永久磁石と電磁石を併用するハイブリッド磁気軸受けの新しい構造を提案

茨城大学工学部機械工学科 増澤徹

発明の名称：ハイブリッド型磁気軸受

出願番号：2009-167937 （2009/7/16 出願）

出 願 人：茨城大学

発 明 者：増澤 徹、佐々木 瑛祐

JST支援形態：PCT出願

ＪＳＴ・首都圏北部４大学発 新技術説明会 6/30/2010

お問い合わせ先 産学官連携イノベーション創成機構 知的財産部門 片上浩三

ＴＥＬ：０２９４－３８－７２８１ ＦＡＸ：０２９４－３８－５２４０ e-mail：katakami@mx.ibaraki.ac.jp

技術分野

本発明は、ハイブリッド型磁気軸受けに関するものである。

本発明は、ハイブリッド型磁気軸受けに関するものである。

http://www.tdk.co.jp/techmag/ninja/daa00531.htm

ハイブリッド型

強力な希土類磁石が量産化されるようになった1970年以降は、希土類磁石と電磁石を併用したハイブリッド型の磁気軸受が利用されるようになりました。その一例を左図に示します。回転軸を取り巻くリング型の

永久磁石の磁束を、電磁石が発生する磁束によって制御する方式です。電磁石だけで構成される磁気軸受よ

りも消費電力が少なく、制御特性もすぐれています。

ハイブリッド型

強力な希土類磁石が量産化されるようになった1970年以降は、希土類磁石と電磁石を併用したハイブリッド型の磁気軸受が利用されるようになりました。その一例を左図に示します。回転軸を取り巻くリング型の

永久磁石の磁束を、電磁石が発生する磁束によって制御する方式です。電磁石だけで構成される磁気軸受よ

りも消費電力が少なく、制御特性もすぐれています。

非接触で摩耗のない理想的な軸受「磁気軸受」

回転軸と軸受との接触部がなくなれば、摩擦抵抗の問題はいっきに解消します。磁気軸受（マグネチック・ベアリング）は、磁石が鉄を吸引する性質を利用

して、回転軸を非接触に保つ（宙に浮かす）装置です。

非接触で摩耗のない理想的な軸受「磁気軸受」

回転軸と軸受との接触部がなくなれば、摩擦抵抗の問題はいっきに解消します。磁気軸受（マグネチック・ベアリング）は、磁石が鉄を吸引する性質を利用

して、回転軸を非接触に保つ（宙に浮かす）装置です。

永久磁石をバイアス磁界として利用して効率を図った磁気軸受

永久磁石電磁石コイル

鋼軸

磁気軸受

鋼軸電磁石

ＳＳ

ＳＳ

Ｎ

ＮＮ

Ｎ

イ イ’

特開2007-120635出願日：2005.10.28公開日：2007.5.17出願人：株式会社イワキ

従来技術 １【発明の名称】ハイブリッド型磁気軸受

出願人開示文献

【原出願より引用】しかしながら、特許文献１（従来技術１特開2007-120635 ）に記載のハイブリッド型磁気軸受けにおいては、電磁石により生ずる電磁石磁束と、永久磁石により生ずるバイアス磁束とから

磁路が３次元的に構成されているため、各々の磁束のもれ損失が大きく、効率を高めることが出来ないという問題点がある。

また、構造が複雑であり、製作が困難であるという問題点がある。

【原出願より引用】しかしながら、特許文献１（従来技術１特開2007-120635 ）に記載のハイブリッド型磁気軸受けにおいては、電磁石により生ずる電磁石磁束と、永久磁石により生ずるバイアス磁束とから

