JPH1070866A - 無軸受回転機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回転子を軸方向にも且つ半径方向及び傾き方
向にも安定に浮上制御すると共に回転駆動も行うことが
できるコンパクトな構造の無軸受回転機械を提供する。 【解決手段】 ディスク型回転子１１の両側にこれを挟
むようにディスク型固定子１２が配置され、該固定子に
ｍ極からなる回転駆動磁界に同期したｍ±２極の回転制
御磁界を重畳し、ディスク型回転子に回転力を与えると
同時に、該ディスク型回転子の軸方向変位検出手段２１
によって検出した該ディスク型回転子の変位から前記制
御磁界を増減して、該ディスク型回転子を軸方向に浮上
位置制御しつつ回転駆動する無軸受回転機械において、
前記ディスク型回転子１１の外周面に磁性材１３を配置
し、該磁性材１３の外周面の更に外周に空隙を介して該
磁性材１３に磁気力を及ぼす制御用電磁石１８を複数個
配置し、該制御用電磁石１８で前記ディスク型回転子１
１の半径方向浮上位置制御を行うことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ｍ極からなる回転
駆動磁界に同期したｍ±２極の回転制御磁界を重畳し、
回転体を回転駆動する作用と共に回転体の半径方向又は
軸方向位置を制御する磁気軸受作用とを兼ね備えた無軸
受回転機械に係り、特にディスク型回転子を軸方向にも
半径方向にも浮上位置制御すると共に回転駆動すること
ができる無軸受回転機械に関する。

【０００２】

【従来の技術】特開平２−１９３５４７号公報、特開平
６−１３３４９３号公報等には、円筒型固定子内に円柱
型回転子を組み込み、固定子に励磁回路を形成し、ここ
で回転子に回転駆動力を与えると同時に、半径方向所定
位置に非接触浮上保持する磁気軸受制御力を作用させる
無軸受回転機械が開示されている。

【０００３】これは、固定子に回転駆動用の巻線と制御
用の巻線とを備え、それぞれにｍ極からなる回転磁界
と、ｍ±２極からなる回転磁界を形成する三相交流電流
を流すことにより、回転駆動磁界を形成すると共に、円
柱型回転子の半径方向に磁気的な浮上作用を及ぼすもの
である。これにより、回転子に磁気的な浮上力を作用さ
せて、その位置と姿勢を制御して、固定子に対して非接
触浮上位置決めの機能を有すると共に、回転子に回転駆
動力を付与することができる。

【０００４】このため、従来必要とされていた磁気軸受
に相当する電磁石及びターゲット部分が不要となり回転
軸の軸長を短縮して、回転機械を小型軽量化することが
できる。また、制御巻線の電流と駆動巻線の電流との相
乗効果的な機能により、磁気軸受に相当する動作を行え
るので、従来の磁気軸受と比較してはるかに小さな制御
電流で回転子の浮上位置及び姿勢の制御が可能で、大幅
な省エネルギー化が可能である。

【０００５】しかしながら、上述した構造の無軸受回転
機械においては、円柱状回転子の外周に複数個の半径方
向浮上位置制御用の電磁石を配置した構造であり、円柱
状回転子に対して回転軸周りの回転駆動力と半径方向浮
上位置制御力を与えることができるのみで、軸方向浮上
制御力を与えることができない。

【０００６】このため、係る構造の無軸受回転機械を実
用化するために、図５で示すように、軸方向浮上位置制
御用のスラスト磁気軸受５が必要となる。このため、回
転軸１にスラストディスク６を固着し、そのスラストデ
ィスク６の両側に軸方向浮上位置を制御する制御用電磁
石７を備えることが必要である。尚、回転軸１の軸方向
に沿って両側に配置されている回転子２と固定子３に
は、固定子３にｍ極からなる回転駆動磁界と、これに同
期したｍ±２極の回転制御磁界が重畳して形成され、回
転軸１が回転駆動されると共に半径方向に浮上位置制御
される。

【０００７】同様に、ディスク型回転子と、この軸方向
の両側に該回転子を挟むように配置されたディスク型固
定子とからなる無軸受回転機械が考えられる。この回転
機械は、固定子にｍ極からなる回転駆動磁界とこれに同
期したｍ±２極の回転制御磁界とを重畳することによ
り、ディスク型回転子を回転駆動すると共に軸方向に浮
上位置制御することができる。このため、ディスク型回
転子の傾き及び軸方向の浮上位置制御等はできるが、半
径方向の浮上位置制御はこの無軸受回転機械では行えな
い。このため、半径方向の浮上位置制御を行うために
は、別途にラジアル磁気軸受を設ける必要があり、回転
軸にターゲットとなる磁性材を固着し、その周囲に半径
方向の浮上位置制御用の電磁石を配置しなければならな
い。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従って、ｍ極からなる
回転駆動磁界とこれに同期したｍ±２極の回転制御磁界
とを重畳して回転子を回転駆動すると共に磁気浮上位置
制御する無軸受回転機械においては、回転軸にスラスト
磁気軸受又はラジアル磁気軸受を別途設ける必要があ
り、図５に示すようにどうしても軸方向に長い構造とな
ってしまい、装置全体としてコンパクト化することがで
きない。

