JPH0573925B2 - - Google Patents

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JPH0573925B2
JPH0573925B2 JP60048460A JP4846085A JPH0573925B2 JP H0573925 B2 JPH0573925 B2 JP H0573925B2 JP 60048460 A JP60048460 A JP 60048460A JP 4846085 A JP4846085 A JP 4846085A JP H0573925 B2 JPH0573925 B2 JP H0573925B2
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magnetic
bearing
bearing part
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permanent magnet
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Johan K Fremerey
Albrecht Weller
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Forschungszentrum Jülich
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は物体の３軸位置安定化のための磁石軸
受けに関する。磁石軸受けは可動の軸受け部分の
互に対向する側に位置固定の軸受け部分を有して
いる。その位置固定の軸受け部分の間にその可動
の軸受け部分に一方向に侵入する永久磁石の磁束
が正しく保持されている。その磁束の方向に対し
て平行な復元力を発生させるために、位置固定の
軸受け部分に電気的なコイルが取り付けられ、そ
れらのコイルが可動の軸受け部分の位置を無接触
で調べるセンサシステムおよび調節器によつて制
御される。
この種の磁石軸受けは例えば米国特許明細書第
3860300号およびドイツ特許明細書第2444099号か
ら公知である。それらは特に磁気的に受けられる
回転子の軸方向の安定化のために使用される。例
えばJ.Vac.Sci.Technol.（昭和55年）第17巻第１
号第303頁およびそれ以降に掲載されたVoss／
Cohem著“UHV compatible chopper system
（UHVに適合するチヨツパシステム）”およびJ.
Phys.E.：Sci.Instrum.（昭和53年）第11巻第106
頁およびそれ以降に掲載されたFremerey／
Boden著“Active permanent magnet
suspensions for scientific instruments（科学的
装置のためのアクテイブな永久磁石懸垂）”と題
する論文が参照される。それらの公知の永久磁石
による回転子軸受けの利点は、それが、あらゆる
側で無接触の受けの目的のためには、回転子の軸
の方向の安定化のみを必要とすることにある。こ
の利点は何よりもまず、そのような受けが半径方
向に実質上いかなる減衰も持つていないという、
同様に公知の欠点という犠牲を払つて得られる。
その結果生じるクリテイカルな回転子回転数を越
える際の問題は、Voss／Cohemによつて前に述
べられた刊行物の中に記載されているように、回
転子システムの平衡をとる際に高い出費をしても
限られた程度にしか防止できない。回転子の受け
に及ぼす衝撃の擾乱となる影響を軽減するため
に、附加的な電子的または機械的な減衰装置を使
用することもまた公知である。Vacuum（昭和57
年）第32巻第10／11号第685頁およびそれ以降に
掲載されたFremerey著“Spinning rotor
vacuum gauges（スピンする回転子真空ゲージ）”
が参照される。
磁石軸受けの安定化のためには渦電流減衰装置
もまた使用される。そのようにして、米国特許明
細書第3929350号には、軸受けシステムを安定化
するために、回転する部分に固定された永久磁石
の正面に銅板を取り付けることが提案されてい
る。そのような減衰装置は使用される永久磁石材
料に対して低い効率を持つている。永久磁石の自
由端でそれによつて作り出される磁場が大きく発
散し、得ようと努めている半径方向の渦電流減衰
に必要な磁場方向にその銅板の中に僅かな到達距
離しか持つていないからである。
遥に高い効率が、二つの相前後して接続された
永久磁石の間の磁場に位置固定の銅板を取り付け
ることによつて得られる。ESA−CR報告(P)−
696MU／EX No.47055／15、第12頁が参照され
る。この装置では、磁場は銅板の中で実質上軸方
向に走り、そのようにして半径方向の回転子の運
動の渦電流減衰のために最適に磁場を利用し尽す
ことが保証される。中でも構造上の出費は大き
い。全体で６個のリング状の永久磁石が必要とさ
れ、そのうち２個はまた製造技術上不利な半径方
向の磁化方向を持つていなければならない。J.
