JP5465249B2 - 磁気浮上制御装置およびハイブリッド型磁気軸受け - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石と電磁石を併用して浮上対象物の位置を制御する磁気浮上制御装置およびハイブリッド型磁気軸受けに関する。

従来の永久磁石と電磁石を併用するハイブリッド型磁気軸受けとしては、複数の電磁石と永久磁石の磁気力を制御することにより非接触状態で支持され回転するロータを有するハイブリッド型磁気軸受け（特許文献１）や、人工心臓用の磁気軸受け（特許文献２）が知られており、電磁石により生ずる電磁石磁束に永久磁石により生ずるバイアス磁束を重畳することにより、磁気軸受けの制御に必要な磁束を得ようとする技術は上記により知られている。

特開２００７−１２０６３５号公報 特開２００５−１２１１５７号公報

しかしながら、特許文献１に記載のハイブリッド型磁気軸受けにおいては、電磁石により生ずる電磁石磁束と、永久磁石により生ずるバイアス磁束とから磁路が３次元的に構成されているため、各々の磁束のもれ損失が大きく、効率を高めることが出来ないという問題点がある。また、構造が複雑であり、製作が困難であるという問題点がある。

磁束のもれ損失を少なくし、またハイブリッド型磁気軸受けの製作を容易とするための解決手段として、磁路を２次元的に構成することが考えられる。しかし、磁路を２次元的に構成した場合、特許文献２に記載の磁気軸受けのように、電磁石によって形成する磁束と永久磁石により生ずるバイアス磁束が共に同一の永久磁石を通る磁路を形成することとなり、電磁石によって形成する磁束が永久磁石の大きい磁気抵抗により弱められ、磁気軸受けの移動制御に必要な大きな磁束を得ることが困難となる。

本発明は、かかる点に鑑みて、永久磁石と電磁石とを互いの磁束が重畳する位置に配置しても、電磁石によって形成される制御磁束について、バイアス磁束を発生させるための永久磁石の磁気抵抗の影響を減少させることにより、電磁石により形成される制御磁束の損失を抑制し、磁気浮上対象物の位置制御を行うための大きな磁束を得ることの出来る磁気浮上制御装置およびハイブリッド型磁気軸受けを提供することを目的とする。

本発明は、バイアス用永久磁石によって形成されるバイアス磁束と、電磁石によって形成される制御磁束とによって前記電磁石に対する磁気浮上対象物の位置を制御する磁気浮上制御装置であって、前記バイアス磁束が前記電磁石の電磁石コアを通るように形成されると共に、前記制御磁束の磁路となるバイパス磁路が、前記バイアス用永久磁石と並列に形成されており、該バイパス磁路が前記バイアス磁束の通過を阻止する方向に磁化されていることを特徴とする。
さらに、本発明の磁気浮上制御装置は、前記バイパス磁路が永久磁石と磁性体とで構成され、前記バイパス磁路の永久磁石によって形成される磁束が前記バイアス磁束として機能することを特徴とする。
さらに、本発明の磁気浮上制御装置は、前記バイアス用永久磁石および前記バイパス磁路が前記磁気浮上対象物に設けられていることを特徴とする。
さらに、本発明の磁気浮上制御装置は、前記電磁石を磁極となる２つの突極が前記磁気浮上対象物に対向するように配置させ、前記バイアス用永久磁石を磁極が前記磁気浮上対象物の前記電磁石との対向面と平行になるように配置させ、前記バイパス磁路の永久磁石を磁極が前記磁気浮上対象物の前記電磁石との対向面と垂直になるように配置させることを特徴とする。
さらに、本発明の磁気浮上制御装置は、前記バイパス磁路の永久磁石として、２つの永久磁石が前記電磁石の２つの突極に対向してそれぞれ設けられ、２つの永久磁石の磁力は、前記電磁石の２つの突極と前記磁気浮上対象物とのそれぞれ間隙の磁束密度が同一になるように設定されていることを特徴とする。
さらに、本発明の磁気浮上制御装置は、前記バイアス用永久磁石および前記バイパス磁路が前記電磁石に設けられていることを特徴とする。
また、本発明は、バイアス用永久磁石によって形成されるバイアス磁束と、電磁石によって形成される制御磁束とによって前記電磁石に対する磁気浮上ロータの位置を制御するハイブリッド型磁気軸受けであって、前記バイアス磁束が前記電磁石の電磁石コアを通るように形成されると共に、前記制御磁束の磁路となるバイパス磁路が、前記バイアス用永久磁石と並列に形成されており、該バイパス磁路が前記バイアス磁束の通過を阻止する方向に磁化されていることを特徴とする。
さらに、本発明のハイブリッド型磁気軸受けは、前記バイパス磁路が永久磁石と磁性体とで構成され、前記バイパスの永久磁石によって形成される磁束が前記バイアス磁束として機能することを特徴とする。
さらに、本発明のハイブリッド型磁気軸受けは、径方向に着磁されて円環状に配置されている前記バイアス用永久磁石と、当該バイアス用永久磁石の各磁極を接続する前記バイパス磁路とが前記磁気浮上ロータに設けられ、前記電磁石は、磁極となる２つの突極が前記磁気浮上ロータに軸方向から対向するように配置され、前記電磁石によって前記磁気浮上ロータの軸方向の位置を制御させることを特徴とする。
さらに、本発明のハイブリッド磁気軸受けは、前記バイパス磁路の永久磁石として、前記磁気浮上ロータの軸方向に着磁されて円環状に配置されている永久磁石が設けられていることを特徴とする。
さらに、本発明のハイブリッド磁気軸受けは、前記バイパス磁路の永久磁石として、２つの永久磁石が前記電磁石の２つの突極に対向してそれぞれ設けられ、２つの永久磁石の磁力は、前記電磁石の２つの突極と前記磁気浮上対象物とのそれぞれ間隙の磁束密度が同一になるように設定されていることを特徴とする。
さらに、本発明のハイブリッド磁気軸受けは、前記バイアス用永久磁石および前記バイパス磁路が前記電磁石に設けられていることを特徴とする。
さらに、本発明のハイブリッド型磁気軸受けは、軸方向に着磁された円筒状の前記バイアス用永久磁石と、当該バイアス用永久磁石の各磁極を接続する前記バイパス磁路とが前記磁気浮上ロータに設けられ、前記電磁石は、磁極となる２つの突極が前記磁気浮上ロータに径方向から対向するように配置され、前記電磁石によって前記磁気浮上ロータの径方向の位置を制御させることを特徴とする。

