JP2967446B2

JP2967446B2 - 軸受装置

Info

Publication number: JP2967446B2
Application number: JP4209921A
Authority: JP
Inventors: 良一高畑
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 1991-08-06
Filing date: 1992-08-06
Publication date: 1999-10-25
Anticipated expiration: 2014-10-25
Also published as: JPH0681841A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、軸受装置に関する。

【０００２】

【従来の技術と発明の課題】回転体と、回転体を固定部
に対して非接触状態で支持する軸受部とを備えた軸受装
置として、５軸制御形磁気軸受装置が周知である。この
磁気軸受装置は、通常、アキシアル方向の１つの磁気軸
受と、回転体の一端側に設けられた互いに直交する２つ
のラジアル方向の磁気軸受と、回転体の他端側に設けら
れた互いに直交する２つのラジアル方向の磁気軸受と、
アキシアル方向変位センサと、８個のラジアル方向変位
センサとが設けられたものであり、各磁気軸受が２つの
電磁石を備えている。

【０００３】しかしながら、従来の５軸制御形磁気軸受
装置では、電磁石による吸引力で回転体を固定部に対し
て非接触状態で支持するので、大形の電磁石を使用する
必要があり、しかも回転体の回転中には常に電磁石に通
電しておく必要があって消費電力が多くなり、その結果
コストが高くなるという問題がある。

【０００４】コストの安い軸受装置として、超電導軸受
装置が考えられている。そして、本出願人は、先に、回
転体に取付けられた永久磁石と、これに対向するように
配置される超電導体とを備えており、上記永久磁石が、
上記回転体の回転軸心の周囲の磁束分布が回転によって
変化しないように上記回転体に設けられ、上記超電導体
が上記永久磁石の磁束侵入を許容するもので、上記永久
磁石の磁束が所定量侵入する離隔位置であってかつ上記
回転体の回転によって侵入磁束の分布が変化しない位置
に配置されている超電導軸受装置を提案した（特願平２
−２９３２５６号参照）。この超電導軸受装置では、超
電導体を冷却するだけで回転体を固定部に対して非接触
状態で支持することができる。

【０００５】ところが、上記のような超電導軸受装置で
は、永久磁石が取付けられた部分の回転体の固有振動数
が低いために、回転体の回転を開始した後、安定回転領
域に達するまでの回転数が低い段階において共振が発生
し、回転体にラジアル方向のふれが発生する。そして、
回転体が、たとえば回転体に取付けられたロータおよび
ロータの周りに配置されたステータよりなる高周波電動
機によって回転させられる場合、上記ラジアル方向のふ
れが発生すると、ロータに回転ふれが発生し、この回転
ふれは高周波電動機の磁気的アンバランスによりさらに
増大され、その結果ロータとステータが接触して破損す
るという問題がある。

【０００６】この発明の目的は、上記の問題を解決した
軸受装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明による軸受装置
は、鉛直方向にのびる回転軸心を有する回転体と、回転
体を固定部に対して非接触状態で支持する軸受部とを備
えた軸受装置であって、回転体に同心状にかつ固定状に
設けられるとともに永久磁石を有する環状永久磁石部、
および永久磁石部と対向するように固定部に配置されか
つ第２種超電導体を有する環状超電導体部よりなる超電
導軸受部と、超電導軸受部と軸方向に離隔した位置に設
けられ、かつ回転体の互いに直交する２つのラジアル方
向の位置を制御する吸引型電磁石を用いた磁気軸受部と
を備えているものである。

【０００８】上記軸受装置において、磁気軸受部が、回
転体の軸方向に関して超電導軸受部の片側に設けられて
いることがある。

【０００９】また、上記軸受装置において、磁気軸受部
が、回転体の軸方向に関して超電導軸受部の両側に設け
られていることがある。

【００１０】さらに、上記軸受装置は、回転体に共振が
発生した場合にのみ磁気軸受部の電磁石を駆動する制御
装置を備えているのがよい。

【００１１】

【作用】超電導軸受部の環状超電導体部が第２種超電導
体を有しているので、環状永久磁石部の永久磁石から発
せられる磁束の多くが第２種超電導体の内部に侵入して
拘束されることになり（ピンニング現象）、そのため第
２種超電導体に対して永久磁石とともに回転体が拘束さ
れ、永久磁石部と超電導体部とが所定の間隔をおいて対
向した状態で保持され、回転体は、きわめて安定的に浮
上した状態で、固定部に対してアキシアル方向およびラ
ジアル方向に非接触状態で支持される。したがって、ア
キシアル方向およびラジアル方向のうちのいずれか一方
の方向に間隔をおいて、超電導体部に対して回転体の永
久磁石部を対向させるだけでよい。この状態において
は、永久磁石部を備える回転体をその軸心まわりに回転
させることが可能である。このとき、超電導体部の第２
種超電導体に侵入した磁束は、磁束分布が回転軸心に対
して均一で不変である限り、回転を妨げる抵抗とはなら
ない。

