(57)【要約】【課題】組み立て性が良く、負荷接続後やバランス調整を行った後に、回転子を固定子に挿入することができ、かつ回転子の軸方向長さを抑制した３軸能動制御型磁気軸受装置を提供する。【解決手段】ラジアル巻線１によりラジアル制御用固定子２において各々の軸に対して同一方向に発生するラジアル磁束Ψy，Ψxと、永久磁石３によって放射状に発生するバイアス磁束Ψbとの重ね合わせによって生じる磁束密度の不平衡によって、ラジアル方向２軸の軸支持力Ｆy，Ｆxが発生する一方、スラスト巻線５により発生し、スラスト制御用固定子４において何れか一方の円環状部分４ｂから円筒状回転子７、他方の円環状部分４ｂへ方向を変えるスラスト磁束Ψzと、永久磁石３によって発生し各円環状部分４ｂ，４ｂから円筒状回転子７の中央に向かうバイアス磁束Ψbとの重ね合わせによって生じる磁束密度の不平衡によって、スラスト方向１軸の軸支持力Ｆzが発生する。【選択図】        図１
2011085223.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラジアル方向２軸及びスラスト方向１軸の計３軸方向に軸支持力を発生する３軸能動制御型磁気軸受において、
磁性体であり、前記軸支持力を受ける円筒型回転子と、
少なくとも３個以上のラジアル巻線が巻回され、前記ラジアル巻線により発生するラジアル磁束と前記ラジアル巻線の半径方向で前記回転子の反対側に配置される永久磁石から発生する放射状のバイアス磁束との不平衡によって、前記回転子に対してラジアル方向２軸の軸支持力を発生するラジアル制御用固定子と、
前記ラジアル制御用固定子に隣接して配置されたスラスト巻線により発生し前記回転子の軸方向の一方に向かうスラスト磁束と、前記永久磁石から発生し前記回転子の両側から中央に向う、或いは、その逆に前記回転子の中央から両側に向かうそれぞれのバイアス磁束との重ね合わせによって生じる磁束密度の不平衡によって、前記回転子に対してスラスト方向１軸の軸支持力を発生するスラスト制御用固定子とを備えたことを特徴とする３軸能動制御型磁気軸受。
【請求項２】
ラジアル方向２軸及びスラスト方向１軸の計３軸方向に軸支持力を発生する３軸能動制御型磁気軸受スラスト磁気軸受において、
磁性体で構成され、前記軸支持力を受けて周方向に回転可能な円筒型回転子と、
少なくとも３個以上のティースにラジアル巻線がそれぞれ巻回されたラジアル制御用固定子と、前記ラジアル制御用固定子に隣接して配置された永久磁石と、
前記ラジアル制御用固定子及び前記永久磁石の半径方向で前記回転子の反対側に配置された円筒部分とを備えると共に、前記ラジアル制御用固定子及び前記永久磁石の軸方向両側にそれぞれ配置された円環状部分とを備えたスラスト制御用固定子と、
前記スラスト制御用固定子と前記ラジアル制御用固定子との間において周方向に巻回されたスラスト巻線とからなり、
前記ラジアル巻線により前記ラジアル制御用固定子において各々の軸に対して同一方向に発生するラジアル磁束と、前記永久磁石によって前記回転子から前記ラジアル制御用固定子に向かって放射状に、或いは、その逆に前記ラジアル制御用固定子から前記回転子に向かって発生するバイアス磁束との重ね合わせによって生じる磁束密度の不平衡によって、前記回転子に対してラジアル方向２軸の軸支持力が発生する一方、
前記スラスト巻線により発生し、前記スラスト制御用固定子において何れか一方の前記円環状部分から前記回転子に向かって方向を変え、更に他方の前記円環状部分へ方向を変えるスラスト磁束と、前記永久磁石によって発生し、前記各円環状部分から前記回転子の中央に向かって、或いは、その逆に前記回転子の中央から前記各円環状部分に向かって方向をそれぞれ変えるバイアス磁束との重ね合わせによって生じる磁束密度の不平衡によって、前記回転子に対してスラスト方向１軸の軸支持力が発生する
ことを特徴とする３軸能動制御型磁気軸受。
【請求項３】
請求項１又は２記載の３軸能動制御型磁気軸受において、前記ラジアル制御用固定子又は前記スラスト制御用固定子には、前記永久磁石を載置する凸部を設けたことを特徴とする３軸能動制御型磁気軸受。
【請求項４】
