JP6696855B2 - 磁気軸受 - Google Patents

Description

本発明は、磁気軸受に関するものである。

磁気軸受は、機械的接触による摩耗が発生せず、さらに、潤滑剤が不要である等の利点がある。この磁気軸受は、軸受での損失が少ないため、高速で羽根車や軸を回転させるターボ分子ポンプ、圧縮機、ガスタービン、電力貯蔵用フライホイール等に利用されている。磁気軸受は、電磁力によって回転体を非接触で支持するため、回転体を空間中に固定するためには、並進３自由度、傾き２自由度、回転１自由度の運動を制御する必要がある。通常、回転１自由度は、モータが担当し、残りの５自由度を磁気軸受で制御するようになっている。

下記非特許文献１には、５自由度制御形磁気軸受の基本的な構成が開示されている（非特許文献１の図１参照）。この磁気軸受は、２組のラジアル磁気軸受と１つのスラスト軸受から構成される。軸の並進方向２自由度の運動制御を担うラジアル磁気軸受は、軸端に１個ずつ合計２個配置され、並進方向２自由度と傾き２自由度の運動を制御する。また、１自由度方向に力を発生するスラスト軸受は、軸方向の１自由度の運動を制御する。スラスト軸受は、軸に取り付けられた１枚の磁性体の円板（スラストディスク）を、コイル用の溝を設けた２つのリング状の電磁石で挟み込む構成となっている。

進士忠彦、「磁気軸受 基礎と応用」、精密工学会誌、Ｖｏｌ．７８、Ｎｏ．１２、２０１２年、ｐ．１０５４−１０５７

ところで、上記従来技術のように、ラジアル磁気軸受、スラスト磁気軸受を個々に配置すると、ロータの軸長が増加する。一般に、磁気軸受は、機械式軸受に対して軸受剛性が小さいため、ロータの曲げモードの腹の部分をラジアル磁気軸受で減衰させることが難しい。このため、ロータの軸長の増加に伴って軸剛性が低下すると、危険速度の低下を招くという問題がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ロータの軸長の短縮化を図ることができる磁気軸受の提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、ロータと、前記ロータのラジアル方向における支持力を発生するラジアルステータと、前記ロータのスラスト方向における支持力を発生するスラストステータと、を有する磁気軸受であって、前記ラジアルステータは、ラジアルステータコアと、前記ラジアルステータコア、前記ロータを経由する第１の磁気回路を形成するラジアル巻線と、を有し、前記スラストステータは、前記ラジアルステータコアに接続されたスラストステータコアと、前記スラストステータコア、前記ロータ、及び、前記ラジアルステータコアを経由する第２の磁気回路を形成するスラスト巻線と、を有する、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記スラストステータは、スラスト方向において前記ラジアルステータを挟んで一対で設けられている、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記ラジアルステータコアは、前記ラジアル巻線が巻回されたラジアルステータ磁極を有し、前記一対のスラストステータのそれぞれは、前記ラジアルステータ磁極を経由する前記第２の磁気回路を形成する、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記一対のスラストステータは、前記ラジアルステータ磁極において磁束の向きが互いに逆方向となるように前記第２の磁気回路を形成する、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記スラストステータコアは、前記ラジアル巻線に対しスラスト方向において第１の空間をあけて配置されたスラストステータ磁極と、前記スラストステータ磁極と前記ラジアルステータコアとの間を接続し、前記ラジアル巻線に対しラジアル方向に第２の空間をあけて配置されたスラストステータバックヨークと、を有し、前記スラスト巻線は、前記第１の空間及び前記第２の空間に配置されている、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記ラジアルステータコアは、前記ラジアル巻線が巻回された複数のラジアルステータ磁極と、前記複数のラジアルステータ磁極の間を接続するラジアルステータバックヨークと、を有し、前記ラジアルステータバックヨークは、前記第１の磁気回路が形成されない磁極間接続部に、該磁極間接続部を横断する溝を有する、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記溝には、前記ラジアル巻線及び前記スラスト巻線の少なくともいずれか一方のリード線が配置されている、という構成を採用する。

