JPH01219391A - 磁気軸受装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、磁気軸受装置、さらに詳しくは、たとえば
真空用スピンドルなどに用いられる１軸制御４軸受動安
定磁気軸受装置に関する。

従来の技術 真空用スピンドルなどに用いられる磁気軸受装置として
、従来、回転体の回転軸回りの自由度を除く５自由度を
すべて電磁石の吸引力を調節して位置決めする５自由度
能動制御軸受のほか、能動的に制御する自由度を減少さ
せた３軸制御式磁気軸受が知られている（特開昭６１−
２７７８９６号参照）。この３軸制御式磁気軸受装置は
、永久磁石と能動型アキシアル磁気軸受により軸方向の
位置決めがなされ、１箇所に設けられた２軸の能動型ラ
ジアル磁気軸受と前記の永久磁石とアキシアル磁気軸受
に夷る受動的なラジアル復元力により半径方向の位置決
めがなされるものである。

発明が解決しようとする課題 上記の３軸制御式磁気軸受は、５自由度能動制御磁気軸
受に比較して安価であるが、それでも、３軸分の磁気軸
受とその制御回路などが必要であり、かなり高価なもの
である。

この発明の目的は、上記の問題を解決し、３軸制御式磁
気軸受よりさらに安価で、しかも回転体を完全非接触状
態に安定良く支持できる１軸制御４軸受動安定磁気軸受
装置を提供することにある。

課題を解決するための手段 この発明による磁気軸受装置は、回転体にその軸方向の
磁力を作用させて回転可能に軸受する永久磁石型軸受と
、この軸受が回転体に及ぼす磁力とは逆方向の磁力を回
転体に及ぼす電磁石と、回転体の半径方向の振れ回り量
を検出する振れ回り量検出手段と、振れ回り量が増大し
た場合に回転体の位置を前記永久磁石型軸受の相互間隔
が減少するよう変化させるために前記電磁石の磁力を変
化させる手段とを備えていることを特徴とするものであ
る。

作　　用 回転体の振れ回り量が増大すると、電磁石の磁力が変化
し、回転体の位置が変化して、永久磁石型軸受の相互間
隔が減少する。このため、永久磁石型軸受の磁力が増大
して、半径方向の剛性が大きくなる。したがって、回転
体の振れ回り量が小さくなり、回転体は安定良く支持さ
れて回転する。

実　　施　　例 第１図は、この発明による磁気軸受装置の機械的構成の
１例を示す。

この磁気軸受装置は１軸制御４軸受動安定磁気軸受装置
であり、水平円板状のベース（１）の上面に、上下両端
が開口した円筒状の上部ハウジング（２）が、ベース（
１）の下面に、上端のみが開口した短円筒状の下部ハウ
ジング（３）がそれぞれ固定されている。ベース（１）
の中心には、これを上下に貫通するシャフト挿入穴（４
）が形成されている。ベース（１）の上面には、シャフ
ト挿入穴（４）より内径が大きくて上部ハウジング（２
）の内径より外径の小さい円筒部（ｌａ）が−体に形成
されている。ベース（１）の下面には、シャフト挿入穴
（４）より内径が大きくて下部ハウジング（３）と内径
の等しい円形凹所（５）が形成されている。

上部ハウジング（２）内の上部に、水平円板状の永久磁
石支持部材（８）がスペーサ（７）を介して固定されて
いる。この支持部材（６）の下面中心部に、円筒部（８
ａ）が一体に形成されている。

下部ハウジング（３）内の下部に、ベース（１）の凹所
（５）にはめられたスペーサ（８）を介して、水平円板
状の電磁石支持部材（９）が固定されている。この支持
部材（９）の中心部には、これを上下に貫通するセンサ
取付穴（ｌＯ）が形成され、この穴（ｌＯ）の下部には
水平円板状のセンサ取付部材（１１）がはめ止められて
いる。

ベース（１）のシャフト挿入穴（４）に垂直なシャフト
（１２）が隙間をあけて上下貫通状に挿入されている。

ベース（１）の円筒部（ｌａ）より上方に突出したシャ
フト（１２）の上部に、上部ハウジング（２）内のスペ
ーサ（７）と円筒部（ｌａ）の間に位置する筒状体（１
３）の中心円板部（１３ａ）が固定されている。ベース
（１）の凹所（５）より下方に突出したシャフト（１２
）の下部に、凹所（５）内のスペーサ（８）の内側に位
置する水平円板状の永久磁石取付部材（１４）およびロ
ータディスク（１５）が固定され、電磁石支持部材（９
）のセンサ取付穴（１０）にはまったシャフト（１２）
の下端部には下端が綴じた円筒状のターゲット（１Ｂ）
が固定されている。そして、シャフト（１２）とこれに
固定された上記の部品により、ロータ（回転体）（Ｒ）
が構成されている。

