(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に磁性材からなる回転ディスクを固着するとともに、コイルスロットの中に起磁力を発生させるリング状の電磁コイルを挿入した一対の電磁石固定子を、前記回転ディスクの両側に適当な微小間隔を介して位置するようケーシングに固定し、回転軸の軸方向変位を測定する変位センサの出力信号を基に、前記回転ディスクと電磁石固定子の間に磁気吸引力を作用させ、前記回転軸を電磁石固定子と離隔した目標位置に非接触で支承するスラスト磁気軸受装置において、前記回転ディスクの軸方向の中央付近に、該回転ディスクの外周部から前記回転軸方向に至る、磁気抵抗の大きい空気層を形成するための扇形状をなす貫通孔を設け、この貫通孔の軸方向両側に位置する回転ディスク片の壁を軸方向に貫通孔を有しない実壁としたことを特徴とするスラスト磁気軸受装置。
【請求項２】
請求項１に記載のスラスト磁気軸受装置において、回転ディスクの電磁石固定子の内側磁極歯及び外側磁極歯と対向しない表面にリング状の凹部を形成することで前記電磁石固定子の内側磁極歯・外側磁極歯と対向しない位置に存在する前記回転ディスクの表面と該表面に対向する電磁石固定子の表面との間の距離を、前記電磁石固定子の内側磁極歯・外側磁極歯と対向する位置に存在する前記回転ディスクの表面と該表面に対向する電磁石固定子の表面との間の距離より大きく形成したことを特徴とするスラスト磁気軸受装置。
【請求項３】
回転軸に磁性材からなる回転ディスクを固着するとともに、コイルスロットの中に起磁力を発生させるリング状の電磁コイルを挿入した一対の電磁石固定子を、前記回転ディスクの両側に適当な微小間隔を介して位置するようケーシングに固定し、回転軸の軸方向変位を測定する変位センサの出力信号を基に、前記回転ディスクと電磁石固定子の間に磁気吸引力を作用させ、前記回転軸を電磁石固定子と離隔した目標位置に非接触で支承するスラスト磁気軸受装置において、前記電磁石固定子の外周部に、半径方向の磁気抵抗を大きくするのに十分なスリットを、数箇所設けたことを特徴とするスラスト磁気軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の技術分野】
この発明は、発電機や電動機などの回転機器の回転軸に磁性材からなる回転ディスクを固着し、該回転ディスクから適当な微小間隔を設けて、起磁力を発生させる電磁コイルを備えた電磁石固定子をケーシングに固定し、回転軸の軸方向変位を測定する変位センサを設け、該変位センサからの出力信号をもとに前記回転ディスクと電磁石固定子間に磁気吸引力を作用させ、回転軸を電磁石固定子と離隔した目標位置に非接触で支承するスラスト磁気軸受装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発電機や電動機などの回転機器の回転軸をスラスト方向に磁気を利用して支承する、いわゆるスラスト磁気軸受装置の従来の一般例を第８図に示す。図において、１は回転軸で、磁性材からなる回転ディスク２が固着されている。該回転ディスク２は回転軸１との固着を強固なものとするために、通常該回転ディスク２の両側にスリーブ６を有している。１０は内側磁極歯１１、外側磁極歯１２を有する電磁石固定子７に組み込まれ、被覆銅線を回転軸１を中心としてリング状に必要適当回数だけ巻回し形成した電磁コイルである。８は電磁石固定子７の磁路部を形成するリング状ハウジングであり、前記電磁コイル１０がリング状ハウジング８の回転軸対称に形成されたコイルスロット９に納められている。この電磁石固定子７は２個で一組であり、前記回転ディスク２の両側に適当な微小間隔を持たせるようにカラー２２を介して対向して配置され、ケーシング２３に取付けられている。
【０００３】
このスラスト磁気軸受装置の制御は、回転軸１の軸方向変位を図示しない変位センサにより測定し、この変位センサの出力信号に基づき、電磁コイル１０への電流を調整して、該回転ディスク２と電磁石固定子７の内側磁極歯１１との間、及び該回転ディスク２と電磁石固定子７の外側磁極歯１２との間に作用する磁気吸引力を適当に変化させることにより、回転軸１を電磁石固定子７と離隔した目標位置に非接触で支承する。
【０００４】
ところで、上記従来一般に使用されているスラスト磁気軸受装置の構造では、電磁コイル１０に流れる電流の極性の選択により、例えば、２つの電磁石固定子７ａ、７ｂ、及び回転ディスク２の間には第９図に示すような磁気回路が形成される。この時、それぞれの電磁石固定子７と回転ディスク２の間に形成される２つの磁気回路１３と該回転ディスク２を介して対向する２つの電磁石固定子７ａ、７ｂの間に形成される磁気回路１４が存在することになる。ここで、磁気回路１３はスラスト磁気軸受の位置制御に必要な磁気吸引力に寄与する磁気回路であり、磁気回路１４は磁気吸引力には全く寄与しない磁気回路である。
