JPS642813B2 - - Google Patents

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JPS642813B2
JPS642813B2 JP60016837A JP1683785A JPS642813B2 JP S642813 B2 JPS642813 B2 JP S642813B2 JP 60016837 A JP60016837 A JP 60016837A JP 1683785 A JP1683785 A JP 1683785A JP S642813 B2 JPS642813 B2 JP S642813B2
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Japan
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magnetic
yoke
control
annular
flywheel
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Tsutomu Murakami
Atsushi Nakajima
Hiroshi Takahashi
Yoshiharu Shimamoto
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Toshiba Corp
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Publication date
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Priority to US06/792,838 priority patent/US4652780A/en
Priority to EP85307957A priority patent/EP0191225B1/en
Priority to DE8585307957T priority patent/DE3571067D1/de
Publication of JPS61175314A publication Critical patent/JPS61175314A/ja
Publication of JPS642813B2 publication Critical patent/JPS642813B2/ja
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    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
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    • F16C32/044Active magnetic bearings
    • F16C32/0459Details of the magnetic circuit
    • F16C32/0461Details of the magnetic circuit of stationary parts of the magnetic circuit
    • F16C32/0465Details of the magnetic circuit of stationary parts of the magnetic circuit with permanent magnets provided in the magnetic circuit of the electromagnets
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16C2300/00Application independent of particular apparatuses
    • F16C2300/20Application independent of particular apparatuses related to type of movement
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    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、フライホイール装置など、高速回転
体の非接触支承に適した磁気軸受に関する。
〔発明の技術的背景とその問題点〕
例えば、人工衛星の姿勢制御用として用いられ
るフライホイール装置は、半永久的な寿命を無点
検で補償する必要があり、これらの点を考慮に入
れてフライホイール本体の支承手段として完全非
