JPH05502084A - 磁気軸受構造体 - 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】 磁気軸受構造体 見所勿λ景 本発明は、広くは磁気軸受構造体の改良に関し、より詳しくは、半径方向の極性 をもつ制御可能な電磁界と軸線方向の極性をもつ比較的一定の磁界との組合せを 利用して、静止部材に対して安定した方法で回転部材を懸架する磁気軸受構造体 に関する。

電磁軸受は、磁界により有効に浮動すなわち浮揚される回転軸のような本体を支 持するのに極めてを効である。このようにすれば、回転軸と静止構造体とが摩擦 接触することはなく、従って、軸又は軸の回りの本体を比較的摩擦のない状態で 回転させることができる。また、この構成は、機械的な騒音を生じさせる原因と なる機械的摩擦がなく且つ他の形式の軸受構造体では得られない耐久性をもつと いう明らかな長所を有している。更に、摩擦作用が従来の軸受構造体より小さい ため、電磁軸受によればより高速の回転が得られる。

一般に磁気軸受はメインテナンスが殆ど不要であり、且つ従来の他の軸受では破 壊され又は作動不能となる腐食性流体が存在するような悪環境においても容易に 作動することができる。また、磁気軸受は、宇宙空間のような真空中、又は物理 的に接触する軸受を使用しないでボンブロー・夕を支持しなければならないキャ ンドポンプ中で移動本体を支持するのに通している。

浮揚ギャップのけ勢に使用される従来の電磁石は、必要な磁界を発生させるのに 大量の電力を要するという点で不充分である。

一般に、従来の１を磁軸受は、本質的に効率が良くないと考えられている大形の 電磁コイル及び電子制御回路を必要とする。より優れた安定性及び制御か得られ るようにするため、電磁石と組み合わせて永久磁石を使用する幾つかの提案かな されている。しかしながら、電磁石及び永久磁石の両方を用いる従来の設計は、 空間的見地から効率か悪く且つかなり複雑でもある。

磁気軸受構造体の開発における主要な考察の１つは、いわゆるエアギヤツブをな くすことにある。いわゆるエアギャップは、電磁石及び永久磁石の磁束経路の一 部を形成して、支持構造体と浮揚構造体との間にブリッジを構成する。実際には 、懸架本体すなわち回転本体を配置するのに、幾分かのエアギヤツブはやむをえ ない。従って、成る程度のエアギャップは避けられないが、エアギャップは絶対 最小限まで減らすことか望まれている。

純物理学的見地からすれば、エアギャップは、あらゆる形式の磁気構造体の効率 を大きく低下させる。エアギャップは、磁束伝達効率の点で、鉄心媒体の約１／ ２．０００である。従って、非効率的であり、０，１インチ（約２．５ｍｍ）の エアギャップをもつ磁気軸受構造体は、２０インチ（約５００　ｍｍ）の鉄心を もつ磁気軸受よりもずっと効率か悪いのである。

更に、永久磁石の磁束伝導率の束縛に打ち勝つことも重要である。永久磁石は、 磁束を発生するにも係わらず、磁束に対しては非常に劣悪な導体である。入手可 能な最も効率の良い永久磁石は希土類合金磁石である。しかしながら、そのよう な永久磁石でも透磁率は非常に小さく、磁気回路におけるエアギャップと非常に 良く似た挙動をする。希土類合金磁石の透磁率か低いため、永久磁石を通る電磁 界を駆動するには大電力を要し、従って電気的効率は低くなる。このため、永久 磁石を通して電磁界を伝達することは好ましくない。

従って、半径方向の極性をもつ制御可能な電磁界及び軸線方向の極性をもつ一定 磁界の両方を利用する新規な電磁軸受構造体であって、軽量で高電力効率が得ら れ且つコンパクトで空間的効率の良い電磁軸受ｉ遺体が要望されている。また、 浮揚構造体と支持構造体との間のギャップを最小にすることによって装置の磁気 効率を最適化でき、且つ永久磁石を通して磁束を駆動するための起磁力を電磁コ イルが発生する必要のない電磁軸受構造体に対する要望もある。更に、浮揚構造 体を、サーボ制御回路を用いて所望の位置に維持するのに比較的小形の電磁コイ ルを用いることができる電磁軸受構造体も要望されている。そのような新規な軸 受構造体は、関連構造体間に高密度の一定磁束を付与することを目的として電磁 石及び永久磁石を同時に使用すべきであり、且つハウジング内の浮揚軸並びに全 体として支持構造体を包囲する浮揚円筒体を回転できるように磁気軸受構造体の 形状を定めるべきである。本発明はこれらの要望を満たし且つ他の関連する利点 が得られるものである。

