JPS5839250B2 - 磁気軸受 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、永久磁石の半径方向吸引力と電磁コイルの半
径方向制御吸引力との平衡により、ステータ部に対しロ
ータ部を非接触で支持する磁気軸受に関するものである
。

磁気軸受とは回転している物体を支持する力として、磁
気力を利用する軸受である。

この磁気軸受は、摩耗、疲労による寿命の制限がないこ
と、摩擦トルクが極めて小さいこと、真空・高温・低温
等の特殊な環境に対する適合性が優れている等の著しい
特色があるために近年盛んに研究されつつある。

そしてその用途としては例えば遠心分離器、真空ポンプ
、ジャイロ、精密測定器等の使用が有望されている。

一般には磁気軸受は永久磁石と電磁コイルを使用し、永
久磁石による吸引力の不平衡を電磁コイルの制御吸引力
によって補なうようになっている。

然し乍ら従来の磁気軸受では一般に永久磁石の磁束が通
る磁路と電磁コイルによる磁束が通過する磁路とは併用
されているので、磁束密度を上げると飽和する虞れがあ
って制御が困難となる欠点があった。

又、回転軸と直交する軸廻りの剛性を向上させるために
通常は軸方向に背が高く、かつ無駄な重量が多く、使用
目的によっては満足し得ないものであった。

本発明の目的は、前述の欠点を解消し、比較的偏平な形
状を有し、構造が簡明で回転軸と直交する軸廻りの剛性
も遜色のない磁気軸受を提供することにあり、その内容
は、非接触で相対的に回転し得る略円環状のロータ部と
ステータ部を有し比較的偏平な形状の軸受であって、ロ
ータ部は磁性体から成る１個のヨークから成り、ステー
タ部は軸対称に少なくとも３個に分割された磁性体から
成るヨークを非磁性体によって接続して成り、ロータ部
、ステータ部の何れか又は両方のヨークに永久磁石を配
置し、ロータ部のヨークとステータ部のヨーク間に永久
磁石のみの磁束が回転軸の半径方向に通過する第１の空
隙磁路を形成し、ロータ部、ステータ部の何れか一方の
ヨークに円周方向に沿った開口部を設け、他方のヨーク
の一部を２個の端部を有する円周方向に沿った挿入部と
して開口部に挿入し、該挿入部の両端部と開口端部との
間に永久磁石の磁束が回転軸の半径方向の内側及び外側
に向って通過する第２、第３の空隙磁路を形成し、ステ
ータ部のヨークのうち少なくとも２個に対して電磁コイ
ルを巻回し、永久磁石からの磁束は第１の空隙磁路を直
列に、第２、第３の空隙磁路を並列に通過するようにし
、永久磁石によりロータ部のヨークとステータ部のヨー
ク間に作用する半径方向の吸引力によってロータ部のス
テータ部に対する軸方向位置を安定させ、前記２個以上
の電磁コイルに流す電流の方向及び量を制御することに
よりロータ部ヨークとステータ部ヨーク間に半径方向の
制御力を作用させ、ロータ部とステータ部との所定相対
位置を保持するようにしたことを特徴とするものである
。

本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

第１図、第２図に示す磁気軸受では、略円環状のロータ
部１とステータ部２とが軸ｚ、ｚを中心として相対的に
無接触で回転し得るようになっている。

ロータ部１は例えば軟鉄などの磁性体から成るヨーク３
で構成され、その上部には断面で内側に折曲された端部
４を有し、下部は断面逆Ｔ字型を有する内端部５と外端
部６となっている。

一方、ステータ部２ば、軸対称方向に例えば４個に分割
され、軸ｚ、ｚ方向から見ると各々扇形状に形成された
分割部２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄから戊り、分割部２ａ〜
２ｄ間は例えばアルミニウムのような非磁性体から成る
連結部７によって連結され一体の円環が形成されている
。

このステータ部１の各分計部２ａ〜２ｄは、断面矩形状
のヨーク８ａ、ｓｂ、８ｃ、ｓｄと、断面角枠状で上辺
を開口した電磁ヨーク９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄとからな
り、ヨーク８ａ〜８ｄとｔ磁ヨーク９ａ〜９ｄの各々の
間には軸方向に磁化された永久磁石１０ａ、１０ｂ、１
０ｃ、１０ｄ （１ｏｂ。

