JPH0648009B2 - 制御式アキシヤル磁気軸受装置 - Google Patents
制御式アキシヤル磁気軸受装置Info
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- JPH0648009B2 JPH0648009B2 JP60001260A JP126085A JPH0648009B2 JP H0648009 B2 JPH0648009 B2 JP H0648009B2 JP 60001260 A JP60001260 A JP 60001260A JP 126085 A JP126085 A JP 126085A JP H0648009 B2 JPH0648009 B2 JP H0648009B2
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- F16C2360/44—Centrifugal pumps
- F16C2360/45—Turbo-molecular pumps
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は磁気軸受装置に関し、特に回転軸体の軸方向
の位置を制御下において一定に保つための制御式アキシ
ヤル磁気軸受装置に関する。
の位置を制御下において一定に保つための制御式アキシ
ヤル磁気軸受装置に関する。
近年、制御式磁気軸受装置を用いてスピンドルを3万な
いし4万rpm あるいはそれ以上の高速で回転させる工作
機械やターボ分子ポンプ等が実用化されてきている。一
般に、このような磁気軸受装置は、第2図に示すよう
に、スピンドル等の回転軸体1を半径方向所定の位置に
保つためのラジアル磁気軸受2および回転軸体1をその
軸方向所定の位置に保つためのアキシヤル磁気軸受3よ
りなり、ラジアル磁気軸受2はX軸方向位置センサ4
X,Y軸方向位置センサ4Y等のラジアル位置センサの
出力と回転軸体1の半径方向のラジアル位置基準を与え
るラジアル位置基準手段5の出力との差にもとずき電磁
石6の電磁吸引力を制御する制御回路7を備えている。
同様に、アキシヤル磁気軸受3の電磁石コイル8の励磁
電流もZ軸方向位置センサ9の出力とアキシヤル位置基
準手段10の出力との差にもとずき制御回路11によつ
て制御される。このようにして、回転軸体1は制御式磁
気軸受装置により半径方向および軸方向に無接触で軸受
支持され、モータ12によつて高速で回転駆動される。
いし4万rpm あるいはそれ以上の高速で回転させる工作
機械やターボ分子ポンプ等が実用化されてきている。一
般に、このような磁気軸受装置は、第2図に示すよう
に、スピンドル等の回転軸体1を半径方向所定の位置に
保つためのラジアル磁気軸受2および回転軸体1をその
軸方向所定の位置に保つためのアキシヤル磁気軸受3よ
りなり、ラジアル磁気軸受2はX軸方向位置センサ4
X,Y軸方向位置センサ4Y等のラジアル位置センサの
出力と回転軸体1の半径方向のラジアル位置基準を与え
るラジアル位置基準手段5の出力との差にもとずき電磁
石6の電磁吸引力を制御する制御回路7を備えている。
同様に、アキシヤル磁気軸受3の電磁石コイル8の励磁
電流もZ軸方向位置センサ9の出力とアキシヤル位置基
準手段10の出力との差にもとずき制御回路11によつ
て制御される。このようにして、回転軸体1は制御式磁
気軸受装置により半径方向および軸方向に無接触で軸受
支持され、モータ12によつて高速で回転駆動される。
このような制御式磁気軸受装置において、アキシヤル磁
気軸受3は、一般に、第3図に詳細に示すように、ハウ
ジング13に固定された鉄芯15に巻かれた一対のバイ
アスコイル16B、17Bと一対の制御コイル16C、
17Cを有する電磁石Mと、これらのコイル16B、C
と17B、Cとの間に配置され、回転軸体1と一体をな
すかまたはこれに圧入された高透磁率材料製の軸フラン
ジ14とよりなり、この軸フランジ14に、たとえば破
線の矢印で示す向きの磁気回路の磁束を及ぼして、回転
軸体1の軸線方向に互いに逆向きの磁気吸引力F1、F2
を作用させ、これを位置センサ9の出力に応じて制御コ
イル16c、17cによつて一方側を強め、反対側を弱
