JPS6146683B2

JPS6146683B2 -

Info

Publication number: JPS6146683B2
Application number: JP14790782A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Murakami; Yoshiaki Ookami; Shitsuta Shingu; Tadashi Takahashi
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1982-08-26
Filing date: 1982-08-26
Publication date: 1986-10-15
Also published as: JPS5937323A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕本発明は、磁気軸受装置に係り、特に、小型で
良好な支承特性を発揮できるようにした磁気軸受
装置に関する。

〔発明の背景技術とその問題点〕

従来、回転体を完全非接触状態に支承する軸受
として磁気軸受装置が知られている。この磁気軸
受装置は、回転特性が軸受の摩擦力によつて左右
され易い回転体や半永久的な寿命を無点検で保障
しなければならない回転体や真空中で使用される
回転体などの支承に多く用いられている。

ところで、このような磁気軸受装置は、一般
に、磁気的吸引力を利用して支承するようにして
おり、半径方向支承部と軸方向支承部とで１つの
軸受を構成してる。そして、通常は、半径方向支
承部を永久磁石利用の受動形に構成し、軸方向支
承部を制御コイル利用の能動形に構成している。

しかしながら、従来のこの種の軸受装置は、特
開昭54−49440号公報に示されているものに代表
されるように、半径方向支承部と軸方向支承部と
を完全に独立させて設けるようにしている。この
ため、部品数が多く、これらの部品を高精度に製
作および組立ることが困難であることからして装
置としての信頼性に乏しく、しかも全体が大型化
する問題があつた。

〔発明の目的〕

本発明は、このような事情に鑑みてなされたも
ので、その目的とするところは、部品数の減少化
を図つた状態で、半径方向受動形支承および軸方
向能動形支承を実現でき、もつて装置としての信
頼性向上化および全体の小型化を図れる磁気軸受
装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明によれば、回転中心部に磁束通路の一部
となり得る中央部材が設けられる。そして、中央
部材の外周で軸方向の２個所に第１および第２の
磁気支承要素が固定される。また、第２および第
２の磁気支承要素間には、これらとの間に磁気ギ
ヤツプを設け、かつ上記第１および第２の磁気支
承要素との間に生じる磁気的吸引力によつて上記
第１および第２の磁気支承要素とは完全非接触に
保持される関係に互いに実質的に軸方向に連結さ
れた第３および第４の磁気支承要素が配置され
る。各磁気支承要素は、それぞれ内側磁極リング
と、外側磁極リングと、両磁極リング間に装着さ
れた半径方向着磁の永久磁石リングとで構成され
る。すなわち、上記配置によつて、軸方向に２つ
の、いわゆる永久磁石継鉄対向形の磁気軸受部を
構成しているのである。そして、本発明では、特
に第３および第４の磁気支承要素の内側磁極リン
グを互いに磁気的に接続し、また、上述した一方
の永久磁石継鉄対向形の磁気軸受部における内側
磁極リング間の磁界の方向と、他方の永久磁石継
鉄対向形の磁気軸受部における内側磁極リング間
の磁界の方向とが異なるように各永久磁石リング
の磁極性を設定し、さらに、第１および第２の磁
気支承要素間に位置する前記中央部材の外周に軸
方向制御用のコイルを装着している。

