【手続補正書】
【提出日】平成14年8月5日(2002.8.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】明細書
【発明の名称】磁気軸受装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】少なくとも１つの磁気軸受（１）を有するステーター内のローターの磁気軸受装置であって、
この磁気軸受が、ステーター部（２）およびこのステーター部に対して作動状態において同軸に非接触に設けられたローター部（３）を有し、このローター部の軸受作用面が、永久磁石（４）を有した半径方向の励磁システム（６）によって形成されており、これに対してステーター部（２）が、この半径方向の励磁システム（６）を、環状の空隙（１０）の維持のもとで、同心的に囲繞する高温超伝導体を有している様式の上記磁気軸受装置において、
高温超伝導体が、少なくとも２つの環状セグメントの形のＨＴＳＬ部分シェル（７、８）に分割されており、
これらＨＴＳＬ部分シェルは、暖かい軸受状態において、それぞれのＨＴＳＬ部分シェル（７′、８′）が半径方向の励磁システム（６）から第１の半径方向の間隔（δｋ）を有する位置から、
超伝導性の状態に移行の後、半径方向においてアクチュエータ（１２）を介して、半径方向の励磁システム（６）から第２のより小さな半径方向の間隔（作動間隔δ０）を有する作業位置へと、
相対して摺動可能に構成されていることを特徴とする磁気軸受装置。
【請求項２】高温超伝導体は、２つの半シェル（７、８）に分割されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気軸受装置。
【請求項３】アクチュエータ（１２）は、モータースピンドル（１３）を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気軸受装置。
【請求項４】両方の半シェル（７、８）は、これら半シェルの暖かい位置において、半径方向の励磁システム（６）から、異なる第１の半径方向の間隔（δｋ１、δｋ２）を有することを特徴とする請求項２または３に記載の磁気軸受装置。
【請求項５】付加的なスラスト軸受装置（１４）が設けられていて、
このスラスト軸受装置において、２つの互いに向き合っている、軸線方向に互いに間隔をおいて設けられた、それぞれに永久磁石（１５）が装着された軸線方向の励磁システム（１６）が、それぞれ１つの軸線方向に整向された環状円板形の、ローター部（３）の軸受作用面を形成しており、
これら軸線方向の励磁システムに、ステーター部（１７）として、それぞれ１つの、ローター部（３）に対して同軸に設けられた、平らな環状円板形のＨＴＳＬスラスト軸受円板（１８、１９）が設けられており、
これらＨＴＳＬスラスト軸受円板は、暖かい軸受状態において、それぞれのＨＴＳＬスラスト軸受円板（１８、１９）が所属する軸線方向の励磁システム（１６）から第１の軸線方向の間隔（δｋ）を有する位置から、
超伝導性の状態に移行の後、軸線方向においてアクチュエータ（１２）を介して、軸線方向の励磁システム（１６）から第２のより小さな軸線方向の間隔（δ０）を有する作業位置へと、
相互に離れて摺動可能に構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の磁気軸受装置。
【請求項６】同時に、ＨＴＳＬ半シェル（７、８）並びにＨＴＳＬスラスト軸受円板（１８、１９）の半径方向摺動および軸線方向摺動を行う、制御装置が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の磁気軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つの磁気軸受を有するステーター内のローターの磁気軸受装置に関し、この磁気軸受が、ステーター部およびこのステーター部に対して作動状態において同軸に非接触に設けられたローター部を有し、このローター部の軸受作用面が、永久磁石を有した半径方向の励磁システムによって形成されており、これに対してステーター部が、この半径方向の励磁システムを、環状の空隙の維持のもとで、同心的に囲繞する高温超伝導体を有している。
