JP2018194079A - スラスト磁気軸受およびブロア - Google Patents

Abstract

【課題】径方向の寸法を増加させることなく、軸方向の寸法を小さくすることができ、小型化を達成できるスラスト磁気軸受およびブロアを得る。【解決手段】中心軸を中心に回転する回転軸と、回転軸の周囲に回転軸と同軸に設けられた円盤形状のディスクと、中心軸の方向にディスクを挟んで対向配置された２つの電磁石であって、磁極とコイルとを含む電磁石と、中心軸の方向にディスクと対向配置され、ディスクとの距離を測定するセンサと、センサの測定結果に基づいて、電磁石のコイルに供給する電流を調整する制御部と、を含み、ディスクを非接触で中心軸の方向に支持するスラスト磁気軸受を提供する。電磁石は、ディスクと対向する位置に間隙部を有し、間隙部の中にセンサが配置される。【選択図】図１

Description

本発明は、回転体を軸方向に非接触で支持するためのスラスト磁気軸受、およびスラスト磁気軸受を備えたブロアに関する。

一般的に、ブロア（または送風機）などの回転軸を支持するための磁気軸受装置は、回転軸を軸方向（スラスト方向）から非接触で支持するスラスト磁気軸受と、回転軸を径方向（ラジアル方向）外側から非接触で支持するラジアル磁気軸受とを有する。スラスト磁気軸受とラジアル磁気軸受はそれぞれ、回転軸を支持するための磁束を発生させるための電磁石と、回転軸の変位を検出するためのセンサとを有する。また、一般的な磁気軸受装置には、給電停止時または異常時に、磁気軸受に代わって回転軸を支持するタッチダウン軸受や、回転軸の回転数を検出するための回転数センサなどが設けられている。

特開２０００−２１６４６０号公報 実開平６−０８５７５５号公報

スラスト磁気軸受とラジアル磁気軸受を備えた磁気軸受装置は、玉軸受などと比べて多くの構成部品を含むため、回転軸の軸方向の寸法が大きくなる。回転軸の軸方向の寸法が大きくなると、回転軸の固有振動数が低下するので、回転軸の共振を防止しつつ回転軸を高速回転させることはできない。

これに対して、例えば特許文献１は、回転軸とスラスト磁気軸受電磁石との径方向隙間にスラストセンサを配置するスラスト磁気軸受を開示している。また、例えば特許文献２は、スラスト磁気軸受電磁石の径方向外側にスラストセンサを配置するスラスト磁気軸受を開示している。これらの構成により、スラスト磁気軸受とスラストセンサにより軸方向の寸法が大きくなることが抑制されている。しかし、これらの構成では、スラスト磁気軸受電磁石もしくはスラストセンサの配置が径方向に拡大され、回転軸に設置されたスラスト磁気軸受ディスクの径方向の寸法が大型化する問題があった。

そこで、本発明は、上記のような課題を解決し、径方向の寸法を増加させることなく、軸方向の寸法を小さくすることができ、小型化を達成できるスラスト磁気軸受およびブロアを得ることを目的とする。

そこで、本発明は、中心軸を中心に回転する回転軸と、回転軸の周囲に回転軸と同軸に設けられた円盤形状のディスクと、中心軸の方向にディスクを挟んで対向配置された２つの電磁石であって、磁極とコイルとを含む電磁石と、中心軸の方向にディスクと対向配置され、ディスクとの距離を測定するセンサと、センサの測定結果に基づいて、電磁石のコイルに供給する電流を調整する制御部と、を含み、ディスクを非接触で中心軸の方向に支持するスラスト磁気軸受を提供する。電磁石は、ディスクと対向する位置に間隙部を有し、間隙部の中にセンサが配置される。

本発明により、径方向の寸法を増加させることなく、軸方向の寸法を小さくすることができ、小型化を達成できるスラスト磁気軸受およびブロアを得ることができる。

本発明の実施の形態１に係るスラスト磁気軸受を用いたブロアの全体を概略的に示す断面図である。 図１のブロアをＩＩ−ＩＩ方向に見た断面図である。 本発明の実施の形態２に係るスラスト磁気軸受電磁石の断面図である。

