特許 6594744 磁気軸受

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6594744

(24)【登録日】2019年10月4日

(45)【発行日】2019年10月23日

(54)【発明の名称】磁気軸受

(51)【国際特許分類】

   F16C 32/04 20060101AFI20191010BHJP

【ＦＩ】

   F16C32/04 Z

   F16C32/04 A

【請求項の数】5

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2015-221159(P2015-221159)

(22)【出願日】2015年11月11日

(65)【公開番号】特開2017-89767(P2017-89767A)

(43)【公開日】2017年5月25日

【審査請求日】2018年9月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】504173471

【氏名又は名称】国立大学法人北海道大学

(73)【特許権者】

【識別番号】000006105

【氏名又は名称】株式会社明電舎

(74)【代理人】

【識別番号】100086232

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 博通

(74)【代理人】

【識別番号】100078499

【弁理士】

【氏名又は名称】光石 俊郎

(74)【代理人】

【識別番号】230112449

【弁護士】

【氏名又は名称】光石 春平

(74)【代理人】

【識別番号】100102945

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 康幸

(74)【代理人】

【識別番号】100120673

【弁理士】

【氏名又は名称】松元 洋

(74)【代理人】

【識別番号】100182224

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 哲三

(72)【発明者】

【氏名】竹本 真紹

(72)【発明者】

【氏名】松▲崎▼ 達也

(72)【発明者】

【氏名】内山 翔

(72)【発明者】

【氏名】太田 智

【審査官】 横山 幸弘

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−０８５２２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平０５−００３６３７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２００１−２６３３５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０５６８９０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１６Ｃ ３２／００−３２／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

固定子と、前記固定子に磁気力によって非接触状態で支持されて回転する回転子とを備えた磁気軸受において、
前記固定子は、外周部に永久磁石が等間隔に配置されると共に内周側におけるティースにラジアル巻線が巻回されて磁極が構成されたラジアルステータコアを備える一方、
前記ティースの先端間にはソリッドコアが掛け渡され、
前記ソリッドコアの内径側には、前記永久磁石と同一方向に磁化方向を設定された永久磁石が備えられることを特徴とする磁気軸受。

【請求項2】

前記固定子に外周部に配置された前記永久磁石の磁束は、前記ソリッドコアに備えられた前記永久磁石の磁束に比較して強く、前記ティースでは支配的になることを特徴とする請求項１記載の磁気軸受。

【請求項3】

前記ソリッドコアの外周側には、前記磁極間の磁束漏れを防止するための切欠きが形成されることを特徴とする請求項１記載の磁気軸受。

【請求項4】

前記ソリッドコアに備えられた前記永久磁石は、前記磁極との間に周方向の隙間を有しないことを特徴とする請求項１記載の磁気軸受。

【請求項5】

前記固定子は、前記ラジアルステータコア、前記永久磁石及びラジアル巻線を収容するスラストステータコアを備えることを特徴とする請求項１記載の磁気軸受。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁気軸受に関する。特に回転子の鉄損を低減するように改良したものである。

【背景技術】

【0002】

磁気軸受としては、特許文献１に提案されている。その目的は、位置の推定精度が高く、一層の小型化及び軽量化を図れる磁気軸受を提供することにある。
特に、特許文献１の第２形態の目的は、「主極の励磁コイルによる制御磁束」と「補極の永久磁石によるバイアス磁束」を独立した磁気回路とし、相互干渉を減少させ制御応答性を高めること、さらに、磁束センサでの変位検出に制御磁束の影響を排除し、位置推定精度を高めることである。
上記第２形態の効果としては、補極歯部を省くことができるため小型化でき、さらに励磁コイルから生成される制御磁束の通過断面積を第１形態に比べ広く取れることである。

