(57)【要約】【課題】ロータの停止時に自動的にシャフトを保持する保持機能と、回転運動時に振れ回りなど何らかの異常により生じるステータとロータの接触などによる損傷を防ぐタッチダウン機能とを有する軸保持機構を備える回転機を提供する。【解決手段】回転機の外殻をなすフレーム１３と、該フレーム１３の内面に設置されるステータ１４と、該ステータ１４の径方向の内側で回転可能に設置されるロータ１１と、該ロータ１１の回転中心に設置されるシャフト１０とを備え、前記ロータ１１の回転時に磁気軸受けにより前記シャフト１０及び前記ロータ１１を磁気浮上させて回転させる回転機において、前記ロータ１１の回転時には前記シャフト１０を保持する保持部材を開放して前記シャフト１０及び前記ロータ１１を磁気浮上させ、前記ロータ１１の停止時には前記保持部材により前記シャフト１０を保持する軸保持機構を備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転機の外殻をなすフレームと、該フレームの内面に設置されるステータと、該ステータの径方向の内側で回転可能に設置されるロータと、該ロータの回転中心に設置されるシャフトとを備え、前記ロータの回転時に磁気軸受けにより前記シャフト及び前記ロータを磁気浮上させて回転させる回転機において、
前記ロータの回転時には前記シャフトを保持する保持部材を開放して前記シャフト及び前記ロータを磁気浮上させ、前記ロータの停止時には前記保持部材により前記シャフトを保持する軸保持機構を備える
ことを特徴とする回転機。
【請求項２】
前記軸保持機構は、
前記シャフトを前記シャフトの径方向から挟んで保持する前記保持部材と、
前記ロータの回転時には電磁力により前記保持部材を吸引して該保持部材を開放する電磁石と、
前記ロータの停止時には弾性力により前記保持部材を前記シャフト側に押し付けて該シャフトを保持する弾性体と
を前記シャフトを中心として左右対称に備える
ことを特徴とする請求項１に記載の回転機。
【請求項３】
前記軸保持機構は、
前記シャフトを前記シャフトの径方向から挟んで保持する前記保持部材と、
前記ロータの回転時には電磁力により前記保持部材を吸引して該保持部材を開放する電磁石と、
前記ロータの停止時には弾性力により前記保持部材を前記シャフト側に押し付けて該シャフトを保持する弾性体と
を前記シャフトを中心として回転対象にそれぞれ３個以上等間隔に備える
ことを特徴とする請求項１に記載の回転機。
【請求項４】
前記軸保持機構は、
前記シャフトを前記シャフトの径方向から挟んで保持する磁性材料で形成した前記保持部材と、
前記ロータの回転時には電磁力により前記保持部材を吸引して該保持部材を開放する電磁石と、
前記ロータの停止時には磁力により前記保持部材を前記シャフトに押し付けて該シャフトを保持する永久磁石と
を前記シャフトを中心として左右対称に備える
ことを特徴とする請求項１に記載の回転機。
【請求項５】
前記軸保持機構は、
前記シャフトを前記シャフトの径方向から挟んで保持する磁性材料で形成した前記保持部材と、
前記ロータの回転時には電磁力により前記保持部材を吸引して該保持部材を開放する電磁石と、
前記ロータの停止時には磁力により前記保持部材を前記シャフトに押し付けて該シャフトを保持する永久磁石と
を前記シャフトを中心として回転対象にそれぞれ３個以上等間隔に備える
ことを特徴とする請求項１に記載の回転機。
【請求項６】
前記軸保持機構は、前記保持部材の前記シャフト側の可動範囲を調整する可動範囲調整機構を備える
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の回転機。
【請求項７】
前記軸保持機構は、
前記シャフトを前記シャフトの軸方向から保持する磁性材料で形成した前記保持部材と、
前記ロータの回転時には前記保持部材を前記シャフトの軸方向に動作させ前記シャフトから離す電磁石と、
前記ロータの停止時には前記保持部材を前記シャフトの軸方向に動作させ前記シャフトに押し付ける弾性体又は永久磁石とを備える
ことを特徴とする請求項１に記載の回転機。
【請求項８】
前記軸保持機構は、前記保持部材を設置する磁性材料で形成した可動部材を備える
ことを特徴とする請求項７に記載の回転機。
【請求項９】
前記保持部材は、タッチダウンベアリングである
ことを特徴とする請求項８に記載の回転機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転機に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気軸受により磁気浮上させて回転するモータは、その浮上位置制御を電気的に行っているため、通電時に浮上し、電流を供給しなければ浮上しない。そのため、電源を切った状態で、ステータとロータが接触しないように、通常は、タッチダウンベアリングと呼ばれる保護機構が設けられる。タッチダウンベアリングは、ステータとロータとの間の隙間に比べて十分に小さく、ロータが磁気浮上して回転する際はシャフトに接触しない適切な隙間でベアリング軸受けを設ける構造となっている。このような技術の一例が下記特許文献１に開示されている。また、磁気軸受の回転軸保持機構の一例が下記特許文献２に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−２８８２１８号公報
