(57)【要約】      （修正有）【課題】最小の動力を消費し、機械の運転効率を増加し、軸受の寸法を最小にし、運転寿命を伸ばするために、機械スラスト軸受上の荷重を減少する制御された電磁力を有すること。【解決手段】軸受システムの磁気スラスト補償装置は、平行な第１のステータ延長部７２、７４と、該第１のステータ延長部７２、７４の間で前記軸に設けられた第１のローターディスク６８と、磁気材料ステータ延長部５８とを備え、第１のローターディスク６８と第１のステータ延長部７２、７４との間の最大距離がスプリングの最大ゆがみ距離よりも小さく、第１のステータ延長部７２、７４の一方にそれぞれ設けられた第１及び第２電磁石７８、７９と、第１及び第２電磁石７８、７９に流れる電流を制御する制御装置３０と、磁気材料ステータ延長部５８は、機械スラスト軸受の最大過渡荷重定格を越えないことを補償するに十分な大きさの一定のバイアス力を生じる永久磁石６０とを備える。【選択図】図３
2010048420.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械スラスト軸受と、該機械スラスト軸受のための磁気スラスト補償装置とを備える軸受システムであって、
（ａ）前記機械スラスト軸受は、
ロータ軸（１２）と、該ロータ軸を支持する機械軸受とを備え、
前記機械軸受はステータのフレーム（２４）に機械的に結合した外レース（２２）を有し、前記外レースは該外レースに結合されたコンプライアンス性の装着スプリングにより支持され、
前記装着スプリングは、第１及び第２機械止具（５６）と前記外レースとの間で、それぞれ前記フレーム（２４）に結合した第１及び第２スプリング（２６）を備え、
前記第１及び第２スプリングは、互いに前記外レースの反対側に取り付けられ、
前記第１及び第２スプリング（２６）のそれぞれは、前記機械スラスト軸受が所定の荷重において前記第１及び第２の止具（５６）のほぼ中間に位置するよう軸方向のばね定数が選ばれており、
（ｂ）前記磁気スラスト補償装置は、
少なくとも２個の平行な第１のステータ延長部（７２、７４）と、該第１のステータ延長部（７２、７４）の間で前記軸に設けられた第１のローターディスク（６８）と、磁気材料ステータ延長部（５８）とを備え、
前記第１のローターディスク（６８）と該第１のステータ延長部（７２、７４）の一方との間の最大距離が前記スプリングの最大ゆがみ距離よりも小さく、
前記磁気スラスト補償装置は、
前記少なくとも２個の第１のステータ延長部（７２、７４）の一方にそれぞれ設けられ且つ前記第１のローターディスク（６８）に面する第１及び第２電磁石（７８、７９）と、
前記第１及び第２電磁石（７８、７９）に流れる電流を制御する制御装置（３０）と、
前記磁気材料ステータ延長部（５８）は、機械スラスト軸受の最大過渡荷重定格を越えないことを補償するに十分な大きさの一定のバイアス力を生じる永久磁石（６０）と
を更に備えることを特徴とする、軸受システム。
【請求項２】
更に、第２のステータ延長部（７６）と、
前記少なくとも２個の第１のステータ延長部（７２、７４）の１個と前記第２のステータ延長部（７６）との間に配置された第２のローターディスク（７０）と、
前記第２のローターディスク（７０）に面している第３及び第４の電磁石（８０、８２）を含み、前記制御器（３０、２３０、３３０）が前記第３及び第４の電磁石に流れる電流を制御する手段と、を含む請求項１記載の軸受システム。
【請求項３】
各電磁石が二重環状巻線を含む請求項１又は２に記載の軸受システム。
【請求項４】
前記制御器が前記第１のローターディスクのひとつと前記第１のステータ延長部の間の空隙の距離を推定する手段を含む請求項１乃至請求項３のいずれか一項記載の軸受システム。
【請求項５】
前記永久磁石の材料を覆うテーパー付き磁気キャップ（６４）と、
前記磁気材料ステータ延長部（５８）内の前記永久磁石を支持する非磁性ウェッジ形リング（６１）と
を更に含む、請求項1乃至４のいずれか１項に記載の軸受システム。
【請求項６】
前記制御器（３０）は、前記第１及び第２の電磁石（２０）の電圧及び電流を用い電磁力を計算することにより、前記機械スラスト軸受の前記永久磁石の強さを測定するよう構成されている請求項１乃至５のいずれか１項に記載の軸受システム。
【請求項７】
