(57)【要約】回転外向き方向と回転軸方向に大きな反発力を得ることができ、磁気シャフトの回転軸方向の振動を抑制する磁気シャフト軸受装置を提供する。シャフト全体が磁性を帯び、両端にＮ極・Ｓ極が現われる一体の磁性体の磁気シャフト２０と、対向する磁気シャフト２０の端部２２の磁性と同極の磁性を帯び、磁気反発力により磁気シャフト２０を浮上させながら回転可能に受ける磁気軸受３０を備えている。磁気シャフト２０の端部２２の形状が、回転軸の外周方向の外周面と回転軸の軸方向の軸方向面を備え、端部２２において外周面と軸方向面一体に磁極が生じており、磁気軸受３０の軸受面の形状が、磁気シャフト２０の外周面に対向する内周面と磁気シャフトの軸方向面に対向する軸対向面を備え、内周面と軸対向面一体に磁極が生じている。
2011158382.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャフト全体が磁性を帯び、一端にＮ極、他端にＳ極の磁性が現われる一体の磁性体で、回転体の回転軸となる磁気シャフトと、
２つの軸受部を備え、それぞれの軸受面が対向する前記磁気シャフトの前記端部の磁性と同じ磁性を帯び、磁気の反発力により前記磁気シャフトを浮上させながら回転可能に受ける磁気軸受とを備え、
前記磁気シャフトの両端で磁極が生じている前記端部の形状が、前記回転軸の外周方向に対向する外周面と、前記回転軸の軸方向に対向する軸方向面の少なくとも２つの面を備え、それぞれの前記端部において前記外周面と前記軸方向面一体に磁極が生じたものであり、
前記磁気軸受の軸受面の形状が、前記磁気シャフトの前記外周面に対向する内周面と、前記磁気シャフトの前記軸方向面に対向する軸対向面の少なくとも２つの面を備え、それぞれの前記軸受面において、前記内周面と前記軸対向面一体に磁極が生じたものであることを特徴とする磁気シャフト軸受装置。
【請求項２】
前記磁気シャフトが、支持回転させる回転体のシャフトと兼用されたものであり、２つの前記軸受部がそれぞれ前記回転体のシャフトの端部の軸受として兼用されたものであることを特徴とする磁気シャフト軸受装置。
【請求項３】
シャフト全体が磁性を帯び、一端にＮ極、他端にＳ極の磁性が現われる一体の磁性体の磁気シャフトである第１の磁気シャフトおよび第２の磁気シャフトと、
両端の軸受面全体が磁性を帯び、一端にＮ極、他端にＳ極の磁性が現われる一体の磁性体の磁気軸受である第１の磁気軸受、第２の磁気軸受および第３の磁気軸受とを備え、前記第１の磁気軸受と前記第２の磁気軸受の間に前記第１の磁気シャフトを配設し、前記第２の磁気軸受と前記第３の磁気軸受の間に前記第２の磁気シャフトを配設し、前記軸受面が対向する前記磁気シャフトの前記端部の磁性と同じ磁性となるようにし、磁気の反発力により前記磁気シャフトを浮上させながら回転可能に受け、
前記磁気シャフトの前記端部の形状が、前記回転軸の外周方向に対向する外周面と、前記回転軸の軸方向に対向する軸方向面の少なくとも２つの面を備え、それぞれの前記端部において前記外周面と前記軸方向面一体に磁極が生じたものであり、
前記磁気軸受の軸受面の形状が、前記磁気シャフトの前記外周面に対向する内周面と、前記磁気シャフトの前記軸方向面に対向する軸対向面の少なくとも２つの面を備え、それぞれの前記軸受面において、前記内周面と前記軸対向面一体に磁極が生じたものであることを特徴とする磁気シャフト軸受装置。
【請求項４】
１つの磁性体である前記第２の磁気軸受が、前記第１の磁気シャフトと前記第２の磁気シャフトの２つの磁気シャフトの磁気軸受として兼用された構成であることを特徴とする請求項３に記載の磁気シャフト軸受装置。
【請求項５】
前記第２の磁気軸受を直列に複数並べ、隣接し合う前記第２の磁気軸受の間に前記磁気シャフトを配設した構造とした請求項４に記載の磁気シャフト軸受装置。
【請求項６】
前記磁気シャフトの両端にある前記端部の先端形状が略半球状であり、前記端部に現れるＮ極Ｓ極それぞれの磁極面が、前記端部の前記略半球状の表面に現れるものであり、前記外周側磁極面が前記略半球状の縁部付近に現れる磁性面であり、前記軸方向側磁極面が前記略半球状の頂部付近に現れる磁性面であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の磁気シャフト軸受装置。
