(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動力および軸支力を生成するための固定子に挿入される複数の巻線と、永久磁石、短絡ケージまたは高導電性金属被覆を有する回転子とを有する磁気軸支電気機械と、前記磁気軸支機械に対して、制御、調整、監視および励起を行うためのアナログまたはデジタル電子回路とを備え、前記固定子に挿入された個々の巻線（２４，２５，２６，２７）が軸支力および駆動力の両方を生成するために使用される磁気軸支電気駆動装置であって、前記複数の巻線（２４，２５，２６，２７）に前記電子回路によって関連の供給部を介して軸支力の生成のための回転磁場を生成する電流成分を供給するとともに、駆動力の生成のための交流磁場を生成する電流成分を供給することを特徴とする磁気軸支電気駆動装置。
【請求項２】
前記複数の巻線は、個別の電気的接続（５３、５４）を有する磁極巻線（２４，２５，２６，２７，５５，５６）として形成されることを特徴とする請求項１に記載の電気駆動装置。
【請求項３】
一つの磁極巻線は、互いに接続される、単一のコイル（２４，２５、２６）または複数のコイルを組合せたもの（５７，５８）であることを特徴とする請求項２に記載の電気駆動装置。
【請求項４】
二つ以上の隣り合う磁極巻線が、前記磁極巻線の電流による励磁に依存して、逆磁極（６１，６２）、共通磁極（６３、６４）あるいは、その重ね合わせにより共通磁極および逆磁極に分解可能な磁界を発生することを特徴とする請求項２または３に記載の電気駆動装置。
【請求項５】
前記固定子あるいは前記磁極巻線の周辺部を覆うと考えられる、前記磁極巻線の電流による励磁を介して、異なる数の磁極対、特に数が一つ異なる磁極対により重ね合わせられた磁界がもたらされることを特徴とする請求項４に記載の電気駆動装置。
【請求項６】
前記固定子あるいは回転子の磁極巻線が、共通に、磁極対ＰMLの数の、その振幅および位相は、各々軸支力の調整、または回転子位置の調整のために磁極巻線の電流による励起を介して設定することができる回転磁場を形成し、また、これに重ね合わされて、回転磁界または磁極対ＰM＝ＰML±１の数の、その振幅および位相は、交流磁場の場合その振幅は、駆動力の制御または調整のために、また前記回転子の回転速度、あるいは前記回転子位置の制御または調整のために、前記磁極の電流による励起を介して設定することができる交流磁場を形成することを特徴とする請求項４または５に記載の電気駆動装置。
【請求項７】
４つの磁極巻線の状態、特に４つの高密度巻線（２４、２５、２６、２７）の状態で、軸支力を生成するために回転磁場が生成され、また駆動力を生成するために交流磁場が生成されることを特徴とし、また同様に、適宜、磁気軸支機械の始動の信頼性を高めるために、特に、非対称シートメタルカット（３８）、一つ以上の補助磁石（４３）、または一つ以上の短絡リング（５２）による始動補助が用いられ、または、前記の好ましい始動位置は、前記空隙に対向する前記固定子表面（６５）上で、前記回転子（６６）の下方への回転による揺れ（６７）によって、対応する前記磁極巻線の励起を介して設定されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電気駆動装置。
【請求項８】
前記固定子は、磁極幅を短くするための補助磁極（８６）を備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電気駆動装置。
【請求項９】
前記回転子および好ましくは固定子の磁気的に有効な部分は、前記磁気空隙磁場の力による作用の結果として、軸方向および回転軸に対する二つの傾斜方向に、前記回転子の安定した、動作に必要な受動的磁気軸支を生じるように、半径方向の寸法に対して軸方向の寸法が短い円板、リングまたは、鐘状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の電気駆動装置。
【発明の詳細な説明】
本発明は、独立請求項の前提部分に示される磁気軸支電気駆動装置に関する。