上部ハウジング（２）内の永久磁石支持部材（６）と筒
状体（１３）の間に、上部永久磁石型軸受（１７）が設
けられている。この軸受（１７）は、永久磁石支持部材
（６）の下面に固定された環状永久磁石（１７ａ）と筒
状体（１３）の上端面に固定された環状永久磁石（１７
ｂ）とからなり、これらの永久磁石（１７ａ）　（１７
ｂ）が互いに吸引力を及ぼすように異極同志対向させら
れている。ベース（１）とシャフト（１２）に固定され
た永久磁石取付部材（１４）の間にも、下部永久磁石型
軸受（１８）が設けられている。この軸受（１８）は、
ベース（１）の凹所（５）内の下面に固定された環状永
久磁石（１８ａ）と永久磁石取付部材（１４）の上面に
固定された環状永久磁石（１８ｂ）とからなり、これら
の永久磁石（１８ａ）　（１８ｂ）が互いに吸引力を及
ぼすように異極間志対向させられている。そして、これ
ら上下の永久磁石型軸受（１７）（１Ｂ）により、ロー
タ（Ｒ）が上向きに吸引されている。下部ノ１ウジング
（３）内の電磁石支持部材（９）に、シャフト（１２）
に固定されたロータディスク（１５）に対向してロータ
（Ｒ）を下向きに吸引する電磁石（１９）が設けられて
いる。ベース（１）の円筒部（ｌａ）内にモータステー
タ（２０）が、シャフト（１２）にこれに対応するモー
タロータ（２１）が設けられている。

シャフト（１２）の上端部は永久磁石支持部材（６）の
円筒部（６ａ）内に入っており、この円筒部（８ａ）内
には上部保護軸受（２２）が設けられている。

また、ベース（１）のシャフト挿入穴（４）内に、下部
保護軸受（２３）が設けられている。なお、ロータ（Ｒ
）回転中は、上下の保護軸受（２２）　（２３）とシャ
フト（１２）の間には若干の隙間が生じるようになって
いる。

下部ハウジング（３）内の電磁石支持部材（９）に固定
されたセンサ取付部材（１１）の上面に、シャフト（１
２）に固定されたターゲット（１Ｂ）に対向して、ロー
タ（Ｒ）の軸方向（上下方向）の位置を検出するための
軸方向センサ（２４）が設けられている。また、上部ハ
ウジング（２）の周壁に、ロータ（Ｒ）の筒状体（１３
）の外周面に対向して、その半径方向の振れ回り量を検
出するための半径方向センサ（２５）が設けられている
。

第２図は、磁気軸受装置の電磁石制御部分の電気的構成
の１例を示す。軸方向センサ（２４）の出力は軸方向位
置検出回路（２６）によりロータ（Ｒ）の軸方向の変位
に比例する信号に変換され、この検出回路（２６）の出
力が制御回路（２７）に入力する。なお、軸方向変位は
、定常状態よりロータ（Ｒ）が上昇した場合を正、ロー
タ（１３）が下降した場合を負としており、軸方向位置
検出回路（２６）の出力は、ロータ（Ｒ）が上昇すると
大きくなり、ロータ（Ｒ）が下降すると小さくなる。−
方、半径方向センサ（２５）の出力は振れ回り量検出回
路（２８）によりロータ（Ｒ）の振れ回り量に比例する
信号に変換され、この検出回路（２８）の出力が制御回
路（２７）に入力する。そして、制御回路（２７）は、
これら検出回路（２６）（２８）からの信号を処理して
、電磁石（１９）を駆動する電力増幅器り２９）に制御
信号を出力する。

第３図は、制御回路（２７）の１例を示す。軸方向位置
検出回路（２Ｂ）の出力は、比例微分要素（ＰＩｌ要素
　（３１）により、軸方向変位に比例する量と軸方向変
位の微分値に比例する量の和に変換され、このＰＩｌ要
素３１）の出力が増幅器（３２）を経て加算器（３３）
に入力する。軸方向位置検出回路（２６）の出力は、ま
た、積分要素（ｌ要素）（３４）により、軸方向変位の
積分値に比例する信号に変換され、このｌ要素（３４）
の出力が調整要素（３５）に入力する。一方、振れ回り
量検出回路（２８）の出力は、調整要素（３５）に入力
する。調整要素（３５）はたとえば加算器よりなり、こ
れによりｌ要素（３４）の出力と振れ回り量検出回路（
２８）の出力すなわち振れ回り量とが加算されて加算器
（３３）に送られる。そして、加算器（８３）により、
増幅器（３２）の出力と調整要素（３５）の出力が加算
されて、電力増幅器（２９）に送られる。

第４図は振れ回り量検出回路（２８）の１例を示し、第
５図はその各部の信号を示す。ロータ（Ｒ）に振れ回り
が生じると、半径方向センサ（２５）には第５図（ａ）
のような交流出力があられれる。

このセンサ（２５）の出力は、絶対値回路（３６）によ
り同図（ｂ）のように余波整流される。この出力は、さ
らに、ローパスフィルタ（３７）により平滑化されて同
図（Ｃ）のような直流電圧となり、この電圧は振れ回り
量に比例している。

