JP7498990B2 - Bearings and Rotating Devices - Google Patents
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Description
本発明は、回転軸の周りを回転する軸についての軸受及び当該軸を備えた回転装置に関する。The present invention relates to a bearing for a shaft rotating around a rotation axis and a rotating device equipped with said shaft.
回転軸の周りを回転する軸及び当該軸を支える軸受は、大きく分類して2つの荷重がかかる。その1つはスラスト方向の荷重(スラスト荷重)であり、もう1つはラジアル方向の荷重(ラジアル荷重)である。Shafts that rotate around a rotating axis and the bearings that support said shafts are subjected to two types of loads: thrust loads and radial loads.
A.スラスト荷重を受けるスラスト軸受
図12は従来の回転装置900の一例を示す図である。図12に示すように、従来の回転装置900では、軸100の一端側(鉛直方向の側)にはスラスト軸受990が配置され、軸100の他端側には回転体500が取り付けられている。回転装置900は、スラスト軸受990で回転体500及び軸100の重力方向の荷重を受けながら、回転体500及び軸100が回転軸RAの回りを回転するように構成されている。なお符号300はラジアル軸受である。
A. Thrust bearing that receives thrust load Fig. 12 is a diagram showing an example of a conventional
しかし、質量が大きな回転体500及び軸100を扱う場合には、それらの荷重を受けるスラスト軸受についても大きな荷重に耐えられる構造が要求されるため、結果的にサイズの大きい大規模なスラスト軸受990が用いられている。大規模なスラスト軸受990では、軸100との接触面積も大きいことからスラスト方向の荷重による摩擦抵抗も大きくなり、回転体500及び軸100が回転する際には大きな負荷(回転負荷)となり、更にはそれによるエネルギー損失も生じていた。However, when dealing with a rotating
この問題を解決するため、永久磁石を用いた軸受による回転装置も提案されている(例えば特許文献1及び2参照)。
本明細書による図示は省略するが、特許文献1に記載された回転装置では、荷重を担う側(上側)の永久磁石(3)と荷重を受ける側(下側)の永久磁石(10)とが互いに同じ磁極Sが対向するようにして配置されている。同じ磁極Sを対向させることによって磁気的な反発力(斥力)を生じさせ、かかる斥力により軸(1)を浮かせてスラスト荷重による摩擦抵抗の低減を図っている。
In order to solve this problem, a rotating device using a bearing that uses a permanent magnet has been proposed (see, for example,
Although illustrations are omitted in this specification, in the rotating device described in
しかしながら特許文献1に記載された回転装置においては、軸(1)の一部であるホゾ部(5)が荷重を受ける側の軸受(6)に嵌挿されており、ホゾ部(5)と軸受(6)とが互いに接触している。このため、軸(1)及び回転体(図示なし)が回転しようとすると、ホゾ部(5)と軸受(6)との間に摩擦抵抗が生じる。軸(1)及び回転体が回転すると、この摩擦抵抗に起因した回転負荷がかかることとなり、ひいては摩擦抵抗によるエネルギー損失も生じることとなる。
特に、回転体が蓄電用フライホイール、風力発電用タービン等である場合のように、軸及び回転体が重量物の場合には、かかる接触による摩擦抵抗に起因した回転負荷は無視できない大きなものとなる。よって、軸及び回転体が重量物になればなるほど、かかる接触による摩擦抵抗の低減が求められる。
However, in the rotating device described in
In particular, when the shaft and the rotor are heavy, such as in the case of a flywheel for power storage, a turbine for wind power generation, etc., the rotational load caused by the frictional resistance due to such contact becomes large and cannot be ignored. Therefore, the heavier the shaft and the rotor are, the more it is required to reduce the frictional resistance due to such contact.
B.ラジアル荷重を受けるラジアル軸受
他方、シャフトなどの軸をラジアル方向で受ける軸受として、ボールベアリングが活用されている。
B. Radial bearings for supporting radial loads On the other hand, ball bearings are used as bearings for supporting shafts and other axes in the radial direction.
しかし、ボールベアリングは、機構上の摩擦抵抗があるため、軸の回転数が上がると、これに伴い発熱が大きくなっていくという問題がある。軸の回転数が例えば1000rpmを超えると発熱量が2次関数的に増加して無視できないレベルに達すると言われている。このため、昨今では、油冷などの方法により熱を逃がしてボールベアリングの温度上昇を抑制している。ただ、この方法では温度上昇の抑制に限界もあり、かつまた、外付けされる冷却システムも大掛かりとなり、そのためのスペースや重量も増すこととなる。
また、上記した温度上昇の問題に限らず、軸と一体に回転している回転体(フライホイール等)が元々持っているエネルギーが摩擦抵抗により損失してしまうという問題もある。さらに、ボールベアリングは機構を必要とすることから、機械的な耐久性の点でも問題が残る。こうしたことから、近年ではボールベアリングに変わる軸受が求められている。
However, ball bearings have a problem in that as the rotation speed of the shaft increases, heat generation also increases due to frictional resistance in the mechanism. It is said that when the rotation speed of the shaft exceeds 1000 rpm, for example, the amount of heat generated increases quadratically and reaches a level that cannot be ignored. For this reason, in recent years, methods such as oil cooling have been used to release heat and suppress the temperature rise of ball bearings. However, this method has limitations in suppressing the temperature rise, and the cooling system that is attached externally must be large, which increases the space and weight required.
In addition to the above-mentioned problem of temperature rise, there is also the problem of the energy inherent in the rotating body (flywheel, etc.) that rotates together with the shaft being lost due to frictional resistance. Furthermore, since ball bearings require a mechanism, there are also problems with mechanical durability. For these reasons, there has been a demand in recent years for bearings to replace ball bearings.
ところで、従来より、回転装置に対し磁性流体を適用する動きがみられる(例えば特許文献3及び非特許文献1参照)。
特許文献3の軸受に適用された磁性流体、及び、非特許文献1のシャフトに当てられた磁性流体は、いずれも機構の中に水、埃、塵等が入らぬようシール目的で用いられている。しかし、一方でラジアル荷重については依然としてボールベアリングが受けており、上記した発熱・エネルギーの損失・耐久性の問題は解消できていない。
Meanwhile, there has been a trend to apply magnetic fluids to rotating devices (see, for example,
The magnetic fluid applied to the bearings in
そこで本発明は上記した事情に鑑みてなされたものであり、軸が回転する際に生ずる摩擦抵抗を低減することができる軸受及び当該軸受を備えた回転装置を提供することを目的とする。
また、スラスト荷重にあっては、回転時の摩擦抵抗に起因した負荷(回転負荷)を低減することができ、ひいてはエネルギー損失を低減することができる回転装置を提供することを目的とする。さらに、ラジアル荷重にあっては、ボールベアリングよりも摩擦抵抗の小さい軸受を提供することを目的とする。なお、本明細書において、スラスト軸受及びラジアル軸受を包括的に「軸受」というものとするが、「スラスト軸受」単体又は「ラジアル軸受」単体のことを単に「軸受」ということもある。
The present invention has been made in consideration of the above-mentioned circumstances, and has an object to provide a bearing that can reduce the frictional resistance that occurs when a shaft rotates, and a rotating device equipped with such a bearing.
Another object of the present invention is to provide a rotating device that can reduce the load (rotational load) caused by frictional resistance during rotation for thrust loads, and thus reduce energy loss. Furthermore, another object of the present invention is to provide a bearing that has lower frictional resistance than a ball bearing for radial loads. Note that in this specification, thrust bearings and radial bearings are collectively referred to as "bearings", but a "thrust bearing" or a "radial bearing" alone may also be referred to simply as a "bearing".
本発明の一態様によれば、回転軸を中心に回転する回転部と、回転部の回転に対し相対的に固定状態となっている固定部と、を備えた回転装置が提供される。
回転部は、回転軸を中心に回転する軸と、軸を支える軸受部が設けられ軸の少なくも一端側に設けられた第1永久磁石と、を有する。第1永久磁石は軸側と反軸側とに着磁されている。固定部は、第1永久磁石に面した側が第1永久磁石の反軸側の磁極と同極となるよう着磁されており、第1永久磁石との間で互いに磁力反発し第1永久磁石と非接触状態となるようにして回転軸上に設けられた第2永久磁石を有している。
According to one aspect of the present invention, there is provided a rotation device including a rotating part that rotates around a rotation axis, and a fixed part that is fixed relative to the rotation of the rotating part.
The rotating part has a shaft that rotates around a rotation axis, and a first permanent magnet provided on at least one end side of the shaft with a bearing part that supports the shaft. The first permanent magnet is magnetized on the shaft side and the opposite shaft side. The fixed part has a second permanent magnet provided on the rotating shaft such that the side facing the first permanent magnet is magnetized to have the same magnetic polarity as the opposite shaft side of the first permanent magnet, and the second permanent magnet repels the first permanent magnet and is in a non-contact state with the first permanent magnet.
本発明の別の一態様によれば、回転軸を中心として回転するよう構成された軸と、軸の少なくとも一端側に配置され、回転軸に平行なスラスト方向の荷重を受けるスラスト軸受と、を備えた回転装置が提供される。
スラスト軸受は、軸の一端側に接続され第1磁極が配された第1面、及び、第1面とは反対側に位置し第2磁極が配された第2面を有し、軸と一体となって同軸に回転するよう構成された第1永久磁石と、第1永久磁石の第2面に対向するように位置し第2磁極が配された第3面、及び、第3面とは反対側に位置し第1磁極が配された第4面を有し、所与の固定部に固定される第2永久磁石と、を具備する。
回転装置において、第1永久磁石の第2面上では、回転軸の位置においてもその部材が存在し、かつ、回転軸の位置において磁力線が集中するように第2磁極が配されており、第2永久磁石の第3面上では、回転軸の位置においてもその部材が存在し、かつ、回転軸の位置において磁力線が集中するように第2磁極が配されている。
According to another aspect of the present invention, there is provided a rotating device including a shaft configured to rotate about a rotation axis, and a thrust bearing arranged on at least one end side of the shaft and receiving a load in a thrust direction parallel to the rotation axis.
The thrust bearing comprises a first permanent magnet connected to one end of the shaft, having a first surface on which a first magnetic pole is arranged, and a second surface located opposite the first surface on which a second magnetic pole is arranged, and configured to rotate coaxially with the shaft; and a second permanent magnet fixed to a given fixed portion, having a third surface located opposite the second surface of the first permanent magnet, on which the second magnetic pole is arranged, and a fourth surface located opposite the third surface on which the first magnetic pole is arranged.
In the rotating device, a second magnetic pole is arranged on the second surface of the first permanent magnet so that the member is also present at the position of the rotation axis and so that the magnetic field lines concentrate at the position of the rotation axis, and a second magnetic pole is arranged on the third surface of the second permanent magnet so that the member is also present at the position of the rotation axis and so that the magnetic field lines concentrate at the position of the rotation axis.
本発明の回転装置によれば、軸が回転する際に生ずる摩擦抵抗を低減することができる。また、回転時の摩擦抵抗に起因した負荷(回転負荷)を低減することができ、ひいてはエネルギー損失を低減することができる。 The rotating device of the present invention can reduce the frictional resistance that occurs when the shaft rotates. It can also reduce the load (rotational load) caused by the frictional resistance during rotation, and thus reduce energy loss.
本発明の更に別の一態様によれば、回転軸の周りを回転する軸のラジアル荷重を受ける軸受が提供される。かかる軸受は、軸のラジアル荷重を受ける受け部材と、正磁極及び負磁極を有する磁石と、正磁極及び負磁極の間の磁力線の影響を受ける磁性体粒子を含有した磁気潤滑剤とを備えており、磁気潤滑剤が軸と受け部材との間に配置されている。According to yet another aspect of the present invention, a bearing is provided that receives a radial load from a shaft rotating around a rotation axis. The bearing includes a receiving member that receives the radial load from the shaft, a magnet having a positive magnetic pole and a negative magnetic pole, and a magnetic lubricant containing magnetic particles that are affected by magnetic field lines between the positive magnetic pole and the negative magnetic pole, and the magnetic lubricant is disposed between the shaft and the receiving member.
本発明の軸受によれば、軸が回転する際に生ずる摩擦抵抗を低減することができる。本発明によれば、ボールベアリングよりも摩擦抵抗の小さい軸受を提供することができる。 The bearing of the present invention can reduce the frictional resistance that occurs when the shaft rotates. The present invention can provide a bearing with lower frictional resistance than a ball bearing.
