JPS6220408B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、磁気軸受装置に係り、特に、吸引型
磁気軸受装置の改良に関する。 〔発明の背景技術とその問題点〕 従来、高速回転体を支承する軸受装置として磁
気軸受装置が知られている。磁気軸受装置は、磁
気力によつて回転体を完全非接触に支承させるよ
うにしたもので、磁気力の使い方から分類すると
反発型と吸引型とに大別される。 ところで、吸引型の磁気軸受装置にあつて、回
転体を完全非接触に支承する場合には、各部の磁
束を制御することによつて各部の磁気力を細かく
制御する必要がある。このような制御は通常、回
転体の半径方向および軸方向の位置を検出し、こ
れに基いて必要な個所の磁束を増減させることに
よつて行なわれている。 すなわち、第１図は吸引型で、かつ回転子が固
定子の内側に設置された、いわゆる内側回転子型
の磁気軸受装置の一例を示すもので、図中１は回
転軸を示し、２は回転軸１と静止枠３との間に設
けられた磁気支承要素を示している。磁気支承要
素２は、軸方向支承要素１１と、この両側に配置
された半径方向支承要素１２ａ，１２ｂとで構成
されている。軸方向支承要素１１は、回転軸１の
外周に固定された高透磁率材製の環状板２１と、
静止枠３の内面に固定されるとともに図示極性に
着磁され、主として軸方向の磁気支承力を発生す
る磁束供給源となる環状の永久磁石２２と、この
永久磁石２２から出た磁束を環状板２１の両面周
辺部を経由させて通過させる環状磁極材２３ａ，
２３ｂと、これら環状磁極材２３ａ，２３ｂを通
過する磁束を増減させ得るように装着されたコイ
ル２４ａ，２４ｂとで構成されている。半径方向
支承要素１２ａ，１２ｂは、等しく構成されてお
り、たとえば要素１２ａを例にとると、回転軸１
の外周に固定された高透磁材製のリング２６と、
静止枠３の内面に固定されるとともに図示極性に
着磁され、主として半径方向の磁気支承力を発生
する磁束供給源となる環状の永久磁石２７と、こ
の永久磁石２７から出た磁束をリング２６の両端
部周面を経由させて通過させる環状磁極材２８
ａ，２８ｂと、これら磁極材２８ａ，２８ｂの内
面に第２図に示すように、たとえば90度の角度差
をもつて突設された４個の磁極２９と、これら磁
極２９にそれぞれ巻装されたコイル３０とで構成
されている。一方、回転軸１の両端部の回りに
は、たとえば上記磁極２９の位置に対応させて第
３図に示すように回転軸１の半径方向位置を検出
する位置検出器３２が配置されている。これら位
置検出器３２としては、通常、渦電流式変位変換
器が用いられている。また、回転軸１の両端面に
対向する位置には、回転軸１の軸方向位置を検出
する位置検出器３３ａ，３３ｂが配置されてお
り、これら検出器３３ａ，３３ｂも、一般に渦電
流式変位変換器で構成されている。 しかして、この磁気軸受装置は、次のようにし
て支承の安定化を図るようにしている。すなわ
ち、回転軸１の位置が半径方向に移動すると、移
動方向に位置する位置検出器３２と回転軸１との
間のギヤツプ長が小さくなり、逆に移動方向とは
反対側に位置する位置検出器３２と回転軸１との
間のギヤツプ長が大きくなり、この結果、両位置
検出器の出力に変化が生じる。この現象を利用
し、図示しない制御装置で、ギヤツプ長が小さく
なつた方向に位置する磁極２９を通過する磁束を
減少させるように上記磁石２９に巻装されている
コイル３０を付勢し、またギヤツプ長が大きくな
つた方向に位置する磁極２９を通過する磁束を増
加させるように上記磁極２９に巻装されているコ
イル３０を付勢し、この付勢によつて生じる当該
磁極部の磁気力の差で回転軸１の位置を安定位置
まで推移させるようにしている。なお、付勢の具
