JPS6220407B2 - - Google Patents
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- JPS6220407B2 JPS6220407B2 JP19322282A JP19322282A JPS6220407B2 JP S6220407 B2 JPS6220407 B2 JP S6220407B2 JP 19322282 A JP19322282 A JP 19322282A JP 19322282 A JP19322282 A JP 19322282A JP S6220407 B2 JPS6220407 B2 JP S6220407B2
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- JP
- Japan
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- radial
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- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 16
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 11
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 8
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
- F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
- F16C32/0406—Magnetic bearings
- F16C32/044—Active magnetic bearings
- F16C32/0459—Details of the magnetic circuit
- F16C32/0461—Details of the magnetic circuit of stationary parts of the magnetic circuit
- F16C32/0465—Details of the magnetic circuit of stationary parts of the magnetic circuit with permanent magnets provided in the magnetic circuit of the electromagnets
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
- F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
- F16C32/0406—Magnetic bearings
- F16C32/044—Active magnetic bearings
- F16C32/0474—Active magnetic bearings for rotary movement
- F16C32/0485—Active magnetic bearings for rotary movement with active support of three degrees of freedom
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、電磁石、永久磁石を利用して回転体
を無接触支持する磁気軸受に関するものである。
を無接触支持する磁気軸受に関するものである。
従来から提案されている磁気軸受に５軸制御型
磁気軸受と１軸制御型磁気軸受がある。
磁気軸受と１軸制御型磁気軸受がある。
５軸制御型磁気軸受は、回転体の回転軸回りの
回転以外の５自由度すべてを能動的に制御拘束す
る軸受で、回転、外乱に対する安定性、共振点通
過時の減衰率など性能においては非常にすぐれて
いる。しかしながら、５自由度すべてを制御する
事から、センサー、電磁石、制御回路、電磁石駆
動回路などが多数になり、構造においては複雑に
なり、回路においては素子数が多くなるなどによ
つて、信頼性の低下、軸受部分の大型化、コスト
高となる欠点を有している。
回転以外の５自由度すべてを能動的に制御拘束す
る軸受で、回転、外乱に対する安定性、共振点通
過時の減衰率など性能においては非常にすぐれて
いる。しかしながら、５自由度すべてを制御する
事から、センサー、電磁石、制御回路、電磁石駆
