JP4513458B2

JP4513458B2 - 磁気軸受装置及びそれを備えるフライホイールエネルギ貯蔵装置

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Publication number: JP4513458B2
Application number: JP2004231469A
Authority: JP
Inventors: 浩徳亀野; ステファンゲヒター
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2004-08-06
Filing date: 2004-08-06
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2024-08-06
Also published as: JP2006046600A

Description

本発明は、磁気軸受装置、特に複数組の磁気軸受で、回転体の中心軸方向（アキシアル方向）及び中心軸のラジアル方向に回転体を非接触支持して磁気浮上させる磁気軸受装置及びそれを備えるフライホイールエネルギ貯蔵装置に関する。

この種の磁気軸受装置として、フライホイールを備える回転体を、回転体の中心軸方向（以下、アキシアル方向）及び該中心軸のラジアル方向に非接触支持する複数の電磁石を有する複数の磁気軸受、回転体のアキシアル方向及びラジアル方向の位置を検出して位置検出信号を出力する位置検出装置、位置検出信号に基づいて磁気軸受の電磁石を制御する電磁石制御装置、ならびに回転体のアキシアル方向及びラジアル方向の可動範囲を機械的に規制する機械的規制手段としての保護軸受（タッチダウン軸受）を備えているものが知られている。

各磁気軸受は、回転体をアキシアル方向及びラジアル方向の両側から挟むよう配置した１対の電磁石を１組あるいは２組備えている。位置検出装置は複数の位置センサを備えている。例えば、アキシアル方向では、回転体の位置を検出する端面にアキシアル方向にて対向する１個のアキシアル位置センサを備えており、ラジアル方向では、回転体を互いに直交する２つの方向の両側から挟むよう配置してある複数対のラジアル位置センサを備えている。電磁石制御装置は、浮上基準位置信号を出力する浮上基準位置信号出力手段、浮上位置基準信号及び位置検出信号に基づいて電磁石制御信号を出力する電磁石制御信号出力手段、ならびに電磁石制御信号に基づいて電磁石を駆動する電磁石駆動手段を備えている。

電磁石制御信号出力手段は、１対の電磁石に対する励磁電流信号を出力し、電磁石駆動手段は、該１対の電磁石に対して、励磁電流信号に比例する励磁電流を供給する。一般的な磁気軸受では、動作の制御を簡単にすべく、電流と磁気力との関係を線形化する方式（バイアス制御方式）を採用する。バイアス制御方式では、各電磁石に対する励磁電流信号は、定常電流信号と制御電流信号を合わせたものであり、各電磁石に供給する励磁電流は、定常電流と制御電流とを合わせたものである。定常電流値（定常電流信号値）は、回転体のアキシアル方向及びラジアル方向の位置にかかわらず一定値が供給される。そのため、バイアス制御方式を採用した磁気軸受をフライホイールエネルギ貯蔵装置に搭載した場合、定常電流に起因した消費電力及び回転損失が増大するという問題があった。

一方、制御電流値（制御電流信号値）は、回転体のアキシアル方向及びラジアル方向の位置によって変化し、アキシアル方向及びラジアル方向の１対の電磁石について、制御電流値（制御電流信号値）の絶対値は互いに等しく、その符号は互いに逆である。

ここで、定常電流に起因した消費電力及び回転損失が増大するという問題を解決するため、ラジアル磁気軸受についてはゼロバイアス方式を採用している。ゼロバイアス方式では、定常電流を供給せず、一対の電磁石について回転体が遠のいた場合にのみ制御電流を供給する。その結果、消費電力及び回転損失を大幅に低減することが可能となる。

ただし、電流と磁気力との関係は常に非線形となっている。アキシアル磁気軸受については、永久磁石バイアス方式等を採用することにより、消費電力を低減することが必要となる。

