JP5074331B2 - スラスト磁気軸受装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転軸の軸方向の位置を制御するスラスト磁気軸受装置に関する。

発電機や電動機などの回転機器の回転軸を磁気を利用して非接触支持する磁気軸受装置が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。

上記の回転機器では、磁気軸受装置として、例えば、回転軸の軸方向両端側において回転軸を磁気吸引力によって非接触支持し、回転軸の径方向の変位量に応じてその位置を制御するためのラジアル磁気軸受装置と、回転軸に固定された回転ディスクとその両側に回転ディスクの周辺部と対向配置された一対の電磁石とを有し、回転軸の軸方向の変位量に応じてその位置を制御するためのスラスト磁気軸受装置とを備えている。
特開平１１−３２５０７３号公報 特開２０００−１１０８３５号公報

一般に、ラジアル磁気軸受装置では、そのステータ鉄心及びロータ鉄心には積層鋼板が用いられているため、渦電流が発生しにくく、電磁力の応答性は高い。一方、スラスト磁気軸受装置では、ステータ鉄心及び回転ディスクには積層鋼板を用いることは構造上難しく、ブロック材料が用いられている。このため、スラスト磁気軸受装置では、ステータ鉄心及び回転ディスクに渦電流が流れやすくなっており、電磁力の応答性が低くなっている。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、電磁力の応答性を向上させることができるスラスト磁気軸受装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明のスラスト磁気軸受装置は、回転軸に該回転軸と同軸状に固定された回転ディスクと、前記回転ディスクを前記回転軸の軸方向に間隙を有して挟むようにして前記回転ディスクの両側に前記回転軸と同軸状にそれぞれ配置され、前記回転ディスクとの対向面に開口を有するようにして前記回転軸と同軸状にリング状の溝が設けられてなる一対のリング状の鉄心を有し、それぞれの前記鉄心の前記リング状の溝に前記回転軸の軸心を周回するように巻かれてなるコイルが収容された一対の電磁石とを有し、前記一対の電磁石のコイルに流れる電流を制御することにより前記回転軸の軸方向の位置が調整されるように構成されたスラスト磁気軸受装置であって、前記鉄心に、前記リング状の溝の内面に前記コイルの周方向から透視して前記コイルに面する部分の全長に渡るように第１の溝が設けられている。

この構成によれば、鉄心に、リング状の溝の内面にコイルの周方向から透視してコイルに面する部分の全長に渡るように第１の溝を設けることにより、リング状の溝の内面のコイルに面する部分に発生する渦電流を抑制することができ、電磁力の応答性を向上させることができる。第１の溝を複数設けることが、渦電流の発生をより抑制し電磁力の応答性をより向上させる上で好ましい。

また、前記第１の溝は、前記鉄心の前記回転ディスクとの対向面にまで延伸して設けられていてもよい。

この構成によれば、電磁石の鉄心の回転ディスクとの対向面に発生する渦電流をも抑制することができ、電磁力の応答性をより向上させることができる。

また、前記第１の溝は、前記回転軸の軸方向から透視して放射状に複数設けられていてもよい。

また、前記リング状の溝は、前記コイルが収容されている部分より前記開口が狭くなっていてもよい。

また、前記回転ディスクに、前記鉄心と対向する面に、前記回転軸の径方向に延びた溝が設けられていてもよい。

この構成によれば、回転ディスクに発生する渦電流をも抑制することができ、電磁力の応答性をより向上させることができる。径方向に延びた溝を複数設けることが、渦電流の発生をより抑制し電磁力の応答性をより向上させる上で好ましい。

また、前記回転ディスクに、前記回転軸の軸方向に貫通し径方向に延びたスリットが設けられていてもよい。

この構成によれば、回転ディスクに発生する渦電流をも抑制することができ、電磁力の応答性をより向上させることができる。スリットを複数設けることが、渦電流の発生をより抑制し電磁力の応答性をより向上させる上で好ましい。

本発明は、以上に説明した構成を有し、スラスト磁気軸受装置において、電磁力の応答性を向上させることができるという効果を奏する。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態のスラスト磁気軸受装置を有する磁気軸受装置の軸心に沿った断面を示す概略模式図である。

