(57)【要約】  回転軸（Ａ）を中心とした回転のために、磁気的にロータ（２２）を浮上させる磁気軸受装置は、アンプ装置と、第１の主コイル（ｐ）と、第２の主コイル（ｎ）とを備える。主コイルにアンプ装置から電流が供給されたときに生じる遊磁束を補償するために、補償コイル（ｃ）は、補償コイルを通って流れる電流が主コイル（ｐ、ｎ）によって生じた漂遊磁束を減らすような極性で、主コイルの共通ノードとアンプ装置との間に接続される。【選択図】図２
2020527685.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸（Ａ）を中心とした回転のために、ロータ（２２）を磁気的に浮上させる磁気軸受装置であって、
前記磁気軸受装置は、アンプ装置（１０）と、前記回転軸（Ａ）の周りに延在する第１の主コイル（ｐ）と、前記回転軸（Ａ）の周りに延在する第２の主コイル（ｎ）とを備え、
前記第１の主コイル（ｐ）の一方の端子（ｐ１）が、前記アンプ装置（１０）の第１の出力（１１）に接続され、
前記第２の主コイル（ｎ）の一方の端子（ｎ１）が、前記アンプ装置（１０）の第２の出力（１２）に接続され、
前記第１の主コイル（ｐ）の更なる端子（ｐ２）と前記第２の主コイル（ｎ）の更なる端子（ｎ２）とが、共通ノード（１４）で接続され、
前記主コイル（ｐ、ｎ）は、前記アンプ装置（１０）によって電流（ｉｐ、ｉｎ）が供給されたときに、標遊磁束を生じさせ、
前記磁気軸受装置は、前記アンプ装置（１０）の第３の出力（１３）と前記共通ノード（１４）との間に接続された少なくとも１つの補償コイル（ｃ；ｃｐ、ｃｎ）を備え、
前記補償コイル（ｃ；ｃｐ、ｃｎ）は、前記回転軸（Ａ）の周りに延在し、
前記第１の主コイル（ｐ）、前記第２の主コイル（ｎ）及び前記補償コイル（ｃ）は、前記補償コイル（ｃ）を通って前記アンプ装置（１０）と前記共通ノード（１４）との間を流れるいかなる電流（ｉｃ）も前記第１及び第２の主コイル（ｐ、ｎ）によって生じた標遊磁束を減らす磁界を生じさせるような極性で、前記アンプ装置（１０）に接続されている
ことを特徴とする、磁気軸受装置。
【請求項２】
前記第１の主コイル（ｐ）、前記第２の主コイル（ｎ）及び前記補償コイル（ｃ）は、前記回転軸（Ａ）の周りで実質的に同じ巻数を有する
ことを特徴とする、請求項１に記載の磁気軸受装置。
【請求項３】
ハウジング（４０）を更に備え、前記第１の主コイル（ｐ）、前記第２の主コイル（ｎ）及び前記補償コイル（ｃ）は、前記ハウジング（４０）内に配置されている
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の磁気軸受装置。
【請求項４】
前記磁気軸受装置は、能動型アキシャル磁気軸受を備え、前記能動型アキシャル磁気軸受は、前記第１の主コイル（ｐ）を含む第１のアキシャルステータアセンブリ（３１）と、前記第２の主コイル（ｎ）を含む第２のアキシャルステータアセンブリ（３２）とを備え、
前記第１のアキシャルステータアセンブリ（３１）及び前記ロータ（２２）は、第１の制御磁束経路を構成し、
前記第２のアキシャルステータアセンブリ（３２）及び前記ロータ（２２）は、第２の制御磁束経路を構成し、
前記補償コイル（ｃ）は、前記第１及び第２の制御磁束経路の外側に配置されている
ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載の磁気軸受装置。
【請求項５】
能動型ラジアル磁気軸受を更に含み、前記能動型ラジアル磁気軸受は、複数のラジアルコイル（ｒ）を含むラジアルステータアセンブリ（３３）を備え、前記補償コイルは、前記ラジアルステータアセンブリ（３３）に隣接して配置され、前記ラジアルコイル（ｒ）を半径方向に取り囲む
ことを特徴とする、請求項４に記載の磁気軸受装置。
【請求項６】
前記アンプ装置（１０）の前記第３の出力（１３）と前記共通ノード（１４）との間に直列配置で接続された少なくとも２つの補償コイル（ｃｐ、ｃｎ）を備え、各前記補償コイル（ｃｐ、ｃｎ）は、前記回転軸（Ａ）の周りに延在する
ことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つに記載の磁気軸受装置。
【請求項７】
