JPH08296645A

JPH08296645A - 磁気軸受装置

Info

Publication number: JPH08296645A
Application number: JP7104313A
Authority: JP
Inventors: Hiromasa Fukuyama; 寛正福山
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1995-04-27
Filing date: 1995-04-27
Publication date: 1996-11-12

Abstract

(57)【要約】【目的】少ない消費電力で大きな負荷容量を実現す
る。【構成】回転軸２と同心のフランジ２２の上面に鋼板
２５を固定する等により強磁性体部分を設ける。ハウジ
ング２６を構成する天板部２９の下面に固定した磁気軸
受ユニット２８の下面を、上記強磁性体部分の上面に対
向させる。この磁気軸受ユニット２８は、同心で互いに
逆方向に着磁された１対の永久磁石３０ａ、３０ｂと、
両永久磁石３０ａ、３０ｂの上端面同士を磁気的に導通
させるバックヨーク３１と、着磁コイル３２とから成
る。変位センサ３４、３４により検出されるフランジ２
２の位置が動かない様にすべく、上記着磁コイル３２へ
の通電方向と通電量とを調節する。この調節により、上
記強磁性体部分と磁気軸受ユニット２８との間に作用す
る磁気吸引力を変化させ、上記フランジ２２及び回転軸
２の位置を規制する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明に係る磁気軸受装置は、
例えば夜間の余剰電力を運動エネルギに変換して貯蔵
し、昼間にこの運動エネルギを電気エネルギに変換して
取り出す電力貯蔵装置を構成する超電導フライホイール
装置等、各種超高速回転機械装置に組み込んだ状態で使
用する。

【０００２】

【従来の技術】小規模事業所や一般家庭に設置して夜間
の余剰電力を貯蔵できる装置として、回転軸にモーメン
トの大きなフライホイールを固定すると共に、この回転
軸に発電機兼用モータを組み付けた電力貯蔵装置が研究
されている。この電力貯蔵装置の場合、夜間には上記発
電機兼用モータに余剰電力を供給する事により、上記回
転軸及びフライホイールを回転させ、上記余剰電力を運
動エネルギに変換して、フライホイールの回転運動エネ
ルギとして貯蔵する。そして昼間には、この回転運動エ
ネルギに基づいて、上記発電機兼用モータにより発電
し、電力を取り出して使用する。

【０００３】この様なフライホイールを使用した電力貯
蔵装置の効率を高める為には、上記フライホイールを回
転支持する為の軸受装置として、回転抵抗が少なく、し
かも運転に要するエネルギが少ないものを使用する必要
がある。この為従来から、特開平５−２４８４３７号公
報に記載されている様に、軸受装置として超電導磁気軸
受装置を使用した電力貯蔵装置が提案されている。図１
４は、この公報に記載された、超電導磁気軸受装置を組
み込んだ電力貯蔵装置を示している。

【０００４】密閉された真空ハウジング１の中心部に回
転軸２を、鉛直方向に配設している。上記真空ハウジン
グ１の内面には、この回転軸２の周囲を囲む様にして保
持筒３を固定している。そして、この保持筒３の下半部
内周面と上記回転軸２の中間部外周面との間に、それぞ
れが磁性リング４、４と電磁石５、５とから成る能動型
磁気軸受６、６を設けて、上記回転軸２のラジアル方向
に亙る位置決めを図っている。又、上記保持筒３の上半
部内周面と上記回転軸２の上端部との間には、ロータ７
とステータ８とから成る発電機兼用モータ９を設けてい
る。

【０００５】又、上記回転軸２の下端部には、回転部材
であるフライホイール１０を固定し、このフライホイー
ル１０の下面に円環状の永久磁石１１を固定している。
この永久磁石１１は、軸方向（図１４の上下方向）に亙
って着磁されており、上記フライホイール１０の回転中
心である、上記回転軸２の中心と同心に固定されてい
る。更に、上記真空ハウジング１の底面には、固定部材
を兼ねる冷却ジャケット１２を固定し、この冷却ジャケ
ット１２の上面に設けた超電導体１３の上面を、上記永
久磁石１１の下面に対向させている。この超電導体１３
は、上記永久磁石１１と同様に円環状とし、この永久磁
石１１と同心に配置する事が望ましい。但し、円環状に
造る事が難しい場合には、それぞれが円板状、円弧状等
に造られた複数の超電導体を、上記永久磁石１１と同心
の円弧上に等間隔に配置する。又、上記冷却ジャケット
１２内には、液体窒素等の冷却剤を流通自在とし、上記
超電導体１３を超電導状態にできる様にしている。超電
導体１３が超電導状態にある場合には、ピン止め効果に
より、この超電導体１３と上記永久磁石１１との距離が
変化する事が阻止される。従って、これら超電導体１３
と永久磁石１１とが、非接触型の超電導スラスト磁気軸
受１４を構成する。

