JP5762999B2 - 磁気浮上装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電磁石の磁力で浮上体を非接触で支持する装置に関する。

回転体を非接触支持する手段として、磁気軸受が広く使用されている。通常、磁気軸受は、回転するロータの回転軸に直交する動きを非接触支持するラジアル軸受と、回転軸に平行な動きを非接触支持するスラスト軸受とで構成される。その場合、浮上体であるロータを安定的に非接触支持するために、ラジアル軸受とスラスト軸受との何れかの軸受に対して電磁石の吸引力を制御する常電導吸引式磁気浮上方式が適用されるのが一般的である。

常電導吸引式磁気浮上方式では、浮上体を定常的に非接触支持するために、電磁石にバイアス電流を流すことによって常に所定の吸引力を形成する必要がある。そのため、ロータに作用する外力の有無によらず常に電力を消費することになる。また、常に電磁石のコイルが通電状態となるため発熱が避けられず、何らかの冷却手段を講じる必要がある。

また、従来の電磁石を用いた磁気軸受では、できるだけ小さな電磁石で十分な吸引力を得るために、ロータと電磁石間の空隙長を小さく設計する必要がある。しかし、特殊な環境下、例えば真空中でロータを回転させる場合、磁気軸受全体を真空中に設置すると放熱効果が期待できず、電磁石の過熱が問題になることがある。また、キャンドポンプのように液体中でインペラをロータとして回転させる場合、磁気軸受全体を液体中に置くと液体の流れを電磁石が乱すことになるため、効率の低下が懸念される。

このような場合、浮上体であるロータを真空容器内部やパイプ内部に配置することによって電磁石と隔離し、その外側に電磁石を配置してロータを非接触支持することが考えられる。しかし、電磁石を容器やパイプの外部に配置するとロータと電磁石との間の空隙長が広くなり、ロータを支持するのに十分な電磁力を得るためには、電磁石の大型化が避けられないという問題がある。電磁石への励磁電流を増大させて大きな電磁力を得ることも可能であるが、この場合には電磁石のコイル抵抗損が大きくなり、磁気軸受の電力消費が増大するとともに発熱量も増大するという問題がある。

少ない電力消費で吸引式磁気浮上を行う場合、特許文献１に記載されているように、永久磁石および電磁石で磁石ユニットを構成し、永久磁石に起因する主磁束と電磁石に起因する主磁束との磁気回路が浮上体と磁石ユニットとの間の空隙で共通の磁路を形成するように磁石ユニットおよび浮上体を配置して、浮上状態の安定性を維持しながら電磁石への励磁電流をゼロに収束させる、いわゆるゼロパワー制御を適用する方法がある。このような構成とすることで、浮上体を非接触支持するために必要な磁力を永久磁石に起因する磁力によってまかなうことができ、定常的に非接触支持するために電磁石に流す必要があるバイアス電流が不要となる。

また、特許文献２に記載されているように、浮上体と磁石ユニットとの間の相対変位が大きい場合でも電磁石への少ない励磁電流で大きな電磁力を制御することができる。

このように、電磁石および永久磁石で構成された磁石ユニットと浮上体とで磁気軸受を構成してゼロパワー制御を適用することにより、省電力でかつ大きな空隙でロータを非接触支持することができる。したがって、非磁性体で作られた容器やパイプ内部に置かれたロータを、その外側から磁石ユニットで非接触支持することも可能になる。

しかし、一般の磁気軸受では、定常的に作用する外力に対して磁石ユニットはその大きさにつり合うような電磁力を発生させることになるが、ゼロパワー制御を適用して磁気軸受を構成した場合、電磁石への励磁電流を常にゼロに収束させるように磁気浮上制御が行われる。このため、励磁電流がゼロに収束するとともに空隙長が変化し、結果的に永久磁石の磁力のみで磁気浮上できる位置で安定となる。したがって、ロータの自重や定常的な外力が磁気軸受に作用する場合、ロータの回転中心がその外力に応じて変位することになる。回転中心が変位することによって、例えば、高速回転する機器では振れ回りの問題が生じ、ポンプなどでは回転位置による効率の変動が問題となり、場合によってはロータが容器やパイプに接触する可能性がある。

このような問題を解決する手段として、ゼロパワー制御を適用した磁気浮上系に対して、弾性体で支持された可動枠内部に磁石ユニットを配置し、作用する外力の大きさに応じて変化する相対変位の変化を機械的に吸収する構成が考えられる。このような構成とすることで、浮上体の絶対位置を所定の位置に維持することができる。

特開昭６１−１０２１０５号公報 特開２００１−１９２８６号公報

上述したように、可動枠を弾性体で支持することで、浮上体の絶対位置を所定の位置に保つことができるが、浮上体と磁石ユニットの相対位置は定常的に作用する外力の大きさに応じて変化する。これは定常外力が小さいときには大きな問題とはならないが、定常外力が大きい場合には可動枠の定常的な位置が中立位置から大きく変位し、前述のように容器やパイプ内部に置かれたロータを外側から非接触支持する場合には、磁石ユニットが容器やパイプの外側に接触する可能性があるとともに、実質的に有効なストロークが狭くなるという問題がある。

さらに、浮上体と磁石ユニットの間に作用する吸引力は浮上体と磁石ユニットとの間の空隙の２乗に比例して変化する。このため、定常的な外力（たとえば重力）によって浮上体と磁石ユニットの間の空隙が大幅に変化すると、吸引力の非線形性が強く現れる。非線形性が強い場合、線形制御系では浮上体位置の安定化が難しくなるため、このような場合には、非線形効果を考慮した制御系を構成しなければならない。