【００１２】回転体の回転を開始した後、安定回転領域
に達するまでに回転体に共振が発生し、回転体の互いに
直交する２つのラジアル方向のふれが発生すると、磁気
軸受部により回転体の位置が制御されてこのふれが補正
される。磁気軸受部が吸引型電磁石を用いたものである
から、回転体として強磁性体からなるものを用いること
が可能になる。

【００１３】回転体の回転数が安定領域に達すると、超
電導軸受部だけで回転体を固定部に対して非接触状態で
支持することができる。

【００１４】安定回転領域で回転している回転体を停止
させる場合や、停電になった場合等に、回転体が完全に
停止するまでに回転体に共振が発生し、回転体の互いに
直交する２つのラジアル方向のふれが発生すると、磁気
軸受部により回転体の位置が制御されてこのふれが補正
される。

【００１５】回転体の上記ふれの補正は、制御装置によ
り、回転体に共振が発生した場合にのみ磁気軸受部の電
磁石を駆動することによって行われる。

【００１６】

【実施例】以下、この発明の実施例を、図面を参照して
説明する。

【００１７】図１はこの発明を適用した軸受装置の全体
構成を概略的に示し、図２は磁気軸受部の制御装置の構
成を示す。

【００１８】図１において、軸受装置は、垂直な軸状の
回転体(1) と、超電導軸受部(2) と、超電導軸受部(2)
の上方に離隔して設けられた磁気軸受部(3) とを備えて
いる。

【００１９】回転体(1) は、駆動用高周波電動機(4) で
高速回転させられるようになっている。高周波電動機
(4) は、超電導軸受部(2) と磁気軸受部(3) との間の部
分で回転体(1) に取付けられたロータ(5) と、その周囲
に配置されて図示しない固定部に固定状に設けられたス
テータ(6) とよりなる。

【００２０】超電導軸受部(2) は、回転体(1) に同心状
に設けられた水平円板状永久磁石部(7) と、永久磁石部
(7) の上下両側に、その上下両面に対してそれぞれ回転
軸心方向に間隔をおいて対向するように配置され、かつ
固定部に固定状に設けられた環状超電導体部(8a)(8b)と
よりなる。超電導軸受部(2) は、ラジアル荷重およびア
キシアル荷重を支持しうる。

【００２１】水平円板状永久磁石部(7) は、回転体(1)
に固定状に設けられた、たとえば銅からなる水平円板
(9) を備えている。円板(9) の上下両面にそれぞれ回転
体(1)と同心状に環状凹みぞ(10)が形成されており、こ
れらの凹みぞ(10)内にそれぞれ環状永久磁石(11)が嵌め
られて固定されている。永久磁石(11)は、回転体(1) の
回転軸心の周囲の磁束分布が回転によって変化しないよ
うに設けられている。

【００２２】環状超電導体部(8a)(8b)は、たとえば銅あ
るいは非磁性ステンレス鋼からなりかつ固定部に固定さ
れた水平環状体(12)を備えている。環状体(12)の中心に
はこれを上下に貫通する穴(12a) が形成され、この貫通
穴(12a) に回転体(1) が隙間をあけて通されている。環
状体(12)内に環状中空部(12b) が形成され、この中に、
周方向に等間隔をおいて互いに近接するように、複数の
円板状超電導体(13)が配置されている。全ての円板状超
電導体(13)の体積は等しくなっている。環状体(12)に、
その内部の環状中空部(12b) と連通するように、冷却流
体供給管(14)および同排出管(15)が接続されている。冷
却流体供給管(14)および同排出管(15)は、図示しない温
度制御ユニットを介して冷却装置などに接続されてい
る。そして、冷却装置により冷却流体供給管(14)、中空
部(12b) および冷却流体排出管(15)を介して、たとえば
液体窒素からなる冷却流体が循環させられ、中空部(12
b) 内に満たされる冷却流体により超電導体(13)が冷却
される。