体的手段としては種々あるが、何れも基本的には
上述した方式を採用している。一方、軸方向につ
いても同様に、回転軸１の軸方向の変化によつて
位置検出器３３ａ，３３ｂの出力が変化すること
を利用し、これに基いて制御装置でコイル２４
ａ，２４ｂを付勢することによつて回転軸１の軸
方向位置を安定位置まで推移させるようにしてい
る。 しかしながら、上記のように構成された従来の
磁気軸受装置にあつては次のような問題があつ
た。すなわち、前述のように安定化制御を行なう
には必ず回転軸１の軸方向および半径方向の位置
を回転軸１とは非接触で検出する位置検出器を必
要とする。この位置検出器としては種種あるが、
応答性、耐久性、取扱い環鏡等の面から、専ら非
接触ギヤツプセンサタイプのもの、たとえば渦電
流式変位変換器が用いられている。渦電流式の位
置検出器にあつては、原理的に、検出器の感応面
の面積に対して被測定変位面の面積を充分大きく
設定する必要がある。しかるに、従来装置にあつ
ては、前述した渦電流式の位置検出器３３ａ，３
３ｂを回転軸１の両端面に対向させて設け、これ
ら位置検出器３３ａ，３３ｂで回転軸１の軸方向
位置を検出するようにしているので、回転軸１の
径を位置検出器３３ａ，３３ｂの感応面直径より
大きく設定しなければならず、この結果、位置検
出上の面から回転軸１を大径化および大重量化さ
せなければならない問題があつた。 そこで、このような不具合を解消するために第
４図に示すように、回転軸１の外周に比較的半径
の大きい導電性の円板３５を格別に取着し、この
円板３５の軸方向に位置する面に位置検出器３３
ａ，３３ｂの感応面を対向させることによつて軸
方向の位置を検出することが考えられる。このよ
うにすると、回転軸１の小径化および軽量化を図
ることができる。しかし、円板３５を格別に取着
する必要があるので、製作の面倒化は免れ得ず、
また円板３５の取着部に加わる遠心応力等を考慮
に入れると回転数の増大化を図ることは困難であ
る。 上述した説明は、内側回転子型の例であつた
が、外側回転子型のものにあつても、第５図に示
すように中空の回転軸１ａの肉厚を十分薄くした
ものにあつては、回転軸１ａの内面あるいは外面
に導電性の環状板３６を取着し、この環状板３６
の軸方向の面に感応面を対向させて位置検出器３
３ａ，３３ｂを配置し、これを静止柱３７で支持
させることによつて回転軸１ａの軸方向位置を検
出するようにしている。このため、前記と同様な
不都合を免れ得ない問題があつた。 〔発明の目的〕 本発明は、このような事情に鑑みてなされたも
ので、その目的とするところは、非接触ギヤツプ
センサタイプの位置検出器を用いて回転体の軸方
向位置を、回転体の径に影響を与えることなし
に、しかも回転体に格別な測定用部材を取着する
ことなしに、あるいは十分小径の測定用部材を取
着するだけで良好に検出する検出系を備え、もつ
て高速回転化の実現に寄与できる磁気軸受装置を
提供することにある。 〔発明の概要〕 本発明に係る磁気軸受装置は、軸方向の位置を
検出する非接触ギヤツプセンサタイプの位置検出
器を、その感応面が回転体の外周面と平行するよ
うに配置して上記回転体の軸方向位置を検出する
ようにしたことを特徴としている。そなわち、さ
らに詳しく述べれば、第６図に示すように回転体
Ｒの外径もしくは内径（図の場合は外径）がX₁
からX₂（但し、X₁＞X₂、X₂≧０）に変化する境
界位置に回転体Ｒの理想回転中心線Ｓと直交して
描かれる境界線Ｔに対して感応面Ｐを交差させ、
かつ互いの感応面Ｐを理想回転中心線Ｓを中心に
して相反する方向に向けて上記回転体Ｒに対面さ
せて位置検出器E₁，E₂を設け、上記位置検出器
E₁，E₂の出力を加算回路で加算した出力で回転
体Ｒの軸方向位置を検出するようにしているので