本発明の実施形態が解決しようとする課題は、定常的な外力が働いても、浮上体と磁石ユニットとの相対位置の変化を生じさせない、あるいは抑制することのできる磁気浮上装置を提供することにある。

実施形態の磁気浮上装置は、少なくとも一部が強磁性体で形成された浮上体と、少なくとも電磁石を備え、前記浮上体を挟んで対向配置され、前記浮上体に空隙を介して前記電磁石に起因する磁束の磁気回路を形成する磁石ユニットと、前記磁石ユニットが固定された可動枠と前記可動枠および前記浮上体に加わる荷重を支持する固定枠とを備え、前記固定枠と前記可動枠との間の距離を調整可能な磁気支持手段と、前記浮上体と前記磁石ユニットとの相対変位に基づいて前記電磁石の電流を制御することにより、前記浮上体を非接触で支持する制御手段と、前記固定枠に対して相対変位が生じない部品又は当該固定枠のうち前記浮上体より鉛直上側に配置された永久磁石を有し、当該浮上体に空隙を介して当該永久磁石に起因する磁束の磁気回路を形成する補助磁石ユニットと、前記補助磁石ユニットが設けられた外力補助手段と、を具備することを特徴とする。また、他の態様の磁気浮上装置は、少なくとも一部が強磁性体で形成された浮上体と、少なくとも電磁石を備え、前記浮上体を挟んで対向配置され、前記浮上体に空隙を介して前記電磁石に起因する磁束の磁気回路を形成する磁石ユニットと、前記磁石ユニットが固定された可動枠と前記可動枠および前記浮上体に加わる荷重を支持する固定枠とを備え、前記固定枠と前記可動枠との間の距離を調整可能な磁気支持手段と、前記浮上体と前記磁石ユニットとの相対変位に基づいて前記電磁石の電流を制御することにより、前記浮上体を非接触で支持する制御手段と、補助磁石を備え、前記浮上体に空隙を介して前記補助磁石に起因する磁束の磁気回路を形成する補助磁石ユニットと、前記補助磁石ユニットが設けられた外力補助手段と、を備え、前記外力補助手段は、前記補助磁石ユニットと前記浮上体との相対位置を調整可能な機構を備えていることを特徴とする。また、他の態様の磁気浮上装置は、少なくとも一部が強磁性体で形成された浮上体と、少なくとも電磁石を備え、前記浮上体を挟んで対向配置され、前記浮上体に空隙を介して前記電磁石に起因する磁束の磁気回路を形成する磁石ユニットと、前記磁石ユニットが固定された可動枠と前記可動枠および前記浮上体に加わる荷重を支持する固定枠とを備え、前記固定枠と前記可動枠との間の距離を調整可能な磁気支持手段と、前記浮上体と前記磁石ユニットとの相対変位に基づいて前記電磁石の電流を制御することにより、前記浮上体を非接触で支持する制御手段と、補助磁石を備え、前記浮上体に空隙を介して前記補助磁石に起因する磁束の磁気回路を形成する補助磁石ユニットと、前記補助磁石ユニットが設けられた外力補助手段と、を備え、前記外力補助手段は複数設けられ、前記複数の外力補助手段は、前記補助磁石ユニットと前記浮上体との相対位置をそれぞれ独立に調整可能な機構を備えていることを特徴とする。また、他の態様の磁気浮上装置は、少なくとも一部が強磁性体で形成された浮上体と、少なくとも電磁石を備え、前記浮上体を挟んで対向配置され、前記浮上体に空隙を介して前記電磁石に起因する磁束の磁気回路を形成する磁石ユニットと、前記磁石ユニットが固定された可動枠と前記可動枠および前記浮上体に加わる荷重を支持する固定枠とを備え、前記固定枠と前記可動枠との間の距離を調整可能な磁気支持手段と、前記浮上体と前記磁石ユニットとの相対変位に基づいて前記電磁石の電流を制御することにより、前記浮上体を非接触で支持する制御手段と、補助磁石を備え、前記浮上体に空隙を介して前記補助磁石に起因する磁束の磁気回路を形成する補助磁石ユニットと、前記補助磁石ユニットが設けられた外力補助手段と、を備え、前記浮上体は回転体であり、前記磁石ユニットは、前記浮上体を前記浮上体の回転軸と直交するｙ方向から挟む一対のｙ軸磁石ユニットと、前記浮上体を前記回転軸およびｙ方向と直交するｚ方向から挟む一対のｚ軸磁石ユニットとを有し、前記磁気支持手段の前記可動枠は、前記ｙ軸磁石ユニットを固定するｙ軸可動枠と、前記ｚ軸磁石ユニットを固定するｚ軸可動枠とを有し、前記磁気支持手段の前記固定枠は、前記ｙ軸可動枠を支持するｙ軸固定枠と、前記ｚ軸可動枠を支持するｚ軸固定枠とを有し、前記外力補助手段は、前記浮上体の回転軸方向に対して、前記補助磁石ユニットと前記浮上体との相対位置を調整可能な回転軸方向調整機構を有していることを特徴とする。また、他の態様の磁気浮上装置は、少なくとも一部が強磁性体で形成された浮上体と、少なくとも電磁石を備え、前記浮上体を挟んで対向配置され、前記浮上体に空隙を介して前記電磁石に起因する磁束の磁気回路を形成する磁石ユニットと、前記磁石ユニットが固定された可動枠と前記可動枠および前記浮上体に加わる荷重を支持する固定枠とを備え、前記固定枠と前記可動枠との間の距離を調整可能な磁気支持手段と、前記浮上体と前記磁石ユニットとの相対変位に基づいて前記電磁石の電流を制御することにより、前記浮上体を非接触で支持する制御手段と、補助磁石を備え、前記浮上体に空隙を介して前記補助磁石に起因する磁束の磁気回路を形成する補助磁石ユニットと、前記補助磁石ユニットが設けられた外力補助手段と、を備え、前記浮上体は回転体であり、前記磁石ユニットは、前記浮上体を前記浮上体の回転軸と直交するｙ方向から挟む一対のｙ軸磁石ユニットと、前記浮上体を前記回転軸およびｙ方向と直交するｚ方向から挟む一対のｚ軸磁石ユニットとを有し、前記磁気支持手段の前記可動枠は、前記ｙ軸磁石ユニットを固定するｙ軸可動枠と、前記ｚ軸磁石ユニットを固定するｚ軸可動枠とを有し、前記磁気支持手段の前記固定枠は、前記ｙ軸可動枠を支持するｙ軸固定枠と、前記ｚ軸可動枠を支持するｚ軸固定枠とを有し、前記外力補助手段は、前記浮上体の半径方向に対して、前記補助磁石ユニットと前記浮上体との相対位置を調整可能な半径方向調整機構を有していることを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、磁気浮上装置は、定常的な外力が働いても、浮上体と磁石ユニットとの相対位置の変化を生じさせない、あるいは抑制することができる。

