(57)【要約】本発明は、回転子軸受システムのスラスト荷重容量を増加するための装置及び方法（すなわち回転子軸受システムのスラスト荷重を緩和するための装置及び方法）を提供する。本発明のスラスト荷重容量増加装置は、固定子と回転子を含み、いくつかの永久磁石を用いることにより、回転子と固定子との間に引力又は反発力を生成し、磁気によるスラスト荷重容量の増加を達成する。
2005532516.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子軸受システム用のスラスト荷重容量増加装置であって、
回転子軸受システムの回転軸上に取り付けられた固定子；
該回転軸上の第１の空隙によって該固定子から隔てられた回転子；及び
第２の空隙によって該回転子から隔てられた少なくとも１個の永久磁石
を含み、
該少なくとも１個の永久磁石、該固定子と該回転子が磁気回路を形成し、該磁気回路の磁束通路が、該第１の空隙と第２の空隙において、回転子と固定子との間に外力Ｆextに対抗する補償力を生成することを特徴とするスラスト荷重容量増加装置。
【請求項２】
外力Ｆextが、低重心の立軸構造における圧力と重力からなる群より選ばれる作用に起因することを特徴とする請求項１に記載のスラスト荷重容量増加装置。
【請求項３】
該少なくとも１個の永久磁石が該固定子に固定されていることを特徴とする請求項１に記載のスラスト荷重容量増加装置。
【請求項４】
該少なくとも１個の永久磁石が該回転子に固定されていることを特徴とする請求項１に記載のスラスト荷重容量増加装置。
【請求項５】
該少なくとも１個の永久磁石の第１の永久磁石が該固定子に固定されており、該少なくとも１個の永久磁石の第２の永久磁石が該回転子に固定されていることを特徴とする請求項１に記載のスラスト荷重容量増加装置。
【請求項６】
該第１の永久磁石と該第２の永久磁石の異なる極性の磁極が向かい合うことにより、該回転子と該固定子との間に補償引力を生成することを特徴とする請求項５に記載のスラスト荷重容量増加装置。
【請求項７】
該第１の永久磁石と該第２の永久磁石の同じ極性の磁極が向かい合うことにより、該回転子と該固定子との間に補償反発力を生成することを特徴とする請求項５に記載のスラスト荷重容量増加装置。
【請求項８】
該第１の空隙と該第２の空隙を調節するためのスペーサーを更に含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のスラスト荷重容量増加装置。
【請求項９】
該固定子に取り付けられた圧電アクチュエータを更に含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のスラスト荷重容量増加装置。
【請求項１０】
該回転子と該固定子が、軟磁性材料と非磁性材料からなる群より選ばれる材料から作製されることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のスラスト荷重容量増加装置。
【請求項１１】
該回転子が炭素鋼製であり、該固定子が軟鋼製であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のスラスト荷重容量増加装置。
【請求項１２】
外力Ｆextが、静的力と動的力からなる群より選ばれることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のスラスト荷重容量増加装置。
【請求項１３】
補償力を測定するための測定装置を更に含むことを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載のスラスト荷重容量増加装置。
【請求項１４】
該測定装置が、ひずみ計と圧電素子からなる群より選ばれることを特徴とする請求項１３に記載のスラスト荷重容量増加装置。
【請求項１５】
回転子軸受システムのシャフトの一端に位置することを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載のスラスト荷重容量増加装置。
【請求項１６】
スラスト荷重が、外的使用荷重により単方向に作用するスラスト荷重であることを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載のスラスト荷重容量増加装置。
【請求項１７】
スラスト荷重が、立軸構造における回転子重量により単方向に作用するスラスト荷重であることを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載のスラスト荷重容量増加装置。
【請求項１８】
外力Ｆextが、使用荷重と立軸構造におけるシャフト重量からなる群より選ばれる単向性外的静荷重であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のスラスト荷重容量増加装置。
【請求項１９】
該回転子軸受システムが、磁気軸受システム、流体静力学的軸受システム、流体力学的軸受システムと転がり軸受システムからなる群より選ばれることを特徴とする請求項１〜１８のいずれかに記載のスラスト荷重容量増加装置。
