JP5233047B2 - 磁気軸受 - Google Patents

Description

本発明は、磁気軸受に関し、特に、所定方向から主として荷重を受けながら回転する回転体を非接触支持する磁気軸受に関する。

現在、製紙ロールや圧延ロールなどの各種大型ロールの軸受として、コロ軸受などの機械式軸受が用いられている。しかしながら、機械式軸受は、定期的にメンテナンスを行いグリスなどの潤滑剤を補充する必要があり、メンテナンス中は製造ラインを停止せざる負えないため連続可動時間に限界があるので、ライン効率向上の妨げとなっている。また、しかしながら、機械式軸受により大型ロールの回転時の振動を除去し大型ロールの回転精度を更に向上することは非常に困難であるので、最終製品の精度を含む品質向上の妨げとなっている。

これらを考慮し、大型ロールの軸受として、機械式軸受に代えて、磁気軸受を用いることが考えられる。磁気軸受は、非接触状態で回転体を支持するため潤滑剤を必要としないため、定期的なメンテナンスを省くことができ、連続可動時間を大幅に延ばすことが可能となる。また、磁気軸受は、自動位置調整機能を設けることにより回転中の位置や傾きをアクティブ制御することができ、大型ロールの回転精度を向上することが可能となる。

例えば、非特許文献１には、自動位置調整機能を備えた磁気軸受９００が開示されている。この磁気軸受９００は、図５に概略軸方向断面図を示すように、永久磁石９０１と電磁石を備えたハイブリッド型の磁気軸受である。磁気軸受９００は、固定部９０２に対して回転する回転軸９０３を非接触支持するものであり、固定部９０２の外筒に永久磁石９０１が固着されている。電磁石は、図６に示すように、回転軸９０３に隣接対向するように固定部９０２から突出した突部９０４に制御コイル９０５が巻回されることにより設けられている。永久磁石９０１によるバイアス磁束は、図６に示す矢印のように、均等に通っており、固定部９０２に対して回転軸９０３を全方向に均等に非接触支持する軸受力が発生する。センサ９０６が検出した回転軸９０３の変位に応じて、制御コイル９０５に通電する電流を調整することにより、回転軸９０３の位置及び傾きを制御することができる。
「ＩＥＥＥ／ＡＳＭＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＭＥＣＨＡＴＲＯＮＩＣＳ，ＶＯＬ．６，Ｎｏ．４，ＤＥＣＥＭＢＥＲ ２００１」 ５２１−５２４頁

しかしながら、上記従来のハイブリッド型の磁気軸受９００は、永久磁石９０１によってバイアス磁束を発生させるので、高温環境など永久磁石がその機能を発揮し得ない環境下において用いることができないという問題があった。また、バイアス磁束が均等に通るので、一方向から高荷重を受ける場合であっても、これに対抗する大きな軸受力を効果的に発生させることができない。そのため、生産効率を上げるため更なる大型化の要請がある大型ロールに対応することができないという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、永久磁石を用いることができない環境下においても用いることができるとともに、所定方向に大きな軸受力を発生させることができる磁気軸受を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の磁気軸受は、固定軸に対して回転する略円筒状の回転体を非接触支持する磁気軸受であって、前記固定軸と一体的に設けられた固定子に複数のバイアスコイルを前記回転体の内周面と近接対向するように巻回し、かつ前記固定子の外面と前記回転体との間に空隙を設け、前記固定子が前記回転体の内周面に近接対向する半円柱面状の外周面を有し、該外周面に形成された凹部に前記バイアスコイルの一部が収容されることを特徴としている。

請求項２に記載の磁気軸受は、請求項１に記載の磁気軸受において、前記バイアスコイルと近接対向する前記回転体の内周面に環状溝を形成したことを特徴としている。

請求項３に記載の磁気軸受は、請求項１又は２に記載の磁気軸受において、前記固定子の外面と前記回転体との間の空隙に前記回転体の変位を検出するセンサを設けたことを特徴としている。

請求項４に記載の磁気軸受は、請求項１から３の何れか１項に記載の磁気軸受において、前記固定子に制御コイルを巻回した複数対の突極を設け、前記制御コイルによってそれぞれ発生する制御磁束を制御することにより、前記回転体の位置を制御することを特徴としている。

請求項５に記載の磁気軸受は、請求項４に記載の磁気軸受において、前記固定子の飽和磁束密度に略等しいバイアス磁束密度を前記バイアスコイルによって発生させることを特徴としている。

