JP4938468B2 - ロータを磁気的に浮上させるための装置 - Google Patents

Description

本発明は、構造体に対してロータを磁気的に支持させるための装置に関する。この装置は、構造体に取着された第１のステータ内に配設されている主電磁コイルを有し、前記ステータは、ロータの軸に対してほぼ垂直に延び、かつ自由な外周面を与えている第１のロータアーマチュアに面して位置された負荷支持面を有する、少なくとも１つの駆動アキシアル磁気ベアリングと、ロータの軸方向の位置を検出するためのディバイスと、主電磁コイルへと流れる電流をサーボ制御するための回路とを備えている。

このタイプの装置は、例えば図７に示されているようにすでに知られている。この装置は、コイル１２３を中に受けるための、ロータ１０の軸と同軸の環状ハウジングを構成している強磁性体のステータ１２２を有するアキシアルベアリング１２０を備えている。コイル１２３が中に配設されたハウジングの両側に位置されたステータ１２２の駆動面１２５，１２６は、ロータ１０に取着され、かつこのロータ１０の軸に対してほぼ垂直なディスク形状のアーマチュア１１と共動する。また、誘導、光学、若しくは静電タイプであり得るセンサ３５が、ステータ１２２に対するロータアーマチュア１１の位置を検出して、信号をサーボ制御回路（図示されず）に伝送するように、前記アキシアルベアリング１２０と関連付けられている。このサーボ制御回路は、ステータ１２２の駆動面１２５，１２６が、引張り力をアーマチュア１１に与えて、安定な軸方向の位置にアーマチュアを保持し得るように磁場を形成するために、コイル１２３に電力を供給する。同じタイプのアキシアルベアリングが、また、ロータ１０の軸に対して垂直な前記アーマチュア１１の第２の平面に引張り力を与えるように、アーマチュア１１に対して対称に配設されることができる。

前記ステータ１２２が取着された構造体２０は、前記アキシアルベアリング１２０近くに配設されたラジアル磁気ベアリング３０のための支持体としても機能することができる。

前記駆動ラジアル磁気ベアリング３０は、前記構造体２０に取着されたラミネート状の強磁性体のステータ３１を有することができる。このステータは、接続ワイヤー３３により電源とサーボ制御回路（図示されず）とに接続された電磁巻線３２を有している。ラジアル磁気ベアリング３０は、ロータ１０に装着され、かくしてロータ１０と同軸なラミネート状の磁性体で同様に形成された環状のアーマチュア３４を更に有している。検出器３５は、ロータ１０の径方向の位置を検出する。この検出器は、この検出器３５に面したロータ１０の外面の基準面３６の径方向の位置を検出するように、ラジアルベアリング３０近くで、前記構造体２０に取着された支持体に配設されることができる。誘導、静電、若しくは光学タイプであり得る検出器３５からの信号は、前記電磁巻線３２に供給される電流をサーボ制御するための回路に与えられる。図７の例において、静電タイプの検出器３５は、軸方向と、互いに直交した２つの径方向とにおけるロータ１０の位置を検出するように機能する。前記磁性の基準面３６は、軸方向で、非磁性体の２つの面間に狭持されている。

前記アキシアル磁気ベアリング１２０内に１つのコイル１２３のみを使用している図７の装置において、所定の外径のロータアーマチュア１１にとって、最大の負荷支持領域は、コイル１２３用のハウジングの両側に位置された駆動面１２５，１２６と、これら駆動面に面して位置されたロータアーマチュア１１の平面との間に得られる。

しかし、前記コイル１２３は、ラジアル磁気ベアリング３０のステータと、位置検出器３５のステータと、ロータアーマチュア３４，１１並びに基準面３６と、シャフト１０とを通る、ゼロでない磁束の循環の回路１０１，１０２を形成している。

より詳細には、前記回路１０１は、ラジアルベアリング３０を励磁し、従って、ラジアルベアリングの機能(capacity)のロスを生じさせ、径方向の力と軸方向の力との間にカップリングを生じさせる。

前記回路１０２は、位置センサを励磁し、位置センサの感度のロスを生じさせ、測定値と軸方向の力との間にカップリングを生じさせる。

かくして、図７に示されている装置は、かなりの量の磁気漏れを生じさせるという主な欠点がある。

このような問題を改善して、アキシアルベアリングを構成している磁気ベアリングの周りを励磁させるのを防止するために、図８に示されている解決策が提案されている。この図では、変更のないロータ１０と構造体２０とラジアル磁気ベアリング３０との部材が、同じ参照符号を有し、再び説明されることはない。