請求項１又は２記載の３軸能動制御型磁気軸受において、前記スラスト制御用固定子において何れか一方の前記円環状部分は、前記回転子の端面に向かい合う延長部を備えたことを特徴とする３軸能動制御型磁気軸受。
【請求項５】
請求項１，２，３又は４記載の３軸能動制御型磁気軸受を少なくとも１つ以上備え、更に、前記回転子と同心円状で回転する回転子主軸には、前記３軸能動制御型磁気軸受に対する回転子主軸の重心の反対側に、ラジアル方向を支持する軸受構造が配置されることを特徴とする回転機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３軸能動制御型磁気軸受及びこれを用いた回転機に関する。特に、ラジアル磁気軸受とスラスト磁気軸受を一体化して円筒型回転子を備えた３軸能動磁気軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１の段落［００３０］乃至［００３８］の記載及び図２に示される通り、軸方向の長さ（高さ）を抑えた磁気軸受け装置として、インナロータ３３の径方向外周にラジアル電磁石１，５を備え、さらにラジアル電磁石１，５の径方向外周にステータ３７を備えると共に、ステータ３７内にアキシャル電磁石３９，４１を備えたものがある。
【０００３】
また、特許文献２の段落［００３１］乃至［００４５］の記載及び図１に示される通り、組み立て性を向上したスラスト磁気軸受として、円筒状に形成されたスラスト磁気軸受１６０を備えてものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−４１２３６号
【特許文献２】特開２００９−１９２０４１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の図２に示す磁気軸受装置は、３軸能動制御型磁気軸受装置であり、軸方向長さは抑えられているが、アキシャル方向のターゲット（回転子）３２，３５がディスク形状であるため、装置の組み立てを行う際にインナロータ３３をステータ３７に挿入した後でなければ、どちらか一方の前記ターゲット３２，３５を取り付けることが出来ず、装置の組み立て性が悪いという問題があった。
さらに、負荷の接続もインナロータ３３の挿入後になるため、負荷を含めたロータ３３のバランス調整が難しいという問題もある。
【０００６】
一方、特許文献２の図１に示されるスラスト磁気軸受１６０を備えた３軸能動制御が可能なベアリングレスモータでは、円筒型のスラスト磁気軸受１６０を備えているため、磁性体円板（回転子）１６，１７の取り付け後や負荷に接続してバランス調整を行った後に、可動子（回転子）４，６を固定子５，７に挿入することが可能である。
しかし、この装置では、ラジアル方向を可動子４，６と固定子５，７で制御し、スラスト方向をスラスト磁気軸受１６０で制御しているので、ラジアル方向を制御する部分とスラスト方向を制御する部分が軸方向に延びており、径方向が円筒形状で小さくなるが、軸方向の長さが長くなってしまう問題があった。
【０００７】
本発明は、組み立て性が良く、負荷接続後やバランス調整を行った後に、回転子を固定子に挿入することができ、かつ回転子の軸方向長さを抑制した３軸能動制御型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】
【０００８】
上記課題を解決する本発明の請求項１に係る３軸能動制御型磁気軸受は、ラジアル方向２軸及びスラスト方向１軸の計３軸方向に軸支持力を発生する３軸能動制御型磁気軸受において、磁性体であり、前記軸支持力を受ける円筒型回転子と、少なくとも３個以上のラジアル巻線が巻回され、前記ラジアル巻線により発生するラジアル磁束と前記ラジアル巻線の半径方向で前記回転子の反対側に配置される永久磁石から発生する放射状のバイアス磁束との不平衡によって、前記回転子に対してラジアル方向２軸の軸支持力を発生するラジアル制御用固定子と、前記ラジアル制御用固定子に隣接して配置されたスラスト巻線により発生し前記回転子の軸方向の一方に向かうスラスト磁束と、前記永久磁石から発生し前記回転子の両側から中央に向う、或いは、その逆に前記回転子の中央から両側に向かうそれぞれのバイアス磁束との重ね合わせによって生じる磁束密度の不平衡によって、前記回転子に対してスラスト方向１軸の軸支持力を発生するスラスト制御用固定子とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
