CN1602393A

CN1602393A - 磁性轴承装置

Info

Publication number: CN1602393A
Application number: CNA038017121A
Authority: CN
Inventors: 竹内启佐敏
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2002-09-03
Filing date: 2003-09-03
Publication date: 2005-03-30
Also published as: US20050067907A1; JP2004150624A; EP1548302A1; WO2004022988A1; WO2004022988B1

Abstract

本发明提供一种磁性轴承装置，包括：固定在旋转轴(10)上的旋转轴承(20)；及非接触地支撑旋转轴(20)的固定轴承(30)。旋转轴承(20)由朝向旋转轴(10)的推力方向形成有凸部的、断面为凸状的永久磁性体构成。固定轴承(30)由形成有可嵌合在凸部上的凹部、并在凹部内穿设有用于贯通地插入旋转轴(10)的贯通孔(35)的、断面为凹状的永久磁性体构成。以把旋转轴承(20)的凸部嵌合到固定轴承(30)的凹部中的方式、隔开微小空隙地将两者对峙，借助于作用于旋转轴承(20)与固定轴承(30)之间的磁性斥力，非接触地支撑旋转轴(10)。

Description

磁性轴承装置

技术领域

本发明涉及利用永久磁性体的磁性斥力，将旋转轴相对于固定轴承非接触地支撑的磁性轴承装置，特别是涉及用于提高轴心精度的改进技术。

背景技术

以往，作为马达旋转轴等的轴承，曾经提出利用磁性斥力非接触地支撑旋转轴的磁性轴承。日本特开平6-241229号公报所揭示的磁性轴承所采用的构成是，在轴承固定部内周面与旋转轴外周面上，以使相同磁极彼此稍稍隔开一点空隙、并在推力方向上稍稍错开、相互对峙的方式，分别配置两组以上的以相同磁极彼此对峙接合的2个永久磁性体组成的成对磁性体。根据这种结构，由于沿着旋转轴的推力方向产生多个排斥磁场点，该磁性斥力的推力方向的成分对旋转轴施加向推力方向的作用，并通过在轴端部设置止挡部件，可以确定其在推力方向上的位置，同时，通过分布在推力方向上的多个斥力磁场点所产生的磁性斥力的径向方向成分的作用，可稳定地支撑旋转轴，提高轴心精度。

但是，当沿着旋转轴的轴向排列成对的磁性体时，虽然通过多个斥力磁场点所产生的强大的磁性斥力可稳定地支撑旋转轴，然而，对于这种沿着推力方向排列成对的磁性体的结构，由于轴承装置大型化，所以有必要将其尺寸紧凑化以适用于小型精密机械等的轴承装置。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种能够使轴承装置的尺寸紧凑化、同时能提高轴心精度的磁性轴承装置。本发明的再一目的是提供一种同时具有径向轴承与推力轴承的功能的磁性轴承装置。

为了解决上述问题，本发明的磁性轴承装置，包括：固定在旋转轴上的旋转轴承；及非接触地支撑上述旋转轴承的固定轴承，在该磁性轴承装置中，上述旋转轴承由朝向上述旋转轴推力方向形成有凸部的、断面为凸状的永久磁性体构成，上述固定轴承由形成有可嵌合在上述凸部上的凹部、并在上述凹部内穿设有用于贯通地插入上述旋转轴的贯通孔的、断面为凹状的永久磁性体构成，以把上述旋转轴承的凸部嵌合到上述固定轴承的凹部中的方式、隔开微小空隙地将两者对峙，借助于作用于上述旋转轴承与上述固定轴承之间的磁性斥力，非接触地支撑上述旋转轴。

根据这种构成，通过扩大旋转轴承与固定轴承的对峙面积，可增大磁性斥力，因此，可使磁性轴承装置的尺寸紧凑化。

最好使在平行于上述旋转轴的推力方向的面上切断上述旋转轴承时的断面形状是曲线，该曲线在隔开微小空隙并以把上述旋转轴承的凸部嵌合到上述固定轴承的凹部中的方式让两者对峙时，使上述凸部的顶部附近的磁性斥力的推力方向成分为主成分，另一方面，使上述凸部的底部附近的磁性斥力的径向方向成分为主成分。

