JP2002272028A - ベアリングレスモータの突極付埋込磁石回転子構造 - Google Patents

ベアリングレスモータの突極付埋込磁石回転子構造

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明 千葉
Tadashi Fukao
正 深尾
Masahide Oshima
政英 大島
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    • F16C2380/26Dynamo-electric machines or combinations therewith, e.g. electro-motors and generators

Abstract

(57)【要約】 【課題】永久磁石形ベアリングレスモータにて、電機子
反作用磁束と半径方向力発生磁束が永久磁石形回転子の
極間部に集中し、著しい磁気飽和を発生し、この結果、
半径方向力が飽和してしまう減少を軽減する。 【解決手段】回転子の磁極間に突極とスリットを設け、
磁極には半径方向力を発生する磁束と、電機子反作用に
よって発生する磁束が流れやすくなり、この結果、半径
方向力の発生を防ぐことができ、一方、スリットを設け
ることにより、永久磁石の起磁力により発生する磁束が
極間部分に漏れることを防ぐ。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はトルクと半径方向力
を1つの電磁機械にて発生するベアリングレス回転機の
構成方法に関する。ベアリングレス回転機については、
既に、多数の文献があり、例えば、電気学会の解説 深
尾正、千葉明「ベアリングレスモータ」電気学会誌解説
vol.117 no.9 pp.612−615 1
997 8月がわかりやすくかかれている。さらに、一
般化理論については、Akira Chiba,Taz
umi Deido,Tadashi Fukao a
nd M.A.Rahman,”An Analysi
s of Bearingless ac Motor
s”, IEEE Transaction on E
nergy Conversion,vol.9,n
o.1,March,1994,pp.61−68にて
多くの電動機、発電機に応用可能な基礎理論であること
が提案されている。さらに、解析手法の基本的なものと
しては、千葉明、池田紘一、中村福三、泥堂多積、深尾
正、M.A.ラーマン「円筒形回転子を持つベアリング
レスモータの無負荷時の半径方向の力発生原理」電気学
会論文誌D,vol.113,no.4,pp.539
−547,1993がわかりやすい。
【0002】
【従来の技術】ベアリングレス回転機は磁気軸受機能と
モータの機能を1つの電磁機械で実現しようとするもの
である。すなわち、半径方向の電磁力をx、y2軸方向
と、回転するためのトルクを発生するものである。同時
に電磁力とトルクを発生するためには、電動機の固定子
に半径方向力を発生する巻線を施す必要がある。永久磁
石の電動機をベアリングレス化するためには固定子に半
径方向力発生巻線を施したり、固定子巻線を分割して分
割した巻線を独立に電流制御する手法などがある。永久
磁石機の回転子は、トルクを発生するために最適化され
ていることが多く、半径方向力を発生する観点からは最
適でない場合が多い。例えば、エアコンなどで普及して
いる永久磁石内蔵型電動機(IPMモータ)などでは、
効率がよく、トルク発生時にはq軸磁束が発生し、突極
性に起因するリラクタンストルクも発生することがで
き、高効率な電動機として普及している。しかし、IP
Mモータの回転子をベアリングレスモータの固定子に挿
入しても、半径方向力発生巻線の起磁力に対するパーミ
アンスが小さく、発生する半径方向力は小さい。すなわ
ち、q軸磁束が発生しても、半径方向力発生巻線による
起磁力に対するパーミアンスが小さく、半径方向力磁束
が発生しにくいためである。そこで、半径方向力発生起
磁力に対するパーミアンスが高い回転子の構成が必要で
ある。
【0003】既に、永久磁石を回転子鉄心表面に張り付
けた構造のベアリングレスモータの回転子について以下
の文献では、永久磁石の厚みを薄くすることにより半径
方向力を向上できることが明らかにされている。大島政
英,宮澤悟,泥堂多積,千葉明,中村福三,深尾正,
「永久磁石型ベアリングレスモータの解析と基礎特性」
電学論D115巻9号平成7年PP.1131−11
39 回転子形状と半径方向力」 電気学会研究会SPC−9
7−118,IEA−97−10pp.13−1819
97 さらに、永久磁石間に突極を設けた構成のインセット型
の回転子について原理,杉谷宗寧,千葉 明,深尾
正,「逆突極永久磁石形ベアリングレスモータの半径方
向力」 第9回電磁力関連のダイナミクス1997 P
P.541−546 K.Inagaki,A.Chiba,M.A.Rah
man,T.Fukao,”Performance
Characteristics of Inset−
Type Permanent Magnet Bea
riglessMotor Druives”IEEE
PES 2000などの報告があるが、半径方向力は
起磁力の割には小さい問題点があった。そこで、永久磁
石を埋め込み、さらに、薄い永久磁石を用いた方式とし
て埋め込み磁石構造(BPM)ベアリングレスモータが
提案されている。すなわち、 究会SPC−98−120,IEA−98−65pp.