【請求項２０】
回転子軸受システムのスラスト荷重容量を増加する方法であって、
以下の工程：
回転子軸受システムの回転軸上に固定子を提供する；
該回転軸上で第１の空隙によって該固定子から隔てられた回転子を提供する；そして
第２の空隙によって該回転子から隔てられた少なくとも１個の永久磁石を提供する
を含み、
該少なくとも１個の永久磁石、該固定子と該回転子が磁気回路を形成し、該磁気回路の磁束通路が、該第１の空隙と該第２の空隙において、回転子と固定子との間に外力Ｆextに対抗する補償力を生成することを特徴とする方法。
【請求項２１】
固定子を提供する工程と回転子を提供する工程が、軟磁性材料と非磁性材料からなる群より選ばれる材料から作製した回転子と固定子を提供することを含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
固定子を提供する工程が、軟鋼製の固定子を提供することを含み、回転子を提供する工程が、炭素鋼製の回転子を提供することを含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
少なくとも１個の永久磁石を提供する工程が、少なくとも１個の永久磁石を固定子に取り付けることを含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
少なくとも１個の永久磁石を提供する工程が、少なくとも１個の永久磁石を回転子に取り付けることを含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２５】
少なくとも１個の永久磁石を提供する工程が、少なくとも１個の永久磁石の第１の永久磁石を固定子に固定し、少なくとも１個の永久磁石の第２の永久磁石を回転子に固定することを含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２６】
第１の永久磁石を固定子に固定する工程と第２の永久磁石を回転子に固定する工程が、第１の永久磁石と第２の永久磁石の異なる極性の磁極を向かい合わせに配置することにより、回転子と固定子との間に補償引力を生成することを含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
第１の永久磁石を固定子に固定する工程と第２の永久磁石を回転子に固定する工程が、第１の永久磁石と第２の永久磁石の同じ極性の磁極を向かい合わせに配置することにより、回転子と固定子との間に補償反発力を生成することを含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
該第１の空隙と該第２の空隙を調節するためのスペーサーを提供する工程を更に含むことを特徴とする請求項２０〜２７のいずれかに記載の方法。
【請求項２９】
固定子に圧電アクチュエータを取り付ける工程を更に含むことを特徴とする請求項２０〜２７のいずれかに記載の方法。
【請求項３０】
外力Ｆextが、静的力と動的力からなる群より選ばれることを特徴とする請求項２０〜２９のいずれかに記載の方法。
【請求項３１】
補償力を測定するための測定装置を提供する工程を更に含むことを特徴とする請求項２０〜３０のいずれかに記載の方法。
【請求項３２】
該測定装置を提供する工程が、ひずみ計と圧電素子からなる群より選ばれる装置を提供することを含むことを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
該回転子軸受システムが、磁気軸受システム、流体静力学的軸受システム、流体力学的軸受システムと転がり軸受システムからなる群より選ばれることを特徴とする請求項２０〜３２のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転子軸受システムに関する。更に具体的には、本発明は回転子軸受システムのスラスト荷重容量を増加するための装置及び方法（a device and a method to enhance thrust load capacity）（すなわち回転子軸受システムのスラスト荷重を緩和するための装置及び方法）に関する。
【背景技術】
【０００２】
スラスト荷重が大きい高速回転子軸受システム、即ち回転軸に対して平行な荷重であって、高速回転子軸受システムのシャフトをアキシアル方向に押す傾向がある大きい荷重が存在する高速回転子軸受システムにおいて、シャフトの長さ方向のスラスト又は圧力を受けるためのスラスト軸受の設計、特にいわゆる無潤滑軸受システム（oil-free bearing system）におけるスラスト軸受の設計は、一般的に解決困難な課題である。
【０００３】
磁気軸受は、最悪の運転条件に耐えられるように設計できるので、多くの場合、高速無潤滑用途において、気体軸受と共に最も好ましい候補として挙げられる。
【０００４】
しかしながら、磁気軸受システムのスラスト軸受において高い荷重容量を得るためには、解決しなければならない設計上の問題が幾つもあり、例えば次のような問題が挙げられる：