めるように加減することにより、回転軸体1を軸方向所
定の位置に保持するようになつている。
気軸受3は、一般に、第3図に詳細に示すように、ハウ
ジング13に固定された鉄芯15に巻かれた一対のバイ
アスコイル16B、17Bと一対の制御コイル16C、
17Cを有する電磁石Mと、これらのコイル16B、C
と17B、Cとの間に配置され、回転軸体1と一体をな
すかまたはこれに圧入された高透磁率材料製の軸フラン
ジ14とよりなり、この軸フランジ14に、たとえば破
線の矢印で示す向きの磁気回路の磁束を及ぼして、回転
軸体1の軸線方向に互いに逆向きの磁気吸引力F1、F2
を作用させ、これを位置センサ9の出力に応じて制御コ
イル16c、17cによつて一方側を強め、反対側を弱
めるように加減することにより、回転軸体1を軸方向所
定の位置に保持するようになつている。
上記のような従来のアキシヤル磁気軸受においては、電
磁石Mのコイル16,17の磁束がそれぞれ軸フランジ
14の端面18,19から軸フランジ14に入り、その
同じ端面を通つて出るようになつているため、軸フラン
ジ14の外径rが大きく、従つてハウジング13の外径
が大きくなるとともに、軸フランジ14を回転軸体1と
一体に製造すると、それだけ大きな素材が必要となり、
また加工性の点でも問題がある。
磁石Mのコイル16,17の磁束がそれぞれ軸フランジ
14の端面18,19から軸フランジ14に入り、その
同じ端面を通つて出るようになつているため、軸フラン
ジ14の外径rが大きく、従つてハウジング13の外径
が大きくなるとともに、軸フランジ14を回転軸体1と
一体に製造すると、それだけ大きな素材が必要となり、
また加工性の点でも問題がある。
これに対して、製造コストの低減や軸フランジ14の磁
気的性質の向上のために、軸フランジ14を回転軸体1と
は別に磁性材料で製造し、第3図に破線で示すように、
回転軸体1に圧入して固定することも行なわれている
が、この場合は、軸フランジ14の内周部近傍が回転時
に遠心力によつて降伏し、回転軸体1との間にゆるみを
生じて、軸方向の軸受機能が損われるという問題があ
る。この遠心力は、回転速度が高いほど、また軸フラン
ジ14の外径が大きいほど強く作用するので、主に高速
回転で使用されるアキシヤル磁気軸受においては、軸フ
ランジ14の外径rをできるだけ小さくして、しかも十
分なアキシヤル軸受力が得られるようにする必要があ
る。
気的性質の向上のために、軸フランジ14を回転軸体1と
は別に磁性材料で製造し、第3図に破線で示すように、
回転軸体1に圧入して固定することも行なわれている
が、この場合は、軸フランジ14の内周部近傍が回転時
に遠心力によつて降伏し、回転軸体1との間にゆるみを
生じて、軸方向の軸受機能が損われるという問題があ
る。この遠心力は、回転速度が高いほど、また軸フラン
ジ14の外径が大きいほど強く作用するので、主に高速
回転で使用されるアキシヤル磁気軸受においては、軸フ
ランジ14の外径rをできるだけ小さくして、しかも十
分なアキシヤル軸受力が得られるようにする必要があ
る。
この発明は上記のような事情に鑑みなされたもので、そ
の目的は、軸フランジの外径が小さく、従つてケーシン
グを含む外形寸法を小さくして十分なアキシヤル軸受力
を得ることのできる制御式アキシヤル磁気軸受装置を提
供することにある。
の目的は、軸フランジの外径が小さく、従つてケーシン
グを含む外形寸法を小さくして十分なアキシヤル軸受力
を得ることのできる制御式アキシヤル磁気軸受装置を提
供することにある。
〔問題点を解決するための手段〕 上記の問題点を解決するために、この発明は、回転軸体
に軸フランジを取付け、これに軸方向の電磁力を及ぼす
電磁石を有するアキシャル軸受部と、回転軸体の軸方向
変位を検出するセンサの出力を回転軸体の基準位置信号
と比較しその偏差に応じて電磁力を制御する制御回路と
を備えたアキシャル磁気軸受装置において、上記電磁石
のコイルを軸フランジの両端面に対向して少なくとも一
対互いに対称に設けると共に電磁石コイルの半径領域内
で軸フランジ外周面と電磁石内周面とが向い合う間にエ
アギャップを所定幅で環状に形成し、電磁石コイルの磁
