JPH0640722B2 - 磁気軸受装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、回転体が比較的軽量なターボ機械等の磁気軸
受装置において、スラスト軸方向を受動的に安定化さ
せ、ラジアル軸方向のみを制御することによって回転体
を非接触で安定化させて支承する磁気軸受装置に関する
ものである。

〔従来技術〕

第１２図乃至第１４図は従来の軸制御型磁気軸受装置で
支承するスピンドルの構造を示す図で、第１２図は側断
面図であり、第１３図は第１２図のＩ−Ｉ線矢視断面
図、第１４図は第１２図のII−II線矢視断面図である。

図において、回転軸３１はケーシング３７の中央部に配
設された電動機固定子３８と電動機回転子３９を具備す
る電動機Ｃによって駆動される。該回転軸３１は上記電
動機Ｃの両側に配設された２個のラジアル磁気軸受Ａ，
Ａとその一方のラジアル磁気軸受Ａに隣接したスラスト
磁気軸受Ｂとによって支承されている。

前記ラジアル磁気軸受Ａは、固定子コイル３５を備えた
ラジアル軸受固定子３３と回転軸３１に取付けられたラ
ジアル軸受ヨーク３４から構成されている。また、前記
スラスト磁気軸受Ｂは、固定子コイル４２を備えたスラ
スト軸受固定子４１と回転軸３１に取付けられたスラス
ト軸受ヨーク４０とから構成されている。また、図中符
号３６は回転軸３１の半径方向の変位を検出する変位セ
ンサであり、３２は非常時用転がり軸受である。

従来の固定子磁極の配置及び変位センサの配置は第１３
図及び第１４図に示すようになっており、磁気吸引力の
方向は、Ｘ方向とＹ方向の直交する２方向となり、この
２軸方向の回転軸３１の位置を第１４図のようにＸ方向
とＹ方向に配設された変位センサ３６ａ，３６ｂで検出
し、該検出信号をもとに制御する。回転軸３１のＸ方向
の制御は、Ｘ方向の変位センサ３６ａの出力に基づき、
第１３図の固定子コイル３５Ａ又は固定子コイル３５Ｃ
に所定の電流を通電して、ラジアル軸受固定子３３とラ
ジアル軸受ヨーク３４の間に発生する磁気吸引力を制御
して行なう。

第１５図及び第１６図は、それぞれ所定の電流を固定子
コイル３５Ａ，３５Ｃ，３５Ｄ，３５Ｂに通電するため
の制御回路の構成を示す回路図である。第１５図の制御
回路では、バイアス用電源５３′からの電流を固定子コ
イル３５Ｂ，３５Ｄに供給すると同時に半径方向の変位
センサ３６からの出力を位相補償回路５１に導き電力増
幅器５３により生じる制御電流を固定子コイル３５Ａ，
３５Ｃに供給する。

