(57)【要約】【課題】  ロータの軸の剛性の低下を極力抑えると同時に、高精度に変位の検出ができ、安定して高速回転体を制御・支持することができる磁気軸受装置を提供すること。【解決手段】  磁気軸受１２のロータ部を磁性体のソリッドロータ１１で構成し、このロータ部の変位を検出するセンサを渦電流形センサ１５で構成する一方、この渦電流形センサ１５のセンサターゲット１５ｂを非磁性体リングとして前記ソリッドロータ１１の外周に設けるようにする。  これにより、ソリッドロータ１１として軸剛性の低下を極力抑え、センサターゲット１５ｂを非磁性体リングとして磁気軸受１２の電磁石の漏れ磁束やそれにともなう渦電流の影響を遮断して高精度に変位の検出ができるようにし、安定して高速回転体を制御・支持できるようにしている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気軸受のロータ部を磁性体のソリッドロータで構成し、このロータ部の変位を検出するセンサを渦電流形センサで構成する一方、この渦電流形センサのセンサターゲットを非磁性体リングとして前記ソリッドロータの外周に設けたことを特徴とする磁気軸受装置。
【請求項２】
前記渦電流形センサのセンサターゲットの非磁性体リングの厚さを、使用非磁性材料と励磁周波数による表皮深さ以上とした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】
前記渦電流形センサの励磁周波数を１ＭＨｚ以上としたことを特徴とする請求項１または２記載の磁気軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、磁気軸受装置に関し、ロータの剛性低下を防止すると同時に磁気軸受の磁気の影響を抑えてロータの変位を高精度に検出できるようにしたもので、特に高速または高周波モータなどの高速回転体に用いて好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
ターボコンプレッサなどを直接高速回転で駆動する電動機などの高速回転体では、軸受装置として無接触状態でロータを支持することができる磁気軸受装置が用いられている。
【０００３】
この磁気軸受装置では、ロータの周囲に電磁石を配置し、対向する位置にある電磁石の吸引力を制御してロータを無接触状態で支持するようになっており、電磁石の配置により、へテロポーラ形とホモポーラ形とに分類される。
【０００４】
このような高速回転体を安定に支持するためには、ロータの剛性が高い方が良く、本願出願人において、積層鋼鈑を使用することなく、渦電流の発生を大幅に低減することができる磁気軸受装置としてソリッド化したロータを使用するものを特許文献1に提案している。
【０００５】
このようなロータを無接触状態で支持する磁気軸受装置を安定に制御するためには、ロータの変位を高精度に検出する必要があり、変位センサとしてインダクタンス形センサや渦電流形センサが主として用いられている。
【０００６】
インダクタンス形センサを用いる磁気軸受装置として、例えば、特許文献２には、ロータに非磁性体を介して磁性鋼鈑積層体からなるセンサターゲットリングを一体的に取り付けておき、このセンサターゲットリングに対向させてセンサコアを設けたものが開示されている。
【０００７】
また、渦電流形センサを用いる磁気軸受装置として、例えば特許文献３には、極超低温下で使用する磁気浮上装置用として、変位センサ巻線と積層型磁性材からなる磁極とで変位センサを構成し、これと対向するセンサターゲットとして、導電性あるいは磁性を有する回転軸を用いるものが開示されており、センサターゲットや回転軸は極超低温下で電気抵抗が低下し渦電流が流れやすくなりセンサターゲットして好ましいとされている。
【特許文献１】特開２００１−２７１８３６号公報
【特許文献２】特開２００２−２４２９３１号公報
【特許文献３】特開２００３−１４８９０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、磁気軸受装置の変位センサとして、インダクタンス型センサを用いる特許文献２の場合には、図３(a)に概略構成を示すように、ロータ１に設けるセンサターゲット２として非磁性体３を介して磁性鋼鈑積層体からなるセンサターゲットリング４を一体的に取り付ける必要があり、非磁性体３およびセンサターゲットリング４を取り付ける分だけ、ロータ１としての軸の剛性が低下するという問題があり、センサターゲットリング４を薄くして軸の剛性を高めようとすると、変位の検出精度が低下するという問題が生じる。
【０００９】
