JP2007060818A - Rotating machine supported by magnetic repulsion - Google Patents
Rotating machine supported by magnetic repulsion Download PDFInfo
- Publication number
- JP2007060818A JP2007060818A JP2005243618A JP2005243618A JP2007060818A JP 2007060818 A JP2007060818 A JP 2007060818A JP 2005243618 A JP2005243618 A JP 2005243618A JP 2005243618 A JP2005243618 A JP 2005243618A JP 2007060818 A JP2007060818 A JP 2007060818A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- magnetic
- permanent magnet
- magnetized
- rotor
- magnet
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
- F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
- F16C32/0406—Magnetic bearings
- F16C32/0408—Passive magnetic bearings
- F16C32/0423—Passive magnetic bearings with permanent magnets on both parts repelling each other
- F16C32/0425—Passive magnetic bearings with permanent magnets on both parts repelling each other for radial load mainly
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C2360/00—Engines or pumps
- F16C2360/44—Centrifugal pumps
- F16C2360/45—Turbo-molecular pumps
Abstract
Description
この発明は、磁気的な反発力で回転体を軸受け支持する支持磁気反発回転機に係り、特に、軸受と回転機要素を一体化した磁気反発支持回転機に関する。 The present invention relates to a supporting magnetic repulsion rotating machine that supports a rotating body with a magnetic repulsive force, and more particularly to a magnetic repulsion supporting rotating machine in which a bearing and a rotating element are integrated.
高速回転が不可欠な用途として光偏向走査装置が知られている。光偏向走査装置では、回転する多面鏡にレーザが向けられ、この回転する多面鏡によってレーザが反射されて感光面等に向けられている。光偏向走査装置においては、回転多面鏡は、情報伝達の観点からは、高速回転化が情報伝達量に直結し、より高速な回転がより大きな情報伝達に寄与するとされている。現在、実用化されている回転多面鏡の回転方式には、動圧軸受と磁気反発力とを併用したタイプが知られ、数万rpmオーダーでの高速回転が可能である。 An optical deflection scanning device is known as an application in which high-speed rotation is indispensable. In the optical deflection scanning device, a laser is directed to a rotating polygonal mirror, and the laser is reflected by the rotating polygonal mirror and directed to a photosensitive surface or the like. In the optical deflection scanning apparatus, from the viewpoint of information transmission, the rotation of the polygon mirror is directly linked to the amount of information transmission, and higher speed rotation contributes to greater information transmission. Currently, a rotating polygon mirror that is in practical use is known to use a combination of a hydrodynamic bearing and a magnetic repulsive force, and is capable of high-speed rotation on the order of tens of thousands of rpm.
しかしながら、光偏向走査装置は、6面乃至12面の多面鏡を有し、回転に伴い必然的に大きな風損が発生される。風損は、回転速度の3乗に比例することが一般的に知られ、高速回転化が膨大な駆動電力の上昇を引き起こすこととなる。この風損を軽減するためには、真空中での運転が必要となるが、現状の動圧軸受では、空気流の圧力を利用することから、真空中での運転は、不可能とされている。そこで、軸を完全に磁気的に支持することができ、且つ、低コスト化並びに簡素化を実現することができる永久磁石反発形磁気軸受による省電力高速回転機器が要望され、開発されている。 However, the optical deflection scanning device has a 6-sided to 12-sided polygonal mirror, and a large windage loss is inevitably generated as it rotates. The windage loss is generally known to be proportional to the cube of the rotational speed, and high speed rotation causes a huge increase in driving power. In order to reduce this windage loss, it is necessary to operate in a vacuum. However, current dynamic pressure bearings use the pressure of the air flow, so operation in a vacuum is not possible. Yes. Therefore, a power-saving high-speed rotating device using a permanent magnet repulsive magnetic bearing that can support the shaft completely magnetically and can realize cost reduction and simplification has been demanded and developed.
光偏向走査装置用の永久磁石反発形磁気軸受として特許文献1〜4が既に提案されている。この永久磁石反発形磁気軸受は、1辺100mm空間に構成要素を集約したインナーロータ形縦軸永久磁石反発形磁気軸受であり、軸受部での磁気的損失が非常に小さいことが実験的に確認され、最高回転数5万rpm、駆動電力3Wで安定回転を実現することができ、この方式が省電力小型高速回転機器に非常に有用であることが確認されている
また、反発浮上形磁気軸受は、ポンプにも適用することができる。反発浮上形磁気軸受のポンプへの適用例としては、ターボ分子ポンプが有名である。ターボ分子ポンプでは、寸法的な制約がそれほど無いため、一般には、2箇所の軸受部と1箇所のモータ部が独立に設けられている。しかし、ターボ分子ポンプとして反発浮上形磁気軸受でありながら、軸受部とモータ部を兼用する方式も特許文献5に提案されている。
Patent Documents 1 to 4 have already been proposed as permanent magnet repulsive magnetic bearings for optical deflection scanning devices. This permanent magnet repulsion type magnetic bearing is an inner rotor vertical axis permanent magnet repulsion type magnetic bearing in which components are gathered in a space of 100 mm on a side, and it has been experimentally confirmed that the magnetic loss at the bearing portion is very small. It is possible to achieve stable rotation at a maximum rotation speed of 50,000 rpm and drive power of 3 W, and this method has been confirmed to be very useful for power-saving small high-speed rotation devices. Can also be applied to pumps. As an example of application of a repulsive levitation type magnetic bearing to a pump, a turbo molecular pump is famous. In the turbo molecular pump, since there are not so many dimensional restrictions, generally, two bearing portions and one motor portion are provided independently. However, Patent Document 5 proposes a system that uses both a bearing unit and a motor unit while being a repulsive levitation type magnetic bearing as a turbo molecular pump.
