JP6765973B2 - 磁気アキシャル軸受のための冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、流体冷却式軸受システム、および、特に、流体流動によって冷却されるアキシャル磁気軸受を備えるシステムに関する。

通例、このような軸受内では、アキシャル軸受の回転フライホイールと、アキシャル軸受の１つまたは複数の固定された受面との間の１つ以上のエアギャップ内に、流体流動、例えば、気体流が注入される。気体流は、磁気誘導現象によって発生したカロリーと、エアギャップにおける流体粘性摩擦によって発生したカロリーとの両方を排出するのに十分でなければならない。通風損失とは、後者の種類の損失を指す。

軸受システムが、タービンまたは圧縮機などの回転機械の一部である場合には、冷却のために必要な高い気体流量は、軸受システムを冷却するだけでなく、この機械の他の構成要素も冷却するように構成された冷却流体回路を確立することにつながることがある。

この冷却回路は、例えば、回転機械内を流れる主流体、および、この機械内に自然に存在する圧力差を用いて、機械の内部に配置することができ、または、場合によっては、別の冷却流体（例えば、空気だが、これに限定されない）、および専用の流体流動の発生システムを用いた専用冷却回路によって別個に配置することができる。

あらゆる場合において、冷却流量は、ターボ機械（内部システム）の収率損失、または外部冷却システムの投資および使用に関連するコストのいずれかが理由で、経済的損失を直接的に発生させる。

冷却のコストを低減するために、軸受または軸受システムの構成要素の同じ動作温度を引き続き提供しつつ、冷却流体流動が低減されなければならない。

本発明は、低減された流量の冷却流体のみを使用しつつ、軸受の効果的冷却を可能にする、すなわち、磁気損失、電気損失、および通風損失によって発生したカロリーを除去することを可能にする流体循環システムによって冷却される、軸受、または軸受システムを提案することを目的とする。

本発明は、通風損失を低減することによって冷却の必要性を低減することを提案する。

概して、通風損失は、回転フライホイールによって冷却流体に伝達されるエネルギーに対応する。このエネルギーは、正、負またはゼロであることができる。

フライホイールの局所速度が流体速度よりも大きい場合には、フライホイールは流体を回転させる。流体は加熱される。流体とフライホイールとの速度の差が大きいほど、エネルギー損失は重大になる。

局所流体速度がフライホイールのものと同一であるである場合には、通風による摩擦は生じず、損失は生じない。

流体速度がフライホイールの速度よりも大きく、同じ方向のものである場合には、流体は、エネルギーをフライホイールに伝達することによってフライホイールを駆動する。

これは、通風損失は、ストップホイールと冷却流体との間の任意の地点において存在する速度差を低減することによって、制限または解消することができることを示唆している。

本発明の一般的原理は、摩擦損失を最小限に抑えるために、阻止体の回転方向（接線方向）に、好ましくは高速で、冷却流体を注入することである。高速とは、注入地点の前を通過する阻止体の地点における阻止体の接線速度の５０％から１５０％の流体の接線速度を意味する。

注入された流体の角運動量の保存を簡単に考察してみると、所与の注入速度について、摩擦損失を低減するためには、内径の方ではなく、フライホイールの周辺において流体を注入する方がより効果的であることが示される。

英国特許出願公開第２３５７３２１号明細書

この目的を達成するために、本発明は、少なくとも１つの固定された軸方向阻止体と磁気的に相互作用するように配置されたアキシャル軸受の回転フライホイールを備える磁気軸受システムを提供する。

システムは、フライホイールの回転軸に対して実質的に半径方向の平面内の流動方向において冷却流体流動をフライホイールへ送るように配置された冷却流体経路を含む。

流体は軸受システム内へ注入され、それにより、流体は、フライホイールの１つ以上のむきだしの側面に沿って、フライホイールと１つ以上の軸方向阻止体との間の軸方向エアギャップ内を流れる。

好ましい実施形態によれば、流体はフライホイールの周辺円周面に向けて送られる。一変形実施形態によれば、流体は周辺円周面に向けて、それに衝突するように送られる。別の変形実施形態によれば、流体は周辺円周面に向けて、流れが、周辺円周面につながった実質的に半径方向の平面に沿って流れるように送られる。

周辺円周面とは、フライホイールの半径方向の広がりを制限する表面を意味する。この表面は、回転円柱面の部分であってもよく、非円形輪郭によって生成される円柱面の部分であってもよく、または非円柱面の部分、例えば、ブレードが組み付けられたトロイダル面の部分であってもよい。

本説明では、半径方向面とは、フライホイール軸に対して垂直であり、軸の同じ地点を全て通過する直線によって作り出される平面を意味する。軸方向とは、軸に対して平行な直線の方向を意味する。軸方向面とは、軸に対して全て平行である直線によって作り出される表面の一部を意味する。このような表面は、実際には、円柱面、または円柱面の部分である。

