JP2792350B2 - 磁気軸受装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、電磁石で発生した磁
界により回転軸を軸受孔内で浮き上がらせて支持する磁
気軸受装置に関し、特に、電磁石の磁界強度を制御する
ために回転軸の変位量を検出する検出手段の配置構造に
関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の磁気軸受装置は、回転軸を挿通
させる軸受孔の内面に、磁界を発生させる複数対の電磁
石（電磁コイル）を軸受孔中心に対して対向配置した軸
受部を有し、軸受孔中心に対する回転軸の変位量を渦電
流型等の位置センサで検出し、この位置センサにより検
出された回転軸変位量に応じて電磁石の磁界強度を制御
し、回転軸を軸受孔内で浮上させるようにしたものであ
る。

【０００３】そして、斯かる磁気軸受装置の一例とし
て、従来、実開平２―９１９１１号公報に開示されるも
のでは、上記位置センサを電磁石の軸方向両側に配置す
ることにより、回転軸の曲げモードを検出するように構
成されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、磁気軸受で
は、タッチダウンや保護ベアリング等の収容スペースを
確保するために、或いは回転軸の曲げ共振を高い回転数
にシフトする目的で回転軸の軸長を短くするために、軸
方向の省スペースを図ることが望ましい。しかし、上記
従来例では、位置センサを電磁石の両側に配置するの
で、その分、軸受部の軸方向のスペースが大きくなり、
上記要求を満たすことは困難であった。

【０００５】本発明は斯かる点に鑑みてなされたもので
あり、その目的とするところは、軸受部の構造を改良す
ることで、軸方向の省スペースを図りながら、位置セン
サを電磁石の軸方向両側に配置できるようにすることに
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成すべ
く、請求項１の発明では、軸受孔内周に配置される電磁
石を軸受孔の中心を通る平面で２群に分けて両群を軸方
向にずらし、そのずらしにより生じたスペースにそれぞ
れ位置センサを配置することとした。

【０００７】すなわち、この発明では、図１〜図３に示
すように、回転軸（１）を挿通させる軸受孔（３）を有
する軸受部（２）と、上記軸受孔（３）の内面に軸受孔
（３）の中心（ＯH ）に対して対向配置され、磁界を発
生させる複数対の電磁石（６），（６），…と、軸受孔
（３）の中心（ＯH ）に対する回転軸（１）の変位量を
検出する位置検出手段（８），（８），…とを備え、位
置検出手段（８），（８），…により検出された回転軸
（１）の変位量に応じて各電磁石（６）の磁界強度を制
御し、回転軸（１）を軸受孔（３）内で浮上させて支持
するようにした磁気軸受装置が前提である。

【０００８】そして、上記電磁石（６），（６），…
を、軸受孔（３）の中心（ＯH ）を通る平面（Ｐ）を境
として２つの電磁石群（７），（７）に分けて、両電磁
石群（７），（７）を一方の電磁石群（７）が他方の電
磁石群（７）よりも部分的に突出するように軸受孔
（３）の中心線方向に互いにずらし、各電磁石群（７）
の相手側電磁石群（７）に対するずれ方向と反対側にそ
れぞれ上記位置検出手段（８），（８），…を配設す
る。

【０００９】請求項２の発明では、図２〜図５に示すよ
うに、上記軸受部（２）を１対の半割円筒状の分割部
（２ａ），（２ｂ）からなし、各分割部（２ａ），（２
ｂ）にそれぞれ電磁石群（７），（７）を設けた構成と
する。

【００１０】請求項３の発明では、図１に示す如く、軸
受部（２）を１対として該両軸受部（２），（２）を各
々の軸受孔（３）の中心（ＯH ）が同一線上に位置させ
るように回転軸（１）の軸方向に離れて設け、一方の軸
受部（２）の電磁石群（７），（７）同士の位置ずれ方
向を他方の軸受部（２）に対し逆方向としている。

