JP5840134B2 - 磁気軸受のための積層コアおよびこのような積層コアの構成方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転機械のための磁気軸受であって、軸受がラジアル・アキシアル統合設計を有し、軸方向制御磁束が軟磁性コアの中心開口部を通って流れる磁気軸受に関する。

磁気軸受を用いると、非接触式の懸架を得ることができる。磁気軸受は、その摩擦損失が少ないために、高速用途のために魅力的である。高速回転機械の設計は、ロータの動的制約により複雑になることが多い。その意味において、シャフトの軸長の短縮は、ロータの動的余裕度に貢献する。この特性は、いわゆる複合軸受において最大に利用される。複合軸受は、その設計が軸方向チャネルと半径方向チャネルとが１つのコンパクトな構成に統合され、いくつかの機能部分を共用する軸受である。

複合軸受のさまざまな例が特許明細書および文献に見出される。多くの場合、軸方向制御磁束の経路は、強磁性物質の積層スタックの中心孔を横切る。この例は、米国特許第５５１４９２４号、米国特許第６２６８６７４号、米国特許第６７２７６１７号、国際公開第２００８０７４０４５号、中国特許第１７３７３８８号の特許明細書または特許出願明細書に見出される。他の例は、例えばイモベルドルフ（Ｉｍｏｂｅｒｄｏｒｆ）ら、ピチョット（Ｐｉｃｈｏｔ）ら、およびバックナー（Ｂｕｃｋｎｅｒ）らの論文などの文献に見出される。ブルーメンストック（Ｂｌｕｍｅｎｓｔｏｃｋ）の米国特許第６３５９３５７号に示されている機種の複合軸受においては、軸方向制御磁束は、強磁性物質の積層スタックの中心孔を横切らない。

軸方向制御磁束の経路が積層スタックの中心孔を横切る場合、あるいは、より一般的には、導電性経路によって制御磁束が取り囲まれる領域が複合軸受に含まれている場合は、複合軸受の軸方向チャネルの性能に悪影響が及ぼされうる。その場合、変動する制御磁束が周囲の材料に電圧を誘起しうる。周りの経路が閉じており、かつ導電性である場合は、これらの誘起電圧は循環電流を引き起こし、ひいてはジュール損失を招く。実際に、このような積層スタックは、軸方向制御コイルが一次コイルである変圧器の短絡された二次コイルと見なすことができる。この影響は周波数に応じて異なる。すなわち、周波数の増加に伴い損失は増大する。特定の軸方向制御電流および周波数が与えられると、ジュール損失は実現可能な力を低減させる。この結果、軸方向チャネルの性能が損なわれる。

同様の現象は、アキシアルアクチュエータが作用する積層スタックに発生しうる。その場合、制御磁束はスタック自体に入り込むが、物理的説明は同じである。米国特許第６２６８６７４号において、高橋（Ｔａｋａｈａｓｈｉ）は、このような対象積層スタックの内部に一連の半径方向スリットを均等に分散させて設けることを提案している。回転中に十分な強度を維持するために、各層の切れ目はその厚さ全体にわたらないことは言うまでもない。そうすることによって、制御磁束がスリット領域のみに入るとすれば、誘起電流は局所に留まる。この手法は、対象積層スタックにおける損失を減らすための解を提供しているだけである。広域制御磁束は依然としてステータスタックによって囲まれている。

発明者らの知る限りでは、この種の損失を減らすための他の手法は報告されていない。この特許には、損失低減のための異なる技術が提示されている。この技術は、複合磁気軸受のロータスタックおよびステータスタックの両方に適用されうる。