光重しと１血 本発明は、静止部材に対して懸架すなわち浮揚された位置（浮揚位置）に回転部 材を支持することができる改良されたｔ磁軸受構造体を提供することにある。概 略的に説明すると、本発明の軸受構造体は、静止部材に関連しており且つ互いに 軸線方向に間隔を隔てた第１及び第２の手段であって、回転部材のそれぞれの部 分を包囲する、半径方向の極性をもつ制御可能な電磁界を発生する第１及び第２ の手段を有している。また、本発明の軸受構造体には、静止部材に関連しており 且つ前記第１を磁界発生手段と第２電磁界発生手段との間に配置された手段が設 けられていて、該手段は軸線方向の極性をもつ磁界を発生することができる。第 １及び第２の電磁界発生手段及び軸線方向の極性をもつ磁界発生手段からの実質 的に全ての磁束か、回転部材と静止部材との間の対をなすエアギャップのみを介 して半径方向に指向されて、静止部材に対する回転部材の磁束カップリングを形 成する。本発明の電磁軸受構造体のこの構成は、半径方向の極性をもつ制御可能 な電磁界と、軸線方向の極性をもつ比較的一定の磁界とをユニークに組み合わせ て、軽量で高出力効率をもつコンパクトで空間効率の良い装置を構成する。また 、軸線方向の極性をもつ一次磁界を使用しているため、回転部材の渦電流及びヒ ステリシス損か大幅に低減される。

本発明の電磁軸受構造体の最も基本的な形態においては、軸線方向の極性をもつ 比較的一定の磁界を用いて高密度の磁束を発生しており、この磁束は、回転部材 と静止部材との間の対をなすエアギャップを通るように半径方向に指向される。

これにより、回転部材を包囲する全体として均一な磁界が形成され、この磁界は 、完全な状態の下では、静止部材に対して回転部材を理論的に懸架すなわち浮揚 させることかできる。そのような完全な状聾が存在することは稀であり、従って 静止部材に対する回転部材のあらゆる変位により、回転部材が引っ張られて静止 部材の一部と接触する。これは、一定磁界により創出される「ネガティブスプリ ング」効果として知られている。

この「ネガティブスプリング」効果を打ち消すため、本発明では半径方向の極性 をもつ制御可能な電磁界を用いて、回転部材を静止部材に対して最適心出し位置 に安定化させる。

回転部材の位置の変化は、「ポジティブスプリング」効果（すなわち、高弾性復 帰力）を生じさせる活動的な電磁サーボ制御装置により相殺される。本発明の電 磁軸受構造体は、回転部材の半径方向変位を検出できる位置に配置されたセンサ を有している。本発明のサーボ制御回路は、電磁界の力を制御することにより、 浮揚された部材のあらゆる変位を補正することができる。この方法においては、 位置センサからの信号は、サーボ制御装置が回転部材を安定化させて回転部材を 最適心出し位置に維持することを可能にする。

本発明の１つの好ましい形態においては、第１及び第２の電磁界発生手段が１対 の弧状リングを備えている。該弧状リングは積層構造及び高ｉ３［率を有してお り、静止ハウジングの両端部近くに配置されている。各弧状リングには複数の電 磁コイルが周方向に配置されており、これらの電磁コイルは、回転部材（第１の 好ましい形態においては軸である）から半径方向に間隔を隔てて配置されている 。

軸線方向の極性をもつ磁界を発生する手段は、２つの弧状リング及び該リングに 関連した’を磁コイルの間で、軸から半径方向外方においてハウジングに固定さ れた永久磁石を備えている。この永久磁石は、軸線方向の極性を有しており且つ 永久磁石から弧状リングまで延びている円筒状のＭ！極片により弧状リングに対 して磁気的にリンクされている。

回転軸が低透磁率の材料で作られている場合には、軸の周囲のスリーブとして、 透磁性アーマチャが設けられる。積層構造に作ることができる透磁性のロータが アーマチャに固定される。このロータは、各弧状リングと全体的に対面して１対 のエアギャップを形成する。永久磁石及び電磁石により発生される実質的に全て の磁束が、このエアギヤノブを通るように指向される。

ハウジングに対する軸の並進移動（直線移動）を磁気的に防止する手段は、リン グとロータとの対向面に設けられた少なくとも１つの周方向溝を備えている。エ アギャップを横切る高密度の磁界により、周方向溝同士が整合されて、ハウジン グに対する軸の並進移動が制御される。

弧状リング内に配置される電磁コイルは、所望量の電磁束を付与できるように、 従って軸を包囲する半径方向に向いた電磁界を制御できるように、サーボ制御回 路により制御される。本発明による電磁軸受構造体のこの構成により、永久磁石 を通る磁束を駆動する起磁力を要することなく、電磁コイルからの磁束の発生を 変化させて、軸の最適位置を確保することができる。また、この方法により、本 発明のｉｉｉ磁軸受構造体は高出力効率を維持することができる。

本発明の第２実施例においては、ｔ１ａ軸受構造体が、回転軸に対して非連続面 を呈しているリングを使用している。第１実施例及び第２実施例の両方共、軸は ハウジング内で回転する。

本発明の第３実施例においては、永久磁石が、軸線方向の極性をもつ一定磁束の 電磁石で１換されている。作業上の条件により、成る用例においては、永久磁石 ではなく電磁石を用いることを要する場合がある。例えば、ｔｆｆｆ石は、多く の永久磁石よりも高温で機能することが知られている。

