JP5449892B2 - 永久磁石励磁式ラジアル磁気軸受並びにそのラジアル磁気軸受を備えた磁気軸受装置 - Google Patents

Description

本発明は、円周方向に分布して配置されたｎ個の固定子スロットとそれらの固定子スロット間に位置する同じｎ個の固定子巻歯とを備えた回転磁界形電機固定子を有する、ロータ軸を非接触式に軸受けするためのラジアル磁気軸受に関する。それらの固定子スロットは回転磁界を発生するために多相固定子巻線で巻線されている。かかる軸受は能動型磁気軸受あるいは能動型永久磁石軸受とも呼ばれる。

本発明はまた、かかるラジアル磁気軸受並びに回転磁界励起用の多相交流調整器を有する磁気軸受装置に関する。その交流調整器は好適にはインバータである。

少なくとも１個のラジアル軸受、少なくとも１つの制御装置並びに半径方向力を発生するための固定子要素と回転子要素から成る磁気軸受装置は、特許文献１で知られている。磁束を発生し磁束を案内する固定子要素と回転子要素は、強磁性部品、コイル（巻線）および永久磁石で構成されている。ラジアル軸受の固定子において、少なくとも１個のコイルを備えた電磁極間にそれぞれ、磁極として形成された１個あるいは複数個の永久磁石が設けられている。それらの磁極は、電磁極の角度範囲における空隙に永久磁石で発生された磁束による磁気電位降下が生ずるように形成されている。

能動型磁気軸受は回転機のロータ軸を非接触式で摩耗無しに軸受するために設計されている。対象機械は１トン以上の質量と５００ｋＷ以上特に数ＭＷの定格電力を有する。かかる機械は例えば電動機、発電機、タービン機械、圧縮機、ポンプなどである。これらは最高で４０００ｒｐｍ以上の回転数を有する。その運転中において、ラジアル磁気軸受と被軸受けロータ軸との間の空隙は、好適には、特に０．３ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲に保たれる。

国際公開第０１／４８３８９号パンフレット

本発明の課題は、上述した従来技術から出発して、特に簡単な構造をしたラジアル磁気軸受を提供することにある。

さらに本発明の課題は、かかるラジアル磁気軸受を備えた磁気軸受装置を提供することにある。

本発明の課題は特許請求の範囲の請求項１の特徴を有するラジアル磁気軸受によって解決される。その有利な実施態様は従属請求項２〜７に記載されている。また請求項８に、本発明に基づくラジアル磁気軸受を備えた磁気軸受装置が記載されている。

本発明に基づいて、各固定子巻歯の半径方向内側端にそれぞれ軸方向に延びる帯状あるいは板状の永久磁石が配置され、これらの永久磁石は円周方向に互い違いのラジアル磁化極性を有している。ここで「半径方向」とは軸受けされたロータ軸の回転軸線に向いた方向であってそこから離れる方向を意味する。「軸方向」とは回転軸線に対して平行な方向を意味し、「円周方向」とはロータ軸の回転軸線を中心とする接線方向を意味する。ロータ軸の運転軸受中において、ロータ軸の回転軸線は実際には構造的回転軸線ないしラジアル磁気軸受の回転対称軸線に相当する。

本発明に基づくラジアル磁気軸受の大きな利点は、永久磁石で励磁される磁気バイアス形ラジアル磁気軸受の簡単な構造にある。円周方向に分布して配置された複数の永久磁石に沿って半径方向に向いた磁極が生じ、これらの磁極はその極性が互い違いとなり、即ち、Ｎ極とＳ極が互い違いとなっている。その永久磁石磁界は多相固定子巻線の同じ半径方向に重畳して作用する電磁的な回転磁界によって強められるか弱められる。これによって、その回転電磁界によって、軸受けすべき強磁性ロータ軸に的確な半径方向磁力が発生される。

最も単純な場合には、帯状あるいは板状の永久磁石が固定子巻歯の半径方向内側端に接着されている。また、固定子巻歯の半径方向内側端にそれぞれ軸方向に延び接線方向に対向して位置する２つの溝が存在し、これらの溝に永久磁石が軸方向にはめ込まれ、場合によって磁化されることも考えられる。

このラジアル磁気軸受の実施態様において、永久磁石が横断面矩形あるいはリングセグメント形を有している。その後者の場合、永久磁石はその湾曲した外周面に基づいて固定子巻歯の半径方向内側端にぴったり着けられる。

