JP2013185691A - Magnetic floating device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent or reduce a change in a relative position of a floating body and a magnetic unit even if a constant external force is generated in a magnetic floating device.SOLUTION: A magnetic floating device 1 includes: a floating body 3, at least part of which is formed with a ferromagnet; magnetic units including at least an electromagnet, disposed facing each other to be partitioned by the floating body 3, and forming a magnetic circuit a magnet resulting from the electromagnet via a gap in the floating body 3; a magnetic support means 2 including a movable frame to which the magnetic units are fixed and a fixed frame supporting a load applied to the movable frame and the floating body 3, and capable of adjusting a distance between the fixed frame and the movable frame; a control means 31 for supporting the floating body 3 in a contactless state by controlling current of the electromagnet based on a relative displacement of the floating body 3 with the magnetic units; an auxiliary magnetic unit including an auxiliary magnet and forming a magnetic circuit resulting from the auxiliary magnet via a gap in the floating body 3; and an eternal auxiliary means 4 where the auxiliary magnetic unit is provided.

Description

本発明の実施形態は、電磁石の磁力で浮上体を非接触で支持する装置に関する。   Embodiments of the present invention relate to an apparatus for supporting a levitated body in a non-contact manner by the magnetic force of an electromagnet.

回転体を非接触支持する手段として、磁気軸受が広く使用されている。通常、磁気軸受は、回転するロータの回転軸に直交する動きを非接触支持するラジアル軸受と、回転軸に平行な動きを非接触支持するスラスト軸受とで構成される。その場合、浮上体であるロータを安定的に非接触支持するために、ラジアル軸受とスラスト軸受との何れかの軸受に対して電磁石の吸引力を制御する常電導吸引式磁気浮上方式が適用されるのが一般的である。   Magnetic bearings are widely used as means for supporting a rotating body in a non-contact manner. Usually, a magnetic bearing is comprised by the radial bearing which carries out the non-contact support of the movement orthogonal to the rotating shaft of the rotating rotor, and the thrust bearing which carries out the non-contact support of the movement parallel to the rotating shaft. In that case, in order to stably support the rotor, which is a floating body, in a non-contact manner, a normal conducting attraction type magnetic levitation system that controls the attraction force of the electromagnet with respect to either the radial bearing or the thrust bearing is applied. It is common.

常電導吸引式磁気浮上方式では、浮上体を定常的に非接触支持するために、電磁石にバイアス電流を流すことによって常に所定の吸引力を形成する必要がある。そのため、ロータに作用する外力の有無によらず常に電力を消費することになる。また、常に電磁石のコイルが通電状態となるため発熱が避けられず、何らかの冷却手段を講じる必要がある。   In the normal conducting magnetic levitation system, it is necessary to always form a predetermined attraction force by flowing a bias current through the electromagnet in order to support the levitated body in a non-contact manner. Therefore, power is always consumed regardless of the presence or absence of external force acting on the rotor. Further, since the electromagnet coil is always energized, heat generation is unavoidable, and some cooling means must be taken.

また、従来の電磁石を用いた磁気軸受では、できるだけ小さな電磁石で十分な吸引力を得るために、ロータと電磁石間の空隙長を小さく設計する必要がある。しかし、特殊な環境下、例えば真空中でロータを回転させる場合、磁気軸受全体を真空中に設置すると放熱効果が期待できず、電磁石の過熱が問題になることがある。また、キャンドポンプのように液体中でインペラをロータとして回転させる場合、磁気軸受全体を液体中に置くと液体の流れを電磁石が乱すことになるため、効率の低下が懸念される。   Further, in a magnetic bearing using a conventional electromagnet, it is necessary to design the gap length between the rotor and the electromagnet to be small in order to obtain a sufficient attractive force with the smallest possible electromagnet. However, when the rotor is rotated in a special environment, for example, in a vacuum, if the entire magnetic bearing is installed in a vacuum, a heat radiation effect cannot be expected, and overheating of the electromagnet may become a problem. Further, when the impeller is rotated as a rotor in a liquid like a can pump, if the entire magnetic bearing is placed in the liquid, the flow of the liquid will be disturbed by the electromagnet, so there is a concern that efficiency will be lowered.

このような場合、浮上体であるロータを真空容器内部やパイプ内部に配置することによって電磁石と隔離し、その外側に電磁石を配置してロータを非接触支持することが考えられる。しかし、電磁石を容器やパイプの外部に配置するとロータと電磁石との間の空隙長が広くなり、ロータを支持するのに十分な電磁力を得るためには、電磁石の大型化が避けられないという問題がある。電磁石への励磁電流を増大させて大きな電磁力を得ることも可能であるが、この場合には電磁石のコイル抵抗損が大きくなり、磁気軸受の電力消費が増大するとともに発熱量も増大するという問題がある。   In such a case, it is conceivable to place the rotor, which is a floating body, inside the vacuum vessel or the pipe so as to be isolated from the electromagnet, and to place the electromagnet outside thereof to support the rotor in a noncontact manner. However, if the electromagnet is arranged outside the container or pipe, the gap length between the rotor and the electromagnet becomes wide, and in order to obtain sufficient electromagnetic force to support the rotor, the electromagnet must be enlarged. There's a problem. It is possible to obtain a large electromagnetic force by increasing the excitation current to the electromagnet. However, in this case, the coil resistance loss of the electromagnet increases, which increases the power consumption of the magnetic bearing and increases the amount of heat generation. There is.

少ない電力消費で吸引式磁気浮上を行う場合、特許文献1に記載されているように、永久磁石および電磁石で磁石ユニットを構成し、永久磁石に起因する主磁束と電磁石に起因する主磁束との磁気回路が浮上体と磁石ユニットとの間の空隙で共通の磁路を形成するように磁石ユニットおよび浮上体を配置して、浮上状態の安定性を維持しながら電磁石への励磁電流をゼロに収束させる、いわゆるゼロパワー制御を適用する方法がある。このような構成とすることで、浮上体を非接触支持するために必要な磁力を永久磁石に起因する磁力によってまかなうことができ、定常的に非接触支持するために電磁石に流す必要があるバイアス電流が不要となる。   When performing attraction type magnetic levitation with low power consumption, as described in Patent Document 1, a permanent magnet and an electromagnet constitute a magnet unit, and the main magnetic flux caused by the permanent magnet and the main magnetic flux caused by the electromagnet The magnet unit and the levitation body are arranged so that the magnetic circuit forms a common magnetic path in the gap between the levitation body and the magnet unit, and the excitation current to the electromagnet is reduced to zero while maintaining the stability of the levitation state. There is a method of applying so-called zero power control for convergence. By adopting such a configuration, the magnetic force required to support the floating body in a non-contact manner can be provided by the magnetic force caused by the permanent magnet, and the bias that needs to flow to the electromagnet in order to support the non-contact in a steady manner. No current is required.

また、特許文献2に記載されているように、浮上体と磁石ユニットとの間の相対変位が大きい場合でも電磁石への少ない励磁電流で大きな電磁力を制御することができる。   Further, as described in Patent Document 2, even when the relative displacement between the floating body and the magnet unit is large, a large electromagnetic force can be controlled with a small excitation current to the electromagnet.

このように、電磁石および永久磁石で構成された磁石ユニットと浮上体とで磁気軸受を構成してゼロパワー制御を適用することにより、省電力でかつ大きな空隙でロータを非接触支持することができる。したがって、非磁性体で作られた容器やパイプ内部に置かれたロータを、その外側から磁石ユニットで非接触支持することも可能になる。   In this way, by configuring a magnetic bearing with a magnet unit composed of an electromagnet and a permanent magnet and a floating body and applying zero power control, the rotor can be supported in a non-contact manner with a large gap with low power consumption. . Accordingly, it is possible to support the rotor placed inside a container or pipe made of a non-magnetic material in a non-contact manner from the outside with a magnet unit.