流体流動が、フライホイールの最周辺部分を吹き抜けることなく、例えば、阻止体を通して、フライホイールと阻止体との間のエアギャップ内に注入される変形実施形態を考えることが可能である。このとき、流動の注入方向は、実質的にエアギャップの平面内に存在するように構成される。例えば、流動の注入方向は、フライホイールの軸と、７０°から１１０°、好ましくは８０°から１００°の角度をなす。

有利な実施形態によれば、冷却流動は、フライホイール上の流動の少なくとも１つの衝突地点内において、半径方向に対して垂直な流動の速度成分が、この衝突地点におけるフライホイールの線回転速度の半分以上となり、好ましくは、この衝突地点におけるフライホイールの線回転速度の０．７倍以上となるように、フライホイールへ送られる。有利な実施形態によれば、特に、流動がフライホイールの周辺円周面上へ送られる場合には、流体流動の接線速度（すなわち、半径方向と垂直な速度）は衝突地点における線回転速度よりも大きく、それにより、冷却流動によって生じる流体摩擦を抑制するだけでなく、また、回転機械エネルギーもフライホイールに与える。ここでは、衝突地点とは、流体の経路とフライホイールの表面との会合地点を意味する。流体流動の接線速度は、特に、流体の流動が、その中心をフライホイールと阻止体との間のエアギャップ上に位置させることによって注入される場合には、フライホイールの回転の局所速度よりも小さくなり得る。流体流動の方向は、流体を、例えば、流動案内部品を通して、フライホイールに向けて運動させるように管または孔を方向づけることによって、強制することができる。流体流動の全体的な所望の速度は、特に、管の断面によって、または流体取り入れの孔によって、前記孔の長さによって、ならびにこれらの孔または管の流入部にかかる流体圧力によって強制されてもよい。

有利には、磁気軸受システムは、少なくとも１つの孔によって横断される少なくとも１つの流体流動案内部品を備える。孔はフライホイールの周辺円周面の近くで開いている。孔は、フライホイール上の冷却流体流動線の衝突区域内における局所的半径方向に対して垂直なまたは傾斜した入射方向に沿って冷却流体流動をフライホイールへ送るように構成することができる。

「周辺円周の近く」によって、流体流動が、周辺円周面、またはその表面の少なくとも１つの縁部に触れるということが意味されている。流動の入射方向とフライホイールの局所半径方向との間の角度は、例えば、案内要素内の孔の出口において案内面に接する少なくとも１本の線を描き、この線とフライホイールとの会合地点をとり、接線と、会合地点を通過するフライホイールの半径方向との間の角度を推定することによって、第１近似として推定されてもよい。

有利な実施形態によれば、孔は、フライホイールの周辺円周面に実質的に接する方向に配置される。周辺面が滑らかである場合には、孔の出口において案内面に接する少なくとも１本の線がフライホイール周辺面に接していれば、孔の方向は実質的に接線方向であると見なされてもよい。有利には、孔は、フライホイールの半径方向面と実質的に平行である。すなわち、フライホイールの境をなすエアギャップの面と平行である。より一般的には、孔の出口において案内面に接する少なくとも１本の線が、接線が交差するフライホイールの地点におけるフライホイールの半径方向に対して４５°から９０°の角度をなす場合には、孔の方向はフライホイールに実質的に接すると見なすことができる。

好ましい実施形態によれば、流動案内部品はフライホイールを包囲する。流動案内部品は好ましくは、部品の周りに角度的に離間され、フライホイールの近くに各々開いた、いくつかの孔によって横断されている。第１の実施形態によれば、孔は、フライホイールの軸方向幅の中央に実質的に中心を有する。

第２の実施形態によれば、孔の少なくとも１つのグループは、エアギャップ上に実質的に中心を有する。エアギャップは、フライホイールと、フライホイールに関連付けられた軸方向阻止体とを分離している。フライホイールに関連付けられているとは、軸方向阻止体が、フライホイールと磁気的に相互作用することができるように位置付けられていることを意味する。

有利には、軸受システムは、フライホイールであって、このフライホイールの両側にそれぞれ配置された、第１の軸方向阻止体および第２の軸方向阻止体と磁気的に相互作用するように構成された、フライホイールを備える。このとき、流動案内部品は、孔の２つのグループ、すなわち、フライホイールと第１の軸方向阻止体との間のエアギャップ上に実質的に軸方向の中心を有する孔の第１のグループと、フライホイールと第２の軸方向阻止体との間のエアギャップ上に実質的に軸方向の中心を有する孔の第２のグループとを備えてもよい。

有利な実施形態によれば、磁気軸受システムは、圧力を受けて気体を供給されるように適合された、案内部品の周りの空洞であって、この空洞の内部へ、少なくとも、流動案内部品の孔のうちの２つの半径方向外側端部が開いている、空洞を備える。

フライホイールの周辺円周面は、最も単純な場合には滑らかであってもよく、または起伏を設けられても、またはフライホイールの周辺へ軸方向に延在するブレードを設けられていてもよい。これらの起伏またはこれらのブレードは、フライホイールの半径方向における突出部を形成する。

いくつかの実施形態では、起伏またはブレードは、ちょうどフライホイールの軸方向厚さの部分上に軸方向に延在してもよい。他の実施形態では、起伏またはブレードは、フライホイールの全軸方向厚さを越えて軸方向に延在してもよい。

