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図面 (9)

課題

構造の簡素化、コスト低減が可能で、かつ回転体を短くして、その固有振動数を高めることができる磁気軸受装置を提供する。

解決手段

磁気軸受装置は、ハウジング1に対して回転体2を非接触支持する複数組磁気軸受3、4、5と、回転体2を回転駆動する内蔵型ブラシレスDCモータ6とを備えている。回転体2の下端面2aに対向するハウジング1の回転体2と同心の1つの円周上に、回転体2の対向面との距離によって大きさが変化する信号を出力する複数の回転センサ23、24が円周方向に等間隔をおいて配置されている。回転体2の下端面2aの上記円周に対応する位置に、凹部よりなる1つの被検出部26が形成されている。回転センサ23、24の出力信号に基づいて、回転体2の回転位置の検出と回転数の検出が行われる。

概要

背景

磁気軸受装置複数組磁気軸受により回転体を固定部分に対して非接触支持するものであり、回転体の回転駆動ブラシレスDCモータを用いるものが知られている。ブラシレスDCモータは、基本的には、永久磁石界磁同期モータ回転子位置検出部および駆動回路インバータなど)の3つの部分から構成されている。永久磁石界磁同期モータは、複数相(通常は3相)の電機子巻線を備えた固定子と、永久磁石を用いた回転子とからなり、固定子は磁気軸受装置の固定部分に設けられ、回転子は磁気軸受装置の回転体に一体に設けられる。そして、電機子電流を制御するために、回転子位置検出部により回転子すなわち回転体の回転位置を検出することが必要である。回転子位置検出部には、通常、光電素子ホール素子が用いられる。また、磁気軸受装置には、回転体の速度制御のために、モータの回転子位置検出部とは別に、回転体の回転数を検出する回転数検出装置が設けられる。

一方、磁気軸受装置の回転体は非常に高い回転数で回転駆動されるため、回転体を可能な限り短くして、回転体の曲げ固有振動数を高め、最高回転数を上げるとともに、定常回転数領域の自由度を増して、回転安定性を高めることが要求される。なお、回転体の曲げ固有振動数と定常回転数とが離れている方が回転の安定度が増す。

ところが、従来の磁気軸受装置では、上記のように、回転体の回転数検出装置とブラシレスDCモータの回転子位置検出部が必要であり、そのため、構造が複雑で、コストが高くなり、さらに、これらのために回転体の長さが長くなり、その曲げ固有振動数が低下するという問題がある。

概要

構造の簡素化、コスト低減が可能で、かつ回転体を短くして、その固有振動数を高めることができる磁気軸受装置を提供する。

磁気軸受装置は、ハウジング1に対して回転体2を非接触支持する複数組の磁気軸受3、4、5と、回転体2を回転駆動する内蔵型ブラシレスDCモータ6とを備えている。回転体2の下端面2aに対向するハウジング1の回転体2と同心の1つの円周上に、回転体2の対向面との距離によって大きさが変化する信号を出力する複数の回転センサ23、24が円周方向に等間隔をおいて配置されている。回転体2の下端面2aの上記円周に対応する位置に、凹部よりなる1つの被検出部26が形成されている。回転センサ23、24の出力信号に基づいて、回転体2の回転位置の検出と回転数の検出が行われる。

目的

この発明の目的は、上記の問題を解決し、構造の簡素化、コスト低減が可能で、かつ回転体を短くして、その固有振動数を高めることができる磁気軸受装置を提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
3件

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請求項1

固定部分に対して回転体非接触支持する複数組磁気軸受と、回転体を回転駆動する内蔵型ブラシレスDCモータとを備えている磁気軸受装置において、回転体の一端面に対向する固定部分の回転体と同心の1つの円周上に、回転体の対向面との距離によって大きさが変化する信号を出力する複数の回転センサが円周方向に等間隔をおいて配置され、回転体の上記端面の上記円周に対応する位置に、凹部または凸部よりなる1つの被検出部が形成されており、回転センサの出力信号に基づいて回転体の回転位置の検出と回転数の検出が行われることを特徴とする磁気軸受装置。

