JPH08338431A

JPH08338431A - 磁気軸受

Info

Publication number: JPH08338431A
Application number: JP7146568A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Enomoto; 良弘榎本
Original assignee: Seiko Seiki KK
Current assignee: Seiko Seiki KK
Priority date: 1995-06-13
Filing date: 1995-06-13
Publication date: 1996-12-24

Abstract

(57)【要約】【目的】軸受剛性を強くすることができる磁気軸受を
提供する。【構成】回転軸１２は、その上部において、ラジアル
電磁石１４ａ、１４ｂ等で構成されたラジアル磁気軸受
によって径方向の支持を受ける。また、下部において
は、スラスト電磁石１８によって軸方向の位置が制御さ
れる。回転軸１２の下端には、円環状の回転側永久磁石
１６ａが取り付けられ、これと対向する固定側に設けら
れた固定側永久磁石２２によって磁気的吸引力が働くよ
うになっている。回転側永久磁石１６ａと固定側永久磁
石２２とは、径方向の寸法が異なるので、回転側永久磁
石１６ａが固定側永久磁石２２の中心軸上に位置してい
る場合でも、両者間に径方向の磁気的吸引力が作用す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁気軸受に係り、例え
ば、ターボ分子ポンプや高速スピンドル等で使用される
磁気軸受にかんする。

【０００２】

【従来の技術】磁気軸受は、磁力により回転軸を非接触
で支持するものであり、超高速回転や長期間無保守等が
可能なことから、近年、ターボ分子ポンプや高速スピン
ドル等で広く利用されるようになっている。磁気軸受で
は、永久磁石による磁気的反発力を利用して回転軸を所
定の浮上位置に保持するものや、電磁石を用いて回転軸
の位置を積極的に制御する制御型のものがある。

【０００３】図７は、３軸制御型の磁気軸受を表したも
のである。この磁気軸受１０では、回転軸１２が、ラジ
アル電磁石１４ａ、１４ｂによって径方向に支持され
る。また、軸方向の支持は、回転軸１２の端部や、これ
と対向する固定側に設けられた回転側永久磁石１６ａ及
び固定側永久磁石１６ｂと、回転軸１２の円盤１２ａに
対向して配置された円環形状のスラスト電磁石１８とに
よって行われる。すなわち、回転側永久磁石１６ａと固
定側永久磁石１６ｂは、互いに異なる極性の磁極を対向
させており、これらの間では、磁気的吸引力が働くよう
になっている。また、スラスト電磁石１８は、磁性材料
である円盤１２ａに対して磁気的吸引力を作用させるよ
うになっており、この磁力を制御して永久磁石１６ａ、
１６ｂ間の磁気的吸引力との釣り合いを取ることで、回
転軸１２を所定の位置に浮上保持するようになってい
る。

【０００４】図８は、永久磁石１６ａ、１６ｂの詳細形
状を表したものであり、（Ａ）は上方から、（Ｂ）は側
方から見た場合の形状をそれぞれ示している。図８
（Ａ）に示すように、永久磁石１６ａ、１６ｂは、円環
形状を有しており、それぞれ同一寸法で形成されてい
る。例えば、外径ａ１、ｂ１、及び内径ａ２、ｂ２は、
それぞれ互いに等しい（ａ１＝ｂ１、ａ２＝ｂ２）これらの永久磁石１６ａ、１６ｂ間では、両者の位置が
径方向にずれると、軸方向の磁力の他に、元の位置（中
心位置）に戻そうとする径方向の磁力、すなわち復元力
が働く。

【０００５】図９は、回転側永久磁石１６ａの径方向へ
のずれ量Ｘと、両者間の働く復元力Ｆとの関係を表した
ものである。なお、この図では、図６において左右方向
にＸ軸をとり、原点を固定側永久磁石１６ｂの中心軸上
に取った場合のずれ量Ｘが示されている。

