JPH01248939A - ラジアル磁気軸受装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はターボ機械や工作機械のラジアル磁気軸受装置
に関し、特に回転軸に回転子継鉄を固着し、該回転子継
鉄から微小間隙を設けて起磁力を発生させる励磁フィル
を備えた電磁石固定子をケーシングに固定し、回転軸と
ケーシング間の相対変位を測定する変位センサを設け、
該変位センサからの出力信号をもとに前記回転子と電磁
石固定子間に磁気吸引力を作用きせる回転軸を固定子中
心付近に支受承するラジアル磁気軸受装置に関するもの
である。

〔従来技術〕

第３図乃至第５図は従来の５軸制御型磁気軸受の構造を
示す図で、第３図は縦断面図、第４図は第３図のＩ−１
線上断面矢視図、第５図は第３図のＩＩ−Ｉ線上断面矢
視図である。

第３図において、回転軸１はケーシング７の中央部に配
設された電動機固定子８と電動機回転子９を具備する電
動機によって駆動され、該回転軸１は上記電動機の両側
に配置された２個のラジアル磁気軸受とその一方のラジ
アル磁気軸受けに隣接したスラスト磁気軸受けとによっ
て支持されている。

前記ラジアル磁気軸受は、固定子コイル５を備えたラジ
アル軸受固定子継鉄３と回転軸１に取付けられたラジア
ル軸受回転子継鉄４と半径方向変位センサー６とから構
成されている。また、前記スラスト磁気軸受は、固定子
フィル１２を備えたスラスト軸受固定子１１と回転軸１
に取付けられたスラスト軸受ヨーク１０とから構成され
ている。また、２は非常時用軸受（転がり軸受）である
。

従来の固定子磁極の配置及び変位センサーの配置は第４
図及び第５図に示すようになっており、磁気吸引力の方
向は、Ｘ方向とＹ方向の直交する２方向となり、この２
軸方向の回転軸１の変位を第５図のようにＸ方向とＹ方
向に配設された変位センサー６Ａ、６Ｂで検出し、該検
出信号をもとに制御する。回転軸のＸ方向の制御は、Ｘ
方向の変位センサー６Ａの出力に基づき、固定子コイル
５Ａ又は固定子フィル５Ｃに所定の電流を通電して、ラ
ジアル軸受固定子継鉄３とラジアル軸受回転子継鉄４の
間に発生する磁気吸引力によって行なう。また、Ｙ方向
の半径方向変位センサー６Ｂの出力に基づき図示は省略
するが、固定子コイル５Ｂ又は固定子フィル５Ｄに同様
に所定の電流を流す。

第６図は固定子フィル５に所定の電源を通電するための
制御回路の構成を示す回路ブロック図である。

第６図の制御回路では、半径方向め変位センサー６から
の信号を位相補償回路２１に導き、その出力及び反転し
た出力に一定の電圧Ｖ、を加算し、その出力を更に直線
検波回路２２ａ、２２ｃを通して片電源の電力増幅器２
３ａ、２３ｃに入力し、固定子フィル５Ａ、５Ｃに流す
所定の電流を得ている。また、図示は省略するが固定子
コイル５Ｂ、５Ｄに流す電流も同様な制御回路より得る
。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら上記従来のラジアル磁気軸受装置において
、下記のような問題点があった。

■ラジアル軸受固定子継鉄３、矩形断面の磁極３Ａ、３
Ｂ、ラジアル軸受回転子継鉄４で部分的に磁気飽和が発
生し、磁気軸受けの最大負荷能力が低下する。これを防
止するため、磁束線に直角な断面積を略等しくなるよう
に固定子継鉄３、固定子磁極３Ａ、３Ｂ、回転継鉄４の
寸法を決めている。このため、第４図に示すように、従
来の回転子に対向する励磁フィルを挿入する矩形断面状
の磁極の数が１制御軸方向の対向する電磁石につき２個
の場合には、突起した磁極３Ａ、３Ｂの周方向の断面積
とその外周にある固定子継鉄３の半径方向の断面積を略
等しく決めなければならない。このため、軸受負荷能力
が大きい場合には、回転子外径と固定子外径が大きくな
り、回転子磁性材料の回転遠心力に対する材料強度上の
制限から、回転軸の回転数上限が制限された。