79−84 1998 藤江紀彰,吉松林太郎,千葉 明,大島政英,深尾
正,「埋込磁石構造ベアリングレスモータにおける電機
子反作用磁束の磁気飽和の影響」リニアドライブ研究会
LD−99−153 1999 pp.33−38 N.Fujie,R.Yoshimatsu,A.Ch
iba,M.Ooshima,M.A.Rahama
n,T.Fukao,”A Decoupling C
ontrol Method of Buried P
ermanentMagnet Motors Con
sidering MagneticSaturati
on”,IPEC−Tokyo 2000 pp.39
5−400 吉松林太郎,藤江紀彰,千葉 明,大島政英,深尾
正,「ベアリングレスPMモータにおける埋込磁石構造
とInset構造の比較」 平成12年電気学会全国大
会5−128pp2099−2100 2000などで
ある。しかしながら、BPMでは、トルク発生時にはq
軸電流が発生しq軸磁束が発生するにも関わらず、回転
子表面において部分的な磁気飽和が発生するために半径
方向力が飽和してしまう問題点があった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】永久磁石埋め込み型回
転子において、ベアリングレスモータとして用いた場合
に、トルク発生と同時に半径方向力を発生する場合に回
転子鉄心の磁極間に磁気飽和が生じていた。この結果、
半径方向力を発生する起磁力に対するパーミアンスが小
さくなってしまっていた。この部分的な磁気飽和は、永
久磁石の起磁力を短絡する磁束の量を制限する効果があ
り、もし、磁気飽和を軽減するために磁極間に突極を設
けると永久磁石の磁束が多く磁極に流れてしまい、トル
クが低下するおそれがある。そこで、永久磁石が発生す
る磁束量を減少せずに、回転子鉄心の磁気飽和を軽減す
る必要がある。
【0005】図1に従来型BPMの回転子構造を示す。
従来型BPMは永久磁石による起磁力分布を正弦波に近
づけるため、回転子鉄心1の円周内部に設けた52箇所
の長方形の穴のうち44箇所に永久磁石2が埋め込んで
ある。このため、永久磁石を埋め込んでいない8個の穴
が4つの極間部3を形成し、負荷時にはq軸磁束がこの
極間部を通過する。
【0006】図2に、iα=4Aのときのq軸電流iq
に対する従来型の負荷時の半径方向力Fβを示す。図2
より、半径方向力Fβが増加するのはiq=6A強まで
であり、それ以降ではむしろ減少している。この原因を
調べるために、q軸磁束が通過する極間部の磁束分布を
有限要素法により解析する。図3に電流を流していない
状態の極間部の磁束分布図を示す。図3より、極間部の
回転子表面に永久磁石の漏れ磁束が通っていることがわ
かる。そこで、図4に、q軸電流を流したときの図3に
おけるA点とB点の磁束密度を示す。固定子と回転子鉄
心の材質であるケイ素鋼は、磁束密度が1.5Tを超え
ると磁気飽和を起こし、2.0Tに達すると完全に飽和
する。図より、B点ではiq=0Aでも磁束密度が1.