本発明は、永久磁石バイアス式または電流バイアス式のラジアル・アキシアル複合磁気軸受のステータまたはロータの積層コアに関する。この積層コアは、個々の平坦な軟磁性層を複数積み重ねた立体スタックを備える。個々の層は、各層の平面における循環電流に対して少なくとも１つの完全な物理的中断を生じさせるように、球とホモトピー同値であるという位相的性質を有する。この立体スタックは、磁気対称性を生じさせるように、リングとホモトピー同値であるという位相的性質を示す。少なくとも１つの物理的中断に電気絶縁材料が充填され、
−隣接しあう複数の層における前記少なくとも１つの物理的中断（９）が互いに旋回した位置にあるか、または
−前記立体スタックは複数のサブスタックを備え、各サブスタック内の隣接しあう全ての層における前記少なくとも１つの物理的中断（９）が一致し、前記複数のサブスタックの前記少なくとも１つの物理的中断（９）が互いに旋回した位置にある。

この文脈において、循環電流は、積層コアを取り囲む閉道に従って軟磁性体を通って流れる電流と定義される。

平坦な層と球との間のホモトピー同値とは、平坦な層を曲げ、伸長、および／または収縮操作のみを行なって実質的に球に成形可能であることを言い表している。この場合、切断または接着操作は許されない。同様に、立体スタックとリングとの間のホモトピー同値とは、スタックがリングになるように曲げ、伸長、および／または収縮操作のみを加えることによって実質的に成形可能であることを示す。

ここでの「各層の平面における循環電流に対して少なくとも１つの完全な物理的中断を生じさせる」という表現は、換言すると、循環電流に対して少なくとも１つの物理的中断を有する、ロータを包み込む軟磁性のほぼ完全な閉道が各層の平面に発生することを意味する。

「ロータを包み込む軟磁性のほぼ完全な閉道」とは、ロータを包み込む、好ましくは少なくとも７５％の軟磁性材料で構成された道を意味する。あるいは、より好ましくは、少なくとも９５％の軟磁性材料で構成された道を意味する。

本発明は、ラジアル・アキシアル複合磁気軸受のステータまたはロータのための積層コアの構成方法にさらに関する。本方法は、
−位相的形状が球とホモトピー同値である一組の平坦な軟磁性層を設けるステップと、
−循環電流に対する少なくとも１つの物理的中断が得られるように第１の軟磁性層を配置するステップと、
−後続の全ての軟磁性層をそれぞれに先行する軟磁性層に対して旋回および／または回転させるステップと、
−得られた一組の軟磁性層を凝固させるステップと、
を含む。

本発明は、ラジアル・アキシアル複合磁気軸受のステータまたはロータのための積層コアの構成方法にさらに関する。本方法は、
−位相的形状が球とホモトピー同値である一組の平坦な軟磁性層を設けるステップと、
−循環電流に対する少なくとも１つの物理的中断が得られ、かつ全ての隣接層における少なくとも１つの物理的中断が一致するように、第１の複数の軟磁性層を配置するステップと、
−後続の複数の層を第１の複数の軟磁性層と同じように、しかし後続の複数の軟磁性層をそれぞれに先行する軟磁性層に対して全て旋回および／または回転させるように、配置するステップと、
−得られた一組の軟磁性層を凝固させるステップと、
を含む。

複合軸受のステータコアまたはロータコアをこのように構成すると、変動する制御磁束による循環渦電流が発達できない。この結果、軸受における損失が減り、アキシアルアクチュエータの性能が向上する。

本発明の特徴をより良く示すために、制限的な意図は一切なしに単なる例として、本発明によるラジアル・アキシアル複合磁気軸受のステータまたはロータのための積層コアの好適な実施形態の一部を添付図面を参照して以下に説明する。

