JPH0749805B2 - 磁気軸受装置 - Google Patents
磁気軸受装置Info
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- JPH0749805B2 JPH0749805B2 JP63279877A JP27987788A JPH0749805B2 JP H0749805 B2 JPH0749805 B2 JP H0749805B2 JP 63279877 A JP63279877 A JP 63279877A JP 27987788 A JP27987788 A JP 27987788A JP H0749805 B2 JPH0749805 B2 JP H0749805B2
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- magnetic
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- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
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- F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
- F16C32/0406—Magnetic bearings
- F16C32/044—Active magnetic bearings
- F16C32/0444—Details of devices to control the actuation of the electromagnets
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
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- F16C32/0406—Magnetic bearings
- F16C32/0408—Passive magnetic bearings
- F16C32/0423—Passive magnetic bearings with permanent magnets on both parts repelling each other
- F16C32/0425—Passive magnetic bearings with permanent magnets on both parts repelling each other for radial load mainly
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
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- F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
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- F16C32/0476—Active magnetic bearings for rotary movement with active support of one degree of freedom, e.g. axial magnetic bearings
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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、ラジアル方向に
対しては永久磁石のような受動型の磁気軸受を用い、ス
ラスト方向に対しては制御式の能動型の磁気軸受を用い
て１軸制御のみを行なうような磁気軸受装置に関する。
対しては永久磁石のような受動型の磁気軸受を用い、ス
ラスト方向に対しては制御式の能動型の磁気軸受を用い
て１軸制御のみを行なうような磁気軸受装置に関する。
［従来の技術］ 最近では、製造コストを低減するために、外乱の少ない
用途への磁気軸受装置は、５軸制御よりも制御軸数の少
ない３軸制御,1軸制御が用いられようとしている。１軸
制御の場合、ラジアル方向には受動的な軸受が用いら
