ハイブリッド型磁気軸受
【課題】隣り合うステータコアの永久磁石を共有化することでバイアス磁束を強化するとともに、小型化を実現するハイブリッド型磁気軸受を提供する。
【解決手段】複数の電磁石と永久磁石の磁気力を制御して非接触状態で支持する支持対象物を有するハイブリッド型磁気軸受であって、支持対象物を挟んで軸方向に対向する第１の突極と第２の突極を両端部に配設する軸受コアを、支持対象物を挟んで径方向に対向するように配設し、軸受コアに電磁石用コイルを巻着するとともに、軸受コアを挟んで配設する永久磁石の磁極を同一に配設するハイブリッド型磁気軸受である。
【解決手段】複数の電磁石と永久磁石の磁気力を制御して非接触状態で支持する支持対象物を有するハイブリッド型磁気軸受であって、支持対象物を挟んで軸方向に対向する第１の突極と第２の突極を両端部に配設する軸受コアを、支持対象物を挟んで径方向に対向するように配設し、軸受コアに電磁石用コイルを巻着するとともに、軸受コアを挟んで配設する永久磁石の磁極を同一に配設するハイブリッド型磁気軸受である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気力によって支持対象物を非接触で支持するハイブリッド型磁気軸受の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、回転体を非接触で支持する磁気軸受の技術発展に伴って、磁気軸受が各種軸受に利用されている。磁気軸受として電磁石を使用する場合、支持対象物（ロータなど）を浮上させるために大きな電流を必要とするため消費電力が大きくなる。そのため、少ない電流で磁気力を大きくするために、永久磁石のバイアス磁束を利用したハイブリッド型磁気軸受が使用されている。
【０００３】
ハイブリッド型磁気軸受の基本構成は、支持対象物の回転軸方向に隔てて配置された２つのラジアル磁気軸受の間に軸方向に着磁された永久磁石を挟み、一方のラジアル軸受をＮ極にする。
【０００４】
また、他方のラジアル軸受をＳ極にバイアス磁化する。このようにして発生したバイアス磁束を励磁コイルによってラジアル方向の一方では強め、他方では弱めることによってラジアル吸引力を制御するものである。
【０００５】
また、このようなハイブリッド型磁気軸受は、例えば人工心臓ポンプ等に利用する試みが盛んになり小型化が要求されている。
特許文献１によれば、円周上の外面または内面に多数の突極を持つロータと、このロータの外側または内側に対向する突極と上下に案内用の突極を持ったステータコアを２つで１組とし、この間に永久磁石を挟んでバイアス磁束を与え、上下の突極に巻かれた位置制御用のコイルによってロータの磁気浮上制御を行い、ロータの外面または内面に対向した突極に巻かれた駆動用のコイルがロータに回転トルクを与えるマルチポール磁気浮上回転方法およびその装置により小型化を行う提案がされている。
【特許文献１】特開２００１−２２４１５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１では各ステータコアに設けられる永久磁石がステータヨーク間に設けれ、隣り合うステータコア間にある程度の間隔を必要とするため、小型化を実現することが困難であるという問題がある。
【０００７】
本発明は上記のような実情に鑑みてなされたものであり、隣り合うステータコアの永久磁石を共有化することでバイアス磁束を強化するとともに、小型化を実現するハイブリッド型磁気軸受を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の態様のひとつである複数の電磁石と永久磁石の磁気力を制御して非接触状態で支持する支持対象物を有するハイブリッド型磁気軸受であって、前記支持対象物を挟んで軸方向に対向する第１の突極と第２の突極を両端部に配設する軸受コアを、前記支持対象物を挟んで径方向に対向するように配設し、前記軸受コアに電磁石用コイルを巻着するとともに、前記軸受コアを挟んで配設する前記永久磁石の磁極を同一に配設する構成とする。
【０００９】
好ましくは、前記電磁石用コイルは、前記永久磁石が発生するバイアス磁束と同方向または逆方向に制御磁束を発生し、前記支持対象物の位置を制御してもよい。
本発明の他の態様のある複数の電磁石と永久磁石の磁気力を制御して非接触状態で支持する支持対象物を有するハイブリッド型磁気軸受であって、前記支持対象物を挟んで軸方向に対向する第１の突極と第２の突極を両端部に配設する軸受コアの前記第１の突極と前記第２の突極の間に第３の突極を設け、前記支持対象物を挟んで径方向に対向するように配設し、前記第３の突極と前記軸受コア本体部分に電磁石用コイルを巻着するとともに、前記軸受コアを挟んで配設する前記永久磁石の磁極を同一に配設する構成とする。
【００１０】
好ましくは、前記電磁石用コイルは、前記永久磁石が発生するバイアス磁束と同方向または逆方向に制御磁束を発生し、前記支持対象物の位置を制御を制御してもよい。
本発明の他の態様の複数の電磁石と永久磁石の磁気力を制御して非接触状態で支持する支持対象物を有するハイブリッド型磁気軸受であって、前記支持対象物を挟んで軸方向に対向する第１の突極と第２の突極を両端部に配設する軸受コアを対向するように配設し、前記軸受コアに電磁石用コイルを巻着するとともに、前記軸受コアを挟んで配設する前記永久磁石の磁極を同一に配設する構成である。
【００１１】
好ましくは、支持対象物をステータの外側に配置するインナーステータであってもよい。
また、複数の電磁石と永久磁石の磁気力を制御して非接触状態で支持する支持対象物を有するハイブリッド型磁気軸受であって、前記支持対象物を挟んで軸方向に対向する第１の突極と第２の突極を両端部に配設する軸受コアを対向するように配設し、前記軸受コアに電磁石用コイルを巻着し、前記軸受コアの両端に前記電磁石用コイルを挟み対向して前記永久磁石を配置し、前記永久磁石の磁極を前記軸受コアを挟んで同一に配設する構成である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、バイアス磁束を強化するとともに小型化することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下図面に基づいて、本発明の実施形態について詳細を説明する。
（実施例１）
本発明であるハイブリッド型磁気軸受は、４つの磁気軸受を使いプッシュプル方式により支持対象物（ロータなどの磁気支持対象）を浮上制御するものである。
【００１４】
図１は、本発明である２突極形のハイブリッド型磁気軸受の構造を示す正面上側からの斜視図である。図１に示す本発明のハイブリッド型磁気軸受は、ステータ（軸受コア１と永久磁石から構成）、支持対象物２から構成される。図１に示す軸受コア１は積層板を上下に対向する突極３を設け略Ｃ字型に形成する。軸受コア１は支持対象物２を挟んで軸方向に対向する第１の突極３と第２の突極３を両端部に配設し、支持対象物２を挟んで径方向に対向するように配設する。
【００１５】
この軸受コア１から延長された突極３を磁気支持方向に設ける。突極３間にバイアス磁束発生用の第１の磁極（Ｎ極）、第２の磁極（Ｓ極）を有する永久磁石４を配置する。つまり、軸受コア１に電磁石用コイルを巻着するとともに、軸受コア１を挟んで配設する永久磁石４の磁極を同一に配設する。
【００１６】
電磁石用コイル６は、軸受コア１に巻回される。電磁石用コイル６は永久磁石４の配設された軸受コア１の両端に分割または直列に構成する。どちらか他端に構成されてもよい
。
【００１７】
支持対象物２は対向し合う突極３の間に配置される。ここで、電磁石用コイル６が分割または直列に構成される場合、電磁石コイル６と永久磁石４が本配置を取ることにより、永久磁石４を流れる電磁石発生磁束がほとんどなくなり、大きな電磁石発生磁束を得ることが可能となるとともに、永久磁石の減磁等の問題を避けることが可能となる。
【００１８】