Vac.Sci.Technol.（昭和47年）第９巻第１号第108
頁およびそれ以降に掲載されたFremerey著
“High vacuum gas friction manometer”と題
する論文に記載された、糸に懸垂された磁石シス
テムの半径方向の渦電流減衰は得られる効率に関
して磁気回路の構造上の形態において遥に簡単で
ある。こゝで、位置固定の銅板が永久磁石の正面
と平坦な鉄板の間で軸方向に走る磁場によつて貫
通されている。この装置では、中でも、渦電流減
衰装置の無接触に受けられた物体への結合が非常
に高価である。それには、それぞれ二つの互に独
立な方向の多素子の検出コイルおよび電磁的な偏
向コイルを持つたエレクトロニツクス増幅器が必
要である。
最後に挙げた二つの装置は、記載された出費の
ほかに、それが半径方向の減衰にのみ使用され得
るという欠点を持つている。それらは磁石軸受け
ではない。
既にさらに前に挙げられた米国特許明細書第
3929350号による渦電流減衰装置のみが減衰のた
めに半径方向軸受けの永久磁石を使用している。
しかし、それは前に述べた理由から低い効率しか
持つていない。磁気軸受けに必要な軸方向軸受け
は他の場所に配置されている。
本発明の課題は、たゞ一つの永久磁石回路の磁
束が軸方向の安定化のため、および同時に半径方
向のセンタリングと減衰のために使用される、有
効な渦電流減衰を使つた３軸無接触位置安定化の
ための、構造上できる限り簡単な磁石軸受けを提
供することである。
この課題は、本発明によれば、冒頭に述べた種
類の磁石軸受けにおいて、特許請求の範囲第１項
に示された特徴によつて解決される。それによれ
ば、その可動の軸受け部分が磁束方向に対して垂
直に向けられた間〓によつて互に分離された少な
くとも二つの永久磁石の領域を有している。その
間〓の中に高い導電性の非磁性材料で作られた板
が突き込んでいる。その板は位置を固定して設け
られており、可動の軸受け部分に触れない。
それらの永久磁石の領域がその間〓に設けられ
ることによつて、その間〓に回転する物体の軸に
対して平行な小さなリーケージ磁束の割合を持つ
た高い磁束が発生させられる。
極の面を通して外に出る磁束は、間〓に設けら
れた高い導電性の非磁性材料で作られた板に侵入
する。板の材料としては成可く銅が使用される。
このとき、板の表面に平行に設けられた極の面を
有する可動の軸受け部分がその板に対して平行に
動くときは、その板の中に可動の軸受け部分の運
動方向に対して垂直な方向を持つた電圧が誘起さ
れる。間〓の中にある板の部分は、そのようにし
て、電圧源となり、その際誘起される電圧の高さ
は可動の軸受け部分の運動速度に比例する。この
電圧源の内部抵抗は永久磁石の磁束が貫通する板
材料の断面積と長さから得られ、その導電性に依
存する。
可動の軸受け部分の減衰は、高い導電性の板の
板材料の磁気的に貫通されない領域が間〓領域で
発生させられた電圧源を短絡し、そのようにして
短絡電流が流れることによつて達成される。その
際消費される損失エネルギは運動する軸受け部分
の運動エネルギから得られる。その際、板は温ま
り、可動の軸受け部分の運動は弱まる。
板材料の磁気的に貫通された領域の外における
板の電気抵抗を低下させるために、特許請求の範
囲第２項によれば、本発明の他の一つの態様にお
いては、間〓の外部で板材料を厚くすることが予
定される。
回転する物体を受けるために、特許請求の範囲
第３項には磁石受けの好ましい一つの態様が示さ
れる。位置固定の軸受け部分は高い導磁性を持つ
た材料から成る中空シリンダに固定されており、
その中空シリンダが磁束の導磁および磁石軸受け
の磁気シールドの役をする。その中空シリンダは
磁石軸受けを一方では他の擾乱磁場に対してシー
