JP4018981B2 - ロータとロータを無接触で支持する磁気軸受を備える装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、回転軸を中心として回転する少なくとも１つのロータと、ロータが無接触式に支持された磁気軸受とを備える装置に関する。
【０００２】
米国特許第５４８２９１９号明細書は、電動モータのための少なくとも１つの超電導巻線（界磁コイル）を備える回転軸を中心として回転可能なロータと、超電導巻線を冷却するための極低温冷凍機とを含む装置を開示している。超電導巻線は、ニオブ−錫合金のように遷移温度（臨界温度）Ｔ_Cが３５Ｋ以下と低い従来式の金属性の超電導物質（低温超電導体）でできていても、ビスマス−ストロンチウム−カルシウム−銅酸化物、イットリウム−バリウム−銅酸化物、水銀化合物、又はタリウム化合物のように遷移温度Ｔ_Cが３５Ｋ以上と高いセラミックスの金属酸化物の超電導物質（高温超電導体）でできていてよい。極低温冷凍機は、Gifford‐McMahonサイクル、スターリングサイクル、又はパルスチューブサイクル等の熱力学サイクル（プロセス）で、コンプレッサにより圧縮されたヘリウム、ネオン、窒素、水素又は酸素等の作動流体を急速に膨張させることによって冷却する。超電導巻線は、ヒートパイプや熱伝導性ロッドを経て接続された、熱伝導率が高い材料からなる複数の環状の支持部材を経て、ロータと共に回転する極低温冷凍機の冷却ヘッドと熱伝導的に接続されている。それにより、固体による熱伝導で熱が超電導巻線から冷却ヘッドに運ばれる。液体ヘリウムや液体窒素等の液体状の冷媒は、この公知の冷却システムでは必要ないので、冷凍液によってロータの回転に影響が及ぶこともない。極低温冷凍機のコンプレッサは共に回転するか、又はロータに対し固定であってよく、回転ジョイントを経て冷却ヘッドと接続されていてよい。ロータの支持に関し、米国特許第５４８２９１９明細書には詳しい説明がない。
【０００３】
ロータを支持するため、無接触式にすることで磨耗のない支持を可能にする磁気軸受が公知である。電磁石と軸受制御部を備える能動磁気軸受や、自動的な位置安定化が行われる受動磁気軸受がいずれも公知である。
【０００４】
独国特許第４４３６８３１号明細書より、ステータに対してロータ軸を支持する受動磁気軸受が公知である。該軸受は、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の軸受部品とを含み、該部品の一方は、高温超電導体を備える。他方の軸受部品は、ネオジム（Ｎｄ）−鉄（Ｆｅ）−硼素（Ｂ）合金やサマリウム（Ｓｍ）−コバルト（Ｃｏ）合金からなり、相並んで配置した永久磁石部材の機構を含む。隣接する永久磁石部材の磁化は互いに逆向きである。永久磁石部材は、位置変化が生じた際に磁界の変化の結果として超電導体にシールド電流を誘導する。その結果生じる力は、反発する場合と吸引する場合とがあるが、常に目標位置からの偏向と反対に作用する方向を向いている。この際、従来式の能動磁気軸受とは異なり、固有安定的な支持を実現でき、高いコストを要しかつ故障が起こりやすい制御を省略できる。各２つの永久磁石部材間の中間スペースは、永久磁石部材から出る磁束を、他方の軸受部品に向う側に集中させるため、強磁性材料で充填している。その結果、高い軸受剛性（安定性）が生ずる。強磁性の中間部材を持つ永久磁石部材は、ロータ軸軸に対し軸方向に相前後して薄いリングの形態で配置しても、軸方向に長く延びるよう円周方向で相前後して配置してもよい。
【０００５】
この公知の磁気軸受の構成では、永久磁石は中空円筒状の配置で内側の軸受部品に設けられ、超電導体は中空円筒状の機構体として、外側の軸受部品の中空円筒状の支持体の内面に配置される。支持体には、超電導体を冷却する液体窒素を流通させるための冷却通路が形成されている。
【０００６】
独国特許第４４３６８３１号明細書に記載の別の実施形態では、内側の軸受部品の高温超電導体がロータ軸に配置され、高温超電導体を冷却するため、液体窒素の冷媒通路をロータ軸に設けている。低温のロータ本体を備えるこの実施形態は、極低温の常電導巻線又は超電導巻線を備える発電機やモータの部品として提案されている。
【０００７】
米国特許第５２１４９８１号明細書でエネルギーを蓄蔵装置が公知である。この装置は、据置形の電磁石と相互作用する永久磁石をエネルギー伝達のために円周に持ち回転するフライホイールを含む。フライホイールは、各々反対側にある２つのロータ軸を経て磁気軸受で各々支持されている。１つの実施形態（図１）では、両方のロータ軸の両端部に各々１つ又は複数の永久磁石を円筒状の配置で設けている。これら端部は、各磁気軸受の第２の軸受部品としてのカップ状の超電導体の中へ、第１の軸受部品として各々突入する。超電導体は、冷却のため、液体窒素からなる低温浴中に各々配置されている。別の実施形態（図３）では、第１の磁気軸受部品としての各ロータ軸が、フライホイールと反対を向いている端面に、超電導体で内張りされた切欠きを有している。この超電導体は、該導体から、液体窒素を容れた液体浴内に保持された真空容器への熱放射のみで冷却される。更にこの軸受は円筒状の第２の軸受部品を含み、この第２の軸受部品の端部はロータ軸にある切欠きに突入し、１つ又は複数の永久磁石を円筒状の配置で含んでいる。フライホイールは、回転部品の摩擦やこれに伴なうエネルギー損失を防ぐため、両方の磁気軸受と共に、１０^-4 Ｔｏｒｒ以下の圧力迄排気した真空容器に封入されている。両磁気軸受の軸受間隙は、真空容器の排気され、隣接する領域をつなぐ連続した接続部を形成している。
