JP4200776B2 - Magnetic bearing device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電力貯蔵装置などにおいて、複数組の磁気軸受で回転体(例えば、フライホイールの回転軸)をアキシアル方向およびラジアル方向に非接触支持して磁気浮上させる磁気軸受装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
フライホイールの回転によって電力を貯蔵する電力貯蔵装置は、数時間以上の待機時間が必要であり、軸受損失を低減するために、その支持機構として、転がり軸受でなく、特許文献1に記載される5軸制御型磁気軸受装置が使用されている。
【0003】
この5軸制御型磁気軸受装置は、回転体をアキシアル制御軸方向に非接触支持する1組のアキシアル磁気軸受、回転体をアキシアル方向の2箇所においてそれぞれ互いに直交する2つのラジアル制御軸方向に非接触支持する2組のラジアル磁気軸受を備えている。回転体を鉛直方向に配置した磁気軸受装置の場合、回転体の自重の支持は、アキシアル磁気軸受の電磁石を制御することによって行われていた。
【0004】
【特許文献1】
特開平1−126423号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の磁気軸受装置では、回転体の自重の支持をアキシアル磁気軸受の電磁石を制御することによって行っているため、自重を支持するための制御電流を常時供給する必要があり、この結果、アキシアル磁気軸受の消費電力(銅損)が増大し、フライホイール電力貯蔵装置の損失が増大し、そのエネルギ貯蔵効率を向上させるための妨げになっていた。
【0006】
この発明の目的は、アキシアル磁気軸受の消費電力を減少することができ、したがって、フライホイール電力貯蔵装置などに使用された場合に、そのエネルギ貯蔵効率を向上させることができる磁気軸受装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この発明による磁気軸受装置は、回転体と、回転体をアキシアル方向およびラジアル方向に非接触支持する複数組の磁気軸受と、回転体のアキシアル方向の位置を検出するためのアキシアルセンサユニットと、回転体のラジアル方向の位置を検出するためのラジアルセンサユニットとを備えている磁気軸受装置において、回転体に設けられたアキシアルディスク部をアキシアル方向に吸引して吊り下げる永久磁石と、永久磁石の吸引力を調整する吸引力調整手段とをさらに備えており、吸引力調整手段は、永久磁石を支持する磁石支持体に固定された固定部材と、磁石支持体に吸引力調整ギャップを介して対向する移動体とを備えており、固定部材は、外周におねじ部が形成された環状のねじ部材を有し、移動体は、内周にめねじ部が形成された環状のねじ部材を有し、各ねじ部材の径がアキシアルディスク部の外径よりも大きくなされているとともに、ねじ部材同士が互いに相対移動可能なようにねじ合わされることにより、移動体が固定部材に対して移動可能とされており、吸引力調整ギャップの大きさが移動体の移動によって変化させられることにより、永久磁石の回転体を吸引する力が調整されることを特徴とするものである。
【0008】
永久磁石は、アキシアル磁気軸受の電磁石に隣接して設けられかつ電磁石鉄心に支持されていることが好ましい。このようにすると、コンパクト化が可能であり、しかも、電磁石および永久磁石を有するアキシアル磁気軸受を1つのユニットとして扱えるので、電磁石だけを有するアキシアル磁気軸受に代えて使用することが容易となる。
【0009】
この発明の磁気軸受装置によると、回転体のアキシアル方向およびラジアル方向の制御は、各磁気軸受の電磁石に制御電流を供給することにより行われ、この際、回転体をアキシアル方向に吸引して吊り下げる永久磁石が設けられており、この永久磁石の回転体を吸引する力が調整されることから、回転体の自重を支持するための制御電流が少なくて済み、したがって、アキシアル磁気軸受の消費電力(銅損)が減少する。永久磁石の吸引力は、例えば、回転体の自重(回転軸だけでなく、これと一体となって回転するユニット全体の自重)分に相当する吸引力を有していることが好ましく、このために、移動体が移動させられて吸引力調整ギャップが調整される。このようにすると、回転体の自重を支持するための制御電流を実質的にゼロとすることができる。
【0010】
移動体を移動させるための構成は、種々のものが可能であるが、例えば、移動体は、磁石支持体に一体に設けられた固定部材に相対移動可能なようにねじ合わされていることが好ましい。このようにすると、移動体を固定部材に対して右回りまたは左回りに回すという簡単な操作で、吸引力の調整が可能となり、また、ねじ機構を利用するため移動量の調整も容易であり、最適化のための微調整を容易かつ精度よく行うことができる。
【0011】
固定部材および移動体は、それぞれ、ねじ部が形成されたねじ部材と、ねじ部材を支持する支持部材とからなり、支持部材は、ねじ部材よりも磁気特性が良好な材料とされ、ねじ部材は、支持部材よりも高強度材料とされていることが好ましい。
【0012】
支持部材は、永久磁石に近い側に配置されて、永久磁石とともに磁気回路を形成する磁性体として使用される。したがって、これを磁気特性が良好な材料(例えば、SS400等)とされることにより、永久磁石の最大吸引力を大きくすることができ、吸引力の調整可能範囲を広くすることができる。磁気特性が良好な材料は、電磁石鉄心等に使用されていることから、支持部材と電磁石鉄心とを同じ材料で一体に形成することができる。一方、磁気特性が良好な材料は、相対的に強度および硬度が低く、これをねじ部材として使用した場合には、大きな吸引力が継続してかかることにより、耐久性の点で若干不利であり、このねじ部材を高強度でかつ高硬度の材料、例えばSUS440Cとすることにより、耐久性も確保することができる。
【0013】
【発明の実施形態】
以下、図面を参照して、この発明をフライホイール電力貯蔵装置に適用した実施形態について説明する。
【0014】
