JP4320420B2 - Magnetic bearing and bearing device having the same - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸部材の荷重を磁気力によって非接触で支持する磁気軸受およびそれを備えた軸受装置に関し、特に、回転型の磁気軸受およびそれを備えた軸受装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、電磁石を利用した5自由度制御型の磁気軸受が知られている。5自由度とは、図13に示すように、スラスト方向(X方向)の1自由度と、ラジアル方向(Y方向,Z方向)の2自由度と、このラジアル方向を中心とした傾き方向(β方向,γ方向)の2自由度とを含めたものであり、スラスト方向を中心とした回転方向(α方向)は除かれている。
【0003】
5自由度制御型の磁気軸受において、電磁石は、各自由度ごとに2個ずつ設けられ、支持対象の軸部材を挟んで対向配置される。このため、電磁石の全数は10個となる。そして、各自由度ごとに、2個の電磁石に対する励磁電流を独立制御することにより、2個の電磁石の間に所望の磁気力を発生させ、軸部材の位置決めを行う。この5自由度制御型の磁気軸受によれば、安定したシステムを構築できる。
【0004】
しかし、5自由度制御型の磁気軸受は、上記のように10個の電磁石が必要であり、さらに、軸部材の変位を5自由度でそれぞれ検知するために5個のセンサが必要であり、また、各センサの出力に基づいて2個1組の電磁石を5自由度で独立制御するコントローラも必要であり、システム全体が複雑で大型化してしまう。
【0005】
そこで、1自由度制御型の磁気軸受がいくつか提案されている。1自由度制御型の磁気軸受は、上記した5自由度のうち、スラスト方向(X方向)の1自由度のみを制御対象とし、他のY方向,Z方向,β方向,γ方向の4自由度を永久磁石どうしの反発力(または吸引力)によって支持するように構成したものである。1自由度制御型の磁気軸受には、5自由度制御型と比較して電磁石の数とセンサの数を低減できるという利点がある。
【0006】
例えば、「清水久二,谷口修;磁気軸受の原理とその応用,機械の研究,22,12(1970),8-14」には、永久磁石どうしの反発力を利用する構成例が記載されている。また、「O.Horikawa,I.D.Silva;The Magnetic Bearing for Precision Applications,Proceedings for 1st international conference and general meeting of the european society for precision engineering and nanotechnology,vol.1(1999),163-166」には、永久磁石どうしの吸引力を利用する構成例が記載されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した永久磁石どうしの反発力を利用する1自由度制御型の磁気軸受では、永久磁石からの磁束の漏れが大きく、スラスト方向(X方向)以外のY方向,Z方向,β方向,γ方向の軸受剛性が充分ではなかった。
また、上記した永久磁石どうしの吸引力を利用する1自由度制御型の磁気軸受では、永久磁石が多数(6個)必要であり、構造が複雑化してしまうと共に、永久磁石からの磁束の漏れも大きく、Y方向,Z方向,β方向,γ方向の軸受剛性が充分ではなかった。さらに、スラスト方向の制御用電磁石のサイズを大きくしなければならないという問題もあった。
【0008】
本発明の目的は、構造の簡素化が図られ、かつ、軸部材の回転方向を除く5自由度において充分な剛性を確保できる1自由度制御型の磁気軸受、およびそれを備えた軸受装置を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の磁気軸受は、軸部材の側面に軸長方向に取り付けられた円筒状の磁性材料からなり、該磁性材料の両端面の各々を外側に向かうリング状の突縁部に成形してなるロータ部材と、前記ロータ部材を内包すると共に前記軸部材の両端部を突出させる円筒状の磁性材料からなり、前記ロータ部材の一方の端面の前記リング状の突縁部に対向配置される内側に向かうリング状の突縁部からなる第1磁極面を有すると共に、前記ロータ部材の他方の端面の前記リング状の突縁部に対向配置される内側に向かうリング状の突縁部からなる第2磁極面を有し、前記第1磁極面と前記第2磁極面との間に定常的な磁場を発生するステータ部材と、前記ロータ部材の一方の端面の前記リング状の突縁部と前記ステータ部材の前記第1磁極面との対向部を跨ぐように、前記ステータ部材の前記第1磁極面側の内面において、前記第1磁極面の周方向に沿って巻かれて配置された導線からなり、前記ロータ部材の一方の端面の前記リング状の突縁部と前記第1磁極面との間に磁気回路を形成するリング状の第1コイル部材と、前記ロータ部材の他方の端面の前記リング状の突縁部と前記ステータ部材の前記第2磁極面との対向部を跨ぐように、前記ステータ部材の前記第2磁極面側の内面において、前記第2磁極面の周方向に沿って巻かれて配置された導線からなり、前記ロータ部材の他方の端面の前記リング状の突縁部と前記第2磁極面との間に、前記第1コイル部材による磁気回路の磁束のループの向きと逆向きの磁束のループを生成する磁気回路を形成するリング状の第2コイル部材と、前記ステータ部材に組み込まれ、前記第1磁極面と前記第2磁極面との間に定常的な磁場を発生させる少なくとも1つのリング状の永久磁石と、前記軸部材の一方の端面側に配置され、前記軸部材のスラスト方向の変位を検知する変位センサと、前記変位センサからの出力信号と、前記軸部材のスラスト方向の目標位置信号とが入力され、前記変位センサの出力信号と前記スラスト方向の目標位置信号とに基づいて励磁電流を決定し、前記第1コイル部材と前記第2コイル部材との少なくとも一方に励磁電流を供給して、前記ロータ部材のスラスト方向の位置を制御する制御手段とを備えたものである。
【0010】
請求項2記載の発明は、請求項1に記載の磁気軸受において、前記ステータ部材の前記第1磁極面と前記ロータ部材の前記一方の端面とは、前記リング状の突縁部の形状および表面積が互いに同じにしてあり、前記ステータ部材の前記第2磁極面と前記ロータ部材の前記他方の端面とは、前記リング状の突縁部の形状および表面積が互いに同じになるようにしたものである。
【0011】
請求項3に記載の発明は、請求項1または請求項2に記載の磁気軸受において、前記ステータ部材の前記第1磁極面と前記ロータ部材の前記一方の端面とは、前記リング状の突縁部がリング状の溝部によって複数の領域に分割され、前記ステータ部材の前記第2磁極面と前記ロータ部材の前記他方の端面とは、前記リング状の突縁部がリング状の溝部によって複数の領域に分割されたものである。
【0012】
請求項4に記載の軸受装置は、請求項1から請求項4の何れか1項に記載の磁気軸受と、前記ステータ部材の前記第1コイル部材と前記第2コイル部材との間の内面に、前記磁気軸受との間に隙間をおいて取り付けられた空気動圧軸受とを備えたものである。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
【0014】
本発明の実施形態は、請求項1、請求項3に対応する。
本実施形態の磁気軸受10は、図1(a),(b)に示すシャフト10aの荷重を磁気力によって非接触で支持する軸受であり、シャフト10aのスラスト方向(X方向)を中心とした回転方向(α方向)を除く5自由度方向の剛性が正となる軸受である。
