JP4852609B2 - 磁気ベアリング装置用のロータ軸 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前置きの特徴を備えた磁気ベアリング装置用のロータ軸、そのようなロータ軸を有する磁気ベアリング装置、およびロータ軸の製造方法に関する。

この技術分野において、一連の能動磁気ベアリングにより回転用ロータがその回転軸心の周囲で支持されている磁気ベアリング装置は良く知られている。そのロータは、一般には、複数の能動磁気ベアリングユニットにより囲まれた中心軸からなり、その各ユニットは、一般には、複数の電磁石からなる。時には、前記磁気ベアリング装置はさらに、ロータの回転駆動用モータを備え、また、通常、そのモータは複数の電磁石からなる。

ロータ軸は、一般的には、ロータ軸外周に配置された電磁石用の複数の環状ターゲットを備えている。同ターゲットは、標準的には強磁性体であって、電磁石の磁束通路を閉じる役目を果たす。それらは、一式の、互いに電気的に絶縁された強磁性体の金属シートが積み重なって積層されたもので構成される。このような金属シートのパッケージは、強い散逸的損失および好ましくないロータ軸の加熱の原因となる渦電流の影響を最小にする。ターゲットは、しばしば、非磁性体のスペーサにより軸心方向に隔てられている。

ターゲットと一体のロータ軸は、通常、いくつかの特徴的な工程を含む独特な方法で製造される。標準的には、第１に、個々のシートが環状にダイカット（打ち抜かれる）される。次に、それらシートは、積み重ねられたシートのパッケージを形成するため１つのジャケット内に積み重ねられる。そのジャケットは、シートを保持してその内径を厳しい精度に研削し取付けるため、芯だしがなされている。その後、環状のスペーサにより隔てられたそのようなシートパッケージのいくつかが、加熱され、熱いうちに、むき出しのロータ軸（すなわち、内部軸部分）上に摺動される。冷却により、そのシートパッケージおよび環状のスペーサは、当該軸中心部分でラジアル方向の焼嵌めが生じるように収縮する。最後に、ジャケットは積層されたシートパッケージから取り除かれる。

こうした処理は、主として、ターゲットが焼嵌めの間に、通常その形状およびラジアル方向位置をいくらか変化させるので、結果として、むしろ大きなアンバランスをもつロータ軸をもたらすこととなる。したがって、旋盤（研削盤またはターニングマシン）上でそれを仕上げ加工することにより最終的な製品形状を整えることが必要となる。この追加的な工程は時間を費やすものであり、そして最終製品コストを増大させる。

ターゲットが焼嵌めにより取付けられるという事実は、結果としていくつかの追加的不利益点を生じさせる。焼嵌めは、ターゲットに永久的なラジアル方向の応力荷重を生じさせる。回転中、この永久的な静的荷重には、遠心力により生じる動的荷重が加わる。それにより、最大許容回転速度は必要以上に制限される。さらなる複雑な事情が、一般に、内部軸部分とターゲットの材料は異なる温度係数を有するという事実から生じる。動作中、一般にロータ軸が加熱すると、これらの部分は、異なる程度で膨張する。したがって、焼嵌めでは、全ての動作条件下で焼嵌めによるトータルなラジアル方向の応力がゼロに接近せず且つ高くならないように、動作温度の全範囲および回転速度の全範囲にわたりこの膨張を考慮した方法で設計がなされねばならない。このことは、ロータ軸の異なる部分に対する材料選択を制限し、さらにその寸法精度に関し非常に高い要求を、特に小さなロータに対してもたらす。

特開平０１−１２２３３３号公報では、中心部の軸部分の外周にあるターゲットを軸心方向のクランプにより取付けることが示唆されている。しかしながら、この考え方は、実際には広く受け入れられていない。その理由は、こうした方法で構成したロータ軸は、安易に確実といえないし、また、同様な方法で構成された異なるロータ軸の間には、機械的特性の点で、大きな予測できない変化が生じ得るからである。

また、しばしば、磁気ベアリング装置用のロータ軸は、アキシャルベアリング内の電磁石用ターゲットとしての役目を果たすスラストディスクを有する。また、しばしば高い回転速度は、このスラストディスクがあることで現れる制約によって妨げられる。高い回転速度においては、スラストディスクの直径が大きくなれば、それだけディスク材料にかかる荷重も大きくなる。したがって、この技術分野では、スラストディスクを小さく、特に、アキシャルベアリングよりもかなり小さくする傾向があった。しかしながら、このことは、中心部に向け且つスラストディスクとのエアギャップに対し、磁束をラジアル方向にガイドするアキシャルベアリング用の特別な形状のヨークの使用を伴う。これは、言い換えると、磁気ベアリング装置の全長を増大し、より小さなアキシャルベアリングの開発を妨げ、そして、コストを増大させる。

発明の概要

したがって、本発明の目的は、容易に、且つ再現可能な特性を備えた製造が可能で、さらに、高回転速度の達成に適したロータ軸を提供することにある。

この目的は、請求項１に記載の磁気ベアリング装置用のロータ軸により達成される。

本発明のさらなる目的は、このような改良されたロータ軸を有する磁気ベアリング装置を提供することにある。この目的は、請求項１２に記載の磁気ベアリング装置により達成される。