上記課題を解決する本発明の請求項２に係る３軸能動制御型磁気軸受は、ラジアル方向２軸及びスラスト方向１軸の計３軸方向に軸支持力を発生する３軸能動制御型磁気軸受スラスト磁気軸受において、磁性体で構成され、前記軸支持力を受けて周方向に回転可能な円筒型回転子と、少なくとも３個以上のティースにラジアル巻線がそれぞれ巻回されたラジアル制御用固定子と、前記ラジアル制御用固定子に隣接して配置された永久磁石と、前記ラジアル制御用固定子及び前記永久磁石の半径方向で前記回転子の反対側に配置された円筒部分とを備えると共に、前記ラジアル制御用固定子及び前記永久磁石の軸方向両側にそれぞれ配置された円環状部分とを備えたスラスト制御用固定子と、前記スラスト制御用固定子と前記ラジアル制御用固定子との間において周方向に巻回されたスラスト巻線とからなり、前記ラジアル巻線により前記ラジアル制御用固定子において各々の軸に対して同一方向に発生するラジアル磁束と、前記永久磁石によって前記回転子から前記ラジアル制御用固定子に向かって放射状に、或いは、その逆に前記ラジアル制御用固定子から前記回転子に向かって発生するバイアス磁束との重ね合わせによって生じる磁束密度の不平衡によって、前記回転子に対してラジアル方向２軸の軸支持力が発生する一方、前記スラスト巻線により発生し、前記スラスト制御用固定子において何れか一方の前記円環状部分から前記回転子に向かって方向を変え、更に他方の前記円環状部分へ方向を変えるスラスト磁束と、前記永久磁石によって発生し、前記各円環状部分から前記回転子の中央に向かって、或いは、その逆に前記回転子の中央から前記各円環状部分に向かって方向をそれぞれ変えるバイアス磁束との重ね合わせによって生じる磁束密度の不平衡によって、前記回転子に対してスラスト方向１軸の軸支持力が発生することを特徴とする。
【００１０】
上記課題を解決する本発明の請求項３に係る３軸能動制御型磁気軸受は、請求項１又は２において、前記ラジアル制御用固定子又は前記スラスト制御用固定子には、前記永久磁石を載置する凸部を設けたことを特徴とする。
【００１１】
上記課題を解決する本発明の請求項４に係る３軸能動制御型磁気軸受は、請求項１又は２において、前記スラスト制御用固定子において何れか一方の前記円環状部分は、前記回転子の端面に向かい合う延長部を備えたことを特徴とする。
【００１２】
上記課題を解決する本発明の請求項５に係る回転機は、請求項１，２，３又は４記載の３軸能動制御型磁気軸受を少なくとも１つ以上備え、更に、前記回転子と同心円状で回転する回転子主軸には、前記３軸能動制御型磁気軸受に対する回転子主軸の重心の反対側に、ラジアル方向を支持する軸受構造が配置されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の磁気軸受装置は、組み立て性が良く、負荷接続後やバランス調整を行った後に、回転子を固定子に挿入することができ、しかも回転子の軸方向長さも抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の円筒形回転子を備えた３軸能動制御型磁気軸受の縦断面構造を示す斜視図である。
【図２】図２（ａ）は、ラジアル力の発生原理を示す説明図、図２（ｂ）は、スラスト力の発生原理を示す説明図である。
【図３】図３（ａ）は従来の磁気軸受を用いた回転機の概念図、図３（ｂ）は円筒型回転子を備えたスラスト磁気軸受を用いた回転機の概念図、図３（ｃ）は、本発明の円筒形回転子を備えた３軸能動制御型磁気軸受を用いた回転機の概念図である。
【図４】本発明の実施例１に係る３軸能動制御型磁気軸受の縦断面図である。
【図５】本発明の実施例２に係る３軸能動制御型磁気軸受の縦断面図である。
【図６】本発明の実施例３に係る３軸能動制御型磁気軸受の縦断面図である。
【図７】本発明の実施例４に係る３軸能動制御型磁気軸受の縦断面図である。
【図８】本発明の実施例４におけるスラスト電流とスラスト力の関係を示すグラフである。
