JPH11125249A - 磁気軸受 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 制御形磁気軸受システムにおいて、電磁鋼板
部で発生する渦電流損による発熱がシャフトの変形を増
大させないようにする 【解決手段】 制御形磁気軸受に用いられる磁気軸受ス
リーブ１０は、電磁石に対向配置された電磁鋼板６と、
これを外周部に設けたスリーブ５を備えて構成され、回
転機器のシャフト１に外嵌して固定される。スリーブ５
は、シャフト１との接触面を中間部のみにした膨出部５
ａが内周面の円周方向に設けられ、膨出部５ａの両側に
は、全周に及ぶ空隙５ｂが形成される。この構成によ
り、スリーブ５の端部に偏心が生じても、この部分がシ
ャフト１に接触し難くなる。したがって、不釣り合い振
動の増加を防止することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は磁気軸受に関し、特
に、スリーブの熱変形に起因する振動発生を防止するの
に好適な磁気軸受に関する。

【０００２】

【従来の技術】磁気軸受は、磁気の吸引力又は反発力を
利用して回転軸を支えるもので、永久磁石を利用するタ
イプと、電磁石を利用して軸心の位置を能動的に制御す
るタイプ（以下、「制御形磁気軸受」という）がある。
制御形磁気軸受は、(i) 低駆動トルク、(ii)高速回転に
有利、(iii) 高真空中で使用できる、(iv)広い温度範囲
で使える、(v) 低騒音・長寿命、(vi)潤滑剤の汚染が無
い、(vii) 静剛性が高い、(viii)軸の回転姿勢が変わっ
ても制御できる等の特徴を有している。したがって、制
御形磁気軸受を用いた機器は、潤滑油が不要になる、メ
ンテナンスフリーが可能になる等の利点を有することに
なる。制御形磁気軸受は、シャフト側に電磁鋼板を積層
して磁気回路を構成し、電磁石との間のギャップに生じ
る吸引力によって、シャフトを浮上させる構造になって
いる。シャフト側に電磁鋼板を積層するのは、磁界が交
番することによって生じる渦電流を低減させるためであ
る。積層した電磁鋼板は、スリーブに焼き嵌めされた
後、そのスリーブと共にシャフトに取り付けられ、或い
は、直接、シャフトに焼き嵌めされる。

【０００３】図５は制御形磁気軸受の一例を示す断面図
である。回転機器等のシャフト１には、円筒状の磁気軸
受スリーブ２（上記したように、積層した電磁鋼板が設
けられている）が外嵌された状態で固定されている。こ
の磁気軸受スリーブ２に対し、所定の空隙を形成しなが
ら同軸にして電磁石３が配設されている。電磁石３は、
円筒状のヨーク３ａ、周方向に等間隔でこのヨーク３ａ
に固定されると共にシャフト１の中心に向けて延びる複
数のコア３ｂ、このコア３ｂの夫々に巻回された軸受コ
イル３ｃを備えて構成されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の磁気軸
受スリーブによれば、低負荷では問題ないが、大電流を
必要とするような不釣り合い量では制御負荷が大きくな
り、渦電流による損失を無視できず、この渦電流によっ
て発生する熱により、シャフトが変形するという問題が
ある。渦電流損による熱変形が不釣り合い振動を増加さ
せるメカニズムについて、図５を用いて説明する。ま
ず、不釣り合い振動が生じると磁気軸受は、振動を抑制
する力を発生させるために軸受コイル３ｃに流す電流を
増やし、ギャップの磁束密度を上げる。磁束密度が上が
ると渦電流損が増加し、磁気軸受スリーブ２は発熱する
（図５の斜線部）。不釣り合いではなく、重力などの静
負荷の場合は、磁束密度が高い場所は静止側から見てい
つも同じ場所になる。逆に、シャフト１側から見ると磁
束密度が高い部分は固定しないので、磁気軸受スリーブ
２に発生する渦電流損は周方向に一様に分布する。一
方、不釣り合いの場合は、磁束密度が高い場所がシャフ
ト１の回転と共に移動する。静止側から見ると磁束密度
の高い場所は一定しないが、シャフト側から見ると特定
の部分に固定して動かないことになるので、渦電流損が
発生する部分も特定の部分に集中する。したがって、磁
気軸受スリーブ２は周方向に温度分布を持つために熱変
形する。磁気軸受スリーブ２の変形により、シャフト１
も変形する。

