(57)【要約】      （修正有）【課題】  消費電力の低減を図ることができるとともに、簡易な構造であって保守性にも優れた磁気軸受装置を提供する。【解決手段】  ラジアル磁気軸受１１は、回転子５の軸方向両側に配置され、軸方向に着磁された円筒形永久磁石である固定子側磁石１４と回転子側磁石１５とを有する。固定子側磁石１４と回転子側磁石１５とは、同心円状であって軸方向において偏位して配置される。スラスト磁気軸受１２は、回転子側の磁性板１７と、固定子側で強磁性板１６に対向配置される永久磁石１７と、これらの間の空隙に磁界を発生可能な電磁石１８とを有する。スラスト磁気軸受１２では、ラジアル磁気軸受１１で生じる第１付勢力と逆向きの第２付勢力が生じるように強磁性板１６と永久磁石１７とが配置される。ゼロパワー制御部１３は、第１付勢力と第２付勢力とによる平衡位置に回転子５が位置するように、電磁石１８の電流をゼロに収束させるように制御する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転機において固定子に対して回転子をラジアル磁気軸受とスラスト磁気軸受とを介して回転自在に支持する無接触式の磁気軸受装置であって、
軸方向に着磁された円筒形永久磁石であって前記固定子側に取り付けられる固定子側磁石と前記回転子側に取り付けられて前記固定子側磁石の内径寸法よりも小径の外径寸法となるように形成されている回転子側磁石とを有し、前記回転子の回転軸方向両側にそれぞれ少なくとも１つずつ配置される前記ラジアル磁気軸受と、
前記回転子側に取り付けられる強磁性板と、前記固定子側に取り付けられて前記強磁性板に対向するように配置される永久磁石と、前記強磁性板と前記永久磁石との間の空隙において磁界を発生可能なように配置される制御用電磁石と、を有する前記スラスト磁気軸受と、
前記制御用電磁石の電流を制御するゼロパワー制御部と、
を備え、
前記ラジアル磁気軸受は、前記固定子側磁石と前記回転子側磁石とが同心円状に配置されるとともに前記回転軸方向において互いに偏位した位置に配置され、
前記スラスト磁気軸受は、前記固定子側磁石と前記回転子側磁石との間で前記回転子側に生じる軸方向の第１付勢力の方向と、前記強磁性板と前記永久磁石とが吸引し合うことによって前記回転子側に生じる軸方向の第２付勢力の方向とが互いに逆向きとなるように前記強磁性板と前記永久磁石とが配置され、
前記ゼロパワー制御部は、前記第１付勢力と前記第２付勢力とによる平衡位置に前記回転子が位置するように、前記制御用電磁石の電流をゼロに収束させるように制御することを特徴とする磁気軸受装置。
【請求項２】
前記固定子側磁石と前記回転子側磁石とが前記回転軸方向において同極性となるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気軸受装置。
【請求項３】
前記固定子側磁石と前記回転子側磁石とが反発し合うことによって前記回転子側に生じる前記第１付勢力の方向と、前記第２付勢力の方向とが、互いに引っ張り合う方向であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の磁気軸受装置。
【請求項４】
前記スラスト磁気軸受は、前記回転子とともに回転する回転軸の一方の端部に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の磁気軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転機において固定子に対して回転子をラジアル磁気軸受とスラスト磁気軸受とを介して回転自在に支持する無接触式の磁気軸受装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、回転機において固定子に対して回転子をラジアル磁気軸受とスラスト磁気軸受とを介して回転自在に支持する無接触式の磁気軸受装置が知られている（特許文献１参照）。特許文献１に記載の磁気軸受装置は、真空ポンプ用の磁気軸受装置として構成されている。そして、この磁気軸受装置は、回転子の回転軸方向両側にそれぞれ設けられるラジアル磁気軸受と、電磁コイルと永久磁石と補償磁石とを有するスラスト磁気軸受とによって、回転自在に支持されている。また、この磁気軸受装置のスラスト磁気軸受は、ラジアル磁気軸受の部分で発生するスラスト方向の磁気力、回転子の自重などを支持させるために補償磁石が磁気回路中に挿入されているものであり、スラスト磁気軸受における磁気ギャップ（空隙）を維持するように電磁コイルの電流が制御されるものである。
【０００３】