また、本発明においては、前記溝には、前記リード線が２本または３本配置されている、という構成を採用する。

したがって、本発明では、ロータの軸長を短縮化することができる。

本発明の一実施形態における磁気軸受の縦断面構造を示す斜視図である。 本発明の一実施形態における磁気軸受の構成を示す分解斜視図である。 本発明の一実施形態におけるラジアルステータの構成を示す磁気軸受の横断面図である。 本発明の一実施形態におけるスラストステータの構成を示す磁気軸受の縦断面図である。 図４に示す磁気軸受においてラジアルステータとスラストステータの磁束を重畳したときの（ａ）ラジアルステータ磁束の変化、（ｂ）ラジアルステータの支持力の変化を示すグラフである。 比較例として、ラジアルステータ磁極において磁束の向きが同じ方向となるように第２の磁気回路を形成するスラストステータの構成を示す磁気軸受の縦断面図である。 図６に示す磁気軸受においてラジアルステータとスラストステータの磁束を重畳したときの（ａ）ラジアルステータ磁束の変化、（ｂ）ラジアルステータの支持力の変化を示すグラフである。 本発明の一実施形態におけるラジアルステータを示す平面図である。 図８に示すラジアルステータコアを示す斜視図である。 本発明の一実施形態におけるラジアルステータを示す平面図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態における磁気軸受１の縦断面構造を示す斜視図である。図２は、本発明の一実施形態における磁気軸受１の構成を示す分解斜視図である。なお、視認性向上のため、図１では、図２に示すロータ１０を図示していない。また、図２では、図１に示すハウジング２を図示していない。
磁気軸受１は、図１及び図２に示すように、ロータ１０と、ロータ１０のラジアル方向における支持力を発生するラジアルステータ２０と、ロータ１０のスラスト方向における支持力を発生するスラストステータ３０と、を有する。ロータ１０は、磁性体であって、円筒状に形成されている。

本実施形態の磁気軸受１は、３軸能動制御磁気軸受である。すなわち、ラジアルステータ２０は、ラジアル方向の２軸を制御する。スラストステータ３０は、スラスト方向においてラジアルステータ２０を挟んで一対で設けられ、スラスト方向の１軸を制御する。
なお、以下の説明では、一対で設けられたスラストステータ３０のうち、一方をスラストステータ３０ｚ１と称し、他方をスラストステータ３０ｚ２と称することがある。

ラジアルステータ２０及び一対のスラストステータ３０は、ハウジング２の内側に一体となって収容されている。ハウジング２の中央には、ロータ１０が配置される孔部３が形成されている。ハウジング２は、筒部２ａと、一対の蓋部２ｂと、を有する。筒部２ａは、円筒状に形成され、ラジアルステータ２０及び一対のスラストステータ３０の外周面に嵌合している。一対の蓋部２ｂは、筒部２ａの両端部に接続され、一対のスラストステータ３０の端面を覆っている。このハウジング２は、非磁性体であって、ステンレス鋼等から形成されている。

図３は、本発明の一実施形態におけるラジアルステータ２０の構成を示す磁気軸受１の横断面図である。なお、以下の説明においては、ＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明することがある。ラジアル方向において互いに直交する２軸をそれぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向とし、スラスト方向の１軸をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向と直交する。
ラジアルステータ２０は、図３に示すように、ラジアルステータコア２１と、ラジアル巻線２２と、を有する。本実施形態のラジアルステータ２０は、電磁石型ヘテロポーララジアル磁気軸受を形成している。

ラジアルステータコア２１は、磁性体であって、ラジアル巻線２２が巻回された複数のラジアルステータ磁極２３と、複数のラジアルステータ磁極２３の間を接続するラジアルステータバックヨーク２４と、を有する。ラジアルステータバックヨーク２４は、円環状に形成され、ロータ１０の外側に配置されている。ラジアルステータ磁極２３は、ラジアルステータバックヨーク２４の内周面から、ロータ１０の外周面に向かって突設されている。

ラジアルステータ磁極２３は、ロータ１０の外周面にギャップをあけて対向している。本実施形態のラジアルステータ磁極２３は、ロータ１０の周方向に４５°間隔で８個設けられている。ラジアル巻線２２は、周方向で隣り合うラジアルステータ磁極２３間に形成されるスロット開口部を利用してラジアルステータ磁極２３に巻回されている。ラジアル巻線２２は、周方向で隣り合うラジアルステータ磁極２３を二つ一組として巻回されている。

