磁悬轴承装置

技术领域

本发明涉及一种能够非接触地支承旋转体的磁悬轴承装置。

背景技术

磁悬轴承装置是通过由电磁线圈发生的磁力使旋转体悬浮的装置。磁悬轴承装置由于能够与旋转体不进行机械接触地支承旋转体，因此不会引起旋转体磨损、摩擦热。因此，磁悬轴承装置适合于对涡轮分子泵的涡轮叶片等进行高速旋转的旋转体进行支承的用途。

图10是表示以往的磁悬轴承装置的一例的示意图。如图10所示，通常，磁悬轴承装置具备沿旋转体500的轴心排列的上部径向磁极501A、501B和下部径向磁极502A、502B。上部径向磁极501A、501B及下部径向磁极502A、502B不仅支承旋转体500的径向载荷，而且还具有调整旋转体500的倾斜度的功能。即，如图11所示，当旋转体500倾斜时，上部径向磁极501A、501B及下部径向磁极502A、502B通过发生不同的磁力引力，从而能够修正旋转体500的倾斜度。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2012-60754号公报

发明要解决的课题

然而，在旋转体500具有扁平形状的情况下，为了修正旋转体500的倾斜度而需要大的磁力引力。即，由于旋转体500的重心O与磁力引力的作用点的距离L较短，因此用于发生所需的磁矩力的磁力引力变大。结果是，使径向磁极501A、501B、502A、502B所需的电力增大。

进而，当旋转体500高速旋转时，旋转体500的整体向其径向外侧膨胀。结果是，旋转体500与径向磁极501A、501B、502A、502B的磁隙增加，而引起磁力引力的下降及控制的不稳定。

而且，虽未图示，但是以往的轴向磁极，是将线圈在由剖面为コ字形的环状的磁性件构成的磁极铁心上卷绕规定的圈数，通过电流在卷线流动而在另行配置于旋转体的磁极靶与磁极铁心之间发生力。但是，当旋转体倾斜时，产生与轴向磁极的间隙近的部位和远的部位，近的部位的力大，远的部位的力弱，因此转子更加趋于倾斜。在重量大的立式的转子中，由于轴向磁力引力大，因此转子倾斜时更加趋于倾斜的力进一步变强，而引起与径向倾斜度控制的干涉。

发明内容

于是，本发明提供一种能够以小的磁力引力来修正旋转体的倾斜度，且能够稳定地支承旋转体的磁悬轴承装置。

用于解决课题的技术手段

在一个形态中，提供一种磁悬轴承装置，用于非接触地支承旋转体，具备：非磁性环，该非磁性环由非磁性材料构成；以及至少三个轴向磁极，该至少三个轴向磁极沿所述非磁性环的周向排列，各轴向磁极具备圆弧状的线圈和收容所述线圈的线圈外壳，所述至少三个轴向磁极固定于所述非磁性环。

在一个形态中，所述线圈外壳具有圆弧状的外壁、圆弧状的内壁及基座板，该外壁卷绕有所述线圈，该内壁配置于所述外壁的内侧，该基座板与所述外壁的上端和所述内壁的上端连接，所述线圈外壳固定于所述非磁性环。

在一个形态中，所述线圈外壳具有从所述内壁向径向内侧突出的凸缘，所述凸缘通过紧固件固定于所述非磁性环。

在一个形态中，与所述线圈连接的电线沿所述凸缘配置。

在一个形态中，所述非磁性环在内周具有至少一个缺口，所述电线穿过所述缺口延伸。

在一个形态中，所述线圈外壳具有圆弧状的内壁、圆弧状的外壁及基座板，该内壁卷绕有所述线圈，该外壁配置于所述内壁的外侧，该基座板与所述外壁的上端和所述内壁的上端连接，所述线圈外壳固定于所述非磁性环。

在一个形态中，所述线圈外壳具有从所述外壁向径向外侧突出的凸缘，所述凸缘通过紧固件固定于所述非磁性环。

在一个形态中，与所述线圈连接的电线沿所述凸缘配置。

在一个形态中，所述非磁性环在外周具有至少一个缺口，所述电线穿过所述缺口延伸。

在一个形态中，所述磁悬轴承装置还具备多个定位销，该定位销对所述非磁性环与各轴向磁极的相对位置进行固定。

在一个形态中，所述磁悬轴承装置还具备模制件，该模制件覆盖所述至少三个轴向磁极的所述线圈。

在一个形态中，所述线圈外壳的上表面是能够与散热部件面接触的平坦面。

发明效果

根据本发明，由各轴向磁极发生的磁力引力的作用点能够从旋转体的重心分离，因此，磁悬轴承装置能够以小的磁力引力来修正旋转体的倾斜度。而且，即使在高速旋转的旋转体向其径向外侧膨胀时，轴向磁极与旋转体的磁隙也不变化。因此，磁悬轴承装置能够稳定地控制旋转体的姿势。