上記のような磁気軸受装置には、保護軸受による可動範囲に対するアキシアル方向及びラジアル方向の機械的中心位置と、磁気軸受の電磁石の位置に対するアキシアル方向及びラジアル方向の磁気的中心位置と、位置センサの位置に対する対センサ中心位置とがある。機械的中心位置は、保護軸受により規制される可動範囲の中心の位置である。アキシアル方向及びラジアル方向の磁気的中心位置は、アキシアル方向及びラジアル方向に対をなす２個の電磁石の中心の位置である。アキシアル方向の対センサ中心位置は、回転体の位置を検出する端面とアキシアル位置センサとの距離があらかじめ設定された所定値になる基準位置である。また、ラジアル方向の対センサ中心位置は、ラジアル方向に対をなす２個のラジアル位置センサの中心の位置である。磁気軸受装置は、機械的中心位置、磁気的中心位置および対センサ中心位置が全て一致するように設計される。実際には、製作誤差や組立誤差のために上記３つの中心位置の間に誤差が生じることがあるが、一般に、この誤差は小さい。

通常の磁気軸受装置では、回転体が対センサ中心位置に保持されるように、すなわち回転体の中心が対センサ中心位置に一致するように、磁気軸受の電磁石を制御する。このため、回転体は、略磁気的中心位置に保持される。あるいは、回転体は、磁気的中心位置に保持される。このように回転体が磁気的中心位置あるいは略磁気的中心位置に保持される場合、１対の電磁石と回転体との空隙（エアギャップ）の大きさは互いに略同一となる。

また、上述した磁気軸受装置を自動車等の車両に搭載し、磁気軸受装置内に取り付けたモータ発電機を、通常時はフライホイールを備えた回転体を回転させるモータとして機能させ、停電時等の非常時には発電機として機能させることで、バッテリーを用いないフライホイールエネルギ貯蔵装置を実現することができる。特に自動車等の車両に搭載する場合、バッテリー交換等のメンテナンスが不要となる（特許文献１，２参照）。
特開２００２−１５７９８号公報特開平１０−１５９７０７号公報

上述した構成の磁気軸受装置では、電磁石の磁気吸引力以外に、ジャイロモーメントに起因する外力がラジアル方向に作用することがある。例えば、ゼロバイアス制御方式のラジアル磁気軸受を含む磁気軸受装置を自動車等の車両のフライホイールエネルギ貯蔵装置として搭載した場合、車両の右左折、坂道の上り下り等を行う場合にフライホイール回転体にジャイロモーメントが生じ、それに起因する外力がラジアル方向に作用する。斯かる場合、外力に抗して回転体を磁気的中心位置近傍に支持するためには、一方の電磁石に大きな制御電流を供給する必要があり、消費電力及び回転損失が増大するおそれがある。場合によっては、負荷容量が不足して、回転体を磁気的中心位置近傍に保持できないおそれもある。

本発明は、上述した問題点を鑑みてなされたものであり、ゼロバイアス制御方式のラジアル磁気軸受において、電磁石に供給する制御電流を大きくすることなく、電磁石による負荷容量を大きくすることができる磁気軸受装置及びそれを備えるフライホイールエネルギ貯蔵装置を提供することを目的とする。

本発明に係る磁気軸受装置は、フライホイールを備える回転体が中心軸を鉛直方向に向けるように配設され、該回転体を中心軸のラジアル方向の両側から挟むように配置された複数組の電磁石が該回転体の中心軸方向に間隔をおいて設けられ、該複数組の電磁石のみの磁力により、前記回転体を前記ラジアル方向に非接触支持して、磁気浮上するよう構成してある磁気軸受装置において、前記ラジアル方向で、前記複数組の電磁石に対する前記回転体の位置を検出して位置検出信号を出力する位置検出手段と、該位置検出手段が出力した位置検出信号に基づいて、前記複数組の電磁石の各組で前記回転体の浮上位置が各組の一対の電磁石の磁気的中心位置より遠くなる側の電磁石のみを駆動する電磁石制御信号を出力する電磁石制御信号出力手段と、該電磁石制御信号出力手段が出力した前記電磁石制御信号に基づいて前記電磁石を駆動する電磁石駆動手段とを備え、前記電磁石制御信号出力手段は、前記回転体に前記ラジアル方向の外力が作用しない場合には前記電磁石制御信号を出力せず、前記回転体に前記ラジアル方向の外力が作用した場合、該外力に抗する電磁石による吸引力を作用させるために前記回転体の浮上位置を前記各組の一対の電磁石の磁気的中心位置から前記外力の作用方向の反対側へ移動させる前記電磁石制御信号を出力することを特徴とする。