【０００８】
特開平４−３７０４１７号公報とその日本国特許アブストラクトは、排気された共通の真空室に磁気軸受と共に配置され、２つの磁気軸受に支持されたフライホイールを備え、エネルギーを貯蔵する別の装置を開示する。各磁気軸受は、フライホイールに設けた中央の永久磁石リングと、これから軸方向に間隔をおいた超電導体リングとを含み、該リングは、液体の冷媒が貫流する据置の支持体ディスク上に配置されている。
【０００９】
最後に独国特許出願公開第１９７１０５０１号明細書は、磁気的な回転磁界を生成するための多相巻線を持つステータと、この回転磁界と共に回転するロータ又は回転子とを備える電気機械を開示している。ステータは、ロータのケーシングを形成する還流ヨークを備える。ロータは、ケーシングや還流ヨークの密封されていない開口部に挿通した軸を有している。そしてロータは、全体的又は少なくともその外面が、高温超電導体からなる。超電導体と、２個所に設けた環状の永久磁石とで、回転子を無接触式に支持する磁気軸受が形成される。ロータの超電導体を冷却するため、機械全体が小型の設計サイズとされ、液体窒素で構成された極低温浴内で一式が作動する。
【００１０】
公知の磁気軸受は、無接触式の支持をすべく連続する軸受間隙を必ず有し、従って、軸受間隙によってつながれた両方の側の間ではガスや蒸気に対し透過性である。そのため周囲空気やその中に含まれる水分が軸受間隙に入ったり、軸受間隙を経てロータに達したりする場合がある。このことは、空気中の水分が、磁気軸受やロータの低温部品が冷却されたときにその表面で凍結し、このような凍結によって機能上の制約が生じたり、磁気軸受の損傷さえ生じたりする危険をもたらす。しかも、従来技術に基づく、前述の磁気軸受の超電導体でもっぱら利用されている、一般には液体窒素である液体の冷媒（冷凍剤）による冷却は、必要となる冷凍剤供給部で侵入した液体が凍結するという問題に加えて、一般に、敏感な磁気軸受の領域で密封の問題も引き起こすために、ひいては磁気軸受の氷結又はその他の機能障害が生じる危険性が高くなる。
【００１１】
本発明の課題は、ロータを支持する１つ又は複数の磁気軸受を、このような機能低下や損傷から防護することである。
【００１２】
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。
【００１３】
それによれば本装置は、ロータ軸を中心に回転するロータと、ロータが無接触式に（又はコンタクトレスに、磨耗なしに）支持され、少なくとも１つの超電導体（又は超電導機構）を有する少なくとも１つの磁気軸受とを含む。
【００１４】
ロータは、本発明によれば、１つ又は複数の付属の磁気軸受と共に、気密な壁部で包囲された共通の気体室、即ち気体が充填された室内に配置される。即ち換言すれば、ロータと磁気軸受は、気体透過性でない壁部で周囲空気から分離、遮蔽された同じ気体雰囲気内にある。この方策で、各磁気軸受の軸受間隙は、気体室を満たす気体で充填され、気体室の壁部で周囲の水分の侵入から守られる。更に、例えば気体損失等による圧力変動を、ある程度の範囲で許容できる。この圧力変動は、気体室内のどの部品にも同様に該当するからである。
【００１５】
そして本発明による更に別の方策として、一方又は各磁気軸受の超電導体を冷却するため、超電導体と熱的に結合され、主に熱輸送手段としての熱伝導により超電導体から熱を運びだす少なくとも１つの冷却ヘッドを備える冷却装置が設けられる。本発明は、それ自体原理的に公知の冷却ヘッドを、磁気軸受を間接的に冷却するため利用することを提案する。これは、従来技術で意図される液体の冷媒を経ての直接的な冷却に比べて、設計面や取扱の点ではるかに簡単な解決法である。冷却ヘッドは、熱伝達のための接続片として容易に磁気軸受に組み付けられる。しかも、１つ又は複数の冷却ヘッドの使用は、磁気軸受の超電導体の的確な冷却を保証すると共に、気体雰囲気中の残留水分や気化した極低温剤に含まれる水分が凍結することで磁気軸受が氷結する危険を伴い、完全には回避不能な極低温液の流出や、それに伴う管理不能な熱的状況の発生等の問題を防ぐ。
【００１６】
本発明の装置の有利な実施形態と発展例を、請求項１に従属する各請求項に記載してある。
【００１７】
冷却ヘッドを冷却し、それに伴い１つ又は複数の磁気軸受を間接的に冷却する冷却装置は、特に電気的に作動し、冷却ヘッドとの関連で極低温技術の液体ガスの取扱が不要な極低温冷凍機システムを持つと望ましい。異なる冷却ヘッドは、各々独自の極低温冷凍機或いは任意の組み合せで共通の極低温冷凍機と接続するとよい。各冷却ヘッドは、回転軸に対し実質的に垂直に延びる方向で、磁気軸受の超電導機構に外部から通じていると好ましい。
【００１８】
本装置の１つ又は複数の磁気軸受は、一般に少なくとも１つの内側の軸受部品と、少なくとも１つの外側の軸受部品とを含み、外側の軸受部品は内側の軸受部品を取り囲み、両軸受部品間には、回転軸の回りに延びる軸受間隙が生じ、両軸受部品の一方はロータ、特にそのロータ軸と連結する。
【００１９】