もう１つの実施例においては、本発明の電磁軸受構造体は、回転部材が静止部材 を外的に包囲すなわち取り囲むように構成されている。本願に示す種々の実施例 における原理及び構成は同しであり、全ての実施例が空間的経済性及び出力効率 上の利点を有している。

本発明の他の特徴及び利点は、例えば本発明の原理を示す添付図面に関連して述 べる以下の説明により明らかになるであろう。

皿血立証車星糞所 第１図は、本発明の好ましい実施例による電磁軸受構造体の一部の斜視図であり 、軸受構造体の各端部に隣接して配置された半径方向の極性をもつ制御可能な電 磁コイル及びこれらの電磁コイルの間に配置された軸線方向の極性をもつ永久磁 石により発生された磁束経路を例示的に示すものである。

第２図は、第１図に示した電磁軸受構造体の部分的側面図であり、電磁コイルに 対する永久磁石の関係、及び回転軸と静止ハウジングとの間の２つのエアギャッ プ（電磁コイル及び永久磁石からの実質的に全ての磁束がこのエアギャップを通 る）を示すものである。

第３図は、第２図の３−３線に沿う方向から見た部分断面図である。

第４図は、本発明の電磁軸受構造体の第２実施例の一部を示す第１図と同様な斜 視図である。

第５図は、本発明の電磁軸受構造体の第３実施例の部分的斜視図であり、第１図 に示した永久磁石に代えて、軸線方向の極性をもつ一定磁束の電磁石を使用した ところを示すものである。

第６図は、本発明の電磁軸受構造体の第４実施例についての第１図と同様な部分 的斜視図であり、中空円筒状の回転部材が静止軸及び磁束発生機構を全体的に包 囲している状態を示すものである。

第７図は、本発明の電磁軸受構造体に関連して使用されるサーボ制御回路の機能 的作動を示す概略図である。

第８図は、第７図に概略的に示したサーボ制御回路の概略的な回路構成図である 。

しい　についての−なＬ 図示のように、本発明は、第１図〜第３図において参照番号ＩＯで全体を示す改 良された電磁軸受構造体に関する。軸受構造体ｌＯは、静止の外側ハウジング１ ２と、該ハウジング１２を通って軸線方向に延びている円筒状の回転軸■４とを 存している。

ハウジング１２は、２つのエアギャップ１６を通る高密度の磁束を発生する手段 を有しており、ハウジング１２内で回転軸Ｉ４を懸架すなわち浮揚させることが できる。

本発明によれば、第１図〜第３図における本発明の第１の好ましい実施例に関連 して示すように、ハウジングＩ２の内面上の中央部にはディスク状の永久磁石１ ８が配置されており、該永久磁石Ｉ８は回転軸１４の一部を包囲している。永久 磁石１８は軸線方向の極性を存しており、全体として円筒状の磁極片２０が永久 磁石１８のＮ極面及びＳ極面に当接しており且つここからハウジング１２の両端 部へと延びている。

１対の弧状リング２２　（各リング２２は、積層板で形成され且つ高ｉＭｆｆｆ 率をもつものが好ましい）が、それぞれの磁極片２０と当接関係をなしてハウジ ング１２の各端部に配置されている。各弧状リング２２には、互いに周方向に間 隔を隔てて配置された複数のスロット２４が設けられており、個々のスロット２ ４内には能動制御電磁コイル２６が受け入れられている。

説明の目的上、回転軸１４は高透磁率をもつ材料で作られているとする。そのよ うな場合、回転軸１４の、ハウジング１２により包囲される部分の上にはアーマ チャすなわちスリーブ２８が配置され、このスリーブ２８も高ｉ３Ｎ率材料で形 成するのが好ましい。スリーブ２８には、弧状リング２２と整合した関係をなし て１対のロータ３０が固定されている。ロータ３０と該ロータ３０に対面する弧 状リング２２の表面との間の間隔が、前述のエアギャップ１６を形成している。

また、ロータ３０及びリング２２の対向面にはそれぞれ円形溝３４及び３２が設 けられていて、ハウジング１２と回転軸１４との間に軸線方向の復帰力を付与し 、これにより、回転軸１４かハウジング１２内で懸架されているときの回転軸１ ４の軸線方向移動を防止できるようになっていることに注目すべきである。エア ギャップ１６を横切る方向に高密度の磁束か作用すると、対向面のランドと溝と を整合させようとする磁気抵抗６出し力（ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ　ｃｅｎｔｅｒ ｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ）か生しる。

電磁軸受構造体ｌＯは、ハウジング１２に対する回転軸１４の変位を検出するセ ンサを用いている。この点について説明すると、Ｘ軸位置センサ３６及びＹ軸位 置センサ３８か設けられていて、それぞれ、回転軸１４のＸ軸線方向変位及びＹ 軸線方向変位を検出する。これらのセンサ３６．３８の目的は、回転軸１４の最 適８出し位置からの移動を検出することにある。位置センサ３６．３８か回転軸 １４の偏心を検出すると、これらのセンサ３６．３８は、サーボ回路４０（第７ 図及び第８図により詳しく示しである）への電気信号を発生する。これにより、 サーボ回路４０は電磁コイル２Ｇへの信号を発生して、回転軸１４をその最適８ 出し位置に再位置決めさせる復帰力を生じさせる。

