磁気ベアリング

磁気軸受は、磁気浮上を利用して荷重を支える軸受の一種です。磁気軸受は、物理的な接触なしに可動部品を支えます。たとえば、回転軸を浮上させ、非常に低い摩擦と機械的な摩耗のない相対運動を可能にします。磁気軸受は、あらゆる種類の軸受の中で最も高い速度をサポートし、最大相対速度はありません。

アクティブ ベアリングには、摩耗がなく、摩擦が少なく、質量分布の不規則性に自動的に適応できるため、ローターが質量の中心を中心に非常に低い振動で 回転できるなど、いくつかの利点があります。

パッシブ磁気軸受は永久磁石を使用するため、入力電力を必要としませんが、アーンショウの定理で説明されている制限のために設計が困難です。反磁性材料を使用する技術は比較的未開発であり、材料特性に大きく依存します。その結果、ほとんどの磁気軸受はアクティブ磁気軸受であり、連続的な電力入力を必要とする電磁石と、負荷を安定に保つためのアクティブ制御システムを使用しています。複合設計では、静的負荷を支えるために永久磁石が使用されることが多く、浮上した物体が最適な位置から外れたときにアクティブ磁気軸受が使用されます。磁気軸受には通常、電源または制御システムの障害に備えてバックアップ軸受が必要です。

磁気軸受は、発電、石油精製、工作機械の操作、天然ガス処理など、さまざまな産業用途で使用されています。また、ジッペ型遠心分離機^[1]、ウラン濃縮、ターボ分子ポンプにも使用されていますが、オイル潤滑軸受は汚染源となります。

アクティブ磁気ベアリングは、回転導体の渦電流の誘導に基づく電磁サスペンションの原理で動作します。導電性材料が磁場内を移動すると、材料内に磁場の変化に逆らう電流が発生します（レンツの法則として知られています）。これにより、磁石からの磁場とは反対方向の磁場をもたらす電流が生成されます。したがって、導電性材料は磁気ミラーとして機能します。^{[2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [引用過剰]}

ハードウェアは、電磁石アセンブリ、電磁石に電流を供給するパワーアンプのセット、コントローラ、およびギャップ内のローターの位置を制御するために必要なフィードバックを提供する関連電子機器を備えたギャップセンサーで構成されています。パワーアンプは、ローターの反対側にある 2 組の電磁石に等しいバイアス電流を供給します。この絶え間ない綱引きはコントローラによって調整され、ローターが中心位置からずれると、コントローラは等しく反対方向の電流の摂動によってバイアス電流を相殺します。

ギャップ センサーは通常、誘導性があり、差動モードで感知します。現代の商用アプリケーションのパワー アンプは、パルス幅変調構成で動作するソリッド ステート デバイスです。コントローラーは通常、マイクロプロセッサまたはデジタル信号プロセッサです。

磁気ベアリングには通常、2 種類の不安定性が存在します。磁石の吸引力によって不安定な静的力が生じ、距離が増加するとこの力は減少し、距離が減少するとこの力が増大します。このため、ベアリングのバランスが崩れることがあります。また、磁気は保存力であるため、減衰がほとんどありません。駆動力が存在すると、振動によってサスペンションが正常に機能しなくなる可能性があります。

以下の表には、アクティブ磁気ベアリングに関する初期の特許がいくつか記載されています。磁気サスペンションに関する初期の特許も見つかりますが、アーンショーの定理によれば安定性に問題のある永久磁石のアセンブリで構成されているため、ここでは除外されています。

バージニア大学のジェシー・ビームズは、 第二次世界大戦中に最も初期のアクティブ磁気軸受の特許^{[12] [13]を出願しました。これらの特許は、}マンハッタン計画に必要な元素の同位体を濃縮するための超遠心分離機を扱っていました。しかし、磁気軸受は、ハーバーマン^{[14]とシュバイツァー[ 15]}の研究による固体電子工学と現代のコンピューターベースの制御技術の進歩まで成熟しませんでした。1987年、エステル・クルートはアクティブ磁気軸受技術をさらに改良しましたが^[16]、これらの設計はレーザー誘導システムを使用するため製造コストが高額だったため製造されませんでした。エステル・クルートの研究は3つのオーストラリア特許[4]の対象となり、不二越、日本精工株式会社、日立によって資金提供され、彼女の計算は希土類磁石を使用する他の技術にも使用されましたが、アクティブ磁気軸受はプロトタイプ段階までしか開発されませんでした。クルート^[17]の設計には高度なコンピュータ制御システムも含まれており、最後の設計は非線形磁気軸受でした。