動回路などが多数になり、構造においては複雑に
なり、回路においては素子数が多くなるなどによ
つて、信頼性の低下、軸受部分の大型化、コスト
高となる欠点を有している。
一方１軸制御型軸受は、回転体の回転軸回りの
回転以外の５自由度の内で、回転軸方向のみを能
動的に制御拘束し、他の４自由度は受動体に拘束
する軸受である。このタイプの軸受は非常に構造
も回路も簡単なので、小型、低コスト、高信頼性
などの点においてすぐれている。しかしながら、
径方向を能動的に制御していないために、系の共
振点を通過させて更に高速で回転させようとする
場合、径方向の減衰がほとんどかからないため、
共振点の通過が困難ら事と、回転、外乱に対する
安定性に欠けるという欠点がある。
回転以外の５自由度の内で、回転軸方向のみを能
動的に制御拘束し、他の４自由度は受動体に拘束
する軸受である。このタイプの軸受は非常に構造
も回路も簡単なので、小型、低コスト、高信頼性
などの点においてすぐれている。しかしながら、
径方向を能動的に制御していないために、系の共
振点を通過させて更に高速で回転させようとする
場合、径方向の減衰がほとんどかからないため、
共振点の通過が困難ら事と、回転、外乱に対する
安定性に欠けるという欠点がある。
本発明は上記欠点を考慮して、回転体の一方の
径方向軸受の径方向２自由度と、軸方向軸受の軸
方向の１自由度の３自由度を能動的に制御すると
ともに、もう一方の径方向２自由度を受動的に制
御し、能動的制御をこのように３自由度に減少さ
せることにより、軸受の小型化、低コスト化、高
信頼性を実現する一方、さらに能動的に制御する
２自由度径方向のバネ定数と、受動的に制御する
２自由度径方向バネ定数との比を、回転体の重心
からそれぞれ磁気軸受で支持された軸受の作用点
までの距離の比のほぼ逆比関係になるように設定
することにより、スムースな共振点通過、安定な
回転、外乱に対する十分な減衰も同時に実現する
ことを目的としたものである。
径方向軸受の径方向２自由度と、軸方向軸受の軸
方向の１自由度の３自由度を能動的に制御すると
ともに、もう一方の径方向２自由度を受動的に制
御し、能動的制御をこのように３自由度に減少さ
せることにより、軸受の小型化、低コスト化、高
信頼性を実現する一方、さらに能動的に制御する
２自由度径方向のバネ定数と、受動的に制御する
２自由度径方向バネ定数との比を、回転体の重心
からそれぞれ磁気軸受で支持された軸受の作用点
までの距離の比のほぼ逆比関係になるように設定
することにより、スムースな共振点通過、安定な
回転、外乱に対する十分な減衰も同時に実現する
ことを目的としたものである。
次に本発明の実施例について、図面に基づいて
説明する。
説明する。
第１図は、本発明の構造例の断面図である。部
分１が、径方向軸受部であり、部分２が、軸方向
軸受部である。径方向軸受部１は、まず径方向変
位センサー３により、ロータ７の径方向の平衡点
からの変位量を検出し、その信号を制御回路４、
電磁石駆動回路５を通して径方向電磁石６を駆動
する事によつて、安定にロータを径方向平衡点に
引き戻し保持するようになつている。径方向は、
２自由度であるので、上記閉ループが２個、即ち
ある方向とそれに線型独立なもう１つの方向の２
方向に必要である。軸方向軸受部２は、軸方向変
位センサー８により、ロータ７の軸方向の平衡点
からの変位量を検出し、その信号を制御回路９、
電磁石駆動回路１０を通して軸方向電磁石１１を
駆動する事によつて、安定にロータを軸方向平衡
点に引き戻し保持するようになつている。この場
合、自由度は軸方向のみなので、閉ループは１個
である。以上３個の閉ループにより３自由度を能
動的に制御拘束する。残りの２自由度は、軸方向
電磁石１１が平衡状態においても、アーマチユア
デイスク１２を軸方向に互いに等しい反対方向の
力で吸引するようにし、その力によつて、受動的
にＢ点付近の径方向を平衡点に拘束する。この原
理はアーマチユアデイスク１２が、径方向に平衡
点より変位した場合、電磁石１１とアーマチユア
デイスク１２間の磁気抵抗が増加する事を利用し
たものである。この軸方向軸受部は、第３図、第
４図、第５図に示すように、永久磁石１３を利用
してバイアス吸引力を発生させ、１個または２個
のコイル１４により制御する事も可能である。
分１が、径方向軸受部であり、部分２が、軸方向
軸受部である。径方向軸受部１は、まず径方向変
位センサー３により、ロータ７の径方向の平衡点
からの変位量を検出し、その信号を制御回路４、
電磁石駆動回路５を通して径方向電磁石６を駆動
する事によつて、安定にロータを径方向平衡点に
