JPH0415A

JPH0415A - 磁気軸受装置

Info

Publication number: JPH0415A
Application number: JP2098864A
Authority: JP
Inventors: Tomoaki Inoue; 知昭井上; Osami Matsushita; 松下　修巳
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-04-13
Filing date: 1990-04-13
Publication date: 1992-01-06

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〕本発明は磁気軸受装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来の磁気軸受装置は、特開昭５９−２１７０１３号公
報に記載されているように、磁気回路を３つの磁極によ
り構成し、個々の磁極面積を小さくし、磁気軸受を小形
化すると共に、シャフトに焼嵌めする珪素鋼板の内径を
大きくできるため、シャフトの剛性を高くできる構造と
なっていた。

また、特開昭５８−８１２１６号公報に記載されている
ように、磁気軸受の径方向用電磁石の磁極配置を、重力
方向が制御軸方向の２等分線となるように構成すること
により、寿命、信頼性および制御性を向上させる構造も
あった。

また、特開昭５７−９７９１６号公報に記載されている
ように、制御回路に回転数検出回路とふれまわり成分除
去回路とを設けることにより、電磁コイルに印加する電
力増幅器の出力電圧低下を防止している。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術はいずれの場合においても、磁気回路およ
び磁極の構造が対称に構成されており、横軸型回転機の
ように一方向に荷重が加わる場合、反負荷側の磁極はロ
ータの静荷重およびアンバランスによる動荷重を支持し
、負荷側の磁極はアンバランス荷重のみを支持する結果
となる。このため、構造は対称形であるにもかかわらず
、電磁コイルに流れる電流は非対称となる。しかも反負
荷側の磁極は吸引力を高めるために、磁束密度を高める
と磁束密度は一定値に飽和するため、磁界の強さに対す
る磁束密度の変化量が負荷側と異なり、制御性が低下す
る。この結果、制御性を向上させるためには磁束密度を
下げる必要があり、必然的に磁気軸受が大形化し、小形
化すると制御性が悪くなる問題があった。また、各コイ
ルに流す電流値が異なるため、特に反負荷側コイルに大
電流が流れ、寿命が低下する問題があった。

本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、制御性が
よく、かつ耐荷重性を高くすることを可能とした磁気軸
受装置を提供することを目的とし、更に寿命が長く、信
頼性を高くすることを可能とした磁気軸受装置を提供す
ることを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、装置に、荷重支持用電磁コイルおよび荷重
支持用磁極を有し、かつ回転体自重あるいは静荷重を支
持する静荷重支持部と、制御用磁極および制御用電磁コ
イルを有し、かつアンバランスによる動荷重を支持制御
する動荷重制御部とを軸受固定リングに夫々独立に固定
して設けることにより、達成される。

すなわち耐荷重性が高く、制御性のよい磁気軸受装置と
するには静荷重支持部と動荷重制御部とを分離し、静荷
重支持部は反負荷側に設け、飽和磁束密度近傍で、一定
電流でロータ自重に見合う吸引力を保持する構造とし、
動荷重制御部は円周方向に対称に配置し、磁束密度の線
形な範囲でロータ位置を目標値に一致させるように制御
する構造とすればよい。

寿命が長く、信頼性を高くするには、磁束密度は磁界の
強さ、すなわちコイル電流値とコイル巻数とによって決
まるため、静荷重支持部の荷重支持用電磁コイルはコイ
ル巻数を多くシ、動荷重制御部の制御用電磁コイルはコ
イル巻数を少なくすればよい。

また、静荷重支持部と動荷重制御部とは近接して配置す
る必要はないが、回転機械の大半は軸受位置が構造上決
められている場合が多く、静荷重支持部と動荷重制御部
とが近接している場合には、互いの磁界が干渉し合う可
能性もある。この問題に対しては静荷重支持部の電磁石
を交流磁界とするか、漏れ磁束を生じないように非磁性
材を用いるようにすればよい。

〔作用〕

上記手段を設けたので、静荷重支持部はロータ自重に見
合う一定の吸引力でロータを保持すればよく、動荷重制
御部は従来のように静荷重支持と動荷重制御との双方を
兼ね備える必要がなくなって、静荷重支持部は飽和磁束
密度近傍で使用でき、動荷重制御部は磁束密度の線形な
範囲で使用できるようになる。

すなわち静荷重支持部はロータ自重に見合う一定の吸引
力でロータを保持し、制御する必要がないため、飽和磁
束密度近傍で使用でき、耐荷重性を向上させることがで
きる。また磁束密度を上げる手段として、荷重支持用電
磁コイルの巻数を増加させることにより、大電流を必要
とせず、発熱が少ないため、荷重支持用電磁コイルの寿
命を長くできるほか、制御しないため、コイル巻数の増
加により時定数が大きくなっても何等問題は生じない。

動荷重制御部は従来の磁気軸受のように静荷重支持と動
荷重制御との双方を兼ね備える必要がないため、磁束密
度を高くする必要がなく、磁束密度の線形な範囲で使用
できるため、制御性が良い。

