(57)【要約】【課題】  回転機における軸方向及び径方向を支持し、運転時に生じる機械磨耗や騒音を低減し、さらに回転機の寿命を延長する、磁気軸受システムを提供する。【解決手段】  回転機における回転子３１のスピンドル３１１と、該スピンドルを収容する回転機における固定子座３２のスピンドル孔３２１とに設けられた、それぞれ環状磁石を積重ねてなる磁気アセンブリ３３、３４の間の磁気反発力を利用してスピンドルに径方向の非接触剛性支持を提供する。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スピンドルと、
固定子座に設けられて、前記スピンドルを収容するためのスピンドル孔と、
前記スピンドルの側壁に設けられて、少なくとも一つ以上の両側の極性が異なる環状磁石によって構成される第１磁気アセンブリと、
前記スピンドル孔の側壁に設けられて、少なくとも一つ以上の両側の極性が異なる環状磁石によって構成される第２磁気アセンブリと、
前記固定子座に取付けられて、前記スピンドルを軸方向に支持するための支持アセンブリと、を含む磁気軸受システムであって、
前記第１磁気アセンブリの環状磁石と前記第２磁気アセンブリの環状磁石が１対1の関係を成す磁気軸受システム。
【請求項２】
前記第１磁気アセンブリにおける各環状磁石の反対極界面が、それぞれ前記第２磁気アセンブリにおける対応する環状磁石の反対極界面に対して上へある距離変位される請求項１に記載の磁気軸受システム。
【請求項３】
前記第１磁気アセンブリにおける各環状磁石の反対極界面が、それぞれ前記第２磁気アセンブリにおける対応する環状磁石の反対極界面と揃っている請求項１に記載の磁気軸受システム。
【請求項４】
前記第１磁気アセンブリにおける各環状磁石の反対極界面が、それぞれ前記第２磁気アセンブリにおける対応する環状磁石の反対極界面に対して下へある距離変位される請求項１に記載の磁気軸受システム。
【請求項５】
前記スピンドルの一端が接触面に形成されて、前記支持アセンブリが低摩擦係数の材料からなる耐磨耗パッドを有し、前記耐磨耗パッドの一表面と前記接触面が接触して、前記表面の曲率が前記接触面の曲率と等しくない、請求項１に記載の磁気軸受システム。
【請求項６】
前記接触面と前記表面は、それぞれ平面、円弧面、円錐面、放物面及び楕円面からなるグループから選ばれた一つの面である請求項５に記載の磁気軸受システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気軸受システムに関し、特に回転機に用いられる磁気軸受システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の回転機で、スピンドルの径方向支持及びスピンドルの回転自由度を提供するために用いられる機械軸受は、主に含油軸受（oil retaining bearing）と玉軸受（ball bearing）である。含油軸受は、含油軸受に含まれる油量が長時間の使用又は密封不良によって減少するため、含油軸受とスピンドルとの間の摩擦力が増えて高温や騒音が生じ、高性能回転機の要求に応えることができなくなりつつある。一方、玉軸受は、ボールが転がっている際に各ボールの磨耗情況がそれぞれ異なるため、玉軸受を備えたモータが回転している時に予期せぬ振動が生じて比較的大きい騒音を発することになる。
【０００３】
