(57)【要約】  本発明は、インダクタ軸を有し、ｐ極対を有する前記インダクタ軸に対して径方向の磁界を生成するインダクタ（４０）と、巻線（７０）であって、巻線軸（３５）を中心として配設されるループを有し、前記径方向磁界に磁気的に結合され、前記インダクタと前記巻線とが互いに対して回転している場合に前記巻線によって遮断される正味磁束変化量が、前記インダクタ軸と前記巻線軸とが一致する場合にゼロであるような方法で、閉回路内に接続される巻線と、前記インダクタと前記巻線との間の間隙（５０）と、を備える、回転装置のシャフトを支持するラジアル軸受（１１）を提供する。本発明によれば、前記電機子巻線は、ｐが１以上である場合にｐ−１又はｐ＋１極対を備え、前記電機子巻線は、ｐが０に等しい場合に１つの磁極対を備える。【選択図】図２
2016528869.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転装置のシャフトを支持するラジアル軸受（１０、１１）において、
ａ）インダクタ軸（３０）を有し、ｐ極対を有する磁界を生成するインダクタ（４０）と、
ｂ）電機子巻線（７０）であって、電機子軸（３５）を中心として配設されるループ（１００）を有し、前記磁界に磁気的に結合され、前記インダクタ（４０）と前記電機子巻線（７０）とが互いに対して回転している場合に前記電機子巻線（７０）によって遮断される正味磁束変化量が、前記インダクタ軸（３０）と前記電機子軸（３５）とが一致する場合にゼロであるような方法で、閉回路内に接続される電機子巻線と、
ｃ）前記インダクタ（４０）と前記電機子巻線（７０）との間の間隙（５０）と、を備え、
前記電機子巻線（７０）は、ｐが１以上である場合にｐ−１又はｐ＋１極対を備え、前記電機子巻線（７０）は、ｐが０に等しい場合に１つの磁極対を備えることを特徴とするラジアル軸受。
【請求項２】
請求項１に記載のラジアル軸受（１０、１１）において、前記電機子巻線（７０）は、前記電機子軸（３５）を中心として均一に分布されるｐ＋１又はｐ−１ループ（１００）を備えることを特徴とするラジアル軸受。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のラジアル軸受（１０）において、前記磁界は、前記インダクタ軸（３０）に対して径方向であることを特徴とするラジアル軸受。
【請求項４】
請求項３に記載のラジアル軸受（１０）において、前記インダクタ（４０）は、前記電機子巻線（７０）に対して内部であり、前記電機子巻線（７０）は、ｐ＋１極対を備えることを特徴とするラジアル軸受。
【請求項５】
請求項３に記載のラジアル軸受（１０）において、前記インダクタ（４０）は、前記電機子巻線（７０）に対して外部であり、前記電機子巻線（７０）は、ｐ−１極対を備えることを特徴とするラジアル軸受。
【請求項６】
請求項１又は２に記載のラジアル軸受（１１）において、前記磁界は、前記インダクタ軸（３０）に関して軸方向であることを特徴とするラジアル軸受。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れか１項に記載のラジアル軸受（１０、１１）において、前記インダクタ（４０）は、軸を中心として回転するために成される回転子であることを特徴とするラジアル軸受。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れか１項に記載のラジアル軸受（１０、１１）において、前記電機子巻線（７０）は、軸を中心として回転するために成される回転子であることを特徴とするラジアル軸受。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れか１項に記載のラジアル軸受（１０、１１）において、前記電機子巻線（７０）は、重ね巻きであることを特徴とするラジアル軸受。
【請求項１０】
請求項１乃至９の何れか１項に記載のラジアル軸受（１０、１１）において、前記電機子巻線（７０）は、波巻であることを特徴とするラジアル軸受。
【請求項１１】