フライホイール電力貯蔵装置は、図1に示すように、コンテナ(1)内に納められたカーボンファイバ製の円筒状フライホイール(2)と、フライホイール(2)の回転軸(3)を非接触支持する磁気軸受装置(4)とを備えている。
【0015】
磁気軸受装置(4)は、鉛直に配置された略円筒状ケーシング(5)の内部で鉛直軸状の回転体(この場合は、フライホイールの回転軸)(3)が回転する縦型のものである。なお、以下の説明において、アキシアル方向(上下方向)の制御軸をZ軸、Z軸に対して直交するとともに互いに直交する2つのラジアル方向(水平方向)の制御軸をそれぞれX軸およびY軸とする。
【0016】
磁気軸受装置(4)のケーシング(5)内には、フライホイール回転軸(3)をZ軸方向に非接触支持する制御型アキシアル磁気軸受(6)、フライホイール回転軸(3)の上下2箇所をX軸およびY軸方向に非接触支持する上下2組の制御型ラジアル磁気軸受(7)(8)、フライホイール回転軸(3)のアキシアル方向の位置を検出するためのアキシアルセンサユニット(9)、フライホイール回転軸(3)の上下2箇所におけるX軸およびY軸方向の位置を検出するための上下2組のラジアルセンサユニット(10)(11)、フライホイール(2)と一体の周壁およびフライホイール回転軸(3)と一体の頂壁を有する円筒状ロータ(12)と、ロータ(12)を高速回転させるモータのステータユニット(13)、フライホイール回転軸(3)の回転速度を検出するための回転センサ(14)ならびにフライホイール回転軸(3)のアキシアル方向およびラジアル方向の変位を制限してフライホイール回転軸(3)を磁気軸受(6)(7)(8)で非接触支持できなくなったときなどにフライホイール回転軸(3)を機械的に支持する上下2組のタッチダウン軸受(15)(16)が設けられている。
【0017】
フライホイール(2)、フライホイール(2)の回転軸(3)およびロータ(12)が回転側の主たる構成要素であり、以下では、これらすべてを含む構成をフライホイールユニット(2)(3)(12)というものとする。
【0018】
アキシアル磁気軸受(6)は、フライホイール回転軸(3)の下端部に設けられたフランジ部すなわちアキシアルディスク部(3a)をZ軸方向の上方から臨むように配置されたアキシアル電磁石コイル(17)と、これの径方向外側に隣り合って配置された永久磁石(18)と、電磁石コイル(17)および永久磁石(18)を支持する磁石支持体を兼ねる電磁石鉄心(19)とを備えている。電磁石鉄心(19)は、磁気軸受装置(4)のケーシングの下端部分を構成している。ただし、電磁石鉄心(19)が強磁性材料とされているのに対し、符号(5)で示すケーシングの主部分は、非磁性材料(アルミなど)で形成されている。これにより、電磁石鉄心(19)以外の部材に磁束が流れることが防止され、磁気回路(磁気力)の計算が容易なものとされている。永久磁石(18)は、フライホイールユニット(2)(3)(12)の自重を支持するためのもので、永久磁石(18)のフライホイール回転軸(3)を吸引する力は、吸引力調整手段(20)によって調整されている。
【0019】
吸引力調整手段(20)は、電磁石鉄心(19)に一体に設けられしたがって電磁石鉄心(19)と同材質の環状の固定部材(31)と、固定部材(31)に移動可能に取り付けられかつ電磁石鉄心(19)に吸引力調整ギャップ(G)を介して対向する環状の移動体(32)とを備えており、後述するように、吸引力調整ギャップ(G)の大きさが移動体(32)の移動によって変化させられることにより、永久磁石(18)がフライホイール回転軸(3)を吸引する力が調整されている。
【0020】
各ラジアル磁気軸受(7)(8)は、それぞれ、フライホイール回転軸(3)をX軸方向の両側から挟むように配置された1対のラジアル電磁石(7a)(8a)と、フライホイール回転軸(3)をY軸方向の両側から挟むように配置された1対のラジアル電磁石(図示略)とを備えている。
【0021】
上部ラジアルセンサユニット(10)は、上部ラジアル磁気軸受(7)の近傍におけるフライホイール回転軸(3)のX軸およびY軸方向の位置を検出するためのものであり、上部ラジアル磁気軸受(7)の上側近傍のフライホイール回転軸(3)の外周に設けられたターゲット部(21)をX軸方向の両側から挟むように配置された1対のX軸用ラジアルセンサ(10a)と、ターゲット部(21)をY軸方向の両側から挟むように配置された1対のY軸用ラジアルセンサ(図示略)とから構成されている。下部ラジアルセンサユニット(11)は、下部ラジアル磁気軸受(8)の近傍におけるフライホイール回転軸(3)のX軸およびY軸方向の位置を検出するためのものであり、下部ラジアル磁気軸受(8)の下側近傍のフライホイール回転軸(3)の外周に設けられたターゲット部(22)をX軸方向の両側から挟むように配置された1対のX軸用ラジアルセンサ(11a)と、ターゲット部(22)をY軸方向の両側から挟むように配置された1対のY軸用ラジアルセンサ(図示略)とから構成されている。各ラジアルセンサ(10a)(11a)は、公知のものであり、フライホイール回転軸(3)のターゲット部(21)(22)とのラジアル方向の隙間の大きさに対応した信号を出力する。したがって、各1対のX軸用ラジアルセンサ(10a)(11a)によりフライホイール回転軸(3)のX軸方向の位置が検出され、各1対のY軸用ラジアルセンサにより回転体のY軸方向の位置が検出される。各ターゲット部(21)(22)は、無方向性けい素鋼板製の環状の薄板を積層することにより構成されている。
【0022】
フライホイール回転軸(3)の下端に、短円柱状のアキシアル方向ターゲット(23)が同心状に取り付けられている。アキシアルセンサユニット(9)は、フライホイール回転軸(3)のZ軸方向の位置を検出するためのものであり、ターゲット(23)の下端面の中心部にZ軸方向の下側から対向するように配置されているアキシアルセンサ(9a)を有している。アキシアルセンサ(9a)は、コアにコイルが巻かれたものである。回転センサ(14)はアキシアルセンサ(9a)と同じ特性のものである。ターゲット(23)の下端面の外周部の1つの円周上に、1つまたは複数の被検出部(24)が形成されている。この例では、ターゲット(23)の下端面の最外周に凹部を形成することにより、被検出部(24)が形成されている。複数の被検出部(24)が形成される場合、それらは円周方向に等間隔をおいて設けられる。アキシアルセンサ(9a)は、公知のものであり、フライホイール回転軸(3)のターゲット(23)のZ軸方向の位置に対応した信号を出力する。したがって、アキシアルセンサ(9a)により、フライホイール回転軸(3)のZ軸方向の位置が検出される。