【0003】

同様な構造は、図４に示すように、特許文献２の第５の実施形態にも記載されている。
特許文献２の段落００２０には、「この実施形態では、主極と主極とを跨ぐように永久磁石を配置している。即ち、ステータ８１を構成する４つの主極８３の先端の互いに隣接する角部を連絡するように、円弧状の永久磁石８６が配置され、この永久磁石８６で補極８４が形成されている。この実施形態のものは、図６のものに比べて励磁コイル８５で生成される制御磁束Φｃの通過断面積を広くとることができるという利点がある。」と記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第４２２０８５９号公報

【特許文献2】特開２００５−６１５７８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

磁気軸受にて発生するコア部の損失は無視できないものであり、駆動システムとしての高効率化には、磁気軸受で発生する鉄損の低減が必要である。磁気軸受の鉄損は、特に回転子鉄心が多くを占めるため、回転子鉄心の鉄損低減が求められる。
しかし、特許文献１は、歯部先端部から隙間を設けて永久磁石を配置しているため、永久磁石の磁束Φｂは軸支持力に影響を与え易い構造となっていた。

【0006】

また、特許文献２の第５の実施形態は、図４に示すように、主極８３が位置するティース先端はＮ極であるのに対し、ティース先端の間に位置するスロット先端は永久磁石８６で形成される補極８４のためＳ極であり、Ｎ極Ｓ極が交互になっている。
そのため、励磁コイル８５で生成される制御磁束Φｃと永久磁石８６から供給されるバイアス磁束Φｂとが図中で示すように重なり合い、図中一点鎖線で囲む領域Ａは磁束密度が密となる一方、図中一点鎖線で囲む領域Ｂは磁束密度が疎となっていた。つまり、磁束密度のムラができ、鉄損を発生していた。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決する本発明の請求項１に係る磁気軸受は、固定子と、前記固定子に磁気力によって非接触状態で支持されて回転する回転子とを備えた磁気軸受において、前記固定子は、外周部に永久磁石が等間隔に配置されると共に内周側におけるティースにラジアル巻線が巻回されて磁極が構成されたラジアルステータコアを備える一方、前記ティースの先端間にはソリッドコアが掛け渡され、前記ソリッドコアの内径側には、前記永久磁石と同一方向に磁化方向を設定された永久磁石が備えられることを特徴とする。

【0008】

上記課題を解決する本発明の請求項２に係る磁気軸受は、請求項１において、前記固定子に外周部に配置された前記永久磁石の磁束は、前記ソリッドコアに備えられた前記永久磁石の磁束に比較して強く、前記ティースでは支配的になることを特徴とする。

【0009】

上記課題を解決する本発明の請求項３に係る磁気軸受は、請求項１において、前記ソリッドコアの外周側には、前記磁極間の磁束漏れを防止するための切欠きが形成されることを特徴とする。

【0010】

上記課題を解決する本発明の請求項４に係る磁気軸受は、請求項１において、前記ソリッドコアに備えられた前記永久磁石は、前記磁極との間に周方向の隙間を有しないことを特徴とする。

【0011】

上記課題を解決する本発明の請求項５に係る磁気軸受は、請求項１において、前記固定子は、前記ラジアルステータコア、前記永久磁石及びラジアル巻線を収容するスラストステータコアを備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0012】

本発明においては、ソリッドコアの内径側に備えられた永久磁石は、ラジアルステータコアの外周部に配置された永久磁石と同一方向に磁化方向が設定されるため、スロットとティースの間において、磁束密度の変化が小さく抑えられる結果、回転子鉄心の磁束密度の変化が小さくなり、回転子鉄心の鉄損が発生しにくいという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の一実施例に係る磁気軸受を示す横断面図である。

【図2】本発明の一実施例に係る磁気軸受を示す要部横断面図である。

【図3】本発明の一実施例に係る磁気軸受を示す縦断面図である。

【図4】従来技術に係る磁気軸受を示す横断面図である。

【図5】本発明の一実施例に係る磁気軸受の磁束の流れを示す要部横断面図である。

【図6】比較例に係る磁気軸受の磁束の流れを示す要部に係る横断面図である。

【図7】比較例に係る磁気軸受を示す横断面図である。

【図8】図８（ａ）は実施例１に係る固定子及び回転子におけるスロット付近の磁束密度分布を示す説明図、図８（ｂ）は比較例に係る固定子及び回転子におけるスロット付近の磁束密度分布を示す説明図、図８（ｃ）は磁束密度［Ｔ］のスケールである。

