JP2003532838A - 減衰部を有するマグネットベアリング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は高速回転する機械（１）、とりわけターボコンプレッサ、摩擦真空ポンプ等に対するマグネットベアリングに関する。このマグネットベアリングは、それぞれステータマグネットリングパケット（５，７）と、ロータマグネットリングパケット（６，８）とを含む２つのベアリング（３，４）、並びに有利には軸方向のロータ運動を減衰するための手段（３１）とを有する。減衰手段を簡素化するために、マグネットベアリング（３，４）は相互に同心に配置されたマグネットリングパケット（５，６；７，８）からなり、当該マグネットリングにおいては、位置固定されたマグネットリングパケット（５ないし７）が外側に、回転するマグネットリングパケット（６ないし８）が内側に配置されており、減衰手段（３２，５４，５５）が、それぞれステータ側マグネットリングパケット（５，７）のマグネットリングの少なくとも一部の外周面に配属されており、該減衰手段は非磁化性でありかつ良導電性の材料からなることが提案される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、高速回転機械、とりわけターボコンプレッサ、摩擦真空ポンプ等に
対するマグネットベアリングに関する。このマグネットベアリングは２つのマグ
ネットベアリングを有し、それぞれがステータ側のマグネットリングパケットと
、ロータ側のマグネットリングパケットからなる。本発明のマグネットベアリン
グはさらにロータ運動を減衰するための手段を有する。

【０００２】 ＥＰ４１３８５１Ａ１から上記形式のマグネットベアリングが公知である。こ
のマグネットベアリングは２つのベアリングからなる。第１の、パッシブに構成
されたベアリングは相互に係合するステータマグネットリングとロータマグネッ
トリングを有する。第２の、軸方向にアクティブに構成されたベアリングには、
軸方向に相互に離間した２つのロータマグネットリングが装備されている。これ
らのリングによって形成されるリング空間へは外側からリングディスクがかみ合
う。このリングディスクは導電率の高い非磁化性材料からなる。このリングディ
スクはとりわけ半径方向のロータ運動を所望のように減衰する。この減衰は、磁
気的結合が良導電性材料内で変化することにより渦電流が誘導されるためである
。ここで磁界が垂直に貫通するディスク内に誘導される渦電流は電磁的反発力を
形成し、この電磁的反発力がロータシステムの半径方向の動きに対抗作用し、ひ
いてはこの運動を減衰する。

【０００３】 公知の解決手段の欠点はまず、パッシブなベアリングのマグネットリングも、
マグネットリングも、その間に配置されたリングディスクも相互にかみ合うこと
である。このことにより高い組み立てコストが生じる。さらに温度負荷の際に発
生するロータ位置の変化が支承の問題を引き起こす。さらに減衰がアクティブな
ベアリングの位置に制限されている。すなわち減衰に作用する反発力は局所的に
しか発生しない。

【０００４】 本発明の課題は、冒頭に述べた形式のマグネットベアリングにおいて、減衰が
２つのベアリングの一方に制限されず、簡単に製造でき、取り付けることのでき
るように改善することである。

【０００５】 減衰手段がマグネットリングの各々に配属され、それぞれステータ側のマグネ
ットリングの有利には少なくとも一部に配属されていることによって、両方のマ
グネットベアリングでロータ運動を減衰する反発力が形成される。すなわちアク
ティブに支承されたベアリングのみに形成されるのではない。ステータ側とロー
タ側のリングのかみ合いはもはや不要である。このことによりベアリングの製造
と取り付けが従来技術と比較して簡単になる。

【０００６】 本発明のさらなる利点および詳細を図１から図１０に基づいて説明する。

【０００７】 図１と図２は、ロータを有する機械の概略図であり、このロータはそれぞれ本発
明に従って構成されたマグネットベアリングに支持されている。

【０００８】 図３は、本発明のベアリングを有するターボ分子真空ポンプ／分子真空ポンプの
概略図である。

【０００９】 図４から図７は、本発明によるマグネットベアリングの部分断面図であり、ここ
では種々の軸支承手段を有する。

【００１０】 図８から図１０は、減衰手段を有するマグネットベアリングの実施例を示す概略
図である。

【００１１】 図１と図２に概略的に示された機械では、回転システム２が２つのマグネット
ベアリング３，４に張架されている。各マグネットベアリング３，４は２つのリ
ングパケット５，６（ベアリング３）ないし７，８（ベアリング４）からなる。
それぞれ内側のリングパケット５，７は位置固定して取り付けられている。外側
のリングパケット６，８は、それぞれ内側のリングパケットを同心に、かつ無接
触（ギャップ９）に取り囲んでいる。これら外側のリングパケット６，８は回転
システム２の構成部材である。この構造は全体として回転対称である。駆動モー
タは図示されていない。