【００２３】円板状超電導体(13)は第２種超電導体であ
り、イットリウム系高温超電導体、たとえばＹＢａ_２Ｃ
ｕ_３Ｏ_ｘからなるバルクの内部に常電導粒子（Ｙ_２Ｂａ
_１Ｃｕ_１）を均一に混在させたものからなり、第２種超
電導状態が出現する環境下において、永久磁石(11)から
発せられる磁束を内部に拘束する性質を持つものであ
る。そして、超電導体(13)は、永久磁石(11)の磁束が所
定量侵入する離隔位置であってかつ上記回転体(1) の回
転によって侵入磁束の分布が変化しない位置に、永久磁
石(11)と対向するように配置されている。

【００２４】回転体(1) の互いに直交する２つのラジア
ル方向にのびる軸をＸ軸およびＹ軸とすると、磁気軸受
部(3) は、Ｘ軸方向の制御形磁気軸受(A) と、Ｙ軸方向
の制御形磁気軸受(B) とよりなる。両磁気軸受(A)(B)
は、それぞれＸ軸およびＹ軸上に、回転体(1) を両側か
ら吸引するように配置された２つの吸引型電磁石(A1)(A
2)(B1)(B2)を備えている。電磁石(A1)(A2)(B1)(B2)の近
傍には、それぞれ１つのラジアル方向変位センサ(X1)(X
2)(Y1)(Y2)が配置されている。２個の変位センサ(X1)(X
2)は、回転体(1) をＸ軸方向の両側から挟み、この部分
の回転体(1) のＸ軸方向の変位を検出する。残りの２個
の変位センサ(Y1)(Y2)は、回転体(1) をＹ軸方向の両側
から挟み、この部分の回転体(1) のＹ軸方向の変位を検
出する。

【００２５】図２は、磁気軸受部(3) の制御に関する部
分のみの構成が示されている。図２において、磁気軸受
部(3) は、ラジアル方向変位センサ(X1)(X2)(Y1)(Y2)の
出力をフィードバック入力とし、電磁石(A1)(A2)(B1)(B
2)の出力を制御する制御装置(16)を備えている。制御装
置(16)は、ラジアル方向変位センサ(X1)(X2)(Y1)(Y2)が
接続された比較器(16a) と、電磁石(A1)(A2)(B1)(B2)が
接続された制御回路(16b) とを備えている。比較器(16
a) は、ラジアル方向変位センサ(X1)(X2)(Y1)(Y2)の出
力電圧としきい値とを比較し、センサ(X1)(X2)(Y1)(Y2)
の出力電圧がしきい値よりも大きくなったさいに、しき
い値を越えた分の電圧を制御回路(16b) に出力する。制
御回路(16b) は、比較器(16a) の出力信号に基いて電磁
石(A1)(A2)(B1)(B2)に通電し、これを駆動する。そし
て、共振に起因する回転体(1) のラジアル方向のふれが
発生した場合、制御装置(16)の比較器(16a) は、ラジア
ル方向変位センサ(X1)(X2)(Y1)(Y2)の出力としきい値と
を比較し、センサ(X1)(X2)(Y1)(Y2)の出力がしきい値よ
りも大きくなったさいに、しきい値を越えた分の電圧を
制御回路(16b) に出力し、制御回路(16b) が比較器(16
a) の出力信号に基いて電磁石(A1)(A2)(B1)(B2)に通電
し、これを駆動することにより回転体(1) の位置を制御
し、上記ラジアル方向の回転体(1) のふれを補正する。

【００２６】上記の軸受装置には、次のように、運転前
にハウジングと回転体(1) の相対位置を設定するための
初期位置決め装置が設けられている。

【００２７】回転体(1) の下方に、公知の適宜な手段に
より固定部分に対して昇降させられる昇降部材(17)が設
けられている。昇降部材(17)の上端面に円錐状の突起(1
7a)が設けられ、これに対向する回転体(1) の下端面に
この突起(17a) がはまる円錐穴(18)が形成されている。
昇降部材(17)は、軸受装置の運転状態においては、突起
(17a) が円錘穴(18)に密接しない下降位置にある。

