JPH1137155A - 磁気軸受およびその制御系 - Google Patents

磁気軸受およびその制御系

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JPH1137155A
JPH1137155A JP19464797A JP19464797A JPH1137155A JP H1137155 A JPH1137155 A JP H1137155A JP 19464797 A JP19464797 A JP 19464797A JP 19464797 A JP19464797 A JP 19464797A JP H1137155 A JPH1137155 A JP H1137155A
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magnetic
radial
magnetic disk
bearing
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Shuichi Seki
修一 関
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406Magnetic bearings
    • F16C32/044Active magnetic bearings
    • F16C32/0474Active magnetic bearings for rotary movement
    • F16C32/0476Active magnetic bearings for rotary movement with active support of one degree of freedom, e.g. axial magnetic bearings
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16C32/0474Active magnetic bearings for rotary movement
    • F16C32/0489Active magnetic bearings for rotary movement with active support of five degrees of freedom, e.g. two radial magnetic bearings combined with an axial bearing
    • F16C32/0491Active magnetic bearings for rotary movement with active support of five degrees of freedom, e.g. two radial magnetic bearings combined with an axial bearing with electromagnets acting in axial and radial direction, e.g. with conical magnets

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 スラスト荷重およびラジアル荷重の両方を安
定に支持できるとともに、軽量であり、かつ機械の小型
化を図ることができる磁気軸受を提供する。 【解決手段】 この磁気軸受は、ロータ1にこのロータ
1と同軸状態で固定され、かつ両側面のほぼ全域が外径
方向に向けて互いに接近するような傾斜面2a,2bと
なっている磁性体ディスク2と、磁性体ディスク2の両
側面側にそれぞれ配置され、かつこの両側面と対向して
磁性体ディスク2を吸引するための電磁石5,6をそれ
ぞれ有する一対のステータ3,4と、を備えている。磁
性体ディスク2の傾斜面2a,2bは、これに対向する
電磁石5,6より傾斜面2a,2bと直交する方向の吸
引力を受ける。この吸引力をロータ1の軸方向の分力と
径方向の分力とに分けることができ、軸方向の分力はロ
ータ1のスラスト軸受として機能し、径方向の分力はロ
ータ1のラジアル軸受として機能する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、大型ターボ機械、
特に航空用ガスタービンや宇宙関連機器等のロータを支
持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、メンテナンスフリーである
こと、機械的に全く無接触であって、摩耗がなく、機械
的寿命が無限であること、および潤滑油が一切不要なた
め(オイルフリー)、オイルポンプなどの潤滑回路に関
係する設備が不要であり、軽量でかつランニングコスト
が低く済むこと等の利点を有し、特に大型ターボ機械へ
の応用が試みられている。
【0003】ところで、一般に、例えば大型ターボ機械
等のロータは、スラスト荷重の他にラジアル荷重も受け
て、スラスト方向およびラジアル方向に不安定であり、
これらを安定に支持するために、後述する独立したスラ
スト磁気軸受およびラジアル軸受によりロータを支持す
る必要がある。ここで、スラスト磁気軸受およびラジア
ル軸受の概略構造について説明する。
【0004】図4(a)に示すスラスト磁気軸受につい
て、ロータ20には軟鉄製ディスク21が固定され、こ
のディスク21の両側面を、これと対向するように設け
られた電磁石22a,22bにより吸引し、ロータ20
を空中に浮かせる。図4(b)に示すラジアル磁気軸受
