ラジアル電気力学軸受

著者らは特許

F16C32/04 - 磁気的または電気的な支持手段を用いるもの(磁気浮上装置H02N15/00)

の所有者の特許 JP2016528869:

ユニヴェルシテ カトリック ド ルヴァンUniversite Catholique de Louvain

 

本発明は、インダクタ軸を有し、p極対を有する前記インダクタ軸に対して径方向の磁界を生成するインダクタ(40)と、巻線(70)であって、巻線軸(35)を中心として配設されるループを有し、前記径方向磁界に磁気的に結合され、前記インダクタと前記巻線とが互いに対して回転している場合に前記巻線によって遮断される正味磁束変化量が、前記インダクタ軸と前記巻線軸とが一致する場合にゼロであるような方法で、閉回路内に接続される巻線と、前記インダクタと前記巻線との間の間隙(50)と、を備える、回転装置のシャフトを支持するラジアル軸受(11)を提供する。本発明によれば、前記電機子巻線は、pが1以上である場合にp−1又はp+1極対を備え、前記電機子巻線は、pが0に等しい場合に1つの磁極対を備える。
【選択図】図2

 

 

本発明は、p極対を有する磁界を生成するインダクタと、電機子軸を中心として配設されるループを有し、前記磁界に磁気的に結合され、前記インダクタと前記巻線とが互いに対して回転している場合に前記電機子巻線によって遮断される正味磁束変化量が、前記インダクタ軸と前記電機子軸とが一致する場合にゼロであるような方法で、閉回路内に接続される電機子巻線とを備える、回転装置のシャフトを磁気的に支持するラジアル軸受に関する。
電気力学軸受は、磁界と、導体において誘導され、これらの導体によって見られる磁界の変動から結果として生じる電流との間の相互作用から発生する力に基づいている。この変動は、磁界の時間変化から、又は、磁界の空間変動及び導体の運動によって結果として生じる。電流は、回転子がその平衡位置に無い場合にのみ誘導されるのが好ましく、回転子が平衡状態にある場合に導体に何の電流も流れないという事実は、この状態において何の損失も無いことを暗に示している。電気力学軸受は、室温において安定した受動磁気軸受を設計できる可能性を提供する。しかし、それらが生じる力は、回転子の回転速度に依存し、これは、回転子が回転しない場合には何の力も存在しないことを意味する。種々の電気力学軸受の設計は、以前から研究されている。
磁気軸受は、回転子を浮上させ、それを回転軸の中心に置くよう、磁石と相互に作用する導電ループを用いる米国特許第5302874号明細書から公知である。この文献は、受動磁気軸受の原理、複数の永久磁石が磁界を生成し、複数のループがこの磁界に対して移動することを説明している。設計は、ループが所定の円形路に沿って移動する場合に、何の電流もループ内に流れないようなものである。ループがそれらの所定の経路から逸脱する場合、電流は、ループを所定の円形路に向かって移動させる傾向がありながら、ループ内を流れている。この軸受において、ループを軸方向及び径方向に移動させる手段が設けられている。文献米国特許第5302874号明細書の図6及び7に示すように、ラジアル軸受に対して、ループ担持ディスク18上の径方向導電ループ22は、数及び角度分布において、固定子上の磁石38、40の磁極と対応している。
文献国際公開第03021121号パンフレットは、発電機/電動機用の受動磁気軸受を開示している。このラジアル軸受において、回転子は、多数の磁極対を備えるハルバッハ配列を備えており、この数は、図1の実施形態において6である。固定子は、回転子から発する電磁誘導の線上の波長の半分に間隔が空けられた軸方向断面を有する重ね巻きを備えている。図1及び2に示すように、回転子の磁極及び固定子巻線の磁極は、同じ角度周期性を有している。
本発明の目的は、向上した剛性を備えるラジアル軸受を提供することにある。
本発明は、独立クレームによって定義される。従属クレームは、有利な実施形態を定義している。
本発明の第1の態様によれば、回転装置のシャフトを支持するラジアル軸受であって、
a)インダクタ軸を有し、p極対を有する磁界を生成するインダクタと、
b)電機子巻線であって、電機子軸を中心として配設されるループを有し、前記磁界に磁気的に結合され、前記インダクタと前記電機子巻線とが互いに対して回転している場合に前記電機子巻線によって遮断される正味磁束変化量が、前記インダクタ軸と前記電機子軸とが一致する場合にゼロであるような方法で、閉回路内に接続される電機子巻線と、
c)前記インダクタと前記電機子巻線との間の間隙と、を備えるラジアル軸受を提供する。
本発明によれば、前記電機子巻線は、pが1以上である場合にp+1又はp−1極対を備え、前記電機子巻線は、pが0に等しい場合に1つの磁極対を備える。インダクタは、永久磁石及び/又は直流電流を担持する巻線を備えてもよい。複数の前記電機子巻線は、増加した再度中心に向かう力を有する巻線を形成するように、2つの連続する磁極間で繰り返されてもよい。
前記電機子巻線は、電機子軸を中心として均一に分布されるp+1又はp−1ループを備えるのが好ましい。
本発明の第1の実施形態において、前記磁界は、前記インダクタ軸に対して径方向である。
前記インダクタが、前記電機子巻線に対して内部である場合、前記電機子巻線は、従って、p+1極対を備えるのが好ましい。
前記インダクタが、前記電機子巻線に対して外部である場合、前記電機子巻線は、従って、p−1極対を備えるのが好ましい。
本発明の第2の実施形態において、前記磁界は、前記インダクタ軸に関して軸方向である。