【0023】
上部タッチダウン軸受(15)は、フライホイール回転軸(3)のラジアル方向の変位を制限するものである。上部タッチダウン軸受(15)の外輪(15a)はケーシング(5)に固定されており、内輪(15b)は、フライホイール回転軸(3)が磁気軸受(6)(7)(8)により非接触支持された状態で、フライホイール回転軸(3)の上端寄りの部分の外径が均一な軸部(3b)にラジアル方向にわずかな隙間をあけて対向している。下部タッチダウン軸受(16)は、フライホイール回転軸(3)のアキシアル方向およびラジアル方向の変位を制限するものである。下部タッチダウン軸受(16)の外輪(16a)は電磁石鉄心(19)に固定されており、内輪(16b)は、フライホイール回転軸(3)が磁気軸受(6)(7)(8)により非接触支持された状態で、フライホイール回転軸(3)の下部の外周に形成された環状みぞ(25)の部分にアキシアル方向およびラジアル方向にわずかな隙間をあけて対向している。フライホイール回転軸(3)が磁気軸受(6)(7)(8)により非接触支持された状態において、上部タッチダウン軸受(15)の内輪(15b)とフライホイール回転軸(3)とのラジアル方向の隙間ならびに下部タッチダウン軸受(16)の内輪(16b)とフライホイール回転軸(3)とのアキシアル方向およびラジアル方向の隙間は実際には非常に小さいが、図1には、それらを誇張して示している。
【0024】
図2に詳細に示すように、電磁石鉄心(19)は、内壁(19a)、外壁(19b)および頂壁(19c)を有する2重筒状に形成されている。電磁石鉄心(19)の外壁(19b)は、その下端が内壁(19a)下端よりも下方に位置させられており、外壁(19b)下端部に設けられたフランジ部(19d)がコンテナ(1)の底壁部分に固定されている。電磁石コイル(17)は、内壁(19a)および頂壁(19c)に接する環状に形成され、永久磁石(18)は、電磁石コイル(17)の径方向外側に若干の間隔をおいて配置されかつ頂壁(19c)に接する環状に形成されている。
【0025】
吸引力調整手段(20)の固定部材(31)は、外周におねじ部(33a)が形成された環状のねじ部材(33)と、ねじ部材(33)の上側に配置されてボルト(35)によって同部材(33)に結合された環状の支持部材(34)とからなる。支持部材(34)は、永久磁石(18)に下方から当てられている孔あき円板部(34a)およびその外周から下方にのびる円筒部(34b)からなる。孔あき円板部(34a)の内周縁部は、フライホイール回転軸(3)のアキシアルディスク部(3a)の外周縁部に軸方向真上から対向させられている。円筒部(34b)の下端部の所要箇所には、ねじ部材(33)を貫通したボルト(35)がねじ合わされている垂直状めねじ部が形成されている。ねじ部材(33)の内周には、支持部材(34)の内周に嵌め合わされている立ち上がり部(33b)が設けられている。永久磁石(18)の外周および支持部材(34)の上部の外周と電磁石鉄心(19)の外壁(19b)との間には、非磁性体(36)が介在させられている。非磁性体(36)は、その外周が電磁石鉄心(19)の外壁(19b)に当接するようになされているとともに、その内周には、永久磁石(18)の外周部分がすきまなく嵌め入れられる環状の凹部が形成されている。こうして、永久磁石(18)と電磁石鉄心(19)の芯出しが非磁性体(36)を使用して行われている。
【0026】
移動体(32)は、内周にめねじ部(37a)が形成された環状のねじ部材(37)と、ねじ部材(37)の上側に配置されてボルト(39)によって同部材(37)に結合された環状の支持部材(38)とからなる。そして、移動体(32)のねじ部材(37)と固定部材(31)のねじ部材(33)とが、互いに相対移動可能なようにねじ合わされることにより、移動体(32)が固定部材(31)に対して移動可能とされている。各ねじ部材 (33)(37) の径は、アキシアルディスク部 (3a) の外径よりも大きくなされている。移動体(32)が固定部材(31)にねじ合わされた状態で、移動体(32)の上面と電磁石鉄心(19)の下面との間には、間隙が存在しており、これが吸引力調整ギャップ(G)とされている。また、移動体(32)の支持部材(38)上部の内径と固定部材(31)の支持部材(34)下端部の外径とは、互いに摺動し得るように、略同じ大きさとされている。
【0027】
固定部材(31)および移動体(32)の各支持部材(34)(38)は、電磁石鉄心(19)と同じ材料、例えばSS400等の磁気特性が良好な材料が使用され、固定部材(31)および移動体(32)の各ねじ部材(33)(37)は、支持部材(34)(38)材料に比べて、磁気特性では劣るが、高強度でかつ高硬度の材料、例えばSUS440Cが使用されている。なお、支持部材(34)(38)とねじ部材(33)(37)との結合は、ボルト(35)(39)によらずに、例えば圧入等の他の方法で行ってもよい。
【0028】
吸引力調整手段(20)が上記のように構成されていることから、永久磁石(18)は、固定部材(31)の支持部材(34)を介してフライホイール回転軸(3)のアキシアルディスク部(3a)を吸引しており、この吸引力は、永久磁石(18)を始点として、電磁石鉄心(19)の頂壁(19c)、同外壁(19b)、吸引力調整ギャップ(G)、移動体(32)の支持部材(38)、固定部材(31)の支持部材(34)を経て、永久磁石(18)に戻る磁気回路の特性によって変わってくる。すなわち、吸引力調整ギャップ(G)が大きくなれば、フライホイール回転軸(3)を吸引する力が増加し、吸引力調整ギャップ(G)が小さくなれば、フライホイール回転軸(3)を吸引する力が低下する。したがって、移動体(32)を固定部材(31)に対して右回りまたは左回りに回すことにより、吸引力の微調整をすることができる。
