JP2621134B2 - 磁気浮上形回転機械 - Google Patents
磁気浮上形回転機械Info
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- JP2621134B2 JP2621134B2 JP60255594A JP25559485A JP2621134B2 JP 2621134 B2 JP2621134 B2 JP 2621134B2 JP 60255594 A JP60255594 A JP 60255594A JP 25559485 A JP25559485 A JP 25559485A JP 2621134 B2 JP2621134 B2 JP 2621134B2
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- Japan
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- rotating body
- precession
- force
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
- F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
- F16C32/0406—Magnetic bearings
- F16C32/0408—Passive magnetic bearings
- F16C32/0423—Passive magnetic bearings with permanent magnets on both parts repelling each other
- F16C32/0425—Passive magnetic bearings with permanent magnets on both parts repelling each other for radial load mainly
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C2360/00—Engines or pumps
- F16C2360/44—Centrifugal pumps
- F16C2360/45—Turbo-molecular pumps
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)
- Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ジャイロスコープ、圧力計あるいはターボ
分子ポンプ等のように高速回転を行なう装置類に好適に
使用できる磁気浮上形の回転機械に関するものである。
分子ポンプ等のように高速回転を行なう装置類に好適に
使用できる磁気浮上形の回転機械に関するものである。
［従来の技術］ 超高速の回転体を備えた回転機械においては、磁気軸
受によりその回転体を浮上支持し得るようにしたものが
少なくない。
受によりその回転体を浮上支持し得るようにしたものが
少なくない。
そして、近時、前記磁気軸受をサーボ機構を備えた能
動形のものにし、前記回転体の浮上位置を強制的に規定
し得るようにしたものが開発されている。すなわち、こ
のものは、回転体の支承部の周囲に電磁石を配設すると
ともに、この支承部近傍の位置変化を検出するセンサを
設けておき、このセンサからの位置検出信号により前記
電磁石の磁力をフィードバック制御して前記回転体を常
に一定の位置に浮上させておくことができるようになっ
ている。
動形のものにし、前記回転体の浮上位置を強制的に規定
し得るようにしたものが開発されている。すなわち、こ
のものは、回転体の支承部の周囲に電磁石を配設すると
ともに、この支承部近傍の位置変化を検出するセンサを
設けておき、このセンサからの位置検出信号により前記
電磁石の磁力をフィードバック制御して前記回転体を常
に一定の位置に浮上させておくことができるようになっ
ている。
［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、高速で作動する回転体の軸心の傾きを
従来の方式により制御するには、非常に大きな制御力と
高速応答性が必要であり、制御装置の複雑化および大容
量化を招くという問題がある。
従来の方式により制御するには、非常に大きな制御力と
高速応答性が必要であり、制御装置の複雑化および大容
量化を招くという問題がある。
本発明は、このような問題点を確実に解消することが
できる画期的な磁気浮上形回転機構を提供しようとする
ものである。
できる画期的な磁気浮上形回転機構を提供しようとする
ものである。
［問題点を解決するための手段］ 本発明は、以上のような目的を達成するために、次の
ような手段を講じたことを特徴とする。すなわち、本発
明に係る磁気浮上形回転機械は、第１図に示すように、
軸心回りに回転する回転体Ｉと、この回転体Ｉを軸心の
傾きに対して安定平衡をなすように永久磁石を用いた静
磁場により浮上支持するラジアル磁気軸受IIと、前記回
転体Ｉが歳差運動を行なった場合に該回転体Ｉの端部付
近にその歳差運動の方向と逆の接線方向に力ｆを連続的
に付与する歳差運動除去機構IIIとを具備してなること
を特徴とする。
ような手段を講じたことを特徴とする。すなわち、本発
明に係る磁気浮上形回転機械は、第１図に示すように、