【0015】
5自由度とは、スラスト方向(X方向)の1自由度と、ラジアル方向(Y方向,Z方向)の2自由度と、傾き方向(β方向,γ方向)の2自由度とを含めたものである。スラスト方向はシャフト10aの軸方向に対応し、ラジアル方向は軸方向に垂直な方向に対応し、傾き方向はラジアル方向を中心とした微小回転の方向に対応している。
【0016】
さらに、本実施形態の磁気軸受10は、1自由度制御型の磁気軸受であり、上記した5自由度のうち、スラスト方向(X方向)の1自由度のみを制御対象とする。つまり、スラスト方向(X方向)のみが能動型であり、他のラジアル方向(Y方向,Z方向)と傾き方向(β方向,γ方向)の4自由度に関しては受動型となっている。
【0017】
なお、磁気軸受10による支持対象のシャフト10a(軸部材)には、シャフト10aにα方向の回転トルクを与えるために、不図示のモータなどが取り付けられている。シャフト10aの直径φ1は例えば3mmである。図1(a)は磁気軸受10の全体構成を示す概略図であり、図1(b)はシャフト10aのまわりの部品構成を示す断面図である。
【0018】
次に、本実施形態の磁気軸受10について具体的に説明する。磁気軸受10は、図1(a),(b)に示すように、ロータ11と、ステータ12と、コイル13,14と、変位センサ15と、制御回路16とで構成され、ステータ12および変位センサ15がベース部材10bに固定されている。
ロータ11(ロータ部材)は、シャフト10aの側面に取り付けられた円筒状の磁性部材である。また、ロータ11は、図2(a)に示すように、その両端面11a,11bの各々がリング状に成形されて、外側に向かう突縁部となっている。
【0019】
両端面11a,11bの外周の直径φ2は、ロータ11の直径と同じ(例えば8mm)であり、内周の直径φ3は、外周の直径φ2より小さくシャフト10aの直径φ1より大きい(例えば6mm)。つまり、両端面11a,11bは、幅Δ1が例えば1mmのリング状である。また、両端面11a,11bの高さH1は、例えば1mmである。両端面11a,11bの距離D1は、例えば24mmである。
【0020】
ステータ12(ステータ部材)は、図1(a),(b)に示すように、ロータ11を内包する円筒状の磁性部材であり、5つの部品(21〜25)を組み合わせて一体化したものである。5つの部品(21〜25)については後述する。
また、ステータ12には、ロータ11の一方の端面11aに対向配置される磁極面12aと、ロータ11の他方の端面11bに対向配置される磁極面12bとが設けられ、各々の磁極面12a,12bが内側に向かう突縁部となっている。さらに、磁極面12a,12bは、図2(b)に示すように、リング状である。
【0021】
磁極面12a,12bの外周の直径φ4は、上記した端面11a,11bの外周の直径φ2と同じ(例えば8mm)であり、磁極面12a,12bの内周の直径φ5は、端面11a,11bの内周の直径φ3と同じ(例えば6mm)である。すなわち、磁極面12a,12bは、端面11a,11bと形状および面積が互いに同じであり、幅Δ2が例えば1mmのリング状となっている。磁極面12a,12bの高さH2は、例えば1mmである。
【0022】
さらに、磁極面12a,12bの距離D2は、例えば24.2mmである。このため、磁極面12a,12bの距離D2と上記した両端面11a,11bの距離D1との差(D2−D1)は、0.2mmとなる。この差(D2−D1)は、一方の磁極面12aと端面11aのエアギャップδ1(図1(b))と、他方の磁極面12bと端面11bのエアギャップδ2との和(δ1+δ2)に相当する。換言すると、差(D2−D1)は、ステータ12とロータ11とのエアギャップの総和に相当する。
【0023】
また、ステータ12のうち、ロータ11とラジアル方向に対向する円筒状の胴部分(後述する部品23〜25)は、外周の直径φ6が例えば19.2mmであり、内周の直径φ7が例えば15mmである。胴部分(23〜25)の内周の直径φ7はロータ11の直径(φ2)よりも大きいため、ステータ12の胴部分(23〜25)とロータ11との間には、幅δ3(図1(b))の円筒状の空間17が確保されることになる。
【0024】
空間17の幅δ3の平均値は、胴部分(23〜25)の内周の直径φ7とロータ11の直径(φ2)との差の1/2に相当する(例えば3.5mm)。なお、空間17の長さD3(図2(b))は例えば26.2mmであり、ステータ12の長さD4は例えば30.2mmである。
次に、上記のような外観形状を持つステータ12の部品構成について説明する。ステータ12は、既に述べたように、5つの部品(21〜25)からなる。具体的に説明すると、シャフト10aの通過穴が中心部に設けられた円盤状の部品21,22と、リング状の永久磁石23,24と、円筒状のヨーク25とからなる。
【0025】
これらの部品(21〜25)の外周の直径は、全て、上記したステータ12の外周の直径φ6(図2(b))に相当する。永久磁石23,24とヨーク25の内周の直径は、何れも、上記したステータ12の内周の直径φ7に相当する。円盤状の部品21,22の内周の直径は、上記した磁極面12a,12bの内周の直径φ5に相当する。また、永久磁石23,24の長さD5は例えば2mmであり、ヨーク25の長さは例えば22.2mmである。
【0026】
これら5つの部品(21〜25)は、円盤状の部品21とヨーク25の一端との間に永久磁石23を配置し、ヨーク25の他端と円盤状の部品22との間に永久磁石24を配置して、一体化される。ちなみに、上記した胴部分(23〜25)は、ヨーク25の両端の各々に永久磁石23,24を配置した部分である。また、上記した磁極面12a,12bの各々は、円盤状の部品21,22に形成されている。
【0027】
このように構成されたステータ12では、一方の磁極面12aから円盤状の部品21と永久磁石23とヨーク25と永久磁石24と円盤状の部品22とを介して他方の磁極面12bに達する磁気回路が形成される。そして、磁極面12aと磁極面12bとの間に、永久磁石23,24によって定常的な磁場を発生する。
したがって、ステータ12の内部にロータ11を組み込んだ場合には、ステータ12の磁極面12a,12bにロータ11の端面11a,11bが対向することになり、ステータ12の永久磁石23,24によって発生した定常的な磁場がロータ11の内部を通過する。すなわち、図3に示すように、ステータ12とロータ11とにより、永久磁石23,24からの磁束Φ1の通路となる閉じた磁気回路(閉磁路)が形成される。
【0028】
また、ステータ12とロータ11による磁気回路は、エアギャップδ1,δ2(図1(b))以外で連続しているため、永久磁石23,24からの磁束Φ1の漏れはほとんどないと言うことができる。つまり、永久磁石23,24からの磁束Φ1を効率良く利用できる。
さらに、永久磁石23,24からの磁束Φ1のループは、ステータ12の磁極面12aとロータ11の端面11aとのエアギャップδ1を横切り、かつ、ステータ12の磁極面12bとロータ11の端面11bとのエアギャップδ2を横切るため、この磁束Φ1のループにより、ステータ12とロータ11とは、仮想的なバネによって連結された状態と考えられる。
【0029】
ここで、仮想的なバネの剛性の符号は、ラジアル方向(Y方向,Z方向)と傾き方向(β方向,γ方向)とを合わせた4自由度に関して「正」になる。すなわち、ラジアル方向の2自由度においてロータ11が理想的な位置から変位すると(図4(a)の状態)、ロータ11には磁束Φ1のループによる復元力F1が働く。また、傾き方向の2自由度においてロータ11が理想的な位置から傾くと(図4(b)の状態)、ロータ11には磁束Φ1のループによる復元トルクF2が働く。
