特表 2024-515706 磁気軸受装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-04-10

(54)【発明の名称】磁気軸受装置

(51)【国際特許分類】

   F16C 32/04 20060101AFI20240403BHJP

   H02K 41/03 20060101ALI20240403BHJP

【ＦＩ】

F16C32/04 A

H02K41/03 A

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023564541

(86)(22)【出願日】2022-04-25

(85)【翻訳文提出日】2023-12-15

(86)【国際出願番号】 EP2022060822

(87)【国際公開番号】W WO2022223832

(87)【国際公開日】2022-10-27

(31)【優先権主張番号】102021110415.7

(32)【優先日】2021-04-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】505257752

【氏名又は名称】フィジック インストゥルメント（ピーアイ）ゲーエムベーハー アンド ツェーオー．カーゲー

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】グース，アレクサンダー

【テーマコード（参考）】

3J102

5H641

【Ｆターム（参考）】

3J102AA01

3J102BA05

3J102CA04

3J102CA28

3J102DA09

3J102DA10

3J102DA26

3J102GA12

3J102GA13

5H641BB06

5H641GG02

5H641GG04

5H641GG07

5H641HH02

5H641HH09

5H641JA07

(57)【要約】

本発明は、少なくとも２つのステータを有するステータ装置と、ロータとを備える磁気軸受装置に関し、ステータは、少なくとも１つのコイル形成部、磁石、および磁束伝導装置を有するコイル装置を備え、ロータは、ステータ装置の長手方向に沿ってステータ装置に対して移動可能であり、ステータ装置およびロータは、コイル装置に電気エネルギーが印加されたときに、ロータに磁力を印加してステータ装置とロータとの間にエアギャップを形成することができるように構成される。これにより、ステータ装置の長手方向における少なくとも２つのステータの磁束伝導装置間の最小距離は、０と少なくとも２つのステータのコイル装置間の距離との間の範囲内にある。さらに、本発明は、そのような磁気軸受装置を備える位置決めシステムに関する。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも１つのステータ（２－１）を有するステータ装置（２）とロータ（３）とを備え、前記ステータ（２－１）は、少なくとも１つのコイル形成部（４－１、４－２）を有するコイル装置（４）と、磁石（５）と、磁束伝導装置（６）とを備え、前記ロータ（３）は、少なくとも前記ステータ装置（２）の長手方向（ｘ）に沿って前記ステータ装置（２）に対して移動可能であり、前記ステータ装置（２）および前記ロータ（３）は、前記コイル装置（４）に電気エネルギーが印加されたときに、前記ロータ（３）に磁力を印加して前記ステータ装置（２）と前記ロータ（３）との間にエアギャップを形成することができるように構成される、磁気軸受装置（１）において、
前記ステータ装置（２）は、少なくとも２つのステータ（２－１、２－２）を備え、前記少なくとも２つのステータ（２－１、２－２）の前記磁束伝導装置（６）は、磁束伝導構成要素（６ａ～６ｃ）および磁束伝導バー（９ａ～９ｃ）を備え、前記磁束伝導バー（９ａ～９ｃ）は、前記磁束伝導構成要素（６ａ～６ｃ）上に配置され、前記少なくとも２つのステータ（２－１、２－２）の前記上端面および下端面に対向してそれぞれ少なくとも部分的に配置される。前記少なくとも２つのステータ（２－１、２－２）の前記コイル装置（４）の下端面、前記ステータ装置（２）の前記長手方向（ｘ）における前記少なくとも２つのステータ（２－１、２－２）の前記磁束伝導装置（６）、特に前記磁束伝導バー（９ａ～９ｃ）間の最小距離は、０と前記少なくとも２つのステータ（２－１、２－２）の前記コイル装置（４）の距離との間、好ましくは、０と前記コイル装置（４）の前記距離の５０％との間、特に、０と前記コイル装置（４）の前記距離の１０％との間の範囲内にあることを特徴とする、磁気軸受装置（１）。

【請求項2】

前記少なくとも２つのステータ（２－１、２－２）の前記磁束伝導装置（６）の前記磁束伝導バー（９ａ～９ｃ）は、前記ステータ装置（２）の前記長手方向（ｘ）において互いに接触しているか、または互いに直接接触してい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】

前記磁束伝導バー（９ａ～９ｃ）の少なくとも一部は、前記磁束伝導構成要素（６ａ～６ｃ）と一体的に構成されていることを特徴とする、
請求項１または２に記載の磁気軸受装置。

【請求項4】

前記磁束伝導バー（９ａ～９ｃ）は、前記磁束伝導構成要素（６ａ～６ｃ）とは別個に構成され、前記磁束伝導構成要素（６ａ～６ｃ）と接触していることを特徴とする、
請求項３に記載の磁気軸受装置。

【請求項5】

前記磁束伝導バー（９ａ～９ｃ）は、少なくとも２つのステータ（２－１、２－２）の上に一体に延在することを特徴とする、
請求項４に記載の磁気軸受装置。

【請求項6】

前記ロータ（３）は、前記ステータ装置（２）の両側に配置され、かつ少なくとも部分的な非磁性要素によって相互接続された少なくとも２つの磁束伝導構成要素（７）を備えることを特徴とする、
先行する請求項のいずれか１項に記載の磁気軸受装置。

【請求項7】

前記ロータ（３）の前記少なくとも２つの磁束伝導構成要素（７）は、前記ステータ装置（２）の少なくとも１つのステータ（２－１、２－２）にわたって前記ステータ装置（２）の前記長手方向（ｘ）に延在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】

前記ロータ（３）の前記少なくとも２つの磁束伝導構成要素（７）は、前記ステータ装置（２）のステータ（２－１、２－２）よりも前記ステータ装置（２）の前記長手方向（ｘ）において短いことを特徴とする、
請求項６に記載の磁気軸受装置。