【0029】
上記の磁気軸受装置(4)が作動を停止しているときなど、フライホイール回転軸(3)を磁気軸受(6)(7)(8)で非接触支持していないときには、フライホイール回転軸(3)は、タッチダウン軸受(15)(16)によって機械的に支持される。このとき、フライホイール回転軸(3)が磁気軸受(6)(7)(8)、センサ(9)(10)(11)などに接触しないように、各部の寸法が決められている。
【0030】
磁気軸受装置(4)の運転中は、アキシアルセンサユニット(9)により検出されたフライホイール回転軸(3)のZ軸方向の位置、ならびにラジアルセンサユニット(10)(11)により検出されたフライホイール回転軸(3)のX軸およびY軸方向の位置に基づいて、各磁気軸受(6)(7)(8)を制御することにより、フライホイール回転軸(3)がアキシアル方向およびラジアル方向の所定位置に非接触支持される。そして、このようにフライホイール回転軸(3)が磁気軸受(6)(7)(8)により非接触支持された状態で、モータのステータユニット(13)およびロータ(12)によりフライホイール回転軸(3)したがってこれと一体のフライホイール(2)が高速回転させられる。
【0031】
各磁気軸受(6)(7)(8)の制御に際しては、アキシアル磁気軸受(6)の永久磁石(18)がフライホイール回転軸(3)を吸引してフライホイールユニット(2)(3)(12)の自重分を保持することから、アキシアル磁気軸受(6)の電磁石コイル(17)には、フライホイールユニット(2)(3)(12)の自重を支持するための電流は供給されずに、軸方向の振動による変位を制御するための電流だけが供給される。そして、移動体(32)を固定部材(31)に対して右回りまたは左回りに回すことにより、永久磁石(18)の吸引力がフライホイールユニット(2)(3)(12)の自重分にちょうど相当するように設定することにより、アキシアル磁気軸受(6)の制御電流を最小化することができる。また、固定部材(31)および移動体(32)の各支持部材(34)(38)は、磁気特性が良好な材料で、固定部材(31)および移動体(32)の各ねじ部材(33)(37)は、高強度でかつ高硬度の材料で形成されていることから、永久磁石(18)の吸引力が大きくなり、かつ、この吸引力がねじ部材(33)(37)にかかることによる破断等の損傷が防止される。
【0032】
なお、上記の実施形態において、磁気軸受装置(4)の各部の構成は、上記実施形態のものに限らず、適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、この発明の実施形態を示すフライホイール電力貯蔵装置用の磁気軸受装置の機械的部分を示す縦断面図である。
【図2】図2は、図1の要部を示す拡大縦断面図である。
【符号の説明】
(3) フライホイール回転軸(回転体)
(4) 磁気軸受装置
(6) アキシアル磁気軸受
(7)(8) ラジアル磁気軸受
(7a)(8a) ラジアル電磁石
(17) アキシアル電磁石コイル
(18) 永久磁石
(19) 電磁石鉄心(磁石支持体)
(20) 吸引力調整手段
(31) 固定部材
(32) 移動体
(33)(37) ねじ部材
(33a)(37a) ねじ部
(34)(38) 支持部材
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic bearing device in which a rotating body (for example, a rotary shaft of a flywheel) is magnetically levitated by non-contact support in an axial direction and a radial direction with a plurality of sets of magnetic bearings in an electric power storage device or the like.
[0002]
[Prior art]
The power storage device that stores power by rotating the flywheel requires a standby time of several hours or more, and is described in Patent Document 1 as a support mechanism, not a rolling bearing, in order to reduce bearing loss. A 5-axis control type magnetic bearing device is used.
[0003]
This five-axis control type magnetic bearing device includes a set of axial magnetic bearings that support a rotating body in a non-contact manner in the axial control axis direction, and non-rotating bodies in two radial control axis directions orthogonal to each other at two locations in the axial direction. Two sets of radial magnetic bearings for contact and support are provided. In the case of a magnetic bearing device in which a rotating body is arranged in the vertical direction, the weight of the rotating body is supported by controlling an electromagnet of an axial magnetic bearing.