本発明の請求項１に記載の磁気軸受によれば、バイアスコイルによってバイアス磁束を発生させるので、永久磁石によってバイアス磁束を発生させる前記従来の磁気軸受９００とは異なり、高温環境など永久磁石がその機能を発揮し得ない環境下においても磁気軸受を良好に用いることができる。また、固定子の外面と回転体との間に空隙を設けたので、バイアスコイルによって発生するバイアス磁束は当該空隙を越えることができないため、バイアス磁束は空隙のない所定方向に偏って通り、バイアス磁束によって当該所定方向向きの軸受力（バイアス吸引力）が発生する。そのため、永久磁石によってバイアス磁束を均等に通して軸受力を均等に発生させる前記従来の磁気軸受９００とは異なり、当該所定方向と反対方向から受ける荷重に対する対抗力としての軸受力を効果的に発生させることができ、少ない消費電力で高荷重に対応可能な磁気軸受を得ることができる。また、複数のバイアスコイルを巻回したので、小型でありながら大きな軸受力を発生させることができる磁気軸受を得ることが可能となる。

また、請求項１に記載の磁気軸受によれば、固定子が回転体の内周面に近接対向する半円柱面状の外周面を有し、該外周面に形成された凹部にバイアスコイルの一部が収容される。そのため、半円柱面状の外周面が形成された側をバイアス磁束を通ることはできるが、反対側には固定子と回転体との間に空隙が存在するため当該空隙を越えてバイアス磁束は通ることができない。よって、バイアス磁束は外周面が形成された側に偏って通り、バイアス磁束によって当該外周面が形成された側向きの軸受力が発生する。また、半円柱面状の外周面が形成された側においてバイアス磁束が通ることが可能な領域を最大化することができ、当該側に向かって発生させる軸受力を大きくすることができる。なお、半円柱面状の外周面が形成された側と反対側においては、前記空隙を広げることによりバイアス磁束が通すことが可能な領域を小さくすることができるので、当該反対側に向かって発生させる軸受力を小さくすることができ、半円柱面状の外周面が形成された側に向かって発生させる軸受力を大きくすることができる。

請求項２に記載の磁気軸受によれば、バイアスコイルと近接対向する回転体の内周面に環状溝を形成したので、回転体の内周面には形成された環状溝間に凸部が生じる。そのため、当該凸部と、固定子の外周面に形成された凹部間に生じる凸部とは、互いに近接対向し、これら凸部に集中するバイアス磁束によって発生する吸引作用により、回転体を軸方向の所定位置に保持させる大きな復元力を得ることができる。また、これら凸部が軸方向に複数に形成されているので、前記復元力をより良好に得ることができる。よって、回転体の軸方向の位置変動が安定し、スラスト軸受を省略、もしくは小型化することができ、磁気軸受の製造コストを削減することが可能となる。

請求項３に記載の磁気軸受によれば、固定子の外面と回転体との間の空隙にセンサを設けたので、前記従来の磁気軸受９００のように、外部にセンサを設ける必要がないので、磁気軸受の小型化が可能となる。

請求項４に記載の磁気軸受によれば、制御コイルによって発生する制御磁束をそれぞれ制御することにより回転体の位置を制御するため、制御コイルに通電する電流に応じて制御力が変化するので、制御コイルに通電する電量を調整することによって回転体の位置を容易にアクティブ制御することができ、回転体の位置精度を向上させることが可能となる。

請求項５に記載の磁気軸受によれば、固定子の飽和磁束密度に略等しいバイアス磁束密度をバイアスコイルによって発生させるので、回転体と固定子とのギャップ変動によるバイアス磁束の変化を小さくし、バイアス磁束によって発生する軸受力の変動を小さくすることができる。そのため、軸受力の変動を吸収するために必要な制御力を小さくすることができ、制御部を小型化することができ、磁気軸受の小型化と製造コスト削減が可能となる。

本発明の実施の形態に係る磁気軸受１００は、図１に概略軸方向断面図を示すように、固定軸１に対して略円筒状の回転体２を非接触支持するものであり、固定軸１には、固定子（ステータ）３が一体的に固定して設けられている。固定子３は、固定軸１の軸方向に沿って、当該固定軸１に、第１の固定子３１、第２の固定子３２、及び第３の固定子３３の順に固定されている。なお、図示しないが、固定軸１は支持軸によって土台に固定されている。

