JP5037969B2 - ジャケット付き駆動磁気ベアリング - Google Patents

Description

本発明は、耐漏洩性の密閉体内に位置され、かつプロセスガスに接触したロータを有する回転マシンのためのジャケット付き駆動磁気ベアリングに関する。

この磁気ベアリングは、
ロータに取着され、かつ前記耐漏洩性の密閉体内に位置されたラミネート状の磁性体の、ベアリングのアーマチュアと、
このベアリングのアーマチュアから所定の距離のところに位置し、このベアリングのアーマチュアと接触することのない端部極片を与えているラミネート状の磁性体のヨークに関連した電磁巻線で構成され、かつ前記耐漏洩性の密閉体の外側に位置されたベアリングのステータと、
前記耐漏洩性の密閉体内でロータに装着されたラミネート状の磁性体の、検出器のアーマチュアと、ラミネート状の磁性体のヨークに関連した電磁巻線を有し、かつ前記耐漏洩性の密閉体の外側に位置された検出器のステータとを備えた電磁タイプの少なくとも１つの位置検出器と、
前記ベアリングのステータの電磁巻線と前記検出器のステータの電磁巻線とに接続された電子制御回路とを備えている。

磁気ベアリングの回転マシンへの適用が、特に、天然ガス並びに腐食性ガスに関係した適用例において、より普及している。

現在、多くの適用例が、いずれのシーリングもなしに、問題となっているマシンのプロセスガスに直接動作することができる磁気ベアリングの主要な効果をすでに利用している。これは、天然ガスを処理するためのターボエキスパンダ、冷凍器のコンプレッサ、コンプレッサを駆動させるための電気モータ等に当てはまる。

それにも関わらず、ガスが、酸性、即ち、腐食性、若しくは、キャリア粒子である場合に満たされるべきある条件が残っている。

このような状況において、シーリング、若しくは、耐腐食の保護技術を用いることにより、ベアリングと関連した検出器とのコイルを保護することが不可欠である。

このような技術は、
アッセンブリがこれの周囲環境から実質的にシールされることを確実にするように、真空と圧力とで果たされるワニスの含浸、若しくは、
ベアリングと検出器とのステータ部分が、酸化若しくは腐食することのない材料で形成された金属ジャケットにより保護されたジャケット付きベアリングであり得る。

このようなジャケット付きベアリングの技術は、ベアリング自体と、これに関連した検出器とを保護するようになっている単一の金属ジャケットを有する、天然ガスを貯蔵するためのコンプレッサで産業上すでに使用されている。

図１は、既知のジャケット付きの駆動ラジアル磁気ベアリングの一例を示している。

ラミネート状の磁性体の、ベアリングのアーマチュア２１が、プロセスガスと接触するロータ２０に取着されている。同様に、ラミネート状の磁性体の、検出器のアーマチュア２２が、ロータ２０に設けられ、同様に、プロセスガスと接触する。

約０．３ミリメートル（ｍｍ）ないし０．５ｍｍの厚さを有するエアギャップ６が、前記両アーマチュア２１，２２が装着されたロータ２０の外周部分を、単一のジャケット５から分離させている。このジャケットは、ベアリングのステータと検出器のステータとの両方を組み込み、かつハウジング部分１１，１２，１３，１４が形成された共有のハウジングに適合かつ取着されている。

前記ベアリングのステータは、ラミネート状の磁性体のヨーク３１に関連した電磁巻線３２を有している。このヨークは、ベアリングのエアギャップ６を規定しているジャケット５と接触した端部極片(end pole pieces)を与えている。

前記検出器のステータは、また、前記単一のジャケット５と接触したラミネート状の磁性体のヨーク４１に関連した電磁巻線４２を有している。

前記両電磁巻線３２，４２をポッティング材料３３，３４内に埋設して、機械的強度を強化するように、ポッティング材料３３，３４が、部分１１，１２，１３，１４とジャケット５とを有する耐漏洩性のハウジング１０内に注入されることができる。

前記ベアリングと検出器との両電磁巻線３２，４２は、ベアリングのハウジングの外側に位置されることができる電子制御回路６０に接続されている。

ベアリングと関連した検出器とのための耐漏洩の壁部を規定するような単一のジャケット５の使用は、比較的長いジャケット５の形成をもたらし、この結果、ベアリングのハウジングとジャケットとの間の異なる熱膨張の問題を引き起こし得る。

