JP2005160294A

JP2005160294A - 磁気ベアリング

Info

Publication number: JP2005160294A
Application number: JP2004331035A
Authority: JP
Inventors: Klaus Schippl; シップルクラウス
Original assignee: Nexans SA
Current assignee: Nexans SA
Priority date: 2003-11-27
Filing date: 2004-11-15
Publication date: 2005-06-16
Also published as: KR20050051547A; US20050116565A1; US7002273B2; EP1536153A1; DE20318389U1

Abstract

【課題】ステータに対抗して配置されているロータシャフトの磁気ベアリングの提供を目的とする。
【解決手段】（a）ロータシャフト（１）はステータ（３）の範囲に、互いに隣接して配置されている永久磁石素子（２）を備え、
（ｂ）ステータ（３）は中心部が高いＴｃを有する超伝導材と中心部からなる構造体（６a）を備え、
（ｃ）高いＴｃを有する超伝導材は、ロータシャフト（１）に置された冷却体（６）に配置され、
（ｄ）前記冷却体（６）は、ロータシャフト（１）と同軸配置された冷却溝（８）であるか又は大きく形成され冷却頭部と接触と接触しており、
（e）前記冷却体（６）は真空にされているハウジング（５）に設けられている。

【選択図】図１

Description

ステータに対向して配置されているロータシャフトの磁気ベアリングに関する。

ドイツ特許DE４４３６８３１C2から、高温超伝導体を有する受動的磁気ベアリングが知られている。この磁気ベアリングを図２に示す。図２において、１２は磁気ベアリング、１４はロータシャフト、１１２は超伝導体、１３は内側ベアリング、１５は、永久磁石素子１６a〜16fを分割している鉄製磁性体素子である。この鉄製磁性体素子は１８a〜１８fに分割されている。

１７は超伝導体素子の磁場の方向の例を示し、例えば１６bと１６cは互いに向き合っているので磁束は外側へ向かい、超伝導体１１２と反発してロータを中空に保持し、接触摩擦のない回転を維持する作用がある。１１０は回転する内側ロータシャフトと超伝導体からなる外側ベアリング１１２との間における空隙であり、摩擦のない回転を維持する。１１４は高温超伝導体１１２を冷却する液体窒素を流通させる溝であり、外殻体１１３の内側に設けている。

この良く知られた磁気ベアリングはロータシャフトと接続された第1のベアリングと、ステータの中に配置され、第１のベアリングを取り囲む第2のベアリングからなる。上記両ベアリングの１つはよく知られた酸化物高温超伝導体である。

他のベアリングは隣接して配置された永久磁石素子の配列を含む。隣接した永久磁石素子の磁気は互いに反対方向を向いて配置されている。配置の1つとして、内側がベアリング（ロータシャフト）で中空の配置をしている永久磁石が設けられ、超伝導体は中空の構造として外側のベアリング（ステータ）の中空の支持体の内側に配置されている。

支持体中には、超伝導体の冷却のために液体窒素を流す冷却溝が設けられている。液体窒素は外部の貯蔵容器から冷却溝に導入される。満タン指示計は、所定の閾値以下に冷却剤が低下すると、加熱によりベアリングの効果が低下しないように信号を発する。

この種の磁気ベアリングはターボ分子ポンプ、超遠心分離機、加工機械のスピンドル、モータ、発電機、タービン、コンプレッサなどに新しく利用されている。
ドイツ特許DE１００４２９６２C1から、DE４４３６８３１C2で開示されたような構造の磁気ベアリングが知られている。DE４４３６８３１C2では、超伝導材の冷却用の冷却設備では、超伝導材の作動温度が臨界温度以下に保つようになっている。

この超伝導設備では少なくとも熱的に断熱された空間で囲まれており、この空間は乾燥した保護ガスで充満されているか、真空となっている。あるいは、この空間は断熱発泡剤、超断熱材、断熱板、又はガラス繊維を充填している。この冷却装置は、少なくとも、超伝導装置に熱伝導する冷却端子を備えた超低温冷却装置に連結している。

従来良く知られている磁気ベアリングは、ベアリングの冷却領域に全く断熱材を備えていないか、又は備えている断熱材が極めて高価か、又は全く不満足なものであった。更に、現状の磁気ベアリングは、超伝導体の構造が直接断熱材で覆われていないことである。従って、熱的損失が高く、ベアリングの作業費が極めて高いことである。
DE４４３６８３１C2 DE１００４２９６２C1

本願発明は、このような問題を解決し、磁気ベアリングの性能を著しく改善し、超伝導構造体の冷却のためのエネルギを減少し、冷却領域周辺の要素の影響（例えば、氷の発生）を防止するものである。

ステータに対抗して配置されているロータシャフトの磁気ベアリングであって、下記の構造を備えていることを特徴とする。
（a）ロータシャフト（１）はステータ（３）の範囲に、互いに隣接して互いに反対方向に配置されている永久磁石素子（２）を備え、
（ｂ）前記ステータ（３）は中心を有し、高いＴｃを有する超伝導材からなる構造体（６a）を備え、
（ｃ）前記高いＴｃを有する超伝導材は、ロータシャフト（１）に置された冷却体（６）の表面に配置され、
（ｄ）前記冷却体（６）は、ロータシャフト（１）と同軸配置された冷却溝（８）であるか又は大きく形成され冷却頭部と接触と接触しており、
（e）前記冷却体（６）は真空にされているハウジング（５）に設けられている。
発明の課題は、上記請求項１のaからeの特徴により解決される。
更なる有利な構成は以下の請求項で包含されている。
本発明により、ベアリング殻間の極めて狭い隙間に適切な断熱層が配置され、渦流が防止され、更に機密な構造となる。