しかし、一般の磁気軸受では、定常的に作用する外力に対して磁石ユニットはその大きさにつり合うような電磁力を発生させることになるが、ゼロパワー制御を適用して磁気軸受を構成した場合、電磁石への励磁電流を常にゼロに収束させるように磁気浮上制御が行われる。このため、励磁電流がゼロに収束するとともに空隙長が変化し、結果的に永久磁石の磁力のみで磁気浮上できる位置で安定となる。したがって、ロータの自重や定常的な外力が磁気軸受に作用する場合、ロータの回転中心がその外力に応じて変位することになる。回転中心が変位することによって、例えば、高速回転する機器では振れ回りの問題が生じ、ポンプなどでは回転位置による効率の変動が問題となり、場合によってはロータが容器やパイプに接触する可能性がある。   However, in a general magnetic bearing, the magnet unit generates an electromagnetic force that balances its magnitude against an external force that works constantly. However, when a magnetic bearing is configured by applying zero power control. The magnetic levitation control is performed so that the exciting current to the electromagnet always converges to zero. For this reason, the excitation current converges to zero and the gap length changes, and as a result, it becomes stable at a position where the magnetic levitation can be achieved only by the magnetic force of the permanent magnet. Therefore, when the weight of the rotor or a steady external force acts on the magnetic bearing, the rotation center of the rotor is displaced according to the external force. Displacement of the center of rotation causes, for example, a problem of swirling in a device that rotates at high speed, and in a pump or the like, a fluctuation in efficiency due to the rotational position becomes a problem. In some cases, the rotor may come into contact with a container or a pipe. .

このような問題を解決する手段として、ゼロパワー制御を適用した磁気浮上系に対して、弾性体で支持された可動枠内部に磁石ユニットを配置し、作用する外力の大きさに応じて変化する相対変位の変化を機械的に吸収する構成が考えられる。このような構成とすることで、浮上体の絶対位置を所定の位置に維持することができる。   As a means to solve such a problem, a magnet unit is arranged inside a movable frame supported by an elastic body with respect to a magnetic levitation system to which zero power control is applied, and changes according to the magnitude of an acting external force. A configuration in which changes in relative displacement are mechanically absorbed is conceivable. By setting it as such a structure, the absolute position of a floating body can be maintained in a predetermined position.

特開昭61−102105号公報JP 61-102105 A 特開2001−19286号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2001-19286

上述したように、可動枠を弾性体で支持することで、浮上体の絶対位置を所定の位置に保つことができるが、浮上体と磁石ユニットの相対位置は定常的に作用する外力の大きさに応じて変化する。これは定常外力が小さいときには大きな問題とはならないが、定常外力が大きい場合には可動枠の定常的な位置が中立位置から大きく変位し、前述のように容器やパイプ内部に置かれたロータを外側から非接触支持する場合には、磁石ユニットが容器やパイプの外側に接触する可能性があるとともに、実質的に有効なストロークが狭くなるという問題がある。   As described above, by supporting the movable frame with an elastic body, the absolute position of the levitation body can be maintained at a predetermined position, but the relative position between the levitation body and the magnet unit is a magnitude of an external force that constantly acts. It changes according to. This is not a big problem when the steady external force is small, but when the steady external force is large, the steady position of the movable frame is greatly displaced from the neutral position, and the rotor placed inside the container or pipe as described above is moved. In the case of non-contact support from the outside, there is a possibility that the magnet unit may come into contact with the outside of the container or the pipe, and there is a problem that the effective stroke becomes narrow.

さらに、浮上体と磁石ユニットの間に作用する吸引力は浮上体と磁石ユニットとの間の空隙の2乗に比例して変化する。このため、定常的な外力(たとえば重力)によって浮上体と磁石ユニットの間の空隙が大幅に変化すると、吸引力の非線形性が強く現れる。非線形性が強い場合、線形制御系では浮上体位置の安定化が難しくなるため、このような場合には、非線形効果を考慮した制御系を構成しなければならない。   Further, the attractive force acting between the floating body and the magnet unit changes in proportion to the square of the gap between the floating body and the magnet unit. For this reason, when the gap between the levitated body and the magnet unit is significantly changed by a steady external force (for example, gravity), the nonlinearity of the attractive force appears strongly. When the nonlinearity is strong, it is difficult to stabilize the floating body position in the linear control system. In such a case, a control system that takes into account the nonlinear effect must be configured.

本発明の実施形態が解決しようとする課題は、定常的な外力が働いても、浮上体と磁石ユニットとの相対位置の変化を生じさせない、あるいは抑制することのできる磁気浮上装置を提供することにある。   A problem to be solved by an embodiment of the present invention is to provide a magnetic levitation device that does not cause or suppress a change in the relative position between a levitated body and a magnet unit even when a steady external force is applied. It is in.

実施形態の磁気浮上装置は、少なくとも一部が強磁性体で形成された浮上体と、少なくとも電磁石を備え、前記浮上体を挟んで対向配置され、前記浮上体に空隙を介して前記電磁石に起因する磁束の磁気回路を形成する磁石ユニットと、前記磁石ユニットが固定された可動枠と前記可動枠および前記浮上体に加わる荷重を支持する固定枠とを備え、前記固定枠と前記可動枠との間の距離を調整可能な磁気支持手段と、前記浮上体と前記磁石ユニットとの相対変位に基づいて前記電磁石の電流を制御することにより、前記浮上体を非接触で支持する制御手段と、補助磁石を備え、前記浮上体に空隙を介して前記補助磁石に起因する磁束の磁気回路を形成する補助磁石ユニットと、前記補助磁石ユニットが設けられた外力補助手段と、を具備することを特徴とする。   The magnetic levitation apparatus according to the embodiment includes a levitation body at least partially formed of a ferromagnetic material, and at least an electromagnet, and is disposed to face the levitation body with the levitation body interposed between the levitation body and a gap. A magnet unit that forms a magnetic circuit of magnetic flux to be generated, a movable frame to which the magnet unit is fixed, and a fixed frame that supports a load applied to the movable frame and the floating body, and the fixed frame and the movable frame A magnetic support means capable of adjusting a distance between the control means, a control means for supporting the floating body in a non-contact manner by controlling a current of the electromagnet based on a relative displacement between the floating body and the magnet unit, and an auxiliary An auxiliary magnet unit that includes a magnet and forms a magnetic circuit of magnetic flux caused by the auxiliary magnet via a gap in the floating body; and an external force assisting means provided with the auxiliary magnet unit. And wherein the door.

本発明の実施形態によれば、磁気浮上装置は、定常的な外力が働いても、浮上体と磁石ユニットとの相対位置の変化を生じさせない、あるいは抑制することができる。   According to the embodiment of the present invention, the magnetic levitation device can prevent or suppress a change in the relative position between the levitated body and the magnet unit even when a steady external force is applied.

第1の実施形態に係る磁気浮上装置の構成を示す側面図である。It is a side view showing composition of a magnetic levitation device concerning a 1st embodiment. 図1の磁気支持ユニットの構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the magnetic support unit of FIG. 図2の縦方向支持装置の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the vertical direction support apparatus of FIG. 図2の横方向支持装置の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the horizontal direction support apparatus of FIG. 図3および図4の磁石ユニットの構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the magnet unit of FIG. 3 and FIG. 図1の制御装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the control apparatus of FIG. 図1の磁気支持ユニットの支持特性を示す図である。It is a figure which shows the support characteristic of the magnetic support unit of FIG. 図1の外力補償装置の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the external force compensation apparatus of FIG. 図8の補助磁石ユニットの構成として、第1の例における補助磁石ユニットの構成を示す斜視図である。FIG. 9 is a perspective view showing the configuration of the auxiliary magnet unit in the first example as the configuration of the auxiliary magnet unit in FIG. 8. 図8の補助磁石ユニットの構成として、第2の例における補助磁石ユニットの構成を示す斜視図である。FIG. 9 is a perspective view showing a configuration of an auxiliary magnet unit in a second example as the configuration of the auxiliary magnet unit in FIG. 8. 図8の補助磁石ユニットの構成として、第3の例における補助磁石ユニットの構成を示す斜視図である。FIG. 10 is a perspective view showing a configuration of an auxiliary magnet unit in a third example as the configuration of the auxiliary magnet unit in FIG. 8. 図8の補助磁石ユニットの構成として、第4の例における補助磁石ユニットの構成を示す斜視図である。FIG. 10 is a perspective view showing a configuration of an auxiliary magnet unit in a fourth example as the configuration of the auxiliary magnet unit in FIG. 8. 第2の実施形態に係る磁気浮上装置の構成を示す側面図である。It is a side view which shows the structure of the magnetic levitation apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 第3の実施形態に係る磁気浮上装置の構成を示す側面図である。It is a side view which shows the structure of the magnetic levitation apparatus which concerns on 3rd Embodiment. 図14の外力補償付縦方向支持装置の斜視図である。It is a perspective view of the vertical direction support apparatus with external force compensation of FIG.

以下、本発明に係る磁気浮上装置の実施形態について、図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of a magnetic levitation apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る磁気浮上装置の構成を示す側面図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a side view showing the configuration of the magnetic levitation apparatus according to the first embodiment.

