(57)【要約】【課題】渦電流の発生を抑えることができるとともに、磁束密度を任意の値に設定することができ、しかもバイアス電流による損失を低減することができる磁気軸受を提供すること。【解決手段】回転するロータＲを囲むケーシング１１に取り付けられ、このロータＲを浮上状態で支持するステータコア１２とステータコイル１３を備える磁気軸受１０で、ステータコア１２を、ロータＲと先端面が対向し間隔をあけて配置されるヨーク部１２ａ，１２ａと、これらの基端部同士を連結する基部１２ｂとで構成し、少なくとも基部１２ｂを永久磁石１６で構成する。これにより、ヨーク部１２ａ同士を連結する基部１２ｂの永久磁石１６部分で渦電流の発生を抑え、電磁鋼板の積層構造等のヨーク部１２ａとの組み合わせで磁束密度を任意の値に設定することもでき、しかも永久磁石による定常的な磁束でバイアス電流を減らし、これによる損失を低減するようにしている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転するロータを囲むケーシングに取り付けられ、このロータを浮上状態で支持するステータコアとステータコイルを備える磁気軸受であって、
前記ステータコアを、前記ロータと先端面が対向し間隔をあけて配置されるヨーク部と、これらヨーク部の基端部同士を連結する基部とで構成するとともに、少なくとも基部を永久磁石で構成したことを特徴とする磁気軸受。
【請求項２】
前記ヨーク部と前記基部との接触面を傾斜面または段差面としたことを特徴とする請求項１記載の磁気軸受。
【請求項３】
前記ヨーク部も永久磁石で構成したことを特徴とする請求項１または２記載の磁気軸受。
【請求項４】
前記ステータコアを構成する間隔をあけて配置される前記ヨーク部を、前記ロータの軸方向に沿って配置したホモポーラ型で構成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の磁気軸受。
【請求項５】
前記ステータコアを前記ケーシングに円周方向等間隔に複数配置するとともに、隣接するヨーク部に周方向端部同士を接触させる張り出し部を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の磁気軸受。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、磁気軸受に関し、ステータコアの渦電流の発生を抑えるとともに、磁束密度を任意に設定できるようにしたもので、特にホモポーラ型磁気軸受に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
ターボ圧縮機やこれを直接駆動する誘導電動機、小型のガスタービンで駆動される誘導発電機などの回転電機の中には、高速回転で運転されるものがあり、例えばロータの両端部に遠心式圧縮機のインペラを取り付けた１軸２段のターボ圧縮機では、１０万ｒｐｍ以上の回転数で運転されるものもある。
【０００３】
このような高速で回転する電動機や発電機等の回転電機では、高速回転するロータを支持するため磁気軸受が用いられ、ロータに磁束を通してその磁気吸引力で浮上させて非接触状態で支持するようにしている。
【０００４】
このような磁気軸受の１つにホモポーラ型磁気軸受があり、その概略構造は、例えば図５に示すように、ホモポーラ型ラジアル磁気軸受１は回転するロータＲを囲むケーシング２と、このケーシング２に取り付けられロータＲを浮上状態で支持する円周等間隔に複数個、例えば４個配置されたステータコア３とステータコイル４を備えて構成されており、ロータＲは少なくとも外面が磁性体で形成してある。そして、各ステータコア３は２つのヨーク部３ａとこれらの基端部を連結する基部３ｂとで構成され、それぞれのヨーク部３ａにステータコイル４が巻かれており、ホモポーラ型磁気軸受１では、２つのヨーク部３ａ，３ａがロータＲの軸方向に隣接して配置してある。
【０００５】
このようなステータコア３では、渦電流などの鉄損を低減するため表面に絶縁層となる絶縁被膜を持つ電磁鋼板を使用して積層した構造とすることで、磁束直角方向に発生する渦電流が電磁鋼板の厚さ方向となるようにしてその発生を抑えるようにしている。
【０００６】
また、他のステータコアとして特許文献１，２には、図６に示すように、電磁鋼板５の積層方向をロータＲの軸線方向に対して直交方向となるように配置したものが開示されており、特許文献２には、電磁鋼板５によるステータコア３´の製造方法が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−３１１３５号公報
【特許文献２】
特開２００２−１７４２３７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ステータコア３では、２つのヨーク部３ａ，３ａと基部３ｂとを一体にしたコ字状に電磁鋼板を打ち抜き加工等で成形して積層することから、打ち抜き加工の際に電磁鋼板の端面にひけや反りが生じたり、だれが生じることがあり、積層方向の電磁鋼板が互い違いに接触し、接触部の電気的絶縁がなくなってしまい、このため電磁鋼板の接触部に渦電流が発生して損失が増大するという問題がある。