請求項１乃至１０の何れか１項に記載のラジアル軸受（１０、１１）において、前記インダクタ（４０）は、ハルバッハ配列を備えることを特徴とするラジアル軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ｐ極対を有する磁界を生成するインダクタと、電機子軸を中心として配設されるループを有し、前記磁界に磁気的に結合され、前記インダクタと前記巻線とが互いに対して回転している場合に前記電機子巻線によって遮断される正味磁束変化量が、前記インダクタ軸と前記電機子軸とが一致する場合にゼロであるような方法で、閉回路内に接続される電機子巻線とを備える、回転装置のシャフトを磁気的に支持するラジアル軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気力学軸受は、磁界と、導体において誘導され、これらの導体によって見られる磁界の変動から結果として生じる電流との間の相互作用から発生する力に基づいている。この変動は、磁界の時間変化から、又は、磁界の空間変動及び導体の運動によって結果として生じる。電流は、回転子がその平衡位置に無い場合にのみ誘導されるのが好ましく、回転子が平衡状態にある場合に導体に何の電流も流れないという事実は、この状態において何の損失も無いことを暗に示している。電気力学軸受は、室温において安定した受動磁気軸受を設計できる可能性を提供する。しかし、それらが生じる力は、回転子の回転速度に依存し、これは、回転子が回転しない場合には何の力も存在しないことを意味する。種々の電気力学軸受の設計は、以前から研究されている。
【０００３】
磁気軸受は、回転子を浮上させ、それを回転軸の中心に置くよう、磁石と相互に作用する導電ループを用いる米国特許第５３０２８７４号明細書から公知である。この文献は、受動磁気軸受の原理、複数の永久磁石が磁界を生成し、複数のループがこの磁界に対して移動することを説明している。設計は、ループが所定の円形路に沿って移動する場合に、何の電流もループ内に流れないようなものである。ループがそれらの所定の経路から逸脱する場合、電流は、ループを所定の円形路に向かって移動させる傾向がありながら、ループ内を流れている。この軸受において、ループを軸方向及び径方向に移動させる手段が設けられている。文献米国特許第５３０２８７４号明細書の図６及び７に示すように、ラジアル軸受に対して、ループ担持ディスク１８上の径方向導電ループ２２は、数及び角度分布において、固定子上の磁石３８、４０の磁極と対応している。
【０００４】
文献国際公開第０３０２１１２１号パンフレットは、発電機／電動機用の受動磁気軸受を開示している。このラジアル軸受において、回転子は、多数の磁極対を備えるハルバッハ配列を備えており、この数は、図１の実施形態において６である。固定子は、回転子から発する電磁誘導の線上の波長の半分に間隔が空けられた軸方向断面を有する重ね巻きを備えている。図１及び２に示すように、回転子の磁極及び固定子巻線の磁極は、同じ角度周期性を有している。
【発明の概要】
【０００５】
本発明の目的は、向上した剛性を備えるラジアル軸受を提供することにある。
【０００６】
本発明は、独立クレームによって定義される。従属クレームは、有利な実施形態を定義している。
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、回転装置のシャフトを支持するラジアル軸受であって、
ａ）インダクタ軸を有し、ｐ極対を有する磁界を生成するインダクタと、
ｂ）電機子巻線であって、電機子軸を中心として配設されるループを有し、前記磁界に磁気的に結合され、前記インダクタと前記電機子巻線とが互いに対して回転している場合に前記電機子巻線によって遮断される正味磁束変化量が、前記インダクタ軸と前記電機子軸とが一致する場合にゼロであるような方法で、閉回路内に接続される電機子巻線と、
ｃ）前記インダクタと前記電機子巻線との間の間隙と、を備えるラジアル軸受を提供する。
本発明によれば、前記電機子巻線は、ｐが１以上である場合にｐ＋１又はｐ−１極対を備え、前記電機子巻線は、ｐが０に等しい場合に１つの磁極対を備える。インダクタは、永久磁石及び／又は直流電流を担持する巻線を備えてもよい。複数の前記電機子巻線は、増加した再度中心に向かう力を有する巻線を形成するように、２つの連続する磁極間で繰り返されてもよい。
【０００８】
前記電機子巻線は、電機子軸を中心として均一に分布されるｐ＋１又はｐ−１ループを備えるのが好ましい。
【０００９】
本発明の第１の実施形態において、前記磁界は、前記インダクタ軸に対して径方向である。
