JP6893116B2

JP6893116B2 - 磁気軸受

Info

Publication number: JP6893116B2
Application number: JP2017089452A
Authority: JP
Inventors: 悠輔齋藤; 中田　佑希; 佑希中田; 恭佑笹生
Original assignee: Nidec Copal Electronics Corp
Current assignee: Nidec Copal Electronics Corp
Priority date: 2017-04-28
Filing date: 2017-04-28
Publication date: 2021-06-23
Anticipated expiration: 2037-04-28
Also published as: TWI743305B; WO2018198481A1; TW201839282A; US20200032844A1; US11118625B2; JP2018189105A; CN110637168A; CN110637168B

Description

本発明の実施形態は、例えばスキャナやファンと一体化されたモータに適用される磁気軸受に関する。

例えばファンとモータが一体化された所謂ファンモータに適用される空気動圧軸受は、例えば磁気軸受を具備している。この磁気軸受により、モータの例えば回転軸がスラスト方向（軸方向）に変動することが抑制される。

磁気軸受は、スラスト磁石と称する例えば環状の２つの磁石により構成され、２つの磁石の磁気的相互作用、例えば吸引力により、回転軸がスラスト方向に変動することを抑制している（例えば特許文献１参照）。

特開平１１−３４４１２９号公報

上記磁気軸受において、２つの磁石のスラスト方向の変動量が大きい場合、２つの磁石の体積を増加したり、磁力の強い材料を用いたりすることにより、必要な吸引力を得ることができる。しかし、この場合、製品の小型化が困難である。

また、磁気軸受に多くのヨークを用いることによっても必要な吸引力を得ることができる。しかし、この場合、各ヨークの磁気中心を一致させるために多大な組み立て工数を要する。しかも、各ヨークの磁気中心が不一致である場合、ラジアル方向(軸と交差する方向)の力が増大し、磁気軸受が設けられる例えばモータの寿命が短くなるという問題を有している。

本発明の実施形態は、スラスト方向の変動を十分に抑制することが可能であり、組み立てが簡単で小型化が可能な磁気軸受を提供する。

本実施形態の磁気軸受は、軸方向に磁化された環状の第１磁石と、前記第１磁石と同心状に配置され、前記軸方向に磁化された環状の第２磁石と、前記第２磁石にのみ設けられ、前記第２磁石の前記軸方向の第１の面に設けられた第１磁性体と、前記第２磁石にのみ設けられ、前記第２磁石の前記軸方向の第１の面と平行する第２の面に設けられた第２磁性体と、を具備し、前記第１磁性体及び前記第２磁性体の厚みは、前記第１磁石に対する前記第２磁石の軸方向のスラスト方向の最大限の変動量以下で０．１ｍｍ以上である。

第１実施形態に係る磁気軸受の一例を示す斜視図。図１に示すＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図。第１実施形態の変形例を示す断面図。磁気軸受の許容変動量を説明するために示す図。図２の作用を説明するために示す図。図３の作用を説明するために示す図。第２実施形態に係る磁気軸受の一例を示す断面図。第２実施形態の変形例を示す断面図。図７の作用を説明するために示す図。図８の作用を説明するために示す図。本実施形態が適用される遠心ファンの一例を示す断面図。本実施形態が適用される軸流ファンの一例を示す断面図。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。図面において、同一部分には同一符号を付している。

（第１実施形態）
図１、図２は、第１実施形態に係る磁気軸受１１を示している。

磁気軸受１０は、環状（リング状）の第１磁石１１と、環状の第２磁石１２とが同心状に配置されている。すなわち、第１磁石１１の外側に第２磁石１２が所定間隔離間して配置される。第１磁石１１は、後述するように、例えばモータの固定されたシャフトに設けられ、第２磁石１２は、モータのシャフトに対して回転可能に設けられた回転部材としてのハブ２４に固定される。

図２に示すように、第１磁石１１は、例えば第１面（表面）側がＮ極、第２面（裏面）側がＳ極に着磁され、第２磁石１２は、例えば第１面（表面）側がＳ極、第２面（裏面）側がＮ極に着磁される。このため、第１磁石１１と第２磁石１２との間には、吸引力が作用する。

第２磁石１２の第１面には、環状の第１ヨーク１３が設けられ、第２面には環状の第２ヨーク１４が設けられる。

しかし、これに限らず、図３に示す変形例のように、第１磁石１１の第１面に第１ヨーク１３を設け、第１磁石１１の第２面に第２ヨーク１４を設けてもよい。

第１ヨーク１３及び第２ヨーク１４は、例えばＦｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｃｏなどの磁性材料により構成される。

