JPH10506176A - 電磁気軸受 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 一対のポール(31)を規定するコア(29)、付勢されたときに対になっている２つのポールの一方のポール(31)から他方のポール(31)へと通過する磁束を生み出すコア(29)上に設置されたコイル(35)、およびコア(29)に対してローター(21)を懸架させるために、コイル(35)によって生み出される磁束と相互作用するための、使用中のローター(21)に関連する磁気透過性手段(37)からなり、ここで対になっている２つのポール(31)がローター(21)に対して使用中に軸的に空間をおいて位置しており、そして磁気透過性手段(37)は、各々の積層(41)がローター(21)の軸に対して実質的に平行に伸びている、ローター(21)の周りに環状に配置されている複数の積層(41)からなっている、ローター(21)を懸架させるための電磁気軸受。この配置の結果、ローター(21)が遠心力によって膨張しても、磁気透過性手段(37)の亀裂は生じない。

Description

【発明の詳細な説明】 電磁気軸受 本発明は電磁気軸受、特に高速度で回転するシリンダーあるいはリングと併用 するための電磁気軸受の配置に関するものである。 本出願人は、ローターの運動エネルギーとして装置内にエネルギーを貯蔵する ために、シリンダーが固定ステーターの周りを回転するフライホイールあるいは ローターとして作動する、エネルギー貯蔵および変換装置を開発した。該ロータ ーは、ローターをステーターの周りで運動させるためにステーターによって作り 出される磁束と相互作用する永久磁化された領域を包含する。ローターのステー ターの周りでの懸架は、ローターのどちらかの末端においてローターの内面に作 用する環状電磁気軸受の手段によって達成される。 図１に示されるように、従来の電磁気軸受のそれぞれは、ローター３の内面に 面している複数のポール面５を規定しているローター３内に、鉄かあるいは他の 磁気的に透過性のあるコア１からなっている。複数のコイル７は、複数のコイル ７が付勢されたときに、磁束がローター３を介してポール面５から抜け出てくる かあるいは入って行くように、コア１のポールの周りに巻き付けられている。磁 気透過性材料の環状積層化（図示されていない）は、コア１のポール面５に面し て、ローター３のいずれか一方の端でローター３の内面上に形成される。このよ うに、コア１の複数のポールとローター３との間を往復通過する磁束の強度を制 御することによって、ステーターの周りに対するローター３の位置が制御できる 。それ故に、機械軸受を必要とせずに懸架できる。ローターが、例えば１００， ０００ｒｐｍ以上のような高速で回転すると、ローター壁に作用する遠心力によ ってローターの直径が増加する。この時、ストレスが電磁気軸受の環状積層内に 発生し、これによって積層に亀裂が生じ たり、座屈したり破損したりする。これは、ローター壁が製造される材料が、環 状積層が作られている材料よりも簡単に伸張する際の特異な問題である。 上記を考慮し、本発明は、ローターが高速で回転するときに発生し得る環状積 層の亀裂に関係する問題を克服するためになされた。 本発明によれば、一対のポールを規定するコア、付勢されたときに対になって いる２つのポールの一方のポールから他方のポールへと通過する磁束を生み出す コア上に設置されたコイル、およびコアに対してローターを懸架させるために、 コイルによって生み出される磁束と相互作用するためのローターと使用中に関連 する磁気透過性手段からなり、ここで対になっている２つのポールがローターに 対して使用中に軸的に空間をおいて位置しており、磁気透過性手段は、各々の積 層がローターの軸に対して実質的に平行に伸びている、ローターの周りに環状に 配置されている複数の積層からなっているローターを懸架させるための電磁気軸 受が提供される。 ローターの軸に対して平行に伸びている積層を組み入れることによって、ロー ターが高速で回転する際のローターの半径の増幅は、ローターに関連する磁気透 過性材料の亀裂を引き起こさない。それ故、装置の破損が発生する前に、より速 いスピードとより大きなエネルギー貯蔵が得られる。 好ましくは、積層が使用中に、ローターの周りに完全なる環を形成する。しか しながら、理論的には、積層が組み込まれている個別の領域が使用されるが、こ れは完全な環ほどには効率的ではない。 コア、複数のコイルおよび複数の積層は、好ましくはローター内に適応するよ うにデザインされる。あるいはコア、複数のコイルおよび複数の積層は、ロータ ーの外側に設置・取り付けられてもよい。 個々の積層の厚さは１〜５０ミクロン、さらに好ましくは１〜１０ミクロンで ある。