JP2018109437A

JP2018109437A - 無制御磁気浮上方法及び無制御磁気浮上装置

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Publication number: JP2018109437A
Application number: JP2017000607A
Authority: JP
Inventors: 常正船津; Tsunemasa Funatsu
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-01-05
Filing date: 2017-01-05
Publication date: 2018-07-12

Abstract

【課題】能動的なコントロールを必要とすることなく、重量の大きな磁気を帯びた部材を備えた浮上体を浮上させる無制御磁気浮上方法及び当該無制御磁気浮上方法を活用した無制御磁気浮上装置を提供することを目的とする。
【解決手段】浮上体１０を浮上させる無制御磁気浮上方法において、前記浮上体１０は、浮上部材１２と、反発部材１４と、連結部材１６と、で一体に構成され、前記浮上部材１２との磁気的相互作用によって、前記浮上部材１２に生じる鉛直上方向の磁気力が前記浮上体１０の重量に相当する力未満の値に設定された磁気を帯びた吊上げ部材２２を所定位置に配設する吊上げ手段と、前記反発部材１４と反磁気的作用が働く部材を選択し、前記反発部材１４に生じる反磁性磁気力が浮上のために必要となる前記鉛直上方向の磁気力の不足分に相当する値に設定された押上部材２４を所定位置に配設する押上手段と、を有すること、を特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、反磁性磁気力を利用して永久磁石などの磁気を帯びた部材と配置組合せることによって無制御で磁気浮上を可能とし、非接触の軸受やモータに導入する無制御磁気浮上方法及び磁気浮上装置に関する。

従来、無制御で磁気浮上を可能にしているものに磁気ゴマがあるが、安定浮上するためには回転が必要であった。回転させることによって、磁気を帯びた部材を備えた浮上体が有する磁場及び浮上体の周囲に形成した磁場との間の相互作用により生じる磁気力の合力の方向は回転する間回転軸を中心に変化し水平方向のバランスを維持することができる。

しかし、静止状態では、浮上体が有する磁場及び浮上体の周囲に形成した磁場との間の相互作用により生じたアンバランスな磁気力によって浮上体は、当該磁気力の働く方向に移動してしまうことになる。そのため、静止状態の磁気浮上を可能とするための研究が行われ先行技術が開示されている。

特許文献１（特開平１０−１６３０２３）には、挟み込み磁極体の両垂直面に磁場域限定壁を付し、当磁場域限定壁間に中間磁極体を挟み込み磁極体の内側両極面に同極が向くように、当壁面間に挿入して当壁面間にて中間磁極体を反発浮上状態に置くことを特徴とした、挟み込み磁極磁場構造による反発浮上基本機構が示されている。

異極間に働く引力の周囲に設計された浮上システムは、磁気引力と吊り下げ重量との間に完璧なバランスを必要とする。揚力及び磁気力に関して集約された完璧な情報が存在しない場合には、浮上体は、磁石に向かって吊上げられるか、下落するかいずれかである。特許文献１は磁気の反発力により生成された浮上システムであるが、磁極間に働く反発力の周囲に設計された浮上システムも同様に完璧なバランスを維持することができなければ浮上システム外にはじき出されることになる。磁気力による完璧なバランスを達成するのは、容易に思えるが、実際には非常に困難である。磁気力が距離の二乗に反比例する場、すなわちポテンシャルエネルギーが距離の逆数に比例する場では、いずれの方向からも復元力が働く条件を満足することができず、三次元の軸方向のすべてに対して安定になることはないので、安定に空中に浮上することは不可能であるというアーンショーの定理からも理解できる。

別の複雑にする要素は、横方向の安定の必要性である。これらを制御にするためには、電気制御により浮上体の状態を検知し浮上体の位置と姿勢が安定するように磁場を変化させる能動的な制御によれば容易に行えることが知られている。

特許文献２（ＷＯ９４/１０７４６）、及び、特許文献３（ＵＳ５３９６１３６）には、ハウジングに吊り下げたシャフト組立品から構成されるベアリングを示している。同心磁気リングで構成されているディスクの複数が、軸に沿って間隔を置いて配置されている。ディスクは、ハウジングの外殻から内側に突き出して取り付けられた反磁性材料のディスク間に挟まれて浮上する方法と浮上装置が示されている。