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 1-126423
[Problems to be solved by the invention]
In the above conventional magnetic bearing device, the rotating body is supported by its own weight by controlling the electromagnet of the axial magnetic bearing. Therefore, it is necessary to always supply a control current for supporting the own weight. The power consumption (copper loss) of the magnetic bearing is increased, and the loss of the flywheel power storage device is increased, which is an obstacle to improving the energy storage efficiency.
[0006]
An object of the present invention is to provide a magnetic bearing device that can reduce the power consumption of an axial magnetic bearing, and thus can improve the energy storage efficiency when used in a flywheel power storage device or the like. There is.
[0007]
[Means for Solving the Problems and Effects of the Invention]
A magnetic bearing device according to the present invention includes a rotating body, a plurality of sets of magnetic bearings that support the rotating body in a non-contact manner in the axial direction and the radial direction, an axial sensor unit for detecting the position of the rotating body in the axial direction, In a magnetic bearing device comprising a radial sensor unit for detecting the position of the body in the radial direction , a permanent magnet that attracts and suspends an axial disk portion provided on the rotating body in the axial direction, and a permanent magnet attraction An attraction force adjusting means for adjusting the force, the attraction force adjusting means facing the fixing member fixed to the magnet support that supports the permanent magnet, and the magnet support via the attraction force adjusting gap. Bei Eteori a moving body, the fixing member has an annular screw member male screw portion is formed on the outer periphery, the mobile internal thread portion on the inner circumference of form In addition, each screw member has a larger diameter than the outer diameter of the axial disk portion, and the screw members are screwed together so that they can move relative to each other, thereby fixing the moving body. It is configured to be movable with respect to the member, and the force for attracting the rotating body of the permanent magnet is adjusted by changing the size of the attraction force adjustment gap by the movement of the moving body. is there.
[0008]
The permanent magnet is preferably provided adjacent to the electromagnet of the axial magnetic bearing and supported by the electromagnet core. In this way, it is possible to reduce the size, and the axial magnetic bearing having the electromagnet and the permanent magnet can be handled as one unit, so that it can be easily used in place of the axial magnetic bearing having only the electromagnet.
[0009]
According to the magnetic bearing device of the present invention, the axial direction and radial direction of the rotating body are controlled by supplying a control current to the electromagnet of each magnetic bearing. At this time, the rotating body is attracted in the axial direction and suspended. Since the permanent magnet to be lowered is adjusted and the force for attracting the rotating body of the permanent magnet is adjusted, the control current for supporting the weight of the rotating body can be reduced. Therefore, the power consumption of the axial magnetic bearing is reduced. (Copper loss) decreases. For example, the attractive force of the permanent magnet preferably has an attractive force corresponding to the weight of the rotating body (not only the rotating shaft but also the weight of the entire unit that rotates together with the rotating shaft). Further, the moving body is moved to adjust the suction force adjustment gap. In this way, the control current for supporting the dead weight of the rotating body can be made substantially zero.
[0010]
Various configurations for moving the moving body are possible. For example, the moving body is preferably screwed so as to be relatively movable with a fixed member provided integrally with the magnet support. . In this way, it is possible to adjust the suction force by a simple operation of rotating the moving body clockwise or counterclockwise with respect to the fixed member, and it is easy to adjust the amount of movement because of the screw mechanism. Fine adjustment for optimization can be performed easily and accurately.
[0011]
Each of the fixed member and the moving body includes a screw member in which a screw portion is formed and a support member that supports the screw member. The support member is made of a material having better magnetic characteristics than the screw member. It is preferable that the material is stronger than the support member.
[0012]
The support member is disposed on the side close to the permanent magnet and used as a magnetic body that forms a magnetic circuit together with the permanent magnet. Therefore, by making this a material with good magnetic properties (for example, SS400), the maximum attractive force of the permanent magnet can be increased, and the adjustable range of the attractive force can be widened. Since a material having good magnetic properties is used for an electromagnet core or the like, the support member and the electromagnet core can be integrally formed of the same material. On the other hand, a material with good magnetic properties has relatively low strength and hardness , and when this is used as a screw member, it is slightly disadvantageous in terms of durability because a large attractive force is continuously applied. The durability of the screw member can be ensured by using a high-strength and high-hardness material such as SUS440C.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment in which the present invention is applied to a flywheel power storage device will be described with reference to the drawings.
[0014]
As shown in FIG. 1, the flywheel power storage device is a non-contact type of a carbon fiber cylindrical flywheel (2) housed in a container (1) and a rotating shaft (3) of the flywheel (2). And a magnetic bearing device (4) to be supported.
[0015]
The magnetic bearing device (4) is a vertical type in which a vertical shaft-shaped rotating body (in this case, the rotating shaft of a flywheel) (3) rotates inside a substantially cylindrical casing (5) arranged vertically. It is. In the following description, the control axis in the axial direction (vertical direction) is the Z axis, and the two control directions in the radial direction (horizontal direction) orthogonal to the Z axis and orthogonal to each other are the X axis and the Y axis, respectively. To do.
[0016]
In the casing (5) of the magnetic bearing device (4), there are a control type axial magnetic bearing (6) for supporting the flywheel rotating shaft (3) in a non-contact manner in the Z-axis direction, and an upper and lower two of the flywheel rotating shaft (3). Two sets of upper and lower control type radial magnetic bearings (7) and (8) that support the position in the non-contact X-axis and Y-axis directions, and an axial sensor unit for detecting the axial position of the flywheel rotating shaft (3) ( 9) Two sets of upper and lower radial sensor units (10) (11) and flywheel (2) for detecting positions in the X and Y axis directions at the upper and lower positions of the flywheel rotating shaft (3) A cylindrical rotor (12) having a top wall integral with the peripheral wall and the flywheel rotating shaft (3), a stator unit (13) of a motor that rotates the rotor (12) at a high speed, and a rotational speed of the flywheel rotating shaft (3) Rotation sensor (14) and flywheel rotation axis ( 3) When the flywheel rotating shaft (3) cannot be supported in a non-contact manner by the magnetic bearings (6) (7) (8) by limiting the axial and radial displacement of 3), the flywheel rotating shaft (3) Two sets of upper and lower touchdown bearings (15) and (16) are provided to mechanically support the motor.