駆動系における回転部の速度、寿命、清浄度及び気密性に関して極めて高いレベルの要求事項に対応しようとする機械および装置構造の応用分野が、磁気を用いた軸支技術によって切り開かれた。この応用分野は、従来の軸支技術を用いては実質的に実現不可能な、あるいは実現が非常に困難なものであった。例えば、磁気軸受を既に備えた例として、高速フライス盤や研削盤の主軸、ターボ圧縮機、真空ポンプ、あるいは高純度の化学製品や医療製品用のポンプ等、様々な実施例が挙げられる。
従来の磁気軸支電気機械（図１）には、機械ユニット１に加えて、２つの各ラジアル磁気軸受２および３、アキシャル磁気軸受４、２つの各機械式遮断軸受５および６、またモータや磁気軸受巻線を励磁するための合計１３個の出力制御装置７、８、９及び１０が必要である。
機械とラジアル磁気軸受を磁気固定子ユニットに一体化するための方法が添付資料（図２）に提案されている。駆動巻線及び軸支巻線用として、２つの分離式巻線系１１及び１２が固定子溝に多層構造の状態で導入されている。両巻線系は３つのループを有し、磁極対の数において一つ異なる。これらのコイルは、複数の溝にまたがって配置されている。図２に挙げた例は、以下のことを示す。
−  ４磁極機械巻線１１（外側）は、第１のループ１３、第２のループ１４、第３のループ１５を含み、
−  ２磁極軸支持巻線１２（内側）は、第１のループ１６、第２のループ１７、第３のループ１８を含む。
回転子から固定子、或いは固定子から回転子方向の矢印（参照符号無し）は、４つの磁気回転子部の磁化方向（例えば、半径方向すなわち直径方向への磁化）を示す。
剛性軸回転子の案内が必要でない用途、例えば換気装置、送風機、ポンプ或いは混合機等の用途においては、アキシャル磁気軸受及び第２のラジアル磁気軸受は、機械磁気軸受を一体化した本実施例からは除かれている。これに対する必要条件として、回転子の直径に対して長手方向の長さが短い寸法を有する円板形状の回転子（図３）の実施例がある。このように、固定子３９と回転子４０間に生じる磁気力４１によって、軸方向及び傾斜方向における回転子位置が安定化される。
しかしながら、多くの場合、磁気軸支技術の利用に際しては、複雑で高価なシステム構造および、それに伴うより高い製造コストが障害となる。従って、本発明の目的は、機械及び磁気軸受ユニットの機械的構造の簡略化から成るが、これは、この目的に適する電子的励起方法を考慮した上でのものである。
本発明のこの目的の解決法は、独立請求項によってもたらされる。好適な実施例の変形例は、従属請求項によって特徴付けられる。本発明の目的を達成することにより得られる特有の利点としては、固定子或いは回転子の構造を各々大きく簡略化できること、また従来から知られている解決策に対応した磁気軸受機械の巻線構造を有すること、また電源制御装置を削減できることである。
本発明の実施例について、図面を参照して以下に説明する。図面に示す内容は以下の通りである。
図１は、従来の磁気軸支電気機械の実施例を示す図である。
図２は、機械とラジアル磁気軸受が磁気固定子ユニットに一体化された、従来の磁気軸支電気機械の実施例を示す図である。
図３は、本発明に基づく磁気軸支電気駆動装置の実施例を示す図である。
図４は、駆動力生成の役割を担う第１の電流成分（４磁極磁場）を個別に描いた図３の実施例を示す図である。
図５は、軸方向に作用する軸支力を生成するための、二つの電流成分の内一つを形成する第２の電流成分（２磁極磁場）を個別に描いた図３の駆動装置の実施例を示す図である。
図６は、軸方向に作用する軸支力を生成するための、二つの電流成分の内、他の一つを形成する第３の電流成分（２磁極磁場）を個別に描いた図３の駆動装置の実施例を示す図である。
図７は、電気駆動装置の励起のために用い得るブリッジ回路の一実施例を示す図である。
図８は、端数を生じるピッチで巻かれた高密度巻線と、突極磁極および補助磁極を有する前記駆動装置の一実施例を示す図である。
図９は、ループを三つ有する駆動装置の巻線の技術的な変形例を示す図である。