具体的に、周方向で隣り合う二つ一組のラジアルステータ磁極２３ｘ１には、ラジアル巻線２２ｘ１が巻回されている。また、周方向で隣り合う二つ一組のラジアルステータ磁極２３ｘ２には、ラジアル巻線２２ｘ２が巻回されている。また、周方向で隣り合う二つ一組のラジアルステータ磁極２３ｙ１には、ラジアル巻線２２ｙ１が巻回されている。また、周方向で隣り合う二つ一組のラジアルステータ磁極２３ｙ２には、ラジアル巻線２２ｙ２が巻回されている。

ラジアル巻線２２ｘ１，２２ｘ２，２２ｙ１，２２ｙ２は、ラジアルステータコア２１、ロータ１０を経由する第１の磁気回路１０１をそれぞれ形成する。第１の磁気回路１０１を形成する磁束（鎖交磁束）は、ラジアル巻線２２が巻回された二つ一組のラジアルステータ磁極２３、当該二つ一組のラジアルステータ磁極２３を接続するラジアルステータバックヨーク２４、及びロータ１０を経由する。

ラジアル巻線２２ｘ１，２２ｘ２は、ロータ１０の中心を通るＸ軸方向において対となって配置されている。これらラジアル巻線２２ｘ１，２２ｘ２に直流電流をそれぞれ流すと、その電流に伴う磁束に由来する磁気吸引力が発生し、ラジアル方向の１軸（Ｘ軸方向）を制御することができる。

また、ラジアル巻線２２ｙ１，２２ｙ２は、ロータ１０の中心を通るＹ軸方向において対となって配置されている。これらラジアル巻線２２ｙ１，２２ｙ２に直流電流をそれぞれ流すと、その電流に伴う磁束に由来する磁気吸引力が発生し、ラジアル方向のもう１軸（Ｙ軸方向）を制御することができる。

ラジアル巻線２２ｘ１，２２ｘ２，２２ｙ１，２２ｙ２は、磁束の短絡を防ぐため、隣り合う磁束は互いに逆方向となるように極性を選択している。例えば、ラジアル巻線２２ｘ１，２２ｘ２が形成する第１の磁気回路１０１は反時計回りであり、ラジアル巻線２２ｙ１，２２ｙ２が形成する第１の磁気回路１０１は時計回りである。これらラジアルステータ磁極２３の極性は、周方向においてＮ極→Ｎ極→Ｓ極→Ｓ極→Ｎ極→Ｎ極→Ｓ極…の順に交互に配置される。

図４は、本発明の一実施形態におけるスラストステータ３０の構成を示す磁気軸受１の縦断面図である。
スラストステータ３０は、図３に示すように、スラストステータコア３１と、スラスト巻線３２と、を有する。本実施形態のスラストステータ３０は、電磁石型ホモポーラスラスト磁気軸受を形成している。スラストステータコア３１は、磁性体であって、ラジアルステータコア２１と接続されている。

スラストステータコア３１は、略有底円筒状に形成され、その内側にスラスト巻線３２を収容している。スラストステータコア３１は、ロータ１０を配置する孔が中央に形成された円板状のスラストステータ磁極３３と、スラストステータ磁極３３の周縁部からラジアルステータコア２１に向かって突出する円筒状のスラストステータバックヨーク３４と、を有する。スラストステータバックヨーク３４は、スラストステータ磁極３３とラジアルステータコア２１との間を接続するものであり、その先端はラジアルステータバックヨーク２４に接続されている。

スラストステータ磁極３３は、図４に示す断面視で、ラジアルステータ磁極２３よりも小さい厚みで形成されている。本実施形態のスラストステータ磁極３３は、ラジアルステータ磁極２３の１／２以下の厚みを有する。また、スラストステータバックヨーク３４は、図４に示す断面視で、ラジアルステータバックヨーク２４（ラジアルステータコア２１の外周からラジアル巻線２２まで）よりも小さい厚みで形成されている。本実施形態のスラストステータバックヨーク３４は、ラジアルステータバックヨーク２４の１／４以下の厚みを有する。スラストステータバックヨーク３４とラジアルステータバックヨーク２４の外径は等しく形成されている。