接触支承を実現し得る磁気軸受を用いるようにし
ている。このような用途に用いられる磁気軸受
は、従来、半径方向支承部と軸方向支承部とで構
成され、半径方向支承部を永久磁石の受動形に、
また、軸方向支承部を制御コイル利用の能動形に
構成している。
しかしながら、上記のような磁気軸受におい
て、半径方向支承部を永久磁石利用の受動形に構
成するには、回転体であるフライホイール本体の
軸方向両端と、これに対向する静止体であるベー
スとの間に、永久磁石―継鉄対向形の支承要素
を、それぞれフライホイール本体の軸心線方向に
磁気ギヤツプが存在するように設ける必要があ
る。このため、直交軸回りの剛性Kθを大きく設
定しようとすると、回転部の単位当りの角運動量
を犠牲にしたり、全体の軸方向長さを増加させな
ければならない。つまり、半径方向の剛性をKr、
軸受部の径をA、軸方向長さをB、軸方向の不平
衡剛性をKuとすると、直交軸回りの剛性Kθは、
一般に、 Kθ=1/4Kr(B2−1/2・Ku/KrA2) ……(1) で表わされる。
この(1)式からわかるように、軸受部の径Aが大
きい程Kθは小さくなる。したがつて、Kθを大き
くするには軸受部の径Aをできるだけ小さくする
必要がある。このことは、半径方向支承部を構成
している回転側支承要素の径をできるだけ小さく
しなければならないことを意味する。したがつ
て、回転側支承要素をフライホイール本体の軸心
線に近い所に取付けざるを得ないので、この回転
側支所要素の質量を角運動量に対して有効に活用
することができず、回転部の単位重量当りの角運
動量が必然的に小さな値となる。なお、Kθを大
きくするため(1)式からわかるように軸受部の径A
を小さくする代わりに軸方向長さBを大きくする
ことが考えられるが、このようにすると、装置全
体の軸方向長さが大きくなるので、人工衛星に搭
載するには不向きなものとなる。
そこで、このような欠点を解消するため、フラ
イホイール本体の軸方向を受動形に、また、半径
方向を能動形に構成した磁気軸受も提案されてい
る。
この磁気軸受の概略的な構成を第6図a,bに
示す。すなわち、この磁気軸受は、浅底有底筒状
のフライホイール本体1の内周面に装着された軸
心線方向着磁の大径の環状磁石2と、前記フライ
ホイール本体1と非接触に嵌合する関係に設けら
れたベース3の外周に装着された軸心線方向で、
かつ前記大径の環状磁石2とは逆向きに着磁され
た小径の環状磁石4とを同心円状に配置して、こ
れら環状磁石2,5の両極面上に環状継鉄5a,
5b,,5c,5dを配置したものとなつている。
したがつて、これによつて、環状磁石2,4から
供給される磁束が、環状磁石2〜環状継鉄5a〜
環状継鉄5c〜環状磁石4〜環状継鉄5d〜環状
継鉄5b〜環状磁石2の経路で通過して軸方向受
動の支承形態が実現される。ベース3側の環状継
鉄5dは、その内周側が十字形を構成する4つの
制御磁極6a,6b,6c,6dによつて結合さ
れており、これら各制御磁極6a〜6dに巻装さ
れた制御コイル7a,7b,7c,7bを適宜付
勢することによつてフライホイール本体1の半径
方向位置を安定化させるようにしている。
この磁気軸受よれば、軸方向受動の支承形態を
採用しているので、前述した径方向受動のものと
は異なり、直交軸まわりの剛性Kθは、軸受の径
が大きい程、また、環状継鉄5a,5c〜環状継
鉄5b,5d間の距離が短い程大きくなる。した
がつて、軸方向の高さを減じ、高い磁気剛性Kθ
を有する偏平で大孔径のフライホイール装置を実
現できる。
ところが、このような構成の軸方向受動形磁気
軸受にあつては、環状磁石2を、回転体であるフ
ライホイール本体1側に装着するようにしている
ので、フライホイール本体1を高速で回転させる
際に、一般には接着構成される環状磁石2が回転
時に十分機能するように強固な固定方法を必要と
し、さらには、フライホイール本体1の回転バラ
ンスを、環状磁石2の周方向のアンバランスを考
慮に入れて調整しなければならなかつた。
また、環状磁石2の形状のばらつきなどによつ
て環状磁石2から供給される磁束が周方向にばら
ついている場合には、フライホイール本体1の回
転に伴つてフライホイール本体1と、ベース3と
の間の径方向の相対吸引力が変動し、制御コイル
6a〜6dによる安定化を効率的に行なわなくて
はならなかつた。
〔発明の目的〕
本発明は、このような事情に基づきなされたも
のであり、その目的とするところは、磁気剛性を
何等低下させず、回転体側の環状磁石の固定法の
設計や回転体の回転バランス調整の煩わしさがな
く、しかも環状磁石から供給される磁束の周方向
ばらつきに対しても、その安定化が極めて容易な