本発明のインダクタは、軸を中心として回転するために成される回転子であってもよい。電機子巻線は、従って、固定子である。
代替として、本発明の前記電機子巻線は、軸を中心として回転するために成される回転子であってもよい。インダクタは、従って、固定子である。
本発明の電機子巻線は、重ね巻きであってもよい。
本発明の電機子巻線は、また、波巻であってもよい。
インダクタは、ハルバッハ配列を備えてもよい。
本発明のこれら及び更なる態様を、例として、以下の添付図面を参照して更に詳細に説明する。
図1は、本発明によるラジアル軸受の軸に垂直な平面に沿った断面略図であり、ここで、インダクタによって生成される磁界は、径方向にある。 図2は、本発明によるラジアル軸受の軸に垂直な平面に沿った断面略図であり、ここで、インダクタによって生成される磁界は、軸方向にある。 図3は、本発明によるラジアル軸受の固定子に対する回転子の運動を説明するために用いられる座標系の図である。 図4は、電機子巻線に取り付けられるフレームにおいて表される7極対の偏心インダクタによって生じる磁気ベクトルポテンシャルの成分を表す。 図5は、本発明による軸受に対して想定される巻線のレイアウトの、平面構成での、部分略図である。 図6は、本発明による軸受に対して想定される巻線のレイアウトの、平面構成での、部分略図である。 図7は、本発明による軸受に対して想定される巻線のレイアウトの、平面構成での、部分略図である。 図8は、本発明による軸受に対して想定される巻線のレイアウトの、平面構成での、部分略図である。 図9は、本発明による軸受に対して想定される巻線のレイアウトの、平面構成での、部分略図である。
図の描写は、正確な縮尺又は原寸に比例して描かれていない。概して、同一の構成要素は、図において同じ符号で表記される。
図1は、本発明の第1の実施形態によるラジアル軸受10の実施例の軸に垂直な平面に沿った断面略図である。その回転子20は、回転子機械軸30と、軸30を中心として配置される永久磁石であってもよいインダクタ40とを備えている。図示の実施例において、磁石は、従って、1つの磁極対を有する平行着磁環状永久磁石である。本説明において、インダクタの極対数は、「p」によって示され、値(0、1、2、3、4・・・)をとってもよい。永久磁石内側半径は、Rで示されており、その外側半径はRで示されている。固定子60は、その内側半径がRで示され、外側半径がRで示される電機子巻線70を備えている。強磁性ヨーク74は、内側半径Rから外側半径Rまで磁気回路を閉鎖している。エアギャップ50は、回転子20を固定子60から離間している。巻線は、回転子が中心に位置する場合に、何の電流もその内部に誘導されない、即ち、それらがヌルフラックス巻線であるような方法で接続される。図1において、インダクタ40は、巻線70の内部にある。しかし、以下に説明する原理から理解されるように、本発明はまた、インダクタが巻線の外部にある場合にも適用される。図1において、インダクタ40は回転するが、巻線70は静止している。本発明はまた、インダクタが静止し、巻線が回転する場合にも適用される。強磁性ヨーク74は、存在しなくてもよい。巻線はまた、強磁性歯の間に挿入されてもよい。インダクタ40は、ハルバッハ配列から、又は、永久磁石及び/又は直流電流を担持する巻線の他の配置から成っていてもよい。
図2は、本発明の第2の実施形態によるラジアル軸受11の軸に垂直な平面に沿った断面略図であり、ここで、インダクタによって生成される磁界は、軸方向にある。図示の実施例において、インダクタ40は、N極(磁化が図面において上方向に配向される)を有する3つの磁石と、S極(磁化が図面において下方向に配向される)を有する3つの磁石とを備えている。インダクタ40の磁極対pの数は、3に等しい。インダクタ磁極対は、2π/p=2π/3の角度で離間されている。電機子巻線70は、波巻であり、閉回路内で接続され、2π/(p+1)=2π/4の角度で離間される4つのループを形成する4つの前方向導体80と、4つの後方向導体90とを備えている。これらのループは4つの磁極対を形成し、丸で囲った×印は、それぞれ、これら磁極対の磁極を表している。インダクタ40の磁石は、静止し、固定子を形成してもよい一方で、電機子巻線70は、回転ディスク上に取り付けられ、回転子を形成してもよい。図1並びに図2において、インダクタ及び電機子巻線は、中心となるように、即ち、インダクタ軸30及び電機子巻線軸35が一致するように示されている。
次の段落全体を通して、様々な円筒座標及びフレームが、図3に示すように用いられる。1つのフレームは、インダクタ中心Oに取り付けられる。別のフレームは、電機子巻線中心Oに取り付けられる。インダクタ軸30及び電機子巻線軸35は、図面に対して垂直である。電機子巻線に取り付けられるフレーム内の点Pの円筒座標は(r,θ)であり、インダクタに取り付けられるフレーム内の点Pの円筒座標は(ξ,ψ)である。電機子に取り付けられるフレーム内のインダクタ中心Oの円筒座標は、(ε,φ)である。(ε,φ)は、電機子巻線に対するインダクタの偏心を表している。インダクタに取り付けられるフレームは、巻線に取り付けられるフレームに対して角度θで回転される。
本発明を説明するために、我々は、多数の磁極対p=1、2、3・・・を有するラジアル磁界を生じるインダクタによって生成される磁界を述べる。この磁界を、最初に、インダクタ中心Oに取り付けられるフレームにおいて説明する。
軸方向における端効果を無視し、インダクタによって生成される磁気ベクトルポテンシャルは、軸方向軸に沿って向けられるたった1つの成分しか持たず、以下のフーリエ級数展開として書き表すことができる:

ここで、ξ及びψは、図3に示すような、インダクタに取り付けられるフレーム内の点Pの座標である一方で、ε及びφはそれぞれ、巻線に対するインダクタの偏心の振幅及び方向である。定数K1,n、K2,n、K3,n、K4,n、K5,n、K6,nは、インダクタの幾何学的及び磁気特性によって決まる。インダクタの偏心の振幅εに比例するこの式の第2及び第3項は、強磁性ヨークが電機子巻線と関係がある場合にのみ存在し、偏心インダクタ上の強磁性ヨークの磁束案内効果に起因する。定数K1,nは、インダクタが内部にある場合にK2,nと比較してかなり大きいが、定数K2,nは、インダクタが外部にある場合にK1,nと比較してそれよりももっと大きい。巻線に取り付けられるフレーム内の電機子巻線に対するインダクタの偏心によって生成される磁気ベクトルポテンシャルは、変数の変化と共に得られる:
ここで、r及びθは、全体座標系における点Pの座標である。 磁気ベクトルポテンシャルAMzの式は、従って、電機子巻線内に最も高い誘導電流を生成し、従って、最も高い再度中心に向かう力を生成することができる、偏心によって生成される磁気ベクトルポテンシャルの最上位の成分を強調するために、中心位置の近傍における偏心振幅ε、即ち、ε=0の関数として、テイラー級数に展開することができる。この展開は、3つの項を生じさせる:

ここで、
第1項は、インダクタが中心にある場合に巻線によって見られる磁気ベクトルポテンシャルに相当する。以下で説明するように、この項は、ヌルフラックス電機子巻線において何の電流も誘導しない。従って、インダクタが適切に中心に置かれた場合に、損失が回避される。後の2つの項は、偏心に起因する磁界に相当する。これらの項は、電機子巻線において電流を誘導する。 より詳細に、概して優勢であるという事実によって正当化される、インダクタによって生成される磁界の基本成分の効果に注目すると、中心のずれによって生成される磁気ベクトルポテンシャルは、以下の式に縮小される:

従って、偏心によって生成される磁気ベクトルポテンシャルが、2π/(p+1)及び2π/(p−1)に等しい空間周期性を有することは興味深いことである。この磁気ベクトルポテンシャルに関する磁束密度は、従って、p+1及び/又はp−1に等しい極対数によって特徴付けられる。電機子巻線によるこの磁束密度を最良に遮断するため、及び、それによって、電気力学軸受の有用な効果を最大限に活用するため、従って、後者は、p+1及び/又はp−1にも等しい極対数を有していなければならないように思われる。かかる極対数により、電機子巻線は、中心に置かれた場合のインダクタによって生成される磁界に関する何れかの磁束も遮断せず、これは、pに等しい極対数によって特徴付けられる。これは、N回の巻き数から成る巻線によって遮断される磁束が以下の一般的関係によって与えられることを考えることによって理解できる:
ここで、Sは、巻線によって定義される表面である。この関係は、以下のように、磁気ベクトルポテンシャルの関数として書き直すことができる:
ここで、Γは、表面Sを取り囲む閉路である。 この場合において、磁気ベクトルポテンシャルは、完全に軸方向にあり、電機子巻線が窓枠型である場合、電機子巻線によって遮断される磁束は、以下の特定の形態をとる:

ここで、lは、巻線軸長であり、以下によって与えられるθは、
θ=θ|(i 1)π/q
i=1、3、・・・2q−1で前方向導体の位置、及び、i=2、4、・・・2qで後方向導体の位置に対応する。電機子巻線は、q極対を有する。
磁束の式は、従って、以下のように書き直すことができる:
電機子巻線の極対数であるqがp+1に等しければ、この式は以下のように縮小される:

この数式において、合計の第1項は、中心に置かれた場合のインダクタによって生成される磁界に関する磁束の成分に相当する一方で、第2及び第3項は、中心がずれた場合のインダクタによって生成される追加の磁界に関する磁束の成分に相当する。予想されるように、第1項の成分同士は、各成分に対して、i=1、・・・、qが、大きさは等しいが、符号が反対の成分i+qに相当するため、互いに相殺される。第2項の複数の成分は、振幅及び符号の両方において、全て同一であり、それらは単に、偏心εに直接連結される磁束を生成するよう加える。
第3項の複数の成分は、各成分に対して、i=1、・・・、qが、大きさが等しく、同じ符号の成分i+qに相当するため、結果として、i=1からi=qまでの合計の2倍となる。このi=1からi=qまでの合計は、同じ振幅の湾曲の合計に相当するが、互いに比べて、2×π/qの位相のずれを有しており、これは、合計が相殺することを意味している。
要するに、p+1の極対を有する電機子巻線は、中心がずれている一方で、ヌルフラックスコイルの特性を保持している場合のインダクタによって生成される磁界に関するp+1における磁束成分を最適に遮断する。
内部インダクタの場合のように、K>>Kであるため、C>>Cであり、周期(p+1)における第2項は、周期(p−1)における第3項よりも重要である。
導体が均等に分布しておらず、窓枠巻線のように完全に軸方向に無い場合でさえも、各導体に対して、θが、第1の導体から、pが奇数の場合に角距離πに位置し、pが偶数の場合にπ+π/pに位置する導体θq+iに相当するような周期を考慮する場合に、上記の推論は、第1項の相殺に関して真のままである。しかし、この場合、電機子巻線は、第2項の小数部だけでなく、第3項の一部も遮断する。 同様に、電機子巻線の極対数であるqがp−1に等しければ、磁束のための式は以下のように縮小される:

この数式において、合計の第1項は、中心に置かれた場合のインダクタによって生成される磁界に関する磁束の成分に相当する一方で、第2及び第3項は、偏心される場合のインダクタによって生成される追加の磁界に関する磁束の成分に相当する。再度、第1項の成分同士は、各成分に対して、i=1、・・・、qが、大きさは等しいが、符号が反対の成分i+qに相当するため、互いに相殺される。一般に、第2項の複数の成分は、各成分に対して、i=1、・・・、qが、大きさが等しく、同じ符号の成分i+qに相当するため、結果として、i=1からi=qまでの合計の2倍となる。このi=1からi=qまでの合計は、同じ振幅の湾曲の合計に相当するが、互いに比べて、2×π/qの位相のずれを有しており、これは、合計が相殺することを意味している。p=2及びq=1である特定の場合において、第2項の成分同士は相殺せず、中心に向く力に寄与する磁束を生成する。第3項の複数の成分は、振幅及び符号の両方において、全て同一であり、それらは単に、偏心εに直接連結される磁束を生成するよう加える。要するに、p−1の極対を有する電機子巻線は、中心がずれている一方で、ヌルフラックスコイルの特性を保持している場合のインダクタによって生成される磁界に関するp−1における磁束成分を最適に遮断する。外部インダクタの場合、K>>Kであるため、C>>Cであり、周期(p−1)における第3項は、周期(p+1)における第2項よりも重要である。
導体が均等に分布しておらず、窓枠巻線のように完全に軸方向に無い場合でさえも、各導体に対して、θが、第1の導体から、pが奇数の場合に角距離πに位置し、pが偶数の場合にπ+π/pに位置する導体θq+iに相当するような周期を考慮する場合に、上記の推論は、第1項の相殺に関して真のままである。しかし、この場合、電機子巻線は、第3項の小数部だけでなく、第2項の一部も遮断する。 上記の検討は、径方向にp極対を有するインダクタに適用され、pは1以上である。我々はここで、極対数p=0によって特徴付けられる径方向磁界を生成するインダクタ、及び、強磁性ヨークを持つか、又はそれを持たない窓枠巻線を備える電機子巻線の場合を考える。p=0インダクタは、軸を中心として複数の永久磁石を配置することによって得られてもよく、それぞれは径方向に着磁されている。この場合、軸方向における端効果を無視し、インダクタによって生成される磁気ベクトルポテンシャルは、以下の形態をとる:

以前の場合と同じアプローチを用いると、結果として、偏心によって生成される磁界の追加成分が、1に等しい極対数によって特徴付けられることが得られる。電機子巻線によるこの磁束密度を最良に遮断するため、及び、それによって、電気力学軸受の有用な効果を最大限に活用するため、従って、後者は、1にも等しい極対数を有していなければならないように思われる。これら全ての結果は、窓枠巻線のために得られたが、それらがp+1及び/又はp−1に等しい極対数によって特徴付けられることを条件として、それらは何れかの種類/形状の電機子巻線に対しても有効のままである。 上記の数式及び検討は、径方向にp極対を有するインダクタに適用される。しかし、対応する結果は、インダクタの磁界が、図2に関して検討したように、軸方向に向けられる場合に、得ることができる。従って、径方向インダクタに関して上記で得られた結論は、軸方向インダクタ、即ち、電機子巻線がp+1又はp−1極を有する軸受の向上した剛性に同様に適用される。
図4は、巻線に取り付けられるフレームにおいて表されるラジアル磁界を生成する7極対の偏心インダクタによって生じる磁気ベクトルポテンシャルの成分を表している。角度θは、電機子巻線中心を中心とする方位角である。ベクトルポテンシャルの主成分は、以下のように表され、以下を備える:
− 実線として表され、インダクタの極対数に対応する極対数「p」を有し、大きさ

を有する、第1の成分A。この大きさは、偏心の大きさεとは無関係である。
− 点線として表され、極対数「p+1」を有し、大きさ
を有する、第2の成分B。この大きさは、偏心の大きさεに比例する。
− 破線として表され、極対数「p−1」を有し、大きさ
を有する、第3の成分C。この大きさも、偏心の大きさεに比例する。
偏心の大きさεによるか、又はそれによらない、巻線でインダクタによって生成されるベクトルポテンシャルの他の成分は、桁が小さく、従って、電磁軸受を中央に置くことに対してそれ程重要ではない。成分
及び
の大きさは、軸受の構成の種類によって決まる。内部インダクタにとって、成分
は、成分
よりも大きい。外部インダクタにとって、成分
は、成分
よりも大きい。ベクトルポテンシャルのこれらの成分のそれぞれ及びそれらの特性は、磁界に対して対応する成分及び特性を有している。 図4はまた、3種類の巻線も略図的に表している。巻線は、巻線軸に平行な直線導体を有する「窓枠巻線」である。丸で囲った×印によって表される導体(前方向導体80)は、電流が2つのかかる導体内を反対方向に流れるような方法で、ループを形成するように、丸で囲った点で記した隣接する導体(後方向導体90)に接続される。3つの巻線の種類は以下の通りである:
− 第1の巻線Iであって、従来技術から公知であり、図の上側部分に示され、2つのコイルを備え、それぞれが、2つのループから形成され、直列に接続され、それぞれが、インダクタの周期と同一の周期、2π/p、又は、2つの連続する導体間の方位角距離がπ/pに等しい場合の周期を有する。2つのコイルは、πよりも小さい方位角範囲を有し、全く正反対の位置に位置する。
− 第2の巻線IIであって、図の底部に示され、直列に接続される8つのループを備え、それぞれが、2π/(p+1)に等しい周期、又は、2つの連続する導体間の方位角距離がπ/(p+1)に等しい場合の周期を有する。この第2の巻線は、(p+1)極対を有し、2πの方位角範囲を有する。
− 第3の巻線IIIであって、巻線IIの真上に示され、直列に接続される6つのループを備え、それぞれが、2π/(p−1)に等しい周期、又は、2つの連続する導体間の方位角距離がπ/(p−1)に等しい場合の周期を有する。この第3の巻線は、(p−1)極対を有し、2πの方位角範囲を有する。
ループを通る磁束に対する導体(前方向及び後方向)の共有がこの導体におけるベクトルポテンシャルの値に関連することがわかり、巻線I、II、及びIIIのそれぞれを通る磁束の最大の大きさは、以下の表において得られる:

以下の結論がこの表から得ることができる:
− 3つの巻線は、ベクトルポテンシャルの成分Aをフィルタにかける。3つの巻線全てが、「ヌルフラックス」巻線である。成分Aは、εがゼロの場合に存在する唯一の成分であり、インダクタ軸及び巻線軸が一致する場合、何の電流も巻線I、II、及びIIIに生じない。
この場合、何のエネルギーも失われない。
− 巻線IIは、ベクトルポテンシャルの成分Cを完全にフィルタにかける。成分Bに関連し、巻線IIを通過する磁束は、巻線Iを通過する成分Bの磁束よりも大きい。従って、巻線IIは、大きい起電力を有し、従って、成分Bが優位である場合、即ち、インダクタが内部インダクタである場合、巻線Iよりも大きい再度中心に向かう力を有する。
− 巻線IIIは、ベクトルポテンシャルの成分Bを完全にフィルタにかける。成分Cに関連し、巻線IIIを通過する磁束は、巻線Iを通過する成分Cの磁束よりも大きい。従って、巻線IIIは、大きい起電力を有し、従って、成分Cが優位である場合、即ち、インダクタが外部インダクタである場合、巻線Iよりも大きい再度中心に向かう力を有する。
巻線II及び巻線IIIは、それぞれ、p+1及びp−1極対を有するものとして表されるが、電機子軸を中心として均一に分布する2(p+1)又は2(p−1)導体により、誘導電流が丸で囲った×印及び点によって示される方向に流れるような方法で、方位角距離2π/(p+1)又は2π/(p−1)にある少なくとも一対のループが、閉回路に接続されることを条件として、全ての導体ではなく、2(p+1)又は2(p−1)導体が存在する場合に、中心に向かう力が活発になることは理解されるであろう。
図5に表すように、本発明の一実施形態による軸受のための巻線は、重ね巻きとして当該技術分野で周知のような種類のものであってもよい。前方向導体80は、ループ100を形成するように、図の上部において、後方向導体90に接続されている。ループ100内の丸で囲った×印は、電流が矢印によって示すように導体内を流れる場合に生じる磁界の方向を表している。この磁界は、巻線の磁極を形成する。磁界方向は、図面内に向かっている。左側ループの後方向導体は、図面には表していない方位角接続を介して、右側ループの前方向導体に接続される。連続するループは、完全な2πの円の巻線を形成し、p+1又はp−1極のどちらかと、その中間で反対方向の対応する磁極とを有する閉回路を形成するように接続される。
図6は、図4の複数の巻線が、増加した再度中心に向かう力を有する巻線を形成するように、2つの連続する磁極間でどの様に繰り返されるかを示している。加えて、再度中心に向かう力は、軸を中心としてより均一に分布される。
図7は、導体が、図4の導体のような直線である代わりに、曲率を持って湾曲している改良された巻線を示している。曲率は、比率ωL/Rを最適化するように決定されてもよく、ここで、ωは軸受の回転速度、Lは巻線のインダクタンス、Rはその抵抗である。曲率はまた、そのインピーダンスに対して、巻線によって遮断されるインダクタのため、磁束の率を高めるために最適化されてもよい。図7は、方位角接続が巻線の中央の面に位置する代替のループ間接続を示している。
図8に表すように、本発明の別の実施形態による軸受のための巻線は、波巻として当該技術分野で周知のような種類のものであってもよい。前方向導体80は、ループ100を形成するように、図の上部において、後方向導体90に接続されている。ループ100内の丸で囲った×印は、電流が矢印によって示すように導体内を流れる場合に生じる磁界の方向を表している。この磁界は、巻線の磁極を形成する。磁界方向は、図面内に向かっている。左側ループの後方向導体は、右側ループの前方向電流にすぐに接続される。連続するループは、示すように、完全な2πの円の巻線を形成し、p+1又はp−1極のどちらかと、その中間で反対方向の対応する磁極とを有する閉回路を形成するように接続される。
図9は、図8の複数の巻線が、増加した再度中心に向かう力を有する巻線を形成するように、2つの連続する磁極間でどの様に繰り返されるかを示している。
これらの巻線は、ワイヤによって構成されてもよく、又は代替として、フレキシブルプリント回路基板として構成されてもよい。
本発明のラジアル軸受によってもたらされる利点は、向上した剛性である。
本発明を、特定の実施形態に着目して説明してきたが、それは、本発明の例証であり、制限するものとして解釈すべきではない。より一般的には、本発明が、特に示し、及び/又は、上で説明してきたものによって制限されないことは、当該技術に精通する者によって正しく理解されるであろう。
特許請求の範囲における符号は、それらの保護範囲を制限するものではない。動詞「備える」、「含む」、「から成る」、又は、何れかの他の変形、並びにそれらのそれぞれの語形変化の使用は、説明したそれら以外の要素の存在を除外するものではない。要素の前の冠詞「a」、「an」、又は「the」の使用は、複数のかかる要素の存在を除外するものではない。
本発明はまた、以下のように説明されてもよい:本発明は、回転装置のシャフトを支持するラジアル軸受において、
a)インダクタ軸を有し、p極対を有する磁界を生成するインダクタと、b)電機子巻線であって、電機子軸を中心として配設されるループを有し、前記磁界に磁気的に結合され、前記インダクタと前記電機子巻線とが互いに対して回転している場合に前記電機子巻線によって遮断される正味磁束変化量が、前記インダクタ軸と前記電機子軸とが一致する場合にゼロであるような方法で、閉回路内に接続される電機子巻線と、c)前記インダクタと前記電機子巻線との間の間隙と、を備えるラジアル軸受を提供する。電機子巻線は、pが1以上である場合にp−1又はp+1極対を備え、pが0に等しい場合に1つの磁極対を備える。



  1. 回転装置のシャフトを支持するラジアル軸受(10、11)において、
    a)インダクタ軸(30)を有し、p極対を有する磁界を生成するインダクタ(40)と、
    b)電機子巻線(70)であって、電機子軸(35)を中心として配設されるループ(100)を有し、前記磁界に磁気的に結合され、前記インダクタ(40)と前記電機子巻線(70)とが互いに対して回転している場合に前記電機子巻線(70)によって遮断される正味磁束変化量が、前記インダクタ軸(30)と前記電機子軸(35)とが一致する場合にゼロであるような方法で、閉回路内に接続される電機子巻線と、
    c)前記インダクタ(40)と前記電機子巻線(70)との間の間隙(50)と、を備え、
    前記電機子巻線(70)は、pが1以上である場合にp−1又はp+1極対を備え、前記電機子巻線(70)は、pが0に等しい場合に1つの磁極対を備えることを特徴とするラジアル軸受。