【請求項７】
前記磁気軸受の前記軸受部の前記軸受面の形状が略すり鉢状であり、前記磁気軸受において前記磁性面がそれぞれの前記軸受部の前記略すり鉢状の形状の前記軸受面に現れていることを特徴とする請求項６に記載の磁気シャフト軸受装置。
【請求項８】
前記磁気軸受の前記軸受部の形状が、前記軸受面とは反対側の前記磁気シャフトの軸延長方向側の面にも、前記軸受面の前記略すり鉢状と略同一の略すり鉢状の形状かつ前記軸受面とは異なる磁性の磁性面が形成されたものであることを特徴とする請求項７に記載の磁気シャフト軸受装置。
【請求項９】
前記磁気シャフトの軸体を非磁性体に代え、前記Ｎ極が現われている端部のＳ極が当該Ｎ極の端部の裏面側に現われ、前記Ｓ極が現われている端部のＮ極が当該Ｓ極の端部の裏面に現われたものとした請求項１から８のいずれか１項に記載の磁気シャフト軸受装置。
【請求項１０】
前記磁気シャフトに前記回転軸方向に延長した非磁性体の延長シャフトを設け、前記磁気軸受の前記軸受部に前記延長シャフトを外部に導く貫通孔を設け、前記貫通孔の大きさと位置を前記延長シャフトに触れないものとし、前記磁気シャフトと前記延長シャフトを一体に回転せしめる請求項１から９のいずれか１項に記載の磁気シャフト軸受装置。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１項に記載の前記磁気シャフト軸受装置を組み込んだ電気自動車。
【請求項１２】
請求項１から１０のいずれか１項に記載の前記磁気シャフト軸受装置を組み込んだ電気自動二輪車。
【請求項１３】
請求項１から１０のいずれか１項に記載の前記磁気シャフト軸受装置を組み込んだ電気走行特殊車両。
【請求項１４】
請求項１から１０のいずれか１項に記載の前記磁気シャフト軸受装置を組み込んだ発電タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モーター、発電機、電気自動車またはハイブリッド自動車、電気自動二輪車またはハイブリッド自動二輪車や特殊車両などに多様な分野に適用され得るシャフトを回転自在に支持する軸受及びそれを組み込んだシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
モーターやエンジンや発電機など回転運動を伴う機構では、シャフトを中心に回転するが、そのシャフトの回転運動は軸受により支持される。軸受としては“滑り軸受”や“転がり軸受”が広く用いられている。
モーターは電気エネルギーを運動エネルギーに変換する機器であり、一般には、電機子に電力を供給して磁界を発生させ、界磁との間で得られる磁気引力・磁気反発力を得て回転させ、電機子の極性を切り替えることにより連続回転を可能とする機構である。ここで、モーターの電機子のシャフトが連続回転するための機構として軸受部品がある。
特に近年は、エンジン自動車の代替として電気自動車が注目されているが、電気自動車において電気エネルギーを運動エネルギーに変換する機構としてモーターがあり、モーターシャフトが連続回転するための機構として軸受部品がある。
発電機は、基本的構造はモーターと同様であるが、回転子につながるシャフトを外力により回転させて機械的な回転駆動エネルギーを与えると発電機のコイルにおいて電気エネルギーに変換され、当該電力を取り出すものである。ここで、発電機のシャフトが連続回転するための機構として軸受部品がある。
このように、モーターや発電機など回転運動を伴う機構には軸受が重要な部材として存在するが、従来の滑り軸受や転がり軸受ではシャフトとの接触があり、当該接点を平滑に磨いた部品を用いて製作しても摩擦の発生は避けられず、回転エネルギーが奪われてしまい効率が低下することは避けられない。また、摩擦により長期間使用するとシャフト接点部分が摩耗してしまうという問題は避けられない。
そこで、磁気の反発力を利用して浮上させ軸受の摩擦力を減ずるという考え方を示す例が知られている。例えば、図１０に示すものがある。
