磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を搭載した固液分離機
【課題】電磁石の電源が入っているときには所定の剛性を維持でき、電源が切られた際にはベアリングにタッチダウン可能で、かつ制御方向に直角な偏心に対しても有効に作用しつつこの偏心方向には磁束の漏れが少ない磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を搭載した固液分離機を搭載した固液分離機を提供する。
【解決手段】固定子コア２９の下面には２つの電磁石鉄心２９ａ、２９ｂが突設されている。この２つの電磁石鉄心２９ａ、２９ｂの間に一つの環状スロット４９が形成されている。この環状スロット４９と電磁石鉄心２９ａの内側及び環状スロット４９と電磁石鉄心２９ｂの外側とにそれぞれ巻線を配設する。一方、回転子コア３５の上面には、この電磁石鉄心２９ａ、２９ｂに対峙するように回転軸を中心として環状に磁性体５１、５３が突設されている。この磁性体５１、５３の間に環状の永久磁石５５が固着されている。
【解決手段】固定子コア２９の下面には２つの電磁石鉄心２９ａ、２９ｂが突設されている。この２つの電磁石鉄心２９ａ、２９ｂの間に一つの環状スロット４９が形成されている。この環状スロット４９と電磁石鉄心２９ａの内側及び環状スロット４９と電磁石鉄心２９ｂの外側とにそれぞれ巻線を配設する。一方、回転子コア３５の上面には、この電磁石鉄心２９ａ、２９ｂに対峙するように回転軸を中心として環状に磁性体５１、５３が突設されている。この磁性体５１、５３の間に環状の永久磁石５５が固着されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を搭載した固液分離機に係わり、特に電磁石の電源が入っているときには所定の剛性を維持でき、電源が切られた際にはベアリングにタッチダウン可能で、かつ制御方向に直角な偏心に対しても有効に作用しつつこの偏心方向には磁束の漏れが少ない磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を搭載した固液分離機に関する。
【背景技術】
【０００２】
遠心分離機の原理で固体と液体を分離する固液分離機は化学工業や鉱業、窯業、金属工業の分野における製品製造や排水処理などに広く用いられている。例えば化学工業の分野では、携帯電話にも用いられているニッケル合金や水酸化アルミなどの合金、微粉の回収に用いられたり、鉱業、窯業、金属工業では微粉炭や金属鉱石の回収に用いられている。
【０００３】
固液分離機としては図２３に示したような横型が主流である。ところで、横型は筒底に分離水が蓄積し効率が悪いことが認識されている。そこで、この効率を改善するため、図２４に示したような縦型にすると、分離水が３６０度方向に拡散し、効率的に固液分離が可能である。
【０００４】
図２５にこの縦型固液分離機１００の構造を示す。この構造については特許文献１に開示がある。図２５において、外筒１の内側にはアンギュラ軸受３を介して内筒５が回転自在に軸支されている。このアンギュラ軸受３により内筒５は径方向、軸方向共に安定して支持されるようになっている。
【０００５】
そして、この内筒５の内側には、周囲に螺旋状に突設された分流リブ板６（均等拡散装置）を備えるスクリューコンベアー７が回転自在なようになっている。このスクリューコンベアー７の中間部分には通路９が形成されている。そして、この通路９は、スクリューコンベアー７の中心を貫通する貫通穴１１と連通され、更にこの貫通穴１１は外筒１の上端に形成されたフィード口１３と連通されている。また、外筒１の上面と内筒５、スクリューコンベアー７の間の空間には堰１５が形成され、この堰１５は外筒１に設けられた排出口１７に通じている。
【０００６】
内筒５とスクリューコンベアー７は本体上部に取り付けられた図示しない差速装置により速度差をつけて同方向に回転される。原液を本体上部のフィード口１３から投入すると貫通穴１１及び通路９を介して内筒５とスクリューコンベアー７の間に形成された空間に入る。その後、遠心効果により固形物は内筒５の内壁に付着してスクリューコンベアー７で下方に排出され、比重の軽い分離液は推力によって上昇し、堰１５を通って排出口１７より外部に排出される。
【０００７】
次にこの縦型固液分離機１００の特徴について説明する。スクリューコンベアー７の中程には分流リブ板６（均等拡散装置）が設けられており、供給された原液を３６０度方向に拡散させている。
【０００８】
そして、部品一つ一つのバランスを取り、均等に重量配分させて安定構造となっているため、微振動型で安定している。脱水効果は、従来型の脱水機と比較して、５〜２０％以上の低含水率である。固液の分離は、遠心力と固形物と液体の比重差で分離させているので、比重差のある固体スラリーであれば、サブミクロンの微細粒子の回収ができる。また、脱水から濃縮まで幅広く対応が可能である。
【０００９】
ところで、上述した固液分離作業の効率をより一層上昇させるためには、装置を大型にして処理容量の増加を図ることが望まれる。この際には、装置の大型化にともない、アンギュラ軸受３の径を広げる必要がある。しかしながら、規格により現状のものより大きなアンギュラ軸受３は存在しない。
【００１０】
そこで、この問題を解決するため、今回発明者等によりアンギュラ軸受３の替わりに磁気軸受を採用することが提案及び検討された。この装置の大型化に伴い電磁力としては軸方向にほぼ７０００（Ｎ）程度以上必要であることも検討された。ここに、磁気軸受により軸方向や径方向を支持する先行技術として、従来、例えば特許文献２や特許文献３が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００７−０３８０６８号公報
【特許文献２】特開２００５−１２１１５７号公報（図８）
【特許文献３】特開平８−２９６６４５号公報（図８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、従来の特許文献２や特許文献３による方法では電磁石と永久磁石との組み合わせにより吸引力を発生させるものであり、電磁石の鉄心の向きと永久磁石の起磁力の向きとが一致するように配設されている。このため、電磁石の電源を切った後でも永久磁石の鉄心に対する作用により吸引力が残ってしまう。従って、別途配設されたベアリングにタッチダウンさせる形で装置を停止することが出来なかった。
【００１３】
本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもので、電磁石の電源が入っているときには所定の剛性を維持でき、電源が切られた際にはベアリングにタッチダウン可能で、かつ制御方向に直角な偏心に対しても有効に作用しつつこの偏心方向には磁束の漏れが少ない磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を搭載した固液分離機を搭載した固液分離機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】
【００１４】
このため本発明は、回転軸を中心に回転する回転体に形成された回転コアと、該回転コアに配設され軸方向に磁極を有する永久磁石と、該永久磁石と対峙して配設され軸方向に磁極を有し前記回転軸回りに均等配設された複数の電磁石と、該電磁石が取り付けられた固定子コアと、前記回転体の軸方向位置を検出する位置センサと、該位置センサで検出した位置信号に基づき前記回転体の軸方向の位置を調整する軸方向位置調整手段とを備えて構成してもよい。
