JP2004512473A

JP2004512473A - 磁気軸受

Info

Publication number: JP2004512473A
Application number: JP2002530547A
Authority: JP
Inventors: リース、ギュンター; シュタインマイヤー、フローリアン
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-09-26
Filing date: 2001-09-14
Publication date: 2004-04-22
Also published as: DE10124193A1; CN1218129C; EP1320693A1; US6831384B2; US20040075355A1; ATE377717T1; DE50113238D1; WO2002027204A1; EP1320693B1; CN1466662A

Abstract

ａ）少なくとも１つの内側の軸受部品（５）と、ｂ）この内側の軸受部品を包囲する少なくとも１つの外側の軸受部品（１１）と、ｃ）少なくとも１つの永久磁石（６ａ〜６ｆ）、および、両軸受部品の一方に設けられた１つまたは複数の永久磁石の磁束をガイドするための、回転軸線（Ａ）に対して軸線方向に１つまたは複数の永久磁石と並んで配置された少なくとも１つの磁束ガイド部材（８ａ〜８ｅ）と、ｄ）両軸受部品の他方に設けられた少なくとも１つの結合手段（１２、３２）とを備え、ｅ）１つまたは複数の永久磁石と結合手段とが、内側の軸受部品と外側の軸受部品との間に回転軸線の周りを延びる軸受間隙（１０）が形成可能であるようにまたは形成されるように、互いに相互作用し、ｆ）１つまたは複数の永久磁石が、回転軸線に対して垂直に向いた半径方向において軸受間隙へ向かって１つまたは複数の磁束ガイド部材に比べて半径方向に低くされ、ｇ）各永久磁石が、少なくとも軸受間隙側の面で半径方向保持部材（９ａ〜９ｆ）によって半径方向に内方および／または外方に向かって保持されている磁気軸受。

Description

【０００１】
本発明は磁気軸受に関する。
【０００２】
磁気軸受は可動部品の、接触や磨耗のない支承を可能にする。従って磁気軸受は潤滑剤を必要とせず、少ない摩擦で設計することができる。電磁石を備えるいわゆる能動磁気軸受は、位置センサと制御回路を介して支持磁石の電流を制御し目標位置からのロータ本体の偏差を防止する能動的な軸受制御を必要とする。それに対して、いわゆる受動磁気軸受は位置を自動的に安定化させるので、能動的な位置制御は必要ない。
【０００３】
米国特許第４０７２３７０号明細書より、ステータにもロータにも永久磁石の機構を備える受動的な磁気支承部が公知である。
【０００４】
さらに、軸受部品の一方だけが永久磁石部材を備えるように構成され、他方の軸受部品は超伝導体を含んでいる受動磁気軸受が公知である。永久磁石部材は、位置変化が生じると、磁場変化の結果として超伝導体に遮蔽電流を誘導する。その結果生じる力は、反発するものであっても吸引するものであってもよいが、常に、目標位置からの偏倚を防止する方向を向いている。このようにして固有に安定的な支承を実現し、高いコストがかかって障害が起こりやすい制御を不要にすることができる。しかしながら超伝導材料の冷却が必要である。超伝導体を備える磁気軸受は例えば米国特許第５１９６７４８号明細書や欧州特許出願公開第０３２２６９３号明細書に記載されている。
【０００５】
西独特許第４４３６８３１号明細書より、高温超伝導体を備える別の受動磁気軸受が公知である。この公知の磁気軸受は、ロータ軸と結合された第１の軸受部品と、ステータに配置され第１の軸受部品を包囲する第２の軸受部品とを含んでいる。この両軸受部品の一方が高温超伝導体を有している。他方の軸受部品は相並んで配置された永久磁石部材の機構を含んでいる。隣接する永久磁石部材の磁化は互いに反対方向を向くように行われる。それぞれ２つの永久磁石部材の間の中間スペースは、永久磁石部材から出てくる磁束を、他方の軸受部品側の面に集中させるために、強磁性材料で充填されている。それによって高い軸受剛性（安定性）が得られる。
【０００６】
西独特許第４４３６８３１号明細書に記載の構成では、永久磁石は内側の軸受部品に中空円筒状に配置され、超伝導体は中空円筒状の構造物として、外側の軸受部品の中空円筒状の支持体の内側に配置されている。この支持体には、超伝導体を冷却する液体窒素を通すための冷却通路が形成されている。別の構成では、高温超伝導体は内側の軸受部品にロータ軸のそばへ配置され、高温超伝導体を冷却するために液体窒素の冷却通路がロータ軸に設けられる。強磁性の中間部材を備える永久磁石部材は、ロータ軸に対して軸線方向に相前後して薄いリングの形で配置されていてよく、もしくは軸線方向に長く延びて円周方向で相前後して配置されていてもよく、それぞれ磁化が交互に行われる。
【０００７】
永久磁石材料としては、西独特許第４４３６８３１号明細書では、少なくとも２０ＭＧＯｅのエネルギー積（Ｂ×Ｈ）_ｍａｘをもつ材料、特にネオジム（Ｎｄ）−鉄（Ｆｅ）−ホウ素（Ｂ）合金またはサマリウム（Ｓｍ）−コバルト（Ｃｏ）合金が提案されている。永久磁石材料も、保磁力を高めるために冷却することができる。
【０００８】