軸心回りに回転する回転体Ｉと、この回転体Ｉを軸心の
傾きに対して安定平衡をなすように永久磁石を用いた静
磁場により浮上支持するラジアル磁気軸受IIと、前記回
転体Ｉが歳差運動を行なった場合に該回転体Ｉの端部付
近にその歳差運動の方向と逆の接線方向に力ｆを連続的
に付与する歳差運動除去機構IIIとを具備してなること
を特徴とする。
このラジアル磁気軸受IIの代表的な実施態様として
は、第２図に示すように、回転体ＩにＮ極とＳ極とを軸
方向に配列させた永久磁石１を設けておき、その永久磁
石１のＮ極の周囲に内方端にＮ極を有した第１の永久磁
石２を配列するとともに、Ｓ極の周囲に内方端にＳ極を
有した第２永久磁石３を配設したものがある。しかし
て、このようなラジアル磁気軸受IIにより回転体Ｉを支
承すると、この回転体Ｉが基本軸（図面ではＺ軸）に対
して傾いた場合、前記永久磁石１と第１、第２の永久磁
石２、３との磁気反発力によって前記回転体Ｉに復元力
Ｆが作用することになり、軸の傾きに対して安定平衡と
なる。このラジアル磁気軸受IIの他の態様としては、第
３図〜第５図に示すようなものが考えられる。しかし
て、これらの図面において、４〜12はそれぞれ永久磁石
である。第５図において、回転体Ｉの平衡位置を若干上
方にずらせて設定しているのは、該回転体Ｉの重力を支
えるためである。なお、これらの永久磁石２、３、５、
７、９、12に代えて、静磁場を形成する電磁石を用いて
もよい。
は、第２図に示すように、回転体ＩにＮ極とＳ極とを軸
方向に配列させた永久磁石１を設けておき、その永久磁
石１のＮ極の周囲に内方端にＮ極を有した第１の永久磁
石２を配列するとともに、Ｓ極の周囲に内方端にＳ極を
有した第２永久磁石３を配設したものがある。しかし
て、このようなラジアル磁気軸受IIにより回転体Ｉを支
承すると、この回転体Ｉが基本軸（図面ではＺ軸）に対
して傾いた場合、前記永久磁石１と第１、第２の永久磁
石２、３との磁気反発力によって前記回転体Ｉに復元力
Ｆが作用することになり、軸の傾きに対して安定平衡と
なる。このラジアル磁気軸受IIの他の態様としては、第
３図〜第５図に示すようなものが考えられる。しかし
て、これらの図面において、４〜12はそれぞれ永久磁石
である。第５図において、回転体Ｉの平衡位置を若干上
方にずらせて設定しているのは、該回転体Ｉの重力を支
えるためである。なお、これらの永久磁石２、３、５、
７、９、12に代えて、静磁場を形成する電磁石を用いて
もよい。
一方、歳差運動除去機構IIIは、前記回転体Ｉが歳差
運動（すりこぎのような円錐運動）を行なった場合に、
この回転体Ｉにその歳差運動の方向と逆の方向に力ｆを
連続的に付与し得るようなものでありさえすればよく、
その力ｆとしては磁気力や機械的な摩擦力等が使用可能
である。
運動（すりこぎのような円錐運動）を行なった場合に、
この回転体Ｉにその歳差運動の方向と逆の方向に力ｆを
連続的に付与し得るようなものでありさえすればよく、
その力ｆとしては磁気力や機械的な摩擦力等が使用可能
である。
［作用］ 次いで、この発明の作用を歳差運動の性質および歳差
運動を除去できる原理の二点に分けて説明する。
運動を除去できる原理の二点に分けて説明する。
歳差運動の性質 この発明のように、ラジアル磁気軸受IIを用いて回転
体Ｉを軸心の傾きに対して安定平衡をなすように静磁場
により浮上支持するようにした場合には、この回転体Ｉ
が回転（自転）の方向と反対回りの歳差運動を行なうこ
とになる。
体Ｉを軸心の傾きに対して安定平衡をなすように静磁場
により浮上支持するようにした場合には、この回転体Ｉ
が回転（自転）の方向と反対回りの歳差運動を行なうこ
とになる。
これを、第２図および第６図を参照して説明する。回
転体Ｉの角運動量をとし、回転体Ｉの重心Ｇから上端
（磁石１の埋込位置）までの位置ベクトルをで示す。
転体Ｉの角運動量をとし、回転体Ｉの重心Ｇから上端
（磁石１の埋込位置）までの位置ベクトルをで示す。
運動方程式は、 となる。
但し、＝I3ω/l （1.2） であり、I3は回転軸ｐまわりの慣性モーメントを表わ
し、ωはそのまわりの角速度を表わす。高速回転の場
合、前記角速度ωに対して、傾斜角度θおよび歳差運動
の角度Ψの時間微分値は無視できるほど小さい。又この
回転体Ｉは歳差運動が除去できるのでθは非常に小さ
い。それ故、以下、θについて２次以上の高次の項を省
略する。そうすると、回転体Ｉの上端に設けた磁石１に
働く復元力は、 ＝−λθｒ（θ＜＜１に対して） （1.3） となる。但しλは正値の比例係数、ｒは次の式で定義
される単位ベクトルである。
し、ωはそのまわりの角速度を表わす。高速回転の場
合、前記角速度ωに対して、傾斜角度θおよび歳差運動
の角度Ψの時間微分値は無視できるほど小さい。又この
回転体Ｉは歳差運動が除去できるのでθは非常に小さ
い。それ故、以下、θについて２次以上の高次の項を省
略する。そうすると、回転体Ｉの上端に設けた磁石１に
働く復元力は、 ＝−λθｒ（θ＜＜１に対して） （1.3） となる。但しλは正値の比例係数、ｒは次の式で定義
される単位ベクトルである。
ここで、ｘとｙはそれぞれｘ軸、ｙ軸方向の単位
ベクトルである。
ベクトルである。
角度θを使って、ベクトルを分解すると、 ＝lcosθｚ＋lsinθｒ ｌｚ＋ｌθｒ（θ＜＜１に対して） （1.5） 但し、ｚはｚ軸方向の単位ベクトルを表わす。（1.