【０００９】本発明は上述した事情に鑑みてなされたも
ので、回転子を軸方向にも且つ半径方向及び傾き方向に
も安定に浮上制御すると共に回転駆動も行うことができ
るコンパクトな構造の無軸受回転機械を提供することを
目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の無軸受回転機械
は、ディスク型回転子の両側にこれを挟むようにディス
ク型固定子が配置され、該固定子にｍ極からなる回転駆
動磁界に同期したｍ±２極の回転制御磁界を重畳し、デ
ィスク型回転子に回転力を与えると同時に、該ディスク
型回転子の軸方向変位検出手段によって検出した該ディ
スク型回転子の変位から前記制御磁界を増減して、該デ
ィスク型回転子を軸方向に浮上位置制御しつつ回転駆動
する無軸受回転機械において、前記ディスク型回転子の
外周面に磁性材を配置し、該磁性材の外周面の更に外周
に空隙を介して該磁性材に磁気力を及ぼす制御用電磁石
を複数個配置し、該制御用電磁石で前記ディスク型回転
子の半径方向浮上位置制御を行うことを特徴とする。

【００１１】又、前記無軸受回転機械は、前記回転子の
半径方向変位を検出する変位センサを備え、該変位セン
サを前記回転軸に沿ってディスク型固定子の外側に、且
つ直接、該回転軸の変位を検出できる位置に配置したこ
とを特徴とする。

【００１２】又、前記無軸受回転機械は、前記回転子の
半径方向変位を検出する変位センサを備え、該変位セン
サを前記回転軸に沿ってディスク型固定子の外側に、且
つ直接、該回転軸の変位を検出できる位置に配置したこ
とを特徴とする。

【００１３】又、前記無軸受回転機械は、緊急用のタッ
チダウン軸受を備え、該タッチダウン軸受は前記回転軸
に沿って、前記半径方向変位センサの更に外側の位置に
上下或いは左右の２ヶ所に設け、半径方向及び軸方向の
双方向に同時に前記回転軸を支持できる構造にしたこと
を特徴とする。

【００１４】ディスク型回転子の外周面に磁性材を配置
し、その外周面の更に外周に空隙を介して半径方向浮上
位置制御用電磁石を配置したことから、ディスク型回転
子そのものを半径方向浮上位置制御用のラジアル磁気軸
受のターゲットとして用いることができる。このため、
回転軸には別途のラジアル磁気軸受を設ける必要がなく
なり、回転軸を短縮して、軸方向及び傾き方向、半径方
向にも浮上制御が可能で且つ回転駆動を行うことができ
る無軸受回転機械をコンパクトな構造とすることができ
る。

【００１５】又、半径方向変位センサを回転軸に沿って
ディスク型固定子の外側に、軸方向変位センサを回転子
の半径方向に沿って固定子電磁石と制御用電磁石の中間
に配置することによって、全体としてコンパクトな構造
を達成することができる。同様に緊急用のタッチダウン
軸受を半径方向及び軸方向に同時に回転軸を支持できる
構造としたことから、コンパクトな構造と相俟って、い
ずれかの電磁石の電流が遮断された時にも、回転機械の
損傷を防止することができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の一実施例について添付図面を
参照しながら説明する。

【００１７】図１は、本発明の一実施例の無軸受回転機
械の縦断面図を示し、図２はそのＡＡ線に沿った断面図
であり、図３はそのＢＢ線に沿った断面図である。本実
施例の無軸受回転機械は、ディスク型の回転子１１とこ
れを両側に挟むように配置されたディスク型の固定子１
４とから構成される。ディスク型の回転子１１は、固定
子１４の対向する面に磁性材１２を備え、固定子１４に
ｍ極からなる回転駆動磁界と、これに同期したｍ±２極
の回転制御磁界を重畳し、ディスク型回転子１１に回転
力を与えると同時に、回転子１１の軸方向変位及び傾き
の制御を行う。