【０００６】図９から分かるように、回転側永久磁石１
６ａが固定側永久磁石１６ｂから＋ｘ、あるいは−ｘ方
向にずれるほど回転軸１２を固定側永久磁石１６ｂの中
心に戻そうとする復元力Ｆは大きくなる。従って、回転
軸１２は、電磁石１４ａ、１４ｂのみならず、その下端
においても、永久磁石１６ａ、１６ｂにより径方向の支
持を受けることとなる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このタイプの
磁気軸受では、図９に示すように、回転軸１２が固定側
永久磁石１６ｂの中心に位置しているときに、復元力Ｆ
が０であるため、軸受剛性が弱く、磁気軸受の制御が不
安定であった。例えば、回転軸を回転駆動して定常回転
数に到達させる過程においては、固有振動数付近の回転
数（共振点）で、回転側永久磁石１６ａが設けられた回
転軸１２の下側が大きく振れ回り、共振点の通過が困難
となっていた。

【０００８】そこで、本発明は、軸受剛性を強くするこ
とができる磁気軸受を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、回転軸の一端を構成する磁性部材と、この磁性部材
の端面に対して、異なる極性と異なる径方向の寸法とを
有する磁極を軸方向に対向させた固定側磁石と、この固
定側磁石が前記磁性部材に作用させる軸方向の磁気的吸
引力と反対方向の磁力を前記回転軸に作用させるスラス
ト磁石と、このスラスト磁石と前記固定側磁石の少なく
とも一方の磁力を制御することで、前記回転軸の軸方向
の位置を制御する制御手段とを磁気軸受に具備させて前
記目的を達成する。

【００１０】請求項２記載の発明では、請求項１記載の
磁気軸受において、前記固定側磁石と磁性部材が、互い
に対向した面において円形の外縁部を有することで前記
目的を達成する。請求項３記載の発明では、請求項１記
載の磁気軸受において、前記磁性部材と前記固定側磁石
が、互いに異なる極性の磁極を対向させた永久磁石であ
ることで前記目的を達成する。

【００１１】請求項４記載の発明では、請求項１記載の
磁気軸受に、前記回転軸の他端側を磁力により径方向に
支持するラジアル磁気軸受を具備させて前記目的を達成
する。

【００１２】

【作用】請求項１記載の磁気軸受では、固定側磁石によ
って磁性部材の端面に磁気的吸引力が作用する。この磁
気的吸引力は、固定側磁石の磁極と磁性部材の端面との
径方向における寸法差によって、軸方向のみならず径方
向の力成分を含む。スラスト磁石は、この磁性部材に対
する軸方向の磁気的吸引力と反対方向の磁力を回転軸に
作用させ、このスラスト磁石と前記固定側磁石の少なく
とも一方の磁力が制御手段によって制御されることで、
回転軸の軸方向の位置が制御される。

【００１３】請求項２記載の磁気軸受では、固定側磁石
と磁性部材との間に働く磁気的吸引力の径方向の力成分
が、磁性部材を固定側磁石の中心に保持する求心力とし
て作用する。請求項３記載の磁気軸受では、磁性部材と
固定側磁石との間で磁気的吸引力が働く。

【００１４】請求項４記載の磁気軸受では、ラジアル磁
気軸受が回転軸の他端側を磁力により径方向に支持す
る。これにより、回転軸は、軸方向と径方向に非接触の
支持を受ける。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の磁気軸受における一実施例を
図１ないし図６を参照して詳細に説明する。なお、従来
と同様の構成については、同一の符号を付すこととす
る。図１は、本実施例による磁気軸受の概略構造を表し
たものである。

【００１６】本実施例の磁気軸受２０は、例えば、ター
ボ分子ポンプのロータを支持するために使用される。な
お、以下の説明では、図１の左右方向にＸ軸、紙面に垂
直方向にＹ軸、及び上下方向にＺ軸を取ることとする。
図１に示すように、回転軸１２は、図において下端部で
径を小さくした段付きの円柱形状を有している。回転軸
１２の図１において上部では、これをＸ軸方向に挟むよ
うに２つのラジアル電磁石１４ａ、１４ｂが対向配置さ
れており、図示しないが、Ｙ軸方向（図１の紙面に垂直
方向）にも回転軸１２を挟んで対向する２つのラジアル
電磁石が配設されている。これらラジアル電磁石１４
ａ、１４ｂ等と対向する回転軸１２の外周面は、磁性材
料で構成されている。