【００１０】
前記インダクタが、前記電機子巻線に対して内部である場合、前記電機子巻線は、従って、ｐ＋１極対を備えるのが好ましい。
【００１１】
前記インダクタが、前記電機子巻線に対して外部である場合、前記電機子巻線は、従って、ｐ−１極対を備えるのが好ましい。
【００１２】
本発明の第２の実施形態において、前記磁界は、前記インダクタ軸に関して軸方向である。
【００１３】
本発明のインダクタは、軸を中心として回転するために成される回転子であってもよい。電機子巻線は、従って、固定子である。
【００１４】
代替として、本発明の前記電機子巻線は、軸を中心として回転するために成される回転子であってもよい。インダクタは、従って、固定子である。
【００１５】
本発明の電機子巻線は、重ね巻きであってもよい。
【００１６】
本発明の電機子巻線は、また、波巻であってもよい。
【００１７】
インダクタは、ハルバッハ配列を備えてもよい。
【００１８】
本発明のこれら及び更なる態様を、例として、以下の添付図面を参照して更に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明によるラジアル軸受の軸に垂直な平面に沿った断面略図であり、ここで、インダクタによって生成される磁界は、径方向にある。
【図２】図２は、本発明によるラジアル軸受の軸に垂直な平面に沿った断面略図であり、ここで、インダクタによって生成される磁界は、軸方向にある。
【図３】図３は、本発明によるラジアル軸受の固定子に対する回転子の運動を説明するために用いられる座標系の図である。
【図４】図４は、電機子巻線に取り付けられるフレームにおいて表される７極対の偏心インダクタによって生じる磁気ベクトルポテンシャルの成分を表す。
【図５】図５は、本発明による軸受に対して想定される巻線のレイアウトの、平面構成での、部分略図である。
【図６】図６は、本発明による軸受に対して想定される巻線のレイアウトの、平面構成での、部分略図である。
【図７】図７は、本発明による軸受に対して想定される巻線のレイアウトの、平面構成での、部分略図である。
【図８】図８は、本発明による軸受に対して想定される巻線のレイアウトの、平面構成での、部分略図である。
【図９】図９は、本発明による軸受に対して想定される巻線のレイアウトの、平面構成での、部分略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図の描写は、正確な縮尺又は原寸に比例して描かれていない。概して、同一の構成要素は、図において同じ符号で表記される。
【００２１】
図１は、本発明の第１の実施形態によるラジアル軸受１０の実施例の軸に垂直な平面に沿った断面略図である。その回転子２０は、回転子機械軸３０と、軸３０を中心として配置される永久磁石であってもよいインダクタ４０とを備えている。図示の実施例において、磁石は、従って、１つの磁極対を有する平行着磁環状永久磁石である。本説明において、インダクタの極対数は、「ｐ」によって示され、値（０、１、２、３、４・・・）をとってもよい。永久磁石内側半径は、ＲＲで示されており、その外側半径はＲＭで示されている。固定子６０は、その内側半径がＲＷで示され、外側半径がＲＳで示される電機子巻線７０を備えている。強磁性ヨーク７４は、内側半径Ｒｓから外側半径Ｒｅまで磁気回路を閉鎖している。エアギャップ５０は、回転子２０を固定子６０から離間している。巻線は、回転子が中心に位置する場合に、何の電流もその内部に誘導されない、即ち、それらがヌルフラックス巻線であるような方法で接続される。図１において、インダクタ４０は、巻線７０の内部にある。しかし、以下に説明する原理から理解されるように、本発明はまた、インダクタが巻線の外部にある場合にも適用される。図１において、インダクタ４０は回転するが、巻線７０は静止している。本発明はまた、インダクタが静止し、巻線が回転する場合にも適用される。強磁性ヨーク７４は、存在しなくてもよい。巻線はまた、強磁性歯の間に挿入されてもよい。インダクタ４０は、ハルバッハ配列から、又は、永久磁石及び／又は直流電流を担持する巻線の他の配置から成っていてもよい。
【００２２】
