JP6787956B2 - ヨーク巻線を有する能動型ラジアル磁気軸受 - Google Patents

Description

本発明は、ラジアル磁気軸受に関する。

一般的なラジアル磁気軸受は、軸と、ステータと、ロータとを備える。ステータ及びロータは、磁気軸受の軸に対して互いに同軸に配置される。ステータは、軸方向に間隔を置いて配置された少なくとも２つのステータアセンブリを備える。ステータアセンブリのそれぞれは、１つの軟磁性コアを備え、ステータアセンブリの少なくとも１つは、円周方向に分布して配置され半径方向に突出した複数の歯を有する１つの上記軟磁性コアと、同様に円周方向に分布して配置される複数のコイルと、を備える。円周方向に連続した軟磁性コアの２つのそれぞれの歯は、コアの接続部によって互いに接続される。磁気軸受は、２つの軟磁性コアの間に軸方向に配置された永久磁石アセンブリをさらに備える。

従来技術から知られていた一般的なタイプのラジアル磁気軸受においては、永久磁石アセンブリは、典型的に、ステータの一部でもある、軸方向に磁化された単体磁石リングからなる。この磁石リングは、２つのコアの間に直接位置される。コアは、典型的に、歯が半径方向内向きに突出する外側リングを備える。したがって、接続部は単純なリングセグメントである。従来技術から知られていたラジアル磁気軸受においては、歯はコイルで巻かれる。これにより、様々な歯、位相、巻線トポロジーが可能になる。

ラジアル磁気軸受は、例えば、特許文献１に記載されている。

２つのコアの間における永久磁石リングは、ロータを介して完成される磁気の流れを生成する。非通電状態においては、磁気の流れが円周に均等に分布するため、半径方向に正味の力は生じない。コイルに通電することによって、永久磁石の磁気の流れに影響を及ぼす磁場が生成される。磁気の流れが導かれ、ロータとステータとの間のエアギャップにおける流れ密度の分布が不均等になる。これにより、半径方向においてロータに作用する正味の力が生成される。従来技術から知られていた概念で単一歯の巻線を使用する場合には、個々のコイルの電流が互いを部分的に補うため、この概念はそれほど効率的ではなく、力密度も比較的低い。直径巻線の使用も従来技術から知られている。しかしながら、この場合、力の発現に寄与しない非常に大きな巻線ヘッドを有するため、力密度が比較的低い。

国際公開第９０/１４５２５号

したがって、本発明の目的は、力密度が増加するように、一般的なタイプのラジアル磁気軸受をさらに発展させることにある。

上記目的は、独立請求項１の特徴によって達成される。したがって、上記目的にかかる斬新な解決手段は、独立請求項１によると、ラジアル磁気軸受であって、少なくとも１つの上記ステータアセンブリは、円周方向に分布して配置された複数のコイルを備え、その軟磁性コアは、円周方向に分布して配置され半径方向に突出した複数の歯を備え、それぞれの接続部の１つは、それぞれのコイルの１つで巻かれる、ラジアル磁気軸受において提供される。

すなわち、コアの歯ではなく、歯の間において実質的に円周方向に延在するコアの接続部が、コイルで巻かれる。各接続部は、それぞれ隣接した歯の間にヨークを形成し、そのため、コイルをヨーク巻線と呼ぶこともできる。

本発明による解決手段は、ラジアル磁気軸受の力密度を著しく増加させる。同様の銅パワー損失及び同様の力で、力密度を５０％超増加させることが可能である。

本出願の文脈において、「軸方向」、「半径方向」、「円周方向」等の空間的な細部は、特に断らない限り磁気軸受の軸を参照する。

ステータは、好ましくは、外部ステータであり、ロータは、内部ロータである。

本発明の有利な実施形態は、従属請求項の主題である。

本発明の好ましい実施形態によれば、ステータアセンブリの全ては、それらの軟磁性コアが、円周方向に分布して配置され半径方向に突出した複数の歯を有するように、実現され、円周方向に連続した軟磁性コアの２つのそれぞれの歯は、コアの接続部によって互いに接続され、１つのそれぞれの接続部は、１つのそれぞれのコイルで巻かれる。その結果、特に高い力密度が得られる。

