(57)【要約】本発明は、ステータと、半径方向に安定し、軸方向に不安定なマグネットベアリング（３，４）により支承されたロータ（２）とを有する機械（１）であって、前記マグネットベアリング（３，４）はそれぞれ同心に配置されたマグネットリングパケット（５，６；７，８）からなり、当該マグネットベアリングでは、位置固定されたマグネットリングパケット（５ないし７）が内側に、回転するマグネットリングパケット（６ないし８）が外側に配置されており、並びにロータ（２）の軸方向位置を調整するための手段（２１，２３，２４，２７）を有する機械（１）に関する。この形式の機械を簡素化するために、前記２つのマグネットベアリング（３，４）自体の一方には、軸方向調整のための手段が設けられており、位置センサ（２１）により制御される少なくとも１つのコイル（２３）並びにポール構成部材（２４）が、軸方向調整されるベアリング（４）の外側マグネットリングパケット（８）を取り囲んでいる構成が提案される。
2005504930.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータと、半径方向に安定し、軸方向に不安定なマグネットベアリング（３，４）により支承されたロータ（２）とを有する機械（１）であって、
前記マグネットベアリング（３，４）はそれぞれ同心に配置されたマグネットリングパケット（５，６；７，８）からなり、
当該マグネットベアリングでは、位置固定されたマグネットリングパケット（５ないし７）が内側に、回転するマグネットリングパケット（６ないし８）が外側に配置されており、
並びにロータ（２）の軸方向位置を調整するための手段（２１，２３，２４，２７）を有する機械において、
前記２つのマグネットベアリング（３，４）自体の一方には、軸方向調整のための手段が設けられており、
位置センサ（２１）により制御される少なくとも１つのコイル（２３）並びにポール構成部材（２４）が、軸方向調整されるベアリング（４）の外側マグネットリングパケット（８）を取り囲んでいる、
ことを特徴とする機械。
【請求項２】
マグネットリングパケット（５〜８）は、軸方向に磁化されたリングからなり、
該リングは交互の極性で上下に配置されており、
ベアリング（３，４）のリングパケット（５，６ないし７，８）は相互に反発し合う、請求項１記載の機械。
【請求項３】
ポール構成部材（２４）は、横断面がＵ字形に構成されており、
ポール構成部材（２４）のＵ字脚部の端面は、外側マグネットリングパケット（８）に向いている、請求項２記載の機械。
【請求項４】
ポール構成部材（２４）のＵ字形脚部の端面は間隔を有し、
該間隔はマグネットリングの軸方向寸法の１倍または複数倍にほぼ相当し、
コイル／ヨーク構成部材は、Ｕ字形脚部の端面がマグネットリング中央の高さになるよう配置されている、請求項３記載の機械。
【請求項５】
１つまたは複数のコイル（２３）には、それぞれＵ字形ポール構成部材（２４）が設けられている、請求項４または５記載の機械。
【請求項６】
外側リングパケット（８）のマグネットリングがｎ個の場合、ｎ−１個のコイル（２３）が設けられており、
該コイルはそれぞれＵ字側に配置されたポール構成部材（２４）により取り囲まれており、
Ｕ字形ヨーク構成部材（２４）の脚部は、ほぼマグネットリング中央の高さにある、請求項２から５までのいずれか１項記載の機械。
【請求項７】
マグネットベアリングの２つのリングパケットのマグネットリングの数は異なっている、請求項１から６までのいずれか１項記載の機械。
【請求項８】
回転するマグネットリングパケット（６，８）のマグネットリングの数は、位置固定されたマグネットリングペア（５，７）のマグネットリングの数より多い、請求項７記載の機械。
【請求項９】
リングパケット（５，６，７，８）のマグネットリングは収容部に固定されており、
軸方向にアクティブなベアリングの外側リングパケット（８）のマグネットリングに対する収容部として、管状の補強部材が使用され、
該補強部材は第１の区間を以て回転システム（２）に固定されており、第２の区間を以てリングパケット（８）のマグネットリングを支持している、請求項１１から８までのいずれか１項記載の機械。
【請求項１０】
前記補強部材（１４）は、駆動モータ（４６）のアンカ（４８）も取り囲む、請求項９記載の機械。
【請求項１１】
中央に配置された支持体（１５，１６）が、位置固定されたマグネットリングパケット（５，７）に対して設けられており、
支持体（１５，１６）の一方には中央孔部（１９）が装備されており、
回転システム（２）のシャフト突き合わせ部（２０）は孔部（１９）を貫通し、