図１は、従来のファンモータ１の軸受システムを示す局部断面図である。図１に示すように、回転子１１のスピンドル１１１が固定子座１２のスピンドル孔１２１に収容されている。ファンモータ１は二つの玉軸受１３及び１４を利用してスピンドル１１１を拘束することにより、スピンドル１１１の径方向で生じ得る振れを規制し、スピンドル１１１に径方向の支持を提供する。また、スプリング(spring)１５を使ってスピンドル１１１に軸方向の支持を提供し、更にＣ形止め輪(Ｃ retaining ring)１６によりスピンドル１１１を固定する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、玉軸受１３、１４は上述のように騒音が発生し、かつ、ファンモータのスピンドル１１１は、玉軸受１３、１４、スプリング１５及びＣ形止め輪１６三者と接触し径方向での接触面積が余りにも大きくなるため、ファンモータが回転している際に大面積の接触摩擦により極めて高い騒音や高温が生じて、引いてはファンモータ１の使用寿命を容易に短縮する。
【０００５】
本発明は、上記問題を鑑みてなされたものであり、回転機における軸方向及び径方向の支持を提供し、運転時の機械磨耗や騒音を低減し、さらに回転機の寿命を延長する、磁気軸受システム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】
【０００６】
本発明に係わる磁気軸受システムは、スピンドルと、前記スピンドルを収容するスピンドル孔と、第１磁気アセンブリと、第２磁気アセンブリと、支持アセンブリと、を含む。第１磁気アセンブリは、前記スピンドルの側壁に設けられて、複数の両側の極性が反対である環状磁石が積重ねられ、それら環状磁石が同極接合の形態で配設される。第２磁気アセンブリは、前記スピンドル孔の側壁に取付けられて、複数の両側の極性が反対である環状磁石が積重ねられ、それら環状磁石が同極接合の形態で配設される。支持アセンブリは、前記固定子座に設けられて、前記スピンドルを軸方向に支持する。
【０００７】
前記第１磁気アセンブリにおける各環状磁石の反対極界面が、それぞれ前記第２磁気アセンブリにおける対応する環状磁石の反対極界面と揃っている。
【０００８】
前記第２磁気アセンブリは、前記第１磁気アセンブリに対して軸方向にある距離を変位される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係わる磁気軸受システムは、それぞれ回転子のスピンドルと、固定子座におけるスピンドルを収容するスピンドル孔に設けられた磁気アセンブリ間の磁気反発力を利用してスピンドルに径方向の非接触剛性支持を提供することにより、スピンドルと軸受の径方向における大面積の摩擦及びそれによる騒音を低減し、さらに回転速度を高め、回転機と軸受システムの使用寿命を延長することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
［第１の実施形態］
図２に示す本発明の第１の実施形態の一実施例に係わる磁気軸受システム２は、積重ね型受動式磁気軸受システムであり、二つの磁気アセンブリ２３、２４によって構成されて、軸受の径方向の支持力を提供するために用いられる。磁気アセンブリ２３、２４は、それぞれ一つ以上の磁気リングを同極対応の方式で積重ねて形成され、且つそれぞれ磁気軸受システム２のスピンドル２１１と固定子座２２に設けられる。ここで、磁気リングは例えば環状磁石又は環状永久磁石であり、本実施例では、環状磁石を例にして説明する。
【００１１】
磁気アセンブリ２３は、ファンモータの回転子２１のスピンドル２１１側壁に設けられて、両側の極性が異なる環状磁石２３１、２３２、２３３を同極接合(Ｎ極とＮ極が接合；Ｓ極とＳ極が接合)の方式で積重ねて組立てられる。磁気アセンブリ２４は、ファンモータの固定子座２２におけるスピンドル２１１を収容するためのスピンドル孔２２１の側壁に設けられて、同様に両側の極性が異なる環状磁石２４１、２４２、２４３を同極接合の方式で積重ねて組立てられる。そして、磁気アセンブリ２３、２４の環状磁石は１対１の関係を成して、且つ、磁気アセンブリ２３、２４は互いに接触しない。
【００１２】