１０ｄは図示せず）が介在され、電磁ヨーク９ａ〜９ｄ
の一部に電磁コイル１１ａ、ｌｌｂ。

１１ｃ、１１ｄが各々巻回されている。

ロータ部１のヨーク３の端部４はステータ部１のヨーク
８ａ〜８ｄの端部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ。

１２ｄと対向して、第１の空隙磁路１３が形成され、ヨ
ーク３の略Ｔ字状の内端部５と外端部６がステータ部２
の電磁ヨーク９ａ〜９ｄの開口部１４ａ、１４ｂ、１４
ｃ、１４ｄ間に挿入され、電磁ヨーク９ａ〜９ｄとの間
に各々第２及び第３の空隙磁路１５及び１６を形成して
いる。

ステータ部２にはロータ部１の、２つの直交する半径方
向、即ちＸ、Ｘ方向及びＹ、Ｙ方向の位置を検出するた
めの２組の位置検出器１７ｘ、１７ｙが設けられている
。

これらの位置検出器１７Ｘ。１７ｙの出力は調節回路１
８ｘ、１８ｙに入力され、ロータ部１の半径方向位置が
一定となるように各々の方向を制御する電磁コイル、即
ちＸ、Ｘ方向では分割部９ａ、９ｃの電磁コイル１１ａ
。

１１ｃに制御電流を流し、Ｙ、Ｙ方向では電磁コイル１
１ｂ、１１ｄに制御電流を流してロータ部１の位置を調
節するようになっている。

電磁コイル１１ａと１１ｃ、及び電磁コイル１１ｂと１
１ｄとは各々コイルの発生する力が同一方向になるよう
に、各々直列又は並列に接続されており、調節回路１８
ｘからの出力制御電流は前者の組に、１８ｙからの出力
制御電流は後者の組に供与されるようになっている。

又、ロータ部１をステータ部２に対し回転駆動するため
に、これらの間には電磁コイル、永久磁石などから構成
されるモータ部１９が設けられている。

実線で示す永久磁石１０ａ〜１０ｄからの磁束Ｚ１ は
、各々ヨーク８ａ〜８ｄを通り、第１の空隙磁路１３を
通過してロータ部１のヨーク３に流れ、更に内端部５と
外端部６の方向に分岐され、一方は第２の空隙磁路１５
を通過して電磁ヨーク９ａ〜９ｄ内を通って永久磁石１
０ａ〜１０ｄに戻り、他方は第３の空隙磁路１６を通過
し電磁ヨーク９ａ〜９ｄ内を通って永久磁石１０ａ〜１
０ｄに戻ることになる。

尚、永久磁石１０ａ〜１０ｄの極性を逆にすれば磁束グ
、は逆方向に流れることは勿論である。

今、ステータ部２の一つの分割部２ａについてのみ考え
、電磁コイル１１ａに電流が供給されていない状態を想
定してみると、永久磁石１０ａから発生する磁束グ、に
より、第１、第２及び第３の空隙磁路１３，１５及び１
６には各々半径方向に互に吸引し合う吸引力が作用する
ことになる。

然し第２及び第３の空隙磁路１５及び１６に作用する吸
引力は互に逆方向であり、はぼ相殺されることになり、
第１の空隙磁路１３に作用する吸引力が全体としてヨー
ク３に作用することになって、ヨーク３は半径方向の内
方に変位し、第１及び第２の空隙磁路１３及び１５の間
隙が閉じられることになる。

従って永久磁石１０ａからの磁束〆１は第３の空隙磁路
１６を通る磁束数が少なくなり、殆ど第２の空隙磁路１
５を通過することになる。

そこで位置検出器１７ｘがヨーク３の変位を検出して信
号を出力することにより、調節回路１８ｘから電磁コイ
ル１１ａに電流が供給され、電磁ヨーク９ａ及びヨーク
３の内端部５、外端部６の磁路に点線で示す磁束〆２を
通過させ、第３の空隙磁路１６の吸引力を強め、第２の
空隙磁路１５の永久磁石１０ａによる吸引力を弱めるよ
うに作用する。