公知の磁気軸受において高い磁場を得るために用いられる永久磁石材料は、それ自体が高い磁場による相当の力にさらされる。回転する軸受部品に永久磁石を配置すると、追加的な遠心力が永久磁石に作用する。この力は、特に連続負荷や材料疲労がある場合、特に粉末冶金で焼結やプレスによって製造された脆い永久磁石から個々の磁石粒子を分離させたり又は永久磁石を破断させることさえある。しかしこのことは、著しい損害を引き起こしたり又は磁気軸受の完全な破壊を引き起こす可能性さえある。
【０００９】
欧州特許出願公開第０７２８９５６号明細書より、ステータに超伝導体を備えるとともにロータに永久磁石装置を備え、超伝導体と永久磁石との間に軸受間隙を備える磁気軸受が公知である。永久磁石は環状に構成され、ロータの回転軸線と同心的に配置されている。個々の環状の永久磁石の間には、軟磁性の環状の磁束ガイド部材が設けられている。それに対して環状の永久磁石は、エネルギー積の高い磁性焼結材料、特にサマリウム−コバルト磁石材料やネオジム−鉄−ホウ素磁石材料で形成されている。特に回転速度が高いときに、この焼結された永久磁石の破断を防ぐため、磁石装置のもっとも外側のリングの回りには、ガラス繊維強化プラスチックまたは人造繊維強化プラスチックでできた補強リングが配置され、この補強リングが、環状の永久磁石装置を半径方向の圧力のもとで半径方向に束ねている。
【００１０】
これに類似する構成は、特開平９―４９５２３号公報の特許アブストラクトからも公知である。
【００１１】
欧州特許出願公開第０４１３８５１号明細書より、ロータとステータとに永久磁石装置を備え磁石により支承された真空ポンプ内で使用するための磁気軸受用の軸受リングが公知である。永久磁石としては、鉄−ネオジム−ホウ素磁石またはコバルト−サマリウム磁石が提案されている。この公知の磁気軸受は回転軸上に、それぞれハブリングと永久磁石リングと補強リングとで構成される軸受リングを含んでいる。補強リングは、高い遠心力による永久磁石リングの破壊を防ぐという役目があり、特殊鋼でできている。
【００１２】
さらに特開平８―２００３６８号公報の特許アブストラクトより、外側に位置するステータに超伝導体を備え、内側に位置するロータに永久磁石装置を備える磁気軸受が公知である。この永久磁石装置は、円周方向に相並んで位置し互いに補い合って１つの閉じたリングを形成する複数のリングセグメント状永久磁石でできている。すべてのリングセグメント状永久磁石の外側の周縁部の回りには、回転速度が高いときに大きな遠心力による永久磁石の破壊を防ぐために、保持リングが配置されている。さらに、保持リングを半径方向で内方に向かって永久磁石の外面に押し付ける押圧リングが設けられている。永久磁石は互いに間隔をおくのでなく互いに接している。それぞれの永久磁石の間に磁束ガイド部材は設けられていない。
【００１３】
しかしながら、永久磁石のために半径方向保持装置が設けられる上述した公知の磁気軸受では、軸受支持力または軸受の支持能力が低下する。すなわち、公知の磁気軸受では、半径方向保持装置は、各永久磁石および場合によりこれに付設された磁束ガイド部材と、軸受間隙との間に配置されるが、そのために、軸受間隙が規定の最低幅を下回ってはならないので、軸受間隙において超伝導体との間で作用する磁束密度を弱めてしまう。
【００１４】
従って本発明の課題は、軸受支持力を大幅に弱めることなく、永久磁石の破壊や損傷から磁気軸受を守ることである。
【００１５】
この課題は、本発明によれば請求項１の構成要件によって解決される。
【００１６】
請求項１に記載の磁気軸受は、少なくとも１つの内側の軸受部品と、この内側の軸受部品を包囲する少なくとも１つの外側の軸受部品とを含んでいる。この両軸受部品の一方には、特に硬質磁性材料からなる少なくとも１つの永久磁石と、永久磁石の磁束を導くための少なくとも１つの磁束ガイド部材とが配置されている。磁束ガイド部材は、回転軸線に対して軸線方向に（または平行に）永久磁石と並んで（または永久磁石に対してずらされて）配置され、一般に、磁気を通す特に軟磁性および／または強磁性の材料でできている。それに対して両軸受部品の他方には、少なくとも１つの結合手段（相互作用手段）が配置され、この結合手段は、内側の軸受部品と外側の軸受部品との間で回転軸線の周りを延びる軸受間隙（軸受間隔、軸受中間スペース）が形成可能であるようにまたは形成されるように１つまたは複数の永久磁石との間で（磁気的に）相互作用し、それにより、回転軸線を中心とする両軸受部品の無接触式の相互回転が可能である。
【００１７】
半径方向保持装置（保護装置、遮蔽装置）は、回転軸線に対して垂直に、ただし少なくとも軸受間隙に向かって、少なくとも半径半径で永久磁石を保持して安定化させ、それによって永久磁石または永久磁石の破片が、この半径方向で軸受間隙に向かって動かないようにする。従って半径方向保持装置により、永久磁石は軸受間隙に向かって遮蔽され、それによって、この半径方向で破片または粒子を放出することができなくなる。このようにして永久磁石は、特に高い磁場や高い遠心力による強い力の影響のもとでも、およびそれによって考えられる粒子の分解または分離のもとでも、磁気軸受の損傷を引き起こすことがなくなる。
【００１８】
磁気軸受の軸受支持力を低下させないために、さらに別の措置として、一方では、各永久磁石は半径方向に少なくとも軸受間隙に向かって１つまたは複数の磁束ガイド部材よりも遠くへは延びておらず、また他方では、半径方向保持装置は各永久磁石のためにそれぞれ個々の保持部材で構成される。