スラストステータ磁極３３は、ラジアル巻線２２に対しスラスト方向において第１の空間２０１をあけて配置されている。また、スラストステータバックヨーク３４は、ラジアル巻線２２に対しラジアル方向に第２の空間２０２をあけて配置されている。これら第１の空間２０１及び第２の空間２０２には、スラスト巻線３２が配置されている。スラスト巻線３２は、Ｚ軸回りに巻かれ、ラジアル巻線２２の側面及び上面を覆うＬ字断面のリング状（図２参照）に成形されている。

スラスト巻線３２は、図４に示すように、スラストステータコア３１、ロータ１０、及び、ラジアルステータコア２１を経由する第２の磁気回路１０２を形成する。第２の磁気回路１０２を形成する磁束（鎖交磁束）は、スラストステータ磁極３３、スラストステータバックヨーク３４、ラジアルステータバックヨーク２４、ラジアルステータ磁極２３、及び、ロータ１０を経由する。

上記構成のスラストステータ３０は、スラスト方向においてラジアルステータ２０を挟んで一対で設けられており、スラストステータ３０ｚ１のスラスト巻線３２ｚ１とスラストステータ３０ｚ２のスラスト巻線３２ｚ２は、ロータ１０が延びるＺ軸方向において対となって配置されている。これらスラスト巻線３２ｚ１，３２ｚ２に直流電流をそれぞれ流すと、その電流に伴う磁束に由来する磁気吸引力が発生し、スラスト方向の１軸（Ｚ軸方向）を制御することができる。

一対のスラストステータ３０ｚ１，３０ｚ２のそれぞれは、ラジアルステータ磁極２３を経由する第２の磁気回路１０２ｚ１，１０２ｚ２を形成する。すなわち、ラジアルステータ磁極２３は、ラジアルステータ２０の磁路であると共に、一対のスラストステータ３０ｚ１，３０ｚ２の共有の磁路となっている。
また、一対のスラストステータ３０ｚ１，３０ｚ２は、図４に示すように、ラジアルステータ磁極２３において磁束の向きが互いに逆方向となるように第２の磁気回路１０２ｚ１，１０２ｚ２を形成している。

スラスト巻線３２ｚ１，３２ｚ２は、ラジアルステータ磁極２３における磁気飽和を抑制するため、ラジアルステータ磁極２３において互いに逆方向になるように極性を選択している。例えば、スラスト巻線３２ｚ１が形成する第２の磁気回路１０２ｚ１は時計回りであり、スラスト巻線３２ｚ２が形成する第２の磁気回路１０２ｚ２も時計回りである。ロータ１０においては、スラスト巻線３２ｚ１による磁束の向きと、スラスト巻線３２ｚ２による磁束の向きが、共にＺ軸方向の＋側を向いている。

図５は、図４に示す磁気軸受１においてラジアルステータ２０とスラストステータ３０の磁束を重畳したときの（ａ）ラジアルステータ磁束の変化、（ｂ）ラジアルステータ２０の支持力の変化を示すグラフである。
図５（ａ）は、スラスト巻線３２ｚ１，３２ｚ２にバイアス電流をｉ_ｚｂ＝０、ｉ_ｚｂ＝１．０、ｉ_ｚｂ＝２．０と与え、ラジアル巻線２２の制御電流ｉ_ｘｃを増加させたときのラジアルステータ磁極２３（図４に示す領域３００）における磁束φ_ｘ１の変化を示している。また、図５（ｂ）は、このときのラジアルステータ２０の支持力ｆ_ｘの変化を示している。

図５（ａ）に示すように、スラスト巻線３２ｚ１，３２ｚ２にバイアス電流をｉ_ｚｂ＝０、ｉ_ｚｂ＝１．０、ｉ_ｚｂ＝２．０と与えた場合、磁束φ_ｘ１は、制御電流ｉ_ｘｃに比例して増加する。また、図５（ｂ）に示すように、支持力ｆ_ｘも、制御電流ｉ_ｘｃに比例して増加する。このように、図４に示す磁気軸受１では、ラジアルステータ２０とスラストステータ３０の磁束を重畳しても、磁気飽和が確認されず、スラストステータ３０の磁束によるラジアルステータ２０の磁束変化がない（干渉がない）ことが分かる。

