JP2012097891A

JP2012097891A - 永久磁石磁気軸受

Info

Publication number: JP2012097891A
Application number: JP2010257267A
Authority: JP
Inventors: Katsuya Tamaki; 勝也玉木
Original assignee: B PRO CORP; B'PRO CORP
Current assignee: B PRO CORP; B'PRO CORP
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2012-05-24

Abstract

【課題】簡易な構成でありながら、ラジアル磁気軸受とスラスト磁気軸受の機能を併せ持たせることができる永久磁石磁気軸受を提供する。
【解決手段】永久磁石磁気軸受は、インナー磁石１０とアウター磁石２０とを有し、インナー磁石１０の外周には、軸線から垂直なラジアル方向に略三角形に突出した突出部１２を形成すると共に、中心側と外周側が互いに異なる磁極に着磁される。また、アウター磁石２０は、突出部１２に対向する内周面を有し、突出部１２の頂部に対応する平面で二分割され、中心側と外周側が互いに異なる磁極に着磁される。そして、インナー磁石１０の突出部１２と、この突出部１２に対応するアウター磁石２０の内周面とは同極の磁極を有して、所定間隔で対向配置する。インナー磁石１０の略三角形の突出部１２と、アウター磁石２０の内周面とが同極のため、磁気的な反発力によってインナー磁石１０がアウター磁石２０の内周面に非接触で保持される。
【選択図】図２

Description

本発明は、永久磁石の同極同士を互いに対向配置することによる磁気反発力を利用した磁気軸受に関し、回転体と支持体とを非接触状態で支持する永久磁石磁気軸受に関する。

回転体を非接触状態で支持する軸受として、磁気軸受が実用に供されている。磁気軸受としては、例えば、特開平１１−３２５０７５号公報（特許文献１）に示す構成が一般的であった。図５は一般的な磁気軸受を示し、回転軸１００は、ラジアル方向を回転自在に支持するラジアル磁気軸受１１０と、スラスト方向を回転自在に支持するスラスト磁気軸受１１１によって、各々別個の磁気軸受によって支持されている。

一般的なラジアル磁気軸受１１０は、図５に示すように、回転軸１００の外周には、リング状のマグネット（永久磁石）１０１が固着され、円筒状の支持体１０２の内周面には、上記マグネット１０１と対向する位置に一定の間隙をおいて、上記マグネット１０１よりも大径のリング状のマグネット（永久磁石）１０３が取り付けられている。上記マグネット１０１と上記マグネット１０３はラジアル方向から着磁され、互いに反発し合うように同極どうしを対向させて配置されている。図５に示すものは、Ｎ極どうしが対向している。このマグネット１０１とマグネット１０３の反発力によって、回転軸１００は中心位置に保持され、所定の回転中心位置の周りに拘束されて非接触状態で回転することができる。

一方、スラスト磁気軸受１１１は、回転軸１００の下端に固着された第１の平板状マグネット１０４と、固定部材（図示しない）の上面に取り付けられた第２の平板状マグネット１０５とによって構成され、第１の平板状マグネット１０４と第２の平板状マグネット１０５とは一定の間隙をおいて対向している。そして、上記第１の平板マグネット１０４は、同心円状にスラスト方向から着磁が施された多極着磁部１０４ａを有している。また、上記第２平板マグネット１０５は、第１平板マグネット１０４の多極着磁部１０４ａと対向する位置に、多極着磁部１０４ａと同極に着磁された多極着磁部１０５ａを有している。図示のように、この第２平板マグネット１０６の多極着磁部１０５ａは、第１の平板マグネット１０４の多極着磁部１０４ａと同様、同心円状にスラスト方向から着磁が施されたものである。従って、第１平板マグネット１０４と第２平板マグネット１０５は、スラスト方向において互いに反発するようになっている。この第１平板マグネット１０４と第２平板マグネット１０５の反発力によって回転軸１００は、固定部材に対してスラスト方向に所定の間隔をおいて拘束され、非接触で回転するようにしている。

特開平１１−３２５０７５号公報

従来一般の磁気軸受は、特許文献１（特開平１１−３２５０７５号公報）に示すように、回転軸１００をラジアル磁気軸受１１０とスラスト磁気軸受１１１によって支持している。しかしながら、ラジアル磁気軸受１１０とスラスト磁気軸受１１１は、各々個別に構成されていることから、必然的に大型になり、回転軸１００を回転自在に支持するために大きなスペースを必要とする問題があった。