【０００５】
従って、結果的に電磁石固定子７の発生する磁気吸引力が低下し、スラスト磁気軸受装置の支持剛性が低下することになる。
なお、磁気回路１４の発生により支持剛性が低下する理由は、例えば特開平５−１２２８９６公報に記載されているので割愛する。
【０００６】
そこでこの欠点を改善するための発明が、例えば特開平５−１２２８９６公報に記載されている。第１１図はこの改良された従来のスラスト磁気軸受装置を示し、図において、磁性材からなる１つの回転ディスク片３はスリーブ６を有するＬ形断面構造になっており、２つの回転ディスク片３の反スリーブ側を対向させ、その間に非磁性材のディスク５を層状に挟んで１つの回転ディスク２を形成している。この回転ディスク２から適当な微小間隔を設けて、電磁石固定子７が該回転ディスク２の両側にカラー２２を介して対向して配置され、ケーシング２３に取付けられている。
【０００７】
これにより、回転ディスク２を介して対向する２つの電磁石固定子７を通って形成される磁気吸引力に寄与しない磁気回路１４を除去し、それぞれの電磁石固定子７と回転ディスク２の間で独立した磁気回路１３が形成されるため、スラスト磁気軸受装置の位置制御性能を向上させている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般的にスラスト磁気軸受装置は、機械接触式軸受では実現が困難な高速回転体の支持機構として使用されることが多い。高速回転体では、ロータの寸法、形状の設計時、ロータの曲げ１次モード固有振動数が重要であり、出来るかぎり高く設計することが要求される。そのため、一般にロータ形状において最大外径を有するスラスト磁気軸受装置の回転ディスク２の強度、質量、及び回転軸１と回転ディスク２との固着剛性がクリティカルになる場合が多く、ロータ形状設計、特にスラスト磁気軸受装置の回転ディスク２の形状設計には細心の注意を払う必要がある。
一般にロータが回転運動を行うと次式に示すような遠心力Ｆ［Ｎ］が回転体に作用し、その大きさは回転体の質量、及び外径に比例する。
Ｆ＝ｍｒω２
但し、ｍは回転体の質量［Ｋｇ］、ｒは回転体の外半径［ｍ］、ωは回転角速度［ｒａｄ／ｓｅｃ］である。
【０００９】
上記従来の改良されたスラスト磁気軸受装置（第１１図）の回転ディスク２は、１つに回転ディスク片３がスリーブ６を有するＬ形断面構造となっており、２つの回転ディスク片３の反スリーブ側を対向させ、その間に非磁性材ディスク５を挟んで１つの回転ディスクを形成している。従って、２つの回転ディスク片３、及び非磁性材ディスク５はそれぞれ独立しており、お互いに拘束されていない。第１２図に示すように高速回転時には、回転ディスク２、及び非磁性材ディスク５には遠心力２４が作用し、回転ディスク片３の角部４の回転軸方向位置において、回転ディスク２が最大外径となるため、スリーブ６の部分より大きな遠心力が作用する。そのため、高速回転時には遠心力により角部４に最大応力が発生し、角部４の位置で回転軸１と回転ディスク２の隙間２５が最大となり、回転軸１と回転ディスク２の固着はスリーブ６の一部分のみでしか保持されないという問題が生じる。また、非磁性材ディスク５についても同様であり、最大外径を有するために回転軸１と内径の間に隙間を生じ、固着が完全に保持されなくなる。
【００１０】
さらに、回転体の曲げ１次モード固有振動数は一般的にロータ質量の逆数の平方根に比例するため、高速回転ロータの設計時には、付加質量となりロータ剛性を低下させる固着部品の点数を極力少なくし、軽量化する方が有利である。そのため、上記従来の改良されたスラスト磁気軸受装置の回転ディスク２の構造は回転ディスク２を２分割し、さらに２つの回転ディスク片３の間に非磁性材ディスク５を付加しているため、部品点数を増加させ、且つロータ質量も増加するため不利であるという問題も併せて存在した。
【００１１】
また、上記従来の改良されたスラスト磁気軸受装置の他の実施例は、２つの回転ディスク片３の間に非磁性材ディスク５に変えて空気層を挟んだ構造となっている。この場合においても、上記と同様であり、２つの回転ディスク片３は互いに独立し拘束されないため、高速回転時には遠心力により角部４の固着が損なわれ、最大の隙間が発生し、回転軸１と回転ディスク２の固着はスリーブ６の一部のみでしか保持されていない。
【００１２】