図２の場合、第１ヨーク１３及び第２ヨーク１４の幅は、第２磁石１２の幅Ｗ２より両側にＷ３だけ広い。

また、図３の場合、第１ヨーク１３及び第２ヨーク１４の幅は、第１磁石１１の幅Ｗ１より両側にＷ３だけ広い。

図２に示すように、第１ヨーク１３及び第２ヨーク１４を第２磁石１２に取り付け、第１ヨーク１３及び第２ヨーク１４と第２磁石１２の磁気中心を一致させた状態において、第１ヨーク１３及び第２ヨーク１４と第１磁石１１との間には、間隙が設けられる。

図３に示すように、第１ヨーク１３及び第２ヨーク１４を第１磁石１１に取り付け、第１ヨーク１３及び第２ヨーク１４と第１磁石１１の磁気中心を一致させた状態において、第１ヨーク１３及び第２ヨーク１４と第２磁石１２との間には、間隙が設けられる。

第１実施形態において、第１磁石１１の厚みＴ１と第２磁石１２の厚みＴ１は等しく、第１ヨーク１３の厚みＴ２と第２ヨーク１４の厚みＴ２は等しい。

第１ヨーク１３と第２ヨーク１４の厚みＴ２は、次のように設定される。

図４は、第１磁石１１と第２磁石１２のスラスト方向の変動量と吸引力の関係を示すものであり、図２に示す第１実施形態の構成と、図３に示す第１実施形態の変形例の構成と、図２、図３からヨークを削除した場合の構成の例を示している。

図４において、図３に示す構成の方が、図２に示す構成より、吸引力が大きいのは、第１ヨーク１３が設けられている第１磁石１１の幅Ｗ１が第２磁石１２の幅Ｗ２より大きく、第２磁石１２より第１磁石１１の方が、磁力が強いためである。

図４から明らかなように、第１磁石１１と第２磁石１２の吸引力は、スラスト方向の変動量がほぼ１ｍｍにおいて最大となり、図２に示す構成と図３に示す構成の場合、変動量が約１．５ｍｍまでは、ヨークを用いない場合の最大吸引力とほぼ同程度の吸引力を得ることができる。第１磁石１１と第２磁石１２の許容変動量が１．５ｍｍ以下と規定される場合、第１ヨーク１３と第２ヨーク１４の厚みＴ２は、スラスト方向の許容変動量以下で０．１ｍｍ以上の範囲である。具体的には、第１ヨーク１３と第２ヨーク１４の厚みＴ２は、０．１ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の範囲に定められ、磁気軸受１０全体の厚み及び必要な吸引力を考慮すると、０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲が望ましく、好ましくはほぼ０．５ｍｍである。

尚、第１ヨーク１３と第２ヨーク１４の厚みＴ２が０．１ｍｍ未満になると、磁気飽和が発生するため、０．１ｍｍ未満とすることは好ましくない。

図５、図６は、第１磁石１１に対して第２磁石１２がスラスト方向に最大限に変動した場合を示している。

図５に示すように、第１ヨーク１３は、スラスト方向の許容変動量以下で０．１ｍｍ以上の厚みＴ２を有しているため、第１磁石１１に対して第２磁石１２がスラスト方向に最大限に変動した場合においても、第１ヨーク１３は、第１磁石１１の側面に位置することができる。このため、第１ヨーク１３と第１磁石１１との間に磁力が集中し、十分な吸引力を得ることができる。

また、図６に示すように、第２ヨーク１４は、スラスト方向の許容変動量以下で０．１ｍｍ以上の厚みＴ２を有しているため、第１磁石１１に対して第２磁石１２がスラスト方向に最大限に変動した場合においても、第２ヨーク１４は、第２磁石１２の側面に位置することができる。このため、第２ヨーク１４と第２磁石１２との間に磁力が集中し、十分な吸引力を得ることができる。

（第１実施形態の効果）
上記第１実施形態によれば、第１磁石１１と第２磁石１２は同心状に配置され、第１磁石１１と第２磁石１２の一方は、第１ヨーク１３と第２ヨーク１４を有し、第１ヨーク１３及び第２ヨーク１４は、第１磁石１１と第２磁石１２の変動量の許容量とほぼ等しい厚みＨ２を有している。このため、第１磁石１１に対して第２磁石１２が変動した場合においても、十分な吸引力を得ることができ、第１磁石１１に対する第２磁石１２の変動を抑制することが可能である。

また、第１ヨーク１３及び第２ヨーク１４は、第１磁石１１と第２磁石１２の一方に設けられている。このため、第１磁石１１と第２磁石１２の両方に第１ヨーク１３及び第２ヨーク１４を設ける場合に比べてヨークの数を削減することができ、組み立て時に第１ヨーク１３及び第２ヨーク１４と第１磁石１１又は第２磁石１２の磁気中心を一致させることが容易である。したがって、組み立て作業を簡単化することが可能である。