【００１８】回転子１１には、その円盤状の平板面の前
述した制御用電磁石（固定子）１４の対向する面にター
ゲットとなる磁性材１２を備える。従って、この磁性材
１２が制御用電磁石１４から受ける磁気力により回転子
１１が回転駆動されると共に回転軸方向に浮上位置制御
される。一方で回転子１１はその外周端面に磁性材１３
を備える。そして、更にその外周に半径方向浮上位置制
御用のラジアル磁気軸受としての制御用電磁石１８を、
円周方向に沿って複数個備える。

【００１９】半径方向浮上位置制御用電磁石１８は、回
転子１１の外周端面に設けた磁性材に磁気吸引力を及ぼ
すことにより、回転子１１の半径方向浮上位置制御を行
う。この制御は、通常のラジアル磁気軸受と同じで、後
述する半径方向変位センサの信号に基づいて、目標位置
に回転子１１を浮上支持すると共にダンピング制御等の
浮上の安定化制御を行う。このラジアル磁気軸受動作に
より、固定子１４が回転子１１の軸方向及び傾き制御を
行えることと相俟って、全方向の浮上位置及び浮上の安
定化制御を行うことができる。

【００２０】図中、符号２０は半径方向の浮上位置を検
出する変位センサであり、回転軸１０に沿って固定子電
磁石１４の外側の両側の２ヶ所に、直接回転軸１０の変
位を検出できるように取り付けられており、回転軸の２
ヶ所のＸ，Ｙ方向の変位を測定する。符号２１は、回転
子１１の軸方向変位を検出する変位センサであり、回転
子の半径方向に沿って固定子電磁石１４と制御用電磁石
１８との間の空いた位置に取り付けられている。この変
位センサ２１は、図２に示すようにディスク型回転子１
１の軸方向変位と、Ｘ軸、Ｙ軸周りの傾き角を検出でき
るように周方向に沿って４ヶ所に配置されている。

【００２１】ケーシング１５には非常用のタッチダウン
軸受２５を備えている。このタッチダウン軸受２５は、
回転軸１０の軸方向に沿って固定子電磁石１４及び半径
方向変位センサ２０の更に外側の両側に上下或いは左右
の方向に２ヶ所に配置されている。これは、磁気軸受と
しての制御用電磁石が停電等によりその機能を停止した
場合に、ディスク型回転子１１と固定側の制御用電磁石
１４，１８等とが接触して損傷することを避けるため
に、半径方向及び軸方向を同時に支持できる構造をして
いる。

【００２２】図４は、本発明の無軸受回転機械の制御ブ
ロック図を示す。固定子電磁石１４には、前述したよう
に駆動巻線と位置制御巻線とがあり、それぞれ回転速度
センサ及び変位センサ２１からの信号に基づいて、軸方
向及び傾き方向の浮上制御、及び回転速度の制御を行
う。回転子１１の外周部に配置された制御用電磁石１８
は、半径方向の浮上位置を検出する変位センサ２０の信
号に基づいて、磁気軸受としての半径方向の浮上制御を
行う。

【００２３】回転制御系の制御装置３０は、回転数指令
値ω^*を受けて、速度検出器３１で検出された実際の回
転数ωと比較器３１で比較し、このΔωを小さくするよ
うに補償回路３２でＰＩＤ（比例積分微分）制御され
る。補償回路３２の出力信号は、座標変換装置３３によ
りＩａ^*、Ｉｂ^*の２相の電流に変換され、更に２相３相
変換器３４で３相の電流に変換され、電力増幅器３５で
電力増幅され固定子電磁石１４の駆動巻線に供給され
る。

【００２４】軸方向及び傾き浮上位置制御装置４０は、
軸方向浮上目標位置Ｚ^*、傾き目標値θｘ^*、θｙ^*が与え
られ、軸方向変位センサ２１で検出された４ヶ所の軸方
向変位から、軸方向変位傾き角度分離演算器４１により
実際の軸方向変位ｚ、傾き角θｘ、θｙが得られる。比
較器４１において前述した目標軸方向浮上位置ｚ^*、目
標傾き角θｘ^*、θｙ^*と比較され、その差分Δｚ、Δθ
ｘ、Δθｙが得られる。これをゼロとするように補償回
路４２でＰＩＤ制御される。この制御出力は制御電流演
算装置４３に入力され、速度検出器３１からの回転子の
回転速度及び回転角の情報と合わせて演算され２相の制
御電流を求め、更に変換装置４４で３相の電流Ｉｕ^*，
Ｉｖ^*，Ｉｗ^*を得る。そして電力増幅器４５で増幅し、
固定子の制御巻線に供給する。