また、渦電流型センサを用いる特許文献３の場合には、図３(b)に示すように、ロータ（回転軸）１自体をセンサターゲットとすることで軸の剛性低下を防止できるものの、通常の磁気軸受装置では、このセンサ５に隣接して磁気軸受の電磁石６が配置されることが多く、磁気軸受の磁極６ａの発生する漏れ磁束やそれにともなう渦電流の影響があり、変位の検出精度が低下するという問題が生じる。
【００１０】
この発明は、かかる従来技術の課題に鑑みてなされたもので、ロータの軸の剛性の低下を極力抑えると同時に、高精度に変位の検出ができ、安定して高速回転体を制御・支持することができる磁気軸受装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記従来技術が有する課題を解決するため、この発明の請求項１記載の磁気軸受装置は、磁気軸受のロータ部を磁性体のソリッドロータで構成し、このロータ部の変位を検出するセンサを渦電流形センサで構成する一方、この渦電流形センサのセンサターゲットを非磁性体リングとして前記ソリッドロータの外周に設けたことを特徴とするものである。
【００１２】
この磁気軸受装置によれば、磁気軸受のロータ部を磁性体のソリッドロータで構成し、このロータ部の変位を検出するセンサを渦電流形センサで構成する一方、この渦電流形センサのセンサターゲットを非磁性体リングとして前記ソリッドロータの外周に設けるようにしており、ロータをソリッドロータとして軸剛性の低下を極力抑え、センサターゲットを非磁性体リングとして磁気軸受の電磁石の漏れ磁束やそれにともなう渦電流の影響を遮断して高精度に変位の検出ができるようにし、安定して高速回転体を制御・支持できるようにしている。
【００１３】
また、この発明の請求項２記載の磁気軸受装置は、請求項1記載の構成に加え、  前記渦電流形センサのセンサターゲットの非磁性体リングの厚さを、使用非磁性材料と励磁周波数による表皮深さ以上としたことを特徴とするものである。
【００１４】
この磁気軸受装置によれば、前記渦電流形センサのセンサターゲットの非磁性体リングの厚さを、使用非磁性材料と励磁周波数による表皮深さ以上としており、この厚さを確保することで発生する渦電流への影響がなく安定かつ高精度に変位を検出できるようにしている。
【００１５】
さらに、この発明の請求項３記載の磁気軸受装置は、請求項１または２記載の構成に加え、前記渦電流形センサの励磁周波数を１ＭＨｚ以上としたことを特徴とするものである。
【００１６】
この磁気軸受装置によれば、前記渦電流形センサの励磁周波数を１ＭＨｚ以上としており、センサターゲットの厚さを薄くできるようにし、一層の軸剛性の低下を抑えるようにしている。
【発明の効果】
【００１７】
この発明の請求項１記載の磁気軸受装置によれば、磁気軸受のロータ部を磁性体のソリッドロータで構成し、このロータ部の変位を検出するセンサを渦電流形センサで構成する一方、この渦電流形センサのセンサターゲットを非磁性体リングとして前記ソリッドロータの外周に設けるようにしたので、ロータをソリッドロータとして軸剛性の低下を極力抑えることができるとともに、センサターゲットを非磁性体リングとして磁気軸受の電磁石の漏れ磁束やそれにともなう渦電流の影響を遮断して高精度に変位の検出を行うことができ、これらにより安定して高速回転体を制御・支持することができる。
【００１８】
また、この発明の請求項２記載の磁気軸受装置によれば、前記渦電流形センサのセンサターゲットの非磁性体リングの厚さを、使用非磁性材料と励磁周波数による表皮深さ以上としたので、この厚さを確保することで変位の検出に必要な発生する渦電流への影響をなくすことができ、一層安定かつ高精度に変位を検出することができる。
【００１９】
さらに、この発明の請求項３記載の磁気軸受装置によれば、前記渦電流形センサの励磁周波数を１ＭＨｚ以上としたので、センサターゲットの厚さを薄くすることができ、より一層の軸剛性の低下を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、この発明の一実施の形態について、図面に基づき詳細に説明する。  
図１および図２は、この発明の磁気軸受装置の一実施の形態にかかり、図１は概略平面図および概略縦断面図、図２は全体の概略斜視図である。
【００２１】
この磁気軸受装置１０では、例えば図１および図２に示すように、ソリッド化されたロータ１１を無接触状態で高速回転可能に支持する磁気軸受１２としてステータ１３の歯端部１３aが軸方向に隣接してN極とＳ極を構成するホモポーラ形磁気軸受が用いられている。
【００２２】
そして、磁気軸受１２の隣接する周方向等間隔に複数、例えば４個設けられるＮ極同士およびＳ極同士がそれぞれ周方向に連結部１４を介して連結されて環状とされ、例えば、ステータ１３と同一の磁性体で一体に形成されたり、ステータとは異なる磁性体の連結部で連結される。
【００２３】