しかも円周方向のどの荷重支持用、制御用電磁コイルも
均一な電流で局所的な発熱がなく、電流値も小さくでき
るので寿命が長く、信頼性が高い。

〔実施例〕

以下、図示した実施例に基づいて本発明を説明する。第
１図および第２図には本発明の一実施例が示されている
。回転軸１を支持、制振する磁気軸受装置２において、
本実施例では装置２に、荷重支持用電磁コイル３および
荷重支持用磁極４を有し、かつ回転軸自重あるいは静荷
重を支持する静荷重支持部５と、制御用磁極６および制
御用電磁コイル７を有し、かつアンバランスによる動荷
重を支持制御する動荷重制御部８とを軸受固定リング９
に夫々独立に固定して設けた。このようにすることによ
り静荷重支持部５は回転軸（ロータ）自重に見合う吸引
力で回転軸ｌを保持すればよく、動荷重制御部８は従来
のように静荷重支持と動荷重制御との双方を兼ね備える
必要がなくなって、静荷重支持部５は飽和磁束密度近傍
で使用でき、動荷重制御部８は磁束密度の線形な範囲で
使用できるようになり、制御性がよく、かつ耐荷重性を
高くすることを可能とした磁気軸受装置２を得ることが
でき、更に寿命が長く、信頼性を高くすることを可能と
した磁気軸受装置２を得ることができる。

すなわち回転軸１を支持する磁気軸受装置２はロータ自
重を支持する静荷重支持部５と、ロータアンバランスあ
るいは外乱による動荷重制御部８とにより構成されてい
る。静荷重支持部５は重力方向と反対側の反負荷側に少
なくとも１ケ所設ければよく、本実施例では第２図にも
示されているように、２カ所に設けられている。そして
この静荷重支持部５は荷重支持用電磁コイル３と２個の
荷重支持用磁極４とにより、構成されている。

動荷重制御部８は８個の制御用磁極６と、この磁極６に
各々配置された制御用電磁コイル７とで構成されている
。そして静荷重支持部５と動荷重制御部８とは軸受固定
リング９に固定されている。

ところで電磁石の吸引力Ｆと磁束密度Ｂｇとの関係は、
μ。を真空の透磁率、Ｓを磁束面積とすれば、次式で表
わされる。

Ｆ＝Ｂｇ２　Ｓ／２μ。・・　（１）また、磁界の強さＨは、Ｎを巻数、■を電流、氾を鉄心
長さとすると、次式で表わされる。

Ｈ＝ＮＩ／Ｑ　　　　　・・・（２）この磁束密度Ｂｇと磁界の強さＨとの関係は、これら両
者の関係が示されている第３図に示されているように、
磁界の強さＨの小さい範囲では磁束密度Ｂｇは線形を保
つが、磁界の強さＨがある範囲を越えると、磁束密度Ｂ
ｇは飽和する傾向にある。従って吸引力を高め耐荷重性
を増すためには磁束密度Ｂｇを上げる必要があるが、磁
束密度Ｂｇを上げると線形の範囲を越えるため、制御性
が悪くなる。そこで本実施例では、静荷重支持部は飽和
磁束密度近傍でロータ自重に見合う一定の吸引力とし、
制御はしない。動荷重制御部は磁束密度Ｂｇの線形な範
囲とし、ロータ位置が目標値と一致するように制御する
。このようにすることにより、静荷重支持部、動荷重制
御部ともに各々の最適条件で設定できるため、耐荷重性
が高く、制御性のよい磁気軸受装置ができる。また、静
荷重支持部は磁性材Ｂのように磁化特性の優れた材料を
用いれば、更に耐荷重性が向上する。また。

磁界の強さＨは（２）式に示しであるように、コイル巻
数と電流値との積となる。

応答性の目安となる時定数はコイルのインダクタンスと
抵抗との比で表わされ、インダクタンスはコイル巻数Ｎ
の２乗に比例するため、時定数を小さくするためにはコ
イル巻数Ｎを少なくする必要がある０本実施例において
は、制御を行わない静荷重支持部は荷重支持用電磁コイ
ルのコイル巻数Ｎを極力多くし、電流値を小さくする。

これに対し、動荷重制御部は制御用電磁コイルのコイル
巻数Ｎを小さくし、時定数を小さくすることにより、応
答性が良く、電力消費の少ない磁気軸受装置が得られる
。

また、本実施例のように２つの磁気回路が近接している
場合には磁界の干渉が生じる恐れがあるが、これに対し
ては次に述べるようにして解決している。すなわち静荷
重支持部と動荷重制御部との磁気回路が示されている第
４図に示されているように、本実施例では静荷重支持部
は反負荷側で軸心に垂直方向に破線で示すように構成さ
れる。

