電磁石による保持機構

質問

ある装置（回転体）の保持機構を考えています。保持に電磁石を利用出来ないか検討中です。
すみません、私は機械屋でして電気に疎く、案は考えたものの実用可能かピンときません。相談に乗って下さい。

仕組みはモータのような形状で、回転子は固定にします。その回転子の回りに永久磁石を置いて、回転子に電流を与えると永久磁石が回転子側に吸着され、回転子と永久磁石の間にある回転体が保持されるような機構にしたいと思っています。
（図示出来ればよいのですが…この説明でご理解いただけますでしょうか？）
?問題はパワーですが、保持トルクは２００N・ｍ必要です。電磁石でそれ程の保持トルクが発生させることが出来るでしょうか？
?コイルの巻数、電流値、巻いたコイルの個数等、どのくらいの規模になるか、想像つきません。根本的に実用可能でしょうか？
教えて下さい。どうかよろしくお願いします。

舌足らずな説明ですみません…今描いている保持機構の構造ですが、
?円筒状の形状と思って下さい。
?一番中心に（モータでいう）回転子Ａ（ただし回転しないで完全に固定）
?その外側に回転出来る中空回転軸Ｂ⇒この中空回転軸Ｂの中に回転子Ａが入っている。
?中空回転軸Ｂの外側に永久磁石Ｃ
です。
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１）回転子Ａに電流を流すと、永久磁石Ｃが回転子Ａ側に引き寄せられます。
２）１）の作用によって、永久磁石Ｃは中空回転軸Ｂに密着します。
３）密着することで、摩擦作用で中空回転軸Ｂがブレーキされ、回転が止まります。
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中空回転軸Ｂは普段はフリーで、常に回転している訳ではありません。あるタイミングの時だけフリー状態を保持させます。この保持トルクが２００Ｎ・ｍ必要です。この保持トルクを出す為に、どのくらいの電磁力が必要かピンときていません。
みなさんのお力をお借りしたく、どうかよろしくお願いいたします。

回答No.4

noname#230359

次のような疑問があります。
回転子A(固定)の材質が不明ですが、コイルを巻くとすれば、中央に鉄心
があると考えますと、
周辺に永久磁石Cを配置しますので回転子A(固定)はコイルに電流を
流さなくても、永久磁石の吸引力により常時引っ張られてブレーキが
掛かってしまうと思うのですが?

単純に回転軸に市販の電磁ブレーキ、電磁クラッチを配置しますと
同じような効果が得られると思いますが。

この点はどう解釈すれば良いのでしょうか?

補足

お答えいたします。
?常時引っ張られてブレーキがかかる
通常は電流の流れる方向を反対にし、Ｎ－Ｎ（Ｓ－Ｓ）状態にして永久磁石を離しておくか、もしくは（可能か別にして）スプリングで離しておくことも考えます。
?仰られる通り市販品で可能と思いますが、研究開発が目的です。
（学生の実験・実習のような感じと思って下さい）
どうかよろしくお願いいたします。

回答No.3

noname#230359

頓珍漢かも知れませんが回答します。
回転体なのでモータがつながっている？？そのモータの保持力で保持したらどうでしょうか？？

回答No.2

noname#230359

すでに回答されているように可能でしょう。
非接の触軸受けはかなり前からありますので開発者の資料を参考にされるといいです。
http://www.nintac.or.jp/st012.html
http://www.sist.ac.jp/~sasaki/ns/sasaki/sasaki-home.htm
http://www.nda.ac.jp/cc/users/hiroyuki/kiriki/jikijikurota.htm
https://www.hansou.jp/member/contact_form.php?html=magdrive
http://www.daidoseimitu.co.jp/2/2_3/2_3.html#2_3_1