磁路が３次元的に構成されているため、各々の磁束のもれ損失が大きく、効率を高めることが出来ないという問題点がある。

また、構造が複雑であり、製作が困難であるという問題点がある。

【図１】実施例１の展開図

（ａ）補極側からみた図、（ｂ）制御コイル４ｃ側からの側面図、（ｃ）制御コイル４ｂ側からの側面図、（ｄ）主極側からみた図【図３】図１のイ－イ´線における

斜視断面図に磁束線を示した図

永久磁石

制御コイル

バイアス磁束 制御磁束

特開2005-121157出願日：2003.10.17公開日：2005.5.12出願人：財団法人理工学振興会発明者：進士忠彦（東京工大）、下河邉明（東京工大）、李 黎川（上海交通大学）、高谷節雄（東京医科歯科大）

従来技術 ２【発明の名称】人工心臓用の磁気軸受およびモータ装置

出願人開示文献

【図１】本実施形態の磁気軸受の全体構成を示す断面図

１０磁気軸受

１１永久磁石

３２コイル

３１電磁軟鉄コア

１６ｘ電磁石

ネオジム永久磁石１１のＮ極側から出て、電磁軟鉄リング１３→磁極面１３ａ→ギャップ→磁極面１３ｂ→電磁軟鉄コア３１→磁極面１２ｂ→ギャップ→磁極面１２ａ→電磁軟鉄リング１２を順に経た後、ネオジム永久磁石１１のＳ極に戻る磁束φの通路、

つまり閉じた磁気回路（閉磁路）が形成される。

ネオジム永久磁石１１のＮ極側から出て、電磁軟鉄リング１３→磁極面１３ａ→ギャップ→磁極面１３ｂ→電磁軟鉄コア３１→磁極面１２ｂ→ギャップ→磁極面１２ａ→電磁軟鉄リング１２を順に経た後、ネオジム永久磁石１１のＳ極に戻る磁束φの通路、

つまり閉じた磁気回路（閉磁路）が形成される。

Φ磁束

インペラ

ハウジング

ロータ部材

１２電磁軟鉄リング

電磁石による磁束と永久磁石によるバイアス磁束が共に磁気抵抗の大きい永久磁石を通り、効率が悪い

電磁石による磁束と永久磁石によるバイアス磁束が共に磁気抵抗の大きい永久磁石を通り、効率が悪い

発明の課題・目的【課題】従来技術１に記載のハイブリッド型磁気軸受けにおいては、電磁石により

生ずる電磁石磁束と、永久磁石により生ずるバイアス磁束とから磁路が３次元的に構成されているため、各々の磁束のもれ損失が大きく、効率を高めることが出来ないという問題点がある。また、構造が複雑であり、製作が困難であるという問題点がある。

磁束のもれ損失を少なくし、またハイブリッド型磁気軸受けの製作を容易とするための解決手段として、従来技術２に記載の磁気軸受けのような方法

で磁路を２次元的に構成した場合、電磁石によって形成する磁束と永久磁石により生ずるバイアス磁束が共に同一の永久磁石を通る磁路を形成することとなり、電磁石によって形成する磁束が永久磁石の大きい磁気抵抗により弱められ、磁気軸受けの移動制御に必要な大きな磁束を得ることが困難となる。

【目的】本発明は、電磁石によって形成される磁束について、バイアス磁束を

発生させるための永久磁石の磁気抵抗の影響をなくすことにより、電磁石により形成される磁束の損失を抑制し、大きな磁束を得ることの出来るハイブリッド型磁気軸受けを提供することを目的とする。

