JPH0389020A - 磁性流体軸受 - Google Patents

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、磁気軸受に関し、更に詳細には、磁性流体及
び電磁石を利用した磁性流体軸受に関する。

【従来の技術］ ＠気軸受は、磁気の吸引力又は反発力を利用して回転軸
を支えるもので、永久磁石を利用するものと、電磁石を
利用して軸心の位置を制御するものとがある。

磁性流体は、強磁性体の微粒子を溶媒中でコロイド状に
したもので、外部磁場をかけると自発的に磁化する流体
、すなわち磁気でその位置を管理することができる流体
である。

従来の前述の磁気軸受と磁性流体とを組合せたものとし
ては、実開昭６２−２０２５２６号公報に開示されるよ
うに、軸受として永久磁石を使うものが殆どであり、磁
性流体はシールに使用されているにすぎない。この磁性
流体シールは例えば、磁性材の軸に中空円盤状の磁石を
外嵌し、磁石と軸の間のラジアルギャップに磁性流体を
挿入することにより磁気回路が形成され、磁性流体が磁
束の集中により液状のＯリングを形成してシール効果を
発揮するものである。

［発明が解決しようとする課題］ このように従来の磁気軸受は密封手段として磁性流体を
使い、磁石として永久磁石を使っていたため、軸受の使
用条件に合わせた磁力を有する永久磁石を形成し、その
都度、外筒に組み立てるという問題があり、管理などが
繁雑であった。

以上のように従来の磁気軸受は、密封装置として磁性流
体を使用し、軸受として永久磁石を使っていたので、軸
受の使用条件に合わせた多数、多種類の永久磁石を形成
し、在庫しなければならなかった。よって、多数、多種
類の永久磁石の製作やその管理に多大な工数を必要とし
た。

本発明は、磁性流体と電磁石とを使って、軸受の負荷条
件に対応して最適な軸承状態に調整できる磁性流体軸受
を提供することを課題としている。

［課題を解決するための手段］ 本発明によれば、穴を有する外筒と、穴に挿入される軸
と、軸との間に隙間を有するように外筒の穴に嵌合され
る電磁石と、電磁石と軸との隙間に挿入される磁性流体
とからなる磁性流体軸受であって、軸受の荷重条件の変
化に対応して電磁石の磁力を変化させることにより前記
課題を解決したものである。

［作用］ 本発明では、軸受の荷重条件に相応する軸位置の変化を
、インダクタンスあるいはキャパシタンスの変化として
電気的に検出し、この検出値に基づいて電磁石のコイル
に流す電流を制御し、軸周に集中する磁性流体の量を制
御できるので、各種の使用条件に応じた多種の軸位置精
度の保持、潤滑効果や冷却効果、シール効果を単一軸受
で実現でき、また磁性流体が緩衝材となるので振動減衰
効果も発揮する。

［実施例］ 本発明の好ましい実施例において、本発明の軸受は、軸
受本体と磁力コントローラ３０゜４０とよりなり、軸受
本体は外筒１とラジアル荷重用電磁石１０とスラスト荷
重用電磁石２０と軸２と、磁力コントローラ３０．４０
と電気的に連絡したセンサー３１とを含む。

外筒１は、軸２、ラジアル荷重用電磁石１０及びスラス
ト荷重用電磁石２０が挿入される穴１１を有する。また
、電磁石１０．２０と磁力コントローラ３０．４０とを
電気的に連絡するためのコードを通すための孔１２が設
けられている。該外筒１は、非磁性体よりなり、例えば
セラミックス、樹脂、非磁性金属例えばオーステナイト
系ステンレス鋼、アルミニウム合金等により製造する。

該穴１１には、１またはそれ以上のラジアル荷重用電磁
石１０が嵌合される。図示実施例においては、３つの電
磁石１０１，１０２゜１０３が該穴１１内に設けられて
いるが、本発明は３つのラジアル荷重用電磁石を設ける
ことに限定されない。

ラジアル荷重用電磁石１０は、コア４を円周方向に組み
立てて形成したコアアセンブリと、その各コア４に巻き
付けられたコイル５とからなる。第３図に示されたよう
に、図示実施例においては、１つの電磁石１０のコアア
センブリは８つのコア４より構成されているが、本発明
はこれに限定されない。電磁石１０は、軸方向中央部が
中空となっており、軸２を挿入するための挿入孔１３が
形成されている。複数のコア４より組み立てられた電磁
石１０の外径は、穴１１の内径と同じにされ、従って電
磁石を穴１１に嵌合することができる。

第４図に示すように、１つのコア４は、中央部分のコイ
ル部４ａと、軸方向両端部に設けられた突出部４ｂとよ
りなり、中央部分のコイル部４ａに巻線５を確実にたく
さん固定できるようになっている。１つのコア４の円周
方向の断面形状は扇状に形成されており、軸方向の断面
形状がＨ字状となっており、磁力線を効率的に発生させ
ると共に巻線５をより多くコア４に巻くことができるこ
ととなっている。

