JPH0968221A - 磁気軸受装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 磁気軸受動作を停止したときに電磁石に発生
する残留磁束を、次の起動時までに解消して確実に起動
できるようにする。 【解決手段】 回転軸１２に強磁性材製のスラスト円盤
１３が固定されている。電磁石１４ａ，１４ｂはスラス
ト円盤１３を挟んで対向する位置に配置される。回転軸
１２の軸方向の位置は変位センサ１５により検出され、
制御装置１６に位置検出信号を与える。制御装置１６
は、スラスト円盤１３の変位に応じて電磁石１４ａ，１
４ｂの吸引力を制御して所定位置に保持するようにな
る。消磁装置２２は、切換スイッチ１８ａ，１８ｂを介
して電磁石１４ａ，１４ｂに接続可能とされ、磁気軸受
の制御停止時に減衰振動する消磁電流を供給して消磁動
作を実施し、電磁石１４ａ，１４ｂの残留磁束を消磁す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転軸の所定位置
からの変位を変位センサにより検出し、その変位量に応
じて制御手段により制御信号を与えることにより電磁石
による前記回転軸に対する吸引力を制御してその回転軸
を非接触状態で所定位置に保持するようにした磁気軸受
装置に関する。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】従来の磁気軸受装置を
図４に示す。図にはスラスト磁気軸受装置を示してい
る。回転軸１には磁性材料からなるスラスト円盤２が固
定されている。このスラスト円盤２を挟んで対向する位
置に所定間隔を存して電磁石３ａ，３ｂが設けられてい
る。回転軸１の一端部側には変位センサ４が配設されて
おり、軸方向に沿った変位を検出してその位置検出信号
を制御回路５に与えるようになっている。この場合、変
位センサ４は、回転軸１との間の距離が大きくなる程、
位置検出信号の値が大きくなるように構成されている。
制御回路５は、電磁石３ａ，３ｂに与えるべき励磁電流
を変位センサ４からの位置検出信号に基づいて設定する
もので、電磁石３ａにはパワーアンプ６ａを介して接続
され、電磁石３ｂには位相反転回路７およびパワーアン
プ６ｂを直列に介して接続されている。

【０００３】また、回転軸１の両端部には径小な軸受部
１ａが形成されており（一方のみ図示）、この軸受部１
ａは補助軸受８により保持されるようになっている。こ
の場合、補助軸受８は、取付金具９により電磁石３ａ側
に固定されている。そして、補助軸受８は、通常の使用
状態では回転軸１と接触しないように配設されていて、
スラスト方向に対してはスラスト円盤２と電磁石３ａ，
３ｂとの間のエアギャップの１／２程度のエアギャップ
が設定されるように設けられ、ラジアル方向に対しては
図示しないラジアル磁気軸受のエアギャップの１／２程
度のエアギャップが設定されるように設けられている。
そして、ラジアルあるいはスラスト磁気軸受による保持
状態が停止された場合には、回転軸１はこの補助軸受８
により支持されるようになり、その支持状態で回転軸１
およびスラスト円盤２は電磁石３ａ，３ｂあるいはラジ
アル磁気軸受とは接触しないようになっている。

【０００４】上記構成によれば、回転軸１の変位は変位
センサ４により検出されており、例えば回転軸１の軸方
向の位置が所定位置よりも遠ざかると、変位センサ４は
距離に応じた位置検出信号を出力するようになる。制御
回路６は位置検出信号が入力されると、これに基づいて
制御信号を生成して出力する。この場合、回転軸１のス
ラスト円盤２が所定位置から離れている場合には、遠ざ
かっている側の電磁石３ａあるいは３ｂの吸引力を大き
くするように制御信号を出力する。

【０００５】これにより、パワーアンプ６ａにおいて
は、電磁石３ａに対して例えば所定位置に吸引して戻す
ように励磁電流を流すようになり、パワーアンプ６ｂに
おいては、電磁石３ａとは位相が反転した制御信号が位
相反転回路７を介して与えられることにより、電磁石３
ｂに対して吸引力を減じるように励磁電流を流すように
なる。そして、スラスト円盤２が所定位置に戻ると、電
磁石３ａ，３ｂからは同等の吸引力となるように励磁電
流が与えられるようになる。