【００１９】
つまり本発明では、半径方向保持装置は軸受間隙と永久磁石との間に配置され、それにより、軸受間隙の格別に障害に弱い領域が、半径方向保持装置によって永久磁石の破片や分離した部分に対して保護される。各磁束ガイド部材は、永久磁石の磁束を導く役目をするとともに、一般に、軸受間隙に磁束を集中させて強める役目をする。軸受支持力は、本発明の保持装置によってわずかしか損なわれない。すなわち一方では、永久磁石が磁束ガイド部材に比べて半径方向に低くされ、それゆえ保持部材が軸受間隙に突入しないかもしくはわずかしか突入しないので、軸受間隙を広く選定しなくてもよくなる。他方では磁束ガイド部材が、磁束ガイド部材に比べて半径方向に低くされた永久磁石の磁束を、引き続いて実質的に同じ強さのまま軸受間隙に向かって導くもしくはガイドする。軸受の支持力は、主として磁束密度と磁束密度勾配とが高い領域で、磁束ガイド部材の半径方向外側に発生する。１つまたは複数の永久磁石の領域に設けられた半径方向保持装置は、磁束ガイド部材のこの出口個所で磁束を妨害しない。このとき本発明は、磁束ガイド部材を永久磁石よりも機械的に安定に実施できるので、磁束ガイド部材の安定化を省略できるという考察にも基づいている。
【００２０】
本発明による磁気軸受は、一般に、回転軸線を中心として回転可能な物体、もしくは回転する物体（ロータ）用として設けられる。そのために内側の軸受部品または外側の軸受部品がロータと結合されもしくは結合可能である。
【００２１】
本発明による磁気軸受の有利な実施態様は請求項１の従属請求項に記載されている。
【００２２】
第１の実施態様では、半径方向保持部材が、永久磁石の、回転軸線とは反対側の外面に配置され、それによって永久磁石の粒子が、外方に向いている半径方向において外に出るのを防止する。このように、永久磁石やその破片が少なくとも外方に向いている半径方向へ移動しないように半径方向保持装置で防止することは、特に、少なくとも１つの永久磁石が回転可能なまたは回転する軸受部品に設けられ、もしくは、ロータと結合された、または結合可能な軸受部品に設けられている磁気軸受の実施態様の場合に好都合である。すなわち、この軸受部品およびこれに設けられた永久磁石の回転によって、永久磁石には外方に向いている半径方向において、この軸受部品が高速で回転するほど大きくなる遠心力が作用する。そのときに半径方向保持装置は遠心力の少なくともこのクリティカルな方向において永久磁石を保持する。それにより、回転する永久磁石の外方に向かう遠心力も受けとめられ、外方に向かう磁石粒子の分離が防止される。
【００２３】
第２の実施態様では、半径方向保持装置が永久磁石の回転軸線側の内側に配置され、それによって内方に向かう半径方向において永久磁石の一部が外に出るのを防止する。このことは、例えば、永久磁石が外側の軸受部品に配置されている場合に、軸受間隙と内側の軸受部品とを永久磁石の破片から保護するのに有利である。この第２の実施態様は上述した第１の実施態様と組み合わせることもできる。
【００２４】
有利な実施態様では、半径方向保持装置は少なくとも部分領域で噛み合い結合および／または摩擦結合により永久磁石に当接し、それにより特に中間スペースが回避され、永久磁石が機械的に束ねられるので安定化される。
【００２５】
半径方向保持装置は、少なくとも部分的に柔軟な（可撓な）材料で形成されていてよく、そのようにして、異なる構成をもつ永久磁石や軸受部品に容易に適合化することができる。半径方向保持装置の少なくとも１つの保持部材はテープ状に構成されるのが好ましく、その場合、一般に長辺が永久磁石側に向く。
【００２６】
しかし半径方向保持装置は、少なくとも部分的に形状安定な（剛性のある）材料で形成されていてもよい。
【００２７】
半径方向保持装置の材料は、一般に、機械的に安定であって引張や引裂きに強く、軸受支持力をできるだけ弱めないためもしくはまったく弱めないために非磁性であるのが好ましい。半径方向保持装置の有利な材料は、繊維材料や繊維複合材料である。特に、炭素繊維またはガラス繊維または鉱物繊維で強化したプラスチック（ポリマー材料）、繊維織物、繊維編物、繊維堆積物または圧縮した繊維材料などが考慮の対象となる。さらに、非磁性金属や非磁性合金、例えば非磁性鋼も適している。
【００２８】
有利な実施態様では、磁気軸受が、一方の軸受部品に、回転軸線に対して軸線方向に相並んで（または積層体状に）配置された複数の永久磁石を含んでいる。あるいは永久磁石は、特に円周方向に回転軸線を周回するような配置で、相並んで配置されていてもよい。永久磁石の少なくとも２つの間、および／または軸線方向に見て外側の永久磁石の外側には、それぞれ磁束ガイド部材が配置される。永久磁石の磁化は交互に、つまり隣接する２つの永久磁石の磁化が反対の磁極になるようにするのが好ましい。
【００２９】
１つの実施態様では、追加の補強をするために、永久磁石および磁束ガイド部材の個々の保持部材を通じて１つの共通の保持部材が延びている。
【００３０】
さらに有利な実施態様では、少なくとも１つの半径方向保持部材が１つまたは複数の層で回転軸線を周回し、すなわち、閉じた中空円筒状、環状、螺旋状、またはループ状の構造が回転軸線の回りに形成される。
【００３１】