実施の形態１．
図１は、全体が１０で表される、本発明の実施の形態１に係るブロアの断面図である。ブロア１０は、中心軸Ｘを中心に回転する回転軸２と、回転軸２の周囲を覆うケーシング１とを有する。回転軸２の周囲には、モータロータ５が取り付けられる。モータロータ５の外側には、モータロータ５を径方向から囲むようにモータステータ４が設けられている。モータステータ４により、モータロータ５および回転軸２は、中心軸Ｘの周りを回転する。回転軸２の軸方向の両端には、羽根３が取り付けられている。

本明細書において、中心軸Ｘに平行な方向（図１の左右方向）を軸方向と、軸方向に垂直な方向を径方向と、軸を中心とする円周方向を周方向と呼ぶ場合がある。

回転軸２は、２つのラジアル磁気軸受１００およびスラスト磁気軸受２００によって支持される。２つのラジアル磁気軸受１００は、径方向の２自由度と、傾きの２自由度とを制御する。スラスト磁気軸受２００は、軸方向の１自由度を制御する。すなわち、ブロア１０は、いわゆる５軸制御形の磁気軸受装置を備える。更に、ブロア１０は、タッチダウン軸受１３、１４を含む。各軸受の詳細な構成については後述する。

各ラジアル磁気軸受１００は、ケーシング１に取り付けられた４つのラジアル磁気軸受電磁石１１０と、回転軸２に取り付けられたラジアル磁気軸受ロータ１２０と、ラジアルセンサ１３０と、を含む。

ラジアル磁気軸受ロータ１２０は、鉄損を抑えるために、例えば積層鋼板で形成される。

ラジアル磁気軸受電磁石１１０は、ラジアル磁気軸受ロータ１２０の径方向外側に、ラジアル磁気軸受ロータ１２０から微小な所定寸法だけ離れて、ラジアル磁気軸受ロータ１２０を囲うように、それぞれ９０°の角度間隔を空けて、４方に配置されている。

ラジアル磁気軸受電磁石１１０は、それぞれ２つの磁極１１２を含む。磁極１１２は、鉄などの磁性材料から成る。磁極１１２には、コイル１１６が巻かれている。隣り合う２つの磁極１１２が対となり、この一対の磁極に巻かれたコイル１１６にそれぞれ逆向きの電流を流すことで、１つの磁気回路（ラジアル磁気軸受電磁石１１０）が構成される。このようにして、ラジアル磁気軸受ロータ１２０と磁極１１２との間に、吸引力が発生する。

ラジアルセンサ１３０は、回転軸２の周りに、例えば周方向に９０°の角度間隔を設けて、４つ配置されている。ラジアルセンサ１３０は、例えばラジアル磁気軸受電磁石と周方向に４５°の間隔をおいて配置される。ラジアルセンサ１３０は、ラジアルセンサ１３０から回転軸２までの径方向の距離を測定し、ラジアルセンサ１３０に接続された制御部（図示せず）は、この測定結果に基づいて、回転軸２の径方向の変位を算出する。そして、制御部は、算出された変位に基づいて、フィートバック制御により、コイル１１６に流れる電流、すなわちラジアル磁気軸受電磁石１１０がラジアル磁気軸受ロータ１２０を引っ張る磁気吸引力を制御し、ラジアル磁気軸受ロータ１２０ひいては回転軸２の径方向の位置を所望の位置に維持する。このようにして、ラジアル磁気軸受電磁石１１０は、ラジアル磁気軸受ロータ１２０を、非接触で支持することができる。

ラジアルセンサ１３０は、汎用の渦電流式のセンサ、静電容量式のセンサ、またはその他のセンサであってもよい。

図１のように、一対のラジアルセンサ１３０を、回転軸２を挟んで径方向に向かい合うようにして配置し、２つのセンサの出力の差を検出することにより、環境温度変化から生じる図示しないセンサコイル、ケーブル、アンプのドリフトによる計測誤差を低減することができる。

なお、ラジアル磁気軸受電磁石１１０の磁極の数は、以上で述べたような８極にかぎらず、２、４、６、８、１０、１２、１４、１６あるいはそれ以上の磁極を有するものであってもよい。また、以上では、ラジアル磁気軸受１００は、回転軸２に直角な平面内の円周方向に磁気回路が配置された（周方向に沿ってＮ極、Ｓ極が交互に並ぶ）ヘテロポーラ型のものであるとして説明したが、回転軸２に平行な平面内に磁気回路を配置する形状（ホモポーラ型）であってもよい。