【特許文献１】特表２００４−５１３２７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の磁気軸受装置では、磁気ギャップを維持するために電磁コイルの電流を制御することが定常的に必要となる虞があり、さらなる消費電力の低減が図られることが望ましい。そして、スラスト磁気軸受が、電磁コイル、永久磁石、補償磁石と多くの構成要素からなるものであり、機構の複雑化を生じ易いという問題がある。また、このスラスト磁気軸受では、上述の多くの構成要素を組み合わせてスラスト方向の支持を行うことから、これによって安定的に支持する状態を実現するための調整や保守が困難となる虞がある。
【０００５】
本発明は、上記実情に鑑みることにより、消費電力の低減を図ることができるとともに、簡易な構造であって保守性にも優れた磁気軸受装置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及び効果】
【０００６】
本発明は、回転機において固定子に対して回転子をラジアル磁気軸受とスラスト磁気軸受とを介して回転自在に支持する無接触式の磁気軸受装置に関する。
そして、本発明による磁気軸受装置は、上記目的を達成するために以下のようないくつかの特徴を有しており、以下の特徴を単独で、若しくは、適宜組み合わせて備えている。
【０００７】
上記目的を達成するための本発明に係る磁気軸受装置における第１の特徴は、軸方向に着磁された円筒形永久磁石であって前記固定子側に取り付けられる固定子側磁石と前記回転子側に取り付けられて前記固定子側磁石の内径寸法よりも小径の外径寸法となるように形成されている回転子側磁石とを有し、前記回転子の回転軸方向両側にそれぞれ少なくとも１つずつ配置される前記ラジアル磁気軸受と、前記回転子側に取り付けられる強磁性板と、前記固定子側に取り付けられて前記強磁性板に対向するように配置される永久磁石と、前記強磁性板と前記永久磁石との間の空隙において磁界を発生可能なように配置される制御用電磁石と、を有する前記スラスト磁気軸受と、前記制御用電磁石の電流を制御するゼロパワー制御部と、を備え、前記ラジアル磁気軸受は、前記固定子側磁石と前記回転子側磁石とが同心円状に配置されるとともに前記回転軸方向において互いに偏位した位置に配置され、前記スラスト磁気軸受は、前記固定子側磁石と前記回転子側磁石との間で前記回転子側に生じる軸方向の第１付勢力の方向と、前記強磁性板と前記永久磁石とが吸引し合うことによって前記回転子側に生じる軸方向の第２付勢力の方向とが逆向きになるように前記強磁性板と前記永久磁石とが配置され、前記ゼロパワー制御部は、前記第１付勢力と前記第２付勢力とによる平衡位置に前記回転子が位置するように、前記制御用電磁石の電流をゼロに収束させるように制御することである。
【０００８】
この構成によると、同心円状に配置される固定子側磁石と回転子側磁石とが回転軸方向において互いに偏位した位置に配置されており、この偏位状態によって回転子側に生じる第１付勢力が、磁性板と永久磁石との吸引力による第２付勢力と釣り合うことで、回転子の位置が平衡位置に保たれることになる。この平衡状態が保たれているときは、ゼロパワー制御部による制御用電磁石の制御電流はゼロのままに維持される。そして、外乱が生じて平衡位置からのずれが生じたときには、ゼロパワー制御部による制御用電磁石の電流が制御されることで、再び、平衡状態が回復されることになる。よって、外乱が生じず平衡状態が維持されているかぎり、制御用電磁石の制御電流をほぼ不要とすることができ、消費電力の低減を図ることができる。また、同心円状に配置された固定子側磁石と回転子側磁石とが回転軸方向において偏位するように配置される簡易な構造でラジアル磁気軸受が構成される。そして、スラスト磁気軸受も、吸引し合うように配置された強磁性板及び永久磁石に制御用電磁石を設けるという極めて簡易な構造で実現することができる。従って、消費電力の低減を図ることができるとともに、簡易な構造であって保守性にも優れた磁気軸受装置を得ることができる。
【０００９】
本発明に係る磁気軸受装置における第２の特徴は、前記固定子側磁石と前記回転子側磁石とが前記回転軸方向において同極性となるように配置されていることである。
【００１０】
この構成によると、回転子の回転軸方向において同極性となるように配置された固定子側磁石と回転子側磁石とが、同心円状に配置されるとともに回転軸方向において互いに偏位した位置に配置されることになる。これにより、固定子側磁石と回転子側磁石との反発力によって、回転子が半径方向に安定して保持されると同時に、安定的に回転子を軸方向に付勢する第１付勢力を容易に実現することができる。
