JP2015220773A - Bearingless motor - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a bearingless motor capable of being applied to a location with a small installation space by achieving miniaturization in a rotation shaft direction while miniaturizing a device including a drive circuit.SOLUTION: A bearingless motor 1 comprises: a rotor 2 that can rotate around a rotation shaft; and a stator 3 that supports only one end side of both ends in a rotation shaft direction of the rotor 2, by a magnetic force. The rotor 2 has: a shaft member 24 magnetized in the rotation shaft direction; and a plurality of motor magnets 25 arranged along an outer periphery of the shaft member 24. The stator 3 has: a shaft member 32 that is a hollow-shaped member magnetized in the rotation shaft direction, and that houses at least a part of the shaft member 24 therein; and a plurality of coils 33 opposed to the motor magnets 25 in the rotation shaft direction, and divided and provided along the outer periphery of the shaft member 32.

Description

本発明は、回転子が磁気浮上することにより非接触で支持されたベアリングレスモータに関するものである。   The present invention relates to a bearingless motor that is supported in a non-contact manner by a magnetic levitation of a rotor.

従来から、回転子が磁気浮上することにより非接触で支持されるベアリングレスモータが知られている。多くのベアリングレスモータは、固定子に施された回転制御用のコイルに加え、磁気浮上用のコイルが設けられている。この磁気浮上用のコイルに電流が流されることにより、回転子と固定子との間のギャップにおける磁束密度を不均衡にすることで回転子の半径方向に磁気力が作用される。さらに、回転子の半径方向の変位がセンサで計測され、その計測結果を基に磁気力が調整されることで、回転子の半径方向の2自由度運動が能動的に制御される。このようなベアリングレスモータは、摩擦力が生じない、摩耗粉が発生しにくいなどの利点があり、半導体製造工程や医療分野において使用される各種ポンプ、人工衛星に内蔵されるリアクションホイール、及び冷却ファン等への応用が期待されている。   Conventionally, a bearingless motor that is supported in a non-contact manner by a magnetic levitation of a rotor is known. Many bearingless motors are provided with a magnetic levitation coil in addition to a rotation control coil applied to the stator. When a current is passed through the magnetic levitation coil, a magnetic force is applied in the radial direction of the rotor by making the magnetic flux density in the gap between the rotor and the stator unbalanced. Further, the displacement in the radial direction of the rotor is measured by a sensor, and the magnetic force is adjusted based on the measurement result, whereby the two-degree-of-freedom motion in the radial direction of the rotor is actively controlled. Such a bearingless motor has advantages such as no frictional force and less generation of wear powder, various pumps used in the semiconductor manufacturing process and medical field, reaction wheels built into satellites, and cooling. Application to fans is expected.

下記特許文献1には、ベアリングレスモータを用いた電磁機械の構成の一例が記載されている。この電磁機械は、2機の従来のベアリングレスモータとスラスト軸部材とが組み合わされており、回転子の主軸に沿ってz軸、主軸に垂直な方向に沿ってx、y軸を設定したときに、x、y、z、θx、θyの方向の5自由度運動を制御可能な構成を有している。   The following Patent Document 1 describes an example of a configuration of an electromagnetic machine using a bearingless motor. This electromagnetic machine is a combination of two conventional bearingless motors and a thrust shaft member. When the z axis is set along the main axis of the rotor and the x and y axes are set along the direction perpendicular to the main axis In addition, it has a configuration capable of controlling a five-degree-of-freedom motion in the directions of x, y, z, θx, and θy.

特開2009−192041号号公報JP 2009-192041 A

上述した従来の5自由度制御型の電磁機械では、5自由度制御及び回転制御用にインバータが4台、磁気力のフィードバック制御のために回転子の変位を検出する変位センサが最低5個必要である。その結果、装置の大型化を招きやすい。また、ベアリングレスモータ自体の大きさ、特に回転軸方向への大きさが障壁となり、設置スペースが比較的小さい場所に装置を適用することができない場合がある。   In the conventional 5-degree-of-freedom control type electromagnetic machine described above, 4 inverters are required for 5-degree-of-freedom control and rotation control, and at least 5 displacement sensors are required to detect the displacement of the rotor for feedback control of magnetic force. It is. As a result, the size of the apparatus tends to increase. In addition, the size of the bearingless motor itself, particularly the size in the direction of the rotation axis, becomes a barrier, and the device may not be applied to a place where the installation space is relatively small.

そこで、本発明はかかる課題に鑑みて為されたものであり、駆動回路を含めた装置の小型化を図ることを可能としながら、且つ、回転軸方向への小型化を実現することにより設置スペースが小さい場所にも適用することが可能なベアリングレスモータを提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of such problems, and it is possible to reduce the size of the device including the drive circuit, and to realize the downsizing in the direction of the rotation axis, thereby reducing the installation space. An object of the present invention is to provide a bearingless motor that can be applied to a small space.

