JPH04337110A - 磁気軸受 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、非接触型軸受の１つ
である磁気軸受に関する。

【０００２】

【従来の技術】磁気軸受の従来技術として、例えば特開
平１−１４５４２０号公報や特開平２−８５０１２号公
報等が公知である。前者の例においては、断面櫛歯状の
対向磁極の間に例えば超伝導物質等からなる磁気遮蔽物
を埋設し、磁束を対向磁極へ集中させることにより、外
力に対向する復元力の向上を実現している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】磁気軸受において復元
力を向上するには、上記以外に磁石の発磁力を大きくす
ることと、対向磁極間の対向隙間（以下、磁極空隙と言
う）を小さくすることとが考えられる。磁石の発磁力を
強力にすることにさほど困難はないが、磁石の占めるス
ペースが大きくなるか、或いは高性能の磁石を適用する
ことによるコスト増のいずれかの不利を免れない。一方
、磁力は距離の２乗に反比例して変化するので、磁極空
隙を十分小さく設定すると、復元力を向上させて軸受の
剛性を高めることができる。例えば磁極空隙を限りなく
零に近付けると、大きな復元力を発揮できる。

【０００４】しかし、磁極空隙が小さくなるほど、その
状態の維持が困難となる。磁気軸受をラジアル軸受とし
て用いる場合は、磁極空隙をスラスト方向に確保するが
、回転軸に僅かでもスラスト方向のがたがあると、磁気
軸受は対向磁極同士が接触してその機能を失ってしまう
。また、回転軸と軸受との間に互いに当接する段部を設
けて、スラスト方向の位置決めを機械的に行うことはで
きるが、この場合は段部において摩擦や磨耗を生じるの
で、非接触軸受としてのメリットが半減する。

【０００５】この発明は上記に鑑み提案されたものであ
って、その目的は、作動時における磁極空隙の保持を気
体軸受で行うことにより、非接触軸受の特徴を生かしな
がら磁気軸受の復元力の向上を実現し、その剛性を向上
することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明では、図
１に示すように、磁気軸受におけるロータ（２）及びス
テータ（３）の対向するスラスト回転面のそれぞれに磁
極空隙（Ｅ）を介して複数の対向磁極（４）〜（７）が
同心状に配置されていること、外力に対抗して両対向磁
極（４）〜（７）間に復元磁力を生じさせる磁石（８）
がロータ（２）又はステータ（３）の少なくともいずれ
か一方に設けられていること、上記スラスト回転面間に
、対向磁極（４）〜（７）の最小対向隙間（ｅ）を維持
する非磁性セラミックからなる空隙保持突起（１３ａ）
，（１３ｂ）を有していて、保持突起（１３ａ），（１
３ｂ）間を流れる気流圧により、上記対向磁極（４）〜
（７）間に作用する吸引磁力に抗してロータ（２）をス
テータ（３）から浮上支持する気体軸受（１２）が設け
てあることを要件とする。

【０００７】

【作用】請求項１の発明では、気体軸受（１２）は、ロ
ータ回転数が所定値に達すると、保持突起（１３ａ），
（１３ｂ）間を径方向外側へ向かって流れる気流圧によ
ってロータ（２）を、対向磁極（４）〜（７）間に作用
する吸引磁力及びロータ重量に打ち勝ってステータ（３
）から浮上させ、その状態を維持する。このとき、気体
軸受（１２）における空隙保持突起（１３ａ），（１３
ｂ）は、停止状態からロータ回転数が上記所定値に達す
るまでの間、互いに当接して対向磁極（４）〜（７）同
士が接触することを阻止し、磁気軸受の機能を維持して
いる。この立上り回転時の焼付きを防ぐために、空隙保
持突起（１３ａ），（１３ｂ）を非磁性セラミックスで
構成している。

【０００８】上記のように、定常回転状態において気体
軸受（１２）でロータ（２）のスラスト方向位置を規定
すると、対向磁極（４）〜（７）間の吸引磁力及びロー
タ（２）に作用するスラスト方向の外部負荷に対して、
気体軸受（１２）が十分な対抗力を発揮するので、完全
な非接触状態の下に磁極空隙（Ｅ）を小さくできる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１〜図３はこの発明の実施例に係る磁気軸受を
示す。図１において、磁気軸受は回転軸（１）の一端に
装着されたロータ（２）と、ロータ（２）の下方に配置
されたステータ（３）とからなり、これらロータ（２）
及びステータ（３）の対向するスラスト回転面のそれぞ
れに磁極空隙（Ｅ）を介して内外２重の対向磁極（４）
〜（７）が設けられ、ステータ（３）の壁内部にリング
状の永久磁石（８）が埋設されてなる。