カサルダ^[18]は、アクティブ磁気軸受の歴史を詳細にレビューしています。彼女は、アクティブ磁気軸受の最初の商業的応用はターボ機械であったと述べています。アクティブ磁気軸受により、カナダのアルバータ州にあるNOVAガストランスミッション社（NGTL）のガスパイプラインのコンプレッサーのオイルリザーバーが不要になりました。これにより火災の危険性が軽減され、保険費用が大幅に削減されました。これらの磁気軸受の設置が成功したことで、NGTLは、アメリカのマグネティックベアリング社が供給していたアナログ制御システムに代わるデジタル磁気軸受制御システムの研究開発の先駆者となりました。1992年、NGTLの磁気軸受研究グループは、デジタル磁気軸受技術を商業化するためにRevolve Technologies Inc.を設立しました。同社は後にスウェーデンのSKFに買収されました。1976年に設立されたフランスのS2M社は、アクティブ磁気軸受を初めて商業的に販売しました。磁気軸受に関する広範な研究は、バージニア大学回転機械および制御産業研究プログラムで継続されています。^[19]

1996年からの10年間で、オランダの石油ガス会社NAMは、それぞれ23メガワットの可変速駆動電気モーターで駆動するガスコンプレッサー20台を設置しました。各ユニットは、モーターとコンプレッサーの両方にアクティブ磁気軸受を完全装備していました。これらのコンプレッサーは、フローニンゲンガス田で使用され、この大規模なガス田から残りのガスを抽出し、フィールド容量を増加させています。モーターコンプレッサーの設計はシーメンスが行い、アクティブ磁気軸受はWaukesha Bearings （ドーバーコーポレーションが所有）が納入しました。（これらの軸受はもともとGlacierが設計しましたが、この会社は後にFederal Mogulに買収され、現在はWaukesha Bearingsの一部となっています。）アクティブ磁気軸受とモーターとコンプレッサー間の直接駆動（間にギアボックスなし）を使用し、ドライガスシールを適用することで、完全なドライ-ドライ（オイルフリー）システムが実現しました。駆動装置とコンプレッサーの両方にアクティブ磁気ベアリングを採用することで（ギアとボールベアリングを使用する従来の構成と比較して）、特に部分負荷時に非常に広い動作範囲と高い効率性を備えた比較的シンプルなシステムが実現します。フローニンゲンのフィールドで行われたように、大型のコンプレッサー ビルディングを必要とせずに、完全な設備を屋外に設置することもできます。

電動安定化機能を備えた非接触型永久磁石軸受は、1955年にRGギルバート（米国特許2,946,930）^[20]と1968年にK.ボーデン、D.シェッファー（ドイツ特許1750602）によって特許出願された。^[21]これらの発明は、多くの実用的なアプリケーションの技術的基礎を提供し、そのうちのいくつかは、1980年頃からユーリッヒ研究センターのライセンスの下で工業量産段階に達している。^{[22] [23]}

Meeks ^[24]は、永久磁石がバイアス磁場を提供し、アクティブ制御コイルが安定性と動的制御に使用されるハイブリッド磁気軸受設計（米国特許5,111,102）の先駆者です。バイアス磁場に永久磁石を使用するこれらの設計は、純粋な電磁軸受よりも小型で軽量です。バイアス磁場が永久磁石によって提供されるため、電子制御システムも小型で、電力消費も少なくて済みます。

必要なコンポーネントの開発が進むにつれて、この分野に対する科学的関心も高まり、1988 年にチューリッヒで開催された第 1 回国際磁気軸受シンポジウムでピークに達しました。このシンポジウムでは、シュバイツァー教授 ( ETHZ )、アライア教授 (バージニア大学)、および岡田教授 (茨城大学) によって国際磁気軸受協会が設立されました。それ以来、このシンポジウムは 2 年に 1 回の会議シリーズに発展し、磁気軸受技術に関する常設ポータルでは、シンポジウムのすべての投稿が公開されています。この Web ポータルは、国際的な研究および産業界のコミュニティによってサポートされています。2012 年には、岡田洋二教授、ゲルハルト シュバイツァー教授、および Waukesha Magnetic Bearings の Michael Swann が殿堂入りし、生涯功労賞を受賞しました。

磁気軸受の利点には、摩擦が非常に低く予測可能であること、潤滑剤なしで真空中でも動作できることなどが挙げられます。磁気軸受は、コンプレッサー、タービン、ポンプ、モーター、発電機などの産業機械でますます使用されています。

磁気軸受は、家庭の電力消費量を測定する電力会社によるワットアワーメータで一般的に使用されています。また、エネルギー貯蔵や輸送用途、およびフライホイールエネルギー貯蔵システムなどの真空内での機器の支持にも使用されています。^{[25] [26]}真空内のフライホイールは風圧による損失が非常に低いですが、従来の軸受は真空内では潤滑不良のためすぐに故障します。磁気軸受は、物理的な接触面をなくすことで低騒音とスムーズな乗り心地を実現するために、磁気浮上式列車の支持にも使用されています。欠点としては、高コスト、重い、比較的大きいことが挙げられます。