しかも、ラジアル磁気軸受１１０の磁気的中心とスラスト磁気軸受１１１の磁気的中心とが一致しない場合には、回転軸１００が偏芯して回転することになり、特許文献１にも示されているように、サーボ式の磁気軸受を採用しなければならなかった。このサーボ式の磁気軸受は、回転軸の周囲に一定の間隙をおいて電磁石を配設する一方、回転軸の外周に複数の位置センサを配置し、この位置センサによって、回転軸の回転軸中心位置からのずれが検知されと、サーボドライバに信号を伝え、電磁石への通電を制御して回転軸の回転軸中心位置からのずれを修正するものである。ところが、ラジアル磁気軸受１１０の磁気的中心とスラスト磁気軸受１１１の磁気的中心とが一致しない場合には、サーボドライバが常に電磁石へ強制的に通電することになり、電力消費量が増大する問題が発生する。さらに、サーボ式の磁気軸受の採用は、コストが著しく崇高になる問題があった。

そこで、本発明の目的は、この問題を解決し、簡易な構成でありながら、ラジアル磁気軸受とスラスト磁気軸受の機能を併せ持たせることができる永久磁石磁気軸受を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明による永久磁石磁気軸受は、インナー磁石とアウター磁石とを有し、上記インナー磁石の外周には、軸線から垂直なラジアル方向に略三角形に突出した突出部を形成すると共に、中心側と外周側が互いに異なる磁極に着磁され、上記アウター磁石は、上記突出部に対向する内周面を有し、上記突出部の頂部に対応する平面で二分割されると共に、中心側と外周側が互いに異なる磁極に着磁され、上記インナー磁石の突出部と、この突出部に対応する上記アウター磁石の内周面とは同極の磁極を有して、所定間隔で対向配置したことを要旨としている。

さらに、本発明の永久磁石磁気軸受は、インナー磁石とアウター磁石を永久磁石のみによって形成することが望ましい。

また、インナー磁石とアウター磁石のいずれか一方の磁石は、直径方向の磁極幅を異ならせて他方の磁極に対向させても良い。

本発明の永久磁石磁気軸受によれば、永久磁石によって形成されたインナー磁石とアウター磁石のうち、インナー磁石の外周に略三角形に突出した突出部を形成し、アウター磁石の内周面に上記突出部の頂部に対応する平面を設けて、互いに同極の磁極として対向することにより、インナー磁石の略三角形状の突出部とアウター磁石の内周面とが磁気的に反発し、インナー磁石がアウター磁石の内周面に非接触状態で保持される。このとき、インナー磁石は、ラジアル方向とスラスト方向のいずれの方向に対しても保持されるので、ラジアル磁気軸受とスラスト磁気軸受の機能を併せ持たせることができる。これにより、永久磁石磁気軸受を小形軽量に構成することができ、しかも、安価に提供することが可能となる。さらに、アウター磁石を、インナー磁石の突出部の頂部に対応する平面で二分割しているので、各アウター磁石を重合することにより、アウター磁石の内周面にはインナー磁石の突出部に対応した凹所が形成されるので、アウター磁石の内周面内にインナー磁石の突出部を容易に対向配置させることができる。

また、インナー磁石とアウター磁石を永久磁石のみによって形成するならば、永久磁石自体が有する高い機械的強度と良好な加工性によって、保持部材等を使用することなくインナー磁石とアウター磁石を形成することが可能となり、構成を簡易にするとともにコストを低減することが可能となる。

また、インナー磁石とアウター磁石のいずれか一方の磁石の直径方向の磁極幅を異ならせて他方の磁極に対向させることにより、回転軸等の回転体を水平状態で支持するときの自重、或いは、回転体に側圧が加えられた使用状態において、インナー磁石がラジアル方向に加わる力によってインナー磁石とアウター磁石とが接触する事故を未然に防止することが可能となる。

本発明による永久磁石磁気軸受は、インナー磁石とアウター磁石とを有し、上記インナー磁石の外周には、軸線から垂直なラジアル方向に略三角形に突出した突出部を形成すると共に、中心側と外周側が互いに異なる磁極に着磁される。また、上記アウター磁石は、上記突出部に対向する内周面を有し、上記突出部の頂部に対応する平面で二分割され、中心側と外周側が互いに異なる磁極に着磁される。そして、上記インナー磁石の突出部と、この突出部に対応する上記アウター磁石の内周面とは同極の磁極を有して、所定間隔で対向配置する。上記インナー磁石の略三角形の突出部と、アウター磁石の内周面とが同極のため、磁気的な反発力によってインナー磁石がアウター磁石の内周面に非接触で保持される。