【０００６】この場合、スラスト磁気軸受の電磁石３
ａ，３ｂが発生する磁気吸引力は、それらと対向してい
るスラスト円盤２との間のエアギャップに発生される磁
束密度の２乗に比例することが一般的に知られている。
ところが、実際に発生する磁束密度は、電磁石３ａ，３
ｂあるいはスラスト円盤２に使用する材料の磁化特性に
よって異なるヒステリシス特性を持っているため、次の
ような不具合がある。

【０００７】すなわち、通常、磁気軸受装置において
は、電磁石に対して一方向に通電する構成とし、その通
電電流の大きさを制御することにより磁気吸引力を制御
している。したがって、磁気軸受の制御動作を停止した
ときには、電磁石３ａ，３ｂおよびスラスト円盤２は残
留磁束が生じた状態となり、磁気吸引力が残った状態と
なってしまう。この結果、回転軸１は、この残留磁束に
起因して発生する磁気吸引力のために補助軸受８の隙間
で、電磁石３ａ，３ｂのうちの残留磁束が大きい側に片
寄って停止することになる。

【０００８】すると、次に制御動作を開始したときに
は、スラスト円盤２に近い側の電磁石３ａ，３ｂは残留
磁束による磁気吸引力が残っているので、逆に遠くに位
置する電磁石３ａ，３ｂにその残留磁束に起因する磁気
吸引力に打ち勝つだけの磁気吸引力を発生させる必要が
ある。ところが、補助軸受に設けられたエアギャップは
磁気軸受側のエアギャップの１／２の寸法であるから、
停止時の片寄りが最大である場合には、スラスト円盤２
の位置が電磁石３ａ，３ｂの一方に対してエアギャップ
の１／２，他方に対して３／２程度となり、この結果、
両者の距離の比が３倍も異なる場合が起こり得る。

【０００９】一方、電磁石により発生可能な吸引力はス
ラスト円盤２との間のエアギャップの距離の２乗に反比
例するから、場合によっては、残留磁束による磁気吸引
力に打ち勝つだけの磁気吸引力を発生させることができ
なくなることがある。すると、スラスト磁気軸受を起動
させることができなくなり、回転軸１の回転を非接触状
態で保持できなくなる不具合がある。

【００１０】また、何らかの理由によって磁気軸受装置
を分解する必要が生じた場合に、上述したような残留磁
束に起因した磁気吸引力があると、分解時に電磁石３ａ
または３ｂのいずれかに近接しているスラスト円盤２が
その磁気吸引力によりさらに近接位置に引き寄せられる
ことになり、その吸引力はさらに大となって、分解作業
が不能となる虞がある。

【００１１】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、電磁石への通電を停止したときに電磁
石の残留磁束に起因した磁気吸引力をなくして、次に動
作させる場合に制御不能に陥ることを防止し、且つ、分
解作業時に電磁石と回転軸とが吸着状態となることを防
止して分解作業を妨げないようにした磁気軸受装置を提
供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、回転軸の所定
位置からの変位を変位センサにより検出し、その変位量
に応じて制御手段により制御信号を与えることにより電
磁石による前記回転軸に対する吸引力を制御してその回
転軸を非接触状態で所定位置に保持するようにした磁気
軸受装置を対象とするものであり、前記電磁石に対して
残留磁束を消磁するための消磁電流を供給可能な消磁装
置を設けて構成したところに特徴を有する。