上記課題を解決するため、本発明のベアリングレスモータは、回転軸周りに回転可能な回転子と、回転子の回転軸方向における両端のうち、一端側のみを磁気力により支持する固定子と、を備え、回転子は、回転軸方向に磁化された第1の軸部材と、第1の軸部材の外周に沿って複数配列された永久磁石と、を有し、固定子は、回転軸方向に磁化された中空形状の軸部材であって、内部に第1の軸部材の少なくとも一部を収容する第2の軸部材と、永久磁石と回転軸方向において対向し、第2の軸部材の外周に沿って複数分割して設けられたコイルと、を有することを特徴とする。   In order to solve the above problems, a bearingless motor of the present invention includes a rotor that can rotate around a rotation axis, and a stator that supports only one end side by magnetic force among both ends in the rotation axis direction of the rotor, And the rotor includes a first shaft member magnetized in the direction of the rotation axis, and a plurality of permanent magnets arranged along the outer periphery of the first shaft member, and the stator is in the direction of the rotation axis. A hollow shaft member magnetized to the second shaft member, the second shaft member accommodating at least a part of the first shaft member therein, and the permanent magnet facing the permanent magnet in the direction of the rotation axis, And a coil provided by being divided into a plurality along the outer periphery.

このようなベアリングレスモータでは、固定子によって回転子の一端側のみが支持される。そのため、例えば回転子の両端を固定子が支持する構成と比較して、回転軸方向に小形とできる。また、回転軸方向をZ軸方向、Z軸に垂直な方向をX軸方向及びY軸方向とした場合に、X軸方向、Y軸方向、X軸を中心にしたθx方向、及びY軸を中心にしたθy方向の回転子の4自由度運動は、第2の軸部材の内部に第1の軸部材が収容された(第1の軸部材が第2の軸部材に囲まれた)部分の第1の軸部材と第2の軸部材との磁気結合により、受動的に抑制される。例えば、回転子の一端側のみを固定子によって支持する構成において、回転軸方向で対向する回転子側の軸部材と固定子側の軸部材との磁気結合により回転子の運動を制御する場合には、回転子側及び固定子側の軸部材の外径不一致等を理由として、回転子の変位(X軸方向及びY軸方向)及び傾き(θx方向及びθy方向)が相互に作用を及ぼし合い、変位量及び傾き量が大きくなることによって、回転子の4自由度運動の受動的な抑制が十分に図れないおそれがある。この点、第1の軸部材が第2の軸部材に収容された(囲まれた)構成では、上述した軸部材の外径不一致等を理由とした変位量及び傾き量の増大が問題となり難く、第1の軸部材と第2の軸部材との磁気結合により、回転子の4自由度運動を適切に抑制できる。併せて、回転子の回転軸方向の運動は、永久磁石と対向する複数のコイルに流す励磁電流を調整することにより能動的に制御されると同時に、複数のコイルの励磁電流を制御することにより回転子が回転駆動される。これにより、能動的に制御する対象の運動方向を最小の1自由度に低減することができ、ベアリングレスモータに接続するインバータや内蔵する変位センサの数を削減することができる。以上より、本発明によれば、駆動回路を含めた装置の小型化を図ることを可能としながら、且つ、回転軸方向への小型化を実現することにより設置スペースが小さい場所にも適用することができるベアリングレスモータを提供することができる。   In such a bearingless motor, only one end side of the rotor is supported by the stator. Therefore, for example, compared with the structure which a stator supports the both ends of a rotor, it can be made small in a rotating shaft direction. Further, when the rotation axis direction is the Z-axis direction and the directions perpendicular to the Z-axis are the X-axis direction and the Y-axis direction, the X-axis direction, the Y-axis direction, the θx direction centered on the X-axis, and the Y-axis are The four-degree-of-freedom motion of the rotor in the θy direction at the center is a portion in which the first shaft member is accommodated in the second shaft member (the first shaft member is surrounded by the second shaft member). This is passively suppressed by the magnetic coupling between the first shaft member and the second shaft member. For example, in a configuration in which only one end of the rotor is supported by the stator, the movement of the rotor is controlled by magnetic coupling between the rotor-side shaft member and the stator-side shaft member that are opposed in the rotation axis direction. The rotor displacement and the stator side shaft member have different outer diameters, etc., so that the rotor displacement (X-axis direction and Y-axis direction) and inclination (θx direction and θy direction) interact with each other. As the amount of displacement and the amount of tilt increase, passive suppression of the 4-degree-of-freedom movement of the rotor may not be sufficiently achieved. In this regard, in the configuration in which the first shaft member is accommodated (enclosed) in the second shaft member, an increase in the displacement amount and the inclination amount due to the above-described mismatch in the outer diameter of the shaft member is less likely to be a problem. The four-degree-of-freedom motion of the rotor can be appropriately suppressed by the magnetic coupling between the first shaft member and the second shaft member. At the same time, the movement of the rotor in the direction of the rotation axis is actively controlled by adjusting the excitation current flowing through the plurality of coils facing the permanent magnet, and at the same time, by controlling the excitation current of the plurality of coils. The rotor is driven to rotate. As a result, the direction of motion of the object to be actively controlled can be reduced to a minimum of one degree of freedom, and the number of inverters connected to the bearingless motor and the number of built-in displacement sensors can be reduced. As described above, according to the present invention, it is possible to reduce the size of the device including the drive circuit, and to apply to a place where the installation space is small by realizing the size reduction in the rotation axis direction. It is possible to provide a bearingless motor capable of achieving the above.

