JPS60164013A

JPS60164013A - 磁気軸受

Info

Publication number: JPS60164013A
Application number: JP59017794A
Authority: JP
Inventors: Hajime Sudo; 肇須藤; Kenichi Takahara; 憲一高原
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-02-03
Filing date: 1984-02-03
Publication date: 1985-08-27
Also published as: US4583794A; EP0151857A1; DE3468494D1; EP0151857B1

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】〔発明の技術分野〕本発明は、磁気軸受に係り、特に制御性の向上化とエネ
ルギ損失の低減化とを図れるようにした磁気軸受に関す
る。

〔発明の技術的背景〕

回転体等を支承する軸受として、従来、磁気力によって
完全非接触に支承するよう、にした磁気軸受が知られて
いる。磁気軸受は、被支承物体を完全非接触状態で支持
するため、機械的な摩耗がなく、耐久性が非常に高いこ
と、また機械的な騒音がないこと等の大きな特徴を有し
ている。このような軸受は、通常、磁性材で形成された
被支承側支承要素と、静止部に固定され上記被支承側支
承要素を磁気力で完全非接触に支承する静止側支承要素
とで構成され、具体的には、第１図に示すように構成さ
れている。

すなわち、図中１は、たとえば外部磁気を遮断する磁気
シールド材等で両端部を閉塞した円筒状に形成されたケ
ースである。ケース１内には、たとえば非磁性材料等で
有底筒状に形成された円筒体２が、その底壁２ａを図中
上方へ向けて収容されている。上記底壁２ａの中央部に
は、回転軸３の一端側が、同軸的に結合されている。こ
の回転軸３は、ケース１の図中上壁に設けられた孔を貫
通して外方に延び、図示しない被支承体に連結されてい
る。円筒体２は内周面に、周方向へ延びる溝４８．４ｂ
をそれぞれ有しており、この溝４ａ。

４ｂに、被支承側支承要素である高透磁率材料で形成さ
れた環状体５ａ、５ｂをそれぞれ装着したものとなって
いる。

しかして、円筒体２の内部には、静止側支承要素が配置
されている。この支承要素は次のように構成されている
。すなわち、円筒体２内に高透磁率材料で形成されたヨ
ーク６を円筒体２とは非接触に嵌合する関係に配置して
いる。ヨーク６はケース１の図中下壁内面から図中上方
へ向けて突設された支持柱１ａに支持されている。ヨー
ク６の外周面で、前記環状体５ａの図中上部、環状体５
ａと同５ｂとの間および環状体５ｂの図中下部に対向す
る位置には、それぞれ半径方向位置制御用の磁極群１０
、軸方向位置制御用の磁極１１、半径方向位置制御用の
磁極群１２が一体的に突設されている。磁極群１０は、
第２図に示す如く、周方向へ９０°の開き角をもって突
設された４つの磁極１０ａ、１０ｂ、、Ｉ　Ｃ）Ｃおよ
び１０ｄで構成されている。そして１．上記磁極１ｏａ
〜１０ｄには、それぞれ半径方向安定化用コイル１３ａ
、１３ｂ、１３ｃおよび１３ｄが巻装されている。磁極
１１は環状体に形成されたものとなっている。

磁極１１の図中上下には、それぞれ軸回りに巻回された
軸方向安定化用コイル１．４ａ、１４ｂが装着されてい
る。また、磁極群１２は、前記磁極群１ｏの各磁極と同
一関係に突設された４つの磁極１２ａ、１２ｂ、１２ｃ
および１２ｄ（但し、１２ｂ、１２ｄは不図示）で構成
されている。そして、これら各磁極１２ａ〜１２ｄには
、それぞれ半径方向安定化用コイル１５ａ、１５ｂ、１
５ｃおよび１５ｄが巻装されている。ヨーク６の外周で
磁極群１０と磁極１１との間および磁極１１と磁極群１
２との間に位置する部分には、径方向に着磁された環状
の永久磁石１６．１７が、それぞれ嵌合されている。