図８の装置で提案された解決策において、アキシアル磁気ベアリング２２０は、コイル２２３，２２８を受けるための、ロータ１０の軸と同軸の２つの環状のハウジングが設けられたステータ２２２を有している。

偶数のコイル２２３，２２８を使用して、コイル２２３を流れる電流とは反対の方向へとコイル２２８に電流を流すことにより、コイル２２３，２２８を囲んでいる各閉じたアウトライン(closed outline)２０１，２０２が、ゼロの励磁をすることを確実にすることができる。

かくして、図８に示されている解決策は、アキシアルベアリング２２０の周りが、このアキシアルベアリングのコイルにより発生される励磁により磁化されるのを防止することを可能にしている。これは、磁化が、ラジアルベアリング３０、位置センサ３５、若しくはアキシアルベアリングの周りの全体を妨害するのを防止している。

しかし、２つの開成ハウジング内に配設された２つのコイル２２３，２２８を使用するという事実によれば、アーマチュア１１と共動する駆動面２２５，２２６，２２７の領域を減じ、従って、所定の径のディスク形状のアーマチュア１１における負荷支持領域を減少させる。残念ながら、様々な適用において、ロータの回転スピードが速い場合、ある程度の範囲を超えて、アキシアルベアリングでのロータアーマチュアの径を大きくすることは不可能である。この結果、アキシアルベアリング内に複数のコイルを組み込むことは、残りの駆動面の領域がもはや十分な大きさではなく、従ってアキシアルベアリングの機能を制限するため、問題である。

本発明は、上述された欠点をなくして所定の容量が最小の径の磁気ベアリングを提供することを求め、機械へのループ状の磁気漏れを生じさせることと、ロータを磁気的に浮上さるための装置のアキシアル磁気ベアリング近くに位置された他の装置の適切な動作を妨げるという副作用をもたらすリスク与えることとを回避している。

本発明に従えば、これら目的は、ロータを構造体に対して磁気的に支持させるための装置により達成される。この装置は、構造体に取着された第１のステータ内に配設された主電磁コイルを有し、前記ステータは、ロータの軸に対してほぼ垂直に延びている第１のロータアーマチュアに面して位置された負荷支持面を有し、前記ロータアーマチュアは、自由な外周面を構成している、少なくとも１つの駆動アキシアル磁気ベアリングと、前記ロータの軸方向の位置を検出するためのディバイスと、前記主電磁コイルを流れる電流をサーボ制御するための回路とを有している。この装置は、主電磁コイル近くで、前記第１のロータアーマチュアと共動する第１のステータの負荷支持面から離れたところの位置に配設された補償コイルをさらに有し、この補償コイルは、主電磁コイルと直列に接続され、主電磁コイルを流れる電流とは反対の方向に電流が流れることを特徴としている。

第１の特別な実施形態において、前記補償コイルは、第１のステータの外周壁に配設され、第１のロータアーマチュアの自由な外周面を越えて位置されている。

他の特別な実施形態において、前記補償コイルは、第１のステータの内周壁に配設され、ロータに接続された第１のロータアーマチュアの基体に面して位置されている。

更に他の特別な実施形態において、前記補償コイルは、第１のロータアーマチュアとは反対側の第１のステータのほぼ径方向の壁に配設されている。

前記補償コイルと、駆動アキシアル磁気ベアリングの主コイルとは、同軸である。

好ましくは、本発明の装置は、前記駆動アキシアル磁気ベアリング近くに配設された少なくとも１つの駆動ラジアル磁気ベアリングを有し、前記駆動ラジアル磁気ベアリングは、前記構造体に取着され、かつ電磁巻線が設けられた第２のステータと、ロータの軸と同軸の筒状の第２のロータアーマチュアとを有している。この装置は、また、ロータの径方向の位置を検出するためのディバイスと、第２のステータの前記電磁巻線を流れる電流をサーボ制御するための回路とをさらに有している。

より詳細には、本発明の一態様において、ロータの径方向の位置を検出するためのディバイスは、第２のステータと第１のステータとの間に狭持された少なくとも１つのセンサを有している。

この装置は、駆動アキシアル磁気ベアリング近くにロータを駆動させるための電気モータを更に有することができる。

一般に、本発明の装置は、大きな容量を有し、かつ磁気漏れを起こさないアキシアル磁気ベアリングを有する磁気浮上装置を提供することを可能にしている。

本発明の他の特徴並びに効果は、添付図面を参照して与えられた特定の実施形態の以下の説明から明らかとなる。

図１は、ロータ１０を磁気的に浮上させて支持させるための装置の一実施形態を示している。この装置は、ロータ１０を固定構造体２０に接触させることなく支持することを可能にする駆動アキシアル磁気ベアリング４０と駆動ラジアル磁気ベアリング３０とを実質的に有している。