【００２５】半径方向浮上位置の制御装置５０は、通常
の磁気軸受の制御装置と同様であり、先ず浮上目標位置
ｘ^*、ｙ^*が与えられ、これが実際の半径方向浮上位置
ｘ，ｙと比較器５１で比較される。そしてその差分Δ
ｘ，Δｙは補償回路５２でダンピング等の安定化制御が
施され、Δｘ，ΔｙをゼロとするようにＰＩＤ制御され
る。補償回路５２の出力Ｆｘ^*，Ｆｙ^*は、電力増幅器５
３に入力され、そこで電力増幅されて回転子１１の外周
に配置された半径方向制御用電磁石１８の制御巻線に入
力される。尚、実際の浮上位置ｘ，ｙは、回転軸１０の
固定子電磁石１４の外側に配置された２組の変位センサ
の出力ｘ１，ｘ２，ｙ１，ｙ２から半径方向変位演算器
５４によって演算により算出される。

【００２６】尚、上述した実施例では、回転子が回転駆
動及び浮上制御されるターゲットとして磁性材を用いた
例について述べたが、これは巻線或いは永久磁石等でも
よいことは勿論である。

【００２７】又、本実施例では、ディスク型回転子が１
枚のものについて説明したが、回転軸に沿って固定子、
回転子、固定子、回転子、固定子等の順に、複数枚の回
転子を配列するようにしても良い。これにより、コンパ
クトな構造を損なうことなく、出力を増大することがで
きる。

【００２８】

【発明の効果】以上に説明したように本発明によれば、
ディスク型回転子そのものを半径方向浮上位置制御を行
う磁気軸受として用いることができる。従って、回転軸
を短縮し、軸方向、半径方向及び傾き方向に安定浮上す
ると共に回転駆動を行うことができるコンパクトな無軸
受回転機械を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の無軸受回転機械の縦断面
図。

【図２】図１におけるＡＡ線に沿った断面図。

【図３】図１のＢＢ線に沿った断面図。

【図４】本発明の一実施例の無軸受回転機械の制御系を
示すブロック図。

【図５】従来の無軸受回転機械の説明図。

【符号の説明】

１０ 回転軸 １１ ディスク型回転子 １２，１３ 磁性材 １４ 固定子電磁石 １５ ケーシング １８ 半径方向浮上位置制御用電磁石 ２０ 半径方向変位検出用の変位センサ ２１ 軸方向変位検出用の変位センサ ２５ タッチダウン軸受

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 忠 神奈川県藤沢市本藤沢４丁目２番１号 株 式会社荏原総合研究所内 (72)発明者 茅島 直史 神奈川県藤沢市本藤沢４丁目１番１号 株 式会社荏原電産内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ディスク型回転子の両側にこれを挟むよ
   うにディスク型固定子が配置され、該固定子にｍ極から
   なる回転駆動磁界に同期したｍ±２極の回転制御磁界を
   重畳し、ディスク型回転子に回転力を与えると同時に、
   該ディスク型回転子の軸方向変位検出手段によって検出
   した該ディスク型回転子の変位から前記制御磁界を増減
   して、該ディスク型回転子を軸方向に浮上位置制御しつ
   つ回転駆動する無軸受回転機械において、 前記ディスク型回転子の外周面に磁性材を配置し、該磁
   性材の外周面の更に外周に空隙を介して該磁性材に磁気
   力を及ぼす制御用電磁石を複数個配置し、該制御用電磁
   石で前記ディスク型回転子の半径方向浮上位置制御を行
   うことを特徴とする無軸受回転機械。
2. 【請求項２】 前記無軸受回転機械は、前記回転子の半
   径方向変位を検出する変位センサを備え、該変位センサ
   を前記回転軸に沿ってディスク型固定子の外側に、且つ
   直接、該回転軸の変位を検出できる位置に配置したこと
   を特徴とする請求項１記載の無軸受回転機械。
3. 【請求項３】 前記無軸受回転機械は、前記ディスク型
   回転子の軸方向変位を検出する変位センサを備え、該変
   位センサを前記回転子の半径方向に沿って、前記固定子
   電磁石と前記ディスク型回転子の半径方向変位を制御す
   る制御用電磁石との中間に配置したことを特徴とする請
   求項１又は２記載の無軸受回転機械。
4. 【請求項４】 前記無軸受回転機械は、緊急用のタッチ
   ダウン軸受を備え、該タッチダウン軸受は前記回転軸に
   沿って、前記半径方向変位センサの更に外側の位置に上
   下或いは左右の２ヶ所に設け、半径方向及び軸方向の双
   方向に同時に前記回転子を支持できる構造にしたことを
   特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の無軸受回
   転機械。