JP2009065746A - キャンドモータ駆動システム - Google Patents

Abstract

【課題】低速で高トルク特性を実現し、新しい応用分野に利用できるキャンドモータ駆動システムを提供する。
【解決手段】キャンドモータ11を５００min^-1以下の低速回転で連続的かつ定常的運転が可能な構成とする。キャンドモータ11は、回転子27の極数を８極以上とし、回転子鉄心25内に永久磁石26を埋め込み、固定子19および回転子27の対向面にそれぞれ非磁性体のキャン21，29をレーザー溶接して構成する。高トルク特性を有する径の大きなキャンドモータ11を実現できるとともに、キャン29と回転子27の外周面との密着度がよく、品質的に安定したキャンドモータ11を実現できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、可変速で運転制御可能なキャンドモータ駆動システムに関する。

従来、可変速で運転制御可能なキャンドモータ駆動システムは、ブラシレス直流モータのようなキャンドモータでポンプを駆動する用途に用いられているものがあった（例えば、特許文献１参照。）。

このようなポンプの駆動に用いられるキャンドモータでは、例えば３６００min^-1程度の遠心ポンプに適した回転速度を基準としていた。
特開平６−２５３４９１号公報（第２−３頁、図４）

従来のブラシレス直流モータのようなキャンドモータでは、３６００min^-1程度の回転速度を基準にしていたため、例えば５００min^-1以下のような非常に低速の用途では、十分なトルクが出せなかった。そのため、例えば、高粘度の流体を攪拌する場合には効果的な攪拌ができなかった。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、低速で高トルク特性を実現し、新しい応用分野に利用できるキャンドモータ駆動システムを提供することを目的とする。

請求項１記載のキャンドモータ駆動システムは、固定子鉄心と固定子巻線を有する固定子、および回転子鉄心と永久磁石を有する回転子を備え、前記固定子および回転子にそれぞれ非磁性体のキャンを被せた構造を有するキャンドモータと、このキャンドモータを可変速で運転制御可能な駆動回路とを備えたキャンドモータ駆動システムであって、前記キャンドモータを５００min^-1以下の低速回転で連続的かつ定常的運転が可能な構成としたものである。

請求項２記載のキャンドモータ駆動システムは、請求項１記載のキャンドモータ駆動システムにおいて、キャンドモータは、回転子の極数が８極以上で、回転子鉄心内に永久磁石を埋め込み、固定子および回転子の対向面にそれぞれ非磁性体のキャンを溶接して構成したものである。

請求項３記載のキャンドモータ駆動システムは、請求項１または２記載のキャンドモータ駆動システムにおいて、キャンドモータの固定子は、固定子巻線が固定子鉄心の固定子歯部毎に集中して巻装される集中巻方式で構成したものである。

請求項１記載のキャンドモータ駆動システムによれば、キャンドモータを５００min^-1以下の低速回転で連続的かつ定常的運転が可能な構成としたので、低速で高トルク特性を実現し、新しい応用分野に利用できる。

請求項２記載のキャンドモータ駆動システムによれば、請求項１記載のキャンドモータ駆動システムの効果に加えて、キャンドモータは、回転子の極数が８極以上で、回転子鉄心内に永久磁石を埋め込み、固定子および回転子の対向面にそれぞれ非磁性体のキャンを溶接して構成しているため、高トルク特性を有する径の大きなキャンドモータを実現でき、さらに、キャンと回転子の外周面との密着度がよく、品質的に安定したキャンドモータを実現できる。

請求項３記載のキャンドモータ駆動システムによれば、請求項１または２記載のキャンドモータ駆動システムの効果に加えて、固定子巻線を固定子鉄心の固定子歯部毎に集中巻方式にて巻装しているため、軸方向の長さが小さく、小形かつ軽量で安価なキャンドモータを実現できる。

以下、本発明の一実施の形態を、図１および図２を参照して説明する。

図１および図２において、キャンドモータ11は、ブラシレス直流モータ構造が用いられ、固定子組立12と回転子組立13とを組み合わせて構成されている。

固定子組立12は、複数枚の珪素鋼板を積層した固定子鉄心16に設けられた複数の固定子歯部17毎に固定子巻線18が集中巻方式により巻装されて構成される固定子19を有している。この固定子19が固定子枠20内に装着され、この固定子19の内周面に例えばステンレスなどの非磁性体で薄肉円筒状に形成されたキャンとしての固定子キャン21が密着挿入されているとともに、この固定子キャン21の両端縁が固定子枠20に溶着され、固定子19が固定子キャン21で覆われている。この固定子キャン21の周囲には、固定子キャン21を補強する補強環22が装着されている。