穴１１の底部には、スラスト荷重用電磁石２０が嵌合さ
れている。

第５図に示したように、スラスト荷重用電磁石２０は、
巻線５を巻き付ける中央部２１と、軸２の端面に対向す
る突出部２２と、穴１１の底面に接する底部２３とより
なる。突出部２２の軸２側の面は、第２図に示すように
、軸２の底部の曲率と同じ曲率の凹曲面とされている。

コイル５に電流を流すと、コア４は励磁され、突出部４
ｂの一方及び突出部２２．底部２３の一方はＮ極となり
、他方はＳ極となり、電磁石となる。通電を止めても磁
気が残留し、突出部４ｂ、２２は磁石として作用する。

ラジアル荷重用電磁石１０に巻き付けられた巻線５は、
外筒１に設けられた孔１２を通じて磁力コントローラ３
０と接続している。複数のラジアル荷重用電磁石１０１
，１０２，１０３の巻線５は、１つの磁力コントローラ
に接続することができる。スラスト荷重用電磁石２０に
巻き付けられたコイル５は、磁力コントローラ４０に接
続する。スラスト方向の負荷条件とラジアル方向の負荷
条件とは相異なるので、スラスト方向の磁力のコントロ
ーラとラジアル方向の磁力のコントローラとは別個とす
る。しかしながら、スラスト荷重用電磁石２０のための
磁力コントローラ４０は、ラジアル荷重用電磁石１０の
ための磁力コントローラ３０と同じ構成のものを使用す
ることができる。

該磁力コントローラは、軸受の荷重条件の変化に対応し
て電磁石の磁力を変化させる装置であり、コイル５に流
れる電流または電圧を制御する。取扱が容易であること
より、コイル５に流れる電流を制御することが好ましい
。

前記挿入穴１１に軸２を挿入する。更に詳細には、前記
電磁石１０の挿入孔１３に軸２を挿入する。該軸２は、
非磁性材よりなり、例えばセラミックス、樹脂、非磁性
金属例えばオーステナイト系ステンレス鋼、アルミニウ
ム合金等により製造する。軸２の直径は、挿入孔１３の
内径よりも小さく設定され、従って軸２と電磁石１０と
の間にラジアルギャップが形成される。

軸２には、前記センサー３１に対応して磁性リング３３
が巻き付けられている。該磁性リング３３は、磁性体よ
りなり、非常に薄い。

軸２と電磁石１０との間のラジアルギャップに磁性流体
３が挿入される。磁性流体は、磁性超微粒子を、界面活
性剤で被覆し、溶媒中に安定させた液体である。分散媒
、分散粒子、界面活性剤は、公知のものを使用すること
ができる。

分散媒としては、水、ケロシン、鉱泊、合成油等が好ま
しい。分散粒子としては、各種フェライト（マグネタイ
ト、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライト等）、磁性金属（鉄、コバ
ルト、ニッケル等〉が好ましい。分散粒子の粒径は、０
．０１ミクロンレベルのもの（０，０１〜０．０９９　
＞が好ましい。界面活性剤としては、長鎖の不飽和脂肪
酸等が好ましい。上述したように該磁性流体は、外部磁
場をかけると自発的に磁化する流体である。

突出部４ｂ、２２の一方及び突出部２２と底部２３の何
れか一方がＮ極であり、他方がＳ極であるので、コア４
の磁束は、突出部　４ｂ。

２２付近において強くなっている。しかして、磁性流体
は、第２図に示したように、突出部４ｂ、２２付近に集
束する。

電磁石と隣接する電磁石との間に、中空円盤状の非磁性
部材６を嵌合する。該非磁性部材６は、電磁石１０相互
の干渉を排除し、各々の電磁石が独立した電磁石として
作用させる働きを有する。非磁性部材６は、例えば、セ
ラミックス、樹脂、非磁性金属例えばオーステナイト系
ステンレス鋼、アルミニウム合金等より形成される。該
非磁性部材６の外形は、穴１１の内径と同じとされ、従
って非磁性部材６を穴１１に嵌合することができる。該
非磁性部材６の軸方向の長さは、磁力の大きさに基づき
、公知の方法より決定される。

磁力コントローラは、公知のものを使用することができ
る。第６図は、コイル５に流れる電流を制御する磁力コ
ントローラを示す。しかしながら、本発明の磁力コント
ローラは、第６図に示したものに限定されない。

センサー３１は、センサー支持部材３２により外筒１に
取り付けられている。図示実施例においては、外筒１の
上端部に等間隔で４つのセンサー３１が設けられており
、ラジアル荷重用電磁石１０３とスラスト荷重用電磁石
１０４との間に等間隔で４つのセンサー３１が設けられ
ている。センサー３１は、各々磁力コントローラ３０に
電気的に連絡されている。該センサー３１は、軸２の位
置の変化をインダクタンスあるいはキャパシタンスの変
化として検出する。

