JP6535452B2

JP6535452B2 - ラジアル磁気軸受および製造方法

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Publication number: JP6535452B2
Application number: JP2014211497A
Authority: JP
Inventors: ステファーヌ・アイ; ニコラ・スーリエ
Original assignee: エスカエフ・マニュティック・メシャトロニク
Priority date: 2013-10-17
Filing date: 2014-10-16
Publication date: 2019-06-26
Anticipated expiration: 2034-10-16
Also published as: CN104565065B; CN104565065A; CA2867248A1; EP2863079A1; EP2863079B1; US20150137643A1; US9845829B2; JP2015083871A

Description

本発明は、ラジアル磁気軸受、およびその製造方法に関する。

公知のラジアル磁気軸受の一例が、特許文献１に開示されている。かかる種類の公知のラジアル磁気軸受の一部分（四分円）が図９に示されている。かかるラジアル磁気軸受は、回転子１を取り囲む固定子２を備える。回転子１は、中央シャフト１０を備え、中央シャフト１０はその周囲に高品質の磁気薄片層１１の積層体を有し、この薄片層は、ステンレスフェライト鉄またはシリコン鉄などの材料で作製されている。固定子２は、周囲部分２３を有する磁気回路を備え、この周囲部分２３は、半径方向内方に回転子１の方へと突出した複数対の磁極２１を相互接続している。電磁巻線２２が、様々な磁極２１の周りに配設されている。この固定子は、全体では、互いに垂直な２本の軸に沿って配設された少なくとも４対の磁極２１を備え、それによって回転子１を所定の半径方向位置に保持することが可能となっている。固定子２は、ケーシング２４に収容されている。固定子２の磁極２１および周囲部分２３は、ディスク状プレートまたはワッシャの積層体から作製されている。

その製造工程は、いわゆるホーン軸受（ｈｏｒｎｂｅａｒｉｎｇ）を構成し、大径を有することがあるディスク状プレートの積層体２１、２３などの鋼シート要素の組立てを含む。さらに、コイル２２の実装は、多数の相互接続点を含み、費用効果が良くない。したがって、その製造および組立て時間は、連続生産には適さない。さらに、コイル２２を磁極２１の周りに取り付ける工程には、スロットとホーン薄片層またはディスク状プレートとの形状を適合させる必要があるが、この適合によって、その磁気軸受のラジアル負荷容量の性能が全体的に落ちることになる。

米国特許第４７２０６４９Ａ号明細書

解決すべき技術的課題は、上述の欠点を是正するラジアル磁気軸受、およびその製造方法を提供することである。

より具体的には、本発明は、負荷容量に関して最適化された形状を有しながらも、組み立てやすいラジアル磁気軸受を提供することを目的とする。

特に、本発明は、製造工程の容易さを向上させ、費用をより低く、かつ連続製造工程を高めることを可能とすることを目的とする。

本発明は、添付の特許請求の範囲で規定される。

本発明は、より具体的には、回転軸を有し、かつ外周を有する中央シャフトおよび前記シャフトの前記外周に取り付けられた強磁性電機子を含む内側回転子と、前記回転子の方へと半径方向内方に突出した強磁性材料製の磁極であり、前記磁極の端面と前記強磁性電機子の端面との間に空隙（ｅ）が残される磁極と、前記磁極の周りに巻き回されたコイルとを含む複数の電磁石を備える外側固定子とを備え、前記磁極が、支持部材に取り付けられる外側部分まで延在するラジアル磁気軸受において、各磁極および前記対応する各外側部分が、強磁性材料またはステンレス強磁性材料製の薄片層の積層体を備える角度分割モジュール（ａｎｇｕｌａｒｌｙｓｅｇｍｅｎｔｅｄｍｏｄｕｌｅ）に含まれ、前記外側部分が前記磁極に対して肩部を画定し、前記外側部分が隣接する分割モジュールの外側部分と接触し、全分割モジュールの外側部分が、挟持リングによって組み立てられ、前記磁極の周りの自由空間に位置する前記コイルが、ストリング状に（ｉｎａｓｔｒｉｎｇ）取り付けられることを特徴とする、ラジアル磁気軸受に関する。