5Tを超え磁気飽和が生じ、iq=6A以降では磁束密
度が2.0T弱に達し磁束密度が飽和したことがわか
る。このため、q軸電流を6A以上流しても、下部ギャ
ップの磁束は増加するが、上部ギャップの磁束は増加せ
ず、半径方向力はむしろ減少する。
【0007】以上のことから、従来型BPMは極間部に
永久磁石の漏れ磁束が通るため極間部の磁気抵抗が大き
く、q軸磁束が通りにくい構造となっている。そこで、
極間部の永久磁石の漏れ磁束を軽減すれば、磁気飽和を
回避して、半径方向をより有効に発生させることができ
ると考えられる。
【0008】
【課題を解決するための手段】固定子に電動機としてト
ルクを発生する起磁力を生じる巻線群を備え、さらに、
固定子に半径方向力を発生する起磁力を生じる巻線群を
備え、さらに、トルクを発生して回転し、同時に半径方
向に運動する回転子を備え、回転子はケイ素鋼、あるい
は無垢の鉄心などで構成され、鉄心の円周周辺に2つ以
上の軸方向の穴が構成され、穴の中には永久磁石が挿入
され、挿入された磁石は磁極を形成するように着磁さ
れ、磁極間には突極が形成され、形成された突極と磁極
間の間にはスリットが構成されることを特徴としたベア
リングレス回転機。
【0009】前記記載の回転機において、電動機の構成
が軸方向の磁束を発生するアキシャルギャップ電動機で
あり、半径方向の運動や電磁力ではなく、軸方向、傾き
方向の運動と電磁力を発生することを特徴とするベアリ
ングレス回転機。
【0010】前記記載の回転子において、永久磁石が鉄
心の穴ではなく、鉄心の表面に張り付けられた構成をし
た回転子。
【0011】前記記載の回転機において、固定子の巻線
群は2つの群に分けられることなく、電流を調整して等
価的にトルクを発生する起磁力と半径方向力を発生する
起磁力を生じさせる起磁力発生方式をもつベアリングレ
ス回転機。
【0012】図5に提案する突極付BPMの回転子構造
を示す。突極付BPMは、従来型BPMの極間部の両側
にスリット6を設けることにより、永久磁石2の漏れ磁
束が極間部4に流れるのを防ぎ、さらに極間のパーミア
ンスを増加させるために従来の穴を埋めた構造である。
【0013】図6に突極付BPMで電流を流していない
状態の極間部の磁束分布図を示す。図より、スリットが
永久磁石による漏れ磁束の極間部への進入を防いでいる
ことがわかる。
【0014】周知のように図5に示す回転機において、
設計する際には永久磁石を埋め込んだ極の極弧をさらに
広げることにより電動機のトルクを大とすることが可能
である。また、逆に突極の極弧を広げることにより、よ
り大きな半径方向力を発生する事が可能である。永久磁
石の厚みも設計の重要なポイントである。厚い永久磁石
を用いればより大きな起磁力を得ることが可能であり、
トルクを増加できる。しかし、無負荷時の半径方向力は
減少する。永久磁石を薄くするとトルクは小さくなる
が、トルクを発生していない無負荷時の半径方向力を大
きくすることができる。
【0015】磁極と突極間に設けたスリットは回転子表
面においてわずかな厚みのブリッジを設けることにより
円周上が円筒形の回転子とすることが可能である。風
損、流体との摩擦損失を低減するような場合には有効で
ある。また、スリットはさらに深く掘り下げることによ
り電動機として突極性を高めることが可能である。例え
ば、磁極の両端のスリットをつなげる構造にすれば、I
PM回転機に近い構成になる。このような場合でも、ス
リット内に永久磁石が位置するのではなく表面付近に永
久磁石が配置される点が特徴である。また、スリットは
2重、3重などとすることも可能である。スリットに