更に、現在ベアリングレスモータに関する学術研究が非常に盛んであり、反発浮上形磁気軸受は、ベアリングレスモータへの適用も想定されている。ベアリングレスモータは、その応用として、キャンドポンプ、小型ポンプ、血液循環ポンプ等のポンプ関連、HD等の情報機器用スピンドルドライブ等が想定され、その開発が始まっている。
特許文献1〜4に開示された永久磁石反発形磁気軸受は、上述したように省電力小型高速回転機器に非常に有用である。しかし、光偏向走査装置は、一般的に精密機器の一部品として内装されることから、現状の1辺100mm空間内に内装することは、構造的にやや困難である。一方、永久磁石反発形磁気軸受の構成要素が独立な状態での小型化は、寸法効果の問題が生じるため、新たな構造上のブレークスルーが不可欠であるとされている。 The permanent magnet repulsive magnetic bearings disclosed in Patent Documents 1 to 4 are very useful for power-saving small high-speed rotating devices as described above. However, since the optical deflection scanning device is generally installed as a component of precision equipment, it is structurally difficult to install in the current space of 100 mm on a side. On the other hand, downsizing in a state where the components of the permanent magnet repulsive magnetic bearing are independent causes a problem of size effect, and therefore, a new structural breakthrough is indispensable.
特許文献5に開示された反発浮上形磁気軸受の方式は、全受動形と呼ばれる磁気軸受方式とモータを兼用したタイプである。しかし、問題点として、一つは、無回転時に接触点が存在することにある。また、他の問題点としては、モータ機能を軸受部に付加するために、ロータ側もしくはステータ側の永久磁石が周方向に不均一な磁束密度となる軸受構成を持たざるを得ないことにある。これでは、高速回転時に軸受部で磁束密度変化による熱損失が発生し、制動トルクを誘発してしまう。 The system of the repulsive levitation type magnetic bearing disclosed in Patent Document 5 is a type that combines a magnetic bearing system called a total passive type and a motor. However, one problem is that a contact point exists when there is no rotation. Another problem is that in order to add a motor function to the bearing portion, the rotor side or stator side permanent magnet must have a bearing configuration in which the magnetic flux density is uneven in the circumferential direction. . This causes a heat loss due to a change in magnetic flux density at the bearing during high-speed rotation, and induces braking torque.
ベアリングレスモータは、電動機の中心位置を制御(軸受)しながら、回転力を与える(モータ)装置を称し、回転磁界と位置制御磁界とが混在されている。モータの回転磁界は、同期機であれば回転子の磁極に作用して同期速度を保ちながらモータが回転される。この時、回転速度とは独立した位置制御磁界が回転子中に流れることになる。つまり、回転子座標系から見たときに、磁束が周期的(方形波的)に増減することになる。ベアリングレスモータにおいては、この磁束変化がうず電流を発生させ熱損失を起こさせる問題がある。 A bearingless motor refers to a (motor) device that applies a rotational force while controlling (bearing) the center position of an electric motor, and includes a rotating magnetic field and a position control magnetic field. If the rotating magnetic field of the motor is a synchronous machine, it acts on the magnetic poles of the rotor to rotate the motor while maintaining the synchronous speed. At this time, a position control magnetic field independent of the rotation speed flows in the rotor. That is, when viewed from the rotor coordinate system, the magnetic flux increases or decreases periodically (square wave). In a bearingless motor, there is a problem that this change in magnetic flux generates an eddy current and causes heat loss.
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、軸受と回転機要素を一体化した小型かつ低損失・省電力で駆動される磁気反発支持回転機を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a magnetic repulsion supporting rotating machine that is compact, low loss, and driven with low power consumption by integrating a bearing and a rotating machine element. There is.
この発明によれば、
軸方向に着磁された円柱或いは円筒状の第1の永久磁石からなる固定軸と、
この固定軸に対して同軸的に第1のギャップを介して配置される円筒状の回転子であって、前記第1の永久磁石に対向配置された内面を有し、前記軸方向に着磁されて前記第1の永久磁石との間に反発力を生じる第2の永久磁石及びこの第2の永久磁石の外周に一体的に設けられ、略半径方向に着磁された複数の磁極を有する第3の永久磁石から構成される回転子と、
この回転子の周りに第2のギャップを介して配置され、前記第2の永久磁石に対して回転磁界を発生するコイルを有する固定子と、
を具備することを特徴とする磁気反発支持回転機が提供される。
According to this invention,
A fixed shaft made of a cylindrical or cylindrical first permanent magnet magnetized in the axial direction;
A cylindrical rotor arranged coaxially with respect to the fixed shaft via a first gap, having an inner surface arranged to face the first permanent magnet and magnetized in the axial direction And a second permanent magnet that generates a repulsive force with the first permanent magnet, and a plurality of magnetic poles that are integrally provided on the outer periphery of the second permanent magnet and are magnetized in a substantially radial direction. A rotor composed of a third permanent magnet;
A stator having a coil disposed around the rotor via a second gap and generating a rotating magnetic field with respect to the second permanent magnet;
There is provided a magnetic repulsion supporting rotating machine characterized by comprising:
この発明によれば、軸受と回転機要素を一体化した小型かつ低損失・省電力で駆動される磁気反発支持回転機が提供され、この磁気反発支持回転機は、既存方式の回転機に比較し、原理上、最も低損失で運転できる。即ち、機械的接触のない簡易の磁気軸受方式である反発浮上形磁気軸受と、モータ駆動機構を一体化することで、反発浮上形磁気軸受と各種ベアリングレスモータのそれぞれで課題とされてきた、小型かつ軸長の比(D/L比)増大でき、軸受部での熱損失の低減、超高速回転、高効率運転を可能にしている。即ち、浮上と回転を兼備するこの発明の磁気反発支持回転機では、軸長の比(D/L比)を増大させることが可能であり、さらなる小型化と高い汎用性を実現することができる。 According to the present invention, there is provided a magnetic repulsion support rotating machine that is compact, low loss and power-saving driven by integrating a bearing and a rotating machine element, and this magnetic repulsion support rotating machine is compared with an existing type rotating machine. In principle, it can be operated with the lowest loss. That is, by integrating the repulsive levitation type magnetic bearing, which is a simple magnetic bearing system without mechanical contact, and the motor drive mechanism, the repulsive levitation type magnetic bearing and various bearingless motors have been problems. It is compact and can increase the ratio of shaft length (D / L ratio), enabling reduction of heat loss at the bearing, ultra high speed rotation, and high efficiency operation. That is, in the magnetic repulsion support rotating machine of the present invention having both floating and rotation, it is possible to increase the shaft length ratio (D / L ratio), and to achieve further miniaturization and high versatility. .