そして磁気軸受の両軸受部品の一方は、少なくとも１つの永久磁石を含むのが好ましく、それに対し他方の軸受部品は超電導機構を含み、該機構は、内側の軸受部品と外側の軸受部品間の軸受間隙を形成又は維持すべく、１つ又は複数の永久磁石と電磁的に誘導により相互作用をする。複数の永久磁石がある場合、これらは一般に相並んで、特に回転軸に対し軸方向に相前後して配置し、全周で閉じた、特にリングの形態で各回転軸を取り囲み、又は回転軸を周回する構成で相並んで配置するのが好ましい。１つ又は複数の永久磁石は、有利な実施形態では、全周で閉じた、特にリングの形態で回転軸を包囲する。このときリングの横断面は、中空円筒状ないしトーラス状のリング形態に応じ、特に円形、円板形又は長方形であってよい。即ち回転軸に対し垂直なリングの縦断面は、環状であってよい。直接隣り合う永久磁石の磁化は、場合により存在するドメインを平均したとき、少なくとも互いに実質的に反対方向を向いていると好ましい。
【００２０】
磁気軸受の有利な発展例は、少なくとも２つの永久磁石間に各々磁束案内部材および／又は軸方向で見て外側の永久磁石の外側に各々磁束案内部材を設けることを特徴とする。各磁束案内部材は、永久磁石の磁束を案内する共に、軸受間隙に磁束を集中させ増強する役目も果たし、そのため少なくとも部分的に透磁性材料、特に強磁性材料、例えば鉄（Ｆｅ）からなる。
【００２１】
超電導機構は、閉じた、特にリングの形態で回転軸を包囲しおよび／又は少なくとも軸受間隙の方を向いている側で実質的に円筒状に成形すると好ましい。更に結合の優れた効率を得るため、軸受部品の、軸受間隙の方を向いている側に、超電導機構を配置すると好ましい。
【００２２】
一般に、超電導機構を冷却し、かつより高い保磁力を得るべく永久磁石も冷却するため、各磁気軸受について各々少なくとも１つの冷却ヘッドを設ける。
【００２３】
そして無接触式の磁気軸受の少なくとも１つの軸受間隙は、ガス交換を許すように気体室と連通させるとよい。それによって軸受間隙は、気体室内に生成するのと同じ気体雰囲気中に置かれる。
【００２４】
一般に、気体室の壁部はロータに対し据置であり、ロータが回転したときにロータの回転軸に対し相対的な位置が変わらずに保たれる。
【００２５】
ロータは、ロータと結合したロータ軸を経て、磁気軸受に支持するとよい。ロータ軸は、回転シール材で密閉した気体室の壁部の開口部を経て、外部に通じていると好ましい。
【００２６】
本装置の特に有利な実施形態では、ロータが、好ましくは各々ロータ軸を経て、回転軸に対し軸方向で見てロータの各々反対側に配置された少なくとも２つの磁気軸受に支持される。その結果ロータが両側で支持され、それに伴い格別に安定的に支持される。
【００２７】
ロータの有利な発展例は、一般に回転軸の回りに延び、好ましくは超電導体で構成され、少なくとも１つの巻線を備えることを特徴とする。
【００２８】
磁気軸受の超電導体および／又はロータの巻線の超電導体として、全ての低温および高温超電導体が考慮の対象となる。超電導体は、遷移温度が３５Ｋ以下の古典的な低温超電導体、例えばニオブ−錫合金等の金属性の合金であっても、好ましくは遷移温度が３５Ｋ以上、有利には７７Ｋ（即ち窒素の沸騰温度）以上の高温超電導体、例えばビスマス−ストロンチウム−カルシウム−銅合金、イットリウム−バリウム−銅酸化物等の金属酸化物やセラミックスの高温超電導体或いは水銀やタリウムの化合物でもよい。超電導体の遷移温度が高い程、冷却のためのエネルギーが少なくなる。
【００２９】
特に高温超電導体は機械的な強度が劣るので、有利な発展例では、磁気軸受の超電導機構又はロータの超電導巻線を、支持体や巻線支持体の上又は中に配置するとよい。超電導体を冷却するため、支持体や巻線支持体は、例えば金属からなる構成により高い熱伝導性を有していると好ましい。
【００３０】
格別に有利な実施形態では、ロータの巻線支持体は、回転軸に対し軸方向に延びる中空室（内部空間）を備える。そして巻線の冷却は、中空室の内部又は中空室の表面で熱伝達ユニットを、好ましくは中空室内の接触ガスを経て巻線支持体と熱的に結合することで、この中空室を経て省スペースに行うのが好ましい。
【００３１】
この熱伝達ユニットは、ロータの冷却装置と熱的に結合するとよい。この冷却装置はそれ自体公知の方法で、例えば冒頭に掲げた米国特許第５４８２９１９号明細書に基づき構成してよく、同明細書の開示内容全体を本件出願に取り入れるものとする。冷却装置および／又はロータの熱伝達ユニットは、液体ヘリウムや液体窒素等の液体の冷媒で作動させ又は少なくとも１つの冷却ヘッドを備える極低温冷凍機システムや、磁気軸受用の冷却システムを設けてもよい。
【００３２】
熱伝達ユニットは、特別な構成では、巻線支持体の中空室に突入する、有利には円筒状に構成した熱伝達体を備え、この伝達体と巻線支持体の間に、回転軸を中心として延び、接触ガスで充填された中間間隙が存在する。そして巻線からの熱伝達や巻線の冷却は、ほぼ固体と接触ガスを経た熱伝達により行われる。
【００３３】
或いは代替的又は追加的に、熱輸送手段として、相応に選択した気化エンタルピーを伴う熱輸送ガスの周期的な気化と凝縮を利用してもよい。この場合、熱伝達ユニットは、特にヒートパイプを含んでいてよい。
【００３４】
熱伝導と気化という両方の熱輸送手段を活用する実施形態では、巻線支持体の中空室を少なくとも部分的に熱輸送ガスで充填し、それにより、熱輸送ガスに熱伝導用接触ガスの役目も果たさせる。
【００３５】