は、回転子の鉄心の強度を高めるために、適宜ブリッジ
を設けてもよい。
【0016】突極付き回転子では、従来のBPM回転子
などに比較してトルクリプルや半径方向力の脈動が大き
くなる恐れがある。したがって、従来のBPM回転子と
同様に回転子にスキューを施すことが有効である。永久
磁石機であるので誘導機のように連続的なスキューを施
すのは困難であるが、たとえば、軸方向に3つの部分に
分け、3つの回転子を主軸の取り付ける角度を段階的に
変えればよい。あるいは、いくつかの回転機で実用化し
ているように、固定子にスキューを設けてもよい。
【0017】永久磁石は多数設けられた鉄心の穴の中に
埋め込まれているが、IPMモータなどと同様にいくつ
かのバリエーションが考えられる。たとえば、円弧状の
永久磁石を用意し、1つの磁極に1つの大きな円弧状の
穴をあけ、埋め込んでもよい。あるいは、1つの磁極に
2つ、あるいは複数の穴をあけ、埋め込んでもよい。こ
の場合、鮫の波状に穴をあけて永久磁石の起磁力を高め
ることも可能である。永久磁石は必ずしも表面近くに配
置する必要はなく、やや内側に、方形上の1つの大きな
穴をあけ、直方体状の永久磁石を埋め込んでもよい。あ
るいは、複数個の穴に分けてもよい。永久磁石は必ずし
も埋め込む必要はなく、インセット型回転子のように、
穴を設けずにくぼみを設け、回転子表面に張り付けても
よい。さらに、その表面を強化繊維や金属管で覆っても
よい。
【0018】
【発明実施の形態】このベアリングレス回転子をベアリ
ングレスモータとして利用する場合には、モータ制御装
置、半径方向力制御装置を構成し、固定子巻線に適切な
電流を供給する必要がある。モータ制御装置は、外部よ
りトルク指令値、あるいは、回転速度指令値、回転角度
位置指令値などの指令値を受け、その指令値通りに回転
子で所望のトルク、速度、回転角度位置などが得られる
ように電流を供給する。一方、半径方向力の制御器は、
半径方向の位置、あるいは、半径方向の速度、半径方向
の加速度、力などの指令値を受け、回転子に所望の物理
量が発生するように電圧、あるいは電流を供給する。
【0019】たとえば、磁気軸受のように半径方向の位
置を制御するのであれば、回転子、あるいは主軸の半径
方向の位置をセンサにより検出し、検出値を指令値と比
較し、比例微分積分制御器などにより増幅し、所望の半
径方向力指令値を発生する。発生した半径方向力指令値
と等しい電磁力を発生するために、回転磁界の位置に基
づいて電流の指令値を発生する。この際、半径方向の位
置センサを省略し、センサレス化として、端子電圧、電
流値から高周波電圧,PWM電圧などを利用して電子回
路にて検出してもよい。また、オブザーバなどを構築し
て磁気軸受と同様に半径方向位置を検出することができ
る。固定子の巻線は、4極の巻線に2極の巻線を施す手
法がよいが、逆に、回転子を2極の磁束分布として、4
極巻線を半径方向位置制御巻線としてもよい。p極に対
してp+2極あるいは、p−2極とすればよいのはよく
知られている。また、新たに巻線を追加するのではな
く、電動機の巻線を分割したスプリット巻線として、分
割した巻線を独立に電流制御を行い、トルクと半径方向
力を制御してもよい。
【0020】応用としては心臓補助ポンプ、体外心臓ポ
ンプ、ファン、ブロワ、コンプレッサ、ポンプなどの流
体機器、半導体製造装置、ターボ分子ポンプ、ハードデ
ィスク、DVDなどのディスク駆動装置、ポリゴンミラ
ー駆動装置などの非接触で主軸を支持する必要がある各
種応用がある。図9は発明実施の形態の一例を示してい
る。主軸と回転子104の外側に固定子103が構成さ