磁気浮上装置1は、2つの磁気支持ユニット2(磁気支持手段)と、浮上体3と、外力補償装置4(外力補償手段)と、ベース8と、制御装置31(制御手段)とを具備している。たとえば、2つの磁気支持ユニット2はベース8上に互いに離れて設けられている。外力補償装置4は、ベース8上で2つの磁気支持ユニット2間に設けられている。浮上体3はx方向(水平方向とも称する)に延びる軸であり、磁気支持ユニット2(図2参照)および外力補償装置4(図8参照)の中央部分にはベース8上で浮上体3を通すための空間が設けられている。浮上体3の少なくとも一部、たとえば2つの磁気支持ユニット2間に対応する部分は強磁性体で形成されている。磁気浮上装置1は、磁気支持ユニット2と外力補償装置4によって生じる磁力によって、浮上体3を非接触で支持する構成になっている。   The magnetic levitation device 1 includes two magnetic support units 2 (magnetic support means), a levitated body 3, an external force compensation device 4 (external force compensation means), a base 8, and a control device 31 (control means). ing. For example, the two magnetic support units 2 are provided apart from each other on the base 8. The external force compensator 4 is provided between the two magnetic support units 2 on the base 8. The levitation body 3 is an axis extending in the x direction (also referred to as a horizontal direction), and the levitation body 3 is placed on the base 8 at the center of the magnetic support unit 2 (see FIG. 2) and the external force compensator 4 (see FIG. 8). There is a space to pass through. At least a part of the levitated body 3, for example, a part corresponding to the space between the two magnetic support units 2 is formed of a ferromagnetic material. The magnetic levitation device 1 is configured to support the levitation body 3 in a non-contact manner by the magnetic force generated by the magnetic support unit 2 and the external force compensation device 4.

図2は、磁気支持ユニット2の構成を示す斜視図である。   FIG. 2 is a perspective view showing the configuration of the magnetic support unit 2.

磁気支持ユニット2は、縦方向支持装置5と、横方向支持装置6と、位置調整脚7とを具備している。縦方向支持装置5は、浮上体3のz方向(x方向に直行する方向(上下方向とも称する))の支持力を生成し、横方向支持装置6は、位置調整脚7の上に設置され、浮上体3のy方向(x方向およびz方向に直行する方向(左右方向とも称する))の支持力を生成する。   The magnetic support unit 2 includes a vertical support device 5, a horizontal support device 6, and a position adjusting leg 7. The vertical support device 5 generates a support force in the z direction (direction perpendicular to the x direction (also referred to as the vertical direction)) of the levitated body 3, and the horizontal support device 6 is installed on the position adjustment leg 7. Then, a support force in the y direction (direction orthogonal to the x direction and the z direction (also referred to as the left and right direction)) of the levitated body 3 is generated.

図3は、縦方向支持装置5の構成を示す斜視図である。   FIG. 3 is a perspective view showing a configuration of the vertical support device 5.

縦方向支持装置5は、縦方向固定枠9と、縦方向可動枠11と、磁石ユニット13と、第1のギャップセンサ14と、第2のギャップセンサ15と、リニアガイド16と、バネ17とを具備している。縦方向可動枠11の内側上部および内側下部には、それぞれ磁石ユニット13が固定されている。すなわち、磁石ユニット13は縦方向可動枠11内で浮上体3を挟んで対向配置されている(図2参照)。   The vertical support device 5 includes a vertical fixed frame 9, a vertical movable frame 11, a magnet unit 13, a first gap sensor 14, a second gap sensor 15, a linear guide 16, and a spring 17. It has. Magnet units 13 are respectively fixed to the inner upper portion and the inner lower portion of the vertical movable frame 11. That is, the magnet unit 13 is disposed to face the floating body 3 in the vertical movable frame 11 (see FIG. 2).

第1のギャップセンサ14は浮上体3と磁石ユニット13との相対変位を測定するものであり、第2のギャップセンサ15は縦方向固定枠9と縦方向可動枠11との相対変位を測定するものである。縦方向固定枠9の寸法は縦方向可動枠11の寸法よりも大きく、縦方向可動枠11は、リニアガイド16とバネ17とを介して縦方向固定枠9に接続されている。このバネ17は、縦方向固定枠9と縦方向可動枠11との間の距離を調整可能にする弾性要素である。このように、縦方向固定枠9は、縦方向可動枠11および浮上体3に上下方向に加わる荷重をリニアガイド16およびバネ17により支持する構造となっている。   The first gap sensor 14 measures the relative displacement between the levitated body 3 and the magnet unit 13, and the second gap sensor 15 measures the relative displacement between the longitudinal fixed frame 9 and the longitudinal movable frame 11. Is. The dimension of the vertical direction fixed frame 9 is larger than the dimension of the vertical direction movable frame 11, and the vertical direction movable frame 11 is connected to the vertical direction fixed frame 9 via a linear guide 16 and a spring 17. The spring 17 is an elastic element that makes it possible to adjust the distance between the vertical fixed frame 9 and the vertical movable frame 11. Thus, the vertical fixed frame 9 has a structure in which the linear guide 16 and the spring 17 support the load applied to the vertical movable frame 11 and the floating body 3 in the vertical direction.

図4は、横方向支持装置6の構成を示す斜視図である。   FIG. 4 is a perspective view showing the configuration of the lateral support device 6.

横方向支持装置6は、横方向固定枠10と、横方向可動枠12と、磁石ユニット13と、第1のギャップセンサ14と、第2のギャップセンサ15と、リニアガイド16と、バネ17とを具備している。横方向支持装置6の磁石ユニット13、第1のギャップセンサ14、第2のギャップセンサ15、リニアガイド16およびバネ17については、縦方向支持装置5のそれらと同じものであり、縦方向支持装置5に対して配置が異なる。   The lateral support device 6 includes a lateral fixed frame 10, a lateral movable frame 12, a magnet unit 13, a first gap sensor 14, a second gap sensor 15, a linear guide 16, and a spring 17. It has. The magnet unit 13, the first gap sensor 14, the second gap sensor 15, the linear guide 16 and the spring 17 of the lateral support device 6 are the same as those of the vertical support device 5, and the longitudinal support device 5 is different in arrangement.

横方向可動枠12の内側左部および内側右部には、それぞれ磁石ユニット13が固定されている。すなわち、磁石ユニット13は横方向可動枠12内で浮上体3を挟んで対向配置されている(図2参照)。第1のギャップセンサ14は浮上体3と磁石ユニット13との相対変位を測定するものであり、第2のギャップセンサ15は横方向固定枠10と横方向可動枠12との相対変位を測定するものである。横方向固定枠10の寸法は横方向可動枠12の寸法よりも大きく、横方向可動枠12は、リニアガイド16とバネ17とを介して横方向固定枠10に接続されている。このバネ17は、横方向固定枠10と横方向可動枠12との間の距離を調整可能にする弾性要素である。このように、横方向固定枠10は、横方向可動枠12および浮上体3に左右方向に加わる荷重をリニアガイド16およびバネ17により支持する構造となっている。   Magnet units 13 are respectively fixed to the inner left part and the inner right part of the laterally movable frame 12. That is, the magnet unit 13 is disposed opposite to the floating body 3 with the floating body 3 interposed therebetween (see FIG. 2). The first gap sensor 14 measures the relative displacement between the levitated body 3 and the magnet unit 13, and the second gap sensor 15 measures the relative displacement between the lateral fixed frame 10 and the lateral movable frame 12. Is. The dimension of the horizontal direction fixed frame 10 is larger than the dimension of the horizontal direction movable frame 12, and the horizontal direction movable frame 12 is connected to the horizontal direction fixed frame 10 via a linear guide 16 and a spring 17. The spring 17 is an elastic element that makes it possible to adjust the distance between the horizontal fixed frame 10 and the horizontal movable frame 12. As described above, the laterally fixed frame 10 has a structure in which the load applied in the lateral direction to the laterally movable frame 12 and the floating body 3 is supported by the linear guide 16 and the spring 17.

図5は、磁石ユニット13の構成を示す斜視図である。   FIG. 5 is a perspective view showing the configuration of the magnet unit 13.

磁石ユニット13は、永久磁石21と、継鉄22および継鉄22に巻かれたコイル23で構成された電磁石24とを備えている。磁石ユニット13は、浮上体3に空隙を介して永久磁石21に起因する磁束の磁気回路を形成すると共に、浮上体3に空隙を介して電磁石24に起因する磁束の磁気回路を形成する。この磁石ユニット13は、コイル23に流す電流の向きに応じて電磁石24によって生成される磁束の向きが変わり、永久磁石21が形成する磁束を強めたり弱めたりすることができる。   The magnet unit 13 includes a permanent magnet 21 and an electromagnet 24 composed of a yoke 22 and a coil 23 wound around the yoke 22. The magnet unit 13 forms a magnetic circuit of magnetic flux caused by the permanent magnet 21 through the gap on the floating body 3 and forms a magnetic circuit of magnetic flux caused by the electromagnet 24 via the gap on the floating body 3. In the magnet unit 13, the direction of the magnetic flux generated by the electromagnet 24 changes according to the direction of the current flowing through the coil 23, and the magnetic flux formed by the permanent magnet 21 can be strengthened or weakened.