本発明に係る磁気軸受装置では、ゼロバイアス制御方式のラジアル磁気軸受を含み、中心軸が鉛直方向に向いた回転体を中心軸のラジアル方向に非接触支持して磁気浮上させるために複数のラジアル方向の両側から挟むように配置され、中心軸方向に間隔をおいて複数組設けられた各組の一対の電磁石において、ラジアル方向に外力が作用しない場合、電磁石を駆動する制御電流はほとんどゼロである。それに対して、ジャイロモーメント等に起因するラジアル方向の外力が回転体に作用した場合、該外力に抗する電磁石（即ち上記各組の一対の電磁石のうち回転体の浮上位置が一対の電磁石の磁気的中心位置より遠くなる側の電磁石のみ）による吸引力を作用させるために回転体の浮上位置を上記一対の電磁石の磁気的中心位置から前記外力の作用方向の反対側へ移動させる電磁石制御信号を出力する。

これにより、回転体の浮上位置が回転体を中心軸のラジアル方向の両側から挟む各組の一対の電磁石のうちの一方の電磁石側（外力の作用方向の反対側）にシフトされ、回転体と該一方の電磁石との空隙の大きさが小さくなるため、該一方の電磁石を駆動する制御電流を小さくしても、回転体を支持するのに必要な吸引力を得ることができるようになる。このように、各組の一対の電磁石のうちの一方の電磁石のみを駆動して、回転体の浮上位置を一方の電磁石側にシフトすることにより、制御電流が過大になることがなく、しかも外力に抗して回転体を支持することができる。

また、本発明に係るフライホイールエネルギ貯蔵装置は、上述した磁気軸受装置を備え、前記回転体の中間部分に発電機を兼ねたモータを備えることを特徴とする。

これにより、回転体の浮上位置が一方の電磁石側にシフトされ、回転体と一方の電磁石との空隙の大きさが小さくなるため、制御電流を増加させることなく、回転体を支持するのに必要な磁力を得ることができ、磁気軸受装置の消費電力を増加させることなく、エネルギ貯蔵効率の低下を抑制することが可能となる。

本発明によれば、自動車の右左折、坂道の上り下り等に伴うジャイロモーメントに起因する外力が、ラジアル方向に作用する場合であっても、ゼロバイアス制御方式のラジアル磁気軸受の電磁石に供給する制御電流を大きくすることなく、電磁石による負荷容量を大きくすることができ、エネルギ貯蔵効率の低下を抑制することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る磁気軸受装置について説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る磁気軸受装置を備えるフライホイールエネルギ貯蔵装置の構成例を示す回転体の中心軸を含む面での断面図である。なお、図１は、電気自動車に組み付けて制動時にエネルギを回収して貯蔵しておくフライホイールエネルギ貯蔵装置として構成している。

ハウジング１０のラジアル方向に、互いに同心に固設した２つの枢軸１１、１１を設けてあり、支持枠１２を構成する１対の支持腕１３、１３の先端部に設けた軸受１４、１４は、枢軸１１、１１を、それぞれ揺動変位自在に支持している。また、枢軸１１、１１と直交する方向に図示しない他の１対の枢軸を設けてあり、図示しない他の支持枠により揺動変位自在に支持している。支持枠１２と他の支持枠とはジンバル機構を構成し、回転体１５及びフライホイール１６の高速回転に伴うジャイロ効果に拘らず、エネルギ貯蔵装置を組み付けた電気自動車の運動性能に悪影響が及ばないようにしている。

ハウジング１０の内側中心部には、回転体１５を鉛直方向に配設している。そして、回転体１５の上下端には非常用のタッチダウン軸受１７、１８を配設している。

また、回転体１５の上下端部分に、支持ブラケットを介してフライホイール１６を固設している。フライホイール１６は、鋼、アルミニウム合金等の金属製の素材又は繊維入り強化プラスチックより成り、これらの材料を加工して、全体を円輪状に形成している。図１の例では、フライホイール１６は、外周寄り部分の厚さ寸法を大きくして回転時のモーメントを大きくし、回転時に貯蔵可能な運動エネルギを十分に確保できるようにしている。