【００１３】上記構成によれば、電磁石に電流を供給し
て回転軸を非接触で保持する制御動作を停止した状態で
は、電磁石に発生している残留磁束に起因して不要な磁
気吸引力が残るが、消磁装置を動作させることにより電
磁石に消磁電流を供給して消磁させることができるよう
になる。これによって、残留磁束に起因した磁気吸引力
を略ゼロにすることができるようになり、次に動作させ
る場合に制御不能に陥ることを防止することができ、ま
た、分解作業時には電磁石と回転軸とが吸着状態となる
ことも防止でき分解作業を効率良く実施できるようにな
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施例につ
いて、図１および図２を参照しながら説明する。図１は
磁気軸受装置としてのスラスト磁気軸受装置１１を示す
もので、回転軸１２に固定されたスラスト円盤１３を非
接触状態で所定位置に保持するようにしたものである。
すなわち、回転軸１２には、磁性材料からなるスラスト
円盤１２が強固に固定されている。このスラスト円盤１
３には、これを挟んで対向する位置に所定間隔を存した
状態で電磁石１４ａ，１４ｂが配設されている。

【００１５】回転軸１２には、軸方向の変位を検出する
変位センサ１５が一端側に所定間隔を存して設けられて
いる。そして、この変位センサ１５は、回転軸１２との
間の距離に比例した大きさの位置検出信号を出力するよ
うになっている。制御回路１６は、この変位センサ１５
から位置検出信号が与えられるようになっており、その
信号に基づいて電磁石１４ａ，１４ｂに対する制御信号
を出力するようになっている。

【００１６】電力増幅回路であるパワーアンプ１７ａ，
１７ｂは、それぞれ切換スイッチ１８ａ，１８ｂを介し
て電磁石１４ａ，１４ｂに対する励磁電流を与えるもの
で、パワーアンプ１７ａは制御回路１６から制御信号が
与えられるようになっており、パワーアンプ１７ｂは位
相反転回路１９を介して制御回路１６から制御信号が与
えられるようになっている。この場合、位相反転回路１
９は、例えば、制御回路１６から電磁石１４ａに対して
磁気吸引力を増大させる制御信号が出力されているとき
には、それに応じて電磁石１４ｂの磁気吸引力を減少さ
せる制御信号となるように位相を反転させてパワーアン
プ１７ｂに与えるように構成されているものである。

【００１７】また、回転軸１２の両端部には径小に形成
された軸受部１２ａが形成されており（一方のみ図
示）、この軸受部１２ａは補助軸受２０により保持され
るようになっている。この補助軸受２０は、取付金具２
１により電磁石１４ａ，１４ｂと一体になるように固定
されており、磁気軸受装置１１の使用状態では回転軸１
２と接触しないように配設されている。

【００１８】この場合には、スラスト方向にはスラスト
円盤１３と電磁石１４ａ，１４ｂとの間に設定されるエ
アギャップに対して１／２程度のエアギャップが設定さ
れるように設けられ、ラジアル方向には図示しないラジ
アル磁気軸受のエアギャップに対して１／２程度のエア
ギャップが設定されるように設けられている。そして、
磁気軸受装置１１による保持動作が停止されたときに
は、回転軸１２はこの補助軸受２０により支持されるよ
うになり、回転軸１２は電磁石１４ａ，１４ｂあるいは
図示しないラジアル磁気軸受装置と接触しないように構
成されている。

【００１９】消磁装置２２は、電磁石１４ａ，１４ｂの
消磁電流を出力するもので、切換スイッチ１８ａ，１８
ｂを介して電磁石１４ａ，１４ｂに接続されている。そ
して、この消磁装置２２は、消磁電流として時間の経過
と共に振幅が小さくなる波形を有する減衰電流を生成し
て出力するようになっている。この場合、減衰電流の最
大振幅は、磁気軸受の動作中に予想される最大磁束密度
以上の磁束密度を発生する電流Ｉｍａｘ，−Ｉｍａｘの
大きさとなるように設定されている。

【００２０】なお、切換スイッチ１８ａ，１８ｂは、図
示しない制御手段により切換設定されるようになってお
り、磁気軸受の制御動作を行う場合には、パワーアンプ
１７ａ，１７ｂ側に設定されており、その制御動作が停
止された時点では消磁装置２２側に切換設定されるよう
になっているものである。