【００１２】 回転システム２には両側の端面で中央切欠部１１，１２が設けられている。こ
れら切欠部の壁面は、回転するマグネットリングパケット６，８に対する収容部
１３，１４を形成する。収容部１４は非磁化性材料、例えばＣＦＫからなる管状
の補強部材である。この補強部材は有利にはプレスばめを介して回転システム２
に固定されている。切欠部１２を包囲する補強部材１４の部分はその内側でマグ
ネットリングパケット８を支持している。

【００１３】 切欠部１１，１２へは位置固定された支持体１５，１６が、位置固定されたマ
グネットリングパケット５，７に対する収容部１７，１８を以て突入しており、
外側リングパケット６，８は内側パケット５，６を同心に取り囲んでいる。図で
はそれぞれ下側支持体１６が、回転システム２に対するシャフト突き合わせ部２
０に対する中央孔部１９を有し、このシステムの端面には軸センサ２１が配置さ
れている。

【００１４】 軸センサ２１はマグネットベアリング４の軸制御のための手段の構成部材であ
る。１つまたは複数のコイル２３がそれぞれＵ字形で、リングパケット８に向か
って開放したヨーク２４と共に、破線と矢印２５により示した磁界を形成する。
図１と図２ではそれぞれリングパケット８を取り囲む２つのコイル２３が設けら
れている。そのヨーク構成部材２４は、非フェライト材料からなるスペーサディ
スク２６によって相互に分離されている。

【００１５】 制御器２７が、センサ２１から送出された信号に依存するコイルの制御ないし
コイル２３により形成された磁界の制御に用いられる。それぞれ外側回転リング
パケット６，８とコイル２３ないしヨーク構成部材２４の脚部の端面との間のギ
ャップ２８では、軸制御に用いる磁力が作用する。

【００１６】 リングパケット５〜８はそれぞれ軸方向に磁化されたリングからなり、これら
のリングは極性を変化させながら（例えば図１のベアリング３に示したように）
、マグネットベアリング３，４のリングパケット５，６ないし７，８が相互に付
き合うように配置されている。有利には多数の外側リングペアおよび内側リング
ペアが設けられており、各マグネットリングパケットは両方の側で同じ磁極を以
て終端する。図１の解決手段では、リングパケット５，６ないし７，８がそれぞ
れ相互に同心に配置された２つのシリンダを形成している。マグネットリングパ
ケット５，７ないし６，８のマグネットリングの寸法は有利にはそれぞれ同じで
ある。図２の解決手段では、ベアリング３，４の２つのリングパケット５，６な
いし７，８の相互に向き合うリングの周面は段階的に（同じように）変化する。
従ってギャップ９も階段形状を有する。ベアリング４のギャップ２８も（図２の
図示とは異なり）階段形状を有することができる。

【００１７】 上部ベアリング３では回転マグネットの横断面をベアリング４の場合よりも小
さく保持することができる。このことはマグネット材料に対するコストを節約す
る。

【００１８】 ベアリング４では、ヨーク構成部材のポール面とマグネット（このマグネット
はＣＦＫ管の一定の内径を介して保持される）との間のギャップ２８を小さくす
る必要がある。これにより軸ベアリングがマグネットに作用することができるよ
うにするためである。

【００１９】 マグネットリングパケット５〜８のリングはその収容部１３，１４，１７，１
８に固定的に保持されている。各マグネットリングの２つの端面は円形リング状
のスペーサディスク３１に当接しており、このスペーサディスクは非フェライト
材料からなる。これにより磁力が有利にはギャップ９ないし２８の間で作用する
。スペーサリングディスク３１の材料が付加的に良導電性特性を有すれば（例え
ば銅）、ロータ運動の減衰がすでに達成される。しかし減衰手段がステータ側の
マグネットリングパケット５，７のマグネットリングの外周面に配置されている
と特に効果的である。図１の実施例では、これら減衰手段が良導電性材料からな
るスリーブ３２ないし３３によって形成されており、このスリーブはマグネット
リングパケット５，６を取り囲む。

