JP2006136062A - Bearingless electromagnetic rotating device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a bearingless electromagnetic rotating device that increases a support force in an axial-conical direction in a bearingless rotating machine that generates torque and a radial directional force by using one electromagnetic machine, and can stably support a rotor. <P>SOLUTION: The bearingless electromagnetic rotating machine stabilizes motor torque and a control force for radial support by making currents flow to a three-phase motor winding 9 and a three-phase support winding 11, and actively performs control. On the other hand, magnetic flux generated by a permanent magnet 35 of a magnetic flux generation part 31 of an axial-conical support passive magnetic bearing 30 flows to an opposite magnetic path 33, and returns to the former permanent magnet 35. By this, support in the axial-conical direction is passive-stabilized. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明はベアリングレス電磁回転装置に係わり、特に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におけるアキシャル・コニカル方向の支持力を強め安定したロータ支持の可能なベアリングレス電磁回転装置に関する。   The present invention relates to a bearingless electromagnetic rotating device, and in particular, to a bearingless electromagnetic capable of stable rotor support by increasing the axial and conical supporting force in a bearingless rotating machine that generates torque and radial force in one electromagnetic machine. The present invention relates to a rotating device.

ベアリングレスモータ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(非特許文献1参照)。即ち、半径方向x、yの2軸方向の電磁力と、回転するためのトルクを発生するものである。そして、半径方向の制御を行うためには、ロータ位置を把握するために渦電流型やインダクタンス変化型の変位センサを用いてフィードバック制御している。   The bearingless motor is intended to realize a magnetic bearing function and a motor function with one electromagnetic machine (see Non-Patent Document 1). That is, it generates electromagnetic force in the biaxial directions of the radial directions x and y and torque for rotation. In order to perform control in the radial direction, feedback control is performed using an eddy current type or inductance change type displacement sensor in order to grasp the rotor position.

ベアリングレスモータを完全非接触で運転させる方法には、2つのユニットを用い5軸制御とする方法と、一つのユニットで2軸制御とする方法がある。5軸制御で行う方法は、非特許文献2において提案されている。一方、x、yのラジアル方向の2軸で制御する方法は非特許文献3において示されている。
深尾正、千葉明「ベアリングレスモータ」電機学会誌解説, Vol. 117, No. 9, pp. 612-615, 1997 福田剛、深尾正、千葉明「5軸制御非接触ベアリングレスモータの試作」電磁力関連のダイナミックスシンポジウム講演論文集, No. 940-26 II(D&D '94), D725, pp. 387-392, 7/14 1994 Ken-ichi MATSUDA etc. 「Radial-Type Self-Bearing Motor for Nonpulsatile-Type Artificial Heart」 JSME Series C, Vol. 43, No.4, pp. 941-948, 2000
There are two methods for operating a bearingless motor in a completely non-contact manner: a method in which two units are used for five-axis control and a method in which one unit is used for two-axis control. A method of performing the 5-axis control is proposed in Non-Patent Document 2. On the other hand, Non-Patent Document 3 discloses a method of controlling with two axes in the radial direction of x and y.
Tadashi Fukao and Akira Chiba "Bearingless Motor" Journal of the Institute of Electrical Engineers of Japan, Vol. 117, No. 9, pp. 612-615, 1997 Takeshi Fukuda, Tadashi Fukao and Akira Chiba "Prototype of 5-axis control non-contact bearingless motor" Proceedings of Dynamics Symposium on Electromagnetic Forces, No. 940-26 II (D & D '94), D725, pp. 387-392 , 7/14 1994 Ken-ichi MATSUDA etc. "Radial-Type Self-Bearing Motor for Nonpulsatile-Type Artificial Heart" JSME Series C, Vol. 43, No.4, pp. 941-948, 2000

かかるx、yのラジアル方向の2軸を制御するベアリングレスモータは、磁気吸引力を発生させ、ロータ支持を行っている。吸引力であるため、アキシャル・コニカル方向に変位した際にも復元力は発生する。しかしながら、従来のx、yの2軸方向の電磁力のみでは、アキシャル・コニカル方向の復元力は弱いといった問題があった。   Such a bearingless motor that controls two axes in the radial direction of x and y generates a magnetic attractive force and supports the rotor. Since it is a suction force, a restoring force is also generated when it is displaced in the axial conical direction. However, there is a problem that the restoring force in the axial / conical direction is weak only by the conventional electromagnetic force in the biaxial directions of x and y.

本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもので、トルクと半径方向力を一つの電磁機械にて発生するベアリングレス回転機におけるアキシャル・コニカル方向の支持力を強め安定したロータ支持の可能なベアリングレス電磁回転装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described conventional problems. The bearing-less rotating machine that generates torque and radial force in one electromagnetic machine has increased axial and conical supporting force, and has a stable rotor support. It is an object of the present invention to provide a possible bearingless electromagnetic rotating device.

このため本発明(請求項1)は、ロータと、該ロータに対しギャップを隔てて配設されたステータを有するベアリングレス電磁回転装置であって、前記ロータ若しくは前記ステータ側のいずれか一方に前記ギャップを挟むように配設され、永久磁石により磁束を発生し、かつ該永久磁石より前記ギャップに向けて往路及び復路となる磁路の形成された磁束発生手段と、前記ロータ若しくは前記ステータ側のいずれか他方に前記ギャップを挟むように配設され、前記磁束発生手段で発生された磁束が前記往路を通り前記ギャップを越えて鉄心内を通過した後、再び該ギャップを越えて前記磁束発生手段の前記復路に戻る磁路通過手段とを備えて構成した。   Therefore, the present invention (Claim 1) is a bearingless electromagnetic rotating apparatus having a rotor and a stator disposed with a gap from the rotor, and the rotor or the stator side is provided with the A magnetic flux generating means disposed so as to sandwich the gap, generating a magnetic flux by a permanent magnet, and having a magnetic path that is a forward path and a return path from the permanent magnet toward the gap; and on the rotor or stator side The magnetic flux generated by the magnetic flux generating means is disposed so as to sandwich the gap between either one of the other, passes through the forward path, passes the gap and passes through the iron core, and then passes the gap again to pass the magnetic flux generating means. And magnetic path passing means for returning to the return path.

磁束発生手段及び磁路通過手段を通る磁束は、ベアリングレスモータ部分の磁束には干渉しない。ロータがアキシャル・コニカル方向に変位した際は、ギャップを隔てた磁束発生手段と磁路通過手段間にフリンジング磁束が多く発生し、この磁束により大きな復元力を得る。したがって、ベアリングレスモータに、この磁束発生手段及び磁路通過手段をギャップを介して備え付けることにより、より大きな復元力が得られ、安定したロータ支持が可能である。   The magnetic flux passing through the magnetic flux generating means and the magnetic path passing means does not interfere with the magnetic flux in the bearingless motor portion. When the rotor is displaced in the axial conical direction, a large amount of fringing magnetic flux is generated between the magnetic flux generating means and the magnetic path passing means that are separated from each other by a gap, and a large restoring force is obtained by this magnetic flux. Therefore, by providing the bearingless motor with the magnetic flux generating means and the magnetic path passing means via the gap, a greater restoring force can be obtained and stable rotor support is possible.

また、本発明(請求項2)は、前記磁束発生手段と前記磁路通過手段とを結ぶ往路と復路の各磁路の間には前記ロータ側及び/又は前記ステータ側に前記ギャップに面する少なくとも一つの溝が形成されたことを特徴とする。   Further, the present invention (Claim 2) faces the gap on the rotor side and / or on the stator side between each of the forward path and the return path connecting the magnetic flux generating means and the magnetic path passing means. At least one groove is formed.

溝を形成することで、この溝を挟む凸部にはロータがアキシャル・コニカル方向に変位した際に、ギャップを隔ててフリンジング磁束が多く発生する。このため、より大きな復元力を得ることができる。   By forming the groove, a large amount of fringing magnetic flux is generated across the gap when the rotor is displaced in the axial conical direction at the convex portion sandwiching the groove. For this reason, a larger restoring force can be obtained.

更に、本発明(請求項3)は、前記磁路が形成され、かつ前記ギャップに面して前記溝を挟んで突設された突設部を備え、該突設部に前記ギャップに面する少なくとも一つの溝が形成されたことを特徴とする。   Furthermore, the present invention (Claim 3) includes a projecting portion formed with the magnetic path formed and projecting across the groove so as to face the gap, and the projecting portion faces the gap. At least one groove is formed.

