(57)【要約】【課題】渦電流を低減し、かつ、高剛性及び低コスト化を実現する、磁気軸受及び加振器を提供する。【解決手段】静止側に周方向に設けられる複数の電磁石（磁石１２とコイル１３）、及び、該電磁石の電磁力を受ける回転子１１を備えている、ホモポーラ型の磁気軸受であって、回転子１１の周面のうち、少なくとも、軸方向において該電磁石に対面する位置に、軸方向に延伸するようにして配された、複数のスリット１５を備えることで、渦電流を低減し、かつ、高剛性及び低コスト化を実現することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
静止側に周方向に設けられる複数の電磁石、及び、該電磁石の電磁力を受ける回転子を備える、ホモポーラ型の磁気軸受であって、
前記回転子の周面のうち、少なくとも、軸方向において前記電磁石に対面する位置に、軸方向に延伸するようにして配された、複数のスリットを備える
ことを特徴とする磁気軸受。
【請求項２】
静止側に周方向に設けられる複数の電磁石、及び、該電磁石の電磁力を受ける回転子を備える、ホモポーラ型の磁気軸受であって、
前記回転子の周面のうち、少なくとも、軸方向において前記電磁石に対面する位置に、軸方向に並ぶようにして配された、複数の穴を備える
ことを特徴とする磁気軸受。
【請求項３】
微小加振による振動診断を供試体に対して行う装置に設けられる加振器であって、
請求項１又は２の磁気軸受を備え、前記供試体の回転軸と接続し、該回転軸を加振する
ことを特徴とする加振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気軸受及び加振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転機械の軸受は、転がり軸受、滑り軸受、あるいは磁気軸受等、用途に応じて様々なものがある。
【０００３】
磁気軸受は、能動制御型の電磁石利用のものと、受動非制御型の永久磁石利用のものとに分けられ、能動制御型の電磁石の構造には、ヘテロポーラ型とホモポーラ型（下記特許文献１参照）がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１‐２７１８３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図７は、ヘテロポーラ型磁気軸受及び回転子を表す概略図である。図７（ａ）は側面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＣ‐Ｃ断面における磁力線を表した図、図７（ｃ）は図７（ａ）のＣ‐Ｃ断面における磁極を表した図である。
【０００６】
石油プラント等で使われている産業用ターボ機械の磁気軸受の殆どは、ヘテロポーラ型である。図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、ヘテロポーラ型は、回転子３１の両端において、鉄心３２が設けられ、この鉄心３２にコイル３３がそれぞれ巻き付けられていることで電磁石を形成している。そして、コイル３２に電流を流すことで、磁力線が図７（ｂ）中の矢印の方向に発生する。
【０００７】
また、回転子３１はその端部において周方向にＮ極とＳ極が交互に分布しており（図７（ｃ））、回転子３１中においては、磁力線は周方向に発生する（図７（ｂ））。そして、電磁誘導による渦電流は磁力線に対してその周りに渦を作るように発生する。
【０００８】
このように、回転子３１の表面は周方向にＮ極とＳ極を繰り返すため、磁束の変動が大きくなる。磁束の変化率に比例して渦電流も強くなり、損失及び発熱量が増える。
【０００９】
ヘテロポーラ型の場合、渦電流は、周方向に発生する磁力線の周りに渦を作るように、すなわち、回転子３１の周方向に垂直な方向に発生する。したがって、渦電流を低減するには、回転子３１の一部を薄板の積層鋼板を軸方向に重ねることで作製するのが有効である。さらに、用いる積層鋼板が薄いほど渦電流をより低減することができる。積層鋼板はドーナツ形状となるので、それをスリーブとして回転軸に差し込む構造となる。
【００１０】
しかしながら、この積層鋼板構造は、回転軸の曲げ剛性低下、遠心力に対する強度低下、さらにコスト増加という問題がある。
【００１１】
本発明は、上述のような技術的状況に鑑みてなされたものであり、渦電流を低減し、かつ、高剛性及び低コスト化を実現する磁気軸受及び加振器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決する第１の発明に係る磁気軸受は、
静止側に周方向に設けられる複数の電磁石、及び、該電磁石の電磁力を受ける回転子を備える、ホモポーラ型の磁気軸受であって、
