JP2019535977A - シャフトの低速回転制御のためのスラスト能動型磁気軸受 - Google Patents

Abstract

誘導機と一体化されたスラスト磁気軸受、並びにロータ及び他の回転部品の低速回転制御のためにそれを使用する方法が提供されている。ロータはシャフト及びスラスト軸受ディスクを含むことができる。スラスト磁気軸受は、スラスト軸受ディスクに軸方向に隣接して配置されたスラスト軸受ステータを含むことができ、それらはスラスト軸受ディスクに軸方向の磁力を適用するように構成されることができる。誘導機は所定の回転方向でトルクをスラスト軸受ディスクに適用するようにする回転磁界を形成するように構成されることができる。一態様では、誘導機はスラスト軸受ディスクの円周に隣接して配置されたラジアルステータ、及び２つ以上の円周方向にオフセットした巻線を含むことができる。別の態様では、誘導機は、２つ以上の円周方向にオフセットした巻線をスラスト軸受ステータ上に位置決めすることができる。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、「一体型スラスト能動型磁気軸受」と題する２０１６年１１月１７日に出願された米国仮特許出願第６２／４２３，３８１号の利益を主張する。

ターボ機械は連続的に移動流体との間でエネルギーを伝達させる装置である。ターボ機械の一例はタービンであり、これは回転可能なシャフト、及びシャフトに取り付けられた外向きに延びるブレードを有するロータを含むことができる。移動流体（例えば空気）はロータブレードを押すことができ、運動エネルギーをロータブレードに伝達し、ロータを回転させる。ロータに伝達された運動エネルギーは、推進力や発電などの用途に使用され得る。

ターボ機械の運転中、ロータは非常に高速で回転することができる。シャフトがその長さに沿って直線状（例えば水平）に留まるように設計され得る一方で、いくつかのターボ機械（例えば蒸気タービン、大型圧縮機、ガスタービン、等）は始動前または始動中、もしくはシャットダウン中に湾曲することがある。一例として、ロータの重量によって始動前の静止時に湾曲が生じ得る。これに加えてまたはこれに代わって、湾曲は不均一な加熱または冷却によって始動中またはシャットダウン中にも生じ得る。シャフトが少しでも（例えば、０．０１インチ）曲がっている間にロータが高速で回転すると、ロータは偏心的に回転することがあり、振動または静止構成部品との摩擦による損傷をもたらすことがある。

誘導機と一体化されたスラスト磁気軸受、及びロータの低速回転制御のためにそれを使用する方法が提供されている。ロータは回転可能シャフト、及びそこに装着されたケージレス非積層ロータディスクを含むことができる。スラスト磁気軸受はロータディスクの軸方向両側に隣接して配置された２つのリング状スラスト軸受ステータを含むことができる。スラスト軸受ステータはロータの軸方向位置を制御するためにスラスト軸受ディスクに軸方向磁力を適用するように構成されることができる。誘導機は、ロータの低速回転制御のためにロータディスクに衝突する回転磁界を形成するように構成されることができる。回転磁界は、ロータディスクに適用されるトルクを生じることができる。適用されるトルクの方向及び大きさを制御することによって、ロータ速度が制御され得る。

これら及び他の特徴は、添付の図面と共に以下の詳細な説明からより容易に理解されるであろう。

ロータの低速回転制御のための磁気スラスト軸受と一体化された誘導機を含む動作環境の例示的一実施形態を示す。 図１のスラスト磁気軸受及び誘導機の例示的一実施形態の側面断面図である。 図２のロータ及び誘導機のスラストディスクの正面図である。 ロータの低速回転制御のための磁気スラスト軸受と一体化された誘導機を含む動作環境の別の例示的実施形態の側面断面図である。 図４の一体型スラスト軸受及び誘導機の側面断面図である。 シャフトの低速回転制御のための方法の例示的実施形態を示すフロー図である。

図面は必ずしも原寸に比例していないことに留意されたい。図面は、本明細書に開示されている主題の典型的な態様のみを描くことを意図しており、従って本開示の範囲を限定するものと見なされるべきではない。当業者であれば、本明細書で具体的に説明し添付の図面に示したシステム、装置、及び方法は非限定的な例示的実施形態であり、本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ定義されることを理解するであろう。

タービン及び圧縮機はターボ機械の例であり、流体（例えば空気）がシャフトから延びるブレードを押すと回転することができるシャフトを有するロータを含む装置である。シャフトは他の装置に接続されることができ、シャフトの回転エネルギーを通常運転中に推進力及び／または発電などの用途のために使用されることを可能にする。ターボ機械への損傷を回避するために、始動中、通常運転前、及び／またはシャットダウン中、通常運転後に、シャフトが実質的に直線状（例えば、湾曲していない）であることを確実にすることが望ましいことがある。この目的を達成するために、シャフトの湾曲を抑制するように始動中及び／またはシャットダウン中にシャフトは低速（例えば、約０ｒｐｍ〜約１００ｒｐｍ）で回転されることがある。

低速回転は、（例えば、ロータシャフトに結合された歯付きホイールを介して）ロータシャフトと摩擦係合するターニングギアを使用して実行され得る。しかし、ターニングギアは問題となることがある。一例では、始動時にロータの重量及び摩擦を克服するのに必要な回転力（始動トルクと呼ばれる）は、オイル軸受によって支持されたターボ機械にとって比較的大きくなり得る。この大きな始動トルクを克服するために、比較的大型のターニングギアが採用され得る。しかし、大型のターニングギアは、そのサイズに適応するためにロータシャフトの延長を必要とする容積を占めることがある。このターボ機械の全体サイズの増大は、スペースが限られた環境では望ましくないことがある。別の例では、ターニングギアは不完全な係合から生じる部品排出の可能性が高いことにより、高速で回転するロータシャフトと係合するときに安全上のリスクをもたらすことがある。

従って、ターボ機械ロータなどの回転部品の低速回転制御のために改良されたシステム及び方法が提供されている。ターボ機械シャフトを磁気的に浮揚させるために磁気軸受が用いられることができ、誘導機と呼ばれる装置が磁気軸受の一部と一体化されることができる。誘導機は低速回転を制御するためにロータを磁気的に係合するように構成されることができる。磁気軸受は、実質的に摩擦のない回転を提供することができ、低速回転を開始し維持するのに必要な回転力を低減することができる。結果として、誘導機が比較的小型になることができる。さらに、シャフトとの係合が磁気によるもの（非接触）であることから、誘導機はターニングギアと比較して低い安全性リスクをもたらすことができる。