永久磁石の最大半径方向距離が固定子スロットの最小半径方向距離より小さいことによって、本発明に基づくラジアル軸受の構造は一層簡単となる。

好適には、永久磁石の半径方向厚さは固定子スロットの半径方向深さの０．１〜０．５倍である。その代表的な値は０．３倍の範囲にある。

他の有利な実施態様において、永久磁石磁界の磁極対数ｐ_Vと多相回転磁界の磁極対数ｐ_Dが値１だけ異なっている。これによって、印加される回転磁界の設定可能な相位置において、有利に、ロータ軸の位置調整のために円周方向に作用する二極の磁界波が発生できる。永久磁石磁界の磁極対数ｐ_Vは固定子の内周面に設けられた永久磁石の数によって直接設定されている。多相回転磁界の磁極対数ｐ_Dは回転磁界型電機固定子の相応した多相巻線によって設定される。

好適には、固定子多相巻線は穴数（Lochzahl）ｑ＝２／５の三相交流巻線である。その穴数は、固定子スロット数を相数並びに回転磁界により発生された電磁石極の数で割り算した商である。

回転磁界形電機固定子が１２個の固定子スロット並びに１２個の永久磁石を有していることが特に有利である。その永久磁石磁界は６の磁極対数ｐ_Vを有し、三相回転磁界は三相交流調整器による励磁時に５の磁極対数ｐ_Dを有する。かかるラジアル磁気軸受は、有利に、構造的に非常に簡単で最もコンパクトな構造を有する。

さらに、ラジアル磁気軸受の内径とその軸長の比は、好適には、０．３〜２であり、特に０．８〜１．２５である。特別な用途において、その比は例えば０．２のようなそれ以下の値あるいは例えば５のようなそれ以上の値にもできる。

また本発明の課題は、本発明に基づくラジアル磁気軸受と回転磁界励磁用の多相交流調整器とを備えた磁気軸受装置によって解決される。

以下図を参照して本発明並びにその有利な実施例を詳細に説明する。

ロータ軸を非接触式に軸受けするためのラジアル磁気軸受を備えた回転機の部分断面図。 インバータの形態の三相交流調整器と後置接続されたラジアル磁気軸受を備えた磁気軸受装置の電気回路図。 本発明に基づくラジアル磁気軸受の軸断面図の例。 図３に示された本発明に基づくラジアル磁気軸受の上部の拡大詳細図。

図１はロータ軸２を非接触的に軸受けするためのラジアル磁気軸受１を備えた回転機２０を示している。符号Ａはロータ軸２の回転軸線、ＡＬはラジアル磁気軸受１の軸長、ＩＤはラジアル軸受１の内径である。図示された回転機２０は好例として、回転子部２１と符号３が付された回転磁界型電機固定子を備えた電動機である。またその回転機２０はポンプ、圧縮機、スピンドルあるいは他の回転機械でもある。さらにその回転機２０は、好適には、タービン機械である。符号２２はラジアル磁気軸受１のエネルギ供給の喪失時にロータ軸２を受けるためのいわゆる控え軸受である。

図２は、インバータとして形成された三相交流調整器１１と出力側に接続されたラジアル磁気軸受１を備えた磁気軸受装置１０を示し、その結線技術的な観点において、ラジアル磁気軸受１の固定子巻線６の例として３つのコイルＬ_U、Ｌ_V、Ｌ_Wだけが示されている。符号Ｕ、Ｖ、Ｗは交流調整器１１の相であり、ｉＵ、ｉＶ、ｉＷはそれらの回転磁界励磁用の相電流である。

図３は本発明に基づくラジアル磁気軸受１を軸断面図で示している。符号３が付された回転磁界型電機固定子は、好適には、磁気軸受１の運転中に生ずるうず電流損を減少するために軸方向に連続配置された多数のダイナモ鋼板（けい素鋼板）から成る積層鋼板セットである。図示されたラジアル磁気軸受１は好例として１２個の固定子スロット４を有し、これらの固定子スロット４にそれぞれ、三相コイルＬ_U、Ｌ_V、Ｌ_Wから成る１つの好例としての三相固定子巻線６がはめ込まれている。そのスロットの巻線は、磁極対数ｐ_Dを形成するために短節巻で行われている。「短節巻」形の固定子巻線ないし交流電流巻線とは、コイルＬ_U、Ｌ_V、Ｌ_Wの２つあるいはそれ以上の相線が他の相線と一緒に共通スロットに入れられていることを意味する。符号５は固定子スロット４間に位置する固定子巻歯である。

本発明に基づいていまや、固定子巻歯５の各半径方向内側端に、軸方向に延びる帯状あるいは板状の永久磁石７が配置されている。これらの永久磁石７は円周方向において互い違いのラジアル磁化方向Ｍを有している。これはそれぞれの永久磁石７のＮ磁極からＳ磁極への記入された矢印で示されている。図示されたラジアル磁気軸受１の中央に、回転軸線Ａを中心として回転する支持されたロータ軸２が横断面で示されている。ロータ軸２とラジアル磁気軸受１の内周面との間に空隙ＬＳが存在している。この空隙ＬＳは正常な磁気軸受中において約０．３ｍｍ〜０．５ｍｍである。図３の実施例にさらに示されているように、永久軸受７の最大半径方向間隔ＲＰは固定子スロット４の最小半径方向間隔ＲＳより小さい。