前記回転子の周面のうち、少なくとも、軸方向において前記電磁石に対面する位置に、軸方向に延伸するようにして配された、複数のスリットを備える
ことを特徴とする。
【００１３】
上記課題を解決する第２の発明に係る磁気軸受は、
静止側に周方向に設けられる複数の電磁石、及び、該電磁石の電磁力を受ける回転子を備える、ホモポーラ型の磁気軸受であって、
前記回転子の周面のうち、少なくとも、軸方向において前記電磁石に対面する位置に、軸方向に並ぶようにして配された、複数の穴を備える
ことを特徴とする。
【００１４】
上記課題を解決する第３の発明に係る加振器は、
微小加振による振動診断を供試体に対して行う装置に設けられる加振器であって、
上記第１又は２の発明に係る磁気軸受を備え、前記供試体の回転軸と接続し、該回転軸を加振する
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
上記第１，２の発明に係る磁気軸受によれば、積層鋼板を使うことなく渦電流を低減し、損失及び発熱を抑えることができる。また、曲げ剛性を高くすることができ、遠心力に対する強度を高くすることが可能となる。さらに、低コスト化が可能となる。
【００１６】
上記第３の発明に係る加振器によれば、ホモポーラ型磁気軸受の発熱が改善されるため、回転機械の軸系の正確な振動診断を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】ホモポーラ型磁気軸受及び回転子を表す概略図である。（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のＡ‐Ａ断面における磁極を表した図、（ｃ）は（ａ）のＢ‐Ｂ断面における磁極を表した図である。
【図２】本発明の実施例１におけるスリットを説明する斜視図である。
【図３】本発明の実施例２における穴を説明する斜視図である。
【図４】磁気軸受（及び回転子）を加振器として用いて、微小加振による振動診断を行うことで、回転機械の安定性を評価する安全性評価試験装置の一例を示す概略図である。
【図５】本発明の実施例３における、回転軸に加振器の回転子を取り付ける手段の一例を示す概略図である。
【図６】本発明の実施例３における、回転軸に加振器の回転子を取り付ける手段の他の例を示す概略図である。（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。
【図７】ヘテロポーラ型磁気軸受及び回転子を表す概略図である。（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のＣ‐Ｃ断面における磁力線を表した図、（ｃ）は（ａ）のＣ‐Ｃ断面における磁極を表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る磁気軸受及び加振器を実施例にて図面を用いて説明する。
【００１９】
［実施例１］
本発明の実施例１に係る磁気軸受について、図１，２を用いて説明する。
【００２０】
本実施例に係る磁気軸受は、ヘテロポーラ型のように積層鋼板を使用することなく、渦電流を低減するため、ホモポーラ型とする。
【００２１】
図１は、ホモポーラ型磁気軸受及び回転子を表す概略図である。図１（ａ）は側面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ‐Ａ断面における磁極を表した図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ‐Ｂ断面における磁極を表した図である。
【００２２】
ホモポーラ型では、回転子１１の両端において周方向に配され、それぞれコイル１３が巻き付けられた複数の鉄心１２（すなわち電磁石）は、軸方向一端の歯がＮ極、他端の歯がＳ極となるため、回転子１１の両端の磁力線は軸方向に発生する。そして、渦電流は磁力線の周りに渦巻くように発生する。
【００２３】
したがって、ホモポーラ型では、回転子１１に発生するＮ極とＳ極は回転中も周方向に極性が同じとなり、磁束の変動が小さいため、発生する渦電流は弱くなる。よって、回転子１１側に細工を施すことなく、ムクのまま冷却を強めれば、ヘテロポーラ型に比べて損失及び発熱量を抑制することができる。
【００２４】
しかし、コイル１３に流れる作動交番電流を強めると、それに伴い磁界の強さも交番的に変動するので、渦電流も強くなり、結局損失及び発熱量が増えてしまう。
【００２５】
このように、通常のホモポーラ型では渦電流低減効果が不十分なため、磁気軸受の同じ磁極の周方向に隣設した歯を連結した構造が提案されている（上記特許文献１参照）。しかし、このような特殊な形状の鉄心は非常にコストが増加するという問題がある。
【００２６】