本発明の磁気浮上制御装置は、上述のように、バイアス磁束が電磁石の電磁石コアを通るように形成されると共に、制御磁束の磁路となるバイパス磁路が、バイアス用永久磁石と並列に形成されており、該バイパス磁路がバイアス磁束の通過を阻止する方向に磁化されているように構成することにより、バイアス用永久磁石と電磁石との互いの磁束が重畳する位置に配置しても、電磁石によって形成される制御磁束がバイパス磁路を通ることになるため、バイアス磁束を発生させるためのバイアス用永久磁石の磁気抵抗の影響を減少させ、電磁石により形成される制御磁束の損失を抑制し、磁気浮上対象物の位置制御を行うための大きな磁束を得ることができる。これにより、バイアス用永久磁石と電磁石とを互いの磁束が重畳する位置に配置することができ、装置を小型化することができる。
さらに、本発明の磁気浮上制御装置は、バイパス磁路を永久磁石と磁性体とで構成することにより、バイパス磁路の永久磁石によって形成される磁束をバイアス磁束として機能させることができ、磁気吸引力を効率よく向上させることができる。
さらに、本発明の磁気浮上制御装置は、バイアス用永久磁石およびバイパス磁路を磁気浮上対象物に設けることにより、制御磁束を形成する電磁石の構成を簡略化することができ、電磁石のメンテナンスを容易に行うことができる。
さらに、本発明の磁気浮上制御装置は、電磁石を磁極となる２つの突極が磁気浮上対象物に対向するように配置させ、バイアス用永久磁石を磁極が磁気浮上対象物の電磁石との対向面と平行になるように配置させ、バイパス磁路の永久磁石を磁極が磁気浮上対象物の電磁石との対向面と垂直になるように配置させることにより、バイパス磁路の永久磁石の断面積を確保しやすいため、バイパス磁路の磁気抵抗を効率よく減少させることができ、バイアス用永久磁石を含めた全体の磁気抵抗を減少させることができる。
さらに、本発明の磁気浮上制御装置は、バイパス磁路の永久磁石として、２つの永久磁石が電磁石の２つの突極に対向してそれぞれ設けられ、２つの永久磁石の磁力は、電磁石の２つの突極と磁気浮上対象物とのそれぞれ間隙の磁束密度が同一になるように設定されるように構成することにより、電磁石の２つの突極において、均等な条件で磁気吸引力を作用させることができる。
さらに、本発明の磁気浮上制御装置は、バイアス用永久磁石およびバイパス磁路を電磁石に設けることにより、磁気浮上対象物の構成を簡略化して軽量化することができるため、浮上制御を容易に行うことができる。
また、本発明のハイブリッド型磁気軸受けは、バイアス磁束が電磁石の電磁石コアを通るように形成されると共に、制御磁束の磁路となるバイパス磁路が、バイアス用永久磁石と並列に形成されており、該バイパス磁路がバイアス磁束の通過を阻止する方向に磁化されているように構成することにより、バイアス用永久磁石と電磁石との互いの磁束が重畳する位置に配置しても、電磁石によって形成される制御磁束がバイパス磁路を通ることになるため、バイアス磁束を発生させるためのバイアス用永久磁石の磁気抵抗の影響を減少させ、電磁石により形成される制御磁束の損失を抑制し、磁気浮上対象物の位置制御を行うための大きな磁束を得ることができる。これにより、バイアス用永久磁石と電磁石とを互いの磁束が重畳する位置に配置することができ、装置を小型化することができる。
さらに、本発明のハイブリッド型磁気軸受けは、バイパス磁路を永久磁石と磁性体とで構成することにより、バイパス磁路の永久磁石によって形成される磁束をバイアス磁束として機能させることができ、磁気吸引力を効率よく向上させることができる。
さらに、本発明のハイブリッド型磁気軸受けは、径方向に着磁されて円環状に配置されているバイアス用永久磁石と、当該バイアス用永久磁石の各磁極を接続するバイパス磁路とが磁気浮上ロータに設けられ、電磁石は、磁極となる２つの突極が磁気浮上ロータに軸方向から対向するように配置され、電磁石によって磁気浮上ロータの軸方向の位置を制御させるように構成することにより、電磁石の電磁石コアを通過する磁束が磁気浮上ロータの回転により変化しないので、渦電流損等鉄損を低くすることができると共に、磁気浮上ロータの径方向に電磁石を配置する必要がないため、スリムな装置を実現することができる。
さらに、本発明のハイブリッド型磁気軸受けは、バイパス磁路の永久磁石として、磁気浮上ロータの軸方向に着磁されて円環状に配置されている永久磁石を設けることにより、バイパス磁路の永久磁石の断面積を確保しやすいため、バイパス磁路の磁気抵抗を効率よく減少させることができ、バイアス用永久磁石を含めた全体の磁気抵抗を減少させることができる。
さらに、本発明のハイブリッド型磁気軸受けは、バイパス磁路の永久磁石として、２つの永久磁石が電磁石の２つの突極に対向してそれぞれ設けられ、２つの永久磁石の磁力は、電磁石の２つの突極と磁気浮上対象物とのそれぞれ間隙の磁束密度が同一になるように設定されるように構成することにより、電磁石の２つの突極において、均等な条件で磁気吸引力を作用させることができる。
さらに、本発明のハイブリッド型磁気軸受けは、バイアス用永久磁石およびバイパス磁路を電磁石に設けることにより、磁気浮上ロータの構成を簡略化して軽量化することができるため、浮上制御を容易に行うことができる。
さらに、本発明のハイブリッド型磁気軸受けは、軸方向に着磁された円筒状のバイアス用永久磁石と、当該バイアス用永久磁石の各磁極を接続するバイパス磁路とが磁気浮上ロータに設けられ、電磁石は、磁極となる２つの突極が磁気浮上ロータに径方向から対向するように配置され、電磁石によって磁気浮上ロータの径方向の位置を制御させるように構成することにより、電磁石の電磁石コアを通過する磁束が磁気浮上ロータの回転により変化しないので、渦電流損等鉄損を低くすることができると共に、磁気浮上ロータの軸方向に電磁石を配置する必要がないため、装置を薄く構成することができる。

本発明の実施の形態に係る磁気浮上制御装置の基本的な構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態の変形例の構成を示す図である。 本発明の実施の形態の更なる変形例を示す図である。 本発明の実施の形態の更なる変形例を示す図である。 図４に示す本発明の実施の形態の応用例を示す図である。 本発明の第１の実施例に係るハイブリッド型磁気軸受けの構成を示す図である。 図６に示す第１の実施例に係るハイブリッド型磁気軸受けの断面を示す図である。 本発明の第２の実施例に係るハイブリッド型磁気軸受けの構成を示す図である。 本発明の第３の実施例に係るハイブリッド型磁気軸受けの構成を示す図である。 図９に示す第３の実施例の断面を示す図である。 本発明の第４の実施例に係るハイブリッド型磁気軸受けの構成を示す図である。 図１に示す磁気浮上制御装置の電磁石から見た磁気等価回路図である。 図６に示すように電磁石を複数配置したハイブリッド型磁気軸受けにおいて電磁石から見た磁気等価回路図である。 バイパス磁路の永久磁石の厚さをパラメータとした有限要素法による数値解析に用いた磁気浮上制御装置の形状および寸法を示す図である。 バイパス磁路の永久磁石の厚さをパラメータとした有限要素法の数値解析結果を示す図である。 バイパス磁路の永久磁石の厚さをパラメータとした有限要素法の数値解析結果を示す図である。 バイパス磁路の永久磁石の厚さをパラメータとした有限要素法の数値解析結果を示す図である。 バイパス磁路の永久磁石の厚さをパラメータとした有限要素法の数値解析結果を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態を図に基づいて説明する。

図１は本発明の実施の形態である磁気浮上制御装置１００の基本的な構成を示す。図１において、２０は電磁石コア１に電磁石コイル２を巻回した電磁石である。３、５および８はそれぞれ左側、中央、及び右側に配置された棒状の磁性体、４および７は夫々左側及び右側に配置された棒状の永久磁石、６は中央に配置された棒状の永久磁石である。左側に配置された永久磁石４と右側に配置された永久磁石７が他の磁石手段を構成する。また、電磁石コア１は、磁極となる２つの突極１ａ、１ｃを有するコの字形状であり、２つの突極１ａ、１ｃは、それぞれ磁性体３、８に対向する位置に配置される。

磁性体３、５、８、永久磁石４、７、中央に配置された永久磁石６は図示しない磁気浮上対象物上に固定され、自体も磁気浮上対象物５０となる。永久磁石６は、バイアス磁束１０を形成し、電磁石２０によって形成される制御磁束９とバイアス磁束１０とで、磁気浮上対象物５０に対して電磁石２０に引きつける方向の引力を作用させる。一方、磁気浮上対象物５０には、図示しない電磁石や永久磁石、又は重力等によって、電磁石２０から離れる方向（図中下方向）の離力が作用しており、当該離力と制御磁束９およびバイアス磁束１０による引力とをバランスさせることで磁気浮上対象物５０が浮上する。また、電磁石コイル２に流される電流を変化させ、制御磁束９の強さを制御することで、磁気浮上対象物を上下（図のＺ軸方向）に移動制御することができ、さらに、磁気浮上対象物５０に作用する離力が変化した場合でも、制御磁束９の強さを制御することで、磁気浮上対象物５０を同じ位置に制御することが可能になる。 １５は空間又は非磁性体部を示す。