根据这种构成，由于能用单一的轴承实现径向轴承与推力轴承的功能，所以能提高轴心精度。

最好使在平行于上述旋转轴的推力方向的面上切断上述旋转轴承时的断面形状，与在上述面上切断上述固定轴承时的断面形状相似。

根据这种构成，可使旋转轴承与固定轴承的空隙尽可能地缩小，能得到强大的磁性斥力。

最好使在平行于上述旋转轴的推力方向的面上切断上述旋转轴承时的断面曲线为抛物线。

由于上述断面曲线形状是抛物线形状，所以隔开微小空隙并以将上述旋转轴承的凸部嵌合到上述固定轴承的凹部中的方式将两者对峙时，可使上述凸部的顶部附近的磁性斥力的推力方向成分为主成分，另一方面，也可使上述凸部的底部附近的磁性斥力的径向方向成分为主成分。为了得到这样的断面，也可以将上述断面形状作成断面为U字状、或断面为半圆形的结构。

另外，在旋转轴承和固定轴承以不同磁极彼此对峙的方式组合的情况下，当固定轴承与旋转轴承接近到极限时，由于两者间作用着磁性斥力，所以，可在非常接近的状态下，非接触地支撑旋转轴承。

此外，在旋转轴承和固定轴承以相同磁极彼此对峙的方式组合的情况下，可在固定轴承与旋转轴承的距离保持一定程度余量的状态下，非接触地支撑旋转轴承。

再者，本发明的磁性轴承装置，即使上述旋转轴承和固定轴承的凹凸关系相反，也是成立的。

附图说明

图1是本发明磁性轴承装置的断面结构图。

图2是本发明磁性轴承装置的断面结构图。

图3是本发明磁性轴承装置的断面结构图。

图4是采用本发明磁性轴承装置的电动马达的断面图。

图5是采用本发明磁性轴承装置的电动马达的断面图。

图6是采用本发明磁性轴承装置的电动马达的断面图。

图7是本发明旋转轴承与固定轴承的变形例。

图8是图7的断面图。

图9是本发明旋转轴承与固定轴承的变形例。

图10是图9的断面图。

具体实施方式

下面，参照各图说明本发明的最佳形式。图1是本实施形式的磁性轴承装置的断面结构图。图中，标号10表示受到从电动马达等动力源输出的旋转扭矩的作用而高速旋转的旋转轴，标号20表示与旋转轴10一起旋转的旋转轴承，标号30是固定在马达壳体等上的固定轴承。固定轴承30是永久磁性体构成的圆柱状固定部件，其一端面上凹设有凹陷部31，另一端面上穿设有贯通孔35，凹陷部31在平行于旋转轴10的推力方向的平面上切断时的断面为抛物线，贯通孔35从相当于凹陷部31的顶部33的部位贯通轴承内外。贯通孔35的内径加工成使其值稍稍大于旋转轴10的外径，并设计成使旋转轴10通过该贯通孔35可以插通。

凹陷部31的内周面32，由于其断面是抛物线，因此，可以理解是将固定轴承30的端面挖空成大致圆锥状结构，一方面抛物线的顶部33附近的端面形状，其曲率缓缓地变化，另一方面，在从顶部33沿径向离开一定程度的位置，端面形状的曲率急剧变化，进一步，在从顶部33朝径向离开的底部34附近，进行切削加工，使端面形状的曲率变化缓慢。另一方面，旋转轴承20是永久磁性体构成的旋转轴固定用轴承部件，其构成为，通过让旋转轴10穿过以与该旋转轴10大致相同的内径贯穿的贯通孔，并借助于从图中未示的动力源供给的旋转扭矩，与旋转轴10一起进行高速旋转。在旋转轴10上，沿圆周方向形成有槽11，利用O形环或E形环等卡合装置，将旋转轴承20卡合到旋转轴10上。