巻線支持体の中空室や熱伝達体と巻線支持体との間の中間間隙は、ガス交換が可能なように気体室と連通していてもよい。そうすればロータの内・外で統一的な気体雰囲気が生じ、この気体室を密閉する特別な方策は不要となる。
【００３６】
巻線支持体に熱伝達ユニットを無接触式に配置することは、特に、両方の部品が機械的に互いに分離されている場合、即ちロータの回転時に熱伝達ユニットが据置形の場合に好ましい。熱伝達ユニットと、場合によりこれに接続された冷却ヘッドとの、このような一緒に回転しない据置形の構成は、冷却システムの回転部品を相互に密閉しなくてもよいので好都合である。
【００３７】
特別な発展例では、付属の磁気軸受に支持された少なくとも１つのロータ軸を中空軸として設計する。そしてこの中空軸に少なくとも部分的に熱伝達ユニットおよび／又は気体室とロータ内部空間との連絡部、特に気体室と巻線支持体の中空室との連絡部を収容できる。
【００３８】
巻線を保護するため、巻線をロータ容器の内部空間に配置すると好ましく、この空間を排気し、他の気体室と巻線支持体の中空室に対し密封するとよい。
【００３９】
ロータと磁気軸受を内部に配置した本装置の気体室は、一般に、冷却の必要がある部品を冷却する際に熱伝導体の役目をし、そのため当該部品と接触するので接触ガスとも呼ぶ気体又は混合気で充填される。この気体は、通常、本装置の作動中には気体室の中にとどまっている。従って接触ガスは、有利な実施形態では不活性ガス又は不活性ガスの混合気であり、ヘリウムやネオンが好ましく、或いは作業温度が相応に高い場合には窒素を用いてもよい。更に水素や酸素も、取扱の点で問題はあるものの、原則としては適している。
【００４０】
気体室に充填する気体は、実質的に水分含まず又は臨界値以下の水分のみを含むと好ましく、それにより、気体室の低温部分で水の凍結が生じなくなる。そのために気体を相応の純度で準備しおよび／又は乾燥させる。
【００４１】
気体室中の気圧は、有利な実施形態では、気体室の壁部を取り囲む外部空間の気圧、即ち一般には大気圧と少なくとも同程度ないしこれより高く調整するとよい。その結果、気体室の壁部の領域で封止の問題や漏れが生じた際、水分を含んだ空気の侵入や、それに伴う低温領域での氷の形成を確実に防止できる。
【００４２】
本発明による装置は、モータや発電機等の電気機械に用いると好ましい。
【００４３】
次に、実施例で本発明を詳しく説明する。説明のため、各々模式的に示す図面を用いる。図１から図５で、互いに対応する部品には同じ符号を付してある。
【００４４】
図１は、回転軸Ａに対し軸方向に見て両方の側（端面）で各々磁気軸受２、３に回転可能に支持されたロータ２０を備える装置を示している。そのためにロータ２０には、図１の左側に位置する側に、中空軸（ネックパイプ）３４として構成した第１のロータ軸を設け、又は取り付けており、この軸は、磁気軸受２に無接触式に支持している。中空軸３４は、図示の実施形態では、長さ補償をする長さ補償器３６、特に膨張ベローズを更に備える。図１の右側に位置する反対の側に、一例として中実な第２のロータ軸４をロータ２０に形成又は取り付けており、磁気軸受３で無接触式に支持している。中空軸３４とロータ軸４は共に、回転軸Ａに対し回転対称とし、特に中空円筒状や円筒状又は少なくとも若干テーパ状に形成するとよい。
【００４５】
特に実質的に同じ構成を持つ各磁気軸受２、３は、付属の中空軸３４とロータ軸４と結合された軸受内側部品５と、軸受間隙１０を形成しながら軸受内側部品５を包囲する軸受外側部品１１とを備える。軸受内側部品５は、軸受間隙１０の方に向う外面に、図１には詳しくは示さない複数の永久磁石を有する。これら永久磁石に向き合って、軸受外側部品１１は軸受間隙１０に向う内面に、外側で支持体１３に支持された超電導機構１２を備えている。超電導機構１２は、外側から支持体１３を経て突入する冷却のための冷却ヘッド２２、２３と各々接触している。磁気軸受２、３の構成については、詳細な図２〜４を参照して後でまた説明する。ここではまず、図１に示す装置のその他の部品を詳しく説明する。
【００４６】
ロータ２０は少なくとも１つの巻線２５を有し、該巻線は、超電導物質からなり、特に実質的に同じ半径で、回転軸Ａの回りに１回又は複数回巻きついて延びている。巻線２５は、中空体の形で、特に中空円筒状の形で回転軸Ａを取り囲む巻線支持体２６の上又は中に支持されている。巻線支持体２６は、金属のように熱伝導性の優れた材料からなる。
【００４７】
巻線支持体２６の内部に、回転軸Ａが貫通する中央の中空室３０がある。中空室３０は、ロータ軸４に向う側を巻線支持体２６で閉じられており、中空軸３４の方を向う側で開いている。巻線支持体２６のこの開口部を経て、その側で円筒状の熱伝達体３５が中空室３０に突入し、反対側で中空室の端部の直前迄延びている。熱伝達体３５は熱伝導性の優れた材料、例えばアルミニウムや銅等の金属や、渦電流を防止すべく、セラミックスのように熱伝導性のある誘電材料、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、もしくは単結晶サファイアでできていてもよい。
【００４８】
熱伝達体３５と、巻線支持体２６の内面との間に、全周にわたり中間室３９を形成してある。熱伝達体３５は巻線支持体２６に続いて、その側にある懸架部材４８の中央の中空室から外方に向かい中空軸３４の中空室迄通じており、各々中間室３８、３７を形成している。中空軸３４に対する中間室（間隙）３７、懸架部材４８に対する中間室３８および巻線支持体２６に対する中間室３９により、熱伝達体３５をこれら回転部品およびロータ２０に対し特に据置で、即ち一緒に回転せぬよう配置できる。
