防止することができるためである。
(3) In the above embodiment, the disk magnetic flux leakage prevention member 6c2 made of diamagnetic material and the surface of the core 6b2 on the
(4)上記実施形態では、本発明をモータに適用した例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、本発明は、特性を決定するのにロータの固有振動数が大きな要因となる回転機械や、限られた空間で所定の吸引力が求められる回転機械に対して好適に適用することができる。このような回転機械としては、例えば、空気圧縮機、ターボ冷凍機、空気分離機及びガスタービンが挙げられる。 (4) In the above embodiment, an example in which the present invention is applied to a motor has been described, but the present invention is not limited to this. For example, the present invention can be suitably applied to a rotating machine in which the natural frequency of the rotor is a major factor in determining characteristics, or a rotating machine that requires a predetermined suction force in a limited space. . Examples of such rotating machines include air compressors, turbo chillers, air separators, and gas turbines.
1…モータ(回転機械)、2…ハウジング、3…ステータ、4…ロータ、5…ラジアル磁気軸受、6…アキシャル磁気軸受、6a…ディスク、6a1…周面、6b…電磁石ユニット、6b1…コイル、6b2…コア、6b3…スリット、6b4…内壁面、6c…磁束漏出防止部材、6c1…スリット用磁束漏出防止部材、6c2…ディスク用磁束漏出防止部材、6c3…コア表面用磁束漏出防止部材、7…補助軸受、Ra…領域、Rb…領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Motor (rotary machine), 2 ... Housing, 3 ... Stator, 4 ... Rotor, 5 ... Radial magnetic bearing, 6 ... Axial magnetic bearing, 6a ... Disk, 6a1 ... Peripheral surface, 6b ... Electromagnet unit, 6b1 ... Coil, 6b2 ... Core, 6b3 ... Slit, 6b4 ... Inner wall surface, 6c ... Magnetic flux leakage prevention member, 6c1 ... Magnetic flux leakage prevention member for slit, 6c2 ... Magnetic flux leakage prevention member for disk, 6c3 ... Magnetic flux leakage prevention member for core surface, 7 ... Auxiliary bearing, Ra ... area, Rb ... area
Claims (5)
前記電磁石ユニットは、
コイルと、
前記コイルを内包すると共に前記ディスクに対向する箇所に設けられる環状のスリットを有するコアと、
前記スリットに配置されると共に比透磁率が1より小さい反磁性体からなる磁束漏出防止部材と
を備える、磁気軸受。 A magnetic bearing having a disk provided to the rotor and an electromagnet unit that is disposed to face the disk and includes a region that does not face the disk,
The electromagnet unit is
Coils,
A core that includes the coil and has an annular slit provided at a location facing the disk;
A magnetic flux leakage preventing member that is disposed in the slit and is made of a diamagnetic material having a relative magnetic permeability smaller than 1.
前記磁気軸受として請求項1〜3いずれか一項に記載の磁気軸受を備える、回転機械。 A rotary machine comprising a rotor and a magnetic bearing that rotatably supports the rotor,
A rotary machine comprising the magnetic bearing according to claim 1 as the magnetic bearing.
前記ディスクに対向する領域及び前記ディスクに対向しない領域のうち、前記ディスクに対向する領域に環状のスリットを含むコアと、
前記コアに内包されたコイルと、
前記スリットに対して設けられた磁束漏出防止部材と、
を有する磁気軸受。
A disc,
Of the area facing the disk and the area not facing the disk, a core including an annular slit in the area facing the disk;
A coil included in the core;
A magnetic flux leakage prevention member provided for the slit;
Magnetic bearing having.
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