JPS60500141A - 磁気軸受 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 磁気軸受 本発明は、軸受のエアギャップの直径が、それの軸長よりも大きく、回転子か、 永久磁石を介して少くとも回転子側で半径方向に受動的に支承され、回転子の軸 方向の位置は、調整装置によって能動的に調整さ７″Ｌ、。

軸方向の位置を決定するための複数のセンサ装置と、調整増幅器と、回転子に力 を及ぼすための巻線が用いられている、磁気軸受に関する。

このような要件を有する磁気軸受は、ヨーロッパ特許出願第４９３００号明細書 より公知である。その場合、回転リングは、この種の磁気軸受により支承されて いる。そこに記載の１つの実施例によれば、回転リングは、軸方向の表面に２つ の永久磁石リングを有している。その場合それらの永久磁石リング、固定子及び 回転子」二のヨークリングにより、磁気回路が形成される。これらの磁気回路は 、回転子と固定子との間に軸方向のエアギャップヲ有している。これにより、回 転子は半径方向で安定化される。この回転子は、６つのセグメント形の巻線７担 持している。これらにより発生される磁束は、同様にニアギャップ乞介して導か れる。このことにより、回転子に作用する軸方向の力は、各セクタごとに調整で きる。各巻線のそれぞれには、回転子の軸方向の位置乞監視するセンサと、後置 接続された調整増幅器がすＴ属している。これにより、回転子は、所定の軸方向 の位置へ強制的に置かれる。

本発明の課題（マ、半径方向の寸法に比して軸方向の寸法が小さいこの種の磁気 軸受の軸受特性を向トさせることである。

上記の課題は、本発明によれば次のようにして解決さ：Ｉする。即ち、４つのセ ンサ装置を、相互に垂直でかつ回転軸に対して垂直な軸上に設け、かつセンサ装 置をそれらが対をなして回転軸に対して直径方向に位置するように設け、また６ つの調整増幅器を設け、第１の調整増幅器及び第２の調整増幅器には、直径方向 に相対向配置されたセンサ装置のセンサ信号の差がそれぞれ供給され、第６の調 整増幅器にはすべてのセンサ出力信号の和が供給さｎ、前記６つの調整増幅器の 各出力側を各巻線に接続し、その際これらの巻線の接続ないし配置乞、第１及び 第２の調整増幅器による制御の際には、所属のセンサ装置の位置する軸に対見て 垂直な軸のまわりの声部モーメントが回転子に作用し、第３の調整増幅器による 制御の除には、軸方向の復帰力が回転子に作用するようにすることにより解決さ れる。

本発明による解決手段においては、軸方向において能動的に制御か行われるのみ ならず、回転軸に対して垂直な２つの相互の軸に対する付加的な傾斜調整器か設 けられる。４つのセンサ装置から出発して、回路装置ケ介して、６チヤンネル調 整器へと至る。この６チヤンネル調整器は、その際少くとも４つの巻線を制御す る。

それ自体４つのセンサ装用いれば十分である。しがし、個々のセンサ装置を、軸 方向の回転子運動に感応ないし応動してその動きに対抗するような働きをする、 軸方向にずれた位置に配置されたセンサの対により構成し、各センサ対の差信号 暑、センサ出力信号として用いると一層有利である。

必要な復帰モーメントと力を発生するための巻線の種々の配置及び制御は可能で ある。このことについては、実施例により以下で詳しく説明する。

調整特性の０点を偏位させること、即ち、ある範囲で回転軸を意識的に傾斜させ ること（これは例えば宇宙船用のはずみ車の軸承の場合に関係する）は、本発明 による軸受においては、第１および第２の調整増幅器へ信号を入力結合すること により可能となる。

本発明の別の構成によれば、第１および第２の調整増幅器への入力信号は、交差 結合される、即ち、一方の調整増幅器の入力信号の成分は、他方の調整増幅器の 入力信号に重畳される。このことは、十分な安定性が簡単な調整器によって既に 達成されるという利点を有する。その理由は、一方の軸のまわりに発生されるモ ーメントが、その軸に垂面な半径方向の軸に関する歳差運動−角速度乞発生する からである。いずれにせよ、この効果は、静止の場合はなくなる。

