(57)【要約】【課題】消費電力を減少することができる磁気軸受装置を提供する。【解決手段】回転体２の下端フランジ部２３下面に永久磁石２１が設けられるとともに、ケーシング１の底壁１ａ上面に、回転体２の永久磁石２１に反発力を作用させる永久磁石２２が設けられている。回転体２の本体部分は、磁気特性が良好な材料で形成されており、回転体２およびケーシング１の永久磁石近傍部分である回転体下端フランジ部２３およびケーシング底壁１ａは、非磁性材料によって形成されている。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングと、ケーシング内で回転する回転体と、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を備えている磁気軸受装置において、回転体の所定箇所に永久磁石が設けられるとともに、ケーシングに、回転体の永久磁石に反発力を作用させる永久磁石が設けられており、回転体およびケーシングのうちの永久磁石近傍部分は、非磁性材料によって形成されていることを特徴とする磁気軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、複数組の磁気軸受で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】
この種の磁気軸受装置としては、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ものが知られている。回転体を鉛直方向に配置した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（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１−１２６４２３号公報
【０００４】
【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、自重を支持するための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）が増大してエネルギーの損失が増大することから、その改良が課題となっている。
【０００５】
この発明の目的は、消費電力を減少することができる磁気軸受装置を提供することにある。
【０００６】
【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、ケーシングと、ケーシング内で回転する回転体と、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を備えている磁気軸受装置において、回転体の所定箇所に永久磁石が設けられるとともに、ケーシングに、回転体の永久磁石に反発力を作用させる永久磁石が設けられており、回転体およびケーシングのうちの永久磁石近傍部分は、非磁性材料によって形成されていることを特徴とするものである。
【０００７】
永久磁石は、例えば、回転体の下端面およびケーシングの底壁の上面にそれぞれ設けられる。そして、回転体の永久磁石は、下側のＮ極層（またはＳ極層）および上側のＳ極層（またはＮ極層）によって形成され、ケーシングの永久磁石は、上側のＮ極層（またはＳ極層、要するに回転体の永久磁石に反発力を与える極層）および下側のＳ極層（またはＮ極層）によって形成される。これにより、回転体には、自重と逆向きに磁気反発力が作用する。
【０００８】
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、回転体には、自重と逆向きに磁気反発力が作用するので、回転体の自重を支持するための制御電流が少なくて済み、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。永久磁石間の反発力は、例えば、回転体の自重（回転軸だけでなく、これと一体となって回転するユニット全体の自重）分に相当する大きさとなるように調整される。このようにすると、回転体の自重を支持するための制御電流を実質的にゼロとすることができる。そして、回転体およびケーシングの永久磁石近傍部分は、非磁性材料によって形成されているので、この部分は、永久磁石の磁束によって磁化されることはなく、非作動状態が長時間継続しても永久磁石近傍の磁化状態が変化せず、これにより、回転体の自重分を保持するための永久磁石間の反発力が一定に保持され、その後、作動状態に切り換えた際には、回転体の安定浮上が可能となる。
【０００９】
回転体およびケーシングの永久磁石近傍部分を形成する非磁性材料としては、例えば、Ａ５０５６，Ａ７０７５，ＳＵＳ３０４等が好ましい。回転体の永久磁石近傍部分を除いた本体部分およびケーシングの永久磁石近傍部分を除いた本体部分は、良好な磁気特性の要・不要あるいは高強度の要・不要に応じて、部位ごとに材質を選択すればよい。
【００１０】
【発明の実施形態】
以下、図面を参照して、この発明を５軸制御型磁気軸受装置に適用した実施形態について説明する。
【００１１】
図１は、５軸制御型磁気軸受装置の主要部を概略的に示す縦断面図である。この磁気軸受装置は、鉛直筒状のケーシング（１）の内部で同心状に配置された鉛直軸状の回転体（２）が回転する縦型のものである。以下の説明において、回転体のアキシアル方向（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。