なお、上記説明した永久磁石４の材質は、例えば、ネオジウム−鉄−ボロン、サマリューム−コバルト、サマリューム−鉄−窒素などの（希土類磁石）を使用する。ステータ１や支持対象物２等の材質は、磁性軟鉄、磁性ステンレス、圧粉磁心などの（軟磁性材料）を使用する。なお、上記説明した材料に限定されるものではない。
【００１９】
次に、ハイブリッド型磁気軸受に発生する磁束を示した図である。図２は説明のため４分の１モデルを用いている。ここで、突極は３ａ、３ｂは第１の突極、突極３ｃ、３ｄは第２の突極である。
【００２０】
永久磁石４により、破線の方向へバイアス磁束（ｂ−１、ｂ−２）が発生する。図２においてバイアス磁束（ｂ−１、ｂ−２）は、第１の磁極から流れ出して第２の磁極に流れ込む方向に発生する。バイアス磁束（ｂ−１）は、軸受コア１（図２で示す１ａ）のコア本体を介して突極３（図２で示す３ａ）側の端部（下向き）より支持対象物２に発生する。そして、バイアス磁束（ｂ−１）は、支持対象物２から突極３（図２で示す３ｂ）側の端部（下向き）より、軸受コア１（図２で示す１ｂ）のコア本体を介して第２の磁極側に発生する。また、バイアス磁束（ｂ−２）は、軸受コア１（図２で示す１ａ）のコア本体を介して突極３（図２で示す３ｃ）側の端部（上向き）より支持対象物２に発生する。そして、バイアス磁束（ｂ−２）は、支持対象物２から突極３（図２で示す３ｄ）側の端部（上向き）より、軸受コア１（図２で示す１ｂ）のコア本体を介して第２の磁極側に発生する。
【００２１】
この状態で電磁石用コイル６に電流を流すと、実線に示す方向（または逆の方向）に制御磁束（ｃ−１、ｃ−２）が発生する。
制御磁束（ｃ−１）は、軸受コア１（図２で示す１ａ）のコア本体を介して突極３（図２で示す３ａ）側の端部（下向き）より支持対象物２の上端部に発生する。そして、支持対象物２の上端部より下端部に抜け、突極３（図２で示す３ｃ）側の端部（上向き）より、軸受コア１に発生する。制御磁束（ｃ−２）は、軸受コア１（図２で示す１ｂ）のコア本体を介して突極３（図２で示す３ｂ）側の端部（下向き）より支持対象物２の上端部に発生する。そして、支持対象物２の上端部より下端部に抜け、突極３（図２で示す３ｄ）側の端部（上向き）より、軸受コア１に発生する。
【００２２】
このとき、図２で示す突極３ａと支持対象物２のギャップでは、制御磁束（ｃ−１）がバイアス磁束（ｂ−１）と同じ方向に発生する。その結果、磁束密度が増加し、上方向への磁気吸引力が発生する。同様に、図２で示す突極３ｂと支持対象物２のギャップでは、制御磁束（ｃ−２）がバイアス磁束（ｂ−１）と同じ方向に発生する。その結果、磁束密度が増加し、上方向への磁気吸引力が発生する。
【００２３】
一方、図２で示す突極３ｃと支持対象物２のギャップでは、制御磁束（ｃ−１）がバイアス磁束（ｂ−２）と反対方向に発生する。その結果、磁束が打ち消し合い磁束密度が減少する。
【００２４】
同様に、図２で示す突極３ｄと支持対象物２のギャップでは、制御磁束（ｃ−２）がバイアス磁束（ｂ−２）と反対方向に発生する。その結果、磁束が打ち消し合い磁束密度が
減少する。
【００２５】
このように構成することで、支持対象物２の一方端で磁束を強め、他端で磁束を弱め、軸方向の磁気力を発生する。
なお、逆に電磁石に図２と逆方向の制御磁束を発生させると上記説明と逆方向への磁気吸引力が発生する。
【００２６】
また、図１では４つの軸受コア１で実現しているが、最低２個から偶数個の軸受コア１で実現することが可能である。
また、各軸受コアを個別に制御することで軸方向の制御のみならず、径方向軸周りの傾きの制御も可能となる。
（浮上制御方法の説明）
上記説明したように磁気軸受の中央に設置してある永久磁石４によって、図２の破線のようにバイアス磁束が流れている。ここで、支持対象物２が図の下方向にずれたときには磁気軸受に設置される電磁石用コイル６によって図２の実線のように磁束を流す。これにより、図２の上のエアギャップの磁束を強め、下側のエアギャップの磁束を弱める。したがって、支持対象物には図の上向きの吸引力が加わり支持対象物を中心に戻すことが可能となる。ラジアル方向の位置は受動安定性で支持する。
【００２７】
本磁気軸受の電気等価回路を図３に示す。ＶｅとＶｐはそれぞれ電磁石用コイル６と永久磁石４による起磁力、Ｒはギャップにおける磁気抵抗、ｋＲは永久磁石部の磁気抵抗を表す。ただし、本モデルでは軸受コア１の磁気抵抗については考慮していない。
【００２８】
制御磁束により、片方のギャップでは磁束が増加し、反対のギャップでは磁束が減少する。制御磁束により磁束が増加する側の磁束φｐｕｌｌ（Ｗｂ）は数式１で表すことができる。
【００２９】
【数１】
【００３０】
磁束が減少する側の磁束φｐｕｓｈ（Ｗｂ）は数式２で表すことができる。
【００３１】
【数２】
【００３２】
磁束が増加する側の１箇所のギャップで発生する軸方向の吸引力Ｆｐｕｌｌ（ｎ）は数式３で表すことができる。
【００３３】
【数３】
【００３４】
ここで、μ０（Ｈ／ｍ）は真空中の透磁率で４π×１０−７（Ｈ／ｍ）、Ａｇ（ｍ２）はポールと支持対象物２の断面積を示す。同様に、磁束が減少する側の１箇所のギャップで発生する軸方向の吸引力Ｆｐｕｓｈ（Ｎ）は数式４で表すことができる。
【００３５】
【数４】
【００３６】
ギャップはそれぞれ４箇所あるので、支持対象物２に働く吸引力Ｆ（Ｎ）は数式５で表すことができる。
【００３７】
【数５】
【００３８】
ここで、永久磁石４の動作点は単純に磁気回路の構造によって決まると仮定すると、永久磁石４の磁界強度Ｈｍは数式６になる。
【００３９】
【数６】
【００４０】
ここで、Ｂｒ（Ｔ）は磁石の残留磁束密度、Ｈｃ（Ａ／ｍ）は保磁力、Ａｍ（ｍ２）は軸受コア１の断面積（すなわち永久磁石の断面積と同じ）、g（ｍ）はエアギャップの長さ、ｌｍ（ｍ）は永久磁石４の長さを表す。
【００４１】
支持対象物２に働く吸引力Ｆ（Ｎ）は数式６となり、電磁石用コイル６の巻数Ｎ（ｔｕｒｎｓ）、電磁石用コイル６に流す制御電流Ｉ（Ａ）、を用いて数式５を書き換えると数式７が導くことができる。
【００４２】
【数７】
【００４３】
（浮上制御回路）
図４、５に本磁気軸受の制御システムを示す。図４に示すセンサ７ａ〜７ｃを永久磁石以外の部分の電磁石間に設置する。センサ７ａ〜７ｃは、支持対象物２の変位により永久磁石４によるバイアス磁束が変化する量を検出し磁束の変化量より変位と傾きを推定する。
【００４４】
ここで、上記センサは例えば渦電流センサを用い位置センサとして使用している。
磁気軸受の各コイルにアンプを介して電流を流した。アンプはパワーアンプを使用し、入力電流に比例した電流を供給する。制御にはディジタルＰＩＤ制御を用いる。また、センサの信号はＡ／Ｄコンバータ５１を介して、磁気軸受の各コイルに流す電流値を計算し、Ｄ／Ａコンバータ５１３を介してアンプに出力する。
【００４５】
アキシャル方向の位置と傾きの制御は、まず、Ａ／Ｄ変換された３つのセンサからの出
力電圧を距離ＺＸ、ＺＹに変換する。次に、その距離からアキシャル方向の位置Ｚと傾きθＸ、θＹを求め、目標差をＰＩＤコントローラに入力することによって、それぞれの制御のためにコイルに流す電流値を決定する。次に、アキシャル方向の位置制御の電流値Ｉｚと傾き制御の電流値ＩθＸ、IθＹを一方では足し、もう一方では引くことによって４つの電磁石用コイル６に流す電流値を決定する。
【００４６】
本実施例では、変位量はＡ／Ｄコンバータ５１等でディジタル信号に変換され、センサ７ａのセンサ出力１はＺｘ１、センサ７ｂのセンサ出力２はＺｙ１、センサ７ｃのセンサ出力３はＺｘ２に変換される。その後、軸方向コントローラ５１、Ｙ方向コントローラ５２、Ｘ方向コントローラ５３に受け渡される。
【００４７】
軸方向コントローラ５３ではＡ／Ｄ変換して得られたＺｘ１とＺｘ２を入力し軸方向の移動量を検出し、Ｚｙ２算出部５２ではＺｘ１、Ｚｘ２、Ｚｙ１によりＺｙ２を算出する。Ｙ方向コントローラ５４ではＺｘ１とＺｘ２を入力してＹ軸周りの傾き角度算する。Ｘ方向コントローラ５５ではＺｙ１とＺｙ２を入力してＸ軸周りの傾き角度を算出する。
【００４８】
