JP3315428B2 - 磁気軸受装置 - Google Patents

磁気軸受装置

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    • F16F15/16—Suppression of vibrations in rotating systems by making use of members moving with the system using a fluid or pasty material

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、磁気力を電磁石によっ
て制御して、被支持体を非接触で支持する半径方向磁気
軸受装置に係り、特にその電磁石の制御磁極の構造に関
する。
【０００２】
【従来の技術】図４は、従来の半径方向磁気軸受装置の
断面図である。制御磁極コア１には、電磁石の制御力に
より、Ｘ方向に磁性体である被支持体（回転軸８）を非
接触で支持する制御磁極３１，３２，３５，３６が備え
られ、それぞれ制御コイル５１，５２，５５，５６が巻
回されている。制御磁極３１と制御磁極３２は対をなし
ており、それぞれの制御用コイル５１及び制御用コイル
５２により形成される磁束が閉じるように相異なる磁極
を形成するようにそれぞれのコイルが巻回されている。
従って、制御磁極３１と制御磁極３２からなる制御磁極
の対は、磁性体を具備する被支持体である回転軸８をＸ
方向のプラス方向に吸引する。一方、反対側の制御磁極
３５及び制御磁極３６からなる制御磁極の対は、同様に
回転軸８をＸ方向の反対（マイナス）方向に吸引し、こ
の電磁石の磁気力のバランスによって、回転軸８は制御
磁極３１，３２，３５，３６から非接触でＸ方向に位置
決めされ支持される。同様にＹ方向には、制御磁極３
３，３４の対及び制御磁極３７，３８の対の電磁石の磁
気力のバランスによって回転軸８は制御磁極３３，３
４，３７，３８から非接触で位置決めされ支持される。
【０００３】図５は従来の半径方向磁気軸受装置の軸方
向の断面図である。制御コイルが巻回された制御磁極の
対と反対側に位置する制御磁極の対は、その電磁石の磁
気力によって回転軸８をバランスのとれた位置に支持す
るので、電磁石の磁気力のバランスをとるためには、回
転軸の位置を検出して、制御コイルの励磁を制御する必
要がある。そのため、通常制御磁極に隣接して回転軸８
の半径方向位置を検出するセンサであるインダクタンス
形変位センサが設けられ、このセンサは制御磁極と類似
の磁極が設けられ、この磁極にはインダクタンスの変化
を検出するためのセンサコイルが巻回される。即ち、制
御コイル５１の巻回された制御磁極３１及び回転軸の反
対側に位置する制御コイル５５の巻回された制御磁極３
５からなる制御磁極の作用点と、センサコイル６１の巻
回されたセンサ磁極４１及び回転軸の反対側に位置する
センサコイル６５の巻回されたセンサ磁極４５からなる
インダクタンス形変位センサの変位検出点とは、回転軸
の軸方向に距離ΔＬだけ離隔している。
【０００４】図６は従来のインダクタンス形変位センサ
の断面図である。インダクタンス形変位センサは、セン
サ磁極４１〜４８と、この磁極に巻回されたセンサコイ
ル６１〜６８とからなる。例えば、Ｘ方向の回転軸８の
位置の検出は、センサコイル６１の巻回された磁極４１
とコイル６２の巻回された磁極４２によって構成される
磁極の対のセンサコイルのインダクタンスと、回転軸の
反対側に位置するコイル６６の巻回された磁極４６とコ
イル６５の巻回された磁極４５からなる磁極の対のセン
サコイルのインダクタンスの比を測定することによって
行われる。Ｙ方向の位置検出は同様に、センサコイル６
３，６４，６７，６８のインダクタンスの比を測定する
ことによって行われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、係る制
御磁極とインダクタンス形変位センサの磁極とを離隔し
て備えた従来の磁気軸受装置においては、回転軸の曲げ
振動固有値を越えて運転する場合には、発振状態となり
