305083 A7 B7 五、發明説明（ 經濟部中央棣準局員工消費合作社印製 相關申請案之參考說明 同時申請之美國專利，申請案號：08/500 7 18，名稱，，具 已減控制通量感應轉子漏損之磁性軸承"，其亦同時申請 ’且包括本説明揭露之創新技術。 技術範圍 本發明係有關於一種磁性軸承，更詳而言之，尤指一種 具有已減轉子漏損之磁性軸承。 習知技藝 _ — 如眾所周知，現有技藝之磁·性軸承具有一轉動元件（或 轉子）及一固疋7L件（或定子）同心地彼此相對設置，該磁 性軸承（及其相關之控制電路）控制轉動轉子及固定定子間 (徑向或軸向距離。例如，定子可同心地設置在轉子内部 反來亦可如眾所週知者，磁性轴承可利用流經捲繞 在疋子外側線圈之電流產生可調整電磁力，該電磁力係利 用控制電路控制，以來調整定子與轉子間之距離。 特別是，"徑向"磁性軸承調整介於同心設置之定子及轉 子間之徑向距離。當徑向力作用在轉.子上時，電磁力必需 予以調整以將定子與轉子間之間㈤，恢復至在繞著轉子/ 定子間隙周緣都大致固定之相等距離。同#，_般都採用 距離感測器來測量間隙之距離t以提供控制電路輸入信號 ，於是利用調整流經線圈之電流，來調整電磁力。 如眾所周知的，在徑向磁性軸承上施加該等可變電磁力 之現有技術包括以電流致能或脈衝_條或多條線圈，以產 生電磁通量來平衡外徑向力。 請先閱讀背面之注意事項一/毛寫本頁) 裝. 訂 線 .1 - - - I . • - 1 - I - - I 1
I; I II 305083 A7 B7 五、發明説明（2 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 除了電磁性控制通量’磁性軸承也可同時包括一固定 D C偏動通量來改善軸承控制（即，將電流-力量關係線 性化），及/或降低所需之電功率要求，這也是眾所周知者 。該偏動通量可利用一永久磁鐵來產生，例如在頒給米克 之美國專利第5,1 Π，102號，"磁性軸承結構"所揭露者，或 是利用電磁鐵來產生該偏動通量，如在頒给馬斯基之美國 專利第5,179,308號，"高轉速低漏損抗摩軸承總成，，所揭露 者。然而，這兩種習知技術，一會造成間隙中之偏動通量產 生不連續或急劇改變之現象，'同'時與繞著間隙之角度位置 开;；成函數關係。這種急劇改變會在轉子上產生滑電流及磁 滯漏損，於是在轉子上造電磁拖曳力，進而造成轉子發熱 ，效率於是降低。同時，轉子之轉速愈高時，漏損便愈大 。於疋’對於高轉速之轉子應用’例如一能源儲存飛輪裝 置，這項漏損便是非常明顯的。 此外，轉子之持續發熱會造成設置在轉子上之永久磁鐵 非磁化。再者，如果轉子係隔絕地設在眞空室内，例如做 爲能源儲存飛輪裝置，便會造成轉子冷卻發生困難。於是 ’降低該漏損直接與降低轉子發熱有關。 於是，需要一種磁性軸承，其不會出現該等轉子漏損。 發明之综述 _ 本發明之目的包括提供一具降低轉子漏損之磁性軸承。 根據本發明，一種磁性軸承，其包括一定子，具有多數 個定子齒；一轉子同心地相對於該定子設置，該轉子相對 於該定子旋轉，在該轉子與該定子間有一轉子/定子間隙 -5- 各紙浪尺度適用中國國家榡準（CN’S ) Α4Λ格（210x297公釐） (請先閲讀背面之注意事項一寫本頁) -裝 丁 、-'° 線· A7 B7 3〇S〇83 五、發明説明（3 ;該轉子與該定子之設置方向可容許磁性偏動通量流經該 定子及該轉子，並跨過該轉子/定子間隙：及在相鄰於該 轉子/足子間隙之二定子齒間具有一齒隙，該齒隙係設置 在最小距離’以將由該偏動通量在該轉子上造成之漏損降 到最低。 