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特開2023-77460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】P2023077460
(43)【公開日】2023-06-06
(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 20060101AFI20230530BHJP
【ＦＩ】
F16C32/04 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021190713
(22)【出願日】2021-11-25
(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
【Ｆターム（参考）】
3J102AA01
3J102BA03
3J102CA10
3J102CA11
3J102CA23
3J102CA27
3J102DA02
3J102DA08
3J102DA09
3J102DA10
3J102DA25
3J102DB10
3J102DB11
3J102DB37
3J102GA06
(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５０と、を備えた。
【選択図】 図４
【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５０と、を備えた。
【選択図】 図４
【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に設けられた永久磁石と、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に設けられた永久磁石と、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】
請求項１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（１）式とし、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を（２）式とし、
（Ｕｐは永久磁石の起磁力、Ｕは全起磁力でありＵ＝ＮＩｎ＋Ｕｐ（Ｎは反インペラ側電磁石の電磁石コイルの巻き数、Ｉｎはその電磁石コイルに流れる電流）で示され、Ｑ0は、スラストディスクと、反インペラ側電磁石のスラストディスク側の面との間の空隙の磁気抵抗、δは前記空隙の長さ）
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（１）式とし、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を（２）式とし、
【数1】
【数2】
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3】
請求項１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（１）式とし、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を（２）式とし、
（Ｕｐは永久磁石の起磁力、Ｕは全起磁力でありＵ＝ＮＩｎ＋Ｕｐ（Ｎは反インペラ側電磁石の電磁石コイルの巻き数、Ｉｎはその電磁石コイルに流れる電流）で示され、Ｑ0は、スラストディスクと、反インペラ側電磁石のスラストディスク側の面との間の空隙の磁気抵抗、δは前記空隙の長さ）
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（１）式とし、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を（２）式とし、
【数1】
【数2】
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4】
請求項１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（１）式とし、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を（２）式とし、
（Ｕｐは永久磁石の起磁力、Ｕは全起磁力でありＵ＝ＮＩｎ＋Ｕｐ（Ｎは反インペラ側電磁石の電磁石コイルの巻き数、Ｉｎはその電磁石コイルに流れる電流）で示され、Ｑ0は、スラストディスクと、反インペラ側電磁石のスラストディスク側の面との間の空隙の磁気抵抗、δは前記空隙の長さ）
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（１）式とし、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を（２）式とし、
【数1】
【数2】
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。
【請求項5】
請求項１に記載のスラスト磁気軸受装置の、反インペラ側電磁石の配設位置に、当該反インペラ側電磁石に代えて永久磁石を設けて構成したスラスト磁気軸受装置を備え、
前記反インペラ側の永久磁石による磁気吸引力Ｆn0を（２）式とし、
（Ｕｐは永久磁石の起磁力、Ｑ0は、スラストディスクと、永久磁石のスラストディスク側の面との間の空隙の磁気抵抗、δは前記空隙の長さ）
前記回転電機の回転停止時は、インペラ側電磁石の電磁石コイルに、前記反インペラ側の永久磁石による磁気吸引力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、前記反インペラ側の永久磁石による磁気吸引力Ｆn0と、インペラ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。
前記反インペラ側の永久磁石による磁気吸引力Ｆn0を（２）式とし、
【数2】
前記回転電機の回転停止時は、インペラ側電磁石の電磁石コイルに、前記反インペラ側の永久磁石による磁気吸引力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、前記反インペラ側の永久磁石による磁気吸引力Ｆn0と、インペラ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、また、反インペラ側の電流に上限があることから、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】
尚、従来、電磁石および永久磁石を備えたスラスト磁気軸受装置は、例えば特許文献１に記載のものが提案されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0021】
【特許文献1】特開２０１１－１８５３６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0022】
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。
【0023】
また特許文献１では、定常時等に負荷がかかる側（本明細書では反インペラ側）に電磁石を設け、反対側（本明細書ではインペラ側）を永久磁石とする構成としているが、この構成では、定常時のインペラ側の方向に働く不平衡推力を、電磁石電流の増加により対応することから、定常時における電磁石巻線での消費電力・発熱の増加につながる。
【0024】
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】
【0025】
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に設けられた永久磁石と、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に設けられた永久磁石と、を備えたことを特徴とする。
【0026】
請求項２に記載のスラスト磁気軸受装置の制御方法は、
請求項１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（１）式とし、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を（２）式とし、
請求項１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（１）式とし、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を（２）式とし、
【0027】
【数1】
【0028】
【数2】
【0029】
（Ｕｐは永久磁石の起磁力、Ｕは全起磁力でありＵ＝ＮＩｎ＋Ｕｐ（Ｎは反インペラ側電磁石の電磁石コイルの巻き数、Ｉｎはその電磁石コイルに流れる電流）で示され、Ｑ0は、スラストディスクと、反インペラ側電磁石のスラストディスク側の面との間の空隙の磁気抵抗、δは前記空隙の長さ）
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している。
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している。
【0030】
請求項３に記載のスラスト磁気軸受装置の制御方法は、
請求項１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（１）式とし、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を（２）式とし、
請求項１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（１）式とし、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を（２）式とし、
【0031】
【数1】
【0032】
【数2】
【0033】
（Ｕｐは永久磁石の起磁力、Ｕは全起磁力でありＵ＝ＮＩｎ＋Ｕｐ（Ｎは反インペラ側電磁石の電磁石コイルの巻き数、Ｉｎはその電磁石コイルに流れる電流）で示され、Ｑ0は、スラストディスクと、反インペラ側電磁石のスラストディスク側の面との間の空隙の磁気抵抗、δは前記空隙の長さ）
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している。
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している。