図２は、本発明の第２の実施形態によるラジアル軸受１１の軸に垂直な平面に沿った断面略図であり、ここで、インダクタによって生成される磁界は、軸方向にある。図示の実施例において、インダクタ４０は、Ｎ極（磁化が図面において上方向に配向される）を有する３つの磁石と、Ｓ極（磁化が図面において下方向に配向される）を有する３つの磁石とを備えている。インダクタ４０の磁極対ｐの数は、３に等しい。インダクタ磁極対は、２π／ｐ＝２π／３の角度で離間されている。電機子巻線７０は、波巻であり、閉回路内で接続され、２π／（ｐ＋１）＝２π／４の角度で離間される４つのループを形成する４つの前方向導体８０と、４つの後方向導体９０とを備えている。これらのループは４つの磁極対を形成し、丸で囲った×印は、それぞれ、これら磁極対の磁極を表している。インダクタ４０の磁石は、静止し、固定子を形成してもよい一方で、電機子巻線７０は、回転ディスク上に取り付けられ、回転子を形成してもよい。図１並びに図２において、インダクタ及び電機子巻線は、中心となるように、即ち、インダクタ軸３０及び電機子巻線軸３５が一致するように示されている。
【００２３】
次の段落全体を通して、様々な円筒座標及びフレームが、図３に示すように用いられる。１つのフレームは、インダクタ中心ＯＩに取り付けられる。別のフレームは、電機子巻線中心ＯＡに取り付けられる。インダクタ軸３０及び電機子巻線軸３５は、図面に対して垂直である。電機子巻線に取り付けられるフレーム内の点Ｐの円筒座標は（ｒ，θ）であり、インダクタに取り付けられるフレーム内の点Ｐの円筒座標は（ξ，ψ）である。電機子に取り付けられるフレーム内のインダクタ中心ＯＩの円筒座標は、（ε，φ）である。（ε，φ）は、電機子巻線に対するインダクタの偏心を表している。インダクタに取り付けられるフレームは、巻線に取り付けられるフレームに対して角度θｍで回転される。
【００２４】
本発明を説明するために、我々は、多数の磁極対ｐ＝１、２、３・・・を有するラジアル磁界を生じるインダクタによって生成される磁界を述べる。この磁界を、最初に、インダクタ中心ＯＩに取り付けられるフレームにおいて説明する。
【００２５】
軸方向における端効果を無視し、インダクタによって生成される磁気ベクトルポテンシャルは、軸方向軸に沿って向けられるたった１つの成分しか持たず、以下のフーリエ級数展開として書き表すことができる：
2016528869.tif 000003
ここで、ξ及びψは、図３に示すような、インダクタに取り付けられるフレーム内の点Ｐの座標である一方で、ε及びφはそれぞれ、巻線に対するインダクタの偏心の振幅及び方向である。定数Ｋ１，ｎ、Ｋ２，ｎ、Ｋ３，ｎ、Ｋ４，ｎ、Ｋ５，ｎ、Ｋ６，ｎは、インダクタの幾何学的及び磁気特性によって決まる。インダクタの偏心の振幅εに比例するこの式の第２及び第３項は、強磁性ヨークが電機子巻線と関係がある場合にのみ存在し、偏心インダクタ上の強磁性ヨークの磁束案内効果に起因する。定数Ｋ１，ｎは、インダクタが内部にある場合にＫ２，ｎと比較してかなり大きいが、定数Ｋ２，ｎは、インダクタが外部にある場合にＫ１，ｎと比較してそれよりももっと大きい。巻線に取り付けられるフレーム内の電機子巻線に対するインダクタの偏心によって生成される磁気ベクトルポテンシャルは、変数の変化と共に得られる：
2016528869.tif 000004
ここで、ｒ及びθは、全体座標系における点Ｐの座標である。
【００２６】
磁気ベクトルポテンシャルＡＭｚの式は、従って、電機子巻線内に最も高い誘導電流を生成し、従って、最も高い再度中心に向かう力を生成することができる、偏心によって生成される磁気ベクトルポテンシャルの最上位の成分を強調するために、中心位置の近傍における偏心振幅ε、即ち、ε＝０の関数として、テイラー級数に展開することができる。この展開は、３つの項を生じさせる：
2016528869.tif 000005
ここで、
2016528869.tif 000006
第１項は、インダクタが中心にある場合に巻線によって見られる磁気ベクトルポテンシャルに相当する。以下で説明するように、この項は、ヌルフラックス電機子巻線において何の電流も誘導しない。従って、インダクタが適切に中心に置かれた場合に、損失が回避される。後の２つの項は、偏心に起因する磁界に相当する。これらの項は、電機子巻線において電流を誘導する。
【００２７】
より詳細に、概して優勢であるという事実によって正当化される、インダクタによって生成される磁界の基本成分の効果に注目すると、中心のずれによって生成される磁気ベクトルポテンシャルは、以下の式に縮小される：