【００１２】
ケーシング（１）内には、回転体（２）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（４）、回転体（２）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（５）（６）、回転体（２）のアキシアル方向の位置を検出するための１組のアキシアルセンサユニット（７）、回転体（２）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（８）（９）、回転体（２）を高速回転させるビルトイン型電動機（１０）、ならびに回転体（２）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回転体（２）を磁気軸受（４）（５）（６）で非接触支持できなくなったときなどに回転体（２）を機械的に支持する上下２組のタッチダウン軸受（１１）（１２）が設けられている。
【００１３】
回転体（２）の下端には、フランジ部（２３）が設けられており、この下面に永久磁石（２１）が設けられている。そして、ケーシング（１）の底壁（１ａ）上面に、回転体（２）の永久磁石（２１）に反発力を作用させる永久磁石（２２）が設けられている。これら２つの永久磁石（２１）（２２）により、回転体（２）の自重を支持するための回転体支持手段が構成されている。各永久磁石（２１）（２２）は、いずれもＮ極層およびＳ極層からなる環状の同一形状に形成されており、これらの永久磁石（２１）（２２）同士が互いに反発するように、両者ともに回転体（２）と同心でかつ同じ極（図示はＮ極）同士が対向するようになされている。永久磁石（２１）（２２）間の距離は、両磁石（２１）（２２）間に働く反発力が回転体（２）の自重分に相当する大きさとなるように設定されている。回転体（２）のフランジ部（２３）は、これ以外の回転体（２）の部分が磁気特性が良好な材料で形成されているのに対し、非磁性材料で形成されている。また、ケーシング（１）の底壁（１ａ）も非磁性材料によって形成されている。
【００１４】
アキシアル磁気軸受（４）は、回転体（２）の上部に設けられたフランジ部（２ａ）をＺ軸方向の上方から臨むように配置されたアキシアル電磁石（４ａ）を備えている。各ラジアル磁気軸受（５）（６）は、それぞれ、回転体（２）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（５ａ）（６ａ）と、回転体（２）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。電動機（１０）は、ケーシング（１）側に設けられたステータ（１０ａ）と、回転体（２）側に設けられたロータ（１０ｂ）とから構成されている。
【００１５】
上部ラジアルセンサユニット（８）は、上部ラジアル磁気軸受（５）の近傍における回転体（２）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（５）の上側近傍の回転体（２）の外周に設けられたターゲット部（１３）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（８ａ）と、ターゲット部（１３）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（９）は、下部ラジアル磁気軸受（６）の近傍における回転体（２）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（６）の下側近傍の回転体（２）の外周に設けられたターゲット部（１４）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（９ａ）と、ターゲット部（１４）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（８ａ）（９ａ）は、公知のものであり、回転体（２）のターゲット部（１３）（１４）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（８ａ）（９ａ）により回転体（２）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（２）のＹ軸方向の位置が検出される。
【００１６】
回転体（２）の上端に、短円柱状のアキシアル方向ターゲット（１５）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（７）は、回転体（２）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（１５）の上端面の中心部にＺ軸方向の上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（７ａ）を有している。アキシアルセンサ（７ａ）は、コアにコイルが巻かれたものである。アキシアルセンサ（７ａ）は、公知のものであり、回転体（２）のターゲット（１５）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（７ａ）により、回転体（３）のＺ軸方向の位置が検出される。
【００１７】