本実施例において、各環状磁石２３１、２３２、２３３の反対極界面(即ちＮ極とＳ極の界面)２３１１、２３２１、２３３１は、それぞれの対応する環状磁石２４１、２４２、２４３の反対極界面２４１１、２４２１、２４３１と揃っており、且つ環状磁石の接合面１００、２００もそれぞれの対応する環状磁石の接合面３００、４００と揃っている。言い換えると、環状磁石２３１、２３２、２３３が構成するＮ極(或いはＳ極)はその対応する環状磁石２４１、２４２、２４３の構成するＮ極(或いはＳ極)と互いに対向している。
【００１３】
尚、磁気アセンブリ２３における各環状磁石２３１、２３２、２３３の厚さは、図２に示すように互いに同じでも異なってもよく(図示せず)、磁気アセンブリ２４の各環状磁石２４１、２４２、２４３の反対極界面２４１１、２４２１、２４３１は、前記磁気アセンブリ２３におけるそれぞれの対応する環状磁石２３１、２３２、２３３の反対極界面２３１１、２３２１、２３３１と揃っている条件を満たせば良い。即ち、磁気アセンブリ２４の各環状磁石の厚さは、磁気アセンブリ２３におけるそれぞれの対応する環状磁石の厚さと等しく、具体的に言えば、環状磁石２３１と２４１、環状磁石２３２と２４２、環状磁石２３３と２４３はそれぞれ同じ厚さを有する。
【００１４】
図４は、本発明の第１の実施形態の他の実施例に係わる磁気軸受システムを示す局部断面図である。図４に示すように、スピンドル孔２２１の側壁にある磁気アセンブリ２４における外側の両環状磁石２４１と２４３の厚さをやや増やして図４の２４１ａと２４３ａになり、それぞれの厚さをスピンドル２１１の側壁にある磁気アセンブリ２３における対応する環状磁石２３１と２３３の厚さよりも大きくして、軸方向の支持力を提供する素子(例えば、後記のスラスト軸受)の負担を低減し、並びに加工過程や組立過程で生じ得る誤差を補償するようにしても良い。この場合、環状磁石の接合面１００、２００は依然としてそれぞれの対応する環状磁石の接合面３００、４００と揃っている。
【００１５】
従って、第１の実施形態において、スピンドル側壁にある磁気アセンブリにおける各環状磁石の反対極界面は、スピンドル孔の側壁にある磁気アセンブリにおける対応する環状磁石の反対極界面と揃い、或いは各環状磁石の接合面は、対応する環状磁石の接合面と揃うのであれば良く、スピンドルの側壁にある磁気アセンブリとスピンドル孔の側壁にある磁気アセンブリの総厚さや各環状磁石の厚さは同じであっても異なっても良い。
【００１６】
本発明の第１の実施例に係わる磁気軸受システム２は、更に磁気軸受システム２の軸方向での支持アセンブリとして、ブッシュ(bush)２５と、二つの深溝スラスト軸受(thrust bearing)２６、２７と、Ｃ形止め輪２８と、シム(shim)２９とを含む。
【００１７】
深溝スラスト軸受２６は、底面が固定子座２２に取付けられ、上面がブッシュ２５と隣接する。ブッシュ２５は、磁気アセンブリ２３と深溝スラスト軸受２６との間に位置するようスピンドル２１１に取付けられる。深溝スラスト軸受２６は、磁気軸受システム２内において、固定子座２２へのスピンドル２１１の移動を阻止すると共に、回転子２１、スピンドル２１１、磁気アセンブリ２３及びブッシュ２５の重力を支持する軸方向力を提供する。深溝スラスト軸受２７は、固定子座２２に取付けられて、磁気軸受システム２内において、スピンドル２１１が固定子座２２から遠ざかることに対抗する軸方向力を提供する。なお、深溝スラスト軸受２６及び２７は共に、例えばローラスラスト軸受(roller thrust bearing)のようなスラスト効果を具えたその他の軸受で取り替えることができる。
【００１８】
Ｃ形止め輪２８は、スピンドル２１１に取付けられて、スピンドル２１１とスピンドル孔２２１との間の相対位置を固定するに用いられる。シム２９は、スピンドル２１１に取付けられて、深溝スラスト軸受２７とＣ形止め輪２８との間において負荷を均一にするために用いられるが、使用されるＣ形止め輪２８の厚さが深溝スラスト軸受２７を十分に支持でき、且つ負荷を均一に分散させることができれば、シム２９は省略しても良い。