一方、前記円筒体２の第１図中上部に位置する底壁２ａ
の端縁部には図中上方に僅かに突出した突周壁２ｂが形
成されている。そして、この突周壁２ｂの内周面と対向
するケース１の上壁には、非常時等において、上記円筒
体２を機械的に支持するベアリング２０が装着されてい
る。同様に円筒体２の図中下端部にも究理Ｗ２Ｃが設け
られている。そして、この突周壁２Ｃの内周面と対向す
るケース１の下壁にもベアリング２２が装着されている
。

前記ケース１の図中中央部内周面には、円筒体２に回転
力を付与するための回転磁界を発生させるモータ２５の
ステータ２６が固定されており、このステータ２６に対
向する円筒体２の外周面には、例えば銅などの高導電性
リングからなるロータ２８が装着されている。

さらに、前記ケース１には、円筒体２を介して、前記各
磁極１０ａ　〜１０ｄ、　１２ａ　〜１２ｄとそれぞれ
対向する位置に、上記円筒体２の半径方向の変位を検出
する変位検出器３０ａ、３０ｂ、３ＯＣおよび３０ｄな
らびに３１ａ、３１ｂ、３１Ｃおよび３１ｄ（但し、３
０ｂ、３０ｄ、３１ｂ。

３１ｄは不図示）がそれぞれ設けられている。また、ケ
ース１には、円筒体２に嵌合された環状体５ｂの図中下
端部と対向する位置に、上記円筒体２の軸心線方向の変
位を検出する変位検出器３２が設けられている。

このように構成された磁気軸受は、永久磁石１６．１７
で発生した磁束を、第１図中破線で示すように、各永久
磁石〜ヨーク６〜各磁極〜各環状体〜各永久磁石の経′
路でそれぞれ通過させ、これら磁束によって生ずる磁気
力で円筒体２を非接触で支承するようにしている。そし
て、この円筒体２の半径方向の変位および軸方向の変位
は、それぞれ前記変位検出器３０ａ〜３０ｄ、３１ａ〜
３１ｄおよび同３２で検出される。変位検出器３０ａ〜
３０ｄおよび３１ａ〜３１ｄの出力は、図示しない公知
の半径方向安定化制御装置に入力される。この半径方向
安定化制御装置は、上記入力に基づいて、円筒体２の半
径方向安定化用コイル１３ａ　〜１３ｄ、１５ａ　〜１
５ｄを付勢する。一方、前記変位検出器３２の出力は、
図示しない公知の軸方向安定化制御装置に入力される。

この軸方向安定化制御ｌｌ装置は上記入力に基づいて、
円筒体２の軸方向位置を適正位置に制御すべく前記軸方
向安定化用コイル１４ａ、１４ｂを付勢する。このよう
に各コイルの付勢により円筒体２に作用する磁気力を調
節し、上記変位を修正するようにしている。この状態で
モータ２５を図示しない電源に接続すると、円筒体２は
、非接触状態のまま回転する。かくして、円筒体２の回
転駆動力は回転軸３を介して被支承体に伝えられる。

〔背景技術の問題点〕

ところで、上記のように構成された従来の磁気軸受にあ
っては、半径方向の位置制御を実現するために周方向に
複数に分割された磁極群１０および１２を設けている。

このように設けられた磁極群１０および１２の各磁極に
出入りする制御磁束は、一般に磁極のエツジ部に集中し
易く、このため、エツジ部において磁束の飽和が起こる
。したがって、円筒体２の半径方向の位置制御を行なう
に際し、半径方向位置制御用のｍ也の延びる方向の変位
を修正する場合には磁気力が少なくて済むものの、その
他の方向の変位を修正する場合には、大きな磁気力を必
要とし、この結果、制御性に劣るという問題があった。