また、本発明のベアリングレスモータでは、固定子が、回転子の回転軸方向における下端を非接触で支持してもよい。固定子が下側から回転子を支持することにより、永久磁石とコイルとの間で発生するローレンツ力に基づく支持力によって、回転子の回転軸方向の支持を適切に行うことができる。   In the bearingless motor of the present invention, the stator may support the lower end of the rotor in the direction of the rotation axis in a non-contact manner. When the stator supports the rotor from the lower side, the rotor can be appropriately supported in the direction of the rotation axis by the support force based on the Lorentz force generated between the permanent magnet and the coil.

また、本発明のベアリングレスモータでは、第1の軸部材が、棒状の磁石から構成されており、第2の軸部材が、円筒状の磁石から構成されていてもよい。このような構成により、第1の軸部材を第2の軸部材に確実且つ容易に収容することができる。   In the bearingless motor of the present invention, the first shaft member may be composed of a rod-shaped magnet, and the second shaft member may be composed of a cylindrical magnet. With such a configuration, the first shaft member can be reliably and easily accommodated in the second shaft member.

また、本発明のベアリングレスモータでは、永久磁石の極数が6極であり、コイルのスロット数が9スロットであってもよい。6極9スロット構成とされることにより、回転子の回転軸方向の運動及び回転駆動をより確実に制御することができる。   In the bearingless motor of the present invention, the permanent magnet may have 6 poles and the coil may have 9 slots. By adopting the 6-pole 9-slot configuration, it is possible to more reliably control the movement and rotational driving of the rotor in the rotational axis direction.

また、本発明のベアリングレスモータでは、コイル内には、ホール素子が配置されていてもよい。このようなホール素子によって、永久磁石が発生する磁界を電圧として出力することが可能となり、回転子のZ軸方向の運動及び回転駆動を確実且つ簡易に制御することができる。   In the bearingless motor of the present invention, a hall element may be disposed in the coil. With such a Hall element, the magnetic field generated by the permanent magnet can be output as a voltage, and the movement and rotational driving of the rotor in the Z-axis direction can be reliably and easily controlled.

本発明によれば、駆動回路を含めた装置の小型化を図ることを可能としながら、且つ、回転軸方向への小型化を実現することにより設置スペースが小さい場所にも適用することが可能なベアリングレスモータを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to reduce the size of a device including a drive circuit, and also to apply to a place where installation space is small by realizing size reduction in the direction of the rotation axis. A bearingless motor can be provided.

図1は、本発明の好適な一実施形態であるベアリングレスモータを示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view showing a bearingless motor which is a preferred embodiment of the present invention. 図2は、図1のベアリングレスモータのII−II線に沿った断面を示した分解図である。FIG. 2 is an exploded view showing a cross section taken along line II-II of the bearingless motor of FIG. 図3は、図1のベアリングレスモータのII−II線に沿った断面の一部拡大図である。3 is a partially enlarged view of a cross section taken along line II-II of the bearingless motor of FIG. 図4は、回転子に含まれたモータ磁石の平面図である。FIG. 4 is a plan view of a motor magnet included in the rotor. 図5は、固定子に含まれたコイルの平面図である。FIG. 5 is a plan view of a coil included in the stator. 図6は、Z軸方向の支持原理を説明するための図である。FIG. 6 is a view for explaining the support principle in the Z-axis direction. 図7は、回転原理を説明するための図である。FIG. 7 is a diagram for explaining the rotation principle. 図8は、受動支持原理を説明するための図である。FIG. 8 is a diagram for explaining the principle of passive support. 図1のベアリングレスモータに使用される制御回路の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the control circuit used for the bearingless motor of FIG. 実施例に係る回転軸方向の振動振幅測定結果を示す図である。It is a figure which shows the vibration amplitude measurement result of the rotating shaft direction which concerns on an Example. 実施例に係る半径方向の振動振幅測定結果を示す図である。It is a figure which shows the vibration amplitude measurement result of the radial direction which concerns on an Example. 実施例に係る傾き方向の振動振幅測定結果を示す図である。It is a figure which shows the vibration amplitude measurement result of the inclination direction which concerns on an Example.

以下、図面を参照しつつ本発明に係るベアリングレスモータの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。   Hereinafter, preferred embodiments of a bearingless motor according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

まず、本発明にかかるベアリングレスモータの構成について、図面を参照しながら説明する。本発明のベアリングレスモータは、回転子が磁気浮上することにより、固定子に非接触で支持されるモータである。   First, the structure of the bearingless motor according to the present invention will be described with reference to the drawings. The bearingless motor of the present invention is a motor that is supported in a non-contact manner on the stator by the magnetic levitation of the rotor.

