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特開2023-169466スラスト磁気軸受装置およびスラスト磁気軸受装置の制御方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023169466
(43)【公開日】2023-11-30
(54)【発明の名称】スラスト磁気軸受装置およびスラスト磁気軸受装置の制御方法
(51)【国際特許分類】
F16C 32/04 20060101AFI20231122BHJP
H02K 7/09 20060101ALI20231122BHJP
【ＦＩ】
F16C32/04 A
H02K7/09
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022080576
(22)【出願日】2022-05-17
(71)【出願人】
【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】100092613
【弁理士】
【氏名又は名称】富岡 潔
(74)【代理人】
【識別番号】100104938
【弁理士】
【氏名又は名称】鵜澤 英久
(74)【代理人】
【識別番号】100210240
【弁理士】
【氏名又は名称】太田 友幸
(72)【発明者】
【氏名】石橋 達朗
(72)【発明者】
【氏名】小川 隆一
【テーマコード（参考）】
3J102
5H607
【Ｆターム（参考）】
3J102AA01
3J102BA03
3J102BA18
3J102CA27
3J102CA40
3J102DA02
3J102DA08
3J102DA10
3J102DA27
3J102DA28
3J102DB37
5H607BB07
5H607BB14
5H607CC01
5H607DD03
5H607DD16
5H607FF04
5H607GG02
5H607GG21
(57)【要約】
【課題】回転により回転軸方向に生じるスラスト推力を補って、回転軸を安定して支持することができるスラスト磁気軸受装置を提供する。
【解決手段】回転軸１の先端に設けられたインペラを有した回転電機の、回転軸方向を支持するスラスト磁気軸受装置において、回転軸の外周に固着された磁性材からなるスラストディスク２と、スラストディスク２のインペラ側に所定距離隔てて配設され、電磁石鉄心１１、電磁石コイル１２を有した電磁石１０と、スラストディスク２の反インペラ側に所定距離隔てて配設され、電磁石鉄心２１、電磁石コイル２２を有した電磁石２０と、電磁石２０の電磁石鉄心２１の内周端側に設けられ、回転軸１の回転時に生じるスラスト推力を補う永久磁石６０と、を備えた。
【選択図】 図６
【解決手段】回転軸１の先端に設けられたインペラを有した回転電機の、回転軸方向を支持するスラスト磁気軸受装置において、回転軸の外周に固着された磁性材からなるスラストディスク２と、スラストディスク２のインペラ側に所定距離隔てて配設され、電磁石鉄心１１、電磁石コイル１２を有した電磁石１０と、スラストディスク２の反インペラ側に所定距離隔てて配設され、電磁石鉄心２１、電磁石コイル２２を有した電磁石２０と、電磁石２０の電磁石鉄心２１の内周端側に設けられ、回転軸１の回転時に生じるスラスト推力を補う永久磁石６０と、を備えた。
【選択図】 図６
【特許請求の範囲】
【請求項1】
回転軸の先端に設けられたインペラを有した回転電機の、回転軸方向を支持するスラスト磁気軸受装置において、
前記インペラから回転軸の軸方向に、設定した距離隔てた回転軸の外周に固着された磁性材からなるスラストディスクと、
前記スラストディスクから回転軸の軸方向のインペラ側に設定距離隔てて配設された電磁石鉄心、および該電磁石鉄心の前記スラストディスクに対向する側に巻回された電磁石コイルを含むインペラ側電磁石と、
前記スラストディスクから回転軸の軸方向の反インペラ側に設定距離隔てて前記インペラ側電磁石に対向して配設された電磁石鉄心、および該電磁石鉄心の前記スラストディスクに対向する側に巻回された電磁石コイルを含む反インペラ側電磁石と、
前記反インペラ側電磁石の電磁石鉄心における、電磁石コイルの巻回領域から内周側に設定距離隔てた領域に、前記スラストディスクに対向して配設された永久磁石と、を備えたことを特徴とするスラスト磁気軸受装置。
前記インペラから回転軸の軸方向に、設定した距離隔てた回転軸の外周に固着された磁性材からなるスラストディスクと、
前記スラストディスクから回転軸の軸方向のインペラ側に設定距離隔てて配設された電磁石鉄心、および該電磁石鉄心の前記スラストディスクに対向する側に巻回された電磁石コイルを含むインペラ側電磁石と、
前記スラストディスクから回転軸の軸方向の反インペラ側に設定距離隔てて前記インペラ側電磁石に対向して配設された電磁石鉄心、および該電磁石鉄心の前記スラストディスクに対向する側に巻回された電磁石コイルを含む反インペラ側電磁石と、
前記反インペラ側電磁石の電磁石鉄心における、電磁石コイルの巻回領域から内周側に設定距離隔てた領域に、前記スラストディスクに対向して配設された永久磁石と、を備えたことを特徴とするスラスト磁気軸受装置。
【請求項2】
回転軸の先端に設けられたインペラを有した回転電機の、回転軸方向を支持するスラスト磁気軸受装置において、
前記インペラから回転軸の軸方向に、設定した距離隔てた回転軸の外周に固着された磁性材からなるスラストディスクと、
前記スラストディスクから回転軸の軸方向のインペラ側に設定距離隔てて配設された電磁石鉄心、および該電磁石鉄心の前記スラストディスクに対向する側に巻回された電磁石コイルを含むインペラ側電磁石と、
前記スラストディスクから回転軸の軸方向の反インペラ側に設定距離隔てて前記インペラ側電磁石に対向して配設された電磁石鉄心、および該電磁石鉄心の前記スラストディスクに対向する側に巻回された電磁石コイルを含む反インペラ側電磁石と、
前記反インペラ側電磁石の電磁石鉄心における、電磁石コイルの巻回領域から外周側に設定距離隔てた領域に、前記スラストディスクに対向して配設された永久磁石と、を備えたことを特徴とするスラスト磁気軸受装置。
前記インペラから回転軸の軸方向に、設定した距離隔てた回転軸の外周に固着された磁性材からなるスラストディスクと、
前記スラストディスクから回転軸の軸方向のインペラ側に設定距離隔てて配設された電磁石鉄心、および該電磁石鉄心の前記スラストディスクに対向する側に巻回された電磁石コイルを含むインペラ側電磁石と、
前記スラストディスクから回転軸の軸方向の反インペラ側に設定距離隔てて前記インペラ側電磁石に対向して配設された電磁石鉄心、および該電磁石鉄心の前記スラストディスクに対向する側に巻回された電磁石コイルを含む反インペラ側電磁石と、
前記反インペラ側電磁石の電磁石鉄心における、電磁石コイルの巻回領域から外周側に設定距離隔てた領域に、前記スラストディスクに対向して配設された永久磁石と、を備えたことを特徴とするスラスト磁気軸受装置。
【請求項3】
回転軸の先端に設けられたインペラを有した回転電機の、回転軸方向を支持するスラスト磁気軸受装置において、
前記インペラから回転軸の軸方向に、設定した距離隔てた回転軸の外周に固着された磁性材からなるスラストディスクと、
前記スラストディスクから回転軸の軸方向のインペラ側に設定距離隔てて配設された電磁石鉄心、および該電磁石鉄心の前記スラストディスクに対向する側に巻回された電磁石コイルを含むインペラ側電磁石と、
前記スラストディスクから回転軸の軸方向の反インペラ側に設定距離隔てて前記インペラ側電磁石に対向して配設された電磁石鉄心、および該電磁石鉄心の前記スラストディスクに対向する側に巻回された電磁石コイルを含む反インペラ側電磁石と、