このように、永久磁石６、他の磁石手段である永久磁石４、７および磁性体３、５、８を含んで構成された１つの磁気浮上対象物５０は、断面矩形状に一体的に形成され、電磁石２０に対向配置される。

バイアス磁束１０を形成する永久磁石６は、浮上支持対象物５０の中央に、磁極が電磁石２０との対向面と平行になるように配置され、図面上で水平配置される永久磁石６は左端がＮ極に、右端がＳ極に着磁されている。磁気浮上対象物５０の左側に配置される永久磁石４は、磁極が電磁石２０との対向面と垂直になるように、上面がＮ極に、下面がＳ極に着磁されている。浮上支持対象物の右側に配置される永久磁石７も、磁極が電磁石２０との対向面と垂直になるように、上面がＳ極に、下面がＮ極に着磁されている。この構成により、永久磁石４、７の断面積を確保しやすいため、バイパス磁路９Ａの磁気抵抗を効率よく減少させることができ、永久磁石６を含めた全体の磁気抵抗を減少させることができる。

左側の永久磁石４の上面のＮ極は、永久磁石６の図示左端のＮ極と、電磁石２０の突極１ａと対向する磁性体３を介して接続され、右側の永久磁石７の上面のＳ極は、永久磁石６の図示右端のＳ極と、電磁石２０の突極１ｃと対向する磁性体８を介して接続される。また、左側の永久磁石４の下面のＳ極と右側の永久磁石７の下面のＮ極は磁性体５を介して接続される。

当該接続構成により、図１において実線で示す、永久磁石６により発生する永久磁石磁束であるバイアス磁束１０の磁路が、左側の磁性体３、電磁石コア１、右側の磁性体８とから構成される。

また、磁性体３、左側の永久磁石４、磁性体５、右側の永久磁石７および磁性体８により、中央に配置される永久磁石６と並列に、バイパス磁路９Ａが形成される。バイパス磁路９Ａの形成に際しては、例えば、同一性能の永久磁石が使用される場合、即ち、透磁率が同じである同一材質で構成した場合、磁束方向における永久磁石４および永久磁石７の板幅は、永久磁石６の中に形成される図において水平方向の板幅に比べてはるかに小さなものとされる。このため、中央に配置される磁気抵抗の大きい永久磁石６と比較し、バイパス磁路９Ａの磁気抵抗は小さいものとなる。

このように、バイパス磁路９Ａは、永久磁石４、７によってバイアス磁束１０の通過を阻止する方向に磁化されている。即ち、永久磁石４、７は、バイパス磁路９Ａを磁化させるバイパス磁路用永久磁石として用いられる。永久磁石４、７と永久磁石６とがそれぞれ接続された磁性体３、８において、バイアス磁束１０を形成する永久磁石６の磁極に対して磁束方向で同一極になるように永久磁石４、７が配設されることで、バイパス磁路９Ａがバイアス磁束１０の通過を阻止する方向に磁化される。また、永久磁石４、７によるバイパス磁路９Ａの磁気抵抗が永久磁石による磁気抵抗に比べて小さくなるようにして形成されて配設される。

永久磁石４、６、７の着磁方向を全て逆にすると共に、電磁石コイル２に流れる電流の向きを反対にすることで制御磁束９の向きを逆にしても良く、それにより本実施の形態の効果を何ら損なうものではない。ここでは、本発明の実施の形態の説明に当って、上記の永久磁石４、６、７の着磁方向で説明する。

図１に示す破線は、電磁石コイル２と電磁石コア１からなる電磁石２０により発生する電磁石磁束である制御磁束９を示す。制御磁束９は、中央に配置された永久磁石６が横方向に細長い断面形状のため磁気抵抗が大きいので、永久磁石６をほとんど通過しない。ここで、電磁石２０により発生する制御磁束９の大部分は、バイパス磁路９Ａを通る構成となる。即ち、左右の永久磁石４および７は、それら磁極間の長さが永久磁石６の磁極間の長さに比較して短くなるように磁性部材５と接続されているので、永久磁石７、磁性体５、永久磁石４で形成されるバイパス磁路９Aの磁気抵抗が永久磁石６の磁気抵抗に比べて小さくなり、制御磁束９はバイパス磁路９Aを通る構成となる。

バイパス磁路９Ａは磁気抵抗が小さいため、バイパス磁路９Ａを通過する制御磁束９には殆ど損失が生じない。そして、殆ど損失を生じることなくバイパス磁路９Ａを通過する制御磁束９は、左側の永久磁石４及び磁性体３を通過して、永久磁石６により形成されるバイアス磁束１０と重畳され、磁気浮上対象物５０の位置を制御する大きな制御磁束を得ることが可能となる。

この場合に、上述のように、左側の永久磁石４の上面のＮ極は磁性体３を介して中央の
永久磁石６のＮ極と同極同士が接続され、右側の永久磁石７の上面のＳ極は磁性体８を介
して中央の永久磁石６のＳ極と同極同士が接続され、バイパス磁路９Ａは、バイアス磁束１０の通過を阻止する方向に磁化されている。このため、中央の永久磁石６により発生するバイアス磁束１０の浮上支持対象物５０内での短絡が防止され、バイアス磁束１０の損失を防ぐことができる。

さらには、バイパス磁路９Ａを構成する他の磁石手段である永久磁石７、永久磁石４からもバイアス磁束が発生する。即ち、永久磁石７、永久磁石４から発生するバイアス磁束は制御磁束９と同じ磁路を通過し、制御磁束９に重畳されることになる。なお、電磁石コア１の２つの突極１ａ、１ｃにそれぞれ対向する永久磁石４、７の磁力は、電磁石コア１の２つの突極１ａ、１ｃと浮上支持対象物５０の磁性体３、８とのそれぞれ間隙の磁束密度が同一になるように設定することで、電磁石２０の２つの突極１ａ、１ｃにおいて、均等な条件で磁気吸引力を作用させることができる。

このように、本実施の形態においては、バイパス磁路９Ａにより電磁石磁束９の損失が防止され、中央の永久磁石６の短絡を防ぐことによリバイアス磁束１０の損失が防止され、他の磁石手段により発生するバイアス磁束が電磁石磁束９に重畳され、ハイブリッド型磁気軸受けに発生する総合的な磁束の発生効率を大きくした制御磁束を形成することが可能となる。

図１に示す実施の形態は図２に示す如く変形しても同様の効果が得られる。即ち、図２に示す例は、図１に示す永久磁石７を磁性体７′ に変更したことを示す。バイパス磁路９Ａを磁化させる他の磁石手段である永久磁石として１個の永久磁石４が用いられる。このように、永久磁石４および７はいずれか一方でも良い。そして、電磁石２０により発生する制御磁束９およびバイアス磁束１０の方向は、永久磁石４と永久磁石６の同極同士が接する磁性体３において同方向になる。

また、図２に示す実施の形態を、図３に示すように変形しても同様の効果が得られる。即ち、図２に示す永久磁石４は磁性体４′ に変更され、磁性体５の一部に永久磁石１６を介在させている。この構成にあっても、永久磁石１６は、磁性体３、４′ 、５、７′、８で構成されるバイパス磁路９Ａを磁化させる他の磁石手段として機能し、永久磁石６によるバイアス磁束１０の通過を阻止する方向にバイパス磁路９Ａを磁化させ、かつ永久磁石１６による磁気抵抗、即ちバイパス磁路９Ａの磁気抵抗が永久磁石６の磁気抵抗に比べて小さく形成される。

