(57)【要約】本発明は、制御装置１３により電流制御された第１および第２のラジアル磁気軸受５，６により支持された回転シャフト２を含んでいるロータリーマシンに関する。回転シャフト２は、第１および第２の固定子１０２，１０４の間に挟まれたこの回転シャフト２と一体のディスク１０１から構成された回転子を含む軸方向停止装置１００を備え、第１および第２の固定子は回転シャフトの周囲に環状に形成され、回転シャフトの軸方向の位置を自動的に制御するシステムにより電流制御される環状コイル１０３，１０５をそれぞれ含んでいる。軸方向停止装置１００の固定子１０４はさらに電機子装置１０６を含み、回転シャフトと一体のディスク１０１は、ラジアル磁気軸受にエネルギを供給するためにシャフトの回転中に電機子装置において励起電流を生じさせるように界磁コイル装置１０７を含んでいる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御装置（１３）により電気的に制御された第１および第２のラジアル磁気軸受（５，６）により支持された回転シャフト（２）を有し、前記回転シャフトがディスク（１０１）により形成された回転子を含む軸方向アバットメント装置（１００）を備え、前記ディスク（１０１）が回転シャフト（２）に固定されて、回転シャフトの周囲に環状に形成された第１および第２の固定子（１０２，１０４）の間に挟まれており、回転シャフトの軸方向の位置をサーボ制御するシステムにより電気的に制御される１以上の環状コイル（１０３；１０５）をそれぞれ含んでいるロータリーマシンにおいて、
軸方向アバットメント装置（１００）の２つの固定子の１つはさらに２次誘導回路（１０６）を含み、回転シャフトに固定されたディスク（１０１）は、シャフトの回転中に２次誘導回路において電力が励起されてラジアル磁気軸受にエネルギを供給するように１次誘導回路（１０７）を含んでいることを特徴とするロータリーマシン。
【請求項２】
１次誘導回路は、ディスク（１０１）の構造内において固定された複数の永久磁石（２０８，２０９；３０８；４０８）を含んでいることを特徴とする請求項１記載のロータリーマシン。
【請求項３】
永久磁石（３０８；４０８）はディスク内において２次誘導回路の直径より大きいか、等しいか、または小さい直径の円上に均一に配置されていることを特徴とする請求項２記載のロータリーマシン。
【請求項４】
永久磁石（２０８，２０９）は、第１および第２のシリーズの磁石間で規定されたギャップが２次誘導回路用のハウジング（２１０）を形成するように、２次誘導回路（２０６）の直径より小さい直径の円上に第１のシリーズ、およびこの２次誘導回路の直径より大きい直径の第２の円上に第２のシリーズとしてディスク内に均一に配置されていることを特徴とする請求項２記載のロータリーマシン。
【請求項５】
２次誘導回路（２０６）は、軸方向アバットメント装置（２００）の固定子（２０４）に固定されたコア（２１６）上に巻かれた１以上のトロイダル巻線（２１５）を含んでいることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のロータリーマシン。
【請求項６】
２次誘導回路（３０６）は、軸方向アバットメント装置（３００）の固定子（３０４）に固定された環状構造（３１４）上に配置された印刷回路板上の１以上の平面巻線（３１２）を含んでいることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のロータリーマシン。
【請求項７】
平面巻線（３１２）は、永久磁石の近いほうの磁極に面する環状構造（３１４）の面上に配置されていることを特徴とする請求項６記載のロータリーマシン。
【請求項８】
ラジアル磁気軸受を制御する装置（１３）は２次誘導回路において発生された電力を受取るためにそれに接続されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載のロータリーマシン。
【請求項９】
制御装置（１３）はマシンに固定され、防爆カバー（１４）を含んでいることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載のロータリーマシン。
【請求項１０】