本発明の他の特に好ましい実施形態によれば、永久磁石アセンブリは、ステータの一部であり、軸方向に磁化された複数の単体磁石を備え、単体磁石は、軸方向に歯と互いに整合するように配置される。したがって、単体磁石の数は、コアごとの歯の数に対応する。単体磁石は、好ましくは、２つのコアの歯の間に配置され、この２つのコアは、異なるステータアセンブリの一部である。したがって、各永久磁石は、第１コアの歯と第２コアの歯との間に軸方向に位置される。単体永久磁石は磁石リングよりも製造及び調達が容易であるため、この実施形態は特に製造しやすく、そして安価に製造することも可能である。特に簡単な方法で製造できるブロック形状の磁石を使用することが特に有利である。さらに好ましくは、永久磁石及びコアの歯は、磁気軸受の軸に対して実質的に同一の断面を有する。ロータが内部にある場合、歯は、必要なエアギャップにかかわらず、有利的にロ―タの外周に面しているが、永久磁石は、コストの観点から、それぞれ平面状側面を有する単純なブロック形状になっているため、ステータの内周上における、歯の形状とそれぞれに関連する永久磁石の形状との間におけるわずかな偏差は非常に有用である。

複数の単体永久磁石の代わりに、単体リング磁石を別の実施形態で使用することももちろん可能である。

本発明の他の特に好ましい実施形態によれば、ロータは、外側中空円筒形部分と内側部分とを備え、外側中空円筒形部分は、軟磁性積層シートパッケージとして実現され、ロータの内側部分は、固体軟磁性回路ヨークとして実現される。ロータは、半径方向の流れを吸収し、軸方向の回路ヨークを形成する役割を有する。渦電流は、ロ―タの外周における負荷の下に予想され、できるだけ防止すべきものである。そのため、ロータを軟磁性積層シートパッケージとして構成するのが一般に有利である。しかしながら、これは、ロータが軸方向に磁気の流れを導く要求と矛盾する。軟磁性積層シートパッケージとしての中空円筒形外側部分と内側固体軟磁性回路ヨークとを有する実施形態は、両方の要求を満たす。ロータの固体軟磁性回路ヨークは、好ましくは、初期飽和の領域にある。その結果、負荷をかけてもロータの固体部分における磁気の流れの密度変化が小さくなり、それによってこの領域における渦電流損失が低減される。

本発明の別の実施形態によれば、永久磁石アセンブリは、ロータの一部である。この場合、永久磁石アセンブリは、好ましくは、ロータアセンブリの一部である、軸方向に磁化された連続永久磁石を備える。さらに好ましくは、シリンダ又はディスクである。本出願の文脈において、連続永久磁石は、単体の永久磁石と、複数の部分からなる永久磁石との両方を意味すると理解されたいが、前者のほうが好ましい。さらに好ましくは、この実施形態における永久磁石は、ロータアセンブリ又はロータのシャフトがそれぞれ貫通する通過開口を備えるため、リング形状に構成される。永久磁石アセンブリがロータの一部である場合、この永久磁石アセンブリは、本出願の意味の範囲内で軟磁性コアの間に軸方向に配置されるために、必ずしも軸方向の投影においてステータアセンブリの軟磁性コアと重なる必要はない。上記構成部分のそれぞれの中心軸位置のみが重要である。ロータ側の永久磁石アセンブリの外径は、例えば、ステータ側のコアの内径よりも小さくすることができる。この場合、ステータ側では、ステータアセンブリのコアの間に軟磁性流れ案内体を設けることができる。軟磁性流れ案内体は、コアの間に配置された１つ以上の軟磁性ブロックを備えることができる。軟磁性ブロックは、例えば、半径方向又は接線方向に配置された軟磁性金属プレート、又は、軟磁性複合材料（ＳＭＣ）で形成することができる。ステータの永久磁石アセンブリに加えて、ロータモジュールにおいて永久磁石を設けることもできる。

軟磁性コアのそれぞれは、好ましくは、同じ数の歯を有する。任意の数の歯であってもよいが、各軟磁性コアは、好ましくは、４つ又は６つの歯をそれぞれ有する。

本発明の他の実施形態によれば、２つを上回るステータアセンブリが設けられ、軸方向に連続した２つのステータアセンブリの間に、１つの永久磁石アセンブリがそれぞれ配置される。この実施形態では、ステータアセンブリの１つはコイルを備えなくてもよい。磁気軸受は、例えば、３つのステータアセンブリを有することができる。そこで、好ましくは、３つのステータアセンブリのうち真ん中の１つのみ、又は、３つのステータアセンブリのうち外側の２つのみが、コイルを有する。巻かれていないステータアセンブリの軟磁性コアは、歯付き又はリング形状に構成することもできる。

