JP2016509654A - 磁気軸受およびこのような軸受を備えた回転機 - Google Patents

Abstract

本発明は、ロータ４を有する回転機用の磁気軸受１に関するものである。磁気軸受１は、固定支持装置９に固定されたステータ磁気回路５を備え、このステータ磁気回路５は、少なくとも１つのコイル６および保護環状支持体８に配置された強磁性体７を備え、保護環状支持体８は、強磁性体７の表面と少なくとも１つのコイル６の表面を覆われていない状態にしている。また、軸受１は、保護環状支持体８によって覆われていない状態の少なくとも１つのコイル６の表面に配置された少なくとも１つの環状プラグ１３を備え、この環状プラグ１３および保護環状支持体８によって覆われていない状態の強磁性体７の表面は、保護層１７によってコーティングされている。【選択図】図１

Description

本開示の実施形態は、一般に、ロータを有する回転機用の磁気軸受に関するものである。具体的には、実施形態は、ロータおよび軸受が、使用時に、例えば気体雰囲気で、腐食剤、酸、または担持粒子である流体に接触している、回転機用の磁気軸受に関するものである。いくつかの例示的な実施形態は、特にこのような磁気軸受を備えた回転機に関するものである。

回転機に磁気軸受を使用することは、特に腐食性流体の場合に、ますます普及してきている。軸受が動作する機械の作動液が、酸、または腐食剤あるいは担持粒子のいずれかである場合には、腐食防止保護技術を用いて、磁気軸受のコイルを保護することおよび関連する手段が必須である。このような技術の一例は、軸受のステータ部分が、酸化または腐食しない材料からなる金属ジャケットによって保護される被覆した軸受であり、一般に、環境の攻撃性に関連する現象は生じない。

ジャケットは、少なくとも１つのコイルと強磁性体からなるステータ磁気回路が配置されている環状支持体に溶接された板の形態であってもよい。環状支持体を、磁性ステンレス鋼のようなステンレス材料で作製することができる。閉塞板のジャケットを、環状支持体と同じ材料から作製することができ、または、例えばニッケル基合金のような異なる金属材料から作製することができる。

操作条件（圧力、圧力の速い変動、温度、腐食や摩耗に耐える能力）に耐えるために、ジャケットは、一般的に０．３〜１ｍｍ以上の範囲の厚さ、例えば、磁気軸受のエアギャップ（ステータ磁気回路と軸受のロータ電機子との間の距離である）と同様の、０．３〜０．５ｍｍの範囲の厚さで存在する。非磁性材料から成るこのようなジャケットの存在が、したがって、軸受のエアギャップの厚さを厚くすることになり、この軸受から得られる負荷に重要な制限をもたらす。さらに、いかなる状態であっても、ジャケットと磁気軸受のロータ電機子との間の接触の欠如を全く確実にしない。

したがって、ジャケットの厚さを薄くすること、およびジャケットを微細な金属シートで構成することが望ましい。これにもかかわらず、腐食に対してのステータ磁気回路の保護を確実にし、動作時に同一の形状および寸法を維持するために、高い機械的特性および腐食防止性を有する特定の材料の使用が必要とされる。

さらに、ジャケットの製造では、溶接および最終的な再加工の後に、ジャケットの正確な厚さ、ひいては軸受の実際のエアギャップを確認することができない。

欧州特許出願公開第２１８２２３０号明細書

本発明の目的は、軸受を被覆する原理の利点を維持しながら、上記の課題を改善することである。特に、本発明の一目的は、構築することがより簡単で、より高い負荷容量を有する磁気軸受を提供することである。

例示的な実施形態における第１の実施態様によれば、ロータを有する回転機用の磁気軸受は、固定支持装置に固定されたステータ磁気回路を備えている。ステータ磁気回路は、保護環状支持体に配置された少なくとも１個のコイルおよび強磁性体を備え、この保護環状支持体は、強磁性体の表面および少なくとも１つのコイルの表面を覆われていない状態にしておく。また、軸受は、保護環状支持体によって覆われていない状態の少なくとも１つのコイルの表面に配置された少なくとも１つの環状プラグを含むことができ、この環状プラグと保護環状支持体によって覆われていない状態の強磁性体の表面が、保護層によりコーティングされている。