即ち、上記従来の改良されたスラスト磁気軸受装置は、高速回転体の支持機構での適用は困難であるという不具合があった。また、通常、電磁石固定子７を取付けるケーシング２３、及びカラー２２は製作コスト、加工切削性等の観点から鉄系の磁性材が使用されることが多いため、従来のスラスト磁気軸受装置（第８図）の構造において、第１０図に示すような磁気回路１５が形成される場合がある。なお、図示しないが、第１１図に示す改良されたスラスト軸受装置においても、ケーシング２３、及びカラー２２を鉄系の磁性材で形成した場合には、同様な磁気回路１５が形成される。この時、それぞれの電磁石固定子７と回転ディスク２の間に形成される２つの磁気回路１３と該回転ディスク２を介して対向する２つの電磁石固定子７と、カラー２２、またはケーシング２３の間に形成される磁気回路１５が存在することになる。ここで、磁気回路１３はスラスト磁気軸受の位置制御に必要な磁気吸引力に寄与する磁気回路であり、磁気回路１５は磁気吸引力に全く寄与しない磁気回路である。従って、この場合も結果的に電磁石固定子７の発生する磁気吸引力が低下するため、スラスト磁気軸受の支持剛性が低下することになる。
【００１３】
本発明は上記課題を解決するために創案されたものであり、スラスト磁気軸受の位置制御に寄与しない磁気回路の形成を軽減または防止することにより高効率で制御性に優れた構造を有し、且つ高速回転時においてもロータの剛性低下を生じない構造を有するスラスト磁気軸受装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明はこれらの問題点を解決するためになされたもので、回転軸に磁性材からなる回転ディスクを固着するとともに、コイルスロットの中に起磁力を発生させるリング状の電磁コイルを挿入した一対の電磁石固定子を、前記回転ディスクの両側に適当な微小間隔を介して位置するようケーシングに固定し、回転軸の軸方向変位を測定する変位センサの出力信号を基に、前記回転ディスクと電磁石固定子の間に磁気吸引力を作用させ、前記回転軸を電磁石固定子と離隔した目標位置に非接触で支承するスラスト磁気軸受装置において、前記回転ディスクの軸方向の中央付近に、該回転ディスクの外周部から前記回転軸方向に至る、磁気抵抗の大きい空気層を形成するための扇形状をなす貫通孔を設け、この貫通孔の軸方向両側に位置する回転ディスク片の壁を軸方向に貫通孔を有しない実壁としたものである。
【００１５】
そしてこれらの構成により、２つのそれぞれの電磁石固定子により形成される磁気回路の磁気的干渉が緩和される。その結果、一方の電磁石固定子から回転ディスクを介して他方の電磁石固定子に至り、且つ他方の電磁石固定子から回転ディスクを介して一方の電磁石固定子に至る不正な磁路の形成を軽減できるため、電磁コイルに供給された電気エネルギーが有効に回転軸の位置制御に活用され、制御性能の向上を図ることができる。また、回転ディスクは貫通孔が施されていない部分において一体連結されているため、高速回転時に回転ディスクの最大外径を有する内径の回転軸方向位置において、遠心力による最大応力が発生しても応力緩和されるため、回転軸と回転ディスクの固着は確実に保持される。
【００１６】
さらに、貫通孔の形成により回転ディスクの質量低減が図れ、且つ固着部品点数も削減できるため、結果的にローダの固有振動数を高くすることができる。
【００１７】
また本発明は、回転ディスクの電磁石固定子の内側磁極歯及び外側磁極歯と対向しない表面にリング状の凹部を形成することで前記電磁石固定子の内側磁極歯・外側磁極歯と対向しない位置に存在する前記回転ディスクの表面と該表面に対向する電磁石固定子の表面との間の距離を、前記電磁石固定子の内側磁極歯・外側磁極歯と対向する位置に存在する前記回転ディスクの表面と該表面に対向する電磁石固定子の表面との間の距離より大きく形成したものである。
【００１８】
この結果、電磁石固定子の内側磁極歯、及び外側磁極歯と対向しない回転ディスクの表面から回転ディスクの内部に入り込む磁束、及び漏洩磁束が軽減され、電磁石固定子の内側磁極歯と外側磁極歯の磁束密度を高めることができる。従って、電磁コイルに供給された電気エネルギーを更に有効に回転軸の位置制御に利用することができる。
【００１９】
また本発明は、前記電磁石固定子の外周部に、半径方向の磁気抵抗を大きくするのに十分なスリットを、数箇所設けたものであるため、２つのそれぞれの電磁石固定子により形成される磁気回路の磁気的干渉が軽減される。その結果、一方の電磁石固定子からケーシングまたはカラーを介して他方の電磁石固定子に至り、且つ他方の電磁石固定子から回転ディスクを介して一方の電磁石固定子に至る不正な磁路の形成を軽減できるため、電磁コイルに供給された電気エネルギーが更に有効に回転軸の位置制御に活用され、制御性能の向上を図ることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、第１図〜第７図を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