このような磁気軸受１２により、隣接するＮ極〈およびＳ極〉の中間位置である連結部１４における磁束密度を高めることができ、周方向の磁束密度の強弱分布の発生を小さくすることができる。
【００２４】
これにより、磁気軸受１２での渦電流の発生を大幅に低減し、ロータ１１の発熱および渦電流損失を大幅に低減でき、積層鋼鈑を使用することなくロータ１１をソリッド化して軸剛性を高めることができ、高速回転が可能となる。
【００２５】
このような磁気軸受１２で無接触状態で高速回転可能に支持されるソリッド化されたロータ１１の変位を検出する変位センサとして渦電流形センサ１５が用いられ、磁気軸受１２のステータ１３の歯端部１３ａと同様円周方向等間隔に複数、例えば４個のセンサ本体１５ａがロータ１１の外周面と対向するように取り付けてある。
【００２６】
このセンサ本体１５ａと対向するロータ１１の外周には、センサターゲット１５ｂとして、非磁性体のリングが取り付けられて、渦電流形センサ１５が構成してある。
【００２７】
すなわち、この渦電流形センサ１５では、センサターゲット１５ｂとして非磁性体のリングを用いてもセンシングが可能であり、しかもセンサターゲット１５ｂを非磁性体とすることで、図１〈ｂ〉に示すように、磁気軸受１２の磁極であるＮ極およびＳ極で発生する漏れ磁束およびこれにともなう渦電流のセンサ本体１５ａへの影響を遮断する。
【００２８】
この渦電流形センサ１５のセンサターゲット１５ｂは、例えば非磁性材料であるチタン材などが用いられる。
【００２９】
このセンサターゲット１５ｂは、ロータ１１の軸の剛性を極力低下させないためには、リングの厚さをできるだけ薄くすることが好ましい。一方、渦電流形センサ１５で誤動作なく高精度に変位を検出するためには、センサターゲット１５ｂにセンシングに必要な渦電流を発生させる必要がある。
【００３０】
この渦電流形センサ１５では、センサターゲット１５ｂに発生する渦電流が印加される励磁周波数と、センサターゲット１５ｂとして使用する材料の特性とによる表皮効果からある深さ以上に渦電流が流れない表皮深さがあり、次式１で表すことができる。
【００３１】
【数１】
2005282647.tif 000003
【００３２】
そこで、センサターゲット１５ｂの厚さをこの表皮深さ以上でできるだけ薄くすることで、センシングに必要な渦電流の発生への影響を与えることなく安定してセンシングができるようにし、しかもロータ１１の軸剛性の低下を極力防止する。
【００３３】
また、センサターゲット１５ｂの厚さは、上式からも明らかなように、印加される励磁周波数が高いほど表皮深さが小さくできることから、励磁周波数の高い渦電流形センサ１５を用いることが好ましく、例えば１ＭＨｚ以上のものを用いるようにしている。
【００３４】
このようにして厚さを定められるセンサターゲット１５ｂの一例を計算する。  
ここでは、励磁周波数     f＝１００００００（Ｈｚ）
透磁率      μ＝４π×１０‐７×約１〈Ｈ／ｍ〉
導電率      σ＝３．４６×１０5（Ｓ／ｍ）
とした。
得られたリングの厚さ    δ≧０．０００８５５６（ｍ）となる。
【００３５】
したがって、センサターゲット１５ｂの厚さδを０．８５５６（ｍｍ）以上とすれば、センシングへの影響をなくすことができ、センサターゲット１５ｂの厚さδを０．８５５６（ｍｍ）とすれば、センシングの安定と同時に、ロータ１１の軸剛性の低下を極力防止することが可能となる。
【００３６】
なお、上記実施の形態では、ホモポーラ形磁気軸受に適用した場合を例に説明したが、へテロポーラ形磁気軸受の場合にも同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】この発明の磁気軸受装置の一実施の形態にかかる概略平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装置の一実施の形態にかかる全体の概略斜視図である。
【図３】従来の磁気軸受装置にかかり、(ａ)はインダクタンス形の変位センサを用いる場合の概略構成図、（ｂ）は渦電流形の変位センサを用いる場合の概略構成図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０              磁気軸受装置
１１              ソリッドロータ
１２              磁気軸受
１３              ステ‐タ
１３ａ            歯端部
１４              連結部
１５              渦電流形センサ
１５ａ            センサ本体
１５ｂ            センサターゲット
【図１】
2005282647.tif 000004
【図２】
2005282647.tif 000005
【図３】
2005282647.tif 000006