図６は、比較例として、ラジアルステータ磁極２３において磁束の向きが同じ方向となるように第２の磁気回路１０２ｚ１，１０２ｚ２を形成するスラストステータ３０の構成を示す磁気軸受１の縦断面図である。図７は、図６に示す磁気軸受１においてラジアルステータ２０とスラストステータ３０の磁束を重畳したときの（ａ）ラジアルステータ磁束の変化、（ｂ）ラジアルステータの支持力の変化を示すグラフである。

図６に示すスラスト巻線３２ｚ１，３２ｚ２は、図４に示す構成とは逆に、ラジアルステータ磁極２３において互いに同じ方向になるように極性を選択している。例えば、スラスト巻線３２ｚ１が形成する第２の磁気回路１０２ｚ１は時計回りであり、スラスト巻線３２ｚ２が形成する第２の磁気回路１０２ｚ２は反時計回りである。ロータ１０においては、スラスト巻線３２ｚ１による磁束の向きと、スラスト巻線３２ｚ２による磁束の向きが、Ｚ軸方向において互いに逆方向を向いている。

図７（ａ）に示すように、スラスト巻線３２ｚ１，３２ｚ２に小さいバイアス電流（ｉ_ｚｂ＝０、ｉ_ｚｂ＝１．０）を与えた場合、磁束φ_ｘ１は制御電流ｉ_ｘｃに比例して増加するが、大きいバイアス電流（ｉ_ｚｂ＝２．０）を与えた場合、磁束φ_ｘ１は制御電流ｉ_ｘｃ＝１．５辺りから比例関係ではなくなり、傾きが徐々に小さくなる（収束する）。また、図７（ｂ）に示すように、大きいバイアス電流（ｉ_ｚｂ＝２．０）を与えた場合、支持力ｆ_ｘも、磁束φ_ｘ１と同様に傾きが徐々に小さくなる（収束する）。このように、図６に示す磁気軸受１では、ラジアルステータ２０とスラストステータ３０の磁束を重畳した結果、磁気飽和が起こり、スラストステータ３０の磁束によるラジアルステータ２０の磁束変化が生じた（干渉がある）ことが分かる。

続いて、上記構成の磁気軸受１の作用効果について説明する。
上記構成の磁気軸受１では、ロータ１０のラジアル方向における支持力が、ラジアルステータ２０のラジアル巻線２２を流れる電流に伴う磁束に由来する磁気吸引力によって発生する。この磁束は、図３に示すように、ラジアルステータコア２１、ロータ１０を経由する第１の磁気回路１０１を形成する。また、本実施形態では、ロータ１０のスラスト方向における支持力が、スラストステータ３０のスラスト巻線３２を流れる電流に伴う磁束に由来する磁気吸引力によって発生する。スラストステータコア３１はラジアルステータコア２１と接続されており、この磁束は、図４に示すように、スラストステータコア３１、ロータ１０、及び、ラジアルステータコア２１を経由する第２の磁気回路１０２を形成する。このように、本実施形態では、ラジアルステータコア２１にスラストステータコア３１を接続し、ラジアルステータ２０とスラストステータ３０の磁路を共有化しているため、ラジアルステータ２０及びスラストステータ３０を一体化して軸方向の省スペース化を図ることができる。つまり、ラジアルステータ２０及びスラストステータ３０を個々に配置するよりも、ロータ１０の軸長を短縮化することができる。

また、本実施形態では、スラストステータ３０は、スラスト方向においてラジアルステータ２０を挟んで一対で設けられている。この構成によれば、ラジアルステータ２０及び一対のスラストステータ３０ｚ１，３０ｚ２の計３つの磁気軸受を一体化して軸方向の省スペース化を図ることができる。

また、本実施形態では、図４に示すように、ラジアルステータコア２１は、ラジアル巻線２２が巻回されたラジアルステータ磁極２３を有し、一対のスラストステータ３０のそれぞれは、ラジアルステータ磁極２３を経由する第２の磁気回路１０２ｚ１，１０２ｚ２を形成する。この構成によれば、ラジアルステータ２０の磁路である既存のラジアルステータ磁極２３が、一対のスラストステータ３０ｚ１，３０ｚ２の共有の磁路となるため、共有の磁路を別途設ける必要がなく、軸方向の省スペース化に寄与できる。