本発明の有利な一特徴によれば、各分割モジュールの各外側部分は、丸みを帯びた外側隅部を備える。

本発明の特定の実施形態によれば、各分割モジュールの各外側部分は、取付けの目的のために薄片層の積層体に設けられた中央孔を備える。

このような場合、有利には、前記挟持リングは、前記分割モジュールの前記中央孔と位置が合うように設計された複数の孔を有する第１の挟持リングと、前記分割モジュールの前記中央孔、および前記第１の挟持リングの前記複数の孔を受けるように設計された複数のガイドを有する第２の挟持リングとを備える。

実施可能な実施形態によれば、角度分割モジュールは全て、同じ形状を有する。

実施可能な別の実施形態によれば、角度分割モジュールは、半径方向に同じ寸法を有するが、角度分割モジュールの円周方向には異なる寸法を有する。

より具体的には、実施可能な実施形態によれば、角度分割モジュールの磁極は、第１の組の角度分割モジュールの幅が低減した第１の数の磁極対と、前記幅が低減した磁極対間に挿設される、第２の組の角度分割モジュールの幅がより広い第２の数の磁極とを備える。

角度分割モジュールの数、およびその対応する磁極の数は、例えば１２、１６、または２０に等しくすることができる。

特定の実施形態によれば、前記第１の組の角度分割モジュールの幅が低減した磁極対の数は４に等しく、前記幅が低減した磁極対間に挿設される、第２の組の角度分割モジュールの幅がより広い磁極の数は１、２、または３に等しい。

内側回転子の強磁性電機子は、フェライト鋼またはステンレス強磁性鉄などの高品質の磁気薄片層の積層体で作製することができる。

本発明はさらに、上記で規定されたラジアル磁気軸受を作製する方法であって、
強磁性材料またはステンレス強磁性材料製の薄片層の積層体で作製された磁極および外側部分を備え、前記外側部分が前記磁極に対して肩部を画定している、複数の角度分割モジュールを形成するステップと、
第１の挟持リングおよび第２の挟持リングを形成するステップと、
前記磁極の数に等しい数の、ストリング状に接続された複数のコイルを形成するステップと、
前記外側部分がそれぞれ、隣接する分割モジュールの外側部分と接触し、一方隣接する分割モジュールの磁極間には自由空間が画定されるように、前記角度分割モジュールを配置するステップと、
前記角度分割モジュールを前記第１および第２の挟持リングと一体に組み立てるステップと、
ストリング状に相互接続された前記複数のコイルを、前記分割モジュールの前記複数の磁極の周りの前記自由空間に挿入するステップと
を含む、方法に関する。

より具体的には、前記角度分割モジュールを組み立てるステップは、前記第２の挟持リングの複数のガイドを、前記分割モジュールの中央孔、および前記第１の挟持リングの複数の孔に挿入するステップを含むことができる。

角度分割モジュールの形状および寸法は、ラジアル負荷容量を最適化し、かつ連続生産が可能となるように選択することができる。

本発明の第１の実施形態によるラジアル磁気軸受の四分円の正面図である。図１の正面図と同様であるが、図１のラジアル磁気軸受の磁気回路の磁束線をさらに示す図である。図１の第１の実施形態によるラジアル磁気軸受の固定子の全体正面図である。本発明の第２の実施形態によるラジアル磁気軸受の固定子の全体正面図である。本発明の第３の実施形態によるラジアル磁気軸受の固定子の全体正面図である。図５の固定子の組立て工程を示す分解図である。本発明によるラジアル磁気軸受の固定子の個々のモジュールの組立て工程を示す分解図である。本発明によるラジアル磁気軸受の固定子の複数の個々のモジュールの組立て工程を示す分解図である。従来技術によるラジアル磁気軸受の四分円の正面図である。