開示されたシステムの実施形態は、少なくとも１つの能動型磁気軸受及び誘導機を含み得る。能動型磁気軸受の例はスラスト磁気軸受、ラジアル磁気軸受、及びそれらの組み合わせを含み得る。ラジアル磁気軸受はロータを浮揚させて始動トルクを低減するように構成されることができる。ロータは、回転可能シャフト、及びシャフトに装着されたケージレス非積層ロータディスクを含むことができる。スラスト磁気軸受は、各々がロータディスクの軸方向に対向する側面に隣接して配置された２つのリング状スラスト軸受ステータを含むことができる。スラスト軸受ステータは、軸方向の磁力をスラスト軸受ディスクに適用させる静止軸方向磁界を形成することによってロータの軸方向位置を制御するように構成され得る。

誘導機はロータの低速回転を制御するように構成され得る。一例として、誘導機はロータディスクに衝突する回転磁界を形成することができる。ロータディスクのケージレス非積層構造によって、回転磁界はロータディスク内に渦電流を誘導することができ、そのことでロータディスクに適用されるトルクを発生させることができる。適用されるトルクの方向及び大きさを制御することによって、ロータ速度が制御され得る。

誘導機は様々な構成を採用することができる。第１の実施形態では、誘導機はロータディスクの外周に隣接して配置されたラジアルステータを含むことができる。２つ以上の多相巻線がステータに結合されることができ、それらは互いに円周方向にオフセットされることができる。第２の実施形態では、誘導機は各スラストステータに結合された２つ以上の多相巻線を含むことができ、それらは互いに円周方向にオフセットされることができる。いずれの場合も、バランスのとれた多相電流／電圧で多相巻線を励磁することにより、ロータディスクにトルクを適用するための回転磁界が形成され得る。

本明細書に記載の方法、システム、及び装置の例示的技術的効果は、非限定的な例として、ターニングギアに比較してターボ機械の改良された低速回転制御を含むことができる。一態様では、開示した実施形態による誘導機をターニングギアの代わりに使用することで、ターボ機械シャフトのスキッドを減少させシャフトの寸法を縮小することができる。別の態様では、誘導機が非接触でロータにトルクを適用することができることから、全速での回転装置の不完全な係合による安全上の問題を実質的に排除することができる。さらなる態様では、能動型磁気軸受の使用は、所定の低速回転速度を維持するために必要とされる始動トルク及び出力を大幅に低減することができる。追加的な態様では、誘導機の特定の実施形態は、磁気スラスト軸受のスラスト軸受性能（例えば、静的及び／または動的な力の性能）の劣化を実質的に回避することができる。別の態様では、誘導機の実施形態は、始動中にロータの回転速度を上げるために、または制動システムとして停止中にロータの回転速度を下げるために、スラスト軸受ディスクにトルクを適用することができる。

一体化された誘導機を有するスラスト能動型磁気軸受の実施形態、及びターボ機械の低速回転制御のための対応する使用方法が本明細書で説明されている。しかし、本開示の実施形態は他の回転部品の低速回転制御に制限なく採用され得る。

図１は、シャフト１０２、能動型磁気軸受１０４、誘導機１０６、及びコントローラ１０８を含む動作環境１００の例示的な一実施形態を示す。シャフト１０２は、長手方向軸Ｌを中心に回転するように構成されることができ、負荷（図示せず）に接続されたロータの一部であることができる。能動型磁気軸受１０４は、少なくとも１つのラジアル磁気軸受１１０、及び軸方向磁気軸受１１２またはスラスト磁気軸受１１２を含むことができる。ラジアル磁気軸受１１０は、シャフト１０２に結合されたラジアル軸受ロータ１１０ａ、及びラジアル軸受ロータ１１０ａの半径方向円周の周りに配置されたラジアル軸受ステータ１１０ｂを含むことができる。スラスト磁気軸受１１２は、スラスト軸受ディスク１１２ａ及び一対のスラスト軸受ステータ１１２ｂを含むことができる。スラスト軸受ステータ１１２ｂは、スラスト軸受ディスク１１２ａの軸方向両側に配置されることができる。図１には、明確化のために１つのスラスト軸受ステータ１１２ｂのみが示されている。

使用中、能動型磁気軸受１０４は、シャフト１０２の半径方向及び軸方向の位置を制御するように構成されることができる。ラジアル軸受ロータ１１０ａは、シャフト１０２を磁気的に浮揚させ、且つ長手方向軸Ｌに対するシャフト１０２の半径方向位置を調整するのに十分な半径方向の磁力をラジアル軸受ステータ１１０ｂに適用するように構成されることができる。スラスト軸受ステータ１１２ｂは、長手方向軸Ｌに沿ってシャフト１０２の軸方向位置を調整するためにスラスト軸受ディスク１１２ａに軸方向の磁力を適用するように構成されることができる。一例として、ラジアル軸受ステータ１１０ｂ及びスラスト軸受ステータ１１２ｂの両方がそれぞれコントローラ１０８と通信する電磁石１１４、１１６を含むことができる。ラジアル軸受ロータ１１０ａとラジアル軸受ステータ１１０ｂとの間の半径方向ギャップを測定するために半径方向位置センサ（図示せず）が用いられ得る。スラスト軸受ディスク１１２ａとスラスト軸受ステータ１１２ｂとの間の軸方向ギャップを測定するために軸方向位置センサ（図示せず）を使用することができる。これらの軸方向及び半径方向のギャップ測定値はコントローラ１０８に伝達され、コントローラ１０８は次いで電磁石１１４、１１６に供給される電流／電圧を制御することができる。このようにして、半径方向及び軸方向のギャップが（例えば、振動または他の動きによって）所定の範囲から逸脱する場合に、これらのギャップを調整するためにロータ（例えばシャフト１０２及びスラストディスク１１２ａ）に適用され得る半径方向及び軸方向の磁力を生じる磁界が形成され得る。