前記永久磁石の周りの励磁巻線（１１４）を更に含み、該励磁巻線が前記永久磁石を磁化及び減磁できる、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の軸受システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気スラスト補償装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高馬力ターボ機械は軸方向スラスト軸受に対してかなりの荷重要件を生じることがある。ファンなし定置航空転用エンジン及び圧縮機抽出ガスを普通用いてスラスト・ピストンを押付け、従って機械的回転体スラスト軸受を無負荷とするようなガス・タービン・エンジンにおいて、これらの荷重要件は特に厳しくなる。圧縮機抽出ガスを用いる方法は、能動的に制御できない漏洩に大きな変化を受けやすく、運転効率をかなり減少する。ガス・タービン・エンジンは、定常状態運転時に発生される大きな最大後方向推力と停止時に発生される比較的小さな前方向過渡推力の二方向のスラストを発生する。ガス・タービンによって発生される最大後方向推力は機械スラスト軸受の過渡荷重能力を超える可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−２８８４１０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
最小の動力を消費し、従って、機械の運転効率を増加しながら、軸受の寸法を最小にし、且つ、その運転寿命を伸ばするために、機械スラスト軸受上の荷重を減少するための制御された電磁力を有することが望まれる。本願発明は、例えば、ガス・タービン、スチーム・タービン、及び水力発電機は勿論、特に、定置航空転用エンジンに有用である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明に於いて、磁気スラスト補償装置が複数の並列磁気ステータ延長部、複数の磁気軸受ローターディスクを支持する軸、及び複数の電磁石を含む軸方向磁気軸受を用いて製造される。複数の電磁石はそれぞれ複数のステータ延長部のそれぞれの一つの上に配置され、且つ、複数のローターディスクの内の一つに面する。制御器が所望の力を生じるために電磁石に流れる電流を制御する。所望ならば、バイアス磁石を含む追加のステータ延長部をローターディスクのそれぞれの一つの上に配置することができる。
一実施例において、必要な電磁力を予測するために温度のような空気流変数のモデルを用いることができる場合に、開ループ解析が用いられる。別な実施例では、並列に動作する二方向磁気スラスト軸受及び機械軸受用の装着したコンプライアンス性スプリングを用いて、従来の機械スラスト軸受上の軸方向荷重を磁気的に制御し、且つ、制限するために、閉ループ解析が用いられる。この実施例は、機械スラスト軸受用の磁気代替物を作る必要が生じるようなかなりのエンジン再設計をするより、かなり便利である。二方向軸方向磁気軸受の一電磁石のインダクタンス特性（又は、空隙長に対する渦電流検出器のような他の位置検出手段）が、機械軸受力を推測するの用いることができ、一方、別の電磁石が必要な電磁力を発生して機械軸受上の所望のスラスト荷重を維持することができる。磁気軸受の物理的構造は、過荷重或いは構成部材の故障の際に、機械を安全に停止するための一体の補助的或いは支援機械軸受を含むことができる。磁気スラスト補償装置は故障許容に作ることができ、そのため、１個以上の構成部材の故障があっても連続して作用する。
開或いは閉ループ実施例の何れにおいても、バイアス磁石は一方向永久磁石或いは一方向電磁石バイアス磁石のいずれかを含むことができる。一方向永久磁石は、制御故障の際に機械軸受上の過渡荷重定格を越えないことを確実にするために十分な単一方向力を供給する。従って、スラスト補償装置は、過剰な定常状態軸受力を生じることなく、すべりを防止するために機械スラスト軸受上に一定の適度な単一方向力を維持する。所望ならば、励磁巻線が永久磁石を磁化或いは減磁の何れかができるようにして、永久磁石を作ることができる。一方向電磁石バイアス磁石は永久磁石よりも僅かであるが信頼性が低いかもしれないが、電磁石バイアス磁石は価格はより低く、且つ、磁気軸受装置の製造及びメインテナンスがかなり簡単になる。本願発明の新規と考える特徴を開示するが、特に特許請求の範囲に記載する。しかし、発明自体は構成及び運転方法ともに、更なる目的及び利点とともに、同一符号は同一構成部材を表した図面に関する以下の記載から良く分かるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本願発明の磁気スラスト補償装置の実施例の側面図である。