前記反インペラ側電磁石の電磁石鉄心における、電磁石コイルの巻回領域から内周側、外周側に各々設定距離隔てた領域に、前記スラストディスクに各々対向して配設された第１、第２の永久磁石と、を備えたことを特徴とするスラスト磁気軸受装置。
前記インペラから回転軸の軸方向に、設定した距離隔てた回転軸の外周に固着された磁性材からなるスラストディスクと、
前記スラストディスクから回転軸の軸方向のインペラ側に設定距離隔てて配設された電磁石鉄心、および該電磁石鉄心の前記スラストディスクに対向する側に巻回された電磁石コイルを含むインペラ側電磁石と、
前記スラストディスクから回転軸の軸方向の反インペラ側に設定距離隔てて前記インペラ側電磁石に対向して配設された電磁石鉄心、および該電磁石鉄心の前記スラストディスクに対向する側に巻回された電磁石コイルを含む反インペラ側電磁石と、
前記反インペラ側電磁石の電磁石鉄心における、電磁石コイルの巻回領域から内周側、外周側に各々設定距離隔てた領域に、前記スラストディスクに各々対向して配設された第１、第２の永久磁石と、を備えたことを特徴とするスラスト磁気軸受装置。
【請求項4】
請求項１又は２又は３に記載のスラスト磁気軸受装置を備え、
前記反インペラ側電磁石の電磁石鉄心、電磁石コイル、永久磁石およびスラストディスクにより形成される反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎを（２１）式とし、
（Ｑ６は、反インペラ側電磁石における電磁石コイルの内周側に位置する電磁石鉄心の、スラストディスクに対向する面とスラストディスクとの間の空隙の磁気抵抗、Ｑ７は、反インペラ側電磁石における電磁石コイルの外周側に位置する電磁石鉄心の、スラストディスクに対向する面とスラストディスクとの間の空隙の磁気抵抗、Ｑ８は、反インペラ側電磁石に設けた永久磁石の、スラストディスクに対向する面とスラストディスクとの間の空隙の磁気抵抗、δは前記空隙の長さ、Ｕ６，Ｕ７，Ｕ８は、磁気抵抗Ｑ６，Ｑ７，Ｑ８とＱ６，Ｑ７，Ｑ８の磁束Φ６，Φ７，Φ８を用いて、Ｕ＝ΦＱの関係から計算した空隙部分の磁気ポテンシャル差）
前記回転電機の回転停止時は、反インペラ側電磁石の電磁石コイルに流す電流を零とし、インペラ側電磁石の電磁石コイルには、反インペラ側電磁石の電磁石コイルに電流が流れていないときの反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎ０と釣り合う吸引力となる第１の電流を流し、
前記回転電機の定常回転時は、前記インペラ側電磁石の電磁石コイルの電流を減少させ、反インペラ側電磁石の電磁石コイルに電流を流して、インペラ側電磁石の電磁石コイルの電流Ｉｉと反インペラ側電磁石の電磁石コイルの電流Ｉｎを同一又は略同一とし、回転電機の回転により回転軸方向に生じるスラスト推力Ｆｐと、反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎと、インペラ側電磁石により生じる磁気吸引力Ｆｉが、Ｆｐ＝Ｆｎ－Ｆｉの関係となるように制御することを特徴とするスラスト磁気軸受装置の制御方法。
前記反インペラ側電磁石の電磁石鉄心、電磁石コイル、永久磁石およびスラストディスクにより形成される反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎを（２１）式とし、
【数21】
（Ｑ６は、反インペラ側電磁石における電磁石コイルの内周側に位置する電磁石鉄心の、スラストディスクに対向する面とスラストディスクとの間の空隙の磁気抵抗、Ｑ７は、反インペラ側電磁石における電磁石コイルの外周側に位置する電磁石鉄心の、スラストディスクに対向する面とスラストディスクとの間の空隙の磁気抵抗、Ｑ８は、反インペラ側電磁石に設けた永久磁石の、スラストディスクに対向する面とスラストディスクとの間の空隙の磁気抵抗、δは前記空隙の長さ、Ｕ６，Ｕ７，Ｕ８は、磁気抵抗Ｑ６，Ｑ７，Ｑ８とＱ６，Ｑ７，Ｑ８の磁束Φ６，Φ７，Φ８を用いて、Ｕ＝ΦＱの関係から計算した空隙部分の磁気ポテンシャル差）
前記回転電機の回転停止時は、反インペラ側電磁石の電磁石コイルに流す電流を零とし、インペラ側電磁石の電磁石コイルには、反インペラ側電磁石の電磁石コイルに電流が流れていないときの反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎ０と釣り合う吸引力となる第１の電流を流し、
前記回転電機の定常回転時は、前記インペラ側電磁石の電磁石コイルの電流を減少させ、反インペラ側電磁石の電磁石コイルに電流を流して、インペラ側電磁石の電磁石コイルの電流Ｉｉと反インペラ側電磁石の電磁石コイルの電流Ｉｎを同一又は略同一とし、回転電機の回転により回転軸方向に生じるスラスト推力Ｆｐと、反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎと、インペラ側電磁石により生じる磁気吸引力Ｆｉが、Ｆｐ＝Ｆｎ－Ｆｉの関係となるように制御することを特徴とするスラスト磁気軸受装置の制御方法。
【請求項5】
請求項１又は２又は３に記載のスラスト磁気軸受装置を備え、
前記反インペラ側電磁石の電磁石鉄心、電磁石コイル、永久磁石およびスラストディスクにより形成される反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎを（２１）式とし、
（Ｑ６は、反インペラ側電磁石における電磁石コイルの内周側に位置する電磁石鉄心の、スラストディスクに対向する面とスラストディスクとの間の空隙の磁気抵抗、Ｑ７は、反インペラ側電磁石における電磁石コイルの外周側に位置する電磁石鉄心の、スラストディスクに対向する面とスラストディスクとの間の空隙の磁気抵抗、Ｑ８は、反インペラ側電磁石に設けた永久磁石の、スラストディスクに対向する面とスラストディスクとの間の空隙の磁気抵抗、δは前記空隙の長さ、Ｕ６，Ｕ７，Ｕ８は、磁気抵抗Ｑ６，Ｑ７，Ｑ８とＱ６，Ｑ７，Ｑ８の磁束Φ６，Φ７，Φ８を用いて、Ｕ＝ΦＱの関係から計算した空隙部分の磁気ポテンシャル差）
前記回転電機の回転停止時は、反インペラ側電磁石の電磁石コイルに流す電流ＩｎをＩｎ＜０とし、インペラ側電磁石の電磁石コイルには、反インペラ側電磁石による磁気吸引力と釣り合う吸引力となる、前記第１の電流よりも小さい第２の電流を流し、
前記回転電機の定常回転時は、反インペラ側電磁石の電磁石コイルに流す電流ＩｎをＩｎ＞０となるように増大させ、インペラ側電磁石の電磁石コイルの電流を、前記第２の電流よりも小さい電流に減少させ、インペラ側電磁石の電磁石コイルの電流Ｉｉと反インペラ側電磁石の電磁石コイルの電流Ｉｎを同一又は略同一とし、回転電機の回転により回転軸方向に生じるスラスト推力Ｆｐと、反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎと、インペラ側電磁石により生じる磁気吸引力Ｆｉが、Ｆｐ＝Ｆｎ－Ｆｉの関係となるように制御することを特徴とするスラスト磁気軸受装置の制御方法。
前記反インペラ側電磁石の電磁石鉄心、電磁石コイル、永久磁石およびスラストディスクにより形成される反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎを（２１）式とし、
【数21】
（Ｑ６は、反インペラ側電磁石における電磁石コイルの内周側に位置する電磁石鉄心の、スラストディスクに対向する面とスラストディスクとの間の空隙の磁気抵抗、Ｑ７は、反インペラ側電磁石における電磁石コイルの外周側に位置する電磁石鉄心の、スラストディスクに対向する面とスラストディスクとの間の空隙の磁気抵抗、Ｑ８は、反インペラ側電磁石に設けた永久磁石の、スラストディスクに対向する面とスラストディスクとの間の空隙の磁気抵抗、δは前記空隙の長さ、Ｕ６，Ｕ７，Ｕ８は、磁気抵抗Ｑ６，Ｑ７，Ｑ８とＱ６，Ｑ７，Ｑ８の磁束Φ６，Φ７，Φ８を用いて、Ｕ＝ΦＱの関係から計算した空隙部分の磁気ポテンシャル差）
