JP2006217740A - 超高速回転用ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】コギングトルクを減少させ、磁石内渦電流損を抑え、ロータの遠心応力的安全率を高めることを目的とする。
【解決手段】ロータ磁石９として極異方性リング状磁石を用い、該ロータ磁石９とステータ鉄心５との径方向ギャップｇをステータ鉄心内径の１割以上としたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、真空ポンプの一種である超高速回転用ブラシレスモータに関する。例えば、ターボ分子ポンプに使われるモータである。

超高速回転用ブラシレスモータは、数万ｒ／ｍで回転する超高速モータであり、モータ自身が真空条件に入るため、放熱条件としては悪い環境となる。通常は、インダクションモータをインバータ駆動して、超高速回転を得ているものが多い。

超高速回転用ブラシレスモータの具体例としては、ターボチャージャーなどに直結されて超高速駆動されるもの（特許文献１）、遠心力に耐えられるように、回転子に補強用スリーブを設けたもの（特許文献２，３）、回転子のアンバランスによる高速回転時の振動防止に関するものがある（特許文献４）。
特許第２８４７７５７号 特開平３−１１９４８号 実開平６−６０７３５号 特許第３４８４０５１号

インダクションモータでは励磁電流や二次銅損が存在し損失が多く、真空環境では放熱条件が悪いため、大型化する。また、効率も悪く、機器全体が大型化し、高速回転に不利である。
該ロータ磁石とステータ鉄心との径方向ギャップがステータ鉄心内径の一割未満であるため、磁石内部に流れる渦電流は十分に低く抑えられず、渦電流損は無視できなかった。

本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであり、固定子と回転子との間に発生する磁気吸引力に基づくトルクの回転角に対する変化であるコギングトルクを減少させ、磁石内渦電流損を抑え、ロータの遠心応力的安全率を高めることを目的とする。

上記課題を解決する本発明の請求項１に係る超高速回転用ブラシレスモータは、ロータ磁石として極異方性リング状磁石を用い、該ロータ磁石とステータ鉄心との径方向ギャップをステータ鉄心内径の１割以上としたことを特徴とする。

上記課題を解決する本発明の請求項２に係る超高速回転用ブラシレスモータは、請求項１において、前記ステータ鉄心は、厚さ０．３５ｍｍ以下の極薄硅素鋼帯を積層してなることを特徴とする。

上記課題を解決する本発明の請求項３に係る超高速回転用ブラシレスモータは、請求項１又は２において、前記極異方性リング状磁石の外周にチタン線を巻回又はチタン製パイプを嵌合して、遠心破壊に対する補強をしていることを特徴とする。

本発明でロータ磁石として使用する極異方性リング状磁石は、磁化長さが長いことから、径方向ギャップを広くとっても有効磁束が極端に低下しないため、径方向ギャップを広く設計し易い。また、極異方性リング状磁石は極の変化点の磁束が少なく、それ自身でもコギングトルクが少ない性質があるが、更に径方向ギャップを広くとることを併用することにより、コギングトルクを更に減少できる。超高速回転のため、定格トルクは非常に小さいため、コギングトルクが大きいと起動不能となる場合があり、コギングトルクが小きいことは必須条件である。

しかも、径方向ギャップをステータ鉄心内径の一割以上広くしたことにより、磁石内部に流れる渦電流を低く抑え、渦電流損を無視し得る程度にすることができる。

また、ステータ鉄心として、極薄（ｔ＝０．３５ｍｍ以下）の硅素鋼板をプレス抜きして積層してなるものを使用すれば、高周波でも鉄損の増大を低く抑えられる。

また、モータ容量にもよるが、極異方性磁石の母材強度のみで遠心破壊耐量に不足が生じる場合は、極異方性磁石の外周にチタン線を巻回する、もしくは磁石にチタンパイプを嵌め込むことにより補強すると良い。

以下の実施例として説明するものが、本発明を実施するための最良の形態である。

本発明の第一の実施例に係る超高速回転用ブラシレスモータを図１に示す。図１は、超高速回転用ブラシレスモータの縦断面図である。

図１に示すように、円筒状のアルミフレーム１の両端部には円盤状のブラケット２ａ，２ｂがそれぞれ装着され、これらブラケット２ａ，２ｂの中心部をシャフト３が軸受４ａ，４ｂを介して回転自在に貫通している。
アルミフレーム１の内周面には、極薄硅素鋼板をプレス抜きして積層したステータコア（ステータ鉄心）５を焼嵌めして固定し、ステータコア５のティース部にインシュレータ（絶縁物成形体）６を介してコイル７を集中的に巻回（直巻）した。図中、１２は、結線基板、１３はホールセンサー、１４はセンサー基板である。

本発明では、コギングトルクを減少させ、磁石内渦電流損を抑え、ロータの遠心応力的安全率を高めるために、シャフト３に固定されるマグネット（ロータ磁石）９として、極異方性リング状磁石を使用し、極異方性リング状磁石のステータコア５に対する径方向ギャップｇをステータ鉄心内径の一割以上とした。具体的には、１ｍｍ以上とした。