図１に示すように、誘導機１０６はスラスト軸受ディスク１１２ａの外周に半径方向に隣接して配置されたリング状ステータの形態であることができる。以下により詳細に説明するように、ステータはコントローラ１０８と連通する巻線１２０を含むことができる。コントローラ１０８は（例えば、スラスト軸受ディスク１１２ａの平面内に）回転磁界を形成するために巻線１２０に多相電流／電圧を供給することができる。回転磁界は、次いでスラスト軸受ディスク１１２ａにトルクが適用されるようにすることができる。巻線１２０に供給される多相電流／電圧を制御することによって、適用されるトルクの方向及び大きさを変えることができ、シャフト１０２の低速回転制御を可能にする。このようにして、誘導機１０６はターニングギアの代用として機能することができる。

能動型磁気軸受１０４及び誘導機１０６の組み合わせは、ターボ機械の用途において様々な利点を提供することができる。一態様では、ラジアル磁気軸受１１０はオイル軸受を使用するターボ機械と比較して、シャフトの始動トルク（ＢＡＴ）を大幅に低減することができる。

オイル軸受で支持されているターボ機械シャフトのＢＡＴは、ロータ重量、オイル軸受の直径、等価摩擦係数、及び／またはカップリングプレストレッチなどの因子に直接関連付けられ得る。ロータの重量（トレイン動力）が増加すると、ＢＡＴが大きなものになることがあり、ＢＡＴを克服するのに十分なトルクを供給するために比較的大きなターニングギアが必要となることがある。場合によっては、ＢＡＴを低下させて、軸受スライド面を低い始動速度（例えば、約１００ｒｐｍ未満）での潤滑限界による早期磨耗から保護するために、追加のジャッキオイル装置（例えば、油圧リフトシステム）も必要となり得る。

対照的に、ラジアル磁気軸受１１０はシャフト１０２を磁気的に浮揚させ、非接触支持を提供することができる。その結果、シャフト１０２のＢＡＴはほぼゼロとなることができ、ロータと周囲の流体環境との間の摩擦及びシャフト１０２の慣性により生じる可能性がある風損トルクを上回るトルクを適用するために比較的小型の誘導機１０６が使用されることができる。誘導機１０６はまた、所望の低速回転速度を維持するのに十分なトルクを適用するように構成されることができる。

オイル軸受及び能動型磁気軸受に必要なＢＡＴ推定値は、コンピュータシミュレーションによって計算されており、ターニングシステムの要件は下表にまとめられている。シミュレーションは代表的なマルチメガワット級のモータ圧縮機の用途に対して行われ、そこでは静止時に圧縮機が湾曲を経験することがあり、圧縮機はこの湾曲を軽減するために始動時に低速回転を採用することがある。シミュレーションのための低速回転速度は５０ｒｐｍであると仮定され、抵抗風損トルクはｋ＊（速度）２に従って計算される。

シミュレーションは、オイル軸受用の計算されたＢＡＴが１１１１Ｎｍである一方で、磁気軸受用のＢＡＴは磁気的浮揚のための始動摩擦がないことから概ねゼロであることを示している。回転速度が５０ｒｐｍに達すると、オイル軸受条件に対してこの速度を維持するための計算された電力は約５５００Ｗである一方で、磁気軸受条件に対しては約５０Ｗが必要とされる。これらのシミュレーションから、能動型磁気軸受１０４を使用してシャフト１０２を回転させるのに必要とされるトルク及び電力は、オイル軸受に必要とされるトルク及び電力の１％程度であることが見て取れる。

図２は、ラジアル磁束誘導機２０２と一体化されたスラスト磁気軸受２００の例示的実施形態を示す側面断面図である。図示するように、スラスト磁気軸受２００はスラスト軸受ディスク２０４、及び一対のスラスト軸受ステータ２０６ａ、２０６ｂを含む。スラスト軸受ディスク２０４は、強磁性材料から形成されたケージレス非積層（例えば、中実）ディスクであることができる。スラスト軸受ディスク２０４は、シャフト１０２上に装着されることができ、軸Ｐに沿ってそこから（例えば長手方向軸Ｌから）半径方向外側に延びることができる。特定の実施形態では、半径方向軸Ｐは、長手方向軸Ｌに対して実質的に直交し得る。

スラスト軸受ステータ２０６ａ、２０６ｂは、静止してスラスト軸受ディスク２０４の両側に軸方向に隣接して位置決めされるように、ハウジング（図示せず）に固定され得る。特定の実施形態では、スラスト軸受ステータ２０６ａ、２０６ｂの半径方向位置は、長手方向軸Ｌを中心にしてほぼ軸方向中心にあることができる。図示するように、スラスト軸受ステータ２０６ａ、２０６ｂの各々は、コントローラ１０８と電気的に連通しているコア２１０及び導電性巻線２１２を含むことができる。コア２１０は、リング状に形成されることができ、それを通ってシャフト１０２を受容するように寸法決めされた開口２１４を含むことができる。以下で論じるように、コア２１０の実施形態は積層または非積層であってもよく、磁束を帯びるように構成されることができる。コア２１０の非積層の実施形態は、軟磁性複合材料から形成されることができる。

導電性巻線２１２は、コア２１０内に形成されたチャネルに沿って延びることができる。電流／電圧が巻線２１２に供給されると（例えば、コントローラ１０８の制御下で）、スラスト軸受ステータ２０６ａ、２０６ｂの各々は電磁石として機能して磁界を形成することができる。スラスト軸受ステータ２０６ａは、スラスト軸受ディスク２０４をスラスト軸受ステータ２０６ａに向けて（例えば、図２の左に向けて）引き付けることができる第１の軸方向磁力を供給する静止（例えば、非回転）磁界を形成することができる。スラスト軸受ステータ２０６ｂは、スラスト軸受ディスク２０４をスラスト軸受ステータ２０６ｂに向けて（例えば、図２の右に向けて）引き付ける第２の軸方向磁力を供給する静止（例えば、非回転）磁界を形成することができる。第１及び第２の軸方向磁力を制御することによって、スラスト軸受ディスク２０４の軸方向位置が制御されることができ、スラスト軸受ディスク２０４とスラスト軸受ステータ２０６ａ、２０６ｂとの間の軸方向接触を阻止する。