本発明の実施の形態として、バイアス磁束を発生する永久磁石６およびバイパス磁路９Ａを形成する他の磁石手段である永久磁石４、７が、浮上支持対象物５０に配設される構成を説明した。 しかしながら、本発明の実施の形態は上述の構成に限定されることなく、永久磁石６によるバイアス磁束１０が制御磁束９に重畳され、制御磁束９が永久磁石６の磁気抵抗により弱められないようにバイパス磁路９Ａが構成されるのであれば、バイアス磁束１０を発生させる永久磁石６、バイパス磁路９Ａおよびバイパス磁路９Ａを磁化させる他の磁石手段である永久磁石４、７は、電磁石コア１に配設されていても良い。

例えば、図４に示す本発明の実施の形態の変形例にあっては、バイアス磁束１０を発する永久磁石６およびバイパス磁路９Ａが電磁石２０の電磁石コア１に備えられる。電磁石２０の電磁石コア１は、それぞれ開放端を有する突極１ａおよび突極１ｃと、突極１ａと突極１ｃとを接続する接続部１ｂとからなるコの字状であり、永久磁石６は、突極１ａおよび突極１ｃの一部と接続部１ｂとをショートカットして突極１ａと突極１ｃとに架け渡されている。また、永久磁石６によってショートカットされた突極１ａおよび突極１ｃの一部と接続部１ｂとが永久磁石６と並列なバイパス磁路９Ａとなり、バイパス磁路９Ａには、他の磁石手段である永久磁石４、７が配置されている。同一性能の永久磁石が使用される場合、即ち、透磁率が同じである同一材質で構成した場合、磁束方向における左側の永久磁石４と、右側の永久磁石７の板幅は、磁束方向における中央の永久磁石６の板幅と比較して小さく形成され、永久磁石４、７によるバイパス磁路９Ａの磁気抵抗が永久磁石６の磁気抵抗に比べて小さくなるように形成されて配設される。

図４に示す永久磁石６は、突極１ｃと接続された図示右端がＳ極に着磁され、突極１ａと接続された図示左端がＮ極に着磁される。左側の永久磁石４は、突極１ａに配置され、永久磁石６のＮ極に面する下面がＮ極に着磁され、上面がＳ極に着磁される。右側の永久磁石７は、突極１ｃに配置され、永久磁石６のＳ極に面する下面がＳ極に着磁され、上面がＮ極に着磁される。

即ち、左側の永久磁石４の下面と、永久磁石６の左端は、電磁石コア１の一部である突極１ａにより接続され、右側の永久磁石７の下面と、永久磁石６の右端は、電磁石コア１の一部である突極１ｃにより接続される。また、左側の永久磁石４の上面と、右側の永久磁石７の上面とは、電磁石コア１の一部である接続部１ｂにより接続される。

上述の接続構成により、Ｎ極に着磁された永久磁石６の左端が突極１ａを介して同極の左側永久磁石４の下面と接続されているため、中央の永久磁石６の左端から発生するバイアス磁束１０は電磁石コア１内で短絡することなく、図に示す磁路を構成する。

本実施の形態において、電磁石コイル２と電磁石コア１から構成される電磁石により発生する制御磁束９は、バイアス磁束１０の磁束方向と同じ方向に発生するようにされる。

ここで、制御磁束９は、バイパス磁路９Ａに比べて永久磁石６の磁気抵抗が大きいため、永久磁石６内を殆ど通過しない。しかし、左側の永久磁石４と、右側の永久磁石７は、中央の永久磁石６と比較し、制御磁束９の磁路方向の幅（厚さ）が小さく形成されており、中央の永久磁石６よりも永久磁石４、接続部１ｂおよび永久磁石７を通過する磁路方向の磁気抵抗が小さい。従って、接続部１ｂにより接続された左側の永久磁石４と、右側の永久磁石７とからバイパス磁路９Ａが構成され、制御磁束９はより磁気抵抗の小さいバイパス磁路９Ａを通過する。このため、制御磁束９が中央の永久磁石６の磁気抵抗により弱められることがなく、バイアス磁束１０に重畳され、磁気浮上対象物５０の位置を制御する大きな制御磁束を得ることができる。

このように、本発明の実施の形態にあっては、バイアス磁束１０を発生する永久磁石６および制御磁束９の磁路となるバイパス磁路９Ａは、電磁石コア１に配設されていても良い。この場合、永久磁石６およびバイパス磁路９Ａの配置は、図４に示す例に限定されるものではなく、例えば図５に示すように、永久磁石６を電磁石コイル２の下側、即ち突極１ａ、１ｃの先端側に移動させ、バイパス磁路９Ａに電磁石コイル２を配置しても良く、この場合には、永久磁石６の磁極と磁気浮上対象物５０とを近付けることができるため、永久磁石６によって形成されるバイアス磁束１０の漏れを少なくでき、磁気浮上対象物５０にバイアス磁束１０を効率よく作用させることができる。

また、図４、図５に示す例にあっても、例えば図２、図３に示すように、バイパス磁路９Ａを磁化させる他の磁石手段として、永久磁石４、７のいずれか１個が備えられる構成であっても良い。

以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。

本発明の第１の実施例として、２個の磁気浮上制御装置１００が組み込まれた、円板状の磁気浮上ロータに対するハイブリッド型磁気軸受け２００を図６に示す。磁気浮上対象物５０は、Ｚ軸方向の中心軸を有する円板状の磁気浮上ロータになっており、図１では棒状であった永久磁石４、６、７、磁性体３、５、８は、磁気浮上対象物５０である円板状の磁気浮上ロータが移動制御される方向に有る軸、即ち、本実施例においては磁気浮上ロータの中心軸に対して円環状配置とされ、内部が非磁性体５１で満たされている。図６に示すハイブリッド型磁気軸受け２００の一方の断面は、磁気浮上対象物５０である磁気浮上ロータが回転しても図１に示す磁気浮上制御装置１００と同じであり、図１の符号は図６の符号と対応する。本実施例では図６に示すごとく２つの磁気浮上制御装置１００を使用し、２つの電磁石２０が磁気浮上対象物５０である磁気浮上ロータに対して軸方向から対向するように配置されている。

図６に示す２個の磁気浮上制御装置１００が組み込まれたハイブリッド型磁気軸受け２００の断面を図７に示す。各図において同一符号は同一物を示し、電磁石コア１と電磁石コイル２からなる電磁石２０を有する磁気浮上制御装置１００が左右に２組配置される。

この場合、永久磁石６は円環状となっており、径方向（Ｚ軸に直交する方向）に着磁されて（例えば、外周側がＮ、内周側がＳ）、本例では径方向において円環状の磁性体３と８ではさみ込まれている。また、永久磁石４も円環状となっており、本例では上下方向（Ｚ軸方向）に着磁（例えば上側がＮ、下側がＳ）されており、上下方向（Ｚ軸方向）において円環状の磁性体３と５ではさみ込まれている。さらに、永久磁石７も円環状となっており、本例では磁性体８の下に配設され、上下方向（Ｚ軸方向）において円環状の磁性体８と５ではさみ込まれている。この構成により、図１に示す例と同様に、磁性体３、永久磁石４、磁性体５、永久磁石７および磁性体８により、磁気浮上ロータである磁気浮上対象物５０の径方向において、円環状の永久磁石６の各磁極を接続する円環状のバイパス磁路９Ａが永久磁石６と並列に形成されることになる。永久磁石４の径方向の厚みは磁性体３と等しくとるのが妥当であるがその限りではない。磁性体５の径方向厚みは磁性体３、永久磁石６、磁性体８の径方向厚みを加えた厚みが妥当であるがその限りではない。
なお、本実施例１では、永久磁石６、永久磁石４および永久磁石７の形状を円環状としたが、永久磁石６、永久磁石４および永久磁石７が円環状に配置されていれば、形状が円環状に限定されることはない。例えば、円弧状の複数の永久磁石を円環状に配置しても良く、多数の棒磁石を円環状に配置しても良い。