磁気軸受は、磁性材料でできたシャフトが磁気軸受の間にあるチラー用の遠心コンプレッサーにも使用されています。少量の電流がシャフトに磁気浮上をもたらし、シャフトは空中に自由に浮いた状態となり、軸受とシャフト間の摩擦がゼロになります。

最も重要な産業用途の 1 つは、半導体製造工場の真空生成用のターボ分子ポンプです。機械的な安定化のない最初の商用磁気軸受型ターボポンプは、1975 年 (電磁式) と 1989 年 (永久磁石ベース) に Leybold AG によって販売されました。

真空計測の分野では、スピニング ローター ゲージ (SRG) が1979 年にパリの BIPM によって参照標準として導入されました。このゲージの最初の実験室セットアップは、1946 年に Jesse Beams によって確立されました。商業的な量産は、Forschungszentrum Jülich からのライセンスに基づいて 1980 年に開始されました。SRG は、半導体製造装置の真空プロセス制御に重要です。

磁気ベアリングの新しい用途は人工心臓です。心室補助装置における磁気サスペンションの使用は、バージニア大学のポール・アレール教授とヒューストン・ウッド教授によって開拓され、1999 年に最初の磁気サスペンション心室補助遠心ポンプ ( VAD )が完成しました。 ^{[引用が必要]}

LifeFlow心臓ポンプ、^[27]、 DuraHeart左心室補助システム、^[28]、 Levitronix CentriMag、^[29] 、Berlin Heartなど、いくつかの補助人工心臓は磁気軸受を使用しています。^[30] これらの装置では、単一の可動部品が流体力と磁力の組み合わせによって吊り下げられています。磁気軸受は物理的な接触面を排除することで、これらの血液ポンプ内の高せん断応力（赤血球の損傷につながる）と血流の停滞（凝固につながる）領域を減らすのを容易にします。^[31] Berlin Heart INCORは、機械的または流体力学的安定化のない最初の商用補助人工心臓でした。

Calnetix Technologies、Synchrony Magnetic Bearings (Johnson Controls International の子会社)、Waukesha Magnetic Bearings、および S2M (SKF の子会社) は、世界の主要な磁気ベアリング開発および製造企業です。

インダクトラックシステムなどの磁気浮上技術に使用されている誘導ベースの浮上システムを使用すると、ハルバッハ アレイと単純な閉ループ コイルを使用して、磁気ベアリングで複雑な制御システムを置き換えることができます。これらのシステムは単純さが増しますが、渦電流損失に関してはそれほど有利ではありません。回転システムの場合、多極ハルバッハ構造の代わりに単極磁石設計を使用することができ、損失が大幅に削減されます。

アーンショウの定理の問題を回避した例としては、トルビョルン・レンブケ博士が発明したホモポーラ電磁軸受がある。^{[32] [33] [34]}これは受動磁気技術に基づいた新しいタイプの電磁軸受である。動作に制御電子機器を必要とせず、動きによって発生する電流が復元力を引き起こすため機能する。^{[35] [36] [37]}

• フライホイール
• レビトロン
• スピン安定化磁気浮上
• 電気力学ホイール

• Schweitzer, G (2002)。「アクティブ磁気ベアリング - 可能性と限界」(PDF)。Proc . 6th Internat. IFToMM Conf. On Rotor Dynamics。2009-02-05のオリジナル(PDF)からアーカイブ。
• 千葉 明・深尾 剛・市川 修・大島 正・竹本 正・ドレル 大 (2005)。磁気軸受とベアリングレス駆動装置。ニューネス。{{cite book}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)
• Schweitzer, G., Maslen, H. (2009).磁気軸受の理論、設計、回転機械への応用. Springer.{{cite book}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)
• ジム・ウィルソン (1999 年 9 月)。「悪魔の摩擦に打ち勝つ」。ポピュラーメカニクス。2008 年 9 月 5 日のオリジナルからアーカイブ。
• Estelle Croot (1987–1995)。改良型磁気軸受。IPAustralia [オーストラリア特許庁データベースエントリ]。
• T. Lembke (2005)。博士論文「新しい低損失ホモポーラ電気動圧ベアリングの設計と分析」( PDF)。ストックホルム: Universitetsservice US AB。ISBN 91-7178-032-7。
• Fremerey, Johan K. (2000) 「永久磁石ベアリング」

• 設計用運動学モデル デジタル ライブラリ (KMODDL) - コーネル大学で実際に動作する数百の機械システム モデルの動画と写真。機械設計とエンジニアリングに関する古典的なテキストの電子書籍ライブラリも含まれています。
• MADYN2000 ローターダイナミクス ソフトウェアは、磁気軸受コントローラのコンピュータ支援設計をサポートし、設計品質の複数の分析レポートを提供します。