コア２１０の実施形態は様々な構成で提供されることができる。一態様では、コア２１０は図２に示すように軸対称Ｃコア電磁石トポロジで形成されることができる。Ｃコアトポロジは、Ｅコアトポロジと同じ磁力を達成するためにアーマチャの半分の回転を必要とすることがあることから有益であり得る。図示されていない別の態様では、コア２１０は巻線２１２を保持するための軸対称のＥコア電磁石トポロジで形成されることができる。Ｅコアトポロジは、それが固有の磁束経路分割を提供することができるので有益であり得、それはステータバックアイアンのより低い寸法とスラスト軸受ディスク２０４の厚さの両方を可能にすることができる。

図３は、誘導機２０２及びスラストディスク２０４をさらに示す正面図である。誘導機２０２は、シャフト１０２の回転部品回転を制御するためにスラスト軸受ディスク２０４にトルクτを適用するように構成され得る一体型のケージレス非積層ロータ誘導機の形態であることができる。図示するように、誘導機２０２は磁束ステータコア３０２及び磁束ステータコア３０２に結合された２つ以上の導電性巻線３０４ａ、３０４ｂを有するリング状ラジアル磁束ステータ３００を含むことができる。後述するように、導電性巻線３０４ａ、３０４ｂは、コントローラ１０８の制御下で電流／電圧が供給されたときに回転磁界を形成するように構成され得る。

磁束ステータコア３０２は、磁束ステータ３００のリング形状を画定することができ、スラスト軸受ディスク２０４の外側半径方向面から半径方向にオフセットした内側半径方向面を有することができる。２つ以上の円周方向にオフセットしたスロット３０６が磁束ステータコア３０２の厚さにわたって形成されることができ、巻線３０４ａ、３０４ｂが磁束ステータコア３０２に結合するためにスロット３０６のうち隣接するスロットを通して巻かれることができる。

巻線３０４ａ、３０４ｂは、コントローラ１０８によって制御される多相電流／電圧源に電気的に結合されることができる。電力変換器を介して平衡多相電流／電圧で巻線３０４ａ、３０４ｂを励磁することによって、長手方向軸Ｌを中心に所定の方向（例えば、ページ内で時計回り）に回転する磁界が形成されることができる。回転磁界はスラスト軸受ディスク２０４内に渦電流を誘導することができ、これらの渦電流はスラスト軸受ディスク２０４に所定の回転方向でトルクτが適用されるようにすることができる。適用されたトルクτの方向は、電力変換器によって巻線３０４ｂに供給される平衡多相電流／電圧のシーケンスを逆転することによって逆転することができる。

巻線３０４ａ、３０４ｂの数、及び供給される電流／電圧の相数は、制限なく変更されることができる。一例として、図３は磁束ステータコア３０２内に形成された４８個のスロット３０６を示す。一実施形態では、磁束ステータコア３０２は、分散された１６極三相巻線で巻かれることができる。分散された巻線は低調波を低減することができ、低速回転中のリップルを最小化することができる。この場合、最大約８Ｈｚまでの可変周波数供給電圧は、シャフト１０２を約６０ｒｐｍまで加速することができ、平衡多相電流／電圧によって電力変換器（図示せず）を介して磁束ステータ３００の多相巻線を励磁することによって回転磁界が形成され、スラスト軸受ディスク２０４にトルクτが適用されることができる。

別の例（図示せず）では、集中した（歯）多相巻線が使用されることができる。このような構成は低調波のために高いトルクリップルを示すことができると同時に、分散された巻線と比較してより短い端部巻線を有することもできる。このより短い長さは、スペースが限られている状況において有利となり得る。

誘導機２０２の構成は、通常運転中（例えば、シャフト１０２の高速回転中）のスラスト磁気軸受２００の性能（例えば、静的及び／または動的な力性能）が実質的に劣化しないことを確実にすることができる。一例として、スラスト軸受ステータ２０６ａ、２０６ｂとスラスト軸受ディスク２０４のいずれも変更されず、誘導機２０２によってトルクτがスラスト軸受ディスク２０４に適用されることを可能にする。代わりに、誘導機２０２は、スラスト軸受ディスク２０４に半径方向に隣接して磁束ステータ３００を装着することによってスラスト磁気軸受２００と一体化されることができる。さらに、誘導機２０２は、スラスト軸受ディスク２０４にトルクτを適用するために、通常動作中ではなく、始動中及びシャットダウン中にのみ動作することができる。従って、誘導機２０２によって形成される磁界は、スラスト磁気軸受２００によって形成される軸方向の磁力との干渉を実質的に回避する。

一般に、誘導機２０２のようなケージレス非積層ロータ誘導機は、ケージロータ誘導機よりも劣った性能を示し得る。しかし、この欠点は、本誘導機２０２の場合には最小化され得る。一態様では、誘導機２０２は始動中またはシャットダウン中にのみ動作することができることから、誘導機２０２がアクティブである時間は、通常動作の時間と比較して短くすることができる。別の態様では、上述したように、ラジアル磁気軸受１１０はラジアル磁気浮揚をもたらすことができ、低速回転制御のためにスラスト軸受ディスク２０４に適用されるのに必要なトルクτのレベルは、軸受スティクションがないことにより比較的小さくなり得る。すなわち、適用されるトルクτの大きさ及びその持続時間の両方が共に小さいことから、誘導機２０２によって消費される電力は比較的少なくすることができる。従って、低速回転制御のためにケージレス非積層ロータ誘導機を使用することによって生じる電気的非効率性より、ターニングギアと比較して、それが提供することができるスペース節約及び安全性の改善の方が実質的に重要である。

ロータの低速回転制御のための軸方向磁束誘導機４０２と一体化されたスラスト磁気軸受４００の別の例示的な実施形態が、図４〜５に示されている。以下でさらに詳細に論じるように、スラスト磁気軸受２００とは対照的に、スラスト磁気軸受４００のスラスト軸受ステータは、誘導機４０２を含むように変更されることができる。このようにして、軸方向の安定化及び低速回転制御のためにスラスト軸受ディスクに軸方向及び回転方向の磁力を適用するために、スラスト軸受ステータによって磁界を形成することができる。