以下、図面に基いて本発明の好適な実施例について説明する。図１は、本発明による永久磁石磁気軸受の構成を示す分解斜視図である。永久磁石磁気軸受１は、インナー磁石１０とアウター磁石２０によって構成されている。インナー磁石１０は、永久磁石のみによってリング状に形成され、内側には、後述する回転軸３０等の回転体を挿通するための軸孔１１が形成されている。また、外周は、軸線Ｏから垂直なラジアル方向に略三角形に突出した突出部１２が形成されている。この突出部１２の頂部の角度は、３０度乃至６０度が望ましいが、回転体の形態に応じて適宜に設定しても良い。このインナー磁石１０は、ネオジム磁石を使用することが望ましく、全体がネオジム磁石単体で構成される。なお、ネオジム磁石の他に、用途によってはサマリウムコバルト磁石、フェライト磁石等の永久磁石を使用しても良い。

永久磁石磁気軸受１のアウター磁石２０は、インナー磁石１０の突出部１２の頂部に対応する平面で二分割されていて、インナー磁石１０の上下に配設される。一方のアウター磁石２１は、永久磁石のみによってリング状に形成され、その内周面は、インナー磁石１０の突出部１２における一方の斜面１２ａの角度と同じ斜面２１ａが形成されている。また、他方のアウター磁石２２は、上記一方のアウター磁石２１と同様の構成とし、やはり、リング状に形成され、その内周面は、インナー磁石１０の突出部１２における他方の斜面１２ｂの角度と同じ斜面２２ａが形成されている。このアウター磁石２０も、ネオジム磁石を使用することが望ましく、全体がネオジム磁石単体で構成される。なお、このアウター磁石２０も、ネオジム磁石の他に、用途によってはサマリウムコバルト磁石、フェライト磁石等の永久磁石を使用しても良い。

さらに、インナー磁石１０は、軸孔１１側がＳ極、突出部１２側がＮ極となるように、ラジアル方向に磁極が着磁されている。一方、アウター磁石２０は、一方のアウター磁石２１及び他方のアウター磁石２２ともに、ラジアル方向に磁極が着磁されていて、内周面側をＮ極、外周面側をＳ極にしている。すなわち、アウター磁石２０の内周面側は、インナー磁石１０の突出部１２側と同極に着磁されている。

このように構成されたインナー磁石１０及びアウター磁石２０は、図２に示すように組み立てられる。まず、一方のアウター磁石２１にインナー磁石１０を重ね、一方のアウター磁石２１の内周面の斜面２１ａと、インナー磁石１０の突出部１２の一方の斜面１２ａと一致させる。この状態から、他方のアウター磁石２２を一方のアウター磁石２１に重ねる。このとき、アウター磁石２０は、インナー磁石１０の突出部１２の頂部に対応する平面で二分割されているので、一方のアウター磁石２１と他方のアウター磁石２２の重合面がインナー磁石１０の突出部１２の頂部に一致する。

一方のアウター磁石２１と他方のアウター磁石２２とを重ねると、図２に示すように、インナー磁石１０の突出部１２側と、アウター磁石２０の内周面側が同極のＮ極に着磁されているので、互いに磁気的に反発し、インナー磁石１０の突出部１２がアウター磁石２０の内周面と所定間隔で対向するように非接触状態で配置される。

ところで、上述したように、一方のアウター磁石２１と他方のアウター磁石２２の間にインナー磁石１０を磁気浮上した状態で重合した場合、一方のアウター磁石２１と他方のアウター磁石２２の内周面側及び外周側が同極に着磁されているので、これらも磁気的に反発して互いに離間しようとする。このため、一方のアウター磁石２１と他方のアウター磁石２２とは、図２において二点鎖線で示すように、例えば止着体４０によって固定される。この止着体４０は、断面コ字状に形成され、一方のアウター磁石２１と他方のアウター磁石２２とを重合した状態で、止着体４０の上下に一体形成した突片４１によって狭持されることによって固定される。この止着体４０としては、鋼板等の軟磁性体金属の素材によってリング状に形成することが望ましく、この軟磁性体金属は、一方のアウター磁石２１と他方のアウター磁石２２の外周側において磁路が形成されることから、反発力をさらに強めることが可能となる。なお、止着体４０は、一方のアウター磁石２１と他方のアウター磁石２２の外周側全周を被冠するように装着する他、複数に分割して外周側の円周方向に離間して装着しても良い。また、止着体４０をリング状に形成し、一方の突片４１を開放した状態で、重合した一方のアウター磁石２１と他方のアウター磁石２２を挿入した後、一方の突片４１をカシメによって止着するようにしても良い。