本発明のさらにもう一つの目的は、結果として再現可能な特性を備えた軸となるロータ軸の簡単な製造方法を提供することにある。

この目的は、請求項１３に記載の方法により達成される。

本発明の有利な実施例は従属請求項にて言及される。

かくして、内部軸部分と、少なくとも１つの実質的に環状の電磁石用ターゲットとからなる磁気ベアリング装置用のロータ軸が提供される。このターゲットは前記内部軸部分の外周に配置される。本発明によれば、ターゲットは、軸心方向の押し付け力がロータ軸外周近くで最も強くなる方法でターゲットに軸心方向の押し付け力を及ぼす２つのカラーの間に保持される。この方法で、単純化された構成と、高い剛性および高速回転でより高い安定性を有するロータ軸が得られる。好適には、それらカラーは、ターゲット周辺近くでのみターゲットに隣接する方法で設計される。「外部周辺に近い」という用語は、前記力の加わる軸心方向位置で測定した場合、せいぜい外側５０％を含むラジアル方向範囲、好適には、環状ターゲットのラジアル方向範囲のせいぜい外側３０％を指定するものと解されるべきである。換言すれば、前記力は、ターゲット内周に対してよりも外周に対しより接近するように与えられる。

好適には、軸心方向の押し付け力は、ロータ軸が静止のとき、ターゲットと内部軸部分との間で作用するどんなラジアル方向の力よりも強い。換言すれば、ターゲットは、ラジアル方向の力よりもむしろ軸心方向の力によって主に保持される。特に、好適には、ターゲットは圧入によって保持されない。

焼嵌めが使用される状況とは対照的に、ターゲットと内部軸部分との間にギャップが現れる。このギャップは、ターゲットを取付けた後に適当なギャップ充填剤で充填されることが可能である。好適には、そのギャップ充填剤はポッタンツ、エポキシおよびハンダの中からから選択される。前記ギャップ内にギャップ充填剤を配置することによって、前記アンバランスが磁気ベアリング装置の作動中にも変化しないことが確実となる。

ときには、ターゲットは、本質的にラジアル方向に広がる複数の重ね合わされた環状のシートからなる、すなわち、ターゲットはリング形状をした積層されたシートパッケージで構成される。十分小さな許容誤差でそのような重ね合わされたシートパッケージを焼嵌め用に製造することが困難であることは良く知られているので、ラジアル方向の力よりもむしろ軸心方向の力によりそのようなパッケージを保持することが特に有利である。

少なくとも１つのターゲットに隣接するカラーが軸心方向の突出部によって形成され、前記突出部がロータ軸の外部周辺に近いところに配置されている場合、外部周辺近くで最も強い軸心方向の力を確実なものとすることは容易に可能である。好適には、その突出部は少なくともその断面において、環状形状をしてロータ軸心と同心的である。好適な実施例では、その突出部は完全にリング形状をしている。

ロータ軸は、同軸上で前記ターゲットをより遠いターゲットから隔てる１つ以上のスペーサを備えている。この場合、各ターゲット用のカラーの１つはスペーサによって形成されることが可能である。

内部軸部分は、いくつかの特徴のある断面を有し、特に、それは、ターゲットで囲まれた実質的に円柱状の断面と、その円柱状部分からラジアル方向に実質的に広がる肩部と、さらにロータ軸と同心的な前記肩部にリング形状をした軸心方向の突出部を備えており、そのなかで、前記カラーの１つが前記肩部の突出部により形成されている。

ロータ軸にターゲットを容易に取付けるため、前記内部軸部分は、有利的には、オネジを有し、そのオネジ上に、同オネジと接触するメネジを備えたナットが押し付け力与えるべく取付けられている。

前記ターゲットおよび／または、前記カラーの少なくとも１つには、内部軸部分上のターゲットをラジアル方向に芯だしするためのへこみ部および／または、突出部を設けることが可能である。代替的には、ターゲットは、その内周で前記内部軸部分により簡単に芯だしされることが可能である。

さらに、本発明はスラストディスクを備えた磁気ベアリング装置用のロータ軸を提供する。そのスラストディスクは、好適には、実質的に連続的な方法で、ラジアル方向において周辺部に向け減少する厚みを有する。好適には、そのスラストディスクは、実質的に対称的な方法で、軸心方向の両面上において、周辺部に向けて傾斜している。その厚みは、有利的には、少なくとも２５％、より好適には、少なくとも１／３だけ連続的に減少する。有利的には、その減少はなだらかである。換言すると、その厚みは、好適には、スラストディスクの半径の少なくとも２５％、好適には少なくとも１／３の範囲にわたりラジアル方向に広がる環状領域において連続的に減少する。

そのスラストディスクは、好適には、第１の実質的に一様な厚みをもつ第１の領域を有し、当該第１の領域は前記内部軸部分の近くに配置され、また、第２の実質的に一様な厚みをもつ第２の領域を有し、当該第２の領域はスラストディスクの周辺近くに配置されている。これらの一様な厚み領域は、アキシャルベアリングユニットの磁極片に対し対面関係に配置されることに役立つ。それにより、アキシャルベアリングユニットの構成が簡単化される。そのとき、前記第１および第２の領域間の傾斜領域が、有利的に、設けられており、その中で、厚みは、周辺に向けて前記第１の一様な厚みから前記第２の一様な厚みへと実質的に連続的な方法で減少する。

