JP2018021573A - ディスクレススラスト磁気軸受及び3軸能動制御磁気軸受 - Google Patents
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Abstract
Description
この問題を解決するべく、本願発明者らは、一対のスラストステータを一体化し、ロータの軸長の短縮化を図ったディスクレススラスト磁気軸受を発案した。しかしながら、ディスクレス構造を採用する場合、磁力の大きさにかかわる対向面積が小さくなるため、スラスト支持力が低下するという新たな問題が生じた。
図1は、本発明の第1実施形態におけるディスクレススラスト磁気軸受1Aを示す縦断面図である。なお、以下の説明においては、XYZ直交座標系を設定し、このXYZ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明することがある。ラジアル方向において互いに直交する2軸をそれぞれX軸方向、Y軸方向とし、スラスト方向の1軸をZ軸方向とする。Z軸方向は、X軸方向及びY軸方向と直交する。
ディスクレススラスト磁気軸受1Aは、図1に示すように、ロータ10と、共有磁極21Aと、ロータ10のスラスト方向における支持力を発生するスラストステータ30と、を有する。
なお、以下の説明では、一対で設けられたスラストステータ30のうち、一方を第1のスラストステータ30z1と称し、他方を第2のスラストステータ30z2と称する。
ロータ10は、磁性体であって、円筒状に形成されている。
共有磁極21Aは、磁性体であって、円環状に形成されている。共有磁極21Aは、ロータ10の外側に配置され、ロータ10の周面10cにギャップをあけて対向している。
また、一対の第1のスラストステータ30z1及び第2のスラストステータ30z2は、共有磁極21Aにおいて磁束の向きが互いに逆方向となるように磁気回路102z1,102z2を形成している。
また、第2のスラストステータ30z2は、ロータ10の他方の端面10bと非対向で配置された第2のスラストステータ磁極33z2を有する。この円環状の第2のスラストステータ磁極33z2の内径は、ロータ10の外径より大きい。
図2は、図1に示すディスクレススラスト磁気軸受1Aの要部を抜き出して拡大した要部拡大図である。
すなわち、磁力fは、下記式(1)で表すことができる。Bは磁束密度、Sは面積、μ0は真空の透磁率である。
なお、第2のスラストステータ30z2側では、磁気飽和を抑制するべく、第2のスラストステータ磁極33z2の厚みを、第1のスラストステータ磁極33z1の厚みよりも太く形成してもよい。すなわち、厚みt1<厚みt2の関係を有するように構成してもよい。第1のスラストステータ磁極33z1と第2のスラストステータ磁極33z2との厚みの相違により、磁気回路102z1と磁気回路102z2とが異なることになる。第2のスラストステータ磁極33z2の厚みが第1のスラストステータ磁極33z1よりも太いことにより、磁気回路102z2の磁気抵抗は、磁気回路102z1の磁気抵抗よりも大きくなる。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。
磁気軸受1は、図3及び図4に示すように、ロータ10と、ロータ10のラジアル方向における支持力を発生するラジアルステータ20と、ロータ10のスラスト方向における支持力を発生するスラストステータ30と、を有する。ロータ10は、磁性体であって、円筒状に形成されている。
なお、以下の説明では、一対で設けられたスラストステータ30のうち、一方をスラストステータ30z1と称し、他方をスラストステータ30z2と称する。
ラジアルステータ20は、図5に示すように、共有磁極21Aに相当するラジアルステータコア21と、ラジアル巻線22と、を有する。本実施形態のラジアルステータ20は、電磁石型ヘテロポーララジアル磁気軸受を形成している。
スラストステータ30は、図5に示すように、スラストステータコア31と、スラスト巻線32と、を有する。本実施形態のスラストステータ30は、電磁石型ホモポーラスラスト磁気軸受を形成している。スラストステータコア31は、磁性体であって、ラジアルステータコア21と接続されている。
また、第1のスラストステータ30z1及び第2のスラストステータ30z2は、図6に示すように、ラジアルステータ磁極23において磁束の向きが互いに逆方向となるように第2の磁気回路102z1,102z2を形成している。