旋转轴承20加工成具有嵌合到凹陷部31中的凸部的形状，其外周面21大致为圆锥形状。换句话说，旋转轴承20是顶部朝向旋转轴10的推力方向的大致的圆锥体。成为外周面21的端面形状的抛物线，其顶部22附近的曲率缓缓地变化，而在从顶部22朝径向离开一定程度的地方，其端面形状的曲率急剧地变化，进一步，在从顶部22朝径向离开的底部23附近，进行切削加工，使端面形状的曲率变化缓慢。

作为旋转轴承20与固定轴承30的极性的组合，有相同磁极彼此对峙的第1组合方式和不同磁极彼此对峙的第2组合方式。图1所示的构成示出了第1组合方式。如该图所示，加工成使固定轴承30的顶部33附近的磁极与底部34附近的磁极为不同磁极的结构，而且还加工成使旋转轴承20的顶部22附近的磁极与底部23附近的磁极为不同磁极的结构。此外，加工成使固定轴承30的顶部33附近的磁极与旋转轴承20的顶部22附近的磁极为相同极性，还加工成使固定轴承30的底部34附近的磁极与旋转轴承20的底部23附近的磁极为相同极性。作为这些磁极的组合，有以顶部33附近与顶部22附近的磁极为N极，并且以底部34附近与底部23附近的磁极为S极的组合(与图1对应)；以及以顶部33附近与顶部22附近的磁极为S极，并且以底部34附近与底部23附近的磁极为N极的组合(图中未示)。

图2是以将旋转轴承20与固定轴承30的凹凸形状嵌合的方式隔开微小空隙50对峙时的断面图。当隔开微小空隙50将两者对峙时，通过磁性斥力非接触地支撑旋转轴10。由于固定轴承30的内周面32与旋转轴承20的外周面21做成断面为抛物线状的大致的圆锥形状，因此，在顶部33附近与顶部22附近，主要是有推力方向成分的磁性斥力作用，可以发挥作为推力轴承的功能，另一方面，在底部34附近与底部23附近，主要是有径向方向成分的磁性斥力作用，可以发挥作为径向轴承的功能。借此，可抑制旋转轴10的推力振动和径向振动，确保轴心精度。空隙50在设定有使旋转轴承20、固定轴承30彼此不接触所必要的充分的游隙的基础上，以能够支撑旋转轴10自重的距离设定。另外，利用相同磁极彼此对峙的第1组合方式，由于固定轴承30的底部34的极性与旋转轴承20的顶部22的极性为不同极性，因此，在两者之间作用有吸引力，很容易把旋转轴承20插入凹陷部31内。

此外，不同磁极彼此对峙的第2组合方式为图3所示的构成。在这种结构中，顶部33与底部23为N极，顶部22与底部34为S极。当然，顶部33与底部23为S极、顶部22与底部34为N极也是可行的。在这样的组合中，旋转轴承20插入凹陷部31时，当顶部22位于底部34附近之际，旋转轴承20与固定轴承30之间作用有磁性斥力，当顶部22与顶部33接近到极限时，在两者之间有磁性斥力开始作用，非接触地支撑旋转轴承20。如果上述的第1组合中的旋转轴承20与固定轴承30的距离为D1(参照图2)、第2组合中的旋转轴承20与固定轴承30的距离为D2(参照图3)，则可以使D1＞D2，因而，可以理解，在旋转轴承20与固定轴承30接近到极限的状态下非接触支撑时，第2组合比较合适，在旋转轴承20与固定轴承30以保持一定程度的余隙的状态下非接触支撑时，第1组合比较合适。