気回路を、その磁束が電磁石コイルに対向する軸フラン
ジ端面と軸フランジ外周面とを通るように形成した制御
式アキシャル磁気軸受装置の構成としたのである。
に軸フランジを取付け、これに軸方向の電磁力を及ぼす
電磁石を有するアキシャル軸受部と、回転軸体の軸方向
変位を検出するセンサの出力を回転軸体の基準位置信号
と比較しその偏差に応じて電磁力を制御する制御回路と
を備えたアキシャル磁気軸受装置において、上記電磁石
のコイルを軸フランジの両端面に対向して少なくとも一
対互いに対称に設けると共に電磁石コイルの半径領域内
で軸フランジ外周面と電磁石内周面とが向い合う間にエ
アギャップを所定幅で環状に形成し、電磁石コイルの磁
気回路を、その磁束が電磁石コイルに対向する軸フラン
ジ端面と軸フランジ外周面とを通るように形成した制御
式アキシャル磁気軸受装置の構成としたのである。
上記の構成を有するこの発明の制御式アキシヤル磁気軸
受装置においては、各電磁石コイルにより形成される磁
気回路の磁束は、軸フランジのそれぞれ対応する端面と
外周面を通つて軸フランジに出入りさせるようにしたた
め、軸フランジは、磁気回路の内側の軸方向磁束が端面
にかかるのに十分な外径があればよく、従つて、軸フラ
ンジの外径を、たとえば第3図に太破線で示すように、
電磁石コイルの外径(R)より小さくすることができ、こ
れに応じて鉄芯およびハウジングも小さくすることがで
きる。また、軸フランジが小さくなる結果、回転軸体と
軸フランジを含む回転系の質量が小さくなり、固有振動
数が高くなるので、回転速度限界をさらに高くすること
ができる。なお、アキシヤル軸受部の外形寸法を小さく
するだけであれば、軸フランジの径を上記のように小さ
くし、第3図に符号tで示す鉄芯の肉厚を薄くすればよ
いが、この部分をあまり薄くすると、電磁石系に磁気飽
和が生じ、磁気軸受として十分な磁束を確保することが
できなくなる。従つて、この発明においては、この部分
の肉厚を磁気飽和を防ぐに十分な最小厚さとした上で、
上記のように磁束が軸フランジにその端面と外周面を通
つて出入りするよう、軸フランジの外径を小さくしてあ
る。
受装置においては、各電磁石コイルにより形成される磁
気回路の磁束は、軸フランジのそれぞれ対応する端面と
外周面を通つて軸フランジに出入りさせるようにしたた
め、軸フランジは、磁気回路の内側の軸方向磁束が端面
にかかるのに十分な外径があればよく、従つて、軸フラ
ンジの外径を、たとえば第3図に太破線で示すように、
電磁石コイルの外径(R)より小さくすることができ、こ
れに応じて鉄芯およびハウジングも小さくすることがで
きる。また、軸フランジが小さくなる結果、回転軸体と
軸フランジを含む回転系の質量が小さくなり、固有振動
数が高くなるので、回転速度限界をさらに高くすること
ができる。なお、アキシヤル軸受部の外形寸法を小さく
するだけであれば、軸フランジの径を上記のように小さ
くし、第3図に符号tで示す鉄芯の肉厚を薄くすればよ
いが、この部分をあまり薄くすると、電磁石系に磁気飽
和が生じ、磁気軸受として十分な磁束を確保することが
できなくなる。従つて、この発明においては、この部分
の肉厚を磁気飽和を防ぐに十分な最小厚さとした上で、
上記のように磁束が軸フランジにその端面と外周面を通
つて出入りするよう、軸フランジの外径を小さくしてあ
る。
この場合、上記磁束は軸フランジの端面を通る部分にお
いて軸方向の電磁力を軸フランジに作用させ、外周面を
通る部分は半径方向の電磁力を作用させるが、このうち
軸方向の電磁力が回転軸体に対しアキシヤル軸受力とし
て作用する。半径方向の電磁力は、もちろんアキシヤル
軸受力として作用しないが、軸フランジの外周面全体で
つり合つており、しかもラジアル磁気軸受のラジアル軸
受力より小さいので、何ら不都合を生じるものではな
く、むしろラジアル磁気軸受により調節される回転軸体
の半径方向の位置を保持しようとする作用によつて、ラ
ジアル磁気軸受の機能を助長する。
いて軸方向の電磁力を軸フランジに作用させ、外周面を
通る部分は半径方向の電磁力を作用させるが、このうち
軸方向の電磁力が回転軸体に対しアキシヤル軸受力とし