【００２０】 スリーブはさらに、マグネットリングパケット５，７のマグネットリングをカ
プセル化する作用を有する。このことによってマグネット材料が侵襲性のガス（
例えば摩擦真空ポンプの場合の水素）から保護される。例として図２には、それ
ぞれ位置固定されたリングパケット５，７に対する段付けられたスリーブ３２，
３３が示されている。スリーブはリングパケットから横方向に、所属の収容部と
ガス気密に接合されており、例えば溶接されている。回転マグネットリングパケ
ット６，８も同様にカプセル化することができる。

【００２１】 有利にはリングパケット５，６ないし７，８の内側リングと外側リングはそれ
ぞれペアで配置されている。軸方向制御を改善するためには、軸方向にアクティ
ブなマグネットベアリング４の外側回転リングパケットに別のリングを追加する
と有利である。この変形は図１と図２に示されている。リングパケット８はリン
グパケット７より２つ多いリングを有している。外側にある外側の、２９により
示したリングがパケット８に追加されている。このリングは軟磁性リングとする
ことができる。しかし有利には２つの別のマグネットリングが追加される。

【００２２】 図３に示された機械１、例えばターボ分子ポンプ／分子ポンプでは、接続フラ
ンジ３６を有するケーシング３５にステータ羽根３７が取り付けられている。磁
気的に支承されたロータ２はロータ羽根３８を支持する。ロータ羽根３８はステ
ータ羽根３７の間を周回し、ガスの搬送に作用する。ポンプ１は複合ポンプであ
る。羽根の設けられた部分には分子ポンプ部分３９が続く。

【００２３】 ロータ２は２つのマグネットベアリング３と４に懸架されている。マグネット
ベアリング３は高真空側に配置されている。位置固定されたマグネットリングパ
ケット５の支持体１５はその収容部１７と共にベアリングスター４１の構成部材
である。

【００２４】 マグネットリング４はポンプ１の予真空側に配置されている。２つのベアリン
グはほぼ同じ剛性を有する。回転システム２の重心は４２により示されている。

【００２５】 ポンプ１には非常運転ベアリングまたはキャッチベアリング４４，４５が装備
されている。高真空側キャッチベアリング４４はロータ切欠部１１に配置されて
いる。予真空側キャッチベアリング４５はマグネットベアリング４の下側で、軸
突き合わせ部２０と位置固定された支持体１６との間に配置されている。

【００２６】 駆動モータ４６として、ステータ４７とアンカ４８を有する高周波モータが設
けられている。ステータ側にはさらにギャップ管４９が設けられており、このギ
ャップ管はステータ室５０を予真空側に対して真空密に密閉する。ギャップ管４
９はギャップ２８を、ヨーク構成部材２４を有するコイル２３と回転マグネット
リングパケット８との間で貫通している。従って有利にはこれは非磁化性で、導
電率の悪い材料、例えばＣＦＫからなる。

【００２７】 ロータ側にはすでに説明した管状の補強部材１４が設けられている。この補強
部材はリングパケット８だけではなく、モータアンカ４８も補強する。

【００２８】 公差を調整するために、ベアリング４は調整ねじ５２を介して調整される。こ
の調整ねじの上には、位置固定されたリングパケット７の支持体１６が停止して
いる。有利には、回転システムが軸方向に不安定な動作点に存在するよう調整さ
れる。この動作点を中心に軸方向制御が僅かなエネルギーで行われる。

【００２９】 図４から図７は、アクティブマグネットベアリング４に対する別の実施例を示
す。図４（磁力線が示されていない）と図５（磁力線が示されている）の解決手
段では、それぞれ４つのマグネットリングがリングパケット７と８を形成する。
コイル２８にだけＵ字形のヨーク２４が設けられている。ヨーク２４のＵ脚部の
端面の間隔は、リングパケット８のマグネットリングの軸方向寸法にほぼ相応す
る。磁力の最適の交互作用を達成するために、Ｕ脚部の端面は、リングパケット
８の隣接する２つのマグネットリングの中央の高さにある。図示の実施例では、
２つの中央マグネットリングの中点の高さにある。

【００３０】 図６の実施例では、同様にコイル２３にだけヨーク２４が設けられている。リ
ングパケット８のリングに向いた側の、Ｕ字形ヨーク２４の脚部の端面の間隔は
、マグネットリングの軸方向寸法のほぼ２倍に相応する。図７は、５つのコイル
２３とヨーク２４を有する解決手段を示す。リングパケット８は６つのマグネッ
トリングを有する。全部で６つのヨーク脚部の端面は、ほぼマグネットリングの
中央の高さにある。