スラスト磁気軸受２００は、回転軸２に取り付けられたディスク２６０と、ケーシング１に取り付けられ、ディスク２６０を挟んで対向配置された２つのスラスト磁気軸受電磁石２２０、２４０と、スラスト磁気軸受電磁石２２０、２４０のそれぞれの間隙部２３０、２５０の中に配置されたスラストセンサ２８０と、を含む。

ディスク２６０は、中心軸Ｘに対して垂直になるように回転軸２に取り付けられており、軸方向に見ると中心軸Ｘを中心とする円盤形状を有する。したがって、ディスク２６０は、回転軸２の回転に伴い回転する。また、ディスク２６０は、強磁性体から成る。

スラスト磁気軸受電磁石２２０、２４０は、中心軸Ｘに対して垂直に、かつディスク２６０を挟んで対向配置され、したがって、径方向から見たときにディスク２６０と平行になるように配置されている。更に、スラスト磁気軸受電磁石２２０、２４０は、それぞれディスク２６０の軸方向の面と微小な所定の間隙を空けて配置されている。

図２は、図１のブロア１０をＩＩ−ＩＩ方向に見た断面図であり、スラスト磁気軸受電磁石２２０の断面を示している。スラスト磁気軸受電磁石２２０は、回転軸２を包む円環形状の周方向の一部に、スラストセンサ２８０を配置するための間隙部２３０を有する。すなわち、図２に示すように、スラスト磁気軸受電磁石２２０を中心軸Ｘに垂直に切断した断面は、軸方向から見るとＣ字型の形状である。

スラスト磁気軸受電磁石２２０は、鉄などの磁性材料から成る磁極２２４およびコイル２２６を含む。磁極２２４には、コイルを収納するための溝が、周方向に沿って２本設けられている。これは、一般的なスラスト磁気軸受においては溝が１本であるのと異なる。溝の開口部は、スラスト磁気軸受電磁石２２０がブロア１０内に配置された場合に、ディスク２６０の方向を向く。具体的には、図２のように、二重の溝の中にコイル２２６がＣ字型形状に巻回されている。図１の磁極２２４、２４４の断面の回転軸２より下側の部分を見ると、溝が２つあることがわかる。なお、間隙部２３０の領域には、磁極もコイルも存在しない。言い換えれば、２本の溝を有する円環形状の磁極２２４は、周方向の一部に間隙部２３０を有し、コイル２２６は、この２本の溝の中に、その両方を通るように、かつ間隙部２３０を通らないように、巻回されている。

なお、スラスト磁気軸受電磁石２４０も、スラスト磁気軸受電磁石２２０と同様の構造を有する。

前述のように、スラスト磁気軸受電磁石２２０、２４０は、ディスク２６０を挟み込むように対向配置され、かつ、磁極２２４、２４４に設けられた溝の開口部は、ディスク２６０の方を向いている。したがって、溝に配設されたコイル２２６、２４６に電流を供給することにより、磁気吸引力が発生し、スラスト磁気軸受電磁石２２０、２４０がディスク２６０を引っ張る。

図１に示すように、２つのスラストセンサ２８０は、間隙部２３０、２５０の中に配置される。スラストセンサ２８０は、スラストセンサ２８０からディスク２６０までの軸方向の距離を測定する。スラストセンサ２８０に接続された制御部（図示せず）は、この測定結果に基づいて、ディスク２６０の軸方向の変位（すなわち回転軸２の軸方向の変位）を算出する。そして、制御部は、算出された変位に基づいて、フィートバック制御により、コイル２２６、２４６に供給する電流、すなわちスラスト磁気軸受電磁石２２０、２４０がディスク２６０を引っ張る磁気吸引力を制御し、ディスク２６０ひいては回転軸２の軸方向の位置を所望の位置に維持する。このようにして、スラスト磁気軸受電磁石２２０、２４０は、ディスク２６０を、非接触で支持することができる。

スラストセンサ２８０は、図１では２つ設けられているが、１つのみであってもよい。図１のように、２つのスラストセンサ２８０を、ディスク２６０を挟んで軸方向に向かい合うようにして配置し、２つのセンサの出力の差を検出する構成の利点は、環境温度変化から生じる図示しないセンサコイル、ケーブル、アンプのドリフトによる計測誤差を低減することができることである。