一方、回転体１５の中間部分には、ラジアル方向にて回転体１５を支持するゼロバイアス制御方式のラジアル磁気軸受２１、２２を、モータ２３を挟んで配設してある。回転体１５のラジアル方向の変位は、ラジアル磁気軸受２１、２２の直近に備えてあるラジアル位置センサユニット２４、２５の出力に基づいて求めることができる。モータ２３は、回転体１５に固定してあるロータ、及び該ロータと対向するようケーシング４の内周面に固定してあるステータにより、発電機兼用モータとして構成してある。

上述のような構成とすることにより、電気エネルギをフライホイール１６の回転運動としての運動エネルギに変換して貯蔵する際には、ステータに通電する。例えば上述の構成のエネルギ貯蔵装置を電気自動車に組み込んだ場合、電気自動車の減速時（制動時を含む）に電気自動車駆動用モータとステータとを導通させ、減速に伴って電気自動車駆動用モータが発電した電力をステータに流す。この結果、モータ２３がモータとして機能し、回転体１５をフライホイール１６と共に回転させる。これに対して、例えば電気自動車の加速時に、フライホイール１６に運動エネルギとして貯蔵されたエネルギを電気エネルギに変換して取り出し、電気自動車駆動用モータに通電する際には、モータ２３を発電機として機能させ、ステータから取り出した電力を電気自動車駆動用モータに送る。

図２は、本発明の実施の形態に係る磁気軸受装置の機械的部分の主要部を示す回転体のアキシアル方向（鉛直方向）の断面図、図３は、本発明の実施の形態に係る磁気軸受装置の機械的部分の主要部を示す回転体のラジアル方向（水平方向）の断面図、図４は、本発明の実施の形態に係る磁気軸受装置の電気的構成の１例を示すブロック図である。

本実施の形態に係る磁気軸受装置は、ケーブルにより接続された機械本体１及びコントローラ２を備えている。本実施の形態に係る磁気軸受装置は、鉛直円筒状のケーシング４の内側で鉛直軸状の回転体５が回転する縦置き型である。図２及び図３に示すように、回転体１５のアキシアル方向（鉛直方向）の中心軸をＺ軸、Ｚ軸と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）の軸をＸ軸及びＹ軸とする。

機械本体１は、回転体１５をアキシアル方向の２箇所においてそれぞれＸ軸方向及びＹ軸方向に非接触支持する上下２組のゼロバイアス制御方式のラジアル磁気軸受２１、２２、回転体１５の上記２箇所におけるＸ軸方向及びＹ軸方向の位置をそれぞれ検出するための位置検出部（位置検出手段）９を構成するラジアル位置センサユニット２４、２５、回転体１５を高速回転させるためのビルトイン型モータ２３、ならびに回転体１５のアキシアル方向及びラジアル方向の可動範囲を規制する上下２組の保護（タッチダウン）軸受１７、１８を備えている。保護軸受１７、１８は、回転体１５をラジアル磁気軸受２１、２２で支持することができなくなった場合に、可動範囲の極限位置において回転体１５を機械的に支持する機械的規制手段である。なお、説明の便宜上、上部のラジアル磁気軸受２１におけるＸ軸方向の軸を上部Ｘ軸、Ｙ軸方向の軸を上部Ｙ軸とし、下部のラジアル磁気軸受２２におけるＸ軸方向の軸を下部Ｘ軸、Ｙ軸方向の軸を下部Ｙ軸とする。また、アキシアル磁気軸受とアキシアルセンサユニットについては標記を省略した。

コントローラ２は、センサ回路３１、電磁石駆動手段としての電磁石駆動回路（電磁石駆動手段）３２、インバータ３３及びＤＳＰボード（電磁石制御信号出力手段）３４を備えており、ＤＳＰボード３４は、ソフトウェアプログラムが可能なディジタル処理手段としてのＤＳＰ３５、ＲＯＭ３６、記憶手段としてのフラッシュメモリ３７、ＡＤ変換器３８及びＤＡ変換器３９を有している。なお、ＤＳＰとは、ディジタル信号処理プロセッサの略語であり、ディジタル信号処理プロセッサとは、ディジタル信号を入力してディジタル信号を出力し、ソフトウェアプログラムが可能で、高速実時間処理が可能な専用ハードウェアを意味する。