根據本發明，該最小距離繞著該轉子/定子間隙使該偏動 通量產生一大致均空間分佈。 本發明在相較於習知技藝下一，展現了明顯地改進，本發 明提供一改良之定子層化設計藉著在繞著該轉子/定子 間隙，使該偏動通量產生一大致均空間分佈，來降低與偏 動通量有關之定子漏損。降低定子漏損是藉著減少在定子 /轉子間隙處之相鄰一定子齒之齒隙（即定子槽道開口）來 達成。疋子漏損之降低包括渦電流及磁滞漏損之降低，於 是降低了伴隨該漏損在該轉子上出之電磁拖曳力及熱擴散 0 本發明之這些目的與其他特徵與優點，在配合以下説明 性實施例二詳細説明配合圖示下，會變得更爲清晰明確。 圖示之簡要說明 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 圖1爲習知具有四只定字齒之磁性軸承之側剖視圖，揭 露出偏動通量路徑； 圖2爲圖1磁性軸承之頂視圖，揭露出四齒定子· 圖3爲圖i及圖2所示四齒定子沿著—定子子間隙之偏 動通量圖； 圖4爲具有八齒定子之習知磁性料承之頂剖視圖： -6· 五、發明説明（4 經濟部中央樣準局員工消費合作社印製 圖5爲圖4所示八皆金$、几 „ „ 齒疋子〉0耆一疋子/轉子間隙之偏動通 量圖； 圖6爲根據本發明 有四齒疋子結構磁性軸承之頂剖視 圖； 圖7爲根據本發明並古、 具有八齒疋子結構磁性軸承之頂剖視 圖； 圖8爲根據本發明1古μ止— /、有1 2闯疋子結構磁性軸承之頂剖視 圖； 圖9爲根據本發明 /、有1 6齒足子結構磁性軸承之頂剖視 圖； 圖10爲根據本發明且右— ^ /、有 疋子，·Ό構磁性抽承之部 請 先 閏 讀 背 之 注 項 ikJ裝 頁 視圖： 份頂剖 制圖Λ】=據本發明偏動通量轉子漏損及對其他定子齒控 制通量洩漏疋圖表； 圖1 2爲根據本發明％英 圖性軸承一疋子/轉子間隙之 偏動通量圖； 圖1 3爲根據本發 偏動通量圖；及 圖14爲根據本發明具有替代性定子結構之磁性軸 份頂剖視圖。 實施本發明之最佳模式 請參考圖1 ’習知徑向磁性軸承1〇包括—固定元件或定 子1 2，；轉動元件或轉子M，該轉子具有一外部份4 1， 同時在忑疋子1 2之外徑向該轉子丨4之丐徑間具有— 明沿著圖7磁性轴承—定子/轉子 間隙之 承之部 丁 -7- 3〇5〇83 Λ7 B7 五、發明説明（5 ) 經濟部中央棣準局員工消費合作社印製 1 5。該定子1 2包括多數個中心設置之片層1 6，其係採用 高級低漏損高導磁性導電鋼材製造，其具有高頻率反應特 性，即Rotelloy 5®，鈷磁鋼。每一片層1 6之厚度約在 0.004"至0.010”（0.010至0.0254厘米）間，同時所有片層1 6 之疊層厚度約3厘米。如有需要，也可以採用其他之片層 厚度，全部疊層厚度及材料《轉子/定子間隙15之距離爲 0.005"-0_020"，同時可以控制到相當之精確度，例如 0.0002 "，以應用在飛輪用途土。如有需要，也可以視用 途之要求，而採用其他之間隙^寸。 片層1 6係採用兩塊永久磁鐵1 8，2 0夾住。每一永久磁 鐵18，20具有一複曲面形（或甜甜圈）形狀。如有需要， 永久磁鐵1 8 ’ 20也可以採用其他形狀。在定子1 2之中心 爲一中空區域22。如有需要，該區域22也可以爲實心結 構。在實心結構之情況下，該區域2 2可採用非磁性材料製 造。 永久磁鐵1 8，20之南極係分別連接到支臂24，26之一側 ，支臂24 ’ 26之一端及北極則連接到片層1 6之相對側。支 臂24，26之另一端則構成了定子1 2外徑的一部份。