JPS645161B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、特許請求の範囲の上位概念に基づく
形式の磁気軸受装置に関する。

［従来の技術］ かかる形式の磁気軸受装置は、西独国特許出願
公開第2649182号明細書に基づいて公知になつて
いる。回転軸線に対して実質的に垂直な方向つま
り２つの半径方向でロータを安定化するために、
公知の磁気軸受装置では、制御コイルを有する少
なくとも２つの能動制御式磁気軸受が設けられて
いる。制御コイルは、半径方向のロータ位置を検
出するセンサの信号に関連して制御される。制御
コイル及び、場合によつては１つ以上の永久磁石
がステータのデイスク状又はリング状の磁極板並
びに、特にＵ字形のロータリングにおいて磁束を
発生させ、その場合、磁極板の磁極面とロータリ
ングとの間の環状エアギヤツプ内には、実質的に
半径方向の磁界が形成されている。従つて制御コ
イルの制御に相応して、半径方向に方向づけられ
た力がロータリングに、ひいてはロータ全体に及
ぼされる。このような磁気軸受装置は２軸能動制
御式磁気軸受装置とも呼ばれる。これに対して、
ロータの軸方向運動並びに半径方向軸線つまり傾
倒軸線を中心とするロータの傾倒運動、いわゆる
揺れ運動は受動的にしか安定化されない。すなわ
ち、このような運動の場合、変位したロータを、
磁極板と磁極リングの幾何学的形状によつて規定
された目標位置へ再び戻そうとする、制御されな
い戻し力もしくは戻しモーメントが、いわばばね
力のように作用する。従つて、ロータの質量に基
づいて、ほとんど減衰作用を有しない振動系が公
知の磁気軸受装置には存在する訳である。更に、
このように支承されたロータは半径方向軸線を中
心とする特性的な固有周波数、しかも歳差運動周
波数と章動周波数とを有している。ロータの回転
数が低い場合にすでに歳差振動によつて軸受装置
は不安定になるが、その場合、これに基づく臨界
回転数は大抵は迅速に通過することができる。し
かしながら回転数の増加に伴つて特に章動振動の
振幅が増大し、ひいては臨界回転数を通過するた
め、もしくは回転数を更に上昇させるためには付
加的な手段を必要とするような大きな難点が生じ
る。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明の課題は、低回転数から高回転数までロ
ータの安定化を保証しかつ振動を効果的に減衰で
きるような磁気軸受装置を僅かな経費で提供でき
るようにすることである。

［課題を解決するための手段］ 前記の課題を解決する本発明の構成手段は、ロ
ータの重心が、回転軸線に直交する半径方向の軸
受平面に対して軸方向距離において配置されてお
り、かつ、センサに対向して位置する前記ロータ
の基準面が、該ロータの傾倒時に該基準面と少な
くとも１つのセンサとの間の距離に変動が生じる
ように構成されている点にある。

［作用及び効果］ 本発明の構成手段によつて先ず第１にロータ振
動の能動的な減衰作用が得られ、しかもこの能動
的減衰のために、付加的な特殊な制御手段又は調
整装置が必要になることはない。本発明のように
ロータ重心を半径方向軸受平面外に位置させたこ
とに基づいて、センサ信号はロータの半径方向運
動によつてのみならず、またロータの傾倒運動つ
まり揺れ運動によつても惹起される。つまりロー
タが或る１本の半径方向軸線を中心として傾動す
る場合、他方の半径方向では、相応したセンサ信
号を発生させる半径方向運動が生じる。現存の、
場合によつてはなお有利に改変された制御装置並
びに制御コイルを介して半径方向力がロータに及
ぼされ、その際軸受平面がロータ重心に対して軸
方向の隔たりを有していることに基づいて、傾倒
運動方向とは逆向きの戻しモーメントが作用す
る。要するに、著しく僅かな経費で、高周波数の
傾倒振動特に章動振動でさえも減衰させることが
可能になる訳である。換言すれば磁気軸受装置
は、４軸能動制御式磁気軸受の減衰特性と安定性
とを有する一方、その製作費も、２軸能動制御式
磁気軸受の場合よりもそれほど高くはならない。

