JP4138606B2 - 磁気軸受 - Google Patents
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Description
特許文献2に開示された磁気軸受は、中心部でロータを支持する環状のステータが、中心のロータに向かって突出し周方向に所定間隔で配設された複数の突極(電磁石コア)を有し、これら突極の基端部を長手方向に着磁された円弧状の永久磁石で結合することにより、平面内でバイアス磁束の磁気回路を形成している。
また、特許文献3に開示された磁気軸受は、上記と同様な複数の突極を有するステータの前記複数の突極先端部を覆うように、厚み方向に着磁された永久磁石を突極先端部に装着してなる。この場合にも、平面内で磁気回路が形成される。
図1(a)は、本発明の第1の実施形態に係る4極型の磁気軸受の構成を示す断面図、同図(b)は同図(a)におけるA−A’線による拡大断面図である。
磁気軸受は、外側に配置された環状のステータ1と、このステータ1の内側に配置されたロータ2とを有する。
ステータ1は第1の継鉄11を含む。継鉄11は、積層鋼板等の磁性材料からなり、環状部12と、この環状部12の内周側から中心に向けて突出し周方向に90°の間隔で配置された4つの主突極部13とを有する。4つの主突極部13には、それぞれ第1の励磁コイル15が巻回され、この第1の励磁コイル15と主突極部13とで主極3が構成されている。環状部12の内周で4つの主突極部13と45°位相がずれた位置には、バイアス磁束の生成用の4つの永久磁石16が第1の極性(例えばN極)をロータ2に向かう先端側にして装着されている。この永久磁石16の先端側には、第2の継鉄17が装着されている。この第2の継鉄は、図1(b)に示すように、ロータ2の外周面と所定のギャップを介して対向する先端面を有し、この先端面及びこれと反対側の基端面に周方向に延びる溝17a,17bが形成されており、これらの溝17a,17bに第2の励磁コイル18が、ロータ2の回転軸と平行な軸心回りで巻回されている。そして、永久磁石16と第2の継鉄17とで補極4が構成され、第2の継鉄17と第2の励磁コイル18とで軸方向駆動部が構成されている。
以上により、ラジアル方向2軸(x,y)、アキシャル方向1軸(z)、及びチルト方向2軸(θx,θy)の計5軸の制御が可能になる。
いま、xy座標系で0°と90°の位置に、それぞれ位置センサ21,22が設けられる。この位置センサ21,22としては、渦電流センサ、インダクタンスセンサ等を用いることができる。位置センサ21,22の出力は、それぞれセンサアンプ23,24にて増幅され、それらの出力がそれぞれx方向変位信号、y方向変位信号としてx方向コントローラ25及びy方向コントローラ26に供給される。x方向コントローラ25及びy方向コントローラ26は、それぞれx方向変位信号及びy方向変位信号に基づいて、例えばPID制御信号を出力し、これをパワーアンプ27,28を介して、各主極3の励磁コイル15にフィードバックする。このように、x,y方向で独立して制御することにより、ラジアル方向の位置決めが可能になる。また、このように、対向する主極3の励磁コイル15同士を直接に接続することにより、2極分を1つのパワーアンプで駆動することができる。
ロータ2には、例えばxy方向の4箇所(角度にして0°、90°、180°、270°の位置)に、軸方向の変位を検出する位置センサ31,32,33,34が設けられる。これらの位置センサ31〜34も、渦電流センサ、インダクタンスセンサ等を用いることができる。位置センサ31〜34の出力は、それぞれセンサアンプ35,36,37,38にて増幅されたのち、座標変換回路40に供給される。座標変換回路40は、4つの位置センサ31〜34で検出された軸方向変位から、ロータ2の軸方向(z)変位及びチルト方向(θx,θy)変位を求め、それらの出力がそれぞれz方向変位信号、θx方向変位信号及びθy方向変位信号としてz方向コントローラ41、θx方向コントローラ42及びθy方向コントローラ43にそれぞれ供給される。これらコントローラ41〜43は、それぞれ各方向変位信号に基づいて、例えばPID制御信号を出力し、これを再度座標変換回路44で、各第2の励磁コイル17の位置に対応したxy方向を45°回転させた座標系に変換し、各パワーアンプ45,46,47,48を介して、各第2の励磁コイル17にフィードバックする。これにより、アキシャル方向及びチルト方向の計3軸の制御が可能になる。