起伏がフライホイールの少なくとも１つの半径方向面上に設けられ、起伏はフライホイールの半径方向に少なくとも部分的に延在する、代替的実施形態が考えられてもよい。周辺円周面上に配置され、および／またはフライホイールのエアギャップの内部のフライホイールの半径方向面上に配置されたこれらの起伏および／またはブレードは、特に、流体の局所接線速度、すなわち、フライホイールの正放線方向に対する流体の接線速度が、流体と接触したフライホイールの回転速度よりも大きい場合には、冷却流体流動によるフライホイールの回転駆動を促進するように構成される。

別の態様によれば、本発明は、固定された軸方向阻止体に対して回転するように配置され、または２つの固定された軸方向阻止体間で回転するように配置された磁気軸受回転フライホイールを冷却する方法であって、冷却流体流動が、フライホイールの回転軸に対して実質的に半径方向の平面内に存在する流動方向においてフライホイールに向けて注入される、方法を提供する。

ステアリングホイールと軸方向阻止体との間のエアギャップ内を流れる、冷却流体流動の少なくとも一部分を捕捉し、それを、ラジアル軸受を通じて送り、それにより、ラジアル軸受を冷却することが可能であり得る。捕捉は、例えば、フライホイールと阻止体との間の半径方向隙間の空間であって、それ自体、エアギャップと連通した空間と、すぐ近くのラジアル磁気軸受の静止部分と回転部分との間の半径方向隙間空間とを連通させることによって実行されてもよい。フライホイールと阻止体との間の半径方向隙間と、ラジアル磁気軸受の固定部分を通過する冷却流路とを連通させることも可能である。勿論、ラジアル軸受を通した冷却流体の循環を可能にするために、アキシャル軸受から来る流体入口の軸方向反対側において、冷却流体の排出管がラジアル磁気軸受から外向きに配置されている。ラジアル磁気軸受は、アキシャル磁気軸受と同じ機械サブセットの一部を形成する磁気軸受であってもよい。別の代替的実施形態によれば、ラジアル磁気軸受は、アキシャル磁気軸受から離れて位置するラジアル軸受、すなわち、第３の回転要素によってアキシャル軸受から分離されたラジアル軸受、例えば、回転機械の圧縮段に属するラジアル軸受であってもよい。

本発明の他の目的、特徴および利点は、純粋に非限定的な例として与えられ、添付の図面を参照して行われる以下の説明から明らかになるであろう。

本発明に係る軸受システムの概略縦断面図である。 本発明に係る軸受に属するサブセットの簡略横断面図である。 本発明に係る別の軸受に属するサブセットの簡略横断面図である。 本発明に係るさらに別の軸受の簡略横断面図である。 本発明に係る軸受の変形例の簡略縦断面図である。

図１に示されるように、本発明に係る回転機械のための磁気軸受のシステム１は、幾何学的な軸ＸＸ’を有するシャフト５上に組み付けられ、シャフト５上に組み付けられ、シャフト５の回転時に一体化し、例えば、ナット１１によってシャフト５上に保持された回転フライホイール２を備え、軸受システムのハウジング９と一体化した第１の軸方向阻止体３および第２の軸方向阻止体４を備える。ハウジング９は固定されている。システムは、シャフト５と−またはシャフト５を包囲するフライホイール２の中心部分と−、磁気軸受システム１のステータ要素、例えば、阻止体３または４との間の半径方向隙間を画定する少なくとも１つの中心半径方向隙間区域３２を含む。これらの区域３２は、シャフト＋フライホイール組立体と、フライホイールに隣接するシャフトを包囲するステータ部分との間の非接触回転運動を可能にする。これらの区域３２はまた、これらの区域内につながる気体管路によって、エアギャップ２１および２２内を流れる気体を排出することを可能にする。

阻止体３および４はフライホイール２のすぐ近くに配置されている。阻止体３および４は、それぞれ、第１のエアギャップ２１および第２のエアギャップ２２によってフライホイール２から軸方向に分離されている。

第１の阻止体３および第２の阻止体４は、フライホイール２を、それぞれ、第１の軸方向阻止体３および第２の軸方向阻止体４の方へ軸方向に引き付ける、第１および第２の磁界をそれぞれ発生するための電気巻線を備える。両方の引力の間の釣り合いによって、フライホイール３、およびそれゆえ、シャフト５は、磁気軸受システムのハウジング９に対する軸方向位置内に軸方向に維持される。

ここでは、ハウジング９はいくつかのハウジングパーツ９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄで構築されているが、一体ハウジングであるか、または異なる数のハウジング要素から構成することもできるであろう。図示されている例では、ハウジングパーツのうちの１つ９ｃおよび既報告の軸方向くさび１７が、第２の軸方向阻止体４および第１の軸方向阻止体３を、ハウジング９との関係において定められた軸方向位置内にそれぞれ保持する。

