JP2009243635A

JP2009243635A - 磁気軸受装置

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Publication number: JP2009243635A
Application number: JP2008093245A
Authority: JP
Inventors: Yuji Shindo; 裕司進藤; Masayuki Hashimoto; 公志橋本; Masashi Yamauchi; 正史山内; Yuji Kinoshita; 雄二木下; Kazuhiro Abe; 一広阿部
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2009-10-22
Anticipated expiration: 2028-03-31
Also published as: JP5192271B2

Abstract

【課題】リラクタンス式変位センサによる検出精度の劣化を防ぎ、回転軸の良好な位置制御が可能になる磁気軸受装置を提供する。
【解決手段】周辺部３ａが磁性体からなる回転ディスク３と一対のスラスト用電磁石２１，２２とを有し、回転軸２の軸方向変位量に応じてスラスト用電磁石２１，２２に流れる電流が制御され、回転軸２の軸方向の位置を制御するスラスト磁気軸受Ａと、回転軸２の表面に固定された回転子鉄心１１と複数のラジアル用電磁石２３とを有し、回転軸２の径方向変位量に応じてラジアル用電磁石２３に流れる電流が制御され、回転軸２の径方向の位置を制御するラジアル磁気軸受Ｂと、回転軸２の軸方向変位量及び径方向変位量を検出するリラクタンス式変位センサＳとを備え、回転ディスク３の周辺部３ａから中央部３ｂを介して回転軸２に至る経路が磁気的に遮断された構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転軸をスラスト磁気軸受とラジアル磁気軸受とで非接触支持する磁気軸受装置に関する。

発電機や電動機などの回転機器の回転軸を磁気を利用して非接触支持する磁気軸受装置が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。

磁気軸受装置では、例えば、回転軸の軸方向両端側において回転軸を磁気吸引力によって非接触支持し、回転軸の径方向の変位量に応じてその位置を制御するためのラジアル磁気軸受と、軸方向の一端側において回転軸に固着された回転ディスクとその両側に回転ディスクの周辺部と対向配置された一対の電磁石とを有し、回転軸の軸方向の変位量に応じてその位置を制御するためのスラスト磁気軸受とを備えている。また、回転軸の径方向及び軸方向のそれぞれの変位量を検出するためのセンサも設けられている。
特開２００１−３３６５２８号公報特開２００２−２４２９３１号公報

このような磁気軸受装置では、例えば、図１に示すように、スラスト磁気軸受Ａと、ラジアル磁気軸受Ｂと、回転軸２の変位量を検出するためのリラクタンス式変位センサＳとが設けられた構成において、回転軸２及び回転ディスク３がともに磁性体からなるものとした場合には、スラスト磁気軸受Ａの発生する磁束（制御用磁束）の一部が回転軸２を通ってリラクタンス式変位センサＳにまで達し、リラクタンス式変位センサＳのセンサ信号にノイズを与え、回転軸の良好な位置制御が行えなくなるという問題がある。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、リラクタンス式変位センサによる検出精度の劣化を防ぎ、回転軸の良好な位置制御が可能になる磁気軸受装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の磁気軸受装置は、軸央部に回転機の回転子が設けられている回転軸の軸端部に円盤状の中央部が結合され前記中央部の周囲の周辺部が磁性体からなる回転ディスクと、前記回転ディスクの両側に前記回転ディスクの周辺部に対向して配置された一対のスラスト用電磁石とを有し、前記回転軸の軸方向変位量に応じて前記スラスト用電磁石に流れる電流が制御されることにより前記回転軸の軸方向の位置を制御するスラスト磁気軸受と、前記スラスト磁気軸受と前記回転機の回転子との間の前記回転軸の表面に固定された軸受用回転子鉄心と、前記軸受用回転子鉄心の周囲に前記軸受用回転子鉄心と対向して配置された複数のラジアル用電磁石とを有し、前記回転軸の径方向変位量に応じて前記ラジアル用電磁石に流れる電流が制御されることにより前記回転軸の径方向の位置を制御するラジアル磁気軸受と、前記スラスト磁気軸受と前記回転機の回転子との間に配置され、前記回転軸の軸方向変位量及び径方向変位量のうち少なくとも一方を検出するリラクタンス式変位センサとを備え、前記回転ディスクの前記周辺部から前記中央部を介して前記回転軸に至る経路が磁気的に遮断されるように構成されている。

この構成によれば、回転ディスクの周辺部から中央部を介して回転軸に至る経路が磁気的に遮断されるように構成されているので、回転軸を介して回転ディスクの周辺部とリラクタンス式変位センサとを結ぶ磁路の形成を防止でき、リラクタンス式変位センサによる検出精度の劣化を防ぎ、回転軸の良好な位置制御が可能になる。