特開平１０−１６３０２３号公報ＷＯ９４/１０７４６号公報ＵＳ５３９６１３６号公報

特許文献２及び特許文献３の浮上方法では、反発用磁石と反磁性体のみの相互作用により浮上させる機構となっており、浮上可能な磁石の重量が小さい問題があった。

また、最近では押上反磁性部材１２４と磁気を帯びた浮上部材１１４との相互作用のみで浮上させるのではなく、図１２に示すように磁気を帯びた吊上げ部材１２２を浮上部材１１４の鉛直上方の離隔した位置に配設し吊上げ部材１２２と浮上部材１１４との相互作用を同時に利用して揚力を向上させる磁気浮上装置１１０が開発されている。すなわち、従来の磁気浮上装置１１０は浮上部材１１４が吊上げ部材１２２と押上反磁性部材１２４の両方から相互作用を受けるよう構成されている。この場合、吊上げ部材１２２が形成する磁場において磁気吊上げ力が小さいすそ野の部分しか浮上に利用できず、浮上可能な浮上体の重量が特許文献２及び特許文献３と比較してもさほど大きくならない問題があった。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、能動的なコントロールを必要とすることなく、水平方向の安定性を有し、重量の大きな磁気を帯びた部材を備えた浮上体を浮上させる無制御磁気浮上方法及び当該無制御磁気浮上方法を活用した無制御磁気浮上装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の無制御磁気浮上方法は、浮上体を重力に対して浮上させる無制御磁気浮上方法において、前記浮上体は、磁気を帯びた浮上部材と、磁気を帯びた部材又は反磁性体のいずれかを選択された反発部材と、前記浮上部材及び前記反発部材の中心を貫く鉛直軸に対称な連結部材と、で一体に構成され、前記浮上部材との磁気的相互作用によって、前記浮上部材に生じる鉛直上方向の磁気力が前記浮上体の重量に相当する力未満の値に設定された磁気を帯びた吊上げ部材を前記浮上部材に近接して配設する吊上げ手段と、前記反発部材と反磁気的作用が働く部材を選択し、前記反発部材に生じる反磁性磁気力が浮上のために必要となる前記鉛直上方向の磁気力の不足分に相当する値に設定された押上部材を前記反発部材下方に近接して配設する押上手段と、を有すること、を特徴とする。

本発明の無制御磁気浮上方法は、前記浮上部材が、前記浮上部材の各磁極が有する磁荷と前記吊上げ部材の各磁極が有する磁荷との間の磁気的相互作用によって前記浮上部材の各磁極に働く引力及び斤力の前記鉛直軸上方向の合力が最大となる位置の近傍に配設され、かつ、前記引力及び斤力の水平方向の合力が常に前記鉛直軸方向に向かって働く位置に配設されること、を特徴とする。

本発明の無制御磁気浮上方法は、前記吊上げ部材が、導線を螺旋状に巻回して管状に形成し電流を流して磁場を発生させる部材であること、を特徴とする。

本発明の無制御磁気浮上方法は、前記浮上部材が、両磁極を鉛直方向に沿って配置されること、前記吊上げ手段が、前記浮上部材の前記鉛直軸廻りに略対称かつ略等間隔で、前記浮上部材の上面磁極と同じ磁極を前記浮上部材側に面して非接触に前記吊上げ部材を配置させたこと、を特徴とする。
本明細書において、「軸廻りに対称」とは、軸に直交する平面上において軸まで距離が等距離にあることをいう。

本発明の無制御磁気浮上方法は、前記押上手段が、水平補助部材、を備え、前記水平補助部材が、前記反発部材との反磁気的作用によって、前記反発部材に生じる水平方向の反磁性磁気力の合力が常に前記鉛直軸に向かう値に選定され前記反発部材側方に近接して配設されること、を特徴とする。

本発明の無制御磁気浮上方法は、前記反発部材と磁性が異なる押え部材を前記反発部材上方に近接して配設する押え手段、を備え、前記押え部材が、前記押上部材と前記反発部材との反磁気的作用によって前記反発部材に生じる鉛直上方向の反磁性磁気力と、前記反発部材との反磁気的作用によって前記反発部材に生じる鉛直下方向の反磁性磁気力の合力が常に設定された浮上位置に向かう値に選定されること、を特徴とする。

本発明の無制御磁気浮上装置は、本発明に係る無制御磁気浮上方法を備えたこと、を特徴とする。

本発明の無制御磁気浮上装置は、磁界と電流の相互作用によって前記浮上体が前記連結部材の鉛直軸廻りに浮上回転を行う回転手段、を有し、前記回転手段が、前記連結部材に回転子を配設し、前記回転子を中心として複数の固定子を前記連結部材の鉛直軸廻りに対称に配置させたこと、を特徴とする。

本発明の無制御磁気浮上方法によれば、吊上げ手段及び押上手段により磁気を帯びた部材同士の磁気の相互作用（以下、磁気的相互作用）及び磁気を帯びた部材と反磁性体との反磁性の相互作用のみで、磁気を帯びた浮上部材と、押上手段と反発する性質を有する反発部材とを備えた浮上体の浮上が可能であり、外部から磁気力のフィードバック制御を必要としない効果を奏する。磁気を帯びた部材は、例えば永久磁石である。

また、従来浮上位置を安定させることが困難であったが、前記吊上げ手段と前記押上手段との協調作用により水平方向及び鉛直方向の磁気力のバランスを維持することが容易になった。

本発明の無制御磁気浮上方法によれば、前記吊上げ手段が、浮上部材との磁気的相互作用によって生じる鉛直上方向の磁気力が前記浮上体の重量に相当する力未満の値に選定された吊上げ部材を、前記浮上部材の各磁極が有する磁荷と前記吊上げ部材の各磁極が有する磁荷との間に働く各々の引力又は斤力の合力が前記鉛直軸上で鉛直上方向に最大となる位置の近傍に前記浮上部材を配設するものであるため、小型軽量で大きい重量の浮上体を浮上させる装置を作成することが可能である。

本発明の無制御磁気浮上方法によれば、前記吊上げ手段に、永久磁石を選定して使用した場合では、浮上を安定させるために磁石の選定に手間が掛かるが、いわゆるソレノイドを使用することによって電流の変化のみで、磁気力を変化させることができるので浮上を安定させることが容易である効果を奏する。

本発明の無制御磁気浮上方法によれば、前記吊上げ手段が、前記浮上部材の前記鉛直軸廻りに対称かつ等間隔で、前記浮上部材の上面磁極と同じ磁極を前記浮上部材側に面して非接触に配置させたことにより、前記浮上部材周辺に均等な磁界を生じさせ易く、前記浮上部材の水平方向の位置安定性を得ることができる。