しかも、第１ヨーク１３及び第２ヨーク１４は、第１磁石１１と第２磁石１２の一方に設けられているため、軸受全体のラジアル方向の力を低減することができる。このため、第１ヨーク１３と第２ヨーク１４の磁気中心がラジアル方向に偏芯することを防止でき、磁気軸受１０が設けられる例えばモータの部品の接触を防止できる。したがって、モータの寿命を延ばすことが可能である。

（第２実施形態）
図７、図８は、第２実施形態に係る磁気軸受の例を示している。

第１実施形態において、第１磁石１１と第２磁石１２の厚みは等しかった。これに対して、第２実施形態において、第１磁石１１（１１ａ）と第２磁石１２（１２ａ）の厚みは相違している。

図７において、第１ヨーク１３及び第２ヨーク１４は、第２磁石１２に設けられている。第１磁石１１ａの厚みＴ３は、第２磁石１２の厚みＴ１より厚く、第２磁石１２の厚みＴ１と第１ヨーク１３の厚みＴ２と第２ヨーク１４の厚みＴ２の合計の厚みより薄くされている。

図８において、第１ヨーク１３及び第２ヨーク１４は、第１磁石１１に設けられている。第２磁石１２ａの厚みＴ３は、第１磁石１１の厚みＴ１より厚く、第１磁石１１の厚みＴ１と第１ヨーク１３の厚みＴ２と第２ヨーク１４の厚みＴ２の合計の厚みより薄くされている。

図９、図１０は、第１磁石１１に対して第２磁石１２がスラスト方向に最大限に変動した場合を示している。

図９に示すように、第１磁石１１ａは、第２磁石１２の厚みＴ１より厚く、第２磁石１２の厚みＴ１と第１ヨーク１３の厚みＴ２と第２ヨーク１４の厚みＴ２の合計の厚みより薄い厚みＴ３を有している。このため、第１磁石１１ａに対して第２磁石１２がスラスト方向に最大限に変動した場合においても、第１ヨーク１３は、第１磁石１１ａの側面に位置することができる。したがって、第１ヨーク１３と第１磁石１１ａとの間に磁力が集中し、十分な吸引力を得ることができる。

また、図１０に示すように、第２磁石１２ａは、第１磁石１１の厚みＴ１より厚く、第１磁石１１の厚みＴ１と第１ヨーク１３の厚みＴ２と第２ヨーク１４の厚みＴ２の合計の厚みより薄い厚みＴ３を有している。このため、第１磁石１１に対して第２磁石１２ａがスラスト方向に最大限に変動した場合においても、第２ヨーク１４は、第２磁石１２ａの側面に位置することができる。したがって、第２ヨーク１４と第２磁石１２ａ間に磁力が集中し、十分な吸引力を得ることができる。

（第２実施形態の効果）
第２実施形態によっても第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

しかも、第２実施形態によれば、第１実施形態の磁気軸受１０と同一の直径及び同一の厚みにおいて、第１磁石１１ａ又は第２磁石１２ａの厚みＴ３を第１実施形態の第１磁石１１又は第２磁石１２の厚みＴ１より厚くすることができる。このため、スラスト方向の吸引力を大きくすることができ、磁気軸受の性能を向上させることが可能である。

（適用例）
図１１は、第１実施形態及び第２実施形態の磁気軸受１０が適用されるファンモータ２０の一例を示している。ファンモータ２０は、例えば遠心ファンとしてのターボファンを用いている。

ファンモータ２０は、ケース本体２１、モータ２２、及びターボファン２３を具備している。モータ２２は、ケース本体２１内の底部に設けられ、ターボファン２３は、ケース本体２１内で、モータ２２の回転部材としてのハブ２４に設けられている。

ケース本体２１は、中央上部に空気の吸引口２１ａを有し、周縁部に空気の排出口２１ｂを有している。

モータ２２は、基板２５と、シャフト２６と、スリーブ２７と、バックヨーク２８と、コアレス波形連続コイル２９と、ロータ３０と、ベース板３１と、回転部材としてのハブ２４とを具備している。

シャフト２６は、例えば円柱状であり、基板２５より上方へ突出するように、ベース板３１に固定されている。シャフト２６の周囲には、所謂ヘリングボーン溝と称する図示せぬ複数のＶ字状の溝が設けられている。この溝により、スリーブ２７の回転に伴い流体としての空気により動圧が発生される。