上述したように、減少する厚みを備えたスラストディスクは、軸心方向のクランプにより取付けたターゲットの軸と結合されるのが有利である。

本発明はさらに、上述したロータ軸からなる磁気ベアリング装置であって、当該装置は、前記ターゲットおよび／または、スラストディスクとの間の磁気的相互作用のために少なくとも１つの能動磁気ベアリングユニットからなる。特に、前記磁気ベアリング装置は、少なくとも１つ、一般的には２つの、ロータ軸に沿った異なる軸心方向位置に対応したロータ軸上のターゲットを取り囲むラジアルベアリングユニット、および／または、前記スラストディスクと軸心方向で対面関係に配置された少なくとも１つのアキシャルベアリングユニットからなることが可能である。

本発明によるロータ軸は、実質的に円柱状の部分を有する内部軸部分、前記円柱状の部分の１つの軸心方向の面に配置されたカラーおよび、前記円柱状の部分のもう１つの軸心方向の面に配置されたオネジを設け、ターゲットを構成するため複数の積み重ねられた環状シートを設け、メネジを有するナットを設け、前記ターゲットを構成するために前記内部軸部分の前記実質的に円柱状の部分へ前記複数の積み重ねられた環状シートを摺動させ、さらに、前記ロータ軸の外部周辺に近いところで軸心方向の押し付け力が最大となるような方法で前記ターゲットに軸心方向の押し付け力を与えるために前記メネジを有する前記ナットを前記オネジに締結する、ことによって容易に製造される。

カラーは、前記内部軸部分と一体に構成されるかまたは、当該内部軸部分に取付けられる第２のナットまたは追加スペーサのような部品上に設けられることが可能である。ターゲットは、既製のもの、または、ロータ軸上で個々のシートを積み重ねることにより構成されることも可能である。

本発明は、図面に示した典型的な実施例と関連してさらにその詳細について説明される。

図１および２は、ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）のブレードを備えるロータ本体を支持するのに適している磁気ベアリング装置を示す。この装置では、ロータ軸２００が、回転軸心２０１の周囲で回転するため磁気浮上される。この目的のため、いくつかの磁気ベアリングユニットが設けられている。一対のアキシャルまたはスラストベアリングユニット１００、１１０は、軸状の中心軸部分２１０に取り付けられたスラストディスク２２０と相互に作用し、軸心方向の並進変位に対しロータ軸２００の位置を安定化させる。第１のラジアルベアリングユニット８０と第２のラジアルベアリングユニット９０は、これらベアリングユニットに近いそれら軸部分の位置を、ラジアル変位に対し安定化させ、それにより、ラジアル方向におけるロータ軸の並進変位およびラジアル方向周辺での傾斜変位による並進変位に対し安定化を達成する。モータユニット７０は、ロータ軸を回転駆動する。補助的な二重のボールベアリング１３０、１４０として実装された接地用ベアリングは、磁気ベアリングの電源がオフまたは故障の際にロータ軸をその位置に保持する。代替的には、他のタイプのベアリング、例えば単一のボールベアリングまたはスライドベアリングを使用することが可能である。

いくつかのセンサユニットが、ロータ軸の変位を検出するために設けられている。アキシャル変位センサは、第１のセンサ用基板４０に形成され、一方、ラジアル変位センサは第２および第３センサ用基板５０、６０に形成されている。これらのセンサは、予め定められた方向に沿うロータ軸の変位を検出する。

ロータ軸２００は、図３から６において、一層詳細に示される。それは、内部軸部分２１０からなり、第１、第２および第３のターゲット２４０、２６０、２８０、第１および第２のスペーサ２５０、２７０、支え用ナット２９０、スラストディスク２２０、および、端部のナット２３０用の担体としての役割を果たしている。

軸状の中心軸部分２１０は、その基部端において、円柱の支持面２１１を形成し中心部の穴２１２を備えた大径部を有する。その支持面は、図１および２から明らかなように、補助ベアリング１４０を受けるのに役立つ。ここで、前記穴はロータ本体、すなわち、ターボ分子ポンプＴＭＰのロータブレードを備える本体をロータ軸に取付けるのに役立つ。

大径の基部は肩部２１４のところで終わっている。その大径基部は、径少の長い円柱部に隣接している。この円柱部の周辺にはターゲット２４０、２６０、２８０およびスペーサ２５０、２７０が配置されている。前記円柱部にはオネジ２１５が隣接し、その外径は、円柱部外径を超えず、そこに支えナット２９０が取付けられている。

さらに、端部に向けて、内部軸部分には、スラストディスク２２０を取付けるためのラジアル方向の肩部２１６と第２のオネジ２１７を有する。さらに、ラジアル方向の肩部２１８と第３のオネジ２１９は、端部のナット２３０を取付けるための役目を果たす。

内部軸部分は、一体的に作られることが好ましく、さらに、好適には、オーステナイト系の鋼またはアルミニウムのような非磁性体の金属で構成される。

内部軸部分２１０の円柱部には第１のターゲット２４０が摺動されている。動作中、このターゲットは第１のラジアル方向の磁気ベアリングユニット９０の磁束通路を閉じるように作用する。このターゲットは、複数の、重ね合わされ積層された強磁性の環状金属シートから構成され、同シート面はラジアル方向に広がっている。