第１の実施形態に係る磁気浮上装置の構成を示す側面図である。 図１の磁気支持ユニットの構成を示す斜視図である。 図２の縦方向支持装置の構成を示す斜視図である。 図２の横方向支持装置の構成を示す斜視図である。 図３および図４の磁石ユニットの構成を示す斜視図である。 図１の制御装置の構成を示すブロック図である。 図１の磁気支持ユニットの支持特性を示す図である。 図１の外力補償装置の構成を示す斜視図である。 図８の補助磁石ユニットの構成として、第１の例における補助磁石ユニットの構成を示す斜視図である。 図８の補助磁石ユニットの構成として、第２の例における補助磁石ユニットの構成を示す斜視図である。 図８の補助磁石ユニットの構成として、第３の例における補助磁石ユニットの構成を示す斜視図である。 図８の補助磁石ユニットの構成として、第４の例における補助磁石ユニットの構成を示す斜視図である。 第２の実施形態に係る磁気浮上装置の構成を示す側面図である。 第３の実施形態に係る磁気浮上装置の構成を示す側面図である。 図１４の外力補償付縦方向支持装置の斜視図である。

以下、本発明に係る磁気浮上装置の実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る磁気浮上装置の構成を示す側面図である。

磁気浮上装置１は、２つの磁気支持ユニット２（磁気支持手段）と、浮上体３と、外力補償装置４（外力補助手段）と、ベース８と、制御装置３１（制御手段）とを具備している。たとえば、２つの磁気支持ユニット２はベース８上に互いに離れて設けられている。外力補償装置４は、ベース８上で２つの磁気支持ユニット２間に設けられている。浮上体３はｘ方向（水平方向とも称する）に延びる軸であり、磁気支持ユニット２（図２参照）および外力補償装置４（図８参照）の中央部分にはベース８上で浮上体３を通すための空間が設けられている。浮上体３の少なくとも一部、たとえば２つの磁気支持ユニット２間に対応する部分は強磁性体で形成されている。磁気浮上装置１は、磁気支持ユニット２と外力補償装置４によって生じる磁力によって、浮上体３を非接触で支持する構成になっている。

図２は、磁気支持ユニット２の構成を示す斜視図である。

磁気支持ユニット２は、縦方向支持装置５と、横方向支持装置６と、位置調整脚７とを具備している。縦方向支持装置５は、浮上体３のｚ方向（ｘ方向に直行する方向（上下方向とも称する））の支持力を生成し、横方向支持装置６は、位置調整脚７の上に設置され、浮上体３のｙ方向（ｘ方向およびｚ方向に直行する方向（左右方向とも称する））の支持力を生成する。

図３は、縦方向支持装置５の構成を示す斜視図である。

縦方向支持装置５は、縦方向固定枠９と、縦方向可動枠１１と、磁石ユニット１３と、第１のギャップセンサ１４と、第２のギャップセンサ１５と、リニアガイド１６と、バネ１７とを具備している。縦方向可動枠１１の内側上部および内側下部には、それぞれ磁石ユニット１３が固定されている。すなわち、磁石ユニット１３は縦方向可動枠１１内で浮上体３を挟んで対向配置されている（図２参照）。

第１のギャップセンサ１４は浮上体３と磁石ユニット１３との相対変位を測定するものであり、第２のギャップセンサ１５は縦方向固定枠９と縦方向可動枠１１との相対変位を測定するものである。縦方向固定枠９の寸法は縦方向可動枠１１の寸法よりも大きく、縦方向可動枠１１は、リニアガイド１６とバネ１７とを介して縦方向固定枠９に接続されている。このバネ１７は、縦方向固定枠９と縦方向可動枠１１との間の距離を調整可能にする弾性要素である。このように、縦方向固定枠９は、縦方向可動枠１１および浮上体３に上下方向に加わる荷重をリニアガイド１６およびバネ１７により支持する構造となっている。

