(57)【要約】【課題】アキシャル磁気軸受において、電磁石ユニットの吸引力を維持しつつ、ロータの軸方向の幅を低減する。【解決手段】ロータに対して設けられるディスクと、当該ディスクに対向配置される電磁石ユニットとを有する磁気軸受であって、電磁石ユニットは、コイルと、コイルを内包すると共にディスクに対向する箇所に設けられる磁極間のスリットを有するコアと、スリットに配置されると共に比透磁率が１より小さい反磁性体からなる磁束漏出防止部材とを備える。【選択図】図３
2016118225.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータに対して設けられるディスクと、当該ディスクに対向配置され、前記ディスクに対向しない領域を含む電磁石ユニットとを有する磁気軸受であって、
前記電磁石ユニットは、
コイルと、
前記コイルを内包すると共に前記ディスクに対向する箇所に設けられる環状のスリットを有するコアと、
前記スリットに配置されると共に比透磁率が１より小さい反磁性体からなる磁束漏出防止部材と
を備える、磁気軸受。
【請求項２】
前記ディスクの周面に設けられると共に前記反磁性体からなるディスク用磁束漏出防止部材を備える、請求項１記載の磁気軸受。
【請求項３】
前記ディスク側の前記コアの表面であって前記ディスクと対向しない領域に設けられると共に前記反磁性体からなるコア表面用磁束漏出防止部材を備える、請求項１または２記載の磁気軸受。
【請求項４】
ロータと、当該ロータを回転可能に支持する磁気軸受とを備える回転機械であって、
前記磁気軸受として請求項１〜３いずれか一項に記載の磁気軸受を備える、回転機械。
【請求項５】
ディスクと、
前記ディスクに対向する領域及び前記ディスクに対向しない領域のうち、前記ディスクに対向する領域に環状のスリットを含むコアと、
前記コアに内包されたコイルと、
前記スリットに対して設けられた磁束漏出防止部材と、
を有する磁気軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気軸受及び回転機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１に示すように、ターボ圧縮機やモータ等の回転機械では、ロータをできる限り回転抵抗が少なく軸支するために、磁気軸受が用いられている。一般的には、磁気軸受を採用する場合には、磁気軸受として、ロータの径方向への荷重を支持するラジアル磁気軸受と、ロータの軸方向への荷重を支持するアキシャル磁気軸受とが設けられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２１４９３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、近年、ロータの高速回転化が進み、回転時の安定性向上の観点からロータの軸長が短くなっている。アキシャル磁気軸受が、ロータに対して固定されるディスクを電磁石ユニットで一定の隙間を空けて両側から挟む構成であることから、ロータの軸長が短くなることで、電磁石ユニットの設置スペースの確保が難しくなっている。一方で、電磁石ユニットにおいて一定の磁束を確保するためには、コイルの線積率を保つ必要がある。このため、特にロータが高速回転される回転機械では、電磁石ユニットをロータの径方向に広げることでコイルの線積率を維持しつつロータの軸方向に扁平とすることで、ロータの短軸化に対応している。
【０００５】
一方で、遠心力による影響を抑制するためにもディスクを径方向に広げることは難しい。このため、上述のように電磁石ユニットを扁平とした場合には、電磁石ユニットがディスクよりも径方向に大きな形状となり、電磁石ユニットの内径側の一部のみがディスクに対向することになる。このような構成のアキシャル磁気軸受では、電磁石ユニットにより発生した磁束が効率的にディスクを通過するように、電磁石ユニットコイルの全体をコアで囲み、当該コアのディスクとの対向領域に、ディスクと電磁石ユニットとの離間距離よりも大きな幅のスリットを形成することで磁極を形成している。
【０００６】
しかしながら、このような複雑な形状のコアにおいては、磁束の形状も歪なものとなり、磁束漏れが増加する。特に、磁極間での磁束漏れが増加する。このため、ディスクをロータの軸方向に支える吸引力を発生させるために有効な磁束が減少し、結果として、電磁石ユニットの吸引力が低下することになる。