従来技術による第１の永久磁石バイアス式複合軸受機種の長手方向半断面を示す。 従来技術による第２の永久磁石バイアス式複合軸受機種の長手方向断面を示す。 従来技術による第３の電流バイアス式複合軸受機種の長手方向断面を示す。 従来技術による第１の複合軸受機種の四極ラジアルアクチュエータ部分の断面を示す。 従来技術による第２の複合軸受機種の三極ラジアルアクチュエータ部分の断面を示す。 裂け目が対称軸上にある、複合軸受の四極ラジアルアクチュエータ部分の３６０_＜°層の断面を示す。 図６の層を、磁極の位置を維持した状態で、旋回しうる全ての姿勢を示す。 １０μｍの被膜が両面に施された層厚０．３５ｍｍの層シート４枚で構成されたスタックにおける接線方向寸法０．５ｍｍの裂け目の近傍における磁力線の分布を示す。 １０μｍの被膜が両面に施された層厚０．３５ｍｍの層シート４枚で構成されたスタックにおける接線方向寸法０．５ｍｍの裂け目の近傍における磁束密度の分布を示す。 裂け目が対称軸上にない、複合軸受の四極ラジアルアクチュエータ部分の３６０_＜°層の断面を示す。 図１０の層を、磁極の位置を維持した状態で、旋回および／または反転しうる全ての姿勢を示す。 裂け目が対称軸上にある、複合軸受の三極ラジアルアクチュエータ部分の３６０_＜°層の断面を示す。 図１２の層を、磁極の位置を維持した状態で、旋回しうる全ての姿勢を示す。 裂け目が対称軸上にない、複合軸受の三極ラジアルアクチュエータ部分の３６０_＜°層の断面を示す。 図１４の層を、磁極の位置を維持した状態で、旋回および／または反転しうる全ての姿勢を示す。 複合軸受の四極ラジアルアクチュエータ部分の１８０_＜°層セグメントの断面を示す。 図１６の層を、磁極の位置を維持した状態で、旋回および／または反転しうる全ての姿勢を示す。 複合軸受の三極ラジアルアクチュエータ部分の１２０_＜°層セグメントの断面を示す。 図１８の層セグメントを、磁極の位置を維持した状態で、旋回および／または反転しうる全ての姿勢を示す。 裂け目が設けられたアクチュエータ対象スタック用３６０_＜°層の断面を示す。 非直線切れ目と絶縁スペーサとを有する３６０_＜°層の断面を示す。

既存の複合軸受機種の長手方向断面のいくつかが図１、図２、および図３に示されている。既存の複合軸受機種の２つの可能な半径方向断面が図４および図５に示されている。図示されているこれらの代替設計は何れも、幾何学的回転軸Ｘ−Ｘ’を有する積層ロータスタック１と、積層ステータスタック２と、ステータヨーク３と、２つの軸方向磁極４ａおよび４ｂと、少なくとも３つの半径方向磁極５とで構成されている。軸方向力は、回転対称構成を有する軸方向制御コイル６によって制御される。半径方向力は、半径方向制御コイル７によって制御される。半径方向制御コイル７は半径方向磁極５に巻き付けられている。バイアス磁場が永久磁石８によって生成されない場合は、何らかの方法でバイアス電流を軸方向制御電流に追加することによって、または軸方向制御コイル６に近付けて配置された回転対称形状を有する別個のバイアスコイルにバイアス電流を供給することによって、バイアス磁場を発生させることができる。

電流が半径方向制御コイル７に供給されると、ステータスタック２の各層の平面に磁束が流れ始める。軸方向制御コイル６に供給された電流によって生成された磁束は、ステータヨーク３を通って流れ、その後に軸方向磁極４ａに入り、ロータスタック１に向かって間隙を横切り、反対側の軸方向磁極４ｂに向かって間隙を横切り、最終的にステータヨーク３に戻る。この結果、軸方向制御電流が時間と共に変動するため、時間変動磁束がステータスタック２の中心孔を横切る。ファラデー・レンツの法則およびオームの法則により、ステータスタック２の各層に循環電流が誘起される。したがって、本発明の目的は、これら誘起された循環電流の道を物理的に中断することである。

この物理的中断を実現する１つの可能性は、四極ステータスタック２の場合は、図６に示されているようなステータスタック２の各３６０_＜°層１０に単一の切れ目９を設けることである。３６０_＜°という表記は、切れ目９の存在により、層がカバーする角度が３６０°に僅かに満たないことを示す。０．２５ｍｍ未満の切削加工幅を得ることは難しいが、このような切れ目９がかなりの接線方向磁気抵抗を実際に導入することは明らかである。したがって、層１０は、半径方向制御磁場に対してその磁気対称性の一部を失う。単一の層１０のみを有する仮想ステータスタックは、切れ目により半径方向チャネル性能のかなりの損失を呈するであろう。ただし、複数の層１０を積み重ねることにより、この性能損失を回避する方法がもたらされる。