するとヨーク３は第１及び第２の空隙磁路１３及び１５
の間隙を開くように半径方向の外方に移動することにな
る。

このようにしてヨーク３の位置を位置検出器１７ｘで検
出しながら電磁コイル１１ａに供給する電流を調節する
ことによって、ヨーク３は所定の安定位置となる。

実際にはステータ部２の各分割部２ａ〜２ｄは体に接続
されてむり、前述の分割部２ａはＸ、Ｘ方向には分割部
２ｃと一体に作動するので、電磁コイル１１ａに電流を
供給しなくともロータ部１とステータ部２との間に各冬
作用する永久磁石１０ａ、１０ｃからの吸引力は殆ど相
殺され、半径方向の中央位置がほぼ吸引力の平衡点とな
る。

然しこの平衡点は不安定であり、しかも設計条件等によ
りロータ部１の変位を回避することは不可能であって、
電磁コイル１１ａ又は１１ｃ又は両者同時に調節回路１
８ｘから供給する制御電流により分割部２ａ又は２ｃが
単独に又は両者が共働して作用し、ロータ部１のヨーク
３の位置を調節することが必要である。

又、分割部２ｂと２ｄについてもその作用は全く一様で
ある。

この電磁コイル１１ａ〜１１ｄに供給する電流は、永久
磁石１０ａ〜１０ｄによる吸引力を予め平衡に近い状態
即ち軸対称に設計することにより、極めて少ない量で効
果的に制御し得ることになる。

尚、軸方向位置の保持は、永久磁石１０の磁束による各
空隙磁路１３，１５及び１６に於けるロータ部１とステ
ータ部２の吸引力によってなされることになる。

第３図に示す実施例は、ロータ部１を内側に、ステータ
部２を外側に配置して、ロータ部１の中央部に大径の透
孔部３０を設け、例えばここに光学系等を嵌合してロー
タ部１を回転させながら各種計測装置に使用する磁気軸
受である。

例えば人工衛星に積み込む地球センサ用カメラ等では光
学系を回転させるのに潤滑材を必要とせず、かつ摩耗の
ない軸受が必要とされるが、この第３図の実施例はその
用途に極めて好適である。

即ち、ロータ部１の透孔部３０に例えばレンズ３１及び
プリズム３２を設置することにより、摩擦抵抗が少ない
ために僅かな電力で回転させることができ、地球センサ
用カメラの光学系として有効に用いることができる。

この動作原理については第１図、第２図の実施例と殆ど
同様であり、３３は口二り部１とステータ部２の間に設
置された駆動用モータである。

第４図は他の実施例を示すものであり、ロータ部１を内
側に、ステータ部２を外側に配置したものであって、第
１の空隙磁路１３′は永久磁石１０専用の通路であり、
第２及び第３の空隙磁路１５′及び１６′は永久磁石１
０と電磁コイル１１の併用通路となっている。

この実施例は、特にモータ４０の取付位置が内側となっ
て有利であり、更に永久磁石１０が内側に隠れるために
漏洩磁束が低減する利点がある。

このようにこの磁気軸受では、第１の空隙磁路１３は永
久磁石１０が介在することにより永久磁石１０の磁束〆
１専用の通路であり、電磁コイル１１からの磁束Ｚ２に
よって磁束密度を制御する必要がないので、十分に磁束
密度を高くして半径方向の吸引力を強め軸方向剛性を強
化することができる。

特に空隙磁路に於ける磁束の方向は全て半径方向であり
、空隙捷での半径が比較的に大きいために、全体の高さ
を低くすることができ、偏平な磁気軸受を製造し得る。

又、磁束は磁気軸受の中央の近傍を通す必要がないため
に中央部を他の目的に使用することが可能となり、例え
ば前述したようにこの部分に光学系を取付ける等の種々
の用途が考えられる。

実施例に於いては、ステータ部２を軸対称に４分割とし
たが、確かに４個の分割部２ａ〜２ｄとすることにより
制御が容易とはなるが必ずしも４分割に限られるもので
はない。