この実施形態では、ステータ51を構成する主極53および補極54が、各3極で構成され、これらが60°間隔で交互に配置されている。なお、図6において、継鉄55を除き、図1と同一要素には、同一符号を付してある。また、この例では、磁石16の極性が図1のものとは逆になっている。
この実施形態においても、補極54の永久磁石16によってバイアス磁束Φbを形成することができ、主極53の第1の励磁コイル18で主極53内の磁束を増加させるか減少させるかを制御することができる。そして、主極53と補極54とが周方向に60°ずれているので、バイアス磁束Φbの形成される経路と、ラジアル制御磁束Φrの形成される経路とを独立させることができ、制御性が向上する。
この実施形態によれば、センサ等の配置スペースも増え、先の4極型よりも更に小型化及び軽量化が可能である。
この例のように3極型の磁気軸受の場合には、3相モータの駆動回路を使用することができる。すなわち、位置センサ21,22、センサアンプ23,24及びx,y方向コントローラ25,26までは、図4の回路と同一であるが、この制御回路では、x,yコントローラ25,26からのx方向及びy方向のPID制御信号が2相3相変換回路61に入力されて、ここで2相3相変換され、その変換3相出力が3相駆動回路62に入力されて、3つの励磁コイル15が3相(U,V,W)駆動される。これにより、各主極53の一部の磁束は強められ、残りの磁束は弱められてラジアル方向の力が発生する。
この例のように3極型の磁気軸受の場合には、位置センサ71,72,73は、それぞれロータ2の30°、150°、270°の位置に配置され、ロータ2の各部のz軸方向変位を検出する。このように、最低3つの位置センサが備えられていれば、アキシャル方向及びチルト方向の変位が検出可能である。これら位置センサ71〜73の出力は、それぞれセンサアンプ74,75,76にて増幅されたのち、座標変換回路77に供給される。座標変換回路77は、3つの位置センサ71〜74で検出された軸方向変位から、ロータ2の軸方向(z)変位及びチルト方向(θx,θy)変位を求め、それらの出力がそれぞれz方向変位信号、θx方向変位信号及びθy方向変位信号としてz方向コントローラ78、θx方向コントローラ79及びθy方向コントローラ80にそれぞれ供給される。これらコントローラ78〜80は、それぞれ各方向変位信号に基づいて、例えばPID制御信号を出力し、これを再度座標変換回路81で、各第2の励磁コイル17の位置に対応した3相の座標系に変換し、3相駆動回路82を介して各第2の励磁コイル17にフィードバックする。これにより、アキシャル方向及びチルト方向の計3軸の制御が可能になる。
図9は、本発明の第3の実施形態に係る磁気軸受の断面図である。
この場合、ステータ91は、環状部92と、この環状部92の周方向の複数箇所(図示の例では4箇所)に設けられた永久磁石16と、その先端に配置された第2の継鉄17と、この第2の継鉄17にロータ2の回転軸と平行な軸心回りで巻回された第2の励磁コイル18とにより構成される。空いたスペースは、位置センサ等のスペースとして利用することができる。
この実施形態の場合、永久磁石16間でバイアス磁束Φbを形成する必要があるので、永久磁石16の極は、周方向に隣接するもの同士、反対極性となる。