シャフト突き合わせ部（２０）の自由端面には軸方向センサ（２１）が配属されており、請求項２から１０までのいずれか１項記載の機械。
【請求項１２】
支持体（１５，１６）の一方は軸方向に調整可能である、請求項１１記載の機械。
【請求項１３】
リングパケットペア（５，６ないし７，８）のリングの相互に向き合う周面の直径は段階的に変化する、請求項１から１２までのいずれか１項記載の機械。
【請求項１４】
マグネットリングパケット（５，６，７，８）のマグネットリングの少なくとも一部の間には、非フェライト材料からなるスペーサリングディスク（３１）が配置されている、請求項１から１３までのいずれか１項記載の機械。
【請求項１５】
スペーサリングディスク（３１）の材料は高い導電性を有する、請求項１記載の機械。
【請求項１６】
スペーサリングディスク（３１）のギャップ近傍の縁部は補強されている、請求項１５記載の機械。
【請求項１７】
マグネットリングはカプセル化されており、
カプセルの層はスペーサリングディスク（３１）の機能を有する、請求項１４から１６までのいずれか１項記載の機械。
【請求項１８】
マグネットリングのギャップ近傍の周面にはスリーブ（３２）が配属されている、請求項１４から１６までのいずれか１項記載の機械。
【請求項１９】
機械は摩擦ポンプ（１）として構成されており、
パッシブなベアリング（３）は高真空側に、軸方向にアクティブなベアリング（４）は予真空側に配置されている、請求項１から１８までのいずれか１項記載の機械。
【請求項２０】
駆動モータ（４６）にはギャップ管（４９）が設けられており、
ギャップ管（４９）は、軸方向にアクティブなベアリング（４）のギャップ（２８）を貫通している、請求項１９記載の機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、ステータと、半径方向に安定し、軸方向に不安定なマグネットベアリングにより支承されたロータとを有する機械に関する。ここでマグネットベアリングはそれぞれ同心に配置されたマグネトリングパケットからなり、前記マグネットベアリングでは位置固定されたマグネットリングパケットが内側に、開店するマグネットリングパケットが外側に配置されており、さらにロータの軸方向位置を調整するための手段が設けられている。マグネットベアリングは、これが例えばロータをブロワーまたは真空ポンプ、有利には高回転で駆動される摩擦真空ポンプに支承するのに適するように構成されていなければならない。
【０００２】
マグネットベアリングをターボ分子真空ポンプで使用することは公知であり（ＥＰ４１４１２７Ａ１参照）、一般的に使用されている。前記刊行物は、相互にかみ合うステータマグネットリングパケットとロータマグネットリングパケットとからなるマグネットベアリングを開示している。この形式のマグネットベアリング、およびひいてはこれの装備された機械では、組み立てコストが非常に高い。さらに温度負荷の際に発生するロータの位置変化が支承の問題を引き起こす。
【０００３】
ＤＥ−Ａ３８１８５５６から、冒頭に述べた形式の特徴を備える機械が公知である。これはパッシブで、半径方向に安定し、軸方向に不安定な２つのマグネットベアリングを有するターボ分子真空ポンプである。ロータを軸方向支承を調整するための手段は、１つにはマグネットベアリングの動作点をこれた不安定点を基準にして高真空側にシフトされるように選択することである。もう１つはマグネットベアリングに依存しないストロークシステムを設け、これにより動作点のシフトによって生じる軸方向力を常時補償することである。この形式の解決手段では、調整も、そのために必要な手段も面倒である。
【０００４】
本発明の課題は、冒頭に述べた形式の特徴を有する機械において、従来技術と比較して解決手段が簡単になるよう構成することである。
【０００５】
この課題は本発明により、独立請求項の構成によって解決される。
【０００６】
本発明の機械では、かみ合ったマグネットリングパケットがもはや存在せず、従って組み立てコストが低減される。マグネットベアリングに依存せずに、ロータの軸方向支承を調整するためのストロークシステムはもやは必要ない。ベアリングは全体として、比較的少数の相互に異なる個別部材からなり、従って工場内製造深度、在庫管理、および補給が簡単になる。
【０００７】
本発明のさらなる利点および詳細を図１から図１０に基づいて説明する。
【０００８】
図１と図２は、ロータを有する機械の概略図であり、このロータはそれぞれ本発明に従って構成されたマグネットベアリングに支持されている。
【０００９】