また仮に、ヘテロポーラ型のように積層鋼板を用いて回転子を作製したとすると、既に説明したように曲げ剛性低下、強度低下、コスト増加が発生する。
【００２７】
さらには、ホモポーラ型における渦電流は、軸方向に発生する磁力線の周りに渦巻くように、すなわち、軸方向に垂直な方向に発生するため、軸方向に積層された積層鋼板では、そもそも渦電流を低減しにくい。
【００２８】
そこで、本実施例に係る磁気軸受においては、コストを抑えながら渦電流を大幅に低減するため、磁気軸受をホモポーラ型とし、かつ、図２に示す構造とする。
【００２９】
換言すれば、本実施例に係る磁気軸受は、静止側に周方向に設けられる複数の電磁石（鉄心１２とコイル１３）、及び、該電磁石の電磁力を受ける回転子１１を備えている、ホモポーラ型の磁気軸受であって、回転子１１の周面のうち、少なくとも、軸方向において該電磁石に対面する位置に、軸方向に延伸するようにして配された、複数のスリット１５（図２）を備えるものである。
【００３０】
既に説明したように、ホモポーラ型の回転子には磁力線方向の周りに渦電流が発生する。ただし、この渦電流は回転子の表面にのみ発生する。また渦電流は、軸方向に発生する磁力線（図２中の実線矢印）の周りに渦巻くように、すなわち、軸方向に垂直な方向に発生する（図２中の破線矢印）。
【００３１】
したがって、図２に示すように、軸方向に延伸するスリット１５を設けることで、渦電流が流れる領域を制限することができるため、これにより渦電流を大幅に低減することができる。なお、スリット１５同士のピッチは細かい方が望ましい。
【００３２】
また、スリットの溝の深さｈの目安として、下記（１）式の表皮効果ｄ（渦電流発生の深さ）を考慮する。なお、ここでは、回転子１１がケイ素鋼から成るものとする。
【００３３】
ｄ＝（２ρ／（Ωμ））1/2［ｍ］                  （１）
Ω＝２πｆ［ｒａｄ／ｓ］（回転軸の横振動における角振動数）
μ＝４π×４０００×１０-7［Ｈ／ｍ］（ケイ素鋼の透磁率）
ρ＝０．９７×１０-7［Ω・ｍ］（回転子（ケイ素鋼）の電気抵抗率）
【００３４】
スリットの溝の深さｈは上記（１）式の表皮効果ｄより大きいことが望ましい。例えば、ケイ素鋼で回転数３０００ｒｐｍ（５０Ｈｚ）の場合、上記（１）式より、表皮効果ｄ＝０．３５ｍｍであるため、スリットの溝の深さｈは０．３５ｍｍより大きければ十分であることがわかる。よって、図２の回転子１１は高い剛性を維持することができる。
【００３５】
したがって、ホモポーラ型の磁気軸受において、回転子１１に複数のスリット１５を配することで、渦電流を低減できるだけでなく、高剛性及び低コストを実現することができる。
【００３６】
［実施例２］
本発明の実施例２に係る磁気軸受について、図１，３を用いて説明する。図３は本実施例における穴を説明する斜視図である。
【００３７】
本実施例に係る磁気軸受は、静止側に周方向に設けられる複数の電磁石（図１における鉄心１２とコイル１３）、及び、該電磁石の電磁力を受ける回転子１１を備える、ホモポーラ型の磁気軸受であって、回転子１１の周面のうち、少なくとも、軸方向において該電磁石に対面する位置に、軸方向に並ぶようにして配された、複数の穴１６を備えるものとする。
【００３８】
回転子１１表面において、軸方向の磁力線（図３中の実線矢印）の周りに渦電流が発生する（図３中の破線矢印）が、複数の穴１６が配されることによって、渦電流が流れる領域が制限されるため、渦電流を大幅に低減することができる。
【００３９】
また、上記（１）式の表皮効果ｄの検討結果より、穴１６もスリット１５同様浅い形状で十分であるため、回転子１１の剛性を高く維持できる。
【００４０】
したがって、ホモポーラ型磁気軸受において、回転子１１に複数の穴１６を配することで、渦電流を低減することができるだけでなく、高剛性を実現することができる。
【００４１】
［実施例３］
本発明の実施例３に係る加振器は、本発明の実施例１又は２に係る磁気軸受を用いたものである。以下、本実施例に係る加振器について、図４〜６を用いて説明する。
【００４２】
図４は、磁気軸受を加振器として用いて、微小加振による振動診断を行うことで、回転機械の安定性を評価する安全性評価試験装置の一例を示す概略図である。なお、「磁気軸受を加振器として用いて」とは、磁気軸受の構造自体を変えるのではなく、磁気軸受に流す作動交番電流を変化させることにより、加振器としての役割を持たせるということである。
【００４３】
図４に示す安全性評価試験装置は、一例として、供試体１９の回転軸２０の一端に接続される加振器１７、及び、供試体１９の回転軸２０の他端に接続されるモータ１８を備えている。また、モータ１８は回転軸２０を回転させ、加振器１７は回転軸２０に微小加振を与える。
【００４４】