【００１５】
以上により、軸方向に作用する起磁力を所望としている起磁力の大きさに調整できる。
【００１６】
また、本発明（請求項１）は、回転軸を中心に回転する回転体に形成され比透磁率の高い材質からなる回転コアと、該回転コアに対し前記回転軸を中心に環状に形成された複数の磁性体部と、該磁性体部の間に挟装され、径方向に磁極を有する少なくとも一つの永久磁石と、前記磁性体部と対峙して環状に配設され前記永久磁石を介し閉磁路が形成されるように軸方向に向けた磁極をそれぞれ有する複数の電磁石と、該電磁石が取り付けられた固定子コアと、前記回転体の軸方向位置を検出する位置センサと、該位置センサで検出した位置信号に基づき前記回転体の軸方向の位置を調整する軸方向位置調整手段とを備えて構成した。
【００１７】
比透磁率は７０００以上であることが望ましい。電磁石に流れる電流を切ると閉磁路を流れていた電磁石による磁束は消滅する。このとき、永久磁石の磁界は大部分が比透磁率の高い材質からなる回転コアを流れる漏れ磁束となるため軸方向に作用する磁界は極度に弱まり、回転体は自重により落下し、ベアリング等にタッチダウンする。
【００１８】
また、電磁石が環状であり、永久磁石も同様に環状に形成される。このため、電磁石及び磁性体部には永久磁石を介し閉磁路が形成され、半径方向にも復元力を有することができる。このことにより、回転体が半径方向にずれたときにも復元力が働くので半径方向への支持が可能になる。
【００１９】
更に、本発明（請求項２）は、請求項１に記載された磁気軸受装置を搭載した縦型の固液分離機であって、前記回転体が内筒であり、該内筒の内側に該内筒とは異なる速度にて駆動されるスクリューを備え、該スクリューを貫通する貫通穴を通じて流入した固体及び液体の混合原液が前記内筒と前記スクリューの間に回転しつつ通されることで固体と液体とが分離されることを特徴とする。
【００２０】
内筒の内部を流れる原液が磁性体の場合、原液が磁気軸受付近を通過する際に磁気軸受が作る磁場により影響を受ける恐れがある。しかしながら、本磁気軸受を搭載した固液分離機においては、運転中には磁束は閉磁路を流れ、一方、停止のときには永久磁石の磁界の大部分が比透磁率の高い材質からなる回転コアを流れる漏れ磁束となるため外部に対し磁場の影響を与えることがない。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように本発明によれば、回転コアに配設され軸方向に磁極を有する永久磁石と、この永久磁石と対峙して固定子コアに配設され軸方向に磁極を有し回転軸回りに均等配設された複数の電磁石とを備えて構成したので、軸方向に作用する起磁力を所望としている起磁力の大きさに調整できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施形態である固液分離機の磁気軸受周辺の概念構成図
【図２】固定子コアの下面の様子
【図３】回転子コアの上面の様子
【図４】簡易モデルの固定子側の断面図
【図５】簡易モデルの回転子側の断面図
【図６】シミュレーションに用いた材料及び仕様
【図７】シミュレーションの解析結果
【図８】本発明の第２実施形態である固液分離機の磁気軸受周辺の概念構成図
【図９】簡易モデルの固定子側の断面図
【図１０】簡易モデルの回転子側の断面図
【図１１】シミュレーションの解析結果
【図１２】シミュレーションの解析結果
【図１３】永久磁石を回転子コアに対し配設しなかった場合
【図１４】永久磁石を回転子コアに対し配設した場合（その１）
【図１５】永久磁石を回転子コアに対し配設した場合（その２）
【図１６】磁束密度とアキシャル方向電磁力の解析を行った地点
【図１７】磁性体の表面の磁束密度と電磁石電流との関係（永久磁石を配設した場合と配設しない場合）
【図１８】回転子コア内の磁束密度と電磁石電流との関係（永久磁石を配設した場合と配設しない場合）
【図１９】アキシャル方向電磁力と電磁石電流との関係（永久磁石を配設した場合と配設しない場合）
【図２０】本発明の第３実施形態である固液分離機の磁気軸受周辺の概念構成図
【図２１】電磁石電流とアキシャル方向の電磁力の関係を有限要素法により解析した結果
【図２２】電磁力一定時のギャップ長と電磁石電流の関係
【図２３】固液分離機（横型）の概念図
【図２４】固液分離機（縦型）の概念図
【図２５】縦型固液分離機の構造
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の第１実施形態である固液分離機２００の磁気軸受周辺の概念構成図を図１に示す。図１において、外筒２１の内壁には外筒２１の上端面２７と平行に固定子コア２９が環状に内側に向けて突設されている。
【００２４】
そして、この固定子コア２９の下面には、図２に示すように４つの電磁石３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ、３３Ｄ及びギャップセンサ３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ、３４Ｄが配設されている。電磁石３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ、３３Ｄは上側がＮ極、下側がＳ極に励磁されるようになっている。
【００２５】
また、内筒２５の中央部付近には回転子コア３５が周状に突設されている。そして、この回転子コア３５の上面には図３に示すように中空環状の永久磁石３７が固着されている。永久磁石３７は上側がＮ極、下側がＳ極に着磁されている。内筒２５は、回転軸を中心に回転するようになっている。また、外筒２１の上端面と内筒２５の外周壁との間にはタッチダウンベアリング２３が環状に介設されている。
【００２６】
次に、本発明の第１実施形態の動作を説明する。
ギャップセンサ３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ、３４Ｄで回転子コア３５までの軸方向の距離（ギャップ）を測る。そして、この計測した距離が所望の値となるように電磁石３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ、３３Ｄに流す電流を変化させる。このことより、運転中の軸方向位置を調整可能である。
【００２７】
なお、図１中には点線で磁束の方向を示している。磁束は、永久磁石３７と電磁石３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ、３３Ｄとにより発生し、一方のルートは外筒２１を通る磁路により形成され、他方のルートは内筒２５を通る磁路により形成される。
【００２８】
このため、電磁石磁束、永久磁石磁束ともに漏れ磁束が少ない。電磁石３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ、３３Ｄの電源が入っているときには所定の剛性を維持でき、電源が切られた際には自重により内筒２５は落下し、タッチダウンベアリング２３にタッチダウンする。
【００２９】
ここに、軸方向にどの程度の起磁力を発生可能かシミュレーションを行った。シミュレーションは、磁気軸受のモデリングと電磁力解析に有限要素法解析ソフトを用いた。基本となる簡易モデルの固定子側の図面を図４に、回転子側の図面を図５に、シミュレーションに用いた材料及び仕様を図６に示す。