【００１９】
更に注意すべきことは、ブッシュ２５の上面と底面がそれぞれ磁気アセンブリ２３と深溝スラスト軸受２６に隣接して、その作用は磁気アセンブリ２３と深溝スラスト軸受２６との間の磁気吸引力を遮断して磁気アセンブリ２３を支持することである。従って、ブッシュ２５は、例えば金、銅、銀、カーボン、鉛、又は非導磁性材料で製造され、且つ所定の剛性を具えたふさわしい支持素子で取り替えることができる。
【００２０】
［第２の実施形態］
図３は、本発明の第２の実施形態の一実施例に係わる磁気軸受システム３を示す局部断面図である。第２の実施形態は、第１の実施形態と比較すれば、磁気アセンブリ３３と３４の配置関係、並びに軸方向の支持アセンブリが異なっている。以下、第２の実施形態と第１の実施形態における差異だけについて説明を進めるが、両者の類似部分は説明を省略する。
【００２１】
第２の実施形態において、磁気アセンブリ３３は磁気アセンブリ３４に対して軸方向で上へある距離L変位される。即ち、スピンドル３１１の側壁にある磁気アセンブリ３３における環状磁石３３１、３３２、３３３、３３４の反対極界面３３１１、３３２１、３３３１、３３４１はスピンドル孔３２１の側壁にある磁気アセンブリ３４における環状磁石３４１、３４２、３４３、３４４の反対極界面３４１１、３４２１、３４３１、３４４１に対して上へある距離L変位され、磁気アセンブリ３３と３４の磁力作用により磁気軸受システム３内において、スピンドル３１１が固定子座３２への移動(下向き移動)を阻止する共に、磁気アセンブリ３３と深溝スラスト軸受３５との間の磁気吸引力及び磁気アセンブリ３３の重力に対抗する上向きの軸方向力を提供する。
【００２２】
また、本実施例の深溝スラスト軸受３５は、固定子座３２に取付けられて、磁気軸受システム３内においてスピンドル３１１が固定子座３２から遠ざかることに対抗する軸方向力を提供する。ここで、深溝スラスト軸受３５は、例えばローラスラスト軸受のようなスラスト効果を有するその他の軸受で取り替えることができる。尚、注意すべきことは、本実施例におけるスラスト軸受の採用は、それぞれスピンドル及びスピンドル孔に設けられる磁気アセンブリ間の配置と関連がある。磁気アセンブリ３３は磁気アセンブリ３４に対して上方にあるように変位されているため、本実施例はスラスト方向が軸方向下向きのスラスト軸受３５を用いて、スピンドル３１１が回転時に軸方向上向きの移動を防止する必要がある。一方、磁気アセンブリ３４を磁気アセンブリ３３に対して上方にあるように変位することにより、両者の間で生成した磁気反発力が軸方向下向きの作用力を提供してスピンドル３１１が回転時に軸方向上向きへの移動を防止し、更に磁気アセンブリ３３と３４の間の磁気反発力の状況に応じて補助アンチスラストを提供できるスラスト軸受を利用しても良く、例えば、スラスト方向が軸方向上向きであるスラスト軸受である。
【００２３】
また、第２の実施形態において、磁気アセンブリ３３と３４の反対極界面は同一方向において充分な変位があれば良く、この条件の下では磁気アセンブリ３３、３４の総厚さが異なっても良いし、磁気アセンブリ３３、３４の各環状磁石の厚さは異なっても良い。そして、磁気アセンブリ３３、３４は少なくとも一つの環状磁石で構成することができる。
【００２４】
［第３の実施形態］
図５Ａ〜５Ｅは、本発明の第３の実施形態の諸実施例に係わる磁気軸受システム４、４ａ、４ｂをそれぞれ示す局部断面図である。第３の実施形態は上記各実施形態との相違点は、磁気アセンブリ４４が磁気アセンブリ４３に対して軸方向上向きにある距離Ｌ′シフトし、且つスピンドル下端面が凸曲面４１２、平面４１２ａ或いは凹曲面４１２ｂを成して、摩擦係数の小さい材料からなる耐磨耗パッド４５、４５ａ、４５ｂ、４５ｃ、４５ｄとスピンドル４１１、４１１ａ、４１１ｂ下端との接触によりスピンドル４１１、４１１ａ、４１１ｂを支持し、そのうち、耐磨耗パッド４５、４５ａ、４５ｂがスピンドル４１１を支持して、耐磨耗パッド４５ｃ及び４５ｄがそれぞれスピンドル４１１ａ及び４１１ｂを支持する。