【特許文献２】特開２０００−１８８４３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したタッチダウンベアリングは、停電や振れ回りなど何らかの異常が発生した場合の保護機構として必要不可欠であるが、磁気浮上している際のシャフトの中心に対して、落下した状態ではシャフトの中心がずれているタッチダウン状態となる。このタッチダウン状態は、回転機に接続した負荷機にとっては、シャフトの端部に大きな荷重が掛かった状態となり、場合によっては負荷機の軸受けを損傷する虞がある。このため、タッチダウンの影響を軽減するカップリングを設けるなど、負荷機との間に適切な距離を設けるなどの制約が生じている。
【０００５】
また、タッチダウンベアリングは、ロータ位置を固定する物ではないので、磁気軸受型回転機を搬送する際など、非通電時に振動が加わると、シャフトの位置は回転軸以外の方向に加振されて振動し、ロータやシャフトやタッチダウンベアリング等を損傷する虞がある。
【０００６】
また、上記特許文献２においては、搬送中のシャフトを保持する機構を提案しているが、この機構では、回転中の停電などによるタッチダウンについては考慮されていないため、この保持機構以外にタッチダウンベアリングを別途設ける必要がある。
【０００７】
また、負荷機との軸芯合わせにおいて、磁気軸受型回転機は自由度があるという点がメリットであるが、この点は逆に負荷機と軸芯を合わせる基準が無く設置や調整がしづらいというデメリットにもなり、簡便にシャフトを機械中心に保持する機構が求められている。
【０００８】
以上のことから、本発明は、ロータの停止時に自動的にシャフトを保持する保持機能と、回転運動時に振れ回りなど何らかの異常により生じるステータとロータの接触などによる損傷を防ぐタッチダウン機能とを有する軸保持機構を備える回転機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決する第１の発明に係る回転機は、
回転機の外殻をなすフレームと、該フレームの内面に設置されるステータと、該ステータの径方向の内側で回転可能に設置されるロータと、該ロータの回転中心に設置されるシャフトとを備え、前記ロータの回転時に磁気軸受けにより前記シャフト及び前記ロータを磁気浮上させて回転させる回転機において、
前記ロータの回転時には前記シャフトを保持する保持部材を開放して前記シャフト及び前記ロータを磁気浮上させ、前記ロータの停止時には前記保持部材により前記シャフトを保持する軸保持機構を備える
ことを特徴とする。
【００１０】
上記の課題を解決する第２の発明に係る回転機は、第１の発明に係る回転機において、
前記軸保持機構は、
前記シャフトを前記シャフトの径方向から挟んで保持する前記保持部材と、
前記ロータの回転時には電磁力により前記保持部材を吸引して該保持部材を開放する電磁石と、
前記ロータの停止時には弾性力により前記保持部材を前記シャフト側に押し付けて該シャフトを保持する弾性体と
を前記シャフトを中心として左右対称に備える
ことを特徴とする
【００１１】
上記の課題を解決する第３の発明に係る回転機は、第１の発明に係る回転機において、
前記軸保持機構は、
前記シャフトを前記シャフトの径方向から挟んで保持する前記保持部材と、
前記ロータの回転時には電磁力により前記保持部材を吸引して該保持部材を開放する電磁石と、
前記ロータの停止時には弾性力により前記保持部材を前記シャフト側に押し付けて該シャフトを保持する弾性体と
を前記シャフトを中心として回転対象にそれぞれ３個以上等間隔に備える
ことを特徴とする。
【００１２】
上記の課題を解決する第４の発明に係る回転機は、第１の発明に係る回転機において、
前記軸保持機構は、
前記シャフトを前記シャフトの径方向から挟んで保持する磁性材料で形成した前記保持部材と、
前記ロータの回転時には電磁力により前記保持部材を吸引して該保持部材を開放する電磁石と、
前記ロータの停止時には磁力により前記保持部材を前記シャフトに押し付けて該シャフトを保持する永久磁石と
を前記シャフトを中心として左右対称に備える
ことを特徴とする。
【００１３】
上記の課題を解決する第５の発明に係る回転機は、第１の発明に係る回転機において、
前記軸保持機構は、
前記シャフトを前記シャフトの径方向から挟んで保持する磁性材料で形成した前記保持部材と、
前記ロータの回転時には電磁力により前記保持部材を吸引して該保持部材を開放する電磁石と、
前記ロータの停止時には磁力により前記保持部材を前記シャフトに押し付けて該シャフトを保持する永久磁石と
を前記シャフトを中心として回転対象にそれぞれ３個以上等間隔に備える
ことを特徴とする。
【００１４】
上記の課題を解決する第６の発明に係る回転機は、第１の発明から第５の発明のいずれかひとつに係る回転機において、
前記軸保持機構は、前記保持部材の前記シャフト側の可動範囲を調整する可動範囲調整機構を備える
ことを特徴とする。
【００１５】
上記の課題を解決する第７の発明に係る回転機は、第１の発明に係る回転機において、
前記軸保持機構は、
前記シャフトを前記シャフトの軸方向から保持する磁性材料で形成した前記保持部材と、
前記ロータの回転時には前記保持部材を前記シャフトの軸方向に動作させ前記シャフトから離す電磁石と、
前記ロータの停止時には前記保持部材を前記シャフトの軸方向に動作させ前記シャフトに押し付ける弾性体又は永久磁石とを備える
ことを特徴とする。
【００１６】
上記の課題を解決する第８の発明に係る回転機は、第７の発明に係る回転機において、
前記軸保持機構は、前記保持部材を設置する磁性材料で形成した可動部材を備える
ことを特徴とする。
【００１７】
上記の課題を解決する第９の発明に係る回転機は、第８の発明に係る回転機において、
前記保持部材は、タッチダウンベアリングである