図４は図３に示された回転磁界型電機固定子３の上部を拡大して示している。この図において、永久磁石７の断面リングセグメント形が理解できる。これによって、永久磁石７の外周側輪郭は固定子巻歯５の内周側輪郭と一致している。その場合、図示された永久磁石７の半径方向厚さＲＤは、固定子スロット４の半径方向深さＲＴの０．１〜０．５倍である。この実施例においてその半径方向厚さＲＤはＲＴの約０．３倍である。磁界案内を向上するために、固定子巻歯５は半径方向において回転軸線Ａに対して接線方向に拡大されている。固定子巻歯５は永久磁石７に隣り合うこの部位が脚部Ｆを形成している。隣り合う永久磁石７間ないし固定子巻歯５間にそれぞれ軸方向に延びる溝あるいは隙間８が存在している。これらの溝８には場合によっては好適に例えばプラスチックのような非磁性材料が封入される。これによって、回転磁界型電機固定子３の内周面への永久磁石７の機械的固定が高められる。

本発明に基づくラジアル磁気軸受１は穴数（Lochzahl）ｑ＝２／５の三相交流巻線６である。これは、６の磁極対数ｐ_Vの永久磁石磁界を発生するｎ＝１２個の永久磁石と、それぞれの相線Ｌ_U、Ｌ_V、Ｌ_Wを５の磁極対数ｐ_Dで短節巻分布した三相交流巻線６から結果として生ずる。換言すれば、三相交流調整器１１による交流巻線６の三相励磁時に、回転軸線Ａを中心とした回転方向に形成される１０極の調節可能な磁界が発生される。

１ ラジアル磁気軸受
２ ロータ軸
３ 回転磁界型電機固定子
４ 固定子スロット
５ 固定子巻歯
６ 固定子巻線
７ 永久磁石
１１ 三相交流調整器

Claims (5)

1. 円周方向に分布して配置されたｎ個の固定子スロット（４）とそれらの固定子スロット（４）間に位置する同じｎ個の固定子巻歯（５）とを備えた回転磁界形電機固定子（３）を有し、それらの固定子スロット（４）が三相回転磁界を発生するために多相固定子巻線（６）で巻線されている、ロータ軸（２）を非接触式に軸受けするための、永久磁石励磁式ラジアル磁気軸受（１）であって、
   各前記固定子巻歯（５）の半径方向内側端にそれぞれ軸方向に延びる帯状又は板状の永久磁石（７）が配置され、それらの永久磁石（７）が円周方向に互い違いのラジアル磁化方向（Ｍ）を有しており、かつそれらの永久磁石（７）の各々が横断面矩形又はリングセグメント形を有しており、かつそれらの永久磁石（７）の各々の最大半径方向距離（ＲＰ）が前記固定子スロット（４）の最小半径方向距離（ＲＳ）より小さく、かつ
   前記永久磁石（７）による磁界の磁極対数ｐ _V の値と励磁時の前記多相固定子巻線（６）による三相回転磁界の磁極対数ｐ _D の値とが、１だけ異なる
   ことを特徴とする永久磁石励磁式ラジアル磁気軸受。
2. 前記永久磁石（７）の半径方向厚さ（ＲＤ）が、前記固定子スロット（４）の半径方向深さ（ＲＴ）の０．１〜０．５倍である
   ことを特徴とする請求項１記載の永久磁石励磁式ラジアル磁気軸受。
3. 前記多相固定子巻線（６）が、穴数（Lochzahl）ｑ＝２／５となるように前記固定子スロット（４）に巻回されている三相交流巻線である
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の永久磁石励磁式ラジアル磁気軸受。
4. 前記回転磁界形電機固定子（３）が、１２個の前記固定子スロット（４）並びに１２個の前記永久磁石（７）を有し、
   前記永久磁石による磁界が、６の磁極対数ｐ_Vを有し、かつ
   前記回転磁界形電機固定子（３）における前記三相回転磁界が、三相交流調整器（１１）による前記多相固定子巻線（６）の励磁時に５の磁極対数ｐ_Dを有するように設定されている
   ことを特徴とする請求項３記載の永久磁石励磁式ラジアル磁気軸受。
5. 請求項１から４のいずれか１つに記載の永久磁石励磁式ラジアル磁気軸受（１）と、
   前記永久磁石励磁式ラジアル軸受（１）における多相固定子巻線（６）の励磁用の多相交流調整器（１１）と
   を備えたことを特徴とする磁気軸受装置。
   

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