【００１７】また、回転軸１２の周囲には、そのＸ軸方
向への変位とＹ軸方向への変位をそれぞれ検出する図示
しない変位センサが配設されている。前述した２対計４
個のラジアル電磁石１４ａ、１４ｂ等は、その励磁電流
が、図示しない変位センサの検出値に応じて、Ｘ軸方向
に対を成す１組のラジアル電磁石１４ａ、１４ｂとＹ軸
方向に対を成す図示しない１組のラジアル電磁石とで、
それぞれ独立にフィードバック制御されるようになって
いる。そして、このフィードバック制御によって、回転
軸１２の径方向における位置制御が行われるようになっ
ている。すなわち、本実施例では、ラジアル電磁石１４
ａ、１４ｂや図示しないラジアル電磁石、及び変位セン
サ等によって、回転軸１２を径方向に支持するラジアル
磁気軸受が構成されている。

【００１８】一方、回転軸１２の下端部に設けられた小
径部１２ｂには、円環状の回転側永久磁石１６ａが取り
付けられている。また、回転側永久磁石１６ａと対向す
る固定側には、同様に円環状の固定側永久磁石２２が配
設されている。これら永久磁石１６ａ、２２は、対向す
る磁極の極性が互いに異なり、両者間に磁気的吸引力が
働くようになっている。例えば、回転側永久磁石１６ａ
の下側がＮ極であるとすると、これと対向する固定側永
久磁石２２の上側は、Ｓ極である。従って、回転軸１２
は、重力と共に、これら永久磁石１６ａ、２２間の磁力
によっても、常に下方（−Ｚ方向）に吸引されるように
なっている。

【００１９】図２は、本実施例の回転側永久磁石１６ａ
と固定側永久磁石２２の断面形状を表したものである。
図２に示すように、本実施例では、回転側永久磁石１６
ａの外径ａ１より固定側永久磁石２２の外径ｂ１の方が
小さく、また、回転側永久磁石１６ａの内径ａ２よりも
固定側永久磁石２２の内径ｂ２の方が大きい（ａ１＞ｂ
１、ａ２＜ｂ２）。但し、この径方向の寸法差は、永久
磁石１６ａ、２２の設計段階から予め設けられたもので
あり、加工精度に起因して生じる形状誤差（一般公差）
とは本質的に異なる。

【００２０】本実施例では、以上のような寸法差のた
め、固定側永久磁石１６ｂが、その中心軸を固定側永久
磁石２２の中心軸と一致させる位置にある場合でも、そ
れぞれの外縁部と内縁部は、互いに水平方向（径方向）
にずれている。従って、固定側永久磁石１６ｂと固定側
永久磁石２２の外縁部及び内縁部においては、図２に矢
印で示すように、径方向の力成分、すなわち復元力を含
む磁力が働く。

【００２１】図３は、Ｘ軸方向への回転側永久磁石１６
ａの変位と復元力との関係を表したものである。但し、
Ｘ軸の原点は固定側永久磁石２２の中心軸上に取るもの
とする。この図に示すように、本実施例では、回転側永
久磁石１６ａが固定側永久磁石２２に対して中心に位置
している場合でも、固定側永久磁石１６ｂに対しては、
復元力Ｆ０が働いている。また、回転側永久磁石１６ａ
が＋Ｘあるいは−Ｘ方向に変位すると、回転軸１２に対
する復元力が増加するようになっている。復元力Ｆ０の
値は、回転側永久磁石１６ａと固定側永久磁石２２との
寸法差等で決定される。

【００２２】なお、図１や図２では、形状を分かりやす
くするため、固定側永久磁石１６ｂや固定側永久磁石２
２の厚みｄａ、ｄｂや、両者の寸法差を大きく図示して
いる。一方、小径部１２ｂの、図１において上側には、
磁性材料で構成されたスラスト軸受用円盤１２ａが設け
られている。このスラスト軸受用円盤１２ａの上面と軸
方向に対向する位置には、円環状のスラスト電磁石１８
が配設されている。また、図示しないが、本実施例の磁
気軸受２０は、回転軸１２の軸方向の変位を検出する変
位センサを備えており、スラスト電磁石１８は、この図
示しない変位センサの検出値に応じて、その励磁電流が
フィードバック制御されるようになっている。すなわ
ち、回転軸１２が軸方向において所定の浮上位置に保持
されるように、スラスト電磁石１８の励磁電流が制御さ
れる。