ハウジング９は、フライホイール２の外側周辺部を包囲する加圧空間６内に開く流体供給流路８によって貫通されている。加圧空間６は、流動案内部品７によって、フライホイールのすぐそばの環境内の空間２３、またはフライホイールと流動案内部品７との間の半径方向間隔から半径方向に分離されている。フライホイールのすぐそばの環境内の空間２３は、フライホイール９の外周が浸される気体の体積を規定する。図示されている例では、第１の軸方向阻止体３および第２の軸方向阻止体４の外周の少なくとも一部もこの体積内に浸される。

すぐそばの環境のこの空間２３はまた、第１のエアギャップ２１および第２のエアギャップ２２とも連通する。

流動案内部品７は、加圧空間６内に存在する流体を流路で運び、流体が流動案内部品の１つ以上の孔２０を通って空間２３へ流れることを可能にする。孔２０は、半径方向面内に実質的に位置する向心方向の道順をたどり、加圧空間６から来た流体流動をフライホイール２へ導く。軸方向とは、機械の回転軸ＸＸ’と平行な方向の記述を意味する。半径方向とは、軸ＸＸ’と垂直であり、この軸ＸＸ’を通過する方向を意味する。ここで、冷却流体の流動３１は黒色の矢印によって表現されている。この流動３１は流体供給流路８を通過し、次に、１つ以上の孔２０を通って流体案内部品７を通過し、一方では、フライホイールの周辺円周面２４上において、ならびに、他方では、フライホイールの半径方向面２５および２６において、フライホイール２に衝突する。フライホイールの半径方向面２５および２６は第１のエアギャップ２１および第２のエアギャップ２２をそれぞれ軸方向に制限する。冷却流動が半径方向面内の方向にフライホイールへ到達し、周辺円周面２４のみ、またはフライホイールの１つまたは２つの半径方向面２５、２６のみのいずれかに衝突する、代替的実施形態が考えられてもよい。後者の場合には、冷却流体流動は好ましくは、フライホイールの軸方向釣り合いを変化させることをできるだけ回避するために、２つの半径方向面の各々に同等の流量で衝突するように導かれる。

フライホイール２上の衝突面が何であれ、冷却流体流動３１は、それが中心半径方向隙間区域３２に到達するまで、フライホイール２の半径方向面２５および２６に沿って流れる。中心半径方向隙間区域３２から、冷却流体は流路で運ばれ、冷却すべき他の本体へ供給されてもよい。

図示されている例では、フライホイール２の半径方向面のうちの一方の上を流れる流体流動、ここでは、左側、すなわち、フライホイールの表面２５上を流れる流体は、次に、アキシャル磁気軸受１と同じ回転機械に属するラジアル磁気軸受１２を通るように導かれ、それにより、前記ラジアル磁気軸受を冷却する。回転機械は、気体または流体を扱うタービンまたは圧縮機であってもよい。冷却流体は、アキシャル軸受１から、アキシャル軸受１と同じ圧縮もしくは緩和段に属するラジアル軸受へ供給されてもよいか、または回転機械の別の段へ送られてもよい。冷却流体流動が、後述されるように、フライホイールの少なくとも１つの表面上に、その表面において少なくとも１つのゼロでない接線速度成分を有するように送られるため、およびさらに、好ましい実施形態によれば、その表面に対する流体の相対接線速度が、ハウジング９に関連付けられた固定基準点における絶対速度よりも小さいため、フライホイール２と接触した冷却流体の圧力損失は、流体がフライホイールの半径方向面の一方の上へ実質的に軸方向に送られる従来の実施形態の場合よりも低い。加えて、冷却流体の加熱は、同等の流量による従来の実施形態の場合よりも少ない。このより低い圧力降下とより低い加熱のおかげで、冷却流体を、フライホイール２を冷却した後に他の本体を冷却するためにより効果的に再利用することが可能になる。

図示されている例では、アキシャル軸受の半径方向隙間区域３２から、冷却流体の一部分は、ラジアル軸受１２の回転部分１２ａとステータパーツ１２ｂとの間に設けられた半径方向隙間３３内へ導かれ、流体の一部分は、ラジアル軸受１２のステータパーツを同じ軸方向に横断する１本または何本かの冷却流路１３を通るように導かれる。これらの流路１３は、軸ＸＸ’の周りの限定された角度部分の上においてのみ穿孔され、軸ＸＸ’の周りに延在する半径方向隙間を形成しない。ラジアル軸受１２を通過した流体はその後、ハウジング９を貫通する流体流出オリフィス３４を通して磁気軸受システム１から抜き取られてもよい。軸受システムはまた、ラジアル磁気軸受１２が作動停止されている期間の間にステータハウジング９に対するシャフト５の可動性を維持するためのラジアル玉軸受１８を任意選択的に備えてもよい。

流体流動３１はアキシャル軸受のフライホイール２上へ、実質的に半径方向である方向に到来するため、エアギャップ２１および２２のレベルにおける流体摩擦効果は低減される。さらに、孔２０を通る流体到来方向が、フライホイールの周辺円周面２４の局所法線に対して傾斜して導かれるように構成されている場合には、このとき、冷却流体流動３１の圧力は、逆に、フライホイール２を減速させ、流体摩擦によるさらなるカロリーを発生させる傾向を有するであろう流体摩擦力を発生させる代わりに、フライホイール２の回転に寄与することができる。