図１０は、巻線磁極領域において、非対称シートメタルカットを有する、本発明に基づく駆動装置の一実施例を示す図である。
図１１は、円板形状の回転子を有し、軸方向および傾斜方向において、受動的な安定性を有する駆動装置の一実施例を示す図である。
図１２は、非正弦波固定子電流層分布および空隙中での非正弦波励起場分布における角度に依存する力の変動を示す図である。
図１３は、交流場でのモータ動作において、その始動を確実に行うための補助磁石を有する、本発明に基づく駆動装置の一実施例を示す図である。
図１４は、固定子磁極の片側に取り付けた短絡用リングを有する、本発明に基づく駆動装置の一実施例を示す図である。
図１５は、コイルを共に接続し、磁極巻線を形成することを示す図である。
図１６は、固定子磁極において回転子の回転による下方揺れの制御性を示す図である。
図１７は、空隙中において、正弦波励起場分布を実現するために、特別な形状に仕上げた磁石セグメントを有する、本発明に基づく駆動装置の一実施例を示す図である。
図３は、機械磁気軸受ユニットが一体化された実施形態を示す。この実施形態においては、図２に基づく従来の実施形態のように、磁極対の数が異なる二つの分離式巻線系は、固定子には導入されず、むしろ駆動力及び軸支力を生成する機能は、一つの巻線系に一体化されている。この巻線系は、周辺部に分散して配置された個別の磁極巻線２４，２５，２６及び２７から成っている。後述するように、これらの磁極巻線は、独立の電流電源により励磁されるため、磁極対の数が異なる磁場を、駆動力及び軸支力の生成に必要な空隙部に実現することができる。ここで、この種の機械は、その用途によって、モータ及び発電機両方として動作できることも言及しておく。図３に基づく構成を実施例として選択し、その固定子を、四つの突極磁極２０，２１，２２，２３及び四つの高密度磁極巻線２４，２５，２６，２７を有するシートメタルカット１９で形成し、また、その回転子を、４磁極永久磁石回転子で形成する。図２に示す実施形態とは対照的に、一つのループの巻線コイルは、複数の溝にまたがって分散されることはない。電圧及び電流の高調波成分を抑制するためのピッチの端数化は、シートメタルカット１９には設けないが、磁極幅２８を短くすることにより、それを実現できる（図８参照）。ピッチにかなりの端数が生じる場合、ある条件の下では、機械がスムーズに稼動するように、強磁性補助磁極８６（図８参照）を用いて、磁極幅を短くすることにより生じる大きい溝のギャップ２９を概ね閉じるのが好ましく、これは、巻線が無くても残すことができる。冷却効果をさらに高めるために、例えば、シートメタルカット１９は、アルミニウムリング或いはそれを囲むアルミニウムシリンダに各々嵌合させる。
分散した複数のコイル（内２つを図示）を介して、正弦波磁束リンクを実現することができる。しかしながら、従来から知られている磁気軸支駆動装置の実施形態とは対照的に、コイル５７，５８及び５９，６０は、図１５に示すように、個別電子回路接続５３a，５３b（これにより接続５３を形成）及び５４a，５４b（これにより接続５４を形成）を有する磁極巻線５５，５６に各々接続される。分散巻線コイルは、溝に挿入することが可能であり、あるいはその他に鐘状アンカモータと同様、鉄心の無いエアギャップ巻線として実現することが可能である。図１５は、高密度巻線ではなく、分散巻線に関して、図３に基づく全４磁極巻線の内２つを例示する図である。
図２に示す実施形態とは対照的に、個別の駆動力巻線及び軸支巻線は存在しない。４磁極巻線２４，２５，２６，２７は、各々駆動力生成及び軸支力生成の両方の役割を担っている。この両機能は、磁極巻線に重ね合わせられる３つの電流成分を有する、これに対応した電流によって励磁することにより実現可能である。
―４磁極交流磁場を生成するための第１の電流成分（機械動作）
―２磁極回転磁場を生成するための第２及び第３の成分（磁気軸受動作）