さらに、本実施形態においては、一対のスラストステータ３０は、ラジアルステータ磁極２３において磁束の向きが互いに逆方向となるように第２の磁気回路１０２ｚ１，１０２ｚ２を形成する。この構成によれば、ラジアルステータ磁極２３において互いに逆方向になるように極性を選択でき、図５に示すように、ラジアルステータ磁極２３における磁気飽和を抑制することができる。このため、ラジアルステータ２０の磁路であるラジアルステータ磁極２３を、一対のスラストステータ３０ｚ１，３０ｚ２の共有の磁路とした場合であっても、磁気飽和を抑制し、磁束及び支持力の低下を抑制することができる。

また、本実施形態では、図４に示すように、スラストステータコア３１は、ラジアル巻線２２に対しスラスト方向において第１の空間２０１をあけて配置されたスラストステータ磁極３３と、スラストステータ磁極３３とラジアルステータコア２１との間を接続し、ラジアル巻線２２に対しラジアル方向に第２の空間２０２をあけて配置されたスラストステータバックヨーク３４と、を有し、スラスト巻線３２は、第１の空間２０１及び第２の空間２０２に配置されている。この構成によれば、ラジアルステータコア２１とスラストステータコア３１との断面Ｌ字状のデッドスペース（第１の空間２０１及び第２の空間２０２）を利用してスラスト巻線３２を配置することができるため、軸方向の省スペース化に寄与できる。

このように、上述の本実施形態によれば、ロータ１０と、ロータ１０のラジアル方向における支持力を発生するラジアルステータ２０と、ロータ１０のスラスト方向における支持力を発生するスラストステータ３０と、を有する磁気軸受１であって、ラジアルステータ２０は、ラジアルステータコア２１と、ラジアルステータコア２１、ロータ１０を経由する第１の磁気回路１０１を形成するラジアル巻線２２と、を有し、スラストステータ３０は、ラジアルステータコア２１に接続されたスラストステータコア３１と、スラストステータコア３１、ロータ１０、及び、ラジアルステータコア２１を経由する第２の磁気回路１０２を形成するスラスト巻線３２と、を有する、という構成を採用することによって、ラジアルステータ２０及びスラストステータ３０を一体化でき、ラジアルステータ２０及びスラストステータ３０を個々に配置するよりも、ロータ１０の軸長を短縮化することができる。これにより、ロータ１０の危険速度の低下を抑制することができる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、本発明は、図８〜図１０に示すような形態を採用し得る。なお、以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

図８は、本発明の一実施形態におけるラジアルステータ２０を示す平面図である。図９は、図８に示すラジアルステータコア２１を示す斜視図である。
図８に示すラジアルステータ２０は、ラジアルステータバックヨーク２４に溝２６が形成されたラジアルステータコア２１を有する。溝２６は、ラジアルステータバックヨーク２４の磁極間接続部２５を横断するように形成されている。

溝２６は、第１の磁気回路１０１が形成されない磁極間接続部２５に形成され、具体的には、ラジアルステータ磁極２３ｘ１，２３ｙ２間の磁極間接続部２５、ラジアルステータ磁極２３ｙ２，２３ｘ２間の磁極間接続部２５、ラジアルステータ磁極２３ｘ２，２３ｙ１間の磁極間接続部２５、及び、ラジアルステータ磁極２３ｙ１，２３ｘ１間の磁極間接続部２５に形成されている。溝２６は、図９に示すように、ラジアルステータバックヨーク２４の表面２４ａと裏面２４ｂに所定深さで形成され、ラジアル方向に直線的に延在している。

溝２６には、ラジアル巻線２２及びスラスト巻線３２の少なくともいずれか一方のリード線４０が配置されている。図８に示す一実施形態では、ラジアルステータ磁極２３ｘ１，２３ｙ２間の溝２６及びラジアルステータ磁極２３ｘ２，２３ｙ１間の溝２６には、ラジアル巻線２２のリード線４０ｒが２本配置されている。また、ラジアルステータ磁極２３ｙ１，２３ｘ１間の溝２６及びラジアルステータ磁極２３ｙ１，２３ｙ２間の溝２６には、ラジアル巻線２２のリード線４０ｒが２本、スラスト巻線３２のリード線４０ｔが１本、計３本配置されている。なお、表面２４ａと裏面２４ｂにおけるリード線４０の配置は同じにしても異ならせてもよいが、溝２６には、リード線４０が２本または３本配置されていることが好ましい。

