(57)【要約】【課題】アキシアル磁気軸受の消費電力を減少することができ、しかも、地震等の大きな外乱が発生した場合でも、回転体がアキシアル方向の変位を制限するタッチダウン軸受に接触することがなく、回転体のアキシアル方向の位置を安定に制御することができる磁気軸受装置を提供する。【解決手段】アキシアル磁気軸受６は、回転体を上向きに吸引する上部アキシアル電磁石１７および回転体を下向きに吸引する下部アキシアル電磁石１８を有している。上部アキシアル電磁石１７には、永久磁石２１が内蔵されており、下部アキシアル電磁石１８には、永久磁石が内蔵されていない。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直状の回転体と、回転体をアキシアル方向およびラジアル方向に非接触支持するための複数の電磁石を有する複数組の磁気軸受と、回転体のアキシアル方向の位置を検出するためのアキシアルセンサユニットと、回転体のラジアル方向の位置を検出するためのラジアルセンサユニットと、回転体のアキシアル方向の変位を制限するタッチダウン軸受と、磁気軸受の電磁石に制御電流を供給する磁気軸受制御装置とを備えている磁気軸受装置において、回転体をアキシアル方向に非接触支持するアキシアル磁気軸受は、回転体を上向きに吸引する上部アキシアル電磁石および回転体を下向きに吸引する下部アキシアル電磁石を有しており、上部アキシアル電磁石に永久磁石が内蔵され、下部アキシアル電磁石に永久磁石が内蔵されていないことを特徴とする磁気軸受装置。
【請求項２】
磁気軸受制御装置は、バイポーラ増幅器で発生させた電流信号にバイアス電流信号を加算せずに上部アキシアル電磁石へ制御電流を出力する上部アキシアル電磁石制御駆動部と、モノポーラ増幅器で発生させた電流信号にバイアス電流信号を加算せずに下部アキシアル電磁石へ制御電流を出力する下部アキシアル電磁石制御駆動部とを有している請求項１の磁気軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電力貯蔵装置などにおいて、複数組の磁気軸受で回転体（例えば、フライホイールの回転軸）をアキシアル方向およびラジアル方向に非接触支持して磁気浮上させる磁気軸受装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フライホイールの回転によって電力を貯蔵する電力貯蔵装置は、数時間以上の待機時間が必要であり、軸受損失を低減するために、その支持機構として、転がり軸受でなく、特許文献１に記載される５軸制御型磁気軸受装置が使用されている。
【０００３】
この５軸制御型磁気軸受装置は、回転体をアキシアル制御軸方向に非接触支持する１組のアキシアル磁気軸受、回転体をアキシアル方向の２箇所においてそれぞれ互いに直交する２つのラジアル制御軸方向に非接触支持する２組のラジアル磁気軸受を備えている。回転体を鉛直方向に配置した縦置き型の磁気軸受装置の場合、回転体の自重の支持は、アキシアル磁気軸受の電磁石を制御することによって行われていた。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１−１２６４２３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の磁気軸受装置では、回転体の自重の支持をアキシアル磁気軸受の電磁石を制御することによって行っているため、自重を支持する分の磁力を発生させる制御電流を常時供給する必要があり、この結果、アキシアル磁気軸受の消費電力（銅損）が増大し、フライホイール電力貯蔵装置の損失が増大し、そのエネルギ貯蔵効率を向上させるための妨げになっていた。
【０００６】
そこで、縦置き型の磁気軸受装置において、回転体の自重を支持する吸引力に永久磁石の吸引力を利用し、振動が発生した場合にのみ、これを抑制するために、コイルに制御電流を流して吸引力を変化させることにより、アキシアル磁気軸受の消費電力を減少することが考えられる。
【０００７】
しかしながら、縦置き型の磁気軸受装置を上記のように構成した場合、回転時のモータ外乱などの微振動を制御電流によって抑制することは容易であるが、地震等の大きな外乱が発生して回転体がアキシアル方向に大きく変位したときには、回転体と永久磁石とのギャップが非常に小さくなって永久磁石による大きな吸引力が回転体に作用する結果、制御電流だけでは回転体のアキシアル方向の位置を安定に制御できなくなり、アキシアル方向の変位を制限するタッチダウン軸受に回転体が接触し、回転体の安定した回転が妨げられるという問題がある。