１つまたは複数の半径方向保持部材の半径方向の厚み（延び）は、着目する半径方向において永久磁石から測定したとき、一般に、永久磁石の半径方向の厚みの多くとも３分の１（１／３）、特に多くとも４分の１（１／４）、好ましくは多くとも１０分の１（１／１０）である。さらに、それぞれの半径方向保持部材の半径方向の延びは、軸受間隙の半径方向寸法（間隙幅）よりも短く選定するのが好ましい。
【００３２】
さらに、１つまたは複数の半径方向保持部材の半径方向の延びは、これよりも大きく外方に向かって屹立する１つまたは複数の磁束ガイド部材の半径方向の延びと、１つまたは複数の永久磁石の半径方向の延びとの差異を大幅に上回らず、有利には、当該差異よりも短いか、もしくは多くともこれと等しいように選定するのが好ましい。それにより、軸受間隙をわずかなままにとどめることができ、その半径方向寸法が磁束ガイド部材によってのみ区切られる。保持部材および磁束ガイド部材は、特に、半径方向において互いに同一平面上に並ぶように終わっていてよく、それにより、軸受間隙を画成する実質的に平坦かつ有利には円筒状の共通表面が形成される。
【００３３】
磁気軸受の各永久磁石が半径方向保持部材によって安定化されているので、各永久磁石は脆い材料でできていてよく、特に焼結またはプレスされた成形体でできていてよく、あるいは、形状安定性をまったく備えていないことさえ可能であり、特に磁性粉末で形成されていてよい。このことは、軸受の機械的な損傷の危険なしに、ネオジム（Ｎｄ）−鉄（Ｆｅ）−ホウ素（Ｂ）合金またはサマリウム（Ｓｍ）−コバルト（Ｃｏ）合金を使用することを可能にする。
【００３４】
１つまたは複数の永久磁石および／または１つまたは複数の磁束ガイド部材および／または１つまたは複数の保持部材および／または結合手段は、有利な実施態様では、（全周で）閉じた形状で、有利にはリング形状で、回転軸線を包囲する。このときリングの横断面は、中空円筒状ないしは円環状のリング形状に応じて、特に円形、円板形または長方形であってよい。すなわち、回転軸線に対して垂直方向のリングの縦断面は特に輪形であってよい。
【００３５】
少なくとも１つの永久磁石および／またはこれに付設された半径方向保持装置の、半径方向に内側に位置するまたは外側に位置する外面は、ほぼ円筒状に形成されるのが好ましく、それにより、この永久磁石の外面またはこのような複数の永久磁石装置の外面ないしはこれに配置された半径方向保持装置の外面には、円筒状の外套面が生じる。あるいは、少なくとも１つの永久磁石の外面および／またはこれに付設された半径方向保持装置の外面は、特に１つの方向に向かって、例えば軸線方向におよび／またはテーパ状に高くなっていてもよい。半径方向保持装置は永久磁石の外側形状に合わせるのが好ましい。
【００３６】
磁気軸受の格別に有利な実施態様は、結合手段として、有利には高温超伝導体つまり臨界温度が７７Ｋを上回る超伝導体を有する超伝導構造物が設けられることを特徴としている。あるいは結合手段として、誘導によって磁場を生成する電磁石、または永久磁石を用いることもできる。特に電磁石の場合には一般に自動式軸受制御が意図される。
【００３７】
さらに、結合の優れた効率を得るために、軸受部品の軸受間隙側の面に結合手段を配置するのが好ましい。
【００３８】
次に、実施例を参照しながら本発明について詳しく説明する。
図１は、軸線方向に配置された永久磁石のための個別バンデージを備える磁気軸受を示す。
図２は、軸線方向に配置された永久磁石のための個別バンデージと共通バンデージとを備える磁気軸受を示す。
相互に対応する部分には図１と図２で同じ符号を付している。
【００３９】
図１において、ロータとしての回転軸４のための、符号２を付した磁気軸受では、回転軸４と結合された軸受内側部品に符号５が付され、軸受内側部品５と回転軸４とで構成される回転体に符号３、軸受外側部品に符号１１がそれぞれ付されている。
【００４０】
軸受内側部品５は、複数（例えば６つ）の環状円板形の永久磁石部材（永久磁石）６ａ〜６ｆを備えている。これらの永久磁石部材６ａ〜６ｆは、軸線方向に見てつまり回転軸線Ａの方向に見て、分極が部材ごとに反対になるようにそれぞれ分極している。個々の分極方向は図面では矢印線７で示されている。
【００４１】
永久磁石部材６ａ〜６ｆの間には、例えば鉄のような強磁性材料からなる環状円板形の部材（中間部材）８ａ〜８ｅが配置されている。さらに外側の永久磁石部材６ａ〜６ｆの端面側の外面には、部材８ａ〜８ｅに対応する強磁性部材８ｆ，８ｇが設けられている。これらの強磁性部材８ａ〜８ｇの強磁性材料は、軸受内側部品５の円筒状外面に磁束を集中させる役目を果たし、それによって軸受２の支持力を高める。それと同時に強磁性部材８ａ〜８ｇは、一般に脆い材料からなっている永久磁石部材６ａ〜６ｆを有する軸受内側部品５を機械的にも強化する。このように強磁性部材８ａ〜８ｇは、一方では磁束を導く（ガイドする）磁束ガイド部材の機能を有し、他方では軸線方向の保持部材の機能を有する。
【００４２】
すべての部材６ａ〜６ｆ，８ａ〜８ｇは、積層体状に軸線方向に相前後して回転軸４に取り付けられている。回転軸４は、非磁性材料または磁化可能でない材料、例えば特殊な鋼材で構成されているのが好ましい。あるいは永久磁石部材の積層体は、非磁性材料からなる管状の支持体上に取付けられ、さらにこの支持体が、場合によっては強磁性の回転軸部分を包囲していてもよい。この場合には回転軸４の中空円筒状の周縁領域を構成する支持体の壁厚は、磁極の軸線方向の厚みの少なくとも半分、すなわち（ｄ１＋ｄ２）／２であるのが望ましい。しかし一般的には、ロータ回転軸４全体は非磁性材料でつくられる。
