JP2006022944A - 磁気軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 強力な永久磁石を利用した非接触で作動する磁気軸受を提供する。
【解決手段】 ラジアル磁気軸受１０は、インナレース１１とアウタレース１３を有する。インナレース１１の外周面にはリング状の永久磁石１２が取付けられ、アウタレース１３の内周面にはリング状の永久磁石１４が取付けられる。対向する一対の永久磁石１２，１４は強力な磁力を有し、同一の磁極面を有する。両磁石は最小間隙Ｇをもって配設され、その反発力によりインナレース１１とアウタレース１３は非接触で回転することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、一対の永久磁石の同極面を相対して配置することによる磁気反発力によって、支持体と被支持体との間に安定的で高精度に一定の間隙を設けることによって、両者間が接触することなく移動可能になる磁気軸受に関する。

従来、電磁石あるいは永久磁石を用いて、機械装置の荷重を受ける軸受を磁気軸受と言い、永久磁石の反発力によるもの、電磁石によるもの等が考えられる。
しかしながら、電磁石の電流を被支持体の変位に従って制御することによって、常に、被支持体を一定に保つ事を目的としたものであり、一対になった電磁石が被支持部を吸引しあい、変位センサから被支持体の位置信号を制御回路にフィードバックして被支持体を平衝位置に留めるように各電磁石に流す電流を制御し、被支持体は、支持体に対して全く無接触で宙に浮いて維持される。
また、永久磁石を利用した軸受については、ＤＶＤのメインスピンドル等極めて小型で軽負荷高速回転用として、Ｖ型断面を有する永久磁石とエア軸受を一対で併用される例があった。
これは、Ｖ型永久磁石によってラジアル方向の位置決めをし、スラスト方向への反発力を発生させ、回転軸の反対面に置かれたエアベアリングに適当な推力を発生させる様に構成されている。
特開平７−１９９０９５号公報

電磁石を利用した支持方式については、一対になった電磁石が被支持体を吸引し合って支持される。
吸引磁気力は、被支持体と電磁石との間隙の二乗に反比例するため、何らかの理由で間隙が変化した場合、間隙が減少した側では、ますます減少する方向に作用し、間隙が拡大した側は、急激に吸引力が減少することとなり、ついには被支持体と支持体が接触することとなる。
安定的に間隙を維持するためには、間隙センサによるフィードバックは不可欠となり、そのフィードバック・サーボ系の制御精度及び応答特性が間隙の精度維持に直接影響を及ぼすこととなり、結果的に支持荷重の増大、サーボ剛性の増大によるバネ定数の増加、ひいては、精度の向上が非常に困難になる。
従って、一般的に支持容量が小さく、バネ定数が小さいため安定性を維持することが難しく、制御装置が複雑で高価となり、特殊な場合を除き一般的に使用することは困難であった。
また、Ｖ型断面を有する永久磁石とエア軸受との併用については、小型で軽荷重高速回転用であり、非常に特殊な目的のために使用されており、一般的な用途に供することは出来なかった。
本発明は、以上の問題を解決する磁気軸受を提供するものである。

本発明の磁気軸受は、基本的な手段として、インナレースと、アウタレースを有し、インナレースの外周面とアウタレースの内周面に設けられる永久磁石を備え、対向する永久磁石は同極の磁極面を有し、最小間隙で配設されるものである。

永久磁石の同極を対向させる力はことによる反発力によって構成されるため、外乱要因によって間隙が変動することなく、常に間隙を正確に維持する自動求芯機能が成立すると共に、バネ定数も大きくなるため外乱による振動に対する減衰性が向上し、高速高精度で安定した支持が可能となる。
永久磁石は、非常に微細（直径０．３ミクロン程度）で粒子の揃った粉末磁気材の焼結合金であり、粒子一つ一つの磁気は全体的には平均化されるため、磁石全面での磁気のバラツキはなく、安定した支持が可能になる。
また、無接触なため消耗部位が皆無であり、制御装置が全く不要になり、永久磁石自体は半永久的に安定であるため長期に渡って安定した作動が可能であり、コストも安くなる。

図１は、本発明の原理を示す説明図である。
一対の永久磁石１，２を同極面Ｓ，Ｓを対向させて間隙Ｇをもって配置したときに、その反発力Ｆは、
Ｆ（Ｎ）＝Ｋ（ｍ_１・ｍ_２）／Ｇ^２ （式１）
で表わされる。
ここで、Ｋは定数、ｍ_１，ｍ_２は、対向する一対の永久磁石の磁極の強さである。
上述の（式１）から磁極の強さが大きい永久磁石を微小間隔で配置したときに大きな反発力を得ることがわかる。
この原理は、表面磁極Ｎ，Ｎをもつ一対の永久磁石３，４を間隙Ｇをもって対向させたときにも適用される。