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ロータの停止時に自動的にシャフトを保持する保持機能と、回転運動時に振れ回りなど何らかの異常により生じるステータとロータの接触などによる損傷を防ぐタッチダウン機能とを有する軸保持機構を備える回転機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施例に係る回転機のシャフト軸方向における断面図である。
【図２】図１においてＡ−Ａで示す断面における本発明の第１の実施例に係る回転機のシャフト径方向における断面図である。
【図３】本発明の第２の実施例に係る回転機のシャフト径方向における断面図である。
【図４】本発明の第３の実施例に係る回転機のシャフト径方向における断面図である。
【図５】本発明の第４の実施例に係る回転機のシャフト径方向における断面図である。
【図６】本発明の第５の実施例に係る回転機のシャフト径方向における軸保持機構近傍の断面図である。
【図７】本発明の第５の実施例に係る回転機における軸保持機構のシャフト保持時の動作を示した断面図である。
【図８】本発明の第５の実施例に係る回転機における軸保持機構のシャフト開放時の動作を示した断面図である。
【図９】本発明の第６の実施例に係る回転機のシャフト径方向における軸保持機構近傍の断面図である。
【図１０】本発明の第６の実施例に係る回転機における軸保持機構のシャフト保持時の動作を示した断面図である。
【図１１】本発明の第６の実施例に係る回転機における軸保持機構のシャフト開放時の動作を示した断面図である。
【図１２】従来の磁気軸受回転機の例を示したシャフト軸方向における断面図である。
【図１３】従来のベアリングレス回転機の例を示したシャフト軸方向における断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に係る回転機の実施形態について、図を参照しながら説明する。
ここで、まず、従来の磁気軸受回転機の構造について説明する。
図１２は、従来の磁気軸受回転機の例を示したシャフト軸方向における断面図である。
図１２に示すように、従来の磁気軸受回転機は、回転機の外殻をなすフレーム２３の内側にステータ２４及び磁気軸受ステータ２５が設置され、その径方向の中心で自在に回転するロータ２１とそれを保持するシャフト２０が設置されている。シャフト２０には、ロータ２１の軸方向の前後に磁気軸受ロータ２２が設置されている。
【００２１】
前記ステ一夕２４とロータ２１、及び、磁気軸受ステータ２５と磁気軸受ロータ２２は、それぞれ径方向に相対する位置に設置され、シャフト２０とフレーム２３との間のフレーム２３側にはタッチダウンベアリング２６が設置されている。
【００２２】
このように、従来の磁気軸受回転機では、磁気軸受ロータ２２と磁気軸受ステータ２５とにより磁気軸受を構成しており、ロータ２１の停止時にシャフト２０を支持するタッチダウンベアリング２６が設置されている。
【００２３】
図１３は、従来のベアリングレス回転機の例を示したシャフト軸方向における断面図である。
図１３に示すように、従来のベアリングレス回転機は、回転機の外殻をなすフレーム３２の内側にステータ３３が設置され、その径方向の中心で自在に回転するロ一夕３１とそれを保持するシャフト３０が設置されている。
【００２４】
前記ステータ３３とロータ３１は、それぞれ径方向に相対する位置に設置され、シャフト３０とフレーム３２の間のフレーム３２側にはタッチダウンベアリング３４が設置されている。
【実施例１】
【００２５】
次に、本発明の第１の実施例に係る回転機の構造について説明する。
図１は、本発明の第１の実施例に係る回転機のシャフト軸方向における断面図である。
図１に示すように、本実施例に係る回転機は、回転機の外殻をなすフレーム１３の軸方向の中心に、ロータ１１を保持するシャフト１０が設置されている。シャフト１０には、ロータ１１のシャフト１０の軸方向の前後に磁気軸受ロータ１２が設置されている。
【００２６】
ロータ１１の径方向外側のフレーム１３の内面にはステータ１４が設置されている。また、磁気軸受ロータ１２の径方向外側のフレーム１３の内面には磁気軸受ステータ１５が設置されている。すなわち、磁気軸受ロータ１２と磁気軸受ステータ１５とにより磁気軸受を構成している。シャフト１０とフレーム１３との間のフレーム１３側には、軸保持機構１が設置されている。
【００２７】
図２は、図１においてＡ−Ａで示す断面における本発明の第１の実施例に係る回転機のシャフト径方向における断面図である。
図２に示すように、シャフト１０の両側方には、シャフト１０を保持する可動アーム２（保持部材）がそれぞれ配置されている。可動アーム２は、フレーム１３に対し可動アーム支点２ａにおいて回転可能に設置されている。可動アーム２のシャフト１０側の側面には、シャフト１０を保持する保持部２ｂが設置されている。保持部２ｂは、シャフト１０の周面と略同等の曲面を形成しており、保持部２ｂのシャフト１０側の面はすべりのよいすべり面となっている。
【００２８】
可動アーム２のシャフト１０側と反対側の側方には、可動アーム２に向かう２つの凸部を有する断面略Ｆ字状の電磁石コア３がそれぞれフレーム１３に設置されている。電磁石コア３は、フレーム１３に対し電磁石コア固定部３ａにおいて固定されている。
【００２９】
電磁石コア３の上方側凸部３ｂには、通電したときに電磁力により可動アーム２を電磁石コア３に引き付け可動アーム２を開放するコイル４が設置されている。すなわち、電磁石コア３とコイル４は電磁石を構成している。電磁石コア３の下方側凸部３ｃには、可動アーム２をシャフト１０側に押し付けるバネ５（弾性体）が設置されている。なお、本実施例においては、弾性体としてバネ５を設置したが、これ以外の弾性体を用いてもよい。
