JP4942114B2 - 磁気装置 - Google Patents
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Description
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。
かかる構成によれば、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
かかる構成によれば、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巻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10−288191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イ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、積層鋼板にサンドイッ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6A,図6B,図6C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ア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8A,図8B,図8C,図8D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10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11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12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。
〔第1の実施形態〕
図1乃至図6C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10と、回転軸2に形成した強磁性体部20とで構成してある。複数の電磁石10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10を90°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20として加工してある。
電磁石10は、コ字状の鉄心11にコイル12を巻回して形成してある。鉄心11の端面は磁極面11a,11bを構成しており(図4参照)、コイル12を通電したとき発生する磁束が、一方の磁極面11aから放出され他方の磁極面11bにもどる磁気回路を形成する。電磁石10は、ケース1の外部に設けてあり、磁極面11a,11bのみがケース1の内周面に露出している。各磁極面11a,11bには、多数の細かな凸部13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13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20は、電磁石10の磁極面11a,11b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21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21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30と、回転軸2に形成したロータ部40とで構成してある。複数の電磁石30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40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30は、磁気軸受3と同様、コ字状の鉄心31にコイル32を巻回して形成してある。鉄心31の端面は磁極面31a,31bを構成しており(図4参照)、コイル32を通電したとき発生する磁束が、一方の磁極面31aから放出され他方の磁極面31bにもどる磁気回路を形成する。電磁石30は、ケース1の外部に設けてあり、磁極面31a,31bのみがケース1の内周面に露出している。各磁極面31a,31bには、多数の細かな凸部33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33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40は、電磁石30の磁極面31a,31b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41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41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50が設けてある。これら非接触センサ50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6A乃至図6C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6Aに示すように、磁気軸受3を構成する電磁石10の磁極面に形成した凸部13、および回転軸2の強磁性体部20に形成した凸部21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13,21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13,21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10に発生した磁束は、図6Bに示すように、一方の磁極面11aに形成した各凸部13の先端から、対向する強磁性体部20における各凸部21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20の各凸部21に入った磁束は、強磁性体部20を経由して他方の磁極面11bと対向する強磁性体部20の各凸部21先端から他方の磁極面11bに形成した各凸部13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11a,11bに形成した各凸部13とこれらに対向する強磁性体部20の各凸部21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90°の間隔)をおいて複数の電磁石10を備えており、各電磁石10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50からの検出信号に基づいてコイル12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が軸方向に移動しようとすると、図6Cに示すように、電磁石10の磁極面11a,11bに形成した凸部13と回転軸2の強磁性体部20に形成した凸部21との間の相対位置にずれが生じ、これら凸部13,21の隙間が開く。これに対して、電磁石10から発生した磁束は、各凸部13,21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20に作用する。
ここで、電磁石10で発生する磁束は多数の凸部13に集中しているので、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30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ニ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60と、被駆動体2に形成した強磁性体部20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20を形成している。
電磁石60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60は、図では明確でないが、コ字状の鉄心61にコイル(図示せず)を巻回して形成してある。鉄心61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61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60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62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62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20は、電磁石60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21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21は、被駆動体2の周方向に延びている。
図8A乃至図8D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8Aに示すように、磁気駆動部5を構成する電磁石60の磁極面に形成した凸部62、および被駆動体2の強磁性体部20に形成した凸部21は、それぞれ同じ形状で形成されている。これらの凸部62,21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62,21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21は、一定の間隔で並べて形成してある。一方、複数の電磁石60の磁極面は、各磁極面に形成された凸部62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8Aに示すように、3列の電磁石60の各々に形成した多数の凸部62a,62b,62cが、被駆動体2に形成された凸部21に対し、電磁石毎に1/3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62は、等しい間隔で並んでいる。
3列の電磁石60は、例えば図8B乃至図8D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60を通電すると、当該電磁石60における鉄心61の磁極面に形成された凸部62aから磁束が放出され、もっとも近くにある強磁性体部20の凸部21に流れる。これら凸部62a,21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20の凸部21が電磁石60における鉄心61の磁極面に形成された凸部62aと対向する位置に移動する(図8B)。次に、第1列目の電磁石60に対する通電を停止し、第2列目の電磁石60を通電すると、当該電磁石60における鉄心61の磁極面に形成された凸部62bから磁束が放出され、もっとも近くにある強磁性体部20の凸部21に流れる。これら凸部62b,21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20の凸部21が電磁石60における鉄心61の磁極面に形成された凸部62bと対向する位置に移動する(図8C)。続いて、第2列目の電磁石60に対する通電を停止し、第3列目の電磁石60を通電すると、当該電磁石60における鉄心61の磁極面に形成された凸部62cから磁束が放出され、もっとも近くにある強磁性体部20の凸部21に流れる。これら凸部62c,21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20の凸部21が電磁石60における鉄心61の磁極面に形成された凸部62cと対向する位置に移動する(図8D)。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60に発生する磁束は多数の凸部62に集中しているので、強磁性体部20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10の鉄心11と、回転駆動部4を構成する電磁石30の鉄心31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11,31の端面(磁極面)に、非積層強磁性体70,71で形成した薄板を貼り付け、かかる非積層強磁性体70,71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10,30を構成する鉄心11,31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ニアモータにも適用できることは勿論である。
鉄心11,31の端面に貼り付けた薄板を形成する非積層強磁性体70,71としては、JIS規格で400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っとも好ましい。
図10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10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80,81を回転軸2に嵌め込む構成としてある。環状部材80,81には、既述した凸部21,41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80,81(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11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1mm程度の凸部を形成し、その両側面の傾斜角度θ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θを20°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20°程度の台形状に形成することが好ましい。
図12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1.2mm程度の凸部を形成し、その両側面の傾斜角度θ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θ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。
Claims (5)
- 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、多数の凸部が形成してあり、
且つ、被駆動体をケースの内部に収納し、
前記強磁性体を、前記被駆動体に設けるとともに、
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巻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磁気装置。 - 前記電磁石と前記強磁性体とにより、前記被駆動体を非接触にて支持する請求項1の磁気装置において、
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、前記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及び第2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。
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