第１６図の制御回路では、半径方向の変位センサ３６か
らの信号を位相補償回路５１に導き、その出力及び反転
した出力に一定の電圧Ｖ_Ｂを加算し、その出力を更に直
線検波回路５２ａ，５２ｃに入力し、電力増幅器５３
ａ，５３ｃで増幅し、固定子コイル３５Ａ，３５Ｃに供
給する電流を得ている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来の磁気軸受装置の場合、能動形のラジアル磁気
軸受Ａ，Ａとスラスト磁気軸受Ｂを別個に設けるため、
回転体を支承するために制御する軸数も多くなり、しか
も回転体にスラスト軸受ヨーク４０を必要とするため、
装置の組立及び分解が複雑になるという問題があった。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、スラスト軸
方向を受動的に安定化させることによって制御軸数を減
らし、磁気軸受の構造を小型・簡略化、その分解・組立
を容易にし、機械系と電気系の両面の信頼性の向上、コ
スト・消費電力の低減を図りつつ回転体を安定に支承す
る磁気軸受装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するため本発明は、回転体（１）と、固
定側に固定された該回転体（１）を非接触で支承する少
なくとも２つのラジアル制御軸受（３，４）と、制御装
置とを具備する磁気軸受装置であって、 各ラジアル制御磁気軸受（３，４）は、制御用の電磁石
（８，９）と、バイアス用磁石（１０，１１）と、コン
トロール磁極（１２，１３）と、非コントロール磁極
（１４，１５）とを具備し、回転体（１）の回転軸方向
に所定の間隔で配列され、 コントロール磁極（１２，１３）と、バイアス用磁石
（１０，１１）と、非コントロール磁極（１４，１５）
とは、いずれもリング状で制御用の電磁石（８，９）と
積層一体化され、 非コントロール磁極（１４，１５）は２つ以上の歯（１
４ａ，１４ａ，１５ａ，１５ａ）を有し、 制御用の電磁石（８，９）は、コントロール磁極（１
２，１３）にコントロール磁束を発生せしめて回転体
（１）を半径方向に吸引し、 バイアス用磁石（１０，１１）は、電磁石又は永久磁石
であり、コントロール磁極（１２，１３）にバイアス磁
束を発生せしめ、且つ非コントロール磁極（１４，１
５）に回転体（１）のスラスト軸方向の復元力を発生す
る磁束を発生せしめ、 制御装置は、回転体（１）の半径方向の変位を検出する
変位センサ（２，５）を有し、その出力を入力して制御
用の電磁石（８，９）を制御し、 回転体（１）は、磁気軸受用の磁極（１８，１９）を具
備し、該磁極（１８，１９）は非コントロール磁極（１
４，１５）の歯（１４ａ，１４ａ，１５ａ，１５ａ）及
びコントロール磁極（１２，１３）に対向する。

〔作用〕

磁気軸受装置を上記の如く構成することにより、バイア
ス用磁石（１０，１１）は、コントロール磁極（１２，
１３）にバイアス磁束を発生せしめ、且つ非コントロー
ル磁極（１４，１５）に回転体（１）のスラスト軸方向
の復元力を発生する磁束を発生せしめるから、従来のよ
うにスラスト軸方向の磁気軸受に必要なスラストディス
クが不要となり、磁気軸受装置の分解及び組立の容易な
磁気軸受装置となる。また、ラジアル軸方向のみを制御
することによって回転体を安定に支承することができる
から、制御軸数が少なくて済み低コスト及び装置の小型
化・信頼性を向上させることが可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明に係る磁気軸受装置の構成を示す側断面
図である。図示するように、本磁気軸受装置は、回転体
１、回転体１を非接触で安定に支承するための磁気軸受
３，４、固定軸７、回転体１に駆動力を与えるためのモ
ータ６からなる。

回転体１の半径方向の位置を検出するための変位センサ
２，５はそれぞれ磁気軸受３，４の近傍に配設する。

磁気軸受３，４はそれぞれ半径方向の磁気吸引力を制御
するための電磁石８，９、電磁石ヨーク１６，１７、バ
イアス磁束を与えるバイアス用磁石１０，１１、コント
ロール磁極１２，１３、非コントロール磁極１４，１５
及び磁極１８，１９からなる。

上記バイアス用磁石１０，１１、コントロール磁極１
２，１３及び非コントロール磁極１４，１５はいずれも
リング状で制御用の電磁石８，９と積層一体化されてい
る。

電磁石８は第６図（ａ），（ｂ）に示すように、平面の
１片が直線で他方の片が円弧状の４個のコア８−１ａ，
８−１ｂ，８−１ｃ，８−１ｄを具備し、それぞれの外
周に励磁コイル（第１図及び第３図の励磁コイル８−２
ａ，８−２ｂを配設した構造である。このような構造の
電磁石８を制御軸上に対向して４個配置し固定軸７に固
定している。なお、図示は省略するが電磁石９も電磁石
８と同じ構成である。