5）式より速度ｄ/dtは、 となる。次のよく知られている式 但し、ｔ＝ｚ×ｒ （1.8） を使うと（1.6）式は、 となる。
5）式より速度ｄ/dtは、 となる。次のよく知られている式 但し、ｔ＝ｚ×ｒ （1.8） を使うと（1.6）式は、 となる。
（1.2）式を時間ｔで微分して、（1.5）、（1.9）式
を代入すると、 一方、（1.3）、（1.5）、（1.8）式を使うと、（1.
1）の右辺は ２×＝−2lλθ（ｚ＋θｒ）×ｒ ＝−2lλθｔ （1.11） となる。
を代入すると、 一方、（1.3）、（1.5）、（1.8）式を使うと、（1.
1）の右辺は ２×＝−2lλθ（ｚ＋θｒ）×ｒ ＝−2lλθｔ （1.11） となる。
（1.1）式に（1.10）と（1.11）を代入すると を得る。（1.12）式を積分すると、 （但し、ω０、θ０、Ψ０は初期値）となる。
しかして、（1.13）式から歳差運動が回転体Ｉの回転
方向と逆向きに起こることがわかる。すなわち、ｚ軸の
正の側から回転体Ｉを見る時には、ω０＞０に対して
は、歳差運動が時計まわりに起こり、ω０＜０に対して
は反時計まわりに起こる。
方向と逆向きに起こることがわかる。すなわち、ｚ軸の
正の側から回転体Ｉを見る時には、ω０＞０に対して
は、歳差運動が時計まわりに起こり、ω０＜０に対して
は反時計まわりに起こる。
重力のもとで玩具のコマが歳差運動する時と比べて、
この回転機械の歳差運動の方向が反対であることに注意
すべきである。以上は、歳差運動除去機構が発生する力
を無視した場合について考えたが以下、この力を考慮し
た時の運動を考える。
この回転機械の歳差運動の方向が反対であることに注意
すべきである。以上は、歳差運動除去機構が発生する力
を無視した場合について考えたが以下、この力を考慮し
た時の運動を考える。
歳差運動を除去できる原理 以上のようにして回転方向と逆の方向に歳差運動を行
なっている回転体Ｉに、歳差運動除去機構IIIによりそ
の歳差運動の方向と反対の方向の力ｆを連続的に作用さ
せることにより、その歳差運動を減衰させることができ
る。
なっている回転体Ｉに、歳差運動除去機構IIIによりそ
の歳差運動の方向と反対の方向の力ｆを連続的に作用さ
せることにより、その歳差運動を減衰させることができ
る。
例えば、その力を回転体Ｉの端部Ａにおける歳差運
動の速度に比例する大きさの力とすると、力は次のよ
うになる。
動の速度に比例する大きさの力とすると、力は次のよ
うになる。
（但しμは係数である） この時、運動方程式は次のようになる。
但し、第２の等号は、（1.5）、（1.11）、（1.14）
式を代入することにより導出され、第３の等号は、θの
高次の項を無視し、（1.8）式を使うことによって得ら
れる。
式を代入することにより導出され、第３の等号は、θの
高次の項を無視し、（1.8）式を使うことによって得ら
れる。
次に、（1.15）式の左辺に（1.10）式を代入すると、 を得る。
各々の単位ベクトルｚ、ｒ、ｔの係数をひろい
集めることにより、 を得る。（1.17）式は ω＝ω０ （1.20） となる。（1.19）式に（1.18）、（1.20）式を代入する
と、 が得られ、これから次の式が導出される。
集めることにより、 を得る。（1.17）式は ω＝ω０ （1.20） となる。（1.19）式に（1.18）、（1.20）式を代入する
と、 が得られ、これから次の式が導出される。
（1.21）式を用いると、（1.18）式は となる。もし、（1.22）式の右辺の係数の正値の部分を
数値αで次のように書き表わすならば、 （1.22）式の解は θ＝θ0e−αｔ （1.24） となる。
数値αで次のように書き表わすならば、 （1.22）式の解は θ＝θ0e−αｔ （1.24） となる。
結局、（1.20）、（1.21）、（1.24）式は、次の三点
を意味する。
を意味する。
第１点、回転軸ｐまわりの角速度ωは一定である。
第２点、回転軸ｐはＺ軸まわりに定速で歳差運動す
る。
る。
第３点、回転軸ｐとＺ軸との間の傾きの角θは時間と
共に指数関数的に減少する。
共に指数関数的に減少する。
このように、歳差運動除去装置IIIはその本来の役目
を成功裏に達成し、ここで提案された回転機械は非常に
安定な回転を生み出すことができる。
を成功裏に達成し、ここで提案された回転機械は非常に
安定な回転を生み出すことができる。
以上は、歳差運動除去機構IIIにより回転体Ｉに歳差
運動の速度に比例した大きさの力を加える場合につい
て説明したが、回転体Ｉにその大きさが一定の力あるい
は速度の２乗、３乗に比例する力等を歳差運動の方向と
逆の方向に加え続けるようにしてもこれに準じた作用が
得られる。
運動の速度に比例した大きさの力を加える場合につい