以下、本発明に係る軸受及び回転装置について図を参照しながら説明する。始めにスラスト軸受について説明を行い、次いでラジアル軸受について説明を行う。
なお、各図に共通する符号については当該符号について既に説明した内容を他の図の説明においても援用できることから、他の図における説明を省略する。また、各図面は一例を示した模式図であり必ずしも実際の寸法、比率等を厳密に反映したものではない。明細書において「上」,「下」と表記したものは説明の便宜上のものであり、本発明を実施する際には天地を逆にしたり、鉛直方向の軸と一致しない配置とすることも可能である。
Hereinafter, a bearing and a rotating device according to the present invention will be described with reference to the drawings. First, a thrust bearing will be described, and then a radial bearing will be described.
In addition, since the contents already explained for the symbols common to each figure can be used in the explanation of the other figures, the explanation in the other figures will be omitted. In addition, each figure is a schematic diagram showing an example, and does not necessarily strictly reflect the actual dimensions, ratios, etc. In the specification, the notations "upper" and "lower" are for convenience of explanation, and when implementing the present invention, it is possible to reverse the top and bottom, or to arrange the elements in a way that does not coincide with the vertical axis.
A.スラスト軸受について
[実施形態A1]
1.実施形態A1に係る回転装置1の構成
図1は、実施形態A1に係る回転装置1を説明するために示す図である。
A. Thrust bearing [Embodiment A1]
1. Configuration of
図1に示すように、実施形態A1に係る回転装置1は、回転軸RAを中心に回転する「回転部(符号省略)」と、該回転部の回転に対し相対的に固定状態となっている「固定部(符号省略)と、を備えている。
回転部は、回転軸RAを中心に回転する軸100と、軸100を支える軸受部217が設けられ軸100の少なくも一端側に設けられた第1永久磁石210と、を有している。
このとき、第1永久磁石210は軸側(軸100が設けられた側又は配置された側をいう)と反軸側(軸100が配置された側とは反対の側をいう)とに着磁されている。
固定部は、第2永久磁石220を有している。
この第2永久磁石220は、第1永久磁石210に面した側が第1永久磁石210の反軸側の磁極と同極となるよう着磁されており(別言すると、回転部を構成する第1永久磁石210と固定部を構成する第2永久磁石220との間では、互いに対向する面で同極となるよう着磁されている)、第1永久磁石210との間で互いに磁力反発し第1永久磁石210と非接触状態となるようにして軸100上に設けられている。
As shown in FIG. 1, the
The rotating portion has a
At this time, the first
The fixed portion has a second
This second
なお、本明細書において、第1永久磁石210における「軸側の面」のことを「第1面211」と、「反軸側の面」のことを「第2面212」と言い換えることができる。また、第2永久磁石220における「第1永久磁石210に面した側の面」のことを「第3面221」と、「第1永久磁石210に面した側とは反対側の面」のことを「第4面222」と言い換えることができる。さらに、逆の言い換えについても相互に可能である。In this specification, the "axis side surface" of the first
参考までに、実施形態A1に係る回転装置1を別の観点でみると、大きく分けて軸100とスラスト軸受200とを備えているとも言える。
以下、「回転部」、「固定部」、軸100、スラスト軸受200の構成要件ごとの詳しい説明を続ける。
For reference, when viewed from another perspective, the
Below, detailed explanations of each of the components of the "rotating portion", the "fixed portion", the
軸100は、シャフトとも呼ばれ、回転軸RAを中心として回転するように構成されている。軸100には回転体(図示を省略)が取り付けられる。回転体は、軸100と一体になって回転軸RAを中心に回転する。The
スラスト軸受200は、回転軸RAに平行な方向であるスラスト方向TDの荷重を受ける。スラスト方向TDの荷重はアキシャル荷重などともいう。荷重は軸100,回転体等による荷重である。スラスト軸受200は、上記した軸100の少なくとも一端側100aに配置されている。The
スラスト軸受200は、軸100の一端側100aに接続された第1永久磁石210と、第1永久磁石210からみて軸100が配置された側とは反対側に配置された第2永久磁石220とを具備している。
第1永久磁石210は、第1磁極(図の例ではS極。以下同様)が配された第1面211、及び、第1面211とは反対側に位置し第2磁極(図の例ではN極。以下同様)が配された第2面212を有している。第1永久磁石210は、軸100と一体となって軸100の回転軸RAと同軸上で回転するよう構成されている。
第2永久磁石220は、第1永久磁石210の第2面212に対向するように位置し第2磁極(N極)が配された第3面221、及び、第3面221とは反対側に位置し第1磁極(S極)が配された第4面222を有している。第2永久磁石220は、所与の固定部に固定される。
The
The first
The second
第1永久磁石210と第2永久磁石220とは、荷重側対向面215である第2面212、及び、受け側対向面225である第3面221が互いに対向するようして、同軸的に配置されて1つのスラスト軸受200を構成している。The first
なお、第1磁極と第2磁極とは互いに逆の極性を有する磁極同士となっている。実施形態A1では仮に第1磁極をS極とし第2磁極をN極として図示及び説明をしている。
また、第1永久磁石210は、第1永久磁石210に配される第1磁極(S極)の中心が回転軸RAと略同軸となるように構成されていることが好ましい。同様に、第2永久磁石220は、第2永久磁石220に配される第1磁極(S極)の中心が回転軸RAと略同軸となるように構成されていることが好ましい。
In addition, the first magnetic pole and the second magnetic pole have opposite polarities to each other. In the embodiment A1, the first magnetic pole is illustrated and described as an S pole and the second magnetic pole is illustrated and described as an N pole.
Moreover, the first
ここで、第1永久磁石210の第2面212の上では、回転軸RAの位置は空隙/空間となっておらず、回転軸RAの位置においてもその部材(永久磁石の部材)が存在し、かつ、回転軸RAの位置において磁力線が集中するように第2磁極(N極)が配されている。
また、第2永久磁石220の第3面221の上では、回転軸RAの位置は空隙/空間となっておらず、回転軸RAの位置においてもその部材(永久磁石の部材)が存在し、かつ、回転軸RAの位置において磁力線が集中するように第2磁極(N極)が配されている。
Here, on the
Furthermore, on the
実施形態A1において、第2面212及び第3面221は、回転軸RA上に直交する面であり、回転軸RAに沿ってみたときには円形となっている。ここでの第2面212及び第3面221は、それぞれ平坦であり対向面の面積は同じとなっており互いに同一形状の面として説明しているが、これに限定されるものではない。なお、第1永久磁石210と第2永久磁石220とは、互いに異なる材料のものであったり互いに異なる構造のものとして設定してもよい。In embodiment A1, the
実施形態A1の回転装置1の使用態様の1つとして、軸100及びスラスト軸受200は回転軸RAの延びる方向が鉛直方向と略同じ方向となるように配置されていることが好ましい。ここで「鉛直方向」とは、重力加速度が向かう方向(重力gが向かう方向。図1参照)と平行な方向をいうものとする。As one of the usage modes of the
また、回転装置1の使用態様の1つとして、軸100に所与の回転体が取り付けられて当該軸100に対しスラスト方向TDの荷重が課せられたとき、軸100が、第1永久磁石210の第2面212と第2永久磁石220の第3面221との間がギャップGP1をもって離間するようにして鉛直上向き(重力gが向かう方向とは逆の方向)に浮上して、回転するように構成されていることが好ましい。In addition, as one of the usage modes of the
2.実施形態A1に係る回転装置2の作用・効果
(1)実施形態A1に係る回転装置1において、回転部を構成する第1永久磁石210と固定部を構成する第2永久磁石220との間では互いに対向する面で同極となるようそれぞれ着磁されている。このため、互いに対向する面の間に磁気的な反発力(斥力)が生じ、
第2永久磁石220は第1永久磁石との間で互いに磁力反発し、第2永久磁石220は第1永久磁石と非接触状態となる。したがって、回転部が回転したときに生ずる摩擦抵抗をほぼ0とすることができ、回転時の摩擦抵抗に起因した負荷(回転負荷)も低減することができる。そして、ひいてはエネルギー損失の低減を図ることができる。
2. Functions and Effects of the
The second
また、回転装置1においては、第2永久磁石220は回転軸RA上に設けられており、かつ、第2永久磁石220と対向している第1永久磁石210についても回転軸RA上に設けられている。よって、回転軸RAの位置で互いの磁力線が集中するようになっており、第1永久磁石210及び第2永久磁石220の間の斥力は回転軸RA付近で最大となる。したがって、回転軸RAを中心に回転部を滑らかに回転させることができ、エネルギー損失の低減に寄与することができる。In addition, in the
(2)また別の観点から説明すると、実施形態A1に係る回転装置1においては、第2面212及び第3面221が、それぞれ回転軸RAの位置で磁力線が集中するように同じ極性の第2磁極が配されて対面している。このため、第2面212及び第3面221の間には磁気的な反発力(斥力)が生じ、かかる斥力により第1永久磁石210はギャップGP1をもって第2永久磁石220から離間して浮上する。第1永久磁石210は第2永久磁石220との間で非接触となるため、第1永久磁石210、軸100及び回転体が回転したときに生ずる摩擦抵抗(スラスト軸受200による摩擦抵抗)をほぼ0とすることができ、回転時の摩擦抵抗に起因した負荷(回転負荷)も低減することができる。そして、ひいてはエネルギー損失の低減を図ることができる。
(2) From another perspective, in the
また、回転装置1は、回転軸RAの位置で互いの磁力線が集中するよう構成されているため、第1永久磁石210及び第2永久磁石220の間の斥力は回転軸RA付近で最大となる。したがって、回転軸RAを中心に第1永久磁石210、軸100及び回転体を滑らかに回転させることができ、エネルギー損失の低減に寄与することができる。In addition, since the
上記のとおり実施形態A1に係る回転装置1によれば、回転時の摩擦抵抗に起因した負荷(回転負荷)を低減することができ、ひいては、エネルギー損失を低減することができるAs described above, the
(3)回転装置1では、スラスト方向TDの荷重が集中する回転軸RAの位置で斥力が最大になることから、回転軸RA付近で効率的に斥力を発生させることができる。このため、たとえ軸100及び回転体が重量物であったとしても、大掛かりな構造を採用せずとも、斥力を適宜調節することにより比較的容易に非接触の軸受を実現でき、かつ、回転時の摩擦抵抗に起因した負荷(回転負荷)を低減しエネルギー損失を低減することができる。
(3) In the
(4)実施形態A1に係る回転装置1において、軸100及びスラスト軸受200を、回転軸RAの延びる方向を鉛直方向と略同じ方向となるように配置すると、軸100及び回転体は重力gに反発して浮上することとなるため、スラスト方向TDの軸受の摩擦抵抗・回転負荷を低減することができる。またこの場合に、軸100及び回転体は、鉛直方向(重力g)と同じ方向を中心に回転することから、回転軸RAが鉛直方向とは異なる方向にセッティングされている場合(横置き・斜め置きされている場合)に比べて、より安定的な回転を得ることができ、かつ、ラジアル方向RDの軸受の摩擦抵抗についても極めて小さくすることができる。
