CN108291581A - 带有磁性流体密封的轴承 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可在间隙部分中得到稳定的密封性能的带有磁性流体密封的轴承。具体而言，带有磁性流体密封的轴承(1)具有：内圈(3)及外圈(5)，由磁性材料形成；多个滚动体(7)，安装在内圈和外圈之间；环状极板(30)，以环状极板(30)与内圈的外周面之间产生有间隙的方式安装于外圈的内周面，由磁性材料形成；环状磁铁(20)，安装于环状极板的轴向内侧面，以磁极朝向轴向的方式被磁化，从而在外圈侧和内圈侧分别形成有磁回路；内圈侧磁性流体(25)，被保持在内圈侧的磁回路中，对间隙进行密封；及磁场强度提高部(50)，使内圈侧产生的磁回路的磁场强度比外圈侧产生的磁回路的磁场强度更高。

Description

带有磁性流体密封的轴承

技术领域

本发明涉及带有磁性流体密封的轴承，所述磁性流体密封的轴承被配设于各种动力传动机构，在旋转自如地支撑旋转轴的同时，使灰尘、水分等异物不会进入到内部。

背景技术

通常，设置于各种驱动力传动机构的旋转轴介由轴承而被旋转自如地支撑。此时，轴承多使用所谓的球轴承(滚珠轴承)，所述球轴承在内圈和外圈之间沿着周向收容有多个滚动体(滚动部件)，通过使用这种类型的轴承，可实现旋转轴的旋转性能的提高。

这样的轴承被用作各种各样驱动装置的驱动力传动机构的旋转轴的支撑单元，但根据驱动装置，存在有希望防止灰尘、水分等异物通过轴承部分而进入到内部的情况。此外，当异物进入到轴承自身时，则产生或是旋转性能劣化，或是产生异响等问题。因此，例如在专利文献1中，公开有具备磁性流体所构成的密封功能的带有磁性流体密封的轴承。

前述专利文献1所公开的带有磁性流体密封的轴承通过下述内容来防止异物向内部进入，即，将安装有环状(环形)磁铁的环状极板安装(嵌入)在内圈或外圈上，在其他的外圈或内圈上形成间隙，进而将磁性流体保持在该间隙部分中。另外，专利文献1所公开的带有磁性流体密封的轴承为下述轴承，即，环状磁铁在轴向上被磁化，且在其开口侧安装有环状极板的轴承，由于在这样的构成中，分别在内圈侧和外圈侧形成有磁回路，因此在产生于环状极板(环状磁铁)安装侧的微小间隙(以下，在安装侧产生有间隙时，称为微小间隙)中也保持有磁性流体，因而使异物不会从外圈侧及内圈侧进入到内部。

专利文献1：日本特开2013-228044号公报

发明内容

可是，在如上所述使环状磁铁在轴向上磁化，且将其安装到环状极板上时，在径向的两侧形成有相同磁场强度的磁回路(参照图1(a)的模式图)。即，如果像专利文献1所公开的那样，环状极板30及环状磁铁20的壁厚是均匀的情况下，当仅考虑极板30时，在不存在内圈及外圈的状态下，分别在内外圈间的径向的两侧(内圈侧为Y1、外圈侧为Y2)形成的磁回路M1、M2的磁场强度则大致相等。

可是，由于在内圈(或外圈)和极板之间形成有间隙，以便使磁性流体保持在该间隙中，因此在间隙侧产生的磁回路的磁场强度变得比在安装侧(嵌入侧)产生的磁回路的磁场强度更弱。即，在图1(a)中，由于当在内圈侧形成有间隙时，则该部分成为介入有非磁性材料的状态，因此导致了导磁率降低，进而导致了从极板30的端面30a朝向磁性材料即内圈的磁力(磁场强度)变得比从极板30的端面30b朝向磁性材料即外圈的磁力(磁场强度)更弱。其结果，保持在间隙中的磁性流体的保持力较弱，从而无法得到足够且稳定的密封性能。