前記補償コイル（ｃｐ、ｃｎ）は一緒になって、前記回転軸（Ａ）の周りで、前記第１の主コイル（ｐ）及び前記第２の主コイル（ｎ）の各々と実質的に同じ巻数を有する
ことを特徴とする、請求項６に記載の磁気軸受装置。
【請求項８】
前記磁気軸受装置は、能動型アキシャル磁気軸受を備え、前記能動型アキシャル磁気軸受は、前記第１の主コイル（ｐ）を含む第１のアキシャルステータアセンブリ（３１）と、前記第２の主コイル（ｎ）を含む第２のアキシャルステータアセンブリ（３２）とを備え、
前記第１のアキシャルステータアセンブリ（３１）と前記ロータ（２２）が第１の制御磁束経路を構成し、
前記第２のアキシャルステータアセンブリ（３２）と前記ロータ（２２）が第２の制御磁束経路を構成し、
前記補償コイルの１つ（ｃｐ）が、前記第１のアキシャルステータアセンブリに隣接して配置され、前記補償コイルのもう１つ（ｃｎ）が、前記第２のアキシャルステータアセンブリに隣接して配置されている
ことを特徴とする、請求項６又は７に記載の磁気軸受装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１つに記載の磁気軸受装置を操作する方法であって、前記第１の主コイル（ｐ）を通る第１の電流（ｉｐ）、前記第２の主コイル（ｎ）を通る第２の電流（ｉｎ）及び前記補償コイル（ｃ）を通る第３の電流（ｉｃ）を供給するように、前記アンプ装置（１０）を操作することを含む
ことを特徴とする、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気軸受装置及び磁気軸受装置を操作する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気軸受が、非接触でシャフトを有するロータを支持するためによく用いられる。磁気軸受の一種にアキシャル軸受があり、アキシャル軸受はロータの回転軸に対する軸線方向（アキシャル方向）のロータの動きを阻止する。この目的のために、ロータがディスク形状部をしばしば有し、２つのステータアセンブリがディスク形状部の両側と対向して配置される。各ステータアセンブリは、シャフトの周りに延在するコイルを備える。コイルに電流を供給することによって、各コイルが磁界を発生する。ステータアセンブリ及びロータが透磁性材料を含むため、その磁界により、それぞれのステータアセンブリとロータを通過する磁束は、ステータアセンブリとロータとの間の空隙を横切ることになり、それによって、ロータをそれぞれのステータアセンブリの方へ引張る磁気吸引力を発生する。位置センサを用いてロータの軸線方向位置（アキシャル位置）を測定し、センサの出力により２つのコイルを通る電流を制御することによって、ステータアセンブリに対するロータの軸線方向位置を制御できる。ステータアセンブリは、透磁性材料で作られることがあるハウジングによってしばしば囲まれる。
【０００３】
さらに、コイルによって発生した磁界はまた、シャフトを通り、かつステータアセンブリを囲むハウジングを通る標遊磁束を生じさせる。かかる漂遊磁束は、通常、望ましくない、というのは、漂遊磁束が、機械のその他の部分、特に、位置センサ、ラジアル磁気軸受、補助軸受及びシールに悪影響を与えるからである。そのうえ、漂遊磁場がハウジングの外部の領域にまで及べば、漂遊磁束が外部システムに障害を生じさせるかねない。ロータが電動機によって駆動されていれば、漂遊磁束が電動機の動作にも悪影響を及ぼしかねない。
【０００４】
漂遊磁束を低減するために、ＵＳ５，０８４，６４４は、各ステータアセンブリと関連した追加の補償コイルを設けることを提案している。補償コイルは、ロータに著しい力を及ぼさない位置に配置される。補償コイルは磁界を発生させて、それぞれのステータアセンブリの主コイルによって発生した漂遊磁束に対抗し、実質的に打ち消す。この目的のために、補償コイルは、主コイルと平行に、補償コイルと直列にバランス抵抗と接続され、定常状態の間、巻数と補償コイルを通る電流との積が主コイルについての相当する積と等しくなるように、補償コイルの電流を制御するが、補償コイルを通る電流の方向は主コイルの電流の方向と反対である。この配置は、主コイル１つにつき１つの補償コイル、すなわち、アキシャル軸受全体について合計２つの補償コイルを必要とする。
【０００５】