よって、軸100及びスラスト軸受200を回転軸RAの延びる方向が鉛直方向と略同じ方向となるように配置することにより、軸100及び回転体を横置き・斜め置き等する場合に比べて、回転体の回転エネルギーの損失を更に抑えることができる。
(4) In the
Therefore, by arranging the
[実施形態A2]
図2は、実施形態A2に係る回転装置2を説明するために示す図である。図2(a)は図1に対応した模式的な断面図であり、図2(b)は第1永久磁石210及び第1ヨーク230を分解したときの斜視図であり、図2(c)は第2永久磁石220及び第2ヨーク240を分解したときの斜視図である。
[Embodiment A2]
Fig. 2 is a diagram for explaining the
実施形態A2に係る回転装置2は基本的には実施形態A1に係る回転装置1と同様の構成を有するが、第1ヨーク230及び第2ヨーク240を更に具備し、これらも含めてスラスト軸受200’を構成している点において実施形態A1に係る回転装置1と異なる。The
1.実施形態A2に係る回転装置2の構成
実施形態A2のスラスト軸受200’は、第1永久磁石210と対になって磁気回路を構成する第1ヨーク230と、第2永久磁石220と対になって磁気回路を構成する第2ヨーク240とを更に具備する《図2(a)参照》。
第1ヨーク230及び第2ヨーク240は、それぞれ軟磁性体からなる。
1. Configuration of the
The
第1ヨーク230は、図2(b)に示すように、一方の側が開口した筒状胴部232と該筒状胴部232の他方の側に連成された底部234とを有する有底円筒形をなしている。
第1ヨーク230は、底部234及び筒状胴部232により第1永久磁石210の第1面211及び側面213を取り囲むようにして内部に同軸的に第1永久磁石210を収容している。底部234の内底面236は、第1永久磁石210の第1面211と当接している。筒状胴部232の内壁面235と第1永久磁石210の側面213との間は空気層(空間)又は非磁性体290で埋められている《図1(a)も併せて参照》。
第1永久磁石210と軸100とは何等かの形で結合されている。ここでは、第1永久磁石210が第1ヨーク230に収容されて一体になりつつ、第1ヨーク230の底部234と軸100の一端側が接続され、全体として一体的に接続されている。
第1ヨーク230の筒状胴部232の開口側の口縁面237と第1永久磁石210の第2面212とにより略同一の平面である「荷重側対向面215」を形成している。
As shown in FIG. 2B , the
The
The first
A
同様に第2ヨーク240は、図2(c)に示すように、一方の側が開口した筒状胴部242と該筒状胴部242の他方の側に連成された底部244とを有する有底円筒形をなしている。
第2ヨーク240は、底部244及び筒状胴部242により第2永久磁石220の第4面222及び側面223を取り囲むようにして内部に第2永久磁石220を収容している。底部244の内底面246は第2永久磁石220の第4面222と当接している。筒状胴部242の内壁面245と第2永久磁石220の側面223との間は空気層(空間)又は非磁性体290で埋められている《図1(a)も併せて参照》。
第2ヨーク240及び第2永久磁石220は何等かの形で所与の固定部に固定される。
第2ヨーク240の筒状胴部242の口縁面247と第2永久磁石220の第3面221とにより略同一の平面である「受け側対向面225」を形成している。
Similarly, as shown in FIG. 2( c ), the
The
The
The
第1永久磁石210及び第1ヨーク230のセットと、第2永久磁石220及び第2ヨーク240のセットとは、荷重側対向面215及び受け側対向面225が互いに対向するようして、同軸的に配置されて1つのスラスト軸受200’を構成している。The set of the first
2.実施形態A2に係る回転装置2の作用・効果
第1ヨーク230において、底部234の内底面236は第1永久磁石210の第1面211と当接すると共に筒状胴部232の内壁面235と第1永久磁石210の側面213との間は空気層(空間)又は非磁性体290で埋められている。こうして第1ヨーク230は第1永久磁石210と磁気的に結合して磁気回路の一部を構成している。
このような構成となっているため、第1永久磁石210の第2面212の第2磁極(N極)からギャップGP1に向けて放出された磁力線は、第1ヨーク230の口縁面237に収束するようにして集まり、当該磁力線は第1ヨークの内部を通過して第1永久磁石210の第1面の第1磁極(S極)に至ることとなる。
2. Functions and Effects of the
Due to this configuration, the magnetic field lines emitted from the second magnetic pole (north pole) of the
同様に第2ヨーク240においても、底部244の内底面246は第2永久磁石220の第4面222と当接すると共に筒状胴部242の内壁面245と第2永久磁石220の側面223との間は空気層(空間)又は非磁性体290で埋められている。こうして第2ヨーク240は第2永久磁石220と磁気的に結合して磁気回路の一部を構成している。
このような構成となっているため、第2永久磁石220の第3面221の第2磁極(N極)からギャップGP1に向けて放出された磁力線は、第2ヨーク240の口縁面247に収束するようにして集まり、当該磁力線は第2ヨークの内部を通過して第2永久磁石220の第4面の第1磁極(S極)に至ることとなる。
Similarly, in the
Due to this configuration, the magnetic field lines emitted from the second magnetic pole (north pole) of the
このように磁力線を、第1永久磁石210及び第1ヨーク230、並びに、第2永久磁石220及び第2ヨーク240にそれぞれ集中的に高密度で通過させることができるため、荷重側対向面215~受け側対向面225《図2(a)参照》の間の斥力を更に高めることができる。したがって、より質量が大きい重量物でも対応できるスラスト軸受200’とすることができ、より質量の大きな軸100及び回転体であっても回転負荷を低減し、回転時の摩擦抵抗に起因したエネルギー損失の低減を図ることができる。In this way, the magnetic field lines can be concentrated and passed through the first
実施形態A2に係る回転装置2は、第1ヨーク230及び第2ヨーク240を備える以外の点においては、実施形態A1に係る回転装置1と基本的に同様の構成を有する。そのため、実施形態A1に係る回転装置1が有する効果のうち該当する効果を同様に有する。The
[実施形態A3]
図3は、実施形態A3に係る回転装置3を説明するために示す図である。
実施形態A3に係る回転装置3は基本的には実施形態A1に係る回転装置1及び実施形態A2に係る回転装置2と同様の構成を有するが、ラジアル軸受300を更に備えた点において実施形態A1に係る回転装置1及び実施形態A2に係る回転装置2とは異なる。
[Embodiment A3]
FIG. 3 is a diagram shown for explaining a
The
実施形態A3に係る回転装置3は、ラジアル方向RD(軸100に垂直な方向)の荷重を受けるラジアル軸受300を更に備える。例えば図3に示すように、ラジアル軸受300としてボールベアリングを採用し、当該ボールベアリングを軸100の回転軸RA方向の2箇所に配置することによりラジアル方向RDの荷重を受けるように構成してもよい(図3の符号300a,300b参照)。
ラジアル軸受300としては、ボールベアリングの代わりに、軸100の回転とラジアル方向RDへの軸方向のスライドにも対応できるいわゆるスライドブッシュやリニアブッシュを採用してもよい。また、それらの他、磁性流体をラジアル方向RDに当てがうようにしてラジアル軸受300を構成してもよい。
The
Instead of ball bearings, a so-called slide bush or linear bush that can also accommodate the rotation of
このように、実施形態A1又はA2に係る回転装置1又は2に対して、更にラジアル軸受300を設けることにより、軸100及び回転体は更に安定した回転を得ることができ、エネルギー損失をより低減することができる。In this way, by further providing a
実施形態A3に係る回転装置3は、ラジアル軸受300を備える以外の点においては、実施形態A1に係る回転装置1及び実施形態A2に係る回転装置2と基本的に同様の構成を有する。そのため、実施形態A1に係る回転装置1及び実施形態A2に係る回転装置2が有する効果のうち該当する効果を同様に有する。The
[実施形態A4]
図4は、実施形態A4に係る回転装置4を説明するために示す図である。
実施形態A4に係る回転装置4は基本的には実施形態A1~A3に係る各回転装置1~3と同様の構成を有するが、別のスラスト軸受400を更に備えた点において実施形態A1~A3に係る各回転装置1~3とは異なる。
[Embodiment A4]
FIG. 4 is a diagram shown for explaining a
The
実施形態A4に係る回転装置4は、図4に示すように、軸100の他端側(図面の上側)においても、一端側(図面の下側)に配置されたスラスト軸受200と同様の構成を有する別のスラスト軸受400が配置されている。このとき、所与の回転体(ここでは一例としてタービン530)は、軸100に取り付けられて、スラスト軸受200と別のスラスト軸受400との間に配置されるよう構成されている。
別のスラスト軸受400の構成は、基本的にスラスト軸受200と同様の構成を取っており、軸100の他端側に接続された第1永久磁石410及び該第1永久磁石410と対になって磁気回路を構成する第1ヨーク430と、所与の固定部に間接的に固定された第2永久磁石420及び該第2永久磁石420と対になって磁気回路を構成する第2ヨーク440と、を備えている。第1永久磁石410と第2永久磁石420との間はギャップGP2をもって離間されている。
4, in the
The configuration of the other thrust bearing 400 is basically the same as that of the
実施形態A4に係る回転装置4によれば、所与の回転体が、軸100に取り付けられて、スラスト軸受200と別のスラスト軸受400との間に配置されるよう構成されている。
つまり、軸100及び回転体(タービン530)は、軸100の一端側のスラスト軸受200及び他端側の別のスラスト軸受400によって挟まれ、スラスト方向ではフローティング状態で回転することとなる。別の言い方をすると、スラスト軸受200及び別のスラスト軸受400は、一端側及び他端側からそれぞれ斥力により中央に向かうような力で挟み込むようにして軸100や回転体の荷重を軸受している。
例えば回転体がタービン530だったときに、流体の流れ方の変動等によりスラスト方向(図では上下方向)の荷重が変動するが、このような荷重の変動があったときでも、軸100及び回転体(タービン530)がスラスト方向にぐらつきながらシフトするのを抑えることができる。そのため安定した回転を持続することができ、スラスト方向のシフトによるエネルギー損失を抑えることができる。
According to the
In other words, the
For example, when the rotor is a
実施形態A4に係る回転装置4は、別のスラスト軸受400を更に備えた以外の点において実施形態A1~A3に係る各回転装置1~3と基本的に同様の構成を有する。そのため、実施形態A1~A3に係る各回転装置1~3が有する効果のうち該当する効果を同様に有する。The
[実施形態A5]
図5は、実施形態A5に係る回転装置5(態様1)を説明するために示す図である。
図6は、実施形態A5に係る回転装置6(態様2)を説明するために示す図である。
実施形態A5に係る回転装置5,6は基本的には実施形態A1~A4に係る各回転装置1~4と同様の構成を有するが、磁気検出部600が配設されている点において実施形態A1~A4に係る各回転装置1~4とは異なる。すなわち、回転装置5,6は、第2永久磁石220の第3面221を含む受け側対向面225の上(第2永久磁石220の第3面221,第2ヨーク240の口縁面247,またはその間を埋める空気層/非磁性体290がなす端面のいずれか)、又は、第1永久磁石210の第2面212を含む荷重側対向面215の上(第1永久磁石210の第2面212,第1ヨーク230の口縁面237,またはその間を埋める空気層/非磁性体290がなす端面のいずれか)のいずれかにおいて磁気検出部600が配設されており、かかる磁気検出部600が、受け側対向面225と荷重側対向面215との離間距離GP1の変位を検出するように構成されている。
なお、磁気検出部600は、磁束密度の濃淡を相対的に検出することができれば如何なるものを採用してもよい。
[Embodiment A5]
FIG. 5 is a diagram shown for explaining a rotation device 5 (aspect 1) according to embodiment A5.
FIG. 6 is a diagram shown for explaining a rotation device 6 (aspect 2) according to embodiment A5.