【００１１】

【作用】上記の構成により、請求項１の発明では、軸受
孔（３）の中心（ＯH ）を通る平面（Ｐ）を境として分
けられた２つの電磁石群（７），（７）が軸受孔（３）
の中心線方向に互いに位置ずれし、各電磁石群（７）の
相手側電磁石群（７）に対するずれ方向と反対側にそれ
ぞれ位置検出手段（８），（８），…が配設されている
ので、この各位置検出手段（８）が電磁石群（７）の突
出部分の陰に位置し、軸受部（２）自体の軸方向の全長
は若干長くなるものの、その両側に配置される位置検出
手段（８），（８），…を含めた長さは従来例に比べ、
各位置検出手段（８）の軸方向長さ及びその電磁石群
（７）との距離の分だけ短くすることができ、よって軸
方向の省スペースを図ることができる。また、１対の位
置検出手段（８），（８）が軸受部（２）の軸方向両側
に配置されているので、回転軸（１）の曲げモードを検
出することができる。

【００１２】請求項２の発明では、軸受部（２）が１対
の半割円筒状分割部（２ａ），（２ｂ）で構成されてい
るので、通常の磁気軸受の円筒状軸受部を半割してその
分割部（２ａ），（２ｂ）同士を位置ずれ状態で接合す
ることで軸受部（２）を形成でき、上記電磁石群
（７），（７）を位置ずれさせた軸受部（２）を容易に
製造することができる。

【００１３】上記のように軸受部（２）での電磁石群
（７），（７）同士が軸方向に位置ずれしていると、各
電磁石群（７）における電磁石（６）の回転軸（１）に
対する磁力の作用位置もずれるので、回転軸（１）に両
電磁石群（７），（７）間の中央位置を中心とするモー
メントが発生する。請求項３の発明では、回転軸（１）
の軸方向に離れて設けられた１対の軸受部（２），
（２）の各々の電磁石群（７），（７）同士の位置ずれ
方向を互いに逆方向となっているので、各軸受部（２）
での上記モーメントを互いに逆方向にして相殺させるこ
とができ、制御系の構成を簡易にすることができる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００１５】（実施例１）図１は本発明の実施例１に係
る磁気軸受装置の全体構成を示し、（１）は例えばモー
タの回転軸で、この回転軸（１）は各々軸受孔（３）を
有する左右２つの磁気軸受からなる軸受部（２），
（２）に回転可能に支持されている。上記左右の軸受部
（２），（２）は各軸受孔（３）の中心（ＯH ）を同一
線上に位置させるように回転軸（１）の軸方向に離れて
いる。

【００１６】上記両軸受部（２），（２）はいずれも同
じ構成であり、図４及び図５に示す如く、多数枚の薄板
鉄板等を軸方向に積層してなる略円筒状のもので、その
内部に回転軸（１）を挿通させるための上記軸受孔
（３）が設けられている。軸受孔（３）の内面には軸受
孔（３）の中心（ＯH ）に向かって突出する４対の突出
部（４），（４），…が各対を軸受孔（３）の中心（Ｏ
H ）に対し対称に配置して形成され、図２及び図３に示
すように、この各突出部（４）には電磁コイル（５）が
多層に巻き付けられており、この電磁コイル（５）及び
突出部（４）により該突出部（４）を磁心とする４対の
電磁石（６），（６），…が軸受孔（３）の中心（ＯH
）に対し対向して設けられ、隣り合う電磁石（６），
（６）同士間で磁路（ＭP ）を形成するように電磁コイ
ル（５）に通電することで、各電磁石（６）に回転軸
（１）を吸引するための磁界を発生させるようになって
いる。