上部タッチダウン軸受（１１）は、回転体（２）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。上部タッチダウン軸受（１１）の外輪（１１ａ）は、アキシアル磁気軸受（４）の電磁石鉄心（４ｂ）に固定されており、内輪（１１ｂ）は、回転体（２）が磁気軸受（４）（５）（６）により非接触支持された状態で、回転体（２）の上端寄りの部分の外周に形成された環状みぞ（１６）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。下部タッチダウン軸受（１２）は、回転体（２）の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（１２）の外輪（１２ａ）はケーシング（１）に固定されており、内輪（１２ｂ）は、回転体（２）が磁気軸受（４）（５）（６）により非接触支持された状態で、回転体（２）の下端寄りの外径が均一な軸部にラジアル方向にわずかな隙間をあけて対向している。回転体（２）が磁気軸受（４）（５）（６）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（１１）の内輪（１１ｂ）と回転体（２）とのアキシアル方向およびラジアル方向の隙間ならびに下部タッチダウン軸受（１２）の内輪（１２ｂ）と回転体（２）との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。回転体（２）の下端の永久磁石（２１）とケーシング（１）の底壁（１ａ）上面の永久磁石（２２）との間隔についても、同様に誇張して示している。
【００１８】
上記の磁気軸受装置が作動を停止しているときなど、回転体（２）を磁気軸受（４）（５）（６）で非接触支持していないときには、回転体（２）は、タッチダウン軸受（１１）（１２）によって機械的に支持される。このとき、回転体（２）が電磁石（４ａ）（５ａ）（６ａ）、センサ（７ａ）（８ａ）（９ａ）などに接触しないように、各部の寸法が決められている。
【００１９】
磁気軸受装置の運転中は、アキシアルセンサユニット（７）により検出された回転体（２）のＺ軸方向の位置、ならびにラジアルセンサユニット（８）（９）により検出された回転体（２）のＸ軸およびＹ軸方向の位置に基づいて、各磁気軸受（４）（５）（６）の電磁石（４ａ）（５ａ）（６ａ）を制御することにより、回転体（２）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、このように回転体（２）が磁気軸受（４）（５）（６）により非接触支持された状態で、電動機（１０）により回転体（２）が高速回転させられる。
【００２０】
各磁気軸受（４）（５）（６）の電磁石（４ａ）（５ａ）（６ａ）の制御に際しては、回転体（２）の下端の永久磁石（２１）とケーシング（１）の底壁（１ａ）上面の永久磁石（２２）との間に、回転体（２）の自重分を保持する反発力が作用することから、アキシアル磁気軸受（４）の電磁石（４ａ）には、回転体（２）の自重を支持するための電流は供給されずに、変位を制御するための電流だけが供給され、アキシアル磁気軸受（４）の制御電流が最小限に抑えられる。
【００２１】
磁気軸受装置の作動時と非作動時とでは、下端部に配置された永久磁石（２１）（２２）近傍部分のエアギャップが数１００μｍ異なるため、磁気軸受装置を非作動のまま長時間放置した場合、回転体（２１）の永久磁石近傍部分すなわち下端フランジ部（２３）およびケーシング（１）の永久磁石近傍部分すなわち底壁（１ａ）の磁化の状態が磁気軸受装置作動時の状態と異なってくる恐れがあるが、これらの永久磁石近傍部分（２３）（１ａ）は、いずれも非磁性材料によって形成されているので、永久磁石（２１）（２２）の磁束によって磁化されることはない。したがって、非作動状態が長時間継続しても永久磁石近傍部分（２３）（１ａ）の磁化状態が変化せず、これにより、回転体（２）の自重分を保持する永久磁石（２１）（２２）間の反発力が一定に保持され、その後、作動状態に切り換えた際の回転体（２）の安定浮上が確保される。なお、非磁性体材料で形成される永久磁石近傍部分は、回転体（２１）の下端フランジ部（２３）およびケーシング（１）の底壁（１ａ）に限られるものではなく、回転体（２）の自重分を保持する永久磁石（２１）（２２）間の反発力を一定に保持するように、非磁性体部分が設定される。また、環状の永久磁石（２１）（２２）は、これを非磁性体の円盤体に一体に設けておき、この円盤体を回転体（２）の下端面およびケーシング（１）の底壁上面にそれぞれ設けられた凹所にはめ込むことにより、回転体（２）およびケーシング（１）に取り付けるようにしてもよい。
【００２２】
磁気軸受装置の各部の構成は、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５軸制御型磁気軸受装置の機械的部分を示す縦断面図である。
【符号の説明】
（１）          ケーシング
（１ａ）        底壁（永久磁石近傍部分）
（２）          回転体
（４）          アキシアル磁気軸受
（５）（６）      ラジアル磁気軸受
（２１）        永久磁石
（２２）        永久磁石
（２３）        下端フランジ（永久磁石近傍部分）
【図１】
2004232740.tif 000003