次に、ギャップの目標値と軸方向コントローラ５４の出力を加算器５１４に入力し、その出力をＰＩＤコントローラ５６に入力し制御電流値Ｉｚを算出する。また、Ｙ方向コントローラ５４の出力をＰＩＤ５７に入力し制御電流値Ｉθｙを算出する。Ｘ方向コントローラ５５の出力をＰＩＤ５８に入力し制御電流値Ｉθｘを算出する。
【００４９】
この制御電流値Ｉｚ、Ｉθｙ、Ｉθｘを各加算器５９〜５１２に入力し計算後、各出力をＤ／Ａコンバータ５１３によりアナログ変換し電磁石用コイル６に供給される電流値（各軸受コア１に巻かれている電磁石用コイル６へ供給する電流値コイルＸ１、コイルＸ２、コイルＹ１、コイルＹ２）を算出する。
【００５０】
なお、センサの数は軸方向の位置のみ制御する場合には図４の中央部に１つあればよい。傾きを制御する場合に４つのセンサを用いてもよい。
（変形例）
図６に示す永久磁石の形状は、曲面を有する形状ではなく略平面となるように形成した図である。このように配置することによりコストを下げることができ磁気軸受の小型化ができる。
（実施例２）
図７は、本発明である３突極形のハイブリッド型磁気軸受の構造を示す正面上側からの斜視図である。図７に示す本発明のハイブリッド型磁気軸受は、ステータ（軸受コア８と永久磁石から構成）、支持対象物２から構成される。ただし、図7では説明のため図１に示した永久磁石は図示していない。実際には永久磁石４を図１に示したように軸受コア８間に配設する。
【００５１】
図７に示した磁気軸受は、実施例１に示した支持対象物２（磁気支持対象物）に対して軸受コア１の両端に設けた２突極で支持した２突極形の軸受コア１の中央部に支持対象物２の径方向にもう一つ突極１０（第３の突極）を設けた磁気軸受８を用いる。そして突極１０に電磁石用コイル９を設ける構造である。このような３突極形では、軸方向の磁気支持方式は２突極形と同じである。支持対象物２の径方向位置の制御を径方向の突極１０に巻かれた電磁石コイル９で行うことが可能となる。
【００５２】
図８に支持対象物２の径方向位置のバイアス磁束と制御磁束を示す。図８は図９に示すＡ−Ａ’断面の正面図である。
バイアス磁束（破線）Ｂｐは、第２の磁極から第１の磁極の方向に発生し、さらに、バイアス磁束の一方は、軸受コア８の本体上側を介して下向きの突極の端部より支持対象物
２を介し発生する（Ｂｐ１）。また、軸受コア８の他方は本体下側を介して上向きの突極の端部より支持対象物２を介し発生する（Ｂｐ２）。また、突極１０には支持対象物方向にバイアス磁束が発生する（Ｂｐ３）。これらのバイアス磁束Ｂｐ１、Ｂｐ２、Ｂｐ３は支持対象物２で合成され、支持対象物２に磁束が発生する。このように各軸受コア８と支持対象物２にはバイアス磁束が同じように発生する。
【００５３】
制御磁束（実線）Ｂｅは、電磁石用コイル９に電流を流すことにより発生する。突極１０から支持対象物２を介し軸受コア８の下向きの突極の端部から軸受コア８本体を介して突極１０に発生する。また、突極１０から支持対象物２を介し軸受コア８の上向きの突極の端部から軸受コア８本体を介して突極１０に発生する。
【００５４】
向い合う軸受コア８には、電磁石用コイル９に反対の電流を流すことにより、軸受コア８の下向きの突極の端部から支持対象物２を介し突極１０を通り軸受コア８本体を介して発生する。また、軸受コア８の上向きの突極の端部から支持対象物２を突極１０を通り軸受コア８本体を介して発生する。
【００５５】
このようにエアギャップ間に発生するバイアス磁束を制御磁束により制御することで径方向の制御が可能になる。
このとき数式８に示すように上側方向の吸引力Ｆ１と下側方向の吸引力Ｆ２は、バイアス磁束（破線）Ｂｐ、制御磁束（実線）Ｂｅ、軸受コア８の上側と下側の端部断面積Ａ、真空時透磁率μ０によりを示すことができる。
【００５６】
【数８】
【００５７】
上記によりＦ１＝Ｆ２であれば上下の吸引力に差はない。そのため、突極１０に巻かれた電磁石コイル９により、軸方向制御に影響を与えることなく径方向の指示対象物２の位置制御することができる。
（浮上制御回路）
図９、１０に本磁気軸受の制御システムを示す。図９に示すセンサ７ａ〜７ｃを永久磁石以外の部分の電磁石間に設置する。センサ７ａ〜７ｃは、支持対象物２の変位により永久磁石４によるバイアス磁束が変化する量を検出し磁束の変化量より変位を推定する。さらにセンサ９ａと９ｂを設置することで、上記径方向の制御を行う。
【００５８】
変位量はＡ／Ｄコンバータ１０１等でディジタル信号に変換され、センサ９ａのセンサ出力４、センサ９ｂのセンサ出力５は、Ｘ軸方向移動量コントローラ１０２とＹ軸方向移動量コントローラ１０３に受け渡される。
【００５９】
Ｘ軸方向移動量コントローラ１０２により移動量が算出され、加算器１０９によりギャップの目標値とＸ軸方向移動量コントローラ１０２の出力を加算し、その出力をＰＩＤコントローラ１０４に入力し制御電流値を算出する。
【００６０】
Ｙ軸方向移動量コントローラ１０３により移動量が算出され、加算器１１０によりギャップの目標値とＹ軸方向移動量コントローラ１０２の出力を加算し、その出力をＰＩＤコントローラ１０５に入力し制御電流値を算出する。
【００６１】
この制御電流値を反転するために−１を乗算器１０６、１０７で計算した後、出力をＤ／Ａコンバータ１０８によりアナログ変換し電磁石用コイル９に供給される電流値（コイル＋Ｘ、コイル−Ｘ、コイル＋Ｙ、コイル−Ｙ）を算出する。
【００６２】
本例ではコイル６に供給される電流値（コイルＸ１、コイルＸ２、コイルＹ１、コイルＹ２）の算出は実施例１と同様であるため省略する。
（実施例３）
図１１は、本発明であるステータ（軸受コア１と永久磁石４から構成）の全体を支持対象物２で被う形のハイブリッド型磁気軸受の構造を示す正面上側からの斜視図である。
【００６３】
図１１に示す軸受コア１は、棒状に形成し、磁気支持方向である軸方向に支持対象物２に対向して第１の突極３と第２の突極３を両端部に配設する。円周状に遇数個の軸受コア１が配置される。ここで、軸受コア１の形状が棒状としたが平板や円柱などであってもよい。なお、図１１には１ａ、１ｂのみ符号が付されているが、図１１は軸受コアが４本の構成である。
【００６４】
突極３間にバイアス磁束発生用の第１の磁極（Ｎ極）、第２の磁極（Ｓ極）を有する永久磁石４を配置する。
電磁石用コイル６は軸受コア１に巻回される。電磁石用コイル６は永久磁石４の配設された軸受コア１の両端に分割または直列に構成する。また、軸受コア１のどちらか一方の端に構成してもよい。
【００６５】
軸受コア１に電磁石用コイル６を巻着するとともに、軸受コア１を挟んで永久磁石４の磁極を同一に配設する。
支持対象物２はステータ（軸受コア１と永久磁石４、電磁石用コイル６から構成）を被うように配置される（インナーステータ）。
【００６６】
なお、上記説明した永久磁石４の材質は、例えば、ネオジウム−鉄−ボロン、サマリューム−コバルト、サマリューム−鉄−窒素などの（希土類磁石）を使用する。軸受コア１や支持対象物２の材質は、磁性軟鉄、磁性ステンレス、圧粉磁心などの（軟磁性材料）を使用する。なお、永久磁石４および軸受コア１の材質は、上記説明した材料に限定されるものではない。
【００６７】
また、図１１では、４つの軸受コア１で実現しているが、最低２個から偶数個の軸受コア１で実現することが可能である。
（磁路説明）
永久磁石４により破線で示した方向にバイアス磁束（ｂ−１、ｂ−２）が発生する。バイアス磁束（ｂ−１、ｂ−２）は、第2の磁極から第１の磁極の方向に発生し、バイアス磁束の一方（ｂ−１）は、軸受コア１のコア本体を介して突極３ａ側の端部より支持対象物２に流れ込み、突極３ｂ側の端部から軸受コア１のコア本体を介して第２の磁極に戻る。また、バイアス磁束のもう一方（ｂ−２）は、軸受コア１のコア本体を介して突極３ｃ側の端部より支持対象物２に流れ込み、突極３ｄ側の端部から軸受コア１のコア本体を介して第２の磁極に戻る。
【００６８】
軸受コア１ａの制御磁束（ｃ−１）は、軸受コア１ａ上の電磁石用コイル６より発生し、突極３ａ側の端部より支持対象物２に流れ込み、支持対象物２側面を通り、突極３ｃ側の端部から軸受コア１ａに戻る経路と軸受コア１ｂを通り軸受コア１ａに戻る経路となる。
【００６９】
軸受コア１ｂの制御磁束（ｃ−２）は、軸受コア１ｂ上の電磁石用コイル６より発生し
