JP3057047B2 - 磁気懸架装置 - Google Patents

磁気懸架装置

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JP3057047B2 JP10015625A JP1562598A JP3057047B2 JP 3057047 B2 JP3057047 B2 JP 3057047B2 JP 10015625 A JP10015625 A JP 10015625A JP 1562598 A JP1562598 A JP 1562598A JP 3057047 B2 JP3057047 B2 JP 3057047B2
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は一般的に相対的回転
におけるユニットの接触のない懸架装置に関し、より詳
細には軸受としての磁気懸架装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】多くの点で、特に高速が要求される場
合、コロ軸受やすべり軸受には限界がある。これらの欠
点は主として摩耗、潤滑及び振動面で生じる。従って、
異なる種類の磁気軸受がこれらの点で従来の軸受に取っ
て代わろうとしている。主に、いわゆる能動的磁気軸
受、つまり、電子的に調節された軸受が使用される。こ
のような能動的磁気軸受の一例は特開昭５８−１０９７
１９号公報に見い出され、その場合、付加的な環状バイ
アス磁石がバイアス磁界を生じさせ、磁気回転子と電磁
石間の引力を線形にする。
【０００３】時折、いわゆる受動的軸受、つまり力が通
常反対方向に向けられた磁石間の斥力によって構成され
る軸受が使用される。後者は、「アーンショーの定理」
のため、完全に安定にはできないが、しばしば安定化玉
軸受と共に使用され、それによりその適用分野が限定さ
れる。これらのシステムの利点は調節システムがないこ
と及び低価格であることである。
【０００４】調節システムまたは玉軸受の必要なしに、
完全に安定した懸架用に永久磁石を使用するというアイ
デアは、回転子において磁石が電導性材料に安定化渦電
流を誘導させることによって実現できる。レンツの法則
によれば、かかる電流は常に反対方向に向けられた、反
発しあう、安定した磁界を生じるように向けられる。
【０００５】いわゆる電気力学的斥力を磁気軸受に使用
する方法に関してこれらの理論は古くから知られてい
る。かかる軸受の大きな問題点は、軸受が多くの熱を生
じさせる、つまり、受け入れられない程高いエネルギー
損失を生じさせることである。
【０００６】その損失を減少させることができたのは
「ゼロ磁束体系（ｎｕｌｌ ｆｌｕｘｓｃｈｅｍｅ）」
が発見されてからであり、この懸架方法は重大に受け止
められた。「ゼロ磁束体系」の背後にある理論は、例え
ば、P. L. Richards及びM. Tinkhamにより１９７２年６
月に発行されたJournal of Applied Physics、第43巻、
No. 6、「磁気懸架．．．」に詳細に記載されており、
それは抵抗性損失による不必要な熱発生は２つの反対に
向けられた磁石によって補償され、弱い磁界を持つ領域
を形成するために使用され、その磁界では電導性材料が
浮動するように導かれることが理解される。
【０００７】先行技術による渦電流軸受は全て「ゼロ磁
束体系」に基づいており、多くのデザインがある。それ
らのほとんどは高速列車のために使用される線形軸受の
形態のものであり、例えば、Miericke等による米国特許
第３９５１０７５号明細書及び米国特許第３９０３８０
９号明細書、Lembkeによるスウェーデン特許第５００１
２０号明細書のような特許文書がある。Lembkeはまた回
転軸のためにそうした軸受の使用を提案しており、それ
はSoglia等による米国特許第３７７９６１８号明細書及
びSacerdoti等による米国特許第３８１１７４０号明細
書に記載されている。
【０００８】先行技術によるこれらの軸受は全て損失を
減少させるために、すなわち、本来の重量等の全ての静
荷重を、例えば引き寄せ合う永久磁石の形態の別の磁気
解除装置によって支持するために付加的な方法を使用し
