WO2006098500A1 - 磁気装置 - Google Patents

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magnetic
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magnetic pole
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Masaaki Yamakata
Kiyoshi Akiyama
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Rigaku Corporation
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406—Magnetic bearings
    • F16C32/044—Active magnetic bearings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K16/00—Machines with more than one rotor or stator
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K37/00—Motors with rotor rotating step by step and without interrupter or commutator driven by the rotor, e.g. stepping motors
    • H02K37/02—Motors with rotor rotating step by step and without interrupter or commutator driven by the rotor, e.g. stepping motors of variable reluctance type
    • H02K37/04—Motors with rotor rotating step by step and without interrupter or commutator driven by the rotor, e.g. stepping motors of variable reluctance type with rotors situated within the stators
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
    • H02K41/03—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/08—Structural association with bearings
    • H02K7/09—Structural association with bearings with magnetic bearings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2201/00—Specific aspects not provided for in the other groups of this subclass relating to the magnetic circuits
    • H02K2201/18—Machines moving with multiple degrees of freedom

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic device including an electromagnet and a ferromagnetic material provided so as to face the magnetic pole surface of the electromagnet in a non-contact manner, and more specifically, a magnetic bearing using a magnetic force of an electromagnet, a linear motor, etc. It is related with a suitable magnetic apparatus.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2 0 0 1 -2 6 3 3 5 1 discloses a magnetic bearing structure that supports a rotor rotatably using an attractive force of an electromagnet. Disclosure of the invention
  • the present inventors Based on the structure of a conventional magnetic device, the present inventors have made extensive studies focusing on the shape of the magnetic pole surface of an electromagnet that generates magnetic flux. They discovered that by forming a large number of protrusions on the magnetic pole surface of the electromagnet and on each facing surface of the ferromagnetic material controlled by the electromagnet, a unique effect can be obtained.
  • a magnetic device including an electromagnet and a ferromagnetic body that is provided so as to face the magnetic pole face of the electromagnet in a noncontact manner, the magnetic pole face of the electromagnet and the opposing face of the ferromagnetic body A large number of convex portions are formed.
  • the ferromagnetic body is provided on the driven body, and the multiple protrusions are provided on the driven body. It can be set as the structure arrange
  • the magnetic flux generated by the electromagnet concentrates on many convex parts.
  • the position resolution of the attractive force or repulsive force against the ferromagnet is increased, and the ferromagnet can be regulated with high accuracy.
  • each convex portion preferably has a shape in which the cross-sectional area decreases toward the tip.
  • the present invention may be configured such that the following first to third requirements are satisfied in the above magnetic device in which the driven body is driven in a non-contact manner by the electromagnet and the ferromagnetic body.
  • a plurality of electromagnets are provided, and the electromagnets are arranged side by side in the direction in which the driven body is to be driven.
  • a ferromagnetic material is provided on the driven body.
  • the magnetic pole faces of the plurality of electromagnets are shifted so that the phase of the convex part formed on each magnetic pole face can be restored in an arbitrary period.
  • the direction of the attraction force or repulsive force due to the magnetic force to the ferromagnetic material is moved by controlling each electromagnet at a predetermined timing and moving the magnetic field.
  • the driven body can be moved.
  • the magnetic flux generated by the electromagnet concentrates on many convex parts, so the positional resolution of the attractive force or repulsive force against the opposing ferromagnetic material is increased, and the movement control of the ferromagnetic material is performed with high accuracy. It becomes possible.
  • each convex portion has a rectangular longitudinal section.
  • the electromagnet includes an iron core mounted outside the case and a magnetic coil wound around the iron core,
  • the end surface of the iron core constitutes the magnetic pole surface
  • the end surface of the iron core is formed of a non-laminated ferromagnet
  • the non-laminated ferromagnet is formed on the inner surface of the case so that it becomes a part of the inner wall of the case.
  • An exposed configuration can be adopted.
  • the inside of the case has a high vacuum atmosphere.
  • conventional vacuum motors are provided with magnetic bearings inside the case (see, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 10-288891), and in addition to the iron core of the electromagnet constituting the motor. Since laminated steel sheets were used, it was difficult to create a high vacuum atmosphere in the case due to the effect of gas released from the resin adhesive sandwiched on the laminated steel sheets.
  • the electromagnet outside the case, even if the iron core constituting the magnetite is formed of a laminated steel plate, it is not affected by the gas released from the laminated steel plate.
  • the inside of the case can be in a high vacuum atmosphere.
  • stator just disposing the stator outside the case increases the distance from the ferromagnetic body provided on the driven body, which reduces the magnetic force required to drive the driven body and provides sufficient torque. May not be obtained.
  • the end surface of the iron core constituting the magnetic pole is formed of the non-laminated ferromagnetic material, and the end surface of the iron core is exposed to the inner surface of the case, so that the ferromagnetic material provided in the driven body And the interval is narrowed.
  • a strong magnetic force can be obtained, and the driven body can be driven with a sufficiently large torque.
  • the end face of the iron core is made of a non-laminated ferromagnet, no gas is emitted from the part even if it is exposed to the inner surface of the case.
  • iron cores made of non-laminated ferromagnets can maintain high durability and corrosion resistance even at high temperatures and in environments where temperature changes are severe.
  • the magnetic flux generated by the electromagnet is concentrated on the large number of convex portions.
  • the position resolution of the attractive force or repulsive force against the opposing ferromagnet is increased, and the movement control and movement control of the ferromagnet can be performed with high accuracy.
  • FIG. 1 is a front sectional view showing a first embodiment in which the magnetic device of the present invention is applied to a magnetic bearing.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line A_A in FIG. The cross section of the case is omitted.
  • Fig. 3 is a cross-sectional view taken along line BB in Fig. 1. The cross section of the case is omitted.
  • Fig. 4 is a front sectional view of the case.
  • Fig. 5 is a front view of the rotating shaft.
  • Fig. 6A, Fig. 6B, and Fig. 6C are diagrams for explaining the convex shape and operating principle of the magnetic bearing.