有利には、こうした交差結合は、回転数に依存して行われる、即ち、回転数が高 まるにつれて交差結合成分は高められる。

次に不発明の実施例を図面を用し・て詳しく説明する。

第１図は、本発明による磁気軸受用の制御装置の第１実施例を示す図、第２ａ図 および第２ｂ図は、第１図に示した制御装置によって制御される磁気軸受の可能 な構成７示す図、第６ａ図、第６ｂ図および第３Ｃ図は、半径方向の受動的軸受 の別の実施例を示す図、第４ａ図および第４ｂ図は、モーメントと力を発生する 装置の別の実施例を示す図、第５図は、制御装置の別の可能な構成を示す図、第 ６ａ図および第６ｂ図は、第５図に示す制御装置によって制御される軸受の構成 に対する１つの実施例を示す図２表わす。

第１図に示す制御回路には、４つのセンサ装置１−４が設けられている。これら のセンサ装置のうち、センサ装置１及び２は、回転軸（２軸）に対して垂直でか つ回転軸に対して直径方向にある一方の軸（ｙ軸）上に設けられ、軸方向の運動 が起るとそ２ｔに対応して、出力信号を、同じように送出する。センサ装置３， ４は、同様にｙ軸及び２軸に対して垂直なｙ軸上に設けられている。差動増幅器 ５及び６においては、センサ装置１及び２または３及び４の出力信号から差信号 が形成される。その除、センナ装置によって定食される回転子が、合成接続され た各センサ装置の位置する軸に対して垂直な軸の周りに傾斜運動する場合、差が 現れろ。その際、調整増幅器７，８、インバータ９，１０、加算素子１１乃至１ ４、および出力増幅器１５を介して、信号は、巻線１６乃至１９に達する。巻線 １６乃至１９の各１つは、センサ装置１乃至４の１つに空間的に対応して設けら れており、制御の際、回転子に対する軸方向力を発生する。

すべての４つのセンサ装置１乃至４は、加算増幅器２０に接続されている。この 加算増幅器２０の出力信号は、調整増幅器２１と加算増幅器１１乃至１４及び出 力増幅器１５ビ介して同様に巻線１６乃至１９に達する。

端子２２及び２３において直流電圧信号が入力結合される際、各傾斜調整器の０ 点を調整して、回転子軸の所定の傾斜位置をとるようにすることができる。

第１図に図示の制御回路により、第２ａ図及び第２ｂ図に示すような構成を有す る磁気軸受乞制御できろ。

第２ａ図は斜視図、第２ｂ図は横断面図を表わす。

３１で示す軸受の回転子は、半径方向に磁化された永久磁石リング３２で構成さ れている。この永久磁石リング３２の各極には、２つの極板リング３３及び３４ がつづいている。この回転子には回転軸方向でずれて双方の側に、良導磁性材料 より成るＵ字形の固定子リングセグメント３５乃至３８、または、３５′乃至３ ８′が対向配置されている。その際、このＵ字形の固定子リングセグメントの自 由な脚部が、極板リング３３及び３４に対向するように構成されている。これら のリングセグメントのまわりに、セグメント巻線３９乃至４２、または３９′乃 至４２′が周方向に巻付けられている。これら２つの巻線群は、第１図に図示の 制御装置により、センサ装置４３乃至４６、または４３′乃至４６′から発生さ れる間隔信号に依存して制御される。

その際、各１つのセンサ対、例えばセンサ対４５，４５′の信号からその都度差 が形成される。この差信号は、第１図に示すセンサ装置１乃至４のうちの１つの 出力信号である。

回転子３１と固定子との間のエアギャップは、４７及び４７′または４８及び４ ８′で示されている。

第１図及び第２ａ図、第２ｂ図に図示の装置は、次のように作動する。

ｙ軸のまわりに傾斜する際、センサ対４５′及び４５′。

４３及び４３′、′及びこれらのセンサ対に対応する第１図に図示のセンサ装置 １及び２は、出力信号を発生する。これにより、巻線１６及び１７は、逆方向に 制御されて、対抗傾斜モーメント２生じろ。第２ａ図及び第２ｂ図＋Ｃ図示の磁 気側受において、直列に接続された部分巻線４１及び４１′は、巻線１６に対応 している。

