(57)【要約】【課題】装置を大型化することなくタッチダウン機能を備えることを可能とする。【解決手段】ステータ２の突極２ｂとロータ１との半径方向における両対向端面のうちの少なくとも一方側に、非磁性の固体潤滑材料からなるタッチダウン層５を設けるとともに、上記ステータ２の突極２ｂに、ロータ１側への対向面を周方向に拡張させた傘部２ｃを設けたことによって略閉スロット状のステータ２を形成して、従来のような大型のタッチダウン軸受を配置することなく、ロータ１側からの接触力を、層状のタッチダウン層５と突極２ｂの傘部２ｃとにより極めて良好に緩和させるように構成したものである。【選択図】　　　図３
2004132513.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性体からなるロータが、ステータに対して半径方向に対向しながら回転可能に配置されているとともに、
上記ステータに設けられた複数の突極に、前記ロータを浮上制御するための浮上制御磁束を発生するステータ巻線が巻回されている一方、その浮上制御磁束に作用して浮上力を発生させるためのバイアス磁束を形成するバイアス形成手段が設けられた磁気軸受装置において、
上記ステータの突極と前記ロータとが半径方向に対向する両端面のうちの少なくとも一方側には、非磁性の固体潤滑材料からなるタッチダウン層が設けられているとともに、
前記ステータの突極に、前記ロータ側への対向端面を周方向に拡張させた傘部が設けられていることによって略閉スロット状のステータが形成されていることを特徴とする磁気軸受装置。
【請求項２】
前記バイアス形成手段が、永久磁石からなることを特徴とする請求項１記載の磁気軸受装置。
【請求項３】
前記固体潤滑材料が、プラスチック系の固体潤滑材料からなることを特徴とする請求項１記載の磁気軸受装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の磁気軸受装置を備えたことを特徴とする磁気浮上モータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エネルギ貯蔵フライホイールや超高速回転体などに用いられる回転体を非接触で支持する磁気軸受装置、及びそれを用いた磁気浮上モータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転体を磁気浮上させて非接触支持する磁気軸受装置は、回転に伴う損失を格段に減少することができるものであることから、近年、多くの用途に広く使用されるようになっている。一般の磁気軸受装置は、ロータをアキシアル方向に非接触支持する１組の制御型アキシアル磁気軸受と、ロータをラジアル方向に非接触支持する２組の制御型ラジアル磁気軸受とを備えているが、そのうちのラジアル磁気軸受に設けられたステータには、ロータの周方向に沿って等間隔に配置された複数個（通常は４個）の電磁石が設けられている。
【０００３】
さらに、それらの各電磁石には、ラジアル方向の内側に突出してロータの外周面と半径方向に対向する複数の突極からなる磁極が設けられているとともに、上記各突極には、励磁電流を流すためのステータ巻線が巻回されている。そのときのステータ巻線に対する励磁電流は、一定のバイアス電流と、回転体の変位によって制御される制御電流とを合わせたものであり、上記各磁極には、バイアス電流による一定のバイアス磁束と、制御電流による制御磁束とを合わせた磁束が形成されることとなる。なお、いわゆるハイブリッド型の磁気軸受装置の場合には、上述した一定のバイアス電流は印加されることはなく、バイアス永久磁石によって一定のバイアス磁束が形成されるようになっている。
【０００４】
また、一般の磁気軸受では、ステータの突極間で磁束がショートすると、突極とロータとの間のギャップにおける磁束密度が低下して磁気軸受作用が小さくなってしまうことから、それを防止するために隣り合う突極どうしの間隔を出来るだけ大きくして、いわゆる開スロット状の構成になされている。
【０００５】
