JP5273526B2 - 磁気軸受装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁気軸受装置に関する。

磁気軸受装置は、ロータである回転軸と、ステータに設けられて回転軸を囲みこれを磁力で非接触に支持する磁極とを有する。

回転軸は、磁性材料を用いて形成され、例えば、高速回転するターボ圧縮機や、極低温回転機械、ターボチャージャ、フライホイール等の回転軸である。磁極は、回転軸を囲むように周方向に複数配置される。なお、本願において、周方向とは回転軸３の周方向をいう。

図５は、ホモポーラ型の磁気軸受装置の構成図である。図５（Ｂ）は図５（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
図５に示すように、複数の磁極１５は、回転軸３を囲むように周方向に配置される。これら磁極１５から高速回転中の回転軸３に磁束を通して、その電磁吸引力で回転軸３を浮上させて非接触で支持する。

ホモポーラ型では、回転軸３の周方向には図５（Ａ）に示すように同じ極性（図５（Ａ）ではＮ極）の磁極１５が並び回転軸３の軸方向には図５（Ｂ）に示すようにＮ極とＳ極が並ぶ。図５（Ａ）のように、周方向に並ぶ隣接磁極１５は近接していないので、磁極１５が有る部分と無い部分とで磁界の強弱分布が起きる。そのため、周方向に関して、回転軸表面において局所的に磁束の変動を打ち消すように渦電流が発生する。すなわち、渦電流発生の原因となる起電力は以下の式（１）で示され、磁束密度（磁界Ｂ）が小さい場合でも、高速回転軸のように高速回転する場合には、大きな渦電流が発生してしまう。
ｅ∝Ｂ・ｖ・Ｌ．．．（１）
ｅ：起電力、Ｂ：磁束密度、ｖ：磁界を切る速度、Ｌ：導体の長さ

図６、図７は特許文献１の磁気軸受装置の構成を示している。図６、図７において（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。特許文献１では、ホモポーラ型磁気軸受装置において、張出部１７を設け、周方向に隣接するＮ極１５同士をそれぞれ周方向に接続（図６の場合）もしくは近接（図７の場合）させている。これにより、周方向に隣接する磁極１５の中間位置における磁束密度を高めて周方向の磁束密度の強弱分布の発生を小さくしている。これにより、渦電流発生を抑制している。
しかも、図６、図７において、張出部１７を薄く形成しているので、張出部１７で磁気飽和が起き、これにより、隣接磁極１５の一方から他方へ磁束が漏れることを防止している。

特開２００１−２７１８３６号公報 「磁気軸受装置」

しかし、特許文献１の張出部１７の厚さは、例えば０．３〜１ｍｍ程度であり、材質は積層鋼板であることから、強度が弱くなる可能性があるとともに、製作時の加工が困難になる可能性がある。現実的には、全ての張出部１７の厚さを完全に同一にすることは困難であり、張出部１７の厚さのばらつきが大きくなる可能性がある。即ち、張出部１７の磁気抵抗にばらつきが生じる可能性があった。

そこで、本発明の目的は、特許文献１で得られるような渦電流低減効果を維持したまま、磁気軸受装置の製作を容易にし、製作の精度を向上させることを可能にする磁気軸受装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明によると、回転軸を磁力で支持するホモポーラ型の磁気軸受装置であって、
前記回転軸の周方向に同じ極性が配置された複数の磁極を備え、各磁極は回転軸外表面に近接して対向する内端面を有し、
周方向に隣接する前記磁極同士は、それぞれ、当該磁極の前記内端面まで当該磁極の軸方向に延び、これにより回転軸外表面近傍で互いに干渉し得るようになっており、
干渉し得る前記両磁極の干渉部が、カットされており、
隣接する前記磁極同士は、それぞれ前記カットにより形成されたカット表面を有し、該カット表面は平面であり、
隣接する前記磁極の前記カット表面同士の前記周方向における間隔は、当該磁極の前記内端面と回転軸外表面との間隔よりも大きく、
前記複数の磁極に対向する前記回転軸の外表面は、該回転軸の軸方向と垂直な断面が円形であり、
前記内端面は、前記回転軸の軸方向と垂直な断面が、前記円形に沿った円弧状である、ことを特徴とするホモポーラ型の磁気軸受装置が提供される。