一方のアウター磁石２１と他方のアウター磁石２２とを止着する手段としては、上述した止着体４０による止着手段の他、ビスによって固定しても良い。この場合は、一方のアウター磁石２１と他方のアウター磁石２２に透孔を形成し、この透孔にビス４を挿通して固定部材に設けられたねじ穴に螺合することにより固定することができる。その他の固定手段としては、接着もしくは溶着等を用いて固定しても良い。

上記インナー磁石１０の軸孔１１には、図２に示す回転体としての回転軸３０が挿通され、固定されている。そして、回転軸３０が固定されたインナー磁石１０は、アウター磁石２０との磁気的反発力によって所定間隔を保ちながら非接触状態で回転する。回転軸３０が軸線Ｏから垂直なラジアル方向に移動すると、インナー磁石１０がアウター磁石２０に近接するが、両者の反発力は近接するに従って増大することから、回転軸３０を中心の軸線Ｏの方向に戻される。一方、回転軸３０が図示下方のスラスト方向に移動すると、インナー磁石１０の突出部１２が、例えば他方のアウター磁石２２の斜面２２ａに近接するが、両者の反発力は近接するに従って増大することから、回転軸３０を図示上方の一方のアウター磁石２１側に戻される。このように、回転軸３０は、インナー磁石１０とアウター磁石２０によるラジアル軸受機能、及び、スラスト機能によって非接触状態で円滑に回転することができる。

使用状態によって、上記回転軸３０に側圧が加えられる場合、或いは、図４のように、回転軸３０を水平姿勢とした場合の回転軸３０自体の自重によって、インナー磁石１０が図４に示す矢示の方向に偏ることがある。側圧がインナー磁石１０とアウター磁石２０との磁気的な反発力を越えた場合には、両者が接触する事故が発生する。このように、回転軸３０に加わる側圧の方向が一定の場合には、インナー磁石１０とアウター磁石２０のいずれか一方の磁石の直径方向における磁極幅を異ならせて他方の磁極に対向させることにより、接触事故を未然に防止することができる。

すなわち、図３乃至図４に示す例においては、アウター磁石２０の直径方向の磁極幅を異ならせ、図示下方の磁極幅Ｗ１を図示上方の磁極幅Ｗ２よりも大きくしている。このように、図示下方の磁極幅Ｗ１を大きくすると、インナー磁石１０との磁気的な反発力が側圧よりも大きくなり、この結果、インナー磁石１０とアウター磁石２０とが所定間隔の非接触状態を保つことができる。なお、インナー磁石１０の直径方向の磁極幅を異ならせても良く、アウター磁石２０の磁極幅を異ならせ場合と同様に反発力を異ならせることができる。

以上、本発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形可能であることは言うまでもない。例えば、上述した実施例においては、インナー磁石の外周に形成した略三角形の突出部の頂部を鋭角にしたが、この突出部を台形状に形成したり、頂部を円弧状に形成する一方、アウター磁石の内周面を突出部の形状に対応させるように変形しても良い。また、インナー磁石とアウター磁石の厚さを異ならせて、反発力に変化を加えるようにしても良い。さらに、ネオジム磁石によって形成したインナー磁石とアウター磁石に対して、防錆用のメッキを施したり、防錆塗料を塗布するなどの防錆処理を施しても良く、例えば高湿度の環境や水中などの環境で使用する場合に好適である。

本発明は、非接触状態で回転体を支持する磁気軸受に適用可能である。

本発明による永久磁石磁気軸受の構成を示す分解斜視図である。本発明による永久磁石磁気軸受を示す断面図である。永久磁石磁気軸受における磁極幅を異ならせた例を示す斜視図である。磁極幅を異ならせた永久磁石磁気軸受を示す断面図である。従来の一般的な磁気軸受を示す断面図である。