The
The
(1)図5(a)は回転装置5の断面図を示す。図5(b)はスラスト方向TDの荷重(横軸)と磁気検出部600が検出した磁束密度(縦軸)との関係を示すグラフである。図5(c)はスラスト方向TDの荷重が比較的軽いときの磁力線(磁束密度)の様子を模式的に示す図であり、図5(d)はスラスト方向TDの荷重が比較的重いときの磁力線(磁束密度)の様子を模式的に示す図である。
(1) Figure 5(a) shows a cross-sectional view of the
回転装置5においては、図5(a)に示すように、磁気検出部600は受け側対向面225の上であって回転軸RA付近に配設されている。
図5(c)に示すスラスト方向TDの荷重が比較的軽いときから(ギャップはGP1)、図5(d)に示すスラスト方向TDの荷重が比較的重いとき(ギャップはGP1’)に移行すると、磁気検出部600が配置された位置では磁束密度0点(B=0点)が近づくため、その分、磁束密度は減衰することとなる《図5(b)も併せて参照》。
この原理を活用することにより、回転装置5は、磁気検出部600で磁束密度の変化を検出することにより、受け側対向面225と荷重側対向面215との離間距離GP1,GP1’の変位を検出し、これによりスラスト方向TDの荷重を検出することができる。さらには間接的に荷重LDの重量を測定することも可能となる。
In the
When the load in the thrust direction TD changes from a relatively light load (gap is GP1) as shown in FIG. 5(c) to a relatively heavy load (gap is GP1') as shown in FIG. 5(d), the magnetic flux density approaches zero (B=0) at the position where the
By utilizing this principle, the
(2)図6(a)は回転装置6の断面図を示す。図6(b)はスラスト方向TDの荷重(横軸)と磁気検出部600が検出した磁束密度(縦軸)との関係を示すグラフである。
(2) Figure 6(a) shows a cross-sectional view of the
回転装置6においては、図6(a)に示すように、磁気検出部600は受け側対向面225の上であって第2ヨーク240の縁(口縁面247)付近に配設されている。
スラスト方向TDの荷重が比較的軽いときから、スラスト方向TDの荷重が比較的重いときに移行すると、磁気検出部600が配置された位置では回転装置5とは逆に磁束密度が増加することとなる《図6(b)参照》。
荷重の変化と磁束密度の変化との関係は、回転装置5の場合とは異なるが、いずれにしても回転装置6は、磁気検出部600で磁束密度の変化を検出することにより、受け側対向面225と荷重側対向面215との離間距離の変位を検出し、これによりスラスト方向TDの荷重を検出することができる。さらには間接的に荷重LDの重量を測定し、重量に応じて軸100の最大回転数制御を行ったり、地震、天災による異常な重量を測定することで安全を維持するための回転抑制を行ったりすることが可能となる。
In the
When the load in the thrust direction TD transitions from a relatively light load to a relatively heavy load in the thrust direction TD, the magnetic flux density increases at the position where the
The relationship between the change in load and the change in magnetic flux density is different from that of the
実施形態A5に係る回転装置5,6は磁気検出部600が配設されている以外の点において実施形態A1~A4に係る各回転装置1~4と基本的に同様の構成を有する。そのため、実施形態A1~A4に係る各回転装置1~4が有する効果のうち該当する効果を同様に有する。The
[応用例]
図7は、応用例に係る回転装置710を説明するために示す図である。図8は、応用例に係る回転装置711を説明するために示す図である。図9は、応用例に係る回転装置712を説明するために示す図である。
[Application example]
Fig. 7 is a diagram for explaining a
(1)各実施形態に係る回転装置は適宜の応用が可能である。例えば図7に示すように、回転軸RAの方向を重力gの向く方向と同じとし、軸100の他端側に回転体500としてのフライホイール510を設けるといった応用をすることができる。本発明の各回転装置は、回転負荷が極めて小さく、かつ、回転時の摩擦抵抗に起因したエネルギー損失も小さいことから、例えばフライホイール510を回転体500として畜エネルギーを行うような応用には好適である。
(1) The rotating device according to each embodiment can be applied as appropriate. For example, as shown in FIG. 7, the direction of the rotation axis RA can be set to the same direction as gravity g, and a
(2)また、図8に示すように、モータ等の電動装置のロータ520を本発明における回転体500として応用することもできる。比較的質量の大きな重量物としての電動装置であっても、本発明の回転装置として重力gに逆らうように浮上させて回転させることにより、回転負荷を低減しかつエネルギー損失を低減することができる。
なお、符号522はロータ520に属する永久磁石であり、符号524はステータに属するコイルであり、符号526はバックヨークを示している。
(2) As shown in Fig. 8, a
(3)また、図9に示すように、例えば垂直型の風力発電に用いるタービン530を本発明における回転体500として応用することもできる。比較的質量の大きな重量物としてのタービン530であっても、本発明の回転装置として重力gに逆らうように浮上させて回転させることにより、回転負荷を低減しかつエネルギー損失を低減することができる。
(3) As shown in Fig. 9, for example, a
以上、本発明(スラスト軸受)を上記の実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。その趣旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば、次のような変形も可能である。 The present invention (thrust bearing) has been described above based on the above embodiment, but the present invention is not limited to the above embodiment. It can be embodied in various ways without departing from the spirit of the invention, and for example, the following modifications are also possible:
(1)実施形態A4においては、別のスラスト軸受400は、軸100の他端側に、第1ヨーク430の内底面236とは逆側の面(外側の面)が接続された構成となっている(図4参照)。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、変形例に係る回転装置720では、図10に示すように、別のスラスト軸受901を、軸100の他端側に、第1ヨーク930の内底面936(内側の面)が接続された構成としてもよい。このとき、第2ヨーク940及び第2永久磁石920は所与の固定部に固定され、第1ヨーク930及び第1永久磁石910は回転側として、第2ヨーク940及び第2永久磁石920からみて重力gとは反対の側に配置される。(1) In embodiment A4, the other thrust bearing 400 is configured such that the surface (outer surface) opposite to the
(2)また、図11に示すように、上記変形例に係る回転装置720の別のスラスト軸受901のみを取り出して単独のスラスト軸受として応用することも可能である(変形例に係る回転装置721)。(2) Also, as shown in FIG. 11, it is also possible to extract only the other thrust bearing 901 of the
(3)実施形態A2においては、第1ヨーク230の内底面236が第1永久磁石210の第1面211と当接している構成を示して説明した。しかしながら、本発明においてはこれに限定されるものではない。すなわち、内底面236と第1面211との間に小さなギャップを有するように構成してもよい。このような構成となったとしても、第1永久磁石210の第1磁極を終端/始端として生じる磁力線が第1ヨーク230内部を通過することに変わりがないため、内底面236と第1面211とが当接する場合と同様の作用・効果を奏することができる。このような構成も本発明の均等物である。
なお、第2ヨーク240の内底面246と第2永久磁石220の第4面222との間においても同様である。
(3) In embodiment A2, a configuration in which the
The same applies to the area between the
(4)各実施形態においては、第1磁極をS極とし第2磁極をN極として図示及び説明を行った。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。第1磁極をN極とし第2磁極をS極として各実施形態を適用してもよい。 (4) In each embodiment, the first magnetic pole is illustrated and described as a south pole and the second magnetic pole is a north pole. However, the present invention is not limited to this. Each embodiment may be applied with the first magnetic pole as a north pole and the second magnetic pole as a south pole.
(5)各実施形態では、軸100及び第1永久磁石210が回転し、第2永久磁石220が固定する関係を想定して説明したが、これは相対的な関係を説明したものであり、本発明はこれに限定されるものではない。逆に、軸100及び第1永久磁石210を固定し、第2永久磁石220が回転するような関係の使用のされ方をしてもよい。このとき、本明細書の説明及び請求項において「回転する」は「固定する」に、「回転部」は「固定部」に、「固定部」は「回転部」などと読み替えて適用することができる。
(5) In each embodiment, the description assumes a relationship in which the
(6)これまで述べてきた各実施形態や応用例において、ラジアル軸受300としてボールベアリングを採用した場合を想定して説明を行った。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、後ほど実施形態B1~B5等で述べる磁気潤滑剤50(磁性流体など)が配置された軸受301~305等をラジアル軸受300として導入して、これらのラジアル軸受を本発明に係るスラスト軸受と適宜に組み合わせることができる。
(6) In each of the embodiments and application examples described so far, the explanation has been given assuming that a ball bearing is used as the
B.ラジアル軸受について
[実施形態B1]
1.実施形態B1に係る軸受301の構成
図13は、実施形態B1に係る軸受301(ラジアル軸受)を説明するために示す図である。図13(a)は、軸受301を回転軸RAを含む仮想面で切断したときの断面図であり、図13(b)は図13(a)の破線Aで囲まれた領域を拡大した拡大断面図であり、図13(c)は磁石30の斜視図である。なお、図13においては軸受301に対して軸100(後述)が挿入されていない状態を示している(以降説明する図16~図19においても同様)。
B. Radial bearing [Embodiment B1]
1. Configuration of the
Fig. 13 is a diagram for explaining a bearing 301 (radial bearing) according to embodiment B1. Fig. 13(a) is a cross-sectional view of the
(1)軸100
実施形態B1に係る軸受301は、回転軸RAを中心軸として回転する軸100(別言すると回転軸RAの周りを回転する軸100。図14参照)のラジアル方向RDの荷重(ラジアル荷重)を受ける軸受である。軸100は、シャフトとも呼ばれ、回転軸RAを中心として回転するように構成されている。軸100には回転体が取り付けられる。回転体は軸100と一体になって回転軸RAの周りを回転する。
(1)
The bearing 301 according to embodiment B1 is a bearing that receives a load (radial load) in the radial direction RD of a
(2)軸受301の全体構成
図13(a)に示すように、軸受301は、受け部材10-1,10-2(以下、単に受け部材10と表記することがある)と、磁石30と、磁気潤滑剤50とを備えている。
(2) Overall Configuration of
As shown in FIG. 13( a ), the
(3)受け部材10
受け部材10は、軸100のラジアル荷重を受ける部材である。
実施形態B1で例示した受け部材10は、スラスト方向TDに扁平圧縮された円環形状を呈している。かかる円環形状の内周面が、軸100に対して直接的に又は磁気潤滑剤50を介して間接的に接触する広義の「接触部14」となる。かかる接触部14は、ラジアル荷重を一次的に受ける、いわば「受け壁」となる。
(3) Receiving member 10
The bearing member 10 is a member that receives the radial load of the
The receiving member 10 illustrated in embodiment B1 has a circular ring shape that is flattened and compressed in the thrust direction TD. The inner peripheral surface of the circular ring shape serves as a "
受け部材10は、軟磁性体からなり、磁力線の磁路(磁石30を起磁力源とする磁気回路)の一部を構成しており、かかる磁路を通じて繋がる磁力線により接触部14付近で磁気潤滑剤50を滞留させる(後述)よう構成されている。The receiving member 10 is made of a soft magnetic material and forms part of the magnetic path of the magnetic lines (a magnetic circuit with the
受け部材10は、基部11と回転軸RA側に突出した突出部12とを有している。突出部12の先端側には上記した接触部14(受け壁)が設けられている。
図13(b)に示すように、接触部14は、磁石30の内側面34の位置よりも更に回転軸RA寄りに符号PR分だけ突出している突出部12の先端に形成されている。
The receiving member 10 has a
As shown in FIG. 13( b ), the
受け部材10の少なくとも接触部14には鋳鉄が用いられている。実施形態B1の例では、接触部14のみならず、突出部12ひいては受け部材10全体において鋳鉄が用いられている。Cast iron is used for at least the
(4)磁石30
磁石30は、軸受301における磁気回路上での起磁力源となるもので、正磁極31(N極)及び負磁極32(S極)を有する。磁石30は永久磁石である。但し、これに限定されることなく、磁石30を電磁石で構成してもよい。
(4)
The
図13(c)に示すように、実施形態B1の磁石30は内側面34、外側面35、上面36及び下面37を有する厚みのある略円筒形状を呈している。
実施形態B1の磁石30は、いわゆるアキシャル異方性の磁石であり、その上面36は全面に渡って正磁極31(N極)となっており、下面37は全面に渡って負磁極32(S極)となっている。なお、上面36/下面37と、正磁極31/負磁極32の配置関係は適宜変更が可能である。
磁石30は、一対の正磁極31及び負磁極32を互いに結ぶ磁軸がスラスト方向TDと一致(完全に一致している場合のほか、実用上、概略一致している場合も含まれる)するように構成されており、例えば、アキシャルギャップ着磁で得ることができる。
As shown in FIG. 13( c ), the
The
The
磁石30は、受け部材10のリブ16を互いに対向するように並べられた2個の受け部材10-1,10-2の間に、挟み込まれるようにして配置されている。磁石30は、リブ16の外側に配置され、リブ16により内側への移動が規制されている。
磁石30の上面36は受け部材10―1のリブ16側の面と接触しており、下面37は受け部材10-2のリブ16側の面と接触している。
磁石30及び受け部材10-1,10-2により磁気回路が構成されている。すなわち、磁石30の正磁極31から発せられた磁力線が、上側に配置された受け部材10-1の内部、接触部14及び磁気潤滑剤50、軸100が配置される空間、下側に配置された受け部材10-2に属する磁気潤滑剤50及び接触部14、下側に配置された受け部材10-2の内部と順次繋がり、最後は磁石30の負磁極32に引き込まれて戻るようになっている《図13(a)の矢印を参照》。
接触部14から発せられる又は引き込まれる磁力線は、回転軸RA側に向かうような方向となっており、接触部14(受け壁の面)に対して交差している。
The
An
A magnetic circuit is formed by the
The magnetic field lines emitted from or attracted to the
(5)ケース60
更に実施形態B1の軸受301においては、最外周に非磁性体の材料からなるケース60(非磁性体部材)が設けられている。ケース60は、磁石30からみて磁気潤滑剤50が配置された位置(軸100が配置される側)とは反対側のラジアル方向RD上の位置に配置され、磁石30の外側面35及び受け部材10の外側面(符号なし)にそれぞれ接するようにして設けられている。
非磁性体部材であるケース60を、このように磁石30及び受け部材10の外周側に設けることにより、磁石30の正磁極31から発せられた磁力線を外側ではなく内側(磁気潤滑剤が配置された側)に誘導することができ、接触部14付近ではより強く磁気潤滑剤50を拘束することができる。
(5)
Furthermore, in the
By providing the
(6)磁気潤滑剤50
磁気潤滑剤50は、磁石30の正磁極31及び負磁極32の間の磁力線の影響を受ける磁性体粒子51を含有した流動性のある材料である。実施形態B1の例では、磁気潤滑剤50としていわゆる磁性流体を用いる。磁性流体は、界面活性剤に覆われた強磁性微粒子がベース液の中に数多く分散してなる流体である。
(6)
The
また、実施形態B1の例では、オイルを主成分とする液体をベース液とした磁性流体を用いる。すなわち、磁気潤滑剤には潤滑性ある油性成分が含有されている。In addition, in the example of embodiment B1, a magnetic fluid is used in which a liquid whose main component is oil is used as the base liquid. In other words, the magnetic lubricant contains an oil-based component with lubricating properties.