図７は、図６の単一の切れ目９を有する３６０_＜°層１０を、４つの磁極５の位置に影響を及ぼさずに、旋回させうる全ての姿勢を示す。したがって、隣接する３６０_＜°層１０の切れ目９が互いに必ず離隔されるようにステータが積層される場合は、磁力線は３６０_＜°層１０から移動することによって切れ目を横切ることができる。その結果、磁力線は、隣接する層１０の被膜を２回横断する必要がある。ここで重要な問題は、層の被膜を切れ目の幅よりはるかに薄く、例えば少なくとも２５０μｍに対して１μｍに、できることである。

図８は、４つの層１０で構成されたステータスタック２の断面を示す。この図は、１つの層１０に作成された切れ目９の位置における、各層１０の平面に直角な、かつスタックの中心に対して接線方向の断面である。図８には、切れ目９の近傍における半径方向制御磁場の磁力線の分布が示されている。この特定の例において、各層１０は厚さが０．３５ｍｍ、切れ目９の幅Ｂが０．５ｍｍ、被膜の厚さＤが１０μｍ、すなわち軟磁性部分の間の厚さ（両面被膜）が２０μｍである。切れ目９に近付くと、磁力線は２つに分割される。切れ目９の内部には、磁力線は殆どない。切れ目９をいったん越えると、２つの磁力線は元の層１０において再び一緒になる。

これは、図８に示されているのと同一のステータスタック２に対して、図９に示されているように、切れ目９の近傍の局所的磁束密度に影響を及ぼすことは明らかである。切れ目９の内部には磁力線が殆どないので、そこでは磁束密度がほぼゼロになる。これは、図９に紺青（ＤＢ）の網掛けで示されている。層の平面に沿って切れ目の領域を離れると、紺青（ＤＢ）からより明るい青（ＬＢ）およびシアン（ＣＮ）を経て、さらには緑（ＧＲ）から黄（ＧＬ）への色変化で表されているように、磁束密度はその公称値まで徐々に上昇する。隣接する層においては、切れ目に近付くと、黄（ＧＬ）からオレンジ（ＯＲ）を経て赤（ＲＤ）への色変化によって表されているように、磁束密度が上昇する。

被膜がかなり厚いこの特定の例においては、磁束密度は隣接する層１０においてのみ大きく影響される。その他の層は僅かしか影響されない。理論上、層１０における磁束密度は、局所的にはその平常値の１．５倍まで上昇しうる。ただし、被膜が薄いほど磁力線は広がるため、局所的なピーク磁束密度のさらなる低下が引き起こされると予想されうる。

図８および図９から、磁束密度が切れ目９の影響を受ける領域の大きさは数ミリメートル以内であるとさらに結論付けうる。この結果、大きな半径方向制御電流が供給される場合は、何らかの局所的飽和が起こりうるが、軸受の総合的性能に対するその影響は小さく留まるであろう。

本来の磁気対称性を全体的に回復させるために、ステータスタック２の周囲全体にわたって切れ目９を均等に分散させることが勧められる。図７の３６０_＜°層１０の複数の代替姿勢を考えると、例えば、４つの３６０_＜°層の繰り返しパターンを有するステータスタック２を作成可能である。この場合、切れ目９の間の軸方向最短距離は、各層１０の厚さの約４倍に等しい。

図６に示されている３６０_＜°層１０には、対称軸と一致する切れ目９が設けられている。ただし、対称軸との一致は必須ではない。これに対し、切れ目９の間の軸方向最短距離をさらに増すために、対称軸と一致しない切れ目も考えられる。例えば、図１０に示されている４つの磁極５を有する３６０_＜°層１０には、対称軸と一致しない切れ目９が設けられている。この層１０を旋回および／または反転させることによって、図１１に示されているように、磁極５の位置が維持される８つの異なる姿勢が見出される。このような層１０を積み重ねると、８つの層１０の繰り返しパターンを有する磁気的に対称なステータスタック２が得られ、切れ目間の軸方向最短距離も８つの層１０になる。