【００３０】
なお、図４に示すように、固定子コア２９には電磁石鉄心２９ａが４箇所突設され、その周囲にコイルが巻かれて電磁石３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ、３３Ｄが形成されている。しかしながら、この電磁石は４個とは限らず、２個若しくは３個等とされてもよい。ギャップセンサ３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ、３４Ｄも電磁石に合わせて４個配置したが、Ｘ軸方向に一つＹ軸方向に一つ配設されるようにしてもよい。
【００３１】
電磁石３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ、３３Ｄは有効ギャップ断面積を広く取れるため、アキシャル電磁力が大きい。
このように電磁石を複数個に分割することでアキシャル方向位置制御に加えて、傾き制御も可能である。
【００３２】
解析結果を図７に示す。このことより、電流６（Ａ）程度を流せば軸方向に作用する起磁力が所望としている起磁力７０００（Ｎ）を超えることが分かる。
【００３３】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
本発明の第２実施形態である固液分離機３００の磁気軸受周辺の概念構成図を図８に示す。なお、図１と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。図８において、固定子コア２９の下面には２つの電磁石鉄心２９ａ、２９ｂが突設されている。
【００３４】
そして、この２つの電磁石鉄心２９ａ、２９ｂの間に一つの環状スロット４９が形成されている。そして、この環状スロット４９と電磁石鉄心２９ａの内側及び環状スロット４９と電磁石鉄心２９ｂの外側とにそれぞれ巻線を配設する。磁束の方向は図８に示す通り電磁石鉄心２９ａについては上向きであり、電磁石鉄心２９ｂについては下向きである。
【００３５】
その結果、この環状スロット４９を挟んだ形で回転軸を中心として環状に電磁石４３、４５が形成される。一方、回転子コア３５の上面には、この電磁石鉄心２９ａ、２９ｂに対峙するように回転軸を中心として環状に磁性体５１、５３が突設されている。
【００３６】
そして、この磁性体５１、５３の間に環状の永久磁石５５が固着されている。永久磁石５５は径方向に設置され内側がＮ極、外側がＳ極に構成されている。即ち、永久磁石５５の磁極の向きは電磁石４３、４５の鉄心コア２９ａ、２９ｂの突設方向に対し直角に配設されている。
【００３７】
次に、本発明の第２実施形態の動作を説明する。
ギャップセンサ４４で回転子コア３５までの軸方向の距離（ギャップ）を測る。そして、この計測した距離が所望の値となるように電磁石４３、４５に流す電流を変化させる。
【００３８】
このことにより、運転中の軸方向位置を調整可能である。なお、図８中には点線で磁束の方向を示している。磁束は、永久磁石５５と電磁石４３、４５とにより生成され、固定子コア２９及び磁性体５１、５３を通り閉磁路が形成される。回転子コア３５は電磁鋼板で形成されており、比透磁率が高いため磁束が通り易くなっている。ここに、回転子コア３５は電磁鋼板に限らず、炭素鋼であってもよい。比透磁率は７０００以上であることが望ましい。
【００３９】
電磁石４３、４５に流れる電流を切ると閉磁路を流れていた電磁石４３、４５による磁束は消滅する。このとき、軸方向に作用する磁界は極度に弱まり、内筒２５は自重により落下し、タッチダウンベアリング２３にタッチダウンする。
【００４０】
ここに、特許文献２や特許文献３に開示のある方法では、永久磁石の磁極の向きと電磁石の鉄心コアの向きとが一致しているため、電磁石の電流を切った後でも永久磁石の磁界が直接電磁石の鉄心コアに作用し続け吸引力があまり消滅しない。このため、内筒２５をタッチダウンベアリング２３にタッチダウンさせることはできない。
【００４１】
また、電磁石４３、４５が環状であり、断面が図８に示すようにコの字状であり、これに対峙する磁性体５１、５３及び永久磁石５５も同様に環状に形成され、断面が図８に示すようにコの字状である。このため、電磁石４３、４５及び永久磁石５５により発生する磁束は回転子コア３５及び磁性体５１、５３及び固定子コア２９を通り閉磁路が形成されており、半径方向にも復元力を有することができる。このことにより、内筒２５が半径方向にずれたときにも復元力が働くので半径方向への支持が可能になる。なお、電磁石４３、４５の配設方法は環状に限定されるものではなく、電磁石４３、４５を一つの組として回転軸回りに必要組数（例えば図２に示すように４組）配設されてもよい。
【００４２】
更に、内筒２５の内部を流れる原液が磁性体の場合、原液が磁気軸受付近を通過する際に磁気軸受が作る磁場により影響を受ける恐れがある。しかしながら、本実施形態の磁気軸受を搭載した固液分離機３００においては、運転中には磁束は閉磁路を流れ、一方、停止のときには永久磁石５５の磁界の大部分が電磁鋼板を流れる磁束となるため外部に対し磁場の影響を与えることがない。
【００４３】
ここに、第２実施形態の磁気軸受について軸方向にどの程度の起磁力を発生可能かシミュレーションを行った。シミュレーションは、磁気軸受のモデリングと電磁力解析に有限要素法解析ソフトを用いた。基本となる簡易モデルの固定子側の図面を図９に、回転子側の図面を図１０に示す。解析結果を図１１及び図１２に示す。
【００４４】
このことより、電磁石の電流を切ったとき、即ち電流値０（Ａ）のときに軸方向に働く電磁力が７５０（Ｎ）程度と小さいため内筒２５をタッチダウンベアリング２３にタッチダウンさせることができる。更に、図１２より半径方向にも十分な大きさの復元力を作用させることができることが分かる。
【００４５】
次に、本実施形態のように永久磁石５５を回転子コア３５に対し水平に配設したことによる利点について説明する。
【００４６】
仮に、この永久磁石５５が配設されなかった場合には、図１３に示すように、電磁石磁束により回転子コア３５内が磁気飽和すると、アキシャル（軸）方向電磁力も飽和してしまう。このため、大きな電磁力を得るには、回転子コア３５を厚くしなければならず、磁気軸受が大型化し好ましくない。
【００４７】
これに対し、永久磁石５５を回転子コア３５に対し水平に配設した場合であって、かつ電磁石４３、４５に対し、電流を流さなかったときには、永久磁石５５の磁束が図１４のように通過する。即ち、永久磁石５５の磁束は主磁路を通る一方で永久磁石５５の漏れ磁束が主磁路とは別に回転子コア３５内を通っている。
【００４８】
そして、次に電磁石４３、４５に対し、電流を流した場合には、図１５に示すように電磁石磁束が発生し、この電磁石磁束は透磁率の低い永久磁石５５を通らず回転子コア３５内を通過するため、この回転子コア３５内では、電磁石磁束が永久磁石５５の漏れ磁束と相殺される形になる。このように、永久磁石５５の漏れ磁束が主磁路と逆方向に通過していたため、磁気飽和しにくい。
【００４９】
そして、電磁石磁束が大きくなるに連れ、永久磁石５５の漏れ磁束分は次第に無くなり、この漏れ磁束が主磁路へ流れるようになる。
このことにより、回転子コア３５は薄くでき、磁気軸受の小型、軽量化につながる。また、高ギャップ磁束密度となるため、高電磁力を発生できる。
【００５０】