位置検出部９は、回転体１５の上部Ｘ軸方向、上部Ｙ軸方向、下部Ｘ軸方向、及び下部Ｙ軸方向の位置を検出するための上下２組のラジアル位置センサユニット２４、２５を備えている。

２組のゼロバイアス制御方式のラジアル磁気軸受２１、２２は、上下方向に所定の間隔をおいて配置してあり、ラジアル磁気軸受２１、２２の間にモータ２３が配置されている。上部のラジアル磁気軸受２１は、回転体１５を上部Ｘ軸方向の両側から挟むように配置されて回転体１５を磁気吸引する１対のラジアル電磁石２７ａ、２７ｂ、及び回転体１５を上部Ｙ軸方向の両側から挟むように配置されて回転体１５を磁気吸引する１対のラジアル電磁石２７ｃ、２７ｄを備えている。これらのラジアル電磁石は、符号２７で総称する。同様に、下部のラジアル磁気軸受２２も、２対のラジアル電磁石２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄを備えている。これらのラジアル電磁石も、符号２８で総称する。ラジアル磁気軸受２１、２２は、少なくとも同一方向の１対の電磁石には、同じ特性のものが使用される。全てのラジアル電磁石２７、２８に同じ特性のものが使用されることが好ましい。

上部のラジアル位置センサユニット２４は、上部のラジアル磁気軸受２１の近傍に配置してあり、上部Ｘ軸方向のラジアル電磁石２７ａ、２７ｂの近傍において上部Ｘ軸方向の両側から回転体１５を挟むように配置された１対の上部ラジアル位置センサ２９ａ、２９ｂ、及び上部Ｙ軸方向のラジアル電磁石２７ｃ、２７ｄの近傍において上部Ｙ軸方向の両側から回転体１５を挟むように配置された１対の上部ラジアル位置センサ２９ｃ、２９ｄを備えている。これらのラジアル位置センサは、符号２９で総称する。同様に、下部のラジアル位置センサユニット２５は、下部のラジアル磁気軸受２２の近傍に配置されており、２対の下部ラジアル位置センサ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄを備えている。これらのラジアル位置センサも、符号３０で総称する。各ラジアル位置センサユニット２４、２５は、回転体１５の外周面との空隙の大きさに比例する距離信号を出力する。

なお、ラジアル電磁石２７、２８及びラジアル位置センサ２９、３０は、ケーシング４に固定されている。

また、上部の保護軸受１７は、例えば深みぞ玉軸受等の転がり軸受よりなり、ラジアル方向の荷重を受けられるようになっている。下部の保護軸受１８も、例えば深みぞ玉軸受等の転がり軸受よりなり、アキシアル方向の荷重とラジアル方向の荷重との両方を受けられるようになっている。そして、保護軸受１８と回転体１５との間のアキシアル方向の空隙の大きさにより、回転体１５のアキシアル方向の可動範囲が規制され、保護軸受１７、１８と回転体１５との間のラジアル方向の空隙の大きさにより、回転体１５のラジアル方向の可動範囲が規制される。これにより、回転体１５が可動範囲の極限位置において保護軸受１７、１８により支持されている状態でも、回転体１５とラジアル電磁石２７、２８及び位置センサ２９、３０との間には空隙があり、回転体１５はラジアル電磁石２７、２８及び位置センサ２９、３０に接触することはない。

コントローラ２のセンサ回路３１は、位置検出部９の各位置センサ２９、３０を駆動し、各位置センサ２９、３０の出力である距離信号に基づいて、回転体１５の上下のラジアル位置センサユニット２４、２５におけるＸ軸方向及びＹ軸方向の位置を演算し、その演算結果である位置信号をＡＤ変換器３８を介してＤＳＰ３５に出力する。位置検出部９及びセンサ回路３１により、回転体１５のラジアル方向の位置を検出して位置検出信号を出力する位置検出手段としての位置検出装置が構成されている。