縦方向支持装置5および横方向支持装置6において、磁石ユニット13は、電磁石24への印加電圧を制御して浮上体3を非接触で支持する。このため、縦方向支持装置5の磁石ユニット13の電磁石24のコイル23、および、横方向支持装置6の磁石ユニット13の電磁石24のコイル23には、それぞれ制御装置31が接続されている。   In the vertical support device 5 and the horizontal support device 6, the magnet unit 13 controls the voltage applied to the electromagnet 24 to support the levitated body 3 in a non-contact manner. For this reason, the control device 31 is connected to the coil 23 of the electromagnet 24 of the magnet unit 13 of the longitudinal support device 5 and the coil 23 of the electromagnet 24 of the magnet unit 13 of the lateral support device 6.

図6は、制御装置31の構成を示すブロック図である。   FIG. 6 is a block diagram illustrating a configuration of the control device 31.

制御装置31は、制御演算器33と、ドライバ34と、電流センサ35とを備えている。上述した第1のギャップセンサ14、第2のギャップセンサ15およびコイル23と電流センサ35によりセンサ部32が構成される。   The control device 31 includes a control arithmetic unit 33, a driver 34, and a current sensor 35. The first gap sensor 14, the second gap sensor 15, the coil 23, and the current sensor 35 described above constitute a sensor unit 32.

センサ部32において、第1のギャップセンサ14は、浮上体2と磁石ユニット13との相対変位を測定し、その相対変位を表す信号を制御演算器33に出力する。第2のギャップセンサ15は、固定枠と可動枠との相対変位(縦方向支持装置5の場合は縦方向固定枠9と縦方向可動枠11との相対変位を表し、横方向支持装置6の場合は横方向固定枠10と横方向可動枠12との相対変位を表す)を測定し、その相対変位を表す信号を制御演算器33に出力する。電流センサ35は、コイル23、すなわち電磁石24への励磁電流を検出し、その励磁電流を表す信号を制御演算器33に出力する。   In the sensor unit 32, the first gap sensor 14 measures the relative displacement between the floating body 2 and the magnet unit 13 and outputs a signal representing the relative displacement to the control calculator 33. The second gap sensor 15 represents the relative displacement between the fixed frame and the movable frame (in the case of the vertical support device 5, the relative displacement between the vertical fixed frame 9 and the vertical movable frame 11). In this case, the relative displacement between the lateral fixed frame 10 and the lateral movable frame 12 is measured), and a signal representing the relative displacement is output to the control calculator 33. The current sensor 35 detects an excitation current to the coil 23, that is, the electromagnet 24, and outputs a signal representing the excitation current to the control calculator 33.

制御演算器33では、センサ部32の出力(浮上体2と磁石ユニット13との相対変位を表す信号、固定枠と可動枠との相対変位を表す信号、および、電磁石24への励磁電流を表す信号)に基づいて、コイル23への印加電圧を演算し、その印加電圧を表す信号をドライバ34に出力する。ドライバ34は、制御演算器33からの信号が表す印加電圧をコイル23に印加して、電磁石24を励磁させる。   In the control arithmetic unit 33, the output of the sensor unit 32 (a signal representing the relative displacement between the levitated body 2 and the magnet unit 13, a signal representing the relative displacement between the fixed frame and the movable frame, and the exciting current to the electromagnet 24) The voltage applied to the coil 23 is calculated based on the signal), and a signal representing the applied voltage is output to the driver 34. The driver 34 applies an applied voltage represented by a signal from the control calculator 33 to the coil 23 to excite the electromagnet 24.

このように、制御装置31は、磁石ユニット13と浮上体3との間に発生する磁力を制御することにより、すなわち、電磁石24(コイル23)の電流を制御することにより、浮上体3を非接触で支持する。   As described above, the control device 31 controls the magnetic force generated between the magnet unit 13 and the levitated body 3, that is, controls the current of the electromagnet 24 (coil 23). Support by contact.

制御演算器33は、ゼロパワー制御系であり、センサ部32の出力に基づいて、浮上体3の安定浮上を実現するとともにコイル23に定常的に流れる電流をゼロに収束させる働きがある。浮上体3の質量変動や浮上体3にかかる外力変動等による外乱荷重が加わった場合、それら全ての荷重と永久磁石21による磁力がつりあう位置まで浮上体3と磁石ユニット13との相対変位を変化させるように過渡的に電磁石24に電流を流す必要があるが、安定支持状態になれば、ゼロパワー制御により電磁石24への励磁電流はゼロとなる。したがって、永久磁石21の磁力のみでそれら全ての荷重を安定支持することができる。   The control arithmetic unit 33 is a zero power control system, and has the function of realizing stable levitation of the levitated body 3 and converging the current that constantly flows through the coil 23 to zero based on the output of the sensor unit 32. When a disturbance load due to mass fluctuation of the levitated body 3 or external force fluctuation applied to the levitated body 3 is applied, the relative displacement between the levitated body 3 and the magnet unit 13 changes to a position where all these loads and the magnetic force by the permanent magnet 21 are balanced. It is necessary to flow a current through the electromagnet 24 transiently so that the excitation current to the electromagnet 24 becomes zero by the zero power control when the stable support state is reached. Therefore, all these loads can be stably supported only by the magnetic force of the permanent magnet 21.

図7は、磁気支持ユニット2の支持特性を示す図である。   FIG. 7 is a diagram showing the support characteristics of the magnetic support unit 2.

縦方向可動枠11および横方向可動枠12を、リニアガイド16とバネ17を介してそれぞれ縦方向固定枠9および横方向固定枠10に接続した場合、ゼロパワー制御によって浮上体3を安定的に非接触支持すると、図7に示すような関係が成り立つ。すなわち、ゼロパワー制御によって永久磁石21による磁力と浮上体2の自重および作用する外乱加重の総和とがつりあうように、浮上体2と磁石ユニット13との相対変位が変化する。さらに、その磁力による変位−吸引力特性と同等の変位−復元力特性を有するバネ17によって、磁気支持特性と逆の傾きを有するバネ支持特性と合成させることで、結果的に図中の合成支持特性のような荷重−変位特性となり、浮上体3の絶対位置の変動が大幅に低減される。   When the vertical movable frame 11 and the horizontal movable frame 12 are connected to the vertical fixed frame 9 and the horizontal fixed frame 10 via the linear guide 16 and the spring 17, respectively, the floating body 3 is stably controlled by zero power control. When non-contact support is performed, the relationship shown in FIG. 7 is established. That is, the relative displacement between the levitated body 2 and the magnet unit 13 changes so that the magnetic force of the permanent magnet 21 and the total weight of the levitated body 2 and the acting disturbance load are balanced by zero power control. Further, the spring 17 having a displacement-restoring force characteristic equivalent to the displacement-attraction force characteristic due to the magnetic force is combined with a spring support characteristic having an inclination opposite to the magnetic support characteristic, resulting in a composite support in the figure. It becomes load-displacement characteristics like characteristics, and fluctuations in the absolute position of the levitated body 3 are greatly reduced.

したがって、図1に示すように磁気支持ユニット2を2箇所に配置することで、浮上体に定常的な外力が生じた場合でも浮上体3のy方向における重心位置、z方向における重心位置、y軸まわりの姿勢角およびz軸まわりの姿勢角の変動を低減できる。   Therefore, by arranging the magnetic support units 2 at two locations as shown in FIG. 1, even when a steady external force is generated on the levitated body, the centroid position in the y direction, the centroid position in the z direction, y Variations in the posture angle around the axis and the posture angle around the z-axis can be reduced.

ところが、浮上体3と磁石ユニット13の空隙には変動が生じる。例えば、重力のみが定常的の作用する場合には、縦方向支持装置5の磁石ユニット13と浮上体3との空隙に変動が生じるため、結果として縦方向固定枠9が上方向に変位する。これによって、前述のように、縦方向可動枠15と周辺部品(図には示していない)との接触や吸引力の非線形効果による問題が生じる。   However, the gap between the levitated body 3 and the magnet unit 13 varies. For example, when only gravity acts constantly, the gap between the magnet unit 13 of the vertical support device 5 and the floating body 3 varies, and as a result, the vertical fixing frame 9 is displaced upward. As a result, there arises a problem due to the contact between the vertical movable frame 15 and peripheral parts (not shown) and the non-linear effect of the suction force as described above.