本発明の電磁軸受構造体ｌＯの上記基本的構造を念頭におきその機能について以 下に詳細に説明する。永久磁石１８は、矢印４２で示す経路を有する磁束を発生 している。永久磁石Ｉ８は比較的一定で高密度の磁束を発生し、この磁束４２は 、永久磁石１８から磁極片２０を通り、一方の弧状リング２２へと軸線方向に導 かれ、弧状リング２２において回転軸１４に向かって半径方向に方向を変える。

磁束経路４２は、一方のエアギャップ１６を跨ぎ、ロータ３０を介してアーマチ ャ（スリーブ）２８に導かれ、反対側のエアギャップ１６を通って永久磁石１８ に戻る。軸線方向の極性をもつ永久磁石１８により発生された磁束は、１対の工 アギャップ１６のみを通って半径方向に指向され、ノーウジング１２に対する回 転軸１４の磁束カップリングを形成する。完全な条件の下で、回転軸１４がハウ ジング１２内で正確に心出しされていて、回転軸１４の全周にわたって均一なエ アギャップ１６が存在するものとすれば、理論的には、永久磁石１８により形成 される高密度磁束が、準安定状態である半径方向に向いた力系を創出するであろ う。回転軸１４のあらゆる偏心により、回転軸１４は、ハウジング１２内で一方 の側又は他方の側に引かれるであろう。これが、いわゆる、永久磁石１８により 付与される一定磁束の「ネガティブスプリング」効果でちる。

弧状リング２２により回転軸ｊ４の周囲に配置された電磁コイル２６は、「ネガ ティブスプリング」効果を打ち消すようにサーボ回路４０により制御され、「ポ ジティブスプリング」効果すなわち、回転軸Ｊ４を弧状リング２２間で心出しさ れた状態に　維持する高弾性復帰力（ｈｉｇｈ　ｓｔｉ［ｎｅｓｓ　ｒｅｓｔｏ ｒｉｎｇ　ｆｏｒｃｅ）を発生させる。参照番号４４は、電磁石（電磁コイル） ２６の磁束経路を示すものである。各電磁コイル２６は半径方向の極性をもつ制 御可能な電磁界を発生することかでき、この電磁界においては、磁束経路４４か エアギャップ１６を横切る方向を向いており且つアーマチャ２８及び高透磁率の 弧状リング２２を通って回転軸１４の周囲に導かれる。

使用に際し、永久磁石１８により発生される磁界は、回転軸１４を真の心出し位 置から弧状リング２２と係合する位置に変位させる傾向を有している。そのよう な変位は、サーボ回路４０への入力信号を与えるＸ軸位置センサ３６及びＹ軸位 置センサ３８により検出される。サーボ回路４０は、弧状リング２２内に配置さ れた電磁コイル２６への電流を選択的に制御して、回転軸１４を真の心出し位置 に維持するポジティブな勾配を与える。サーボ回路４０及び電磁コイル２６の使 用により、回転軸１４の変位が大きくなればなる程、大きな復帰力が発生される ようになっている。従って、ハウジング１２内の浮揚位置すなわち懸架位置に回 転軸１４を支持するのに必要な、エアギヤノブ１６を通る高密度の磁界が形成さ れる。電磁石２６は回転軸１４を安定化し、上記構成により、従来の形式の電磁 軸受構造体よりも非常に効率の良い軸受構造体を得ることが可能になる。

比較的一定の磁束４２を発生する軸線方向の極性をもつ永久磁石１８と、可変磁 束４４を発生する半径方向の極性をもつ制御可能な！磁石２６とを、上記のよう に幾何学的に簡単な構成に配置することにより、従来の入手可能な電磁アクチュ エータに比べ、大きな単位サイズ及び重量当たりの力を発生させることができる 。

また、この構成により、特に効率の良いコンパクトなパッケージを達成すること ができる。

第４図には、本発明の第２の好ましい実施例が示されており、第１図〜第３図の 第１実施例における部品と機能的に同し部品については第４図においても同し番 号が用いられている。第４図の電磁軸受構造体４６は、第１図〜第３図のｔ磁気 受構造体１０と極めて良く似ている。この電磁軸受構造体４６でも、軸線方向の 極性をもつ永久磁石１８を用いて、回転軸１４を全体的に包囲する一定磁束の磁 界を発生させている。第４図の実施例と第１図〜第３図の実施例との間の王な相 違点は、弧状リング２２及び電磁コイル２６の構造にある。第４図の実施例にお けるリング２２は、磁極片２０に対して磁気的に連結されているけれども、ロー タ３０に対面する連続面を形成するものではない。それどころか、第４図の実施 例のリング２２は、エアギヤノブ１６を集中的に形成する４つの突出部材４８を 備えている。このことから、回転軸１４の各端部を包囲するエアギャップ１６は 、本発明の目的のために連続的なものとする必要がないことが理解されよう。

