JPS5942165B2 - 磁気による無接触支承装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は少なくとも部分的に磁化可能な部材を無接触
で支承する装置に関する。

この装置では、永久磁石による磁石系を作つてその磁気
回路中に支承すべき部材を磁極との間にエアキャップを
介して配し、そのとき磁極と部材間に作用する磁気的な
吸引力を、無接触型の位置検知装置の結果に基づいて制
御を受け、かつ、吸引力の均衡状態では供給される調整
用の電力が零となる、エアギャップにおける磁界の電磁
的制御で均衡をとるよう制御するものである。

この場合、制御電流はエアギャップにおける磁束の方向
に対し垂直方向に流される。磁気支承装置は特に高速運
動体の支承のために使用される。

何となればそれらの支承装置では支承されるものと磁石
系の位置固定した部分との間には機械的な接触がなく、
従つて、従来の軸受に生じるような機械的摩擦力を克服
する必要がないからである。すなわち、運動体を高速に
駆動するためのエネルギーが磁気支承の場合には著しく
減少するからである。無接触で支承された部材は、従来
の支承方法において達成できる運動速度をはるかに上ま
わる速度で運動させることができる。また、無接触支承
装置の場合には機械的な消耗も生じない。従つて、無接
触支承装置は長い使用時間にわたつて、事実上整備なし
に使用できる。無接触支承装置は給油を必要とせず特に
抜気された空間で使用するのに適している。磁力作用を
利用した一連の無接触支承装置が知られている。

しかし、米国特許第３４７４８５２号明細書に開示され
た支承装置の場合には、磁界が均衡状態にあつてもこれ
を維持するために少なくとも部分的に常に流れる直流あ
るいは交流を必要としている。その場合に温度損失があ
る。これは、真空条件の下で充分な熱の排除を保障する
ことができない場合には特に望ましくないことである。
均衡状態では調整用の電力が零となる磁気軸受も知られ
ているが、それらの軸受はその位置固定に関して付加的
、積極的な支承で安定を計らないと一以上の自由度が生
じて不安定になるのが欠点である。

たとえは米国特許第３５１２８５２号明細書には永久磁
気ローターベアリングが開示されている。これは軸方向
の自由度では安定しているが、しかし半径方向では不安
定である。このような磁気軸受では、全方向に安定した
、接触無しの支承を得るには、少く共二つの、調整力が
及ぼされる空間を必要とする。更に、レヴユ一・オブ・
サイエンテイフイツク・インストルメンツ（Ｒｅｖｉｅ
ｗＯｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃｌｎ−Ｓｔｒｕｍｅｎｔｓ
）、第９号、１９７３年、１３３６頁から、均衡時の調
整用電力が零であり、一目由度でのみ安定されるはずの
磁気軸受が知られている。

位置安定化は、磁気ロータと磁石系の位置固定された磁
極との間のギヤツプにおける磁界の磁束方向に対して垂
直方向に案内される制御電流によつて行なわれている。
しかし、この公知の制御電流供給方法には次のような重
大な欠点がある。即ち、制御電流はギヤツプの一つにお
ける磁界にのみ影響を与えるのではなく、磁気回路内の
全磁界に影響を与えて設定磁力（当初から設定しておく
、部材を支承するための磁力）を阻害して変化させてし
まうので、磁気によつて支承された部材がその均衡状態
からいずれの方向へ偏位するかによつて軸受の剛性が著
しく低下させられるかあるいは極度に増大する。この欠
点のために、該公知の支承装置は主に次のような場合し
か使用できない。すなわち、充分な支承剛性が、特に、
重力均衡のための垂直回転軸を持つ軸受の場合に必要な
ように、一方向にのみ必要とされるような場合に用いら
れる。従つて、この磁気支承装置は、その空間的な配置
に関して極端な制限がある。この発明の課題は、エアギ
ヤツプにおける磁界を電磁的に制御する無接触支承装置
であつて、エアギヤツプ（複）の磁界が均衡している場
合には、調整用の電力を必要とせず、設定磁力が制御電
流によつて変化されず、前記磁界の均衡時には対称的な
支承剛性を有することで使用時の設置方向が任意であり
、また、簡単かつ操作性が確実な構造である、無接触支
承装置の創成にある。