【００２１】次に、本実施例の作用について図２も参照
して説明する。回転軸１２を非接触状態で支持する磁気
軸受の動作状態では、切換スイッチ１８ａ，１８ｂは、
それぞれパワーアンプ１７ａ，１７ｂ側に設定された状
態となっている。そして、スラスト磁気軸受１１におい
ては、回転軸１２の軸方向の変位は変位センサ１５によ
り検出されており、位置検出信号として出力される。例
えば、回転軸１２の位置が変位センサ１５から遠ざかる
方向に変位した場合には、制御回路１６は、変位センサ
１５の位置検出信号に基づいて、電磁石１４ａによる吸
引力が大となるように制御信号を出力するようになる。

【００２２】これにより、パワーアンプ１７ａは電磁石
１４ａによる磁気吸引力が大となるように励磁電流を供
給し、パワーアンプ１７ｂは、位相反転回路１９を介し
て与えられる信号により、電磁石１４ｂによる磁気吸引
力が小となるように励磁電流を供給するようになる。す
ると、回転軸１２のスラスト円盤１３は電磁石１４ａ，
１４ｂの磁気吸引力により、基準位置に戻るように制御
される。また、回転軸１２が変位センサ１５に近接する
方向に変位した場合には、上述と逆に、電磁石１４ｂに
よる磁気吸引力が大となるように制御すると共に、電磁
石１４ａによる磁気吸引力が小となるように制御する。
この結果、スラスト円盤１３は、常に基準位置に保持さ
れるように電磁石１４ａ，１４ｂの磁気吸引力が制御さ
れるようになる。

【００２３】なお、図示していないラジアル磁気軸受装
置についても、同様にして回転軸１２の半径方向の基準
位置からのずれを変位センサにより検出して電磁石を制
御することにより、その磁気吸引力によって基準位置に
保持されるように制御されている。

【００２４】さて、上述のようにして電磁石１４ａ，１
４ｂに発生させるスラスト円盤１３への磁気吸引力は、
両者の間のエアギャップ中の磁束密度の２乗に比例して
いるが、発生する磁束密度は電磁石１４ａ，１４ｂある
いはスラスト円盤１３に使用している磁性材料の磁化特
性によって異なるヒステリシス特性を有しているので、
これを制御すべく、通常は同極性の励磁電流を制御する
ことにより磁気吸引力を制御している。したがって、上
述の理由から、磁気軸受の制御動作を停止すると、電磁
石１４ａ，１４ｂやスラスト円盤１３には残留磁束が生
じ、これによって磁気吸引力が残った状態で停止される
ことになる。

【００２５】そこで、図示しない制御手段により、停止
された時点で、切換スイッチ１８ａ，１８ｂが切り換え
られて、電磁石１４ａ，１４ｂは消磁装置２２側に接続
されるようになる。消磁装置２２は、図２に示すような
消磁電流を供給するようになる。この場合、消磁電流
は、前述したように、最大電流値をＩｍａｘとして磁気
軸受装置の動作中に予想される最大磁束密度以上の磁束
密度を発生可能な電流値とした交流信号波形を、時間の
経過と共に振幅が小さくなるようにした減衰電流を生成
して出力するようになっている。

【００２６】そして、このような消磁電流が切換スイッ
チ１８ａ，１８ｂを介して電磁石１４ａ，１４ｂに供給
されると、上述した磁気軸受装置の制御動作時に比べる
と、電磁石１４ａ，１４ｂへの通電方向が同相となり、
これによって、電磁石１４ａ，１４ｂにより形成される
磁気回路は閉回路を形成するように磁束を発生するよう
になる。つまり、このように磁気回路を形成すること
で、スラスト円盤１３の停止位置に無関係に磁気回路の
エアギャップ長が決まることになり、磁気抵抗を一定の
状態にして消磁動作を行うことができるようになるので
ある。