図１０の例は、スピンドルモーターに適用した従来例であり、回転体の表面に磁石を配置し、軸受側にも磁石を配置し、両者を同極とすることにより磁力の反発力を生じせしめて機械的な接点を少なくして摩擦力を低減するものである。図１０の例では、回転外向き方向に磁石が配置されており、回転軸方向には磁力の反発力が得られていない。スピンドルモーターのように回転台座の上を回転するものであれば、回転軸方向には動きが機械的に制限されており、回転軸方向に対する磁力の制御を考慮する必要のないものと言える。
【特許文献１】特開平０９−３２２４７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記した技術では以下の問題がある。
特開平０９−３２２４７４号公報に開示したものは、磁石による反発力が回転軸方向と直交するため、力のベクトルが回転外向き方向の成分しかなく、回転軸方向の成分がゼロである。そのため、スピンドルモーターのように回転台座があり、回転軸方向には動きが機械的に制限されている対象物のみに適用できる技術である。つまり、自由に回転するシャフトに対して適用することはできない。
次に、特開平０５−１４６１０９号公報に開示したものは、第１の問題点として、発生する磁石の反発力が回転外向き方向の成分、回転軸方向の成分に分散されるため、自由に回転するシャフトに対する制御としては十分な力を得にくいという問題がある。シャフトに対して回転外向き方向に負荷がかかりやすいが、特開平０５−１４６１０９号公報に開示したもので磁石の反発力の回転外向き方向の成分を増やすように磁石の取り付け角度を調整してゆくと、逆に、急激に磁石の反発力の回転軸方向の成分が減少してしまい、３次元的な動きを制御できなくなってしまう。そのため、磁石の反発力の回転外向き方向の成分と回転軸方向の成分をバランス良く得られる角度に調整せざるを得ず、回転外向き方向の成分として負荷に対応する磁石の反発力の力が大きく得られないという問題がある。
次に、特開平０５−１４６１０９号公報に開示した技術の第２の問題は、配置する磁石の磁力の方向の調整が難しく、また、強い磁力を得にくいという問題である。磁石の磁力は、磁極の現われる両端形状がシンメトリーであれば設計しやすく磁力の方向を調整できるが、磁極の現われる両端形状が非シンメトリーであれば、磁力の方向の調整が難しい。図１１のようなある程度広い面積の平面に安定した極ができるとは限らず、尖った頂点に極が生じやすい。特開平０５−１４６１０９号公報に開示した技術は、シャフト軸の端部の外輪付近に磁石を斜めに取り付けて磁石の反発力に回転外向き方向の成分と回転軸方向の成分を生じせしめるものであるため、シャフト軸の端部の外輪付近に広い面積の平面を斜めに設けたリング形状の磁石を作ると磁極の現われる両端形状としてシンメトリーなものは作れない。そのため、配置する磁石の磁力の方向の調整が難しくなってしまう。
次に、特開平０５−１４６１０９号公報に開示した技術の第３の問題は、回転シャフトの振動現象が起きやすいという問題である。回転シャフトの両端において、回転シャフトの両端に設けられた磁石の反発力により回転シャフトを中心側に押し合う力が釣り合って回転軸方向に静止しているが、静止状態は微妙なバランスの上に成り立っており、実際には回転軸方向に振動が発生し、振動がなかなか治まらない。何らかの原因で一方から他方へ力が加わると、バランスが崩れて回転シャフトが一方に動く。例えば左側に動くと、回転シャフトの左端において軸受の磁石から大きな斥力を受けて押し戻されて右側に移動するが、今度は回転シャフトの右端において軸受の磁石から大きな斥力を受けて押し戻される。このように単振動が発生し、回転シャフトの振動現象が生じてしまう。