本発明の無制御磁気浮上方法によれば、水平補助部材の配設により反発部材の水平方向の位置安定性を得ることができる。

本発明の無制御磁気浮上方法によれば、押え部材が、前記反発部材の鉛直方向の搖動を防止するため、前記反発部材の鉛直方向の位置安定性を得ることができる。

本発明の無制御磁気浮上装置によれば、前記浮上体を浮上させた状態で回転させた場合であっても浮上位置を安定させることができるので、非接触の軸受の実現が可能である。

本発明の無制御磁気浮上装置によれば、通常のモータと同じ回転の仕組みで非接触のモータ軸受が可能となり、長寿命のモータの実現が可能となる。

また、可動部分を有する装置等に軸受やモータとして組み込むことにより、従来消耗により所定の時間経過後に行われていた交換作業等の必要がなくなり、装置の長寿命化を図ることができる。

本発明に係る無制御磁気浮上方法の原理を示した模式図である。本発明に係る無制御磁気浮上方法の吊上げ手段の変形例を示した図である。本発明に係る無制御磁気浮上方法の浮上部材１２と吊上げ部材２２との磁気的相互作用により生じる磁気力の大きさを浮上体１０に対比して示した模式図である。本発明に係る無制御磁気浮上方法の浮上部材１２と吊上げ部材２２との磁気的相互作用により生じた磁気力の関係を示した図である。本発明に係る無制御磁気浮上方法の浮上体１０と吊上げ手段との相互作用により浮上体１０に作用する磁気力の関係について示したグラフである。本発明に係る無制御磁気浮上方法を実現する水平補助部材２６の構成の一例を示した図である。本発明に係る無制御磁気浮上方法を実現する構成の一例を示した図である。本発明に係る無制御磁気浮上方法を実現する構成の他の一例を示した模式図である。本発明に係る無制御磁気浮上方法を実現する吊上げ部材２２の構成の一例を示した図である。本発明に係る無制御磁気浮上方法を利用した無制御磁気浮上装置の一例を示した図である。本発明に係る無制御磁気浮上方法を利用した無制御磁気浮上装置の他の一例を示した図である。従来の磁気浮上方法の原理を示した模式図である。

本発明に係る無制御磁気浮上方法及び磁気浮上装置を実施するための形態について、図を参照しつつ説明する。

図１は、本発明に係る無制御磁気浮上方法の原理を示した模式図である。

浮上体１０は、浮上部材１２と、反発部材１４と、浮上部材１２及び反発部材１４の中心を貫く鉛直軸ＶＡに対称な連結部材１６と、で一体に構成されて、本発明に係る無制御磁気浮上方法によって重力に対して浮上する。

浮上部材１２は例えば永久磁石６０であり両磁極を鉛直方向に向けて配置される。図１においてはＮ極を鉛直上方に配置したが、これに限定されるものではなく、Ｓ極を鉛直上方に配置してもよい。

反発部材１４は、磁気を帯びた部材又は反磁性体のいずれであってもよい。

また、浮上部材１２及び反発部材１４は連結部材１６廻りに対称に配設される。浮上体１０の当該構成は最小構成単位であり、これに限定されるわけではない。図１では、浮上部材１２を上方に反発部材１４を下方となるように配置したが、浮上部材１２を下方に反発部材１４を上方に配置してもよい。

浮上体１０を重力に対して浮上させる無制御磁気浮上方法は、浮上部材１２との磁気的相互作用によって浮上部材１２に生じる鉛直上方向の磁気力で浮上体１０を吊上げる吊上げ手段としての吊上げ部材２２と、反発部材１４との反磁気的作用によって反発部材１４に生じる反磁性磁気力で浮上体１０を押上げる押上手段としての押上部材２４と、を備えた浮上支援部材２０によって実現される。

吊上げ部材２２は、浮上部材１２を貫く鉛直軸ＶＡ廻りに対称に均一の磁場を発生させるよう配置する。理論的には同じ磁気力を有する吊上げ部材２２を幾何学的に鉛直軸ＶＡ廻りに対称に配置するが、現実には同一の磁気力を有する吊上げ部材２２を用意することができない場合も多く鉛直軸ＶＡ廻りに対称に均一の磁場を発生させるため吊り上げ部材２２の位置を微調整して磁気力を調整することが必要となる場合がある。吊上げ部材２２は、浮上部材１２の上面磁極と同じ磁極（図１の場合にはＮ極）を浮上部材１２側に面して吊上げ部材２２を配置させた。図１では両磁極方向が水平方向となるように配設したが、浮上体１０との相互作用により浮上可能な磁気吊上げ力を得られ、鉛直軸ＶＡ廻りに対称に均一の磁場を発生させることができれば水平方向から傾斜させて角度を有していてもよい。

なお、反発部材１４が磁気を帯びた部材である場合には、押上部材２４は反磁性体でなければならず、又、反発部材１４が反磁性体である場合には、押上部材２４は磁気を帯びた部材であることが必要となる。ここで、磁気を帯びた部材とは、例えば永久磁石６０である。反磁性体は、熱分解グラファイトなどが挙げられるが、外部磁場のもとで反磁性が強くあらわれるビスマス６２が好ましい。

