JP2006136062A - Bearingless electromagnetic rotating device - Google Patents
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Abstract
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。
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
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-
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Moreover, since the magnetic
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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 /
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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 /
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.
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
Claims (12)
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.
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.
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.
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.
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