上記問題点に鑑み、本発明は、自由に回転する回転シャフトに対して適用でき、かつ、回転外向き方向の成分と回転軸方向の成分のいずれにも効率的な力を得ることができる磁気シャフト軸受装置を提供することを目的とする。さらに、自由に回転する回転シャフトの振動現象を抑えつつ安定した状態で回転させることができる磁気シャフト軸受装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を達成するため、本発明の第１の磁気シャフト軸受装置は、シャフト全体が磁性を帯び、一端にＮ極、他端にＳ極の磁性が現われる一体の磁性体で、回転体の回転軸となる磁気シャフトと、２つの軸受部を備え、それぞれの軸受面が対向する前記磁気シャフトの前記端部の磁性と同じ磁性を帯び、磁気の反発力により前記磁気シャフトを浮上させながら回転可能に受ける磁気軸受とを備え、前記磁気シャフトの両端で磁極が生じている前記端部の形状が、前記回転軸の外周方向に対向する外周面と、前記回転軸の軸方向に対向する軸方向面の少なくとも２つの面を備え、それぞれの前記端部において前記外周面と前記軸方向面一体に磁極が生じたものであり、前記磁気軸受の軸受面の形状が、前記磁気シャフトの前記外周面に対向する内周面と、前記磁気シャフトの前記軸方向面に対向する軸対向面の少なくとも２つの面を備え、それぞれの前記軸受面において、前記内周面と前記軸対向面一体に磁極が生じたものであることを特徴とする磁気シャフト軸受装置である。
例えば、小型モーターなどでは、前記磁気シャフトが、支持回転させる回転体のシャフトと兼用されたものであり、２つの前記軸受部がそれぞれ前記回転体のシャフトの端部の軸受として兼用するものとできる。
また、本発明の第２の磁気シャフト軸受装置は、シャフト全体が磁性を帯び、一端にＮ極、他端にＳ極の磁性が現われる一体の磁性体の磁気シャフトである第１の磁気シャフトおよび第２の磁気シャフトと、両端の軸受面全体が磁性を帯び、一端にＮ極、他端にＳ極の磁性が現われる一体の磁性体の磁気軸受である第１の磁気軸受、第２の磁気軸受および第３の磁気軸受とを備え、前記第１の磁気軸受と前記第２の磁気軸受の間に前記第１の磁気シャフトを配設し、前記第２の磁気軸受と前記第３の磁気軸受の間に前記第２の磁気シャフトを配設し、前記軸受面が対向する前記磁気シャフトの前記端部の磁性と同じ磁性となるようにし、磁気の反発力により前記磁気シャフトを浮上させながら回転可能に受け、前記磁気シャフトの前記端部の形状が、前記回転軸の外周方向に対向する外周面と、前記回転軸の軸方向に対向する軸方向面の少なくとも２つの面を備え、それぞれの前記端部において前記外周面と前記軸方向面一体に磁極が生じたものであり、前記磁気軸受の軸受面の形状が、前記磁気シャフトの前記外周面に対向する内周面と、前記磁気シャフトの前記軸方向面に対向する軸対向面の少なくとも２つの面を備え、それぞれの前記軸受面において、前記内周面と前記軸対向面一体に磁極が生じたものであることを特徴とする磁気シャフト軸受装置である。
この構成は、１つの磁性体である前記第２の磁気軸受が、前記第１の磁気シャフトと前記第２の磁気シャフトの２つの磁気シャフトの磁気軸受として兼用された構成である。
例えば、大型モーター、超大型モーターなどでは、前記第２の磁気軸受を直列に複数並べ、隣接し合う前記第２の磁気軸受の間に前記磁気シャフトを配設した構造とする。
ここで、上記構成において、前記磁気シャフトの両端にある前記端部の先端形状が略半球状であり、前記端部に現れるＮ極Ｓ極それぞれの磁極面が、前記端部の前記略半球状の表面に現れるものであり、前記外周側磁極面が前記略半球状の縁部付近に現れる磁性面であり、前記軸方向側磁極面が前記略半球状の頂部付近に現れる磁性面であることを特徴とする。
上記構造であれば、回転軸の外周方向に対向する外周面と、軸方向面の少なくとも２つの面に一体に磁極が生じているので、磁力として、回転外向き方向の成分と回転軸方向の成分のいずれにも効率的な力を得ることができる。
また、上記構成において、前記磁気シャフトの両端にある前記端部の先端形状が略半球状であり、前記端部に現れるＮ極Ｓ極それぞれの磁極面が、前記端部の前記略半球状の表面に現れるものであり、前記外周面が前記略半球状の縁部付近の面であり、前記軸方向面が前記略半球状の頂部付近の面とすることが好ましい。
上記磁気シャフトに対応して、前記磁気軸受の前記軸受部の前記軸受面の形状が略すり鉢状であり、前記磁気軸受において前記磁性面がそれぞれの前記軸受部の前記略すり鉢状の形状の前記軸受面に現れているものであることが好ましい。
次に、前記磁気軸受の前記軸受部の形状が、前記軸受面とは反対側の前記磁気シャフトの軸延長方向側の面にも、前記軸受面の前記略すり鉢状と略同一の略すり鉢状の形状かつ前記軸受面とは異なる磁性の磁性面が形成されたものが好ましい。