【請求項9】

前記ステータ装置（２）の前記ステータ（２－１、２－２）内の前記磁石（５）は各々、前記磁束伝導装置（６）の２つの磁束伝導構成要素（６ａ～６ｃ）の間に配置されていることを特徴とする、
先行する請求項のいずれか１項に記載の磁気軸受装置。

【請求項10】

前記コイル装置（４）は、上下に配置されたコイル形成部（４－１）を有し、前記磁石（５）は、前記コイル形成部（４－１）の間の平面（ｘｙ）内に配置されていることを特徴とする、
先行する請求項のいずれか１項に記載の磁気軸受装置。

【請求項11】

コイル形成部（４－１）は各々、好ましくは前記ステータ装置（２）の前記長手方向（ｘ）に延在する前記磁束伝導装置（６）の２つの平行な磁束伝導構成要素（６ｂ、６ｃ）の間に配置され、特に、前記磁束伝導構成要素（６ｃ）のうちの少なくとも１つは、さらなる構造、好ましくはハウジング（１２）に結合することができる結合部分（８）を有することを特徴とする、
先行する請求項のいずれかに記載の磁気軸受装置。

【請求項12】

前記ステータ装置（２）の前記ステータ（２－１、２－２）内の前記磁束伝導装置（６）は、十字形断面を有する中央磁束伝導構成要素（６ａ）を備え、前記中央磁束伝導構成要素（６ａ）の対向する部分は、異なるコイル形成部（４－１、４－２）の開口部内に配置されることを特徴とする、
先行する請求項のいずれかに記載の磁気軸受装置。

【請求項13】

前記ステータ装置（２）の前記磁石（５）および／または前記磁束伝導構成要素（６ａ～６ｃ）は、一体またはいくつかの部品で構成されることを特徴とする、
先行する請求項のいずれかに記載の磁気軸受装置。

【請求項14】

ハウジング（１２）と、プラットフォーム（１３）と、請求項１～１３のいずれかに記載の少なくとも１つの磁気軸受装置（１）とを備える位置決めシステム（１１）であって、前記ステータ装置（２）は前記ハウジング（１２）に結合され、前記プラットフォーム（１３）は前記ロータ（３）に結合されている、位置決めシステム（１１）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、少なくとも１つのステータを有するステータ装置とロータとを備える磁気軸受装置に関し、ステータは、少なくとも１つのコイル形成部を有するコイル装置、磁石、および磁束伝導装置を有し、ロータは、ステータ装置の少なくとも長手方向に沿ってステータ装置に対して移動可能であり、ステータ装置およびロータは、コイル装置に電気エネルギーが印加されたときに、ロータに磁力を印加してステータ装置とロータとの間にエアギャップを形成することができるように構成される。また、本発明は、このような磁気軸受装置を有する位置決めシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

このような磁気軸受アセンブリおよび対応する位置決めシステムは、位置が重要な装置の正確な位置決めのために従来技術で知られている。請求項１の一般的な概念による磁気軸受装置を備えた一般的な位置決めシステムは、Ｓａｎｇ－Ｈｏ Ｌｅｅらによる第１の刊行物「Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｎｏｖｅｌ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｂｉａｓｅｄ Ｌｉｎｅａｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｂｅａｒｉｎｇ ａｎｄ ｉｔ’ｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ Ｈｉｇｈ－Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｓｔａｇｅ」およびＤｏｎｇ－Ｃｈｕｌ Ｈａｎらによる第２の刊行物「Ｔｈｅ Ｈｉｇｈ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｌｉｎｅａｒ Ｍｏｔｉｏｎ Ｔａｂｌｅ Ｗｉｔｈ ａ Ｎｏｖｅｌ Ｒａｒｅ Ｅａｒｔｈ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｂｉａｓｅｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ」から知られている。

【0003】

第１の刊行物には、ステータと、移動方向に沿ってステータに対して移動可能なスライダとを備える磁気軸受装置が記載されている。磁気軸受装置は、磁束伝導構成要素、磁石、およびコイルから本質的に構成され、ロータの重量力を完全に補償するためにロータに磁力を加えるように構成され、それによって、コイルに電気エネルギーが加えられたときにロータに揚力として作用する。特に、通電されたコイルは、磁石によって生成された磁場と相互作用する磁場を生成する。能動要素（コイル）はロータ内に配置され、これは、電力供給に必要なケーブルがロータに取り付けられなければならず、ロータがステータに対して移動するときに一緒に運ばれなければならないという欠点を有する。あるいは、無線電力伝送が提供されなければならないか、またはエネルギー貯蔵要素がロータ内に配置されなければならず、これはロータの重量の大幅な増加につながる。さらに、この構成では、電気的に誘導された熱入力の放散は、空気を介して、場合によってはケーブルを介してのみ可能である。

【0004】

第２の刊行物には、第１の刊行物からの磁気軸受装置の構造の一部も含むｘｙテーブルが記載されている。しかしながら、そこでは能動要素（コイル）はステータの一部であり、これは、電気エネルギーがもはやロータに供給される必要がないことを意味する。しかしながら、移動距離が大幅に小さくなることと、ロータの移動中にロータ座標系に対して力点が変化することが、この構成の欠点である。特に、力点の位置は幾何学的寸法に依存し、その結果、位置依存性レバーアームがトルクに関して生じ、これはそのようなシステムの制御をするのに不利であり、さらに、移動方向に沿った位置依存力性の出力要件をもたらす。

