JPS5936402B2 - 電磁石 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、少くとも２つの磁極片を有するヨークを備え
、該ヨークは励磁電流の流れる励磁コイル系により励磁
されて磁化され、さらに該磁極片の間に設けられこの磁
極片に対して相対的に可動である磁気材料から成る可動
子を備え、さらに電流源から給電される。

可動子の磁気支承用コイル系を備えている、複数個の給
電電源を有する電磁石に関する。この場合可動子には、
必要に応じて巻線を設けることができる。始めに、本発
明の理解を容易にするために、第１図〜第４図を参照し
ながら本発明の先行技術について説明する。

１は磁気材料から成るヨーク（その形は公知の種々の形
のものを取ることができる）である。

電磁石は公知のように励磁コイル２ないし励磁一コイル
系を有し、またヨーク内に磁界を発生させるために、上
述のコイル系を介して電源３が電磁電流を供給している
。励磁一コイル系および電源は共働して励磁系を形成す
る。公知のように、ヨーク１は磁極片４、５を有する。

第２図は、上述のコイル系において発生する磁界を示し
ている。図かられかる通り、ヨークの励磁コイル系が発
生した磁界は、一方の磁極片から出て、磁力線２５の形
で第２の磁極片へ入るようになつている。磁力線の矢印
は磁力線の方向を示す。磁極片間に磁気可動子６が配置
され、この可動子は公知のように磁気材料、例えば鉄か
ら成るが、電動機のように電機子を有することもある。
可動子は移動し、励磁系の磁束２５を流すようにしてい
る。可動子へ入る磁束、ならびに可動子から出る磁束も
可動子へ作用している。Ｂは磁極片と可動子との間の間
隙に発生する磁束密度とすれば、可動子へ作用する磁力
は次式に比例する。この磁力は可動子の面積部分Ｆへ作
用し、また隣接する磁極片から出る磁束が可動子表面へ
入つたり、またはそこから出たりする。ＤＦは表面Ｆの
面積要素である。電源が多相電源、例えば３相電源系と
すれば、電磁石の構造において公知のよ−）＆ζヨーク
１は第３図の示す３つの磁極片を支持し、また３つの電
源３ａ〜３ｃから給電される３つのコイルないしコイル
系２ａ〜２ｃを有する。

さらに３相電源系を励磁電源とする場合、第４図に示す
ような電磁石が公知である。

この電磁石では、ヨーク２０が多数の磁極片２８と６つ
のコイル系３０を有し、隣接する磁極片の磁束はその大
きさおよび位相が異なつている。なぜなら、６つのコイ
ル系３０は、各々が別個の電源と接続されているのでは
なく、向い合う２つのコイル系ごとに３相電源の１つの
相が加えられるからである。第４図に示す装置は、巻線
の巻回された固定子２０と回転子２６を有する電動機と
することができる。駆動時において、可動子を駆動する
ための励磁系の磁力のほかに、さらに可動子を磁気的に
支承するための第２の磁力ないし付加磁力を可動子に作
用させる必要がある。

例えば電動機の場合、励磁系により発生される。回転子
を駆動させる回転磁界のほかに、回転子を支承するため
即ち回転子軸のセンタリングのための第２の磁力の発生
が必要とされる。この場合、可動子を支承するための付
加磁力は、１つまたは複数の磁極片から可動子へ貫入す
る磁界によつて生み出される。この磁界は、付加電流（
以下磁気支承電流と称する）により発生する。そして付
加電流は、付加コイル系の中で付加電源（以下磁気支承
電源と称する）により発生する。このような磁気支承コ
イル系は、前述の公知の第３図、第４図に示した回転な
いし可動子の磁気支承装置に用いられる。この場合、可
動子を回転ないし直線運動させるための駆動力は励磁コ
イル系３０，３により発生するが、可動子の位置を決定
しその位置を安定化するには、さらに可動子を支承する
力が必要である。第２の磁気力発生は第２電磁石によつ
て発生し、例えば回転子の場合駆動系と別個の磁気軸受
によつて発生することは公知である。