図２は、本発明に係る無制御磁気浮上方法の吊上げ手段の変形例を示した図である。

図２（ａ）は、鉛直軸ＶＡ廻りに輪状の永久磁石６０を吊上げ部材２２として配設した例である。浮上部材１２の上面と同じＮ極を中心方向に、Ｓ極を外周方向に配向させて形成したものである。
図２（ｂ）は、鉛直軸ＶＡ廻りに対称に円柱形状の永久磁石６０を吊上げ部材２２として複数個配設した例である。円柱両底面に磁極を配向させて、浮上部材１２の上面と同じＮ極を中心方向に、Ｓ極を外周方向に向けて鉛直軸ＶＡ廻りに対称かつ等距離で放射状に配設したものである。浮上部材１２及び吊上げ部材２２の磁力の個体差に対応し易くより好適な実施形態である。図では吊上げ部材２２を鉛直軸ＶＡ廻りの所定の円周上に八個配設したが、浮上体１０との相互作用により浮上可能な磁気吊上げ力を得られ、鉛直軸ＶＡ廻りに対称に均一の磁場を発生させることができれば吊上げ部材２２の数の変更を行ってもよい。本実施の形態での説明は図２（ｂ）の形態に基づいて行う。また、より具体的に浮上部材１２はφ８×２０の円柱型ネオジウム磁石を採用し、反発部材１４は、φ１０×１０の円柱型ネオジウム磁石６個を逆極性が隣り合うように鉛直軸ＶＡ廻りに軸対称に並べたものとする。

また、図１では浮上体１０の構成に合わせて、吊上げ部材２２を上方の浮上部材１２の近傍に、押上部材２４を下方の反発部材１４の下側に隣接した位置に配設したが、浮上部材１２を下方に、反発部材１４を上方に配置した場合には、吊上げ部材２２を下方の浮上部材１２の近傍に、押上部材２４を上方の反発部材１４の下側に隣接した位置に配設する。

反発部材１４が、磁気を帯びた部材である場合には、輪状の部材を使用することも可能であるが、小型の円柱形の磁気を帯びた部材を使用して当該部材の母線に相当する部分を隣接させて平面視で数珠状に形成すると連結部材１６廻りにより均一に近い磁場を得ることができるので実施が容易である。また、同一面上で隣り合う磁気を帯びた部材の極性を反転させて配置すると磁極近傍において押上部材２４との相互作用による浮上のための反磁性磁気力を大きく、かつ、粗密なく安定的に得ることができ、浮上に有効に働くことはすでに知られている。

本発明に係る無制御磁気浮上方法は、浮上部材１２と吊上げ部材２２との磁気的相互作用によって生じる鉛直上方向の磁気力が浮上体１０の重量に相当する力未満の値に設定された磁気吊上げ力と、浮上のために必要となる前記磁気力の不足分に相当する値に設定された反発部材１４と押上部材２４との反磁気的作用によって生じる反磁性磁気力の合力で浮上するものである。このうち、反発部材１４を押上部材２４で浮上させる技術は従来の浮上手段として知られている。一方、反発部材１４から鉛直方向に離隔した位置に浮上部材１２及び吊上げ部材２２を配設し浮上力の向上と水平方向の安定性を図る手段を有したことに本発明は大きな特徴を有する。

図３は、本発明に係る無制御磁気浮上方法の浮上部材１２と吊上げ部材２２との磁気的相互作用により生じる磁気力の大きさを浮上体１０上部の部分に対比して示した模式図である。
理解を容易にするために吊上げ部材２２は円柱形状の底面を貫く軸線を水平に配設し、鉛直軸ＶＡ廻りに対称に円柱形状の永久磁石６０を八個配設された吊上げ部材２２のうちで、浮上部材１２を挟んで等間隔に、同磁極を対向させて水平同一面上に配置された一対の吊上げ部材２２のみを示し説明する。

図３（ａ）において、連結部材１６を貫く鉛直線をＺ軸とする。また、上記一対の吊上げ部材２２中心を結ぶ水平線をＸ軸とする。Ｚ軸とＸ軸が交差する点を原点として位置座標及び磁気力の大きさは原点を基準に表される。

図３（ｂ）は、図３（ａ）の位置関係をグラフに示したものに、浮上部材１２に対して鉛直軸ＶＡ方向及び水平方向に働く磁気力の大きさを各々重ね合せた。Ｚ軸は図上が正方向で、鉛直方向の位置座標である。Ｘ軸は図左が正方向で、水平方向の位置座標と磁気力の大きさである。黒の太い線は、浮上部材１２及び吊上げ部材２２の水平方向の位置座標を示している。破曲線は浮上部材１２と吊上げ部材２２との間の磁気的相互作用により浮上部材１２の中心に働く鉛直方向の磁気力の合力の各Ｚ座標における大きさを示している。実曲線は、浮上部材１２の中心に働く水平方向の磁気力の合力の各Ｚ座標における大きさを示している。

浮上部材１２に対して鉛直方向に働く磁気力（Ｆｓｚ）は、原点上下近傍の所定区間で上方向に働く。特に浮上部材１２中心のＺ座標が零となる位置においては正の最大値を示す。したがって、この範囲では、浮上部材１２は浮上する方向に磁気力が働く。それ以外では鉛直方向の磁気力は下方向に、すなわち落下する方向に働く。