次に、上記永久磁石５５を配設したことに伴う効果を立証するため電磁界解析を行った。図１６に示すように、磁性体５１、５３の表面（図中（イ）と示す）と、回転子コア３５内（図中（ロ）と示す）の２箇所の磁束密度とアキシャル方向電磁力を解析により求めた。
【００５１】
図１７には、磁性体５１、５３の表面の磁束密度と電磁石電流との関係を、永久磁石（図中、ＰＭと略す）を配設した場合と配設しない場合について示す。即ち、永久磁石５５を配設しなかった場合には、電流３Ａ付近で磁気飽和の兆候が現れている。一方、永久磁石５５を配設した場合には、電流９Ａでも磁気飽和の兆候が見られない。
【００５２】
また、図１８には、回転子コア内の磁束密度と電磁石電流との関係を、永久磁石を配設した場合と配設しない場合について示す。即ち、図１７の場合と同様、永久磁石５５を配設しなかった場合には、電流３Ａ付近で磁気飽和の兆候が現れている。一方、永久磁石５５を配設した場合には、電流９Ａでも磁気飽和の兆候が見られない。但し、電流０Ａのときに磁束密度が負になっているのは、永久磁石５５の漏れ磁束の存在によるためである。
【００５３】
更に、図１９には、アキシャル方向電磁力と電磁石電流との関係を、永久磁石を配設した場合と配設しない場合について示す。即ち、図１７で、永久磁石５５を配設しなかった場合に電流９Ａのときに０．５８Ｔ程度であるのに対し、永久磁石５５を配設した場合には０．８３Ｔに達し、その結果、アキシャル方向電磁力は図１９に示すように約４２００Ｎから７２００Ｎに増加することが分かる。
【００５４】
次に、本発明の第３実施形態について説明する。
本発明の第３実施形態である固液分離機４００の磁気軸受周辺の概念構成図を図２０に示す。なお、図１、図８と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。図２０において、固定子コア２９の下面には回転軸を中心として環状に３つの電磁石鉄心２９ａ、２９ｂ、２９ｃが突設されている。
【００５５】
そして、この３つの電磁石鉄心２９ａ、２９ｂ、２９ｃの間に二つの環状スロット６１、６３が形成されている。そして、この環状スロット６１、６３と電磁石鉄心２９ａの内側及び電磁石鉄心２９ｃの外側とにそれぞれ巻線を配設することで電磁石を構成する。電流の方向は図２０に示す通りである。
【００５６】
一方、回転子コア３５の上面には、この電磁石鉄心２９ａ、２９ｂ、２９ｃに対峙するように環状に磁性体７１、７３、７５が突設されている。そして、この磁性体７１、７３、７５の間に永久磁石８５、８７が固着されている。永久磁石８５は水平方向に設置され内側がＳ極、外側がＮ極に構成されている。永久磁石８７も同様に水平方向に設置されるが、永久磁石８５とは異なり内側がＮ極、外側がＳ極に構成されている。
【００５７】
かかる構成において、永久磁石８５、８７のＮ極から発した磁束は磁性体７３を通り電磁石鉄心２９ｂを通った後分岐し、それぞれ電磁石鉄心２９ａと電磁石鉄心２９ｃとを通る。その後、電磁石鉄心２９ａを通った磁束は磁性体７１を介して永久磁石８５のＳ極に戻る。電磁石鉄心２９ｃを通った磁束は磁性体７５を介して永久磁石８７のＳ極に戻る。
【００５８】
ここに、電磁石鉄心２９ａ、２９ｂ、２９ｃの面積及び磁性体７１、７３、７５の面積が増加することで軸方向の電磁力はこの面積比分増加する。また、電磁石鉄心２９ａ、２９ｂ、２９ｃの周囲及び磁性体７１、７３、７５の周囲には第２実施形態に比べより多くの磁束を生じており、半径方向にも一層強い復元力を有することができる。このため、内筒２５が半径方向にずれたときにもこの復元力により半径方向への支持が一層安定する。
【００５９】
また、電磁石に流れる電流を切ると閉磁路を流れていた電磁石による磁束は消滅する。このとき、軸方向に作用する磁界は極度に弱まり、内筒２５は自重により落下し、タッチダウンベアリング２３にタッチダウンする。
【００６０】
更に、本実施形態の磁気軸受を搭載した固液分離機４００においては、第２実施形態と同様に磁束は閉磁路を流れるため外部に対し磁場の影響を与えることがない。このため、内筒２５の内部を流れる原液が磁性体の場合であっても磁場により影響を与えることはない。
【００６１】
なお、本実施形態では環状スロットの数を２つとしたが、この数に限定するものではない。
【実施例１】
【００６２】
なお、本発明の第２実施形態である固液分離機３００の磁気軸受については試作を行い、以下の通り磁気支持特性の測定と評価を行った。
まず、電磁石４３、４５を一つの組として回転軸回りに４組配設した。そして、磁気軸受の制御に必要な巻線の時定数を得るため、巻線抵抗とインダクタンスを測定した。表１、２に巻線抵抗、インダクタンスの測定結果をそれぞれ示す。
【００６３】
【表１】
【００６４】
【表２】
【００６５】
なお、インダクタンスについては、有限要素法による電磁界解析結果も併せて示した。抵抗、インダクタンスともに４つの電磁石でほぼ平衡が取れている。また、インダクタンスの実測値は解析値に比べ９％程度小さいが、これは漏れ磁束の影響によるものと思われる。
【００６６】
ギャップセンサ４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ、４４Ｄを各電磁石の組に対しそれぞれ１個ずつ合計４個取り付け、磁気浮上試験を行った。実験は無荷重で行い、その際の回転浮上部の重量は１，５００Ｎであった。静止浮上時はギャップ２．５ｍｍ、電磁石電流３Ａで安定に磁気支持できることを確認した。
【００６７】
図２１はギャップ長をパラメータにして、電磁石電流とアキシャル方向の電磁力の関係を有限要素法により解析した結果である。また、図２２は電磁力１，５００Ｎ（一定）時のギャップ長と電磁石電流の関係である。ギャップ２．５ｍｍのとき必要な電磁石電流は３Ａであり、実測値は解析値によく一致した。
【００６８】
次にモータを使って外部駆動によりベルト伝達で磁気軸受回転部を回転させ、回転浮上試験を行った。回転部は回転速度０−３００ｒ／ｍｉｎの範囲でタッチダウンせず安定に支持できることを確認した。
【符号の説明】
【００６９】
１ 外筒
５ 、２５ 内筒
６ 分流リブ板
７ スクリューコンベアー
９ 通路
１１ 貫通穴
１３ フィード口
１７ 排出口
２１ 外筒
２３ タッチダウンベアリング
２９ 固定子コア
３３、４３ 電磁石
３４、４４ ギャップセンサ
３５ 回転子コア
３７、５５、８５、８７ 永久磁石
４９、６１ 環状スロット
５１、７１、７３、７５ 磁性体
２００ 、３００、４００固液分離機
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を搭載した固液分離機に係わり、特に電磁石の電源が入っているときには所定の剛性を維持でき、電源が切られた際にはベアリングにタッチダウン可能で、かつ制御方向に直角な偏心に対しても有効に作用しつつこの偏心方向には磁束の漏れが少ない磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を搭載した固液分離機に関する。
【背景技術】
【０００２】
遠心分離機の原理で固体と液体を分離する固液分離機は化学工業や鉱業、窯業、金属工業の分野における製品製造や排水処理などに広く用いられている。例えば化学工業の分野では、携帯電話にも用いられているニッケル合金や水酸化アルミなどの合金、微粉の回収に用いられたり、鉱業、窯業、金属工業では微粉炭や金属鉱石の回収に用いられている。
【０００３】
