JP4427768B2

JP4427768B2 - 円筒型磁気カップリング装置

Info

Publication number: JP4427768B2
Application number: JP27984199A
Authority: JP
Inventors: 浩一橋本; 省吾田中
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 1999-09-30
Filing date: 1999-09-30
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2019-09-30
Also published as: JP2001099194A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気カップリング装置の構成に関するもので、特に気密封止が困難な装置等の内部に回転力を非接触で伝達できる円筒型磁気カップリング装置に係わるものである。
【０００２】
【従来技術】
磁気カップリング装置は機械的なカップリング（継ぎ手）を用いることなく、非接触で被駆動側に回転力を伝達できるカップリング装置の一種であり、ユニバーサルカップリングなどの機械的なものに比べて機械部品が少なくまた摩耗部がない等のため、信頼性あるいは寿命の点で優れている。さらに、磁気的な力を利用して非接触で動力を伝えられるため、気密シールが困難な装置の内部に回転力を容易に伝達可能である特長が生かされ、最近非磁性材などからなる隔壁により分離された異なる環境間での回転力伝達に使用されるニーズが多くなっている。具体的には、ケミカルポンプや真空機器などがその主用途として挙げられる。その実施形態としては、主として円筒型と円盤型がある。
【０００３】
円盤型は一組の円盤状磁石を対向して配置する構成であるため、コンパクトな構成が可能であることから従来から広く使用されてきた。しかし、伝達すべき回転力に関与する回転方向の磁気力ばかりでなく、同時にスラスト方向の磁気力を伴うため、スラスト軸受けの負担を増加させるなどの問題があった。このスラスト方向の磁気力を低減させる方策が考えられているが、かなり困難な技術的課題である。しかしながら、円筒型はこのようなスラスト方向の磁気力が生じないため、適用範囲が拡がる等の可能性を持っている。
【０００４】
さて、従来技術による円筒型磁気カップリング装置を図４に示す。図４は磁気カップリング装置の主要断面を示しており、非磁性体からなる隔壁４によって内輪ユニット２０側と外輪ユニット３０側に隔離される場合を示す。図４では内輪ユニット２０側を真空容器内、また外輪ユニット３０側を常温常圧環境と便宜上決めたもので、以下これを例として説明することにする。図４の下部側に駆動モータ８が配せられ、発生する回転力は駆動シャフト１に直結された外輪ヨーク２と外輪磁石３からなる外輪ユニット３０に伝えられ、更に外輪磁石３と内輪磁石５の磁力線が隔壁４を通過して相互に作用するため、内輪ユニット２０に結合した負荷シャフト７に回転力が伝達され、最終的に負荷９が駆動されることになる。図４中では内輪ユニット２０側の回転支持機構については図面の簡略化のため、省略してある。
【０００５】
図５は、図４の磁気カップリング装置のＡ−Ａ’線断面図である。図５に示すように内輪磁石５と外輪磁石３側は負荷シャフト７を中心に同心円状に配置された構成である。外輪磁石３と内輪磁石５は図５中に示すように半径方向に同数の磁極に着磁される。外輪磁石３と内輪磁石５は中空円筒形状が一般的であるが、アーク状の磁石で構成することも可能である。図５では４極の場合を示すが、さらに多数極でもよい。また、内輪磁石５と外輪磁石３の長さは実質的に同じとなっている。外輪ユニットのヨーク２および内輪ユニットのヨーク６にそれぞれ外輪磁石３と内輪磁石５を保持する機能を持たせており、通常は磁性体が用いられ磁路の確保と漏洩磁束を低減する効果がある。しかし、機械的な支持を目的にするだけならば、非磁性体でも可能である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来からカップリング装置の重要な性能であるトルク伝達特性を損なわずに十分に発揮させるためには、内輪磁石５と外輪磁石３の位置合わせを許容精度範囲内に抑える必要があった。しかしながら、隔壁４が内輪ユニット２０側を外輪ユニット３０側から遮蔽するような複雑な構造であるため、多大な組立工数を要していた。このような従来技術には次のような課題がある。即ち、内輪磁石５と外輪磁石３のスラスト方向の正確な位置合わせが困難であったことである。従来のカップリング装置では内外輪磁石のスラスト位置を精度よく合わせる必要があったが、内輪磁石５と外輪磁石３の間に隔壁があるため、直接測って位置決めが出来ずに間接的な方法によるしかなかった。これはスラスト方向の正確な位置合わせが容易でないこと、組立に相当の時間と労力を要すること、あるいは不正確な位置決めのためカップリング装置の性能を十分引き出せないばかりか、不要な力の作用により装置にストレスが加わり寿命などを短くしていた。また、スラスト方向に自由度を持たせることが難しい構造でもあったため、上記の不具合は未解決の状態であった。
【０００７】
例え正確に位置決めがされたとしても、運転中の温度上昇による伸びあるいは機械的なガタなどが生じるため、常に内輪磁石５と外輪磁石３とのスラストの相対位置は変動して、カップリングの伝達特性は十分に発揮できていなかった。これは負荷９側が室温以上に加熱あるいは加熱−冷却サイクルが繰り返される等の用途の場合にその問題が顕在化した。
【０００８】