請求項2

固定部分に対して回転体を非接触支持する複数組の磁気軸受と、回転体を回転駆動する内蔵型ブラシレスDCモータとを備えている磁気軸受装置において、回転体の一端面の回転体と同心の1つの円周上に、凹部または凸部よりなる複数の被検出部が円周方向に等間隔をおいて形成され、回転体の上記端面に対向する固定部分の上記円周に対応する位置に、回転体の対向面との距離によって大きさが変化する信号を出力する1つの回転センサが配置されており、回転センサの出力信号に基づいて回転体の回転位置の検出と回転数の検出が行われることを特徴とする磁気軸受装置。

技術分野

0001

この発明は、回転体を内蔵型ブラシレスDCモータ回転駆動する磁気軸受装置に関する。

背景技術

0002

磁気軸受装置は複数組磁気軸受により回転体を固定部分に対して非接触支持するものであり、回転体の回転駆動にブラシレスDCモータを用いるものが知られている。ブラシレスDCモータは、基本的には、永久磁石界磁同期モータ回転子位置検出部および駆動回路インバータなど)の3つの部分から構成されている。永久磁石界磁同期モータは、複数相(通常は3相)の電機子巻線を備えた固定子と、永久磁石を用いた回転子とからなり、固定子は磁気軸受装置の固定部分に設けられ、回転子は磁気軸受装置の回転体に一体に設けられる。そして、電機子電流を制御するために、回転子位置検出部により回転子すなわち回転体の回転位置を検出することが必要である。回転子位置検出部には、通常、光電素子ホール素子が用いられる。また、磁気軸受装置には、回転体の速度制御のために、モータの回転子位置検出部とは別に、回転体の回転数を検出する回転数検出装置が設けられる。

0003

一方、磁気軸受装置の回転体は非常に高い回転数で回転駆動されるため、回転体を可能な限り短くして、回転体の曲げ固有振動数を高め、最高回転数を上げるとともに、定常回転数領域の自由度を増して、回転安定性を高めることが要求される。なお、回転体の曲げ固有振動数と定常回転数とが離れている方が回転の安定度が増す。

0004

ところが、従来の磁気軸受装置では、上記のように、回転体の回転数検出装置とブラシレスDCモータの回転子位置検出部が必要であり、そのため、構造が複雑で、コストが高くなり、さらに、これらのために回転体の長さが長くなり、その曲げ固有振動数が低下するという問題がある。

発明が解決しようとする課題

0005

この発明の目的は、上記の問題を解決し、構造の簡素化、コスト低減が可能で、かつ回転体を短くして、その固有振動数を高めることができる磁気軸受装置を提供することにある。

0006

請求項1の磁気軸受装置は、固定部分に対して回転体を非接触支持する複数組の磁気軸受と、回転体を回転駆動する内蔵型ブラシレスDCモータとを備えている磁気軸受装置において、回転体の一端面に対向する固定部分の回転体と同心の1つの円周上に、回転体の対向面との距離によって変化する信号を出力する複数の回転センサが円周方向に等間隔をおいて配置され、回転体の上記端面の上記円周に対応する位置に、凹部または凸部よりなる1つの被検出部が形成されており、回転センサの出力信号に基づいて回転体の回転位置の検出と回転数の検出が行われることを特徴とするものである。