さらに、実施形態B1の例で用いる磁気潤滑剤50には、潤滑性ある炭素粒子55が含有されている《後述する図15(b)参照》。
磁気潤滑剤50内の炭素粒子55は、詳細は後述するように鋳鉄による受け部材10aの巣から供給されたものでもよいし、カーボン等でなる粒子を予め磁気潤滑剤50に混入しておいたものでもよい。
Furthermore, the
The
実施形態B1において、磁気潤滑剤50は、軸100と受け部材10との間に配置されている(図13~図15参照)。かかる磁気潤滑剤50は、磁力線の影響を受ける磁性体粒子を含有しているので、軸100と受け部材10と軸との間に配置されると、受け部材を通じて生じる磁力線により拘束されて、接触部14(受け壁の面)に付着するようにして配置場所に留まる。In embodiment B1, the
実施形態B1に係る軸受301において、受け部材10は軟磁性体からなり、磁石30、受け部材10及び軸100が磁気回路を構成しており、この磁気回路の磁路内に磁気潤滑剤50が配置されている。In the
2.実施形態B1に係る軸受301の作用・効果
図14は、実施形態B1に係る軸受301の作用・効果について説明する断面図である。図15は、鋳鉄による受け部材10aと磁気潤滑剤50とが馴染む様子を描いた図である。図15(a)は受け部材10-2付近の軸100及び受け部材10-2(10a)の様子を示した断面図であり、図15(b)は図15(a)の破線Bで囲まれた領域を拡大した拡大断面図である。 2. Function and effect of the
(1)軸受301に対し軸100を挿入すると、図14に示すような状態となる。軸100が挿入されたときにも、起磁力源たる磁石30及び磁路の一部を構成する受け部材10により、図1の状態と同様、磁気回路が形成される(図14の矢印で示した磁力線を参照)。
実施形態B1に係る軸受301は、軸100のラジアル荷重を受ける受け部材10と、正磁極31及び負磁極32を有する磁石30と、正磁極31及び負磁極32の間の磁力線の影響を受ける磁性体粒子51を含有した磁気潤滑剤50とを備え、磁気潤滑剤50が、軸100と受け部材10との間に配置されている。
(1) When
The bearing 301 of embodiment B1 comprises a receiving member 10 that receives the radial load of the
このように、磁気潤滑剤50が軸100と受け部材10との間に配置されているので、軸100の外周面とラジアル荷重を受ける壁になる受け部材10の部位との間に、磁気潤滑剤50による液膜(油性成分が含有されているときには「油膜」)が介在することとなり、軸100が受け部材10に直接接触しない状態(非接触状態)を作ることができる。剛体同士の擦り合わせが無くなるため、それらによる摩擦抵抗は生じない。
逆に、軸100は液膜に対して常に接触することとなるが、液膜を構成する材は潤滑性に富んだ磁気潤滑剤50であるため、軸100及び磁気潤滑剤50による摩擦抵抗は極めて小さい。したがって、軸100が回転する際の軸100が受ける総体としての摩擦抵抗も極めて小さくすることができる。
In this way, because the
Conversely, although the
また、磁気潤滑剤は正磁極及び負磁極の間の磁力線の影響を受ける磁性体粒子を含有しているものであるため、磁気潤滑剤は上記磁石を起磁力源とした磁気回路(磁路)上に拘束されている。したがって、軸が回転した時でも荷重が変動した時でも、磁気潤滑剤は軸と受け部材との間の所定の場所に留まり続けることとなり、漏洩、飛散等により磁気潤滑剤が減ることも無く、持続的に安定して上記した液膜を所定の場所に介在させることができる。 In addition, because the magnetic lubricant contains magnetic particles that are affected by the magnetic field lines between the positive and negative magnetic poles, the magnetic lubricant is constrained on a magnetic circuit (magnetic path) that uses the magnet as the magnetomotive force source. Therefore, even when the shaft rotates or the load fluctuates, the magnetic lubricant continues to remain in a specified location between the shaft and the receiving member, and the magnetic lubricant is not reduced due to leakage, scattering, etc., and the above-mentioned liquid film can be continuously and stably interposed in the specified location.
以上より、実施形態B1に係る軸受301によればボールベアリングよりも摩擦抵抗の小さい軸受を提供することができる。 From the above, the bearing 301 of embodiment B1 can provide a bearing with lower frictional resistance than a ball bearing.
また、実施形態B1に係る軸受301によればボールベアリング等を備えずともラジアル荷重を受けることができる。つまり、軸受内に機械的な可動部(ボールベアリングの玉など)が無いため摩擦損失(又は発熱による損失)が極めて小さいものとなる。したがって、軸100及び軸100に付随した回転装置が元々持っているエネルギーの損失も大幅に抑制することができる。
In addition, the bearing 301 according to embodiment B1 can receive radial loads without having ball bearings or the like. In other words, since there are no mechanical moving parts (such as balls in a ball bearing) in the bearing, friction loss (or loss due to heat generation) is extremely small. Therefore, the loss of energy inherent to the
また、実施形態B1に係る軸受301は、機械的な構造も単純であり、かつ、ラジアル荷重を液膜(油膜)で受けるため耐摩耗性や耐久性に優れたものとなる。さらに、軸受301は機械的な構造が単純であるため安価に構成することができ、経済的にも有利な軸受を得ることができる。In addition, the bearing 301 according to embodiment B1 has a simple mechanical structure and is excellent in wear resistance and durability because the radial load is received by a liquid film (oil film). Furthermore, because the
(2)実施形態B1に係る軸受301において、受け部材10は、軸100に、直接的に又は磁気潤滑剤50を介して間接的に接触する接触部14(受け壁)を有し、接触部14は磁石30の内側面34の位置よりも更に回転軸RA寄りに突出している突出部12の先端に形成されている。逆にいうと、磁石30の内側面34は、受け部材10の接触部14よりも外側に(回転軸RAから遠い位置に)配置されている。
(2) In the
このような構成となっているため、軸100からのラジアル荷重は接触部14で受け止られ、その一方で磁石30にはラジアル荷重が掛からない。軸100からのラジアル荷重による機械的応力が掛からないので磁石30の損壊を防止することができる。
Because of this configuration, the radial load from the
(3)実施形態B1の磁気潤滑剤50には、潤滑性ある炭素粒子55が含有されている。
この点について、図15を参照しながら以下説明する。
カーボン等の炭素粒子は一般に自己潤滑性を有していると言われており、磁気潤滑剤50中にかかる炭素粒子55が混入していると《図15(b)参照》、かかる潤滑性が磁気潤滑剤50の中でも発揮され、磁気潤滑剤50は更に滑りやすいものとなる。
(3) The
This will be described below with reference to FIG.
Carbon particles such as carbon are generally said to have self-lubricating properties, and when
ところで、鋳鉄は一般的な鋼に比べて炭素量が多いと言われている。
図15に示すように、実施形態B1では受け部材10として鋳鉄による受け部材10aが採用されており、基部11a,突出部12aなど、少なくとも接触部14aにも鋳鉄が用いられている。
そのため、鋳鉄に数多く存在する巣18aに磁気潤滑剤50が入り込み、磁気潤滑剤50と鋳鉄による受け部材10a(接触部14a)との接触面積が増えて互いに馴染みやすい状況となっている。接触面積が増えた中で、軸100の回転によって磁気潤滑剤50も適宜対流することから、鋳鉄が有していた炭素粒子55も磁気潤滑剤50の中に混入しやすい。特に、鋳鉄の巣18aには炭素粒子55が多く含まれていることから、なおさら炭素粒子55が磁気潤滑剤50に混入しやすい。
磁気潤滑剤50の中に炭素粒子55が混入すると、炭素粒子55自身が備えている潤滑性が磁気潤滑剤50の中でも発揮され、磁気潤滑剤50は更に滑りやすいものとなる。
したがって、以上のような構成とすることで、軸受301は摩擦抵抗が一層小さなものとなる。
By the way, cast iron is said to have a higher carbon content than general steel.
As shown in FIG. 15, in the embodiment B1, a receiving
Therefore, the
When
Therefore, with the above-mentioned configuration, the friction resistance of the
[実施形態B2]
図16は、実施形態B2に係る軸受302を説明するために示す図である。図16(a)は軸受302の断面図であり、図16(b)は磁石30-1,30-2の斜視図である。
[Embodiment B2]
Fig. 16 is a diagram for explaining a
実施形態B2に係る軸受302は、基本的には実施形態B1に係る軸受301と同様の構成を有するが、起磁力源たる磁石を複数(ここでは2個)備えている点などにおいて実施形態B1に係る軸受301と異なる。The bearing 302 of embodiment B2 basically has the same configuration as the bearing 301 of embodiment B1, but differs from the bearing 301 of embodiment B1 in that it has multiple magnets (here, two) that serve as a magnetomotive force source.
図16に示すように、実施形態B2に係る軸受302は、略円筒形状のアキシャル異方性の磁石30を2個備えている。双方の磁石30-1,30-2は、スラスト方向TDの面(上面36又は下面37)が互いに同じ極性の磁極(図の例では正磁極31たるN極)が対向するようにして、回転軸RAに沿って配列されている。
上に配置された磁石30-1と当接する受け部材10-2、及び、下に配置された磁石30-2と当接する受け部材10-2は、磁石30-1,30-2で共有する共通のものである。また、非磁性体でなるケース60(非磁性体部材)も双方の磁石に対応した位置で共通のものが用いられている。
16, the bearing 302 according to embodiment B2 includes two substantially cylindrical axially
The receiving member 10-2 that comes into contact with the magnet 30-1 arranged above, and the receiving member 10-2 that comes into contact with the magnet 30-2 arranged below are common to the magnets 30-1 and 30-2 . Also, a common case 60 (non-magnetic member) made of a non-magnetic material is used at a position corresponding to both magnets.
受け部材10-2は、双方の磁石30-1,30-2から発せられた/引き込まれる磁力線が合流する共通の磁路となることから、受け部材10-2における接触部14(符号の図示は省略)においては、より強力に磁気潤滑剤50を拘束することができる。したがって、実施形態B2に係る軸受302は、ラジアル荷重の増加・変動等にも強い、よりロバストな軸受となる。
Since the receiving member 10-2 serves as a common magnetic path where the magnetic lines of force emitted/attracted from both magnets 30-1 , 30-2 join together, the
また、実施形態B2に係る軸受302は、実施形態B1よりも接触部14の箇所が増やされており(受け部材10-1,10-2,10-3による3箇所)、軸100の長い区間でラジアル荷重を受けることができるため、ブレの少ない回転に寄与することができる。
Furthermore, the bearing 302 of embodiment B2 has
実施形態B2に係る軸受302は、磁石を複数備えている点など以外の点においては、実施形態B1に係る軸受301と基本的に同様の構成を有する。そのため、実施形態B1に係る軸受301が有する効果のうち該当する効果を同様に有する。Bearing 302 according to embodiment B2 has a configuration basically similar to bearing 301 according to embodiment B1, except for the fact that it has multiple magnets. Therefore, it has the same effects as bearing 301 according to embodiment B1.
[実施形態B3]
図17は、実施形態B3に係る軸受303を説明するために示す図である。図17(a)は軸受303の断面図《図17(b)のD-D断面図》であり、図17(b)は、図17(a)の矢印Cに沿って軸受303を視たときの平面図である(受け部材10-1は描いていない)。
[Embodiment B3]
Fig. 17 is a diagram for explaining a
実施形態B3に係る軸受303は、基本的には実施形態B1に係る軸受301と同様の構成を有するが、磁石の構成において実施形態B1に係る軸受301と異なる。The bearing 303 of embodiment B3 basically has the same configuration as the bearing 301 of embodiment B1, but differs from the bearing 301 of embodiment B1 in the configuration of the magnet.
