JP2824459B2

JP2824459B2 - 磁気軸受装置

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Publication number: JP2824459B2
Application number: JP1110617A
Authority: JP
Inventors: 章山村
Original assignee: Ferrotec Corp
Current assignee: Ferrotec Material Technologies Corp
Priority date: 1989-04-28
Filing date: 1989-04-28
Publication date: 1998-11-11
Anticipated expiration: 2013-11-11
Also published as: JPH02286911A; EP0395116A3; DE69016690T2; EP0395116A2; US5066879A; KR0163025B1; EP0395116B1; KR900016632A; DE69016690D1

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は磁気軸受装置に関するものである。

（従来の技術）まずこの発明の一実施例を説明すための第２図を参照
して、磁気軸受装置の具体的な構造例について説明す
る。同図において、１は軟磁性体より成る可動体であっ
て、この可動体１を挟んで両側にそれぞれ配置されてい
る第１、第２支持体２、３内に永久磁石４、11がそれぞ
れ設けられ、各永久磁石４、11による磁気吸引力が上記
可動体１にそれぞれ両側から作用するように構成されて
いる。さらに各支持体２、３内には、コイル７、14がそ
れぞれ設けられ、これらのコイル７、14に、永久磁石
４、11による磁束の方向と同方向、或いは逆方向に磁束
が生じるように通電することで上記各磁気吸引力の増減
を行うようになされている。そして可動体１を各支持体
２、３間で非接触状態の基準位置に保持するために、こ
の可動体１が基準位置から変位する場合、その変位方向
とは逆方向の磁気吸引力の増加、或いは変位方向と同方
向の磁気吸引力の減少が生じるように各コイル７、14へ
の通電を制御する。

この場合、各コイル７、14への通電をそれぞれ独立に
制御する構成となし、可動体１の変位方向に応じて選択
された一方のコイルに通電し、他方のコイルには通電し
ない制御構成とすることも可能である。しかしながらこ
の構成では、可動体１と各支持体２、３との位置関係に
対して不安定ばね定数の非線形性が極端に大きくなり、
充分に安定した制御性が得にくいことから、通常、両コ
イル７、14を相互に直列接続して両コイル７、14に同時
に通電し、この場合に生じる磁束の方向が、一方のコイ
ルで永久磁石の磁束の方向と同方向、他方のコイルで永
久磁石の磁束の方向と逆方向となるような構成が採用さ
れている。すなわち可動体１の変位方向とは逆方向に位
置する支持体からの磁気吸引力の増加、及び変位方向に
位置する支持体からの磁気吸引力の減少とを同時に生じ
させて、可動体１をより安定的に基準位置に保持するよ
うな制御を行うのである。

第３図には、上記のような両コイル７、14への通電を
制御するための従来の回路構成を示している。同図にお
いて、41は、例えばシングルエンドプッシュプル回路に
より構成された駆動回路であって、この駆動回路41と接
地ライン42との間に、上記の相互に直列接続されたコイ
ル７、14が接続されている。そして上記駆動回路41に
は、正極性電源43と負極性電源44とがそれぞれ接続さ
れ、可動体１の基準位置からの変位が状態検出回路45で
検出される場合に、制御回路46によって、図中実線矢印
で示す正極性電源43から接地ライン42に至る電流径路、
或いは図中破線矢印で示す接地ライン42から負極性電源
44に至る電流径路が変位方向に応じて択一的に形成さ
れ、これにより上記両コイル７、14への通電方向が可動
体１の変位方向に応じて切換わるようになされている。

（発明が解決しようとする課題）ところで上記のような制御回路構成においては、可動
体１の基準位置からの変位方向に応じてコイル７、14へ
の通電方向の切換えを行うために、正極性電源43と負極
性電源44との二個の電源を必要とし、この結果、構造が
大形化し、また製作費が高くなるという問題がある。特
に各電源43、44に、停電時のパックアップ用としてバッ
テリをそれぞれ搭載させる構成とする場合には、このバ
ッテリも二個必要となるために、さらに構造の大形化と
製作費の増加とを生じるものとなっている。