  • FIG. 7 is a front sectional view showing a second embodiment in which the magnetic device of the present invention is applied to a linear motor.
  • 8A, 8B, 8C, and 8D are diagrams for explaining the convex shape and formation pitch of the magnetic drive unit, and the operating principle.
  • FIG. 9 is a view showing a modification of the magnetic bearing according to the first embodiment.
  • FIG. 10 is a view showing another modification of the magnetic bearing according to the first embodiment.
  • FIG. 11 is a diagram showing experimental data performed to obtain a suitable convex shape for a magnetic bearing.
  • FIG. 12 is a diagram showing experimental data performed to obtain a suitable convex shape for a linear motor.
  • FIG. 1 to 6C show a first embodiment in which the magnetic device of the present invention is applied to a magnetic bearing.
  • the device shown in Fig. 1 is a rotary motor device. Case 1 and rotating shaft 2 (driven Body), the magnetic bearing 3 and the rotation drive unit 4 constitute a main part.
  • the inside of the case 1 is hollow (see FIG. 4), and a round rod-shaped rotating shaft 2 (driven body) is accommodated in the hollow portion of the case 1.
  • the magnetic bearing 3 rotatably supports the rotary shaft 2 without contact.
  • the magnetic bearing 3 includes a plurality of electromagnets 10 provided near both ends of the case 1 and a ferromagnetic portion 2 formed on the rotary shaft 2. It is composed of 0.
  • the plurality of electromagnets 10 are provided in the vicinity of both ends of the case 1 at regular intervals in the circumferential direction. In the present embodiment, as shown in FIG. 2, four electromagnets 10 are provided at 90 ° intervals.
  • the rotating shaft 2 is formed of a ferromagnetic material, and a part of the rotating shaft 2 is processed as a ferromagnetic material portion 20 that is a constituent element of the magnetic bearing 3.
  • the electromagnet 10 is formed by winding a coil 12 around a U-shaped iron core 11.
  • the end face of the iron core 1 1 constitutes the magnetic pole faces 1 1 a and 1 1 b (see Fig. 4).
  • the magnetic flux generated when the coil 1 2 is energized is released from one magnetic pole face 1 1 a and the other A magnetic circuit returning to the magnetic pole face 1 1 b is formed.
  • the electromagnet 10 is provided outside the case 1, and only the magnetic pole surfaces 11 a and 11 b are exposed on the inner peripheral surface of the case 1.
  • On each magnetic pole face 11a, 11b a large number of fine protrusions 13 are formed along the axial direction of the rotary shaft 2 at regular intervals (see Figs. 1 and 4).
  • Each convex portion 13 extends in the inner peripheral direction of the case 1.
  • the ferromagnetic part 20 formed on the rotating shaft 2 is opposed to the magnetic pole faces 11a and 11b of the electromagnet 10 with a slight gap, and a number of fine convex parts 2 are formed on the surface. 1 are arranged at regular intervals along the axis of the rotating shaft 2 (see Fig. 1 and Fig. 5).
  • Each convex portion 21 extends in the circumferential direction of the rotating shaft 2.
  • the rotation drive unit 4 is provided at an intermediate part sandwiched between magnetic bearings 3 provided near both ends of the case 1.
  • the rotation drive unit 4 includes a plurality of electromagnets 30 provided on the case 1 and a rotor unit 40 formed on the rotation shaft 2.
  • the plurality of electromagnets 30 are provided at regular intervals in the circumferential direction of the case 1 as shown in FIG.
  • the rotor part 40 is formed by processing a part of the rotating shaft 2 made of a ferromagnetic material.
  • the electromagnet 30 is formed by winding a coil 3 2 around a U-shaped iron core 31.
  • the end face of the iron core 3 1 constitutes magnetic pole faces 3 1 a and 3 1 b (see Fig.
  • the electromagnet 30 is provided outside the case 1, and only the magnetic pole surfaces 3 1 a and 3 1 b are exposed on the inner peripheral surface of the case 1.
  • a large number of fine protrusions 33 are arranged along the circumferential direction of the rotating shaft 2 at regular intervals on each of the magnetic pole surfaces 3 1 a and 3 1 b (see FIG. 3). Each convex portion 33 extends in the longitudinal direction of case 1.
  • the rotor part 40 formed on the rotating shaft 2 is opposed to the magnetic pole surfaces 3 1 a and 3 1 b of the electromagnet 30 with a slight gap, and a number of fine convex parts 41 are formed on the surface. They are arranged at regular intervals along the circumferential direction of the rotating shaft 2 (see Fig. 1 and Fig. 5). Each convex portion 41 extends in the axial direction of the rotating shaft 2.
  • a non-contact sensor 50 is provided on the peripheral wall of the case 1 in order to detect a distance (a radial distance) from the outer peripheral surface of the rotary shaft 2.
  • these non-contact sensors 50 for example, an eddy current sensor, a capacitance sensor, an optical sensor or the like can be applied.
  • FIG. 6A to FIG. 6C are diagrams for explaining the convex shape and operating principle of the magnetic bearing described above.
  • the convex part 1 3 formed on the magnetic pole surface of the electromagnet 10 constituting the magnetic bearing 3 and the convex part 2 1 formed on the ferromagnetic part 20 of the rotating shaft 2 are the same. And are formed with equal spacing.
  • These convex portions 1 3 and 2 1 have a shape (ie, a trapezoidal shape) in which the cross-sectional area decreases toward the tip.
  • the shapes of the convex portions 13 and 21 are set based on the below-described embodiments implemented by the present inventors.
  • the magnetic flux generated in the electromagnet 10 flows from the tip of each convex portion 13 formed on one magnetic pole surface 11a to each convex portion 21 in the opposing ferromagnetic body portion 20. At the tip of It flows toward.
  • the magnetic flux that has entered each convex portion 21 of the ferromagnetic part 20 is a ferromagnetic that faces the other magnetic pole face 11 b through the ferromagnetic part 20.