この発明によれば、磁気軸受の一種である反発浮上形磁気軸受における省スペース化という問題と、ベアリングレスモータにおける回転損失低減という2つの問題を一挙に解決することができる。 According to the present invention, the two problems of space saving in a repulsive levitation type magnetic bearing, which is a kind of magnetic bearing, and reduction in rotational loss in a bearingless motor can be solved at a time.
尚、反発浮上磁気軸受とは、制御軸数を最小化し安定化する方式であり、構成及び周辺装置の簡素化や低回転損失等の利点を有する。しかしながら、磁気軸受全般に言えることであるが、2箇所の軸受部と1箇所のモータ部が独立するため、軸径に対する軸長の比(D/L比)が小さくなる傾向がある。ベアリングレスモータでは、1箇所乃至2箇所の軸受部がモータと兼用されるために、軸長の比(D/L比)が大きく、装置の小型化を可能にすることができる。しかし、ベアリングレスモータは、回転磁束と同時に支持磁束を発生させる必要があり、この結果、回転体は、常に支持磁束と鎖交することになり、高速で回転するほどこの時の磁束が損失要因となる。これに対して、この発明の反発浮上形磁気軸受の軸受部にモータ機能を付加した磁気反発支持回転機では、高速回転、小型軽量化、低回転損失、高効率化、低環境負荷等を実現することができる。 The repulsive levitation magnetic bearing is a system that minimizes and stabilizes the number of control axes, and has advantages such as simplification of the configuration and peripheral devices and low rotation loss. However, as can be said for magnetic bearings in general, the ratio of the shaft length to the shaft diameter (D / L ratio) tends to be small because two bearing portions and one motor portion are independent. In the bearingless motor, since one or two bearing portions are also used as the motor, the shaft length ratio (D / L ratio) is large, and the apparatus can be miniaturized. However, a bearingless motor needs to generate a supporting magnetic flux at the same time as the rotating magnetic flux. As a result, the rotating body always links with the supporting magnetic flux, and the higher the speed, the more the magnetic flux at this time becomes a cause of loss. It becomes. On the other hand, the magnetic repulsion support rotating machine with the motor function added to the bearing part of the repulsive levitation type magnetic bearing of the present invention realizes high speed rotation, small size and light weight, low rotation loss, high efficiency, low environmental load can do.
以下、必要に応じて図面を参照しながら、この発明の一実施の形態に係る磁気反発支持回転機を説明する。 Hereinafter, a magnetic repulsion support rotating machine according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings as necessary.
図1は、この発明の一実施の形態に係るモータ兼軸受部を内包した磁気反発支持回転機の全体構造を概略的に示している。この図1に示す磁気反発支持回転機は、ベース1を備え、このベース1上に筐体部2が載置固定され、この筐体部2上に更に筐体部3が載置固定されている。筐体部2及び3は、図1においては、別体として描かれているが、一体的な筐体部で構成されても良いことは明らかである。筐体部2内のベース1上には、その周囲に円筒状に突出部8aを有する皿状の筐体部8が筐体部2に嵌合された状態で配置されている。これらベース1、筐体部2、筐体部3及び筐体部8によって回転機の筐体が構成されている。筐体部8の円筒状突出部8aには、円筒状モータ継鉄12が固定され、円筒状突出部8aの内周面には、同様に円筒状モータ巻線11が配置固定されている。このモータ継鉄12は、当然に磁性材料(例えば、鉄)で作られている。
FIG. 1 schematically shows the entire structure of a magnetic repulsion support rotating machine including a motor / bearing portion according to an embodiment of the present invention. The magnetic repulsion support rotating machine shown in FIG. 1 includes a base 1, and a
ベース1及び筐体部8には、筐体の中心軸に沿って配置された点接触用補助軸9の基部が固定されている。点接触用補助軸9は、非磁性材料で作られ、その筐体内先端は、円筒状回転軸10を中心軸上で点接触支持するために半球状に丸め形成され、円筒状回転軸10の内隔壁面に点接触されている。また、点接触用補助軸9は、円筒状ロータ磁石5bに嵌合されている。円筒状回転軸10も同様に非磁性材料で作られ、円筒状回転軸10の内周面には、ロータ磁石5bに間隙を空けて対向されるように円筒状ロータ磁石5aが固定され、円筒状回転軸10の外周面には、円筒状のモータ磁極用磁石7が円筒状モータ巻線11に間隙を空けて対向するように固定されている。モータ磁極用磁石7は、後に説明するように筐体の中心軸の周りに対称に配置された複数の極を有するセグメントから構成され、各セグメントがラジアル方向(半径方向)に着磁され、或いは、各セグメントがラジアル方向(半径方向)及び円周方向に着磁されている。また、円筒状ロータ磁石5a、5bは、後に詳細に説明するように、互いにラジアル方向(半径方向)で反撥するようにその軸方向に着磁されている。円筒状ロータ磁石5a、5b、モータ磁極用磁石7及びモータ巻線11によって磁気反発支持回転部16が構成される。
A base of a point contact