第１のターゲット２４０は、オーステナイト系の鋼またはアルミニウムのような非磁性体の金属で作られた第１のスペーサ２５０とラジアル方向で隣接しており、そのスペーサ２５０は、内部軸部分２１０の円柱部にて同様に摺動されている。第１のスペーサ２５０に隣接して、第２のターゲット２６０が設けられており、その第２のターゲット２６０に続いて第１のスペーサ２５０と同様な設計による第２のスペーサ２７０が設けられている。第２のターゲット２６０は、モータユニット７０の磁束通路を閉じるように作用する。それは、複数の永久磁石２６６からなり、これら永久磁石２６６は、その周辺部にて、鋼または炭素繊維組成物から作られ薄壁で環状の円周方向スリーブまたはジャケット２６５により保持されている。それら永久磁石は公知の方法によりスリーブに接着されている。第２のスペーサ２７０に隣接して、第３のターゲット２８０が設けられている。このターゲットは、第２のラジアル方向のベアリングユニット８０の磁束通路を閉じるように作用する。このユニットにより引き上げられる力が第１のラジアルベアリングユニット９０による力よりも全体としていくらか小さいときには、第２のラジアルベアリングユニット９０および対応する第２のターゲット２８０は第１のユニット９０および第１のターゲット２４０よりもいくらか小さい。この大きさの差を別とすれば、第３のターゲット２８０は第１のターゲット２４０と同様な設計である。

支えナット２９０は第３のターゲット２８０に隣接した位置に設けられている。それは、その貫通孔に設けたメネジ２９２を有し、それによりナット２９０は、六角状締結部２９３を介して内部軸部分２１０にねじ込まれる。前記支えナットは、ターゲット２４０、２６０および２８０と、スペーサ２５０および２７０に対し軸方向の押し付け力（換言すれば、クランプまたは支持力）Ｆ’を与える役目を果たす。ターゲットおよびスペーサをそれらの位置に保持しているのは反力Ｆと共にこの押し付け力である。換言すれば、少なくとも磁気ベアリング装置の停止中、軸方向の押し付け力Ｆ、Ｆ’は内部の軸部とターゲットおよびスペーサの間のいかなるラジアル力よりも実質的に強力である。特に、ターゲットおよびスペーサは、これらの部分が内部の軸部上で自由に摺動可能、したがって、焼嵌めしない方法で内部軸部分に取付けられている。

軸方向の押し付け力Ｆ、Ｆ’は、主に、軸の外周辺に沿って与えられる。この目的のため、リング状（環状）の軸方向突出部が、各スペーサ２５０、２７０の一方の軸方向の面、第２のターゲット２６０の周囲、および第３のターゲット２８０に対面している支えナット２９０の軸方向の面上で、内部軸部分２１０の大径近位部の肩部２１４に設けられている。これらの突出部は、ロータ軸の軸心と同心的で、ロータ軸の外周辺に近いラジアル方向領域においてロータ軸の全ての外周にまで広がっている。このことは図４において最も良く分かる。そこではスペーサ２７０の面上にある突出部２７１が明確に判別可能であり、前記突出部は第３のターゲット２８０に対面しており、また、そこでは、支えナット２９０上の対応する突出部２９１がはっきりと見える。これらの突出部は、軸心方向に第３のターゲットをクランプするためのカラーとして作用する。同様にして、他の部位にある対応する突出部は、第１および第２のターゲット２４０、２６０をクランプするためのカラーとして作用する。これらの突出部は軸心方向の押し付け力Ｆ、Ｆ’がもっぱらまたは主として外周部において与えられることを確実にする。

ターゲットに隣接する部分で環状の軸心方向突出部（または、換言すれば、リング形状の肩部）を設けることに代って、そうした突出部を、他の形状を有し且つ、ロータ軸外周で連続して広がる必要がないようにすることが可能である。そのような例として、それぞれの部位の外周に沿って均等に分布した複数の小さな軸心方向の突出部を設けることにより、類似した安定性のある効果が達成される。明確な突出部を有する代わりに、それぞれの部位を中心部に向かう滑らかな傾斜にさせるようにすることが可能である。重要なことは、軸心方向の力が主として、ロータ軸の外周に近いところで与えられるということにある。

スペーサのみならず第１および第３のターゲット２４０、２８０は、内部の軸部に関し、それら個々の内径にて芯だしされる。対照的に、モータユニット用の第２のターゲット２６０は、図５から最もよく分かるように、当該ターゲットおよびスペーサ２５０、２７０のそれぞれに設けられた突出部およびへこみ部によって芯だしされる。スペーサ２５０は、その外周近くにリング形状のへこみ部２５２を有する。ターゲット２６０は、そのへこみ部２５２の中へ軸心方向に伸び、さらにへこみ部２５２の深さよりも多く突出している対応するリング形状の突出部２６２を有する。同様に、スペーサ２７０はへこみ部２７２を有し、そして、ターゲット２６０は、対応する第２の突出部２６３を有する。このようにして、ターゲット２６０は、スペーサ２５０に関して芯だしされることが可能であり、同時に、スペーサ２５０とターゲット２６０間のどのような軸心方向の力もターゲットの外周に近いところで与えられることが確実となる。ターゲットは、仮令、当該ターゲット２６０の内径に対する製造上の許容誤差が大きくても効率的に芯だしされる。

軸心方向のクランプによりターゲットを取付けることは、多くの有利がある。以下にそのいくつかを挙げる。

周辺部位（ターゲット、スペーサ）が焼嵌めによるラジアル方向の応力によって与圧されていないので、従来方法で構成した同サイズの軸による回転速度よりも高い回転速度（回転周波数）を達成することが可能である。