支臂24 ’ 26係採用高強度、高導磁及低漏損鋼材製造，即低碳鋼 (含碳量 0.01-0.02%)，例如 Auioji 5®，或 ANSI 1018 低碳鋼 。如有需要，支臂24, 26也可以採用其他材料製造。 永久磁鐵1 8，20提供一穩定D C磁場偏動Φ b，該磁場在 該轉子14與定子12之每一定子齒之間提供吸引力。磁鐵 1 8之偏動通量路徑（或迴路）則由虛線2 8表示，該路徑由 * 8 - 本紙張尺度適用中國國家縣（CNS)以胁（21Gx297公慶） {請先聞讀背面之注意事項一!%.寫本頁〕 裝· 訂. 線 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 A7 -----Β7______ 五、發明説明（6 ) 永久磁鐵1 8之北極離開，行經片層1 6，跨過轉子/定子間 隙15，沿著轉子14行進，跨過間隙15，進入支持體24， 且回到永久磁鐵18之南極，而完成了永久磁鐵18之磁性 迴路通量路徑。永久磁鐵2 0之對稱式磁性偏動通路徑則由 虛線3 0表示。同時，電線或線圈3 1，32，33，34則捲繞在 片層16上，如圖1及圖2所示。使用線圈來提供電磁偏動 通量是眾所周知的，其中這些線圈係捲繞在一些或全部之 定子齒上’或捲繞在一複曲爸形之電磁鐵（像永久磁鐵— 樣）上來產生偏動通量。在此精·況下，永久磁鐵18，2〇便 不需要了。 其他共同之軸性軸承結構則揭露在頒給米克之美國專利 第5，1 1 1，1 〇 2號，”磁性軸承結構"中，及頒給馬斯基之美 國專利第5，1 7 9，3 0 8號，"高轉速低漏損抗摩軸承總成'，， 及頒給史都爾之美國專利第3，8 6 5，4 4 2號，"磁性軸承"， 及頒給史都爾之美國專利第4，3 8 7,9 3 5號，·'線性磁性軸 承”。 請參考圖2，在定子12上之片層16具有四齒35，36， 37 ’ 38 ’其上分別捲繞有線圈31-34。如有需要，定子 可以具有更多或較少之定子齒。電流通過線圈3 1 _ 3 4產生 可變電磁場’該電磁場與該偏動通量結合起來共同產生可 仏制之力量來補償外徑力力，將在以下討論。 同時’間隙1 5則分別在四個位置處測量，即在片層1 6之 定子齒35-38之中心或接近中心位置處。特別是，這些經 過測量之距離，則使用yi，&，h，Χ2表示，其其係繞著 定子1 2依反時針方向測量。如有需要，可在繞著間隙更多 ___ -9· 本紙張认適财關家Α4胁（2ι〇·^^π---- 請先閲讀背面之注意事項一寫本頁) .裝. 訂 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 A7 _ _B7 五、發明説明（7 ) 或較少之位置處剑量距離。 所產生之電磁力係用於平衡作用在轉子14或定子12上之 外力，進而將繞者定子1 2周緣之間隙1 5都保持均一。例 如，在圖2中，如有外徑向力由y方向朝下地作用在轉子 1 4上，如線條4 2所示，則在y 2之間隙距離，會較y 1之間 隙距離爲大。在此情況下，電流會在線圈3 1，3 2朝一方向 受驅動，進而產生一控制通量Φε，其方向與通過間隙γι 之Φ1)偏動通量相反，同時與通過y2之Φ〆,?·動通量相同。 於是，全部跨過y丨之吸引力便減少了，而跨過y 2之吸引力 則增加了，並使y丨等於y 2。同樣的，如果水平徑向力作用 在轉子上’如線條4 3所示，則造成X 2之間隙距離大於χ ^ 之間隙距離，於是電流流經線圈33，34，產生一控制通量 其方向與通過間陈Χ2之偏動通量相同，同時與通 過Xl之偏動通量相反。