この保護層のおかげで、プラグの材料を、その磁気特性および機械的特性のために選択することができるが、腐食に対する特性は、もはや関連しない。プラグの材料とステータ磁気回路の材料は、腐食に対して保護層によって保護される。特に、保護層は、炭素および低合金鋼上での湿潤ＣＯ₂の腐食損傷を回避し、ステンレス鋼上での塩化物の孔食損傷を回避する。そして、プラグ用に（所望の磁気特性および機械的特性を有する）これらの材料を選択することができる。さらに、プラグの材料が強磁性材料である場合には、もはやコイルを保護するために薄いプラグを有する必要はなく、プラグは標準的なジャケットよりも大きな厚さを有することができ、これにより、機械的特性に関する材料の要件および使用中のプラグの変形が低減されて、軸受の耐用年数を延ばすことおよびエアギャップを小さくすることにつながる。

したがって、ジャケットの欠如とエアギャップの低減により、本発明の磁気軸受の能力が高くなる。さらに、保護層を容易に改装することができるため、メンテナンス工程中に、軸受の保守性を向上させ容易にすることができる。その上、保護層は、標準的なジャケットよりも安価である。

いくつかの実施形態では、保護層は、ニッケルの層を含むことができる。

このニッケルの層を無電解ニッケルめっきによって形成することができる。

このニッケルの層は、ニッケルとリンを含むことができる。

いくつかの実施形態では、環状プラグは、強磁性材料、磁性ステンレス鋼、およびニッケル基合金のグループ内の選択された磁性材料を含むことができる。

一実施形態によれば、軸受は、アキシャル磁気軸受である。軸受は、ロータに固定された円盤状のロータ電機子を含んでもよく、ステータ磁気回路は、このロータ電機子に対向していてもよい。

ロータおよびロータ電機子は、使用時に、例えば気体雰囲気で、腐食剤、酸、または担持粒子である流体に接触していてもよい。

いくつかの実施形態では、環状プラグは、例えば低温ろう付けによって、少なくとも１つのコイルにろう付けされている。

いくつかの実施形態では、環状プラグは、半径方向ウェブと２軸方向のフランジを備えたＵ字部を有していてもよい。

さらなる実施態様によれば、例えばターボ機械である回転機は、前述のようなロータおよび軸受を含むことができる。

さらなる実施態様によれば、前述のような軸受を製造する方法が、ａ）少なくとも１つの環状プラグを少なくとも１つのコイルおよび／または強磁性体に溶接するステップ、およびｂ）少なくとも１つの環状プラグと保護環状支持体によって覆われていない状態の強磁性体の表面を保護層でコーティングするステップを含むことができる。

いくつかの実施形態では、この方法はまた、ステップａ）とステップｂ）との間に、平坦な表面を得るために、少なくとも１つの環状プラグと保護環状支持体によって覆われていない状態の強磁性体の表面を再加工するステップを含むことができる。

使用される他の特性は、非限定的な例として与えられる本発明の特定の実施形態の以下の説明を読むことおよび添付図面を参照して現れる。

図２のＩ−Ｉ線の軸方向断面図であり、例示的な実施形態に係る磁気軸受を示している。 図１のＩＩ−ＩＩ線の径方向断面図である。

例示的な実施形態の以下の詳細な説明は、添付の図面を参照する。異なる図面における同じ参照符号は、同じまたは同様の要素を特定する。加えて、図面は必ずしも縮尺通りに描かれていない。

図１および図２は、本発明のアキシャル磁気軸受１の例示的な実施形態を示し、回転機である。磁気軸受１は、ステータ電機子２と回転機の回転軸４に固定された円盤状のロータ電機子３とを備えている。