しかしながら、積層が作られる材料の特性、積層が取り付けられているロ ーターの膨張等に依存し、他の適切な厚 さがその代わりに使用されてもよい。 好ましくは、積層は、積層のための支持を提供する支持環内に取り付けられて いる。 支持環は、好ましくは、層の取り付けおよび組み立てを容易にするために正方 Ｃ形の断面を有する。 支持環は、スチールから作られてもよいが、他のいかなる適切な物質が代わり に使用されてもよい。 好ましくは、コアのポールは、ローターの表面の形状に合った曲線状のポール 面を有する。 本発明による電磁気軸受は、ローターあるいは他のアイテムを懸架させるのに 、他のいかなる装置で用いられてもよいが、本発明は、本来、ステーターとロー ターが発電器として作動するときにローター内に貯蔵されたエネルギーが引き出 される、ローターおよびローターの運動エネルギーとしてエネルギーを貯蔵する ためにローターを作動させるために適合されたローター内のステーターとからな るエネルギー貯蔵および変換装置内においての電磁気軸受の使用という考えのも とで開発された。 本発明による電磁気軸受をエネルギー貯蔵および変換装置において使用する際 は、装置のローターは、好ましくは繊維複合材料から製造される。その結果、ロ ーターは故障が発生する前に、極めて高速で回転できる。ゆえに有意の量のエネ ルギーが貯蔵される。 ローターの円滑な運転を補助するために、ローターは、好ましくは摩擦損失を 抑えるために減圧室内で回転する。 本発明の特定の実施態様は、図１が従来のエネルギー貯蔵および変換装置の電 磁気軸受の断面平面図；図２が、本発明による電磁気軸受を組み入れたエネルギ ー貯蔵および変換装置の概略断面側面図；図３が、図２のエネルギー貯蔵および 変換装置の一部の拡大図；図４が電磁気軸受の環状リングを示している、図２の エネルギー貯蔵および変換装置のローターの一方の末端の概略透視図；そして図 ５が、本発明による電磁気軸受のコアと、その上に取り付けられた仮想線で示さ れている軸受のコイルの詳細な透視図；である付属の図面を参照、例としてのみ 、以下に説明される。 図２の図面に関して、エネルギー貯蔵および変換装置１１は、減圧室１５を規 定する外型１３からなる。取り付け用ポスト１７は、ローター２１の運動エネル ギーとしてエネルギーを貯蔵するためにローター２１を作動させるか、あるいは ローター２１内に貯蔵されたエネルギーを解放するために発電器としてローター ２１と連動するかのどちらかであるステーター１９を有する。ポール面を規定す るコアと複数のコイル（図示されていない）からなるステーター１９がローター ２１を作動させることを可能とするために、ステーター１９のコイルが付勢され たときに、ステーター１９とローター２１がモーターとして作動するように、ロ ーター２１は交互永久磁石（図示されていない）の環を組み込んでいる。逆に、 ステーター１９とローター２１を発電器として作動させることによって、ステー ター１９からの電気エネルギーという形でローター２１からエネルギーを取り出 すことができる。 ローター２１は、炭素繊維、ガラス繊維等の繊維複合材料から作られる。その 結果、ローター２１は故障なしで約１００，０００〜２００，０００ｒｐｍの水 準で極めて高速度で回転できる。ローター２１は、型１３の底面に取り付けられ た永久磁石２５と、ローター２１の末端に取り付けられている異極性の磁石（図 示されていない）からなる軸方向磁気軸受２３の手段によって垂直方向に懸架さ れている。それ故、ローター２１は、ローター２１の重量がローター２１の末端 において永久磁石２５によって与えられる力によって釣り合わされる状態で、永 久磁石２５によって反発されている。 ローター２１の半径方向の配置は、ローター２１のどちらか一方の末端に取り 付けられている電磁気軸受２７によって提供される。個々のラジアル軸受２７は 、支持ポール１７の周りに９０°に配置 された４つの個別のコアピース２９（図５参照）からなる。図５から分るように 、個々の電磁気軸受のコア２９は、ローター２１に対して軸方向に空間をおいて 離れている一対のポール面３１を提供する。ポール面３１は、ローター２１の内 側の彎曲に合うようにわずかに曲がっている。さらにポール面３１は、実質的に Ｃ形の断面を持つ完全コア２９を生み出すために両末端が接続された状態で、ポ ール３３上に形成されている。コイル３５は、図５に示されるように、ポール３ ３上に取り付けられている。 コイル３５が付勢されるとき、コア２９の路をたどってポール面３１の一方か ら出た後に、対になっているポール面３１のもう一方によってコア２９に入る磁 束が生じる。一方のポール面から他方のポール面へと通過する磁束は、ローター ２１の内面に位置する磁気透過性層３７と相互作用する。