JPH11325075A - 磁気軸受 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 永久磁石を用いた磁気軸受であって、磁石の
反発力による軸の拘束力を増強し、より強固に回転軸を
回転中心位置に拘束することができる磁気軸受を得る。 【解決手段】 中心軸１の外周に固着された第１リング
マグネット２と、第１リングマグネット２の外周面とラ
ジアル方向の間隙βをおいてスリーブ３の内周面に固着
された第２リングマグネット４とを有し、中心軸１とス
リーブ３とが相対回転する磁気軸受であって、第１リン
グマグネット２は、軸方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互
に多数にわたってラジアル方向の着磁が施された多極着
磁部２ａを外周面側に有し、第２リングマグネット４
は、第１リングマグネット２の多極着磁部２ａと対向す
る位置に同極に着磁された多極着磁部４ａを有してい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁石の反発力を利
用した磁気軸受に関するものであり、特に、回転軸の拘
束力を高めた磁気軸受に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来からサーボ方式の磁気軸受が提案さ
れている。図４はその例を示す。図４において、回転軸
５０の外周には、リング状のマグネット５１が固着され
ている。このマグネット５１の外周と対向する位置に
は、一定の間隙をおいて例えば４個の電磁石５２が軸方
向から見てＸ−Ｙ線上に対をなして配設されている。上
記マグネット５１と電磁石５２は、回転軸５０の軸受を
なしている。また、回転軸５０の下部の外周には、複数
の位置センサ５３が配置されている。各センサ５３は周
方向において上記各電磁石５２と同じ位置に配置されて
いる。この位置センサ５３によって、回転軸５０の回転
軸中心位置からのずれが検知される。マグネット５１
は、ラジアル方向から着磁され、内周側と外周側が互い
に異なった磁極になっている。上記各電磁石５２は、通
電されることによってマグネット５１との間に反発力が
生じるようになっている。

【０００３】図４に示すように、上記電磁石５２と上記
位置センサ５３は、ともにサーボドライバ５４に接続さ
れている。このサーボドライバ５４は、電磁石５２への
通電を制御するものである。上記位置センサ５３が回転
軸５０の回転軸中心位置からのずれを検知すると、この
検知信号は、サーボドライバ５４に入力される。サーボ
ドライバ５４は、この入力信号に基づいて適宜の電磁石
５２への通電を制御する。具体的には、軸５０がある位
置センサ５３に接近したとすると、この位置センサ５３
に対応する電磁石５２に通電し、また、接近の程度に応
じて通電量を制御し、マグネット５１との間に反発力を
発生させて、回転軸５０の回転軸中心位置からのずれを
修正する。従って、上記回転軸５０は、常に回転軸中心
位置で回転駆動することができる。

【０００４】このように、サーボ方式の磁気軸受は、空
気やオイルなどの流体を必要としないため、オイルレス
メタルベアリング、ボールベアリング、動圧ベアリン
グ、静圧ベアリングなどに比べて低損失、高信頼性を得
ることができる。また、真空中などの特殊環境でも使用
することができるという利点もある。しかしながら、サ
ーボ方式の磁気軸受は、位置センサ５３やサーボドライ
バ５４などを設ける必要があるあるため、構成が複雑で
あると共に、コストが高くなってしまうという問題があ
る。

【０００５】そこで、構成が簡単で、低コストな磁気軸
受が提案されている。このような問題点があるにもかか
わらず、磁気軸受としてサーボ方式が採用されているの
が現状である。その理由を、図５に示すモデルと図６〜
図８を参照しながら説明する。図５において、回転軸５
５の外周には、リング状のマグネット５６が固着されて
いる。また、ステータ５８の内周面には、上記マグネッ
ト５６と対向する位置に一定の間隙ａをおいて、上記マ
グネット５６よりも大径のリング状のマグネット５７が
取り付けられている。

【０００６】上記マグネット５６と上記マグネット５７
はラジアル方向から着磁され、互いに反発し合うように
同極どうしを対向させて配置されている。図５に示すも
のは、Ｎ極どうしが対向している。このマグネット５６
とマグネット５７の反発力によって回転軸５５は中心位
置に保持され、所定の回転中心位置の周りに拘束されて
回転することができる。