図４は、横方向支持装置６の構成を示す斜視図である。

横方向支持装置６は、横方向固定枠１０と、横方向可動枠１２と、磁石ユニット１３と、第１のギャップセンサ１４と、第２のギャップセンサ１５と、リニアガイド１６と、バネ１７とを具備している。横方向支持装置６の磁石ユニット１３、第１のギャップセンサ１４、第２のギャップセンサ１５、リニアガイド１６およびバネ１７については、縦方向支持装置５のそれらと同じものであり、縦方向支持装置５に対して配置が異なる。

横方向可動枠１２の内側左部および内側右部には、それぞれ磁石ユニット１３が固定されている。すなわち、磁石ユニット１３は横方向可動枠１２内で浮上体３を挟んで対向配置されている（図２参照）。第１のギャップセンサ１４は浮上体３と磁石ユニット１３との相対変位を測定するものであり、第２のギャップセンサ１５は横方向固定枠１０と横方向可動枠１２との相対変位を測定するものである。横方向固定枠１０の寸法は横方向可動枠１２の寸法よりも大きく、横方向可動枠１２は、リニアガイド１６とバネ１７とを介して横方向固定枠１０に接続されている。このバネ１７は、横方向固定枠１０と横方向可動枠１２との間の距離を調整可能にする弾性要素である。このように、横方向固定枠１０は、横方向可動枠１２および浮上体３に左右方向に加わる荷重をリニアガイド１６およびバネ１７により支持する構造となっている。

図５は、磁石ユニット１３の構成を示す斜視図である。

磁石ユニット１３は、永久磁石２１と、継鉄２２および継鉄２２に巻かれたコイル２３で構成された電磁石２４とを備えている。磁石ユニット１３は、浮上体３に空隙を介して永久磁石２１に起因する磁束の磁気回路を形成すると共に、浮上体３に空隙を介して電磁石２４に起因する磁束の磁気回路を形成する。この磁石ユニット１３は、コイル２３に流す電流の向きに応じて電磁石２４によって生成される磁束の向きが変わり、永久磁石２１が形成する磁束を強めたり弱めたりすることができる。

縦方向支持装置５および横方向支持装置６において、磁石ユニット１３は、電磁石２４への印加電圧を制御して浮上体３を非接触で支持する。このため、縦方向支持装置５の磁石ユニット１３の電磁石２４のコイル２３、および、横方向支持装置６の磁石ユニット１３の電磁石２４のコイル２３には、それぞれ制御装置３１が接続されている。

図６は、制御装置３１の構成を示すブロック図である。

制御装置３１は、制御演算器３３と、ドライバ３４と、電流センサ３５とを備えている。上述した第１のギャップセンサ１４、第２のギャップセンサ１５およびコイル２３と電流センサ３５によりセンサ部３２が構成される。

センサ部３２において、第１のギャップセンサ１４は、浮上体２と磁石ユニット１３との相対変位を測定し、その相対変位を表す信号を制御演算器３３に出力する。第２のギャップセンサ１５は、固定枠と可動枠との相対変位（縦方向支持装置５の場合は縦方向固定枠９と縦方向可動枠１１との相対変位を表し、横方向支持装置６の場合は横方向固定枠１０と横方向可動枠１２との相対変位を表す）を測定し、その相対変位を表す信号を制御演算器３３に出力する。電流センサ３５は、コイル２３、すなわち電磁石２４への励磁電流を検出し、その励磁電流を表す信号を制御演算器３３に出力する。

制御演算器３３では、センサ部３２の出力（浮上体２と磁石ユニット１３との相対変位を表す信号、固定枠と可動枠との相対変位を表す信号、および、電磁石２４への励磁電流を表す信号）に基づいて、コイル２３への印加電圧を演算し、その印加電圧を表す信号をドライバ３４に出力する。ドライバ３４は、制御演算器３３からの信号が表す印加電圧をコイル２３に印加して、電磁石２４を励磁させる。

このように、制御装置３１は、磁石ユニット１３と浮上体３との間に発生する磁力を制御することにより、すなわち、電磁石２４（コイル２３）の電流を制御することにより、浮上体３を非接触で支持する。

制御演算器３３は、ゼロパワー制御系であり、センサ部３２の出力に基づいて、浮上体３の安定浮上を実現するとともにコイル２３に定常的に流れる電流をゼロに収束させる働きがある。浮上体３の質量変動や浮上体３にかかる外力変動等による外乱荷重が加わった場合、それら全ての荷重と永久磁石２１による磁力がつりあう位置まで浮上体３と磁石ユニット１３との相対変位を変化させるように過渡的に電磁石２４に電流を流す必要があるが、安定支持状態になれば、ゼロパワー制御により電磁石２４への励磁電流はゼロとなる。したがって、永久磁石２１の磁力のみでそれら全ての荷重を安定支持することができる。