、突極３ｂ側の端部より支持対象物２に流れ込み、支持対象物２側面を通り、突極３ｄ側の端部から軸受コア１ｂに戻る経路と軸受コア１ａを通り軸受コア１ｂに戻る経路となる。
【００７０】
他の磁路については説明を省略するが上記と同じように制御磁束が発生する。
なお、軸受コア１ａ、１ｂに基づいた磁路以外については説明を省略するが、他の磁路についても上記と同じように発生する。
（浮上制御説明）
突極３ａと支持対象物２のギャップでは、制御磁束（ｃ−１）をバイアス磁束（ｂ−１）と同じ方向に発生させる。その結果、磁束密度が増加し、上方向への磁気吸引力が発生する。同様に突極３ｂと支持対象物２のギャップでは、制御磁束（ｃ−２）をバイアス磁束（ｂ−１）と同じ方向に発生させる。その結果、磁束密度が増加し、上方向への磁気吸引力が発生する。一方、突極３ｃと支持対象物２のギャップでは、制御磁束（ｃ−１）はバイアス磁束（ｂ−２）と反対方向に発生しており、磁束が打ち消し合い磁束密度が減少する。同様に突極３ｄと支持対象物２のギャップでは、制御磁束（ｃ−２）が打ち消しあい磁束密度が減少する。このようにして、支持対象物２の一方端で磁束を強め、他端で磁束を弱め、軸方向の磁気力を発生する。
【００７１】
ここで、支持対象物２が図１１の下方向にずれたときには磁気軸受に設置される電磁石用コイル６によって図１１の実線のように磁束を流す。これにより、図１１の上側エアギャップの磁束を強め、下側エアギャップの磁束を弱める。したがって、支持対象物２には図１１の上向きの磁気吸引力が加わり支持対象物２を中心に戻すことが可能となる。なお、逆に支持対象物２が図の上方向にずれたときには電磁石に図１１と逆方向に制御磁束を発生させると下向きの磁気吸引力が加わり支持対象物２を中心に戻すことが可能となる。また、各軸受コアを個別に制御することで軸方向のみならず、径方向軸周りの傾きの制御も可能となる。ラジアル方向の位置は受動安定性で支持する。
【００７２】
なお、軸受コア１ａ、１ｂに基づいた浮上制御以外については説明を省略するが、他の浮上制御の上記と同じように制御する。
（変形例）
図１２に示す支持対象物２の形状は、実施例３のようにステータの全体を磁性体で被う形状ではなくカゴ形形状としたものである。図１２に示すようにステータ形状をすることにより、支持対象物２の軽量化、製作の簡単化、製作コストの削減ができる。また、カゴ形の支持対象物２の材質は、磁性軟鉄、磁性ステンレス、圧粉磁心などの（軟磁性材料）を使用する。ただし、支持対象物２の柱２ｂは非磁性ステンレス、アルミニウムなどの（非磁性材料）でも良い。なお、支持対象物２の材質は上記説明した材料に限定されるものではない。
【００７３】
磁路および浮上制御は図１１実施例３と同様である。ただし、図１２において柱２ｂを非磁性材料とした場合、制御磁束（ｃ−１、ｃ−２）は柱２ｂを通らない。
（変形例）
図１３に、実施例１に示したハイブリッド型磁気軸受の変形例を正面上側からの斜視図により示す。
【００７４】
図１３に示す構造は、実施例１の軸受コア１間の永久磁石４が１つづつ、軸受コア１に電磁石用コイル６が２つづつの形状と異となり、軸受コア１の両端に永久磁石４を配設し、電磁石用コイル６を１つにまとめて軸受コア１を略中央に巻着する。
【００７５】
図１３に示す形状とすることにより、永久磁石４からのバイアス磁束がより多く支持対象物２と突極３とのギャップに流れ込み、ギャップの磁束密度が増加し、より強力な磁気
吸引力が発生でき、小型化も可能である。この永久磁石４と電磁石用コイル６の配置は実施例３においても可能であり、同様に強力な磁気吸引力が発生可能となり、小型化も可能である。
【００７６】
また、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】実施例１の構造を示す図である。
【図２】実施例１の磁束を示した図である。
【図３】等価回路を示した図である。
【図４】実施例１のセンサ取付け位置を示す図である。
【図５】実施例１の制御回路を示した図である。
【図６】実施例１の変形例を示した図である。
【図７】実施例２の構造を示す図である。（永久磁石は図示されていない）
【図８】実施例２の磁束を示した図である。
【図９】実施例２のセンサ取付け位置を示す図である。
【図１０】実施例２の制御回路を示した図である。
【図１１】実施例３の構造を示す図である。
【図１２】支持対象物がカゴ形形状の構造を示す図である。
【図１３】軸受コアの両端に永久磁石を配設し、電磁石用コイルを１つにまとめて軸受コアの略中央に巻着した構造を示す図である。
【符号の説明】
【００７８】
１ 軸受コア、２ 支持対象物、３ 突極（第１の突極、第２の突極）
４ 永久磁石、６ 電磁石用コイル、７ センサ
８ 軸受コア、９ 電磁石用コイル、１０ 突極（第３の突極）
５１ Ａ／Ｄコンバータ、５２ Ｚｙ２算出部
５３ 軸方向コントローラ、５４ Ｙ方向コントローラ、５５ Ｘ方向コントローラ
５６〜５８ ＰＩＤコントローラ
５９〜５１２、５１４ 加算器
５１３ Ｄ／Ａコンバータ
１０１ Ａ／Ｄコンバータ
１０２ Ｘ軸方向移動量コントローラ、１０３ Ｙ軸方向移動量コントローラ
１０４、１０５ ＰＩＤコントローラ
１０６、１０７ 乗算器
１０８ Ｄ／Ａコンバータ
１０９、１１０ 加算器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気力によって支持対象物を非接触で支持するハイブリッド型磁気軸受の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、回転体を非接触で支持する磁気軸受の技術発展に伴って、磁気軸受が各種軸受に利用されている。磁気軸受として電磁石を使用する場合、支持対象物（ロータなど）を浮上させるために大きな電流を必要とするため消費電力が大きくなる。そのため、少ない電流で磁気力を大きくするために、永久磁石のバイアス磁束を利用したハイブリッド型磁気軸受が使用されている。
【０００３】
ハイブリッド型磁気軸受の基本構成は、支持対象物の回転軸方向に隔てて配置された２つのラジアル磁気軸受の間に軸方向に着磁された永久磁石を挟み、一方のラジアル軸受をＮ極にする。
【０００４】
また、他方のラジアル軸受をＳ極にバイアス磁化する。このようにして発生したバイアス磁束を励磁コイルによってラジアル方向の一方では強め、他方では弱めることによってラジアル吸引力を制御するものである。
【０００５】
また、このようなハイブリッド型磁気軸受は、例えば人工心臓ポンプ等に利用する試みが盛んになり小型化が要求されている。
特許文献１によれば、円周上の外面または内面に多数の突極を持つロータと、このロータの外側または内側に対向する突極と上下に案内用の突極を持ったステータコアを２つで１組とし、この間に永久磁石を挟んでバイアス磁束を与え、上下の突極に巻かれた位置制御用のコイルによってロータの磁気浮上制御を行い、ロータの外面または内面に対向した突極に巻かれた駆動用のコイルがロータに回転トルクを与えるマルチポール磁気浮上回転方法およびその装置により小型化を行う提案がされている。
【特許文献１】特開２００１−２２４１５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１では各ステータコアに設けられる永久磁石がステータヨーク間に設けれ、隣り合うステータコア間にある程度の間隔を必要とするため、小型化を実現することが困難であるという問題がある。
【０００７】
本発明は上記のような実情に鑑みてなされたものであり、隣り合うステータコアの永久磁石を共有化することでバイアス磁束を強化するとともに、小型化を実現するハイブリッド型磁気軸受を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の態様のひとつである複数の電磁石と永久磁石の磁気力を制御して非接触状態で支持する支持対象物を有するハイブリッド型磁気軸受であって、前記支持対象物を挟んで軸方向に対向する第１の突極と第２の突極を両端部に配設する軸受コアを、前記支持対象物を挟んで径方向に対向するように配設し、前記軸受コアに電磁石用コイルを巻着するとともに、前記軸受コアを挟んで配設する前記永久磁石の磁極を同一に配設する構成とする。