この磁気軸受装置は、発電機や電動機などの回転機器の回転軸を非接触支持するものである。図１は、回転軸２の軸方向の一端側の構成を示しており、スラスト磁気軸受Ａは図示されているように回転軸２の一端側にのみ設けられているが、ラジアル磁気軸受Ｂは回転軸２の軸方向両端側に設けられている。なお、図示していないが、回転軸２の軸方向両端側に設けられた２つのラジアル磁気軸受Ｂの間には、回転機主要部として、例えば、回転軸２とともに回転する円柱状のモータロータ（回転機の回転子）が回転軸２に固定されて設けられているとともに、モータロータの周囲にモータロータとギャップを挟んで配置されたモータステータが設けられている。このモータステータはケーシング１の図示されていない部分に固定されている。スラスト磁気軸受Ａが本実施の形態のスラスト磁気軸受装置である。

回転軸２は、鉄などの磁性体によって形成されている。回転軸２には、ラジアル磁気軸受のロータ鉄心１１と、リラクタンス式変位センサのロータ鉄心８とが、非磁性体からなるロータ鉄心保持リング１２ａ、１２ｂ、１２ｃによって強固に固定されている。

スラスト磁気軸受Ａは、回転軸２に該回転軸２と同軸状に固定された回転ディスク３と、回転ディスク３の軸方向両側にスラストギャップを挟んで配置された一対の電磁石２１，２２とによって構成されている。回転ディスク３は、その中央部が回転軸２の軸端部に強固に固定され、回転軸２とともに回転する。回転ディスク３は、少なくとも電磁石２１，２２と対向する周辺部は磁性体によって形成されている。また、全体が磁性体によって形成されていてもよい。

電磁石２１，２２はそれぞれリング状のステータ鉄心４ａ，４ｂおよびリング状のコイル５ａ，５ｂによって構成され、ケーシング１に固定されている。ステータ鉄心４ａ，４ｂは、それぞれ回転軸２と同軸状に配置され、コイル５ａ，５ｂを収容するために回転軸２と同軸状にリング状の溝４０が設けられている。この溝４０は、その開口部分４０ａが回転ディスク３に臨むように設けられている。それぞれのコイル５ａ，５ｂは、回転軸２の軸心を周回するように電線が巻かれて構成されている。さらに、本実施の形態では、ステータ鉄心４ａ，４ｂに細い溝４１が設けられている。この溝４１については、後で図２を参照して詳述する。

ラジアル磁気軸受Ｂは、回転軸２に固定されたリング状のロータ鉄心１１と、４つの電磁石２３とによって構成されている。これら４つの電磁石２３は、ロータ鉄心１１の周囲でラジアルギャップを介し、円周方向に等間隔で配置され、それぞれステータ鉄心９およびコイル１０によって構成され、ケーシング１に固定されている。

リラクタンス式変位センサＳは、回転軸２に固定されたリング状のロータ鉄心８と、ロータ鉄心８の周囲で、円周方向に等間隔で配置され回転軸２の径方向の変位量を検出するセンサ部と、軸方向に並んで配置され回転軸２の軸方向の変位量を検出するセンサ部とからなる。それぞれのセンサ部は、ケーシング１に固定されたステータ鉄心６およびコイル７を有している。

図示しない制御装置に、リラクタンス式変位センサＳの出力が入力される。制御装置は、リラクタンス式変位センサＳにより検出される回転軸２の径方向の変位量に応じて、ラジアル磁気軸受Ｂの各電磁石２３に流れる電流を制御することにより、回転軸２の径方向の位置が調整されるように構成されている。また、制御装置は、リラクタンス式変位センサＳにより検出される回転軸２の軸方向の変位量に応じて、スラスト磁気軸受Ａの電磁石のコイル５ａ，５ｂに流れる電流を制御することにより、回転軸２の軸方向の位置が調整されるように構成されている。ここで、スラスト磁気軸受Ａの電磁石のコイル５ａ，５ｂに流れる電流を制御することにより、回転ディスク３に対し軸方向の電磁力が働く。この電磁力の応答性を向上させるのが本発明の目的である。