本発明による磁気軸受が軸方向の両端部においてそれぞれの永久磁石アセンブリで終端することも考えられる。この場合、磁気の流れは、空気を介して、又は隣接した構成部分を介して軸方向の両端部で完成される。

本発明の他の好ましい実施形態によれば、ステータアセンブリのコアの接続部は、それぞれリングセグメントとして構成される。リングセグメントは、基本的に任意の曲率半径を有することができる。曲率半径は、好ましくは、リングセグメントから磁気軸受の軸までの半径方向における距離よりも大きい。あるいは、接続部は、実質的に直線的に、かつ軸に対して接線方向に延在するように構成することもできる。

本発明の他の特に好ましい実施形態によれば、歯は、半径方向外向きに、また半径方向内向きに突出する。したがって、接続部は、歯の中央部分と共に連続リングを形成し、このリングから、歯がそれぞれ半径方向内向きに、また半径方向外向きに突出する。適当なサイズ比率があれば、歯の間に存在する溝をコアの外周又は内周上に閉じることもできる。

本発明の他の特に好ましい実施形態によれば、永久磁石又は複数の永久磁石は、希土類磁石として構成される。これにより、特に軽量でコンパクトな設計が得られる。

本発明の他の実施形態によれば、軟磁性コアは、積層シートパッケージからなる。しかしながら、軟磁性コアは、軟磁性複合材料で形成することもできる。

特に、コイルがトロイダル巻線機を用いて接続部に巻かれる場合には、安価に製造することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態をより詳細に説明する。

第１実施形態によるラジアル磁気軸受の斜視図を示す。 図１のラジアル磁気軸受の、図３の断面線ＩＩに沿った縦断面図を示す。 図１及び図２のラジアル磁気軸受の、図２の断面線ＩＩＩに沿った断面図を示す。 第２実施形態によるラジアル磁気軸受の縦断面図を示す。 第３実施形態によるラジアル磁気軸受の縦断面図を示す。 第４実施形態によるラジアル磁気軸受の縦断面図を示す。 第５実施形態によるラジアル磁気軸受の縦断面図を示す。

以下の実施形態では、同様の部品は、同様の参照番号によって示される。図面が、関連する図の説明においてより詳細に述べられていない参照番号を含む場合、その前後の図の説明を参照されたい。

図１から図３は、本発明によるラジアル磁気軸受１の第１実施形態を示す。磁気軸受は、外側ステータ３と内側ロータ４とを備える。ステータ３及びロータ４は、互いに同軸に配置される。したがって、それらは両方とも磁気軸受の共通軸２に対して実質的に回転対称になるように構成される。

特に図２に示すように、ステータ３は、互いに軸方向に間隔を置いて配置された２つのステータアセンブリ５を備える。２つのステータアセンブリ５のそれぞれは、軟磁性コア６を備える。軟磁性コアは、例示の実施形態においてそれぞれ軟磁性積層シートパッケージとして構成されているが、軟磁性複合材料で形成することもできる。図１によれば、２つの軟磁性積層シートパッケージ６のそれぞれが、円周方向に分布して配置された複数の歯７を備えることが分かる。示された実施形態では、積層シートパッケージごとに合計６つの歯が設けられている。歯７は、円周方向において互いに等間隔に配置され、ヨーク状の接続部９によって互いに接続される。接続部９は、リングセグメントとして構成され、歯の中央部分と共に閉じた円形リングを形成する。この円形リングから、各歯は、外側部分１５が半径方向外向きに、内側部分１６が半径方向内向きに、それぞれ突出する。

２つのステータアセンブリのそれぞれは、合計６つのコイル８をさらに備える。コイル８は一緒になってステータ巻線を形成し、ステータ巻線は、適宜に通電され、半径方向において磁気軸受のロータ４に作用する正味の力を生成することができる。コイル８は、例示において単に概略的に示されており、歯の半径方向に突出した部分の間の間隙を完全に埋めるものとすることもできる。それらは、好ましくは、トロイダル巻線機を用いて接続部に巻かれる。磁気軸受の軸に対して、各コイルの軸は、円周方向又は接線方向にそれぞれ延在する。

２つの軟磁性積層シートパッケージ６の間には、ステータ３の永久磁石アセンブリ１０が軸方向に配置される。永久磁石アセンブリ１０は、磁気軸受の軸２に対して軸方向に磁化された合計６つのブロック形状の単体永久磁石１１からなる。６つの単体磁石１１は、軟磁性積層シートパッケージ６の歯７の間において、歯７と軸方向に互いに整合するように配置される。

