JP2005061578A - 磁気軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 制御性に優れ、より一層の小型化及び軽量化が図れるハイブリッド型の磁気軸受を提供する。
【解決手段】 ロータ２に向けて突設された複数の主極３の磁束集中部に対して、バイアス磁束Φｂを供給する永久磁石１６を有する補極４の先端が、周方向にずれた位置に配置され、補極４の先端が第１極性となりこれと隣接する主極３の磁束集中部が第２極性となるように磁気回路が形成される。複数の主極３にのみ巻回された励磁コイル１５によって制御磁束Φｃを制御してラジアル方向の磁気力を制御する。これにより、制御磁束Φｃとバイアス磁束Φｂとをほぼ独立した磁気回路とすることができ、相互の干渉を少なくして、制御応答性を高めることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気力によってロータを非接触状態で支持する磁気軸受に関し、特に永久磁石によるバイアス磁束を用いて電磁石の消費電力を低減させるようにしたハイブリッド型の磁気軸受に関する。

磁気軸受は、回転体を非接触で支持することができるため、制御技術の発展に伴って各種の軸受に利用されてきている。最近では、超小型回転体用の磁気軸受が要望されてきている。しかし、電磁石を使用した磁気軸受は、ロータを浮上させるために大きな電流を必要とするため、消費電力が大きくなってしまう。また、少ない電流で磁気力を大きくするためには、ロータとステータとの間のギャップが小さいことが要求され、高い工作精度が必要になる。

これらの問題を解決する有力な方法として、近年、性能向上が顕著な永久磁石のバイアス磁束を利用したハイブリッド型の磁気軸受が使用されるようになってきた。このハイブリッド型の磁気軸受として最も普及しているものは、ロータの回転軸方向に隔てて配置された２つのラジアル磁気軸受の間に軸方向に着磁された永久磁石を挟み、一方のラジアル軸受をＮ極に、他方のラジアル軸受をＳ極にバイアス磁化し、このバイアス磁束を励磁コイルによってラジアル方向の一方では強め、他方では弱めることによってラジアル吸引力を制御するようにしたものである（特許文献１）。

しかし、上述した従来のハイブリッド型の磁気軸受では、２つのラジアル磁気軸受が必要になるうえ、２つの磁気軸受間で磁気回路を構成しなければならないため、小型化及び軽量化が困難である。より一層の小型化、軽量化を図るためには、単一のラジアル磁気軸受からなるハイブリッド型の磁気軸受を構成する必要がある。このような要請から、従来、単一のラジアル磁気軸受をハイブリッド型としたものも知られている（特許文献２，３）。
特許文献２に開示された磁気軸受は、中心部でロータを支持する環状のステータが、中心のロータに向かって突出し周方向に所定間隔で配設された複数の突極（電磁石コア）を有し、これら突極の基端部を長手方向に着磁された円弧状の永久磁石で結合することにより、平面内でバイアス磁束の磁気回路を形成している。
また、特許文献３に開示された磁気軸受は、上記と同様な複数の突極を有するステータの前記複数の突極先端部を覆うように、厚み方向に着磁された永久磁石を突極先端部に装着してなる。この場合にも、平面内で磁気回路が形成される。
特開２００３−０２１１４０公報（段落００５３〜００５６、図６） 特開２００１−０４１２３８公報（段落００１１〜００１４、図１） 特開平１１−１０１２３４号公報（段落０００９、図１）

上述した特許文献２，３に開示された磁気軸受では、永久磁石によって生成されるバイアス磁束が最も集中する極の位置と、電磁石によって生成される制御磁束が最も集中する極の位置とが一致している。このため、永久磁石によって生成されるバイアス磁束をこれと同一の磁気回路に形成される電磁石による制御磁束で制御することになる。しかし、永久磁石による磁束密度は、通常、０．２〜０．５Ｔと非常に高いことに加え、少ない電流変化で制御応答性を高めるためには、制御磁束が集中する極とロータとのギャップをある程度小さく設定する必要があるため、永久磁石の影響が強く出すぎて、電磁石による制御が困難になるという問題がある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、制御性に優れ、より一層の小型化及び軽量化が図れるハイブリッド型の磁気軸受を提供することを目的とする。

