JPS62114446A - 磁気浮上形回転機械 - 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】 し産業上の利用分野１ 本発明は、ジャイロスコープ、圧力計あるいはターボ分
子ポンプ等のように高速回転を行なう装置類に好適に使
用でさる磁気浮上形の回転機械に関するものである。

［従来の技術］ 超高速の回転体を備えた回転機械においては。

磁気軸受によりその回転体を浮上支持し得るようにした
ものが少なくない。

そして、近時、前記磁気軸受をサーボ機構を備えた能動
形のものにし、前記回転体の浮１−位置を強制的に規定
し得るようにしたものが開発されている。すなわち、こ
のものは、回転体の支承部の周囲に電磁石を配設すると
ともに、この支承部近傍の位置変化を検出するセンサを
設けておき、このセンサからの位置検出０吟により前記
’ｉｔｉ、磁石の磁力をフィードバック制御して前記回
転体を常に一定の位置に浮上させておくことができるよ
うになっている。

［９２用が解決しようとする問題点］ しかしながら、高速で作動する回転体の軸心の＃ｌきを
従来の方式により制御するには、非常に大きな制御力と
高速応答性が必要であり、制御装置の複雑化およびに容
；よ化を招くという問題がある。

末完’ＪＪは、このような問題点を確実に解消すること
ができる画期的な磁気浮］−形回転機械を提供しようと
するものである。

［問題点を解決するためのＬ段」 本発明は、以ヒのような［１的を達成するために、次の
ような手段を講じたことを特徴とする。

すなわち、末完ＩＪＩに係る磁気浮上形回転機械は、第
１図に示すように、軸心回りに回転する回転体Ｉと、こ
の回転体Ｉを軸心の傾きに対して安定平衡をなすように
静磁場により浮ト支持するラジアル磁気軸受ＩＩと、前
記回転体重が歳差連動を行なった場合に該回転体Ｉにそ
の歳差運動の方向と逆の方向に力ｆを連続的に付与する
歳差運動除去機構■とを具備してなることを特徴とする
。

このラジアル磁気軸受Ｈの代表的な実施態様としては、
第２図に示すように、回転体■にＮ極とＳ極とを軸方向
に配列させた永久磁石１を設けておき、その永久磁石ｌ
のＮ極の周囲に内方端にＮ極を有した第１の永久磁石２
を配列するとともに、Ｓ極の周囲に内方端にＳ極を有し
た第２水久磁石３を配設したものがある。しかして、こ
のようなラジアル磁気軸受■により回転体Ｉを支承する
と、この回転体Ｉが基本軸（図面ではＺ軸）に対して傾
いた場合　前記永久磁石ｌと第１、第２の永久磁石２，
３との磁気反発力によって前記回転体重に復元力Ｆが作
用することになり、軸の傾きに対して安定？衡となる。

このラジアル磁気軸受ＩＩの他の態様としては、第３図
〜第５図に示すようなものが考えられる。しかして、こ
れらの図面において、４〜１２はそれぞれ永久磁石であ
る。第５図において１回転体Ｉの平衡位置を若干上方に
ずらせて設定しているのは、該回転体Ｉの小力を支える
ためである。なお、これらの永久磁石２，３．５，７．
９．１２に代えて、静磁場を形成する゛准磁石を用いて
もよい。

一方、Ｉａ差運動除去機構■は、前記回転体Ｉが歳差運
動（すりこぎのような円ｍ！動）を行なった場合に、こ
の回転体重にその歳差運動の方向と逆の方向に力ｆを連
続的に付与し得るようなものでありさえすればよく、そ
の力ｆとしては磁気力や機械的な摩擦カー：９が使用可
能である。

し作用」 次いで、この発明の作用を歳差運動の性質および歳差連
動を除去できる原理の二点に分けて説明する。

（１）歳差連動の性質 この発明のように、ラジアル磁気軸受■を用いて回転体
Ｉを軸心の傾きに対して安定平衡をなすように静磁場に
より浮旧支持するようにした場合には、この回転体Ｉが
回転（自転）の方向と反対回りの歳差運動を行なうこと
になる。

これを、第２図および第６図を参照して説明する。回転
体Ｉの角運動量をＬとし、回転体重の重心ＧからＬ端（
磁石ｌの埋込位置）までの位置ベクトルをａで示す。

運動方程式は。

ｔ となる。

イ１．ｊＬ、Ｌ＝Ｉ３ωＱ／Ｑ（１，２）であ４１．Ｉ
３は回転軸ｐまわりの慣性モーメントを表わし、ωはそ
のまわりの角速度を表わす。

高速回転の場合、前記角速度ωに対して、傾斜角度０お
よび歳差連動の角度ψの時間微分イめは無視できるほど
小さい、又この回転体Ｉは歳差運動が除去できるのでθ
は非常に小さい、それ故、以下、０について２法具Ｅの
高次のダ１を省略する。

そうすると、回転体ＩのＬ端に設けた磁石ｌに働く復元
力Ｆは。

Ｆ；−人Ｏｅｒ　　　（０（（ｌに対して）　（１，３
）となる、但し入ば正値の比例係数、ｉ、は次の式で定
−属される単位ベクトルである。

ここで、ｅＸ　とｅｖはそれぞれＸ軸、ｙ軸方向のＣｒ
ｉ位ベクトルである。

角度θを使って、ベクトル０を分解すると、Ｑ　＝　Ｑ
ｃｏｓ　Ｏｅｒ　＋　Ｑｓｉｎ　θｅ。

ｐｖ　（ｌ　ｅｚ　　＋　Ｑ　Ｏｅｒ　（０＜＜１　に
対して）　（１，５）但し、ｉｌはＺ軸方向の中位ベク
トルを表わす。（１，５）式より速度ｄＱ／ｄｔは。

となる０次のよく知られている式 ｄｔ　　　　　　ｄｔ 但し、ｅ　Ｂ＝ｅ　Ｚ　　Ｘ　ｅ　ｒ　　　　　　　　
（１，８）を使うと（１，８）式は、 となる。

（１，２）式を時間りで微分して、（１，５）　、　（
１，９）式を代入すると、 ｄｔ　　　　　ｄｔ ｉ −力、　（ｉ、３）　、　（１，５）　、　（１，８）
式を使うと。

（１，１）の右辺は ２了Ｘ　Ｆ＝　　２　Ｑ　入０　（ｅｚ　＋　ＯＭｒ　
）　ｘ７ｒ＝−２Ｑ　入Ｏｅｔ　　　　　　　（１，１
１）となる。

（１，１）式に（１，１０）と（１，１１）を代入する
とｄｔ　　　　　　　ｄｔ ｄｔ を得る。　（１，１２）式を積分すると、ω＝ωＯ、ｏ
＝ｏ。

ＩＪ　ω０ （但し、ω０．００．ψＯは初期値）となる。

しかして、（１，１３３式から歳差運動が回転体重の回
転方向と逆向きに起こることがわかる。すなわち、Ｚ軸
の正の側から回転体Ｉを見る時には、ωｏ＞０に対して
は２歳差運動が時計まわりに起こり、ωｏ＜０に対して
は反時計まわりに起こる。

東方のもとで玩具のコマが歳差運動する時と比へて、こ
の回転機械の歳差連動の方向が反対であることに注意す
べきである。以トは１歳差運動除去機構が発生する力を
無視した場合について考えたが以下、この力を考慮した
時の運動を考える。

（２）歳差連動を除去できる原理 以上のようにして回転方向と逆の方向に歳・足運動を行
なっている回転体Ｉに、歳差運動除去機構■によりその
歳差連動の方向と反対の方向の力ｆを連続的に作用させ
ることにより、その歳差運動を減衰させることができる
。

例えば、その力ｆを回転体Ｉの端ｆＢＡにおける歳差運
動の速度に比例する大きさの力とすると、力ｆは次のよ
うになる。

ｄｔ　　　　　　ｄｔ （Ｑ＜＜ｌに対して）　（１，１４） （但し用は係数である） この時、、Ｊ！動力程式は次のようになる。

ｄｔ ＝−２Ｑ八〇τ＋　　　Ｑ（τ、＋０Ｔｒ）Ｘター２Ｑ
入ＯｅＬ 任Ｉし、第２の等時は、（１，５）　、　（１，１１）
、　（１゜１４）式を代入することにより導出され、第
３の１壮は、θの開法のダＩを焦視し、（１，８）式を
使うことによって得られる。

次に、　（１，１５）式の左辺に（１，ｔｏ）式を代入
すると。

ｄψ １３　　ω　Ｏｅｔ＝−２Ｑ　　入　０　°；；′（−
用　Ｑ　）　　　［ｔ をず！ある。

各・ンの中位ヘクトルｅ７　、ｅｒ　、ｅｔの係数をひ
ろい集めることにより。

ｄω 一＋−＝　　０　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　（１，１７）ｄｔ （１，１９） を得る。　（１１７）式は ω＝ωｏ　　　　　　　　　　　　　　（１，２０）と
なる、　（＋、ｉｕ式に（１，１８）　、（１，２０）
式を代入すると、 ｄψ １３　ωＧ　Ｏ□ ｄｔ 工３　ωｏ　　　ｄｔ が得られ、これから次の式が導出される。

４重　　−２Ｑ入 ｄｔ　　Ｉｚ　ωＯ＋ル２　Ｑ４／（Ｉｚ　ω０）（１
，２１） （１，２１）式を用いると、　（１，１８）式はｄｔ　
　　　Ｉ　］’（ｄｏ２＋　ｇ２　　Ｇ　’となる。も
し、（１，２２）式の右辺の係数の正イめの部分を数値
αで次のように占き表わすならば、Ｉ　　３’（ｌｌｏ
’＋　　、第７　　　（１’（１，２２）式の解は θ＝　Ｏｏｅ　″しく１．２４） となる。

結局、　（１，２０）、（１，２１）、（１，２４）式
は、次の三点を意味する。

第１点、回転軸ｐまわりの角速度ωは一定である。

第２点、回転軸ｐはＺ軸まわりに定速で歳差運動する。

第３点１回転軸ｐとＺ軸との間の傾きの角０は時間と共
に指数関数的に減少する。

このように１歳差運動除去装置■はその本来の役Ｉ」を
成功裏に達成し、ここで提案された回転機械は非常に安
定な回転を生み出すことができる。

以Ｉ−は１歳差ボ動除去機構■により回転体ＩにｇＬ差
２Ｆ動の速度に比例した大きさの力ｆを加える場合１二
ついて説明したが１回転体Ｉにその大きさか一定の力あ
るいは速；■の２東、３東に比例する力簿を歳差運動の
方向と逆の方向に加え続けるようにしてもこれに準じた
作用が得られる。

「実施例」 以ド、木発明の実施例を図面を参照して説明する。

実施例１（第７図〜第１４図） この磁気浮上形回転機械は、モータ２１により駆動され
軸心２回りに高速回転する回転体Ｉを備えている。モー
タ２１は１第７図および第８図に示すように朋記回転体
Ｉに設けたカゴ型ロータ２２と、このロータ２２の周囲
に配設したステータコイル２３とを基４備してなる誘導
モータであり。

前記ステータコイル２３はハウジング２４に固定されて
いる０回転体Ｉは軸状のもので、対をなすラジアル磁気
軸受■により軸心ｐの＃Ｉきに対して安定型−衡をなす
ように浮ヒ支持されている。ラジアル磁気軸受■は、回
転体■にＮ極とＳ極とを軸方向に配列させた永久磁石２
５を埋、没しておき、その永久磁石２５のＮ極の周囲に
内方端にＮＪ４ｉを有した第１の永久磁石２６を配設す
るとともに。

Ｓ極の周囲に内力端にＳ極を有した第２の永久磁石２７
を配置没したものである。そして、一方のラジアル磁気
軸受■が回転体重のヒ端近傍部に設けられ、他方のラジ
アル磁気軸受■が回転体Ｉのド端近傍部に設けられてい
る。

なお、これらのラジアル磁気軸受ＩＩのみでは、回転体
Ｉの軸方向の移・肋を規制することはでさないため、こ
の回転体■の上端部にサーボ式のスラスト磁気軸受２８
を設けている。スラスト磁気軸受２８は、第９図に示す
ように前記回転体Ｉのド端面にサーボサスペンションコ
イル２９を対向配置するとともに、前記回転体Ｉの下端
両側部に回転体重の軸方向の位置を検出するための発光
ダイオード３１とフォトトランジスタ３２とを配設し、
前記フォトトランジスタ３２からの信号を比例積分微分
回路（Ｐ、Ｉ　、Ｄ）３０により処理して前記サーボサ
スペンションコイル２９を流れる制御゛電流をフィード
バック制御するようにした通常のものである。

また、前記回転体重の上端部に１歳差運動除去機構■を
設けている。この歳差運動除去機構ｍは、第７図、第１
０図および第１１図に示すように、前記回転体Ｉのに端
部の周囲に、例えば、４個の電磁石３３１〜３３４と、
２対の発光ダイオード３４＋　、３４２　およびフォト
トランジスタ３５＋　、３５２　とを配、没してなる。

そして、一方のフォトトランジスタ３５１の出力電圧ｖ
１の変化を、コンデンサ３７および抵抗器３８により構
成される微分回路を備えてなる電子回路３６により第１
．第３の電磁石３３＋　、３３３　に供給する電流１　
ｔ　の変化に変換するとともに、他方のフォトトランジ
スタ３５２の出力゛電圧■２の変化を図示しない同様な
電子回路により第２、第４の電磁石３３７．３３ｍ　に
供給する゛上流Ｉ２の変化に変換するようにしている。

すなわち、回転体ＩのＸＭ　方向の変位Ｘと、−・方の
フォトトランジスタ３５１の出力’Ｉｖ、圧Ｖ　＋　ト
、　第１　、　ｂ’ｚ　３　（７）　電Ｊａ　石３３＋
　、３３３　に供給される電流Ｉｔ　　とのｔ′Ａ係は
、第１３図に示すようであり、また、回転体重のｙ軸方
向の変位ｙと、他方のフォトトランジスタ３５２の出力
電圧’Ｊ７　と、第２．第４の゛Ｉヒ磁石３３２．３３
４　に供給される電流Ｉ２　どの１ＮＡ係は、第１４図
に示すようになっている。

このような構成のものであれば、前記回転体Ｉが歳差連
動を行なった場合には、この回転体■にその歳差運動の
方向と逆向きでかつその歳差運動の速度に比例した大き
ざの１に磁力ｆが連続的に作用することになる。そのた
め、前記［作用Ｊの項で詳述した原理により、その回転
体Ｉの＃？到角度θは１時間の経過に伴って指数関数的
に減少する。したがって、この回転体重はきわめて安定
した状態で回転を続けることになる。

実施例２（第１５図、第１６図） この゛実施例２は、機械的な歳差運動除去機構■を備え
た磁気浮−Ｌ形回転機械の一例であり、前記′Ｊ、！施
例１と同一または相ちする部分には同一の符号を付して
説明を省略する。

この歳差運動除去機構■は１回転体Ｉの下端軸心部に突
設した鋼鉄製の針４１と、この針４１の直Ｆに配設した
テフロン製のＶ板４２と、この平板４２ヒに・滑動ｉｉ
（婆に載置したテフロン製の軸受キャップ４３と、この
キャップ４３の上面に設けられ前記針４１の先端を回転
＋ｒｆ能に支）＾するルビー製の軸受４４と、前記回転
体■の上端に対向配置されｌニカへの磁力により前記回
転体Ｉに作用する重力の大部分を打消す永久磁石４５と
をＪＪ、備してなる。そして、前記＋扱４２および前記
磁石４５は、ｉｔｉ記ハウシング２４に螺合させた調節
台４６．４７に保持させてあり、これらの調節台４６．
４７の螺合進退１箇により＋ｉＦ＋記軸受キャンプ４３
の前記平板４２に対する押付力を非常に小さなｆめに設
定している。しかして、この歳差運動除去機構■は、回
転体Ｉの軸方向の移動を規制するスラスト軸受としての
役割りをも担っている。

このような構成のものであれば、回転体ｆが前述したよ
うに回転方向と逆の方向に歳差運動を行なった場合１回
転体Ｉの針４１の先端を支承する軸受キャップ４３が前
記モ＆４２Ｌ、を円を画くように膚動する。そのため、
この回転体Ｉのド端には、その歳差運動の方向と逆向き
の摩擦力（略一定の力）が連続的に作用することになる
。その結果、Ｉｉｊ記［作用］の欄で説明した原理に準
じた作用が営まれ、その歳差連動が抑１トされる。すな
わち、この場合には、同様な−ＬＩＩＩ１１により駆動
方程式の解を求めると１次のようである。

摩擦力のトルクをベクトルＮで表わすと、（０くくｌに
対して）（２，１） （ｊｌｌ、、Ｑは第２１Δに示されたベクトルでε＝（
軸受４４に働く重力と磁気浮上力の差し引きト向きの力
の大きさ）× （２つのテフロン材４２．４３間の動摩擦係数）この時
、回転体Ｉの運動方程式は、 Ｌ −＝　２　Ｑ　Ｘ　Ｆ　＋　Ｎ　　　　　　　　（２，
２）ｄｔ となる、ここで、（２，２）式の右辺の第１項は回転体
重の歳差連動を生み出す、第２項のトルクの方向は０く
くｌの場合に（１，１５）式に表われているトルクＱＸ
ｆと同じ方向を向いており、この和実が次のように歳差
運動除去を実現させる。

εは卯常に小さい値に調整されているので、εについて
の第１次近似として（２，１）式にε＝Ｏの時の解であ
るＯを表わす式Ｈ，５）　、　（１，９）、（１，１３
）を代入してもよい、その時トルクＮは、ω　Ｏ Ｉωｏ１ となる、但し、ε（（ｌの近似と０の高次の項の省略を
行なった。この近似はこのタイプの装置においても有効
である。そうすると、Ｌやα×Ｆを次のように書き直せ
る。

Ｌ　＝　Ｉ　１　　（１）　（ｃｏｓＯＨｚ　　十ｓｉ
ｎ　θｅｒ）りＩ３ω（ｄｔ　＋ｏ”ｉｒ　）　　　　
（２−４）ＱＸＦ優−人ＯＱ　ｅ　ｔ　　　　　　　（
２，５）（２，２）式の左辺に（２，４）を代入してｄ
ｔ　　　　　　　　ｄｔ を得る。

同様に、（２，２）式の右辺に（２，３）　、（２：５
）式を代入すると。

Ｌ　（２，２）の右辺］ニー２人θＱτ【１ωｏｆ （２，８）式と（２，７）式を比較するとｄＯ −＝　０　　、　　　ω＝ωｏ　　　　（２，８）ｄｔ ｄＯε　Ｑ ｄｔ　　　　　Ｉ　３　ｌ　　ωｏｌ　　　、（２，１
０） を得る。結ｊｊ３’Ｊ、回転体■の傾斜角度０はその初
期値Ｏｏから減少し、 時刻ｔｔ　＝Ｏｏ　　Ｉ３　１（１１Ｇ　　ｌ／　（ｅ
Ｑ）にＯになるＰ すなわち、歳差Ｉｉｌ！動は時刻ｔ「にきえてなくなる
、このように機械的な歳差運動除去機構■は回転体■の
歳差２１！勅を除くことができる。

ここで、この実施例２のものは回転連動の安定化のため
に゛重力が使われていないので、停電時にも回転の破綻
は生じない。

なお１歳差運動除去機構自体の構成は前述した電磁式あ
るいは）’？：４１式のものに限定されるものではなく
１例えば、第１７図に示すようなものであってもよい、
すなわち、この歳差運動除去機構■は、回転体Ｉに埋設
した永久磁石５１の近傍に。

この永久磁石５１の移動に伴って遊動する磁石製の遊動
子５２と、この遊動ｆ５２の動きに抵抗をかえる粘性流
体５３とを充填した非磁性材製の固定ケース５４を配設
したものである。しかして、このようなものであれば、
前記回転体重が歳差連動を行なって、該回転体重の永久
磁石５１が円形軌道を画くように振れ動くと、それに粘
性流体５３内の磁石５２が追従することになり、前記回
転体Ｉに歳差連動と逆向きの力（歳差運動の速度に比例
する力）が連続的に作用することになる。そのため、前
述したと同様な原理により歳差運動を減衰させることが
できる。

Ｌ発Ｉｊｌの効果］ 本発明は、以Ｅのような構成であるから、簡単な構成に
よって回転体の安定した高速回転を担保することができ
る。

すなわち、サーボ戊のラジアル磁気軸受により回転体を
−・定の姿勢に保持しつつ回転を行なわせるには、この
回転体に付す−する径方向の強力な磁気力を高速度で変
化させる心安がある。これに対して１本発明のものは、
静磁場により回転体の傾き方向の姿勢を安定に維持して
おき、何らかの原因により回転体に歳差連動が発生した
場合にこの回転体にその歳差連動と逆方向の力を付′ｊ
、　シ続けることにより、回転体の傾きを無理なく消滅
させ（ＩＩるようにしたものである。そのため、回転体
の傾きを強制的に修正する場合のような強大な力を一切
必要とすることがなく、単純で小さな力を付グーするだ
けで回転体の安定した回転を保証することができる。し
たがって、容品−が大きく高い応答性を有した複雑な制
御装置を用いることなしに回転体を安定に浮ヒ支持した
状態で高速運転させることがｏｆ能である。よって、ジ
ャイロスコープ、圧力計あるいはターボ分子ポンプ等の
ようにロータを超高速で安定に回転させる必要のある種
々の装置に好適に使用できるものである。なお、この発
明で「逆の方向」とはベクトルとして純粋な逆のみに限
定されず、歳差運動除去機構の生み出す力の磨差連動の
方向への成分が連動方向と逆の成分を持つ場合のベクト
ルも含むと解しなければならない。

４図面の簡単な説Ｉｌ＋ 第１図は未発用を明示するだめの構成説ＩＮｊ図、第２
図は本発明の作用説ＩＩ図、第３図〜第５図はＡ：発Ｉ
Ｊ１に係るラジアル磁気軸受の種々の態様を説ＩＪＩす
るための説ｌＪＩ図、第６図は歳差連動除去の原理を説
ＩＩするための原理説Ｉｌ１図である。第３図〜第５図
図は本発明の一実施例を示し、第７図は概略縦断面図、
第８図は第７図におけるＱ−Ｑ線断面図、第９図はスラ
スト軸受部分を示す拡大説明図、第１０図は歳差運動除
去機構部分を示す拡大説明図、第１１図は第１０図にお
けるＲ矢視図、第１２図は同ａ構の回路説ＩＪＩ図、第
１３図、第１４図は同機構の特性説明図である。第１５
図は本発明の他の実施例を）１＜す概略縦断面図、第１
６図は同実施例における歳差運動除去機構部分を示す拡
大説明図である。第１７図は本発明のさらに他の実施例
を示す歳差運動除去機構の説明図である。

Ｉ・・・［す１転体 ［Ｉ−―・ラジアル磁気軸受 ■・・・歳差運動除去機構 １・・・永久磁石 ２φ・・第１の永久磁石 ３・・・第２の永久磁石 ４〜１２・・・永久磁石

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 軸心回りに回転する回転体と、この回転体を軸心の傾き
   に対して安定平衡をなすように静磁場により浮上支持す
   るラジアル磁気軸受と、前記回転体が歳差連動を行なっ
   た場合に該回転体にその歳差運動の方向と逆の方向に力
   を連続的に付与する歳差運動除去機構とを具備してなる
   ことを特徴とする磁気浮上形回転機械。