図1に示される磁気反発支持回転部16においては、円筒状回転軸10は、固定された点接触用補助軸9によってスラスト方向(軸方向)において点接触支持され、また、軸方向に着磁された円筒状ロータ磁石5a、5b間に生ずる反発力によって円筒状回転軸10は、ラジアル(半径)方向に軸受支持されている。また、円筒状ロータ磁石5a、5bの外周に配置された円筒状モータ磁極用磁石7及び円筒状モータ巻線11によってモータが構成されている。即ち、図1に示される磁気反発支持回転部10においては、円筒状モータ巻線11から発生される回転磁界に磁石7が同期して円筒状回転軸10が点接触用補助軸9並びに円筒状ロータ磁石5a、5bで軸受け支持されて回転される。
In the magnetic repulsion
円筒状回転軸10には、更に筐体の軸上に配置された回転軸19の基部19aが嵌合固定されてそのフランジ部19bが回転軸10上に載置固定されて両者が一体に連結されている。フランジ部19b上には、磁性材料(例えば、鉄)で作られた円盤状の電磁石吸引板13が載置固定されている。この円盤状の電磁石吸引板13は、回転軸10の周囲を取り囲むように凸状内周リング部13aが設けられるとともにその外周にも凸状外周リング部13bが設けられている。電磁石吸引板13に対向して同様に磁性材料(例えば、鉄)で作られた円盤状の電磁石鉄心14が筐体部3の内面に固定されている。円盤状の電磁石鉄心14の中心部には、挿通孔が設けられ、この挿通孔内を補助軸9が両者間に間隙を設けて延出され、電磁石鉄心14には、リング状の凹部が設けられ、この凹部に電磁石コイル15が格納されている。リング状の凹部の内周側及び外周側には、凸状内周リング部13a及び凸状外周リング部13aに対向される凸状内周及び外周リング部14a、14bが設けられ、リング部13aと対応するリング部14aとの間にギャップが設けられるとともにリング部13bと対応するリング部14bとの間にも同様に間隙が設けられている。これらリング部13a、ギャップ、リング部14a、リング部13b、ギャップ、リング部14Bによって電磁石コイル15の為の磁気回路が構成されている。電磁石コイル15が附勢されると磁束がこの磁気回路を通過される。従って、リング部13a及びリング部14a間並びにリング部13b及びリング部14b間に吸引力が発生されてフランジ部19bが浮上されて点接触用補助軸9、回転軸10及び回転軸19が軸に沿って浮上される。従って、円筒状回転軸10は、点接触用補助軸9によって点接で或いは非接触で点接触補助軸9上に支持される。
The cylindrical
筐体部3の上部開口部内面には、筐体軸に沿って微動可能なリング状の軸方向力調節ネジ4が開口を塞ぐようにリング部材20を介して取り付けられている。軸方向力調節ネジ4の内面には、リング状のステータ磁石6bが取り付けられている。このステータ磁石6bに対向して配置されるようにリング状のロータ磁石6aが回転軸19に固定されている。ロータ磁石6aの外面とステータ磁石6bの内面との間のギャップが設けられ、両者間で生ずるラジアル方向(半径方向)の反発力で回転軸19が筐体の軸上に配置されるように軸支されている。軸方向力調節ネジ4は、その軸方向に移動可能にリング部材20に螺合され、この軸方向力調節ネジ4を軸に沿って移動させることで、互いに対向されるロータ磁石6aの外面とステータ磁石6bの内面との間の対向面積が調整される。従って、対向面積に応じたロータ磁石6aとステータ磁石6b間の反発力が調整される。その結果、軸方向の反発力の微調整により電磁コイル15における定常吸引力の調整が可能となる。従って、軸方向の力(反発力、吸引力、重力)をバランスさせることが可能となる。
A ring-shaped axial
尚、図1に示す磁気反発支持回転機においては、ロータ磁石6a及びステータ磁石6bが構成するラジアル方向軸受けは、磁気反発支持回転部16と同様にモータ磁極用磁石及びモータ巻線が更に設けられて磁気反発支持回転部に構成されても良い。即ち、磁気反発支持回転部16を構成する構造が筐体部3の開口部に設けられても良い。
In the magnetic repulsion support rotating machine shown in FIG. 1, the radial bearing formed by the
図1に示す磁気反発支持回転機では、モータ機能と軸受機能を回転軸に対して同一の垂直面上に配した磁気反発支持回転部16の構造により、その軸長を減少させて軸長の比(軸の径(D)に対する長さ(L)の比:D/L比)を増大させることができる。
In the magnetic repulsion support rotating machine shown in FIG. 1, the structure of the magnetic repulsion
磁気反発支持回転部16の構造について、図2(a)及び(b)を参照してより詳細に説明する。図2(a)は、図1に示した磁気反発支持回転部16の構造を概略的に示し、図2(b)は、比較例としてのベアリングレスモータの基本構造を概略的に示している。尚、図2(a)においては、図面の簡略化を目的として図1に示された軸受9が省略して示されることに注意されたい。
The structure of the magnetic repulsion
図2(a)に示される磁気反発支持回転部16では、永久磁石の反発を利用した軸受部とモータ駆動部とが一体化されている。即ち、この磁気反発支持回転部16における軸受の永久磁石配置では、その内側に軸方向着磁されたロータ磁石5a,5bに相当する2個の円筒形永久磁石MG1、MG2がギャップG1を介して同軸的に配置され、円筒形永久磁石MG2の外側に接着層Bを介して接合されたモータ磁極用の複数枚の扇形永久磁石セグメントで構成される界磁磁極としての円筒形磁石MG3が同軸的に配置されている。モータ用円筒形磁石MG3は、図3(a)〜図3(c)に示されるようにラジアル方向(半径方向、即ち、放射方向)に着磁された扇形永久磁石セグメントで構成され、或いは、半径方向に着磁された扇形永久磁石セグメント及び円周方向に着磁された扇形永久磁石セグメントの組み合わせにより構成される。このモータ用円筒形磁石MG3の外側には、ギャップG2を介して同軸的に固定子側の電機子巻線MCが施され、この電機子巻線MCが回転磁界を発生してモータ軸に連結された円筒形磁石MG3にトルクを与える。この永久磁石配置を利用すると、2個の円筒形永久磁石MG1、MG2の間のギャップG1において、円周方向の磁束密度変化を極めて小さくすることができる。これは超高速回転を実現しようとする場合の磁気的損失を小さくすることを意味する。
In the magnetic repulsion
尚、図2(a)及び(b)においては、斜め格子模様で描かれた領域は、モータ用円筒形磁石MG3が設けられた界磁磁極領域を示し、点線模様で示された領域は、電機子巻線MCが設けられる固定子領域を示し、白色の領域は、ギャップG1、G2の領域を示し、縦横の格子模様は、永久磁石MG1、MG2を示し、灰色で塗られた領域は、界磁鉄心が設けられる領域を示している。また、紙面内及び紙面に垂直な矢印は、電機子巻線MCから発生される磁束の経路を示している。 In FIGS. 2A and 2B, the region drawn with the diagonal lattice pattern indicates the field magnetic pole region where the motor cylindrical magnet MG3 is provided, and the region indicated with the dotted line pattern is The stator region where the armature winding MC is provided is shown, the white region shows the region of the gaps G1, G2, the vertical and horizontal lattice patterns show the permanent magnets MG1, MG2, and the region painted in gray is The area | region where a field iron core is provided is shown. In addition, the arrows in the drawing and perpendicular to the drawing indicate the path of the magnetic flux generated from the armature winding MC.