さらに、図４に示す供試体１９は、一例として、回転軸２０、回転軸２０の一端を支持する滑り軸受２１、回転軸２０の他端を支持する転がり軸受２３、及び、回転軸２０における滑り軸受２１と転がり軸受２３との間に配される回転子２２を備えている。なお、（供試体１９の）回転子２２は複数の積層鋼板から成るものとする。
【００４５】
通常（加振を与えない）状態では、加振器１７のコイルに電流を流さず、軸受として作用する力は全く発生しない。そして、必要に応じて加振器１７のコイルに作動交番電流を流して、回転軸２０を半径方向に電磁加振する。
【００４６】
ところが、電磁加振により、加振器１７中の回転子に渦電流が発生し、回転軸２０が発熱してしまう。回転軸２０の発熱は、熱膨張による回転軸２０と静止側との接触等、回転機械の深刻な損傷となる可能性がある。
【００４７】
また、回転軸２０が発熱すると、その熱は滑り軸受２１の油膜にも達して油の粘度が変わり、滑り軸受２１のバネ定数及び粘性減衰係数が変化し、回転軸２０及び軸受（軸系）の振動特性の変化を引き起こす。
【００４８】
したがって、軸系本来の振動特性及び安全性が得られなくなるため、軸系の振動診断にとって熱の影響は深刻な問題である。
【００４９】
従来の回転機械で微小加振による振動診断を行う場合、上記発熱の原因である渦電流を低減するため、加振器１７に既に説明したヘテロポーラ型磁気軸受及び積層鋼板を用いるとすると、コスト増加の問題が発生してしまう。
【００５０】
そこで、本実施例においては、実施例１又は２に係る磁気軸受を加振器１７に用いる。すなわち、本実施例に係る加振器１７は、微小加振による振動診断を供試体１９に対して行う装置に設けられる加振器であって、実施例１又は２の磁気軸受を備え、供試体１９の回転軸２０と接続し、回転軸２０を加振する。
【００５１】
これにより、実施例１，２で説明した如く渦電流を低減することができ、上記発熱の問題を改善することができるだけでなく、加振器１７の高剛性及び低コストを実現することができる。
【００５２】
また、回転軸２０に加振器１７の回転子を取り付ける手段を図５，６の概略図に示す。なお、図６（ａ）は側面図、図６（ｂ）は正面図である。
【００５３】
図５に示す手段は、磁気軸受を用いた加振器１７の回転子１１を、回転軸２０にフランジ形軸継手２４ａ，２４ｂで結合するものである。この手段によって、回転子１１を回転軸２０に確実に固定することができる。ただし、この手段では、供試体１９の回転軸２０がフランジ形軸継手２４ｂを有する必要がある。
【００５４】
一方、図６（ａ）（ｂ）に示す手段は、まず、磁気軸受を用いた加振器１７の回転子１１を、回転子片１１ａ，１１ｂから成る半割れ構造とし、回転子片１１ａ，１１ｂの軸方向端面における互いの接触部分付近のうち、それぞれ一方にボルト２５及び他方にフランジ２６を設ける。また、フランジ２６には、ボルト２５に対応するボルト穴が設けられている。
【００５５】
そして、回転子片１１ａ，１１ｂによって回転軸２０を挟み、回転子片１１ａ，１１ｂの各ボルト２５を、それぞれに対応する位置の互いのフランジ２６に固定する。この手段では、供試体１９の回転軸２０を加工せずに加振器１７に取り付けることが可能となる。
【００５６】
また、図６（ａ）（ｂ）に示す手段では、加振器１７の回転子１１の内周面と供試体１９の回転軸２０の外周面との間に隙間が発生する場合、シム等の介在物を用いれば確実に固定することが可能である。さらには、様々な内径の回転子１１（回転子片１１ａ、１１ｂ）を用意することで、様々な径の回転軸１１に対応することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、磁気軸受及び加振器として好適である。
【符号の説明】
【００５８】
１１  回転子
１２  鉄心
１３  コイル
１５  スリット
１６  穴
１７  加振器
１８  モータ
１９  供試体
２０  回転軸
２１  滑り軸受
２２  （供試体１９の）回転子
２３  転がり軸受
２４ａ，２４ｂ  フランジ形軸継手
２５  ボルト
２６  フランジ
３１  （ヘテロポーラ型の）回転子
３２  （ヘテロポーラ型の）鉄心
３３  （ヘテロポーラ型の）コイル
【図１】
2016223596.tif 000003
【図２】
2016223596.tif 000004
【図３】
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【図４】
2016223596.tif 000006
【図５】
2016223596.tif 000007
【図６】
2016223596.tif 000008
【図７】
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