磁気軸受を提供することにある。
〔発明の概要〕 本発明は、回転側には、磁気力供給源である磁
石を配置せずに、磁路を形成する継鉄のみを設け
るようにしている。また、磁路は、回転体の回転
中心から外周に至までの範囲内に収まるように形
成されている。
すなわち、本発明は、静止体と、この静止体に
磁気力によつて非接触に支承される回転体と、こ
の回転体の軸心線を中心として前記静止体に同心
円状に装着され軸心線方向に同一の向きで着磁さ
れた大小2つの円環状磁石と、これらの2つの円
環状磁石の一端面を径方向に磁気的に接続する制
御磁極を周方向に少なくとも3つ備えた静止側継
鉄と、前記大径の円環状磁石の外周面と対向し前
記制御磁極とともに前記大径の円環状磁石から磁
束を通過させる第1の磁路を形成する部分、前記
小径の円環状磁石の内周面と対向し前記制御磁極
とともに前記小径の円環状磁石から供給された磁
束を通過させる第2の磁路を形成する部分および
前記制御磁極の両端部を磁気的に結合して前記第
1および第2の磁路と一部重複する第3の磁路を
形成する部分を備え前記回転体に装着された回転
側継鉄と、前記制御磁極に巻装されて前記第3の
磁路に制御磁束を発生させて前記第1および第2
の磁路の磁束を制御する制御コイルと、前記静止
体と前記回転体との間の半径方向の相対位置を検
出する手段と、この手段で得られた検出値に基づ
いて前記制御コイルを付勢して前記回転体の半径
方向位置を安定化させる安定化制御手段と、前記
静止体と前記回転体の間に設けられ前記回転体を
回転駆動するモータとを具備してなることを特徴
としている。
〔発明の効果〕
本発明によれば、回転側に環状磁石を設けてい
ないので、環状磁石を回転側に接着構成で固着す
る場合に生じる欠点、例えばアンバランスあるい
は磁束の不均一の影響が静止側と回転側に分布す
るという従来の欠点をほぼ完全に取除くことがで
きる。しかも、回転体は極めて精度の高い加工が
可能な材料のみで構成できるので、回転バランス
も良好となる。また、磁気力供給源である磁石
を、全て静止体側に設けているので、磁束密度が
磁石の周方向にばらついたとしても、その影響は
回転数に何等関係しないので、回転数依存の制御
力を必要としない。したがつて、回転体の回転に
応じての制御は機械的アンバランスによるものに
限られるので、半径方向の安定化を極めて容易に
することができ、かつ磁束不均一によつて生じる
損失を少なくすることが可能になる。
なお、本発明によれば、磁気軸受の特定の縦断
面に着目した場合、回転の中心軸を中心として一
方または両方の側にそれぞれ独立した磁気ループ
を形成するようにしているので、磁気ループを短
くすることができる。したがつて、漏れ磁束を少
なくでき、支承効率の向上化を図ることができ
る。また、この構成は従来の方式で得られていた
磁気剛性を何等低下させることがなく、高精度な
回転が可能になる。
〔発明の実施例〕
以下、図面を参照し、本発明の一実施例につい
て説明する。
第1図において、回転体であるフライホイール
11は、静止体であるベース12に対して非接触
に嵌合されている。
ベース12は、筒部21と、この筒部21の図
中下端部外周に一体的に突設されたつば部22
と、このつば部22の周縁部から図中上方に僅か
延びる突周壁23とから構成されている。突周壁
23の上端部には、筒部21と同心的に磁性材で
形成された静止側継鉄24が固定されている。こ
の静止側継鉄24は、ベース12の軸心線を中心
として同心円状に配置された大小2つの環状継鉄
25,26を、例えば図示の如く周方向に等分さ
れた4箇所の位置において磁性材で形成された板
状の制御磁極27a,27b,27c,27dで
磁気的、機械的に接続して構成されている。環状
継鉄25の上面には大径の環状磁石31が、また
環状継鉄26の上面には小径の環状磁石32が、
それぞれベース12の軸心線を中心として同心円
状に配置されている。これら2つの環状磁石3
1,32は、軸方向にそれぞれ同一の向きで着磁
されている。各環状磁石31,32の上面にはそ
れぞれ環状継鉄33,34が装着されている。ま
た、制御磁極27a〜27dの外周には、それぞ
れ制御コイル35a,35b,35c,35dが
巻装されている。なお、環状継鉄25の内周およ
び環状継鉄26の外周で、前記制御磁極27a〜
27d間の中間位置には、それぞれ4つの切欠部
P1,P2が設けられており、制御磁束が隣接する
制御磁極に漏洩するのを防止している。
フライホイール本体11は、非磁性材で形成さ
れたもので、前記ベース12の筒部21の外側に
非接触状態で同軸配置された筒部41と、この筒
部41の図中上端側外周に一体的に突設されたつ
ば部42と、このつば部42の周縁部から図中下