て作用する。半径方向の電磁力は、もちろんアキシヤル
軸受力として作用しないが、軸フランジの外周面全体で
つり合つており、しかもラジアル磁気軸受のラジアル軸
受力より小さいので、何ら不都合を生じるものではな
く、むしろラジアル磁気軸受により調節される回転軸体
の半径方向の位置を保持しようとする作用によつて、ラ
ジアル磁気軸受の機能を助長する。
以下、この発明の制御式ラジアル磁気軸受装置の一実施
例について第1図を参照しつつ説明する。
例について第1図を参照しつつ説明する。
第1図は、この実施例のアキシヤル軸受部20の軸断面
を示し、このアキシヤル軸受部20は、回転軸体1に圧
入により固定された高透磁率材料製の軸フランジ21
と、回転軸体1の回わりに軸フランジ21を取囲むよう
ハウジング22に固定して配設された鉄芯23、および
軸フランジ21の軸方向の両側に互いに対称状に回転軸体
1を中心として鉄芯23に巻かれた電磁石、すなわち一
対のバイアスコイル24B,25Bおよび一対の制御コ
イル24C,25Cを有する電磁石26とで構成されて
いる。また、軸フランジ21の両端面27,28とこれ
にそれぞれ対面する電磁石26の鉄芯23の内端面2
9,30との間、および軸フランジ21の外周面31と
鉄芯23の内周面32との間には、それぞれ適宜の小さ
な端面エアギヤツプ33,34および周面エアギヤツプ
35が設けられている。
を示し、このアキシヤル軸受部20は、回転軸体1に圧
入により固定された高透磁率材料製の軸フランジ21
と、回転軸体1の回わりに軸フランジ21を取囲むよう
ハウジング22に固定して配設された鉄芯23、および
軸フランジ21の軸方向の両側に互いに対称状に回転軸体
1を中心として鉄芯23に巻かれた電磁石、すなわち一
対のバイアスコイル24B,25Bおよび一対の制御コ
イル24C,25Cを有する電磁石26とで構成されて
いる。また、軸フランジ21の両端面27,28とこれ
にそれぞれ対面する電磁石26の鉄芯23の内端面2
9,30との間、および軸フランジ21の外周面31と
鉄芯23の内周面32との間には、それぞれ適宜の小さ
な端面エアギヤツプ33,34および周面エアギヤツプ
35が設けられている。
上記のバイアスコイル24B,25Bは互いに直列また
は並列に直流電源Sに接続されており、一定のバイアス
電流IBより励磁されて、それぞれ一定のバイアス磁束
を発生する(第2図参照)。一方、制御コイル24C,
25Cも互いに直列または並列に接続されて、第2図に
示すような制御回路11の出力、すなわち制御電流IC
により励磁され、Z軸方向(回転軸体1の軸心方向)セ
ンサ9の出力に応動して変化する制御磁場をそれぞれ作
り出す。この制御磁場は、バイアスコイル24B,25
Bが作り出す一定のバソアス磁場に対して、回転軸体1
の軸方向変位、すなわちセンサ9の出力により、軸フラ
ンジ21の軸方向の一方側ではバイアス磁束と同じ向き
に作用し、反対側ではバイアス磁束と逆向きに作用し
て、回転軸体1の軸方向変位をゼロに保とうとする。
は並列に直流電源Sに接続されており、一定のバイアス
電流IBより励磁されて、それぞれ一定のバイアス磁束
を発生する(第2図参照)。一方、制御コイル24C,
25Cも互いに直列または並列に接続されて、第2図に
示すような制御回路11の出力、すなわち制御電流IC
により励磁され、Z軸方向(回転軸体1の軸心方向)セ
ンサ9の出力に応動して変化する制御磁場をそれぞれ作
り出す。この制御磁場は、バイアスコイル24B,25
Bが作り出す一定のバソアス磁場に対して、回転軸体1
の軸方向変位、すなわちセンサ9の出力により、軸フラ
ンジ21の軸方向の一方側ではバイアス磁束と同じ向き
に作用し、反対側ではバイアス磁束と逆向きに作用し
て、回転軸体1の軸方向変位をゼロに保とうとする。
上記の電磁石26のコイル24(B、C)および25
(B、C)は、上記のバイアス磁場と制御磁場の合成と
して、それぞれ符号B1およびB2で示す磁束よりなる磁
気回路を各コイルの全周にわたつて形成する。コイル2
4の磁束B1は、鉄心23の内端面29より端面エアギヤ
ツプ33を通つて軸フランジ21の端面27に入り、そ
の外周面31に回わり込んで、そこから周面エアギヤツプ
