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Title:
MAGNETIC BEARING APPARATUS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2009/157252
Kind Code:
A1
Abstract:
A magnetic bearing apparatus which facilitates production thereof and improves precision in production thereof while maintaining an eddy current-reducing effect. The magnetic bearing apparatus (10) supporting a rotary shaft (3) with magnetic force is provided with a plurality of magnetic poles (5) arranged in the circumferential direction of the rotary shaft (3) and respectively comprising inner end faces (5b) proximally face the outer surface of the rotary shaft. The magnetic poles adjacent to each other in the circumferential direction respectively extend in the axial directions of the magnetic poles (5) to the inner end faces (5b) of the magnetic poles (5) so as to interfere with each other in the vicinity of the outer surface of the rotary shaft. The interfering portions (5a) of both magnetic poles (5a) which can interfere with each other are cut off.

Inventors:
KUWATA, Gen (1-1 Toyosu 3-chom, Koto-ku Tokyo 10, 13587, JP)
Application Number:
JP2009/057914
Publication Date:
December 30, 2009
Filing Date:
April 21, 2009
Export Citation:
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Assignee:
IHI Corporation (1-1 Toyosu 3-chome, Koto-ku Tokyo, 10, 13587, JP)
株式会社IHI (〒10 東京都江東区豊洲三丁目1番1号 Tokyo, 13587, JP)
International Classes:
F16C39/06; F16C32/04
Foreign References:
JP2001504926A
JPH1061666A
JP2001041239A
JP2001271836A
Other References:
See also references of EP 2299133A1
Attorney, Agent or Firm:
HOTTA, Minoru (ASA INTERNATIONAL PATENT FIRM, 4F Kenchiku-Kaikan,26-20, Shiba 5-chome, Minato-ku Tokyo,Minato-k, Tokyo 14, 10800, JP)
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Claims:
 回転軸を磁力で支持する磁気軸受装置であって、
 前記回転軸の周方向に配置された複数の磁極を備え、各磁極は回転軸外表面に近接して対向する内端面を有し、
 周方向に隣接する前記磁極同士は、それぞれ、当該磁極の前記内端面まで当該磁極の軸方向に延び、これにより回転軸外表面近傍で互いに干渉し得るようになっており、
 干渉し得る前記両磁極の干渉部が、カットされている、ことを特徴とする磁気軸受装置。
 隣接する前記磁極同士は、それぞれ前記カットにより形成されたカット表面を有し、該カット表面は平面である、ことを特徴とする請求項1に記載の磁気軸受装置。
 隣接する前記磁極同士は、それぞれ前記カットにより形成されたカット表面を有し、
 隣接する前記磁極の前記カット表面同士の前記周方向における間隔は、当該磁極の前記内端面と回転軸外表面との間隔よりも大きい、ことを特徴とする請求項1または2に記載の磁気軸受装置。
 前記複数の磁極に対向する前記回転軸の外表面は、該回転軸の軸方向と垂直な断面が円形であり、
 前記内端面は、前記回転軸の軸方向と垂直な断面が、前記円形に沿った円弧状である、ことを特徴とする請求項1、2または3に記載の磁気軸受装置。
Description:
磁気軸受装置

 本発明は、磁気軸受装置に関する。

 磁気軸受装置は、ロータである回転軸と ステータに設けられて回転軸を囲みこれを 力で非接触に支持する磁極とを有する。

 回転軸は、磁性材料を用いて形成され、 えば、高速回転するターボ圧縮機や、極低 回転機械、ターボチャージャ、フライホイ ル等の回転軸である。磁極は、回転軸を囲 ように周方向に複数配置される。なお、本 において、周方向とは回転軸の周方向をい 。

 図1Aと図1Bは、ホモポーラ型の磁気軸受装置 の構成図である。図1Bは図1AのB-B線断面図で る。
 図1Aと図1Bに示すように、複数の磁極15は、 転軸3を囲むように周方向に配置される。こ れら磁極15から高速回転中の回転軸3に磁束を 通して、その電磁吸引力で回転軸3を浮上さ て非接触で支持する。

 ホモポーラ型では、回転軸3の周方向には図 1Aに示すように同じ極性(図1AではN極)の磁極15 が並び、回転軸3の軸方向には図1Bに示すよう にN極とS極が並ぶ。図1Aのように、周方向に ぶ隣接磁極15は近接していないので、磁極15 有る部分と無い部分とで磁界の強弱分布が きる。そのため、周方向に関して、回転軸 面において局所的に磁束の変動を打ち消す うに渦電流が発生する。すなわち、渦電流 生の原因となる起電力は以下の式(1)で示さ 、磁束密度(磁界B)が小さい場合でも、高速 転軸のように高速回転する場合には、大き 渦電流が発生してしまう。
 e∝B・v・L...(1) 
 ここで、e:起電力、B:磁束密度、v:磁界を切 速度、L:導体の長さである。