この実施形態では、ステータ101が内側、ロータ102が外側に配置される。ステータ101の第1の継鉄111は、積層鋼板等の磁性体からなる円板状部112と、この円板状部112の外周側から外側に向けて放射状に突出し、周方向に所定間隔で配置された複数の主突極部113とを有する。継鉄111の主突極部113と、この主突極部113に巻回された励磁コイル115とで主極103が形成され、第1の継鉄111の主突極部113の間の内周面に、N極を先端側に向けて装着された永久磁石116と、その先端に装着された第2の継鉄117とで補極104が形成されている。第2の継鉄117には、ロータ102の回転軸と平行な軸心回りで第2の励磁コイル118が巻回されている。第2の励磁コイル118は、ロータ102のアキシャル方向及びチルト方向の位置を制御するための制御磁束を生成する。
このようなアウターロータ型の磁気軸受においても、本発明は適用可能であることは明らかである。
ポンプハウジング121には、円筒状のポンプ室122が設けられ、このポンプ室122の内部に円板状のロータ123が、ポンプ室122から浮上した状態で回転可能に装着させれている。ロータ123の上面側には、インペラ124が一体形成されており、このインペラ124の回転により、移送流体が導入口125を介してポンプ室122に導入され、ポンプ室122に導入された移送流体が排出口126を介して外部に排出される。ロータ123の外周側には、ポンプハウジング121の側壁を介してステータ127が配置され、このステータ127に、上述した主極、補極、永久磁石、第1及び第2の励磁コイルを有する各実施形態のステータの構造を採用することができる。
このように、渦巻きポンプに適用することにより、ポンプ室122内の圧力バランスの影響でロータ123に負荷がかかっても、5軸の制御が可能であるため、常に安定した位置での回転が可能になる。また、5軸制御が可能でありながら、全体の小型化を図ることができる。
Claims (4)
- ステータと、このステータに磁気力によって非接触状態で支持されて回転するロータとを有する磁気軸受において、
前記ステータは、
前記ロータに向けて径方向に突設されて先端の磁束集中部から前記ロータに対してバイアス磁束を供給する複数の永久磁石と、
前記複数の永久磁石の先端に設けられ前記ロータをその軸方向に磁気力で駆動する励磁コイルを有する軸方向駆動部と
を有することを特徴とする磁気軸受。 - ステータと、このステータに磁気力によって非接触状態で支持されて回転するロータとを有する磁気軸受において、
前記ステータは、
前記ロータに向けて径方向に突設されて先端の磁束集中部が前記ロータに対して所定のギャップを介して対向し前記ロータをその径方向に磁気力で駆動する第1の励磁コイルを有する複数の主極と、
前記複数の主極の磁束集中部に対してそれぞれ周方向にずれた位置に配置され先端が第1極性となりこれと隣接する前記主極の磁束集中部が第2極性となるようにバイアス磁束を供給する永久磁石を有する複数の補極と、
前記複数の補極の先端に設けられ前記ロータをその軸方向に磁気力で駆動する第2の励磁コイルを有する軸方向駆動部と
を有することを特徴とする磁気軸受。 - 前記ステータは、磁性体からなる環状部、並びにこの環状部の内周側から中心に向けて突出すると共に周方向に所定間隔で配置された複数の主突極部を有する第1の継鉄を備え、
前記主極は、前記継鉄の主突極部と、この主突極部に巻回された前記第1の励磁コイルとを備え、
前記補極は、前記継鉄の隣接する主突極部の間に配置されて前記第1極性の極を先端側に向けて装着された永久磁石と、前記永久磁石の先端側に装着された第2の継鉄とを備え、
前記軸方向駆動部は、前記第2の継鉄と、前記第2の継鉄に前記ロータの回転軸と平行な軸心回りで巻回された前記第2の励磁コイルとを備え、
前記ロータは、前記ステータの内側に配置されて前記主突極部の先端及び前記第2の継鉄の先端と所定のギャップを介して対向し軸方向の幅が前記第2の継鉄の先端の軸方向の幅よりも小さい円筒状外周面を有する磁性体で構成されている
ことを特徴とする請求項2記載の磁気軸受。 - 前記ステータに対する前記ロータの径方向の変位を検出し、前記第1の励磁コイルの電流値を制御すると共に、前記ステータに対する前記ロータの軸方向及び傾き方向の変位を検出し、前記第2の励磁コイルの電流値を制御する制御回路を備えたことを特徴とする請求項2又は3記載の磁気軸受。
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