図４は、スラスト磁気軸受４００及び誘導機４０２の半分を示す側面断面図である。スラスト磁気軸受４００及び誘導機４０２の残りの半分（例えば下半分）は、図示された半分と長手方向軸Ｌを中心に対称であり、明確化のために省略されている。図示するように、スラスト磁気軸受４００は、スラスト軸受ディスク４０４、及び一対のスラスト軸受ステータ４０６ａ、４０６ｂを含む。図２のスラスト軸受ディスク２０４と同様に、スラスト軸受ディスク４０４は、強磁性材料から形成されたケージレス非積層（例えば、中実）ディスクであることができる。スラスト軸受ディスク４０４は、シャフト１０２上に装着されることができ、軸Ｐに沿ってそこから（例えば長手方向軸Ｌから）半径方向外側に延びることができる。特定の実施形態では、半径方向軸Ｐは、長手方向軸Ｌに対して実質的に直交し得る。

スラスト軸受ステータ４０６ａ、４０６ｂは、それらがスラスト軸受ディスク４０４の軸方向両側に配置されるようにハウジング（図示せず）に固定されることができる。特定の実施形態では、スラスト軸受ステータ４０６ａ、４０６ｂの半径方向位置は、長手方向軸Ｌを中心にしてほぼ軸方向中心にあることができる。図示されるように、スラスト軸受ステータ４０６ａ、４０６ｂの各々は、コア４１０、並びにコントローラ１０８と電気的に連通している第１の導電性巻線４１２ａ及び第２の導電性巻線４１２ｂを含むことができる。各コア４１０は、貫通するシャフト１０２を受容するように寸法決めされた開口４１４を有するリング状に形成することができる。導電性巻線４１２ａ、４１２ｂは、各コア４１０内に形成されたチャネルに沿って延びることができる。以下で論じるように、コア４１０は積層または非積層であってもよく、磁束を帯びるように構成されてもよい。コア４１０の非積層の実施形態は、軟磁性複合材料から形成されることができる。

導電性巻線４１２ａ、４１２ｂは、各コア４１０内に形成されたチャネルに沿って延びることができ、閉ループ構成を有することができる。巻線４１２ａ、４１２ｂに（例えば、コントローラ１０８の制御下で）電流／電圧が供給されると、各スラスト軸受ステータ４０６ａ、４０６ｂは電磁石として機能し、磁界を形成することができる。

第２の巻線４１２ｂは、各スラスト軸受ステータ４０６ａ、４０６ｂ内に形成された概して円形のチャネル内に配置されることができる。特定の実施形態では、第２の巻線４１２ｂは、第２の半径方向距離において長手方向軸Ｌに対してほぼ半径方向の中心にあり得る。スラスト軸受ステータ４０６ａの第２の巻線４１２ｂに供給される電流／電圧は、スラスト軸受ディスク２０４をスラスト軸受ステータ４０６ａに向けて（例えば、図４の左側に向けて）引き付けることができる第１の軸方向磁力を提供する静止（例えば、非回転）磁界４１４ａを形成することができる。スラスト軸受ステータ４０６ｂの第２の巻線４１２ｂに供給される電流／電圧は、スラスト軸受ディスク４０４をスラスト軸受ステータ４０６ｂに向けて（例えば、図４の右側に向けて）引き付ける第２の軸方向磁力を提供する静止（例えば、非回転）磁界４１４ｂを形成することができる。各コア４１０は、磁束を帯びるために積層されたもの、または非積層であるものであることができる。第１及び第２の軸方向磁力を制御することによって、スラスト軸受ディスク４０４の軸方向位置が制御されることができ、スラスト軸受ディスク４０４とスラスト軸受ステータ４０６ａ、４０６ｂとの間の接触を阻止する。

図５は、スラスト軸受ステータ４０６ａ及びそこに装着された誘導機４０２をさらに示す正面図である。図示するように、閉ループ形状を有する２つ以上のチャネルがコア４１０内に形成されることができ、それらは互いに円周方向にオフセットされることができる。誘導機４０２の一部は、コア４１０、及びコア４１０に固定された２つ以上の第１の巻線４１２ａを含むことができる。２つ以上の第１の巻線４１２ａは、第２の巻線４１２ｂの第２の半径方向距離より長い、長手方向軸Ｌからの第１の半径方向距離にあることができる。特定の実施形態では、第１の巻線４１２ａは、トロイダル構成で隣接するチャネルの周りに巻かれることができる。第１の巻線４１２ａの各々は、コントローラ１０８によって制御される多相電流／電圧源に電気的に結合されることができる。スラスト軸受ステータ４０６ｂも同様に構成されることができる。

電力変換器を介してスラスト軸受ステータ４０６ａ、４０６ｂ内のそれぞれの第１の巻線４１２ａを平衡多相電流／電圧で励磁することによって、長手方向軸Ｌに対して所定の方向（例えば、ページ内で時計回り）に回転する第１の磁界が生成され得る。回転磁界４１６は、スラスト軸受ディスク４０４内にトロイダル渦電流を誘導することができ、それが、スラスト軸受ディスク４０４に所定の回転方向でトルクτが適用されるようにすることができる。適用されたトルクτの方向は、電力変換器によって巻線４１２ａ、４１２ｂに供給される平衡多相電流／電圧のシーケンスを逆転することによって逆転することができる。

第１の巻線４１２ａの数、及び供給される電流／電圧の相数は、制限なく変更されることができる。一例として、図５は、コア４１０に結合され、集中４極２相巻線に巻かれた８つの第１の巻線４１２ａを示す。この場合、最大約２Ｈｚまでの可変周波数供給電圧は、シャフト１０２を約６０ｒｐｍまで加速することができ、平衡多相電流／電圧によって電力変換器（図示せず）を介してスラスト軸受ステータ４０６ａ、４０６ｂの多相巻線を励磁することによって回転磁界が形成され、スラスト軸受ディスク４０４にトルクτが適用されることができる。