周辺部位をその位置に保持する力は軸心方向において作用するので、実効的な保持（クランプ）力は事実上、回転速度に無関係である。

ターゲットに対する許容誤差は、焼嵌めで要求される場合よりも大きくすることが可能である。

内部の軸部は弾性的な連結棒すなわち、軸心方向押し付け力のための軸心方向バネとして作用する。異なる温度係数により変化する可能性のある力は、主として、ラジアル方向よりもむしろ軸心方向に作用する。これらの力は、内部の軸部の弾性的伸張によって部分的に中立化されることが可能である。対照的に、先行技術においては、そうした熱的な力は、主にラジアル方向に作用し、そして、既に与圧が与えられ、高い回転速度ではかなりの動的荷重を受ける周辺部位によって、主として、支えられている。

ロータ軸の外周に近いところで軸心方向の押し付け力が与えられることによって、その軸の構造全体の剛性は、焼嵌めを用いた従来の軸および、軸心方向の力がより少なくなるような明確な方法で与えられる軸のいずれの剛性よりもはるかに増加される。増加した剛性はより高い曲げ固有振動数をもたらし、かくして、制御の容易性につながるのである。

補助ベアリングの径が他のターゲット要素より小さい場合であっても、当該ベアリングの取り付け、取り外しが容易にできるので、当該ベアリングをロータ軸に沿って任意の位置に設けることが可能である。

個々のロータ部位に不具合がある場合、そのロータは、当該ロータ軸上に取付けられた個々のターゲット、スペーサ、あるいは、補助ベアリングを取り換えることにより容易に補修することが可能である。

組み付け後追加的な仕上げ加工や旋削加工の必要がないので、ロータ軸取り付けの工程は単純化される。

その単純化されたロータ軸では、ターゲットの不完全な芯だし、特に、追加の仕上げ工程を遂行しない場合に起因してある種のアンバランスを引き起こすことがある。このアンバランスは、ロータ軸に取付けられたロータ本体によるアンバランス、例えば、ターボ分子ポンプＴＭＰの例においてポンプブレードのアンバランスに比較してしばしば無視される。大きなアンバランスがあると、ベアリングのエアギャップもそれだけ大きくすることが必要となり、そのことはより大きなベアリング電流を必要とする。したがって、そのようアンバランスは、ベアリングコイルとして利用できるスペースにより達成可能なベアリング電流が制限される小さなベアリング装置においては特別に重要な問題となる。

図１および２の例において、改良されたラジアルベアリング７０、９０の構造は、より大きなアンバランスを許容する。これらベアリングは４つの巻線用に４個の磁極片のみを有する多極のベアリングとして構成される。すなわち、各磁極片は２つの巻線、１つはラジアルｘ方向用、１つはラジアルｙ方向用、の磁束を通す。これは、４個の巻線を備えた従来の８極ベアリングに比べたとき、各巻線の断面積がより大きくなることを可能にする。増大した磁束により、同一のベアリング力を実現するためのエアギャップを大きくすることが可能となり、かくして、アンバランスの大きいロータでも適合するのである。

その巻線は、２００４年６月８日に出願された欧州特許出願第０４４０５３５４．４号明細書に記載の、特に、その図７に示された方法で、それらの駆動用増幅器に接続されるのが有利である。換言すれば、４個の巻線は、共通の星形結線に接続されることが可能である。＋ｘと−ｘ方向用の２つの巻線は、それぞれの合算値が一定且つ正であって、星形結線に向け共に同じ方向に流れる電流を受け入れるようになっている。そのとき＋ｙと−ｙ方向用の他の２つの巻線は星形結線の条件下で、同じ合算値の電流を取り除く。これは、１つのＨ型ブリッジ増幅器の端子間で前記＋ｘと＋ｙ巻線を直列接続し、第２のＨ型ブリッジ増幅器の端子間で前記−ｘと−ｙ巻線を、同様に直列接続し、さらに、星形結線（共通の結節点）を構成するために、前記＋ｘと＋ｙ巻線の共通の接続点を前記−ｘと−ｙ巻線の共通の接続点と接続することにより達成されることが可能である。制御は、＋ｘと−ｘ巻線の間および＋ｙと−ｙ巻線の間の配分電流を、それらの合算電流（各巻線のバイアス電流の２倍に等しい）を一定に保持しながら、変化させることにより達成することが可能である。図１および２の構成において、そうした接続の考え方は、現実面では、対向した各対の磁極片を通過する合計磁束が概して同一であり、さらに、コイルと制御装置間の接続数が従来のＨ型ブリッジ増幅器の半分となるので、特に適している。

図６は、スラストディスク２２０を強調しているロータ軸の部分図を示す。そのスラストディスクは内部軸部分２１０のメネジ２１７と螺合するメネジ２２６により内部軸部分２１０に取り付けられている。それ（スラストディスク）は、内部軸部分上にねじ込まれたときストッパとしての役目を果たすラジアル方向の肩部２１６と軸心方向で隣接している。ディスクの一方の軸心方向の面には、当該ディスクをより良く安定化するためリング形状をした軸心方向の突出部２２４が前記内部軸部分を堅く取り囲んでいる。図１および２に現れている補助ベアリング１３０に軸心方向の力を受けさせるためのストッパとして第２のリング形状をした軸心方向の突出部２２５がその役目を果たす。

それら突出部は別として、ディスクは、第１の半径Ｒ１までの内部領域で一様な厚みｄ１を有する。厚みは、その次に、半径Ｒ１と半径Ｒ２の間に広がる範囲にわたる傾斜領域で値ｄ２まで絶えず減少している。外周に近い第３の環状領域では、厚みは、再び一様である。図１および２から明らかなように、環状の磁極片は一様な厚みの領域に面しているアキシャルベアリングユニット内に設けられている。それらの磁極片が一様な厚みの領域に面しているので、これら磁極片の構造が単純化される。