【図２】本願発明の磁気スラスト補償装置の他の実施例の側面図である。
【図３】図２と同様な磁気スラスト補償装置の実施例の側面図であるが、更に永久磁石を付加したものである。
【図４】図４ａ−図４ｅは、各種の荷重条件での磁気スラスト補償装置の側面図である。
【図５】図３と同様な磁気スラスト補償装置の実施例の側面図であるが、更に永久磁石の周りに励磁巻線を付加したものである。
【図６】最大前方向スラスト荷重条件での磁気スラスト補償装置の側面図である。
【図７】図２と同様な磁気スラスト補償装置の実施例の側面図であるが、更に電磁石バイアス磁石を付加したものである。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
図１は、機械軸１２に（図２に示す機械スラスト軸受１０に近接して）装着された本願発明の磁気スラスト補償装置の一実施例の側面図を示し、該装置は軸方向磁気軸受ローターディスク１，２，及び３、ステータ・フレーム２４からの軸方向磁気軸受ステータ延長部４，５及び６、並びに軸方向磁気軸受二重環状電磁石巻線７，８，及び９を含む。
ローターディスクは（アメリカ鉄鋼協会（ＡＩＳＩ）４３４０のような）高強度非積層磁性材料から作り、エンジン軸１２に取付けられる非磁性スリーブ（図示せず）に溶接することができる。二重環状電磁石巻線はそれぞれステータ環状Ｅ形鉄心電磁石構造に埋め込むことができ、該構造は例えばシリコン−鉄のような材料からなる。
３個の軸方向磁気軸受はそれぞれそれ自体のステータ延長部及びローターディスクを有しているので、その１個の故障は他の２個の軸方向磁気軸受に影響しない。従って、３個の利用できる個々の軸受作用で、このスラスト軸受は軸力制御を維持することができる。ローターディスクの１個を他の２個のローターディスクと反対方向に引付けるために別のステータ延長部１１を形成することができる。ステータ延長部１１は例えば３個の比較的小さい埋め込んだ電磁石巻線１３で作ることができ、これらの巻線をそれぞれＩＮＣＯＮＥＬTM（７５％ニッケル、１５％クロム、及び９％鉄を含む合金に対するインコ アロイ インターナショナル（Ｉｎｃｏ Ａｌｌｏｙｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）の商標）を含む非磁性磁束障壁１１ａで隔離させることができ、隣接巻線間の磁気結合を最小にするように働き、従って、故障した電磁石の近傍で力を発生する無故障の電磁石に機能し続けさせことができる。
個々の軸受は３個の制御軸にグループ分けされ、各軸がそれぞれコンピュータを基礎にした制御器１９，１７，又は１５によって制御される。各制御器は電力エレクトロニクス・スイッチング装置及びそれぞれのデジタル信号プロセッサ２５，２３，又は２１を用いて所望の力を発生するために巻線の電流をそれぞれ制御する。
帰還ループ（閉ループ制御）が望まれるならば、各制御器はそれぞれ接近探触子（図示せず）を備えて、各ステータ延長部に対するローターディスクの相対的な変移（即ち、空隙長）を測定することができる。代わりに、力を発生するために制御器毎に２個の巻線を相互に排他的に励磁するので、空隙長を検知するために、各制御器は高周波探索パルスを不使用の巻線に印加することができる。
別な制御器の構成では、制御器は作動部と監視部（図示せず）とに分割される。監視デジタル信号プロセッサは二重の冗長構成にして、制御器のいずれもが電力エレクトロニクス・スイッチングを指令することが出来る。図２は機械スラスト軸受１０に対する本願発明の磁気補償装置の側面図である。機械スラスト軸受は、軸方向磁気軸受ローターディスク１６、軸方向磁気軸受ステータ延長部１８、及び軸方向磁気軸受環状巻線２０を含む軸方向磁気軸受１４に近接して機械軸１２に装着される。軸方向磁気軸受２１４及び３１４（軸方向磁気軸受ローターディスク２１６及び３１６、軸方向磁気軸受ステータ延長部２１８及び３１８、並びに、軸方向磁気軸受環状巻線２２０及び３２０を含む）は下記のように故障許容の用途に対する任意選択の軸受である。