〔発明の効果〕

上記構成であると、２つの、いわゆる永久磁石
継鉄対向形の磁気軸受部によつて受動形の半径方
向支承部を実現することができる。また、コイル
を付勢すると、このコイルで発生した磁束は、中
央部材〜第１の磁気支承要素の内側磁極リング〜
磁気ギヤツプ〜第３、第４の磁気支承要素の内側
磁極リング〜磁気ギヤツプ〜第２の磁気支承要素
の内側磁極リング〜中央部材の経路で通過する。
コイルが付勢されていないときにおける上記２つ
の内側磁極リング間磁気ギヤツプの磁界の方向
は、前述の如く異なる方向に設定されているの
で、コイルで発生した磁束が上記経路で通過する
と、一方の磁気ギヤツプでは磁束が増加し、他方
の磁気ギヤツプでは磁束が減少することになる。
したがつて、磁束が増加した磁気ギヤツプ部分で
は静止側と回転側との間の磁気的吸引力が増加
し、また磁束が減少した磁気ギヤツプ部分では静
止側と回転側との間の磁気的吸引力が減少し、こ
れによつて回転側を軸方向の安定位置まで推移さ
せることができる。すなわち、本発明では、受動
形の半径方向支承部の一部を共用して能動形の軸
方向支承部を実現することができる。このように
両支承部の一部を共用しているので、従来の装置
に較べて部品数を大幅に減少でき、これによつて
製造および組立の容易化を図れるので、信頼性の
高いものを提供できる。また、構造上、軸方向制
御用のコイルは半径方向支承部の構成空間内に納
まる形となるので、結局、全体の小型化も図るこ
とができる。また、永久磁石継鉄対向形の磁気軸
受部によつて受動形の半径方向支承部を形成して
いるので継鉄部への磁束集中効果により半径方向
の剛性Krを大きくでき、これによつて直交軸ま
わり剛性Ｋθも大きくできる。すなわち、軸受部
の径をＡ、軸方向長さをＢ、軸方向の不平衡剛性
をKuとすると、Ｋθは一般に、Ｋθ＝１／４Kr（B²−１／２・Ｋｕ／ＫｒA²）……(1
) で示される。この(1)式から判るようにKrが大き
いとＫθも大きくなる。したがつて、より安定し
た軸受性能を発揮させることができる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説
明する。

第１図は本発明の一実施例に係る磁気軸受装置
で、はずみ車を支承させた例を示すものである。

すなわち、図中１は、たとえば非磁性材で形成
されたベースであり、このベース１に磁気軸受装
置２が支持され、上記磁気軸受装置２の回転部に
はずみ車３が支持されている。

磁気軸受装置２は、大きく分けて一端側がベー
ス１に固定された支柱を兼ねる中央部材２１と、
この中央部材２１の外周で軸方向２個所に固定さ
れた２つの静止側磁気支承要素２２ａ，２２ｂ
と、これら２つの静止側磁気支承要素２２ａ，２
２ｂ間に、これらとの間に磁気ギヤツプ２３ａ，
２３ｂを設け、かつ上記２つの静止側磁気支承要
素２２ａ，２２ｂとの間に生じる磁気的吸引力に
よつて完全非接触に支承される関係に配置され、
互いに、軸方向に連結された２つの回転側磁気支
承要素２４ａ，２４ｂと、中央部材２１の外周に
装着された軸方向制御用のコイル２５とで構成さ
れている。

上記中央部材２１は、たとえば電磁軟鉄、珪素
鋼等の高透磁率、高飽和磁束密度特性を有する軟
磁性材料で形成されており、その両端部に大径部
３１ａ，３１ｂが形成されている。そして、上記
大径部３１ａ，３１ｂの外周に前記静止側磁気支
承要素２２ａ，２２ｂがそれぞれ固定されてい
る。

静止側磁気支承要素２２ａ，２２ｂは、互いに
軸方向に対向して配置されており、それぞれ中央
部材形成材料と同様な軟磁性材料で形成された内
側磁極リング３２ａ，３２ｂと、外側磁極リング
３３ａ，３３ｂと、これら両リング間に装着さ
れ、かつ図示極性で示す如く半径方向に着磁され
た永久磁石リング３４ａ，３４ｂとで構成されて
いる。

一方、前記２つの回転側磁気支承要素２３ａ，
２３ｂは、この例においては１つのものを共用し
て構成されており、２つの静止側磁気支承要素２
２ａ，２２ｂと同様に、内側磁極リング３５と、
外側磁極リング３６と、これら両リング間に装着
され、かつ図示極性で示す如く、静止側の永久磁
石リング３４ａ，３４ｂとは逆極性となるように
半径方向に着磁された永久磁石リング３７とで構
成されている。そして、前記はずみ車３は上記外
側磁極リング３６に固定されている。

なお、図中３８は上記はずみ車３に回転力を付
与する誘導モータあるいはブラシレスモータ３９
のロータを示し、また、４０は同モータのステー
タを示している。さらに４１は、はずみ車３の軸
方向の変位を検出するセンサを示し、４２，４３
は非常時等のときだけ上記はずみ車３、つまり回
転部を機械的に支持する玉軸受を示している。そ
して、センサ４１によつて変位が検出されたとき
だけ、図示しない制御装置によつつて軸方向変位
（速度、加速度）の方向および大きさに対応した
電流がコイル２５に供給されるようになつてい
る。