回答No.1

noname#230359

２００Ｎ・ｍのトルクは，モータで考えると４極機５０Ｈｚで３０ｋＷ程度に対応すると思います。減速機構を設けないとすれば，３０ｋＷ程度のモータの体格の電磁石を設計すれば実現できると思います。
JIS C 4210によれば，３０ｋＷ４極機の枠番は１８０のようですからφ１８０程度の回転子サイズです。このサイズは，誘導電動機の場合ですから，性能のよい永久磁石をつかえば，もう少し小型化できると思います。

静止状態でトルクを発生させれば良さそうなので，可能であれば減速機構を仲介させた方が圧倒的に有利になるように思います。

見当違いの回答をしていたようですね。
摩擦ブレーキなのですから，中空回転軸Ｂの外径と摩擦係数を設定すれば必要な吸引力は求まります。

磁力は，固定した回転子Ａと永久磁石Ｃの間に働くことを想定していると思いますが，磁束の流れをどのように設計するか次第で変化するので，単純な式で表すことは難しいように思います。磁束は，中空回転軸Ｂを通過するわけですから，この部分の厚さ，材質が磁気回路設計上の要点になることは間違いないです。

中空回転軸Ｂの材料は鋼（強磁性体）を使うとを，回転子Ａと永久磁石Ｃの間で磁気シールド効果をもつので，磁性のない材質（例えばSUS304)を使うことが必要と思います。

永久磁石Ｃを使うわけですから，回転子Ａに通電しない場合でも磁気的な力が発生すると思います。永久磁石Ｃと中空回転軸Ｂを引き離しておく機構はどんな構造を想定なさっているのでしょうか？

回転子Ａと永久磁石Ｃの間の空隙の磁束密度を仮に１Ｔ（テスラ＝Wb／m2）に設定すると，磁気的な吸引力は１m2あたり４００ｋＮ程度です。
　参考：http://oshiete1.goo.ne.jp/qa3222908.html

計算して頂いた２６６７Ｎに基づいて，摩擦係数を０．３，磁極の極数を２と仮定すると，１極あたり４４４５Ｎの吸引力があれば足ります。
１m2あたり４００ｋＮの吸引力なので，１極あたり０．０１１m2程度の面積が必要と求められます。

単一の磁気回路で１Ｔの磁束密度を得るためにはどの程度か略算してみます。
１極あたりの空隙の寸法を５ｍｍと仮定。２極あるので合計１０ｍｍとした場合，励磁コイルの巻数と電流の積Ｎ・Ｉは８０００アンペア・ターン程度になりそうです。
　　計算式：Ｎ･Ｉ＝磁束密度×空隙長／真空の透磁率

この計算は，必要とする磁束密度をコイルだけで作るとした場合ですから，この半分を永久磁石に受け持たせれば，４０００アンペア・ターン程度ですませることができそうです。
（ブレーキを掛けないでフリーにするときは，逆方向に４０００アンペア・ターンの電流を流して磁束を打ち消す）

この値（巻数と電流の積）が小さいほど実現しやすいのですが，空隙長が設計の肝となることがお判りになるかと思います。

中空回転軸Ｂの構造，寸法が磁気回路と空隙長を支配すると思います。

補足

ご回答ありがとうございます。
永久磁石Ｃと中空回転軸Ｂを引き離す機構は、電流の流れる方向を反対にし、Ｎ－Ｎ（Ｓ－Ｓ）状態にして永久磁石を離しておくか、もしくは（可能か別にして）スプリングで離しておくことを考えております。

中空回転軸Ｂの外径と摩擦係数を設定すれば必要な吸引力が求まること、理解しました。
仮に中空回転軸Ｂの径をφ１５０くらいにしたとすれば、必要な押さえる力は２６６６．６７Ｎとなります。
極数４で６６６．６７Ｎ／１ヶ、極数６で４４４．４Ｎ／１ヶとなります。
仮に摩擦係数が０．１くらいだったとすれば、この１０倍になる訳で、電磁石でそれ程のパワーを出すことが出来るでしょうか？
（摩擦係数をは、極端に書きました。もっと大きく出来るとは思います。）