JPH03284138A - 回転体の駆動支持機構 - 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、ターボ分子ポンプ、回転陽極Ｘ線管、工作機
械用スピンドル、遠心分離機、ロボット等の各種回転機
械に係り、特に磁気軸受を利用する場合に好適なる回転
体の駆動支持機構に関するものである。

［従来の技術］ 第６図は、磁気軸受を利用した回転機械に一般に採用さ
れている従来の駆動支持機構を示しており、シャフト１
０１の中央にインダクションモタ１０２が構成され、該
シャフト１０１の両軸端部近傍にラジアル磁気軸受１０
３．１０３が構成されてなる。インダクションモータ１
０２は、シャフト１０１に固設されたロータ１０４と、
このロータ１０４の外周に近接配置されたモータ用磁極
１０５と、このモータ用磁極１０５に巻回されたコイル
１０６とを具備してなり、コイル１０６に三相交流を流
すことでロータ１０４を回転させるための回転磁界を発
生し得るようになっている。

また、ラジアル磁気軸受１０３は、シャフト１０１に固
設されたロータ１０７と、このロータ１０７の外周等角
位置に近接配置された４個のラジアル軸受用磁極１０８
と、これらのラジアル軸受用磁極１０８にそれぞれ巻回
されたコイル１０９とを具備してなり、各コイル１０９
に直流を流すことでロータ１０７を半径方向に磁気浮上
させるための磁界を四方において個別に発生し得るよう
になっている。この際、各ラジアル軸受用磁極１０８の
近傍には軸受間の微少隙間を検出する位置センサが付帯
して設けてあり、これらの位置センサから取り出される
信号を入力した制御回路が各コイル１０９に通電すべき
直流電流の大きさをフィトバック制御するようにしてい
る（図示省略）。

なお、シャフト１０１の軸端部にはスラスト磁気軸受１
１０が構成され、シャフト１０１に固着したスラスト盤
１１１をその両側に対設したコイル１１２により形成さ
れるスラスト方向への浮上のための磁界によって支持し
得るようにしている。

［発明が解決しようとする課ａ］ このように、回転機械に磁気軸受を採用するメリットは
、接触抵抗を無くして回転の高速化を実現でき、同時に
オイルフリーを達成できる点にある。しかし、このよう
な構成はボールベアリング等を利用した回転機械に比べ
て大形化（特に軸方向）や重量増加、コスト高等が避け
られないものとなり、その上に、両ラジアル磁気軸受と
モータが空間的に離間するためモータの発生振動を抑止
する場合の調整も難しくなる等の課題を抱える。

これに対して、本発明者等は特願平１−１６２８８５弓
において、回転機械に組み込むべき新たなモータ一体型
磁気軸受を提案した。この軸受は、図示しないが、シャ
フトを半径方向に磁気浮上させるための吸引コイルと、
前記シャフトを回転方向に付勢するためのモータコイル
とを共通のステタ磁極に巻装して構成される。これによ
れば、回転機械を構成する際にその構成要素の数を低減
して構造の小形簡略化、特に軸方向の短寸化を図ること
ができ、低コスト化も可能で、その上にモタの発生振動
に対する抑止ツノを増大させ、ラジアル軸受制御も容易
となる効果を期することができる。

しかしながら、この構成では、磁界が干渉し合うため非
線形制御が必要となり、しかも磁気飽和を来たした時に
制御不能に陥る恐れがある。また、磁界を重畳させるた
めの機構や回路が新たに必要となる。さらに、このよう
な構成においても、スラスト磁気軸受はやはり別途に取
付けなければならないため、軸方向の短寸化にはある程
度限界がある。

本発明は、このような課題に着目してなされたものであ
って、制御の適確性を確保しつつ、回転機械の一層の小
型・簡略化を図ることのできる駆動支持機構を提供する
ことを目的としている。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、かかる目的を達成するために、次のような構
成を採用したものである。

すなわち、本発明に係る回転体の駆動支持機構は、筒状
ロータと、このロータを回転させるための磁界を発生さ
せるモータ用磁極と、前記ロータを半径方向に磁気浮上
させるための磁界を発生させるラジアル軸受用磁極とを
具備してなり、同一スラスト位置において一方の磁極を
ロータ内周に配設し他方の磁極をロータ外周に配設する
とともに、ラジアル軸受用磁極と対面するロータ側面を
傾斜面としたことを特徴とする。

［作用］ このような構成によると、モータ用磁極に巻装されるコ
イルに多相交流を流すことで磁極とロータの間に回転磁
界が形成され、ラジアル軸受用磁極に巻装されるコイル
に直流を流すことで磁極とロータの間に半径方向へ浮上
のための磁界が形成されることになる。ここで、これら
の磁界はともにロータ内を通るが、一方をロー′夕の内
面付近に通過させ他方をロータの外面付近に通過させる
ことで２つの磁界が重なり合わないようにしておくこと
ができる。このため、両磁極を同一スラスト位置に配置
しても磁気的な干渉や磁気飽和を来たすことを防止し、
適正なモータ機能及びラジアル磁気軸受機能を発揮させ
ることが可能になる。

