JP2022517377A - エネルギー生産タービンを含む回転機械に用いる受動型磁気ベアリング、及び、当該ベアリングが組み込まれた回転機械 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2019年1月18日に出願され「エネルギー生産タービンを含む回転機械に用いる受動型磁気ベアリング、及び、当該ベアリングが組み込まれた回転機械」と題された米国仮特許出願番号62/794,164の優先権を主張し、その開示は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
・第1磁気リング要素8の一定角度の変化可能なハルバッハ配列内の磁気要素のパターン
・第2磁気リング要素16の少なくとも1つの角度領域の第1セット内の変化可能な第1ハルバッハ配列の磁気要素のパターン
・第2磁気リング要素16内において、変化可能な第1ハルバッハ配列を有する少なくとも1つの角度領域の第1セットの位置およびサイズ(例:角度)
・第2磁気リング要素16の少なくとも1つの角度領域の第2セット内の変化可能な第2ハルバッハ配列の磁気要素のパターン
・第2磁気リング要素16内において、変化可能な第2ハルバッハ配列を有する少なくとも1つの角度領域の第2セットの位置およびサイズ(例:角度)、および/または
・第1および第2磁気リング要素8および16を形成する磁性材料
なお、全ての軸における要素8と要素16の動作位置は、設計により変化および/または固定することも可能である。
・ハルバッハ配列を形成する個々の磁石の大きさ
・磁石、合金、大きさを収納する二重構造の材質
・第1および第2磁気リング要素8および16内で時間的な性能に影響を与えうる流体または外部媒体から磁石を隔離および絶縁するために使用される方法
・第1および第2磁気リング要素8および16の筐体および構造の磁石を隔離するために使用される材料
・第1磁気リング要素8に対する重力、すなわち、特定の角度位置(上下軸80)における径方向の可変的な外力
・ロータのブレードに対して流れる水、蒸気、空気、風、ガス、または回転を引き起こすための機械的トルクを発生させるその他の手段、すなわち、軸方向32の外力
・ロータやステータなどの非回転体との間の表面インターフェースに作用する静流体力
・発電機の電磁力
Claims (39)
- 軸方向の深さを有し、磁性材料で形成された第1リング要素であって、前記第1リング要素は、ハルバッハ配列をさらに有し、前記ハルバッハ配列は、前記第1リング要素の円周において一定である、第1リング要素と、
軸方向の深さを有し、磁性材料で形成された第2リング要素であって、前記第2リング要素は、前記第1リング要素と実質的に同心であり、軸方向に定められた動作範囲内において前記第1リング要素を基準にして配置される、第2リング要素と、を備える、受動型磁気ベアリングであって、
前記第2リング要素は、
前記第2リング要素の少なくとも1つの角度領域の第1セットにわたり角度方向に延在する第1ハルバッハ配列、および、
前記第2リング要素の少なくとも1つの角度領域の第2セットにわたり角度方向に延在する第2ハルバッハ配列と、を備え、
前記第1リング要素は、前記第2リング要素に対して回転可能であって、
前記第1リング要素と前記第2リング要素とが軸方向において定められた前記動作範囲内で相互に関連して配置される場合には、前記第2リング要素の前記第1および第2ハルバッハ配列による磁気相互作用によって、前記第1リング要素のハルバッハ配列における合力曲線が定められ、
前記合力曲線は、
所定の目標軸方向力曲線と実質的に一致する軸方向成分と、
所定の角度位置における径方向成分であって、所定の目標径方向力曲線と実質的に一致する成分と、を備える、受動型磁気ベアリング。 - 請求項1に記載の受動型磁気ベアリングにおいて、前記合力曲線の軸方向成分は、前記動作範囲内における軸方向における前記第1リング要素と前記第2リング要素の相対的な位置に応じて変化する、受動型磁気ベアリング。