【0030】
何れの場合にも、ロータ11は、復元力F1(または復元トルクF2)により、一方の端面11aがステータ12の磁極面12aに対向し、かつ、他方の端面11bがステータ12の磁極面12bに対向する状態、つまり、理想的な位置に整列した状態へ向けて動くことになる。
その結果、ロータ11は、端面11a,11bが磁極面12a,12bに対向する整列状態に安定して保持される。つまり、ラジアル方向(Y方向,Z方向)と傾き方向(β方向,γ方向)とを合わせた4自由度に関しては、永久磁石23,24からの磁束Φ1のループによって、ロータ11の剛性を充分に確保することができる。
【0031】
これに対し、スラスト方向(X方向)の1自由度に関しては、永久磁石23,24からの磁束Φ1のループによる仮想的なバネの剛性が「負」になってしまう。このため、本実施形態の磁気軸受10では、スラスト方向の仮想的なバネの剛性を補正して「正」にする目的で、ステータ12とロータ11との間の円筒状の空間17(図1(b))にリング状のコイル13,14を配置し、さらに、変位センサ15と制御回路16を設けた。
【0032】
一方のリング状のコイル13(第1コイル部材)は、不図示の支持部品を介してステータ12の磁極面12a側の内面に取り付けられている。コイル13は、磁極面12aの周方向に沿って巻かれた導線からなる。同様に、他方のリング状のコイル14(第2コイル部材)は、不図示の支持部品を介してステータ12の磁極面12b側の内面に取り付けられている。コイル14は、磁極面12bの周方向に沿って巻かれた導線からなる。
【0033】
なお、リング状のコイル13,14は、外周の直径が例えば14mm、内周の直径が例えば9mmであり、長さが例えば5mmである。コイル13とステータ12の部品21との距離、および、コイル14とステータ12の部品22との距離は、例えば0.5mmである。
このように、ステータ12の磁極面12a側の内面にリング状のコイル13が配置されるため、このコイル13に励磁電流を供給することにより、ロータ11およびステータ12に、磁束Φ2(図5参照)の通路となる磁気回路を形成できる。この磁束Φ2のループは、ステータ12の磁極面12aとロータ11の端面11aとのエアギャップδ1を横切るものである。つまり、コイル13とロータ11,ステータ12とは、電磁石として機能する。
【0034】
また、ステータ12の磁極面12b側の内面にリング状のコイル14が配置されるため、このコイル14に励磁電流を供給することにより、ロータ11およびステータ12に、磁束Φ3の通路となる磁気回路を形成できる。この磁束Φ3のループは、ステータ12の磁極面12bとロータ11の端面11bとのエアギャップδ2を横切るものである。つまり、コイル14とロータ11,ステータ12も、電磁石として機能する。
【0035】
さらに、コイル13による磁束Φ2のループの向きと強さは、コイル13を流れる励磁電流の向きと強さに応じて決まる。同様に、コイル14による磁束Φ2のループの向きと強さは、コイル14を流れる励磁電流の向きと強さに応じて決まる。そして、コイル13,14に対する励磁電流は、変位センサ15からの出力信号に基づいて、制御回路16が独立に制御する。
【0036】
変位センサ15は、シャフト10aの一方の端面側に配置され、シャフト10aのスラスト方向(X方向)の変位(初期ギャップからの変位)を検知する。シャフト10aの端面には、センサターゲットが取り付けられている。変位センサ15の出力信号は、センサターゲットとのギャップが初期ギャップに等しいときに零となる。
【0037】
制御回路16(制御手段)は、コイル13,14に対する励磁電流を独立にフィードバック制御する装置である。この制御回路16には、変位センサ15からの出力信号と、シャフト10aのスラスト方向の目標位置信号(Xr)とが入力される。そして、制御回路16は、変位センサ15の出力信号が零となるように、コイル13,14への励磁電流を制御する。つまり、コイル13,14の少なくとも一方に励磁電流を供給する。
【0038】
コイル13のみに励磁電流が供給されると、上記したコイル14による磁束Φ3のループは形成されず、コイル13による磁束Φ2のループが形成される。逆に、コイル14のみに励磁電流が供給されると、コイル13による磁束Φ2のループは形成されず、コイル14による磁束Φ3のループが形成される。
また、コイル13,14の両方に励磁電流が供給されると、磁束Φ2,Φ3の両方のループが形成される。このとき、磁束Φ2のループと磁束Φ3のループとは逆方向となるように形成される(図5の状態)。コイル13,14の両方に励磁電流が供給された場合を例に、シャフト10aをスラスト方向に移動させるための磁気力F(吸引力)について説明する。
【0039】
この磁気力Fは、次の式(1)で表されるように、ロータ11の端面11aとステータ12の磁極面12aとの間のエアギャップδ1に発生する磁気力Fa(吸引力)と、ロータ11の端面11bとステータ12の磁極面12bとの間のエアギャップδ2に発生する磁気力Fb(吸引力)との合成力に相当する。
【0040】
F=Fa+Fb …(1)
さらに、エアギャップδ1に発生する磁気力Faは、次の式(2)で表されるように、エアギャップδ1における磁束、つまり、永久磁石23,24による磁束Φ1とコイル13による磁束Φ2との差(Φ1−Φ2)に相当する磁束の2乗に比例する。Kは定数である。磁束Φ1,Φ2の符号は、図5中の矢印方向を正にしている。
【0041】
Fa=−K(Φ1−Φ2)2 …(2)
同様に、エアギャップδ2に発生する磁気力Fbは、次の式(3)で表されるように、エアギャップδ2における磁束、つまり、永久磁石23,24による磁束Φ1とコイル14による磁束Φ3との和(Φ1+Φ3)に相当する磁束の2乗に比例する。磁束Φ1,Φ3の符号も、図5中の矢印方向を正にしている。
【0042】
Fb=K(Φ1+Φ3)2 …(3)
これらの式(2),(3)から分かるように、エアギャップδ1の磁気力Faと、エアギャップδ2の磁気力Fbとは、逆方向に発生している。したがって、磁気力Fa,Fbの合成力(式(1)の磁気力F)は、式(2),(3)を式(1)に代入することにより次の式(4)で表すことができる。磁気力Fは、2つの磁気力Fa,Fbの大きさの差に相当する。
【0043】
F=K{ 2(Φ1Φ2+Φ1Φ3)+Φ3 2−Φ2 2 } …(4)
つまり、コイル13,14への励磁電流を制御して、コイル13,14による磁束Φ2,Φ3の大きさや方向を変えることにより、式(4)に応じた磁気力Fをシャフト10aのスラスト方向の力として作用させることができる。
特に、コイル13,14への励磁電流の大きさを等しくした場合、磁束Φ2,Φ3の大きさも等しくなるため(Φ2=Φ3)、上記の式(4)は、次の式(5)のようになる。式(5)から分かるように、コイル13,14への励磁電流の方向を逆転させて、磁束Φ2,Φ3の方向を逆転させるだけで、磁気力Fの方向も逆転させることができる。
【0044】
F=4KΦ1Φ2 …(5)
また、コイル13,14の何れか一方に励磁電流を供給した場合、例えばコイル13のみに励磁電流を供給した場合には、既に説明したように、コイル14による磁束Φ3のループは形成されず(Φ3=0)、コイル13による磁束Φ2のループが形成される(Φ2≠0)ため、上記の式(4)は、次の式(6)のようになる。
【0045】
F=K{ 2(Φ1Φ2)−Φ2 2 } …(6)
さらに、通常、永久磁石23,24による磁束Φ1に比較して、コイル13による磁束Φ2が非常に小さいこと(Φ1≫Φ2)を考慮すると、上記の式(6)は、次の式(7)のようになる。式(7)から分かるように、コイル13への励磁電流の方向を逆転させて、磁束Φ2の方向を逆転させるだけで、磁気力Fの方向も逆転させることができる。