【０００９】
また、積層されたステータコア３のロータＲと対向する先端面をロータＲの外径に沿うように旋盤による切削加工や立て削り盤による切削加工を行うが、この切削によっても同様の電磁鋼板同士の接触が生じる場合があり渦電流発生の問題がある。
【００１０】
一方、このような磁気軸受１では、ロータＲを浮上状態に保持するため、ステータコイル４に常時制御電流（バイアス電流）を流し、制御の線型性を確保するとともに、磁束密度分布を均一にするようにしているが、このバイアス電流は損失となるとともに、コイルの発熱の原因になるという問題がある。
【００１１】
また、これまでのステータコア３では、電磁鋼板５を積層してステータコアとすることから、磁束密度を任意の値に設定することはできず、バイアス電流による制御で磁束密度分布を均一にする必要があった。
【００１２】
この発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたもので、渦電流の発生を抑えることができるとともに、磁束密度を任意の値に設定することができ、しかもバイアス電流による損失を低減することができる磁気軸受を提供しようとするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためこの発明の請求項１記載の磁気軸受は、回転するロータを囲むケーシングに取り付けられ、このロータを浮上状態で支持するステータコアとステータコイルを備える磁気軸受であって、前記ステータコアを、前記ロータと先端面が対向し間隔をあけて配置されるヨーク部と、これらヨーク部の基端部同士を連結する基部とで構成するとともに、少なくとも基部を永久磁石で構成したことを特徴とするものである。
【００１４】
この磁気軸受によれば、回転するロータを囲むケーシングに取り付けられ、このロータを浮上状態で支持するステータコアとステータコイルを備える磁気軸受で、前記ステータコアを、前記ロータと先端面が対向し間隔をあけて配置されるヨーク部と、これらヨーク部の基端部同士を連結する基部とで構成するとともに、少なくとも基部を永久磁石で構成するようにしており、ヨーク部を連結する基部を永久磁石としてこの部分での渦電流の発生を抑え、電磁鋼板の積層構造等のヨーク部との組み合わせで磁束密度を任意の値に設定することもでき、しかも永久磁石による定常的な磁束でバイアス電流を減らし、これによる損失を低減するようにしている。
【００１５】
また、この発明の請求項２記載の磁気軸受は、請求項１記載の構成に加え、前記ヨーク部と前記基部との接触面を傾斜面または段差面としたことを特徴とするものである。
【００１６】
この磁気軸受によれば、前記ヨーク部と前記基部との接触面を傾斜面または段差面とするようにしており、ヨーク部と基部の構造の自由度が増大するとともに、磁束密度を任意の値に設定することも容易となる。
【００１７】
さらに、この発明の請求項３記載の磁気軸受は、請求項１または２記載の構成に加え、前記ヨーク部も永久磁石で構成したことを特徴とするものである。
【００１８】
この磁気軸受によれば、前記ヨーク部も永久磁石で構成するようにしており、一層大きな定常的な磁束を付加することができ、一層バイアス電流を減らし、これによる損失を低減することができるようになる。
【００１９】
また、この発明の請求項４記載の磁気軸受は、請求項１〜３のいずれかに記載の構成に加え、前記ステータコアを構成する間隔をあけて配置される前記ヨーク部を、前記ロータの軸方向に沿って配置したホモポーラ型で構成したことを特徴とするものである。
【００２０】
この磁気軸受によれば、前記ステータコアを構成する間隔をあけて配置される前記ヨーク部を、前記ロータの軸方向に沿って配置したホモポーラ型で構成するようにしており、ホモポーラ型磁気軸受でも同様の作用効果を得ることができるようになる。
【００２１】
さらに、この発明の請求項５記載の磁気軸受は、請求項１〜４のいずれかに記載の構成に加え、前記ステータコアを前記ケーシングに円周方向等間隔に複数配置するとともに、隣接するヨーク部に周方向端部同士を接触させる張り出し部を設けたことを特徴とするものである。
【００２２】
この磁気軸受によれば、前記ステータコアを前記ケーシングに円周方向等間隔に複数配置するとともに、隣接するヨーク部に周方向端部同士を接触させる張り出し部を設けるようにしており、張り出し部によって磁束密度分布を一層均一にできるようになる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について図面に基づき詳細に説明する。
図１はこの発明の磁気軸受をホモポーラ型ラジアル磁気軸受に適用した一実施の形態にかかる概略正面図および概略縦断面図である。
【００２４】