図1に示した外力補償装置4は、これらの問題を解決するために機能する。   The external force compensator 4 shown in FIG. 1 functions to solve these problems.

図8は、外力補償装置4の構成を示す斜視図である。   FIG. 8 is a perspective view showing the configuration of the external force compensator 4.

外力補償装置4は、フレーム41と、水平調整機構42と、鉛直調整機構43とを備えている。   The external force compensation device 4 includes a frame 41, a horizontal adjustment mechanism 42, and a vertical adjustment mechanism 43.

水平調整機構42は、水平リニアガイド44と、水平送りねじ45とを備えている。水平リニアガイド44および水平送りねじ45は、図1に示したベース8上に設けられ、水平リニアガイド44の一部にはフレーム41が接続されている。   The horizontal adjustment mechanism 42 includes a horizontal linear guide 44 and a horizontal feed screw 45. The horizontal linear guide 44 and the horizontal feed screw 45 are provided on the base 8 shown in FIG. 1, and a frame 41 is connected to a part of the horizontal linear guide 44.

水平調整機構42は、浮上体3に対する水平方向の相対位置を調整することができる。具体的には、水平調整機構42は、水平送りねじ45を回すことにより、水平リニアガイド44によって水平方向(x軸方向)に運動が案内されたフレーム41の水平方向位置を調整できる仕組みになっている。   The horizontal adjustment mechanism 42 can adjust the relative position in the horizontal direction with respect to the floating body 3. Specifically, the horizontal adjustment mechanism 42 can adjust the horizontal position of the frame 41 whose movement is guided in the horizontal direction (x-axis direction) by the horizontal linear guide 44 by turning the horizontal feed screw 45. ing.

鉛直調整機構43は、鉛直リニアガイド46と、鉛直送りねじ47と、補助磁石ユニット48とを備えている。補助磁石ユニット48は、鉛直リニアガイド46および鉛直送りねじ47を介してフレーム41の内側上部に接続されている。この補助磁石ユニット48は、補助永久磁石を備え、浮上体3に空隙を介して補助磁石ユニット48の補助永久磁石に起因する磁束の磁気回路を形成する。補助磁石ユニット48の構成、および、補助永久磁石の構造については後述する。   The vertical adjustment mechanism 43 includes a vertical linear guide 46, a vertical feed screw 47, and an auxiliary magnet unit 48. The auxiliary magnet unit 48 is connected to the inner upper portion of the frame 41 via a vertical linear guide 46 and a vertical feed screw 47. The auxiliary magnet unit 48 includes an auxiliary permanent magnet, and forms a magnetic circuit of magnetic flux caused by the auxiliary permanent magnet of the auxiliary magnet unit 48 through the air gap in the floating body 3. The configuration of the auxiliary magnet unit 48 and the structure of the auxiliary permanent magnet will be described later.

鉛直調整機構43は、補助磁石ユニット48と浮上体3との相対位置を調整することができる。具体的には、鉛直調整機構43は、鉛直送りねじ47を回すことにより、鉛直リニアガイド46によって鉛直方向(z軸方向)に運動が案内された補助磁石ユニット48の鉛直方向位置を変えることができ、浮上体3と補助磁石ユニット48との空隙を調整できる仕組みになっている。   The vertical adjustment mechanism 43 can adjust the relative position between the auxiliary magnet unit 48 and the floating body 3. Specifically, the vertical adjustment mechanism 43 can change the vertical position of the auxiliary magnet unit 48 whose movement is guided in the vertical direction (z-axis direction) by the vertical linear guide 46 by turning the vertical feed screw 47. The gap between the floating body 3 and the auxiliary magnet unit 48 can be adjusted.

まず、水平調整機構42の作用について説明する。   First, the operation of the horizontal adjustment mechanism 42 will be described.

水平調整機構42は、水平リニアガイド44および水平送りねじ45によって自身の位置を水平方向(x軸方向)に移動可能であり、自身と磁気支持ユニット2との距離を調整可能である。これにより、水平調整機構42は、浮上体3と補助磁石ユニット48との間に働く磁力の作用線を浮上体3の重心近傍に合わせるような調整が可能である。   The horizontal adjustment mechanism 42 can move its position in the horizontal direction (x-axis direction) by the horizontal linear guide 44 and the horizontal feed screw 45 and can adjust the distance between itself and the magnetic support unit 2. Thereby, the horizontal adjustment mechanism 42 can be adjusted so that the line of action of the magnetic force acting between the floating body 3 and the auxiliary magnet unit 48 is matched to the vicinity of the center of gravity of the floating body 3.

たとえば、水平調整機構42は、補助磁石ユニット48の補助永久磁石に起因する磁束によって浮上体3に作用するモーメントと、重力に起因して浮上体3に生じるy軸まわりのモーメントとが相殺されるように、水平調整機構42の水平方向位置を調整することで、姿勢角の変動を抑制することができる。   For example, in the horizontal adjustment mechanism 42, the moment acting on the levitated body 3 due to the magnetic flux caused by the auxiliary permanent magnet of the auxiliary magnet unit 48 cancels out the moment around the y axis generated in the levitated body 3 due to gravity. As described above, by adjusting the horizontal position of the horizontal adjustment mechanism 42, fluctuations in the posture angle can be suppressed.

次に、鉛直調整機構43の作用について説明する。   Next, the operation of the vertical adjustment mechanism 43 will be described.

また、鉛直調整機構43は、補助磁石ユニット48の補助永久磁石に起因する磁束によって浮上体3に生じる磁力の合力が、浮上体3に作用する磁力の合力以外の定常的な外力の合力を打ち消すように、補助磁石ユニット48の鉛直方向位置を調整することで、定常的な外力の合力により生じる可動枠位置の変動を抑制することができる。   Further, the vertical adjustment mechanism 43 cancels out the resultant force of the steady external force other than the resultant force of the magnetic force acting on the levitated body 3 by the resultant force of the magnetic force generated in the levitated body 3 by the magnetic flux caused by the auxiliary permanent magnet of the auxiliary magnet unit 48. As described above, by adjusting the vertical position of the auxiliary magnet unit 48, it is possible to suppress fluctuations in the position of the movable frame caused by the resultant force of the steady external force.

たとえば浮上体3に重力のみが定常的に作用する場合、鉛直調整機構43は、浮上体3と補助磁石ユニット48の間に働く磁力が重力とつり合うように、補助磁石ユニット48の鉛直方向位置を調整することで、重力により生じる可動枠位置の変動を抑制することができる。ここで、浮上体3に重力のみが定常的に作用する場合の例を示したが、他の方向に定常的な外力が作用する場合でも、定常的な外力の合力の作用線上に補助磁石ユニット48の取り付け位置を変えることで同様の効果が得られる。   For example, when only gravity acts on the levitated body 3 steadily, the vertical adjustment mechanism 43 sets the vertical position of the auxiliary magnet unit 48 so that the magnetic force acting between the levitated body 3 and the auxiliary magnet unit 48 is balanced with the gravity. By adjusting, fluctuations in the position of the movable frame caused by gravity can be suppressed. Here, an example in which only gravity is constantly acting on the levitated body 3 has been shown, but even when a steady external force acts in other directions, the auxiliary magnet unit is on the line of action of the resultant force of the steady external force. The same effect can be obtained by changing the mounting position of 48.

図8では補助磁石ユニット48の形状・構成の一例を示したが、補助磁石ユニット48が、その一部に永久磁石を含み定常的な磁力を発生できるものであれば、形状・構成を限定せずとも同様の効果が得られる。   FIG. 8 shows an example of the shape and configuration of the auxiliary magnet unit 48. However, if the auxiliary magnet unit 48 includes a permanent magnet in a part thereof and can generate a steady magnetic force, the shape and configuration are limited. At least the same effect can be obtained.

図9は、補助磁石ユニット48の構成として、第1の例における補助磁石ユニット48の構成を示す斜視図である。   FIG. 9 is a perspective view showing the configuration of the auxiliary magnet unit 48 in the first example as the configuration of the auxiliary magnet unit 48.