しかしこれは比較的出費が高くつく。ドイツ連邦共和国
特許公開公報第２１１４０４０号に記載したように、磁
気軸受回転子の場合磁気軸受の安定化装置の電磁部材は
多相交流を使用できるように構成され、それによつてヒ
ステリシスモータまたは渦電流モータ方式の回転子を駆
動することができる。

前述のドイツ連邦共和国特許公開公報第２１１４０４０
号はこれらの課題を解決するための方法を提案していな
い。むしろこの公開公報は磁気軸受を安定化する電源と
、駆動多層電源との電流回路の遮断のための公知の方法
を提供したものである。さらに拡声器の技術から、同一
の励磁コイルへ多数の周波数の電流を供給することによ
つて、磁気ダイヤフラムを磁力で多数の周波数の振動に
励振させることも知られている。

複数の磁界の重畳により磁力を発生させる場合には、次
のような問題が生じる。

即ち、磁極片から可動子へ入る磁束の磁束密度Ｂが、複
数の相異なる磁束密度の和になるのである。従つて、例
えば回転電磁石系では、回転子を駆動する接線方向磁力
成分の他に、回転子の位置決めおよびセンタリングのた
めの半径方向磁力成分を必要とする。一般的にこの２つ
の磁力成分は相互依存の関係にある。つまり、センタリ
ング系なιルセンタリングコイルへの電流が変化すると
、半径方向の磁力成分だけでなく、回転子駆動用の接線
方向磁力成分も変化する。以上の事実を明瞭にするため
、第１図、第２図を参照しながら２コイル系の重畳磁界
について説明する。

第１図、第２図から分る通り、ヨーク１の磁極片４の端
面は、２つの分割磁極片なιル分割磁極面Ｔ，８に分割
され、両者は間隙９により隔てられている。

分割磁極片８には磁気支承コイル１０が巻回され、それ
は磁気支承電源１１から給電される回磁気支承コイル１
０は、磁力線４０，４１を伴う磁界を発生する。この磁
界は、励磁電源３および励磁コイル２の発生した、磁力
線２５を伴う磁界と重畳する。従つて、合計の磁束密度
Ｂは、部分磁束密度Ｂ，，Ｂ２の和から形成される。従
つて次式が成立する。この場合、Ｂ１が励磁系により発
生した磁束、Ｂ２は磁気支承系の発生した磁束である。

この時、式（ハから、可動子に作用する磁力Ｋは次式で
表わされる。従つて、磁力Ｋは３つの磁力Ｋｌ，Ｋ２，
Ｋ３の和である。

そのうち、第１の磁力Ｋ１（第１部分磁力）は励磁系が
発生する磁力であり、第３の磁力Ｋ３（第３部分磁力）
は磁気支承系が発生する磁力である。第２の磁力Ｋ２（
第２部分磁力）は、２つの磁束Ｂｌ，Ｂ２が同時に存在
し、しかも励磁系と磁気支承系が不所望かつ有害な結合
をしている時に、発生する。

従つて、第１の磁力Ｋ，により回転子を駆動している時
には、磁気支承用の第３の磁力Ｋ３に、磁束Ｂ，のため
に駆動周波数を有する第２の磁力Ｋ２が加算される。そ
のため、磁気支承軸に振動が生じたり、あるいは、磁極
片と可動子との間隔が非常に小さい時には、磁気支承自
体が不可能になる。磁力の非直線的関係をバイアス磁化
によつて回避することは公知である。

その際Ｂ１は時間的に一定の磁束であり、この磁束はＢ
２よりも著しく大きい。式（３）において第３の磁力Ｋ
３は第２の磁力Ｋ２よりも小さく、実際には作用しない
。その際第２の磁力Ｋ２は一定の磁束Ｂ，のほかに線形
結合の磁束密度Ｂ２における時間に依存する磁束を有し
、その結果磁束密度Ｂ２の全部分は相互に無関係に作用
することができる。このようなバイアス磁化は付加出費
を意味する。

可動子の可動の際バイアス磁化は渦電流を可動子内に発
生させ、それによつてエネルギを消費し、可動子は加熱
される。可動子と磁極片との間の間隔が小さい場合可動
子の熱膨張は許容できない。本発明の課題は、上述の第
２の磁力Ｋ２の影響をほとんど受けず、従つて第１の磁
力Ｋ１と第３の磁力Ｋ３たけが作用するように、磁極片
および磁気支承系を構成することである。この課題は次
のようにして解決される。