【００３１】 マグネットリングパケット７，８の各リングの間には、すでに説明したように
、スペーサリングディスク３１が配置されている。このスペーサリングディスク
は材料に応じて磁極線を形成し、および／または減衰に作用する。

【００３２】 有利には減衰作用を達成し、並びにマグネットリングの被覆部を補充するため
のスペーサリングディスク３１の有利な構成を、図８から図１０に示されたマグ
ネットベアリング３の実施例に基づいて説明する。

【００３３】 スペーサリングディスク３１の材料が減衰作用を達成するのに有利な良導電性
の材料であれば、減衰作用を改善するのにスペーサリングディスク３１の縁部を
、磁界がギャップ９に入り込む個所で補強すると有利である。例えば連続的に外
に向かって厚くなるようにし、マグネットリングの形状をこの縁部に適合するの
である。図８にはこの実施例が示されている。ギャップ近傍で補強された、中央
スペーサリングディスク３１の縁部は５４により示されている。磁界がより多く
材料を通過することによって、渦電球によって形成され、減衰に作用する反発力
が増大する。

【００３４】 図９の実施例では、リングパケット５のマグネットリングがすべての側で被覆
されている（被覆層５５）。マグネットリングは側方でスペーサディスク３１の
機能を有し、これにより被覆部５５が十分な厚さを有し、適切な材料が選択され
ていれば、マグネットリングは磁極線に影響する作用および／または減衰性の作
用を有するようになる。付加的にマグネットリングが侵襲性のガスからも保護さ
れる。この保護は、スリーブ３２が設けられており、これがすでに図２に示すよ
うに階段形状、または例えば図１０（リングパケット５）に示すようにシリンダ
状であることによって達成される。

【００３５】 マグネットリングのスペーサリングディスク３１（ないし被覆部５５）は十分
な厚さでなければならない。これはその目的を満たすためであり、とりわけベア
リングの所望の剛性はスペーサディスクの厚さに依存するからである。平均的な
大きさの摩擦ポンプの場合、厚さは０．２５から１ｍｍが有利である。

【００３６】 さらに螺旋形状に巻回されたシートコイル２３を使用するのが有利である。な
ぜなら、その必要空間が比較的小さいからである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 ロータを有する機械の概略図であり、このロータはそれぞれ本発明に従って構
成されたマグネットベアリングに支持されている。

【図２】 ロータを有する機械の概略図であり、このロータはそれぞれ本発明に従って構
成されたマグネットベアリングに支持されている。

【図３】 本発明のベアリングを有するターボ分子真空ポンプ／分子真空ポンプの概略図
である。

【図４】 本発明によるマグネットベアリングの部分断面図であり、ここでは種々の軸支
承手段を有する。

【図５】 本発明によるマグネットベアリングの部分断面図であり、ここでは種々の軸支
承手段を有する。

【図６】 本発明によるマグネットベアリングの部分断面図であり、ここでは種々の軸支
承手段を有する。

【図７】 本発明によるマグネットベアリングの部分断面図であり、ここでは種々の軸支
承手段を有する。

【図８】 減衰手段を有するマグネットベアリングの実施例を示す概略図である。

【図９】 減衰手段を有するマグネットベアリングの実施例を示す概略図である。

【図１０】 減衰手段を有するマグネットベアリングの実施例を示す概略図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハインリヒ エングレンダー ドイツ連邦共和国 リニヒ イム クレー ヴィンケル ４ (72)発明者 ヨーゼフ ホダップ ドイツ連邦共和国 ケルン ジメラー シ ュトラーセ ７ベー Ｆターム(参考） 3H022 AA03 BA06 CA16 DA00 3J102 AA01 BA03 BA19 CA29 DA03 DA07 DB05 FA23 GA06 5H605 AA08 BB05 BB10 BB14 BB17 CC04 DD09 DD36 DD37 EB01 EB35 5H607 AA12 AA14 BB01 BB07 BB14 BB25 CC09 DD03 DD08 FF07 GG07 GG21 HH01