図１２は、単一の切れ目９が対称軸上に設けられた、磁極５が３つだけの３６０_＜°層１０を示す。図１３は、図１２の層１０を旋回させると、磁極５の位置が維持される姿勢として３つの異なる姿勢のみが得られることを示す。スタック全体が磁気的に対称になるようにこれらの層１０を積み重ねると、切れ目９の間の軸方向最短距離は３つの層１０に等しくなる。この特定の構成においては、磁力線は１つの層１０の距離にわたってのみ分散できるので、切れ目９近くの磁束密度の上昇は５０％に近づく可能性が高い。

３つの磁極５を有するステータスタック２の場合に切れ目９の間の軸方向最短距離を大きくするには、図１４に示されているように対称軸と一致しない切れ目９を作成する必要がある。その場合、図１４の層１０を旋回および／または反転させると、図１５に示されているように、磁極５の位置が維持される切れ目９の代替姿勢が６つ得られる。この場合の切れ目９の間の最短軸方向距離は、層１０の厚さの約６倍に等しい。

これまで、単一の切れ目９を有する例のみを示してきた。ただし、切れ目９の数は１つに限定されない。例えば、図１６に示されているような１８０_＜°層１１を用いて４つの磁極５を有するステータスタック２を構成できる。このような２つの１８０_＜°層１１は、適正に配置されると、２つの切れ目９に相当するものを有する合成層構成１３を形成する。図１６の１８０_＜°層１１を旋回および／または反転することによって、図１７に示されているように、切れ目９が異なる位置にあり、かつ磁極５の位置が維持された４つの構成を見出すことができる。これらの層１１を積み重ねると、４つの１８０_＜°層１１から成る反復的軸方向パターンを有し、かつ切れ目９の間の軸方向最短距離も４つの１８０_＜°層１１になるステータスタック２が得られる。単一の切れ目９を有する３６０_＜°層１０の代わりに、このような複数の１８０_＜°層１１による構成を選択する１つの理由は、例えば、打ち抜きによって発生しうる廃棄物の削減である。

図１７の合成層構成１３は、対称軸と一致しない切れ目を２つ有することに注目されたい。対称軸と一致した場合、２つの代替配置のみが見出されることになる。これは、切れ目９の近くの磁束密度の倍加を意味するため、あまり魅力的でない。図１８に示されているような３つの磁極５と３つの切れ目９とを有する設計のための１２０_＜°層１２の場合も同様の状況が発生する。この場合、３つの切れ目９が対称軸と一致しなければ、図１９に示されているように可能な配置が２つだけ見出される。ここでは、対称的な１２０_＜°層１２は、全ての切れ目が一致するため、使用できない。

前の説明は、三極および四極設計のためのいくつかの代替案に焦点を合わせた。ただし、磁極５の数がより多い設計、または磁極５が皆無の設計にも、普遍性を損なうことなく、同じ思想を拡大適用可能である。磁極５が皆無の層１０の一例が図２０に示されている。このような設計は、例えば、アクチュエータ対象スタック１を回転部の上に組み立てるために使用可能である。

３６０_＜°層１０に単一の切れ目９を含めると、その機械的剛性が劇的に低下する。ただし、この発明の原理に従って３６０_＜°層１０を積み重ねると、得られたスタックの剛性と機械的完全性は、切れ目９がない場合に比べ、殆ど低下しない。１８０_＜°層１１または１２０_＜°層１２、あるいは他の合成層構成１３を用いた場合、同様の機械的特性を得ることはより困難であるが不可能ではない。