て説明したが、回転体Ｉにその大きさが一定の力あるい
は速度の２乗、３乗に比例する力等を歳差運動の方向と
逆の方向に加え続けるようにしてもこれに準じた作用が
得られる。
［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
実施例１（第７図〜第14図） この磁気浮上形回転機械は、モータ21により駆動され
軸心ｐ回りに高速回転する回転体Ｉを備えている。モー
タ21は、第７図および第８図に示すように前記回転体Ｉ
に設けたカゴ型ロータ22と、このロータ22の周囲に配設
したステータコイル23とを具備してなる誘導モータであ
り、前記ステータコイル23はハウジング24に固定されて
いる。回転体Ｉは軸状のもので、対をなすラジアル磁気
軸受IIにより軸心ｐの傾きに対して安定平衡をなすよう
に浮上支持されている。ラジアル磁気軸受IIは、回転体
ＩにＮ極とＳ極とを軸方向に配列させた永久磁石25を埋
設しておき、その永久磁石25のＮ極の周囲に内方端にＮ
極を有した第１の永久磁石26を配設するとともに、Ｓ極
の周囲に内方端にＳ極を有した第２の永久磁石27を配設
したものである。そして、一方のラジアル磁気軸受IIが
回転体Ｉの上端近傍部に設けられ、他方のラジアル磁気
軸受IIが回転体Ｉの下端近傍部に設けられている。
軸心ｐ回りに高速回転する回転体Ｉを備えている。モー
タ21は、第７図および第８図に示すように前記回転体Ｉ
に設けたカゴ型ロータ22と、このロータ22の周囲に配設
したステータコイル23とを具備してなる誘導モータであ
り、前記ステータコイル23はハウジング24に固定されて
いる。回転体Ｉは軸状のもので、対をなすラジアル磁気
軸受IIにより軸心ｐの傾きに対して安定平衡をなすよう
に浮上支持されている。ラジアル磁気軸受IIは、回転体
ＩにＮ極とＳ極とを軸方向に配列させた永久磁石25を埋
設しておき、その永久磁石25のＮ極の周囲に内方端にＮ
極を有した第１の永久磁石26を配設するとともに、Ｓ極
の周囲に内方端にＳ極を有した第２の永久磁石27を配設
したものである。そして、一方のラジアル磁気軸受IIが
回転体Ｉの上端近傍部に設けられ、他方のラジアル磁気
軸受IIが回転体Ｉの下端近傍部に設けられている。
なお、これらのラジアル磁気軸受IIのみでは、回転体
Ｉの軸方向の移動を規制することはできないため、この
回転体Ｉの下端部にサーボ式のスラスト磁気軸受28を設
けている。スラスト磁気軸受28は、第９図に示すように
前記回転体Ｉの下端面にサーボサスペンションコイル29
を対向配置するとともに、前記回転体Ｉの下端両側部に
回転体Ｉの軸方向の位置を検出するための発光ダイオー
ド31とフォトトランジスタ32とを配設し、前記フォトト
ランジスタ32からの信号を比例積分微分回路（P.I.D）3
0により処理して前記サーボサスペンションコイル29を
流れる制御電流をフィードバック制御するようにした通
常のものである。
Ｉの軸方向の移動を規制することはできないため、この
回転体Ｉの下端部にサーボ式のスラスト磁気軸受28を設
けている。スラスト磁気軸受28は、第９図に示すように
前記回転体Ｉの下端面にサーボサスペンションコイル29
を対向配置するとともに、前記回転体Ｉの下端両側部に
回転体Ｉの軸方向の位置を検出するための発光ダイオー
ド31とフォトトランジスタ32とを配設し、前記フォトト
ランジスタ32からの信号を比例積分微分回路（P.I.D）3
0により処理して前記サーボサスペンションコイル29を
流れる制御電流をフィードバック制御するようにした通
常のものである。
また、前記回転体Ｉの上端部に、歳差運動除去機構II
Iを設けている。この歳差運動除去機構IIIは、第７図、
第10図および第11図に示すように、前記回転体Ｉの上端
部の周囲に、例えば、４個の電磁石331〜334と、２対の
発光ダイオード341、342およびフォトトランジスタ3
51、352とを配設してなる。そして、一方のフォトトラ
ンジスタ351の出力電圧V1の変化を、コンデンサ37およ
び抵抗器38により構成される微分回路を備えてなる電子
回路36により第１、第３の電磁石331、333に供給する電
流I1の変化に変換するとともに、他方のフォトトランジ
スタ352の出力電圧V2の変化を図示しない同様な電子回
路により第２、第４の電磁石332、334に供給する電流I2
の変化に変換するようにしている。すなわち、回転体Ｉ
のｘ軸方向の変位ｘと、一方のフォトトランジスタ351
の出力電圧V1と、第１、第３の電磁石331、333に供給さ
れる電流I1との関係は、第13図に示すようであり、ま
た、回転体Ｉのｙ軸方向の変位ｙと、他方のフォトトラ