れ、軸方向のみが制御される。受動的なラジアル磁気軸
受は減衰力が非常に小さく、ラジアル方向の外乱が作用
したとき、大きな振動が生じる。この欠点を解消するた
めに、従来より種々の方法が試みられている。
用途への磁気軸受装置は、５軸制御よりも制御軸数の少
ない３軸制御,1軸制御が用いられようとしている。１軸
制御の場合、ラジアル方向には受動的な軸受が用いら
れ、軸方向のみが制御される。受動的なラジアル磁気軸
受は減衰力が非常に小さく、ラジアル方向の外乱が作用
したとき、大きな振動が生じる。この欠点を解消するた
めに、従来より種々の方法が試みられている。
第８図は従来の磁気軸受装置の一例を示す図である。こ
の第８図に示した例は、特公昭52−26293号広報に記載
されたものである。第８図において、回転軸１には磁性
材料からなる磁極２が設けられ、この磁極２に対向する
ように軸受の磁極３が設けられている。磁極３には励磁
巻線４が設けられていて、磁極２と３のそれぞれの対向
する面には同心円状の溝21,31が形成され、溝21,31のそ
れぞれの間は凸部22,32となっており、溝21,31と凸部2
2,32の上は導体23,33で覆われている。
の第８図に示した例は、特公昭52−26293号広報に記載
されたものである。第８図において、回転軸１には磁性
材料からなる磁極２が設けられ、この磁極２に対向する
ように軸受の磁極３が設けられている。磁極３には励磁
巻線４が設けられていて、磁極２と３のそれぞれの対向
する面には同心円状の溝21,31が形成され、溝21,31のそ
れぞれの間は凸部22,32となっており、溝21,31と凸部2
2,32の上は導体23,33で覆われている。
磁極３が励磁巻線４によって励磁されると、磁極２と３
との間に軸方向の磁気吸引力に基づく垂力が発生すると
ともに、半径方向への回転軸１の移動に対して凸部22と
32との対向面積の減少に伴なう磁気抵抗の増大に基づい
て、磁気エネルギの増大に逆らう半径方向の力が発生
し、回転軸１の半径方向への移動を押し戻そうとする。
この半径方向の力がばね定数となる。また、回転軸１に
外乱が生じたとき、磁束の変化に基づいて、導体23,33
の内部に渦電流が発生し、この渦電流によって振動のエ
ネルギが吸収され、振動の減衰が促進される。
との間に軸方向の磁気吸引力に基づく垂力が発生すると
ともに、半径方向への回転軸１の移動に対して凸部22と
32との対向面積の減少に伴なう磁気抵抗の増大に基づい
て、磁気エネルギの増大に逆らう半径方向の力が発生
し、回転軸１の半径方向への移動を押し戻そうとする。
この半径方向の力がばね定数となる。また、回転軸１に
外乱が生じたとき、磁束の変化に基づいて、導体23,33
の内部に渦電流が発生し、この渦電流によって振動のエ
ネルギが吸収され、振動の減衰が促進される。
また、磁気軸受装置の他の例として、特公昭59−731号
公報に記載されたものがある。この磁気軸受装置は、ス
ラスト方向に電磁石を２個設けるともに、ラジアル方向
の振動を検出する振動検出器を設け、振動検出器によっ
てラジアル方向の振動を検出し、その検出信号を２個の
制御用電磁石の制御電流に重畳させて、減衰力を生じさ
せるものである。
公報に記載されたものがある。この磁気軸受装置は、ス
ラスト方向に電磁石を２個設けるともに、ラジアル方向
の振動を検出する振動検出器を設け、振動検出器によっ
てラジアル方向の振動を検出し、その検出信号を２個の
制御用電磁石の制御電流に重畳させて、減衰力を生じさ
せるものである。
［発明が解決しようとする課題］ 上述の第８図に示した磁気軸受装置は構造が簡単である
という利点を有する反面、渦電流のみによるだけで減衰
力を得ているため減衰効果が小さいという欠点がある。
また、他の例で述べた磁気軸受装置は、減衰効果は大き
いが、ラジアル方向の振動検出器が必要であり、しかも
スラスト方向に制御用の電磁石が２個必要となるため、
構造が複雑になるとともに、電磁石の発熱を大きく、外
部冷却が必要となるという問題点があった。
という利点を有する反面、渦電流のみによるだけで減衰
力を得ているため減衰効果が小さいという欠点がある。
また、他の例で述べた磁気軸受装置は、減衰効果は大き
いが、ラジアル方向の振動検出器が必要であり、しかも
スラスト方向に制御用の電磁石が２個必要となるため、