【０００９】
好ましくは、前記電磁石用コイルは、前記永久磁石が発生するバイアス磁束と同方向または逆方向に制御磁束を発生し、前記支持対象物の位置を制御してもよい。
本発明の他の態様のある複数の電磁石と永久磁石の磁気力を制御して非接触状態で支持する支持対象物を有するハイブリッド型磁気軸受であって、前記支持対象物を挟んで軸方向に対向する第１の突極と第２の突極を両端部に配設する軸受コアの前記第１の突極と前記第２の突極の間に第３の突極を設け、前記支持対象物を挟んで径方向に対向するように配設し、前記第３の突極と前記軸受コア本体部分に電磁石用コイルを巻着するとともに、前記軸受コアを挟んで配設する前記永久磁石の磁極を同一に配設する構成とする。
【００１０】
好ましくは、前記電磁石用コイルは、前記永久磁石が発生するバイアス磁束と同方向または逆方向に制御磁束を発生し、前記支持対象物の位置を制御を制御してもよい。
本発明の他の態様の複数の電磁石と永久磁石の磁気力を制御して非接触状態で支持する支持対象物を有するハイブリッド型磁気軸受であって、前記支持対象物を挟んで軸方向に対向する第１の突極と第２の突極を両端部に配設する軸受コアを対向するように配設し、前記軸受コアに電磁石用コイルを巻着するとともに、前記軸受コアを挟んで配設する前記永久磁石の磁極を同一に配設する構成である。
【００１１】
好ましくは、支持対象物をステータの外側に配置するインナーステータであってもよい。
また、複数の電磁石と永久磁石の磁気力を制御して非接触状態で支持する支持対象物を有するハイブリッド型磁気軸受であって、前記支持対象物を挟んで軸方向に対向する第１の突極と第２の突極を両端部に配設する軸受コアを対向するように配設し、前記軸受コアに電磁石用コイルを巻着し、前記軸受コアの両端に前記電磁石用コイルを挟み対向して前記永久磁石を配置し、前記永久磁石の磁極を前記軸受コアを挟んで同一に配設する構成である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、バイアス磁束を強化するとともに小型化することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下図面に基づいて、本発明の実施形態について詳細を説明する。
（実施例１）
本発明であるハイブリッド型磁気軸受は、４つの磁気軸受を使いプッシュプル方式により支持対象物（ロータなどの磁気支持対象）を浮上制御するものである。
【００１４】
図１は、本発明である２突極形のハイブリッド型磁気軸受の構造を示す正面上側からの斜視図である。図１に示す本発明のハイブリッド型磁気軸受は、ステータ（軸受コア１と永久磁石から構成）、支持対象物２から構成される。図１に示す軸受コア１は積層板を上下に対向する突極３を設け略Ｃ字型に形成する。軸受コア１は支持対象物２を挟んで軸方向に対向する第１の突極３と第２の突極３を両端部に配設し、支持対象物２を挟んで径方向に対向するように配設する。
【００１５】
この軸受コア１から延長された突極３を磁気支持方向に設ける。突極３間にバイアス磁束発生用の第１の磁極（Ｎ極）、第２の磁極（Ｓ極）を有する永久磁石４を配置する。つまり、軸受コア１に電磁石用コイルを巻着するとともに、軸受コア１を挟んで配設する永久磁石４の磁極を同一に配設する。
【００１６】
電磁石用コイル６は、軸受コア１に巻回される。電磁石用コイル６は永久磁石４の配設された軸受コア１の両端に分割または直列に構成する。どちらか他端に構成されてもよい
。
【００１７】
支持対象物２は対向し合う突極３の間に配置される。ここで、電磁石用コイル６が分割または直列に構成される場合、電磁石コイル６と永久磁石４が本配置を取ることにより、永久磁石４を流れる電磁石発生磁束がほとんどなくなり、大きな電磁石発生磁束を得ることが可能となるとともに、永久磁石の減磁等の問題を避けることが可能となる。
【００１８】
なお、上記説明した永久磁石４の材質は、例えば、ネオジウム−鉄−ボロン、サマリューム−コバルト、サマリューム−鉄−窒素などの（希土類磁石）を使用する。ステータ１や支持対象物２等の材質は、磁性軟鉄、磁性ステンレス、圧粉磁心などの（軟磁性材料）を使用する。なお、上記説明した材料に限定されるものではない。
【００１９】
次に、ハイブリッド型磁気軸受に発生する磁束を示した図である。図２は説明のため４分の１モデルを用いている。ここで、突極は３ａ、３ｂは第１の突極、突極３ｃ、３ｄは第２の突極である。
【００２０】
永久磁石４により、破線の方向へバイアス磁束（ｂ−１、ｂ−２）が発生する。図２においてバイアス磁束（ｂ−１、ｂ−２）は、第１の磁極から流れ出して第２の磁極に流れ込む方向に発生する。バイアス磁束（ｂ−１）は、軸受コア１（図２で示す１ａ）のコア本体を介して突極３（図２で示す３ａ）側の端部（下向き）より支持対象物２に発生する。そして、バイアス磁束（ｂ−１）は、支持対象物２から突極３（図２で示す３ｂ）側の端部（下向き）より、軸受コア１（図２で示す１ｂ）のコア本体を介して第２の磁極側に発生する。また、バイアス磁束（ｂ−２）は、軸受コア１（図２で示す１ａ）のコア本体を介して突極３（図２で示す３ｃ）側の端部（上向き）より支持対象物２に発生する。そして、バイアス磁束（ｂ−２）は、支持対象物２から突極３（図２で示す３ｄ）側の端部（上向き）より、軸受コア１（図２で示す１ｂ）のコア本体を介して第２の磁極側に発生する。
【００２１】
この状態で電磁石用コイル６に電流を流すと、実線に示す方向（または逆の方向）に制御磁束（ｃ−１、ｃ−２）が発生する。
制御磁束（ｃ−１）は、軸受コア１（図２で示す１ａ）のコア本体を介して突極３（図２で示す３ａ）側の端部（下向き）より支持対象物２の上端部に発生する。そして、支持対象物２の上端部より下端部に抜け、突極３（図２で示す３ｃ）側の端部（上向き）より、軸受コア１に発生する。制御磁束（ｃ−２）は、軸受コア１（図２で示す１ｂ）のコア本体を介して突極３（図２で示す３ｂ）側の端部（下向き）より支持対象物２の上端部に発生する。そして、支持対象物２の上端部より下端部に抜け、突極３（図２で示す３ｄ）側の端部（上向き）より、軸受コア１に発生する。
【００２２】
このとき、図２で示す突極３ａと支持対象物２のギャップでは、制御磁束（ｃ−１）がバイアス磁束（ｂ−１）と同じ方向に発生する。その結果、磁束密度が増加し、上方向への磁気吸引力が発生する。同様に、図２で示す突極３ｂと支持対象物２のギャップでは、制御磁束（ｃ−２）がバイアス磁束（ｂ−１）と同じ方向に発生する。その結果、磁束密度が増加し、上方向への磁気吸引力が発生する。
【００２３】
一方、図２で示す突極３ｃと支持対象物２のギャップでは、制御磁束（ｃ−１）がバイアス磁束（ｂ−２）と反対方向に発生する。その結果、磁束が打ち消し合い磁束密度が減少する。
【００２４】
同様に、図２で示す突極３ｄと支持対象物２のギャップでは、制御磁束（ｃ−２）がバイアス磁束（ｂ−２）と反対方向に発生する。その結果、磁束が打ち消し合い磁束密度が
減少する。
【００２５】
このように構成することで、支持対象物２の一方端で磁束を強め、他端で磁束を弱め、軸方向の磁気力を発生する。
なお、逆に電磁石に図２と逆方向の制御磁束を発生させると上記説明と逆方向への磁気吸引力が発生する。
【００２６】
また、図１では４つの軸受コア１で実現しているが、最低２個から偶数個の軸受コア１で実現することが可能である。
また、各軸受コアを個別に制御することで軸方向の制御のみならず、径方向軸周りの傾きの制御も可能となる。
（浮上制御方法の説明）
上記説明したように磁気軸受の中央に設置してある永久磁石４によって、図２の破線のようにバイアス磁束が流れている。ここで、支持対象物２が図の下方向にずれたときには磁気軸受に設置される電磁石用コイル６によって図２の実線のように磁束を流す。これにより、図２の上のエアギャップの磁束を強め、下側のエアギャップの磁束を弱める。したがって、支持対象物には図の上向きの吸引力が加わり支持対象物を中心に戻すことが可能となる。ラジアル方向の位置は受動安定性で支持する。