軸受部においても磁極の現われる軸受面に対して、軸受面の裏側の形状をシンメトリーな形状とすれば磁力の方向を調整しやすくかつ強い磁力を得ることができる。
また、軸受面の裏側の形状をシンメトリーな形状とし、磁性を与えれば、磁気シャフト軸受装置を直列に複数並べた構成において、隣接し合う磁気シャフト軸受装置の境界にある軸受部を共通化することができ、当該共通化した前記軸受部の両面を隣接し合うそれぞれの前記軸受部の前記軸受面として利用することが可能となる。
なお、上記構成は、磁気シャフトが一体の磁性体であったが、磁気シャフトの軸体を非磁性体に代えた場合は、Ｎ極が現われている端部におけるＳ極が当該Ｎ極の端部の裏面側に現われ、Ｓ極が現われている端部のＮ極が当該Ｓ極の端部の裏面に現われた構成となる。
ここで、前記磁気シャフトと外部の機械的要素と連動させるため、前記磁気シャフトに対して前記回転軸方向に延長した非磁性体の延長シャフトを設け、前記磁気軸受の前記軸受部に前記延長シャフトを外部に導く貫通孔を設け、前記貫通孔の大きさと位置を前記延長シャフトに触れないものとし、前記磁気シャフトと前記延長シャフトを一体に回転せしめる構成とする。
上記構成により、延長シャフトを通じて磁気シャフトと外部の機械的要素とを連動させることができる。
なお、支持回転させる回転体への組み込み方としては、例えば、小型モーターなどの回転体では、回転体のシャフトと軸受部分全体に組み込んで、回転体のシャフトとその両端の回転体の軸受に組み込む構造も可能である。つまり、前記磁気シャフトを支持回転させる回転体の元々のシャフトと兼用して組み込み、２つの前記軸受部をそれぞれ回転体のシャフトの端部にある元々の軸受と兼用して組み込んだ構造である。また、例えば、大型モーターなどの回転体では、両端にある元々の軸受に、本発明の磁気シャフト軸受装置全体をそれぞれ組み込む構造も可能である。つまり、前記磁気シャフト軸受装置が２つ用いられ、支持回転させる回転体のシャフトから延長された一端と他端の元々の軸受の位置にそれぞれ設けられたものである。なお、大型モーター、超大型モーターであれば、前記磁気シャフト軸受装置を直列に複数並べ、隣接し合う前記磁気シャフト軸受装置の境界にある軸受部を共通化し、当該共通化した前記軸受部の両面を隣接し合うそれぞれの前記軸受部の前記軸受面として利用する構造も可能である。
上記本発明の磁気シャフト軸受装置の用途は多様である。例えば、本発明の磁気ベアリングは、乗用車、トラック、バス等の自動車のタイヤや、バイクなどの自動二輪車、さらには特殊車両など様々な車両に組み込むことができる。また、水力発電所や火力発電所の発電タービンの軸受装置としても適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
第１図は、実施例１にかかる磁気シャフト軸受装置１００の基本構成を簡単に示した図である。
第２図は、図１の実施例１にかかる磁気シャフト軸受装置１００の内部構造、各構成の磁性を示した図である。
第３図は、磁気シャフト２０の端部２２ａの外周側磁極面と磁気軸受３０の軸受面３２ａの内周側磁極面との間で得られる垂直方向の磁気反発力Ｆ１と、磁気シャフト２０の端部２２ａの軸方向側磁極面と磁気軸受３０の軸受面３２ａの軸対向面側磁極との間で得られる水平方向の磁気反発力Ｆ２を示した図である。
第４図は、大型モーターなどにおいて、大きな負荷を支えるため、複数の磁気シャフト軸受装置を２つ直列に並べた構成を示す図である。
第５図は、超大型モーターなどにおいて、大きな負荷を支えるため、複数の磁気シャフト軸受装置を３つ直列に並べた構成を示す図である。
第６図は、電気自動車３００、電気自動二輪車４００に適用した例を示す図である。
第７図は、水力発電所や火力発電所の発電タービンの軸受に適用した例を示す図である。
第８図は、スピンドルモーターに適用した軸受の従来例を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明を実施するための最良の形態について実施例によって具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【０００７】
