JP4138735B2 - 磁気軸受 - Google Patents

Description

本発明は、磁気力によってロータを非接触状態で支持する磁気軸受に関し、特にロータを軸方向（アキシャル方向）に制御することを可能にした磁気軸受に関する。

磁気軸受は、回転体を非接触で支持することができるため、制御技術の発展に伴って各種の軸受に利用されてきている。最近では、超小型回転体用の磁気軸受が要望されてきている。しかし、電磁石を利用した磁気軸受は、ロータを浮上させるために大きな電流を必要とするため、消費電力が大きくなってしまう。また、少ない電流で磁気力を大きくするためには、ロータとステータとの間のギャップが小さいことが要求され、高い工作精度が必要となる。

これらの問題を解決する有力な手法として、近年、性能向上が顕著な永久磁石のバイアス磁束を利用したハイブリッド型の磁気軸受が使用されるようになってきた。このハイブリッド型の磁気軸受は、例えば特許文献１〜３により提案されている。
特開２００３−２１１４０号公報（段落００５３〜００５６、図６） 特開２００１−４１１３８号公報（段落００１１〜００１４、図１） 特開平２００１−１０１２３４号公報（段落０００９、図１）

しかし、上述した特許文献に開示された磁気軸受では、軸方向（アキシャル）方向の安定性については受動安定に頼らざるを得ず、そのためにロータに軸方向の負荷がかかると、傾いて回転したり、振動が発生したりして制御が困難になるという問題がある。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、軸方向の制御性に優れ、小型化及び軽量化が可能な磁気軸受を提供することを目的とする。

本発明に係る磁気軸受は、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軸を中心に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、前記ロータに所定のギャップを介して対向し軸方向成分を含む磁束が集中する磁束集中部を有し且つ前記ステータの周方向に所定の間隔で配置される複数の主極、及び先端部において前記ロータに所定のギャップを介して対向し且つ前記複数の主極に対して前記周方向にずれた位置に配置される複数の補極とを含み、前記補極の先端部を第１極性とし隣接する前記主極の磁束集中部を第２極性とするようなバイアス磁束を供給する永久磁石と、前記複数の主極に設けられ前記バイアス磁束の強度を前記軸方向の一方の側においては強め他方の側では弱めることにより前記ロータの軸方向の位置を制御するアキシャル制御磁束を発生させるアキシャル励磁コイルと、前記複数の補極の先端に設けられる複数の磁束センサと、前記複数の磁束センサの検出信号に基づいて前記アキシャル励磁コイルに流れる励磁電流を制御する制御部とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、軸方向の制御性に優れ、小型化及び軽量化が可能な磁気軸受を提供することが可能になる。

まず、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る磁気軸受を説明する。図１（ａ）は、この磁気軸受の軸方向からみた平面図であり、同図（ｂ）は同図（ａ）におけるＡ−Ａ’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は継鉄１１から構成されている。継鉄１１は、積層鋼板等の磁性材料からなり、環状部１２と、２つの主突極部１３と、２つの補突極部１４とを有する。一方、ロータ２は、少なくとも外周面に積層鋼板や電磁材料等の磁性体を配したもので、ステータ１の内側に回転軸２ａを軸心として回転可能に配置されている。

２つの主突極部１３は、この環状部１２の内側から中心に向けて突出し、ロータ２の外周面と所定のギャップを介して対向する磁気集中部を有しており、周方向に１８０°の間隔で配置されている。また、図１（ｂ）に示すように、主突極部１３は、ロータ２の軸方向（Ｚ軸方向）と平行な軸を中心に巻回されたアキシャル励磁コイル１５を備えている。この主突極部１３とアキシャル励磁コイル１５とにより２つの主極３（３（１）、３（２））が形成されている。アキシャル励磁コイル１５は、後述する磁束センサ１７の検出出力に基づき励磁電流の大きさ及び向きを変化させることにより、ロータ２の軸方向の位置制御を行うためのものである。

