JPH0369820A

JPH0369820A - 軸線方向磁気軸受

Info

Publication number: JPH0369820A
Application number: JP20667290A
Authority: JP
Inventors: Nigel Henry New; ナイジェル　ヘンリィ　ニュー
Original assignee: Glacier Metal Co Ltd
Current assignee: Federal Mogul Engineering Ltd
Priority date: 1989-08-04
Filing date: 1990-08-03
Publication date: 1991-03-26
Also published as: GB8917876D0; EP0411696A2; EP0411696A3

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、軸線方向スラスト荷重を受↓プるための磁気
軸受に関するものである。

従来技術及び発明が解決しようとする輪線方向磁気軸受においては、シャフトに固定的に結合
された強磁性体の円板が軸受のロータとして使用される
構成が一般的に採用されている。

おのおの１個または複数個の電磁石を含む構造体が、円
板の各側に、そして円板に隣接して、位置されそして、
スラストの方向に応じて、構造体の一方または他方の電
磁石がシャフト軸線に沿ってスラストを完全に均衡させ
る。これは電磁石と対向円板面との間に実質的に一定の
すきまを維持するように電磁石への電流を変動させる制
御系によって達成される。

一般的に、円板の直径は反対作用を必曹とする軸線方向
荷重の大きさによって決定される。

シャフト及び円板の予想回転速度が極めて高く且つ高ス
ラスト荷重と組合わされる場合は、回転する円板におい
て住じる応力は、該円板を形成している強磁性材料の機
械的強さを′ａ駕するおそれがある。

英国特許願８８１３０１０．０に開示される軸線方向磁
気軸受の構造においては、一方向におけるシャフトに沿
うスラストのために、少なくとも１個の強磁性体から成
るロータ円板によって、軸方向に離されて半径方向に延
びる２個のスラスト受け面が設けられ、そのようなスラ
スト面のおのおのが電磁石の一磁極と個別的に関係づけ
られている。特に、ロータ円板の非スラスト受け面は、
磁気軸受のためのそのような構成において、切頭円錐形
を有し、ロータ円板はその質量を削減するために半径方
向外方向にテーパされている。

課題を解決するための一段本発明の目的は、動作量、同じ予想最大スラス１〜を受
け得る少なくとも既知の磁気軸受の構造に対するそれよ
りも低減された応力が設置スラスト軸受部材内において
生じるようにされた軸線方向磁気軸受を提供することで
ある。。

本発明に従えば、軸線方向磁気軸受けシャフトと、シャ
フトに結合された強磁性材料から成る０−タ円板とを有
し、前記ロータ円板が、シャフト軸線に関して、一方向
へのシャフトに沿うスラストを受けるための少なくとも
１個の概ね半径方向に延びる面を設＆Ｊられ、前記ロー
タ円板が少なくとも概ね切頭円錐の形状を有するロータ
円板の前記または各スラスト受け面によって半径方向外
方向にテーパにされており、そして前記磁気軸受け少な
くとも１個の電磁石を有する組立体を有し、前記及びま
たは各電磁石の磁極がおのおの前記スラスト面の関連部
分と対向しそしてそれから離された面を有し、そのよう
な磁極面のおのおのが前記スラスト面の関連部分の形状
に関し相補性の形状を有し、そして前記スラスト面のそ
のような部分が２個存在し、そして一方の部分が他方の
部分の半径方向外方に位置し、各部分が前記または各電
磁石の前記２個の磁極面の一つと個別的に関連させられ
、そして前記２個の部分が前記シャフト軸線に沿って互
いから離されて１１７ｉｆｆされるように構成される。

前記少なくとも１個のスラスト面を画成するロータ円板
は半径方向外方ヘテーパにされているから、ロータ円板
は削減された質量を有し従って破裂傾向を減少されると
言う観点において有利である。

もし前記スラスト面が切頭円錐形と正確に同じ形を有す
るならば、軸受組立体の前記または各電磁石が励磁され
るとき、要求軸方向力に加えて半径方向力が発生される
。しかし、この半径方向力はもしこの寄生力に対抗し得
る高い剛さを有するラジアル軸受も設置されるならば、
いがなる有意的効果も生じない。

これに代えて、スラスト面の前記２個の部分は正確に半
径方向に延在し、そしておのおのが、軸受組立体の前記
または各電磁石の個別的に関連させられて正確に半径方
向に延在するｌａ磁極面対向してそれから離されて位置
され、そして２個の前記部分間に関連させられて正確に
半径方向に延在する一部分が位置される。従って、軸受
組立体の前記または各電磁石が励磁されるとき、半径方
向力は発生されない。