図７は、磁気支持ユニット２の支持特性を示す図である。

縦方向可動枠１１および横方向可動枠１２を、リニアガイド１６とバネ１７を介してそれぞれ縦方向固定枠９および横方向固定枠１０に接続した場合、ゼロパワー制御によって浮上体３を安定的に非接触支持すると、図７に示すような関係が成り立つ。すなわち、ゼロパワー制御によって永久磁石２１による磁力と浮上体２の自重および作用する外乱加重の総和とがつりあうように、浮上体２と磁石ユニット１３との相対変位が変化する。さらに、その磁力による変位−吸引力特性と同等の変位−復元力特性を有するバネ１７によって、磁気支持特性と逆の傾きを有するバネ支持特性と合成させることで、結果的に図中の合成支持特性のような荷重−変位特性となり、浮上体３の絶対位置の変動が大幅に低減される。

したがって、図１に示すように磁気支持ユニット２を２箇所に配置することで、浮上体に定常的な外力が生じた場合でも浮上体３のｙ方向における重心位置、ｚ方向における重心位置、ｙ軸まわりの姿勢角およびｚ軸まわりの姿勢角の変動を低減できる。

ところが、浮上体３と磁石ユニット１３の空隙には変動が生じる。例えば、重力のみが定常的の作用する場合には、縦方向支持装置５の磁石ユニット１３と浮上体３との空隙に変動が生じるため、結果として縦方向固定枠９が上方向に変位する。これによって、前述のように、縦方向可動枠１５と周辺部品（図には示していない）との接触や吸引力の非線形効果による問題が生じる。

図１に示した外力補償装置４は、これらの問題を解決するために機能する。

図８は、外力補償装置４の構成を示す斜視図である。

外力補償装置４は、フレーム４１と、水平調整機構４２と、鉛直調整機構４３とを備えている。

水平調整機構４２は、水平リニアガイド４４と、水平送りねじ４５とを備えている。水平リニアガイド４４および水平送りねじ４５は、図１に示したベース８上に設けられ、水平リニアガイド４４の一部にはフレーム４１が接続されている。

水平調整機構４２は、浮上体３に対する水平方向の相対位置を調整することができる。具体的には、水平調整機構４２は、水平送りねじ４５を回すことにより、水平リニアガイド４４によって水平方向（ｘ軸方向）に運動が案内されたフレーム４１の水平方向位置を調整できる仕組みになっている。

鉛直調整機構４３は、鉛直リニアガイド４６と、鉛直送りねじ４７と、補助磁石ユニット４８とを備えている。補助磁石ユニット４８は、鉛直リニアガイド４６および鉛直送りねじ４７を介してフレーム４１の内側上部に接続されている。この補助磁石ユニット４８は、補助永久磁石を備え、浮上体３に空隙を介して補助磁石ユニット４８の補助永久磁石に起因する磁束の磁気回路を形成する。補助磁石ユニット４８の構成、および、補助永久磁石の構造については後述する。

鉛直調整機構４３は、補助磁石ユニット４８と浮上体３との相対位置を調整することができる。具体的には、鉛直調整機構４３は、鉛直送りねじ４７を回すことにより、鉛直リニアガイド４６によって鉛直方向（ｚ軸方向）に運動が案内された補助磁石ユニット４８の鉛直方向位置を変えることができ、浮上体３と補助磁石ユニット４８との空隙を調整できる仕組みになっている。

まず、水平調整機構４２の作用について説明する。

水平調整機構４２は、水平リニアガイド４４および水平送りねじ４５によって自身の位置を水平方向（ｘ軸方向）に移動可能であり、自身と磁気支持ユニット２との距離を調整可能である。これにより、水平調整機構４２は、浮上体３と補助磁石ユニット４８との間に働く磁力の作用線を浮上体３の重心近傍に合わせるような調整が可能である。

たとえば、水平調整機構４２は、補助磁石ユニット４８の補助永久磁石に起因する磁束によって浮上体３に作用するモーメントと、重力に起因して浮上体３に生じるｙ軸まわりのモーメントとが相殺されるように、水平調整機構４２の水平方向位置を調整することで、姿勢角の変動を抑制することができる。

次に、鉛直調整機構４３の作用について説明する。

また、鉛直調整機構４３は、補助磁石ユニット４８の補助永久磁石に起因する磁束によって浮上体３に生じる磁力の合力が、浮上体３に作用する磁力の合力以外の定常的な外力の合力を打ち消すように、補助磁石ユニット４８の鉛直方向位置を調整することで、定常的な外力の合力により生じる可動枠位置の変動を抑制することができる。

たとえば浮上体３に重力のみが定常的に作用する場合、鉛直調整機構４３は、浮上体３と補助磁石ユニット４８の間に働く磁力が重力とつり合うように、補助磁石ユニット４８の鉛直方向位置を調整することで、重力により生じる可動枠位置の変動を抑制することができる。ここで、浮上体３に重力のみが定常的に作用する場合の例を示したが、他の方向に定常的な外力が作用する場合でも、定常的な外力の合力の作用線上に補助磁石ユニット４８の取り付け位置を変えることで同様の効果が得られる。

図８では補助磁石ユニット４８の形状・構成の一例を示したが、補助磁石ユニット４８が、その一部に永久磁石を含み定常的な磁力を発生できるものであれば、形状・構成を限定せずとも同様の効果が得られる。

図９は、補助磁石ユニット４８の構成として、第１の例における補助磁石ユニット４８の構成を示す斜視図である。

第１の例における補助磁石ユニット４８は、１つの補助永久磁石５０と、補助永久磁石５０が取り付けられた１つの継鉄５１とを備え、この補助永久磁石５０および継鉄５１により、浮上体３に対して定常的な磁力を発生する。図８に示した補助磁石ユニット４８とは形状が異なるが、図８に示した補助磁石ユニット４８と同様の効果が得られる。

