JPH08121479A

JPH08121479A - 磁気軸受

Info

Publication number: JPH08121479A
Application number: JP28600494A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Kanemitsu; 陽一金光; Susumu Osawa; 將大沢; Satoshi Mori; 敏森
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1994-10-26
Filing date: 1994-10-26
Publication date: 1996-05-14

Abstract

(57)【要約】【目的】作動流体の制御コイルへの浸入を防止するた
めに複雑な機構を必要とせず、大型の軸受の製造も容易
であるような磁気軸受を提供する。【構成】回転軸の回りに固定子が配され、固定子より
回転軸のヨークに磁気を作用させて回転軸にラジアル方
向の駆動力を与え、回転軸の軸芯の位置を一定に保つよ
うにした磁気軸受において、上記固定子を、軸方向に沿
って延び、円周上に少なくとも３つ以上配されたラジア
ル制御コアと、この制御コアにそれぞれ巻き付けられた
ラジアル制御コイルと、上記コアの端部にそれぞれ固着
された一対の筒状のヨークと、上記ヨークの内端をつな
ぐ筒状のバイアスコアと、このバイアスコアに巻き付け
られたバイアス用コイルとから構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は磁気軸受に関し、特に外
部に作動流体が漏れることを嫌うような用途、例えばポ
ンプやターボ遠心圧縮機などの回転流体機械などに用い
て好適な磁気軸受に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１２ないし図１４は、従来の磁気軸受
装置であり、回転駆動用のモーター部３０の両側にそれ
ぞれラジアル磁気軸受部３１，３２が設けられている。
このラジアル軸受部３１，３２はラジアル方向に回転軸
に向けて突出するコア（鉄芯）３３，３４とこれに巻き
付けられたコイル３５，３６からなる励磁コイル３７，
３８が周方向に複数配置されてなっており、回転軸３９
のラジアル方向の位置を検知するセンサ４０からの信号
をもとに、これらのコイルに流す電流を調整することに
よって回転軸のラジアル方向の位置を一定に制御するよ
うになっている。この軸受は、このようにラジアル磁極
が周方向に配置された構造となっているため、作動流体
がこの励磁コイルに浸入することを防ぐために円筒状の
薄い金属板でラジアル磁極全体を囲むいわゆるキャン構
造を採用している。

【０００３】また、この軸受装置の一端側には、軸方向
にかかる負荷に応答して軸方向の位置を一定に保つスラ
スト軸受４１が設けられている。そして、回転軸３９が
被駆動軸と結合される側では、ケーシング貫通側の内側
の部分において、軸受の内部を外部から保護するため、
あるいは軸受内部の潤滑用流体が外部に漏れるのを防ぐ
ため、メカニカルシール４２又は非接触の環状シールが
配置されている。

【０００４】このラジアル軸受は、図１５に示される制
御回路によって制御される。この制御回路は、回転軸の
変位を検出するセンサ４０からの信号を位相補償する補
償回路４２と、この位相補償回路４２の信号を整流する
検波回路４３、検波された信号を増幅して励磁コイル３
７，３８に電流を供給するパワーアンプ４４とからなっ
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の技術
においては、上記のようなキャン構造を大型軸受に適用
するのは困難であるという課題があり、大型軸受に用い
る別の構造の開発が待たれていた。また、被駆動軸との
結合端側でメカニカルな又は非接触環状シールを採用す
るために構造が複雑になっていた。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記課題を
解決するために、回転軸の回りに固定子が配され、固定
子より回転軸に磁気を作用させて回転軸にラジアル方向
の駆動力を与え、回転軸の軸芯の位置を一定に保つよう
にした磁気軸受において、上記固定子を、軸方向に沿っ
て延び、円周上に少なくとも３つ以上配された位置制御
コアと、この位置制御コアにそれぞれ巻き付けられた制
御コイルと、上記コアの端部にそれぞれ固着された一対
の筒状のヨークと、上記ヨークの内端をつなぐ筒状のバ
イアスコアと、このバイアスコアの内側に取り付けられ
た筒状のバイアスコイルとから構成したものである。