図４、図５及び図６は、磁気軸支機械の任意に選択された動作状態に対するこれらの成分を個別に示す図である。８磁極巻線断面の電流層は、図中、同じ数である。同様に、単磁極巻線中の電流方向は、図において互いに決まる。電流成分の符号が変化した場合、それに従って、図のすべての磁極巻線断面部において、電流方向が変化する。各電流成分の振幅及び符号は自由に、また他の電流成分とは独立に設定することが可能である。従って、図４で明らかにするように、第１の電流成分を変えることによって、４磁極交流磁場の振幅及び方向を設定することができる。これによって、４磁極回転子と相互作用が起こり、駆動力が生成される。
図５において、第２の電流成分の方向を示す。磁極巻線断面部２４a及び２７b、並びに２５b及び２６aは、溝部で互いに相殺することが図から解かる。このようにして、残りの磁極巻線断面部２４b及び２５a、並びに２６b及び２７aは、２磁極巻線の１ループとして機能する。
図６は、第３の電流成分３の方向を示す。９０°位相が回転している以外は、図５に示すものと同じ方法で電流層が分散される。このように第２及び第３の電流成分により、２磁極回転磁場は形成され、また半径方向軸支力の大きさと方向は、この２電流成分の振幅及び位相を選択することにより設定が可能である。
個別の電流成分は、例えば回転子位置および回転速度に対する所望の指定値及び実際の値、すなわち、アナログ回路或いは高速コンピュータユニットによって、回転子の位置及び回転子の回転角用検出器信号を評価した後、回転子の回転角或いは駆動力を考慮することにより決定される。電流成分の信号は、磁極巻線を基準として重ね合わせられ、電源電子回路で増幅され、クロックにより同期を取ったスイッチを介して、またはアナログ電力増幅器を介して４磁極巻線２４，２５，２６，２７へ供給される。これに応用可能なブリッジ回路を図７に示す。制御経路の特徴を考慮して、電流を印加する代わりに電圧を印加することも可能である。
図９は、３ループの技術的な巻線の変更例を示す。ここでは、個別のループ（機械ループ：３０a，３０b，３１a，３１b，３２a，３２b，３３a，３３b；第１の磁気軸受ループ：３４a，３４b，３５a，３５b；第２の磁気軸受ループ：３６a，３６b，３７a，３７b）は、各電流成分に対応しており、一つのループのコイルは、直列或いは並列に接続することが可能である。従って、図３に示すような電流レベルでの重ね合わせば起こらず、むしろ電流層レベル或いは磁場レベルで各々発生する。個別のループコイルの位置は、図４から図６での観察結果で決まる。ループＩ−IVの電流（ループＩ：磁極巻線２４、ループII：磁極巻線２５、ループIII：磁極巻線２６、ループIV：磁極巻線２７）及びループＩ´―III´の電流（ループＩ´：巻線３０−３３、ループII´：巻線３４−３５、ループIII´：巻線３６−３７）は、互いの領域に入りこみ流れることが可能である。
以下の変換の関係式が、選択された電流方向の符号について成り立つ。
iI=iI’-iII’+iIII’；  iII=iI’-iII’-iIII’；  iIII=iI’+iII’-iIII’；  iIV=iI’+iII’+iIII’
図９の巻線の構成は、図３に示す巻線の構成と比較し、複雑であり、また製造コストが高くなるが、４ループではなく３ループの電気的な励磁が必要なだけである。経済的な観点から、どちらの構成がより好ましいかということは、状況に応じて検討しなければならない。第１並びに第２及び第３の電流成分間での重み付けを自由に関連付けできるかどうかという可能性は、図３に示す構成において、ある状況下では、技術的関心を喚起するものである。このように、例えば、無負荷運転を行っている機械においては、有効な全巻線断面を、軸支力の生成用にほぼ全て用い、或いは、軸支の負荷を必要としない機械においては、全巻線断面を駆動力の生成用に用いる。図９に基づく巻線構成において、例えば、機械の無負荷運転中には、軸支力巻線の巻線断面のみが利用できるため、こうした自由な関連付けは不可能である。
特に、交流磁場の代わりに回転磁場を介して機械が動作する場合、機械の回転子の種類は、基本的に自由に選択することができる。例えば、永久磁石回転子、短絡ケージ回転子、短絡ケージの代わりに高導電性金属を被覆された回転子、或いは角度依存性の空隙変動を有するリラクタンス回転子を用いることが可能である。