ＲＯＭ３６には、ＤＳＰ３５における処理プログラムなどが格納されている。フラッシュメモリ３７には、磁気軸受の制御パラメータを記憶した制御パラメータテーブルなどが設けられている。ＤＳＰ３５は、ＡＤ変換器３８から入力する回転体１５の位置を表わすディジタル位置信号に基づいて、ゼロバイアス制御方式のラジアル磁気軸受２１、２２の各ラジアル電磁石２７、２８に対する制御電流信号（電磁石制御信号）をＤＡ変換器３９を介して電磁石駆動回路３２に出力する。そして、電磁石駆動回路３２は、ＤＳＰ３５からの制御電流信号に基づく制御電流を対応するラジアル磁気軸受２１、２２のラジアル電磁石２７、２８に供給し、これにより、回転体１５が目標浮上位置に非接触支持される。ＤＳＰ３５により、浮上位置信号及び位置検出信号に基づいて電磁石制御信号を出力する電磁石制御信号出力手段が構成されている。

図５は、コントローラ２の構成のうち、ラジアル方向のラジアル磁気軸受２１における１対のラジアル電磁石２７ａ、２７ｂの制御に関する部分だけを示した部分ブロック図である。次に、図５を参照して、コントローラ２による１対のラジアル電磁石２７ａ、２７ｂの制御について説明する。

センサ回路３１により出力された位置信号Ｘｓは、ＡＤ変換器３８によりディジタル値Ｘｓｄに変換され、ＤＳＰ３５に入力される。ＤＳＰ３５は、変換されたディジタル値Ｘｓｄに基づいて、ラジアル電磁石２７ａ、２７ｂに対するディジタル制御電流信号ＩｃｄをＤＡ変換器３９に出力する。

一方の電力増幅器４１により増幅した制御電流、あるいは他方の電力増幅器４２により増幅した制御電流は、外力により生じた回転体１５の磁気的中心位置に対する変位に基づいて、回転体１５に対して該外力に抗する電磁石による吸引力を作用させるために回転体１５の浮上位置を移動させる。その結果、回転体１５は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の磁気的中心位置から移動し、該外力に抗する電磁石による吸引力が作用する位置までシフトする。

図６は、回転体１５がシフトした状態を示すラジアル方向（水平方向）の断面図である。図６中の白抜き矢印で示すように、外力がラジアル電磁石２７ｂとラジアル電磁石２７ｃとの間に作用する場合、回転体１５は、一点鎖線で示す磁気的中心位置から、該外力に抗する方向、すなわちラジアル電磁石２７ａとラジアル電磁石２７ｄとの間の方向へとシフトし、実線で表す位置へと移動する。すなわち、回転体１５の中心点Ｏ１がＯ２へとシフトする。

一般に、電磁石の発生する磁気吸引力ｆｍは、（数１）で表すことができる。なお、（数１）において、Ｎは電磁石のコイルの巻数を、μ０は真空の透磁率を、Ｓは磁路面積を、ｉはコイルに供給する電流を、ｘは電磁石とロータ（回転体）との空隙（エアギャップ）を、それぞれ示している。

（数１）
ｆｍ＝（Ｎ²・μ０・Ｓ・ｉ²）／（２ｘ）²

したがって、外力に抗する磁気吸引力ｆｍを増大させるためには、回転体１５の浮上位置を磁気的中心位置に維持する場合、すなわち電磁石と回転体との空隙ｘが一定である場合には、コイルに供給する電流ｉを増加する必要がある。

それに対して、本実施の形態のように、回転体１５の浮上位置を移動させる場合、すなわちラジアル電磁石２７ａ及びラジアル電磁石２７ｄと回転体１５との空隙ｘを減少させる場合、（数１）より外力に抗する磁気吸引力ｆｍが増大することから、コイルに供給する電流ｉを増加させることなく、外力に抗する磁気吸引力ｆｍを発生することが可能となる。これにより、コイルに供給する電流ｉ、すなわち上述した制御電流を増加させることなく、回転体１５を支持するのに必要な磁気吸引力を得ることができ、磁気軸受装置の消費電力を増加させることなく、フライホイールエネルギ貯蔵装置のエネルギ貯蔵効率の低下を抑制することが可能となる。