固液分離機としては図２３に示したような横型が主流である。ところで、横型は筒底に分離水が蓄積し効率が悪いことが認識されている。そこで、この効率を改善するため、図２４に示したような縦型にすると、分離水が３６０度方向に拡散し、効率的に固液分離が可能である。
【０００４】
図２５にこの縦型固液分離機１００の構造を示す。この構造については特許文献１に開示がある。図２５において、外筒１の内側にはアンギュラ軸受３を介して内筒５が回転自在に軸支されている。このアンギュラ軸受３により内筒５は径方向、軸方向共に安定して支持されるようになっている。
【０００５】
そして、この内筒５の内側には、周囲に螺旋状に突設された分流リブ板６（均等拡散装置）を備えるスクリューコンベアー７が回転自在なようになっている。このスクリューコンベアー７の中間部分には通路９が形成されている。そして、この通路９は、スクリューコンベアー７の中心を貫通する貫通穴１１と連通され、更にこの貫通穴１１は外筒１の上端に形成されたフィード口１３と連通されている。また、外筒１の上面と内筒５、スクリューコンベアー７の間の空間には堰１５が形成され、この堰１５は外筒１に設けられた排出口１７に通じている。
【０００６】
内筒５とスクリューコンベアー７は本体上部に取り付けられた図示しない差速装置により速度差をつけて同方向に回転される。原液を本体上部のフィード口１３から投入すると貫通穴１１及び通路９を介して内筒５とスクリューコンベアー７の間に形成された空間に入る。その後、遠心効果により固形物は内筒５の内壁に付着してスクリューコンベアー７で下方に排出され、比重の軽い分離液は推力によって上昇し、堰１５を通って排出口１７より外部に排出される。
【０００７】
次にこの縦型固液分離機１００の特徴について説明する。スクリューコンベアー７の中程には分流リブ板６（均等拡散装置）が設けられており、供給された原液を３６０度方向に拡散させている。
【０００８】
そして、部品一つ一つのバランスを取り、均等に重量配分させて安定構造となっているため、微振動型で安定している。脱水効果は、従来型の脱水機と比較して、５〜２０％以上の低含水率である。固液の分離は、遠心力と固形物と液体の比重差で分離させているので、比重差のある固体スラリーであれば、サブミクロンの微細粒子の回収ができる。また、脱水から濃縮まで幅広く対応が可能である。
【０００９】
ところで、上述した固液分離作業の効率をより一層上昇させるためには、装置を大型にして処理容量の増加を図ることが望まれる。この際には、装置の大型化にともない、アンギュラ軸受３の径を広げる必要がある。しかしながら、規格により現状のものより大きなアンギュラ軸受３は存在しない。
【００１０】
そこで、この問題を解決するため、今回発明者等によりアンギュラ軸受３の替わりに磁気軸受を採用することが提案及び検討された。この装置の大型化に伴い電磁力としては軸方向にほぼ７０００（Ｎ）程度以上必要であることも検討された。ここに、磁気軸受により軸方向や径方向を支持する先行技術として、従来、例えば特許文献２や特許文献３が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００７−０３８０６８号公報
【特許文献２】特開２００５−１２１１５７号公報（図８）
【特許文献３】特開平８−２９６６４５号公報（図８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、従来の特許文献２や特許文献３による方法では電磁石と永久磁石との組み合わせにより吸引力を発生させるものであり、電磁石の鉄心の向きと永久磁石の起磁力の向きとが一致するように配設されている。このため、電磁石の電源を切った後でも永久磁石の鉄心に対する作用により吸引力が残ってしまう。従って、別途配設されたベアリングにタッチダウンさせる形で装置を停止することが出来なかった。
【００１３】
本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもので、電磁石の電源が入っているときには所定の剛性を維持でき、電源が切られた際にはベアリングにタッチダウン可能で、かつ制御方向に直角な偏心に対しても有効に作用しつつこの偏心方向には磁束の漏れが少ない磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を搭載した固液分離機を搭載した固液分離機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】
【００１４】
このため本発明は、回転軸を中心に回転する回転体に形成された回転コアと、該回転コアに配設され軸方向に磁極を有する永久磁石と、該永久磁石と対峙して配設され軸方向に磁極を有し前記回転軸回りに均等配設された複数の電磁石と、該電磁石が取り付けられた固定子コアと、前記回転体の軸方向位置を検出する位置センサと、該位置センサで検出した位置信号に基づき前記回転体の軸方向の位置を調整する軸方向位置調整手段とを備えて構成してもよい。
【００１５】
以上により、軸方向に作用する起磁力を所望としている起磁力の大きさに調整できる。
【００１６】
また、本発明（請求項１）は、回転軸を中心に回転する回転体に形成され比透磁率の高い材質からなる回転コアと、該回転コアに対し前記回転軸を中心に環状に形成された複数の磁性体部と、該磁性体部の間に挟装され、径方向に磁極を有する少なくとも一つの永久磁石と、前記磁性体部と対峙して環状に配設され前記永久磁石を介し閉磁路が形成されるように軸方向に向けた磁極をそれぞれ有する複数の電磁石と、該電磁石が取り付けられた固定子コアと、前記回転体の軸方向位置を検出する位置センサと、該位置センサで検出した位置信号に基づき前記回転体の軸方向の位置を調整する軸方向位置調整手段とを備えて構成した。
【００１７】
比透磁率は７０００以上であることが望ましい。電磁石に流れる電流を切ると閉磁路を流れていた電磁石による磁束は消滅する。このとき、永久磁石の磁界は大部分が比透磁率の高い材質からなる回転コアを流れる漏れ磁束となるため軸方向に作用する磁界は極度に弱まり、回転体は自重により落下し、ベアリング等にタッチダウンする。
【００１８】
また、電磁石が環状であり、永久磁石も同様に環状に形成される。このため、電磁石及び磁性体部には永久磁石を介し閉磁路が形成され、半径方向にも復元力を有することができる。このことにより、回転体が半径方向にずれたときにも復元力が働くので半径方向への支持が可能になる。
【００１９】
更に、本発明（請求項２）は、請求項１に記載された磁気軸受装置を搭載した縦型の固液分離機であって、前記回転体が内筒であり、該内筒の内側に該内筒とは異なる速度にて駆動されるスクリューを備え、該スクリューを貫通する貫通穴を通じて流入した固体及び液体の混合原液が前記内筒と前記スクリューの間に回転しつつ通されることで固体と液体とが分離されることを特徴とする。
【００２０】
内筒の内部を流れる原液が磁性体の場合、原液が磁気軸受付近を通過する際に磁気軸受が作る磁場により影響を受ける恐れがある。しかしながら、本磁気軸受を搭載した固液分離機においては、運転中には磁束は閉磁路を流れ、一方、停止のときには永久磁石の磁界の大部分が比透磁率の高い材質からなる回転コアを流れる漏れ磁束となるため外部に対し磁場の影響を与えることがない。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように本発明によれば、回転コアに配設され軸方向に磁極を有する永久磁石と、この永久磁石と対峙して固定子コアに配設され軸方向に磁極を有し回転軸回りに均等配設された複数の電磁石とを備えて構成したので、軸方向に作用する起磁力を所望としている起磁力の大きさに調整できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施形態である固液分離機の磁気軸受周辺の概念構成図