【００１１】
本発明に係る磁気軸受装置における第３の特徴は、前記固定子側磁石と前記回転子側磁石とが反発し合うことによって前記回転子側に生じる前記第１付勢力の方向と、前記第２付勢力の方向とが、互いに引っ張り合う方向であることである。
【００１２】
この構成によると、固定子側磁石と回転子側磁石との反発力による第１付勢力と、磁性板と永久磁石との吸引力による第２付勢力とが、互いに引っ張り合う方向において釣り合うことになる。これにより、安定的に回転子を支持する構成を容易に実現することができる。
【００１３】
本発明に係る磁気軸受装置における第４の特徴は、前記スラスト磁気軸受は、前記回転子とともに回転する回転軸の一方の端部に配置されていることである。
【００１４】
この構成によると、スラスト磁気軸受が回転子の回転軸の端部に配置されるため、複数のラジアル磁気軸受によって回転軸に作用する第１付勢力に抗する第２付勢力を、ラジアル磁気軸受が設けられている側とは反対側の回転軸の端部に生じさせることができ、第１付勢力と第２付勢力との安定した釣り合い状態を容易に実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本発明の実施形態に係る磁気軸受装置は、回転機において固定子に対して回転子をラジアル磁気軸受とスラスト磁気軸受とを介して回転自在に支持する無接触式の磁気軸受装置として、広く用いることができるものである。なお、本実施形態においては、回転機としてモータに適用された場合を例にとって説明するが、必ずしもこの例に限らず、広く本発明を適用することができる。
【００１６】
図１は、本発明の一実施の形態に係る磁気軸受装置１と、その磁気軸受装置１が設けられたモータ（回転機）とを示す概略図である。図１におけるモータ２の断面図に示すように、このモータ２は、ケーシング３と、このケーシング３内に配設されている固定子（ステータ）４と、固定子４の内側に配置される回転子（ロータ）５とを備えている。回転子５は出力軸となるシャフト（回転軸）６に取り付けられており、このシャフト６とともに回転子５がケーシング３及び固定子４に対して回転自在に支持されている。
【００１７】
本実施形態の磁気軸受装置１は、ラジアル磁気軸受１１と、スラスト磁気軸受１２と、制御装置１３とを備えて構成されている。
【００１８】
ラジアル磁気軸受１１は、回転子５に対してシャフト６の軸方向両側にそれぞれ設けられている。即ち、シャフト６の一端６ａ側においてシャフト６を回転自在に支持するラジアル磁気軸受１１ａと、シャフト６の他端６ｂ側においてシャフト６を回転自在に支持するラジアル磁気軸受１１ｂとを備えて構成されている。
【００１９】
ラジアル磁気軸受１１（１１ａ、１１ｂ）は、固定子側に取り付けられる固定子側磁石１４（１４ａ、１４ｂ）と、回転子側に取り付けられる回転子側磁石１５（１５ａ、１５ｂ）とを備えている。固定子側磁石１４及び回転子側磁石１５は、その軸方向（円筒軸方向）がシャフト６の軸方向と平行に一致するように配設されており、いずれも軸方向に着磁された円筒形永久磁石（リング状の永久磁石）として形成されている。なお、図１に示すように、本実施形態の固定子側磁石１４及び回転子側磁石１５では、シャフト６の一端６ａ側にＳ極が形成され、他端６ｂ側にＮ極が形成されるように着磁されている。即ち、固定子側磁石１４と回転子側磁石１５とがシャフト６の軸方向において同極性となるように配置されている。なお、Ｓ極とＮ極との位置関係については、逆となるように固定子側磁石１４及び回転子側磁石１５が配置されているものであってもよい。
【００２０】
また、固定子側磁石１４と回転子側磁石１５とは、シャフト６の回りに同心円状に配置されている。そして、回転子側磁石１５の外径寸法は、固定子側磁石１４の内径寸法よりも小径の外径寸法となるように形成されており、回転子側磁石１５が固定子側磁石１４の内側において固定子側磁石１４と干渉することなく変位可能となっている。また、固定子側磁石１４と回転子側磁石１５とは、シャフト６の軸方向において互いに偏位した位置に配置されている。即ち、回転子側磁石１５ａが固定子側磁石１４ａに対してシャフト６の一端６ａ側に少しずれた位置に配置され、同様に、回転子側磁石１５ｂも固定子側磁石１４ｂに対して一端６ａ側に少しずれた位置に配置されている。このように固定子側磁石１４と回転子側磁石１５とが配置されることで、固定子側磁石１４と回転子側磁石１５との間には反発力（斥力）が作用するように構成されている。
【００２１】
