JPS5839251B2 - 磁気軸受装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、永久磁石の吸引力と電磁コイルの制御吸引力
との相互作用により、ステータ部に対しロータ部を非接
触で支持する磁気軸受装置に関するものである。

磁気軸受とは、回転している物体を支持する力として、
磁気力を利用する軸受である。

この磁気軸受は摩擦・疲労による寿命の制限がないこと
、摩擦トルクが極めて小さいこと、真空・高温・低温等
の特殊な環境に対する適合性が優れている等の著しい特
色があるために近年盛んに研究されている。

そしてこの用途としては、例えば遠心分離器、真空ポン
プ、ジャイロ、精密測定器、人工衛星用制御機器等の使
用が有望視されている。

一般には、この種の磁気軸受は永久磁石と電磁コイルと
を使用し、永久磁石による吸引力の不平衡を、電磁コイ
ルによる吸引力で平衡させるようになっている。

然しなから回転軸と直交方向の軸廻り剛性を向上させる
ために、一般には軸方向に背が高くかつ無駄な重量が多
く、小型で軽量化が要求される人工衛星等の搭載には不
適当なものが多かった。

本発明の目的は、上述の欠点を解消すると共に、ロータ
部をステータ部に対し回転させながら、かつロータ部を
ステータ部に対し姿勢の制御もでき、しかも回転中のロ
ータの振れ廻りをも減衰可能な磁気軸受装置を提供する
ことにあり、その内容は、非接触で相対的に回転し得る
ロータ部とステータ部とを有する２組の磁気軸受から放
り、各々のロータ部同志及びステータ部同志を非磁性体
から成る連結部材により接続した装置であって、少なく
とも一方の磁気軸受に於いて、ロータ部或いはステータ
部又はこれら双方に永久磁石を介在し、ロータ部は円環
状のヨークから成り、その外周部は回転軸方向を句〈２
個の端部を有し、内周部は回転軸の半径方向を向く端部
を有し、ステータ部ば回転軸の半径方向の外側に配置す
る磁性体から成る円環状の第１の電磁ヨークと、内側に
配置する磁性体から成る円状の第２の電磁ヨークとを有
し第１の電磁ヨークは、第１の電磁コイルを巻回すると
共に、円周方向に沿った開口部を設け、該開口部内に挿
入したロータ部ヨークの前記外周部の端部との間に、永
久磁石及び第１の電磁コイルによる磁束を軸方向に通過
させる第１及び第２の空隙磁路を形成し、第２の電磁ヨ
ークは、ロータ部ヨークの内周部の前記回転軸の半径方
向を向く端部と対向して第３の空隙磁路を形成する半径
方向を向く端部を有すると共に、前記第３の空隙磁路を
形成する第２の電磁ヨークの端部を軸対称に３個以上に
分割し、分割された第２の電磁ヨーク部分の少なくとも
２個に第２の電磁コイルを巻回し永久磁石及び第２の電
磁コイルによる磁束を第３の空隙磁路では半径方向に通
過させるようにしたことを特徴とするものである。

本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

第１図は本発明に係る磁気軸受装置の縦断面図であり、
第２図は第１図の■−■線に沿った拡大断面図である。

本装置は２個の磁気軸受１，１′から成り、磁気軸受１
と磁気軸受１′とは上下対称に構成されている。

磁気軸受１，１′は、それぞれロータ部２とステータ部
３を有し、ロータ部２，２同志及びステータ部３，３同
志は、例えばアルミニウム、銅等の非磁性体から成る連
結部材４，５によって連結されている。

ロータ部２は円環状の磁性体のヨーク６から成シ、外周
部はＴ字状に形成され、その２個の端部７，８は軸Ｚ、
Ｚ方向を向いて配置され、内周部は２個の端部９，１０
に形成され、一方の端部９は半径方向を向き他方の端部
１０は軸方向を向いている。

ステータ部３は２個の径の異る円環状の第１の電磁ヨー
ク１１と略円板状の第２の電磁ヨーク１２から成り、電
磁ヨーク１１．１２同志は半径方向に磁化された永久磁
石１３に接続されている。

外側に配置された第１の電磁ヨーク１１はその一部に第
１の電磁コイル１４が巻回された断面四角形の枠体から
成り、その内側には円周方向に沿って開口部１５が設け
られ、その開口部１５内にロータ部２のヨーク６のＴ字
状端部７，８が挿入され、開口部１５の端部１６，１７
との間に第１及び第２の空隙磁路１８及び１９が形成さ
れている。