について、対向して配置される少なくとも一対の電磁石
24(一方の電磁石は不図示)によって作られる磁界
が、ロータ20の外周に固定された円筒状軟鉄積層板2
3を吸引することによって、ロータ20を空中に保持す
る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
に、例えば大型ターボ機械等のロータを支持するには、
互いに独立したスラスト磁気軸受およびラジアル磁気軸
受を使用しなければならないので、これら2種類の磁気
軸受の合計重量が嵩み、磁気軸受システム本来の軽量の
利点を十分には生かすことができず、特に、航空用ガス
タービンや宇宙関連機器等の軽量化が重要視される機械
への適用が不向きであるという問題点がある。また、独
立したスラストおよびラジアルの磁気軸受や、これら両
方の磁気軸受にそれぞれ制御系(制御回路)が必要なこ
とから、コストが増大する。さらに、2種の磁気軸受が
占める空間により、機械が大型化する。
【0006】本発明は、上記従来技術の有する問題点に
鑑みてなされたものであり、スラスト荷重およびラジア
ル荷重の両方を安定に支持できるとともに、軽量であ
り、さらに、コストが安くかつ機械の小型化を図ること
ができる磁気軸受を提供することを目的としている。ま
た、本発明の他の目的は、上記磁気軸受の制御系を提供
することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明は、磁気軸受において、ロータにこのロータと
同軸に固定され、かつ両側面の少なくとも一部が傾斜面
になっている磁性体ディスクと、前記磁性体ディスクの
前記両側面側にそれぞれ配置され、かつ前記傾斜面と対
向して前記磁性体ディスクを吸引するための磁石をそれ
ぞれ有する一対のステータと、を備えていることを特徴
とするものである。
【0008】また、本発明の磁気軸受の制御系は、請求
項1に記載の磁気軸受において、前記磁石は電磁石であ
り、前記ロータの軸方向および径方向の変位を検出する
ための変位センサと、前記変位センサからの情報をもと
に、前記電磁石へそれぞれ流すべき電流を変えてロータ
位置を制御するための制御回路と、を備えている。
【0009】本発明の請求項1の作用としては、磁性体
ディスクの傾斜した両側面は、これに対向する磁石より
それぞれ吸引力を受け、この吸引力の方向は前記磁性体
ディスクの傾斜面と直交する方向(すなわち、傾斜面の
法線の方向)である。この吸引力をロータの軸方向の分
力と径方向の分力とに分けることができ、軸方向の分力
はロータのスラスト軸受として機能し、径方向の分力は
ロータのラジアル軸受として機能する。また、磁性体デ
ィスクの側面の傾斜角度により、軸方向の分力と径方向
の分力との割り合いを変えることができる。請求項2の
作用としては、変位センサからの情報を基に、一対の電
磁石に流すべき電流をそれぞれ制御することにより、ロ
ータの軸方向および径方向位置並びにロータの振動特性
をコントロールできる。
【0010】
【発明の実施の形態】次に、本発明の一実施形態につい
て図面を参照して説明する。図1の(a)は本発明の磁
気軸受の一実施形態の縦断面図、(b)は破断した斜視
図であり、制御系をも示している。
【0011】先ず、図1(a)および(b)に示すよう
に、ガスタービン等のロータ(シャフトや回転軸ともい
う)1には、例えば軟鉄製の磁性体ディスク2が同軸に
固定されている。この磁性体ディスク2の両側面の大部
分は、外径方向に向けて接近するような傾斜面2a,2
bとなっている。傾斜面2a,2bの傾斜角度は符号θ
で示されている。また、磁性体ディスク2の内周部の両
側面2c,2dは鉛直面になっており、磁性体ディスク
2の外周面2eは水平面となっている。磁性体ディスク
2の両側面側には、電磁石5,6をそれぞれ内蔵するス
テータ3,4が配置されている。ステータ3,4の内側
面は、磁性体ディスク2の傾斜面2a,2bと平行な傾
斜面3b,4bになっており、また、電磁石5,6は磁
性体ディスク2の両傾斜面2a,2bに対向している。
なお、ステータ3,4の各外周面3a,4aは筒状の軸
受カバー(軸受外装)7の内周面に固定されている。
【0012】図2に示すように、磁性体ディスク2の両
傾斜面2a,2bは、これに対向する電磁石5,6(図
1参照)よりそれぞれ吸引力Pを受け、この吸引力Pの
方向は磁性体ディスク2の傾斜面2a,2bと直交する
方向(すなわち、傾斜面2a,2bの法線の方向)であ
る。この吸引力Pをロータ1の軸方向の分力P1(P・
sinθ)と径方向の分力P2(P・cosθ)とに分
けることができ、軸方向の分力P1はロータ1のスラス
ト軸受として機能し、径方向の分力P2はロータ1のラ
ジアル軸受として機能する。
【0013】次に、磁気軸受の制御系については、図1
(b)に示すように、符号11はロータ1の軸方向およ
び径方向の変位を検出するための変位センサを示してい
る。信号処理系8は、変位センサ11の検出値と基準信
号とを比較し、その差は信号処理されて、2個の電磁石
5,6にそれぞれいくらの電流を流したらよいかが決め
られた後、2つに別れてパワーアンプ10a,10bで
増幅され、電磁石5,6が駆動される。これにより、ロ
ータ1の軸方向および径方向の位置をコントロールする
ことができる。なお、信号処理系8やパワーアンプ10
a,10b等により制御回路が構成されている。
【0014】以上のように、本実施形態の磁気軸受は、