ている。それによって、この力を生じさせるために付加
的な渦電流は不必要となり、回転子を磁石間の中心に置
くことができ、損失が最小になる。
【０００９】損失は「ゼロ磁束体系」及び前記解除装置
の両方を使用することによってかなり減少されるが、先
行技術による磁気軸受の問題点は、軸受の商業的適用を
可能にするには損失が高すぎることである。特に軸方向
の軸受を考えた場合、Lembkeにより提案された軸受が実
験によって比較的優れていることが立証されたとして
も、このタイプのラジアル軸受にはまだ問題点が残る。
１つには、回転子を磁石間の正確に中央に置くことがで
きないので、回転子の熱膨脹が生じて損失にかなりの影
響を及ぼす。
【００１０】Richardsによれば、電導性材料、彼の場合
はレールが無限に薄く、磁石が無限に強いと仮定して、
「ゼロ磁束体系」は無限に小さな損失を達成する可能性
を提供する。更に、速度は無限に高速である。実際上の
制限は自明であり、現在利用できる最良の磁石は非常に
薄いプレートと共に使用できるにもかかわらず、実際に
満足できる結果は得られていない。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】先行技術による磁気軸
受の欠点の基本的な原因は、磁界が「ゼロ磁束」を持つ
領域、つまり、通常の成分に欠ける領域が単独で無限に
薄いことであり、従って無限に薄いプレートだけを使用
できるのである。プレートが厚みを持っていれば、表面
層はプレートが磁石の側を通った時に変動磁界に曝さ
れ、それによって不必要な渦電流が発生する。
【００１２】本発明の目的は、相対的回転におけるユニ
ットの懸架装置を提供することであり、この装置は誘導
される渦電流によって生じる不必要な損失を除去する。
【００１３】本発明の別の目的は、熱膨脹に対して反応
しない装置を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の磁気懸架装置は、電気力学的斥力原則に従
った、固定子に対して所定の回転対称路に沿った相対的
回転運動において、回転子の磁気懸架装置であって、前
記回転子は電導性の非磁性材料で基本的に構成される回
転体から成り、前記固定子はそれに嵌合される少なくと
も１つの磁性手段を有し、前記磁性手段は回転軸と同軸
の少なくとも１つの回転対称磁石から成り、回転軸と同
軸の回転対称磁界を発生させるために配置され、それに
よって前記磁界が前記回転体において誘導される渦電流
を発生させ、それによって前記回転体が所定の通路をは
ずれ、偏心的に回転する傾向にある場合にのみ、復元安
定力を発生させることを特徴とする。
【００１５】すなわち、本発明による磁気懸架装置は、
電気力学的な斥力原則に従って作動し、電導性材料で形
成される回転子は磁石から成る固定子に対して回転し、
その磁石が回転子の回転軸と同軸である回転的に対称的
な磁界を生じさせる。この方法で構成される磁界は、通
過する回転子の任意の体積部分が、交互の磁界成分を持
って現れないという性質を有する。
【００１６】このように、このような磁界の通常の成分
は如何なる渦電流も発生させないので、「ゼロ磁束体
系」にとって有効であるものとは対照的に、これはゼロ
である必要はない。従って、電導性材料は無限に薄い必
要はなく、更に磁石に対して正確に配置される必要もな
い。このように、軸受は熱膨脹に対して反応しない。
【００１７】
【発明の実施の形態】本発明の好ましい実施形態につい
て図面を参照しながら以下に説明する。但し、これらの
態様は例示的なものであり、本発明のクレームの範囲を
制限するものと解釈すべきでないことが当業者には理解
されるであろう。
【００１８】図１において、本発明の一態様が示されて
おり、この態様の基本的な部分を示すために一部の部分
は除かれている。電導性かつ非磁性の回転体１１から成
る回転子１０は、環状磁石１２の中で回転できる。回転
体１１はここに示すように回転的に対称的である必要は
ないが、仮想の回転軸１３まわりの回転に対して注意深
く平衡を保っていることが好ましい。環状磁石１２は回
転的に均一の磁界を生じさせるように設計される。「回
転的に均一」ということは、この回転的に対称的な態様