  • a magnetic circuit is formed by feeding back from the tip of each convex part 21 of the body part 20 to each convex part 13 formed on the other magnetic pole face 11 b.
  • a radial direction due to the magnetic flux is formed between each convex portion 13 formed on the magnetic pole surfaces 11a and 11b and each convex portion 21 of the ferromagnetic body portion 20 opposite thereto.
  • a suction force acts.
  • the magnetic bearing 3 includes a plurality of electromagnets 10 at regular intervals in the circumferential direction (intervals of 90 ° in this embodiment), and each electromagnet 10 is controlled by a control circuit (not shown).
  • the rotating shaft 2 is supported in a magnetically levitated state.
  • the control circuit calculates the value of the current flowing through the coil 12 based on the detection signal from the non-contact sensor 50, and controls each magnetic bearing with the calculated current value.
  • the magnetic flux generated by the electromagnet 10 is concentrated on a large number of convex portions 13, the restoring force in the axial direction is suppressed while suppressing a decrease in the radial attractive force with respect to the ferromagnetic body portion 20. appear. For this reason, it is possible to regulate the movement of the rotary shaft 2 with high accuracy.
  • the magnetic bearing 3 of the present embodiment it is possible to support the rotating shaft 2 as a driven body not only in the radial direction but also in the axial direction. Therefore, it is not necessary to separately provide a thrust bearing for restricting the movement of the rotary shaft 2 in the axial direction, and it is possible to reduce the size, reduce the price, and facilitate the control.
  • FIG. 7 shows a second embodiment in which the magnetic device of the present invention is applied to a linear motor.
  • the main part of the linear motor shown in FIG. 7 is composed of a case 1, a driven body 2, and a magnetic drive section 5 that moves the driven body 2 in the axial direction.
  • the magnetic bearing for magnetically levitating the driven body 2 is omitted.
  • the case 1 has a hollow interior, and a driven body is accommodated in the hollow portion of the case 1.
  • the driven body 2 is movable in the longitudinal direction within the case 1.
  • the magnetic drive unit 5 includes an electromagnet 60 provided on the peripheral wall of the case 1 and a ferromagnetic body unit 20 formed on the driven body 2.
  • the driven body 2 is formed of a ferromagnetic material, and almost entirely forms the ferromagnetic body portion 20.
  • the electromagnets 60 are provided in a plurality of rows (three rows in FIG. 7) at regular intervals in the moving direction of the driven body 2, that is, the longitudinal direction of the case 1.
  • the electromagnet 60 is formed by winding a coil (not shown) around a U-shaped iron core 61.
  • Each end surface of the iron core 61 forms a magnetic pole surface, and the magnetic pole surfaces are arranged in the circumferential direction of the case 1.
  • a magnetic flux is generated inside the iron core 61, and a magnetic circuit is formed that is released from one magnetic pole surface and returns to the other magnetic pole surface.
  • the electromagnet 60 is provided outside the case 1, and only the magnetic pole surface is exposed on the inner peripheral surface of the case 1.
  • each convex portion 62 extends in the inner peripheral direction of the case 1.
  • the ferromagnetic body portion 20 formed on the driven body 2 is opposed to the magnetic pole surface of the electromagnet 60 with a slight gap, and a large number of fine convex portions 21 are fixed on the surface thereof.
  • the driven bodies 2 are formed side by side along the moving direction.
  • Each convex portion 21 extends in the circumferential direction of the driven body 2.
  • 8A to 8D are diagrams for explaining the convex shape, formation pitch, and operating principle of the magnetic drive unit described above.
  • the convex part 62 formed on the magnetic pole surface of the electromagnet 60 constituting the magnetic driving part 5 and the convex part 21 formed on the ferromagnetic part 20 of the driven body 2 are Same for each It is formed in a shape.
  • These convex portions 6 2 and 21 have a shape having a rectangular longitudinal section.
  • the shape of the convex portions 6 2, 21 is set based on the below-described embodiments implemented by the present inventors.
  • a large number of convex portions 21 formed on the driven body 2 are formed side by side at regular intervals.
  • the magnetic pole surfaces of the plurality of electromagnets 60 are shifted so that the phase of the convex portion 62 formed on each magnetic pole surface can be restored in an arbitrary period.
  • a large number of convex portions 6 2 a, 6 2 b, 6 2 c forces S formed on each of the three rows of electromagnets 60 are formed on the driven body 2.
  • the phase is shifted by 1 to 3 for each electromagnet.
  • the convex portions 62 formed on the same magnetic pole face are arranged at equal intervals.
  • energization of the coils is controlled as shown in FIGS. 8B to 8D, for example.
  • the electromagnet 60 in the first row is energized, the magnetic flux is released from the convex portion 6 2 a formed on the magnetic pole face of the iron core 61 in the electromagnet 60, and the closest ferromagnetic body 2 It flows into the convex part 2 1 of 0.
  • An attractive force due to the magnetic flux acts between these convex portions 6 2 a and 21, and the convex portion 21 of the ferromagnetic portion 20 is formed on the magnetic pole surface of the iron core 61 in the electromagnet 60 with the attractive force. It moves to a position facing the convex portion 6 2 a (FIG.
  • the magnetic flux generated in the electromagnet 60 is concentrated on the many convex portions 62, the position resolution of the attractive force with respect to the ferromagnetic body portion 20 is enhanced. For this reason, it becomes possible to control the movement of the driven body 2 with high accuracy.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a modification of the magnetic device according to the first embodiment.
  • the iron core 11 of the electromagnet 10 constituting the magnetic bearing 3 and the iron core 31 of the electromagnet 30 constituting the rotation drive unit 4 are formed of laminated steel plates.
  • a thin plate made of non-laminated ferromagnets 70 and 7 1 is attached to the end faces (magnetic pole faces) of the iron cores 11 and 3 1 of the electromagnet. It is preferable that 7 0 and 7 1 be exposed to the inner peripheral surface of case 1.
  • the inside of the case 1 needs to be a vacuum atmosphere.