１永久磁石磁気軸受
１０インナー磁石
１２突出部
２０アウター磁石
２１一方のアウター磁石
２２他方のアウター磁石
３０回転軸（回転体）

上記の課題を解決するため、本発明による永久磁石磁気軸受は、インナー磁石とアウター磁石とを有し、上記インナー磁石の外周には、軸線に垂直なラジアル方向に突出した突出部が形成されると共に、上記インナー磁石は、その中心側と外周側とが互いに異なる磁極となるように着磁され、上記アウター磁石は、上記突出部に対向する内周面を有し、上記突出部の頂部に対応する平面で二分割されると共に、その中心側と外周側とが互いに異なる磁極となるように着磁され、上記アウター磁石の上記内周面に対向する上記突出部の対向面の磁極と上記アウター磁石の上記内周面の磁極とが同じであり、上記突出部の上記対向面と上記アウター磁石の上記内周面とは、所定間隔で対向配置されていることを要旨としている。

また、上記インナー磁石および上記アウター磁石は、リング状に形成され、上記インナー磁石および上記アウター磁石のいずれか一方は、その円周方向において、その径方向の磁極の幅が異なるように着磁されても良い。

本発明の永久磁石磁気軸受によれば、アウター磁石の内周面と、アウター磁石の内周面に対向するインナー磁石の突出部の対向面とが同極に着磁されているため、インナー磁石の突出部の対向面とアウター磁石の内周面とが磁気的に反発し、インナー磁石がアウター磁石の内周面に非接触状態で保持される。このとき、インナー磁石は、ラジアル方向とスラスト方向のいずれの方向に対しても保持されるので、ラジアル磁気軸受とスラスト磁気軸受の機能を併せ持つことができる。これにより、永久磁石磁気軸受を小形軽量に構成することができ、しかも、安価に提供することが可能になる。さらに、アウター磁石を、インナー磁石の突出部の頂部に対応する平面で二分割しているので、各アウター磁石を重合することにより、アウター磁石の内周面にはインナー磁石の突出部に対応した凹部が形成される。したがって、アウター磁石の内周面内にインナー磁石の突出部を容易に対向配置させることができる。

また、インナー磁石およびアウター磁石がリング状に形成され、インナー磁石およびアウター磁石のいずれか一方が、その円周方向において、その径方向の磁極の幅が異なるように着磁されれば、回転軸等の回転体を水平状態で支持するときの自重、或いは、回転体に側圧が加えられた使用状態において、インナー磁石にラジアル方向に加わる力によって、インナー磁石とアウター磁石とが接触する事故を未然に防止することが可能となる。

上記の課題を解決するため、本発明による永久磁石磁気軸受は、インナー磁石とアウター磁石とを有し、上記インナー磁石の外周には、軸線に垂直なラジアル方向に突出した突出部が形成されると共に、上記インナー磁石は、その中心側と外周側とが互いに異なる磁極となるように着磁され、上記アウター磁石は、上記突出部に対向する内周面を有し、上記突出部の頂部に対応する平面で上記軸線方向に二分割されると共に、その中心側と外周側とが互いに異なる磁極となるように着磁され、上記アウター磁石の上記内周面に対向する上記突出部の対向面の磁極と上記アウター磁石の上記内周面の磁極とが同じであり、上記突出部の上記対向面と上記アウター磁石の上記内周面とは、所定間隔で対向配置され、二分割された上記アウター磁石は、止着体に一体形成される突片に上記軸線方向で挟持されることで、上記止着体によって固定され、上記止着体は、軟磁性体金属によって形成されると共に、上記アウター磁石の外周側を被うように配置されていることを要旨としている。

Claims

インナー磁石とアウター磁石とを有し、
上記インナー磁石の外周には、軸線から垂直なラジアル方向に略三角形に突出した突出部を形成すると共に、中心側と外周側が互いに異なる磁極に着磁され、
上記アウター磁石は、上記突出部に対向する内周面を有し、上記突出部の頂部に対応する平面で二分割されると共に、中心側と外周側が互いに異なる磁極に着磁され、
上記インナー磁石の突出部と、この突出部に対応する上記アウター磁石の内周面とは同極の磁極を有して、所定間隔で対向配置したことを特徴とする永久磁石磁気軸受。
インナー磁石とアウター磁石は、永久磁石のみによって形成された請求項１に記載の永久磁石磁気軸受。
インナー磁石とアウター磁石のいずれか一方の磁石は、直径方向の磁極幅を異ならせて他方の磁極に対向させた請求項１または２のいずれかに記載の永久磁石磁気軸受。