閉ループの実施例では、機械スラスト軸受１０の外レース２２は制御されたコンプライアンスを有する二方向スプリング２６によってステータフレーム２４に取付けられる。従って、機械スラスト軸受にかかる軸方向力荷重と磁気軸受ステータ延長部及びローターディスク間の相対的軸方向位置との間には直接的な関係が存在する。
軸方向磁気軸受ローターディスク１６は２個の軸方向磁気軸受環状巻線２０（以下、ステータ電磁石２０という）のいずれかに磁気的に吸引される受動ローターディスクを含む。２個のステータ電磁石の一方はスラスト補償制御装置３０の制御エレクロニクス２８によって制御される電力エレクロニクス２７によって励磁されて、ステータ電流の大きさは吸引力の大きさが発生するように制御され、所望の軸力の符号にしたがってローターディスクを吸引する。非励磁ステータ電磁石が高周波探査用に利用できる。探査パルスは非励磁ステータ電磁石に印加されて、ローターディスクとステータ延長部間の空隙３１の長さの関数であるステータ電磁石インダクタンスを測定することができる。電力が電源３３によって電力変換器３０ａに供給される。電源３３はバッテリ３５及びバッテリ充電器３７を含むことができる。所望ならば、渦電流検出器を用いる従来の空隙算定法を探査パルスの代わりに用いることができる。
上述したように、開ループの実施例では、必要な磁束の予測に空気流モデルを用いることができる。機械スラスト軸受は軸方向ローターディスクの大きな動きを防ぐように装着することができる。この実施例では、スラスト補償装置が機械軸受上の力を実際に調節或いは制御することができないであろう。スラスト補償装置は特定の力を生じるためにエンジン制御装置によって指令され、エンジン・スラスト・モデル・アルゴリズムに基づいてレベルはエンジン制御装置によって計算される。磁気スラスト補償装置は所要の軸方向力の大部分を生じ、それにより、機械スラスト軸受力を安全なレベルに制限する。開ループスラスト補償装置は前方向に供給されるエンジン・スラストモデル及び磁力モデルによって制限を受け、一定の一方向機械力は保証されない。
磁気補償装置の故障の場合、公称空隙長３１を最大スプリング変移未満に保つことによって図２の磁気軸受ローターディスク１６及びステータ延長部１８の表面は機械的緩衝軸受としても作用して、機械軸受の過荷重を防止することができる。過渡的な物理的接触が容易になるように、軸受ステータ延長部／ローターディスク表面は摩耗面の適切な選択により或いは潤滑剤で含浸することにより自己潤滑にすることができる。代わりに、ステータ延長部及びローターディスク表面は、噴霧給油装置のようなより普通の方法で潤滑することができる。
故障許容の磁気スラスト補償装置は、図２に示すように、冗長な電磁石２０，２２０，３２０、補償制御装置３０、２３０，３３０、電力エレクトロニクス２７，２２７，及び３２７、制御エレクトロニクス２８，２２８，及び３２８、並びに、電力変換器３０ａ，２３０ａ，及び３３０ａを含む３個の同一の並列に作動する電磁石構造を含めてつくることができる。一実施例では、３個の電磁石構造はそれぞれ所要の軸方向力の５０％を発生することが出来、従って、装置は有効に機能する為には３個の利用できる電磁石構造の内２個だけを必要とする。
図３は、図２のものと同様な磁気スラスト補償装置の側面図であるが、環状永久磁石６０として示すバイアス磁石を付加えている。軸方向磁気軸受の制御可能な電磁石７８，７９，８０，及び，８２は前方向或いは後方向の何れにも正味の力を発生するが、一方、軸方向磁気軸受の永久磁石は不変の前方向バイアス力を発生する。エレクトロニクス電源９０は、補償制御装置３０の制御エレクトロニクス８８及び電力エレクトロニクス８６に電力を供給する。
軸方向ディスクたわみは機械止具５６によって拘束される。機械軸受の所望の荷重が機械止具間の中間で達成されるように、コンプライアンス・スプリング２６の軸方向ばね定数は選ばれる。軸８４上のローターディスク６６は機械の所要運転温度範囲に適した（サマリウムコバルトのような）永久磁石材料６０の環状リングによって吸引される。永久磁石材料は磁気環状ステータ延長部５８内に配置され、テーパー付き磁気キャップ６４で覆われ、この磁気キャップは磁束を空隙に集中して吸引力を最大にする。環状ステータ延長部はシリコン−鉄或いはコバルト−鉄のような非積層磁気材料を含む。