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高速回転する機械（１）、とりわけターボコンプレッサまた
   は摩擦真空ポンプ用のマグネットベアリングであって、 ２つのベアリング（３，４）と、有利には半径方向でのロータ運動を減衰する
   ための手段（３１）とを有し、 前記ベアリングはそれぞれ１つのステータマグネットリングパケット（５，７
   ）とロータマグネットリングパケット（６，８）とを有する形式のマグネットベ
   アリングにおいて、 マグネットベアリング（３，４）は、相互に同心に配置されたマグネットリン
   グパケット（５，６；７，８）からなり、 当該マグネットリングにおいては、位置固定されたマグネットリングパケット
   （５ないし７）が外側に、回転するマグネットリングパケット（６ないし８）が
   内側に配置されており、 減衰手段（３２，５４，５５）が、それぞれステータ側マグネットリングパケ
   ット（５，７）のマグネットリングの少なくとも一部の外周面に配属されており
   、 該減衰手段は非磁化性でありかつ良導電性の材料からなる、 ことを特徴とするマグネットベアリング。
2. 【請求項２】 減衰手段はスペーサリングディスク（３１）からなり、 該スペーサリングディスクは該当するマグネットリング間に配置されており、 スペーサリングディスク（３１）の、ギャップ近傍の縁部（５４）は補強され
   ている、請求項１記載のマグネットベアリング。
3. 【請求項３】 減衰手段としてスリーブ（３２）が設けられており、 該スリーブはステータ側マグネットリングパケット（５，７）の外周面を包囲
   する、請求項１または２記載のマグネットベアリング。
4. 【請求項４】 マグネットリングはカプセル化されており（被覆部５５）、 カプセルの層は減衰手段の機能を有する、請求項１から３までのいずれか１項
   記載のマグネットベアリング。
5. 【請求項５】 回転するマグネットリングパケット（６，８）にも減衰手段
   が装備されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のマグネットベアリ
   ング。
6. 【請求項６】 位置センサ（２１）により制御される少なくとも１つのコイ
   ル（２３）並びにヨーク構成部材（２４）は、軸方向に支承されたベアリング（
   ４）の外側マグネットリングパケット（８）を取り囲む、請求項１から５までの
   いずれか１項記載のマグネットベアリング。
7. 【請求項７】 １つのマグネットベアリング（３，４）の両方のリングパケ
   ットのマグネットリングの数は異なっている、請求項１から６までのいずれか１
   項記載のマグネットベアリング。
8. 【請求項８】 回転するマグネットリングパケット（６，８）のマグネット
   リングの数は、位置固定されたマグネットリングパケット（５，７）のマグネッ
   トリングの数より多い、請求項７記載のマグネットベアリング。
9. 【請求項９】 リングパケットペア（５，６ないし７，８）のリングの相互
   に向き合った周面の大きさは段階的に変化する、請求項１から８までのいずれか
   １項記載のマグネットベアリング。
10. 【請求項１０】 ロータ（２）は、請求項１から９までのいずれか１項記載
    のマグネットベアリングに張架されている、ロータおよびステータを有する摩擦
    ポンプ。
11. 【請求項１１】 リングパケット（５，６，７，８）のマグネットリングは
    収容部に固定されており、 軸方向にアクティブなベアリング（４）の外側リングパケット（８）のマグネ
    ットリングに対する収容部として、管状の補強部材が用いられ、 該補強部材は、第１の部分を以て回転システム（２）に固定されており、第２
    の部分を以てリングパケット（８）のマグネットリングを支持している、請求項
    １０記載の摩擦ポンプ。
12. 【請求項１２】 補強部材（１４）は、駆動モータ（４６）のアンカ（４８
    ）も取り囲む、請求項１１記載の摩擦ポンプ。
13. 【請求項１３】 中央に配置された支持体（１５，１６）が位置固定された
    マグネットリングパケット（５，７）に対して設けられており、 支持体（１５，１６）の一方には中央孔部（１９）が創部されており、 回転システム（２）の軸突き合わせ部（２０）が前記孔部を貫通し、 軸突き合わせ部（２０）の自由端面に軸方向センサ（２１）が配属されている
    、請求項１０から１２までのいずれか１項記載の摩擦ポンプ。
14. 【請求項１４】 支持体（１５，１６）の一方は軸方向に調整可能である、
    請求項１３記載の摩擦ポンプ。
15. 【請求項１５】 駆動モータ（４６）にはギャップ管（４９）が設けられて
    おり、 該ギャップ管（４９）は軸方向にアクティブなベアリング（４）のギャップ（
    ２８）を貫通している、請求項１０から１４までのいずれか１項記載の摩擦ポン
    プ。
16. 【請求項１６】 パッシブなベアリング（３）は高真空側に、軸方向にアク
    ティブなベアリング（４）は予真空側に配置されている、請求項１０から１５ま
    でのいずれか１項記載の摩擦ポンプ。