控制通量〇<;增加了全部跨過χ2 之吸引力’而降低了跨過X i之吸引力，並使X 2等於χ t。 在以上説明之範例中，電流在流經線圈3 i，3 2時產生了 控制通量來調Syi&y2之間隙，並由虛線3 9表示，其方 向係沿著上定子齒3 5朝下，同時分成大致相等的兩條路徑 ’沿著定子之背鐵行進，然後重新在定子1 2之下齒3 6處 重新結合。通量路徑3 9行進跨過_間隙y 2，然後再次分又成 大致相等之兩條路徑，行進繞過轉子周緣的一半，然後重 新結合’再跨過間陳y〖，進入定子1 2之上齒3 5 °如果片 層2 9係用在轉子1 4，則控制通量φ c大部份將保持在片層 29内。 ___-10- 本紙張尺度適用中國國"?^準（¾) Α4· (21()><297公董） -- (請先聞讀背面之注意事項\|毛寫本頁) -裝· 訂
五、發明説明（8 經濟部中央標準局員工消費合作社印裂 ° 7的’在前範例中，線圈33，34内之電流產生控制通 量〇 c以調整x 2及x 1之間隙，會使控制通量Φ c在沿著定子 、'齒由右朝左地增強’並且分開成兩條大致相 等的路&，沿著定子之背鐵行進，然後在定子1 2左側定子 齒38處重新結合，如虛線40所指示者。與通量39相同， f量4〇行進跨過χ2,然後分成兩道大致相等之路徑，並繞 著轉子1 4周緣—半行進，再重新結合，跨過間隙X 1，最後 進入右側之定子齒3 7。爲了爭衡作用在轉子X及γ方向間 之外力則可以使用兩組控制通量之合力。 線圈j1’ 可以串聯在一起，並讓—電壓通過該等線圈 ’以y -方向產生一控制通量φ c。同樣的，線圈3 3，3 4可 以串聯在—起’並讓一電壓通過該等線圈，以X-方向產生 扳制通量Φ C。在另一種實施中，線圈3 1 -34可以分別供 電產生控制通量。再者，在其他之實施中’如有需要，偏 動通量Φ b可導引至相反方向，即徑向地朝内。在該情況 下’把制通量φ C的方向，將與以上範例中之方向相反。 π參考圖2及圖3，如果磁性偏動通量φ〆或通量分佈或 通量岔度），在轉子/定子間隙15由轉子〖4之一點50看去 時，即當轉子以順時針方向繞著定子12旋轉36〇度時，偏 動通量Φ b會出現一系列巨大變匕，由φ b丨改變接近零。如 在此處所使用者，通量φ —詞係用來表示通量，通量分佈 ，或通量密度（Φ /面積），啤環境需要而定。特別是，當 點50由定子齒35跨過，轉子便可以看到具有Φη強度之第 一脈動I 0 0。當點5 0位在齒3 5，3 7之間，，轉子看到一較低 _ - 11 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X297公釐）
經濟部中央梯準局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（9 ) — ~ 偏動通量數値（即，接近零），如區域1〇2所示者。當點5〇 由定子齒37跨過，轉子便可以看到具有φΜ強度之第二脈 動104 3同樣的，當點5 0位在齒3 7，3 6之間，轉子看到— 較低偏動通量數値，如區域106所示者。當點5 〇由定子齒 36跨過，轉子便可以看到具有（5>1)丨強度之第三脈動ι〇8。 同樣的，當點50位在齒36，38之間，轉子看到一較低偏動 通量數値，如區域1 10所示者。當點5 〇由定子齒3 8跨過， 轉子便可以看到具有Φ b 1強度—之第四脈動112。最後，當 點5 0位在齒38，35之間，轉子-看到一較低偏動通量數値， 如區域1 14所示者。必需瞭解的是，除了圖3所示之方型波 、外，波型之角落也可以爲圓形。 