第1の例における補助磁石ユニット48は、1つの補助永久磁石50と、補助永久磁石50が取り付けられた1つの継鉄51とを備え、この補助永久磁石50および継鉄51により、浮上体3に対して定常的な磁力を発生する。図8に示した補助磁石ユニット48とは形状が異なるが、図8に示した補助磁石ユニット48と同様の効果が得られる。   The auxiliary magnet unit 48 in the first example includes one auxiliary permanent magnet 50 and one yoke 51 to which the auxiliary permanent magnet 50 is attached, and the floating body 3 is formed by the auxiliary permanent magnet 50 and the yoke 51. Generates a steady magnetic force. Although the shape is different from the auxiliary magnet unit 48 shown in FIG. 8, the same effect as the auxiliary magnet unit 48 shown in FIG. 8 can be obtained.

図10は、補助磁石ユニット48の構成として、第2の例における補助磁石ユニット48の構成を示す斜視図である。   FIG. 10 is a perspective view showing the configuration of the auxiliary magnet unit 48 in the second example as the configuration of the auxiliary magnet unit 48.

第2の例における補助磁石ユニット48は、1つの補助永久磁石50と、その間に補助永久磁石50が取り付けられた2つの継鉄51とを備え、この補助永久磁石50および継鉄51により、浮上体3に対して定常的な磁力を発生する。継鉄51の浮上体3と対向する面は、浮上体3の形状に習うような形に形成されている。これにより、補助磁石ユニット48が空隙を介して浮上体3との間に形成する磁気回路において磁気抵抗が低下するため、漏れ磁束が減少する。これによって、図に示さない周辺部品への漏れ磁束の影響を抑制するとともに、補助磁石ユニット48と浮上体3との間に作用する磁力が増加するという効果が得られる。   The auxiliary magnet unit 48 in the second example includes one auxiliary permanent magnet 50 and two yokes 51 to which the auxiliary permanent magnet 50 is attached. The auxiliary permanent magnet 50 and the yoke 51 are levitated. A steady magnetic force is generated on the body 3. The surface of the yoke 51 that faces the floating body 3 is formed in a shape that follows the shape of the floating body 3. Thereby, in the magnetic circuit formed between the auxiliary magnet unit 48 and the levitated body 3 through the air gap, the magnetic resistance is lowered, so that the leakage magnetic flux is reduced. As a result, effects of leakage magnetic flux on peripheral parts not shown in the figure are suppressed, and an effect of increasing the magnetic force acting between the auxiliary magnet unit 48 and the floating body 3 is obtained.

図11は、補助磁石ユニット48の構成として、第3の例における補助磁石ユニット48の構成を示す斜視図である。   FIG. 11 is a perspective view showing the configuration of the auxiliary magnet unit 48 in the third example as the configuration of the auxiliary magnet unit 48.

第3の例における補助磁石ユニット48は、1つの補助永久磁石50と、その間に補助永久磁石50が取り付けられ、積層鋼板により構成された2つの継鉄51とを備え、この補助永久磁石50および継鉄51により、浮上体3に対して定常的な磁力を発生する。さらに、第3の例における補助磁石ユニット48では、継鉄の浮上体3と対向する面は、浮上体3の形状に習うような形に形成されている。これにより、図に示さない周辺部品への漏れ磁束の影響を抑制するとともに、補助磁石ユニット48と浮上体3との間に作用する磁力が増加するという効果が得られる。   The auxiliary magnet unit 48 in the third example includes one auxiliary permanent magnet 50 and two yokes 51 to which the auxiliary permanent magnet 50 is attached and made of laminated steel plates. The yoke 51 generates a steady magnetic force on the levitated body 3. Furthermore, in the auxiliary magnet unit 48 in the third example, the surface of the yoke facing the levitated body 3 is formed in a shape that follows the shape of the levitated body 3. Thereby, while suppressing the influence of the leakage magnetic flux to the peripheral parts which are not shown in a figure, the effect that the magnetic force which acts between the auxiliary magnet unit 48 and the floating body 3 increases is acquired.

さらに浮上体3が回転体である場合には、浮上体3において、補助磁石ユニット48と対向する部分に積層鋼板から成る磁気ターゲットを設けることで、浮上体3の回転によって生じる渦電流損を抑制することができる。   Further, when the levitated body 3 is a rotating body, the levitation body 3 is provided with a magnetic target made of a laminated steel plate at a portion facing the auxiliary magnet unit 48, thereby suppressing eddy current loss caused by the rotation of the levitated body 3. can do.

なお、浮上体3が回転体である場合、横方向支持装置6の磁石ユニット13は、浮上体3を浮上体3の回転軸と直交するy方向から挟む一対のy軸磁石ユニットであり、縦方向支持装置5の磁石ユニット13は、浮上体3を回転軸およびy方向と直交するz方向から挟む一対のz軸磁石ユニットである。この場合、図4に示した横方向支持装置6において、横方向可動枠12は、y軸磁石ユニット(磁石ユニット13)を固定するy軸可動枠となり、横方向固定枠10は、y軸可動枠(横方向可動枠12)を支持するy軸固定枠となる。また、図3に示した縦方向支持装置5において、縦方向可動枠11は、z軸磁石ユニット(磁石ユニット13)を固定するz軸可動枠となり、縦方向固定枠9は、z軸可動枠(縦方向可動枠11)を支持するz軸固定枠となる。   When the floating body 3 is a rotating body, the magnet unit 13 of the lateral support device 6 is a pair of y-axis magnet units that sandwich the floating body 3 from the y direction perpendicular to the rotation axis of the floating body 3. The magnet unit 13 of the direction support device 5 is a pair of z-axis magnet units that sandwich the levitated body 3 from the z direction perpendicular to the rotation axis and the y direction. In this case, in the lateral support device 6 shown in FIG. 4, the lateral movable frame 12 is a y-axis movable frame that fixes the y-axis magnet unit (magnet unit 13), and the lateral fixed frame 10 is movable in the y-axis. This is a y-axis fixed frame that supports the frame (laterally movable frame 12). Further, in the vertical support device 5 shown in FIG. 3, the vertical movable frame 11 is a z-axis movable frame that fixes the z-axis magnet unit (magnet unit 13), and the vertical fixed frame 9 is the z-axis movable frame. It becomes a z-axis fixed frame that supports the (vertical movable frame 11).

さらに、図8に示した外力補償装置4の水平調整機構42は浮上体3の回転軸方向に対して、補助磁石ユニット48と浮上体3との相対位置を調整可能な回転軸方向調整機構となり、浮上体3の半径方向に対して、鉛直調整機構43は補助磁石ユニット48と浮上体3との相対位置を調整可能な半径方向調整機構となる。   Further, the horizontal adjustment mechanism 42 of the external force compensator 4 shown in FIG. 8 is a rotation axis direction adjustment mechanism that can adjust the relative position of the auxiliary magnet unit 48 and the floating body 3 with respect to the rotation axis direction of the floating body 3. The vertical adjustment mechanism 43 is a radial adjustment mechanism that can adjust the relative position of the auxiliary magnet unit 48 and the floating body 3 with respect to the radial direction of the floating body 3.

図12は、補助磁石ユニット48の構成として、第4の例における補助磁石ユニット48の構成を示す斜視図である。   FIG. 12 is a perspective view showing the configuration of the auxiliary magnet unit 48 in the fourth example as the configuration of the auxiliary magnet unit 48.

第4の例における補助磁石ユニット48は、ハルバッハ配列に並べられた5つの補助永久磁石50と、その補助永久磁石50が取り付けられたホルダ53とを備え、この補助永久磁石50により、浮上体3に対して定常的な磁力を発生する。ハルバッハ配列により、補助永久磁石50に起因する磁束のほとんどが浮上体3側に集中するため、図に示さない周辺部品への漏れ磁束の影響を抑制するとともに、補助磁石ユニット48と浮上体3との間に作用する磁力が増加するという効果が得られる。   The auxiliary magnet unit 48 in the fourth example includes five auxiliary permanent magnets 50 arranged in a Halbach array and a holder 53 to which the auxiliary permanent magnet 50 is attached. Generates a steady magnetic force. Because the Halbach array concentrates most of the magnetic flux due to the auxiliary permanent magnet 50 on the floating body 3 side, the influence of leakage magnetic flux on peripheral parts not shown in the figure is suppressed, and the auxiliary magnet unit 48 and the floating body 3 The effect of increasing the magnetic force acting between the two is obtained.

以上の説明により、磁気浮上装置1は、定常的な外力が働いても、浮上体3と磁石ユニット13との相対位置の変化を生じさせない、あるいは抑制することができる。   As described above, the magnetic levitation apparatus 1 can prevent or suppress a change in the relative position between the levitation body 3 and the magnet unit 13 even when a steady external force is applied.