【００４９】
少なくとも熱伝達体３５と巻線支持体２６にはさまれた中間室３９には、巻線支持体２６と熱伝達体３５の熱的な結合を成立させる接触ガスを封入する。中間室３９、３８および３７は、図示のように相互に連通すると好ましく、それにより、接触ガスが全ての中間室３７〜３９に入ることになる。接触ガスとして、ヘリウムやネオンを用いるとよい。
【００５０】
熱伝達体３５は、巻線支持体２６の中空室３０内にある端部と反対側の端部において、回転軸Ａに対し軸方向で見て反対側から中空軸３４内に延びる冷却ヘッド２４の端部と熱的に結合している。詳しくは図示しない冷却装置、特にそれ自体公知の極低温冷凍機に接続された冷却ヘッド２４を経て、熱伝達体３５が冷却される。そのため、接触ガスを経ての熱伝導で間接的に巻線支持体２６も冷却され、巻線支持体の良好な熱伝導性により、本来冷却すべき超電導巻線２５も最終的に冷却できる。かくして、据置形の部品である熱伝達体３５を経て、回転する部品である巻線２５の冷却が実現する。
【００５１】
巻線２５を備える巻線支持体２６を容器２１の内部空間に配置しており、両端面で、金属スリーブと断熱材料製の中空コアとを備える懸架部材４８により各容器２１の壁部に懸架している。巻線支持体２６は外面（外套面）で容器２１の壁部から間隔をおいている。容器２１の内部空間に形成した、巻線支持体２６と容器壁部とに挟まれる中間室は、外部に対する巻線支持体２６のできるだけ良好な断熱を得るべく、所望の残留圧になる迄排気すると好ましい。容器２１中のこの排気された領域は、巻線支持体２６自体と両方の懸架部材４８とで、熱伝達体３５の回りの中間室３９、３８から気密に分離している。
【００５２】
そして、両ロータ軸３４、４を備えるロータ２０と、両磁気軸受２、３とは、ガス不透過性の壁部６１で気密に包囲した気体室６０内に一緒に配置している。この気体室６０を、所定の組成をもつ気体５０、特にネオンやヘリウムのような化学的に抵抗性の不活性気体又はその混合気で充填してある。
【００５３】
そしてロータ２０の中空軸３４は、図示の如くロータ２０と反対側の端部で気体室６０に連通するとよく、その結果、外部に位置する気体室６０の領域と、中間室３７、３８、３９との間の気体接続が成立する。更に磁気軸受２、３の軸受間隙１０も、両方の側で各々気体室６０に向いて開いている。即ち中間室３７、３８、３９、軸受間隙１０および残りの気体室６０を、同一の気体５０で充填している。かくして、気体５０は巻線２５を冷却する接触ガスであると共に、磁気軸受２、３の保護ガスでもあり、複数の機能を果たしている。
【００５４】
気体室６０の壁部６１に、巻線２のための冷却ヘッド２４と、磁気軸受２、３のための冷却ヘッド２２、２３とを挿通、好ましくは保持又は固定している。更に壁部６１には、磁気軸受２、３の軸受外側部品１１を保持部材５２、５３により取り付けている。壁部６１とこれに取り付けた各部品は据置形であるのが好ましく、ロータ２０と共に回転はしない。
【００５５】
磁気軸受３で支持するロータ軸４は、気体室６０の壁部６１の、冷却ヘッド２４と反対側の端面で、開口部に挿通している。気体室６０の壁部６１へのこのようなロータ軸４の挿通部は、外部に位置する回転シール材４０、特に摺動リングシール又はジンマーリングシール、ラジアル軸シール、スタッフィングボックスシール、又は強磁性流体シールによって、外部からの空気流入に対して、又は内部からの接触ガス５０の漏出に対して密封している。
【００５６】
気体室６０内の気体５０の圧力は、一般に、少なくとも大気圧（約１バール）であり、好ましくはこれよりも高い過圧に調整する。それにより、圧力変動に対して敏感でなく、漏れが生じた場合にも外部からの空気中水分の侵入に対して格別に良く防護された装置を得られる。
【００５７】
気体５０は、ロータ２０と、磁気軸受２、３の外部とに位置する気体室６０の領域（外部空間）では、少なくともほぼ周囲温度であるのが通例である。ロータ２０と磁気軸受２、３の内部での低温工学上の温度と、それよりはるかに高い気体室６０の外部空間の温度との間の温度勾配は、中間室３７〜３９と軸受間隙１０とで形成され、気体５０で充填された比較的狭い間隙で維持される。中空軸３４と冷却ヘッド２４間の中間室３７で形成した気体間隙で温度勾配を維持するため、図示しない環状のブラシ、例えば３〜５個のブラシを、軸方向で段階付けしつつ気体間隙に追加的に配置し、対流による熱発生を防止又は低減する。
【００５８】
容器２１の外部で、固定子支持体４６上の固定子巻線４５が巻線２６を包囲する。固定子巻線４５と固定子支持体４６は、両者を囲む外側ケーシングと共に、特に同期電動機である電動モータのステータ又は発電機のステータを形成する。これは有利な利用法であるが、本発明による装置の唯一の利用法ではない。
【００５９】