【０００５】図６はシャフトの熱変形の様子を示し、
（ａ）はシャフトの全体形状を示し、（ｂ）は軸の物理
的変位を示す。ここでは、軸の変位をスリーブの近傍に
設けた変位センサ４により測定した。シャフト１が変形
すると、新たな不釣り合いが生じるため、磁気軸受シス
テム（不図示の制御装置を含む構成をいう）ではフィー
ドバック制御で不釣り合いを抑制しようとするため、軸
受コイル３ｃに流れる電流は更に増える。コイル電流が
増えると、更に磁束密度が上がって渦電流損が増え、図
６の（ｂ）のようにシャフト１が熱変形するという連鎖
が無限に続くことになる。つまり、熱変形と不釣り合い
振動制御の間に不必要なポジティブフィードバックのル
ープが形成される（なお、条件によっては、ネガティブ
フィードバックが形成される場合もある）。

【０００６】なお、車載用の電動機にあって、その回転
子の鉄心の温度差に起因する大型化の問題を改善して小
型軽量化を図ったものに、特開昭６３−２４５２３９号
公報及び特開昭６４−６９２３９号公報がある。しか
し、これらの技術は、単に鉄心又はシャフトに貫通孔を
設けて通風を行うもので、磁気軸受における渦電流損に
起因して磁気軸受スリーブ及びシャフトが熱変形に至る
問題を解決するものではない。

【０００７】本発明の目的は、渦電流損によるスリーブ
の熱変形を防止し、熱変形に起因する不釣り合い振動を
抑制できるようにした磁気軸受を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、磁気軸受スリーブが、電磁石に対して磁
気回路を形成する金属部材とこの金属部材を外周部に設
けたスリーブとを備えて構成され、機器のシャフトに外
嵌して固定された磁気軸受において、前記スリーブは、
前記シャフトに沿った方向の中間部の内径が他の部分の
内径よりも小さい形状を有し、かつ前記中間部の内径部
分のみによって前記シャフトに外嵌して固定されること
を特徴とする磁気軸受を提供する。

【０００９】この構成によれば、スリーブの両側の内面
の所定範囲がシャフトに対して隙間を有し、スリーブの
端部が熱変形によって偏心しても、スリーブの端部がシ
ャフトに容易に接触することはなく、シャフトを変形さ
せることがない。したがって、不釣り合い振動の増加を
防止することができる。

【００１０】また、本発明は、磁気軸受スリーブが、電
磁石に対して磁気回路を形成する金属部材とこの金属部
材を外周部に設けたスリーブとを備えて構成され、機器
のシャフトに外嵌して固定される磁気軸受において、前
記スリーブは、シャフト軸方向に貫通する溝状の空気通
路が円周方向に複数個設けられていることを特徴とする
磁気軸受を提供する。