【0046】
F=2K(Φ1Φ2) …(7)
そして、コイル14のみに励磁電流を供給する場合も同様であり(Φ3≠0,Φ2=0)、その励磁電流の方向を逆転させて、コイル14による磁束Φ3の方向を逆転させるだけで、磁気力Fの方向を逆転させることができる。
このように、スラスト方向(X方向)の1自由度に関しては、変位センサ15の出力信号が零となるように、コイル13,14への励磁電流を制御することで、シャフト10aの位置が制御され、変位センサ15とシャフト10aのセンサターゲット(不図示)とのギャップが初期ギャップに等しい状態に安定して保持される。つまり、スラスト方向の仮想的なバネの剛性も「正」になる。
【0047】
上記した本実施形態の磁気軸受10では、ラジアル方向(Y方向,Z方向)と傾き方向(β方向,γ方向)とを合わせた4自由度に関しては、ステータ12に設けた永久磁石23,24からの磁束Φ1のループによって、ロータ11の剛性を充分に確保することができる。また、ステータ12とロータ11による磁束Φ1の磁気回路は、エアギャップδ1,δ2以外で連続しているため、磁束Φ1の漏れはほとんどなく、永久磁石23,24からの磁束Φ1を効率良く利用できる。
【0048】
さらに、スラスト方向(X方向)の1自由度に関しては、ステータ12とロータ11との間(円筒状の空間17)に設けたコイル13,14からの磁束Φ2,Φ3のループによって、ロータ11の剛性を充分に確保することができる。
したがって、本実施形態の1自由度制御型の磁気軸受10では、不図示のモータなどによるシャフト10aの回転運動(α方向)を自由にした状態で、シャフト10aの5自由度の荷重を充分な剛性で安定して支持することができる。
【0049】
さらに、本実施形態の1自由度制御型の磁気軸受10は、部品点数が非常に少なく、構造が簡素なため(リング状の永久磁石2個,リング状のコイル2個,変位センサ1個)、小型化および低コスト化が実現する。また、簡単に組み立てることができるため、量産用の小型磁気軸受として有望である。
ここで、本実施形態の磁気軸受10の剛性について測定した結果を説明する。この測定は、図6(a)に示すように、ベース部材10bに設置した2つの測定用センサ31,32を用いて、シャフト10aの理想的な位置からの変位を検知することにより行った。2つの測定用センサ31,32は、共に、磁気軸受10の重心から等距離X0(例えば23.5mm)の地点に設置されている。
【0050】
そして、測定用センサ31の出力(変位y1)と測定用センサ32の出力(変位y2)とに基づいて、図6(b)に示す平均値ySUM(=(y1+y2)/2)と、差分値ydiff(=(y2−y1)/2)とを求めた。このうち、平均値ySUMは、シャフト10aの重心のラジアル方向の並進ずれを表し、差分値ydiffは、シャフト10aの傾きを表している。なお、上記した変位センサ15による測定も同時に行う。
【0051】
シャフト10aにα方向の回転トルクを与えない状態で、スラスト方向の制御(制御回路16からコイル13,14への励磁電流のフィードバック制御)を開始すると、シャフト10aのスラスト方向の変位Xと並進ずれ(平均値ySUM)と傾き(差分値ydiff)は、各々、図7(a)〜(c)に示すようになる。横軸は時間tであり、その基準(t=0)はスラスト方向の制御を開始した時刻に相当する。
【0052】
図7(a)〜(c)に示すように、シャフト10aのスラスト方向の変位Xと並進ずれ(平均値ySUM)と傾き(差分値ydiff)は、何れも、時間tの経過と共に一定値に収束していく。そして定常状態では、図8(a)〜(c)に示すように、変位Xと並進ずれ(平均値ySUM)と傾き(差分値ydiff)が何れも、±0.1μmの範囲内に安定化される。
【0053】
また、シャフト10aに対して外乱を加えたときの並進ずれ(平均値ySUM)と傾き(差分値ydiff)は、図9(a),(b)に示すように変化する。つまり、振動しつつ減衰していく。この振動減衰性のうち、0.30≦t≦0.35の範囲を拡大した図9(c)から分かるように、シャフト10aの並進ずれ(平均値ySUM)の固有振動数は205Hzであり、傾き(差分値ydiff)の固有振動数は114Hzである。
【0054】
したがって、シャフト10aの並進ずれ(平均値ySUM)の固有振動数205Hzと、シャフト10aの質量11.5×10-3Kgとに基づいて、シャフト10aのラジアル方向の並進剛性を計算すると、1.91×104N/mとなる。
また、シャフト10aの傾き(差分値ydiff)の固有振動数114Hzと、シャフト10aの慣性モーメント1.96×10-6Kgm2とに基づいて、シャフト10aの傾き方向の回転剛性を計算すると、1.00Nm/radとなる。
【0055】
これらの測定結果から、本実施形態の磁気軸受10では、シャフト10aにα方向の回転トルクを与えない状態のときに、シャフト10aのラジアル方向と傾き方向との4自由度において、充分な剛性を確保できることが分かる。したがって、シャフト10aにα方向の回転トルクを与えた使用状態でも、ラジアル方向と傾き方向との4自由度において、充分な剛性を確保できる。
【0056】
さらに、シャフト10aにα方向の回転トルクを与えて6000rpmで回転させ、その回転トルクの供給を停止した後、シャフト10aの回転が自然に止まるまでの時間を測定した。図10から分かるように、シャフト10aの回転速度(Rotor speed)は、時間と共に徐々に遅くなり、300sec以上の時間経過の後に停止する。この結果から、本実施形態の磁気軸受10は非常に低損失な磁気軸受であると分かる。
【0057】
なお、上記した実施形態では、ロータ11の端面11a,11bの幅Δ1とステータ12の磁極面12a,12bの幅Δ2が共に1mmである例を説明したが、本発明はこれに限定されない。
また、上記した実施形態では、ロータ11の端面11a,11bとステータ12の磁極面12a,12bが共に1重のリング状である例を説明したが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、図11に示すように、端面11aと磁極面12aの各々にリング状の溝部35を設け、この溝部35によって2つの領域に分割してもよい(請求項4)。図11の場合には、端面11aと磁極面12aが共に2重のリング状となる。端面11bと磁極面12bについても同様である。
【0058】
溝部35の数は1つに限らず、2つ以上設けてもよい。端面11a,11bと磁極面12a,12bに1つ以上の溝部35を設け、端面11a,11bと磁極面12a,12bを複数の領域(リング状)に分割することにより、磁気軸受10の5自由度の剛性をさらに高めることができる。
また、上記した実施形態では、ステータ12にリング状の永久磁石を2つ設けたが、このリング状の永久磁石は1つでもよい。この場合、1つの永久磁石は、ステータ12のスラスト方向の中央付近に設けることが好ましい。
【0059】
さらに、上記した実施形態では、ステータ12の永久磁石(1つ以上)によって磁極面12a,12bの間に定常的な磁場を発生したが、永久磁石に代えて電磁石を設け、電磁石によって定常的に磁場を発生するように構成してもよい。この場合、電磁石には一定の励磁電流を供給するだけなので、システムが複雑化することはない。
【0060】
また、上記した実施形態では、スラスト方向の制御用として変位センサ15を設けたが、変位センサ15を省略することもできる。この場合には、コイル13,14に発生する逆起電圧に基づいてシャフト10aの変位を推定することにより、同様の制御が可能となる。