【０００７】このように、図５に示すような磁気軸受が
実用に耐え得るとすれば、マグネット５６とマグネット
５７で回転軸５５の軸受をなしているため、図４に示す
ような位置センサ５３やサーボドライバ５４などを用い
たサーボ方式の磁気軸受に比べて構成が簡単で、低コス
トを図ることができる。しかしながら、この磁気軸受
は、次に説明する理由によって実用に耐えることができ
ない。

【０００８】図６（ａ）には、図５に示す磁気軸受にお
いて、マグネット５６とマグネット５７のある位置にお
ける空隙ａとその反発力との関係を示していて、図６
（ｂ）には、マグネット５６とマグネット５７の上記あ
る位置に対向する位置における空隙ａとその反発力との
関係を示している。以下、説明の便宜上、図６（ａ）に
示す位置を左側とし、図６（ｂ）に示す位置を上記左側
と対向する右側とする。また、空隙ａがないとき、すな
わち空隙ａ＝０のとき反発力＝１とする。図６（ａ）
（ｂ）に示すように、マグネット５６とマグネット５７
との空隙ａが広くなるにつれて、反発力は小さくなって
いる。つまり、反発力は、空隙ａが狭いほど大きくな
り、空隙ａが広くなるほど小さくなる。

【０００９】図７には、図６（ａ）に示すマグネット５
６とマグネット５７の左側における空隙ａにおける反発
力と、図６（ｂ）に示すマグネット５６とマグネット５
７の左側における空隙ａにおける反発力を合成したもの
を示している。図７に示すように、マグネット５６とマ
グネット５７の左側における空隙ａにおける反発力と、
マグネット５６とマグネット５７の右側における空隙ａ
における反発力は、互いにラジアル方向において対称で
あるため、回転軸５５が回転中心位置にあるときは、互
いに打ち消し合うことになり、回転軸５５を拘束する力
はゼロである。

【００１０】しかし、回転軸５５が回転中心位置からず
れると、左側における空隙ａと右側における空隙ａとが
均等でなくなるため、マグネット５６とマグネット５７
の左側における空隙ａにおける反発力と、マグネット５
６とマグネット５７の右側における空隙ａにおける反発
力との差分力αが生じる。この差分力αが、回転軸５５
を回転中心位置に戻して拘束しようとする拘束力であ
る。つまり、実際に回転軸５５を回転中心位置に拘束し
ようとする力は、マグネット５６とマグネット５７の左
側における空隙ａにおける反発力と、マグネット５６と
マグネット５７の右側における空隙ａにおける反発力と
の合力ではなく、回転軸５５が回転中心位置からずれた
ときに発生する差分力αである。

【００１１】図８に示すように、拘束力である差分力α
は、空隙ａ＝０のときのマグネット５６、５７の反発力
＝１に比べてかなり低くなってる。つまり、マグネット
５６、５７は、最大にして反発力＝１を発生することが
できるのにも拘わらず、実際に回転軸５５を拘束しよう
とする力は、ごく小さなものとなっている。ここで、回
転軸５５を中心位置に拘束しようとする力が何で決まる
かということを考えると、それは上記差分力αの勾配で
ある。この勾配が急峻であれば、回転軸の僅かな位置ず
れでも上記差分力αが大きくなるため、拘束力も大きく
なる。ところが、図５に示すモデルでは、マグネット５
６、５７の磁力の及ぶ範囲は空隙ａの範囲よりもはるか
に広いものの、反発力の勾配は図６に示すように緩やか
であり、空隙ａ内での上記差分力αの勾配も上記勾配の
２倍になるだけであるから、上記拘束力も小さい。その
ため、軸が回転中心位置付近でふらつきやすく、高い回
転精度を得ることができず、図５に示すような永久磁石
による磁気軸受は高い回転精度が要求されるものには用
いられていない。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は以上のような
従来技術の問題点を解消するためになされたもので、永
久磁石を用いた磁気軸受であって、磁石の反発力による
軸の拘束力を増強し、より強固に回転軸を回転中心位置
に拘束することができる磁気軸受を提供することを目的
とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
中心軸の外周に固着された第１リングマグネットと、上
記第１リングマグネットの外周面とラジアル方向の間隙
をおいてスリーブの内周面に固着された第２リングマグ
ネットとを有し、上記中心軸と上記スリーブとが相対回
転する磁気軸受であって、上記第１リングマグネット
は、上記軸方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に多数にわ
たってラジアル方向の着磁が施された多極着磁部を外周
面側に有し、上記第２リングマグネットは、上記第１リ
ングマグネットの多極着磁部と対向する位置に同極に着
磁された多極着磁部を有していることを特徴とする。

