JP3041342B2 - 磁気軸受装置 - Google Patents

磁気軸受装置

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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は磁気軸受装置に関するものである。
磁気軸受装置において、回転主軸を軸方向に支持する
場合、例えば特公昭62−20408号公報にも記載されてい
るように、回転主軸の軸方向位置を検出すると共に、こ
の検出結果に基づいて軸方向の位置制御要素における制
御コイルの制御電流を制御する必要がある。
しかしながら上記従来例においては、位置検出と位置
制御とが、全く独立して別々の部位にて行われており、
そのためその構成が複雑で、装置も大形化せざるを得な
いという欠点がある。
この発明は上記従来の欠点を解決するためになされた
ものであって、その目的は、制御電流による制御特性を
向上し得ると共に、アーマチャーディスクの変位による
不平衡バネ定数を小さくでき、しかも構造簡素な磁気軸
受装置を提供することにある。
そこでこの発明の磁気軸受装置は、回転主軸に取着さ
れたアーマチャーディスクの軸方向両側に一対の軸受要
素を配置して成り、上記各軸受要素は、永久磁石の両磁
極面に一対の磁極片を取着すると共に、この磁極片の先
端側を上記アーマチャーディスクに近接して配置し、上
記永久磁石よりも先端側の位置において、上記磁極片間
に制御用コイルを配置して成る磁気軸受装置であって、
さらに上記制御コイルの磁路中において、アーマチャー
ディスクに近接する位置に位置検出用のセンサーコイル
を配置してあることを特徴としている。
上記磁気軸受装置によれば、制御電流による制御特性
を向上し得ると共に、アーマチャーディスクの変位によ
る不平衡バネ定数を小さくでき、しかも構造簡素な磁気
軸受装置を提供することが可能となる。特に位置検出用
のセンサーコイルを、制御コイルの磁路中に配置したの
で、磁路共通化によって省スペースを図ることができ
る。
以下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。
第１図において、１は回転主軸であって、この回転主
軸１にはアーマチャーディスク２が、一体回転可能に取
着されている。このアーマチャーディスク２を挟んで、
軸方向の両側の位置には、一対の軸受要素３、３が配置
されている。各軸受要素３は、永久磁石４の両磁極面に
一対の磁極片５、６を取着した構造のもので、各磁極片
５、６はアーマチャーディスク２と平行に延びる部分
と、この部分からアーマチャーディスク２に近接する位
置まで延びる先端部分とを有している。そして上記一対
の磁極片５、６間の位置において、上記永久磁石４より
も先端側に制御コイル７が配置され、この制御コイル７
よりもさらに先端側にセンサーコイル８が配置されてい
る。なおこのセンサーコイル８は、上記制御コイル７と
同方向に巻かれているものとする。
上記磁気軸受装置においては、磁極片５、６の先端側
に第１及び第２空隙11、12が、また磁極片５、６の基端
側に漏れ磁路13がそれぞれ形成されることになるが、そ
の等価回路を第２図に示す。同図において、E0は永久磁
石４の起磁力、R0は永久磁石４の内部磁気抵抗、RLは漏
れ磁束用磁気抵抗、R1は第１空隙11用磁気抵抗、R2は第
２空隙用磁気抵抗をそれぞれ示している。
上記においてアーマチャーディスク２の変位による不
平衡バネ定数は、 1/［１＋｛R0/（１＋R0/R1）（R1＋R2）｝］ に比例する。
また制御力は、 E0・NI/R Ｒ＝（R1＋R2）２（１＋R0/RL）＋2R0（R1＋R2） ＋R02/（１＋R2/RL） に比例する。したがって RL＝R0（R1＋R2）／〔R0−（R1＋R2）〕 ＝R0/（ａ−１） 〔ただし、R0＝ａ（R1＋R2）〕 の時に最大となる。
以上のように、永久磁石４のNS極面間隔を長くし１、
内部磁気抵抗R0を大きくし（例えば、上記磁極片５、６
の軟磁性体にて構成する）、制御コイル７の磁路の磁気
抵抗を、永久磁石４の漏れ磁路を作ることによって最適
化し、また永久磁石４よりも先端側に制御コイル７を配
置することによって、制御電流による制御特性を向上し
得ると共に、アーマチャーディスクの変位による不平衡