【００１０】ロータ（２）は回転軸（１）に外嵌された
ボス部（９）と、ボス部（９）の下部に連続する円板状
のフランジ部（１０）とを有し、フランジ部（１０）の
下面側内外周縁に上記対向磁極（４），（５）の対がそ
れぞれリング状に突設されてなる。一方、ステータ（３
）は円形ブロック状に形成されており、その上面の内外
周縁にロータ（２）の対向磁極（４），（５）に対応し
てリング状の対向磁極（６），（７）が突設されてなる
。磁石（８）は径方向外側にＳ極が位置する状態で配置
されており、図１で破線にて示すように、回転軸（１）
の中心軸を間に挟んで左右対称状の磁束を形成する。

【００１１】作動時における磁気軸受の磁極空隙（Ｅ）
を非接触状態の下に保持するために、上記スラスト回転
面間に気体軸受（１２）が設けられている。この気体軸
受（１２）は、立上り回転時における対向磁極（４）〜
（７）の最小対向隙間（ｅ）を維持するために上下１対
の空隙保持突起（１３ａ），（１３ｂ）を有している。

【００１２】上部空隙保持突起（１３ａ）はロータ（２
）の側に装着され、下部突起（１３ｂ）はステータ（３
）の側に装着されており、いずれも非磁性セラミックス
で構成してある。下部突起（１３ｂ）はリング状のもの
で、ステータ（３）に対してその上端面が対向磁極（６
），（７）の上端面より寸法（ａ）だけ突出する状態で
固定されている。上部突起（１３ａ）も同様に、その下
端面がロータ（２）側の対向磁極（４），（５）の下端
面から寸法（ａ）だけ突出する状態で固定されている。 このように両突起（１３ａ），（１３ｂ）を対向磁極（
４）〜（７）より対向方向に突出させると、両突起（１
３ａ），（１３ｂ）が他の部分に先行して上下に当接す
るので、図３に示すように、停止時及び立上り回転時に
対向磁極（４）〜（７）の最小対向隙間（ｅ）を維持し
続けることができる。尚、上記寸法（ａ）は１〜数１０
μｍの範囲で設定することが好ましい。

【００１３】上記のように下部突起（１３ｂ）はリング
状に形成されるが、上部突起（１３ａ）の下面には図２
に示すように多数個の放射渦巻体（１４），（１４），
…が形成され、これらはフランジ部（１０）に周方向等
間隔おきに配置されている。つまり、上部突起（１３ａ
）が一種のファンブレードとして作用するようにし、ロ
ータ（２）が回転するとき、上部突起（１３ａ）におけ
る多数個の放射渦巻体（１４），（１４），…によって
下部突起（１３ｂ）との間に径方向外側へ向かう気流を
生じさせ、この気流圧によってロータ（２）をステータ
（３）から浮上支持できるようにしており、気体軸受（
１２）は上下の両突起（１３ａ），（１３ｂ）を要素部
材にして構成してある。空気をスラスト回転面側へ循環
させるために、ステータ（３）の中央部には通気路（１
５）が上下貫通状に設けてある。

【００１４】次に、磁気軸受の動作を説明する。停止状
態における磁気軸受は、図３に示すように気体軸受（１
２）における上下の突起（１３ａ），（１３ｂ）が当接
している。この状態からロータ（２）を回転駆動すると
、上部突起（１３ａ）の放射渦巻体（１４），（１４）
，…により下部突起（１３ｂ）との間に遠心方向の気流
が生じるが、ロータ（２）には重量及び磁石（８）の吸
引磁力等のスラスト負荷が作用しているので、気流圧が
スラスト負荷に打ち勝つまでの間、図３の状態を維持し
続ける。この立上り回転時に上下の突起（１３ａ），（
１３ｂ）は摩擦接触するが、いずれもセラミックスで構
成してあるので、磨耗や摩擦熱による焼付きを生じるこ
とはない。

【００１５】ロータ（２）の回転数の増加に伴って、上
部突起（１３ａ）で生成される気流の圧力も上昇し、や
がてスラスト負荷に打ち勝ってロータ（２）の全体を図
１のように浮上支持し、磁極空隙（Ｅ）を保持する。こ
の状態でロータ（２）に下向きの外力が作用すると、上
下の突起（１３ａ），（１３ｂ）の間隔が縮まろうとす
るが、間隔が小さくなるほど気流圧も上昇するので、外
力に対抗して空隙を保持し続けることができる。従って
、磁極空隙（Ｅ）を十分に小さく設定した場合でも、そ
の状態を非接触のままで確実に維持できる。このことは
、ロータ（２）の径方向のずれに対して、対向磁極（４
）〜（７）間で大きな磁力を作用させて復元力を向上で
きることを意味し、従来の磁気軸受に比べて軸受剛性を
向上できる。