実施の形態１．
第１図は本発明によるスラスト磁気軸受装置の実施の形態１を示す断面図である。電磁石固定子７は磁気特性に優れた磁性材により形成されるリング状ハウジング８の回転軸対称に形成されたリング状のコイルスロット９の中に、起磁力を発生させためのリング状の電磁コイル１０を挿入して構成される。回転軸１には磁性材からなる回転ディスク２が固着されており、該回転ディスク２から適当な微小間隔を設けて、前記電磁石固定子７が該回転ディスク２の両側に各１個ずつ配置される。該回転ディスク２は両側に回転軸１と固着させるためのスリーブ６を有しており、該回転ディスク２の軸方向の中央付近に該回転ディスク２の全外周にわたり、深溝１６が電磁石固定子７の内側磁極歯１１の位置を通過し、スリーブ６の内周位置より手前付近まで施されている。なお、この深溝１６により形成される空気層は、十分に大きな磁気抵抗を有するように軸方向にある適当な幅をもって構成されている。
【００２１】
電磁コイル１０に流れる電流の極性の選択により、例えば、図１に示すように電磁石固定子７と該回転ディスク２の間に２つの磁気回路１３が形成される。回転軸１の制御は図示しない変位センサにより軸方向変位を検出し、この出力信号を図示しない磁気軸受制御装置に入力し、制御装置から２つの電磁コイル１０に制御電流を印加して、該回転ディスク２と電磁石固定子７の間に磁気吸引力を発生させ、回転軸１を電磁石固定子７と離隔した目標位置に非接触で支承する。そして、本発明の特徴部分として、回転軸１に固着されている前記回転ディスク２の軸方向の中央付近に回転ディスク２の全外周にわたり深溝１６を設け、該深溝１６の内径は内側磁極歯１１の内径より小さく形成されている。この深溝１６により形成される空気層は十分に大きな磁気抵抗を有するように軸方向にある適当な幅をもって構成されているため、電磁石固定子７ａと回転ディスク２により形成される磁気回路１３、及び電磁石固定子７ｂと回転ディスク２により形成される磁気回路１３が磁気的に絶縁されている。その結果、部品点数を増加させることなく、第９図で１４で示す不正な磁路の形成を軽減でき、各電磁石固定子７ａ、７ｂ毎に磁路を独立させるため、電磁コイル１０に供給された電気エネルギーを有効に回転軸１の位置制御に利用することができる。
【００２２】
また、２つの回転ディスク片３は深溝１６の底部において一体連結されているため、高速回転時に回転ディスク２の最大外径を有する角部４の回転軸方向位置において、遠心力による最大応力が発生しても応力緩和されるため、回転軸１と回転ディスク２の固着は常に保持される。さらに、深溝１６の形成により回転ディスク２の質量低減が図れ、且つ固着部品点数も削減できるため、高速回転時に問題となるロータの固有振動数を高くすることができて、ロータの設計を容易にすることができる。更にまた、深溝１６は、旋盤等を用いて簡単に形成できるため作業性がよい。
【００２３】
実施の形態２．
第２図（ａ）は本発明によるスラスト磁気軸受装置の実施の形態２を示す断面図、第２図（ｂ）は第２図（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。なお、この実施の形態２は上記実施の形態１の回転ディスク２の構造を変更している。即ち、本実施の形態２では第２図に示すように、回転ディスク２は両側に回転軸１と固着させるためのスリーブ６を有しており、該回転ディスク２の軸方向の中央付近に、該回転ディスク２の外周部から回転軸１の外周部に至るスリット状の貫通孔１７が数箇所施されている。なお、この貫通孔１７の形成位置は、回転ディスク２が高速回転した時、アンバランスとならない位置である。
【００２４】
また、このスリット状の貫通孔１７により形成される空気層は、十分に大きな磁気抵抗を有するようにある適当な径をもって構成されている。また、第２図（ｂ）において、１７ａはスリット状の貫通孔１７が施されていない部分１７ａで、回転ディスク片３、３間を接続する役目をするものである。なお、その他の構成は実施の形態１と同様であるの説明を省略する。
【００２５】
電磁コイル１０に流れる電流の極性の選択により、例えば、第２図に示すように電磁石固定子７と該回転ディスク２の間に２つの磁気回路１３が形成される。回転軸１の位置制御の手段については実施の形態１と同様である。そして、本発明の特徴部分として、回転軸１に固着されている前記回転ディスク２の軸方向の中央付近に、回転ディスク２の外径部の数箇所より、スリット状の貫通孔１７が施されている。このスリット状の貫通孔１７により形成される空気層は十分に大きな磁気抵抗を有するようにある適当な径をもって構成されているため、電磁石固定子７ａと回転ディスク２により形成される磁気回路、および電磁石固定子７ｂと回転ディスク２により形成される磁気回路の磁気的干渉が緩和されている。その結果、部品点数を増加させることなく、第９図で１４で示す不正な磁路の形成を軽減でき、各電磁石固定子７ａ、７ｂ毎に磁路を独立させるため、電磁コイル１０に供給された電気エネルギーを有効に回転軸１の位置制御に利用することができる。