さらに、従来技術によるカップリング装置の特性に前述した以外の課題を有していた。内輪磁石５または外輪磁石３のどちらか一方がスラスト方向に位置がずれると、磁石の有効に作用する磁束量が減少するため、内輪磁石５と外輪磁石３とのカップリング力が急激に低下してしまうことである。しかも、カップリング力の減少に伴い、逆にスラスト力がほぼ比例して増加することである。この不要なスラスト力は内輪ユニット２０側と外輪ユニット３０側に同時に作用するため、スラスト軸受けを強化する等の対策が必要であった。これを怠ると信頼性低下などの原因となっていた。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、長年、磁石などを有する磁気回路を応用した製品の研究開発に携わってきた。本発明は従来の磁気カップリング装置を新たな分野におけるニーズに対応すべく検討する過程で想到したものである。このニーズとは、単に回転力伝達の機能のみを発揮すれば足りると言うものでなく、ソフト的な面を持っている。即ち、組立工数を大幅に低減できるとともに、使い勝手に優れ使用中のトラブルも解消でき、同時に安価に製作可能なものである。さらに付け加えるならば、不要な磁気力を極力抑えられるため、設計的な選択範囲を大幅に広めたことである。
【００１０】
本発明の円筒型磁気カップリング装置は、内輪磁石の上下方向の長さよりも外輪磁石の上下方向の長さを長くして、外輪磁石の内周面に対して内輪磁石の外周面を常に対向するように配置し、かつ外輪磁石は上下方向において両端部を中央部より高磁力化することによってカップリング特性を改善したものであり、それは円筒型磁気カップリング装置における保有磁気エネルギーと磁気力の関係を考察した結果から想到したものである。カップリング力とスラスト力は磁気カップリング装置が保有する磁気エネルギーに関係しており、その大きさは保有磁気エネルギーの仮想変位法によって算定されることは電磁気学の教えるところである。この観点から、スラスト変位に対して磁気エネルギーの変化を小さくできると共に、カップリング力を実質的に低下させない構成として前述した手段を発明したものである。
即ち、本発明の円筒型磁気カップリング装置は、駆動シャフトと、駆動シャフトに設けた中空円筒状のヨークと、前記中空円筒状のヨークの内周面に配設された中空円筒状の外輪磁石とを有して構成される外輪ユニットと、負荷シャフトと、負荷シャフトに設けた中空円筒状のヨークと、前記中空円筒状のヨークの外周面に配設された中空円筒状の内輪磁石を有して構成される内輪ユニットとが、非磁性の隔壁を中間に介在させ、上下方向に同心的に配置されてなり、内輪ユニットと外輪ユニットとの間で非接触で回転力の伝達を行う円筒型磁気カップリング装置であって、内輪磁石の上下方向の長さよりも外輪磁石の上下方向の長さを長くして、前記隔壁を介して、外輪磁石の内周面に対して内輪磁石の外周面を常に対向するように配置したことにより、内輪ユニットまたは外輪ユニットがスラスト方向である上下方向にずれた場合に外輪ユニットから内輪ユニットに伝達される回転力は実質的に減少しないように構成され、外輪磁石は、上下方向の両端部に配した磁石の磁力が、上下方向の中央部に配置した磁石の磁力よりも大きいことを特徴とする。
本発明の円筒型カップリング装置において、内輪磁石及び外輪磁石は複数の磁極を有し、内輪磁石の外周面の磁極と外輪磁石の内周面の磁極とは異極同士が対向することが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は参考例を示すものである。また、図２は参考例と従来技術の回転力伝達特性とスラスト力特性を示すものである。なお、図４に示す従来例と同一の機能を持つ部分は、同じ符号を使用している。図１は、外輪磁石３の上下方向の長さを内輪磁石５の上下方向の長さより長くした場合である。内輪磁石５は外輪磁石３に周りを囲まれて配置されている。このような配置にすると、図１の上下方向であるスラスト方向に内輪ユニット２０あるいは外輪ユニット３０のいずれか一方が移動したとしても、スラスト力の発生は小さく且つその変化量は微小である。また、外輪磁石３と内輪磁石５とが相互作用する磁束量はほとんど変化しないため、カップリング力も一定値が得られる。これは回転軸に対称に磁束を分布させ、スラスト方向の分布に急激な変化を生じないようにしたためである。前記磁石長さの関係を有するときに参考例の効果を得られる。
【００１２】
図２において、横軸は図中の矢印の方向であるスラスト方向の変位であり、前記磁石長さの中央を原点としている。一方、縦軸は回転力とスラスト力を示すものであり、本図においては内輪ユニット２０側を変位させた場合であるが、外輪ユニット３０側を変位させても同じである。参考例による実線の特性と従来の破線で示す特性とを比較すると、明らかに特性が改善されている。即ち、スラスト力およびカップリング力である回転力共に、スラスト方向に対して変化が小さい。回転力は実質的に一定値の範囲が広く、またスラスト力の発生は非常に低いことがわかる。
【００１３】
図３は本発明の実施例を示す。図示するように外輪磁石３は中央に配置した磁石３_２を挟むように両側に磁石３_１および３_３を配した複合構成である。この時両側に配した磁石３_１および３_３による磁力は中央の磁石３_２のそれより大きくなるように選ぶ。磁力を大にする方法は磁石材質の高いものを適用するか、同質材の磁石の場合は磁石の厚さあるいは長さを適宜選択する等が考えられる。この構成にすると、図２に示す回転力およびスラスト力特性をさらに改善できる。これはスラスト方向の磁束分布をより一層平均化する効果があるためである。
【００１４】
【発明の効果】
本発明により内外輪磁石のスラスト方向の相対位置がずれた場合においても最大伝達トルクを維持することができる。これにより、内外輪ユニットの組立時にスラスト方向の正確な位置合わせが不要になり、同時にスラスト方向の移動の自由度を持たせることができるため、適用分野も広がるものである。また、内外輪磁石のスラスト方向の相対位置がずれた場合に発生する不要なスラスト力も大幅に低減することが可能となるため、装置の信頼性、寿命などを格段に向上できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考例の円筒型磁気カップリング装置の断面図である。
【図２】回転力特性とスラスト力特性である。
【図３】本発明の実施例である。
【図４】従来技術による円筒型磁気カップリング装置の断面図である。
【図５】図４の円筒型磁気カップリング装置のＡ−Ａ’線断面図である。
【符号の説明】
１駆動シャフト、２ヨーク、３外輪磁石、４隔壁、５内輪磁石、
６ヨーク、７負荷シャフト、８駆動モータ、２０内輪ユニット、
３０外輪ユニット

