JP6294871B2 - 磁気軸受及び磁気軸受の鉄心の周りに強磁性構造体を取り付けるための方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転機械用の磁気軸受に関し、軸受は、一体型半径方向−軸方向設計を呈し、軸方向制御磁束は、軟質磁気鉄心の中央開口部を通過する。

磁気軸受は、無接触懸架を提供する。摩擦損失が低いことは、磁気軸受が高速度用途にとって魅力的であることを意味する。しかしながら、高速度回転機械の設計は、回転子の動的制約により複雑なことが多い。この点について、軸方向長さの各低減は、回転子の動的限界に寄与する。この特性は、「コンボ軸受」、すなわち、軸方向及び半径方向チャネルを、各種機能部品を共有するコンパクトな構成に統合する設計の軸受において最大限に適用される。

コンボ軸受の種々の例が、特許及び文献等に記載されている。多くの場合、軸方向制御磁束の経路は、層状強磁性材料のスタックの中央孔を横切る。この例は、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５などの特許又は特許出願に記載されている。他の例は、Ｉｍｏｂｅｒｄｏｒｆ他、Ｐｉｃｈｏｔ他及びＢｕｃｋｎｅｒ他の文献等の刊行物に記載されている。Ｂｌｕｍｅｎｓｔｏｃｋの特許文献６に示されているコンボ軸受のタイプでは、軸方向制御磁束は、層状強磁性材料のスタックの中央孔を横切らない。

コンボ軸受の軸方向チャネルの性能は、軸方向制御磁束の経路が積層材のスタックの中央孔を横切る場合、より一般的には、コンボ軸受が、導電性経路が制御磁束を囲む区間を含有する場合、悪影響を受けることがある。その場合、変化する制御磁束は、周辺材料に電圧を発生させる。周囲の経路が閉鎖されかつ導電性である場合、発生した電圧は、循環電流、その結果ジュール損をもたらす。実際は、かかる積層材のスタックは、変圧器の短絡二次巻線と考えることができ、軸方向制御巻線は一次巻線である。結果は、周波数に依存し、原則的に、周波数が増大すると、損も増大する。特定の軸方向制御電流及び周波数では、ジュール損は、発生されるはずの力を減少させる。この結果、軸方向チャネルの性能が影響を受ける。

同様の現象は、軸方向アクチュエータが動作する積層材のスタックにおいても発生し得る。この場合、制御軸流は、スタック自体に入るが、物理的解釈は変わらない。特許文献２において、高橋は、かかる積層材のスタックに一連の均等に配分した半径方向の切り込みを設けることを提案する。当然、積層体は、十分な強度を維持するために、厚さ全体にわたっては切られない。この結果、制御磁束が切り込み領域のみに入れば、誘起電流は局所的にとどまる。この技術は、関係する積層材のスタックにおける損の低減に対する解決策しかもたらさない。全制御磁束は、常に、別の固定子スタックにより囲まれる。

特許文献７は、軸方向制御界磁により固定子スタックにおいて誘起された渦電流を除去するための方法を記載する。これは、スタックの各層を通して切り込みを作り、かつスタック内の磁気界磁に対する磁気抵抗が最少となるように層を積み重ねることによって実現する。この方法の不利な点は、半径方向制御巻線の増大により生じる、磁気界磁に対する磁気抵抗である。さらに、既知の通り、層間の被覆は、完全に絶縁性ではなく、組立体の部品が層間の接触をもたらすこともあり、循環電流は依然として観察される。従って、これらの渦電流を除去するための付加的手段が性能をさらに向上させることができる。

米国特許第５，５１４，９２４号明細書 米国特許第６，２６８，６７４号明細書 米国特許第６，７２７，６１７号明細書 国際公開第２００８／０７４０４５号 中国特許第１，７３７，３８８号明細書 米国特許６，３５９，３５７ Ｂ１号明細書 国際公開第２０１１／０５４０６５号

本発明の目的は、渦電流の結果としての損を低減するための代替的方法を提供することである。

この目的のため、本発明は、半径方向アクチュエータ部及び軸方向アクチュエータ部が設けられ、半径方向アクチュエータ部には固定子ヨークを設けた層状固定子スタックが設けられる、磁気軸受であって、固定子ヨークは、固定子ヨークを囲む閉鎖型強磁性構造体にリンクされる、磁気軸受に関する。

本発明の特徴をより良く示すことを意図して、添付図面を参照して、いかなる限定性もなしに、本発明による磁気軸受の幾つかの好ましい実施形態を、一例として以下に説明する。

既知のコンボ軸受の長手方向断面を示す。 既知のコンボ軸受の長手方向断面を示す。 既知のコンボ軸受の長手方向断面を示す。 既知のコンボ軸受の半径方向断面を示す。 既知のコンボ軸受の半径方向断面を示す。 半径方向の力を発生させる、本発明による磁気軸受の部品の斜視図を概略的に示す。 図６の線ＶＩＩ−ＶＩＩに沿った断面を示す。 図７による強磁性構造体の組み立ての連続的ステップを示す。 図７による強磁性構造体の組み立ての連続的ステップを示す。 図７による積層材のスタックのヨークの種々の実施形態を示す。 図１０による強磁性構造体の部品を示す。 図１４による強磁性構造体の分解図を示す。 図７による積層材のスタックのヨークの種々の実施形態を示す。 図７による積層材のスタックのヨークの種々の実施形態を示す。 図１４による強磁性構造体の分解図を示す。 図１４による強磁性構造体の分解図を示す。