35を通り鉄芯23の内周面32に入り、鉄芯23中を
上記内端面29まで回わり込んで閉じられる。同様に、
コイル25が発生する磁束B2は、鉄芯23の内端面30→
端面エアギヤツプ34→軸フランジ21の端面28→外周
面31→周面エアギヤツプ35→鉄芯23の内周面32
→内端面30の閉回路を形成する。
(B、C)は、上記のバイアス磁場と制御磁場の合成と
して、それぞれ符号B1およびB2で示す磁束よりなる磁
気回路を各コイルの全周にわたつて形成する。コイル2
4の磁束B1は、鉄心23の内端面29より端面エアギヤ
ツプ33を通つて軸フランジ21の端面27に入り、そ
の外周面31に回わり込んで、そこから周面エアギヤツプ
35を通り鉄芯23の内周面32に入り、鉄芯23中を
上記内端面29まで回わり込んで閉じられる。同様に、
コイル25が発生する磁束B2は、鉄芯23の内端面30→
端面エアギヤツプ34→軸フランジ21の端面28→外周
面31→周面エアギヤツプ35→鉄芯23の内周面32
→内端面30の閉回路を形成する。
上記の磁束B1は、軸フランジ21に対して軸方向吸引力
F1と半径方向磁気吸引力F1′を軸フランジ21の全周
にわたって及ぼし、同様に、磁束B2も軸方向磁気吸引
力F2と半径方向磁気吸引力F2′を及ぼす。これらの磁
気吸引力のうち、軸フランジ21に互いに軸方向逆向き
に作用する軸方向吸引力F1,F2がアキシヤル軸受力と
して用いられ、前述したように、回転軸体1は、バイア
スコイル24B,25Bによる一定のバイアス磁場に対
して、制御コイル24C,25Cによる制御磁場をZ軸
方向位置センサ9の出力に応動して変化させ、これらの
軸方向吸引力F1,F2を加減することにより軸方向の所
定の基準位置に保たれる。磁束B1、B2による半径方向
磁気吸引力F1′,F2′は、制御コイル24の出力に応じ
て変化するものの、その変化は上記外周面31の全周に
わたつてつり合うため、何ら支障はない。
F1と半径方向磁気吸引力F1′を軸フランジ21の全周
にわたって及ぼし、同様に、磁束B2も軸方向磁気吸引
力F2と半径方向磁気吸引力F2′を及ぼす。これらの磁
気吸引力のうち、軸フランジ21に互いに軸方向逆向き
に作用する軸方向吸引力F1,F2がアキシヤル軸受力と
して用いられ、前述したように、回転軸体1は、バイア
スコイル24B,25Bによる一定のバイアス磁場に対
して、制御コイル24C,25Cによる制御磁場をZ軸
方向位置センサ9の出力に応動して変化させ、これらの
軸方向吸引力F1,F2を加減することにより軸方向の所
定の基準位置に保たれる。磁束B1、B2による半径方向
磁気吸引力F1′,F2′は、制御コイル24の出力に応じ
て変化するものの、その変化は上記外周面31の全周に
わたつてつり合うため、何ら支障はない。
上記の周面エアギヤツプ35は、小さ過ぎると、回転軸
体1のわずかな半径方向変位によつて上記の半径方向磁
気吸引力F1′,F2′の上記外周面全体でのつり合いが失
なわれ、大き過ぎると、磁気抵抗が大きくなつて、磁束
が減少し、十分なアキシヤル軸受力が得られなくなるの
で、その最適値は0.2なし0.6ミリメートルの範囲
内にあるということが実験的に確かめられている。
体1のわずかな半径方向変位によつて上記の半径方向磁
気吸引力F1′,F2′の上記外周面全体でのつり合いが失
なわれ、大き過ぎると、磁気抵抗が大きくなつて、磁束
が減少し、十分なアキシヤル軸受力が得られなくなるの
で、その最適値は0.2なし0.6ミリメートルの範囲
内にあるということが実験的に確かめられている。
以上、詳細に説明したように、この発明によれば、制御
式アキシヤル磁気軸受装置において、十分なアキシヤル
軸受力を確保しつつ軸フランジの外径を小さくすること
ができ、従つてケーシングを含む外形寸法を小さくする
ことができるとともに、磁気軸受を用いた工作機スピン
ドル等の回転速度限界を高めることができる。
式アキシヤル磁気軸受装置において、十分なアキシヤル
軸受力を確保しつつ軸フランジの外径を小さくすること
ができ、従つてケーシングを含む外形寸法を小さくする
ことができるとともに、磁気軸受を用いた工作機スピン