内側に配置された第２の電磁ヨーク１２は片側の断面が
四角形の枠体の外隅部が円周方向に沿って切欠されてト
リ、との切欠によって生じた半径方向を向く端部２０は
軸対称に例えば十字状の分割部分２１ａ。

２１ｂ、２１ｃ、２１ｄに分割されてむり、かつ分割さ
れた分割部分２１ａ〜２１ｄごとに第２の電磁コイル２
２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄが巻回されている。

この分割部分２１ａ〜２１ｄから成る端部２０はロータ
部２のヨーク６の半径方向を向く端部９と対向して第３
の空隙磁路２３を形成している。

又、第２の電磁ヨーク１２の他方の端部２４は軸方向を
向き、ロータ部２のヨーク６の端部１０と対向し、第４
の空隙磁路２５が形成されている。

そしてロータ部２の軸方向の位置を検出するための１個
の軸方向位置検出器２６がステータ部３に取付けられて
配置され、軸方向制御回路２７を介して２組の磁気軸受
１，１′の双方の第１の電磁コイル１４．１４に供給す
る電流を制御するようになっている。

又、磁気軸受１，１′ごとにロータ部２の半径方向の位
置を検出する半径方向位置検出器２８ｘ、２８ｙ（図示
せず）、２８’ｘ、 ２８’ｙ （図示せず）が設けら
れ、それぞれ制御回路２９ｘ、２９ｙ（図示せず）、２
９’ｘ 。

２９′ｙ（図示せず）を介して、それぞれの磁気軸受１
，１′の第２の電磁コイル２２ａ、２２ｃ及び２２ｂ、
２２ｄに電流が供給される。

この半径方向位置検出器２８ｘ、２８ｙ、２８’ｘ、２
８’ｙは実施例ではＸ、Ｙ平面に於いて、Ｘ−Ｘ方向及
びＹ−Ｙ方向の位置をそれぞれ検出するために磁気軸受
１，１′ごとに２個ずつふり割けられていて、Ｘ−Ｘ、
Ｙ−Ｙ方向ごとにそれぞれの方向を向く分割部分２１ａ
〜２１ｄの第２の電磁コイル２２ａ〜２２ｄに電流を供
給することになる。

即ち、第２図に於いてＸ−Ｘ方向の位置制御は第２の電
磁コイル２２ａ及び２２ｃにより、Ｙ−Ｙ方向は電磁コ
イル２２ｂ及び２２ｄにより行なわれる。

更にロータ部２とステータ部３との連結部材４．５間に
は、電磁コイル及び永久磁石から成るモータ部３０が設
けられ、ステータ部３に対しロータ部２を駆動するため
の回転力を与えるようになっている。

伺、３１はロータ部２周囲に設けたフライホイールを示
している。

永久磁石１３からの実整で示す磁束φ１は、第２の電磁
ヨーク１２内を通過して第３の空隙磁斃２３及び第４の
空隙磁路２５を通ってヨーク６に流れ、外周部の端部７
，８で二岐に分岐され、方は第１の空隙磁路１８を通過
して第１の電磁ヨーク１１内を通り永久磁石１３に戻り
、他方は第２の空隙磁路１９を通過し、第１の電磁ヨー
ク１１内を通って永久磁石１３に戻ることになる。

尚、永久磁石１３の極性を逆にすれば磁束〆１は逆の順
序に流れることは勿論である。

今ここで、連結部材４の存在を無視し、第１の電磁コイ
ル１１に電流が供給されていない場合を考えてみると、
永久磁石１３から発生される磁束φ１により第１、第２
及び第４の空隙磁路１８，１９及び２５にはそれぞれ軸
方向に互に吸引する吸引力が作用することになる。

然し第１及び第２の空隙磁路１８，１９に作用する吸引
力は互に逆方向であり、はぼ相殺されることになって、
第３の空隙磁路２５に作用する吸引力が全体としてロー
タ部２のヨーク６に作用し、ヨーク６は軸方向に変位し
第１及び第４の空隙磁路１８及び２５が閉じられること
になる。

従って永久磁石１３からの磁束グ。は、第２の空隙磁路
１９の磁気抵抗が犬となるためここを通る磁束数が少な
くなり、殆ど第１の空隙磁路１８を通過することになる
。

そこで軸方向位置検出器２６でヨーク６の軸方向変位を
検出して軸方向制御回路２７に出力することにより、第
１の電磁コイル１４に電流が供給され、永久磁石１３か
らの主な磁束方向に対して第１の空隙磁路１８には逆の
方向に、第２の空隙磁路１９には同方向に第１の電磁コ
イル１４からの点線で示す磁束グ。