また、補突極部１４は、主突極部１３から周方向に９０°ずれた位置に形成されており、その先端には永久磁石１６が装着されている。この補突極部１４と永久磁石１６とにより、２つの補極４（４（１）〜４（２））が形成されている。永久磁石１６は、主極３にバイアス磁束φｂを提供するためのものである。永久磁石１６は、第１の極性（例えばＳ極）をロータ２に向かう先端側にして装着されている。Ｓ極が先端側の場合、バイアス磁束φｂは、補突極部１４の底部から環状部１２を介して隣接する主突極部１３に至り、更にロータ２を介して補突極部１４に戻る経路に形成される。これにより、主極３の先端である磁束集中部はＮ極となる。

また、各補極４（ｉ）の先端すなわち永久磁石１６の先端には、磁束を検出するための磁束センサ１７Ａ（ｉ）、１７Ｂ（ｉ）が装着されている（ｉ＝１、２）。この磁束センサ１７は、例えばホール素子等である。１つの永久磁石１６に装着される磁束センサ１７Ａ（ｉ）、１７Ｂ（ｉ）は、図１（ｂ）に示すように、軸方向（Ｚ方向）に関し異なる位置に装着されている。ここでは、磁束センサ１７Ａ（ｉ）が、１７Ｂ（ｉ）よりもＺ方向に関し上側に存在するものとする。

図１（ｂ）にも示すように、ロータ２の少なくとも外周面側は円板状に形成され、その外周面の軸方向幅は、少なくとも主突極部１３の軸方向幅よりも小さく設定されている。このため、バイアス磁束φｂは、主極３とロータ２の間のギャップ部分においては、主極３の上側から下方向に向かう磁束φｂａと、主極３の下側から上方向に向かう磁束φｂｂとなる。
アキシャル励磁コイル１５に励磁電流が流れていない場合には、この磁束φｂａとφｂｂの軸方向成分が均等であり相殺されるので、軸方向成分の磁束は発生せず、ロータ２にも軸方向の力は加わらない。

アキシャル励磁コイル１５に励磁電流が例えば図１（ｂ）に示す方向に流れている場合には、図１に矢印で示す方向にアキシャル制御磁束φｃａが形成される。このアキシャル制御磁束φｃａは、磁束φｂｂを強める一方、磁束φｂａを弱めるように作用する。これにより、ロータ２には図１（ｂ）に示すように下向き（Ｚ軸負方向）の力Ｆが加わり、ロータ２は下方向に移動する。アキシャル励磁コイル１５の励磁電流が図１（ｂ）とは逆方向に流れる場合、力Ｆも図１（ｂ）とは逆に下向きとなる。このように、アキシャル励磁コイル１５の励磁電流の大きさ及び向きを制御することにより、ロータ２の軸方向の位置制御が可能となる。励磁電流の制御は、磁束センサ１７の検出出力に基づき、制御回路１０２により行われる。例えば、上側の磁束センサ１７Ａ（１）と１７Ａ（２）の和と、下側の磁束センサ１７Ｂ（１）、１７Ｂ（２）の和との差をコンパレータ１０１で演算し、この演算出力に基づき、制御回路１０２において励磁電流の制御を行うことができる。

図２に、本発明の第２の実施の形態に係る３極型の磁気軸受を示す。図１の構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。この磁気軸受は、ロータ２の軸方向の位置制御に加え、ロータ２の傾き制御（チルト制御）、及びステータ１の径方向（ラジアル方向）の制御も行うことを可能にしたものである。すなわち、主極３は、ステータ１の周方向に１２０°間隔で形成され、補極４は各主極３から６０°ずれた位置に、周方向に１２０°間隔で形成される。主極３には、径方向を軸心として巻回されたラジアル励磁コイル１８が設置されている。このラジアル励磁コイル１８は、バイアス磁束φｂにより形成された主極３の先端（磁束集中部）の磁極を強めたり弱めたりするためのラジアル励磁磁束φｒを発生させるためのものである。ラジアル励磁磁束φｒの変化に基づいて主極３の磁極が制御されることにより、ロータ２の径方向の位置制御が行われる。
また、この実施の形態では、３つの主極３に設けられた３つのアキシャル励磁コイル１２０に流れる励磁電流を各々異ならせることにより、ロータ２の軸方向の位置制御だけでなく、傾き（Ｘ軸方向のチルト角θｘ、Ｙ軸方向のチルト角θｙ）の制御も行うことができる。