【0034】
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（１）式とし、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を（２）式とし、
請求項１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（１）式とし、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を（２）式とし、
【0035】
【数1】
【0036】
【数2】
【0037】
（Ｕｐは永久磁石の起磁力、Ｕは全起磁力でありＵ＝ＮＩｎ＋Ｕｐ（Ｎは反インペラ側電磁石の電磁石コイルの巻き数、Ｉｎはその電磁石コイルに流れる電流）で示され、Ｑ0は、スラストディスクと、反インペラ側電磁石のスラストディスク側の面との間の空隙の磁気抵抗、δは前記空隙の長さ）
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している。
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している。
【0038】
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に記載のスラスト磁気軸受装置の、反インペラ側電磁石の配設位置に、当該反インペラ側電磁石に代えて永久磁石を設けて構成したスラスト磁気軸受装置を備え、
前記反インペラ側の永久磁石による磁気吸引力Ｆn0を（２）式とし、
請求項１に記載のスラスト磁気軸受装置の、反インペラ側電磁石の配設位置に、当該反インペラ側電磁石に代えて永久磁石を設けて構成したスラスト磁気軸受装置を備え、
前記反インペラ側の永久磁石による磁気吸引力Ｆn0を（２）式とし、
【0039】
【数2】
【0040】
（Ｕｐは永久磁石の起磁力、Ｑ0は、スラストディスクと、永久磁石のスラストディスク側の面との間の空隙の磁気抵抗、δは前記空隙の長さ）
前記回転電機の回転停止時は、インペラ側電磁石の電磁石コイルに、前記反インペラ側の永久磁石による磁気吸引力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、前記反インペラ側の永久磁石による磁気吸引力Ｆn0と、インペラ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している。
前記回転電機の回転停止時は、インペラ側電磁石の電磁石コイルに、前記反インペラ側の永久磁石による磁気吸引力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、前記反インペラ側の永久磁石による磁気吸引力Ｆn0と、インペラ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している。
【発明の効果】
【0041】
（１）請求項１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。
（２）請求項２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３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４，５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。
（５）請求項５に記載の発明によれば、反インペラ側には、電磁石に代えて永久磁石を配設するだけでよいので、装置構成が簡単化される。
（２）請求項２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３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４，５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。
（５）請求項５に記載の発明によれば、反インペラ側には、電磁石に代えて永久磁石を配設するだけでよいので、装置構成が簡単化される。
【図面の簡単な説明】
【0042】
【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】本発明の実施形態例によるスラスト磁気軸受装置の構成図。
【図6】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7】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8】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】
【0043】
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、磁気軸受の片側の電磁石に永久磁石を付与することにより、回転時に生じるスラスト推力を補って回転軸を安定して支持し、回転時のスラスト推力による電磁石コイルに流れる電流を減らし、対向配置された一対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ように構成した。
【0044】
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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のＵｐとを直列したものとなり、磁気抵抗は電磁石鉄心２１の磁気抵抗Ｑｓ、空隙δの磁気抵抗Ｑ0、永久磁石５０の磁気抵抗Ｑｐを直列したものからなる。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。図５において全起磁力Ｕ＝ＮＩｎ＋Ｕｐとなり、反インペラ側の磁気吸引力Ｆｎはスラストディスク２と電磁石２０の空隙をδとすると、（１）式となる。
【0048】
【数1】
【0049】
Ｉｎ＝０とすると、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は（２）式となる。
【0050】
【数2】
【0051】
ここで、永久磁石５０の残留磁束密度をＢｒ、磁束を貫く面積をＳｐとすると、Ｕｐ＝ＢｒＳｐＱｐである。
【実施例0052】
【0053】
図６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６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６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。
【0054】
反インペラ側の電磁石２０において、磁気抵抗は永久磁石５０のために増加するので、ある電流時における磁気吸引力は低下する。図６においては、この分を加味し、反インペラ側の電磁石コイル２２の電流Ｉｎを係数α＜１を乗じて補正する。さらに、永久磁石５０による起磁力の増加があるので、反インペラ側の横軸を（３）式とした。
【0055】
【数3】
【0056】
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５０による磁気吸引力Ｆn0（すなわち反インペラ側の電磁石コイル２２の電流が零であるときの反インペラ側の、（２）式で示される磁気吸引力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。
【0057】
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、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。
【0058】
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0059】
【0060】
図７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７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７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。
【0061】
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６の動作点Ａ１１ｉよりも小さい図７の動作点Ａ２１ｉとする）。
【0062】
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。
【0063】
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0064】
【0065】
図８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８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８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。
【0066】
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。このため、図８の反インペラ側の横軸を｜Ｕｐ／Ｎ｜×αとしている。
【0067】
あるいは、反インペラ側については電磁石２０を設けず、永久磁石５０のみを設ける構成としてもよい。
【0068】
すなわち、例えば図４の電磁石２０の配設位置に、電磁石２０に代えて永久磁石５０を設けて構成する。
【0069】
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５０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）。
【0070】
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５０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８のＡ３０ｎは、定常回転時の反インペラ側の動作点である。
【0071】
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。