上述の本発明の磁気軸受装置では、前記回転軸の周方向に配置された複数の磁極を備え、各磁極は回転軸外表面に近接して対向する内端面を有し、周方向に隣接する前記磁極同士は、それぞれ、当該磁極の前記内端面まで当該磁極の軸方向に延び、これにより回転軸外表面近傍で互いに干渉し得るようになっており、干渉し得る前記両磁極の干渉部が、カットされているので、磁極の干渉部をカットする簡単な加工により、隣接磁極同士の周方向間隔を小さくできる。即ち、周方向において、回転軸外表面と対向する磁極部分が存在しない周方向領域を小さくでき、その結果、回転軸外表面における磁束の変動を抑えて渦電流を低減することができる。
よって、渦電流低減効果を維持したまま、磁気軸受装置の製作が容易になる上、製作の精度も向上する。

このように、前記干渉部をカットすることで形成されるカット表面を平面とすることで、カット加工が一層簡単になる。

このように、隣接する前記磁極同士は、それぞれ前記カットにより形成されたカット表面を有し、隣接する前記磁極の前記カット表面同士の前記周方向における間隔は、当該磁極の前記内端面と回転軸外表面との間隔よりも大きいので、隣接する磁極の一方から他方へ磁束が漏れることを抑制できる。これにより、簡単なカット加工により磁極５から発生する磁束の無駄を無くすことができる。
しかも、特許文献１において張出部１７の厚みを精度よく加工することなく、簡単なカット加工により、上記のような磁束の漏れを抑制できる。

このように、前記複数の磁極に対向する前記回転軸の外表面は、該回転軸の軸方向と垂直な断面が円形であり、前記内端面は、前記回転軸の軸方向と垂直な断面が、前記円形に沿った円弧状であるので、互いに隣接する磁極同士の微小な周方向ギャップ以外の範囲で、回転軸外表面が、これに沿って延びる磁極の内端面で完全に囲むことができる。これにより、回転軸外表面における磁束の変動をより確実に抑えて渦電流を低減することができる。

上述した本発明によると、渦電流低減効果を維持したまま、磁気軸受装置の製作が容易になり、製作の精度を向上させることが可能になる。

本発明を実施するための最良の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態による磁気軸受装置１０の構成図であり、（Ａ）は回転軸３の軸方向と垂直な方向から見た図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。磁気軸受装置１０は、回転軸３を磁力で支持する装置であって、回転軸３の周方向に配置された複数の磁極５を備える。各磁極５は回転軸３外表面に近接して対向する内端面５ｂを有し、各磁極５と回転軸３との間で発生する磁力（磁極５から回転軸３に向かうまたはその逆方向の磁界によって発生する磁力）により回転軸３が非接触で支持される。図１の例では、磁気軸受装置１０は、周方向に同じ極性（図１（Ａ）ではＮ極）の磁極５が並ぶホモポーラ型のものである。図１（Ｂ）では、図１（Ａ）の４つの磁極５のうち上下２つの磁極５のみ示している。また、図１において、符号Ｃは、磁極５の軸を示す。