【図9】ギャップ磁束密度を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の磁気軸受について、図面に示す実施例を参照して詳細に説明する。

【実施例1】

【0015】

本発明の一実施例に係る磁気軸受を図１〜図３に示す。
本実施例の磁気軸受は、スラストステータコア(材質：磁性材 無垢材)１と、二つのスラスト巻線３，４と、ラジアルステータコア(材質：磁性材 積層鋼板)５と、複数のラジアル巻線６及び複数の永久磁石７とを備える固定子と、この固定子に磁気力によって非接触状態で支持されて回転する回転子であるロータコア８及びシャフト９とを備える。

【0016】

スラストステータコア１は、概略円筒状をなし、ロータコア８及びシャフト９を取り囲む円筒部分と、円筒部分の軸方向両端側の内向きに配置された二つの円環状部分とからなり、それら二つの円環状部分の中心をロータコア８及びシャフト９が貫通している。
スラストステータコア１に形成される空間内には、スラスト巻線３，４、ラジアルステータコア５、ラジアル巻線６及び永久磁石７は、収容される。

【0017】

即ち、ラジアルステータコア５と、スラストステータコア１の円環状部分との間には、周方向に巻回されたスラスト巻線３，４が各々配置されている。
ラジアルステータコア５の外周部には、径方向に磁化された複数の永久磁石（以下、外側磁石という）７が挿入されると共にラジアルステータコア５の内周側においては、ティースにラジアル巻線６が巻回されて磁極が構成される。

【0018】

更に、ラジアルステータコア５の磁極の間であるスロット、即ち、ティースの先端間にはソリッドコア(材質：磁性材 無垢材)２が掛け渡されている。
このソリッドコア２の内径側には、外側磁石７と同一方向に磁化方向を設定された永久磁石（以下、スロット先端磁石という）１０が備えられている。

【0019】

従って、図１中に示すように、外側磁石７の内径側がＳ極、外径側がＮ極であれば、スロット先端磁石１０の内径側もＳ極、外径側もＮ極である。
また、スロット先端磁石１０と磁極との間には、周方向の隙間が設けられていない。そのため、後述するように磁束密度が均一化する利点がある。
更に、ソリッドコア２の外周側には、磁極間の磁束漏れを防止するための切欠き２１が形成されている。

【0020】

そのため、図１中では、永久磁石７によって発生する磁束φａは太い破線で示されるように、ラジアルステータコア５を放射状に外径方向に流れる。
そして、図３中では、磁束φａはスラストステータコア１の円筒部分で軸方向に二つに分かれ、一方の磁束φａは一方の円筒部分を図中右側に流れ、図中右端の円環状部分で内径側に流れ、ロータコア８において図中左側に方向を変え、ラジアルステータコア５に戻る一方、他方の磁束φａは円筒部分１ａを図中左側に流れ、図中左端の円環状部分で内径側に流れ、ロータコア８において図中右側に方向を変え、ラジアルステータコア５に戻る。

【0021】

ここで、図２に示すように、ラジアルステータコア５に戻る磁束φａは、ソリッドコア２の外周側に形成された切欠き２１が障害となってソリッドコア２を通過することなく、ラジアルステータコア５の外径側に流れることになる。
一方、図２において、スロット先端磁石１０によって発生する磁束φｅは細い二点鎖線で示される通り、スロット先端磁石１０からソリッドコア２で周方向に２分岐し、それぞれティース先端からロータコア８を通り、スロット先端磁石１０に戻る小さいループを描くことになる。