実施例１は、本発明の磁気シャフト軸受装置１００の構成例である。実施例１では、本発明の磁気シャフト軸受装置１００の磁気シャフトが、支持回転させる回転体２００のシャフトと兼用されたものであり、また、本発明の磁気シャフト軸受装置１００の２つの軸受部がそれぞれ回転体２００のシャフトの両端部の軸受として兼用された構造例である。
図１は、実施例１にかかる磁気シャフト軸受装置の基本構成を模式的に示した図である。磁気シャフト軸受装置１００の構成要素のうち説明に必要な部分のみを描いており、その他の構造物や部品などの図示は省略している。図１（ａ）はモーター２００全体の外観と、磁気シャフト軸受装置１００の内部構造が分かりやすいように示した図、図１（ｂ）は磁気シャフト軸受装置１００内部の磁気シャフト２０、磁気軸受３０の各構成が分かりやすいように両者を分離した図である。また、図２はモーター２００から磁気シャフト軸受装置１００のみを取り出して断面を示した図である。
なお、モーター２００のうち、磁気シャフト軸受装置１００以外の部品、例えば、電機子、界磁、整流子、電気回路などはどのようなものでも適用できる。
図１に示すように、本発明の磁気シャフト軸受装置１００は、磁気シャフト２０、磁気軸受３０を備えている。なお、磁気シャフト軸受装置１００の側面を筐体で覆い保護することも好ましい。筐体は特に限定されないが、例えば、非磁性体のもので良い。
磁気シャフト２０は、軸部２１、端部２２ａ、端部２２ｂを備え、それら全体が磁性を帯びた一体の磁性体であり、回転軸となるシャフトである。材質しては磁性体であれば良いが、例えば、ステンレス鋼鉄材などで良い。この一体に磁性を帯びた磁気シャフト２０に対してさらに回転軸の延長方向に延長シャフト４０が設けられた構造となっている。この延長シャフト４０は後述するように非磁性体である。
磁気シャフト２０に磁性を与えると磁性体の両端、つまり、端部２２ａ、端部２２ｂに極が現われる。特に磁気シャフト２０が中心から見て両端が対称形であれば磁気が安定して現われやすい。図１、図２に示した磁気シャフト２０の形状は、両端の端部２２ａ、端部２２ｂが略半球状であり、軸部２１を挟んで対称形に配置されている。このような磁性体に磁性を与えると両端の端部２２ａ、端部２２ｂに安定した磁極が現われる。
なお、この例では、磁気シャフト２０の磁極は図２（ｂ）に示すようになっている。図２（ｂ）の例では、一端の端部２２ａにＮ極の磁性が現われ、他端の端部２２ｂにＳ極の磁性が現われたものとなっている。
次に、磁気軸受３０は、２つの軸受部３１ａ、３１ｂを備え、磁気の反発力により磁気シャフト２０を浮上させながら回転可能に受けるものである。
軸受部３１ａ、３１ｂは、それぞれの軸受面３２ａ，３２ｂが対向する磁気シャフト２０の端部２２ａ，２２ｂの磁性と同じ磁性を帯びたものとなっている。つまり、図２（ｂ）に示すように、軸受部３１ａの軸受面３２ａはＮ極であり、磁気シャフト２０の端部２２ａもＮ極であり、両者は反発し合って磁気シャフト２０の端部２２ａは磁気軸受３０の軸受部３０ａから浮上する。一方、軸受部３１ｂの軸受面３２ｂはＳ極であり、磁気シャフト２０の端部２２ｂもＳ極であり、両者は反発し合って磁気シャフト２０の端部２２ｂは磁気軸受３０の軸受部３０ｂから浮上することとなる。
ここで、磁気シャフト２０の端部２２の磁性面と磁気軸受３０の軸受部３１の磁性面３２の形を工夫することにより、両者間で生じる反発力のベクトル成分を調整する工夫を盛り込んでおく。
磁気シャフト２０側の工夫として、磁気シャフト２０の両端で磁極が生じている端部２２ａ，２２ｂの形状として、回転軸の外周方向に対向する外周面と、回転軸の軸方向に対向する軸方向面の少なくとも２つの面を備えたものとし、外周面と軸方向面一体に磁極が生じたものとする工夫である。
この構成例では、磁気シャフト２０の両端にある端部２２ａ，２２ｂの先端形状が略半球状であり、Ｎ極，Ｓ極それぞれの磁極面が、その略半球状の表面に現れるものとなっている。このように先端形状が略半球状であれば、磁性面として、略半球状の縁部付近に現れる磁性面と、略半球状の頂部付近に現れる磁性面が得られるが、略半球状の縁部付近に現れる磁性面が、回転軸の回転方向の外側を向いている外周側磁極面となり、略半球状の頂部付近に現れる磁性面が回転軸の軸方向側を向いている軸方向側磁極面となる。