方に突設された突周壁43とで構成されている。
このフライホイール本体11のつば部42および
突周壁43の内面には、磁性材性の回転側継鉄4
5が固着されている。この回転側継鉄45は、前
記環状磁石31の外側と環状磁石32の内側と
に、これら環状磁石31,32と対向するように
同軸配置された筒部46,47と、これら筒部4
6,47の図中上端部を磁気的および機械的に結
合する環状部48とで構成されている。筒部46
の内周面には、前記環状継鉄33,25とそれぞ
れ対向する位置に環状の突起51,52を備えて
おり、これら突起51,52と環状継鉄33,2
5との間には、環状の磁気ギヤツプG1,G2が形
成されている。また、筒部47の外周面には、前
記環状継鉄34,26とそれぞれ対向する位置に
環状の突起53,54を備えており、これら突起
53,54と環状継鉄34,26との間には、環
状の磁気ギヤツプG3,G4が形成されている。
ベース12のつば部22の上面には、ブラシレ
スモータ57の固定子58が固定されており、フ
ライホイール本体11のつば部42には、上記固
定子58と嵌合する関係にブラシレスモータ57
の回転子59が固定されている。また、ベース1
2の筒部21の外周面でフライホイール本体11
の筒部41と対向する位置には、前述した制御磁
極27a,27bの中心線上に位置する関係に2
つの変位センサ61,62が固定されている。こ
れら変位センサ61,62は、たとえば渦電流式
のもので構成されており、ベース12とフライホ
イール本体11との間の距離に対応した出力を送
出するものである。また、ベース12の筒部21
の外周面には、非常時だけフライホイール本体1
1を軸支する機械軸受63,64が内輪固定され
ている。
なお、前記制御コイル35a〜35dの入力端
は、図示しない安定化制御装置の出力端に接続さ
れている。この安定化制御装置は、公知のゼロパ
ワー制御方式を採用したもので、前述した変位セ
ンサ61,62の出力を導入して各コイルを次の
ように付勢する。すなわち、例えば環状ギヤツプ
G1のギヤツプ長が、周方向のある位置において
小さくなると、この位置から180゜ずれた位置にお
けるギヤツプ長は必ず大きくなる。そして、この
関係は常に変位センサ61,62の出力変化とし
て現われる。そこで、安定化制御装置は、ギヤツ
プ長が小さくなつた場所については、その場所の
磁気ギヤツプを通過する磁束を減少させるように
上記場所に近い制御コイル(35a〜35dの内
いずれか一つ)を付勢し、またギヤツプ長が大き
くなつた場所についてはその場所の磁気ギヤツプ
を通過する磁束を増加させるように上記場所に近
い制御コイルを付勢する。この付勢によつてギヤ
ツプ長がバランスした時点で制御コイルの付勢を
停止するようにして、フライホイール本体11の
半径方向位置を常に安定に制御させるようにして
いる。
このように構成された本実施例に係る磁気軸受
は、次のように動作する。
すなわち、第3図に示すように、環状磁石31
から供給された磁束M1は、環状磁石31〜環状
継鉄33〜磁気ギヤツプG1〜突起51〜筒部4
6〜突起52〜環状ギヤツプG2〜環状継鉄25
〜環状磁石31からなる第1の磁路を通過する。
一方、環状磁石32から供給された磁束M2は、
環状磁石32〜環状継鉄34〜磁気ギヤツプG3
〜突起53〜筒部47〜突起54〜環状ギヤツプ
G4〜環状継鉄24〜環状磁石22からなる第2
の磁路を通過する。このため、環状継鉄33の外
周面と突起51の内周面との間、環状継鉄25の
外周面と突起52の内周面との間、環状継鉄34
の外周面と突起53の内周面との間および環状継
鉄26の外周面と突起54の内周面との間にそれ
ぞれ磁気吸引力が作用することになる。したがつ
て、この磁気的吸引力が適切に設定されているも
のとすると、上記吸引力によつてフライホイール
本体11の軸心線方向の移動は完全に抑制される
ことになる。これによつて、軸方向受動の支承形
態が実現できる。
半径方向の安定化を図るための制御磁束M3は、
変位センサ61,62の出力に応じて、所定の制
御コイル27a〜27dが付勢されることによつ
て発生する。いま、フライホイール本体11を第
3図中矢印の向きに移動させる場合には、例えば
制御コイル35bを付勢して制御磁束M3を、制
御磁極27b〜環状継鉄25〜磁気ギヤツプG2
〜突起52〜筒体46〜環状体48〜筒体47〜
突起54〜磁気ギヤツプG4〜環状継鉄26〜制
御磁極27bの順序で第3の磁路を通過させる。
この制御磁束M3は、第1の磁路の磁束M1を減少
させ、第2の磁路の磁束M2を増加させるように
作用する。したがつて、環状継鉄33と突起51
との間および環状継鉄25と突起52との間の磁