また、環状体５ａ、（５ｂ）の内面における磁束密度に
着目した場合、第２図および第３図中Ａで示すように半
径方向位置制御°用の磁極に近い部分Ｐ１．Ｐ２．Ｐ３
およびＰ４における磁束密度と、これら磁極から遠い部
分Ｑ１．Ｑ２．Ｑ３およびＱ４における磁束密度とに大
きな差を生じる。このような磁束分布が存在すると、被
支承体が回転体の場合には、磁気ギャップにおける磁束
密度の周方向分布に起因して、環状体５ａ、５ｂに大き
な渦電流が生じ、多大なエネルギ損失となってしまうと
いう不具合があった。、この損失は、回転体の回転数に
応じて増加するため、結局、磁気軸受として所望の性能
を得ることが困難であった。しかも、これらの不具合を
解消しようとすると、磁気軸受全体の大型化につながっ
てしまうという問題があった。

（発明の目的〕本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、そ
の目的とするところは、全体の大型化を招くことなく、
制御性の向上化を図ることができ、しかも、エネルギ損
失の極めて少ない磁気軸受を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、磁性体で形成された被支承側支承要素と、静
止部に固定され前記被支承側支承要素を磁気力で完全非
接触に支承する静止側支承要素とからなり、前記静止側
支承要素が前記被支承側支承要素と嵌合するヨークと、
このヨークの前記被支承側支承要素と対向する局面に周
方向に亙って複数突設された半径方向位置制御用磁極と
を包含した構成の磁気軸受において、前記静止側支承要
素の少なくとも周方向に亙って複数設けられた前記半径
方向位置制御用磁極の磁極面を共通に覆う如く磁性材製
の覆い部材を設けたことを特徴としている。

（発明の効果〕ｉ　出　ト　λ　Ｉ−−「５１ヱ　ロ日　？−ド　柄　
ぼ害偽　＋Ｌ　油１１　書ヒ２．嘗専　小生なくとも半
径方向位置制御用磁極の磁極面を共通に覆う磁性材製の
覆い部材を設けているので、半径方向位置制御用磁極近
傍への磁束の集中化を緩和させることができる。

このため、半径方向の位置制御に際して、最も必要とさ
れるギャップ部分に制御磁束を供給することができ、少
ない制御磁束による効果的な位置制御が行なえる。した
がって制御性を向上させることができる。゛また、覆い部材の存在によって、被支承側支承要素と静
止側支承要素との間の磁気ギャップにおける周方向に亙
っでの磁束分布が平滑化されているので、被支承物体が
回転体である場合でも、従来のように大きな渦電流が生
ずることがない。このため、エネルギ損失の極めて少な
い磁気軸受を提供することができる。

そして、この場合には、少なくとも半径方向位置制御用
磁極の磁極面を、単に磁性材製の覆い部材で覆うだけの
いたって簡単な構成を採用しているので、全体の大型化
を招くことがない。

〔発明の実施例〕

以下、第４図〜第６図を参照し、本発明の一実施例につ
き説明する。なお、第４図〜第６図において、第１図お
よび第２図と同一部分には同一符号を付し、重複する部
分の詳しい説明は省くことにする。

本実施例が従来例と異なる点は、第４図および第５図に
示す如く、磁極群１０，１２および磁極１１の磁極面な
らびに永久磁石１６．１７の磁極面を一体的に覆う如く
、磁性材製で筒状に形成された覆い部材４０を装着した
ことにある。上記覆い部材４０は、この覆い部材４０の
外側に位置する環状体５ａ、５ｂよりも僅か透磁率の低
い磁性材料にて形成され、たとえば、その厚みが上記環
状体５ａ、５ｂの厚みの略半分となるように形成されて
いる。

このように構成された磁気軸受の半径方向位置制御用磁
極に出入りする磁束は、以下のようになる。すなわち、
第５図中破線矢印で示す如く、磁極１０ａ〜１０ｄ内を
通った制御磁束は、覆い部材４０の磁気抵抗が、上記覆
い部材４０と環状体５ａ（５ｂ）との間の空隙部の磁気
抵抗よりも小さいので、磁束の一部が上記覆い部材４０
の内部を周方向に通過し、その後に環状体５ａ（５ｂ）
へ出入りする。つまり、半径方向位置制御用磁極の磁極
面が実質的に周方向に拡大された形となる。

