JP3983808B2 - 磁気軸受 - Google Patents

Description

本発明は、以下ステータと呼ぶ固定された部品に対して、以下ロータと呼ぶ可動の、特に回転する物体を非接触支持するための磁気軸受に関する。この磁気軸受はロータとステータの間に少なくとも一つの軸受隙間を有し、ロータとステータはロータ磁石またはステータ磁石と呼ぶ磁気範囲を備えている。このロータ磁石またはステータ磁石は磁気軸受の少なくとも一つの軸受隙間において小さな間隔をおいて対向している。ステータ磁石はほぼ一平面内で自由に振動可能にステータに固定され、この平面は軸受隙間で対向するロータ磁石とステータ磁石の磁石面に対して平行に向いている。
この種の磁気軸受は知られている。McHattieによって記述された磁気軸承（Review of Scientific Instruments第１２巻、第４２９頁乃至第４３５頁、１９４１年参照）では、小さな高速回転鋼シリンダが非接触軸承され、軸方向に作用する電磁安定化装置を備えている。この場合、軸承されたロータの半径方向の振動が、非接触磁気結合によって、半径方向に移動可能に取付けられた針に伝達され、針を油に埋め込むことによって緩衝される。油の緩衝はJ.W.Beansの“Double Magnetic Suspension”科学機器の評論、第３４巻、第１０７１頁乃至第１０７４頁に記載されている。
この緩衝装置の場合には、油の損失を防止するために可動に取付けられたステータ部分を包囲する必要があり、この包囲によって装置の構造容積が付加的に増大し、それに伴い製作コストが比較的に高いという欠点がある。特に繊維ボビンおよび繊維遠心分離機のためにこのような軸受を使用する際に、低コストのころがり軸受装置と直接的に競合する大量生産磁気軸受装置の構成部品として、油緩衝装置はその製作コストが高いというだけで不所望である。更に、油緩衝装置の特性は油の一部を循環させるので、速度に比例する緩衝力を有する理想的な振動緩衝器の特性を条件付きでのみ満足する。なぜなら、油の循環によって、純粋な緩衝力のほかに、質量加速力が作用するからである。
本発明の課題は、構造容積が小さく、緩衝時の大きな質量の循環および移動を充分に少なくすることができる、緩衝装置を備えた磁気軸受を形成することである。更に、磁気軸受は低コストで製作可能であるべきである。
この課題は冒頭に述べた種類の磁気軸受において、請求項１記載の特徴によって解決される。この特徴によれば、ステータ磁石が、軸受隙間に対して平行な振動平面内における中立位置からの変位のみを許容する曲げ弾性的な支持部材によってステータに支持され、ステータ磁石とステータが、軸受隙間に対して平行に延びる振動平面に対して垂直に向いた面法線を有する、互いに摩擦連結的に接触する接触面を備え、接触面間の摩擦力が、調節可能なばね力によって調節可能である。ステータ磁石が振れるときに、この接触面が互いに滑り、接触面の相互の滑りを決める接触面の間の摩擦力が強ければ強いほど、ステータ磁石の自由な振動運動を強く緩衝する。
両接触面の一方が滑らかな表面を備え、他方がざらざらした表面を備えていると有利である（請求項２）。滑らかな表面は固体材料、特に金属材料で形成可能である。ざらざらした表面は特に織物、フェルトまたは繊維で作られた可撓性の他の材料からなっている。
それぞれの用途にとって最適化可能な減衰度を生じるために、接触の間の摩擦力が調節可能である。そのために、接触面の間の押圧力を変えることができる。
請求項３では、ざらざらした表面がステータ磁石に連結され、滑らかな表面を形成するために、ステータに定置されて固定された機械的なばねが使用され、このばねが接触面のほぼ面法線の方向に弾性的に動く。ばねによって滑らかな表面に加えられる押圧力が大きければ大きいほど、接触面の間の押圧力が大きくなる。押圧力と共に摩擦力が増大するので、増大するばね力と共にステータ磁石の運動の緩衝が強まる。ばねの初期応力（予付勢）を調節可能にすると、摩擦力ひいては減衰作用を適合させることができる（請求項４）。
接触面の間の押圧力を調節するために、板ばねを使用すると、きわめて簡単である（請求項５）。請求項６に従って、板ばねの初期応力はその弾性的な端部を押し付けることによって発生させることが可能である。
次に、図に略示した実施の形態に基づいて、本発明と本発明の他の実施形を詳しく説明する。
図には、回転対称の磁気軸受の縦断面が示してある。垂直に配置された回転軸線２を有する、中空円筒状に形成されたロータ１はその上端に、リング状のロータ磁石３を備えている。このロータ磁石は本実施の形態では永久磁石である。ロータ磁石３は水平に延びる軸受隙間４の狭い間隔をおいてステータ磁石５に対向配置されている。このステータ磁石も同様にリング状に形成され、ロータ磁石３と同じ寸法を有する。本実施の形態では、ステータ磁石５は永久磁石材料からなっている。ロータ磁石３とステータ磁石５の間の磁気的な引きつけ力作用により、ロータ１の重力が充分に相殺される。概略的な図では、ロータの付加的に必要な弱い支持部を図示していない。
ステータ磁石５はプラットホーム６に取付けられている。このプラットホームは定置されたステータ８上の曲げ弾性的な支持部材７上に、垂直方向に動かないようにかつ水平平面内で撓曲的に揺動可能に取付けられている。曲げ弾性的な支持部材７のために、本実施の形態では、片側をステータ８に接続した金属ピンが使用される。この金属ピンの接続端部と反対の側の端部がプラットホーム６を支持しているので、プラットホームは動くときに水平平面内で左右に振れることができる。その際、金属ピンが弾性的に振れる。図において、支持部材７の運動は曲がり線９で概略的に示してある。
プラットホーム６は３本の支持部材７によってステータ８に支持されている。図示した磁気軸受の縦断面では、この支持部材の１本が示してある。支持部材を形成する金属ピンはピン軸線に対して半径方向にあらゆる方向に弾性的に動くことができる。従って、プラットホーム６は、水平な軸受隙間４のロータ磁石とステータ磁石の磁石面に対して平行に向いた水平な平面内で、あらゆる方向に自由に振動することができる。
プラットホーム６はステータ磁石５と反対のその面に、フェルトディスク１０を支持している。本実施の形態では、このようなフェルトディスクがプラットホーム６の上面に３個接着されている。図に示した磁気軸受の縦断面では、このフェルトディスクが１個だけ見える。フェルトディスク１０はそれぞればねの滑らかな面、本実施の形態で板ばね１１の幅広側の面に接触している。フェルトディスクと板ばねの接触面は、ステータ磁石５の水平な振動平面に対して垂直に向いた面法線（面垂線）を有する。板ばね１１は、その弾性的な自由端部が回転軸線２の方向にフェルトディスクを押し、板ばねの滑らかな表面とフェルトディスクの粗い表面との間の接触圧力を決定するように、ステータ８に固定されている。本実施の形態では、ばね押圧力を強めるために、金属リング１２が板ばねの自由端部に載っている。この金属リングの重量は、接触圧力を調節するためおよび個々の場合に必要とされる緩衝力に対して接触圧力を適合させるために変更可能である。従って、接触面の間の摩擦力は調節可能である。
このように形成された磁気軸受は軸受隙間４内で作用する永久磁場のために軸方向においてほぼ安定している。ロータの回転中のロータの半径方向の振動は機械的な摩擦によって受け止められる。従って、回転軸線２と相対的なロータ１の半径方向の振れの際に、ロータ磁石３とステータ磁石５の間の磁気的な連結のために、プラットホーム６は軸受隙間４の水平平面内で移動する。ロータ１の半径方向の振動はプラットホーム６に伝達される。プラットホーム６のこのような運動時に、フェルトディスク１０は板ばね１１の滑らかな面と相対的に摺動する。しかし、フェルトディスク１０と板ばね１１の間の接触圧力に応じて、滑り運動が制動され、それによってロータ１の振動が減衰される。
軸受部品であるプラットホーム６と、フェルトディスク１０と、場合によっては載置された金属リング１２を有する板ばね１１とからなる、緩衝装置として作用する摩擦装置の構造容積は小さい。本実施の形態において金属リング１２の重量の設定によって変更することができる、ばね力による接触圧力の発生と、緩衝を生じる部品であるフェルトディスク１０と板ばね１１の少ないコストとにより、摩擦装置は実施の形態で説明したように、きわめて低コストで製作可能である。摩擦装置の部品の質量は、従来の公知の油緩衝装置と比べて、有効緩衝力に対して無視できるほど小さい。
参照符号リスト
ロータ １
回転軸線 ２
ロータ磁石 ３
軸受隙間 ４
ステータ磁石 ５
プラットホーム ６
支持部材 ７
ステータ ８
曲がり線 ９
フェルトディスク １０
板ばね １１
金属リング １２