  2. 請求項1に記載のラジアル軸受(10、11)において、前記電機子巻線(70)は、前記電機子軸(35)を中心として均一に分布されるp+1又はp−1ループ(100)を備えることを特徴とするラジアル軸受。

  3. 請求項1又は2に記載のラジアル軸受(10)において、前記磁界は、前記インダクタ軸(30)に対して径方向であることを特徴とするラジアル軸受。

  4. 請求項3に記載のラジアル軸受(10)において、前記インダクタ(40)は、前記電機子巻線(70)に対して内部であり、前記電機子巻線(70)は、p+1極対を備えることを特徴とするラジアル軸受。

  5. 請求項3に記載のラジアル軸受(10)において、前記インダクタ(40)は、前記電機子巻線(70)に対して外部であり、前記電機子巻線(70)は、p−1極対を備えることを特徴とするラジアル軸受。

  6. 請求項1又は2に記載のラジアル軸受(11)において、前記磁界は、前記インダクタ軸(30)に関して軸方向であることを特徴とするラジアル軸受。

  7. 請求項1乃至6の何れか1項に記載のラジアル軸受(10、11)において、前記インダクタ(40)は、軸を中心として回転するために成される回転子であることを特徴とするラジアル軸受。

  8. 請求項1乃至7の何れか1項に記載のラジアル軸受(10、11)において、前記電機子巻線(70)は、軸を中心として回転するために成される回転子であることを特徴とするラジアル軸受。

  9. 請求項1乃至8の何れか1項に記載のラジアル軸受(10、11)において、前記電機子巻線(70)は、重ね巻きであることを特徴とするラジアル軸受。

  10. 請求項1乃至9の何れか1項に記載のラジアル軸受(10、11)において、前記電機子巻線(70)は、波巻であることを特徴とするラジアル軸受。

  11. 請求項1乃至10の何れか1項に記載のラジアル軸受(10、11)において、前記インダクタ(40)は、ハルバッハ配列を備えることを特徴とするラジアル軸受。

 

 