2016528869.tif 000007
従って、偏心によって生成される磁気ベクトルポテンシャルが、２π／（ｐ＋１）及び２π／（ｐ−１）に等しい空間周期性を有することは興味深いことである。この磁気ベクトルポテンシャルに関する磁束密度は、従って、ｐ＋１及び／又はｐ−１に等しい極対数によって特徴付けられる。電機子巻線によるこの磁束密度を最良に遮断するため、及び、それによって、電気力学軸受の有用な効果を最大限に活用するため、従って、後者は、ｐ＋１及び／又はｐ−１にも等しい極対数を有していなければならないように思われる。かかる極対数により、電機子巻線は、中心に置かれた場合のインダクタによって生成される磁界に関する何れかの磁束も遮断せず、これは、ｐに等しい極対数によって特徴付けられる。これは、Ｎｓ回の巻き数から成る巻線によって遮断される磁束が以下の一般的関係によって与えられることを考えることによって理解できる：
2016528869.tif 000008
ここで、Ｓは、巻線によって定義される表面である。この関係は、以下のように、磁気ベクトルポテンシャルの関数として書き直すことができる：
2016528869.tif 000009
ここで、Γは、表面Ｓを取り囲む閉路である。
【００２８】
この場合において、磁気ベクトルポテンシャルは、完全に軸方向にあり、電機子巻線が窓枠型である場合、電機子巻線によって遮断される磁束は、以下の特定の形態をとる：
2016528869.tif 000010
ここで、ｌは、巻線軸長であり、以下によって与えられるθｉは、
θｉ＝θ０｜（ｉ  １）π／ｑ
ｉ＝１、３、・・・２ｑ−１で前方向導体の位置、及び、ｉ＝２、４、・・・２ｑで後方向導体の位置に対応する。電機子巻線は、ｑ極対を有する。
磁束の式は、従って、以下のように書き直すことができる：
2016528869.tif 000011
【００２９】
電機子巻線の極対数であるｑがｐ＋１に等しければ、この式は以下のように縮小される：
2016528869.tif 000012
この数式において、合計の第１項は、中心に置かれた場合のインダクタによって生成される磁界に関する磁束の成分に相当する一方で、第２及び第３項は、中心がずれた場合のインダクタによって生成される追加の磁界に関する磁束の成分に相当する。予想されるように、第１項の成分同士は、各成分に対して、ｉ＝１、・・・、ｑが、大きさは等しいが、符号が反対の成分ｉ＋ｑに相当するため、互いに相殺される。第２項の複数の成分は、振幅及び符号の両方において、全て同一であり、それらは単に、偏心εに直接連結される磁束を生成するよう加える。
第３項の複数の成分は、各成分に対して、ｉ＝１、・・・、ｑが、大きさが等しく、同じ符号の成分ｉ＋ｑに相当するため、結果として、ｉ＝１からｉ＝ｑまでの合計の２倍となる。このｉ＝１からｉ＝ｑまでの合計は、同じ振幅の湾曲の合計に相当するが、互いに比べて、２×π／ｑの位相のずれを有しており、これは、合計が相殺することを意味している。
要するに、ｐ＋１の極対を有する電機子巻線は、中心がずれている一方で、ヌルフラックスコイルの特性を保持している場合のインダクタによって生成される磁界に関するｐ＋１における磁束成分を最適に遮断する。
内部インダクタの場合のように、Ｋ１＞＞Ｋ２であるため、Ｃ２＞＞Ｃ３であり、周期（ｐ＋１）における第２項は、周期（ｐ−１）における第３項よりも重要である。
導体が均等に分布しておらず、窓枠巻線のように完全に軸方向に無い場合でさえも、各導体に対して、θｉが、第１の導体から、ｐが奇数の場合に角距離πに位置し、ｐが偶数の場合にπ＋π／ｐに位置する導体θｑ＋ｉに相当するような周期を考慮する場合に、上記の推論は、第１項の相殺に関して真のままである。しかし、この場合、電機子巻線は、第２項の小数部だけでなく、第３項の一部も遮断する。
【００３０】
同様に、電機子巻線の極対数であるｑがｐ−１に等しければ、磁束のための式は以下のように縮小される：
2016528869.tif 000013