ＤＥ１０２０１００１３６７５Ａｌにおいて、主コイル１つにつき２つの補償コイルを設けることが提案され、補償コイルの一方は、主コイルとロータシャフトとの間に半径方向に配置され、他方の補償コイルは、主コイルよりも更に外側に半径方向に配置される。補償コイルの両方とも、主コイルと直列に接続される。
【０００６】
ＵＳ７，６３５，９３７Ｂ２は、補償コイルをステーターと一体化し、補償コイルを主コイルと直列に接続することを提案している。
【０００７】
ＵＳ５，６８２，０７１は、定電流源を備えた磁気軸受装置を開示する。定電流源は、２つのコイルに一定の総電流を並列に供給し、２つのコイルは、ロータの両側に配置される。検知手段は、ロータの移動を検知してコントローラに通知し、コントローラは、各コイルへのそれぞれの電流を制御することによって応答し、所望の位置にロータを維持する。各コイルの他端は、スイッチと還流ダイオードの配置に接続されている。この文献は、漂遊磁束の補償について言及していない。
【０００８】
ＷＯ２００５/１２１５８０Ａ１は、ロータの両側に配置された２つのコイルが直列配置でアンプ装置に接続された磁気軸受装置を開示する。バイアス電流は、アンプ装置から直列接続したコイルを通って供給される。制御電流は、アンプ装置から、直列接続したコイル間の共通ノードに供給され、コイルの一方の電流を増加させ、他方のコイルの電流を減らす。この文献もまた、漂遊磁束の補償について言及していない。
【発明の概要】
【０００９】
本発明は、簡単な構成を有しながら、低減された漂遊磁束を示す磁気軸受装置を提供することを目的とする。
【００１０】
本発明の目的は、請求項１に記載されたものとしての磁気軸受装置により達成される。本発明の更なる実施形態は、従属請求項に記載されている。
【００１１】
本発明は、回転軸を中心とした回転のために、磁気的にロータを浮上させる磁気軸受装置を提供する。磁気軸受装置は、アンプ装置と、回転軸の周りに延在する第１の主コイルと、回転軸の周りに延在する第２の主コイルとを備える。主コイルの各々は２つの端子を有する。第１の主コイルの一方の端子が、アンプ装置の第１の出力に接続され、第２の主コイルの一方の端子が、アンプ装置の第２の出力に接続される。主コイルの他方の端子どうしは、互いに接続されて共通ノードを形成する。主コイルは、アンプ装置によって電流が供給されたときに、漂遊磁束を発生する。漂遊磁束を減らすために、磁気軸受装置は、アンプ装置の第３の出力と共通ノードとの間に接続された補償コイルを備え、補償コイルも回転軸の周りに延在している。換言すれば、共通ノードは、補償コイルを介してアンプ装置の第３の出力に接続されている。第１の主コイル、第２の主コイル及び補償コイルは、補償コイルを通ってアンプ装置と共通ノードとの間を流れるいかなる電流も、主コイルによって生じた漂遊磁束を減らす磁界を生じさせるような巻方向と極性で、アンプ装置に接続されている。
【００１２】
主コイル及び補償コイルの各々の端子は、「第１の」端子及び「第２の」端子と表すことができる。本文献において、用語「巻方向」は、直流電流がコイルの第１の端子から第２の端子に流れる場合に、回転軸の周りの直流電流の向きを表すものとして理解される。電流の向きが回転軸の周りで右回りである場合には、巻方向は「正」であり、電流の向きが左回りである場合には、巻方向は「負」である。そのうえ、本文献において、以下の符号の取り決めが電流の方向を定義するのに用いられる。すなわち、電流がアンプから出てコイルを通って共通ノードに流れ込む場合には、直流電流値は正の符号を有する。電流がその反対方向に流れる場合には、直流電流値は負の符号を有する。
【００１３】
コイルの巻方向と極性は、以下の通り選択するとよい。すなわち、すべてのコイルについて、直流電流が正の値を有するときはいつでも（すなわち、直流電流がアンプ装置のそれぞれの出力からそれぞれのコイルを通って共通ノードまで流れるときはいつでも）、直流電流は、回転軸の周りで同じ方向（向き）を有する。共通ノードに流れ込む電流の（符号付きの）数値の合計は、キルヒホッフの電流の法則によりゼロにならなければならないため、補償コイルを流れる電流は、常に、主コイルを流れる電流の合計の負の値である数値を有するであろう。したがって、補償コイルを流れる電流は、自動的に、主コイルの電流によって生じた磁界を相殺する磁界を生じさせ、それによって、漂遊磁束を減らす。