  • the electromagnet outside the case 1, even if the iron cores 11, 3 1 constituting the electromagnets 10, 30 are formed of laminated steel plates, the release from the laminated steel plates
  • the case 1 can be in a high vacuum atmosphere without being affected by gas.
  • stainless steel electromagnettic stainless steel
  • pure iron, steel, alloys such as permendur (Fe50 / Co50), ferrite, etc. can be applied.
  • the electromagnetic stainless steel is preferable in that it has a high magnetic permeability, excellent corrosion resistance, good eddy current characteristics, and low gas adsorption.
  • FIG. 10 is a diagram showing another modified example of the magnetic device according to the first embodiment.
  • the rotating shaft 2 (driven body) is formed of a non-magnetic material, and annular members 80, 81 formed of a ferromagnetic material are fitted into the rotating shaft 2.
  • the annular members 8 0 and 8 1 are formed with the convex portions 2 1 and 4 1 described above.
  • the annular members 80 and 8 1 can be magnetically shielded. Therefore, it is possible to increase the magnetic force by suppressing the leakage of the magnetic flux.
  • the magnetic force generated by the electromagnet acts on the permanent magnet as a repulsive force or a strong attractive force. Using this force, it is also possible to regulate the movement and control of the driven body.
  • the “ferromagnet” includes a substance that exhibits ferromagnetism in an excited state of an electromagnet, for example, iron or electromagnetic stainless steel.
  • FIG. 11 is a diagram showing experimental data performed to obtain a suitable convex shape for a magnetic bearing.
  • the experiment was performed by forming a convex part with a depth of about 1 mm and measuring the suction force generated between the opposing convex parts by changing the inclination angle 0 on both sides as appropriate.
  • the convex portion is formed in a trapezoidal shape with an inclination angle of about 20 ° for a configuration that restricts movement of a magnetic bearing or the like.
  • FIG. 12 is a diagram showing experimental data performed to obtain a suitable convex shape for a linear motor.
  • the experiment was performed by forming a convex part with a depth of about 1.2 mm and measuring the torque generated between the opposing convex parts by changing the tilt angle 0 on both sides as appropriate.
  • the largest torque was generated when the angle of inclination of both sides was 0 °, that is, a rectangular cross section. From this experimental result, it is preferable that the convex portion is formed in a rectangular cross section for the configuration for controlling the drive of the linear motor or the like.
  • the magnetic flux generated by the electromagnet is concentrated on the large number of convex portions.