スリーブ２７は、円筒状であり、シャフト２６の外周部に微小隙間３２を介在して配置されている。

バックヨーク２８は、スリーブ２７の外周部に取付けられている。

コアレス波形連続コイル２９は、バックヨーク２８の外周部に位置し、基板２５に取付けられている。

ロータ３０は、コアレス波形連続コイル２９の外周部に配置され、図示せぬ永久磁石を有している。

回転部材としてのハブ２４は、スリーブ２７、バックヨーク２８及びロータ３０を保持し、シャフト２６の上部及びロータ３０の外周部を覆っている。

シャフト２６の上部とハブ２４の間には、第１実施形態及び第２実施形態に係る磁気軸受１０が設けられる。磁気軸受１０の第１磁石１１は、シャフト２６の上部に固定され、第２磁石１２は、ハブ２４の上部に固定されている。図１１において、第１ヨーク１３、第２ヨーク１４は、省略している。

上記構成において、モータ２２が駆動されると、スリーブ２７の回転に伴いシャフト２６の周囲から発生した空気により動圧が発生し、第１磁石１１に対して第２磁石１２にスラスト方向の力が発生する。このスラスト方向の力により第１磁石１１に対して第２磁石１２が変動した場合においても、第１ヨーク１３及び第２ヨーク１４の厚さが、第１磁石１１に対する第２磁石１２の許容変動量以下で０．１ｍｍ以上とされているため、第１磁石１１と第２磁石１２の吸引力により、変動を抑制することができる。

また、第１ヨーク１３及び第２ヨーク１４は、第１磁石１１と第２磁石１２の一方に設けられているため、軸受全体のラジアル方向の力を減少することができる。したがって、ラジアル方向に磁気中心が偏芯することを防止でき、モータ２２のシャフト２６とスリーブ２７が接触することを防止でき、モータ２０の寿命を延ばすことが可能である。

図１２は、第１実施形態及び第２実施形態の磁気軸受１０を例えば軸流ファンを具備するファンモータ４０に適用した場合を示している。

ファンモータ４０は、例えば軸流ファンとしてのターボファンを用いている。

ファンモータ４０は、ケース本体４１、モータ４２、及びターボファン４３を具備している。モータ４２は、ケース本体４１内の底部に設けられ、ファン４３は、ケース本体４１内で、モータ４２の回転部材としてのハブ４４に設けられている。

ケース本体４１は、空気の吸引口４１ａと排出口４１ｂを有している。

モータ４２は、ハブ４４と、シャフト４５と、スリーブ４６と、コイル４７と、磁石４８、第１実施形態及び第２実施形態に係る磁気軸受１０を具備している。

磁気軸受１０の第１磁石１１は、モータ４２のシャフト４５に設けられ、第２磁石１２は、ケース本体４１に対して固定されている。このため、シャフト４５は磁気軸受１０により回転可能に保持されている。図１２において、第１ヨーク１３、第２ヨーク１４は、省略している。

ハブ４４は、シャフト４５に取着され、ハブ４４の内側に磁石４８が設けられ、外側にファン４３が設けられている。

スリーブ４６及びコイル４７は、ケース本体４１に対して固定されている。

シャフト４５の周囲には、所謂ヘリングボーン溝と称する図示せぬ複数のＶ字状の溝が設けられている。この溝により、シャフト４５の回転に伴い流体としての空気により動圧が発生される。

上記構成のファンモータ４０によっても、図１１に示すファンモータ２０と同様の効果を得ることができる。

その他、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１０…磁気軸受、１１、１１ａ…第１磁石、１２、１２ａ…第２磁石、１３…第１ヨーク、１４…第２ヨーク。

Claims

軸方向に磁化された環状の第１磁石と、
前記第１磁石と同心状に配置され、前記軸方向に磁化された環状の第２磁石と、
前記第２磁石のみに設けられ、前記第２磁石の前記軸方向の第１の面に設けられた第１磁性体と、
前記第２磁石のみに設けられ、前記第２磁石の前記軸方向の第１の面と平行する第２の面に設けられた第２磁性体と、
を具備し、
前記第１磁性体及び前記第２磁性体の厚みは、前記第１磁石に対する前記第２磁石の軸方向のスラスト方向の最大限の変動量以下で０．１ｍｍ以上であることを特徴とする磁気軸受。
前記第１磁性体及び前記第２磁性体の厚みは、０．１ｍｍ以上で１．５ｍｍ以下の範囲であることを特徴とする請求項１記載の磁気軸受。
前記第１磁石の厚みは、前記第２磁石の厚みと等しいことを特徴とする請求項１記載の磁気軸受。
前記第１磁石の厚みは、前記第２磁石の厚みより大きく、前記第２磁石と前記第１磁性体及び前記第２磁性体の合計の厚みより小さいことを特徴とする請求項１記載の磁気軸受。
前記第２磁石は、前記第１磁石の外側に配置されることを特徴とする請求項１記載の磁気軸受。
前記第２磁石は、前記第１磁石の内側に配置されることを特徴とする請求項１記載の磁気軸受。