図２は、上述した原理を利用したラジアル磁気軸受の構成を示す説明図である。
全体を符号１０で示すラジアル磁気軸受は、インナレース１１とアウタレース１３を有する。インナレース１１の外周面にはリング状の永久磁石１２が取付けてあり、また、アウタレース１３の内周面にもリング状の永久磁石１４が取付けてある。
一対の永久磁石１２，１４は、互いに同一の極性面Ｎ，ＮまたはＳ，Ｓを対向させてあり、間隙Ｇをもたせてある。
上述した構成を備えることにより、インナレース１１とアウタレース１３は、非接触で相対回転することができる。
ラジアル磁気軸受を非接触で構成することができるので、回転抵抗が極めて小さい磁気軸受を得ることができる。

図３は、上述した原理を利用したスラスト磁気軸受の構成を示す説明図である。
全体を符号２０で示すスラスト磁気軸受は、第１の磁気軸受部材２１と第２の磁気軸受部材２３を有する。第１の磁気軸受部材２１は、円盤状のもので、第２の磁気軸受部材２３は対向する側面に円盤状の永久磁石２２が取付けてある。第２の磁気軸受部材２３も円盤状のもので、第１の磁気軸受部材２１に対向する側面に円盤状の永久磁石２４が取付けてある。
一対の永久磁石２２，２４は互いに同一の極性面Ｎ，ＮまたはＳ，Ｓを対向させてあり、間隙Ｇをもたせてある。
上述した構成を備えることにより、第１の磁気軸受部材２１と第２の磁気軸受部材２３は、非接触で相対回転することができる。
スラスト磁気軸受を非接触で構成することができるので、回転抵抗が極めて小さい磁気軸受を得ることができる。

図４は、本発明の磁気軸受を工作機械の主軸ヘッドに適用した例を示す説明図である。
全体を符号１００で示す主軸ヘッドは、ハウジング１１０内に回転自在に装備される主軸１２０を有する。主軸１２０は、ハウジング１１０に対して一対の永久磁石を利用したラジアル磁気軸受１５０とスラスト磁気軸受１６０で非接触に支持される。
主軸１２０は、ハウジング１１０内に固定されるステータ１３０と主軸１２０に取付けられるロータ１３２により構成されるモータにより、直接駆動される。
本発明の主軸ヘッドは以上のように構成されるので、主軸は永久磁石を利用した磁気軸受で非接触に支持される。したがって、回転抵抗が極めて小さい主軸ヘッドを得ることができる。

図５は、本発明の工作機械等の摺動装置に適用した例を示す説明図である。
全体を符号２００で示す摺動装置は、ベース２１０とベース２１０上を紙面に垂直な方向に摺動する摺動体２２０を有する。摺動体２２０は、ベース２１０に対して、永久磁石を利用したスラスト磁気軸受２５０で非接触に支持されている。
そして、摺動体２２０は、リニアモータ２３０により非接触で駆動される。
本発明の摺動装置は以上のように、永久磁石を用いたスラスト磁気軸受により非接触で支持されるので、駆動抵抗が極めて小さな駆動装置を得ることができる。

図６は、本発明の他の実施例に係るスラスト磁気軸受を示す。
全体を符号３００で示すスラスト磁気軸受は、中央に配置される回転部材３３０の両側に第１の磁気軸受部材３１０と第２の磁気軸受部材３２０が配列された構造を有する。
回転部材３３０は、円盤状の部材であって、両側に永久磁石３３２，３３４が取付けてある。第１の磁気軸受部材３１０と第２の磁気軸受部材３２０もそれぞれ永久磁石３１２，３２２が取付けてある。
この構成により、非接触で回転するスラスト磁気軸受を得ることができる。

図７は、本発明の他の実施例に係るラジアル磁気軸受を示す。
全体を符号４００で示すラジアル磁気軸受は、インナレース４１０と二分割したアウタレース４２０，４２１を有し、締結手段で結合される。インナレース４１０の外周面は球面に形成されており、永久磁石４１２が取付けてある。
アウタレース４２０の内周面も球面に形成されており、永久磁石４２２が取付けてある。
対向する２つの永久磁石４１２，４２２は、同一の磁極面をもつので、互いに反発する。そこで、インナレース４１０を水平方向からアウタレース４２０の内周に挿入し、垂直方向に旋回させることにより、容易に組立てることができる。

図８は、本発明の他の実施例に係るラジアル磁気軸受を示す。
全体を符号５００で示すラジアル磁気軸受は、インナレース５３０と、二分割したアウタレース５１０，５２０を有する。インナレース５３０の外周面は頂角θを有する二等辺三角形状に形成され、永久磁石５３２，５３４が取付けてある。
アウタレース５１０，５２０の内周面もインナレースの外周面に対応する形状に形成され、永久磁石５１２，５２２が取付けてある。
インナレース５３０の永久磁石５３２，５３４とアウタレース５１０，５２０の永久磁石５１２，５２２は互いに反発する磁極面を有する。そこで、二分割したアウタレース５１０，５２０をボルト５４０とナット５４２で締め付けて、ラジアル磁気軸受５００を組立てることができる。