本発明ではこの課題を、上記の種類の支承装置において
、部材の磁化可能の部分と磁石系の磁極との間に形成さ
れるエアギヤツプのそれぞれに、１個あるいは複数の部
分片から構成される制御電流供給装置を各１個配設して
解決している。

その場合、制御電流の循環方向は、各エアギヤツプにお
ける磁束の方向を規準として、一つのエアギヤツプにお
ける磁界に対する場合と同じ時間の他のエアギヤツプに
おける磁界に対する場合とで相互に反対である。エアギ
ヤツプの磁界に対する制御電流の循環方向が相互に逆と
なつていることで、設定磁力に働きかける制御電流の作
用が中和され、かつ、支承された部材が均衡位置から外
れた場合、支承剛性はその偏位の方向に関係なく常に同
じ態様で調整される。

この発明の制御電流供給法で得られる利点は、特に、部
材の磁化可能の部分と磁石系の磁極との間に狭いエアギ
ヤツプがあり、磁束の環流が主として支承装置に挿入さ
れた強磁性導片を介して生じるような支承装置の場合に
生じる。このような支承装置では、永久磁石による磁界
エネルギーの可成りの部分がエアギヤツブに集中するの
で、著るしい磁力を支承すべき部材に及ほすことができ
る。この永久磁石による磁気力作用は本発明による支承
装置では妨げられずに維持される。従つて、この発明に
よる支承装置は、特に比較的重い軸を支承するのに用い
るのが有利である。この発明による支承装置の場合、磁
力の制御は、これは支承された部材の磁化可能の部分と
磁石系の磁極との間のエアキヤツプにおける磁界を制御
することで達成されるのであるが、磁気伝導度の高い領
域と低い領域とに対応させた、特にエアキヤツプの周辺
部における磁束の配分で行う。制御電流供給における制
御電流によつて生じた磁束はエアギヤツブの周辺部にお
ける磁束に重なり、方のエアキヤツブにおいて部材の磁
化可能部分の一端側縁部に関する磁束密度が増大し、他
方の制御電流の循環方向が逆であるエアギヤツブにおけ
る前記部材の他端側縁部では低下する。このようにして
磁気支承された部材に作用する障害力を平均することが
できる。この発明の更に別の態様では、夫々のエアギヤ
ツプの磁界に対して、環状に閉じた制御電流供給路が１
つずつ設けてある。

回転運動する部材を支承する場合には、部材の磁化可能
な部分と磁石系の磁極とが磁束の方向に沿つて対向した
回転体状に形成されているのが好都合である。半径方向
の支承力の強化は、部材の磁化可能の部分と磁石系の磁
極とをエアギヤツプのところで同じ直径にして同軸に配
設された管状片で製造することによつて達成される。部
材の磁化可能の部分と磁石系の磁極とがこの形の場合に
は、更に、支承部分によつて囲まれた空間を他の技術土
の目的、たとえば、超遠心分離機における被分離液体の
注入用導管のように、必要に応じた移送通路として利用
できる。この実施例によれば、磁束を環流させるために
、部材の磁化可能部分および磁石系の磁極との回転軸に
沿つて、磁気伝導片を設けてある。この発明のさらに有
利な態様においては、磁石系の磁極を磁気伝導性の低い
、強保磁力の材料で製造する。

制御電流路は、磁極片の磁気伝導性が低いので、その電
路をエアギヤツプの大きさと比較して横断を著るしく大
きくできる。従つて、これに対応して制御電流供給路に
おける外部からの障害力と均衡するための電気的な負荷
が低下する。更に別の態様では、制御電流供給路を流れ
る制御電流が、制御電流供給路を構成要素として含む位
相−ブリツジ一弁別器の出力信号によつて調整される。
その場合有利なことにはエアギヤツプの磁界内に設けら
れた制御電流供給路が同時に無接触での位置検知に役立
ち、支承装置の安定化に寄与する。更に別の有利な態様
では、一方のエアギヤツプの磁界に対する制御電流供給
路あるいはその部分の少なくとも一つが、他方のエアギ
ヤツプの磁界に対する制御電流供給路の少なくとも一つ
の部分と結線されている。