爆発性雰囲気ゾーン（２０）中で動作することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項記載のロータリーマシン。
【請求項１１】
電気モータは一体化されていないことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項記載のロータリーマシン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえばラジアルアクティブ磁気軸受により支持された回転シャフトを含むターボポンプ等のロータリーマシンに関する。とくに本発明は、爆発性雰囲気中で動作するように設計された装置用のラジアルおよび軸方向磁気軸受に対する電気の緊急電源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気軸受を有するロータリーマシンの使用は、ますます広く普及してきている。このタイプのマシンにおいて使用されるアクティブ磁気軸受は電気により動作される電磁石装置を使用するため、電源を必要とする。
【０００３】
図７は、ターボエキスパンダの１例を示している。この装置はロータリーシャフト２を含み、このシャフト２は複動軸方向アバットメントと共にシャフトの両端部付近に配置された２つのラジアル磁気軸受５および６により支持されている。第１および第２のホイール３および４は、シャフト２の各端部に固定されている。第１のホイール３は図面の左側に位置し、圧縮された流体を入口ポート１１から受け、この流体がシャフトを回転させる。したがって圧縮機のこの部分が、動作時に入口ポート１０から出口ポート９に流れる流体を圧縮するために第２のホイール４に回転運動を伝達するタービンを表している。回転中、シャフト２は、電気的に制御された２つのラジアル磁気軸受５および６により浮揚状態を有効に維持される。この図面に示されているアクティブ磁気軸受の構造、動作および利点はよく知られている。
【０００４】
ラジアル磁気軸受は制御キャビネット４０内に配置された電源装置により電気的に制御され、この制御キャビネット４０はそれ自身が主として電源ネットワーク１６により給電される。遠心圧縮機はさらにボール軸受または平滑なリングのような受動補助軸受７および８を含み、これらの軸受７および８は磁気軸受が故障した場合に回転シャフト２を受けるように機能する。しかしながら、シャフトおよび軸受の損傷または破壊の危険性を回避するのに十分遅い速度である定まった速度より低くなった場合しか、回転シャフトが補助軸受上に接触することは許されない。このために、主に電源ネットワークにより給電される制御キャビネット４０はまた非常用電池４２を含んでおり、この非常用電池４２は、故障時に、シャフトが浮揚を中止されて補助軸受上に受けられることが可能になるために十分に速度がスローダウンするまで軸受への給電を電源ネットワーク１６から引き継ぐことを意図されている。
【０００５】
圧縮機が爆発性雰囲気２０内で動作するように設計されている場合、図７に示されているように、制御キャビネット４０はマシンから離された非爆発性の保護ゾーン４１内に位置される。このタイプの構成において、防爆処理されたマシンだけが爆発性雰囲気ゾーン２０内に配置される。このマシンは、マシンとキャビネットとの間において漏洩防止シース３１により保護されたリンク３０により遠隔キャビネットに接続される。
【０００６】
費用および装置の可動性のために、制御キャビネットを遠隔的に配置して保護された環境内に位置することが常に可能なわけではない。図８に示されているこのような状況下において、防爆タイプの制御キャビネット４０は爆発性雰囲気ゾーン２０内においてマシンに近接して位置されることが可能であるが、その内部に電池を有しない。爆発性ゾーンの中の装置に必須である電池を完全になくすことは不可能であるため、電池は危険な環境の外部に配置されなければならない。したがって、電池４２は常にゾーン２０の外側に位置される。制御キャビネット４０と電池４２および電源ネットワーク１６との間の両接続は、図７においてキャビネットとマシンとの間で使用されるタイプの漏洩防止シース３１により保護されたリンク１５により行われる。その結果、システムとその電源とから構成されたシステムに対するこのような構成のために、爆発性雰囲気ゾーンにおいて完全に独立したシステムを有することができない。
【０００７】