さらに、ベアリングと検出器とが共有する単一のジャケットの使用は、特に３００ヘルツ（Ｈｚ）より高い中心周波数の範囲で電気と磁気とのカップリングの問題を一般に引き起こす。このようなカップリングは、磁気ベアリングを制御するためのシステムの伝達機能に強く消極的に影響する。

前記共有のジャケット５は、誘導性の検出器が、保護ジャケット５の存在のためにこれの感度の全てを失うことがないように、非磁性体で形成されている。

動作状態（圧力、圧力の早い変化、温度、耐腐食及び耐磨耗の機能）に耐えるために、ジャケット５は、０．３ｍｍないし０．５ｍｍの範囲の厚さ、即ち、磁気ベアリングに適したエアギャップの範囲と同じ厚さで一般に存在している。

かくして、このような非磁性体のジャケット５の存在は、ベアリングのエアギャップの厚さを約１００％増加させ、この結果、前記ベアリングから得られる負荷にかなりの制限をもたらす。

本発明の目的は、ジャケット付きベアリングの原理の非常に大きな効果を保持しつつ、上記の欠点を克服することである。

このような目的は、プロセスガスと接触し、かつ耐漏洩性の密閉体内に位置されたロータを有する回転マシン用のジャケット付き駆動磁気ベアリングによって達成される。この磁気ベアリングは、
前記ロータに取着され、前記耐漏洩性の密閉体内に位置されたラミネート状の磁性体の、ベアリングのアーマチュアと、
このベアリングのアーマチュアから所定の距離のところに位置し、このベアリングのアーマチュアと接触することのない端部極片を与えているラミネート状の磁性体のヨークに関連した電磁巻線で構成され、前記耐漏洩性の密閉体の外側に位置されたベアリングのステータと、
前記耐漏洩性の密閉体内で前記ロータに装着されたラミネート状の磁性体の、検出器のアーマチュアと、ラミネート状の磁性体のヨークに関連した電磁巻線を有し、かつ前記耐漏洩性の密閉体の外側に位置された検出器のステータとを備えた電磁タイプの少なくとも１つの位置検出器と、
前記ベアリングのステータの電磁巻線と前記検出器のステータの電磁巻線とに接続された電子制御回路とを具備する磁気ベアリングにおいて、
前記ベアリングのステータは、このベアリングのステータに取着され、かつ前記耐漏洩性の密閉体の一部分を構成している耐腐食性の磁性体の第１のジャケットにより保護されていることと、
前記検出器のステータは、この検出器のステータに取着され、かつ前記耐漏洩性の密閉体の一部分を構成している耐腐食性の非磁性体の第２のジャケットにより保護されていることと、
前記第１のジャケットは、１７/４ＰＨタイプの磁性のステンレススチールで形成されていることと、
前記第２のジャケットは、ＡＩＳＩ ３０４，３０４Ｌ，３１６，又は３１６Ｌのタイプの非磁性のステンレススチール、インコネル、並びに、超合金の１つで形成されていることとを特徴としている。

特別な特徴に従えば、前記第1のジャケットは、前記ベアリングのステータを収容している第１の耐漏洩性のハウジングに溶接され、また、前記第２のジャケットは、前記検出器のステータを収容している第２の耐漏洩性のハウジングに溶接されている。

好ましくは、ベアリングのステータを収容している前記第１の耐漏洩性のハウジングと、検出器のステータを収容している前記第２の耐漏洩性のハウジングとは、前記第１並びに第２のジャケットから離れた領域で、耐漏洩性を有するように相互接続されている。

これら第１並びに第２の耐漏洩性のハウジングは、ポッティング材料が充填されている。

好ましい一実施形態では、前記ベアリングのアーマチュアと前記検出器のアーマチュアとは、前記第１のジャケットの材料と同一の材料からなる磁性の薄いラミネート構造で形成されている。

これにも関わらず、他の可能な実施形態では、前記ベアリングのアーマチュアと検出器のアーマチュアとは、ニッケル、クロム、若しくは、セラミックタイプの耐腐食性の保護層でカバーされたケイ素鉄のラミネート構造で形成されている。

本発明は、ラジアルベアリング並びにアキシャルベアリング、実際は、ラジアルベアリング並びにアキシャルベアリングを組み込んだベアリング、例えば、コニカルタイプのベアリングにも等しく適用可能である。