ある。 〔発明の効果〕 上記のような位置検出器E₁，E₂の配置である
と、たとえば位置検出器E₁を例にとると、この
位置検出器E₁の感応面の一部分は回転体Ｒの大
径のX₁部分の周面に対向し、残りの部分は小径
のX₂部分の周面に対向していることになる。感
応面ＰとX₁部分の周面との間距離はX₂部分の周
面との間の距離より狭いので、位置検出器E₁の
出力は、感応面ＰとX₁部分との重なり幅Ｈによ
つて左右される。したがつて、回転体Ｒが第６図
中実線矢印Ｙ方向に変位すると重なり幅Ｈが変化
し、位置検出器E₁の出力も変化することにな
り、位置検出器E₁の出力から回転体Ｒの軸方向
位置を検出できることになる。但し、位置検出器
E₁の出力は、回転体Ｒとの間のギヤツプ長g₁に
よつて左右される。しかし、この発明のように理
想回転中心線Ｓを中心にして位置検出器E₁，E₂
を対称的に配置し、位置検出器E₁，E₂の出力を
加算回路で加算するようにすると、ギヤツプ長
g₁，g₂による出力分を消去で、軸方向の変位のみ
に対応した出力を得ることができる。そして、こ
の場合には、回転体Ｒの外径が急変する部分、た
とえば段付部分や端部を使つて軸方向の位置を検
出できるので、回転体Ｒに格別な測定用部材を取
着することなしに、あるいは取着する場合でも小
径の部材を取着するだけでよい。したがつて、回
転体を大径化させたり、大重量化させたりせず
に、また遠心応力上の点を格別に考慮せずに軸方
向位置を検出でき、この結果、高速回転化の実現
に寄与できる。 〔発明の実施例〕 以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説
明する。 第７図は、本発明を吸引型で、かつ外側回転型
の磁気軸受装置に適用した例を示すものである。 すなわち、図中５１は中空の回転軸を示し、５
２は回転軸５１の内面と静止部５３との間に設け
られた磁気支承要素を示している。 回転軸５１は、導電性の非磁性材あるいは常磁
性材で円筒状に形成されている。 磁気支承要素５２は、回転側要素５４と静止側
要素５５とで構成されている。回転側要素５４
は、回転軸５１の内周面に軸方向に２段構成に形
成された溝６１ａ，６１ｂ内に装着された高透磁
率材製のリング６２ａ，６２ｂによつて構成され
ている。一方、静止側要素５５は、回転軸５１の
理想回転中心線と同軸的に装着された円柱状の継
鉄６３と、この継鉄６３の両端部外周に90度の角
度差をもつて突設された半径方向支承用の磁極６
４ａ，６４ｂと、これら磁極６４ａ，６４ｂにそ
れぞれ巻装された半径方向支承力制御用のコイル
６５ａ，６５ｂと、継鉄６３の中央部外周に環状
に突設された軸方向支承用の環状磁極６６と、継
鉄６３の外周で環状磁極６６の両側に装着された
軸方向支承力制御用のコイル６７ａ，６７ｂと、
継鉄６３の外周で環状磁極６６を境にして両側に
それぞれ装着され図示極性に着磁された環状の永
久磁石６８ａ，６８ｂとで構成されている。そし
て、継鉄６３は、支持部材７０、誘導モータ継鉄
７１および支持部材７２を介して静止部５３に固
定されている。 しかして、回転軸５１の回りで、かつ磁極６４
ａ，６４ｂに対面する位置には、回転軸５１の半
径方向の位置を非接触で検出するための渦電流式
の位置検出器７３がそれぞれ、その感応面を回転
軸５１の外周面に対面させて配置してあり、これ
ら位置検出器７３は支持材を介して静止枠７４に
支持されている。また、回転軸５１の図中下端部
近傍で周方向に180度離れた両位置には、回転軸
５１の軸方向位置を検出するための非接触ギヤツ
プセンサタイプ、つまり渦電流式の位置検出器７
５ａ，７５ｂが第８図に示すようにそれぞれの感
応面の一部分を回転軸５１の下端部外周面に対面