另外，为了在间隙部分上得到足够的密封力，需要配设产生较大磁场强度的磁铁，因而无法有效地对带有磁性流体密封的轴承进行小型化。

本发明是着眼于上述问题而进行的，所要解决的技术问题是提供一种可在间隙部分中得到稳定的密封性能的带有磁性流体密封的轴承。

为了达成上述目的，本发明所涉及的带有磁性流体密封的轴承其特征在于，具有：内圈及外圈，由磁性材料形成；多个滚动体，安装在所述内圈和外圈之间；环状极板，以环状极板与所述内圈的外周面之间产生有间隙的方式安装于所述外圈的内周面，由磁性材料形成；环状磁铁，安装于所述环状极板的轴向内侧面，以磁极朝向轴向的方式被磁化，从而在外圈侧和内圈侧分别形成有磁回路；内圈侧磁性流体，被保持在所述内圈侧的磁回路中，对所述间隙进行密封；及磁场强度提高部，使所述内圈侧产生的磁回路的磁场强度比所述外圈侧产生的磁回路的磁场强度更高。

根据上述的构成，通过将轴向被磁化的环状磁铁安装于环状极板，可在内圈侧及外圈侧形成对称的磁回路。此时，虽然因与内圈的外周面之间产生的间隙，而内圈侧的磁回路的磁力与外圈侧的磁回路的磁力相比变弱，但由于通过所述磁场强度提高部，使内圈侧的磁回路的磁力比外圈侧的磁回路的磁力更高，因此保持在间隙中的磁性流体的保持力提高，从而可得到稳定的密封特性。

上述的磁场强度提高部只要为下述构成即可，即，在将环状磁铁安装于环状极板的状态下，使在内圈侧形成的磁回路的磁力比外圈侧形成的磁回路的磁力更高的构成。例如如图1(b)所示，可通过将环状极板30形成为内圈侧Y1比外圈侧Y2更厚(T1>T2)来构成磁场强度提高部，通过这样的构成，可使内圈侧的磁回路M1的磁场强度比外圈侧的磁回路M2的磁场强度更高。即，磁铁20所产生的磁场强度依存于极板30的表面积，通过增大间隙侧的表面积，可有效地提高间隙部分上的磁场强度，即使因间隙而导致导磁率降低，也可得到足够的磁力。因而，通过在内外圈间配设这样的具有磁场强度提高部的环状极板及环状磁铁，与现有的构成(图1(a)所示的构成)相比，可有效地提高间隙侧的磁场强度，进而可得到稳定的密封特性。

例如可通过下述内容来构成磁场强度提高部，即，或是将环状极板形成为具有从内圈侧朝向外圈侧逐渐薄壁厚化的锥面，或是将非磁性的衬套介于所述环状极板和外圈的内周面之间。

此外，优选在外圈侧的内周面与环状极板及环状磁铁之间产生有微小间隙的构成中，将磁性流体(外圈侧磁性流体)预先保持在该部分上，由此，可以切实地对内部进行密封。

另外，与上述的构成相反，也可以将安装有上述构成的环状磁铁的环状极板安装于内圈的外周面，在外圈侧形成间隙，并保持外圈侧磁性流体来对内部进行密封。

根据本发明，可得到一种可在间隙部分中得到稳定的密封性能的带有磁性流体密封的轴承。

附图说明

图1表示通过环状极板而形成的磁回路的模式图，所述环状极板安装有轴向被磁化的环状磁铁，(a)是表示现有构成的图，(b)是表示具备磁场强度提高部的构成的图。

图2是表示本发明所涉及的带有磁性流体密封的轴承的第1实施方式的图，是沿着轴向的剖视图。

图3是图2的要部的放大图。

图4是表示本发明的第2实施方式的要部放大图。

图5是表示本发明的第3实施方式的要部放大图。

图6是表示本发明的第4实施方式的要部放大图。

图7是表示本发明的第5实施方式的要部放大图。

图8是表示现有构成的磁回路与本发明的构成的磁回路进行对比的磁场强度部分布的图。

符号说明

1-带有磁性流体密封的轴承；3-内圈；5-外圈；7-滚动体；10-磁密封机构；20-环状磁铁；25-内圈侧磁性流体；26-外圈侧磁性流体；30-环状极板；50-磁场强度提高部；G-间隙。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明所涉及的带有磁性流体密封的轴承的实施方式进行说明。