【０００７】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、アキシャル磁気軸受において、電磁石ユニットの吸引力を維持しつつ、ロータの軸方向の幅を低減することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、ロータに対して設けられるディスクと、当該ディスクに対向配置され、前記ディスクに対向しない領域を含む電磁石ユニットとを有する磁気軸受であって、上記電磁石ユニットは、コイルと、上記コイルを内包すると共に上記ディスクに対向する箇所に設けられる環状のスリットを有するコアと、上記スリットに配置されると共に比透磁率が１より小さい反磁性体からなる磁束漏出防止部材とを備える、という手段を採用する。
【０００９】
第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、上記ディスクの周面に設けられると共に上記反磁性体からなるディスク用磁束漏出防止部材を備える、という手段を採用する。
【００１０】
第３の解決手段として、上記第１または第２いずれかの解決手段において、上記ディスク側の上記コアの表面であって上記ディスクと対向しない領域に設けられると共に上記反磁性体からなるコア表面用磁束漏出防止部材を備える、という手段を採用する。
【００１１】
第４の解決手段として、ロータと、当該ロータを回転可能に支持する磁気軸受とを備える回転機械であって、上記磁気軸受として上記第１〜第３いずれかの解決手段における磁気軸受を備える、という手段を採用する。
【００１２】
第５の解決手段として、ディスクと、上記ディスクに対向する領域及び上記ディスクに対向しない領域のうち、上記ディスクに対向する領域に環状のスリットを含むコアと、上記コアに内包されたコイルと、上記スリットに対して設けられた磁束漏出防止部材と、を有するという手段を採用する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電磁石ユニットをロータの軸方向に扁平とした場合であっても、磁束漏出防止部材によって、コアに設けられたスリットにおいて磁束が漏出することを防止することできる。このため、有効な磁束の減少を抑制し、電磁石ユニットの吸引力が低下することを防止することができる。したがって、本発明によれば、磁気軸受において、電磁石ユニットの吸引力を維持しつつ、ロータの軸方向の幅を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係るモータの概略構成を示す縦断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るモータが備える電磁石ユニットの全体図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るモータが備える電磁石ユニット及びディスクの一部を含む模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係るモータ１（回転機械）は、例えば空気圧縮機に搭載され、ハウジング２と、ステータ３と、ロータ４と、ラジアル磁気軸受５と、アキシャル磁気軸受６と、補助軸受７とを備えている。
【００１６】
ハウジング２は、ステータ３、ロータ４、ラジアル磁気軸受５、アキシャル磁気軸受６及び補助軸受７を収容するケーシングである。このハウジング２には、ロータ４の先端を露出させるために、ロータ４が貫通する貫通孔が設けられている。ステータ３は、ハウジング２の内部に収容されており、ハウジング２に固定されることにより支持されている。このステータ３は、ロータ４を一定の間隔を空けて囲んで配置されるコイルを備えており、不図示のモータ制御装置により、給電状態が制御される。
【００１７】
ロータ４は、棒部材であり、ステータ３との対向箇所に永久磁石を備えている。このロータ４は、ステータ３への給電により生じる磁界によって回転駆動され、回転時にはラジアル磁気軸受５及びアキシャル磁気軸受６によって非接触にて軸支される。なお、ロータ４は、停止時には、補助軸受７により支持される。ラジアル磁気軸受５は、ロータ４の両端部に対して各々設けられている。これらのラジアル磁気軸受５は、不図示の給電装置から給電されることによって磁力を発生し、ロータ４の径方向への荷重を非接触にて支持する。
