(57)【要約】【課題】積層鋼板を使用することなく、簡単な加工によって、回転軸表面における渦電流を大幅に低減できる磁気軸受装置を提供する。【解決手段】  回転軸３と、該回転軸３を磁力で支持する軸受構造５とを有する磁気軸受装置であって、軸受構造５は、回転軸３の外周面に対向し回転軸３を囲む磁極部７を有し、磁極部７と回転軸３との間で発生する磁力により回転軸３を非接触で支持するようになっており、回転軸表面には窪み９が形成されており、窪み９の形状、位置および数の少なくともいずれかが、回転軸３の回転と磁極部７に起因する磁界とにより回転軸表面に発生する渦電流を抑制するように設定されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と、該回転軸を磁力で支持する軸受構造とを有する磁気軸受装置であって、
前記軸受構造は、前記回転軸の外周面に対向し前記回転軸を囲む磁極部を有し、該磁極部と前記回転軸との間で発生する磁力により前記回転軸を非接触で支持するようになっており、
回転軸表面には窪みが形成されており、
該窪みの形状、位置および数の少なくともいずれかが、前記回転軸の回転と前記磁極部に起因する磁界とにより回転軸表面に発生する渦電流を抑制するように設定されている、ことを特徴とする磁気軸受装置。
【請求項２】
前記窪みは、回転軸表面における前記磁極部に対向する部分にて、周方向に延びて形成されている１つもしくは複数の溝である、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】
前記窪みの深さは、少なくとも前記回転軸の表皮深さ程度である、ことを特徴とする請求項１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、磁気軸受装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気軸受装置は、ロータである回転軸と、回転軸を囲みこれを磁力で非接触に支持するステータである軸受構造とを有する。
【０００３】
回転軸は、磁性材料を用いて形成され、例えば、高速回転するターボ圧縮機や、極低温回転機械、ターボチャージャ、フライホイール等の回転軸である。回転軸には、積層鋼板を用いた積層型の回転軸とソリッド型の回転軸とがある。
積層型では、図１０に示すように、回転軸３の磁極対向部にスリーブ１５を設け、このスリーブ１５を介して積層鋼板を回転軸３に固定している。積層鋼板には珪素を含有させて、材料として電気抵抗を高めている。また、０．１〜０．５ｍｍ程度の薄板の鋼板を絶縁層を介して積層する。このようにして回転軸表面において渦電流が発生するのを抑制している。しかし、積層型では、機械強度が低いため、回転軸の周速は２００ｍ／ｓ程度が制限となることが知られている。
ソリッド型では、上記のような積層鋼板を用いず、回転軸をシャフト材のみで構成するので、剛性が高く高周速でも対応可能である。その反面、ソリッド型では、回転軸表面において渦電流が発生しやすく渦電流損失が非常に大きくなることから一般的には用いられていない。
【０００４】
軸受構造は、回転軸を囲むように周方向に配置された複数の磁極部を有する。これら磁極部から高速回転中の回転軸に磁束を通して、その電磁吸引力で回転軸を浮上させて非接触で支持する。このような軸受構造には、ヘテロポーラ型とホモポーラ型とがある。
ヘテロポーラ型は、製作しやすいため、最も一般的に採用される磁極形状の軸受構造である。図１１は、ヘテロポーラ型の軸受構造を示しており、図１１（Ｂ）は図１１（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。図１１に示すように、周方向にＮＳ極部が交互に配置される。この場合、Ｎ極部またはＳ極部から回転軸３表面へ向かう磁界は回転軸３表面において回転軸３の軸方向にほぼ直交する。そのため、図１２のように、フレミングの右手の法則から、磁界の存在下で回転する回転軸３の表面には回転軸３の軸方向に起電力が発生し、この起電力の向きはＮ極部に対向する部分とＳ極部に対向する部分とで逆になり、その結果、この起電力により回転軸３表面において渦電流が発生する。