２つの半径方向のために設けられている制御装
置では、各臨界回転数に対して効果的な減衰作用
を可能にするために、周波数に関連した回路網を
付加的に設けるのが殊に有利である。これに対し
てセンサ数、出力段数及び制御コイル数は、２軸
能動制御式軸受装置に等しい。比較的高い章動周
波数の場合小さな戻し力ですでに効果的な振動減
衰が生じるので、ロータ重心に対する軸受平面の
前記距離は原則として特別大である必要はなく、
従つてロータも公知のように構成することができ
る。またロータ重心に対して、より大きな軸方向
距離を置いてセンサを配置すれば、きわめて有利
である。このように構成すれば、傾倒運動つまり
揺れ運動によつて惹起される信号は比較的大であ
りかつ制御装置はそれ相応の僅かな増幅作用で動
作することができる。安定性の理由から磁気軸受
及びセンサはロータ重心に対して同じ側に配置さ
れる。その他の有利な実施態様は特許請求の範囲
の従属請求項に記載した通りである。

［実施例］ 次に図面に基づいて本発明の実施例を詳説す
る。

縦断面図で示した磁気軸受装置はステータ１
と、回転軸線２を中心として回転可能なロータ３
を有している。前記ステータ１は、前記回転軸線
２に対して直交する２つの半径方向平面内に夫々
１つの磁極板を有し、各磁極板は、半径方向突設
部６，７を有するリング４，５と、半径方向外位
の磁極片８，９とから成つている。リング４，５
は夫々、周方向で互いに90゜ずらして配置された
４つの半径方向突設部６，７を有している。各半
径方向突設部６，７には、夫々ほぼ90゜の角度範
囲にわたるセクタ状の磁極片８，９が配設されて
いる。半径方向突設部６には４つの制御コイル１
０が、また半径方向突設部７には４つの制御コイ
ル１１が装嵌されている。磁極片８と９との間に
は、僅かな経費で製作可能な、軸方向に磁化され
た永久磁石１２と支持リング１３が夫々１つ配置
されており、該支持リングは磁極片８，９の確実
な支持と正確な方位づけを保証する。ステータ１
は外周を、実質的にＵ字形横断面を有する軟磁性
のロータリング１５によつて取囲まれている。該
ロータリング１５は回転軸線２を中心として回転
可能でありかつリング状の磁極面１６，１７を有
し、しかも該磁極面と磁極片８，９の対応磁極面
１８，１９との間には環状エアギヤツプ２０，２
１が介在している。図示を省いた実施態様ではロ
ータリングは、対応した磁極面を有する軟磁性リ
ング間に、特に軸方向に磁化された永久磁石リン
グを有していてもよい。前記ロータリング１５に
は、殊に有利にはスポーク２２を介してリング状
のフライホイール質量体２３が結合されている。
このように構成されたロータ３の重心２５は、図
面から判るように回転軸線２上に位置している。
磁極片８，９及びロータリング１５は、１つの半
径方向平面２６に対して対称的に配置されてお
り、従つて該半径方向平面が軸受平面を形成する
訳である。ロータ３の重心２５は前記半径方向平
面つまり軸受平面２６に対して軸方向で距離ａを
有している。またロータリング１５の半径方向外
側範囲に複数のセンサ２８が設けられており、該
センサの検出信号はロータリング１５乃至はロー
タ３の半径方向位置に相当し、かつ該センサ２８
は制御コイル１０，１１を制御するための制御装
置２９に接続されている。原理的にはセンサ２８
は前記軸受平面２６内に配置されうるが、重心２
５に対して軸方向距離ｂをとる半径方向平面内に
配置されているのが有利である。ロータリング１
５の外面が前記センサ２８に対して基準面を成し
ている。図面では、図平面におけるロータリング
１５の半径方向位置又は半径方向運動を検出する
ための２つのセンサ２８が図示されている。これ
に相応して、図平面に対して垂直な別の半径方向
で同形式のセンサが配置されており、この場合、
該半径方向に配設された制御コイル１０，１１
が、該センサの信号に関連して、もう１つの制御
装置を介して制御可能である。