第１の巻線４１２ａによって占有される空間のために、第１の巻線４１２ａを含まないスラスト磁気軸受と比較して、スラスト磁気軸受４００の性能（例えば、静的及び／または動的な力性能）の劣化が生じ得る。しかし、誘導機４０２の場合には、この劣化が最小限に抑えられ得る。一態様では、誘導機４０２は始動中またはシャットダウン中にのみ動作することができることから、誘導機２０２がアクティブである持続時間は、通常動作の時間と比較して短くすることができる。別の態様では、ラジアル磁気軸受１１０が上述のようにラジアル磁気浮揚をもたらすことができ、低速回転制御のためにスラスト軸受ディスク４０４に適用されるトルクτのレベルは、軸受スティクションがないことによって比較的小さくなり得る。すなわち、スラスト磁気軸受４００の性能劣化は、比較的短期間の始動及び／またはシャットダウン中にのみ発生する。さらに、この性能劣化はトルクτの大きさが比較的小さいことから実質的に無視され得る。

図６は、ロータ（例えば、シャフト１０２）の低速回転制御のための方法６００の一例示的実施形態を示すフロー図である。図示するように、方法６００は動作６０２〜６１２を含むことができる。方法６００は、ターボ機械に関連して以下に説明される。しかし、方法６００の実施形態は、ターボ機械と共に使用することに限定されず、それらは任意の回転部品と共に使用することができる。特定の態様では、方法６００の実施形態は、図６に示すよりも多いか、または少ない動作を含むことができ、動作は図６に示したものと異なる順序で実行されることができる。

動作６０２では、長手方向軸を中心に回転するように構成されたロータが磁気的に浮揚されることができる。ロータは、長手方向軸Ｌに沿って位置決めされたシャフト（例えばシャフト１０２）、及びそこから半径方向外向きに（例えば半径方向軸Ｐに沿って）延びる強磁性スラスト軸受ディスク（例えばスラスト軸受ディスク２０４、４０４）を含むことができる。特定の実施形態では、ロータは、ラジアル磁気軸受（例えば、ラジアル磁気軸受１１０）によって磁気的に浮揚され得る。

動作６０４では、第１の磁界が形成され得る。第１の磁界は、長手方向軸Ｌを中心に所定の回転方向に回転するように構成されることができる。一例として、第１の磁界は、スラスト軸受ディスク２０４、４０４の平面を通って回転するように構成されることができる。特定の実施形態では、第１の磁界は、図２〜３の誘導機２０２または図４〜５の誘導機４０２によって形成され得る。

動作６０６では、スラスト軸受ディスク２０４、４０４内に渦電流が誘導され得る。渦電流は、スラスト軸受ディスク２０４、４０４に所定の回転方向でトルク（例えば、トルクτ）が適用されるようにするように構成され得る。特定の実施形態では、渦電流はトロイダル渦電流であり得る。

動作６１０では、第１の磁界の回転速度及び回転方向のうち少なくとも１つが変更され得る。第１の磁界の変化は、スラスト軸受ディスク２０４、４０４に適用されるトルクτを変化させることができ、シャフト１０２が所定の回転速度（例えば、低速回転速度）で回転するようにすることができる。一態様では、所定の回転速度は、第１の磁界の発生前（例えば始動）のシャフト１０２の回転速度よりも速くなり得る。別の態様では、所定の回転速度は、第１の磁界を形成する前（例えば、シャットダウン）のシャフトの回転速度よりも低くなり得る。

任意選択的に、動作６１２では、スラスト軸受ディスクに軸方向の磁力を適用する第２の磁界が形成され得る。軸方向の磁力は、スラスト軸受ディスクに所定の軸方向位置を維持させることができる。特定の実施形態では、（例えば、誘導機２０２によって形成された）第１の磁界は、第２の磁界とは実質的に干渉しない。

本開示の実施形態は、特に明記しない限り、任意の方法で組み合わせることができる以下の例示的な条項で説明することができる。

一実施形態では、低速回転制御のためのシステムが提供されており、システムはスラスト能動型磁気軸受、及びケージレス非積層ロータ誘導機を含むことができる。スラスト能動型磁気軸受は、強磁性スラスト軸受ディスク、及び一対のスラスト軸受ステータを含むことができる。強磁性スラスト軸受ディスクは、長手方向軸から外側（例えば、半径方向外側）に延びることができ、長手方向軸に沿って延びるシャフトに結合するように構成されることができる。一対のスラスト軸受ステータの各々は、スラスト軸受ディスクの両側に軸方向に隣接して配置されることができる。特定の実施形態では、一対のスラスト軸受ステータは、長手方向軸に対して概ね中心にあることができる。一対のスラスト軸受ステータの各々は、スラスト軸受ディスクに軸方向の磁力を適用するように構成され得る。ケージレス非積層ロータ誘導機は、ステータ及びケージレス非積層ロータを含むことができる。ステータは、リング状のステータコア及び２つ以上の巻線を含むことができる。ステータは、スラスト軸受ディスクの外側半径方向面の少なくとも一部分から半径方向にオフセットすることができる内側半径方向面を有することができる。２つ以上の巻線はステータに結合されることができ、それらは互いに円周方向にオフセットすることができる。２つ以上のステータ巻線は、長手方向軸を中心に所定の回転方向に回転する磁界を形成させ、所定の回転方向でスラスト軸受ディスクにトルクが適用されるようにするように構成されることができる。

別の実施形態では、回転磁界はスラスト能動型磁気軸受に適用される軸方向の磁力と実質的に干渉しない。

別の実施形態では、スラスト軸受ディスクは、非積層でケージレスであることができる。

別の実施形態では、誘導機のステータコアは積層されることができる。

別の実施形態では、誘導機のステータコアは、非積層で軟磁性複合材料から形成されたものであることができる。

別の実施形態では、システムは、シャフト及び少なくとも１つのラジアル磁気軸受をさらに含むことができる。シャフトは、スラスト軸受ディスクに結合されることができ、スラスト軸受ディスクに適用されるトルクに応答して長手方向軸を中心に回転するように構成されることができる。少なくとも１つのラジアル磁気軸受は、少なくとも１つのラジアル磁気軸受と接触することなくシャフトを支持するのに十分なラジアル磁力を発生するように構成されることができる。