【図９】図９（ａ）はラジアル力の解析結果を示すグラフ、図９（ｂ）はスラスト力の解析結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
＜本発明の磁気軸受の構造と動作原理＞
図１は、本発明の円筒形回転子を備えた３軸能動制御型磁気軸受の縦断面構造を示す斜視図である。
図１に示すように、ラジアル方向の２軸を制御するために、ティースに巻回された２組のラジアル巻線１を備えたラジアル制御用固定子２が３軸能動制御型磁気軸受の一番内側に設置されている。
【００１６】
即ち、ラジアル制御用固定子２は、図２（ａ）に示すように、ｙ軸方向に対向する２つのティース２ａ，２ａにラジアル巻線Ｎyがそれぞれ集中巻され、ｘ軸方向に対向する２つのティース２ｂ，２ｂにラジアル巻線Ｎxがそれぞれ集中巻されたものである。２組のラジアル巻線１は、ラジアル巻線Ｎyとラジアル巻線Ｎxとからなる。
従って、各ラジアル巻線Ｎyに直流電流ｉyをそれぞれ流すと、ラジアル制御用固定子
２においてｙ軸方向に２極のラジアル磁束Ψyが発生し、また、各ラジアル巻線Ｎxに直流電流ｉxをそれぞれ流すと、ラジアル制御用固定子２においてｘ軸方向に２極のラジア
ル磁束Ψxが発生する。つまり、相互に直交する２極のラジアル磁束Ψy，Ψxが発生する。
【００１７】
ラジアル制御用固定子２とラジアル巻線Ｎx，Ｎyの構成は、２極のラジアル磁束Ψx，Ψyを作り出すのなら、どのような形状でもよい。例えば、図１に示す４突構造に限らず、６突構造、８突構造、…２Ｎ（Ｎは２以上の自然数）、３相巻線を配置した３突構造、６突構造、３Ｍ（Ｍは１以上の自然数）や、更には、誘導機などに用いる多スロット構造の分布巻固定子でも良い。
このラジアル制御用固定子２のヨーク部分は、図１中に示すように、軸方向に向き合うように着磁された片側４個の計８個の永久磁石３によって挟み込まれている。
【００１８】
即ち、永久磁石３は、ラジアル巻線１よりも径方向外側において、半径方向に均等な間隔となる様に９０度毎に配置され、また、永久磁石３は、ラジアル制御用固定子２を間に挟んでＳ極が軸方向に向かい合うよう、つまり、Ｓ極ラジアル制御用固定子２に接するように着磁されている。
従って、図２（ａ）に示すように、永久磁石３によって、ラジアル制御用固定子２では、回転子７からラジアル制御用固定子２に向かって放射状にバイアス磁束Ψbが発生している。
永久磁石３の着磁方向は逆でも、つまり、Ｎ極がラジアル制御用固定子２に接するようにしても良い。永久磁石３の形状は、リング磁石形状でも良く、多数の立方体の磁石を並べても良い。
【００１９】
更に、ラジアル制御用固定子２と永久磁石３を覆うように、コの字型の断面をもつスラスト制御用固定子４がー番外側に設置され、スラスト制御用固定子４のコの字型断面の一番内側には、周方向に巻かれたスラスト巻線５が配置されている。
即ち、ラジアル制御用固定子２及び永久磁石３の半径方向外側にスラスト巻線５が配置されている。スラスト制御用固定子４は、スラスト巻線５の外周面を軸方向に亘って被う円筒部分４ａと、この円筒部分４ａの両端部において内周側に向かう円環状部分４ｂ，４ｂを有するコ字型断面である。
スラスト制御用固定子４の円環状部分４ｂ，４ｂは、ラジアル巻線１、永久磁石３及びスラスト巻線５の軸方向の端面を被い、スラスト制御用固定子４の円環状部分４ｂ，４ｂの最内周位置は、ラジアル制御用固定子２の最内周位置と同じ位置に設定されている。
【００２０】
更に、スラスト巻線５と、ラジアル制御用固定子２、永久磁石３との間には、ＳＵＳ管６が介装されている。従って、ＳＵＳ管６により、スラスト巻線５の内側に、ラジアル制御用固定子２、永久磁石３を固定することが可能なっている。
一方、ラジアル制御用固定子２、スラスト制御用固定子４の円環状部分４ｂ，４ｂの内周側には、僅かな間隙を隔てて、磁性体よりなる円筒型回転子７が回転自在に配置されている。回転子７は、円筒形の非常にシンプルな形状であり、回転子７の軸方向長さは、スラスト制御用固定子４の軸方向長さより若干短くなっている。回転子７には、図示しない回転子主軸（非磁性体）が挿入される（図４参照）。
【００２１】