(第2の実施形態)
第2の実施形態に係る磁気浮上装置について、第1の実施形態からの変更点のみ説明する。特に記載していない部分は第1の実施形態と同様である。
(Second Embodiment)
Regarding the magnetic levitation apparatus according to the second embodiment, only the changes from the first embodiment will be described. Portions that are not particularly described are the same as those in the first embodiment.

図13は、第2の実施形態に係る磁気浮上装置の構成を示す側面図である。   FIG. 13 is a side view showing the configuration of the magnetic levitation apparatus according to the second embodiment.

磁気浮上装置1は、2つの磁気支持ユニット2と、浮上体3と、2つの外力補償装置4と、ベース8と、制御装置31とを具備している。すなわち、第1の実施形態の構成に対して外力補償装置4を2箇所設けている。2つの外力補助装置4の鉛直調整機構43は、補助磁石ユニット48と浮上体3との相対位置をそれぞれ独立に調整することができる。   The magnetic levitation device 1 includes two magnetic support units 2, a levitation body 3, two external force compensation devices 4, a base 8, and a control device 31. That is, two external force compensators 4 are provided in the configuration of the first embodiment. The vertical adjustment mechanisms 43 of the two external force assisting devices 4 can independently adjust the relative positions of the auxiliary magnet unit 48 and the floating body 3.

第1の実施形態では、浮上体3と補助磁石ユニット48の間に働く磁力の作用線を浮上体3の重心近傍に位置させることで、重力に起因して浮上体3に生じるy軸まわりのモーメントを相殺するような作用を得ているが、図には示されない周辺部品の配置によっては、浮上体3と補助磁石ユニット48の間に働く磁力の作用線を浮上体3の重心近傍に位置させることが困難な場合がある。   In the first embodiment, the line of action of the magnetic force acting between the levitated body 3 and the auxiliary magnet unit 48 is positioned near the center of gravity of the levitated body 3, so that the around the y axis generated in the levitated body 3 due to gravity. Although an action that cancels the moment is obtained, depending on the arrangement of peripheral parts not shown in the figure, the line of action of the magnetic force acting between the levitated body 3 and the auxiliary magnet unit 48 is positioned near the center of gravity of the levitated body 3. It may be difficult to do.

第2の実施形態では、浮上体3と補助磁石ユニット48の間に働く磁力の作用線を浮上体3の重心近傍に位置させずとも、2つの外力補償装置4の間の距離を調整することで、重力に起因して浮上体3に生じるy軸まわりのモーメントが相殺されるような効果が得られる。   In the second embodiment, the distance between the two external force compensators 4 is adjusted without positioning the line of magnetic force acting between the levitated body 3 and the auxiliary magnet unit 48 in the vicinity of the center of gravity of the levitated body 3. Thus, an effect is obtained in which moments around the y-axis generated in the levitated body 3 due to gravity are offset.

また、第1の実施形態で示した他の効果に関しても同様に得られる。   Further, other effects shown in the first embodiment can be obtained in the same manner.

(第3の実施形態)
第3の実施形態に係る磁気浮上装置について、第1の実施形態からの変更点のみ説明する。特に記載していない部分は第1の実施形態と同様である。
(Third embodiment)
Regarding the magnetic levitation apparatus according to the third embodiment, only the changes from the first embodiment will be described. Portions that are not particularly described are the same as those in the first embodiment.

図14は、第3の実施形態に係る磁気浮上装置の構成を示す側面図である。   FIG. 14 is a side view showing the configuration of the magnetic levitation apparatus according to the third embodiment.

磁気浮上装置1は、2つの外力補償付磁気支持ユニット60と、浮上体3と、ベース8と、制御装置31とを具備している。外力補償付磁気支持ユニット60は、横方向支持装置6と、位置調整脚7と、外力補償付縦方向支持装置61とを具備している。   The magnetic levitation apparatus 1 includes two magnetic support units 60 with external force compensation, a levitation body 3, a base 8, and a control device 31. The magnetic support unit 60 with external force compensation includes a lateral support device 6, a position adjusting leg 7, and a vertical support device 61 with external force compensation.

図15は、外力補償付縦方向支持装置61の構成を示す斜視図である。外力補償付縦方向支持装置61は、第1の実施形態における縦方向固定枠9に対して、第1の実施形態における鉛直調整機構43(鉛直リニアガイド46、鉛直送りねじ47および補助磁石ユニット48)が取り付けられた構成となっている。すなわち、縦方向支持装置5と外力補償装置4とが一体化されている。   FIG. 15 is a perspective view showing the configuration of the longitudinal support device 61 with external force compensation. The vertical support device 61 with external force compensation is different from the vertical fixing frame 9 in the first embodiment in the vertical adjustment mechanism 43 (the vertical linear guide 46, the vertical feed screw 47, and the auxiliary magnet unit 48 in the first embodiment). ) Is attached. That is, the vertical support device 5 and the external force compensation device 4 are integrated.

外力補償付磁気支持ユニット60に組み込まれた2つの鉛直調整機構43をそれぞれ調整し、2つの補助磁石ユニット48の鉛直方向における相対位置を変化させることで、重力に起因して浮上体3に生じるy軸まわりのモーメントが相殺されるような効果が得られる。また、2つの鉛直調整機構43をそれぞれ調整し、2つの補助磁石ユニット48の鉛直方向における相対位置を保ったまま、2つの補助磁石ユニット48の絶対位置を変化させることで、浮上体3と2つの補助磁石ユニット48の間に働く磁力の和が重力とつり合うような位置、あるいはその近傍に2つの補助磁石ユニット48を移動させることができる。これにより、重力により生じる可動枠位置の変動を抑制できる。   The two vertical adjustment mechanisms 43 incorporated in the magnetic support unit 60 with external force compensation are respectively adjusted, and the relative positions in the vertical direction of the two auxiliary magnet units 48 are changed to cause the floating body 3 due to gravity. An effect is obtained in which moments around the y axis are canceled out. Further, the floating bodies 3 and 2 are adjusted by adjusting the two vertical adjustment mechanisms 43 and changing the absolute positions of the two auxiliary magnet units 48 while maintaining the relative positions of the two auxiliary magnet units 48 in the vertical direction. The two auxiliary magnet units 48 can be moved to a position where the sum of the magnetic forces acting between the two auxiliary magnet units 48 is balanced with the gravity, or in the vicinity thereof. Thereby, the fluctuation | variation of the movable frame position which arises by gravity can be suppressed.

また、第1の実施形態で示した他の効果に関しても同様に得られる。   Further, other effects shown in the first embodiment can be obtained in the same manner.

(他の実施形態)
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、また各実施形態の特徴を組み合わせることができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
(Other embodiments)
As mentioned above, although some embodiment of this invention was described, these embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, modifications, and features of the embodiments can be combined without departing from the spirit of the invention. . These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

1 … 磁気浮上装置
2 … 磁気支持ユニット
3 … 浮上体
4 … 外力補償装置
5 … 縦方向支持装置
6 … 横方向支持装置
7 … 位置調整脚
8 … ベース
9 … 縦方向固定枠
10 … 横方向固定枠
11 … 縦方向可動枠
12 … 横方向可動枠
13 … 磁石ユニット
14 … 第1のギャップセンサ
15 … 第2のギャップセンサ
16 … リニアガイド
17 … バネ
21 … 永久磁石
22 … 継鉄
23 … コイル
24 … 電磁石
31 … 制御装置
32 … センサ部
33 … 制御演算器
34 … ドライバ
35 … 電流センサ
41 … フレーム
42 … 水平調整機構
43 … 鉛直調整機構
44 … 水平リニアガイド
45 … 水平送りねじ
46 … 鉛直リニアガイド
47 … 鉛直送りねじ
48 … 補助磁石ユニット
50 … 補助永久磁石
51 … 継鉄
60 … 外力補償付磁気支持ユニット
61 … 外力補償付縦方向支持装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Magnetic levitation apparatus 2 ... Magnetic support unit 3 ... Levitation body 4 ... External force compensation apparatus 5 ... Vertical support apparatus 6 ... Lateral support apparatus 7 ... Position adjustment leg 8 ... Base 9 ... Vertical direction fixed frame 10 ... Horizontal direction fixation Frame 11 ... Vertical movable frame 12 ... Horizontal movable frame 13 ... Magnet unit 14 ... First gap sensor 15 ... Second gap sensor 16 ... Linear guide 17 ... Spring 21 ... Permanent magnet 22 ... Relay 23 ... Coil 24 ... Electromagnet 31 ... Control device 32 ... Sensor unit 33 ... Control calculator 34 ... Driver 35 ... Current sensor 41 ... Frame 42 ... Horizontal adjustment mechanism 43 ... Vertical adjustment mechanism 44 ... Horizontal linear guide 45 ... Horizontal feed screw 46 ... Vertical linear guide 47… Vertical feed screw 48… Auxiliary magnet unit
50 ... auxiliary permanent magnet 51 ... yoke 60 ... magnetic support unit with external force compensation 61 ... longitudinal support device with external force compensation