上記構成の磁気軸受装置において、回転体１は固定軸７
に固定された磁気軸受３，４に非接触で支承され、モー
タ６の起動により回転体１は固定軸７の周りを回転す
る。以下各部の構成及びその動作を詳細に説明する。

第２図は磁気軸受３を制御するための制御装置の回路構
成を示すブロック図である。変位センサ２の信号２ａ，
２ｂを入力とし、差動増幅器２２を通して変位信号を制
御回路２３に送信し、ここで位相補償した後、電流増幅
器２４に送り、この電流増幅器２４によって磁気軸受の
電磁石８の励磁コイル８−２ａ，８−２ｂに電流を供給
し、電磁石８から発生するコントロール磁束を制御す
る。制御回路２３は、公知の位相補償（積分回路、位相
進み回路）又はＰＩＤ回路で構成される。なお、磁気軸
受４を制御する制御装置も同じ回路構成であるから、こ
こではその説明を省略する。

第３図は上記磁気軸受３の構造及びその動作を示す図
で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は一部切断斜視図
である。磁気軸受３はコントロール磁束を発生し磁気吸
引力を制御する電磁石８とバイアス磁束を発生する電磁
石又は永久磁石からなるバイアス用磁石１０を別個に設
けているので、後述するように制御装置にはバイアスを
与える回路（線形化回路）は不要となる。

コントロール磁束を発生する電磁石８は、同一制御軸上
に対向してコア８−１ａと励磁コイル８−２ａの組合せ
と、コア８−１ｂと励磁コイル８−２ｂの組合せが配置
され、励磁コイル８−２ａと励磁コイル８−２ｂは直列
（端子８ｃ−８ｄ−８ｅを接続（第１図参照））に結線
されている。励磁コイル８−２ａ，８−２ｂに通電する
ことにより、発生するコントロール磁束は第３図のＢｉ
に示すように、コア８−１ａ→コントロール磁極１２→
磁極１８→コントロール磁極１２→コア８−１ｂ→電磁
ヨーク１６→コントロール磁極１２の閉ループを通る。

また、バイアス用磁石１０で発生したバイアス磁束は第
３図のＢｏで示すように、コントロール磁極１２→磁極
１８→磁極１８の歯１８ａ→非コントロール磁極１４の
歯１４ａ→非コントロール磁極１４→コントロール磁極
１２の閉ループを通る。

これにより、コントロール磁極１２では次式（１）の様
に磁気吸引力Ｆｃが発生し、磁極１８に作用する。

Ｆｃ＝Ａ／２μ｛（Ｂｏ＋△Ｂｏ−Ｂｉ）^２− （Ｂｏ−△Ｂｏ＋Ｂｉ）^２｝ ＝２Ａ／μ（Ｂｏ△Ｂｏ−ＢｏＢｉ） 但し、Ａ：コントロール磁極１２の断面積 μ：空隙透
磁率：Ｂｉはコントロール磁束：Ｂｏはバイアス磁束で
ある。このように磁気吸引力Ｆｃとコントロール磁束Ｂ
ｉの関係がバイアス磁束Ｂｏによって線形化される（第
４図参照）。即ち、制御装置にバイアスを与える線形化
回路が不要になる。

なお、磁気軸受４の構造及び動作は上記磁気軸受３と略
同一であるので説明は省略する。

非コントロール磁極１４には２つ以上のコ字状の歯１４
ａ，１４ｂを設けこの部分でこの磁束密度Ｂｕを高めて
いる。これにより回転体１が自重などによりスラスト軸
方向に移動した場合、第５図に示すようにコ字形の歯１
４ａ，１４ｂと対応する磁極１８の歯１８ａ，１８ａの
間でスラスト軸方向の磁気吸引力が生じ、その結果スラ
スト軸方向に復元力Ｆｕが発生し、受動的に回転体１の
スラスト軸方向を支承する。