【００１４】
特に、主コイルと補償コイルがすべて回転軸の周りで同一巻方向を有する場合には、主コイルと補償コイルはすべて同一極性でアンプ装置に接続されるとよい。換言すれば、すべてのコイルが同一巻方向を有する場合には、アンプ装置と各コイルの第１の端子とを接続しつつ、共通ノードと第２の端子とを接続するとよい。コイルの巻方向がすべて同じではない場合には、それに応じて、アンプ装置と共通ノードとの間でコイルを接続すべき極性を容易に選択できる。
【００１５】
有利には、第１の主コイルと、第２の主コイルと、補償コイルとは、回転軸の周りで実質的に同じ巻数を有する。このように、２つの主コイルと補償コイルの起磁力の合計が実質的にゼロになることになる。本文脈において、起磁力は、電流の（符号付き）数値と各コイルの（符号付き）巻数との積によって与えられ、巻数の正の符号が正の巻方向を示し、巻数の負の符号が負の巻方向を示す。
【００１６】
磁気軸受装置がハウジングを備えている場合、そのハウジングが主コイルだけでなく補償コイルも囲めば有利である。このことは、ハウジングが透磁性材料を含む場合に特に当てはまる、というのは、ハウジングは、一般に、主コイルによって生じた漂遊磁界の漂遊磁束経路の一部分を形成するからである。このとき、ハウジングは、同時に、補償コイルによって生じた相殺磁界の補償磁束経路の一部分をも形成する。
【００１７】
本発明は、能動型アキシャル磁気軸受において有利に実施される。この場合、磁気軸受装置は、第１の主コイルを含む第１のアキシャルステータアセンブリと、第２の主コイルを含む第２のアキシャルステータアセンブリとを備える。ロータと両方のアキシャルステータアセンブリは、透磁性材料を含む。各アキシャルステータアセンブリとロータは、それぞれのアキシャルステータアセンブリとロータとの間の隙間を横切って延在する磁気制御磁束経路を構成する。第１の主コイルを通る第１の電流が、第１の制御磁束経路に第１の制御磁束を発生し、第１の制御磁束が、第１の軸線方向に第１のアキシャルステータアセンブリとロータとの間の磁気吸引力を生じさせるように、第１のアキシャルステータアセンブリがロータに対して配置され、一方、第２の主コイルを通る第２の電流が、第２の制御磁束経路に第２の制御磁束を発生し、第2の制御時速が、第１の軸線方向と反対の第２の軸線方向に、第２のアキシャルステータアセンブリとロータとの間の磁気吸引力を生じさせるように、第２のアキシャルステータアセンブリがロータに対して配置される。例えば、ロータは、ディスク形状部を有することがあり、このとき、アキシャルステータアセンブリは、そのディスク形状部の別々の軸線方向の面と対向することがある。しかし、ロータの他の形状も可能である。補償コイルは、主コイルの制御磁束経路の外側に配置される。このように、補償コイルを通る第３の電流は、補償コイルが補償磁束を発生したときに、ロータに実質的に軸線方向の磁力を生じさせない。
【００１８】
補償コイルは、空間の利用可能性により、磁気軸受装置の様々な場所に配置できる。例えば、補償コイルは、アキシャルステータアセンブリの１つに隣接して配置できる。磁気軸受装置が、能動型アキシャル磁気軸受に加えて、能動型ラジアル磁気軸受を有する場合には、能動型ラジアル磁気軸受が、複数のラジアルコイルを含むラジアルステータアセンブリを備え、補償コイルをラジアルステータアセンブリに隣接して配置し、半径方向にラジアルコイルを取り囲むのが有利である、というのは、或る磁気軸受装置では、補償コイルのための十分な空間がこの位置に見出されるからである。
【００１９】
補償コイルは、サブコイルを通る電流が回転軸の周りで同じ方向（向き）に流れるように、直列接続した２つ以上のサブコイルに概念的に分割できる。各サブコイルは少ない巻数を有するため、単一の補償コイルよりも複数のサブコイルに十分な空間を割り当てることがより容易である。別の言い方をすれば、磁気軸受装置は、アンプ装置の第３の出力と共通ノードとの間に、直列配置で接続された少なくとも２つの補償コイルを備えることがあり、各補償コイルは、回転軸の周りに延在し、２つの補償コイルを通る電流が回転軸の周りで同じ方向（向き）に流れるように、２つの補償補償コイルは接続されている。有利なことに、２つの補償コイルは一緒になって、第１の主コイル及び第２の主コイルの各々と実質的に同じ巻数を回転軸の周りに有する。