固定子３は、バイアス磁束が通るバイアス磁路を構成するものであって、複数（３つ）のバイアスコイル４が回転体２の内周面と近接対向するようにそれぞれ巻回されている。固定子３は、図２（ａ）及び図２（ｂ）にも示すように、各図下側に回転体２との間に空隙を設けるよう形成されている。具体的には、図２（ａ）に示すように、固定子３の回転軸方向と直交する方向における断面を略扇形状としている。より詳細には、この断面外形は、上側が回転体２の内周面の直径に略等しい直径を有する半円であり、下側が上側の半円の直径より短い直径を有する半円及び当該半円への上側の半円の両端からの接線からなっている。固定子３の外周面には、図１に示すように、各バイアスコイル４の一部がそれぞれ収容される凹部５が形成されている。この凹部５が形成された部分における固定子３は、図２（ｂ）に示すように、回転中心を中心とする円状の外周面を有しており、当該外周面の一部は前記下側の半円のなす面と連なるものである。これにより、バイアスコイル４は、その全周に渡って一様に、回転体２の内周面と近接対向するように配置される。また、複数の凹部５が形成されるので、その間に凸部がそれぞれ形成されることになる。なお、固定子３は、バイアス磁束が通る磁路を構成するので、積層鉄心であることが好ましいが、必ずしも積層である必要はない。

さらに、固定子３は、制御磁束が通る制御磁路を構成するものでもあって、図３にも示すように、第１及び第３の固定子３１，３３の軸方向の外側にそれぞれ２対（４個）の突極６が設けられている。各突極６は、回転軸を中心として均等に４方向に延びるように、つまり全体として十字状となるように形成された突出部６１に制御コイル６２がそれぞれ巻回されることにより設けられている。

回転体２は、略円筒状のものであり、バイアスコイル４と対向する内周面には、環状溝７がそれぞれ形成されている。回転体２は、第１から第３の固定子３１，３２，３３にそれぞれ対応する３つの略短円筒状の回転子（ロータ）２１，２２，２３が分割形成された円筒状の外筒２４によってボルト等の固定具（不図示）によって固定されてなるものである。複数の環状溝７が形成されているので、その間に凸部がそれぞれ形成されることになる。これら凸部は、固定子３の外周面に形成された凸部とそれぞれ近接対向する。

固定子３と回転体２との空隙に一対の変位センサ７が２か所に設けられている。これら変位センサ８は、当該空隙内において軸方向にできる限り離間させて固定軸１に対し固定的に設けられている。一対の変位センサ８は、回転体２に対する２方向の変位（ギャップ）を検出する。そして、不図示の検出ユニットが、これらの変位センサ８から出力された検出信号に基づいて、固定軸１に対する回転体２の所定位置からのずれを求める。

上記のように構成された磁気軸受１００のバイアスコイル４及び制御コイル６２に通電すると、バイアスコイル４によってバイアス磁束が発生し、制御コイル６２によって制御磁束が発生することによって、回転する回転体２を固定軸１に対して非接触支持するように、磁気軸受１００が軸受力を発生する。

バイアスコイル４に通電することによって発生したバイアス磁束は、図４に示すように、固定子３から回転体２を巡るように形成される。バイアス磁束は、固定子３と回転体２との間に設けた空隙を越えて回転体２に渡ることができないため、空隙が設けられていない側（図中上側）に偏って通るので、バイアス磁束によって発生する軸受力（バイアス吸引力）は、当該空隙を設けた側とは反対方向の所定方向に向かう。そのため、図５に示した従来の磁気軸受９００のようにバイアス磁束を均等に発生させる場合とは異なり、当該所定方向と反対方向から受ける荷重に対する対抗力としての軸受力を発生させることができる。

固定子３が回転体２の内周面に近接対向する半円柱面状の外周面を有し、該外周面に形成された凹部５にバイアスコイル４の一部が収容されるため、バイアス磁束は半円柱面状の外周面が形成された側（図中上側）を通ることができるが、反対側には固定子３と回転体２との間に空隙が存在するため当該空隙を越えて通ることができない。よって、バイアス磁束は外周面が形成された側に偏って通り、バイアス磁束によって当該外周面が形成された側向き（図中上向き）の軸受力が発生する。また、半円柱面状の外周面が形成された側においてバイアス磁束が通ることが可能な領域が最大化されており、当該側に向かって大きな軸受力を発生させることができる。さらに、半円柱面状の外周面が形成された側と反対側においては、バイアスコイル４を適切に巻回できる程度にまで空隙を広げ、バイアス磁束が通ることが可能な領域を小さくしているので、当該反対側に向かって発生する軸受力を小さくし、半円柱面状の外周面が形成された側に向かって発生する軸受力を全体として大きくしている。