本発明について、例によって示す好ましい実施形態に関して説明する。

本発明の第１の実施形態の典型的な構成が図１に示され、この図は、回転軸を有し、かつ外周を有する中央シャフト１１０を含む内側回転子１０１を備える、本発明によるラジアル磁気軸受の四分円を示す。ステンレス強磁性鉄、フェライト鋼、またはシリコン鉄などの高品質の磁気薄片層の積層体で作製することができる強磁性電機子１１１が、中央シャフト１１０の外周に取り付けられている。外側固定子１０２は、回転子１０１の方へと半径方向内方に突出した、強磁性材料またはステンレス強磁性材料製の磁極１２１であり、磁極１２１の端面と強磁性電機子１１１の端面との間に空隙（ｅ）が残される磁極１２１と、磁極１２１の周りに巻き回されたコイル１２２とを含む複数の電磁石を備える。したがって、磁極１２１の第１の端面は、回転子１０１の強磁性電機子と対向し、空隙ｅを画定している。磁極１２１のもう一方の端部は、外側部分１２３まで延在し、この外側部分１２３は支持部材１２７に固定されている。各磁極１２１およびその対応する各外側部分１２３は、強磁性材料製の薄片層の積層体を備える角度分割モジュール１２０Ａまたは１２０Ｂに含まれる。外側部分１２３は、その対応する磁極１２１に対して肩部１２５を画定しており、したがって磁極１２１の両側には自由空間が設けられている。分割モジュール１２０Ａまたは１２０Ｂの外側部分１２３は、隣接する分割モジュール１２０Ａまたは１２０Ｂの外側部分１２３と、本質的に空隙なしに、かつ絶縁分離部なしに接触している。しかし、実際には、隣接する２つの分割モジュールの外側部分１２３間には、例えば０．１ｍｍの空隙などの極小値の空隙が許容され得る。全分割モジュール１２０Ａ、１２０Ｂの外側部分１２３は、挟持リング１２７、１２８によって組み立てられる。磁極１２１の周りの自由空間に位置するコイル１２２は、ストリング状に取り付けられている。

図１に示すように、各分割モジュール１２０Ａ、１２０Ｂの各外側部分１２３は、有利には丸みを帯びた外側隅部１２６を備える。このように隅部が丸みを帯びていることによって、磁気特異性（ｍａｇｎｅｔｉｃｓｉｎｇｕｌａｒｉｔｙ）が排除され、分割モジュール１２０Ａ、１２０Ｂが組み立てやすくなる。

図２には、図１に関して説明した実施形態などの一実施形態の磁束線が示されている。

図１から図８に示すように、各分割モジュール１２０Ａ、１２０Ｂ、または１２０の各外側部分１２３は、取付けの目的のために薄片層の積層体に設けられた中央孔１２４を備える。

図１のラジアル軸受の取付け方法の一例について、図６から図８に関して説明する。

第１の挟持リング１２７は、分割モジュール１２０、１２０Ａ、１２０Ｂの中央孔１２４と位置が合うように設計された複数の孔１３４を有し、第２の挟持リング１２８は、分割モジュール１２０、１２０Ａ、１２０Ｂの中央孔、および第１の挟持リング１２７の複数の孔１３４を受けるように設計されたスタッドまたはスピンドルなどの複数のガイド１２９を有する。

したがって、本発明によるラジアル磁気軸受を作製する方法は、本質的に、
強磁性材料製の薄片層の積層体で作製された磁極１２１および外側部分１２３をそれぞれが備え、この外側部分１２３が磁極１２１に対して肩部１２５を画定している、複数の角度分割モジュール１２０、１２０Ａ、１２０Ｂを形成するステップと、
第１の挟持リング１２７および第２の挟持リング１２８を形成するステップと、
磁極１２１の数に等しい数の、ストリング状に接続された複数のコイル１２２を形成するステップと、
外側部分１２３がそれぞれ、隣接する分割モジュール１２０、１２０Ａ、１２０Ｂの外側部分１２３と、本質的に空隙なしに、かつ絶縁分離部なしに接触し、隣接する分割モジュール１２０、１２０Ａ、１２０Ｂの磁極１２１間には自由空間が画定されるように、角度分割モジュール１２０、１２０Ａ、１２０Ｂを配置するステップと、
角度分割モジュール１２０、１２０Ａ、１２０Ｂを第１の挟持リング１２７および第２の挟持リング１２８と一体に組み立てるステップと、
ストリング状に相互接続された複数のコイル１２２を、分割モジュール１２０、１２０Ａ、１２０Ｂの複数の磁極１２１の周りの自由空間に挿入するステップと
を含む。