【図２】固定子コアの下面の様子
【図３】回転子コアの上面の様子
【図４】簡易モデルの固定子側の断面図
【図５】簡易モデルの回転子側の断面図
【図６】シミュレーションに用いた材料及び仕様
【図７】シミュレーションの解析結果
【図８】本発明の第２実施形態である固液分離機の磁気軸受周辺の概念構成図
【図９】簡易モデルの固定子側の断面図
【図１０】簡易モデルの回転子側の断面図
【図１１】シミュレーションの解析結果
【図１２】シミュレーションの解析結果
【図１３】永久磁石を回転子コアに対し配設しなかった場合
【図１４】永久磁石を回転子コアに対し配設した場合（その１）
【図１５】永久磁石を回転子コアに対し配設した場合（その２）
【図１６】磁束密度とアキシャル方向電磁力の解析を行った地点
【図１７】磁性体の表面の磁束密度と電磁石電流との関係（永久磁石を配設した場合と配設しない場合）
【図１８】回転子コア内の磁束密度と電磁石電流との関係（永久磁石を配設した場合と配設しない場合）
【図１９】アキシャル方向電磁力と電磁石電流との関係（永久磁石を配設した場合と配設しない場合）
【図２０】本発明の第３実施形態である固液分離機の磁気軸受周辺の概念構成図
【図２１】電磁石電流とアキシャル方向の電磁力の関係を有限要素法により解析した結果
【図２２】電磁力一定時のギャップ長と電磁石電流の関係
【図２３】固液分離機（横型）の概念図
【図２４】固液分離機（縦型）の概念図
【図２５】縦型固液分離機の構造
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の第１実施形態である固液分離機２００の磁気軸受周辺の概念構成図を図１に示す。図１において、外筒２１の内壁には外筒２１の上端面２７と平行に固定子コア２９が環状に内側に向けて突設されている。
【００２４】
そして、この固定子コア２９の下面には、図２に示すように４つの電磁石３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ、３３Ｄ及びギャップセンサ３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ、３４Ｄが配設されている。電磁石３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ、３３Ｄは上側がＮ極、下側がＳ極に励磁されるようになっている。
【００２５】
また、内筒２５の中央部付近には回転子コア３５が周状に突設されている。そして、この回転子コア３５の上面には図３に示すように中空環状の永久磁石３７が固着されている。永久磁石３７は上側がＮ極、下側がＳ極に着磁されている。内筒２５は、回転軸を中心に回転するようになっている。また、外筒２１の上端面と内筒２５の外周壁との間にはタッチダウンベアリング２３が環状に介設されている。
【００２６】
次に、本発明の第１実施形態の動作を説明する。
ギャップセンサ３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ、３４Ｄで回転子コア３５までの軸方向の距離（ギャップ）を測る。そして、この計測した距離が所望の値となるように電磁石３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ、３３Ｄに流す電流を変化させる。このことより、運転中の軸方向位置を調整可能である。
【００２７】
なお、図１中には点線で磁束の方向を示している。磁束は、永久磁石３７と電磁石３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ、３３Ｄとにより発生し、一方のルートは外筒２１を通る磁路により形成され、他方のルートは内筒２５を通る磁路により形成される。
【００２８】
このため、電磁石磁束、永久磁石磁束ともに漏れ磁束が少ない。電磁石３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ、３３Ｄの電源が入っているときには所定の剛性を維持でき、電源が切られた際には自重により内筒２５は落下し、タッチダウンベアリング２３にタッチダウンする。
【００２９】
ここに、軸方向にどの程度の起磁力を発生可能かシミュレーションを行った。シミュレーションは、磁気軸受のモデリングと電磁力解析に有限要素法解析ソフトを用いた。基本となる簡易モデルの固定子側の図面を図４に、回転子側の図面を図５に、シミュレーションに用いた材料及び仕様を図６に示す。
【００３０】
なお、図４に示すように、固定子コア２９には電磁石鉄心２９ａが４箇所突設され、その周囲にコイルが巻かれて電磁石３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ、３３Ｄが形成されている。しかしながら、この電磁石は４個とは限らず、２個若しくは３個等とされてもよい。ギャップセンサ３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ、３４Ｄも電磁石に合わせて４個配置したが、Ｘ軸方向に一つＹ軸方向に一つ配設されるようにしてもよい。
【００３１】
電磁石３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ、３３Ｄは有効ギャップ断面積を広く取れるため、アキシャル電磁力が大きい。
このように電磁石を複数個に分割することでアキシャル方向位置制御に加えて、傾き制御も可能である。
【００３２】
解析結果を図７に示す。このことより、電流６（Ａ）程度を流せば軸方向に作用する起磁力が所望としている起磁力７０００（Ｎ）を超えることが分かる。
【００３３】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
本発明の第２実施形態である固液分離機３００の磁気軸受周辺の概念構成図を図８に示す。なお、図１と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。図８において、固定子コア２９の下面には２つの電磁石鉄心２９ａ、２９ｂが突設されている。
【００３４】
そして、この２つの電磁石鉄心２９ａ、２９ｂの間に一つの環状スロット４９が形成されている。そして、この環状スロット４９と電磁石鉄心２９ａの内側及び環状スロット４９と電磁石鉄心２９ｂの外側とにそれぞれ巻線を配設する。磁束の方向は図８に示す通り電磁石鉄心２９ａについては上向きであり、電磁石鉄心２９ｂについては下向きである。
【００３５】
その結果、この環状スロット４９を挟んだ形で回転軸を中心として環状に電磁石４３、４５が形成される。一方、回転子コア３５の上面には、この電磁石鉄心２９ａ、２９ｂに対峙するように回転軸を中心として環状に磁性体５１、５３が突設されている。
【００３６】
そして、この磁性体５１、５３の間に環状の永久磁石５５が固着されている。永久磁石５５は径方向に設置され内側がＮ極、外側がＳ極に構成されている。即ち、永久磁石５５の磁極の向きは電磁石４３、４５の鉄心コア２９ａ、２９ｂの突設方向に対し直角に配設されている。