【００１７】上記軸受部（２）は、上記磁路（ＭP ）を
形成する電磁石（６）の組を避けた部分で軸受孔（３）
の中心（ＯH ）を通る平面（Ｐ）を境として１対の半割
円筒状の分割部（２ａ），（２ｂ）に分割され、この両
分割部（２ａ），（２ｂ）は軸受孔（３）の中心線方向
に所定寸法だけ互いにずれて分割面で一体に接合されて
いる。このことで、軸受孔（３）内の８つの電磁石
（６），（６），…は上記軸受孔（３）の中心（ＯH ）
を通る平面（Ｐ）を境として４つの電磁石（６），
（６），…ずつの２つの電磁石群（７），（７）に分け
られていて、各分割部（２ａ），（２ｂ）にそれぞれ電
磁石群（７），（７）が設けられ、両電磁石群（７），
（７）は一方の電磁石群（７）が他方の電磁石群（７）
よりも部分的に突出するように軸受孔（３）の中心線方
向に互いにずれている。

【００１８】そして、図１に示す如く、左側軸受部
（２）における電磁石群（７），（７）同士の位置ずれ
方向が右側軸受部（２）における電磁石群（７），
（７）同士の位置ずれ方向に対し逆方向となっている。

【００１９】さらに、図２及び図３に示すように、上記
各軸受部（２）の軸方向両側で各電磁石群（７）の相手
側電磁石群（７）に対するずれ方向と反対側にはそれぞ
れ２つずつの位置センサ（８），（８）が、磁路（ＭP
）を形成する２つの電磁石（６），（６）間の位置に
対応して配設されている。この各位置センサ（８）は、
例えば高周波信号の供給により回転軸（１）との距離を
計測して軸受孔（３）の中心（ＯH ）に対する回転軸
（１）の変位量を検出する渦電流型のもので、軸受部
（２）全体として８つ設けられている。図１に示すよう
に、これら８つの位置センサ（８），（８），…の出力
信号は上記各電磁石群（７）の電磁石（６）の出力を制
御するための制御装置（１０）に入力されており、制御
装置（１０）において、位置センサ（８），（８），…
の各々により検出された回転軸（１）の変位量に応じて
回転軸（１）の軸心（ＯA ）が両軸受部（２），（２）
の軸受孔（３），（３）の中心線と一致するように各電
磁石（６）の磁界強度を制御し、回転軸（１）を各軸受
部（２）の軸受孔（３）内で浮上させて支持するように
構成されている。

【００２０】したがって、上記実施例においては、モー
タの作動により回転軸（１）が両軸受部（２），（２）
の軸受孔（３），（３）内で回転するとき、各位置セン
サ（８）により軸受部（２）の軸受孔（３）の中心（Ｏ
H ）からの回転軸（１）の変位量が検出され、制御装置
（１０）において、この検出された回転軸（１）の変位
量に応じて回転軸（１）の軸心（ＯA ）が両軸受部
（２），（２）の軸受孔（３），（３）の中心線と常に
一致するように各電磁石（６）の磁界強度が制御され、
この制御により回転軸（１）が各軸受部（２）の軸受孔
（３）内で浮上状態に支持される。

【００２１】この場合、各軸受部（２）においては、軸
受孔（３）の中心（ＯH ）を通る平面（Ｐ）を境として
分けられた２つの電磁石群（７），（７）が軸受孔
（３）の中心線方向に互いに位置ずれし、各電磁石群
（７）の相手側電磁石群（７）に対するずれ方向と反対
側にそれぞれ２つずつの位置センサ（８），（８）が配
設されているので、この各位置センサ（８）は電磁石群
（７）の突出部分の陰に位置することとなる。その結
果、軸受部（２）としての軸方向の全長は長くなるもの
の、その両側に配置される位置センサ（８），（８），
…を含めた長さは位置ずれのない場合に比べ、位置セン
サ（８）の軸方向長さ及びその電磁石群（７）との距離
の分だけ短くなり、このことによって磁気軸受装置の軸
方向の省スペースを図ることができる。この省スペース
化により、例えば回転軸（１）の軸長を短くしてその曲
げ共振を高い回転数領域にシフトでき、高回転での制御
が可能となるともに、回転軸（１）の軸方向端部に配置
されるタッチダウンや保護ベアリングの収容に有利とな
る。