0007

回転センサの数は、ブラシレスDCモータの電機子巻線の相数と等しい。

0008

回転体が回転すると、1回転の間に、回転体側の被検出部が固定部分側の複数の回転センサに順に1回ずつ対向する。被検出部は凹部または凸部よりなるので、回転センサが回転体の端面の被検出部に対向しているときとそれ以外の部分に対向しているときとで、回転センサと回転体の対向面との距離が変わり、それによって回転センサの出力信号の大きさが変わる。したがって、回転体すなわち回転子の回転位置に対応して、各回転センサの出力信号の大きさが変化し、それに基づいて回転子の回転位置を検出することができる。また、回転体が1回転するたびに、各回転センサの出力信号の大きさが1回ずつ変化するので、これに基づいて回転体の回転数を検出することができる。すなわち、回転センサの出力を用いて、回転子の回転位置の検出と回転体の回転数の検出の両方ができる。したがって、構造の簡素化およびコスト低減が可能である。しかも、回転体の端面に対向するように、空きスペースである軸端に回転センサが配置されているので、回転体を短くして、その曲げ固有振動数を高めることができる。そして、曲げ固有振動数を高くすることにより、回転体の最高回転数を高め、定常回転数領域の自由度を大きくして、回転安定性を良くすることができる。

0009

請求項2の磁気軸受装置は、固定部分に対して回転体を非接触支持する複数組の磁気軸受と、回転体を回転駆動する内蔵型ブラシレスDCモータとを備えている磁気軸受装置において、回転体の一端面の回転体と同心の1つの円周上に、凹部または凸部よりなる複数の被検出部が円周方向に等間隔をおいて形成され、回転体の上記端面に対向する固定部分の上記円周に対応する位置に、回転体の対向面との距離によって大きさが変化する信号を出力する1つの回転センサが配置されており、回転センサの出力信号に基づいて回転体の回転位置の検出と回転数の検出が行われることを特徴とするものである。

0010

被検出部の数は、ブラシレスDCモータの電機子巻線の相数と等しい。また、1つの被検出部について、回転センサからその被検出部の回転センサとの対向面までの距離が他の被検出部のそれと異なるようにする。

0011

回転体が回転すると、1回転の間に、回転体側の複数の被検出部が1回ずつ順に固定部分側の回転センサに対向する。被検出部は凹部または凸部よりなるので、回転センサが回転体の端面の被検出部に対向しているときとそれ以外の部分に対向しているときとで、回転センサと回転体の対向面との距離が変わり、それによって回転センサの出力信号の大きさが変わる。したがって、回転体が1回転する間に、回転センサの出力の大きさが3回変化する。また、1つの被検出部の回転センサとの対向面から回転センサまでの距離が他の被検出部のそれと異なっているので、この被検出部が回転センサに対向したときの回転センサの出力信号の大きさは、他の被検出部が回転センサに対向したときの回転センサの出力信号の大きさと異なる。したがって、この1つの被検出部を基準として、回転子の回転位置を検出することができる。また、回転体が1回転するたびに、回転センサの出力信号の大きさが3回変化するので、これに基づいて回転体の回転数を検出することができる。すなわち、回転センサの出力を用いて、回転子の回転位置の検出と回転体の回転数の検出の両方ができる。したがって、構造の簡素化およびコスト低減が可能である。しかも、回転体の端面に対向するように、空きスペースである軸端に回転センサが配置されているので、回転体を短くして、その曲げ固有振動数を高めることができる。そして、曲げ固有振動数を高くすることにより、回転体の最高回転数を高め、定常回転数領域の自由度を大きくして、回転安定性を良くすることができる。

発明を実施するための最良の形態

0012

以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。

0013

図1図4は第1実施形態を示し、図1は磁気軸受装置の全体構成を概略的に示している。

0014

図1に示すように、磁気軸受装置は、固定部分を構成する有底鉛直円筒状ハウジング(1)に対して鉛直軸状の回転体(2)を非接触支持する1組のアキシアル磁気軸受(3)および上下2組のラジアル磁気軸受(4)(5)、ならびに回転体(2)を回転駆動する内蔵型ブラシレスDCモータ(6)を備えている。