【００１４】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、上記第１リングマグネットおよび上記第２
リングマグネットの少なくとも何れか一方は、軸方向に
隣接する磁極間にリング状の磁性板を狭持していること
を特徴とする。

【００１５】請求項３記載の発明は、請求項１記載の発
明において、上記第１リングマグネットおよび上記第２
リングマグネットの少なくとも何れか一方は、軸方向に
４極以上の磁極が形成された単体のマグネットからなる
ことを特徴とする。

【００１６】請求項４記載の発明は、固定側部材に固着
された第１平板マグネットと、上記第１平板マグネット
の端面とスラスト方向の間隙をおいて回転側部材に固着
された第２平板マグネットとを有する磁気軸受であっ
て、上記第１平板マグネットは、同心円状にスラスト方
向の着磁が施された多極着磁部を有し、上記第２平板マ
グネットは、上記第１平板マグネットの多極着磁部と対
向する位置に同極に着磁された多極着磁部を有している
ことを特徴とする。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
にかかる磁気軸受の実施の形態について説明する。図１
において、中心軸１の外周には、その上部と下部に、リ
ング状の第１リングマグネット２がそれぞれ固着されて
いる。また、上記中心軸１が中心位置に配設された筒状
のスリーブ３の内周面には、上記各第１リングマグネッ
ト２の外周面との間にラジアル方向の間隙βをおいて、
リング状の第２リングマグネット４がそれぞれ固着され
ている。上記中心軸１とスリーブ３は、相対回転するよ
うになっている。この実施の形態では、スリーブ３と第
２リングマグネット４が固定で、中心軸１と第１リング
マグネット２が回転するようになっている。

【００１８】上記第１リングマグネット２は、その外周
面側に多極着磁部２ａを有している。図１に示すよう
に、この多極着磁部２ａは、軸方向に沿ってＮ極とＳ極
とが交互に多数にわたってラジアル方向から着磁が施さ
れたものである。従って、第１リングマグネット２の内
周側も上記多極着磁部２ａとは反対の極性の多極着磁部
となっている。また、上記第２リングマグネット４は、
第１リングマグネット２の多極着磁部２ａと対向する位
置、すなわち内周面側に、多極着磁部２ａと同極に着磁
された多極着磁部４ａが施されている。従って、第１リ
ングマグネット２と第２リングマグネット４とは、ラジ
アル方向において互いに反発するようになっている。こ
の第１リングマグネット２と第２リングマグネット４の
反発力によって中心軸１は回転中心位置に拘束され、ス
リーブ３に対して相対回転することができる。

【００１９】上記第１リングマグネット２および第２リ
ングマグネット４には、例えば、軸方向に４極以上の磁
極が形成された単体のマグネットをそれぞれ用いること
ができる。図１に示す実施の形態では、第１リングマグ
ネット２および第２リングマグネット４として、軸方向
に４極の磁極が形成された単体のマグネットをそれぞれ
用いている。

【００２０】発明が解決しようとする課題の欄で述べた
ように、第１リングマグネット２と第２リングマグネッ
ト４の反発力は互いにラジアル方向において対称である
ため、中心軸１が回転中心位置にあるときには、第１リ
ングマグネット２の反発力と第２リングマグネット４の
反発力とが、互いに打ち消し合い、中心軸１を拘束する
力はゼロである。