図２は、特に図１の磁気軸受３として使用可能な磁気軸受を、拡大斜視図で示す。軸受内側部品５は、複数、例えば６つの、環状ディスク状の永久磁石６ａ〜６ｆを備えている。これら永久磁石部材６ａ〜６ｆは、軸方向、即ち回転軸Ａの方向で見て、分極が部材毎に反対になるように各々分極している。個々の分極方向は、図面では矢印線７で示している。永久磁石部材６ａ〜６ｆの間に、例えば鉄等の強磁性材料からなり環状ディスクの形をした部材（中間部材）８ａ〜８ｅを配置している。更に外側の永久磁石部材６ａ〜６ｆの端面側の外面に、部材８ａ〜８ｅに対応する強磁性部材８ｆおよび８ｇを設けている。これら強磁性部材８ａ〜８ｇの強磁性材料は、軸受内側部品５の円筒状の外面に磁束を集中させて均一化する役目を果たし、その結果軸受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。全ての部材６ａ〜６ｆおよび８ａ〜８ｇは、ステープル状に軸方向で相前後して軸４に取り付けている。軸４は、非磁性材料、即ち磁化不能の材料、例えば特殊な鋼材等で作ると好ましい。
【００６０】
軸受内側部品５は、軸受間隙１０で分離した状態で、中空円筒状の据置形の軸受外側部品１１を包囲する。軸受内側部品５と軸受外側部品１１間の軸受間隙１０の幅（半径方向の寸法）ｗは、強磁性中間部材８ａ〜８ｇの軸方向の厚さｄ２のオーダ、典型的には０.１〜５ｍｍ、有利には０．３〜１．５ｍｍである。
【００６１】
ステータを構成する軸受外側部品１１は、軸受内側部品５の方に向う内側に、例えば金属、特に銅（Ｃｕ）からなる支持体１３により外側で支持された超電導機構１２を有する。超電導機構１２の超電導物質として、公知のあらゆる超電導物質、特に織物状のＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇−_xが考慮の対象となる。この際、超電導物質の少なくとも大部分の結晶質のａ−ｂ平面は、軸受内側部品５の外面に対し実質的に平行に向いているのが好ましい。この際超電導体の微結晶粒子の平均粒度（粒子の直径）は、永久磁石部材６ａ〜６ｆの軸方向の厚さｄ１よりも大きいと望ましく、この粒度は結晶質のａ−ｂ平面で観察したときのものである。
【００６２】
隣接する永久磁石部材（例えば６ｄ、６ｅ）により軸受内部部品５に生ずる磁束は、その殆どが共通の強磁性中間部材（８ｄ）に集中し、その結果高い磁束密度でこの部材を経て軸受間隙１０に流出する。軸受間隙１０では、この磁束が隣接する各中間部材（８ｃ〜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を区切る据置形の超電導機構１２では、個々の磁極で生成した磁束が電流を誘導し、該電流がひいては磁気結合や逆結合を生ずる。ロータ軸４の側では、軸４の非磁性材料の領域で磁束が閉じる。そのため、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を、その部位で防止できる利点がある。
【００６３】
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生ずるために、少なくとも２０ＭＧＯｅの最大エネルギー積（Ｂ^*Ｈ）_maxを有すると望ましい。このようにエネルギー積が高い材料は、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。永久磁石材料は、その保磁力を高めるべく、場合により冷却してもよい。
【００６４】
磁気軸受３は、軸受内側部品５の領域の範囲外に、超電導物質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を備える。それと同時に、ロータ軸４にある溝１７と、装置１５にある刃状の支え部１８とで、軸受位置が軸方向と横方向とで心合せされる。電磁誘導で、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）との間に電磁力が発生し、該電磁力は運動方向と逆向きに作用し、軸受内側部品５とロータ軸４とが軸受間隙１０のほぼ中央で浮遊するという結果をもたらす。このような支持により、最大１０バールの軸受圧力と、半径方向および軸方向のロータ軸４およびロータ２０の変位に対する支持部の顕著な剛性とが実現される。
【００６５】
図３は、好ましくは図１の磁気軸受３（又は２）として用いられる磁気軸受の更に別の実施形態を図示している。同じく軸受内側部品５には、強磁性部材８ｉを交互に備える永久磁石部材６ｊの積層体を設けている。部材６ｊと８ｉの積層体は、図３では支持体５４に取り付けており、該支持体は、機械的に安定な断熱性の材料、例えば繊維強化プラスチック、特にガラス繊維強化プラスチックからなる保持ディスク５７およびその間に介在する断熱材料５５により、ロータ軸４から間隔をおいている。軸受外側部品１１も、同じく超電導機構１２と、超電導機構１２のための支持体１３とを有している。
【００６６】
同じく支持体１３に、磁気軸受３の外側スリーブ１９に取り付けた冷却ヘッド２３が、外部から内方に向かい垂直に延びるよう接続し、結果的に熱的に結合させている。支持体１３は、保持ディスク５７とその間に介在する断熱材料５６を経て、外側スリーブ１９と連結している。
【００６７】