(ベアリングレスモータの構成)
図1は、本発明の好適な一実施形態であるベアリングレスモータ1を示す斜視図、図2は、図1のベアリングレスモータ1のII−II線に沿った断面を示した分解図、図3は、図1のベアリングレスモータ1のII−II線に沿った断面の一部拡大図、図4は、回転子2に含まれたモータ磁石25の平面図、図5は、固定子3に含まれたコイル33の平面図である。これらの図に示すように、ベアリングレスモータ1は、図示しない固定部材によって固定された一つの固定子3によって、回転子2の一端側のみが支持されて構成されている。ベアリングレスモータ1は、1自由度制御型のベアリングレスモータであり、その中央に反発形受動磁気軸受(PMB:Passive Magnetic Bearing)を配置するとともに、PMBの外周にアキシャルギャップ型コアレスモータを配置している(詳細は後述)。ベアリングレスモータ1は、振動の原因となる要素が極力除かれた構成とされることが好ましく、振動要因となるコギングトルクが発生しないコアレスモータ(例えばアキシャルギャップ型コアレスモータ)が採用されている。ベアリングレスモータ1は、例えばパソコン等のコンピュータ用冷却ファンに応用されるものである。
(Configuration of bearingless motor)
FIG. 1 is a perspective view showing a bearingless motor 1 according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an exploded view showing a section along the line II-II of the bearingless motor 1 of FIG. 3 is a partially enlarged view of a section along the line II-II of the bearingless motor 1 of FIG. 1, FIG. 4 is a plan view of a motor magnet 25 included in the rotor 2, and FIG. It is a top view of the coil 33 contained in. As shown in these drawings, the bearingless motor 1 is configured such that only one end side of the rotor 2 is supported by a single stator 3 fixed by a fixing member (not shown). The bearingless motor 1 is a one-degree-of-freedom control-type bearingless motor. A repulsive passive magnetic bearing (PMB) is disposed in the center of the bearingless motor 1 and an axial gap coreless motor is disposed on the outer periphery of the PMB. (Details will be described later). The bearingless motor 1 preferably has a configuration in which elements that cause vibration are eliminated as much as possible, and a coreless motor (for example, an axial gap type coreless motor) that does not generate cogging torque that causes vibration is employed. The bearingless motor 1 is applied to a cooling fan for a computer such as a personal computer.

回転子2は、略円盤状のフレーム部21と、フレーム部21の中央に設けられたセンサターゲット23と、軸部材24(第1の軸部材)と、軸部材24の外周に沿って複数配列されたモータ磁石25(永久磁石)と、モータ磁石25に重なるようにモータ磁石25及びフレーム部21の間に配置されたヨーク26とを有している。回転子2は、例えば直径49mm程度、高さ(センサターゲット23の長さを加味した高さ)26mm程度とすることができるがこれに限定されるものではない。フレーム部21及びセンサターゲット23は、モータ等の磁気回路に影響を与えないように、非磁性体が用いられてもよい。フレーム部21には、外側に羽根部分が取り付けられてもよく、この場合には、ベアリングレスモータ1を冷却ファンに容易に応用することができる。センサターゲット23は、図示しない変位センサが、回転軸方向への回転子2の変位を検出するために設けられている。なお、本実施形態では、非磁性体のセンサターゲット23を変位センサのターゲットとして説明するが、これに限定されるものではなく、例えば変位センサとして渦電流式変位センサを用いて、金属である軸部材24をターゲットにしてもよい。また、軸部材24等の磁石の下側にホール素子を配置し、当該ホール素子を変位センサとしてもよい。この場合、当該ホール素子が、回転子2の上下運動によって変化する磁束密度を検知し、回転軸方向への回転子2の変位を検出する。なお、後述する固定子3のコイル33にはホール素子41が配置されているため、当該ホール素子を用いて、磁束密度の変化に応じて回転軸方向への回転子2の変位を検出してもよい。以下では、軸部材24の中心軸に沿った回転軸方向をZ軸に設定するとともに、Z軸に垂直にX軸及びY軸を設定して説明する。   A plurality of rotors 2 are arranged along the outer periphery of the substantially disc-shaped frame portion 21, the sensor target 23 provided at the center of the frame portion 21, the shaft member 24 (first shaft member), and the shaft member 24. And a yoke 26 disposed between the motor magnet 25 and the frame portion 21 so as to overlap the motor magnet 25. For example, the rotor 2 can have a diameter of about 49 mm and a height (a height including the length of the sensor target 23) of about 26 mm, but is not limited thereto. The frame portion 21 and the sensor target 23 may be made of a non-magnetic material so as not to affect a magnetic circuit such as a motor. A blade portion may be attached to the outer side of the frame portion 21. In this case, the bearingless motor 1 can be easily applied to a cooling fan. The sensor target 23 is provided with a displacement sensor (not shown) for detecting the displacement of the rotor 2 in the direction of the rotation axis. In the present embodiment, the non-magnetic sensor target 23 is described as a displacement sensor target. However, the present invention is not limited to this. For example, an eddy current displacement sensor is used as the displacement sensor, and the shaft is made of metal. The member 24 may be targeted. Further, a Hall element may be disposed below the magnet such as the shaft member 24 and the Hall element may be used as a displacement sensor. In this case, the Hall element detects the magnetic flux density that changes as the rotor 2 moves up and down, and detects the displacement of the rotor 2 in the direction of the rotation axis. Since the hall element 41 is disposed in the coil 33 of the stator 3 to be described later, the hall element is used to detect the displacement of the rotor 2 in the direction of the rotation axis in accordance with the change in the magnetic flux density. Also good. In the following description, the rotation axis direction along the central axis of the shaft member 24 is set as the Z axis, and the X axis and the Y axis are set perpendicular to the Z axis.