スラストセンサ２８０は、例えば、汎用の渦電流式のセンサである。

図１に示すように、タッチダウン軸受１３、１４は、ケーシング１に取り付けられている。タッチダウン軸受１３、１４は、例えば、ラジアル磁気軸受電磁石１１０またはスラスト磁気軸受電磁石２２０、２４０への給電が停止された場合や、異常が発生した場合など、ラジアル磁気軸受１００またはスラスト磁気軸受２００による回転軸２の非接触支持状態が維持できなくなった場合に、代わりに回転軸２を支持する。タッチダウン軸受１３、１４は、回転軸２の軸方向および径方向の可動範囲を規制する。タッチダウン軸受１３、１４は、可動範囲の極限位置において、回転軸２を機械的に支持する。タッチダウン軸受１３は、径方向と軸方向との両方向を支持するために、正面合わせを行ったアンギュラ玉軸受が２個用いられた構成を有する。他方で、タッチダウン軸受１４は、径方向のみを支持するものであり、深溝玉軸受が用いられた構成を有する。なお、図１におけるタッチダウン軸受１３、１４の断面は概略を示したものである。

また、回転数センサ１２は、ケーシング１に取り付けられており、回転軸２の回転数を検出（計測）することができる。回転数センサ１２は、被検出部として永久磁石を備え、検出部としてホール素子等を備えたもの、または、被検出部として反射部と非反射部を備え、検出部として投光部と受光部を備えた光学式センサなどであってもよい。

なお、スラスト磁気軸受電磁石２２０、２４０は、Ｃ字型形状であるため、同一の内径および外径を有する円環形状のものと比べた場合には、コイル占有面積が減少し、吸引力が低下する可能性がある。しかしながら、スラスト磁気軸受電磁石２２０、２４０の内径の円周長さよりもスラスト磁気軸受電磁石２２０、２４０の径方向の厚みが小さい場合は、Ｃ字型形状にすることにより低下するコイル占有面積は、従来技術のようにスラスト磁気軸受電磁石を径方向に小さくしてスラスト磁気軸受電磁石の径方向外側にスラストセンサを配置したときに低下するコイル占有面積に比べて小さいと考えられる。したがって、磁気吸引力の低下は実質的に問題とならない。よって、磁気軸受装置の小型化を図ることが可能である。

以上のように、スラストセンサ２８０を、スラスト磁気軸受電磁石２２０、２４０の径方向内側または外側に配置せず、間隙部２３０、２５０の中に配置することによって、スラスト磁気軸受の径方向の寸法を増加させることなく、軸方向の寸法を小さくすることができる。よって、スラスト磁気軸受およびスラスト磁気軸受を備えるブロアの小型化を達成することができる。

また、前記のようなスラスト磁気軸受装置を有するブロアは、スラスト磁気軸受のディスクの重量の軽量化のため、回転軸２の固有振動数を高めることができるので、より高速な回転に耐えることができる。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２に係るスラスト磁気軸受電磁石３２０の、図１のＩＩ−ＩＩと同じ位置における断面図である。以下の記載では、実施の形態１と異なる点を中心に説明し、その他の部分については原則として重複説明を省略する。図３中の構成要素のうち、図１、２におけるものと同じ構成要素については、図１、２の符号と同じ符号が用いられる。

実施の形態２は、実施の形態１と、スラスト磁気軸受電磁石の構成のみが異なる。実施の形態２では、スラスト磁気軸受電磁石３２０の磁極は、複数の磁極を組み立てることによって形成される。すなわち、図３に示すように、スラスト磁気軸受電磁石３２０は、第１電磁石片３２２および第２電磁石片３３２から成る。電磁石片３２２、３３２は、実質的に、実施の形態１のＣ字型のスラスト磁気軸受電磁石２２０を、径方向中心と間隙部２３０の中心とを通りかつ径方向に対して垂直な平面で切断したような形状（半割れ形状）である。言い換えれば、半割れ形状の電磁石片３２２および３３２を組み合わせた場合、スラストセンサ２８０を配置するのに十分な間隙部３３０が設けられることになる。半割れ形状のコイル構造は、Ｃ字型のコイル構造より製作が容易であるという利点を有する。更に、半割れ形状の構造は、回転軸２に対し径方向から組み立ててスラスト磁気軸受電磁石３２０を構成することができるため、組立ておよび分解が容易であるという利点を有する。