  • the position resolution of the attractive force or repulsive force against the opposing ferromagnet is increased, and the movement control and movement control of the ferromagnet can be performed with high accuracy.

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Abstract

ケース(1)に回転軸(2)を収納する。回転軸(2)には強磁性体部(20)を形成し、ケース(1)に電磁石(10)を設ける。電磁石(10)の磁極面には、回転軸(2)の移動を規制したい方向に多数の凸部(13)を並べて形成する。また、強磁性体部(20)にも同様に多数の凸部(21)を形成する。この構成により、電磁石(10)で発生した磁束が凸部(13)に集中し、その結果、強磁性体部(20)に対する径方向への吸引力の減少を抑えつつ、軸方向における復元力が発生する。このため、回転軸(2)の軸方向への移動を規制することが可能となる。

Description

明 細 書 磁気装置 技術分野
本発明は、 電磁石と、 この電磁石の磁極面と非接触にて対向して設けられた強磁 性体とを備えた磁気装置に関し、 詳しくは電磁石の磁力を利用した磁気軸受ゃリ二 ァモータ等に好適な磁気装置に関する。
背景技術
従来から磁気装置に関する発明は、 多数提案されている。 例えば、 特開 2 0 0 1 - 2 6 3 3 5 1号公報には、 回転子を電磁石の吸引力を利用して回転自在に支持す る磁気軸受構造が開示されている。 発明の開示
本発明者らは、 従来の磁気装置の構造を踏まえ、 磁束を発生させる電磁石の磁極 面の形状に着目して鋭意研究を重ねてきた。 そして、 電磁石の磁極面および電磁石 によって制御される強磁性体の各対向面に多数の凸部を形成することにより、 従来 にない特有の効果が得られることを発見した。
すなわち、 本発明は、 電磁石と、 この電磁石の磁極面と非接触にて対向して設け られた強磁性体とを備えた磁気装置において、 電磁石の磁極面および強磁性体の各 対向面に、 多数の凸部を形成したことを特徴とする。
具体的には、 電磁石と強磁性体とにより、 被駆動体を非接触にて支持する上記磁 気装置において、 強磁性体を被駆動体に設けるとともに、 上記多数の凸部を被駆動 体の移動を規制したい方向へ並べて配置した構成とすることができる。
力かる構成によれば、 電磁石で発生する磁束が多数の凸部に集中するため、 対向 する強磁性体に対する吸引力または反発力の位置分解能が高まり、 強磁性体を高精 度に移動規制することが可能となる。
上記の構成において、 各凸部は、 先端に向かって横断面積が小さくなる形状とす ることが好ましい。
また、 本発明は、 電磁石と強磁性体とにより、 被駆動体を非接触にて駆動する上 記磁気装置において、 次の第 1乃至第 3の要件を満たす構成とすることもできる。 第 1に、 電磁石を複数備え、 各電磁石は被駆動体を駆動させたい方向へ並べて配 置する。
第 2に、 強磁性体を、 被駆動体に設ける。
第 3に、 複数の電磁石の磁極面は、 各磁極面に形成された上記凸部の位相が、 任 意の周期でもとにもどるようにずらしてある
力、かる構成によれば、 各電磁石を所定のタイミングで制御して、 磁場を移動させ ることにより、 強磁性体に対する磁力による吸引力または反発力の方向が移動して いくため、 強磁性体とともに被駆動体を移動させることが可能となる。 この場合に も、 電磁石で発生する磁束が多数の凸部に集中するため、 対向する強磁性体に対す る吸引力または反発力の位置分解能が高まり、 強磁性体の移動制御を高精度に行う ことが可能となる。
上記の構成においては、 各凸部を、 矩形状の縦断面を有する形状とすることが好 ましい。
また、 駆動体がケースの内部に収納された上記磁気装置において、
電磁石が、 ケースの外部に装着された鉄心と当該鉄心に卷回された磁気コイルと を含み、
鉄心の端面が磁極面を構成するとともに、 当該鉄心の端面を非積層強磁性体で形 成し、 かつ当該非積層強磁性体をケースの内壁の一部となるように当該ケースの内 面に露出させた構成とすることができる。
例えば、 真空モータ等の磁気装置にあっては、 ケースの内部を高真空雰囲気とす る必要がある。 しかし、 従来の真空モータは、 このケースの内部に、 磁気軸受が配 設されており （例えば、 特開平 1 0— 2 8 8 1 9 1号公報参照） 、 しかもモータを 構成する電磁石の鉄心に積層鋼板が用いられていたので、 この積層鋼板にサンドィ ッチされた樹脂製接着剤から放出されるガスの影響により、 ケース内を高真空雰囲 気とすることが困難であった。
さらに、 真空モータを高温下で運転する必要のある場合は、 積層鋼板にサンドィ ツチされた樹脂製接着剤から多量のガスが放出されるため、 いっそう高真空雰囲気 を形成することが困難であった。
これに対し、 上記構成によれば、 電磁石をケースの外部に配設することで、 電磁 石を構成する鉄心が積層鋼板で形成されていても、 積層鋼板からの放出ガスの影響 を受けることなく、 ケース内を高真空雰囲気とすることができる。
しかし、 ステータをケースの外部に配設しただけでは、 被駆動体に設けられた強 磁性体との間隔が広がってしまい、 被駆動体を駆動するために必要な磁力が弱まり、 充分なトルクが得られないおそれがある。
上記構成によれば、 磁極を構成する鉄心の少なくとも端面を非積層強磁性体で形 成し、 さらにこの鉄心の端面をケースの内面に露出させることで、 被駆動体に設け られた強磁性体との間隔を狭めている。 これにより、 強力な磁力を得ることができ、 充分に大きなトルクをもって被駆動体を駆動することが可能となる。 鉄心の端面は、 非積層強磁性体で形成してあるので、 ケースの内面に露出させても当該部位からガ スが放出されることはない。 しかも非積層強磁性体で形成した鉄心は、 高温下や温 度変化の激しい環境下においても高い耐久性， 耐食性を保持することができる。 以上説明したように、 本発明によれば、 電磁石の磁極面および強磁性体の各対向 面に多数の凸部を形成したので、 電磁石で発生する磁束が多数の凸部に集中するた め、 対向する強磁性体に対する吸引力または反発力の位置分解能が高まり、 強磁性 体の移動規制や移動制御を高精度に行うことが可能となる。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の磁気装置を磁気軸受に適用した第 1の実施形態を示す正面断面 図である。
