磁気軸受の動作原理と分類

 

磁気ベアリング磁気軸受システムは、その動作原理に基づいて、アクティブ磁気軸受、パッシブ磁気軸受、ハイブリッド磁気軸受の3つのカテゴリに分類できます。

 

アクティブ磁気軸受

 

アクティブ磁気軸受は、制御可能な電磁力を用いて回転軸を浮上させる装置で、主にローター、ソレノイド、センサー、コントローラー、パワーアンプで構成されています。ソレノイドは、放射状に配置された電磁石によって生成される磁場内に浮上するステーターに取り付けられています。各電磁石には、軸の位置変化を継続的に監視するためのセンサーが1つ以上備えられています。センサーから出力される信号は、電子制御システムによって電磁石を流れる電流を補正し、電磁石の吸引力を制御することで、回転軸が安定したバランスのとれた状態で回転し、一定の精度要件を満たします。

 

アクティブ磁気軸受は、制御方式の違いにより電流制御式と電圧制御式に分類でき、支持方式の違いによりラジアル磁気軸受とアキシャル磁気軸受に分類できる。現在、アクティブ磁気軸受の中で最も広く使用されているのは、直流制御式磁気軸受である。

 

アクティブ磁気軸受の機械部分は、一般的にラジアル軸受とアキシャル軸受で構成され、ラジアル軸受はステータ（電磁石）とロータで構成され、アキシャル軸受はステータ（電磁石）とスラストプレートで構成されます。

 

アクティブ磁気軸受は、ローターの位置、軸受の剛性、減衰を制御システムによって決定できるという利点を持つため、磁気浮上分野で最も広く使用されており、アクティブ磁気軸受の研究は常に磁気浮上技術研究の焦点となってきました。長年の努力の結果、その設計理論と方法はますます成熟しています。

 

パッシブ磁気ベアリング

 

磁気軸受の一種である受動磁気軸受は、小型で消費電力がなく、構造がシンプルという独自の利点があります。受動磁気軸受と能動磁気軸受の最大の違いは、前者は能動電子制御システムを備えておらず、磁場自体の特性を利用して回転軸を浮上させる点です。現在、最も広く使用されている受動磁気軸受は、永久磁石で構成された永久磁石軸受です。永久磁石軸受は、反発型と吸引型の2種類に分けられます。

 

パッシブ永久磁石ベアリングは、ラジアルベアリングとスラストベアリング（アキシャルベアリング）の両方として使用でき、どちらも吸引または反発が可能です。永久磁石ベアリングは、磁化方向と磁気リングの相対位置に応じて、さまざまな磁気回路構造を持ちます。しかし、基本的な構造は2つあります。

 

もう1つのタイプの受動型磁気軸受は、磁化された軟磁性部品間に働く吸引力に基づいています。回転子部品が半径方向に移動すると、磁気抵抗の変化によって吸引効果が生じるため、「磁気抵抗軸受」とも呼ばれます。このタイプの軸受は、永久磁石部分が回転せず、軟鉄部分のみが回転するように設計できるため、システムの安定性が向上します。

 

リラクタンスベアリングとアクティブソレノイドの安定化効果を組み合わせることで、エネルギー消費を最小限に抑えた磁気ベアリングシステムが実現する。

 

ハイブリッド磁気軸受

 

ハイブリッド磁気軸受は、能動磁気軸受、受動磁気軸受、およびその他の補助的な支持・安定化構造を基盤として構成される、一種の複合磁気軸受システムです。能動磁気軸受と受動磁気軸受の総合的な特性を考慮に入れています。

 

ハイブリッド磁気軸受は、永久磁石によって生成される磁場を利用して電磁石の静的バイアス磁場を置き換えるものであり、パワーアンプの消費電力を大幅に削減できるだけでなく、電磁石のアンペアターン数を半分に減らし、磁気軸受の体積を縮小し、耐荷重能力を向上させることができる。

 

永久磁石によってバイアス磁場が生成され、電磁石によって制御磁場が生成されるため、永久磁石オフセットハイブリッド磁気軸受には次のような利点があります。

 

1) 永久磁石はバイアス静磁場を提供するために使用され、電磁石は負荷や外部干渉のバランスをとるための制御磁場のみを提供するため、システムのバイアス電流によって引き起こされる電力損失を回避し、コイルの発熱を低減できます。

 

2) ハイブリッド磁気軸受の電磁石に必要な巻数は、アクティブ磁気軸受に比べてはるかに少ないため、磁気軸受の体積削減と材料節約に貢献します。このタイプの軸受は、小型軽量で高効率という利点を持ち、小型化や小型用途に適しています。