この発明は上記に鑑みなされたものであって、その目
的は、小形化が可能であると共に、製作費をより安価に
なし得る磁気軸受装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段）そこでこの発明の磁気軸受装置は、第１コイル及び永
久磁石を有する第１支持体と、第２コイル及び永久磁石
を有する第２支持体とを可動体を挟んで配置すると共
に、上記第１コイルと第２コイルとを相互に直列接続
し、さらに上記可動体の変位等の状態を検出する状態検
出手段を設け、この状態検出手段での検出状態に応じて
上記両コイルへの通電方向の切換えを行うことにより上
記第１、第２支持体からそれぞれ可動体に作用する吸引
力を変化させて、上記可動体を各支持体への非接触状態
で支持すべく構成して成る磁気軸受装置において、直流
電源と接地ラインとの間に第１通電用配線と第２通電用
配線とを互いに並列に接続すると共に、上記第１通電用
配線には第１スイッチ回路と第１駆動回路とを、また上
記第２通電用配線には第２スイッチ回路と第２駆動回路
とを、上記直流電源側からの介設順序を同一にしてそれ
ぞれ順次介設し、上記第１コイルにおける反第２コイル
側の接続端子を上記第１スイッチ回路と第１駆動回路と
の間に、また上記第２コイルにおける反第１コイル側の
接続端子を上記第２スイッチ回路と第２駆動回路との間
にそれぞれ接続すると共に、上記状態検出手段での検出
状態に応じて、上記第１スイッチ回路及び第２駆動回路
の同時閉成状態と、上記第２スイッチ回路及び第１駆動
回路の同時閉成状態とを切換えて上記両コイルへの通電
方向の切換えを行う切換手段を設けている。

（作用）上記構成の磁気軸受装置において、例えば第１スイッ
チ回路、第２スイッチ回路がそれぞれ第１駆動回路、第
２駆動回路よりも直流電源側に介設されている場合を例
に挙げると、第１スイッチ回路及び第２の駆動回路の同
時閉成状態では、直流電源から第１スイッチ回路、第１
コイル、第２コイル、第２駆動回路を順次介する径路で
電流が接地ラインへと流れる一方、上記から第２スイッ
チ回路及び第１駆動回路の同時閉成状態に切換わること
によって、上記直流電源から、第２スイッチ回路、第２
コイル、第１コイル、第１駆動回路を順次介する径路で
電流が接地ラインへと流れ、したがって両コイルには上
記とは逆方向の通電状態に切換わる。このように上記で
は、状態検出手段での検出状態に応じた両コイルへの通
電方向の切換えを、一個の直流電源を設けた構成で行う
ことができる。

（実施例）次にこの発明の磁気軸受装置の具体的な実施例につい
て、図面を参照しつつ詳細に説明する。

まず、磁気軸受装置の具体的な構造の一例について第
２図を参照して説明する。同図において、１は軟磁性体
より成る可動体であって、この可動体１を挟んで両側
に、第１、第２支持体２、３がそれぞれ配置されてい
る。第１支持体２内には、永久磁石４、この永久磁石４
のＮ磁極面に取着されたＮ極側磁極片５、上記永久磁石
４のＳ磁極面に取着された断面Ｌ字状のＳ極側磁極片
６、このＳ極側磁極片６に巻装された第１コイルから成
る第１軸受要素８が設けられている。上記Ｎ極側磁極片
５とＳ極側磁極片６との各先端面は、可動体１における
図において左側の端面に沿って上下に離間する箇所で、
上記可動体１に近接してそれぞれ位置するようになされ
ており、これにより図中実線矢印で示すように、永久磁
石４による磁束がＮ極側磁極片５から可動体１、Ｓ極側
磁極片６を介して流れる閉ループ状の磁路が形成され、
したがってこの磁路における磁束密度に応じた磁気吸引
力が第１支持体２から可動体１に作用する。