制御不能となる場合が生ずる。図７は、回転軸の曲げ振
動固有値における曲げモード振動の説明図である。ここ
で位置ＡＡ’，ＣＣ’は、制御磁極の作用点の位置であ
り、位置ＢＢ’，ＤＤ’は変位センサの磁極の位置であ
る。このように制御磁極位置ＡＡ’，ＣＣ’と変位セン
サの磁極位置ＢＢ’，ＤＤ’は近接してはいるが図５の
説明で述べたようにΔＬだけ離れて設置されている。
【０００６】正常な状態での真直ぐな回転軸８ａは、曲
げ固有値の振動状態においては、符号８ｂに示すように
回転軸が曲がってしまう。従って、曲げ固有値の振動状
態では、変位センサは、制御磁極の位置とΔＬだけ離れ
た位置の変位を検出するため、制御磁極作用点の位置で
は本来下方向の制御力が必要であるにも係わらず、変位
センサは上方向の制御力が必要と検出してしまう場合が
生じる。このような場合には制御磁極には上方向の制御
力を発生する励磁電流が流れることになるため、半径方
向磁気軸受装置において回転軸８は発振状態となり制御
不能となる。
【０００７】このような発振、制御不能状態を避けるに
は、制御磁極の作用点の位置と変位センサの磁極の位置
を一致させれば問題は解決される。しかしながら、従来
からある変位センサは、光を用いたセンサや静電容量を
用いたセンサを除いて、何れも磁気を用いている。この
ため、制御磁極の発生する磁気力によってインダクタン
ス形変位センサを制御磁極に近づけるとセンサが誤動作
するという問題点があった。また、光学式センサは、高
価であり製造コスト面から好ましくなく、制御磁極は励
磁電流により温度上昇するため、温度変化に弱い静電容
量形のセンサもこのような用途には好適ではない。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、係る従来技術
の問題点に鑑み、磁気力を電磁石によって制御して、被
支持体を非接触で支持する半径方向磁気軸受装置におい
て、前記被支持体に対向する前記電磁石の制御磁極の先
端に平行に溝を設け、該溝に半径方向位置検出用のセン
サコイルを備え、前記制御磁極の一部をインダクタンス
形変位センサの磁極と共用したことを特徴とするもので
ある。
【０００９】
【作用】制御磁極の先端に設けられた溝に巻回されたコ
イルによって形成されるインダクタンス形の変位センサ
は、制御磁極の作用点の位置において変位センサを構成
することができる。したがって従来技術の問題点であっ
た、曲げ振動固有値を越えて運転する場合において、変
位センサの位置と制御磁極の位置が離れていることによ
って生じる問題点を解決することができる。即ち、制御
磁極の作用点において回転軸の位置を検出することが可
能となり、制御磁極の必要な制御力を正確に検出するこ
とが可能となり、安定に半径方向磁気軸受装置を回転軸
の曲げ振動固有値を越えて運転することを可能ならしめ
る。
【００１０】
【実施例】図１は本発明の一実施例の半径方向磁気軸受
装置の説明図であり、（ａ）は回転軸８より外周方向を
見た平面図、（ｂ）は制御磁極の対の断面図、（ｃ）は
制御磁極の断面図である。図１（ｃ）に示すように、各
制御磁極、例えば制御磁極３２にはその先端に２個（複
数）の溝１１，１２を備える。そして、溝１１にはセン
サコイル７が巻回され、制御磁極３２の先端の一部はセ
ンサ磁極１９を構成しインダクタンス形変位センサの磁
極を共用する。制御磁極３２の反対面には、溝１２があ
り、センサコイル６が巻回され、制御磁極３２の一部が
センサ磁極２０を構成しインダクタンス形変位センサの
磁極を共用する。図１（ａ）に示すように、対を構成す
る制御磁極３１，３２は、２個の（複数の）周方向の溝
を備え、その溝にはセンサコイル４，５，６，７が巻回
されている。制御磁極３１には制御コイル５１が、制御
磁極３２には制御コイル５２が巻回されているのは、図
４に示す従来の技術と同様である。
【００１１】図１（ｂ）に示すように、制御磁極３１，
３２の制御コイル５１，５２による制御磁束はそれぞれ
の磁極において互いに反対方向となり、回転軸８を通っ
て閉磁路が形成されるように制御コイルが結線され、磁
