JP4075252B2 - 電磁石と永久磁石併用型スラスト磁気軸受 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は電磁石と永久磁石を併用したスラスト磁気軸受に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、図7に示すように、鉄心21とそれに巻回した電磁石用コイル22からなる電磁石を用いて、対象物23を吸引する技術が知られている。図7中、磁路24は電磁石が発生する磁束の磁気回路である。しかし、電磁石のみで対象物23を吸引するため、電力が多く必要である。
【0003】
そこで、消費電力の低減と電磁石の小型化のために、電磁石と永久磁石を併用した技術が、特開平6−26519号公報や特開平2−102918号公報により知られている。図8はその例を示し、電磁石の磁路24中に永久磁石25を挿入した複合磁石26を用い、定常的に必要とする吸引力を永久磁石25により発生させ、電磁石によって吸引力を可変にする制御を行う。
【0004】
特に、特開平2−102918号公報には、電磁石と永久磁石を併用したスラスト磁気軸受が開示されている。図9はその例を示し、スラスト磁気軸受は、支持対象のシャフト(図示省略)に取り付けられるスラストディスク2と、このスラストディスク2を間隔を空けて挟むように配置される一対の複合磁石26A、26Bにより構成される。各複合磁石26A、26Bは電磁石の磁路24中に永久磁石25を挿入したものである。このようなスラスト磁気軸受において、ギャップセンサ27をスラストディスク2の略中央に面して間隔を空けて配置し、ギャップセンサ27によりスラスト方向の変位(ギャップ)28を測定し、図の右方向へシャフトの位置を修正する場合には一方の複合磁石26Aの吸引力を増加させ、図の右方向へ位置を修正する場合には他方の複合磁石26Bの吸引力を増加させることにより、スラスト方向の非接触支持を行う。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の複合磁石26、26A、26Bでは、永久磁石25の磁路が電磁石の磁路24と同じになっている。このため、電磁石のみで設計した場合に比べて、永久磁石25を併用した場合は磁路24の磁気抵抗が大きくなる傾向にある。磁気抵抗が大きくなると、空隙部分での磁束密度を変更するために必要となる電磁石での起磁力が大きくなる。従って、電磁石が思ったよりも小さくできないという問題がある。
【0006】
本発明の課題は、電磁石の所要起磁力を小さくすることが可能なスラスト磁気軸受を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1に係る発明のスラスト磁気軸受は、シャフトに取り付けられるスラストディスクを間に挟むように、電磁石及び永久磁石を併用した複合磁石を前記スラストディスクの両側に配置し前記永久磁石を前記電磁石の磁路から分離して配置してなるスラスト磁気軸受において、前記複合磁石は、ヨーク上に外側磁極及び内側磁極を同軸に立設すると共に前記外側磁極に電磁石コイルを巻回して前記電磁石を構成し、かつ、前記内側磁極よりも内側における前記ヨーク中心部に前記永久磁石を立設してなり、更に、前記スラストディスクに対向する前記外側磁極及び前記内側磁極の先端部が軸心側に円錐状に絞られることにより、前記先端部の径が前記外側磁極及び前記内側磁極の前記ヨーク側である基端部の径より小さいことを特徴とする。
【0010】
請求項2に係る発明のスラスト磁気軸受は、請求項1に係る発明において、前記スラストディスクに対向して配置された少なくとも3組のギャップセンサ及び傾き制御用の電磁石と、前記ギャップセンサの出力に基づいて前記傾き制御用の電磁石に電流を流し前記スラストディスクの傾きを制御する制御手段を有することを特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態例を説明する。
【0012】
[第1実施形態例]
本発明の第1実施形態例として、図1に示すスラスト磁気軸受を説明する。本例のスラスト磁気軸受は、支持対象のシャフト(回転軸)1に取付けられるスラストディスク2と、間隔を空けて設けられる2つの複合磁石3A、3Bを有し、2つの複合磁石3A、3Bの間にスラストディスク2が配置される。
【0013】
各複合磁石3A、3Bは鉄心4、電磁石コイル5及び永久磁石6等で構成されるが、永久磁石6が発生する磁束の磁路7と、電磁石が発生する磁束の磁路8は分かれている。
【0014】