图2及图3是表示本发明所涉及的带有磁性流体密封的轴承的第1实施方式的图，图2是沿着轴向的剖视图，图3是图2的要部的放大图。

本实施方式所涉及的带有磁性流体密封的轴承单元(下面，也称为轴承单元)1具备圆筒状的内圈3、围绕内圈3的圆筒状的外圈5、安装于所述内圈3和外圈5之间的多个滚动体(滚动部件)7。所述滚动体7被保持在向周向延伸出的承托(保持架)8上，使内圈3和外圈5可相对地进行旋转。

所述内圈3、外圈5及滚动体7由具有磁性的原材料例如铬类不锈钢(SUS440C)形成，所述承托8由耐腐蚀性、耐热性优秀的原材料例如不锈钢材(SUS304)形成。另外，关于滚动体7，不一定要为磁性体。此外，虽然本实施方式的内圈3及外圈5构成为，轴向(轴承的轴心方向)X上的长度相同(也可以是大致相同)，但既可以将外圈5形成为在轴向上比内圈3更长，也可以将内圈3形成为在轴向上比外圈5更长。

在所述内圈3和外圈5的开口侧设置有下面进行详述的磁密封机构(磁性流体密封)10。另外，由于在本实施方式中，在所述内圈3和外圈5的两侧的开口上配设有相同构成的磁密封机构10，因此在下面的说明中，参照图1的右上的部分(主要部分)来进行说明。

磁密封机构10具有：磁铁(以下，也称为磁铁)20，呈环状构成；环状极板(以下，也称为极板)30，将该磁铁20安装到轴向内侧面；及磁性流体(本实施方式中为内圈侧磁性流体25)，被保持在由所述磁铁20形成的磁回路中，通过这些部件，从而具有了密封的功能，使灰尘、水分等不会进入到所述滚动体7内。

作为所述磁铁20，可使用磁通密度高、磁力强的永久磁铁例如通过烧结制法制作的钕磁铁，且预先以磁极(S极、N极)朝向轴向(轴承的轴心方向)X的方式进行磁化。此外，所述极板30以接触的方式被配设在磁铁20的轴向外侧面上。极板30形成与所述磁铁20大致相同的环状的外观形状，且由具有磁性的原材料例如铬类不锈钢(SUS440C)形成。因而，在内圈侧及外圈侧，如图1所示，分别形成有磁回路M1、M2。

被所述磁回路保持的磁性流体是例如利用表面活性剂使Fe₃O₄这样的磁性微粒子分散到基础油中而构成的，具有粘性且具备当接近磁铁时则发生反应的特性。即，通过在后述的间隙G部分中保持这样的磁性流体而对间隙进行密封，从而具备了防止灰尘、水分等异物进入到内部的功能。

在本实施方式的外圈5上，在滚动体侧的内周面5a上形成有台阶5b，因该台阶5b，而外圈5的开口侧构成薄壁区域5A，滚动体侧构成厚壁区域5B，因而轴向外侧的内外圈间隔被形成为比内侧更大。该台阶5b具备抵住磁铁20(安装有极板30的磁铁20；与磁铁单元化的极板)来进行定位固定的功能，所述磁铁20从开口侧插入(嵌入)并被安装在规定位置上。因此，优选使台阶5b成为垂直于轴向的面。另外，台阶5b不局限于像本实施方式那样为垂直的面，只要能够稳定地保持磁铁20，则也可以或是形成台阶状，或是形成倾斜状(斜面)。

所述极板30以其与内圈3的外周面3a之间产生有间隙G的方式安装于磁铁20。此时，极板30形成比磁铁20的内圈侧缘面20a更向径向内侧突出的尺寸，且所述磁铁20被形成为，在安装于极板30的状态下，其与内圈3的外周面3a之间产生与上述的间隙G大致相同程度的间隙(在图所示的构成中，比间隙G稍微更大的间隙)。当所述磁性流体(内圈侧磁性流体25)通过玻璃吸管等注入工具而被填充到间隙G中时，则被磁回路的磁力保持。关于所述磁铁20与极板30，既可以通过磁吸附来固定，也可以在磁吸附的基础上介由粘接剂来固定。