第５図には、本発明の第３実施例が示されている。この実施例においても、第１ 実施例における部品と機能的に同し部品については同し番号が用いられている。

第５図の実施例は、永久磁石１８を、軸線方向の極性をもつ４つの一定磁束の電 磁石５２に置換した点を除き、第４図の実施例と本質的に同じである。また、磁 極片２０が導磁性のあるバー５４に置換さ机ており、これらのバー５４は磁束４ ２のための必要な磁束経路を形成する。この実施例においては、前の実施例にお ける永久磁石１８と同様に、電磁石５２がエアギャップ１６を横切る高密度磁界 を形成する。これにより「７ガテイブスプリング」効果が創出されるけれども、 この「ネガティブスプリング」効果は、突出部材４８の回りに配置された電磁コ イル２６を制御することにより相殺される。

第６図には、本発明の更に別の実施例が示されている。第６図の電磁軸受構造体 ５６においては、回転軸Ｉ４がハウジング１２内に配置されておらず、軸１４が ハウジング１２を外部から包囲するように配置されている。この構成においては 、ハウジング１２に固定された磁束発生機構が軸１４を内的に包囲している。

ハウジング１２は、支持ベース６２の上方に突出した突出部６０に取り付けられ た静止支持体５８を備えている。

第７図には、本発明による磁気軸受構造体に関連して使用されるサーボ回路４０ の概略構成が示されている。サーボ回路４０には、Ｘ軸位置センサ３６及びＹ軸 位置センサ３８により検出された回転軸１４の変位についての変位信号を表す人 力信号Ｚｃが人力される。磁気軸受構造体の一定磁束及び制御可能な磁束の力学 系は、Ｋ、で示す力利得（ｆｏｒｃｅ　ｇａｉｎ）及び不プｆテイブスプ１Ｊン グ定数−Ｋにより近似される。サーボ回路４０（ま出力補正Ｚ０を作る。この出 力補正Ｚ。により、回転軸１４がゼロ位ｉｌｌこ維持され且つ弧状リング２２間 に呼架されるように、回転軸１４の半径方向位置（すなわち、Ｘ軸線方向位置及 びＹ軸線方向位置）力（安定化され且つ制御される。

回転軸１４の半径方向位置は本来的に不安定であり、号”−水回路４０は安定性 に対して充分に減衰した応答を与える。サーボ回路４０によるＩＩＩ’Ｕは、半 径方向センサの出力信号を補償し、これを、補償回路の一部を形成する電流増幅 器の入力にフィートノ＜・ツクすることにより達成される。

第７図には、「補償」と表示したボックスにより補償回路力（概略的に示されて おり、この補償回路は、実際には進み／遅れ回路で構成されている。この進み／ 遅れ回路は、ネガティブスプリング定数をキャンセルするか、できる限りゼロの レベルに近づくようにする。また、進み／遅れ回路は、ポジティブスプリング効 果を付加して半径方向の所望の弾性復帰を達成し、充分な減衰を与えてリンギン グ（ｒｉｎｇｉｎｇ）を防止し、且つあらゆる共振を減衰させる。

第８図は、機能的に説明することにより、本発明のサーボ回路４０の一部を構成 する幾つかの主要部品をより完全に示すものである。変位信号Ｚｃは、加算ノー ドいわゆる加算接続点６４（二人力され、次いでアウタループ補償器６６に入力 される。次に、アウタループ補償器６６の出力は別の加算ノード６８に入力され その出力は前述の補償を行うための一部の回路部品に入力される。

より詳しく説明すると、加算ノード６８の出力は、先ず［１ｆｆｉ駆動装置７０ に入力され、次いで磁気アクチュエータ７２に入力される、磁気アクチュエータ ７２の出力はセンサ７４に入力され、咳センサ７４の出力は復調フィルタ７６及 び臨界速度制御フィルタ７８に入力される。次に、これらの両フィルタ７６．７ ８の出力が加算され、補正信号Ｚ０が作られる。

アウタループ補償器のフィードバック回路８２と共に、インナループ補償器のフ ィードバック回路８０も設けられている。アウタループ回路（アウタループ補償 器のフィードハ、り回路）８２は、加算ノード６４でのネガティブ人力を有する 単一導体で構成されている。インナループ補償器のフィードバック回路８０は、 導体の途中に配置されたインナループ補償器８４を備えており、該インナループ 補償器８４は加算ノード６８にネガティブ入力信号を入力する。

アウタループ回路８２は、インナループ回路８０の回りで閉しられ、位置コマン ド入力信号のためのフィードバック信号を加算接続点６４に人力する。通常の作 動状態の下では、このコマンド入力信号はゼロであるか、軸受のあらゆる非対称 性をオフセ、卜するバイアスを有している。

臨界速度フィルタ７８及び復調フィルタ７６は、臨界速度での回転軸Ｉ４の振動 を制限するのに有効なノツチフィルタである。

これらのノツチフィルタは、臨界速度の動的解析予測に基づいて設計することが できる。また、これらのフィルタは軸の臨界用波数でのサーボ利得を増減させ、 これにより、臨界周波数での磁気軸受の反力が軸の共振応答に寄与しないように している。所望ならば、これらのフィルタは、実際のロータ応答特性にチューニ ングできるように調節可能なもので構成することができる。