- 請求項1または2に記載の受動型磁気ベアリングにおいて、前記合力曲線の径方向成分は、前記動作範囲内の軸方向における前記第1リング要素と前記第2リング要素の相対的な位置に対して、実質的に一定である、受動型磁気ベアリング。
- 請求項1から3のいずれか1項に記載の受動型磁気ベアリングにおいて、前記第1リング要素のハルバッハ配列の磁場特性は、軸方向において可変である、受動型磁気ベアリング。
- 請求項4に記載の受動型磁気ベアリングにおいて、前記第1リング要素のハルバッハ配列は、軸方向に配置された複数の個々の磁石で形成され、前記個々の磁石は異なる磁石特性を有する、受動型磁気ベアリング。
- 請求項5に記載の受動型磁気ベアリングにおいて、前記第1リング要素のハルバッハ配列を形成する複数の個々の磁石の異なる磁石特性は、磁性材料、磁場方向、磁場強度、磁石高さ、磁石幅、および、磁石深さのうちの1つ以上からなる、受動型磁気ベアリング。
- 請求項1から6のいずれか1項に記載の受動型磁気ベアリングにおいて、前記第2リング要素の第1ハルバッハ配列の磁場特性は、軸方向において可変であり、
前記第2リング要素の第2ハルバッハ配列の磁場特性は、軸方向において可変である、受動型磁気ベアリング。 - 請求項7に記載の受動型磁気ベアリングにおいて、前記第2リング要素の第1ハルバッハ配列は、軸方向に配置された複数の個々の磁石で形成され、前記個々の磁石は異なる磁石特性を有し、
前記第2リング要素の第2ハルバッハ配列は、軸方向に配置された複数の個々の磁石で形成され、前記個々の磁石は異なる磁石特性を有する、受動型磁気ベアリング。 - 請求項8に記載の受動型磁気ベアリングにおいて、前記第2リング要素の第1ハルバッハ配列の異なる磁石特性は、磁性材料、磁場方向、磁場強度、磁石高さ、磁石幅、および、磁石深さのうちの1つ以上からなり、
前記第2リング要素の第2ハルバッハ配列の異なる磁石特性は、磁性材料、磁場方向、磁場強度、磁石高さ、磁石幅、および、磁石深さのうちの1つ以上からなる、受動型磁気ベアリング。 - 請求項1から9のいずれか1項に記載の受動型磁気ベアリングにおいて、前記第1リング要素と前記第2リング要素は、軸方向における前記第1リング要素と前記第2リング要素の第1相対位置と対応する第1の実質的に安定した磁気相互作用を有し、
前記第1リング要素と前記第2リング要素は、軸方向における前記第1リング要素と前記第2リング要素の第2相対位置と対応する第2の実質的に安定した磁気相互作用を有する、受動型磁気ベアリング。 - 請求項1から10のいずれか1項に記載の受動型磁気ベアリングにおいて、前記第1リング要素は、前記第2リング要素との間の径方向の動作ギャップを維持しながら、前記第2リング要素に対して回転可能である、受動型磁気ベアリング。
- 請求項1から10のいずれか1項に記載の受動型磁気ベアリングにおいて、前記第1リング要素は、前記第2リング要素との機械的接触から解放された状態で回転可能である、受動型磁気ベアリング。
- 請求項1から12のいずれか1項に記載の受動型磁気ベアリングにおいて、前記第1リング要素が外リングであり、前記第2リング要素が内リングである、受動型磁気ベアリング。
- 請求項1から13のいずれか1項に記載の受動型磁気ベアリングにおいて、前記第1リング要素のハルバッハ配列と前記第2リング要素の第1ハルバッハ配列との間の磁気相互作用により、前記第1リング要素において反発力が生じる、受動型磁気ベアリング。
- 請求項1から14のいずれか1項に記載の受動型磁気ベアリングにおいて、前記第1リング要素のハルバッハ配列と前記第2リング要素の第2ハルバッハ配列との間の磁気相互作用により、前記第1リング要素において引力が生じる、受動型磁気ベアリング。
