(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャフトに取り付けられるスラストディスクを間に挟むように、電磁石及び永久磁石を併用した複合磁石を前記スラストディスクの両側に配置し前記永久磁石を前記電磁石の磁路から分離して配置してなるスラスト磁気軸受において、前記複合磁石は、ヨーク上に外側磁極及び内側磁極を同軸に立設すると共に前記外側磁極に電磁石コイルを巻回して前記電磁石を構成し、かつ、前記内側磁極よりも内側における前記ヨーク中心部に前記永久磁石を立設してなり、更に、前記スラストディスクに対向する前記外側磁極及び前記内側磁極の先端部が軸心側に円錐状に絞られることにより、前記先端部の径が前記外側磁極及び前記内側磁極の前記ヨーク側である基端部の径より小さいことを特徴とするスラスト磁気軸受。
【請求項２】
請求項１において、前記スラストディスクに対向して配置された少なくとも３組のギャップセンサ及び傾き制御用の電磁石と、前記ギャップセンサの出力に基づいて前記傾き制御用の電磁石に電流を流し前記スラストディスクの傾きを制御する制御手段を有することを特徴とするスラスト磁気軸受。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電磁石と永久磁石を併用したスラスト磁気軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、図７に示すように、鉄心２１とそれに巻回した電磁石用コイル２２からなる電磁石を用いて、対象物２３を吸引する技術が知られている。図７中、磁路２４は電磁石が発生する磁束の磁気回路である。しかし、電磁石のみで対象物２３を吸引するため、電力が多く必要である。
【０００３】
そこで、消費電力の低減と電磁石の小型化のために、電磁石と永久磁石を併用した技術が、特開平６−２６５１９号公報や特開平２−１０２９１８号公報により知られている。図８はその例を示し、電磁石の磁路２４中に永久磁石２５を挿入した複合磁石２６を用い、定常的に必要とする吸引力を永久磁石２５により発生させ、電磁石によって吸引力を可変にする制御を行う。
【０００４】
特に、特開平２−１０２９１８号公報には、電磁石と永久磁石を併用したスラスト磁気軸受が開示されている。図９はその例を示し、スラスト磁気軸受は、支持対象のシャフト（図示省略）に取り付けられるスラストディスク２と、このスラストディスク２を間隔を空けて挟むように配置される一対の複合磁石２６Ａ、２６Ｂにより構成される。各複合磁石２６Ａ、２６Ｂは電磁石の磁路２４中に永久磁石２５を挿入したものである。このようなスラスト磁気軸受において、ギャップセンサ２７をスラストディスク２の略中央に面して間隔を空けて配置し、ギャップセンサ２７によりスラスト方向の変位（ギャップ）２８を測定し、図の右方向へシャフトの位置を修正する場合には一方の複合磁石２６Ａの吸引力を増加させ、図の右方向へ位置を修正する場合には他方の複合磁石２６Ｂの吸引力を増加させることにより、スラスト方向の非接触支持を行う。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の複合磁石２６、２６Ａ、２６Ｂでは、永久磁石２５の磁路が電磁石の磁路２４と同じになっている。このため、電磁石のみで設計した場合に比べて、永久磁石２５を併用した場合は磁路２４の磁気抵抗が大きくなる傾向にある。磁気抵抗が大きくなると、空隙部分での磁束密度を変更するために必要となる電磁石での起磁力が大きくなる。従って、電磁石が思ったよりも小さくできないという問題がある。
【０００６】
本発明の課題は、電磁石の所要起磁力を小さくすることが可能なスラスト磁気軸受を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明のスラスト磁気軸受は、シャフトに取り付けられるスラストディスクを間に挟むように、電磁石及び永久磁石を併用した複合磁石を前記スラストディスクの両側に配置し前記永久磁石を前記電磁石の磁路から分離して配置してなるスラスト磁気軸受において、前記複合磁石は、ヨーク上に外側磁極及び内側磁極を同軸に立設すると共に前記外側磁極に電磁石コイルを巻回して前記電磁石を構成し、かつ、前記内側磁極よりも内側における前記ヨーク中心部に前記永久磁石を立設してなり、更に、前記スラストディスクに対向する前記外側磁極及び前記内側磁極の先端部が軸心側に円錐状に絞られることにより、前記先端部の径が前記外側磁極及び前記内側磁極の前記ヨーク側である基端部の径より小さいことを特徴とする。
【００１０】