0015

回転体(2)は、ハウジング(1)内の中心に同心状に配置されている。ハウジング(1)の上部外側に底部が開口した筒状体(7)が同心状に配置されており、筒状体(7)の頂壁内面中心部が回転体(2)の上端に固定されている。そして、筒状体(7)は、回転体(2)と一体となって回転する。

0016

アキシアル磁気軸受(3)は回転体(2)のフランジ状の部分をアキシアル方向(上下方向)の両側から挟むように配置されてこの部分をアキシアル方向の両側に磁気吸引する上下1対の電磁石(8)(9)を備え、ハウジング(1)の底壁(1a)内面に設けられたアキシアル変位センサ(10)の出力に基づいて電磁石(8)(9)の励磁電流を制御することにより、回転体(2)がアキシアル方向の所定位置に支持される。各ラジアル磁気軸受(4)(5)は回転体(2)の外周のターゲットの部分を互いに直交する2つのラジアル方向(水平方向)の両側から挟むように配置されてターゲットの部分を各ラジアル方向の両側に磁気吸引する2対の電磁石(11)(12)(13)(14)を備えハウジング(1)の周壁(1b)内面に設けられたラジアル変位センサ(15)(16)(17)(18)の出力に基づいて電磁石(11)〜(14)の励磁電流を制御することにより、回転体(2)がラジアル方向の所定位置に支持される。なお、磁気軸受(3)(4)(5)については、公知の構成を採用しうるので、詳細な説明は省略する。

0017

ブラシレスDCモータ(6)の電気的構成の1例が図3に示されている。

0018

このモータ(6)は、固定子(19)、回転子(20)、回転検出装置(21)および駆動回路(22)を備えている。

0019

固定子(19)はハウジング(1)の周壁(1b)内面に固定され、回転子(20)は固定子(19)の内側の回転体(2)の外周に固定されている。詳細な図示は省略したが、固定子(19)には、複数相(この例では3相)の電機子巻線が設けられている。回転子(20)には、1つの直径方向の両端に磁極を有する環状の永久磁石が用いられている。固定子(19)および回転子(20)は、公知の永久磁石界磁同期モータのそれと同じ構成を有する。

0020

回転検出装置(21)は、回転子(20)の回転位置検出と回転体(2)の回転数検出とを行うためのものである。つまり、回転検出装置(21)は、従来の回転子位置検出部と回転数検出装置とを兼ねるものであって、たとえば次のように構成されている。

0021

回転体(2)の下端面(2a)が図2に示されている。回転体(2)の下端部は導電性材料よりなるターゲットとなっており、その下端面(2a)に対向するハウジング(1)の底壁(1a)内面に複数個(この例では3個)の回転センサ(23)(24)(25)が固定されている。ターゲットは、適当な材料よりなる回転体(2)の下端に導電性材料を固定することにより形成してもよいし、導電性材料よりなる回転体(2)の下端部に一体に形成してもよい。回転センサ(23)〜(25)は、回転体(2)と同心の1つの円周上に円周方向に等間隔(120°)をおいて配置されている。各回転センサ(23)〜(25)は、回転体(2)の対向面との距離によって大きさが変化する信号を出力するものであり、たとえば公知の渦電流式変位センサが用いられる。回転体(2)の下端面(2a)の上記円周に対応する位置に、1つの被検出部(26)が形成されている。この例では、端面(2a)に一定深さの凹部を形成することにより、被検出部(26)が形成され、その底面が各回転センサ(23)〜(25)に対向する被検出面(26a)となっている。

