JP2886891B2 - 軸線方向磁気軸受組立体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は軸線方向のスラスト荷重を受ける磁気軸受組
立体に関するものである。

従来技術および発明が解決しようとする課題 軸線方向磁気軸受組立体の一般の形態では、軸に固定
された堅固な強磁性円盤が軸受のロータとして使用され
る。環状電磁石コイルが、該円盤の両側に配置され、ス
ラストの方向に従って、いずれかの電磁石が軸線に沿う
スラスト力を平衡させている。このことは、磁石と円盤
面との間の間隙をほぼ一定に維持するために、電磁石に
対する電流を変化させる制御装置によって実行される。

円盤の直径は、一般に、支持すべき軸線方向荷重の大
きさにより決定される。

軸と円盤の予想される回転速度が非常に高く、かつ、
スラスト荷重が大きい場合には、回転する円盤内に生じ
る応力が、円盤の強磁性材料の機械的強度を超えること
があるだろう。

課題を解決するための手段 従って、本発明の目的は、使用時に、同一の予想最大
荷重を受ける従来の軸線方向磁気軸受に比較して、スラ
スト軸受部材内に生じる応力が低いような軸線方向磁気
軸受組立体を提供することである。

本発明の他の目的は、同一の予想最大荷重を受ける従
来の軸線方向磁気軸受に比較して、半径方向の大きさが
より小さい軸線方向磁気軸受組立体を提供することであ
る。

本発明の軸線方向磁気軸受組立体は、少なくとも軸を
含む回転構造体を有し、該回転構造体の強磁性材料部
が、軸に沿う一方向でスラスト荷重を負担するための、
半径方向に延在する面を有しており、回転構造体の強磁
性材料部と、電磁石とを含む磁気回路を有しており、電
磁石が、該電磁石の２つの磁極を有する環状の強磁性コ
アと環状コイルとを有し、環状の強磁性コアは、環状コ
イルが配設された環状コイル設置チャンネルを有し、強
磁性コアおよびこれに形成された環状コイル設置チャン
ネルが、軸と同一軸線関係にあり、回転構造体の強磁性
材料部が、軸に沿う一方向でスラスト荷重を受けるため
に、軸の軸線方向で互いに隔てられて半径方向に延在す
る２つのスラスト面を有するとともに、該２つのスラス
ト面で挟まれる範囲内の全体に亙って該強磁性材料部が
延在しており、環状コイル設置チャンネルが、軸に対し
て半径方向内方に向かって開放され、強磁性コアの２つ
の磁極の各々が、半径方向に延在する前記２つのスラス
ト面のうちの一方に対して間隔を置いて対向していると
いう特徴を有する。

軸が回転構造体そのものであろうと、回転構造体の一
部であろうと、これを強磁性材料で形成することができ
る。軸自体が強磁性材料であれば、各スラスト面を一つ
のスラスト鍔により形成することができ、該スラスト鍔
は軸材料から削り出してもよいし、別体スラスト鍔を軸
に固定してもよい。

少なくとも一つのスラスト面を有する強磁性材料部
は、半径方向外側に向かって先細り形状（すなわち、先
端に向かって薄肉になるようにテーパが付された形状）
にし、回転構造体の質量を減らすことが好ましい。

電磁石の少なくとも一つの極は、半径方向内側に向か
って先細り形状（すなわち、先端に向かって薄肉になる
ようにテーパが付された形状）にし、軸中への磁束漏洩
を最小にすることが好ましい。

なお、前記コイル設置チャンネルとは、環状コイル形
状に対応して強磁性コアに形成されたコイル配設用の環
状の溝状部分を意味する。

本発明の軸線方向磁気軸受組立体をその電磁石構造に
よれば、従来のこの種の軸受に比較して、より大きいコ
イルを使用することができる。そのため、電極、電流の
消費が減少し、伴って熱損失も減少する。