上記のように、ラジアルステータコア２１は、ラジアル巻線２２が巻回された複数のラジアルステータ磁極２３と、複数のラジアルステータ磁極２３の間を接続するラジアルステータバックヨーク２４と、を有し、ラジアルステータバックヨーク２４は、第１の磁気回路１０１が形成されない磁極間接続部２５に、該磁極間接続部２５を横断する溝２６を有する。このように、ラジアルステータコア２１に溝２６を形成することで、ラジアルステータコア２１で発生する渦電流を抑制することができる。また、溝２６は、第１の磁気回路１０１が形成されない磁極間接続部２５に形成されているため、第１の磁気回路１０１の磁路が細くならず、磁気飽和を抑制することができる。

また、溝２６には、ラジアル巻線２２及びスラスト巻線３２の少なくともいずれか一方のリード線４０が配置されている。この構成によれば、渦電流抑制用の溝２６を、ラジアル巻線２２及びスラスト巻線３２のリード線４０を引き出す引出線用の溝として兼用することができる。

また、溝２６には、リード線４０が２本または３本配置されている。本実施形態では、ラジアルステータ磁極２３が８極あるため、ラジアル巻線２２のリード線４０ｒは２本ずつで計１６本あり、また、スラストステータ３０は一対で設けられているため、スラスト巻線３２のリード線４０ｔは２本ずつで計４本ある。対して溝２６は、表面２４ａと裏面２４ｂに４つずつで計８つある。本実施形態のように、表裏８つの溝２６にリード線４０ｒを２本ずつ均等に配置した場合、表面２４ａ側に配置されたスラスト巻線３２の２本のリード線４０ｔは表面２４ａ側の４つの溝２６のいずれかに配置し、裏面２４ｂ側に配置されたスラスト巻線３２の２本のリード線４０ｔは裏面２４ｂ側の４つの溝２６のいずれかに配置する必要がある。ここで、スラスト巻線３２の２本のリード線４０ｔを１つの溝２６に配置してもよい（計４本のリード線４０を１つの溝２６に配置してもよい）が、そうするとその分だけ溝２６を大きく形成しなければならず、ラジアルステータコア２１の機械的強度が弱くなる。このため、本実施形態では、スラスト巻線３２の２本のリード線４０ｔを別々の溝２６に配置し、溝２６から最大３本のリード線４０が引き出されるようにして、ラジアルステータコア２１の機械的強度を確保している。

図１０は、本発明の一実施形態におけるラジアルステータ２０を示す平面図である。なお、図１０では視認性向上のため、リード線４０を図示していない。
図１０に示す変形例のように、表面２４ａに形成される溝２６ａと裏面２４ｂに形成される溝２６ｂをオフセットして形成してもよい。この構成によれば、溝２６ａ，２６ｂが厚み方向で対向して形成されないため、溝２６ａ，２６ｂにおける厚みが図８に示す形態と比べて大きくなり、ラジアルステータコア２１の機械的強度を高くすることができる。

また、例えば、上記実施形態では、電磁石のみの構成について説明したが、永久磁石を構成に加えてもよい。永久磁石は、例えば、スラストステータバックヨーク３４等に挿入することができる。

また、例えば、上記実施形態では、スラストステータ３０が、スラスト方向においてラジアルステータ２０を挟んで一対で設けられている構成について説明したが、スラストステータ３０の一方のみがラジアルステータ２０と一体化され、スラストステータ３０の他方が別体で配置してもよい。この構成においても、ラジアルステータ２０及びスラストステータ３０を個々に配置するよりは、ロータ１０の軸長を短縮化することができる。