浮上部材１２に対して水平方向に働く磁気力（Ｆｓｘ）は、浮上部材１２がＸ座標の零となる位置を中心としてＸ軸方向に移動した際に吊上げ部材２２との間の磁気的相互作用によって浮上部材１２に働く。図３（ｂ）では、浮上部材１２の中心がＸ座標の正側に移動した場合を示している。浮上部材１２に対して働く磁気力は浮上部材１２中心のＺ座標が負の場合はＸ座標の負の方向（図３（ｂ）右方向）に力が働き、浮上部材１２中心のＺ座標が正の場合はＸ座標の正の方向（図３（ｂ）左方向）に力が働く。一方、浮上部材１２の中心がＸ座標の負側に移動した場合、浮上部材１２に対して働く磁気力はＺ座標が負の場合はＸ座標の正の方向（図３（ｂ）左方向）に力が働き、Ｚ座標が正の場合はＸ座標の負の方向（図３（ｂ）右方向）に力が働く。したがって、浮上部材１２の中心のＺ座標が負である場合に鉛直軸（Ｚ軸）ＶＡ方向に向かって戻ろうとする復元力が働く。一方、浮上部材１２の中心のＺ座標が正である場合には鉛直軸（Ｚ軸）ＶＡ方向から離れようとする力が働き、安定浮上系からはじき出されることになる。

上記、浮上部材１２と吊上げ部材２２との間の磁気的相互作用によって浮上部材１２に生じる磁気力の合力は以下のようにして求められる。

図４は、本発明に係る無制御磁気浮上方法の浮上部材１２と吊上げ部材２２との間の磁気的相互作用により生じた磁気力の関係を示した図である。

図３（ａ）を拡大し、浮上部材１２と吊上げ部材２２との間の磁気的相互作用により生じる磁気力を図示した。
図３と同様に、理解を容易にするために吊上げ部材２２は円柱形状の底面を貫く軸線を水平に配設し、鉛直軸ＶＡ廻りに対称に円柱形状の永久磁石６０を八個配設された吊上げ部材２２のうちで浮上部材１２を挟んで等間隔に、同磁極を対向させて水平同一面上に配置された一対の吊上げ部材２２のみを示し説明する。

浮上部材１２は、Ｚ軸上においてＮ極が鉛直上方向に配向されて磁荷ｍ_１を、Ｓ極が鉛直下方向に配向されて磁荷ｍ_２を備えているとする。一方、図示された二個の吊上げ部材２２は、Ｎ極を浮上部材１２方向に配向させてＳ極をＸ座標が正負拡大する方向に配設される。図４左側に位置する吊上げ部材２２は、Ｎ極に磁荷ｍ_３を、Ｓ極に磁荷ｍ_４を備え、図４右側に位置する吊上げ部材２２は、Ｎ極に磁荷ｍ_５を、Ｓ極に磁荷ｍ_６を備える。各々の磁極に相互作用する磁気力は、図４に示すように同極では反発する方向（斤力）に、逆極では引き合う方向（引力）に働く。各々の磁極に働く磁気力は、クーロンの法則によって求められる。例えば、浮上部材１２のＮ極と図４左側の吊上げ部材２２のＮ極との間の磁気的相互作用によって働く磁気力Ｆ_ｍ１は、磁荷ｍ_１と磁荷ｍ_３の相乗積に比例しその間の距離の二乗に反比例する式１によって算出される。ここで、両磁極間の距離をｒ_１３とする。また、μは透磁率である。

浮上部材１２全体に働く磁気力Ｆは、浮上部材１２の両磁極に働く磁気力Ｆ_ｍ１ｍ３、Ｆ_ｍ１ｍ４、Ｆ_ｍ１ｍ５、Ｆ_{ｍ１ｍ６、}Ｆ_ｍ２ｍ３、Ｆ_ｍ２ｍ４、Ｆ_ｍ２ｍ５及びＦ_ｍ２ｍ６の合力を求める式２によって算出される。

吊上げ部材２２を複数個備えた場合には、すべての吊上げ部材２２及び浮上部材１２の相互間に働く各々の磁気力を合計することになる。図３（ｂ）の破曲線は、浮上部材１２に働く磁気力ＦのＺ軸方向の成分（Ｆｓｚ）を表したものである。一方、実曲線は、磁気力ＦのＸ軸方向の成分（Ｆｓｘ）を表したものである。

図５は、本発明に係る無制御磁気浮上方法の浮上体１０と吊上げ部材２２との磁気的相互作用により浮上体１０に作用する磁気力の関係について示したグラフである。図３の浮上状態の磁気力の関係を、浮上部材１２底面の鉛直方向（Ｚ軸）の浮上位置座標の近傍についてグラフ化し、反発部材１４と押上部材２４との磁気的相互作用によって生じる押上力（Ｆｐｚ）を浮上部材１２に働く磁気力ＦのＺ軸方向の成分（Ｆｓｚ）に加算した。

グラフの横軸は、浮上部材１２底面の鉛直方向（Ｚ軸）の浮上位置の近傍の座標である。グラフの縦軸は、鉛直方向の磁気力Ｆｚ及び水平方向の磁気力Ｆｘを重量換算値で示した。本実施の形態において、浮上体１０の総重量は１０３．５２ｇ（Ｆｆｚ）とした。浮上体１０上部に配設された浮上部材１２と放射状に配置された８個の吊上げ部材２２との間の磁気的相互作用によって浮上部材１２に生じる磁気力で浮上体１０を鉛直上方向に持ち上げる。その際浮上体１０を吊上げる磁気吊上げ力（Ｆｓｚ）は、浮上部材１２底面のＺ座標が−１０ｍｍで重量換算値１０２．５５ｇが最大値となるように調整されている。