次に磁気軸受装置の機能態様を説明する。

永久磁石１２並びにセクタ状の磁極片８，９に
基づいて環状エアギヤツプ２０，２１には、充分
に均質な、半径方向に方向づけられた磁界が形成
される。それというのは、永久磁石１２の磁束
が、磁極片８、エアギヤツプ２０、ロータリング
１５、エアギヤツプ２１及び磁極片９を介して流
れるからである。

相応の磁界は、ステータ１に設けたただ１つの
永久磁石リングとロータリング１５に設けたただ
１つの永久磁石リングとによつて、又はその何れ
かによつて発生させることもできる。場合によつ
ては又、直流定電流の通される制御コイル１０，
１１によつて、このような電磁界を発生させるこ
とも可能である。いずれの実施態様においても前
記磁界に基づいて環状エアギヤツプ２０，２１で
はステータ１とロータリング１５との間に磁気的
な引張力が作用し、該磁気的引張力は先ず、制御
されない受動的なロータ安定化を半径方向及び軸
方向で、またロータの傾倒運動時に生ぜしめる。
静止状態では両方の半径方向において不安定釣合
が生じる。前記磁界による受動的なロータ安定化
以外に、制御コイル１０，１１によつて、能動的
に制御されるロータ安定化が生ぜしめられ、該能
動的なロータ安定化を、図平面における半径方向
について以下に説明することにする。但し同等の
ことは、図平面に対して垂直な方向についても当
て嵌まる。例えば外力に基づいてロータ３が図示
の目標位置から右手へ向かつて移動されると、直
径方向で対向しているセンサ２８が信号を送出し
て制御装置２９に供給する。図示の制御コイル１
０，１１の少なくとも１つを介して今や磁束もし
くは磁界が生じ、該磁束もしくは磁界は環状エア
ギヤツプ２０，２１において永久磁石の磁界に重
畳される。制御コイルの制御は、図面で見て右手
では永久磁石の磁界が強められ、左手では弱めら
れるように行われる。従つて半径方向に作用する
力成分が生じて、ロータ３を図示の目標位置へ戻
すことになる。要するにロータ３は一方の半径方
向でも、またこれに対応して他方の半径方向でも
能動制御されて安定化せしめられる訳である。

磁極面１６，１７並びに１８，１９を同心的に
構成したことに基づいて、ロータ３が回転軸線２
の方向に運動する際に磁気的な戻し力が生じる。
つまりロータ３は軸方向で受動的に安定化されて
いる。

ところで決定的に重要なことは、ロータ３の重
心２５が軸受平面２６に対しては軸方向距離ａ
を、またセンサ２８の半径方向平面に対しては軸
方向距離ｂを有していることである。これによつ
て、特に章動振動に基づいて、実質的に重心を通
る半径方向軸線、いわゆる傾倒軸線を中心とする
ロータ３の揺れ運動が生じる際に、本発明の磁気
軸受装置によつて逆向きの戻しモーメントを発生
させることが可能である。ロータ３が例えば矢印
３０の方向の小さな揺れ運動もしくは傾倒運動を
起こした場合、ロータリング１５と図面で見て右
手のセンサ２８との間の間隔は減少し、かつロー
タリング１５と左手のセンサ２８との間隔は増大
する。要するに前記揺れ運動によつてセンサ２８
ではそれ相応の信号が発生する訳である。該信号
に関連して制御装置２９を介して制御コイル１０
及び１１が制御されるので、前記揺れ運動とは逆
向きの戻し力が、つまり軸方向距離ａに基づいて
戻しモーメントがロータ３に加えられる。このよ
うにして高周波数の揺れ運動つまり章動に基づく
傾倒振動は効果的に減衰せしめられる。