この突設部に形成された溝によっても、ギャップを隔ててフリンジング磁束が多く発生する。このため、より大きな復元力を得ることができる。   A large amount of fringing magnetic flux is generated across the gap also by the groove formed in the projecting portion. For this reason, a larger restoring force can be obtained.

更に、本発明(請求項4)は、前記磁束発生手段及び前記磁路通過手段とが対となって前記ロータの重心を挟んだ軸方向上下に配設されたことを特徴とする。 ロータの重心を挟んだ離れた2箇所において復元力を得ることができる。   Furthermore, the present invention (Claim 4) is characterized in that the magnetic flux generating means and the magnetic path passing means are paired and arranged in the axial direction above and below the center of gravity of the rotor. Restoring force can be obtained at two locations apart from each other across the center of gravity of the rotor.

このことにより、磁気軸受制御を一層安定にすることができる。   This can further stabilize the magnetic bearing control.

更に、本発明(請求項5)は、前記永久磁石が環状に連続若しくは分割して配設されたことを特徴とする。   Furthermore, the present invention (Claim 5) is characterized in that the permanent magnets are annularly arranged continuously or divided.

分割とすれば、永久磁石をより作り易いものにできる。   If divided, permanent magnets can be made more easily.

更に、本発明(請求項6)は、前記永久磁石に代えて、若しくは該永久磁石と同一の磁極を有するように電動機及び/又は径方向位置制御の励磁磁束が適用されたことを特徴とする。   Furthermore, the present invention (Claim 6) is characterized in that an excitation magnetic flux of an electric motor and / or radial position control is applied in place of the permanent magnet or so as to have the same magnetic pole as the permanent magnet. .

電動機や径方向位置制御の励磁磁束は電磁石や永久磁石により発生される。この電動機や径方向位置制御の励磁磁束を本発明に適用することで、磁束発生手段の永久磁石を省略できたり、磁束発生手段の永久磁石による磁束を補うことが可能となる。   The excitation magnetic flux for the electric motor and radial position control is generated by an electromagnet or a permanent magnet. By applying the excitation flux of the electric motor and radial position control to the present invention, the permanent magnet of the magnetic flux generating means can be omitted, or the magnetic flux generated by the permanent magnet of the magnetic flux generating means can be supplemented.

更に、本発明(請求項7)は、前記磁束発生手段は、軸方向に磁極を有する永久磁石と、該永久磁石の各磁極に連設され、径方向に磁路を形成する2つの鉄心とを備え、前記磁路通過手段は、該各鉄心に対し前記ギャップを隔てて対峙する歯部と、該歯部同士を連結するバックヨークとを備えて構成した。   Further, according to the present invention (Claim 7), the magnetic flux generating means includes a permanent magnet having a magnetic pole in the axial direction, and two iron cores that are connected to each magnetic pole of the permanent magnet and form a magnetic path in the radial direction. The magnetic path passing means includes a tooth portion that faces the iron cores with the gap therebetween, and a back yoke that connects the tooth portions.

磁束発生手段及び磁路通過手段を簡単な構造で提供できる。   The magnetic flux generating means and the magnetic path passing means can be provided with a simple structure.

更に、本発明(請求項8)は、前記磁束発生手段は、軸方向及び/又は径方向に磁極を有する永久磁石及び/又は電動機の励磁磁束を備え、前記磁路通過手段による磁路は前記ロータ及び前記ステータを通ることを特徴とする。   Further, according to the present invention (Claim 8), the magnetic flux generation means includes a permanent magnet having magnetic poles in the axial direction and / or radial direction and / or an excitation magnetic flux of an electric motor, and the magnetic path by the magnetic path passing means is It passes through the rotor and the stator.

ロータ及びステータに磁路を形成することで、ベアリングレス電磁回転装置の軸方向の寸法を抑えることができる。   By forming magnetic paths in the rotor and the stator, the axial dimension of the bearingless electromagnetic rotating device can be suppressed.

更に、本発明(請求項9)は、ロータと、該ロータに対しギャップを隔てて配設されたステータを有するベアリングレス電磁回転装置であって、前記ロータ及び/又は前記ステータの前記ギャップに面する部分には、少なくとも一つの溝が形成されたことを特徴とする。   Further, the present invention (Claim 9) is a bearingless electromagnetic rotating device having a rotor and a stator disposed with a gap from the rotor, the surface of the rotor and / or the gap of the stator being faced. At least one groove is formed in the portion to be formed.

ロータとステータのギャップに面する部分に溝を形成することで、溝を挟んだ突設部からは電動機や径方向位置制御の励磁磁束によるフリンジング磁束が発生する。このため、ロータがアキシャル・コニカル方向に変位した場合であってもより大きな復元力を得ることができる。   By forming a groove in a portion facing the gap between the rotor and the stator, a fringing magnetic flux is generated from the projecting portion sandwiching the groove by an excitation magnetic flux of the electric motor or radial position control. For this reason, even when the rotor is displaced in the axial conical direction, a larger restoring force can be obtained.

更に、本発明(請求項10)は、前記溝の占める面積が前記ロータ又は前記ステータの前記ギャップに面する面積の10〜60パーセントであることを特徴とする。   Furthermore, the present invention (Claim 10) is characterized in that the area occupied by the groove is 10 to 60 percent of the area facing the gap of the rotor or the stator.

溝の占める面積が10パーセントより小さいとフリンジング磁束の発生が少ない。一方、溝の占める面積が60パーセントより大きいとトルクが減少する。このため、溝の占める面積を10〜60パーセントに設定する。   When the area occupied by the groove is smaller than 10%, the generation of fringing magnetic flux is small. On the other hand, when the area occupied by the groove is larger than 60%, the torque decreases. For this reason, the area occupied by the groove is set to 10 to 60 percent.

更に、本発明(請求項11)は、前記溝が環状に連続若しくは分割して配設されたことを特徴とする。   Furthermore, the present invention (invention 11) is characterized in that the groove is arranged continuously or divided in an annular shape.

溝を環状に分割して配設すれば、例えばロータやステータに永久磁石が配設されているような場合でもこれを避けるように溝を形成できる。   If the groove is divided and arranged in a ring shape, the groove can be formed so as to avoid this, for example, even when a permanent magnet is provided on the rotor or the stator.

更に、本発明(請求項12)は、前記磁路通過手段が前記ステータに巻回された電動機巻線及び/又は径方向位置制御巻線のコイルエンドの側部に隣接して配設されたことを特徴とする。   Further, in the present invention (Claim 12), the magnetic path passing means is disposed adjacent to the side of the coil end of the motor winding and / or radial position control winding wound around the stator. It is characterized by that.

コイルエンドの側部に磁路通過手段を隣接して配設することでベアリングレス電磁回転装置を省スペースに構成できる。   By arranging magnetic path passing means adjacent to the side of the coil end, the bearingless electromagnetic rotating device can be configured in a space-saving manner.

以上説明したように本発明によれば、磁束発生手段及び磁路通過手段を備えて構成したので、ロータがアキシャル・コニカル方向に変位した際は、ギャップを隔てた磁束発生手段と磁路通過手段間にフリンジング磁束が多く発生し、この磁束により大きな復元力を得る。したがって、ベアリングレスモータに、この磁束発生手段及び磁路通過手段をギャップを介して備え付けることにより、より大きな復元力が得られ、安定したロータ支持が可能である。   As described above, according to the present invention, the magnetic flux generating means and the magnetic path passing means are provided. Therefore, when the rotor is displaced in the axial / conical direction, the magnetic flux generating means and the magnetic path passing means separated by a gap. A large amount of fringing magnetic flux is generated between them, and a large restoring force is obtained by this magnetic flux. Therefore, by providing the bearingless motor with the magnetic flux generating means and the magnetic path passing means via the gap, a greater restoring force can be obtained and stable rotor support is possible.