回転軸３は、磁性材料を用いて形成され、例えば、高速回転するターボ圧縮機や、極低温回転機械、ターボチャージャ、フライホイール等の回転軸である。この例では、回転軸３は、ソリッド型の回転軸である。ソリッド型の回転軸３はシャフト材のみで構成（例えば一体成形）されるので、剛性が高い。
しかし、本発明によると、回転軸３は積層鋼板を用いた積層型の回転軸であってもよい。積層型では、例えば、図２に示すように、回転軸３の磁極５対向部にスリーブ７を設け、このスリーブ７を介して積層鋼板を回転軸３に固定している。積層鋼板には珪素を含有させて、材料として電気抵抗を高めている。また、０．１〜０．５ｍｍ程度の薄板の鋼板を絶縁層を介して積層する。このようにして回転軸表面に発生する渦電流を、ソリッド型の回転軸の場合よりも低減している。ただし、積層型では、機械強度が低いため、回転軸の周速が制限される可能性がある。

各磁極５は、例えば積層鋼板からなるステータコア９からなる。このステータコア９に、磁束を発生させるための電流が流れるコイル１１が巻かれている。図１の例では、各ステータコア９は、２つの磁極５を有する。即ち、各ステータコア９はＮ磁極５とＳ磁極５を有する。なお、磁極５の軸Ｃはコイル１１の軸である。
複数の磁極５に対向する回転軸３の外表面は、該回転軸３の軸方向と垂直な断面が円形である。そのため、内端面５ｂは、回転軸３の軸方向と垂直な断面が、前記円形に沿った円弧状となっている。
各磁極５の内端面５ｂは、回転軸３の周方向位置よらず、回転軸３外表面から一定間隔だけ隔てられている。

本実施形態によると、周方向に隣接する磁極５同士は、それぞれ、当該磁極５の内端面５ｂまで（即ち、回転軸３外表面から、前記一定間隔だけ隔てた位置まで）当該磁極５の軸方向に延び、これにより回転軸３外表面近傍で互いに干渉し得るようになっており、干渉し得る前記両磁極５の干渉部５ａが、カット（切断）されている。即ち、

この例では、干渉部５ａは角部である。干渉部５ａは、後述の図３（Ｂ）に示す。

隣接する磁極５同士は、それぞれ前記カットにより形成されたカット表面５ｃを有する。本実施形態では、隣接する前記磁極５の前記カット表面５ｃ同士の周方向における間隔は、当該磁極５の内端面５ｂと回転軸３外表面との間隔よりも大きい。これにより、隣接する磁極５の一方から他方へ磁束が漏れることが抑制される。

磁極５は例えば次のように製作される。まず、図３（Ａ）に示す形状のステータコア９を用意し、この図の破線で示す曲面を切り口として、ステータコア９から部分９ａをカットする。これにより形成される面は上述の内端面５ｂである。次に、図３（Ｂ）に示す内端面５ｂが形成されたステータコア９において、破線で示す面を切り口として、干渉部５ａをカットする。干渉部５ａがカットされたステータコア９を図３（Ｃ）に示す。好ましくは、干渉部５ａをカットしたことにより形成されるカット表面５ｃは平面である。これによりカット加工が容易になる。干渉部５ａは、内端面５ｂを形成する前に（即ち、図３（Ａ）の状態で）カットされてもよい。
なお、図３（Ａ）のステータコア９は積層鋼板で形成されてよい。この場合、図４（Ａ）に示す鋼板１３を複数枚重ねることで、図４（Ｂ）に示す積層鋼板よりなるステータコア９を形成してよい。