１ 磁気軸受
１０ ロータ
２０ ラジアルステータ
２１ ラジアルステータコア
２２（２２ｘ１，２２ｘ２，２２ｙ１，２２ｙ２） ラジアル巻線
２３（２３ｘ１，２３ｘ２，２３ｙ１，２３ｙ２） ラジアルステータ磁極
２４ ラジアルステータバックヨーク
２５ 磁極間接続部
２６ 溝
３０（３０ｚ１，３０ｚ２） スラストステータ
３１ スラストステータコア
３２（３２ｚ１，３２ｚ２） スラスト巻線
３３ スラストステータ磁極
３４ スラストステータバックヨーク
４０（４０ｒ、４０ｔ） リード線
１０１ 第１の磁気回路
１０２（１０２ｚ１，１０２ｚ２） 第２の磁気回路
２０１ 第１の空間
２０２ 第２の空間

Claims (8)

1. ロータと、前記ロータのラジアル方向における支持力を発生するラジアルステータと、
   前記ロータのスラスト方向における支持力を発生するスラストステータと、を有する磁気軸受であって、
   前記ラジアルステータは、
   ラジアルステータコアと、
   前記ラジアルステータコア、前記ロータを経由する第１の磁気回路を形成するラジアル巻線と、を有し、
   前記スラストステータは、
   前記ラジアルステータコアに接続されたスラストステータコアと、
   前記スラストステータコア、前記ロータ、及び、前記ラジアルステータコアを経由する第２の磁気回路を形成するスラスト巻線と、を有し、
   前記スラストステータコアは、
   前記ラジアル巻線に対しスラスト方向において第１の空間をあけて配置されたスラストステータ磁極と、
   前記スラストステータ磁極と前記ラジアルステータコアとの間を接続し、前記ラジアル巻線に対しラジアル方向に第２の空間をあけて配置されたスラストステータバックヨークと、を有し、
   前記スラスト巻線は、前記第１の空間及び前記第２の空間に配置されている、ことを特徴とする磁気軸受。
2. 前記スラストステータは、スラスト方向において前記ラジアルステータを挟んで一対で設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載の磁気軸受。
3. 前記ラジアルステータコアは、前記ラジアル巻線が巻回されたラジアルステータ磁極を有し、
   前記一対のスラストステータのそれぞれは、前記ラジアルステータ磁極を経由する前記第２の磁気回路を形成する、ことを特徴とする請求項２に記載の磁気軸受。
4. 前記一対のスラストステータは、前記ラジアルステータ磁極において磁束の向きが互いに逆方向となるように前記第２の磁気回路を形成する、ことを特徴とする請求項３に記載の磁気軸受。
5. 前記ラジアルステータコアは、
   前記ラジアル巻線が巻回された複数のラジアルステータ磁極と、
   前記複数のラジアルステータ磁極の間を接続するラジアルステータバックヨークと、を有し、
   前記ラジアルステータバックヨークは、前記第１の磁気回路が形成されない磁極間接続部に、該磁極間接続部を横断する溝を有する、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁気軸受。
6. ロータと、前記ロータのラジアル方向における支持力を発生するラジアルステータと、
   前記ロータのスラスト方向における支持力を発生するスラストステータと、を有する磁気軸受であって、
   前記ラジアルステータは、
   ラジアルステータコアと、
   前記ラジアルステータコア、前記ロータを経由する第１の磁気回路を形成するラジアル巻線と、を有し、
   前記スラストステータは、
   前記ラジアルステータコアに接続されたスラストステータコアと、
   前記スラストステータコア、前記ロータ、及び、前記ラジアルステータコアを経由する第２の磁気回路を形成するスラスト巻線と、を有し、
   前記ラジアルステータコアは、
   前記ラジアル巻線が巻回された複数のラジアルステータ磁極と、
   前記複数のラジアルステータ磁極の間を接続するラジアルステータバックヨークと、を有し、
   前記ラジアルステータバックヨークは、前記第１の磁気回路が形成されない磁極間接続部に、該磁極間接続部を横断する溝を有する、ことを特徴とする磁気軸受。
7. 前記溝には、前記ラジアル巻線及び前記スラスト巻線の少なくともいずれか一方のリード線が配置されている、ことを特徴とする請求項５または６に記載の磁気軸受。
8. 前記溝には、前記リード線が２本または３本配置されている、ことを特徴とする請求項７に記載の磁気軸受。

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