引き戻し保持するようになつている。径方向は、
２自由度であるので、上記閉ループが２個、即ち
ある方向とそれに線型独立なもう１つの方向の２
方向に必要である。軸方向軸受部２は、軸方向変
位センサー８により、ロータ７の軸方向の平衡点
からの変位量を検出し、その信号を制御回路９、
電磁石駆動回路１０を通して軸方向電磁石１１を
駆動する事によつて、安定にロータを軸方向平衡
点に引き戻し保持するようになつている。この場
合、自由度は軸方向のみなので、閉ループは１個
である。以上３個の閉ループにより３自由度を能
動的に制御拘束する。残りの２自由度は、軸方向
電磁石１１が平衡状態においても、アーマチユア
デイスク１２を軸方向に互いに等しい反対方向の
力で吸引するようにし、その力によつて、受動的
にＢ点付近の径方向を平衡点に拘束する。この原
理はアーマチユアデイスク１２が、径方向に平衡
点より変位した場合、電磁石１１とアーマチユア
デイスク１２間の磁気抵抗が増加する事を利用し
たものである。この軸方向軸受部は、第３図、第
４図、第５図に示すように、永久磁石１３を利用
してバイアス吸引力を発生させ、１個または２個
のコイル１４により制御する事も可能である。
この様にする事により能動的に制御する制御ル
ーブが３個になるため、５軸制御型磁気軸受に比
べて、構造が簡単になり、回路素子等も3/5程度
になるので、軸受の小型化、低コスト化、高信頼
性を実現出来る。
ーブが３個になるため、５軸制御型磁気軸受に比
べて、構造が簡単になり、回路素子等も3/5程度
になるので、軸受の小型化、低コスト化、高信頼
性を実現出来る。
さらに本発明によれば、能動的に制御する自由
度を３にした場合でも、同時に能動的制御と受動
的制御の径方向バネ定数の比を、重心から作用点
までの距離の比のほぼ逆比関係にすることによ
り、系のスムースな共振点通過、安定な回転、外
乱に対する十分な減衰等も、確実に実現できるこ
とを第２図を使つて以下に説明する。
度を３にした場合でも、同時に能動的制御と受動
的制御の径方向バネ定数の比を、重心から作用点
までの距離の比のほぼ逆比関係にすることによ
り、系のスムースな共振点通過、安定な回転、外
乱に対する十分な減衰等も、確実に実現できるこ
とを第２図を使つて以下に説明する。
第２図は、軸受部をバネとダンバーを用いて模
式的に示したものである。径方向軸受部１は、バ
ネ定数k1と減衰定数d1が２組で実現される。軸方
向軸受部２は、能動的な軸方向制御ルーブがバネ
定数k3と減衰定数d3で、受動的な径方向が２組の
バネ定数k2と減衰定数d2で表現される。ここで従
来の５軸制御型磁気軸受の場合は、５自由度すべ
てを能動的に制御するため、d1，d2，d3を十分な
値にでき、１軸制御型磁気軸受の場合は、d3は十
分な値にできるが、d1，d2はほとんど零（d1、d2
≪d2）となる。このため１軸制御型磁気軸受の場
合、系の径方向の共振点の通過が困難であり、回
転、外乱に対する安定性が欠けるのである。一方
本発明の場合は、d2はほとんど零であるが、d1，
d3は十分な値にできる。ロータの運動は軸方向と
径方向の運動に分離でき、軸方向は完全に能動的
に制御しているので、径方向の運動のみを問題に
する。
式的に示したものである。径方向軸受部１は、バ
ネ定数k1と減衰定数d1が２組で実現される。軸方
向軸受部２は、能動的な軸方向制御ルーブがバネ
定数k3と減衰定数d3で、受動的な径方向が２組の
バネ定数k2と減衰定数d2で表現される。ここで従
来の５軸制御型磁気軸受の場合は、５自由度すべ
てを能動的に制御するため、d1，d2，d3を十分な
値にでき、１軸制御型磁気軸受の場合は、d3は十
分な値にできるが、d1，d2はほとんど零（d1、d2
≪d2）となる。このため１軸制御型磁気軸受の場
合、系の径方向の共振点の通過が困難であり、回
転、外乱に対する安定性が欠けるのである。一方
本発明の場合は、d2はほとんど零であるが、d1，
d3は十分な値にできる。ロータの運動は軸方向と
径方向の運動に分離でき、軸方向は完全に能動的
に制御しているので、径方向の運動のみを問題に
する。
ロータの重心Ｇから、バネ定数k1の作用点Ａま
での距離をl1、バネ定数k2の作用点Ｂまでの距離
をl2とし、適当な直交座標軸xyzを取りｘ、ｙ、
ｚ方向の回転をθｘ，θｙ，θｚとし、ロータ重
心Ｇの平衡点からの変位置をｘ，ｙ、ロータ軸の
傾きをθｘ，θｙ、ロータ回転速度をω、ロータ
質量をｍ、ロータの半径方向の慣性モーメントを
Ir、ロータの軸方向の慣性モーメントをIaとする
とロータの径方向の運動方程式は(1)式のようにな