において、磁界の対称軸が回転体の回転軸１３と一致す
る時、通過する回転体１１の任意の体積部分に対して、
交互の磁界成分を持って現れない磁界であると理解すべ
きである。環状磁石１２は永久磁石、超伝導体等の電磁
特性の磁石、またはそれらの組み合わせで構成されてよ
い。環状磁石は固定子１４に設けられ、それは図１にお
いて部分的な破断図で示されている。回転子１０はその
図示されていない端において任意の軸受によって懸架さ
れていてよい。
【００１９】上記の態様によって、かかる磁界の通常の
成分は如何なる渦電流も発生させないので、回転体が磁
石に対して同軸的に回転する限り、渦電流は回転体に発
生しない。このことは回転体が半径方向に拡大しても、
つまり、ある厚みを持っていても、あるいは回転体が熱
膨脹に曝され、エアギャップの中央で回転しなくても有
効である。反対に、回転子が中央位置からはずれ、同心
的に回転を始めると同時に、安定化電流が発生する。
【００２０】軸受が乱流に曝され、偏心的に回転し始め
た場合、上述の体積部分は交流磁界を経験し、回転体１
１の中央に渦電流が発生し、それによって回転子が元の
位置に戻される。このことは磁界が勾配を持つ、つまり
磁石の中心から見て半径方向に減少することから可能と
なる。
【００２１】図２において、本発明の別の態様が示され
ている。この態様は図１に示す態様と同じように、電導
性かつ非磁性の回転体２１から成り、第１の環状磁石２
２の中で回転でき、仮想の回転軸２３を有する回転子２
０を備える。この態様の回転子は管状であり、半径方向
に静止軸２６を囲んでいる。第２の環状磁石２５が静止
軸２６に設けられ、それは次に固定子２４の一部を形成
する。環状磁石２２、２５は前述のものと同様に設計さ
れる。回転子２０はその図示されていない端において任
意の軸受によって懸架されていてよい。
【００２２】環状の磁石は基本的に２つの異なる方向に
向けられた磁気双極子を持つことができる。これら２つ
の理論的な事例が図３（ａ）と図３（ｂ）に略図で示さ
れており、矢印が磁気双極子の方向を示している。図３
（ａ）の磁石では、磁気双極子は環状磁石の回転対称軸
に平行する方向に向けられており、その磁石は磁気的に
軸方向に向けられているが、図３（ｂ）の磁石は環状磁
石の回転対称軸に対して垂直方向に向けられた磁気双極
子を持っており、磁気的に半径方向に向けられている。
【００２３】２つの磁気的に軸方向に向けられた環状磁
石２２、２５を、図２に示すように同じ面に同心的に置
き、その双極子を同じ方向に向けることにより、環状磁
石２２、２５間の隙間に形成される磁気勾配を高めるこ
とができる。対応する方法で、２つの磁気的に半径方向
に向けられた環状磁石２２、２５を同じ面に同心的に配
置し、その双極子を反対方向に向けて、それによって高
められた磁気勾配を生じさせることができる。回転子の
回転軸２３が磁石の対称軸と一致するという仮定の下
で、（接線はゼロのままであるが）、回転子２０は磁石
間の隙間の中で回転し、回転体２１によって、半径方向
の磁界成分の勾配が高められる。乱流によって、つま
り、回転体の回転軸２３の変位によって、誘導された渦
電流により生じる復元力は１つの環状磁石の場合より強
くなるであろう。それによって、より正確な弾力が達成
される。
【００２４】復元力を高める別の方法は、回転体に沿っ
た広い部分に沿って大きな半径方向の磁界成分を作り出
すことである。これは第１の環状磁石に対して付加的な
環状磁石を半径方向に位置付ける代わりに、それらを第
１の環状磁石に対して軸方向に置くことによって為され
る。半径方向の勾配の大きさを最大にするために、環状
磁石は極性を互い違いの方向に向けて配置されるべきで
ある。これは磁気的に軸方向に向けられた環状磁石と磁
気的に半径方向に向けられた環状磁石のために有効であ
る。
【００２５】明らかに、好適態様は磁石の作用を高める
ための上記２つの方法の組み合わせから成る。磁気的に
軸方向に向けられた磁石を備えた、かかる態様における
磁石の構成が図４に示されている。回転子が回転するこ
とができる中間の隙間を生じさせる、２つの同心的に設
けられ、互い違いの方向に向けられた組としての環状磁
石を持つことにより、磁石の効果が倍増される。