極の対をなしている。図１（ｃ）に示すように、センサ
コイル６及び７は、センサ磁極１９及びセンサ磁極２０
を通して閉磁路１０が出来るように、それぞれが反対方
向の磁界を発生するように、即ち異極の磁束を形成する
ように直列に結線される。従って、制御コイル５２によ
って形成される制御磁束９はセンサ磁極１９においては
打ち消すように、センサ磁極２０においては加えられる
ように作用するので、センサコイル６及びセンサコイル
７を直列に接続することにより、制御磁束９の影響を相
殺することが可能となる。従って、センサ磁極１９，２
０と制御磁極３２とを共用しても、制御磁束９の影響を
受けることなく、インダクタンス形変位センサを動作さ
せることができる。
【００１２】図２は本発明の第２の実施例の半径方向磁
気軸受装置の制御磁極の構造の説明図であり、（ａ）は
回転軸８より外周方向をみた平面図、（ｂ）は制御磁極
の断面図である。この制御磁極３１，３２は回転軸８に
対向するその先端に２個の（複数の）溝１９，２０を具
備し、制御磁極の先端にはその溝を通してセンサコイル
が巻回されインダクタンス形変位センサのセンサ磁極を
共用している。図２に示すように、センサコイルの通る
制御磁極の先端に設けられた溝は軸方向に入っている
が、その作用は図１に示す第１の実施例と同じである。
【００１３】図３はセンサコイルの結線の説明図であ
る。対をなしている制御磁極３１及び３２のそれぞれの
溝に設けられたセンサコイル４，５，６，７はそれぞれ
の磁極において生じる点線で示す磁束が反対方向とな
る、即ち異極を形成するように直列に結線される。そし
て対をなす磁極３１，３２とＸ方向において反対側に位
置する図示しない制御磁極３５，３６の対のセンサコイ
ル１４，１５，１６，１７も同様にそれぞれの磁極にお
いて生じる磁束が反対方向となるように、即ち異極を形
成するように直列に接続され、さらに制御磁極３１，３
２のセンサコイル４，５，６，７と全て直列に接続され
る。そしてこの全て直列に接続されたコイルの両端には
交流発振器２１の電圧が印加される。そしてＸ方向の一
方の磁極対である制御磁極３１，３２とＸ方向の反対側
に位置する制御磁極３５，３６の対のセンサコイル群の
中点はセンサアンプ回路２２に接続される。従って、回
転軸８がＸ方向のプラス側に移動するとセンサコイル
４，５，６，７のインダクタンスは大きくなり、センサ
コイル１４，１５，１６，１７のインダクタンスは小さ
くなり、両者のインダクタンスの分圧された比がセンサ
アンプ回路２２に入力される。このような回路構成によ
れば、センサコイル４，５，６，７の平均化されたイン
ダクタンスと、センサコイル１４，１５，１６，１７の
平均化されたインダクタンスの比によって回転軸の位置
が求められるので、正確な変位の検出が可能となる。
【００１４】なお変位センサを構成する磁極のセンサコ
イルの巻線は相隣接する制御磁極に設置された相隣接す
るセンサコイルが発生する磁束が全て同極となるように
結線される。例えば、図１（ａ）において、制御磁極３
１のセンサコイル５が巻回されたセンサ磁極はＮ極とな
り、隣接する制御磁極３２の隣接するセンサコイル７が
巻回されたセンサ磁極はＮ極となるように、センサコイ
ルが結線される。センサコイル４と相隣接する磁極３２
の相隣接するセンサコイル６は、共にＳ極となるように
巻回される。また、図２（ａ）においては、制御磁極３
１，３２の対のそれぞれの先端に設けられたセンサコイ
ル４，５，６，７は、相隣接する制御磁極３１，３２の
相隣接するセンサコイル５，６が共に同極（Ｎ）となる
ように結線される。同一の制御磁極３１のセンサコイル
５及びセンサコイル４とは逆方向の磁束が発生するよう
（異極）に巻回されることは前述の説明の通りである。
このように相隣接する磁極の相隣接するセンサコイルの
磁束の方向を同一とする即ち極性を同一とすることによ
ってセンサ磁極から外部に漏洩する磁束の量を減らすこ
とができる。
【００１５】さらに、図には示していないが制御磁極の
先端に設けられたセンサコイルの通る溝は本実施例に示
すように１本、又は２本以上とすることもできる。制御