また、前記リラクタンス式変位センサは、前記スラスト磁気軸受と前記ラジアル磁気軸受との間に配置されてあってもよい。

また、前記回転ディスクの前記中央部が非磁性体により形成されていてもよい。これにより、回転ディスクの周辺部と回転軸とを磁気的に遮断できる。

また、前記回転ディスクは、前記中央部と前記周辺部とが溶接により接合されていてもよい。

また、前記回転ディスクの前記中央部が非磁性体のステンレスにより形成され、前記周辺部が炭素鋼により形成されていてもよい。

また、前記回転ディスクの前記中央部が非磁性体のステンレスにより形成され、前記周辺部が磁性体のステンレスにより形成されていてもよい。

また、前記回転ディスクは、非磁性体からなるスペース部材を介して前記回転軸の軸端部と結合されていてもよい。これにより、回転ディスクの周辺部から中央部を介して回転軸に至る経路を磁気的に遮断できる。

本発明は、以上に説明した構成を有し、磁気軸受装置において、リラクタンス式変位センサによる検出精度の劣化を防ぎ、回転軸の良好な位置制御が可能になるという効果を奏する。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態の磁気軸受装置の軸心に沿った断面を示す概略模式図である。

本実施の形態の磁気軸受装置は、発電機や電動機などの回転機器の回転軸を非接触支持するものである。図１は、回転軸２の軸方向の一端側の構成を示しており、スラスト磁気軸受Ａは図示されているように回転軸２の一端側にのみ設けられているが、ラジアル磁気軸受Ｂは回転軸２の軸方向両端側に設けられている。なお、図示していないが、回転軸２の軸方向両端側に設けられた２つのラジアル磁気軸受Ｂの間には、回転機主要部として、例えば、回転軸２とともに回転する円柱状のモータロータ（回転機の回転子）が回転軸２に固定されて設けられているとともに、モータロータの周囲にモータロータとギャップを挟んで配置されたモータステータが設けられている。このモータステータはケーシング１の図示されていない部分に固定されている。

回転軸２は、鉄などの磁性体によって形成されている。回転軸２には、ラジアル磁気軸受の回転子鉄心１１と、リラクタンス式変位センサの回転子鉄心８とが、非磁性体からなる回転子鉄心保持リング１２ａ、１２ｂ、１２ｃによって強固に固定されている。

スラスト磁気軸受Ａは、回転ディスク３と、回転ディスク３の軸方向両側にスラストギャップを挟んで配置された一対の電磁石２１，２２とによって構成されている。回転ディスク３の中央部と回転軸２の軸端部とは互いに嵌合されるように構成されており、回転ディスク３は、回転軸２の軸端部と嵌合されて非磁性体のボルト１３によって回転軸２の軸端部に強固に固定されている。電磁石２１，２２はそれぞれリング状のステータ鉄心４ａ，４ｂおよびリング状の電磁コイル５ａ，５ｂによって構成され、ケーシング１に固定されている。

ラジアル磁気軸受Ｂは、回転軸２に固定されたリング状の回転子鉄心１１と、４つの電磁石２３とによって構成されている。これら４つの電磁石２３は、回転軸２の回転子鉄心１１の周囲でラジアルギャップを介し、円周方向に等間隔で配置され、それぞれステータ鉄心９および電磁コイル１０によって構成され、ケーシング１に固定されている。

リラクタンス式変位センサＳは、回転軸２に固定されたリング状の回転子鉄心８と、回転子鉄心８の周囲で、円周方向に等間隔で配置され回転軸２の径方向の変位を検出する４つのセンサ部と、軸方向に並んで配置され回転軸２の軸方向の変位を検出する２つのセンサ部とからなる。合計６つのセンサ部のそれぞれは、ケーシング１に固定されたステータ鉄心６およびコイル７を有している。

図２（ａ）は、回転ディスク３の断面図であり、図２（ｂ）は、軸方向から視た回転ディスク３の正面図である。

この回転ディスク３は、磁性体からなる周辺部３ａと、非磁性体からなる中央部３ｂと、周辺部３ａの磁性体と中央部３ｂの非磁性体とを溶接により接合した接合部３ｃとからなる。非磁性体からなる中央部３ｂが回転軸２の軸端部にボルト１３によってネジ止めされて固定される。例えば、周辺部３ａが炭素鋼で形成され、中央部３ｂが非磁性体のステンレスで形成されていてもよいし、周辺部３ａが磁性体のステンレスで形成され、中央部３ｂが非磁性体のステンレスで形成されていてもよい。