構造が複雑になるとともに、電磁石の発熱を大きく、外
部冷却が必要となるという問題点があった。
それゆえに、この発明の主たる目的は、構造が簡単であ
ってしかも減衰力の大きな磁気軸受装置を提供すること
である。
ってしかも減衰力の大きな磁気軸受装置を提供すること
である。
［課題を解決するための手段］ この発明は第１の非制御なラジアル磁気軸受と、それぞ
れの対向面に同心円状の凸部が形成されたロータと制御
用ステータを含んで第２の非制御なラジアル磁気軸受の
機能を有し、かつ軸方向磁気力と釣り合うように制御用
ステータが制御される制御式磁気軸受とを含む１軸制御
型の磁気軸受装置であって、軸方向の位置を検出する位
置検出器と、軸がラジアル方向に変位を生じたとき、制
御用ステータとロータの対向面間の隙間を小さくする方
向に、制御用電磁石が制御されるように、少なくともそ
の中心と周縁の高さが異なるような形状に形成され、位
置検出器に対向するように軸の一端に取付けられる位置
センサターゲットと、位置検出器の出力に基づいて制御
式磁気軸受を制御する制御手段を備えて構成される。
れの対向面に同心円状の凸部が形成されたロータと制御
用ステータを含んで第２の非制御なラジアル磁気軸受の
機能を有し、かつ軸方向磁気力と釣り合うように制御用
ステータが制御される制御式磁気軸受とを含む１軸制御
型の磁気軸受装置であって、軸方向の位置を検出する位
置検出器と、軸がラジアル方向に変位を生じたとき、制
御用ステータとロータの対向面間の隙間を小さくする方
向に、制御用電磁石が制御されるように、少なくともそ
の中心と周縁の高さが異なるような形状に形成され、位
置検出器に対向するように軸の一端に取付けられる位置
センサターゲットと、位置検出器の出力に基づいて制御
式磁気軸受を制御する制御手段を備えて構成される。
［作用］ この発明に係る磁気軸受装置は、外乱による軸がラジア
ル方向に変位を生じたとき、位置センサターゲットと位
置検出器との間の間隔が大きくなるため、位置検出器の
出力が変化し、その変化に基づいて制御式磁気軸受が制
御される。それによって、軸が中心よりずれる運動をし
ているときには、制御式電磁石の吸引力が大きくなり、
外側から中心に運動しているときには小さくなり、外乱
に対する振動の減衰力を高めることができる。
ル方向に変位を生じたとき、位置センサターゲットと位
置検出器との間の間隔が大きくなるため、位置検出器の
出力が変化し、その変化に基づいて制御式磁気軸受が制
御される。それによって、軸が中心よりずれる運動をし
ているときには、制御式電磁石の吸引力が大きくなり、
外側から中心に運動しているときには小さくなり、外乱
に対する振動の減衰力を高めることができる。
［発明の実施例］ 第１図はこの発明の一実施例の断面図である。第１図に
おいて、ハウジング５内には、その中心に位置するよう
に回転軸１が設けられる。回転軸１の一端側には非制御
なラジアル磁気軸受９が設けられる。すなわち、ラジア
ル磁気軸受９はハウジング５の内部に取付けられた固定
側の磁極６と回転軸１に取付けられた磁極７と永久磁石
８とから構成される。磁極６と７のそれぞれの対向する
面には同心円状の溝61,71が形成されている。そして、
永久磁石８による磁束によって磁極６と７とが軸方向に
吸引される。
おいて、ハウジング５内には、その中心に位置するよう
に回転軸１が設けられる。回転軸１の一端側には非制御
なラジアル磁気軸受９が設けられる。すなわち、ラジア
ル磁気軸受９はハウジング５の内部に取付けられた固定
側の磁極６と回転軸１に取付けられた磁極７と永久磁石
８とから構成される。磁極６と７のそれぞれの対向する
面には同心円状の溝61,71が形成されている。そして、
永久磁石８による磁束によって磁極６と７とが軸方向に
吸引される。
回転軸１のほぼ中央にはモータ10が設けられ、このモー
タ10の回転駆動力によって回転軸１が回転する。回転軸
１の他端側には制御式のスラスト磁気軸受11が設けられ
る。すなわち、回転軸１の他端には回転側の磁極12が設
けられ、ハウジング５の底部側には固定側の磁極13が設
けられる。磁極13には励磁巻線14が巻回されている。磁
極12,13のそれぞれの対向する面には同心円状の溝121,1
31が形成されている。そして、非制御のラジアル磁気軸