【００２７】
本磁気軸受の電気等価回路を図３に示す。ＶｅとＶｐはそれぞれ電磁石用コイル６と永久磁石４による起磁力、Ｒはギャップにおける磁気抵抗、ｋＲは永久磁石部の磁気抵抗を表す。ただし、本モデルでは軸受コア１の磁気抵抗については考慮していない。
【００２８】
制御磁束により、片方のギャップでは磁束が増加し、反対のギャップでは磁束が減少する。制御磁束により磁束が増加する側の磁束φｐｕｌｌ（Ｗｂ）は数式１で表すことができる。
【００２９】
【数１】
【００３０】
磁束が減少する側の磁束φｐｕｓｈ（Ｗｂ）は数式２で表すことができる。
【００３１】
【数２】
【００３２】
磁束が増加する側の１箇所のギャップで発生する軸方向の吸引力Ｆｐｕｌｌ（ｎ）は数式３で表すことができる。
【００３３】
【数３】
【００３４】
ここで、μ０（Ｈ／ｍ）は真空中の透磁率で４π×１０−７（Ｈ／ｍ）、Ａｇ（ｍ２）はポールと支持対象物２の断面積を示す。同様に、磁束が減少する側の１箇所のギャップで発生する軸方向の吸引力Ｆｐｕｓｈ（Ｎ）は数式４で表すことができる。
【００３５】
【数４】
【００３６】
ギャップはそれぞれ４箇所あるので、支持対象物２に働く吸引力Ｆ（Ｎ）は数式５で表すことができる。
【００３７】
【数５】
【００３８】
ここで、永久磁石４の動作点は単純に磁気回路の構造によって決まると仮定すると、永久磁石４の磁界強度Ｈｍは数式６になる。
【００３９】
【数６】
【００４０】
ここで、Ｂｒ（Ｔ）は磁石の残留磁束密度、Ｈｃ（Ａ／ｍ）は保磁力、Ａｍ（ｍ２）は軸受コア１の断面積（すなわち永久磁石の断面積と同じ）、g（ｍ）はエアギャップの長さ、ｌｍ（ｍ）は永久磁石４の長さを表す。
【００４１】
支持対象物２に働く吸引力Ｆ（Ｎ）は数式６となり、電磁石用コイル６の巻数Ｎ（ｔｕｒｎｓ）、電磁石用コイル６に流す制御電流Ｉ（Ａ）、を用いて数式５を書き換えると数式７が導くことができる。
【００４２】
【数７】
【００４３】
（浮上制御回路）
図４、５に本磁気軸受の制御システムを示す。図４に示すセンサ７ａ〜７ｃを永久磁石以外の部分の電磁石間に設置する。センサ７ａ〜７ｃは、支持対象物２の変位により永久磁石４によるバイアス磁束が変化する量を検出し磁束の変化量より変位と傾きを推定する。
【００４４】
ここで、上記センサは例えば渦電流センサを用い位置センサとして使用している。
磁気軸受の各コイルにアンプを介して電流を流した。アンプはパワーアンプを使用し、入力電流に比例した電流を供給する。制御にはディジタルＰＩＤ制御を用いる。また、センサの信号はＡ／Ｄコンバータ５１を介して、磁気軸受の各コイルに流す電流値を計算し、Ｄ／Ａコンバータ５１３を介してアンプに出力する。
【００４５】
アキシャル方向の位置と傾きの制御は、まず、Ａ／Ｄ変換された３つのセンサからの出
力電圧を距離ＺＸ、ＺＹに変換する。次に、その距離からアキシャル方向の位置Ｚと傾きθＸ、θＹを求め、目標差をＰＩＤコントローラに入力することによって、それぞれの制御のためにコイルに流す電流値を決定する。次に、アキシャル方向の位置制御の電流値Ｉｚと傾き制御の電流値ＩθＸ、IθＹを一方では足し、もう一方では引くことによって４つの電磁石用コイル６に流す電流値を決定する。
【００４６】
本実施例では、変位量はＡ／Ｄコンバータ５１等でディジタル信号に変換され、センサ７ａのセンサ出力１はＺｘ１、センサ７ｂのセンサ出力２はＺｙ１、センサ７ｃのセンサ出力３はＺｘ２に変換される。その後、軸方向コントローラ５１、Ｙ方向コントローラ５２、Ｘ方向コントローラ５３に受け渡される。
【００４７】
軸方向コントローラ５３ではＡ／Ｄ変換して得られたＺｘ１とＺｘ２を入力し軸方向の移動量を検出し、Ｚｙ２算出部５２ではＺｘ１、Ｚｘ２、Ｚｙ１によりＺｙ２を算出する。Ｙ方向コントローラ５４ではＺｘ１とＺｘ２を入力してＹ軸周りの傾き角度算する。Ｘ方向コントローラ５５ではＺｙ１とＺｙ２を入力してＸ軸周りの傾き角度を算出する。
【００４８】
次に、ギャップの目標値と軸方向コントローラ５４の出力を加算器５１４に入力し、その出力をＰＩＤコントローラ５６に入力し制御電流値Ｉｚを算出する。また、Ｙ方向コントローラ５４の出力をＰＩＤ５７に入力し制御電流値Ｉθｙを算出する。Ｘ方向コントローラ５５の出力をＰＩＤ５８に入力し制御電流値Ｉθｘを算出する。
【００４９】
この制御電流値Ｉｚ、Ｉθｙ、Ｉθｘを各加算器５９〜５１２に入力し計算後、各出力をＤ／Ａコンバータ５１３によりアナログ変換し電磁石用コイル６に供給される電流値（各軸受コア１に巻かれている電磁石用コイル６へ供給する電流値コイルＸ１、コイルＸ２、コイルＹ１、コイルＹ２）を算出する。
【００５０】
なお、センサの数は軸方向の位置のみ制御する場合には図４の中央部に１つあればよい。傾きを制御する場合に４つのセンサを用いてもよい。
（変形例）
図６に示す永久磁石の形状は、曲面を有する形状ではなく略平面となるように形成した図である。このように配置することによりコストを下げることができ磁気軸受の小型化ができる。
（実施例２）
図７は、本発明である３突極形のハイブリッド型磁気軸受の構造を示す正面上側からの斜視図である。図７に示す本発明のハイブリッド型磁気軸受は、ステータ（軸受コア８と永久磁石から構成）、支持対象物２から構成される。ただし、図7では説明のため図１に示した永久磁石は図示していない。実際には永久磁石４を図１に示したように軸受コア８間に配設する。
【００５１】
図７に示した磁気軸受は、実施例１に示した支持対象物２（磁気支持対象物）に対して軸受コア１の両端に設けた２突極で支持した２突極形の軸受コア１の中央部に支持対象物２の径方向にもう一つ突極１０（第３の突極）を設けた磁気軸受８を用いる。そして突極１０に電磁石用コイル９を設ける構造である。このような３突極形では、軸方向の磁気支持方式は２突極形と同じである。支持対象物２の径方向位置の制御を径方向の突極１０に巻かれた電磁石コイル９で行うことが可能となる。
【００５２】
図８に支持対象物２の径方向位置のバイアス磁束と制御磁束を示す。図８は図９に示すＡ−Ａ’断面の正面図である。
バイアス磁束（破線）Ｂｐは、第２の磁極から第１の磁極の方向に発生し、さらに、バイアス磁束の一方は、軸受コア８の本体上側を介して下向きの突極の端部より支持対象物
２を介し発生する（Ｂｐ１）。また、軸受コア８の他方は本体下側を介して上向きの突極の端部より支持対象物２を介し発生する（Ｂｐ２）。また、突極１０には支持対象物方向にバイアス磁束が発生する（Ｂｐ３）。これらのバイアス磁束Ｂｐ１、Ｂｐ２、Ｂｐ３は支持対象物２で合成され、支持対象物２に磁束が発生する。このように各軸受コア８と支持対象物２にはバイアス磁束が同じように発生する。
【００５３】
制御磁束（実線）Ｂｅは、電磁石用コイル９に電流を流すことにより発生する。突極１０から支持対象物２を介し軸受コア８の下向きの突極の端部から軸受コア８本体を介して突極１０に発生する。また、突極１０から支持対象物２を介し軸受コア８の上向きの突極の端部から軸受コア８本体を介して突極１０に発生する。
【００５４】
向い合う軸受コア８には、電磁石用コイル９に反対の電流を流すことにより、軸受コア８の下向きの突極の端部から支持対象物２を介し突極１０を通り軸受コア８本体を介して発生する。また、軸受コア８の上向きの突極の端部から支持対象物２を突極１０を通り軸受コア８本体を介して発生する。
【００５５】
このようにエアギャップ間に発生するバイアス磁束を制御磁束により制御することで径方向の制御が可能になる。
このとき数式８に示すように上側方向の吸引力Ｆ１と下側方向の吸引力Ｆ２は、バイアス磁束（破線）Ｂｐ、制御磁束（実線）Ｂｅ、軸受コア８の上側と下側の端部断面積Ａ、真空時透磁率μ０によりを示すことができる。
【００５６】
【数８】
【００５７】
上記によりＦ１＝Ｆ２であれば上下の吸引力に差はない。そのため、突極１０に巻かれた電磁石コイル９により、軸方向制御に影響を与えることなく径方向の指示対象物２の位置制御することができる。