図２及び図３は、本発明による磁気軸受１のロータ４が、外側中空円筒形部分１２及び内側部分１３からなることを示す。外側中空円筒形部分１２は、ロータの外側領域における渦電流を防止するために、軟磁性積層シートパッケージとして構成される。ロータの内側部分１３は、ステータ内に生じた磁気の流れを軸方向に導くために、固体軟磁性回路ヨークとして構成される。

図３の断面図によれば、軟磁性積層シートパッケージの歯７と、２つの積層シートパッケージの間に配置された単体磁石１１とが、実質的に同一の断面を有することが分かる。単体磁石は、調達コストを低く抑えるために、単純な直方体ブロックとして構成される。積層シートパッケージ６の歯７の形状は、その端部がロ―タの外周に対して軸に面している点のみで、単体磁石の形状と相違する。それにかかわらず、歯７とロータの外周との間には、一定のエアギャップがもちろん存在する。

図４は、本発明の他の実施形態によるラジアル磁気軸受１を示す。例示は、図２と同様の縦断面図を示している。磁気軸受１の中央領域における構造は、基本的に図１から図３の実施形態と同様であるが、２つの永久磁石アセンブリ１０が追加的に設けられる点で、図１から図３の実施形態と相違する。追加された２つの永久磁石アセンブリ１０は、磁気軸受の軸方向の両端部に位置される。したがって、磁気軸受は、軸方向の両端部のそれぞれにおいて永久磁石アセンブリで終端する。そのため、磁気軸受のロータをより長くしなければならない。磁気の流れは、空気を介して磁気軸受の軸方向の両端部で完成される。例として図４に示された実施形態は、考えられる幾つかの、任意の数のステータアセンブリを有する実施形態を表すものである。なぜなら、２つの永久磁石アセンブリ１０に他のステータアセンブリを付け加えることが可能なためである。

図５は、本発明によるラジアル磁気軸受１の他の実施形態を示す。例示はまた、図２及び図４と同様の縦断面図を示している。ただし、図１から図３にかかる実施形態と異なり、２つのステータアセンブリ５の間に配置された永久磁石アセンブリ１０が、ステータの一部ではなくロータの一部である。これは、ロータの他の構成部分と強固に接続された単体の永久磁石リング１４からなる。永久磁石リング１４は、ロータシャフトの外側及び内側部分１２、１３が貫通する貫通孔を有する。

図６は、本発明によるラジアル磁気軸受１の他の実施形態を示す。この実施形態では、ステータ３は、図１から図３の実施形態と同様に構成されている。しかしながら、ロータ４の内側部分１３及び外側中空円筒形部分１２は、図５の実施形態と同様にロータの一部である永久磁石リング１４によって中心が中断される。永久磁石リングの外径が中空円筒形積層シートパッケージ６の内径より小さいが、永久磁石リング１４も同様に軸方向に磁化され、ステータの２つの積層シートパッケージ６の間に軸方向に位置される。永久磁石リング１４の外径は、大きくとも軟磁性ロータ部分の外径に等しい。永久磁石リング１４の半径方向外側には、ステータ側の単体磁石１１が配置される。さらに、図６の実施形態は、ロータが、ロータの内側部分１３及び永久磁石リング１４における対応孔を貫通する中央シャフト１７を含み、この点で図１から図３の実施形態とは相違する。

図７は、本発明によるラジアル磁気軸受１の他の実施形態を示す。この実施形態は、ステータ側に単体磁石を設けない点で、図６の実施形態と相違する。したがって、ステータ側には永久磁石アセンブリが存在しない。永久磁石アセンブリは、ロータ側の永久磁石リング１４のみからなる。この実施形態では、単体磁石１１が、半径方向又は接線方向に延在する軟磁性プレートを重ねて形成される、又は軟磁性複合材料からなる、軟磁性ブロック１８によって置き換えられる。軟磁性ブロック１８は、ポジティブな物質適合の方法で軟磁性コア６と接続することができる。軟磁性ブロック１８を、軟磁性コア６の少なくとも１つの一部として実現することも可能である。

Claims (17)