【００２１】しかし、中心軸１が回転中心位置からずれ
ると、第１リングマグネット２と第２リングマグネット
４の間隙βのラジアル方向の幅が周方向において均等で
なくなるため、第１リングマグネット２の反発力と第２
リングマグネット４の反発力との差分力が生じる。この
差分力が、中心軸１を回転中心位置に拘束しようとする
拘束力となっている。

【００２２】図８を参照して既に説明したように、図５
に示す従来の磁気軸受における対称位置での反発力の差
分力αは、マグネット５６、５７の最大反発力＝１と比
較すると小さいものであった。これは、上記差分力αの
勾配が緩やかであることによるものである。これに対し
て上記実施の形態における差分力は、図８に点線で示す
ように、上記差分力αの勾配の略４倍の勾配を得てい
る。つまり、図５に示す従来の磁気軸受よりも、略４倍
の拘束力で中心軸１を回転中心位置に拘束することがで
きる。

【００２３】これは、図５に示す従来例のモデルでは、
マグネット５６、５７は軸方向に１極の磁極しか形成さ
れていないのに対し、上記実施の形態における第１リン
グマグネット２と第２リングマグネット４は軸方向に４
極の磁極がそれぞれ形成されているからである。図５に
示す従来例では、マグネットの反発力は広い範囲に及ぶ
もののその勾配は緩やかであるとともにその一部を利用
しているにすぎない。これに対して図１に示す実施の形
態では、内外一対の磁極間の反発力が及ぶ範囲は限られ
ているが、内外４対のマグネットの反発力が作用し、こ
れら反発力の差分力が４倍となり、その勾配が急峻にな
る。従って、図１に示す実施の形態によれば、第１、第
２リングマグネット２、４間の反発力の差分の空隙に対
する変化を急峻にすることができ、回転軸の僅かな中心
位置ずれでも中心位置に拘束しようとする大きな力が発
生し、回転体の回転精度を高めることができる。

【００２４】図１に示す実施の形態では、第１リングマ
グネット２および第２リングマグネット４は、軸方向に
４極の磁極が形成された単体のマグネットであったが、
図２に示す実施の形態のように、磁性板１６、１８を挟
んで複数のマグネット１５、１７で構成してもよい。図
２において、中心軸１１の外周には、その上部と下部
に、リング状の第１リングマグネット１２がそれぞれ固
着されている。また、上記中心軸１１が中心位置に配設
された筒状のスリーブ１３の内周面には、上記各第１リ
ングマグネット１２の外周面とラジアル方向の間隙βを
おいて、リング状の第２リングマグネット１４がそれぞ
れ固着されている。上記中心軸１１と第１リングマグネ
ット１２は、スリーブ１と第２リングマグネット１４に
対し、相対回転するようになっている。

【００２５】上記第１リングマグネット１２は、その外
周面側に多極着磁部１２ａを有している。図２（ｃ）に
示すように、この多極着磁部１２ａは、軸方向に沿って
Ｎ極とＳ極とが交互に多数にわたって軸方向に着磁が施
されたものである。また、上記第２リングマグネット１
４は、第１リングマグネット１２の多極着磁部１２ａと
対向する位置、すなわち内周面側に、多極着磁部１２ａ
と同極に着磁された多極着磁部１４ａが施されている。
従って、第１リングマグネット１２と第２リングマグネ
ット１４とは、ラジアル方向において互いに反発するよ
うになっている。この第１リングマグネット１２と第２
リングマグネット１４の反発力によって、中心軸１１は
回転中心位置に拘束され、スリーブ１３に対して相対回
転することができる。