於是，當轉子1 4旋轉一圈時，轉子上的一特定點（例如 點5 0 )會看到偏動通量出現多數個劇烈改變（例如前例中出 現8次）。這些通量改變會造成轉子上出現滿電流及磁滯漏 損，進而在轉子上產生感應熱及扭力（電磁拖曳力），如在 技術背景一節討論者。轉子旋轉愈快時，這些漏損即愈大 。當轉速超過10,000 rpm時，這項漏損是非常明顯的。同 時偏動通量空間性變化愈劇烈，在轉子上會產生更高之頻 率，進一步使漏損惡化。 請參考圖4及圖5，圖中揭露圖2揭露之習知定子丨2具 有八個定子齒8 0。在此情況下，由轉子點5 〇在間隙丨5看 到之偏動通量φ b，出現了八個脈動120，即當點5 〇通過每 一定子齒80時。同樣的，當點5〇位在定子齒之間時， 偏動通量Φ b的數値很低（即接近於零），‘如區域122所示者 -12- 本紙張尺度適用中國國家橾準（CNS )八4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項令填寫本頁) 裝. 訂 線 I - - -i -1 . Δ7
現請參閲圖6，7，8及9，本發明採用了定子齒設計，其 可以降低由轉子處看到之劇烈偏動通量φ b變化。特別是 ，圖6，7，8及9分別揭露了 4，8，12及丨6定子齒設計。 偏動通量〇1)是由每一定子齒80跨過間隙15而徑向地朝外 ，如前圖1及圖2所討論者。但是，如有需要，該偏動通量 <Pb方向也可以反向。 請特別參考圖10，我們發現—如果相鄰二定子齒8 〇之齒隙 g 1 (或定子齒開口）在定子/轉石'間隙丨5處減小時，由偏動 通量感應之定子漏損會大大地減少。特別是，在定子齒 8 0 (稱爲定子"槽道"）區域8 4間捲繞線圈8 6，可以產生電 磁控制及/或偏動通量（如以上所述者）。定子齒8〇具有一 頭部區域82，其朝周緣延伸進入槽道84，進而將定子齒 齒陳gl设在一預先設定之最小量。同時，每一定子齒 具有一寬度w 1 ’該寬度係徑向單向地，由定子之外徑處 向内增加。如有需要，定子齒也可以採用其他之形狀，只 要齒隙gl可以縮小，進而降低感應偏動通量之定子漏損。 例如，定子齒可以具有大致爲常數之齒寬w 1，直到頭部 區域，該區域所設定之齒隙g 1，則如虛線8 3所示。同時 ，如有需要，定子齒之數目可必_依需要而增加或減少。 齒隙gl之距離一方面要設定在一個可以降低在轉子上之 偏動通量漏損，而另一方面又不能在特定用途中，影響到 控制通量Φ c控制轉子1 4在徑向位置之能力。請特別參考 圖1 1所示，當齒隙g 1減小時因爲偏動.<通量造成之轉子漏 -13- A7 B7 S05083 五、發明説明（11 損會降低，如一曲線200所示。但是相反的，當齒隙g丨增 加了，控制通量漏到相鄰定子齒之通量會增加，如曲線 202所π。當控制通量洩漏増加時，對轉子控制之能力亦 相對地降低。於是，齒隙§1之數値必需根據在特定用途中 之可谷泎之最大控制通量洩漏爲基礎來設定。理想狀況下 ，齒隙g 1必需儘量地縮小，以降低轉子漏損。 请參考圖1 2及1 3，分別相對於本發明圖6及圖7之四定 子齒及8疋子齒結構，由轉子名看到之偏動通量改變明顯 地車又白知技藝降低了。特別是..，在由點5 2 (圖6，7 )繞著 360度開始看間隙丨5，偏動通量大致在繞著轉子/定子間隙 之範圍内都.维持均等，除了因|出現之任何嵩隙^而產生 了微小變動210。其結果是，其降低了因爲感應偏動通量 造成之定子漏損。而分別在圖8及圖9所揭露之12定子齒 及16定子齒結構中，亦得到了超越習知枝藝之效果。 