本発明に係る磁気軸受は、ステータと、このステータに磁気力によって非接触状態で支持されて回転するロータとを有する磁気軸受において、前記ステータは、 前記ロータに向けて径方向に突設されて先端の磁束集中部が前記ロータに対して所定のギャップを介して対向する励磁コイルを有する複数の主極と、前記複数の主極の磁束集中部に対してそれぞれ周方向にずれた位置に配置され先端が第１極性となりこれと隣接する前記主極の磁束集中部が第２極性となるようにバイアス磁束を供給する永久磁石を有する複数の補極とを有することを特徴とする。

本発明の一つの実施形態では、前記ステータは、磁性体からなる環状部、並びにこの環状部の内周側から中心に向けて突出すると共に周方向に所定間隔で交互に配置された複数の主突極部及び補突極部を有する継鉄を備え、前記主極は、前記継鉄の主突極部と、この主突極部に巻回された励磁コイルとを備え、前記補極は、前記継鉄の補突極部と、前記第１極性の極を先端側に向けて前記補突極部の先端に装着された永久磁石とを備え、前記ロータは、前記ステータの内側に配置されて前記主突極部の先端及び前記永久磁石の第１極性の極と所定のギャップを介して対向する円筒状外周面を有する磁性体で構成されている。

本発明の他の実施形態では、前記ステータは、磁性体からなる環状部、並びにこの環状部の内周側から中心に向けて突出すると共に周方向に所定間隔で配置された複数の主突極部を有する継鉄を備え、前記主極は、前記継鉄の主突極部と、この主突極部に巻回された励磁コイルとを備え、前記補極は、前記継鉄の主突極部の先端の一部に、前記第１極性の極を先端側に向けて装着された永久磁石を備え、前記ロータは、前記ステータの内側に配置されて前記主突極部の先端及び前記永久磁石の第１極性の極と所定のギャップを介して対向する円筒状外周面を有する磁性体で構成されている。

本発明の更に他の実施形態では、前記ステータは、磁性体からなる環状部、並びにこの環状部の内周側から中心に向けて突出すると共に周方向に所定間隔で配置された複数の主突極部を有する継鉄を備え、前記主極は、前記継鉄の主突極部と、この主突極部に巻回された励磁コイルとを備え、前記補極は、前記継鉄の主突極部の先端の隣接する角部の間を跨ぐように、前記第１極性の極を先端側に向けて装着された永久磁石を備え、前記ロータは、前記ステータの内側に配置されて前記主突極部の先端及び前記永久磁石の第１極性の極と所定のギャップを介して対向する円筒状外周面を有する磁性体で構成されている

本発明の更に他の実施形態では、前記ステータは、磁性体からなる円板状部、並びにこの円板状部の外周側から外側に向けて放射状に突出すると共に周方向に所定間隔で交互に配置された複数の主突極部及び補突極部を有する継鉄を備え、前記主極は、前記継鉄の主突極部と、この主突極部に巻回された励磁コイルとを備え、前記補極は、前記継鉄の補突極部と、前記第１極性の極を先端側に向けて前記補突極部の先端に装着された永久磁石とを備え、前記ロータは、前記ステータの外側に配置されて前記主突極部の先端及び前記永久磁石の第１極性の極と所定のギャップを介して対向する円筒状内周面を有する環状の磁性体で構成されている。

本発明によれば、ロータに向けて突設された複数の主極の磁束集中部に対して、バイアス磁束を供給する永久磁石を有する補極の先端が、周方向にずれた位置に配置され、補極の先端が第１極性となりこれと隣接する主極の磁束集中部が第２極性となるように磁気回路が形成される。そして、複数の主極にのみ巻回された励磁コイルによって発生磁束を制御してラジアル方向の磁気力を制御するようにしている。このため、本願発明によれば、主極の励磁コイルによって生成される制御磁束と、補極によるバイアス磁束とをほぼ独立した磁気回路とすることができ、相互の干渉を少なくして、制御応答性を高めることができる。
また、制御磁束を発生させる主極と、バイアス磁束を発生させる補極の周方向位置をずらしたことにより、主極とロータとの間のギャップと、補極とロータとの間のギャップを、それぞれに適した個別のギャップとすることもできる。従って、例えば補極とロータとのギャップを主極とロータとのギャップよりも大きく設定することもでき、これにより永久磁石による高い磁束密度の影響を低減させると同時に、主極による制御応答性を高めることが可能になる。