前記回転電機の回転停止時は、反インペラ側電磁石の電磁石コイルに流す電流ＩｎをＩｎ＜０とし、インペラ側電磁石の電磁石コイルには、反インペラ側電磁石による磁気吸引力と釣り合う吸引力となる、前記第１の電流よりも小さい第２の電流を流し、
前記回転電機の定常回転時は、反インペラ側電磁石の電磁石コイルに流す電流ＩｎをＩｎ＞０となるように増大させ、インペラ側電磁石の電磁石コイルの電流を、前記第２の電流よりも小さい電流に減少させ、インペラ側電磁石の電磁石コイルの電流Ｉｉと反インペラ側電磁石の電磁石コイルの電流Ｉｎを同一又は略同一とし、回転電機の回転により回転軸方向に生じるスラスト推力Ｆｐと、反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎと、インペラ側電磁石により生じる磁気吸引力Ｆｉが、Ｆｐ＝Ｆｎ－Ｆｉの関係となるように制御することを特徴とするスラスト磁気軸受装置の制御方法。
【請求項6】
請求項１又は２又は３に記載のスラスト磁気軸受装置を備え、
前記反インペラ側電磁石の電磁石鉄心、電磁石コイル、永久磁石およびスラストディスクにより形成される反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎを（２１）式とし、
（Ｑ６は、反インペラ側電磁石における電磁石コイルの内周側に位置する電磁石鉄心の、スラストディスクに対向する面とスラストディスクとの間の空隙の磁気抵抗、Ｑ７は、反インペラ側電磁石における電磁石コイルの外周側に位置する電磁石鉄心の、スラストディスクに対向する面とスラストディスクとの間の空隙の磁気抵抗、Ｑ８は、反インペラ側電磁石に設けた永久磁石の、スラストディスクに対向する面とスラストディスクとの間の空隙の磁気抵抗、δは前記空隙の長さ、Ｕ６，Ｕ７，Ｕ８は、磁気抵抗Ｑ６，Ｑ７，Ｑ８とＱ６，Ｑ７，Ｑ８の磁束Φ６，Φ７，Φ８を用いて、Ｕ＝ΦＱの関係から計算した空隙部分の磁気ポテンシャル差）
前記回転電機の回転停止時は、反インペラ側電磁石の電磁石コイルに流す電流を零とし、インペラ側電磁石の電磁石コイルには、反インペラ側電磁石の電磁石コイルに電流が流れていないときの反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎ０と釣り合う吸引力となる電流を流し、
前記回転電機の定常回転時は、前記インペラ側電磁石の電磁石コイルの電流を減少させて、回転電機の回転により回転軸方向に生じるスラスト推力Ｆｐと、反インペラ側電磁石の電磁石コイルに電流が流れていないときの反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎ０と、インペラ側電磁石により生じる磁気吸引力Ｆｉが、Ｆｐ＝Ｆｎ０－Ｆｉの関係となるように制御することを特徴とするスラスト磁気軸受装置の制御方法。
前記反インペラ側電磁石の電磁石鉄心、電磁石コイル、永久磁石およびスラストディスクにより形成される反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎを（２１）式とし、
【数21】
（Ｑ６は、反インペラ側電磁石における電磁石コイルの内周側に位置する電磁石鉄心の、スラストディスクに対向する面とスラストディスクとの間の空隙の磁気抵抗、Ｑ７は、反インペラ側電磁石における電磁石コイルの外周側に位置する電磁石鉄心の、スラストディスクに対向する面とスラストディスクとの間の空隙の磁気抵抗、Ｑ８は、反インペラ側電磁石に設けた永久磁石の、スラストディスクに対向する面とスラストディスクとの間の空隙の磁気抵抗、δは前記空隙の長さ、Ｕ６，Ｕ７，Ｕ８は、磁気抵抗Ｑ６，Ｑ７，Ｑ８とＱ６，Ｑ７，Ｑ８の磁束Φ６，Φ７，Φ８を用いて、Ｕ＝ΦＱの関係から計算した空隙部分の磁気ポテンシャル差）
前記回転電機の回転停止時は、反インペラ側電磁石の電磁石コイルに流す電流を零とし、インペラ側電磁石の電磁石コイルには、反インペラ側電磁石の電磁石コイルに電流が流れていないときの反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎ０と釣り合う吸引力となる電流を流し、
前記回転電機の定常回転時は、前記インペラ側電磁石の電磁石コイルの電流を減少させて、回転電機の回転により回転軸方向に生じるスラスト推力Ｆｐと、反インペラ側電磁石の電磁石コイルに電流が流れていないときの反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎ０と、インペラ側電磁石により生じる磁気吸引力Ｆｉが、Ｆｐ＝Ｆｎ０－Ｆｉの関係となるように制御することを特徴とするスラスト磁気軸受装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、スラスト磁気軸受装置およびその制御方法に係り、回転体の軸方向を支持する電磁石と永久磁石を併用した磁気軸受に関する。
【背景技術】
【0002】
【0003】
図１において、回転体の回転軸１の外周には磁性材からなる円板形状のスラストディスク２が固着されている。このスラストディスク２を軸方向両側から各々所定距離隔てて挟むように、一対の電磁石１０、２０が対向配設されている。
【0004】
電磁石１０、２０はともに中心部分をくり抜いた円筒形状に形成され、その中心部分に回転軸１が挿入された配置となっている。
【0005】
電磁石１０は、電磁石鉄心１１と電磁石鉄心１１のスラストディスク２に対向する側に巻回された電磁石コイル１２とを備え、電磁石２０は、電磁石鉄心２１と電磁石鉄心２１のスラストディスク２に対向する側に巻回された電磁石コイル２２とを備えている。
【0006】
電磁石コイル１２、２２に電流を流すと、磁束が発生してスラストディスク２に対する磁気吸引力が発生するため、スラストディスク２に作用するスラスト荷重を支持することができる。図１中、磁路は電磁石２０が発生する磁束の磁気回路である。
【0007】
以下、スラスト荷重の支持について説明する。ここでは例として曝気ブロワに用いられるインペラを有するスラスト磁気軸受装置を備えた回転電機の構成を図２に示す。図２において図１と同一部分は同一符号をもって示しており、３０は回転軸１の先端に設けられたインペラ（羽根車など）である。
【0008】
インペラ３０から軸方向に所定距離隔てた回転軸１の外周には円板形状のスラストディスク２が固着されている。１０はスラストディスク２のインペラ側に図１と同様に配設された電磁石、２０はスラストディスク２の反インペラ側に図１と同様に配設された電磁石である。
【0009】
インペラ３０とスラストディスク２の間に位置する回転軸１の外周には、回転軸１を半径方向に非接触で支持するラジアル軸受３１が設けられている。
【0010】
３２はラジアル軸受３１のインペラ３０側の回転軸１の外周に配設された保護軸受である。
【0011】
スラストディスク２から軸方向の反インペラ側に所定距離隔てた回転軸１の外周には永久磁石ロータ３３が固着され、永久磁石ロータ３３から回転軸１の径方向外周にギャップを隔ててステータコア３４が配設されている。
【0012】
３５ａはステータコア３４のインペラ側端に設けられた固定子巻線、３５ｂはステータコア３４の反インペラ側端に設けられた固定子巻線である。
【0013】
固定子巻線３５ｂから軸方向の反インペラ側に所定距離隔てた回転軸１の外周には、回転軸１を半径方向に非接触で支持するラジアル軸受３６が設けられている。
【0014】
３７はラジアル軸受３６の反インペラ側の回転軸１の外周に配設された保護軸受である。
【0015】
図２中のＦｐは、回転軸１の回転時（曝気ブロワの回転時）に、インペラ３０の吸い込み口付近が低圧、背面側が高圧になって圧力差が生じることで、軸方向に発生するスラスト推力を表している。
【0016】
