JPS5854285B2 - 五軸制御型磁気軸受 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、永久磁石の吸引力と電磁コイルの制御吸引力
との相互作用により、ステータ部に対しロータ部を非接
触で支持すると共に、特に全方向に対しロータ部の微少
な姿勢制御を可能とする玉軸制御型磁気軸受に関するも
のである。

磁気軸受とは回転している物体を支持する力として、磁
気力を利用する軸受である。

この磁気軸受は、摩擦・疲労による寿命の匍以がないこ
と、摩擦トルクが極めて小さいこと、真空・高温・低温
等の特殊な環境に対する適合性が優れている等の著しい
特色があるために近年盛んに研究されている。

そしてこの用途としては例えば遠心分離器、真空ポンプ
、ジャイロ、精密測定器、人工衛星用制御機器等の使用
が有望視されている。

既に発表されている磁気軸受としては、軸方向或いは水
平二方向の姿勢制御する所謂−軸又は二軸制御であり、
残りの自由度は受動安定なので振動や振れ廻りが生じ易
く軸受の剛性が小さい。

又、所謂玉軸制御型の回転軸方向、それと直交する２軸
方向、及びその２軸まわりの傾き２方向の五方向を制御
する磁気軸受も知られてはいるが、永久磁石を使用しな
い電磁石制御なので電力損失が大きい欠点がある。

更には従来の磁気ｒは各制御軸ごとに永久磁石を使う場
合が多く、その構造が極めて複雑となる欠点がある。

ここに於いて本発明の目的は、上述の欠点を解消すると
共に、２個の永久磁石を使用して所謂玉軸制御を行ない
、制御し易い磁界変調型の玉軸制御型磁気軸受を提供す
ることにあり、その内容は非接触で相対的に回転し得る
ロータ部とステータ部とから成り、ロータ部又はステー
タ部又は両者に軸方向に着磁した２個の円筒形と等価の
第１、第２の永久磁石を設け、ロータ部とステータ部の
ヨーク間に、前記第１及び第２０永久磁石の磁束が分岐
して軸方向に相互に逆方向に通過する第１及び第２の空
隙磁路を形成し、ステータ部に設けた第１の電磁コイル
により発生する磁束が、前記第１、第２の空隙磁路を直
列に通過するようにし、ロータ部とステータ部の軸方向
両端部には、ステータヨークをロータヨークがそれぞれ
円周状に囲み、これらの前に前記第１の永久磁石、第２
の永久磁石の磁束がそれぞれ半径方向に通過する第３、
第４の空隙磁路を形成し、ステータ部の軸方向両端部の
ステータヨークは放射状に少なくとも３個にほぼ分割し
、それぞれ少なくとも２組ずつの電磁コイルを巻回し、
これらの電磁コイルにより発する磁束がそれぞれ第３、
第４の空隙磁路を通過させるようにすると共に、軸方向
、ロータ部軸方向両端部のそれぞれの軸方向と直交する
対称２方向の計５方向の位置を検出するためのロータ部
周囲に少なくとも５個の位置検出器を配置し、各位置検
出器の出力を基に対応する電磁コイルに供給する電流を
制御するようにしたことを特徴とするものである。

本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

尚、説明の便宜上、軸方向を２軸、このＺ軸に直交する
２方向をＸ軸、Ｙ軸として説明する。

第１図は本発明に係る磁気軸受の縦断面図であり、第２
図は第１図の■−■線に沿った断面図である。

この磁気軸受はロータ部１とステータ部２とから成り、
ロータ部１はステータ部２の周囲をステータ部２の回転
軸３を中心に回転するようになっている。

ロータ部１の上下対称の中心部には、磁性体から成る円
環状の第１のロータヨーク４が設けられ、その周囲は上
下に端部５，６を有する短円筒状となっている。

この第１のロータヨーク４０周縁部の上下には、軸方向
に着磁された円筒状の第１、第２の永久磁石７，８が接
続されており、各々の上端部及び下端部には円環状の磁
性体から成る第２、第３のロータヨーク９，１０が配置
されている。

第１、第２の永久磁石７，８の極性は、第１のロータヨ
ーク４に接する端部同士を例えば南極Ｓの同極性とし、
第２、第３のロータヨーク９，１０に接する端部同士を
北極Ｎとしている。

一方、ステータ部２には回転軸３を中心に第１のステー
タヨーク１５が設けられ、その中央部には前述の第１の
ロータヨーク４の端部５，６との間に第１、第２の空隙
磁路１６，１７が形成する端部ｉａ、ｉｓを有する開口
部が設けられている。

又、この第１のステータヨーク１５、第１、第２の空隙
磁路１６．１７、第１のロータヨーク４から成る磁気回
路に磁束を通過させるための第１の電磁コイル２０が第
１のステータヨーク１５に巻回されている。

この第１のステータヨーク１５の上下端には、ステータ
ヨーク１５と磁気的に接続する第２、第３のステータヨ
ーク２１゜２２が設けられており、これらのステータヨ
ーク２１．２２は、前述の第２、第３のロータヨーク９
．１００内周部との間に円環状の第３、第４の空隙磁路
２３，２４が形成されている。