【０００８】
この発明の目的は、アキシアル磁気軸受の消費電力を減少することができ、しかも、地震等の大きな外乱が発生した場合でも、回転体がアキシアル方向の変位を制限するタッチダウン軸受に接触することがなく、回転体のアキシアル方向の位置を安定に制御することができる磁気軸受装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この発明による磁気軸受装置は、鉛直状の回転体と、回転体をアキシアル方向およびラジアル方向に非接触支持するための複数の電磁石を有する複数組の磁気軸受と、回転体のアキシアル方向の位置を検出するためのアキシアルセンサユニットと、回転体のラジアル方向の位置を検出するためのラジアルセンサユニットと、回転体のアキシアル方向の変位を制限するタッチダウン軸受と、磁気軸受の電磁石に制御電流を供給する磁気軸受制御装置とを備えている磁気軸受装置において、回転体をアキシアル方向に非接触支持するアキシアル磁気軸受は、回転体を上向きに吸引する上部アキシアル電磁石および回転体を下向きに吸引する下部アキシアル電磁石を有しており、上部アキシアル電磁石に永久磁石が内蔵され、、下部アキシアル電磁石に永久磁石が内蔵されていないことを特徴とするものである。
【００１０】
この発明の磁気軸受装置によると、回転体のアキシアル方向およびラジアル方向の制御は、各磁気軸受の電磁石に制御電流を供給することにより行われ、この際、上部アキシアル電磁石に内蔵された永久磁石によって回転体をアキシアル方向に吸引して吊り下げることができるので、回転体の自重を支持する分の磁力を発生させる制御電流を供給しなくて済み、したがって、アキシアル磁気軸受の消費電力（銅損）が減少する。また、地震等の大きな外乱が発生した場合には、永久磁石が内蔵されていない下部アキシアル電磁石に制御電流を流すことによって回転体を下向きに吸引することができるので、回転体がタッチダウン軸受に接触することがなく、回転体のアキシアル方向の位置を安定に制御することができる。
【００１１】
磁気軸受制御装置は、バイポーラ増幅器で発生させた電流信号にバイアス電流信号を加算せずに上部アキシアル電磁石へ制御電流を出力する上部アキシアル電磁石制御駆動部と、モノポーラ増幅器で発生させた電流信号にバイアス電流信号を加算せずに下部アキシアル電磁石へ制御電流を出力する下部アキシアル電磁石制御駆動部とを有していることが好ましい。
【００１２】
バイポーラ増幅器で発生させた電流信号は、正（吸引力増加）および負（吸引力減少）の両方を含み、モノポーラ増幅器で発生させた電流信号は、正（吸引力増加）のみとなる。このようにすると、振動が発生せずに安定回転している時には、アキシアル磁気軸受には制御電流が流れないので、制御電流が少なくて済み、微小振動が発生した時には、上部アキシアル電磁石に制御電流を供給することにより、上部アキシアル電磁石の吸引力が増加または減少することにより、その振動が抑制される。そして、地震等の大きな外乱振動が発生した時には、下部アキシアル電磁石に制御電流が供給され、回転体のタッチダウン軸受への接触が下部アキシアル電磁石の吸引力増加によって防止される。
【００１３】
【発明の実施形態】
以下、図面を参照して、この発明をフライホイール電力貯蔵装置に適用した実施形態について説明する。
【００１４】
フライホイール電力貯蔵装置は、図１に示すように、コンテナ（１）内に納められたカーボンファイバ製の円筒状フライホイール（２）と、フライホイール（２）の回転軸（３）を非接触支持する磁気軸受装置（４）とを備えている。
【００１５】
磁気軸受装置（４）は、鉛直に配置された非磁性材料（アルミなど）製の略円筒状ケーシング（５）の内部で鉛直軸状の回転体（この場合は、フライホイールの回転軸）（３）が回転する縦型のものである。なお、以下の説明において、アキシアル方向（上下方向）の制御軸をＺ軸、Ｚ軸に対して直交するとともに互いに直交する２つのラジアル方向（水平方向）の制御軸をそれぞれＸ軸およびＹ軸とする。
【００１６】