以下、添付の図面を参照して、この発明の好ましい実施の形態を説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る４極型の磁気軸受の構成を示す断面図である。
磁気軸受は、外側に配置された環状のステータ１と、このステータ１の内側に配置されたロータ２とを有する。
ステータ１は継鉄１１を含む。継鉄１１は、積層鋼板等の磁性材料からなり、環状部１２と、この環状部１２の内周側から中心に向けて突出し周方向に４５°の間隔で交互に配置された各４つの主突極部１３及び補突極部１４とを有する。４つの主突極部１３には、それぞれ励磁コイル１５が巻回され、この励磁コイル１５と主突極部１３とで主極３が構成されている。４つの主突極部１３と４５°位相がずれた４つの補突極部１４の先端には、それぞれ、バイアス磁束の生成用の永久磁石１６が第１の極性（例えばＮ極）を先端側にして装着されている。この永久磁石１６と補突極部１４とで補極４が構成されている。一方、ロータ２は、少なくとも外周部に積層鋼板や電磁材料等の磁性体を配したもので、ステータ１の内側に配置されている。ロータ２の外周面と主突極部１２の先端とのギャップは、例えば１ｍｍ、ロータ２の外周面と永久磁石１６のＮ極側の面とのギャップは、例えば２ｍｍというように、主極３及び補極４のロータ２に対するギャップは、それぞれ個別に設定することもできる。また、永久磁石１６から供給されるバイアス磁束は、一度ロータ２に達し、ロータ２から主極３に達するように、主極３と補極４の間隔は、上述したギャップの２倍以上となるように設定することが望ましい。

このような磁気軸受によれば、図１に点線矢印で示すように、永久磁石１６の先端側がＮ極に着磁されているので、永久磁石１６によって生成されるバイアス磁束Φｂが、補極４の先端からロータ２を介して両側で隣接する主極３に至り、更に環状部１２を介して補極４に戻る経路に形成される。これにより、主極３の先端（磁束集中部）はＳ極となる。また、対向する主極３の励磁コイル１５同士を直列に接続し、電流の向きを同じ向きとする、即ち対向する主極３の対向面を互いに異なる極とするように励磁することにより、主極３の励磁コイル１５で生成される制御磁束Φｃは、一方の主極３の磁束を強め、他方の主極３の磁束を弱めるように作用する。これにより、ラジアル方向の力が発生しラジアル軸受としての機能を発揮する。制御磁束Φｃは、主極３同士を介した経路、つまりバイアス磁束Φｂの経路とは独立した経路に形成されるので、制御磁束Φｃが、バイアス磁束Φｂに影響されることが少なく、制御力及び制御応答性が向上する。

図２は、本実施形態の磁気軸受を制御する制御回路を示す図である。
いま、ｘｙ座標系で０°と９０°の位置の主極３に、それぞれ位置センサ２１，２２が設けられる。この位置センサ２１，２２としては、渦電流センサ、インダクタンスセンサ等を用いることができる。位置センサ２１，２２の出力は、それぞれセンサアンプ２３，２４にて増幅され、それらの出力がそれぞれｘ方向変位信号、ｙ方向変位信号としてｘ方向コントローラ２５及びｙ方向コントローラ２６に供給される。ｘ方向コントローラ２５及びｙ方向コントローラ２６は、それぞれｘ方向変位信号及びｙ方向変位信号に基づいて、例えばＰＩＤ制御信号を出力し、これをパワーアンプ２６，２７を介して、各主極３の励磁コイル１５にフィードバックする。このように、ｘ，ｙ方向で独立して制御することにより、ラジアル方向の位置決めが可能になる。また、このように、対向する主極３の励磁コイル１５同士を直列に接続することにより、２極分を１つのパワーアンプで駆動することができる。

図３は、本発明の第２の実施形態に係る３極型の磁気軸受を示す断面図である。
この実施形態では、ステータ３１を構成する主極３３および補極３４が、各３極で構成され、これらが６０°間隔で交互に配置されている。なお、図３において、継鉄３５を除き、図１と同一要素には、同一符号を付してある。
この実施形態においても、補極３４の永久磁石１６によってバイアス磁束Φｂを形成することができ、主極３３の励磁コイルΦｃで主極３３内の磁束を増加させるか減少させるかを制御することができる。そして、主極３３と補極３４とが周方向に６０°ずれているので、永久磁石バイアス磁束Φｂの形成される経路と、制御磁束Φｃの形成される経路とを独立させることができ、制御性が向上する。
この実施形態によれば、センサ等の配置スペースも増え、先の４極型よりも更に小型化及び軽量化が可能である。