本発明をより完全に理解するために、付図を参照して
本発明の実施例を説明するが、これは単なる説明用であ
る。

実施例 第１図において、従来の軸線方向磁気軸受が符号10で
示されている。軸受組立体は、従来の機械的なジャーナ
ル軸受（図示されていない）か、または半径方向磁気軸
受（図示されていない）により支持された軸11を有す
る。軸はロータ円盤12を有し、該円盤は軸端にあるよう
に示されているが、軸の途中にあってもよい。２つの定
置電磁石（強磁性コアを含む）13,14は、同等の磁極面1
5,16と17,18とを、環状コイル19,20と共に有している。
外部からのスラスト荷重が、矢印Ｌの方向で軸に加えら
れる。軸線方向位置検知器21がロータ円盤12の軸線方向
位置を検知し、既知の制御装置（図示せず）を用いて、
電磁石13のコイル19への電流を変化させ、ロータ面23と
電磁石13の面24との間の間隙22をほぼ一定に維持する。
第２の電磁石14は、作用するスラスト荷重の方向が何ら
かの理由で逆向きになった時にのみ作動する。

軸受のスラスト容量は、主に電磁石の磁極面面積によ
り決められ、該面積がまたロータ円盤12の直径を決め
る。軸線方向スラストに対する要求が大きく、かつ回転
速度が高い場合には、大きな直径のために生じる応力が
円盤材料の強度を越え、円板を破壊させるだろう。

第２図は、従来技術の欠点を克服した本発明の軸線方
向磁気軸受（スラスト軸受）を示す。

符号30で示された軸受組立体は、二つの鍔（フラン
ジ）32,33が形成された軸31を有し、各鍔は第２図に示
したように軸部材から削り出してもよいし、第３図に示
したように軸に付加してもよい。軸はフエライト系ステ
ンレス鋼等の強磁性材料で形成される。磁極面35,36を
有し、環状コイル37を収容するコイル設置チャンネル
（周方向に沿う溝形部分）を有する電磁石（強磁性コア
を含む）34が軸31を包囲している。外部から加えられる
荷重が矢印Ｌの方向で軸引に作用する。

この場合、電磁石の磁極面の総面積は、第１図の電磁
石の極面積と等しい。しかし、スラスト荷重は、円盤12
よりも相当小さい直径のロータ円盤すなわち鍔32,33に
よって負担されている。また、コイル37用の空間は、電
磁石13の場合に比較してかなり大きい。従って所定の力
を生じさせるための電力が減少し、熱損失も小さくな
る。軸が強磁性材料であるから、磁束回路は軸の表面に
沿う。

第３図は、第２図の軸受の変形を示しており、軸受効
率を改善している。第１に、スラスト鍔32,33が先細り
形状40,41になされており、鍔外周部分の質量を減少さ
せて、回転中に生じる力を減らす。第２には、電磁石34
の半径方向内側に向いた磁極変42,43が先細り形状44,45
になされている。このことは、面38,39（第２図）から
軸へと直接流れる磁束漏洩を最小にしている。かかる磁
束漏洩はスラスト容量の低下を意味する。

第４図は、他の実施例50を示し、例えば、軸51が磁気
的に非透過性になっている。この場合、強磁性の環状ス
リーブ52が軸に付加される。スリーブは電磁石（強磁性
コアを含む）55の磁極面54と協働する端面53と、半径方
向に延びるフランジすなわち円盤56とを有し、円盤56は
先細り形状57になされており、回転中に生じる力を最小
にする。フランジ面58は、電磁石55の第２の磁極面59と
協働し、磁束は、軸線方向に延在する円筒体60を通り、
磁気回転を完成する。磁極変61,62もまた、先細り形状6
3,64になされており、好ましくない方向の磁束漏洩を最
小にする。

第２図、第３図、第４図に示した実施例は全て、軸線
方向位置検知器と、負帰環制御閉回路とを備えた既知の
制御装置を有し、電磁石に加える電力を制御し、電磁石
の極面と、対応するロータまたは鍔のスラスト面との間
の間隙をほぼ一定に保つ。

第５図の構造70では、スラスト荷重の作用方向が逆に
なった場合に対応できる。本構造は、二つの電磁石（強
磁性コアを含む）71,72を有し、スラスト方向に対応し
て、いすれかが共通のスラスト鍔73に作用する。また、
鍔74,75が設けられ、各スラスト方向に応じて機能す
る。従来の制御回路における同じ位置検知器76が同じく
設けられている。