1. ステータ（３）と、ロータ（４）とを有するラジアル磁気軸受（１）であって、
   前記ステータは、互いに軸方向に間隔を置いて配置された少なくとも２つのステータアセンブリ（５）を備え、前記ステータアセンブリのそれぞれは、軟磁性コア（６）を備え、
   前記ステータアセンブリ（５）の少なくとも１つは、円周方向に分布して配置され半径方向に突出した複数の歯（７）を有する１つの前記軟磁性コア（６）と、同様に円周方向に分布して配置された複数のコイル（８）と、を備え、円周方向に連続した前記軟磁性コア（６）の２つのそれぞれの歯（７）は、前記コア（６）の接続部（９）によって互いに接続され、
   前記磁気軸受（１）は、前記２つの軟磁性コア（６）の間に軸方向に配置された永久磁石アセンブリ（１０）をさらに備え、
   少なくとも１つの前記ステータアセンブリ（５）は、円周方向に分布して配置された複数のコイル（８）を備え、その軟磁性コア（６）は、円周方向に分布して配置され半径方向に突出した複数の歯を備え、前記それぞれの接続部（９）の１つは、前記それぞれのコイル（８）の１つで巻かれることを特徴とする、ラジアル磁気軸受（１）。
2. 前記ステータアセンブリ（５）の全ては、それらの軟磁性コア（６）が、円周方向に分布して配置され半径方向に突出した複数の歯（７）を備えるように、実現され、円周方向に連続した前記軟磁性コア（６）の２つのそれぞれの歯（７）は、前記コア（６）の接続部（９）によって互いに接続され、１つのそれぞれの接続部（９）は、１つのそれぞれのコイル（８）で巻かれることを特徴とする、請求項１に記載のラジアル磁気軸受。
3. 前記永久磁石アセンブリ（１０）は、前記ステータ（３）の一部であり、軸方向に磁化された複数の単体永久磁石（１１）を備え、前記単体永久磁石（１１）は、軸方向に前記歯（７）と互いに整合するように配置されることを特徴とする、請求項１又は２に記載のラジアル磁気軸受（１）。
4. 前記単体永久磁石（１１）は、ブロック形状に構成されることを特徴とする、請求項３に記載のラジアル磁気軸受（１）。
5. 前記ロータ（４）は、外側中空円筒形部分（１２）と内側部分（１３）とを備え、前記外側中空円筒形部分（１２）は、軟磁性積層シートパッケージとして実現され、前記ロータの前記内側部分（１３）は、固体軟磁性回路ヨークとして実現されることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載のラジアル磁気軸受（１）。
6. 前記永久磁石アセンブリ（１０）は、前記ロータ（４）の一部であることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項に記載のラジアル磁気軸受（１）。
7. 前記永久磁石アセンブリ（１０）は、軸方向に磁化された連続永久磁石（１４）を備えることを特徴とする、請求項６に記載のラジアル磁気軸受（１）。
8. 前記軟磁性コア（６）のそれぞれは、４つ又は６つの歯（７）をそれぞれ備えることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項に記載のラジアル磁気軸受（１）。
9. ２つを上回るステータアセンブリ（５）が設けられ、軸方向に連続した２つのステータアセンブリ（５）の間に、永久磁石アセンブリ（１０）がそれぞれ配置されることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項に記載のラジアル磁気軸受（１）。
10. 前記磁気軸受は、３つのステータアセンブリ（５）を備え、前記３つのステータアセンブリ（５）のうち真ん中の１つのみ、又は、前記３つのステータアセンブリ（５）のうち外側の２つのみが、コイル（８）を備えることを特徴とする、請求項９に記載のラジアル磁気軸受（１）。
11. 前記磁気軸受（１）は、軸方向の両端部のそれぞれにおいて永久磁石アセンブリ（１０）で終端することを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項に記載のラジアル磁気軸受（１）。
12. 前記接続部（９）は、それぞれリングセグメントとして構成されることを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項に記載のラジアル磁気軸受（１）。
13. 前記接続部（９）は、直線的に、前記ラジアル磁気軸受（１）の軸（２）を中心とする円の接線方向に延在することを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項に記載のラジアル磁気軸受（１）。
14. 前記歯（７）は、半径方向外向きに、また半径方向内向きに突出することを特徴とする、請求項１から１３までのいずれか１項に記載のラジアル磁気軸受（１）。
15. 前記複数の単体永久磁石（１１）は、希土類磁石として構成されることを特徴とする、請求項３に記載のラジアル磁気軸受（１）。
16. 前記軸方向に磁化された連続永久磁石（１４）は、希土類磁石として構成されることを特徴とする、請求項７に記載のラジアル磁気軸受（１）。
17. 前記軟磁性コア（６）は、積層シートパッケージ又は軟磁性複合材料からなることを特徴とする、請求項１から１６までのいずれか１項に記載のラジアル磁気軸受（１）。