図8(a)は、スラスト巻線32z1,32z2にバイアス電流をizb=0、izb=1.0、izb=2.0と与え、ラジアル巻線22の制御電流ixcを増加させたときのラジアルステータ磁極23(図7に示す領域300)における磁束φx1の変化を示している。また、図8(b)は、このときのラジアルステータ20の支持力fxの変化を示している。
上記構成の磁気軸受1では、ロータ10のラジアル方向における支持力が、ラジアルステータ20のラジアル巻線22を流れる電流に伴う磁束に由来する磁気吸引力によって発生する。この磁束は、図5に示すように、ラジアルステータコア21、ロータ10を経由する第1の磁気回路101を形成する。また、本実施形態では、ロータ10のスラスト方向における支持力が、スラストステータ30のスラスト巻線32を流れる電流に伴う磁束に由来する磁気吸引力によって発生する。スラストステータコア31はラジアルステータコア21と接続されており、この磁束は、図6に示すように、スラストステータコア31、ロータ10、及び、ラジアルステータコア21を経由する第2の磁気回路102を形成する。このように、本実施形態では、ラジアルステータコア21にスラストステータコア31を接続し、ラジアルステータ20とスラストステータ30の磁路を共有化しているため、ラジアルステータ20及びスラストステータ30を一体化して軸方向の省スペース化を図ることができる。
図11に示すラジアルステータ20は、ラジアルステータバックヨーク24に溝26が形成されたラジアルステータコア21を有する。溝26は、ラジアルステータバックヨーク24の磁極間接続部25を横断するように形成されている。
図13に示す変形例のように、表面24aに形成される溝26aと裏面24bに形成される溝26bをオフセットして形成してもよい。この構成によれば、溝26a,26bが厚み方向で対向して形成されないため、溝26a,26bにおける厚みが図11に示す形態と比べて大きくなり、ラジアルステータコア21の機械的強度を高くすることができる。
1A ディスクレススラスト磁気軸受
10 ロータ
10a 一方の端面
10b 他方の端面
10c 周面
20 ラジアルステータ
21 ラジアルステータコア(共有磁極)
21A 共有磁極
30z1 第1のスラストステータ
30z2 第2のスラストステータ
31z1 第1のスラストステータコア
31z2 第2のスラストステータコア
32z1 第1のスラスト巻線
32z2 第2のスラスト巻線
33z1 第1のスラストステータ磁極
33z2 第2のスラストステータ磁極
Claims (8)
- ロータと、
前記ロータの周面に対向して配置された共有磁極と、
前記共有磁極を挟んで対向して配置された第1のスラストステータ及び第2のスラストステータと、を有し、
前記第1のスラストステータは、前記ロータの一方の端面と対向して配置された第1のスラストステータ磁極を有し、
前記第2のスラストステータは、前記ロータの他方の端面と非対向で配置された第2のスラストステータ磁極を有する、ことを特徴とするディスクレススラスト磁気軸受。 - 前記第1のスラストステータは、第1のスラスト巻線を有し、
前記第2のスラストステータは、第2のスラスト巻線を有する、ことを特徴とする請求項1に記載のディスクレススラスト磁気軸受。 - 前記第2のスラスト巻線は、前記第1のスラスト巻線よりも巻き数が多い、ことを特徴とする請求項2に記載のディスクレススラスト磁気軸受。
- 前記第2のスラスト巻線が形成する磁気回路の磁気抵抗は、前記第1のスラスト巻線が形成する磁気回路よりも大きい、ことを特徴とする請求項2または3に記載のディスクレススラスト磁気軸受。
- 前記第2のスラスト巻線は、前記第1のスラスト巻線よりも径方向に大きい、ことを特徴とする請求項4に記載のディスクレススラスト磁気軸受。
- 前記第2のスラスト巻線は、前記第1のスラスト巻線よりも軸方向に大きい、ことを特徴とする請求項4または5に記載のディスクレススラスト磁気軸受。
- 前記第2のスラストステータ磁極の厚みは、前記第1のスラストステータ磁極の厚みよりも太い、ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載のディスクレススラスト磁気軸受。
- ロータと、
前記ロータの周面に対向して配置されたラジアルステータと、
前記ラジアルステータを挟んで対向して配置され、前記ラジアルステータのラジアルステータコアを共有磁極とする請求項1〜7のいずれか一項に記載のディスクレススラスト磁気軸受の第1のスラストステータ及び第2のスラストステータと、を有する、ことを特徴とする3軸能動制御磁気軸受。
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