【００２６】第１リングマグネット１２は、複数のリン
グ状のマグネット１５と複数のリング状の磁性板１６か
らなる。マグネット１５は、軸方向に重ねられていて、
隣接する磁性板１６に狭持された構成となっている。図
２において、５層の磁性板１６の間に４層のマグネット
１５が狭持されている。各マグネット１５は、軸方向に
着磁されて上下面がそれぞれＮ極もしくはＳ極となって
おり、軸方向に隣接するマグネット１５の極性は互いに
同じ向きになっている。第２リングマグネット１４も複
数のマグネット１７と複数の磁性板１８からなり、軸方
向に重ねられた磁性板１８間に１つずつマグネット１７
が狭持された構成になっている。マグネット１７と上記
マグネット１５は間隙βを挟んで同極が対向している。

【００２７】上記第１リングマグネット２および第２リ
ングマグネット４には、ともに軸方向に４極の磁極が形
成されたマグネットが用いられ、また、上記第１リング
マグネット１２および第２リングマグネット１４には、
ともに軸方向に隣接する磁性板間にマグネットが狭持さ
れた構成ものが用いられているが、一方に、軸方向に４
極の磁極が形成された単体のマグネットを用い、他方
に、軸方向に隣接する磁性板間にマグネットが狭持され
たものを用いてもよい。

【００２８】ここまで説明してきた実施の形態は、ラジ
アル方向の拘束力を増強したものであるが、次に、スラ
スト方向の拘束力を増強した実施の形態について説明す
る。図３に示すように、固定側部材３５上には、第１平
板マグネット３３が固着されている。第１平板マグネッ
ト３３の中心軸上には、回転部材としての回転軸３１が
設けられていて、この回転軸３１の外周には、その下部
に第２平板マグネット３２が固着されている。この第２
平板マグネット３２は、上記第１平板マグネット３３の
端面すなわち上面とスラスト方向の間隔γをおいて回転
軸３１に固着されている。

【００２９】上記第１平板マグネット３３は、同心円状
にスラスト方向から着磁が施された多極着磁部３３ａを
有している。また、上記第２平板マグネット３２は、第
１平板マグネット３３の多極着磁部３３ａと対向する位
置に、多極着磁部３３ａと同極に着磁された多極着磁部
３２ａを有している。図示のように、この多極着磁部３
２ａは、多極着磁部３３ａと同様、同心円状にスラスト
方向から着磁が施されたものである。従って、第１平板
マグネット３３と第２平板マグネット３２は、スラスト
方向において互いに反発するようになっている。この第
１平板マグネット３３と第２平板マグネット３２の反発
力によって回転軸３１は、固定側部材３５に対してスラ
スト方向の間隔γをおいて拘束され、回転することがで
きる。

【００３０】このように、第１平板マグネット３３と第
２平板マグネット３２は、スラスト方向に多極の磁極が
形成されているため、スラスト方向に１極の磁極が形成
された一対のマグネットからなる磁気軸受に比べてより
強固に回転軸３１を拘束することができる。

【００３１】本発明にかかる磁気軸受はあらゆる用途が
考えられるが、軸受部でのエネルギー損失がないという
特性を生かして、例えば、エネルギー貯蓄用フライホイ
ルの軸受などに利用することができる。真空中で回転す
るフライホイルを本発明にかかる磁気軸受で支持すれ
ば、エネルギー損失をごく僅かに抑えながらエネルギー
を保存することができる。

【００３２】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、中心軸の
外周に固着された第１リングマグネットと、上記第１リ
ングマグネットの外周面とラジアル方向の間隙をおいて
スリーブの内周面に固着された第２リングマグネットと
を有し、上記中心軸と上記スリーブとが相対回転する磁
気軸受であって、上記第１リングマグネットは、上記軸
方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に多数にわたってラジ
アル方向の着磁が施された多極着磁部を外周面側に有
し、上記第２リングマグネットは、上記第１リングマグ
ネットの多極着磁部と対向する位置に同極に着磁された
多極着磁部を有しているため、中心軸を回転中心位置に
拘束する拘束力を増強し、より強固に中心軸を回転中心
位置に拘束することができる。

【００３３】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載の発明において、上記第１リングマグネットおよび上
記第２リングマグネットの少なくとも何れか一方は、軸
方向に隣接する磁極間にリング状の磁性板を狭持してい
るため、中心軸を回転中心位置に拘束する拘束力を増強
し、より強固に中心軸を回転中心位置に拘束することが
できる。