この磁気軸受装置では、回転軸２の軸方向変位及び径方向変位はリラクタンス式変位センサＳによりそれぞれ検出され、電気信号に変換される。変換された電気信号は、図示しない制御装置によって、回転軸２を安定に支持する信号に変換され、さらに電力増幅され、電流信号としてスラスト磁気軸受の電磁石２１，２２およびラジアル磁気軸受の電磁石２３に供給される。スラスト磁気軸受の電磁石２１，２２およびラジアル磁気軸受の電磁石２３はそれぞれのコイルに流れる電流に相当する磁気吸引力で回転軸２を吸引し、非接触で安定支持する。

図３（ａ）は、本実施の形態の磁気軸受装置及びその近傍のコンピュータシミュレーションによる漏洩磁束の状態を示す図であり、図３（ｂ）は、比較例の磁気軸受装置及びその近傍のコンピュータシミュレーションによる漏洩磁束の状態を示す図である。なお、比較例は、回転ディスク３の全体が磁性体によって形成されている他は、図１に示す本実施の形態の場合と同様の構成である。また、ここでは、いずれの場合も、ケーシング１等の形状及び配置を実機と近い条件にしてシミュレーションを行っている。

比較例の場合、図３（ｂ）に示されるように、漏洩磁束が、スラスト磁気軸受Ａのステータ鉄心４ａから、ケーシング１、リラクタンス式変位センサＳのステータ鉄心６やラジアル磁気軸受Ｂのステータ鉄心９、回転軸２、回転ディスク３、スラスト磁気軸受Ａのステータ鉄心４ａを通る不要な磁路が形成される。これに対し、回転ディスク３の中央部３ｂが非磁性体により形成された本実施の形態の場合、図３（ａ）に示されるように、回転軸２を通る漏洩磁束が無くなっており、図３（ｂ）のような不要な磁路は形成されていない。また、ここでは、ケーシング１が磁性体で形成されているものとしているが、非磁性体で形成することにより、より漏洩磁束の低減が可能になる。

本実施の形態では、回転ディスク３の中央部３ｂが非磁性体により形成されているので、回転ディスク３の周辺部３ａから中央部３ｂを介して回転軸２に至る経路が磁気的に遮断され、回転軸２を介して回転ディスク３の周辺部３ａとリラクタンス式変位センサＳとを結ぶ磁路の形成を防止でき、リラクタンス式変位センサＳによる検出精度の劣化を防ぎ、回転軸２の良好な位置制御が可能になる。

なお、回転ディスク３を固定するボルト１３は、前述のように非磁性体からなるものが望ましいが、磁性体のものを用いてもよい。

（変形例）
図４は、本実施の形態の変形例で用いる回転軸及び回転ディスクを示す側面図である。

この変形例では、回転ディスク３Ａは、非磁性体のスペース部材３Ｂを介して回転軸２の軸端部に非磁性体のボルト１４によってネジ止めされて固定されている。ここで、回転ディスク３Ａの中央部とスペース部材３Ｂとが互いに嵌合されるとともにスペース部材３Ｂと回転軸２の軸端部とが互いに嵌合されるように構成され、ボルト１４によって固定されている。この場合、回転ディスク３Ａは、その全体が磁性体（炭素鋼あるいは磁性体のステンレス等）によって形成されている。なお、図１の回転ディスク３のように、周辺部が磁性体で形成され、中央部が非磁性体で形成されてあってもよい。これ以外の構成は、図１の構成と同様である。

この変形例の場合、回転ディスク３Ａが非磁性体のスペース部材３Ｂを介して回転軸２に固定されているので、図１の場合と同様、回転ディスク３Ａの周辺部から中央部を介して回転軸２に至る経路が磁気的に遮断され、回転軸２を介して回転ディスク３Ａの周辺部とリラクタンス式変位センサＳとを結ぶ磁路の形成を防止でき、リラクタンス式変位センサＳによる検出精度の劣化を防ぎ、回転軸２の良好な位置制御が可能になる。

スペース部材３Ｂに用いられる非磁性体としては、非磁性体のステンレス、チタン、セラミックス、銅、真鍮、アルミニウム、ニッケル基合金の非磁性体、等がある。

なお、図１、図４の構成では、リラクタンス式変位センサＳを、回転軸２の軸方向変位及び径方向変位の両方を検出するものとしたが、いずれか一方の変位のみを検出するものとし、他方の変位は、他の場所に設けた別のセンサにより検出するようにしてもよい。