【０００７】また、この発明は、上記構成に加えて、上
記ヨークの間にシールリングを配し、該シールリング、
上記ヨーク及び軸受ケーシングによって上記制御コア、
上記制御コイル、バイアスコア及びバイアスコイルを収
容する密閉空間を形成し、軸受隙間を流れる流体がコイ
ル部に浸入しないように構成したものである。さらにこ
の発明は、固定子と回転軸の互いに対向する面の少なく
とも一方に、軸方向に沿って表面位置が変化する凹凸を
形成したものである。さらにこの発明は、固定子と回転
軸の間の隙間に磁性粉を供給するための磁性粉供給装置
を設けたものである。この場合、磁性粉供給装置は、磁
性粉を流体と混合して上記隙間に移送するのが好適であ
る。さらにこの発明は、ヨークの間にシールリングを配
し、上記回転軸の該シールリングに対向する部分にスリ
ーブを設け、これらのシールリングとスリーブの間隔
を、回転軸と固定子の他の部分の間隔よりも小さく設定
したものである。

【０００８】

【作用】本発明によれば、軸方向両端部に一対の筒状の
ヨークが配置され、これは筒状のバイアスコアと円弧板
状の制御コアによって結合されている。バイアスコアと
ヨークによって制御コイルを収容する筒状の空間が形成
されるので、この部分にラジアル方向制御用の励磁コイ
ル（コアとコイル）を配置し、これを適当な蓋状部材
（または軸受ケーシング）で覆うことにより、制御コイ
ル用の密閉空間が形成される。すなわち、本発明におい
ては、構造上制御コイル用の密閉空間が容易に形成され
る。制御コイルまたはバイアスコイルによって形成され
た磁界は制御コアまたはバイアスコアに沿ってヨークに
導かれ、ヨークの内面と回転軸の外面の間を通って回転
軸外面の磁性部分に流れる。

【０００９】また、この発明によれば、固定子と回転軸
の対向表面に凹凸を設けることにより、作動流体の流動
が妨げられ、作動流体が固定子と回転軸の間の空間に保
持される。また、この空間に磁性粉を供給することによ
り、同様に作動流体の流動が妨げられて同様の作用を行
う。さらに、スリーブとシールリングの隙間を他の隙間
より狭くすることにより、軸受が非常停止したときなど
において、この部分で回転軸の荷重を支持する。

【００１０】

【実施例】図１及び図２は、この発明の一実施例の磁気
軸受を示すもので、基本的に磁性材料からなる回転軸１
と、この回転軸１を取り囲む筒状の固定子２から構成さ
れ、さらに回転軸の相対変位を検出する非接触センサー
３が設けられている。固定子２はケーシング１００に固
定されている。

【００１１】固定子２は、両端の筒状のヨーク４，５
と、これらのヨーク４，５の間の励磁コイル６からなっ
ており、この励磁コイル６は外側の制御コイル７と内側
のバイアスコイル８からなっている。制御コイル７は円
周上に等間隔に配置された円弧板状の４つの制御コア９
にそれぞれ巻き付けられており、バイアスコイル８は筒
状のバイアスコア１０の内面に巻き付けられてなってい
る。これらの制御コア９及びバイアスコア１０はいずれ
もその両端をヨーク４，５の内端に固着されている。バ
イアスコイル８のさらに内側には、非磁性材料からなる
筒状のシールリング１１がやはり両端をヨーク４，５の
内面に固着されて取り付けられている。

【００１２】回転軸１の外面には筒状のスリーブ１２，
１３，１４が嵌合され固定されている。このスリーブ
は、ヨークに対応する部分１２，１４が磁性材料で形成
され、上記シールリング１１に対応する部分１３は非磁
性材料で形成されている。これらのスリーブ１２，１
３，１４の外面には、円周方向に延びる凸条１５が軸方
向に所定間隔をおいて設けられ、従って、軸方向断面に
おいて交互に凹凸が形成されている。一方、ヨーク４，
５及びシールリング１１の内面には、スリーブ１２，１
３，１４の表面に向かって延びる凸条１６ａ，１６ｂが
スリーブの凹凸と同じピッチで、その先端とスリーブ１
２，１３，１４の凹凸のそれぞれの表面との間にわずか
の隙間を持つように形成されている。この回転軸１と固
定子２の間の筒状の空間には適当な粘性を持った作動流
体が供給される。