図７は、従来のゼロバイアス制御方式のラジアル磁気軸受のように、浮上位置を磁気的中心位置に固定した場合のラジアル電磁石２７ａの制御電流値等の変化を示すタイムチャートである。図８は、本発明の実施の形態に係る磁気軸受装置におけるラジアル電磁石２７ａの制御電流値等の変化を示すタイムチャートである。なお、図８では説明を簡単にするため、外力がＸ軸の負方向に作用した場合についてタイムチャートを示す。図７及び図８において、（ａ）は回転体１５に作用するＸ軸方向の外力、（ｂ）は外力が作用する方向と反対側に位置するラジアル電磁石２７ａの制御電流値、（ｃ）は外力が作用する方向に位置し、ラジアル電磁石２７ａと対になるラジアル電磁石２７ｂの制御電流値、（ｄ）は回転体１５のＸ軸方向の浮上位置、（ｅ）は積分出力を表している。（ａ）の外力は、Ｘ軸の負方向を正とする。また、浮上位置は外力が作用する方向、すなわちＸ軸の負方向を負とする。

まず図７を参照して、浮上位置を磁気的中心位置に固定する従来のゼロバイアス制御方式のラジアル磁気軸受装置について説明する。

従来のゼロバイアス制御方式のラジアル磁気軸受装置では、図７（ａ）の左側部分に示すように、外力が０（ゼロ）の間は、積分出力は０で、制御電流は０であり、ラジアル電磁石２７ａ、２７ｂに供給される電流値は理想的には０（ゼロ）Ａに等しい。図７（ａ）の右側部分に示すように、所定の外力が作用した場合、図７（ｅ）のように積分出力もそれに比例して増加する。それに伴い制御電流値も比例して増加するため、図７（ｂ）のように外力が作用する方向と反対側に位置するラジアル電磁石２７ａの制御電流値は増加して、外力に抗する磁気吸引力を生ずる値で一定となる。また、図７（ｃ）のように外力が作用する方向に位置し、ラジアル電磁石２７ａと対になるラジアル電磁石２７ｂの制御電流値は変化せず０（ゼロ）Ａである。したがって、浮上位置は図７（ｄ）のようにＸ軸の磁気的中心位置０で一定となる。

次に、図８を参照して、本実施の形態に係る磁気軸受装置の動作の一例について説明する。

磁気軸受装置の制御が開始すると、浮上位置信号Ｘoを０（＝磁気的中心位置）に設定し、回転体１５の磁気浮上を開始する。これにより、回転体１５は、まず磁気的中心位置に支持される。ラジアル方向であるＸ軸の正方向に外力が作用するまでの期間は、従来のゼロバイアス制御方式のラジアル磁気軸受装置と同様、図８（ａ）の左側部分に示すように、外力が０（ゼロ）の間は、積分出力は０で、制御電流は０であり、ラジアル電磁石２７ａ、２７ｂに供給される電流値は理想的には０（ゼロ）Ａに等しい。

図８（ａ）の右側部分に示すように、所定の外力が作用した場合、図８（ｅ）のように積分出力もそれとともに増加する。それに伴って制御電流値が増加することを抑制すべく、回転体１５を図８（ｄ）のように、Ｘ軸の負方向にＸ１までシフトする。

これにより、図８（ｂ）のように外力が作用する方向と反対側に位置するラジアル電磁石２７ａの制御電流値は、回転体１５のシフト時には増加するものの、移動後は０（ゼロ）Ａに収束する。また、図８（ｃ）のように外力が作用する方向に位置し、ラジアル電磁石２７ａと対になるラジアル電磁石２７ｂの制御電流値は変化せず、０（ゼロ）Ａのままである。

したがって、回転体１５の浮上位置を、外力が作用する方向と反対側へシフトすることにより、励磁電流の積分値で求めることができる消費電力を大きく減少することができ、フライホイールエネルギ貯蔵装置のエネルギ貯蔵効率の低下を大きく抑制することが可能となる。

なお、上述した実施の形態では、演算処理にＤＳＰ３５を用いているが、特に斯かる構成に限定されるものではなく、例えばパーソナルコンピュータ、マイクロプロセッサ等、ＤＳＰ以外のもので構成されてもよい。

また、本実施の形態では、回転体１５が固定部分であるケーシング４の内側で回転するインナロータ型の磁気軸受装置について説明しているが、回転体１５が固定部分であるケーシング４の外側で回転するアウタロータ型の磁気軸受装置にも適用可能であることは言うまでもない。