させ、かつ互いの感応面を対向させて配置してあ
り、これら位置検出器７５ａ，７５ｂも支持材を
介して静止枠７４に支持されている。なお、図中
８０は、回転軸５１に回転動力を付与する誘導モ
ータの固定子を示し、また、８１は同モータの回
転子を示している。 しかして、前記位置検出器７３の出力端は、こ
れら位置検出器７３の出力に基いてコイル６５
ａ，６５ｂを付勢することによつて半径方向の安
定化を図る図示しない公知の半径方向安定化制御
装置に接続されている。また、前記位置検出器７
５ａ，７５ｂの出力端はコイル６７ａ，６７ｂを
付勢することによつて軸方向の安定化を図る図示
しない公知の軸方向安定化制御装置に第１０図に
示す信号処理回路８２を介して接続されている。
信号処理回路８２は、位置検出器７５ａ，７５ｂ
の出力を変換器８３ａ，８３ｂで線形化し、増幅
するとともに上記増幅信号のオフセツト電圧をバ
イアス電源８４ａ，８４ｂの出力電圧を印加する
ことによつて消去し、さらにオフセツト電圧の消
去された両位置信号を、加算器８６で加算し、さ
らに必要に応じて対数増幅器８７を介して増幅器
８８で増幅した後、先に述べた公知の軸方向安定
化制御装置に導入するように構成されている。 このような構成であると、永久磁石６８ａのＮ
極から出た磁束は、リング６２ａに至り、その
後、リング６２ａ内を軸方向に通過して、一方に
おいてはリング６２ａの内面から磁極６４ａ、継
鉄６３を通つてＳ極に至る経路で通過し、他方に
おいてはリング６２ａの端面から環状磁極６６、
継鉄６３を通つてＳ極に至る経路で通過する。永
久磁石６８ｂのＮ極から出た磁束も同様に２つの
経路で通過する。したがつて、リング６２ａ，６
２ｂの内面と磁極６４ａ，６４ｂとの間には半径
方向の磁気的支承力が作用し、またリング６２
ａ，６２ｂの端面と環状磁極６６との間には軸方
向の磁気的支承力が作用することになる。このと
き、回転軸５１が半径方向に移動しようとする
と、この動きを位置検出器７３が検出し、これに
よつて半径方向安定化制御装置が作動してコイル
６５ａ，６５ｂを適宜付勢し、各部の半径方向磁
気支承力を制御して回転軸５１を安定位置まで推
移させる。一方、回転軸５１が軸方向に移動しよ
うとしたときには軸方向安定化制御装置が作動し
てコイル６７ａ，６７ｂを適宜付勢し、軸方向磁
気支承力を制御して回転軸５１を軸方向の安定位
置まで推移させる。すなわち、回転軸５１が軸方
向に変位置すると、回転軸５１の外周面と位置検
出器７５ａ，７５ｂの感応面との重なり幅Ｈが変
化するので位置検出器７５ａ，７５ｂの出力も変
化する。この出力は感応面と回転軸５１の外周面
との間のギヤツプ長ｇによつても左右される。た
とえば、１つの位置検出器の出力だけに着目して
みると、回転軸５１の軸方向変位によつて第９図
に示すように変化する。なお、図中Ｊはｇが大き
い場合、Ｋはｇが中程度の場合、Ｌはｇが小さい
場合を示している。何れにしても回転軸５１が軸
方向に変位すると、位置検出器７５ａ，７５ｂの
出力が変化する。この出力は信号処理回路８２の
変換器８３ａ，８３ｂによつて線形化された後、
バイアス電源８４ａ，８４ｂによつてオフセツト
電圧が消去された信号に変換される。そして両信
号が加算器８６で加算される。位置検出器７５
ａ，７５ｂの感応面と回転軸５１との間のギヤツ
プ長は、一方が大きくなると一方が小さくなる関
係にあるので、加算器８６の出力は上記ギヤツプ
長による成分を含まない、回転軸５１の軸方向変
位のみに対応したものとなる。そして、軸方向安
定化制御装置は信号処理回路８２の出力信号に基
いてコイル６７ａ，６７ｂを付勢する。したがつ
て、回転軸５１は軸方向の安定位置まで推移し、
ここに完全非接触な磁気支承状態が実現される。
なお、この状態で誘導モータを付勢すると、回転