こうした構造は、スラストディスクの質量増大させることなしに、予め定められた最大回転周波数に対するより大きなスラストディスクの提供を可能にする。このような構造のスラストディスクは、卓越した安定性を有する。前記アキシャルベアリングユニットは、磁束を中心へ向けて追加的に案内するヨークを必要としないので、より単純な方法で構成することが可能となる。また、本例において、ラジアル方向に厚みの減少するスラストディスクは、相対的に大きなラジアル方向の直径のベアリングユニットが採用されるので、有利である。さらに、相対的に大きな直径のスラストディスクの使用を伴う、相対的に大きな直径のアキシャルベアリングを採用することは、賢明である。

このようなスラストディスクで達成可能な磁気的な力は、実際には、同じ直径で且つ一様な厚みｄ１を有するディスクに対するよりも小さくなることはない。外部磁極でのエアギャップの外周がより大きいので、アキシャルベアリングの外側磁極でのトータルな磁気的断面積は、内部磁極とほぼ同じである。磁気的断面は、磁束と直角であって磁力線が広がっている領域として定義される。本例において、磁気的断面は、アキシャルベアリングユニットの磁極片間に広がるスラストディスクの傾斜領域において、軸心方向とほぼ直角である。したがって、磁気的断面積は、この領域における円周と厚みとの積により近似的に与えられる。特に、このことは、半径の関数として厚みを選択することが有利であるための、以下の経験に基づく近似的法則に導く。断面積すなわち、厚みと円周との積、したがって、厚みと半径との積は、厚みが減少している傾斜領域全体にわたり近似的に一定であるべきである。この規準は、結果として、厚みの半径に関する双曲線的な依存に導くが、一般的には、製作の容易性という理由から、好適には、双曲線的な減少に近似する直線的減少が選択される。同じ理由で、外部の一様な厚みの領域（Ｒ２とディスク半径Ｒとの間）は、半径Ｒ１までの内部の一様な厚み領域よりも小さい半径領域にわたって広がっている。

本例では、厚みは、対称的な方法で減少している。すなわち、ディスクの２つの側面は同じ傾斜角を有する。アキシャルベアリングユニットの構成に依存して、しかしこのことは必ずしも必要ではないが、特に、ディスクの一方の面のみを傾斜させることも考えられる。

厚みの減少するラジアル方向範囲は相対的に大きく、また、ディスクの傾斜部分の傾斜角は相対的に小さい。このことは、磁束の滑らかな分布を可能にし、そして、磁気的断面に関連した上記考慮を満たすので有利である。好適には、厚みの減少するラジアル方向範囲は少なくとも半径の約１／４にわたって広がっている。本例では、この範囲は半径全体の約１／３を超えている。その精確な値は、アキシャルベアリングユニットの構造、特にその磁極片間のラジアル方向距離に大きく依存する。同様にして、ディスク周辺での厚みは、好適には、当該ディスクの内部領域の厚みの、少なくとも約１／４、より好ましいのは、少なくとも約１／３だけ減少されることである。

ロータ軸端部にて、端部ナット２３０は、スラストディスクと類似の方法で、すなわち、内部軸部分のオネジ２１９、前記ナット内のメネジ２３４、当該ナットが軸心方向で隣接しているストッパとして作用する肩部２１８、前記ストッパを超えて軸心方向に広がり且つ部分的に内部軸部分２１０を囲んでいるリング形状をした突出部とによって、および６角断面２３３と協働して、取付けられている。この端部ナットは、好適には、渦電流タイプの軸心方向変位センサ用およびパルスセンサまたはレゾルバのような回転センサ用のターゲットとしての役目を果たす。この目的のため、前記ナットは、図６から明らかなように、一般には、回転対称とはなっていない。

センサ用基板のみならずベアリングユニットがハウジング１０により囲まれている。センサからの信号は、ハウジング１０の外部に配置された制御ユニット（図１に図示せず）へ送られる。その制御ユニットでは、ベアリングユニット用の適切な制御用電圧または電流がこれらの信号から派生され、そしてその制御ユニットからベアリングユニットへ供給される。

制御ユニットと磁気ベアリング装置との間で信号や電流を供給するためハウジング１０の壁を介して電気的な貫通接続部３０が設けられている。貫通接続部３０は、ハウジング１０の長手方向に対し本質的に垂直（すなわち、回転軸心に対し垂直）な方向にのびているプリント回路基板（ＰＣＢ）３１からなる。その基板は、ハウジング１０の壁を横切って伸びており、そして、ハウジングの内周に沿い常に壁を区切っている、すなわち、ハウジングを２つの部分に分割している。基板が伸びている断面は回転軸心に対し垂直である。貫通接続の詳細は、２００５年８月２４日に出願された欧州特許出願第０５４０５４９２．９号明細書に開示されており、改良された電気的真空貫通接続を教示するため、その開示全体を参照することで本願に取り込まれるものとする。

ラジアル変位センサは、好適には、国際公開第２００４／０４８８８３号パンフレットに開示されたタイプのものである。そのような多重座標軸のラジアル変位センサは、軸の周りに配置された第１の誘導要素と、この第１の誘導要素の近傍に配置された複数の第２の誘導要素を備えている。時間で変動する電流を第１の誘導要素に与え、そして第２の誘導要素の誘起電圧を検出することにより、ロータ軸の変位を測定することができる。すべての誘導要素は、単一または共通のプリント回路基板のプリントコイルとして簡単に実装されることが可能である。それにより、高効率で非常に簡単なラジアル変位センサが得られる。特に、各第２および第３センサ用基板５０、６０は、好適には、その導電性（トレース）層内にそうした多重座標軸のラジアル変位センサを実装している。