すなわち、１つまたは複数個の磁極片の端面を少くとも
２つの分割磁極面にそれぞれ分割し、この分割により形
成される間隙に磁気支承コイル系の電流導線を少くとも
１本配置するようにし、該電流導線を少くとも２つの分
割磁極面の磁極片に巻回し、さらに磁気支承用の電流源
の電流により前記少くとも２つの磁極片のうちの１つの
磁極片の１つまた（ま．複数個の分割磁極面に現われる
磁束が、前記磁極片の前記１つまたは複数個の分割磁極
面以外の分割磁極面に現れる磁束と、大きさがほぼ等し
く方向が相互に反対であるようにしたのである。本発明
の有利な実施例において分割磁極面、分割磁極面間の間
隙および間隙内に走行する導線は次のように構成される
。すなわち当該の磁極片から可動子へ作用する磁力は部
分磁力の和であり、各部分磁力は関与する電源の一方に
依存し、他方の電源に依存しない。次に本発明の実施例
について説明する。

第５図は本発明による電磁石の第１の実施例を示してい
る。

この実施例および第１図に示した公知例のような簡単な
実施例では、ただ１つの磁気支承電源１１が設けられ、
その電流は、分割磁極面ないし分割面７，８の間の間隙
９に配置された導線を流れる。この導線によつて、第１
図では１つの磁気支承コイルないし磁気支承コイル系が
形成され、それは磁気支承電源１１から給電される。こ
れに対して、第５図に示した本発明の実施例では、導線
が２つの分割面７，８にそれぞれ巻回され、２つの磁気
支承コイル１４，１５が形成される。この場合、両コイ
ルの巻線数は同じであり、その巻回方向が逆となつてい
る。２つのコイル１４，１５は直列に接続され、磁気支
承電源１１から給電される。

従つてこの場合には、２つの分割面Ｔ，８、間隙９およ
び２つの磁気支承コイル１４，１５から磁気支承コイル
系が形成される。第５図の実施例でも、第１図の公知例
と同じく、ヨーク１は励磁電源３および励磁コイル２に
よつて励磁される。次に前述の本発明の実施例を式を用
いて説明する。

式を簡単にするために、可動子と磁極片との間の間隙が
非常に小さく、磁極片の全端面に対して同じ大きさであ
ると仮定する。その際磁界は均一で、Ｂ１は定数である
。

式（３）の第２の磁力Ｋ２は次式に比例する。換言すれ
ば全磁束φ２に比例し、この全磁界方向を考慮して磁気
支承電源１１により発生する。

その際φ２＝０は所要条件であり、そこではＢ１および
Ｂ２の作用は相互に無関係である。磁極片が２つの分割
面７，８に分割され、また磁気支承電源１１により発生
する磁界が各分割面に対して均一である場合、第２磁力
Ｋ２は次式に比例する。

その際Ｆ１は一方の磁束方向を有する分割面であり、Ｆ
２は他方の磁束方向を有する分割面である。

Ｆ２ｌは磁気支承電源により発生する分割面Ｆ１の磁束
密度である。Ｂ２２は分割面Ｆ２の相応する磁束密度で
ある。φ２，は磁気支承電源により発生し分割面Ｆ１を
流れる磁束であり、またφ２２は分割面Ｆ２を流れる磁
束である。第２図の公知例に見るように、一般にはφ２
，／；−’φ２，である。

この場合にはＫ２〆ｏとなる。しかし、φ２，一φ２２
の等式が成立すれば、第２の磁力Ｋ，は消失し、ゼロに
なる。このことは、第５図に示した２つの磁気支承コイ
ル１４，１５によつて実現される。先にも述べた通り、
第５図の本発明による実施例では、２つの分割面ないし
分割磁極片Ｔ，８のそれぞれに磁気支承コイル１４，１
５が巻回されている。両コイルには、同数の巻，線が相
互に逆向きに巻回され、両者は直列に接続されている。
従つて分割磁極片７，８に生じる磁界５０，５１は、そ
の磁束密度は等しいが、方向は逆になる。つまりφ２１
＝φ２２となる。そのため両者は相殺され、次式が成立
する。ただしこの場合に両コイルを並列接続することも
できる。