詳しくは、鉄心4はヨーク9と、ヨーク9に立設したリング状の外側磁極10と、このリング状外側磁極10と同軸にヨーク9に立設したリング状の内側磁極11を有し、電磁石コイル5はリング状外側磁極10に巻回され、永久磁石6はヨーク9の中心部に立設されている。つまり、永久磁石6はリング状内側磁極11より内側に位置している。
【0015】
本例では、永久磁石6が発生する磁束の磁路7は永久磁石6自身、スラストディスク2の一部、リング状内側磁極11及びヨーク9の一部からなり、電磁石が発生する磁束の磁路8はリング状外側磁極10、スラストディスク2の一部、リング状内側磁極11及びヨーク9の一部からなる。
【0016】
従って、リング状内側磁極11は両磁路7、8に共用されるが、永久磁石6は電磁石の磁路8中には存在せず、両磁路7、8は実質的に分離しているということができる。
【0017】
図示のスラスト磁気軸受では、スラストディスク2をその両側の複合磁石3A、3Bで吸引することにより、スラストディスク2の位置の制御を行い、スラストディスク2に接続されたシャフト1のスラスト方向の位置決定を行う。
【0018】
上述のように電磁石の磁路8中に永久磁石6が無いため、電磁石の起磁力を小さく設計することができる。これにより、電磁石に電流を流す電源の容量を小さくしたり、あるいは、電磁石コイル5の巻数を少なくすることが可能であり、その分、電磁石が小さくなる。
【0019】
図1中、左側の複合磁石3Bにおいては、永久磁石6の形状がリング状になっているが、これはシャフト1を通すためである。右側の複合磁石3Aにおいても、永久磁石6をリング状に形成してもかまわない。
【0020】
更に、図示の各複合磁石3A、3Bにおいては、外側から順にリング状外側磁極10、リング状内側磁極11及び永久磁石6を配置しているが、その順は逆でも良い。例えば、最外周にリング状の大径永久磁石、その内側にリング状磁極、最内周にリング状磁極を配置し、最内周のリング状磁極に電磁石コイル5を巻回することによっても、永久磁石6の磁路7と電磁石の磁路8を分けることができる。
【0021】
ところで、図1に示すように2種類の磁路(永久磁石6の磁路7と電磁石の磁路8)を設けるため、鉄心4の径が大きくなり、その分、スラスト磁気軸受の径が大きくなる。すると、スラスト磁気軸受の位置計測方法によっては、図9に示すように、スラストディスク2が磁石に斜めに吸着する現象が考えられる。
【0022】
ここで、スラスト磁気軸受の直径をL_{thrust}とし、スラストディスク2の傾きをθとすると、スラストディスク2端でのギャップ方向への変位ΔLは下記の式(1) で表される。
ΔL=L_{thrust}/2×cos(π/2−θ) … 式(1)
【0023】
従って、ギャップ方向変位ΔLの最大値が一定である(これはスラスト磁気軸受のギャップで決まる)とすると、直径L_{thrust}が大きくなるにつれて、より小さな傾きθでスラストディスク2が磁石に接触するようになる。
【0024】
また、図9に示すようにギャップセンサ27がスラストディスク2の中央部に面していると、スラストディスク2が複合磁石に接触した時のギャップセンサ27からの出力は、スラストディスク2が目標位置に存在するときとほぼ同じ値になるから、安定な状態と見做されてしまい、スラストディスク2が斜めに吸着した状態から非接触支持状態へ復帰することができない。
【0025】
このような現象を回避するには、下記(1)(2)の対策が考えられる。
(1) スラストディスクが斜めに吸着し難い構造にする。
(2) ギャップセンサの数を増やして、スラストディスク2の傾きも計測する。
【0026】
[第2実施形態例]
図2に本発明の第2実施形態例として、スラストディスク2が斜めになり難い構造にしたスラスト磁気軸受を示す。本例のスラスト磁気軸受は、図1のものに比べ、複合磁石3A、3Bの部分の高さを外周に行くにしたがい低くなるようにしている。具体的には、各複合磁石3A、3Bにおいて、鉄心4の部分の高さ、つまり、リング状内側磁極11とリング状外側磁極10の高さを順に段階的に低くしている。他の構成は図1に示したものと同じである。
【0027】
このように、外周になるに従い複合磁石3A、3Bの高さを低くすることにより、スラストディスク2が傾いた時の複合磁石3A、3Bへの吸着が起こる傾きθ_max が大きくなる。従って、最大傾きθ_max より傾きθが小さい時には吸着が起こらなず、吸着しない、つまり接触しない範囲が広がるという効果が得られる。
【0028】