【００３７】
次に、本発明の第２実施形態の動作を説明する。
ギャップセンサ４４で回転子コア３５までの軸方向の距離（ギャップ）を測る。そして、この計測した距離が所望の値となるように電磁石４３、４５に流す電流を変化させる。
【００３８】
このことにより、運転中の軸方向位置を調整可能である。なお、図８中には点線で磁束の方向を示している。磁束は、永久磁石５５と電磁石４３、４５とにより生成され、固定子コア２９及び磁性体５１、５３を通り閉磁路が形成される。回転子コア３５は電磁鋼板で形成されており、比透磁率が高いため磁束が通り易くなっている。ここに、回転子コア３５は電磁鋼板に限らず、炭素鋼であってもよい。比透磁率は７０００以上であることが望ましい。
【００３９】
電磁石４３、４５に流れる電流を切ると閉磁路を流れていた電磁石４３、４５による磁束は消滅する。このとき、軸方向に作用する磁界は極度に弱まり、内筒２５は自重により落下し、タッチダウンベアリング２３にタッチダウンする。
【００４０】
ここに、特許文献２や特許文献３に開示のある方法では、永久磁石の磁極の向きと電磁石の鉄心コアの向きとが一致しているため、電磁石の電流を切った後でも永久磁石の磁界が直接電磁石の鉄心コアに作用し続け吸引力があまり消滅しない。このため、内筒２５をタッチダウンベアリング２３にタッチダウンさせることはできない。
【００４１】
また、電磁石４３、４５が環状であり、断面が図８に示すようにコの字状であり、これに対峙する磁性体５１、５３及び永久磁石５５も同様に環状に形成され、断面が図８に示すようにコの字状である。このため、電磁石４３、４５及び永久磁石５５により発生する磁束は回転子コア３５及び磁性体５１、５３及び固定子コア２９を通り閉磁路が形成されており、半径方向にも復元力を有することができる。このことにより、内筒２５が半径方向にずれたときにも復元力が働くので半径方向への支持が可能になる。なお、電磁石４３、４５の配設方法は環状に限定されるものではなく、電磁石４３、４５を一つの組として回転軸回りに必要組数（例えば図２に示すように４組）配設されてもよい。
【００４２】
更に、内筒２５の内部を流れる原液が磁性体の場合、原液が磁気軸受付近を通過する際に磁気軸受が作る磁場により影響を受ける恐れがある。しかしながら、本実施形態の磁気軸受を搭載した固液分離機３００においては、運転中には磁束は閉磁路を流れ、一方、停止のときには永久磁石５５の磁界の大部分が電磁鋼板を流れる磁束となるため外部に対し磁場の影響を与えることがない。
【００４３】
ここに、第２実施形態の磁気軸受について軸方向にどの程度の起磁力を発生可能かシミュレーションを行った。シミュレーションは、磁気軸受のモデリングと電磁力解析に有限要素法解析ソフトを用いた。基本となる簡易モデルの固定子側の図面を図９に、回転子側の図面を図１０に示す。解析結果を図１１及び図１２に示す。
【００４４】
このことより、電磁石の電流を切ったとき、即ち電流値０（Ａ）のときに軸方向に働く電磁力が７５０（Ｎ）程度と小さいため内筒２５をタッチダウンベアリング２３にタッチダウンさせることができる。更に、図１２より半径方向にも十分な大きさの復元力を作用させることができることが分かる。
【００４５】
次に、本実施形態のように永久磁石５５を回転子コア３５に対し水平に配設したことによる利点について説明する。
【００４６】
仮に、この永久磁石５５が配設されなかった場合には、図１３に示すように、電磁石磁束により回転子コア３５内が磁気飽和すると、アキシャル（軸）方向電磁力も飽和してしまう。このため、大きな電磁力を得るには、回転子コア３５を厚くしなければならず、磁気軸受が大型化し好ましくない。
【００４７】
これに対し、永久磁石５５を回転子コア３５に対し水平に配設した場合であって、かつ電磁石４３、４５に対し、電流を流さなかったときには、永久磁石５５の磁束が図１４のように通過する。即ち、永久磁石５５の磁束は主磁路を通る一方で永久磁石５５の漏れ磁束が主磁路とは別に回転子コア３５内を通っている。
【００４８】
そして、次に電磁石４３、４５に対し、電流を流した場合には、図１５に示すように電磁石磁束が発生し、この電磁石磁束は透磁率の低い永久磁石５５を通らず回転子コア３５内を通過するため、この回転子コア３５内では、電磁石磁束が永久磁石５５の漏れ磁束と相殺される形になる。このように、永久磁石５５の漏れ磁束が主磁路と逆方向に通過していたため、磁気飽和しにくい。
【００４９】
そして、電磁石磁束が大きくなるに連れ、永久磁石５５の漏れ磁束分は次第に無くなり、この漏れ磁束が主磁路へ流れるようになる。
このことにより、回転子コア３５は薄くでき、磁気軸受の小型、軽量化につながる。また、高ギャップ磁束密度となるため、高電磁力を発生できる。
【００５０】
次に、上記永久磁石５５を配設したことに伴う効果を立証するため電磁界解析を行った。図１６に示すように、磁性体５１、５３の表面（図中（イ）と示す）と、回転子コア３５内（図中（ロ）と示す）の２箇所の磁束密度とアキシャル方向電磁力を解析により求めた。
【００５１】
図１７には、磁性体５１、５３の表面の磁束密度と電磁石電流との関係を、永久磁石（図中、ＰＭと略す）を配設した場合と配設しない場合について示す。即ち、永久磁石５５を配設しなかった場合には、電流３Ａ付近で磁気飽和の兆候が現れている。一方、永久磁石５５を配設した場合には、電流９Ａでも磁気飽和の兆候が見られない。
【００５２】
また、図１８には、回転子コア内の磁束密度と電磁石電流との関係を、永久磁石を配設した場合と配設しない場合について示す。即ち、図１７の場合と同様、永久磁石５５を配設しなかった場合には、電流３Ａ付近で磁気飽和の兆候が現れている。一方、永久磁石５５を配設した場合には、電流９Ａでも磁気飽和の兆候が見られない。但し、電流０Ａのときに磁束密度が負になっているのは、永久磁石５５の漏れ磁束の存在によるためである。
【００５３】
更に、図１９には、アキシャル方向電磁力と電磁石電流との関係を、永久磁石を配設した場合と配設しない場合について示す。即ち、図１７で、永久磁石５５を配設しなかった場合に電流９Ａのときに０．５８Ｔ程度であるのに対し、永久磁石５５を配設した場合には０．８３Ｔに達し、その結果、アキシャル方向電磁力は図１９に示すように約４２００Ｎから７２００Ｎに増加することが分かる。
【００５４】
次に、本発明の第３実施形態について説明する。
本発明の第３実施形態である固液分離機４００の磁気軸受周辺の概念構成図を図２０に示す。なお、図１、図８と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。図２０において、固定子コア２９の下面には回転軸を中心として環状に３つの電磁石鉄心２９ａ、２９ｂ、２９ｃが突設されている。
【００５５】
そして、この３つの電磁石鉄心２９ａ、２９ｂ、２９ｃの間に二つの環状スロット６１、６３が形成されている。そして、この環状スロット６１、６３と電磁石鉄心２９ａの内側及び電磁石鉄心２９ｃの外側とにそれぞれ巻線を配設することで電磁石を構成する。電流の方向は図２０に示す通りである。
【００５６】
一方、回転子コア３５の上面には、この電磁石鉄心２９ａ、２９ｂ、２９ｃに対峙するように環状に磁性体７１、７３、７５が突設されている。そして、この磁性体７１、７３、７５の間に永久磁石８５、８７が固着されている。永久磁石８５は水平方向に設置され内側がＳ極、外側がＮ極に構成されている。永久磁石８７も同様に水平方向に設置されるが、永久磁石８５とは異なり内側がＮ極、外側がＳ極に構成されている。