磁気反発支持回転部16の構造の理解を深める為に比較例としてベアリングレスモータの構造を以下に説明する。
In order to deepen the understanding of the structure of the magnetic repulsion
図2(b)は、ベアリングレスモータの基本構造を示している。ベアリングレスモータの回転子は、図2(b)に示すように界磁鉄心Fの周りに界磁用永久磁石MG4が設けられ、界磁用永久磁石MG4を用いる円筒形或いはリラクタンスを変化させる突極形で構成される。ベアリングレスモータでは、この永久磁石MG4の磁極に対し、回転磁界を作用させてトルクを発生させる。磁気力で回転体として永久磁石MG4を支持するための磁束(支持磁束)は、各座標方向(図2(b)では、矢印で示すように上下もしくは左右)を磁路とするように流れる。即ち、固定子側のモータコイルMCref、ギャップG4、回転体として永久磁石MG4及び界磁鉄心F、ギャップG4、固定子側のモータコイルMCrefという順序で流れることになる。このとき円周方向の磁束密度は大きく変化するため、超高速回転を実現しようとする場合、回転体として永久磁石MG4を縦断する支持磁束が磁気的損失を増大させている。これに対して、図2(a)に示される磁気反発支持回転部16における永久磁石配置では、2個の円筒形永久磁石MG1、MG2の間のギャップG1において、円周方向の磁束密度変化を極めて小さくすることができ、結果として、超高速回転を実現しようとする場合の磁気的損失を小さくすることができる。従って、この原理的な差違に基づいて、図2(a)に示される磁気反発支持回転部16を備えた回転機では、超省電力運転を可能にすることとなる。
FIG. 2B shows the basic structure of the bearingless motor. As shown in FIG. 2B, the rotor of the bearingless motor is provided with a field permanent magnet MG4 around the field iron core F, and a cylinder or reluctance using the field permanent magnet MG4 is changed. Consists of polar shapes. In the bearingless motor, torque is generated by applying a rotating magnetic field to the magnetic poles of the permanent magnet MG4. Magnetic flux (support magnetic flux) for supporting the permanent magnet MG4 as a rotating body with a magnetic force flows so that each coordinate direction (up and down or left and right as indicated by arrows in FIG. 2B) is a magnetic path. That is, the stator side motor coil MCref and the gap G4, and the permanent magnet MG4 and field iron core F as the rotating body, the gap G4, and the stator side motor coil MCref flow in this order. At this time, since the magnetic flux density in the circumferential direction changes greatly, the supporting magnetic flux that vertically cuts through the permanent magnet MG4 as a rotating body increases the magnetic loss when it is intended to realize ultra high-speed rotation. On the other hand, in the permanent magnet arrangement in the magnetic repulsion
図3(a)、(b)及び(c)を参照して磁気反発支持回転部16の種々の構造について説明する。図3(a)、(b)及び(c)に示すように磁気反発支持回転部16では、モータ兼軸受部図2(a)に示すように軸方向に着磁されたネオジ系円筒形永久磁石対MG1,MG2が用意されて、その同極が向くように配置されることで永久磁石MG1,MG2間のギャップに反発力が発生される。永久磁石MG1,MG2は、図面上紙面方向に着磁されている。尚、図3(a)、(b)及び(c)において2重円で示される矢印符号Dは、永久磁石MG1,MG2の磁化方向を示している。
Various structures of the magnetic repulsion
ここでは、内部の円筒形磁石MG1をステータ磁石、外部の円筒形磁石MG2をロータ磁石と称する。図3(a)に示される磁石配置においては、ステータ磁石とロータ磁石とを反発浮上形磁気軸受における軸受部と捉えるとアウターロータ形となっている。ロータ磁石MG2の外周に約1mmのスペーサBを配置し、その外周にモータ磁極用磁石MG3を配置する。モータ磁極用磁石MG3は、ネオジ系であり、中心角45度のものを複数枚設置する。磁極数は、2nであり、全てのモータ磁極用磁石MG3は、ステータ磁石MG1と空間的に直角をなす半径方向の矢印K1、K2、並びに、周方向のK3、K4で示される方向に着磁される。図3(a)に示すステータ磁石MG1では、矢印K1で着磁されたセグメント及び矢印K1とは反対方向の矢印K2で着磁されたセグメントが交互に配列される8枚のセグメントで構成されて8極に着磁されている。図3(b)に示すステータ磁石MG1では、矢印K1で着磁された2枚のセグメント及び矢印K1とは反対方向の矢印K2で着磁された2枚のセグメントが交互に配列される8枚のセグメントで構成されて4極に着磁されている。また、図3(c)に示すステータ磁石MG1では、矢印K1で着磁されたセグメント、矢印K3で着磁されたセグメント、矢印K1とは反対方向の矢印K2で着磁されたセグメント及び矢印K3とは反対方向の矢印K4で着磁されたセグメントが交互に配列される8枚のセグメントで構成されてハルバッハ配列で着磁されている。図3(a)、(b)及び(c)に示されるセグメント配列は、一例であって、磁極用磁石セグメントの中心角や極数はこれに限られるものではなく種々の態様を取ることができる。 