本発明により、磁気ベアリングの性能は著しく改善され、超伝導構造体の冷却のためのエネルギ損失は減少し、また、冷却領域周辺の要素の影響、例えば氷の発生を防止できた。

更に、本願発明は、冷却された領域と真空のカバーのとの間の高いベアリング力（負荷）が実現される。本願発明を概要図面で更に詳細に述べる。

ロータシャフト１は多数の隣接して配置された永久磁石２で覆われており、これらの磁石はロータシャフトに強固に固定されている。隣接した永久磁石の磁気は、互いに反対方向に配置されている。具体的には図２に示すように分割された永久磁石素子と、その間には、詳細には示さないが鉄製磁性材料が設けられ、永久磁石の磁束の方向は互いに向き合っている。ロータシャフト１は、外側ベアリング部３（ステータ）の中に配置されている。ロータシャフト１又は永久磁石２と外側ベアリング部３との間には空間４が存在する。

外側ベアリング部３はハウジング５から構成され、その側壁５a,５ｂとロータシャフト１に対抗した壁部は望ましくはステンレス製の金属の壁部５cで構成される。ハウジングの内部に設けられた壁部５ｄは非金属材料で構成される。セラミックのカバーが望ましい。上記壁部５a、5b、5c、5dは相互に機密に結合している。

ハウジング５の内部には、中空の冷却体６があり、スペーサ７を介してハウジング５の内部に位置している。冷却体６は、熱伝導性の高い金属製で、望ましくは銅製である。その内側表面には、HTSC(高温超伝導体、例えばＹＢa_２Cu_３O_X)の伝導材からなる構造体６aが設けられている。この材料は７７ｋ以下の温度でほとんど電気抵抗を示さない。液体窒素で冷却することが可能である。冷却体は冷却溝を備え、接続部９を通して周囲と接続している。

ハウジング５の内部は排気され、冷却体６の熱損失を極力減少させる。
排気のために排気ソケット１０を備える。
接続ソケット９は、全体又は部分が蛇腹９aで構成される。
ハウジング５の壁と冷却体の間には熱損失を減少するために超断熱材（例えば、ＤＥ10211074Ａ１が開示している金属箔とガラス繊維の箔を交互に積層した断熱材）を設けることも出来る。

本発明の磁気ベアリングは、ターボ分子ポンプ、超遠心分離機、加工機械のスピンドル、モータ、発電機、タービン、コンプレッサなどに利用され、摩擦のないベアリングとして利用できる。

本発明の磁気ベアリングの断面図を示す。従来の磁気ベアリングの断面図を示す。

符号の説明

１ロ−タシャフト
２永久磁石
３外部ベアリング、ステータ
４空間
５ハウジング
５a 側壁
5b 側壁
5c 外部側壁
5d 内壁
６冷却体
６a 高温超伝導体の構造体
７スペーサ
８冷却溝
９ソケット
９a ベローズ（蛇腹）
１０ソケット
１２従来の磁気ベアリング
１３磁石間の鉄製磁石材料
１４従来の磁気ベアリングのロータシャフト
１５永久磁石素子
１６a〜16f 永久磁石の磁場の方向
１８a〜18F 永久磁石間の鉄製磁石材料
１１０空隙
１１２超伝導体
１１３外殻体
１１４冷却用溝

Claims

ステータに対抗して配置されているロータシャフトの磁気ベアリングであって、下記の構造を備えていることを特徴とする磁気ベアリング。
（a）ロータシャフト（１）はステータ（３）の範囲に、互いに隣接して配置されている永久磁石素子（２）を備え、
（ｂ）前記ステータ（３）は高いＴｃを有する超伝導材と中心部からなる構造体（６a）を備え、
（ｃ）前記高いＴｃを有する超伝導材は、ロータシャフト（１）と同軸に置された冷却体（６）の表面に配置され、
（ｄ）前記冷却体（６）は、ロータシャフト（１）と同軸配置された冷却溝（８）を備えるか又は大きく形成され冷却頭部と接触しており、
（e）前記冷却体（６）は真空にされているハウジング（５）内に設けられている。
前記ハウジング（５）は、ロータ軸（１）と同軸に配置され、四角な断面を備えることを特徴とする請求項１記載の磁気ベアリング。
前記ロータ軸（１）に向かっているハウジング（５）の内壁（５ｄ）は、ガラス、セラミックスを含む非金属材料であることを特徴とする請求項１又は２記載の磁気ベアリング。
前記ハウジング（５）の側壁部（５a,5b）とロータシャフト（１）に向かっている側壁部（５ｃ）は、ステレンレス鋼を含む金属で構成されていることを特徴とする請求項１、２又は３のいずれかに記載の磁気ベアリング。
前記冷却体（６）は、ロータシャフト（１）に対して外側にある側壁部（５ｃ）に対して熱伝導性が小さい材料からなるスペーサ（７）により支持されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の磁気ベアリング。
前記冷却溝（８）は、周囲と接続するソケット（９）を備え、このパイプソケット（９）はハウジング（５）の外側側壁（５ｃ）と機密に半田付けされているか又は溶接されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の磁気ベアリング。
前記ハウジング（５）の側壁部（５ｃ）には真空ポンプのソケット（１０）が機密に挿入されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の磁気ベアリング。