优选预先在所述内圈3的外周面上，在与极板30的内圈侧缘面30a相对的部分上，在与外周面正交的方向上形成台阶3b。通过预先形成这样的台阶3b，可形成下述状态，即，以向径向扩展的方式保持内圈侧磁性流体25的状态，从而更加提高密封性。此外，关于所述极板30，优选以不会从内圈3及外圈5的露出端面位置P向轴向突出的方式固定。通过不使极板30向轴向突出(优选配设在从露出端面位置P凹下的位置上)，可以减少其他物体与磁性流体25接触的可能性，进而防止磁性流体的散失。

所述磁密封机构10设置有磁场强度提高部50，使在内圈侧产生的磁回路M1的磁场强度比在外圈侧产生的磁回路M2的磁场强度更高。

磁场强度提高部50只要为下述构成即可，即，在内外圈间的径向的两侧，使经过极板30而分别流向内圈侧及外圈侧的磁通量成为，流向内圈侧相对更多，通过设置这样的磁场强度提高部50，与未设置磁场强度提高部50的构成相比，在将安装有磁铁20的极板30设置到规定位置时，间隙侧的磁力变强，从而可稳定地保持内圈侧磁性流体25。

在本实施方式中，在极板30上设置有磁场强度提高部50，且构成为，极板30的内圈侧成为厚壁，外圈侧成为薄壁。即，由于磁通量依存于表面积，因此通过使与内圈外周面相对的极板30的壁厚比与外圈内周面相对的壁厚更厚，而磁通量变多，其结果可使在内圈侧形成的磁回路的磁场强度增强。

具体而言，在本实施方式中，在极板30上形成有从内圈侧朝向外圈侧逐渐薄壁厚化的锥面30b，且使外圈侧的被薄壁厚化的缘部30c与磁铁20的外圈侧缘面20b一致。根据这样的构成，磁铁20的磁通偏重于内圈侧，因而不会使间隙部分的磁力降低，从而可稳定地保持内圈侧磁性流体25。此外，通过使极板30的外圈侧的缘部30c与磁铁20的外圈侧缘面20b一致，可便于进行双方的定位。

虽然在上述的构成中，形成了将内圈侧磁性流体25保持在内圈侧的间隙G中的构成，但由于因所述磁铁20的尺寸公差，而存在有在外圈5的内周面5a和磁铁20之间产生有微小的间隙的可能性，因此通过将外圈侧磁性流体(未图示)填充到这样的微小间隙，可以更加提高密封性。

接下来，对本发明的其他实施方式进行说明。另外，在下面说明的实施方式中，对与前述实施方式相同的构成标注相同的参照符号，并省略了详细的说明。

图4是表示本发明的第2实施方式的要部放大图。

本实施方式的磁场强度提高部50在极板30上形成有从内圈侧朝向外圈侧逐渐薄壁厚化的锥面30b，同时在其中间部分使锥面结束，从而使极板30截面形成大致台状。因此，在极板30的外圈侧被薄壁厚化的缘部30c′与外圈5的内周面5a之间形成有空隙，该部分发挥了作为非磁性的衬套的功能。

根据这样的构成，可以比第1实施方式的构成更进一步提高形成于内圈侧的磁回路的磁力，从而可以更加稳定地将内圈侧磁性流体25保持在间隙G内。

图5是表示本发明的第3实施方式的要部放大图。

本实施方式的磁场强度提高部50使极板30成为均匀的壁厚，且具有配设于极板30的外圈侧的由树脂等非磁性材料形成的环状衬套51。通过在极板30的外圈侧的缘部30c′和外圈5的内周面5a之间介有这样的非磁性的衬套51，与上述实施方式相同，可以提高形成于内圈侧的磁回路的磁力，进而可以稳定地将内圈侧磁性流体25保持在间隙G内。

此外，通过用树脂材料来形成所述衬套51，可便于与极板30及磁铁20一体化且单元化，进而便于进行内外圈之间的安装及定位。另外，关于衬套51，只要为非磁性材料即可，也可以为非磁性的金属或仅为空气层。此外，优选衬套51其径向长度比间隙G的长度更长，由此，可以更加有效地提高内圈侧的磁场强度，进而稳定地保持磁性流体。

并且，在本实施方式中，在外圈5的内周面5a和磁铁20之间的微小间隙中也填充有外圈侧磁性流体25a，由此可以更加提高内部的密封性。可通过在填充内圈侧磁性流体时，同样在外圈侧进行填充来配设这样的外圈侧磁性流体25a。