■また、固定子継鉄３の外周が大きくなり、大きな軸受
用空間を必要とした。

■また、回転軸の前向き固有振動数と後向き固有振動数
での発振防止のために磁気軸受の制御回路において、各
周波数での位相を進める補償回路を直列又は並列に組み
込んでいたが、この方法では大きな位相進みを与える必
要があり、このためこの周波数の付近及びそれ以上の周
波数での制御回路の伝達関数のゲインが大きくなり、こ
れらの周波数より高い回転軸の固有振動数の発振を誘発
することがあった。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、上記間点を
除去し、小型、高速回転でしかも回転軸の固有振動数の
自励振動が発生しないラジアル磁気軸受装置を提供する
ことにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するため本発明は、ラジアル磁気軸受装
置を下記の如く構成した。

■第１図に示すように、電磁石固定子の回転子に対向し
、回転子方向に突起した励磁コイルをさし込む断面矩形
状の磁極の数を１制御軸方向の対向する電磁石につき３
個とし、その３個の断面矩形状の磁極の内中央の磁極３
−１の円周方向断面積をその両側の２個の磁極３−２．
３−３の断面積の略２倍とする構成とした。

■また、前記磁気軸受の３個の断面矩形状の磁極のうち
両側の磁極３−２．３−３に対して、回転方向（矢印Ｆ
）の磁極３−２の励磁コイル５Ａｆ、５Ｃｆ’、５Ｂｆ
’、５Ｄｆ’には第２図に示すように、回転軸１の前向
き固有振動数を中心周波数とするバンドパスフィルタ２
５ｆ’を通過した変位信号と位相補償回路２１を通過し
た変位信号を加算した信号６１に比例した電流を流し、
反回転方向の磁極３−３の励磁コイル５Ａｂ、５Ｃｂ。

５Ｂｂ　、５Ｄｂには回転軸の後向き固有振動数を中心
周波数とするバンドパスフィルタ２５ｂｌｌ過した変位
信号と位相補償回路２１を通過した変位信号を加算した
信号６２に比例した電流を流す構成とした。なお、第２
図では励磁コイル５Ｂｆ’、５Ｄｆ’、５Ｂｂ、５Ｄｂ
に関する制御回路部分は省略している。

〔作用〕

ラジアル磁気軸受装置を上記の如く構成することにより
、下記の作用を奏する。

■固定子の中央部磁極３−１を貫通する磁束線は回転子
継鉄４、固定子両側の２個の磁極３−２．３−３、固定
子継鉄３で２分され、このため各部の磁束は、従来の磁
気軸受けの半分になる。

従って、同一磁束密度で磁気軸受を製作する場合には、
固定子継鉄３、固定子両側磁極３−２　、３−３、回転
子継鉄４の磁束線方向の断面積を略半分にできる。この
結果回転子の外径を小さくできるので、回転子周速を一
定にして磁気軸受を製作する場合、その回転数を高くで
きる。また、回転子の外径と同時に固定子継鉄４の半径
方向の厚さも小さくできるため、大幅に固定子の外径を
小さくできる。

■また、３個の磁極の内両側磁極３−２．３−３を独立
に制御し、回転軸１の前向き固有振動数と、後向き固有
振動数に対する位相進み補償を電気的でなく、空間的に
行なうことができる。このため制御回路に大きい電気的
位相進みを与えることがないので、高周波数のゲインが
大きくなることはない。従って、この着目している周波
数より高い周波数の固有振動数を励振することはないの
で、これらの固有振動数の発振を防止できる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明に係るラジアル磁気軸受装置の固定子、
回転子の断面図（第３図のＩ−Ｉ線上断面矢視図に相当
する）であり、第２図は固定子の３個の磁極の励磁コイ
ルを独立に制御するための制御回路ブロック図である。

なお、第１乃至第２図におて、第３図乃至第６図と同一
符号を付した部分は同−又は相当部分を示す。

従来の磁気軸受における磁束線を第４図の点線５１で示
す。この磁束線５１において、ラジアル軸受固定子継鉄
３とラジアル軸受回転子継鉄４の空隙以外の部分での磁
束密度を同一にし、局部的磁気飽和を避け、軸受負荷能
力を最大とするためには、磁束線に直角な断面積を等し
くしなければならない。このため、第４図中のＡ−Ａ線
上断面積、Ｂ−Ｂ線上断面積、Ｃ−Ｃ線−ヒ断面積を同
一にする必要がある。