【００３０】
可動アーム２下端部のシャフト１０側の側面には、可動アーム２の可動範囲を調整するための可動範囲調整ネジ６（可動範囲調整機構）が設置されている。可動範囲調整ネジ６は、可動範囲調整ネジ６が取り付けられるフレーム１３側に固定された可動範囲調整ネジ取り付け部６ａにネジ込み量を調整することにより、可動アーム２のシャフト１０側への動きを所望の位置に規制することができる。
【００３１】
可動範囲調整ネジ６により、ロータ１１の停止時のシャフト１０の位置をロータ１１の回転時の中心位置に位置するように調整できるようになっている。そして、可動範囲調整ネジ６の位置を調整することにより、可動アーム２は電磁石コア３に吸引された状態から可動範囲調整ネジ６にあたる位置までの間を動くことができる。
【００３２】
可動範囲調整ネジ６による可動範囲の調整は可動アーム２のシャフト１０側の位置を調整するものであるため、電磁石が働いてなく、永久磁石９の力で可動アーム２がシャフト１０を支えている時の位置を調整するものとなる。したがって、可動範囲調整ネジ６で、ロータ１１の停止時のシャフト１０及びロータ１１の中心位置をロータ１１の回転時の中心（磁気軸受けの支持による中心）に一致するよう調整することができる。
【００３３】
なお、可動アーム２は、電磁石が働いて可動アーム２を吸引している状態では、運転時に何らかの外乱でロータ１１及び磁気軸受ロータ１２がステータ１４及び磁気軸受ステータ１５に接触しないように保護する役割を果たすため、微調整は初期組立時に行い、その後は強固に保持する構造となっている。
【００３４】
本実施例に係る回転機によれば、電磁石による吸引力を用いて可動アーム２を動かして、シャフト１０を保持しているため、停電時は必ずシャフト１０が保持され、回転機の運転時はこれを開放して磁気浮上運転が可能となる。そして、上述した従来の磁気軸受回転機及び従来のベアリングレス回転機におけるタッチダウンベアリング２６，３４（図６，７参照）と異なり、電磁石により、電気的にシャフト１０の保持及び開放を行えるので、安全面のシーケンス制御を組み込むことにより、非常時以外の回転機の運転及び停止動作に必要な、シャフト１０の保持及び開放動作を行うことができる。
【００３５】
また、電磁石により可動アーム２を動かした際に生じる、シャフト１０と保持部２ｂとの間の隙間を回転機のロータ１１とステータ１４との間の隙間よりも狭い適切な隙間とすることにより、運転中の振動によってロータ１１とステータ１４とが接触することを防止することができる。
【００３６】
また、可動アーム２に設けた保持部２ｂにより、強力な力でシャフト１０を保持しようとした場合、ロータ１１の回転中にシャフト１０の固定動作が起こり、シャフト１０との摩擦によって大きな発熱が生じることとなるため、シャフト１０の保持時も、ロータ１１は回転方向には自在に回転できる機能を有する必要があるが、可動アーム２には可動範囲調整ネジ６を設け、適切な範囲で保持する力が出るように調整することができるため、ロータ１１の回転中に軸保持機構１が働いても回転方向においては自由な回転運動を維持することができる。
【００３７】
また、ロータ１１の停止時のシャフト１０及びロータ１１の位置を回転時の中心（磁気軸受けの支持による中心）に一致させることができるため、電源投入時の無駄な電力消費抑制や、ロータ１１の回転中の停電で可動アーム２がシャフト１０を押さえる場合の衝撃を少なくするなどの安全性の向上を図ることができる。
【実施例２】
【００３８】
次に、本発明の第２の実施例に係る回転機の構造について説明する。
図３は、本発明の第２の実施例に係る回転機のシャフト径方向における断面図である。なお、図３においては、第１の実施例で説明した部材と同一の部材には、同一の符号を付すものとする。なお、本実施例は、第１の実施例で説明した軸保持機構１以外の構成については同様の構成であるため、ここでの説明は省略する。
【００３９】
図３に示すように、シャフト１０の側方には、シャフト１０の中心軸を中心として３つの可動アーム２が回転対称をなすように等間隔に設置されている。可動アーム２は、フレーム１３に対し可動アーム支点２ａにおいて回転可能に設置されている。可動アーム２のシャフト１０側の側面には、シャフト１０を保持する保持部２ｂが設置されている。保持部２ｂは、シャフト１０の周面と略同等の曲面を形成しており、保持部２ｂのシャフト１０側の面はすべりのよいすべり面となっている。
【００４０】
可動アーム２のシャフト１０側と反対側の側方には、可動アーム２に向かう２つの凸部を有する断面略Ｆ字状の電磁石コア３がそれぞれフレーム１３に設置されている。電磁石コア３は、フレーム１３に対し電磁石コア固定部３ａにおいて固定されている。
【００４１】
電磁石コア３の側方の可動アーム２の可動アーム支点２ａに近い方の凸部３ｂには、通電したときに電磁力により可動アーム２を電磁石コア３に引き付け可動アーム２を開放するコイル４が設置されている。すなわち、電磁石コア３とコイル４は電磁石を構成している。電磁石コア３の側方の可動アーム２の可動アーム支点２ａから遠い方の凸部３ｃには、弾性力により可動アーム２をシャフト１０側に押し付けるバネ５が設置されている。
【００４２】
なお、本実施例においては、可動アーム２、電磁石コア３及びバネ５を前記シャフトを中心として回転対象にそれぞれ３個等間隔に備えているが、電磁石コア３及びバネ５を前記シャフトを中心として回転対象にそれぞれ４個以上等間隔に備えるようにしてもよい。