ルドし、そのようにして磁石軸受けの非難の余地
のない駆動が、例えば駆動モータのような他の電
磁的装置の附近においても保証される。他方で
は、そのシールドはその磁石軸受け自体から出る
近隣の装置への磁気的擾乱もまた妨げる。そのほ
か、中空シリンダを持つた磁石軸受けは殆んど閉
じたユニツトを形成し、それは機械的に丈夫であ
り、取扱いが容易である。
この磁石軸受けの特性は、受動的な永久磁石に
よる軸受けシステムの安定化のための使用で特に
有利な仕方で有効となる（特許請求の範囲第４
項）。そのような軸受けは回転対称な構成で軸受
けの軸の方向に著しい力の不安定性を持つてお
り、その不安定性が受けられた回転物体をその磁
気的中性位置からいずれかの側に向つてつぎに可
能な軸方向の機械的な停止位置に追いやる。この
不安定性は本発明による磁石軸受けを取り付ける
ことによつて除去される。そのようにして、半径
方向に受動的な永久磁石の軸受けシステムがクリ
テイカルな回転数の領域においても、例えば章動
のような動的な不安定性が擾乱となつて現われる
ことなしに、駆動されることができる。受けられ
る物体の回転軸の横方向軸の囲りの回転振動に及
ぼす磁石軸受けの減衰作用は、磁石軸受けが回転
する物体の重心から遠くに取り付けられていれば
いる程、それだけ有利である。その磁石軸受けは
優先的に振動輪のための軸受けシステムに適して
いる。さらに、垂直な回転軸を持つた超遠心分離
器およびターボモレキユラーポンプのための引張
りまたは支え軸受けとしての使用は重要な有利な
点である。
本発明が以下に図面に図式的に示された実施例
を使つて一層詳しく説明される。
第１図には回転対称な磁石軸受けが示されてい
る。その磁石軸受けは垂直な軸２の囲りで回転す
る物体のシヤフト１のための引張りまたは支え軸
受けの役をしている。その磁石軸受けは位置固定
の軸受け部分３ａ，３ｂを持つており、それらは
高い導磁性の材料、成可く鉄で作られた中空シリ
ンダ４の構成部分である。位置固定の軸受け部分
３ａ，３ｂは中空シリンダ４と結合したリングを
形成しており、それらはこの実施例においては中
空シリンダ４の両方の端に設けられている。それ
らのリング状の位置固定の軸受け部分３ａ，３ｂ
と中空シリンダ４の間には磁石軸受けの制御のた
めのコイル５ａ，５ｂがあり、その電流量はセン
サシステム６およびエレクトロニツクス調節器７
を通じて制御される。電気的な接続線は図では破
線で示されている。センサシステムは回転する物
体のシヤフト１の位置を調べる。シヤフトの一部
１′は中空シリンダ４の中に軸方向に侵入してい
る。軸受け部分８がシヤフト部分１′の上にのつ
ており、シヤフトと一緒に回転し、したがつて磁
石軸受けの可動の軸受け部分を構成している。可
動の軸受け部分８は位置固定の軸受け部分３ａ，
３ｂの間に配置されており、その可動の軸受け部
分８の相対向する二つの側８′，８″は小さな中間
空間を形成して位置固定の軸受け部分３ａ，３ｂ
と小さい間隔をおいて対向している。可動の軸受
け部分と位置固定の軸受け部分の間では、磁束は
軸２に平行に走つている。軸２を環状面状に取り
囲んでいる磁束は第１図では断面図で画かれた軸
受け部分を貫通し、それぞれ閉じた線でしるされ
ている。
可動の軸受け部分８は二つの永久磁石の領域９
ａ，９ｂを持つており、それらは軸方向の間隔ａ
をおいて互に対向して設けられ、その間に、軸受
け領域９ａ，９ｂを分離している、磁束方向１０
を持つた発生させられる磁束に対して垂直に向け
られた間〓１１を形成している。間〓１１の中に
は、位置固定して配置され、実施例においては中
空シリンダ４に固定されている、リング状の板１
２が突き込んでいる。板１２は、それが磁束によ
つて貫通される程遠くまで間〓１１の中に突き込