【００２７】そして、図２に示す如くの消磁電流が電磁
石１４ａ，１４ｂに供給されると、電磁石１４ａ，１４
ｂのヨークやスラスト円盤１３の残留磁束がヒステリシ
ス特性の関係で徐々に減衰されるようになり、最終的に
消磁電流がほとんどゼロになる時点で残留磁束量もゼロ
になる。この結果、磁気軸受装置２１の停止状態では残
留磁束に起因した磁気吸引力がほとんど無くなり、次に
磁気軸受装置２１を起動する際に残留磁束に起因する磁
気吸引力に打つ勝つための大きな励磁電流を供給する必
要がなくなり、無理なく起動させることができるように
なる。

【００２８】また、このように残留磁束が無くなること
で、例えば、磁気軸受装置を分解するような場合におい
ても、分解時に残留磁束に起因して発生している磁気吸
引力でスラスト円盤１３と電磁石１４ａ，１４ｂとがさ
らに強固に吸引した状態となって分解作業が手間取ると
いう不具合が解消され、作業能率が向上するようにな
る。

【００２９】このような本実施例によれば、磁気軸受装
置２１による制御動作の停止状態では、消磁装置２２に
より消磁動作を行って電磁石１４ａ，１４ｂおよびスラ
スト円盤１３の残留磁束を解消できるので、磁気吸引力
が残らなくなり、次に制御動作を行う場合に制御不能と
なることがなく、常に良好な制御動作を実施できるよう
になる。また、同様の理由から、分解作業時に、余分な
磁気吸引力の悪影響を受けることがなくなるので作業能
率が向上するようになる。

【００３０】また、本実施例によれば、消磁装置２２に
よる消磁動作時には、対向配置される電磁石１４ａ，１
４ｂにより生成する磁束の磁気回路を閉回路として行う
ので、スラスト円盤１３の停止位置による各電磁石１４
ａ，１４ｂとの間のエアギャップ長が変化していても、
形成される磁気回路のエアギャップ長はそれらを加えた
値として常に一定にすることができるようになり、これ
によって発生させる磁束密度もスラスト円盤１３の位置
によらず一定とすることができ、常に一定の消磁効果を
得ることができるようになり、安定した動作を確保する
ことができる。

【００３１】図３は、本発明の第２の実施例を示すもの
で、第１の実施例と異なるところは、パワーアンプ１７
ａ，１７ｂを切換スイッチ１８ａ，１８ｂと電磁石１４
ａ，１４ｂとの間に設ける構成とし、パワーアンプ１７
ａ，１７ｂを制御回路１６からの制御信号を電力増幅す
ると共に、消磁装置２２に代えて設けた消磁装置２３か
らの消磁信号を電力増幅するように構成したところであ
る。

【００３２】そして、このような構成の第２の実施例に
よっても、第１の実施例と略同様の作用効果を得ること
ができると共に、消磁装置２３に電力増幅機能を設ける
必要がなくなり、パワーアンプ１７ａ，１７ｂを共用す
ることで、低コスト化が図れるようになる。

【００３３】なお、この実施例においては、消磁装置２
３による消磁動作を電磁石１４ａ，１４ｂのそれぞれに
対して、個々に実施するようになっており、これによ
り、例えば一方の電磁石１４ａを消磁するときには、ス
ラスト円盤１３が電磁石１４ａ側に吸引されることによ
り、磁束密度が高くなり、その消磁電流による消磁効果
を高めることができる。そして、他方の電磁石１４ｂを
消磁する際にも、スラスト円盤１３を吸引力により引き
寄せた状態で行うことができるから、磁束密度を高くし
た状態で実施できるようになり、全体として消磁動作の
効率を高くすることができるようになる。