そして上記第１コイル７へ通電する場合、永久磁石４
による磁束と同方向、或いは逆方向の磁束が通電方向に
応じて上記磁路内に生じ、これによって上記の磁気吸引
力が、第１コイル７への通電電流値に応じて増減され
る。図の場合には、第１コイル７にその一方の接続端子
ａ側から他方の接続端子ｂ側へと向かう方向で通電する
場合に、永久磁石４による磁束と逆方向の磁束が生じる
一方、接続端子ｂ側から接続端子ａ側へと向かう方向で
通電する場合に、永久磁石４による磁束の方向と同方向
の磁束が生じるように、第１コイル７のＳ極側磁極片６
への巻付け方向が設定されている。

一方、第２支持体３内にも、上記第１支持体２内の構
成と同様に、永久磁石11、この永久磁石11のＮ、Ｓの各
磁極面にそれぞれ取着されたＮ極側磁極片12及びＳ極側
磁極片13、そしてＳ極側磁極片13に巻装された第２コイ
ル14から成る第２軸受要素15が、可動体１を挟んで上記
第１軸受要素８と対称位置に設けられている。上記第２
コイル14に、その一方の接続端子ｃ側から他方の接続端
子ｄ側へと向かう方向で通電することによって、第２支
持体３から、図において右方向に可動体１に作用する磁
気吸引力の増加がなされる一方、上記第２コイル14に接
続端子ｄ側から接続端子ｃ側へと向かう方向で通電する
場合に、上記磁気吸引力が減少するようになされてい
る。

そして上記第１コイル７と第２コイル14とは、接続端
子ｄと接続端子ｃとを接続することで相互に直列接続さ
れており、したがって両コイル７、14には、同時通電が
行われ、この通電を接続端子ａ側から接続端子ｄ側に向
かう方向で行う場合に、第１支持体２から可動体１に作
用する磁気吸引力の減少と、第２支持体３から可動体１
に作用する磁気吸引力の増加とが同時になされ、これに
より可動体１には、これを第２図において右方向に移動
させる力の増加を生じる。一方、接続端子ｄ側から接続
端子ａ側に向かう方向の通電を行う場合に、第１支持体
２から可動体１に作用する磁気吸引力の増加と、第２支
持体３から可動体１に作用する磁気吸引力の減少とが同
時になされ、これにより可動体１には、これを第２図に
おいて左方向に移動させる力の増加を生じる。

なお、図示してはいないが、上記可動体１との離間距
離に応じてインダクタンスの変化を生じるセンサコイル
等で構成される状態検出素子が、上記可動体１に近接す
る位置にさらに配置されており、第２図において可動体
１の左右方向の移動に応じた電気信号が上記状態検出素
子から出力されるようになされている。

第１図には、上記コイル７、14への通電を制御する制
御ブロック図を示している。同図において、20は例えば
正極性の直流電源であり、この直流電源20には、停電時
のバックアップ用のバッテリ21が付設さている。そし上
記直流電源20と接地ライン22との間に、第１通電用配線
23と第２通電用配線24とが互いに並列に接続され、第１
通電用配線23には、例えばFET（Feild Effect Transist
or）で構成される第１スイッチ回路25及び第１駆動回路
26が、また第２通電用配線24には第２スイッチ回路27及
び第２駆動回路28がそれぞれ上記直流電源20側から順次
介設されている。なお上記各スイッチ回路25、27は、上
記FETの他、バイポーラトランジスタや機械式スイッチ
等で構成することも可能である。

一方、上記各スイッチ回路25、27の開閉と各駆動回路
26、28の作動を、上記した状態検出素子からの電気信号
に基づいて制御するために、状態検出回路（状態検出手
段）29、制御回路30、スイッチ切換回路31がそれぞれ設
けられている。上記状態検出回路29は、状態検出素子か
らの電気信号を、可動体１が基準位置、例えば第２図に
おいて第１、第２支持体２、３間における空間部の左右
方向の中心に可動体１の中心が合致する位置に位置する
ときの基準値と比較し、基準値に対する大小関係で可動
体１の変位方向信号を求め、さらに基準値との差の絶対
値に応じた変位量信号を求めて、これらを制御回路30へ
と出力する。上記変位方向信号は、制御回路30を介して
スイッチ切換回路31に入力され、これによって、上記第
１スイッチ回路25と第２スイッチ回路26とが上記変位方
向信号に応じて択一的に閉成される。