于是，通过把固定轴承30做成断面为抛物线状的凹部件，并且把旋转轴承20做成断面为抛物线状的凸部件，可以增大构成轴承装置的凹凸部的对峙面积，因此，可使轴承装置的尺寸紧凑，并能使作用于旋转轴10上的磁性斥力的总和尽可能地增大，是适于精密小型电子仪器的轴承装置。另外，借助于强大的磁性斥力，能确保高精度的轴心精度。还有，在以往的轴承结构中，一般来说，采用分别设置推力轴承与径向轴承的结构，然而，根据本实施形式的构成，用单一的轴承结构就能实现推力轴承与径向轴承的功能，从而，能实现零部件数目的减少以及制造费用的降低，同时可抑制机械振动。

再者，由于旋转轴承20与固定轴承30使用永久磁性体，能够发挥大致半永久的作为磁性轴承的功能，所以，不需要象以往磁性轴承那样地把电力供给电磁线圈。另外，由于采用了利用磁性斥力的非接触支撑机构，因此，可减少机械振动以及旋转部件与固定部件之间的滑动引起的旋转能量的损失。另外，在旋转轴10上环装有O形环或E形环等卡合装置40进行卡合，使旋转轴承20不会在磁性斥力的作用下，朝推力方向变位。

图4～图6示出了将本发明的磁性轴承结构用于电动马达的例子。在各图中，相同符号的部件表示的是相同的部件。其说明省略，在图4的结构中，电动马达60的主要构成是包括：旋转轴承20与固定轴承30组成的磁性轴承装置70；固定在马达壳体61上的定子62；及借助于卡合装置40与旋转轴10一起旋转的转子63。定子62固定在马达壳体61的内周面上，转子63固定在旋转轴10的与定子62对峙的位置。旋转轴10贯通地插入电动马达60的两端面，并具有把旋转扭矩传递到马达两侧的两轴驱动的结构。因此，将磁性轴承装置70设置在电动马达60的两端面上。

与此相比，图5示出了单轴驱动的构成。虽然在电动马达60的两端面上设置有磁性轴承装置70，但是，旋转轴10贯通地插入一个磁性轴承装置70中，而其终端位于另一个磁性轴承装置70的固定轴承30中。图6是表示单轴驱动的另一构成，将始终接触地支撑旋转轴1O的轴承部件80设置在马达壳体61上。因此，由于转子63通过磁性斥力而被非接触地支撑着，所以是不容易受到旋转轴10与磁性轴承装置70的摩擦阻力所造成的机械损失的影响的构成。这与产生机械损失的轴承是不同的，可抑制随着时间经过所产生的劣化，进而，可提供一种耐久性及信赖性可靠的磁性轴承装置70。

另外，在上述说明中，虽然旋转轴承20、固定轴承30的断面形状为抛物线形状，但是，只要曲线是这样的曲线，即将旋转轴承20的凸部与固定轴承30的凹部隔开微小空隙50嵌合时，使上述凸部的顶部22附近的磁性斥力的推力方向成分为主成分，另一方面，使上述凸部的底部23附近的磁性斥力的径向方向成分为主成分，都是可行的，除此之外，并没有特别的限定。作为这样的形状，希望是例如断面为半椭圆形状、断面为U字状、断面为半圆形状、锥状形状等。

图7～图10中示出了旋转轴承20与固定轴承30的变形例。这里，图7示出了旋转轴承20与固定轴承30对峙面成为锥状的情况的透视图，图8是其断面图。图9示出了旋转轴承20与固定轴承30对峙面一部分为锥状的情况下的透视图，图10是其断面图。

并且，在上述例子中，虽然将旋转轴承20做成断面凸状，将固定轴承30做成断面凹状，但是，反过来，也可以将旋转轴承20做成断面凹状，将固定轴承30做成断面凸状。即是说，即使交换上述旋转轴承20的形状与固定轴承30的形状，本发明的磁性轴承装置也是成立的。