気力は弱められ、環状継鉄34と突起53との間
および環状継鉄24と突起54との間の磁気力は
強められる。この結果、上記制御コイル35bと
180゜対向する制御コイル35dにも同一の向きの
制御磁束を発生させるようにすれば、フライホイ
ール本体11は、図中矢印の方向に移動して安定
化制御されることになる。かくして、ブラシレス
モータ57の電源を投入すると、フライホイール
本体11は、完全非接触状態のまま回転を開始
し、ここにフライホイール装置の磁気軸受として
の機能が良好に発揮される。
そして、この場合には、回転側のフライホイー
ル本体11には、環状磁石を一切設けない構造と
しているので、フライホイール本体11を高速回
転しても強度上、性能上の不具合は発生し得な
い。また、フライホイール本体11および回転側
継鉄45は、一般に焼結体で形成される環状磁石
31,32に較べて加工精度が良好であるため、
回転体をバランス良く形成することができる。ま
た、本実施例では、環状磁石31,32の周方向
の磁束密度がある程度ばらついても、両環状磁石
31,32と制御磁極27a〜27dとはともに
静止側に位置しているので、上記ばらつきが結果
的には静止時の軸心のずれとなり、これは図示し
ない制御回路(ゼロパワー回路)で補償される。
したがつて、制御コイル27a〜27dによる制
御磁束は回転時に機械的アンバランスを補償する
のみで良い。したがつて、回転体の回転によつて
上記ばらつきが制御コイル27a〜27dの動作
に影響を与えることはない。
さらに、この実施例では第1〜第3の磁路は全
て短くまとまつているので、漏れ磁束を少なく抑
えることができ、支承効率を向上させることがで
きる。したがつて、これによつて磁路断面積の縮
小化を図ることができ、全体の小形軽量化はもと
より、静止側のみの軽量化を図つた場合には、フ
ライホイール装置として必要な角運動量/質量の
向上化を図ることができる。
なお、本発明は、特に制御磁極数を4極に限定
するものではなく、例えば第4図に示すように3
極の制御磁極73a,73b,73cで構成する
ようにしても良い。また、本発明は、フライホイ
ール装置以外の用途にも適用可能であることは言
うまでもない。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例に係る磁気軸受の縦
断面図、第2図は同磁気軸受の平面図、第3図は
第1図の一部を拡大して示す断面図、第4図は本
発明の他の実施例を示す平面図、第5図は従来の
磁気軸受を示す図で、同図aは平面図、同図bは
縦断面図である。 1,11……フライホイール本体、2,4,3
1,32……環状磁石、3,12……ベース、5
a〜5d,25,26,33,34……環状継
鉄、6a〜6d,27a〜27d,73a〜73
c……制御磁極、7a〜7d,35a〜35d…
…制御コイル、24……静止側継鉄、45……回
転側継鉄。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 静止体と、この静止体に磁気力によつて非接
    触に支承される回転体と、この回転体の軸心線を
    中心として前記静止体に同心円状に装着され軸心
    線方向に同一の向きで着磁された大小2つの円環
    状磁石と、これら2つの円環状磁石の一端面を径
    方向に磁気的に接続する制御磁極を周方向に少な
    くとも3つ備えた静止側継鉄と、前記大径の円環
    状磁石の外周面と対向し前記制御磁極とともに前
    記大径の円環状磁石から磁束を通過させる第1の
    磁路を形成する部分、前記小径の円環状磁石の内
    周面と対向し前記制御磁極とともに前記小径の円
    環状磁石から供給された磁束を通過させる第2の
    磁路を形成する部分および前記制御磁極の両端部
    を磁気的に結合して前記第1および第2の磁路と
    一部重複する第3の磁路を形成する部分を備え前
    記回転体に装着された回転側継鉄と、前記制御磁
    極に巻装されて前記第3の磁路に制御磁束を発生
    させて前記第1および第2の磁路の磁束を制御す
    る制御コイルと、前記静止体と前記回転体との間
    の半径方向の相対位置を検出する手段と、この手
    段で得られた検出値に基づいて前記制御コイルを
    付勢して前記回転体の半径方向位置を安定化させ
    る安定化制御手段と、前記静止体と前記回転体の
    間に設けられ前記回転体を回転駆動するモータと
    を具備してなることを特徴とする磁気軸受。
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