図17(b)に示すように、実施形態B3の磁石30aは、一対の正磁極31-n及び負磁極32-n(nは自然数でインデックス番号が入る。以下同様)を互いに結ぶ磁軸がスラスト方向TDと一致するように構成されたアキシャル異方性の極を複数有する。すなわち、磁石30aは、一対の正磁極31-n及び負磁極32-nで定義される極MPnが少なくとも2極以上含まれている。図17で例示した磁石30aにおいては、回転軸RAを中心に360度を8等分割した8個の極MP1~MP8が含まれている。
互いに隣接した極MP(n),MP(n+1)との間では、同じ受け部材10に当接する面(上面又は下面)に対して、同じ磁極(正磁極/負磁極)で配置され、各極MP間は非磁性体部材75で仕切られている。
As shown in Figure 17(b),
Adjacent poles MP(n), MP(n+1) are arranged with the same magnetic poles (positive pole/negative pole) on the surface (upper or lower surface) that abuts against the same receiving member 10, and each pole MP is separated by a
実施形態B3の磁石30aは、アキシャルギャップ着磁で製造することができる。また、各極MP1~MP8に対応した分割磁石の集合体として磁石30aを準備することもできるため、径の大きな軸受を構成する場合などは製造性に優れた軸受であるとも言える。The
実施形態B3に係る軸受303は、磁石の構成以外の点においては、実施形態B1に係る軸受301と基本的に同様の構成を有する。そのため、実施形態B1に係る軸受301が有する効果のうち該当する効果を同様に有する。Bearing 303 according to embodiment B3 has a configuration basically similar to bearing 301 according to embodiment B1, except for the configuration of the magnet. Therefore, it has the same effects as bearing 301 according to embodiment B1.
[実施形態B4]
図18は、実施形態B4に係る軸受304を説明するために示す図である。図18(a)は軸受304の断面図《図18(b)のF-F断面図》であり、図18(b)は、図18(a)の矢印Eに沿って軸受304を視たときの平面図である(受け部材10-1は描いていない)。
[Embodiment B4]
Fig. 18 is a diagram for explaining a
実施形態B4に係る軸受304は、基本的には実施形態B3に係る軸受303と同様の構成を有するが、起磁力源たる磁石を複数(ここでは2個)備えている点などにおいて実施形態B3に係る軸受303と異なる。The bearing 304 of embodiment B4 basically has the same configuration as the bearing 303 of embodiment B3, but differs from the bearing 303 of embodiment B3 in that it has multiple magnets (here, two) that serve as a magnetomotive force source.
図18に示すように、実施形態B4に係る軸受304は、実施形態B3で説明したアキシャル異方性の多極の磁石30aを2個備えている。
双方の磁石30a-1,30a-2は、同じセクションSCn内で同じ極性の磁極が対向するようにして配列されている。図18(a)をみると、受け部材10-2を挟むようにして、左側のセクションSC1では双方の負磁極(S極)が対向し、右側のセクションSC5では双方の負磁極(S極)が対向するようにして配置されている。
As shown in FIG. 18, a
The
上に配置された磁石30a-1と当接する受け部材10-2、及び、下に配置された磁石30a-2と当接する受け部材10-2は、磁石30a-1,30a-2で共有する共通のものである。また、非磁性体でなるケース60(非磁性体部材)も双方の磁石に対応した位置で共通のものが用いられている。
The receiving member 10-2 that comes into contact with the
2つの磁石30a-1,30a-2に挟まれた受け部材10-2が共通の磁路となること、及びそれによる作用・効果等については実施形態B2に係る軸受302と同様であることから、かかる説明を援用する。
The receiving member 10-2 sandwiched between the two
また、実施形態B4に係る軸受304は、図18(a)に示すように、上の磁石30a-1の内径は下の磁石30a-2の内径よりも大きくなっている。また、上段の受け部材10-1の内径は、下段の受け部材10-3の内径よりも大きくなっている。さらに、中段の受け部材10-2の突出部12付近には上に向けて開口した座ぐり穴15が設けられている。
実施形態B4に係る軸受304はこのような構成となっているため、符号110で示すような、長手方向の位置によって細い外径と太い外径を有する段の付いた軸(シャフト)を軸受することもできる。
18(a), in the
Since the bearing 304 of embodiment B4 has this configuration, it is also possible to support a stepped shaft having a narrow and wide outer diameter depending on the longitudinal position, such as that shown by the
実施形態B4に係る軸受304は、磁石30aを複数備えている点など以外の点においては、実施形態B3に係る軸受303と基本的に同様の構成を有する。そのため、実施形態B3に係る軸受303が有する効果のうち該当する効果を同様に有する。Bearing 304 according to embodiment B4 has a configuration basically similar to bearing 303 according to embodiment B3, except that it has a plurality of
[実施形態B5]
図19は、実施形態B5に係る軸受305を説明するために示す図である。図19(a)は、軸受305を、回転軸RAを含む仮想面で切断したときの断面図であり、図19(b)は図19(a)の破線Gで囲まれた領域を拡大した拡大断面図であり、図19(c)は磁石30bの斜視図である。
[Embodiment B5]
Fig. 19 is a diagram for explaining a
実施形態B5に係る軸受305は、基本的には実施形態B1に係る軸受301と同様の構成を有するが、磁石の構成において実施形態B1に係る軸受301と異なる。The bearing 305 of embodiment B5 basically has the same configuration as the bearing 301 of embodiment B1, but differs from the bearing 301 of embodiment B1 in the magnet configuration.
図19に示すように、実施形態B5の磁石30bは、一対の正磁極31及び負磁極32を互いに結ぶ磁軸がラジアル方向RDと一致するように構成されたラジアル異方性の磁石である。磁石30bは、ラジアルギャップ着磁で製造することができる。As shown in Figure 19,
このような磁石30bを用いると、図19(a)に示すように、磁石30bの内側面34に配置された磁極《図では正磁極31(N極)》からは、磁力線が回転軸RAに向かって発せられる/引き込まれる。この点では実施形態B1に係る軸受301とは異なる。ただ、受け部材10も含めて磁路が形成され、受け部材10の接触部14-1,14-2付近で磁気潤滑剤50が拘束される点は同様な構成及び作用を有している。
When such a
実施形態B5に係る軸受305においては、上に位置する接触部14-1を有する上の受け部材10b(符号共通)と、下に位置する接触部14-2を有する下の受け部材10b(符号共通)と、が渡り部17を通じて連続的に構成(連成)されている。したがって、渡り部17も磁路の一部を構成している《図20(a)の磁力線を示す矢印を参照》。
In the
また、軸受305においては、磁軸に平行な方向(回転軸RAに直交する方向)に沿って、磁石30bが配置された位置と磁気潤滑剤50が配置されたスラスト方向TD上の位置との間に非磁性体の材料からなるスペーサー70(非磁性体部材)が設けられている。In addition, in the
その他の構成《例えば図19(b)で示す接触部14の位置と磁石の内側面の位置との関係など》については、基本的に実施形態B1と同様であるため説明を援用し、ここでの説明を省略する。実施形態B5に係る軸受305は、磁石の構成以外の点においては、実施形態B1に係る軸受301と基本的に同様の構成を有する。そのため、実施形態B1に係る軸受301が有する効果のうち該当する効果を同様に有する。
Other configurations (such as the relationship between the position of
[応用例]
図20は応用例に係る回転装置750を説明するために示す図である。図21は応用例に係る回転装置751を説明するために示す図である。図22は応用例に係る回転装置752を説明するために示す図である。図23は応用例に係る回転装置753を説明するために示す図である。図24は応用例に係る回転装置754を説明するために示す図である。
なお、応用例で図示する本発明の軸受はブラックボックスとして描いているが、細部の構成は上記してきた対応する実施形態の構成と同様となっている。
[Application example]
Fig. 20 is a diagram for explaining a
Although the bearings of the present invention illustrated in the application examples are depicted as black boxes, the detailed configurations are similar to those of the corresponding embodiments described above.
(1)各実施形態に係る軸受は適宜の応用が可能である。例えば図20で示す垂直側の回転装置750のように、下部にフライホイール510を設けた軸100の側面を補助するようにして、実施形態B1,B2,B3,B5のいずれかの軸受301,302,303,305を配置し、ラジアル荷重を受けてもよい。同様に、図21に示す回転装置751のように、上部にフライホイール510’を設けた軸100の側面を補助するようにして、実施形態B1,B2,B3,B5のいずれかの軸受301,301,302,303,305を配置してもよい。
本発明の各軸受は、摩擦係数が極めて小さく、かつ、摩擦抵抗に起因したエネルギー損失も小さいことから、フライホイール510,510’によりエネルギーを保持しておく装置への応用には好適である。
(1) The bearings according to each embodiment can be appropriately applied. For example, as in the vertical side
Since each bearing of the present invention has an extremely small coefficient of friction and also has small energy loss due to frictional resistance, it is suitable for application to devices that retain
(2)各実施形態に係る軸受は、図22で示す回転装置752のように、垂直側の発電装置のロータ520を軸100に接続した回転装置への応用も可能である。なお、符号522はロータ520に属する永久磁石であり、符号524はステータに属するコイルであり、符号526はコイルバックヨークを示している。ロータ520の基に近い位置では段差のある軸に対応可能な実施形態B4に係る軸受304を配置し、その他の位置では実施形態B1,B2,B3,B5のいずれかの軸受301,302,303,305を配置することができる。なお、本発明に係る軸受(ラジアル軸受)は、発電装置に限らずモータの主軸のラジアル荷重を受ける軸受としても適用可能である。
(2) The bearings according to each embodiment can also be applied to a rotating device in which the
(3)各実施形態に係る軸受は、図23に示す回転装置753のように、垂直型の風力発電用の羽根530、非接触のスラスト軸受200を使った回転装置への応用も可能である。
非接触のスラスト軸受200は、互いに対向する面が同極となるように着磁された第1永久磁石210と第2永久磁石220が回転軸RA上に配置され、第1永久磁石210の側に軸100の一端が接続されて、第1永久磁石210及び第2永久磁石の間で互いに磁力反発して適宜の間隔を置きながら非接触状態となるよう構成されている。
このようにスラスト荷重の軸受をしたうえで、軸100の側面を補助するようにして、実施形態B1,B2,B3,B5のいずれかの軸受301,302,303,305を配置してもよい。
(3) The bearings according to each embodiment can also be applied to a rotating device that uses a
The
After bearing the thrust load in this manner, the
また、各実施形態に係る軸受は、図24に示す回転装置754のように、図23の回転装置753に対し羽根530の上方にも非接触のスラスト軸受400を設けた回転装置への応用も可能である。上方のスラスト軸受400の構成についても基本的に下方のスラスト軸受200と同様の構成となっている。
このようにスラスト荷重の軸受をしたうえで、軸100の側面を補助するようにして、実施形態B1,B2,B3,B5のいずれかの軸受301,302,303,305を配置してもよい。
The bearings according to each embodiment can also be applied to a rotating device such as
After bearing the thrust load in this manner, the
図23及び図24に示した回転装置753,754においては、上記したスラスト軸受200,400が設けられているので、回転軸RAに沿った軸100に上下変動があったとしても、第1永久磁石210/410と第2永久磁石220/220との間の磁力反発によって適宜の間隔を置きながら非接触状態を維持することができる。このため、上部の羽根530の回転方向の摩擦抵抗の低減のみならず、上下方向に対しても摩擦抵抗を軽減できる効果も持ち合わせている。
したがって、ここで示したようなラジアル荷重の軸受301,302,303,305及び非接触のスラスト軸受200,400が設けられた羽根530(タービン530と換言可能)を有する回転装置753,754は、同じ仕様のものが地球上の様々な標高の場所で設置されることが想定される場合であったり、地球上の様々な標高・緯度・経度の場所の間を行き来することが想定される場合など、重量や磁力の変異によって軸100が上下変動しうる場合の用途にも適応できる。
23 and 24, the above-mentioned
Therefore, the
なお、非接触のスラスト軸受200,400については、発明者らが発明した先願である特願2021-140044で詳しく開示している。本願においてはかかる先願の内容がそのまま取り込まれる。本願における図23の回転装置753は先願の応用例(3)に対応し、図24の回転装置754は先願の実施形態4に対応しており、符号についても同様の符号を用いている。したがって、本応用例のスラスト軸受200,400の詳細な説明は、先願の内容をそのまま援用して本応用例に適用することができる。The
以上、本発明(ラジアル軸受)を上記の実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。その趣旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば、次のような変形も可能である。 The present invention (radial bearing) has been described above based on the above embodiment, but the present invention is not limited to the above embodiment. It can be embodied in various ways without departing from the spirit of the invention, and for example, the following modifications are also possible:
(1)磁石としてラジアル異方性の磁石を用いた実施形態は、実施形態B5で説明した。
実施形態B5に係る軸受305で用いられている磁石30bは、一対の正磁極31及び負磁極32で定義される極が一つの場合であった。しなしながら、本発明はこれに限定されるものではない。ラジアル異方性の磁石についても、実施形態B3及び実施形態B4の内容と同様に、一対の正磁極31及び負磁極32で定義される極が多極となるように構成することも可能である。
このとき、磁石は、一対の正磁極31及び負磁極32を互いに結ぶ磁軸がラジアル方向と一致するように構成されたラジアル異方性の磁石であり、磁石には、一対の正磁極31及び負磁極32で定義される極MPが少なくとも2極以上含まれている構成となる。
(1) The embodiment in which a radially anisotropic magnet is used as the magnet has been described in embodiment B5.