【００２８】停止状態の軸受装置は、次のようにして運
転状態にされる。

【００２９】まず、昇降部材(17)を上方の設定位置まで
上昇させる。昇降部材(17)が上昇すると、まず、昇降部
材(17)の突起(17a) が回転体(1) の円錐穴(18)に密接し
て、回転体(1) が上に持ち上げられる。このように昇降
部材(17)の円錐状の突起(17a) が回転体(1) の円錐穴(1
8)にはまることにより、永久磁石部(7) と超電導体部(8
a)(8b)の相対位置が設定されるとともに、回転体(1) の
固定部に対する位置決めが行われる。その後、各超電導
体(13)を環状中空部(12b) 内に循環させられる冷却流体
によって冷却し、第２種超電導状態に保持する。する
と、回転体(1) の永久磁石(11)から発せられる磁束の多
くが超電導体(13)の内部に侵入して拘束されることにな
る（ピンニング現象）。ここで、超電導体(13)はその内
部に常電導体粒子が均一に混在されているため、超電導
体(13)内部への侵入磁束の分布が一定となり、そのため
超電導体(13)に対して永久磁石(11)とともに回転体(1)
が拘束される。したがって、回転体(1) は、きわめて安
定的に浮上した状態で、アキシアル方向およびラジアル
方向に支持されることになる。このとき、超電導体(13)
に侵入した磁束は、磁束分布が回転軸心に対して均一で
不変である限り、回転を妨げる抵抗とはならない。超電
導体(13)が冷却されて超電導状態になると、前述のよう
に支持力が発生するので、昇降部材(17)を下降位置まで
下降させて、これによる支持をなくす。昇降部材(17)に
よる支持力がなくなると、回転体(1) は自重で若干下降
して、超電導軸受部(2) の磁気力、すなわち上部超電導
体部(8a)の磁気吸引力と下部超電導体部(8b)の磁気反発
力に釣合う位置に停止する。

【００３０】そして、回転体(1) が高周波電動機(4) に
より回転させられる。回転開始後、回転体(1) が安定回
転領域に達するまでの間、または安定回転領域で回転し
ていた回転体(1) が停止するまでの間に共振が発生し、
これに起因して回転体(1) にラジアル方向のふれが発生
すると、ラジアル方向変位センサ(X1)(X2)(Y1)(Y2)の出
力電圧が大きくなる。制御装置(16)の比較器(16a) は、
ラジアル方向変位センサ(X1)(X2)(Y1)(Y2)の出力電圧と
しきい値とを比較し、センサ(X1)(X2)(Y1)(Y2)の出力電
圧がしきい値よりも大きくなったさいに、しきい値を越
えた分の電圧を制御回路(16b) に出力する。制御回路(1
6b) は、比較器(16a) の出力信号に基いて電磁石(A1)(A
2)(B1)(B2)に通電し、これを駆動することにより回転体
(1) の位置を制御し、上記ラジアル方向の回転体(1) の
ふれを補正する。その結果、ロータ(5) とステータ(6)
とが接触することによる電動機(4) の破損が防止され
る。上記ふれが補正されると、ラジアル方向変位センサ
(X1)(X2)(Y1)(Y2)の出力電圧がしきい値よりも小さくな
り、制御装置(16)の制御回路(16b) は電磁石(A1)(A2)(B
1)(B2)への通電を停止する。

【００３１】なお、上記実施例において、図示は省略し
たが、固定部と回転体(1) との間に、相対向する部分が
設けられ、この対向部分にタッチダウン軸受が配置され
ているのがよい。

【００３２】図３はこの発明の第２の実施例を示す。な
お、図３において、図１に示すものと同一物には同一符
号を付す。

【００３３】図３に示すように、高周波電動機(4) は回
転体(1) の長さの中央部に設けられており、その上下両
側にそれぞれ超電導軸受部(20)が設けられている。両超
電導軸受部(20)は、環状超電導体部(8a)(8b)と、超電導
体部(8a)(8b)よりも電動機(4) 側において超電導体部(8
a)(8b)と間隔をおくように配置された水平円板状永久磁
石部(21)とよりなる。上側の永久磁石部(21)の水平円板
(22)の上面、および下側の永久磁石部(21)の水平円板(2
2)の下面に、それぞれ回転体(1) と同心状に環状凹みぞ
(23)が形成されており、これらの凹みぞ(23)内に環状永
久磁石(11)が嵌められて固定されている。

【００３４】上側の超電導軸受部(20)の上側および下側
の超電導軸受部(20)の下側に、それぞれ２つの制御形磁
気軸受(A)(B)を備えた磁気軸受部(3) が設けられてい
る。なお、下側の磁気軸受部(3) の制御形磁気軸受(A)
(B)の吸引型電磁石を(A3)(A4)(B3)(B4)で示し、各電磁
石(A3)(A4)(B3)(B4)の近傍に１つずつ配置されたラジア
ル方向変位センサを(X3)(X4)(Y3)(Y4)で示す。図示は省
略したが、両磁気軸受部(3) のすべての電磁石(A1)〜(A
4)(B1)〜(B4)は制御装置(16)の制御回路(16b) に、すべ
てのラジアル方向変位センサ(X1)〜(X4)(Y1)〜(Y4)は制
御装置(16)の比較器(16a) に、それぞれ接続されてい
る。そして、回転体(1) にラジアル方向のふれが発生し
た場合、両磁気軸受部(3) によりこのふれが補正される
ようになっている。