したがって、フライホイール２上の冷却流体衝突地点のうちの少なくともいくつかにおいて、冷却流体の正放線速度は、冷却流体によって衝突を受けるステアリングホイール２上の地点の局所線速度以上であることが好ましい。

この速度比に係る地点は、フライホイールの周辺円周面２４上に位置する地点、またはフライホイールの第１の半径方向面２５上に位置する地点もしくは第２の半径方向面２６上に位置する地点のいずれであってもよい。

図２は、本発明に係る流動案内部品７、および本発明に係るフライホイール２の、径方向面内の断面を簡略的に示す。図１および図２には共通の要素が存在し、同じ要素は同じ参照符号によって指定されている。本図では、フライホイール２とシャフト５との間の境界は示されていない。

ここでは、流動案内部品７は、例えば、図の面に対応する平均半径方向面の両側に対称的に各々延在するいくつかの孔２０を開けられている。各孔２０は実質的にまっすぐな流路を形成し、流路方向は、前記流路をフライホイール２の方向に出ていく、Ｆと表された、冷却流体流動の入射方向に実質的に対応する。ここでは、方向Ｆはフライホイールの周辺円周面２４に実質的に接する。それゆえ、フライホイール２に衝突する冷却流体の速度は、トルクをフライホイール２へ伝達することに効果的に寄与することができる。図２に示される例では、フライホイール２の通常の回転方向は時計回りであると仮定されている。フライホイール２の地点Ｍにおける冷却流動の入射角度αを、フライホイール上における流動の到来方向Ｆと、地点Ｍおよび軸ＸＸ’を通過する半径方向

との間の角度として定義することが可能である。孔２０を通って到来する冷却流体流動は、一方では、第１のステップにおいて、フライホイールの周辺円周面２４の周りを流れ、他方では、直接、または第２のステップにおいて、図２において、フライホイール上の衝突地点Ｍにおける矢印３１の分割によって示されるように、フライホイールの半径方向面２５および２６に沿って軸ＸＸ’の方向に流れることができる。

図２に示されるように、フライホイールの周辺円周面２４は、接線速度成分を有してホイール上に到来する冷却流体流動の推力の影響を受けてフライホイールを回転駆動する効果を高める、起伏、粗い点または稜２７を呈してもよい。このような起伏、粗い点または稜は、フライホイール２の第１の半径方向面２５および第２の半径方向面２６上にも配置されても、またはフライホイール２の半径方向面上にのみ配置されてもよい。しかし、周辺円周面２４上の起伏は、フライホイールの半径方向面２５または２６上に形成される起伏よりも、フライホイール内における磁力線の擾乱をごくわずかにとどめるように形成しやすい。

図示されている例では、流体流動をフライホイール２の方向に誘導する孔２０は、フライホイール２の周りに角度的に均等に分布している。２つの連続する穴の間の距離が、全ての孔が互いから等距離にあるのではなく、ベースパターンからの角度的偏移によって得られるパターンを形成するように孔２０が分布した、代替的実施形態が考えられてもよい。代替的実施形態によれば、孔２０は軸ＸＸ’の周りに均等に分布しさえしていなくてもよい。代替的実施形態では、冷却流体流動を、単一の孔を通して運ぶか、または流動案内部品７に対して全て実質的に同じ角度位置に位置する孔の１つのグループのみによって運ぶことが可能になり得るであろう。

図３は、本発明に係る別の流動案内部品７、および本発明に係る別のフライホイール２の、半径方向面内の断面を簡略的に示す。

図３および以前の図には共通の要素が存在し、同じ要素は同じ参照符号によって指定されている。

図３に示される例では、フライホイール２の周辺面２４は、フライホイール２の最小円周半径Ｒ₁とフライホイール２の最大円周半径Ｒ₂との間に半径方向に延在する円周ブレード２８を備える。ブレード２８は、冷却流体流動が孔２０を通過し、フライホイールの周辺円周面２４に方向Ｆに衝突することによって、フライホイール２の回転駆動を改善するように構成された幾何学的構成を有する。地点Ｍをステアリングホイール２上における冷却流体流動の衝突地点として考慮すると、衝突方向Ｆと局所半径方向

との間の角度αは、ここでは、９０°よりも大きい。すなわち、流動の衝突方向Ｆはフライホイールの平均輪郭にちょうど接するのではなく、方向Ｆはフライホイール２の中心の方を「向く」。これにより、冷却流体の、第１および第２のエアギャップ２１および２２（図３には示されていない）内におけるフライホイールの半径方向面に沿った、前記冷却流体の流出方向における流動が促進される。図２の実施形態では、角度αの値は９０°に近く、これにより、フライホイールの回転駆動効果が改善される。