【0005】

さらに、ステータとロータとを有する新規な磁気軸受アセンブリがあり、コイルおよび磁石ならびに関連する磁束伝導装置はステータにのみ設けられ、コイルに電気エネルギーを印加するとロータに磁力がかかり、ステータとロータとの間にエアギャップが形成される。この場合、ロータの長手方向の延長部は、ステータに沿った可能な限り長い移動を可能にするために可能な限り小さい。移動距離が長い場合、コイル、磁石、および磁束伝導装置のステータアセンブリが長くなると電力損失が大きくなり、モータ効率が低下するため、ステータ装置と比較してロータをできるだけ短くする必要がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

したがって、本発明は、ステータの長手延在方向におけるロータの長い移動を低電力消費で可能にする磁気軸受装置を提供するという課題に基づいている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

この課題は、一般的な磁気軸受装置において、特にステータ装置が少なくとも２つのステータを有し、ステータ装置の長手方向における少なくとも２つのステータの磁束伝導装置間の最小距離が、０と少なくとも２つのステータのコイル装置間の距離との間、好ましくは０とコイル装置間の距離の５０％との間、特に０とコイル装置間の距離の１０％との間の範囲内にあるという事実によって解決される。この場合、コイル装置はステータ装置のステータにのみ設けられ、これは、電気エネルギーをロータに伝達する必要がなく、受動アセンブリとしてのロータをその寸法および重量の点で最小限に抑えることができることを意味する。その結果、ロータを、大きなコギング力およびコギングトルクなしに、能動制御中にステータに沿って移動させることができる。ステータ装置の長手方向またはステータ装置に沿ったロータの移動方向におけるロータのより長い移動のために、本発明は、少なくとも２つのステータを有するステータ装置を提供し、少なくとも２つのステータの磁束伝導装置は、ステータ装置に沿って長手方向にほぼ連続的に延在する。非常に長いステータを有するステータ装置と比較して、少なくとも２つのステータの構成は、コイルの使用可能な部分が結論の長さによって決定されるため、著しく低い電力損失およびより良好な効率を可能にする。さらに、複雑に製造された個々の構成要素の代わりにいくつかの同一の部品を使用することができるので、いくつかの短いステータを設けることは製造上の利点を可能にする。少なくとも２つのステータ間のロータの移送中に発生するコギング力およびコギングトルク、ならびにコイルの磁極面における磁束伝導装置の中断に起因する搬送方向の力孔を最小限に抑えるために、少なくとも２つのステータの磁束伝導装置間の可能な限り最小の距離が提供され、それにより、ステータは、磁束伝導材料を用いて長手方向にほぼ連続的に設計することができる。したがって、磁束がステータ装置の磁束伝導装置の全領域にわたって適度に均一に分配されるように、ステータ装置の少なくとも２つ以上のステータの長手方向に沿ってある種のレールが形成される。いくつかのステータを使用する場合、ステータ装置の個々の領域を個別に制御することができ、その結果、対応する長さを有する単一のステータと比較して、関連するステータのみを通電する必要があるため、本発明による磁気軸受装置では著しく小さい電力損失が可能である。

【0008】

好ましい実施形態では、少なくとも２つのステータの磁束伝導装置は、ステータ装置の長手方向に互いに接触するか、または互いに直接接触する。それぞれの極面における磁束伝導装置の直接接触または材料接続は、ステータ装置のステータ間の移行中に搬送方向に力孔が発生することを最小限に抑える。

【0009】

好都合な実施形態は、少なくとも２つのステータの磁束伝導装置が磁束伝導バーを備え、磁束伝導バーが、少なくとも２つのステータのコイル装置の上端面または下端面に対して少なくとも部分的に突出することを提供する。磁束伝導バーを設けることにより、ステータ装置の実質的に連続した磁束伝導装置の形成が容易になり、それによって大きなコギング力およびコギングモーメントの発生が回避される。磁束伝導バーは、磁束の最も可能な均一な分布を達成するために、磁束の出口および入口点の領域に設けられることが好ましい。

【0010】

ステータ装置の適切な設計は、少なくとも２つのステータの磁束伝導装置が磁束伝導構成要素を有し、磁束伝導バーが磁束伝導構成要素と一体的に構成されることを提供する。このようにして、ステータ装置のステータは、ステータ装置に対してステータを任意の数で容易に組み合わせることができるように、同じタイプの磁束伝導装置を用いて設計することができる。

【0011】

別の実施形態では、少なくとも２つのステータの磁束伝導装置は磁束伝導構成要素を含み、磁束伝導バーは磁束伝導構成要素とは別個に構成され、磁束伝導構成要素と接触し、それによって異なる材料および幾何学的形状を磁束伝導バーに使用することができる。例えば、磁束伝導バーは、均一な力分布のために台形形状に構成することができる。これに関連して、磁束伝導バーが少なくとも２つのステータにわたって一体に延在し、ステータ装置の少なくとも２つのステータの磁束伝導装置間に最小距離がなく、少なくとも２つのステータ間で中断のない磁束が可能になる場合は有利である。

【0012】

有利な一実施形態では、ロータは、ステータ装置の両側に配置され、かつ少なくとも部分的に非磁性の部材によって相互接続された少なくとも２つのロータ磁束伝導構成要素を含む。この構造により、ロータは、非常にコンパクトな設計でステータ装置を包含する。これに関連して、可能な限り最もコンパクトな設計を実現するために、接続要素が非磁化可能材料で作られることが有利である。

【0013】

特定の実施形態は、少なくとも２つのロータ磁束伝導構成要素が、ステータ装置の少なくとも１つのステータにわたってステータ装置の長手方向に延在することを提供する。したがって、ロータは、１つのステータよりも長く、したがって少なくとも２つのステータを少なくとも部分的に恒久的に覆う。これにより、ステータ装置に沿ったロータのより均一な移動が可能になる。