【０００６】上述の様に構成される従来の電力貯蔵装置
の作用は、次の通りである。夜間等に余剰電力を貯蔵す
る際には、発電機兼用モータ９のステータ８に余剰電力
を供給する事で、前記回転軸２及びフライホイール１０
を回転させる。この際、前記能動型磁気軸受６により、
回転軸２のラジアル方向に亙る位置決めを図ると共に、
冷却ジャケット１２内に冷却剤を送り込んで、超電導体
１３を冷却しておく。超電導体１３が冷却され、超電導
状態になると、永久磁石１１から出た磁束が超電導体１
３内に拘束される、所謂ピン止め効果により、永久磁石
１１が超電導体１３に対して軸方向及び半径方向に移動
するのを阻止する力が作用する。この力によって、上記
回転軸２とフライホイール１０とに作用する、スラスト
方向の力及びラジアル方向の力が支承される。この様
に、能動型磁気軸受６と超電導スラスト磁気軸受１４と
を機能させた状態で、上記回転軸２とフライホイール１
０とは浮上状態で支持される。従って、これら両部材
２、１０が回転する事に対する抵抗は極く小さくなる。

【０００７】回転軸２とフライホイール１０との回転速
度は、上記ステータ８への通電に伴って徐々に上昇する
為、電力を機械的運動エネルギに変換した状態で貯蔵で
きる。回転軸２及びフライホイール１０は、真空ハウジ
ング１内に設けられている為、回転する部材の表面と空
気とが摩擦し合う事はなく、一度上昇したフライホイー
ル１０の回転速度は、上記発電機兼用モータ９による電
力取り出しを行なわない限り、殆ど低下する事がなくな
る。昼間等、貯蔵したエネルギを取り出して使用する場
合には、上記ステータ８を負荷（電気設備）に接続す
る。この結果、上記フライホイール１０の回転運動に基
づいて上記ステータ８に電力が惹起される。

【０００８】高速回転する回転軸を浮上状態で支持する
磁気軸受装置としては、上述した従来の第１例の構造の
他にも、実開平２−８７１２０号公報、同４−９７１１
９号公報に記載されたものが知られている。図１５は、
このうちの実開平２−８７１２０号公報に記載された磁
気軸受装置を示している。この従来の第２例の構造で
は、回転軸２の上下両端部にそれぞれ磁性材製で円輪状
のヨーク１５ａ、１５ｂを固定している。又、これら回
転軸２及びヨーク１５ａ、１５ｂを囲むハウジング１６
の内周面に、上下１対の磁気軸受ユニット１７ａ、１７
ｂを固定している。そして、上側のヨーク１５ａの下面
と上側の磁気軸受ユニット１７ａの上面とを、下側のヨ
ーク１５ｂの上面と下側の磁気軸受ユニット１７ｂの下
面とを、それぞれ軸受隙間を介して対向させている。

【０００９】上記各磁気軸受ユニット１７ａ、１７ｂ
は、それぞれ軸方向（図１５の上下方向）に着磁された
円環状の永久磁石１８と、磁性材により断面Ｊ字形で円
筒状に造られたバックヨーク１９とを備える。このバッ
クヨーク１９により三方を囲まれた空間内には円環状の
着磁コイル２０を納め、このバックヨーク１９を着磁可
能にしている。又、上記回転軸２の下端面に対向させて
位置検出器２１を設け、この回転軸２の軸方向位置を検
出自在としている。

【００１０】この従来の第２例の構造で上記回転軸２
は、上記各磁気軸受ユニット１７ａ、１７ｂに組み込ま
れた永久磁石１８、１８の磁気吸引力に基づき、浮上状
態で支持される。これら各永久磁石１８、１８の磁気吸
引力は不安定である為、そのままでは上記回転軸２が軸
方向に変位する。そこで、上記位置検出器２１の検出信
号に基づいて、上記各磁気軸受ユニット１７ａ、１７ｂ
に組み込まれた着磁コイル２０、２０に所定方向に所定
の大きさの直流を流し、これら各磁気軸受ユニット１７
ａ、１７ｂの磁気吸引力を調節し、上記回転軸２が軸方
向に変位するのを防止する。

【００１１】又、図１６は、実開平４−９７１１９号公
報に記載された磁気軸受装置を示している。この従来の
第３例の構造では、回転軸２の中間部外周面に磁性材製
のフランジ２２を固定し、このフランジ２２の上下両面
に磁気軸受ユニット２３を対向させている。この磁気軸
受ユニット２３は、断面が略Ｃ字形で全体が円環状に形
成された１個のヨーク２４と、このヨーク２４の両端部
に併設されて互いに同極同士を対向させた１対の永久磁
石１８、１８と、この永久磁石１８、１８と上記ヨーク
２４の中間部との間に設けられた１対の着磁コイル２０
ａ、２０ａとを備える。