【００４３】
可動アーム２の可動アーム支点２ａと反対側の端部のシャフト１０側の側面には、可動アーム２の可動範囲を調整するための可動範囲調整ネジ６が設置されている。可動範囲調整ネジ６は、可動範囲調整ネジ６が取り付けられるフレーム１３側に固定された可動範囲調整ネジ取り付け部６ａにネジ込み量を調整することにより、可動アーム２のシャフト１０側への動きを所望の位置に規制することができる。
【００４４】
可動範囲調整ネジ６により、ロータ１１の停止時のシャフト１０の位置をロータ１１の回転時の中心位置に位置するように調整できるようになっている。そして、可動範囲調整ネジ６の位置を調整することにより、可動アーム２は電磁石コア３に吸引された状態から可動範囲調整ネジ６にあたる位置までの間を動くことができる。
【００４５】
可動範囲調整ネジ６による可動範囲の調整は可動アーム２のシャフト１０側の位置を調整するものであるため、電磁石が働いてなく、永久磁石９の力で可動アーム２がシャフト１０を支えている時の位置を調整するものとなる。したがって、可動範囲調整ネジ６で、ロータ１１の停止時のシャフト１０及びロータ１１の中心位置をロータ１の回転時の中心（磁気軸受けの支持による中心）に一致するよう調整することができる。
【００４６】
なお、可動アーム２は、電磁石が働いて可動アーム２を吸引している状態では、運転時に何らかの外乱でロータ１１及び磁気軸受ロータ１２がステータ１４及び磁気軸受ステータ１５に接触しないように保護する役割を果たすため、微調整は初期組立時に行い、その後は強固に保持する構造となっている。
【００４７】
本実施例に係る回転機によれば、第１の実施例のように、２つの可動アーム２で軸を保持する構造では、構造の簡便さやコスト面での優位性はあるものの、調整できる保持位置の方向が１方向（図２では横方向）だけになってしまい、他の方向（図２では縦方向）に保持位置を調整することができないのに対し、本実施例では、３つの可動アーム２で保持することにより、他の方向（図２では縦方向）にも保持位置を調整することができる。
【実施例３】
【００４８】
次に、本発明の第３の実施例に係る回転機の構造について説明する。
図４は、本発明の第３の実施例に係る回転機のシャフト径方向における断面図である。なお、図４においては、第１の実施例で説明した部材と同一の部材には、同一の符号を付すものとする。なお、本実施例は、第１の実施例で説明した軸保持機構１以外の構成については同様の構成であるため、ここでの説明は省略する。
【００４９】
図４に示すように、シャフト１０の両側方には、シャフト１０を保持する可動アーム２がそれぞれ配置されている。なお、本実施例においては、可動アーム２は磁性材料により形成するものとする。可動アーム２は、フレーム１３に対し可動アーム支点２ａにおいて回転可能に設置されている。可動アーム２のシャフト１０側の側面には、シャフト１０を保持する保持部２ｂが設置されている。保持部２ｂは、シャフト１０の周面と略同等の曲面を形成しており、保持部２ｂのシャフト１０側の面はすべりのよいすべり面となっている。
【００５０】
可動アーム２のシャフト１０側と反対側の側方には、可動アーム２に向かう２つの凸部７ａを有する断面略Ｕ字状の電磁石コア７がそれぞれフレームに設置されている。電磁石コア７の凸部７ａには、通電したときに電磁力により可動アーム２を電磁石コア７に引き付け可動アーム２を開放するコイル８がそれぞれ設置されている。すなわち、電磁石コア７とコイル８は電磁石を構成している。電磁石コア７は、フレーム１３に対し電磁石コア固定部７ｂにおいて固定されている。
【００５１】
可動アーム２のシャフト１０側の側方には、磁力により可動アーム２をシャフト１０側に押し付ける永久磁石９が設置されている。永久磁石９は、永久磁石９を保持するフレーム１３側に固定された永久磁石保持部９ａにより保持されている。
【００５２】
可動アーム２下端部のシャフト１０側の側面には、可動アーム２の可動範囲を調整するための可動範囲調整ネジ６が設置されている。可動範囲調整ネジ６は、可動範囲調整ネジ６が取り付けられるフレーム１３側に固定された可動範囲調整ネジ取り付け部６ａにネジ込み量を調整することにより、可動アーム２のシャフト１０側への動きを所望の位置に規制することができる。
【００５３】
可動範囲調整ネジ６により、ロータ１１の停止時のシャフト１０の位置をロータ１１の回転時の中心位置に位置するように調整できるようになっている。そして、可動範囲調整ネジ６の位置を調整することにより、可動アーム２は電磁石コア３に吸引された状態から可動範囲調整ネジ６にあたる位置までの間を動くことができる。
【００５４】
可動範囲調整ネジ６による可動範囲の調整は可動アーム２のシャフト１０側の位置を調整するものであるため、電磁石が働いてなく、永久磁石９の力で可動アーム２がシャフト１０を支えている時の位置を調整するものとなる。したがって、可動範囲調整ネジ６で、ロータ１１の停止時のシャフト１０及びロータ１１の中心位置をロータ１の回転時の中心（磁気軸受けの支持による中心）に一致するよう調整することができる。
【００５５】
なお、可動アーム２は、電磁石が働いて可動アーム２を吸引している状態では、運転時に何らかの外乱でロータ１１及び磁気軸受ロータ１２がステータ１４及び磁気軸受ステータ１５に接触しないように保護する役割を果たすため、微調整は初期組立時に行い、その後は強固に保持する構造となっている。
【００５６】