を通過させ、第２の空隙磁路１９の吸引力を強め、第１
の空隙磁路１８の永久磁石１３による吸引力を弱めるよ
うに作用させる。

するとヨーク６は第１及び第４の空隙磁路１８及び２５
の間隙を開くように軸方向に移動するようになる。

このようにしてヨーク６の軸方向位置を軸方向位置検出
器２６で検出しながら、軸方向制御回路２７で第１の電
磁コイル１４に供給する電流を調節することになり、ヨ
ーク６は軸方向の所定位置で安定することになる。

この状態に於いてロータ部２とステータ部３は軸方向に
非接触状態となる。

実際には２組の磁気軸受１，１′を上下対称に設け、こ
れらの間に連結部材４を介在しているので、それぞれの
第１の電磁コイル１４に電流を供給しなくともロータ部
２とステータ部３の間に作用する永久磁石１３による吸
引力は中央位置では殆ど相殺されほぼ吸引力は平衡する
。

然しこの位置は不安定であり、しかも負荷の存在や設定
条件によシロータ部２の変位を回避することは不可能で
あって、この第１の電磁コイル１４に供給する制御電流
は不可欠であるが、然し極めて少ない電流で効果的に制
御し得るものである。

又、永久磁石１３による磁束φ１はその一部がフ 第３
の空隙磁路２３を通過することにより、第２の電磁ヨー
ク１２とロータ部２のヨーク６との間に吸引力が作用す
ることになるが、平衡が崩れるとヨーク６は一方的に第
２の電磁ヨーク１２に接触することになる。

このために第２の電磁ヨーク１２０半径方向の端部２０
に分割部分２１を３個以上設け、それぞれの方向に独立
してヨーク６の位置を側割することが必要となる。

実施例に於いては、４個の分割部分２１ａ〜２１ｄを設
け、それぞれに第２の電磁コイル２２ａ〜２２ｄが巻回
されているので、Ｘ−Ｘ方向及びＹ−Ｙ方向にそれぞれ
配置された半径方向位置検出器２８Ｘ。

２８′Ｘ及び２８ｙ、２８’ｙの信号によりＸ−Ｘ方向
及びＹ−Ｙ方向用にそれぞれ設けられた御制回路２９ｘ
、２９’ｘ及び２９ｙ、２９’ｙを介して第２の電磁コ
イル２２ａ〜２２ｄに流れる電流を調節する。

即ち、磁気軸受１のロータ部２のヨーク６がＸ−Ｘ方向
の右側に片寄った場合を想定してみると、永久磁石１３
からの磁束φ１は第３の空隙磁路２３を通過する際に分
割部分２１ａに多く流れ、分割部分２１ｃＫ流れる磁束
は少なくなり、分割部分２１ａでの吸引力は犬に、分割
部分２１ｃでの吸引力は小となる。

そこで同方向に巻回した第２の電磁コイル２２ａ、２２
ｃを用いて、これらの電磁コイル２２ａ、２２ｃにより
発生する磁束φ３が前記永久磁石１３の磁束φ、による
一方的な吸引力を打消すような方向に制御電流を供給す
る。

磁束φ３は点線で示すように、分割部分２１ｃから第３
の空隙磁路２３を通ってヨーク６に流入し、一部は第４
の空隙磁路２５を通過して第２の電磁ヨーク１２に戻る
ことになるが、多くはヨーク６内で対称的に円周方向に
別れ、再び第３の空隙磁路２３を通過して分割部分２１
ａに至り、第２の電磁ヨーク１２の十字状の中心部を経
て分割部分２１ｃに戻ることになる。

その過程に於いて分割部分２１ｃが面する第３の空隙磁
路２３では電磁コイル２２ａ、２２ｃによる磁束φよは
永久磁石１３からの磁束φ１ と同方向となり、その吸
引力を強め、分割部分２１ａが面する空隙磁路２３では
永久磁石１３からの磁束φ１と逆方向となってその吸引
力を弱める結果、ヨーク６を元の位置に押し戻すことに
なる。

Ｙ−Ｙ方向の制御についても、第２の電磁コイル２２ｂ
、２２ｄを用いて同様に実施することになる。

この制御は単にヨーク６を中立位置に調整するだけでな
く、意識的に一方に片寄らせることも可能である。

従って上下の磁気軸受１，１′をそれぞれ独立的に片寄
らせることにより、ロータ部２をステータ部３に対して
傾斜させることができることになる。

この傾斜は人工衛星などの姿勢の制御に極めて有力であ
る。

実施例に於いては磁束φ１を発生する永久磁石１３をス
テータ部３に介在させたが、ステータ部３ではなくロー
タ部２に挿入しても同様の作用効果を有するものであり
、更には永久磁石をロータ部２、ステータ部３の双方に
配置しても支障はない。