磁気軸受装置３は、ラジアル軸受とスラスト軸受を合体
した構成になっており、各磁極で機能を分けている。即
ち、スラスト軸受としての機能を奏する非コントロール
磁極１４のコ字形の歯１４ａ，１４ａにはバイアス用磁
石１０のバイアス磁束Ｂｏしか流れず、ラジアル軸受と
しての機能を奏するコントロール磁極１２にはバイアス
磁石用１０ｔｏのバイアス磁束Ｂｏと電磁石８のコント
ロール磁束Ｂｉが流れる。

上記のように本磁気軸受装置は、バイアス用磁石１０の
バイアス磁束Ｂｏを磁気吸引力の線形化とスラスト軸方
向を受動的に支承するための磁束として使用している。
従って、ラジアル軸方向のみを制御することによって、
回転体を安定に支承することが可能であるから、従来の
スラスト磁気軸受のようなスラストデイスク（第１２図
のスラスト軸受ヨーク４０）が不要となる。

なお、バイアス用磁石１１（電磁石又は永久磁石）のバ
イアス磁束も上記バイアス用磁石１０の場合と同様磁気
吸引力の線形化とスラスト軸方向を受動的に支承するた
めの磁束として使用している。

コントロール磁束Ｂｉを発生する電磁石８及び電磁石９
は、第１，３図に示すように、ラジアル制御軸に対して
垂直に配設し、半径方向の寸法を小さくすることによっ
てステータの径方向に制約がある場合でも適用できるよ
うに構成する。この時電磁石８のコア８−１，９−１の
断面積にも制約があるため、磁束の飽和を起こす場合が
ある。

これを解決するための本実施例では前述の通り、第６図
（ａ），（ｂ）に示すように、電磁石８のコア８−１，
９−１を１辺が直線で、１辺が円弧を描くような平断面
とする。

こうすることによって、限られたスペースで磁路の表面
積を稼ぐことが出来る。また、この場合珪素鋼板で製作
するのは困難なため、形状加工の容易な磁性軟鉄、パー
マロイなどの材料を使用する。

本磁気軸受装置では、電磁石または永久磁石からなるバ
イアス用磁石１０，１１によってバイアス磁束Ｂｏを供
給するが、この磁束による空隙での磁束密度をコントロ
ール磁極１２，１３で０．４（Ｔ）〜０．６（Ｔ）、非
コントロール磁極１４，１５で０．８（Ｔ）〜１．２
（Ｔ）、になるように設定する。

これにより、コントロール磁極１２，１３で電磁石の発
生する磁束密度を−０．５（Ｔ）〜＋０．５（Ｔ）の範
囲で制御可能にし、非コントロール磁極１４，１５では
磁極の歯１４ａ，１５ａでほとんど飽和状態にしてスラ
スト軸方向の復元力を高めることができる。この設定
は、磁極の表面積、磁路の長さ、磁極間の空隙、磁石の
保持力・残留磁束密度（永久磁石の場合）・起磁力（電
磁石の場合）をパラメータとして行なう。

第７図は空隙での磁束密度の分布を表わす計算結果を示
す図であり、図中には電磁石８，９に電流を長さない場
合（バイアス磁束のみ）と電磁石８，９に電流を−２．
０（Ａ），＋２．０（Ａ）を流した場合の磁束密度の変
化を表わしている。この図からわかるように、電磁石
８，９に電流を流すと非コントロール磁極１４，１５の
歯１４ａ，１５ａの磁束密度には変化はないがコントロ
ール磁極１２，１３の磁束密度は変化している。

また、このように磁束密度を可変するためにコントロー
ル磁束Ｂｉが隣のコントロール磁極に流れ込まないよう
にする必要がある。そこで第８図に示すように、コント
ロール磁極１２に放射状の切り欠き１２ａを入れ、バイ
アス磁束Ｂｏをコントロール磁極の磁極部Ｐで飽和させ
コントロール磁束Ｂｉが流れ込まないようにする。な
お、図示は省略するがコントロール磁極１３も同様な構
造とする。

