JP2005325988A - 磁気軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】軸に磁石を取付けた円盤を取付け，負荷荷重と同じ磁力により軸を浮上させ，別の円盤の上下に同じ極性を持った磁石を取付けて磁石の反発力のバランスを取らせる事によって精密な制御機構なしに軸を空中に浮べ軸の回転摩擦を抑えられる。又軸端にセラミックを用いて浮上前の回転抵抗を抑え、金属の場合避けがたい着磁を防止できる。
【解決手段】本磁気軸受は磁石の反発力を利用して負荷の荷重を相殺し，軸に取付けた円盤を挟み込む磁石の組で浮上位置を限定し，軸周囲に配置した磁石の組で軸の中心を安定させるもので，これにより軸受時には，軸は他の部分に接触せず回転できる。砂塵等の内部侵入による性能の低下が起きす，運転性能が向上する。また，励磁前の軸受けの接触摩擦を低減することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は，精密な制御機構を必要としない磁気軸受けの仕組みに関するものである．

これまでに開発された磁気軸受けは軸の一端を支持するものであって，荷重と磁力のバランスを取るために電磁石に印可する電圧を精密に制御するためのコンピュータ装置が必須であり，そのため非常に高価にならざるを得なかった．

このことから磁気軸受けは非常に高価なシステムの中にのみ組み込まれて使用されてきた．このため，一般の軸受けはベアリングを用いたものが殆どである．しかし，このベアリングは砂漠地帯など砂塵の多い環境では砂粒等がベアリング内部に侵入し，その運転性能を著しく低下させるという難点があった．

解決しようとする問題点は，通常の軸受けが砂塵等の内部への侵入により摩擦が大幅に増加すること，またそれの解決となるべき非接触の磁気軸受けはコンピュータによる制御が必要で非常に高価であるという点，また，磁力が加わっていない時軸受け接触部に生ずる摩擦が大きく，回転時には渦電流による抵抗があるという点である．

そこで上記した事情に鑑み、砂塵等による性能の低下を抑制するために，軸を磁力で空中に保持し，しかも精密な制御機構を必要としない新形式の磁気軸受けを製作することを課題とし，その設計指針を提供することを目的とする．

本発明は，軸に取り付けた磁石を同じ極を有する磁石で上下から挟み込み，軸の位置を安定させる安定用の磁石の組と，負荷の荷重分の磁気浮力を軸に与えて軸を中立状態にする磁石の組み，さらに軸の中心を一定範囲に保つための磁石の組という３組の磁石機構によって軸を軸受けから安定浮上させ，またその材質を提示しようとするものである．

本発明の磁気軸受けは，磁石の反発力を利用して負荷の荷重を相殺し，軸に取り付けた円盤を挟み込む磁石の組で浮上位置を限定し，軸周囲に配置した磁石の組で軸の中心を安定させるもので，これにより，軸受け作動時には，軸は他の部分に接触せせず回転出来，砂塵等の内部侵入による摩擦によって性能の低下が起きず，運転性能が向上する．また，励磁前の軸受けの接触摩擦を低減する事が出来る．

軸に取り付けた円盤には永久磁石を取り付けることで，軸への電力の供給が不要となり，構造がより簡便になる．さらに，この上下の磁石は電磁石とすることで，初期設定により通電時に荷重に応じた浮力を与えて軸の上下方向のバランスを取ることが出来る．

図１は本発明装置の実施例を示す．中央部の（４）は荷重（負荷）を表している．この図で斜線部は最良の実施形態で述べたように電磁石を，交差斜線（クロスハッチング）部は永久磁石を表している．（１）は下部ピボット軸受けであり，磁力が働いていないとき全体を支える役目をする．（２）は上部ピボット軸受けであり過度に浮上した場合の上方向への移動を抑える．この（１）および（２）の軸受けには円形に配置した磁石を組み込み，軸との反発を利用して軸を回転中心に保つようにする．（１１）の永久磁石と（１２）の電磁石の組は軸の浮上のためのもので，負荷の荷重を相殺して軸を中立状態にするためのものである．この中立状態となった軸にあって，（５）の永久磁石を取り付けた円盤は，その上側では（８）の電磁石と反発し合い下側では（７）の電磁石と反発するように極性をそれぞれの組で同極に設定する．これによって円盤（５）は固定された電磁石（４）（５）の中間に保持されることになる．なお，（１）（２）の交差斜線は前述の軸を回転中心に保持するための永久磁石である．このような組を軸に複数個取り付けることで一つの軸受け当たりの負荷を軽減することが出来る．（１３）は電磁石に電力を供給する安定化電源であり，負荷の大きさに合わせた電圧及び電流値をあらかじめ設定しておくためのものである．また，（１４）（１６）および（１５）（１７）はそれぞれセラミック製の軸受けおよび軸端であり，この点接触によって軸を中心に保つと共に励磁前の接触回転抵抗を低減し軸端の摩耗を抑止することが出来る．さらに，この軸端をセラミック化することで軸端での渦電流による回転抵抗を低減できる．また，図２は本発明の磁気軸受けを取り付けた装置を上下方向に分離したものの概略図である．

実際に必要な磁力等を算出してみると以下のようになる．磁極間の磁力Ｆは

と表されるから．空気の透磁率μ＝１，磁石間の距離を５ｍｍとして負荷が１０ｋｇの場合を計算するとｍ_１・ｍ_２＝０．０３１（Ｗｂ）を得る．磁石の面積を２．５×１０^−３ｍ^２とすれば，永久磁石と電磁石の磁気量を同一とすれば１Ｗｂ／ｍ^２＝１Ｔより，片側の磁石に必要な磁気力は４．４×１０^−４Ｔ（テスラ）である．なお，この値は永久磁石を一定とし，電磁石に印加することで負荷に合わせて変更することが出来る．

たとえば電磁石へ供給する電力をこの軸に取り付けた風力発電機からのものとすれば，風速の増加と共に軸はわずかに浮上し摩擦抵抗が大幅に減少するようになり，風速が低下すればまたピボット軸受けに落ち着くという運転が可能である．また，磁力の精密制御を行わないため軸の上下方向への変動もわずかではあるが存在する．しかし，特に砂塵の多い屋外で使用する風車などに関しては，耐久性の向上と摩擦減少による性能向上を考えると問題は少ない．

発明軸受けを取り付けた軸の断面図 発明風車の概略図

符号の説明

１ 下部ピボット軸受け
２ 上部ピボット軸受け
３ 回転軸
４ 負荷
５ 軸に取り付けた円盤
６ バランス用永久磁石（上側）
７ バランス用永久磁石（下側）
８ バランス用電磁石（上側）
９ バランス用電磁石（下側）
１０ 軸に取り付けた円盤
１１ 軸浮上用永久磁石
１２ 軸浮上用電磁石
１３ 安定化電源
１４ 受け側セラミックチップ
１５ 軸端セラミックチップ
１６ 受け側セラミックチップ
１７ 軸端セラミックチップ

Claims (2)

1. 軸に磁石を取り付けた円盤を取り付け，負荷荷重と同じ磁力により軸を浮上させ，別の円盤の上下に同じ極性を持つ磁石を取り付けて磁石の反発力のバランスを取らせることによって精密な制御機構なしに軸を空中に浮かべ，軸の回転摩擦を抑える形式の軸受け．
2. 軸端にセラミックを用いることで，軸浮上前の回転抵抗を抑えるとともに金属の場合避けがたい着磁を防止する方法．

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