その場合、一方のエアギヤツプの制御電流供給路の部分
の夫々−つが他のエアギヤツプの制御電流供給路の一部
分片に連結されて環状に閉じた回路が構成されるのが好
しい。このような構造には、次のような利点がある。即
ち、この発明で重要な、エアギヤツプの磁界に対する制
御電流の循環方向を相互に逆とすること、が特別の準備
がなくとも自ら生じることである。この発明の更に別の
態様では、部材の磁化可能な部分が磁石系の磁極の間で
、エアギヤツプにおける磁束方向に対して垂直方向へ延
長したレールとして形成されており、磁極はレール上を
無接触で運動する部材に固定されている。従つて、この
実施例は特にレール上を走行する車輛の支承に適してい
る。この場合制御電流供給路を、結合して環状に閉じた
回路にすること及びこれをレールの両側に設けるのが特
に有利である。実施例を示した図をもとに更に詳しく説
明する。

磁界を力の伝達に利用するこの発明の無接触支持装置で
は、第１図の原理図かられかるように、支承される部材
の磁化可能な部分１と磁石系の磁極２，２７の間にキヤ
ツプを介して吸引力が作用し、この吸引力が部材を安定
した状態に保つ。部材が均衡状態から外れて他の状態と
なつたことを無接触型の位置検知装置が確認すると、電
磁的制御によつて前記の吸引力が均衡するよう制御され
る。

このようにして吸引力が均衡すると電磁的制御に用いら
れた調整用電力は零とされる。このために、この発明は
、各エアギヤツプの磁界に電磁３，３７を通じて制御電
流の供給を行う。この制御電流供給路３，３／は、部材
の磁化可能の部分１と磁石系の磁極２，２′との間のエ
アギヤツプに夫夫一つ配され制御電流の方向はエアギヤ
ツプにおける磁界の方向に対して垂直方向で、かつ、そ
の循環方向は、エアギヤツプにおける磁束の方向を規準
として、一方のエアギヤツプにおけると同じ時間の他方
のエアギヤツプにおけるとでは相互に逆とされている。
位置検知装置は公知の態様で用いられ、その出力信号が
制御電流供給路３，３／における制御電流に影響を与え
る。第２図は回転運動する部材に対する磁気支承装置の
原理を示す。

部材の磁化可能の部分１ａと磁石系の磁極２ａ，２ａ／
が管状に構成されている。この構成ではエアギヤツプの
周縁長が殆んど２倍となることから、半径方向の支承力
が同じ直径の円筒でできている支承装置と比較して著る
しく強０）。制御電流供給路３，３／は夫々一つの環状
に閉じられた導電体で構成されており、夫々エアギヤツ
プの磁界に対して配置されている。第３図は回転運動す
る部材のための無接触支承装置の一実施例を示す。

たとえばはずみ車が固着されているローターの磁化可能
の部分１ｂと磁石系の磁極２ｂ，２ｂ／は第２図の対応
する部分と同じ態様で中空円筒として形成されている。
磁化可能な部分１ｂも磁石系の管状の磁極２ｂ，２ｂ／
も磁気の良導性材料でできている。磁極２ｂ，２ｂ７に
は永久磁石による磁場の生成のために輪形磁石４，４／
が連結されている。磁束の環流のために、支承装置を両
側から囲む端板５，５／に輪形磁薗，４７が接触してい
る。前記端板間には支承装置の回転軸に沿つて延長する
導磁部材６が設けられている。この導磁部材６に対する
磁石系の磁極２ｂ，２ｂ′の心合わせは心出し板７，７
１によつて行なわれる。第３図に示した実施例における
制御電流供給路３ｂ，３ｂ１は環状コイルとなつている
。この場合巻心８，８／として特に非導電性材料が使用
される。回転運動する部材の磁化可能な部分１ｂを無接
触で位置検知するためのものである位相一ブリツジ一弁
別器にその構成要素として制御電流供給路３ｂ，３ｂ／
が利用され、これには制御電流以外に高周波電流が流さ
れる。支承装置における、支承された部材の位置検知は
位相一ブリツジ一弁別器に用いる制御電流供給路３ｂ，
３ｂＩのコイルインピーダンスの比較によつて行なわれ
る。位相−ブリツジ一弁別器の出力信号は磁化可能な部
分１ｂの軸方向移動に際して線状に変化して制御電流供
給路３ｂ，３ｂ７中の制御電流に影響を与え、その結果
、磁石系の磁極２ｂ，２ｂ／間にローターの磁化可能な
部分１ｂが無接触に保持される。第４図に示した支承装
置は、その構造が第３図のそれに類似する。