Claims (6)

1. ステータに対して非接触のロータの磁気軸受であって、ロータ磁石（３）及びステータ磁石（５）で形成されたロータとステータの磁気範囲が、前記ステータと前記ロータの間の軸受隙間でそれぞれ対向する前記磁気軸受において、
   前記ステータ磁石（５）が、少なくとも１つの曲げ弾性的な支持部材（７）によって前記ステータ（８）に支持され、
   前記支持部材は、前記軸受隙間（４）に対して平行な振動平面内におけるステータ磁石のその中立位置からの傾動のみを許容し、
   前記ステータ磁石（５）とステータ（８）が、前記軸受隙間に対して平行に延びる前記振動平面に対して垂直に向いた面法線を有する、互いに摩擦連結的に接触する接触面を備え、
   前記接触面間の摩擦力が、調節可能なばね力によって調節可能であることを特徴とする磁気軸受。
2. 前記接触面の一方が滑らかな表面（１１）を備え、他方がざらざらした表面（１０）を備えていることを特徴とする請求項１記載の磁気軸受。
3. 前記ざらざらした表面がステータ磁石（５）に固定連結され、前記滑らかな表面がステータ（８）に定置されて固定されたばね（１１）によって形成され、このばねが接触面のほぼ面法線の方向に弾性撓曲的に動くことを特徴とする請求項１又は２記載の磁気軸受。
4. 前記摩擦力がばね（１１）の調節可能な初期応力によって調節可能であることを特徴とする請求項３記載の磁気軸受。
5. 前記ステータに固定されたばねは、板ばねであることを特徴とする請求項３又は４記載の磁気軸受。
6. 前記板ばね（１１）の初期応力がその弾性的な端部を押圧することによって発生させられることを特徴とする請求項５記載の磁気軸受。

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