【０００２】
この様式の実施形態は、例えばドイツ連邦共和国特許公開第１９７  ２７  ５５０号明細書から知ることができる。この刊行物は、特に磁気軸受装置を開示しており、この磁気軸受装置において、ローターは、２つの円錐台形の、軸線方向に相対している、およびこれら磁気軸受装置の円錐台形状に関して鏡対称的に互いに形成された磁気軸受内に支承されている。この様式の磁気的な二重軸受装置のために、所定の凍結方法が記載されており、この凍結方法が超伝導性の状態への移行の方法を意味している。それに従って、先ず第一に両方の磁気軸受の内の一方の磁気軸受が、および引き続いて他方の磁気軸受が冷却される。冷間運転の間、このローターは、先ず第一にこのローターによって軸受部分を当接するまで一方の磁気軸受内へと摺動され、および引き続いて当接するまで他方の磁気軸受内へと摺動される。その場合に、両方の磁気軸受の冷却の後、ローターの両方の有効な軸受部分の軸線方向の付勢が得られる。磁気的な二重軸受装置の使用の際の、このローターの作動状態にローターを取り付けるための別の実施方法において、垂直方向の軸線を有するローターが使用され、このローターは、上に向かって、この磁気軸受のステーター部にローター部が当接するまで、この上側の磁気軸受内へと摺動され、それに基づいて、両方の磁気軸受は同時に冷間運転され、且つ引き続いてこのローターが解放される。
【０００３】
用語法において、３つの異なる凍結方法に関して、以下の記号が定義される。
−磁界を伴わない凍結（ゼロ磁界冷却（Ｚｅｒｏ Ｆｉｅｌｄ Ｃｏｏｌｉｎｇ））＝ＺＦＣ
−作業位置における作動磁界のもとでの、または作業位置への摺動を伴う凍結（作業磁界冷却（Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ Ｆｉｅｌｄ Ｃｏｏｌｉｎｇ））＝ＯＦＣ、および（オフセットを伴う作業磁界冷却（Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ Ｆｉｅｌｄ Ｃｏｏｌｉｎｇ ｗｉｔｈ Ｏｆｆｓｅｔ））＝ＯＦＣｏ
−励磁磁石への可能な限りの近接における凍結（最大磁界冷却（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｆｉｅｌｄ Ｃｏｏｌｉｎｇ））＝ＭＦＣ
【０００４】
これら全ての方法に、支承する構造部材、例えば機械のローターに対して、凍結の後、凍結位置から、力、例えば自重または作動負荷によって、作動位置に摺動されねばならないことは、共通である。十分な剛性を有する作業点に達するために、ＯＦＣ、ＯＦＣｏ、ＺＦＣにおいて、たびたびの累進的であり、ＭＦＣにおいてこれとは逆に逓減的である、軸受の非直線的なばね特性曲線のために、この摺動のために最小の道程が必要である。その際に、二次的条件として、軸受の作業点が軸受ケーシングの幾何学的な中心線と一致することは、たびたび求められる。多くの使用状況において、このローターの使用可能な運動自由度は、しかしながら構造上の理由から、著しく制限されている。このことは、結果として、軸受の必要な剛性が、作業点において、相応して大きな表面によって形成されねばならないことを招き、しかしながらこのことは、不必要に高い費用、よび軸受の実施不可能の寸法を結果として招く。
【０００５】
従って、本発明の根底をなす課題は、超伝導性の軸受装置の特有の剛性を、前記の欠点の回避のもとで改良することである。
【０００６】
冒頭に記載された磁気軸受装置を出発点として、この課題は、本発明に従い、高温超伝導体が、少なくとも２つの環状セグメントの形のＨＴＳＬ部分シェルに分割されており、