発明のポイント１） 発明の目的ロータを非接触で浮かす磁気軸受の重要課題である「少ない制御用電磁石の磁束損失」で、浮上物の姿勢の安定を図る。

２） 技術の背景（一般則）① 浮上の基本力は、永久磁石（バイアス磁束を発生）による。

② 浮上時の姿勢制御（位置、傾き等の変動吸収）は、電磁石（制御磁束を発生）による。

③ 永久磁石は磁気抵抗が大きい（磁路として不適）。

３） 本願の解決策制御磁束は永久磁石を避ける（＝「他の磁石手段」で

永久磁石を通らないバイパス磁路に誘導する）。

発明のポイント

１電磁石コア

２電磁石コイル

磁気浮上対象物（ロータ）

ステータ

制御用電磁石

磁気による吸引力

重力

制御用電磁石による制御磁束（制御磁路）永久磁石によるバイアス磁束（バイアス磁路）

この磁束が永久磁石を通らないようにバイパスさせたい

この磁束が永久磁石を通らないようにバイパスさせたい

永久磁石（バイアス磁束発生）

実施例

【図１】本発明の「実施の形態Ａ」に係るハイブリッド型磁気軸受けの基本的な構成を示す断面図

１電磁石コア

１００ハイブリッド型磁気軸受け

２電磁石コイル

３磁性体

４永久磁石

５磁性体

１５空間または非磁性体部

６永久磁石

１０バイアス磁束

９Ａバイパス磁路

１）永久磁石6によるバイアス磁路10と並列に、バイパス磁路9Aが形成される。

２）永久磁石4、７の板幅は、永久磁石6の板幅に比べてはるかに小さい。

バイパス磁路9Aの磁気抵抗は小さい。

電磁石コイル２による磁気浮上対象物50移動制御のために必要な磁束９の強度は十分大きい。

１）永久磁石6によるバイアス磁路10と並列に、バイパス磁路9Aが形成される。

２）永久磁石4、７の板幅は、永久磁石6の板幅に比べてはるかに小さい。

バイパス磁路9Aの磁気抵抗は小さい。

電磁石コイル２による磁気浮上対象物50移動制御のために必要な磁束９の強度は十分大きい。

９電磁石磁束および永久磁石４，５によるバイアス磁束

７永久磁石

８磁性体

５０磁気浮上対象物

この長さが長いこの長さが長い

ここは短いここは短い

バイパス磁路を設け、永久磁石内を通る磁路を極力短くする

【図２】実施の形態Ｂ

各種実施例

【図３】実施の形態Ｃ

【図４】実施の形態Ｄ 【図５】実施の形態Ｄの応用例

実施の形態Ａ

実施例 １

【図１】実施の形態Ａ（基本形）

２００ハイブリッド型磁気軸受け

１電磁石コア６円環状永久磁石

３磁性体

８磁性体

１電磁石コア

５磁性体４円環状永久磁石

２電磁石コイル

着磁（Ｎ-Ｓ）方向

２電磁石コイル

１１電磁石コア

１２電磁石コイル

１１電磁石コア

１２電磁石コイル

実施例 ２

実施例 ３

【図１】実施の形態Ａ（基本形）

９０°回転

上下逆

１電磁石コア

６円筒状永久磁石

３磁性体

８磁性体

１電磁石コア

２電磁石コイル

１３電磁石コア

１４電磁石コイル

５磁性体

４永久磁石

２電磁石コイル

実施例 ４

効果比較

Primary permanent magnet Secondary permanent magnet

Bias magnetic flux produced by permanent magnet

Control magnetic flux produced by electromagnet

Electromagnet

Rotor disk

Magnet coreElectromagnet coil

Levitated impellerPermanent magnet

Magnetic flux

Fig.5 Novel double-biashybrid magnetic bearing

Fig.7 Single-biasmagnetic bearing and cross section

本願技術

従来技術

0

10

20

30

40

50

-3 -2 -1 0 1 2 3

Double-bias type Gap 1.5 mmDouble-bias type Gap 2.0 mmDouble-bias type Gap 2.5 mmSingle-bias type Gap 2.0 mm

Attr

activ

e fo

rce

[N]

Current [A]Fig. 11 Measured axial attractive

force produced by magnetic bearing

引力

本願は、電磁石と永久磁石とを備えたハイブリッド型磁気軸受けにおいて、

磁気抵抗の少ない「他の磁石手段」を配設した磁性体による磁路（バイパス磁路）を設けることで、制御用電磁石磁束にバイアス用永久磁石通過をバイパスさせ、制御電磁石の磁束損失の低減（制御電力の低減）を図ったものである。