極異方性磁石は、磁化長さが長いことから、径方向ギャップｇを広くとっても有効磁束が極端に低下しないため、径方向ギャップｇを広く設計し易い。
また、極異方性磁石は極の変化点の磁束が少なく、それ自身でもコギングトルクが少ない性質があるが、更に径方向ギャップｇを広くとることを併用し、コギングトルクを減少できる。

超高速回転のため、定格トルクは非常に小さいため、コギングトルクが大きいと起動不能となる場合があり、コギングトルクが小さいことは必須条件である。
特に、極異方性ネオジウム磁石は小径のものが作れ、更に肉厚を厚くとる必要があることから必然的に遠心破壊に対する耐量を大きくとることができる。
径方向ギャップｇを広くとることにより、ネオジウム系磁石の内部に流れる渦電流を低く抑え、渦電流損を無視し得る程度にすることができる。

また、モータ容量にもよるが、磁石の母材強度のみで遠心破壊耐量に不足が生じる場合は、後述する実施例２ように、磁石の外周にチタン線を巻回する、もしくは磁石にチタンパイプを嵌め込むことにより補強すると良い。

更に、ステータコア５としては、極薄（ｔ＝０．３５ｍｍ以下）の硅素鋼板を採用し、かつ、磁束密度を低く（１．２Ｔ以下）設計することにより、高周波でも鉄損の増大を低く抑えられる。このことは径方向ギャップｇをステータ鉄心内径の一割以上に広く設計することによって磁束をわざと下げていることにも関連している。

また、磁路断面積を広くとる必要からやや寸法の増大を招くが全体としてバランスを考えて決めているということである。
本実施例では、ロータ磁石の渦電流損を無視できる程度に抑えることから発熱部がステータのみとなり、硅素鋼板の外側にアルミフレーム１を焼嵌めすることにより、冷却条件の悪さを克服することができる。なお、フェライトコアや圧粉鉄芯の様な材料は強度面と熱伝導面で不利であり、圧延材料である硅素鋼板が適している。

更に、コイル７をステータコア５のティース部にインシュレータ６を介して集中的に直巻したので、コイル７の発熱が硅素鋼板に伝わり易く、放熱条件の悪さを補うことができる。

本発明の第二の実施例に係る超高速回転用ブラシレスモータを図２〜図５に示す。図２はチタン製ワイヤーによる補強をしたロータの正面図、図３は図２中のＡ−Ａ′断面図、図４はチタン製パイプによる補強をしたロータの正面図、図５は図４中のＢ−Ｂ′断面図である。
モータ出力の大きい機種では磁石母材強度だけでは遠心破壊に対する強度が不足する場合がある。

その様な機種では、図２及び図３に示すように、マグネット（ロータ磁石）９の外周にチタン製ワイヤー９を巻回して補強する。
チタン製ワイヤー９は非磁性で軽く、強度もあり、電気抵抗も高い。かつ、線状のためこのワイヤー内に生ずる渦電流損失を小さく抑えることができる。

また、図４及び図５に示すように、マグネット（ロータ磁石）９の外周にチタン製パイプ１１を嵌め込むことによって補強することもできる。
チタン製パイプ１１を使用する場合でも、ステンレスパイプを嵌め込む方法に比較し、強度及び損失面で優れる。
その他の構成については、前述した実施例１と同様であり、コギングトルクを減少させ、磁石内渦電流損を抑え、ロータの遠心応力的安全率を高める等、実施例１と同様な作用効果を奏する。

本発明は、例えば、ターボ分子ポンプに使われる他、ターボチャージャーなどに直結されて超高速駆動されるものにも利用されるものである。

本発明の第一の実施例に係る超高速回転用ブラシレスモータの縦断面図である。 本発明の第二の実施例に係り、チタン製ワイヤーによる補強をしたロータの正面図である。 本発明の第二の実施例に係り、図２中のＡ−Ａ′断面図である。 本発明の第二の実施例に係り、チタン製パイプによる補強をしたロータの正面図である。 本発明の第二の実施例に係り、図４中のＢ−Ｂ′断面図である。

符号の説明

１ アルミフレーム
２ａ，２ｂ ブラケット
３ シャフト
４ａ，４ｂ ベアリング
５ ステータコア
６ インシュレータ
７ コイル
８ ブッシュ
９ マグネット（極異方性リング状磁石）
１０ チタン製ワイヤー
１１ チタン製パイプ
１２ 結線基板
１３ ホールセンサー
１４ センサー基板

Claims (3)

1. ロータ磁石として極異方性リング状磁石を用い、該ロータ磁石とステータ鉄心との径方向ギャップをステータ鉄心内径の１割以上としたことを特徴とする超高速回転用ブラシレスモータ。
2. 請求項１において、前記ステータ鉄心は、厚さ０．３５ｍｍ以下の極薄硅素鋼帯を積層してなることを特徴とする請求項２記載の超高速回転用ブラシレスモータ。
3. 請求項１又は２において、前記極異方性リング状磁石の外周にチタン線を巻回又はチタン製パイプを嵌合して、遠心破壊に対する補強をしていることを特徴とする超高速回転用ブラシレスモータ。

Images