永久磁石材料は非磁性ウェッジ形リング６１によってカプセル封じされて、磁石組立て後、脆い永久磁石材料を保持する。永久磁石は軸上前方向への力を発生する大きさにされ、この力は、図２に関して先に述たように動作する並列動作の電磁石７８，７９，８０，及び，８２が働かない場合、機械スラスト軸受の最大過渡荷重定格を越えないことを補償するに十分な大きさである。
２個のローターディスク６８及び７０を電磁石と共に示しているが、ディスクの数は、最大の力及び所望の故障許容の程度による。ある種の用途では１個のローターディスクで十分かもしれないが、好ましくは、少なくとも２個のローターディスク６８及び７０を用いる。２個のそのようなローターディスクを用いた場合、少なくとも４個のステータ延長部５８，７２，７４，及び，７６が存在する。所望ならば、ステータ・セグメント７４で示すように、１個のステータ・セグメントがそのステータ・セグメントの両側に配置された２個のローターディスクに対する電磁石を支持することが出来る。
図３に示す実施例では、例示の目的で電磁石７８，７９，８０，及び，８２のそれぞれは二重環状巻線である。図２に示すように、単一環状巻線も用いることが出来る。同様に、図１及び３の二重環状巻線を図２の実施例にも用いることが出来る。図４ａ乃至ｅは各種の荷重条件での磁気スラスト補正装置の側面図である。図４ａ乃至ｅの説明は図３、５、及び、７のそれぞれの動作に大体当てはまる。従って、図３に永久磁石が示されているようには永久磁石を明白に示すことなく、バイアス磁石延長部５９を用いている。
図４ａは基準即ち停留位置に在る初期パワーアップ時の補償装置を例示している。永久磁石の強さは機械ディスク・スプリングを前方の止具５６に押付け、全磁力はＢの方向で、これは機械軸受上Ａの方向の力と反対である。永久磁石は装置を既知の固定位置に押進めるので、制御エレクトロニクスは４個の利用できるすべての電磁石７８，７９，８０，及び，８２からの空隙計算の精度を確かめることが出来る。
図４ｂはエンジン始動位置での補償装置を図示しているが、ここで、２個の電磁石軸方向軸受は矢印Ｅ及びＦに示す方向の力を生じるが、これらは、それぞれ機械軸受及び永久磁石に近接したローターディスク６６上の力Ｃ及びＤの力と方向が反対である。従って、機械スラスト軸受は後方向にゆがむ。制御エレクトロニクス（図３の制御エレクトロニクス８８に示すような）は、磁石の端子電圧及び電流からステータ延長部及びローターディスク間の力と空隙長の両方を計算する被制御軸方向軸受の電磁石モデルを用いて、コンプライアント性ディスク構造のスチフネス及び永久磁石の強さを測定し且つ確証することが出来る。磁気スラスト補償が遂行されると、エンジン・スラスト条件にかかわらずその位置に機械スラスト軸受を維持しようとし、それにより、所望の適度な軸受荷重が達成される。
図４ｃは、矢印Ｋで示す最大後方向エンジン・スラストで補償装置が動作しているのを示している。所望のスラスト軸受軸方向位置を保つために、制御器は、機械軸受及びローターディスク６６上の力Ｇ及びＨと同じ方向の矢印Ｉ及びＪで示す方向に２個の電磁石軸方向軸受のそれぞれに前方向の力を生じる。定常状態期間中、機械スラスト軸受の所望の軸方向位置を摂動することにより、制御器は推測した軸方向位置のフィードバックの正確度及びコンプライアント性ディスク構造の連続した動作を絶えず点検する。周期的な摂動は、制御器に装着スプリングの実効スチフネスを計算させ、従って、補償装置の動作を絶えず自己点検する。
図４ｄは矢印Ｍで示す最大前方向エンジン・スラストで補償装置が動作しているのを示していて、矢印Ｌ及びＮでそれぞれ示される機械スラスト軸受及びローターディスク６６上の前方向力とは反対の方向の、矢印Ｏ及びＰで表される後方向の力を被制御軸方向軸受のそれぞれが過渡的に生じることを要求される。図４ｅは、機械スラスト軸受の力（矢印Ｑで表される）と反対の方向に、エンジンが矢印Ｓで表される最大後方向スラストを発生していて、被制御電磁石が完全に故障した場合の補償装置を示している。機械スラスト軸受の軸方向歪みは最大歪みで後方の止具５６によって制限され、矢印Ｒで表される力をコンプライアント性ディスク構造に生じる。
図５は、図３に示すものと同様の磁気スラスト補償装置の実施例の側面図であり、永久磁石を磁化及び減磁出来る巻線１１４を有する永久磁石１１２を用いている。永久磁石材料１１２は動作温度範囲に適した材料からなる。一実施例では、アルミニウム−ニッケル−コバルト永久磁石材料が２００℃以下の温度範囲に用いられる。永久磁石材料は磁気ステータ延長部内に配置され、テーパー付き磁気キャップ１１６で覆われ、この磁気キャップは磁束を空隙に集中して吸引力を最大にする。ステータ延長部５８はシリコン−鉄或いはコバルト−鉄のような非積層磁気材料を含む。
