Proposal and an Evaluation of One Axis Controlled Magnetic Bearing with a Hollow Shaft

摘要

現在，多くの分野で電気技術・機械技術が重要な役割を果たしており，それらを支える必要不可欠な機械要素の一つが軸受である。しかし，機械接触を伴う軸受では損失が生じ性能に一部制限がなされる可能性がある。また，振動・騒音や潤滑油による汚染や磨耗に対するメンテナンスが問題となる。これらの問題を解決する軸受として非接触で支持を行う磁気軸受が開発され適用が進められている。非接触で回転軸の支持が可能であるため，摩耗によるさまざまな問題を解決することができ，メンテナンスフリー，無潤滑，無発塵等の非常に優れた特長を有する。これらの特長を生かし潤滑油による汚染や不純物の混入を嫌う医療・化学・半導体製造等の分野でのポンプとしての応用が期待されている。しかし，人工心臓に対して適用される磁気軸受は，いくつもの軸を能動制御するため装置全体が大型化してしまう問題があると同時に，それらの制御システムが複雑となってしまう。本研究の研究目的は，軸方向の1 軸のみを能動制御し，装置の小型化と制御の簡単化を実現する，一つの解決策を提案するものである。また，軸流型を採用したことで遠心型と比べ軸長が延長し危険速度が低下したが，中空軸構造も採用することで半径方向の大型化を抑えることが可能であり，軸長の延長による危険速度の低下問題を解決することが期待される。そこで，本論文では1 軸のみを浮上制御する中空軸構造を有する磁気軸受を実現するため，以下の研究を行っている。まず，第1 章で，従来の機械接触を伴う軸受技術，非接触支持を行う磁気軸受の構造について説明し，更に磁気軸受の適用の一つである人工心臓とその問題点について解説している。そしてそれらの問題を解決する新しい構造の磁気軸受として1 軸のみを浮上制御する中空軸構造の軸受を示唆している。また，この中空軸構造についての特長を示している。第2 章では，提案する磁気軸受について詳細を説明している。提案する磁気軸受は溝を有するディスクとシャフトから構成されるロータと永久磁石の配置された内環と外環からなるシリンダー状のステータで構成することで，効率的な磁路を形成することができると共に，装置の組み立て，分解を簡略化することを可能としている。また有限要素法解析による磁気解析によってその有用性を評価している。第3 章では，第2 章の評価結果から磁気軸受を作製し，その評価実験について述べている。擬似的な外乱に対する制御性の評価を行っている。また浮上制御時にモータによる回転駆動を行い，回転駆動時の軸方向及び半径方向の制御性の評価を行っている。第4 章では，第2 章，第3 章において検討が不十分であった半径方向の受動支持について有限要素法解析による磁気解析によって改善案を提案している。磁気カップリングによる受動支持について着磁方向と磁石個数を変更して評価している。また，ステータ内環に収められているリング状永久磁石の磁石位置も検討している。第5 章では，これらを要して提案する磁気軸受の特長を述べている。また，本論文で見られる課題に対しての解決指針を述べている。