電磁石コイル２が電磁石コア１に巻かれる位置は図１に示す例と変わりはない。図６では図１の永久磁石７は磁性体８の下に配設されるが、外部からは隠れて見えていない。このように磁石配列された円板状の磁気浮上対象物５０の一方面に、突極１ａを磁性体３に、突極１ｃを磁性体８にそれぞれ対向させるように電磁石２０を配置することにより、磁気浮上対象物５０に対して吸引力を発生させることが可能となり、磁気浮上対象物５０に対してかかる下向きの力、即ち電磁石２０から離れる方向に作用する離力とバランスをとることで、磁気浮上対象物５０を浮上させ、磁気浮上対象物５０の軸方向の位置を制御させることができる。磁気浮上対象物５０に作用する離力としては、磁気浮上対象物５０の下方、即ち電磁石２０が配置されている面の反対面側に配置された、磁気浮上対象物５０を回転させる図示しないモータステータによる引力や、磁気浮上対象物５０にかかる重力等が考えられる。なお、本実施例では、２個の磁気浮上制御装置１００がＸ軸方向に配置されているため、磁気浮上制御装置１００による軸方向の位置制御によって、簡単にＹ軸周りの回転を制御することが可能となるが、磁気浮上制御装置１００が１個であっても、Ｙ軸からずれて配置されていれば、Ｙ軸周りの回転を制御することが可能となる。また、もう１対の磁気浮上制御装置１００を図中の磁気浮上制御装置１００と直交する位置に配置することにより、簡単にＸ軸周りの回転も制御可能となるが、磁気浮上制御装置１００が１個であっても、Ｘ軸からずれて配置されていれば、Ｘ軸周りの回転を制御することが可能となる。さらに、Z軸方向の位置とＸ、Ｙ軸周りの回転を制御する場合、Ｚ軸方向の位置とＸ、Ｙ軸周りの２回転度の計測を行い、閉ループ制御をかけるために渦電流センサ等の非接触型位置センサを円板状の磁気浮上対象物５０の上面（又は下面）に最低３つ配置することになる。

本実施例では、径方向に着磁されて円環状に配置されている永久磁石６と、永久磁石６の各磁極を接続する円環状のバイパス磁路９Ａとが磁気浮上ロータである磁気浮上対象物５０に設けられていると共に、電磁石２０の電磁石コア１が同心円上に配置され、電磁石２０の電磁石コア１を通過する磁束は円板状の磁気浮上対象物５０の回転により変化しないので、渦電流損等鉄損の低いハイブリッド型磁気軸受け２００を構成することが可能となる。なお、バイパス磁路９Ａも円環状に配置されている永久磁石６のそれぞれに対応して設けられるため、円環状に配置されていれば、形状が必ずしも円環状である必要がない。

本実施例では磁気浮上対象物５０が円板状の磁気浮上ロータである場合について説明した。しかし、磁気浮上対象物５０の形状は円板状の磁気浮上ロータに限定されず、その内部を中空とした円環状の磁気浮上ロータでも良く、このような形態を含むものとして使用する。

図８に、本発明の第２の実施例としての円板状の磁気浮上ロータに対するハイブリッド型磁気軸受け３００の構成を示す。

図６に示す第１の実施例に係るハイブリッド型磁気軸受け２００に、図８のように、磁気浮上対象物５０である円板状の磁気浮上ロータの外周面に径方向から対向させて１対の径方向電磁石３０を配置させ、径方向電磁石３０の電磁石コア３１の突極を磁気浮上対象物５０の外周面に露出した磁性体３および磁性体５にそれぞれ対向させて配置することで、永久磁石６、永久磁石４で生じた磁束が径方向電磁石３０の電磁石コア３１を通る。この状態で電磁石コイル３２に電流を流せば、電磁石コア３１と磁気浮上対象物５０である円環状浮上体外周縁の間隙の磁束の強弱制御が可能となり、磁気浮上対象物５０である円環状浮上体の径方向、例えばＸ軸方向の位置も制御可能となる。

径方向の位置を制御するもう１対の径方向電磁石３０を図８中の径方向電磁石３０と直交するように、磁気浮上対象物５０である円板状浮上体外周縁に対向させて配置することで、磁気浮上対象物５０の径方向、例えばＹ軸方向の位置も制御可能となる。よって、 軸方向の位置を制御する１対の電磁石２０二組、径方向の位置を制御する１対の径方向電磁石３０二組を用いることによりＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の３方向位置とＸ、Ｙ軸周りの２回転の５軸制御が可能となる。さらに、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向の３方向の位置とＸ、Ｙ軸周りの回転を制御する場合、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向の３方向位置とＸ、Ｙ軸周りの２回転度の計測を行い、閉ループ制御をかけるために渦電流センサ等の非接触型位置センサを磁気浮上対象物５０の上面（又は下面）に最低３つ（Ｚ軸方向位置、Ｘ、Ｙ軸周りの２回転度）、径方向外周部に２つ（Ｘ、Ｙ軸方向位置）を配置することになる。また、このように構成することにより、ハイブリッド型磁気軸受け３００の姿勢によって、磁気浮上対象物５０に様々な方向から重力が作用しても対応可能である。

このように構成されたハイブリッド型磁気軸受け３００は、径方向電磁石３０の電磁石コア３１に流れる磁束が円環状浮上体の回転により変化しないので、渦電流損等鉄損の低いハイブリッド型磁気軸受け３００を構成することが可能となる。

また、本実施例における磁気浮上ロータの形状は円板状に限定されず、その内部が中空である円環状の形状でも良く、このような形態を含むものとして使用する。

ここで、磁気浮上ロータが円環状である場合には、本実施例における径方向電磁石３０の配置は図８に示す構成に限定されず、例えば電磁石コア３１と電磁石コイル３２からなる径方向電磁石３０を円環中央内部に互いに背中向きに配置して、径方向電磁石３０の突極が磁性体８と５に対向するように配置しても同様の効果が得られる。

図９に、本発明の第３の実施例として、２個の磁気浮上制御装置１００が組み込まれた、円柱状の磁気浮上ロータに対するハイブリッド型磁気軸受け４００の構成例を示す。また、図９に示すハイブリッド型磁気軸受け４００の断面図を図１０に示す。各図において同一符号は同一物を示し、電磁石コア１と電磁石コイル２からなる電磁石２０が左右に、即ち磁気浮上制御装置１００を構成する電磁石２０は、磁気浮上対象物５０である磁気浮上ロータの側面に対向、即ち磁気浮上ロータに対して径方向から対向して配置され、２個の電磁石３０を含むハイブリッド型磁気軸受け４００の断面図は図１０のようになる。