図５に示す永久磁石は、図３に示すものとは、環状リングの永久磁石材料が励磁巻線１１４によって囲まれている点で異なっていて、励磁巻線は永久磁石材料を磁化或いは減磁するのに十分なアンペア回数を生じる。永久磁石材料を完全に減磁するために、振幅が減少していく制御された交流電流が励磁巻線中に生じなければならず、これはその材料を減磁するのに要するＢ−Ｈ磁化曲線経路を作る。
図５に示す補正制御装置は、電力エレクトロニクス８６、制御エレクトロニクス８８、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）９６、及びＤＣ／ＤＣ電力変換器９８を有する図２及び３に関して述べたものと同様のものであるが、更に、永久磁石１１２及び励磁巻線１１４に対する電力エレクトロニクス８７に指令を与える磁化／減磁制御ブロック１１０を付加している。
図４ａ及びｅの見方及び説明は励磁巻線を有する永久磁石と同様である。図６は、エンジンが矢印Ｕで示す最大前方向スラストを発生していて、被制御電磁石が完全に故障した際の、図５の補償装置示す。前方向スラストは、緊急停止のように燃料を急速に止めたとき、エンジンによって生じる。そのような状態で、機械スラスト軸受の過渡的な過荷重を防ぐために、エンジン制御装置は、永久磁石が非能動状態へ転ずるようにして、電流（そして、矢印Ｔ及びＶの方向の力）が減衰するようにする。エンジン制御装置は、一定幅電圧パルスでトリガーすることにより、永久磁石の部分的な減磁をＢ−Ｈ磁化曲線経路に沿って生じさせて、不可逆磁化損及び永久磁石の磁力能力の減少をもたらすことが出来る。
図７は、図２のものと同様な磁気スラスト補償装置の実施例の側面図で、バイアス環状電磁石巻線９２（以下、電磁石バイアス磁石という）を付加したものである。従って、スラスト補償装置は、一定の前方向バイアス力を生じる電磁石バイアス磁石と、軸方向軸受の制御可能な電磁石７８，７９，８０，及び８２が前方向及び後方向の何れかに正味の力を生じることが出来る。永久磁石に関して上述したように、好ましくは少なくとも２個のローター６８及び７０が制御可能な電磁石７８，７９，８０，及び８２の両側で制御されるが、或用途では１個のそのようなローターで十分である。
並列に動作している被制御電磁石が作用しない場合に、電磁石バイアス磁石は、機械軸受スラスト１０の最大過渡荷重定格を超さないことを保証するのに十分な一定の確実な前方向力が軸８４上に発生する大きさにされる。電磁石バイアス磁石は、単一の非制御電磁石とすることが出来、これは、独立のバッテリ装置（図示せず）のような安定定電圧源から、或いは、被制御環状電磁石巻線にも電力を供給するバッテリ装置（電源９０で示す）から給電される。非制御電磁石バイアス磁石はまったく安定なので、短絡された電力エレクトロニクス・スイッチ及び制御コンピュータ故障のような被制御電磁石の普通の故障態様にはならない。磁気スラスト補償装置のＤＳＰ制御器９６は電磁石バイアス磁石への電流を監視できるので、従って、起りうる異なった巻線故障（即ち、接地故障、巻線短絡、接続開放、等）を容易に検出し、電磁石バイアス磁石が故障したときは、制御された停止を開始する。
電磁石バイアス磁石は並列に動作する２個の半導体リレー１００及び１０２を介して励磁され、リレーの一方は磁気スラスト補償制御装置３０から指令され、他方はエンジン制御装置（図示せず）から指令される。エンジンを停止した後で、電磁石バイアス磁石を脱勢するために、両制御装置は一緒に動作しなければならない。