【００２０】
より具体的には、アキシャル磁気軸受において、補償コイルの１つが第１のアキシャルステータアセンブリに隣接して配置でき、補償コイルのもう１つが第２のアキシャルステータアセンブリに隣接して配置でき、これによって、ほぼ対称な配置をつくる。特に、ロータがディスク形状部を有し、アキシャルステータアセンブリがディスク形状部の別々の面に対向している場合、補償コイルも、ディスク形状部の別々の面に配置できる。
【００２１】
磁気軸受装置を操作する対応する方法は、第１の主コイルを通る第１の電流、第２の主コイルを通る第２の電流、及び補償コイルを通る第３の電流を供給するように、アンプ装置を操作することを含む。コイルが適切な巻方向と極性で接続されている場合、第３の電流は、主コイルの電流によって生じた磁界を相殺する磁界を自動的に生じさせ、これによって、漂遊磁束を減らす。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
本発明の好ましい実施形態は、図面を参照して下記に説明するが、これは、本発明の好ましい実施形態を例示するためのものであり、本発明を限定するものではない。
【００２３】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態による磁気軸受装置の概略回路図を示す。
【図２】図２は、第１の操作モードにおける、第１の実施形態による磁気軸受装置の長手方向中心の概略断面を示す。
【図３】図３は、第２の操作モードにおける、第１の実施形態による磁気軸受装置の長手方向中心の概略断面を示す。
【図４】図４は、図５の断面ＩＶ−ＩＶにおける、第２の実施形態による磁気軸受装置の長手方向中心の概略断面を示す。
【図５】図５は、図４の断面Ｖ−Ｖにおける、第２の実施形態による磁気軸受装置の概略断面を示し、面外の位置の補償コイルが細線で示されている。
【図６】図６は、本発明の第３の実施形態による磁気軸受装置の概略回路図を示す。
【図７】図７は、第３の実施形態による磁気軸受装置の長手方向中心の概略断面を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１は、本発明の第１の実施形態による磁気軸受装置の概略回路図を示す。磁気軸受装置は、３つの出力１１、１２及び１３を有するアンプ１０を備える。磁気軸受装置は、第１の主コイルｐと第２の主コイルｎとを更に備える。その端部の一方に、第１の主コイルｐは第１の端子ｐ１をもち、その他方の端部に、第１の主コイルｐは第２の端子ｐ２をもつ。同様に、第２の主コイルｎは、第１の端子ｎ１と第２の端子ｎ２とをもつ。第１の主コイルｐの第１の端子ｐ１は、アンプ１０の第１の出力１１に接続されている。第２の主コイルｎの第１の端子ｎ１は、アンプ１０の第２の出力１２に接続されている。第１の主コイルｐの第２の端子ｐ２と第２の主コイルｎの第２の端子ｎ２とが互いに接続されて共通ノード１４を形成している。第１の端子ｃ１と第２の端子ｃ２とを有する補償コイルｃが、アンプ１０の第３の出力１３と共通ノード１４との間に接続されている。３つのコイルｐ、ｎ及びｃのすべてが、図２に関連して以下に詳述するように、ロータの回転軸の周りで同じ巻方向を有する。巻方向は、図１にドットで示されている。直流電流がドットによって示された端子から他方の端子にそれぞれのコイルを流れると、この電流は、回転軸の周りで同じ方向に（すなわち、回転軸の周りで同じ向きに）流れることになる。
【００２５】
アンプ１０は、その第１の出力１１から第１の主コイルｐに第１の電流ｉｐを供給し、その第２の出力１２から第２の主コイルｎに第２の電流ｉｎを供給し、第３の出力１３から補償コイルｃに第３の電流ｉｃを供給する。位置センサ５０が、ロータの位置を測定して、アンプ１０と一体になったコントローラに通知する。位置信号に基づいて、コントローラは、ロータを所望の位置に維持するように、電流ｉｐ、ｉｎ及びｉｃを制御する。上記に定義した符号の取り決めを使用して、電流ｉｐ，ｉｎ及びｉｃは、下記の条件を満たす。
ｉｐ＋ｉｎ＋ｉｃ＝０
【００２６】