第２、第３のステータヨーク２１，２２には第２図に示
すようにその中心部に向う４個の切込み２５，２６゜２
７．２８が等間隔に設けられており、ステータヨーク２
１，２２は４個に分割されている（ただし、第３のステ
ータヨークの切込み、分割部については図示を省略）。

又、これらの分割部２９゜３０．３１，３２にはそれぞ
れ４個の電磁コイル３３．３４，３５．３６が巻回され
ている。

これらの電磁コイルは対向する電磁コイル同士即ち３３
．３５及び３４，３６が直列的又は並列的に接続され、
第２のステータヨーク２１に於いては、電磁コイルによ
る２種類の電磁回路が存在することになり、上下都合せ
て４種類の電流をこれらの電磁コイルに独立的に流すこ
とができるようになっている。

尚、実施例に於いては、第２、第３のロータヨーク９，
１０、及び第２、第３のステータヨーク２１．２２は、
例えば電磁鋼板等から成る積層板を使用して高速回転時
の渦電流の損失を少なくするようになっている。

又、この磁気軸受には５個の位置検出器、即ちロータ部
１の軸方向の位置を検出するための第１の位置検出器４
１゜ロータ部１の上部のＸ軸、Ｙ軸それぞれの方向の位
置を検出するための第２、第３の位置検出器４２．４３
、ロータ部２の下部のＸ軸、Ｙ軸それぞれの位置を検出
する第４、第５の位置検出器４４．４５（但し４５は図
示せず）がロータ部１の周囲に配置されている。

これらの位置検出器（５個）はそれぞれ図示しない制御
回路に接続され、この制御回路からの制御信号が各電磁
コイルに流れるようになっている、即ち、第１の電磁コ
イル２０には第１の位置検出器４１の出力に基づく電力
が供給され第２のステータヨーク２１０２種類のコイル
には第２、第３の位置検出器４２゜４３がそれぞれ対応
しており、第３のステータヨ−ク２２の電磁コイルには
第４、第５の位置検出器４４，４５がそれぞれ対応して
制御電流を供給するように構成されている。

又、４５．４６は緊急用のベアリングであり、ロータ部
１のケーシング４７又は４８が停止時又は緊急時に接触
し得るようになっている。

本発明の実施例は上述の構成を有するので、第１の永久
磁石７により発生する磁束φ□は北極Ｎから発し、第２
のロータヨーク９、第３の空隙磁路２３、第２のステー
タヨーク２１を経由し、第１のステータヨーク１５の開
口部の端部１８及び１９から第１の空隙磁路１６及び第
２の空隙磁路１７を通過して第１のロータヨーク４に達
し第１の永久磁石７の南極Ｓに戻る。

又、第２の永久磁石８を基に発生する磁束φ２は前述の
磁束φ１の通路と上下対称に流れることになり、電磁コ
イル２０の内側を流れる磁束は相殺して流れない。

尚、永久磁石７，８の極性を逆にすれば磁束φ１．φ２
は逆の順序で流れることは勿論である。

今ここで、第１の電磁コイル２０に電流が供給されてい
ない場合を考えてみると、第１、第２の空隙磁路１６゜
１７には磁束φ１．φ２によりそれぞれ軸方向に互いに
吸引する吸引力を作用することになる。

そして第１及び第２の空隙磁路１６．１７に作用する吸
引力はほぼ相殺されロータ部１とステータ部２０間に中
立位置が存在することになる。

然しなから実際にはロータ部１の自重等によりそのまま
ではこの中立位置が保持されることは極めて困難であり
、例えばロータ部１は下方に移動し、第１の空隙磁路１
６が開き、第２の空隙磁路１７が狭くなる。

すると第１の空隙磁路１６では磁気抵抗が犬となり、磁
束φ１もφ２も減少し、逆に第２の空隙磁路１７では磁
束φ１もφ２も増大して、ロータ部１が下方に移行する
傾向は更に犬となる。

そこで軸方向位置を検出する第１の位置検出器４１によ
りロータ部１の軸方向変位を検出して軸方向制御回路に
出力することにより、第１の電磁コイル２０に電流が供
給され、前述の場合で言えば、第１の空隙磁路１６から
第２の空隙磁路１７方向に向う点線で示す磁束φ３を発
生させる。

かくすることにより、第１の空隙磁路１６の吸引力を強
め、第２の空隙磁路１７の吸引力を弱めることになるの
で第１の空隙磁路１５の間隔を狭くし、第２の空隙磁路
１７の間隔を開くようにロータ部１が軸方向に移動する
ことになる。

このようにしてロータ部１の軸方向位置を第１の位置検
出器４１で検出しながら、軸方向制御回路により第１の
電磁コイル２０に供給する電流を調整することになり、
ロータ部１は軸方向の所定位置でステータ部２に対して
非接触状態で安定することになる。