Here, the internal cylindrical magnet MG1 is referred to as a stator magnet, and the external cylindrical magnet MG2 is referred to as a rotor magnet. In the magnet arrangement shown in FIG. 3A, when the stator magnet and the rotor magnet are regarded as bearing portions in a repulsive levitation type magnetic bearing, an outer rotor shape is formed. A spacer B of about 1 mm is disposed on the outer periphery of the rotor magnet MG2, and a motor magnetic pole magnet MG3 is disposed on the outer periphery thereof. The motor magnetic pole magnet MG3 is a neodymium system, and a plurality of motor pole magnets having a central angle of 45 degrees are installed. The number of magnetic poles is 2n, and all the motor magnetic pole magnets MG3 are magnetized in the directions indicated by the radial arrows K1 and K2 that are spatially perpendicular to the stator magnet MG1 and the circumferential directions K3 and K4. Is done. The stator magnet MG1 shown in FIG. 3A is composed of eight segments in which a segment magnetized by an arrow K1 and a segment magnetized by an arrow K2 in the direction opposite to the arrow K1 are alternately arranged. It is magnetized to 8 poles. In the stator magnet MG1 shown in FIG. 3 (b), eight segments in which two segments magnetized by the arrow K1 and two segments magnetized by the arrow K2 in the direction opposite to the arrow K1 are alternately arranged. And is magnetized to 4 poles. Further, in the stator magnet MG1 shown in FIG. 3C, the segment magnetized by the arrow K1, the segment magnetized by the arrow K3, the segment magnetized by the arrow K2 in the direction opposite to the arrow K1, and the arrow K3 Is composed of eight segments in which the segments magnetized by the arrow K4 in the opposite direction are alternately arranged and magnetized in a Halbach array. The segment arrangement shown in FIGS. 3A, 3B, and 3C is an example, and the central angle and the number of poles of the magnet segment for magnetic poles are not limited to this, and can take various forms. it can.
図4(a)、(b)及び(c)は、夫々図3(a)、(b)及び(c)に示される磁石MG3を構成する3種類の磁石配列における磁極外周部と内周部の磁束密度分布を示している。図4(a)、(b)及び(c)では、符号MF(1)のグラフは、磁極内周部の磁束密度分を示し、符号MF(2)のグラフは、磁極外周部の磁束密度分を示している。また、この磁束密度分のグラフでは、ロータ磁石MG1及びステータ磁石MG2は装填されていないものとして磁束密度分布を示している。これらの結果から、磁束密度は、磁極外周部のほうが大きい値となる他、ハルバッハ配列において磁束がなめらかに変化するとともに、内周部と外周部の磁束密度差が大きく、特に内周部において磁束密度が低くなり、円筒形永久磁石対に与える影響が小さいことを意味している。ハルバッハ配列は磁束の広がりを抑える効果を持つため、ロータ及びステータ両磁石MG1、MG2も軸方向にハルバッハ配列にする構成も考えられる。 FIGS. 4A, 4B, and 4C are a magnetic pole outer peripheral portion and an inner peripheral portion in three types of magnet arrangements that constitute the magnet MG3 shown in FIGS. 3A, 3B, and 3C, respectively. The magnetic flux density distribution is shown. In FIGS. 4A, 4B, and 4C, the graph of MF (1) indicates the magnetic flux density of the magnetic pole inner periphery, and the graph of MF (2) indicates the magnetic flux density of the magnetic pole outer periphery. Showing minutes. In the graph of the magnetic flux density, the magnetic flux density distribution is shown on the assumption that the rotor magnet MG1 and the stator magnet MG2 are not loaded. From these results, the magnetic flux density is larger at the outer peripheral part of the magnetic pole, and the magnetic flux changes smoothly in the Halbach array, and the difference in magnetic flux density between the inner peripheral part and the outer peripheral part is large, especially in the inner peripheral part. This means that the density is low and the influence on the cylindrical permanent magnet pair is small. Since the Halbach array has an effect of suppressing the spread of magnetic flux, a configuration in which both the rotor and stator magnets MG1 and MG2 are arranged in the Halbach array in the axial direction is also conceivable.