ンジスタ352の出力電圧V2と、第２、第４の電磁石332、
334に供給される電流I2との関係は、第14図に示すよう
になっている。
Iを設けている。この歳差運動除去機構IIIは、第７図、
第10図および第11図に示すように、前記回転体Ｉの上端
部の周囲に、例えば、４個の電磁石331〜334と、２対の
発光ダイオード341、342およびフォトトランジスタ3
51、352とを配設してなる。そして、一方のフォトトラ
ンジスタ351の出力電圧V1の変化を、コンデンサ37およ
び抵抗器38により構成される微分回路を備えてなる電子
回路36により第１、第３の電磁石331、333に供給する電
流I1の変化に変換するとともに、他方のフォトトランジ
スタ352の出力電圧V2の変化を図示しない同様な電子回
路により第２、第４の電磁石332、334に供給する電流I2
の変化に変換するようにしている。すなわち、回転体Ｉ
のｘ軸方向の変位ｘと、一方のフォトトランジスタ351
の出力電圧V1と、第１、第３の電磁石331、333に供給さ
れる電流I1との関係は、第13図に示すようであり、ま
た、回転体Ｉのｙ軸方向の変位ｙと、他方のフォトトラ
ンジスタ352の出力電圧V2と、第２、第４の電磁石332、
334に供給される電流I2との関係は、第14図に示すよう
になっている。
このような構成のものであれば、前記回転体Ｉが歳差
運動を行なった場合には、この回転体Ｉにその歳差運動
の方向と逆向きでかつその歳差運動の速度に比例した大
きさの電磁力が連続的に作用することになる。そのた
め、前記［作用］の項で詳述した原理により、その回転
体Ｉの傾斜角度θは、時間の経過に伴って指数関数的に
減少する。したがって、この回転体Ｉはきわめて安定し
た状態で回転を続けることになる。
運動を行なった場合には、この回転体Ｉにその歳差運動
の方向と逆向きでかつその歳差運動の速度に比例した大
きさの電磁力が連続的に作用することになる。そのた
め、前記［作用］の項で詳述した原理により、その回転
体Ｉの傾斜角度θは、時間の経過に伴って指数関数的に
減少する。したがって、この回転体Ｉはきわめて安定し
た状態で回転を続けることになる。
実施例２（第15図、第16図） この実施例２は、機械的な歳差運動除去機構IIIを備
えた磁気浮上形回転機械の一例であり、前記実施例１と
同一または相当する部分には同一の符号を付して説明を
省略する。
えた磁気浮上形回転機械の一例であり、前記実施例１と
同一または相当する部分には同一の符号を付して説明を
省略する。
この歳差運動除去機構IIIは、回転体Ｉの下端軸心部
に突設した鋼鉄製の針41と、この針41の直下に配設した
テフロン製の平板42と、この平板42上に滑動可能に載置
したテフロン製の軸受キャップ43と、このキャップ43の
上面に設けられ前記針41の先端を回転可能に支承するル
ビー製の軸受44と、前記回転体Ｉの上端に対向配置され
上方への磁力により前記回転体Ｉに作用する重力の大部
分を打消す永久磁石45とを具備してなる。そして、前記
平板42および前記磁石45は、前記ハウジング24に螺合さ
せた調節台46、47に保持させてあり、これらの調節台4
6、47の螺合進退調節により前記軸受キャップ43の前記
平板42に対する押付力を非常に小さな値に設定してい
る。しかして、この歳差運動除去機構IIIは、回転体Ｉ
の軸方向の移動を規制するスラスト軸受としての役割り
をも担っている。
に突設した鋼鉄製の針41と、この針41の直下に配設した
テフロン製の平板42と、この平板42上に滑動可能に載置
したテフロン製の軸受キャップ43と、このキャップ43の
上面に設けられ前記針41の先端を回転可能に支承するル
ビー製の軸受44と、前記回転体Ｉの上端に対向配置され
上方への磁力により前記回転体Ｉに作用する重力の大部
分を打消す永久磁石45とを具備してなる。そして、前記
平板42および前記磁石45は、前記ハウジング24に螺合さ
せた調節台46、47に保持させてあり、これらの調節台4
6、47の螺合進退調節により前記軸受キャップ43の前記
平板42に対する押付力を非常に小さな値に設定してい
る。しかして、この歳差運動除去機構IIIは、回転体Ｉ
の軸方向の移動を規制するスラスト軸受としての役割り
をも担っている。
このような構成のものであれば、回転体Ｉが前述した
ように回転方向と逆の方向に歳差運動を行なった場合、
回転体Ｉの針41の先端を支承する軸受キャップ43が前記
平板42上を円を画くように摺動する。そのため、この回
転体Ｉの下端には、その歳差運動の方向と逆向きの摩擦
力（略一定の力）が連続的に作用することになる。その
結果、前記［作用］の欄で説明した原理に準じた作用が
営まれ、その歳差運動が抑止される。すなわち、この場