上述した通り、永久磁石３によって、ラジアル制御用固定子２では、回転子７から放射状に或いはその逆向きに永久磁石３によるバイアス磁束Ψbが発生しているため、回転子７は軸方向にＳ−Ｎ−Ｓ若しくはＮ−Ｓ−Ｎの３極に励磁される（図４参照）。
そのため、この励磁磁束にスラスト巻線５によるスラスト磁束Ψz、もしくはラジアル巻線１によるラジアル磁束Ψyを重畳することで、磁束の粗密を作り出し、スラスト力、もしくはラジアル力を発生することができる。
【００２２】
図２（ａ）は、ラジアル方向の軸支持力（以下、ラジアル力と略記）の発生原理を示す。
図２（ａ）に示すように、永久磁石３によって、ラジアル制御用固定子２では、回転子７からラジアル制御用固定子２に向かって放射状にバイアス磁束Ψbが発生している。
このとき、ラジアル巻線Ｎyに直流電流（ラジアル電流）ｉyを流すと、２極のラジア
ル磁束Ψyが発生し、バイアス磁束Ψbとラジアル磁束Ψyの重ね合わせによって生じる磁束密度の不平衡によって、ｙ軸方向のラジアル力Ｆyが発生する。
【００２３】
即ち、上方のティース２ａに巻回されたラジアル巻線Ｎyに図中に示す方向に直流電流ｉyを流したときに生じるラジアル磁束Ψyの方向は図中上向きであり、また、下方のテ
ィース２ａに巻回されたラジアル巻線Ｎyに図中に示す方向に直流電流ｉyを流したとき
に生じるラジアル磁束Ψyの方向も同様に図中上向きである。
従って、ラジアル制御用固定子２の上方のティース２ａと回転子７との間隙の間における磁束密度Ｂ1は、バイアス磁束Ψbとラジアル磁束Ψyの和をその面積Ｓで割った値（Ψy＋Ψb）／Ｓとなるのに対し、ラジアル制御用固定子２の下方のティース２ａと回転子７との間隙の間における磁束密度Ｂ2は、バイアス磁束Ψbとラジアル磁束Ψyの差をその間の面積Ｓで割った値（Ψy−Ψb）／Ｓとなる。
つまり、バイアス磁束Ψbとラジアル磁束Ψyの重ね合わせによって磁束密度Ｂ1，Ｂ2の不平衡（Ｂ1＞Ｂ2）が生じる。
【００２４】
ここで、ラジアル制御用固定子２の上方のティース２ａから回転子７に作用する力Ｆ1は、磁束密度Ｂ1の二乗に比例し、ラジアル制御用固定子２の下方のティース２ａから回転子７に作用する力Ｆ2は磁束密度Ｂ2の二乗に比例する。そのため、回転子７には、図中上向きのラジアル力Ｆy（＝Ｆ1−Ｆ2）が作用する。
逆に、図２（ａ）に示す方向とは逆向きの直流電流ｉyをラジアル巻線Ｎyに流せば、
回転子７には、図中下向きのラジアル力Ｆyが作用することになる。
【００２５】
同様に、ｘ軸方向に対向する２つのティース２ｂ，２ｂに巻回されたラジアル巻線Ｎxに直流電流ｉxを流すことによって、２極のラジアル磁束Ψxが発生し、ｘ軸方向のラジ
アル力Ｆxを発生できる。
【００２６】
なお、それぞれのラジアル巻線Ｎyに流す直流電流ｉyを０、もしくは相互に逆方向と
することにより、磁束密度Ｂ1，Ｂ2が平衡（Ｂ1＝Ｂ2）するので、回転子７に作用するｙ軸方向のラジアル力Ｆyは０となる。つまり、Ｆy＝Ｆ1−Ｆ2＝０であり、回転子７にはｙ軸方向のラジアル力Ｆyが作用しない。
また、同様にそれぞれのラジアル巻線Ｎxに流す直流電流ｉxを０、もしくは相互に逆
方向とすることにより、回転子７にはｘ軸方向のラジアル力Ｆxが作用しない。
【００２７】
一方、図２（ｂ）は、スラスト方向の軸支持力（以下、スラスト力と略記）の発生原理を示す。
永久磁石３によって、ラジアル制御用固定子２において放射状に発生したバイアス磁束Ψbは、スラスト制御用固定子４においては、コの字型固定子の先端部分、つまり、図中左側の円環状部分４ｂの先端部分からは回転子７に向かって図中右向きに方向を変える一方、図中右側の円環状部分４ｂの先端部分からは回転子７に向かって図中左向きに方向を変える。そして、回転子７において、軸方向両端側から中心に向かうそれぞれのバイアス磁束Ψbは、回転子７の中央部分からラジアル制御用回転子２に向かって半径方向外側（放射状）に方向を変える。
【００２８】
このとき、スラスト巻線５（スラスト巻線Ｎz）に直流電流（スラスト電流）ｉzを流