The
In this case, the magnet is a radially anisotropic magnet in which the magnetic axis connecting a pair of positive
(2)各実施形態においては、潤滑性ある油性成分が含有されている磁気潤滑剤50を用いることを想定して説明を行った。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。磁気潤滑剤50は水溶性のある液体を含有したものであってもよい。こうすることにより、磁気潤滑剤全体としての粘度を低くし易くなるため潤滑性向上が期待できる。
(2) In each embodiment, the description assumes the use of a
(3)各実施形態においては、少なくとも接触部14には鋳鉄が用いられていることを想定して説明を行った。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、接触部14に炭素鋼が用いられていてもよい(少なくとも接触部は炭素鋼でなってもよい)。また、接触部14には、セラミックを含有した磁性材料が用いられていてもよい。具体的には、例えば鉄粉にセラミックの粒子を混ぜたもので接触部14を構成してもよい。
(3) In each embodiment, it has been explained assuming that at least the
なお、磁石においては磁石配列による高磁束密度化技術があり、代表的なハルバッハ磁石配列や特許第5381072号:図3の磁石配列を、本発明の各磁極に用いることで同形状において実施形態A1~A5における反発力を更に高めたり、実施形態B1~B5の磁気潤滑剤50の滞留量を更に増加させたりすることができる。In addition, there are technologies for increasing the magnetic flux density of magnets by arranging magnets. By using a typical Halbach magnet arrangement or the magnet arrangement of Patent No. 5,381,072 (Figure 3) for each magnetic pole of the present invention, it is possible to further increase the repulsive force in embodiments A1 to A5 with the same shape, and to further increase the amount of
1,2,3,4,5,6,710,711,712,720,721,750,751,752,753,754,900…回転装置、10,10a,10b…受け部材、11,11a…(受け部材の)基部、12,12a…(受け部材の)突出部、14,14a…接触部、15…座ぐり穴、16…リブ、17…渡り部、18a…鋳鉄の巣、30,30a,30b…磁石、31…正磁極、32…負磁極、34…(磁石の)内側面、35…(磁石の)外側面、36…(磁石の)上面、37…(磁石の)下面、50…磁気潤滑剤、51…磁性体粒子、55…炭素粒子、60…ケース、70…スペーサー、100…軸、100a…(軸の)一端側、200,200’,400,901,990…スラスト軸受、210,410,910…第1永久磁石、211…第1面、212…第2面、213…(第1永久磁石の)側面、215…荷重側対向面、217…軸受部、220,420,920…第2永久磁石、221…第3面、222…第4面、223…(第2永久磁石の)側面、225…受け側対向面、230,430,930…第1ヨーク、232…筒状胴部、234…底部、235…内壁面、236,936…内底面、237…口縁面、240,440,940…第2ヨーク、242…筒状胴部、244…底部、245…内壁面、246…内底面、247…口縁面、290…空気層又は非磁性体、300,301,302,303,304,305…(ラジアル)軸受、500…回転体、501,502,503,504、510,510’ …フライホイール、520…ロータ、522…ロータに属する永久磁石、524…ステータに属するコイル、526…コイルバックヨーク、530…羽根(タービン)、600…磁気検出部
1, 2, 3, 4, 5, 6, 710, 711, 712, 720, 721, 750, 751, 752, 753, 754, 900...rotating device, 10, 10a, 10b...receiving member, 11, 11a...base (of receiving member), 12, 12a...projecting portion (of receiving member), 14, 14a...contact portion, 15...countersink, 16...rib, 17...bridge portion, 18a...cast iron cavity, 30, 30a, 3 0b...magnet, 31...positive magnetic pole, 32...negative magnetic pole, 34...(magnet) inner surface, 35...(magnet) outer surface, 36...(magnet) upper surface, 37...(magnet) lower surface, 50...magnetic lubricant, 51...magnetic particles, 55...carbon particles, 60...case, 70...spacer, 100...shaft, 100a...(shaft) one end side, 200, 200', 400, 901, 990...thrust bearing, 210, 410 , 910...first permanent magnet, 211...first surface, 212...second surface, 213...side surface (of first permanent magnet), 215...load side surface, 217...bearing portion, 220, 420, 920...second permanent magnet, 221...third surface, 222...fourth surface, 223...side surface (of second permanent magnet), 225...receiving side surface, 230, 430, 930...first yoke, 232...cylindrical body portion, 234...bottom portion, 235 ...inner wall surface, 236, 936...inner bottom surface, 237...rim surface, 240, 440, 940...second yoke, 242...cylindrical body, 244...bottom, 245...inner wall surface, 246...inner bottom surface, 247...rim surface, 290...air layer or non-magnetic material, 300, 301, 302, 303, 304, 305...(radial) bearing, 500...rotating body, 501, 502, 503, 504, 510, 510'...flywheel, 520...rotor, 522...permanent magnet belonging to rotor, 524...coil belonging to stator, 526...coil back yoke, 530...blade (turbine), 600...magnetic detection unit
Claims (14)
前記軸の少なくとも一端側に配置され、前記回転軸に平行なスラスト方向の荷重を受けるスラスト軸受と、
を備えた回転装置であって、
前記スラスト軸受は、
前記軸の前記一端側に接続され第1磁極が配された第1面、及び、前記第1面とは反対側に位置し第2磁極が配された第2面を有し、前記軸と一体となって同軸に回転するよう構成された第1永久磁石と、
前記第1永久磁石の前記第2面に対向するように位置し前記第2磁極が配された第3面、及び、前記第3面とは反対側に位置し前記第1磁極が配された第4面を有し、所与の固定部に固定される第2永久磁石と、
を具備し、
前記第1永久磁石の前記第2面上では、前記回転軸の位置においても当該第1永久磁石の部材が存在しており、
前記第2永久磁石の前記第3面上では、前記回転軸の位置においても当該第2永久磁石の部材が存在しており、
前記スラスト軸受は、前記第1永久磁石と対になって磁気回路を構成する第1ヨークと、前記第2永久磁石と対になって磁気回路を構成する第2ヨークと、を更に具備し、
前記第1ヨークは、軟磁性体からなり、一方の側が開口した筒状胴部と該筒状胴部の他方の側に連成された底部とを有する有底円筒形をなしており、前記底部及び前記筒状胴部により前記第1永久磁石の前記第1面及び側面を取り囲むようにして内部に同軸的に前記第1永久磁石を収容しており、
前記底部の内底面は前記第1永久磁石の前記第1面と当接すると共に、前記筒状胴部の内壁面と前記第1永久磁石の前記側面との間が非磁性体で埋められており、
前記第1ヨークの前記筒状胴部の開口側の端面と前記第1永久磁石の前記第2面とにより略同一の平面を形成しており、
前記第2ヨークは、軟磁性体からなり、一方の側が開口した筒状胴部と該筒状胴部の他方の側に連成された底部とを有する有底円筒形をなしており、前記底部及び前記筒状胴部により前記第2永久磁石の前記第4面及び側面を取り囲むようにして内部に前記第2永久磁石を収容しており、
前記底部の内底面は前記第2永久磁石の前記第4面と当接すると共に、前記筒状胴部の内壁面と前記第2永久磁石の前記側面との間が非磁性体で埋められており、
前記第2ヨークの前記筒状胴部の開口側の端面と前記第2永久磁石の前記第3面とにより略同一の平面を形成しており、
前記回転装置は、前記回転軸の延びる方向が重力加速度の向かう方向となるように配置されるものであり、
前記スラスト軸受は、前記第1永久磁石、前記軸及び該軸に接続された回転体の全ての重力をスラスト荷重として受けるものであり、
前記回転軸に垂直なラジアル方向の荷重を受けるラジアル軸受を更に備えており、
前記ラジアル軸受は、
前記軸のラジアル荷重を受ける受け部材と、
正磁極及び負磁極を有する磁石と、
前記正磁極及び前記負磁極の間の磁力線の影響を受ける磁性体粒子を含有した磁気潤滑剤と、を備え、
前記磁石は、一対の前記正磁極及び前記負磁極を互いに結ぶ磁軸がラジアル方向と一致するように構成され、
前記磁石には、一対の前記正磁極及び前記負磁極で定義される極が少なくとも2極以上含まれており、
前記磁石と前記受け部材との間には前記スラスト方向の間隙を有し、該間隙に、非磁性体の材料からなる非磁性体部材が前記磁軸に平行な方向に沿って設けられ、
前記受け部材は前記磁石を起磁力源とする磁路の一部を形成しており、
前記磁気潤滑剤が、前記軸と前記受け部材との間に配置されている、
ことを特徴とする回転装置。 a shaft configured to rotate about an axis of rotation;
a thrust bearing disposed on at least one end side of the shaft and receiving a load in a thrust direction parallel to the rotation shaft;
A rotating device comprising:
The thrust bearing is
a first permanent magnet having a first surface connected to the one end of the shaft and having a first magnetic pole disposed thereon, and a second surface located opposite to the first surface and having a second magnetic pole disposed thereon, the first permanent magnet being configured to rotate coaxially with the shaft;
a second permanent magnet having a third surface on which the second magnetic pole is disposed and facing the second surface of the first permanent magnet, and a fourth surface on which the first magnetic pole is disposed and facing the opposite side to the third surface, the second permanent magnet being fixed to a given fixed portion;
Equipped with
a member of the first permanent magnet is present on the second surface of the first permanent magnet even at the position of the rotation axis,
a member of the second permanent magnet is present on the third surface of the second permanent magnet even at the position of the rotation axis,
the thrust bearing further includes a first yoke paired with the first permanent magnet to form a magnetic circuit, and a second yoke paired with the second permanent magnet to form a magnetic circuit,
the first yoke is made of a soft magnetic material and has a cylindrical shape with a bottom, the cylindrical body having an open side and a bottom connected to the other side of the cylindrical body, and the first permanent magnet is accommodated coaxially therein such that the bottom and the cylindrical body surround the first surface and side surface of the first permanent magnet,
an inner bottom surface of the bottom portion abuts against the first surface of the first permanent magnet, and a non- magnetic material is filled between the inner wall surface of the cylindrical body portion and the side surface of the first permanent magnet;
an end surface of the cylindrical body portion of the first yoke on an opening side and the second surface of the first permanent magnet form a substantially same plane,
the second yoke is made of a soft magnetic material and has a bottomed cylindrical shape having a cylindrical body portion with one side open and a bottom portion connected to the other side of the cylindrical body portion, and houses the second permanent magnet therein such that the bottom portion and the cylindrical body portion surround the fourth surface and a side surface of the second permanent magnet,
an inner bottom surface of the bottom portion abuts against the fourth surface of the second permanent magnet, and a non- magnetic material is filled between the inner wall surface of the cylindrical body portion and the side surface of the second permanent magnet;
an end surface of the second yoke on an opening side of the cylindrical body portion and the third surface of the second permanent magnet form substantially the same plane,
The rotation device is disposed so that the direction in which the rotation axis extends corresponds to the direction of gravitational acceleration,
the thrust bearing receives, as a thrust load, all gravity forces of the first permanent magnet, the shaft, and a rotating body connected to the shaft,
Further comprising a radial bearing for receiving a load in a radial direction perpendicular to the rotation axis,
The radial bearing is
A bearing member that receives a radial load of the shaft;
A magnet having a positive pole and a negative pole;
a magnetic lubricant containing magnetic particles that are affected by magnetic field lines between the positive magnetic pole and the negative magnetic pole ;
The magnet is configured such that a magnetic axis connecting the pair of positive magnetic poles and the pair of negative magnetic poles coincides with a radial direction,
The magnet includes at least two poles defined by a pair of the positive magnetic pole and the negative magnetic pole,
A gap in the thrust direction is provided between the magnet and the receiving member, and a non-magnetic member made of a non-magnetic material is provided in the gap along a direction parallel to the magnetic axis ,
The receiving member forms a part of a magnetic path using the magnet as a magnetomotive force source,
The magnetic lubricant is disposed between the shaft and the receiving member.