図４は、この３極型の磁気軸受を制御する制御回路を示す図である。
この例のように３極型の磁気軸受の場合には、３相モータの駆動回路を使用することができる。すなわち、位置センサ２１，２２、センサアンプ２３，２４及びｘ，ｙ方向コントローラ２５，２６までは、図２の回路と同一であるが、この制御回路では、ｘ，ｙコントローラ２５，２６からのｘ方向及びｙ方向のＰＩＤ制御信号が２相３相変換回路４１に入力されて、ここで２相３相変換され、その変換３相出力が３相駆動回路４２に入力されて、３つの励磁コイル１５が３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）駆動される。これにより、各主極３３の一部の磁束は強められ、残りの磁束は弱められてラジアル方向の力が発生する。

図５は、本発明の第３の実施形態に係る磁気軸受を示す断面図である。
この磁気軸受も３極型の磁気軸受であるが、先の実施例における補突極部１４を無くしたものである。
ステータ５１を構成する継鉄６１は、環状部６２と、この環状部６２の内周側から中心に突出し、周方向に１２０°間隔で配設された主突極部６３とを有する。主突極部６３の先端部の周方向の一方の側、この例では反時計周りに先行する側に永久磁石６４を埋め込み、この永久磁石６４の無い側の主突極部６３と励磁コイル６５とで主極５３を形成し、永久磁石６４のある側の主突極部６３と永久磁石６４とで補極５４を形成している。永久磁石６４は、ロータ２に対向する先端面がＮ極となるように配置されている。これにより、隣接する主極５３の磁束集中部は、Ｓ極になる。また、バイアス磁束Φｂがロータ５２を介さずに直接主極５３の磁束集中部に入るのを防止するため、主突極部６３の先端部と永久磁石６４との間には、溝６６が形成されている。
この構成によれば、補突極部が省略された分だけ、更に小型化、軽量化を図ることができる。

図６は、図５の磁気軸受を更に改良した第４の実施形態に係る磁気軸受を示す断面図である。
図５の磁気軸受では、主突極部６３に形成される制御磁束Φｃが、主突極部６３に対して対称ではないため、磁気吸引力の方向を正確に知ることが難しい。そこで、図６の磁気軸受では、主突極部７５の中央に永久磁石５４を埋め込むことでステータ７１を構成している。
この実施形態の場合、主極７３の磁束集中部は、補極７４の両側に形成される。つまり、主極７３の数が補極７４の数の倍となる。永久磁石５４の両側には、バイアス磁束Φｂのバイパスを防止するための溝７６を形成している。永久磁石５４の先端面は例えばＮ極に着磁され、これに隣接する両側の主突極部７５の先端部は、Ｓ極となる。励磁コイル６５は、主突極部７５の磁束を一方では強め、一方では弱める。これにより、ラジアル方向の吸引力を制御する。

図７は、本発明の第５の実施形態に係る磁気軸受を示す断面図である。
この実施形態では、主極と主極とを跨ぐように永久磁石を配置している。
即ち、ステータ８１を構成する４つの主極８３の先端の互いに隣接する角部を連絡するように、円弧状の永久磁石８６が配置され、この永久磁石８６で補極８４が形成されている。この実施形態のものは、図６のものに比べて励磁コイル８５で生成される制御磁束Φｃの通過断面積を広くとることができるという利点がある。

図８は、本発明の第６の実施形態に係るアウターロータ型の磁気軸受を示す断面図である。
この実施形態では、ステータ９１が内側、ロータ９２が外側に配置される。ステータ９１の継鉄１０１は、積層鋼板等の磁性体からなる円板状部１０２と、この円板状部１０２の外周側から外側に向けて放射状に突出し、周方向に所定間隔で交互に配置された複数の主突極部１０３及び補突極部１０４とを有する。継鉄１０１の主突極部１０３と、この主突極部１０３に巻回された励磁コイル１０５とで主極９３が形成され、継鉄１０１の補突極部１０４と、Ｎ極を先端側に向けて補突極部１０４の先端に装着された永久磁石１０６とで補極９４が形成されている。また、ロータ９２は、ステータ９１の主突極部１０３の先端及び永久磁石１０６の先端と所定のギャップを介して対向する円筒状内周面を有する環状の磁性体で構成されている。
このようなアウターロータ型の磁気軸受においても、本発明は適用可能であることは明らかである。