【0014】

代替的な実施形態では、少なくとも２つのロータ磁束伝導構成要素は、ステータ装置のステータよりもステータ装置の長手方向に短い。このようにして、ロータは常に最大で１つのステータ移行部のみを覆い、複数部品のステータ装置の場合、最大で２つのステータに電気エネルギーを供給する必要があり、全体的な電力損失を低減することができる。

【0015】

有利には、各コイル形成部は、それ自体の平面内に延在してもよく、好ましくは、ステータの磁石および磁束伝導構成要素の長手方向の長さは、各コイル形成部の平行部分の長さに対応する。磁石、磁束伝導構成要素、およびコイル形成部の平行部分の長さを実質的に同じにすることによって、ロータの運動に対して高度の均一性を可能にする均一な領域を作り出すことができる。

【0016】

追加の変形形態では、ステータ装置のステータ内の磁石は各々、磁束伝導装置の２つの磁束伝導構成要素の間に配置することができる。これにより、コイル装置によって発生する磁場による磁石の消磁が防止される。

【0017】

さらに、コイル装置が、上下に配置されたコイル形成部を有し、磁石がコイル形成部の間の平面内に配置されていると有用であることが判明し得る。この場合、各コイル形成部は、ロータの磁束伝導構成要素に平行なそれ自体の平面内に延在する。磁石のこの配置により、互いに特異的に作用する、または互いに特異的に作用する磁場を生成することができる。好ましくは、磁石および磁束伝導構成要素の長手方向の長さは、各コイル形成部の平行部分の長さに対応する。

【0018】

さらに、各コイル形成部が、好ましくはステータ装置の長手方向に延在する磁束伝導装置の２つの平行に延在する磁束伝導構成要素の間に配置され、特に前記磁束伝導構成要素の少なくとも１つが、それによってさらなる構造、好ましくはハウジングに結合することができる結合部分を備える場合、磁気軸受装置にとって便利であり得る。この構成では、磁束伝導構成要素は磁束を伝導するだけでなく、ステータ装置をハウジングに取り付けるための構成要素としても同時に機能する。

【0019】

有用な変形例では、ステータ装置のステータ内の磁束伝導装置は、十字形断面を有する中央磁束伝導構成要素を含み、中央磁束伝導構成要素の対向する部分は、異なるコイル形成部の開口部内に配置される。この構成では、コンパクトな設計を維持しながら、磁束を目標通りに導くことができる。しかしながら、板状の形状を有するものなど、中央磁束伝導構成要素の他の断面も考えられ、これは、そのような中央磁束伝導構成要素の製造コストを大幅に低減するという利点を有する。

【0020】

さらに、磁石および／または磁束伝導構成要素が一体またはいくつかの部品で構成されている場合に有利であり得る。ステータ装置の構造に応じて、一体または複数の部品で構成された磁石および磁束伝導構成要素は、磁気軸受装置を組み立てるのに必要な労力を低減することができる。

【0021】

さらに、本発明は、ハウジングと、プラットフォームと、上述の磁気軸受装置の少なくとも１つとを備える位置決めシステムに関し、磁気軸受装置のステータ装置はハウジングに結合され、プラットフォームはロータに結合される。このような位置決めシステムでは、大きなコギング力またはコギングトルクに打ち勝つ必要なく、かつステータ装置の個々のステータ間の軸受方向の大きな力孔を補償する必要なく、ステータ装置の長手方向により長い距離にわたってハウジングまたはステータに対してプラットフォームを移動させることが可能である。有利には、位置決めシステムは、ハウジングに対してステータ装置の長手方向に移動するリニアモータを含むことができる。リニアモータおよび磁気軸受装置の制御パラメータを選択することにより、プラットフォームの高精度な位置決めを実現することができる。

【0022】

本発明の意味におけるコイル装置は、最も単純な場合には、その巻線が同心円状に共通の平面内に延在するコイル形成部を備え、さらに、その同心円状の巻線がいくつかの異なる平面内に延在するコイル形成部も備える。ここで、コイル形成部の巻線は、絶縁材料、例えばエポキシ樹脂に埋め込むことができる。さらに、コイル装置の個々のコイル形成部を並列または直列に電気的に接続することが考えられる。さらに、非磁性材料は、非磁化可能材料と非常に弱い磁化可能材料または非恒久的な磁化可能材料の両方を含むが、特に恒久的な磁気特性または強磁性特性を有する材料は除外される。

【0023】

以下、本発明の非限定的な実施形態を、例示的な図を参照してより詳細に説明する。図面は以下を示す。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明による磁気軸受装置のステータの斜視図である。

【図2】図１のステータの断面斜視図である。

【図3】本発明による磁気軸受装置のステータ装置の斜視図である。

【図4A】図３のステータ装置および短いロータを有する本発明による磁気軸受装置の斜視図である。

【図4B】図３のステータ装置および長いロータを有する本発明による磁気軸受装置の斜視図である。

【図5】本発明による磁気軸受装置の別の実施形態の斜視図である。

【図6A】本発明による磁気軸受装置のステータ装置の斜視図である。

【図6B】図６Ａのステータ装置を有する本発明による磁気軸受装置の別の実施形態の斜視図である。

【図6C】異なる磁束伝導装置を有する図６Ｂの本発明による磁気軸受装置の斜視図である。

【図7A】短い一体型磁石を有する図６Ｃの磁気軸受装置の部分露出図である。

【図7B】複数部分磁石を有する図６Ｃの磁気軸受装置の部分露出斜視図である。

【図7C】長い一体型磁石を有する図６Ｃの磁気軸受装置の部分露出斜視図である。

【図8】本発明による位置決めシステムの斜視図である。

【図9】プラットフォームが図示されていない、図８の位置決めシステムの斜視図である。

【図10】ハウジングおよびステータが図示されていない、図８の位置決めシステムの斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