アキシャル軸受内部の第１の主コイルｐ、第２の主コイルｎ及び補償コイルｃの配置が、図２に非常に概略的に図示されている。ロータ２０は、回転軸Ａを中心とした回転のために、浮上する。ロータ２０は、長尺のシャフト部２１とディスク形状部２２とを有し、両部は透磁性材料を含む。第１のアキシャルステータアセンブリ３１がディスク形状部２２の第１のアキシャル側面に対向する一方、第２のアキシャルステータアセンブリ３２がディスク形状部２２の第２のアキシャル側面に対向している。第１のアキシャルステータアセンブリ３１が第１の主コイルｐを含む一方、第２のアキシャルステータアセンブリ３２が第２の主コイルｎを含む。各アキシャルステータアセンブリは、環状溝部が形成された環状ディスクの形態をなすヨークを形成し、環状溝部はロータのディスク形状部に向かって開口し、コイルが環状溝部に配置され、ヨークが別々の半径方向位置（ラジアル位置）でロータ２０のディスク形状部２２に対向する２つの環状端面を形成している。ヨークは、透磁性材料で作られている。
【００２７】
ステータアセンブリ３１、３２はハウジング４０で囲まれ、ハウジング４０も透磁性材料を含む。アキシャルステータアセンブリ３１、３２とハウジング４０は、固定されている。この目的のため、磁気軸受装置は、一般に、ステータアセンブリとその他の部品とを所定位置に保つための構成部品を更に備えることになる。これらの構成部品は、簡略化のために図２に図示されない。これらの構成部品は、通常、非磁性であるため、著しい磁束を伝えない。
【００２８】
第１の主コイルｐを流れる電流が第１の磁界を発生し、第１の磁界は、第１のアキシャルステータアセンブリ３１とディスク形状ロータ部２２の透磁性材料に案内されて、第１の磁気制御磁束Φｐを形成する。同様に、第２の主コイルｎを流れる電流が第２の磁界を発生し、第２の磁界は、第２のアキシャルステータアセンブリ３２とディスク形状ロータ部２２の透磁性材料に案内されて、第２の磁気制御磁束Φｎを形成する。各アキシャルステータアセンブリ３１、３２とロータ２０のディスク形状部２２との間の空隙によって、各ステータアセンブリが、ディスク形状ロータ部２２をそれぞれのアキシャルステータアセンブリの方へ引張るように作用する吸引力を発生する。換言すれば、各アキシャルステータアセンブリは、ディスク形状ロータ部２２をその方向に引張る電磁石として作用する。
【００２９】
補償コイルｃは、電流ｉｃによって生じた磁界がロータ２０のディスク形状部２２上にいかなる著しい軸線方向の力も生じさせない位置に配置される。このことは、補償コイルｃによって生じた磁束（補償磁束Φｃ）が、制御磁束Φｐ及びΦｎの磁束経路と重複しないような位置に補償コイルｃを配置することによって達成される。そのうえ、補償磁束Φｃは、ディスク形状部２２とのアキシャル空隙を横切って延在すべきではない。図２の概略例において、補償磁束Φｃは、主に、ハウジング４０とロータ２０のシャフト部２１とを通過するが、ディスク形状部２２との空隙を横切ることはない。
【００３０】
３つのコイルｐ、ｎ及びｃの電流により生じた全体の合計の漂遊磁束Φｓｔｒａｙは、３つのコイルの起磁力の合計に比例し、その比例定数は、形状、材料などに依存する。全体の漂遊磁束は、以下のように表される。
Φｓｔｒａｙ＝定数×（Ｎｐｉｐ＋Ｎｎｉｎ＋Ｎｃｉｃ）
ここで、Ｎｐ、Ｎｎ及びＮｃは、コイルｐ、ｎ及びｃの巻数をそれぞれ表す。Ｎｐ、Ｎｎ及びＮｃの符号は、回転軸の周りの巻方向が左回りであれば正であり、巻方向が右回りであれば負である。
【００３１】
３つのコイルがすべて同じ巻方向と同じ巻数を有する場合、つまり、Ｎ＝Ｎｐ＝Ｎｎ＝Ｎｃの場合、漂遊磁束Φｓｔｒａｙはゼロとなる。
Φｓｔｒａｙ＝定数×（Ｎｐｉｐ＋Ｎｎｉｎ＋Ｎｃｉｃ）＝定数×Ｎ×（ｉｐ＋ｉｎ＋ｉｃ）＝０
【００３２】
補償コイルの巻数が主コイルの巻数と異なる場合には、補償コイルは、それでも、主コイルによって生じた漂遊磁束を低減するように作用する。
【００３３】
提案されたコイルの配置は、幾つかの利点を有する。１つの補償コイルしか必要ではない。磁気軸受内部のアンプ装置とコイルとの間には、３本のリード線しか必要ではない。
【００３４】
図２は、アンプ装置の第１の可能な操作モードを図示する。この操作モードにおいて、バイアス電流が、アンプの第３の出力１３に供給され、補償コイルｃを通って共通ノード１４に向かって流れる（その逆もまた同様である）。バイアス電流が、共通ノード１４で分岐され、主コイルｐとｎの両方を通って同時に流れる。アンプは、第１の主コイルｐによって運ばれるバイアス電流の部分ｉｐと、第２の主コイルｎによって運ばれる部分ｉｎとが、軸受における位置制御を達成するために変化するように、第１と第２の出力１１、１２を制御する。
【００３５】
この操作モードにおいて、電流ｉｐ，ｉｎ及びｉｃは、図２に示された通りの方向で、回転軸の周りを流れることになる。図２のドットとバツ印によって示される通り、第１の主コイルｐの電流ｉｐが回転軸の周りで右回りの向きに流れるとすると、電流がバイアス電流ｉｃを超えて増加しない限り、第２の主コイルｎを通る電流ｉｎも右回りの向きに流れることになる。そのため、図２の矢印で示される通り、制御磁束ΦｐとΦｎは共に、２つの主コイルの周りで同じ向きを有することになる。補償コイルの電流ｉｃは、自動的に回転軸の周りを反対向きに流れ、主コイルによって生じた漂遊磁束を相殺する補償磁束Φｃを生じさせる。
【００３６】
この操作モードに関して、例えば、ＵＳ５，６８２，０７１などのように、アンプを構成できる。特に、アンプは、出力１３に一定のバイアス電流を供給する定電流源を含むことができる一方、出力１１と１２の各々が、スイッチと還流ダイオードに接続されている。スイッチは、それぞれのコイルを通って流れる電流を変えるように、規定電位レベルにそれぞれの出力を選択的に接続するように作用する一方、還流ダイオードは、スイッチが開である場合に、それぞれの出力と定電流源との間に電流が流れるようにする。しかしながら、アンプのその他の構成も同様に考えられ、出力１３を通って流れるバイアス電流は必ずしも一定である必要はない。
【００３７】
この操作モードにおいて、アンプで見られる負荷インダクタンスが補償コイルによって増加しないのは、補償コイルがバイアス電流の経路にのみ存在し、それが実質的に一定であるからである。
【００３８】
図３は、アンプ装置の第２の可能な操作モードを図示する。この操作モードにおいて、バイアス電流が、両方の主コイルｐ、ｎを通ってアンプの第１の出力１１からアンプの第２の出力１２まで流れる（その逆もまた同様である）。可変制御電流ｉｃが、補償コイルｃを通って第３の出力１３と共通ノード１４との間に供給される。電流の方向に依存して、制御電流ｉｃが、主コイルの一方においてバイアス電流に加わり、他方の主コイルのバイアス電流を低減する又はその逆もまた同様である。
【００３９】
制御電流が存在しない限り、すなわち、バイアス電流のみが印加されている限り、主コイルを通る電流の符号付き数値の合計はゼロであり、図３に示す通り、電流ｉｐとｉｎは、回転軸の周りを反対方向に流れる。そのため、これらの電流によって生じた漂遊磁束は、打ち消されることになる。漂遊磁束は、制御電流が主コイルｐとｎに供給されている限り、存在することになるだけである。漂遊磁束は、主コイルの電流の符号付き数値の合計ｉｐ＋ｉｎに比例することになる。この合計が、ちょうど負の制御電流値ｉｃである。
ｉｃ＝−（ｉｐ＋ｉｎ）
そのため、主コイルの電流によって生じた漂遊磁束が、補償コイルを通る制御電流ｉｃによって生じた相殺磁界によって補償される。
【００４０】
この構成に適したアンプ装置が、ＷＯ２００５／１２２５８０に開示されている（図１９参照）。この文献において、バイアス電流が、直列接続した主コイルを通ってアンプ装置の第１の出力と第２の出力との間に供給されて可変制御電流が第３の出力と共通ノードとの間を流れ、バイアス電流を上回るようにコイルの一方の電流を増加させる一方、バイアス電流を下回るように他方のコイルの電流を減らすか又はその逆もまた同様である。
【００４１】
第２の実施形態の追加利点は、軸受の事前磁化を生じさせるバイアス電流が、補償コイルを通って流れないということである。これによって、補償コイルの抵抗損が最小限に抑えられる。アンプで見られる負荷インダクタンスが補償コイルによって増加しないのは、補償コイルが主コイルの磁界を低減するように作用するのでシステムの全インダクタンスを低減する傾向があるからである。
【００４２】