一方、上記制御回路30では、状態検出回路29から入力
される変位量信号に応じた駆動信号を発生し、これを上
記変位方向信号に応じて第１駆動回路26と第２駆動回路
28との一方を択一的に選択して出力する。これによりこ
の駆動信号の入力された駆動回路を介する電流径路が形
成される。なお、後述するように、第１スイッチ回路25
が閉成される場合には第２駆動回路28に、また第２スイ
ッチ回路27が閉成される場合には第１駆動回路26にそれ
ぞれ上記駆動信号が入力されるようにスイッチ切換回路
31と制御回路30とは連動し、したがって上記スイッチ切
換回路31と制御回路30とによって、切換手段32を構成し
ている。

そして、前記のように相互に直列接続された第１、第
２コイル７、14は、前記接続端子ａが、第１通電用配線
23における第１スイッチ回路25と第１駆動回路26との間
に、また接続端子ｄが第２通電用配線24における第２ス
イッチ回路27と第２駆動回路28との間にそれぞれ接続さ
れている。

次に上記構成における磁気軸受装置での作動状態につ
いて説明する。

まず可動体１がほぼ基準位置で保持されている状態、
すなわち第１支持体２及び第２支持体３からの上記可動
体１に対する各磁気吸引力がバランスしている状態か
ら、外力の変化で上記可動体１が第２図において左方向
に変位した場合について説明する。このときこの左方向
への変位方向信号と変位量信号とが状態検出回路29から
制御回路30に入力され、さらに上記変位方向信号はスイ
ッチ切換回路31に入力される。これにより第１スイッチ
回路25が選択されて、この第１スイッチ回路25の閉成作
動が上記スイッチ回路31によって行われる。一方、制御
回路30では、上記変位量信号に応じた大きさの駆動信号
を発生すると共に、上記左方向の変位方向信号に対応し
て第２駆動回路28の選択を行い、上記駆動信号を第２駆
動回路28に入力する。これにより、第２駆動回路28にお
ける出力トランジスタT2がON作動し、この結果、第１図
において実線矢印で示すように、直流電源20から、第１
スイッチ回路、第１コイル７、第２コイル14、第２駆動
回路28を介して、この第２駆動回路への駆動信号に応じ
た電流値の電流が接地ライン22へと流れる。したがって
両コイル７、14には、第２図において接続端子ａ側から
接続端子ｄ側へと電流が流れることから、前記したよう
に、第１支持体２から可動体１に作用する磁気吸引力の
減少と、第２支持体３から可動体１に作用する磁気吸引
力の増加とが同時になされ、これにより可動体１への磁
気吸引力の総和は、第２図において右方向に作用する。
この結果、左方向に変位した可動体１の基準位置への復
帰移動が行われる。

一方、可動体１が第２図において基準位置から右方向
に変位した場合には、状態検出回路29から右方向の変位
信号と変位量信号とが発生され、このときには、スイッ
チ切換回路31によって、第２スイッチ回路27が閉成され
る。また制御回路30における駆動信号は、第１駆動回路
26に入力され、この第１駆動回路26における出力トラン
ジスタT1がON作動される。この結果、第１図中破線矢印
で示すように、直流電源20から、第２スイッチ回路、第
２コイル14、第１コイル７、第１駆動回路26を介して接
地ライン22へと電流が流れる。したがって各コイル７、
14には、第２図において接続端子ｄ側から接続端子ａ側
へと電流が流れることから、前記したように、第１支持
体２から可動体１に作用する磁気吸引力の増加と、第２
支持体３から可動体１に作用する磁気吸引力の減少とを
生じ、これにより可動体１への磁気吸引力の総和は、第
２図において左方向に作用し、この結果、右方向に変位
した可動体１の基準位置への復帰作動が行われる。

このように、可動体１の基準位置からの変位方向と変
位量とを検出し、検出されるへ変位方向に応じて各コイ
ル７、14への通電方向を切換え、また変位量に応じて通
電電流値を制御することによって、上記可動体１は第
１、第２支持体２、３間で、かつこれらとは非接触状態
での基準位置に位置するように制御される。