文献①－④に、制御用電磁石磁束が永久磁石をバイパスする構成のハイブリッド型磁気軸受けに関する技術が開示されている。

しかしながら、本願の磁気抵抗の少ない「他の磁石手段」を設けることで、制御磁束のバイパスを誘導する構成のハイブリッド型磁気軸受けを開示した文献は見出すことはできなかった。

従って、本願は新規性が有るものと期待される。

一方、文献②－④は、いずれも、「他の磁石手段」を設けずに、本願の目的である制御磁束がバイアス用永久磁石を通らないように構成したものであり、こ

れら文献と比較した場合、本願は多様な実施の形態に示すように構造上の自由度が増すという進歩性が認められる。

従って、本願発明は、特許性が有るものと期待される。

特許性

文献① 特開2002-354767文献② 特開2001-146917文献③ 特表平10-501326文献④ 特開2009-74688

文献① 特開2002-354767文献② 特開2001-146917文献③ 特表平10-501326文献④ 特開2009-74688＜特許性判断に用いた文献＞＜特許性判断に用いた文献＞

有用性等

本発明によると、電磁石によって形成される制御磁束に関して、バイアス磁束を発生させるための永久磁石の磁気抵抗の影響を「他の磁石手段」でバイパすることにより、制御磁束の損失を抑制し、結果として、少ない電力で大きな制御磁束を得ることの出来、かつ、構造上の自由度が高いハイブリッド型磁気軸受けを提供することができる。

上記技術を用いることで、例えば、両心室とも不全な「両心補助用人工心臓」のための一体型アキシャル磁気浮上モータの小型が図れる等、有用性の高い発明と言うことができる。

有用性等

国名 活動状況 想定企業 計画、時期、市場規模等

オーストラリア特定企業と交渉中

人工心臓開発のためのベンチャー企業

現在ライセンス契約について打ち合わせ中。今年度中の契約を目指している。事業展開としては来年度試作機の製作、動物実験によるfeasibility study を計画。製品化予定時期は3年後、市場規模は100億円程度。

米、独、仏、スイス、韓国、中

国、英

不特定企業に活動中

◆出願希望国とライセンス活動・市場規模等の状況

具体的な応用分野 開発の進捗 技術の完成度

磁気軸受 展開中すでにプロトタイプ磁気軸受を製作し、良好な性能を確認している。

クリーンポンプ 展開中すでに本磁気軸受を組み込んだ磁気浮上モータを製作し、良好な性能を確認している。現在、ポンプへの組み込み試験を実施中。

人工心臓 展開中すでに本磁気軸受を組み込んだ磁気浮上モータを製作し、良好な性能を確認している。現在、ポンプへの組み込み試験を実施中。

◆応用・開発進捗・技術完成度等

両心補助用人工心臓のための一体型アキシャル

磁気浮上モータの開発

本願技術を用いた

背景・目的

補助人工心臓

心臓移植重度の心不全患者

深刻なドナー不足

心臓移植までの橋渡し長期治療

そのすべては片心補助人工心臓

両心室不全への対応が必要

小型両心補助用人工心臓・そのための磁気浮上モータの開発

小型両心補助用人工心臓

Pump casing

Inlet 

Outlet 

Outlet 

Motor stator

Magnet bearing

Vane for right ventricular assistance

Shaft

Vane for left ventricular assistance

Rotor disk

左右拍出量のバランス制御

Left ventricular assistance

Right ventricular assistance

Motor stator

Magnet bearing

ダブルバイアス磁束型磁気軸受

Bias magnetic flux produced by permanent magnetControl magnetic flux produced by electromagnet

Primary permanent magnetSecondary permanent magnet

Electromagnet

一体型アキシャル磁気浮上モータ

Diameter of magnetically levitated motor [mm] 50.0Height of magnetically levitated motor [mm] 39.5Movable range of axial position [μm] 500 Movable range of tilt [deg] 1.2

Impeller Electromagnet

磁気浮上モータの浮上回転動画