次に、図２の装置における対向配置された２つの電磁石コイル１２、２２に流れる電流と磁気吸引力の関係および曝気ブロワの回転による電磁石コイル１２，２２に流れる電流の変化と回転時における電流制御方法を図３とともに説明する。図３において磁気吸引力は磁束密度とギャップ等から計算され、電磁石コイルに流れる電流と磁気吸引力の関係はおよそ電流の二乗に比例するが、磁気飽和や磁束漏れを考えるとより小さな値となる。
【0017】
図３において、Ｉｉはインペラ側の電磁石コイル１２に流れる電流、Ｉｎは反インペラ側の電磁石コイル２２に流れる電流、Ｆ０は剛性の維持・支持に望ましい力、Ｆｉはインペラ側の磁気吸引力、Ｆｎは反インペラ側の磁気吸引力である。図３中の実線の曲線は従来技術の制御方法による電磁石コイルの電流と磁気吸引力の関係を示し、図３中の破線の矢印は従来技術の制御方法における停止時→定常回転時での動作点の変遷を示している。
【0018】
図３における回転電機の停止から定常回転時までの電流制御方法は以下のとおりである。まず停止（非回転）時の場合はスラスト磁気軸受のインペラ側と反インペラ側の２つの電磁石コイル１２，２２に流れる電流Ｉｉ，Ｉｎを動作点Ａ１ｉ、Ａ１ｎのように同じにして、等価な磁気吸引力Ｆｉ＝Ｆｎ＝Ｆ０を回転軸１に加えて支持する。しかし、インペラ３０が付与された回転機械では回転させると吸い込み口付近が低圧になり、インペラ３０の背面側が高圧になり、圧力差が生じ、軸方向にスラスト推力Ｆｐが発生する（図２）。
【0019】
一定の回転数で定常回転させた状態であると、スラスト推力Ｆｐと釣り合うように反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎを増加させ、反インペラ側の電磁石コイル２２に動作点Ａ１ｎ→Ａ２ｎのように大きな電流Ｉｎを流し、インペラ側の磁気吸引力Ｆｉを減少させ、インペラ側の電磁石コイル１２に動作点Ａ１ｉ→Ａ２ｉのように小さな電流Ｉｉを流す必要がある。
【0020】
また、インペラ側と反インペラ側の電磁石コイル１２、２２に流れる電流のアンバランスを低減するために、例えば図４の参考例に示すように永久磁石を付与してスラスト磁気軸受装置を構成することが考えられる。
【0021】
【0022】
図４において図１（ａ）と異なる点は、反インペラ側の電磁石２０の、電磁石コイル２２の反インペラ側に隣接した電磁石鉄心２１に円筒形の永久磁石５０を設けた点にあり、その他の部分は図１（ａ）と同一に構成されている。δは、スラストディスク２と電磁石２０の間の空隙を示している。
【0023】
永久磁石５０は、インペラ３０の回転により発生するスラスト推力Ｆｐを補う磁気吸引力を生じさせる起磁力Ｕｐを発生させる、中央をくり抜いた円筒形の永久磁石である。このとき、図４中の磁路の磁気等価回路は図５のとおりである。
【0024】
図５において、起磁力は電磁石コイル２２によるＮＩｎと永久磁石５０によるＵｐとを直列したものとなり、磁気抵抗は図４中に示す磁路（１）～（７）に対応してＱ１…Ｑ７の７つの成分からなる。ここで、Ｎはコイルの巻き数、Ｉｎが反インペラ側の電磁石コイル２２に流す電流となる。永久磁石５０の保持力をＨｃとすると、起磁力Ｕｐ＝Ｈｃｌｐである。各磁気抵抗は、電磁石２０の電磁石鉄心２１の磁気抵抗Ｑ１，Ｑ２，Ｑ４，スラストディスク２の鉄心の磁気抵抗Ｑ５、空隙δの磁気抵抗Ｑ６，Ｑ７、永久磁石５０の磁気抵抗Ｑ３であり、下記（１）式～（７）式の通りである。
【0025】
【数1】
【0026】
【数2】
【0027】
【数3】
【0028】
【数4】
【0029】
【数5】
【0030】
【数6】
【0031】
【数7】
【0032】
ここで、ｒ１は回転軸１の中心から電磁石鉄心１１、２１の内周端までの距離（半径）、ｒ２は回転軸１の中心から永久磁石５０の内周端までの距離（半径）、ｒ３は回転軸１の中心から電磁石コイル１２、２２の外周端までの距離（半径）、ｒ４は回転軸１の中心から電磁石鉄心１１、２１の外周端までの距離（半径）、ｈ１はスラストディスク２の軸方向長さ、ｈ２は電磁石コイル１２，２２の軸方向長さ、ｈ３は永久磁石５０の軸方向長さ、ｌｐは永久磁石５０の半径方向の長さである。
【0033】
δはスラストディスク２と電磁石の空隙、μ０は真空の透磁率、μｒ、μｐはそれぞれ電磁石鉄心２１および永久磁石５０の比透磁率である。μｒは４０００～５０００程度であり、μｐは１．０５程度である。また、本来Ｑ２，Ｑ３，Ｑ５では径方向位置によって磁束密度は変化せず、透磁率は一様なものとならないが、ここでは平均的な透磁率で一様なものとして扱う。
【0034】
図５の磁気等価回路の磁束をΦとすると、下記（８）式の関係式が成り立つのでこれより、
【0035】
【数8】
【0036】
Φを求め、空隙部分の磁気ポテンシャル差Ｕ６，Ｕ７をＵ＝ΦＱの関係から計算して、反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎは下記（９）式のように求められる。
【0037】
【数9】
【0038】
電磁石コイル２２に流す電流Ｉｎ＝０とすると、電流が流れていないときの起磁力は永久磁石のＵｐとなる。インペラ側の永久磁石を付与していないスラスト磁気軸受（図１）の磁路に対する等価回路は図５の等価回路でｌｐ＝０とすることに対応する。
【0039】
尚、従来、制御型磁気軸受を用いた誘導モータの動特性評価として、非特許文献１に記載のものが開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0040】
【非特許文献1】「制御型磁気軸受を用いた誘導モータの動特性評価」ＩＨＩ 技報 Ｖｏｌ．５９Ｎｏ．１、ｐ５３－５８（２０１９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0041】
図３で説明した従来の制御方法では、電磁石コイルに流す電流にアンバランスが生じることで電流の制御性にアンバランスが生じること、およびインペラ側について、剛性や支持の維持に望ましい力（Ｆ０）より小さな力による吸引力とせざるを得なくなることで、力の変動に対する磁気軸受の支持の安定性が悪くなる、といった問題点があった。
【0042】
また図４の参考例の構成では、永久磁石５０が電磁石２０の磁路に入っているので、磁気抵抗が大きくなるため、電磁石でスラスト推力Ｆｐを制御するのに大きな電流が必要となる。
【0043】
本発明は、上記課題を解決するものであり、その目的は、回転により回転軸方向に生じるスラスト推力を補って、回転軸を安定して支持することができるスラスト磁気軸受装置およびその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0044】
上記課題を解決するための請求項１に記載のスラスト磁気軸受装置は、
回転軸の先端に設けられたインペラを有した回転電機の、回転軸方向を支持するスラスト磁気軸受装置において、
前記インペラから回転軸の軸方向に、設定した距離隔てた回転軸の外周に固着された磁性材からなるスラストディスクと、
前記スラストディスクから回転軸の軸方向のインペラ側に設定距離隔てて配設された電磁石鉄心、および該電磁石鉄心の前記スラストディスクに対向する側に巻回された電磁石コイルを含むインペラ側電磁石と、
前記スラストディスクから回転軸の軸方向の反インペラ側に設定距離隔てて前記インペラ側電磁石に対向して配設された電磁石鉄心、および該電磁石鉄心の前記スラストディスクに対向する側に巻回された電磁石コイルを含む反インペラ側電磁石と、
前記反インペラ側電磁石の電磁石鉄心における、電磁石コイルの巻回領域から内周側に設定距離隔てた領域に、前記スラストディスクに対向して配設された永久磁石と、を備えたことを特徴とする。
回転軸の先端に設けられたインペラを有した回転電機の、回転軸方向を支持するスラスト磁気軸受装置において、
前記インペラから回転軸の軸方向に、設定した距離隔てた回転軸の外周に固着された磁性材からなるスラストディスクと、