 図2Aと図2B、図3Aと図3Bは特許文献1の磁気軸 装置の構成を示している。図2Bと図3Bは、そ れぞれ図2Aと図3AのB-B線断面図である。特許 献1では、ホモポーラ型磁気軸受装置におい 、張出部17を設け、周方向に隣接するN極15 士をそれぞれ周方向に接続(図2Aと図2Bの場合 )もしくは近接(図3Aと図3Bの場合)させている これにより、周方向に隣接する磁極15の中間 位置における磁束密度を高めて周方向の磁束 密度の強弱分布の発生を小さくしている。こ れにより、渦電流発生を抑制している。
 しかも、図2Aと図2B、図3Aと図3Bにおいて、 出部17を薄く形成しているので、張出部17で 気飽和が起き、これにより、隣接磁極15の 方から他方へ磁束が漏れることを防止して る。

特開2001-271836号公報、「磁気軸受装置」

 しかし、特許文献1の張出部17の厚さは、例 ば0.3~1mm程度であり、材質は積層鋼板である ことから、強度が弱くなる可能性があるとと もに、製作時の加工が困難になる可能性があ る。現実的には、全ての張出部17の厚さを完 に同一にすることは困難であり、張出部17 厚さのばらつきが大きくなる可能性がある 即ち、張出部17の磁気抵抗にばらつきが生じ る可能性があった。

 そこで、本発明の目的は、特許文献1で得 られるような渦電流低減効果を維持したまま 、磁気軸受装置の製作を容易にし、製作の精 度を向上させることを可能にする磁気軸受装 置を提供することにある。

 上記目的を達成するため、本発明によると 回転軸を磁力で支持する磁気軸受装置であ て、
 前記回転軸の周方向に配置された複数の磁 を備え、各磁極は回転軸外表面に近接して 向する内端面を有し、
 周方向に隣接する前記磁極同士は、それぞ 、当該磁極の前記内端面まで当該磁極の軸 向に延び、これにより回転軸外表面近傍で いに干渉し得るようになっており、
 干渉し得る前記両磁極の干渉部が、カット れている、ことを特徴とする磁気軸受装置 提供される。

 上述の本発明の磁気軸受装置では、前記回 軸の周方向に配置された複数の磁極を備え 各磁極は回転軸外表面に近接して対向する 端面を有し、周方向に隣接する前記磁極同 は、それぞれ、当該磁極の前記内端面まで 該磁極の軸方向に延び、これにより回転軸 表面近傍で互いに干渉し得るようになって り、干渉し得る前記両磁極の干渉部が、カ トされているので、磁極の干渉部をカット る簡単な加工により、隣接磁極同士の周方 間隔を小さくできる。即ち、周方向におい 、回転軸外表面と対向する磁極部分が存在 ない周方向領域を小さくでき、その結果、 転軸外表面における磁束の変動を抑えて渦 流を低減することができる。
 よって、渦電流低減効果を維持したまま、 気軸受装置の製作が容易になる上、製作の 度も向上する。

 本発明の好ましい実施形態によると、隣 する前記磁極同士は、それぞれ前記カット より形成されたカット表面を有し、該カッ 表面は平面である。

 このように、前記干渉部をカットするこ で形成されるカット表面を平面とすること 、カット加工が一層簡単になる。

 また、本発明の好ましい実施形態によると 隣接する前記磁極同士は、それぞれ前記カ トにより形成されたカット表面を有し、
 隣接する前記磁極の前記カット表面同士の 記周方向における間隔は、当該磁極の前記 端面と回転軸外表面との間隔よりも大きい

 このように、隣接する前記磁極同士は、そ ぞれ前記カットにより形成されたカット表 を有し、隣接する前記磁極の前記カット表 同士の前記周方向における間隔は、当該磁 の前記内端面と回転軸外表面との間隔より 大きいので、隣接する磁極の一方から他方 磁束が漏れることを抑制できる。これによ 、簡単なカット加工により磁極5から発生す る磁束の無駄を無くすことができる。
 しかも、特許文献1において張出部17の厚み 精度よく加工することなく、簡単なカット 工により、上記のような磁束の漏れを抑制 きる。