- 軸方向の深さを有し、磁性材料で形成された第1リング要素であって、前記第1リング要素は、ハルバッハ配列をさらに有し、前記ハルバッハ配列の配置は、前記第1リング要素の円周において一定である、第1リング要素と、
軸方向の深さを有し、磁性材料で形成された第2リング要素であって、前記第2リング要素は、前記第1リング要素と実質的に同心であり、前記第1リング要素に対して軸方向において実質的に整列している第2リング要素と、を備える、受動型磁気ベアリングであって、
前記第2リング要素は、
前記第2リング要素の少なくとも1つの角度領域の第1セットにわたり角度方向に延在する第1ハルバッハ配列、および、
前記第2リング要素の少なくとも1つの角度領域の第2セットにわたり角度方向に延在する第2ハルバッハ配列と、を備え、
前記第1リング要素は、前記第2リング要素に対して回転可能であって、
前記第1リング要素と前記第2リング要素とが実質的に整列している場合には、前記第2リング要素の前記第1および第2の変化するハルバッハ配列による磁気相互作用によって、前記第1リング要素の変化するハルバッハ配列における合力が定められ、
前記合力は、
所定の目標軸方向力と実質的に一致する軸方向成分と、
所定の角度位置における径方向成分であって、所定の目標径方向力と実質的に一致する成分と、を備える、受動型磁気ベアリング。 - 請求項16に記載の受動型磁気ベアリングにおいて、前記第1リング要素は、前記第2リング要素との間の径方向の動作ギャップを維持しながら、前記第2リング要素に対して回転可能である、受動型磁気ベアリング。
- 請求項16または17に記載の受動型磁気ベアリングにおいて、前記第1リング要素は、前記第2リング要素との機械的接触から解放された状態で回転可能である、受動型磁気ベアリング。
- 請求項16から18のいずれか1項に記載の受動型磁気ベアリングにおいて、前記第1リング要素が外リングであり、前記第2リング要素が内リングである、受動型磁気ベアリング。
- 請求項16から19のいずれか1項に記載の受動型磁気ベアリングにおいて、前記第1リング要素のハルバッハ配列の磁場特性は、軸方向に可変である、受動型磁気ベアリング。
- 請求項20に記載の受動型磁気ベアリングにおいて、前記第1リング要素のハルバッハ配列は、軸方向に配置された複数の個々の磁石で形成され、前記個々の磁石は異なる磁石特性を有する、受動型磁気ベアリング。
- 請求項21に記載の受動型磁気ベアリングにおいて、前記第1リング要素のハルバッハ配列を形成する複数の個々の磁石の異なる磁石特性は、磁性材料、磁場方向、磁場強度、磁石高さ、磁石幅、および、磁石深さのうちの1つ以上からなる、受動型磁気ベアリング。
- 請求項16から22のいずれか1項に記載の受動型磁気ベアリングにおいて、前記第2リング要素の第1ハルバッハ配列の磁場特性は、軸方向において可変であり、
前記第2リング要素の第2ハルバッハ配列の磁場特性は、軸方向において可変である、受動型磁気ベアリング。 - 請求項23に記載の受動型磁気ベアリングにおいて、前記第2リング要素の第1ハルバッハ配列は、軸方向に配置された複数の個々の磁石で形成され、前記個々の磁石は異なる磁石特性を有し、
前記第2リング要素の第2ハルバッハ配列は、軸方向に配置された複数の個々の磁石で形成され、前記個々の磁石は異なる磁石特性を有する、受動型磁気ベアリング。 - 請求項23に記載の受動型磁気ベアリングにおいて、前記第2リング要素の第1ハルバッハ配列の異なる磁石特性は、磁性材料、磁場方向、磁場強度、磁石高さ、磁石幅、および、磁石深さのうちの1つ以上からなり、
前記第2リング要素の第2ハルバッハ配列の異なる磁石特性は、磁性材料、磁場方向、磁場強度、磁石高さ、磁石幅、および、磁石深さのうちの1つ以上からなる、受動型磁気ベアリング。 - トルクを発生させる流体の流れを有する動作環境内に配置されるタービンであって、前記タービンは、
ステータと、
前記ステータに対して回転可能なロータと、