前記スラストディスクから回転軸の軸方向のインペラ側に設定距離隔てて配設された電磁石鉄心、および該電磁石鉄心の前記スラストディスクに対向する側に巻回された電磁石コイルを含むインペラ側電磁石と、
前記スラストディスクから回転軸の軸方向の反インペラ側に設定距離隔てて前記インペラ側電磁石に対向して配設された電磁石鉄心、および該電磁石鉄心の前記スラストディスクに対向する側に巻回された電磁石コイルを含む反インペラ側電磁石と、
前記反インペラ側電磁石の電磁石鉄心における、電磁石コイルの巻回領域から内周側に設定距離隔てた領域に、前記スラストディスクに対向して配設された永久磁石と、を備えたことを特徴とする。
【0045】
請求項２に記載のスラスト磁気軸受装置は、
回転軸の先端に設けられたインペラを有した回転電機の、回転軸方向を支持するスラスト磁気軸受装置において、
前記インペラから回転軸の軸方向に、設定した距離隔てた回転軸の外周に固着された磁性材からなるスラストディスクと、
前記スラストディスクから回転軸の軸方向のインペラ側に設定距離隔てて配設された電磁石鉄心、および該電磁石鉄心の前記スラストディスクに対向する側に巻回された電磁石コイルを含むインペラ側電磁石と、
前記スラストディスクから回転軸の軸方向の反インペラ側に設定距離隔てて前記インペラ側電磁石に対向して配設された電磁石鉄心、および該電磁石鉄心の前記スラストディスクに対向する側に巻回された電磁石コイルを含む反インペラ側電磁石と、
前記反インペラ側電磁石の電磁石鉄心における、電磁石コイルの巻回領域から外周側に設定距離隔てた領域に、前記スラストディスクに対向して配設された永久磁石と、を備えたことを特徴とする。
回転軸の先端に設けられたインペラを有した回転電機の、回転軸方向を支持するスラスト磁気軸受装置において、
前記インペラから回転軸の軸方向に、設定した距離隔てた回転軸の外周に固着された磁性材からなるスラストディスクと、
前記スラストディスクから回転軸の軸方向のインペラ側に設定距離隔てて配設された電磁石鉄心、および該電磁石鉄心の前記スラストディスクに対向する側に巻回された電磁石コイルを含むインペラ側電磁石と、
前記スラストディスクから回転軸の軸方向の反インペラ側に設定距離隔てて前記インペラ側電磁石に対向して配設された電磁石鉄心、および該電磁石鉄心の前記スラストディスクに対向する側に巻回された電磁石コイルを含む反インペラ側電磁石と、
前記反インペラ側電磁石の電磁石鉄心における、電磁石コイルの巻回領域から外周側に設定距離隔てた領域に、前記スラストディスクに対向して配設された永久磁石と、を備えたことを特徴とする。
【0046】
請求項３に記載のスラスト磁気軸受装置は、
回転軸の先端に設けられたインペラを有した回転電機の、回転軸方向を支持するスラスト磁気軸受装置において、
前記インペラから回転軸の軸方向に、設定した距離隔てた回転軸の外周に固着された磁性材からなるスラストディスクと、
前記スラストディスクから回転軸の軸方向のインペラ側に設定距離隔てて配設された電磁石鉄心、および該電磁石鉄心の前記スラストディスクに対向する側に巻回された電磁石コイルを含むインペラ側電磁石と、
前記スラストディスクから回転軸の軸方向の反インペラ側に設定距離隔てて前記インペラ側電磁石に対向して配設された電磁石鉄心、および該電磁石鉄心の前記スラストディスクに対向する側に巻回された電磁石コイルを含む反インペラ側電磁石と、
前記反インペラ側電磁石の電磁石鉄心における、電磁石コイルの巻回領域から内周側、外周側に各々設定距離隔てた領域に、前記スラストディスクに各々対向して配設された第１、第２の永久磁石と、を備えたことを特徴とする。
回転軸の先端に設けられたインペラを有した回転電機の、回転軸方向を支持するスラスト磁気軸受装置において、
前記インペラから回転軸の軸方向に、設定した距離隔てた回転軸の外周に固着された磁性材からなるスラストディスクと、
前記スラストディスクから回転軸の軸方向のインペラ側に設定距離隔てて配設された電磁石鉄心、および該電磁石鉄心の前記スラストディスクに対向する側に巻回された電磁石コイルを含むインペラ側電磁石と、
前記スラストディスクから回転軸の軸方向の反インペラ側に設定距離隔てて前記インペラ側電磁石に対向して配設された電磁石鉄心、および該電磁石鉄心の前記スラストディスクに対向する側に巻回された電磁石コイルを含む反インペラ側電磁石と、
前記反インペラ側電磁石の電磁石鉄心における、電磁石コイルの巻回領域から内周側、外周側に各々設定距離隔てた領域に、前記スラストディスクに各々対向して配設された第１、第２の永久磁石と、を備えたことを特徴とする。
【0047】
請求項４に記載のスラスト磁気軸受装置の制御方法は、
請求項１又は２又は３に記載のスラスト磁気軸受装置を備え、
前記反インペラ側電磁石の電磁石鉄心、電磁石コイル、永久磁石およびスラストディスクにより形成される反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎを（２１）式とし、
請求項１又は２又は３に記載のスラスト磁気軸受装置を備え、
前記反インペラ側電磁石の電磁石鉄心、電磁石コイル、永久磁石およびスラストディスクにより形成される反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎを（２１）式とし、
【0048】
【数21】
【0049】
（Ｑ６は、反インペラ側電磁石における電磁石コイルの内周側に位置する電磁石鉄心の、スラストディスクに対向する面とスラストディスクとの間の空隙の磁気抵抗、Ｑ７は、反インペラ側電磁石における電磁石コイルの外周側に位置する電磁石鉄心の、スラストディスクに対向する面とスラストディスクとの間の空隙の磁気抵抗、Ｑ８は、反インペラ側電磁石に設けた永久磁石の、スラストディスクに対向する面とスラストディスクとの間の空隙の磁気抵抗、δは前記空隙の長さ、Ｕ６，Ｕ７，Ｕ８は、磁気抵抗Ｑ６，Ｑ７，Ｑ８とＱ６，Ｑ７，Ｑ８の磁束Φ６，Φ７，Φ８を用いて、Ｕ＝ΦＱの関係から計算した空隙部分の磁気ポテンシャル差）
前記回転電機の回転停止時は、反インペラ側電磁石の電磁石コイルに流す電流を零とし、インペラ側電磁石の電磁石コイルには、反インペラ側電磁石の電磁石コイルに電流が流れていないときの反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎ０と釣り合う吸引力となる第１の電流を流し、
前記回転電機の定常回転時は、前記インペラ側電磁石の電磁石コイルの電流を減少させ、反インペラ側電磁石の電磁石コイルに電流を流して、インペラ側電磁石の電磁石コイルの電流Ｉｉと反インペラ側電磁石の電磁石コイルの電流Ｉｎを同一又は略同一とし、回転電機の回転により回転軸方向に生じるスラスト推力Ｆｐと、反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎと、インペラ側電磁石により生じる磁気吸引力Ｆｉが、Ｆｐ＝Ｆｎ－Ｆｉの関係となるように制御することを特徴とする。
前記回転電機の回転停止時は、反インペラ側電磁石の電磁石コイルに流す電流を零とし、インペラ側電磁石の電磁石コイルには、反インペラ側電磁石の電磁石コイルに電流が流れていないときの反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎ０と釣り合う吸引力となる第１の電流を流し、
前記回転電機の定常回転時は、前記インペラ側電磁石の電磁石コイルの電流を減少させ、反インペラ側電磁石の電磁石コイルに電流を流して、インペラ側電磁石の電磁石コイルの電流Ｉｉと反インペラ側電磁石の電磁石コイルの電流Ｉｎを同一又は略同一とし、回転電機の回転により回転軸方向に生じるスラスト推力Ｆｐと、反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎと、インペラ側電磁石により生じる磁気吸引力Ｆｉが、Ｆｐ＝Ｆｎ－Ｆｉの関係となるように制御することを特徴とする。