図１は、前記アキシアル磁気ベアリング４０近くに配設された１つだけのラジアル磁気ベアリング３０を示している。しかし、ラジアルベアリング３０と任意に同じタイプであり得る第２のラジアル磁気ベアリング７０が、ロータが径方向に十分に保持されることを確実にするために、ラジアルベアリング３０から所定の距離のところで、前記ロータ１０の他の部分近くに通常配設されている（図３並びに４を見よ）。

前記アキシアルベアリング４０に類似した第２のアキシアル磁気ベアリングが、また、ロータ１０の軸に対して垂直なディスクの形状に形成されたロータアーマチュア１１に関して対称に、アキシアルベアリング４０近くに配設されることができる。このような状況においては、前記第１のアキシアルベアリング４０は、ロータアーマチュア１１の第１の前面１１１と共動し、一方、第２のアキシアルベアリング５０は、ロータアーマチュア１１の第２の前面１１２と共動している（図３）。

可能な他の実施形態では、磁気浮上装置全体は、ロータ１０の各端部近くに、それぞれのラジアルベアリング３０又は７０と、それぞれのアキシアルベアリング４０又は６０とからなる類似のアッセンブリを有している。これらアッセンブリは、ロータ１０の中間点を中心として対称に簡単に配設されている。即ち、第１のベアリングアッセンブリは、第１のロータアーマチュア１１の前面１１１と共動するアキシアルベアリング４０を有し、このアキシアルベアリング４０は、第１のラジアルベアリング３０近くに配設されている。一方、第２のベアリングアッセンブリは、第２のロータアーマチュア１１Ａの前面１１１Ａと共動するアキシアルベアリング６０を有し、このアキシアルベアリング６０は、第２のラジアルベアリング７０近くで、このベアリングと第２のロータアーマチュア１１Ａとの間に配設されている（図４）。図４の実施形態において、ロータアーマチュア１１，１１Ａの外側の前面１１２，１１２Ａは使用されていないが、これらロータアーマチュア１１，１１Ａの面１１１，１１１Ａに与えられるアキシアルベアリング４０，６０の動作は、２つのアキシアルベアリング４０，５０が、単一のロータアーマチュア１１の両側の２つの前面１１１，１１２と共動するように（図３）、互いに対向した力をロータの軸に沿って両方向に与えることを可能にしている。

図１を再び参照すると、本発明の好ましい実施形態を構成しているベアリングアッセンブリを見ることができる。

前記駆動アキシアルベアリング４０は、前記構造体２０に取着された強磁性体のステータ４２に配設されている主電磁コイル４３を有している。このステータ４２は、主コイル４３用のハウジングの片側にそれぞれ位置されている駆動面、即ち負荷支持(load-carrying)面４５，４６を規定している。これら面は、間隙を形成するように、ロータアーマチュア１１の前面１１１に面してこの前面から短い距離のところに配設されている。ロータ１０に取着されたロータアーマチュア１１は、ロータ１０の軸に対してほぼ垂直であり、ロータ１０に接続されたアーマチュアのゾーンから離れた自由な外周面１１０を与えている。

補償コイル(compensation coil)４７が、前記主コイル４３と同軸となるように、前記ステータ４２に配設されている。この補償コイルは、主コイル４３のかなり近くに、しかし、ロータアーマチュア１１の自由な外周面１１０から径方向に離れて存在した位置に配設されている。

前記補償コイル４７は、主コイル４３と直列に接続されているが、主コイル４３を流れる電流とは反対の方向に電流が流れるように、主コイル４３に対して反対方向に巻かれるか接続されている。これは、前記アキシアル磁気ベアリング４０の外側のパスの励磁をキャンセルし、かくして、周辺のパーツへの磁化妨害の発生を防止するようになっている。

一例として、図１は、主コイル４３を流れる電流を、矢先きが図の面から出るベクトルとして示している。一方、補償コイル４７を流れる電流は、矢先きが図の面へと入るベクトルにより示されている。図１の閉じた回路１，２は、磁束循環がゼロであるアキシアルベアリング４０の外側のパスを示している。

この結果、前記ロータアーマチュア１１に面して位置されたステータ４２の駆動面４５，４６は、径方向のアーマチュア１１の所定の径サイズにおいて最大領域を有したままであるが、アキシアルベアリング４０近くに配設されたラジアル磁気ベアリング３０若しくは位置検出器３５の寄生磁化(parasitic magnetization)は生じない。