Claims (15)

少なくとも一部が強磁性体で形成された浮上体と、
少なくとも電磁石を備え、前記浮上体を挟んで対向配置され、前記浮上体に空隙を介して前記電磁石に起因する磁束の磁気回路を形成する磁石ユニットと、
前記磁石ユニットが固定された可動枠と前記可動枠および前記浮上体に加わる荷重を支持する固定枠とを備え、前記固定枠と前記可動枠との間の距離を調整可能な磁気支持手段と、
前記浮上体と前記磁石ユニットとの相対変位に基づいて前記電磁石の電流を制御することにより、前記浮上体を非接触で支持する制御手段と、
補助磁石を備え、前記浮上体に空隙を介して前記補助磁石に起因する磁束の磁気回路を形成する補助磁石ユニットと、
前記補助磁石ユニットが設けられた外力補助手段と、
を具備することを特徴とする磁気浮上装置。
A levitated body at least partially formed of a ferromagnetic material;
A magnet unit that includes at least an electromagnet and is opposed to the levitating body, and forms a magnetic circuit of magnetic flux caused by the electromagnet through the gap on the levitating body;
A magnetic support means comprising: a movable frame to which the magnet unit is fixed; a fixed frame for supporting a load applied to the movable frame and the floating body; and a magnetic support means capable of adjusting a distance between the fixed frame and the movable frame;
Control means for supporting the floating body in a non-contact manner by controlling the current of the electromagnet based on the relative displacement between the floating body and the magnet unit;
An auxiliary magnet unit that includes an auxiliary magnet and forms a magnetic circuit of magnetic flux caused by the auxiliary magnet through a gap in the floating body;
An external force assisting means provided with the auxiliary magnet unit;
A magnetic levitation apparatus comprising:
前記外力補助手段は、前記補助磁石に起因する磁束によって前記浮上体に生じる磁力の合力が、前記浮上体に作用する前記磁力の合力以外の定常的な外力の合力を打ち消すような位置に、前記補助磁石ユニットを配置する機構を備えていることを特徴とする請求項1に記載の磁気浮上装置。   The external force assisting means is located at a position where the resultant magnetic force generated on the levitating body by the magnetic flux caused by the auxiliary magnet cancels out the resultant resultant external force other than the resultant magnetic force acting on the levitating body. The magnetic levitation apparatus according to claim 1, further comprising a mechanism for arranging the auxiliary magnet unit. 前記外力補助手段は、前記補助磁石に起因する磁束によって前記浮上体に作用するモーメントと重力に起因して生じるモーメントとが互いに相殺されるような位置に前記補助磁石ユニットを配置する機構を備えていることを特徴とする請求項1または2に記載の磁気浮上装置。   The external force assisting means includes a mechanism for disposing the auxiliary magnet unit at a position where a moment acting on the levitating body and a moment generated due to gravity are offset by a magnetic flux due to the auxiliary magnet. The magnetic levitation apparatus according to claim 1, wherein the magnetic levitation apparatus is a magnetic levitation apparatus. 前記外力補助手段は、前記補助磁石ユニットと前記浮上体との相対位置を調整可能な機構を備えていることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の磁気浮上装置。   4. The magnetic levitation apparatus according to claim 1, wherein the external force assisting unit includes a mechanism capable of adjusting a relative position between the auxiliary magnet unit and the levitating body. 5. . 前記外力補助手段は複数設けられ、前記複数の外力補助手段は、前記補助磁石ユニットと前記浮上体との相対位置をそれぞれ独立に調整可能な機構を備えていることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の磁気浮上装置。   The external force assisting means is provided in a plurality, and the plurality of external force assisting means includes a mechanism capable of independently adjusting the relative positions of the auxiliary magnet unit and the floating body. The magnetic levitation apparatus according to claim 3. 前記制御手段は、前記電磁石への励磁電流を測定する手段と、前記電磁石への励磁電流をゼロに収束させる手段と、を備えていることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の磁気浮上装置。   6. The control means according to claim 1, further comprising means for measuring an excitation current to the electromagnet and a means for converging the excitation current to the electromagnet to zero. The magnetic levitation device according to one item. 前記磁気支持手段は、前記固定枠と前記可動枠との間の距離を調整可能な弾性要素を備えていることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載の磁気浮上装置。   The magnetic levitation according to any one of claims 1 to 6, wherein the magnetic support means includes an elastic element capable of adjusting a distance between the fixed frame and the movable frame. apparatus. 前記浮上体は回転体であり、
前記磁石ユニットは、前記浮上体を前記浮上体の回転軸と直交するy方向から挟む一対のy軸磁石ユニットと、前記浮上体を前記回転軸およびy方向と直交するz方向から挟む一対のz軸磁石ユニットとを有し、
前記磁気支持手段の前記可動枠は、前記y軸磁石ユニットを固定するy軸可動枠と、前記z軸磁石ユニットを固定するz軸可動枠とを有し、
前記磁気支持手段の前記固定枠は、前記y軸可動枠を支持するy軸固定枠と、前記z軸可動枠を支持するz軸固定枠とを有することを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の磁気浮上装置。
The floating body is a rotating body,
The magnet unit includes a pair of y-axis magnet units that sandwich the levitating body from the y direction perpendicular to the rotation axis of the levitating body and a pair of z that sandwich the levitating body from the z direction orthogonal to the rotation axis and the y direction. A shaft magnet unit,
The movable frame of the magnetic support means includes a y-axis movable frame that fixes the y-axis magnet unit, and a z-axis movable frame that fixes the z-axis magnet unit.
The said fixed frame of the said magnetic support means has a y-axis fixed frame which supports the said y-axis movable frame, and a z-axis fixed frame which supports the said z-axis movable frame. The magnetic levitation apparatus according to any one of claims 7 to 9.
前記外力補助手段は、前記浮上体の回転軸方向に対して、前記補助磁石ユニットと前記浮上体との相対位置を調整可能な回転軸方向調整機構を有していることを特徴とする請求項8に記載の磁気浮上装置。   The external force assisting means includes a rotation axis direction adjusting mechanism capable of adjusting a relative position between the auxiliary magnet unit and the floating body with respect to a rotation axis direction of the floating body. The magnetic levitation apparatus according to 8. 前記外力補助手段は、前記浮上体の半径方向に対して、前記補助磁石ユニットと前記浮上体との相対位置を調整可能な半径方向調整機構を有していることを特徴とする請求項8または請求項9に記載の磁気浮上装置。   The external force assisting means includes a radial direction adjustment mechanism capable of adjusting a relative position between the auxiliary magnet unit and the levitating body with respect to a radial direction of the levitating body. The magnetic levitation device according to claim 9. 前記回転軸方向調整機構による調整と前記半径方向調整機構による調整は、それぞれ独立に行われることを特徴とする請求項10に記載の磁気浮上装置。   The magnetic levitation apparatus according to claim 10, wherein the adjustment by the rotation axis direction adjustment mechanism and the adjustment by the radial direction adjustment mechanism are performed independently. 前記補助磁石ユニットは、継鉄をさらに備え、前記補助磁石である補助永久磁石および前記継鉄により、前記浮上体に対して定常的な磁力を発生することを特徴とする請求項1ないし請求項11のいずれか一項に記載の磁気浮上装置。   The auxiliary magnet unit further includes a yoke, and the auxiliary permanent magnet, which is the auxiliary magnet, and the yoke generate a steady magnetic force with respect to the floating body. The magnetic levitation device according to claim 11. 前記継鉄の前記浮上体と対向する面は、前記浮上体の形状に習うような形に形成されていることを特徴とする請求項12に記載の磁気浮上装置。   13. The magnetic levitation apparatus according to claim 12, wherein a surface of the yoke facing the levitation body is formed in a shape that follows the shape of the levitation body. 前記継鉄は積層鋼板により構成されていることを特徴とする請求項11または請求項12に記載の磁気浮上装置。   The magnetic levitation apparatus according to claim 11, wherein the yoke is formed of a laminated steel plate. 前記補助磁石である補助永久磁石はハルバッハ配列に並べられていることを特徴とする請求項1ないし請求項11のいずれか一項に記載の磁気浮上装置。   The magnetic levitation apparatus according to any one of claims 1 to 11, wherein auxiliary permanent magnets as the auxiliary magnets are arranged in a Halbach array.
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