図 2は、 図 1の A _ A線断面図である。 なお、 ケースの断面は省略してある。 図 3.は、 図 1の B— B線断面図である。 なお、 ケースの断面は省略してある。 図 4は、 ケースの正面断面図である。
図 5は、 回転軸の正面図である。
図 6 A， 図 6 B， 図 6 Cは、 磁気軸受の凸部形状と作動原理を説明するための図 である。
図 7は、 本発明の磁気装置をリニァモータに適用した第 2の実施形態を示す正面 断面図である。
図 8 A， 図 8 B， 図 8 C， 図 8 Dは、 磁気駆動部の凸部形状と形成ピッチ、 およ び作動原理を説明するための図である。
図 9は、 第 1の実施形態に係る磁気軸受の変形例を示す図である。
図 1 0は、 第 1の実施形態に係る磁気軸受の他の変形例を示す図である。
図 1 1は、 磁気軸受について好適な凸部形状を求めるために行った実験データを 示す図である。
図 1 2は、 リニアモータについて好適な凸部形状を求めるために行った実験デー タを示す図である。 発明を実施するための最良の形態
本発明に係る好ましい実施の形態について図面を参照しながら説明する。
〔第 1の実施形態〕
図 1乃至図 6 Cは、 本発明の磁気装置を磁気軸受に適用した第 1の実施形態を示 している。
図 1に示す装置は回転式のモータ装置であり、 ケース 1と、 回転軸 2 (被駆動 体） と、 磁気軸受 3と、 回転駆動部 4とで主要部が構成されている。
ケース 1は内部が中空となっており （図 4参照） 、 このケース 1の中空部内に丸 棒状の回転軸 2 (被駆動体） が収納されている。
磁気軸受 3は、 回転軸 2を非接触にて回転自在に支持するもので、 ケース 1の両 端部付近にそれぞれ設けた複数の電磁石 1 0と、 回転軸 2に形成した強磁性体部 2 0とで構成してある。 複数の電磁石 1 0は、.ケース 1の両端部付近でそれぞれ周方 向に一定の間隔をおいて設けてある。 本実施形態では、 図 2に示すように、 4個の 電磁石 1 0を 9 0 ° ·間隔で設けてある。 また、 本実施形態では、 回転軸 2を強磁性 体で形成し、 その一部を磁気軸受 3の構成要素である強磁性体部 2 0として加工し てある。
電磁石 1 0は、 コ字状の鉄心 1 1にコイル 1 2を卷回して形成してある。 鉄心 1 1の端面は磁極面 1 1 a， 1 1 bを構成しており （図 4参照） 、 コイル 1 2を通電 したとき発生する磁束が、 一方の磁極面 1 1 aから放出され他方の磁極面 1 1 bに もどる磁気回路を形成する。 電磁石 1 0は、 ケース 1の外部に設けてあり、 磁極面 1 1 a , 1 1 bのみがケース 1の内周面に露出している。 各磁極面 1 1 a , 1 1 bに は、 多数の細かな凸部 1 3が一定の間隔で、 回転軸 2の軸方向に沿って並べて形成 してある （図 1，図 4参照） 。 各凸部 1 3はケース 1の内周方向に延びている。 回転軸 2に形成した強磁性体部 2 0は、 電磁石 1 0の磁極面 1 1 a , 1 1 bと僅 かな隙間を隔てて対向しており、 その表面には多数の細かな凸部 2 1が一定の間隔 で、 回転軸 2の軸方向に沿って並べて形成してある （図 1，図 5参照） 。 各凸部 2 1は、 回転軸 2の周方向に延びている。
回転駆動部 4は、 ケース 1の両端部付近に設けられた磁気軸受 3に挟まれた中間 部に設けてある。 この回転駆動部 4は、 ケース 1に設けた複数の電磁石 3 0と、 回 転軸 2に形成したロータ部 4 0とで構成してある。 複数の電磁石 3 0は、 図 3に示 すように、 ケース 1の周方向に一定の間隔をおいて設けてある。 本実施形態では、 ロータ部 4 0は、 強磁性体から成る回転軸 2の一部を加工して形成してある。 電磁石 3 0は、 磁気軸受 3と同様、 コ字状の鉄心 3 1にコイル 3 2を卷回して形 成してある。 鉄心 3 1の端面は磁極面 3 1 a , 3 1 bを構成しており （図 4参照） 、 コィノレ 3 2を通電したとき発生する磁束が、 一方の磁極面 3 1 aから放出され他方 の磁極面 3 1 bにもどる磁気回路を形成する。 電磁石 3 0は、 ケース 1の外部に設 けてあり、 磁極面 3 1 a， 3 1 bのみがケース 1の内周面に露出している。 各磁極 面 3 1 a , 3 1 bには、 多数の細かな凸部 3 3が一定の間隔で、 回転軸 2の周方向 に沿って並べて形成してある （図 3参照） 。 各凸部 3 3はケース 1の長手方向に延 びている。
回転軸 2に形成したロータ部 4 0は、 電磁石 3 0の磁極面 3 1 a , 3 1 bと僅か な隙間を隔てて対向しており、 その表面には多数の細かな凸部 4 1が一定の間隔で、 回転軸 2の周方向に沿って並べて形成してある （図 1，図 5参照） 。 各凸部 4 1は、 回転軸 2の軸方向に延びている。
また、 ケース 1の周壁には、 適所に回転軸 2の外周面との間の間隔 （径方向の間 隔） を検出するための非接触センサ 5 0が設けてある。 これら非接触センサ 5 0と しては、 例えば、 渦電流センサ、 静電容量センサ、 光学式センサなどを適用するこ とができる。
図 6 A乃至図 6 Cは、 上述した磁気軸受の凸部形状と作動原理を説明するための 図である。
図 6 Aに示すように、 磁気軸受 3を構成する電磁石 1 0の磁極面に形成した凸部 1 3、 および回転軸 2の強磁性体部 2 0に形成した凸部 2 1は、 それぞれ同じ形状 で且つ等しい間隔をもって形成されている。 これらの凸部 1 3 , 2 1は、 先端に向 かって横断面積が小さくなる形状 （すなわち、 台形状） としてある。 かかる凸部 1 3， 2 1の形状は、 本発明者らが実施した後述の実施例に基づいて設定したもので ある。