【0050】
請求項５に記載のスラスト磁気軸受装置の制御方法は、
請求項１又は２又は３に記載のスラスト磁気軸受装置を備え、
前記反インペラ側電磁石の電磁石鉄心、電磁石コイル、永久磁石およびスラストディスクにより形成される反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎを（２１）式とし、
請求項１又は２又は３に記載のスラスト磁気軸受装置を備え、
前記反インペラ側電磁石の電磁石鉄心、電磁石コイル、永久磁石およびスラストディスクにより形成される反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎを（２１）式とし、
【0051】
【数21】
【0052】
（Ｑ６は、反インペラ側電磁石における電磁石コイルの内周側に位置する電磁石鉄心の、スラストディスクに対向する面とスラストディスクとの間の空隙の磁気抵抗、Ｑ７は、反インペラ側電磁石における電磁石コイルの外周側に位置する電磁石鉄心の、スラストディスクに対向する面とスラストディスクとの間の空隙の磁気抵抗、Ｑ８は、反インペラ側電磁石に設けた永久磁石の、スラストディスクに対向する面とスラストディスクとの間の空隙の磁気抵抗、δは前記空隙の長さ、Ｕ６，Ｕ７，Ｕ８は、磁気抵抗Ｑ６，Ｑ７，Ｑ８とＱ６，Ｑ７，Ｑ８の磁束Φ６，Φ７，Φ８を用いて、Ｕ＝ΦＱの関係から計算した空隙部分の磁気ポテンシャル差）
前記回転電機の回転停止時は、反インペラ側電磁石の電磁石コイルに流す電流ＩｎをＩｎ＜０とし、インペラ側電磁石の電磁石コイルには、反インペラ側電磁石による磁気吸引力と釣り合う吸引力となる、前記第１の電流よりも小さい第２の電流を流し、
前記回転電機の定常回転時は、反インペラ側電磁石の電磁石コイルに流す電流ＩｎをＩｎ＞０となるように増大させ、インペラ側電磁石の電磁石コイルの電流を、前記第２の電流よりも小さい電流に減少させ、インペラ側電磁石の電磁石コイルの電流Ｉｉと反インペラ側電磁石の電磁石コイルの電流Ｉｎを同一又は略同一とし、回転電機の回転により回転軸方向に生じるスラスト推力Ｆｐと、反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎと、インペラ側電磁石により生じる磁気吸引力Ｆｉが、Ｆｐ＝Ｆｎ－Ｆｉの関係となるように制御することを特徴とする。
前記回転電機の回転停止時は、反インペラ側電磁石の電磁石コイルに流す電流ＩｎをＩｎ＜０とし、インペラ側電磁石の電磁石コイルには、反インペラ側電磁石による磁気吸引力と釣り合う吸引力となる、前記第１の電流よりも小さい第２の電流を流し、
前記回転電機の定常回転時は、反インペラ側電磁石の電磁石コイルに流す電流ＩｎをＩｎ＞０となるように増大させ、インペラ側電磁石の電磁石コイルの電流を、前記第２の電流よりも小さい電流に減少させ、インペラ側電磁石の電磁石コイルの電流Ｉｉと反インペラ側電磁石の電磁石コイルの電流Ｉｎを同一又は略同一とし、回転電機の回転により回転軸方向に生じるスラスト推力Ｆｐと、反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎと、インペラ側電磁石により生じる磁気吸引力Ｆｉが、Ｆｐ＝Ｆｎ－Ｆｉの関係となるように制御することを特徴とする。
【0053】
請求項６に記載のスラスト磁気軸受装置の制御方法は、
請求項１又は２又は３に記載のスラスト磁気軸受装置を備え、
前記反インペラ側電磁石の電磁石鉄心、電磁石コイル、永久磁石およびスラストディスクにより形成される反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎを（２１）式とし、
請求項１又は２又は３に記載のスラスト磁気軸受装置を備え、
前記反インペラ側電磁石の電磁石鉄心、電磁石コイル、永久磁石およびスラストディスクにより形成される反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎを（２１）式とし、
【0054】
【数21】
【0055】
（Ｑ６は、反インペラ側電磁石における電磁石コイルの内周側に位置する電磁石鉄心の、スラストディスクに対向する面とスラストディスクとの間の空隙の磁気抵抗、Ｑ７は、反インペラ側電磁石における電磁石コイルの外周側に位置する電磁石鉄心の、スラストディスクに対向する面とスラストディスクとの間の空隙の磁気抵抗、Ｑ８は、反インペラ側電磁石に設けた永久磁石の、スラストディスクに対向する面とスラストディスクとの間の空隙の磁気抵抗、δは前記空隙の長さ、Ｕ６，Ｕ７，Ｕ８は、磁気抵抗Ｑ６，Ｑ７，Ｑ８とＱ６，Ｑ７，Ｑ８の磁束Φ６，Φ７，Φ８を用いて、Ｕ＝ΦＱの関係から計算した空隙部分の磁気ポテンシャル差）
前記回転電機の回転停止時は、反インペラ側電磁石の電磁石コイルに流す電流を零とし、インペラ側電磁石の電磁石コイルには、反インペラ側電磁石の電磁石コイルに電流が流れていないときの反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎ０と釣り合う吸引力となる電流を流し、
前記回転電機の定常回転時は、前記インペラ側電磁石の電磁石コイルの電流を減少させて、回転電機の回転により回転軸方向に生じるスラスト推力Ｆｐと、反インペラ側電磁石の電磁石コイルに電流が流れていないときの反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎ０と、インペラ側電磁石により生じる磁気吸引力Ｆｉが、Ｆｐ＝Ｆｎ０－Ｆｉの関係となるように制御することを特徴とする。
前記回転電機の回転停止時は、反インペラ側電磁石の電磁石コイルに流す電流を零とし、インペラ側電磁石の電磁石コイルには、反インペラ側電磁石の電磁石コイルに電流が流れていないときの反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎ０と釣り合う吸引力となる電流を流し、
前記回転電機の定常回転時は、前記インペラ側電磁石の電磁石コイルの電流を減少させて、回転電機の回転により回転軸方向に生じるスラスト推力Ｆｐと、反インペラ側電磁石の電磁石コイルに電流が流れていないときの反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎ０と、インペラ側電磁石により生じる磁気吸引力Ｆｉが、Ｆｐ＝Ｆｎ０－Ｆｉの関係となるように制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【0056】
（１）請求項１～６に記載の発明によれば、永久磁石を反インペラ側の電磁石に設けているので、反インペラ側の磁気吸引力が大きくなって回転電機の回転により回転軸方向に生じるスラスト推力を補うことができる。これによって回転軸を安定して支持することができる。
【0057】
また、反インペラ側の電磁石コイルによる磁路と永久磁石による磁路とを分離できるため、磁気抵抗を小さくし、制御電流を小さくすることができる。
（２）請求項４に記載の発明によれば、定常回転時に反インペラ側の電磁石コイルに過大な電流が流れることを防ぐとともにインペラ側の吸引力をある一定以上にし、インペラ側と反インペラ側の両側の電磁石コイルに流れる電流のアンバランスを低減することができ、これによって電流の制御性も同程度となることで、回転軸方向の力の変動に対して安定して動作することが可能である。
（３）請求項５に記載の発明によれば、永久磁石を設けた反インペラ側電磁石の電磁石コイルに流れる電流の極性を反転させることで請求項１の発明と比べて停止時（駆動始動時等）にインペラ側電磁石の電磁石コイルに流れる電流を低減できる。これによって機器の電流定格を下げることができ、また電流の絶対値を小さく取れる分、発熱も小さくなる。