保護プレート４８が、前記補償コイルを保護するように補償コイル４７の外側で前記ステータ４２に取着されることができる。

前記ラジアル磁気ベアリング３０と位置検出器３５とは、図７並びに８を参照して以前に説明されたものと同じ構造を有することができ、この構造は、再び説明されることはない。特に、位置検出器３５は、互いに直交した２つの軸に沿ったロータの径方向の位置とロータの軸方向の位置との両方を検出することができる。しかし、別々の径方向の検出器と軸方向の検出器とを使用することも可能である。

図３並びに４のラジアル磁気ベアリング７０自体は、前記ラジアル磁気ベアリング３０と任意にほぼ同じであることができる。図３並びに４に示されている例において、円筒形のロータアーマチュア７４、ステータ７１、並びに巻線７２は、ラジアル磁気ベアリング３０の対応した部材３４，３１，並びに３２とほぼ同じであり、同様に、位置検出器７５は、径方向の検出の目的において、前記検出器３５とほぼ同じであり得る。

図２は、前記位置検出器３５により伝送される位置信号Ｐｘ，Ｐｙ，Ｐｚを考慮して、様々なベアリングのコイルに電力を供給しこれらコイルをサーボ制御するための回路１５０を概略的に示している。

直列に接続されたアキシアルベアリング４０の主コイル４３と補償コイル４７とには、位置検出器３５からの信号Ｐｚ、即ちロータ１０の軸方向の位置についての情報を与える信号を有するサーボ制御回路１５１からの電力が供給される。

同様に、前記ラジアルベアリング３０の巻線３２には、位置検出器３５からの信号Ｐｘ，Ｐｙ、即ちロータ１０の径方向の位置についての情報を与える信号を有するサーボ制御回路１５２からの電力が供給される。当然、更なる検出器からくる信号が、既知の様々な構成の回路１５１又は１５２に与えられることもできる。

図３並びに４の例において、前記アキシアルベアリング５０，６０は、アキシアルベアリング４０とほぼ同じ形態で形成されることができ、かくして、例えば、それぞれのロータアーマチュア１１，１１Ａのそれぞれの外周壁１１０，１１０Ａを越えて径方向に配設されたそれぞれの補償コイル５７，６７に加えて、それぞれの主コイル５３，６３を有することができる。軸方向のサーボ制御は、位置検出器３５を使用して与えられる。これらコイル５３，５７、又はコイル６３，６７には、コイル４３，４７のように、サーボ制御回路１５１からの電力が供給されることができる。

図３並びに４に見られ得るように、ロータアーマチュア８４と、巻線８２が設けられたラミネート状のステータ８１とを有する電気モータ８０が、例えばラジアルベアリング３０，７０間でロータ１０に配設されることができる。本発明の軸方向の磁気支持装置が磁気漏れをもたらさないという事実により、モータ８０の動作が邪魔されるリスクと、ラジアルベアリング３０，７０若しくは検出器３５，７５の動作が邪魔されるリスクとは減じられる。

図１の実施形態は、好ましい実施形態を構成している。しかし、他の様々な実施形態が、図５並びに６に示されているもののように可能である。

前記補償コイルは、第１のロータアーマチュアと共動した磁気構造体の負荷支持面から離れて主コイル近くで、図１に示された位置とは異なる位置に配設されることができる。

図５では、負荷支持面４５，４６外で、第１のステータ４２の内周壁に配設された補償コイル１４７が見られ得る。この補償コイル１４７は、アーマチュア１１の最小径の領域、即ち負荷支持機能が減じられた領域で、ロータアーマチュア１１の基体に面して、ロータ１０の外面近くに位置されている。

図６は、他の異なる実施形態を示しており、補償コイル２４７が、ロータアーマチュア１１に面した負荷支持面４５，４６とは反対側で、ステータ４２のほぼ径方向の壁に配設されている。

前記補償コイル１４７又は２４７は、同等の数のアンペア巻数を規定している場合、主コイル４３と同じ形状を必ずしも有する必要はなく、例えばより平坦であっても良い。

図５並びに６の変形例において、前記補償コイル１４７又は２４７は、依然として主コイル４３と直列に接続されているが、コイル４３，１４７又はコイル４３，２４７のアンペア巻数の合計が実質的にゼロであるように、図１並びに２のコイル４７，４３のように、主コイル４３とは反対の方向に巻かれるか接続されている。