本実施例に係る回転機によれば、第１，２の実施例においては、弾性力により可動アーム２を動かしてシャフト１０を押さえるのに対し、本実施例では、永久磁石９による磁力を利用して可動アーム２を動かしている。そのため、可動アーム２の外側にある電磁石コア３にバネ５を併設する必要がなく、電磁石コア３の小型化が可能となり、回転機の外径の寸法制約にも対応しやすい構造とすることができる。
【実施例４】
【００５７】
次に、本発明の第４の実施例に係る回転機の構造について説明する。
図５は、本発明の第４の実施例に係る回転機のシャフト径方向における断面図である。なお、図３においては、第３の実施例で説明した部材と同一の部材には、同一の符号を付すものとする。なお、本実施例は、第１の実施例で説明した軸保持機構１以外の構成については同様の構成であるため、ここでの説明は省略する。
【００５８】
図５に示すように、シャフト１０の両側方には、シャフト１０の中心軸を中心として３つの可動アーム２が回転対称をなすように等間隔に設置されている。なお、本実施例においては、可動アーム２は磁性材料により形成するものとする。可動アーム２は、フレーム１３に対し可動アーム支点２ａにおいて回転可能に設置されている。可動アーム２のシャフト１０側の側面には、シャフト１０を保持する保持部２ｂが設置されている。保持部２ｂは、シャフト１０の周面と略同等の曲面を形成しており、保持部２ｂのシャフト１０側の面はすべりのよいすべり面となっている。
【００５９】
可動アーム２のシャフト１０側と反対側の側方には、可動アーム２に向かう２つの凸部２ｂを有する断面略Ｕ字状の電磁石コア７がそれぞれフレーム１３に設置されている。電磁石コア７の凸部２ｂには、通電したときに電磁力により可動アーム２を電磁石コア７に引き付け可動アーム２を開放するコイル８がそれぞれ設置されている。すなわち、電磁石コア７とコイル８は電磁石を構成している。電磁石コア７は、フレーム１３に対し電磁石コア固定部７ｂにおいて固定されている。
【００６０】
可動アーム２のシャフト１０側の側方には、磁力により可動アーム２をシャフト１０側に押し付ける永久磁石９がそれぞれ設置されている。永久磁石９は、永久磁石９を保持するフレーム１３側に固定された永久磁石保持部９ａにより保持されている。
【００６１】
なお、本実施例においては、可動アーム２、電磁石コア３及び永久磁石９を前記シャフトを中心として回転対象にそれぞれ３個等間隔に備えているが、電磁石コア３及びバネ５を前記シャフト１０を中心として回転対象にそれぞれ４個以上等間隔に備えるようにしてもよい。
【００６２】
可動アーム２の可動アーム支点２ａと反対側の端部のシャフト１０側の側面には、可動アーム２の可動範囲を調整するための可動範囲調整ネジ６が設置されている。可動範囲調整ネジ６は、可動範囲調整ネジ６が取り付けられるフレーム１３側に固定された可動範囲調整ネジ取り付け部６ａにネジ込み量を調整することにより、可動アーム２のシャフト１０側への動きを所望の位置に規制することができる。
【００６３】
可動範囲調整ネジ６により、ロータ１１の停止時のシャフト１０の位置をロータ１１の回転時の中心位置に位置するように調整できるようになっている。そして、可動範囲調整ネジ６の位置を調整することにより、可動アーム２は電磁石コア３に吸引された状態から可動範囲調整ネジ６にあたる位置までの間を動くことができる。
【００６４】
可動範囲調整ネジ６による可動範囲の調整は可動アーム２のシャフト１０側の位置を調整するものであるため、電磁石が働いてなく、永久磁石９の力で可動アーム２がシャフト１０を支えている時の位置を調整するものとなる。したがって、可動範囲調整ネジ６で、ロータ１１の停止時のシャフト１０及びロータ１１の中心位置をロータ１の回転時の中心（磁気軸受けの支持による中心）に一致するよう調整することができる。
【００６５】
なお、可動アーム２は、電磁石が働いて可動アーム２を吸引している状態では、運転時に何らかの外乱でロータ１１及び磁気軸受ロータ１２がステータ１４及び磁気軸受ステータ１５に接触しないように保護する役割を果たすため、微調整は初期組立時に行い、その後は強固に保持する構造となっている。
【００６６】
本実施例に係る回転機によれば、第１，２の実施例では、弾性力により可動アーム２を動かしてシャフト１０を押さえるのに対し、本実施例では、永久磁石９による磁力を利用して可動アーム２を動かしている。そのため、可動アーム２の外側にある電磁石コア３にバネ５を併設する必要がなく、電磁石コア３の小型化が可能となり、回転機の外径の寸法制約にも対応しやすい構造とすることができる。
【００６７】
また、本実施例に係る回転機によれば、第３の実施例のように、２つの可動アーム２で軸を保持する構造は、構造の簡便さやコスト面での優位性はあるものの、調整できる保持位置の方向が１方向（図４では横方向）だけになってしまい、他の方向（図４では縦方向）に保持位置を調整することができないのに対し、本実施例では、３つの可動アーム２で支えるようにすることにより、他の方向（図４では縦方向）にも保持位置を調整することができる。
【００６８】
以上、第１〜４の実施例に係る回転機によれば、電磁石による吸引力を用いて可動アーム２を動かして、シャフト１０を保持しているため、停電時は必ずシャフト１０が保持され、回転機の運転時はこれを開放して磁気浮上運転が可能となる。そして、上述した従来の磁気軸受回転機及び従来のベアリングレス回転機におけるタッチダウンベアリング２６，３４（図６，７参照）と異なり、電磁石により、電気的にシャフト１０の保持及び開放を行えるので、安全面のシーケンス制御を組み込むことにより、非常時以外の回転機の運転及び停止動作に必要な、シャフト１０の保持及び開放動作を行うことができる。
【００６９】