スラスト面の前記２個のｌ！ｌ連させられた部分を画成
するロータ円板の前記２個の部分に対して、前記または
各電磁石の磁極間における束密度の有意的な差が存在し
ないように、ロータ円板の前記２個の部分のおのおのの
平均軸方向幅は、前記または各関連磁極面の半径方向幅
に少なくとも実質的に等しいことが要求される。

さらに、スラスト面の前記２個の部分を画成するロータ
円板の前記２個の部分間の束密度に有意的な差が存在し
ないように、ロータ円板の２個のそのような部分の一つ
の平均軸方向幅と、シャフトの軸線からのロータ円板の
前記−つの部分の平均半径方向距離との積は、ロータ円
板の他の一つのそのような部分と関連する相応じる積に
、少なくとも実質的に、等しいことが要求される。

シャフトが強磁性材料から成るときは、前記少なくとも
一つのスラスト面はシャフト材料から機械加工されたロ
ータ円板によって画成され得る。

これに代えて、当初分離されているロータ円板は、強磁
性材料から形成されなくてもよいシャフトに結合される
。

少なくとも１個の電磁石をおのおの有する２個の組立体
が設けられ、そしてテーパにされた０　−対の方向にお
けるシャフトに沿うスラストを受けるものを有し、そし
てこれら組立体が互いに対抗する軸方向力を提供し得る
ように配列されると便利である。

本発明がより完全に理解されるように、以下、実施例が
添付図面を参照しつつ単に例解の目的で説明されるであ
ろう。

実施例在来型の軸方向磁気スラスト軸受が全体として１０を以
て表されている第１図を参照すると、軸受組立体は在来
型の機械的ジャーナル軸受（図示せず〉またはラジアル
磁気軸受（図示せず）の何れかによって支持されるシャ
フト１１を有する。

シャフト１１はロータ円板１２を有する。ロータ円板１
２はシャフト端に図示されるが、それはシャフト中間に
位置されてもよい。２個の固定環状電磁石１３．１４が
図示される。これら電磁石１３．１４は同等の磁極面区
域１５．１６と１７゜１８をそれぞれ提供し、そして環
状のコイル１９゜２０をそれぞれ有する。外スラストＡ
Ｉ（Ｌ）は矢印の方向にシャフト１１に供給される。軸
方向位置センサ２１はロータ円板１２の軸線方向位置を
検出しそして既知ｆｉ制御系（図示せず）を介して電磁
石１３のコイル１９への電流が、ロータ面２３と電磁石
１３の正面２４との間のすきま２２を実質的に一定に維
持するように変更される。第２のＴｉ磁石１４は、加え
られたスラスト荷重の方向が何らかの理由によって逆転
された場合にのみ動作する。

軸受のスラスト可能受容量は電磁石の正面面精によって
主として決定され、そしてそれはロータ円板１２の直径
を決定する。軸線方向スラスト要求と回転速度とがとも
に大きい場合は、円板周縁において生起される応力は円
板材料の強さを凌駕する。

第２図は本発明に従って修正された第１図の磁気スラス
ト軸受を示す。全体として３０を以て示される軸受組立
体はシャフト３１を有し、シャツ１〜３１は第２図に示
されるようにシャフト材料から機械加工されるか、また
、シャフト３１に結合されるロータ円板３２を有する。

シャフト３１はフェライト・ステンレス鋼のこと強磁性
材料から作られる。電磁石３４の環状のコア３３であっ
て概ね溝形の断面部分を有するものがシャフト３１を包
囲し、そして概ね半径方向に延びる磁極面３５．３６を
有する。そして、電磁石３４はコア３３の前記溝形断面
部分内に環状のコイル３７を有する。

ロータ円板３２の質昂を削減するために、ロータ円板３
２は半径方向外方向にテーパにされている。テーパにさ
れたロータ円板３２によって画成されるスラスト面３８
は、Ｑノ頭円錐の形状を有する。前記スラスト面３８の
半径方向に離間されたスラスト受け部分３９．４０に平
行しそしてそれらから離されて前記磁極面３５．３６が
位置されており、各磁極面は相補性切頭円錐形を有する
。

従って、スラスト面３８の前記スラスト受け部分３９．
４０６シヤフト３１の回転軸線に沿ってａいから離され
ている。回転軸線は一点鎖線４１によって表されている
。さらに、磁極面３５．３６は、相応して、シャフト３
１の回転軸線４１に沿って互いから離されている。