そこで、浮上位置ｚ２における浮上のための磁気力の不足分を、反発部材１４と押上部材２４との間に生じる反磁性磁気力を用いて押上力（Ｆｐｚ）として補うことで無回転での浮上を可能にしている。本実施の形態においては、押上力（Ｆｐｚ）は、重量換算値３．３ｇが最大値となるように調整されている。

さらに、浮上体１０を真上から見た場合に、浮上位置ｚ２では浮上体１０が、浮上体１０の中心を貫く鉛直軸ＶＡを中心として描かれる円の半径方向に安定である必要がある。すなわち、図３においてＺ軸を中心に水平方向に安定でなければならない。前述したとおり、水平方向に働く磁気力（Ｆｓｘ）は、鉛直軸（Ｚ軸）ＶＡ方向に向かって戻ろうとする復元力が働くことが必要となるので、図３（ｂ）の状況においては水平方向に働く磁気力（Ｆｓｘ）は、負の値でなければならない。

図３（ｂ）を用いて解説した通り、水平方向に働く磁気力（Ｆｓｘ）を常に連結部材１６の鉛直軸ＶＡ方向に働かせるためには、浮上状態の浮上部材１２の中心のＺ座標が負の場合でなければならない。したがって、浮上部材底面のＺ座標に関しては−１０ｍｍより小さくしなければならないことになる。その結果、浮上部材１２と吊上げ部材２２との間の磁気的相互作用によって浮上部材１２に生じる鉛直方向の磁気力は設定された最大値である重量換算値１０２．５５ｇをさらに下回ることになる。その場合、浮上体１０は想定している浮上位置ｚ２において水平方向に安定であるが、浮上のための磁気力がさらに不足し鉛直軸ＶＡ方向に不安定となる。反発部材１４と押上部材２４を配置するのは、反発部材１４と押上部材２４との間に生じる反磁性磁気力を押上力（Ｆｐｚ）として浮上位置ｚ２における浮上のための磁気力の不足分を補うことで鉛直方向の不安定さを補償するためである。

本実施の形態においては、図１において反発部材１４と押上部材２４との間隙の寸法Ｚｇが０．４ｍｍのときに反発部材１４と押上部材２４との間に生じる反磁性磁気力の押上力（Ｆｐｚ）が重量換算値２ｇに設定されている。間隙Ｚｇを維持するためには浮上部材１２と吊上げ部材２２との間の磁気的相互作用によって浮上部材１２に生じる磁気力と浮上体１０の重量の差が重量換算値２ｇであればよい。本実施の形態に用いた浮上体１０の場合には図５から浮上部材１２の底面のＺ座標が−１１．４ｍｍのときに浮上のための磁気力の不足分が重量換算値で２ｇとなる。

本実施の形態で示した浮上体１０の重量においては、浮上部材１２の底面がｚ２＝−１１．４ｍｍの位置に有る場合に鉛直方向の浮上の条件である式３を満たし、かつ、水平方向についての浮上位置への復元力の条件である式４を満たし鉛直方向及び水平方向ともに安定して浮上する。式４の値−１０は、浮上部材１２の形状の変化に伴い、変更される値であり、固定値ではない。

本実施例における浮上体１０の重量は一例であり、浮上体１０の重量を変更させた場合には、浮上部材１２と吊上げ部材２２との間の磁気的相互作用によって浮上部材１２に生じる磁気力及び反発部材１４と押上部材２４との間に生じる反磁性磁気力の押上力が上記の条件を満たすように各部材を選択する必要がある。

図６は、本発明に係る無制御磁気浮上方法を実現する水平補助部材２６の構成の一例を示した図である。

浮上体１０の構成は図１と同じである。浮上支援部材２０の構成の変更例を示した。吊上げ部材２２として放射状に配置された８個の磁気を帯びた部材を浮上部材１２の近傍に配設した点は前述までの実施の形態と同様である。また、反発部材１４に磁気を帯びた部材を使用し押上部材２４には反磁性体を使用した。本実施例の異なる部分は、反発部材１４の側方に反磁性体の水平補助部材２６を配設した点である。水平補助部材２６は、反発部材１４中心が鉛直軸ＶＡから離れる方向に力が働く場合に、反発部材１４との反磁気的作用によって、反発部材１４に生じる水平方向の反磁性磁気力の合力が常に鉛直軸ＶＡに向かう値に選定され、反発部材１４中心を鉛直軸ＶＡ上へ押し戻し浮上体１０の水平方向の搖動を防止する役割を果たす。図６は一例であり、水平補助部材２６と押上部材２４とは別個の部材として表したが、水平補助部材２６は押上部材２４と一体に成形されて反発部材１４の下方から側方を覆う形状であってもよい。また、反発部材１４に反磁性体を使用した場合には側方の水平補助部材２６には磁気を帯びた部材を使用する。その際には、水平補助部材２６の両磁極方向は水平方向とし両磁極のいずれの磁極を反発部材１４側に向けても構わない。水平補助部材２６の配設により反発部材１４の水平方向の位置安定性を得ることができる。磁気を帯びた部材は、例えば永久磁石６０である。