図2に示す例では複合磁石3A、3Bの高さが外周になるほど段階的に低くなっているが、永久磁石6、リング状内側磁極11、リング状外側磁極10の各先端を斜めに形成し、滑らかに低くなるようにしても良い。
【0029】
[第3実施形態例]
図3に本発明の第3実施形態例として、スラストディスク2が斜めになり難い構造にした他のスラスト磁気軸受を示す。本例のスラスト磁気軸受は、図1のものに比べ、複合磁石3A、3Bのスラストディスク2に対向する先端を内側に絞り、スラストディスク2に対向する部分の径が大きくならないようにしている。具体的には、鉄心4の先端部、つまりリング状外側磁極10の先端部10a及びリング状内側磁極11の先端部11aをそれぞれ延長して先細りの円錐状に絞り、鉄心4のスラストディスク2に対向する先端部分の径をその基端部の径より小さくしてある。これに応じて、スラストディスク2の径も小さくしてある。他の構成は図1に示したものと同じになっている
【0030】
このように各複合磁石3A、3Bにおいて、それらの鉄心4先端を内側に絞ったことにより、スラスト磁気軸受の直径L_{thrust}が図1に比べて小さくなるので、上記式(1) で表されるスラストディスク2端でのギャップ方向変位ΔLが小さくすることができ、スラストディスク2の傾きθに対する耐性を増すことができる。
【0031】
なお、複合磁石3A、3Bの高さを全体的に均一化するため、永久磁石6の先端に磁性体6aを設け、高さ調整している。左側の複合磁石3Bでは磁性体6aはリング状をなしてる。磁性体6aを延長して設ける代わりに、永久磁石6自身の長さを調整しても良い。
【0032】
また、最外周にリング状の大径永久磁石、その内側にリング状外側磁極、最内周にリング状内側磁極を配置し、リング状内側磁極に電磁石コイルを巻回するする構成の場合は、リング状永久磁石の先端に先細りの円錐状磁性体を設け、リング状外側磁極の先端部を延長して先細りの円錐状に絞ることによって、目的が達成される。
【0033】
このように各複合磁石3A、3Bの先端を内側に絞ってスラスト磁気軸受の直径を小さくすることに加えて、図2に示した各複合磁石3A、3Bの高さを外周に行くにしたがい低くするようにしても構わない。
【0034】
上記[第2実施形態例]及び[第3実施形態例]では、スラストディスク2が図9に示した接触状態になり難いようにしたものであるが、一旦図9に示した接触状態に陥ってしまった場合には、自力で非接触支持状態に戻る能力を有していない。そのため、通常は、これらのスラスト磁気軸受を、ラジアル磁気軸受等ラジアル方向を制御する機構と同時に使用して、非接触支持状態に戻るようにすると良い。
【0035】
[第4実施形態例]
図4、図5に本発明の第4実施形態例として、スラストディスク2が斜めになっても単独で非接触支持状態に戻り安定化するスラスト磁気軸受を示す。
【0036】
本例のスラスト磁気軸受では、傾き制御用にギャップセンサ12と電磁石13の組をスラストディスク2の外周付近の片面に対向して、鉄心4の外側面付近に設置してある。平面の傾きを制御するために、ギャップセンサ12及び電磁石13は少なくとも3組用いられる。他の構成は図1に示したものと同じである。
【0037】
各ギャップセンサ12は、スラストディスク2の傾きを制御するために、スラストディスク2との間のギャップを検出するものである。3点の各ギャップセンサ12で計測された変位を表す各信号(ギャップ信号)を基準信号(変位基準信号)と比較することにより、スラストディスク2がどちらに変位しているかが判る。各電磁石13は、スラストディスク2の傾きを修正するために、この変位に応じてスラストディスク2を吸引するものである。
【0038】
図6にスラストディスク2の傾き制御に用いる制御装置の例を示す。図6に示す制御装置14は比較手段15、コントローラ手段16、リミッタ手段17及び電流アンプ18を有している。本例では、このような制御装置14をギャップセンサ12及び電磁石13の組毎に備える。
【0039】
図6において、傾き制御用ギャップセンサ12からのギャップ信号は比較手段15にて変位基準信号と比較され、基準位置に対するスラストディスク2の変位が得られる。この変位はコントローラ手段16に入力される。
【0040】
コントローラ手段16は比較手段15より入力される変位から、スラストディスク2を基準位置へ戻すために必要な電流値を表す指令信号を決定する。コントローラ手段16にはPIDのようなものが使用される。
【0041】
コントローラ手段16からの指令信号は必要に応じてリミッタ手段17に通した後、電流アンプ18に入力される。リミッタ手段17は過大な信号を規定値に制限する。
【0042】