各々巻線のピッチに生じる端数が充分でない場合や分散が不充分な場合、また非正弦波励起磁場分布の場合、例えば図１２に示すように、角度依存性の半径方向力の変動４２は、各々、図５或いは図６に基づく巻線あるいは、回転子が回転した際、定電流振幅を有する図９に基づくループII´またはループIII´の電流で励磁される空隙磁場の高調波成分によって生ずる。この影響は、良好な稼動状態を達成するために、巻線の電流による励起の際、考慮すべきである。
ほぼ正弦波となる励起磁場の分布は、例えば、図１７に基づく回転子と固定子８４間にある角度依存性の空隙を有する永久磁石８２の形を作り込むことにより、永久磁石回転子８５を用いて実現することが可能である。永久磁石の直径方向の磁化もまた、正弦波の磁場の分布に関しては、好ましい方向に作用する。この回転子の強磁性の後部端子すなわちヨークを８３で示す。しかしながら、コスト面において、特別に形状を加工せず、高密度巻線や半径方向すなわち直径方向に磁化される磁石を使用することにより、利点が得られる。
図３或いは図９に各々示す磁気軸支機械においては、その機械の動作には、交流磁場しか用いることができないため、始動時点で不感帯を克服するためには、適宜、補助駆動力を設ける必要がある。これは、例えば、巻線磁極部（図１０）の非対称形シートメタルカット３８によって実現することが可能である。もう一つの提案された解決手段（図１３）には、１つ或いはそれ以上の補助磁石４３が備えられており、この補助磁石４３は、回転子に対して軸方向または半径方向に配置されており、また、この補助磁石４３によって、例えば、四磁極永久磁石回転子５０は、磁石の引付け力の結果、角度φで好ましい始動位置４４に移動する。磁石磁極の境界位置４５において、始動駆動力は、任意の大きい電流でゼロになる。巻線磁極は、４６，４７，４８及び４９によって示す。引付け力を補助するために、補助磁石に鉄ヨークを追加することが可能である。
磁気軸受部によって制御される固定子磁極６５の空隙の終端において、回転子６６が回転し下方に揺れることによって、磁石の磁極位置に変化を起こすことも可能である（図１６）。直径が異なる結果、駆動力が増加できない不感帯外で回転子が回転できるように、下方への回転揺れ発生時、磁石と固定子磁極間の角度のずれが増大することになる。下方への回転揺れ発生時における回転子の中間点の動きを６７で表す。下方への揺れの運動中、回転子と固定子間ですべりが発生しないように、回転子及び／或いは固定子の周辺に手段を講じる必要がある（例えば、摩擦係数が大きい材料を用いたり、表面を粗したり、歯形を設ける等）。
さらに提案された一解決手段を図１４に示す。固定子磁極の片側に短絡リング５２を設けることにより、短絡電流の結果として、交流磁場の代わりに、楕円形の強い回転磁場が空隙中に発生する。
図３，４，５，６，９，１０，１３，１４，１６及び１７に、内側回転子を有する磁気軸支機械を各々の場合について示す。外側回転子を用いた実施形態の磁気軸支機械を動作させることも可能である。この場合、この回転子はリング或いは鐘状のものとして実現されることになり、固定子磁極は外側に向って配置される。
図３，４，５，６，９，１０，１３，１４，１６及び１７は、駆動力及び軸支力に関する磁極対の数に対する、また、ループ数の両方に対する実施例であると考えられる。磁極対の数を変更することもまた可能であるが、そのためには、機械動作のための磁極対数PMと、磁気軸受動作のための磁極対数PMLとの間にPM＝PML±１という条件が成り立つことが必要である。ループ数及び電源電子回路におけるブリッジ分岐の数を増やすことにより、交流磁場機械の代わりに回転磁場機械を、本発明に基づき、磁気軸支駆動装置に一体化することも可能である。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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