これらＨＴＳＬ部分シェルは、暖かい軸受状態において、それぞれのＨＴＳＬ部分シェルが半径方向の励磁システムから第１の半径方向の間隔を有する位置から、超伝導性の状態に移行の後、半径方向においてアクチュエータを介して、半径方向の励磁システムから第２のより小さな半径方向の間隔（作動間隔）を有する作業位置へと、
相対して摺動可能に構成されていることによって解決される。
【０００７】
ローター重量の重量補償のために、両方の半シェルが、これら半シェルの暖かい位置において、半径方向の励磁システムから、異なる第１の半径方向の間隔を有する場合、合目的である。
【０００８】
更に、本発明による磁気軸受装置は、付加的なスラスト軸受装置が設けられていて、このスラスト軸受装置において、２つの互いに向き合っている、軸線方向に互いに間隔をおいて設けられた、それぞれに永久磁石が装着された軸線方向の励磁システムが、それぞれ１つの軸線方向に整向された環状円板形の、ローター部の軸受作用面を形成しており、
これら軸線方向の励磁システムに、ステーター部として、それぞれ１つの、ローター部に対して同軸に設けられた、平らな環状円板形のＨＴＳＬスラスト軸受円板が設けられており、
これらＨＴＳＬスラスト軸受円板は、暖かい軸受状態において、それぞれのＨＴＳＬスラスト軸受円板が所属する軸線方向の励磁システムから第１の軸線方向の間隔を有する位置から、
超伝導性の状態に移行の後、軸線方向においてアクチュエータを介して、軸線方向の励磁システムから第２のより小さな軸線方向の間隔を有する作業位置へと、相互に離れて摺動可能に構成されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明の他の特徴は、下位の請求項の対象であり、且つ、本発明の他の利点と関連して、実施例に基づいて詳しく説明される。
【００１０】
図面において、２つの、実施例としての役目を果たす本発明の実施の形態が、概略的に図示されている。図１は、ラジアル磁気軸受１を図示しており、このラジアル磁気軸受が、ステーター部２およびこのステーター部に対して作動状態において同軸に非接触に設けられた、軸として図示されているローター部３を有し、このローター部の軸受作用面が、間挿入された磁片５を有する永久磁石４を有した半径方向の励磁システム６によって形成されている。
【００１１】
ステーター部２は、この半径方向の励磁システム６を、環状の空隙１０の維持のもとで、同心的に囲繞する高温超伝導体（ＨＴＳＬ）を有しており、この高温超伝導体が、本発明により、２つの環状セグメントの形のＨＴＳＬ半シェル７、８に分割されており、これらＨＴＳＬ半シェルは、半径方向の励磁システム６の方を向くこれらＨＴＳＬ半シェルのセグメント面上で、熱的な絶縁体９によって覆われており、且つ、図１において図示されているこれらＨＴＳＬ半シェルの作業位置において、軸受作用面を形成する半径方向の励磁システム６から、半径方向の間隔δ０を有している。
【００１２】
両方のＨＴＳＬ半シェル７、８が、暖かい軸受状態において、破線で図示された位置を占め、これらの位置において、上部のＨＴＳＬ半シェル７′が中間の分離継ぎ目１１から半径方向の間隔δｋ１を、および下部のＨＴＳＬ半シェル８′が半径方向の間隔δｋ２を有し、その際、図示された実施例において、δｋ２＞δｋ１であることは、図２から認識可能である。これらＨＴＳＬ半シェル７、８は、超伝導性の状態へ移行の前に、モータースピンドル１３を有しているアクチュエータ１２によって、破線で図示された位置に、互いに離間するように動かされ、従って、空隙幅δｋ＞δ０が生じる。軸受が飛躍温度（Ｓｐｒｕｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒ）のもとで冷却された後に、これらＨＴＳＬ半シェル７、８は、アクチュエータ１２によって、実線によって図示された作業位置へ、図１において図示された作動間隙δ０が生じるまで、互いに接近するように動かされる。
【００１３】