一方、磁気軸受３０側においても、軸受面３２ａの形状が、磁気シャフトの外周面に対向する内周面と、磁気シャフトの軸方向面に対向する軸対向面の少なくとも２つの面を備えたものとし、それぞれの軸受面３２ａにおいて、内周面と軸対向面一体に磁極が生じたものとする工夫が施されている。この内周面に内周側磁極面、軸対向面に軸対向面側磁極面が形成されている。
この構成例では、図１、図２に示すように、軸受面３２ａの形状が略すり鉢状となっている。このように軸受面の形状が略半球状であれば、内周面の内周側磁極面と軸対向面の軸対向面側磁極面を一体とした磁性面が得られる。
図３は、磁気シャフト２０の端部２２ａの外周側磁極面と磁気軸受３０の軸受面３２ａの内周側磁極面との間で得られる垂直方向の磁気反発力Ｆ１と、磁気シャフト２０の端部２２ａの軸方向側磁極面と磁気軸受３０の軸受面３２ａの軸対向面側磁極との間で得られる水平方向の磁気反発力Ｆ２を示した図である。このように本発明では、磁気シャフト２０の端部２２ａと磁気軸受３０の軸受面３２ａとの間に生じる磁気反発力は垂直方向の力Ｆ１と、水平方向の力Ｆ２が得られ、垂直方向、水平方向の両方向に対向する力が効率的に得られる。
次に、軸受部３１の裏面側の工夫について述べる。
図２（ａ）に示す構造では、磁気軸受の軸受部３１の形状において、軸受面３２とは反対側の磁気シャフトの軸延長方向側の面３３にも、軸受面３２の略すり鉢状と略同一の略すり鉢状の形状のものが設けられている。なお、磁性は軸受面３２とは異なる磁性の磁性面３２が形成されたものとなっている。このように、軸受面３２とは反対側の面３３を略同一形状とすることにより軸受部３１は面対称となり、軸受面３２に現われる磁性を安定的に強くすることができる。なお、後述するように、複数の磁気シャフト軸受装置１００を回転軸方向に直列に接続する場合、軸受面３２とは反対側の面３３に、磁気シャフト２０の端部を対応させることで、軸受面として機能させることができる。
次に、本発明の磁気シャフト軸受装置１００を利用するための伝達機構について述べる。本発明では磁気シャフト２０の端部２２は軸受部３０により非接触に囲まれており、磁気シャフト２０に対して直接に伝達機構を設けても良いが、軸受部３０の外側に対して伝達機構を設ける工夫も可能である。
図１および図２の例では、磁気シャフト２０の回転軸方向に延長した非磁性体の延長シャフト４０を設け、磁気軸受３０の軸受部３１に延長シャフト４０を外部に導く貫通孔を設ける工夫である。貫通孔の大きさと位置を延長シャフト４０に触れないものとし、磁気シャフト２０と延長シャフト４０を一体に回転せしめるようにしている。このように延長シャフト４０を設けることにより、磁気軸受３０の外側にある機械的要素と接続することができ、磁気シャフト軸受装置１００の用途が拡がる。また、延長シャフト４０と磁気軸受３０とは接触していないので、磁気シャフト２０の回転方向の運動エネルギーがロスすることなく、磁気シャフト２０は良好に回転することができる。
以上が、磁気シャフト軸受装置１００の基本構造である。
なお、モーター２００は、磁気シャフト軸受装置１００以外の部品、例えば、電機子、界磁、整流子、電気回路などはどのようなものでも適用できる。
【実施例２】
【０００８】
次に、実施例２として、大型モーターや超大型モーターなど、支持回転させる回転体の重量が大きく、シャフトにかかる負荷が大きい場合の工夫について述べる。
つまり、本発明の磁気シャフト軸受装置１００Ａと１００Ｂが２つ用いられ、支持回転させる回転体のシャフトから延長された一端と他端にそれぞれ設けられ、それぞれの本発明の磁気シャフト軸受装置１００Ａと１００Ｂが回転体のシャフトの端部の元々の軸受部分に適用されている構造例である。
ここでは、実施例１に示した磁気シャフト軸受装置を直列に複数並べ、隣接し合う磁気シャフト軸受装置の境界にある軸受部を共通化し、当該共通化した軸受部の両面を隣接し合うそれぞれの軸受部の軸受面として利用する構造例となっている。