【００２６】図５は本発明の特別な態様を示す。この場
合、完全に管状の軸３１が回転体を構成し、各々の端に
設けられた環状磁石３２、３５を備えた磁気軸受を有す
る。軸３１は電導性であり、同時に軸及び軸受としての
働きをする。環状磁石３２、３５は固定子３４に取付け
られ、そこに車軸３６が取付けられる。それによって、
装置を軽くし、同時に剛直にすることができ、その結果
非常に速い回転速度で使用できるようになる。
【００２７】図６及び図７に、本発明による装置におい
て復元力がどのように作用するかが示されている。図６
及び図７は図２に示した態様に対応する軸受を示してお
り、固定子と静止軸は省略されているが、原理は他の可
能な態様に対しても同じである。図６及び図７では、ほ
とんどの表記が図２の場合と同じである。図６におい
て、回転体２１の回転軸は環状磁石２２、２５によって
発生した磁界の対称軸に対して変位している。回転体２
１の体積部分２８はこの回転の間に、その運動方向に沿
って交互の磁界を経験するであろう。それによって、渦
電流が体積部分２８において発生する。この渦電流はそ
の動きを打ち消す力を発生させるであろう。回転体にお
ける全ての体積部分において作用する結果的に生じる総
力は図の上方に向けられており、それは符号Ｆによって
表わされている。
【００２８】図７では、回転体２１は磁界に対して同軸
的に置かれており、如何なる渦電流も回転体２１におい
て発生せず、それによって、結果的に回転体２１にかか
る総力はゼロである。
【００２９】本発明による磁気軸受に対する異なるアプ
リケーションは異なる好適な態様を生じさせる。図８か
ら図１４において、幾つかの興味深い態様が断面図で示
されている。図８は図２に対応する態様を示しており、
２つの同軸環状磁石を持ち、１つは回転する円筒形の軸
の内側にあり、１つは外側にある。図９は円錐形の断面
を持つ回転子が懸架位置において使用されるアプリケー
ションを示している。このような態様も非垂直位置にお
いて、小さな軸方向の懸架作用を生じさせる。図１０は
図４に示したものと類似性を持つが、３組の環状磁石を
備えた態様を示している。図１１の態様も３組の環状磁
石を示すが、この態様では、それらの間に軟鉄の環状プ
レート４９が設けられる。この設定は同心鉄プレート間
の領域に磁束を集中させ、それによってこれらの位置に
おける磁力が高められる。図１２は３つの軸方向に重ね
られた環状磁石が、間に配置された鉄プレートと共に軸
受として作用する態様を示している。しかしながら、こ
の態様では、回転子が２つの同軸の管状部分から成り、
それらは環状磁石の外側と内側で各々移動可能である。
それによって、磁石の外部と内部の軸に影響を及ぼすた
めに磁界が使用される。図１３はこの理論の延長を示
し、それによって２組の同軸環状磁石が、３つの同軸管
状部分から成る回転子と共に使用される。図１４は半径
方向の懸架効率の一部を犠牲にして、わずかに軸方向に
作用する懸架を達成する態様を示す。この態様では、図
１０の場合と同様に、回転子は３つの外部環状磁石と３
つの内部環状磁石によって囲まれる。しかしながら、こ
の態様では、回転子は２つの鉄リング４８から成り、そ
れらは３組の環状磁石間の空間と同一平面の回転軸に沿
って配置される。これらの鉄リング４８は図１０の態様
と比べて、半径方向の懸架を減少させるが、回転子の軸
方向の変位において、磁束の変化が元の位置に回転子を
復帰させようとするであろう。鉄リング４８は回転子の
内部に置かれても、あるいは回転子の外部に置かれても
よい。
【００３０】もちろん、上記の環状磁石は他の回転対称
的外形を有する磁石と取り替えられてもよい。
【００３１】磁石は異なる型の磁石であっても、あるい
はそれらの組み合わせであってもよい。永久磁石は高速
の場合に好都合であり、その場合高速が強い復元力を生
じさせる。永久磁石は低速の場合、あるいは静止状態で
は効率が悪い。同じ理由から、高い回転速度の場合に優
れている直流が電磁石に供給される一方、低い回転速度
では充分強い復元力を生じさせるために高い電流が必要
である。超伝導磁石を好適に使用することができる。低
速での解決策は交流が供給される電磁石を使用すること
であり、それは静止回転子用の浮動接触のない懸架に適