ステータ電機子２は、従来の方法では、１つまたは複数の環状コイル６と強磁性体７を含むステータ磁気回路５を備えている。強磁性体７は、塊状であってもよいし、局所的に積層してもよい。ステータ磁気回路５は、それ自体が固定支持装置９に固定されている金属の保護環状支持体８内に配置されている。

ステータ磁気回路５は、ロータ電機子３に対向して配置されている。ステータ磁気回路５とその保護環状支持体８は、ロータ電機子３に対してエアギャップΔを画成している。いくつかの実施形態では、エアギャップΔは、０．４ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲とすることができ、好ましくは０．４ｍｍ〜１．２ｍｍの範囲である。

ステータ磁気回路５の保護環状支持体８は、半径方向ウェブ１０と内側軸方向のフランジ１１および外側軸方向のフランジ１２を備えたＵ字部を有している。回転軸４の軸線の方向に沿ったフランジ１１およびフランジ１２の長さは、少なくともステータ磁気回路５の強磁性体７の高さに等しい。したがって、保護環状支持体８は、強磁性体７の表面、具体的には電機子３に対向する強磁性体７の表面、および１つまたは複数の環状コイル６の表面、具体的にはロータ電機子３に対向する１つまたは複数の環状コイル６の表面を、覆われていない状態にする。

また、磁気軸受１は、１つまたは複数の環状プラグ１３を備えている。環状プラグ１３は、半径方向ウェブ１４と内側軸方向のフランジ１５および外側軸方向のフランジ１６を備えたＵ字部を有している。環状プラグ１３は、このフランジ１５およびフランジ１６によって強磁性体７に溶接されている。また、環状プラグ１３は、低温ろう付け材料を用いてコイル６にろう付けされていてもよい。環状プラグ１３は、保護環状支持体８によって覆われていない状態の１つまたは複数のコイル６の表面に配置されている。

環状プラグ１３は、例えば磁性ステンレス鋼である磁性材料、インコネル（登録商標）のようなニッケル基合金、または好ましくは炭素および低合金鋼のような強磁性材料を含むことができる。特に、腐食に対して保護されるように、プラグが保護層によってコーティングされているため、腐食に対して高い特性を有する材料を使用する必要がなく、プラグ１３の材料は、その磁気特性およびその機械的特性に応じて選択される。

さらに、平坦性を向上させた表面を得るために、保護環状支持体８によって覆われていない状態の強磁性体７の表面と環状プラグ１３の半径方向ウェブ１４の外面を再加工することができるため、環状プラグ１３は、加圧下で環状プラグ１３の任意の変形を避けるために、保護環状支持体８の１つと同等かまたはこれより大きい厚さを有していてもよい。

また、磁気軸受１は、保護層１７を備えている。保護層１７の目的は、腐食に対してステータ磁気回路５を保護することである。保護層１７は、保護環状支持体８によって覆われていない状態の強磁性体７の表面と、環状プラグ１３のウェブ１４の外面に存在している。すなわち、保護層１７は、ロータ電機子３に対向するステータ電機子２の表面を覆っている。また、保護層１７は、保護環状支持体８のフランジ１１、１２の外面を覆ってもよい。

いくつかの実施形態では、保護層１７の厚さは１ｎｍ〜１ｍｍの範囲とすることができ、好ましくは１００ｎｍ〜１０μｍの範囲である。

いくつかの実施形態では、保護層１７は、ニッケルの層であってもよい。このニッケルの層を無電解ニッケルめっきによって形成することができる。このニッケルの層は、ニッケルとリンを含むことができる。

環状プラグ１３および保護層１７を用いることで、ステータ磁気回路５とロータ電機子３との間のエアギャップΔを従来の磁気軸受よりも小さく維持しながら、腐食に対してステータ磁気回路５を保護することが可能である。具体的には、環状プラグ１３が強磁性材料を含む場合、エアギャップΔは、保護層１７とロータ電機子３との間の距離と保護層１７の厚さとの和である。