さらに、上記した実施形態では、磁気軸受10を単体で使用する例を説明したが、図12に示すように、磁気軸受10と空気動圧軸受36とを組み合わせることもできる(請求項4の軸受装置)。この場合、空気動圧軸受36は、磁気軸受10のステータ12の内面のうち、コイル13,14の間に取り付けることが好ましい。
【0061】
磁気軸受10と空気動圧軸受36とを組み合わせた軸受装置によれば、シャフト10aにα方向の回転トルクを与えない状態のときに、シャフト10aの荷重を磁気軸受10によって支持し、その後、シャフト10aが回転を開始すると、その荷重を空気動圧軸受36によって支持することができる。
空気動圧軸受36は、シャフト10aの回転で生じた空気流の剛性により、シャフト10aの荷重を支持する軸受である。空気動圧軸受36とロータ11との隙間は、数μm〜10μm程度である。
【0062】
したがって、磁気軸受10と空気動圧軸受36とを組み合わせた軸受装置によれば、シャフト10aの回転開始・停止時の接触を防止できる(磁気軸受10)と共に、シャフト10aの回転精度を高精度に保つこともできる(空気動圧軸受36)。また、接触を防止できるため、表面状態を高精度に保つこともできる。このような軸受装置(磁気軸受10+空気動圧軸受36)は、例えばレーザプリンタのミラーを回転させる軸受や、ハードディスクドライブ(HDD)などの軸受に用いることが好適である。
【0063】
なお、磁気軸受10のステータ12の内面のうち、コイル13,14の間には、空気動圧軸受36だけでなく、シャフト10aに回転トルクを与えるためのモータを組み込むこともできる。
【0064】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、構造の簡素化が図られ、かつ、軸部材の回転方向を除く5自由度において充分な剛性を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】磁気軸受10の全体構成図である。
【図2】ロータ11とステータ12の構成を示す図である。
【図3】永久磁石23,24による磁束Φ1のループを説明する図である。
【図4】磁束Φ1のループによる復元力F1と復元トルクF2を説明する図である。
【図5】コイル13,14による磁束Φ2,Φ3のループを説明する図である。
【図6】磁気軸受10の剛性を測定する際の構成を示す図である。
【図7】シャフト10aの変位Xと並進ずれ(平均値ySUM)と傾き(差分値ydiff)の時間変化を示す測定結果である。
【図8】定常状態におけるシャフト10aの変位Xと並進ずれ(平均値ySUM)と傾き(差分値ydiff)を示す測定結果である。
【図9】シャフト10aに対して外乱を加えたときの並進ずれ(平均値ySUM)と傾き(差分値ydiff)を示す測定結果である。
【図10】シャフト10aの回転速度(Rotor speed)の時間変化を示す測定結果である。
【図11】ロータの端面11aとステータの磁極面12aとに溝部を設けた構成を示す図である。
【図12】磁気軸受10と空気動圧軸受36を組み合わせた軸受装置の構成図である。
【図13】軸部材(シャフト)の自由度を説明する図である。
【符号の説明】
10 磁気軸受
10a シャフト
11 ロータ
12 ステータ
13,14 コイル
15 変位センサ
16 制御回路
23,24 永久磁石[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic bearing that supports a load of a shaft member in a non-contact manner by a magnetic force and a bearing device including the same, and more particularly to a rotary magnetic bearing and a bearing device including the same.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a 5-degree-of-freedom control type magnetic bearing using an electromagnet is known. As shown in FIG. 13, the five degrees of freedom means one degree of freedom in the thrust direction (X direction), two degrees of freedom in the radial direction (Y direction, Z direction), and an inclination direction centered on the radial direction ( 2 directions of freedom (β direction, γ direction), and the rotational direction (α direction) around the thrust direction is excluded.
[0003]
In a five-degree-of-freedom control type magnetic bearing, two electromagnets are provided for each degree of freedom, and are arranged opposite to each other with a shaft member to be supported interposed therebetween. For this reason, the total number of electromagnets is 10. For each degree of freedom, the excitation current for the two electromagnets is independently controlled to generate a desired magnetic force between the two electromagnets, thereby positioning the shaft member. According to the five-degree-of-freedom control type magnetic bearing, a stable system can be constructed.
[0004]
However, the 5-degree-of-freedom control type magnetic bearing requires 10 electromagnets as described above, and further requires 5 sensors to detect the displacement of the shaft member with 5 degrees of freedom, In addition, a controller that independently controls each set of two electromagnets with five degrees of freedom based on the output of each sensor is also required, which complicates and enlarges the entire system.