スラスト方向およびラジアル方向の両方向の軸受として
機能するので、従来のような独立したスラスト方向およ
びラジアル方向の2種の軸受を使用するものと比較し
て、磁気軸受本来の軽量の利点を十分に生かすことがで
き、特に、航空用ガスタービンや宇宙関連機器等の軽量
化が重要視される機械に対して好適である。
【0015】また、制御系(図1(b)参照)も1つで
済むので、コストが低減する。さらに、磁気軸受が占め
る空間が低減するので、機械の小型化を図ることができ
る。そして、磁性体ディスク2の両傾斜面2a,2bの
傾斜角度θにより、電磁石5,6による吸引力Pの軸方
向分力P1と径方向分力P2との割り合いを変えることが
できる。さらに加えて、変位センサ11からの情報を基
に、一対の電磁石5,6に流すべき電流をそれぞれ制御
することにより、ロータ1の軸方向および径方向位置を
容易にコントロールできる。
【0016】図3は本発明の磁気軸受の変形例の縦断面
図である。図1に示した磁気軸受の磁性体ディスクの両
傾斜面は外径方向に向けて接近するような傾斜面となっ
ていたが、図3の磁気軸受では、磁性体ディスク12の
大部分の両側面は外径方向に向けて離れるような傾斜面
12a,12bとなっており、これに対応して、ステー
タ13,14の内側面は磁性体ディスク12の両傾斜面
12a,12bと平行な傾斜面13b,14bとなって
いる。なお、符号15,16は、ステータ13,14に
それぞれ内蔵されて、磁性体ディスク12の両傾斜面1
2a,12bとそれぞれ対向する電磁石を示している。
【0017】上記実施形態では、電磁石を使用した能動
型磁気軸受を示したが、これに限らず、永久磁石を使用
した受動型磁気軸受や、永久磁石および電磁石を使用し
たハイブリッド型磁気軸受でもよい。
【0018】
【発明の効果】本発明は、以上説明したとおりに構成さ
れているので、以下に記載するような効果を奏する。請
求項1に記載の発明は、磁性体ディスクの傾斜した両側
面は、これに対向する磁石よりそれぞれ吸引力を受け、
この吸引力の方向は前記磁性体ディスクの傾斜面と直交
する方向(すなわち、傾斜面の法線の方向)である。こ
の吸引力をロータの軸方向の分力と径方向の分力とに分
けることができ、軸方向の分力はロータのスラスト軸受
として機能し、径方向の分力はロータのラジアル軸受と
して機能する。このように、本発明の磁気軸受は、スラ
スト方向およびラジアル方向の両方向の軸受として機能
するので、従来のような独立したスラスト方向およびラ
ジアル方向の2種の軸受を使用するものと比較して、磁
気軸受本来の軽量の利点を十分に生かすことができ、特
に、航空用ガスタービンや宇宙関連機器等の軽量化が重
要視される機械に対して好適である。また、磁気軸受が
占める空間が低減するので、機械の小型化を図ることが
できる。さらに、磁性体ディスクの側面の傾斜角度によ
り、軸方向の分力と径方向の分力の割り合いを変えるこ
とができる。
【0019】請求項2の発明は、上記効果の他、変位セ
ンサからの情報を基に、一対の電磁石に流すべき電流を
それぞれ制御することにより、ロータの位置および振動
をコントロールできる。また、制御系も1つで済むの
で、コストが低減する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 (a)は本発明の磁気軸受の一実施形態の縦
断面図、(b)は破断した斜視図であり、制御系をも示
している。
【図2】 電磁石による吸引力を、ロータの軸方向分力
と径方向分力とに分解した状態を示す図である。
【図3】 本発明の磁気軸受の変形例を示す縦断面図で
ある。
【図4】 (a)は従来のスラスト磁気軸受の要部縦断
面図、(b)は従来のラジアル磁気軸受の要部縦断面図
である。
【符号の説明】
θ 傾斜角度 1 ロータ 2,12 磁性体ディスク 2a,2b,12a,12b ディスクの傾斜面 2c,2d 内周部の側面 2e ディスクの外周面 3,4,13,14 ステータ 3a,4a ステータの外周面 3b,4b,13b,14b ステータの傾斜面 5,6,15,16 電磁石 7 軸受カバー 8 信号処理系 10a,10b パワーアンプ 11 変位センサ

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 磁気軸受において、 ロータにこのロータと同軸に固定され、かつ両側面の少
    なくとも一部が傾斜面になっている磁性体ディスクと、 前記磁性体ディスクの前記両側面側にそれぞれ配置さ
    れ、かつ前記傾斜面と対向して前記磁性体ディスクを吸
    引するための磁石をそれぞれ有する一対のステータと、
    を備えていることを特徴とする磁気軸受。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の磁気軸受において、 前記磁石は電磁石であり、 前記ロータの軸方向および径方向の変位を検出するため
    の変位センサと、 前記変位センサからの情報をもとに、前記電磁石へそれ
    ぞれ流すべき電流を変えてロータ位置を制御するための
    制御回路と、を備えている磁気軸受の制御系。
JP19464797A 1997-07-18 1997-07-18 磁気軸受およびその制御系 Withdrawn JPH1137155A (ja)

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Effective date: 20041005