軸部材24は、Z軸方向に磁化された、回転子2の中心軸上をZ軸方向に延びる軸部材である。軸部材24は、後述する固定子3の軸部材32とともにPMBを構成する。軸部材24は、例えばネオジム磁石等の永久磁石で構成された棒状の磁石である。軸部材24はフレーム部21に接着されることによりフレーム部21に固定されている。   The shaft member 24 is a shaft member that is magnetized in the Z-axis direction and extends in the Z-axis direction on the central axis of the rotor 2. The shaft member 24 constitutes a PMB together with a shaft member 32 of the stator 3 described later. The shaft member 24 is a rod-shaped magnet made of a permanent magnet such as a neodymium magnet. The shaft member 24 is fixed to the frame portion 21 by being bonded to the frame portion 21.

モータ磁石25は、軸部材24の外周を覆うように設けられた、リング状の磁石であり、例えばネオジム磁石等の永久磁石で構成されている。本実施形態のベアリングレスモータ1は、6極9スロット構成とされている。すなわち、モータ磁石25の極数が6極であり(6個のセグメントに分かれており)、後述する固定子3のコイル33のスロット数が9スロットとされている。図4に示されるように、モータ磁石25は、Z軸方向に磁化された6極(N/Sが3組)の磁石が軸部材24の外周に沿って分割して配列されている。モータ磁石25は、フレーム部21に圧入されたヨーク26に接着されている。ヨーク26は、モータ磁石25が持つ吸着力を増幅するために設けられたリング状の軟鉄板であり、モータ磁石25と形状が略一致している。モータ磁石25及びヨーク26は、後述する固定子3のコイル33とともにアキシャルギャップ型コアレスモータを構成する。   The motor magnet 25 is a ring-shaped magnet provided so as to cover the outer periphery of the shaft member 24, and is configured by a permanent magnet such as a neodymium magnet. The bearingless motor 1 of the present embodiment has a 6-pole 9-slot configuration. That is, the number of poles of the motor magnet 25 is 6 (divided into 6 segments), and the number of slots of the coil 33 of the stator 3 described later is 9 slots. As shown in FIG. 4, the motor magnet 25 includes six poles (N / S is three sets) magnets magnetized in the Z-axis direction and arranged along the outer periphery of the shaft member 24. The motor magnet 25 is bonded to a yoke 26 that is press-fitted into the frame portion 21. The yoke 26 is a ring-shaped soft iron plate provided to amplify the attractive force of the motor magnet 25, and the shape of the yoke 26 is substantially the same. The motor magnet 25 and the yoke 26 constitute an axial gap type coreless motor together with a coil 33 of the stator 3 described later.

固定子3は、回転子2のZ軸方向両端のうち、一端側、より詳細には下端側のみを磁気力により支持している。固定子3は、Z軸方向に延びる、Z軸方向に磁化された軸部材32(第2の軸部材)と、軸部材32の外周を覆うように複数設けられ、モータ磁石25とZ軸方向において対向するコイル33とを有している。固定子3は、直径及び高さ共に回転子2よりも略小さい形状とされ、例えば直径43.8mm程度、高さ(Z軸方向に延びる軸部材32の長さを加味した高さ)21.5mm程度とすることができるがこれに限定されるものではない。固定子3に支持された状態の回転子2では、X軸方向及びY軸方向への可動域MS(X,Y)(図3)が例えば0.3mm程度とされる。また、X軸又はY軸を回転軸とした回転子2のθx,θy方向の回転運動の可動域MS(θx,θy)(図3)が例えば17mradとされる。また、固定子3に回転子2が支持された状態においては、モータ磁石25とコイル33との間隔Gが例えば0.2mm程度とされる。   The stator 3 supports one end side, more specifically, only the lower end side of the both ends of the rotor 2 in the Z-axis direction by magnetic force. A plurality of stators 3 are provided so as to cover the outer periphery of the shaft member 32 (second shaft member) magnetized in the Z-axis direction, extending in the Z-axis direction, and the motor magnet 25 and the Z-axis direction. And a coil 33 facing each other. The stator 3 has a shape that is substantially smaller than the rotor 2 in both diameter and height. For example, the stator 3 has a diameter of about 43.8 mm and a height (a height that takes into account the length of the shaft member 32 extending in the Z-axis direction). Although it can be set to about 5 mm, it is not limited to this. In the rotor 2 supported by the stator 3, the movable range MS (X, Y) (FIG. 3) in the X-axis direction and the Y-axis direction is, for example, about 0.3 mm. Further, the movable range MS (θx, θy) (FIG. 3) of the rotational motion in the θx, θy directions of the rotor 2 with the X axis or the Y axis as the rotation axis is set to 17 mrad, for example. In the state where the rotor 2 is supported by the stator 3, the gap G between the motor magnet 25 and the coil 33 is, for example, about 0.2 mm.