軸方向磁気スラスト軸受のための以上の構成によれば、
電磁石３４が励磁されるとき、要求軸方向力に加えて半
径方向力が発生される。

この半径方向力は、もし特別の賦課された半径方向荷重
を担持し得るように高い剛さと十分な荷重室［株］とを
有するラジアル軸受が磁気スラスト軸受と組合わされて
いるならば、何らの効果も生じない。

さらに、必須的ではないが、第１図の電磁石１４に相当
する第２の電磁石４２が第２図においても示されている
。第２の電磁ｌ５４２は、やはり、加えられたスラスト
Ｌの方向が逆転される場合においてのみ動作する。テー
パにされたロータ円板３２は、二つの概ね半径方向に延
びる正面を有し、そして第２のスラスト面４３とその関
連電磁石４２との間の配列は、既に説明されたごときス
ラスト面３８とその関連電磁石３４との間の配列と同じ
である。

第１図の既知軸方向磁気スラスト軸受に関して、本発明
に従うその修正は、第２図に示されるごとく、軸線方向
位置センサ２１を使用する既知制御系と、電磁石に供給
される電力を制ｍ＋する閉ループ９！遠υ３１１１回路
装置を、各電磁石！ｌ極面と関連ロータスラスト面との
間に実質的に一定のすきまを維持するために有する。

本発明に基づく軸線方向電磁スラスト軸受の他の一実施
例が第３図に５０を以て示される。この実施例において
は、シャフト５１はロータ円板５２を有し、そして電磁
石５４のコア５３によって包囲される。しかし、コア５
３は正確に半径方向に延びるｌｉｌ極面５５．５６を有
する。環状のコイル５７はコア５３の溝形断面部分内に
位置される。

この実施例にみいても、ロータ円板５２はその質植を削
減するために半径方向外方向にテーパにされている。し
かし、テーパ形状のロータ円板５２によって画成された
スラスト面５８は、電磁石５４に対向して、互いから半
径方向に離間されそして正確に半径方向に延在するスラ
スト受け部分５９．６０を有する。これらスラスト受け
部分５９．６０の間にはスラスト面５８の切頭円錐形の
部分６１が延在する。このように、スラスト面５８の正
確に半径方向に延在するスラスト受け部分５９．６０も
、シャフト５１の回転軸線に沿って互いから離されて位
置する。回転軸線は一点鎖線６２によって表される。さ
らに、！ｉ極面５５，５６は、相応じて、シャフト５１
の回転軸線６２に沿って互いから離されて位置する。従
って、電磁石５４は、ロータ円板５２がテーパ形状を有
するにもかかわらず、いかなる半径方向力も提供しない
。

さらに、必須的ではないが、第３図に示されるように、
第２の電磁石６３が設けられる。第２の電磁石６３は、
加えられたスラストＬの方向がもし逆転されたならば動
作する。テーパ形状のロータ円板５２の第２のスラスト
面６４とその関連電磁石６３との間の構成は、第１のス
ラスト面５８とその関連電磁石５４との間の既述構成と
同じである。

第２図と第３図にそれぞれ示された軸線方向磁気スラス
ト軸受３０．５０の両実施例に関して、電磁石の磁極面
と、ロータ円板のスラスト面の関連スラスト受け部分を
画成する部分との間に束密度の有意的な差が存在しない
ことが望ましい。従って、ロータ円板のそのような各部
分の平均軸方向幅Ｍ　またはＭ２はそれぞれ関連磁極面
の半径方向幅Ｎ　またはＮ２と、少なくとも実質的に、
等しいことが要求される。

さらに、ロータ円板のスラスト面の２スラスト受け部分
を画成する２部分間においても東密度の有意的な差が存
在しないことが望ましい。従って、ロータ円板のそのよ
うな部分の一つの平均軸線方向幅Ｍ　またはＭ２のそれ
ぞれと、シャフトの回転軸線からのロータ円板のそのよ
うな部分の一つの平均半径方向間隔ＲまたはＲ２のそれ
ぞれとの積は、ロータ円板のそのような部分の他の一つ
に関連する対応する積と、少なくとも実質的に、同等で
ある、即ちＭｌ　・Ｒ１＝Ｍ２　・Ｒ２であることが要求される。