[0005]
Therefore, several one-degree-of-freedom control type magnetic bearings have been proposed. The one-degree-of-freedom control type magnetic bearing controls only one degree of freedom in the thrust direction (X direction) out of the five degrees of freedom described above, and the other four directions in the Y direction, Z direction, β direction, and γ direction. The degree is supported by the repulsive force (or attractive force) between the permanent magnets. The one-degree-of-freedom control type magnetic bearing has an advantage that the number of electromagnets and the number of sensors can be reduced as compared with the five-degree-of-freedom control type.
[0006]
For example, “Kuji Shimizu, Osamu Taniguchi; Principles and Applications of Magnetic Bearings, Research on Machines, 22, 12 (1970), 8-14” describes a configuration example using the repulsive force between permanent magnets. ing. In addition, `` O.Horikawa, IDSilva; The Magnetic Bearing for Precision Applications, Proceedings for 1st international conference and general meeting of the european society for precision engineering and nanotechnology, vol. 1 (1999), 163-166 '' A configuration example using the attractive force between magnets is described.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the one-degree-of-freedom control type magnetic bearing using the repulsive force between the permanent magnets described above, leakage of the magnetic flux from the permanent magnet is large, and the Y direction, Z direction, β direction, other than the thrust direction (X direction), The bearing rigidity in the γ direction was not sufficient.
In addition, the above-described single-degree-of-freedom control type magnetic bearing using the attractive force between the permanent magnets requires a large number (six) of permanent magnets, which complicates the structure and causes magnetic flux leakage from the permanent magnets. The bearing stiffness in the Y direction, Z direction, β direction, and γ direction was not sufficient. Furthermore, there has been a problem that the size of the control electromagnet in the thrust direction has to be increased.
[0008]
An object of the present invention is to provide a one-degree-of-freedom control type magnetic bearing that can be simplified in structure and can secure sufficient rigidity in five degrees of freedom excluding the rotation direction of the shaft member, and a bearing device including the same. It is to provide.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The magnetic bearing according to
[0010]
According to a second aspect of the present invention, in the magnetic bearing according to the first aspect, the stator memberThe first magnetic pole surface of the rotor member and the one end surface of the rotor member have the same shape and surface area of the ring-shaped protrusion, and the second magnetic pole surface of the stator member and the rotor member The shape and surface area of the ring-shaped protrusion are the same as the other end surface.Is a thing.
[0011]
Claim3The invention described in claim1 or claim 2In the magnetic bearing according to
[0012]
Claim4The bearing device according to
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0014]
An embodiment of the present invention is claimed in claim 1.,This corresponds to claim 3.
The magnetic bearing 10 of the present embodiment is a bearing that supports the load of the shaft 10a shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b) in a non-contact manner by a magnetic force, with the thrust direction (X direction) of the shaft 10a as the center. This is a bearing in which the rigidity in the direction of five degrees of freedom excluding the rotation direction (α direction) is positive.
[0015]
The five degrees of freedom include one degree of freedom in the thrust direction (X direction), two degrees of freedom in the radial direction (Y direction, Z direction), and two degrees of freedom in the tilt direction (β direction, γ direction). Is. The thrust direction corresponds to the axial direction of the shaft 10a, the radial direction corresponds to the direction perpendicular to the axial direction, and the tilt direction corresponds to the direction of minute rotation around the radial direction.
[0016]
Further, the magnetic bearing 10 of the present embodiment is a one-degree-of-freedom control type magnetic bearing, and only one degree of freedom in the thrust direction (X direction) is controlled among the five degrees of freedom described above. That is, only the thrust direction (X direction) is an active type, and the four degrees of freedom in other radial directions (Y direction, Z direction) and tilt directions (β direction, γ direction) are passive types.
[0017]
In addition, a motor (not shown) or the like is attached to the shaft 10a (shaft member) to be supported by the magnetic bearing 10 in order to apply a rotational torque in the α direction to the shaft 10a. Diameter of shaft 10a1Is, for example, 3 mm. FIG. 1A is a schematic diagram showing the overall configuration of the magnetic bearing 10, and FIG. 1B is a cross-sectional view showing the component configuration around the shaft 10a.
[0018]
Next, the magnetic bearing 10 of this embodiment will be specifically described. As shown in FIGS. 1A and 1B, the
The rotor 11 (rotor member) is a cylindrical magnetic member attached to the side surface of the shaft 10a. Further, as shown in FIG. 2 (a), the
[0019]
Diameter φ of outer periphery of both end faces 11a and 11b2Is the same as the diameter of the rotor 11 (for example, 8 mm), and the inner diameter φThreeIs the outer diameter φ2Smaller diameter 10a of shaft 10a1Larger (eg 6 mm). That is, both end faces 11a and 11b have a width Δ1Is, for example, a 1 mm ring. Further, the height H of both end faces 11a, 11b1Is, for example, 1 mm. Distance D between both end faces 11a and 11b1Is, for example, 24 mm.
[0020]
As shown in FIGS. 1A and 1B, the stator 12 (stator member) is a cylindrical magnetic member that encloses the
Further, the
[0021]
Diameter φ of the outer circumference of the pole faces 12a, 12bFourIs the diameter φ of the outer periphery of the end faces 11a, 11b.2Is the same (for example, 8 mm), and the inner diameter φ of the pole faces 12a and 12bFiveIs the diameter φ of the inner periphery of the end faces 11a, 11b.Three(For example, 6 mm). That is, the pole faces 12a and 12b have the same shape and area as the end faces 11a and 11b, and the width Δ2Has a ring shape of 1 mm, for example. Height H of the pole faces 12a, 12b2Is, for example, 1 mm.
[0022]
Further, the distance D between the magnetic pole faces 12a and 12b2Is, for example, 24.2 mm. Therefore, the distance D between the magnetic pole surfaces 12a and 12b2And the distance D between the end faces 11a and 11b described above1Difference from (D2-D1) Is 0.2 mm. This difference (D2-D1) Is an air gap δ between one
[0023]
Moreover, the cylindrical trunk | drum part (components 23-25 mentioned later) which opposes the
[0024]
Next, the component configuration of the
[0025]
The outer diameters of these parts (21 to 25) are all the outer diameter φ of the
[0026]
In these five parts (21 to 25), a
[0027]
In the
Therefore, when the
[0028]
Further, the magnetic circuit by the
Further, the magnetic flux Φ from the
[0029]
Here, the sign of the virtual spring stiffness is “positive” with respect to the four degrees of freedom of the radial direction (Y direction, Z direction) and the tilt direction (β direction, γ direction). That is, when the
[0030]
In any case, the
As a result, the
[0031]
On the other hand, with respect to one degree of freedom in the thrust direction (X direction), the magnetic flux Φ from the
[0032]
One ring-shaped coil 13 (first coil member) is attached to the inner surface of the
[0033]
The ring-shaped
In this way, the ring-shaped
[0034]
In addition, since the ring-shaped
[0035]
Furthermore, the magnetic flux Φ by the
[0036]
The displacement sensor 15 is disposed on one end face side of the shaft 10a, and detects displacement (displacement from the initial gap) in the thrust direction (X direction) of the shaft 10a. A sensor target is attached to the end surface of the shaft 10a. The output signal of the displacement sensor 15 becomes zero when the gap with the sensor target is equal to the initial gap.