図２（ａ）は、軸方向から視たスラスト磁気軸受Ａの電磁石２１，２２のステータ鉄心４（４ａ，４ｂ）の正面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のI−I線に沿って切断した場合のステータ鉄心４（４ａ，４ｂ）の断面図である。

リング状のステータ鉄心４には、前述のようにリング状の溝４０が設けられている。この溝４０は、その開口部分４０ａが奥の内部より狭くなるようにして設けられ、開口部分４０ａより奥の内部にコイル（５ａ、５ｂ）が収容される。本実施の形態では、リング状の溝４０の内面に、コイル（５ａ、５ｂ）の周方向から透視してコイル（５ａ、５ｂ）に面する部分の全長に渡るように複数の細い溝４１（以下、「細溝４１」という）が設けられている。なお、ステータ鉄心４をコイルの周方向（例えば矢印ｘの方向）から透視した形状は、例えばIII−III線に沿って切断した断面形状になる。これは、例えば図２（ｂ）の上側部分と同じ形状となり、ステータ鉄心４には、リング状の溝４０の内面に、コイルの周方向から透視してコイルに面する部分の全長に渡るように細溝４１が複数設けられている。さらに、これらの細溝４１は、溝４０の内面部分から、回転ディスク３と対向する部分にまで延びて設けられている。また、図２（ａ）に示されるように、細溝４１は、軸方向から見て径方向に延びるように形成されている。

図３に、スラスト磁気軸受Ａの電磁石２１，２２のステータ鉄心４ａ、４ｂに細溝４１を設けていない場合の渦電流の発生場所を太い破線Ｌ１〜Ｌ４で示す。この発生場所は、コンピュータシミュレーションによって得られた結果である。破線Ｌ１，Ｌ２で示すように、ステータ鉄心４ａ、４ｂには、溝４０の内壁部分と開口部分４０ａの近傍の回転ディスク３と対向する部分に渦電流が発生している。また、鎖線Ｌ３，Ｌ４で示すように、回転ディスク３には、ステータ鉄心４ａ、４ｂの溝４０の開口部分４０ａ及びその近傍と対向する部分に渦電流が発生している。本発明は、この渦電流が集中して流れる場所を中心に溝あるいはスリットを設けることを特徴としている。

図４に、本実施の形態の構成において、スラスト磁気軸受Ａに発生する電磁力の応答性についてコンピュータシミュレーションによる結果を示す。曲線Ｃ１が本実施の形態の構成におけるシミュレーション結果であり、曲線Ｃ２はステータ鉄心４ａ、４ｂに細溝４１を設けていない他は本実施の形態と同様の構成とした場合のシミュレーション結果である。図４において、縦軸は、目標電磁力に対する発生電磁力を百分率で示し、横軸は時刻を示す。ここで、目標電磁力とは発生させようとする電磁力の目標値であり、発生電磁力とは実際に発生するであろう電磁力であり、シミュレーションによって得られた電磁力である。

図４では、時刻ｔ０から時刻ｔ１までは、２つの電磁石のコイル５ａ、５ｂに等しい電流を流しておき、時刻ｔ１において、電磁石のコイル５ａ、５ｂに流す電流を目標電磁力を得るための電流に変更した場合を示している。例えば、時刻ｔ０から時刻ｔ１までは、２つの電磁石のコイル５ａ、５ｂに電流Ｉ０を流し、時刻ｔ１から、一方の電磁石のコイル５ａに電流Ｉ０より小さい電流（Ｉ０−ΔＩ）を流し、他方の電磁石のコイル５ｂに電流Ｉ０より大きい電流（Ｉ０＋ΔＩ）を流したものとしてシミュレーションを行っている。

曲線Ｃ１で示される本実施の形態の構成の方が、曲線Ｃ２で示される細溝４１を設けていない構成に比べて、目標電磁力に近づくのが速いことがわかる。すなわち、本実施の形態のように、ステータ鉄心４ａ、４ｂに細溝４１を設けることにより、電磁力の応答性が向上することがわかる。