【００１２】この従来の第３例の構造で上記回転軸２
は、上記磁気軸受ユニット２３に組み込まれた永久磁石
１８、１８の磁気吸引力に基づき、浮上状態で支持され
る。又、上記回転軸２が軸方向（図１６の上下方向）に
変位した場合には、図示しない位置検出器の検出信号に
基づいて、上記各着磁コイル２０ａ、２０ａに所定方向
に所定の大きさの直流を流し、この磁気軸受ユニット２
３の磁気吸引力を調節し、上記回転軸２が軸方向に変位
するのを防止する。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、例えば前述
の様に構成され作用する電力貯蔵装置の電力貯蔵能力を
向上させるべく、フライホイール１０の重量を大きく
（重く）した場合には、前記超電導スラスト磁気軸受１
４の負荷容量を大きくする必要がある。又、各種機械装
置の回転軸に加わる大きなスラスト荷重を支持する場合
にも、やはり大きな負荷容量が必要になる。ところが、
現状に於いて実用可能な超電導スラスト磁気軸受１４の
負荷容量には限度があり、超電導スラスト磁気軸受１４
のみで支持可能なフライホイール１０を使用して電力貯
蔵装置の性能向上を図ったり、或は大きなスラスト荷重
が加わる回転軸を支持する事は難しかった。

【００１４】図１５〜１６に示した構造は、永久磁石１
８及び着磁コイル２０、２０ａとして大きなものを使用
すれば、十分な負荷容量を得る事は可能である。しかし
ながら、これら図１５〜１６に示した構造では、十分な
負荷容量を得る為には、これら永久磁石１８及び着磁コ
イル２０、２０ａを大型化しなければならないだけでな
く、着磁コイル２０、２０ａへの通電量も多くなる為、
運転経費が嵩んでしまう。例えば、電力貯蔵装置に組み
込んだ場合には、貯蔵可能な電力のうちの多くの部分を
磁気軸受装置の運転により消費してしまう為、現実的で
はなくなる。

【００１５】即ち、図１５に示した構造の場合には、下
側の磁気軸受ユニット１７ｂが回転軸２に引き上げ方向
の力を付与するのに対して、上側の磁気軸受ユニット１
７ａは引き下げ方向の力を付与する。従って、磁気軸受
装置全体としての負荷容量を確保する為には、少なくと
も上記下側の磁気軸受ユニット１７ｂの磁気吸引力を十
分に大きくし、しかもこの磁気軸受ユニット１７ｂを構
成する着磁コイル２０に常に電流を流し続ける必要があ
る。この結果、消費電力が嵩む。

【００１６】又、図１６に示した構造の場合、上下１対
の永久磁石１８、１８の磁気吸引力の釣り合いで回転軸
２の軸方向位置を規制するが、これら各永久磁石１８、
１８の端面から出た磁力線のうちの多くがヨーク２４を
流れ、上記回転軸２の浮上に寄与しない。従って、回転
軸２を浮上させる為には着磁コイル２０ａへの通電量を
十分に多くする必要があり、やはり消費電力が嵩んでし
まう。本発明の磁気軸受装置は、この様な不都合を解消
すべく発明したものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の磁気軸受装置
は、回転軸と、この回転軸の一部にこの回転軸と同心に
設けられたフランジと、このフランジの少なくとも軸方
向片面に設けられた強磁性体部分と、この強磁性体部分
に対向する内壁面を有し、且つ上記フランジを囲むハウ
ジングと、このハウジングの一部に上記フランジの少な
くとも片面に対向して設けられ、このハウジングに対す
る上記フランジの軸方向位置を検出する変位センサと、
上記ハウジングの内壁面の一部に上記強磁性体部分に対
向して設けられた磁気軸受ユニットと、この磁気軸受ユ
ニットへの通電を制御する制御器とを備える。

【００１８】そして、上記磁気軸受ユニットは、それぞ
れが軸方向に且つ互いに逆方向に着磁され、それぞれが
上記回転軸と同心に配置された少なくとも１対の永久磁
石と、これら対となる永久磁石の着磁方向端面で上記フ
ランジと反対側の端面同士を磁気的に連結する磁性材製
のバックヨークと、上記１対の永久磁石の間の個所とこ
れら１対の永久磁石のうちの直径方向内側の永久磁石の
内周面の個所と直径方向外側の永久磁石の外周面の個所
との少なくとも１個所に配置された円環状の着磁コイル
とを備える。又、上記制御器は、上記変位センサの検出
信号に基づいて上記着磁コイルへの通電量と通電方向と
を制御して上記フランジの軸方向位置を一定に保つ。

【００１９】

【作用】上述の様に構成される本発明の磁気軸受装置に
よれば、重量の嵩む回転軸を安定して支持できる。即
ち、対となる永久磁石の着磁方向端面でフランジと対向
する面とこのフランジの強磁性体部分との間に強い磁気
吸引力が作用するので、磁気軸受装置全体としての負荷
容量を十分に確保できる。又、ハウジングに対するフラ
ンジの位置が変化する傾向となった場合には、変位セン
サの検出信号に基づいて制御器が着磁コイルへの通電方
向及び通電量を制御し、磁気軸受ユニットと上記強磁性
体部分との間に作用する磁気吸引力を調節する。従っ
て、上記回転軸の軸方向位置を規制できる。