（４）請求項６に記載の発明によれば、インペラ側の電磁石コイルの電流のみで制御することで、反インペラ側の電流を制御する必要がなくなり、電源が不要となる。
（２）請求項４に記載の発明によれば、定常回転時に反インペラ側の電磁石コイルに過大な電流が流れることを防ぐとともにインペラ側の吸引力をある一定以上にし、インペラ側と反インペラ側の両側の電磁石コイルに流れる電流のアンバランスを低減することができ、これによって電流の制御性も同程度となることで、回転軸方向の力の変動に対して安定して動作することが可能である。
（３）請求項５に記載の発明によれば、永久磁石を設けた反インペラ側電磁石の電磁石コイルに流れる電流の極性を反転させることで請求項１の発明と比べて停止時（駆動始動時等）にインペラ側電磁石の電磁石コイルに流れる電流を低減できる。これによって機器の電流定格を下げることができ、また電流の絶対値を小さく取れる分、発熱も小さくなる。
（４）請求項６に記載の発明によれば、インペラ側の電磁石コイルの電流のみで制御することで、反インペラ側の電流を制御する必要がなくなり、電源が不要となる。
【図面の簡単な説明】
【0058】
【図1】従来のスラスト磁気軸受装置の一例を示す構成図。
【図2】スラスト磁気軸受装置を備えた回転電機の一例を示す構成図。
【図3】従来技術のスラスト磁気軸受の電磁石電流制御方法の説明図。
【図4】参考例としてのスラスト磁気軸受装置の構成図。
【図6】本発明の第１の実施形態例によるスラスト磁気軸受装置の構成図。
【図7】本発明の第２の実施形態例によるスラスト磁気軸受装置の構成図。
【図8】本発明の第３の実施形態例によるスラスト磁気軸受装置の構成図。
【図10】本発明の実施例１による電磁石電流制御方法の説明図。
【図11】本発明の実施例２による電磁石電流制御方法の説明図。
【図12】本発明の実施例３による電磁石電流制御方法の説明図。
【発明を実施するための形態】
【0059】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。本実施形態例では、スラスト磁気軸受装置における、反インペラ側の片側の電磁石にインペラの回転により発生するスラスト推力Ｆｐを補う磁気吸引力を発生させる起磁力Ｕｐを発生させる円筒形の永久磁石を電磁石に付与する。
【0060】
図４の参考例とは異なり、スラストディスク２に対向する部位であって、電磁石コイルの内周側（図６）もしくは外周側（図７）および内周側と外周側の両方（図８）に円筒形の永久磁石を付与することで、永久磁石の磁路が電磁石の磁路と分離した構成にし、図４の構成より少ない反インペラ側の電磁石コイル電流｜Ｉｎ｜で吸引できるようにした。
【0061】
【0062】
【0063】
電磁石２０の電磁石鉄心２１の内周端側には、所定径を有した円筒形の永久磁石６０が配設されている。
【0064】
永久磁石６０の外周側には、電磁石鉄心２１を所定径で切り欠いて円筒形の第１の空洞部２０ａが形成されている。この第１の空洞部２０ａは電磁石２０のスラストディスク２に対向する電磁石鉄心２１の面から軸方向に、電磁石鉄心２１のスラストディスク２と反対側の面に到達しない距離を切り欠いて形成されている。
【0065】
第１の空洞部２０ａの、電磁石コイル２２側の電磁石鉄心の領域（電磁石鉄心２１における、電磁石コイル２２の巻回領域を含む領域）を第１の領域２１ａとし、永久磁石６０側の電磁石鉄心の領域を第２の領域２１ｂとしている。
【0066】
第１の領域２１ａと第２の領域２１ｂの間は、第１の空洞部２０ａの反スラストディスク側端から、電磁石鉄心２１のスラストディスク２と反対側の面までの間に形成される電磁石鉄心２１により連設されている。
【0067】
【0068】
【0069】
電磁石２０の電磁石鉄心２１の外周端側には、所定径を有した円筒形の永久磁石７０が配設されている。
【0070】
永久磁石７０の内周側には、電磁石鉄心２１を所定径で切り欠いて円筒形の第２の空洞部２０ｂが形成されている。この第２の空洞部２０ｂは電磁石２０のスラストディスク２に対向する電磁石鉄心２１の面から軸方向に、電磁石鉄心２１のスラストディスク２と反対側の面に到達しない距離を切り欠いて形成されている。
【0071】
第２の空洞部２０ｂの、電磁石コイル２２側の電磁石鉄心の領域（電磁石鉄心２１における、電磁石コイル２２の巻回領域を含む領域）を第１の領域２１ａとし、永久磁石７０側の電磁石鉄心の領域を第３の領域２１ｃとしている。
【0072】
第１の領域２１ａと第３の領域２１ｃの間は、第２の空洞部２０ｂの反スラストディスク側端から、電磁石鉄心２１のスラストディスク２と反対側の面までの間に形成される電磁石鉄心２１により連設されている。
【0073】
第３の実施形態例によるスラスト磁気軸受装置の構成を示す図８では、反インペラ側電磁石２０の電磁石鉄心２１を、図６で述べた第１の領域２１ａ，第２の領域２１ｂおよび図７で述べた第３の領域２１ｃで構成し、図６で述べた第１の空洞部２０ａと図７で述べた第２の空洞部２０ｂを形成し、図６で述べた永久磁石６０と図７で述べた永久磁石７０を配設しており、図６、図７と同一部分は同一符号をもって示している。
【0074】
次に、例として電磁石コイルの内周側に円筒形の永久磁石（６０）を付与したスラスト磁気軸受装置（図６）の磁路の磁気等価回路を図９に示す。図９の磁気等価回路において、起磁力は電磁石２０による起磁力ＮＩｎと永久磁石６０による起磁力Ｕｐ、磁気抵抗は図６中に示す磁路（１）～（１１）に対応してＱ１，…，Ｑ１１の１１の成分からなる。ここで、Ｎはコイルの巻き数、Ｉｎが電磁石コイル２２に流す電流となる。永久磁石６０の保持力をＨｃとすると、起磁力Ｕｐ＝Ｈｃｈｐである。各磁気抵抗は、電磁石２０の電磁石鉄心２１の磁気抵抗Ｑ１，Ｑ２，Ｑ４，Ｑ１０，Ｑ１１、スラストディスク２の鉄心の磁気抵抗Ｑ５，Ｑ９、空隙δの磁気抵抗Ｑ６，Ｑ７，Ｑ８、永久磁石６０の磁気抵抗Ｑ３であり、下記（１０）式～（２０）式の通りである。
【0075】
【数10】
【0076】
【数11】
【0077】
【数12】
【0078】
【数13】
【0079】
【数14】
【0080】
【数15】
【0081】
【数16】
【0082】
【数17】
【0083】
【数18】
【0084】
【数19】
【0085】
【数20】
【0086】
ここで、ｒ１は回転軸１の中心から第１の空洞部２０ａの外周縁までの距離（半径）、ｒ２は回転軸１の中心から電磁石２０の電磁石コイル２２の内周端までの距離（半径）、ｒ３は回転軸１の中心から電磁石コイル２２の外周端までの距離（半径）、ｒ４は回転軸１の中心から電磁石鉄心２１の最外周端までの距離（半径）、ｒｐｉは回転軸１の中心から永久磁石６０の内周端までの距離（半径）、ｒｐｏは回転軸１の中心から永久磁石６０の外周端までの距離（半径）である。
【0087】
ｈ１はスラストディスク２の軸方向長さ、ｈ２は電磁石コイル１２，２２の軸方向長さ、ｈ３は、電磁石コイル２２の反インペラ側端から電磁石鉄心２１の反インペラ側端までの距離（軸方向長さ）、ｈｐは永久磁石６０の軸方向長さであり、δはスラストディスク２と電磁石２０の空隙、μ０は真空の透磁率、μｒ、μｐはそれぞれ電磁石鉄心２１および永久磁石６０の比透磁率である。
【0088】
前記（１０）式～（２０）式で表される磁気抵抗Ｑ１～Ｑ１１各々の定義は次のとおりである。
【0089】