軸部材32は、例えばネオジム磁石等の永久磁石で構成された中空円筒状の磁石であり、当該中空形状の内部に回転子2の軸部材24の軸部材32側の端部の少なくとも一部を収容している。言い換えると、軸部材32は、軸部材24の周囲を囲むように(図2の断面においては軸部材24の両側を挟むように)配置される。   The shaft member 32 is a hollow cylindrical magnet made of a permanent magnet such as a neodymium magnet, for example, and at least a part of the end of the shaft member 24 of the rotor 2 on the shaft member 32 side is provided inside the hollow shape. Contained. In other words, the shaft member 32 is disposed so as to surround the periphery of the shaft member 24 (so as to sandwich both sides of the shaft member 24 in the cross section of FIG. 2).

コイル33は、回転子2を回転駆動するとともに安定して支持するために設けられており、モータ磁石25との間で磁界を発生させる。コイル33は、軸部材32の外周に沿って複数分割して設けられており、モータ磁石25とZ軸方向において対向している。コイル33とモータ磁石25とは、幅方向(半径方向)の長さが略一致している。上述したようにベアリングレスモータ1は6極9スロット構成であり、コイル33のスロット数は9スロットである。図5に示されるように、コイル33は巻線方向TDに三相巻線(U/V/W相)が施されたコアレスコイルであり、その中央にはホール素子41が配置されている。ホール素子41のうち3個のホール素子41の出力電圧を用いることによって、回転角度が検出される(詳細は後述)。また、ホール素子41により回転子2のZ軸方向の変位が検出される。なお、コイル33の数に応じた9個のホール素子41のうち、3個は回転角度の検出等に利用されるホール素子であり、残りの6個は予備のホール素子である。   The coil 33 is provided to rotationally drive the rotor 2 and stably support the rotor 2, and generates a magnetic field with the motor magnet 25. The coil 33 is divided into a plurality of pieces along the outer periphery of the shaft member 32 and faces the motor magnet 25 in the Z-axis direction. The coil 33 and the motor magnet 25 have substantially the same length in the width direction (radial direction). As described above, the bearingless motor 1 has a 6-pole 9-slot configuration, and the coil 33 has 9 slots. As shown in FIG. 5, the coil 33 is a coreless coil in which a three-phase winding (U / V / W phase) is applied in the winding direction TD, and a Hall element 41 is disposed at the center thereof. The rotation angle is detected by using the output voltages of three of the hall elements 41 (details will be described later). Further, the Hall element 41 detects the displacement of the rotor 2 in the Z-axis direction. Of the nine Hall elements 41 corresponding to the number of coils 33, three are Hall elements used for detecting the rotation angle and the other six are spare Hall elements.

(Z軸方向支持原理)
ベアリングレスモータ1では、Z軸方向は磁気的に不安定であり、回転子2を能動支持する必要がある。以下に、図6を参照しながらZ軸方向の支持原理について説明する。図6は、Z軸方向の支持原理を説明するための図である。
(Z-axis direction support principle)
In the bearingless motor 1, the Z-axis direction is magnetically unstable, and the rotor 2 needs to be actively supported. Hereinafter, the support principle in the Z-axis direction will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a view for explaining the support principle in the Z-axis direction.

図6に示されるように、U相コイルであるコイルCu1(図6(b))に注目し、コイルCu1の空心が磁石M1(図6(a))とZ軸方向において対向している場合を考える。この場合、図6(c)に示されるように、コイルCu1のY軸方向を通過する磁束mf1、及び、コイルCu1の円周方向成分の電流I1の相互作用によって、コイルCu1のZ軸方向にローレンツ力Fl1が発生する。コイルCu1(コイル33)は固定子3の構成であり固定されているため、回転子2にはローレンツ力Fl1の反作用としてZ軸方向に支持力Fb1が作用する。なお、図6(d)に示されるように、コイルCu1のYZ断面に注目すると、コイルCu1のZ軸方向を通過する磁束mf2、及び、コイルCu1の半径方向成分の電流I2の相互作用によって、コイルCu1の円周方向にローレンツ力Fl2が二方向に発生するが、これらは互いに相殺するためトルクは発生しない。以上より、ローレンツ力Fl1の反作用であるZ軸方向の支持力Fb1によって、ベアリングレスモータ1では回転子2を能動支持することができる。Z軸方向の能動支持は、後述するd軸電流を指定することで実現される。つまり、d軸電流により磁気浮上を制御する。   As shown in FIG. 6, when focusing on the coil Cu1 (FIG. 6B) which is a U-phase coil, the air core of the coil Cu1 faces the magnet M1 (FIG. 6A) in the Z-axis direction. think of. In this case, as shown in FIG. 6C, the magnetic flux mf1 passing through the Y-axis direction of the coil Cu1 and the current I1 of the circumferential component of the coil Cu1 interact with each other in the Z-axis direction of the coil Cu1. Lorentz force Fl1 is generated. Since the coil Cu1 (coil 33) has the configuration of the stator 3 and is fixed, the support force Fb1 acts on the rotor 2 in the Z-axis direction as a reaction of the Lorentz force Fl1. As shown in FIG. 6D, when attention is paid to the YZ section of the coil Cu1, due to the interaction between the magnetic flux mf2 passing through the Z-axis direction of the coil Cu1 and the current I2 of the radial component of the coil Cu1, A Lorentz force Fl2 is generated in two directions in the circumferential direction of the coil Cu1, but they cancel each other, so that no torque is generated. From the above, the rotor 2 can be actively supported in the bearingless motor 1 by the support force Fb1 in the Z-axis direction, which is the reaction of the Lorentz force Fl1. Active support in the Z-axis direction is realized by specifying a d-axis current described later. That is, magnetic levitation is controlled by the d-axis current.