【００４３】
強磁性部材８ａ〜８ｇの外側輪郭、および場合により永久磁石部材６ａ〜６ｆの外側輪郭は、積層してから例えば接着技術によって固定した後、例えば研削や施削によって均等な円筒の形状にする。部材８ａ〜８ｇの強磁性材料によって磁場が回転対称になり、それと同時に、永久磁石部材６ａ〜６ｆの磁場の不均一性が補正される。
【００４４】
環状円板の形をした永久磁石部材６ａ〜６ｆの半径方向の延びａは、その軸線方向の厚みｄ１の少なくとも２倍であるのが好ましい。それに対して各強磁性部材８ａ〜８ｇの軸線方向の厚みｄ２は、永久磁石部材６ａ〜６ｆの軸線方向の厚みｄ１よりも短く選定するのが好ましい。例えば厚みｄ２は厚みｄ１の１０分の１〜１０分の２である。
【００４５】
軸受内側部品５は、軸受間隙１０によって分離された状態で、中空円筒状の静止した軸受外側部品１１で包囲されている。軸受内側部品５と軸受外側部品１１との間の軸受間隙１０の間隙幅（半径方向の寸法）ｗは、強磁性の中間部材８ａ〜８ｇの軸線方向の厚みｄ２のオーダーであるのが好ましい。間隙幅ｗおよび軸線方向の厚みｄ２の典型的な値は０，１ｍｍ〜５ｍｍ、好ましくは０，３ｍｍ〜１，５ｍｍである。
【００４６】
ステータを構成する軸受外側部品１１は、軸受内側部品５側の内側に、有利には液体窒素（ＬＮ_２）冷却技術を適用できる公知の高温超伝導材料（高Ｔ_ｃ超伝導材料）からなる超伝導構造物１２を有している。
【００４７】
超伝導構造物１２の超伝導材料としては、特に織物状のＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−_ｘが考慮の対象となる。このとき、超伝導材料の少なくとも大部分の結晶ａ−ｂ平面は、軸受内側部品５の外面に対して実質的に平行に向いているのが好ましい。超伝導材料には、細かく分散したＹ_２ＢａＣｕＯ_５の析出物が存在しているのが好ましい。このような材料は、例えばいわゆるクエンチ・メルト・グロウス法（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．５，１９９２，１８５から２０３頁参照）によって製作することができ、７７Ｋで数１０^４Ａ／ｃｍ^２の臨界電流密度を有しているのが望ましい。このとき超伝導体の結晶子（粒子）の平均粒度（粒子の直径）は、永久磁石部材６ａ〜６ｆの軸線方向の厚みｄ１よりも大きいのが望ましく、この粒度は結晶ａ−ｂ平面で観察したときのものである。
【００４８】
隣接する永久磁石部材（例えば６ｄ，６ｅ）によって軸受内部部品５で惹起される磁束は、そのほとんどが共通の強磁性中間部材（８ｄ）に集中し、それによって高い磁束密度で、この中間部材を介して軸受間隙１０に出ていく。軸受間隙１０では、この磁束がそれぞれ隣接する中間部材（８ｃないしは８ｅ）に向かって閉じる。軸受内部部品５を包囲し、軸受間隙１０を画成している静止した超伝導構造物１２には、個々の磁極によって生成された磁束が相応の電流を誘導し、この電流がひいては磁気的結合または磁気的反発を惹起する。ロータ回転軸４の側では、回転軸４の非磁性材料の領域で磁束が閉じる。それにより、軸受間隙１０に出てくる磁束の低下につながる磁気的な短絡が、その領域で防止されるという利点がある。
【００４９】
磁気軸受の構造や、材料、構成、寸法、機能などの上記以外の詳細に関しては、西独特許第４４３６８３１号明細書も参照されたい。同明細書の内容を、本件出願の開示にも取り入れる。
【００５０】
部材６ａ〜６ｆの永久磁石材料は、必要な軸受力と軸受安定性とをもたらすために、少なくとも２０ＭＧＯｅの最大エネルギー積（Ｂ×Ｈ）_ｍａｘを有しているのが望ましい。このようにエネルギー積が高い好適な材料は、特にネオジム（Ｎｄ）−鉄（Ｆｅ）−ホウ素（Ｂ）合金やサマリウム（Ｓｍ）−コバルト（Ｃｏ）合金である。
【００５１】
最大の軸受圧力は、ステータ用として意図される超伝導材料によってではなく、軸受間隙１０で最大限達成可能な磁場Ｈによって設定される。このために重要なパラメータは、永久磁石材料の保磁力Ｈ_ｃである。従って永久磁石材料としては特にＮｄＦｅＢが考慮の対象となる。この材料は比較的高い保磁力Ｈ_ｃを有しているからである。ＳｍＣｏは、７７Ｋでは室温に比べて１０％だけ高い保磁力Ｈ_ｃを有し、この保磁力はＮｄＦｅＢの保磁力に匹敵する。従って、場合によっては永久磁石材料を冷却することも考慮の対象となる。
【００５２】
前述した合金ＮｄＦｅＢおよびＳｍＣｏは、一般に粉末から粉末冶金で製作され、特にプレスされ、それに次いで焼きなましするか、ホットプレスするか、または焼結される。例えば「Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．４６（８），１５　Ａｐｒｉｌ　１９８５，７９０頁および７９１頁、ならびにＡｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．５３（４）　２５　Ｊｕｌｙ　１９８８，３４２頁および３４３頁」に記載されている製造方法を、永久磁石の製造に利用することができる。
【００５３】