以下、本発明の第1実施形態について説明する。本発明の第1実施形態であるベアリングレス電磁回転装置10の側面図を図1に、図1中の重心G点を通るA−A矢視線断面図を図2に示す。図1及び図2において、円柱状のシャフト1が図示しないケース等を介してベース3に固定されている。このシャフト1の外周には外周部にスロット7の形成されたステータ5が固定されている。そして、このスロット7には、電動機トルクを発生させる3相電動機巻線9が外側にN16u、N16v、N16wの16極で配設されている。但し、16以外の整数であればよく、分数ピッチ巻線が施されてもよい。2,4相などの多相巻線とされてもよい。また、スロット7の内側には、N2u、N2v、N2wの2極のラジアル方向力を発生するための3相支持巻線11が配設されている。但し、支持巻線11は3相でなくても、2,4,5,6相であってもよい。 The first embodiment of the present invention will be described below. FIG. 1 is a side view of a bearingless electromagnetic rotating apparatus 10 according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA passing through the center of gravity G in FIG. 1 and 2, a cylindrical shaft 1 is fixed to the base 3 via a case or the like (not shown). A stator 5 having a slot 7 formed on the outer periphery is fixed to the outer periphery of the shaft 1. In this slot 7, a three-phase motor winding 9 for generating a motor torque is arranged on the outside with 16 poles of N 16u , N 16v and N1 6w . However, any integer other than 16 may be used, and fractional pitch winding may be applied. It may be a multiphase winding such as 2 or 4 phase. Further, inside the slot 7, a three-phase support winding 11 for generating a radial radial force of N 2u , N 2v and N 2w is disposed. However, the support winding 11 may not have three phases but may have 2, 4, 5, and 6 phases.

3相電動機巻線9及び3相支持巻線11はベアリングレスモータを構成し、共にステータ5の軸方向厚みよりコイルエンド部分が上下に突設されている。このコイルエンド部分の更に外周には、ステータ5より軸方向上下に周壁23が突設されている。ステータ5の外周部には、ギャップ13を隔ててロータ15の内周面15aが対峙している。そして、この内周面15aには電動機・ラジアル支持用磁石17が周方向の8箇所に埋設されている。電動機・ラジアル支持用磁石17はセグメント型若しくは直方体型磁石であり、全て内側がN極に着磁されている。これらセグメント型磁石の個数、電動機巻線の巻き方は、極数・スロット数の変更に伴い、それぞれ変更できる。電動機・ラジアル支持用磁石17の配設は2,4,6などの偶数であればよい。   The three-phase motor windings 9 and the three-phase support windings 11 constitute a bearingless motor, and both have coil end portions projecting vertically from the axial thickness of the stator 5. On the outer periphery of the coil end portion, a peripheral wall 23 projects from the stator 5 in the axial direction. An inner peripheral surface 15 a of the rotor 15 faces the outer peripheral portion of the stator 5 with a gap 13 therebetween. The inner peripheral surface 15a has motor / radial support magnets 17 embedded in eight locations in the circumferential direction. The electric motor / radial support magnet 17 is a segment type or a rectangular parallelepiped magnet, and all the insides are magnetized to N poles. The number of these segment-type magnets and the winding method of the motor winding can be changed as the number of poles and the number of slots are changed. The electric motor / radial support magnet 17 may be arranged in an even number such as 2, 4, 6 or the like.

ロータ15は図1に示すように、内側に突設され、頭頂部に内周面15aが形成されたロータ中央環状突設部15bを中心として「山」の字状の断面にて形成されている。そして、この中央環状突設部15bの外周は、軸方向上下に延びるロータ側壁15cを有し、更に、このロータ側壁15cの上部と下部には、ロータ上側環状突設部15d及びロータ下側環状突設部15eが内側に向けて中央環状突設部15bと平行に形成されている。即ち、ロータ上側環状突設部15d、ロータ側壁15c及び中央環状突設部15bの間には、溝19が周状に形成され、一方、ロータ下側環状突設部15e、ロータ側壁15c及び中央環状突設部15bの間には、溝21が周状に形成されている。   As shown in FIG. 1, the rotor 15 is formed with a “mountain” -shaped cross section centered on a rotor central annular projecting portion 15 b that is projected inward and has an inner peripheral surface 15 a formed at the top of the head. Yes. The outer periphery of the central annular projecting portion 15b has a rotor side wall 15c extending vertically in the axial direction. Further, the rotor upper side annular projecting portion 15d and the rotor lower side annular are provided at the upper and lower portions of the rotor side wall 15c. The protruding portion 15e is formed in parallel with the central annular protruding portion 15b toward the inside. That is, a groove 19 is formed between the rotor upper annular projecting portion 15d, the rotor side wall 15c and the central annular projecting portion 15b. On the other hand, the rotor lower annular projecting portion 15e, the rotor side wall 15c and the center A groove 21 is formed between the annular projecting portions 15b.

そして、このロータ上側環状突設部15d及びロータ下側環状突設部15eのギャップ13に面する部分にはそれぞれ図3にその縦断面図を示すアキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受30の磁束発生部31が配設され、一方、周壁23の上下端部には、それぞれアキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受30の磁束発生部31にギャップ13を隔てて対峙するように磁路通過部33が配設されている。   Magnetic flux generation of the axial / conical supporting passive magnetic bearing 30 whose longitudinal cross-sectional view is shown in FIG. 3 is provided at portions facing the gap 13 of the rotor upper annular projecting portion 15d and the rotor lower annular projecting portion 15e. On the other hand, magnetic path passage portions 33 are arranged on the upper and lower end portions of the peripheral wall 23 so as to face the magnetic flux generating portion 31 of the axial / conical supporting passive magnetic bearing 30 with a gap 13 therebetween. It is installed.

磁束発生部31は、環状の永久磁石35と、その上端及び下端にそれぞれ固着され、永久磁石35の径方向幅より大きく磁性体からなる環状鉄心部37A、37Bとで構成されている。一方、磁路通過部33は、環状鉄心部37A、37Bと対峙する環状鉄心突部33A、33Bが軸方向に配設されたバックヨーク33Cの両端部より径方向外方に向けて突設されている。   The magnetic flux generation unit 31 includes an annular permanent magnet 35 and annular iron core portions 37 </ b> A and 37 </ b> B that are fixed to the upper end and the lower end of the annular permanent magnet 35 and are larger than the radial width of the permanent magnet 35 and made of a magnetic material. On the other hand, the magnetic path passage portion 33 is provided to project radially outward from both ends of the back yoke 33C in which the annular core protrusions 33A and 33B facing the annular core portions 37A and 37B are disposed in the axial direction. ing.

次に、本発明の第1実施形態の作用について説明する。
3相電動機巻線9及び3相支持巻線11に電流を流すことで電動機トルクとラジアル方向の支持の制御力を安定させ、アクティブに制御を行う。一方、アキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受30の磁束発生部31の永久磁石35による磁束は、対向する磁路通過部33へと流れてから元の永久磁石35に戻る。これにより、アキシャル・コニカル方向の支持はパッシブ安定である。
Next, the operation of the first embodiment of the present invention will be described.
By passing a current through the three-phase motor winding 9 and the three-phase support winding 11, the motor torque and the control force for supporting in the radial direction are stabilized, and the control is performed actively. On the other hand, the magnetic flux generated by the permanent magnet 35 of the magnetic flux generating portion 31 of the axial / conical supporting passive magnetic bearing 30 flows to the opposing magnetic path passage portion 33 and then returns to the original permanent magnet 35. As a result, the axial and conical support is passively stable.

次に、ロータ15がアキシャル方向(+z方向)に変位した場合やコニカル方向(+θ方向)に変位した場合について、アキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受30の作用を図4、図5、図6を用いて説明する。   Next, when the rotor 15 is displaced in the axial direction (+ z direction) or in the conical direction (+ θ direction), the operation of the axial / conical supporting passive magnetic bearing 30 will be described with reference to FIGS. 4, 5, and 6. It explains using.

まず、図4にはロータ15がステータ5に対して定常位置にあり、アキシャル方向及びコニカル方向に変位していない状態のx−z断面図を示す。そして、図5にはロータ15がステータ5に対してアキシャル方向(+z方向)に変位したときのx−z断面図を示している。図4において、磁束発生部31による磁束は点線で示すような磁路でギャップ13を通り、磁路通過部33を経由して流れる。   First, FIG. 4 shows an xz cross-sectional view in a state where the rotor 15 is in a steady position with respect to the stator 5 and is not displaced in the axial direction or the conical direction. FIG. 5 shows an xz sectional view when the rotor 15 is displaced in the axial direction (+ z direction) with respect to the stator 5. In FIG. 4, the magnetic flux generated by the magnetic flux generator 31 passes through the gap 13 through a magnetic path as indicated by a dotted line, and flows through the magnetic path passing part 33.