図３に示す特別な実施形態では、回転軸に対し軸方向に見て両側に、支持体１３や、磁石ステープルを備える内側の軸受部品５等を含めた超電導機構１２の端面の前方に、各々外側スリーブ１９から内方に向き、ロータ軸４に向う断熱体１４、１４’を配置している。断熱体１４とロータ軸４の間に、回転軸Ａと平行に延びる第１の軸受部品間隙４１を形成している。内方に向かい軸受内側部品５の方に向う断熱体１４の側と、軸受内側部品５との間に、回転軸Ａに対し垂直方向に延びる第２の軸受部品間隙４２を設けている。同様に、内方に向かい軸受内側部品５の方へ向う他方の断熱体１４’の側と軸受内側部品５の間に、回転軸Ａに対し垂直方向に延びる第３の軸受部品間隙４３を形成しており、断熱体１４’とロータ軸４との間にも同じく回転軸Ａと平行に延びる第４の軸受部品間隙４４を形成している。第１の軸受部品間隙４１、第２の軸受部品間隙、軸受間隙１０、第３の軸受部品間隙４３および第４の軸受部品間隙４４を直列につなぐことで、気体５０が磁気軸受３を通過する気体通路を形成している。このように軸受間隙を特別に構成する利点は、磁気軸受３の比較的高温な端部領域に位置する第１の軸受部品間隙４１と第４の軸受部品間隙４４が、軸受間隙１０より回転軸Ａの近くに位置し、軸受内側部分５と共にロータ軸４が回転した際、両軸受部品間隙４１、４４内の気体５０が、相応の低い遠心力しか受けない点にある。その結果、ロータ軸４上で軸受内側部品５が回転する際、軸に近い軸受部品間隙４１、４４（ならびに４２、４３）内で一緒に回転する気体５０の密度が低下し、軸から遠い軸受間隙１０内で高くなる。その一方で気体５０の密度は、軸受間隙１０の方に向かい温度が著しく低下するため再び高くなるので、この相反する両効果がある程度相殺される。かくして磁気軸受３の本実施形態では、磁気軸受３の内部で気体５０の一層均一な密度分布と、安定した層形成とを達せられる。
【００６８】
図４は、図１に示す装置のための磁気軸受２の変形例を横断面図で示す。ここでは、磁気軸受２の符号２９で示す外側の軸受部品にある永久磁石部材と、内側の軸受部品３１としての、中空軸３４の外面に取り付けた、符号３２で示す中空円筒状の超電導機構とを設けている。更に、磁気軸受２の永久磁石を軸方向には積層せず、軸方向に延びる中空円筒切片状の永久磁石部材２７ｉ、２７ｊ（このとき１≦ｉ≦ｊ、１≦ｊ≦ｎ）を設けている。永久磁石部材２７ｉ、２７ｊは、ストライプ状で同じく中空円筒切片状の強磁性部材２８ｋ（ここに１≦ｋ≦２ｎ）を経て各々間隔をおいており、該部材と共に、外側の軸受部品２９のための閉じた中空円筒機構を形成している。据置形の外側軸受部品２９は、軸受間隙１０の間隙幅ｗにより定まる間隔ｗで、回転可能な内側の軸受部品３１を取り囲んでいる。中空軸３４も同じく間隙幅ｘの中間室３７を形成しつつ熱伝達体３５を包囲している。図示の横断面図で判るように、互いに同心的に配置した両間隙、即ち軸受間隙１０と中間室３７は、各々同じ気体５０で充填している。
【００６９】
図５は、図１に対し改変した本発明による装置の実施形態を示し、ここでは熱伝達体３５と冷却ヘッド３４で形成される図１の熱伝達ユニットを、ヒートパイプ原理に基づき作動する図５の熱伝達ユニットにより置換している。真空絶縁されたヒートパイプ７０を経て、有利には液状化された接触ガス５０に相当する作動液５０’を、中空軸３４の後方部分から懸架部材４８を経て巻線支持体２６の中空室３０迄テーパ状に拡張する内部空間３８’を経て中空室３０に入れる。作動液が加熱により気化し、気化熱の形で巻線支持体２６から熱を奪う。ヒートパイプ７０の作動気体とし働く蒸発した気体５０は、内部空間３８’とヒートパイプ７０を経て逆の経路で、気密な壁部６１の外部にある凝縮器７１迄運ばれ、そこで冷却ヘッド７２により、再び作動液５０’に液状化する迄冷却される。そして、ヒートパイプ７０の中の循環（作業サイクル）があらためて始まる。この実施形態では、気体５０は接触ガスとしてだけではなく、これに加えて、ヒートパイプによる冷却のための作動気体としての役目も果たす。ヒートパイプ７０と中空軸３４の間に細い中間間隙３７’が存在し、この中間間隙はその他の気体室６０とつながり、ヒートパイプ７０および中空軸３４等の回転部品からの機械的な分離を可能にしている。
【００７０】
特に図１から５に示す磁気軸受の材料、構成、寸法、機能等の上記以外の詳細に関しては、独国特許第４４３６８３１号明細書も参照されたい。同明細書の内容を、本件出願の開示内容に取り入れるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ２つの磁気軸受に支持されたロータを備える装置を示す、ロータの回転軸を含んでいる平面での縦断面図である。
【図２】 本装置の磁気軸受の一実施形態を示す部分破断斜視図である。
【図３】 本装置の磁気軸受の別の実施形態を示す縦断面図である。
【図４】 本装置の磁気軸受の別の実施形態を示す、回転軸に対して直交する方向の平面での横断面図である。
【図５】 ２つの磁気軸受に支持されたロータと、ヒートパイプとを備える装置を示す縦断面図である。
【符号の説明】
２、３ 磁気軸受、４、３４ 軸、５、１１ 軸受部品、６ａ〜６ｊ、２９ 永久磁石、８ａ〜８ｉ、２７ｉ、２７ｊ 中間部材、１０ 軸受間隙、１２ 超電導機構、１３ 支持体、１４、１４’ 断熱体、１７ 溝、１８ 支え部、２０ロータ、２１ 容器、２２〜２４、３４ 冷却ヘッド、２５ 巻線、２６ 巻線支持体、３０ 中空室、２９、３１ 軸受部品、３４ 中空軸、３５ 熱伝達体、３６ 長さ補償器、３７〜３９ 中間室、３８’ 内部空間、４０ 回転シール材、４１、４４ 軸受部品間隙、４５ 固定子巻線、４６ 固定子支持体、４８ 懸架部材、５０ 接触ガス、５０’ 作動液、５２、５３ 保持部材、５４ 支持体、５７ 保持ディスク、６０ 気体室、６１ 壁部、７０ ヒートパイプ、Ａ 回転軸。

Claims (25)