【００２６】
また、回転ディスク２の最大外径部位置の付根部は、スリット状の貫通孔１７が施されていない部分１７ａにおいて一体であるため、高速回転時に回転ディスク２の最大外径を有する角部４の回転軸方向位置において、遠心力による最大応力が発生しても応力緩和されるため、回転軸１と回転ディスク２の固着は常に保持される。さらに、スリット状の貫通孔１７の形成により、回転ディスク２の質量低減が図れ、且つ固着部品点数も削減できるため、高速回転時に問題となるローダの固有振動数を高くすることができて、ローダの設計を容易にすることができる。
【００２７】
実施の形態３．
第３図は本発明によるスラスト磁気軸受装置の実施の形態３を示す断面図である。この実施の形態３は上記実施の形態１の回転ディスク２の構造を一部改善している。
【００２８】
即ち、本実施の形態では第１図、及び第２図の回転ディスク２の両側に適当な微小間隔を設けて配置された電磁石固定子７の内側磁極歯１１、及び外側磁極歯１２と対向しない該回転ディスク２の表面とこの表面に対向する電磁石固定子７の表面との距離が、電磁石固定子７の内側磁極歯１１、及び外側磁極歯１２と対向する該回転ディスク２の表面とこの表面に対向する電磁石固定子７の表面との距離より大きくなるように形成されている。換言すれば、回転ディスク２の電磁石固定子７の内側磁極歯１１、及び外側磁極歯１２と対向しない表面が、回転ディスク２の電磁石固定子７の内側磁極歯１１、及び外側磁極歯１２と対向する表面より凹んだ形状となるように、回転ディスク２の電磁石固定子７の内側磁極歯１１、及び外側磁極歯１２と対向しない表面に、リング状の凹部を形成している。なお、第３図において、Ａは、上記の構成により回転ディスク２の電磁石固定子７の内側磁極歯１１に対向する表面と電磁石固定子７の内側磁極歯１１との間、及び回転ディスク２の電磁石固定子７の外側磁極歯１２に対向する表面と電磁石固定子７の外側磁極歯１２との間に、磁束が集中する様子を視覚的に表現している部分である。なおまた、その他の構成は実施の形態１と同様であるの説明を省略する。
【００２９】
電磁コイル１０に流れる電流の極性の選択により、例えば、第３図に示すように電磁石固定子７と該回転ディスク２の間に２つの磁気回路１３が形成される。回転軸１の位置制御の手段については実施の形態１と同様である。そして、本発明の特徴部分として、回転軸１に固着されている回転ディスク２の両側に適当な微小間隔を設けて配置された電磁石固定子７の内側磁極歯１１、及び外側磁極歯１２と対向しない該回転ディスク２の表面とこの表面に対向する電磁石固定子７の表面との距離が、電磁石固定子７の内側磁極歯１１、及び外側磁極歯１２と対向する該回転ディスク２の表面とこの表面に対向する電磁石固定子７の表面との距離より大きくなるように形成されている。この表面距離の差により、電磁石固定子７の内側磁極歯１１、及び外側磁極歯１２と対向しない回転ディスク２の表面から回転ディスク２の内部に入り込む磁束、及び漏洩磁束が軽減され、電磁石固定子７により生成される磁束は、効率良く電磁石固定子７の内側磁極歯１１、及び外側磁極歯１２と対向する回転ディスク２の表面のみから回転ディスク２の内部へ入り込むことができる。結果的に、部品点数を増加させることなく、内側磁極歯１１、及び外側磁極歯１２の磁束密度を高めることができる。従って、電磁コイル１０に供給された電気エネルギーを更に有効に回転軸１の位置制御に利用することができる。なお、この実施の形態３の特徴構成は、実施の形態２で示すものに組合せることもできる。
【００３０】
実施の形態４．
第４図（ａ）は本発明によるスラスト磁気軸受装置の実施の形態４を示す断面図、第４図（ｂ）は第４図（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。この実施の形態４は上記実施の形態１の電磁石固定子７の構造を一部改善している。
【００３１】
即ち、本実施の形態では、電磁石固定子７の外周部に、スリット１８が、数箇所に、且つ電磁石固定子７の軸方向全長に亘って施されている。なお、このスリット１８は、このスリット１８により形成される空気層が十分に大きな磁気抵抗を有するようにある適当な半径方向深さをもって形成されており、且つ取付強度的に許容されるところまで電磁石固定子７とケーシング２３との接触部分を極力少なくするように、スリット１８の個数、及び周方向長さが適当に決められている。なおまた、その他の構成は実施の形態１と同様であるの説明を省略する。