[0017]
The flywheel (2), the rotating shaft (3) of the flywheel (2) and the rotor (12) are the main components on the rotating side, and in the following, the configuration including all of these is the flywheel unit (2) (3) (12)
[0018]
The axial magnetic bearing (6) is an axial electromagnet coil (17) disposed so as to face the flange portion, that is, the axial disk portion (3a) provided at the lower end portion of the flywheel rotating shaft (3) from above in the Z-axis direction. And a permanent magnet (18) arranged adjacent to the outside in the radial direction thereof, and an electromagnet core (19) that also serves as a magnet support for supporting the electromagnet coil (17) and the permanent magnet (18). . The electromagnet core (19) constitutes the lower end portion of the casing of the magnetic bearing device (4). However, while the electromagnet core (19) is made of a ferromagnetic material, the main part of the casing indicated by reference numeral (5) is made of a nonmagnetic material (aluminum or the like). This prevents magnetic flux from flowing to members other than the electromagnet core (19), and makes it easy to calculate the magnetic circuit (magnetic force). The permanent magnet (18) is for supporting the weight of the flywheel unit (2) (3) (12), and the force that attracts the flywheel rotation shaft (3) of the permanent magnet (18) It is adjusted by the adjusting means (20).
[0019]
The attraction force adjusting means (20) is provided integrally with the electromagnet core (19), and thus is attached to the ring-shaped fixing member (31) of the same material as the electromagnet core (19), movably attached to the fixing member (31), and The electromagnet core (19) includes an annular moving body (32) that is opposed to the electromagnetic iron core (19) via the attractive force adjustment gap (G) .As will be described later, the size of the attractive force adjustment gap (G) is the moving body ( The force by which the permanent magnet (18) attracts the flywheel rotating shaft (3) is adjusted by being changed by the movement of 32).
[0020]
Each radial magnetic bearing (7) (8) has a pair of radial electromagnets (7a) (8a) arranged so as to sandwich the flywheel rotating shaft (3) from both sides in the X-axis direction, and the flywheel rotating And a pair of radial electromagnets (not shown) arranged so as to sandwich the shaft (3) from both sides in the Y-axis direction.
[0021]
The upper radial sensor unit (10) is for detecting the position of the flywheel rotating shaft (3) in the X-axis and Y-axis directions in the vicinity of the upper radial magnetic bearing (7). A pair of X-axis radial sensors (10a) arranged so as to sandwich the target portion (21) provided on the outer periphery of the flywheel rotating shaft (3) near the upper side of the X-axis direction, and the target It is composed of a pair of radial sensors for Y axis (not shown) arranged so as to sandwich the portion (21) from both sides in the Y axis direction. The lower radial sensor unit (11) is for detecting the position of the flywheel rotating shaft (3) in the X-axis and Y-axis directions in the vicinity of the lower radial magnetic bearing (8). A pair of X-axis radial sensors (11a) arranged so as to sandwich the target portion (22) provided on the outer periphery of the flywheel rotating shaft (3) near the lower side from both sides in the X-axis direction; It is composed of a pair of radial sensors for Y axis (not shown) arranged so as to sandwich the target portion (22) from both sides in the Y axis direction. Each of the radial sensors (10a) and (11a) is a known sensor, and outputs a signal corresponding to the size of the radial gap between the flywheel rotating shaft (3) and the target portions (21) and (22). Therefore, the position of the flywheel rotating shaft (3) in the X-axis direction is detected by each pair of X-axis radial sensors (10a) (11a), and the Y-axis of the rotating body is detected by each pair of Y-axis radial sensors. A position in the direction is detected. Each target part (21) (22) is constituted by laminating annular thin plates made of non-oriented silicon steel plates.
[0022]
A short cylindrical axial target (23) is concentrically attached to the lower end of the flywheel rotating shaft (3). The axial sensor unit (9) is for detecting the position of the flywheel rotating shaft (3) in the Z-axis direction, and faces the center of the lower end surface of the target (23) from below in the Z-axis direction. The axial sensor (9a) is arranged as described above. The axial sensor (9a) has a coil wound around a core. The rotation sensor (14) has the same characteristics as the axial sensor (9a). One or a plurality of detected parts (24) are formed on one circumference of the outer peripheral part of the lower end surface of the target (23). In this example, the detected portion (24) is formed by forming a recess in the outermost periphery of the lower end surface of the target (23). When a plurality of detected parts (24) are formed, they are provided at equal intervals in the circumferential direction. The axial sensor (9a) is a well-known sensor and outputs a signal corresponding to the position of the target (23) of the flywheel rotating shaft (3) in the Z-axis direction. Therefore, the position of the flywheel rotating shaft (3) in the Z-axis direction is detected by the axial sensor (9a).