電磁石８に励磁電流を供給する電流増幅器は、励磁コイ
ル８−２ａと励磁コイル８−２ｂとが直列に結線されて
いるので、第９図に示すようなプッシュプル方式の電流
増幅器２４を用いる。

このプッシュプル方式の電流増幅器２４はＯＮ／ＯＦＦ
によって対向するコイルを選択するのではなく電磁石８
の励磁コイル８−２ａ，励磁コイル８−２ｂに流れる電
流の向きを換えるだけで回路の部品点数も少なくて済
み、コスト低減や回路の信頼性も向上する。なお、電磁
石９に励磁電流を供給する電流増幅器も同一構成とす
る。

本磁気軸受装置では、バイアス用磁石１０，１１をリン
グ状の電磁石又は永久磁石によって与えるが、第１０図
に示すように永久磁石２０を使用した場合、磁石は非常
に傷ついたり割れ易く、取り扱い中に鉄粉等が吸着する
ので、第１０図に示すように保護として永久磁石２０の
外周にアルミニウム等からなる非磁性体のリング２１を
取り付ける。これらは磁気軸受の組立を容易にし事故を
未然に防ぐことができる。

また、本軸受部は電磁石ヨーク１６、電磁石８、コント
ロール磁極１２、バイアス用磁石１０（電磁石又は永久
磁石）、非コントロール磁極１４で構成された部品点数
が多いので、それ自体の組立或いは装置への組み込みを
容易にするため、第１１図に示すようにタイロット３ａ
で一体的に固定する。これによつて作業性が良くなるだ
けでなく、軸受部の磁極間の位置決め及び寸法精度をあ
げることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば下記のような優れた
効果が得られる。

（１）回転体を少なくとも２つのラジアル制御磁気軸受
でラジアル軸方向のみを制御して非接触で支承するの
で、従来のようにスラスト軸方向の磁気軸受に必要なス
ラストディスクが不要となり、磁気軸受装置の分解及び
組立の容易な磁気軸受装置が得られる。