【0022】

ここで、外側磁石７によって発生し、スラストステータコア１、ロータコア８を通ってきた磁束φａ（太い破線）と、スロット先端磁石１０によって発生し、小さいループを描く磁束φｅ（細い二点鎖線）とで、回転子磁束に疎密の関係ができる。
ここで、条件として、外側磁石７の磁束が、スロット先端磁石１０の磁束よりも強いとする。
そうすると、図５に示すように、図中一点鎖線で囲む領域Ｃであるスロット中心部分は、スロット先端磁石１０による磁束φｅ（細い二点鎖線）と外側磁石７の磁束φａ（太い破線）によって、磁束が強め合うために、磁束密度が密になる。

【0023】

また、領域Ｃの周方向に隣り合う領域（ティース部分）では、スロット先端磁石１０による磁束φｅ（細い二点鎖線）と外側磁石７の磁束φａ（太い破線）によって、磁束が弱め合うこととなるが、外側磁石７の磁束φａが、スロット先端磁石１０の磁束φｅよりも強いため、つまり、外側磁石７の磁束φａが支配的であるため、外側磁石７の磁束φａが少し弱まるだけで、ティース先端部分の磁極はＳ極となる。
磁束の強弱は、磁石のグレードによる保持力の違いや磁石の厚みの違いなど、どのような方法でもよい。

【0024】

ここで、図５に示すように、スロット先端磁石１０による磁束φｅの影響の及ばない、図中一点鎖線で囲む領域Ｄ，Ｅであるティース先端部分は、外側磁石７の磁束φａ（太い破線）とラジアル巻線６の磁束φｄ（細い破線）によって、磁束が強め合うことで磁束密度が密になる。
よって、本実施例では、スロット先端、ティース先端すべてＳ極になり、対向する回転子の磁束の変化が少なく鉄損が発生しにくい構造となる。

【0025】

なお、図中で例示した場合とは逆に、外側磁石７の内径側がＮ極、外径側がＳ極であり、スロット先端磁石１０の内径側がＮ極、外径側がＳ極であれば、スロット先端、ティース先端すべてＮ極になることなる。この場合も、対向する回転子の磁束の変化が少なく鉄損が発生しにくい構造となる点については変わらない。

【0026】

本実施例の磁気軸受においては、軸支持力の発生原理は、比較例において後述する通り、ロータコア８及びシャフト９がラジアル力を受けて回転可能に支持される。
なお、スラスト力については、簡単に述べると、永久磁石７が発生する磁束とスラスト巻線３，４を流れる電流により形成される磁束の疎密により、回転子であるロータコア８及びシャフト９に対して軸方向のスラスト力が発生する。

【0027】

［比較例］
比較例として、上記実施例１に係る磁気軸受からスロット先端磁石１０及びソリッドコア２を取り除いたものを、図６及び図７に示す。
即ち、この比較例に係る磁気軸受は、図６及び図７に示す通り、ラジアルステータコア５の外周部には、径方向に磁化された複数の永久磁石（外側磁石）７が挿入されると共にラジアルステータコア５の内周側においては、ティースにラジアル巻線６が巻回されて磁極が構成される。

【0028】

ラジアルステータコア５の磁極の間であるスロット先端には、永久磁石（スロット先端磁石）及びソリッドコアは存在しない。
これらラジアルステータコア５、外側磁石７及びラジアル巻線６は、スラストステータコア(図示省略)に収容されて固定子を構成し、この固定子に磁気力（ラジアル力）によって非接触状態で支持されて回転子であるロータコア８及びシャフト９が回転する。
即ち、図７ではラジアル力の発生原理を示しており、外側磁石７によって発生する磁束φａを太い破線、ラジアル巻線６に流れる電流によって発生する磁束φｄを細い破線で示している。

【0029】

図７に示すように、外側磁石７は、内周側がＳ極であり、外周側がＮ極である。そのため、外側磁石７によって発生する磁束φａは、ラジアルステータコア５を放射状に外径方向に流れる一方、ラジアル巻線６に流れる電流によって発生する磁束φｄは、右ネジの法則に従い、ラジアルステータコア５及びロータコア８において、交互に図中時計回り又は反時計回りに流れる。