【００３４】本発明は、上記実施例にのみ限定されるも
のではなく、以下のように変形あるいは拡張できる。ラ
ジアル磁気軸受装置にも全く同様にして適用できる。切
換スイッチ１８ａ，１８ｂは、リレーで構成しても良い
し、スイッチング素子を利用して構成しても良い。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の磁気軸受
装置によれば、次のような効果を得ることができる。す
なわち、請求項１記載の磁気軸受装置においては、消磁
装置により磁気軸受制御動作の停止状態で電磁石や磁気
回路の残留磁束を消磁することができるので、再起動時
に多大な磁気吸引力を発生させて制御する必要がなくな
ると共に、分解作業時などにも無駄な吸着動作がなくな
るので、作業性が向上する。

【００３６】請求項２記載の磁気軸受装置においては、
磁気軸受の制御動作の停止時点で切換スイッチを切り換
えて消磁装置により消磁動作を行なわせるので、停止状
態では、残留磁束による磁気吸引力の悪影響を受けるこ
とがなくなる。

【００３７】請求項３記載の磁気軸受装置においては、
対向配置される電磁石に磁気回路が閉回路となるように
消磁電流を供給するので、電磁石に対する回転軸の位置
にかかわらず常に一定のエアギャップとすることができ
るようになり、消磁電流に比例する磁束密度も安定して
発生させることができるようになり、常に安定した消磁
動作を行うことができる。

【００３８】請求項４記載の磁気軸受装置においては、
消磁装置により、対向配置される電磁石のそれぞれを別
々に消磁動作させるので、消磁動作を行うときに回転軸
との間のエアギャップを最小にすることができるように
なり、少ない消磁電流により最大の消磁磁束を発生させ
ることができ、残留磁束の消磁効果を効率的に行うこと
ができるようになる。

【００３９】請求項５記載の磁気軸受装置においては、
磁気軸受けの制御動作時と消磁装置による消磁動作時と
のいずれの場合もパワーアンプを共用することができる
ようになり、消磁装置の構成を簡単にすることができる
ようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す全体構成のブロッ
ク図

【図２】消磁電流の波形図

【図３】本発明の第２の実施例を示す図１相当図

【図４】従来例を示す図１相当図

【符号の説明】

１１はスラスト磁気軸受装置、１２は回転軸、１３はス
ラスト円盤、１４ａ，１４ｂは電磁石、１５は変位セン
サ、１６は制御装置、１７ａ，１７ｂはパワーアンプ
（電力増幅回路）、１８ａ，１８ｂは切換スイッチ、１
９は位相反転回路、２０は補助軸受、２２，２３は消磁
装置である。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転軸の所定位置からの変位を変位セン
   サにより検出し、その変位量に応じて制御手段により制
   御信号を与えることにより電磁石による前記回転軸に対
   する吸引力を制御してその回転軸を非接触状態で所定位
   置に保持するようにした磁気軸受装置において、 前記電磁石に対して残留磁束を消磁するための消磁電流
   を供給可能な消磁装置を設けたことを特徴とする磁気軸
   受装置。
2. 【請求項２】 前記電磁石に対して前記回転軸を保持す
   る制御動作と前記消磁装置による消磁動作とを切換可能
   な切換手段を設け、 この切換手段を前記電磁石による前記回転軸の制御動作
   を停止した時点で前記消磁装置側に切り換えて消磁動作
   を行なわせるように構成したことを特徴とする請求項１
   記載の磁気軸受装置。
3. 【請求項３】 前記消磁装置による消磁動作は、対向配
   置される前記電磁石に対して同時に消磁電流を供給し
   て、それら対向する電磁石により生成される磁束の磁路
   が閉回路をなすように制御されるように構成されている
   ことを特徴とする請求項１または２記載の磁気軸受装
   置。
4. 【請求項４】 前記消磁装置による消磁動作は、対向配
   置される前記電磁石のうちの一方毎に行うように構成さ
   れていることを特徴とする請求項１または２記載の磁気
   軸受装置。
5. 【請求項５】 前記電磁石への電流を前記消磁装置およ
   び前記制御手段から与えられる信号に応じて供給する電
   力増幅回路を設けたことを特徴とする請求項１ないし４
   のいずれかに記載の磁気軸受装置。