さらに電池の寿命は限られており、またそれらの維持は困難であるため、このタイプのマシン中での電池の使用を回避できるようにすることが常に有効である。
【０００８】
磁気軸受の制御が失われる電力遮断の可能性を改善するために、マシン内のある別の保護手段自身がそれ自体防爆性であるように処理されることが必要である。
【０００９】
従来技術において知られている解決方法は、電気的に駆動されるロータリーマシンに関するものである。そのタイプのマシンでは、電気モータは発電機として動作できるので、電力遮断の場合にはシャフトと補助軸受との間の接触が許可されている許容可能な速度にマシンがスローダウンしている期間中に軸受が自己給電することが保証される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この解決方法はモータ駆動されるロータリーマシンに対してしか構想することができないために、現在、磁気軸受を備えた多くの小型ターボマシンは費用および容積の問題のためにこのような小型のマシンの性能を変化させる通常の交流発電機を含むことができない。
【００１１】
本発明は上述の欠点を除去し、コンパクトで、マシンが内部に電気モータを有していない場合にもその磁気軸受を制御することのできる緊急用電源を内蔵するロータリーマシンを提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
これらの目的は、制御装置により電気的に制御された第１および第２のラジアル磁気軸受により支持された回転シャフトを有し、前記回転シャフトがディスクにより形成された回転子を含む軸方向アバットメント装置を備え、前記ディスクが回転シャフトに固定されて、第１および第２の固定子の間に挟まれており、前記第１および第２の固定子が回転シャフトの周囲に環状的に形成され、回転シャフトの軸方向の位置をサーボ制御するシステムにより電気的に制御される１以上の環状コイルをそれぞれ含んでいるロータリーマシンによって達成され、このロータリーマシンは、軸方向アバットメント装置の２つの固定子の１つがさらに２次誘導回路を含み、回転シャフトに固定されたディスクは、シャフトの回転中に２次誘導回路において電気が励起されてラジアル磁気軸受にエネルギを伝送するような１次誘導回路を含んでいることを特徴とする。
【００１３】
したがって、マシンの構造を変更することなく、電気を生成する手段が軸方向アバットメント装置内に有効に取付けられ、そのうえこの軸方向アバットメント装置はさらに、磁気軸受に給電する独立した発電機になる。
【００１４】
永久磁石は、ディスク内において２次誘導回路の直径より大きくても、等しくても、または小さくてもよい直径の円上に均一に配置されることが好ましい。
【００１５】
有効な実施形態において、永久磁石は、第１および第２のシリーズの磁石間に規定されたギャップが２次誘導回路を受けるハウジングを形成するように、２次誘導回路の直径より小さい直径の円上に第１のシリーズとして、およびこの２次誘導回路の直径より大きい直径の第２の円上に第２のシリーズでディスク内に均一に配置されている。
【００１６】
２次誘導回路は、軸方向アバットメント装置の固定子に固定されたコア上に巻かれた１以上の環状巻線を含んでいてもよい。
【００１７】
別の実施形態において、２次誘導回路は、軸方向アバットメント装置の固定子に固定された環状構造上に配置された印刷回路板上の平面巻線を含んでいる。
【００１８】
このような場合、平面巻線は、永久磁石の近いほうの極に面する環状構造の面上に配置されることが好ましい。ラジアル磁気軸受を制御する装置は２次誘導回路内に発電機を受けるためにそれに接続されている。
【００１９】
制御装置はマシン上に固定され、この場合それは防爆カバーを含んでいる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の別の特徴および利点は、以下に非制限的な例として記載されている本発明の特定の実施形態の説明および添付図面の参照から明らかになるであろう。