当技術分野の現状のコンボ軸受タイプの幾つかの長手方向断面を図１、図２及び図３に示す。当技術分野の現状コンボ軸受タイプの２つの考えられる半径方向断面を図４及び図５に示す。

示される代替的設計は全て、層状回転子スタック１、層状固定子スタック２、固定子ヨーク３、極ヨーク１２、２つの軸方向極４ａ及び４ｂ、及び少なくとも３つの半径方向極５からなる。

軸方向の力は、構造が回転対称の、軸方向制御巻線６により制御される。
半径方向の力は、半径方向極５の周りに巻かれた半径方向制御巻線７により制御される。

永久磁石８によりバイアス磁界が発生しない場合は、特定の方法で軸方向制御電流にバイアス電流を加えることにより、又はバイアス電流を、同じく回転対称形態を示し、軸方向制御巻線６付近に局在化された、別個のバイアス巻線を通して案内することにより、バイアス磁界を発生させることができる。前述のバイアス巻線は、軸方向制御巻線６と同一の構造を有し、軸方向制御巻線６とは物理的に離隔され、軸方向制御巻線６の直近にある。

電流が半径方向制御巻線７に印加されると、固定子スタック２の層の平面に磁束が流れ始める。

軸方向制御巻線６に対して印加された電流により発生した磁束は、極ヨーク１２を通って流れ、次いで軸方向極４ａに入り、分割部を横切って回転子スタック１に入り、分割部を反対側の軸方向極４ｂに向かって横切り、最終的に極ヨーク１２に戻る。

ファラデー・レンツ及びオームの法則によると、循環電流は、固定子スタック２の層に発生する。従って、本発明の目的は、この誘起された循環電流用の減衰デバイスを提供することである。

循環電流が受けるインピーダンスは、主として層スタックの接線方向抵抗により定まる。

若干の誘導性の寄与はあるものの、それは比較的限定的である。本発明は、インピーダンスに対する誘導性の寄与を概ね増大させる、層状スタックの周りへの付加的デバイスの取り付けに関する。

本発明によると、この目的は、図６に示した固定子ヨーク３を囲む閉鎖された、強磁性構造体９にリンクされた固定子ヨークにより実用的方法で達成される。

実際に、この「リンクされる」とは、互いにリンクされた鎖の２つのリンクのように、前述の強磁性構造体９が、事実、固定子ヨーク３の一部を囲む一方で、固定子ヨーク３も、前述の強磁性構造体９の一部を囲むことを意味する。

図７、図１０、図１３及び図１４に、周囲を囲む中空強磁性構造体９の幾つかの典型的な変形とともに、積層材のスタックの固定子ヨーク３の軸方向断面を示す。

本方法の性能を最大化するために、中空強磁性構造体において発生する渦電流を制限又は防止するための付加的手段を講じることが理想的である。

このことは、例えば、中空強磁性構造体９を、フェライト部品、軟質磁気複合材部品、又はスタックされた薄い強磁性層の部品などの部品１０を用いて組み立てることにより実現される。

強磁性構造体の磁気抵抗及び費用を最小化するために、前述の部品は、図８に示すように、Ｕ字型であることが好ましい。

図９は、かかるＵ字型部品を固定子ヨーク３の周りに取り付けることができる方法を示す。Ｕ字型部品１０を用いる代わりに、図１１に示すように、真っ直ぐな部品１１も用いることができる。

図１２は、図１１の真っ直ぐな部品１１を固定子ヨーク３の周りに取り付けることができる方法を示す。磁気抵抗を最小化するために、部品を一緒にプレス（press）する必要がある。

しかしながら、かかる中空強磁性構造体９は、図１３に示すように、積層材のスタックの固定子ヨーク３の周りに、非晶質リボン又はナノ結晶リボンを巻くことによっても作成できる。

これら材料を直接巻く代わりに、図１５に示されるように、これら材料を別個の構造体上に巻き、その結果の中空強磁性構造体をいくつかの部品に分割し、図１６に示されるように、これら部品を積層材のスタックの固定子ヨーク３の周りに再度一緒に結合し、これら部品を一緒にプレスして磁気抵抗を最小化することができる。

本発明は、決して、上述され、図面に示される実施形態に限定されるものではなく、本発明による磁気軸受は、本発明の範囲から逸脱することなく、全ての種類の変形において実現することができる。

１：層状回転子スタック
２：層状固定子スタック
３：固定子ヨーク
４ａ、４ｂ：軸方向極
５：半径方向極
６：軸方向制御巻線
７：半径方向制御巻線
８：永久磁石
９：閉鎖型強磁性構造体

Claims (15)