[0037]
The control circuit 16 (control means) is a device that independently controls feedback of the excitation current for the
[0038]
When an excitation current is supplied only to the
Further, when an exciting current is supplied to both the
[0039]
This magnetic force F is expressed by the following equation (1), and the air gap δ between the end surface 11a of the
[0040]
F = Fa + Fb (1)
Furthermore, the air gap δ1The magnetic force Fa generated in the air gap δ is expressed by the following equation (2).1, That is, the magnetic flux Φ by the
[0041]
Fa = −K (Φ1−Φ2)2 ... (2)
Similarly, the air gap δ2The magnetic force Fb generated in the air gap δ is expressed by the following equation (3).2, That is, the magnetic flux Φ by the
[0042]
Fb = K (Φ1+ ΦThree)2 ... (3)
As can be seen from these equations (2) and (3), the air gap δ1Magnetic force Fa and air gap δ2The magnetic force Fb is generated in the opposite direction. Therefore, the combined force of the magnetic forces Fa and Fb (magnetic force F of the equation (1)) can be expressed by the following equation (4) by substituting the equations (2) and (3) into the equation (1). it can. The magnetic force F corresponds to the difference in magnitude between the two magnetic forces Fa and Fb.
[0043]
F = K {2 (Φ1Φ2+ Φ1ΦThree) + ΦThree 2−Φ2 2 } (4)
That is, the magnetic flux Φ by the
In particular, when the magnitudes of the excitation currents to the
[0044]
F = 4KΦ1Φ2 ... (5)
Further, when an excitation current is supplied to one of the
[0045]
F = K {2 (Φ1Φ2) −Φ2 2 } ... (6)
Further, normally, the magnetic flux Φ by the
[0046]
F = 2K (Φ1Φ2... (7)
The same applies to the case where the exciting current is supplied only to the coil 14 (ΦThree≠ 0, Φ2= 0), the direction of the excitation current is reversed, and the magnetic flux Φ by the
Thus, with respect to one degree of freedom in the thrust direction (X direction), the position of the shaft 10a is controlled by controlling the excitation current to the
[0047]
In the
[0048]
Furthermore, regarding one degree of freedom in the thrust direction (X direction), the magnetic flux Φ from the
Therefore, in the one-degree-of-freedom control type
[0049]
Further, the one-degree-of-freedom control type
Here, the result measured about the rigidity of the
[0050]
Then, the output of the measurement sensor 31 (displacement y1) And the output (displacement y) of the
[0051]
When control in the thrust direction (feedback control of excitation current from the
[0052]
As shown in FIGS. 7A to 7C, the shaft 10a has a displacement X in the thrust direction and a translational deviation (average value y).SUM) And slope (difference value ydiff) Converges to a constant value as time t passes. In the steady state, as shown in FIGS. 8A to 8C, the displacement X and the translational deviation (average value y)SUM) And slope (difference value ydiff) Are stabilized within a range of ± 0.1 μm.
[0053]
Further, the translational deviation (average value y) when a disturbance is applied to the shaft 10a.SUM) And slope (difference value ydiff) Changes as shown in FIGS. 9 (a) and 9 (b). That is, it attenuates while vibrating. As can be seen from FIG. 9C in which the range of 0.30 ≦ t ≦ 0.35 is expanded, the translational deviation of the shaft 10a (average value ySUM) Has a natural frequency of 205 Hz and a slope (difference value ydiff) Has a natural frequency of 114 Hz.
[0054]
Therefore, the translational deviation of the shaft 10a (average value ySUM) Natural frequency of 205 Hz and the mass of the shaft 10a of 11.5 × 10-3Based on Kg, the radial translational rigidity of the shaft 10a is calculated to be 1.91 × 10FourN / m.
Further, the inclination of the shaft 10a (difference value ydiff) Natural frequency of 114 Hz and a moment of inertia of the shaft 10a of 1.96 × 10-6Kgm2Based on the above, the rotational rigidity in the tilt direction of the shaft 10a is calculated to be 1.00 Nm / rad.
[0055]
From these measurement results, the
[0056]
Furthermore, the rotational torque in the α direction was applied to the shaft 10a and rotated at 6000 rpm, and after the supply of the rotational torque was stopped, the time until the rotation of the shaft 10a naturally stopped was measured. As can be seen from FIG. 10, the rotational speed of the shaft 10a gradually decreases with time, and stops after a lapse of 300 seconds or more. From this result, it can be seen that the
[0057]
In the above-described embodiment, the width Δ of the end faces 11a and 11b of the
In the above-described embodiment, the example in which both the end surfaces 11a and 11b of the
[0058]
The number of the
Further, in the above-described embodiment, two ring-shaped permanent magnets are provided on the
[0059]
Further, in the above-described embodiment, a stationary magnetic field is generated between the magnetic pole faces 12a and 12b by the permanent magnet (one or more) of the
[0060]
In the above-described embodiment, the displacement sensor 15 is provided for controlling the thrust direction. However, the displacement sensor 15 can be omitted. In this case, the same control can be performed by estimating the displacement of the shaft 10a based on the back electromotive voltage generated in the
Furthermore, in the above-described embodiment, the example in which the
[0061]
According to the bearing device in which the
The air dynamic pressure bearing 36 is a bearing that supports the load of the shaft 10a by the rigidity of the air flow generated by the rotation of the shaft 10a. The gap between the air dynamic pressure bearing 36 and the
[0062]
Therefore, according to the bearing device in which the
[0063]
In addition, not only the air dynamic pressure bearing 36 but also a motor for giving a rotational torque to the shaft 10 a can be incorporated between the
[0064]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the structure can be simplified, and sufficient rigidity can be secured in five degrees of freedom excluding the rotation direction of the shaft member.
[Brief description of the drawings]
1 is an overall configuration diagram of a
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a
FIG. 3 shows magnetic flux Φ by
[Fig.4] Magnetic flux Φ1Restoring force F by loop1And restoring torque F2FIG.
FIG. 5 shows magnetic flux Φ by
6 is a diagram showing a configuration when measuring the rigidity of the
FIG. 7 shows displacement X and translational deviation (average value y) of shaft 10a.SUM) And slope (difference value ydiff) Is a measurement result showing a time change.
FIG. 8 shows displacement X and translational deviation (average value y) of shaft 10a in a steady state.SUM) And slope (difference value ydiff).
FIG. 9 shows a translational deviation (average value y) when a disturbance is applied to the shaft 10a.SUM) And slope (difference value ydiff).