【００１３】次に、この磁気軸受の制御回路の構成を図
３と図４を参照して説明する。制御回路は、回転軸の変
位を検出するセンサ３からの信号を増幅するセンサアン
プ１７と、このセンサアンプの信号を位相補償する補償
回路１８と、この位相補償回路の信号を増幅してラジア
ル磁極に電流を供給するパワーアンプ１９とからなって
いる。この実施例では、センサ３は軸線に直交する面内
で互いに直交するように２つが設けられており、制御回
路もそれに応じて２系統設けられている。そして、軸線
を挟んで互いに対向する位置にある制御コイル７が位相
を反対にして直列に接続され、図４に示すようにそれぞ
れのパワーアンプ１９からの出力端子はセンサ３に対応
する向きの制御コイル７に接続されている。また、バイ
アスコイル８には直流電源２０が接続されている。

【００１４】次に、上記のように構成された磁気軸受の
作用について述べる。まず、バイアスコイル８に直流電
源を接続すると、図５に示すような回転軸１のスリーブ
１２，１４の対向する箇所でラジアル方向に逆向きとな
るような磁束が発生する。一方、制御コイル７に電流を
付与すると、図６に示すように、回転軸１の例えば上下
に対向する箇所において同じ向きとなる磁束が発生す
る。これらは個々には回転軸に対して両側から吸引力を
及ぼし、ラジアルな変位を与えない。しかし、両方のコ
イルを同時に励磁すると、これらのベクトル和としての
磁束が作用し、これらは回転軸の上側では強めあい、回
転軸の下側では弱めあうので、結果的に上向きの吸引力
が残ることになる。つまり、変位センサ３の検出信号に
応じてパワーアンプ１９から出力される電流により、制
御コイル７を励磁することにより、回転軸１をラジアル
方向に変位させることができる。図において下向きの吸
引力を作用させるには、制御電流を図６とは逆の位相で
流せばよい。

【００１５】このような構成の磁気軸受においては、制
御コア９の外側の軸受ケーシング１００とシールリング
１１及び２つのヨーク４，５によって筒状の密閉空間が
形成され、ここにラジアル制御コイル７が配置されるの
で制御コイルに作動流体が浸入しにくい。従って、キャ
ン構造にする必要がなく、大型の軸受を製造することも
容易である。さらに、この磁気軸受においては、回転軸
１と固定子２の対向面に、軸に沿う断面において相互に
ジグザグとなるように周方向に延びる凸条１５，１６
ａ，１６ｂが形成されており、これがこの空間での作動
流体の流れに対して抵抗作用を持ち、この空間に作動流
体を保持する。これによって、この空間に常に流体が確
保され、安定な回転を行わせるとともに、駆動軸側など
で軸受のケーシングを貫通する箇所のシールを簡易なも
のとし、重量やコストを低減することができる。

【００１６】図７及び図８は、この発明の他の実施例の
磁気軸受を示すもので、固定子２のヨーク４，５に両端
面を貫通し外側表面に開口する軸方向に沿ったスリット
２１が形成された構造となっている。このスリット２１
によってヨーク４，５の周方向の磁気抵抗が大きくなっ
ているので、制御用の磁束が回転軸１のスリーブを迂回
してヨーク内で閉じてしまい、制御力が低下することが
防止される。

【００１７】図９及び図１０は、この発明のさらに他の
実施例を示すもので、これは図１の実施例において、固
定子２と回転軸１との間の作動流体の流動抵抗を高める
ための改良がなされているものである。すなわち、固定
子２の作動流体の上流（供給）側のヨーク５の端部に磁
性粉の挿入孔２２が形成され、これは供給管２３を介し
て圧送ポンプ２４と、流体に混合させた磁性粉２５を収
容する磁性粉容器２６に接続されている。このような構
造の磁気軸受においては、圧送ポンプ２４を作動させる
と磁性粉が作動流体の上流側から供給されて作動流体に
混入する。これは、さらに固定子２と回転軸１の間の磁
束に従って図１０に示すように分布して作動流体の流れ
を阻害し、作動流体をこの空間に保持するように作用す
る。