更に詳細には、センサー３１は、軸２に設けられた磁性
リング３３とセンサー３１との間の磁力の変化をインダ
クタンスあるいはキャパシタンスの変化として検出する
。

第６図に示したように、電磁石１０．２０と磁性流体と
の間で検出されたインダクタンスあるいはキャパシタン
スの変化を信号として取り出し、その信号を発振させ、
検波を行い、軸２の変位を修正するための電流の変化と
してを電力増幅器に送り、コイル５に流れる電流をコン
トロールする。従って、電磁石の磁力をコントロールす
ることができる。

本発明の軸受の製造方法を以下に記載する。

まず、各々のコア４に巻線５を巻き付ける。巻線５が巻
き付けられた８個のコア４中空円筒形状に組み合わせて
、コアアセンブリまたはラジアル荷重用電磁石１０を形
成する。また、スラスト荷重用電磁石２０の中央部２１
にコイル５を巻き付けてスラスト荷重用電磁石２０すな
わち１０４を形成する。外筒１にセンサー３１が装着さ
れたセンサー支持部材３２を固着する。

センサー３１を磁力コントローラ３０に連絡する。外筒
１の挿入孔１１に、まずスラスト荷重用電磁石１０４を
嵌合し、次に電磁石１０１゜１０２．１０３及び非磁性
部材６を嵌合する。

巻線５を磁力コントローラに電気的に接続する。

磁性リングがはめられた軸２を、電磁石１０の挿入孔１
２内に挿入する。軸２と電磁石１０との間に形成された
ラジアルギャップに磁性流体３を流し込む。次に、コイ
ル５に電流を通しると、電磁石１０が励磁され、磁性流
体３は第２図に示すように突出部４ｂ、２２付近に集束
する。尚、電磁石１０の電流を切っても、コアの残留磁
気により磁性流体３は第２図の位置に保持され、軸２は
安定して保たれる。

上述の実施例では、軸の支持に本発明の磁性流体軸受の
みを使用した構成のものを示したが、磁性流体軸受だけ
でなく、他の軸受（例えば、転がり軸受けなど）との組
合せについても容易に実施可能である。

［効果］ 本発明は、以上説明したｍｉ　　作用のものであって、
軸受の荷重条件に相応する軸位置の変化を電気的に検出
し、この検出値に基づいて電磁石の磁力を変化させるこ
とによって使用荷重の大小に対応でき、軸の回転精度を
略均−に制御することができる。

また、単一構造のものの電磁石の磁力を制御することに
より、使用軸受荷重に対して適切な条件の多種の軸受を
容易に提供することができる。

磁性流体は潤滑膜として潤滑効果や冷却効果を発揮し、
高精度で寿命の長い軸受を容易に提供することができ、
またシール効果や潤滑効果を有するために、小形で安価
な軸受を製作することができる。

軸と電磁石との間の磁性流体が軸受の緩衝材となるため
、振動減衰効果も期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の軸受全体の斜視図、第２図は、第１
図の軸受の中央縦断面図、第３図は、ラジアル荷重用電
磁石のコアアセンブリ示す斜視図、 第４図は、第３図のラジアル荷重用電磁石を構成する一
つのコアを示す斜視図、 第５図は、コイルを巻いていない状態のスラスト荷重用
電磁石の斜視図、 第６図は、磁力コントローラの機能を示すダイアグラム
である。 １：外筒、２：軸、３：磁性流体、４：　コア、５：コ
イル、６：非磁性部材、１０：　ラジアル荷重用電磁石
、１１：穴、２０：　スラスト荷重用電磁石、３０：磁
力コントローラ、３１：センサー　３３：磁性リング、
４０：磁力コントローラ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）穴（１１）を有する外筒（１）と、穴（１１）に
   挿入される軸（２）と、軸（２）との間に隙間を有する
   ように外筒（１）の穴（１１）に嵌合される電磁石（１
   ０、２０）と、電磁石と軸との隙間に挿入される磁性流
   体（３）とからなる磁性流体軸受であって、軸受の荷重
   条件の変化に対応して電磁石の磁力を変化させる装置（
   ３０、４０）を有することを特徴とする磁性流体軸受。
2. （２）ラジアル荷重用電磁石（１０）が穴（１１）に嵌
   合され、スラスト荷重用電磁石（２０）が穴（１１）の
   底部に嵌合される、特許請求の範囲第１項に記載の磁性
   流体軸受。
3. （３）ラジアル荷重用電磁石が複数のコア（４）とコイ
   ル（５）とからなる、特許請求の範囲第２項に記載の磁
   性流体軸受。
4. （４）軸受の荷重条件の変化に対応して電磁石の磁力を
   変化させる装置が、軸（２）の位置の変化をインダクタ
   ンスあるいはキャパシタンスの変化としてセンサー（３
   １）により検出し、検出されたインダクタンスあるいは
   キャパシタンスの変化を信号として取り出し、その信号
   を発振し、検波し、軸（２）の変位を修正するための電
   流の変化量として電力増幅器に送り、コイル（５）に流
   れる電流をコントロールする、特許請求の範囲第１項に
   記載の磁性流体軸受。