このため、半径方向制御のＩｔｌＪ　ｍ性を向上させる
ことができる。

これを第６図を参照しながら説明すると以下の通りであ
る。すなわち、第６図（ａ）は比較のために従来の磁気
軸受の例を示し、同図（ｂ）は本実施例の場合を示して
いる。今、外力によって円筒体２が図中太矢印の向きに
変位しようとしたときには、この変位を修正するために
、磁極１０ａ。

１０ｂを通る磁束を増加させ、磁極１０ｂ、１０Ｇを通
る磁束を減少させるように半径方向安定化コイル１３８
〜１３ｄが付勢され、外力と磁気力とを釣り合わせる制
御が行われる。この場合、従来の磁気軸受では、磁極１
０ａ、１０ｄのエツジ部Ｅａ、Ｅｄが磁気的に飽和する
ので、磁極１０ａ、１０ｄを通った磁束の大部分は変位
の向き（太矢印の向き）とはある角度、この場合には４
５度異なる角度の通路を通って環状体５ａの内面に進行
する。したがって、磁極１０ａと環状体５との間に生じ
る磁気力および磁極１０ｄと環状体５ａとの間に生じる
磁気力で外力と釣り合わせるには、半径方向安定化コイ
ル１３ａ、１３ｄに大きな電流を流す必要があり、必然
的に制御性の低下をもたらす。

これに対して、この実施例の場合には、第６図（ｂ）に
示すように覆い部材４０の存在によって、磁極１０ａ、
１０ｄを通った磁束の多くを変位の方向と平行する通路
を通して環状体５ａの内面に進行させることができる。

したがって、半径方向安定化コイルで発生した制御磁束
を従来のものより有効に活用することができ、上記コイ
ルに流す電流も少なくて済むので、それだけ制御性を向
上させることができる。

一方、上述した如く、覆い部材４０を設けているので−
７の躍いａｔｈａｎとｔ！！！４未ｎｎ　（Ｒ１’））
との間の磁気ギャップの周方向の磁束分布は、第３図中
Ｂで示すように大幅に平均化される。このため、円筒体
２を回転させるようにしたものでは、環状体５ａ、５ｂ
が横切る磁束変化も減少し、環状体５ａ、５ｂに発生す
る渦電流を従来のものに較べて大幅に抑制することがで
きる。したがって、エネルギ損失の低減化を図ることが
できる。また、従来の磁気軸受の磁極を覆い部材４０で
覆うだけの、いたって簡単な構成を採用しているので、
全体が大型化するようなこともなく、結局前述した効果
が得られる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
く、たとえば第７図〜第９図に示す如く、回転陽ｍｘｓ
ｉ＋菅に適用することもできる。以下、回転陽極Ｘ線管
に適用した例を説明する。

すなわち、第７図において、５１は大部分が絶縁体で形
成された真空容器であり、この真空容器５１内の図中上
部には、陰極５２と、たとえば円板状に形成された回転
陽極５３とが図中上下方向に離間対向して配置されてい
る。

陰極５２には内部に図示しないフィラメントが装着され
ている。上記陰極５２は導体５５に接続されている。導
体５５は、真空容器５１の図中上壁中央部を軸心線方向
に気密に貫通する部分５５ａと、この部分５５ａの真空
容器５１内に位置する先端部から、たとえば直角に延び
る部分５５ｂとから構成されており、上記部分５５ｂの
先端部に前記陰極５２を固定している。なお、フィラメ
ントの両端は導体５４内に配設された図示しない絶縁線
を介して真空容器５１外へ導かれている。

回転陽極５３は、その図中上面周辺部が常に陰極５２と
対向する関係に配置されており、上記周辺部上面は外周
縁に近付くにしたがって、所望のＸ線を得るのに必要な
テーパ面に形成されている。

そして回転陽極５３は後述するところの回転子５４によ
って支持されている。

しかして、前記真空容器５１の壁部で前記回転陽極５３
の図中下面に対向する部分には、この部分を上記回転陽
極５３の側へ向けて有底筒状に凹没させるとともに、磁
性材料にて形成された凹没壁５７が形成されており、さ
らに上記凹没壁５７の、いわゆる底壁中央部には、上記
中央部を上記凹没壁５７と同心的に、回転陽極とは反対
側へ向けて凹没させた内側凹没！１５８が形成されてい
る。