る。
での距離をl1、バネ定数k2の作用点Ｂまでの距離
をl2とし、適当な直交座標軸xyzを取りｘ、ｙ、
ｚ方向の回転をθｘ，θｙ，θｚとし、ロータ重
心Ｇの平衡点からの変位置をｘ，ｙ、ロータ軸の
傾きをθｘ，θｙ、ロータ回転速度をω、ロータ
質量をｍ、ロータの半径方向の慣性モーメントを
Ir、ロータの軸方向の慣性モーメントをIaとする
とロータの径方向の運動方程式は(1)式のようにな
る。
ここで−（k1＋k2）／ｍと−（d1＋d2）／ｍが重心
の並進運動に対するバネ定数と減衰定数に対応
し、−（k1l1 2＋k2l2 2）／Irと−（d1l1 2＋d2l2 2）／Ir
＋
jIaω／Irが重心回りの回転運動に対するバネ定
数と減衰定数に対応する。また−ｊ（k1l1−
k2l3）／ｍ、ｊ（k1l1−k2l2）／Ir、−ｊ（d1l1−
d2l2）／ｍ、ｊ（d1、l1−d2l2）／Irは、重心の並進
運動と重心回りの回転運動との相互作用に関係す
る項である。
の並進運動に対するバネ定数と減衰定数に対応
し、−（k1l1 2＋k2l2 2）／Irと−（d1l1 2＋d2l2 2）／Ir
＋
jIaω／Irが重心回りの回転運動に対するバネ定
数と減衰定数に対応する。また−ｊ（k1l1−
k2l3）／ｍ、ｊ（k1l1−k2l2）／Ir、−ｊ（d1l1−
d2l2）／ｍ、ｊ（d1、l1−d2l2）／Irは、重心の並進
運動と重心回りの回転運動との相互作用に関係す
る項である。
重心の並進運動と重心回りの回転運動の減衰定
数がd1とd2あるいはd1l1 2とd2l2の和に関係する事
から、d2がほとんど零であつてもd1によつて、そ
れらを十分な値にする事ができる。この事から３
自由度のみを能動的に制御する事で、系の共振点
通過、外乱に対する十分な減衰を実現できる事が
わかるであろう。また、式が複雑になるのでここ
では省略するが、(1)式の係数マトリツクスの固有
方程式から系の安定性も調べる事により、安定な
回転（系の安定）も実現できる事がわかる。
数がd1とd2あるいはd1l1 2とd2l2の和に関係する事
から、d2がほとんど零であつてもd1によつて、そ
れらを十分な値にする事ができる。この事から３
自由度のみを能動的に制御する事で、系の共振点
通過、外乱に対する十分な減衰を実現できる事が
わかるであろう。また、式が複雑になるのでここ
では省略するが、(1)式の係数マトリツクスの固有
方程式から系の安定性も調べる事により、安定な
回転（系の安定）も実現できる事がわかる。
更にk1l1≒k2l2、即ち径方向軸受の径方向バネ
定数k1と軸方向軸受の受動的径方向バネ定数k2と
の比を重心からそれぞれの作用点までの距離l1，
l2の比のほぼ逆比関係になるようにすると、減衰
定数d1，d2が零の場合を考えるとわかるように、
重心の並進運動と重心回りの回転運動が分離され
相互作用による振動がなくなり、系の共振点の通
過が一層容易になる。この事はまた、(1)式より求
まる系の２つの共振点が、k1、l1＝k2l2の時に最
も近づく事からも理解されるであろう。
定数k1と軸方向軸受の受動的径方向バネ定数k2と
の比を重心からそれぞれの作用点までの距離l1，
l2の比のほぼ逆比関係になるようにすると、減衰
定数d1，d2が零の場合を考えるとわかるように、
重心の並進運動と重心回りの回転運動が分離され
相互作用による振動がなくなり、系の共振点の通
過が一層容易になる。この事はまた、(1)式より求
まる系の２つの共振点が、k1、l1＝k2l2の時に最
も近づく事からも理解されるであろう。
即ち、バネ定数の比と、重心からの作用点まで
の距離の比をほぼ逆比関係にすることにより、第
２図のＡ点とＢ点の水平方向の変位量△L1，△
L2はほぼ等しくなり、水平姿勢でも安定した回
転が得られるようになるのである。
の距離の比をほぼ逆比関係にすることにより、第
２図のＡ点とＢ点の水平方向の変位量△L1，△
L2はほぼ等しくなり、水平姿勢でも安定した回
転が得られるようになるのである。
以上より、本発明によれば回転系の径方向と軸
方向の３自由度について能動的に、残り２自由度
について受動的に制御することにより、軸受の小
型化、低コスト化、高信類性が実現でき、さらに
この様な構成でも、バネ定数と重心位置とを工夫
することで、系の共振点通過、安定な回転、外乱
に対する十分な減衰等を同時に確実に実現する事
ができるのである。
方向の３自由度について能動的に、残り２自由度
について受動的に制御することにより、軸受の小
型化、低コスト化、高信類性が実現でき、さらに
この様な構成でも、バネ定数と重心位置とを工夫