スラスト磁気軸受１２は、シャフト６の他端６ｂ側に配置されており、ディスク（強磁性板）１６と、永久磁石１７と、電磁石（制御用電磁石）１８とを備えて構成されている。ディスク１６は、回転子側に取り付けられる強磁性体の円板として形成されており、シャフト６に対してその他端６ｂ側にて取り付けられている。永久磁石１７は、ケーシング３に対して設けられることで固定子側に取り付けられており、ディスク１６に対向するように配置されている。この永久磁石１７は、例えば、軸方向に着磁されたリング状に形成される。このようにディスク１６と永久磁石１７とが配置されることで、ディスク１６と永久磁石１７との間には吸引力が作用するように構成されている。
【００２２】
また、スラスト磁気軸受１２の電磁石１８は、ディスク１６と永久磁石１７との間に形成されている空隙２３（以下、「磁気ギャップ２３」という）において磁界を発生可能なように配置されている。即ち、電磁石１８の電磁コイルに電流が流れることで発生する磁界によって、磁気ギャップ２３中に発生する磁界を増減させ、電磁石１８がディスク１６に付勢する吸引力が、ラジアル磁気軸受１１における固定子側磁石１４と回転子側磁石１５との間に作用する回転軸方向の反発力（斥力）と平衡するような磁気力を発生させることができるようになっている。
【００２３】
制御装置１３は、電流センサ１９、電流制御回路２０、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２１、メモリ（ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory））２２などを備えて構成されている。そして、スラスト磁気軸受１２の電磁石１８の電磁コイルに流れる電流を制御することができるように構成されている。この制御装置１３は、電磁石１８の電流コイルに流れる電流がゼロに収束するように制御する、いわゆるゼロパワー制御を行うように構成されている。なお、この制御装置１３は、図示しない電源と接続されている。
【００２４】
次に、上述した磁気軸受装置１の作動について説明する。ラジアル磁気軸受１１では、前述のように、同心円状に配置された固定子側磁石１４と回転子側磁石１５とが、シャフト６の軸方向において同極性となるとともに互いに軸方向に偏位した位置に配置されている。これにより、固定子側磁石１４と回転子側磁石１５とが反発し合う反発力によって回転子側であるシャフト６に生じる軸方向の第１付勢力が、図中矢印（Ａ）で示す方向に生じる。
【００２５】
一方、スラスト磁気軸受１２では、ディスク１６と永久磁石１７とが吸引し合う吸引力によって回転子側であるシャフト６に生じる軸方向の第２付勢力が、図中矢印（Ｂ）で示す方向に生じる。即ち、スラスト磁気軸受１２では、第２付勢力の方向と第１付勢力の方向とが互いに逆向きとなるようにディスク１６と永久磁石１７とが配置されており、第１付勢力の方向と第２付勢力の方向とが互いにシャフト６を引っ張り合う方向となるように構成されている。そして、ディスク１６と永久磁石１７との間の吸引力は、磁気ギャップ２３の空隙長によって定まるため、永久磁石１４・１５・１７の仕様を適宜設定することにより、磁気ギャップ２３が所定の空隙長となる位置において、第１付勢力と第２付勢力とが釣り合う平衡状態に保たれることになる。即ち、磁気ギャップ２３が所定の空隙長となる平衡位置に回転子５及びシャフト６が位置することになる。この平衡状態においては、制御装置１３による電磁石１８の電磁コイルの制御電流は、ゼロの状態のままに維持されることになる。
【００２６】
また、制御装置１３は、回転子５及びシャフト６を軸方向に変位させる外乱が生じたときに、第１付勢力と第２付勢力とによる上述の平衡位置に回転子５及びシャフト６が復帰するように、電磁石１８の電磁コイルの電流をゼロに収束させるように制御する（ゼロパワー制御を行う）。即ち、制御装置１３では、外乱が生じてシャフト６が矢印（Ａ）方向又は（Ｂ）方向のいずれかに変位したときには、その変位により磁気ギャップ２３の空隙長が変化することによる磁界の変化によって電磁石１８の電磁コイルに流れた電流が電流センサ１９で検出される。制御装置１３では、この電流センサ１９での検出結果に基づいて、電磁石１８の電磁コイルに流れる電流をゼロに収束させるように制御する。これにより、電磁石１８によって、外乱によってシャフト６が変位した方向とは逆方向に向かってディスク１６を付勢する磁気力が発生し、シャフト６が、上述の平衡位置に復帰するように制御されることになる。そして、外乱がなくなると、電磁石１８の電磁コイルの電流がゼロに収束した状態になり、回転子５及びシャフト６が上述の平衡位置に位置した状態に保たれることになる。