先に述べたように、実際には、隣接する２つの分割モジュール１２０、１２０Ａ、１２０Ｂの外側部分１２３間には、例えば０．１ｍｍの空隙などの極小値の空隙が許容され得る。

より具体的には、角度分割モジュール１２０、１２０Ａ、１２０Ｂを組み立てるステップは、第２の挟持リング１２８の複数のガイド１２９を、分割モジュール１２０、１２０Ａ、１２０Ｂの中央孔１２４、および第１の挟持リング１２７の複数の孔１３４に挿入するステップを含む。

一般的に言えば、角度分割モジュール１２０、１２０Ａ、１２０Ｂの形状および寸法は、ラジアル負荷容量を最適化し、一方で連続生産が可能となるように選択される。

巻線分割モジュール１２０、１２０Ａ、１２０Ｂを設けることによって、最適な負荷容量を得ることを目指した正しい形状を画定することが可能となり、一方でこの種の磁気軸受モジュールにコイル組み込むことが容易になり、したがって連続生産が可能となる。

さらに、コイル１２２の取付けはストリング状のコイルによって実現されるので、相互接続点の数が減少している。

最後に、第１の挟持リング１２７および第２の挟持リング１２８を、スタッドまたは他の案内手段と協働するように設けることによって、分割モジュールを、いかなる絶縁分離部または空隙もなく、隣接した接触位置で正確に組み立てることが可能となる。分割モジュール１２０、１２０Ａ、１２０Ｂと、挟持リング１２７、１２８とは、組立ての最終ステップにおいて半径方向かつ軸方向に係止される。

本発明による角度分割モジュールのシステムは、あらゆる種類のラジアル能動型磁気軸受、およびあらゆる種類の磁気材料に適用可能である。

コイル１２２と、磁極１２１および外側部分１２３を形成する薄片層の積層体を備えるモジュール１２０との具体例が、この外側部分１２３に形成された中央孔１２４および丸みを帯びた隅部１２６とともに、図７に示されている。

特定の実施形態によれば、角度分割モジュール１２０は全て、同じ形状および同じ寸法を有し、したがって製造工程が容易になっている（例えば図８参照）。

しかしながら、角度分割モジュール１２０Ａと１２０Ｂとはまた、半径方向に同じ寸法を有するが、角度分割モジュール１２０Ａ、１２０Ｂの円周方向には異なる寸法を有することも可能である。したがって、負荷容量を最適化するために、様々な形状の様々な種類のモジュールをラジアル磁気軸受の固定子１０２に組み込むことができる。

例えば、図１から図５に示すように、２種類の分割モジュール１２０Ａ、１２０Ｂを設計することが可能である。

図１から図５の実施形態では、磁極１２１は、例えば直交する方向Ｘ’−ＸおよびＹ’−Ｙに沿って配置することができる、幅が低減した磁極１２１を有する第１の組の角度分割モジュール１２０Ａの対と、第１の組の角度分割モジュール１２０Ａの幅が低減した磁極１２１の対間に挿設される、幅がより広い磁極１２１を有する第２の組の角度分割モジュール１２０Ｂとを備える。

例えば、第１の組の角度分割モジュール１２０Ａの幅が低減した磁極１２１の対の数は４に等しくすることができる一方、幅が低減した磁極１２１の対間に挿設される第２の組の角度分割モジュール１２０Ｂの幅がより広い磁極１２１の数は１（図５参照）、２（図１から図３参照）、または３（図４参照）に等しくすることができる。

したがって、本発明の特定の実施形態によれば、角度分割モジュール１２０、１２０Ａ、１２０Ｂの総数、およびその対応する磁極１２１の総数は、１２、１６、または２０に等しくすることができるが、分割モジュール１２０、または１２０Ａ、１２０Ｂは他の数とすることも可能である。