一方、このような磁気軸受装置においては、特開平８−３２６７５１号公報や特表平１０−５０２７２２号公報などのように、ボールベアリングなどからなるタッチダウン軸受を設けることが従来より行われている。そのタッチダウン軸受は、磁気軸受装置の制御に何らかの問題を生じたり、想定以上の外力が加わったときなどの非常時に対応するものであって、そのような非常時に、ロータが電磁石側に強く接触することをタッチダウン軸受により防止することによって、装置の破壊などの損傷を未然に回避するようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来装置におけるタッチダウン軸受は、その使用頻度が磁気軸受装置の全寿命中において１０回程度であるにもかからず、上述したようにボールベアリングにより構成されていることから、タッチダウン軸受を設けることによって装置全体が大型化してしまうという問題がある。また滑り軸受を備えたものもあるが、ボールベアリングと併用したものに過ぎず、それらのタッチダウン軸受が磁気軸受装置とは別個に取り付けられていることから、装置の大型化の問題に関しては依然として解消されていない。
【０００７】
そこで本発明は、装置を大型化することなく良好なタッチダウン機能をもたせることができるようにした磁気軸受装置、及びそれを用いた磁気浮上モータを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の請求項１にかかる磁気軸受装置では、ステータの突極とロータとが半径方向に対向する両端面のうちの少なくとも一方側に、非磁性の固体潤滑材料からなるタッチダウン層が設けられているとともに、前記ステータの突極に、前記ロータ側への対向端面を周方向に拡張させた傘部が設けられていることによって略閉スロット状のステータが形成された構成になされている。
【０００９】
例えば、図１、図２及び図３に示されている磁気軸受装置では、回転自在に配置された磁性体からなるロータ（回転軸）１の外周側に、適宜のギャップを介して環状のステータ２が取り囲むように配置されており、そのステータ２に設けられた環状基部２ａには、中心側に向かって半径方向に突出する複数（８極）の突極２ｂが放射状に設けられている。それらの各突極２ｂには、ステータ巻線３がそれぞれ巻回され、上記ロータ１をラジアル方向に浮上制御するための浮上制御磁束を形成する制御電流と、バイアス磁束を形成するバイアス電流とが作用する構成になされている。
【００１０】
そして、特に図２に示されているように、上記ステータ２の突極２ｂがロータ１側に対向する部位には、当該突極２ｂにおけるロータ１側への対向端面を周方向に拡張させた傘部２ｃがそれぞれ設けられており、それらの周方向に隣接している傘部２ｃどうしが互いに近接して配置されていることによって、略閉スロット状のステータ２が形成されている。
【００１１】
また、特に図３に示されているように、上記突極２ｂに設けられた傘部２ｃの内周面、すなわち上記ロータ１と半径方向に対向する端面には、非磁性の固体潤滑材料からなるタッチダウン層５が設けられている。このタッチダウン層５は、図示のようなステータ２の突極２ｂ側に設けられたものに限られず、ロータ１の外周表面に形成したものや、図４に示されているように、上記ステータ２の突極２ｂ側とロータ１の外周表面との双方における半径方向の両対向端面にそれぞれ設けるようにしたものも同様に採用することができる。
【００１２】
このような構成を有する磁気軸受装置によれば、万一、ロータ１側がステータ側に接触しようとしても、従来のようなボールベアリング型のタッチダウン軸受を配置することなく、ロータ１側からの接触力が、層状のタッチダウン層５によって吸収されるとともに、略閉スロット状をなすように設けられた広い面積の傘部２ｃによって接触力の集中が回避されているため、ロータ１側からの衝撃力が良好に緩和され、滑り軸受と同様な作用によってロータ１を安全に支持しつつ停止させることができる。
【００１３】
なお、上述したようにステータ２を略閉スロット型のものにしておけば、突極２ｂの部分において、磁束密度が回転体周方向に滑らかに変化するようになり、突極のある部分とない部分との磁束密度の差が小さくなり、突極の間の変化が極めて円滑的な状態となって回転により生じる渦電流損が小さくなるという利点もある。
【００１４】
一方、本発明の請求項２にかかる磁気軸受装置では、上記請求項１においてバイアス形成手段が永久磁石からなることから、バイアス磁束が強力かつ確実に形成されることとなり、上述した作用が良好に得られるようになっている。