図１では棒状として表した永久磁石６を、第３の実施例では、図９に示すように円筒状にしたものを使う。図１では棒状であった永久磁石４、６、７、磁性体３、５、８は、磁気浮上対象物５０である円柱状の磁気浮上ロータの中心軸に対して円環状配置とされ、内部が非磁性体５１で満たされている。なお、本例では、内部を非磁性体５１としたが、内部を非磁性体とする必要はなく、例えば磁性体で構成した場合には、磁性体５として機能することになる。永久磁石６は図９中上下方向、即ち円柱状の磁気浮上ロータの軸方向に着磁され（例えば、上側がＮ、下側がＳ）、本例では上下方向（Ｚ軸方向）おいて円環状の磁性体３と８ではさみ込まれている。また、永久磁石４も円筒状となっており、本例では径方向に着磁（例えば外周側がＮ、内周側がＳ）されており、径方向において円筒状の磁性体３と５ではさみ込まれている。さらに、永久磁石７も円筒状となっており、本例では磁性体８の内側に配設され、径方向において円筒状の磁性体８と５ではさみ込まれている。この構成により、図１に示す例と同様に、磁性体３、永久磁石４、磁性体５、永久磁石７および磁性体８により、磁気浮上ロータである磁気浮上対象物５０の軸方向において、円筒状の永久磁石６の各磁極を接続する円環状のバイパス磁路９Ａが永久磁石６と並列に形成されることになる。永久磁石４の上下方向の高さは磁性体３と等しくとるのが妥当であるがその限りではない。磁性体５の上下方向の高さは磁性体３、永久磁石６、磁性体８の上下方向の高さを加えた高さが妥当であるがその限りではない。電磁石コイルがコアに巻かれる箇所は図１に示す例と変わりはない。本図では図１の永久磁石７は磁性体８の内側に配設されるが、外部からは隠れて見えていない。

このように磁石配列された円柱状の磁気浮上対象物５０の周面に、突極１ａを磁性体３に、突極１ｃを磁性体８にそれぞれ対向させるように電磁石２０を配置することにより、磁気浮上対象物５０に対して径方向に吸引力を発生させることが可能となる。従って、磁気浮上対象物５０の径方向（左右）である図９に示すＹ軸方向に対向して一対の電磁石２０を配置することにより、磁気浮上対象物５０に対して浮上体径方向Ｙ軸方向にプッシュプル方式で吸引力を発生させることが可能となり、Ｙ軸方向の位置を制御することができる。また、径方向の位置を制御するもう１対の電磁石２０を図９中の電磁石２０と直交する位置に、即ちＸ軸方向に対向させて配置することによりＸ軸方向にも吸引力を発生することができる。このように構成することにより、発生した吸引力で磁気浮上対象物５０の位置はＸ軸、Ｙ軸、２次元平面上の任意の点に制御可能となると共に、例えば下方向に重力がかかっているとしても十分な吸引力を発生可能なので、磁気浮上対象物５０を径方向に吸引することで浮上させることが可能である。この場合、Ｘ、Ｙ軸方向の位置の計測を行い、閉ループ制御をかけるために渦電流センサ等の非接触型位置センサを円筒状浮上体の外周部に２つ配置することになる。

このハイブリッド型磁気軸受け４００において、電磁石２０の電磁石コア１を通る磁束は磁気浮上対象物５０の回転により変化しないので、渦電流損等鉄損の低い磁気軸受を構成することが可能となる。

また、本実施例における磁気浮上対象物５０は円柱状の磁気浮上ロータに限定されるものではなく、その内部が中空の円筒状の磁気浮上ロータであっても良い。

磁気浮上対象物５０を円筒状の磁気浮上ロータとした場合には、本実施例における永久磁石と磁性体の配置は図９に示す構成に限定されるものではなく、例えば磁性体５が円筒の外周面側に、磁性体３、８、永久磁石６が円筒の内周面側に配置されても良い。この場合、電磁石コア１と電磁石コイル２からなる電磁石２０を円筒中央内部に互いに背中向きに配置して、突極（電磁石コア１の凸状に突き出している部分）が磁性体３と磁性体８に対向するように配置しても同様の効果が得られる。

図１１に、本発明の第４の実施例としての円柱状の磁気浮上ロータに対するハイブリッド型磁気軸受け５００の構成例を示す。図１１において、各図と同一符号は同一物を示し、電磁石コア１と電磁石コイル２からなる電磁石２０が左右に、即ち２個の電磁石２０が磁気浮上ロータに対して径方向から対向して配置されている。

図９に示す第３の実施例に係るハイブリッド型磁気軸受４００に対して、図１１に示すように磁気浮上対象物５０である円柱状の磁気浮上ロータの上面に対向させて１対の軸方向電磁石４０を配置させ、軸方向電磁石４０の電磁石コア４１の突極を磁気浮上対象物５０の上面に露出した磁性体３および磁性体５にそれぞれ対向させて配置することで、永久磁石６、他の磁石手段としての永久磁石４で生じた二つの磁束が重畳されて電磁石コア１を通る。この状態で電磁石コイル４２に電流を流せば、電磁石コア４１と磁気浮上対象物５０である円柱状浮上体上面の間隙の磁束の強弱制御が可能となり、磁気浮上対象物５０である円柱の軸方向Ｚ軸方向の位置と、Ｚ軸方向と直交する、例えばＹ軸周りの回転も制御可能となる。他の１対の軸方向電磁石４０を図１１中の軸方向電磁石４０と直交するように、磁気浮上対象物５０である円柱状浮上体上面に対向させて配置することで、磁気浮上対象物５０である円柱状浮上体のＺ軸方向と直交する、例えばＸ軸周りの回転も制御可能となる。よって、径方向の位置を制御する１対の電磁石２０を二組、 軸方向の位置を制御する１対の軸方向電磁石４０二組を用いることによりＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の３方向位置とＸ、Ｙ軸周りの２回転の５軸制御が可能となる。さらに、X、Y、Z軸方向の３方向の位置とＸ、Ｙ軸周りの回転を制御する場合、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向の３方向位置とＸ、Ｙ軸周りの２回転度の計測を行い、閉ループ制御をかけるために渦電流センサ等の非接触型位置センサを磁気浮上対象物５０の上面（又は下面）に最低３つ（Ｚ軸方向位置、Ｘ、Ｙ軸周りの２回転度）、径方向外周部に２つ（Ｘ、Ｙ軸方向位置）を配置することになる。また、このように構成することにより、ハイブリッド型磁気軸受け３００の姿勢によって、磁気浮上対象物５０に様々な方向から重力が作用しても下向きの力がかかるが対応可能である。

このように構成されたハイブリッド型磁気軸受け５００は、電磁石２０の電磁石コア４１に流れる磁束が円柱状浮上体の回転により変化しないので、渦電流損等鉄損の低いハイブリッド型磁気軸受け５００を構成することが可能となる。

また、本実施例における磁気浮上対象物５０は円柱状の磁気浮上ロータに限定されるものではなく、その内部が中空の円筒状の磁気浮上ロータであっても良い。

磁気浮上対象物５０を円筒状とした場合には、本実施例における永久磁石と磁性体の配置は図１１に示す構成に限定されるものではなく、例えば磁性体５が円筒の外周面側に、磁性体３、８、永久磁石６が円筒の内周面側に配置されても良い。この場合、電磁石コア１と電磁石コイル２からなる電磁石２０を円筒中央内部に互いに背中向きに配置して、突極（電磁石コア１の凸状に突き出している部分）が磁性体３と磁性体８に対向するように配置しても同様の効果が得られる。

次に、図１に示す磁気浮上制御装置における永久磁石４の磁気抵抗と、バイパス磁路９Ａの永久磁石６、７の磁気抵抗との関係を、図１２に示す電磁石２０から見た磁気等価回路を用いて検討する。図１２において、Ｆｅｍは、電磁石２０の起磁力、Φｅｍ−ｇは、回路内エアギャップ（突極１ａ、１ｃと磁気浮上対象物５０との間のエアギャップ）中の磁束、Φｅｍ−１は、永久磁石６を通る磁束、Φｅｍ−２は、永久磁石４、７を通る磁束、Ｒｇは、回路内エアギャップの磁気抵抗、Ｒ１は、永久磁石６の磁気抵抗、Ｒ２は、永久磁石４、７の磁気抵抗をそれぞれ示している。