図１に示す磁気軸受装置１のステータ装置２の単一のステータ２－１の斜視図に基づいて、磁気軸受装置１の動作モードをより詳細に説明する。磁気軸受装置１は、少なくとも２つのステータ２－１、２－２およびロータ３を有するステータ装置２を備え、図１は１つのステータ２－１のみを示す。

【0026】

本発明による磁気軸受装置１の単一のステータ２－１は、２つの別個の電気的に相互接続されたコイル形成部４－１、４－２を有するコイル装置４を備え、コイル形成部４－１、４－２は、ｚ方向に、したがって平行なｘｙ平面に上下に配置される。コイル形成部を互いに電気的に接続しないことも同様に考えられる。コイル形成部４－１、４－２の長さは、ｘ方向に延在している。ステータ２ １は、磁化可能鋼で作られた３つの磁束伝導構成要素６ａ、６ｂ、６ｃと４つの磁石５とを有する磁束伝導装置６をさらに備え、ステータ２－１の端面には２つの磁石５のみが見える。磁石５もｘ方向に延在している。図２のステータ２－１の断面図から明らかなように、２つの外側磁束伝導構成要素６ｂ、６ｃは、コイル装置４のコイル形成部４－１、４－２に隣接し、それによって、それらは２つの外側磁束伝導構成要素６ｂ、６ｃの間にｙ方向に位置する。第３の磁束伝導構成要素６ａは、外側磁束伝導構成要素６ｂ、６ｃの間にｙ方向におよびコイル形成部４－１、４－２の間にｚ方向に中心磁束伝導構成要素６ａとして配置される。本実施形態では、中心磁束伝導構成要素６ａは、断面が十字形状であり、したがってコイル形成部４－１、４－２の開口部内の垂直に対向する部分と係合する。さらに、外側磁束伝導構成要素６ｃのうちの１つには、外側磁束伝導構成要素６ｃに沿ってｘ方向に延在し、別の構造、特に位置決めシステム１１のハウジング１２への接続を可能にする結合部８が設けられる。２つの磁石５は、外側磁束伝導構成要素６ｂ、６ｃと中央磁束伝導構成要素６ａとの間にｙ方向に、およびコイル形成部４－１および４－２の間にｚ方向に各々配置される。この実施形態では、磁束伝導構成要素６ａ、６ｂ、６ｃのｚ方向の高さは、磁束伝導構成要素６ａ、６ｂ、６ｃがそれぞれコイル形成部４－１、４－２の上端面および下端面と同一平面になるように設計される。本発明の磁気軸受装置１の様々な実施形態に見られるように、磁束伝導構成要素６ａ、６ｂ、６ｃに加えて、磁束伝導装置６は、磁束伝導構成要素６ａ、６ｂ、６ｃと一体的にまたは別個に構成され、かつステータ装置２の１つのステータ２－１または複数のステータ２－１、２－２に沿って延在する磁束伝導バー９ａ、９ｂ、９ｃ（図３～図７Ｃ参照）を有してもよい。これにより、磁束伝導バー９ａ、９ｂ、９ｃはコイル形成部４－１、４－２の上端面または下端面に対して突出することができ、これは、コイル形成部４－１、４－２および磁石５が真空の外側に配置されている間に真空の内側で磁気還流が起こるように磁束を伝導するために、真空用途などの特定の用途に有利である。さらに、端面に対する磁束伝導バー９ａ、９ｂ、９ｃの面一閉鎖または鋸引きもまた、特定の用途には考えられ、有利である。

【0027】

磁気軸受装置１のロータ３は、好ましくは、ステータ２－１の両側に配置された２つの同一のロータ磁束伝導構成要素７と、２つのロータ磁束伝導構成要素７を相互接続する少なくとも部分的に非磁性の要素（図示せず）とを備える。これにより、ロータ３は、ステータ２－１を内包するように構成される。ロータ磁束伝導構成要素７はまた、別の構造、特に位置決めシステム１１のプラットフォーム１３への接続を可能にする結合部分８を有することができる。ロータ磁束伝導構成要素７は、ｙ方向に見たときにステータ２－１にわずかに突き出し、その結果、ｙ方向の復元力は小さくなり、ロータ３をｙ方向に沿って移動させるために磁気軸受装置１に入力される電力を低減することができる。さらに、ロータ磁束伝導構成要素７は、ｙ方向の並進復元力およびｚ軸周りの回転復元力を得るために、特別な形状、例えばＥ形状を有することができる。図１および図２に示す磁気軸受装置１のステータ装置２の実施形態では、ｘ方向のロータ３の長さは、その方向のステータ２－１の長さよりもはるかに小さい。

【0028】

一般に、ステータ２－１、２－２の磁束伝導装置６および磁石５ならびにロータ３のロータ磁束伝導構成要素７の形状および構造は、図１～図７に示す数、形状および配置に限定されないが、任意の好都合な形状、特に、ステータ装置２およびロータ３をより高いレベルの構造、例えば、位置決めシステム１１のハウジング１２またはプラットフォーム１３に統合することを単純化する形状を有することもできる。これに関連して、磁束伝導構成要素６ａ、６ｂ、６ｃおよび磁束伝導バー９ａ、９ｂ、９ｃならびにロータ磁束伝導構成要素７の場合、磁化可能材料の層が非導電性材料の層と交互になるように、これらを層状構造または積層構造として設計することが考えられる。コイル形成部４ １、４－２は、好ましくはワイヤコイルであるが、箔コイルまたはプリントコイルも使用することができる。ステータ２－１、２－２の磁石５は、一体品または部分品のいずれかであってもよく、コイル形成部４－１、４－２の間のｘ方向の異なる長さにわたって、例えば、外側磁束伝導構成要素６ｂ、６ｃ（図６Ｂを参照）の長さにわたって、またはコイル形成部４－１、４－２もしくは外側磁束伝導バー９ｂ、９ｃ（図７Ｃを参照）の全長にわたって延在してもよい。