同様に、アキシャル変位センサが第１センサ用基板の導電性層の中に実装されることが可能である。そのようなセンサは、従来の単一、または多重コイルによる渦電流センサタイプとすることが可能であり、第１センサ用基板とロータ軸２００の端部にあるナット２３０上のラジアルフランジ２３１との間の距離を測定する。代替的には、そのアキシャル変位センサは、２００５年１月１１日に出願された欧州特許出願第０５４０５００９．１号明細書に開示されたものがある。そのようなアキシャル変位センサは、２つの同心状で且つ本質的に共通平面をもつコイルを備えており、そのコイルには、同一周波数且つ逆相（回転軸の周りで逆向き）の交番電流が供給される。それにより、当該センサの感応領域は本質的にコイル間に限定され、したがって、外乱は大きく低減される。

また、回転センサは、第１センサ用基板の導電性層の中に、例えば上記の欧州特許出願第０５４０５００９．１号明細書に記載された方法で、実装されることが可能である。そのような多重座標軸のラジアル変位センサは、上述した多重座標軸のラジアル変位センサとその構成が非常に類似している。すなわち、それは、ロータ軸の周りに配置された第１の誘導要素と、この第１の誘導要素の近傍に配置されたさらに複数の第２の誘導要素を備えている。特に、第１の誘導要素は、ロータ軸２００の端部ナット２３０の部分の周りに配置されており、その部分は回転対称ではなく、少なくとも１つのノッチまたは凹部を有する。時間で変動する電流、特に、高周波の交番電流を第１の誘導要素に与え、そして第２の誘導要素の誘起電圧を検出することにより、ロータの回転状態を測定することができる。誘導要素は、この場合もやはり、第１センサ用基板の導電性層の中にプリントコイルとして簡単に実装されることが可能である。特に、第１の誘導要素は、アキシャル変位センサのコイルの１つと同一とすることで、その構成を一層簡単化することが可能である。

１つの代替的実施例では、ラジアル変位センサの１つが、アキシャル変位センサのようにアキシャルベアリング１００、１１０と同じ側に配置されることが可能であり、そして、さらに言えば，これらセンサは、例えば国際公開第２００５／０２６５５７号パンフレットに記載されているように、単一の多重感応ユニットに結合されることが可能である。

全てのプリント回路基板（センサ用基板４０、５０、６０および貫通接続部３０のプリント回路基板）は、ロータ軸に適合する同心状の開口を有する。特に、貫通接続部３０の基板３１はスラストディスク２２０よりも大きい直径の開口を有する。このような方法で、磁気ベアリング装置は容易に組み立てが可能であり、ロータ軸も、点検修理が必要な場合には容易に接近可能な状態となっている。

本発明による磁気ベアリング装置は、それが真空ポンプ、特に、ロータ軸が複数のポンプブレードを備えているターボ分子真空ポンプの中に設けられる場合、特に有用である。異なる用途として、エアコン内で使用されるガスコンプレッサ用のターボポンプがあり得る。しかしながら、本発明はそうした用途に限定されないということが理解されるべきである。

部分的に断面図の磁気ベアリング装置の概略透視図である。 Ａ−Ａ平面における図１の磁気ベアリング装置の断面図である。 概略透視のロータの側断面図である。 図３のロータの、拡大した第１の部分的透視の側断面図である。 図３のロータの、拡大した第２の部分的透視の側断面図である。 図３のロータの、拡大した第３の部分的透視の側断面図である。

符号の説明

１ 磁気ベアリング装置
２ 制御ユニット
１０ ハウジング
１１ 本体
１２ フランジ
１３ 円周溝
１４ キャップ
２０ キャップ
２１ ネジ
２３ 円周溝
３０ 電気的貫通接続部
３１ プリント回路基板
３２ コネクタ
４０ 第１センサ用基板
５０ 第２センサ用基板
６０ 第３センサ用基板
７０ モータユニット
８０ 第１ラジアルベアリングユニット
９０ 第２ラジアルベアリングユニット
１００ 第１アキシャルベアリングユニット
１１０ 第２アキシャルベアリングユニット
１３０ 第１補助ベアリング
１４０ 第２補助ベアリング
２００ ロータ軸
２０１ ロータ軸心
２１０ 内部軸部分
２１１ 第１の支持面
２１２ 孔
２１４ 第１のカラー
２１５ 第１のオネジ
２１６ 第２のカラー
２１７ 第２のオネジ
２１８ 第３のカラー
２１９ 第３のオネジ
２２０ スラストディスク
２２１ 内部（真直な）部分
２２２ 中間（傾斜した）部分
２２３ 外部（真直な）部分
２２４ 中心部分
２２５ ナット部
２２６ メネジ
２２７ 孔
２３０ ナット
２３１ ラジアルフランジ
２３２ 中心部分
２３３ ナット部
２３４ メネジ
２４０ 第１のターゲット
２５０ 第１のスペーサ
２５２ 凹部
２６０ 第２のターゲット
２６２ 突出部
２６３ 突出部
２６５ ジャケット
２６６ 永久磁石
２７０ 第２のスペーサ
２７１ 突出部
２７２ 凹部
２８０ 第３のターゲット
２９０ 支えナット
２９１ 突出部
２９２ メネジ
２９３ ナット部