【００２０】

【実施例】図１〜２は本発明の第一実施例を示してい
る。鉛直方向に配置された回転軸２の下端部にはフラン
ジ２２を、この回転軸２の中心と同心に設けている。こ
のフランジ２２は、フライホイールとして機能して大き
な運動エネルギを貯蔵できる様に、十分に大きな慣性質
量を有する。この様なフランジ２２の上面外周側半部に
は鋼板２５を、溶接、焼きばめ、ねじ止め、接着等によ
り固定し、この鋼板２５を上記フランジ２２の強磁性体
部分としている。そして、この鋼板２５を含むフランジ
２２の周囲を、アルミニウム合金、コンクリート等の非
磁性材製のハウジング２６により囲んでいる。上記回転
軸２は、このハウジング２６を構成する天板部２９の中
央部に設けた円孔２７を通じて、このハウジング２６外
に突出させている。ハウジングの内壁面である上記天板
部２９の下面に形成した円環状の凹部３３の内側には、
磁気軸受ユニット２８を固定し、この磁気軸受ユニット
２８の下面と上記鋼板２５の上面とを対向させている。
回転軸２及びフランジ２２本体の材質は、十分な強度を
確保できさえすれば、特に問わない。

【００２１】上記磁気軸受ユニット２８は、１対の永久
磁石３０ａ、３０ｂと、それぞれ１個ずつのバックヨー
ク３１及び着磁コイル３２とを備える。このうちの永久
磁石３０ａ、３０ｂは、それぞれが円環状に形成され
て、軸方向（図１〜２の上下方向）に、且つ互いに逆方
向に着磁され、それぞれが上記回転軸２の中心と同心に
配置されている。又、上記バックヨーク３１は、鋼板等
の強磁性材により円輪状に造られている。そして、この
バックヨーク３１の下面内周寄り部分に、直径方向内側
の永久磁石３０ａの着磁方向一端面である上面を、同じ
く下面外周寄り部分に、直径方向外側の永久磁石３０ｂ
の着磁方向一端面である上面を、それぞれ突き当ててい
る。従って、これら１対の永久磁石３０ａ、３０ｂの着
磁方向一端面同士は、上記バックヨーク３１により磁気
的に連結されている。更に、上記着磁コイル３２は、導
線を巻回する事により全体を円環状に形成されて、上記
バックヨーク３１の下面と上記１対の永久磁石３０ａ、
３０ｂの周面とで三方を囲まれる個所（１対の永久磁石
の間の個所）の空間内に配置されている。

【００２２】一方、上記天板部２９の下面複数個所に
は、それぞれ変位センサ３４、３４を固定し、この変位
センサ３４、３４によって、上記天板部２９の下面と上
記鋼板２５の上面との間の距離を検出自在としている。
これら各変位センサ３４、３４の検出信号は、図示しな
い制御器に入力している。そして、この制御器は、上記
各変位センサ３４、３４の検出信号に基づいて上記着磁
コイル３２への通電量と通電方向とを制御し、上記鋼板
２５を固定したフランジ２２の軸方向位置である上下位
置を一定に保つ。

【００２３】上述の様に構成される本発明の磁気軸受装
置によれば、フランジ２２を固設する事で重量の嵩む回
転軸２を安定して支持できる。即ち、上記磁気軸受ユニ
ット２８を構成する１対の永久磁石３０ａ、３０ｂの下
端面と上記フランジ２２の上面に固定した鋼板２５の上
面との間には、図２に実線αで示す主磁気回路が形成さ
れる。上記１対の永久磁石３０ａ、３０ｂは互いに逆方
向に着磁され、しかもそれぞれの上端面同士を上記バッ
クヨーク３１により磁気的に導通させているので、上記
主磁気回路を構成する磁束の強度が十分に強く（磁束密
度が高く）なる。従って、上記磁気軸受ユニット２８と
鋼板２５との間に強い磁気吸引力が作用し、磁気軸受装
置全体としての負荷容量を十分に確保できる。

【００２４】又、上記回転軸２が鉛直方向に変位する事
で、前記ハウジング２６に対するフランジ２２の位置が
変化する傾向となった場合には、変位センサ３４の検出
信号に基づいて制御器が、着磁コイルへの通電方向及び
通電量を制御し、上記磁気軸受ユニット２８と鋼板２５
との間に作用する磁気吸引力を調節する。即ち、上記１
対の永久磁石３０ａ、３０ｂと鋼板２５との間に作用す
る磁気吸引力だけでは、上記回転軸２を浮上状態に支持
する力が非常に不安定になる。例えば、上記１対の永久
磁石３０ａ、３０ｂの下端面と鋼板２５の上面との距離
が所定値の場合に、上記フランジ２２等を含む回転軸２
の重量と上記１対の永久磁石３０ａ、３０ｂによる磁気
吸引力とが釣り合うと仮定すると、上記距離が上記所定
値よりも大きい場合には上記１対の永久磁石３０ａ、３
０ｂが回転軸２を支えられず、反対に上記距離が上記所
定値よりも小さい場合には回転軸２が上昇し切って、上
記鋼板２５が１対の永久磁石３０ａ、３０ｂの下端面に
吸い付いてしまう。