【００２３】以上のスラスト電磁石１８や回転側永久磁
石１６ａ、及び固定側永久磁石２２等によって、本実施
例では、回転軸１２を軸方向に支持するスラスト磁気軸
受が構成される。また、このスラスト磁気軸受と、ラジ
アル電磁石１４ａ、１４ｂ等によって構成されたラジア
ル磁気軸受とによって、磁気軸受２０は、回転軸１２を
径方向に２軸、軸方向に１軸の位置制御を行う３軸制御
型の磁気軸受として機能する。

【００２４】次に、このように構成された実施例の動作
について説明する。磁気軸受２０の駆動時においては、
ラジアル電磁石１４ａ、１４ｂ等で構成されたラジアル
磁気軸受によって回転軸１２の上部が径方向に支持さ
れ、固定側永久磁石２２やスラスト電磁石１８等で構成
されたスラスト磁気軸受によって軸方向に支持される。

【００２５】スラスト磁気軸受による支持では、回転軸
１２の変位に応じた励磁電流のフィードバック制御によ
って、スラスト電磁石１８が、固定側永久磁石２２によ
る磁気的吸引力や重力に抗じる電磁力を、スラスト軸受
用円盤１２ａに対して作用させ、これにより、回転軸１
２の位置制御が行われる。そして、図示しないモータ等
によってトルクが伝達されることで、回転軸１２は、非
接触の状態で回転する。

【００２６】回転駆動時では、外部から振動が伝わった
り、あるいは共振点を通過する際に、回転軸１２が振れ
回ることがある。しかし、本実施例では、回転側永久磁
石１６ａと固定側永久磁石２２とが前述したような寸法
差を有するため、回転軸１２の下端において中心に戻そ
うとする復元力が強く、振れ回りに対する減衰能が高
い。

【００２７】図４は、本実施例の磁気軸受２０におい
て、回転軸１２に振動が加わったときの振れの振幅Ｗと
経過時間ｔとの関係を表したものであり、図５は、従来
の磁気軸受において、同一条件で回転軸１２が振れ回っ
たときの振幅Ｗと経過時間ｔとの関係を表したものであ
る。

【００２８】これらの図から理解されるように、本実施
例では、振れの最大振幅Ｗ１が従来の最大振幅Ｗ２より
も小さい（Ｗ１＜Ｗ２）。また、所定の振幅値に減衰す
るまでの時間ｔ１も、従来の減衰時間ｔ２よりも短い
（ｔ１＜ｔ２）。以上説明したように、本実施例の磁気
軸受２０では、回転側永久磁石１６ａと固定側永久磁石
２２との間で常に復元力が加わわるようになっているの
で、消費電力が少ないという３軸制御型磁気軸受の特徴
を有しながらも、回転軸１２の下端部における径方向へ
の軸受剛性を従来よりも高くすることができる。

【００２９】また、本実施例では、回転側永久磁石１６
ａや固定側永久磁石２２が円環状であったので、回転軸
１２の径方向の変位に対する復元力が、１方向ではなく
２次元的な求心力として作用する。従って、回転軸１２
がＸＹ平面においてどの方向に変位しても、安定的にそ
の位置を中心に戻すことができる。

【００３０】なお、以上の実施例では、回転側永久磁石
１６ａと固定側永久磁石２２との形状差（寸法差）が、
図２に示すように、ａ１＞ｂ１、ａ２＜ｂ２となってい
たが、回転側永久磁石１６ａと固定側永久磁石２２との
間に常に径方向の磁気的吸引力が作用する形状であれ
ば、他の寸法差であってもよい。

【００３１】例えば、図６の（Ａ）〜（Ｃ）で示すよう
に、外径ａ１とｂ１、及び内径ａ２とｂ２の大小関係を
変えてもよい。また、回転側永久磁石と固定側永久磁石
との大小関係を図６（Ａ）〜（Ｃ）で示すものと逆にす
ることで、固定側永久磁石の幅（ｂ１−ｂ２）／２の方
が回転側永久磁石のそれ（ａ１−ａ２）／２より大きく
なるにしてもよい。