本発明の第１の実施形態に係る磁気軸受の断面図である。 同磁気軸受の制御回路を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態に係る磁気軸受の断面図である。 同磁気軸受の制御回路を示す回路図である。 本発明の第３の実施形態に係る磁気軸受の断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る磁気軸受の断面図である。 本発明の第５の実施形態に係る磁気軸受の断面図である。 本発明の第６の実施形態に係る磁気軸受の断面図である。

符号の説明

１，３１，５１，７１，８１，９１…ステータ、２，９２…ロータ、３，３３，５３，７３，８３，９３…主極、４，３４，５４，７４，８４，９４…補極、１３，６３，７５，１０３…主突極部、１４，１０４…補突極部、１５，６５，８５，１０５…励磁コイル、１６，５４，８６，１０６…永久磁石。

Claims (6)

1. ステータと、このステータに磁気力によって非接触状態で支持されて回転するロータとを有する磁気軸受において、
   前記ステータは、
   前記ロータに向けて径方向に突設されて先端の磁束集中部が前記ロータに対して所定のギャップを介して対向する励磁コイルを有する複数の主極と、
   前記複数の主極の磁束集中部に対してそれぞれ周方向にずれた位置に配置され先端が第１極性となりこれと隣接する前記主極の磁束集中部が第２極性となるようにバイアス磁束を供給する永久磁石を有する複数の補極と
   を有することを特徴とする磁気軸受。
2. 前記ステータは、磁性体からなる環状部、並びにこの環状部の内周側から中心に向けて突出すると共に周方向に所定間隔で交互に配置された複数の主突極部及び補突極部を有する継鉄を備え、
   前記主極は、前記継鉄の主突極部と、この主突極部に巻回された励磁コイルとを備え、
   前記補極は、前記継鉄の補突極部と、前記第１極性の極を先端側に向けて前記補突極部の先端に装着された永久磁石とを備え、
   前記ロータは、前記ステータの内側に配置されて前記主突極部の先端及び前記永久磁石の第１極性の極と所定のギャップを介して対向する円筒状外周面を有する磁性体で構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の磁気軸受。
3. 前記ステータは、磁性体からなる環状部、並びにこの環状部の内周側から中心に向けて突出すると共に周方向に所定間隔で配置された複数の主突極部を有する継鉄を備え、
   前記主極は、前記継鉄の主突極部と、この主突極部に巻回された励磁コイルとを備え、
   前記補極は、前記継鉄の主突極部の先端の一部に、前記第１極性の極を先端側に向けて装着された永久磁石を備え、
   前記ロータは、前記ステータの内側に配置されて前記主突極部の先端及び前記永久磁石の第１極性の極と所定のギャップを介して対向する円筒状外周面を有する磁性体で構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の磁気軸受。
4. 前記ステータは、磁性体からなる環状部、並びにこの環状部の内周側から中心に向けて突出すると共に周方向に所定間隔で配置された複数の主突極部を有する継鉄を備え、
   前記主極は、前記継鉄の主突極部と、この主突極部に巻回された励磁コイルとを備え、
   前記補極は、前記継鉄の主突極部の先端の隣接する角部の間を跨ぐように、前記第１極性の極を先端側に向けて装着された永久磁石を備え、
   前記ロータは、前記ステータの内側に配置されて前記主突極部の先端及び前記永久磁石の第１極性の極と所定のギャップを介して対向する円筒状外周面を有する磁性体で構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の磁気軸受。
5. 前記ステータは、磁性体からなる円板状部、並びにこの円板状部の外周側から外側に向けて放射状に突出すると共に周方向に所定間隔で交互に配置された複数の主突極部及び補突極部を有する継鉄を備え、
   前記主極は、前記継鉄の主突極部と、この主突極部に巻回された励磁コイルとを備え、
   前記補極は、前記継鉄の補突極部と、前記第１極性の極を先端側に向けて前記補突極部の先端に装着された永久磁石とを備え、
   前記ロータは、前記ステータの外側に配置されて前記主突極部の先端及び前記永久磁石の第１極性の極と所定のギャップを介して対向する円筒状内周面を有する環状の磁性体で構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の磁気軸受。
6. 前記補極の先端と前記ロータとのギャップが、前記主極の先端の磁束集中部と前記ロータとのギャップよりも大きく設定されていることを特徴とする請求項１〜５に記載の磁気軸受。

Images