【００２５】これに対して本発明の磁気軸受装置の場合
には、上記着磁コイル３２への通電により、上記磁気軸
受ユニット２８と鋼板２５との間に作用する磁気吸引力
を調節できるので、上記回転軸２の軸方向位置を規制
（鋼板２５の上面と磁気軸受ユニット２８の下面との距
離を所定値に維持）できる。即ち、上記着磁コイル３２
への通電により上記磁気軸受ユニット２８には、図２に
鎖線βで示す副磁気回路が形成される。この副磁気回路
を構成する磁束の向きと強さ（磁束密度）とは、上記着
磁コイル３２に流す直流電流の向きと大きさとにより調
節できる。

【００２６】そこで、上記回転軸２が下降傾向となった
場合には、上記着磁コイル３２に所定方向に通電する事
で、上記副磁気回路に前記主磁気回路と同方向の磁束を
流す。この状態では、永久磁石３０ａ、３０ｂと鋼板２
５との間に作用する磁気吸引力に、上記副磁気回路に基
づく磁気吸引力が足された状態となる。この為、上記磁
気軸受ユニット２８と鋼板２５との間に働く磁気吸引力
が大きくなり、上記回転軸２の下降が阻止される。

【００２７】反対に、上記回転軸２が上昇傾向となった
場合には、上記着磁コイル３２に上記所定方向とは逆方
向に通電する事で、上記副磁気回路に前記主磁気回路と
逆方向の磁束を流す。この状態では、永久磁石３０ａ、
３０ｂと鋼板２５との間に作用する磁気吸引力から、上
記副磁気回路に基づく磁気吸引力が引かれた状態とな
る。この為、上記磁気軸受ユニット２８と鋼板２５との
間に働く磁気吸引力が小さくなり、上記回転軸２の上昇
が阻止される。

【００２８】本発明の磁気軸受装置の場合、フランジ２
２等を含む回転軸２の重量は、主として１対の永久磁石
３０ａ、３０ｂと鋼板２５との間に形成される主磁気回
路で発生する磁気吸引力で支える。そして、着磁コイル
３２に通電するのは、これら重量と磁気吸引力とのバラ
ンスが崩れた時に、このバランスを回復させるまでの間
だけである。従って、上記着磁コイル３２への通電量は
少なくて済み、磁気軸受装置の運転時の消費エネルギは
僅少となる。

【００２９】尚、上述した実施例では、回転軸２とハウ
ジング２６との間に設けるラジアル軸受を省略している
が、例えば天板部２９に形成した円孔２７の内周面と回
転軸２の外周面との間に非接触型のラジアル軸受を設け
る事もできる。非接触型のラジアル軸受としては、従来
から周知の磁気軸受、或は流体軸受（静圧型、動圧型）
を使用できる。尚、上記回転軸２に加わるラジアル荷重
は小さいので、ラジアル軸受の消費エネルギは僅少であ
る。

【００３０】次に、図３〜４は本発明の第二実施例を示
している。本実施例の場合には、直径が異なる２組の磁
気軸受ユニット２８ａ、２８ｂを、ハウジング２６を構
成する天板部２９の下面に、それぞれ回転軸２と同心に
固定している。そして、各磁気軸受ユニット２８ａ、２
８ｂの下面と、フランジ２２の上面に固定した鋼板２５
の上面とを対向させている。従って、これら各磁気軸受
ユニット２８ａ、２８ｂと鋼板２５との間に作用する磁
気吸引力を、上述した第一実施例の場合に比べて大きく
し、より重量の嵩む回転軸２を支承可能になる。尚、直
径方向内側の磁気軸受ユニット２８ａを構成する直径方
向外側の永久磁石３０ｂと、直径方向外側の磁気軸受ユ
ニット２８ｂを構成する直径方向内側の永久磁石３０ａ
とは同方向に着磁して、これら両磁石３０ａ、３０ｂの
着磁方向端面同士の間で磁束が流れる事を防止してい
る。その他の構成及び作用は、上述した第一実施例と同
様である。

【００３１】次に、図５〜６は本発明の第三実施例を示
している。本実施例の場合には、ハウジング２６を構成
する天板部２９の下面に、磁気軸受ユニット２８と、こ
の磁気軸受ユニット２８を抱持する様に配置された第二
の磁気軸受ユニット３５とを設けている。第二の磁気軸
受ユニット３５を構成する永久磁石３０ａ´、３０ｂ´
は、それぞれ上記磁気軸受ユニット２８を構成する永久
磁石３０ａ、３０ｂの直径方向内側又は直径方向外側に
配置し、隣り合うこれら各永久磁石３０ａ、３０ｂと同
方向に着磁している。そして、上記各永久磁石３０ａ
´、３０ｂ´の上端面同士を、第二のバックヨーク３６
により磁気的に接続している。そして、この第二のバッ
クヨーク３６の中間部下面と次述するスぺーサ３８との
間に、第二の着磁コイル３７を添設している。この様に
構成される第二の磁気軸受ユニット３５と上記磁気軸受
ユニット２８との間には、非磁性材製のスペーサ３８を
挟持して、これら両磁気軸受ユニット３５、２８同士を
磁気的に遮断している。