この際、環状鉄心部37A、37Bのギャップ13に面した突設部と環状鉄心突部33A、33Bのギャップ13に面した突設部同士の間にはいわゆるフリンジング磁束が発生している。   At this time, a so-called fringing magnetic flux is generated between the projecting portions facing the gap 13 of the annular core portions 37A and 37B and the projecting portions facing the gap 13 of the annular core projections 33A and 33B.

そして、このフリンジング磁束が、ロータ15のアキシャル・コニカル方向に変位した際に復元力として機能する。例えば、図4の正常状態から図5のように、ロータ15がステータ5に対してアキシャル方向上方に向けて変位したような場合には、磁束発生部31の端部と磁路通過部33の端部間に、図中小さな矢印で示した斜め下方向に磁気吸引力が働く。この結果、ロータ15には大きな矢印で示した下方向(−z方向)に復元力が働く。   The fringing magnetic flux functions as a restoring force when the rotor 15 is displaced in the axial conical direction. For example, when the rotor 15 is displaced upward in the axial direction with respect to the stator 5 as shown in FIG. 5 from the normal state of FIG. 4, the end of the magnetic flux generator 31 and the magnetic path passage 33 A magnetic attractive force acts between the ends in a diagonally downward direction indicated by a small arrow in the figure. As a result, a restoring force is exerted on the rotor 15 in the downward direction (−z direction) indicated by a large arrow.

また、図6のようにロータ15がコニカル方向に変位した場合でも、同様に磁束発生部31の端部と磁路通過部33の端部間に、図中小さな矢印で示した斜め下方向に磁気吸引力が働く。この結果、ロータ15には大きな矢印で示した斜め下方向に復元力が働く。このようにアキシャル・コニカル方向の変位に対してはパッシブな復元が可能となる。
また、ロータ側、ステータ側とに磁束発生部31と磁路通過部33を分離しているため、独立に設計できるメリットがある
Further, even when the rotor 15 is displaced in the conical direction as shown in FIG. 6, similarly, between the end of the magnetic flux generator 31 and the end of the magnetic path passage 33, in the diagonally downward direction indicated by a small arrow in the figure. Magnetic attraction works. As a result, a restoring force acts on the rotor 15 in a diagonally downward direction indicated by a large arrow. Thus, passive restoration is possible with respect to displacement in the axial conical direction.
Moreover, since the magnetic flux generation part 31 and the magnetic path passage part 33 are separated on the rotor side and the stator side, there is a merit that can be designed independently

なお、本発明の第1実施形態では、ロータ上側環状突設部15d及びロータ下側環状突設部15eのギャップ13に面する部分にアキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受30の磁束発生部31をそれぞれ配設し、周壁23の上下端部に磁路通過部33をそれぞれ配設するとして説明したが、上側若しくは下側のそれぞれ一方だけに配設されるようにしてもよい。例えば、上方向だけに構成してもアキシャル、コニカル方向に正の剛性を発生することができる。   In the first embodiment of the present invention, the magnetic flux generating portion 31 of the axial / conical supporting passive magnetic bearing 30 is provided on the portion facing the gap 13 of the rotor upper annular projecting portion 15d and the rotor lower annular projecting portion 15e. Although it has been described that the magnetic path passage portions 33 are respectively disposed at the upper and lower end portions of the peripheral wall 23, they may be disposed only on one of the upper side and the lower side. For example, even if it is configured only in the upward direction, positive rigidity can be generated in the axial and conical directions.

また、本発明の第1実施形態では、図3に示すように環状鉄心部37A、37B及び環状鉄心突部33A、33Bのギャップ13に面する部分には溝が形成されていない構造について説明したが、図7のアキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受40に示すように、環状鉄心部37A、37Bに溝39A、39Bを形成し、対峙する環状鉄心突部33A、33Bにも溝41A、41Bを形成するようにしてもよい。このように溝を形成することで、より一層ギャップ13を介してフリンジング磁束が発生し易くなる。   Moreover, in 1st Embodiment of this invention, as shown in FIG. 3, the structure where the groove | channel was not formed in the part facing the gap 13 of cyclic | annular core part 37A, 37B and cyclic | annular core protrusion part 33A, 33B was demonstrated. However, as shown in the axial-conical supporting passive magnetic bearing 40 of FIG. 7, grooves 39A, 39B are formed in the annular core portions 37A, 37B, and the grooves 41A, 41B are also formed in the opposed annular core protrusions 33A, 33B. You may make it form. By forming the groove in this way, a fringing magnetic flux is more easily generated through the gap 13.

また、磁束発生部31を周壁23の上下端部に配設し、磁路通過部33をロータ上側環状突設部15d及びロータ下側環状突設部15eのギャップ13に面する部分に配設するようにしてもよい。   Further, the magnetic flux generating part 31 is arranged at the upper and lower end parts of the peripheral wall 23, and the magnetic path passing part 33 is arranged at the part facing the gap 13 of the rotor upper annular projecting part 15d and the rotor lower annular projecting part 15e. You may make it do.

更に、本発明の第1実施形態では、アウターロータ形を例示したが、インナーロータの形式においても本発明を適用することができる。この場合、内側のロータに永久磁石と鉄心とからなる磁束発生部31を配置し、外周のステータに磁路通過部を配置する。   Furthermore, in the first embodiment of the present invention, the outer rotor type has been exemplified, but the present invention can also be applied to an inner rotor type. In this case, the magnetic flux generation part 31 which consists of a permanent magnet and an iron core is arrange | positioned at an inner side rotor, and a magnetic path passage part is arrange | positioned at the outer periphery stator.

磁束発生部31及び磁路通過部33は環状に形成されている。そして、このように環状に形成したことで、渦電流などの発生を抑制することができる。しかしながら、必ずしも環状に連続されてなくてもよく、例えば、周回りに4つに分割された構成とされてもよい。但し、分割数は4でなくてもよく、2,3,5,6などの整数であればよい。実際、細い円筒状の永久磁石リングを製作するのは強度の面、製作の容易さの面からかなり困難であり、価格も高い。したがって、弧状の永久磁石を数カ所に配置することにより製作を容易にし、コストダウンできる。あるいは、直方体状の永久磁石を多数配置することも可能であり、よりコストダウンできる。この際、鉄心は環状に連続して構成することが望ましく、分割された永久磁石による磁束密度の変化を低減する役割を果たす。しかしながら、構成によっては、鉄心を環状としなくても、鉄心を2分割、3分割、4分割などしてもよい。   The magnetic flux generation part 31 and the magnetic path passage part 33 are formed in an annular shape. And generation | occurrence | production of an eddy current etc. can be suppressed by forming in cyclic | annular form in this way. However, it does not necessarily have to be continuous in an annular shape. For example, it may be divided into four parts around the circumference. However, the number of divisions does not have to be 4, and may be an integer such as 2, 3, 5, 6. In fact, it is quite difficult to manufacture a thin cylindrical permanent magnet ring in terms of strength and ease of manufacture, and the price is high. Therefore, by arranging arc-shaped permanent magnets at several locations, the manufacturing can be facilitated and the cost can be reduced. Alternatively, a large number of rectangular parallelepiped permanent magnets can be arranged, and the cost can be further reduced. At this time, it is desirable that the iron core is continuously formed in an annular shape, and plays a role of reducing a change in magnetic flux density caused by the divided permanent magnets. However, depending on the configuration, the iron core may be divided into two parts, three parts, four parts, etc., without using an annular core.