合には、同様な手順により運動方程式の解を求めると、
次のようである。
ように回転方向と逆の方向に歳差運動を行なった場合、
回転体Ｉの針41の先端を支承する軸受キャップ43が前記
平板42上を円を画くように摺動する。そのため、この回
転体Ｉの下端には、その歳差運動の方向と逆向きの摩擦
力（略一定の力）が連続的に作用することになる。その
結果、前記［作用］の欄で説明した原理に準じた作用が
営まれ、その歳差運動が抑止される。すなわち、この場
合には、同様な手順により運動方程式の解を求めると、
次のようである。
摩擦力のトルクをベクトルで表わすと、 但し、は第２図に示されたベクトルで ε＝（軸受44に働く重力と磁気浮上力の差し引き下向きの力の大きさ） ×（２つのテフロン材42、43間の動摩擦係数） この時、回転体Ｉの運動方程式は、 となる。ここで、（2.2）式の右辺の第１項は回転体Ｉ
の歳差運動を生み出す。第２項のトルクの方向はθ＜＜
１の場合に（1.15）式に表われているトルク×と同
じ方向を向いており、この事実が次のような歳差運動除
去を実現させる。
の歳差運動を生み出す。第２項のトルクの方向はθ＜＜
１の場合に（1.15）式に表われているトルク×と同
じ方向を向いており、この事実が次のような歳差運動除
去を実現させる。
εは非常に小さい値に調整されているので、εについ
ての第１次近似として（2.1）式にε＝０の時の解であ
るを表わす式（1.5）、（1.9）、（1.13）を代入して
もよい。その時トルクは、 となる。但し、ε＜＜１の近似とθの高次の項の省略を
行なった。この近似はこのタイプの装置においても有効
である。そうすると、や×を次のように書き直せ
る。
ての第１次近似として（2.1）式にε＝０の時の解であ
るを表わす式（1.5）、（1.9）、（1.13）を代入して
もよい。その時トルクは、 となる。但し、ε＜＜１の近似とθの高次の項の省略を
行なった。この近似はこのタイプの装置においても有効
である。そうすると、や×を次のように書き直せ
る。
＝I3ω（cosθｚ＋sinθｒ） I3ω（ｚ＋θｒ） （2.4） ×−λθｌｔ （2.5） （2.2）式の左辺に（2.4）を代入して を得る。
同様に、（2.2）式の右辺に（2.3）、（2.5）式を代
入すると、 （2.6）式と（2.7）式を比較すると を得る。結局、回転体Ｉの傾斜角度θはその初期値θ０
から減少し、 時刻tf＝θ0I3|ω0|/（εｌ）に０になる。
入すると、 （2.6）式と（2.7）式を比較すると を得る。結局、回転体Ｉの傾斜角度θはその初期値θ０
から減少し、 時刻tf＝θ0I3|ω0|/（εｌ）に０になる。
すなわち、歳差運動は時刻tfにきえてなくなる。この
ように機械的な歳差運動除去機構IIIは回転体Ｉの歳差
運動を除くことができる。
ように機械的な歳差運動除去機構IIIは回転体Ｉの歳差
運動を除くことができる。
ここで、この実施例２のものは回転運動の安定化のた
めに電力が使われていないので、停電時にも回転の破綻
は生じない。
めに電力が使われていないので、停電時にも回転の破綻
は生じない。
なお、歳差運動除去機構自体の構成は前述した電磁式
あるいは摩擦式のものに限定されるものではない、例え
ば、第17図に示すようなものであってもよい。すなわ
ち、この歳差運動除去機構IIIは、回転体Ｉに埋設した
永久磁石51の近傍に、この永久磁石51の移動に伴って遊
動する磁石製の遊動子52と、この遊動子52の動きに抵抗
を与える粘性流体53とを充填した非磁性材製の固定ケー
ス54を配設したものである。しかして、このようなもの
であれば、前記回転体Ｉが歳差運動を行なって、該回転
体Ｉの永久磁石51が円形軌道を画くように振れ動くと、
それに粘性流体53内の磁石52が追従することになり、前
記回転体Ｉに歳差運動と逆向きの力（歳差運動の速度に
比例する力）が連続的に作用することになる。そのた
め、前述したと同様な原理により歳差運動を減衰させる
ことができる。
あるいは摩擦式のものに限定されるものではない、例え
ば、第17図に示すようなものであってもよい。すなわ
ち、この歳差運動除去機構IIIは、回転体Ｉに埋設した
永久磁石51の近傍に、この永久磁石51の移動に伴って遊
動する磁石製の遊動子52と、この遊動子52の動きに抵抗
を与える粘性流体53とを充填した非磁性材製の固定ケー
ス54を配設したものである。しかして、このようなもの
であれば、前記回転体Ｉが歳差運動を行なって、該回転
体Ｉの永久磁石51が円形軌道を画くように振れ動くと、
それに粘性流体53内の磁石52が追従することになり、前
記回転体Ｉに歳差運動と逆向きの力（歳差運動の速度に
比例する力）が連続的に作用することになる。そのた
め、前述したと同様な原理により歳差運動を減衰させる