即ち、理論的にはステータ部２を３個以上に分割すれば
半径方向の全方向の制御が可能となり、電磁コイル１１
ばそのうちの少なくとも２個に設ければよい。

又、電磁コイル１１は、４個に分割した場合には２つの
制御方向に対し、最低者１個設置するだけにしても支障
はない。

尚、ステータ部２に設けた永久磁石１０は必ずしも分割
しなくとも１個の円環状のものをその１昔使用すること
もできる。

更に実施例に於いては、ヨーク３の端部５，６を電磁ヨ
ーク９の開口部１４ａ〜１４ｄに挿入するようにしたが
、磁気回路の構成を変えて電磁ヨーク９を開口部を設け
たヨーク３に挿入してもよい。

又永久磁石１０はロータ部１のヨーク３に設置すること
もできる。

なお、ステータ部２０分割は必ずしも各分割部２ａ〜２
ｄが別体であることを意味するのではなく、磁気抵抗が
十分に大きく磁束が各分割部２ａ〜２ｄ間を通過し難し
程度に磁気的に分割されていれば足りる。

以上説明したように本発明に係る磁気軸受は、ロータ部
と、ステータ部の分割部との間に各々３個の空隙磁路と
、１個の電磁コイルと、１個の永久磁石を有することに
なり、回転軸と直交する軸廻り剛性が強力となると共に
構造的にも従来の磁気軸受と比較して簡単である。

特に軸方向の高さは十分に縮少することができ偏平に製
作可能で、各種用途に使用することができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明に係る磁気軸受の実施例を示すものであり
、第１図は第１の実施例を示す断面図、第２図は平面図
、第３図は第２の実施例の断面図、第４図は第３の実施
例の片側のみを示す断面図である。 符号１はロータ部、２はステータ部、２ａ〜２ｄは分割
部、３はヨーク、８，８ａ〜８ｄはヨーク、９，９ａ〜
９ｄは電磁ヨーク、１０．１０ａ〜１０ｄは永久磁石、
ＩＬ１１ａ〜１１ｄは電磁コイル、１３．１３’は第１
の空隙磁路、１４ａ〜１４ｄは開口部、１５．１５’は
第２の空隙磁路、１６．１６’は第３の空隙磁路、１７
ｘ、１７ｙは位置検出器、１８ｘ、１８ｙは調節回路で
ある。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 非接触で相対的に回転し得る略円環状のロータ部と
   ステータ部とを有し比較的偏平な形状の軸受であって、
   ロータ部は磁性体から成る１個のヨークから成り、ステ
   ータ部は軸対称に少なくとも３個に分割された磁性体か
   ら成るヨークを非磁性体によって接続して成り、ロータ
   部、ステータ部の何れかの又は両方のヨークに永久磁石
   を配置し、ロータ部のヨークとステータ部のヨーク間に
   永久磁石のみの磁束が回転軸の半径方向に通過する第１
   の空隙磁路を形成し、ロータ部、ステータ部の何れか一
   方のヨークに円周方向に沿った開口部を設け、他方のヨ
   ークの一部を２個の端部を有する円周方向に沿った挿入
   部として該開口部に挿入し、該挿入部の両端部と開戸端
   部との間に永久磁石の磁束が回転軸の半径方向の内側及
   び外側に向って通過する第２、第３の空隙磁路を形成し
   、ステータ部のヨークのうち少なくとも２個に対して電
   磁コイルを巻回し、永久磁石からの磁束は第１の空隙磁
   路を直列に、第２、第３の空隙磁路を並列に通過するよ
   うにし、電磁コイルによって発生する磁束は第２、第３
   の空隙磁路を直列に通過するようにし、永久磁石により
   ロータ部のヨークとステータ部のヨーク間に作用する半
   径方向の吸引力によってロータ部のステータ部に対する
   軸方向位置を安定させ、前記２個以上の電磁コイルに流
   す電流の方向及び量を制御することによりロータ部ヨー
   クとステータ部ヨーク間に半径方向の制御力を作用させ
   、ロータ部とステータ部との所定相対位置を保持するよ
   うにしたことを特徴とする磁気軸受。