Ｑ１は、反インペラ側電磁石２０における電磁石コイル２２の外周側に位置する電磁石鉄心２１の磁気抵抗、Ｑ２は前記電磁石コイル２２の反インペラ側に位置する電磁石鉄心２１の磁気抵抗、Ｑ３は永久磁石６０の磁気抵抗、Ｑ４は前記電磁石コイル２２の内周側に位置する電磁石鉄心２１の磁気抵抗、Ｑ５は、スラストディスク２の鉄心の、電磁石コイル２２の起磁力による磁気抵抗、Ｑ６は、前記電磁石コイル２２の内周側に位置する電磁石鉄心２１のスラストディスク２に対向する面と、スラストディスク２との間の空隙の磁気抵抗、Ｑ７は、前記電磁石コイル２２の外周側に位置する電磁石鉄心２１のスラストディスク２に対向する面と、スラストディスク２との間の空隙の磁気抵抗、Ｑ８は、永久磁石６０のスラストディスク２に対向する面と、スラストディスク２との間の空隙の磁気抵抗、Ｑ９は、スラストディスク２の鉄心の、永久磁石６０の起磁力による磁気抵抗、Ｑ１０は永久磁石６０の反インペラ側に位置する電磁石鉄心２１の磁気抵抗、Ｑ１１は、前記電磁石鉄心２１の、第１の領域２１ａと第２の領域２１ｂの間に位置する部位の磁気抵抗である。
【0090】
図９の磁気等価回路の空隙の磁気抵抗Ｑ６，Ｑ７，Ｑ８の磁束をΦ６、Φ７、Φ８として回路方程式を解き、これより、磁束Φを求め、空隙部分の磁気ポテンシャル差Ｕ６，Ｕ７，Ｕ８をＵ＝ΦＱの関係から計算して、反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎは下記（２１）式のように求められる。
【0091】
【数21】
【0092】
この反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎは永久磁石の起磁力による定常成分γＵｐ２を引くと、Ｆｎ－γＵｐ２∝｜Ｉｎ＋βＵｐ｜２と変形することができる。Ｑ６，Ｑ７，Ｑ８およびＱ３は同じオーダーの値になるので、βおよびγは正の係数である。図７および図８の構成の場合も反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎは同じ形式に変形できる。
【0093】
【実施例0094】
図１０は、例えば図６に示すスラスト磁気軸受装置を用いて、実施例１による制御方法を実施した場合の、２つの電磁石コイル１２，２２に流れる電流と磁気吸引力の関係を示している。尚、図７、図８のスラスト磁気軸受装置を用いた場合も同様である。
【0095】
図１０において、Ｉｉはインペラ側の電磁石コイル１２に流れる電流、Ｉｎは反インペラ側の電磁石コイル２２に流れる電流、Ｆ０は剛性の維持・支持に望ましい力、Ｆｉはインペラ側の磁気吸引力、Ｆｎは反インペラ側の磁気吸引力である。図１０中の実線の曲線は実施例１の制御方法による電磁石コイルの電流と磁気吸引力の関係を示し、図１０中の破線の矢印は実施例１の制御方法における停止時→定常回転時での動作点の変遷を示している。
【0096】
反インペラ側の電磁石２０において、磁気吸引力は永久磁石６０のために反インペラ側の磁気吸引力ＦｎはＦｎ－γＵｐ２∝｜Ｉｎ＋βＵｐ｜２となり、インペラ側の磁気吸引力Ｆｉと電磁石のコイルの電流Ｉｉの関係に対する比である係数αを乗じて補正し、反インペラ側の横軸を｜Ｉｎ＋βＵｐ｜×α、縦軸をＦｎ－γＵｐ２とした。
【0097】
以下、回転電機の停止から定常回転時における電流制御方法について説明する。停止（非回転）時は反インペラ側の電磁石コイル２２の電流Ｉｎを動作点Ａ１１ｎのように電流Ｉｎ＝０とし、インペラ側の電磁石コイル１２の電流Ｉｉが、反インペラ側の永久磁石６０による磁気吸引力Ｆｎ０と釣り合う吸引力となる、動作点Ａ１１ｉに示す電流Ｉｉ（第１の電流）を流す。
【0098】
定常回転時は、インペラ側の電磁石コイル１２の電流Ｉｉを動作点Ａ１２ｉまで減少させ、および反インペラ側の電磁石コイル２２に電流Ｉｎを動作点Ａ１２ｎまで流してＩｉ＝Ｉｎ＝Ｉｓ（または略同一）となるようにして、回転により生じるスラスト推力Ｆｐと、反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎとインペラ側の磁気吸引力ＦｉがＦｐ＝Ｆｎ－Ｆｉのように釣り合うようにする。このようにして、従来法に比べてインペラ側に流れる電流Ｉｉをより小さな値（動作点Ａ１２ｉ）にして、かつ両側の電磁石１０，２０のコイルに流れる電流Ｉｉ，Ｉｎの差がない状態で、回転軸１を安定して支持するのに十分な磁気吸引力を生じさせることが可能である。
【0099】
【0100】
以上のように本実施例１によれば、定常回転時に反インペラ側の電磁石コイルに過大な電流が流れることを防ぐとともにインペラ側の吸引力をある一定以上にし、インペラ側と反インペラ側の両側の電磁石コイルに流れる電流のアンバランスを低減することができ、これによって電流の制御性も同程度となることで、回転軸方向の力の変動に対して安定して動作することが可能である。
【実施例0101】
【0102】
図１１において、Ｉｉはインペラ側の電磁石コイル１２に流れる電流、Ｉｎは反インペラ側の電磁石コイル２２に流れる電流、Ｆ０は剛性の維持・支持に望ましい力、Ｆｉはインペラ側の磁気吸引力、Ｆｎは反インペラ側の磁気吸引力である。図１１中の実線の曲線は実施例２の制御方法による電磁石コイルの電流と磁気吸引力の関係を示し、図１１中の破線の矢印は実施例２の制御方法における停止時→定常回転時での動作点の変遷を示している。
【0103】
以下、回転電機が停止から定常回転時における電流制御方法について説明する。実施例１とは異なり、停止（非回転）時は反インペラ側の電磁石コイル２２に動作点Ａ２１ｎのようにＩｎ＜０となるような電流を流し（尚、Ａ２０ｎはＩｎ＝０となる動作点である）、インペラ側の電磁石コイル１２の電流Ｉｉを、実施例１より小さな値（第１の電流よりも小さい第２の電流）となるようにする（図１０の動作点Ａ１１ｉよりも小さい図１１の動作点Ａ２１ｉとする）。
【0104】
定常回転時には反インペラ側の電磁石コイル２２の電流Ｉｎの極性を反転させてＩｎ＞０（動作点Ａ２２ｎ）となるまで増大させ、また、インペラ側の電磁石コイル１２の電流Ｉｉを動作点Ａ２２ｉまで減少させ（Ｉｉ＝Ｉｎ＝Ｉｓ（または略同一））となるようにして、回転により生じるスラスト推力Ｆｐと両側の電磁石１０，２０により生じる力がＦｐ＝Ｆｎ－Ｆｉのように、釣り合うようにする。このようにすることで、実施例１に比べて停止時にインペラ側の電流Ｉｉを小さくし、かつバランスがとれた状態となる。このことにより、機器の電流定格を下げられる。また、電流の絶対値を小さく取れる分、発熱も小さくなる。
【0105】
以上のように本実施例２によれば、永久磁石を設けた反インペラ側電磁石の電磁石コイルに流れる電流の極性を反転させることで実施例１の発明と比べて停止時（駆動始動時等）にインペラ側電磁石の電磁石コイルに流れる電流を低減できる。
【実施例0106】
【0107】
図１２において、Ｉｉはインペラ側の電磁石コイル１２に流れる電流、Ｆ０は剛性の維持・支持に望ましい力、Ｆｉはインペラ側の磁気吸引力、Ｆｎは反インペラ側の磁気吸引力である。図１２中の実線の曲線は実施例３の制御方法による電磁石コイルの電流と磁気吸引力の関係を示し、図１２中の破線の矢印は実施例３の制御方法における停止時→定常回転時での動作点の変遷を示している。
【0108】
本実施例３では、実施例１および実施例２とは異なり、反インペラ側の電磁石コイル２２の電流を常にＩｎ＝０とする。
【0109】
回転電機の停止時にはインペラ側の電磁石コイル１２の電流Ｉｉを反インペラ側の永久磁石６０による磁気吸引力Ｆｎ０と等しくなるように電流を流す（動作点Ａ３１ｉ）。
【0110】
定常回転時にはインペラ側の電磁石コイル１２の電流Ｉｉを動作点Ａ３２ｉまで減少させ、回転により生じるスラスト推力Ｆｐと反インペラ側の永久磁石６０により生じる磁気吸引力Ｆｎ０とインぺラ側の電磁石１０により生じる力ＦｉがＦｐ＝Ｆｎ０－Ｆｉのように、釣り合うようにする。尚図１２のＡ３０ｎは、定常回転時の反インペラ側の動作点である。
【0111】
このように実施例３ではインペラ側の電流のみしか制御しないので、特にインペラ側の吸引力と同方向となる力が設計上の想定よりも大きくなった場合において、軸方向の力の変化する際の安定性は落ちるが、反インペラ側の電流を制御する必要がなくなり、電源が不要となる利点がある。