多个轴向磁极固定于单独的非磁性环，这些轴向磁极的相对位置固定。因此，即使在旋转体的大的负荷施加在轴向磁极的情况下，也能够使轴向磁极的位置稳定。结果是，轴向磁极能够正确地控制旋转体的姿势。

附图说明

图1是从上方观察磁悬轴承装置的一个实施方式的立体图。

图2是从下方观察图1所示的磁悬轴承装置的立体图。

图3是图1的A-A线剖面图。

图4是表示线圈的配线的一个实施方式的立体图。

图5是表示包括上述磁悬轴承装置和由磁悬轴承装置支承的旋转体的旋转机械的一个实施方式的示意图。

图6是表示磁悬轴承装置的其他的实施方式剖面图。

图7是表示磁悬轴承装置的又一个其他的实施方式剖面图。

图8是对图7的线圈外壳从其上方观察的俯视图。

图9是表示磁悬轴承装置的又一个其他的实施方式的剖面图。

图10是表示以往的磁悬轴承装置的一例的示意图。

图11是对以往的磁悬轴承装置修正旋转体的倾斜度的样子进行说明的图。

符号说明

1非磁性环

5轴向磁极

7螺钉

10线圈

12线圈外壳

15外壁

16内壁

17基座板

20凸缘

26定位销

28第一孔

29第二孔

32电线

33缺口

40安装罩

42定子

43台阶部

47轴向位移传感器

50磁极控制部

60径向位移传感器

62径向磁极

70模制件

100旋转体

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

图1是从上方观察磁悬轴承装置的一个实施方式的立体图，图2是从下方观察图1所示的磁悬轴承装置的立体图。磁悬轴承装置具备由非磁性材料构成的非磁性环1和沿非磁性环1的周向排列的四个轴向磁极5。作为构成非磁性环1的非磁性材料的例子，可列举奥氏体不锈钢、树脂类的非磁性材料(PTFE(聚四氟乙烯)、纤维强化塑料)等。

各轴向磁极5通过作为多个紧固件的多个螺钉7而以能够装拆的方式固定于非磁性环1。这四个轴向磁极5的相对位置通过单独的非磁性环1固定。各轴向磁极5具备圆弧状的线圈10和收容线圈10的线圈外壳12。线圈外壳12通过上述多个螺钉7固定于非磁性环1。当拆下这些螺钉7时，能够将轴向磁极5的整体从非磁性环1拆下。

在本实施方式中，设置了四个轴向磁极5，但是轴向磁极5的数量不限于本实施方式。从对支承于磁悬轴承装置的旋转体(后述)的倾斜度进行修正的观点出发，设置至少三个轴向磁极5。因此，在其他的实施方式中，也可以设置沿非磁性环1的周向排列的三个轴向磁极5，或者五个或多于五个的轴向磁极5。

各线圈外壳12具有卷绕了线圈10的圆弧状的外壁15、配置在外壁15的内侧的圆弧状的内壁16、及与外壁15的上端和内壁16的上端连接的基座板17。线圈外壳12固定于非磁性环1。更具体而言，线圈外壳12具有从内壁16向径向内侧突出的凸缘20，凸缘20具有沿非磁性环1的圆弧状的形状。凸缘20具有供螺钉7贯通的通孔(未图示)，非磁性环1具有与螺钉7螺合的螺钉孔(未图示)。通过螺钉7与非磁性环1的螺钉孔螺合，从而凸缘20被固定于非磁性环1。

外壁15、内壁16及基座板17由铁等金属构成。在本实施方式中，外壁15、内壁16及基座板17为一体构造物。在一个实施方式中，外壁15、内壁16及基座板17也可以是各自单独的构造体。线圈10卷绕于外壁15的整周，外壁15作为线圈10的铁心发挥功能。内壁16沿外壁15及线圈10的内侧延伸。外壁15与内壁16之间的径向间隙恒定，外壁15和内壁16的双方沿线圈10的弯曲形状弯曲。线圈10与基座板17接触，在线圈10发生的热传递到基座板17，通过从基座板17将热放出从而能够对线圈10进行冷却。