ラジアル励磁コイル１８の励磁電流は、アキシャル励磁コイル１５と同様に、磁束センサ１７の検出出力に基づいて制御される。
この制御を行うための制御回路を含む制御系の構成を、図３に示す。この制御系は、アキシャル制御系１００と、ラジアル制御系２００とから構成される。
アキシャル制御系１００は、コンパレータ１０１Ａ−Ｃ、座標変換回路１０３、制御回路１０２’、座標変換回路１０４、及びパワーアンプ１０５Ａ−Ｃから構成される。コンパレータ１０１Ａ―Ｃは、それぞれ補極４（ｉ）に設置された磁束センサ１７Ａ（ｉ）及び１７Ｂ（ｉ）の検出出力の差分を演算するものである。
座標変換回路１０３は、この磁束センサ１７で検出された検出出力に基づき、図３に示すＸＹ座標を基準とした軸方向変位（Ｚ）、チルト角（θｘ、θｙ）を求め、ｚ方向変位信号、θｘ方向変位信号、及びθｙ方向変位信号を制御回路１０２’に出力する。制御回路１０２’は、これら変位信号に基づいて、例えばＰＩＤ制御信号を出力する。座標変換回路１０４は、このＰＩＤ制御信号を、アキシャル励磁コイル１５の位置に対応した３相の座標系の信号に変換し、これをパワーアンプ１０５Ａ−Ｃで増幅してアキシャル励磁コイル１５に印加する。チルト角θｘ、θｙが検出された場合には、３つのアキシャル励磁コイル１５に流れる励磁電流の大きさを互いに異ならせることにより、ロータ２のチルト角の制御を行うことができる。

ラジアル制御系２００は、加算器２０１Ａ−Ｃと、座標変換回路２０２と、制御回路２０３と、パワーアンプ２０４Ａ−Ｃから構成される。
コンパレータ２０１Ａ−Ｃは、それぞれ、１つの補極４（ｉ）に設置された２つの磁束センサ１７Ａ（ｉ）及び１７Ｂ（ｉ）の検出出力の和を出力する。座標変換回路２０２は、この磁束センサ１７で検出された検出出力に基づき、図３に示すＸＹ座標を基準としたＸ方向変位（ｘ）、Ｙ方向変位（ｙ）を求め、Ｘ方向変位信号、Ｙ方向変位信号を制御回路２０３に出力する。
制御回路２０３は、これら変位信号に基づいて、ラジアル励磁コイル１８の位置に対応した３相の座標系に従ったＰＩＤ制御信号を生成し、これをパワーアンプ２０４Ａ−Ｃで増幅してラジアル励磁コイル１８に印加する。

図４は、本発明の第３の実施の形態に係る４極型の磁気軸受の構成を示す。
この磁気軸受は、４つの主極３（ｉ）が、図４に示すＸＹ座標系において、周方向に０°、９０°、１８０°、１７０°と９０°間隔で形成される。主極３（ｉ）から４５°周方向にずれた位置に、４５°、１３５°、２２５°、３１５°と９０°間隔で４つの補極（ｉ）が形成されている。その他は上記の実施の形態と同様である。