【００２７】
以上説明したように、本実施形態の磁気軸受装置１によると、同心円状に配置される固定子側磁石１４と回転子側磁石１５とがシャフト６の軸方向において互いに偏位した位置に配置されており、この偏位状態によって回転子側に生じる第１付勢力が、ディスク１６と永久磁石１７との吸引力による第２付勢力と釣り合うことで、回転子５の位置が平衡位置に保たれることになる。この平衡状態が保たれているときは、制御装置１３による電磁石１８の制御電流はゼロのままに維持される。そして、外乱が生じて平衡位置からのずれが生じたときには、制御装置１３による電磁石１８の電流が制御されることで、再び、平衡状態が回復されることになる。よって、外乱が生じず平衡状態が維持されているかぎり、電磁石１８の制御電流をほぼ不要とすることができ、消費電力の低減を図ることができる。
【００２８】
また、磁気軸受装置１においては、同心円状に配置された固定子側磁石１４と回転子側磁石１５とがシャフト６の軸方向において偏位するように配置される簡易な構造でラジアル磁気軸受１１が構成されている。そして、スラスト磁気軸受１２も、吸引し合うように配置されたディスク１６及び永久磁石１７に電磁石１８を設けるという極めて簡易な構造で実現されている。従って、消費電力の低減を図ることができるとともに、簡易な構造であって保守性にも優れた磁気軸受装置を得ることができる。
【００２９】
また、磁気軸受装置１によると、シャフト６の軸方向において同極性となるように配置された固定子側磁石１４と回転子側磁石１５とが、同心円状に配置されるとともにシャフト６の軸方向において互いに偏位した位置に配置されることになる。これにより、固定子側磁石１４と回転子側磁石１５との反発力によって、安定的に回転子５をシャフト６の軸方向に付勢する第１付勢力を容易に実現することができる。
【００３０】
また、磁気軸受装置１によると、固定子側磁石１４と回転子側磁石１５との反発力による第１付勢力と、ディスク１６と永久磁石１７との吸引力による第２付勢力とが、互いに引っ張り合う方向において釣り合うことになる。これにより、安定的に回転子５を支持する構成を容易に実現することができる。
【００３１】
また、磁気軸受装置１によると、スラスト磁気軸受１２がシャフト６の軸端部に配置されるため、複数のラジアル磁気軸受１１によってシャフト６に作用する第１付勢力に抗する第２付勢力を、ラジアル磁気軸受１１が設けられている側（一端側）とは反対側のシャフト６の端部（他端６ｂ側）に生じさせることができ、第１付勢力と第２付勢力との安定した釣り合い状態を容易に実現することができる。
【００３２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な変更が可能なものである。また、本発明は、例えば、次のように変更して実施してもよい。
【００３３】
（１）本実施形態においては、回転機がモータである場合を例にとって説明したが、モータ以外の回転機であっても、本発明を適用することができ、同様の効果を奏することができる。
【００３４】
（２）本実施形態においては、第１付勢力と第２付勢力とが互いにシャフト６を引っ張り合う方向に作用している場合を例にとって説明したが、必ずしもこの通りでなくてもよい。即ち、第１付勢力と第２付勢力とが互いにシャフト６を押し合う方向に作用するものであってもよい。
【００３５】
（３）ラジアル磁気軸受とスラスト磁気軸受の配置については、本実施形態で例示したものに限らず、種々配置を変更して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施の形態に係る磁気軸受装置と、その磁気軸受装置が設けられたモータとを示す概略図である。
【符号の説明】
【００３７】
１                    磁気軸受装置
２                    モータ（回転機）
４                    固定子
５                    回転子
６                    シャフト（回転軸）
１１                  ラジアル磁気軸受
１２                  スラスト磁気軸受
１３                  制御装置（ゼロパワー制御部）
１４、１４ａ、１４ｂ  固定子側磁石
１５、１５ａ、１５ｂ  回転子側磁石
１６                  ディスク（強磁性板）
１７                  永久磁石
１８                  電磁石（制御用電磁石）
【図１】
2006153037.tif 000003