JP4138739B2 - 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、軸方向に所定間隔を空けて同軸配置された磁性材料からなる少なくとも一対の環状部と、前記一対の環状部の各々の内周において周方向に関し所定の間隔で配置される磁性材料からなり前記ロータの径方向の位置を制御するためのバイアス磁束及びラジアル制御磁束が通過する複数の主極と、前記一対の環状部の間を磁気的に接続する磁性材料からなる接続部とを備え、前記ロータは、磁性材料からなる回転軸と、前記主極よりも軸方向に関し内側にずれた位置に位置するように前記回転軸に保持される磁性材料からなる一対の円板とを備え、前記バイアス磁束を供給する永久磁石と、前記ラジアル制御磁束を生成するラジアル制御コイルと、前記接続部に巻回されて前記環状部、前記接続部、及び前記ロータによる閉回路を磁気回路としたアキシャル制御磁束を発生させ、このアキシャル制御磁束により前記ラジアル制御磁束を前記一対の環状部の一方の側においては強め他方の側においては弱めて前記ロータの軸方向の位置を制御するアキシャル制御コイル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。
この磁気軸受は、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。ロータ２は、回転駆動部１００より回転を制御されるとともに、ステータ１から与えられる磁束により保持され位置制御される。

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る。図１（ｂ）に示すように、この継鉄１１により、２つの環状部１２、１２’と、環状部１２、１２’の内周に中心に向かって突設される複数（図１では２×４極＝８個）の主突極部１３（ｉ）、１３’（ｉ）（ｉ＝１〜４）と、環状部１２の内周に中心に向かって突設される複数（図１では２×４極＝８個）の補突極部１４（ｉ）、１４’（ｉ）（ｉ＝１〜４）と、２つの環状部１２、１２’を接続する接続部２１とが形成されている。

主突極部１３（ｉ）、１３’（ｉ）は、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９０°の間隔で配置されている。主突極部１３（ｉ）、１３’（ｉ）には、径方向を軸心として巻回されたラジアル制御コイル１８が設置されている。このラジアル制御コイル１８は、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。主突極部１３（ｉ）、１３’（ｉ）とラジアル制御コイル１８とにより主極３（ｉ）、３’（ｉ）が形成されている。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。この制御は、後述する制御系によって行われる。

また、補突極部１４（ｉ）、１４’（ｉ）は、環状部１２、１２’の内周の、主突極部１３（ｉ）、１３’（ｉ）から周方向に４５°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（ｉ）又は１４’（ｉ）と永久磁石１６とにより、補極４（ｉ）、４’（ｉ）が形成されている。永久磁石１６は、主極３（ｉ）、３’（ｉ）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（ｉ）又は１４’（ｉ）の底部から環状部１２又は１２’を介して隣接する主突極部１３（ｉ）又は１３’（ｉ）に至り、更にロータ２を介して補突極部１４（ｉ）又は１４’（ｉ）に戻る経路に形成される。これにより、主極３（ｉ）、３’（ｉ）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＝１〜４）。同様に、各補極４’（ｉ）の先端には磁束センサ１７Ａ’（ｉ）、１７Ｂ’（ｉ）が装着されている。これらの磁束センサ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方向に関し内側に存在するものとする。磁束センサ１７Ａ’（ｉ）、１７Ｂ’（ｉ）も同様である。

一方、ロータ２は、少なくとも外周部に積層鋼板や電磁材料等の磁性体を配したもので、回転軸２ａと、２つの円板２ｂ、２ｂ’を有する。２つの円板２ｂ、２ｂ’は、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おり、その軸方向の位置は、環状部１２、１２’よりも若干内側とされている。すなわち、２つの円板２ｂ、２ｂ’間の軸方向の距離は、２つの環状部１２、１２’間の距離よりも短くされている。このため、主極３と円板２ｂ又は２ｂ’との間のラジアル励磁磁束φｒは、軸方向成分（アキシャル成分）を有する磁束φｒａ、φｒｂとなる（図１（ｂ）参照）。この実施の形態では、この磁束φｒａ、φｒｂを強めたり弱めたりすることにより、ロータ２の軸方向の位置制御（アキシャル制御）を行う。