【００１８】
アキシャル磁気軸受６は、図１に示すように、ディスク６ａと、２つの電磁石ユニット６ｂと、磁束漏出防止部材６ｃとを備えている。ディスク６ａは、磁性体からなる円板状の部材であり、ロータ４に対して設けられている。このディスク６ａは、ロータ４よりも大径とされており、ロータ４に対して同心状に固定されている。このようなディスク６ａは、ロータ４の軸方向から見て、外縁部がロータ４の外側に突出されている。２つの電磁石ユニット６ｂは、ディスク６ａをロータ４の軸方向から挟むようにディスク６ａに対して対向配置されており、ディスク６ａに対して僅かな隙間を空けて対向されるようにハウジング２に対して固定されている。
【００１９】
図２は、ディスク６ａの一方側（図１の左側）に設けられた電磁石ユニット６ｂの全体図であり、（ａ）が縦断面図であり、（ｂ）が正面図であり、（ｃ）が（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。また、図３は、電磁石ユニット６ｂとディスク６ａの一部を含む拡大模式図である。これらの図に示すように、電磁石ユニット６ｂは、コイル６ｂ１と、コア６ｂ２とを備えている。
【００２０】
コイル６ｂ１は、ロータ４を中心として巻回される巻線により形成されており、不図示の給電装置により給電が行われる。このコイル６ｂ１は、予め定められた線積率となるように巻線が巻回されている。
【００２１】
コア６ｂ２は、磁性体からなると共に中央にロータ４が挿通される開口を有する環状の部材であり、コイル６ｂ１を内包する。また、コア６ｂ２は、ディスク６ａと対向する領域Ｒａに対向する箇所に設けられる環状のスリット６ｂ３（磁極間のスリット）を有している。このスリット６ｂ３は、ロータ４を中心とする環状に設けられている。
【００２２】
なお、ディスク６ａの他方側（図１の右側）に設けられた電磁石ユニット６ｂは、ディスク６ａの一方側に設けられた電磁石ユニット６ｂとディスク６ａを中心として対称な構成となっている。このため、ディスク６ａの他方側に設けられた電磁石ユニット６ｂの詳細な説明は省略する。
【００２３】
磁束漏出防止部材６ｃは、比透磁率が１より小さい反磁性体からなる部材であり、図３に示すように、スリット６ｂ３の内壁面６ｂ４と、ディスク６ａの周面６ａ１と、コア６ｂ２の表面であってディスク６ａの対向しない領域Ｒｂに設けられている。以下、スリット６ｂ３の内壁面６ｂ４に設けられた磁束漏出防止部材６ｃをスリット用磁束漏出防止部材６ｃ１と、ディスク６ａの周面６ａ１に設けられた磁束漏出防止部材６ｃをディスク用磁束漏出防止部材６ｃ２と、コア６ｂ２の表面であってディスク６ａの対向しない領域Ｒｂに設けられた磁束漏出防止部材６ｃをコア表面用磁束漏出防止部材６ｃ３と称する。
【００２４】
スリット用磁束漏出防止部材６ｃ１は、対向するスリット６ｂ３の内壁面６ｂ４（径方向内側の内壁面６ｂ４及び径方向外側の内壁面６ｂ４）の全面を覆うように設けられている。このスリット用磁束漏出防止部材６ｃ１は、図３に示すように、スリット６ｂ３において磁束が漏出することを防止し、コア６ｂ２を通過する磁束をディスク６ａに案内する。ディスク用磁束漏出防止部材６ｃ２及びコア表面用磁束漏出防止部材６ｃ３は、コア６ｂ２のディスク６ａと対向しない領域Ｒｂとディスク６ａの周面６ａ１との間で磁束が漏出することを防止し、コア６ｂ２を通過する磁束をディスク６ａに案内する。
【００２５】
また、ディスク用磁束漏出防止部材６ｃ２は、ディスク６ａの他方側（図１の右側）に設けられた電磁石ユニット６ｂが備えるコア６ｂ２のディスク６ａと対向しない領域Ｒｂとディスク６ａの周面６ａ１との間で磁束が漏出することも防止する。また、コア表面用磁束漏出防止部材６ｃ３は、ディスク６ａの他方側に設けられた電磁石ユニット６ｂにも同様に設けられており、ディスク６ａの他方側（図１の右側）に設けられた電磁石ユニット６ｂが備えるコア６ｂ２のディスク６ａと対向しない領域Ｒｂとディスク６ａの周面６ａ１との間で磁束が漏出することを防止する。
【００２６】
このような磁束漏出防止部材６ｃは、例えば、ビヒマス、あるいは鉛、もしくはこれらを含む材料によって磁束漏出防止部材６ｃを形成することができる。ただし、このような磁束漏出防止部材６ｃを形成する反磁性体は特に限定されるものではない。
【００２７】