四个轴向磁极5沿非磁性环1的周向按等间隔排列。轴向磁极5空开间隙排列。即，相邻的两个轴向磁极5彼此分离，从而难以引起轴向磁极5彼此的磁力干涉。四个轴向磁极5固定于非磁性环1，但是由于非磁性环1由非磁性材料构成，因此难以引起轴向磁极5彼此的磁力干涉。

图3是图1的A-A线剖面图。如上所述，线圈外壳12具有卷绕了线圈10的外壁15、配置在外壁15的径向内侧的内壁16、以及与外壁15的上端和内壁16的上端连接的基座板17。外壁15与内壁16并列地排列，与非磁性环1的轴心CL平行地从基座板17向下方突出。外壁15的下端和内壁16的下端向下方露出。当电流在线圈10流动时，发生穿过外壁15和内壁16的磁力。后述的旋转体被该磁力(磁力引力)向上方拉拽。

磁悬轴承装置还具备固定非磁性环1和轴向磁极5的相对位置的多个定位销26。在图3中仅描画了一个定位销26，但是对各轴向磁极5设置了多个定位销26。线圈外壳12具有形成于凸缘20的下表面的第一孔28，非磁性环1具有形成于其上表面的第二孔29。定位销26插入第一孔28及第二孔29的双方。

定位销26对多个轴向磁极5和非磁性环1的相对位置进行固定，由此也固定多个轴向磁极5的相对位置。虽然通过图1所示的作为紧固件的螺钉7将多个轴向磁极5固定于非磁性环1，但是，定位销26能够比螺钉7更加精密地固定多个轴向磁极5的相对位置。因此，轴向磁极5能够正确控制后述的旋转体的姿势。

图4是表示线圈10的配线的一个实施方式的立体图。如图4所示，与线圈10连接的电线32沿线圈外壳12的凸缘20的上表面配置。更具体而言，电线32配置在凸缘20上的空间内。通过本实施方式，不需要设置用于电线32的专用的空间，能够使磁悬轴承装置的结构简化。非磁性环1在其内周具有至少一个缺口33，与线圈10连接的电线32穿过缺口33延伸。在图4中设置了一个缺口33，但是也可以设置多个缺口33。

图5是表示包括参照图1至图4说明了的磁悬轴承装置和通过磁悬轴承装置支承的旋转体100的旋转机械的一个实施方式的示意图。四个轴向磁极5绕旋转体100的轴心RA排列，对旋转体100的轴向的位移及旋转体100的倾斜度进行调整。四个轴向磁极5位于旋转体100的上方，以通过磁力引力来提升旋转体100的方式动作。轴向磁极5未设置在旋转体100的下方。旋转体100通过其自重而向下方位移。磁悬轴承装置不具有配置在旋转体100的下方的轴向磁极，因此能够使磁悬轴承装置的整体紧凑。

旋转体100的具体例子不做特别限定，但是例如可以列举涡轮分子泵的涡轮叶片。图5所示的实施方式的旋转体100是具有比其轴向的尺寸大的直径的扁平型转子。

轴向磁极5和非磁性环1通过夹在安装罩40与定子42的台阶部43之间而固定于定子42。即，安装罩40通过未图示的螺钉固定在定子42的上表面，固定于轴向磁极5的非磁性环1通过安装罩40被按压在定子42的台阶部43。但是，轴向磁极5和非磁性环1向定子42的安装不限于本实施方式。

安装罩40由铁或铝等金属构成，与各轴向磁极5的线圈外壳12面接触。更具体而言，线圈外壳12的上表面(即基座板17的上表面)是平坦面，此平坦面与兼做散热部件发挥功能的安装罩40面接触。线圈10发生的热经由线圈外壳12传递到安装罩40，从安装罩40将热放出从而能够对线圈10进行冷却。安装罩40与凸缘20之间形成配置有与线圈10连接的电线32的空间S。

磁悬轴承装置还具备检测旋转体100的轴向的位移的多个轴向位移传感器47和磁极控制部50，该磁极控制部50根据旋转体100的轴向的位移对轴向磁极5发出指令，而使轴向磁极5调整旋转体100的轴向的位置及旋转体100的倾斜度。多个轴向位移传感器47固定于定子42。

磁极控制部50具备储存有用于控制旋转体100的位置及倾斜度的程序的存储装置50a和根据程序所包含的命令来执行运算的运算装置50b。磁极控制部50由至少一台计算机构成。存储装置50a具备随机存取存储器(RAM)等主存储装置、硬盘驱动器(HDD)以及固态驱动器(SSD)等辅助存储装置。作为运算装置50b的例子，可列举CPU(中央处理装置)、GPU(图形处理器)。但是，磁极控制部50的具体结构不限于这些例子。