この図４の実施の形態の制御を行うための制御回路を含む制御系の構成を、図５に示す。アキシャル制御系１００は、コンパレータ１０１Ａ’−Ｃ’、制御回路１０２Ａ’−Ｃ’、及び演算増幅器１０６Ａ−Ｃから構成される。
コンパレータ１０１Ａ’は、各補極４（ｉ）に設置された磁束センサ１７Ａ（ｉ）（ｉ＝１〜４）の検出出力の総和と、磁束センサ１７Ｂ（ｉ）（ｉ＝１〜４）の検出出力の総和の差分を演算するものである。この差分は、ロータ２のＺ方向変位信号として制御回路１０２Ａ’に出力される。
また、コンパレータ１０１Ｂ’は、補極４（１）、４（４）の上側の磁束センサ１７Ａ（１）及び１７Ａ（４）の検出出力の和と、下側の磁束センサ１７Ｂ（１）及び１７Ｂ（４）の和との差分を演算するものである。この差分は、ロータ２のθｘ方向変位信号として制御回路１０２Ｂ’に出力される。
また、コンパレータ１０１Ｃ’は、補極４（１）、４（２）の上側の磁束センサ１７Ａ（１）及び１７Ａ（２）の検出出力の和と、下側の磁束センサ１７Ｂ（１）及び１７Ｂ（２）の和との差分を演算するものである。この差分は、ロータ２のθｙ方向変位信号として制御回路１０２Ｃ’に出力される。

制御回路１０２Ａ’〜Ｃ’は、これら変位信号に基づいて、ラジアル励磁コイル１８の位置に対応した３相の座標系に従ったＰＩＤ制御信号を生成する。演算増幅器１０６Ａ−Ｄは、このＰＩＤ制御信号に基づいて各アキシャル励磁コイル１５の励磁電流を制御する。

図６は、本発明の第４の実施の形態に係る３極型の磁気軸受を示す。この実施の形態では、永久磁石１６を各補極４の先端に形成する代わりに、ロータ２の外周面全体に亘って永久磁石１６’を形成する点において、上記の実施の形態と異なっている。ラジアル制御系２００は、第２の実施の形態とほぼ同様である。ただし、主極３、補極４のＸＹ座標系に対する位置が異なっているため、座標変換回路２０２での変換式は第２の実施の形態とは異なっている。

また、アキシャル制御系１００は、コンパレータ１０１Ａ”〜Ｃ”、制御回路１０２Ａ”〜Ｃ”、及び演算増幅器１０６Ａ’〜Ｃ’を備えている。
コンパレータ１０１Ａ”は、各補極４（ｉ）に設置された磁束センサ１７Ａ（ｉ）（ｉ＝１〜３）の検出出力の総和と、磁束センサ１７Ｂ（ｉ）（ｉ＝１〜３）の検出出力の総和との差分を演算するものである。この差分は、ロータ２のＺ方向変位信号として制御回路１０２Ａ”に出力される。
また、コンパレータ１０１Ｂ”は、ロータ２のＸ軸方向のチルト角θｘを検出するため、磁束センサ１７Ａ（１）、１７Ｂ（２）及び１７Ｂ（３）の総和と、磁束センサ１７Ａ（２）、１７Ａ（３）及び１７Ｂ（１）の総和との差分を演算するものである。この差分は、ロータ２のθｘ方向変位信号として制御回路１０２Ｂ’に出力される。

また、コンパレータ１０１Ｃ’は、ロータ２のＹ軸方向のチルト角θｙを検出するため、磁束センサ１７Ａ（１）、１７Ｂ（１）、１７Ｂ（２）及び１７Ａ（３）の総和と、磁束センサ１７Ａ（２）及び１７Ｂ（３）の総和との差分を演算するものである。この差分は、ロータ２のθｙ方向変位信号として制御回路１０２Ｃ’に出力される。