ことができる。
［発明の効果］ 本発明は、以上のような構成であるから、簡単な構成
によって回転体の安定した高速回転を担保することがで
きる。
によって回転体の安定した高速回転を担保することがで
きる。
すなわち、サーボ式のラジアル磁気軸受により回転体
を一定の姿勢に保持しつつ回転を行なわせるには、この
回転体に付与する径方向の強力な磁気力を高速度で変化
させる必要がある。これに対して、本発明のものは、永
久磁石を用いた静磁場により回転体の傾き方向の姿勢を
安定に維持しておき、何らかの原因により回転体に歳差
運動が発生した場合にこの回転体の端部付近に対して接
線方向にその歳差運動と逆方向の力を付与し続けること
により、回転体の傾きを無理なく消滅させ得るようにし
たものである。そのため、回転体の傾きを強制的に修正
する場合のような強力な力を一切必要とすることがな
く、単純で小さな力を付与するだけで回転体の安定した
回転を保証することができる。したがって、容量が大き
く高い応答性を優した複雑な制御装置を用いることなし
に回転体を安定に浮上支持した状態で高速運転させるこ
とが可能である。加えて、本発明はラジアル磁気軸受自
体を永久磁石によって構成しているため、仮に実施例１
で説明したように歳差運動除去機構をコイルを用いて構
成したとしても、引例に比べて歳差運動除去用のコイル
が遥かに小さいもので済むことになり、構成や制御を簡
略化するという効果に加えて、歳差運動を除去する作用
に高い応答性を付与することが可能となる。よって、ジ
ャイロスコープ、圧力計あるいはデータ分子ポンプ等の
ようにロータを超高速で安定に回転させる必要のある種
々の装置に好適に使用できるものである。なお、この発
明で「逆の方向」とはベクトルとして純粋な逆のみに限
定されず、歳差運動除去機構の生み出す力の歳差運動の
方向への成分が運動方向と逆の成分を持つ場合のベクト
ルも含むと解しなければならない。
を一定の姿勢に保持しつつ回転を行なわせるには、この
回転体に付与する径方向の強力な磁気力を高速度で変化
させる必要がある。これに対して、本発明のものは、永
久磁石を用いた静磁場により回転体の傾き方向の姿勢を
安定に維持しておき、何らかの原因により回転体に歳差
運動が発生した場合にこの回転体の端部付近に対して接
線方向にその歳差運動と逆方向の力を付与し続けること
により、回転体の傾きを無理なく消滅させ得るようにし
たものである。そのため、回転体の傾きを強制的に修正
する場合のような強力な力を一切必要とすることがな
く、単純で小さな力を付与するだけで回転体の安定した
回転を保証することができる。したがって、容量が大き
く高い応答性を優した複雑な制御装置を用いることなし
に回転体を安定に浮上支持した状態で高速運転させるこ
とが可能である。加えて、本発明はラジアル磁気軸受自
体を永久磁石によって構成しているため、仮に実施例１
で説明したように歳差運動除去機構をコイルを用いて構
成したとしても、引例に比べて歳差運動除去用のコイル
が遥かに小さいもので済むことになり、構成や制御を簡
略化するという効果に加えて、歳差運動を除去する作用
に高い応答性を付与することが可能となる。よって、ジ
ャイロスコープ、圧力計あるいはデータ分子ポンプ等の
ようにロータを超高速で安定に回転させる必要のある種
々の装置に好適に使用できるものである。なお、この発
明で「逆の方向」とはベクトルとして純粋な逆のみに限
定されず、歳差運動除去機構の生み出す力の歳差運動の
方向への成分が運動方向と逆の成分を持つ場合のベクト
ルも含むと解しなければならない。
第１図は本発明を明示するための構成説明図、第２図は
本発明の作用説明図、第３図〜第５図は本発明に係るラ
ジアル磁気軸受の種々の態様を説明するための説明図、
第６図は歳差運動除去の原理を説明するための原理説明
図である。第７図〜第14図は本発明の一実施例を示し、
第７図は概略縦断面図、第８図は第７図におけるＱ−Ｑ
線断面図、第９図はスラスト軸受部分を示す拡大説明
図、第10図は歳差運動除去機構部分を示す拡大説明図、
第11図は第10図におけるＲ矢視図、第12図は同機構の回
路説明図、第13図、第14図は同機構の特性説明図であ
る。第15図は本発明の他の実施例を示す概略縦断面図、
第16図は同実施例における歳差運動除去機構部分を示す
拡大説明図である。第17図は本発明のさらに他の実施例
を示す歳差運動除去機構の説明図である。 Ｉ……回転体 II……ラジアル磁気軸受 III……歳差運動除去機構 １……永久磁石 ２……第１の永久磁石 ３……第２の永久磁石 ４〜12……永久磁石
本発明の作用説明図、第３図〜第５図は本発明に係るラ
ジアル磁気軸受の種々の態様を説明するための説明図、