補償制御装置３０がバッテリ装置からなる電源９０から給電されるならば、バイアスされた全磁気スラスト補償装置は、軸方向力の制御を失うことなく、過渡的な交流停電を通して動作を続けることが出来る。交流停電になりそうもないならば、バッテリによる支援は電磁石バイアス磁石に限定することが出来、交流停電になりそうもない場合に、それでもなお、安全な停止がえられる。二重バッテリ装置が用いられるならば、費用的に最も効率的なバッテリによる方法は密封メインテナンス−フリー鉛畜電池であり、これはコンピュータ或いは電話支援電源装置に広く使われている。そのようなバッテリは突然故障するメカニズムと固有の消耗機構を有しているので、二重バッテリ充電装置を用いて信頼性を挙げることが出来る。ニッケル−カドミウム・バッテリは本来的に更に信頼性があり、鉛畜電池の消耗機構がなく、１個の共通電源１０６及び充電器１０８が電磁石バイアス磁石及び被制御電磁石の両方を給電するような図７に示すようなところに使うことが出来る。ニッケル−カドミウム・バッテリは鉛畜電池より高価であり、周期的な電解液の保守が要求される。冗長なバッテリ及び充電器のいろいろな組み合せが可能であり、好ましい設計は全装置の信頼性の要件による。
図３に関して記載したように、軸方向ディスクの歪みは機械的止具５６によって拘束される。コンプライアンス・スプリング２６の軸方向ばね定数は、機械軸受の大きな荷重が両機械止具の間の中間で達成されるように選ばれる。ローターディスク６６は、機械の所要の運転温度範囲に対して適したシリコン−鉄、或いは、コバルト−鉄のような磁石材料の環状″Ｅ″鉄心ステータ延長部５８によって吸引される。電磁石バイアス磁石の寸法は、特定の分布抵抗に対して、定圧電源によって励磁されたときに、所望の公称巻線電流が達成されるようにする。この巻線電流励磁レベルは、従って、温度依存性巻線抵抗の変化及び電磁石バイアス磁石によって生じる軸方向力に変化を起す電圧源の変動に基づいて、変化を受ける。電磁石バイアス磁石によって生じる吸引力は軸方向ローターディスクの移動に伴う空隙の変動によっても影響を受け、これは、空隙が大きくなると漏洩磁束が増大して、その結果ローター磁束密度が減少することから生じる。これら力の変動は、磁石磁路を深く飽和に駆動するために電磁石バイアス磁石を十分なアンペア回数で“過励磁”することによって最小にすることが出来る。例えば、究極的に２．０Ｔ磁束密度に制限されるシリコン−鉄ステータ材料は、被制御電磁石は典型的には１．８Ｔ磁束密度で定格力を生じるように設計されるが、電磁石バイアス磁石は１．９５Ｔ磁束密度に駆動される。磁束密度の増加は、電磁石バイアス磁石によって生じる力に更に１７．３％の増加をもたらすが、これを同等の大きさの被制御電磁石と対比すると、比較的高いｉ2Ｒ損によって効率は或程度減少するが渦電流損は減少する。
図４ａ−４ｅ及び図６の見方及び説明は電磁石バイアス磁石について同様である。図６に関して、オフに転ずると、バイアス電流は固有のＬ／Ｒ誘導性時定数で指数関数的に減衰する。力は大体ｉ2 に比例するから、力は更に速い速度で減衰する。本願発明の好ましいある特徴だけをここで例示し記載したが、当業者には多くの変形及び変更が思い付くであろう。従って、特許請求の範囲の記載は、本願発明の思想に含まれるそれらすべての変形及び変更を含むものであることを了解されたい。
機械スラスト軸受用の磁気スラスト補償装置は、複数の並列ステータ延長部を含むステータ、複数のローターディスクを支持する軸、それぞれが前記複数のステータ延長部のそれぞれの一つの上に配置され、前記複数のローターディスクの内の一つに面する複数の電磁石、及び、所望の力を生じるために前記電磁石に流れる電流を制御する手段、を含むことができる。補償装置は更に、付加的な１個のステータ延長部、及び該付加的なステータ延長部上に配置され、且つ、前記複数のローターディスクの内の選択した一つに面する付加的な１個の電磁石を有し、前記所望の力を生じるために前記電磁石に流れる電流を制御する手段が前記付加的な電磁石に流れる電流を制御する手段を含むことができる。補償装置は更に、各電磁石が二重環状巻線を含むことができる。補償装置は更に、付加的な１個のステータ延長部、及び該付加的なステータ延長部上に配置され、且つ、前記複数のローターディスクの内の選択した一つに面する付加的な３個の電磁石、及び、該付加的な３個の電磁石を分離する磁束障壁を有し、前記所望の力を生じるために前記電磁石に流れる電流を制御する手段が前記付加的な３個の電磁石に流れる電流を制御する手段を含むことができる。