通常、固定子、回転子の軸方向長さを同一にし、磁束線
を回転軸の軸心に直角な面内に積層した薄い珪素鋼板を
通過させ、渦電流の発生を防止するので、第４図のラジ
アル軸受固定子継鉄３の厚さΔｒ６、ラジアル軸受回転
子継鉄４の半径方向の浮きΔｒ１を磁極の幅Ｔと同じに
する必要がある。このため、Δｒ、とΔｒｃが比較的に
大きくなり、大容量の磁気軸受けでは広い空間を必要と
した。また、高速回転軸用磁気軸受では、回転子周速が
高くなり、回転子用磁性材料の強度上の制約から、回転
数を大きくできないこともあった。

本実施例では第１図に示すように、ラジアル磁気軸受固
定子の回転子に対向し、回転子方向に突起した、励磁コ
イルを挿入する断面矩形状の磁極の数を１制御軸方向の
対向する電磁石につき３個（中央磁極３−１と両側磁極
３−２．３−３）とし、この３個の断面矩形状の磁極の
内、中央磁極３−１の円周方向の断面積を、その両側の
磁極３−２．３−３の断面積の略２倍とすることにより
、電磁石内に発生する磁束線を第１図の磁束線５１ａと
５１ｂのように分割できる。

上記３つの固定子磁極の回転子に対向する表面積の合計
と、第４図に示す従来の磁気軸受の２つの磁極の回転子
に対向する表面積の合計を同一にして、回転子と固定子
間の空隙の磁束密度も同一にすれば、同じ軸受負荷能力
となる。従って、両側磁極３−２．３−３、固定子継鉄
３、回転子継鉄４の磁束は、中央の磁極の磁束の１／２
となるのでこれらの部分の磁束密度が同一になるように
回転子及び固定子を作ることにすれば、第１図のＢ−Ｂ
　、Ｃ−Ｃ，Ｄ−Ｄ線上断面積はＡ−Ａ線上の断面積の
１／２とすることができる。よって、従来の磁気軸受と
同様に回転子、固定子の軸方向長さを同一にすると、回
転子継鉄の半径方向の厚さΔｒ５、回転子継鉄４の半径
方向の厚さΔｒ。を中央の磁極の周方向幅Ｔの１／２に
することができ、従来の磁気軸受と比較して回転子の外
径を略Ｔ１固定子の外径を略２Ｔだけ小さくできる。

第１図に示す構成の固定子継鉄３及び回転子継鉄４を有
するラジアル磁気軸受においても、第１図の５Ａ、５Ａ
ｆ’、５Ａｂを直列又は並列に接続することで、上記従
来のラジアル磁気軸受と同様の制御が可能である。しか
しながら、従来の制御回路での高周波発振を防止するた
め、本発明では、第２図に示す制御回路を用い、第１図
の３つの磁極の励磁コイルを独立に制御する。

第６図の制御回路ブロック図において、回転軸１の変位
を測定する半径方向変位センサー６からの変位信号６０
は、先ず位相補償回路２１に導き、所定の位相進み補償
を行なう。同時に回転軸１に自励振動を誘発する可能性
のある、或いは誘発している前向き振れ回り固有振動数
と後向き振れ回り固有振動数を中心周波数とするバンド
パスフィルタ２５ｆ’、２５ｂを通過した信号を作り、
この信号を位相補償回路２１を通過した信号に加え、前
向き振れ回り周波数成分を多く含む可能性のある信号６
１と、後向き振れ回り周波数成分を多く含む可能性のあ
る信号６２を作る。信号６１の信号にバイアス電圧Ｖ、
を加算し、直流検波回路２２及び電力増幅器２３を通し
て、第１図の回転方向に位置する磁極３−２．３−２の
励磁コイル５Ａｆ’及び５Ｃｆ’に所定の電流を流す。