一般的に言えば、本発明によって、製造工程の簡略化が実現され、性能が向上し、かつ費用が削減される。

以下の非限定的な利点の一覧は、本発明の実装と関連付けられる。
− ラジアル負荷容量が標準設計に比べて３０％程度最適化される。
− 同じ負荷容量の従来版のラジアル磁気軸受に比べて長さが３０％から４０％減少する。
− 相互接続点の数が大幅に減少し、ロザリオ状（ｉｎｒｏｓａｒｙ）の巻線による不良が大幅に減少し（すなわちコイルをストリング状に配置する）、したがって費用削減が実現される。
− 巻線モジュールを有する固定子を備えるラジアル磁気軸受の組立ておよび分解が容易になる。
− あらゆる磁気材料に適合する。
− あらゆるモデルおよび種類のラジアル磁気軸受に適合する。
− コイルとモジュールとの組立てを自動化することが可能となる。
− モジュールをタイトリングまたはシュランクカン（ｓｈｒｕｎｋｃａｎ）によって組み立てることが可能となる。
− 熱センサなどの追加のセンサを容易に組み込むことが可能となる。

好ましい実施形態について示し、説明してきたが、上記実施形態に対するいかなる変更または改変も、添付の特許請求の範囲に規定の本発明の範囲から逸脱せずに行うことができることを理解されたい。したがって、様々な実施形態の特徴を組み合わせることができる。

１回転子
２固定子
１０中央シャフト
１１磁気薄片層
２１磁極
２２電磁巻線（コイル）
２３周囲部分
２４ケーシング
１０１内側回転子
１０２外側固定子
１１０中央シャフト
１１１強磁性電機子
１２０、１２０Ａ、１２０Ｂ角度分割モジュール
１２１磁極
１２２コイル
１２３外側部分
１２４中央孔
１２５肩部
１２６外側隅部
１２７第１の挟持リング（支持部材）
１２８第２の挟持リング
１２９ガイド
１３４孔