すと、図２（ｂ）に示すように、スラスト巻線５を取り囲むようにスラスト磁束Ψzが発生する。このスラスト磁束Ψzは、スラスト制御用固定子４の図中左側の円環状部分４ｂの先端部分から回転子７に向かって方向を変え、回転子７において軸方向右側に向かい、更に、回転子７から図中右側の円環状部分４ｂの先端部分に向かって方向を変える。
そのため、回転子７とスラスト制御用固定子４の間隙においては、バイアス磁束Ψbとスラスト磁束Ψzの重ね合わせによって生じる磁束密度の不平衡によって、上記と同様にＺ軸方向のスラストＦzが発生する。
【００２９】
以上のことから、本発明の３軸能動制御型磁気軸受は、ラジアル方向２軸、スラスト方向１軸の計３軸方向に軸支持力を発生できる。
そして、これらの軸支持力を発生させるラジアル磁束やスラスト磁束は、磁気抵抗の大きな永久磁石を通過しないため、軸支持力が効果的に発生できるといった特性も備えている。
【００３０】
＜解析結果＞
本発明の３軸能動制御型磁気軸受が原理どおりに、ラジアル方向とスラスト方向に軸支持力を発生できるか検証するため、３Ｄ−ＦＥＭ解析を行った。以下に解析結果を示す。
表１に解析に用いた３軸能動制御型磁気軸受スラスト磁気軸受の諸元を示す。
【００３１】
【表１】
2011085223.tif 000003
【００３２】
図９（ａ）は、ラジアル電流ｉyを０から定格値４．０２Ａ（Arms／mm2）まで変化さ
せた際のラジアル力Ｆyの解析結果を示し、図９（ｂ）は、スラスト電流ｉzを０から定
格値４．０２Ａ（Arms／mm2）まで変化させた際のスラスト力Ｆzの解析結果を示す。
解析を行う際、ラジアル力とスラスト力の間に干渉が生じないか確認を行うため、図９（ａ）では、スラスト電流ｉzを０と定格値の時、図９（ｂ）では、ラジアル電流ｉyを
０と定格値の時、それぞれについて行った。
【００３３】
解析結果より、ラジアル力とスラスト力は、互いに干渉することなく、電流に対してほぼ線形の関係を備えていることがわかる。
そして、定格電流におけるラジアル力とスラスト力はそれぞれ１４７．６Ｎ、２３４．６Ｎであり、回転子全体の重量を約４．４ｋｇと想定しているため、十分な性能を備えていることが確認できた。
【００３４】
本発明は、組立性の良さやバランス取りの取り易さといった利点を持つ円筒形回転子を備えた３軸能動制御型磁気軸受であり、ラジアル磁気軸受とスラスト磁気軸受の両方の機能を十分に備えていることが３Ｄ−ＦＥＭの解析結果より示された。
【００３５】
＜本発明と従来技術との対比＞
磁気軸受を用いて５軸能動制御で完全非接触支持を行った場合の回転機の機器構成を図３に示す。
図３（ａ）は、従来の磁気軸受を用いた場合である。即ち、モータ１０を２個のラジアル磁気軸受２０，３０で挟み込み、更に大径のディスク形回転子４１を備えたスラスト磁気軸受４０を回転子主軸５０の反側に設置した４ユニット構造となっている。ディスク回転子４１は回転子主軸５０に固定されている。
【００３６】
従来のスラスト磁気軸受は、大径のディスク形回転子４１のために、組立を行う際、回転子主軸５０を反側から固定子内に挿入した後、負荷を後付けで直側から装着するといった組立性の悪さや負荷を含めた回転子のバランス取りの難しさ、さらには、ディスク形回転子４１の周速上昇による回転速度の制限といった問題があった。
これらの問題を解決するために、図３（ｂ）に示すように、ディスク形回転子に代えて、モータ１０やラジアル磁気軸受２０，３０の回転子と同じ直径を持つ円筒形回転子６１を備えたスラスト磁気軸受６０が提案されている。円筒型回転子６１は回転子主軸５０に固定される。
【００３７】
本発明は、この円筒形回転子を備えたスラスト磁気軸受をさらに発展させ、図３（ｃ）に示すように、ラジアル磁気軸受３０の機能を取り込み一体化することで、円筒形回転子６１を備えた３軸能動制御型磁気軸受７０である。
即ち、モータ１０をラジアル磁気軸受２０と、ラジアル磁気軸受とスラスト磁気軸受の両方の機能を備えた３軸能動制御型磁気軸受７０で挟んだ構造を有する回転機である。
【００３８】
本発明の３軸能動制御型磁気軸受を用いることで、組立性の良さやバランス取りの取り易さといった利点を損なうことなく、全体の機器構成を４ユニットから３ユニットに減少することができ、装置の小型化、低コスト化、高速化が大きく期待される。