【００１１】この構成によれば、スリーブの内側にシャ
フトに沿って設けた空気通路を通して冷却用の空気が流
せるようになり、渦電流損によるスリーブの加熱を抑制
し、シャフトに影響を与えるような変形がスリーブに生
じるのを防止することができる。この結果、不釣り合い
振動の増加を防止することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１は本発明に係る磁気軸受の第
１の実施の形態の概略構成を示す断面図である。シャフ
ト１に外嵌されるスリーブ５の外周面には、電磁鋼板６
（金属部材）が嵌め込まれている。この電磁鋼板６とス
リーブ５により磁気軸受スリーブ１０が形成される。従
来の磁気軸受スリーブ２（図５）は、その内径が全長に
わたって同一であったため、スリーブ５の内面の全域が
シャフト１に密接していた。これに対し、本発明に係る
スリーブ５は、内面の両端部の内径を大きくして中間部
に膨出部５ａを形成し、この両側にシャフト１に対して
空隙５ｂが形成されるようにしている。膨出部５ａは、
円筒状のスリーブ用材料の両端の内面を旋盤で切削する
ことにより形成することができる。このように、スリー
ブ５のシャフト１に密接する部分は、中間部の膨出部５
ａのみであるため、スリーブ５が変形して端部が偏心し
ても、空隙幅以上に偏心しない限り、変形力がシャフト
１に付与されることはない。したがって、スリーブ５が
変形しても、変形力が直ちにシャフト１に伝わることは
なく、連動した変形は生じ難くなる。スリーブ５の内周
の中間部に形成された密接部の幅δは、磁気軸受スリー
ブとして要求される強度を確保できる範囲で、可能な限
り狭くすることが望ましい。上記第１の実施の形態によ
れば、スリーブ５の中間部分（中央部分）だけを使って
焼き嵌めし、スリーブ５の熱変形がシャフト１に伝わり
難い構造にしているので、不釣り合い量の度合いを表す
定数Ａの値を小さくでき、後記するようにシャフト１の
不釣り合い振動を抑制することができる。

【００１３】図２は本発明に係る磁気軸受の第２の実施
の形態の概略構成を示す断面図である。図中、（ａ）は
シャフト中心軸を通る面で切ったときの断面図であり、
（ｂ）はシャフトに直角な面で切ったときの断面図であ
る。本実施の形態におけるスリーブ７は、その内周に複
数の空気通路８が設けられている。この空気通路８は溝
状を成し、軸方向に設けられると共に円周方向に所定間
隔に設けられている。更に、スリーブ７の外周面には、
第１の実施の形態と同様に、電磁鋼板６が嵌め込まれて
いる。この電磁鋼板６とスリーブ７により磁気軸受スリ
ーブ１１が形成される。空気通路８は、冷却空気の経路
として機能し、スリーブ７を冷却することができる。ま
た、図５で説明したように、電磁石とスリーブの間には
空隙が形成されていて、この部分は冷却空気の経路にな
っていたが、冷却空間が空気通路８を加えた広さに拡大
される。この結果、図２の構成によって熱伝達面積は大
きくなり、スリーブ７が冷却され易くなるため、熱変形
を抑制することが可能になる。

【００１４】例えば、磁気軸受搭載形圧縮機において
は、４次の危険速度における不釣り合い振動を抑制する
ことが重要である。しかし、従来は、図５，図６で説明
したように、振動を制御するための制御電流による渦電
流損が原因でシャフトが熱変形する問題があり、４次の
危険速度を抑えることができなかった。しかし、上記し
た各実施の形態によるスリーブを採用することにより、
シャフトの熱変形を防止できるため、４次の危険速度を
抑えることが可能になった。

【００１５】図３は図２の磁気軸受を或る回転機器に実
装した状態を示す断面図である。円筒状のスリーブ７は
シャフト１に外嵌された状態で固定されている。このス
リーブ７に同軸にして、電磁石３が配設されている。こ
の電磁石３の構成は、図５に示した如くである。電磁石
３は、回転機器のケーシング９の内側にボルト等を用い
て固定されている。更に、電磁石３に隣接し、且つ電磁
鋼板６に対向するように変位センサ４が配設され、この
変位センサ４の支持部材の一端はケーシング９に固定さ
れている。また、ケーシング９には、磁気軸受部内の空
気が回転機器内部に進入するのを防止するためのラビリ
ンス(labyrinth) １２、及び、空気通路８に供給する空
気及び通過後の空気を機外へ排出するための通気孔１３
ａ，１３ｂが設けられている。