請求項２に係る発明のスラスト磁気軸受は、請求項１に係る発明において、前記スラストディスクに対向して配置された少なくとも３組のギャップセンサ及び傾き制御用の電磁石と、前記ギャップセンサの出力に基づいて前記傾き制御用の電磁石に電流を流し前記スラストディスクの傾きを制御する制御手段を有することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態例を説明する。
【００１２】
［第１実施形態例］
本発明の第１実施形態例として、図１に示すスラスト磁気軸受を説明する。本例のスラスト磁気軸受は、支持対象のシャフト（回転軸）１に取付けられるスラストディスク２と、間隔を空けて設けられる２つの複合磁石３Ａ、３Ｂを有し、２つの複合磁石３Ａ、３Ｂの間にスラストディスク２が配置される。
【００１３】
各複合磁石３Ａ、３Ｂは鉄心４、電磁石コイル５及び永久磁石６等で構成されるが、永久磁石６が発生する磁束の磁路７と、電磁石が発生する磁束の磁路８は分かれている。
【００１４】
詳しくは、鉄心４はヨーク９と、ヨーク９に立設したリング状の外側磁極１０と、このリング状外側磁極１０と同軸にヨーク９に立設したリング状の内側磁極１１を有し、電磁石コイル５はリング状外側磁極１０に巻回され、永久磁石６はヨーク９の中心部に立設されている。つまり、永久磁石６はリング状内側磁極１１より内側に位置している。
【００１５】
本例では、永久磁石６が発生する磁束の磁路７は永久磁石６自身、スラストディスク２の一部、リング状内側磁極１１及びヨーク９の一部からなり、電磁石が発生する磁束の磁路８はリング状外側磁極１０、スラストディスク２の一部、リング状内側磁極１１及びヨーク９の一部からなる。
【００１６】
従って、リング状内側磁極１１は両磁路７、８に共用されるが、永久磁石６は電磁石の磁路８中には存在せず、両磁路７、８は実質的に分離しているということができる。
【００１７】
図示のスラスト磁気軸受では、スラストディスク２をその両側の複合磁石３Ａ、３Ｂで吸引することにより、スラストディスク２の位置の制御を行い、スラストディスク２に接続されたシャフト１のスラスト方向の位置決定を行う。
【００１８】
上述のように電磁石の磁路８中に永久磁石６が無いため、電磁石の起磁力を小さく設計することができる。これにより、電磁石に電流を流す電源の容量を小さくしたり、あるいは、電磁石コイル５の巻数を少なくすることが可能であり、その分、電磁石が小さくなる。
【００１９】
図１中、左側の複合磁石３Ｂにおいては、永久磁石６の形状がリング状になっているが、これはシャフト１を通すためである。右側の複合磁石３Ａにおいても、永久磁石６をリング状に形成してもかまわない。
【００２０】
更に、図示の各複合磁石３Ａ、３Ｂにおいては、外側から順にリング状外側磁極１０、リング状内側磁極１１及び永久磁石６を配置しているが、その順は逆でも良い。例えば、最外周にリング状の大径永久磁石、その内側にリング状磁極、最内周にリング状磁極を配置し、最内周のリング状磁極に電磁石コイル５を巻回することによっても、永久磁石６の磁路７と電磁石の磁路８を分けることができる。
【００２１】
ところで、図１に示すように２種類の磁路（永久磁石６の磁路７と電磁石の磁路８）を設けるため、鉄心４の径が大きくなり、その分、スラスト磁気軸受の径が大きくなる。すると、スラスト磁気軸受の位置計測方法によっては、図９に示すように、スラストディスク２が磁石に斜めに吸着する現象が考えられる。
【００２２】
ここで、スラスト磁気軸受の直径をＬ＿｛thrust｝とし、スラストディスク２の傾きをθとすると、スラストディスク２端でのギャップ方向への変位ΔＬは下記の式(1) で表される。
ΔＬ＝Ｌ＿｛thrust｝／２×cos(π/2−θ）  …  式(1)
【００２３】
従って、ギャップ方向変位ΔＬの最大値が一定である（これはスラスト磁気軸受のギャップで決まる）とすると、直径Ｌ＿｛thrust｝が大きくなるにつれて、より小さな傾きθでスラストディスク２が磁石に接触するようになる。
【００２４】
また、図９に示すようにギャップセンサ２７がスラストディスク２の中央部に面していると、スラストディスク２が複合磁石に接触した時のギャップセンサ２７からの出力は、スラストディスク２が目標位置に存在するときとほぼ同じ値になるから、安定な状態と見做されてしまい、スラストディスク２が斜めに吸着した状態から非接触支持状態へ復帰することができない。
【００２５】
このような現象を回避するには、下記(1)(2)の対策が考えられる。
(1) スラストディスクが斜めに吸着し難い構造にする。
(2) ギャップセンサの数を増やして、スラストディスク２の傾きも計測する。
【００２６】
［第２実施形態例］