【００１８】図１１はこの発明のさらに別の実施例を示
すもので、固定子２の中央スリーブ１３とこれに対応す
る回転軸１のシールリング１１を摺動性の良い、すなわ
ち摩擦係数の小さい材料で形成し、また、これらの表面
に凸条や溝を設けておらず、互いの表面は滑らかに仕上
げられている。そしてそれらの間の隙間をヨーク４，５
と両端のスリーブ１２，１４のそれより少し小さく設定
している。これにより、磁気軸受そのものが例えば異常
振動などによりその機能を失ったような場合でも、シー
ルリング１１とスリーブ１３が接触して磁気軸受の損傷
を防ぐようになっている。なお、この例においても、シ
ールリング１１とスリーブ１３の対向表面に螺旋状の溝
を設けてシール効果を増大するようにしてもよい。ま
た、これらの表面の双方又は一方に、適当な形状の、例
えば円形や多角形の凹所や凸部を設けてシール効果を増
大させるようにしてもよい。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、バイアスコアとヨークによって筒状の空間が形成さ
れるので、複雑な構造を必要とせずに制御コイルを収容
するための密閉空間が容易に形成され、構造が簡単で大
型軸受の製造も容易である。固定子と回転軸の対向面に
複数の周方向溝を形成することにより、作動流体に流動
抵抗を増してこの空間に流動を維持し、安定な回転と簡
便なシール構造を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例の正面断面図である。

【図２】図１のＩＩ−ＩＩ矢視図である。

【図３】上記実施例の制御手段の構成を示す模式図であ
る。

【図４】上記実施例の制御コイルの配線を示す模式図で
ある。

【図５】上記実施例のバイアスコイルによる磁束分布を
示す模式図である。

【図６】上記実施例の制御コイルによる磁束分布を示す
模式図である。

【図７】この発明の第２の実施例を示す正面断面図であ
る。

【図８】図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ矢視図である。

【図９】この発明の第３の実施例を示す正面断面図であ
る。

【図１０】図９の要部を拡大して示す図である。

【図１１】この発明の第４の実施例を示す正面断面図で
ある。

【図１２】従来の磁気軸受兼用モーターを示す正面断面
図である。

【図１３】図１２の実施例の側面断面図である。

【図１４】図１２の実施例のセンサの配置を示す模式図
である。

【図１５】図１２の実施例の制御回路の構成を示す模式
図である。

【符号の説明】

１回転軸２固定子３センサ４，５ヨーク６励磁コイル７制御コイル８バイアスコイル９制御コア１０バイアスコア１１シールリング１２，１３，１４スリーブ１５１６ａ，１６ｂ凸条１７センサアンプ１８補償回路１９パワーアンプ２１スリット２２磁性粉挿入孔

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転軸の回りに固定子が配され、固定子
より回転軸に磁気を作用させて回転軸にラジアル方向の
駆動力を与え、回転軸の軸芯を一定に保つようにした磁
気軸受であって、上記固定子は、軸方向に沿って延び、円周上に少なくとも３つ以上配さ
れた制御コアと、このコアにそれぞれ巻き付けられた制御コイルと、上記コアの端部にそれぞれ固着された一対の筒状のヨー
クと、上記ヨークの内端をつなぐ筒状のバイアスコアと、この
バイアスコアの内側に取り付けられた筒状のバイアスコ
イルとから構成されていることを特徴とする磁気軸受。
【請求項２】上記ヨークの間にシールリングを配し、
該シールリング、上記ヨーク及びケーシングによって上
記制御コア、上記制御コイル、バイアスコア及びバイア
スコイルを収容する密閉空間を形成し、軸受隙間を流れ
る流体がコイル部に浸入しないように構成されているこ
とを特徴とする請求項１に記載の磁気軸受。
【請求項３】上記固定子と上記回転軸の互いに対向す
る面の少なくとも一方には、軸方向に沿って表面位置が
変化する凹凸が形成されていることを特徴とする請求項
１に記載の磁気軸受。
【請求項４】上記固定子と上記回転軸の間の隙間に磁
性粉を供給するための磁性粉供給装置が設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気軸受。
【請求項５】上記磁性粉供給装置は、磁性粉を流体と
混合して上記隙間に移送することを特徴とする請求項４
に記載の磁気軸受。
【請求項６】上記ヨークの間の部分にシールリングが
配され、上記回転軸の該シールリングに対向する部分に
はスリーブが設けられ、これらのシールリングとスリー
ブの間隔は、回転軸と固定子の他の部分の間隔よりも小
さく設定されていることを特徴とする請求項１に記載の
磁気軸受。