(回転原理)
図7は、回転原理を説明するための図である。図7に示されるように、U相コイルであるコイルCu2(図7(b))に注目し、コイルCu2の空心が磁石の磁界境界Mbと対向している場合を考える。この場合、図7(c)に示されるように、コイルCu2のZ軸方向を通過する磁束mf3、及び、コイルCu2の半径方向成分の電流I3の相互作用によって、コイルCu2の円周方向にローレンツ力Fl3が発生する。コイルCu2(コイル33)は固定子3の構成であって固定されているため、回転子2にはローレンツ力Fl3の反作用としてコイルCu2の円周方向(すなわち回転子2の円周方向)にトルクTr1が作用する。なお、図7(d)に示されるように、コイルCu2のYZ断面に注目すると、コイルCu2のY軸方向を通過する磁束mf4、及びコイルCu2の円周方向成分の電流I4の相互作用により、コイルCu2の右側(断面dB参照)ではZ軸正方向のローレンツ力Fl5が、左側(断面dA参照)ではZ軸負方向のローレンツ力Fl4がそれぞれ発生するが、これらは相殺するので、支持力は発生しない。以上より、ローレンツ力Fl3の反作用である円周方向のトルクTr1によって、ベアリングレスモータ1では回転子2を回転させることができる。回転子2のZ軸周りの回転は、後述するq軸電流を指定することで実現される。
(Rotation principle)
FIG. 7 is a diagram for explaining the rotation principle. As shown in FIG. 7, paying attention to the coil Cu2 (FIG. 7B), which is a U-phase coil, consider the case where the air core of the coil Cu2 faces the magnetic field boundary Mb of the magnet. In this case, as shown in FIG. 7C, Lorentz in the circumferential direction of the coil Cu2 due to the interaction of the magnetic flux mf3 passing through the Z-axis direction of the coil Cu2 and the current I3 of the radial component of the coil Cu2. A force Fl3 is generated. Since the coil Cu2 (coil 33) has the configuration of the stator 3 and is fixed, the rotor 2 is torqued in the circumferential direction of the coil Cu2 (that is, the circumferential direction of the rotor 2) as a reaction of the Lorentz force Fl3. Tr1 acts. As shown in FIG. 7D, when attention is paid to the YZ section of the coil Cu2, due to the interaction between the magnetic flux mf4 passing through the Y-axis direction of the coil Cu2 and the current I4 of the circumferential component of the coil Cu2, The Lorentz force Fl5 in the Z-axis positive direction is generated on the right side (refer to the cross section dB) of the coil Cu2, and the Lorentz force Fl4 in the Z-axis negative direction is generated on the left side (refer to the cross section dA). Does not occur. From the above, the rotor 2 can be rotated in the bearingless motor 1 by the circumferential torque Tr1 which is the reaction of the Lorentz force Fl3. The rotation of the rotor 2 around the Z axis is realized by designating a q-axis current to be described later.

(自由度受動支持原理)
ベアリングレスモータ1では、回転子2の4自由度運動(X軸方向、Y軸方向、X軸を中心にしたθx方向、及びY軸を中心にしたθy方向の4自由度運動)を受動的に安定化(抑制)させることが可能である。以下に、図8を参照しながら自由度受動支持原理について説明する。図8は、受動支持原理を説明するための図である。
(Principles of freedom passive support)
In the bearingless motor 1, the four-degree-of-freedom motion of the rotor 2 (the four-degree-of-freedom motion in the X-axis direction, the Y-axis direction, the θx direction centered on the X-axis, and the θy direction centered on the Y-axis) is passive. It is possible to stabilize (suppress). In the following, the principle of freedom passive support will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a diagram for explaining the principle of passive support.

上述したように、固定子3に回転子2が支持された状態においては、Z軸方向に磁化された軸部材32は、同じくZ軸方向に磁化された軸部材24の周囲を囲むように配置されている。そのため、軸部材24及び軸部材32間では、回転子2の半径方向(X,Y)に反発力が生じる。例えば、図8(a)に示されるように、回転子2(より詳細には軸部材24)が、半径方向(図ではX軸方向)に変位した場合には、軸部材24には変位と反対方向に復元力FRが作用し、軸部材24の変位は自動的に補正される。半径方向の変位量に対する復元力FRの比をラジアル剛性Kr(N/m)と定義し、ラジアル剛性Kが正ならば受動支持が可能であると考えることができる。 As described above, in a state where the rotor 2 is supported by the stator 3, the shaft member 32 magnetized in the Z-axis direction is arranged so as to surround the periphery of the shaft member 24 magnetized in the Z-axis direction. Has been. Therefore, a repulsive force is generated in the radial direction (X, Y) of the rotor 2 between the shaft member 24 and the shaft member 32. For example, as shown in FIG. 8A, when the rotor 2 (more specifically, the shaft member 24) is displaced in the radial direction (X-axis direction in the drawing), the shaft member 24 is displaced. A restoring force FR acts in the opposite direction, and the displacement of the shaft member 24 is automatically corrected. The ratio of the restoring force FR against radial displacement amount is defined as radial rigidity Kr (N / m), can be considered as radial stiffness K r can be positive if the passive support has.