A rotating device characterized by:
前記軸の少なくとも一端側に配置され、前記回転軸に平行なスラスト方向の荷重を受けるスラスト軸受と、
を備えた回転装置であって、
前記スラスト軸受は、
前記軸の前記一端側に接続され第1磁極が配された第1面、及び、前記第1面とは反対側に位置し第2磁極が配された第2面を有し、前記軸と一体となって同軸に回転するよう構成された第1永久磁石と、
前記第1永久磁石の前記第2面に対向するように位置し前記第2磁極が配された第3面、及び、前記第3面とは反対側に位置し前記第1磁極が配された第4面を有し、所与の固定部に固定される第2永久磁石と、
を具備し、
前記第1永久磁石の前記第2面上では、前記回転軸の位置においても当該第1永久磁石の部材が存在しており、
前記第2永久磁石の前記第3面上では、前記回転軸の位置においても当該第2永久磁石の部材が存在しており、
前記スラスト軸受は、前記第1永久磁石と対になって磁気回路を構成する第1ヨークと、前記第2永久磁石と対になって磁気回路を構成する第2ヨークと、を更に具備し、
前記第1ヨークは、軟磁性体からなり、一方の側が開口した筒状胴部と該筒状胴部の他方の側に連成された底部とを有する有底円筒形をなしており、前記底部及び前記筒状胴部により前記第1永久磁石の前記第1面及び側面を取り囲むようにして内部に同軸的に前記第1永久磁石を収容しており、
前記底部の内底面は前記第1永久磁石の前記第1面と当接すると共に、前記筒状胴部の内壁面と前記第1永久磁石の前記側面との間が非磁性体で埋められており、
前記第1ヨークの前記筒状胴部の開口側の端面と前記第1永久磁石の前記第2面とにより略同一の平面を形成しており、
前記第2ヨークは、軟磁性体からなり、一方の側が開口した筒状胴部と該筒状胴部の他方の側に連成された底部とを有する有底円筒形をなしており、前記底部及び前記筒状胴部により前記第2永久磁石の前記第4面及び側面を取り囲むようにして内部に前記第2永久磁石を収容しており、
前記底部の内底面は前記第2永久磁石の前記第4面と当接すると共に、前記筒状胴部の内壁面と前記第2永久磁石の前記側面との間が非磁性体で埋められており、
前記第2ヨークの前記筒状胴部の開口側の端面と前記第2永久磁石の前記第3面とにより略同一の平面を形成しており、
前記回転装置は、前記回転軸の延びる方向が重力加速度の向かう方向となるように配置されるものであり、
前記スラスト軸受は、前記第1永久磁石、前記軸及び該軸に接続された回転体の全ての重力をスラスト荷重として受けるものであり、
前記回転軸に垂直なラジアル方向の荷重を受けるラジアル軸受を更に備えており、
前記ラジアル軸受は、
前記軸のラジアル荷重を受ける受け部材と、
正磁極及び負磁極を有する磁石と、
前記正磁極及び前記負磁極の間の磁力線の影響を受ける磁性体粒子を含有した磁気潤滑剤と、を備え、
前記磁気潤滑剤が、前記軸と前記受け部材との間に配置されており、
前記受け部材は、前記軸に対して、直接的に又は前記磁気潤滑剤を介して間接的に接触する接触部を有し、
前記接触部は、前記磁石の内側面の位置よりも更に前記回転軸寄りに突出している突出部の先端に形成されており、
前記接触部には、セラミックを含有した磁性材料が用いられていることを特徴とする回転装置。 a shaft configured to rotate about an axis of rotation;
a thrust bearing disposed on at least one end side of the shaft and receiving a load in a thrust direction parallel to the rotation shaft;
A rotating device comprising:
The thrust bearing is
a first permanent magnet having a first surface connected to the one end of the shaft and having a first magnetic pole disposed thereon, and a second surface located opposite to the first surface and having a second magnetic pole disposed thereon, the first permanent magnet being configured to rotate coaxially with the shaft;
a second permanent magnet having a third surface on which the second magnetic pole is disposed and facing the second surface of the first permanent magnet, and a fourth surface on which the first magnetic pole is disposed and facing the opposite side to the third surface, the second permanent magnet being fixed to a given fixed portion;
Equipped with
a member of the first permanent magnet is present on the second surface of the first permanent magnet even at the position of the rotation axis,
a member of the second permanent magnet is present on the third surface of the second permanent magnet even at the position of the rotation axis,
the thrust bearing further includes a first yoke paired with the first permanent magnet to form a magnetic circuit, and a second yoke paired with the second permanent magnet to form a magnetic circuit,
the first yoke is made of a soft magnetic material and has a cylindrical shape with a bottom, the cylindrical body having an open side and a bottom connected to the other side of the cylindrical body, and the first permanent magnet is accommodated coaxially therein such that the bottom and the cylindrical body surround the first surface and side surface of the first permanent magnet,
an inner bottom surface of the bottom portion abuts against the first surface of the first permanent magnet, and a non- magnetic material is filled between the inner wall surface of the cylindrical body portion and the side surface of the first permanent magnet;
an end surface of the cylindrical body portion of the first yoke on an opening side and the second surface of the first permanent magnet form a substantially same plane,
the second yoke is made of a soft magnetic material and has a bottomed cylindrical shape having a cylindrical body portion with one side open and a bottom portion connected to the other side of the cylindrical body portion, and houses the second permanent magnet therein such that the bottom portion and the cylindrical body portion surround the fourth surface and a side surface of the second permanent magnet,
an inner bottom surface of the bottom portion abuts against the fourth surface of the second permanent magnet, and a non- magnetic material is filled between the inner wall surface of the cylindrical body portion and the side surface of the second permanent magnet;
an end surface of the second yoke on an opening side of the cylindrical body portion and the third surface of the second permanent magnet form substantially the same plane,
The rotation device is disposed so that the direction in which the rotation axis extends corresponds to the direction of gravitational acceleration,
the thrust bearing receives, as a thrust load, all gravity forces of the first permanent magnet, the shaft, and a rotating body connected to the shaft,
Further comprising a radial bearing for receiving a load in a radial direction perpendicular to the rotation axis,
The radial bearing is
A bearing member that receives a radial load of the shaft;
A magnet having a positive pole and a negative pole;
a magnetic lubricant containing magnetic particles that are affected by magnetic field lines between the positive magnetic pole and the negative magnetic pole;
the magnetic lubricant is disposed between the shaft and the receiving member;
the receiving member has a contact portion that contacts the shaft directly or indirectly via the magnetic lubricant,
the contact portion is formed at a tip end of a protruding portion that protrudes further toward the rotation shaft than the position of the inner surface of the magnet,
A rotating device, wherein the contact portion is made of a magnetic material containing ceramic.
前記軸に所与の回転体が取り付けられて当該軸に対しスラスト方向の荷重が課せられたとき、
前記軸が、前記第1永久磁石の前記第2面と前記第2永久磁石の前記第3面との間が離間するようにして鉛直上向きに浮上して、回転するように構成されている、
ことを特徴とする回転装置。 3. The rotating device according to claim 1 ,
When a given rotating body is attached to the shaft and a thrust load is applied to the shaft,
The shaft is configured to rotate while floating vertically upward such that the second surface of the first permanent magnet and the third surface of the second permanent magnet are spaced apart from each other.
A rotating device characterized by:
前記軸の他端側においても、前記一端側に配置された前記スラスト軸受と同様の構成を有する別のスラスト軸受が配置されており、
前記スラスト軸受と前記別のスラスト軸受との間に、所与の回転体が前記軸に取り付けられて配置されるよう構成されている、
ことを特徴とする回転装置。 3. The rotating device according to claim 1 ,
Another thrust bearing having a configuration similar to that of the thrust bearing disposed on the one end side is disposed on the other end side of the shaft,
A given rotating body is attached to the shaft and disposed between the thrust bearing and the other thrust bearing.
A rotating device characterized by:
前記第2永久磁石の前記第3面を含む受け側対向面の上、又は、前記第1永久磁石の前記第2面を含む荷重側対向面の上のいずれかにおいて磁気検出部が配設されており、
前記磁気検出部が、前記受け側対向面と前記荷重側対向面との離間距離の変位を検出する、
ことを特徴とする回転装置。 3. The rotating device according to claim 1 ,
a magnetic detection unit is disposed on either a receiving side facing surface including the third surface of the second permanent magnet or a load side facing surface including the second surface of the first permanent magnet;
The magnetic detection unit detects a change in a distance between the receiving side opposing surface and the load side opposing surface.
A rotating device characterized by:
前記磁気潤滑剤には、潤滑性ある油性成分が含有されていることを特徴とする回転装置。 3. The rotating device according to claim 1 ,
A rotating device characterized in that the magnetic lubricant contains an oily component having lubricating properties.
前記磁気潤滑剤には、潤滑性ある炭素粒子が含有されていることを特徴とする回転装置。 3. The rotating device according to claim 1 ,
A rotating device, characterized in that the magnetic lubricant contains lubricating carbon particles.
前記受け部材は、前記軸に対して、直接的に又は前記磁気潤滑剤を介して間接的に接触する接触部を有し、
前記接触部は、前記磁石の内側面の位置よりも更に前記回転軸寄りに突出している突出部の先端に形成されている、
ことを特徴とする回転装置。 2. The rotating device according to claim 1 ,
the receiving member has a contact portion that contacts the shaft directly or indirectly via the magnetic lubricant,
The contact portion is formed at a tip end of a protruding portion that protrudes further toward the rotation shaft than the position of the inner surface of the magnet.
A rotating device characterized by:
前記接触部には鋳鉄が用いられていることを特徴とする回転装置。 9. The rotating device according to claim 8 ,
A rotating device, characterized in that cast iron is used for the contact portion.
前記接触部には炭素鋼が用いられていることを特徴とする回転装置。 9. The rotating device according to claim 8 ,
A rotating device, characterized in that carbon steel is used for the contact portion.
前記接触部には、セラミックを含有した磁性材料が用いられていることを特徴とする回転装置。 9. The rotating device according to claim 8 ,
A rotating device, wherein the contact portion is made of a magnetic material containing ceramic.
前記磁石は、一対の前記正磁極及び前記負磁極を互いに結ぶ磁軸がスラスト方向と一致するように構成され、
前記磁石には、一対の前記正磁極及び前記負磁極で定義される極が少なくとも2極以上含まれている、
ことを特徴とする回転装置。 3. The rotating device according to claim 2 ,
the magnet is configured such that a magnetic axis connecting the pair of positive magnetic poles and the pair of negative magnetic poles coincides with a thrust direction;
The magnet includes at least two poles defined by a pair of the positive magnetic pole and the negative magnetic pole.
A rotating device characterized by:
前記磁石からみて前記磁気潤滑剤が配置された位置とは反対側のラジアル方向上の位置に、非磁性体の材料からなる非磁性体部材が設けられていることを特徴とする回転装置。 13. The rotating device according to claim 12 ,
A rotating device, characterized in that a non-magnetic member made of a non-magnetic material is provided at a radial position opposite the position at which the magnetic lubricant is disposed from the magnet.
前記磁石は、一対の前記正磁極及び前記負磁極を互いに結ぶ磁軸がラジアル方向と一致するように構成され、
前記磁石には、一対の前記正磁極及び前記負磁極で定義される極が少なくとも2極以上含まれている、
ことを特徴とする回転装置。
3. The rotating device according to claim 2 ,
The magnet is configured such that a magnetic axis connecting the pair of positive magnetic poles and the pair of negative magnetic poles coincides with a radial direction,
The magnet includes at least two poles defined by a pair of the positive magnetic pole and the negative magnetic pole.
A rotating device characterized by:
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