することで、系の共振点通過、安定な回転、外乱
に対する十分な減衰等を同時に確実に実現する事
ができるのである。
なお、この方式の磁気軸受は、特に大きな負荷
がかからず、ただ高速で安定な回転を必要とする
ものには顕著な効果を発揮するもので、例えば、
軸流分子ポンプ等などには、最適なものである。
がかからず、ただ高速で安定な回転を必要とする
ものには顕著な効果を発揮するもので、例えば、
軸流分子ポンプ等などには、最適なものである。
第１図は、本発明の一実施例の構造の断面図、
第２図は、本発明の磁気軸受システムを模式的に
表現した図、第３図、第４図、第５図は本発明の
実施例の軸方向軸受部の構造の断面図である。 符号の説明、１……径方向軸受部、２……軸方
向軸受部、３……径方向変位センサー、４……制
御回路、５……電磁石駆動回路、６……径方向電
磁石、７……ロータ、８……軸方向変位センサ
ー、９……制御回路、１０……電磁石駆動回路、
１１……軸方向電磁石、１２……アーマチユアデ
イスク、１３……永久磁石、１４……コイル。
第２図は、本発明の磁気軸受システムを模式的に
表現した図、第３図、第４図、第５図は本発明の
実施例の軸方向軸受部の構造の断面図である。 符号の説明、１……径方向軸受部、２……軸方
向軸受部、３……径方向変位センサー、４……制
御回路、５……電磁石駆動回路、６……径方向電
磁石、７……ロータ、８……軸方向変位センサ
ー、９……制御回路、１０……電磁石駆動回路、
１１……軸方向電磁石、１２……アーマチユアデ
イスク、１３……永久磁石、１４……コイル。
Claims (1)
- １ １組の磁気的な径方向軸受と、１組の磁気的
な軸方向軸受と、３組の制御回路と電磁石駆動回
路によつて、回転体の回転軸回りの回転以外の５
自由度の内で、３自由度を能動的に制御拘束し、
残りの２自由度を受動的に拘束し、且つ、前記径
方向軸受の径方向バネ定数と、前記残りの２自由
度を受動的拘束する径方向バネ定数との比を、磁
気軸受に支持される前記回転体の重心から、それ
ぞれの軸受の作用点までの距離の比のほぼ逆比関
係になるように、距離と径方向バネ定数が設定し
て構成されていることを特徴とする磁気軸受。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19322282A JPS5983828A (ja) | 1982-11-02 | 1982-11-02 | 磁気軸受 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19322282A JPS5983828A (ja) | 1982-11-02 | 1982-11-02 | 磁気軸受 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5983828A JPS5983828A (ja) | 1984-05-15 |
| JPS6220407B2 true JPS6220407B2 (ja) | 1987-05-07 |
Family
ID=16304340
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP19322282A Granted JPS5983828A (ja) | 1982-11-02 | 1982-11-02 | 磁気軸受 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5983828A (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2219358A (en) * | 1988-06-02 | 1989-12-06 | Glacier Metal Co Ltd | Magnetic thrust bearings |
| JP4994047B2 (ja) * | 2007-01-15 | 2012-08-08 | パナソニック株式会社 | 磁気軸受装置 |
| JP6927735B2 (ja) | 2017-04-20 | 2021-09-01 | エドワーズ株式会社 | 真空ポンプ、磁気軸受装置及びロータ |
-
1982
- 1982-11-02 JP JP19322282A patent/JPS5983828A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5983828A (ja) | 1984-05-15 |
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