また、電磁石により可動アーム２を動かした際に生じる、シャフト１０と保持部２ｂとの間の隙間を回転機のロータ１１とステータ１４との間の隙間よりも狭い適切な隙間とすることにより、運転中の振動によってロータ１１とステータ１４とが接触することを防止することができる。
【００７０】
したがって、本発明によれば、ロータ１１の停止時に自動的にシャフト１０を保持する軸保持機構１を備える回転機を提供することができる。
【実施例５】
【００７１】
次に、本発明の第５の実施例に係る回転機の構造について説明する。
図６は、本発明の第５の実施例に係る回転機のシャフト径方向における軸保持機構近傍の断面図である。なお、図６においては、第１の実施例で説明した部材と同一の部材には、同一の符号を付すものとする。なお、本実施例は、第１の実施例で説明した軸保持機構１以外の構成については同様の構成であるため、ここでの説明は省略する。
【００７２】
図６に示すように、本実施例に係る回転機は、回転機の外殻をなすフレーム１３と、ステータ１４と、ロータ１１と、シャフト１０とを備えている。シャフト１０とフレーム１３との間のフレーム１３側には、軸保持機構１が設置されている。
【００７３】
本実施例に係る軸保持機構１は、シャフト１０の軸方向に動作可能な磁性材料で形成した可動部材２０と、可動部材２０に設置されるタッチダウンベアリング２１とを備えている。なお、本実施例においてはシャフト１０を保持する保持部材としてタッチダウンベアリング２１を用いているが、すべりのよいすべり面を有する保持部材によりシャフト１０を保持するようにすることもできる。
【００７４】
また、本実施例に係る軸保持機構１は、可動部材２０をシャフト１０の軸方向に動作させタッチダウンベアリング２１をシャフト１０に押し付けるバネ２２を備えている。また、本実施例に係る軸保持機構１は、可動部材２０をシャフト１０の軸方向に動作させタッチダウンベアリング２１をシャフト１０から離す電磁石２３とにより構成されている。電磁石２３は、電磁石コア２３ａとコイル２３ｂとにより構成されている。なお、タッチダウンベアリング２１を磁性材料で形成し、電磁石２３によりタッチダウンベアリング２１を直接動作させるようにすることで、可動部材２０を省略することもできる。
【００７５】
本実施例においては、シャフト１０のタッチダウンベアリング２１と接する部分には傾斜面１０ａが形成されており、ロータ１１の停止時には、タッチダウンベアリング２１によりシャフト１０を保持する。ロータ１１の回転時には、タッチダウンベアリング２１が設置されている可動部材２０をシャフト１１の軸方向に動作させてシャフト１０を開放する。
【００７６】
ここで、本実施例に係る回転機における軸保持機構のロータの停止時及び回転時の動作について説明する。
図７は、本発明の第５の実施例に係る回転機における軸保持機構のロータの停止時の動作を示した断面図である。
図７に示すように、ロータ１１の停止時には、コイル２３ｂに流れる電流を０とすることにより、矢印Ｂで示すように可動部材２０に設置されたタッチダウンベアリング２１がバネ２２によりシャフト１０の傾斜面１０ａに押し付けられるため、タッチダウンベアリング２１によりシャフト１０を保持することができる。
【００７７】
図８は、本発明の第５の実施例に係る回転機における軸保持機構のロータの回転時の動作を示した断面図である。
図８に示すように、ロータ１１の回転時には、コイル２３ｂに電流が流れることにより図８中ａで示すように磁束が発生し、矢印Ｃで示すように可動部材２０が電磁石２３により吸引されるため、タッチダウンベアリング２１からシャフト１０を開放することができる。
【００７８】
本実施例に係る回転機によれば、斜めに力を受けるように設置したタッチベアリング２１により、ロータ１１の停止時には、バネ２２の弾力によりシャフト１０に形成した傾斜面１０ａにおいてタッチダウンベアリング２１と接する構造の軸保持機構１をシャフト１０の両端に設けることにより、シャフト１０を軸方向の両側から押さえることができる。
【００７９】
そして、バネ２２の弾力に勝る電磁力が得られるようにコイル２３ｂに電流を流すことにより、可動部材２０をシャフト１０の軸方向に吸引しタッチダウンベアリング２１からシャフト１０が開放され、磁気浮上時にはシャフトとタッチベアリング２１とを非接触状態とすることができる。
【００８０】
さらに、本実施例に係る回転機によれば、磁気浮上時の外乱による振動でロータ１１の回転位置がシャフト１０の径方向に変動した場合以外にも、シャフト１０の軸方向の変動についてもタッチダウンベアリング２１で受けることができる。
【実施例６】
【００８１】
次に、本発明の第６の実施例に係る回転機の構造について説明する。
図９は、本発明の第６の実施例に係る回転機のシャフト径方向における軸保持機構近傍の断面図である。なお、図９においては、第１の実施例で説明した部材と同一の部材には、同一の符号を付すものとする。なお、本実施例は、第１の実施例で説明した軸保持機構１以外の構成については同様の構成であるため、ここでの説明は省略する。
【００８２】
図９に示すように、本実施例に係る回転機は、回転機の外殻をなすフレーム１３と、ステータ１４と、ロータ１１と、シャフト１０とを備えている。シャフト１０とフレーム１３との間のフレーム１３側には、軸保持機構１が設置されている。
【００８３】
本実施例に係る軸保持機構１は、シャフト１０の軸方向に動作可能な磁性材料で形成した可動部材２０と、可動部材２０に設置されるタッチダウンベアリング２１とを備えている。なお、本実施例においてはシャフト１０を保持する保持部材としてタッチダウンベアリング２１を用いているが、すべりのよいすべり面を有する保持部材によりシャフト１０を保持するようにすることもできる。