【００２５】
これらスピンドル４１１、４１１ａ、４１１ｂの下端と接触する耐磨耗パッド４５、４５ａ、４５ｂ、４５ｃ、４５ｄの表面は、それぞれ平面４５１、曲率が凸曲面４１２よりも小さい曲面４５１ａ、４５１ｂ、曲率が平面４１２ａよりも大きい曲面４５１ｃ、並びに曲率が凹曲面４１２ｂよりも大きい曲面４５１ｄに設計されて、その作用はスピンドル４１１、スピンドル４１１ａ、スピンドル４１１ｂと耐磨耗パッド４５、４５ａ、４５ｂ、４５ｃ、４５ｄ間の接触を点接触に保つためである。尚、凸曲面４１２、凹曲面４１２ｂ、曲面４５１ａ及び４５１ｂ、曲面４５１ｃ及び４５１ｄは例えば円弧面、円錐面、放物面、楕円面である。
【００２６】
以下、第３の実施形態は上記各実施形態との相違点だけを説明し、類似部分の説明を省略する。
第３の実施形態において、各磁気アセンブリ４３、４４は、それぞれ両側の極性が異なる環状磁石４３１、４３２、４３３、４３４、４４１、４４２、４４３、４４４を同極接合の形態で積重ねてなり、磁気アセンブリ４４の環状磁石が磁気アセンブリ４３の環状磁石と１対１になり、磁気アセンブリ４３と４４は互いに接触しない。
【００２７】
特に、スピンドル孔４２１の側壁にある磁気アセンブリ４４の環状磁石４４１、４４２、４４３、４４４の反対極界面(即ちＮ極とＳ極の界面)４４１１、４４２１、４４３１、４４４１は、スピンドル４１１の側壁にある磁気アセンブリ４３におけるそれぞれの対応する環状磁石４３１、４３２、４３３、４３４の反対極界面４３１１、４３２１、４３３１、４３４１に対して上へある距離L′変位され、そして磁気アセンブリ４３と４４の磁力作用によりスピンドル４１１、４１１ａ、４１１ｂが磁気軸受システム４内で固定子座４２から遠ざかることに対抗する軸方向力を生じて、即ち図５Ａ〜５Ｅにおいて、この磁力作用がスピンドル４１１、４１１ａ、４１１ｂの上向き移動を阻止する下向き軸方向力を提供する。
【００２８】
また、耐磨耗パッド４５、４５ａ、４５ｂ、４５ｃ及び４５ｄは、固定子座４２のスピンドル孔４２１の底部に設けられて、スピンドル４１１、４１１ａ、４１１ｂを搭載し、スピンドル４１１、４１１ａ、４１１ｂが固定子座４２底部への移動を阻止し、且つ回転子４１、スピンドル４１１、４１１ａ、４１１ｂ及び磁気アセンブリ４３の重力を支持する軸方向力を提供する。この方式により、スピンドル４１１、４１１ａ、４１１ｂに充分な軸方向の支持を提供でき、更に磁気軸受システム４、４ａ、４ｂが運転過程中で摩擦損耗する心配もないよう、上記各実施形態における深溝スラスト軸受、止め輪及びシム等の部材を含む軸方向の支持アセンブリを耐磨耗パッドで取り替えることができる。
【００２９】
第３の実施形態において、磁気アセンブリ４３及び４４の反対極界面における軸方向の変位は、スピンドル４１１、４１１ａ、４１１ｂに充分な軸方向の支持を提供できれば良い。この条件の下で、磁気アセンブリ４３、４４の総厚さが異なっても良いし、磁気アセンブリ４３、４４の各環状磁石の厚さは異なっても良い。そして、磁気アセンブリ４３、４４は少なくとも一つの環状磁石で構成することができる。
【００３０】
前記各実施形態において、磁気アセンブリ２３、２４又は３３、３４或いは４３、４４は、皆少なくとも一つの両側の極性が異なる環状磁石を積重ねてなるので、環状磁石を適当な数に配置してスピンドル２１１又は３１１或いは４１１、４１１ａ、４１１ｂとスピンドル孔２２１又は３２１或いは４２１との間で充分な径方向の磁気反発力を生じさせ、スピンドル２１１又は３１１或いは４１１、４１１ａ、４１１ｂが回転時に径方向で大面積摩擦するのを回避すると共に、スピンドル２１１又は３１１或いは４１１、４１１ａ、４１１ｂが運転時に生じる径方向の振れをつり合わせることができる。尚、本発明は深溝スラスト軸受２６、２７、３５或いは耐磨耗パッド４５、４５ａ、４５ｂ、４５ｃ及び４５ｄにより軸方向の作用力を提供しているので、磁気軸受システム２又は３或いは４、４ａ、４ｂが運転時に生じる軸方向の振動を低減或いは防止することができる。