それゆえ、案内部品７およびフライホイール２に関連付けられる幾何学的構成を考慮したその利点を各々有する、２つの実施形態を区別することができる。第１の代替的実施形態では、孔２０の方向は、流体流動方向Ｆが、半径がフライホイール２の円周最小半径Ｒ₁から最大円周半径Ｒ₂に含まれる軸ＸＸ’の円に接するようになった方向である。このとき、流体流動による駆動効果は、フライホイールの周辺円周面２４の周りを流れる流体のために最大化される。

別の実施形態では、孔２０の方向は、流動方向Ｆに接する軸ＸＸ’の円がフライホイールの周辺円周面２４の最小半径Ｒ₁よりも小さい半径を有するようになった方向である。この第２の代替的実施形態は、軸方向にフライホイール２の境をなすエアギャップ２１および２２内の流動を促進し、適切な場合には、フライホイールの半径方向面２４および２５上における冷却流体の流体摩擦によるフライホイールの回転駆動を促進する。図３および図４はこのような第２の実施形態の実例である。

図４は、本発明に係る第３の流動案内部品７、および関連付けられたフライホイール２を簡略的に示す。図４の例では、フライホイール２はその第１の半径方向面２５における正面図で示されている。前記半径方向面２５には、第１のエアギャップ２１を通って流れる冷却流体流動の一部分によるフライホイール２の回転駆動を促進する横方向ブレード２９が設けられている。このようなブレード２９は、例えば、フライホイール２の外周とフライホイールの半径方向面上における半径Ｒ₃の内側境界との間に延在する軽いリブ形の起伏によって画定されてもよい。これらのブレードの軸方向厚さは、フライホイール２と軸方向阻止体３および４（図４には示されていない）との間の磁気相互作用を可能な範囲で乱さないよう、中程度にとどまる。

フライホイール２の、その半径方向面２５および２６による冷却に有利になるように、孔の各角度位置における単一の孔２０の代わりに、図５に示されるとおりの２つの並列の孔２０ａおよび２０ｂを設けることが可能である。孔２０ａおよび２０ｂの各々は第１のエアギャップ２１および第２のエアギャップ２２にそれぞれ実質的に面して開いている。

図５は、このような実施形態を、軸方向断面で、簡略図で示す。図５には以前の図と共通の要素が存在し、同じ要素は同じ参照符号によって指定されている。図５に示されるとおりの２つの並列の孔２０ａおよび２０ｂ、または軸ＸＸ’の周りに角度的に離間された一連の２つの孔２０ａおよび２０ｂは、第１のエアギャップ２１および第２のエアギャップ２２にそれぞれ面して実質的に開いている。図５に示される例では、孔２０ａおよび２０ｂの各々の軸方向幅（すなわち、軸ＸＸ’に沿った幅）は、第１の軸方向阻止体３と第２の軸方向阻止体との間の軸方向距離よりも小さい。換言すれば、孔２０ａおよび２０ｂの各々の軸方向幅はフライホイール２の軸方向厚さよりも小さい。孔２０ａおよび２０ｂの各々は、第１のエアギャップ２１および第２のエアギャップ２２上にそれぞれ実質的に中心を有する。孔２０ａおよび２０ｂがエアギャップ上に厳密に中心を有するのではなく、２つの孔２０ａおよび２０ｂが、２つのエアギャップ２１および２２を分離する半径方向正中面に対して対称的に配置され、２つの穴２０ａおよび２０ｂは各々少なくとも部分的にエアギャップの一方の反対側に配置される、変形実施形態を考えることが可能である。

本発明に係る冷却流体循環システムのおかげで、フライホイール２ならびに軸方向阻止体３および４における冷却流体の流体摩擦によって生じる温度上昇が低減される。それゆえ、除去するべきカロリー数が低減されるため、磁気軸受システムの所与の温度を確実にするために必要な冷却流体流量も低減される。場合によっては、冷却流体の注入が軸方向に行われる従来の構成から、注入が半径方向面内において行われる本発明に係る構成へ移行する行為によって、アキシャル軸受において排出するべき熱パワーを半減させることが可能になる。

流体供給流路８において注入される気体または冷却流体は、好ましくは、低温流体、例えば、１０℃から５０℃の温度を有する気体である。アキシャル軸受の典型的な用途、例えば、圧縮機のアキシャル軸受の場合、流動案内部品７を包囲する加圧空間６における冷却流体の圧力は、２から３バール程度であり得る。このときには、流動案内部品７の外部に画定され、フライホイール２を浸す空間２３内における、孔２０の出口において、例えば、１から２バールの冷却流体圧力、および例えば、１５０から３５０ｍ／ｓｅｃの流体流動速度を得ることができる。

有利には、エアギャップの厚さは、シャフト５の近傍に到達する冷却流体圧力が、好ましくは、依然として１バールよりも大きく、例えば、少なくとも１．２バールよりも大きいように構成されている。大気圧に対するこの超過圧力は、冷却流体がハウジングの外部へ自然に流出することを可能にするか、または、この流体を、軸受システムの他の要素、もしくは軸受システムを組み込んだ組立体の他の要素を冷却するために利用することを可能にすることができる。