【００３２】
電磁コイル１０に流れる電流の極性の選択により、例えば、第４図に示すように電磁石固定子７と該回転ディスク２の間に２つの磁気回路１３が形成される。回転軸１の位置制御の手段については実施の形態１と同様である。そして、本発明の特徴部分として、回転ディスク２の両側に適当な微小間隔を設けて配置された電磁石固定子７の外周部にスリット１８が数箇所に施されている。このスリット１８により形成される空気層が十分に大きな磁気抵抗を有するようにある適当な半径方向深さをもって形成されており、且つ取付強度的に許容されるところまで電磁石固定子７とケーシング２３との接触部分を極力少なくするように、スリット１８の個数、及び周方向長さが適当に決められている。従って、回転ディスク２を介して対向する２つの電磁石固定子７と、一般に鉄系の磁性材で製作されるカラー２２、及びケーシング２３の間に形成される磁気吸引力に寄与しない磁気回路の生成が軽減されている。その結果、電磁石固定子７ａと回転ディスク２により形成される磁気回路、及び電磁石固定子７ｂと回転ディスク２により形成される磁気回路が磁気的に絶縁され、部品点数を増加させることなく、第１０図で１５で示す不正な磁路の形成をより軽減でき、電磁コイル１０に供給された電気エネルギーを更に有効に回転軸１の位置制御に利用することができる。なお、この実施の形態４の特徴構成は、実施の形態２、または実施の形態３で示すものにも組合せることができる。
【００３３】
実施の形態５．
第５図は本発明によるスラスト磁気軸受装置の実施の形態５を示す断面図である。この実施の形態５は上記実施の形態１の電磁石固定子７の構造を一部改善している。
【００３４】
即ち、本実施の形態では電磁石固定子７の外側磁極歯１２の該回転ディスク２と対向しない部分に、該回転ディスク２が位置する側から軸方向にリング状の外周溝１９が施されている。この外周溝１９は、この外周溝１９により形成される空気層が十分に大きな磁気抵抗を有するようにある適当な半径方向厚みをもって形成されており、且つ電磁石固定子７の外周溝底部２０の半径方向の磁気抵抗を十分に大きくでき、取付強度的に許容されるところまで、外周溝１９の軸方向深さが確保されている。なお、その他の構成は実施の形態１と同様であるの説明を省略する。
【００３５】
電磁コイル１０に流れる電流の極性の選択により、例えば、第５図に示すように電磁石固定子７と該回転ディスク２の間に２つの磁気回路１３が形成される。回転軸１の位置制御の手段については実施の形態１と同様である。そして、本発明の特徴部分として、回転ディスク２の両側に適当な微小間隔を設けて配置された電磁石固定子７の外側磁極歯１２の該回転ディスク２と対向しない部分に、該回転ディスク２が位置する側から軸方向に外周溝１９が施されている。この外周溝１９により形成される空気層が十分に大きな磁気抵抗を有するようにある適当な半径方向厚みをもって形成されており、且つ電磁石固定子７の外周溝底部２０の半径方向の磁気抵抗を十分に大きくでき、取付強度的に許容されるところまで、外周溝１９の軸方向深さが確保されている。従って、回転ディスク２を介して対向する２つの電磁石固定子７と、一般に鉄系の磁性材で製作されるカラー２２、及びケーシング２３の間に形成される磁気吸引力に寄与しない磁気回路の生成が軽減されている。また、電磁石固定子７の外側磁極歯１２の回転ディスク２と対向しない部分より外周溝１９が施されているため、電磁石固定子７の外側磁極歯１２の磁束密度が高められている。その結果、電磁石固定子７ａと回転ディスク２により形成される磁気回路、及び電磁石固定子７ｂと回転ディスク２により形成される磁気回路が磁気的に絶縁され、部品点数を増加させることなく、第１０図で１５で示す不正な磁路の形成をより軽減でき、電磁コイル１０に供給された電気エネルギーを更に有効に回転軸１の位置制御に利用することができる。なお、この実施の形態５の特徴構成は、実施の形態２、または実施の形態３で示すものにも組合せることができ、更に機械的剛性が保てるならば、形態４で示すものにも組合せることができる。
【００３６】
実施の形態６．
第６図（ａ）は本発明によるスラスト磁気軸受装置の実施の形態６を示す断面図、第６図（ｂ）は第６図（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。この実施の形態４は上記実施の形態１の電磁石固定子７の構造を一部改善している。この実施の形態６は上記実施の形態１の電磁石固定子７の構造を一部改善している。
【００３７】