しかも、ラジアル軸受用磁極と対面するロータ側面を傾
斜させておくと、ロータには半径方向の電磁力のみなら
ず、傾斜角度に対応してスラスト方向の電磁力が分力と
して作用することになる。

このため、このスラスト力を利用すれば、ラジアル軸受
用磁極にスラスト磁気軸受の機能も兼ねさせることがで
きる。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を第１図〜第３図を参照して説
明する。

この実施例に係る回転体の駆動支持機構は、第１図に示
すように、シャフト１に有底筒状ロータ２を固着し、こ
のロータ２の内周２ａにモータ用磁極３を近接配置して
ロータ２との間にモータ４を構成するとともに、前記ロ
ータ２の外周２ｂにラジアル軸受用磁極５を近接配置し
てロータ２との間にスラスト磁気軸受を兼ねたラジアル
磁気軸受６を構成してなる。

具体的に説明すると、モータ用磁極３は、第１図及び第
２図に示すように四方に突極３ａを有した珪素鋼板製の
もので、中央にはシャフト１を挿通させるための挿通孔
３ｂが穿設されている。そして、この挿通孔３ｂに非接
触下にシャフト１を挿通し、突極３ａの先端をロータ２
の内周２ａに対して微少隙間下に対向配置させている。

突極３ａには一般的手法でコイル３Ｃが巻回されている
とともに、これに対応してロータ内周２ａ付近には２誘
導体２ｅが埋設されており、コイル３ｃに三相交流電流
を流すことによってロータ２を回転方向に付勢するため
の第３図に示すような回転磁界Ｈ１を発生し、これによ
りアウタロータ形のかご型誘導モータとしての機能を発
揮するようになっている。ロータ２に発生した回転力は
シャフト１を通じて取り出され、或いは該ロータ２上に
おいてポンプ作用等のために利用できるようにしである
。

また、ラジアル軸受用磁極５は、第１図及び第２図に示
すように一対の突極５ａを有したコ字形をなす珪素鋼板
製のもので、ロータ外周２ｂに設けた傾斜面２ｃに沿っ
て４箇所に等角装置され、各突極５ａの先端を前記ロー
タ傾斜面２ｃに対して微少隙間下に対向配置させている
。各突極５ａには個別にコイル５ｂが巻回されており、
これらのコイル５ｂにそれぞれ独立した直流電流を流す
ことでロータ２との間に第３図に示すような吸引力によ
る磁界Ｈ２を発生するようにしている。この磁界Ｈ２は
、ラジアル軸受用磁極５とロータ傾斜面２ｃとの間であ
ってその傾斜と垂直な方向に第１図に示す如き電磁力Ｆ
を発生させるが、この電磁力Ｆは厳密には水平分力ｆ、
と、垂直分力ｆ２とからなる。そこで、先ず水平分力ｆ
１を調整するために、第１図に示す如く各磁極５に対応
したラジアル位置において、ロータ外周２ｂに近接させ
て変位センサ８（例えば渦電流方式のもの）を配置して
いる。そして、これらの変位センサ８によって各ラジア
ル位置でのロータ２の半径方向の変位を検出し、その検
出値を図示しない制御回路に入力して、各磁極５での軸
受隙間が一定となるように該制御回路から対応するコイ
ル５ｂに流すべき直流電流の相対的□な大きさをフィー
ドバック制御するようにしている。また、前記各磁極５
における垂直分力ｆ２の総和はシャフト１にスラスト力
Σｆ２として現われるが、このスラスト力Σｆ２を回転
体重量Ｍｇと釣り合わせるために、ロータ底部に近接さ
せて変位センサ９を配置している。そして、この変位セ
ンサ９によってロータ２のスラスト位置を検出し、その
検出値を図示しない制御回路に入力して、Σｆ２＝Ｍｇ
となるように該制御回路から各コイル５ｂに流すべき直
流電流のバイアス量をフィードバック制御するようにし
ている。

しかして、このような磁極配置構造によると、モータ４
による回転磁界Ｈ工は第３図で示したようにモータ用磁
極３とロータ内周２ａとの間に形成され、ラジアル磁気
軸受６による浮上のための磁界Ｈ２は同図中それぞれラ
ジアル軸受用磁極５とロータ傾斜面２ｃとの間に形成さ
れることになり、両磁界Ｈ］　、Ｈ２はともにロータ２
内を通るが互いに重なり合わないようにしておくことが
できる。このため、磁気的な干渉や磁気飽和を来たすこ
とを有効に防止し、モータ４の機能とラジアル磁気軸受
５の機能とをそれぞれ適正に発揮させることが可能にな
る。

しかも、ラジアル軸受用磁極５においては、磁界Ｈ２に
基づいて発生するスラスト力Σｆ２を重量Ｍｇと釣り合
わせることによって能動形のスラスト磁気軸受としても
機能できることになり、別設のスラスト軸受機構を不要
にすることができる。