スラスト磁気軸受電磁石３２０は、半割れ形状であることを除いては、スラスト磁気軸受電磁石２２０と実質的に同様の構造を有する。すなわち、スラスト磁気軸受電磁石２２０の第１電磁石片３２２は、鉄などの磁性材料から成る磁極３２４およびコイル３２６を含み、第２電磁石片３３２は、磁極３３４およびコイル３３６を含む。磁極３２４、３３４には、コイルを巻回するための二重の溝が設けられている。コイル３２６およびコイル３３６に同じ大きさの電流が供給されることにより、電磁石片３２２、３３２は、１つのスラスト磁気軸受電磁石３２０として機能する。

スラストセンサ２８０は、間隙部３３０の中に配置される。

以下、実施の形態１について説明したのと同様に、制御部（図示せず）は、スラストセンサ２８０の測定結果に基づいてディスク２６０の軸方向の変位を算出し、フィートバック制御によりコイル３２６、３３６に供給する電流を制御する。このようにして、スラスト磁気軸受電磁石３２０は、ディスク２６０を、非接触で支持することができる。

以上では、スラスト磁気軸受電磁石３２０は、電磁石片２つから成る半割れ形状として説明したが、３つ以上の電磁石片から成る構造であってもよい。

以上により、実施の形態２では、実施の形態１に示した効果に加えて、コイルの形状が単純であり製作が容易であるという利点がある。また、電磁石が半割れ形状となっているため、回転軸２に対し径方向から組立てや分解を行うことができ、優れた組立性を有する。

１ ケーシング、２ 回転軸、３ 羽根、４ モータステータ、５ モータロータ、１０ ブロア、１２ 回転数センサ、１３、１４ タッチダウン軸受、１００ ラジアル磁気軸受、１１０ ラジアル磁気軸受電磁石、１１２ 磁極、１１６ コイル、１２０ ラジアル磁気軸受ロータ、１３０ ラジアルセンサ、２００ スラスト磁気軸受、２２０、２４０ スラスト磁気軸受電磁石、２２４、２４４ 磁極、２２６、２４６ コイル、２３０、２５０ 間隙部、２６０ ディスク、２８０ スラストセンサ、３２０ スラスト磁気軸受電磁石、３２２、３３２ 電磁石片、３２４、３３４ 磁極、３２６、３３６ コイル、３３０ 間隙部。

Claims (6)

1. 中心軸を中心に回転する回転軸と、
   前記回転軸の周囲に前記回転軸と同軸に設けられた円盤形状のディスクと、
   前記中心軸の方向に前記ディスクを挟んで対向配置された２つの電磁石であって、磁極およびコイルを含む電磁石と、
   前記中心軸の方向に前記ディスクと対向配置され、前記ディスクとの距離を測定するセンサと、
   前記センサの測定結果に基づいて、前記電磁石の前記コイルに供給する電流を調整する制御部と、を含み、前記ディスクを非接触で前記中心軸の方向に支持するスラスト磁気軸受であって、
   前記電磁石は、前記ディスクと対向する位置に間隙部を有し、前記間隙部の中に前記センサが配置されることを特徴とするスラスト磁気軸受。
2. 前記制御部は、前記センサの測定結果に基づいて、前記ディスクの軸方向の変位を算出し、前記変位に基づいて、前記コイルに供給する電流を調整することを特徴とする請求項１に記載のスラスト磁気軸受。
3. 前記磁極は、軸方向側面の一方に、前記中心軸を中心とする周方向に沿って形成された２本の溝を有することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のスラスト磁気軸受。
4. 前記コイルは、前記溝の中で巻回することを特徴とする請求項３に記載のスラスト磁気軸受。
5. 前記電磁石は、前記中心軸の方向に沿って分割された複数の電磁石片を含み、前記コイルは、前記電磁石片の中で巻回することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のスラスト磁気軸受。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載のスラスト磁気軸受と、前記回転軸を非接触で前記中心軸の周囲に支持するラジアル磁気軸受と、前記回転軸に取り付けられた羽根と、を含むブロア。

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