図７は、本発明に係る無制御磁気浮上方法を実現する構成の一例を示した図である。

浮上体１０の構成は図１と同じである。浮上支援部材２０の構成の変更例を示した。吊上げ部材２２として放射状に配置された８個の磁気を帯びた部材を浮上部材１２の近傍に配設した点は前述までの実施の形態と同様である。また、反発部材１４に磁気を帯びた部材を使用し押上部材２４には反磁性体を使用した。本実施例の異なる部分は、反発部材１４の上方に反磁性体の押え部材４６を配設した点である。押え部材４６は、反発部材１４との反磁気的作用によって反発部材１４に生じる鉛直下方向の反磁性磁気力と、押上部材２４と反発部材１４との反磁気的作用によって反発部材１４に生じる鉛直上方向の反磁性磁気力との合力が常に設定された浮上位置に向かう値に選定され、反発部材１４が鉛直上方へ移動する場合には反磁気的作用により反発部材１４を下方の元の浮上位置へ押し戻す力が働き浮上体１０の鉛直方向の搖動を防止する役割を果たす。押え部材４６と反発部材１４及び押上部材と反発部材１４との間の反磁性磁気力は連結部材１６鉛直軸ＶＡ廻りの対称性により鉛直軸ＶＡ方向の力成分しか有さず反発部材１４には水平方向の力は働かない。ここで、磁気を帯びた部材は、例えば永久磁石６０である。

図８は、本発明に係る無制御磁気浮上方法を実現する構成の他の一例を示した模式図である。

浮上体１０の反発部材１４には反磁性体を使用した。それに伴い、反発部材１４の鉛直下方に配設する押上部材２４は磁気を帯びた部材で構成した。磁気を帯びた部材は一個の均一な円柱形状の永久磁石６０の一方の磁極を鉛直上方に配向して配設してもよいし、複数の円柱形状の永久磁石６０を母線に相当する部分を隣接させて鉛直軸ＶＡ線廻りに均一な磁場を発生させるように配設してもよい。その場合、反発部材１４の鉛直上方に配設する押え部材４６も磁気を帯びた部材で構成する必要がある。構成の態様は押上部材２４と同様である。

本実施例では、吊上げ部材２２には輪状の永久磁石６０を使用した。両磁極は輪の厚み方向に配向させた均一の磁場を発生させるものを使用した。図８では、鉛直方向の上面にＮ極を下面にＳ極を配向させたものを示したが、反転していてもよい。また、輪の半径方向に両磁極を配向させてもよい。その際には、Ｎ極又はＳ極のいずれが中心方向を向いてもよい。

浮上部材１２もＮ極又はＳ極のいずれを鉛直上面に向けてもよい。

図３から図５を参照して説明した浮上位置は浮上部材１２と吊上げ部材２２との磁極の組合せによって異なる。なお、浮上位置は式１、式２、式３及び式４を変形して使用して算出することができる。

図９は、本発明に係る無制御磁気浮上方法を実現する吊上げ部材２２の構成の一例を示した図である。吊上げ部材として、導線を螺旋状に巻回して管状に形成し電流を流して磁場を発生させるソレノイドを使用した。

本実施例では、吊上げ部材２２を複数の永久磁石６０と複数のソレノイド６４との組み合わせで鉛直軸ＶＡを中心とした同一円周上に配設した構成にした。永久磁石６０とソレノイド６４の数や配列順序は限定されないが、鉛直軸ＶＡ線廻りに対称に配置されることが好ましい。また、ソレノイド６４のみでの構成でもよい。吊上げ部材２２を永久磁石６０のみで構成される場合には、磁気力の大きさや吊上げ部材２２同士のバランスを変更するためには永久磁石６０の選別により行う必要があるが、ソレノイド６４を使用することによりソレノイド６４に通電する電流量を変更することで容易に磁気力の大きさやバランスを変更することが可能になる。

図１０は、本発明に係る無制御磁気浮上方法を利用した無制御磁気浮上装置の一例を示した図である。図１０では、磁気によって無制御で浮上体１０を浮上させるための無制御磁気浮上装置の具体例を示した。

無制御磁気浮上装置ａ３０において、浮上体１０は、浮上部材１２と、反発部材１４と、浮上部材１２及び反発部材１４の中心を貫く鉛直軸ＶＡに対称な連結部材１６と、で一体に構成される。浮上部材１２はφ８×２０の円柱型ネオジウム磁石を採用しＮ極を鉛直上方向にＳ極を鉛直下方向に向けて連結部材１６の上端に結合される。反発部材１４は、連結部材１６の下端近傍にφ１０×１０の円柱型ネオジウム磁石６個を逆極性が隣り合うように鉛直軸ＶＡ廻りに対称に並べた。連結部材１６は、少しでも磁性があると反発部材１４との間の磁気的相互作用により引力又は斤力が発生し浮上が不安定になるため、非磁性体でなければならない。本実施例では、チタンを採用した。

無制御磁気浮上装置ａ３０の浮上支援部分は、基台３６、支柱３４、浮上支援部材２０及び支持部材３２で構成される。基台３６に複数の支柱３４を固定し支柱３４の上端に支持部材３２が水平に固定される。浮上支援部材２０は、前述のとおり、吊上げ部材２２及び押上部材で構成される。吊上げ部材２２は、支持部材３２の所定の位置に固定されて支柱３４によって基台３６の鉛直上方に連結部材１６の中心を貫く鉛直軸ＶＡ廻りに対称に配設される。本実施例においては、基台３６、支柱３４及び支持部材３２は、非磁性体である必要性から基台３６及び支持部材３２はアクリル樹脂を、支柱３４はアルミニウムを使用した。押上部材２４は、反磁性体であるビスマス６２のブロックを一例として採用した。

上記構成は、本発明に係る無制御磁気浮上方法の原理をそのまま利用し、浮上支援部材２０を固定するための構造を加えたものであるが、これに限定されるものではない。

図１１は、本発明に係る無制御磁気浮上方法を利用した無制御磁気浮上装置の他の一例を示した図である。具体的には、本発明に係る無制御磁気浮上方法を備えた磁気浮上モータである。