センサ７４は、磁気軸受ハウジングの作動を検出する種々のセンサであり、Ｘ軸 位置センサ３６及びＹ軸位置センサ３８に限定されるものではない。これらのセ ンサ７４は、例えば、制御アルゴリズムを変えるのに使用される温度センサ等で 構成することができる。

以上から、本発明による改良された電磁軸受構造体は、一定磁束を発生する軸線 方向の極性をもつ磁力源と半径方向の極性をもつ制御可能な電磁界とを用いて、 静止本体すなわちハウジングに対して懸架された位置に回転軸を支持できること が理解されよう。

本発明の磁気軸受構造体は、軽量で高出力効率をもつ非常にコンパクトで空間効 率に優れた装置である。本発明の磁気軸受構造体は、電磁コイルが、永久磁石を 通る磁束を駆動する起磁力を生しさせる必要がないため、磁気効率が最適化され る。また、制御可能な電磁石とは独立して、高密度の磁束が発生されるため、比 較的小形の電磁コイルを使用でき、これにより、電力損失を小さくでき且つ小形 の制御増幅器の使用が可能になる。

以上、本発明の４つの実施例について詳細に説明したが、本発明の精神及び範囲 から逸脱することなく種々の変更を施すことができるであろう。

国際調査報告

Claims (35)