【００１５】
このように本発明は、電磁石がステータ巻線のみによって磁場を形成する従来のヘテロポーラ型ラジアル磁気軸受、電磁石が永久磁石によってバイアス磁束を形成してステータ巻線により制御磁束を形成するハイブリッド型ラジアル磁気軸受のいずれの場合にも適用することができる。なお、永久磁石を有するハイブリット型磁気軸受の場合においては、バイアス磁束発生手段が永久磁石となることから強大な磁束を容易に発生させることが可能となり、ロータとステータとの間のギャップを拡大することができる。従って、本発明によるタッチダウン層が容易に形成されることとなる。
【００１６】
さらに、本発明の請求項３にかかる磁気軸受装置では、上記請求項１における固体潤滑材料がプラスチック系の固体潤滑材料からなることから、良好な機能を有するタッチダウン層が容易に形成されるようになっている。
【００１７】
さらにまた、本発明の請求項４にかかるモータでは、上記請求項１から請求項３のいずれかに記載の磁気軸受装置を備えていることから、磁気浮上モータにおいても同様な作用が得られるようになっている。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
まず、前述した図１〜図３に示された磁気軸受に対して図５のような制御系を付設した第１の実施形態にかかる制御型ラジアル磁気軸受装置を説明する。これらの各図において、互いに直交する２つのラジアル方向制御軸のうち、一方をｘ軸、他方をｙ軸とする。
【００１９】
各図に示すように、ラジアル磁気軸受は、８個の電磁石Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６，Ｍ７，Ｍ８を備えている。以下、これらの電磁石を、符号「Ｍ」で総称することとする。上記８個の電磁石Ｍは、例えば鉛直状に延在する回転体（ロータ）１の周囲に、当該回転体１の周方向（以下、単に「周方向」と略す。）に等間隔をおいて配置されている。このときの各電磁石Ｍの配置間隔（角度）はπ／４（＝４５°）である。
【００２０】
上記回転体１の外周部には、円環状のステータ２が、上記回転体１と同心状となるように配置されており、そのステータ２の部分に上記電磁石Ｍが設けられている。上記各電磁石Ｍを備えたステータ２は、積層鋼板からなるコア体から構成されており、円環状基部２ａの内周壁面からラジアル方向の内側に突出して磁極を構成する突極２ｂを有している。それらの各突極２ｂは、前記回転体１の外周面に対して半径方向外方側から近接して対向するように配置されていて、当該回転体１の外周面に対面する上記各突極２ｂのラジアル方向内側の先端面は、上記回転体１の外周面に沿って凹状に窪む形状の円筒面になされている。
【００２１】
そして、それらの各突極２ｂにおける先端側の周方向両端には、周方向に向かってそれぞれ張り出すように拡張された傘部２ｃ，２ｃが一体的に形成されている。これらの各傘部２ｃのうち、周方向に隣接する傘部２ｃ，２ｃの周方向先端部どうしは、互いに近接するように配置されており、それによって、いわゆる閉スロット状のステータ２が形成されている。
【００２２】
このとき、特に図３に示されているように、上述した各突極２ｂにおける傘部２ｃの内周面、すなわち前記回転体１の外周面と半径方向に対向する端面には、非磁性の固体潤滑材料からなるタッチダウン層５が設けられている。このタッチダウン層５は、ステータ２に設けられた突極２ｂ側のみならず、回転体１の外周表面に形成してもよく、また、図４に示されているように、それら両部材２ｂ，１どうしが半径方向に対向する両端面の双方に設けるようにしてもよい。
【００２３】
本実施形態では、上記タッチダウン層５を構成している固体潤滑材料として、例えばポリアセタール、超高分子量ポリエチレン、ポリエーテル、エーテルケトン、ポリアミドイミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテリフタレート、ポリアミド、ポリテトラフルオロエチレンなどのようなプラスチック系の固体潤滑材料が採用されており、これらに、二硫化モリブデン、ワックス、カーボン、カーボン繊維、ガラス繊維、グラファイトなどを充填剤として添加した複合材料も採用することが可能である。