Claims

回転軸を有し、かつ外周を有する中央シャフト（１１０）および前記中央シャフト（１１０）の前記外周に取り付けられた強磁性電機子（１１１）を含む内側回転子（１０１）と、
前記内側回転子（１０１）の方へと半径方向内方に突出した、強磁性材料またはステンレス強磁性材料製の磁極（１２１）であり、前記磁極（１２１）の端面と前記強磁性電機子（１１１）の端面との間に空隙（ｅ）が残される磁極（１２１）と、前記磁極（１２１）の周りに巻き回されたコイル（１２２）とを含む複数の電磁石を備える外側固定子（１０２）と
を備え、前記磁極（１２１）が、支持部材（１２７）に取り付けられる外側部分（１２３）まで延在するラジアル磁気軸受において、各磁極（１２１）および対応する各外側部分（１２３）が、強磁性材料またはステンレス強磁性材料製の薄片層の積層体を備える角度分割モジュール（１２０、１２０Ａ、１２０Ｂ）に含まれ、前記外側部分（１２３）が前記磁極（１２１）に対して肩部（１２５）を画定し、前記外側部分（１２３）が隣接する分割モジュール（１２０、１２０Ａ、１２０Ｂ）の外側部分（１２３）と接触し、全分割モジュール（１２０、１２０Ａ、１２０Ｂ）の前記外側部分（１２３）が、挟持リング（１２７、１２８）によって組み立てられ、前記磁極（１２１）の周りの自由空間に位置する前記コイル（１２２）が、ストリング状に取り付けられることを特徴とする、ラジアル磁気軸受。
各分割モジュール（１２０、１２０Ａ、１２０Ｂ）の各外側部分（１２３）が、丸みを帯びた外側隅部（１２６）を備える、請求項１に記載のラジアル磁気軸受。
各分割モジュール（１２０、１２０Ａ、１２０Ｂ）の各外側部分（１２３）が、取付け目的のために前記薄片層の積層体に設けられた中央孔（１２４）を備える、請求項１または２に記載のラジアル磁気軸受。
前記挟持リングが、前記分割モジュール（１２０、１２０Ａ、１２０Ｂ）の前記中央孔（１２４）と位置が合うように設計された複数の孔（１３４）を有する第１の挟持リング（１２７）と、前記分割モジュール（１２０、１２０Ａ、１２０Ｂ）の前記中央孔（１２４）、および前記第１の挟持リング（１２７）の前記複数の孔（１３４）を受けるように設計された複数のガイド（１２９）を有する第２の挟持リング（１２８）とを備える、請求項３に記載のラジアル磁気軸受。
前記角度分割モジュール（１２０）が全て、同じ形状を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載のラジアル磁気軸受。
前記角度分割モジュール（１２０Ａ、１２０Ｂ）が、半径方向に同じ寸法を有するが、前記角度分割モジュール（１２０Ａ、１２０Ｂ）の円周方向には異なる寸法を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載のラジアル磁気軸受。
前記角度分割モジュールの前記磁極（１２１）が、第１の組の角度分割モジュール（１２０Ａ）の幅が低減した第１の数の磁極（１２１）対と、前記幅が低減した磁極（１２１）対間に挿設される、第２の組の角度分割モジュール（１２０Ｂ）の幅がより広い第２の数の磁極（１２１）とを備える、請求項１から４のいずれか一項に記載のラジアル磁気軸受。
前記角度分割モジュール（１２０、１２０Ａ、１２０Ｂ）の数が、１２、１６、または２０に等しい、請求項１から７のいずれか一項に記載のラジアル磁気軸受。
前記第１の組の角度分割モジュール（１２０Ａ）の幅が低減した磁極（１２１）対の数が４に等しく、前記幅が低減した磁極（１２１）対間に挿設される、前記第２の組の角度分割モジュール（１２０Ｂ）の幅がより広い前記磁極（１２１）の数が１、２、または３に等しい、請求項７に記載のラジアル磁気軸受。
前記内側回転子（１０１）の前記強磁性電機子（１１１）が、高品質の磁気薄片層の積層体で作製される、請求項１から９のいずれか一項に記載のラジアル磁気軸受。
請求項１に記載のラジアル磁気軸受を作製する方法であって、
強磁性材料またはステンレス強磁性材料製の薄片層の積層体で作製された磁極（１２１）および外側部分（１２３）をそれぞれが備え、前記外側部分（１２３）が前記磁極（１２１）に対して肩部（１２５）を画定している、複数の角度分割モジュール（１２０、１２０Ａ、１２０Ｂ）を形成するステップと、
第１の挟持リング（１２７）および第２の挟持リング（１２８）を形成するステップと、
前記磁極（１２１）の数に等しい数の、ストリング状に接続された複数のコイル（１２２）を形成するステップと、
前記外側部分（１２３）がそれぞれ、隣接する分割モジュール（１２０、１２０Ａ、１２０Ｂ）の外側部分（１２３）と接触し、隣接する分割モジュール（１２０、１２０Ａ、１２０Ｂ）の前記磁極（１２１）間には自由空間が画定されるように、前記角度分割モジュール（１２０、１２０Ａ、１２０Ｂ）を配置するステップと、
前記角度分割モジュール（１２０、１２０Ａ、１２０Ｂ）を前記第１の挟持リング（１２７）および第２の挟持リング（１２８）と一体に組み立てるステップと、
ストリング状に相互接続された前記複数のコイル（１２２）を、前記分割モジュール（１２０、１２０Ａ、１２０Ｂ）の前記複数の磁極（１２１）の周りの前記自由空間に挿入するステップと
を含む、方法。
前記角度分割モジュール（１２０、１２０Ａ、１２０Ｂ）を組み立てる前記ステップが、前記第２の挟持リング（１２８）の複数のガイド（１２９）を、前記分割モジュール（１２０、１２０Ａ、１２０Ｂ）の中央孔（１２４）、および前記第１の挟持リング（１２７）の複数の孔（１３４）に挿入するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
角度分割モジュール（１２０Ａ、１２０Ｂ）の形状および寸法が、ラジアル負荷容量を最適化し、かつ連続生産が可能となるように選択される、請求項１１または１２に記載の方法。
前記磁極（１２１）が、幅が低減した第１の数のモジュール（１２０Ａ）対と、前記幅が低減した磁極（１２０Ａ）対間に挿設される、幅がより広い第２の数のモジュール（１２０Ｂ）とを備える、請求項１１から１３のいずれか一項に記載の方法。