なお、図3に示すように、アキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受30の磁路通過部33の歯幅(例えば1.2mm)を磁束発生部31の磁石幅(例えば4mm)より狭くすることによりフリンジング磁束の磁束密度を向上し、一方、径方向に通過する磁束数を低減することができる。フリンジング磁束の磁束密度が向上するとコニカル、アキシャル方向の正の剛性を向上することができる。一方、径方向に通過する磁束数を低減することにより、径方向に追加される負の剛性を軽減することができる。負の剛性は不平衡吸引力により発生し、ベアリングレスモータの能動的なフィードバック力によりキャンセルする必要がある。このため、ベアリングレスモータの電磁力軽減のために効果的である。   As shown in FIG. 3, the tooth width (for example, 1.2 mm) of the magnetic path passing portion 33 of the axial / conical supporting passive magnetic bearing 30 is made smaller than the magnet width (for example, 4 mm) of the magnetic flux generating portion 31. The magnetic flux density of the fringing magnetic flux can be improved, while the number of magnetic fluxes passing in the radial direction can be reduced. When the magnetic flux density of the fringing magnetic flux is improved, the positive rigidity in the conical and axial directions can be improved. On the other hand, by reducing the number of magnetic fluxes passing in the radial direction, the negative rigidity added in the radial direction can be reduced. Negative stiffness is generated by an unbalanced suction force and needs to be canceled by the active feedback force of the bearingless motor. For this reason, it is effective for reducing the electromagnetic force of the bearingless motor.

また、磁路通過部33の歯幅は磁束発生部31の磁石幅の50%以下にすることが望ましい。また、磁路通過部33のバックヨーク33Cの幅は歯幅と同一あるいはプラスマイナス50%程度に設計することにより効果的に磁束を発生することができる。磁束発生部31の磁石の高さは歯幅の1.2倍以上に設計することが望ましい。   Further, it is desirable that the tooth width of the magnetic path passage portion 33 be 50% or less of the magnet width of the magnetic flux generation portion 31. Also, the magnetic flux can be effectively generated by designing the width of the back yoke 33C of the magnetic path passage portion 33 to be the same as the tooth width or about plus or minus 50%. It is desirable that the height of the magnet of the magnetic flux generator 31 is designed to be 1.2 times or more of the tooth width.

更に、磁路通過部33の全体幅は磁束発生部31の幅に比べて薄い。このため、図1のように、磁路通過部33をステータ5側に配置した場合には、コイルエンドと軸方向に並列に磁路通過部33を配置することができ、省スペースに構成できる。径方向の長さは全体として短くて済む。省スペースの必要がなければ、磁路通過部33をロータ55側に配置してもよい。   Further, the entire width of the magnetic path passing portion 33 is thinner than the width of the magnetic flux generating portion 31. For this reason, when the magnetic path passage portion 33 is disposed on the stator 5 side as shown in FIG. 1, the magnetic path passage portion 33 can be disposed in parallel with the coil end in the axial direction, and the space can be configured. . The overall length in the radial direction can be short. If there is no need for space saving, the magnetic path passage portion 33 may be arranged on the rotor 55 side.

更に、図1においてアキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受30の配設位置は、重心Gを通る水平線から軸方向の上方、下方に離れるに連れてコニカルの剛性が低下する。このため、省スペース化してコイルエンド付近にアキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受30を配置することはメリットがある。   Further, in FIG. 1, the position of the axial / conical supporting passive magnetic bearing 30 decreases as the conical rigidity decreases as it moves away from the horizontal line passing through the center of gravity G in the axial direction upward and downward. For this reason, it is advantageous to save the space and arrange the axial / conical supporting passive magnetic bearing 30 near the coil end.

次に、本発明の第2実施形態について説明する。
本発明の第2実施形態は、アキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受30、40の構造の一部をもって、本発明の第1実施形態のアキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受30、40と同様の機能をもたせたものである。
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
The second embodiment of the present invention has a part of the structure of the axial and conical supporting passive magnetic bearings 30 and 40, and has the same function as the axial and conical supporting passive magnetic bearings 30 and 40 of the first embodiment of the present invention. It is a thing with.

本発明の第2実施形態の構成図を図8に示す。図8において、ステータ50の外周上端部51A及び下端部51Bには周状に溝53A、53Bが形成されている。そして、この溝53Aの上部には外側に向けて環状突設部57Aが配設され、一方、溝53Bの下部には環状突設部57Bが配設されている。同様に、溝53A、53Bと対峙するロータ55側には溝59A、59Bがそれぞれ形成されている。そして、この溝59Aの上部には環状突設部61Aが内側に向けて配設され、一方、溝59Bの下部には環状突設部61Bが配設されている。   FIG. 8 shows a configuration diagram of the second embodiment of the present invention. In FIG. 8, grooves 53 </ b> A and 53 </ b> B are formed circumferentially on the outer peripheral upper end 51 </ b> A and lower end 51 </ b> B of the stator 50. An annular projecting portion 57A is disposed on the upper portion of the groove 53A toward the outside, while an annular projecting portion 57B is disposed on the lower portion of the groove 53B. Similarly, grooves 59A and 59B are formed on the rotor 55 side facing the grooves 53A and 53B, respectively. An annular projecting portion 61A is disposed on the upper side of the groove 59A while an annular projecting portion 61B is disposed on the lower portion of the groove 59B.

ここに、図8中のA、B、Cで示したいずれかの箇所には、電動機の磁束と同じ方向となるように永久磁石63が配設されている。Aの箇所においては、電動機の磁束が軸方向に向いているので、同じ軸方向となるように磁極を揃える。一方、B、Cの箇所においては、電動機の磁束が径方向に向いているので、同じ径方向となるように磁極を揃える。   Here, a permanent magnet 63 is disposed at any location indicated by A, B, and C in FIG. 8 so as to be in the same direction as the magnetic flux of the electric motor. At the point A, the magnetic flux of the motor is directed in the axial direction, so the magnetic poles are aligned so that they are in the same axial direction. On the other hand, at the locations B and C, the magnetic fluxes of the electric motor are oriented in the radial direction, so the magnetic poles are aligned so as to be the same radial direction.

即ち、この図8の構成は、丁度本発明の第1実施形態の構成における上側が磁束発生部31の環状鉄心部37B及び磁路通過部33の環状鉄心突部33Bを残し、永久磁石35と環状鉄心部37A、バックヨーク33Cと環状鉄心突部33Aとを省略した形になっている。また、下側に関しても、同様に磁束発生部31の環状鉄心部37A及び磁路通過部33の環状鉄心突部33Aを残し、永久磁石35と環状鉄心部37B、バックヨーク33Cと環状鉄心突部33Bとを省略した形になっている。   That is, in the configuration of FIG. 8, the upper side in the configuration of the first embodiment of the present invention leaves the annular core portion 37B of the magnetic flux generator 31 and the annular core protrusion 33B of the magnetic path passage portion 33, and the permanent magnet 35 and The annular core portion 37A, the back yoke 33C and the annular core protrusion 33A are omitted. Similarly, the annular core 37A of the magnetic flux generator 31 and the annular core protrusion 33A of the magnetic path passing portion 33 are also left, and the permanent magnet 35 and the annular core 37B, the back yoke 33C and the annular core protrusion are also left. 33B is omitted.

次に、本発明の第2実施形態の作用について説明する。
永久磁石63で生じた磁束は、図8中の上側に点線Dで示したようにギャップ13を隔てて環状突設部57Aを通り、溝53Aと溝59Aとを囲む磁路を通る。永久磁石63は、図8中の下側にも別途配設されており、この下側の永久磁石63により点線Eで囲む磁路を通る。即ち、本発明の第1実施形態のアキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受30、40が溝19より上方に磁路が形成されていたのに対し、本発明の第2実施形態では、溝53及び溝59を囲む磁路を通り、本発明の第1実施形態より重心G側のステータ及びロータ部分に磁路が形成されている点で異なる。
Next, the operation of the second embodiment of the present invention will be described.
The magnetic flux generated by the permanent magnet 63 passes through the annular projecting portion 57A across the gap 13 as shown by the dotted line D on the upper side in FIG. 8, and passes through the magnetic path surrounding the groove 53A and the groove 59A. The permanent magnet 63 is separately provided on the lower side in FIG. 8, and passes through a magnetic path surrounded by a dotted line E by the lower permanent magnet 63. That is, the axial conical supporting passive magnetic bearings 30 and 40 according to the first embodiment of the present invention have magnetic paths formed above the grooves 19, whereas in the second embodiment of the present invention, the grooves 53 and It differs in that a magnetic path is formed in the stator and rotor portion on the center of gravity G side through the magnetic path surrounding the groove 59 from the first embodiment of the present invention.