以上、本発明の実施形態を図面に基づいて詳述してきたが、具体的な構成は、これら実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、上記磁気軸受システムの設計変更等があっても、本発明に含まれる。よって本発明は後付する特許請求の範囲により限定される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】従来のファンモータの軸受システムを示す局部断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の一実施例に係わる磁気軸受システムを示す局部断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の一実施例に係わる磁気軸受システムを示す局部断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の他の実施例に係わる磁気軸受システムを示す局部断面図である。
【図５Ａ】本発明の第３の実施形態の一実施例に係わる磁気軸受システムを示す局部断面図である。
【図５Ｂ】本発明の第３の実施形態の他の実施例に係わる磁気軸受システムを示す局部断面図である。
【図５Ｃ】本発明の第３の実施形態のもう一つの他の実施例に係わる磁気軸受システムを示す局部断面図である。
【図５Ｄ】本発明の第３の実施形態の又もう一つの他の実施例に係わる磁気軸受システムを示す局部断面図である。
【図５Ｅ】本発明の第３の実施形態の更にもう一つの他の実施例に係わる磁気軸受システムを示す局部断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  ファンモータ
１１  回転子
１１１  スピンドル
１２  固定子座
１２１  スピンドル孔
１３、１４  玉軸受
１５  スプリング
１６  Ｃ形止め輪
２、３、４、４ａ、４ｂ  磁気軸受システム
２１、３１、４１  回転子
２１１、３１１、４１１、４１１ａ、４１１ｂ  スピンドル
２２、３２、４２  固定子座
２２１、３２１、４２１  スピンドル孔
２３、２４、３３、３４、４３、４４  磁気アセンブリ
２３１、２３２、２３３、２４１、２４２、２４３、３３１、３３２、３３３、３３４、３４１、３４２、３４３、３４４、４３１、４３２、４３３、４３４、４４１、４４２、４４３、４４４  環状磁石
２３１１、２３２１、２３３１、２４１１、２４２１、２４３１、３３１１、３３２１、３３３１、３３４１、３４１１、３４２１、３４３１、３４４１、４３１１、４３２１、４３３１、４３４１、４４１１、４４２１、４４３１、４４４１  反対極界面
２５  ブッシュ
２６、２７、３５  深溝スラスト軸受
２８、３６  Ｃ形止め輪
２９、３７  シム
１００、２００、３００、４００  環状磁石の接合面
４５、４５ａ、４５ｂ、４５ｃ、４５ｄ  耐磨耗パッド
４５１  平面
４５１ａ、４５１ｂ、４５１ｃ、４５１ｄ  曲面
４１２  凸曲面
４１２ａ  平面
４１２ｂ  凹曲面
【図１】
2005188735.tif 000003
【図２】
2005188735.tif 000004
【図３】
2005188735.tif 000005
【図４】
2005188735.tif 000006
【図５Ａ】
2005188735.tif 000007
【図５Ｂ】
2005188735.tif 000008
【図５Ｃ】
2005188735.tif 000009
【図５Ｄ】
2005188735.tif 000010
【図５Ｅ】
2005188735.tif 000011