本発明は、誘導タイプの前記位置検出器に、２０ｋＨｚないし４０ｋＨｚの範囲の周波数でキャリアが供給されているときに、特に有用であり得る。

本発明は、ベアリングの利用可能な負荷が、第1のジャケットと第２のジャケットとの存在により減じられることなく、前記第１のジャケットと前記ベアリングのアーマチュアとの間に、約０．３ｍｍないし０．５ｍｍの範囲の値で、前記磁気ベアリングのエアギャップを保持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一例として与えられている本発明の特別な実施形態の以下の説明から明らかとなる。

図２では、プロセスガスと接触するように設計された回転マシンのロータ１２０を見ることができる。このガスは、酸性、腐食性、若しくは、粒子のキャリアであり得る。

一例として、回転マシンは、天然ガスを処理するためのターボエキスパンダ、冷凍器のコンプレッサ、若しくは、コンプレッサを駆動させるための電気モータであり得る。

ラミネート状の磁性体の、ベアリングのアーマチュア１２１が、前記ロータ１２０に取着されている。このアーマチュア１２１は、具体的には、薄い厚さの、特に０．２ｍｍの厚さのラミネート構造で利用可能な１７/１４ＰＨのステンレス材料を使用することができる。

同様のラミネート状の磁性体の、検出器のアーマチュア１２２が、前記磁気アーマチュア１２１近くで、前記ロータ１２０に取着されている。このアーマチュア１２２は、前記アーマチュア１２１のように、１７/４ＰＨのステンレス材料で形成されることができる。

例えば０．３ｍｍないし０．５ｍｍの範囲の厚さ、即ち幅のエアギャップ１０６が、第１に、ベアリングのアーマチュア１２１並びに検出器のアーマチュア１２２が取着されたロータ１２０の外周部分と、第２に、ベアリングのジャケットを構成している第１のジャケット１５１、並びに検出器のジャケットを構成している第２のジャケット１５２との間に形成されている。

前記第１のジャケット１５１は、磁気ベアリングのステータを構成している部材、即ち、電磁巻線１３２を収容する対漏洩のハウジングを形成するように、第１のジャケット１５１と共動する部分１１３，１１１に、耐漏洩性を有するように溶接されている。前記電磁巻線は、ラミネート状の磁性体のヨーク１３１に関連付けられている。

このヨーク１３１は、好ましくは０．３ｍｍないし０．５ｍｍの範囲の厚さの、ベアリングのジャケット１５１と接触した端部極片(end pole pieces)を有している。

前記第１のジャケット１５１は、耐腐食性の磁性体で形成され、かくして、ベアリングの負荷容量(load capacity)が大きく減じることを防止している。

例えば、第１のジャケット１５１は、１７/４ＰＨタイプ、若しくは、同等のタイプのステンレススチールで形成されることができる。

ポッティング材料１３３が、部分１１１，１１３を有するベアリングのハウジングの空きスペースを充填して、これの機械的強度を改善するために、このベアリングのハウジング内に注入されている。ベアリングの電磁巻線１３２の周りの空きスペースを特に充填するようになっているポッティング材料１３３は、全体的に十分な充填を補償するように、真空−圧力タイプの方法を用いて注入されることができる。

前記ベアリングのジャケット１５１に関連したベアリングのハウジングの部分１１１，１１３は、ジャケット１５１をベアリングのハウジングの部分１１１，１１３に溶接することによりシールされている。このベアリングのハウジングは、ジャケット１５１の材料と互換性のある材料、好ましくはジャケットと同一の材料で形成されている。

前記ベアリングのアーマチュア１２１と検出器のアーマチュア１２２とは、前記ベアリングのジャケット１５１の材料と同じ材料、例えば、１７/４ＰＨ、若しくは、同等のタイプのステンレススチールからなる磁性の薄いラミネート構造を使用して形成されることができる。

変形例では、前記ベアリングのアーマチュア１２１は、ニッケル、クロム、若しくは、セラミックのタイプの耐腐食性の保護層でカバーされたケイ素鉄のラミネート構造で形成されることができる。

位置検出器が、前記第１のハウジングの部分１１１，１１３とは異なる第２のハウジングの部分１１２，１１４内に配設されたステータを有している。この第２のハウジングは、第２のハウジングの部分１１２，１１４に耐漏洩性を有するように溶接された第２のジャケット１５２により閉成されている。

前記位置検出器のステータは、ラミネート状の磁性体のヨーク１４１に関連した電磁巻線１４２を有している。

図２の例では、前記ヨーク１４１は、電磁巻線１４２が各々に設けられた２つのスタック(stacks)１４１ａ，１４１ｂを有している。これらスタック１４１ａ，１４１ｂの各々は、静止位置で、検出器のアーマチュア１２２に半分が面し、前記検出器を、径方向の位置検出器並びに軸方向の検出器として動作させ得るロータの非磁性の外側部分に他の半分が面するように、前記ロータに面して位置されている。