このような構成であると、静止側側磁気支承要
素２２ａとこれに軸方向に対向した回転側磁気支
承要素２４ａとの間には第２図中破線矢印５１で
示すように磁束が通過するので、この両者で１つ
の永久磁石継鉄対向形の磁気軸受部を構成してい
ることにより、また、静止側磁気支承要素２２ｂ
とこれに軸方向に対向した回転側磁気支承要素２
４ｂとの間には第２図中破線矢印５２で示すよう
に磁束が通過するので、この両者で１つの永久磁
石継鉄対向形の磁気軸受部を構成していることに
なる。したがつて、上記した２つの永久磁石継鉄
対向形の磁気軸受部によつて２つの回転側磁気支
承要素２４ａ，２４ｂ、つまり回転部は半径方向
受動形態で非接触状態に支持されることになる。
すなわち、上記した２つの磁気軸受部は受動形の
半径方向支承部を構成していることになる。しか
して、回転部が何らかの原因で軸方向に変位する
と、この変位がセンサ４１によつて検出され、こ
の検出出力に基いて前述した制御装置は軸方向変
位（速度、加速度）の大きさおよび方向に対応し
た電流をコイル２５に供給する。コイル２５の付
勢によつて発生した磁束は、第２図中２点鎖線で
示すように中央部材２１〜内側磁極リング３２ａ
〜磁気ギヤツプ２３ａ〜内側磁極リング３５〜磁
気ギヤツプ２３ｂ〜内側磁極リング３２ｂ〜中央
部材２１の経路で通過する。今、回転部が第２図
中上方へ向けて変位したとき、コイル２５で発生
した磁束が内側磁極リング３５内を矢印５３で示
す方向に通過するように説定されているものとす
る。内側磁極リング３２ａと３５との間の磁気ギ
ヤツプでは磁束が減少して両リング間での磁気的
吸引力が減少し、また、内側磁極リング３５と３
２ｂとの間の磁気ギヤツプでは磁束が増加して両
リング間での磁気的吸引力が増加する。このた
め、回転部は第２図中下方へ安定する位置まで推
移する。したがつて、回転部は軸方向能動形態で
非接触状態に支持されることになる。すなわち、
中央部材２１、内側磁極リング３２ａ，３５，３
２ｂおよびコイル２５は能動形の軸方向支承部を
形成していることになる。

そして、この場合には、受動形の半径方向支承
部の一部を使用して能動形の軸方向支承部を構成
しているので、両支承部を独立的に設けたものに
較べて、全体の単純化は勿論のこと部品数を大幅
に減少させることができ、それだけ信頼性の向上
化を図ることができ、また、全体の小型化を図れ
る。また、永久磁石継鉄対向形の磁気軸受部を用
いているので、半径方向の剛性を大きくでき、こ
れによつて直交軸まわり剛性を大きくできるの
で、結局、前述した効果が得られる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるも
のではない。たとえば、第３図に示すように、各
磁気支承要素２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂの
外側磁極リング３３ａ，３３ｂ，３６の磁気ギヤ
ツプ近傍部分Ｐを薄肉にすることによつて、各内
側磁極リング３２ａ，３２ｂ，３５より高い磁束
密度を実現せしめて飽和し易くし、これによつて
前記第(1)式におけるKu／Krを小さくして直交軸
まわり剛性Ｋθをさらに大きくするようにしても
よい。また、第４図に示すように、各磁気支承要
素２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂの外側磁極リ
ング３３ａ，３３ｂ，３６の磁気ギヤツプ対向面
に凹凸Ｑを設けることによつて磁束分布状態を変
え、これによつて半径方向剛性Krを一層大きく
するようにしてもよい。また、第５図に示すよう
に、各磁気支承要素２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２
４ｂの磁気ギヤツプ側位置に導電板Ｒを取り付
け、これに渦電流式振動減衰機としての機能を発
揮させてもよい。また、第６図に示すように、各
永久磁石リング３４ａ，３４ｂ，３７の磁気ギヤ
ツプ側に位置する端面を後退させることによつて
各磁極リングへの磁束集中を図るようにしてもよ
い。さらに、第７図に示すように非磁性材料の被
支承回転体Ｓを内側磁極リング３５に連結するよ
うにしてもよい。この場合、被支承回転体Ｓによ
つて回転側の永久磁石リングは、３７ａと３７ｂ
とに軸方向へ分離され、また外側磁極リングも３
６ａと３６ｂとに軸方向へ分離される。また、第
１図に示した実施例は、本発明に係る磁気軸受装
置ではずみ車を支持させているが、はずみ車に限
らず各種回転体を支持させることができることは
勿論である。さらに、上述した各例では中央部材
２１およびこれに連結された磁気支承要素２２
ａ，２２ｂを静止側としているが、中央部材２１
とコイル２５との間に間隙を設けることによつて
中央部材２１および磁気支承要素２２ａ，２２ｂ
を回転側とすることもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る磁気軸受装置
を組込んだはずみ車装置の縦断面図、第２図は同
軸受装置の作用を説明するための軸心線を境とす
る片側模式図、第３図から第７はそれぞれ本発明
の異なる実施例に係る磁気軸受装置の軸心線を境
とする片側縦断面図である。２１…中央部材、２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２
４ｂ…磁気支承要素、２５…制御用のコイル、３
２ａ，３２ｂ，３５…内側磁極リング、３３ａ，
３３ｂ，３６，３６ａ，３６ｂ…外側磁極リン
グ、３４ａ，３４ｂ，３７，３７ａ，３７ｂ…永
久磁石リング。