図5(a)及び(b)は、図3(b)及び(c)に示されるモータ兼軸受部におけるギャップG1の付近(ロータ磁石MG2とステータ磁石MG1との間)での磁束密度分布を軸方向から測定したものである。図5(a)及び(b)に示されるように、ギャップG1の付近での磁束密度に空間的な乱れは小さく、特に、図5(b)に示されるようにハルバッハ配列の場合は極めて小さい。ロータ−ステータ間ギャップG1で磁束密度が均一であるとき、原理的に磁気的損失がゼロであるため、超省電力運転を可能にすることとなる。 5 (a) and 5 (b) show the magnetic flux density distribution in the vicinity of the gap G1 (between the rotor magnet MG2 and the stator magnet MG1) in the motor / bearing portion shown in FIGS. 3 (b) and 3 (c). It is measured from the axial direction. As shown in FIGS. 5A and 5B, the spatial disturbance is small in the magnetic flux density in the vicinity of the gap G1, and particularly in the case of the Halbach array as shown in FIG. 5B. . When the magnetic flux density is uniform in the rotor-stator gap G1, in principle, the magnetic loss is zero, so that super-power-saving operation is enabled.
本発明は、既存技術としての反発浮上式磁気軸受とベアリングレスモータの概念を混合したものであり、両者の利点を有する回転機を実現することができる。近年のベアリングレスモータの技術進展は目覚ましい。既存の磁気吸引式ベアリングレスモータと同様に単なる回転機からベアリングレス化される本発明もその後の研究発展性は大いに期待できる。 The present invention is a mixture of the concepts of a repulsive levitation type magnetic bearing and a bearingless motor as existing technologies, and a rotating machine having the advantages of both can be realized. Recent advances in bearingless motor technology are remarkable. The present invention in which the bearingless is used instead of a mere rotating machine like the existing magnetic attraction type bearingless motor can be greatly expected for research development thereafter.
また、本発明の対象は、省電力高速回転に適しており、モータ関連企業、精密機器・情報機器を取り扱う企業で利用される可能性が高い。また、特殊雰囲気中での使用が可能であり、また、回転子固定子間距離が比較的広い軸受方式であることなどから、ポンプ関連企業での利用可能性も高いと考えられる。 The subject of the present invention is suitable for power-saving high-speed rotation, and is likely to be used by motor-related companies and companies handling precision equipment and information equipment. In addition, it can be used in a special atmosphere, and since it is a bearing system with a relatively large distance between the rotor and the stator, it is considered highly available in pump-related companies.
1...ベース、2、3...筐体部、5a、5b...ロータ磁石、7...モータ磁極用磁石、8...皿状筐体部、9...点接触用補助軸、10...円筒状回転軸、11...モータ巻き線、12...円筒状モータ継鉄、16...磁気反発支持回転部、19...回転軸、20...リング部材 1. . . Base, 2,3. . . Case part, 5a, 5b. . . 6. a rotor magnet; . . 7. Motor pole magnet, . . 8. a dish-shaped housing part; . . 9. Auxiliary shaft for point contact . . A cylindrical rotating shaft; 11. . . Motor windings, 12. . . Cylindrical motor yoke, 16. . . 18. Magnetic repulsion support rotation unit, . . Rotation axis, 20. . . Ring member
Claims (4)
この固定軸に対して同軸的に第1のギャップを介して配置される円筒状の回転子であって、前記第1の永久磁石に対向配置された内面を有し、前記軸方向に着磁されて前記第1の永久磁石との間に反発力を生じる第2の永久磁石及びこの第2の永久磁石の外周に一体的に設けられ、略半径方向に着磁された複数の磁極を有する第3の永久磁石から構成される回転子と、
この回転子の周りに第2のギャップを介して配置され、前記第2の永久磁石に対して回転磁界を発生するコイルを有する固定子と、
を具備することを特徴とする磁気反発支持回転機。 A fixed shaft made of a cylindrical or cylindrical first permanent magnet magnetized in the axial direction;
A cylindrical rotor arranged coaxially with respect to the fixed shaft via a first gap, having an inner surface arranged to face the first permanent magnet and magnetized in the axial direction And a second permanent magnet that generates a repulsive force with the first permanent magnet, and a plurality of magnetic poles that are integrally provided on the outer periphery of the second permanent magnet and are magnetized in a substantially radial direction. A rotor composed of a third permanent magnet;
A stator having a coil disposed around the rotor via a second gap and generating a rotating magnetic field with respect to the second permanent magnet;
A magnetic repulsion support rotating machine comprising:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005243618A JP4923238B2 (en) | 2005-08-25 | 2005-08-25 | Magnetic repulsion support rotating machine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005243618A JP4923238B2 (en) | 2005-08-25 | 2005-08-25 | Magnetic repulsion support rotating machine |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2007060818A true JP2007060818A (en) | 2007-03-08 |
JP4923238B2 JP4923238B2 (en) | 2012-04-25 |
Family
ID=37923774
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005243618A Active JP4923238B2 (en) | 2005-08-25 | 2005-08-25 | Magnetic repulsion support rotating machine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4923238B2 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102007037186B3 (en) * | 2007-08-07 | 2008-10-30 | Muammer Yildiz | Device for generation of magnetic alternating field, has outer stator which has dipole magnets arranged on lateral surface of circular cylinder, where dipole magnets are evenly distributed on lateral surface |
JP2010523895A (en) * | 2007-04-12 | 2010-07-15 | スウェイ エー/エス | Turbine rotor and power plant |