图6是表示本发明的第4实施方式的要部放大图。

与第3实施方式相同，本实施方式的磁场强度提高部50具备介于极板和外圈之间的树脂制的衬套53。在该衬套53的内圈侧形成有环状的凹处53a，环状极板30被安装在该部分上。即，树脂制的衬套53形成表面露出于内外圈间的开口部分的状态，因而不会使环状极板30露出表面，而保持在轴向内侧。

根据这样的构成，能够将极板30及磁铁20与衬套53一起高精度地单元化，可便于进行安装。此外，由于在这样的构成中，开口部分形成下述状态，即，使树脂制的衬套53的表面露出的状态，因此能够保护极板的表面，并且，可通过添加颜色等来实现外观的提高。

虽然上述的各实施方式的轴承1的磁密封机构10都将间隙G形成在内圈侧，且在该部分中保持内圈侧磁性流体，但也可以在任意的实施方式中，将间隙G形成在外圈侧。

图7是表示本发明的第5实施方式的要部放大图。

在该实施方式中，以与第1实施方式相同的构成，在极板30的外圈侧缘部30c′和外圈5的内周面5a之间保持有磁性流体(外圈侧磁性流体)26。与第1实施方式相反，所述极板30具有从外圈侧朝向内圈侧逐渐薄壁厚化的锥面30b，且使内圈侧的薄壁厚化的缘部30a′与磁铁20的内圈侧缘面20a一致。在这样的构成中，磁铁20的磁通偏重于外圈侧，因而不会使间隙部分的磁力降低，从而可稳定地保持外圈侧磁性流体26。此外，通过使极板30的内圈侧的缘部30a′与磁铁20的内圈侧缘面20a一致，可便于进行双方的定位。

此外，在将间隙形成在外圈侧，且采用与上述的第2实施方式至第4实施方式相同的磁密封机构时，也可以构成为，在内圈侧产生的微小间隙中保持内圈侧磁性流体。

图8表示现有构成的磁回路与本发明的构成的磁回路进行对比的磁场强度部分布的图。

对比的轴承在内外圈的尺寸、磁密封机构的磁铁的尺寸、极板的基本厚度、间隙G的尺寸上都为相同条件，且如图1(a)所示，极板为常规类型的形状，如图5所示，将非磁性的衬套(空气层)配设在极板的外圈侧，如图3所示，在极板上形成有锥面。图8为对于这样的3个类型的轴承，使用常规分布的磁场分析软件，在电脑软件上对磁场强度分布进行了模拟的图。

如该磁场强度分布所见，在图1(a)所示的一般类型的磁密封机构上，如上述的“发明所要解决的课题”一栏所指出的那样，间隙侧产生的磁场的强度变弱，因而，虽然保持了磁性流体，但其保持力较弱。与此相反，在极板的外圈侧介有非磁性的衬套的情况及使极板朝向外圈侧逐渐薄壁厚化的情况下，间隙侧产生的磁场的强度较强，磁性流体的保持也稳定。

另外，虽然在极板和外圈的内周面之间介有非磁性的衬套的类型上，使衬套的径向长度比间隙的长度少许扩大而进行了模拟，但通过使衬套的径向长度进一步扩展，可更加增强间隙侧的磁场强度。

以上，虽然对本发明的实施方式进行了说明，但本发明不局限于上述的实施方式，可以进行适当变形。

上述的磁场强度提高部是着眼于下述情况的装置，即，如图1(a)所示，在环状磁铁上配设有环状极板的通常的配置构成中，在将该配置构成安装在内外圈间时，间隙侧的磁场强度降低的情况，只要是例如如图1(b)所示构成为，使间隙侧产生的磁回路的磁场强度提高，则在极板的形状、配置形态以外，也可对该配置构成进行适当变形。例如，也可以将磁铁偏置配设于间隙侧，且也可以用可提高间隙侧的导磁率及饱和磁通密度的原材料来构成极板。

此外，虽然在上述实施方式的磁密封机构中，使磁铁20抵住形成于外圈侧的台阶5b、或形成于内圈侧的台阶3b来进行定位固定，但也可以为不形成台阶，而将磁铁20嵌入(压入)来进行固定的构成，且也可以为使安装有磁铁的极板抵住台阶等来进行定位固定的构成。此时，也可以在极板上另外形成抵住台阶的凹凸等。