一実施形態では、低速回転制御のためのシステムが提供されており、システムはロータ及び一対のステータを含むことができる。スラスト軸受ディスクは、強磁性材料から形成されることができ、長手方向軸から外側（例えば半径方向外側）に延びることができる。スラスト軸受ディスクは、長手方向軸に沿って延びるシャフトに結合するように構成されることができる。一対のステータの各々は、スラスト軸受ディスクの両側に軸方向に隣接して配置されることができる。特定の実施形態では、スラスト軸受ステータは、長手方向軸に対して概ね中心にあることができる。一対のステータの各々は、ステータコア、並びに２つ以上の第１の巻線及び第２の巻線を含むことができる。ステータコアは、リング状であることができ、そこを貫通して延びる開口を画定することができる。２つ以上の第１の巻線は概してトロイダル形状を有することができ、それらは互いから円周方向にオフセットした位置で各ステータに結合されることができる。第２の巻線は概して円形の形状を有することができ、それらはステータコアの開口とほぼ同軸の位置で各ステータコアに結合されることができる。第１の巻線の各々は、長手方向軸を中心に所定の回転で回転する第１の磁界を形成するように構成されることができ、スラスト軸受ディスクに所定の回転方向でトルクが適用されるようにする。第２の巻線は、軸方向の磁力がスラスト軸受ディスクに適用されるようにする第２の磁界を形成するように構成されることができる。

別の実施形態では、スラスト軸受ディスクは、非積層、且つケージレスであることができる。

別の実施形態では、ステータコアは積層されたものであることができる。

別の実施形態では、ステータコアは非積層であり、軟磁性複合材料から形成されることができる。

別の実施形態では、第１の巻線の各々は、第２の巻線から半径方向外側に配置されることができる。

別の実施形態では、システムはシャフト及びラジアル磁気軸受を含むことができる。シャフトは、スラスト軸受ディスクに結合されることができ、スラスト軸受ディスクに適用されるトルクに応答して長手方向軸を中心に回転するように構成されることができる。ラジアル磁気軸受は、シャフトを非接触で支持するのに十分なラジアル磁力を発生させるように構成されることができ、長手方向軸に対してシャフトの所定の半径方向位置を維持することができる。

低速回転制御のための方法が提供されている。一実施形態では、方法はロータを磁気的に浮揚させることを含むことができる。ロータは、長手方向軸に沿って配置され長手方向軸を中心に回転するように構成されたシャフト、及びそこから外側（例えば半径方向）に延びる強磁性スラスト軸受ディスクを含むことができる。方法はまた、長手方向軸を中心に所定の回転方向に回転し、所定の回転方向でスラスト軸受ディスクにトルクが適用されるようにする第１の磁界を形成することを含むことができる。方法は、軸方向の磁力がスラスト軸受ディスクに適用されるようにするように構成された第２の非回転磁界を形成することをさらに含む。方法は、シャフトが所定の回転速度で回転するようにするためにスラスト軸受ディスクに適用されるトルクを変化させることをさらに含むことができる。

別の実施形態では、シャフトはラジアル磁気軸受によって磁気的に浮揚されることができる。

別の実施形態では、第１の磁界は、ケージレス非積層ロータ誘導機によって形成されることができる。誘導機は、ステータ及びケージレス非積層ロータを含むことができる。ステータは、リング状のステータコア及び２つ以上の巻線を含むことができる。ステータコアは、スラスト軸受ディスクの外側半径方向面の少なくとも一部分から半径方向にオフセットすることができる内側半径方向面を有することができる。２つ以上のステータ巻線はステータコアに結合されることができ、それらは互いに円周方向にオフセットされることができる。ケージレス非積層ロータは、強磁性スラスト軸受ディスクを含むことができる。

別の実施形態では、第１の磁界は一対のステータによって形成されることができ、各ステータはスラスト軸受ディスクの軸方向両側に配置されている。特定の実施形態では、一対のステータは長手方向軸に対して概ね中心にあることができる。一対のステータのそれぞれは、ステータコア及び２つ以上の第１の巻線を含むことができる。ステータコアは、リング状であることができ、そこを貫通して延びる開口を画定することができる。２つ以上の第１の巻線は概してトロイダル形状を有することができ、それらは互いから円周方向にオフセットした位置でステータコアに結合されることができる。

別の実施形態では、一対のステータのそれぞれは、第２の非回転磁界を形成するように構成された第２の巻線をさらに含むことができる。第２の巻線は概して円形の形状を有することができ、それらはステータコアの開口とほぼ同軸の位置でステータコアに結合されることができる。

別の実施形態では、所定の回転速度は、第１の回転磁界の形成前のシャフトの回転速度よりも速くなることがある。

別の実施形態では、所定の回転速度は、第１の回転磁界の形成前のシャフトの回転速度よりも遅くなることがある。

本明細書及び特許請求の範囲を通して本明細書で使用される場合、近似表現は、それが関連する基本機能に変化をもたらすことなく許容可能に変化し得る任意の定量的表現を調整するために適用され得る。従って、「約（ａｂｏｕｔ）」、「およそ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」、及び「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」などの１つまたは複数の用語によって修飾された値は、指定された正確な値に限定されるべきではない。少なくともいくつかの事例では、近似表現は値を測定するための機器の精度に対応し得る。本明細書及び特許請求の範囲を通して、範囲の制限は組み合わせること、及び／または交換することができ、そのような範囲は特定され、そして文脈または表現が別段指示しない限りそこに含まれる全ての部分範囲を含む。

本明細書に開示されているシステム、デバイス、及び方法に関する構造、機能、製造、及び使用の原理の概要を提供するために特定の例示的実施形態が説明されている。これらの実施形態の１つ以上の例が添付の図面に示されている。１つの例示的な実施形態に関連して図示または説明された特徴は、他の実施形態の特徴と組み合わせられることができる。このような修正形態及び変形形態は、本発明の範囲内に含まれることが意図されている。さらに、本開示では、実施形態の同様の名称の構成要素は概して同様の機能を有し、従って、特定の実施形態内では、各同様の名称の構成要素の各機能は必ずしも完全には詳述されていない。

当業者であれば、上述の実施形態に基づいて本発明のさらなる特徴及び利点を理解するであろう。従って、本出願は、添付の特許請求の範囲によって示される場合を除いて、特に示され説明されたものによって限定されるものではない。本明細書において引用された全ての刊行物及び参考文献は、その全体が参照により明示的に組み込まれている。

Claims (19)