【0029】

コイル形成部４－１、４－２に電気エネルギーを印加することにより、磁気軸受装置１を直接制御することができる。通電コイル形成部４－１、４－２は、ステータ２－１の磁束伝導装置６、すなわち図２の磁束伝導構成要素６ａ、６ｂ、６ｃ、または磁束伝導バー９ａ、９ｂ、９ｃ、ならびにロータ３のロータ磁束伝導構成要素７に対応する磁場を生成し、これらは磁石５によって生成された磁場と相互作用する。これらの磁場は、互いに作用しあうこともあれば、対抗して作用することもある。上側コイル形成部４－１の磁場が磁束伝導構成要素６ａ、６ｂ、６ｃの上側部分の磁石５の磁場に対抗して作用する場合、下側コイル形成部４－２の磁場は、駆動部（電流方向）の正しい選択によって磁束伝導構成要素６ａ、６ｂ、６ｃの下側部分の磁石５の磁場を強化することができる。選択的な制御により、ロータ３に磁気揚力を加えることができ、その結果、上側ロータ磁束伝導構成要素７とステータ２－１の上面との間、および下側ロータ磁束伝導構成要素７とステータ２－１の下面との間にエアギャップが形成される。特に、エアギャップのサイズ、すなわち、ステータ２－１の表面とロータ３のロータ磁束伝導構成要素７との間のｚ方向の距離は、制御を調整することによって調整することができる。したがって、揚力して作用するこの磁力は、ロータ３の重量力を補償するか、またはロータをｚ方向に位置決めすることができる。ｘ軸およびｙ軸を中心としたロータ３の回転自由度に関してロータ３を同時に安定させることにより、ロータ３は浮動し、機械的摩擦なしに、すなわち外部摩擦なしに、ステータ装置２に対してｘ方向に沿って変位することができる。

【0030】

図３の斜視図は、少なくとも２つのステータ２－１、２－２を有する本発明による磁気軸受装置１のステータ装置２を示す。各ステータ２ １、２－２は、上側および下側コイル形成部４－１、４－２と、磁化可能鋼で作られた３つの磁束伝導構成要素６ａ、６ｂ、６ｃと、ｘ方向に延在する磁石５とを有するコイル装置４を備える。ステータ装置２の一方の側には、２つのステータ２－１、２－２の２つの外側磁束伝導構成要素６ｃに結合部８が設けられている。このステータ装置２の磁束伝導装置６は、ステータ装置２の少なくとも２つのステータ２－１、２－２にわたって一体的に延在する磁束伝導バー９ａ、９ｂ、９ｃを、磁束伝導構成要素６ａ、６ｂ、６ｃに平行であり、磁束伝導構成要素６ａ、６ｂ、６ｃと接触するｘ方向にさらに備える。これにより、磁束伝導バー９ａ、９ｂ、９ｃは、コイル形成部４－１、４－２の上下端面に対してそれぞれ突出する。磁束伝導バー９ａ、９ｂ、９ｃは、ステータ２－１、２－２の個々の磁束伝導構成要素６ａ、６ｂ、６ｃを接続して共通の磁束伝導装置６を形成するために、ステータ装置２に沿って２つのステータ２－１、２－２にわたって一体的に延在し、その結果、磁束は、ステータ装置２の磁束伝導バー９ａ、９ｂ、９ｃの全領域にわたって適度に均一に分配され得る。

【0031】

少なくとも２つのステータ２－１、２－２およびロータ３を有する、図３に示す上述のステータ装置を有する図４Ａに示す本発明による磁気軸受装置１は、一体的に構成された磁束伝導バー９ａ、９ｂ、９ｃによってロータの移動を可能にし、磁束伝導バー９ａ、９ｂ、９ｃは、ステータ装置２の少なくとも２つのステータ２－１、２－２に沿って延在し、一方のステータ２－１から他方のステータ２－２へのロータ３の移行中により大きなコギング力またはコギングモーメントを示すことなく、２つのステータ２－１、２－２の個々の磁束伝導構成要素６ａ、６ｂ、６ｃをコイル装置４の２つのステータ２－１、２－２の境界を横切って互いに接続し、それによってロータ３の支持方向の力孔も回避する。

【0032】

図３のステータ装置２を有するそのような磁気軸受装置１の第２の実施形態が図４Ｂに示されている。この実施形態では、ロータ３のロータ磁束伝導構成要素７は、ｘ方向におけるステータ２－１、２－２のはるかに長い長さ範囲にわたってｘ方向に延在する。これにより、２つのステータ２－１、２－２の間の移行中にｘ方向のより均一な移動が可能になるが、スライダ３の可能な移動距離が減少する。

【0033】

図５は、異なるステータ装置２を有する図４Ａの磁気軸受装置１のさらなる実施形態を説明する。このステータ装置２の少なくとも２つのステータ２－１、２－２は、互いに別個の磁束伝導装置６を有する。このような磁束伝導装置６では、磁束伝導バー９ａ、９ｂ、９ｃは各々、個々のステータ２－１、２－２の長さにわたってのみ延在し、磁束伝導構成要素６ａ、６ｂ、６ｃと一体的にまたは別個に構成されてもよい。図５から明らかなように、個々のステータ２－１、２ ２の別個の磁束伝導装置６の個々の磁束伝導バー９ａ、９ｂ、９ｃは、わずかな中断のみでステータ装置２全体に沿って可能な最も均一な磁束を可能にするために、互いに接触しているか、または互いにごくわずかしか離間していない。