【００１６】図３の構成において、電磁石３に所定の通
電が行われることにより、シャフト１は電磁石３と電磁
鋼板６の間に空隙を保持しながら回転する。通気孔１３
ａを通してケーシング９の外から取り込まれた冷たい空
気１４は、電磁石３と電磁鋼板６の間の空隙を通過する
冷却用空気１４ａと、空気通路８内を通過する空気１４
ｂに分流する。スリーブ７の反対側に抜け出た温かい空
気１５は、通気孔１３ｂを通して機外へ排出される。ス
リーブ７は表裏両面から冷却用空気１４ａ，１４ｂで冷
却されて冷却効率が上がるため、軸受コイルに流す電流
が増えて渦電流損が増加し、スリーブ７が発熱した場合
でも、過熱することはなく、スリーブ７が熱変形するこ
とはなくなる。なお、空気１４は、通常、強制的に供給
されるが、冷却用空気１４ｂは遠心力を有効に利用した
通気方向になっている。また、図３の構成において、ス
リーブ７内を流れる冷却用空気１４ａ，１４ｂの流量が
不足する場合、スリーブ７の流路出口や入口の部位に羽
根等の加速手段を取り付け、流れを加速するようにすれ
ばよい。

【００１７】第２の実施の形態においては、電磁鋼板６
をスリーブ７に焼き嵌める構造をとっているが、電磁鋼
板６を直接、シャフト１に焼き嵌めるようにしてもよ
く、これによりシャフト１の剛性を上げることができ
る。この場合、電磁鋼板６を製作する段階で空気通路８
を打ち抜いておき、これを積層すればよい。

【００１８】次に、フィードバックのループによって振
動が収束するか発散するかについて、数式を示して説明
する。図６の構成において、軸受コイル３ｃに回転数に
同期した正弦波電流を印加すると、磁束密度の高い場所
はシャフト１に同期して回転し、渦電流損失が生じる場
所は或る特定の部分に集中する。渦電流損によってスリ
ーブ７が発熱すると、シャフト１は熱変形する。シャフ
ト１が変形すると不釣り合い振動が変化する。この時、
軸受コイルに印加する正弦波状電流（複素ベクトル表
示）から不釣り合い振動（複素ベクトル表示）までの伝
達関数は、（１）式で表される。

【数１】ーＡ exp（ｊψ）／（τｓ＋１） ここで、ψは正弦波状印加電流と不釣り合い振動の位相
差、τは熱変形の時定数、Ａは渦電流損による熱変形に
よって生じる不釣り合い量の度合いを表す定数で、Ａ＞
０である。一方、正弦波状印加電流によって発生する軸
受力を受けたシャフト１は、機械力学的に振動する。こ
の時、正弦波状印加電流から機械力学的に発生する振動
までの伝達関数は、次式で表される。

【数２】Ｂ exp（ｊΦ） ここで、φは印加電流と振動の位相差、Ｂは定数であ
る。（数２）の伝達関数は、熱伝達の場合と異なり、時
定数は考えなくて良い。

【００１９】次に、磁気軸受の制御系のフィードバック
ゲインをＫ exp（ｊθ）とおく。ここで、Ｋ（＞０）は
ゲインの大きさを示すゲイン定数であり、θは位相進み
量である。振動工学的に、減衰は速度フィードバックで
与えられることが知られているので、微分を意味すると
ころのθ＝９０°が振動抑制に有効に働く。なお、軸受
のばね剛性を増加させて危険速度をアップさせることに
より振動を抑制できる場合は、θ＝０°とするのが良
い。

【００２０】以上より、熱変形による振動増大のメカニ
ズムは図４のブロック線図で表される。即ち、軸受けコ
イルに電流Ｉを流すと、それによって発生する振動応答
は、（１）熱変形のダイナミックス要素１８を経由する
ものと、（２）ロータの機械力学的ダイナミックス要素
１９を経由するものがあり、軸受けの変位センサが測定
する振動応答は要素１９の応答から要素１８の応答をベ
クトル的に引き算したものになる。磁気軸受けのコント
ローラはセンサの測定信号Ｚを入力信号として、制御則
２１に基づく演算を行い、軸受けコイルに印加する電流
Ｉをネガティブフィードバックする。