【００１６】図４及び図５は上記磁気軸受をモータに適
用した実施例を示す。図４において、モータはハウジン
グ（１７）内に、モータロータ（１８）、これを支持す
るロータ軸（１９）及びステータコイル（２０）を有し
、ロータ軸（１９）の上部及び下部のそれぞれを磁気軸
受（２１Ａ），（２１Ｂ）で支持してなる。上側の磁気
軸受（２１Ａ）は従来の磁気軸受と差異はなく、ロータ
（２ａ）、ステータ（３ａ）、磁石（８ａ）等で構成さ
れている。この軸受（２１Ａ）はラジアル軸受としての
み機能する。

【００１７】下側の磁気軸受（２１Ｂ）は上記実施例の
磁気軸受と基本的に同等の構造とするが、図５に示すよ
うに、ロータ（２）及びステータ（３）のそれぞれに内
外４重の対向磁極（２２）〜（２９）を設け、これら磁
極（２２）〜（２９）間に３個の空隙保持突起（１３）
を設けてなり、この空隙間保持突起（１３）により気体
軸受（１２）を構成している。

【００１８】図６は磁気軸受の形態を変更した実施例を
示す。この実施例では、回転軸（１）の周面にロータ（
２）を円盤状に張り出し、その上下面の内外縁にそれぞ
れ対向磁極（３０）〜（３３）を突設する。さらに、ロ
ータ（２）を上下から挟む状態でステータ（３）を設け
、上記対向磁極（３０）〜（３３）に対応して対向磁極
（３５）〜（３８）を突設し、ロータ（２）の下面とス
テータ（３）の下側面壁との間に、気体軸受（１２）を
構成する空隙保持突起（１３）を設ける。

【００１９】尚、上記各実施例以外に、この発明では、
例えば次の変形態様を採ることができる。すなわち、気
体軸受（１２）における放射渦巻体をスラスト回転面の
ロータ側及びステータ側の双方に設ける。さらには、上
下の突起の何れか一方のみを必要量突出させ、他方は対
向磁極の突端面と同一かこれより凹ませることができる
。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明で
は、ロータを磁気軸受で回転支持するについて、ロータ
及びステータの対向するスラスト回転面間に気体軸受を
設け、この気体軸受により、定常回転状態において径方
向外側に向かう気流を生じさせて、その気流圧によりロ
ータ重量及び対向磁極間に作用する吸引磁力に打ち勝っ
てロータをステータから浮上支持させ、磁極空隙が十分
に小さい場合でもその状態を維持し続けられるようにし
た。従って、この発明の磁気軸受によれば、磁極空隙を
十分に小さくして対向磁極間に作用する吸引磁力を支障
なく強化でき、ロータの心ずれに対して大きな復元力を
発揮し、軸受の剛性を向上できる。また、スラスト回転
面のそれぞれに、気体軸受の構成要素として非磁性セラ
ミックスからなる間隔保持突起を設けるので、気体軸受
が十分な浮上力を発揮するまでに対向磁極同上が当接す
ることを防止し、併せて間隔保持突起同士の摩擦による
焼付きも防止できる。しかも、作動状態においてロータ
を完全な非接触状態の下に支持できるので、磨耗や疲労
による耐久性の低下がなく、苛酷な使用環境や悪条件下
での使用にも広く適用できる点で有利であり、特にロー
タを１分間当り数万回転以上の高速度で回転駆動する際
に適している。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例に係る磁気軸受の縦断正面図
である。

【図２】図１におけるＩＩ−ＩＩ線矢視図である。

【図３】非浮上状態における磁気軸受の縦断正面図であ
る。

【図４】磁気軸受の適用例を示すモータの概略縦断面図
である。

【図５】図４におけるＶ部拡大図である。

【図６】この磁気軸受の他の実施例を示す縦断面図であ
る。

【符号の説明】

（２）…ロータ （３）…ステータ （４）…対向磁極 （５）…対向磁極 （６）…対向磁極 （７）…対向磁極 （８）…磁石 （１２）…気体軸受 （１３ａ），（１３ｂ）…空隙保持突起（１４）…放射
渦巻体 （Ｅ）…磁極空隙 （ｅ）…最小対向隙間

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ロータ（２）及びステータ（３）の対
   向するスラスト回転面のそれぞれに磁極空隙（Ｅ）を介
   して複数の対向磁極（４）〜（７）が同心状に配置され
   ており、外力に対抗して両対向磁極（４）〜（７）間に
   復元磁力を生じさせる磁石（８）がロータ（２）又はス
   テータ（３）の少なくともいずれか一方に設けられてお
   り、上記スラスト回転面間に、対向磁極（４）〜（７）
   の最小対向隙間（ｅ）を維持する非磁性セラミックから
   なる空隙保持突起（１３ａ），（１３ｂ）を有していて
   、保持突起（１３ａ），（１３ｂ）間を流れる気流圧に
   より、上記対向磁極（４）〜（７）間に作用する吸引磁
   力に抗してロータ（２）をステータ（３）から浮上支持
   する気体軸受（１２）が設けてあることを特徴とする磁
   気軸受。