受９の軸方向への吸引力に釣合うように励磁巻線14が励
磁される。
タ10の回転駆動力によって回転軸１が回転する。回転軸
１の他端側には制御式のスラスト磁気軸受11が設けられ
る。すなわち、回転軸１の他端には回転側の磁極12が設
けられ、ハウジング５の底部側には固定側の磁極13が設
けられる。磁極13には励磁巻線14が巻回されている。磁
極12,13のそれぞれの対向する面には同心円状の溝121,1
31が形成されている。そして、非制御のラジアル磁気軸
受９の軸方向への吸引力に釣合うように励磁巻線14が励
磁される。
回転軸１の他端にはその中心から周縁に向かってテーパ
状となるように形成された位置センサターゲット15が取
付けられている。この位置センサターゲット15に対向す
るように、ハウジング５の底部には位置検出センサ16が
取付けられ、この位置検出センサ16の出力はPID制御回
路17に与えられる、PID制御回路17は位置検出センサ16
の検出出力に基づいて励磁巻線14を励磁するものであ
る。
状となるように形成された位置センサターゲット15が取
付けられている。この位置センサターゲット15に対向す
るように、ハウジング５の底部には位置検出センサ16が
取付けられ、この位置検出センサ16の出力はPID制御回
路17に与えられる、PID制御回路17は位置検出センサ16
の検出出力に基づいて励磁巻線14を励磁するものであ
る。
第２図および第３図はこの発明の一実施例の磁気軸受装
置における開ループ伝達関数のボード線図であり、第４
図は従来例における外乱による振動の減衰特性を示す図
であり、第５図はこの発明の一実施例による減衰特性を
示す図である。
置における開ループ伝達関数のボード線図であり、第４
図は従来例における外乱による振動の減衰特性を示す図
であり、第５図はこの発明の一実施例による減衰特性を
示す図である。
次に、この発明の一実施例の具体的な動作について説明
する。スラスト磁気軸受11の励磁巻線14を励磁すると、
前述の第７図に示した従来例と同様にして、磁極12が磁
極13に吸引される。このときの吸引力が非制御のラジア
ル軸受９の永久磁石８による吸引力とほぼ等しくなるよ
うに励磁巻線14が制御される。このとき、ラジアル軸受
９の磁極6,7のそれぞれに形成された同心円状の溝61と7
1およびスラスト磁気軸受11の磁極12,13のそれぞれに形
成された溝121,131によりラジアル剛性を生じる。外乱
により、ラジアル方向に振動が生じると、その中心から
周辺に向かってテーパ状となように形成された位置セン
サターゲット15の中心がラジアル方向にずれ、位置検出
センサ16に対向する位置センサターゲット15の部分はテ
ーパ状に対応して位置検出センサ16から遠ざかった部分
となり、位置センサターゲット15と位置検出センサ16と
の間の距離が大きくなる。それに伴なって、位置検出セ
ンサ16のセンサ出力が変化し、PID制御回路17はセンサ
出力の変化に基づいて、励磁巻線14に流れる電流を大き
くし、スラスト磁気軸受11の吸引力を大きくして、軸曲
12と磁極13との間の隙間の距離を小さくする。
する。スラスト磁気軸受11の励磁巻線14を励磁すると、
前述の第７図に示した従来例と同様にして、磁極12が磁
極13に吸引される。このときの吸引力が非制御のラジア
ル軸受９の永久磁石８による吸引力とほぼ等しくなるよ
うに励磁巻線14が制御される。このとき、ラジアル軸受
９の磁極6,7のそれぞれに形成された同心円状の溝61と7
1およびスラスト磁気軸受11の磁極12,13のそれぞれに形
成された溝121,131によりラジアル剛性を生じる。外乱
により、ラジアル方向に振動が生じると、その中心から
周辺に向かってテーパ状となように形成された位置セン
サターゲット15の中心がラジアル方向にずれ、位置検出
センサ16に対向する位置センサターゲット15の部分はテ
ーパ状に対応して位置検出センサ16から遠ざかった部分
となり、位置センサターゲット15と位置検出センサ16と
の間の距離が大きくなる。それに伴なって、位置検出セ
ンサ16のセンサ出力が変化し、PID制御回路17はセンサ
出力の変化に基づいて、励磁巻線14に流れる電流を大き
くし、スラスト磁気軸受11の吸引力を大きくして、軸曲
12と磁極13との間の隙間の距離を小さくする。