軸５１を完全非接触状態で回転させることができ
る。 そして、この場合には、回転軸５１の外径が急
変する部分、つまり、この実施例の場合には、回
転軸５１の端部外周面に感応面の一部分が対面す
るように位置検出器７５ａ，７５ｂを設け、この
位置検出器７５ａ，７５ｂを使つて回転軸５１の
軸方向位置を検出するようにしているので回転軸
５１に軸方向位置を検出するための格別な部材を
付加すことなしに軸方向位置検出系を構成するこ
とができる。したがつて、回転軸５１の大形化や
大重量化を防止でき、また、耐遠心応力性につい
ても考慮する必要がない。また、位置検出器７５
ａ，７５ｂの出力を加算して位置信号を得るよう
にしているのでギヤツプ長g₁，g₂の出力分を消去
でき、非接触ギヤツプセンサタイプの位置検出器
を使用したときの弊害を防止でき、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
ものではない。すなわち、上記実施例において位
置検出器として渦電流式変位変換器を用いたが他
の非接触ギヤツプセンサタイプのもの、たとえば
光反射式、静電容量式変位変換器を用いてもよ
い。又、上述した実施例では中空の回転軸５１の
外側に軸方向位置を検出するための位置検出器７
５ａ，７５ｂを配設しているが、内側に配設する
ようにしてもよい。また、上述した実施例は本発
明を外側回転子型の磁気軸受装置に適用した例で
あるが、本発明は内側回転子型のものにも勿論適
用できる。第１１図は内側回転子型で５軸制御型
のものに本発明を適用した例を示している。な
お、図では静止要素を支持するための部材が省略
されている。すなわち、図中１０１は回転軸を示
し、この回転軸１０１は、その両端部において軸
方向支承要素１０２ａ，１０２ｂによつて軸方向
が支承され、また、その中央部分において半径方
向支承要素１０３ａ，１０３ｂによつて半径方向
が支承されるようになつている。軸方向支承要素
１０２ａ，１０２ｂは等しく構成されており、要
素１０２ａを例にとると、回転軸１０１の端部外
周に固定された高透磁率材製の環状板１０４と、
静止部に固定された永久磁石１０５と、この永久
磁石１０５から出た磁束を上記環状板１０４の一
方の面の周辺部を経由させて通過させる磁極１０
６ａ，１０６ｂと、これら磁極１０６ａ，１０６
ｂの外周に巻装された軸方向支承力制御用のコイ
ル１０７ａ，１０７ｂとで構成されている。一
方、半径方向支承要素１０３ａ，１０３ｂも等し
く構成されており、要素１０３ｂを例にとると、
回転軸１０１の外周に固定された高透磁率材製の
リング１０８と、静止部に固定された環状永久磁
石１０９と、この永久磁石１０９から出た磁束を
リング１０８の両端部外周面を経由させて通過さ
せる磁極材１１０ａ，１１０ｂと、これら磁極材
１１０ａ，１１０ｂの内面に90度の角度差をもつ
て突設された磁極１１１と、これら磁極１１１の
外周に巻装された半径方向支承力制御用のコイル
１１２とで構成されている。また、回転軸１０１
の両端部の回りで各磁極１１１に対する位置に
は、回転軸１０１の半径方向の位置を検出するた
めの渦電流式の位置検出器１１３がその感応面を
回転軸１０１の外周面に対向させて配置されてい
る。さらに、軸方向支承要素１０２ｂを構成する
環状板１０４の半径方向側方には、回転軸１の軸
方向位置を検出するための渦電流式の位置検出器
１１４ａ，１１４ｂが、その感応面の一部を環状
板１０４の外周面に対向させ、かつ理想回転中心
線を中心にして対称的に配置されている。そし
て、前記位置検出器１１３の出力は公知の半径方
向制御装置に導入され、また位置検出器１１４
ａ，１１４ｂの出力は第１０図に示した信号処理
回路を介して公知の軸方向制御装置に導入される