このような構成の本実施形態のモータ１では、ステータ３に対して給電されることでロータ４が回転駆動され、さらにラジアル磁気軸受５及びアキシャル磁気軸受６に対して給電されることでロータ４が非接触にて軸支される。このため、極めて回転抵抗が少ない状態でロータ４を回転することができる。
【００２８】
上述のような本実施形態のモータ１によれば、図１に示すように電磁石ユニット６ｂをロータ４の軸方向に扁平とした場合であっても、スリット用磁束漏出防止部材６ｃ１によって、コア６ｂ２に設けられたスリット６ｂ３において磁束が漏出することを防止することできる（図３参照）。このため、有効な磁束の減少を抑制し、電磁石ユニット６ｂの吸引力が低下することを防止することができる。したがって、本実施形態のモータ１によれば、アキシャル磁気軸受６において、電磁石ユニット６ｂの吸引力を維持しつつ、ロータ４の軸方向の幅を低減することが可能となる。
【００２９】
また、本実施形態のモータ１においては、ディスク６ａの周面６ａ１に設けられると共に反磁性体からなるディスク用磁束漏出防止部材６ｃ２と、ディスク６ａ側のコア６ｂ２の表面であってディスク６ａと対向しない領域Ｒｂに設けられると共に反磁性体からなるコア表面用磁束漏出防止部材６ｃ３とを備えている。このため、コア６ｂ２のディスク６ａと対向しない領域Ｒｂとディスク６ａの周面６ａ１との間で磁束が漏出することを防止することができ、有効な磁束の減少をさらに抑制し、電磁石ユニット６ｂの吸引力をさらに高い水準で維持することができる。
【００３０】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、対向するスリット６ｂ３の内壁面６ｂ４に対してスリット用磁束漏出防止部材６ｃ１を設けることで、磁束漏出防止部材６ｃをスリット６ｂ３に配置したが、本発明はこれに限定されない。例えば、スリット６ｂ３の全体あるいは一部を埋める反磁性体からなる部材をスリット６ｂ３に配置し、これを磁束漏出防止部材とすることも可能である。
【００３１】
（２）上記実施形態では、対向するスリット６ｂ３の内壁面６ｂ４の両方に対してスリット用磁束漏出防止部材６ｃ１を設けたが、本発明はこれに限定されない。例えば、対向するスリット６ｂ３の内壁面６ｂ４のいずれか一方のみにスリット用磁束漏出防止部材６ｃ１を設けても良い。
【００３２】
（３）上記実施形態では、ディスク６ａの周面６ａ１に設けられると共に反磁性体からなるディスク用磁束漏出防止部材６ｃ２と、ディスク６ａ側のコア６ｂ２の表面であってディスク６ａと対向しない領域Ｒｂに設けられると共に反磁性体からなるコア表面用磁束漏出防止部材６ｃ３とを備えたが、本発明はこれに限定されない。例えば、ディスク用磁束漏出防止部材６ｃ２及びコア表面用磁束漏出防止部材６ｃ３を設けない構成や、ディスク用磁束漏出防止部材６ｃ２及びコア表面用磁束漏出防止部材６ｃ３のいずれかのみを設ける構成とすることもできる。なお、ディスク用磁束漏出防止部材６ｃ２及びコア表面用磁束漏出防止部材６ｃ３のいずれかのみを設ける場合には、ディスク用磁束漏出防止部材６ｃ２のみを設けることが好ましい。これは、１つのディスク用磁束漏出防止部材６ｃ２によって、ディスク６ａを挟んで配置される２つの電磁石ユニット６ｂとの間における磁束の漏出を防止することができるためである。
【００３３】
（４）上記実施形態では、本発明をモータに適用した例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、本発明は、特性を決定するのにロータの固有振動数が大きな要因となる回転機械や、限られた空間で所定の吸引力が求められる回転機械に対して好適に適用することができる。このような回転機械としては、例えば、空気圧縮機、ターボ冷凍機、空気分離機及びガスタービンが挙げられる。
【符号の説明】
【００３４】
１…モータ（回転機械）、２…ハウジング、３…ステータ、４…ロータ、５…ラジアル磁気軸受、６…アキシャル磁気軸受、６ａ…ディスク、６ａ１…周面、６ｂ…電磁石ユニット、６ｂ１…コイル、６ｂ２…コア、６ｂ３…スリット、６ｂ４…内壁面、６ｃ…磁束漏出防止部材、６ｃ１…スリット用磁束漏出防止部材、６ｃ２…ディスク用磁束漏出防止部材、６ｃ３…コア表面用磁束漏出防止部材、７…補助軸受、Ｒａ…領域、Ｒｂ…領域
【図１】
2016118225.tif 000003
【図２】
2016118225.tif 000004
【図３】
2016118225.tif 000005