図２に本発明の第２実施形態例として、スラストディスク２が斜めになり難い構造にしたスラスト磁気軸受を示す。本例のスラスト磁気軸受は、図１のものに比べ、複合磁石３Ａ、３Ｂの部分の高さを外周に行くにしたがい低くなるようにしている。具体的には、各複合磁石３Ａ、３Ｂにおいて、鉄心４の部分の高さ、つまり、リング状内側磁極１１とリング状外側磁極１０の高さを順に段階的に低くしている。他の構成は図１に示したものと同じである。
【００２７】
このように、外周になるに従い複合磁石３Ａ、３Ｂの高さを低くすることにより、スラストディスク２が傾いた時の複合磁石３Ａ、３Ｂへの吸着が起こる傾きθ＿max が大きくなる。従って、最大傾きθ＿max より傾きθが小さい時には吸着が起こらなず、吸着しない、つまり接触しない範囲が広がるという効果が得られる。
【００２８】
図２に示す例では複合磁石３Ａ、３Ｂの高さが外周になるほど段階的に低くなっているが、永久磁石６、リング状内側磁極１１、リング状外側磁極１０の各先端を斜めに形成し、滑らかに低くなるようにしても良い。
【００２９】
［第３実施形態例］
図３に本発明の第３実施形態例として、スラストディスク２が斜めになり難い構造にした他のスラスト磁気軸受を示す。本例のスラスト磁気軸受は、図１のものに比べ、複合磁石３Ａ、３Ｂのスラストディスク２に対向する先端を内側に絞り、スラストディスク２に対向する部分の径が大きくならないようにしている。具体的には、鉄心４の先端部、つまりリング状外側磁極１０の先端部１０ａ及びリング状内側磁極１１の先端部１１ａをそれぞれ延長して先細りの円錐状に絞り、鉄心４のスラストディスク２に対向する先端部分の径をその基端部の径より小さくしてある。これに応じて、スラストディスク２の径も小さくしてある。他の構成は図１に示したものと同じになっている
【００３０】
このように各複合磁石３Ａ、３Ｂにおいて、それらの鉄心４先端を内側に絞ったことにより、スラスト磁気軸受の直径Ｌ＿｛thrust｝が図１に比べて小さくなるので、上記式(1) で表されるスラストディスク２端でのギャップ方向変位ΔＬが小さくすることができ、スラストディスク２の傾きθに対する耐性を増すことができる。
【００３１】
なお、複合磁石３Ａ、３Ｂの高さを全体的に均一化するため、永久磁石６の先端に磁性体６ａを設け、高さ調整している。左側の複合磁石３Ｂでは磁性体６ａはリング状をなしてる。磁性体６ａを延長して設ける代わりに、永久磁石６自身の長さを調整しても良い。
【００３２】
また、最外周にリング状の大径永久磁石、その内側にリング状外側磁極、最内周にリング状内側磁極を配置し、リング状内側磁極に電磁石コイルを巻回するする構成の場合は、リング状永久磁石の先端に先細りの円錐状磁性体を設け、リング状外側磁極の先端部を延長して先細りの円錐状に絞ることによって、目的が達成される。
【００３３】
このように各複合磁石３Ａ、３Ｂの先端を内側に絞ってスラスト磁気軸受の直径を小さくすることに加えて、図２に示した各複合磁石３Ａ、３Ｂの高さを外周に行くにしたがい低くするようにしても構わない。
【００３４】
上記［第２実施形態例］及び［第３実施形態例］では、スラストディスク２が図９に示した接触状態になり難いようにしたものであるが、一旦図９に示した接触状態に陥ってしまった場合には、自力で非接触支持状態に戻る能力を有していない。そのため、通常は、これらのスラスト磁気軸受を、ラジアル磁気軸受等ラジアル方向を制御する機構と同時に使用して、非接触支持状態に戻るようにすると良い。
【００３５】
［第４実施形態例］
図４、図５に本発明の第４実施形態例として、スラストディスク２が斜めになっても単独で非接触支持状態に戻り安定化するスラスト磁気軸受を示す。
【００３６】
本例のスラスト磁気軸受では、傾き制御用にギャップセンサ１２と電磁石１３の組をスラストディスク２の外周付近の片面に対向して、鉄心４の外側面付近に設置してある。平面の傾きを制御するために、ギャップセンサ１２及び電磁石１３は少なくとも３組用いられる。他の構成は図１に示したものと同じである。
【００３７】
各ギャップセンサ１２は、スラストディスク２の傾きを制御するために、スラストディスク２との間のギャップを検出するものである。３点の各ギャップセンサ１２で計測された変位を表す各信号（ギャップ信号）を基準信号（変位基準信号）と比較することにより、スラストディスク２がどちらに変位しているかが判る。各電磁石１３は、スラストディスク２の傾きを修正するために、この変位に応じてスラストディスク２を吸引するものである。
【００３８】
図６にスラストディスク２の傾き制御に用いる制御装置の例を示す。図６に示す制御装置１４は比較手段１５、コントローラ手段１６、リミッタ手段１７及び電流アンプ１８を有している。本例では、このような制御装置１４をギャップセンサ１２及び電磁石１３の組毎に備える。
【００３９】