図３は、本発明のベアリングを有するターボ分子真空ポンプ／分子真空ポンプの概略図である。
【００１０】
図４から図７は、本発明によるマグネットベアリングの部分断面図であり、ここでは種々の軸支承手段を有する。
【００１１】
図８から図１０は、減衰手段を有するマグネットベアリングの実施例を示す概略図である。
【００１２】
図１と図２に概略的に示された機械では、回転システム２が２つのマグネットベアリング３，４に張架されている。各マグネットベアリング３，４は２つのリングパケット５，６（ベアリング３）ないし７，８（ベアリング４）からなる。それぞれ内側のリングパケット５，７は位置固定して取り付けられている。外側のリングパケット６，８は、それぞれ内側のリングパケットを同心に、かつ無接触（ギャップ９）に取り囲んでいる。これら外側のリングパケット６，８は回転システム２の構成部材である。この構造は全体として回転対称である。駆動モータは図示されていない。
【００１３】
回転システム２には両側の端面で中央切欠部１１，１２が設けられている。これら切欠部の壁面は、回転するマグネットリングパケット６，８に対する収容部１３，１４を形成する。収容部１４は非磁化性材料、例えばＣＦＫからなる管状の補強部材である。この補強部材は有利にはプレスばめを介して回転システム２に固定されている。切欠部１２を包囲する補強部材１４の部分はその内側でマグネットリングパケット８を支持している。
【００１４】
切欠部１１，１２へは位置固定された支持体１５，１６が、位置固定されたマグネットリングパケット５，７に対する収容部１７，１８を以て突入しており、外側リングパケット６，８は内側パケット５，６を同心に取り囲んでいる。図ではそれぞれ下側支持体１６が、回転システム２に対するシャフト突き合わせ部２０に対する中央孔部１９を有し、このシステムの端面には軸センサ２１が配置されている。
【００１５】
軸センサ２１はマグネットベアリング４の軸制御のための手段の構成部材である。１つまたは複数のコイル２３がそれぞれＵ字形で、リングパケット８に向かって開放したヨーク２４と共に、破線と矢印２５により示した磁界を形成する。図１と図２ではそれぞれリングパケット８を取り囲む２つのコイル２３が設けられている。そのヨーク構成部材２４は、非フェライト材料からなるスペーサディスク２６によって相互に分離されている。
【００１６】
制御器２７が、センサ２１から送出された信号に依存するコイルの制御ないしコイル２３により形成された磁界の制御に用いられる。それぞれ外側回転リングパケット６，８とコイル２３ないしヨーク構成部材２４の脚部の端面との間のギャップ２８では、軸制御に用いる磁力が作用する。
【００１７】
リングパケット５〜８はそれぞれ軸方向に磁化されたリングからなり、これらのリングは極性を変化させながら（例えば図１のベアリング３に示したように）、マグネットベアリング３，４のリングパケット５，６ないし７，８が相互に付き合うように配置されている。有利には多数の外側リングペアおよび内側リングペアが設けられており、各マグネットリングパケットは両方の側で同じ磁極を以て終端する。図１の解決手段では、リングパケット５，６ないし７，８がそれぞれ相互に同心に配置された２つのシリンダを形成している。マグネットリングパケット５，７ないし６，８のマグネットリングの寸法は有利にはそれぞれ同じである。図２の解決手段では、ベアリング３，４の２つのリングパケット５，６ないし７，８の相互に向き合うリングの周面は段階的に（同じように）変化する。従ってギャップ９も階段形状を有する。ベアリング４のギャップ２８も（図２の図示とは異なり）階段形状を有することができる。
【００１８】
上部ベアリング３では回転マグネットの横断面をベアリング４の場合よりも小さく保持することができる。このことはマグネット材料に対するコストを節約する。
【００１９】
ベアリング４では、ヨーク構成部材のポール面とマグネット（このマグネットはＣＦＫ管の一定の内径を介して保持される）との間のギャップ２８を小さくする必要がある。これにより軸ベアリングがマグネットに作用することができるようにするためである。
【００２０】
マグネットリングパケット５〜８のリングはその収容部１３，１４，１７，１８に固定的に保持されている。各マグネットリングの２つの端面は円形リング状のスペーサディスク３１に当接しており、このスペーサディスクは非フェライト材料からなる。これにより磁力が有利にはギャップ９ないし２８の間で作用する。スペーサリングディスク３１の材料が付加的に良導電性特性を有すれば（例えば銅）、ロータ運動の減衰が同時に達成される。
【００２１】