[0023]
The upper touchdown bearing (15) limits the radial displacement of the flywheel rotating shaft (3). The outer ring (15a) of the upper touchdown bearing (15) is fixed to the casing (5), and the inner ring (15b) is not connected to the flywheel rotating shaft (3) by the magnetic bearings (6) (7) (8). In a state of contact and support, the shaft (3b) of the flywheel rotating shaft (3) is opposed to the shaft portion (3b) having a uniform outer diameter with a slight gap in the radial direction. The lower touchdown bearing (16) limits the displacement of the flywheel rotating shaft (3) in the axial direction and the radial direction. The outer ring (16a) of the lower touchdown bearing (16) is fixed to the electromagnetic iron core (19), and the inner ring (16b) is connected to the flywheel rotating shaft (3) by the magnetic bearings (6), (7), (8). In a non-contact supported state, the annular groove (25) formed on the outer periphery of the lower portion of the flywheel rotating shaft (3) faces the axial groove and the radial direction with a slight gap therebetween. In a state where the flywheel rotating shaft (3) is supported in a non-contact manner by the magnetic bearings (6) (7) (8), the inner ring (15b) of the upper touchdown bearing (15) and the flywheel rotating shaft (3) The radial clearance and the axial and radial clearance between the inner ring (16b) of the lower touchdown bearing (16) and the flywheel rotating shaft (3) are actually very small. Exaggerated.
[0024]
As shown in detail in FIG. 2, the electromagnet core (19) is formed in a double cylinder shape having an inner wall (19a), an outer wall (19b), and a top wall (19c). The lower end of the outer wall (19b) of the electromagnetic core (19) is positioned below the lower end of the inner wall (19a), and the flange (19d) provided at the lower end of the outer wall (19b) is a container (1). It is fixed to the bottom wall part. The electromagnet coil (17) is formed in an annular shape in contact with the inner wall (19a) and the top wall (19c), and the permanent magnet (18) is disposed on the radially outer side of the electromagnet coil (17) with a slight gap therebetween. It is formed in an annular shape in contact with the top wall (19c).
[0025]
The fixing member (31) of the suction force adjusting means (20) includes an annular screw member (33) having a screw portion (33a) formed on the outer periphery, and a bolt (35) disposed above the screw member (33). ) And an annular support member (34) coupled to the member (33). The support member (34) includes a perforated disk portion (34a) applied to the permanent magnet (18) from below and a cylindrical portion (34b) extending downward from the outer periphery thereof. The inner peripheral edge portion of the perforated disk portion (34a) is opposed to the outer peripheral edge portion of the axial disk portion (3a) of the flywheel rotating shaft (3) from directly above in the axial direction. A vertical female screw portion into which a bolt (35) penetrating the screw member (33) is screwed is formed at a required portion of the lower end portion of the cylindrical portion (34b). On the inner periphery of the screw member (33), a rising portion (33b) fitted to the inner periphery of the support member (34) is provided. A non-magnetic material (36) is interposed between the outer periphery of the permanent magnet (18) and the outer periphery of the upper portion of the support member (34) and the outer wall (19b) of the electromagnet core (19). The non-magnetic body (36) has an outer periphery that is in contact with the outer wall (19b) of the electromagnet core (19), and the outer periphery of the permanent magnet (18) is fitted into the inner periphery without any gaps. An annular recess is formed. Thus, the centering of the permanent magnet (18) and the electromagnet core (19) is performed using the non-magnetic material (36).
[0026]
The movable body (32) includes an annular screw member (37) having a female thread portion (37a) formed on the inner periphery thereof, and the member (37) disposed above the screw member (37) by a bolt (39). And an annular support member (38) coupled to the. Then, the screw member (37) of the moving body (32) and the screw member (33) of the fixing member (31) are screwed together so that they can move relative to each other, whereby the moving body (32) is fixed to the fixing member ( It is possible to move with respect to 31). The diameter of each screw member (33) (37) is larger than the outer diameter of the axial disk portion (3a) . With the moving body (32) screwed to the fixed member (31), there is a gap between the upper surface of the moving body (32) and the lower surface of the electromagnet core (19). It is considered as a gap (G). Further, the inner diameter of the upper part of the support member (38) of the movable body (32) and the outer diameter of the lower end part of the support member (34) of the fixed member (31) are set to be substantially the same size so that they can slide with each other. Yes.
[0027]
The fixed member (31) and the support members (34) and (38) of the moving body (32) are made of the same material as the electromagnet core (19), for example, a material having good magnetic properties such as SS400. ) And the moving member (32), the screw members (33) and (37) are inferior in magnetic properties to the support members (34) and (38), but a high-strength and high-hardness material such as SUS440C is used. in use. The support members (34) and (38) and the screw members (33) and (37) may be joined by other methods such as press-fitting, for example, without using the bolts (35) and (39).
[0028]
Since the attractive force adjusting means (20) is configured as described above, the permanent magnet (18) is connected to the axial disk of the flywheel rotating shaft (3) via the support member (34) of the fixed member (31). (3a), and this attractive force starts from the permanent magnet (18), the top wall (19c) of the electromagnetic iron core (19), the outer wall (19b), the attractive force adjustment gap (G), It varies depending on the characteristics of the magnetic circuit that returns to the permanent magnet (18) through the support member (38) of the movable body (32) and the support member (34) of the fixed member (31). That is, if the suction force adjustment gap (G) is increased, the force for sucking the flywheel rotating shaft (3) is increased, and if the suction force adjusting gap (G) is decreased, the flywheel rotating shaft (3) is sucked. The power to do is reduced. Therefore, the suction force can be finely adjusted by rotating the moving body (32) clockwise or counterclockwise with respect to the fixed member (31).
[0029]
When the flywheel rotating shaft (3) is not supported in a non-contact manner by the magnetic bearings (6), (7), (8), such as when the magnetic bearing device (4) is stopped, the flywheel rotating shaft (3) is mechanically supported by touchdown bearings (15), (16). At this time, the dimensions of the respective parts are determined so that the flywheel rotating shaft (3) does not contact the magnetic bearings (6), (7), (8), the sensors (9), (10), and (11).