図６において、傾き制御用ギャップセンサ１２からのギャップ信号は比較手段１５にて変位基準信号と比較され、基準位置に対するスラストディスク２の変位が得られる。この変位はコントローラ手段１６に入力される。
【００４０】
コントローラ手段１６は比較手段１５より入力される変位から、スラストディスク２を基準位置へ戻すために必要な電流値を表す指令信号を決定する。コントローラ手段１６にはＰＩＤのようなものが使用される。
【００４１】
コントローラ手段１６からの指令信号は必要に応じてリミッタ手段１７に通した後、電流アンプ１８に入力される。リミッタ手段１７は過大な信号を規定値に制限する。
【００４２】
電流アンプ１８は指令信号に応じて電流を出力する。この電流が傾き制御用電磁石１３の電磁石コイルに流れ、スラストディスク２の吸引を行う。
【００４３】
上述した各制御装置１４の処理により、スラストディスク２の傾きをゼロとする制御が行われる。つまり、スラストディスク２の傾きを修正し、安定に非接触支持を行うことができる。通常、傾き制御用電磁石１３には変位が基準変位より大きいほど大きな電流を流すが、変位が基準変位より小さければ電流を流さなくても良い。
【００４４】
本例では以上の如く、傾き制御の処理を各々のギャップセンサ１２及び制御用電磁石１３で独立に行うものとしているが、全てのギャップセンサ１２からのギャップ信号を１つの制御装置にまとめて取り込み、１つの制御装置で傾きを修正制御するようにしてもかまわない。
【００４５】
更に、図４、５ではスラストディスク２の片側だけにギャップセンサ１２及び傾き制御用電磁石１３を設けてあるが、当然、両側にギャップセンサ１２及び制御用電磁石１３を備えても良い。また、ギャップセンサ１２及び傾き制御用電磁石１３は、スラストディスク２の片側と両側を問わず、全体で３組以上設ければ傾き制御が可能である。
【００４６】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、電磁石と永久磁石を併用したスラスト磁気軸受において、電磁石の磁路中に永久磁石を配置しないように磁路が分離していることにより、電磁石の所要起磁力を小さくすることができる。
【００４７】
請求項２に係る発明によれば、スラストディスクがシャフトに対して傾き、磁石部分に吸着してしまう現象に対して、スラスト磁気軸受の鉄心部分が外周に行くほど低いことにより、吸着が起こる傾きが大きくなり、吸着し難い。
【００４８】
請求項３に係る発明によれば、スラストディスクがシャフトに対して傾き、磁石部分に吸着してしまう現象に対して、スラスト磁気軸受の鉄心部分が窄み、スラスト磁気軸受の径が小さいことにより、吸着が起こる傾きが大きくなり、吸着し難い。
【００４９】
請求項４に係る発明によれば、傾き制御用の電磁石及びギャップセンサと、制御手段を有するので、スラストディスクの傾きを防止し、安定に非接触支持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態例に係るスラスト磁気軸受の断面図。
【図２】本発明の第２実施形態例に係るスラスト磁気軸受の断面図。
【図３】本発明の第３実施形態例に係るスラスト磁気軸受の断面図。
【図４】本発明の第４実施形態例に係るスラスト磁気軸受の断面図。
【図５】図４の右側面図。
【図６】第４実施形態例に係るスラスト磁気軸受の制御手段の例を示すブロック図。
【図７】電磁石のみ使用する従来の技術を示す図。
【図８】電磁石と永久磁石を併用する従来の技術を示す図。
【図９】電磁石と永久磁石を併用するスラスト磁気軸受の従来の技術を示す図。
【符号の説明】
１  シャフト
２  スラストディスク
３Ａ、３Ｂ  複合磁石
４  鉄心
５  電磁石コイル
６  永久磁石
６ａ  永久磁石先端の磁性体
７  永久磁石の磁路
８  電磁石の磁路
９  ヨーク
１０  リング状外側磁極
１０ａ  リング状外側磁極の円錐状先端部
１１  リング状内側磁極
１１ａ  リング状内側磁極の円錐状先端部
１２  傾き検出用ギャップセンサ
１３  傾き制御用電磁石
１４  制御装置
１５  比較手段
１６  コントローラ手段
１７  リミッタ手段
１８  電流アンプ
【図１】
0004075252.tif 000002
【図２】
0004075252.tif 000003
【図３】
0004075252.tif 000004
【図４】
0004075252.tif 000005
【図５】
0004075252.tif 000006
【図６】
0004075252.tif 000007
【図７】
0004075252.tif 000008
【図８】
0004075252.tif 000009
【図９】
0004075252.tif 000010