図２に示すように、半径方向間隙δｋは、上部のおよび下部の軸受シェル７′、８′のために異なって選択されており、これによって、この非対称によって、ローター重量の重量補償が得られ、その際、ローター部３が、ほぼ正確に、ラジアル磁気軸受１の幾何学的な中心に留まる。ここで、上部のＨＴＳＬ半シェル７および下部のＨＴＳＬ半シェル８のための漸進的な力−道程特性曲線に基づいて、相応するアクチュエータ１２の設定において、軸受装置の作業点がセットされ、この作業点は、この作業点において、明確に比較的に高い剛性を有している。この目的で、図４を参照する場合、ここで、上部および下部のＨＴＳＬ半シェル７、８のためのＯＨＣｏ方法の原理的な特性曲線が図示されている。この線図において、Ｆｙ−力軸線上に提示された点ｍ・ｇは、全ローターの重量である。
【００１４】
剛性特性曲線の重ね合わせによって、それぞれのＨＴＳＬ半シェル／半径方向の励磁システム−組合せに関して、全軸受装置の増大された剛性が、作業点において得られる。
【００１５】
図３は、付加的に、前記で説明したラジアル磁気軸受１に対して設けられる、スラスト軸受装置１４を示している。
【００１６】
スラスト軸受装置１４は、２つの互いに向き合っている、軸線方向に互いに間隔をおいて設けられた、それぞれに永久磁石１５が装着された軸線方向の励磁システム１６を有し、これら励磁システムが、それぞれ１つの軸線方向に整向された環状円板形の、ローター部３の軸受作用面を形成している。これら両方の軸線方向の励磁システム１６に、ステーター部１７として、それぞれ１つの、ローター部３に対して同軸に設けられた、平らな環状円板形のＨＴＳＬスラスト軸受円板１８、１９が設けられており、これらＨＴＳＬスラスト軸受円板は、暖かい軸受状態において、その位置において、それぞれのＨＴＳＬスラスト軸受円板１８′、１９′が所属する軸線方向の励磁システム１６から第１の軸線方向の間隔δｋを有する破線で図示されたこの位置から、超伝導性の状態に移行の後、アクチュエータ１２を介して軸線方向に、第２のより小さな軸線方向の間隔δ０を有する連続した線において図示された作業位置に、互いに軸線方向の励磁システム１６から離れて摺動可能である。
【００１７】
ラジアル磁気軸受のために前記で説明した凍結方法の、スラスト軸受装置への意味のある転用は、特に有利である。何故ならば、まさに多数の適用において、軸線方向の軸受自由度に関して、剛性のローターの案内が要求されるからである。その際に、本発明によるスラスト軸受装置の形態において、平らなスラスト軸受面の分割を必要としない。このことは、ただ単に、第２の軸受面の軸線方向の逆方向の摺動しだいであり、その際、常に、それぞれに２つの、自体、軸線方向に向き合っている軸受面が、相対して付勢される。
【００１８】
ローターの軸線方向の案内が、相応して形成されたラジアル軸受面を介して保証されている場合、相応する制御装置または適当に構成されたアクチュエータによって、ＨＴＳＬ半シェル７、８を互いに接近するように動かす際に、ＨＴＳＬスラスト軸受円板の軸線方向摺動のようにも作用することは、合目的であり、従って、同時に、半径方向および軸線方向における予負荷は、達成される。
【００１９】
本発明により得られた、半径方向に、軸線方向に、または場合によっては軸線方向および半径方向に予負荷された軸受装置は、剛性の異方性を有しており、この異方性が、ラジアル磁気軸受１の使用されるＨＴＳＬ部分シェルの数に依存する。有利には２つの使用されたＨＴＳＬ半シェル７、８において、異なる剛性が法線方向ｙ（図１を参照）、およびこれに対して直角方向ｘ（図１参照）において形成する。この異方性は、臨界の回転数の通過において、有利に利用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
ローターの磁気ラジアル軸受装置の縦断面図である。
【図２】
図１に比べて若干拡大された尺度における、ローターの磁気ラジアル軸受装置の断面図である。
【図３】
ローターの磁気スラスト軸受装置の縦断面図である。
【図４】
図２による実施の形態の上部のおよび下部の軸受半分体に関する、力−道程特性曲線である。