多个轴向位移传感器47及轴向磁极5与磁极控制部50电连接。旋转体100的轴向的位置及旋转体100的倾斜度能够根据从多个轴向位移传感器47输送到磁极控制部50的旋转体100的轴向的位移的测定值来决定。因此，磁极控制部50根据旋转体100的轴向的位移的测定值对轴向磁极5发出指令，以旋转体100维持在目标轴向位置及目标倾斜度(包括铅直姿势)的方式对轴向磁极5发出指令。

通过本实施方式，能够通过由多个轴向磁极5发生的多个磁力引力来修正(调整)旋转体100的姿势(包括倾斜度)。根据图5可知，由各轴向磁极5发生的磁力引力的作用点能够从旋转体100的重心分离，因此磁悬轴承装置能够以小的磁力引力来修正旋转体100的倾斜度。而且，进行高速旋转的旋转体100，即使在向其径向外侧膨胀时，轴向磁极5与旋转体100的磁隙也不变化。因此，磁悬轴承装置能够稳定地控制旋转体100的姿势。

磁悬轴承装置还具备检测旋转体100的径向的位移的多个径向位移传感器60和支承旋转体100的径向载荷的多个径向磁极62。多个径向位移传感器60及多个径向磁极62固定于定子42。多个径向位移传感器60与磁极控制部50电连接。旋转体100的径向的位置能够根据从多个径向位移传感器60输送到磁极控制部50的旋转体100的径向的位移的测定值来决定。因此，磁极控制部50根据旋转体100的径向的位移的测定值向径向磁极62发出指令，以旋转体100维持在目标径向位置的方式向径向磁极62发出指令。

多个轴向磁极5绕旋转体100的轴心RA排列，因此磁极控制部50构成为，对多个轴向磁极5发出指令，不仅能够调整旋转体100的轴向的位置，还能调整旋转体100的径向的位置。在这种情况下，也可以省略径向位移传感器60及径向磁极62。

图6是表示磁悬轴承装置的其他的实施方式的剖面图。未做特别说明的本实施方式的结构和动作与参照图1至图5说明了的实施方式相同，因此省略其重复的说明。如图6所示，磁悬轴承装置具备覆盖各轴向磁极5的线圈10的模制件70。作为模制件70的具体例子，可列举环氧树脂等。模制件70具有线圈10的固定、线圈10的绝缘保护、对线圈10相对于腐蚀气体或游离基的保护以及从线圈10除热的功能。

模制件70不仅覆盖四个轴向磁极5的线圈10，还填充轴向磁极5間的间隙。模制件70能够提高通过非磁性环1固定了相对位置的四个轴向磁极5的机械强度。

图7是表示磁悬轴承装置的又一个其他的实施方式的剖面图。不做特别说明的本实施方式的结构和动作与参照图1至图5说明了的实施方式相同，因此省略其重复说明。如图7所示，线圈外壳12具有卷绕了线圈10的圆弧状的内壁16、配置在内壁16的外侧的圆弧状的外壁15、以及与外壁15的上端和内壁16的上端连接的基座板17。线圈外壳12固定于非磁性环1。

定子42具有有内部空间的中空形状，旋转体100配置在定子42的内部空间内。即，定子42配置为包围旋转体100。线圈外壳12具有从外壁15向径向外侧突出的凸缘20。凸缘20通过螺钉(未图示)等紧固件与非磁性环1固定。进而，非磁性环1通过螺钉(未图示)等紧固件固定于定子42。因此，固定于非磁性环1的轴向磁极5被固定于定子42。

图8是从图7的线圈外壳12的上方观察该线圈外壳12的俯视图。如图8所示，与线圈10连接的电线32沿凸缘20的上表面配置。非磁性环1在其外周具有至少一个缺口33，与线圈10连接的电线32穿过缺口33延伸。在图8中设有一个缺口33，但是也可以设置多个缺口33。

如图9所示，图6所示的模制件70也能够适用于图7所示的实施方式。

上述实施方式是以具有本发明所属技术领域中的通常的知识的人员能够实施本发明为目的而记载的。上述实施方式的各种变形例是本领域技术人员当然能够形成的，本发明的技术思想也能适用于其他的实施方式。因此，本发明不限于记载的实施方式，而根据请求保护的范围所定义的技术思想解释为最宽泛的范围。