−  高い荷重容量とは、シャフトにおけるスラスト面積が大きいことを意味するが、回転子の材料の強度に限界があるため、スラスト面積はシャフトの最大外径（maximum outer diameter）によって制限される；
−  高い荷重容量を得るためには、多くの場合、固定子において大型のコイルと大きな磁束通路（magnetic flux path）が必要なため、固定子の軸寸法が大きくなり、長い回転子が必要となるが、回転子の長さはシャフトのモード周波数（shaft mode frequencies）によって制限される；そして
−  一般にコイルには高電流が要求されるが、コイルの電流は、巻線の温度上昇によって制限される。また、高電流を得るためには、高コストのパワーエレクトロニクスが必要である。
【０００５】
流体静力学的又は流体力学的システムなどの気体軸受システムにおいて、高スラスト荷重軸受は非常に大きなスラスト面積が要求されるため、多くの場合、高スラスト荷重軸受の作製は非現実的である。上記気体軸受システムにおける主要な問題の原因は、気体の粘度が低いこと、回転中心の近傍における回転子と軸受との間の相対速度が低いこと、及び圧力供給が制限されていることである。
【０００６】
転がりスラスト軸受システム（rolling element thrust bearing system）及び流体軸受システム（fluid bearing system）においては、高荷重によりシステムの損失が増大するため、システムの効率が低くなるばかりでなくシステムの過熱も生じる。
【０００７】
以上から分かるように、回転子軸受システムのスラスト荷重容量を増加するための装置及び方法であって、コンパクトで効率の高い装置及び方法が必要なことは明らかである。
【０００８】
発明の目的 
本発明の目的は、回転子軸受システムのスラスト荷重容量を増加するための改良された装置及び方法（すなわち回転子軸受システムのスラスト荷重を緩和するための改良された装置及び方法）を提供することである。
【０００９】
発明の概要 
より具体的には、本発明によって提供されるのは、回転子軸受システム用のスラスト荷重容量増加装置（すなわち回転子軸受システム用のスラスト荷重緩和装置）であって、
回転子軸受システムの回転軸上に取り付けられた固定子；
該回転軸上の第１の空隙によって該固定子から隔てられた回転子；及び
第２の空隙によって該回転子から隔てられた少なくとも１個の永久磁石
を含み、
該少なくとも１個の永久磁石、該固定子と該回転子が磁気回路を形成し、該磁気回路の磁束通路が、該第１の空隙と第２の空隙において、回転子と固定子との間に外力Ｆextに対抗する補償力を生成することを特徴とするスラスト荷重容量増加装置である。
【００１０】
更に提供されるのは、回転子軸受システムのスラスト荷重容量を増加する方法（すなわち回転子軸受システムのスラスト荷重を緩和するための方法）であって、
以下の工程：
回転子軸受システムの回転軸上に固定子を提供する；
該回転軸上で第１の空隙によって該固定子から隔てられた回転子を提供する；そして
第２の空隙によって該回転子から隔てられた少なくとも１個の永久磁石を提供する
を含み、
該少なくとも１個の永久磁石、該固定子と該回転子が磁気回路を形成し、該磁気回路の磁束通路が、該第１の空隙と第２の空隙において、回転子と固定子との間に外力Ｆextに対抗する補償力を生成することを特徴とする方法である。
【００１１】
本発明のその他の諸目的、諸利益並びに諸特徴は、添付の図面を参照しながら以下に述べる本発明の諸態様の説明から明らかになる。但し、以下に述べる本発明の諸態様は単なる例示であり、本発明の範囲を限定するものではない。
【００１２】
本発明の態様の詳細な説明 
一般的に述べると、本発明は回転子軸受システムのスラスト荷重容量を増加するための装置及び方法（a device and method to enhance thrust load capacity in a rotor-bearing system）（すなわち回転子軸受システムのスラスト荷重を緩和するための装置及び方法）を提供する。
【００１３】
より正確には、本発明の第１の態様によるスラスト荷重容量増加装置(the load enhancement device)は、固定子と回転子を含み、いくつかの永久磁石を用いることにより、外部から作用する力（以下、外力Ｆextと称する）に対抗する引力を回転子と固定子との間に生成し、磁気によるスラスト荷重容量の増加を達成する。このような外力Ｆext（an outside force Fext）は、例えば、低重心の立軸構造における圧力又は重力に起因する場合がある。
【００１４】
添付の図１〜３に参照し、本発明の第１の態様の各種実施形態のスラスト荷重容量増加装置について以下に説明する。
【００１５】
スラスト荷重容量増加装置は、固定子１４と回転子１２を含み、固定子１４と回転子１２は、それらの間に補償引力（attracting compensation forces）が得られるように配置されている。