JP2016163495A (en) * | 2015-03-04 | 2016-09-05 | 国立大学法人東京工業大学 | Dynamo-electric motor and dynamo-electric motor system |
JP2016178801A (en) * | 2015-03-20 | 2016-10-06 | 株式会社Ihi | Switched reluctance rotary machine and rotary device |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0937512A (en) * | 1995-07-17 | 1997-02-07 | Ricoh Co Ltd | Dynamic pressure bearing motor and its manufacture |
JPH09322473A (en) * | 1996-05-29 | 1997-12-12 | Samsung Electro Mech Co Ltd | Spindle motor of which rotary shaft having magnetic bearings rotates |
JPH10174363A (en) * | 1996-12-04 | 1998-06-26 | Samsung Electron Co Ltd | Motor |
JP2005045984A (en) * | 2003-07-25 | 2005-02-17 | Yaskawa Electric Corp | Rotor for permanent magnet synchronous motor |
-
2005
- 2005-08-25 JP JP2005243618A patent/JP4923238B2/en active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0937512A (en) * | 1995-07-17 | 1997-02-07 | Ricoh Co Ltd | Dynamic pressure bearing motor and its manufacture |
JPH09322473A (en) * | 1996-05-29 | 1997-12-12 | Samsung Electro Mech Co Ltd | Spindle motor of which rotary shaft having magnetic bearings rotates |
JPH10174363A (en) * | 1996-12-04 | 1998-06-26 | Samsung Electron Co Ltd | Motor |
JP2005045984A (en) * | 2003-07-25 | 2005-02-17 | Yaskawa Electric Corp | Rotor for permanent magnet synchronous motor |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010523895A (en) * | 2007-04-12 | 2010-07-15 | スウェイ エー/エス | Turbine rotor and power plant |
DE102007037186B3 (en) * | 2007-08-07 | 2008-10-30 | Muammer Yildiz | Device for generation of magnetic alternating field, has outer stator which has dipole magnets arranged on lateral surface of circular cylinder, where dipole magnets are evenly distributed on lateral surface |
JP2016163495A (en) * | 2015-03-04 | 2016-09-05 | 国立大学法人東京工業大学 | Dynamo-electric motor and dynamo-electric motor system |
JP2016178801A (en) * | 2015-03-20 | 2016-10-06 | 株式会社Ihi | Switched reluctance rotary machine and rotary device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP4923238B2 (en) | 2012-04-25 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6703735B1 (en) | Active magnetic thrust bearing | |
JP2005127222A (en) | Magnetic levitating pump | |
KR20040101572A (en) | Rotary electric motor having at least two axially air gaps separating stator and rotor segments | |
MX2008001723A (en) | Dc induction electric motor generator. | |
JP2002354767A (en) | Magnetic levitation motor | |
EP1509989A1 (en) | Rotary electric motor having a plurality of skewed stator poles and/or rotor poles | |
JP2008154451A (en) | Electric motor equipped with hybrid bearing | |
JP2008193760A (en) | Linear motor | |
US7847453B2 (en) | Bearingless step motor | |
CN102843015A (en) | Linearly-rotating two-degrees-of-freedom magnetic levitation bearing-free permanent magnetic actuator | |
US6727629B1 (en) | Rotary electric motor having a plurality of shifted stator poles and/or rotor poles | |
JP2005121157A (en) | Magnetic bearing and motor device for artificial heart | |
CN101737425A (en) | Monostable radial magnetic bearing with low power consumption and zero gravity action | |
JP4923238B2 (en) | Magnetic repulsion support rotating machine | |
JPH1182510A (en) | Bearing system and brushless dc motor using same | |
JP2014003832A (en) | Stepping motor, lens device and imaging apparatus | |
KR101194909B1 (en) | Dual coil bobbin and spherical motor having the same | |
KR20050004288A (en) | Rotary electric motor having a plurality of shifted stator poles and/or rotor poles | |
JP7409882B2 (en) | Magnetic field generator and magnetic gear | |
JP4201317B2 (en) | Rotating deflection apparatus, optical writing apparatus using the same, and laser scanning display | |
JP2015528276A (en) | Actuator consisting of two magnetic bearing motors | |
JP2005529575A (en) | Rotating permanent magnet type electric motor with varying air gap between interacting stator and rotor elements | |
CN114198403B (en) | Five-degree-of-freedom hybrid magnetic bearing | |
CN209892623U (en) | Axial radial electromagnetic magnetic bearing | |
CN102297202B (en) | Single shaft controlled type five-degrees-of-freedom (DOF) miniature magnetic bearing |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20080709 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20100812 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20101005 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20101203 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20110607 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20110805 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20120110 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |