JPS63135613A - アキシヤル磁気軸受 - 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】 産業上の利用分野 この発明は、アキシャル磁気軸受に関する。

従来の技術とその問題点 第９図は、従来のアキシャル磁気軸受の原理を示す図で
ある。

第９図において、（１０）は垂直な回転軸（１１）に一
体に形成されるかまたは嵌合されたロータディスク、（
１２）（１３）はケーシングなどに固定されてロータデ
ィスク（１０）の上下両側に配置されたステータ、（１
４）（１５）はステータ（Ｈ）（Ｈ）内にそれぞれ設け
られた励磁コイルである。また、（Ａ）はステータ（１
２）（１３）の軸線、（Ｂ）はロータディスク（１０）
の軸線であり、通常、これらは一致している。上側のス
テータ（１２）の下面の内周側および外周側に環状突起
部（１Ｂ）　（１７）が設けられ、ロータディスク（ｌ
Ｏ）の上面の内周側および外周側にこれらの突起部（１
Ｂ）　（１７）と互いに対向する環状突起部（ｔｏ）（
１９）が形成されている。そして、内周側の突起部（１
Ｂ）（１８）の対向面積Ｓｌは外周側の突起部（１７）
（１９）の対向面積ＳＯと等しい。

下側のステータ（１３）の上面とロータディスク（ｌＯ
）の下面の内周側および外周側にも、同様に、互いに対
向する環状突起部（２０）　（２１）（２２）　（２３
）が設けられている。

第９図に破線で示す磁気回路において、磁気回路に発生
する全磁束をΦとすると、ステータ（１２）の内周側突
起部（１６）に発生する吸引力Ｆｉは、磁束の漏れがな
く、鉄心部の透磁率μＳと真空透磁率μの間にμｓ＞＞
μの関係があるとして、次の式（１）で表わされる。

１　　　Φ２ Ｆｉ−□・□ ２μ　　　５ｔ Ｓｌ　−８０２ ・　□　　　　　　　・・・（１） （Ｓｌ　＋Ｓｏ　）　２ ここで、Ｎは励磁コイル（１４）の巻数、■は電流、δ
は突起部（１Ｇ）（１ｇ）相互間のエアギャップである
。

一方、ステータ（１２）の外周側突起部（１７）に発生
する吸引力Ｆｏは、次の式（２）で表わされる。

また、内周側突起部（１Ｂ）（１８）のエアギャップ部
の磁束密度Ｂ１および外周側突起部（１７）（１９）の
エアギャップ部の磁束密度Ｂｏは、それぞれ、次の式（
３）　（４）で表わされる。

Ｏｂ１士５０ ステータ（１２）全体に発生する吸引力ＦはＦｌとＦｏ
の和であり、次の式（５）で表わされる。

Ｆ−Ｆｌ　＋Ｆ。

式（５）はＳｔに関してもＳｏに関しても単調増加関数
であり、起磁力Ｎ−１が一定ならば、対向面積を大きく
する方が吸引力Ｆが大きくなることを示している。この
ため、従来のアキシャル磁気軸受においては、ＦｌとＦ
ｏが等しべなるように、Ｓｉ　とＳｏを等しくしている
。

第１０図はロータディスク（ｌＯ）の傾いていない状態
を示す。同図において、ロータディスク（１０）の上面
の突起部（１８）（１９）には上向きの吸引力Ｆ１１お
よびＦｏｌが作用し、下面の突起部（２２）（２３）に
は下向きの吸引力ＦＩ２およびＦｏ２が作用する。そし
て、軸（１１）とロータディスク（１０）を合わせた回
転体の重量をＭ−ｇとすると、次の力のつり合い式（６
）が成立つ。

（Ｆ１１＋Ｆｏｌ）　　−（Ｆ１２＋Ｆｏ２）−Ｍ−ｇ
　　　　　　　　　　　　　　・・・（６）なお、軸（
１１）が水平な場合は、Ｍ−ｇ−０である。

アキシャル磁気軸受には、軸（１１）の軸方向位置を検
出するセンサーが設けられており、軸（１１）が軸方向
に変位するとステータ（１２）（１３）の励磁電流を変
化させて突起部相互間のエアギャップすなわち軸（１１
）の軸方向位置を一定に保持するようになっている。と
ころが、このセンサーは、軸（１１）が傾いてその検出
面が傾いた場合でも、検出面の略平均距離に対応する出
力を発生するだけであり、検出面の傾きを検出すること
はできない。このため、軸（１１）が傾いた場合でも、
ステータ（１２）　（１３）の励磁電流が変化しない場
合がある。

上記のように軸（１１）が傾いてもステータ（１２）（
１３）の励磁電流が変化しない場合、ロータディスク（
１０）の各部の吸引力は第１１図のように変化する。こ
の場合でも、全体として力のつり合い式（６）は成立す
るが、突起部相互間のエアギャップか減少する部分では
吸引力が増大し、エアギャップが増大する部分では吸引
力が減少するため、ロータディスク（ｌＯ）に作用する
力は明らかに軸（Ｙｌ）の傾きを増大させるモーメント
として働く。また、このモーメントは、当然、ロータデ
ィスクの直径が大きいほど大きい。

以上のように、従来のアキシャル磁気軸受においそは、
軸が傾くとその傾きが増大するという問題がある。そし
て、軸およびロータディスクが傾いたまま回転すると、
渦電流損失が太きくなるなど種々の弊害が生じる。した
がって、軸を支承するラジアル力を大きくして軸の傾き
を防止する必要があるが、このためにラジアル磁気軸受
を併用した場合にはラジアル軸受の渦電流損失、過負荷
などの問題が生じる。

この発明の目的は、上記の問題を解決したアキシャル磁
気軸受を提供することにある。

問題点を解決するための手段 この発明は、回転軸に設けられたロータディスクと、ロ
ータディスクの少なくとも片側に配置されたステータと
を備えたアキシャル磁気軸受において、ステータおよび
ロータディスクはそれぞれの内周側および外周側に互い
に対向する環状突起部を有し、外周側の突起部の対向面
積が内周側の突起部の対向面積より大きいことを特徴と
するものである。

第１図はこの発明のアキシャル磁気軸受の原理を示す図
であり、第９図のものと同じ部分には同じ符号を付して
いる。

第１図において、上部における外周側の突起部（１７）
（１９）の対向面積ＳＯは内周側の突起部（１８）（１
ｇ）の対向面積Ｓｌより大きい。また、下部における外
周側の突起部（２１）（２３）の対向面積も内周側の突
起部（２０）（２２）の対向面積より大きい。

作　　　　　用 外周側の突起部（１７）　（１９）の対向面積ＳＯが内
周側の突起部（１Ｂ＞　（１８）の対向面積Ｓｉより大
きいので、次に説明するように、軸（１１）が傾いたと
きにその傾きを増大させるモーメントが小さくなる。

第１図の場合も、前述の式（１）〜（５）が成立つ。

軸（１１）が傾いた場合、第２図に示すように、内周側
の突起部（１Ｂ）（１８）のエアギャップδＩの変化量
Δδｌに比べて、外周側の突起部（１７）（１９）のエ
アギャップδ０の変化量Δδ０ははるかに大きい。そし
て、第３図および第４図に示すように、軸（１１）の傾
きに対して、ロータディスク（１０）の外周側の突起部
（１９）の円周上に作用する吸引力Ｆｏの部分力ｆｏは
円周方向に不均一となり、その割合は内周側の突起部（
１８）の円周上に作用する吸引力Ｆ１の部分力ｆｉのそ
れより大きい。これは、軸（１１）の傾きによりエアギ
ャップの減少した部分での磁気抵抗が減少し、そこに磁
束が集中することによるものである。

このとき、ｆ　ｏｌ　（ｆｆｌａｘ）付近の磁束密度ｂ
ｏ（ｍａＸ）は、式（４）より次の式（７）で表わされ
る。

ｂ　ｏ　　（ｍａｘ） δ０−Δδ０ ここで、ΔＮ・■は磁気抵抗が減少したことによりさら
にｆ　ｏｌ　（ＩＩｌａｘ）付近に集中する起磁内分、
Δδ０はエアギャップδ０の減少分である。

この磁気密度の変化はＳｉ　／　（Ｓｌ　＋Ｓｏ　）を
その係数とし、ＳｏがＳｉより大きくなるほどその係数
は小さくなる。

また、ｆ　ｏｌ　（ｗａｘ）は、式（２）　（７）より
次の式（８）で表わされる。

ｆ　ｏｌ　（ａ＋ａｘ） ここで、ΔＳｏはｂｏ　　（ｆｆｌａｘ）の働く部分面
積である。

式（８）において、ｂｏ　　（ＩＩａｘ）はＳｔ／（Ｓ
ｉ＋Ｓｏ）に比例しており、やはり、ＳＯが８１より大
きいほど、ｆ　ｏｆ　（＋ａｘ）が小さくなり、したが
って、軸（１１）の傾きを増大させるモーメントが小さ
くなる。

実　　施　　例 第５図はこの発明の第１実施例を示し、第１図のものと
同じ部分には同じ符号を付している。

第５図において、ケーシング（２４）の内面にロータデ
ィスク（ｌＯ）の外側に位置するカラー（２５）がはめ
られており、このカラー（２５）の上下のケーシング（
２４）の内面にステータ（１２）（１３）がはめ止めら
れている。上側のステータ（１２）の下面および下側の
ステータ（１３）の上面の内周寄りの部分に環状のコイ
ルみぞ（２Ｂ）　（２７）が形成されており、これらの
みぞ（２Ｂ）　（２７）の開口部を除く部分にコイル（
１４）（１５）が収容されている。コイルみぞ（２Ｂ）
　（２７）より内周側の先端部が、内周側の環状突起部
（１Ｂ）（２０）となっている。また、上側のステータ
（１２）の下面および下側のステータ（１３）の上面の
コイルみぞ（２Ｂ）　（２７）より少し外周寄りの部分
に長方形の浅い環状みぞ（２８）　（２９）が形成され
ており、これらのみぞ（２８）　（２９）とコイルみぞ
（２Ｂ）　（２７）の間に外周側の環状突起部（１７）
（２１）が形成されている。そして、上部における外周
側の突起部（１７）　（１９）の対向面積Ｓｏは内周側
の突起部０８）（１８）の対向面積Ｓｔより大きい。ま
た、下部における外周側の突起部（２１）（２３）の対
向面積も内周側の突起部（２０）　（２２）の対向面積
より大きい。

第６図はこの発明の第２実施例を示し、第１実施例のも
のと同じ部分には同じ符号を付している。

第６図において、上側のステータ（１２）は、２個の鍔
付筒体（３０）（３１）が組合わされたものである。第
１の筒体（３０）はケーシング（２４）の内面にはめら
れており、その下端には内向きの鍔（３０ａ）が形成さ
れている。第２の筒体（３１）は第１の筒体（３０）の
鍔（３０ａ）の内側に環状のすきまをあけて配置されて
おり、その上端には第１の筒体（３０）の上端部と嵌合
する外向きの鍔（３１ａ）が形成されている。下側のス
テータ（１３）も、２個の鍔付筒体（３２）　（３３）
が組合わされたものであり、上側のステータ（１２）と
上下対称をなす。上側のステータ（１２）の第２の筒体
（３１）の下端部および下側のステータ（１３）の第２
の筒体（３３）の上端部が、内周側の環状突起部（１Ｂ
）　（２０）となっている。

また、上側のステータ（１２）の第１の筒体（３０）の
鍔（８０ａ）の下面および下側のステータ（１３）の第
１の筒体（３２）の鍔（３２ａ）の上面に、外周側の環
状突起部（１７）　（２１）を形成するための三角形の
浅い環状みぞ（２８）　（２９）が形成されている。

第２実施例の場合、突起部（１７）（２１）を形成する
ための環状みぞ（２８）　（２９）が三角形の浅いもの
であるから、次に説明するように、突起部（１７）（２
１）の撓みが小さく、軸（１１）の軸方向位置の制御が
正確であるという効果を奏する。

アキシャル磁気軸受においては、前述のように、軸（１
１）の軸方向位置を検出するセンサーか設けられ、軸（
１１）の軸方向位置すなわち突起部相互間のエアギャッ
プを一定に保持するようにステータ（１２）（ｔａ）の
励磁電流を制御している。