逆に、位置センサターゲット15の中心が外側から中心に
向かって運動しているときには、励磁巻線14に流れる電
流を小さくする。このとき、ラジアル方向の振動周波数
（パラレルとコニカルに対する固有振動数）が予め明ら
かにされていれば、PID制御回路17の位相特性を、第３
図のＡ点に示すようにその周波数帯域で進めておけば、
ラジアル方向の振動を効果的に減衰させることができ
る。すなわち、従来例では、外乱によって振動が生じた
とき、第４図に示すような減衰特性を示すのに対して、
この発明の一実施例では、第５図に示すように、極めて
良好な減衰特性を得ることができた。
向かって運動しているときには、励磁巻線14に流れる電
流を小さくする。このとき、ラジアル方向の振動周波数
（パラレルとコニカルに対する固有振動数）が予め明ら
かにされていれば、PID制御回路17の位相特性を、第３
図のＡ点に示すようにその周波数帯域で進めておけば、
ラジアル方向の振動を効果的に減衰させることができ
る。すなわち、従来例では、外乱によって振動が生じた
とき、第４図に示すような減衰特性を示すのに対して、
この発明の一実施例では、第５図に示すように、極めて
良好な減衰特性を得ることができた。
第６図は位置センサターゲットの他の例を示す図であ
る。この第６図に示した例は、位置センサターゲット18
の表面が円弧を描くように構成したものであって、この
ように構成しても前述の第１図に示した実施例と同様の
効果を得ることができる。
る。この第６図に示した例は、位置センサターゲット18
の表面が円弧を描くように構成したものであって、この
ように構成しても前述の第１図に示した実施例と同様の
効果を得ることができる。
第７図はこの発明の他の実施例を示す断面図である。こ
の第７図に示した実施例は、非制御用ラジアル磁気軸受
に反発タイプのものを使用したものであって、以下の点
を除いて前述の第１図に示した実施例と同じである。す
なわち、回転軸１の一端にはロータ19が設けられ、ロー
タ19の内面には反発用永久磁石20が設けられる。この反
発用永久磁石20に対向するように、ハウジング５の対向
面には反発用永久磁石26が設けられる。このように、反
発用永久磁石20,26により非制御用ラジアル磁気軸受が
構成されるが、この磁気軸受では軸方向の吸引力が作用
しないため、制御式のスラスト磁気軸受11の近傍には、
スラスト方向吸引用永久磁石25,27が設けられる。これ
らの永久磁石25,27によって軸方向の吸引力が発生す
る。なお、スラスト方向吸引用永久磁石25,27はそれぞ
れ非磁性体からなる保持部材28,29によって保持され
る。なお、この実施例における位置検出センサ16と位置
センサターゲット15とPID制御回路17の動作は第１図の
説明と同じである。
の第７図に示した実施例は、非制御用ラジアル磁気軸受
に反発タイプのものを使用したものであって、以下の点
を除いて前述の第１図に示した実施例と同じである。す
なわち、回転軸１の一端にはロータ19が設けられ、ロー
タ19の内面には反発用永久磁石20が設けられる。この反
発用永久磁石20に対向するように、ハウジング５の対向
面には反発用永久磁石26が設けられる。このように、反
発用永久磁石20,26により非制御用ラジアル磁気軸受が
構成されるが、この磁気軸受では軸方向の吸引力が作用
しないため、制御式のスラスト磁気軸受11の近傍には、
スラスト方向吸引用永久磁石25,27が設けられる。これ
らの永久磁石25,27によって軸方向の吸引力が発生す
る。なお、スラスト方向吸引用永久磁石25,27はそれぞ
れ非磁性体からなる保持部材28,29によって保持され
る。なお、この実施例における位置検出センサ16と位置
センサターゲット15とPID制御回路17の動作は第１図の
説明と同じである。
［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、外乱により軸がラジ
アル方向に変位を生じたとき、位置センサターゲットと
位置検出器との間の間隔が大きくなったことを位置検出
器によって検出し、位置検出器の出力の変化に基づいて
制御式磁気軸受を制御するようにしたので、軸が中心よ
りずれる運動をしているときには、制御式電磁石の吸引
力が大きくなり、外側から中心に運動しているときには
小さくなるので、外乱に対する振動の減衰力を高めるこ