これらの部分巻源４１及び４１′は、それぞれ逆方向に巻回され、作用の点で相 互に補助し合う。これと同様のことが、巻線１γ及び部分巻線３９及び３９′に もあてはまる。エアギャップ４７及び４７′において、永久磁石リングと電磁石 の磁束が重畳される。

そｎに相応して、別の傾斜調整器８により、Ｘ軸のまわりの傾斜が調整される。

それに反して、回転子の軸方向ずれが起こると、すべてのセンサ装置１乃至４は 、同じ信号を送出する。

傾斜調整器７及び８は、信号乞供給さｎない。しかし、調整増幅器２１は、すべ ての巻線１６乃至１９（及び、それに相応して、セグメント巻線３９乃至４２、 または３９′乃至４２′）を制御し、復帰力を発生する。

さらに、交差結合線路２４及び２５について説明する。これらの交差結合回路２ ４．２５を介して、調整器１器７および８に対する入力信号の成分を、その都度 他方の調整増幅器内へ結合することができる。交差結合された成分は、回転敬と 共に高まるようにすると有利であり、これは、各交差結合線路に２いて調整可能 な増幅定数を有する増幅器を用いることにより実現できる。

第３ａ図乃至第６Ｃ図には、受動的ラジアル軸受の別の実施例〉示す。その際、 これらの実施例においては、そｎぞれ１つの固定子リング５０が、回転子リング ５１に対して同軸的に設けられており、永久磁石の相互に反発する磁極（Ｃより 、ラジアル軸承作用が得ろれる。

第４ａ図及び第４ｂ図は、軟鉄で構反された回転子リング６０に対して力？及ぼ すための別の実施形態を示′ｔｏこの回転子６ｏのところには、さらにラジアル 軸受の回転子側の部分６１が示されている。電磁石６２及び６２′は、ここでは いずしにせよ択一的に制御されねばならない。これら２つの構成は、回転子の比 較的大きな傾斜位置を許容する。

第５図に示す回路構成は、調整増幅器７，８及び２１の出力側に至るまで、第１ 図に示した回路構成に対応しているので、そこまでは同一の記号が用いられてい る。傾斜制御に用いられる調整増幅器１及び８は、出力増幅器７０’ｒ介して、 巻線７２及びγ３またば７４及び７５に接続されている。これらの巻線対は、直 列に接続されておりかつ、それぞれ逆方向に巻回されて℃・る。巻線対７２及び ７３または７４及び７５は、再び回転軸に対して直径方向に設けられている。

調整器２１の出方側には、別個の巻線７６が接続されている。７この巻線７６は 、軸方向カケ発生する。他方、巻線対７２及び７３、または７４及び７５は、傾 斜モーメント乞発生する。こうした回路構成は、例えば、第６ａ図に示すような 磁気軸受にお℃・て用いることができる。第６ａ図の８０は、回転子リングを示 し、８１は、固定子リングを示し、８２は受動的ラジアル軸受を示す。回転子リ ング８ｏのエアギャップ８３に、磁石８２ａ及び８４１．てより、半径方向の磁 界が発生さオする。この磁界内には、固定子側に固定された環状巻線８５か設け られ、また、同様に固定子側に固定された扇形巻＠８６が部分的に挿入されて℃ ・る。第６ｂ図は、４つの扇形巻線８６と１つの環状巻心８５が設けられて―・ ることを示している。

第５図に示した巻線７６に相応する環状巻線８５が制御されると、回転子８ｏに 対して軸方向力が及ぼされる。この軸方向力の方向は、電流の方向に依存する。

第５図に示す制御回路において、調整増幅器７及び８に続いて、それぞれ１つの 帰還結合部７７乃至７９が接続されている。それにより、コイルのインダクタン スに依存して、「電流制御」特性が達成される、即ち、調整器−出力電圧は、比 例力又は傾斜モーメントに変換さｎる。