【００３５】回転体(1) の下方に、固定部に対して昇降
させられる昇降部材(30)が設けられている。昇降部材(3
0)の上端面にタッチダウン軸受(31)が設けられており、
停止状態の回転体(1) は、このタッチダウン軸受(31)に
より支持される。昇降部材(30)の下面に円筒穴(30a) が
形成されており、この円筒穴(30a) に、固定部に設けら
れているたとえばエアシリンダのプランジャ(32)が嵌合
している。昇降部材(30)は、軸受装置の運転状態におい
ては、回転体(1) の下端がタッチダウン軸受(31)に接触
しない下降位置にある。この実施例において、回転体
(1) の固定部分に対する初期位置決め、すなわち永久磁
石部(21)と超電導体部(8a)(8b)の相対的位置決めは、昇
降部材(30)と磁気軸受部(3) によって行われる。

【００３６】

【発明の効果】この発明の軸受装置によれば、上述のよ
うに、アキシアル方向およびラジアル方向のうちのいず
れか一方の方向に間隔をおいて、超電導体部に対して回
転体の永久磁石部を対向させるだけでよいので、超電導
体部と永久磁石部との組合せ方が単純になる。また、回
転体の回転数が安定領域に達すると、超電導軸受部だけ
で回転体を固定部に対してアキシアル方向およびラジア
ル方向に非接触状態で支持することができ、従来の５軸
制御型磁気軸受装置のように大形の電磁石を用いる必要
はなく、しかも電磁石の駆動のために要する電力も少な
くなってコストが安くなる。さらに、回転体として強磁
性体からなるものを用いることが可能になるので、回転
体の強度を増大させて回転体の高速回転が可能になる。

【００３７】また、回転体の回転数が安定領域よりも低
い場合に、回転体に互いに直交する２つのラジアル方向
のふれが発生すると、このふれは磁気軸受部により補正
されるので、上記ふれに起因する高周波電動機などの破
損を防止できる。そして、上述のように、磁気軸受部が
吸引型電磁石を用いたものであるから電磁石の磁束を有
効に利用することができ、しかも回転体として磁気的性
質が全体に均一である強磁性体からなるものを用いるこ
とができるので、磁気軸受部による２つのラジアル方向
の制御を精度良く行うことが可能になる。したがって、
上記ふれの補正を精度良く行うことが可能になり、上記
ふれに起因する高周波電動機などの破損を確実に防止で
きる。

【００３８】しかも、回転体の上記ふれの補正は、制御
装置により、回転体に共振が発生した場合にのみ磁気軸
受部の電磁石を駆動することによって行われるので、こ
れによっても消費電力は少なくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の軸受装置の第１実施例の概略を示す
一部切欠き斜視図である。

【図２】図１に示す軸受装置の磁気軸受部を制御する部
分の構成を示すブロック図である。

【図３】この発明の軸受装置の第２実施例の概略を示す
一部切欠き斜視図である。

【符号の説明】

１回転体２超電導軸受部３磁気軸受部７永久磁石部８ａ超電導体部８ｂ超電導体部１３第２種超電導体２０超電導軸受部２１永久磁石部Ａ制御形磁気軸受 A1〜A4 吸引型電磁石Ｂ制御形磁気軸受 B1〜B4 吸引型電磁石

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】鉛直方向にのびる回転軸心を有する回転
体と、回転体を固定部に対して非接触状態で支持する軸
受部とを備えた軸受装置であって、回転体に同心状にかつ固定状に設けられるとともに永久
磁石を有する環状永久磁石部、および永久磁石部と対向
するように固定部に配置されかつ第２種超電導体を有す
る環状超電導体部よりなる超電導軸受部と、超電導軸受
部と軸方向に離隔した位置に設けられ、かつ回転体の互
いに直交する２つのラジアル方向の位置を制御する吸引
型電磁石を用いた磁気軸受部とを備えている軸受装置。
【請求項２】磁気軸受部が、回転体の軸方向に関して
超電導軸受部の片側に設けられている請求項１記載の軸
受装置。
【請求項３】磁気軸受部が、回転体の軸方向に関して
超電導軸受部の両側に設けられている請求項１記載の軸
受装置。
【請求項４】回転体に共振が発生した場合にのみ磁気
軸受部の電磁石を駆動する制御装置を備えている請求項
１記載の軸受装置。