本発明は、上述された例示的な実施形態に限定されず、多くの変形体に細分されてもよい。孔として上述された注入流路は直線的でなくてもよく、機械加工による孔開け以外の技法によって達成することができるであろう。例えば、鋳造所内で作製することができるであろう。

フライホイールの周辺円周面２４は、フライホイールと一体鋳造の起伏またはブレードを含んでもよく、またはフライホイールの周辺面の「受風面（ｗｉｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ）」を改善するための追加要素を含んでもよい。この円周面はまた、滑らかであってもよい。気体または冷却流体の流動がフライホイール上へ実質的に半径方向に運ばれ、流体のこの到来方向は厳密に半径方向ではなく、例えば、半径方向に対して０から１５°の角度以内に含まれる、代替的実施形態を用いることが考えられる。この代替的実施形態が、ホイールを回転駆動することがほとんどない場合には、それは、冷却流体とフライホイールとの間の流体摩擦を低減することを少なくとも可能にする。

本発明に係る磁気軸受システムは、例えば、垂直回転軸を有するシステムの場合には、フライホイールに関連付けられた１つの軸方向阻止体のみを備えてもよい。本発明に係る磁気軸受システムは、すでにもとから流体を循環させることによって冷却されている、ポンプ、タービン、および圧縮機などのシステムのために特に有利である。本発明に係る磁気軸受システムは、任意の機械システムの回転軸の規定の軸方向位置を維持するための任意の磁気システムに適用することができるであろう。冷却流体回路は、アキシャル軸受フライホイール、および１つ以上の関連付けられた阻止体の冷却のためのみの専用のものであってもよく、その後、流体は、軸受または関連付けられた機械システムの他の要素を冷却するために回収されない。

軸ＸＸ’の周りの一方または他方の回転方向に構わずに動作するように設計されたシステムのために、回転方向に依存して交互に用いられる、注入流路２０の２つのグループが想定されてもよい。注入流路の前記グループの各々は、フライホイール２から反対の流動入射角度を有する。フライホイールの半径方向に配置された孔または注入流路２０を考えることも可能である。

１ 磁気軸受システム
２ アキシャル軸受回転フライホイール
３ 第１の軸方向阻止体
４ 第２の軸方向阻止体
５ シャフト
６ 加圧空間
７ 流体流動案内部品
８ 流体供給流路
９ ハウジング
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ ハウジングパーツ
１１ ナット
１２ ラジアル軸受
１２ａ 回転部分
１２ｂ ステータパーツ
１３ 冷却流路
１７ 既報告の軸方向くさび
１８ ラジアル玉軸受
２０ 孔
２０ａ 孔の第１のグループ
２０ｂ 孔の第２のグループ
２１、２２ エアギャップ
２３ 空間
２４ 周辺円周面
２５ 第１の半径方向面
２６ 第２の半径方向面
２７ 起伏
２８ ブレード
２９ 横方向ブレード
３１ 冷却流体流動
３２ 半径方向隙間区域
３３ 半径方向隙間
３４ オリフィス

Claims (10)