磁極片が直線方向に走行する間隙によつて同一に成形さ
れた分割面に分割され、また分割面を中筒単な構造が得
られる。

両コイルが直列ないし並列に接続され、従つて等しい磁
気支承電流が供給される場合、２つの同じ部分磁束φ２
，，φ２２も発生する。この場合磁極片の端面および可
動子の対向する面は１つの面に存在するものでもなく、
磁極片と可動子との間の間隔が同じでもない。このこと
は磁極片と可動子が直線状の間隙に対して対称に構成さ
れた場合達成される。第６図はこの種の磁極片を分割面
７，８および間隙で示す。磁極片を多数の分割面に分割
の際各分割面から発生する力は可動子へ作用し、そこに
おいて当該の磁束が可動子に加わる。従つて各分割面の
磁力は可動子上に他の分割面の力とは異なる作用点を有
する。各分割面と可動子との間に式（３）に記載した３
つの磁力Ｋｌ，Ｋ２，Ｋ３が存在する。第２の磁力Ｋ２
（本発明によれば磁極片全体に対する和としてのみ補償
される）は個々の分割面に対して部分磁力として存在し
、Ｂ２の符号が異なるのは相応して方向が異なる。以下
、このような第２の磁力Ｋ２の部分磁力を第２種の部分
磁力と称する。第２種の部分磁力によつて可動子に作用
する回転モーメントが発生する。回転モーメントは可動
子の運動に屡々好ましくない影響を与える。本発明の有
利な実施例において、磁気支承系により可動子へ作用す
る回転モーメントは相互に打消されるように分割面およ
び磁気支承コイル系が形成される。

この種の装置は１個の磁気支承電源のみを有する磁極片
であり、その端面は３分割され、その際２つの分割面は
磁気支承系から発生する同一方向の磁束密度を有し、ま
た第３分割面は磁気支承系から発生する別方向の磁束密
度を有する。

したがつて第２種の部分磁力の方向は異なる。第Ｔ図は
間隙９，１７および３つのコイル１４，１５，１８を有
する３つの分割面７，８，１６から成る磁極片を示す。
コイルは磁力線２１，２２が形成される方向に分割面の
周囲を巻回されている。磁力線は中央コイル１５を同一
方向に走行し、また外部コイル１４，１８は逆方向に走
行している。磁極片の部分全体の励磁系の磁束が同一方
向を有する（Ｂ１の符号が同じ）ので、第２種の部分磁
力はＢ２の符号が異なるために第Ｔ図の磁力線の矢印方
向に相応して方向が異なる。この種の３つの力成分から
成る磁気支承は回転モーメントが可動子が作用されない
ように形成される。第７図において磁気支承電源１１に
接続される３つのコイルが直列に接続され、それによつ
て等電流がコイルに発生し、全コイルが同じ巻回数およ
びそれらの鉄心が同じ長さを有し、また分割面Ｔ，ｌ６
が分割面８と同じ大きさである場合、磁極片８により作
用する第２種の部分磁力は磁極片７，１６の第２種の部
分磁力の２倍の大きさであり、その結果回転モーメント
は可動子に作用しない。

２つの部分面のみを必要とする、回転モーメントなしの
第２実施例では第８図におけるように第１分割面が第２
分割面を完全に囲繞するように端面の分割が行われる。

磁気支承のため必要とする一方のコイルは内部分割面８
の周りを巻回し、且つ間隙の内に存在する。第２コイル
は異なる位置をとり、例えば分割面７の外周を囲繞して
いる。第８図ａにおいて外部分割面７は内部分割面８を
リング形に囲繞し、また間隙９が閉曲線に沿つて走行す
ることを示す。有利な形（その対称のため特に小さな回
転モーメントが発生する）は円形リングを有する同心配
置である。第８図ｂは完全に閉じない外部分割面Ｔを示
す。２つの分割面に分割の際、分割面Ｔが分割面８を囲
繞することが必要である。

磁気支承系（各磁極片に対して第２種の部分磁力が和と
しては消滅する）を２つまたは多数の磁気支承系とする
こともできる。

次に２つの磁気支承系を有する簡単な構成について説明
し、均一な磁界を仮定して式で示す。すべての式（均一
磁界に対して数式で簡単に説明する）は非均一磁界に対
しても式（３）のように積分形で表わさ札また本発明に
よる装置は非均一磁界に対しても改善される。均一磁界
を有する磁極片（励磁系によつて同一方向を有する磁束
密度Ｂ１が供給される）は４つの分割面に量Ｆ１〜Ｆ４
を分割している。量Ｆ１〜Ｆ４を第９図に方形かつ同じ
大きさで示す。４つの分割面はコイルで巻回され、これ
らコイルが２つの磁気支承電源に接続されることにより
、第１磁気支承系により発生する磁束密度Ｂ２は垂直方
向の間隙の右側および左側で同一方向を有し、水平方向
の間隙の上方および下方でその都度方向が異なる。

第２磁気支承系から発生する磁束密度Ｂ３は垂直方向の
間隙から右側および左側で逆の方向を有するが、水平方
向の間隙の上方および下方でその都度同一方向を有する
。順方向によつて得られる符号を考慮して各分割面の全
磁束密度Ｂは、式（ハから磁力（各分割面を可動子へ作
用させ）に対する相応の式を展開すれば、式（３）の展
開において全分割面に対して第２種の３つの部分磁力が
ＢｌＢ２およびＢｌＢ３およびＢ２Ｂ３の積から得られ
る。これら部分磁力は分割面におけるＢ２，Ｂ３の符号
に応じて方向が異なり、その結果分割面およびコイル系
の最適な形成の際第２種のこれら部分磁力が全作用力（
磁極片が全体として可動子へ作用する）を一部ないし相
互に打消すことができる。それによつて励磁系および両
磁気支承系をその都度の作用時に相互に減結合すること
ができる。このことは原理的に可能であり、第９図を用
いて４つの等しい分割面Ｆ１＝Ｆ２＝Ｆ３＝Ｆ４＝ＦＯ
を有する均一磁界を示し、その際式を簡単にするために
全分割面の第１磁気支承電源は同一の磁束密度Ｂ２を発
生し、また全分割面の第２磁気支承電源が同一の磁束密
度Ｂ３を発生すると仮定する。その際第２種の部分磁力
が次のような面に発生する、これら磁力が加算されれば
、零が生ずる。磁極片に対する第２種の個々の部分磁力
が４つの分割面に対して全く同じである場合、部分磁力
の符号が異なることによつて、すべての分割面における
第２種の部分磁力の総和の有利な減少が生ずる。第Ｔ図
により得られる規則と第９図により得られた規即との結
合のため、磁極片を４つ以上の分割面に分割することに
より付加的に回転モーメントのない磁力発生が２つの磁
気支承電源に対する接極子に得られる。分割された各電
源に対して個別のコイル系を使用する必要はない。

本発明の有利な実施例において電源のコイル系の個々の
コイルないし全コイルの経費削減のために他の電源のコ
イル系の構成素子を利用することもできる。１個の磁気
支承電源のみを有する簡単な構成を第１０図Ａ，ｂに示
し、４つのコイルは励磁電流および磁気支承電流が同時
に流れるように共働接続され、また両電源はコイルの適
当な選択の際相互に減結合されるように接続されている
。

第１０図ａにおいてコイル１４，１５，１８，１９およ
び電源３，１１をブリツジ回路に示す。ブリツジ平衡の
ための公知の式を満足させた場合、第２電源１１の接続
点は、これら接続点の間に第１電源３の電圧が発生しな
いように接続される。第１０図ｂにおいて４つのコイル
は磁極片の４つの分割面のうちの１つだけに巻回され、
且つ共働接続され、さらに所属の磁束が４つの分割面か
ら同一方向に発生するように電源３（第１０図ａの矢印
）の励磁電流が流れる。その際第１０図ａの回路におい
て４つのコイルに磁気支承電源１１（２つの矢印方向）
の電流が流れることにより、２つの対向するコイル１４
，１９は両電源と同一の電流方向を有し、また他の対向
するコイル１５，１８は両電源と逆の電流方向を有する
。従つてコイル１４，１９は磁気支承系の側で磁束が励
磁系（第１０図ｂの２頭矢印方向）と同じ方向で発生し
、またコイル１８，１５は磁束を励磁系と逆の方向に発
生する。