【００２１】このフィードバック制御系の収束条件は、
次式で示される。

【数３】１＋２ＫＢ cos（θ＋φ）＋Ｋ² Ｂ²−ＫＡ｛
cos（θ＋ψ）＋ＫＢcos(ψ−φ）｝＞０ この（数３）から明らかなように、振動増大現象を防止
するには定数Ａを小さくすることが十分条件となる。結
局、振動増加を防止するには、電磁鋼板６になるべく渦
電流を発生させない、或いは、磁気軸受スリーブをなる
べく熱変形させないということが条件になる。渦電流の
発生を抑えるには、電磁鋼板６の材質、厚みを最適化す
ることで解決される。一方、磁気軸受スリーブを熱変形
させないためには、上記各実施の形態に示したように、
渦電流損に起因する電磁鋼板部の変形をシャフト側に伝
えないようにすればよい。なお、（数３）において、４
項目目の｛｝内が負になるときは、Ａの大きさによら
ず、渦電流によるシャフトの変形はその変形量を減らす
方向に作用する。この条件は、定性的には危険速度をち
ょうど通過したところの回転数域、即ち、ψ＝０、π／
２＜φ＜πとなるような場合に成立する。

【００２２】なお、図２の第２の実施の形態において
は、空気通路８を角形断面の形状にしたが、この形状に
限定されるものではなく、三角形、半円形、円形等の断
面形状にすることもできる。

【００２３】

【発明の効果】以上より明らかなように、本発明によれ
ば、スリーブの変形がシャフトに及ばないようにし、或
いは、スリーブ内に空気通路を通して冷却して熱変形が
生じ難くなるようにしたので、渦電流損失が原因のシャ
フト変形を防止することが可能になり、シャフトの変形
によって生ずる不釣り合い振動の発生を抑えることが可
能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る磁気軸受の第１の実施の形態の概
略構成を示す断面図である。

【図２】本発明に係る磁気軸受の第２の実施の形態の概
略構成を示す断面図である。

【図３】図２の磁気軸受を回転機器に実装した状態を示
す断面図である。

【図４】熱変形による振動増大のメカニズムを表すブロ
ック線図である。

【図５】制御形磁気軸受の一例を示すところの、シャフ
トに直角な面で切ったときの断面図である。

【図６】シャフトの熱変形の様子を示す図である。

【符号の説明】

１ シャフト ５，７ スリーブ ５ａ 膨出部 ５ｂ 空隙 ６ 電磁鋼板 ８ 空気通路 １０，１１ 磁気軸受スリーブ １３ａ，１３ｂ 通気孔 １４ａ，１４ｂ 冷却用空気

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁気軸受スリーブが、電磁石に対して磁
   気回路を形成する金属部材とこの金属部材を外周部に設
   けたスリーブとを備えて構成され、機器のシャフトに外
   嵌して固定された磁気軸受において、 前記スリーブは、前記シャフトに沿った方向の中間部の
   内径が他の部分の内径よりも小さい形状を有し、かつ前
   記中間部の内径部分のみによって前記シャフトに外嵌し
   て固定されることを特徴とする磁気軸受。
2. 【請求項２】 磁気軸受スリーブが、電磁石に対して磁
   気回路を形成する金属部材とこの金属部材を外周部に設
   けたスリーブとを備えて構成され、機器のシャフトに外
   嵌して固定される磁気軸受において、 前記スリーブは、シャフト軸方向に貫通する溝状の空気
   通路が円周方向に複数個設けられていることを特徴とす
   る磁気軸受。
3. 【請求項３】 前記スリーブは、前記空気通路の一端に
   該空気通路内を流れる空気流量を増大させるための加速
   手段を備えることを特徴とする請求項２記載の磁気軸
   受。