0022

駆動回路(22)は、回転検出装置(21)の出力信号に基づいて固定子(19)の電機子巻線の電機子電流を制御することにより、モータ(6)の回転を制御するものである。

0023

回転体(2)が回転すると、1回転の間に、被検出部(26)が3個の回転センサ(23)〜(25)に1回ずつ対向する。各回転センサ(23)〜(25)は、被検出部(26)と対向している間は、その被検出面(26a)に対向し、それ以外のときは、回転体(2)の端面(2a)に対向する。そして、被検出部(26)に対向しているときとそれ以外のときとでは、回転センサ(23)〜(25)からその対向面までの距離が異なるので、被検出部(26)に対向しているときには、回転センサ(23)〜(25)の出力信号の大きさは大きく変化する。図4は、3個の回転センサ(23)〜(25)の出力信号の変化の1例を示している。図4において、まず、時点t1において被検出部(26)が第1回転センサ(23)に対向すると、この回転センサ(23)の出力信号が大きく変化する。時点t1から回転体(2)が120°回転した時点t2において被検出部(26)が第2回転センサ(24)に対向すると、この回転センサ(24)の出力信号が大きく変化する。時点t2から回転体(2)がさらに120°回転した時点t3において被検出部(26)が第3回転センサ(25)に対向すると、この回転センサ(25)の出力信号が大きく変化する。時点t1から回転体(2)が1回転した時点t4において、被検出部(26)が再び第1回転センサ(23)に対向し、この回転センサ(23)の出力信号が再び大きく変化する。そして、このように、回転体(2)の回転位置によって、対応する回転センサ(23)〜(25)の出力信号が大きく変化するので、駆動回路(22)において、各回転センサ(23)〜(25)の出力信号の変化を調べることにより、回転体(2)すなわち回転子(20)の回転位置を検出することができ、この回転子(20)の回転位置に基づいて固定子(19)の電機子巻線の電機子電流を制御することにより、回転子(20)を回転駆動することができる。また、回転体(2)が1回転するたびに、各回転センサ(23)〜(25)の出力信号の大きさが1回ずつ変化するので、駆動回路(22)において、いずれかの回転センサ(23)〜(25)の出力信号の変化に基づいて回転体(2)の回転数を検出することができ、これに基づいて回転体(2)の回転数の制御を行うことができる。

0024

上記実施形態では、回転体(2)の端面に凹部を形成することにより被検出部を形成しているが、凸部を形成することにより被検出部を形成することもできる。その場合は、凸状の被検出部の頂面が被検出面となる。

0025

図5図8は、第2実施形態を示している。図5は磁気軸受装置の全体概略構成を示し、第1実施形態と同じ部分には同一の符号を付している。図7は、ブラシレスDCモータ(30)の電気的構成の1例を示している。モータ(30)は、第1実施形態の場合と同様、固定子(19)、回転子(20)、回転検出装置(31)および駆動回路(32)を備えている。

0026

固定子(19)および回転子(20)は、第1実施形態のものと同じ構成を有する。

0027

回転検出装置(31)は回転子(20)の回転位置検出と回転体(2)の回転数検出とを行うためのものであるが、その具体的な構成が第1実施形態の場合異なっている。駆動回路(32)は、回転検出装置(31)の出力信号に基づいて固定子(19)の電機子巻線の電機子電流を制御することにより、モータ(30)の回転を制御するものであるが、その具体的な構成が第1実施形態の場合異なっている。

0028

回転検出装置(31)は、次のように構成されている。

0029

回転体(2)は第1実施形態の場合と同じ構成を有し、その下端面(2a)が図6に示されている。回転体(2)の下端面(2a)の回転体(2)と同心の1つの円周上に、複数(この例では3つ)の被検出部(33)(34)(35)が形成され、回転体(2)の下端面(2a)に対向するハウジング(1)の底壁(1a)内面に、1個の回転センサ(36)が固定されている。回転センサ(36)は、第1実施形態の回転センサ(23)〜(25)と同じものである。各被検出部(33)〜(35)は第1実施形態の被検出部(26)と同じ構成を有し、各被検出部(33)〜(35)の底面がそれぞれ回転センサ(36)に対向する被検出面(33a)(34a)(35a)となっている。回転体(2)の下端面(2a)から被検出面(33a)〜(35a)までの深さは、第2被検出部(34)と第3被検出部(35)については互いに等しいが、第1被検出部(33)についてはこれらと異なっている。したがって、第1被検出部(33)が回転センサ(36)に対向したときの回転センサ(36)から対向面である被検出面(33a)までの距離は、他の被検出部(34)(35)が回転センサ(36)に対向したときの回転センサ(36)から被検出面(34a)(35a)までの距離と異なっている。このため、回転センサ(36)が第1被検出部(33)に対向したときと、他の被検出部(34)(35)に対向したときとでは、回転センサ(36)の出力信号の大きさが異なる。