この磁気軸受１０は、図５，図６で説明したホモポーラ型ラジアル磁気軸受１と基本構成は同一であり、回転するロータＲを囲むケーシング１１と、このケーシング１１に取り付けられロータＲを浮上状態で支持する円周等間隔に複数個、例えば４個配置されたステータコア１２とステータコイル１３を備えて構成され、ロータＲは少なくとも外面が磁性体で形成してあり、ステータコア１２が異なる構成となっている。
【００２５】
この磁気軸受１０の各ステータコア１２は２つのヨーク部１２ａとこれらの基端部を連結する基部１２ｂとで構成され、それぞれのヨーク部１２ａにステータコイル１３が巻かれており、ホモポーラ型ラジアル磁気軸受とするため、図１  （ｂ）に示すように、２つのヨーク部１２ａ，１２ａがロータＲの軸方向に隣接して配置してある。また、ケーシング１１に等間隔で４個配置された各ステータコア１２のロータＲと対向するヨーク部１２ａの先端部には、図１（ａ）に示すように、隣接するヨーク部１２ａ，１２ａの周方向端部同士を接触させる張り出し部１４が形成され、ロータＲの外周を隙間無く円形に囲むことができるようにしてある。
【００２６】
このような各ステータコア１２は、例えば図１に示すように、ヨーク部１２ａが絶縁層となる絶縁被膜を有する電磁鋼板１５を積層して構成され、これらヨーク部１２ａの基端部を連結する基部１２ｂが永久磁石１６で構成してある。
【００２７】
そして、例えば図１に示すように、積層された２つのヨーク部１２ａ，１２ａの間に永久磁石の基部１２ｂを挾むようにして貫通する２本のボルト１７でケーシング１１に取り付けられる。
【００２８】
このように構成した磁気軸受１０では、ステータコア１２に発生する渦電流は、磁束と直交する面内で発生するが、ヨーク部１２ａでは、磁束と平行に電磁鋼板１５を配置することで渦電流の発生を抑えることができ、これらヨーク部１２ａを連結する基部１２ｂでも導電材料でない永久磁石１６とすることで、複雑な製造工程による積層構造とすることなく、渦電流の発生を効果的に抑えることができる。
【００２９】
また、この磁気軸受１０では、ステータコア１２をヨーク部１２ａを電磁鋼板１５の積層構造とし、基部１２ｂを永久磁石１６として部分的に異なる材料を組み合わせる構造としたので、取付方法や軸受制御力を考慮して材料１５，１６の組み合わせを変更することで、磁束密度を任意の値に設定することもができる。なお、このヨーク部１２ａと基部１２ｂの材料および構造の組み合わせとしては、この場合に限らず、ヨーク部１２ａや基部１２ｂの一部を電磁鋼板の積層構造や永久磁石に代え、絶縁皮膜で覆われた粉末磁性材料によるヨーク部１２ａや基部１２ｂで構成することもでき、一層磁束密度を任意の値に設定できる範囲を拡大することが可能となる。
【００３０】
さらに、この磁気軸受１０では、ステータコア１２の基部１２ｂを永久磁石１６としたので、この永久磁石１６によって定常的な磁束をロータＲに付加することができため、例えば図４（ａ），（ｂ）に従来と比較して示すように、バイアス電流を低減したり、あるいはゼロにすることができる。
【００３１】
これにより、ステータコイル１３の発熱を低減して損失を減らすことができるとともに、電源のアンプ容量を小さくでき、小型化を図ることができる。
【００３２】
また、バイアス電流を低減できるので、ステータコイル１３のコイル線径を小さくでき、これにより、ステータコア１２やステータコイル１３を小型化することもできる。
【００３３】
次に、この発明の他の一実施の形態について図２により説明する。
この磁気軸受２０では、ステータコア２２の電磁鋼板１５による積層構造のヨーク部２２ａと永久磁石１６の一体構成の基部２２ｂとの接触面が傾斜面２３とされたり、段差面２４で構成してある。
【００３４】
なお、他の構成は既に説明した磁気軸受１０と同一であるので、重複する説明は省略する。
【００３５】
このような磁気軸受２０では、既に説明した磁気軸受１０と同一の作用効果を奏するのに加え、ステータコア２２のヨーク部２２ａと基部２２ｂの接触面の形状を傾斜面２３としたり、段差面２４とすることで、永久磁石１６で構成する基部２２ｂの形状や大きさの自由度が増大し、ケーシング１１への取付方法や軸受制御力を考慮して設計度の自由度が増大するとともに、磁束密度を任意の値に設定することも容易となる。
【００３６】
さらに、この発明の他の一実施の形態について図３により説明する。
この磁気軸受３０では、ステータコア３２が全て永久磁石１６で構成されている。すなわち、このステータコア３２では、ヨーク部３２ａおよびこれらの基端部を連結する基部３２ｂが永久磁石１６で一体構造としてあり、それぞれのヨーク部３２ａにステータコイル１３が巻かれている。
【００３７】
なお、他の構成は既に説明した磁気軸受１０と同一であるので、重複する説明は省略する。
【００３８】