永久磁石63の端部周囲及び環状突設部57Aの端部周囲には、ギャップ13を介してフリンジング磁束が存在するため、アキシャル、コニカル方向の変位に対して本発明の第1実施形態と同様に復元力として機能する。このため、磁気軸受制御が安定する。
なお、点線Dの磁路、点線Eの磁路は、いずれか一方だけが形成されるようにしてもよい。
Since a fringing magnetic flux exists around the end portion of the permanent magnet 63 and the end portion of the annular projecting portion 57A via the gap 13, the displacement of the first embodiment of the present invention against axial and conical displacement is the same as that of the first embodiment of the present invention. Similarly, it functions as a restoring force. For this reason, magnetic bearing control is stabilized.
Note that only one of the magnetic path of the dotted line D and the magnetic path of the dotted line E may be formed.

また、コンシクエントボールベアリングレスモータでは、ロータ55に取り付けた電動機・ラジアル支持用磁石17が軸方向の磁束を自動的に発生することができ、別途永久磁石を配置する必要がない場合があり簡単化できる。もちろん、ホモポーラ,ハイブリッド型ベアリングレスモータにおいて、別途永久磁石を配置しなくても,界磁磁束発生機構を有効に利用した形で環状突設部57A等の部分にフリンジング磁束を生じさせ、アキシャル、コニカル方向の変位に対して本発明の第1実施形態と同様に復元力として機能させることができる。この際には、ステータ50あるいはロータ55のいずれかにホモポーラ磁束を発生する永久磁石あるいは電磁石を配置すればよい。   Further, in the continuous ball bearingless motor, the electric motor / radial support magnet 17 attached to the rotor 55 can automatically generate the magnetic flux in the axial direction, and there is no need to separately provide a permanent magnet. Can be Of course, in the homopolar and hybrid type bearingless motors, the fringing magnetic flux is generated in the annular projecting portion 57A and the like by effectively using the field magnetic flux generating mechanism without separately providing a permanent magnet. As with the first embodiment of the present invention, it can function as a restoring force with respect to the displacement in the conical direction. In this case, a permanent magnet or an electromagnet that generates a homopolar magnetic flux may be disposed in either the stator 50 or the rotor 55.

次に、本発明の第3実施形態について説明する。
本発明の第3実施形態は、アキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受30、40に代えて電動機あるいは径方向位置制御の磁束を利用したものである。
Next, a third embodiment of the present invention will be described.
In the third embodiment of the present invention, an electric motor or radial position control magnetic flux is used in place of the axial and conical supporting passive magnetic bearings 30 and 40.

本発明の第3実施形態の構成図を図9に示す。本発明の第3実施形態は、表面張り付け型永久磁石モータを使用した例である。図9において、アキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受30、40に相当するものは備えられていない。円筒状のロータ65の内周面には、環状で内側がN極に着磁された永久磁石71が固着されている。そして、この永久磁石71は軸方向に複数段、段積みされて構成されている。永久磁石71は段毎に径方向長が異なり、図9の上から順に永久磁石71Aは径方向長が長く、次の永久磁石71Bは径方向長が短い。その後、同様に永久磁石71Cは径方向長が長く、次の永久磁石71Dは径方向長が短く形成されている。その結果、永久磁石71A、永久磁石71B及び永久磁石71Cで囲まれた空間には溝69が形成される。そして、同様に軸方向に複数個の溝が形成される。永久磁石71A、永久磁石71C・・の突設された部分は歯部81が形成されている。   FIG. 9 shows a configuration diagram of the third embodiment of the present invention. The third embodiment of the present invention is an example using a surface-mounted permanent magnet motor. In FIG. 9, there is no equivalent to the axial / conical supporting passive magnetic bearings 30 and 40. On the inner peripheral surface of the cylindrical rotor 65, an annular permanent magnet 71 whose inner side is magnetized with an N pole is fixed. The permanent magnet 71 is configured by being stacked in a plurality of stages in the axial direction. The permanent magnet 71 has a different radial length for each stage, and the permanent magnet 71A has a longer radial length in order from the top of FIG. 9, and the next permanent magnet 71B has a shorter radial length. Thereafter, similarly, the permanent magnet 71C has a long radial length, and the next permanent magnet 71D has a short radial length. As a result, a groove 69 is formed in a space surrounded by the permanent magnet 71A, the permanent magnet 71B, and the permanent magnet 71C. Similarly, a plurality of grooves are formed in the axial direction. A toothed portion 81 is formed in the protruding portion of the permanent magnet 71A and the permanent magnet 71C.

そして、この溝69に対峙するように、ステータ60の外周には溝72が複数個形成され、一方永久磁石71A及び永久磁石71C・・に対峙したステータ60の外周には歯部74が突設されている。歯部74の高さは、例えばステータ60に用いられた積層鋼板の一枚分の高さと一致されている。   A plurality of grooves 72 are formed on the outer periphery of the stator 60 so as to face the grooves 69, while teeth 74 are provided on the outer periphery of the stator 60 facing the permanent magnets 71A and 71C. Has been. For example, the height of the tooth portion 74 coincides with the height of one laminated steel plate used for the stator 60.

次に、本発明の第3実施形態の作用について説明する。
元来、ロータやステータの外周に溝の配設されていない従来型のベアリングレス回転機においても、軸方向両端(最上端部、最下端部)ではフリンジング磁束が発生している。したがって、溝を付けなくても原理的にはコニカル、スラスト方向に弱いながらも安定傾向にある。しかし、軸長が長い場合、より大きなコニカル、スラスト剛性が必要な場合には本発明の手法が有効である。即ち、本発明の第3実施形態では、ステータ60の外周に溝72を形成し、ロータ65の内周には溝69を形成したことで、歯部74と歯部81間には軸方向にフリンジング磁束を多く発生させることができる。このため、アキシャル、コニカル方向の変位に対して本発明の第1実施形態と同様に復元力として機能させることができる。
Next, the operation of the third embodiment of the present invention will be described.
Originally, even in a conventional bearingless rotating machine in which no grooves are provided on the outer periphery of the rotor or the stator, fringing magnetic flux is generated at both axial ends (the uppermost end and the lowermost end). Therefore, even if a groove is not provided, in principle, it tends to be stable although it is weak in the conical and thrust directions. However, when the shaft length is long, the method of the present invention is effective when larger conical and thrust rigidity is required. That is, in the third embodiment of the present invention, the groove 72 is formed on the outer periphery of the stator 60 and the groove 69 is formed on the inner periphery of the rotor 65, so that the tooth portion 74 and the tooth portion 81 are axially arranged. A large amount of fringing magnetic flux can be generated. For this reason, it can be made to function as a restoring force similarly to 1st Embodiment of this invention with respect to the displacement of an axial and a conical direction.

しかしながら、全周にわたって溝を構成するとモータ自体のトルクが減少してしまう恐れがある。そこで、溝を周方向に4カ所あるいは複数箇所に限定して配設するようにしてもよい。このことにより、溝を構成したことによるトルクの低下を軽減することができる。   However, if the groove is formed over the entire circumference, the torque of the motor itself may be reduced. Therefore, the grooves may be arranged in a limited manner at four places or a plurality of places in the circumferential direction. As a result, a reduction in torque due to the formation of the groove can be reduced.

また、例えば、コンシクエントポール型ではコストダウンのため、鉄心部分だけに溝を構成してもよい。すると永久磁石は溝を構成する前と等しいものを利用することができる。元来、ロータ、ステータの鉄心は積層鋼板が多く用いられるので、溝を構成するためには2つの形状のシートを準備し、重ねる厚みを調整すればよいので簡単に構成することができる。   In addition, for example, in the case of a continuous pole type, a groove may be formed only in the iron core portion for cost reduction. Then, the permanent magnet can use the same thing as before forming the groove. Originally, a laminated steel plate is often used for the iron core of the rotor and the stator. Therefore, in order to form the groove, it is possible to prepare two sheets and adjust the thickness to be overlapped.