図１０は、補助磁石ユニット４８の構成として、第２の例における補助磁石ユニット４８の構成を示す斜視図である。

第２の例における補助磁石ユニット４８は、１つの補助永久磁石５０と、その間に補助永久磁石５０が取り付けられた２つの継鉄５１とを備え、この補助永久磁石５０および継鉄５１により、浮上体３に対して定常的な磁力を発生する。継鉄５１の浮上体３と対向する面は、浮上体３の形状に習うような形に形成されている。これにより、補助磁石ユニット４８が空隙を介して浮上体３との間に形成する磁気回路において磁気抵抗が低下するため、漏れ磁束が減少する。これによって、図に示さない周辺部品への漏れ磁束の影響を抑制するとともに、補助磁石ユニット４８と浮上体３との間に作用する磁力が増加するという効果が得られる。

図１１は、補助磁石ユニット４８の構成として、第３の例における補助磁石ユニット４８の構成を示す斜視図である。

第３の例における補助磁石ユニット４８は、１つの補助永久磁石５０と、その間に補助永久磁石５０が取り付けられ、積層鋼板により構成された２つの継鉄５１とを備え、この補助永久磁石５０および継鉄５１により、浮上体３に対して定常的な磁力を発生する。さらに、第３の例における補助磁石ユニット４８では、継鉄の浮上体３と対向する面は、浮上体３の形状に習うような形に形成されている。これにより、図に示さない周辺部品への漏れ磁束の影響を抑制するとともに、補助磁石ユニット４８と浮上体３との間に作用する磁力が増加するという効果が得られる。

さらに浮上体３が回転体である場合には、浮上体３において、補助磁石ユニット４８と対向する部分に積層鋼板から成る磁気ターゲットを設けることで、浮上体３の回転によって生じる渦電流損を抑制することができる。

なお、浮上体３が回転体である場合、横方向支持装置６の磁石ユニット１３は、浮上体３を浮上体３の回転軸と直交するｙ方向から挟む一対のｙ軸磁石ユニットであり、縦方向支持装置５の磁石ユニット１３は、浮上体３を回転軸およびｙ方向と直交するｚ方向から挟む一対のｚ軸磁石ユニットである。この場合、図４に示した横方向支持装置６において、横方向可動枠１２は、ｙ軸磁石ユニット（磁石ユニット１３）を固定するｙ軸可動枠となり、横方向固定枠１０は、ｙ軸可動枠（横方向可動枠１２）を支持するｙ軸固定枠となる。また、図３に示した縦方向支持装置５において、縦方向可動枠１１は、ｚ軸磁石ユニット（磁石ユニット１３）を固定するｚ軸可動枠となり、縦方向固定枠９は、ｚ軸可動枠（縦方向可動枠１１）を支持するｚ軸固定枠となる。

さらに、図８に示した外力補償装置４の水平調整機構４２は浮上体3の回転軸方向に対して、補助磁石ユニット４８と浮上体３との相対位置を調整可能な回転軸方向調整機構となり、浮上体3の半径方向に対して、鉛直調整機構４３は補助磁石ユニット４８と浮上体３との相対位置を調整可能な半径方向調整機構となる。

図１２は、補助磁石ユニット４８の構成として、第４の例における補助磁石ユニット４８の構成を示す斜視図である。

第４の例における補助磁石ユニット４８は、ハルバッハ配列に並べられた５つの補助永久磁石５０と、その補助永久磁石５０が取り付けられたホルダ５３とを備え、この補助永久磁石５０により、浮上体３に対して定常的な磁力を発生する。ハルバッハ配列により、補助永久磁石５０に起因する磁束のほとんどが浮上体３側に集中するため、図に示さない周辺部品への漏れ磁束の影響を抑制するとともに、補助磁石ユニット４８と浮上体３との間に作用する磁力が増加するという効果が得られる。

以上の説明により、磁気浮上装置１は、定常的な外力が働いても、浮上体３と磁石ユニット１３との相対位置の変化を生じさせない、あるいは抑制することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る磁気浮上装置について、第１の実施形態からの変更点のみ説明する。特に記載していない部分は第１の実施形態と同様である。

図１３は、第２の実施形態に係る磁気浮上装置の構成を示す側面図である。

磁気浮上装置１は、２つの磁気支持ユニット２と、浮上体３と、２つの外力補償装置４と、ベース８と、制御装置３１とを具備している。すなわち、第１の実施形態の構成に対して外力補償装置４を２箇所設けている。２つの外力補助装置４の鉛直調整機構４３は、補助磁石ユニット４８と浮上体３との相対位置をそれぞれ独立に調整することができる。

第１の実施形態では、浮上体３と補助磁石ユニット４８の間に働く磁力の作用線を浮上体３の重心近傍に位置させることで、重力に起因して浮上体３に生じるｙ軸まわりのモーメントを相殺するような作用を得ているが、図には示されない周辺部品の配置によっては、浮上体３と補助磁石ユニット４８の間に働く磁力の作用線を浮上体３の重心近傍に位置させることが困難な場合がある。

第２の実施形態では、浮上体３と補助磁石ユニット４８の間に働く磁力の作用線を浮上体３の重心近傍に位置させずとも、２つの外力補償装置４の間の距離を調整することで、重力に起因して浮上体３に生じるｙ軸まわりのモーメントが相殺されるような効果が得られる。