本发明的磁性轴承装置，可用于电动汽车、电动车椅子、电动建筑机械、电动福利器具、电动机器人、电动玩具、电动飞行器、电动精密仪器、光学电动控制仪器等的轴承。作为具体的应用例子，可使用于例如构成行星齿轮的太阳齿轮的轴承等。行星齿轮用于各种动力系统中，然而例如在内燃机与电动马达为动力源的混合车辆中，作为把发动机的输出分配给驱动轮与发电机的动力分割机构，利用行星齿轮，如果把本发明的磁性轴承装置用于发电机输入轴的太阳齿轮上，则能尽可能地减少机械损失，可以把动能变换成电能。

Claims

1、一种磁性轴承装置，包括：固定在旋转轴上的旋转轴承；及非接触地支撑所述旋转轴承的固定轴承，其特征是，

所述旋转轴承由朝向所述旋转轴推力方向形成有凸部的、断面为凸状的永久磁性体构成，

所述固定轴承由形成有可嵌合在所述凸部上的凹部、并在所述凹部内穿设有用于贯通地插入所述旋转轴的贯通孔的、断面为凹状的永久磁性体构成，

以把所述旋转轴承的凸部嵌合到所述固定轴承的凹部中的方式、隔开微小空隙地将两者对峙，借助于作用于所述旋转轴承与所述固定轴承之间的磁性斥力，非接触地支撑所述旋转轴。

2、根据权利要求1所述的磁性轴承装置，其特征是，在平行于所述旋转轴的推力方向的面上切断所述旋转轴承时的断面形状是曲线形状，该曲线形状在隔开微小空隙并以把所述旋转轴承的凸部嵌合到所述固定轴承的凹部中的方式将两者对峙时，使所述凸部的顶部附近的磁性斥力的推力方向成分为主成分，另一方面，使所述凸部的底部附近的磁性斥力的径向方向成分为主成分。

3、根据权利要求1或2所述的磁性轴承装置，其特征是，在平行于所述旋转轴的推力方向的面上切断所述旋转轴承时的断面形状，与在所述的面上切断所述固定轴承时的断面形状相似。

4、一种磁性轴承装置，包括：固定在旋转轴上的旋转轴承；及非接触地支撑所述旋转轴承的固定轴承，其特征是，

所述旋转轴承由朝向所述旋转轴推力方向形成有凹部的、断面为凹状的永久磁性体构成，

所述固定轴承由形成有可嵌合在所述凹部中的凸部、并在所述凸部上穿设有用于贯通地插入所述旋转轴的贯通孔的、断面为凸状的永久磁性体构成，

以把所述旋转轴承的凹部嵌合到所述固定轴承的凸部上的方式、隔开微小空隙地将两者对峙，借助于作用于所述旋转轴承与所述固定轴承之间的磁性斥力，非接触地支撑所述旋转轴。

5、根据权利要求4所述的磁性轴承装置，其特征是，在平行于所述旋转轴的推力方向的面上切断所述旋转轴承时的断面形状是曲线形状，该曲线形状在隔开微小空隙并以把所述旋转轴承的凹部嵌合到所述固定轴承的凸部上的方式将两者对峙时，使所述凸部的顶部附近的磁性斥力的推力方向成分为主成分，另一方面，使所述凸部的底部附近的磁性斥力的径向方向成分为主成分。

6、根据权利要求4或5所述的磁性轴承装置，其特征是，在平行于所述旋转轴的推力方向的面上切断所述旋转轴承时的断面形状，与在所述的面上切断所述固定轴承时的断面形状相似。

7、根据权利要求2或5所述的磁性轴承装置，其特征是，所述曲线形状为抛物线。

8、根据权利要求2或5所述的磁性轴承装置，其特征是，所述断面形状为U字状、或半圆形。

9、根据权利要求1～8任一项所述的磁性轴承装置，其特征是，所述旋转轴承和所述固定轴承以不同磁极彼此对峙的方式组合。

10、根据权利要求1～8任一项所述的磁性轴承装置，其特征是，所述旋转轴承和所述固定轴承以相同磁极彼此对峙的方式组合。