図４は、大型モーター２００Ａの両端の軸受部分に、それぞれ本発明の磁気シャフト軸受装置１００Ａ，１００Ｂを用いた例を示す図である。磁気シャフト軸受装置１００Ａ，１００Ｂとも、その内部構造は、実施例１に示した磁気シャフト軸受装置１００を直列に並べた構成となっている。このように磁気シャフト軸受装置１００を直列に並べることにより、より大きな重量のモーターの電機子であっても浮上させるための大きな磁気反発力を得ることができる。
次に、図５は、超大型モーター２００Ｂの両端の軸受部分に、それぞれ本発明の磁気シャフト軸受装置１００Ｃ，１００Ｄを用いた例を示す図である。磁気シャフト軸受装置１００Ｃ，１００Ｄとも、その内部構造は、実施例１に示した磁気シャフト軸受装置１００を直列に３つ並べた構成となっている。
ここで、図５に示すように、磁気シャフト軸受装置１００Ａは、磁気シャフトとして第１の磁気シャフト２０ａと第２の磁気シャフト２０ｂの２つを備え、軸受部として第１の磁気軸受３０ａ、第２の磁気軸受３０ｂ、第３の磁気軸受３０ｃの３つを備えた構造となっている。ここで、中央の第２の磁気軸受３０ｂにおいて、磁気シャフト２０ａの右側の端部の軸受面と、磁気シャフト２０ｂの左側の端部の軸受面とが共通化された構造となっている。このように軸受面とは反対側の面を略同一形状として軸受面とは逆の磁性を与えて磁性面としておくと、図５に示すように、複数の直列に磁気シャフトと磁気軸受を接続する場合、共通化できる磁気軸受部の両面を、隣接し合うそれぞれの磁気シャフトの軸受面として利用することができる。
このように、軸受面とは反対側の面も加工することにより、隣接する磁気シャフト２０の端部を受け入れる軸受面として利用できる。つまり、第２の磁気軸受３０ｂを直列に複数並べ、それら第２の磁気軸受３０ｂ同士の間に新たに磁気シャフト２０を配設してゆけば良く、例えば、３つの磁気シャフト２０と４つの磁気軸受３０を直列に配設されたものが得られる。
【実施例３】
【０００９】
上記本発明の磁気シャフト軸受装置の用途は多様である。例えば、本発明の磁気シャフト軸受装置は、モーター駆動で動く様々な機器のシャフト等に適用することができる。例えば、モーターで駆動する電気乗用車、モーターで駆動するバイクなどの電気自動二輪車、さらには、モーターで駆動する特殊車両など、様々な車両のシャフトの軸受などに組み込むことができる。
実施例３として、本発明の磁気シャフト軸受装置を適用した車両や発電タービンの例を挙げておく。
図６（ａ）は、電気自動車３００に適用した例である。図６（ａ）に図示したタイプの車両に限定されず、多種多様な車両に適用することができる。なお、電気自動車としては内燃機関を持たない電気自動車、内燃機関を併用するハイブリッド電気自動車のいずれであっても適用することができる。
なお、図６（ｂ）は、本発明の磁気シャフト軸受装置をバイクなどの電気自動二輪車４００に適用した例である。なお、図６（ｂ）に図示したタイプの自動二輪車に限定されず、多種多様な自動二輪車のタイヤに適用することができる。
なお、図示しないがその他の重機などの特殊車両であっても、本発明の磁気シャフト軸受装置を適用することは可能である。
また、シャフトを持つ回転体であれば、本発明の磁気シャフト軸受装置を適用することができる。
図７（ａ）に示すように、例えば、水力発電所の発電タービンの軸受部分に本発明の磁気シャフト軸受装置を適用することができる。
また、図７（ｂ）に示すように、例えば、火力発電所の発電タービンの軸受部分に本発明の磁気シャフト軸受装置を適用することができる。
以上、本発明の実施例２にかかる磁気シャフト軸受装置の構成例を示したが、上記構成は一例であり種々の変更が可能である。
以上、磁気シャフト軸受装置の構成例における好ましい実施例を図示して説明してきたが、本発明の技術的範囲を逸脱することなく種々の変更が可能であることは理解されるであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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