また、図１、図４の構成では、リラクタンス式変位センサＳがスラスト磁気軸受Ａとラジアル磁気軸受Ｂとの間に配置されているが、ラジアル磁気軸受Ｂと図示されていない回転機主要部（例えばモータロータ及びモータステータ）との間に、リラクタンス式変位センサＳが配置された構成であってもよい。この場合、図１において、スラスト磁気軸受Ａの左側にラジアル磁気軸受Ｂが配置され、ラジアル磁気軸受Ｂの左側にリラクタンス式変位センサＳが配置された構成になる。この構成において、回転ディスクの周辺部からその中央部を介して回転軸２に至る経路が磁気的に遮断されていない場合には、漏洩磁束が、スラスト磁気軸受Ａのステータ鉄心４ａから、ケーシング１、リラクタンス式変位センサＳのステータ鉄心６や上記回転機主要部、回転軸２、回転ディスク（３，３Ａ）、スラスト磁気軸受Ａのステータ鉄心４ａを通る不要な磁路が形成されるが、本実施の形態のように回転ディスク（３，３Ａ）の周辺部からその中央部を介して回転軸２に至る経路が磁気的に遮断された構成とすることにより、上記の不要な磁路の形成を防止でき、リラクタンス式変位センサＳによる検出精度の劣化を防ぎ、回転軸２の良好な位置制御が可能になる。

本発明に係る磁気軸受装置は、発電機及び電動機に用いられる磁気軸受装置等として有用である。

本発明の実施の形態の磁気軸受装置の軸心に沿った断面を示す概略模式図である。（ａ）は、図１の回転ディスクの断面図であり、（ｂ）は、図１の軸方向から視た回転ディスクの正面図である。（ａ）は、本実施の形態の磁気軸受装置及びその近傍のコンピュータシミュレーションによる漏洩磁束の状態を示す図であり、（ｂ）は、比較例の磁気軸受装置及びその近傍のコンピュータシミュレーションによる漏洩磁束の状態を示す図である。本発明の実施の形態の変形例で用いる回転軸及び回転ディスクを示す側面図である。

符号の説明

１ケーシング
２回転軸
３回転ディスク
３ａ回転ディスクの周辺部
３ｂ回転ディスクの中央部
３Ａ回転ディスク
３Ｂスペース部材
６リラクタンス式変位センサのステータ鉄心
７リラクタンス式変位センサのコイル
８リラクタンス式変位センサの回転子鉄心
１１ラジアル磁気軸受の回転子鉄心
２１，２２スラスト磁気軸受の電磁石
２３ラジアル磁気軸受の電磁石
Ａスラスト磁気軸受
Ｂラジアル磁気軸受
Ｓリラクタンス式変位センサ

Claims

軸央部に回転機の回転子が設けられている回転軸の軸端部に円盤状の中央部が結合され前記中央部の周囲の周辺部が磁性体からなる回転ディスクと、前記回転ディスクの両側に前記回転ディスクの周辺部に対向して配置された一対のスラスト用電磁石とを有し、前記回転軸の軸方向変位量に応じて前記スラスト用電磁石に流れる電流が制御されることにより前記回転軸の軸方向の位置を制御するスラスト磁気軸受と、
前記スラスト磁気軸受と前記回転機の回転子との間の前記回転軸の表面に固定された軸受用回転子鉄心と、前記軸受用回転子鉄心の周囲に前記軸受用回転子鉄心と対向して配置された複数のラジアル用電磁石とを有し、前記回転軸の径方向変位量に応じて前記ラジアル用電磁石に流れる電流が制御されることにより前記回転軸の径方向の位置を制御するラジアル磁気軸受と、
前記スラスト磁気軸受と前記回転機の回転子との間に配置され、前記回転軸の軸方向変位量及び径方向変位量のうち少なくとも一方を検出するリラクタンス式変位センサとを備え、
前記回転ディスクの前記周辺部から前記中央部を介して前記回転軸に至る経路が磁気的に遮断されるように構成された磁気軸受装置。
前記リラクタンス式変位センサは、前記スラスト磁気軸受と前記ラジアル磁気軸受との間に配置された請求項１に記載の磁気軸受装置。
前記回転ディスクの前記中央部が非磁性体により形成された請求項１に記載の磁気軸受装置。
前記回転ディスクは、前記中央部と前記周辺部とが溶接により接合された請求項３に記載の磁気軸受装置。
前記回転ディスクの前記中央部が非磁性体のステンレスにより形成され、前記周辺部が炭素鋼により形成された請求項３に記載の磁気軸受装置。
前記回転ディスクの前記中央部が非磁性体のステンレスにより形成され、前記周辺部が磁性体のステンレスにより形成された請求項３に記載の磁気軸受装置。
前記回転ディスクは、非磁性体からなるスペース部材を介して前記回転軸の軸端部と結合された請求項１に記載の磁気軸受装置。