この結果、ラジアル磁気軸受、スラスト磁気軸受、並び
に、モータが各々独立した要素部品として配置されてい
る従来のものに比べて軸方向を大巾に短寸化でき、モー
タの発生振動を同一スラスト位置において直接抑止でき
るため振動制御が容易になり、ロータ等の構成部品が少
なくなって信頼性の向−ヒと軽量化とを有効に図り得る
ものとなる。勿論、浮上のための磁界と回転磁界とが干
渉し合うことなく独立に形成されるためそれらを重畳さ
せるための回路や機構等が不要になり、磁界の干渉がな
くなると非線形制御を行う必要もなくなる。また、かご
形誘導モータにおいてオープンスロット構造がとれる利
点も伴う。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、
種々変形して実施することが可能である。

例えば、上記実施例ではスラスト力を重力と釣り合わせ
るようにしているが、必ずしも起立して使用するとは限
らず、さらに重力場であるとは限らない。そこで、第４
図に示すように別途にスラスト磁気軸受１１を組付ける
こともできる。スラス１ ト磁気軸受を採用することは本発明の趣旨に反するよう
にも思えるが、このスラスト磁気軸受１１は前記スラス
ト力Σｆ２と釣り合いをとるだけのものでよく、構造の
簡略化に資する点において上記実施例と変わりはない。

図中、変位センサ１２はラジアル・スラスト兼用のもの
で、図示のように対向位置にある一対の変位センサ１２
．１２に共通の変位が現われた時はスラスト方向の変位
と判断し、異なる変位が現われた時はラジアル方向の変
位と判断することができる。それ以降の制御は前記実施
例と同様に行えばよい。また、第５図に示すように本発
明による磁極配置構造を逆向きに一対に設けてもよく、
この場合は５軸制御とすることによって回転体の正確な
浮上支持が可能となる」二に、大きなモータ駆動力を得
ることが可能になる。変位センサ１２は第４図で説明し
たと同様である。また、この場合は必要に応じて同様の
磁極配置構造を３個以上としてもよい。（これらの図面
において前記実施例と機能的に共通する部分には同一符
号を付しである）。さらに、図示し２ ないが、本発明の磁極配置構造を１個採用し他に適当な
磁気軸受を採用しても５軸制御が可能であり、この場合
も構造の簡略化に資することになるのに変わりはない。

その他の変形としては、ロータ外周にモータ用磁極を配
設しロータ内周に軸受用磁極を配設することもできる。

モータの方式はかご形誘導モータに限らず、他の方式の
誘導モータや同期モータ等、非接触式のモータであれば
どのような方式でもよい。また、磁気軸受の方式は直流
吸引型に限らず、交流反発型など他の方式でもよい。さ
らに、磁気軸受用の磁極数は４個に限らず、３個以」二
であれば何個でもよい。モータ及び軸受用磁極の材料は
珪素鋼板に限定されるものではなく、種々の材料が使用
可能である。さらにまた、磁気軸受の制御はフィードバ
ック制御に限らず、フィードバック制御をｆＪｌ用する
こともできる。

［発明の効果］ 本発明に係る回転体の駆動支持機構は、以上説明した如
く、回転磁界とラジアル方向への浮上のための磁界とが
干渉しないような磁極配置構造をとったため、モータ一
体型磁気軸受のような磁気干渉や磁気飽和の問題を生じ
ることがなく、適正な制御を通じた回転体に対する安定
的な駆動支持が可能になり、磁界を重畳させるための機
構や回路も不要となる効果が得られる。そして、このよ
うに制御の適確性を確保した上でモータ用磁極及び軸受
用磁極を同一スラスト位置に配設し、その上さらにラジ
アル軸受用磁極にスラスト軸受機能を兼ねさせることが
できることで、それらの磁極が軸方向に離間して配設さ
れる従来の駆動支持構造に比べて軸方向の短寸化を大巾
に達成でき、モタの振動制御が容易となり、構成部品が
少なくなることによる信頼性向上や軽量化促進等も有効
に果たし得るものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明の一実施例を示し、第１図は概
略的な構成を示す断面図、第２図は第１図における■−
■線断面図、第３図は作用を説明するための第２図に対
応する断面図である。第４図及び第５図は、それぞれ他
の実施例を示す第１図相当の断面図である。第６図は従
来例を示す第１図相当の断面図である。 ２・・・ロータ　　　　　　２ａ・・・ロータ内周２ｂ
・・・ロータ外周　　　２Ｃ・・・傾斜面３・・・モー
タ用磁極 ５・・・ラジアル軸受用磁極 Ｈｌ、Ｈ２・・・磁界

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 筒状ロータと、このロータを回転させるための磁界を発
   生させるモータ用磁極と、前記ロータを半径方向に磁気
   浮上させるための磁界を発生させるラジアル軸受用磁極
   とを具備してなり、同一スラスト位置において一方の磁
   極をロータ内周に配設し他方の磁極をロータ外周に配設
   するとともに、ラジアル軸受用磁極と対面するロータ側
   面を傾斜面としたことを特徴とする回転体の駆動支持機
   構。