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回転機械は、シャフト14と、ケーシング12と、ケーシング内部でシャフトを回転可能に支持するためにシャフトに接続された少なくとも1つの主磁気軸受16と、半径方向荷重だけおよび軸方向荷重だけをそれぞれ支持するためにシャフトとケーシングの間に配設された少なくとも1つの補助半径方向転がり軸受18および少なくとも1つの補助軸方向転がり軸受22を備える。
【選択図】図1
磁気駆動装置は、原動機であって、前記原動機の第1の表面上に第1の磁石配列を有する原動機と、ロータであって、前記ロータの外面上に第2の磁石配列を有するロータとを有している。前記ロータの前記外面は、前記原動機の動きが回転軸の周りに前記ロータの回転を生じるように前記原動機の前記第1の表面に隣接して配置されている。支持部材は、前記ロータの前記回転軸を規定するためのシャフトと、第3の磁石配列とを有しており、前記第3の磁石配列は、前記ロータの回転軸に沿って作用する前記ロータ上の力に抵抗するための磁気軸受を形成するための、前記ロータ上の第4の磁石配列と協働する。
ロータシャフト(12)を含む回転機械のための磁気軸受アセンブリであって、固定支持要素に固定されているステータ磁気回路を備え、強磁性材料の少なくとも1つの本体および少なくとも1つのコイルを備え、強磁性本体および1つのコイルの両方が、保護環状筐体の中に嵌合され、前記強磁性本体(22)の回転面および前記1つのコイルの回転面を覆われない状態に保ち、磁気軸受アセンブリが、ロータシャフト(12)に固定され、かつ径方向部分(16b)によってステータ磁気回路に向かって径方向へ延在する環状スラストカラー(16)を備え、前記径方向部分(16b)が、前記強磁性本体および前記1つのコイルの覆われない面に面する。環状スラストカラー(16)が、少なくとも1つの流路(30)を備える。
【選択図】図2
回転機械のための磁気軸受アセンブリであって、ロータ回路(17)と固定支持要素(26)に固定されるステータ磁気回路(18)とを有し、ステータ磁気回路が少なくとも1つの強磁性材料体(22)と少なくとも1つのコイル(20)とを有し、これらはいずれも、前記強磁性体(22)の回転面(22a)と前記1つのコイル(20)の回転面(20a)とが露出されたまま、ロータ回路(17)の回転面(16d,16e)と対向して保護環状ハウジング(24)内に取り付けられる、磁気軸受アセンブリ。軸受アセンブリ(10)は、能動型磁気軸受(10)を冷却するための流体の流れを発生させるためにロータ回路(17)上に固定される少なくとも1つのブレード列(30,32)を備える。
【選択図】図1
回転機械は、軸(14)と、ケーシング(12)と、軸に接続されて、ケーシング内で前記軸を回転可能に支持する少なくとも1つの主磁気軸受と、軸とケーシングとの間に配置されて、軸方向および半径方向の荷重を支持する少なくとも1つの第1および1つの第2の補助転がり軸受(20、22)と、軸に配置されて、軸方向荷重を、転がり軸受の内輪に伝える第1および第2の軸方向当接手段(44、54)とを備える。回転機械は、前記転がり軸受の内輪(20a、22a)の向かい合う面の間に軸方向に配置され、前記内輪間で軸方向の荷重を伝えるためのスペーサ(28)と、ケーシングに配置され、外輪(20b、22b)の向かい合う面の間に軸方向に位置する、前記外輪のうちの少なくとも1つとケーシングとの間で軸方向荷重を伝えるための少なくとも第1の軸方向保持手段(58)とをさらに備える。
【選択図】図1
計時器用サブアセンブリー(10)は、同じピボット軸(D)のまわりを回転する反対側の環状の第1の周部面(31)及び第2の周部面(32)を有する計時器用可動要素(2)と、及び計時器機構の理論軸(D0)のまわりの回転をガイドするデバイス(1)とを有する。第1の周部面(31)は、磁気的又は電気的にチャージされており、デバイス(1)は、理論軸(D0)のまわりに規則的に配置されている少なくとも3つの第1の面(11)を有し、第1の面(11)は、第1の周部面(31)とは反対の形態に磁気的又は電気的にチャージされていて、これによって、第1の面間空間(41)において第1の周部面(31)に斥力がはたらく。腕時計用途の変種において、第2の周部面(32)は、磁気的又は電気的にチャージされており、デバイス(1)は、理論軸(D0)のまわりで規則的に配置されている少なくとも3つの面(12)を有する。これらは、第2の周部面(32)と反対の形態に電気的にチャージされており、これによって、第2の面間空間(42)において第2の周部面(32)に斥力がはたらく。
【選択図】 図1
本発明は、回転子4を有する回転機械用の、ジャケット付き磁気軸受1に関する。ジャケット付き磁気軸受1は、固定支持装置2に固定された、固定子磁気回路5を備え、固定子磁気回路5は、金属製の保護筐体内に置かれる、少なくとも1つのコイル6と、強磁性体7とを備える。前記保護筐体は、環状支持部8と、環状のジャケット13とを備え、環状支持部8および環状のジャケット13は溶接される。環状のジャケット13は、磁性材料を含み、保護層17によって被覆される。
【選択図】図1
本発明は、ロータ4を有する回転機用の磁気軸受1に関するものである。磁気軸受1は、固定支持装置9に固定されたステータ磁気回路5を備え、このステータ磁気回路5は、少なくとも1つのコイル6および保護環状支持体8に配置された強磁性体7を備え、保護環状支持体8は、強磁性体7の表面と少なくとも1つのコイル6の表面を覆われていない状態にしている。また、軸受1は、保護環状支持体8によって覆われていない状態の少なくとも1つのコイル6の表面に配置された少なくとも1つの環状プラグ13を備え、この環状プラグ13および保護環状支持体8によって覆われていない状態の強磁性体7の表面は、保護層17によってコーティングされている。
【選択図】図1
【課題】位置センサ無しで最小限の電力増幅器により非接触式に保持可能な磁気軸受の提供。
【解決手段】第一の端子11と第二の端子12の間に電圧信号Uの印加可能であり、第一、第二の磁化モジュール100、200及び磁気式バイアス磁化モジュール300を備え、第一の磁化モジュールは、第一のコイル端111が第一の端子11に接続され、第二のコイル端112が第二の端子12と接続された第一のコイル110を有し、電圧信号Uを印加した場合に、第一のコイルを流れる第一の電流iが第一の磁界を誘導し、第二の磁化モジュールは、第一のコイル端211が第一の端子11と接続され、第二のコイル端212が第二の端子12に接続された第二のコイル210を有し、電圧信号Uを印加した場合に、第二のコイルを流れる第二の電流iが第二の磁界を誘導する。この電圧信号Uの制御によって本体部分105を磁力の釣合いにより非接触状態に保持する。
【選択図】図1
回転式血液ポンプ // JP2016121692
【課題】血液のようなデリケートな動作流体を操作し得る、液圧的に効率よくかつ動力の効率のよいポンプを提供すること。
【解決手段】血液ポンプであって、入口ポートおよび出口ポートを有するポンプチャンバーを規定する、ポンプハウジング;該ポンプハウジング内に配置されたローター;ならびに該ポンプチャンバー内に配置され、該ローターを少なくとも部分的に支持する、軸方向磁気軸受、を備え、該軸方向磁気軸受は、第一の磁石を備え、該第一の磁石は、該第一の磁石の質量中心が該軸方向磁気軸受の軸からずれるような形状にされており、該第一の磁石は、特定の半径方向に磁力を発生させる、血液ポンプ。
【選択図】なし
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