当然、様々な変更並びに追加が、上述された実施形態になされることができる。

かくして、本発明は、動作的な磁気ベアリングが、これに関連した別の位置検出器を必要とすることのない位置自己検出(position self-detection)タイプである場合にも適用する。

本発明の磁気浮上装置の軸方向の断面図である。 図１の装置のコイルのための電力供給回路を示した回路図である。 本発明の磁気浮上装置の可能な２つの実施形態を示した概略図である。 本発明の磁気浮上装置の可能な２つの実施形態を示した概略図である。 本発明の磁気浮上装置の変形例を示し、図１に類似した図である。 本発明の磁気浮上装置の変形例を示し、図１に類似した図である。 従来技術の磁気浮上装置の第１の例の軸方向の断面図である。 従来技術の磁気浮上装置の第２の例の軸方向の断面図である。

符号の説明

１０…ロータ、１１…第１のロータアーマチュア、２０…構造体、３５…ロータの軸方向の位置を検出するためのディバイス（位置検出器）、４０…駆動アキシアル磁気ベアリング、４２…第１のステータ、４３…主電磁コイル、４５，４６…負荷支持面、４７，１４７，２４７…補償コイル、１１０…自由な外周面、１５１…サーボ制御するための回路（サーボ制御回路）

Claims (10)

1. ロータ（１０）を構造体（２０）に対して磁気的に支持させるための装置であって、この装置は、
   前記構造体（２０）に取着された第１のステータ（４２）内に配設された主電磁コイル（４３）を有し、前記ステータは、前記ロータ（１０）の軸に対してほぼ垂直に延びている第１のロータアーマチュア（１１）に面して位置された負荷支持面（４５，４６）を有し、前記ロータアーマチュアは、自由な外周面（１１０）を構成している、少なくとも１つの駆動アキシアル磁気ベアリング（４０）と、
   前記ロータ（１０）の軸方向の位置を検出するためのディバイス（３５）と、
   前記主電磁コイル（４３）を流れる電流をサーボ制御するための回路（１５１）とを具備する装置において、
   前記主電磁コイル（４３）近くで、前記第１のロータアーマチュア（１１）と共動する第１のステータ（４２）の前記負荷支持面（４５，４６）から離れた位置に配設された補償コイル（４７，１４７，２４７）を更に具備し、この補償コイル（４７）は、前記主電磁コイル（４３）と直列に接続され、主電磁コイル（４３）を流れる電流とは反対の方向に電流が流れることを特徴とする装置。
2. 前記構造体（２０）に取着され、かつ電磁巻線（３２）が設けられた第２のステータ（３１）と、前記ロータ（１０）の軸と同軸の筒状の第２のロータアーマチュア（３４）とを有し、前記駆動アキシアル磁気ベアリング（４０）近くに配設された少なくとも１つの駆動ラジアル磁気ベアリング（３０）と、
   前記ロータ（１０）の径方向の位置を検出するためのディバイス（３５，３６）と、
   前記第２のステータ（３１）の前記電磁巻線（３２）を流れる電流をサーボ制御するための回路（１５２）とをさらに具備していることを特徴とする請求項１の装置。
3. 前記ロータ（１０）の径方向の位置を検出するためのディバイス（３５，３６）は、前記第２のステータ（３１）と第１のステータ（４２）との間に狭持された少なくとも１つのセンサを有していることを特徴とする請求項２の装置。
4. 前記ロータ（１０）の軸方向の位置を検出するためのディバイスは、前記ロータ（１０）の径方向の位置を検出するためのディバイス（３５，３６）と組み合わされていることを特徴とする請求項３の装置。
5. 前記補償コイル（４７）は、前記第１のステータ（４２）の外周壁に配設され、第１のロータアーマチュア（１１）の前記自由な外周面（１１０）とは前記軸方向で離れて位置されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１の装置。
6. 前記補償コイル（４７）は、前記第１のステータ（４２）の内周壁に配設され、ロータに接続された前記第１のロータアーマチュア（１１）の基体に面して位置されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１の装置。
7. 前記補償コイル（２４７）は、前記第１のロータアーマチュア（１１）とは反対側の前記第１のステータ（４２）のほぼ径方向の壁に配設されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１の装置。
8. 前記第１のステータ（４２）には、前記補償コイル（４７）の外側保護プレート（４８）が装着されていることを特徴とする請求項５の装置。
9. 前記補償コイル（４７）と、駆動アキシアル磁気ベアリング（４０）の主コイル（４３）とは、同軸であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１の装置。
10. 前記ロータ（１０）を駆動させるためのモータ（８０）をさらに具備していることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１の装置。

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