Claims

【特許請求の範囲】１磁束通路の一部となり得る中央部材と、この
中央部材の外周で軸方向の２個所にそれぞれ固定
され、それぞれが上記中央部材に磁気的に接続さ
れた内側磁極リングおよびこれより外側に配置さ
れた外側磁極リングおよび上記両リング間に装着
された半径方向着磁の永久磁石リングで構成され
た第１および第２の磁気支承要素と、この第１お
よび第２の磁気支承要素間に、これらとの間に磁
気ギヤツプを設け互いに実質的に軸方向に連結さ
れた状態に配置され、上記第１および第２の磁気
支承要素との間に生じる磁気的吸引力によつて上
記第１および第２の磁気支承要素とは完全非接触
に保持されるとともにそれぞれが内側磁極リング
およびこれより外側に配置された外側磁極リング
および上記両リング間に装着された半径方向着磁
の永久磁石リングで構成されてなる第３および第
４の磁気支承要素と、前記中央部材の前記第１お
よびび第２の磁気支承要素間に位置する外周に装
着された制御用コイルとを具備し、前記第３およ
び第４の磁気支承要素の内側磁極リングが互いに
磁気的に接続され、かつ上記第３および第４の磁
気支承要素の内側磁極リングと前記第１および第
２の磁気支承要素の内側磁極リングとの間に存在
する２つの磁気ギヤツプにおける磁界の方向が互
いに異なるように前記永久磁石リングの着磁極性
が設定されてなることを特徴とする磁気軸受装
置。２前記第３および第４の磁気支承要素の永久磁
石リングは、１つの永久磁石リングを共用したも
のであることを特徴とする特許請求の範囲第１項
記載の磁気軸受装置。３前記磁気ギヤツプを介して隣接する前記第１
および第２の磁気支承要素の外側磁極リングと前
記第３および第４の磁気支承要素の外側磁極リン
グとは、上記各磁気支承要素の内側磁極リングよ
り高い、磁束密度を実現せしめ磁束飽和状態を呈
すように設定されていることを特徴とする特許請
求の範囲第１項または第２項記載の磁気軸受装
置。４前記磁気ギヤツプを介して隣接する前記第１
および第２の磁気支承要素の外側磁極リングと前
記第３および第４の磁気支承要素の外側磁極リン
グとは、上記磁気ギヤツプを介して通過する磁束
に関して上記対向する外側磁極リングの相対位置
が半径方向に扁心した場合に半径方向復元力とし
て有効に作用する磁束分布を実現できる端面部形
状に設定されてあることを特徴とする特許請求の
範囲第１項または第２項記載の磁気軸受装置。５前記第１、第２の磁気支承要素および前記第
３、第４の磁気支承要素の少なくとも一方に所属
する磁気支承要素は、前記磁気ギヤツプ側の位置
に電磁的振動減衰要素が付加されたものであるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第４項
の何れかに記載の磁気軸受装置。