この磁束φｒａ、φｒｂを強めたり弱めたりするため、また、図１（ａ）に示すように、接続部２１には、ロータ２の軸方向（Ｚ軸方向）と平行な軸を中心にアキシャル励磁コイル１５が巻回されている。このアキシャル制御コイル１５に励磁電流が流れると、接続部２１、上下の環状部１２、１２’、主極３、３’及びロータ２の閉回路により形成される磁気回路にアキシャル制御磁束φｃａが発生する。この磁束φｃａの向き及び大きさは、アキシャル制御コイル１５に流れる励磁電流の向き及び大きさにより変化する。アキシャル制御磁束は、磁束φｒａ又はφｒｂのいずれか一方を強め、いずれか一方を弱めるように作用する。これにより、ロータ２に軸方向の力Ｆが加わり、ロータ２の軸方向の位置が制御される。

次に、ラジアル制御コイル１８、及びアキシャル制御コイル１５の励磁電流を制御する制御系の構成例を図２を参照して説明する。
この制御系は、ラジアル制御コイル１８の励磁電流の制御のため、コンパレータ１０１、１０２、座標変換回路１０３、及びコントローラ１０４、１０５を備えている。また、アキシャル制御コイル１５の励磁電流の制御のため、加算器１０６、１０７、コンパレータ１０８、及びコントローラ１０９を備えている。

コンパレータ１０１は、対向する補極４（１）、４（３）に形成される磁束センサ１７Ａ（１）、１７Ａ（３）の差分信号を出力する。同様に、コンパレータ１０２は、対向する補極４（２）、４（４）に形成される磁束センサ１７Ａ（２）、１７Ａ（４）の差分信号を出力する。座標変換回路１０３は、これらの差分信号を座標変換して、ｙ方向変位信号、ｘ方向変位信号を生成し、これをコントローラ１０４、１０５に出力する。コントローラ１０４、１０５は、これらの変位信号に基づき、ラジアル制御コイル１８の励磁電流を制御する。これにより、ラジアル励磁磁束φｒが変化し、ロータ２の径方向の位置制御が可能になる。

加算器１０６は、環状部１２側に設けられた補極４（ｉ）に形成された磁束センサ１７Ｂ（ｉ）の総和を求めるものであり、一方、加算器１０７は、環状部１２’側に設けられた補極４’（ｉ）に形成された磁束センサ１７Ｂ’（ｉ）の総和を求めるものである。コンパレータ１０８は、この１つの加算器１０６、１０７の出力信号の差分信号であるｚ変位信号を出力する。コントローラ１０９は、このｚ変位信号に基づいて、アキシャル制御コイル１５の励磁電流を制御する。これにより、アキシャル励磁磁束φｃａが変化し、磁束φｒａ、φｒｂの一方が強められ、他方が弱められることにより、ロータ２に軸方向の力が加わり、ロータ２の軸方向の位置制御が可能になる。この実施の形態では、アキシャル制御コイル１５は環状部１２、１２’の間の接続部２１に巻回されているので、大型化、重量化が回避されている。

なお、図２では、磁束センサ１７Ａ（ｉ）の検出出力をラジアル制御コイル１８の励磁電流の制御に利用し、磁束センサ１７Ｂ（ｉ）の検出出力をアキシャル制御コイル１５の励磁電流の制御に利用していたが、これとは逆に、磁束センサ１７Ｂ（ｉ）の検出出力をラジアル制御コイル１８の励磁電流の制御に利用し、磁束センサ１７Ａ（ｉ）の検出出力をアキシャル制御コイル１５の励磁電流の制御に利用してもよい。