スペーサディスクに対して付加的に、リングパケットのリングの相互に向き合う面をカプセル化し、マグネット材料を侵襲性のガス（例えば摩擦真空ポンプの場合の水素）から保護することができる。例として図２には、それぞれ位置固定されたリングパケット５，７に対する段付けられたスリーブ３２，３３が示されている。スリーブはリングパケットから横方向に、所属の収容部とガス気密に接合されており、例えば溶接されている。
【００２２】
有利にはリングパケット５，６ないし７，８の内側リングと外側リングはそれぞれペアで配置されている。軸方向制御を改善するためには、軸方向にアクティブなマグネットベアリング４の外側回転リングパケットに別のリングを追加すると有利である。この変形は図１と図２に示されている。リングパケット８はリングパケット７より２つ多いリングを有している。外側にある外側の、２９により示したリングがパケット８に追加されている。このリングは軟磁性リングとすることができる。しかし有利には２つの別のマグネットリングが追加される。
【００２３】
図３に示された機械１、例えばターボ分子ポンプ／分子ポンプでは、接続フランジ３６を有するケーシング３５にステータ羽根３７が取り付けられている。磁気的に支承されたロータ２はロータ羽根３８を支持する。ロータ羽根３８はステータ羽根３７の間を周回し、ガスの搬送に作用する。ポンプ１は複合ポンプである。羽根の設けられた部分には分子ポンプ部分３９が続く。
【００２４】
ロータ２は２つのマグネットベアリング３と４に懸架されている。マグネットベアリング３は高真空側に配置されている。位置固定されたマグネットリングパケット５の支持体１５はその収容部１７と共にベアリングスター４１の構成部材である。
【００２５】
マグネットリング４はポンプ１の予真空側に配置されている。２つのベアリングはほぼ同じ剛性を有する。回転システム２の重心は４２により示されている。
【００２６】
ポンプ１には非常運転ベアリングまたはキャッチベアリング４４，４５が装備されている。高真空側キャッチベアリング４４はロータ切欠部１１に配置されている。予真空側キャッチベアリング４５はマグネットベアリング４の下側で、軸突き合わせ部２０と位置固定された支持体１６との間に配置されている。
【００２７】
駆動モータ４６として、ステータ４７とアンカ４８を有する高周波モータが設けられている。ステータ側にはさらにギャップ管４９が設けられており、このギャップ管はステータ室５０を予真空側に対して真空密に密閉する。ギャップ管４９はギャップ２８を、ヨーク構成部材２４を有するコイル２３と回転マグネットリングパケット８との間で貫通している。従って有利にはこれは非磁化性で、導電率の悪い材料、例えばＣＦＫからなる。
【００２８】
ロータ側にはすでに説明した管状の補強部材１４が設けられている。この補強部材はリングパケット８だけではなく、モータアンカ４８も補強する。
【００２９】
公差を調整するために、ベアリング４は調整ねじ５２を介して調整される。この調整ねじの上には、位置固定されたリングパケット７の支持体１６が停止している。有利には、回転システムが軸方向に不安定な動作点に存在するよう調整される。この動作点を中心に軸方向制御が僅かなエネルギーで行われる。
【００３０】
図４から図７は、アクティブマグネットベアリング４に対する別の実施例を示す。図４（磁力線が示されていない）と図５（磁力線が示されている）の解決手段では、それぞれ４つのマグネットリングがリングパケット７と８を形成する。コイル２８にだけＵ字形のヨーク２４が設けられている。ヨーク２４のＵ字形脚部の端面の間隔は、リングパケット８のマグネットリングの軸方向寸法にほぼ相応する。磁力の最適の交互作用を達成するために、Ｕ字形脚部の端面は、リングパケット８の隣接する２つのマグネットリングの中央の高さにある。図示の実施例では、２つの中央マグネットリングの中点の高さにある。
【００３１】
図６の実施例では、同様にコイル２３にだけヨーク２４が設けられている。リングパケット８のリングに向いた側の、Ｕ字形ヨーク２４の脚部の端面の間隔は、マグネットリングの軸方向寸法のほぼ２倍に相応する。図７は、５つのコイル２３とヨーク２４を有する解決手段を示す。リングパケット８は６つのマグネットリングを有する。全部で６つのヨーク脚部の端面は、ほぼマグネットリングの中央の高さにある。
【００３２】
マグネットリングパケット７，８の各リングの間には、すでに説明したように、スペーサリングディスク３１が配置されている。このスペーサリングディスクは材料に応じて磁極線を形成し、および／または減衰に作用する。
【００３３】