とができる。しかも、制御式電磁石は１つ設けるだけで
よいので、構成を簡単にすることができる。
アル方向に変位を生じたとき、位置センサターゲットと
位置検出器との間の間隔が大きくなったことを位置検出
器によって検出し、位置検出器の出力の変化に基づいて
制御式磁気軸受を制御するようにしたので、軸が中心よ
りずれる運動をしているときには、制御式電磁石の吸引
力が大きくなり、外側から中心に運動しているときには
小さくなるので、外乱に対する振動の減衰力を高めるこ
とができる。しかも、制御式電磁石は１つ設けるだけで
よいので、構成を簡単にすることができる。
第１図はこの発明の一実施例の断面図である。第２図お
よび第３図はこの発明の一実施例における磁気軸受装置
の開ループ伝達関数のボード線図である。第４図は従来
の磁気軸受装置における外乱の振動に対する減衰特性を
示す図である。第５図はこの発明の一実施例による振動
の減衰特性を示す図である。第６図は位置センサターゲ
ットの他の例を示す図である。第７図はこの発明の他の
実施例の断面図である。第８図は従来の磁気軸受装置の
要部を示す図である。 図において、５はハウジング、6,7,12,13は磁極、８は
永久磁石、９は非制御のラジアル磁気軸受、10はモー
タ、11は制御式のスラスト磁気軸受、15,18は位置セン
サターゲット、16は位置検出センサ、17はPID制御回
路、20,26は反発用永久磁石、25,27はスラスト方向吸引
用永久磁石を示す。
よび第３図はこの発明の一実施例における磁気軸受装置
の開ループ伝達関数のボード線図である。第４図は従来
の磁気軸受装置における外乱の振動に対する減衰特性を
示す図である。第５図はこの発明の一実施例による振動
の減衰特性を示す図である。第６図は位置センサターゲ
ットの他の例を示す図である。第７図はこの発明の他の
実施例の断面図である。第８図は従来の磁気軸受装置の
要部を示す図である。 図において、５はハウジング、6,7,12,13は磁極、８は
永久磁石、９は非制御のラジアル磁気軸受、10はモー
タ、11は制御式のスラスト磁気軸受、15,18は位置セン
サターゲット、16は位置検出センサ、17はPID制御回
路、20,26は反発用永久磁石、25,27はスラスト方向吸引
用永久磁石を示す。
Claims (1)
- 【請求項１】第１の非制御なラジアル磁気軸受と、 それぞれの対向面に同心円状の凸部が形成されたロータ
と制御用ステータを含んで第２の非制御なラジアル磁気
軸受の機能を有し、軸方向磁気力と釣り合うように前記
制御用ステータが制御される制御式磁気軸受とを含む１
軸制御型の磁気軸受装置において、 軸方向の位置を検出する位置検出器と、 軸がラジアル方向に変位を生じたとき、前記制御用ステ
ータと前記ロータの対向面間の隙間を小さくする方向
に、前記制御用電磁石が制御されるように、少なくとも
その中心と周縁の高さが異なるような形状に形成され、
前記位置検出器に対向するように前記軸の一端に取付け
られる位置センサターゲットと、 前記位置検出器の出力に基づいて、前記制御式磁気軸受
を制御する制御手段を備えた、磁気軸受装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63279877A JPH0749805B2 (ja) | 1988-11-04 | 1988-11-04 | 磁気軸受装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63279877A JPH0749805B2 (ja) | 1988-11-04 | 1988-11-04 | 磁気軸受装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02125105A JPH02125105A (ja) | 1990-05-14 |
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1988
- 1988-11-04 JP JP63279877A patent/JPH0749805B2/ja not_active Expired - Fee Related
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