【００３２】更に、回転側永久磁石１６ａや固定側永久
磁石２２は、円環状でなくてもよい。例えば、図６
（Ｄ）に示すように、両者とも円盤形状を有していても
よい。この場合には、固定側永久磁石２２′の直径ｂ
を、図示するように回転側永久磁石１６ａ′の直径ａよ
り小さくしたり（ａ＞ｂ）、あるいはその逆にしたりす
る（ｂ＞ａ）。

【００３３】以上の説明では、１６ａ、２２は、１対の
磁石を使用しているが、複数個の永久磁石を組み合わせ
て使用しても良い。また、以上の実施例では、回転軸１
２の下端に回転側永久磁石１６ａが設けられていたが、
固定側永久磁石２２による磁気的吸引力を受けるもので
あれば、他の部材が設けられていてもよい。例えば、磁
化されていない強磁性材料で成るリングを回転軸１２の
下端部に設けてもよい。

【００３４】また、固定側永久磁石２２の代わりに、電
磁石を使用してもよい。この場合、スラスト電磁石１８
のみ成らず、固定側永久磁石２２の代わりの電磁石の励
磁電流を制御することで、回転軸１２の軸方向における
位置制御を行ってもよい。更に、磁気軸受２０は、３軸
制御型の磁気軸受であったが、本発明は５軸制御型の磁
気軸受においても適用することができる。

【００３５】すなわち、ラジアル電磁石１４ａ、１４ｂ
等と同様なラジアル磁気軸受が回転軸の下側にも設けら
れた５軸制御型の磁気軸受においても、以上の実施例と
同様なスラスト磁気軸受を設け、回転側永久磁石と固定
側永久磁石との間に寸法差を設けてもよい。

【００３６】５軸制御型の磁気軸受では、回転軸１２
が、その一端（上側）と他端（下側）とで径方向の支持
を受けるため、軸受剛性が比較的高いが、本発明を適用
することで、より一層剛性を高めることができる。ま
た、スラスト磁気軸受による復元力が、下側のラジアル
磁気軸受を補助するため、結果的にラジアル電磁石の消
費電力を従来の５軸制御型磁気軸受よりも少なくするこ
とができる。

【００３７】

【発明の効果】本発明の磁気軸受によれば、軸受剛性を
強くすることができる。また、構造が単純なので小型化
が可能となり、安価に製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による磁気軸受を概略的に示
した説明図である。

【図２】同磁気軸受の一部を拡大した詳細図である。

【図３】同磁気軸受における回転側永久磁石の変位と復
元力との関係を示した図である。

【図４】同磁気軸受において回転軸に振動が加わった場
合の振れの時間推移を示した図である。

【図５】従来の磁気軸受において回転軸に振動が加わっ
た場合の振れの時間推移を示した図である。

【図６】本発明の他の実施例を示した説明図である。

【図７】従来の磁気軸受を示した説明図である。

【図８】同磁気軸受における回転側永久磁石及び固定側
永久磁石の詳細形状を示した説明図である。

【図９】同磁気軸受における回転側永久磁石の変位と復
元力との関係を示した図である。

【符号の説明】

１２回転軸１２ａスラスト軸受用円盤１４ａ、１４ｂラジアル電磁石１６ａ回転側永久磁石１８スラスト電磁石２０磁気軸受２２固定側永久磁石

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転軸の一端を構成する磁性部材と、この磁性部材の端面に対して、異なる極性と異なる径方
向の寸法とを有する磁極を軸方向に対向させた固定側磁
石と、この固定側磁石が前記磁性部材に作用させる軸方向の磁
気的吸引力と反対方向の磁力を前記回転軸に作用させる
スラスト磁石と、このスラスト磁石と前記固定側磁石の少なくとも一方の
磁力を制御することで、前記回転軸の軸方向の位置を制
御する制御手段とを具備することを特徴とする磁気軸
受。
【請求項２】前記固定側磁石と磁性部材は、互いに対
向した面において円形の外縁部を有することを特徴とす
る請求項１記載の磁気軸受。
【請求項３】前記磁性部材と前記固定側磁石は、互い
に異なる極性の磁極を対向させた永久磁石であることを
特徴とする請求項１記載の磁気軸受。
【請求項４】前記回転軸の他端側を磁力により径方向
に支持するラジアル磁気軸受を備えたことを特徴とする
請求項１記載の磁気軸受。