また、本実施の形態では、ラジアル電磁石のＮＳ両極が水平方向に配置してあるヘテロポーラー型の磁気軸受装置について説明しているが、ラジアル電磁石のＮＳ両極が鉛直方向に配置してあるホモポーラー型の磁気軸受装置であっても同様の効果が期待できる。

また、本実施の形態では、フライホイール１６を内蔵したハウジング１０を、ジンバル機構を介して支持していることから、例えば本発明に係るフライホイールエネルギ貯蔵装置を設置した電気自動車等の姿勢が変化した場合であっても、ハウジング１０の姿勢は、フライホイール１６のジャイロ効果により変化しない。換言すれば、フライホイール１６のジャイロ効果により、電気自動車の姿勢変化は妨げられない。

したがって、図１に示したフライホイールエネルギ貯蔵装置を電気自動車の減速時のエネルギ貯蔵装置として使用した場合に、電気自動車の運動性能を悪化させることはない。しかも、図１に示した様に、フライホイール１６及び発電機を兼ねるモータ２３を、保護軸受１７、１８の間に配置することにより、これら両軸受１７、１８同士の間隔を大きくした場合、外部振動により回転体１５が傾斜しにくい構造を実現することができる。よって、使用時に複雑な振動が加わり易い、電気自動車の減速時のエネルギ貯蔵装置として使用するのに適した構造を実現することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る磁気軸受装置を備えるフライホイールエネルギ貯蔵装置の構成例を示す回転体の中心軸を含む面での断面図である。本発明の実施の形態に係る磁気軸受装置の機械的部分の主要部を示す回転体のアキシアル方向（鉛直方向）の断面図である。本発明の実施の形態に係る磁気軸受装置の機械的部分の主要部を示す回転体のラジアル方向（水平方向）の断面図である。本発明の実施の形態に係る磁気軸受装置の電気的構成の１例を示すブロック図である。コントローラの構成のうち、ラジアル方向の磁気軸受における１対のラジアル電磁石の制御に関する部分だけを示した部分ブロック図である。回転体がシフトした状態を示すラジアル方向（水平方向）の断面図である。浮上位置を磁気的中心位置に固定した場合のラジアル電磁石の制御電流値等の変化を示すタイムチャートである。本発明の実施の形態に係る磁気軸受装置におけるラジアル電磁石の制御電流値等の変化を示すタイムチャートである。

符号の説明

９位置検出部（位置検出手段）
１５回転体
１６フライホイール
２１、２２ラジアル磁気軸受
２３モータ
２７、２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄ、２８、２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄラジアル電磁石
３４ＤＳＰボード（電磁石制御信号出力手段）
３２電磁石駆動回路（電磁石駆動手段）
３５ＤＳＰ

Claims

フライホイールを備える回転体が中心軸を鉛直方向に向けるように配設され、該回転体を中心軸のラジアル方向の両側から挟むように配置された複数組の電磁石が該回転体の中心軸方向に間隔をおいて設けられ、該複数組の電磁石のみの磁力により、前記回転体を前記ラジアル方向に非接触支持して、磁気浮上するよう構成してある磁気軸受装置において、
前記ラジアル方向で、前記複数組の電磁石に対する前記回転体の位置を検出して位置検出信号を出力する位置検出手段と、
該位置検出手段が出力した位置検出信号に基づいて、前記複数組の電磁石の各組で前記回転体の浮上位置が各組の一対の電磁石の磁気的中心位置より遠くなる側の電磁石のみを駆動する電磁石制御信号を出力する電磁石制御信号出力手段と、
該電磁石制御信号出力手段が出力した前記電磁石制御信号に基づいて前記電磁石を駆動する電磁石駆動手段とを備え、
前記電磁石制御信号出力手段は、前記回転体に前記ラジアル方向の外力が作用しない場合には前記電磁石制御信号を出力せず、前記回転体に前記ラジアル方向の外力が作用した場合、該外力に抗する電磁石による吸引力を作用させるために前記回転体の浮上位置を前記各組の一対の電磁石の磁気的中心位置から前記外力の作用方向の反対側へ移動させる前記電磁石制御信号を出力することを特徴とする磁気軸受装置。
請求項１記載の磁気軸受装置を備え、前記回転体の中間部分に発電機を兼ねたモータを備えることを特徴とするフライホイールエネルギ貯蔵装置。