ホモポーラ型は、図１３に示すように、軸方向にＮ極部とＳ極部が並び周方向には同極部が並ぶ。従って、磁極部から回転軸表面に向かう磁界により回転軸３表面において回転軸３の軸方向に起電力が発生しても、この起電力の向きは異なる周方向位置で同じになるので、渦電流はヘテロポーラ型の場合よりも小さくなる。しかし実際には、磁極部が有る部分と無い部分とで磁界の強弱分布が起きるため、局所的に磁界の強い部分から弱い部分に向かう電流により渦電流が発生する。すなわち、渦電流発生の原因となる起電力は以下の式（１）で示され、磁束密度（磁界Ｂ）が小さい場合でも、高速回転軸のように高速回転する場合には、ホモポーラ型であっても大きな渦電流が発生してしまう。
ｅ∝Ｂ・ｖ・Ｌ．．．（１）  
ｅ：起電力、Ｂ：磁束密度、ｖ：磁界を切る速度、Ｌ：導体の長さ
【０００５】
上述のように、従来では、積層型の回転軸を用いない場合には、ホモポーラ型であっても、回転軸表面に発生する渦電流を十分に低減できない問題があった。
そのため、積層型の回転軸を用いずに、回転軸表面に渦電流が発生する問題を解決できる磁気軸受装置が望まれている。このような磁気軸受装置は特許文献１に記載されている。
【０００６】
図１４は特許文献１の磁気軸受装置の構成を示している。図１４（Ｂ）は図１４（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。特許文献１では、ホモポーラ型磁気軸受装置において、連結部１１を設け、隣接するＮ極同士及びＳ極同士をそれぞれ周方向に一体に連結し、或いは材質の異なる磁性体で周方向に連結している。これにより、隣接するＮ極（及びＳ極）の中間位置における磁束密度を高めて周方向の磁束密度の強弱分布の発生を小さくしている。これにより、渦電流発生を抑制している。
【特許文献１】特開２００１−２７１８３６号公報  「磁気軸受装置」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
積層型の軸受構造を用いずに、簡単な加工によって回転軸表面における渦電流を大幅に低減できれば、なおさら望ましい。
そこで、本願の目的は、特許文献１とは別の手段により、積層鋼板を使用することなく、簡単な加工によって、回転軸表面における渦電流を大幅に低減できる磁気軸受装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明によると、回転軸と、該回転軸を磁力で支持する軸受構造とを有する磁気軸受装置であって、前記軸受構造は、前記回転軸の外周面に対向し前記回転軸を囲む磁極部を有し、該磁極部と前記回転軸との間で発生する磁力により前記回転軸を非接触で支持するようになっており、回転軸表面には窪みが形成されており、該窪みの形状、位置および数の少なくともいずれかが、前記回転軸の回転と前記磁極部に起因する磁界とにより回転軸表面に発生する渦電流を抑制するように設定されている、ことを特徴とする磁気軸受装置が提供される。
【０００９】
上記構成では、回転軸に窪みを形成することで渦電流を抑制するので、積層鋼板を使用することなく、簡単な加工によって回転軸表面における渦電流を大幅に低減することが可能になる。即ち、本発明では、一体的に形成されている回転軸の表面に窪み加工を施すことにより窪みを形成し、該窪みにより渦電流を抑制できるので、窪み加工を施したソリッド型の回転軸を用いて渦電流を大幅に低減することが可能になる。
【００１０】
本発明の好ましい実施形態によると、前記窪みは、回転軸表面における前記磁極部に対向する部分にて、周方向に延びて形成されている１つもしくは複数の溝である。例えば、前記磁極部がＳ極部およびＮ極部を含み、該Ｓ極部とＮ極部が回転軸の軸方向に並ぶホモポーラ型の軸受構造の場合には、回転軸表面において、前記Ｓ極部に対向する部分および前記Ｎ極部に対向する部分のそれぞれに、１つ又は複数の前記溝が周方向に形成されている。
【００１１】
上記構成では、回転軸表面において、前記磁極部に対向する部分に１つ又は複数の溝を周方向に形成するので、渦電流を効果的に遮断して渦電流を大幅に低減できる。
【００１２】
また、本発明の好ましい実施形態によると、前記窪みの深さは、少なくとも前記回転軸の表皮深さ程度である。
【００１３】
上記構成では、窪みの深さを、少なくとも渦電流が流れる深さである表皮深さ程度としているので、渦電流を効果的に遮断して渦電流を大幅に低減できる。
【発明の効果】
【００１４】
上述した本発明によると、積層鋼板を使用することなく、簡単な加工によって、回転軸表面における渦電流を大幅に低減することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明を実施するための最良の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１６】