【００５７】
かかる構成において、永久磁石８５、８７のＮ極から発した磁束は磁性体７３を通り電磁石鉄心２９ｂを通った後分岐し、それぞれ電磁石鉄心２９ａと電磁石鉄心２９ｃとを通る。その後、電磁石鉄心２９ａを通った磁束は磁性体７１を介して永久磁石８５のＳ極に戻る。電磁石鉄心２９ｃを通った磁束は磁性体７５を介して永久磁石８７のＳ極に戻る。
【００５８】
ここに、電磁石鉄心２９ａ、２９ｂ、２９ｃの面積及び磁性体７１、７３、７５の面積が増加することで軸方向の電磁力はこの面積比分増加する。また、電磁石鉄心２９ａ、２９ｂ、２９ｃの周囲及び磁性体７１、７３、７５の周囲には第２実施形態に比べより多くの磁束を生じており、半径方向にも一層強い復元力を有することができる。このため、内筒２５が半径方向にずれたときにもこの復元力により半径方向への支持が一層安定する。
【００５９】
また、電磁石に流れる電流を切ると閉磁路を流れていた電磁石による磁束は消滅する。このとき、軸方向に作用する磁界は極度に弱まり、内筒２５は自重により落下し、タッチダウンベアリング２３にタッチダウンする。
【００６０】
更に、本実施形態の磁気軸受を搭載した固液分離機４００においては、第２実施形態と同様に磁束は閉磁路を流れるため外部に対し磁場の影響を与えることがない。このため、内筒２５の内部を流れる原液が磁性体の場合であっても磁場により影響を与えることはない。
【００６１】
なお、本実施形態では環状スロットの数を２つとしたが、この数に限定するものではない。
【実施例１】
【００６２】
なお、本発明の第２実施形態である固液分離機３００の磁気軸受については試作を行い、以下の通り磁気支持特性の測定と評価を行った。
まず、電磁石４３、４５を一つの組として回転軸回りに４組配設した。そして、磁気軸受の制御に必要な巻線の時定数を得るため、巻線抵抗とインダクタンスを測定した。表１、２に巻線抵抗、インダクタンスの測定結果をそれぞれ示す。
【００６３】
【表１】
【００６４】
【表２】
【００６５】
なお、インダクタンスについては、有限要素法による電磁界解析結果も併せて示した。抵抗、インダクタンスともに４つの電磁石でほぼ平衡が取れている。また、インダクタンスの実測値は解析値に比べ９％程度小さいが、これは漏れ磁束の影響によるものと思われる。
【００６６】
ギャップセンサ４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ、４４Ｄを各電磁石の組に対しそれぞれ１個ずつ合計４個取り付け、磁気浮上試験を行った。実験は無荷重で行い、その際の回転浮上部の重量は１，５００Ｎであった。静止浮上時はギャップ２．５ｍｍ、電磁石電流３Ａで安定に磁気支持できることを確認した。
【００６７】
図２１はギャップ長をパラメータにして、電磁石電流とアキシャル方向の電磁力の関係を有限要素法により解析した結果である。また、図２２は電磁力１，５００Ｎ（一定）時のギャップ長と電磁石電流の関係である。ギャップ２．５ｍｍのとき必要な電磁石電流は３Ａであり、実測値は解析値によく一致した。
【００６８】
次にモータを使って外部駆動によりベルト伝達で磁気軸受回転部を回転させ、回転浮上試験を行った。回転部は回転速度０−３００ｒ／ｍｉｎの範囲でタッチダウンせず安定に支持できることを確認した。
【符号の説明】
【００６９】
１ 外筒
５ 、２５ 内筒
６ 分流リブ板
７ スクリューコンベアー
９ 通路
１１ 貫通穴
１３ フィード口
１７ 排出口
２１ 外筒
２３ タッチダウンベアリング
２９ 固定子コア
３３、４３ 電磁石
３４、４４ ギャップセンサ
３５ 回転子コア
３７、５５、８５、８７ 永久磁石
４９、６１ 環状スロット
５１、７１、７３、７５ 磁性体
２００ 、３００、４００固液分離機
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸を中心に回転する回転体に形成され比透磁率の高い材質からなる回転コアと、
該回転コアに対し前記回転軸を中心に環状に形成された複数の磁性体部と、
該磁性体部の間に挟装され、径方向に磁極を有する少なくとも一つの永久磁石と、
前記磁性体部と対峙して環状に配設され前記永久磁石を介し閉磁路が形成されるように軸方向に向けた磁極をそれぞれ有する複数の電磁石と、
該電磁石が取り付けられた固定子コアと、
前記回転体の軸方向位置を検出する位置センサと、
該位置センサで検出した位置信号に基づき前記回転体の軸方向の位置を調整する軸方向位置調整手段とを備えたことを特徴とする磁気軸受装置。
【請求項２】
請求項１に記載された磁気軸受装置を搭載した縦型の固液分離機であって、
前記回転体が内筒であり、該内筒の内側に該内筒とは異なる速度にて駆動されるスクリューを備え、
該スクリューを貫通する貫通穴を通じて流入した固体及び液体の混合原液が前記内筒と前記スクリューの間に回転しつつ通されることで固体と液体とが分離されることを特徴とする固液分離機。
【請求項１】
回転軸を中心に回転する回転体に形成され比透磁率の高い材質からなる回転コアと、
該回転コアに対し前記回転軸を中心に環状に形成された複数の磁性体部と、
該磁性体部の間に挟装され、径方向に磁極を有する少なくとも一つの永久磁石と、
前記磁性体部と対峙して環状に配設され前記永久磁石を介し閉磁路が形成されるように軸方向に向けた磁極をそれぞれ有する複数の電磁石と、
該電磁石が取り付けられた固定子コアと、
前記回転体の軸方向位置を検出する位置センサと、
該位置センサで検出した位置信号に基づき前記回転体の軸方向の位置を調整する軸方向位置調整手段とを備えたことを特徴とする磁気軸受装置。
【請求項２】
請求項１に記載された磁気軸受装置を搭載した縦型の固液分離機であって、
前記回転体が内筒であり、該内筒の内側に該内筒とは異なる速度にて駆動されるスクリューを備え、
該スクリューを貫通する貫通穴を通じて流入した固体及び液体の混合原液が前記内筒と前記スクリューの間に回転しつつ通されることで固体と液体とが分離されることを特徴とする固液分離機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【公開番号】特開２０１２−２５１６６２（Ｐ２０１２−２５１６６２Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１９３１２８（Ｐ２０１２−１９３１２８）
【出願日】平成２４年９月３日（２０１２．９．３）
【分割の表示】特願２００８−２１５０７５（Ｐ２００８−２１５０７５）の分割
【原出願日】平成２０年８月２５日（２００８．８．２５）
【出願人】（８０３０００１１５）学校法人東京理科大学 (545)
【出願人】（５０１３４４３４８）株式会社シーエムエス (3)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年９月３日（２０１２．９．３）
【分割の表示】特願２００８−２１５０７５（Ｐ２００８−２１５０７５）の分割
【原出願日】平成２０年８月２５日（２００８．８．２５）
【出願人】（８０３０００１１５）学校法人東京理科大学 (545)
【出願人】（５０１３４４３４８）株式会社シーエムエス (3)
【Ｆターム（参考）】
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