図１は、爆発性雰囲気ゾーン２０内において動作し、本発明による発電機手段を備えた軸方向アバットメント装置１００を含んでいるターボエキスパンダを示している。圧縮機は主として回転シャフト２を含んでおり、この回転シャフト２は、ゾーン２０内に配置された制御装置１３により電気的に制御される第１および第２のラジアルアクティブ磁気軸受６および７によって支持され、これはまた圧縮機の構造に組み入れられていることが好ましい。制御装置１３は、機械が爆発性雰囲気ゾーン２０内において動作した場合に防爆性であるように処理されたボックス１４内に位置されてもよいし、あるいはそうでなければ特別な予防策を必要としない環境で使用される通常の接続箱内に位置されてもよい。
【００２１】
制御装置１３は、接続ポイントがゾーン２０の外側にある電源ネットワーク１６から主として給電される。制御装置１３は導体１５によりネットワーク１６に接続され、この導体１５はそれ自身をゾーン２０内の爆発性雰囲気から隔離する漏洩防止シース３１を備えている。その後、制御装置１３はラジアル軸受に給電し、回転シャフト２により要求される浮揚（ｌｅｖｉｔａｔｉｏｎ）力に比例した電流を伝送する。既知の方法においては、ラジアル軸受の内部のシャフトの位置は、半径方向の変位を測定し、軸受に供給される電流を制御することで補正を行うことでサーボ制御され続ける。
【００２２】
記載されている例において、圧縮機は電気モータを含んでいない。シャフトはダクト１１を通って入れられた圧力下の流動体流により回転され、第１のホイール３を駆動し、出口管１２を通って排出される。圧力下における流動体流により駆動されたホイール３は、圧縮機を駆動するタービンとして動作する。このようにして回転されたシャフトは、入口管１０と出口管９との間を流れる作用流動体をポンプする第２のホイール１４を駆動する。したがって、このタイプの圧縮機はタービンを駆動することにより動作し、このタービンの駆動は圧縮された気体の供給から行われるか、あるいは液相とガスの気相とを分離するプロセス中に発生する気体の膨張により直接的に行われることができる。
【００２３】
電気モータにより駆動されないロータリーマシンは、ポンプを駆動する別の装置を含んでいてもよい。例示すると、マシンの外部のタービンはフレキシブルなリンクを介してポンプに接続されて爆発性雰囲気ゾーンの外部に配置されてもよい。
【００２４】
第１および第２の補助軸受７および８は、シャフト２の両端部のそれぞれの周囲に配置されている。これらの受動軸受は主として、ラジアル磁気軸受が故障した場合にシャフト２を受けるように機能する。しかしながら、可能性のある損傷を回避するために、シャフト２は、その回転速度がある定まった速度より低い場合にのみ補助軸受と接触すべきである。この許容された速度は１０００回転／分（ｒｐｍ）程度である。したがって、ネットワーク１６からの電力供給が故障した場合でもシャフトの回転速度が許容された速度にスローダウンするまで、その磁気浮揚（ｌｅｖｉｔａｔｉｏｎ）を保持することが可能であることが必要とされる。上述したように、従来技術の解決方法では、このタイプのロータリーマシンに対して非常に重要な特徴である安全性と小型性をあわせ持つ非常用装置を得ることができない。
【００２５】
したがって、本発明は、ロータリーマシンにおいて非常に一般的に使用されている磁気軸方向アバットメント装置を利用することを提案する。軸方向アバットメント装置１００は通常、シャフト２に固定されたディスクの形態の回転子１０１を含み、この回転子１０１は、１以上の環状コイル１０３および１０５をそれぞれ有する２つの固定子１０２および１０４の間に位置している。コイルは通常のサーボ制御システムによって電気的に制御され、このシステムは位置センサによりシャフトの軸方向の変位を検出して、補正されるべき軸方向の変位に比例した電流を伝送することで応答する。以下に説明する本発明による発電機手段を備えた軸方向アバットメント装置の種々の実施形態において、１つのアバットメント装置と別のものに共通する素子は１０の桁および１の桁が同じ参照符号を付けられている。
【００２６】
本発明によると、ディスク１０１中には磁界を生成する１次誘導回路または“１次回路”１０７が配置されており、その付近において２次誘導回路または“２次回路”１０６がディスクに面した固定子１０４上に固定されている。回転シャフトが動作しているとき、１次回路１０７は静止した２次回路１０６の付近で回転し、それによって２次回路内の電流を励起する磁束変化を生じさせる。図１において、１次回路はディスクの右側の面中に形成された円形開口内に配置されており、これは、符号１０４で示された固定子が２次回路１０６を含む必要があることを意味する。それでも、１次回路はディスクの左側に同様に配置されることもでき、この場合それは２次回路が他方の固定子１０２内に含まれる状態で動作する。