前記第２のジャケット１５２は、非磁性、及び、耐腐食の材料で形成されている。このジャケットは、０．３ｍｍないし０．５、の範囲の厚さを有することができる。

前記ヨーク１４１のスタック１４１ａ，１４１ｂの一端部は、前記第２のジャケット１５２と接触している。

一例として、前記非磁性の第２のジャケット１５２は、例えば、ＡＩＳＩ ３０４、３０４Ｌ、３１６、若しくは、３１６Ｌのタイプのステンレススチールで形成されることができる。

これと同じ特性を有し、０．３ｍｍないし０．５ｍｍの厚さを有するラミネートで形成され得る他の材料、例えば、インコネル（登録商標）、若しくは、超合金が、第２のジャケット１５２を形成するために使用されることもできる。

前記第２のジャケット１５２は、第１のハウジングの部分１１１，１１３から分離した検出器のハウジングの前記部分１１２，１１４に溶接されている。この検出器のハウジングは、ジャケット１５２の材料と互換性のある材料で形成されている。

検出器のステータに関して、ポッティング材料１４３が、前記検出器のハウジングの部分１１２，１１４の空きスペースを充填して、これの機械的強度を改善するために、この検出器のハウジング内に注入されている。上述したポッティング材料１３３と同じ機能を果たすこのポッティング材料１４３は、同じ方法を用いて注入されることができる。

ベアリングのステータを収容している耐漏洩性の第１のハウジングの部分１１１，１１３と、検出器のステータを収容している耐漏洩の第２のハウジング１１２，１１４とは、第１並びに第２のジャケット１５１，１５２から離れた領域で、耐漏洩性となるように互いに接続されていることが好ましい。

かくして、図２では、前記第１並びに第２のジャケット１５１，１５２が、相互に離間した部分１１３，１１４にそれぞれ溶接され、これら部分は、ベアリングのハウジングの本体と検出器のハウジングの本体とをそれぞれ構成している他の部分１１１，１１２にそれぞれ接続されていることは理解され得る。

ベアリングのハウジングと検出器のハウジングとにそれぞれ設けられた部分１１１及び１１２は、第１並びに第２のジャケット１５１，１５２の一端部が、部分１１３及び１１４にそれぞれ溶接された領域から所定の距離離れたところで、耐漏洩性を有するように、例えば溶接により、互いに接続されている。

前記ベアリングのジャケット１５１と検出器のジャケット１５２との物理的な分離は、ベアリングと検出器との間のカップリングの問題を回避し、かくして、さもなければこのようなカップリングに関連付けられ得る、磁気ベアリングを制御するための電子制御装置１６０への制限の全てを回避している。従って、ベアリングのステータの巻線１３２と検出器のステータの巻線１４２とが接続された電子制御装置１６０の設計は、簡単にされることができる。

誘導タイプの位置検出器１４０には、２０ｋＨｚないし４０ｋＨｚの範囲の周波数でキャリア(carrier)が送られることができる。非磁性体で形成されたジャケット１５２は、オプションとして、導電性であっても良いが、感度の大きな損失をもたらすことはなく、かくして、磁気浮上システムの信頼性の高いレベルを保持することを可能にしている。

上記の説明は、ラジアルタイプの磁気ベアリングを参照してなされているが、アキシャルタイプの磁気ベアリング、若しくは、ラジアルベアリングとアキシャルベアリングの機能が組み合わされたコニカル(conical)タイプの磁気ベアリングに、同じ方法で適用されることもできる。

第１のジャケット１５１を有するベアリングのハウジングと、第２のジャケット１５２を有する検出器のハウジングとにより構成された耐漏洩のアッセンブリ１１０は、プロセスガスと接触するロータ１２０を囲んだ耐漏洩性の密閉体を構成しているケーシングの残りに、耐漏洩となるように接続されることができる。

従来技術のジャケット付き駆動磁気ベアリングの一例の軸方向の片側断面図である。 本発明に従ったジャケット付きの駆動磁気ベアリングの一例の軸方向の片側断面図である。

符号の説明

１２０…ロータ、１４０…磁気ベアリング、１２１…ベアリングのアーマチュア、１３１…ヨーク、１３２…電磁巻線、１２２…検出器のアーマチュア、１４１…ヨーク、１４２…電磁巻線、１４０…位置検出器、１６０…電子制御回路