こうして製作された永久磁石部材６ａ〜６ｆの成形体は脆く、磁気軸受の高い磁場や、軸受に作用する遠心力といった大きい力の作用を受けると、特に材料疲労や連続負荷に基づいて、磁石粒子やそれよりも大きい破片さえ放出することがある。永久磁石の脆弱さの問題は、磁気軸受２の温度が低いことによっていっそう深刻となる。永久磁石材料６ａ〜６ｆから分離した磁石粒子や、これよりも大きい破片が軸受間隙１０に達し、そこで全面機能停止にまで至る甚大な損傷を生じる。
【００５４】
これを防止するために、本発明では永久磁石部材６ａ〜６ｆのために半径方向保持装置が設けられ、この保持装置が、回転軸線Ａに関して半径方向で、永久磁石部材６ａ〜６ｆを束ねている。このとき特にクリティカルなのは、永久磁石部材６ａ〜６ｆの軸受間隙１０側の領域または面である。そのために半径方向保持装置は、柔軟な保持部材または形状安定的な保持部材を含んでいてよい。
【００５５】
図１では、環状の永久磁石部材６ａ〜６ｆの各々は、１つまたは複数の層のそれぞれ付設の保持部材９ａ〜９ｆを巻きつけられ、もしくはそれで包み込まれている。各保持部材９ａ〜９ｆは、引裂きや引張に強い材料からなる柔軟なテープ（保持テープ）の形態で構成されるのが好ましい。
【００５６】
保持部材（保持テープ）９ａ〜９ｆの材料としては繊維複合材料、純粋な繊維材料、またはその他の安定的なバンデージ材料、例えば金属や合金などが好都合である。繊維複合材料としては、特に、繊維（特に炭素繊維および／またはガラス繊維）で強化されたプラスチックまたは合成樹脂を使用することができる。繊維材料としては、繊維、好ましくは人造繊維、ガラス繊維または鉱物繊維、特にアラミド、ケブラー、ホウ素、またはこれに類似する材料からなる、織物材料、編物材料または圧縮材料が用いられ、いずれの場合でも繊維は一方向に延びていても、互いに角度をなして延びていてもよい。繊維複合材料または繊維材料は、熱応力差を補償するために、特に初期応力をかけられていてよい。
【００５７】
各保持部材９ａ〜９ｆは、全周にわたって閉じられた保持を得るために、永久磁石部材９ａ〜９ｆの回りで予め定められた引張応力で引っ張られ、特に一端部または両端部で相互に結合されている。
【００５８】
永久磁石部材６ａ〜６ｆおよび半径方向にその外側に配置された保持部材９ａ〜９ｆの半径方向の厚み（延び）は、一般に、永久磁石部材６ａ〜６ｆの半径方向の厚みと保持部材９ａ〜９ｆの半径方向の厚みとの合計が、強磁性部材８ａ〜８ｆの半径方向の厚み（延び）と実質的に一致するかもしくはこれよりも小さくなるように選定され、この場合の半径方向の厚みは、回転軸線側の内面と、回転軸線とは反対側の外面との間の間隔として測定したものである。それにより、軸受内側部品５の軸受間隙１０側の外側では、一方の強磁性部材８ａ〜８ｆの表面と、他方の保持部材９ａ〜９ｆとによって、ほぼ円筒状の統一的な表面が形成される。さらに保持部材９ａ〜９ｆは、永久磁石部材８ａ〜８ｇのうちのそれぞれ２つによって、軸線方向への滑りが側方で防止されている。
【００５９】
強磁性部材８ａ〜８ｇに比べて半径方向内側に向かって外側を低くされた（半径方向に低くなっている）永久磁石部材６ａ〜６ｆと、それぞれこれに付設された保持部材９ａ〜９ｆとを備えるこのような構成は、保持部材９ａ〜９ｆを備える半径方向保持装置（バンデージ）によって軸受力がわずかしか低下しないという利点がある。つまり軸受２の支持力は、主として磁束密度と磁束密度勾配とが高い領域で、強磁性部材８ａ〜８ｇの半径方向外部で生成される。しかし永久磁石部材６ａ〜６ｆにのみ設けられた保持部材９ａ〜９ｆは、この強磁性部材９ａから９ｇの内部および表面の磁束にはわずかしか影響しない。
【００６０】
保持部材９ａ〜９ｆの半径方向の厚みは、軸受支持力を大幅に低下させないために、一般に、付設の永久磁石部材６ａ〜６ｆの半径方向の厚みよりも明らかに小さく、一般に、永久磁石部材６ａ〜６ｆの半径方向の厚みの多くとも３３，３％、特に多くとも２５％、好ましくは多くとも１０％である。保持部材９ａ〜９ｆの半径方向の厚みは、軸受間隙１０の間隙幅ｗよりも小さいのが好ましい。保持部材９ａ〜９ｆの半径方向の厚みの値は、一般には０，１ｍｍ〜４ｍｍの範囲に選定され、特に０，２ｍｍ〜３ｍｍの範囲、好ましくは０，３ｍｍ〜１ｍｍの範囲に選定される。
【００６１】
永久磁石部材６ａ〜６ｆの軸線方向の厚み（長さ）ｄ１は、保持部材９ａ〜９ｆの軸線方向の厚み（幅）に対応しているので、永久磁石部材６ａ〜６ｆは、軸受間隙１０側の外側では保持部材９ａ〜９ｆによって全面的に覆われ、粒子を軸受間隙１０に放出することができない。典型的な場合、永久磁石部材６ａ〜６ｆの軸線方向の厚みｄ１、および保持部材９ａ〜９ｆの軸線方向の厚み（幅）は、約０，５ｍｍ〜約５ｍｍの範囲内、特に１ｍｍ〜４ｍｍの範囲内にある。
【００６２】
テープ状の保持部材９ａ〜９ｆによる上述したバンデージによって、脆い材料からなる永久磁石部材６ａ〜６ｆが、軸受間隙１０に対して有効的に密封され、磁石粒子を軸受間隙１０に放出することがなくなるので、回転軸４が高速回転していて、その際に高い遠心力が発生しているときでさえ、軸受２が有効的に保護される。
【００６３】
永久磁石部材６ａ〜６ｆの間に配置された強磁性部材８ａから８ｅ、ならびに、外側の永久磁石部材６ａ〜６ｆにその軸線方向外側へ配置された別の強磁性部材８ｆおよび８ｇは、図１に示す実施例ではバンデージを有しておらず、つまり外側に保持部材を有していない。すなわち強磁性部材８ａ〜８ｇは、通例、力が高いときでも永久磁石部材６ａ〜６ｆよりも安定しているので、破断や個々の粒子の分離に対する保護を省略することができる。