【００１６】
図１に参照する。第１の実施形態として、スラスト荷重容量増加装置は、回転子１２、固定子磁極片１４（stator pole piece 14）、永久磁石１６及びスペーサー１８を含む。
【００１７】
永久磁石１６、固定子磁極片１４及び回転子１２が磁気回路を形成するように、永久磁石１６が固定子磁極片１４に固定されており、固定子磁極片１４と回転子１２は空隙によって隔てられ、同様に回転子１２と永久磁石１６も空隙によって隔てられている。
【００１８】
生じる磁気回路の磁束通路（flux path）は、図１において破線で示されている。固定子磁極片１４と回転子１２との間の空隙における磁束及び回転子１２と永久磁石１６との間の空隙における磁束は、各々、外力Ｆext（external force Fext）を補償（compensate）する引力を生成する。
【００１９】
各種軟磁性磁極面、磁石及び空隙の幾何学的配置（geometry）を最適化することにより、大きさや空隙による制約のもとでの最小体積の磁石の使用が可能となる。永久磁石１６の軟磁磁極との位置関係が定められると、スペーサー１８により、補償力（compensation）を変動させるために空隙を調整することが可能になる。これは、空隙が狭くなると磁力が増加することは既知の物理法則であるからである。この調整により、モデリングの精度、製造公差と材料公差、及び工程の変動に柔軟性が得られる。
【００２０】
図２に示されるように、第２の実施形態としては、スラスト荷重容量増加装置は、基本的には図１に示された装置と類似している。唯一の違いは、回転子１２と固定子１４との間の引力が、回転子１２に取り付けられた磁石１６によって生成されることである。
【００２１】
回転子１２は、炭素鋼などの軟磁性材料から作製される。固定子磁極片１４も例えば軟鋼などの軟磁性材料から作製される。
【００２２】
図３に示されるように、第３の実施形態としては、回転子１２と固定子１４との間の引力は、回転子１２に取り付けられた第１の磁石１６ａ、及び固定子１４に取り付けられた第２の磁石１６ｂによって生成され、磁石１６ａと１６ｂは、異なる極性の磁極が向かい合っている。又、回転子１２と固定子１４が軟磁性材料から作製される場合には、回転子１２と固定子１４との間の引力は、回転子１２と固定子１４との間で磁極面が向かい合うように配置することにより生成することができる。
【００２３】
本発明の第２の態様によれば、固定子と回転子を含み、いくつかの永久磁石を用いることにより、固定子と回転子との間に反発力を生成し、磁気によるスラスト荷重容量の増加を達成することができるスラスト荷重容量増加装置が提供される。
【００２４】
図４に示されるように、反発力は、回転子１２に取り付けられた第１の磁石１６ａ、及び固定子１４に取り付けられた第２の磁石１６ｂによって生成され、磁石１６ａと１６ｂは同じ極性の磁極が向かい合うように（例えば、磁石１６ａのＮ極と磁石１６ｂのＮ極が向かい合うように）配置される。
【００２５】
以上から分かるように、２つの磁石を用い、各磁石の極性の配置を変えることによって、対処すべき外力Ｆextの方向に応じて引力又は反発力を生成することができる。
【００２６】
本発明のスラスト荷重容量増加装置が、回転子に固定された磁石と固定子に固定された磁石を含む、上述のいずれの場合（図３及び図４参照）においても、回転子１２及び固定子１４は非磁性材料で作製することができる。回転子１２と固定子１４に軟磁性材料を用いる場合、磁石、磁極面及び空隙の幾何学的配置を最適化することにより、最小体積の磁石の使用が可能となり、小型化及びコストの削減が達成される。実際に、軟磁性材料が固定子１４と回転子１２に用いられる場合、固定子１４と回転子１２との間の空隙に生成する力も補償力の一部として作用する。従って、必要とされる磁性材料は少なくなる。しかし、軟磁性材料はかなり高価なので、そのような方法はむしろ費用がかさむこととなるかも知れない。
【００２７】
このような場合においても、スペーサー１８により、空隙を変動させ、補償力を調整することができる。
【００２８】
補償力の自動調整又は原位置調整(an automatic or in-situ adjustment)が必要な場合、図５に示されるように、圧電アクチュエータ２０を（スペーサーの代わりに）用いて本発明のスラスト荷重容量増加装置の空隙を調整することにより、補償力を変えることができる。
【００２９】
図５に示される構造において、動的補償信号（a dynamic compensation signal）を圧電アクチュエータ２０に送ることにより、外的動力（external dynamic force）を補償することができることを当業者は理解するであろう。
【００３０】
更に、図５に示されるように、ひずみ計や圧電素子などの測定器２２を補償力の測定に使用してもよい。測定器の使用は、モニタリングの用途において有用である。能動型磁気軸受システム（active magnetic bearing systems）においては、能動型軸受が発揮する力（動的及び静的）を利用することができる。図５に示されるように、測定装置を用いることによって、本発明のスラスト荷重容量増加装置によって補償される力が測定される。その結果、シャフトにかかる全外力を求めることができる。