本発明の３軸能動制御型磁気軸受の構造と原理は上述した通りであり、ラジアル磁気軸受とスラスト磁気軸受の両方の機能を十分に備えていることを３Ｄ−ＦＥＭの解析結果より示した。
【実施例１】
【００３９】
本発明の実施例１に係る円筒型回転子を備えた３軸能動制御型磁気軸受装置を図４に示す。
本実施例は、本発明の基本的な実施例であり、図１に示す３軸能動制御型磁気軸受装置に比較して、円筒型回転子７が回転子主軸８に挿入されている点、ＳＵＳ管６を図中で省略した点以外は同様の構成を有し、同様の作用効果を示す。
【００４０】
本実施例においても、永久磁石３によって、ラジアル制御用固定子２では、回転子７から放射状に或いはその逆向きにバイアス磁束Ψbが発生しているため、図４に示す通り、回転子７は軸方向にＳ−Ｎ−Ｓ若しくはＮ−Ｓ−Ｎの３極に励磁される。
そのため、この励磁磁束にスラスト巻線５によるスラスト磁束Ψz、もしくはラジアル巻線１によるラジアル磁束Ψyを重畳することで、磁束の粗密を作り出し、スラスト力、もしくはラジアル力を発生することができる。
【実施例２】
【００４１】
本発明の実施例２に係る円筒型回転子を備えた３軸能動制御型磁気軸受装置を図５に示す。
本実施例は、永久磁石３を薄くできるように改良したものである。
即ち、スラスト制御用固定子４の円環状部分４ｂの内周面に内側に向かう凸部４ｃを形成し、この凸部４ｃに永久磁石３を載置したものである。
【００４２】
その他の構成は、実施例１と同様であり、同一部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。
本実施例は、上述した実施例と同様な作用効果を奏する他、円環状部分４ｂの凸部４ｃに永久磁石３を載置したので、永久磁石３を薄くでき、そのため、製造コストを削減できる利点がある。
なお、永久磁石３を載置する凸部はラジアル制御用固定子２に形成しても良い。
【実施例３】
【００４３】
本発明の実施例３に係る円筒型回転子を備えた３軸能動制御型磁気軸受装置を図６に示す。
本実施例は、永久磁石３とスラスト巻線５の配置を逆となるように変更したものである。
【００４４】
即ち、ラジアル制御用固定子２の径方向外側に永久磁石３が配置され、この永久磁石３は、Ｓ極がラジアル制御用固定子２に向かうように着磁されている。永久磁石３はエポキシ樹脂等の接着剤の充填によってスラスト制御用固定子４に固定することが可能である。
従って、本実施例においても、永久磁石３によって、図２（ａ）に示すように、ラジアル制御用固定子２では、回転子７からラジアル制御用固定子２に向かって放射状にバイアス磁束Ψbが発生する。
【００４５】
このバイアス磁束Ψbは、スラスト制御用固定子４において、図２（ｂ）に示すように、図中左側の円環状部分４ｂの先端部分から回転子７に向かって図中右向きに方向を変え、また、図中右側の円環状部分４ｂの先端部分から回転子７に向かって図中左向きに方向を変える。
永久磁石３の着磁方向は逆でも、つまり、Ｎ極がラジアル制御用固定子２に接するようにしても良い。永久磁石３の形状は、リング磁石形状でも良く、多数の立方体の磁石を並べても良い。
【００４６】
更に、ラジアル制御用固定子２のヨーク部分及び永久磁石３は、軸方向両側から周方向に巻回されたスラスト巻線５によって挟み込まれている。
従って、スラスト巻線５に直流電流ｉzを流すと、実施例１と同様に、スラスト巻線５
を取り囲むように、スラスト磁束Ψzが発生する。
【００４７】
上述した通り、ラジアル制御用固定子２では放射状にバイアス磁束Ψbが発生し、回転子７は軸方向にＳ−Ｎ−Ｓ若しくはＮ−Ｓ−Ｎの３極に励磁されているため、この励磁磁束にスラスト巻線５によるスラスト磁束Ψz、もしくはラジアル巻線１によるラジアル磁束Ψyを重畳することで、磁束の粗密を作り出し、スラスト力、もしくはラジアル力を発生することができる。
本実施例では、永久磁石３の個数を実施例１に比較して半減することができるので、製造コストを削減することが可能である。
【実施例４】
【００４８】
本発明の実施例４に係る円筒型回転子を備えた３軸能動制御型磁気軸受装置を図７に示す。
本実施例は、スラスト巻線に直流電流を流さない状態でもスラスト力を発生できるように改良したものである。いわゆるオフセットを乗せられるようにしたものである。