ドル等の回転速度限界を高めることができる。
第1図は、この発明の制御式アキシヤル磁気軸受装置の
アキシヤル軸受部の構造を示す軸線断面図、第2図は、
制御式磁気軸受装置を有する回転軸体の一例を示す一部
を断面図およびブロック図とした斜視図、第3図は、従
来の制御式アキシヤル磁気軸受装置のアキシヤル軸受部
の一例の構造を示す軸線断面図である。 1……回転軸体、9……センサ、11……制御部(制御
回路)、20……アキシヤル軸受部、21……軸フラン
ジ、24,25……電磁石コイル、27,28……軸フ
ランジの端面、31……軸フランジ外周面、B1、B2…
…磁束
アキシヤル軸受部の構造を示す軸線断面図、第2図は、
制御式磁気軸受装置を有する回転軸体の一例を示す一部
を断面図およびブロック図とした斜視図、第3図は、従
来の制御式アキシヤル磁気軸受装置のアキシヤル軸受部
の一例の構造を示す軸線断面図である。 1……回転軸体、9……センサ、11……制御部(制御
回路)、20……アキシヤル軸受部、21……軸フラン
ジ、24,25……電磁石コイル、27,28……軸フ
ランジの端面、31……軸フランジ外周面、B1、B2…
…磁束
Claims (1)
- 【請求項1】回転軸体に軸フランジを取付け、これに軸
方向の電磁力を及ぼす電磁石を有するアキシャル軸受部
と、回転軸体の軸方向変移を検出するセンサの出力を回
転軸体の基準位置信号と比較しその偏差に応じて電磁力
を制御する制御回路とを備えたアキシャル磁気軸受装置
において、上記電磁石のコイルを軸フランジの両端面に
対向して少なくとも一対互いに対称に設けると共に電磁
石コイルの半径領域内で軸フランジ外周面と電磁石内周
面とが向い合う間にエアギャップを所定幅で環状に形成
し、電磁石コイルの磁気回路を、その磁束が電磁石コイ
ルに対向する軸フランジ端面と軸フランジ外周面とを通
るように形成したことを特徴とする制御式アキシャル磁
気軸受装置。
Priority Applications (1)
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JP60001260A JPH0648009B2 (ja) | 1985-01-07 | 1985-01-07 | 制御式アキシヤル磁気軸受装置 |
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JP60001260A JPH0648009B2 (ja) | 1985-01-07 | 1985-01-07 | 制御式アキシヤル磁気軸受装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPS61160626A JPS61160626A (ja) | 1986-07-21 |
JPH0648009B2 true JPH0648009B2 (ja) | 1994-06-22 |
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ID=11496483
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP60001260A Expired - Fee Related JPH0648009B2 (ja) | 1985-01-07 | 1985-01-07 | 制御式アキシヤル磁気軸受装置 |
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JP (1) | JPH0648009B2 (ja) |
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FR2763440B1 (fr) * | 1997-05-13 | 1999-08-20 | Aerospatiale | Palier magnetique couple avec un moteur |
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-
1985
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