【００３２】本実施例の場合も、上述した第二実施例と
同様に、上記両磁気軸受ユニット３５、２８と鋼板２５
との間に作用する磁気吸引力を、上述した第一実施例の
場合に比べて大きくし、より重量の嵩む回転軸２を支承
可能になる。特に、本実施例の場合には、上記第二の磁
気軸受ユニット３５により形成される主磁気回路及び副
磁気回路が、図６に実線α´及び鎖線β´に示す様に、
天板部２９の下面から離れた部分にまで達する。従っ
て、この天板部２９の下面と鋼板２５の上面との距離が
大きい場合でも、十分に大きな負荷容量と軸受剛性とを
得られる。その他の構成及び作用は、前述した第一実施
例と同様である。

【００３３】次に、図７は本発明の第四実施例を示して
いる。本実施例の場合には、ハウジング２６を構成する
天板部２９の下面に３組の磁気軸受ユニット２８、２８
を固定している。これと共に、フランジ２２の下面と上
記ハウジング２６を構成する底板部３９の上面との間
に、反発式の磁気軸受を設けて、磁気軸受装置全体とし
ての負荷容量を十分に大きくしている。このうちの反発
式の磁気軸受は、それぞれが円環状に形成されて軸方向
（図７の上下方向）に亙って互いに逆方向に着磁された
２個の永久磁石４０、４０と１個のバックヨーク４１と
から成るユニット４２ａ、４２ｂを、それぞれ３組ず
つ、上記フランジ２２の下面と底板部３９の上面とに固
定している。そして、上記フランジ２２の下面に固定し
たユニット４２ａ、４２ａを構成する永久磁石４０、４
０の下端面と、上記底板部３９の上面に固定したユニッ
ト４２ｂ、４２ｂを構成する永久磁石４０、４０の上端
面とを、互いに同極同士で対向させている。

【００３４】従って、本実施例の場合には、上記３組の
磁気軸受ユニット２８、２８と鋼板２５の上面との間に
作用する磁気吸引力だけでなく、上記３組ずつのユニッ
ト４２ａ、４２ｂ同士の間に作用する反発力によって
も、回転軸２の重量が支えられる。又、図示の実施例の
場合には、上記３組ずつのユニット４２ａ、４２ｂを構
成する永久磁石４０、４０同士が、直径方向に少しずれ
た状態で互いに対向している。従ってこれら各永久磁石
４０、４０の端面同士の間には、回転軸２の軸心に対し
て傾斜した、円錐方向（軸方向に対して少し直径方向
（図７の左右方向）にずれた方向）の反発力が作用す
る。従って、上記反発式の磁気軸受は、上記回転軸２の
重量を支えるだけでなく、このフランジ２２のラジアル
方向の位置決めを図る機能も有する。従って、ラジアル
方向の荷重が小さければ、独立したラジアル軸受を省略
する事も可能になる。尚、この反発式の磁気軸受の負荷
容量は、上記回転軸２の重量を支えるには不足するもの
とし、上記３組の磁気軸受ユニット２８、２８により、
不足する負荷容量を確保する。その他の構成及び作用
は、前述した第一実施例と同様である。

【００３５】次に、図８は本発明の第五実施例を示して
いる。本実施例は、前述の第三実施例の構造に反発式の
磁気軸受を負荷したものである。各磁気軸受のうち、フ
ランジ２２の上側に設ける吸引式の磁気軸受の構造及び
作用は、前述した第三実施例と同様である。又、フラン
ジ２２の下側に設ける反発式の磁気軸受の構造及び作用
は、上述した第四実施例と同様である。

【００３６】次に、図９は本発明の第六実施例を示して
いる。本実施例の場合には、フランジ２２の下面とハウ
ジング２６を構成する底板部３９の上面との間に、超電
導磁気軸受４３を設けて、磁気軸受装置全体としての負
荷容量を十分に大きくしている。このうちの超電導磁気
軸受４３を構成する為に上記フランジ２２の下面には、
それぞれが軸方向（図９の上下方向）に亙って着磁され
た円板状若しくは円環状の永久磁石４４ａ、４４ｂとそ
れぞれが円板状若しくは円輪状に形成されたバックヨー
ク４５ａ、４５ｂとから成る永久磁石ユニット４６ａ、
４６ｂを固定している。又、上記底板部３９の上面に
は、超電導体４７を固定し、この底板部３９内に設けた
図示しない冷却ジャケットにより、この超電導体４７を
冷却自在としている。そして、上記各永久磁石ユニット
４６ａ、４６ｂの下面と、上記超電導体４７の上面と
を、互いに対向させている。