【００４９】
即ち、図７に示すように、スラスト制御用固定子４は、円筒部分４ａの両端部において内周側に向かう円環状部分４ｂ，４ｂを有し、更に、図中右側の円環状部分４ｂは、回転子７の端面に向かい合う延長部分４ｄを有する。
つまり、図中右側の円環状部分４ｂは、図中左側の円環状部分４ｂに比較して、延長部分４ｄの分だけ内周側に延長され、そのため、この延長部分４ｄは回転子７の端面に面として向かい合っている。
一方、図中左側の円環状部分４ｂは、回転子７の端面に対して面として向かい合っていない。
【００５０】
そのため、図中左側の円環状部分４ｂから回転子７には磁束が通りにくいのに対し、図中右側の円環状部分４ｂの延長部分４ｄから回転子７には磁束が通やすい。つまり、スラスト制御用固定子４は、回転子７の軸方向両側において、磁束の通りやすさのバランスが異なるのである。
従って、図７において、図中左側の永久磁石３による磁束は、図中破線で示すように、一部の磁束は図中左側の円環状部分４ｂから回転子７に向かって斜めに向かうが、図中実線で示すように、多くの磁束はスラスト制御用固定子４の円筒部分４ａを経て、図中右側の円環状部分４ｂ、延長部分４ｄから回転子７に向かうことになる。
【００５１】
そのため、スラスト巻線５に直流電流を流す以前において、図７に示すように、磁束密度の不平衡が生じており、そのため、図８に示すようにＺ軸方向のスラストＦzが発生する。つまり、オフセットを乗せられるのである。
そのため、本実施例は、スラスト巻線５に直流電流を流すことなく、例えば、ターボ機械等に適用した場合に発生するスラスト方向の外乱力に抗するスラスト力を、電流を流さない状態でも発生させることが可能である。
【００５２】
なお、本発明の実施例の説明および図３（ｃ）に示す回転機の構成では、モータ１０をラジアル磁気軸受２０と、３軸能動制御型磁気軸受７０で挟み、磁気軸受２０の外側に負荷を配置した構造を示しているが、本発明の回転機はこの構成に限定されない。
例えば、回転子主軸８に取り付けられた負荷を含む回転子主軸８の重心を挟み込むように、３軸能動制御型磁気軸受７０と、当該３軸能動制御型磁気軸受７０に対する重心の反対側に少なくとも１つ以上のラジアル方向を支持する軸受機構と、を設ければ、負荷、モータ、および軸受の位置関係は入れ替わった回転機の構成でも良い。
また、軸受機構は、磁気軸受に限定される事なく、通常のベアリング軸受やすべり軸受、油軸受、空気軸受、さらにはセルフベアリング機能を有するモータを配置しても良い。
【００５３】
この他、本発明の実施例の説明および図１乃至図７では、非磁性体の回転子主軸８に磁性体の円筒型回転子７を挿入した構造を示しているが、ラジアル制御用固定子２と前記回転子７との間の磁束を妨げない構造、すなわち前記回転子７の外径よりも小径（アウターロータ型の場合は、円筒型回転子７よりも大径）であれば、回転子主軸８は磁性体でも良く、さらには、回転子主軸８と前記回転子７を一体の磁性体で構成した構造でも良い。
また、本実施例ではインナーロータ型の磁気軸受構造を示したが、前記回転子７が半径方向の外周側に、固定子が内周側に配置されたアウターロータ型にも適用できることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、円筒型回転子を備えた３軸能動制御が可能な磁気軸受、特にラジアル磁気軸受とスラスト磁気軸受を一体化した３軸能動磁気軸受として広く産業上利用可能なものである。
【符号の説明】
【００５５】
１  ラジアル巻線
２  ラジアル制御用固定子
３  永久磁石
４  スラスト制御用固定子
５  スラスト巻線
６  ＳＵＳ管
７  円筒型回転子
８  回転子主軸
１０  モータ
２０，３０  ラジアル磁気軸受
４０  スラスト磁気軸受
４１  ディスク
５０  回転子主軸
６０  スラスト軸受
６１  円筒型回転子
７０  ３軸能動制御型磁気軸受
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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