ｒｉ′ｌ於撮査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．　軸受のエアギャップの直径が、それの軸長よりも大きく、回転子が永久磁 石乞介して少くとも回転子側で半径方向に受動的に支承され、回転子の軸方向の 位置は、調整装置によって能動的に調整され、軸方向の位置を決定するための複 数のセンサ装置と、調整増幅器と、回転子に力を及ぼすための巻線が用いられて いる磁気軸受において、４つのセンサ装置（１−４）ｋ相互：′ｉ：垂直でかつ 回転軸に対して垂直な軸上に設け、かつセンサ装置をそれらが対をなして回転軸 に対して直径方向に位置するように設け、また６つの調整増幅器（７，８，２１ ）を設け、第１の調整増幅器（７）及び第２の調整増幅器（８）には、直径方向 に相対向配置されたセンサ装置（１，２または３，４）のセンサ信号の差がそ才 １ぞれ供給され、第６の調整増幅器（２１）にはすべてのセンサ出力信号の和が 供給され、前記６つの調整増幅器の各出力側を各巻線（１６−１９；７２−７６ ）に接続し、その際前記巻線の接続なし・し配置を、第１及び第２の調整増幅器 （７および８）による制御の際には、所属のセンサ装置（１−４）の位置する軸 に対して垂直な軸のまわりの復帰モーメントが回転子（で作用し、第３０調棗増 幅器（２１）Ｋよる制御の際には、軸方向の復帰力が回転子に作用するようにし たことを特徴とする、磁気軸受。 ２４つのセンサ装置（１〜４）のそれぞＩ’ｔ’＞、軸方向にずれた位置に配置 されかつ軸方向の回転子運動に感応な（・し応動してその動きに対抗するような 働きンするセンサ（４３，４３’乃至４６．４６’）の対により構成し、各セン サ対（４３，４３’乃至４６．４６’）の出力信号の差を、センサ装置の出力信 号として用いる、請求範囲第１項記載の磁気軸受。 ６　固定子上に、４つのセンサ装置（１−４）Ｋ対応して、４つの巻線（１６− １９；７２−７６）を、制御の際に軸方向の力を回転子に及ぼすように設け、ま た、第１及び第２の調整増幅器（７及び８）の各出方側に、それぞれ直径方向で 相対向する巻線（１６と１７、および１８と１９；７２と７３および７４と７５ ）を接続し、該接続は回転子運動もしくは回転子傾斜の発生の際それに対抗する ようになされている、請求範囲第１項または第２項記載の磁気軸受。 ４、　−ｊべての４つの巻線（１６−１９）を、第ろの調整増幅器（２１）の出 力側に接続した、請求範囲第６項記載の磁気軸受′。 ５　付加的な環状巻線（γ６）を設け、該環状巻線（７６）を第６の調整増幅器 （２１）に接続した、請求範囲第６項記載の磁気軸受。 ６　巻線方向が逆になっている直径方向に設けられた巻線（７２及び７３または 、７４及び７５）′ｆＸ−直列接続で第１及び嶋２の調整装・痛器（７または８ ）に接続した、請求範囲第５項記載の磁気軸受。 Ｚ　直径方向に設けらｎている巻線（１６及び１７または１８及び１９）を、並 列に第１及び第２の調整増幅器（７及び８）定接続し、その際２つの巻線（１７ または１８）のそれぞれ１つに、出力信号を反転して供給し、すべての巻線（１ ６−１９）を並列、に第５の調整増圀器（２１）に接続した、請求範囲第６項又 は第４項記載の磁気軸受。 ８　谷巻澗を２つの部分巻線（３９，３９’−４２，４２′）で構成し、これら の部分巻線は、第１及び第２の調整増幅器（７および８）により、発生すべき力 の方向に依存して制御され、それらの部分巻線の、種々異なる軸方向の磁気的力 か、回転子の強磁性の部分に作用する、請求範囲第１項から第７項までのいずれ かに記載の磁気軸受。 ９４つの巻ね６８６）が、回転子側の半径方向の砧界のエアイヤツブ内に部分的 に挿入される、請求範囲第１項から第７項までのいず肚かに記載の磁気軸受。 １０　第１及び第２の調整増幅器（７及び８）に対し、回転軸の所定の傾斜を発 生するための信号が供給可能である、請求範囲第１項から第９項までのいずれか に記載の磁気軸受。 １１　第１の調整増幅器（７）への入力信号を第２の調整器１隅器（８）に供給 １〜、第２の調整増幅器（８）への入力信号を第１の調整増幅器（７）に供給す る、請求範囲第１項から第１０項までのいずれかて記載の磁気軸受。 １２　交差結合が、回転子の回転数が増加すると共に高まる、請求範囲第１１項 記載の磁気軸受。