【００２４】
一方、このようなラジアル磁気軸受に付設された制御系は、例えば図５に示されているような構成になされていて、上述した電磁石Ｍの近傍に、回転体１のｘ軸方向の変位を検出するためのｘ軸方向位置センサ１１と、回転体１のｙ軸方向の変位を検出するためのｙ軸方向位置センサ１２が設けられている。
【００２５】
ラジアル磁気軸受には、また、上記位置センサ１１，１２の出力信号に基づいて各電磁石Ｍのステータ巻線３に供給する励磁電流を制御するラジアル方向制御用のコントローラ（制御手段）１３が設けられている。このコントローラ１３には、上述したｘ軸方向位置センサ１１及びｙ軸方向位置センサ１２からの出力信号によって上記回転体１のｘ軸方向の変位及びｙ軸方向の変位を求め、それらｘ軸方向の変位及びｙ軸方向の変位に基づいて上記各電磁石Ｍに対する励磁電流信号を出力するＰＩＤ制御部１３ａが設けられている。このＰＩＤ制御部１３ａから各電磁石Ｍに出力される励磁電流信号は、各電磁石Ｍのステータ巻線３に対応して設けられた４個のアンプ（電流増幅器）Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４により増幅して供給される構成になされている。これらのアンプは、符号Ａで総称することとする。
【００２６】
上記コントローラ２７のＰＩＤ制御部１３ａは、回転体１のｘ軸方向の変位に基づいて、ｘ軸方向の４個の電磁石Ｍ１，Ｍ２，Ｍ５，Ｍ６に対するｘ軸方向の制御電流値Ｉｘｃを演算するとともに、回転体１のｙ軸方向の変位に基づいて、ｙ軸方向の４個の主電磁石Ｍ３，Ｍ４，Ｍ７，Ｍ８に対するｙ軸方向の制御電流値Ｉｙｃを演算する機能を備えている。
【００２７】
このような構成を有する本実施形態にかかる磁気軸受装置によれば、万一、回転体１側がステータ２側に接触しようとしても、従来のようなボールベアリング型のタッチダウン軸受を配置することなく、回転体１側からの接触力が、層状のタッチダウン層５によって吸収される。加えて、略閉スロット状のステータ２を構成するように設けられた広い端面面積の傘部２ｃによって、磁束の集中が回避されていることから、回転体１側からの衝撃力が良好に緩和されるようになっている。
【００２８】
次に、図６に示された第２の実施形態にかかるラジアル磁気軸受は、ハイブリッド型のものであり、上述した第１実施形態にかかる図１〜図５のものに対応する部分には同一の符号を付している。
【００２９】
ラジアル磁気軸受は、第１実施形態の場合と同様に配置された適宜の数のハイブリッド型電磁石ｍを備えているが、図６に示すように、当該電磁石ｍ全体は、断面略コ字状になされている。それらの各電磁石ｍは、上下両端に磁極を有する永久磁石３０を備えており、その永久磁石３０の図示上下の両端には、ステータ巻線２１，２２が巻かれて磁極１６，１７を構成する突極１８，１９がそれぞれ設けられている。
【００３０】
ここで、上記各突極２ｂ，１９は、積層鋼板により構成されていて、上記回転体１の外周面に半径方向に対向するように配置されている。上記永久磁石３０は、図示上下の同じ側の極性が全て同一になるように配置されていて、この例では、上側がＮ極、下側がＳ極となるように永久磁石３０が配置されている。このため、当該永久磁石３０の上端から、図示上側の突極２ｂ、回転体１、及び図示下側の突極１９を通って、再び永久磁石３０の図示下端に戻る閉じた磁路が形成されることとなり、図示上側の突極２ｂの先端部には、Ｎ極のバイアス磁極が形成され、図示下側の突極１９の先端部には、Ｓ極のバイアス磁極が形成されるようになっている。このとき、上記各電磁石ｍのステータ巻線２１，２２の巻き数は、互いに等しくなるように設定されている。
【００３１】
このように第２の実施形態では、バイアス形成手段が、ステータ巻線２１，２２とは別個に配置された永久磁石３０からなることから、バイアス磁束が強力かつ確実に形成されることとなり、上述した第１の実施形態における作用・効果が良好に得られるようになっている。
【００３２】