そして、上記凹没壁５７とその外側に位置する筒状の壁
部５９との間に形成された筒状空間６ｏおよび前記内側
凹没壁５８内に回転子５４が回転自在に収容されている
。

回転子５４は大きく分けて、前記回転陽極５３と同軸的
に配設され、図中上端部が上記回転陽極５３の図中下面
中央部に連結されるとともに図中下端側が前記内側凹没
壁５８で囲まれた空洞内に嵌入した導電性の補助軸６２
と、図中上端部が環状絶縁材６３を介して補助軸６２に
接続されるとともに図中下端部が前記筒状空間６０内に
嵌入した筒状の回転子本体６４とで構成されている。上
記回転子本体６４は、外形が前記壁部５９の内径より小
さく、また内径が前記凹没壁５７の外形より大きい寸法
に非磁性材または定磁性材で形成された円筒体６５と、
この円筒体６５の内周面に図中上下に２段構成に形成さ
れた環状溝６６ａ、６６ｂ内にそれぞれ装着固定された
高透磁率材性のリング６７ａ、６７ｂと、上記円筒体６
５の例えば外周面中央部に固定されたモータ６８のロー
タ６９とで構成されている。また、前記内側凹没壁５８
の内面には、非常時等だけ前記補助軸６２を機械的に支
持する軸受７１ａ、７１ｂが、常時は、上記補助軸６２
に対して非接触に設けである。さらに、補助軸６２の図
中下端面にはビン７２が突設しである。このビン７２に
対向する位置には接触板７３が配設され、これら接触板
７３とビン７２とで陽極電流導入装置が構成されている
。そして、上記接触板７３は、内側凹没壁５８のいわゆ
る底壁を気密に貫通した導電棒７４の先端に接続されて
いる。

しかして、前記凹没壁５７で囲まれた空間内には上記凹
没壁５７と同心的にヨーク７５が挿着されている。この
ヨーク７５は、たとえば複数のブロックを組合わせて構
成され、全体的に環状に形成されＴおｈ−由ｊｉｔ顛り
一飴！μ由側■も訃ちΩも１入し得る孔７６を有してい
る。そして、ヨーク７５の外周面で図中上下端には、第
８図に示す如く周方向へ９０°の開き角で突設された４
つの磁極７７ａ、７７ｂ、７７ｃおよび７７ｄを１組と
する２組の半径位置制御用の磁極群７８．７９が設けら
れている。なお、各磁極群７８．７９の軸心線と直交す
る同一線上に突設された磁極の磁極面間距離は前記凹没
壁５７の内径と略等しい値に設定されている。そして、
各磁極群７８．７９の各磁極の外周には、それぞれ半径
方向安定化用コイル８０が装着されている。また各磁極
群７８，７９との間の中央位置には、軸心線口りに環状
の軸方向位置制御用の磁極８１が突設されており、この
磁極８１の軸方向の両側には、相互間で上記磁ＶｊＡ８
１を挟む関係に軸方向安定化用コイル８２ａ。

８２ｂが装着されている。しかして、ヨーク７５の外周
で、かつ磁極群７８とコイル８２ａとの間および磁極群
７９とコイル８２ｂとの間に位置する部分には、第７図
にも示すように半径方向に磁化された環状の永グ…石８
３８　ρ３ｈバ仏鐙六れている。そして上記のようにコ
イル８０，８２ａ、８２ｂ、永久磁石８３ａ、８３ｂの
装着すしたヨーク７５は、第７図に示すように前記凹没
壁５７で囲まれた空間内に装着されている。

しかして、前記真空容器５１の壁部５９の外側には、上
記壁部５９との間に所定の間隙９０をあけて非磁性材ま
たは常磁性材で有底筒状に形成された筒体９１が装着さ
れている。そして、上記間隙９０内の図中上部および下
部で前記磁極群７８゜７９の各磁極の磁極面に対向する
位置には第４図に示すように、前記回転子本体６４の軸
方向と直交する方向の変位を検出する変位検出器９２お
よび軸方向変位を検出する変位検出器９３が設けてあり
、また、上記間隙９０内の前記ロータ６９に対向する位
置にはモータ６８のステータ７０が取付けられている。