第６図は歳差運動除去の原理を説明するための原理説明
図である。第７図〜第14図は本発明の一実施例を示し、
第７図は概略縦断面図、第８図は第７図におけるＱ−Ｑ
線断面図、第９図はスラスト軸受部分を示す拡大説明
図、第10図は歳差運動除去機構部分を示す拡大説明図、
第11図は第10図におけるＲ矢視図、第12図は同機構の回
路説明図、第13図、第14図は同機構の特性説明図であ
る。第15図は本発明の他の実施例を示す概略縦断面図、
第16図は同実施例における歳差運動除去機構部分を示す
拡大説明図である。第17図は本発明のさらに他の実施例
を示す歳差運動除去機構の説明図である。 Ｉ……回転体 II……ラジアル磁気軸受 III……歳差運動除去機構 １……永久磁石 ２……第１の永久磁石 ３……第２の永久磁石 ４〜12……永久磁石
Claims (1)
- 【請求項１】軸心回りに回転する回転体と、この回転体
を軸心の傾きに対して安定平衡をなすように永久磁石を
用いた静磁場により浮上支持するラジアル磁気軸受と、
前記回転体が歳差運動を行った場合に該回転体の端部付
近にその歳差運動の方向と逆の接線方向に力を連続的に
付与する歳差運動除去機構とを具備してなることを特徴
とする磁気浮上形回転機械。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60255594A JP2621134B2 (ja) | 1985-11-13 | 1985-11-13 | 磁気浮上形回転機械 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60255594A JP2621134B2 (ja) | 1985-11-13 | 1985-11-13 | 磁気浮上形回転機械 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62114446A JPS62114446A (ja) | 1987-05-26 |
| JP2621134B2 true JP2621134B2 (ja) | 1997-06-18 |
Family
ID=17280893
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60255594A Expired - Fee Related JP2621134B2 (ja) | 1985-11-13 | 1985-11-13 | 磁気浮上形回転機械 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2621134B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2637124B1 (fr) * | 1988-09-23 | 1990-10-26 | Gen Electric Cgr | Systeme de suspension d'une anode tournante de tube a rayons x comportant des paliers magnetiques passifs |
| JP4659276B2 (ja) * | 2001-06-12 | 2011-03-30 | 株式会社リコー | 光偏向走査装置 |
| EP1514606B1 (en) | 2003-09-11 | 2013-06-19 | GA-REW Corporation | Fluid spraying device and fluid spraying nozzle |
| CN102052402B (zh) * | 2009-10-30 | 2013-06-19 | 张平 | 一种永磁悬浮轴承和永磁悬浮轴承组件 |
| US20120098370A1 (en) * | 2010-10-22 | 2012-04-26 | Spinlectrix Inc. | Stabilization of flywheels |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60245443A (ja) * | 1984-05-18 | 1985-12-05 | Ntn Toyo Bearing Co Ltd | 制御式ラジアル磁気軸受装置 |
-
1985
- 1985-11-13 JP JP60255594A patent/JP2621134B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62114446A (ja) | 1987-05-26 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |