(57)【要約】  磁気駆動装置は、原動機であって、前記原動機の第１の表面上に第１の磁石配列を有する原動機と、ロータであって、前記ロータの外面上に第２の磁石配列を有するロータとを有している。前記ロータの前記外面は、前記原動機の動きが回転軸の周りに前記ロータの回転を生じるように前記原動機の前記第１の表面に隣接して配置されている。支持部材は、前記ロータの前記回転軸を規定するためのシャフトと、第３の磁石配列とを有しており、前記第３の磁石配列は、前記ロータの回転軸に沿って作用する前記ロータ上の力に抵抗するための磁気軸受を形成するための、前記ロータ上の第４の磁石配列と協働する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原動機であって、前記原動機の第１の表面上に第１の磁石配列を有する原動機と、
ロータであって、前記ロータの外面上に第２の磁石配列を有し、前記ロータの前記外面は前記原動機の動きが回転軸の周りに前記ロータの回転を生じるように前記原動機の前記第１の表面に隣接して配置されている、ロータと、
前記ロータの前記回転軸を規定するためのシャフトを有しており、および第３の磁石配列を有する支持部材と、を備え、
前記第３の磁石配列は、前記ロータの回転軸に沿って作用する前記ロータ上の力に抵抗するための磁気軸受を形成するための、前記ロータ上の第４の磁石配列と協働する、
ことを特徴とする磁気駆動装置。
【請求項２】
前記ロータが電気機械のロータであり、更に、前記電気機械のステータを含むことを特徴とする、請求項１に記載の磁気駆動装置。
【請求項３】
前記電気機械がモータであることを特徴とする請求項２に記載の磁気駆動装置。
【請求項４】
前記電気機械が発電機であることを特徴とする請求項２に記載の磁気駆動装置。
【請求項５】
前記ステータが前記ロータの内側に設けられることを特徴とする請求項２、３または４に記載の磁気駆動装置。
【請求項６】
前記ロータが前記磁気軸受に加えて軸受によって前記シャフトに支持されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の磁気駆動装置。
【請求項７】
追加の軸受が機械的軸受を含むことを特徴とする請求項６に記載の磁気駆動装置。
【請求項８】
追加の軸受が流体軸受を含むことを特徴とする請求項６に記載の磁気駆動装置。
【請求項９】
追加の軸受が能動型磁気軸受を含むことを特徴とする請求項６に記載の磁気駆動装置。
【請求項１０】
前記第３の磁石配列は受動型磁気軸受けを形成するために前記ロータ上の前記第４の磁石配列と協働することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の磁気駆動装置。
【請求項１１】
前記第３の磁石配列は能動型磁気軸受を形成するために前記ロータ上の前記第４の磁石配列と協働することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の磁気駆動装置。
【請求項１２】
前記第３の磁石配列および前記第４の磁石配列の各々は、前記磁気軸受が前記回転軸に沿って作用する力に耐えるように、前記ロータの前記回転軸に平行に延びていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の磁気駆動装置。
【請求項１３】
前記第４の磁石配列が前記ロータの内部表面上に配置されていることを特徴とする請求項１２に記載の磁気駆動装置。
【請求項１４】
前記第４の磁石配列が前記ロータの半径方向外向きの内部表面上に配置されていることを特徴とする請求項１３に記載の磁気駆動装置。
【請求項１５】
前記第４の磁石配列が前記ロータの半径方向内向きの内部表面上に配置されていることを特徴とする請求項１３に記載の磁気駆動装置。
【請求項１６】
前記第３の磁石配列および前記第４の磁石配列の各々は、前記磁気軸受が前記回転軸に沿って作用する力に耐えるように、前記ロータの前記回転軸に垂直に延びていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の磁気駆動装置。
【請求項１７】
前記シャフトに垂直に延びている第１のフランジを備え、前記第１のフランジは前記第１のフランジ上に前記第３の磁石配列を有し、前記第４の磁石配列が前記第３の磁石配列と対向して前記ロータの第１の軸端に設けられていることを特徴とする請求項１６に記載の磁気駆動装置。
【請求項１８】
前記シャフトに垂直に延びている第２のフランジを備え、前記第２のフランジは前記第２のフランジ上に第５の磁石配列を有し、
更に、前記第５の磁石配列と対向して前記ロータの第２の軸端に設けられる第６の磁石配列を備えることを特徴とする請求項１５に記載の磁気駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機械における軸受力を低減することに関する。
【背景技術】
【０００２】
発電機の形態をとる電気機械はとてもよく知られており、これらにおいては１次エネルギー源が本体の回転に使われている。そして、このロータはステータと協同して電流を発生させる。しかしながら、１次エネルギー源が、風、潮汐、または波のような一般的な再生可能エネルギー源の一つである場合、ロータは、少なくとも従来型発電所で達成される３０００ｒｐｍと比較して、一般的に、ややゆっくり動く。
【０００３】
最近の特許出願（欧州特許出願公開第２３３５３４４号明細書）には、原動機の低速回転を発電機のロータの高速回転に変換する一体型磁気歯車システムを有する機械が記載されている。磁石の両面配列が、より小さな機械をもたらす非常に高トルク密度の磁気歯車システムを得るために採用されている。
【０００４】
しかしながら、場合によっては、高トルク密度は必要でない。後の特許出願（ＰＣＴ／ＧＢ２０１２／０５３１４３）には、歯車効果を発揮するために強磁性突極の配列と協働する磁石の１つの配列を使う機械が記載されている。いくつかの用途においては、これはより高価ではないかもしれず、先の両面磁石システムよりよりロバストでありうる。これらの先に記載した機械群の双方は、モータまたは発電機として動作することができる。
【０００５】
便宜上、先のこれらの機械を、それぞれ、両面磁石（ＤＳＭ、Double Sided Magnet)または磁石リラクタンス（ＭＲ、Magnet Reluctance）機械 と呼ぶ。
【０００６】
多くの他の電気機械と共通して、これらの新しい機械は回転ロータを含み、また、軸受がそれらを支えるために必要とされる。従来の機械的な転がり軸受若しくはすべり軸受、磁気軸受、または、流体軸受を使うことができる。先に記載した機械群では、軸受力が高くなることがある。
【０００７】
高軸受力は、例えば、より高い初期費用や質量、利用期間の減少、高い騒音、および、低い効率のような多くの点で、従来の軸受にとって不利である。能動型磁気軸受の場合、回転ロータの位置を制御するために使われる磁場を発生するコイルに電力が供給される。より大きな軸受力は、さらなる電力、より大きな電磁石、および、より低い効率を引き起こす。
【発明の概要】
【０００８】
本発明の１つの態様によると、
原動機であって、前記原動機の第１の表面上に第１の磁石配列を有する原動機と、
ロータであって、前記ロータの外面上に第２の磁石配列を有し、前記ロータの前記外面は前記原動機の動きが回転軸の周りに前記ロータの回転を生じるように前記原動機の前記第１の表面に隣接して配置されている、ロータと、
前記ロータの前記回転軸を規定するためのシャフトを有しており、および第３の磁石配列を有する支持部材と、を備え、
前記第３の磁石配列は、前記ロータの回転軸に沿って作用する前記ロータ上の力に抵抗するための磁気軸受を形成するための、前記ロータ上の第４の磁石配列と協働する、磁気駆動装置が提供される。
【０００９】
このように、ＤＳＭおよびＭＲ機械における軸受力がどのように低減されるかが記載されている。
【００１０】
本発明のより良い理解のため、そして、それがどのように実施されるかを示すため、ここで例示として添付の図面が参照される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】従来発明に従う機械の一部を図示する概略図である。
【図２】主な力およびトルクを示している、従来発明に従う機械の一部を図示する概略図である。
【図３】第１および第２のロータの代替配置により、ラジアル軸受力がどのように実質的に減少されうるかを図示する概略図である。
【図４】第１および第２のロータの第２の代替配置により、ラジアル軸受力がどのように実質的に減少されうるかを図示する概略図である。
【図５ａ】図１、図３または図４に示された機械のロータを通る断面図である。
【図５ｂ】図１、図３または図４に示された機械のロータを通る断面図である。
【図６】図５の機械の第１および第２の軸受面上の磁石の第１の配置を示す。
【図７】図５の機械の第１および第２の軸受面上の磁石の第２の代替配置を示す。
【図８】図５の機械の第１および第２の軸受面上の磁石の第３の代替配置を示す。
【図９】図５の機械の第１および第２の軸受面上の強磁性突極と磁石との第１の配置を示す。
【図１０】図５の機械の第１および第２の軸受面上の強磁性突極と磁石との第２の代替配置を示す。
【図１１】図５の機械の第１および第２の軸受面上の強磁性突極と磁石との第３の代替配置を示す。
【図１２】図５に示すせん断型の軸受のための磁石の配列の別の態様を示す。
【図１３】図示されるような軸受における変位に伴う力の変化を図示す。
【図１４】従来の吸引式磁気軸受を図示する概略図である。
【図１５】図１に示す部分を通る代替的な断面図である。
【図１６】図１５に示す反発型磁気軸受の別の態様を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、先の２つの特許出願（欧州特許出願公開第２３３５３４４号明細書およびＰＣＴ／ＧＢ２０１２／０５３１４３）に従う電気機械８の一般的な構造を示している。電気機械は、本明細書において発電機の形態として記載されており、発電機における、本体の回転は電力を発生するために使われる。しかしながら、同じ原理が、電力が印加されるモータを組み立てるために使われることができ、本体を回転させるために使われることができることは当業者なら理解できるだろう。
【００１３】
図１の機械８は第１のロータ１０を有し、第１のロータ１０はスポーク１４の形態で示される支持構造によって回転軸１２に連結されている。回転軸１２の回転は、ロータ１０を回転軸によって限定される軸の周りに回転させる。回転軸１２の回転は、風車、潮流機械、または、波エネルギー変換装置のような動力源によって動かされ得る。もちろん、それは、任意の電源によっても動かされ得るが、本発明の機械は、特に、回転駆動が、例えば、典型的な１．５ＭＷの風車の場合における約２０ｒｐｍのように相対的に低速である状況のために適している。しかも、図１は、回転軸１２を介して動かされているロータ１０を示しているが、それは、外部動力源によって回転させられている本体によって、直接動かされ得る。
【００１４】
ロータ１０は、一般的に環状体（トロイダル、ドーナツ型）である。つまり、それは、円の面内にあるが円の外側に位置している軸の周りに円を回転させることによって描かれ得る環状の形状である。この軸はそして、ロータがその周りを回転させられる軸である。
【００１５】
しかしながら、ロータの表面は、完全にトーラスではない。具体的に、回転軸から最も離れて位置している円形の断面の一部は省かれ、環状ギャップ１６を残している。
【００１６】
図１においてギャップ１６を介して見えるものは、ロータ１０の内側円形断面より少し小さい外周円形断面を有する筒状の第２のロータ１８である。
【００１７】
図１は１つの筒状の第２のロータ１８を示すが、そのような第２のロータの多くが、実際は、第１のロータ内にありうる。
【００１８】
図２は、ＤＳＭおよびＭＲ機械双方の概略図である。
【００１９】
先のＤＳＭの出願（欧州特許出願公開第２３３５３４４号明細書）に記載されるように、ロータ１０および第２のロータ１８の向かい合う表面に面している磁石のらせん配置は、ロータ１０に加えられたトルクＴ１０がロータ１８に結果として生じるトルクＴ１８を引き起こすように、および、逆も同様に引き起こすように、設けられ得る。
【００２０】
先のＭＲの出願（ＰＣＴ／ＧＢ２０１２／０５３１４３）において、ロータ１０および第２のロータ１８の向かい合う表面に面している、磁石のらせん配置および強磁性材の突極は、ロータ１０に加えられたトルクＴ１０がロータ１８に結果として生じるトルクＴ１８を引き起こすように、および、逆も同様に引き起こすように、設けられ得る。磁石はロータ１０の表面に配置されることができ、同時に突極はロータ１８の表面に設けられる。あるいは、突極はロータ１０の表面に配置されることができ、同時に磁石はロータ１８の面に設けられる。
【００２１】
ＤＳＭおよびＭＲシステムの双方において、加えて、発生する所望のトルクに加えて、システムにはいくつかの好ましくない力の存在もある。好ましくない力のレベルを低減することが本発明の１つの目的である。
【００２２】
図２に、ロータ１８の、Ｒ１８と記されているラジアル力を示す。この力は、ロータ１０、１８の共通表面に対して垂直に沿って主に作用し、Ｒ１８として示されるロータ１８の半径方向に主に結果として有するだろう。この力は、ロータ１８を支持する軸受上に好ましくないラジアル荷重を生じる。Ｒ１８が具合がよいものより大きくなると考えられる場合、１つより多い環状体のロータ１０が使われると、ラジアル力の相殺を利用することによって僅かにすることができる。２つの環状体部分を用いているシステムは、（欧州特許出願公開第２３３５３４４号明細書およびＰＣＴ／ＧＢ２０１２／０５３１４３）に既に記載されており、図３および図４に便宜上、再度図示される。
【００２３】
図３に図示されるＤＳＭおよびＭＲ機械１２０の双方の場合において、ロータ１２６が２つの環状体部分ロータ１２２及び１２４の間で等距離を保っているなら、ロータ１２６上に結果として生じるラジアル力は実質的に反対方向となり、実質的に相殺するだろう。
【００２４】
図４に図示されるＤＳＭおよびＭＲ機械１３０の双方の場合において、ロータ１３６が２つの環状体部分のロータ１３２と１３４の間で最適距離を保っているなら、ロータ１３６上に結果として生じるラジアル力は実質的に反対方向となり、実質的に相殺するだろう。
【００２５】
図２に、Ａ１８で記されているロータ１８上のアキシャル力を示す。この力はロータ１８の軸に沿って主に作用する。この好ましくない力は必要とされるトルクＴ１８に直接関係し、Ｒ１８の場合のように相殺することができない。ロータ１８のアキシャル力は次のように近似計算される。
【００２６】
Ａ１８＝Ｔ１８＊ｒｅｖｓ１８／（Ｒ１０＊ｒｅｖｓ１０）
【００２７】
ただし、ｒｅｖｓ１８およびｒｅｖｓ１０は、それぞれ、ロータ１８およびロータ１０の１分間あたりの回転であり、そして、Ｒ１０は、ロータ１０と１８の軸間の垂直距離である。
【００２８】
例として、多数のロータ１８を有する１０ＭＷの風車のための小型発電機を設計するためのＤＳＭシステムを用いると、典型的な値は次のようになる。
【００２９】
ｒｅｖｓ１０＝１０ｒｐｍ
ｒｅｖｓ１８＝３０００ｒｐｍ
Ｔ１８      ＝１０００Ｎｍ
Ｒ１０      ＝２ｍ
よって、Ａ１８＝１５０ｋＮ、または、１５トンとなる。
【００３０】
力Ａ１８が容易に低減され得ることは理解されるだろうが、より小さい小型発電機を犠牲にしてでしかない。
【００３１】
従来、力Ａ１８は、スラストおよびアキシャル力軸受の複合軸受からなり得る機械的な軸受によって、または、一部がラジアル力を受け、一部がスラスト力を受ける１組の軸受によって、または、いつくつかの種類の軸受の混合によって、受けられるだろう。
【００３２】
本発明は、アキシャル力Ａ１８のいくつかまたは全部を打ち消すために配置された磁石のシステムに関係している。説明の目的のためだけに、図５ａおよび図５ｂ、それぞれは、ロータ１８（または図３の実施形態のロータ１２６または図4の実施形態のロータ１３６）を通る断面を示す。しかしながら、本発明は、他の同様の配置も可能である。シャフト５０１は、ロータ１８の回転の軸を提供し、かつ、図示しない支持構造によって固定される。固定フランジ５０２はシャフト５０１と結合されている。
【００３３】
磁石支持構造５０３は軸受５０５に支えられたシャフト５０１の周りを回転する。らせん磁石（上記したＤＳＭ構造の場合）またはらせん突極（ＭＲ構造の場合）は、回転体５０３の外径上に配置された表面５０４上に設けられる。
【００３４】
フランジ５０２上に設けられるものは、以下でより詳細に記載される磁気スラスト軸受である。機械的な回転要素軸受、機械的な滑り軸受、能動型磁気軸受、または、流体軸受のような先に記載した任意の軸受とすることが可能な軸受５０５は、ロータ１８の軸方向への少ない移動量を許容するが、他の方向へは工業的な許容誤差内に構造５０３を拘束するように配置される。アキシャル力Ａ１８は、先の特許出願（欧州特許出願公開第２３３５３４４号明細書およびＰＣＴ／ＧＢ２０１２／０５３１４３）に記載されているように、磁気構造５０４と環状体１０上の対応する磁気配置の間の電磁気相互作用の結果として支持構造５０３に作用する。
【００３５】
磁石支持構造５０３によって規定される空間５０８は、先に記載した（欧州特許出願公開第２３３５３４４号明細書およびＰＣＴ／ＧＢ２０１２／０５３１４３）ように、内部電気モータまたは発電機を含んでいる。
【００３６】
いくつかまたは全てのアキシャル力Ａ１８は磁気スラスト軸受を横切って現れる。
【００３７】
図５ａに、磁気スラスト軸受５０６が、磁石支持構造５０３の半径方向内向きに面する表面に設けられた第１の磁気表面２６、および、フランジ５０２からの突起５０２ａの半径方向外向きに面する表面に設けられた第２の磁気表面２８を含む実施形態を示す。図５ａの磁気スラスト軸受５０６は、したがって、空間５０８の半径方向外側の領域に設けられる。
【００３８】
図５ｂに、磁気スラスト軸受５０７が、フランジ５０２からの突起５０２ｂの半径方向内向きに面する表面に設けられた第１の磁気表面２６、および、磁石支持構造５０３の半径方向外向きに面する表面に設けられた第２の磁気表面２８を含む実施形態を示す。図５ｂの磁気スラスト軸受５０７は、したがって、空間５０８の半径方向内側の領域に設けられる。
【００３９】
他の実施形態では、磁気スラスト軸受は、図５ａおよび図５ｂに示される双方の位置、および／または、図５ａおよび図５ｂに示される位置の中間の１以上の位置に設けられ得る。
【００４０】
磁気スラスト軸受の効果は、軸受５０５上のアキシャル力の全てを実質的に低減または取り除くことである。
【００４１】
ＤＳＭまたはＭＲシステムのいずれか一方の多くの応用例において、力Ａ１８は、双方の可能な方向に沿って整列するかもしれず、そして、未知の大きさであるかもしれない。例えば、風車において、風の方向および力は変化する。しかしながら、Ａ１８の大きさは、通常の運転条件において、常にある限度の間にあるだろう。これらの限度は、磁気構造５０４と環状体１０上の対応する磁気配置との間に起こりうる最大のせん断力によって、決定される。これは、どれぐらいのスラストが磁気スラスト軸受５０６または５０７から必要とされるかを正確に計算できることを意味する。スラスト軸受５０６または５０７の最大のせん断力特性が、磁気構造５０４と環状体１０上の対応する磁気配置の間の起こりうる最大のせん断力からもたらされるものより大きいように構成されている場合、軸受５０６または５０７は、常に、任意の運転条件からもたらされる全ての力にも耐えることができるだろう。これは、機械のトルク特性を超えるトルクＴ１０を引き起こす出来事の場合において、磁気表面５０４が、軸受５０６または５０７の何らかの範囲外の変位が生じ得る前に損傷なくロータ１０の表面をスリップして通過することになるため、有利である。
【００４２】
図５ａに示されるように配置された軸受５０６の場合において、磁気スラスト軸受は、回転支持構造５０３に取り付けられた内表面２６および固定部５０２に取り付けられた外表面２８を含んでいる。図５ｂに示されるように配置された軸受５０７の場合において、磁気スラスト軸受は、固定部５０２に取り付けられた内表面２６および回転支持構造５０３に取り付けられた外表面２８を含んでいる。いずれの場合においても、表面２６および２８に設けられるものは、回転支持構造５０３が固定軸５０１の周りを容易に回転でき、設計によって決められた小さな制限内でだけロータ１８の軸方向に移動できるように構成された、磁石および／または突極の配置である。
【００４３】
図６に、第１および第２の軸受表面の表面２６、２８上の第１の可能な磁石の配置を示す。配置は同じであるが、互いにずれていることは明らかだろう。しかも、配置は、２つの表面が円形というよりは平面であるように模式的に示されていることに気付くであろう。表面２６の図示された部分は、第１の方向に磁化された永久磁石材料で作られた第１の磁石３４、そして１片の鉄３６、そして第１の方向とは反対の第２の方向に磁化された永久磁石材料で作られた第２の磁石３８、そして第２の１片の鉄４０、そして第１の方向に磁化された永久磁石材料で作られた第３の磁石４２を有している。
【００４４】
表面２８の図示された部分は、第２の方向に磁化された永久磁石材料で作られた第１の磁石４４、そして１片の鉄４６、そして第１の方向に磁化された永久磁石材料で作られた第２の磁石４８、そして第２の１片の鉄５０、そして第２の方向に磁化された永久磁石材料で作られた第３の磁石５２を有している。
【００４５】
この場合、図６に示されるように、表面２６、２８上の磁石配置は、２つの磁石に２片の鉄を加えた幅に等しいピッチＰを有している。
【００４６】
図７に、第１および第２の軸受表面の表面２６、２８上の第２の可能な磁石配置を示す。この場合も、配置は同じであるが、互いにずれていることは明らかだろう。そして、配置は、２つの表面が円形というよりは平面であるように模式的に示されていることに気付くであろう。
【００４７】
図７において、表面２６の図示された部分は、第１の方向に磁化された永久磁石材料で作られた第１の磁石５４、そして第１の方向とは反対の第２の方向に磁化された永久磁石材料で作られた第２の磁石５６、そして第１の方向に磁化された永久磁石材料で作られた第３の磁石５８、そして第２の方向に磁化された永久磁石材料で作られた第４の磁石６０を有しており、以下同様に続く。１片の永久磁石材料、例えば、鉄６２は、これらの磁石５４、５６、５８、６０のそれぞれの一端と接続されている。表面２８の図示された部分は、第２の方向に磁化された永久磁石材料で作られた第１の磁石６４、そして第１の方向に磁化された永久磁石材料で作られた第２の磁石６６、そして第２の方向に磁化された永久磁石材料で作られた第３の磁石６８、そして第１の方向に磁化された永久磁石材料で作られた第４の磁石７０を有しており、以下同様に続く。１つの強磁性材料、例えば、鉄７２は、これらの磁石６４、６６、６８、７０のそれぞれの一端と接続されている。
【００４８】
この場合、図７に示されるように、表面２６、２８上の磁石配置は、２つの磁石の幅に等しいピッチＰを有している。
【００４９】
図８に、第１および第２の軸受表面の表面２６、２８上の第３の可能な磁石配置を示す。この場合も、配置は同じであるが、互いにずれていることは明らかだろう。そして、配置は、２つの表面が円形というよりは、平面であるように模式的に示されていることに気付くであろう。
【００５０】
図８において、表面２６の図示された部分は、当業者にはハルバッハ配列として知られている配置である、表面２６にＮ極とＳ極の連続を生じるような、かつ反対表面８３上にはとても小さな磁場しか生じないような方法で磁化された永久磁石材料８２を有している。
【００５１】
表面２８の図示された部分は、表面２８にＮ磁極とＳ磁極の連続を生じるような、かつ表面９３にとても小さな磁場しか生じないような方法で磁化された永久磁石材料９２を有しており、この場合もハルバッハ配列を形成している。
【００５２】
この場合も、表面２６、２８上の磁石の配置は、図８に示すように、２つの連続するＮ極の間、または、２つの連続するＳ極の間の距離に等しいピッチＰを有している。
【００５３】
磁石が、図６に示されるようであれ、または、図７に示されるようであれ、または、図８に示されているようであれ、磁石は、表面２６および２８の間にある程度の結合を引き起こす。図６、７および８に概略が示された構成の混合に基づく磁石の配置も用いることができる。例えば、機械は、図７の表面２６に示される磁石と協働する図８の表面２８の磁石に基づき、設計され得る。
【００５４】
従来の電気機械巻線を用いることで表面２６または２８で磁場を生成することができる。
【００５５】
従来の電気機械巻線が使われる場合、必要に応じて巻線の電流を変えることによって部品間の力が変化する能動型制御軸受を作成することは、当業者ならただちに容易である。
【００５６】
図９に、第１および第２の軸受表面の表面２６、２８上での強磁性突極および磁石の第１の可能な配置を示す。配置は、２つの表面が円形というよりは、平面であるかのように模式的に示されていることは明らかだろう。表面２６の図示された部分は、示されるように強磁性突極２３６、２４０を有している。この極の間は、非強磁性の溝２３４、２３８、２４２である。
【００５７】
表面２８の図示された部分は、第２の方向に磁化された永久磁石材料で作られた第１の磁石２４４、そして１片の鉄２４６、そして第１の方向に磁化された永久磁石材料で作られた第２の磁石２４８、そして第２の１片の鉄２５０、そして第２の方向に磁化された永久磁石材料で作られた第３の磁石２５２を有している。
【００５８】
この場合、強磁性突極と表面２６、２８上の磁石の配置は、図９に示されるように、２つの磁石に加えて２片の鉄２４６の幅に等しいピッチＰを有している。
【００５９】
図１０に、第２の可能な強磁性突極の配置、および、第１および第２の軸受表面の表面２６，２８上の磁石を示す。この場合にも、配置は、２つの表面が円形というよりは、平面であるかのように模式的に示されていることは明らかだろう。
【００６０】
図１０において、２５４および２５８で示されるように、表面２６の図示された部分は、強磁性突極を有している。この極の間は、非強磁性の溝２５８および２６０である。
表面２８の図示された部分は、第２の方向に磁化された永久磁石材料で作られた第１の磁石２６４、そして第１の方向に磁化された永久磁石材料で作られた第２の磁石２６６、そして第２の方向に磁化された永久磁石材料で作られた第３の磁石２６８、そして第１の方向に磁化された永久磁石材料で作られた第４の磁石２７０を有しており、以下同様に続く。１片の強磁性材料、例えば、鉄２７２は、これらの磁石２６４、２６６、２６８、２７０のそれぞれの一端と接続されている。
【００６１】
この場合、強磁性突極と表面２６、２８上の磁石の配置は、図１０に示されるように、２つの磁石の幅に等しいピッチＰを有している。
【００６２】
図１１に、第３の可能な強磁性突極の配置、および、第１および第２の軸受表面の表面２６、２８上の磁石を示す。この場合にも、配置は、２つの表面が円形というよりは、平面であるかのように模式的に示されていることに気付くであろう。
【００６３】
図１１において、表面２６の図示された部分は、２８２および２８４で示されるように強磁性突極を有している。この極の間は、非強磁性の溝２８３および２８５である。
【００６４】
表面２８の図示された部分は、示されるように表面２８にＮ磁極とＳ磁極の連続を生じるような方法で磁化された永久磁石材料２９２、および、表面２９３にとても小さな磁場を有しており、当業者にはハルバッハ配列として知られている構造を形成している。
【００６５】
この場合も、強磁性突極および表面２６、２８上の磁石の配置は、図１１に示すように、２つの連続するＮ極の間、または、２つの連続するＳ極の間の距離に等しいピッチＰを有している。
【００６６】
強磁性突極および磁石が、図９に示されるようであれ、または、図１０に示されるようであれ、または、図１１に示されているようであれ、磁石は、表面２６および２８の間にある程度の結合を引き起こす。
【００６７】
どの場合においても、磁石が表面２８上であるとき、強磁性突極が表面２６上である実施形態が記載されるが、強磁性突極が表面２８にありおよび磁石が表面２６上にあるような反対の配置もまた可能である。
【００６８】
磁石に代わって従来の電気機械巻線を使うことで、表面２６または２８に磁場を生成することもできる。強磁性突極との結合は、各強磁性突極の周りに巻き付けられた従来の電気機械巻線を使うことで高められる。
【００６９】
従来の電気機械巻線が使われる場合、必要に応じて巻線の電流を変えることによって部品間の力が変化する能動型制御軸受を作成することは、当業者ならただちに容易にできる。
【００７０】
図１２に、磁石の配置または表面２６、２８上の突極をもう少し詳しく示す。具体的に、磁石または極は円筒状のパターンで配置される。回転支持構造の軸方向変位は、表面２６および２８上の磁気配置によって生じる復元力をもたらすだろう。
【００７１】
変位に対する復元力の様子は、設計の精密な細部に依存するが、図１３に示すように、しばしば略正弦波である。
【００７２】
図１３に示されるように距離Ｓは、設計の精密な細部に依存する。しかしながら、図６、図７および図８に示される配置の場合、Ｓは約Ｐ／２に等しく、Ｐは図６、図７および図８に記されている。一方で、図９、図１０および図１１に示される配置の場合、Ｓは約Ｐ／４に等しく、Ｐは図９、図１０および図１１に記されている。
【００７３】
表面２６および２８が、図１３にＳで記される範囲内の変位に関して安定平衡を示すことが明らかであるため、図１３に図示される変位に対する復元力特性は有利である。もちろん、ここで記載されたせん断力の原理に基づき少し高価な能動型磁気軸受が当業者によって容易に発明され得るのだが、このことは、受動システムが容易に実現されることを意味するが。図１４に模式的に図示された、磁気吸引力に基づくより一般的な磁気軸受システムは、受動システムとしては有利さが低い。
【００７４】
図１４は、典型的な技術水準で使われる吸引力型磁気軸受の原理を図示する。磁気力がヨーク６０１および第２の強磁性表面６０３を互いに向けて引き付けるように、強磁性ヨーク６０１は、電流を流す巻線６０２を囲んでいる。生成される力は、図６，７、８、９、１０、１１に図示されるシステムのように接線（せん断）方向というよりは、一般的に表面６０３に垂直である。受動システムにおいて、磁場は巻線６０２の一定電流によって、または、永久磁石のシステムによって、提供される。垂直力は、６０１と６０３のギャップが接近するとともに増加し、そのため受動的な安定平衡状態はない。能動軸受システムにおいて、巻線６０２の電流は、必要に応じて垂直力の変化を生じるように制御される。
【００７５】
図１５は、反発力型磁気軸受が、どのようにロータ１８のアキシャル力を相殺するために使われ得るかを示している概略図である。
【００７６】
図６、図７および図８に記載したＤＳＭシステムは、また、反発力型磁気軸受システムを提供するためにも使われ得る。
【００７７】
説明の目的のためだけに、図１５は、ロータ１８を通る断面を示す。しかしながら、本発明は、他の同様の配置を可能にする。シャフト５０１は図示されない支持構造によって、静止状態に固定される。固定フランジ５０２はシャフト５０１と結合される。磁石支持構造５０３は軸受５０５に支えられたシャフト５０１上を回転する。表面５０４にある、らせん磁石（ＤＳＭ）またはらせん突極（ＭＲ）は、５０３の外径上に配置される。位置６０１および６０２でフランジ５０２に設けられるものは、後述する磁気スラスト軸受である。機械的な回転要素軸受、機械的な滑り軸受、能動型磁気軸受、または、流体軸受のような先に記載された任意の軸受けでありうる軸受５０５は、ロータ１８の軸方向への少ない量の移動を可能とするが、他の方向には工業的な許容誤差内に構造５０３を拘束するように配置される。５０８として示される空間は、先に記載した（欧州特許出願公開第２３３５３４４号明細書およびＰＣＴ／ＧＢ２０１２／０５３１４３）ように、内部電気モータまたは発電機を含んでいる。
【００７８】
アキシャル力Ａ１８は、先の特許出願（欧州特許出願公開第２３３５３４４号明細書およびＰＣＴ／ＧＢ２０１２／０５３１４３）に記載したように、磁気構造５０４と環状体１０上の対応する磁気配置との間の電磁気相互作用の結果として支持構造５０３に作用する。磁気反発力が表面２６および２８の間に現れるように、位置６０１および６０２に磁気軸受が配置される。
【００７９】
表面２６および２８の間のギャップがより小さくなるとともに、表面２６および２８の間の反発力は大きくなる。アキシャル力Ａ１８が無いときは、軸受６０１および６０２の表面２６および２８の間のギャップは実質的に同じになるだろう。アキシャル力Ａ１８が働くとき、軸受６０１または６０２の表面２６および２８の間のギャップは近接し、そして、受動安定平衡位置が達成され得るように、反発力は、アキシャル力Ａ１８に対して反対に、より大きくなる。アキシャル力Ａ１８のいくつかまたは全部は、軸受５０５上での全てのアキシャル力を実質的に低減または取り除くように、６０１または６０２のような位置において磁気スラスト軸受を横切って現れる。
【００８０】
位置６０１および６０２に示される磁気スラスト軸受は、回転支持構造５０３に取り付けられた第１の環状表面２６、および、静止部５０２に取り付けられた第２の環状表面２８を含んでいる。表面２６および２８に設けられるものは、５０３が、５０１の周りを容易に回転することができるが、設計によって決められた小さい限度内でだけロータ１８の軸方向に移動することができるように、形成された磁石の配置である。
【００８１】
表面２６および２８上の磁石の配置は、まさに、図６、図７および図８に既に記載された磁石の配置と同様である。表面２６および２８の間の反発を引き起こす磁石システムを得るために、例えば図７および図８が最大反発のための位置を図示するように、極が表面２６および２８上で互いに対向するように、Ｎ極がＮ極に面しおよびＳ極がＳ極に面することを確実にすることだけが必要である。図６、図７および図８には、２つの表面が円形というよりは平面であるように配置が模式的に示されていることに気付くであろう。
【００８２】
従来のまたは超伝導の電気機械巻線を用いることで、表面２６または２８に磁場を生成することもできる。
【００８３】
従来の電気機械巻線が使われる場合、部品間の力が必要に応じて巻線の電流を変えることによって変化する能動型制御軸受を創作することは、当業者なら容易にできる。
【００８４】
図１６に、反発型軸受システムのための表面２６、２８上の磁石の配置をもう少し詳しく示す。具体的に、磁石は環状のパターンで配置される。回転支持構造の軸方向変位は、位置６０１および６０２において磁気配置によって生じる復元力をもたらすだろう。
【００８５】
したがって、磁気軸受が部品に作用するアキシャル力を低減することを提供する磁気駆動システムが記載されている。
【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５ａ】
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【図５ｂ】
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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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【国際調査報告】
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