図３と４から明確に分 かるように、環状の層３７は、複数の軸方向に敷かれた積層４１を収容する正方 Ｃ形の断面を持つスチール支持環３９からなる。各々の積層４１の厚さは１〜１ ０ミクロンであり、図３と４からわかるように、実質的に長方形である。 電磁気軸受のコイル３５が付勢されるとき、上記のように、磁束はポール面３ １の一方から流れ出し、ローター２１に対して軸方向に積層４１を通過すること によって積層３７と相互作用し、そして対になっているもう一方のポール面３１ に流れ込んでいく。その結果、ローター層３７内にあるときには、軸受の効率を 有意に減少させてしまういかなるエアギャップも横切ってはならない。さらに、 ローター２１が高速で回転するときに、ローター２１と支持環３９は遠心力によ り膨張する。このとき、積層３７は単一片でに形成されていず、互いに対して移 動できる複数の積層４１を有するため、積層４１に亀裂は生じない。 前記から理解されるように、本発明による電磁気軸受は、公知の従来の軸受に 対して明確な改善を提供している。加えて支持環３９ のＣ形の断面により、積層４１は支持環３９内に取り付けられることだけが必要 なので、積層３７の組み立ては簡単に達成される。もし必要であれば、ある形式 の接着剤が、積層が常時定位置にあることを保証するために、積層が挿入される 前に支持環３９に適応されてもよい。 積層４１は、いかなる適切な磁気透過性材料から作られても構わないが、使用 される材料は、好ましくはローテロイ５（登録商標）や同様の、特に高強度ロー ター材料として特別に開発された合金である。さらに、電磁気軸受２７を使用し てローター２１を懸架させることによって、機械軸受に関連するローター２１か らの摩擦損失が避けられる。ローター２１が減圧室１５内で回転するという事実 もエネルギーの損失を減少させるために補助している。 もちろん、本発明は単に例として上記で説明されており、詳細の変更は本発明 の範囲内で行われるということは理解されるべきである。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９６年９月１０日 【補正内容】 上記を考慮し、本発明は、ローターが高速で回転するときに発生し得る環状積 層の亀裂に関係する問題を克服するためになされた。 本発明によれば、ローター内に設置されたステーターの周りでローターを懸架 させるための電磁気軸受が提供される。上記軸受は、一対のポールを規定するコ ア、付勢されたときに対になっている２つのポールの一方のポールから他方のポ ールへと通過する磁束を生み出すコア上に設置されたコイル、およびコアに対し てローターを懸架させるために、コイルによって生み出される磁束と相互作用す るための使用中のローターに関連する磁気透過性手段からなり、そして対になっ ている２つのポールがローターに対して使用中に軸的に空間をおいて位置してお り、そして磁気透過性手段は、各々の積層がローターの軸に対して実質的に平行 に伸びている、ローター内に環状に配置されている複数の積層からなっているこ とを特徴とする。 ローターの軸に対して平行に伸びている積層を組み入れることによって、ロー ターが高速で回転する際のローターの半径の増幅は、ローターに関連する磁気透 過性材料の亀裂を引き起こさない。それ故、装置の破損が発生する前に、より速 いスピードとより大きなエネルギー貯蔵が得られる。 好ましくは、積層が使用中に、ローターの周りに完全なる環を形成する。しか しながら、理論的には、積層が組み込まれている個別の領域が使用されるが、こ れは完全な環ほどには効率的ではない。 コア、複数のコイルおよび複数の積層は、好ましくはローター内に適応するよ うにデザインされる。あるいはコア、複数のコイルおよび複数の層は、ローター の外側に設置・取り付けられてもよい。 個々の積層の厚さは１〜５０ミクロン、さらに好ましくは１〜１０ミクロンで ある。 請求の範囲 １．ローター(21)内に設置されたステーター(19)の周りでローター(21)を懸架さ せるための電磁気軸受(27)であって、該軸受は、一対のポール(33)を規定するコ ア(29)、付勢されたときに対になっている２つのポールの一方のポール(33)から 他方のポール(33)へと通過する磁束を生み出すコア(29)上に設置されたコイル(3 5)、およびコア(29)に対してローター(21)を懸架させるために、コイル(35)によ って生み出される磁束と相互作用するための、使用中のローター(21)に関連する 磁気透過性手段(37)からなり、そして対になっているポールの２つのポール(33) がローター(21)に対して使用中に軸的に空間をおいて位置しており、そして磁気 透過性手段(37)は、各々の積層(41)がローター(21)の軸に対して実質的に平行に 伸びている、ローター(21)内に環状に配置されている複数の積層(41)からなって いることを特徴とする電磁気軸受。 ２．積層(41)が使用中に、ローター(21)の周りに完全なる環を形成する請求項１ に記載の軸受。 ３．個々の積層(41)の厚さが１〜５０ミクロン、さらに好ましくは１〜１０ミク ロンである、前記いずれかの請求項に記載の軸受。 ４．積層(41)が支持環(39)内に取り付けられている、前記いずれかの請求項に記 載の軸受。 ５．支持環(39)が正方Ｃ形の断面を有する請求項４に記載の軸受。 ６．支持環(39)がスチールから作られている、請求項４または請求項５に記載の 軸受。 ７．ポール(33)がローターの表面の形状に合った曲線状のポール面(31)を有する 、前記いずれかの請求項に記載の軸受。 ８．円筒ローター(21)、ローターの運動エネルギーとしてエネルギーを貯蔵する ためにローター(21)を駆動させるためのローター(21)内のステーター(19)、およ びステーター(19)の周りでローター(21)を懸架させるための前記いずれかの請求 項に記載の電磁気軸受(27)からなるエネルギー貯蔵および変換装置(11)。 ９．ローター(21)が繊維複合材料から作られている請求項８に記載の装置。 １０．ローター(21)が減圧室内(15)で回転する請求項８または請求項９に記載の 装置。 １１．ローター(21)がローター(21)のどちらか一方の末端に設置されている電磁 気軸受(27)の手段によってステーター(19)の周りで半径方向に懸架されている、 請求項８から請求項１０のいずれかの請求項に記載の装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，Ｍ Ｋ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ， ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 ジャヤワント、バルチャンドラ・ヴィナヤ ク イギリス国 イースト サセックス ビー エヌ７ ３エルエヌ、エヌアール．ルーウ ェス、キングストン、チャーチ レーン、 １

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．一対のポールを規定するコア、付勢されたときに対になっている２つのポー ルの一方のポールから他方のポールへと通過する磁束を生み出すコア上に設置さ れたコイル、およびコアに対してローターを懸架させるために、コイルによって 生み出される磁束と相互作用するための、使用中のローターに関連する磁気透過 性手段からなり、ここで対になっている２つのポールがローターに対して使用中 に軸的に空間をおいて位置しており、そして磁気透過性手段は、各々の積層がロ ーターの軸に対して実質的に平行に伸びている、ローターの周りに環状に配置さ れている複数の積層からなっている、ローターを懸架させるための電磁気軸受。 ２．積層が、使用中に、ローターの周りに完全なる環を形成する請求項１に記載 の軸受。 ３．コア、複数のコイルおよび複数の積層が、ローター内に適応するようにデザ インされている請求項１あるいは請求項２に記載の軸受。 ４．個々の積層の厚さが１〜５０ミクロン、さらに好ましくは１〜１０ミクロン である、前記いずれかの請求項に記載の軸受。 ５．積層が支持環内に取り付けられている前記いずれかの請求項に記載の軸受。 ６．支持環が正方Ｃ形の断面を有する請求項５に記載の軸受。 ７．支持環がスチールから作られている請求項５または請求項６に記載の軸受。 ８．ポールがローターの表面の形状に合った曲線状のポール面を有する前記いず れかの請求項に記載の軸受。 ９．実質的に付属の図面の図２−５に示されたとおりの、およびそれらを参照し て記載したとおりの電磁気軸受。 １０．円筒ローター、ローターの運動エネルギーとしてエネルギー を貯蔵するためにローターを駆動させるためのローター内のステーター、および ステーターの周りでローターを懸架させるための前記いずれかの請求項に記載の 電磁気軸受からなるエネルギー貯蔵および変換装置。 １１．ローターが繊維複合材料から作られている、請求項１０に記載の装置。 １２．ローターが減圧室内で回転する請求項１０または請求項１１に記載の装置 。 １３．ローターがローターのどちらか一方の末端に設置されている電磁気軸受の 手段によってステーターの周りで半径方向に懸架されている請求項１０から請求 項１２のいずれかに記載の装置。 １４．実質的に、付属の図面の図２−５に示されたとおりの、およびそれらを参 照して記載したとおりのエネルギー貯蔵および変換装置。