しかし、この実施例の支承装置では磁石系の磁極２ｃ，
２ｃ／の極部が保持力の大きい材料、たとえば、稀土類
コバルト化合物でできている。この化合物は高い磁気エ
ネルギー密度を有する他に磁気伝導性は極く僅かである
。本実施例では、磁極２ｃ，２ｃ／は磁石系において永
久磁石による磁界を垂直に維持する磁石の機能を引受け
ている。第３図の実施例の場合と同じ制御電流供給路３
ｃ，３ｃ／は巻心８，８′に巻きつけられた巻線で構成
されており、この例では管状の磁極２ｃ，２ｃ／の外側
の套面に設けられている。磁極２ｃ，２ｃ′は磁気伝導
性が僅かであるので、存在するエアギヤツプの寸法に対
して制御電流供給路３ｃ，３ｃ′の横断面を著るしく拡
大することが可能になる。即ち、磁極の磁気伝導性が僅
かであるとエアギヤツプにおける磁界と制御電流の供給
で生じた磁界とは重なり合い、結局は磁界によつて生じ
ている全体の支承力は実際上何ら妨げられない。これは
、磁極が磁気の良導体で作られている場合には不可能な
ことである。制御電流供給路の横断面積が拡大すると、
部材の無接触支承のために制御電流供給路に必要となる
電力が減少し有利である。第５図は、線状に移動する部
材の無接触支承に適した支承装置の一実施例である。

この支承装置では磁化可能の部材は位置固定したレール
９で、これは一つの磁石系の磁極２ｄ，２ｄ′の間に通
してある。磁極２ｄ，２ｄ′は線状に動く部材の構成部
分である。エアギヤツプの磁界に対応する制御電流供給
路はレール９の両側に設けられており、夫々の側面で環
状に閉じた回路１０，１『を形成している。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による無接触支承装置の原理を示す図
、第２図は回転運動する部材のための無接触支承装置の
原理を示す図、第３図は回転運動する部材のための無接
触支承装置の縦断面図、第４図は回転運動する部材のた
めの更に別の無接触支承装置の縦断面を示す図，第５図
は線状に運動する部材のための無接触支承装置を示す。 図中符号１，１ａ・・・支承された部材の磁化可能な部
分、２，γ，２ａ，２ａ１・・・磁石系の磁極、３，３
′，３ａ，３ａ／・・・制御電流供給路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 少なくとも部分的に磁化可能な部材を無接触で支承
   する装置であつて、一つの磁石系における二つの磁極間
   にエアギャップを介して支承すべき部材が永久磁石によ
   る磁気回路中に配されており、前記磁極と部材間の二つ
   のエアギャップに作用する吸引力がエアギャップにおけ
   る磁界を電磁的に制御することによつて均衡されると共
   に、この制御は無接触型の位置検知装置の結果に基づい
   て制御電流を、エアギャップにおける磁界の磁束方向に
   対して垂直方向に供給して行なわれ、前記吸引力の均衡
   状態では調整用の電力が零とされるものにおいて、部材
   の磁化可能の部分１と磁石系の磁極２、２′との間の各
   エアギャップには、一つあるいは複数個の部分片から構
   成される制御電流供給路３、３′を一つずつ設け、これ
   らにおける制御電流の循環方向を、各エアギャップ内部
   の磁束の方向を規準にして、一つのエアギャップにおけ
   る磁界と同じ時間のもう一つのエアギャップにおける磁
   界とで相互に反対方向としてあること、を特徴とした前
   記の無接触支承装置。