（２）制御軸数が減るから低コスト及び装置の小型化・
信頼性を向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の磁気軸受装置の構成を示す側断面図、
第２図は本発明の磁気軸受装置を制御するための制御装
置の回路構成を示すブロック図、第３図は本発明の磁気
軸受装置の構造及びその動作を示す図で、同図（ａ）は
平面図、同図（ｂ）は一部切断斜視図、第４図は本発明
の磁気軸受装置の線形化の説明図、第５図は本発明の磁
気軸受装置のスラスト復元力の発生機構の説明図、第６
図は本発明の磁気軸受装置の電磁石のコアの形状を示す
図で、同図（ａ）は平断面図、同図（ｂ）は斜視図、第
７図は本発明の磁気軸受装置の磁極の磁束密度の説明
図、第８図は本発明の磁気軸受装置のコントロール磁極
を示す平面図、第９図は本発明の磁気軸受装置の電流増
幅器を示す図、第１０図は本発明の他の磁気軸受装置の
バイアス用磁石構造を示す図で、同図（ａ）は断面図、
同図（ｂ）は平面図、同図（ｃ）はこのバイアス用磁石
構造を組み込んだ磁気軸受装置の構造を示す断面図、第
１１図は本発明の他の磁気軸受装置のバイアス用磁石構
造を示す断面図、第１２図は従来の軸制御型磁気軸受装
置で支承するスピンドルの構造を示す側断面図、第１３
図は第１２図のＩ−Ｉ線矢視断面図、第１４図は第１２
図のII−II線矢視断面図、第１５図及び第１６図は、そ
れぞれ所定の電流を固定子コイル３５に通電するための
制御回路の構成を示す回路図である。 図中、１……回転体、２……変位センサ、３……磁気軸
受、４……磁気軸受、５……変位センサ、６……モー
タ、７……固定軸、８，９……電磁石、１０，１１……
バイアス用磁石、１２，１３……コントロール磁極、１
４，１５……非コントロール磁極、１６，１７……電磁
石ヨーク、１８，１９……磁極、２０……永久磁石、２
１……アルミニウム等からなる非磁性体のリング。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転体（１）と、固定側に固定された該回
   転体（１）を非接触で支承する少なくとも２つのラジア
   ル制御磁気軸受（３，４）と、制御装置とを具備する磁
   気軸受装置であって、 各ラジアル制御磁気軸受（３，４）は、制御用の電磁石
   （８，９）と、バイアス用磁石（１０，１１）と、コン
   トロール磁極（１２，１３）と、非コントロール磁極
   （１４，１５）とを具備し、回転体（１）の回転軸方向
   に所定の間隔で配列され、 コントロール磁極（１２，１３）と、バイアス用磁石
   （１０，１１）と、非コントロール磁極（１４，１５）
   とは、いずれもリング状で制御用の電磁石（８，９）と
   積層一体化され、 非コントロール磁極（１４，１５）は、２つ以上の歯
   （１４ａ，１４ａ，１５ａ，１５ａ）を有し、制御用の
   電磁石（８，９）は、コントロール磁極（１２，１３）
   にコントロール磁束を発生せしめて回転体（１）を半径
   方向に吸引し、 バイアス用磁石（１０，１１）は、電磁石又は永久磁石
   であり、コントロール磁極（１２，１３）にバイアス磁
   束を発生せしめ、且つ非コントロール磁極（１４，１
   ５）に回転体（１）のスラスト軸方向の復元力を発生す
   る磁束を発生せしめ、 制御装置は、回転体（１）の半径方向の変位を検出する
   変位センサ（２，５）を有し、その出力を入力して制御
   用の電磁石（８，９）を制御し、 回転体（１）は、磁気軸受用の磁極（１８，１９）を具
   備し、該磁極（１８，１９）は非コントロール磁極（１
   ４，１５）の歯（１４ａ，１４ａ，１５ａ，１５ａ）及
   びコントロール磁極（１２，１３）に対向する 磁気軸受装置。
2. 【請求項２】制御用の電磁石（８，９）は、ラジアル軸
   方向に垂直に位置するように配置され、 制御用の電磁石（８，９）とバイアス用磁石（１０，１
   １）の磁束がコントロール磁極（１２，１３）で合成さ
   れる 請求項（１）に記載の磁気軸受装置。
3. 【請求項３】バイアス磁束の磁束密度は、コントロール
   磁極（１２，１３）で０．４（Ｔ）〜０．６（Ｔ）、非
   コントロール磁極（１４，１５）で０．８（Ｔ）〜１．
   ２（Ｔ）の範囲になるように設定された 請求項（１）又は請求項（２）に記載の磁気軸受装置。
4. 【請求項４】コントロール磁極（１２，１３）は、放射
   状に４個所切り欠き（１２ａ）を設けた 請求項（１）乃至請求項（３）のいずれか１つに記載の
   磁気軸受装置。
5. 【請求項５】バイアス用磁石（１０，１１）は、外周を
   アルミ等の非磁性体のリングで保護した永久磁石である 請求項（１）乃至請求項（４）のいずれか１つに記載の
   磁気軸受装置。
6. 【請求項６】制御用の電磁石（８，９）のヨーク（１
   ６，１７）と、バイアス用磁石（１０，１１）及び非コ
   ントロール磁極（１４，１５）とは、タイロットで一体
   化された 請求項（１）乃至請求項（５）のいずれか１つに記載の
   磁気軸受装置。
7. 【請求項７】制御用の磁石（８，９）のコア（８−１，
   ９−１）は、その平断面の１片が直線で他方の片が円弧
   状である 請求項（１）乃至請求項（６）のいずれか１つに記載の
   磁気軸受装置。
8. 【請求項８】制御装置は、プッシュプル方式の電流増幅
   器（２４）を有し、制御用の電磁石（８，９）の励磁コ
   イルの電流を制御する 請求項（１）乃至請求項（７）のいずれか１つに記載の
   磁気軸受装置。