図１は、図１３に対応するが、本発明の実施形態による磁気軸受装置１０を示している。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＢ−Ｂ線矢視図である。磁気軸受装置１０は、ターボ圧縮機の回転軸３と、回転軸３を磁力で支持する軸受構造５とを有する。軸受構造５は、回転軸３の外周面に対向し回転軸３を囲む磁極部７を有し、該磁極部７と回転軸３との間で発生する磁力（磁極部７から回転軸３に向かうまたはその逆方向の磁界によって発生する磁力）により回転軸３を非接触で支持するように構成されている。回転軸３は磁性材料（好ましくは、軟磁性材料）からなっており、例えば鋼または鉄により回転軸３を形成してよい。しかし、回転軸３は、磁力で非接触に支持されるように、他の適切な磁性材料からなっていてもよい。
【００１７】
図１の例では、軸受構造５はホモポーラ型である。即ち、図１に示すように、磁極部７はＳ極部７ａおよびＮ極部７ｂを含み、該Ｓ極部７ａとＮ極部７ｂが回転軸３の軸方向に並ぶように軸受構造５が形成されている。
【００１８】
本実施形態によると、回転軸表面には窪み９が形成されており、該窪み９の形状、位置および数の少なくともいずれかが、回転軸３の回転と磁極部７に起因する磁界とにより回転軸表面に発生する渦電流を抑制するように設定されている。
【００１９】
また、本実施形態によると、窪み９は、回転軸表面における前記磁極部に対向する部分にて、周方向に延びて形成されている１つもしくは複数の溝である。即ち、溝９は、回転軸３表面における各磁極部７ａ、７ｂに対向する１つ又は複数の軸方向位置にて、周方向に形成されている。図１の例では、極部７ａに対向する部分およびＮ極部７ｂに対向する部分のそれぞれに、１つの溝９が周方向に回転軸３を１周するように形成されている。後述するように、溝９により、溝９が無い場合に回転軸３表面に発生する渦電流を遮断・分割して、渦電流を小さくし、その値を大幅に低減できる。
図２は本実施形態による溝９を示す一部拡大斜視図であり、図３は溝９を示す一部拡大断面図である。図２の破線矢印で示す渦電流ｅは、溝９を設けなかった場合に回転軸３表面に発生するものである。なお、図１〜図３において、分かりやすくするために溝９の寸法を大きくして記載しており、実際には、溝９は図１と図２に示す寸法より小さいものでもよい。
【００２０】
本発明実施形態によると、溝９の深さは、少なくとも回転軸３の表皮深さ程度である。表皮深さについて簡単に説明すると、導体（本実施形態では、回転軸３）を伝わる信号の周波数（本実施形態では、回転軸３に作用する磁場の変動周波数）が高くなると表皮効果により電流が導体の内部より表面に集中し、この電流が流れる深さを表皮深さという。
表皮深さδは次式で表される。
【００２１】
【数１】
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【００２２】
ここで、ωは導体を流れる電流の角周波数であり、μｒは導体の比透磁率であり、μ０は真空中の透磁率であり、σは導体の電気伝導率である。
本実施形態では、回転軸３の表皮深さを１ｍｍ程度または１ｍｍ以下にできるので、溝９の深さを１ｍｍ程度または１ｍｍ以下にすることで、渦電流を効果的に抑制できる。例えば、回転軸３をＳＣＭ４４０鋼で形成すると、ＳＣＭ４４０は、比透磁率が３３００であり、電気伝導率が２３５２９４１（Ｓ／ｍ）であるので、ＳＣＭ４４０の表皮深さは、周波数５０Ｈｚで０．８１ｍｍとなり、周波数の増加に伴って増加し周波数１×１０６Ｈｚで６μｍとなり、周波数２．５×１０６Ｈｚで４μｍとなる。本実施形態によると、ＳＣＭ４４０を用いてソリッド型回転軸３を形成し、周波数が１×１０６Ｈｚ〜２．５×１０６Ｈｚとなるように回転軸を高速回転させる場合、溝９の深さは６μｍ程度でよい。なお、回転軸３の材料は、溝９を設けることにより渦電流を抑制できさえすれば、鋼以外にも鉄など他の適切なものであってもよい。
また、［数１］から分かるように、回転軸３の回転速度が高速になればなるほど、表皮深さが小さくなるので、対象とする回転軸がより高速で回転する場合には、より微細な溝９を形成するだけで、渦電流を抑制することが可能になる。なお、溝９の幅は、渦電流を抑制できる大きさであり、溝９の深さと同程度であるか、または、溝９の深さ以上であっても後述の図４のように渦電流を遮断・分割できる程度の大きさであるのが好ましい。