前の全ての例において、切れ目９は半径方向に設けられており、複数の磁極５がある場合は、スタックの最も薄い部分を通って設けられていた。本発明の思想はこれらの特定のケースに限定されるものではない。例えば、磁極５を通る切れ目を設けることも考えられる。同じように、半径方向以外の直線切れ目９または直線以外の切れ目９によって物理的中断を実現することも考えられうる。半径方向以外の切れ目を適用する１つの理由は、切れ目の近傍における磁束密度をさらに低下させうることによる。直線以外の切れ目を適用する１つの理由は、動作時にスタックが回転しているとき、またはスタックが１８０_＜°層１１または１２０_＜°層１２を用いて組み立てられた場合に、スタックの構造上の特性を向上させうるからである。このような場合、例えば、蟻継ぎのような形状の、好ましくは、発生しうるあらゆる電気的接触を回避するために絶縁スペーサ材料１４がその間に設けられた、切れ目９を考えることができる。この思想は図２１に示されている。

上記説明が当てはまる全ての可能な実施形態において、隣接する層の切れ目９は決して一致しない。この条件を僅かに緩めてもよい。隣接する層の切れ目９の全てまたは一部が一致するという特性を有する、少なくとも２つの隣接する層から成るサブスタックをそれぞれ旋回および／または反転させた一連のサブスタックとしてアクチュエータ対象スタック１またはステータスタック２を組み立てることもできる。この場合、完成されたスタックの円周全体にわたって全ての切れ目９を均等に分散させることによって磁気対称性を守ることができる。そうすることによって、磁場が、隣接サブスタックを介して、切れ目の近傍に磁気抵抗の低い経路を必ず見出すことができる構成がもたらされる。ただし、この構成においては磁力線はより多くの被膜層を横切る必要があるため、あまり有利な配置とは見なされない場合がある。他方、構造上の問題点はこの構想を実現可能な代替案にしうる。

ただし、本発明は、上で説明したような、または図面に示したような、積層コアの実施形態の形態に決して限定されるものではなく、このような積層コアは、本発明の範囲から逸脱することなく、あらゆる形状および寸法で作成可能である。

Claims (9)

1. 永久磁石バイアス式または電流バイアス式のラジアル・アキシアル複合磁気軸受のステータまたはロータの積層コア（１−２）において、前記積層コア（１−２）は個々の平坦な軟磁性層（１０−１１−１２）から成る立体スタックを備え、前記個々の層（１０−１１−１２）は、該層の平面における循環電流に対して唯１つの物理的中断（９）を生じさせるように球とホモトピー同値であるという位相的性質を有し、前記立体スタックは、磁気対称性を生じさせるようにリングとホモトピー同値であるという位相的性質を示し、前記少なくとも１つの物理的中断（９）に電気絶縁材料（１４）が充填され、
   −隣接しあう層（１０−１１−１２）における前記物理的中断（９）が互いに旋回した位置にある
   ことを特徴とする積層コア（１−２）。
2. 前記個々の層（１０−１１−１２）の何れもが互いに電気的に接触していないことを特徴とする、請求項１に記載の積層コア（１−２）。
3. 隣接する層（１０−１１−１２）における前記物理的中断（９）は直線であり、かつ半径方向に向いていることを特徴とする、請求項１に記載の積層コア（１−２）。
4. 前記物理的中断（９）は直線であり、かつ半径方向に向いていないことを特徴とする、請求項１に記載の積層コア（１−２）。
5. 前記物理的中断（９）は蟻継ぎのような形状に形作られていることを特徴とする、請求項１に記載の積層コア（１−２）。
6. 前記立体スタックの断面は磁極（５）を一切見せないことを特徴とする、請求項１に記載の積層コア（１−２）。
7. 前記立体スタックの断面は複数の層（１１−１２）を見せることを特徴とする、請求項１に記載の積層コア（１−２）。
8. ラジアル・アキシアル複合磁気軸受のステータまたはロータのための積層コアの構成方法であって、
   −位相的形状が球とホモトピー同値である一組の平坦な軟磁性（１０−１１−１２）層を設けるステップと、
   −誘起された循環電流に対する物理的中断（９）が唯１つ得られるように第１の軟磁性層を配置するステップと、
   −後続の全ての軟磁性層をそれぞれに先行する軟磁性層に対して旋回および／または回転させるステップと、
   −前記得られた一組の軟磁性層を凝固させるステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
9. 前記物理的中断（９）の内部に電気絶縁材料（１４）が設けられることを特徴とする、請求項８に記載の方法。

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