制御回路（２７）から調整要素（３５）を除いた回路、
すなわち、ｌ要素（３４）の出力がそのまま加算器（３
３）に入力するものは、磁気軸受装置において電磁石を
制御する通常のＰＩＤ制御回路である。

次に、まず、制御回路（２７）から調整要素（３５）を
除いたものについて、動作を説明する。

この場合、増幅器（３２）の出力すなわち軸方向変位に
比例する量と軸方向変位の微分値に比例する量の和の信
号と１要素（３４）の出力すなわち軸方向変位の積分値
に比例する信号が加算器（３３）により加算されて、電
力増幅器（２９）に送られる。

定常状態では、上下の永久磁石型軸受（１７）　（１８
）がロータ（Ｒ）を上向きに吸引し、電磁石（１９）が
ロータ（Ｒ）を下向きに吸引している。このとき、軸受
（１７）（１ｇ）の永久磁石（１７ａ）　（１７ｂ）　
（１８ａ）　（１８ｂ）の諸元を適当に選択することに
より、軸受（１７）（１８）による上向きの吸引力をロ
ータ（Ｒ）の重量より著しく大きくして、この重量の影
響を無視できるようにすることができる。そして、電磁
石（１９）には、永久磁石型軸受（１７）　（１８）の
上向きの吸引力と大きさの等しい下向きの吸引力が生じ
るような電流が定常的に流される。回転体（Ｒ）が上昇
して、軸方向位置検出回路（２Ｂ）の出力が大きくなる
と、電磁石（１９）に流れる電流が大きくなって、回転
体（Ｒ）は下降させられる。

逆に、回転体（Ｒ）が下降して、軸方向位置検出回路（
２Ｂ）の出力が小さ（なると、電磁石（１９）に流れる
電流が小さくなって、回転体（Ｒ）は上昇させられる。

これにより、軸方向の力の釣合いが保たれ、軸方向の位
置決めが可能となる。また、永久磁石型軸受（１７）（
１８）および電磁石（１９）の吸引力により、半径方向
にも受動的に安定しており、電磁石（１９）を制御する
だけの１軸制御によりロータ（Ｒ）を完全非接触状態に
支持して回転させることが可能である。

ところで、このように制御回路（２７）から調整要素（
３５）を除いた回路では、ロータ（Ｒ）の半径方向の運
動に対しては全く制御を行なわないため、様々な不安定
が生じる。

ところが、上記の制御回路（２７）では、ロータ（Ｒ）
の振れ回り量による調整要素（３５）が設けられている
ので、次に説明するように、回転体（Ｒ）の振れ回り量
を小さくして、安定に回転させることができる。

調整要素（３５）は、Ｉ要素（３４）の出力を振れ回り
量分だけ変化させ、その結果、電磁石（１９）に流れる
電流が振れ回り量分だけ小さくなるように制御回路（１
７）の出力が制御される。そして、振れ回り量が０のと
きには、Ｉ要素（３４）の出力がそのまま加算器に送ら
れ、前述の調整要素（３５）がない場合と同様の制御が
行われる。ロータ（Ｒ）に振れ回りが生じると、前述の
ように、電磁石（１９）に流れる電流が振れ回り量分だ
け小さくなるため、ロータ（Ｒ）が上昇させられ、上下
の永久磁石型軸受（１７）　（１ｇ）の間隔が小さくな
る。

永久磁石型軸受（１７）（１ｇ）の間隔が小さくなると
、その分だけ吸引力が大きくなり、その結果、回転体（
Ｒ）の半径方向の剛性が高くなり、振れ回り量が小さく
なる。

発明の効果 この発明の磁気軸受装置によれば、上述のように、１つ
の電磁石だけを制御すればよいので、３軸制御式磁気軸
受よりさらに安価にすることができ、しかも回転体の振
れ回り量を小さくしてこれを完全非接触状態に安定良く
支持することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の１実施例を示す磁気軸受装置の垂直
断面図、第２図は磁気軸受装置の電磁石制御部分の電気
的構成の１例を示すブロック図、第３図は制御回路の１
例を示すブロック図、第４図は振れ回り量検出回路の１
例を示すブロック図、第５図は振れ回り量検出回路の各
部の信号を示すグラフである。 （１７）（１８）−・・永久磁石型軸受、（１７ａ）　
（１７ｂ）　（１８ａ）（１８ｂ）・・・環状永久磁石
、（１９）・・・電磁石、（２５）・・・半径方向セン
サ、（２７）・・・制御回路、（２８）・・・振れ回り
量検出回路、（Ｒ）・・・ロータ（回転体）。 以　　上 特許出願人　　光洋精工株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 回転体にその軸方向の磁力を作用させて回転可能に軸受
   する永久磁石型軸受と、この軸受が回転体に及ぼす磁力
   とは逆方向の磁力を回転体に及ぼす電磁石と、回転体の
   半径方向の振れ回り量を検出する振れ回り量検出手段と
   、振れ回り量が増大した場合に回転体の位置を前記永久
   磁石型軸受の相互間隔が減少するよう変化させるために
   前記電磁石の磁力を変化させる手段とを備えていること
   を特徴とする磁気軸受装置。