又、第４の空隙磁路２５を軸方向に向けここを通る磁束
が軸方向に通過するようにしたが、これは横方向の剛性
をかせぐためであり、これを半径方向に通過するように
して空隙磁路２３とは逆方向の半径方向に吸引力が作用
するようにすれば横方向の制御力は強くなる。

更に第２の電磁コイル２１ａ〜２１ｄによる磁束φ３が
第４の空隙磁路２５を通ることで軸方向の制御に干渉す
ることを防止するために、ロータ部２のヨーク６の端部
１０付近に永久磁石を介在して、磁束φ３が空隙磁路２
５を通過し難くすることもできる。

尚、第４の空隙磁路２５は必ずしも必要不可欠なもので
はなく、場合によっては省略してもよい。

磁気軸受１と１′とは対称的ではなく若干具なる機構の
ものであってもよいし、更には一方の磁気軸受１又は１
′では第１の電磁コイル１４を省略してもよい。

ロータ部２を半径方向の全方向に制御するには、第２の
電磁ヨーク１２０半径方向を向く端部２０を３個以上に
分割することが必要であるが、第２の電磁コイル２２は
その全てに巻回するのではなく２個以上に巻回すれば理
論的に制御が可能である。

実施例の分割部分２１ａ〜２１ｄは端部２０に設けたが
、第２の電磁ヨーク１２全体を３個以上に分割し、その
間を非磁性体により接続しても半径方向の制御は可能で
ある。

以上説明したように本発明に係る磁気軸受装置は、２個
の磁気軸受を用いて、ステータ部に対するロータ部の軸
方向位置を制御すると共に、それぞれの磁気軸受に於い
て半径方向の位置を制御できるようにしたので、姿勢の
安定した装置として使用できる。

又、ロータ部は僅かな角度ながら低エネルギーで傾斜で
きるので、人工衛星等に於ける姿勢制御には極めて効果
的である。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明に係る磁気軸受装置の一実施例を示すもの
であり、第１図はその縦断面図、第２図は第１図に於け
る■−■線に沿った断面図である。 符号１，１′は磁気軸受、２はロータ部、３はステータ
部、４，５は連結部材、６はヨーク、７゜８．９．１０
は端部、１１は第１の電磁ヨーク、１２は第２の電磁ヨ
ーク、１３は永久磁石、１４は第１の電磁コイル、１５
は開口部、１６．１７は端部、１８は第１の空隙磁路、
１９は第２の空隙磁路、２０は端部、２１ａ〜２１ｄは
分割部分、２２ａ〜２２ｄは第２の電磁コイル、２３／
／ｉ第３の空隙磁路、２４は端部、２５は第４の空隙磁
路、２６は軸方向位置検出器、２７は軸方向制御回路、
２８ｘ、２８’ｘは半径方向位置検出器、２９Ｘ。 ２９′Ｘは半径方向制御回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 非接触で相対的に回転し得るロータ部とステータ部
   とを有する２組の磁気軸受から成り、各々のロータ部同
   志及びステータ部同志を非磁性体から戒る連結部材によ
   り接続した装置であって、少なくとも一方の磁気軸受に
   於いて、ロータ部或いはステータ部又はこれら双方に永
   久磁石を介在しロータ部は円環状のヨークから成り、そ
   の外周部は回転軸方向を向く２個の端部を有し、内周部
   は回転軸の半径方向を向く端部を有し、ステータ部は回
   転軸の半径方向の外側に配置する磁性体から戒る円環状
   の第１の電磁ヨークと、内側に配置する磁性体から戒る
   円状の第２の電磁ヨークを有し第１の電磁ヨークは、第
   １の電磁コイルを巻回すると共に、円周方向に沿った開
   口部を設け、該開口部内に挿入したロータ部ヨークの前
   記外周部の端部との間に、永久磁石及び第１の電磁コイ
   ルによる磁束を軸方向に通過させる第１及び第２の空隙
   磁路を形成し、第２の電磁ヨークは、ロータ部ヨークの
   内周部の前記回転軸の半径方向を向く端部と対向して第
   ３の空隙磁路を形成する半径方向を向く端部を有すると
   共に、前記第３の空隙磁路を形成する第２の電磁ヨーク
   の端部を軸対称に３個以上に分割し、分割された第２の
   電磁ヨーク部分の少なくとも２個に第２の電磁コイルを
   巻回し永久磁石及び第２の電磁コイルによる磁束を第３
   の空隙磁路では半径方向に通過させるようにしたことを
   特徴とする磁気軸受装置。