んでいる。板１２は高い導電性の磁化できない材
料、成可く銅から成つている。
永久磁石の領域９ａ，９ｂを構成するために、
間〓１１に面した極面１３ａ，１３ｂで永久磁石
材料として成可く稀土類−コバルト合金が使用さ
れる。この高抗磁性材料は軸２に平行に磁化さ
れ、領域９ａ，９ｂが相前後して接続された永久
磁石を形成するように配置される。磁気的に反対
向きの極性を持つている位置固定の軸受け部分３
ａ，３ｂはそのようにして高い導磁性の中空シリ
ンダ４を通じて予め与えられた方向に永久磁石の
磁束を発生させる。第１図には、実施例で発生す
る磁束方向１０が矢印でわかり易くされている。
したがつて、位置固定の軸受け部分３ａ磁気的Ｎ
極を表わしており、軸受け部分３ｂは磁気的Ｓ極
を表わしている。
電流が流れるときリング状のコイル５ａ，５ｂ
によつて作り出される磁場は、コイルの中に反対
向きの電流が流れるとき軸方向の力を起すように
作用し、その軸方向の力は、コイルの中の電流の
方向にしたがつていずれの方向に、可動の軸受け
部分８に、したがつてシヤフト１に軸方向に作用
する。センサシステム６は予め与えられた軸方向
の基準位置からのシヤフトの偏位に比例する電気
信号を発生する。センサシステム６の信号は調節
器７によつて増幅され、コイル５ａ，５ｂの中の
電流方向および電流の強さを決定する。それによ
つてコイルを使つて発生させられ、可動の軸受け
部分８に及ぼされる軸方向の力はセンサシステム
６によつて測定される基準位置からのシヤフト１
の軸方向の偏位を打消すように作用する。基準位
置に達すると、電流はもはや流れない。
永久磁石の領域９ａ，９ｂの極面１３ａ，１３
ｂの間には高い磁束が発生させられる。極面１３
ａ，１３ｂを通つて外に出る磁束は間〓１１の中
に突き込んでいる板１２の中に磁束方向１０に侵
入し、その結果シヤフト１が半径方向に運動する
ときは、板１２の中に電圧が誘起させられる。し
たがつて、板１２の間〓１１の中にある領域は電
圧源を表わしており、その際誘起される電圧の高
さは可動の軸受け部分の半径方向の運動速度に比
例する。
板１２の間〓１１から突き出している部分は磁
束によつて貫通されていない。この磁場のない空
間においてはいかなる電圧も誘起されない。板１
２のこの外部領域１２によつて、間〓の内部にあ
る板の領域で発生させられる電圧源は短絡され
る。その際流れる短絡電流と結び付いた損失エネ
ルギは回転物体の運動エネルギから得られ、それ
を弱め、その際板１２は温まる。磁場のない空間
にある板１２の外側の領域においてできる限り低
い電気抵抗を作り出すために、板１２は間〓１１
の外にある領域に材料が厚くなつた部分１４を持
つており、それはこの実施例においては、間〓面
に対して対称に形成された、間〓１１よりも幅広
い大きさを有するリング状のカラーとして形成さ
れている。この材料が厚くなつた部分１４によつ
て板１２の中で高い短絡電流が得られ、厚くされ
ていない板と比較して、それが同じ高い誘起電圧
で遥に高い減衰作用に導く。
可動の軸受け部分８は複数の互に間隔をおいて
設けられた永久磁石の領域をそれらの領域の間に
発生する間〓の中に突き込んでいるそれぞれ１個
の板とともに持つことができる。それらの間〓は
磁束に対してそれぞれ垂直に走り、したがつて軸
２の方向に相前後し、かつ互に平行に設けられて
いる。磁石軸受けのこのような構造は減衰作用を
高める。
この実施例においては、リング状の永久磁石が
可動の軸受け部分８の永久磁石の領域９ａ，９ｂ
を形成しており、その際可動の軸受け部分に対し
て単位質量当り非常に高い磁気モーメントが得ら
れる。したがつて、シヤフト１と一緒に回転する
物体または回転子システムの重量負荷は小さい。
相前後して接続されたリング状の永久磁石の配置