合させることができる。しかしながら、交流が供給され
る電磁石は高い回転速度では安定性が悪い。好適態様は
永久磁石と交流が供給される電磁石の組み合わせから成
り、それによって全ての回転速度用に安定した懸架を容
易に達成ことができる。
【００３２】電磁石は運転中にその力を変化させること
ができ、従って磁石軸受の特性を適合させることができ
るという利点を有する。軸受の剛性、つまり如何に大き
な力で理想的な通路からの変位を防止できるかを容易に
設定できる。すなわち、回転子が回転する速度に応じて
軸受の剛性を設定できる。静止磁界と変動磁界の組み合
わせを使用する場合、これら２つのタイプ間の相互の相
対力を好適に変更できる。静止状態から高速回転まで回
転子を加速することにより、初期に交流磁界が支配的で
ある場合、低速回転の場合に好適であり、その後回転子
が加速するにつれて静止磁界が支配的になる。このこと
は電磁石を通して送られる電流に対する電流及び／もし
くは周波数を制御することで実現できる。
【００３３】懸架特性は低速回転では完全に実現されな
いので、管状軸壁を厚くするか、あるいはある種の始動
軸受で補足することによってそれらの特性を向上させる
ことができる。
【００３４】始動軸受の最も簡単な形態は磁石を覆うこ
とであり、優れたすべり特性を呈する薄い材料、例えば
テフロンの軸であってよい。始動時に、軸が持ち上がり
磁界によって安定するようになるまで速度が上昇するま
で、軸はすべり面を摺動する。
【００３５】もちろん、すべり軸受の代わりに玉軸受を
使用してもよく、その場合玉軸受は本軸よりわずかに大
きな直径のものである。この方法は能動的磁石軸受用の
いわゆる非常用軸受として一般的である。
【００３６】それより優れた方法は空気軸受である。こ
の方法では、始動段階の間に、空気が磁石間に開けられ
た小さな穴を通して軸の長さ方向に沿ってポンプで供給
され、そこに垂れ下がった空気クッションが作り出され
る。
【００３７】最良の始動方法は最も簡単な種類の代替磁
石軸受を使用することである。この軸受は軸方向に動く
ことだけが必要であるが、受動的な半径方向の安定性を
与えるように設計されてもよい。軸受は高速回転で操作
する必要はなく、そのため電子デバイスを従来の能動的
磁石軸受よりかなり安く製造できる。
【００３８】このように組み合わされた軸受の一例が図
１５に示されている。回転軸の両端に鉄の取付け部品５
０が設けられる。これらの部品は固定子に嵌合された電
磁石５１に向き合って設置され、電磁石は簡単な制御電
子デバイス５２によって制御される。他の参照符号は前
述したものと同じものを表わす。磁石は高速で半径方向
の安定性を提供し、鉄リングが全ての回転速度における
軸方向の安定性を提供するが、前述のように半径方向の
不安定性も提供する。電磁石が軸受を半径方向に安定さ
せ、軸方向の安定性を高める。高速回転では、電磁石と
その制御系を切断してもよい。
【００３９】高速回転で電磁石が切断されない場合、回
転子における機械力の測定及び／もしくは補償のために
使用することができる。
【００４０】上述の態様において、本発明による一部の
態様だけを説明してきた。本発明の特徴を多くの異なる
構成と組み合わせることができ、請求の範囲によってこ
れら全ての組み合わせがカバーされることを理解すべき
である。
【００４１】
【発明の効果】上記のように構成された本発明によれ
ば、誘導される渦電流によって生じる不必要な損失を除
去可能な磁気懸架装置を提供することができる。また、
本発明の磁気懸架装置よれば、熱膨脹に対して反応する
ことはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、１つの磁石を使用する本発明による実
施態様の部分的な概略図である。
【図２】図２は、２つの磁石を使用する本発明による別
の態様の部分的な概略図である。
【図３】図３（ａ）および図３（ｂ）は、環状磁石に対
して可能な磁化方向を示す。
【図４】図４は、軸方向に重ねられた、軸方向に磁気が
向けられた組としての環状磁石を使用する、本発明によ
る好適態様における環状磁石の概略図である。
【図５】図５は、軸がその両側で懸架されている、本発
明による別の態様の部分的な概略図である。