また、第１の実施形態で示した他の効果に関しても同様に得られる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態に係る磁気浮上装置について、第１の実施形態からの変更点のみ説明する。特に記載していない部分は第１の実施形態と同様である。

図１４は、第３の実施形態に係る磁気浮上装置の構成を示す側面図である。

磁気浮上装置１は、２つの外力補償付磁気支持ユニット６０と、浮上体３と、ベース８と、制御装置３１とを具備している。外力補償付磁気支持ユニット６０は、横方向支持装置６と、位置調整脚７と、外力補償付縦方向支持装置６１とを具備している。

図１５は、外力補償付縦方向支持装置６１の構成を示す斜視図である。外力補償付縦方向支持装置６１は、第１の実施形態における縦方向固定枠９に対して、第１の実施形態における鉛直調整機構４３（鉛直リニアガイド４６、鉛直送りねじ４７および補助磁石ユニット４８）が取り付けられた構成となっている。すなわち、縦方向支持装置５と外力補償装置４とが一体化されている。

外力補償付磁気支持ユニット６０に組み込まれた２つの鉛直調整機構４３をそれぞれ調整し、２つの補助磁石ユニット４８の鉛直方向における相対位置を変化させることで、重力に起因して浮上体３に生じるｙ軸まわりのモーメントが相殺されるような効果が得られる。また、２つの鉛直調整機構４３をそれぞれ調整し、２つの補助磁石ユニット４８の鉛直方向における相対位置を保ったまま、２つの補助磁石ユニット４８の絶対位置を変化させることで、浮上体３と２つの補助磁石ユニット４８の間に働く磁力の和が重力とつり合うような位置、あるいはその近傍に２つの補助磁石ユニット４８を移動させることができる。これにより、重力により生じる可動枠位置の変動を抑制できる。

また、第１の実施形態で示した他の効果に関しても同様に得られる。

（他の実施形態）
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、また各実施形態の特徴を組み合わせることができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ … 磁気浮上装置
２ … 磁気支持ユニット
３ … 浮上体
４ … 外力補償装置
５ … 縦方向支持装置
６ … 横方向支持装置
７ … 位置調整脚
８ … ベース
９ … 縦方向固定枠
１０ … 横方向固定枠
１１ … 縦方向可動枠
１２ … 横方向可動枠
１３ … 磁石ユニット
１４ … 第１のギャップセンサ
１５ … 第２のギャップセンサ
１６ … リニアガイド
１７ … バネ
２１ … 永久磁石
２２ … 継鉄
２３ … コイル
２４ … 電磁石
３１ … 制御装置
３２ … センサ部
３３ … 制御演算器
３４ … ドライバ
３５ … 電流センサ
４１ … フレーム
４２ … 水平調整機構
４３ … 鉛直調整機構
４４ … 水平リニアガイド
４５ … 水平送りねじ
４６ … 鉛直リニアガイド
４７ … 鉛直送りねじ
４８ … 補助磁石ユニット
５０ … 補助永久磁石
５１ … 継鉄
６０ … 外力補償付磁気支持ユニット
６１ … 外力補償付縦方向支持装置

Claims (7)