【００３７】本実施例の場合には上記超電導磁気軸受４
３部分で、上記各永久磁石ユニット４６ａ、４６ｂを構
成する永久磁石４４ａ、４４ｂの下端面同士の間を流れ
る磁束を超電導体４７内に捕捉したままとする、所謂ピ
ン止め力が働く。このピン止め力は、上記フランジ２２
が下降する事に対して抵抗となるだけでなく、上昇する
事に対しても抵抗となる。この為、超電導磁気軸受４３
自体、上記フランジ２２が軸方向に変位する事に対する
抵抗となる。前述の様に、この超電導磁気軸受４３のみ
で必要な負荷容量を得る事は難しいが、本発明の磁気軸
受装置の場合には、鋼板２５と磁気軸受ユニット２８、
２８との間に作用する磁気吸引力によっても、上記回転
軸２の重量を支える。従って、磁気軸受装置全体として
の負荷容量は十分に大きくなる。

【００３８】しかも本実施例の場合には、十分とは言え
ないまでも、超電導磁気軸受４３自体が回転軸２が軸方
向に変位する事に対して抵抗となるので、この回転軸２
の軸方向に亙る変位が少なくなる。この結果、上記各磁
気軸受ユニット２８、２８を構成する着磁コイル３２、
３２に通電する頻度が少なくなって、磁気軸受装置運転
時の消費電力が少なくなる。尚、上記超電導磁気軸受４
３は、上記回転軸２の重量を支えるだけでなく、フラン
ジ２２のラジアル方向の位置決めを図る機能も有する。
従って、ラジアル方向の荷重が小さければ、ラジアル軸
受を省略する事も可能になる。

【００３９】次に、図１０は本発明の第七実施例を示し
ている。本実施例の場合には、ハウジング２６の上部に
円筒部４８を設け、この円筒部４８の内周面と回転軸２
の外周面との間に、複数個（図示の例では２個）の制御
型ラジアル磁気軸受４９、４９と、１個の発電機兼用モ
ータ９とを設けている。この為に本実施例の場合には、
上記回転軸２の外周面上下３個所位置に鋼等の強磁性材
製で円筒状のロータ５０、７を固定している。又、上記
円筒部４８の内周面上下２個所位置で、上下両端のロー
タ５０、５０と対向する部分には、それぞれ電磁石５
１、５１を固定している。これら各電磁石５１、５１は
それぞれ、円周方向に４分割された電磁石素子から成
る。そして、上記回転軸２の上下両端部外周面に対向し
て設けられた変位センサ５２、５２からの信号に基づい
て何れかの電磁石素子に通電する事により、上記回転軸
２のラジアル方向位置を規制する。更に、上記円筒部４
８の内周面中間部で上記両電磁石５１、５１の間部分に
はステータ８を固定し、上記ロータ７と共に上記発電機
兼用モータ９を構成している。本実施例の場合には、ラ
ジアル剛性の大きな制御型ラジアル磁気軸受４９、４９
を設ける事で、磁気軸受装置全体としてのラジアル軸受
剛性が向上する。その他の構成及び作用は、前述した第
四実施例と同様である。

【００４０】次に、図１１は本発明の第八実施例を示し
ている。本実施例の場合には、回転軸２の中間部外周面
にフランジ２２を形成している。そして、上記回転軸２
の上半部外周面と円筒部４８の内周面との間、並びに回
転軸２の下半部と底板部３９に形成した円孔５３の内周
面との間に、それぞれ制御型ラジアル磁気軸受４９、４
９を設けている。そして、上記回転軸２の上下両端部の
ラジアル方向に亙る変位を検出する変位センサ５２、５
２の検出信号により、これら各制御型ラジアル磁気軸受
４９、４９への通電を制御する様にしている。又、上記
回転軸２の中間部で上記フランジ２２の直下部分と上記
円孔５３の内周面との間に、発電機兼用モータ９を設け
ている。

【００４１】本実施例の場合には、上下１対の制御型ラ
ジアル磁気軸受４９、４９の間隔が広い為、上記回転軸
２が傾斜する事を阻止するモーメントが大きくなり、こ
の回転軸２の傾斜防止をより確実に図れる。その他の構
成及び作用は、上述した第七実施例と同様である。

【００４２】次に、図１２〜１３は本発明の第九実施例
を示している。本実施例の場合、バックヨーク３１は断
面がコ字形状であり、バックヨーク３１の半径方向（図
１２〜１３の左右方向）両側の端面即ち下端面は、鋼板
２５と軸方向（図１２〜１３の上下方向）に対向する。
１対の永久磁石３０ａ、３０ｂの着磁方向一端面（図１
２〜１３の上端面）はバックヨーク３１の半径方向中間
部にそれぞれ当接している。１対の永久磁石３０ａ、３
０ｂの間の個所は空間であり、非磁性体である。図１３
に実線αで示される様に、三つの主磁気回路が１対の永
久磁石３０ａ、３０ｂ、バックヨーク３１及び鋼板２５
から成る磁気軸受ユニット２８ｃに形成される。従っ
て、本実施例に於ける主磁気回路は強い磁束となってい
る。