溝の数は多いほどスラスト・コニカルの安定性を向上することができる。したがって、溝を複数、あるいは多数構成することは効果的である。フリンジング磁束を発生するためにはギャップ13の長さと同一、あるいはギャップ13の長さの半分以上の溝を構成することが望ましい。また、ギャップ面における溝面積が増加するとモータトルクが大きく減少して問題になる。そこで、ギャップ面に対する溝面積を10%から60%とすることが望ましい。   As the number of grooves increases, the stability of the thrust conical can be improved. Therefore, it is effective to form a plurality or a plurality of grooves. In order to generate a fringing magnetic flux, it is desirable to form a groove having the same length as the gap 13 or a half or more of the length of the gap 13. Further, when the groove area on the gap surface increases, the motor torque is greatly reduced, which becomes a problem. Therefore, it is desirable that the groove area with respect to the gap surface is 10% to 60%.

次に、本実施形態の別態様を図10に示す。
図10において、第3実施形態では溝の断面は長方形状であったが、本別態様では、この溝の断面に段差を設けたものである。一般によ使用される積層鋼板の板厚は0.3〜0.5mmであるが、図10におけるロータ85に形成された溝89は3枚の積層鋼板が段積みされることで形成されている。即ち、1段目と3段目の積層鋼板は同一の径方向長を有する一方で、2段目の積層鋼板は1段目と3段目より短い径方向長を有する。これにより、2段の段差を有する溝89が形成される一方で歯部91が内側に向けて突設されている。また、溝89に対峙するステータ80側には同様に2段の段差を有する溝83が形成される一方で歯部82が外側に向けて突設されている。
Next, another aspect of this embodiment is shown in FIG.
In FIG. 10, the cross section of the groove is rectangular in the third embodiment, but in this different aspect, a step is provided in the cross section of the groove. In general, the thickness of the laminated steel sheet used is 0.3 to 0.5 mm, but the groove 89 formed in the rotor 85 in FIG. 10 is formed by stacking three laminated steel sheets. . That is, the first and third laminated steel sheets have the same radial length, while the second laminated steel sheet has a shorter radial length than the first and third stages. As a result, a groove 89 having two steps is formed, while the tooth portion 91 protrudes inward. Similarly, a groove 83 having two steps is formed on the side of the stator 80 facing the groove 89, while a tooth portion 82 projects outward.

かかる構成において、溝83及び溝89が2段の段差を有したことで、歯部82と歯部91間のフリンジング磁束が第3実施形態の長方形状の溝の場合に比べて多く発生する。このため、アキシャル、コニカル方向の変位に対して本発明の第3実施形態の場合より大きな復元力として機能させることができる。   In such a configuration, since the groove 83 and the groove 89 have two steps, a fringing magnetic flux between the tooth part 82 and the tooth part 91 is generated more than in the case of the rectangular groove of the third embodiment. . For this reason, it can be made to function as a restoring force larger than the case of 3rd Embodiment of this invention with respect to the displacement of an axial and a conical direction.

なお、溝83及び溝89の断面形状は、2段に限定されるものではなく、3段等の段差を有し、より3角形状に近い形状としてもよい。このように、連続した3角形状の溝が形成されれば、2段、3段等の段差が存在する場合に比べて、より一層歯部82と歯部91間のフリンジング磁束が多く発生する。更に、歯部82と歯部91とは、断面が矩形状より半円状に突設された方が、一層歯部82と歯部91間のフリンジング磁束が多く発生し、アキシャル、コニカル方向の変位を安定させるためにはより望ましい。   The cross-sectional shapes of the groove 83 and the groove 89 are not limited to two steps, and may have a step such as three steps and a shape closer to a triangular shape. Thus, if a continuous triangular groove is formed, more fringing magnetic flux is generated between the tooth part 82 and the tooth part 91 than when there are two or three steps. To do. In addition, the tooth part 82 and the tooth part 91 are more semi-circular than the rectangular cross section, and more fringing magnetic flux between the tooth part 82 and the tooth part 91 is generated. It is more desirable to stabilize the displacement.

次に、本発明の第3実施形態の更なる別態様について説明する。
本態様は、第3実施形態で説明した溝をディスク型ベアリングレスモータに適用した場合である。
Next, still another aspect of the third embodiment of the present invention will be described.
This aspect is a case where the groove described in the third embodiment is applied to a disk-type bearingless motor.

図11に示すように、ディスク型ベアリングレスモータ100は、円盤状のロータ110がステータ120A及びステータ120B間に、所定のギャップ111A及びギャップ111Bを隔てて浮上されているものである。このディスク型ベアリングレスモータ100は、コニカル・アキシャル方向には能動的に安定であるが、径方向に対しては受動的に安定である。径方向の剛性を向上すれば、より高い速度に危険速度があがり安定化する。ロータ110を傾けて危険速度を通過することができるが、危険速度が運転速度より高い方が望ましい。   As shown in FIG. 11, the disk-type bearingless motor 100 has a disk-shaped rotor 110 that is levitated between a stator 120A and a stator 120B with a predetermined gap 111A and gap 111B. The disk-type bearingless motor 100 is actively stable in the conical / axial direction, but passively stable in the radial direction. If the rigidity in the radial direction is improved, the critical speed is increased at a higher speed, and stabilization is achieved. Although it is possible to pass the dangerous speed by tilting the rotor 110, it is desirable that the dangerous speed is higher than the driving speed.

そこで、第3実施形態と同様にステータ120Aのギャップ111Aに面する部分に環状の溝121を形成する一方、この溝121に対峙するロータ110のギャップ111Aに面する部分に溝123を形成する。ギャップ111Bに面したロータ110とステータ120B側についても同様に溝を形成する。このことにより、ラジアル方向の剛性を向上することができる。   Therefore, as in the third embodiment, an annular groove 121 is formed in a portion facing the gap 111A of the stator 120A, while a groove 123 is formed in a portion facing the gap 111A of the rotor 110 facing the groove 121. Grooves are similarly formed on the rotor 110 and the stator 120B side facing the gap 111B. Thereby, the rigidity in the radial direction can be improved.

なお、環状の溝121は2重、3重に配設されてもよいし、周方向に分割される等されてもよい。溝の断面形状が三角形状等とされてもよい。ギャップ111A又はギャップ111Bを挟んだ一方の側のみに溝が掲載されるようにしてもよい。   The annular groove 121 may be disposed in a double or triple manner, or may be divided in the circumferential direction. The cross-sectional shape of the groove may be triangular. A groove may be provided only on one side of the gap 111A or the gap 111B.

ベアリングレスモータの極数・スロット数は第1実施形態で説明したような16極24スロットで、かつ8個の電動機・ラジアル支持用磁石17が全て内側をN極として着磁されている。図3にアキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受40の寸法を記載する。磁石幅は4mm、磁石高さは5mm、歯幅を1.2mm、バックヨークの幅を1.2mmとする。図12にこのときのアキシャル方向変位に対する復元力を、図13に剛性を示す。   The number of poles / slots of the bearingless motor is 16 poles / 24 slots as described in the first embodiment, and all of the eight electric motors / radial support magnets 17 are magnetized with N poles on the inside. FIG. 3 shows the dimensions of the axial magnetic conical passive magnetic bearing 40. The magnet width is 4 mm, the magnet height is 5 mm, the tooth width is 1.2 mm, and the back yoke width is 1.2 mm. FIG. 12 shows the restoring force against the axial displacement at this time, and FIG. 13 shows the rigidity.

本発明の活用例として、本ベアリングレス電磁回転装置をマイクロガスタービンなどの発電機、フライホイール電動発電機、ポンプ、ブロワ、コンプレッサの駆動、エアコン、家電製品、コンピュータ用機器の駆動、自動車のターボ発電電動機、バイオリアクタ、半導体製造機器、真空容器内の電動機、特殊ガス中、液体中の電動機等に適用可能である。   As an application example of the present invention, this bearingless electromagnetic rotating device is used as a generator such as a micro gas turbine, a flywheel motor generator, a pump, a blower, a compressor drive, an air conditioner, a household appliance, a computer device drive, an automobile turbo. It can be applied to generator motors, bioreactors, semiconductor manufacturing equipment, motors in vacuum containers, motors in special gases, liquids, and the like.