れている。固定子の巻線は2極が半径方向力巻線、4極
が電動機巻線である。既に明らかにされているように、
2極と4極が入れ替わってもよい。入れ替わった際に
も、この発明に記載されている数13の半径方向力の推
定方法は全く等しい。これは、半径方向力が4極と2極
の巻線の相互作用で発生しているためである。また、p
極とp+2極とすることも可能である。電動機の巻線は
タンデムに構成された2つの電磁機械どうしで配線10
6により接続され、さらに、電動機用電源105に接続
されている。2つのベアリングレスモータユニットをタ
ンデムに用いることにより4軸の位置制御を行うことが
できる。さらに、スラスト磁気軸受、あるいは機械軸受
を必要に応じて設置すれば5軸の制御を行うことができ
る。
【0021】一方、半径方向の位置制御、半径方向力や
回転磁界の検出回路、デジタルあるいはアナログ演算回
路、電流あるいは電圧制御器は制御ボックス102に収
納されている。102にベアリングレスモータあるいは
発電機の固定子ユニット103にタンデムに構成されて
いるが、円周上に張り付けたり、別に設置してもよい。
また、水、埃などによる劣下が生じないように103は
樹脂によって覆われたり、振動抑制用のクッションが入
れられケースに収納される。101は負荷機械であり、
ポンプ、コンプレッサ、ブロワ、ファンなどの気体、流
体機械の羽根車である。あるいは、工作機械の工作物で
あってもよく、スピンドルとして動作することができ
る。ハードディスク、DVDなどの円盤のスピンドルと
して用いる際には羽根車ではなく、円盤が接続される。
フライホイールに応用する際にはアウターロータ構成に
し、回転子の外側にフライホイールを構成する。
【0022】2つのベアリングレスユニットをタンデム
に接続する必要はなく、片側は磁気軸受であってもよ
い。また、磁気力による支持を行うのではなく、別途機
械的な軸受が構成され、ダンピングだけを発生すること
も可能である。図10は円盤状のロータを用いる構成で
ある。回転子104の上にはテーブルが設置され、半導
体ウエハーなどを加工する。半径方向の2軸をアクティ
ブに制御し、3軸は受動的に安定になる。あるいは、ス
ラスト方向に励磁電流を増減してダンピングとバネ力を
発生してもよい。また、少々テーブルを傾けた状態で回
転することにより傾き方向のダンピング力を発生して安
定化できる。図11はアウターロータ型の円筒状の回転
子をもつベアリングレスモータである。107のテーブ
ルを羽根車に置き換えることにより血液や水、危険な流
体を搬送するポンプ、埋込型補助ポンプなどに用いるこ
とができる。
【0023】
【発明の効果】さらに、図7にiq=4A時の従来型B
PMと突極付BPMの極間部のギャップにおける磁束密
度を示す。図より、等しいq軸電流を流した場合、突極
付BPMのほうが従来型BPMよりもギャップの磁束密
度が大きいことがわかる。つまり、突極付BPMでは極
間部における磁気抵抗が従来型BPMよりも小さくな
り、q軸磁束が通りやすい構造になったと考えられる。
【0024】図8に、iα=4Aのときの従来型BPM
と突極付BPMのトルク発生時の半径方向力Fα、Fβ
を示す。図より、突極付BPMのほうが従来型BPMよ
りもFβが大きく、i=5.5Aで最大52.8%大
きいことがわかる。実際のトルク発生時の半径方向力は
αβの合成ベクトルFである。そこで、(3)式よ
り|F|を算出し、図9にIに対する|F|を示す。
図から、突極付BPMは従来型BPMよりもトルク発生
時の半径方向力が、i=5Aにおいて22.7%大き
いことがわかる。
【0025】図8において、突極付BPMはiq=5.