ロータ円板の各側には、単一の電磁石に代えて、複数の
電磁石を有する構成が設けられ得る。

【図面の簡単な説明】

第１図はシャフト軸線に沿って両可能方向においてスラ
ストを均衡させ得る先行技術に基づく軸線方向磁気スラ
スト軸受の概略断面図、第２図は本発明に従って修正さ
れた第１図の軸線方向磁気スラスト軸受の概略断面図、
第３図は第２図に対応する本発明に基づく軸線方向磁気
スラスト軸受の第２の実施例の概略断面図を示す。図面上、３０．５０・・・磁気スラスト鴫受組立体、３
１．５１・・・シャフト、３２．５２・・・ロータ円板
、３３．５３・・・コア、３４．５４・・・電磁石、３
５゜３６．５５．５６・・・磁極面、３７．５７・・・
コイル、３８．５８・・・スラスト面、３９，４０．５
９゜６０・・・スラスト受け部分、４２．６３・・・電
磁石、４３．６４・・・スラスト面、２１・・・軸方向
付置センサ。ＦＩＧ、１

Claims

【特許請求の範囲】

（１）シャフトと、該シャフトに結合された強磁性材料
から成るロータ円板とを有する軸線方向磁気軸受であつ
て、前記ロータ円板が、シャフト軸線に関して、一方向
へのシャフトに沿うスラストを受けるための少なくとも
１個の概ね半径方向に延びる面を設けられ、前記ロータ
円板が半径方向外方向にテーパにされているものにおい
て、ロータ円板の前記または各スラスト受け面が少なく
とも概ね切頭円錐の形状を有し、前記磁気軸受が少なく
とも１個の電磁石を有する組立体を有し、前記及びまた
は各電磁石の磁極がおのおの前記スラスト面の関連部分
と対向しそしてそれから離された面を有し、そのような
磁極面のおのおのが前記スラスト面の関連部分の形状に
関し相補性の形状を有し、そして前記スラスト面のその
ような部分が２個存在し、そして一方の部分が他方の部
分の半径方向外方に位置し、各部分が前記または各電磁
石の前記２個の磁極面の一つと個別的に関連させられ、
そして前記２個の部分が前記シャフト軸線に沿つて互い
から離されて位置されるように構成されていることを特
徴とする軸線方向磁気軸受。
（２）請求項１記載の軸線方向磁気軸受において、前記
スラスト面が正確に切頭円錐の形状を有することを特徴
とする軸線方向磁気軸受。
（３）請求項１記載の軸線方向磁気軸受において、前記
スラスト面の前記２個の部分が正確に半径方向に延在し
、そしておのおのが、軸受組立体の前記または各電磁石
の個別的に関連させられて正確に半径方向に延在する磁
極面に対向してそれから離されて位置され、そして２個
の前記部分間に前記スラスト面の切頭円錐形を有する一
部分が位置されることを特徴とする軸線方向磁気軸受。
（４）請求項１から３の何れか一つの項に記載される軸
線方向磁気軸受において、前記スラスト面の２個の前記
部分を画成する前記ロータ円板の前記２個の部分のおの
おのの平均軸方向幅が、前記または各関連磁極面の半径
方向幅に、少なくとも実質的に、等しいことを特徴とす
る軸線方向磁気軸受。
（５）請求項１から４の何れか一つの項に記載される軸
線方向磁気軸受において、前記スラスト面の２個の前記
部分を画成する前記ロータ円板の２個のそのような部分
の一つの平均軸方向幅と、シャフトの軸線からのロータ
円板の前記一つの部分の平均半径方向距離との積が、ロ
ータ円板の他の一つのそのような部分と関連する相応じ
る積に、少なくとも実質的に、等しいことを特徴とする
軸線方向磁気軸受。
（６）請求項１から５の何れか一つの項に記載される軸
線方向磁気軸受において、前記シャフトが強磁性材料か
ら成ることと、前記少なくとも一つのスラスト面がシャ
フト材料から機械加工されたロータ円板によって画成さ
れることとを特徴とする軸線方向磁気軸受。
（７）請求項１から６の何れか一つの項に記載される軸
線方向磁気軸受において、前記少なくとも一つのスラス
ト面が、シャフトに結合されたロータ円板によつて画成
されることを特徴とする軸線方向磁気軸受。
（８）請求項１から７の何れか一つの項に記載される軸
線方向磁気軸受において、少なくとも１個の電磁石をお
のおの有する２個の組立体が設けられ、そしてこれら組
立体が互いに対抗する軸方向力を生じ得るように配列さ
れ、そしてテーパにされたロータ円板が２個の概ね半径
方向に延びる面であっておのおのが他の面がスラストを
受くべき方向と反対の方向におけるシャフトに沿うスラ
ストを受けるようにされていることを特徴とする軸線方
向磁気軸受。