1. ａ）回転軸（Ａ）を中心として回転する、下記ｃ）の冷却装置とは別の冷却装置により冷却される少なくとも１つの超電導巻線を有するロータ（２０）と、
   ｂ）前記ロータを無接触で支持し、少なくとも１つの超電導機構を含む少なくとも１つの磁気軸受（２、３）と、
   ｃ）１つ又は各磁気軸受の少なくとも１つの超電導機構を間接的に冷却する少なくとも１つの冷却ヘッド（２２、２３）を備える冷却装置とを備え、
   ｄ）ロータと磁気軸受は、気密な壁部（６１）で取り囲まれ外に向かって閉じられた気体を満たされた共通の気体室（６０）内に配置された電気機械の装置。
2. ロータが、回転軸に対し軸方向で見てロータの各反対側に配置された少なくとも２つの磁気軸受で支持された請求項１記載の装置。
3. ロータが、ロータと結合された少なくとも１つのロータ軸（４、３４）を経て、磁気軸受で支持された請求項１又は２記載の装置。
4. ロータ軸が、回転シール材（４０）で密封された気体室の壁部の開口部を通って外部に挿通された請求項３記載の装置。
5. 前記巻線が、回転軸に対し軸方向に延びる中空室（３０）を有する、伝導性を備えるように構成された巻線支持体（２６）の上又は中に配置された請求項１から４の１項に記載の装置。
6. 巻線支持体の中空室が、ガス交換可能なように気体室と連通した請求項５記載の装置。
7. 接触ガス（５０）を経て巻線支持体と熱的に結合され、冷却装置と熱的に結合した熱伝達ユニット（３５、２４）を備える請求項５又は６記載の装置。
8. 熱伝達ユニットがロータから機械的に切り離され、特にロータと回転せずおよび／又は気体室の壁部と固定的に結合された請求項７記載の装置。
9. ａ）熱伝達ユニットが、巻線支持体の中空室に突入する、有利には円筒状に構成された熱伝達体を含み、
   ｂ）熱伝達体と巻線支持体の間に、回転軸を中心として延び、接触ガスで充填された中間室が形成されており、この中間室は有利には気体室と連通した請求項７又は８記載の装置。
10. 熱伝達ユニット（７０）が熱輸送ガスの周期的な気化と凝縮により熱を巻線支持体から運び出す請求項７から９の１項に記載の装置。
11. 巻線支持体の中空室が少なくとも部分的に熱輸送ガスで充填されており、該ガスが接触ガスとしての役目を果たす請求項６又は請求項６に従属する請求項１０記載の装置。
12. 付属の磁気軸受に支持されたロータ軸（３４）が中空軸として構成されており、熱伝達ユニットおよび／又は気体室とロータ内部空間、特に巻線支持体の中空室との間の気体接続部は、少なくとも部分的に中空軸の内部に配置された請求項１、３、７の１項に記載の装置。
13. ロータが気密な容器を含み、巻線は、排気された前記容器の内部空間に配置された請求項１記載の装置。
14. 各磁気軸受が、
    ａ）少なくとも１つの内側の軸受部品（５）と、
    ｂ）少なくとも１つの外側の軸受部品（１１）と、
    ｃ）両方の軸受部品の一方にある少なくとも１つの永久磁石（６ａ〜６ｆ、２７ｉ、２７ｊ）と、
    ｄ）両方の軸受部品の他方にある少なくとも１つの超電導機構とを含み、
    ｅ）永久磁石と超電導機構は、内側の軸受部品と外側の軸受部品の間で回転軸を中心として延びる軸受間隙が形成又は維持されるように電磁的に相互に相互作用する請求項１から１３の１項に記載の装置。
15. ａ）両方の軸受部品の一方、特に内側の軸受部品がロータと、特にロータのロータ軸と結合されており、
    ｂ）他方の軸受部品、特に外側の軸受部品が少なくとも１つの超電導機構を有していると共に、冷却ヘッドと結合されている請求項１４記載の装置。
16. 各磁気軸受の軸受間隙が、有利には回転軸に対し軸方向の端部で共通の気体室と連通した請求項１４又は１５記載の装置。
17. 軸受間隙が、軸受間隙よりも回転軸の近くに位置する連絡通路を経て気体室と連通した請求項１６記載の装置。
18. 少なくとも１つの磁気軸受が、有利には回転軸に対し軸方向に、又は回転軸を周回する配置で相並んで配置された複数の永久磁石（６ａ〜６ｆ、２７ｉ、２７ｊ）を有する請求項１４から１７の１項に記載の装置。
19. 少なくとも２つの永久磁石（６ａ〜６ｆ）の間に、永久磁石の磁束を案内するため、各々少なくとも部分的に磁気電導性、特に鉄（Ｆｅ）等の強磁性材料でできた磁束案内部材（８ａ〜８ｅ）が配置された請求項１８記載の装置。
20. １つ又は複数の超電導体が３５Ｋ、７７Ｋより高い遷移温度を有する請求項１から１９の１項に記載の装置。
21. １つ又は複数の磁石を冷却するため、特にその１つ又は複数の超電導機構を冷却するための各冷却装置が、少なくとも１つの冷却ヘッド（２２〜２４、７２）と熱的に結合された少なくとも１つの極低温冷凍機システムを有する請求項１から２０の１項に記載の装置。
22. １つ又は各冷却ヘッドが、回転軸と実質的に垂直に延びる方向で外部から磁気軸受の超電導機構迄挿通された請求項１から２１の１項に記載の装置。
23. 気体室が、所定の気体、特に不活性ガス、有利にはヘリウム又はネオン又は窒素かこれらガスの混合気で充填された請求項１から２２の１項に記載の装置。
24. 気体室に充填された気体がほぼ又は臨界値を下回る水分しか含まない請求項２３記載の装置。
25. 気体室の気圧が、少なくとも気体室の壁部を取り囲む外部空間内の気圧、特に大気圧と同じかこれより高い請求項１から２４の１項に記載の装置。

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