図９は、本発明の他の実施例に係る摺動磁気軸受を示す。
全体を符号６００で示す摺動磁気軸受は、固定部材６１０と摺動部材６２０を有する。摺動部材６２０は、一端部に隆起部６３０を、他端部に平坦部６４０を有する。
固定部材６１０と摺動部材６２０は、それぞれ、対向する面に永久磁石を有し、各永久磁石は、それぞれ反発する磁極面を備える。
この摺動磁気軸受は、非接触であるので、極めて小さな摺動抵抗で摺動部材を案内することができる。

図１０は、本発明の他の実施例に係る磁気軸受を示す。
全体を符号７００で示す磁気軸受は、固定部材７１０と可動部材７２０を有する。可動部材７２０は、例えば、丸パイプ構造を有し、パイプ７２２は、永久磁石として磁化されている。または、永久磁石（図示せず）を取付けてある。
可動部材７２０が貫通する固定部材７１０は、貫通穴の内周面には永久磁石７１２が取付けてある。対向する永久磁石７１２と７２２は、互いに反発する磁極面を有する。
そこで、可動部材７２０は、固定部材７１０に対して、回転または軸方向に摺動自在に非接触で支持される。
なお、可動部材７２０側を固定し、固定部材７１０側を回転または摺動部材とすることも可能である。

また、上述した実施例にあっては、一対の永久磁石による反発力を利用するものとして、工作機械用主軸ヘッド及び摺動部位の例を説明したが、直線運動するものであれば、半導体組立用ロボットや溶接機械等のあらゆる分野の独立したラジアル軸受、スラスト軸受あるいはラジアル・スラスト複合軸受等を用いても本発明を適用することができる。

本発明の原理を示す説明図。 本発明のラジアル磁気軸受の説明図。 本発明のスラスト磁気軸受の説明図。 本発明の磁気軸受の適用例を示す説明図。 本発明の磁気軸受の適用例を示す説明図。 本発明のスラスト磁気軸受の他の例を示す説明図。 本発明のラジアル磁気軸受の他の例を示す説明図。 本発明のラジアル磁気軸受の他の例を示す説明図。 本発明の摺動磁気軸受の説明図。 本発明の摺動磁気軸受の説明図。

符号の説明

１０ ラジアル磁気軸受
１１ インナレース
１２ 永久磁石
１３ アウタレース
１４ 永久磁石

Claims (8)

1. インナレースと、アウタレースを有し、インナレースの外周面とアウタレースの内周面に設けられる永久磁石を備え、対向する永久磁石は同極の磁極面を有し、最小間隙で配設されるラジアル磁気軸受。
2. インナレースの外周面とアウタレースの内周面は球面に形成される請求項１記載のラジアル磁気軸受。
3. インナレースの外周面はニ等辺三角形に形成され、アウタレースはインナレースの外周面に対向する内周面を有してニ分割された部材で形成される請求項１記載のラジアル磁気軸受。
4. 円盤状の回転部材と、回転部材の側面に配設される固定部材を有し、回転部材と固定部材の対向する面に設けられる永久磁石を備え、対向する永久磁石は同極の磁極面を有し、最小間隙で配設されるスラスト磁気軸受。
5. 円盤状の回転部材と、回転部材の両側に配設される固定部材を有し、回転部材の両側面と固定部材の回転部材に対向する面に設けられる永久磁石を備え、対向する永久磁石は同極の磁極面を有し、最小間隙で配設されるスラスト磁気軸受。
6. 固定部材と摺動部材を有し、固定部材の摺動部材に対向する面と摺動部材の固定部材に対向する面に設けられる永久磁石を備え、対向する永久磁石は同極の磁極面を有し、最小間隙で配設される摺動磁気軸受。
7. 回転モータを具備した主軸を加工抵抗に打ち勝って堅固に支持するハウジングと、回転モータを懸架し、刃具を回転自在に装備する主軸を有し、主軸をハウジングに対して支持する軸受は、半径方向及び軸方向に回転自在に、加工抵抗に打ち勝つ力で強固に装着するためのラジアル及びスラスト用磁気軸受であって、対向する永久磁石は同極の磁極面を有し、最小間隙を設けて配置することによる反発力によって主軸とハウジングとの間を一定の間隙を高精度で安定的に維持する磁気軸受。
8. 摺動体を摺動自在に保持する摺動面を有する本体と、本体の摺動面を摺動自在に移動する摺動体を有し、本体と摺動体との間を一定の間隙で安定的に高精度に維持する軸受は、一対の永久磁石で構成された磁気軸受であって、対向する永久磁石は同極の磁極面を有し、最小間隙を設けて対向させて配置することによる反発力によって本体と摺動体との間の間隙を高精度で安定的に維持する磁気軸受。
   

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