この数式において、合計の第１項は、中心に置かれた場合のインダクタによって生成される磁界に関する磁束の成分に相当する一方で、第２及び第３項は、偏心される場合のインダクタによって生成される追加の磁界に関する磁束の成分に相当する。再度、第１項の成分同士は、各成分に対して、ｉ＝１、・・・、ｑが、大きさは等しいが、符号が反対の成分ｉ＋ｑに相当するため、互いに相殺される。一般に、第２項の複数の成分は、各成分に対して、ｉ＝１、・・・、ｑが、大きさが等しく、同じ符号の成分ｉ＋ｑに相当するため、結果として、ｉ＝１からｉ＝ｑまでの合計の２倍となる。このｉ＝１からｉ＝ｑまでの合計は、同じ振幅の湾曲の合計に相当するが、互いに比べて、２×π／ｑの位相のずれを有しており、これは、合計が相殺することを意味している。ｐ＝２及びｑ＝１である特定の場合において、第２項の成分同士は相殺せず、中心に向く力に寄与する磁束を生成する。第３項の複数の成分は、振幅及び符号の両方において、全て同一であり、それらは単に、偏心εに直接連結される磁束を生成するよう加える。要するに、ｐ−１の極対を有する電機子巻線は、中心がずれている一方で、ヌルフラックスコイルの特性を保持している場合のインダクタによって生成される磁界に関するｐ−１における磁束成分を最適に遮断する。外部インダクタの場合、Ｋ２＞＞Ｋ１であるため、Ｃ３＞＞Ｃ２であり、周期（ｐ−１）における第３項は、周期（ｐ＋１）における第２項よりも重要である。
導体が均等に分布しておらず、窓枠巻線のように完全に軸方向に無い場合でさえも、各導体に対して、θｉが、第１の導体から、ｐが奇数の場合に角距離πに位置し、ｐが偶数の場合にπ＋π／ｐに位置する導体θｑ＋ｉに相当するような周期を考慮する場合に、上記の推論は、第１項の相殺に関して真のままである。しかし、この場合、電機子巻線は、第３項の小数部だけでなく、第２項の一部も遮断する。
【００３１】
上記の検討は、径方向にｐ極対を有するインダクタに適用され、ｐは１以上である。我々はここで、極対数ｐ＝０によって特徴付けられる径方向磁界を生成するインダクタ、及び、強磁性ヨークを持つか、又はそれを持たない窓枠巻線を備える電機子巻線の場合を考える。ｐ＝０インダクタは、軸を中心として複数の永久磁石を配置することによって得られてもよく、それぞれは径方向に着磁されている。この場合、軸方向における端効果を無視し、インダクタによって生成される磁気ベクトルポテンシャルは、以下の形態をとる：
2016528869.tif 000014
以前の場合と同じアプローチを用いると、結果として、偏心によって生成される磁界の追加成分が、１に等しい極対数によって特徴付けられることが得られる。電機子巻線によるこの磁束密度を最良に遮断するため、及び、それによって、電気力学軸受の有用な効果を最大限に活用するため、従って、後者は、１にも等しい極対数を有していなければならないように思われる。これら全ての結果は、窓枠巻線のために得られたが、それらがｐ＋１及び／又はｐ−１に等しい極対数によって特徴付けられることを条件として、それらは何れかの種類／形状の電機子巻線に対しても有効のままである。
【００３２】
上記の数式及び検討は、径方向にｐ極対を有するインダクタに適用される。しかし、対応する結果は、インダクタの磁界が、図２に関して検討したように、軸方向に向けられる場合に、得ることができる。従って、径方向インダクタに関して上記で得られた結論は、軸方向インダクタ、即ち、電機子巻線がｐ＋１又はｐ−１極を有する軸受の向上した剛性に同様に適用される。
【００３３】
図４は、巻線に取り付けられるフレームにおいて表されるラジアル磁界を生成する７極対の偏心インダクタによって生じる磁気ベクトルポテンシャルの成分を表している。角度θは、電機子巻線中心を中心とする方位角である。ベクトルポテンシャルの主成分は、以下のように表され、以下を備える：
−  実線として表され、インダクタの極対数に対応する極対数「ｐ」を有し、大きさ
2016528869.tif 000015
を有する、第１の成分Ａ。この大きさは、偏心の大きさεとは無関係である。
−  点線として表され、極対数「ｐ＋１」を有し、大きさ
2016528869.tif 000016
を有する、第２の成分Ｂ。この大きさは、偏心の大きさεに比例する。
−  破線として表され、極対数「ｐ−１」を有し、大きさ
2016528869.tif 000017
を有する、第３の成分Ｃ。この大きさも、偏心の大きさεに比例する。
偏心の大きさεによるか、又はそれによらない、巻線でインダクタによって生成されるベクトルポテンシャルの他の成分は、桁が小さく、従って、電磁軸受を中央に置くことに対してそれ程重要ではない。成分
2016528869.tif 000018
及び
2016528869.tif 000019
の大きさは、軸受の構成の種類によって決まる。内部インダクタにとって、成分
2016528869.tif 000020
は、成分
2016528869.tif 000021
よりも大きい。外部インダクタにとって、成分
2016528869.tif 000022
は、成分
2016528869.tif 000023
よりも大きい。ベクトルポテンシャルのこれらの成分のそれぞれ及びそれらの特性は、磁界に対して対応する成分及び特性を有している。
【００３４】
図４はまた、３種類の巻線も略図的に表している。巻線は、巻線軸に平行な直線導体を有する「窓枠巻線」である。丸で囲った×印によって表される導体（前方向導体８０）は、電流が２つのかかる導体内を反対方向に流れるような方法で、ループを形成するように、丸で囲った点で記した隣接する導体（後方向導体９０）に接続される。３つの巻線の種類は以下の通りである：
−  第１の巻線Ｉであって、従来技術から公知であり、図の上側部分に示され、２つのコイルを備え、それぞれが、２つのループから形成され、直列に接続され、それぞれが、インダクタの周期と同一の周期、２π／ｐ、又は、２つの連続する導体間の方位角距離がπ／ｐに等しい場合の周期を有する。２つのコイルは、πよりも小さい方位角範囲を有し、全く正反対の位置に位置する。
−  第２の巻線ＩＩであって、図の底部に示され、直列に接続される８つのループを備え、それぞれが、２π／（ｐ＋１）に等しい周期、又は、２つの連続する導体間の方位角距離がπ／（ｐ＋１）に等しい場合の周期を有する。この第２の巻線は、（ｐ＋１）極対を有し、２πの方位角範囲を有する。
−  第３の巻線ＩＩＩであって、巻線ＩＩの真上に示され、直列に接続される６つのループを備え、それぞれが、２π／（ｐ−１）に等しい周期、又は、２つの連続する導体間の方位角距離がπ／（ｐ−１）に等しい場合の周期を有する。この第３の巻線は、（ｐ−１）極対を有し、２πの方位角範囲を有する。
【００３５】
ループを通る磁束に対する導体（前方向及び後方向）の共有がこの導体におけるベクトルポテンシャルの値に関連することがわかり、巻線Ｉ、ＩＩ、及びＩＩＩのそれぞれを通る磁束の最大の大きさは、以下の表において得られる：
2016528869.tif 000024
【００３６】
以下の結論がこの表から得ることができる：
−  ３つの巻線は、ベクトルポテンシャルの成分Ａをフィルタにかける。３つの巻線全てが、「ヌルフラックス」巻線である。成分Ａは、εがゼロの場合に存在する唯一の成分であり、インダクタ軸及び巻線軸が一致する場合、何の電流も巻線Ｉ、ＩＩ、及びＩＩＩに生じない。
この場合、何のエネルギーも失われない。
−  巻線ＩＩは、ベクトルポテンシャルの成分Ｃを完全にフィルタにかける。成分Ｂに関連し、巻線ＩＩを通過する磁束は、巻線Ｉを通過する成分Ｂの磁束よりも大きい。従って、巻線ＩＩは、大きい起電力を有し、従って、成分Ｂが優位である場合、即ち、インダクタが内部インダクタである場合、巻線Ｉよりも大きい再度中心に向かう力を有する。
−  巻線ＩＩＩは、ベクトルポテンシャルの成分Ｂを完全にフィルタにかける。成分Ｃに関連し、巻線ＩＩＩを通過する磁束は、巻線Ｉを通過する成分Ｃの磁束よりも大きい。従って、巻線ＩＩＩは、大きい起電力を有し、従って、成分Ｃが優位である場合、即ち、インダクタが外部インダクタである場合、巻線Ｉよりも大きい再度中心に向かう力を有する。
【００３７】
巻線ＩＩ及び巻線ＩＩＩは、それぞれ、ｐ＋１及びｐ−１極対を有するものとして表されるが、電機子軸を中心として均一に分布する２（ｐ＋１）又は２（ｐ−１）導体により、誘導電流が丸で囲った×印及び点によって示される方向に流れるような方法で、方位角距離２π／（ｐ＋１）又は２π／（ｐ−１）にある少なくとも一対のループが、閉回路に接続されることを条件として、全ての導体ではなく、２（ｐ＋１）又は２（ｐ−１）導体が存在する場合に、中心に向かう力が活発になることは理解されるであろう。
【００３８】