図１２に示す磁気等価回路において回路全体の合成抵抗Ｒｃは、
Ｒｃ＝２Ｒｇ＋［１／｛（１／Ｒ１）＋（１／２Ｒ２）｝］
＝２Ｒｇ＋２Ｒ１Ｒ２／（Ｒ１＋２Ｒ２）となる。
ここで、永久磁石４、７の磁気抵抗を永久磁石６の磁気抵抗を基準にして表すことで、Ｒ２＝ｋＲ１とすると、
Ｒｃ＝２Ｒｇ＋Ｒ１・２ｋ／（２ｋ＋１）
となり、回路全体の合成抵抗Ｒｃは、２ｋ／（２ｋ＋１）

永久磁石６の磁気抵抗Ｒ１にかかっている２ｋ／（２ｋ＋１）は、ｋの値が１に比べて非常に大きい場合、すなわち永久磁石６の磁気抵抗Ｒ１に比べて永久磁石４、７の磁気抵抗Ｒ２が極めて大きい場合に１となり、そうでない場合は、必ず１以下になる。従って、バイパス磁路９Ａを設けることにより、回路全体の磁気抵抗Ｒｃが減少することになり、電磁石２０による発生磁束および発生吸引力を増加させることになる。

なお、図６に示すように、円板状の磁気浮上ロータに対して複数の電磁石２０を配置した場合には、電磁石２０で発生する磁束は磁性体３、８を通って他の電磁石２０を通るため、３次元的経路をとることになる。そこで、円板状の磁気浮上ロータに対して４個の電磁石２０を配置したハイブリッド型磁気軸受けのモデルにおいて、図１３に示す電磁石２０から見た磁気等価回路を用いて検討する。

図１２に示す磁気等価回路において回路全体の合成抵抗Ｒｃは、
Ｒｃ＝２Ｒｇ＋［１／｛（３／２Ｒｇ）＋（４／Ｒ１）＋（２／Ｒ２）｝］
となる。
ここで、永久磁石４、７の磁気抵抗に起因する値である（２／Ｒ２）は、ｒ２＝∞のとき、すなわちバイパス磁路９Ａを設けない場合に「０」になり、バイパス磁路９Ａを設け場合には、必ず「０」よりも大きな値となることが判り、結果として回路全体の合成抵抗Ｒｃが減少することになる。

このように図１２に示す磁気等価回路を用いた検証では、ｋの値が小さいほど、すなわち永久磁石６の磁気抵抗Ｒ１に比べて永久磁石４、７の磁気抵抗Ｒ２が小さいほど、回路全体の磁気抵抗Ｒｃが減少することが判る。しかしながら、永久磁石６の磁気抵抗Ｒ１に比べて永久磁石４、７の磁気抵抗Ｒ２が小さくなりすぎると、電磁石２０による発生磁束および発生吸引力を増加するものの、永久磁石６の磁束がバイパス磁路９Ａに漏れてしまい、バイアス磁束が減少してしまうことが想定される。

そこで、円板状の磁気浮上ロータに対して４個の電磁石２０を配置したハイブリッド型磁気軸受けのモデルにおいて、バイパス磁路９Ａの永久磁石４、７の厚みＩを変動させるパラメータとして、有限要素法による数値解析を行い、発生吸引力（Ｎ）、力係数（Ｎ／Ａ：単位電流当たりに発生する吸引力）を検討した。検討に用いた形状および寸法は、図１４に示す通りである。また、解析条件は、メッシュ数を約２４万（２３３，３２６）とし、永久磁石４、６、７としてネオジム磁石（保磁力：９６２ｋＡ／ｍ、残留磁束密度：１．４３Ｔ、比透磁率：１．１８)を、磁性体３、５、８としてＳＵＹ−１（ＪＩＳ規格）をそれぞれ用いた。さらに、電磁石２０の励磁電流を−１Ａ、０Ａ、１Ａとし、それぞれにおいて、バイパス磁路９Ａの永久磁石４、７の厚みＩを０．１ｍｍ、０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、０．７ｍｍ、１．０ｍｍ、１．３ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍ、３．０ｍｍ、４．０ｍｍに変動させて数値解析を行った。なお、磁気抵抗が永久磁石の断面積に単純に反比例し、厚さに単純に比例すると考えると、永久磁石４、７の厚みＩ＝０．１ｍｍの場合、（バイパス磁路９Ａの磁気抵抗２Ｒ２）／（永久磁石６の磁気抵抗Ｒ１）≒０．０２になり、（合成抵抗Ｒｃ）／（永久磁石６の磁気抵抗Ｒ１）≒０．０２になる。同様に、
厚みＩ＝０．３ｍｍの場合、２Ｒ２／Ｒ１≒０．０６、Ｒｃ／Ｒ１≒０．０６、
厚みＩ＝０．５ｍｍの場合、２Ｒ２／Ｒ１≒０．１０、Ｒｃ／Ｒ１≒０．０９、
厚みＩ＝０．７ｍｍの場合、２Ｒ２／Ｒ１≒０．１４、Ｒｃ／Ｒ１≒０．１３、
厚みＩ＝１．０ｍｍの場合、２Ｒ２／Ｒ１≒０．２１、Ｒｃ／Ｒ１≒０．１７、
厚みＩ＝１．３ｍｍの場合、２Ｒ２／Ｒ１≒０．２７、Ｒｃ／Ｒ１≒０．２１、
厚みＩ＝１．５ｍｍの場合、２Ｒ２／Ｒ１≒０．３１、Ｒｃ／Ｒ１≒０．２４、
厚みＩ＝２．０ｍｍの場合、２Ｒ２／Ｒ１≒０．４１、Ｒｃ／Ｒ１≒０．２９、
厚みＩ＝３．０ｍｍの場合、２Ｒ２／Ｒ１≒０．６２、Ｒｃ／Ｒ１≒０．３８、
厚みＩ＝４．０ｍｍの場合、２Ｒ２／Ｒ１≒０．８３、Ｒｃ／Ｒ１≒０．４５となる。

図１５は、バイパス磁路９Ａの永久磁石４、７の厚みＩをパラメータとして変動させた場合の電磁石２０の励磁電流と磁気吸引力との関係を示すグラフであり、図１６は、横軸をバイパス磁路９Ａの永久磁石４、７の厚みＩにして図１５に示すグラフを書き直したものである。なお、永久磁石４、７の厚みＩが０ｍｍの場合は，バイパス磁路９Ａを取り除いた永久磁石６のみで解析を行った結果である。

図１７は、図１５のグラフの傾き（力係数（Ｎ／Ａ）：単位電流あたり発生可能な力を表す）に対するバイパス磁路９Ａの永久磁石４、７の厚みＩの影響を示すグラフであり、図１８は、力係数を磁気浮上対象物５０の質量で除した加速度係数（Ｎ／（Ａ・ｋｇ））とバイパス磁路９Ａの永久磁石４、７の厚みＩの関係を示すグラフである。なお、加速度係数は，大きいほど「高加速度に耐える」、「高速に動かせる」等の磁気浮上対象物５０を磁気浮上させる際の制御性（動特性）の良さを表す。