1. 半径方向アクチュエータ部と軸方向アクチュエータ部とが設けられ、前記半径方向アクチュエータ部は、固定子ヨーク（３）を設けた層状固定子スタック（２）を含む、磁気軸受であって、
   前記固定子ヨーク（３）は、複数の半径方向磁極（５）を連結する円環部と、前記固定子ヨーク（３）を取り囲む閉鎖型強磁性構造体（９）と、を備え、鎖のように前記固定子ヨーク（３）も前記閉鎖型強磁性構造体（９）の一部を取り囲み、前記閉鎖型強磁性構造体（９）が２つの隣接した前記半径方向磁極（５）の間に設けられることを特徴とする、磁気軸受。
2. 前記軸方向アクチュエータ部は、前記層状固定子スタック（２）を囲む、少なくとも１つの軸方向制御巻線（６）を含み、当該軸方向制御巻線（６）を半径方向において取り囲む極ヨーク（１２）と２つの軸方向極（４ａ及び４ｂ）とをさらに含み、
   前記固定子ヨーク（３）と前記２つの軸方向極（４ａ及び４ｂ）との間に永久磁石（８）が設けられ、
   前記永久磁石（８）は、前記軸方向に磁化され、
   前記永久磁石（８）の前記磁化方向は、前記固定子ヨーク（３）の両方の軸方向側において反対であることを特徴とする、請求項１に記載の磁気軸受。
3. 半径方向に磁化された永久磁石（８）は前記層状固定子スタック（２）を囲み、前記軸方向アクチュエータ部の少なくとも１つの軸方向制御巻線（６）は、前記層状固定子スタック（２）及び前記半径方向に磁化された永久磁石（８）の少なくとも一方の軸方向側に取り付けられることを特徴とする、請求項１に記載の磁気軸受。
4. 前記半径方向に磁化された永久磁石（８）は、一連の隣接して取り付けられた小型永久磁石として構成されることを特徴とする、請求項３に記載の磁気軸受。
5. 前記軸方向アクチュエータ部は、少なくとも１つの軸方向制御巻線（６）と、当該軸方向制御巻線（６）を半径方向において取り囲む極ヨーク（１２）と、２つの軸方向極（４ａ及び４ｂ）とを含み、
   前記少なくとも１つの軸方向制御巻線（６）は、前記層状固定子スタック（２）の少なくとも１つの軸方向側に取り付けられることを特徴とする、請求項１に記載の磁気軸受。
6. 前記極ヨーク（１２）は、前記固定子ヨーク（３）に接触することを特徴とする、請求項５に記載の磁気軸受。
7. 前記軸方向制御巻線（６）と同じ構成を示し、前記軸方向制御巻線（６）から物理的に離間され、かつ前記軸方向制御巻線（６）の直近にある、バイアス巻線が設けられることを特徴とする、請求項５又は６に記載の磁気軸受。
8. 前記閉鎖型強磁性構造体（９）は、互いに電気的に絶縁された薄い層のスタックを含むことを特徴とする、請求項１に記載の磁気軸受。
9. 前記閉鎖型強磁性構造体（９）は、巻かれた平型リボンを含むことを特徴とする、請求項１に記載の磁気軸受。
10. 前記閉鎖型強磁性構造体（９）は、フェライトを含むことを特徴とする、請求項１に記載の磁気軸受。
11. 前記閉鎖型強磁性構造体（９）は、軟質磁気複合材粉末を含むことを特徴とする、請求項１に記載の磁気軸受。
12. 前記閉鎖型強磁性構造体（９）は、非晶質又はナノ結晶材料を含むことを特徴とする、請求項１に記載の磁気軸受。
13. 前記閉鎖型強磁性構造体（９）は、多数の相互接続された部品を含むことを特徴とする、請求項１に記載の磁気軸受。
14. 磁気軸受を製造するための方法であって、前記方法は、
    −複数の半径方向磁極（５）を連結する円環部を備えた固定子ヨーク（３）を準備するステップと、
    −前記固定子ヨーク（３）の軸方向断面の外法寸法より大きいか又はこれと等しい内法寸法を有する閉鎖経路を形成する一組の強磁性部品を準備するステップと、
    −閉鎖経路が２つの隣接した前記半径方向磁極（５）の間において形成されるように、前記強磁性部品を前記固定子ヨーク（３）の周りに配置するステップと、
    −全ての強磁性部品を一緒に強くプレスするステップと、
    −結果として得られる強磁性構造体（９）を前記固定子ヨーク（３）に固定するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
15. 磁気軸受を製造するための方法であって、前記方法は、
    −複数の半径方向磁極（５）を連結する円環部を備えた固定子ヨーク（３）を準備するステップと、
    −非晶質リボン、ナノ結晶リボン、磁気ワイヤ又は繊維材料のような強磁性材料をボビン上に準備するステップと、
    −前記固定子ヨーク（３）を電気的に絶縁するステップと、
    −前記固定子ヨーク（３）の周りで前記ボビン上に前記強磁性材料を巻き、２つの隣接した前記半径方向磁極（５）の間において前記固定子ヨーク（３）の周りに強磁性構造体（９）を形成するステップと、
    −結果として得られる前記強磁性構造体（９）を前記固定子ヨーク（３）に固定するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。

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