【特許請求の範囲】
1. １．静止部材に対して懸架された位置に回転部材を支持するための電磁軸受構造 体において、 静止部材に関連する第１手段であって、回転部材の第１部分を包囲する半径方向 の極性をもつ制御可能な電磁界を発生する第１手段と、 静止部材に関連しており且つ前記第１電磁界発生手段から軸線方向に間隔を隔て て配置された第２手段であって、回転部材の第２部分を包囲する半径方向の極性 をもつ制御可能な電磁界を発生する第２手段と、 静止部材に関連しており且つ軸線方向の極性をもつ磁界を発生する手段とを有し ており、該軸線方向の極性をもつ磁界発生手段が前記第１電磁界発生手段と第２ 電磁界発生手段との間に配置されており、 静止部材に対する回転部材の磁束カップリングを形成すべく、前記第１及び第２ の電磁界発生手段及び軸線方向の極性をもつ磁界発生手段からの実質的に全ての 磁束を、回転部材と静止部材との間の１対のエアギャップのみを介して半径方向 に指向させる磁束指向手段を更に有していることを特徴とする電磁軸受構造体。
2. ２．前記第１及び第２の電磁界発生手段の各々が、静止部材の回りで周方向に配 置され且つ回転部材から半径方向に間隔を隔てて配置されている複数の電磁コイ ルを備えていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の電磁軸受構造体。
3. ３．前記第１及び第２の電磁界発生手段の各々が、高透磁率をもつ弧状リングを 備えており、該リングには複数の電磁コイルが配置されていることを特徴とする 請求の範囲第２項に記載の電磁軸受構造体。
4. ４．前記軸線方向の極性をもつ磁界発生手段が、前記弧状リングに対して磁気的 にリンクされていることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の電磁軸受構造体 。
5. ５．前記静止部材に対する回転部材の軸線方向の並進移動を磁気的に防止する手 段を有していることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の電磁軸受構造体。
6. ６．前記並進移動防止手段が、回転部材及び静止部材にそれぞれ設けられた互い に対面する磁束伝導リングを備えており、該リング間のギャップが少なくとも１ つのエアギャップを形成しており、各リングが少なくとも１つの周方向溝を備え ており、該周方向溝が、対向するリングに設けられた同様な溝と整合しているこ とを特徴とする請求の範囲第５項に記載の電磁軸受構造体。
7. ７．前記軸線方向の極性をもつ磁界発生手段が、前記第１電磁界発生手段と第２ 電磁界発生手段との間において静止部材の回りで周方向に配置された複数の電磁 コイルを備えていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の電磁軸受構造体 。
8. ８．前記軸線方向の極性をもつ磁界発生手段が、回転部材の一部を全体として包 囲しており且つ前記磁束指向手段に対して磁気的にリンクされた永久磁石手段を 備えていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の電磁軸受構造体。
9. ９．静止部材に対して懸架された位置に回転部材を支持するための電磁軸受構造 体において、 静止部材に関連する１対の弧状リングと、静止部材の回りで周方向に且つ回転部 材から半径方向に間隔を隔てて各弧状リングに配置された複数の電磁コイルと、 回転部材を包囲する半径方向の極性をもつ電磁界を発生させるべく、前記電磁コ イルに制御された電流を供給する手段と、静止部材に関連しており且つ回転部材 を全体として包囲する軸線方向の極性をもつ磁界を発生する手段とを有しており 、該軸線方向の極性をもつ磁界発生手段が弧状リングに対して磁気的にリンクさ れており、 静止部材に対する回転部材の磁束カップリングを形成すべく、前記電磁コイル及 び軸線方向の極性をもつ磁界発注手段からの実質的に全ての磁束を、回転部材と 静止部材との間の１対のエアギャップのみを介して半径方向に指向させる磁束指 向手段を更に有していることを特徴とする電磁軸受構造体。
10. １０．前記リングが積層構造からなり、リングに生じる渦電流の効果を低減させ ることを特徴とする請求の範囲第９項に記載の電磁軸受構造体。
11. １１．前記静止部材に対する回転部材の軸線方向の並進移動を磁気的に防止する 手段を有していることを特徴とする請求の範囲第９項に記載の電磁軸受構造体。
12. １２．前記並進移動防止手段が、静止部材に関連する弧状リングと対面する関係 をなすように、回転部材の一部の周囲に固定された磁束伝導ロータを備えており 、該ロータと弧状リングとの間のギャップがエアギャップを形成しており、各ロ ータが少なくとも１つの周方向溝を備えており、該周方向溝が、対向する弧状リ ング対向面に設けられた同様な溝と整合していることを特徴とする請求の範囲第 １１項に記載の電磁軸受構造体。
13. １３．前記軸線方向の極性をもつ磁界発生手段が、前記対をなす弧状リングの間 において静止部材の回りで周方向に配置された複数の電磁コイルを備えているこ とを特徴とする請求の範囲第９項に記載の電磁軸受構造体。
14. １４．前記軸線方向の極性をもつ磁界発生手段が、回転部材の一部を全体として 包囲しており且つ前記弧状リングに対して磁気的にリンクされた永久磁石手段を 備えていることを特徴とする請求の範囲第９項に記載の電磁軸受構造体。
15. １５．前記永久磁石手段が、静止部材に関連しており且つ回転部材の一部を包囲 している軸線方向の極性をもつ弧状永久磁石を備えており、該永久磁石が、弧状 リング及び該弧状リングに関連する電磁コイルの間に配置されており、且つ２つ のエアギャップを介して回転部材に対して磁気的にリンクされていて、永久磁石 からの軸線方向を向いた磁束がエアギャップを半径方向に通るように再指向させ 、回転部材に対してリンクされる高密度の磁界を創出することを特徴とする請求 の範囲第１４項に記載の電磁軸受構造体。
16. １６．前記永久磁石と対をなす弧状リングとの間で延びている弧状の磁極片を有 していることを特徴とする請求の範囲第１４項に記載の電磁軸受構造体。
17. １７．前記エアギャップが電磁軸受構造体の両端部の近くに配置されていること を特徴とする請求の範囲第９項に記載の電磁軸受構造体。
18. １８．前記回転部材の周囲に固定された透磁性をもつアーマチャを有しており、 該アーマチャが２つのエアギャップの間に延びていることを特徴とする請求の範 囲第９項に記載の電磁軸受構造体。