Claims (11)

1. プロセスガスと接触し、耐漏洩性の密閉体内に位置されたロータ（１２０）を有する回転マシンのためのジャケット付き駆動磁気ベアリング（１４０）であって、
   前記ロータ（１２０）に取着され、前記耐漏洩性の密閉体内に位置されたラミネート状の磁性体の、ベアリングのアーマチュア（１２１）と、
   このベアリングのアーマチュア（１２１）から所定の距離のところに位置し、このベアリングのアーマチュアと接触することのない端部極片を与えているラミネート状の磁性体のヨーク（１３１）に関連した電磁巻線（１３２）で構成され、かつ前記耐漏洩性の密閉体の外側に位置されたベアリングのステータと、
   前記耐漏洩性の密閉体内で前記ロータ（１２０）に取着されたラミネート状の磁性体の、検出器のアーマチュア（１２２）と、ラミネート状の磁性体のヨーク（１４１）に関連した電磁巻線（１４２）を有し、かつ前記耐漏洩性の密閉体の外側に位置された検出器のステータとを備えた電磁タイプの少なくとも１つの位置検出器（１４０）と、
   前記ベアリングのステータの電磁巻線（１３２）と前記検出器のステータの電磁巻線（１４２）とに接続された電子制御回路（１６０）とを具備する磁気ベアリングにおいて、
   前記ベアリングのステータは、このベアリングのステータに取着され、かつ前記耐漏洩性の密閉体の一部分を構成している耐腐食性の磁性体の第１のジャケット（１５１）により保護されていることと、
   前記検出器のステータは、この検出器のステータに取着され、かつ前記耐漏洩性の密閉体の一部分を構成している耐腐食性の非磁性体の第２のジャケット（１５２）により保護されていることと、
   前記第１のジャケット（１５１）は、１７/４ＰＨタイプの磁性のステンレススチールで形成されていることと、
   前記第２のジャケット（１５２）は、ＡＩＳＩ ３０４，３０４Ｌ，３１６，又は３１６Ｌのタイプの非磁性のステンレススチール、インコネル、並びに、超合金の少なくとも１つで形成されていることとを特徴とする、駆動磁気ベアリング。
2. 前記第１並びに第２のジャケット（１５１，１５２）は、０．３ｍｍないし０．５ｍｍの範囲の厚さを有していることを特徴とする請求項１の駆動磁気ベアリング。
3. 前記第１のジャケット（１５１）は、前記ベアリングのステータを収容している第１の耐漏洩性のハウジング（１１１，１１３）に溶接され、また、前記第２のジャケット（１５２）は、前記検出器のステータを収容している第２の耐漏洩性のハウジング（１１２，１１４）に溶接されていることを特徴とする請求項１又は２の駆動磁気ベアリング。
4. 前記ベアリングのステータを収容している前記第１の耐漏洩性のハウジング（１１１，１１３）と、前記検出器のステータを収容している前記第２の耐漏洩性のハウジング（１１２，１１４）とは、前記第１並びに第２のジャケット（１５１，１５２）から離れた領域で、耐漏洩となるように相互接続されていることを特徴とする請求項３の駆動磁気ベアリング。
5. 前記第１並びに第２の耐漏洩性のハウジング（１１１，１１３及び１１２，１１４）は、ポッティング材料が充填されていることを特徴とする請求項３又は４の駆動磁気ベアリング。
6. 前記ベアリングのアーマチュア（１２１）と前記検出器のアーマチュア（１２２）とは、前記第１のジャケット（１５１）の材料と同じ材料からなる薄い磁性のラミネートで形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１の駆動磁気ベアリング。
7. 前記ベアリングのアーマチュア（１２１）と検出器のアーマチュア（１２２）とは、ニッケル、クロム、若しくは、セラミックのタイプの耐腐食性の保護層でカバーされたケイ素鉄のラミネートで形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１の駆動磁気ベアリング。
8. ラジアルベアリングを構成していることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１の駆動磁気ベアリング。
9. アキシャルベアリングを構成していることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１の駆動磁気ベアリング。
10. 誘導タイプの前記位置検出器（１４４）には、２０ｋＨｚないし４０ｋＨｚの範囲の周波数でキャリアが供給されることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１の駆動磁気ベアリング。
11. 前記第１のジャケット（１５１）と前記ベアリングのアーマチュア（１２１）との間に形成された磁気ベアリングのエアギャップが、０．３ｍｍないし０．５ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１の駆動磁気ベアリング。

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