図１５および図１６を参照すると、バイパス磁路９Ａの永久磁石４、７の厚みＩが０．３ｍｍ以下、すなわち２Ｒ２／Ｒ１≒０．０６以下の場合では、永久磁石４、７によって形成される磁束が加わっているにもかかわらず、厚みＩ＝０、すなわちバイパス磁路９Ａを取り除いた永久磁石６のみの場合よりも磁気吸引力が弱くなっていることが判る。また、図１７を参照すると、バイパス磁路９Ａの永久磁石４、７の厚みＩが０．３ｍｍ以下、すなわち２Ｒ２／Ｒ１≒０．０６以下の場合では、厚みＩ＝０、すなわちバイパス磁路９Ａを取り除いた永久磁石６のみの場合よりも力係数（Ｎ／Ａ）が小さな値となっている。さらに、図１８を参照すると、バイパス磁路９Ａの永久磁石４、７の厚みＩが０．５ｍｍ以下、すなわち２Ｒ２／Ｒ１≒０．１０以下の場合では、厚みＩ＝０、すなわちバイパス磁路９Ａを取り除いた永久磁石６のみの場合よりも加速度係数（Ｎ／（Ａ・ｋｇ））が小さな値となっている。これらの現象は、永久磁石６の磁気抵抗Ｒ１に比べてバイパス磁路９Ａの磁気抵抗２Ｒ２が小さすぎ、永久磁石６の磁束の大部分がバイパス磁路９Ａに漏れてしまうことに起因すると考えられ、バイパス磁路９Ａの磁気抵抗２Ｒ２は、永久磁石４、７の厚みＩ＝０．７ｍｍの場合の、２Ｒ２／Ｒ１≒０．１４以上が望ましいことが判る。

また、図１６を参照すると、永久磁石４、７の厚みＩを大きくすることにより、磁気吸引力が増加し、本例では、１００Ｎあたりに漸近している。この漸近効果は、バイパス磁路９Ａを設けることによる磁気抵抗低下効果に依るものであると考えられる。なお、永久磁石４、７の厚みＩを大きくすることにより、厚みＩ＝０、すなわちバイパス磁路９Ａを取り除いた永久磁石６のみの場合に比較して磁気吸引力が数倍に増加しているが、これは、磁気抵抗低下効果よりも二次永久磁石によるバイアス磁束増加に起因するものと考えられる。

さらに、図１７を参照すると、永久磁石４、７の厚みＩを大きくすることにより、力係数が増加し、本例では、１４Ｎ／Ａに漸近している。この漸近効果も、バイパス磁路９Ａを設けることによる磁気抵抗低下効果に依るものであると考えられる。

さらに、図１８を参照すると、永久磁石４、７の厚みＩを大きくすることにより、磁気浮上対象物５０の質量が増加するため、加速度係数は、永久磁石４、７の厚みＩ＝２ｍｍで最大値となっている。

以上の結果により、永久磁石６よりも０．１４倍以上の磁気抵抗２Ｒ２を有するバイパス磁路９Ａを永久磁石６と並列に設けることにより、永久磁石６のみの場合に比べて、磁気吸引力、力係数、加速度係数が向上することが判る。また、制御性能、すなわち加速度係数に関しては、磁気浮上対象物５０の質量増加によって、永久磁石４、７の厚みＩに最適値（本列の場合には、厚みＩ＝２ｍｍ）が存在することが判る。

１、３１、４１ 電磁石コア
１ａ、１ｃ 突極
１ｂ 接続部
２、３２、４２ 電磁石コイル
３ 磁性体
４ 永久磁石
５ 磁性体
６ 永久磁石
７ 永久磁石
８ 磁性体
９ 制御磁束
９Ａ バイパス磁路
１０ バイアス磁束
１５ 空間又は非磁性体部
２０ 電磁石
３０ 径方向電磁石
４０ 軸方向電磁石
５０ 磁気浮上対象物
５１ 非磁性体
１００ 磁気浮上制御装置
２００、３００、４００、５００ ハイブリッド型磁気軸受け

Claims (13)

1. バイアス用永久磁石によって形成されるバイアス磁束と、電磁石によって形成される制御磁束とによって前記電磁石に対する磁気浮上対象物の位置を制御する磁気浮上制御装置であって、
   前記バイアス磁束が前記電磁石の電磁石コアを通るように形成されると共に、
   前記制御磁束の磁路となるバイパス磁路が前記バイアス用永久磁石と並列に形成されており、
   該バイパス磁路が前記バイアス磁束の通過を阻止する方向に磁化されていることを特徴とする磁気浮上制御装置。
2. 前記バイパス磁路が永久磁石と磁性体とで構成され、前記バイパス磁路の永久磁石によって形成される磁束が前記バイアス磁束として機能することを特徴とする請求項１記載の磁気浮上制御装置。
3. 前記バイアス用永久磁石および前記バイパス磁路が前記磁気浮上対象物に設けられていることを特徴とする請求項２記載の磁気浮上制御装置。
4. 前記電磁石を磁極となる２つの突極が前記磁気浮上対象物に対向するように配置させ、
   前記バイアス用永久磁石を磁極が前記磁気浮上対象物の前記電磁石との対向面と平行になるように配置させ、
   前記バイパス磁路の永久磁石を磁極が前記磁気浮上対象物の前記電磁石との対向面と垂直になるように配置させることを特徴とする請求項３記載の磁気浮上制御装置。
5. 前記バイパス磁路の永久磁石として、２つの永久磁石が前記電磁石の２つの突極に対向してそれぞれ設けられ、２つの永久磁石の磁力は、前記電磁石の２つの突極と前記磁気浮上対象物とのそれぞれ間隙の磁束密度が同一になるように設定されていることを特徴とする請求項４記載の磁気浮上制御装置。
6. 前記バイアス用永久磁石および前記バイパス磁路が前記電磁石に設けられていることを特徴とする請求項２記載の磁気浮上制御装置。
7. バイアス用永久磁石によって形成されるバイアス磁束と、電磁石によって形成される制御磁束とによって前記電磁石に対する磁気浮上ロータの位置を制御するハイブリッド型磁気軸受けであって、
   前記バイアス磁束が前記電磁石の電磁石コアを通るように形成されると共に、
   前記制御磁束の磁路となるバイパス磁路が前記バイアス用永久磁石と並列に形成されており、
   該バイパス磁路が前記バイアス磁束の通過を阻止する方向に磁化されていることを特徴とするハイブリッド型磁気軸受け。
8. 前記バイパス磁路が永久磁石と磁性体とで構成され、前記バイパスの永久磁石によって形成される磁束が前記バイアス磁束として機能することを特徴とする請求項７記載のハイブリッド型磁気軸受け。
9. 径方向に着磁されて円環状に配置されている前記バイアス用永久磁石と、当該バイアス用永久磁石の各磁極を接続する前記バイパス磁路とが前記磁気浮上ロータに設けられ、
   前記電磁石は、磁極となる２つの突極が前記磁気浮上ロータに軸方向から対向するように配置され、前記電磁石によって前記磁気浮上ロータの軸方向の位置を制御させることを特徴とする請求項８記載のハイブリッド型磁気軸受け。
10. 前記バイパス磁路の永久磁石として、前記磁気浮上ロータの軸方向に着磁されて円環状に配置されている永久磁石が設けられていることを特徴とする請求項９記載のハイブリッド型磁気軸受け。
11. 前記バイパス磁路の永久磁石として、２つの永久磁石が前記電磁石の２つの突極に対向してそれぞれ設けられ、２つの永久磁石の磁力は、前記電磁石の２つの突極と前記磁気浮上対象物とのそれぞれ間隙の磁束密度が同一になるように設定されていることを特徴とする請求項１０記載のハイブリッド型磁気軸受け。
12. 前記バイアス用永久磁石および前記バイパス磁路が前記電磁石に設けられていることを特徴とする請求項８記載のハイブリッド型磁気軸受け。
13. 軸方向に着磁された円筒状の前記バイアス用永久磁石と、当該バイアス用永久磁石の各磁極を接続する前記バイパス磁路とが前記磁気浮上ロータに設けられ、
    前記電磁石は、磁極となる２つの突極が前記磁気浮上ロータに径方向から対向するように配置され、前記電磁石によって前記磁気浮上ロータの径方向の位置を制御させることを特徴とする請求項８記載のハイブリッド型磁気軸受け。

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