本実施の形態では、ステータ鉄心４ａ、４ｂの渦電流が発生する部分に細溝４１を形成することにより、渦電流が細溝４１によって遮られ、渦電流の発生を抑制し、スラスト磁気軸受Ａの電磁力の応答性を向上させることができる。なお、ステータ鉄心４（４ａ、４ｂ）は、例えば図２の鎖線ＣＬ部分で分割されていた２つの部材を固着することにより形成されており、２つに分割されているときに細溝４１を形成しておくことができる。

なお、本実施の形態では、それぞれのステータ鉄心４ａ、４ｂに細溝４１を８個設けているが、これに限られず、８個より多くても少なくてもよい。細溝４１の個数が多いほど電磁力の応答性を向上させることができる。しかし、多くするほどその形成加工が複雑になる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態は、スラスト磁気軸受Ａのステータ鉄心に設けられる細溝の形成領域が異なる他は、第１の実施の形態の構成と同じであり、その説明を省略する。

図５（ａ）は、第２の実施の形態において、軸方向から視たスラスト磁気軸受Ａの電磁石２１，２２のステータ鉄心４（４ａ，４ｂ）の正面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）のII−II線に沿って切断した場合のステータ鉄心４（４ａ，４ｂ）の断面図である。

本実施の形態では、ステータ鉄心４に設ける細溝４２を、開口部分４０ａを除く溝４０の内面部分にのみ設け、回転ディスク３と対向する部分には設けていない。

第１の実施の形態のように、回転ディスク３と対向する部分にも細溝４１を設けた場合、開口部分４０ａ及びその近傍部分と回転ディスク３との間において、細溝４１が設けられた部分と設けられていない部分との間で磁束密度が異なり、周方向の磁束密度分布が不均一になり、回転軸２（図１）の回転に悪影響を及ぼす可能性がある。

この第２の実施の形態では、第１の実施の形態の場合と比較して、渦電流の発生する溝４０の開口部分４０ａ及び回転ディスク３と対向する部分に細溝４２が設けられていないため、電磁力の応答性は若干劣るが、前述の回転軸２（図１）の回転に対する悪影響を防止することができる。

なお、第１、第２の実施の形態において、磁路断面積の減少の抑制、及び円板状の回転ディスク３の両面付近の周方向の磁束密度分布の均一化のために、細溝４１，４２の幅はできるだけ細くすることが望ましい。

また、第１、第２の実施の形態では、図２（ａ）、図５（ａ）に示すように、細溝４１，４２は回転軸２の軸方向から透視して径方向へ延びるように放射状に複数設けられているが、径方向に対し若干の傾きをもって延びるように設けられていてもよい。

上記の第１、第２の実施の形態において、さらに、回転ディスク３を、図６に示す構成（第１変形例）または図７に示す構成（第２変形例）としてもよい。

図６（ａ）は、軸方向から視たスラスト磁気軸受Ａの第１変形例の回転ディスクの正面図であり、図６（ｂ）は、同回転ディスクの側面図であり、図６（ｃ）は、図６（ａ）とは逆の軸方向から視た同回転ディスクの正面図である。

この図６の場合、円板状の回転ディスク３の両面に、回転軸２（図１）の径方向に延びる細溝３１、３２をそれぞれ複数設けている。すなわち、一方の電磁石２１（図１）と対向する面に細溝３１を設け、他方の電磁石２２（図１）と対向する面に細溝３２を設けている。このように細溝３１、３２を設けることにより、渦電流が細溝３１、３２によって遮られ、回転ディスク３に発生する渦電流をも抑制し、電磁力の応答性をより向上させることができる。

図７（ａ）は、軸方向から視たスラスト磁気軸受Ａの第２変形例の回転ディスクの正面図であり、図７（ｂ）は、同回転ディスクの側面図であり、図７（ｃ）は、図７（ａ）とは逆の軸方向から視た同回転ディスクの正面図である。

この図７の場合、円板状の回転ディスク３に、回転軸２（図１）の径方向に延びるスリット３３を複数設けている。このようにスリット３３を設けることにより、渦電流がスリット３３によって遮られ、回転ディスク３に発生する渦電流をも抑制し、電磁力の応答性をより向上させることができる。