【0034】

本発明による磁気軸受装置１のための別のステータ装置２が図６Ａに示されている。図３に示す２つのステータ２－１、２－２を有するステータ装置２とは対照的に、ここでは５つのステータ２－１、２－２が設けられている。３つもしくは４つ、または５つを超えるステータ２－１、２－２を有する他の構成も可能である。一体に構成された磁束伝導バー９ａ、９ｂ、９ｃは、ステータ装置２の全長に沿って延在し、ステータ２－１、２－２の個々の磁束伝導構成要素６ａ、６ｂ、６ｃを互いに接続する。図３に示すステータ２－１、２－２とは対照的に、図６Ａのステータ２－１、２－２は、ｘ方向においてより短く、したがって、異なる長さのステータアセンブリ２を形成するために比較的容易に互いに組み合わせることができる。さらに、いくつかのより短いステータへの細分化は、電力散逸のより大幅な低減を可能にする。

【0035】

図６Ｂは、図６Ａのステータ装置２と、ｘ方向の単一のステータ２ １、２－２よりもｘ方向に長いロータ３とを備え、したがって常にｘ方向に複数のステータ２－１、２－２にわたって延在する、本発明による磁気軸受装置１を示す。

【0036】

図６Ｃは、本発明に係る磁気軸受装置１のさらなる実施形態を示す。短い磁束伝導構成要素６ａ、６ｂ、６ｃと直列に配置された複数の同様のステータ２－１、２－２を有する図６Ａおよび図６Ｂに示すステータアセンブリ２とは対照的に、図６Ｃのステータ２－１、２－２は、ステータ２－１、２－２の全長にわたってｘ方向に各々延在する長い磁束伝導構成要素６ｂ、６ｃを有し、それにより、外側磁束伝導構成要素６ｂ、６ｃは、２つのステータ２－１、２－２の間の移行部で互いに接触し、それにより、磁束伝導装置６は、ステータ装置２全体に沿って一体的に延在する磁束伝導バー９ｂ、９ｃを介して接続されるだけではない。図６Ｃによる実施形態の磁束伝導構成要素６ａは、磁束伝導構成要素６ｂ、６ｃよりも短く、互いに接触しない。しかしながら、磁束伝導構成要素６ａは、隣接する磁束伝導構成要素６ａが互いに接触するように設計されることが考えられる。

【0037】

図７Ａ～図７Ｃは、図６Ｃの磁気軸受装置１のステータ２－１、２－２の様々な実施形態を示す。図７Ａのステータ装置２の部分切欠図に見られるように、この実施形態では、磁石５は、コイル形成部４－１、４－２の開口部内に配置された中心磁束伝導構成要素６ａに平行なｘ方向に延在し、隣接するステータ２－２の磁石５から明確な距離を置いてｘ方向に終端する。図７Ｂに示すステータ装置２の実施形態では、ステータ２－１、２－２の磁石５もまた、中心磁束伝導構成要素６ａと平行かつ等しい長さで延在するが、これらの磁石５は一体に構成されず、ｘ方向にばらばらに構成される。図７Ｃは、ｘ方向に一体に構成された磁石５を有する別のステータ装置２を示し、これらの磁石５は、隣接するステータ２－２の磁石５までｘ方向に延在する。

【0038】

図８～図１０は、上述の実施形態による少なくとも２つのステータ２－１、２－２を有する２つの磁気軸受アセンブリ１と、ｙ方向のスライダ３の移動方向に垂直な案内を可能にする任意選択的な磁気ｙガイドと、ハウジング１２と、プラットフォーム１３と、リニアモータ１４とを備える位置決めシステム１１を示す。磁気ｙガイドの代わりに、機械的ガイドまたは空気軸受をｙ方向に使用することもできる。図９に示すように、ハウジング１２は、矩形のハウジングプレートとして構成され、プレートは、対向する２つの側面に垂直なハウジング壁を有する。ハウジング壁の内側に、本発明による磁気軸受装置１のステータ装置２の少なくとも２つのステータ２－１、２－２が直列に配置される。これにより、ステータ２－１、２－２の外側磁束伝導構成要素６ｃは、結合部８によって対応するハウジング壁に固定され得る。ハウジングプレートの中央には、リニアモータ１４のコイル装置が配置されている。

【0039】

プラットフォーム１３は、２つの磁気軸受アセンブリ１の各々のロータ３に結合されている。これにより、図１０に示すように、プラットフォーム１３は、２つのロータ３の下側ロータ磁束伝導構成要素７および上側ロータ磁束伝導構成要素７の両方に結合される。２つの上側ロータ磁束伝導構成要素７への結合は、プラットフォーム１３の対応する凹部を介して行われ、一方、下側ロータ磁束伝導構成要素７への結合は、プラットフォーム１３の下側に配置された２つの接続ウェブ１５を介して行われる。各接続ウェブ１５は、プラットフォーム１３を下側ロータ磁束伝導構成要素７に接続する。また、リニアモータ１４のロータ部は、プラットフォーム１３の中央に配置されている。

【0040】

上述の位置決めシステム１１により、機械的摩擦損失なしに、すなわち外部摩擦の影響なしに、プラットフォーム１３の位置決めを実現することができる。さらに、プラットフォーム１３の高精度の位置決めは、適切な制御パラメータの選択によって達成することができる。これにより、位置決めシステム１１内の磁気軸受アセンブリ１の数は、磁気軸受装置１ごとに２つの磁気軸受アセンブリ１に限定されず、さらに２つのステータ２－１、２－２に限定されず、用途および設置状況に応じて適合され得る。

【符号の説明】

【0041】

参照符号のリスト
１ 磁気軸受装置
２ ステータ装置
２－１，２－２ ステータ
３ ロータ
４ コイル装置
４－１，４－２ コイル形成部
５ ソレノイド
６ 磁束伝導装置
６ａ、６ｂ、６ｃ 磁束伝導構成要素
７ ロータ磁束伝導構成要素
８ 連結部
９ａ、９ｂ、９ｃ 磁束伝導バー
１１ 位置決めシステム
１２ ハウジング
１３ プラットフォーム
１４ リニアモータ
１５ 接続ウェブ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4a】