即ち、本実施の形態では電磁石固定子７の外径を該回転ディスク２の外径と同程度寸法に形成し、２つの電磁石固定子７の外径部に非磁性材からなるリング２１が取付けられている。なお、このケーシング２３の内周部と電磁石固定子７の外周部との間に取付けられる非磁性材リング２１は、十分に大きな磁気抵抗を有するように半径方向にある適当な厚みをもって形成されている。なお、その他の構成は実施の形態１と同様であるの説明を省略する。
【００３８】
電磁コイル１０に流れる電流の極性の選択により、例えば、第６図に示すように電磁石固定子７と該回転ディスク２の間に２つの磁気回路１３が形成される。回転軸１の位置制御の手段については実施の形態１と同様である。そして、本発明の特徴部分として、回転ディスク２の両側に適当な微小間隔を設けて配置された電磁石固定子７の外径を該回転ディスク２の外径と同程度寸法に形成し、２つの電磁石固定子７の外径部に非磁性材からなるリング２１が取付けられている。ケーシング２３の内径と電磁石固定子７の外径の間に取付けられる該非磁性材リング２１が十分に大きな磁気抵抗を有するように半径方向にある適当な厚みをもって形成されているため、回転ディスク２を介して対向する２つの電磁石固定子７と、一般に鉄系の磁性材で製作されるカラー２２、及びケーシング２３の間に形成される磁気吸引力に寄与しない磁気回路の生成を防止している。また、電磁石固定子７の外径が回転ディスク２の外径と同程度寸法に形成されているため、電磁石固定子７の外側磁極歯１２の磁束密度を高められている。その結果、電磁石固定子７ａと回転ディスク２により形成される磁気回路、及び電磁石固定子７ｂと回転ディスク２により形成される磁気回路が磁気的に完全に絶縁され、第１０図で１５で示す不正な磁路の形成をより確実に防止でき、電磁コイル１０に供給された電気エネルギーを更に有効に回転軸１の位置制御に利用することができる。なお、この実施の形態６の特徴構成は、実施の形態２〜実施の形態５で示す何れのものにも組合せることができる。
【００３９】
実施の形態７．
第７図は本発明によるスラスト磁気軸受装置の実施の形態７を示す断面図である。この実施の形態７は上記実施の形態１の２つ電磁石固定子７の相対取付位置決め用のカラー２２を改善している。即ち、本実施の形態では回転ディスク２の両側に適当な微小間隔を設けて配置された２個の電磁石固定子７の間に非磁性材からなるカラー２２を設けている。なお、その他の構成は実施の形態１と同様であるの説明を省略する。電磁コイル１０に流れる電流の極性の選択により、例えば、第７図に示すように電磁石固定子７と該回転ディスク２の間に２つの磁気回路１３が形成される。回転軸１の位置制御の手段については実施の形態１と同様である。
【００４０】
そして、本発明の特徴部分として、回転ディスク２の両側に適当な微小間隔を設けて配置された２個の電磁石固定子７の間に非磁性材からなるカラー２２を設けている。該カラー２２は非磁性材を使用して形成されているため、回転ディスク２を介して対向する２つの電磁石固定子７とカラー２２との間に磁気吸引力に寄与しない磁気回路の生成が防止されている。従って、電磁石固定子７ａと回転ディスク２により形成される磁気回路、及び電磁石固定子７ｂと回転ディスク２により形成される磁気回路が磁気的に完全に絶縁され、部品点数を増加させることなく、不正な磁路（電磁石固定子７とカラー２２との間に形成される不正な磁路）の形成をより確実に防止でき、電磁コイル１０に供給された電気エネルギーを更に有効に回転軸１の位置制御に利用することができる。また、両電磁石固定子７の相対取付位置決めは該カラー２２を利用して、容易に行うことができ、組立て性を向上させている。なお、この実施の形態７の特徴構成は、実施の形態２〜実施の形態６で示す何れのものにも組合せることができる。
【００４１】
また、本発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、その他種々の変形例を含むものである。本発明の特徴は、２つの電磁石固定子７の磁気的な干渉を軽減、または防止し、且つ高速回転時においてもロータの剛性低下を生じないことであるため、例えば、実施の形態２では、回転ディスク２の軸方向の中央付近に、回転ディスク２の外径部より、磁気抵抗の大きい空気層を形成するためのスリット状の貫通孔１７を施したが、このスリット状の貫通孔１７の替わりに、円状貫通孔を回転ディスク２の外周部より複数箇所に施しても良い。この場合、ドリル等で簡単に貫通孔を形成出来るので、作業性がよい。また、実施の形態２において、必ずしも貫通孔でなくてもよく、回転軸１の外周部まで達しない、電磁石固定子７の内側磁極歯１１の内径より深い深溝であっても所期の目的を達成できる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明におけるスラスト磁気軸受装置の構造によれば、回転ディスクの軸方向の中央付近に、該回転ディスクの外周部から前記回転軸方向に延びる、磁気抵抗の大きい空気層を形成するための貫通孔を設けたので、貫通孔の効果により、２つのそれぞれの電磁石固定子により形成される磁気回路が磁気的に絶縁される。その結果、不正な磁路の形成を軽減できるため、電磁コイルに供給された電気エネルギーが有効に回転軸の位置制御に活用され、制御性能の向上を図ることができる。また、回転ディスクは、貫通孔が施されていない部分において一体連結されているため、高速回転時に回転ディスクの最大外径を有する内径の回転軸方向位置において、遠心力による最大応力が発生しても応力緩和されるため、回転軸と回転ディスクの固着は確実に保持される。さらに、貫通孔の形成により回転ディスクの質量低減が図れ、且つ固着部品点数も削減できるため、ロータの固有振動数を高くすることができる。
【００４３】
また本発明によれば、電磁石固定子の内側磁極歯・外側磁極歯と対向しない位置に存在する前記回転ディスクの表面と該表面に対向する電磁石固定子の表面との間の距離を、前記電磁石固定子の内側磁極歯・外側磁極歯と対向する位置に存在する前記回転ディスクの表面と該表面に対向する電磁石固定子の表面との間の距離より大きく形成したので、電磁石固定子の内側磁極歯、及び外側磁極歯と対向しない回転ディスクの表面から回転ディスクの内部に入り込む磁束、及び雰囲気中へ逃げる漏洩磁束が軽減され、電磁石固定子の内側磁極歯と外側磁極歯の磁束密度を高めることができる。従って、電磁コイルに供給された電気エネルギーを更に有効に回転軸の位置制御に利用することができる。
【００４４】
また本発明によれば、電磁石固定子の外周部に、半径方向の磁気抵抗を大きくするのに十分なスリットを、数箇所設けたので、２つのそれぞれの電磁石固定子により形成される磁気回路の磁気的干渉が軽減される。その結果、不正な磁路の形成を軽減できるため、電磁コイルに供給された電気エネルギーが更に有効に回転軸の位置制御に活用され、制御性能の向上を図ることができる。以上のように、本発明にかかるスラスト磁気軸受装置は、発電機や電動機などの回転機器の、特に高速回転する回転軸の支承において用いられるのに適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るスラスト磁気軸受装置における実施の形態１を示す断面図である。
【図２】第２図（ａ）は本発明に係るスラスト磁気軸受装置における実施の形態２を示す断面図、第２図（ｂ）は第２図（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。
【図３】本発明に係るスラスト磁気軸受装置における実施の形態３を示す断面図である。
【図４】第４図（ａ）は本発明に係るスラスト磁気軸受装置における実施の形態４を示す断面図、第４図（ｂ）は第４図（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。
【図５】本発明に係るスラスト磁気軸受装置における実施の形態５を示す断面図である。
【図６】第６図（ａ）は本発明に係るスラスト磁気軸受装置における実施の形態６を示す断面図、第６図（ｂ）は第６図（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。
【図７】本発明に係るスラスト磁気軸受装置における実施の形態７を示す断面図である。
【図８】従来のスラスト磁気軸受装置を示す断面図である。
【図９】従来のスラスト磁気軸受装置の欠点を説明するための断面図である。
【図１０】従来のスラスト磁気軸受装置の他の欠点を説明するための断面図である。
【図１１】他の従来のスラスト磁気軸受装置を示す断面図である。
【図１２】他の従来のスラスト磁気軸受装置の高速回転中の構造変形を示す図である。
【符号の説明】
１  回転軸、２  回転ディスク、７ａ、７ｂ  電磁石固定子、９  コイルスロット、１０  電磁コイル、１６  深溝、１７  貫通孔、２３  ケーシング
【図１】
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【図２】
0004427938.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0004427938.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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