補償コイルは、十分な空間が利用できる場所に依存して、磁気軸受装置の様々な異なる場所に位置できる。理想的には、補償コイルは、補償コイルの直径をできるだけ小さく保つためにロータのシャフト部に近接して取り付けることにより、補償コイルに必要な銅の量を低減する。配線の量を最小限に保つために、アキシャル軸受に近接して補償コイルを取り付けることが望ましい。補償コイルに極めて適切な場所は、ロータのシャフト部とアキシャルステータアセンブリの１つとの間の半径方向であろう。もう１つは、わずか劣るが、好ましい場所は、アキシャルステータアセンブリの１つを半径方向に囲む又はアキシャルステータアセンブリの１つに軸方向に隣接するものであろう。
【００４３】
図４と図５は、別の適切な場所を図示する。本実施形態において、磁気軸受装置は、アキシャル軸受と同じハウジング４０に配置されるラジアル軸受を更に含む。ラジアル軸受は、複数のラジアルコイルｒを支えるラジアルステータアセンブリ３３を含む。ラジアルステータアセンブリ３３は、ラジアルコイルｒを支える極部を取り囲む環状部を含む。補償コイルは、図４に図示する通り、この環状部に隣接して軸方向に位置でき、半径方向にラジアルコイルを取り囲むことができる。図５において、補償コイルは、面外に配置されている。そのため、その位置が極めて細い線で示されている。
【００４４】
図６は、第３の実施形態を図示する。本実施形態において、２つの直列接続した補償コイルｃｐとｃｎが提供されている。すなわち、上記の実施形態の単一の補償コイルは、概念的に、２つの直列接続したサブコイルに分割されている。補償コイルｃｐとｃｎの各々は、主コイルｐとｎの巻数の半分に相当する巻数を有する。補償コイルｃｐとｃｎは共に、同じ巻方向と極性を有する。すなわち、コイルｃｐの第１の端子がアンプ１０の第３の出力１３に接続され、コイルｃｐの第２の端子がコイルｃｎの第１の端子に接続され、コイルｃｎの第２の端子が共通ノード１４に接続されている。このように、２つの補償コイルｃｐとｃｎとは、２つのコイルｃｐとｃｎの巻数の合計に相当する巻数を有する単一の補償コイルと同様に、効果的に作用する。
【００４５】
図７は、第３の実施形態の２つの補償コイルの可能な配置を図示する。補償コイルｃｐが第１のアキシャルステータアセンブリ３１に隣接して配置されている一方、他方の補償コイルｃｎが第２のアキシャルステータアセンブリ３２に隣接して配置されている。各補償コイルは、単一の補償コイルが有するであろう巻数の半分しか有していないので、各補償コイルの場所に必要な空間は更に少ない。補償コイルは、ロータ２０のディスク形状部２２の異なる側面に対称的に配置されており、補償コイルがアキシャルステータアセンブリの制御経路に及ぼすであろういかなる影響も最小限に抑える。もちろん、補償コイルのその他の配置も可能である。
【００４６】
本発明は、例示的な実施形態を参照して説明をしてはいるが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、本発明の範囲を逸脱することなく様々な変形例が可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１０  アンプ
１１  第１の出力
１２  第２の出力
１３  第３の出力
１４  共通ノード
２０  ロータ
２１  シャフト部
２２  ディスク形状部
３１  第１のアキシャルステータアセンブリ
３２  第２のアキシャルステータアセンブリ
３３  ラジアルステータアセンブリ
４０  ハウジング
５０  位置センサ
ｐ  第１の主コイル
ｐ１  第１の端子
ｐ２  第２の端子
ｎ  第２の主コイル
ｎ１  第１の端子
ｎ２  第２の端子
ｃ  補償コイル
ｃ１  第１の端子
ｃ２  第２の端子
ｃｐ  第１の補償コイル
ｃｎ  第２の補償コイル
ｒ  ラジアルコイル
Φｐ  第１の主コイルによる磁束
Φｎ  第２の主コイルによる磁束
Φｃ  補償コイルによる磁束
ｉｐ  第１の主コイルの電流
ｉｎ  第２の主コイルの電流
ｉｃ  補償コイルの電流
【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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【国際調査報告】
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