【００２７】
図２および３は、本発明の発電機手段を備えた軸方向アバットメント装置２００の１実施形態を示している。シャフトに固定されているディスク２０１には、第１のシリーズの永久磁石２０８および第２のシリーズの永久磁石２０９がそれぞれこのディスク２０１の軸を中心として同心である異なる直径の２つの円で配置されている。各シリーズ中の磁石は、第１および第２の各シリーズから１つづつの２つの磁石が整列し、それらの極が各対の周囲にライン２１１で表された磁界を生成するような磁極の対を形成するようにディスク２０１の半径方向に向けられるように配置されている。ディスク２０１上における磁石の配列方法は、所望される磁極の対の数に応じて、フラットモータに対して知られている可能な配列と同じであることができる。
【００２８】
磁石は、ディスクが遠心力に抗して積極的に磁石を保持するようにディスク中に埋込まれる。
【００２９】
磁石は、軸方向アバットメント装置の動作に対して使用される磁界がたどる通路を変更しない。非磁性片２０７および２０８は隣接した磁石の磁極とディスクのバルク部分との間に配置されてもよい。
【００３０】
２つのシリーズの磁石間に位置されたディスク２０１の円形部分は中空にされ、２次回路２０６の一部分が挿入される空洞２１０を形成する。図３に示されているように、２次回路２０６は、鉄またはフェライトコア２１６上に巻かれたトロイダル巻線２１５によって形成される。この構成においては、２次回路２０６は、コア２１６と固定子２０４との間に配置された複数のファスナ２１２によって固定子２０４に固定されている。その代り、巻線は、第一鉄材料から形成された環状構造に固定された印刷回路板上に形成されてもよい。どのような巻線構造が使用されようと、巻線は２相または３相巻線であってよく、１次回路は任意の数の極を有することができる。
【００３１】
巻線は発電機手段の固定子部分であるため、ディスクが回転し、磁極の対がその巻線の前を通過した場合にのみ、電流が巻線を流れる。明らかに、これらの発電機手段は、軸方向アバットメント装置の動作を妨害しないようにするためにその電磁特性を著しく変更してはならない。これこそ、本発明が、アバットメント装置の回転子素子内の、永久磁石が移動している期間中だけ電流が流れる巻線を支持する固定子素子の１つに面した部分に永久磁石を取付けることを提案する理由である。
【００３２】
さらに、磁石はディスク内において円形に取付けられているので、それらはシャフトの回転が比較的低速のときでさえ著しい周速で進行し、それによって磁気軸受は、低速度でもシャフト浮揚を維持するために十分な電力を供給されることが可能になる。いずれにしても、シャフトと補助軸受との間の接触が許容される最大回転速度（約１０００ｒｐｍである）は、アバットメント装置の発電機手段がラジアル軸受に給電するのに十分なエネルギを依然として生成することを十分可能にする。始動している最中、補助軸受上の回転速度が数千回転／分に達するとすぐに、アバットメント装置内に組み入れられた発電機手段は十分な電力を供給して磁気軸受を付勢して回転シャフトを浮揚させ、その後その速度が十分である限り、すなわち約１０００ｒｐｍより大きい限り、回転シャフトはこの磁気浮揚状態で維持される。
【００３３】
２次回路２０６の巻線中で発生された電力は制御装置１３に伝送され、この制御装置１３はとくに、低速度でもアクティブ磁気軸受５，６の制御電子装置に定電圧で給電することを可能にする広い入力範囲を有するＤＣ／ＤＣ変換器を有する電子回路（示されていない）を含んでいる。
【００３４】
図２および３を参照として記載されたものと同じ動作原理に基づいて、上述した利点を損なうことなく、２次回路および１次回路の両者に対して種々の異なった構成を構想することができる。
【００３５】