【００２３】
図４は、図１のように溝９を形成した場合のシミュレーション結果であり、回転軸３表面上の渦電流の様子を示している。なお、図４は図１の破線Ａで示す部分である。図５は、図４に対応するが溝９を形成しない場合のシミュレーション結果を示している。図４に示すように、渦電流を遮断・分割して、渦電流を小さくしている。図４から分かるように、図５と比較して渦電流が低減されている。なお、図４からは認識しにくいが、シミュレーション結果によると、回転軸３表面上の各部においても渦電流密度が、図４では図５よりも大きく低減されている。
【００２４】
また、図６、図７は、図１、図２のように溝９を形成した場合と、図１、図２において溝９を形成しなかった場合のシミュレーション結果を示している。図６において、縦軸は磁極部７が回転軸３を吸引する力を示し、溝９がある場合と無い場合との吸引力を相対的に示している。図７において、縦軸は渦電流損失（渦電流によって生じる損失）を示し、溝９がある場合と無い場合との渦電流損失を相対的に示している。図６と図７から分かるように、溝９を設けることで、磁極部７が回転軸３を吸引する力を大幅に向上できるとともに、渦電流を大幅に低減できることが分かる。なお、渦電流損失の単位はＷであるが、図７では無次元化している。
【００２５】
このように、図６や図７の結果から、磁極部７に対向する回転軸３表面部分に１本の溝９を形成するだけでも、磁極部７が回転軸３を吸引する力を大幅に向上できるとともに、渦電流を大幅に低減できることが分かる。
【００２６】
上述したように、溝９の深さは、回転軸３の表皮深さ程度であってよい。この場合には、回転軸３の強度はほとんど低下しない。回転する回転軸３に発生する応力は、材料力学によると、回転軸３の内部に空洞が無い場合でも、回転軸３の内部に空洞がある場合（例えば、円筒形回転軸）でも、回転軸３の最外径（即ち、表面）で最小となる。例えば、図８は、ＪＳＭＥの機械工学便覧、基礎編α３、第６０頁から抜粋した図である。図８において、σｒは回転円板に発生する半径方向の応力であり、σθは回転円板に発生する周方向の応力である。図８から分かるように、回転円板の応力分布は、円板の最外径で最小となる。従って、溝９の深さを表皮深さ程度に小さくすることで、溝９を形成しても回転軸３の強度をほとんど低下しないようにできる。その結果、回転軸の周速を２８０ｍ／ｓ以上にすることができる。なお、溝９の深さを、回転軸３の表皮深さ以上としても、回転軸３の強度がほとんど低下しない叉は回転軸３の回転に影響を及ぼさない程度の深さとすることができる。
【００２７】
上述した本実施形態の磁気軸受装置１０によると、回転軸３に溝９を形成することで渦電流を抑制するので、積層鋼板を使用することなく、簡単な加工によって、渦電流を大幅に低減することが可能になる。即ち、本実施形態では、一体的に形成されている回転軸３の表面を削ることにより溝９を形成し、該溝９により渦電流を抑制することができるので、ソリッド型の回転軸３を用いて渦電流を大幅に低減することが可能になる。また、磁極部７に対向する回転軸３表面部分に、１つ又は複数の溝９を周方向に形成するので、渦電流を効果的に遮断できる。さらに、溝９の深さを、少なくとも回転軸３の表皮深さとしているので、渦電流を効果的に遮断できる。この場合、溝９の深さを表皮深さにすることで、溝９を形成しても回転軸３の強度をほとんど低下しないようにできる。
【００２８】
［他の実施形態］
また、本発明の他の実施形態によると、窪み９は、回転軸３表面における磁極部７に対向する部分にて、複数形成されている。これにより、回転軸３表面に流れる渦電流の抵抗を増やすことで、渦電流を抑制できる。好ましくは、図９に示すように、回転軸３表面における磁極部に対向する部分にて、千鳥状に多数形成されている。このように密に形成した窪み９により渦電流の抵抗を大幅に増やすことができ、その結果、渦電流を大幅に抑制できる。窪み９の深さは、溝９の場合と同様であり、回転軸３の表皮深さ程度である。この実施形態の他の効果は、溝９の場合と同様であり、多数の窪み９により渦電流を遮断・分割することもできる。また、窪み９の形状は図９に示す形状に限定されず、他の形状であってもよい。
【００２９】
本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。
例えば、上述した実施形態では、ホモポーラ型の軸受構造５を有する磁気軸受装置１０に上記窪み９を適用したものであるが、本発明はこれに限定されず、ヘテロポーラ型の軸受装置を有する磁気軸受装置に上記溝を形成してもよい。