制御回路１０２Ａ”〜Ｃ”は、これらの変位信号に基づいて、ラジアル励磁コイル１８の位置に対応した３相の座標系に従ったＰＩＤ制御信号を生成する。演算増幅器１０６Ａ’〜Ｃ’は、このＰＩＤ制御信号に基づいて各アキシャル励磁コイル１５の励磁電流を制御する。
なお、この図６に示すラジアル制御系２００，アキシャル制御系１００の構成は、図３に示す構成に置き換えることも可能である。

図７は、第２の実施の形態の第１の変形例を示す。この例では、永久磁石１６”が、補極４だけでなく主極３の先端にも形成されている点で、第２の実施の形態と異なっている。なお、アキシャル制御系１００、及びラジアル制御系２００の構成は図６の構成と同様であるが、図３の構成と同様にしてもよいことは言うまでもない。

図８は、第２の実施の形態の第２の変形例を示す。この例では、永久磁石１６が、ステータの環状部１２に環状に埋め込まれている点で、第２の実施の形態と異なっている。この環状の永久磁石に加えて、上記の実施の形態と同様の位置に更に永久磁石を設置することも可能である。なお、アキシャル制御系１００、及びラジアル制御系２００の構成は、図３、図６の構成のいずれでも採用することができる。

以上、発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更、追加、置換等が可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る磁気軸受の平面図及び断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る３極型の磁気軸受の平面図及び断面図である。 第２の実施の形態の磁気軸受の制御を行うための制御回路を含む制御系の構成を示す。 本発明の第３の実施の形態に係る４極型の磁気軸受の平面図及び断面図である。 第３の実施の形態の磁気軸受の制御を行うための制御回路を含む制御系の構成を示す。 本発明の第４の実施の形態に係る３極型の磁気軸受の平面図及び断面図である。 第２の実施の形態の第１の変形例を示す。 第２の実施の形態の第２の変形例を示す。

符号の説明

１・・・ステータ、 ２・・・ロータ、 ３・・・主極、 ４・・・補極、 １１１・・・継鉄、 １２・・・環状部、 １３・・・主突極部、 １４・・・補突極部、 １５・・・アキシャル励磁コイル、 １６・・・永久磁石、 １７・・・磁束センサ、 １８・・・ラジアル励磁コイル。

Claims (7)

1. 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軸を中心に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、前記ロータに所定のギャップを介して対向し軸方向成分を含む磁束が集中する磁束集中部を有し且つ前記ステータの周方向に所定の間隔で配置される複数の主極、及び先端部において前記ロータに所定のギャップを介して対向し且つ前記複数の主極に対して前記周方向にずれた位置に配置される複数の補極を含み、
   前記補極の先端部を第１極性とし隣接する前記主極の磁束集中部を第２極性とするようなバイアス磁束を供給する永久磁石と、
   前記複数の主極に設けられ前記バイアス磁束の強度を前記軸方向の一方の側においては強め他方の側では弱めることにより前記ロータの軸方向の位置を制御するアキシャル制御磁束を発生させるアキシャル励磁コイルと、
   前記複数の補極の先端に設けられる複数の磁束センサと、
   前記複数の磁束センサの検出信号に基づいて前記アキシャル励磁コイルに流れる励磁電流を制御する制御部と
   を備えたことを特徴とする磁気軸受。
2. 前記ステータは、前記ロータより厚く形成される請求項１記載の磁気軸受。
3. 前記磁束センサは、前記複数の補極の各々において、軸方向の異なる位置に複数個設けられる請求項１記載の磁気軸受。
4. 前記制御部は、前記複数の補極の１つに設けられた前記磁束センサの検出出力の差に基づいて前記アキシャル励磁コイルの励磁電流を制御する請求項３記載の磁気軸受。
5. 前記永久磁石は、前記補極の先端に設けられた請求項１記載の磁気軸受。
6. 前記永久磁石は、前記ロータの外周面に設けられた請求項１記載の磁気軸受。
7. 前記永久磁石は、前記ステータの環状部に設けられた請求項１記載の磁気軸受。

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