これに対して動荷重制御部では鉄損を減少させる目的か
ら同図に示されているように、同じ極が隣り合うように
磁極を配置するのが一般的であり、同図では磁気軸受が
半割り構造である場合を考慮して、制御軸方向が荷重方
向と４５°ずれた配置となっている。従って静荷重支持
部と動荷重制御部とでＮ極とＳ極とが隣り合う位置では
、第５図に示されているように、回転軸１を通して破線
で示す磁気回路が構成される恐れがある。このため軸受
固定リング９に磁気遮断部１ｏを設けて、破線で示した
磁気回路が構成されるのを防止するようにした。このよ
うにすることにより磁気の干渉を十分低減することがで
きる。この磁気遮断部１０は切欠きであっても、非磁性
材であってもよい。

以上は静荷重支持部５、動荷重制御部８の双方とも直流
電源を用いた場合であり、磁気の干渉を防止するには、
この他第６図に示されているように、静荷重支持部５は
交流電源１１を用い、動荷重制御部８は直流電源１２と
することにより、制御性に何等影響を及ぼすことなく、
磁気の干渉を防ぐことができる。なお同図において１３
は制御回路である。

このように本実施例によれば静荷重支持部と動荷重制御
部とを分離することにより、各々を最適に設計すること
ができ、小電力で耐荷重性が高く、応答性および制御性
を良くすることができる。

また、各コイルに流れる電流を均一化できるので、局所
的な発熱がなく、長寿命で信頼性を高くすることができ
る。

第７図および第８図には本発明の他の実施例が示されて
いる。本実施例では動荷重制御部８は８個の制御用磁極
６が設けられており、反負荷側の磁気回路が構成されな
い鉄心部に切欠き１４が設けられており、この切欠き部
に静荷重支持部５が配置されている。この静荷重支持部
５に軸方向に磁気回路が構成されており、動荷重制御部
８は軸方向と垂直方向に磁気回路が構成されている。こ
のようにすることにより動荷重制御部８の不要なスペー
スを静荷重支持部５として有効に利用できるので、経済
的で前述の場合より小形な磁気軸受装置を得ることがで
きる。

〔発明の効果〕

上述のように本発明は制御性がよく、かつ耐荷重性を高
くすることを可能とした磁気軸受装置を得ることができ
、更に、寿命が長く、信頼性を高くすることを可能とし
た磁気軸受装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の磁気軸受装置の一実施例の縦断側面図
、第２図は第１図のＡ−Ａ線に沿う断面図、第３図は同
じく一実施例の磁化特性を示す説明図、第４図は同じく
一実施例の磁気回路図、第５図は同じく一実施例の磁界
の干渉防止を示す装置要部の一部縦断側面図、第６図は
同じく一実施例の磁界の干渉防止の他の例を示す説明図
、第７図は本発明の磁気軸受装置の他の実施例の縦断側
面図、第８図は第７図のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。１・・・回転軸（回転体）、２・・・磁気軸受装置、３
・・・荷重支持用電磁コイル、４・・・荷重支持用磁極
。５・・・静荷重支持部、６・・・制御用磁極、７・・・
制御用電磁コイル、８・・・動荷重制御部、９・・・軸
受固定リング、１０・・・磁気遮断部、１１・・・交流
電源、１２・・・直流電源、１４・・・切欠き第図磁界の強さ（ＡＴ／ｍ）第図第図１１・・・交流電源第図第図

Claims

【特許請求の範囲】

１．回転体を支持、制振する磁気軸受装置において、前
記装置に、荷重支持用電磁コイルおよび荷重支持用磁極
を有し、かつ前記回転体自重あるいは静荷重を支持する
静荷重支持部と、制御用磁極および制御用電磁コイルを
有し、かつアンバランスによる動荷重を支持制御する動
荷重制御部とを軸受固定リングに夫々独立に固定して設
けたことを特徴とする磁気軸受装置
２．前記静荷重支持部は飽和磁束密度近傍で一定の吸引
力とし、前記動荷重制御部は磁束密度の線形な範囲で前
記回転体の軸心位置を制御するものである請求項１記載
の磁気軸受装置
３．前記静荷重支持部の荷重支持用電磁コイルは前記動
荷重制御部の制御用電磁コイルの巻数より大きく、前記
動荷重制御部の制御用電磁コイルは前記静荷重支持部の
荷重支持用電磁コイルの巻数より小さくされたものであ
る請求項１記載の磁気軸受装置
４．前記静荷重支持部と動荷重制御部とが、軸方向に平
行に配置されたものである請求項１記載の磁気軸受装置
５．前記静荷重支持部が、前記動荷重制御部の制御用磁
極による磁気回路の非構成部分を切欠き部とし、この切
欠き部に軸方向と平行に前記荷重支持用磁極による磁気
回路を構成するように配置されたものである請求項１記
載の磁気軸受装置
６．前記静荷重支持部と動荷重制御部とを固定する軸受
固定リングに、磁気遮断部が設けられたものである請求
項１記載の磁気軸受装置。
７．前記磁気遮断部が、切欠きまたは非磁性材料で形成
されたものである請求項６記載の磁気軸受装置
８．前記静荷重支持部が交流磁界とされ、前記動荷重制
御部が直流磁界とされたものである請求項１記載の磁気
軸受装置
９．前記静荷重支持部と動荷重制御部との磁性材料が変
えられたものである請求項１記載の磁気軸受装置