本発明に係るスラスト磁気軸受装置は、発電機及び電動機に用いられるスラスト磁気軸受装置等として有用である。

本発明の第１の実施の形態のスラスト磁気軸受装置を有する磁気軸受装置の軸心に沿った断面を示す概略模式図である。 （ａ）は、本発明の第１の実施の形態において、軸方向から視たスラスト磁気軸受の電磁石のステータ鉄心の正面図であり、（ｂ）は、（ａ）のI−I線に沿って切断した場合のステータ鉄心の断面図である。 スラスト磁気軸受の電磁石のステータ鉄心に細溝を設けていない場合の渦電流の発生場所を示す図である。 本発明の第１の実施の形態の構成において、スラスト磁気軸受に発生する電磁力の応答性についてシミュレーションした結果を示す図である。 （ａ）は、本発明の第２の実施の形態において、軸方向から視たスラスト磁気軸受の電磁石のステータ鉄心の正面図であり、（ｂ）は、（ａ）のII−II線に沿って切断した場合のステータ鉄心の断面図である。 （ａ）は、軸方向から視たスラスト磁気軸受の第１変形例の回転ディスクの正面図であり、（ｂ）は、同回転ディスクの側面図であり、（ｃ）は、（ａ）とは逆の軸方向から視た同回転ディスクの正面図である。 （ａ）は、軸方向から視たスラスト磁気軸受の第２変形例の回転ディスクの正面図であり、（ｂ）は、同回転ディスクの側面図であり、（ｃ）は、（ａ）とは逆の軸方向から視た同回転ディスクの正面図である。

符号の説明

１ ケーシング
２ 回転軸
３ 回転ディスク
３１、３２ 回転ディスクに設けられた細溝
３３ 回転ディスクに設けられたスリット
４、４ａ、４ｂ スラスト磁気軸受の電磁石のステータ鉄心
４０ リング状の溝
４０ａ リング状の溝の開口部分
４１、４２ ステータ鉄心に設けられた細溝
５ａ、５ｂ スラスト磁気軸受の電磁石のコイル
６ リラクタンス式変位センサのステータ鉄心
７ リラクタンス式変位センサのコイル
８ リラクタンス式変位センサのロータ鉄心
１１ ラジアル磁気軸受のロータ鉄心
２１、２２ スラスト磁気軸受の電磁石
２３ ラジアル磁気軸受の電磁石
Ａ スラスト磁気軸受
Ｂ ラジアル磁気軸受
Ｓ リラクタンス式変位センサ

Claims (6)

1. 回転軸に該回転軸と同軸状に固定された回転ディスクと、
   前記回転ディスクを前記回転軸の軸方向に間隙を有して挟むようにして前記回転ディスクの両側に前記回転軸と同軸状にそれぞれ配置され、前記回転ディスクとの対向面に開口を有するようにして前記回転軸と同軸状にリング状の溝が設けられてなる一対のリング状の鉄心を有し、それぞれの前記鉄心の前記リング状の溝に前記回転軸の軸心を周回するように巻かれてなるコイルが収容された一対の電磁石とを有し、
   前記一対の電磁石のコイルに流れる電流を制御することにより前記回転軸の軸方向の位置が調整されるように構成されたスラスト磁気軸受装置であって、
   前記鉄心に、前記リング状の溝の内面に前記コイルの周方向から透視して前記コイルに面する部分の全長に渡るように第１の溝が設けられた、スラスト磁気軸受装置。
2. 前記第１の溝は、前記鉄心の前記回転ディスクとの対向面にまで延伸して設けられた、請求項１に記載のスラスト磁気軸受装置。
3. 前記第１の溝は、前記回転軸の軸方向から透視して放射状に複数設けられた、請求項１または２に記載のスラスト磁気軸受装置。
4. 前記リング状の溝は、前記コイルが収容されている部分より前記開口が狭くなっている、請求項１または２に記載のスラスト磁気軸受装置。
5. 前記回転ディスクに、前記鉄心と対向する面に、前記回転軸の径方向に延びた溝が設けられた、請求項１または２に記載のスラスト磁気軸受装置。
6. 前記回転ディスクに、前記回転軸の軸方向に貫通し径方向に延びたスリットが設けられた、請求項１または２に記載のスラスト磁気軸受装置。

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