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。例えば、上記の実施の形態では、補極４（ｉ）、４’（ｉ）の先端部に永久磁石１６を形成していたが、図３に示すように、補極４（ｉ）、４’（ｉ）を廃止し、永久磁石１６を主極３（ｉ）、３’（ｉ）の先端部に形成し、更に磁束センサ１７Ａ（ｉ）、１７Ｂ（ｉ）、１７Ａ’（ｉ）、１７Ｂ’（ｉ）を永久磁石１６の先端部に形成するようにしてもよい。図３では、主極３（ｉ）、３’（ｉ）の左側に切り欠き部を形成し、この切り欠き部に、主極３（ｉ）、３’（ｉ）に対してギャップｇを残しつつ永久磁石１６を設けている。この構成によれば、永久磁石１６によるバイアス磁束φｂは、永久磁石１６のＮ極から発して主極（ｉ）、３’（ｉ）の右側（切り欠き部でない部分）を通り、Ｓ極に戻る磁束となる。ギャップｇは、このようなバイアス磁束φｂの回路が形成されるよう、十分な大きさに設定される。

本発明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。 図１のコイル１５及び１８の励磁電流を制御するための制御系の構成例を示す。 本発明の実施の形態の変形例を示す。

符号の説明

１・・・ステータ、 ２・・・ロータ、 ３・・・主極、 ４・・・補極、 １１・・・継鉄、 １２・・・環状部、 １３・・・主突極部、 １４・・・補突極部、 １５・・・アキシャル制御コイル、 １６・・・永久磁石、 １７・・・磁束センサ、 １８・・・ラジアル制御コイル。

Claims (6)

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、
   軸方向に所定間隔を空けて同軸配置された磁性材料からなる少なくとも一対の環状部と、
   前記一対の環状部の各々の内周において周方向に関し所定の間隔で配置される磁性材料からなり前記ロータの径方向の位置を制御するためのバイアス磁束及びラジアル制御磁束が通過する複数の主極と、
   前記一対の環状部の間を磁気的に接続する磁性材料からなる接続部と
   を備え、
   前記ロータは、
   磁性材料からなる回転軸と、
   前記主極よりも軸方向に関し内側にずれた位置に位置するように前記回転軸に保持される磁性材料からなる一対の円板と
   を備え、
   前記バイアス磁束を供給する永久磁石と、
   前記ラジアル制御磁束を生成するラジアル制御コイルと、
   前記接続部に巻回されて前記環状部、前記接続部、及び前記ロータによる閉回路を磁気回路としたアキシャル制御磁束を発生させ、このアキシャル制御磁束により前記ラジアル制御磁束を前記一対の環状部の一方の側においては強め他方の側においては弱めて前記ロータの軸方向の位置を制御するアキシャル制御コイルと
   を備えたことを特徴とする磁気軸受。
2. 磁束を検知するための磁束センサと、
   この磁束センサの検知出力に基づき、前記アキシャル制御コイルに流れる励磁電流を制御する制御部と
   を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の磁気軸受。
3. 前記制御部は、前記一対の環状部の一方の側に設けられる前記磁束センサの検出出力の総和と、前記一対の環状部の他方の側に設けられる前記磁束センサの検出出力の総和との差分に基づいて前記アキシャル制御コイルの励磁電流を制御する
   ことを特徴とする請求項２記載の磁気軸受。
4. 前記一対の環状部の各々の内周に前記複数の主極に隣接するように周方向に関し所定の間隔で配置される磁性材料からなる複数の補極を更に備え、
   前記磁束センサは、前記補極の先端部に設けられたことを特徴とする請求項２記載の磁気軸受。
5. 前記永久磁石は、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極性とするような前記バイアス磁束を供給する請求項４記載の磁気軸受。
6. 前記永久磁石は、前記主極の一部に設けられた請求項１記載の磁気軸受。
   
   
   

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