電磁石 1 0に発生した磁束は、 図 6 Bに示すように、 一方の磁極面 1 1 aに形成 した各凸部 1 3の先端から、 対向する強磁性体部 2 0における各凸部 2 1の先端に 向かって流れる。 なお、 図示してはいないが、 強磁性体部 2 0の各凸部 2 1に入つ た磁束は、 強磁性体部 2 0を経由して他方の磁極面 1 1 bと対向する強磁性体部 2 0の各凸部 2 1先端から他方の磁極面 1 1 bに形成した各凸部 1 3に帰還して磁気 回路を形成する。 かかる磁気回路において、 磁極面 1 1 a， 1 1 bに形成した各凸 部 1 3とこれらに対向する強磁性体部 2 0の各凸部 2 1との間に、 磁束による径方 向の吸引力が作用する。 磁気軸受 3は、 周方向に一定の間隔 （本実施形態では 9 0 ° の間隔） をおいて複数の電磁石 1 0を備えており、 各電磁石 1 0が図示しない制 御回路により制御されて、 回転軸 2を磁気浮上させた状態に支持する。 ここで、 制 御回路は、 非接触センサ 5 0からの検出信号に基づいてコイル 1 2に流す電流値が 計算し、 その計算された電流値をもって各磁気軸受を制御している。
また、 回転軸 2が軸方向に移動しょうとすると、 図 6 Cに示すように、 電磁石 1 0の磁極面 1 1 a， 1 1 bに形成した凸部 1 3と回転軸 2の強磁性体部 2 0に形成 した凸部 2 1との間の相対位置にずれが生じ、 これら凸部 1 3， 2 1の隙間が開く。 これに対して、 電磁石 1 0から発生した磁束は、 各凸部 1 3， 2 1の間隔を縮める 方向、 すなわち回転軸 2をもとの位置に戻そうとする方向 （軸方向） の吸引力とし て、 回転軸 2の強磁性体部 2 0に作用する。
ここで、 電磁石 1 0で発生する磁束は多数の凸部 1 3に集中しているので、 強磁 性体部 2 0に対する径方向への吸引力の減少を抑えつつ、 軸方向における復元力が 発生する。 このため、 回転軸 2を高精度に移動規制することが可能となる。 すなわ ち、 本実施形態の磁気軸受 3によれば、 被駆動体である回転軸 2を径方向のみなら ず軸方向にも支持することが可能となる。 したがって、 回転軸 2の軸方向への移動 を規制するためのスラスト軸受を別途設ける必要がなくなり、 小形化、 低価格化、 および制御の容易化を図ることができる。
回転駆動部 4は、 いわゆるステッピングモータを構成しており、 複数の電磁石 3 0に対する適切な電流制御を実行することで、 磁束により回転軸 2を回転駆動する。 〔第 2の実施形態〕 図 7は本発明の磁気装置をリユアモータに適用した第 2の実施形態を示している。 図 7に示すリニアモータは、 ケース 1と、 被駆動体 2と、 この被駆動体 2を軸方 向へ移動させる磁気駆動部 5とで主要部が構成されている。 なお、 図 7では、 被駆 動体 2を磁気浮上させる磁気軸受は省略してある。
ケース 1は内部が中空となっており、 このケース 1の中空部内に被駆動体が収納 されている。 被駆動体 2は、 ケース 1内で長手方向に移動自在となっている。
磁気駆動部 5は、 ケース 1の周壁に設けた電磁石 6 0と、 被駆動体 2に形成した 強磁性体部 2 0とで構成してある。 また、 本実施形態では、 被駆動体 2を強磁性体 で形成して、 そのほぼ全体が強磁性体部 2 0を形成している。
電磁石 6 0は、 被駆動体 2の移動方向、 すなわちケース 1の長手方向に一定の間 隔で複数列 （図 7では 3列） 設けられている。 電磁石 6 0は、 図では明確でないが、 コ字状の鉄心 6 1にコイル （図示せず） を卷回して形成してある。 鉄心 6 1の各端 面は磁極面を構成しており、 それら磁極面がケース 1の周方向に並ぶように配置し てある。 コイルを通電すると、 鉄心 6 1の内部に磁束が発生し、 一方の磁極面から 放出され他方の磁極面にもどる磁気回路が形成される。 電磁石 6 0は、 ケース 1の 外部に設けてあり、 磁極面のみがケース 1の内周面に露出している。 各磁極面には、 多数の細かな凸部 6 2が一定の間隔で、 被駆動体 2の移動方向 （すなわち、 長手方 向） に沿って並べて形成してある。 各凸部 6 2はケース 1の内周方向に延びている。 被駆動体 2に形成した強磁性体部 2 0は、 電磁石 6 0の磁極面と僅かな隙間を隔 てて対向しており、 その表面には多数の細かな凸部 2 1が一定の間隔で、 被駆動体 2の移動方向に沿って並べて形成してある。 各凸部 2 1は、 被駆動体 2の周方向に 延びている。
図 8 A乃至図 8 Dは、 上述した磁気駆動部の凸部形状と形成ピッチ、 および作動 原理を説明するための図である。
図 8 Aに示すように、 磁気駆動部 5を構成する電磁石 6 0の磁極面に形成した凸 部 6 2、 および被駆動体 2の強磁性体部 2 0に形成した凸部 2 1は、 それぞれ同じ 形状で形成されている。 これらの凸部 6 2 , 2 1は、 矩形状の縦断面を有する形状 となっている。 かかる凸部 6 2 , 2 1の形状は、 本発明者らが実施した後述の実施 例に基づいて設定したものである。
また、 被駆動体 2に形成された多数の凸部 2 1は、 一定の間隔で並べて形成して ある。 一方、 複数の電磁石 6 0の磁極面は、 各磁極面に形成された凸部 6 2の位相 が、 任意の周期でもとにもどるようにずらしてある。 本実施形態では、 図 8 Aに示 すように、 3列の電磁石 6 0の各々に形成した多数の凸部 6 2 a , 6 2 b， 6 2 c力 S、 被駆動体 2に形成された凸部 2 1に対し、 電磁石毎に 1ノ 3ずつ位相をずらして構 成してある。 なお、 同一の磁極面に形成した各凸部 6 2は、 等しい間隔で並んでい る。
3列の電磁石 6 0は、 例えば図 8 B乃至図 8 Dのようにコイルへの通電が制御さ れる。 まず、 第 1列目の電磁石 6 0を通電すると、 当該電磁石 6 0における鉄心 6 1の磁極面に形成された凸部 6 2 aから磁束が放出され、 もっとも近くにある強磁 性体部 2 0の凸部 2 1に流れる。 これら凸部 6 2 a , 2 1の間には磁束による吸引 力が作用し、 その吸引力をもって強磁性体部 2 0の凸部 2 1が電磁石 6 0における 鉄心 6 1の磁極面に形成された凸部 6 2 aと対向する位置に移動する （図 8 B ) 。 次に、 第 1列目の電磁石 6 0に対する通電を停止し、 第 2列目の電磁石 6 0を通電 すると、 当該電磁石 6 0における鉄心 6 1の磁極面に形成された凸部 6 2 bから磁 束が放出され、 もっとも近くにある強磁性体部 2 0の凸部 2 1に流れる。 これら凸 部 6 2 b , 2 1の間には磁束による吸引力が作用し、 その吸引力をもって強磁性体 部 2 0の凸部 2 1が電磁石 6 0における鉄心 6 1の磁極面に形成された凸部 6 2 b と対向する位置に移動する （図 8 C ) 。 続いて、 第 2列目の電磁石 6 0に対する通 電を停止し、 第 3列目の電磁石 6 0を通電すると、 当該電磁石 6 0における鉄心 6 1の磁極面に形成された凸部 6 2 cから磁束が放出され、 もっとも近くにある強磁 性体部 2 0の凸部 2 1に流れる。 これら凸部 6 2 c 2 1の間には磁束による吸引 力が作用し、 その吸引力をもって強磁性体部 2 0の凸部 2 1が電磁石 6 0における 鉄心 6 1の磁極面に形成された凸部 6 2 cと対向する位置に移動する （図 8 D ) 。 このようにして、 被駆動体 2を浮上状態で移動させることができる。