【００２２】また、各軸受部（２）が、軸受孔（３）の
中心（ＯH ）を通る平面（Ｐ）を境として分割された１
対の分割部（２ａ），（２ｂ）からなる構成であるの
で、上記電磁石群（７），（７）を位置ずれさせた軸受
部（２）を作製する場合、通常の磁気軸受で用いられる
円筒状軸受部を半割してその分割部（２ａ），（２ｂ）
同士を位置ずれ状態で接合すればよく、上記軸受部
（２）の製造が容易となる。

【００２３】上記のように各軸受部（２）での電磁石群
（７），（７）同士が軸方向に位置ずれしていると、各
電磁石群（７）における電磁石（６）の回転軸（１）に
対する磁力の作用位置も軸方向にずれることから、回転
軸（１）に両電磁石群（７），（７）間の中央を中心と
するモーメントが発生する。しかし、図１に示すよう
に、回転軸（１）の軸方向に離れて設けられた１対の軸
受部（２），（２）の各々における電磁石群（７），
（７）同士の位置ずれ方向が互いに逆方向であるので、
回転軸（１）に対し左側の軸受部（２）では図で時計回
り方向のモーメント（Ｍ）が、また右側の軸受部（２）
では左側とは逆の反時計回り方向のモーメント（Ｍ）が
それぞれ発生して、両モーメント（Ｍ），（Ｍ）が互い
に打ち消し合うようになり、その分、制御装置（１０）
での制御系を簡易にすることができる。

【００２４】さらに、１対の位置センサ（８），（８）
が各軸受部（２）の軸方向両側に配置されているので、
軸受部（２）の軸方向中央での回転軸（１）の位置を正
確に検出でき、回転軸（１）の曲げモードを検出するこ
とができる。

【００２５】尚、この実施例１では、円筒状軸受部を半
割してその分割部（２ａ），（２ｂ）同士を位置ずれ状
態で接合することで、電磁石群（７），（７）を位置ず
れさせた軸受部（２）を作製するようにしているが、こ
の分割型の他、例えば多数枚の薄板鉄板等を軸方向に積
層するときに、薄板鉄板を軸方向中間部では円環状のも
のを積層し、両端部では半割円環状のものをそれぞれ軸
受孔（３）の中心（ＯH ）に対向状態で積層して、一体
型の軸受部（２）を作製するようにしてもよい。

【００２６】（実施例２）図６及び図７は実施例２を示
している（尚、図２及び図３と同じ部分については同じ
符号を付してその詳細な説明は省略する）。

【００２７】この実施例では、上記各位置センサ（８）
とその軸方向に対向する２つの電磁石（６），（６）と
の間に鉄材等からなる板状の磁性部材（１２）が配置さ
れている。この磁性部材（１２）は外周側（回転軸
（１）と反対側）の端部で図示しないモータハウジング
に固定支持され、内端部（回転軸（１）側）は電磁石
（６）側に回転軸（１）と平行に折り曲げられている。

【００２８】したがって、この実施例においては、各電
磁石（６）の電磁コイル（５）で発生した磁束（図で破
線にて示す）の一部が磁心から洩れても、その洩れ磁束
を透磁率の高い磁性部材（１２）に集中させて磁気シー
ルド効果を得ることができ、洩れ磁束が位置センサ
（８）に作用するのを防ぐことができる。その結果、位
置センサ（８）を洩れ磁束が弱まる位置まで電磁石
（６）から遠ざけたり（このことは軸方向のスペースが
大きくなる問題がある）、電磁石（６）への電流低減や
磁気回路のサイズ増大等により磁気回路中の磁束密度を
低下させたり（制御力の低下やサイズ上の問題が生じ
る）することなく、位置センサ（８）の洩れ磁束による
影響を抑えて、回転軸（１）の位置検出不良や制御の不
安定化を有効に防止でき、信頼性の向上を図ることがで
きる利点がある。