以上、説明したようにバイアスコイル４によってバイアス磁束を発生させるので、永久磁石によってバイアス磁束を発生させる図５に示した従来の磁気軸受９００とは異なり、高温環境など永久磁石がその機能を発揮し得ない環境下においても磁気軸受１００を良好に用いることができる。よって、製紙ロールや圧延ロールなどの各種大型ロールに好適に磁気軸受１００を用いることができる。なお、固定軸１は、中実として図示したが、変位センサ８からの信号線等を配する空洞を内部に備えたものであってもよい。

また、固定子３の外周面に形成された凹部５間に生じる凸部と、回転体２の内周面に形成された環状溝７間に生じる凸部とは、互いに近接対向するので、これら凸部に集中するバイアス磁束によって発生する吸引作用により、回転体２を軸方向の所定位置に保持させる大きな復元力を得ることができる。また、これら凸部が軸方向に複数に形成されているので、前記復元力をより良好に得ることができる。よって、回転体２の軸方向の位置変動が安定し、スラスト軸受を省略、もしくは小型化することができる。

また、固定子３と回転体２との間に空隙に変位センサ８を設けたので、従来の磁気軸受９００のように、外部にセンサを設ける必要がないので、磁気軸受１００を小型化することが可能となる。

また、制御コイル６２に通電する電流を調整することによって発生させる制御磁束をそれぞれ制御することにより、回転体２の位置を制御している。そのため、制御コイル６２に通電する電流に比例して制御力が変化するので、制御コイル６２に通電する電流を調整することによって回転体２の位置を容易にアクティブ制御することができ、回転体２の位置精度を向上することが可能となる。

また、固定子３の飽和磁束密度に略等しいバイアス磁束密度をバイアスコイル４によって発生させることが好ましい。回転体２と固定子３とのギャップ変動によるバイアス磁束の変化を小さくし、バイアス磁束によって発生する軸受力の変動を小さくできるので、軸受力の変動を吸収するために必要な制御力を小さくできる。

また、固定子３１，３２，３３の個数を適宜変更することによって、バイアスコイル４を必要な軸受力に応じて適切に設けることが容易に可能となる。そのため、小型でありながら大きな軸受力を発生することができ、拡張性のある磁気軸受１００を容易に得ることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、本実施の形態では、所定方向から高荷重を受けながら回転する回転体を固定軸に対して非接触支持する磁気軸受として実施した態様を説明したが、所定方向から高荷重を受ける固定軸に対して回転する回転体を非接触支持する磁気軸受等、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で実施形態を変更可能なことは勿論である。

本発明の実施の形態に係る磁気軸受１００の概略軸方向断面図である。 磁気軸受１００の概略断面図であり、（ａ）は図１に示すＡ―Ａにおける断面を、（ｂ）は図１に示すＢ―Ｂにおける断面をそれぞれ示す。 磁気軸受１００の概略断面図であり、図１に示すＣ−Ｃにおける断面を示す。 磁気軸受１００内のバイアス磁束の通る磁路を説明する説明図である。 従来の磁気軸受９００を示す概略軸方向断面図である。 従来の磁気軸受９００内のバイアス磁束の通る磁路を説明する説明図である。

符号の説明

１ 固定軸
２ 回転体
３ 固定子
４ バイアスコイル
５ 凹部
６ 突極
７ 環状溝
８ 変位センサ
１００ 磁気軸受

Claims (5)

1. 固定軸に対して回転する略円筒状の回転体を非接触支持する磁気軸受であって、
   前記固定軸と一体的に設けられた固定子に複数のバイアスコイルを前記回転体の内周面と近接対向するように巻回し、かつ前記固定子の外面と前記回転体との間に空隙を設け、
   前記固定子が前記回転体の内周面に近接対向する半円柱面状の外周面を有し、該外周面に形成された凹部に前記バイアスコイルの一部が収容されることを特徴とする磁気軸受。
2. 前記バイアスコイルと近接対向する前記回転体の内周面に環状溝を形成したことを特徴とする請求項１に記載の磁気軸受。
3. 前記固定子の外面と前記回転体との間の空隙に前記回転体の変位を検出するセンサを設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気軸受。
4. 前記固定子に制御コイルを巻回した複数対の突極を設け、前記制御コイルによってそれぞれ制御磁束を制御することにより、前記回転体の位置を制御することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の磁気軸受。
5. 前記固定子の飽和磁束密度に略等しいバイアス磁束密度を前記バイアスコイルによって発生させることを特徴とする請求項４に記載の磁気軸受。

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