また、回転子組立13は、複数枚の珪素鋼板を積層した回転子鉄心25の周辺部近傍に設けられた空孔部25aに着磁済の永久磁石26がＩＰＭ（Interior Permanent Magnetic）方式にて埋め込み配置されて構成される回転子27を有している。この回転子27の両端面には側板28が配置され、回転子27の外周面に例えばステンレスなどの非磁性体で薄肉円筒状に形成されたキャンとしての回転子キャン29が密着挿入され、この回転子キャン29の両端縁が両側板28にレーザー溶接にて溶着され、回転子27が回転子キャン29で覆われている。場合によっては、回転子キャン29は、回転子鉄心25の珪素鋼板とも溶接される場合もある。このことによって、回転子キャン29が回転子鉄心25の外周面とより密着度よく接合され、凹凸が少ない、形状的に安定した回転子外形となる。

回転子27の中心には回転軸30が挿入されて固着されている。回転軸30の一端の負荷側（負荷に連結される側をいう）および他端の反負荷側には、スラストカラー31，32およびスリーブ33，34がそれぞれ装着され、これらスラストカラー31，32およびスリーブ33，34が回転軸30の各端部に螺着されるボルト35，36により押え板37，38を介して固定されている。

そして、固定子19および回転子27は、比較的大径に形成されており、その極数は、８極以上で、例えば１６極に形成されている。なお、固定子19には、回転子27の位相から回転子27の回転位置を検知してキャンドモータ11の運転を制御するための例えばホール素子などのセンサを取り付けてもよい。

また、固定子組立12の両端に軸受枠40，41が取り付けられ、これら軸受枠40，41に装着された軸受42，43により回転子組立13の回転軸30がスラストカラー31，32およびスリーブ33，34を介して回転自在に支持されている。

これにより、固定子組立12の内側に回転子組立13が組み込まれ、固定子キャン21と回転子キャン29とがキャン隙間46を介して対向配置されている。回転軸30の負荷側は軸受枠40より突出され、負荷側の例えば攪拌翼などが連結される。

また、キャンドモータ11の固定子巻線18には固定子枠20を挿通するケーブル50を介して駆動回路51に接続され、駆動回路51には電源が供給される。駆動回路51は、キャンドモータ11を５００min^-1以下の低速回転で連続的かつ定常的運転するように構成されている。

そして、キャンドモータ11と駆動回路51とで、キャンドモータ駆動システムが構成されている。

次に、キャンドモータ11の運転について説明する。

駆動回路51から周波数可変の電力がキャンドモータ11の固定子巻線18に供給され、回転子27が回転する。回転子27の回転によって一体になっている回転軸30が回転し、この回転軸30に連結されている機械、例えば攪拌翼が回転する。なお、固定子19に回転子27の位置検知用の図示しないセンサを配置している場合には、このセンサからの信号に基づいて駆動回路51から周波数可変の電力がキャンドモータ11に供給され、キャンドモータ11の運転を制御する。

キャンドモータ11は、通常、取扱い液の中で運転される。固定子19、回転子27で発生する熱を熱伝導が優れた取扱い液で冷却できる反面、回転子27が取扱い液を攪拌することによる機械損は大きくなる。

本実施の形態のようなキャンドモータ11は、寸法的に大きな径の機械となるので、５００min^-1を超えるような高速回転で運転すると、回転子27の近傍で取扱い液を攪拌することによる機械損が増加して効率的な運転ができなくなる。特に、取扱い液が高粘度液の場合は、その傾向が著しい。

したがって、本実施の形態のようなキャンドモータ駆動システムにおいては、５００min^-1以下の低速回転で連続的かつ定常的運転が行なわれるようなキャンドモータ駆動システムが採用されている。

その１つが、キャンドモータ11の極数を８極以上の多極とすることによって、その運転周波数が商用周波数とは大幅に変わらない範囲に留めることである。例えば、極数が８極で、回転速度が５００min^-1の場合、その周波数は３３．３Ｈｚであって、汎用のインバータ等で広く採用されている可変周波数範囲であり、標準的な駆動回路を採用でき、低廉で、制御性能的に安定した特性を有するキャンドモータ駆動システムを実現できる。