磁極の先端に設ける溝を多数とし、センサコイルを分散
して設けることにより、より平均化されたインダクタン
ス形変位センサの被支持体の位置検出が可能となる。
【００１６】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の磁
気軸受装置によれば、半径方向インダクタンス形変位セ
ンサと制御磁極の作用点の軸方向位置が一致しているた
め、即ち、制御磁極の作用点で変位センサの位置検出を
行うことができるため、回転軸が曲げ振動を起こした場
合でも、磁気軸受装置が発振等の問題を生ずることなく
安定な制御を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の半径方向磁気軸受装置
の制御磁極の説明図。
【図２】本発明の第２の実施例の半径方向磁気軸受装置
の制御磁極の説明図。
【図３】本発明の実施例におけるセンサコイルの結線の
説明図。
【図４】従来の半径方向磁気軸受装置の断面図。
【図５】従来の半径方向磁気軸受装置の軸方向の断面
図。
【図６】従来のインダクタンス形変位センサの断面図。
【図７】従来の回転軸の曲げ固有振動モードの説明図。
【符号の説明】
１ 制御磁極コア ４，５，６，７，１４，１５，１６，１７ センサコイ
ル ８ 回転軸 ９ 制御磁束 １０ センサ磁束 １１，１２ 溝 １９，２０ センサ磁極 ２１ 交流発振器 ２２ センサアンプ回路 ３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８ 制
御磁極 ４１，４２，４３，４４，４５，４６，４７，４８ セ
ンサ磁極 ５１，５２，５３，５４，５５，５６，５７，５８ 制
御コイル ６１，６２，６３，６４，６５，６６，６７，６８ セ
ンサコイル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 英国特許出願公開1411627（ＧＢ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F16C 32/04

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 磁気力を電磁石によって制御して、被支
    持体を非接触で支持する半径方向磁気軸受装置におい
    て、前記被支持体に対向する前記電磁石の矩形状の制御
    磁極の両側に平行に溝を設け、該溝に半径方向位置検出
    用のセンサコイルを備え、前記制御磁極の一部をインダ
    クタンス形変位センサの磁極と共用し、前記変位センサ
    の磁極が異極の磁束を形成するようにしたことを特徴と
    する磁気軸受装置。
  2. 【請求項２】 磁気力を電磁石によって制御して、被支
    持体を非接触で支持する半径方向磁気軸受装置におい
    て、前記被支持体に対向する前記電磁石の矩形状の制御
    磁極の両側に平行に溝を設け、該溝に半径方向位置検出
    用のセンサコイルを備え、前記制御磁極の一部をインダ
    クタンス形変位センサの磁極と共用し、同一方向に磁気
    力を作用させる制御磁極は複数組の制御磁極の対からな
    り、該複数組の制御磁極の対に設けられた前記センサコ
    イルは、全て直列に結線されていることを特徴とする磁
    気軸受装置。
  3. 【請求項３】 磁気力を電磁石によって制御して、被支
    持体を非接触で支持する半径方向磁気軸受装置におい
    て、前記被支持体に対向する前記電磁石の矩形状の制御
    磁極の両側に平行に溝を設け、該溝に半径方向位置検出
    用のセンサコイルを備え、前記制御磁極の一部をインダ
    クタンス形変位センサの磁極と共用し、前記制御磁極の
    対のそれぞれの先端に設けられたセンサコイルは、相隣
    接する制御磁極の相隣接するセンサコイルが、同極の磁
    束を形成するように結線されていることを特徴とする磁
    気軸受装置。
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