第１０図ｂの４つの分割面の代りに磁極片の２つの分割
面のみを有する装置を使用することができ、その際第１
２図のように１つの分割面を中心にして両コイル１４，
１９が巻回され、また第２分割面を中心にしてコイル１
５，１８が巻回される。

その際一方の分割面において両系の順方向は同じであり
、また第２分割面において両系の順方向は第２図に示す
ように異なる゜第１０図ｂにおいて、各コイルにより磁
束が両電流回路に発生し、そこにおいて誘導作用が発生
することが明らかである。

従つて電磁石の形成の際両電流回路間の誘導結合を十分
小さくしなければならない。このことは本発明によれば
磁極片、分割面およびコイルが分割された全電流回路の
種々の誘導結合を補償するように構成かつ配置され、ま
た共働接続されることにより、各電流回路の現象は他の
電流回路の現象に依存しないようにして行なわれる。上
述の構成は可能であるが、特別の回路設計を必要とする
。

次にその実施例を示す。第１０図ａのブリツジ回路にお
いて４つのコイル間に磁気結合が生ずるように注意しな
ければならない。

両電流回路間の減結合を形成するブリツジ平衡を、４つ
のコイル間の誘導結合を考慮に入れて調整しなければな
らない。このことは簡単な方法で本発明の装置を用いて
達成され、４つの同じコイルと４つの同じ磁極片一分割
面を有するブリツジは第１１図のブリツジ回路と同様に
対称形に配置されるので、誘導結合は相応の対称形を有
し、それによつてブリツジの平衡が形成され、同時に他
からの障害のない回転モーメントが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は先行技術による電磁石の一部断面図、第２図は
第１図の電磁石の磁力線の方向を記入した電磁石の一部
断面図、第３図は電磁石のヨークが３つの磁極片を支持
する先行技術による別の装置の平面図、第４図は多数の
磁極片を有する先行技術の別の実施例の平面図、第５図
は本発明による電磁石の一部断面図、第６図は本発明に
よる電磁石の斜視図、第Ｔ図は本発明による装置の一部
断面図、第８図Ａ，ｂは電磁石の分割面の平面図および
断面図、第９図は電磁石の４つの分割面における磁束密
度の分布図、第１０図ａは本発明による装置の回路図、
第１０図ｂは本発明による励磁系の一部断面図、第１１
図は４つのコイルの配置図、第１２図は本発明による励
磁系の断面図および配線図を示す本１・・・・・・ヨー
ク、２・・・・・・励磁コイル系、３・・・・・・励磁
電源、４，５・・・・・・磁極片、６・・・・・・磁気
可動子、７，８・・・・・・分極磁極片、９・・・・・
・間隙、１０・・・・・・磁気支承コイル、１１・・・
・・・磁気支承電源、１４，１５・・・・・・磁気支承
コイル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 少くとも２つの磁極片を有するヨークを備え、該ヨ
   ークは励磁電流の流れる励磁コイル系により励磁されて
   磁化され、さらに該磁極片の間に設けられこの磁極片に
   対して相対的に可動である磁気材料から成る可動子を備
   え、さらに電流源から給電される、可動子の磁気支承用
   コイル系を備えている、複数個の給電電源を有する電磁
   石において、１つまたは複数個の磁極片４、５の端面を
   少くとも２つの分割磁極面７、８にそれぞれ分割し、こ
   の分割により形成される間隙９に磁気支承コイル系１０
   の電流導線を少くとも１本配置するようにし、該電流導
   線を少くとも２つの分割磁極面７、８の磁極片に巻回し
   、さらに磁気支承用電流源の電流により前記少くとも２
   つの磁極片のうちの１つの磁極片の１つまたは複数個の
   分割磁極面に現われる磁束が、前記磁極片の前記１つま
   たは複数個の分割磁極面以外の分割磁極面に現れる磁束
   と、大きさがほぼ等しく方向が相互に反対であることを
   特徴とする電磁石。