このような揺れ振動もしくは傾倒振動はロータ
の構成もしくは軸受装置の曲げ剛さに応じて特定
の回転数範囲で発生するので、制御装置２９に内
蔵されていて周波数に関連した回路網を、純半径
方向振動に減衰以外に各回転数範囲で発生する傾
倒振動つまり揺れ振動の減衰も得るように構成す
るのが有利である。この理由から制御装置２９の
位相進み回路が拡張される。換言すれば位相進み
を有する複数の回路網が直列に接続されるので、
広い周波数帯にわたつて充分にコンスタントな位
相進みが得られる。このような広帯域の制御装置
２９を避けようとする場合には、相応周波数にお
ける章動振動を効果的に減衰するために、位相進
み回路を有する狭帯域フイルタを制御装置に設け
るのが有利である。この場合の認識の出発点は、
ロータ３が実質的にデイスク状又はリング状であ
る場合、回転周波数で巡回する例えば動不釣合に
基づく摂動が章動振動を励振しないということで
ある。これに対して、回転周波数の整数倍で巡回
し例えば、センサ２８に対して配設されたロータ
３の基準面の凹凸に起因した摂動は狭い周波数帯
域において章動振動を励振することがある。この
ような振動は位相進み回路を有する狭帯域フイル
タによつて効果的に減衰される。すなわち制御装
置の位相進みを正しく選ぶことによつて、該制御
装置は振動発生時に、該振動に対比して位相の進
められた、同一周波数の制御電流を発生させ、該
制御電流は制御コイルを介して振動を減衰する訳
である。因みに、位相を進ませない、つまり位相
進み回路を有していない制御装置の場合には、セ
ンサによつて検出された振動運動が、回転するロ
ータを通つて前進するため、該制御装置から送出
された制御電流が、全制御距離を走行し終わつた
時点には、前記の振動運動は別の位置を占めてい
るので、振動の減衰は得られない。

図面から判るように、センサ２８の配置されて
いる半径方向平面は重心２５に対して軸方向距離
ｂを有し、しかも該軸方向距離ｂは軸受平面２６
の軸方向距離ａよりも大である。これによつて、
揺れ運動時にセンサ２８によつて検出される半径
方向変位量は、センサ２８を軸受平面２６内に配
置した場合よりも大になる。なお付記しておく
が、センサ２８も軸受平面２６も安定性の理由か
ら重心２５に対して同じ側に位置しているのは勿
論である。