【００２９】（実施例３）図８及び図９は実施例３を示
し、上記実施例２のような磁性部材（１２）に代え、位
置センサ（８）に対し電磁石（６）と反対側に永久磁石
（１３）を配置支持し、この磁石（１３）からの磁束が
電磁石（６）からの洩れ磁束に位置センサ（８）の位置
で逆向きに作用してその洩れ磁束を打ち消すようにした
ものである。従って、この実施例でも実施例２と同様の
効果が得られる。

【００３０】（実施例４）図１０は実施例４を示し、上
記実施例２と同じ機能を持つ磁性部材（１２）を、回転
軸（１）の軸方向の移動を抑制する磁気ダンパに適用し
たものである。すなわち、回転軸（１）外周の所定位置
には磁気回路形成部材（１５）が回転一体に取り付けら
れ、この部材（１５）の外周面には溝部（１６）が形成
され、この溝部（１６）の両側側面にはそれぞれ環状の
永久磁石（１７），（１８）が回転軸（１）の軸方向に
間隔をあけて対向して取付固定されている。また、上記
両磁石（１７），（１８）間にはリング板状の導板（１
９）の内周部が磁石（１７），（１８）との間に間隙を
あけて配置され、この導板（１９）は外周部にてハウジ
ング（図示せず）に固定支持されており、両磁石（１
７），（１８）からの磁束を磁気回路形成部材（１５）
を介して導板（１９）に作用させることで、両磁石（１
７），（１８）を導板（１９）に対し非接触状態に浮上
させて、回転軸（１）の軸方向の移動を規制する。（２
０）はモータのロータである。

【００３１】そして、上記磁気回路形成部材（１５）と
モータロータ（２０）との間には、モータで発生する磁
気を基にモータの運転状態を検出するためのモータ制御
用のホールセンサ（２１）がハウジングに取付支持され
ている。この実施例では、上記磁気回路形成部材（１
５）からホールセンサ（２１）側に洩れる洩れ磁束をシ
ールドするために、磁気回路形成部材（１５）とホール
センサ（２１）との間に皿形状の磁性部材（１２）が配
置され、この磁性部材（１２）は外周縁部にてモータハ
ウジングに固定支持されている。

【００３２】したがって、この実施例の場合、磁石（１
７），（１８）により形成されて磁気回路形成部材（１
５）を通る磁束の一部がホールセンサ（２１）側に洩れ
ても、その洩れ磁束を磁性部材（１２）でシールドで
き、洩れ磁束によるホールセンサ（２１）への影響を低
減してモータの運転状態を正確に検出でき、モータ制御
の信頼性を高めることができる。

【００３３】（実施例５）図１１は実施例５を示し、上
記実施例４における磁気ダンパに対し、上記実施例３と
同様に、ホールセンサ（２１）側方に永久磁石（１３）
を配置支持し、この永久磁石（１３）からの磁束と、磁
気回路形成部材（１５）から漏れる洩れ磁束とをホール
センサ（２１）で打ち消し合わせるようにしたものであ
る。従って、この実施例でも実施例４と同様の効果が得
られる。

【００３４】

【発明の効果】以上の如く、請求項１の発明によると、
磁気軸受の軸受孔内周に配置される複数対の電磁石を軸
受孔の中心を通る平面で２群に分けて両群を軸方向にず
らし、そのずらしにより生じたスペースにそれぞれ回転
軸の変位を検出する位置検出手段を配置したことによ
り、各位置検出手段を電磁石群の突出部分の陰に配置し
て、軸受部とその両側の位置検出手段とを含めた軸方向
長さを短くでき、軸方向の省スペースを図ることができ
る。このため、回転軸の軸長を短くして、その曲げ共振
を高い回転数領域にシフトでき、高回転での制御が可能
となる。また、電磁石の軸方向両側に配置された１対の
位置検出手段による回転軸の変位の検出により回転軸の
曲げモードを検出することができる。