 本発明の好ましい実施形態によると、前記 数の磁極に対向する前記回転軸の外表面は 該回転軸の軸方向と垂直な断面が円形であ 、
 前記内端面は、前記回転軸の軸方向と垂直 断面が、前記円形に沿った円弧状である。

 このように、前記複数の磁極に対向する 記回転軸の外表面は、該回転軸の軸方向と 直な断面が円形であり、前記内端面は、前 回転軸の軸方向と垂直な断面が、前記円形 沿った円弧状であるので、互いに隣接する 極同士の微小な周方向ギャップ以外の範囲 、回転軸外表面が、これに沿って延びる磁 の内端面で完全に囲むことができる。これ より、回転軸外表面における磁束の変動を り確実に抑えて渦電流を低減することがで る。

 上述した本発明によると、渦電流低減効果 維持したまま、磁気軸受装置の製作が容易 なり、製作の精度を向上させることが可能 なる。

ホモポーラ型の磁気軸受装置の構成図 である。 ホモポーラ型の磁気軸受装置の構成図 である。 特許文献1の磁気軸受装置の構成図で る。 特許文献1の磁気軸受装置の構成図で る。 特許文献1の磁気軸受装置の別の構成 である。 特許文献1の磁気軸受装置の別の構成 である。 本発明の実施形態による磁気軸受装置 の構成図である。 本発明の実施形態による磁気軸受装置 の構成図である。 ソリッド型の回転軸の一例を示す図で る。 本発明の実施形態によるステータコア 作の説明図である。 積層鋼板によるステータの形成を示す 明図である。

 本発明を実施するための最良の実施形態 図面に基づいて説明する。なお、各図にお て共通する部分には同一の符号を付し、重 した説明を省略する。

 図4Aと図4Bは、本発明の実施形態による磁気 軸受装置10の構成図であり、図4Aは回転軸3の 方向と垂直な方向から見た図であり、図4B 図4AのB-B線断面図である。
 磁気軸受装置10は、回転軸3を磁力で支持す 装置であって、回転軸3の周方向に配置され た複数の磁極5を備える。各磁極5は回転軸3の 外表面に近接して対向する内端面5bを有し、 磁極5と回転軸3との間で発生する磁力(磁極5 から回転軸3に向かう、または、その逆方向 磁界によって発生する磁力)により回転軸3が 非接触で支持される。図4Aと図4Bの例では、 気軸受装置10は、周方向に同じ極性(図4Aでは N極)の磁極5が並ぶホモポーラ型のものである 。図4Bでは、図4Aの4つの磁極5のうち上下2つ 磁極5のみ示している。また、図4Aと図4Bにお いて、符号Cは、磁極5の軸を示す。

 回転軸3は、磁性材料を用いて形成され、例 えば、高速回転するターボ圧縮機や、極低温 回転機械、ターボチャージャ、フライホイー ル等の回転軸である。この例では、回転軸3 、ソリッド型の回転軸である。ソリッド型 回転軸3はシャフト材のみで構成(例えば一体 成形)されるので、剛性が高い。
 しかし、本発明によると、回転軸3は積層鋼 板を用いた積層型の回転軸であってもよい。 積層型では、例えば、図5に示すように、回 軸3の磁極5の対向部にスリーブ7を設け、こ スリーブ7を介して積層鋼板を回転軸3に固定 している。積層鋼板には珪素を含有させて、 材料として電気抵抗を高めている。また、0.1 ~0.5mm程度の薄板の鋼板を絶縁層を介して積層 する。このようにして回転軸表面に発生する 渦電流を、ソリッド型の回転軸の場合よりも 低減している。ただし、積層型では、機械強 度が低いため、回転軸の周速が制限される可 能性がある。

 各磁極5は、例えば積層鋼板からなるステー タコア9からなる。このステータコア9に、磁 を発生させるための電流が流れるコイル11 巻かれている。図4Aの例では、各ステータコ ア9は、2つの磁極5を有する。即ち、各ステー タコア9はN磁極5とS磁極5を有する。なお、磁 5の軸Cはコイル11の軸である。
 複数の磁極5に対向する回転軸3の外表面は 該回転軸3の軸方向と垂直な断面が円形であ 。そのため、内端面5bは、回転軸3の軸方向 垂直な断面が、前記円形に沿った円弧状と っている。
 各磁極5の内端面5bは、回転軸3の周方向位置 よらず、回転軸3外表面から一定間隔だけ隔 られている。