5A以降で半径方向力Fβが飽和している。そこで、突
極付BPMの極間部におけるq軸磁束の働きを調べるた
め、図10に、q軸電流を流したときの図6におけるC
点とD点の磁束密度を示す。図4と図10を比較する
と、スリットによって漏れ磁束が無くなったため、B点
と比較してD点の磁束密度が著しく低減できている。さ
らに、固定子歯部のC点の磁束密度がA点よりも高くな
ることから、突極付BPMのパーミアンスを増加できた
ことがわかる。しかし、C点の磁束密度がi=5A以
降で飽和しはじめていることから、突極付BPMはq軸
磁束の増加が大きすぎるため、回転子の極間部よりも面
積の小さい固定子歯部のほうが先に飽和してしまうと考
えられる。
【0026】以上の考察から、i=5.5A以降にお
いて半径方向力Fβが飽和する原因は回転子構造ではな
く、固定子歯部の磁気飽和にあることが明らかである。
固定子歯部の幅を広げるなどの工夫により、半径方向力
はさらに向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の永久磁石埋め込み構造(BPM)の回転
子の断面図である。
【図2】従来のBPMの負荷時の半径方向力。
【図3】従来のBPMの極間部の磁束分布
【図4】従来のBPMの極間部の磁束密度の例。
【図5】本発明で提案される突極付きBPM回転子の断
面図。
【図6】突極付きBPMの極間部の磁束分布
【図7】突極付きBPMの極間部のギャップにおける磁
束密度
【図8】突極付きBPMの負荷時の半径方向力
【図9】ラジアル型の構成
【図10】円盤形の構成
【図11】テーブル型の構成
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H02K 1/27 502 H02K 1/27 502A (72)発明者 深尾 正 神奈川県横浜市青葉区松風台24−45 (72)発明者 大島 政英 長野県茅野市中大塩18−4 ハウゼ森C 208 Fターム(参考) 3J102 AA01 BA03 CA26 DA03 DA06 DA09 DB01 DB05 5H002 AA05 AB07 AE07 AE08 5H622 AA03 CA02 CA07 CA13 CB05 PP11

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】固定子にトルクを発生する巻線群を備え、
    さらに、固定子に半径方向力を発生する巻線群を備え、
    あるいは、固定子に施した一つの巻線群の電流量を調整
    することによりトルクと半径方向力を発生する機能を備
    え、さらに、回転運動を行い、かつ、半径方向に運動す
    る回転子を備え、回転子はケイ素鋼、あるいは無垢の鉄
    心などで構成され、鉄心の円周周辺に2つ以上の軸方向
    の穴が構成され、前記穴の中には永久磁石が挿入され、
    挿入された前記磁石は磁極を形成するように着磁され、
    前記磁極間には突極が形成され、 形成された前記突極と前記磁極間の間にはスリットが構
    成されることを特徴とする回転機。
  2. 【請求項2】前記請求項1記載の回転機において、電動
    機の構成が軸方向の磁束を発生するアキシャルギャップ
    電動機であり、回転子の運動が半径方向の運動や電磁力
    ではなく、軸方向、傾き方向の運動をおこなうことを特
    徴とするベアリングレス回転機。
  3. 【請求項3】前記請求項1,2記載の回転子において、
    永久磁石が鉄心の穴ではなく、鉄心の表面に張り付けら
    れた構成をした回転子。
JP2001116111A 2001-03-09 2001-03-09 ベアリングレスモータの突極付埋込磁石回転子構造 Pending JP2002272028A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN101895161A (zh) * 2009-05-20 2010-11-24 阿斯莫有限公司 转子及电动机
WO2012139419A1 (zh) * 2011-04-13 2012-10-18 上海特波电机有限公司 一种宽调速永磁同步电机
CN106505765A (zh) * 2016-11-26 2017-03-15 华中科技大学 一种永磁轴向磁通的半空心脉冲发电机

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