はシヤフトの軸方向の偏位を補正するコイル５
ａ，５ｂのために最適の効率に導く。高抗磁性の
永久磁石の材料の磁気モーメントは、コイル５
ａ，５ｂの磁場によつても外部から軸受け部材の
中に侵入する磁場によつても悪い影響を及ぼされ
ないようなものである。同時に、高抗磁性の磁性
材料を目立たせる低い導磁性が回転物体の軸２の
方向に、位置固定の軸受け部分３ａ，３ｂに対す
る軸方向の可動の軸受け部分８の比較的小さな磁
気的な基礎不安定性を保証する。
高い導磁性材料で作られた中空シリンダ４は軸
受け部材の磁気シールドを形成し、それは一方で
は外部擾乱磁場に対して保護し、しかし他方では
磁石軸受け自体の強い磁場の結果起る磁石軸受け
の周囲にある隣接する装置に及ぼす磁気的な擾乱
の影響もまた妨げる。
第１図による磁石軸受けの特殊な応用が第２図
に示されている。第２図は、公知の方法で半径方
向に反撥する（半径方向軸受け１６ａ）または軸
方向に引張る作用（半径方向軸受け１６ｂ）を持
つた永久磁石１７ａ，１７ｂを有している二つの
受動的な永久磁石の半径方向軸受け１６ａ，１６
ｂを有する振動輪１５のための受動的な永久磁石
の軸受けシステムを示す。この実施例において
は、永久磁石１７ａは位置固定して設けられ、永
久磁石１７ｂはシヤフト１８および振動輪１５と
ともに回転子システムとして運動する軸受け部分
を形成している。回転子システムのためのこのよ
うな磁石による受けはその中性位置に、すなわち
可動の永久磁石１７ｂがシヤフト１８の軸方向に
位置固定の永久磁石１７ａに関して対称位置をと
るとき、回転子システムをその中性位置からいず
れかの側に向つて追い出す著しい軸方向力不安定
性を持つている。この不安定性は、第１図に示れ
た構造を示す磁石軸受け１９によつて除去され
る。磁石軸受け１９は増幅器２１を持つた位置セ
ンサシステム２１によつて前に記載され、第１図
に示された磁石軸受けと同じ方法で制御される。
磁石軸受け１９を使つて、シヤフト１８および振
動輪１５を持つた回転子システムは、このとき、
例えば章動のような動的な不安定性が擾乱となつ
て現われることなしに、クリテイカルな回転数の
領域でも駆動される。横方向の軸の周りのシヤフ
ト１８の回転振動に及ぼす磁石軸受け１９の減衰
作用は、磁石軸受け部材１９がその回転システム
の重心から遠くに取り付けられていればいる程そ
れだけ有利である。勿論減衰作用の増幅のために
複数の磁石軸受け１９を使用することができる。
本発明による磁石軸受けは、したがつて、つぎ
の特徴によつて際立つている。
その磁石軸受けはたゞ一つの環面状に閉じた永
久磁石回路を含んでいる。磁束に径路は第１図の
中に磁束方向１０で記された閉じた線によつて示
されている。
位置固定の軸受け部分３ａと３ｂの間の可動の
軸受け部分８の軸方向の無接触の安定化はコイル
５ａ，５ｂを使つて得られ、西ドイツ特許明細書
第2444099号の中に記載されているように、それ
らのコイルはセンサシステム６およびエレクトロ
ニツクス調節器７によつてそれぞれ反対方向の循
環方向の電流を使つて駆動される。これらの電流
の方向および強さは、シヤフト１の軸方向の位置
および可動の軸受け部分８の位置を無接触に調べ
るセンサシステムの出力信号によつて決定され
る。調節器７は、永久磁石領域９ａ，９ｂと結合
したコイル５ａ，５ｂを使つて、可動の軸受け部
分８が調節器の出力電流が消えるような軸方向の
位置から遠ざかるとすぐに、磁束方向１０に対し
て平行に作用する復元力に変換される電流を作り
出す。その調節器は同時に、その時々の軸方向の
位置に無関係に可動の軸受け部分８のあらゆる軸
方向の運動、特に軸方向の振動を打ち消すように
作用する減衰力を作り出す。
位置固定の軸受け部分３ａ，３ｂに対する可動