（浮上制御回路）
図９、１０に本磁気軸受の制御システムを示す。図９に示すセンサ７ａ〜７ｃを永久磁石以外の部分の電磁石間に設置する。センサ７ａ〜７ｃは、支持対象物２の変位により永久磁石４によるバイアス磁束が変化する量を検出し磁束の変化量より変位を推定する。さらにセンサ９ａと９ｂを設置することで、上記径方向の制御を行う。
【００５８】
変位量はＡ／Ｄコンバータ１０１等でディジタル信号に変換され、センサ９ａのセンサ出力４、センサ９ｂのセンサ出力５は、Ｘ軸方向移動量コントローラ１０２とＹ軸方向移動量コントローラ１０３に受け渡される。
【００５９】
Ｘ軸方向移動量コントローラ１０２により移動量が算出され、加算器１０９によりギャップの目標値とＸ軸方向移動量コントローラ１０２の出力を加算し、その出力をＰＩＤコントローラ１０４に入力し制御電流値を算出する。
【００６０】
Ｙ軸方向移動量コントローラ１０３により移動量が算出され、加算器１１０によりギャップの目標値とＹ軸方向移動量コントローラ１０２の出力を加算し、その出力をＰＩＤコントローラ１０５に入力し制御電流値を算出する。
【００６１】
この制御電流値を反転するために−１を乗算器１０６、１０７で計算した後、出力をＤ／Ａコンバータ１０８によりアナログ変換し電磁石用コイル９に供給される電流値（コイル＋Ｘ、コイル−Ｘ、コイル＋Ｙ、コイル−Ｙ）を算出する。
【００６２】
本例ではコイル６に供給される電流値（コイルＸ１、コイルＸ２、コイルＹ１、コイルＹ２）の算出は実施例１と同様であるため省略する。
（実施例３）
図１１は、本発明であるステータ（軸受コア１と永久磁石４から構成）の全体を支持対象物２で被う形のハイブリッド型磁気軸受の構造を示す正面上側からの斜視図である。
【００６３】
図１１に示す軸受コア１は、棒状に形成し、磁気支持方向である軸方向に支持対象物２に対向して第１の突極３と第２の突極３を両端部に配設する。円周状に遇数個の軸受コア１が配置される。ここで、軸受コア１の形状が棒状としたが平板や円柱などであってもよい。なお、図１１には１ａ、１ｂのみ符号が付されているが、図１１は軸受コアが４本の構成である。
【００６４】
突極３間にバイアス磁束発生用の第１の磁極（Ｎ極）、第２の磁極（Ｓ極）を有する永久磁石４を配置する。
電磁石用コイル６は軸受コア１に巻回される。電磁石用コイル６は永久磁石４の配設された軸受コア１の両端に分割または直列に構成する。また、軸受コア１のどちらか一方の端に構成してもよい。
【００６５】
軸受コア１に電磁石用コイル６を巻着するとともに、軸受コア１を挟んで永久磁石４の磁極を同一に配設する。
支持対象物２はステータ（軸受コア１と永久磁石４、電磁石用コイル６から構成）を被うように配置される（インナーステータ）。
【００６６】
なお、上記説明した永久磁石４の材質は、例えば、ネオジウム−鉄−ボロン、サマリューム−コバルト、サマリューム−鉄−窒素などの（希土類磁石）を使用する。軸受コア１や支持対象物２の材質は、磁性軟鉄、磁性ステンレス、圧粉磁心などの（軟磁性材料）を使用する。なお、永久磁石４および軸受コア１の材質は、上記説明した材料に限定されるものではない。
【００６７】
また、図１１では、４つの軸受コア１で実現しているが、最低２個から偶数個の軸受コア１で実現することが可能である。
（磁路説明）
永久磁石４により破線で示した方向にバイアス磁束（ｂ−１、ｂ−２）が発生する。バイアス磁束（ｂ−１、ｂ−２）は、第2の磁極から第１の磁極の方向に発生し、バイアス磁束の一方（ｂ−１）は、軸受コア１のコア本体を介して突極３ａ側の端部より支持対象物２に流れ込み、突極３ｂ側の端部から軸受コア１のコア本体を介して第２の磁極に戻る。また、バイアス磁束のもう一方（ｂ−２）は、軸受コア１のコア本体を介して突極３ｃ側の端部より支持対象物２に流れ込み、突極３ｄ側の端部から軸受コア１のコア本体を介して第２の磁極に戻る。
【００６８】
軸受コア１ａの制御磁束（ｃ−１）は、軸受コア１ａ上の電磁石用コイル６より発生し、突極３ａ側の端部より支持対象物２に流れ込み、支持対象物２側面を通り、突極３ｃ側の端部から軸受コア１ａに戻る経路と軸受コア１ｂを通り軸受コア１ａに戻る経路となる。
【００６９】
軸受コア１ｂの制御磁束（ｃ−２）は、軸受コア１ｂ上の電磁石用コイル６より発生し
、突極３ｂ側の端部より支持対象物２に流れ込み、支持対象物２側面を通り、突極３ｄ側の端部から軸受コア１ｂに戻る経路と軸受コア１ａを通り軸受コア１ｂに戻る経路となる。
【００７０】
他の磁路については説明を省略するが上記と同じように制御磁束が発生する。
なお、軸受コア１ａ、１ｂに基づいた磁路以外については説明を省略するが、他の磁路についても上記と同じように発生する。
（浮上制御説明）
突極３ａと支持対象物２のギャップでは、制御磁束（ｃ−１）をバイアス磁束（ｂ−１）と同じ方向に発生させる。その結果、磁束密度が増加し、上方向への磁気吸引力が発生する。同様に突極３ｂと支持対象物２のギャップでは、制御磁束（ｃ−２）をバイアス磁束（ｂ−１）と同じ方向に発生させる。その結果、磁束密度が増加し、上方向への磁気吸引力が発生する。一方、突極３ｃと支持対象物２のギャップでは、制御磁束（ｃ−１）はバイアス磁束（ｂ−２）と反対方向に発生しており、磁束が打ち消し合い磁束密度が減少する。同様に突極３ｄと支持対象物２のギャップでは、制御磁束（ｃ−２）が打ち消しあい磁束密度が減少する。このようにして、支持対象物２の一方端で磁束を強め、他端で磁束を弱め、軸方向の磁気力を発生する。
【００７１】
ここで、支持対象物２が図１１の下方向にずれたときには磁気軸受に設置される電磁石用コイル６によって図１１の実線のように磁束を流す。これにより、図１１の上側エアギャップの磁束を強め、下側エアギャップの磁束を弱める。したがって、支持対象物２には図１１の上向きの磁気吸引力が加わり支持対象物２を中心に戻すことが可能となる。なお、逆に支持対象物２が図の上方向にずれたときには電磁石に図１１と逆方向に制御磁束を発生させると下向きの磁気吸引力が加わり支持対象物２を中心に戻すことが可能となる。また、各軸受コアを個別に制御することで軸方向のみならず、径方向軸周りの傾きの制御も可能となる。ラジアル方向の位置は受動安定性で支持する。
【００７２】
なお、軸受コア１ａ、１ｂに基づいた浮上制御以外については説明を省略するが、他の浮上制御の上記と同じように制御する。
（変形例）
図１２に示す支持対象物２の形状は、実施例３のようにステータの全体を磁性体で被う形状ではなくカゴ形形状としたものである。図１２に示すようにステータ形状をすることにより、支持対象物２の軽量化、製作の簡単化、製作コストの削減ができる。また、カゴ形の支持対象物２の材質は、磁性軟鉄、磁性ステンレス、圧粉磁心などの（軟磁性材料）を使用する。ただし、支持対象物２の柱２ｂは非磁性ステンレス、アルミニウムなどの（非磁性材料）でも良い。なお、支持対象物２の材質は上記説明した材料に限定されるものではない。
【００７３】
磁路および浮上制御は図１１実施例３と同様である。ただし、図１２において柱２ｂを非磁性材料とした場合、制御磁束（ｃ−１、ｃ−２）は柱２ｂを通らない。
（変形例）
図１３に、実施例１に示したハイブリッド型磁気軸受の変形例を正面上側からの斜視図により示す。
【００７４】
図１３に示す構造は、実施例１の軸受コア１間の永久磁石４が１つづつ、軸受コア１に電磁石用コイル６が２つづつの形状と異となり、軸受コア１の両端に永久磁石４を配設し、電磁石用コイル６を１つにまとめて軸受コア１を略中央に巻着する。
【００７５】
図１３に示す形状とすることにより、永久磁石４からのバイアス磁束がより多く支持対象物２と突極３とのギャップに流れ込み、ギャップの磁束密度が増加し、より強力な磁気
吸引力が発生でき、小型化も可能である。この永久磁石４と電磁石用コイル６の配置は実施例３においても可能であり、同様に強力な磁気吸引力が発生可能となり、小型化も可能である。
【００７６】
また、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】実施例１の構造を示す図である。