磁気軸受装置（４）のケーシング（５）内には、フライホイール回転軸（３）をＺ軸方向に非接触支持する制御型アキシアル磁気軸受（６）、フライホイール回転軸（３）の上下２箇所をＸ軸およびＹ軸方向に非接触支持する上下２組の制御型ラジアル磁気軸受（７）（８）、フライホイール回転軸（３）のアキシアル方向の位置を検出するためのアキシアルセンサユニット（９）、フライホイール回転軸（３）の上下２箇所におけるＸ軸およびＹ軸方向の位置を検出するための上下２組のラジアルセンサユニット（１０）（１１）、フライホイール（２）と一体の周壁およびフライホイール回転軸（３）と一体の頂壁を有する円筒状ロータ（１２）、ロータ（１２）を高速回転させるモータのステータユニット（１３）、フライホイール回転軸（３）の回転速度を検出するための回転センサ（１４）ならびにフライホイール回転軸（３）のアキシアル方向およびラジアル方向の変位を制限してフライホイール回転軸（３）を磁気軸受（６）（７）（８）で非接触支持できなくなったときなどにフライホイール回転軸（３）を機械的に支持する上下２組のタッチダウン軸受（１５）（１６）が設けられている。
【００１７】
アキシアル磁気軸受（６）は、永久磁石（２１）が内蔵されておりフライホイール回転軸（３）を上向きに吸引する上部アキシアル電磁石（１７）と、永久磁石が内蔵されておらずフライホイール回転軸（３）を下向きに吸引する下部アキシアル電磁石（１８）とからなる。図２に拡大して示すように、上部アキシアル電磁石（１７）は、フライホイール回転軸（３）の下端部に設けられたフランジ部すなわちアキシアルディスク部（３ａ）のＺ軸方向上方においてフライホイール回転軸（３）の下端部を囲むように配置された断面逆Ｕ字形の電磁石鉄心（１９）と、アキシアルディスク部（３ａ）をＺ軸方向の上方から臨むように電磁石鉄心（１９）に支持されたアキシアル電磁石コイル（２０）と、これの径方向外側に隣り合うように電磁石鉄心（１９）に支持された永久磁石（２１）と、電磁石鉄心（１９）にギャップを介して対向する環状の磁気回路形成用鉄心（２２）とを備えている。永久磁石（２１）の吸引力は、フライホイール（２）、フライホイール回転軸（３）およびロータ（１２）の自重を支持する大きさとされている。下部アキシアル電磁石（１８）は、アキシアルディスク部（３ａ）のＺ軸方向下方においてフライホイール回転軸（３）の下端部およびその下方空間を囲むように配置された断面Ｕ字形の電磁石鉄心（２３）と、アキシアルディスク部（３ａ）をＺ軸方向の下方から臨むように電磁石鉄心（２３）に支持されたアキシアル電磁石コイル（２４）とを備えている。
【００１８】
各ラジアル磁気軸受（７）（８）は、それぞれ、フライホイール回転軸（３）をＸ軸方向の両側から挟むように配置された１対のラジアル電磁石（７ａ）（８ａ）と、フライホイール回転軸（３）をＹ軸方向の両側から挟むように配置された１対のラジアル電磁石（図示略）とを備えている。
【００１９】
上部ラジアルセンサユニット（１０）は、上部ラジアル磁気軸受（７）の近傍におけるフライホイール回転軸（３）のＸ軸およびＹ軸方向の位置を検出するためのものであり、上部ラジアル磁気軸受（７）の上側近傍のフライホイール回転軸（３）の外周に設けられたターゲット部（２５）をＸ軸方向の両側から挟むように配置された１対のＸ軸用ラジアルセンサ（１０ａ）と、ターゲット部（２５）をＹ軸方向の両側から挟むように配置された１対のＹ軸用ラジアルセンサ（図示略）とから構成されている。下部ラジアルセンサユニット（１１）は、下部ラジアル磁気軸受（８）の近傍におけるフライホイール回転軸（３）のＸ軸およびＹ軸方向の位置を検出するためのものであり、下部ラジアル磁気軸受（８）の下側近傍のフライホイール回転軸（３）の外周に設けられたターゲット部（２６）をＸ軸方向の両側から挟むように配置された１対のＸ軸用ラジアルセンサ（１１ａ）と、ターゲット部（２６）をＹ軸方向の両側から挟むように配置された１対のＹ軸用ラジアルセンサ（図示略）とから構成されている。各ラジアルセンサ（１０ａ）（１１ａ）は、公知のものであり、フライホイール回転軸（３）のターゲット部（２５）（２６）とのラジアル方向の隙間の大きさに対応した信号を出力する。したがって、各１対のＸ軸用ラジアルセンサ（１０ａ）（１１ａ）によりフライホイール回転軸（３）のＸ軸方向の位置が検出され、各１対のＹ軸用ラジアルセンサにより回転体のＹ軸方向の位置が検出される。各ターゲット部（２５）（２６）は、無方向性けい素鋼板製の環状の薄板を積層することにより構成されている。