電流アンプ18は指令信号に応じて電流を出力する。この電流が傾き制御用電磁石13の電磁石コイルに流れ、スラストディスク2の吸引を行う。
【0043】
上述した各制御装置14の処理により、スラストディスク2の傾きをゼロとする制御が行われる。つまり、スラストディスク2の傾きを修正し、安定に非接触支持を行うことができる。通常、傾き制御用電磁石13には変位が基準変位より大きいほど大きな電流を流すが、変位が基準変位より小さければ電流を流さなくても良い。
【0044】
本例では以上の如く、傾き制御の処理を各々のギャップセンサ12及び制御用電磁石13で独立に行うものとしているが、全てのギャップセンサ12からのギャップ信号を1つの制御装置にまとめて取り込み、1つの制御装置で傾きを修正制御するようにしてもかまわない。
【0045】
更に、図4、5ではスラストディスク2の片側だけにギャップセンサ12及び傾き制御用電磁石13を設けてあるが、当然、両側にギャップセンサ12及び制御用電磁石13を備えても良い。また、ギャップセンサ12及び傾き制御用電磁石13は、スラストディスク2の片側と両側を問わず、全体で3組以上設ければ傾き制御が可能である。
【0046】
【発明の効果】
請求項1に係る発明によれば、電磁石と永久磁石を併用したスラスト磁気軸受において、電磁石の磁路中に永久磁石を配置しないように磁路が分離していることにより、電磁石の所要起磁力を小さくすることができる。
【0047】
請求項2に係る発明によれば、スラストディスクがシャフトに対して傾き、磁石部分に吸着してしまう現象に対して、スラスト磁気軸受の鉄心部分が外周に行くほど低いことにより、吸着が起こる傾きが大きくなり、吸着し難い。
【0048】
請求項3に係る発明によれば、スラストディスクがシャフトに対して傾き、磁石部分に吸着してしまう現象に対して、スラスト磁気軸受の鉄心部分が窄み、スラスト磁気軸受の径が小さいことにより、吸着が起こる傾きが大きくなり、吸着し難い。
【0049】
請求項4に係る発明によれば、傾き制御用の電磁石及びギャップセンサと、制御手段を有するので、スラストディスクの傾きを防止し、安定に非接触支持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態例に係るスラスト磁気軸受の断面図。
【図2】本発明の第2実施形態例に係るスラスト磁気軸受の断面図。
【図3】本発明の第3実施形態例に係るスラスト磁気軸受の断面図。
【図4】本発明の第4実施形態例に係るスラスト磁気軸受の断面図。
【図5】図4の右側面図。
【図6】第4実施形態例に係るスラスト磁気軸受の制御手段の例を示すブロック図。
【図7】電磁石のみ使用する従来の技術を示す図。
【図8】電磁石と永久磁石を併用する従来の技術を示す図。
【図9】電磁石と永久磁石を併用するスラスト磁気軸受の従来の技術を示す図。
【符号の説明】
1 シャフト
2 スラストディスク
3A、3B 複合磁石
4 鉄心
5 電磁石コイル
6 永久磁石
6a 永久磁石先端の磁性体
7 永久磁石の磁路
8 電磁石の磁路
9 ヨーク
10 リング状外側磁極
10a リング状外側磁極の円錐状先端部
11 リング状内側磁極
11a リング状内側磁極の円錐状先端部
12 傾き検出用ギャップセンサ
13 傾き制御用電磁石
14 制御装置
15 比較手段
16 コントローラ手段
17 リミッタ手段
18 電流アンプ
Claims (2)
- シャフトに取り付けられるスラストディスクを間に挟むように、電磁石及び永久磁石を併用した複合磁石を前記スラストディスクの両側に配置し前記永久磁石を前記電磁石の磁路から分離して配置してなるスラスト磁気軸受において、前記複合磁石は、ヨーク上に外側磁極及び内側磁極を同軸に立設すると共に前記外側磁極に電磁石コイルを巻回して前記電磁石を構成し、かつ、前記内側磁極よりも内側における前記ヨーク中心部に前記永久磁石を立設してなり、更に、前記スラストディスクに対向する前記外側磁極及び前記内側磁極の先端部が軸心側に円錐状に絞られることにより、前記先端部の径が前記外側磁極及び前記内側磁極の前記ヨーク側である基端部の径より小さいことを特徴とするスラスト磁気軸受。
- 請求項1において、前記スラストディスクに対向して配置された少なくとも3組のギャップセンサ及び傾き制御用の電磁石と、前記ギャップセンサの出力に基づいて前記傾き制御用の電磁石に電流を流し前記スラストディスクの傾きを制御する制御手段を有することを特徴とするスラスト磁気軸受。
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