バネ定数を小さくでき、しかもその構成を簡素化するこ
とが可能となる。
第３図には変位検出センサーの変位検出原理図を示
す。この場合の変位検出センサーは、センサーコイル８
とアーマチャーディスク２（磁性体）とで構成されてお
り、コイル８には高周波（略50KHz）電流を流してあ
る。コイル８とアーマチャーディスク２との距離が変化
すると、コイル８のインダクタンスが変化し、コイル８
に印加してある高周波が振幅変調されることになるた
め、この変調分を変位として検出するのである。検出回
路は２個のインピーダンスZ0、Z0と、２個のセンサーコ
イルL1、L2でブリッジを構成して変化分を差動検出した
後、検出回路で変位信号を取り出すようにしている。
制御コイル７とセンサーコイル８とを複合させたとき
のノイズに関しては、吸引力を強める方の制御コイル７
は強い磁界を発生させるが、センサーコイル８とアーマ
チャーディスク２との距離が離れているため、センサー
コイル８のインダタンスの変化分はある値とはなるもの
の、極端には大きくならない。一方、吸引力を弱める側
の制御コイル７は、発生する磁界は弱いが、センサーコ
イル８とアーマチャーディスク２との距離が短く、サン
サーコイル８のインダクタンスの変化分は上記の「ある
種」と略同じ値になる。したがって、このように差動検
出方式を採用すれば、上記変化分は互いにキャンセルさ
れ、変位成分としては検出されず、精度の良い変位検出
をなし得ることになる。
いまここで、 L1、L2:センサコイルのインダクタンス Z0:ブリッジの基準インピーダンス μ：空隙の透磁率 S :磁心の断面積 N :コイルの巻数 x0:平衡点でのセンサターゲットの距離 x :x0からの変位 w :コイル印加電圧V0の角周波数 とそれぞれすると、ブリッジの出力電圧Ｖは、 Ｖ＝V0（jwL2−jwL1）/2（jwL1＋jwL2） ＝V0（L2−L1）/2（L1＋L2） となる。
そこで L1＝μSN2/2（x0−ｘ） ＝a/（x0−ｘ） L2＝μSN2/2（x0−ｘ） ＝a/（x0＋ｘ） と仮定すると、 Ｖ＝−V0・x/2x0 となり、したがって変位に比例した電気信号を得ること
が可能となる。なおＶは、数10KHzの高周波電圧であ
り、その振幅が変位に比例することから、検波によって
高周波成分を除去することにより変位信号の出力が可能
となる。
以上のように上記した軸方向変位検出機構によれば、
センサーコイル８の磁路を、制御コイル７の磁路と共通
にしてあることから、省スペースを図ることが可能とな
る。また上記のような差動検出機構を採用すれば、アー
マチャーディスク２が両軸受要素３、３の中央に位置す
るときにセンサー出力が零となるため、個々の構造体に
よるバラツキを低減し得るし、また変位に対してリニア
ーなセンサー出力を得ることが可能となる。
この発明の磁気軸受装置は上記のように構成されたも
のであり、そのためこの発明の磁気軸受装置において
は、制御電流による制御特性を向上し得ると共に、アー
マチャーディスクの変位による不平衡バネ定数を小さく
でき、しかもその構成を簡素化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
第１図はこの発明の磁気軸受装置の一実施例を示す縦断
面図、第２図は上記装置の等価回路図、第３図は変位検
出センサーの作動原理図である。 １……回転主軸、２……アーマチャーディスク、３……
軸受要素、４……永久磁石、５、６……磁極片、７……
制御コイル、８……センサーコイル。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】回転主軸に取着されたアーマチャーディス
    クの軸方向両側に一対の軸受要素を配置して成り、上記
    各軸受要素は、永久磁石の両磁極面に一対の磁極片を取
    着すると共に、この磁極片の先端側を上記アーマチャー
    ディスクに近接して配置し、上記永久磁石よりも先端側
    の位置において、上記磁極片間に制御用コイルを配置し
    て成る磁気軸受装置であって、さらに上記制御コイルの
    磁路中において、アーマチャーディスクの近接する位置
    に位置検出用のセンサーコイルを配置してあることを特
    徴とする磁気軸受装置。
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