一方、図７に示されている実施形態は、上述したような本発明にかかる磁気軸受装置を備えた磁気浮上モータの一実施形態であって、細長円筒状のモータケース４０内に回転自在に配置されたモータ回転軸４１が、二体のラジアル磁気軸受装置４２，４３によってラジアル方向に磁気浮上するように支持されているとともに、一体のスラスト磁気軸受装置４４によってスラスト方向に磁気浮上して支持されている。
【００３３】
そして、上記二体のラジアル磁気軸受装置４２，４３どうしの間部分に、モータコア４５ａ、モータ駆動巻線４５ｂ及びモータマグネット４５ｃなどから構成されるモータ駆動部４５が配置されており、そのモータ駆動部４５により回転駆動される回転軸４１の磁気浮上量が、ラジアル変位センサ４６、及びスラスト変位センサ４７によって常時測定されながら、上記回転軸４１が非接触状態で支持されるように制御されるようになっている。
【００３４】
このような磁気浮上モータにおける磁気軸受装置においても、上述した磁気軸受装置における作用・効果が同様に得られる。
【００３５】
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形可能であるというのは言うまでもない。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１にかかる磁気軸受装置は、ステータの突極とロータとの半径方向における両対向端面のうちの少なくとも一方側に、非磁性の固体潤滑材料からなるタッチダウン層を設けるとともに、上記ステータの突極に、ロータ側への対向面を周方向に拡張させた傘部を設けたことによって略閉スロット状のステータを形成しており、万一、ロータ側がステータ側に接触しようとしても、従来のようなボールベアリング型のタッチダウン軸受を配置することなく、ロータ側からの接触力を、層状のタッチダウン層と突極の傘部とにより極めて良好に緩和させるように構成したものであるから、装置を大型化することなくタッチダウン機能を備えることができ、最近の小型化の要請に好適に対応することができる。また、軸長を短縮化することができることから、特に高速回転時における曲げ振動を低減することができ、軸受特性を向上させることができる。
【００３７】
また、本発明の請求項２にかかる磁気軸受装置は、上記請求項１におけるバイアス形成手段を永久磁石から構成して、バイアス磁束を強力かつ確実に形成させるように構成したものであるから、上述した効果を更に向上させることができる。
【００３８】
さらに、本発明の請求項３にかかる磁気軸受装置は、上記請求項１における固体潤滑材料をプラスチック系の固体潤滑材料から形成して、良好な機能を有するタッチダウン層を容易に形成したものであるから、上述した効果に加えて生産性の向上を図ることができる。
【００３９】
さらにまた、本発明の請求項４にかかるモータは、上記請求項１から請求項３のいずれかに記載の磁気軸受装置を備えたものであるから、磁気浮上モータにおいても同様な効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる制御型ラジアル磁気軸受装置の構成を表した縦断面説明図である。
【図２】図１に表した磁気軸受装置の横断面説明図である。
【図３】図１に表した磁気軸受装置の要部を拡大して表した縦断面説明図である。
【図４】本発明にかかる磁気軸受装置の他の実施形態の構成を表した図３相当の縦断面説明図である。
【図５】本発明の第１の実施形態にかかる制御型ラジアル磁気軸受装置に付設された制御系の構成を表したブロック図である。
【図６】本発明をハイブリッド型ラジアル磁気軸受装置に適用した実施形態の構成を表した横断面説明図である。
【図７】本発明にかかる磁気軸受装置を備えた磁気浮上モータの実施形態を表した縦断面説明図である。
【符号の説明】
１　ロータ
２　ステータ
２ｂ　突極
２ｃ　傘部
５　タッチダウン層
１１　回転体
１６，１７　磁極
１８，１９　突極
２１，２２　ステータ巻線
Ｍ１〜Ｍ８　電磁石
ｍ１〜ｍ８　電磁石
【図１】
2004132513.tif 000003
【図２】
2004132513.tif 000004
【図３】
2004132513.tif 000005
【図４】
2004132513.tif 000006
【図５】
2004132513.tif 000007
【図６】
2004132513.tif 000008
【図７】
2004132513.tif 000009