【図６】図６は、可動部品に偏心が存在する、図２に示
した態様の軸受の断面図である。
【図７】図７は、偏心のない、図２に示した態様の軸受
の断面図である。
【図８】図８は、本発明による磁気軸受の一例を断面図
で示す。
【図９】図９は、本発明による磁気軸受の他の例を断面
図で示す。
【図１０】図１０は、本発明による磁気軸受のさらに他
の例を断面図で示す。
【図１１】図１１は、本発明による磁気軸受のさらに他
の例を断面図で示す。
【図１２】図１２は、本発明による磁気軸受のさらに他
の例を断面図で示す。
【図１３】図１３は、本発明による磁気軸受のさらに他
の例を断面図で示す。
【図１４】図１４は、本発明による磁気軸受のさらに他
の例を断面図で示す。
【図１５】図１５は、本発明による可能な始動軸受の断
面図である。
【符号の説明】
１０、２０、３０ 回転子 １１、２１、３１ 回転体 １２、２２、２５、３２、３５ 磁性手段 １４、２４、２６、３４、３６ 固定子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F16C 32/00 - 32/06 F16F 15/00 - 15/36

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１の外側固定子（２４，３４）と第２
    の内側固定子（２６，３６）のそれぞれに対して前記外
    側及び内側固定子の共通中心軸の周りを回転運動する回
    転子（２０，３０）の磁気懸架のための電気力学的斥力
    原則により作動する磁気ベアリングであって、 電導性の非磁性材料からなる管状回転体（２１，３１）
    を有する回転子と； 前記第１の固定子（２４，３４）に配置された第１の環
    状の回転対称磁石（２２，３２）と； 前記第２の固定子（２６，３６）に配置された第２の環
    状の回転対称磁石（２５，３５）とからなり、 前記第１及び第２の回転対称磁石は前記中心軸の周りに
    同心的に共通の横断面に配置され、前記磁石間に前記回
    転体を回転可能にする環状の間隙を形成し、 前記第１及び第２の磁石各々の双極子が回転対称磁石の
    全周囲に等しく方向付けられ、 それにより前記回転体（２１，３１）が前記第１及び第
    ２の固定子の前記中心軸の周りを偏心的に回転する方向
    に向かったときにのみ渦電流が前記電導性の非磁性材料
    からなる回転体に誘導されるように回転対称磁界が前記
    中心軸の周りに同心的に供給される磁気ベアリング。
  2. 【請求項２】 前記第１及び第２の磁石は、極性が同じ
    方向を向いて磁気的に軸方向に向けられている請求項１
    に記載の磁気ベアリング。
  3. 【請求項３】 前記第１及び第２の磁石は、極性が反対
    の方向を向いて磁気的に半径方向に向けられている請求
    項１に記載の磁気ベアリング。
  4. 【請求項４】 少なくとも二組の第１及び第２の磁石が
    回転体に対して軸方向に間隔を置いて配置され、その磁
    石の組は交互に方向付けられた極性を有する請求項１に
    記載の磁気ベアリング。
  5. 【請求項５】 少なくとも１つの前記回転対称磁石（２
    ５，３５）が、直流が供給される電磁石である請求項１
    に記載の磁気ベアリング。
  6. 【請求項６】 少なくとも１つの前記回転対称磁石（２
    ５，３５）が、交流が供給される電磁石である請求項１
    に記載の磁気ベアリング。
  7. 【請求項７】 少なくとも１つの前記回転対称磁石（２
    ５，３５）が永久磁石である請求項１に記載の磁気ベア
    リング。
  8. 【請求項８】 少なくとも１つの前記回転対称磁石（２
    ５，３５）が超伝導性の電磁石である請求項１の磁気ベ
    アリング。
  9. 【請求項９】 少なくとも１つの前記回転対称磁石（２
    ５，３５）が、交流が供給される電磁石であり、運転中
    に、電磁石を通る電流の大きさ及び交流の周波数を制御
    できる請求項１の磁気ベアリング。
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