[0030]
During operation of the magnetic bearing device (4), the position of the flywheel rotating shaft (3) detected by the axial sensor unit (9) in the Z-axis direction and the flywheel detected by the radial sensor unit (10) (11) By controlling the magnetic bearings (6), (7) and (8) based on the position of the wheel rotation shaft (3) in the X-axis and Y-axis directions, the flywheel rotation shaft (3) is moved in the axial and radial directions. Non-contact support at a predetermined position. Then, in this state in which the flywheel rotating shaft (3) is supported in a non-contact manner by the magnetic bearings (6), (7), and (8), the flywheel rotating shaft is driven by the stator unit (13) and the rotor (12) of the motor. (3) Therefore, the flywheel (2) integrated therewith is rotated at high speed.
[0031]
When controlling each magnetic bearing (6) (7) (8), the permanent magnet (18) of the axial magnetic bearing (6) attracts the flywheel rotating shaft (3) to flywheel unit (2) (3) Since the self-weight of (12) is retained, the electromagnetic coil (17) of the axial magnetic bearing (6) is supplied with current for supporting the self-weight of the flywheel unit (2) (3) (12). Instead, only the current for controlling the displacement due to the vibration in the axial direction is supplied. Then, by rotating the moving body (32) clockwise or counterclockwise with respect to the fixed member (31), the attractive force of the permanent magnet (18) is reduced by the weight of the flywheel unit (2) (3) (12). The control current of the axial magnetic bearing (6) can be minimized by setting so as to correspond exactly to. The support members (34) and (38) of the fixed member (31) and the movable body (32) are made of a material having good magnetic properties, and the screw members (33) of the fixed member (31) and the movable body (32). ) (37) is made of a high-strength and high-hardness material, the attractive force of the permanent magnet (18) increases, and this attractive force is applied to the screw members (33) (37). This prevents damage such as breakage.
[0032]
In the above embodiment, the configuration of each part of the magnetic bearing device (4) is not limited to that of the above embodiment, and can be changed as appropriate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a mechanical part of a magnetic bearing device for a flywheel power storage device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged longitudinal sectional view showing a main part of FIG.
[Explanation of symbols]
(3) Flywheel rotating shaft (rotating body)
(4) Magnetic bearing device
(6) Axial magnetic bearing
(7) (8) Radial magnetic bearing
(7a) (8a) Radial electromagnet
(17) Axial electromagnetic coil
(18) Permanent magnet
(19) Electromagnetic core (magnet support)
(20) Suction force adjustment means
(31) Fixing member
(32) Mobile object
(33) (37) Screw member
(33a) (37a) Threaded part
(34) (38) Support member

Claims (2)

回転体と、回転体をアキシアル方向およびラジアル方向に非接触支持する複数組の磁気軸受と、回転体のアキシアル方向の位置を検出するためのアキシアルセンサユニットと、回転体のラジアル方向の位置を検出するためのラジアルセンサユニットとを備えている磁気軸受装置において、
回転体に設けられたアキシアルディスク部をアキシアル方向に吸引して吊り下げる永久磁石と、永久磁石の吸引力を調整する吸引力調整手段とをさらに備えており、
吸引力調整手段は、永久磁石を支持する磁石支持体に固定された固定部材と、磁石支持体に吸引力調整ギャップを介して対向する移動体とを備えており、固定部材は、外周におねじ部が形成された環状のねじ部材を有し、移動体は、内周にめねじ部が形成された環状のねじ部材を有し、各ねじ部材の径がアキシアルディスク部の外径よりも大きくなされているとともに、ねじ部材同士が互いに相対移動可能なようにねじ合わされることにより、移動体が固定部材に対して移動可能とされており、吸引力調整ギャップの大きさが移動体の移動によって変化させられることにより、永久磁石の回転体を吸引する力が調整されることを特徴とする磁気軸受装置。
Rotating body, multiple sets of magnetic bearings that support the rotating body in the axial and radial directions without contact, an axial sensor unit for detecting the axial position of the rotating body, and detecting the position of the rotating body in the radial direction In a magnetic bearing device comprising a radial sensor unit for
A permanent magnet that attracts and suspends the axial disk portion provided on the rotating body in the axial direction; and an attractive force adjusting means that adjusts the attractive force of the permanent magnet;
Suction force adjusting means, our a fixed member fixed to the magnet support member for supporting the permanent magnet, the moving body and the Bei Eteori opposed via a suction force adjusting gap magnet support, fixing member, the outer periphery The moving body has an annular screw member with a female screw part formed on the inner periphery, and the diameter of each screw member is larger than the outer diameter of the axial disk part. The moving body can be moved relative to the fixed member by being screwed together so that the screw members can move relative to each other, and the size of the suction force adjustment gap is the movement of the moving body. The magnetic bearing device is characterized in that the force for attracting the rotating body of the permanent magnet is adjusted by being changed by the above.
固定部材および移動体は、それぞれ、ねじ部材の上側に配置されて同部材に結合された環状の支持部材を有しており、各支持部材は、ねじ部材よりも磁気特性が良好な材料とされ、ねじ部材は、支持部材よりも高強度材料とされていることを特徴とする請求項1の磁気軸受装置。Fixing member and the moving body each have a supporting annular member that is coupled to the member disposed on the upper side of the root Ji member, each support member includes a material having good magnetic properties than the screw member The magnetic bearing device according to claim 1, wherein the screw member is made of a material having higher strength than the support member.
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