無制御磁気浮上装置ｂ４０は、図１０に示した無制御磁気浮上装置ａ３０を基本構成とし、これに浮上体１０を回転させるための機構を備えた。基台３６の支柱３４には、センサ台４９を介してフォトセンサ４７と、固定子４４としての空芯多層ソレノイド（１個当たり巻き数２００、銅線径０．６）を対向させたヘルムホルツコイル２組を配設した。また、浮上体１０の連結部材１６には、浮上体１０の回転位置をフォトセンサ４７で検出するためのドグ４８と、回転子４２として永久磁石６０を配設した。

本実施例においては、浮上体１０の回転の際の上下動を最小限にするために押え部材４６として反磁性体であるビスマス６２のブロックを採用した。

回転動作は、フォトセンサ４７で浮上体１０の回転位置を検出して常に浮上体１０に一方向の回転トルクが発生するようなタイミングでヘルムホルツコイルに通電することによって行われる。二組のヘルムホルツコイルを界磁コイルとして用いることで浮上体１０に働く横方向の力を最小にして回転トルクのみを有効に発生させることで安定した回転が可能になった。本実施例は、本発明に係る無制御磁気浮上方法を備えたモータの一実施形態であり、使用される部材又は構成はこれに限定されるものではない。

本発明に係る無制御磁気浮上方法を用いることによって、回転の際に摺動しない軸受又はモータを実現することができる。

１０浮上体
１２浮上部材
１４反発部材
１６連結部材
２０浮上支援部材
２２吊上げ部材
２４押上部材
２６水平補助部材
３０無制御磁気浮上装置ａ
３２支持部材
３４支柱
３６基台
４０無制御磁気浮上装置ｂ
４２回転子
４４固定子
４６押え部材
４７フォトセンサ
４８ドグ
４９センサ台
６０永久磁石
６２ビスマス
６４ソレノイド
１００従来の磁気浮上装置
１１４浮上部材
１２４押上反磁性部材
１２２吊上げ部材

ＶＡ鉛直軸（Ｚ軸）
ｚ２浮上位置

Claims

浮上体を重力に対して浮上させる無制御磁気浮上方法において、
前記浮上体は、
磁気を帯びた浮上部材と、
磁気を帯びた部材又は反磁性体のいずれかを選択された反発部材と、
前記浮上部材及び前記反発部材の中心を貫く鉛直軸に対称な連結部材と、
で一体に構成され、
前記浮上部材との磁気的相互作用によって、前記浮上部材に生じる鉛直上方向の磁気力が前記浮上体の重量に相当する力未満の値に設定された磁気を帯びた吊上げ部材を前記浮上部材に近接して配設する吊上げ手段と、
前記反発部材と反磁気的作用が働く部材を選択し、前記反発部材に生じる反磁性磁気力が浮上のために必要となる前記鉛直上方向の磁気力の不足分に相当する値に設定された押上部材を前記反発部材下方に近接して配設する押上手段と、
を有すること、
を特徴とする無制御磁気浮上方法。
前記浮上部材が、
前記浮上部材の各磁極が有する磁荷と前記吊上げ部材の各磁極が有する磁荷との間の磁気的相互作用によって前記浮上部材の各磁極に働く引力及び斤力の前記鉛直軸上方向の合力が最大となる位置の近傍に配設され、
かつ、
前記引力及び斤力の水平方向の合力が常に前記鉛直軸方向に向かって働く位置に配設されること、
を特徴とする請求項１に記載する無制御磁気浮上方法。
前記吊上げ部材が、
導線を螺旋状に巻回して管状に形成し電流を流して磁場を発生させる部材であること、
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載する無制御磁気浮上方法。
前記浮上部材が、
両磁極を鉛直方向に沿って配置されること、
前記吊上げ手段が、
前記浮上部材の前記鉛直軸廻りに略対称かつ略等間隔で、前記浮上部材の上面磁極と同じ磁極を前記浮上部材側に面して非接触に前記吊上げ部材を配置させたこと、
を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載する無制御磁気浮上方法。
前記押上手段が、
水平補助部材、
を備え、
前記水平補助部材が、
前記反発部材との反磁気的作用によって、前記反発部材に生じる水平方向の反磁性磁気力の合力が常に前記鉛直軸に向かう値に選定され前記反発部材側方に近接して配設されること、
を特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載する無制御磁気浮上方法。
前記反発部材と磁性が異なる押え部材を前記反発部材上方に近接して配設する押え手段、
を備え、
前記押え部材が、
前記押上部材と前記反発部材との反磁気的作用によって前記反発部材に生じる鉛直上方向の反磁性磁気力と、前記反発部材との反磁気的作用によって前記反発部材に生じる鉛直下方向の反磁性磁気力の合力が常に設定された浮上位置に向かう値に選定されること、
を特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載する無制御磁気浮上方法。
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載する無制御磁気浮上方法を備えたこと、
を特徴とする無制御磁気浮上装置。
磁界と電流の相互作用によって前記浮上体が前記連結部材の鉛直軸廻りに浮上回転を行う回転手段、
を有し、
前記回転手段が、
前記連結部材に回転子を配設し、
前記回転子を中心として複数の固定子を前記連結部材の鉛直軸廻りに対称に配置させたこと、
を特徴とする請求項７に記載する無制御磁気浮上装置。