【図面の簡単な説明】

第１図は、軸の両方向に作用するスラスト力を平衡させ
ることができる従来の磁気スラスト軸受の説明断面図で
ある。第２図は、軸の一方向に作用するスラスト力を平
衡させることができる本発明の軸線方向磁気軸受の軸線
方向断面図である。第３図は、第２図の軸受の変形例を
示す。第４図は、本発明による他の軸受を示す。第５図
は、スラスト方向が変化するスラスト荷重を受ける軸受
構造を示している。 11,31,51……軸、12,32,33……ロータ円盤、13,14,34,5
5,71,72……電磁石、19,20,37……環状コイル、21,76…
…位置検知器、42,43,61,62……磁極片、40,41,57,63,6
4……先細り形状。

フロントページの続き (72)発明者 レイモンド ジョン ウォールロウ イギリス国ビーエヌ２ ８キューエヌ, イースト サセックス，ブライトン，ソ ルトディーン，クーム，ライズ 19 (56)参考文献 特公 昭49−8990（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭49−29217（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F16C 32/00 - 32/06

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】軸線方向磁気軸受組立体が少なくとも軸
   （31;51）を含む回転構造体を有し、該回転構造体の強
   磁性材料部が、前記軸に沿う一方向（Ｌ）でスラスト荷
   重を負担するための、半径方向に延在する面を有してお
   り、前記回転構造体の前記強磁性材料部（31、32、33;5
   2;73、74、75）と、電磁石（34;55;71、72）とを含む磁
   気回路を有する軸線方向磁気軸受組立体であって、 前記電磁石が、該電磁石の２つの磁極（35、36;54、5
   9）を有する環状の強磁性コアと環状コイルとを有し、
   前記環状の強磁性コアは、前記環状コイルが配設された
   環状コイル設置チャンネルを有し、 前記強磁性コアおよびこれに形成された前記環状コイル
   設置チャンネルが、前記軸と同一軸線関係にある、前記
   軸線方向磁気軸受組立体において、 前記回転構造体の強磁性材料部が、前記軸に沿う一方向
   （Ｌ）でスラスト荷重を受けるために、前記軸（31;5
   1）の軸線方向で互いに隔てられて半径方向に延在する
   ２つのスラスト面（53、58）を有するとともに、該２つ
   のスラスト面で挟まれる範囲内の全体に亙って該強磁性
   材料部が延在しており、 前記環状コイル設置チャンネルが、前記軸に対して半径
   方向内方に向かって開放され、 前記強磁性コアの前記２つの磁極（35、36;54、59）の
   各々が、半径方向に延在する前記２つのスラスト面のう
   ちの一方に対して間隔を置いて対向していることを特徴
   とする軸線方向磁気軸受組立体。
2. 【請求項２】前記軸（31）が強磁性材料で形成されてい
   ることを特徴とする請求項１に記載された軸線方向磁気
   軸受組立体。
3. 【請求項３】前記スラスト面が、スラスト鍔（32、33;7
   3、74、75）によって個々に設けられていることを特徴
   とする請求項２に記載された軸線方向磁気軸受組立体。
4. 【請求項４】少なくとも１つのスラスト面を有する前記
   強磁性材料部（40、41;56;74、75）が半径方向外側方向
   でテーパ付与されていることを特徴とする請求項１から
   請求項３までのいずれか１項に記載された軸線方向磁気
   軸受組立体。
5. 【請求項５】前記電磁石の少なくとも１つの前記磁極
   （40、45;63、64）が半径方向内側方向でテーパ付与さ
   れていることを特徴とする請求項１から請求項４までの
   いずれか１項に記載された軸線方向磁気軸受組立体。
6. 【請求項６】前記２つのスラスト面（53、58）が、前記
   軸（51）に固定されたスリーブ（52）によって設けられ
   ていることを特徴とする請求項１に記載された軸線方向
   磁気軸受組立体。
7. 【請求項７】前記軸（51）が非強磁性材料で形成されて
   いることを特徴とする請求項６に記載された軸線方向磁
   気軸受組立体。
8. 【請求項８】前記軸を包囲して、チャンネル形状の２つ
   の環状電磁石（71、72）が設けられ、該電磁石が互いに
   反対方向のスラストを付与することを特徴とする請求項
   １から請求項７までのいずれか１項に記載された軸線方
   向磁気軸受組立体。