さらに、環状プラグ１３の半径方向ウェブの表面と共に強磁性体７の表面を再加工すること、および保護層によってコーティングすることより、ロータ電機子３に対向する平坦性の高い表面を得て、エアギャップを小さくすることができる。

以上の説明は、アキシャル型の磁気軸受を参照して説明されている。ただし、ラジアル型の磁気軸受に、またはラジアル軸受とアキシャル軸受の機能を組み合わせた円錐型の磁気軸受に、同様に適用することができる。

１ 磁気軸受
２ ステータ電機子
３ ロータ電機子
４ ロータ、回転軸
５ ステータ磁気回路
６ コイル
７ 強磁性体
８ 保護環状支持体
９ 固定支持装置
１０ 半径方向ウェブ
１１ フランジ
１２ フランジ
１３ 環状プラグ
１４ 半径方向ウェブ
１５ フランジ
１６ フランジ
１７ 保護層

Claims (13)

1. ロータ（４）有する回転機用の磁気軸受（１）であって、
   前記軸受（１）が、固定支持装置（９）に固定されたステータ磁気回路（５）を備え、前記ステータ磁気回路（５）が、少なくとも１つのコイル（６）および保護環状支持体（８）に配置された強磁性体（７）を備え、前記保護環状支持体（８）が、前記強磁性体（７）の表面と前記少なくとも１つのコイル（６）の表面を覆われていない状態にしており、
   前記軸受（１）が、前記保護環状支持体（８）によって覆われていない状態の前記少なくとも１つのコイル（６）の前記表面に配置された少なくとも１つの環状プラグ（１３）を備えていること、ならびに前記環状プラグ（１３）および前記保護環状支持体（８）によって覆われていない状態の前記強磁性体（７）の前記表面が、保護層（１７）でコーティングされていることを特徴とする、軸受（１）。
2. 前記保護層（１７）がニッケルの層を含む、請求項１に記載の軸受（１）。
3. 前記ニッケルの層が、無電解ニッケルめっきにより形成されている、請求項２に記載の軸受（１）。
4. 前記ニッケルの層が、ニッケルとリンを含む、請求項２または３に記載の軸受（１）。
5. 前記環状プラグ（１３）が、強磁性材料、磁性ステンレス鋼、およびニッケル基合金のグループ内の選択された磁性材料を含む、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の軸受（１）。
6. 前記軸受（１）が、アキシャル磁気軸受である、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の軸受（１）。
7. 前記軸受（１）が、前記ロータ（４）に固定された円盤状のロータ電機子（３）を備え、前記ステータ磁気回路（５）が、前記ロータ電機子（３）に対向している、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の軸受（１）。
8. 前記ロータ（４）と前記ロータ電機子（３）が、使用時に、例えば気体雰囲気で、腐食剤、酸、または担持粒子である流体に接触している、請求項７に記載の軸受（１）。
9. 前記環状プラグ（１３）が、例えば低温ろう付けによって、前記少なくとも１つのコイル（６）にろう付けされている、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の軸受（１）。
10. 前記環状プラグ（１３）が、半径方向ウェブ（１４）と２軸方向フランジ（１５，１６）を備えたＵ字部を有する、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の軸受（１）。
11. ロータ（４）および請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の軸受（１）を備えている、例えばターボ機械である回転機。
12. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の軸受（１）を製造する方法であって、
    ａ）前記少なくとも１つの環状プラグ（１３）を前記少なくとも１つのコイル（６）および／または前記強磁性体（７）に溶接するステップと、
    ｂ）前記少なくとも１つの環状プラグ（１３）と前記保護環状支持体（８）によって覆われていない状態の前記強磁性体（７）の前記表面を前記保護層（１７）でコーティングするステップと
    を含む方法。
13. 前記方法が、前記ステップａ）と前記ステップｂ）との間に、平坦な表面を得るために、前記少なくとも１つの環状プラグ（１３）と前記保護環状支持体（８）によって覆われていない状態の前記強磁性体（７）の前記表面を再加工するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。