1. スラスト能動型磁気軸受であって、長手方向軸から外側に延び、長手方向軸に沿って延びるシャフトに結合するように構成された強磁性スラスト軸受ディスク、及び
   一対のスラスト軸受ステータであって、それぞれがスラスト軸受ディスクの両側に軸方向に隣接して配置され、軸方向の磁力をスラスト軸受ディスクに適用するように構成された一対のスラスト軸受ステータ、
   を含むスラスト能動型磁気軸受と、
   スラスト軸受ディスクの外側半径方向面の少なくとも一部分から半径方向にオフセットした内側半径方向面を有するリング状ステータコア、及び
   前記ステータに結合され、互いに円周方向にオフセットされた２つ以上の巻線であって、長手方向軸を中心に所定の方向に回転磁界を形成するように構成されている前記ステータ巻線、
   を含むステータを含んだケージレス非積層ロータ誘導機と、
   前記強磁性スラスト軸受ディスクを含むケージレス非積層ロータと、
   を含み、
   前記回転する磁界が前記スラスト軸受ディスクにトルクが所定の回転方向で適用されるようにするように構成されている、低速回転制御のためのシステム。
2. 前記回転磁界が、前記スラスト能動型磁気軸受に適用される前記軸方向の磁力と実質的に干渉しない、請求項１に記載のシステム。
3. 前記スラスト軸受ディスクが、非積層でケージレスである、請求項１に記載のシステム。
4. 前記誘導機の前記ステータコアが積層されたものである、請求項１に記載のシステム。
5. 前記誘導機の前記ステータコアが、非積層であり、軟磁性複合材料から形成された、請求項１に記載のシステム。
6. 前記スラスト軸受ディスクに結合され、前記スラスト軸受ディスクに適用された前記トルクに反応して前記長手方向軸を中心に回転するように構成されたシャフトと、
   少なくとも１つのラジアル磁気軸受と接触することなくシャフトを支持するのに十分な半径方向磁力を発生するように構成された前記少なくとも１つのラジアル磁気軸受と、
   をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
7. 長手方向軸から外側に延びる強磁性スラスト軸受ディスクを含み、長手方向軸に沿って延びるシャフトに結合するように構成されたロータと、
   一対のステータであって、それぞれが前記スラスト軸受ディスクの両側で軸方向に隣接して配置されており、
   貫通して延びる開口を画定するリング状ステータコア、
   ２つ以上の第１の巻線であって、それぞれが概してトロイダル形状を有し、互いから円周方向にオフセットした位置で前記ステータコアに結合された２つ以上の第１の巻線、及び
   概して円形状を有し、前記ステータコアの開口と概ね同軸な位置で前記ステータコアに結合された第２の巻線を含む一対のステータと、
   を含み、
   前記第１の巻線が前記長手方向軸を中心に所定の回転方向で回転し、前記スラスト軸受ディスクに前記所定の回転方向でトルクが適用されるようにする第１の磁界を形成するように構成されており、
   前記第２の巻線が軸方向の磁力が前記スラスト軸受ディスクに適用されるようにする第２の磁界を形成するように構成されている、低速回転制御のためのシステム。
8. 前記スラスト軸受ディスクが非積層でケージレスである、請求項７に記載のシステム。
9. 前記ステータコアが積層されたものである、請求項７に記載のシステム。
10. 前記ステータコアが非積層で軟磁性複合材料から形成された、請求項７に記載のシステム。
11. 前記第１の巻線のそれぞれが前記第２の巻線から半径方向外側に配置されている、請求項７に記載のシステム。
12. 前記スラスト軸受ディスクに結合され、前記スラスト軸受ディスクに適用された前記トルクに反応して前記長手方向軸を中心に回転するように構成されたシャフトと、
    少なくとも１つのラジアル磁気軸受と接触することなく前記シャフトを支持するのに十分な半径方向磁力を発生するように構成された前記少なくとも１つのラジアル磁気軸受と、
    をさらに含む、請求項７に記載のシステム。
13. 長手方向軸を中心に回転するように構成されたシャフト、及びそこから外側に延びる強磁性スラスト軸受ディスクを含むロータを磁気的に支持することと、
    前記長手方向軸を中心に所定の回転方向に回転し、前記所定の回転方向で前記スラスト軸受ディスクにトルクが適用されるようにする第１の磁界を形成することと、
    軸方向の磁力が前記スラスト軸受ディスクに適用されるようにするように構成された第２の非回転磁界を形成することと、
    前記シャフトが所定の回転速度で回転するようにするために前記スラスト軸受ディスクに適用される前記トルクを変化させることと、
    を含む、低速回転制御の方法。
14. 前記シャフトがラジアル磁気軸受によって磁気的に浮揚される、請求項１３に記載の方法。
15. 前記第１の磁界が、
    スラスト軸受ディスクの外側半径方向面の少なくとも一部分から半径方向にオフセットした内側半径方向面を有するリング状ステータコア、及び
    前記ステータに結合され、互いから円周方向にオフセットした２つ以上のステータ巻線を含むステータと、
    前記強磁性スラスト軸受ディスクを含むケージレス非積層ロータと、
    を含むケージレス非積層ロータ誘導機によって形成されている、請求項１３に記載の方法。
16. 前記第１の磁界が一対のステータにより形成されており、それぞれがスラスト軸受ディスクの軸方向両側に位置しており、前記一対のステータのそれぞれが、
    そこを貫通して延びる開口を画定するリング状ステータコア、及び
    ２つ以上の第１の巻線であって、それぞれが概してトロイダル形状を有し、互いから円周方向にオフセットした位置で前記ステータコアに結合された２つ以上の第１の巻線
    を含む、請求項１３に記載の方法。
17. 前記一対のステータのそれぞれが、前記第２の非回転磁界を形成するように構成された第２の巻線をさらに含み、前記第２の巻線が概して円形状を有し、前記ステータコアの開口と概ね同軸である位置で前記ステータコアに結合された、請求項１６に記載の方法。
18. 前記所定の回転速度が、前記第１の回転磁界の形成前に前記シャフトの回転速度より速い、請求項１３に記載の方法。
19. 前記所定の回転速度が、前記第１の回転磁界の形成前に前記シャフトの回転速度より遅い、請求項１３に記載の方法。