FIG. 10 is a measurement result showing a change over time in the rotational speed of the shaft 10a.
FIG. 11 is a view showing a configuration in which a groove portion is provided in an end surface 11a of a rotor and a
12 is a configuration diagram of a bearing device in which the
FIG. 13 is a diagram illustrating the degree of freedom of the shaft member (shaft).
[Explanation of symbols]
10 Magnetic bearing
10a shaft
11 Rotor
12 Stator
13, 14 coil
15 Displacement sensor
16 Control circuit
23, 24 Permanent magnet
Claims (4)
前記ロータ部材を内包すると共に前記軸部材の両端部を突出させる円筒状の磁性材料からなり、前記ロータ部材の一方の端面の前記リング状の突縁部に対向配置される内側に向かうリング状の突縁部からなる第1磁極面を有すると共に、前記ロータ部材の他方の端面の前記リング状の突縁部に対向配置される内側に向かうリング状の突縁部からなる第2磁極面を有し、前記第1磁極面と前記第2磁極面との間に定常的な磁場を発生するステータ部材と、
前記ロータ部材の一方の端面の前記リング状の突縁部と前記ステータ部材の前記第1磁極面との対向部を跨ぐように、前記ステータ部材の前記第1磁極面側の内面において、前記第1磁極面の周方向に沿って巻かれて配置された導線からなり、前記ロータ部材の一方の端面の前記リング状の突縁部と前記第1磁極面との間に磁気回路を形成するリング状の第1コイル部材と、
前記ロータ部材の他方の端面の前記リング状の突縁部と前記ステータ部材の前記第2磁極面との対向部を跨ぐように、前記ステータ部材の前記第2磁極面側の内面において、前記第2磁極面の周方向に沿って巻かれて配置された導線からなり、前記ロータ部材の他方の端面の前記リング状の突縁部と前記第2磁極面との間に、前記第1コイル部材による磁気回路の磁束のループの向きと逆向きの磁束のループを生成する磁気回路を形成するリング状の第2コイル部材と、
前記ステータ部材に組み込まれ、前記第1磁極面と前記第2磁極面との間に定常的な磁場を発生させる少なくとも1つのリング状の永久磁石と、
前記軸部材の一方の端面側に配置され、前記軸部材のスラスト方向の変位を検知する変位センサと、
前記変位センサからの出力信号と、前記軸部材のスラスト方向の目標位置信号とが入力され、前記変位センサの出力信号と前記スラスト方向の目標位置信号とに基づいて励磁電流を決定し、前記第1コイル部材と前記第2コイル部材との少なくとも一方に励磁電流を供給して、前記ロータ部材のスラスト方向の位置を制御する制御手段とを備えた
ことを特徴とする磁気軸受。A rotor member formed of a cylindrical magnetic material attached to the side surface of the shaft member in the axial direction, and formed by forming each of both end faces of the magnetic material into ring-shaped projecting edges toward the outside ;
It is made of a cylindrical magnetic material that encloses the rotor member and projects both end portions of the shaft member, and is an inwardly ring-shaped member that is disposed opposite to the ring-shaped projecting edge portion of one end surface of the rotor member . A first magnetic pole surface comprising a projecting edge portion, and a second magnetic pole surface comprising an inward ring-shaped projecting edge portion opposed to the ring-shaped projecting edge portion of the other end surface of the rotor member. A stator member that generates a stationary magnetic field between the first magnetic pole surface and the second magnetic pole surface;
So as to straddle the portion facing the first pole face of the ring-shaped projecting edge portion and the stator member of one end face of said rotor member, Oite the inner surface of the first magnetic pole surface of the stator member, Ri Do from conductors which are arranged wound along the circumferential direction of the first magnetic pole surface, the magnetic circuit between the ring-shaped projecting edge portion and the first magnetic pole surface of the one end face of said rotor member A ring-shaped first coil member to be formed;
So as to straddle the portion facing the second magnetic pole surface of the stator member and the ring-shaped projecting edge portion of the other end face of said rotor member, Oite the inner surface of the second magnetic pole surface of the stator member, Ri Do from conductors which are arranged wound along the circumferential direction of the second magnetic pole surface, between the ring-shaped projecting edge portion and the second magnetic pole surface of the other end surface of said rotor member, said first A ring-shaped second coil member that forms a magnetic circuit that generates a magnetic flux loop in a direction opposite to the direction of the magnetic flux loop of the magnetic circuit by one coil member;
At least one ring-shaped permanent magnet incorporated in the stator member and generating a stationary magnetic field between the first magnetic pole surface and the second magnetic pole surface;
A displacement sensor that is disposed on one end face side of the shaft member and detects a displacement of the shaft member in a thrust direction;
An output signal from the displacement sensor and a target position signal in the thrust direction of the shaft member are input, an excitation current is determined based on the output signal of the displacement sensor and the target position signal in the thrust direction, and the first A magnetic bearing comprising: control means for supplying an exciting current to at least one of the one coil member and the second coil member to control the position of the rotor member in the thrust direction.
前記ステータ部材の前記第1磁極面と前記ロータ部材の前記一方の端面とは、前記リング状の突縁部の形状および表面積が互いに同じにしてあり、
前記ステータ部材の前記第2磁極面と前記ロータ部材の前記他方の端面とは、前記リング状の突縁部の形状および表面積が互いに同じにしてある
ことを特徴とする磁気軸受。The magnetic bearing according to claim 1,
The first magnetic pole surface of the stator member and the one end surface of the rotor member have the same shape and surface area of the ring-shaped protruding edge, and
The magnetic bearing according to claim 1, wherein the second magnetic pole surface of the stator member and the other end surface of the rotor member have the same shape and surface area of the ring-shaped protrusion .
前記ステータ部材の前記第1磁極面と前記ロータ部材の前記一方の端面とは、前記リング状の突縁部がリング状の溝部によって複数の領域に分割され、
前記ステータ部材の前記第2磁極面と前記ロータ部材の前記他方の端面とは、前記リング状の突縁部がリング状の溝部によって複数の領域に分割されている
ことを特徴とする磁気軸受。The magnetic bearing according to claim 1 or 2,
The first magnetic pole surface of the stator member and the one end surface of the rotor member are divided into a plurality of regions by the ring-shaped protruding edge portion by a ring-shaped groove portion,
The magnetic bearing , wherein the second magnetic pole surface of the stator member and the other end surface of the rotor member are divided into a plurality of regions by a ring-shaped protruding edge portion by a ring-shaped groove portion .
前記ステータ部材の前記第1コイル部材と前記第2コイル部材との間の内面に、前記磁気軸受との間に隙間をおいて取り付けられた空気動圧軸受とを備えた
ことを特徴とする軸受装置。The magnetic bearing according to any one of claims 1 to 4 ,
A bearing comprising: an air dynamic pressure bearing attached to an inner surface of the stator member between the first coil member and the second coil member with a gap between the stator and the magnetic bearing. Equipment .
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