上述の本発明の実施形態による磁気軸受装置１０によると、次の（１）〜（３）の効果が得られる。
（１）周方向に隣接する磁極５同士は、それぞれ、当該磁極５の内端面５ｂまで当該磁極５の軸方向に延び、これにより回転軸３外表面近傍で互いに干渉し得るようになっており、干渉し得る両磁極５の干渉部５ａが、カットされているので、磁極５の干渉部５ａをカットする簡単な加工により、隣接磁極５同士の周方向間隔を微小できる。即ち、周方向において、回転軸３外表面と対向する磁極５部分が存在しない周方向領域を小さくでき、その結果、回転軸３外表面における磁束の変動を抑えて渦電流を低減することができる。従って、従来において比較的渦電流が発生しやすいソリッド型の回転軸３を用いても、渦電流を十分に低減できる。よって、渦電流低減効果を維持したまま、磁気軸受装置１０の製作が容易になる上、製作の精度も向上する。
（２）また、干渉部５ａをカットすることで形成されるカット表面５ｃを平面とすることで、カット加工が一層簡単になる。
（３）隣接する磁極５同士は、それぞれ前記カットにより形成されたカット表面５ｃを有し、隣接する磁極５のカット表面５ｃ同士の周方向における間隔は、当該磁極５の内端面５ｂと回転軸３外表面との間隔よりも大きいので、隣接する磁極５の一方から他方へ磁束が漏れることを抑制できる。これにより、コイル１１に電流を流すことで磁極５から発生する磁束の無駄を無くすことができる。
（４）複数の磁極５に対向する回転軸３の外表面は、該回転軸３の軸方向と垂直な断面が円形であり、内端面５ｂは、回転軸３の軸方向と垂直な断面が、前記円形に沿った円弧状であるので、互いに隣接する磁極５同士の微小な周方向ギャップ以外の範囲で、回転軸３外表面が、これに沿って延びる磁極５の内端面５ｂで完全に囲むことができる。これにより、回転軸３外表面における磁束の変動をより確実に抑えて渦電流を低減することができる。

本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、以下のように、本発明の要旨を逸脱しない範囲で本発明を実施してよい。

本発明は、図１（Ｂ）の左側において周方向に配置される複数のＮ磁極５に対して適用できるだけでなく、図１（Ｂ）の右側において周方向に配置される複数のＳ磁極５に対しても適用できる。

また、上述の実施形態では、磁気軸受装置１０はホモポーラ型磁極配列のものであったが、他の形式（例えばヘテロポーラ型磁極配列）の磁気軸受装置にも本発明を適用してもよい。

また、上述の実施形態では、ステータコア９は積層鋼板からなっていたが、本発明によると、ステータコア９は、カットコア、アモルファス材料からなるもの、粉末磁性材料を成形したものなど他の適切なものであってもよい。

本発明によると、回転軸３の周りに配置される磁極５の数は、４以上の適切な数であってよい。

本発明の実施形態による磁気軸受装置の構成図である。 ソリッド型の回転軸の一例を示す図である。 本発明の実施形態によるステータコア製作の説明図である。 積層鋼板によるステータの形成を示す説明図である。 ホモポーラ型の磁気軸受装置の構成図である。 特許文献１の磁気軸受装置の構成図である。 特許文献１の磁気軸受装置の別の構成図である。

符号の説明

３ 回転軸、５ 磁極、５ａ 干渉部、５ｂ 内端面、５ｃ カット表面、７ スリーブ、９ ステータコア、１０ 磁気軸受装置、１１ コイル、１３ 鋼板、１５ 磁極、１７ 張出部

Claims (1)

1. 回転軸を磁力で支持するホモポーラ型の磁気軸受装置であって、
   前記回転軸の周方向に同じ極性が配置された複数の磁極を備え、各磁極は回転軸外表面に近接して対向する内端面を有し、
   周方向に隣接する前記磁極同士は、それぞれ、当該磁極の前記内端面まで当該磁極の軸方向に延び、これにより回転軸外表面近傍で互いに干渉し得るようになっており、
   干渉し得る前記両磁極の干渉部が、カットされており、
   隣接する前記磁極同士は、それぞれ前記カットにより形成されたカット表面を有し、該カット表面は平面であり、
   隣接する前記磁極の前記カット表面同士の前記周方向における間隔は、当該磁極の前記内端面と回転軸外表面との間隔よりも大きく、
   前記複数の磁極に対向する前記回転軸の外表面は、該回転軸の軸方向と垂直な断面が円形であり、
   前記内端面は、前記回転軸の軸方向と垂直な断面が、前記円形に沿った円弧状である、ことを特徴とするホモポーラ型の磁気軸受装置。
   

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