【００２０】
フライホイール回転軸（３）の下端に、短円柱状のアキシアル方向ターゲット（２７）が同心状に取り付けられている。アキシアルセンサユニット（９）は、フライホイール回転軸（３）のＺ軸方向の位置を検出するためのものであり、ターゲット（２７）の下端面の中心部にＺ軸方向の下側から対向するように配置されているアキシアルセンサ（９ａ）を有している。アキシアルセンサ（９ａ）は、コアにコイルが巻かれたものである。回転センサ（１４）はアキシアルセンサ（９ａ）と同じ特性のものである。ターゲット（２７）の下端面の外周部の１つの円周上に、１つまたは複数の被検出部（２８）が形成されている。この例では、ターゲット（２７）の下端面の最外周に凹部を形成することにより、被検出部（２８）が形成されている。複数の被検出部（２８）が形成される場合、それらは円周方向に等間隔をおいて設けられる。アキシアルセンサ（９ａ）は、公知のものであり、フライホイール回転軸（３）のターゲット（２７）のＺ軸方向の位置に対応した信号を出力する。したがって、アキシアルセンサ（９ａ）により、フライホイール回転軸（３）のＺ軸方向の位置が検出される。
【００２１】
上部タッチダウン軸受（１５）は、フライホイール回転軸（３）のラジアル方向の変位を制限するものである。上部タッチダウン軸受（１５）の外輪（１５ａ）はケーシング（５）に固定されており、内輪（１５ｂ）は、フライホイール回転軸（３）が磁気軸受（６）（７）（８）により非接触支持された状態では、フライホイール回転軸（３）の上端寄りの部分の外径が均一な軸部（３ｂ）にラジアル方向にわずかな隙間をあけて対向している。下部タッチダウン軸受（１６）は、フライホイール回転軸（３）のアキシアル方向およびラジアル方向の変位を制限するものである。下部タッチダウン軸受（１６）の外輪（１６ａ）は上部アキシアル電磁石（１７）の電磁石鉄心（１９）に固定されており、内輪（１６ｂ）は、フライホイール回転軸（３）が磁気軸受（６）（７）（８）により非接触支持された状態では、フライホイール回転軸（３）の下部の外周に形成された環状みぞ（２９）の部分にアキシアル方向およびラジアル方向にわずかな隙間をあけて対向している。フライホイール回転軸（３）が磁気軸受（６）（７）（８）により非接触支持された状態において、上部タッチダウン軸受（１５）の内輪（１５ｂ）とフライホイール回転軸（３）とのラジアル方向の隙間ならびに下部タッチダウン軸受（１６）の内輪（１６ｂ）とフライホイール回転軸（３）とのアキシアル方向およびラジアル方向の隙間は実際には非常に小さいが、図１には、それらを誇張して示している。
【００２２】
磁気軸受制御装置は、図３に示すように、センサユニットＧｓの出力信号をＰＩＤ制御のコントローラＧｃの制御ゲインで調整し、これを増幅器（アンプ）ｉｕおよびｉｌで増幅して、電磁石Ｇｍに供給される制御電流（励磁電流）を発生させることにより、各電磁石の吸引力をバランスさせている。
【００２３】
ここで、増幅器としては、バイポーラ型ｉｕだけでなく、モノポーラ型ｉｌも使用されており、磁気軸受制御装置は、バイポーラ増幅器で発生させた電流信号にバイアス電流信号を加算せずに上部アキシアル電磁石（１７）へ制御電流を出力する上部アキシアル電磁石制御駆動部と、モノポーラ増幅器で発生させた電流信号にバイアス電流信号を加算せずに下部アキシアル電磁石（１８）へ制御電流を出力する下部アキシアル電磁石制御駆動部とを有している。
【００２４】
バイポーラ型の増幅器ｉｕは、図４（ａ）に示すように、正および負の両方の電流を上部アキシアル電磁石（１７）に出力し、モノポーラ型の増幅器ｉｌは、図４（ｂ）に示すように、正の電流のみを下部アキシアル電磁石（１８）に出力し、負の電流は出力しない。したがって、バイポーラ増幅器ｉｕで発生させた電流信号によっては、吸引力増加（正）および吸引力減少（負）の両方の制御が可能であり、モノポーラ増幅器ｉｌで発生させた電流信号によっては、吸引力増加のみの制御が可能となる。
【００２５】