少なくとも1つの請求項1から15のいずれか1項に記載の受動型磁気ベアリングのセットであって、前記セットの受動型磁気ベアリングの前記第1リング要素は、前記ロータ内に取り付けられ、前記セットの受動型磁気ベアリングの前記第2リング要素は、前記ステータ内に取り付けられる、タービン。 - 請求項26に記載のタービンにおいて、前記少なくとも1つの受動型磁気ベアリングのセットの前記合力曲線の和の軸方向成分は、前記動作環境内の軸方向の外力と実質的に一致する、タービン。
- 請求項26または27に記載のタービンにおいて、流体の流れは、トルク発生方向において定められる流れ力を有し、
前記ロータは、軸方向が前記トルク発生方向と整列し、
前記動作環境における軸方向の外力には、前記トルク発生方向の流れ力が含まれる、タービン。 - 請求項28に記載のタービンにおいて、前記トルク発生方向において定められる前記流れ力は、流れ力下限値と流れ力上限値との間において定められ、
前記タービンの運転中において、軸方向に定められる前記動作範囲内での前記第1リング要素と前記第2リング要素の相対位置は、前記トルク発生方向の前記流れ力の前記流れ力下限値と前記流れ力上限値との間の変動に応じて変化する、タービン。 - 請求項26から29のいずれか1項に記載のタービンであって、前記少なくとも1つの受動型磁気ベアリングのセットの前記合力の和の径方向成分は、前記動作環境内の所定の角度位置において、径方向の外力と実質的に一致する、タービン。
- 請求項30に記載のタービンにおいて、前記ロータは、前記動作環境内において所定の質量を有し、前記動作環境内における径方向の外力は、前記動作環境内に配置されたときの前記ロータの重量を含む、タービン。
- 請求項26から31のいずれか1項に記載のタービンにおいて、前記タービンは、水車、風車、ガスタービンのいずれかである、タービン。
- トルクを発生させる流体の流れを有する動作環境内に配置されるタービンであって、前記タービンは、
ステータと、
前記ステータに対して回転可能なロータと、
少なくとも1つの請求項16から25のいずれか1項に記載の受動型磁気ベアリングのセットであって、前記セットの受動型磁気ベアリングの前記第1リング要素は、前記ロータ内に取り付けられ、前記セットの受動型磁気ベアリングの前記第2リング要素は、前記ステータ内に取り付けられる、タービン。 - 請求項33に記載のタービンにおいて、前記少なくとも1つの受動型磁気ベアリングのセットの前記合力の和の軸方向成分は、前記動作環境内の軸方向の外力と実質的に一致する、タービン。
- 請求項33または34に記載のタービンにおいて、流体の流れは、トルク発生方向において定められる流れ力を有し、
前記ロータは、軸方向が前記トルク発生方向と整列し、
前記動作環境における軸方向の外力には、前記トルク発生方向の流れ力が含まれる、タービン。 - 請求項35に記載のタービンにおいて、前記トルク発生方向において定められる前記流れ力は、流れ力下限値と流れ力上限値の間において定められ、
前記タービンの運転中において、前記トルク発生方向の流れ力が前記流れ力下限値と前記流れ力上限値との間で変化する間、前記第1リング要素と前記第2リング要素との実質的な軸方向の配置が維持される、タービン。 - 請求項33から36のいずれか1項に記載のタービンであって、前記少なくとも1つの受動型磁気ベアリングのセットの前記合力の和の径方向成分は、前記動作環境内の所定の角度位置において、径方向の外力と実質的に一致する、タービン。
- 請求項37に記載のタービンにおいて、前記ロータは、前記動作環境内において所定の質量を有し、前記動作環境内における径方向の外力は、前記動作環境内に配置されたときの前記ロータの重量を含む、タービン。
- 請求項33から38のいずれか1項に記載のタービンにおいて、前記タービンは、水車、風車、ガスタービンのいずれかである、タービン。
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