励磁フィル５Ａｆ’、５Ｃｆ’の磁極は制御軸から回転
力向に進んだ位置にあるため、前向き振れ回り固有振動
数の制御力の位相を空間的方法で進めることになる。

また、信号６２にバイアス電圧Ｖ、を加算し、直流検波
回路　２２及び電力増幅器２３を通し、反回転方向に位
置する磁極３−３の励磁コイル５Ａｂ及び５Ｃｂに所定
の電流を流す。この励磁コイル５Ａｂ　、５Ｃｂの磁極
は制御軸から反回転方向にあるため、後向き振れ回り固
有振動数の制御力の位相を空間的に進めることができる
。

電気的に位相を進める場合、高周波数でゲインが高くな
るか、位相を進める周波数前後で位相が遅れる等のため
、他の周波数の自動振動が発生することがあるが、上記
本実施例の方法では他の周波数領域に対して悪影響を与
えることはない。

なお、第２図においては、励磁フィル５Ｂ、５Ｂｆ’、
５Ｂｂ、５Ｄ、５Ｄｆ’、５Ｄｂの制御回路部は省略し
ている。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、下記のような優れ
た効果が得られる。

■磁気軸受の電磁石固定子の周方向継鉄と回転子継鉄の
半径方向の厚さを小さくできるので、ラジアル磁気軸受
をコンパクトにすることが可能となり、回転子外径も小
さくなるため高速回転が可能となる。

■固定子の３個の磁極の励磁コイルを独立に制御するこ
とにより、制御力に空間的に位相進みを与えることがで
き、このため電気的位相進みを小さくしても差し支えが
ないので、高周波数領域のゲインを低くでき、高周波数
の回転軸の固有振動数の自励振動を肪止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るラジアル磁気軸受の固定子及び回
転子の断面図、第２図はその制御回路の構成を示す回路
ブロック図、第３図乃至第５図は従来の５軸制御型磁気
軸受の構造を示す図で、第３図は縦断面図、第４図は第
を図のＩ−Ｉ線上断面矢視図、第５図は第番図の■−■
線上断面矢視図、第６図はその制御回路の構成を示す回
路ブロック図である。 図中、１・・・・回転軸、２・・・・非常時用軸受、３
・・・・ラジアル軸受固定子継鉄、４・・・・ラジアル
軸受回転子継鉄、５，５Ａ、５Ｂ、５Ｃ・・・・固定子
フィル、６、．６Ａ、６Ｂ、６Ｃ，６Ｄ・・・・半径方
向変位センサー、２１・・・・位相補償回路、２２・・
・・直流検波回路、２３・・・・電力増幅器、２４・・
・・電流検出回路、２５ｆ’・・・・前向き振れ回り固
有振動数を中心周波数とするバンドパスフィルタ、２５
ｂ・・・・後向き振れ回り固有振動数を中心周波数とす
るバンドパスフィルタ。 代理人　弁理士　熊谷　隆（外１名） Ｃ 第１図 第４図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）回転軸に固着した磁性材料製の回転子継鉄と、該
   回転子継鉄から微小間隙を設けてケーシングに固定され
   且つ起磁力を発生させるコイルを備えた電磁石固定子と
   、前記回転軸とケーシング間の相対変位を測定する変位
   センサと、該変位センサからの出力信号をもとに前記回
   転子継鉄と前記電磁石固定子に作用する磁気吸引力を制
   御する位相補償回路と電力増幅器を具備するラジアル磁
   気軸受装置において、前記電磁石固定子の回転子に対向
   し、回転子方向に突起し励磁コイルをさし込む断面矩形
   の磁極の数を１制御軸方向の対向する電磁石につき３個
   とし、この３個の磁極の内中央の磁極の円周方向断面積
   をその両側の２個の磁極の略２倍としたことを特徴とす
   るラジアル磁気軸受装置。
2. （２）前記３個の断面矩形の磁極の内両側の磁極の励磁
   コイルに対して、回転方向の磁極の励磁コイルには回転
   軸の前向き固有振動数を中心周波数とするバンドパスフ
   ィルタを通過した変位信号と前記位相補償回路を通過し
   た変位信号とを加算した信号に比例した電流を流し、反
   回転方向の磁極の励磁コイルには回転軸の後向き固有振
   動数を中心周波数とするバンドパスフィルタを通過した
   変位信号と前記位相補償回路を通過した変位信号とを加
   算した信号に比例した電流を流すことを特徴とする請求
   項（１）記載のラジアル磁気軸受装置。