上記の磁気軸受装置（４）が作動を停止しているときなど、フライホイール回転軸（３）を磁気軸受（６）（７）（８）で非接触支持していないときには、フライホイール回転軸（３）は、タッチダウン軸受（１５）（１６）によって機械的に支持される。このとき、フライホイール回転軸（３）が磁気軸受（６）（７）（８）、センサ（９）（１０）（１１）などに接触しないように、各部の寸法が決められている。
【００２６】
磁気軸受装置（４）の運転中は、アキシアルセンサユニット（９）により検出されたフライホイール回転軸（３）のＺ軸方向の位置、ならびにラジアルセンサユニット（１０）（１１）により検出されたフライホイール回転軸（３）のＸ軸およびＹ軸方向の位置に基づいて、各磁気軸受（６）（７）（８）を制御することにより、フライホイール回転軸（３）がアキシアル方向およびラジアル方向の所定位置に非接触支持される。そして、このようにフライホイール回転軸（３）が磁気軸受（６）（７）（８）により非接触支持された状態で、モータのステータユニット（１３）およびロータ（１２）によりフライホイール回転軸（３）とこれと一体のフライホイール（２）が高速回転させられる。
【００２７】
各磁気軸受（６）（７）（８）の制御に際しては、アキシアル磁気軸受（６）の永久磁石（２１）がフライホイール回転軸（３）を吸引してフライホイールユニット（２）（３）（１２）の自重分を保持することから、アキシアル磁気軸受（６）の電磁石コイル（２０）には、バイアス電流は供給されずに、軸方向の振動による変位を制御するための電流だけが供給される。こうして、振動が発生せずに安定回転している時には、アキシアル磁気軸受（６）には制御電流が流れないので、制御電流が少なくて済み、微小振動が発生した時には、上部アキシアル電磁石（１７）にバイポーラ増幅器ｉｕからの制御電流が供給されることによって、その吸引力が増加または減少することにより、その振動が抑制される。
【００２８】
正常回転時のフライホイール回転軸（３）と下部タッチダウン軸受（１６）とのすきまは、例えば、０．１５ｍｍとされ、この場合に、このすきまが例えば０．０５ｍｍ以下となった時に、下部アキシアル電磁石（１８）にモノポーラ型増幅器ｉｌからの制御電流が供給される。地震等の大きな外乱振動が発生した時には、フライホイール回転軸（３）とタッチダウン軸受（１５）（１６）とのすきまが急激に小さくなり、永久磁石（２１）の不平衡剛性が大きいために、増大した吸引力を上部アキシアル電磁石（１７）への制御電流だけでは補償しきれなくなり、高速回転中のフライホイール回転軸（３）がそのアキシアル方向の変位を制限している下部タッチダウン軸受（１６）に接触する危険性があるが、このような場合には、下部アキシアル電磁石（１８）に制御電流が供給され、フライホイール回転軸（３）が下部タッチダウン軸受（１６）に接触することが下部アキシアル電磁石（１８）の吸引力増加によって防止される。
【００２９】
なお、上記の実施形態においては、フライホイール電力貯蔵装置用の磁気軸受装置について説明したが、上記磁気軸受装置は、その他の種々の回転体の支持装置として使用することができる。また、磁気軸受装置（４）の各部の構成は、上記実施形態のものに限らず、適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明の実施形態を示すフライホイール電力貯蔵装置用の磁気軸受装置の機械的部分を示す縦断面図である。
【図２】図２は、図１の要部を示す拡大縦断面図である。
【図３】図３は、磁気軸受制御装置を示すブロック図である。
【図４】図４は、磁気軸受制御装置から出力される２種類の制御電流を示すグラフであり、（ａ）は、上部アキシアル電磁石に流れる制御電流、（ｂ）は、下部アキシアル電磁石に流れる制御電流である。
【符号の説明】
（３）          フライホイール回転軸（回転体）
（４）          磁気軸受装置
（６）          アキシアル磁気軸受
（７）（８）      ラジアル磁気軸受
（７ａ）（８ａ）    ラジアル電磁石
（１７）        上部アキシアル電磁石
（１８）        下部アキシアル電磁石
（２１）        永久磁石
【図１】
2004286175.tif 000003
【図２】
2004286175.tif 000004
【図３】
2004286175.tif 000005
【図４】
2004286175.tif 000006