Claims

駆動シャフトと、駆動シャフトに設けた中空円筒状のヨークと、前記中空円筒状のヨークの内周面に配設された中空円筒状の外輪磁石とを有して構成される外輪ユニットと、
負荷シャフトと、負荷シャフトに設けた中空円筒状のヨークと、前記中空円筒状のヨークの外周面に配設された中空円筒状の内輪磁石を有して構成される内輪ユニットとが、
非磁性の隔壁を中間に介在させ、上下方向に同心的に配置されてなり、内輪ユニットと外輪ユニットとの間で非接触で回転力の伝達を行う円筒型磁気カップリング装置であって、
内輪磁石の上下方向の長さよりも外輪磁石の上下方向の長さを長くして、前記隔壁を介して、外輪磁石の内周面に対して内輪磁石の外周面を常に対向するように配置したことにより、内輪ユニットまたは外輪ユニットがスラスト方向である上下方向にずれた場合に外輪ユニットから内輪ユニットに伝達される回転力は実質的に減少しないように構成され、
外輪磁石は、上下方向の両端部に配した磁石の磁力が、上下方向の中央部に配置した磁石の磁力よりも大きいことを特徴とする円筒型磁気カップリング装置。
請求項１に記載の円筒型磁気カップリング装置において、内輪磁石及び外輪磁石は複数の磁極を有し、内輪磁石の外周面の磁極と外輪磁石の内周面の磁極とは異極同士が対向することを特徴とする円筒型カップリング装置。