【００８４】
また、本実施例に係る軸保持機構１は、可動部材２０をシャフト１０の軸方向に動作させタッチダウンベアリング２１をシャフト１０に押し付ける永久磁石２４を備えている。また、本実施例に係る軸保持機構１は、可動部材２０をシャフト１０の軸方向に動作させタッチダウンベアリング２１をシャフト１０から離す電磁石２３とにより構成されている。電磁石２３は、電磁石コア２３ａとコイル２３ｂとにより構成されている。なお、タッチダウンベアリング２１を磁性材料で形成し、電磁石２３によりタッチダウンベアリング２１を直接動作させるようにすることで、可動部材２０を省略することもできる。
【００８５】
本実施例においては、シャフト１０のタッチダウンベアリング２１と接する部分には傾斜面１０ａが形成されており、ロータ１１の停止時には、タッチダウンベアリング２１によりシャフト１０を保持する。ロータ１１の回転時には、タッチダウンベアリング２１が設置されている可動部材２０をシャフト１０の軸方向に動作させてシャフト１０を開放する。
【００８６】
ここで、本実施例に係る回転機における軸保持機構のロータの停止時及び回転時の動作について説明する。
図１０は、本発明の第６の実施例に係る回転機における軸保持機構のロータの停止時の動作を示した断面図である。
図１０に示すように、ロータ１１の停止時には、コイル２３ｂに流れる電流を０とすることにより、永久磁石２４により図１０中ｂで示すように発生する磁束により可動部材２０が永久磁石２４に吸引される。これにより、タッチダウンベアリング２１がシャフト１０の傾斜面１０ａに押し付けられるため、タッチダウンベアリング２１によりシャフト１０を保持することができる。
【００８７】
図１１は、本発明の第６の実施例に係る回転機における軸保持機構のロータの回転時の動作を示した断面図である。
図１１に示すように、ロータ１１の回転時には、コイル２３ｂに電流が流れることにより、図１１中ｃで示すように磁束が発生し、矢印Ｅで示すように可動部材２０が電磁石２３により吸引されるため、タッチダウンベアリング２１からシャフト１０を開放することができる。
【００８８】
本実施例に係る回転機によれば、斜めに力を受けるように設置したタッチベアリング２１により、ロータ１１の停止時には、永久磁石２４の吸引力によりシャフト１０に形成した傾斜面１０ａにおいてタッチダウンベアリング２１と接する構造の軸保持機構１をシャフト１０の両端に設けることにより、シャフト１０を軸方向の両側から押さえることができる。
【００８９】
そして、永久磁石２４の吸引力に勝る電磁力が得られるようにコイル２３ｂに電流を流すことにより、可動部材２０をシャフト１０の軸方向に吸引しタッチダウンベアリング２１からシャフト１０が開放され、磁気浮上時にはシャフト１０とタッチベアリング２１とを非接触状態とすることができる。
【００９０】
さらに、本実施例に係る回転機によれば、磁気浮上時の外乱による振動でロータ１１の回転位置がシャフト１０の径方向に変動した場合以外にも、シャフト１０の軸方向の変動についてもタッチダウンベアリング２１で受けることができる。
【００９１】
以上説明したように、本発明に係る回転機は、回転機の外殻をなすフレーム１３と、該フレーム１３の内面に設置されるステータ１４と、該ステータ１４の径方向の内側で回転可能に設置されるロータ１１と、該ロータ１１の回転中心に設置されるシャフト１０とを備え、前記ロータ１１の回転時に磁気軸受けにより前記シャフト１０及び前記ロータ１１を磁気浮上させて回転させる回転機において、前記ロータ１１の回転時には前記シャフト１０を保持する保持部材を開放して前記シャフト１０及び前記ロータ１１を磁気浮上させ、前記ロータ１１の停止時には前記保持部材により前記シャフト１０を保持する軸保持機構を備えることにより、ロータ１１の停止時に自動的にシャフト１０を保持する保持機能と、回転運動時に振れ回りなど何らかの異常により生じるステータ１４とロータ１１の接触などによる損傷を防ぐタッチダウン機能とを有する軸保持機構１を備える回転機を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明は、例えば、磁気軸受等の磁気浮上機能を有するモータや発電機における軸保持及び保護機構に利用することが可能である。
【符号の説明】
【００９３】
１  軸保持機構
２  可動アーム
３，７  電磁石コア
４，８  コイル
５  バネ
６  可動範囲調整ネジ
９  永久磁石
１０  シャフト
１１  ロータ
１２  磁気軸受ロータ
１３  フレーム
１４  ステータ
１５  磁気軸受ステータ
２０  可動部材
２１  タッチダウンベアリング
２２  バネ
２３  電磁石
２４  永久磁石
【図１】
2010115101.tif 000003
【図２】
2010115101.tif 000004
【図３】
2010115101.tif 000005
【図４】
2010115101.tif 000006
【図５】
2010115101.tif 000007
【図６】
2010115101.tif 000008
【図７】
2010115101.tif 000009
【図８】
2010115101.tif 000010
【図９】
2010115101.tif 000011
【図１０】
2010115101.tif 000012
【図１１】
2010115101.tif 000013
【図１２】
2010115101.tif 000014
【図１３】
2010115101.tif 000015