【００６４】
図２では、永久磁石部材６ａ〜６ｆのためにのみ設けられた保持部材９ａ〜９ｆに追加して、保持部材９ａ〜９ｆを備える永久磁石部材６ａ〜６ｆを保護するだけでなく、強磁性部材８ａ〜８ｇも保護するために、軸受内部部品５全体にわたってその外側に延びる保持部材（保持テープ）９が設けられている。保持部材９による外側バンデージは、軸受２の支持力を大きく低下させないために、できるだけ薄いのが望ましい。従って保持部材９の半径方向の厚みは、保持部材９ａ〜９ｆの半径方向の厚みを上回らないのが望ましい。
【００６５】
図１および図２に示す実施例の変形として、個々の永久磁石部材６ａ〜６ｆのバンデージが、これらの永久磁石部材を内側でも包囲するように設けられていてもよい。この実施例では、永久磁石部材６ａ〜６ｆが全体的にテープに巻き込まれ、通常、その後に初めて軸受内側部品５に組み付けられる。
【００６６】
柔軟な保持テープを用いたバンデージの代わりに、半径方向保持装置が、永久磁石部材６ａ〜６ｆの形状安定な密封または外装を含んでいてもよい。例えば、外部から押し込まれたまたは載置された中空円筒状または環状の保持体を用いることができ、あるいは各部材を外装に埋設したり、押出成形や注型によって外装で被覆することができる。
【００６７】
さらに図１または図２からわかるように、超伝導材料は構造物１２の外側で、支持体１３にある冷却通路１４を介して、外部の貯蔵容器から液体窒素（ＬＮ_２）によって冷却される。
【００６８】
磁気軸受２は、軸受内側部品５の領域の範囲外に、超伝導材料が作動温度を超えている間、軸受力を停止時に受けとめる下降可能な保持・センタリング装置１５を有している。この保持・センタリング装置１５は、軸受内側部品５が上側の頂点のところで超伝導構造物１２にほぼ接するまでまたは完全に接するまで、回転軸４を持ち上げる。それと同時に軸受位置が軸線方向と横方向とでセンタリングされる。このセンタリングは、図１からわかるように、例えば回転軸４にある溝１７と、保持・センタリング装置１５にある刃状の支え部１８とによって行うことができる。冷却の後に保持・センタリング装置１５は回転軸４を降下させる。それと結びついた超伝導材料内の磁場変化の結果、超伝導材料に電流が誘導される。こうして軸受内側部品５とこれを包囲する軸受外側部品１１（ステータ）との間に次第に増えていく電磁力が発生し、この電磁力は、軸受内側部品５と回転軸４とが軸受間隙１０のほぼ中央で浮遊するようになるまで、運動方向と逆向きに作用する。このとき下側の軸受領域では磁力が反発するように作用し、一方上側の軸受領域では吸引力が加算される。このような支承により、最大１０バールの軸受圧力と、半径方向および軸線方向のロータの変位に対する支承部の顕著な剛性とが実現される。
【００６９】
図１および図２に示す実施例の別案として、図示しない実施例では、磁気軸受は中空円筒セグメントの形態で構成することができ、回転軸線Ａの周りの円周方向に相並んで配置されかつ円周方向に見て交互の極性をもつ永久磁石部材とその間を延びる強磁性部材とを有していることができる。これらの部材は、軸平行な条帯の形状で回転軸４の回りで組み合わされて１つの中空円筒形状をなしている。このような支承部は、ラジアル軸受として作用すると同時に無接触式の磁気結合として作用し、すなわち、同時に軸線方向のトルクを伝えることもできる。一例として、駆動側にこのような軸受を備えるとともに反対側に上に説明したようなラジアル軸受を備え、完全に無接触式にステータの内部で回転する、超伝導巻線を備える回転子が可能となる。
【００７０】
図１および図２に示す本発明の軸受２ないしは２０の実施例では、高温の回転する（内側の）軸受部品が、ステータとしての静止した低温の（外側の）軸受部品によってそれぞれ包囲されることを前提としている。しかしながら、低温の軸受部品を高Ｔ_ｃ超伝導材料とともに回転させ、永久磁石材料を備える高温の軸受部品をステータとして構成することも同様に可能である。この実施例では、非磁性材料からなるロータ回転軸４は、同時に、少なくとも１つの、特に中央の冷媒通路を有していてよい。低温のロータ本体を備えるこのような支承部は、高Ｔ_ｃ超伝導材料からなる巻線を備える発電機やモータの回転子の一部であるのが好ましく、この場合には回転軸も比較的低い温度になる。無接触式なので、回転軸を介しての熱伝導は不要である。
【００７１】
本発明によるバンデージまたは保持は、永久磁石と相互作用をする結合手段としての超伝導体を備える磁気軸受だけに限定されず、結合手段として電磁石や永久磁石を備える従来式の磁気軸受でも適用可能であり、特に、冒頭に述べた刊行物から公知となっている磁気軸受で適用可能である。さらに、脆い永久磁石のための本発明による保持装置は、原則として、回転しない磁気軸受または回転するだけでない磁気軸受でも考えることができ、例えば並進運動をするための直線磁気軸受でも考えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
軸線方向に配置された永久磁石のための個別バンデージを備える磁気軸受を示す部分破断斜視図
【図２】
軸線方向に配置された永久磁石のための個別バンデージと共通バンデージとを備える磁気軸受を示す部分破断斜視図
【符号の説明】
２　　　　磁気軸受
３　　　　回転体
４　　　　回転軸
５　　　　軸受内側部品
６ａ〜６ｆ　永久磁石部材
８ａ〜８ｅ　強磁性部材、中間部材