いずれにしても、制御装置の増幅作用を過度に
大きく選ぶ必要がないようにするために、できる
だけ大きなセンサ信号を用いて稼働するのが有利
である。つまり、比較的大きな増幅作用で以て稼
働する場合には、例えばセンサ２８の基準面の凹
凸に基づく摂動によつて軸受力が比較的大きくな
り、ひいては電力消費量が必要以上に高くなる。
この理由に基づいて、前記軸方向距離ｂをできる
だけ大きくし、場合によつては基準面並びにセン
サ２８を図示よりもなお大きな軸方向距離をおい
て配置するのが、きわめて有利である。このため
に本発明の１実施態様では、揺れ運動を検出する
ために、しかも比較的大きな軸方向運動を検出す
るために付加的なセンサ３２が設けられている。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の磁気軸受装置の縦断面図であ
る。 １……ステータ、２……回転軸線、３……ロー
タ、４，５……リング、６，７……半径方向突設
部、８，９……磁極片、１０，１１……制御コイ
ル、１２……永久磁石、１３……支持リング、１
５……ロータリング、１６，１７……磁極面、１
８，１９……対応磁極面、２０，２１……環状エ
アギヤツプ、２２……スポーク、２３……フライ
ホイール質量体、２５……重心、２６……軸受平
面を成す半径方向平面、ａ，ｂ……軸方向距離、
２８……センサ、２９……制御装置、３０……傾
倒運動の方向を示す矢印、３２……センサ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 磁気軸受装置であつて、回転軸線に対して垂
   直な方向並びに任意の各傾倒軸線に対して垂直な
   方向でロータを安定化するために少なくとも２つ
   の能動制御式ラジアル軸受を有し、しかも前記の
   各ラジアル軸受が、ロータの半径方向変位を検出
   する無接触動作式センサを有し、該センサが制御
   装置を介して所属のラジアル軸受の制御コイルを
   制御する形式のものにおいて、ロータ３の重心２
   ５が、回転軸線２に直交する半径方向の軸受平面
   ２６に対して軸方向距離ａをおいて配置されてお
   り、かつ、センサ２８に対向して位置する前記ロ
   ータ３の基準面が、該ロータ３の傾倒時に該基準
   面と少なくとも１つのセンサ２８との間の距離に
   変動が生じるように構成されていることを特徴と
   する、磁気軸受装置。 ２ 半径方向の軸受力と戻し力もしくは戻しモー
   メントとが同一の制御コイル１０，１１の制御に
   よつて発生される、特許請求の範囲第１項記載の
   磁気軸受装置。 ３ 夫々１本の傾倒軸線に配設されていてロータ
   ３の、実質的に軸方向の運動に応動する少なくと
   も２つのセンサ３２が傾倒運動を検出するために
   設けられている、特許請求の範囲第１項又は第２
   項記載の磁気軸受装置。 ４ 制御コイル１０，１１を有するラジアル軸受
   とセンサ２８がロータの重心２５に対して同じ側
   に配置されている、特許請求の範囲第１項から第
   ３項までのいずれか１項記載の磁気軸受装置。 ５ センサ２８が、重心２５に対して軸方向距離
   ｂを有する１半径方向平面内に配置されており、
   該軸方向距離ｂが軸方向距離ａよりも大である、
   特許請求の範囲第１項から第４項までのいずれか
   １項記載の磁気軸受装置。 ６ ロータ３が軸受平面２６内にロータリング１
   ５を有しかつ前記軸受平面２６に対して軸方向に
   ずらして実質的にリング状のフライホイール質量
   体２３を有し、前記ロータリング１５が複数本の
   スポーク２２を介して前記フライホイール質量体
   ２３と結合されている、特許請求の範囲第１項か
   ら第５項までのいずれか１項記載の磁気軸受装
   置。 ７ 軸受平面２６に対して対称的に２つの磁極板
   ４，８；５，９が配置されており、少なくとも２
   つの制御コイル１０，１１が設けられており、前
   記磁極板がリング状の磁極面１８，１９を有し、
   前記磁極板には、対応磁極面１６，１７を有する
   実質的にＵ字形のロータリング１５が、前記の磁
   極面１８，１９と対応磁極面１６，１７との間に
   環状エアギヤツプ２０，２１を形成するように配
   設されている、特許請求の範囲第１項から第６項
   までのいずれか１項記載の磁気軸受装置。 ８ 各磁極板が、複数の半径方向突設部６，７を
   有するリング４，５並びに、該半径方向突設部に
   結合された実質的にセクタ状の磁極片８，９を備
   え、制御コイル１０，１１が前記半径方向突設部
   ６，７上に装嵌されており、かつ前記の磁極片８
   と９の間に１つの支持リング１３が配置されてい
   る、特許請求の範囲第７項記載の磁気軸受装置。 ９ 磁極板４，８と５，９の間に、軸方向に磁化
   された１つの永久磁石リング、殊に有利には、軸
   方向に磁化された４つの直方体状の永久磁石１２
   が設けられており、かつ／又はロータリング１５
   が、軸方向に磁化された１つの永久磁石リングを
   有している、特許請求の範囲第７項又は第８項記
   載の磁気軸受装置。 １０ センサ２８が、制御コイル１０，１１を制
   御するための制御装置２９と接続されており、該
   制御装置２９に内蔵された、周波数に関連した回
   路網が、純半径方向振動の減衰以外に章動振動の
   減衰も達成するように構成されている、特許請求
   の範囲第１項から第９項までのいずれか１項記載
   の磁気軸受装置。 １１ 制御装置２９が広い周波数範囲にわたつ
   て、充分に均等な位相進みを有している、特許請
   求の範囲第９項記載の磁気軸受装置。 １２ 制御装置２９が、位相進み回路を有する少
   なくとも１つの狭帯域フイルタを備え、該狭帯域
   フイルタの周波数範囲が章動振動の周波数に相応
   している、特許請求の範囲第１０項記載の磁気軸
   受装置。