有利には減衰作用を達成し、並びにマグネットリングの被覆部を補充するためのスペーサリングディスク３１の有利な構成を、図８から図１０に示されたマグネットベアリング３の実施例に基づいて説明する。
【００３４】
スペーサリングディスク３１の材料が減衰作用を達成するのに有利な良導電性の材料であれば、減衰作用を改善するのにスペーサリングディスク３１の縁部を、磁界がギャップ９に入り込む個所で補強すると有利である。例えば連続的に外に向かって厚くなるようにし、マグネットリングの形状をこの縁部に適合するのである。図８にはこの実施例が示されている。ギャップ近傍で補強された、中央スペーサリングディスク３１の縁部は５４により示されている。磁界がより多く材料を通過することによって、渦電球によって形成され、減衰に作用する反発力が増大する。
【００３５】
図９の実施例では、リングパケット５のマグネットリングがすべての側で被覆されている（被覆層５５）。マグネットリングは側方でスペーサディスク３１の機能を有し、これにより被覆部５５が十分な厚さを有し、適切な材料が選択されていれば、マグネットリングは磁極線に影響する作用および／または減衰性の作用を有するようになる。付加的にマグネットリングが侵襲性のガスからも保護される。この保護は、スリーブ３２が設けられており、これがすでに図２に示すように階段形状、または例えば図１０（リングパケット５）に示すようにシリンダ状であることによって達成される。
【００３６】
マグネットリングのスペーサリングディスク３１（ないし被覆部５５）は十分な厚さでなければならない。これはその目的を満たすためであり、とりわけベアリングの所望の剛性はスペーサディスクの厚さに依存するからである。平均的な大きさの摩擦ポンプの場合、厚さは０．２５から１ｍｍが有利である。
【００３７】
さらに螺旋形状に巻回されたシートコイル２３を使用するのが有利である。なぜなら、その必要空間が比較的小さいからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
ロータを有する機械の概略図であり、このロータはそれぞれ本発明に従って構成されたマグネットベアリングに支持されている。
【図２】
ロータを有する機械の概略図であり、このロータはそれぞれ本発明に従って構成されたマグネットベアリングに支持されている。
【図３】
本発明のベアリングを有するターボ分子真空ポンプ／分子真空ポンプの概略図である。
【図４】
本発明によるマグネットベアリングの部分断面図であり、ここでは種々の軸支承手段を有する。
【図５】
本発明によるマグネットベアリングの部分断面図であり、ここでは種々の軸支承手段を有する。
【図６】
本発明によるマグネットベアリングの部分断面図であり、ここでは種々の軸支承手段を有する。
【図７】
本発明によるマグネットベアリングの部分断面図であり、ここでは種々の軸支承手段を有する。
【図８】
減衰手段を有するマグネットベアリングの実施例を示す概略図である。
【図９】
減衰手段を有するマグネットベアリングの実施例を示す概略図である。
【図１０】
減衰手段を有するマグネットベアリングの実施例を示す概略図である。
【国際公開パンフレット】
2005504930.tif 000003
2005504930.tif 000004
2005504930.tif 000005
2005504930.tif 000006
2005504930.tif 000007
2005504930.tif 000008
2005504930.tif 000009
2005504930.tif 000010
2005504930.tif 000011
2005504930.tif 000012
2005504930.tif 000013
2005504930.tif 000014
2005504930.tif 000015
2005504930.tif 000016
2005504930.tif 000017
2005504930.tif 000018
2005504930.tif 000019
2005504930.tif 000020
2005504930.tif 000021
2005504930.tif 000022
2005504930.tif 000023
2005504930.tif 000024
2005504930.tif 000025
2005504930.tif 000026
【国際調査報告】
2005504930.tif 000027
2005504930.tif 000028
2005504930.tif 000029
2005504930.tif 000030
2005504930.tif 000031
2005504930.tif 000032