ようになつている。なお、図中１２０は、回転軸
１０１に回転動力を付与するための誘導モータを
示している。 このように、構成されたものでも、位置検出器
１１４ａ，１１４ｂを上述した関係に設けている
ので、前述した説明から明らかなように回転軸１
０１に軸方向位置を検出するための格別な部材を
取付けることなしに軸方向位置を検出することが
できる。したがつて、前記実施例と同様な効果が
得られる。 なお、上述した実施例において、軸方向支承要
素１０２ｂを構成する環状板１０４を利用して軸
方向の位置を検出するようにしているが第１２図
に示すように回転軸１０１の外周に導電性のリン
グ１３１を装着し、このリング１３１を使つて軸
方向の位置を検出するようにしてもよい。この場
合、位置検出器１１４ａ，１１４ｂを前述の関係
に設けているので、肉厚が数mmのリング１３１で
も良好に軸方向位置を検出することができる。し
たがつて、リング１３１を設けたことによつて回
転体が大型化したり、大重量化したりする虞れが
ないし、また、耐遠心応力性の点を格別に考慮す
ることなしに軸方向位置を良好に検出することが
できる。また、本発明は、他の磁気軸受装置全搬
に適用できることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の磁気軸受装置の概略縦断面図、
第２図は同装置を第１図におけるＡ−Ａ線に沿つ
て切断し矢印方向にみた断面図、第３図は同装置
を第１図におけるＢ−Ｂ線に沿つて切断し矢印方
向にみた断面図、第４図および第５図は軸方向位
置検出器のそれぞれの異なる設け方を説明するた
めの図、第６図は本発明に係る磁気軸受装置の主
要部の概略構成を説明するための図、第７図は本
発明の一実施例に係る磁気軸受装置の要部縦断面
図、第８図は同装置における軸方向位置検出器の
配置関係を説明するための図、第９図は軸方向位
置検出器の出力特性を説明するための図、第１０
図は軸方向位置検出器の出力を処理する信号処理
回路の構成図、第１１図は本発明の別の実施例に
係る磁気軸受装置の要部概略縦断面図、第１２図
は本発明のさらに別の実施例に係る磁気軸受装置
の主要部側面図である。 ５１……回転軸、５２……磁気支承要素、７
３，１１３……半径方向の位置検出器、７５ａ，
７５ｂ，１１４ａ，１１４ｂ……軸方向の位置検
出器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 回転体を磁気力によつて非接触に支承する磁
   気支承要素と、上記回転体の半径方向位置および
   軸方向位置を検出する位置検出系と、これら位置
   検出系の出力に基いて前記磁気支承要素の半径方
   向磁気支承力および軸方向磁気支承力を制御する
   手段とを備えた磁気軸受装置において、前記軸方
   向の位置を検出する位置検出系は、前記回転体の
   外径もしくは内径がX₁からX₂（但し、X₁＞X₂、
   X₂≧０）に変化する境界を通つて上記回転体の
   理想回転中心線と直交する関係に描かれる境界線
   上の静止位置に、上記境界線に対してそれぞれの
   感応面を交差させるとともに互いの感応面を上記
   理想回転中心線を中心にして相反する方向に向け
   て上記回転体に対面させて設けられた非接触ギヤ
   ツプセンサタイプの第１および第２の位置検出器
   と、これら第１および第２の位置検出器の出力を
   加算する回路とを主体に構成されてなることを特
   徴とする磁気軸受装置。 ２ 前記位置検出器は、光反射式変位検出器、静
   電容量式変位検出器、渦電流式変位検出器のいず
   れかであることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記範の磁気軸受装置。