本発明の第1実施形態であるベアリングレス電磁回転装置の側面図The side view of the bearingless electromagnetic rotating apparatus which is 1st Embodiment of this invention. 図1中の重心G点を通るA−A矢視線断面図AA arrow line cross section passing through the center of gravity G in FIG. アキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受の縦断面図Longitudinal section of passive magnetic bearing for axial and conical support アキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受の作用を説明する図(定常位置)Diagram explaining the action of passive magnetic bearing for axial and conical support (steady position) ロータがステータに対してアキシャル方向(+z方向)に変位したときのx−z断面図Xz sectional view when the rotor is displaced in the axial direction (+ z direction) with respect to the stator ロータがステータに対してコニカル方向(+θ方向)に変位したときのx−z断面図Xz sectional view when the rotor is displaced in the conical direction (+ θ direction) with respect to the stator アキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受の別例Another example of passive magnetic bearing for axial and conical support 本発明の第2実施形態の構成図Configuration diagram of second embodiment of the present invention 本発明の第3実施形態の構成図The block diagram of 3rd Embodiment of this invention 同別態様Same aspect 同別態様Same aspect アキシャル方向変位に対する復元力を示す図Diagram showing restoring force against axial displacement アキシャル方向変位に対する剛性を示す図Diagram showing stiffness against axial displacement

符号の説明Explanation of symbols

1 シャフト
5、50、60、80、120 ステータ
9 3相電動機巻線
10 ベアリングレス電磁回転装置
11 3相支持巻線
13、111 ギャップ
15、55、65、85、110 ロータ
23 周壁
17 電動機・ラジアル支持用磁石
19、21、39、41、53、59、69、72、83、89、121、123 溝
30、40 アキシャル・コニカル支持用受動磁気軸受
31 磁束発生部
33 磁路通過部
33C バックヨーク
35、63、71 永久磁石
74、81、82、91 歯部
100 ディスク型ベアリングレスモータ
1 Shaft 5, 50, 60, 80, 120 Stator 9 Three-phase motor winding 10 Bearingless electromagnetic rotating device 11 Three-phase support winding 13, 111 Gap 15, 55, 65, 85, 110 Rotor 23 Perimeter wall 17 Electric motor / radial Supporting magnets 19, 21, 39, 41, 53, 59, 69, 72, 83, 89, 121, 123 Grooves 30, 40 Axial-conical supporting passive magnetic bearings 31 Magnetic flux generator 33 Magnetic path passage 33C Back yoke 35, 63, 71 Permanent magnets 74, 81, 82, 91 Teeth 100 Disc type bearingless motor

Claims (12)

ロータと、
該ロータに対しギャップを隔てて配設されたステータを有するベアリングレス電磁回転装置であって、
前記ロータ若しくは前記ステータ側のいずれか一方に前記ギャップを挟むように配設され、永久磁石により磁束を発生し、かつ該永久磁石より前記ギャップに向けて往路及び復路となる磁路の形成された磁束発生手段と、
前記ロータ若しくは前記ステータ側のいずれか他方に前記ギャップを挟むように配設され、前記磁束発生手段で発生された磁束が前記往路を通り前記ギャップを越えて鉄心内を通過した後、再び該ギャップを越えて前記磁束発生手段の前記復路に戻る磁路通過手段とを備えたことを特徴とするベアリングレス電磁回転装置。
A rotor,
A bearingless electromagnetic rotating device having a stator disposed with a gap with respect to the rotor,
A magnetic path that is disposed so as to sandwich the gap between either the rotor or the stator, generates a magnetic flux by a permanent magnet, and forms a forward path and a return path from the permanent magnet toward the gap. Magnetic flux generating means;
The magnetic flux generated by the magnetic flux generating means is disposed so as to sandwich the gap between the other of the rotor and the stator side, passes through the forward path, passes through the iron core, and then returns to the gap. And a magnetic path passing means for returning to the return path of the magnetic flux generating means.
前記磁束発生手段と前記磁路通過手段とを結ぶ往路と復路の各磁路の間には前記ロータ側及び/又は前記ステータ側に前記ギャップに面する少なくとも一つの溝が形成されたことを特徴とする請求項1記載のベアリングレス電磁回転装置。   At least one groove facing the gap is formed on the rotor side and / or the stator side between each of the forward path and the return path connecting the magnetic flux generating means and the magnetic path passing means. The bearingless electromagnetic rotating device according to claim 1. 前記磁路が形成され、かつ前記ギャップに面して前記溝を挟んで突設された突設部を備え、
該突設部に前記ギャップに面する少なくとも一つの溝が形成されたことを特徴とする請求項2記載のベアリングレス電磁回転装置。
The magnetic path is formed, and includes a projecting portion projecting across the groove facing the gap,
The bearingless electromagnetic rotating device according to claim 2, wherein at least one groove facing the gap is formed in the projecting portion.
前記磁束発生手段及び前記磁路通過手段とが対となって前記ロータの重心を挟んだ軸方向上下に配設されたことを特徴とする請求項1、2又は3記載のベアリングレス電磁回転装置。   4. The bearingless electromagnetic rotating device according to claim 1, wherein said magnetic flux generating means and said magnetic path passing means are arranged in a vertical direction sandwiching the center of gravity of said rotor as a pair. . 前記永久磁石が環状に連続若しくは分割して配設されたことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のベアリングレス電磁回転装置。   The bearingless electromagnetic rotating device according to any one of claims 1 to 4, wherein the permanent magnet is annularly arranged continuously or divided. 前記永久磁石に代えて、若しくは該永久磁石と同一の磁極を有するように電動機及び/又は径方向位置制御の励磁磁束が適用されたことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のベアリングレス電磁回転装置。   6. The excitation magnetic flux of an electric motor and / or radial position control is applied in place of the permanent magnet or so as to have the same magnetic pole as that of the permanent magnet. The bearingless electromagnetic rotating device described. 前記磁束発生手段は、軸方向に磁極を有する永久磁石と、
該永久磁石の各磁極に連設され、径方向に磁路を形成する2つの鉄心とを備え、前記磁路通過手段は、該各鉄心に対し前記ギャップを隔てて対峙する歯部と、
該歯部同士を連結するバックヨークとを備えたことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のベアリングレス電磁回転装置。
The magnetic flux generation means includes a permanent magnet having a magnetic pole in the axial direction;
Two iron cores connected to each magnetic pole of the permanent magnet and forming a magnetic path in the radial direction, and the magnetic path passing means includes teeth that oppose each iron core with the gap therebetween;
The bearingless electromagnetic rotating apparatus according to claim 1, further comprising a back yoke that connects the tooth portions.
前記磁束発生手段は、軸方向及び/又は径方向に磁極を有する永久磁石及び/又は電動機の励磁磁束を備え、
前記磁路通過手段による磁路は前記ロータ及び前記ステータを通ることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のベアリングレス電磁回転装置。
The magnetic flux generation means includes a permanent magnet having magnetic poles in the axial direction and / or radial direction and / or an excitation magnetic flux of an electric motor,
The bearingless electromagnetic rotating device according to claim 1, wherein a magnetic path formed by the magnetic path passing unit passes through the rotor and the stator.
ロータと、
該ロータに対しギャップを隔てて配設されたステータを有するベアリングレス電磁回転装置であって、
前記ロータ及び/又は前記ステータの前記ギャップに面する部分には、少なくとも一つの溝が形成されたことを特徴とするベアリングレス電磁回転装置。
A rotor,
A bearingless electromagnetic rotating device having a stator disposed with a gap with respect to the rotor,
A bearingless electromagnetic rotating device, wherein at least one groove is formed in a portion of the rotor and / or the stator facing the gap.
前記溝の占める面積が前記ロータ又は前記ステータの前記ギャップに面する面積の10〜60パーセントであることを特徴とする請求項9記載のベアリングレス電磁回転装置。   The bearingless electromagnetic rotating device according to claim 9, wherein an area occupied by the groove is 10 to 60% of an area facing the gap of the rotor or the stator. 前記溝が環状に連続若しくは分割して配設されたことを特徴とする請求項2〜10のいずれか1項に記載のベアリングレス電磁回転装置。   The bearing-less electromagnetic rotating device according to any one of claims 2 to 10, wherein the groove is annularly arranged continuously or divided. 前記磁路通過手段が前記ステータに巻回された電動機巻線及び/又は径方向位置制御巻線のコイルエンドの側部に隣接して配設されたことを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載のベアリングレス電磁回転装置。   The magnetic path passing means is disposed adjacent to a side of a coil end of an electric motor winding and / or radial position control winding wound around the stator. The bearingless electromagnetic rotating apparatus of any one of Claims.
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