 本実施形態によると、周方向に隣接する 極5同士は、それぞれ、当該磁極5の内端面5b まで(即ち、回転軸3外表面から、前記一定間 だけ隔てた位置まで)当該磁極5の軸方向に び、これにより回転軸3外表面近傍で互いに 渉し得るようになっており、干渉し得る前 両磁極5の干渉部5aが、カット(切断)されて る。即ち、この例では、干渉部5aは角部であ る。干渉部5aは、後述の図6(B)に示す。

 隣接する磁極5同士は、それぞれ前記カッ トにより形成されたカット表面5cを有する。 実施形態では、隣接する前記磁極5の前記カ ット表面5c同士の周方向における間隔は、当 磁極5の内端面5bと回転軸3外表面との間隔よ りも大きい。これにより、隣接する磁極5の 方から他方へ磁束が漏れることが抑制され 。

 磁極5は例えば次のように製作される。まず 、図6(A)に示す形状のステータコア9を用意し この図の破線で示す曲面を切り口として、 テータコア9から部分9aをカットする。これ より形成される面は上述の内端面5bである 次に、図6(B)に示す内端面5bが形成されたス ータコア9において、破線で示す面を切り口 して、干渉部5aをカットする。干渉部5aがカ ットされたステータコア9を図6(C)に示す。好 しくは、干渉部5aをカットしたことにより 成されるカット表面5cは平面である。これに よりカット加工が容易になる。干渉部5aは、 端面5bを形成する前に(即ち、図6(A)の状態で )カットされてもよい。
 なお、図6(A)のステータコア9は積層鋼板で 成してもよい。この場合、図7(A)に示す鋼板1 3を複数枚重ねることで、図7(B)に示す積層鋼 よりなるステータコア9を形成することがで きる。

 上述の本発明の実施形態による磁気軸受装 10によると、次の(1)~(3)の効果が得られる。
(1)周方向に隣接する磁極5同士は、それぞれ 当該磁極5の内端面5bまで当該磁極5の軸方向 延び、これにより回転軸3外表面近傍で互い に干渉し得るようになっており、干渉し得る 両磁極5の干渉部5aが、カットされているので 、磁極5の干渉部5aをカットする簡単な加工に より、隣接磁極5同士の周方向間隔を微小で る。即ち、周方向において、回転軸3外表面 対向する磁極5部分が存在しない周方向領域 を小さくでき、その結果、回転軸3外表面に ける磁束の変動を抑えて渦電流を低減する とができる。従って、従来において比較的 電流が発生しやすいソリッド型の回転軸3を いても、渦電流を十分に低減できる。よっ 、渦電流低減効果を維持したまま、磁気軸 装置10の製作が容易になる上、製作の精度 向上する。
(2)また、干渉部5aをカットすることで形成さ るカット表面5cを平面とすることで、カッ 加工が一層簡単になる。
(3)隣接する磁極5同士は、それぞれ前記カッ により形成されたカット表面5cを有し、隣接 する磁極5のカット表面5c同士の周方向におけ る間隔は、当該磁極5の内端面5bと回転軸3外 面との間隔よりも大きいので、隣接する磁 5の一方から他方へ磁束が漏れることを抑制 きる。これにより、コイル11に電流を流す とで磁極5から発生する磁束の無駄を無くす とができる。
(4)複数の磁極5に対向する回転軸3の外表面は 該回転軸3の軸方向と垂直な断面が円形であ り、内端面5bは、回転軸3の軸方向と垂直な断 面が、前記円形に沿った円弧状であるので、 互いに隣接する磁極5同士の微小な周方向ギ ップ以外の範囲で、回転軸3外表面が、これ 沿って延びる磁極5の内端面5bで完全に囲む とができる。これにより、回転軸3外表面に おける磁束の変動をより確実に抑えて渦電流 を低減することができる。

 本発明は、図4Bの左側において周方向に 置される複数のN磁極5に対して適用できるだ けでなく、図4Bの右側において周方向に配置 れる複数のS磁極5に対しても適用できる。

 また、上述の実施形態では、磁気軸受装 10はホモポーラ型磁極配列のものであった 、他の形式(例えばヘテロポーラ型磁極配列) の磁気軸受装置にも本発明を適用してもよい 。

 また、上述の実施形態では、ステータコ 9は積層鋼板からなっていたが、本発明によ ると、ステータコア9は、カットコア、アモ ファス材料からなるもの、粉末磁性材料を 形したものなど他の適切なものであっても い。

 本発明によると、回転軸3の周りに配置さ れる磁極5の数は、4以上の適切な数であって い。

 本発明は上述した実施の形態に限定され 、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変 を加え得ることは勿論である。