溝９を周方向に形成する場合、溝９が無い場合に回転軸３表面に発生する渦電流を遮断・分割できればよく、必ずしも溝９は回転軸３を１周しなくてもよい。例えば、周方向に延びるが回転軸３を１周しない溝９を、溝９が無い周方向部分が周方向位置に関して互いに重ならないように隣接する複数の軸方向箇所に設け、これにより、溝９が無い場合に回転軸３表面に発生する渦電流を遮断・分割してもよい。
また、上述の実施形態では、回転軸３の周方向に溝９を形成したが、本発明はこれに限定されず、回転軸３表面において回転軸３の軸方向に１つ又は複数の溝を形成してもよい。
上述の実施形態では、周方向に配置される磁極部の数は４つであるが、他の適切な数の磁極部を周方向に配置してもよい。この場合、上記実施形態よりも多くの磁極部を周方向に配置し多極化してもよい。
また、上述した実施形態では、高速回転するターボ圧縮機の回転軸３に適用した場合であったが、本発明はこれに限定されず、磁力により支持され、高速回転することで渦電流が生じる他の回転軸に本発明を適用してもよい。
【００３０】
なお、本発明の溝を特許文献１の磁気軸受装置に適用してもよい。この場合、図１４において、隣接磁極を結合している連結部１１において磁気飽和が起き、一方の磁極からこれに隣接する磁極へ連結部１１を通して磁束漏れが生じないように、図１４の連結部の形状および寸法（例えば、連結部１１の厚み）を設定するのが好ましい。連結部１１の厚みは、連結部１１が一方の磁極からこれに隣接する他方の磁極へ延びている方向と垂直な方向における厚みである。また、連結部１１の形状および寸法の設定については、コイルに流れる電流の設定値に基づいて磁場解析のシミュレーションを行うことで、上記のように連結部１１の形状および寸法を設定できる。ロータに生じる磁束密度分布を均一化させるためには、本来、隣接部において磁気飽和を生じる領域は小さい方が望ましい。しかし、磁極、ロータ間の空隙よりも小さいと、制御するために必要な磁束が、隣接磁束に漏れることになるため、磁極、ロータ間の空隙よりも磁気飽和を生じる領域を大きくする必要がある。参考例として、上記溝を形成しないで、連結部１１の形状および寸法の設定を上記のようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施形態による磁気軸受装置の構成図である。
【図２】本発明の実施形態による溝を示す一部拡大斜視図である。
【図３】本発明の実施形態による溝を示す一部拡大断面図である。
【図４】本発明の実施形態による溝を形成した場合のシミュレーション結果であり、回転軸表面上の渦電流の様子を示している。
【図５】溝を形成しなかった場合のシミュレーション結果であり、回転軸表面上の渦電流の様子を示している。
【図６】溝を形成した場合と形成しなかった場合における吸引力を示す図である。
【図７】溝を形成した場合と形成しなかった場合における渦電流損失を示す図である。
【図８】回転円板に発生する応力を示す図である。
【図９】本発明の他の実施形態による窪みを示す図である。
【図１０】積層型の回転軸の構成図の一例である。
【図１１】ヘテロポーラ型の軸受構造を示す図である。
【図１２】ヘテロポーラ型の軸受構造における渦電流発生原理の説明図である。
【図１３】ホモポーラ型の軸受構造を示す図である。
【図１４】特許文献１の磁気軸受装置の構成図である。
【符号の説明】
【００３２】
３  回転軸
５  軸受構造
７  磁極部
７ａ  Ｓ極部
７ｂ  Ｎ極部
９  窪み、溝
１０  磁気軸受装置
１１  連結部
１５  スリーブ
【図１】
2008196548.tif 000004
【図２】
2008196548.tif 000005
【図３】
2008196548.tif 000006
【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】
2008196548.tif 000012
【図１０】
2008196548.tif 000013
【図１１】
2008196548.tif 000014
【図１２】
2008196548.tif 000015
【図１３】
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【図１４】
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