【0030】

そのため、ラジアルステータコア５の右上および左上部（図中、一点鎖線で囲む領域Ｈ）では、太い破線で示す磁束φａと細い破線で示す磁束φｄが同じ方向に発生するため磁束が強め合う一方、ラジアルステータコア５の右下および左下部（図中、一点鎖線で囲む領域Ｉ）では、太い破線で示す磁束φａと細い破線で示す磁束φｄが反対の方向に発生す
るため磁束が弱め合う。これにより、ロータコア８には不平衡吸引力によって、図中矢印で示すように、上向きにラジアル力Ｇが発生する。
このようにラジアル力Ｇが発生する点に関しては、実施例１においても同様である。

【0031】

一方、図６に示すように、図中一点鎖線で囲む領域Ｊであるスロット中心部分は、ラジアル巻線６に流れる電流によって発生する磁束φｄ（細い破線）と外側磁石７の磁束φａ（太い破線）によって、磁束が弱め合うために、磁束密度が疎になる。
しかし、図６に示すように、図中一点鎖線で囲む領域Ｊ，Ｋであるティース先端部分は、外側磁石７の磁束φａ（太い破線）とラジアル巻線６の磁束φｄ（細い破線）によって、磁束が強め合うことで磁束密度が密になる。

【0032】

このように、比較例では、磁束の疎密が発生することにより、磁束密度にムラができ、鉄損を発生する。この点に関しては、特許文献２の第５の実施形態も同様と考えられる。
具体的な磁束密度について、比較例と実施例１とを対比して、シュミレーションした結果を図８に示す。
図８（ｂ）に示すように、比較例の回転子における磁束密度分布は、固定子（歯部）近傍に比較して固定子（スロット部）近傍の磁束密度が低くなり、そのため、固定子（歯部）、固定子（スロット部）の磁束密度の変化が大きく、回転子鉄心の鉄損が大きい。
これに対し、図８（ａ）に示すように、実施例１の回転子における磁束密度分布は、スロット先端磁石１０近傍と固定子（歯部）近傍の磁束密度の変化が小さく抑えられ、回転子鉄心の磁束密度の変化が小さくなり、回転子鉄心の鉄損が発生しにくい。

【0033】

特に、実施例１においては、スロット先端磁石１０と磁極との間には、周方向の隙間が設けられていないため、磁束密度がより一層均一化する利点がある。
逆に、特許文献１は、歯部先端部から隙間を設けて永久磁石を配置しているため、磁束密度の変化が大きく、回転子鉄心の鉄損が大きいと考えられる。
図９に示すように、ギャップ磁束密度は、比較例では、１〜０．９６４［ｐ．u．］の範囲であるのに対し、実施例１では、１〜０．２７１［ｐ．u．］の範囲である。図９において、縦軸はギャップ磁束密度［ｐ．u．］、横軸は円周角［ｄｅｇ］である。
表１に、ある固定子形状における、比較例と実施例１との回転子鉄心で発生する鉄損の割合を示す。

【0034】

【表1】

【0035】

表の数値は、各負荷時における比較例の回転子鉄損を１００％とした時の、本実施例の回転子鉄損の割合を示している。
表１に示す通り、実施例１は、有負荷時においても比較例の２０％以下に回転子鉄損を抑制できていることが分かる。

【産業上の利用可能性】

【0036】

本発明の磁気軸受は、鉄損が少ないため、広く産業上利用可能なものである。

【符号の説明】

【0037】

１ スラストステータコア
２ ソリッドコア
３，４ スラスト巻線
５ ラジアルステータコア
６ ラジアル巻線
７ 永久磁石（外側磁石）
８ ロータコア
９ シャフト
１０ 永久磁石（スロット先端磁石）
２１ 切欠き

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】