【００３５】請求項２の発明によると、軸受部を１対の
半割円筒状の分割部からなし、各分割部にそれぞれ電磁
石群を設けたことにより、通常の磁気軸受の円筒状軸受
部を半割してなる分割部同士を位置ずれ状態で接合する
だけで軸受部を形成でき、電磁石群を位置ずれさせた軸
受部を容易に製造することができる。

【００３６】請求項３の発明によれば、軸受部を１対と
して両軸受部を各々の軸受孔の中心が同一線上に位置さ
せるように回転軸の軸方向に離れて設け、一方の軸受部
の電磁石群同士の位置ずれ方向を他方の軸受部に対し逆
方向としたことにより、軸受部での電磁石群同士の位置
ずれに伴い回転軸に両電磁石群間の中央を中心とするモ
ーメントが発生しても、このモーメントを各軸受部で互
いに逆方向にして相殺させることができ、制御系の構成
を簡易にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の全体構成を示す図である。

【図２】実施例１における各軸受部の側面図である。

【図３】図２のIII ―III 線断面図である。

【図４】実施例１における各軸受部の磁心の側面図であ
る。

【図５】図４のＶ―Ｖ線断面図である。

【図６】実施例２における要部断面図である。

【図７】図６のVII ―VII 線矢視展開図である。

【図８】実施例３を示す図６相当図である。

【図９】図８のIX―IX線矢視展開図である。

【図１０】実施例４における要部断面図である。

【図１１】実施例５を示す図１０相当図である。

【符号の説明】

（１） 回転軸 （２） 軸受部 （２ａ），（２ｂ） 分割部 （３） 軸受孔 （ＯH ） 中心 （６） 電磁石 （７） 電磁石群 （８） 位置センサ（位置検出手段） （１０） 制御装置

フロントページの続き (72)発明者 菅原 宏 大阪府堺市築港新町３丁12番地 ダイキ ン工業株式会社 堺製作所 臨海工場内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F16C 32/00 - 32/06

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転軸（１）を挿通させる軸受孔（３）
   を有する軸受部（２）と、上記軸受孔（３）の内面に軸
   受孔（３）の中心（ＯH ）に対して対向配置され、磁界
   を発生させる複数対の電磁石（６），（６），…と、軸
   受孔（３）の中心（ＯH ）に対する回転軸（１）の変位
   量を検出する位置検出手段（８），（８），…とを備
   え、位置検出手段（８），（８），…により検出された
   回転軸（１）の変位量に応じて各電磁石（６）の磁界強
   度を制御し、回転軸（１）を軸受孔（３）内で浮上させ
   て支持するようにした磁気軸受装置において、 上記電磁石（６），（６），…は軸受孔（３）の中心
   （ＯH ）を通る平面（Ｐ）を境として２つの電磁石群
   （７），（７）に分けられていて、両電磁石群（７），
   （７）は一方の電磁石群（７）が他方の電磁石群（７）
   よりも部分的に突出するように軸受孔（３）の中心線方
   向に互いにずれており、 各電磁石群（７）の相手側電磁石群（７）に対するずれ
   方向と反対側にそれぞれ上記位置検出手段（８），
   （８），…が配設されていることを特徴とする磁気軸受
   装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の磁気軸受装置において、 軸受部（２）は１対の半割円筒状の分割部（２ａ），
   （２ｂ）からなり、各分割部（２ａ），（２ｂ）にそれ
   ぞれ電磁石群（７），（７）が設けられていることを特
   徴とする磁気軸受装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の磁気軸受装置にお
   いて、 １対の軸受部（２），（２）が各々の軸受孔（３）の中
   心（ＯH ）を同一線上に位置させるように回転軸（１）
   の軸方向に離れて設けられており、 一方の軸受部（２）の電磁石群（７），（７）同士の位
   置ずれ方向が他方の軸受部（２）に対し逆方向となって
   いることを特徴とする磁気軸受装置。