運転周波数が商用周波数より極端に高い場合には、キャン21，29での渦電流損が増加し、キャンドモータ駆動システムの運転効率を低下させるので得策ではない。

極数については、次のような利点もある。回転子27の大径化に伴って、極数を８極以上とすることで、永久磁石26の１個当りの大きさおよび質量が取り扱いに適した範囲となる。高トルク特性を実現するために大径化しても、極数を８極以上とすることで、永久磁石26の１個の大きさおよび質量を最適化し、組立に際しての取り扱い易さを実現できる。

また、回転子27の永久磁石26を回転子鉄心25内に埋め込み配置しているため、回転子27を大径化しても、永久磁石26の位置精度を高めることができ、また、回転子鉄心25と回転子キャン29との密着性を高めることができる。しかも、リラクタンストルクが発生し、高トルクを得ることができる。

また、従来のアーク溶接による溶接技術では、永久磁石の磁力の影響でアークが曲げられて溶接できなかったため、無着磁の永久磁石を使用して回転子組立を製作した後、着磁設備にて回転子組立の永久磁石を着磁している。そのため、回転子組立が大径化し、永久磁石のサイズも大きくなると、着磁のための電源や着磁ヨークが大きくなり過大な製造設備が必要となっている。しかし、非磁性体の回転子キャン29をレーザー溶接により回転子27に溶着する際、レーザーは磁気の影響を受けないので、着磁済みの永久磁石26を用いて回転子27を組み立てることができる。したがって、非磁性体の回転子キャン29をレーザー溶接により回転子27に溶着する製造方法によって、単体で着磁した永久磁石26を回転子27に組み込んだ後に回転子キャン29をレーザー溶接して組み立てることができ、着磁のための過大な設備も必要なくなり、安価で短納期のキャンドモータ11を提供できる。

また、固定子巻線18は、固定子鉄心16の固定子歯部17毎に集中巻方式にて巻装しているため、固定子19を大径化しても、固定子19の径寸法に関係なく軸方向寸法が長くならず、モータサイズが大きくなるのを抑えることができる。

また、駆動回路51は、可変周波数をキャンドモータ11に供給する機能を有して運転制御するため、例えば、キャンドモータ11を攪拌機の駆動に使用した場合、攪拌する取扱い液の量や粘度等の条件に最も適した回転速度とするなど、負荷に適した回転速度でキャンドモータ11を運転できる。

また、永久磁石26を有する回転子27には、誘導機に比べて極端に少ない損失しか発生しないので、熱影響を受けると好ましくない取扱い液に対しても適用でき、取扱い液の種類についてその自由度が高くなる。

これまで説明してきたキャンドモータ11は、回転子27が固定子19の内側に配置される形式であるインナーロータ形のキャンドモータ11について説明してきたが、回転子27が固定子19の外側に配置される形式であるアウターロータ形のキャンドモータ、または、回転軸30に対して直角方向に対向して固定子19、回転子27が配置される形式であるアキシャルギャップ形のキャンドモータに対しても同様なキャンドモータ駆動システムを構成できる。

さらに、径が大きくなるキャンドモータ11において、その固定子歯部17毎に分割して、固定子巻線18を集中巻して構成する固定子構造に構成してもよい。

また、このキャンドモータ駆動システムは、高粘度流体の攪拌や輸送など、新しい応用分野に利用できる。

本発明の一実施の形態を示すキャンドモータ駆動システムにおけるキャンドモータの断面図である。 同上キャンドモータのＡ−Ａ断面図である。

符号の説明

11 キャンドモータ
16 固定子鉄心
17 固定子歯部
18 固定子巻線
19 固定子
21 キャンとしての固定子キャン
25 回転子鉄心
26 永久磁石
27 回転子
29 キャンとしての回転子キャン
51 駆動回路

Claims (3)

1. 固定子鉄心と固定子巻線を有する固定子、および回転子鉄心と永久磁石を有する回転子を備え、前記固定子および回転子にそれぞれ非磁性体のキャンを被せた構造を有するキャンドモータと、このキャンドモータを可変速で運転制御可能な駆動回路とを備えたキャンドモータ駆動システムであって、
   前記キャンドモータを５００min^-1以下の低速回転で連続的かつ定常的運転が可能な構成とした
   ことを特徴とするキャンドモータ駆動システム。
2. キャンドモータは、回転子の極数が８極以上で、回転子鉄心内に永久磁石を埋め込み、固定子および回転子の対向面にそれぞれ非磁性体のキャンを溶接して構成した
   ことを特徴とする請求項１記載のキャンドモータ駆動システム。
3. キャンドモータの固定子は、固定子巻線が固定子鉄心の固定子歯部毎に集中して巻装される集中巻方式で構成した
   ことを特徴とする請求項１または２記載のキャンドモータ駆動システム。

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