以上の説明のように上記実施例においては、一個の直
流電源20を設ける構成でコイル７、14への通電方向の切
換えを行うことが可能である。このためにスイッチ回路
と駆動回路とをそれぞれ２組設けることが必要となって
いるが、駆動回路は択一的に機能させる二個の出力トラ
ンジスタを内蔵する従来の駆動回路を二つに分割した構
成となされているものであり、したがって構成部品や専
有空間に大きな変化はなく、また各スイッチ回路及びス
イッチ切換回路は比較的少ない構成部品で構成し得るも
のである。したがって全体的には、電源及びバッテリを
それぞれ二個ずつ必要としていた従来の制御回路構成に
比べて、上記では、電源及びバッテリの容量を半減する
ことができ、したがって製作費を大幅に低減することが
可能であると共に、全体の形状を小形化することができ
る。

なお上記実施例においては、状態検出回路29で可動体
１の基準位置からの変位を検出する構成としたが、可動
体１の速度や加速度を検出してコイル７、14への通電を
制御する構成とすることも可能であり、また第１、第２
通電用配線23、24へのスイッチ回路25、27と駆動回路2
6、28の介設順序を上記とは逆にした回路構成とするこ
とも可能である。さらに可動体１の状態変化の方向信号
を制御回路30を介さずにスイッチ切換回路31に入力する
ことも可能である。しかも駆動回路26、28は、コイル
７、14に流れる電流を制御するために定電流駆動回路に
構成可能であり、また出力トランジスタは、FET、サイ
リスタ等を用いることも可能である。

（発明の効果）上記のようにこの発明の磁気軸受装置においては、一
個の直流電源を設ける構成でコイルへの通電方向の切換
えを行うことができるので、正極性の直流電源と負極性
の直流電源とを必要とした従来構成に比べて、構造をよ
り小形化することが可能であり、またより安価に製作す
ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例における磁気軸受装置での
コイルへの通電を制御する回路ブロック図、第２図は磁
気軸受装置の具体的構造の一例の模式図、第３図は従来
の磁気軸受装置でのコイルへの通電を制御する回路ブロ
ック図である。１……可動体、２……第１支持体、３……第２支持体、
７……第１コイル、14……第２コイル、４、11……永久
磁石、20……直流電源、22……接地ライン、23……第１
通電用配線、24……第２通電用配線、25……第１スイッ
チ回路、26……第１駆動回路、27……第２スイッチ回
路、28……第２駆動回路、29……状態検出回路（状態検
出手段）、32……切換手段。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】第１コイル及び永久磁石を有する第１支持
体と、第２コイル及び永久磁石を有する第２支持体とを
可動体を挟んで配置すると共に、上記第１コイルと、第
２コイルとを相互に直列接続し、さらに上記可動体の変
位等の状態を検出する状態検出手段を設け、この状態検
出手段での検出状態に応じて上記両コイルへの通電方向
の切換えを行うことにより上記第１、第２の支持体から
それぞれ可動体に作用する吸引力を変化させて、上記可
動体を各支持体への非接触状態で支持すべく構成して成
る磁気軸受装置において、直流電源と接地ラインとの間
に第１通電用配線と第２通電用配線とを互いに並列に接
続すると共に、上記第１通電用配線には第１スイッチ回
路と第１駆動回路とを、また上記第２通電用配線には第
２スイッチ回路と第２駆動回路とを、上記直流電源側か
らの介設順序を同一にしてそれぞれ順次介設し、上記第
１コイルにおける反第２コイル側の接続端子を上記第１
スイッチ回路と第１駆動回路との間に、また上記第２コ
イルにおける反第１コイル側の接続端子を上記第２スイ
ッチ回路と第２駆動回路との間にそれぞれ接続すると共
に、上記状態検出手段での検出状態に応じて、上記第１
スイッチ回路及び第２駆動回路の同時閉成状態と、上記
第２スイッチ回路及び第１駆動回路の同時閉成状態とを
切換えて上記両コイルへの通電方向の切換えを行う切換
手段を用けていることを特徴とする磁気軸受装置。