又、ロータ部１及びステータ部２の第３！磁路２３では
、前述の第１の永久磁石７による磁束φ１が外側の第２
のロータヨーク９から内側の第２のステータヨーク２１
に流れ込んでいる。

今、第２図に於いてロータ部１がＸ軸の左側方向に変位
したとすると、第３の空隙磁路２３のうち右側が狭くな
り、左側が広くなることになり、狭くなった空隙磁路部
分に磁束φ１が集中し吸引力が強まり、益々狭くなるよ
うにロータ部１の変位を助長することになる。

そこで第２０位置検出器４２により変位を検出し、Ｘ軸
方向に位置する電磁コイル３４及び３６に電流を供給し
、点線で示すように、第２のステータヨーク２１を左側
から右側に通過して第２のロータヨーク９に流れ、ロー
タヨーク９を廻り込んで再び左側に戻ってくるような磁
束φ４を発生させることにより、狭くなった部分の吸引
力を弱め、広がった部分の吸引力を強くすることにより
ロータ部１を元の中立位置に戻すことが可能となる。

又、第１のロータヨークがＹ軸方向に変位した場合も同
様であり、更には第３のロータヨーク１０がＸ軸又はＹ
軸方向に変位した場合でも、同様に第４又は第５の位置
検出器４４．４５を用いて行なうことができる。

これらの制御は単にロータ部１を中立位置に戻すだけで
はなく、意識的に一方に片寄らせることもできる。

従ってロータ部１の上下の位置制御をそれぞれ独立的に
行ない、第２又は第３のロータヨーク９，１０を片寄ら
せることによってロータ部１をステータ部２に対して傾
斜させることが可能となる。

従って本発明に係る磁気軸受では、軸方向、水平２方向
、傾斜２方向の玉軸制御が実現でき、これらの制御は人
工衛星等の姿勢制御に極虻だ有利である。

実施例に於いては磁束φ１．φ２を発生する永久磁石を
ロータ部１に介在させたが、必ずしもこれらはロータ部
１ではなくステータ部２に配置しても支障はなく、更に
はロータ部１とステータ部２の双方に設けることも可能
である。

又、第２、第３のステータヨーク２Ｌ２２は半径方向に
４個に分割したが、これらは３個以上に分割すれば制御
が可能であり、電磁コイルはこの分割部の全てに巻回す
るのではなく２個以上に巻回すれば理論的に制御ができ
る。

以上説明したように本発明に係る磁気軸受は、５個の位
置検出器を用いて玉軸制御を可能としたものであり、次
に挙げるような長所を有する。

（１）玉軸制御型なので振動、振れ廻りが小さく、制御
をしない受動安定軸を有するものよりも軸受剛性が太き
い。

（２）磁界変調型なので制御が容易であり電力消費量が
小さい。

（３）使用する永久磁石は軸方向着磁型なので永久磁石
の製作が容易となる。

（４）２個の永久磁石を玉軸制御に共通に用いているの
で、永久磁石の使用数が少なく構造が簡単となる。

（５）全ゆる方向の微少な首振り制御所謂ジンバリング
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明に係る磁気軸受の一実施例を示すものであ
り、第１図はその縦断面図、第２図は第１図に於げる■
−■線に沿った断面図である。 符号１はロータ部、２はステータ部、４，９゜１０はロ
ータヨーク、７，８は永久磁石、１６゜１７．２３，２
４は空隙磁路、１５，２１，２２はステータヨーク、２
０，３３，３４，３５゜３６は電磁コイル、４１．４２
．４３，４４は位置検出器である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 非接触で相対的に回転し得るロータ部とステータ部
   とから成り、ロータ部又はステータ部又は両者に軸方向
   に着磁した２個の円筒形と等価の第１、第２０永久磁石
   を設け、ロータ部とステータ部のヨーク間に、前記第１
   及び第２の永久磁石の磁束が分岐して軸方向に相互に逆
   方向に通過する第１及び第２の空隙磁路を形成し、ステ
   ータ部に設けた第１の電磁コイルにより発生する磁束が
   前記第１、第２の空隙磁路を直列に通過するようにし、
   ロータ部とステータ部の軸方向両端部には、ステータヨ
   ークをロータヨークがそれぞれ円周状に囲み、これらの
   間に前記第１の永久磁石、第２の永久磁石の磁束がそれ
   ぞれ半径方向に通過する第３、第４の空隙磁路を形成し
   、ステータ部の軸方向両端部のステータヨークは放射状
   に少なくとも３個にほぼ分割し、それぞれ少なくとも２
   組ずつの電磁コイルを巻回し、これらの電磁コイルによ
   り発生する磁束がそれぞれ第３、第４の空隙磁路な通過
   させるようにすると共に、軸方向、ロータ部軸方向両端
   部のそれぞれの軸方向と直交する対称２方向の計５方向
   の位置を検出するためにロータ部周囲に少なくとも５個
   の位置検出器を配置し、各位置検出器の出力を基に対応
   する電磁コイルに供給する電流を制御するようにしたこ
   とを特徴とする玉軸制御型磁気軸受。