機械スラスト軸受用の磁気スラスト補償装置は、少なくとも２個の並列ステータ延長部を含むステータ、前記少なくとも２個のステータ延長部間に配置されたローターディスク、及びそれぞれが前記少なくとも２個のステータ延長部のそれぞれの一つの上に配置され、且つ、前記ローターディスクに面する第１及び第２電磁石、を含む並列動作する軸方向磁気軸受、並びに、前記第１及び第２電磁石の一方を選択的に励磁する制御器を含むことができる。また、補償装置は、前記ステータが少なくとも４個のステータ延長部を含むものにおいて、それぞれが前記少なくとも４個のステータ延長部の内のそれぞれの２個の間に配置された付加的な２個のローターディスク、及び、第１及び第２電磁石の付加的な２対、を含み、それぞれの追加的な対の各電磁石は前記少なくとも４個のステータ延長部のそれぞれの一つの上に配置され、且つ、前記付加的な２個のローターディスクの内のそれぞれの一つに面し、前記制御器が前記付加的な２対の第１及び第２電磁石に流れる電流を制御する手段を含むことができる。また、補償装置は、各電磁石が二重環状巻線を含むことができる。また、補償装置は、前記制御器が前記ローターディスクと前記少なくとも２個のステータ延長部の内の１個との間の空隙の距離を推定する手段を含むことができる。また、補償装置は、前記機械スラスト軸受がスプリングを装着した機械スラスト軸受を含み、前記ローターディスクと前記少なくとも２個のステータ延長部のそれぞれとの間の最大距離が前記スプリングを装着した機械スラスト軸受のスプリングの最大ゆがみ距離より小さいことが好ましい。また、補償装置は更に、前記少なくとも２個のステータ延長部と並列に配置された付加的な１個のステータ延長部、付加的なローターディスク、及び、前記付加的なステータ延長部の上に配置され、且つ、前記付加的なローターディスクに面するバイアス磁石、を含み、前記制御器が前記バイアス磁石への電流を選択的に供給することができる。また、補償装置は更に、付加的な第２のステータ延長部、前記少なくとも２個のステータ延長部の１個と前記付加的な第２のステータ延長部との間に配置された付加的な第２のローターディスク、及び、それぞれが前記付加的な第２のローターディスクに面している付加的な第１及び第２電磁石を含み、前記制御器が前記第１及び第２の付加的な電磁石に流れる電流を制御する手段を含むことができる。また、補償装置は、前記バイアス磁石が永久磁石を含むことができる。また、補償装置は更に、前記永久磁石を覆う磁気キャップと、前記付加的なステータ延長部内に前記永久磁石を支持する非磁性ウェッジ形リングを含むことができる。また、補償装置は、前記第１及び第２の電磁石の電流及び電圧測定を用いて、永久磁石の強さ及び機械スラスト軸受の装着コンプライアンスを確証する手段を含むことができる。また、補償装置は、前記永久磁石の周りの励磁巻線を更に含み、該励磁巻線が前記永久磁石を磁化及び減磁できる。また、補償装置は、前記制御器が、前記励磁巻線へ選択的に電流を供給して、前記永久磁石を部分的に減磁するようにされてもよい。また、補償装置は、前記バイアス磁石が電磁石バイアス磁石を含むことができる。また、補償装置は、前記バイアス磁石が二重環状巻線を含むことができる。
機械スラスト軸受用の磁気スラスト補償装置は、少なくとも３個の並列ステータ延長部を含むステータ、前記少なくとも３個のステータ延長部のそれぞれの２個の間に配置された少なくとも２個のローターディスク、それぞれが前記少なくとも３個のステータ延長部の隣合う２個のうちのそれぞれの１個の上に配置され、且つ、前記少なくとも２個のローターディスクの第１のローターディスクに面する第１及び第２電磁石、及び前記少なくとも３個のステータ延長部の他方の上に配置され、且つ、前記少なくとも２個のローターディスクの第２のローターディスクに面するバイアス磁石、を含む並列動作する軸方向磁気軸受、並びに、前記バイアス磁石への電流を選択的に供給し、前記第１及び第２電磁石の一方を選択的に励磁し、且つ、前記第１及び第２電磁石の他方の電流を用いて、前記少なくとも２個のローターディスクの前記第１のものと前記少なくとも３個のステータ延長部の隣合う少なくとも２個のうちの一方のものとの間の空隙の磁気抵抗を見積る制御器を含むことができる。
【符号の説明】
【０００８】
１、２、３、１６、６６、６８、７０、２１６：ローターディスク
１１、１８、５８、７２、７４、７６、２１８：ステータ延長部
１０：機械スラスト軸受
１１ａ：磁束障壁
１２：軸
１５、１７、１９：制御器
２０、２２、７８、７９、８０、８２、３２０：電磁石
２６：スプリング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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