Claims (13)

1. ロータ軸（２００）が内部軸部分（２１０）と電磁石用の少なくとも１つの実質的に環状のターゲット（２４０、２６０、２８０）からなり、前記ターゲット（２４０、２６０、２８０）は前記内部軸部分（２１０）の周辺に配置されている磁気ベアリング装置（１）用のロータ軸（２００）であって、前記ターゲット（２４０、２６０、２８０）は前記ロータ軸（２００）の外部周辺に近いところで軸心方向の押し付け力（Ｆ、Ｆ’）が最も強くなるような方法で前記ターゲット（２４０、２６０、２８０）に前記軸心方向の押し付け力（Ｆ、Ｆ’）を与える２つのカラーの間に保持されていることを特徴とする磁気ベアリング装置用ロータ軸（２００）。
2. 前記軸心方向の押し付け力（Ｆ、Ｆ’）は、前記ロータ軸（２００）が停止状態のとき前記ターゲット（２４０、２６０、２８０）と前記内部軸部分（２１０）の間のいかなるラジアル方向の力よりも強力である、請求項１に記載されたロータ軸。
3. 前記ターゲット（２４０、２６０、２８０）は、本質的にラジアル方向に広がる複数の積み重ねられた環状のシートからなる請求項１または２に記載されたロータ軸。
4. 前記ターゲット（２４０、２６０、２８０）と前記内部軸部分（２１０）の間にギャップがあり、そのギャップ内にギャップ充填剤が配置されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載されたロータ軸。
5. 前記カラーの少なくとも１つは、前記ロータ軸（２００）の前記外部周辺に近いところに配置され且つ、軸心方向において前記ターゲット（２４０、２６０、２８０）に向けて突出している環状の突出部（２７１、２９１）により構成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載されたロータ軸。
6. 前記ロータ軸（２００）は、前記ターゲット（２４０、２６０、２８０）をより遠いターゲットから隔てているスペーサ（２５０、２７０）からなり、さらに、前記カラーの１つは前記スペーサ（２５０、２７０）により構成されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載されたロータ軸。
7. 前記内部軸部分（２１０）は、前記ターゲットにより囲まれている実質的に円柱状の部分、ラジアル方向において前記円柱状の部分から実質的に広がっている肩部（２１４）、および、前記肩部に配置され且つ軸心方向に突出している環状の突出部を有し、さらに、前記カラーの１つは前記環状の突出部（２１４）により構成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載されたロータ軸。
8. 前記内部軸部分（２１０）は、オネジ（２１５）を有し、さらに、前記オネジ（２１５）と接触するメネジ（２９２）を有するナット（２９０）が前記押し付け力（Ｆ、Ｆ’）を与えるために前記内部軸部分（２１０）に取付けられている、請求項１〜７のいずれか一項に記載されたロータ軸。
9. 前記ターゲット（２４０、２６０、２８０）および前記カラー（２７１、２９１）の少なくとも１つは、ラジアル方向において前記ターゲット（２４０、２６０、２８０）を芯だしするためのへこみ部および突出部の少なくとも１つからなる、請求項１〜８のいずれか一項に記載されたロータ軸。
10. 前記ロータ軸（２００）は、外部周辺と実質的に連続的な方法でラジアル方向において前記周辺に向け減少する厚みとを有するスラストディスク（２２０）からなる請求項１〜９のいずれか一項に記載されたロータ軸。
11. 前記スラストディスク（２２０）は、第１の実質的に一様な厚み（ｄ１）を有し前記内部軸部分（２１０）の近くに配置された第１の領域と、
    前記第１の一様な厚み（ｄ１）より小さい第２の実質的に一様な厚み（ｄ２）を有し前記スラストディスク（２２０）の周辺近くに配置された第２の領域と、
    前記第１の領域と第２の領域の間にあって、実質的に連続的な方法で厚みが前記第１の一様な厚み（ｄ１）から第２の一様な厚み（ｄ２）へと周辺に向けて減少する傾斜領域と、
    を有する請求項１０に記載されたロータ軸。
12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載されたロータ軸（２００）からなり、さらに、少なくとも１つの能動磁気ベアリングユニット（８０、９０）からなる磁気ベアリング装置。
13. 実質的に円柱状の部分を有する内部軸部分（２１０）、前記円柱状の部分の１つの軸心方向の面に配置されたカラー（２１４）および、前記円柱状の部分のもう１つの軸心方向の面に配置されたオネジ（２１５）を設け、ターゲット（２４０、２６０、２８０）を構成するため複数の積み重ねられた環状シートを設け、メネジ（２９２）を有するナット（２９０）を設け、前記ターゲット（２４０、２６０、２８０）を構成するために前記内部軸部分の前記実質的に円柱状の部分へ前記複数の積み重ねられた環状シートを摺動させ、さらに、前記ロータ軸（２００）の外部周辺に近いところで軸心方向の押し付け力（Ｆ、Ｆ’）が最大となるような方法で前記ターゲット（２４０、２６０、２８０）に軸心方向の押し付け力（Ｆ、Ｆ’）を与えるために前記メネジ（２９２）を有する前記ナット（２９０）を前記オネジ（２１５）に締結する、ステップからなる請求項１〜１１のいずれか一項に記載されたロータ軸（２００）の製造方法。

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