ところが、仮に突起部（１７）（２１）を形成するため
の環状みぞ（２８）　（２９）が大きい場合、吸引力に
よって突起部（１７）（２１）が撓み易くなり、エアギ
ャップが変化する。このため、軸（１１）の軸方向位置
より求めたエアギャップと実際のエアギャップとの間に
誤差が生じ、正確な制御が困難になる。これに対し、第
２実施例の場合は、環状みぞ（２ｇ）　（２９）が三角
形の浅いものであるから、吸引力による突起部（１７）
Ｌ７１）の撓みが小さい。したがって、吸引力によりエ
アギャップが変化することかなく、軸（１１）の軸方向
位置より求めたエアギャップと実際のエアギャップの間
に誤差が生じることがなく、正確な制御が容易である。

第７図および第８図はこの発明の第３実施例を示し、第
２実施例のものと同じ部分には同じ符号を付している。

第７図および第８図において、上側のステータ（１２）
の内周側の突起部（１６）は環状みぞにより分割された
複数の同心円状の部分（１８ａ）　（１６ｂ）　（１６
ｃ）よりなり、これに対向するロータディスク（１０）
の突起部（１８）も複数の同心円状の部分（１８ａ）（
１８ｂ）　（１８ｃ）よりなる。そして、各部分の対向
面積Ｓｉｔ、Ｓｉ２、Ｓｉ３の和が突起部（１Ｂ）　（
１８）の対向面積Ｓ１となっている。同様に、上側のス
テータ（１２）の外周側の突起部（１７）も複数の同心
円状の部分（１７ａ）　（１７ｂ）　（１７ｃ）よりな
り、これに対向するロータディスク（１０）の突起部（
１９）も複数の同心円状の部分（１９ａ）　（１９ｂ）
　（１９ｃ）よりなる。

そして、各部分の対向面積Ｓ　０１％　Ｓ　ｏ２、Ｓｏ
３の和が突起部（１７）　（１９）の対向面積Ｓｏとな
っている。下側のステータ（１３）の突起部（２０）（
２１）およびこれらに対向するロータディスク（１０）
の突起部（２２）　（２３）についても同様である。

上記実施例には、ロータディスク（１０）の両側にステ
ータ（１２）（１３）が設けられたもののみを示したが
、この発明は、ロータディスクの片側にのみステータが
設けられたアキシャル磁気軸受にも適用できる。また、
回転軸が水平または斜めに配置されたアキシャル磁気軸
受にも適用できる。

発明の効果 この発明のアキシャル磁気軸受によれば、外周側の環状
突起部の対向面積が内周側の環状突起部の対向面積より
大きいので、上述のように、軸が傾いたときにその傾き
を増大させるモーメントが小さくなり、軸が傾いたまま
回転することによる渦電流損失を減少することができる
。

したがって、軸を支承するラジアル力が不さくてすみ、
ラジアル磁気軸受を併用した場合の渦電流損失、過負荷
の減少、防止が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図はこの発明の詳細な説明するための図で
あり、第１図はアキシャル磁気軸受の要部縦断面図、第
２図はロータディスクの傾いた状態を示す側面図、第３
図は同斜視図、第４図は第３図のロータディスクの円周
方向の位置と吸引力の部分力との関係を示すグラフ、第
５図はこの発明の第１実施例を示すアキシャル磁気軸受
の要部縦断面図、第６図は第２実施例を示す第５図相当
の図面、第７図は第３実施例を示す第５図相当の図面、
第８図は第７図の要部拡大図、第９図は従来例を示す第
１図相当の図面、第１０図は第９図のロータディスクの
傾いていない状態を示す側面図、第１１図は第９図のロ
ータディスクの傾いた状態を示す側面図である。 （１０）・・・ロータディスク、（１１）・・・回転軸
、（１２）（１３）・・・ステータ、（１Ｂ）　（１７
）　（１ｇ）　（１９）　（２０）　（２１）（２２）
　（２３）・・・環状突起部。 以　　上 ０　　　　　　　　　７１：　　　　　　　　　　２７
Ｃ第↓図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 回転軸に設けられたロータディスクと、ロータディスク
   の少なくとも片側に配置されたステータとを備えたアキ
   シャル磁気軸受において、ステータおよびロータディス
   クはそれぞれの内周側および外周側に互いに対向する環
   状突起部を有し、外周側の突起部の対向面積が内周側の
   突起部の対向面積より大きいことを特徴とするアキシャ
   ル磁気軸受。