ここで、 電磁石 6 0に発生する磁束は多数の凸部 6 2に集中しているので、 強磁 性体部 2 0に対する吸引力の位置分解能が増強される。 このため、 被駆動体 2を高 精度に移動制御することが可能となる。
〔変形例〕
図 9は、 第 1の実施形態に係る磁気装置の変形例を示す図である。
本実施形態では、 磁気軸受 3を構成する電磁石 1 0の鉄心 1 1と、 回転駆動部 4 を構成する電磁石 3 0の鉄心 3 1とが、 積層鋼板によって形成されている。 この種 の電磁石を用いる場合は、 当該電磁石における鉄心 1 1， 3 1の端面 （磁極面） に、 非積層強磁性体 7 0， 7 1で形成した薄板を貼り付け、 かかる非積層強磁性体 7 0， 7 1をケース 1の内周面に露出される構成とすることがこのましい。
特に、 本実施形態の磁気装置を真空モータに適用する場合には、 ケース 1内を真 空雰囲気にする必要がある。 上記構成によれば、 電磁石をケース 1の外部に配設す ることで、 電磁石 1 0， 3 0を構成する鉄心 1 1， 3 1が積層鋼板で形成されてい ても、 積層鋼板からの放出ガスの影響を受けることなく、 ケース 1内を高真空雰囲 気とすることができる。
上記構成は、 第 2の実施形態に係るリユアモータにも適用できることは勿論であ る。
鉄心 1 1 , 3 1の端面に貼り付けた薄板を形成する非積層強磁性体 7 0 , 7 1とし ては、 J I S規格で 4 0 0番台が付されたステンレス （電磁ステンレス） が好適で ある。 この他にも、 純鉄、 鋼、 パーメンジュール（Fe50/Co50)等の合金、 フェライ トなどを適用することも可能である。 ただし、 透磁率が高く、 耐食性に優れ、 渦電 流特性が良好で、 ガス吸着性が低いという点において、 上記電磁ステンレスがもつ とも好ましい。
図 1 0は、 第 1の実施形態に係る磁気装置の別の変形例を示す図である。 図 1 0に示すように、 回転軸 2 (被駆動体） を非磁性体で形成するとともに、 強 磁性体で形成した環状部材 8 0， 8 1を回転軸 2に嵌め込む構成としてある。 環状 部材 8 0， 8 1には、 既述した凸部 2 1， 4 1が形成してある。 このように、 回転 軸 2を非磁性体で形成することで、 環状部材 8 0， 8 1 (強磁性体） を磁気的に遮 断することができる。 よって、 磁束のもれを抑制して磁力の増強を図ることが可能 となる。
なお、 本発明は上述した実施形態や変形例に限定されるものではない。
例えば、 強磁性体を高透磁率のものから、 高保持力のもの即ち永久磁石に変更す れば、 電磁石で発生した磁力が、 反発力や強い引力として永久磁石に作用する。 こ の力を利用して、 被駆動体の移動規制や移動制御を行うことも可能である。
本明細書において、 「強磁性体」 には電磁石の励起状態にて強磁性を示す物質、 例えば、 鉄や電磁ステンレスを含んでいる。
〔実験例〕
図 1 1は、 磁気軸受について好適な凸部形状を求めるために行った実験データを 示す図である。 実験は、 深さ 1 mm程度の凸部を形成し、 その両側面の傾斜角度 0 を適宜変えて、 対向する凸部間に生じる吸引力を測定する方法で実施した。 実験の 結果、 両側面の傾斜角度 0を 2 0 ° 程度に設定したとき、 もっとも大きな吸引力が 発生した。 この実験結果から、 磁気軸受等の移動規制を行う構成については、 凸部 を傾斜角度が 2 0 ° 程度の台形状に形成することが好ましい。
図 1 2は、 リニアモータについて好適な凸部形状を求めるために行った実験デー タを示す図である。 実験は、 深さ 1 . 2 mm程度の凸部を形成し、 その両側面の傾 斜角度 0を適宜変えて、 対向する凸部間に生じるトルクを測定する方法で実施した。 実験の結果、 両側面の傾斜角度 0を 0 ° 、 すなわち矩形断面としたとき、 もっとも 大きなトルクが発生した。 この実験結果から、 リニアモータ等の駆動制御を行う構 成については、 凸部を矩形断面に形成することが好ましい。 産業上の利用可能性
以上説明したように、 本発明によれば、 電磁石の磁極面および強磁性体の各対向 面に多数の凸部を形成したので、 電磁石で発生する磁束が多数の凸部に集中するた め、 対向する強磁性体に対する吸引力または反発力の位置分解能が高まり、 強磁性 体の移動規制や移動制御を高精度に行うことが可能となる。

Claims

請 求 の 範 囲 電磁石と、 この電磁石の磁極面と非接触にて対向して設けられた強磁性体と を備え、 前記電磁石の磁極面および前記強磁性体の各対向面に、 多数の凸部を 形成した磁気装置。 前記強磁性体を、 前記被駆動体に設けるとともに
前記多数の凸部を、 前記被駆動体の移動を規制したい方向へ並べて配置し、 前記電磁石と前記強磁性体とにより、 被駆動体を非接触にて支持する請求項 1の磁気装置。 前記各凸部は、 先端に向かって横断面積が小さくなる形状としてある請求項 2の磁気装置。 前記電磁石と前記強磁性体とにより、 被駆動体を非接触にて駆動する請求項 1の磁気装置において、 さらに、 次の第 1乃至第 3の要件を満たす磁気装置。 第 1に、 前記電磁石を複数備え、 各電磁石は前記被駆動体を駆動させたい方 向へ並べて配置する。
第 2に、 前記強磁性体を、 前記被駆動体に設ける。
第 3に、 前記複数の電磁石の磁極面は、 各磁極面に形成された凸部の位相が、 任意の周期でもとにもどるようにずらしてある。 前記各凸部は、 矩形状の縦断面を有する請求項 4の磁気装置。 前記被駆動体がケースの内部に収納され、
前記電磁石は、 前記ケースの外部に装着された鉄心と当該鉄心に卷回された 磁気コイルとを含み、
前記鉄心の端面が磁極面を構成するとともに、 当該鉄心の端面を非積層強磁 性体で形成し、 かつ当該非積層強磁性体を前記ケースの内壁の一部となるよう に当該ケースの内面に露出させた請求項 1の磁気装置。
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