1. 固定された少なくとも１つの軸方向阻止体（３、４）と、
   該少なくとも１つの軸方向素子体（３、４）に、磁気的に相互作用するように配置されたアキシャル軸受回転型のフライホイール（２）と、
   前記フライホイール（２）の回転軸（ＸＸ’）に対して実質的に半径方向の平面内に存在する流動方向（Ｆ）において、冷却用の流体の流れを前記フライホイール（２）へ送るように配置された冷却流体経路と、
   を備え、
   前記冷却流体経路の少なくとも一部が、前記フライホイール（２）の前記半径方向の外側に配置される、少なくとも１つの流体流動案内部品（７）によって形成され、
   前記少なくとも１つの流体流動案内部品（７）が、少なくとも一つの孔（２０）を有し、該少なくとも一つの孔（２０）は、前記半径方向に外側に向かって開口した外側開口と前記半径方向に内側に向かって開口した内側開口とを有し、
   前記少なくとも一つの孔（２０）の少なくとも一部が、前記半径方向に対して傾きを有して延び、該少なくとも一つの孔（２０）において前記外側開口から前記内側開口に流れる前記流体の流れが前記半径方向に対して垂直又は傾斜した入射方向に向けられ、前記フライホイール（２）が該流体の流れにさらされるように構成され、
   前記少なくとも一つの軸方向素子体（３、４）が、第１の軸方向阻止体（３）と第２の軸方向阻止体（４）とを備え、
   前記回転軸（ＸＸ’）の方向において、前記フライホイール（２）が前記第１の軸方向阻止体（３）と前記第２の軸方向阻止体（４）の間に配置され、
   前記少なくとも１つの流体流動案内部品（７）が、第１の孔群（２０ａ）と第２の孔群（２０ｂ）とを備え、
   前記第１の孔群（２０ａ）に含まれる各孔の中心は、前記フライホイール（２）と前記第１の軸方向阻止体（３）との間のエアギャップ（２１）に実質的に向けられており、
   前記第２の孔群（２０ｂ）に含まれる各孔の中心は、前記フライホイール（２）と前記第２の軸方向阻止体（４）との間のエアギャップ（２２）に実質的に向けられていることを特徴とする、磁気軸受システム。
2. 前記フライホイール（２）の中心部分と前記少なくとも１つの軸方向素子体（３，４）との間に位置する半径方向隙間（３２）が前記フライホイール（２）に向けられた前記流体の流れを排出するように構成されていることを特徴とする、請求項１記載の磁気軸受システム。
3. 固定された少なくとも１つの軸方向阻止体（３、４）と、
   該少なくとも１つの軸方向素子体（３、４）に、磁気的に相互作用するように配置されたアキシャル軸受回転型のフライホイール（２）と、
   前記フライホイール（２）の回転軸（ＸＸ’）に対して実質的に半径方向の平面内に存在する流動方向（Ｆ）において、冷却用の流体の流れを前記フライホイール（２）へ送るように配置された冷却流体経路と、
   を備え、
   前記冷却流体経路の少なくとも一部が、前記フライホイール（２）の前記半径方向の外側に配置される、少なくとも１つの流体流動案内部品（７）によって形成され、
   前記少なくとも１つの流体流動案内部品（７）が、少なくとも一つの孔（２０）を有し、該少なくとも一つの孔（２０）は、前記半径方向に外側に向かって開口した外側開口と前記半径方向に内側に向かって開口した内側開口とを有し、
   前記少なくとも一つの孔（２０）の少なくとも一部が、前記半径方向に対して傾きを有して延び、該少なくとも一つの孔（２０）において前記外側開口から前記内側開口に流れる前記流体の流れが前記半径方向に対して垂直又は傾斜した入射方向に向けられ、前記フライホイール（２）が該流体の流れにさらされるように構成され、
   前記フライホイール（２）の中心部分と前記少なくとも１つの軸方向素子体（３，４）との間に位置する半径方向隙間（３２）が前記フライホイール（２）に向けられた前記流体の流れを排出するように構成されていることを特徴とする、磁気軸受システム。
4. 前記少なくとも一つの孔（２０）は、前記フライホイール（２）の前記回転軸（ＸＸ’）に対して実質的に前記半径方向の平面に沿って直線形状に延び、
   前記少なくとも一つの孔（２０）は、当該少なくとも一つの孔（２０）の実質的な中心線と交差する前記フライホイール（２）の外周点（Ｍ）において、前記フライホイール（２）の前記回転軸（ＸＸ’）から当該外周点に向かうベクトル（Ｒａｄ（Ｍ））と、前記中心線に沿った前記流体の流れの向き（Ｆ）を表すベクトルが鈍角（α）をなすように、前記半径方向に対して傾きを有する、請求項１から３のいずれか１項記載の磁気軸受システム。
5. 前記少なくとも１つの流体流動案内部品（７）が環形状を有し、
   前記少なくとも一つの孔（２０）が、前記回転軸（ＸＸ’）に対して角度的に分散して配置される複数の孔（２０）を有し、該複数の孔（２０）の各々の前記孔（２０）の前記内側開口からの前記流体の流れが前記フライホイール（２）に対して実質的に同じ入射角度を有するように構成されている、請求項１から４のいずれか１項記載の磁気軸受システム。
6. 前記少なくとも一つの孔（２０）が、前記フライホイール（２）の軸方向幅の中央に実質的に中心を有する、請求項３記載の磁気軸受システム。
7. 前記フライホイール（２）の外周面（２４）に、起伏（２７）またはブレード（２８）が設けられている、請求項１乃至６のいずれか１項記載の磁気軸受システム。
8. 前記フライホイール（２）の前記半径方向に延びる半径方向面（２５）に、前記半径方向に起伏またはブレード（２９）が設けられている、請求項１乃至７のいずれか１項記載の磁気軸受システム。
9. １つの固定された軸方向阻止体に対して、または、２つの固定された軸方向阻止体（３、４）間で回転するように配置された磁気軸受回転型のフライホイール（２）を冷却する方法であって、
   冷却流体を、前記フライホイール（２）の回転軸（ＸＸ’）に対して実質的に半径方向の平面内に存在する流動方向（Ｆ）において前記フライホイール（２）に向けるステップであって、
   前記フライホイール（２）上の前記冷却流体の流れ（３１）の少なくとも１つの衝突地点（Ｍ）において、前記半径方向に対して垂直な前記冷却流体の流れ（３１）の速度成分が、前記フライホイール（２）の線回転速度の０．７倍以上となるように、前記フライホイール（２）に向けられる、
   磁気軸受回転型のフライホイール（２）を冷却する方法。
10. 前記フライホイール（２）と前記１つ又は２つの軸方向阻止体（３、４）との間のエアギャップ（２１、２２）内を通過した前記冷却流体の少なくとも一部を、ラジアル軸受（１２）を冷却するために前記回転軸（ＸＸ’）と前記１つ又は２つの軸方向阻止体（３）との間に位置する半径方向隙間（３２）を通って前記ラジアル軸受（１２）に向けるステップをさらに有する請求項９記載の磁気軸受回転型のフライホイール（２）を冷却する方法。