【００３４】請求項３記載の発明によれば、請求項１記
載の発明において、上記第１リングマグネットおよび上
記第２リングマグネットの少なくとも何れか一方は、軸
方向に４極以上の磁極が形成された単体のマグネットか
らなるため、中心軸を回転中心位置に拘束する拘束力を
増強し、より強固に中心軸を回転中心位置に拘束するこ
とができる。

【００３５】請求項４記載の発明によれば、固定側部材
に固着された第１平板マグネットと、上記第１平板マグ
ネットの端面とスラスト方向の間隙をおいて回転側部材
に固着された第２平板マグネットとを有する磁気軸受で
あって、上記第１平板マグネットは、同心円状にスラス
ト方向の着磁が施された多極着磁部を有し、上記第２平
板マグネットは、上記第１平板マグネットの多極着磁部
と対向する位置に同極に着磁された多極着磁部を有して
いるため、より強固に回転側部材を拘束することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる磁気軸受の実施の形態を示す
（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。

【図２】別の実施の形態を示す（ａ）は断面図、（ｂ）
は平面図、（ｃ）は一部断面図である。

【図３】さらに別の実施の形態を示す断面図である。

【図４】従来のサーボ方式の磁気軸受を示す断面図であ
る。

【図５】従来のリングマグネットを用いた磁気軸受の例
を示す断面図である。

【図６】従来の磁気軸受に用いたリングマグネットの反
発力を示すグラフである。

【図７】従来の磁気軸受に用いたリングマグネットによ
る拘束力を示すグラフである。

【図８】本発明の実施の形態におけるマグネットによる
拘束力と、従来の磁気軸受におけるリングマグネットに
よる拘束力との比較を示すグラフである。

【符号の説明】 １ 中心軸 ２ 第１リングマグネット ２ａ 多極着磁部 ４ 第２リングマグネット ４ａ 多極着磁部 １２ 第１リングマグネット １４ 第２リングマグネット １５ マグネット １６ 磁性板 ３１ 回転軸 ３２ 第２平板マグネット ３２ａ 多極着磁部 ３３ 第１平板マグネット ３３ａ 多極着磁部 ３５ 固定側部材

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中心軸の外周に固着された第１リングマ
   グネットと、 上記第１リングマグネットの外周面とラジアル方向の間
   隙をおいてスリーブの内周面に固着された第２リングマ
   グネットとを有し、 上記中心軸と上記スリーブとが相対回転する磁気軸受で
   あって、 上記第１リングマグネットは、上記軸方向に沿ってＮ極
   とＳ極とが交互に多数にわたってラジアル方向の着磁が
   施された多極着磁部を外周面側に有し、上記第２リング
   マグネットは、上記第１リングマグネットの多極着磁部
   と対向する位置に同極に着磁された多極着磁部を有して
   いることを特徴とする磁気軸受。
2. 【請求項２】 上記第１リングマグネットおよび上記第
   ２リングマグネットの少なくとも何れか一方は、軸方向
   に隣接する磁極間にリング状の磁性板を狭持しているこ
   とを特徴とする請求項１記載の磁気軸受。
3. 【請求項３】 上記第１リングマグネットおよび上記第
   ２リングマグネットの少なくとも何れか一方は、軸方向
   に４極以上の磁極が形成された単体のマグネットからな
   ることを特徴とする請求項１記載の磁気軸受。
4. 【請求項４】 固定側部材に固着された第１平板マグネ
   ットと、 上記第１平板マグネットの端面とスラスト方向の間隙を
   おいて回転側部材に固着された第２平板マグネットとを
   有する磁気軸受であって、 上記第１平板マグネットは、同心円状にスラスト方向の
   着磁が施された多極着磁部を有し、上記第２平板マグネ
   ットは、上記第１平板マグネットの多極着磁部と対向す
   る位置に同極に着磁された多極着磁部を有していること
   を特徴とする磁気軸受。