このような磁気軸受３０では、既に説明した磁気軸受１０と同一の作用効果を奏するのに加え、ステータコア３２のヨーク部３２ａと基部３２ｂとを永久磁石１６で構成してあるので、この永久磁石１６によって得られる定常的な磁束を大きくしてロータＲに付加することができため、一層バイアス電流を低減したり、あるいはゼロにすることができ、ステータコイル１３の発熱を低減して損失を減らすことができるとともに、電源のアンプ容量を一層小さくして小型化を図ることができる。
【００３９】
また、バイアス電流を低減できるので、ステータコイル１３のコイル線径を一層小さくできステータコア３２やステータコイル１３を一層小型化することもできる。
【００４０】
なお、上記実施の形態では、磁気軸受としてホモポーラ型ラジアル磁気軸受の場合で説明したが、これに限らず、他の形式のラジアル磁気軸受等のステータにも同様に適用することもできる。
【００４１】
また、上記実施の形態では、ステータコアのヨーク部に張り出し部を設けてロータの外周を隙間無く円形に囲む場合で説明したが、ステータコアを、張り出し部を除いた隙間のある配置とすることもできる。
【００４２】
【発明の効果】
以上、実施の形態とともに具体的に説明したようにこの発明の請求項１記載の磁気軸受によれば、回転するロータを囲むケーシングに取り付けられ、このロータを浮上状態で支持するステータコアとステータコイルを備える磁気軸受で、前記ステータコアを、前記ロータと先端面が対向し間隔をあけて配置されるヨーク部と、これらヨーク部の基端部同士を連結する基部とで構成するとともに、少なくとも基部を永久磁石で構成するようにしたので、ヨーク部を連結する基部を永久磁石としてこの部分での渦電流の発生を抑え、電磁鋼板の積層構造等のヨーク部との組み合わせで磁束密度を任意の値に設定することができるとともに、永久磁石による定常的な磁束でバイアス電流を減らし、これによる損失を低減することができる。
【００４３】
また、この発明の請求項２記載の磁気軸受によれば、前記ヨーク部と前記基部との接触面を傾斜面または段差面とするようにしたので、ヨーク部と基部の構造の自由度が増大するとともに、磁束密度を任意の値に設定することも容易となる。
【００４４】
さらに、この発明の請求項３記載の磁気軸受によれば、前記ヨーク部も永久磁石で構成するようにしたので、一層大きな定常的な磁束を付加することができ、一層バイアス電流を減らし、これによる損失を低減することができる。
【００４５】
また、この発明の請求項４記載の磁気軸受によれば、前記ステータコアを構成する間隔をあけて配置される前記ヨーク部を、前記ロータの軸方向に沿って配置したホモポーラ型で構成するようにしたので、ホモポーラ型磁気軸受でも同様の作用効果を得ることができる。
【００４６】
さらに、この発明の請求項５記載の磁気軸受によれば、前記ステータコアを前記ケーシングに円周方向等間隔に複数配置するとともに、隣接するヨーク部に周方向端部同士を接触させる張り出し部を設けるようにしたので、張り出し部によって磁束密度分布を一層均一にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の磁気軸受をホモポーラ型ラジアル磁気軸受に適用した一実施の形態にかかる概略正面図および概略縦断面図である。
【図２】この発明の磁気軸受をホモポーラ型ラジアル磁気軸受に適用した他の一実施の形態にかかる概略縦断面図である。
【図３】この発明の磁気軸受をホモポーラ型ラジアル磁気軸受に適用したさらに他の一実施の形態にかかる概略縦断面図である。
【図４】この発明の磁気軸受をホモポーラ型ラジアル磁気軸受に適用した一実施の形態にかかり、従来と比較して示すバイアス電流の低減およびコイル線径の細線化による小型化の説明図である。
【図５】従来のホモポーラ型ラジアル磁気軸受の概略正面図および概略縦断面図である。
【図６】従来の他のホモポーラ型ラジアル磁気軸受の概略正面図、概略縦断面図およびステータコアの製造工程の説明斜視図である。
【符号の説明】
１０  ホモポーラ型ラジアル磁気軸受（磁気軸受）
１１  ケーシング
１２  ステータコア
１２ａ  ヨーク部（積層構造）
１２ｂ  基部（永久磁石）
１３  ステータコイル
１４  張り出し部
１５  電磁鋼板
１６  永久磁石
１７  ボルト
２０  ホモポーラ型ラジアル磁気軸受（磁気軸受）
２２  ステータコア
２２ａ  ヨーク部（積層構造）
２２ｂ  基部（永久磁石）
２３  傾斜面
２４  段差面
３０  ホモポーラ型ラジアル磁気軸受（磁気軸受）
３２  ステータコア
３２ａ  ヨーク部（永久磁石）
３２ｂ  基部（永久磁石）
Ｒ  ロータ
【図１】
2004162834.tif 000003
【図２】
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【図３】
2004162834.tif 000005
【図４】
2004162834.tif 000006
【図５】
2004162834.tif 000007
【図６】
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