【図２】実施例１の磁束を示した図である。
【図３】等価回路を示した図である。
【図４】実施例１のセンサ取付け位置を示す図である。
【図５】実施例１の制御回路を示した図である。
【図６】実施例１の変形例を示した図である。
【図７】実施例２の構造を示す図である。（永久磁石は図示されていない）
【図８】実施例２の磁束を示した図である。
【図９】実施例２のセンサ取付け位置を示す図である。
【図１０】実施例２の制御回路を示した図である。
【図１１】実施例３の構造を示す図である。
【図１２】支持対象物がカゴ形形状の構造を示す図である。
【図１３】軸受コアの両端に永久磁石を配設し、電磁石用コイルを１つにまとめて軸受コアの略中央に巻着した構造を示す図である。
【符号の説明】
【００７８】
１ 軸受コア、２ 支持対象物、３ 突極（第１の突極、第２の突極）
４ 永久磁石、６ 電磁石用コイル、７ センサ
８ 軸受コア、９ 電磁石用コイル、１０ 突極（第３の突極）
５１ Ａ／Ｄコンバータ、５２ Ｚｙ２算出部
５３ 軸方向コントローラ、５４ Ｙ方向コントローラ、５５ Ｘ方向コントローラ
５６〜５８ ＰＩＤコントローラ
５９〜５１２、５１４ 加算器
５１３ Ｄ／Ａコンバータ
１０１ Ａ／Ｄコンバータ
１０２ Ｘ軸方向移動量コントローラ、１０３ Ｙ軸方向移動量コントローラ
１０４、１０５ ＰＩＤコントローラ
１０６、１０７ 乗算器
１０８ Ｄ／Ａコンバータ
１０９、１１０ 加算器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電磁石と永久磁石の磁気力を制御して非接触状態で支持する支持対象物を有するハイブリッド型磁気軸受であって、
前記支持対象物を挟んで軸方向に対向する第１の突極と第２の突極を両端部に配設する軸受コアを、前記支持対象物を挟んで径方向に対向するように配設し、前記軸受コアに電磁石用コイルを巻着するとともに、前記軸受コアを挟んで配設する前記永久磁石の磁極を同一に配設することを特徴とするハイブリッド型磁気軸受。
【請求項２】
前記電磁石用コイルは、前記永久磁石が発生するバイアス磁束と同方向または逆方向に制御磁束を発生し、前記支持対象物の位置を制御することを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド型磁気軸受。
【請求項３】
複数の電磁石と永久磁石の磁気力を制御して非接触状態で支持する支持対象物を有するハイブリッド型磁気軸受であって、
前記支持対象物を挟んで軸方向に対向する第１の突極と第２の突極を両端部に配設する軸受コアの前記第１の突極と前記第２の突極の間に第３の突極を設け、前記支持対象物を挟んで径方向に対向するように配設し、前記第３の突極と前記軸受コア本体部分に電磁石用コイルを巻着するとともに、前記軸受コアを挟んで配設する前記永久磁石の磁極を同一に配設することを特徴とするハイブリッド型磁気軸受。
【請求項４】
前記電磁石用コイルは、前記永久磁石が発生するバイアス磁束と同方向または逆方向に制御磁束を発生し、前記支持対象物の位置を制御することを特徴とする請求項３に記載のハイブリッド型磁気軸受。
【請求項５】
複数の電磁石と永久磁石の磁気力を制御して非接触状態で支持する支持対象物を有するハイブリッド型磁気軸受であって、
前記支持対象物を挟んで軸方向に対向する第１の突極と第２の突極を両端部に配設する軸受コアを対向するように配設し、前記軸受コアに電磁石用コイルを巻着するとともに、前記軸受コアを挟んで配設する前記永久磁石の磁極を同一に配設することを特徴とするハイブリッド型磁気軸受。
【請求項６】
支持対象物をステータの外側に配置するインナーステータであることを特徴とする請求項５に記載のハイブリッド型磁気軸受。
【請求項７】
複数の電磁石と永久磁石の磁気力を制御して非接触状態で支持する支持対象物を有するハイブリッド型磁気軸受であって、
前記支持対象物を挟んで軸方向に対向する第１の突極と第２の突極を両端部に配設する軸受コアを対向するように配設し、
前記軸受コアに電磁石用コイルを巻着し、前記軸受コアの両端に前記電磁石用コイルを挟み対向して前記永久磁石を配置し、
前記永久磁石の磁極を前記軸受コアを挟んで同一に配設することを特徴とするハイブリッド型磁気軸受。
【請求項１】
複数の電磁石と永久磁石の磁気力を制御して非接触状態で支持する支持対象物を有するハイブリッド型磁気軸受であって、
前記支持対象物を挟んで軸方向に対向する第１の突極と第２の突極を両端部に配設する軸受コアを、前記支持対象物を挟んで径方向に対向するように配設し、前記軸受コアに電磁石用コイルを巻着するとともに、前記軸受コアを挟んで配設する前記永久磁石の磁極を同一に配設することを特徴とするハイブリッド型磁気軸受。
【請求項２】
前記電磁石用コイルは、前記永久磁石が発生するバイアス磁束と同方向または逆方向に制御磁束を発生し、前記支持対象物の位置を制御することを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド型磁気軸受。
【請求項３】
複数の電磁石と永久磁石の磁気力を制御して非接触状態で支持する支持対象物を有するハイブリッド型磁気軸受であって、
前記支持対象物を挟んで軸方向に対向する第１の突極と第２の突極を両端部に配設する軸受コアの前記第１の突極と前記第２の突極の間に第３の突極を設け、前記支持対象物を挟んで径方向に対向するように配設し、前記第３の突極と前記軸受コア本体部分に電磁石用コイルを巻着するとともに、前記軸受コアを挟んで配設する前記永久磁石の磁極を同一に配設することを特徴とするハイブリッド型磁気軸受。
【請求項４】
前記電磁石用コイルは、前記永久磁石が発生するバイアス磁束と同方向または逆方向に制御磁束を発生し、前記支持対象物の位置を制御することを特徴とする請求項３に記載のハイブリッド型磁気軸受。
【請求項５】
複数の電磁石と永久磁石の磁気力を制御して非接触状態で支持する支持対象物を有するハイブリッド型磁気軸受であって、
前記支持対象物を挟んで軸方向に対向する第１の突極と第２の突極を両端部に配設する軸受コアを対向するように配設し、前記軸受コアに電磁石用コイルを巻着するとともに、前記軸受コアを挟んで配設する前記永久磁石の磁極を同一に配設することを特徴とするハイブリッド型磁気軸受。
【請求項６】
支持対象物をステータの外側に配置するインナーステータであることを特徴とする請求項５に記載のハイブリッド型磁気軸受。
【請求項７】
複数の電磁石と永久磁石の磁気力を制御して非接触状態で支持する支持対象物を有するハイブリッド型磁気軸受であって、
前記支持対象物を挟んで軸方向に対向する第１の突極と第２の突極を両端部に配設する軸受コアを対向するように配設し、
前記軸受コアに電磁石用コイルを巻着し、前記軸受コアの両端に前記電磁石用コイルを挟み対向して前記永久磁石を配置し、
前記永久磁石の磁極を前記軸受コアを挟んで同一に配設することを特徴とするハイブリッド型磁気軸受。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図６】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図６】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００８−６９９６４（Ｐ２００８−６９９６４Ａ）
【公開日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２０８５９５（Ｐ２００７−２０８５９５）
【出願日】平成１９年８月９日（２００７．８．９）
【出願人】（５０３２３４２２９）
【出願人】（０００１２７３５２）株式会社イワキ (23)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月９日（２００７．８．９）
【出願人】（５０３２３４２２９）
【出願人】（０００１２７３５２）株式会社イワキ (23)
【Ｆターム（参考）】
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