【図4b】

【図5】

【図6a】

【図6b】

【図6c】

【図7a】

【図7b】

【図7c】

【図8】

【図9】

【図10】

【手続補正書】

【提出日】2024-02-01

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも１つのステータ（２－１）を有するステータ装置（２）とロータ（３）とを備え、前記ステータ（２－１）は、少なくとも１つのコイル形成部（４－１、４－２）を有するコイル装置（４）と、磁石（５）と、磁束伝導装置（６）とを備え、前記ロータ（３）は、少なくとも前記ステータ装置（２）の長手方向（ｘ）に沿って前記ステータ装置（２）に対して移動可能であり、前記ステータ装置（２）および前記ロータ（３）は、前記コイル装置（４）に電気エネルギーが印加されたときに、前記ロータ（３）に磁力を印加して前記ステータ装置（２）と前記ロータ（３）との間にエアギャップを形成することができるように構成される、磁気軸受装置（１）において、
前記ステータ装置（２）は、少なくとも２つのステータ（２－１、２－２）を備え、前記少なくとも２つのステータ（２－１、２－２）の前記磁束伝導装置（６）は、磁束伝導構成要素（６ａ～６ｃ）および磁束伝導バー（９ａ～９ｃ）を備え、前記磁束伝導バー（９ａ～９ｃ）は、前記磁束伝導構成要素（６ａ～６ｃ）上に配置され、前記少なくとも２つのステータ（２－１、２－２）の前記コイル装置（４）の上端面および下端面に対向して少なくとも部分的に配置され、前記ステータ装置（２）の前記長手方向（ｘ）における前記少なくとも２つのステータ（２－１、２－２）の前記磁束伝導装置（６）、特に前記磁束伝導バー（９ａ～９ｃ）間の最小距離は、０と前記少なくとも２つのステータ（２－１、２－２）の前記コイル装置（４）の距離との間、好ましくは、０と前記コイル装置（４）の前記距離の５０％との間、特に、０と前記コイル装置（４）の前記距離の１０％との間の範囲内にあることを特徴とする、磁気軸受装置（１）。

【請求項2】

前記少なくとも２つのステータ（２－１、２－２）の前記磁束伝導装置（６）の前記磁束伝導バー（９ａ～９ｃ）は、前記ステータ装置（２）の前記長手方向（ｘ）において互いに接触しているか、または互いに直接接触してい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】

前記磁束伝導バー（９ａ～９ｃ）の少なくとも一部は、前記磁束伝導構成要素（６ａ～６ｃ）と一体的に構成されてい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4】

前記磁束伝導バー（９ａ～９ｃ）は、前記磁束伝導構成要素（６ａ～６ｃ）とは別個に構成され、前記磁束伝導構成要素（６ａ～６ｃ）と接触していることを特徴とする、
請求項３に記載の磁気軸受装置。

【請求項5】

前記磁束伝導バー（９ａ～９ｃ）は、少なくとも２つのステータ（２－１、２－２）の上に一体に延在することを特徴とする、
請求項４に記載の磁気軸受装置。

【請求項6】

前記ロータ（３）は、前記ステータ装置（２）の両側に配置され、かつ少なくとも部分的な非磁性要素によって相互接続された少なくとも２つの磁束伝導構成要素（７）を備え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7】

前記ロータ（３）の前記少なくとも２つの磁束伝導構成要素（７）は、前記ステータ装置（２）の少なくとも１つのステータ（２－１、２－２）にわたって前記ステータ装置（２）の前記長手方向（ｘ）に延在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】

前記ロータ（３）の前記少なくとも２つの磁束伝導構成要素（７）は、前記ステータ装置（２）のステータ（２－１、２－２）よりも前記ステータ装置（２）の前記長手方向（ｘ）において短いことを特徴とする、
請求項６に記載の磁気軸受装置。

【請求項9】

前記ステータ装置（２）の前記ステータ（２－１、２－２）内の前記磁石（５）は各々、前記磁束伝導装置（６）の２つの磁束伝導構成要素（６ａ～６ｃ）の間に配置されてい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10】

前記コイル装置（４）は、上下に配置されたコイル形成部（４－１）を有し、前記磁石（５）は、前記コイル形成部（４－１）の間の平面（ｘｙ）内に配置されてい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11】

コイル形成部（４－１）は各々、好ましくは前記ステータ装置（２）の前記長手方向（ｘ）に延在する前記磁束伝導装置（６）の２つの平行な磁束伝導構成要素（６ｂ、６ｃ）の間に配置され、特に、前記磁束伝導構成要素（６ｃ）のうちの少なくとも１つは、さらなる構造、好ましくはハウジング（１２）に結合することができる結合部分（８）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12】

前記ステータ装置（２）の前記ステータ（２－１、２－２）内の前記磁束伝導装置（６）は、十字形断面を有する中央磁束伝導構成要素（６ａ）を備え、前記中央磁束伝導構成要素（６ａ）の対向する部分は、異なるコイル形成部（４－１、４－２）の開口部内に配置され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13】

前記ステータ装置（２）の前記磁石（５）および／または前記磁束伝導構成要素（６ａ～６ｃ）は、一体またはいくつかの部品で構成され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14】

ハウジング（１２）と、プラットフォーム（１３）と、請求項１～１３のいずれかに記載の少なくとも１つの磁気軸受装置（１）とを備える位置決めシステム（１１）であって、前記ステータ装置（２）は前記ハウジング（１２）に結合され、前記プラットフォーム（１３）は前記ロータ（３）に結合されている、位置決めシステム（１１）。

【国際調査報告】