そして、上記ステータ７０の電機子巻線は図示しないモ
ータ駆動用電源に接続され、また各変位検出器９２およ
び９３の出力端は図示しない回転子安定化制御装置に接
続されている。上記回転子安定化制御装置は、実際には
、半径方向の安定化を図るものと、軸方向の安定化を図
るものとで構成されている。なお、第７図中９５はＸ線
透過窓を示している。

しかして、このように構成された回転陽極Ｘ線管は、半
径方向位置制御用の磁極群７８．７９の各磁極面が磁性
材料からなる凹没壁５７で覆われ、この凹没壁５７が前
述した覆い部材として機能する。このため、半径方向位
置制御用の磁極群７８゜７９を出入りする磁束の磁束分
布は、第９図中点線矢印で示すように平均化される。し
たがって、この場合においても、前記実施例と同様、制
御性の向上化とエネルギ損失の低減化とを図ることがで
きる。しかも、本実施例の場合、真空容器５１の一部分
を磁性体で形成するという、単に材質の変更のみで上述
の効果を呈することが出来るので、全体の大きさ、形状
等を何等変更する必要がなく、そのうえ実質的な磁気ギ
ャップ長を短くできるので、なお一層制御性および効率
を向上させることができる。

なお、本発明は、例えば直線的な往復運動や揺動運動を
行なう被支承体を支承する磁気軸受にも適用可能である
。また、被支承側支承要素が静止側支承要素の内側に存
在するような磁気軸受にも適用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の磁気軸受の縦断面図、第２図は同磁気軸
受を第１図のＣ−Ｃ線に沿って切断し矢印方向に見た図
、第３図は本発明の効果を従来例と比較して説明するた
めの図、第４図は本発明の一実施例に係る磁気軸受の縦
断面図、第５図は同磁気軸受を第４図のＤ−Ｄ線に沿っ
て切断し矢印方向に見た図、第６図（ａ）（ｂ）は同磁
気軸受の作用を従来例と比較して説明するための図、第
７図は本発明の他の実施例に係る回転陽極Ｘ線管の縦断
面図、第８図は同Ｘ線管を第７図のＥ−Ｅ線に沿って切
断し矢印方向に見た図、第９図は同Ｘ線管の作用を説明
するために第８図のＦ部分を拡大して示す図である。１・・・ケース、２，６５・・・円筒体、３・・・回転
軸、Ｉ：１３　Ｒｈ、・、七状仕−６−７５・・・ヨー
ク、１０゜１２．７８．７９・・・磁極群、１１・・・
磁極、１３８〜１３ｄ、１５ａ　〜１５ｄ、ＢＯ−・・
半径方向安定化用コイル、１４ａ、１４ｂ、８２ａ、８
２ｂ−・・軸方向安定化用コイル、３０ａ〜３０ｄ、３
１ａ〜３１ｄ、３２，９２．９３・・・変位検出器、４
０・・・覆い部材、５１・・・真空容器、５２・・・陰
極、５３・・・回転陽極、５４・・・回転子、５７．５
８・・・凹没壁、６２・・・補助軸、６７ａ、６７ｂ・
・・リング。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦第１図第３図Ｐ、ＱＩ　Ｐ２Ｑ２Ｐ３第４図第７図第８図第９図

Claims

【特許請求の範囲】

磁性体で形成された被支承側支承要素と、静止部に固定
され前記被支承側支承要素を磁気力で完全非接触に支承
する静止側支承要素とからなり、前記静止側支承要素が
前記被支承側支承要素と嵌合するヨークと、このヨーク
の前記被支承側支承要素と対向する周面に周方向に及っ
で複数突設された半径方向位置制御用磁極とを包含した
構成の磁気軸受において、前記静止側支承要素の少なく
とも周方向に亙っで複数設けられた前記半径方向位置制
御用磁極の磁極面を共通に覆う磁性材製の宿い部材を設
けてなることを特徴とする磁気軸受。