【００３１】
本発明の第３の態様によれば、固定子と回転子との間の磁気的空隙（magnetic air gap）を調整することにより、異なるレベルの荷重容量増加を得る方法が提供される。実際に、上述したスラスト荷重容量増加装置は、固定子と回転子との間に、外力Ｆextを補償する力を生成することを可能にする。
【００３２】
そのような調整はスペーサー（図１参照）によって行なうことができる。もしくは図５に示されるように、固定子に取り付けられた圧電素子などのアクチュエータによって自動的に行なうことができる。
【００３３】
スラスト荷重容量を増加する本発明の装置及び方法において発揮される力は、例えばひずみ計又は圧電素子（図５）によって測定することができる。
【００３４】
一例として、本発明の第３の態様の１つの実施形態による方法は、軟磁性材料から回転子と固定子を作製することにより、補償力を生成する磁石の使用を最適化する（例えば図１〜４参照）こと；  補償力の調整にスペーサーを用いること；  補償力（静的力及び／又は動的力）を自動的に調整するために圧電アクチュエータを用いること；  補償力を測定するためにひずみ計又は圧電素子を用いること；  及びスラスト荷重容量増加装置をシャフトの一端に配置することにより、シャフトの長さの変更を不要とすることを含む。
【００３５】
以上より、上記の構造は具体的な用途に応じて改変することができることを当業者は理解するであろう。例えば、シャフトの長さを最小にすることが重要な場合には、図１に示す構造が有利であろう。
【００３６】
本発明の方法により、固体接触も液体接触も用いることなく、すなわち非接触式手段によって、磁気によるスラスト荷重容量増加（magnetic thrust load capacity enhancement）が可能となることを当業者は理解するであろう。
【００３７】
本発明の興味深い用途としては、スラスト荷重が外的使用荷重又は立軸構造における回転子重量により単方向に作用するスラスト荷重であるシステムにおける用途が挙げられる。
【００３８】
スラスト荷重容量を増加するための本発明の装置及び方法は、例えば磁気軸受システム、流体静力学的軸受システム、流体力学的軸受システム又は転がり軸受システムなどに使用できることを当業者は理解するであろう。具体的な例としては、本発明は、使用荷重（例えば静圧）、又は立軸構造におけるシャフト重量などの単向性外的静荷重（unidirectional external static load）を補償するために使用することができる。
【００３９】
従って、本発明の教示によれば、小型かつ低コストのスラスト荷重処理（thrust force handling）（スラスト軸受及びスラスト荷重容量増加装置）が達成される。
【００４０】
更に、動的荷重を測定し、図５に示されるようにアクチュエータを取り付ければ、動的荷重の補償（dynamic load compensation）も可能である。
【００４１】
本発明のスラスト荷重容量増加装置は、シャフトの一端に配置することができる（図１〜５参照）ため、スラスト荷重容量増加装置を取り付けるためにシャフトの長さの変更する必要がないことに注目すべきである。
【００４２】
本発明においては、転がりスラスト軸受や、流体スラスト軸受などの流体継手を使用する際の直接接触による摩擦損失が一切生じないことを当業者は理解するであろう。更に、本発明においては、スラスト軸受システムに比べ、回転子と固定子との間の空隙が非常に大きいため、巻線損失（winding loss）を最小限に抑えることができる。
【００４３】
以上、具体例に参照して本発明を説明したが、本発明は、本発明の特性と教示から外れることなく改変することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
添付の図面において：
【図１】本発明の第１の態様の、第１の実施形態のスラスト荷重容量増加装置の断面図である。
【図２】本発明の第１の態様の、第２の実施形態のスラスト荷重容量増加装置の断面図である。
【図３】本発明の第１の態様の、第３の実施形態のスラスト荷重容量増加装置の断面図である。
【図４】本発明の第２の態様の、第１の実施形態のスラスト荷重容量増加装置の断面図である。
【図５】本発明の更なる実施形態のスラスト荷重容量増加装置の断面図である。
【図１】
2005532516.tif 000003
【図２】
2005532516.tif 000004
【図３】
2005532516.tif 000005
【図４】
2005532516.tif 000006
【図５】
2005532516.tif 000007
【国際調査報告】
2005532516.tif 000008
2005532516.tif 000009
2005532516.tif 000010