８ｆ，８ｇ　強磁性部材
９ａ〜９ｆ　保持部材
１０　　　　軸受間隙
１１　　　　軸受外側部品

Claims

ａ）少なくとも１つの内側の軸受部品（５）と、
ｂ）この内側の軸受部品を包囲する少なくとも１つの外側の軸受部品（１１）と、
ｃ）少なくとも１つの永久磁石（６ａ〜６ｆ）、および、両軸受部品の一方に設けられた１つまたは複数の永久磁石の磁束を導くための、回転軸線（Ａ）に対して軸線方向に１つまたは複数の永久磁石と並んで配置された少なくとも１つの磁束ガイド部材（８ａ〜８ｅ）と、
ｄ）両軸受部品の他方に設けられた少なくとも１つの結合手段（１２、３２）とを備え、
ｅ）１つまたは複数の永久磁石と結合手段とが、内側の軸受部品と外側の軸受部品との間に回転軸線の周りを延びる軸受間隙（１０）が形成可能であるようにまたは形成されるように、互いに相互作用し、
ｆ）両軸受部品が回転軸線を中心として相互に回転可能でありまたは回転し、
ｇ）１つまたは複数の永久磁石が、回転軸線に対して垂直に向いた半径方向において軸受間隙へ向かって１つまたは複数の磁束ガイド部材に比べて半径方向に低くされ、
ｈ）各永久磁石が、少なくとも軸受間隙側の面で半径方向保持部材（９ａ〜９ｆ）によって半径方向に保持されている磁気軸受。
各半径方向保持部材が少なくとも部分領域で噛み合い結合および／または摩擦結合により付設の永久磁石に当接している請求項１記載の磁気軸受。
少なくとも１つの永久磁石が内側の軸受部品に設けられ、内側の軸受部品が回転可能でありまたは回転している請求項１又は２記載の磁気軸受。
各半径方向保持部材が回転軸線を１つまたは複数の層で周回している請求項１乃至３の１つに記載の磁気軸受。
少なくとも１つの半径方向保持部材が少なくとも部分的に柔軟な材料で構成されている請求項１乃至４の１つに記載の磁気軸受。
少なくとも１つの半径方向保持部材が少なくとも部分的に形状安定な材料で構成されまたは成形体として構成されている請求項１乃至５の１つに記載の磁気軸受。
各半径方向保持部材が非磁性材料で構成されている請求項１乃至６の１つに記載の磁気軸受。
各半径方向保持部材が少なくとも部分的に繊維材料、特に繊維織物、繊維編物、繊維堆積物または圧縮した繊維材料で構成され、または、繊維複合材料、特に炭素繊維、ガラス繊維、鉱物繊維で強化されたポリマー材料でできている請求項１乃至７の１つに記載の磁気軸受。
永久磁石に付設された個々の保持部材（９ａ〜９ｆ）と磁束ガイド部材とにわたって延びる共通の半径方向保持部材（９）が設けられている請求項１乃至８の１つに記載の磁気軸受。
少なくとも１つの半径方向保持部材が保持テープで構成されている請求項１乃至９の１つに記載の磁気軸受。
回転軸線に対して軸線方向に相前後して配置された複数の永久磁石が設けられ、これらの永久磁石（６ａ〜６ｆ）の少なくとも２つの間にそれぞれ磁束ガイド部材（８ａから８ｅ）が配置され、この磁束ガイド部材が両永久磁石間の中間スペース全体を充填している請求項１乃至１０の１つに記載の磁気軸受。
回転軸線に対して軸線方向に見て、もっとも外側の永久磁石（６ａ、６ｅ）の外側にそれぞれ磁束ガイド部材（８ｆ、８ｇ）が配置されている請求項１１記載の磁気軸受。
直接隣接する永久磁石が互いに実質的に反対方向に磁気極性を有している請求項１１又は１２記載の磁気軸受。
各半径方向保持部材の半径方向の延びが、同じ半径方向に永久磁石から測定したとき、永久磁石の半径方向の延びよりも一般に少なくとも３倍短く、特に少なくとも４倍、好ましくは少なくとも１０倍短い請求項１乃至１３の１つに記載の磁気軸受。
各半径方向保持部材の半径方向の延びが、対応する半径方向に永久磁石から測定したとき、軸受間隙の半径方向寸法（ｗ）よりも短い請求項１乃至１４の１つに記載の磁気軸受。
各半径方向保持部材の半径方向の延びが、少なくとも１つの磁束ガイド部材の半径方向の延びと、少なくとも１つの永久磁石の半径方向の延びとの差異よりも短いかまたはこれと等しい請求項１乃至１５の１つに記載の磁気軸受。
１つまたは複数の磁束ガイド部材および１つまたは複数の保持部材のそれぞれ軸受間隙側の面に、ほぼ円筒状の共通表面が形成されている請求項１６記載の磁気軸受。
共通の半径方向保持部材の半径方向の延びが、個々の各保持部材の半径方向の延びよりも短い請求項９乃至１７の１つに記載の磁気軸受。
１つまたは複数の永久磁石が脆い材料で構成され、特に粉末冶金で製作された、好ましくは焼結またはプレスされた成形体で構成され、もしくはまったく形状安定的でなく、特に磁性粉末で形成されている請求項１乃至１８の１つに記載の磁気軸受。
各永久磁石が少なくともほぼエネルギー積の高い材料で構成され、好ましくはネオジム（Ｎｄ）−鉄（Ｆｅ）−ホウ素（Ｂ）合金またはサマリウム（Ｓｍ）−コバルト（Ｃｏ）合金で構成されている請求項１乃至１９の１つに記載の磁気軸受。
各永久磁石および／または各磁束ガイド部材および／または各保持部材および／または結合手段が回転軸線を全周にわたって閉じた形で、特にリングまたは中空円筒の形で包囲している請求項１乃至２０の１つに記載の磁気軸受。
少なくとも１つの永久磁石および／またはこれに付設された半径方向保持部材のそれぞれ軸受間隙側の面が、少なくとも部分的に実質的に円筒状に形成されている請求項１乃至２１の１つに記載の磁気軸受。
１つまたは複数の結合手段がそれぞれ超伝導構造物、特に高温超伝導体で構成されている請求項１乃至２２の１つに記載の磁気軸受。