1. 少なくとも一部が強磁性体で形成された浮上体と、
   少なくとも電磁石を備え、前記浮上体を挟んで対向配置され、前記浮上体に空隙を介して前記電磁石に起因する磁束の磁気回路を形成する磁石ユニットと、
   前記磁石ユニットが固定された可動枠と前記可動枠および前記浮上体に加わる荷重を支持する固定枠とを備え、前記固定枠と前記可動枠との間の距離を調整可能な磁気支持手段と、
   前記浮上体と前記磁石ユニットとの相対変位に基づいて前記電磁石の電流を制御することにより、前記浮上体を非接触で支持する制御手段と、
   前記固定枠に対して相対変位が生じない部品又は当該固定枠のうち前記浮上体より鉛直上側に配置された永久磁石を有し、当該浮上体に空隙を介して当該永久磁石に起因する磁束の磁気回路を形成する補助磁石ユニットと、
   前記補助磁石ユニットが設けられた外力補助手段と、
   を具備することを特徴とする磁気浮上装置。
2. 少なくとも一部が強磁性体で形成された浮上体と、
   少なくとも電磁石を備え、前記浮上体を挟んで対向配置され、前記浮上体に空隙を介して前記電磁石に起因する磁束の磁気回路を形成する磁石ユニットと、
   前記磁石ユニットが固定された可動枠と前記可動枠および前記浮上体に加わる荷重を支持する固定枠とを備え、前記固定枠と前記可動枠との間の距離を調整可能な磁気支持手段と、
   前記浮上体と前記磁石ユニットとの相対変位に基づいて前記電磁石の電流を制御することにより、前記浮上体を非接触で支持する制御手段と、
   補助磁石を備え、前記浮上体に空隙を介して前記補助磁石に起因する磁束の磁気回路を形成する補助磁石ユニットと、
   前記補助磁石ユニットが設けられた外力補助手段と、
   を備え、
   前記外力補助手段は、前記補助磁石ユニットと前記浮上体との相対位置を調整可能な機構を備えている
   ことを特徴とする磁気浮上装置。
3. 少なくとも一部が強磁性体で形成された浮上体と、
   少なくとも電磁石を備え、前記浮上体を挟んで対向配置され、前記浮上体に空隙を介して前記電磁石に起因する磁束の磁気回路を形成する磁石ユニットと、
   前記磁石ユニットが固定された可動枠と前記可動枠および前記浮上体に加わる荷重を支持する固定枠とを備え、前記固定枠と前記可動枠との間の距離を調整可能な磁気支持手段と、
   前記浮上体と前記磁石ユニットとの相対変位に基づいて前記電磁石の電流を制御することにより、前記浮上体を非接触で支持する制御手段と、
   補助磁石を備え、前記浮上体に空隙を介して前記補助磁石に起因する磁束の磁気回路を形成する補助磁石ユニットと、
   前記補助磁石ユニットが設けられた外力補助手段と、
   を備え、
   前記外力補助手段は複数設けられ、前記複数の外力補助手段は、前記補助磁石ユニットと前記浮上体との相対位置をそれぞれ独立に調整可能な機構を備えている
   ことを特徴とする磁気浮上装置。
4. 前記磁気支持手段は、前記固定枠と前記可動枠との間の距離を調整可能な弾性要素を備えている
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の磁気浮上装置。
5. 前記浮上体は回転体であり、
   前記磁石ユニットは、前記浮上体を前記浮上体の回転軸と直交するｙ方向から挟む一対のｙ軸磁石ユニットと、前記浮上体を前記回転軸およびｙ方向と直交するｚ方向から挟む一対のｚ軸磁石ユニットとを有し、
   前記磁気支持手段の前記可動枠は、前記ｙ軸磁石ユニットを固定するｙ軸可動枠と、前記ｚ軸磁石ユニットを固定するｚ軸可動枠とを有し、
   前記磁気支持手段の前記固定枠は、前記ｙ軸可動枠を支持するｙ軸固定枠と、前記ｚ軸可動枠を支持するｚ軸固定枠とを有する
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の磁気浮上装置。
6. 少なくとも一部が強磁性体で形成された浮上体と、
   少なくとも電磁石を備え、前記浮上体を挟んで対向配置され、前記浮上体に空隙を介して前記電磁石に起因する磁束の磁気回路を形成する磁石ユニットと、
   前記磁石ユニットが固定された可動枠と前記可動枠および前記浮上体に加わる荷重を支持する固定枠とを備え、前記固定枠と前記可動枠との間の距離を調整可能な磁気支持手段と、
   前記浮上体と前記磁石ユニットとの相対変位に基づいて前記電磁石の電流を制御することにより、前記浮上体を非接触で支持する制御手段と、
   補助磁石を備え、前記浮上体に空隙を介して前記補助磁石に起因する磁束の磁気回路を形成する補助磁石ユニットと、
   前記補助磁石ユニットが設けられた外力補助手段と、
   を備え、
   前記浮上体は回転体であり、
   前記磁石ユニットは、前記浮上体を前記浮上体の回転軸と直交するｙ方向から挟む一対のｙ軸磁石ユニットと、前記浮上体を前記回転軸およびｙ方向と直交するｚ方向から挟む一対のｚ軸磁石ユニットとを有し、
   前記磁気支持手段の前記可動枠は、前記ｙ軸磁石ユニットを固定するｙ軸可動枠と、前記ｚ軸磁石ユニットを固定するｚ軸可動枠とを有し、
   前記磁気支持手段の前記固定枠は、前記ｙ軸可動枠を支持するｙ軸固定枠と、前記ｚ軸可動枠を支持するｚ軸固定枠とを有し、
   前記外力補助手段は、前記浮上体の回転軸方向に対して、前記補助磁石ユニットと前記浮上体との相対位置を調整可能な回転軸方向調整機構を有している
   ことを特徴とする磁気浮上装置。
7. 少なくとも一部が強磁性体で形成された浮上体と、
   少なくとも電磁石を備え、前記浮上体を挟んで対向配置され、前記浮上体に空隙を介して前記電磁石に起因する磁束の磁気回路を形成する磁石ユニットと、
   前記磁石ユニットが固定された可動枠と前記可動枠および前記浮上体に加わる荷重を支持する固定枠とを備え、前記固定枠と前記可動枠との間の距離を調整可能な磁気支持手段と、
   前記浮上体と前記磁石ユニットとの相対変位に基づいて前記電磁石の電流を制御することにより、前記浮上体を非接触で支持する制御手段と、
   補助磁石を備え、前記浮上体に空隙を介して前記補助磁石に起因する磁束の磁気回路を形成する補助磁石ユニットと、
   前記補助磁石ユニットが設けられた外力補助手段と、
   を備え、
   前記浮上体は回転体であり、
   前記磁石ユニットは、前記浮上体を前記浮上体の回転軸と直交するｙ方向から挟む一対のｙ軸磁石ユニットと、前記浮上体を前記回転軸およびｙ方向と直交するｚ方向から挟む一対のｚ軸磁石ユニットとを有し、
   前記磁気支持手段の前記可動枠は、前記ｙ軸磁石ユニットを固定するｙ軸可動枠と、前記ｚ軸磁石ユニットを固定するｚ軸可動枠とを有し、
   前記磁気支持手段の前記固定枠は、前記ｙ軸可動枠を支持するｙ軸固定枠と、前記ｚ軸可動枠を支持するｚ軸固定枠とを有し、
   前記外力補助手段は、前記浮上体の半径方向に対して、前記補助磁石ユニットと前記浮上体との相対位置を調整可能な半径方向調整機構を有している
   ことを特徴とする磁気浮上装置。

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