【００４３】更に、本実施例の場合、直径方向内側の永
久磁石３０ａの内周面とバックヨーク３１との間の個所
と、直径方向外側の永久磁石３０ｂの外周面とバックヨ
ーク３１との間の個所とには円環状の着磁コイル３２、
３２がそれぞれ配設されている。１対の着磁コイル３
２、３２には同方向に通電するが、変位センサ３４の検
出信号に基づいて１対の着磁コイル３２、３２への通電
方向及び通電量を制御すると、永久磁石３０ａ、３０ｂ
に形成される主磁気回路より強い磁束の副磁気回路が、
図１３に鎖線βで示される様にバックヨーク３１及び鋼
板２５に形成される。その他の構成及び作用は、前述し
た第一実施例と同様である。

【００４４】

【発明の効果】本発明の磁気軸受装置は、以上に述べた
通り構成され作用するので、運転時の消費電力が少なく
て済むにも拘らず、十分に大きな負荷容量を確保して、
回転部分に加わる大きな荷重を支承できる。又、軸方向
の振動を減衰させる機能も高い為、磁気軸受装置を組み
込んだ機械装置が運転時に振動する事を有効に防止でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例を示す縦断面図。

【図２】図１のＡ部拡大図。

【図３】本発明の第二実施例を示す縦断面図。

【図４】図３のＢ部拡大図。

【図５】本発明の第三実施例を示す縦断面図。

【図６】図５のＣ部拡大図。

【図７】本発明の第四実施例を示す縦断面図。

【図８】同第五実施例を示す縦断面図。

【図９】同第六実施例を示す縦断面図。

【図１０】同第七実施例を示す縦断面図。

【図１１】同第八実施例を示す縦断面図。

【図１２】同第九実施例を示す縦断面図。

【図１３】図１２のＤ部拡大図。

【図１４】従来から知られた磁気軸受装置の第１例を組
み込んだ電力貯蔵装置を示す縦断面図。

【図１５】従来から知られた磁気軸受装置の第２例を示
す縦断面図。

【図１６】同第３例を示す縦断面図。

【符号の説明】１真空ハウジング２回転軸３保持筒４磁性リング５電磁石６能動型磁気軸受７ロータ８ステータ９発電機兼用モータ１０フライホイール１１永久磁石１２冷却ジャケット１３超電導体１４超電導スラスト磁気軸受１５ａ、１５ｂヨーク１６ハウジング１７ａ、１７ｂ磁気軸受ユニット１８永久磁石１９バックヨーク２０、２０ａ着磁コイル２１位置検出器２２フランジ２３磁気軸受ユニット２４ヨーク２５鋼板２６ハウジング２７円孔２８、２８ａ、２８ｂ、２８ｃ磁気軸受ユニット２９天板部３０ａ、３０ｂ、３０ａ′、３０ｂ′ 永久磁石３１バックヨーク３２着磁コイル３３凹部３４変位センサ３５第二の磁気軸受ユニット３６第二のバックヨーク３７第二の着磁コイル３８スぺーサ３９底板部４０永久磁石４１バックヨーク４２ａ、４２ｂユニット４３超電導磁気軸受４４ａ、４４ｂ永久磁石４５ａ、４５ｂバックヨーク４６ａ、４６ｂ永久磁石ユニット４７超電導体４８円筒部４９制御型ラジアル磁気軸受５０ロータ５１電磁石５２変位センサ５３円孔

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転軸と、この回転軸の一部にこの回転
軸と同心に設けられたフランジと、このフランジの少な
くとも軸方向片面に設けられた強磁性体部分と、この強
磁性体部分に対向する内壁面を有し、且つ上記フランジ
を囲むハウジングと、このハウジングの一部に上記フラ
ンジの少なくとも片面に対向して設けられ、このハウジ
ングに対する上記フランジの軸方向位置を検出する変位
センサと、上記ハウジングの内壁面の一部に上記強磁性
体部分に対向して設けられた磁気軸受ユニットと、この
磁気軸受ユニットへの通電を制御する制御器とを備え、
上記磁気軸受ユニットは、それぞれが軸方向に且つ互い
に逆方向に着磁され、それぞれが上記回転軸と同心に配
置された少なくとも１対の永久磁石と、これら対となる
永久磁石の着磁方向端面で上記フランジと反対側の端面
同士を磁気的に連結する磁性材製のバックヨークと、上
記１対の永久磁石の間の個所とこれら１対の永久磁石の
うちの直径方向内側の永久磁石の内周面の個所と直径方
向外側の永久磁石の外周面の個所との少なくとも１個所
に配置された円環状の着磁コイルとを備え、上記制御器
は、上記変位センサの検出信号に基づいて上記着磁コイ
ルへの通電量と通電方向とを制御して上記フランジの軸
方向位置を一定に保つ磁気軸受装置。