図５に表すように、本発明の一実施形態による軸受のための巻線は、重ね巻きとして当該技術分野で周知のような種類のものであってもよい。前方向導体８０は、ループ１００を形成するように、図の上部において、後方向導体９０に接続されている。ループ１００内の丸で囲った×印は、電流が矢印によって示すように導体内を流れる場合に生じる磁界の方向を表している。この磁界は、巻線の磁極を形成する。磁界方向は、図面内に向かっている。左側ループの後方向導体は、図面には表していない方位角接続を介して、右側ループの前方向導体に接続される。連続するループは、完全な２πの円の巻線を形成し、ｐ＋１又はｐ−１極のどちらかと、その中間で反対方向の対応する磁極とを有する閉回路を形成するように接続される。
【００３９】
図６は、図４の複数の巻線が、増加した再度中心に向かう力を有する巻線を形成するように、２つの連続する磁極間でどの様に繰り返されるかを示している。加えて、再度中心に向かう力は、軸を中心としてより均一に分布される。
【００４０】
図７は、導体が、図４の導体のような直線である代わりに、曲率を持って湾曲している改良された巻線を示している。曲率は、比率ωＬ／Ｒを最適化するように決定されてもよく、ここで、ωは軸受の回転速度、Ｌは巻線のインダクタンス、Ｒはその抵抗である。曲率はまた、そのインピーダンスに対して、巻線によって遮断されるインダクタのため、磁束の率を高めるために最適化されてもよい。図７は、方位角接続が巻線の中央の面に位置する代替のループ間接続を示している。
【００４１】
図８に表すように、本発明の別の実施形態による軸受のための巻線は、波巻として当該技術分野で周知のような種類のものであってもよい。前方向導体８０は、ループ１００を形成するように、図の上部において、後方向導体９０に接続されている。ループ１００内の丸で囲った×印は、電流が矢印によって示すように導体内を流れる場合に生じる磁界の方向を表している。この磁界は、巻線の磁極を形成する。磁界方向は、図面内に向かっている。左側ループの後方向導体は、右側ループの前方向電流にすぐに接続される。連続するループは、示すように、完全な２πの円の巻線を形成し、ｐ＋１又はｐ−１極のどちらかと、その中間で反対方向の対応する磁極とを有する閉回路を形成するように接続される。
【００４２】
図９は、図８の複数の巻線が、増加した再度中心に向かう力を有する巻線を形成するように、２つの連続する磁極間でどの様に繰り返されるかを示している。
【００４３】
これらの巻線は、ワイヤによって構成されてもよく、又は代替として、フレキシブルプリント回路基板として構成されてもよい。
【００４４】
本発明のラジアル軸受によってもたらされる利点は、向上した剛性である。
【００４５】
本発明を、特定の実施形態に着目して説明してきたが、それは、本発明の例証であり、制限するものとして解釈すべきではない。より一般的には、本発明が、特に示し、及び／又は、上で説明してきたものによって制限されないことは、当該技術に精通する者によって正しく理解されるであろう。
【００４６】
特許請求の範囲における符号は、それらの保護範囲を制限するものではない。動詞「備える」、「含む」、「から成る」、又は、何れかの他の変形、並びにそれらのそれぞれの語形変化の使用は、説明したそれら以外の要素の存在を除外するものではない。要素の前の冠詞「ａ」、「ａｎ」、又は「ｔｈｅ」の使用は、複数のかかる要素の存在を除外するものではない。
【００４７】
本発明はまた、以下のように説明されてもよい：本発明は、回転装置のシャフトを支持するラジアル軸受において、
ａ）インダクタ軸を有し、ｐ極対を有する磁界を生成するインダクタと、ｂ）電機子巻線であって、電機子軸を中心として配設されるループを有し、前記磁界に磁気的に結合され、前記インダクタと前記電機子巻線とが互いに対して回転している場合に前記電機子巻線によって遮断される正味磁束変化量が、前記インダクタ軸と前記電機子軸とが一致する場合にゼロであるような方法で、閉回路内に接続される電機子巻線と、ｃ）前記インダクタと前記電機子巻線との間の間隙と、を備えるラジアル軸受を提供する。電機子巻線は、ｐが１以上である場合にｐ−１又はｐ＋１極対を備え、ｐが０に等しい場合に１つの磁極対を備える。
【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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【国際調査報告】
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