の軸受け部分８の半径方向のセンター合せは、永
久磁石の領域９ａ，９ｂおよび成可く鉄で作られ
ている磁化することができるリング状の位置固定
の軸受け部分３ａ，３ｂの同じ形の極面を小さな
間隔をおいて対向させることによつて得られる。
半径方向の減衰は結局、可動の軸受け部分８の
永久磁石の領域９ａ，９ｂの間に位置を固定して
取り付けられている、高い導電性の非磁性材料、
成可く銅で作られている板１２によつて作用を及
ぼされる。軸受け部分８が半径方向に運動すると
きは、板１２の磁束が侵入する領域の中に電圧が
誘起される。
本発明による磁石軸受けは、このようにして、
三つの互に独立な軸方向（一つは軸方向、二つは
半径方向）に無接触な復元力または求心力および
減衰力を供給する。それはたつた７個の本質的な
構成部分、すなわち位置固定の軸受け部分３ａ，
３ｂを形成する２個の鉄のリング、可動の軸受け
部分８のための２個のリング状の永久磁石の領域
９ａ，９ｂ、２個のコイル５ａ，５ｂおよび銅で
作られた１個のリング状の板１２から成つてい
る。すべての部分は簡単な方法で、原価を上げる
ことなしに製造される。
【図面の簡単な説明】
第１図は回転物体のための磁石軸受けを示す
図、第２図は第１図による磁石軸受けによつて安
定化された受動的な永久磁石による半径方向の受
けを持つた軸受けシステムを示す図である。 １…シヤフト、１′…シヤフトの一部、２…垂
直軸、３ａ，３ｂ…位置固定の軸受け部分、４…
中空シリンダ、５ａ，５ｂ…コイル、６…センサ
システム、７…エレクトロニツクス調節器、８…
可動の軸受け部分、９ａ，９ｂ…永久磁石の領
域、１０…磁束方向、１１…間〓、１２…リング
状の板、１３ａ，１３ｂ…極面、１５…振動輪、
１６ａ，１６ｂ…半径方向軸受け、１７ａ，１７
ｂ…永久磁石、１８…シヤフト、１９…磁石軸受
け、２０…位置センサシステム、２１…増幅器。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 可動の軸受け部分の互に対向する側に位置固
    定の軸受け部分を有し、そこで位置固定の軸受け
    部分の間にその可動の軸受け部分に一方向に侵入
    する永久磁石の磁束が保持され、その磁束の方向
    に対して平行な復元力を発生させるために、位置
    固定の軸受け部分に電気的なコイルが取り付けら
    れ、それらのコイルが可動の軸受け部分の位置を
    無接触で調べるセンサシステムおよび調節器によ
    つて制御される、物体の３軸無接触位置安定化の
    ための磁石軸受けにおいて、その可動の軸受け部
    分８が磁束方向１０に対して垂直に向けられた間
    〓１１によつて分離された少なくとも二つの永久
    磁石の領域９ａ，９ｂを有し、その間〓１１の中
    に高い導電性の非磁性材料で作られた位置固定の
    板１２がその可動部分８に触れることなしに突き
    込んでいることを特徴する磁石軸受け。 ２ その板１２が間〓１１の外に材料の厚くなつ
    た部分１４を有していることを特徴とする特許請
    求の範囲第１項記載の磁石軸受け。 ３ 軸受け部分３ａ，３ｂ，８が回転対称に形成
    されており、その際位置固定の軸受け部分３ａ，
    ３ｂが高い導磁性を持つた材料から成る中空シリ
    ンダ４を通じて互に結合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
    石軸受け。 ４ 受動的な永久磁石による軸受けシステムの安
    定化のための使用を特徴とする、特許請求の範囲
    前記諸項の一つに記載の磁石軸受け。
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