此外，优选在上述各实施方式中，在内圈3及外圈5的表面上预先实施电解铬酸处理。通过这样预先实施电解铬酸处理，能够防止因锈、腐蚀而在表面上产生龟裂、破裂，进而可以切实地防止灰尘、异物进入到内部。

并且，也可以在上述的实施方式的构成中，在极板30露出到开口侧时，将环状的密封件(密封罩)从轴向外方压入固定在其轴向外侧的表面上。这样的密封件可以由耐腐蚀性、耐热性优秀的原材料例如不锈钢材料(SUS304)、树脂等形成，通过配设这样的密封件，在能够更有效地防止异物的进入的同时，能够有效地防止铁砂这样的磁性物(异物)附着到磁铁20上。

Claims (12)

1.一种带有磁性流体密封的轴承，其特征在于，具有：

内圈及外圈，由磁性材料形成；

多个滚动体，安装在所述内圈和外圈之间；

环状极板，以环状极板与所述内圈的外周面之间产生有间隙的方式安装于所述外圈的内周面，由磁性材料形成；

环状磁铁，安装于所述环状极板的轴向内侧面，以磁极朝向轴向的方式被磁化，从而在外圈侧和内圈侧分别形成有磁回路；

内圈侧磁性流体，被保持在所述内圈侧的磁回路中，对所述间隙进行密封；

及磁场强度提高部，使所述内圈侧产生的磁回路的磁场强度比所述外圈侧产生的磁回路的磁场强度更高。

2.根据权利要求1所述的带有磁性流体密封的轴承，其特征在于，所述磁场强度提高部具有内圈侧形成厚壁而外圈侧形成薄壁的所述环状极板。

3.根据权利要求2所述的带有磁性流体密封的轴承，其特征在于，所述环状极板具有从内圈侧朝向外圈侧逐渐薄壁厚化的锥面。

4.根据权利要求1至3的任意1项所述的带有磁性流体密封的轴承，其特征在于，所述磁场强度提高部具有介于所述环状极板和外圈的内周面之间的非磁性的衬套。

5.根据权利要求4所述的带有磁性流体密封的轴承，其特征在于，所述非磁性的衬套由树脂材料形成，在表面露出于所述内外圈间的开口部分的状态下，保持所述环状极板。

6.根据权利要求1至5的任意1项所述的带有磁性流体密封的轴承，其特征在于，在所述外圈的内周面与所述环状极板及环状磁铁之间产生的微小间隙中保持有外圈侧磁性流体。

7.一种带有磁性流体密封的轴承，其特征在于，具有：

内圈及外圈，由磁性材料形成；

多个滚动体，安装在所述内圈和外圈之间；

环状极板，以环状极板与所述外圈的内周面之间产生有间隙的方式安装于所述内圈的外周面，由磁性材料形成；

环状磁铁，安装于所述环状极板的轴向内侧面，以磁极朝向轴向的方式被磁化，从而在外圈侧和内圈侧分别形成有磁回路；

外圈侧磁性流体，被保持在所述外圈侧的磁回路中，对所述间隙进行密封；

及磁场强度提高部，使所述外圈侧产生的磁回路的磁场强度比所述内圈侧产生的磁回路的磁场强度更高。

8.根据权利要求7所述的带有磁性流体密封的轴承，其特征在于，所述磁场强度提高部具有外圈侧形成厚壁而内圈侧形成薄壁的所述环状极板。

9.根据权利要求8所述的带有磁性流体密封的轴承，其特征在于，所述环状极板具有从内圈侧朝向外圈侧逐渐薄壁厚化的锥面。

10.根据权利要求7至9任意1项所述的带有磁性流体密封的轴承，其特征在于，所述磁场强度提高部具有介于所述环状极板和内圈的外周面之间的非磁性的衬套。

11.根据权利要求10所述的带有磁性流体密封的轴承，其特征在于，所述非磁性的衬套由树脂材料形成，在表面露出于所述内外圈间的开口部分的状态下，保持所述环状极板。

12.根据权利要求7至11任意1项所述的带有磁性流体密封的轴承，其特征在于，在所述内圈的外周面与所述环状极板及环状磁铁之间产生的微小间隙中保持有内圈侧磁性流体。