經濟部中央揉準局貞工消费合作社印裝 對於採用圖9之16齒定子繞線結構中之轉子漏損，其中 之gl爲0.658公分，在間隙15處之定子齒寬度wi爲Μη =二轉子厚度爲2公分，定子之外徑爲1〇」6公分，在額 疋轉子/疋子間味15爲0.05公分，同時在表】中，在這個不 同（轉速下，漏損分別與圖之習知設計做比較， 其中習知設計中之齒隙g丨爲4 公 Λ pa ^ , c .-—刀，疋子齒面寬度W1 ，15處為3.22公分’其餘之尺寸則與圖9所揭露之尺 寸同時’應用於本發明之材料，也與…揭露習知 技i〈材料相同。本發明（invtn)降 、 /D/ A、… ^ $低惑漏損與習知技蓺 OVA)比較時，其比率大於2〇:1，如表j所示者。 -14 本紙張从_巾㈣標準（CNir^FT2l〇X297公釐 五、發明説明（12 A7 B7 表1 轉子速度— 17,00 〇 rpm 27,670 rpm 35,000 rpm 漏損(\ν)θ Ρ/Α Invtn Ρ/Α Invtn Ρ/Α Invtn 渦電流 26 0.5 39 1 60 2 磁滯 16 1 37 2 63 3.5 全部損失： 41 1.5 —76 3 103 5.5 改進： >20 : 1 >20 ： ί >2〇Τ ί >20 : 1 >20 : 1 >20 : 1 • { (請先閲讀背面之注意事項寫本頁) .裝. 經濟部中央標準局MB；工消費合作社印製 請參考圖10,在另一種實施中，取了取代或除了降低齒 隙g 1外，齒隙g 1也可以使用一橋桿9 〇來完全封閉（即零齒 隙），橋桿9 0係採用低磁通性材料製成，例如塑膠-鐵-粉 末複合材料，其具有較鐵還要低之相對磁通性數値（即5〇 π X 1 0 7-500 π X 1 0 7享利/公尺），但是該磁通性大於空氣 (即4 π X 1 〇-7享利/公尺），例如較空氣高五倍（即2〇冗χ 1〇·7享利/公尺）。如有需要，也可以採用其他之數値。這 種攻计可以在轉子通過齒隙“時，具有較低之偏動通量減 少’因爲該材料較空氣具有更大之磁通性，但較定子材料 具車父大之磁通性。如有需要，橋桿9〇可以使用與製造定子 相同之材料製造，只要其增加控制通量洩漏在可接受之範 圍，即如前所討論者。 *青參考圖14’在另一種實施中，除了採用圖1〇之平滑平 面來封閉齒隙gl外，也可以採用一種、表面具有凹痕92之 橋样90。在此情況下，橋桿9〇可採用與定子相同之材料製 15- 本紙張ha用中an家料（CNS) (加χ29 訂· :線
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I— ί 1- -I A7 _______B7 五、發明説明（13 ) 造，並且降低橋桿9 0之厚度，以降低控制通量之洩漏。在 另一種设*十中，如有需要，在橋桿9〇之内面亦可以設置凹 痕9 2。理應瞭解的是，在線圈被環繞於轉子周圍後，橋桿 可能因此被設立。 必需要瞭解的是，定子及轉子之方向對本發明之運轉而 言，並不是非常重要的（即轉子可以同心地設置在定子内） 。同時抽承的兩個元件都可以相互地相向或反向旋轉。同 時，對於永久磁鐵及片層之結與方向，除了以上討論者 外，亦可採用其他方式，只要$定子齒及轉子間存在—跨 過間隙之偏動通量。再者，如以下討論者，偏動通量可朝 外或朝内地跨過轉子/定子間隙，同時在本發明中，可採 用任何產生偏動通量之裝置。 (锖先閲讀背面之注意事項一=1寫本頁) -裝 訂 線 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 -16·