0030

回転体(2)が回転すると、1回転の間に、3つの被検出部(33)〜(35)が1回ずつ順に回転センサ(36)に対向する。回転センサ(36)は、被検出部(33)〜(35)に対向している間は、その被検出面(33a)〜(35a)に対向し、それ以外のときは、回転体(2)の端面(2a)に対向する。そして、被検出部(33)〜(35)に対向しているときとそれ以外のときとでは、回転センサ(36)からその対向面までの距離が異なるので、被検出部(33)〜(35)に対向しているときには、回転センサ(36)の出力信号の大きさは大きく変化する。図8は、回転センサ(36)の出力信号の変化の1例を示している。図8において、まず、時点t1において第1被検出部(33)が回転センサ(36)に対向すると、回転センサ(36)の出力信号が大きく変化する。時点t1から回転体(2)が120°回転した時点t2において第2被検出部(34)が回転センサ(36)に対向すると、回転センサ(36)の出力信号が大きく変化する。時点t2から回転体(2)がさらに120°回転した時点t3において第3被検出部(35)が回転センサ(36)に対向すると、回転センサ(36)の出力信号が大きく変化する。時点t1から回転体(2)が1回転した時点t4において、第1被検出部(33)が再び回転センサ(36)に対向し、回転センサ(36)の出力信号が再び大きく変化する。また、前述のように、第1被検出部(33)に対向したときの回転センサ(36)の出力信号の大きさは、他の被検出部(34)(35)に対向したときの回転センサ(36)の出力信号の大きさと異なるので、駆動回路(32)において、第1被検出部(33)を基準として、回転センサ(36)の出力信号の変化を調べることにより、回転体(2)すなわち回転子(20)の回転位置を検出することができ、この回転子(20)の回転位置に基づいて固定子(19)の電機子巻線の電機子電流を制御することにより、回転子(20)を回転駆動することができる。また、回転体(2)が1回転するたびに、回転センサ(36)の出力信号の大きさが3回変化するので、駆動回路(32)において、回転センサ(36)の出力信号の変化に基づいて回転体(2)の回転数を検出することができ、これに基づいて回転体(2)の回転数の制御を行うことができる。

0031

回転センサ(36)からこれに対向する被検出部(33)〜(35)の被検出面(33a)〜(35a)までの距離は、各被検出部(33)〜(36)について全て異なるようにすることもできる。

0032

第2実施形態の場合も、回転体(2)の下端面(2a)に凸部を形成することにより被検出部を形成することができる。また、被検出部の一部を凹部で、残りを凸部で形成することもできる。

図面の簡単な説明

0033

図1図1は、この発明の第1実施形態を示す磁気軸受装置の概略縦断面図である。
図2図2は、回転体の底面図である。
図3図3は、ブラシレスDCモータの電気的構成の1例を示すブロック図である。
図4図4は、3個の回転センサの出力信号の1例を示すタイムチャートである。
図5図5は、この発明の第2実施形態を示す磁気軸受装置の概略縦断面図である。
図6図6は、回転体の底面図である。
図7図7は、ブラシレスDCモータの電気的構成の1例を示すブロック図である。
図8図4は、回転センサの出力信号の1例を示すタイムチャートである。

--

0034

(1)ハウジング(固定部分)
(2) 回転体

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