19. １９．静止部材に対して懸架された位置に回転部材を支持するための電磁軸受構 造体において、 静止部材に関連する１対の弧状リングと、静止部材の回りで周方向に且つ回転部 材から半径方向に間隔を隔てて各弧状リングに配置された複数の電磁コイルと、 回転部材を包囲する半径方向の極性をもつ電磁界を発生させるべく、前記電磁コ イルに制御された電流を供給する手段と、静止部材に関連しており且つ回転部材 を全体として包囲する軸線方向の極性をもつ磁界を発生する手段と、軸線方向の 極性をもつ磁界発生手段と対をなす弧状リングとの間に延びており且つこれらの 磁界発生手段と弧状リングとを連結する１対の磁極片とを有しており、前記磁界 発生手段からの磁束が、前記電磁コイルにより発生された磁束と一緒に前記弧状 リングを通る方向に指向され、回転部材に対して磁気的にリンクされることを特 徴とする電磁軸受構造体。
20. ２０．前記弧状リングと回転部材との間で回転部材を包囲する１対の半径方向の エアギャップのみを形成する手段を有しており、前記電磁コイル及び軸線方向の 極性をもつ磁界発生手段により発生された磁束が回転部材に対してリンクされる ことを特徴とする請求の範囲第１９項に記載の電磁軸受構造体。
21. ２１．前記軸線方向の極性をもつ磁界発生手段が、１対の弧状リングの間におい て静止部材の回りで周方向に配置された複数の電磁コイルを備えていることを特 徴とする請求の範囲第１９項に記載の電磁軸受構造体。
22. ２２．前記軸線方向の極性をもつ磁界発生手段が、回転部材の一部を全体として 包囲しており且つ前記対をなす磁極片を介して弧状リングに対して磁気的にリン クされた永久磁石手段を備えていることを特徴とする請求の範囲第１９項に記載 の電磁軸受構造体。
23. ２３．前記弧状リング及び軸線方向の極性をもつ磁界発生手段回転部材を内的に 包囲するようにして、回転部材が静止部材を全体的に包囲していることを特徴と する請求の範囲第１９項に記載の電磁軸受構造体。
24. ２４．静止部材に対して懸架された位置に回転部材を支持するための電磁軸受構 造体において、 静止部材に関連する１対の弧状リングと、静止部材の回りで周方向に且つ回転部 材から半径方向に間隔を隔てて各弧状リングに配置された複数の電磁コイルと、 回転部材を包囲する半径方向の極性をもつ電磁界を発生させるべく、前記電磁コ イルに制御された電流を供給する手段と、前記電磁コイルにより発生された磁束 が回転部材に対してリンクされるように、回転部材を包囲しており且つ弧状リン グと回転部材との間に配置された１対の半径方向のエアギャップを形成する手段 と、 静止部材に関連している、軸線方向の極性をもつ磁界発生手段とを有しており、 該磁界発生手段が、回転部材の半径方向外方に配置されていて回転部材の一部を 包囲しており且つ対をなす弧状リング及びこれに関連する電磁コイルの間に配置 されており、前記磁界発生手段が対をなすエアギャップを介して回転部材に対し て磁気的にリンクされていて、磁界発生手段からの軸線方向を向いた磁束がエア ギャップを半径方向に通るように再指向させ、回転部材に対してリンクされる高 密度の磁界を創出することを特徴とする電磁軸受構造体。
25. ２５．前記磁界発生手段と対をなす弧状リングとの間に延びている弧状の磁極片 を有していることを特徴とする請求の範囲第２４項に記載の電磁軸受構造体。
26. ２６．前記電磁コイルがサーボ制御装置を介して制御されることを特徴とする請 求の範囲第２４項に記載の電磁軸受構造体。
27. ２７．前記サーボ制御装置が、 軸の変位を表す変位信号を受け且つ出力補正信号を形成するアウタループ補償回 路と、 該アウタループ補償回路からの出力を受け且つインナループ補償を行うインナル ープ補償回路と、 フィードバック信号を構成するアウタループ補償回路の出力からのフィードバッ ク信号を受ける第１加算ノードと、インナループ補償回路の出力からのフィード バック信号を受けるように配置された第２加算ノードとを有しており、インナル ープ補償回路がインナループ補償器を備えており、アウタループ補償回路に配置 された補償手段を更に有していることを特徴とする請求の範囲第２６項に記載の 電磁軸受構造体。
28. ２８．前記サーボ制御装置のアウタループ補償回路が、電流駆動装置及び磁気ア クチュエータを備えていることを特徴とする請求の範囲第２７項に記載の電磁軸 受構造体。
29. ２９．前記磁界発生手段が、弧状リングの間において静止部材の回りで周方向に 配置された複数の電磁コイルを備えており、該電磁コイルが比較的一定の磁束を 発生することを特徴とする請求の範囲第２４項に記載の電磁軸受構造体。
30. ３０．ハウジングに対して浮揚し且つ所望の中心位置から変位している部材の位 置を制御するサーボ制御回路において、前記部材の変位を表す変位信号を受け且 つ出力補正信号を形成するアウタループ補償回路と、 該アウタループ補償回路からの出力を受け且つインナループ補償信号を形成する インナループ補償回路と、本質的にアウタループ補償回路の出力からなるフィー ドバック信号を受ける第１加算ノードと、 本質的にインナループ補償回路の出力におけるインナループ補償信号からなるフ ィードバック信号を受けるように配置された第２加算ノードとを有しており、イ ンナループ補償回路が第２加算ノードヘのフィードバック回路として機能し、フ ィードバック回路がインナループ補償器を備えており、前記アウタループ補償回 路が、前記第１加算ノードと第２加算ノードとの間に配置されたアウタループ補 償器を備えており、出力補正信号を形成すべく前記アウクループ補償器の出力に 配置された手段を更に有していることを特徴とするサーボ制御回路。
31. ３１．前記アウタループ補償回路が、電流駆動装置及び磁気アクチュエータを備 えていることを特徴とする請求の範囲第３０項に記載のサーボ制御回路。
32. ３２．前記アウタループ補償回路が、センサと、フィルタと、前記部材の速度を 制御する少なくとも１つのフィルタとを備えていることを特徴とする請求の範囲 第３１項に記載のサーボ制御回路。
33. ３３．電磁軸受構造体の一部を形成している軸及びハウジングの前記軸を制御し 且つハウジングに対し軸を懸架する方法において、前記軸の少なくとも一部を包 囲する磁界発生手段からの永久磁界を発生させ且つ該磁界を軸に対して軸線方向 に移動させ、永久磁界を発生する手段を超えて間隔を隔てており且つ軸の周囲で 磁気リング内に配置された電磁コイルに電流を供給し、軸を包囲する電磁界を前 記電磁コイルから発生させ、前記磁気リングにおける１対のエアギャップを通し て電磁界を軸に対して磁気的にリンクさせ、 軸線方向を向いた永久磁界を磁気リングに連結させ、軸に沿う軸線方向の磁界を 形成する高密度の磁界を、電磁界をリンクさせるのに用いた、前記間隔を隔てた エアギャップと同じ対のエアギャップを通して軸に対して磁気的にリンクさせる ことを特徴とする方法。
34. ３４．前記エアギャップが、電磁軸受構造体の両端部に配置された前記磁気リン グに配置されていることを特徴とする請求の範囲第３３項に記載の方法。
35. ３５．前記軸の一端の近くに第１電磁界を発生させ、他端の近くに第２電磁界を 発生させることを特徴とする請求の範囲第３４項に記載の方法。