図４および５は、１つの可能な別の実施形態の図である。この例において、１次回路は、本明細書において上述した同じタイプの軸方向アバットメント装置３００に属するディスク３０１の構造中に配置された単一のシリーズの永久磁石３０８を有している。２次回路３０６は、図３を参照として説明されたタイプのトロイダル巻線によって構成されてもよいし、あるいは図５に示されているように、それは平面巻線を規定する印刷回路板３１２を含む外周面を有する環状構造３１４から構成されてもよい。その代り、永久磁石のシリーズ３０８が環状構造の内側に位置するように小さい直径の円上に配置される場合は、巻線は環状構造３１４の内周面上に配置されることができる。
【００３６】
環状構造は、固定子３０４の環状巻線３０５の付近に固定される。示されている構成において、環状構造の固定は、固定子３０４と環状構造の内周部分との間に配置された非鉄材料３１３によって補強されてもよい。
【００３７】
図６は、軸方向アバットメント装置における発電機手段のさらに別の実施形態を示している。この図において、アバットメント装置４００は、ディスク４０１の軸と同心である円上に依然として配置されている永久磁石４０８のシリーズを含むディスク４０１を含んでいる。しかしながら、この実施形態では磁石の磁極の向きは上記に示された方向とは異なっている。この場合、磁極はディスクの軸に平行な方向に向けられており、それによってディスクに垂直な平面に延在する磁力線４１１を有する磁界を生成する。このような状況において、磁石４０８を移動させることにより生成された磁束の影響下において電気を発生するために２次回路４０６もまた別の方向に向けられなければならない。
【００３８】
２次回路４０６は、それがトロイダル巻線として構成された場合、ディスク４０１に面して位置する固定子の表面から突出せずにその内側に位置する鉄を含まないコアの周囲に巻かれなければならない。２次回路４０６が平面巻線によって印刷回路板上に構成された場合、印刷回路板は、ディスク４０１の対向している面に平行である２次回路４０６の表面上に直接配置されなければならない。
【００３９】
上述した３つの実施形態は、本発明との関連で形成されることのできる変形のいくつかを示す例を構成しているに過ぎない。当業者は、その他の実施形態もまた容易に構想することができる。
【００４０】
さらに、本発明の発電機手段を備えた軸方向アバットメント装置は、電気モータにより駆動されないロータリーマシンとの関係で説明されている。それにもかかわらず、これらの手段がアバットメント装置内に統合されたために、その手段の小型化および機械のダイナミック特性が保存される方法が与えられた場合には、このような手段を電気モータにより駆動されるロータリーマシンでさえ、その中に取付け、それによって完全に独立した軸受に緊急電源を提供することが有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明による発電機手段を備えた軸方向アバットメント装置を概略的に示す遠心圧縮機の軸方向断面図。
【図２】
本発明による軸方向アバットメント装置内の発電機手段の第１の構成を示す軸方向半断面図。
【図３】
本発明による第１の実施形態において軸方向アバットメント装置の回転子部分上に固定された磁石とアバットメント装置の固定子部分上に固定された環状巻線がどのように構成されるかを示す図２のラインＩＩＩ−ＩＩＩにおける軸方向断面図。
【図４】
本発明による軸方向アバットメント装置内の発電機手段の第２の構成を示す軸方向半断面図。
【図５】
本発明による第２の実施形態における軸方向アバットメント装置の回転子部分上に固定された磁石とアバットメント装置の固定子に固定されたリングの外周上の印刷回路巻線との相対的な配置を示す図４のラインＶ−Ｖにおける軸方向断面図。
【図６】
本発明による軸方向アバットメント装置内の発電機手段の第３の構成を示す軸方向半断面図。
【図７】
従来技術の第１の例における遠心圧縮機およびその制御装置の軸方向断面図。
【図８】
従来技術の第２の例における遠心圧縮機およびその制御装置の軸方向断面図。
【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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【図８】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
2004535531.tif 000033
2004535531.tif 000034
2004535531.tif 000035
2004535531.tif 000036