また、図8(b)に示されるように、回転子2(より詳細には軸部材24)が、傾き方向(θx,θy)に傾いた場合には、軸部材24には傾きと反対方向に復元トルクTRが作用し、傾きは受動的に補正される。軸部材24の傾き量に対する復元トルクTRの比を傾き剛性Kθ(Nm/rad)と定義し、傾き剛性Kθが正ならば受動支持が可能であると考えることができる。以上により、X軸方向、Y軸方向、X軸を中心にしたθx方向、及びY軸を中心にしたθy方向の4自由度運動は、受動的に安定化(抑制)することが可能である。 Further, as shown in FIG. 8B, when the rotor 2 (more specifically, the shaft member 24) is tilted in the tilt directions (θx, θy), the shaft member 24 has a direction opposite to the tilt. The restoring torque TR acts on the tilt, and the tilt is passively corrected. The ratio of the restoring torque TR to the tilt amount of the shaft member 24 is defined as tilt stiffness K θ (Nm / rad). If the tilt stiffness K θ is positive, it can be considered that passive support is possible. As described above, the four-degree-of-freedom motion in the X-axis direction, the Y-axis direction, the θx direction around the X-axis, and the θy direction around the Y-axis can be passively stabilized (suppressed). .

(回転角度検出処理)
図5に示されるように、U/V/W相のコイル33内にはそれぞれホール素子41が配置されており、当該ホール素子41が、モータ磁石25が発生させる磁界を電圧として出力する。U/V/W相のホール素子41が出力する電圧をそれぞれV,V,Vとすると、ホール素子41は40°(電気角で120°)間隔で配置されているので、出力電圧の振幅をV、回転子2の回転角度をωtとすると、各々の出力波形は下記のように表される。

Figure 2015220773

Figure 2015220773

Figure 2015220773
(Rotation angle detection process)
As shown in FIG. 5, Hall elements 41 are arranged in the U / V / W phase coils 33, respectively, and the Hall elements 41 output a magnetic field generated by the motor magnet 25 as a voltage. If the voltages output from the U / V / W phase Hall element 41 are V u , V v , and V w , the Hall elements 41 are arranged at intervals of 40 ° (120 ° in electrical angle). Assuming that the amplitude of V is V and the rotation angle of the rotor 2 is ωt, each output waveform is expressed as follows.
Figure 2015220773

Figure 2015220773

Figure 2015220773

上記(1)式及び(2)式について加法定理を用いて展開すると以下の(4)式及び(5)式が導出される。

Figure 2015220773

Figure 2015220773
When the above formulas (1) and (2) are expanded using the addition theorem, the following formulas (4) and (5) are derived.
Figure 2015220773

Figure 2015220773

さらに、上記(4)式及び(5)式の差を求めると、以下の式(6)が導出される。

Figure 2015220773
Furthermore, when the difference between the above equations (4) and (5) is obtained, the following equation (6) is derived.
Figure 2015220773

以上より、回転角度ωtは次のように表せる。

Figure 2015220773

このようにして検出・導出された回転角度ωtは、後述するd軸電流及びq軸電流の調整に用いられる。 From the above, the rotation angle ωt can be expressed as follows.
Figure 2015220773

The rotation angle ωt detected and derived in this way is used for adjusting a d-axis current and a q-axis current described later.

(ベアリングレスモータの制御回路の構成)
次に、ベアリングレスモータ1に用いられるインバータを含む制御回路50の構成について図9を参照して説明する。図9は、制御回路50の概略構成を示すブロック図である。
(Configuration of control circuit for bearingless motor)
Next, the configuration of the control circuit 50 including an inverter used in the bearingless motor 1 will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a block diagram showing a schematic configuration of the control circuit 50.

ベアリングレスモータ1の電流は、モータ磁石25の界磁調整成分であるd軸電流と、トルク成分であるq軸電流とに分類され、これらの電流を指定することで、回転子2のZ軸方向支持及びZ軸周りの回転を実現する。   The current of the bearingless motor 1 is classified into a d-axis current that is a field adjustment component of the motor magnet 25 and a q-axis current that is a torque component, and by specifying these currents, the Z-axis of the rotor 2 is specified. Provides directional support and rotation around the Z axis.

図9に示されるように、制御回路50には、ベアリングレスモータ1に取り付けられたホール素子41及び変位センサ52によって回転子2の回転角度ωt及びZ軸方向の位置Z1が入力される。入力された位置Z1を基に予め設定された目標値Z0との差分が取得されて、PID制御器53に入力される。PID制御器53は、この差分値を基に、固定子3に発生させる磁界ベクトルのd軸成分に対応するd軸電流指令値idをPID制御により算出し、変換器54に出力する。また、入力された回転角度ωtから微分器55によって回転数ωが取得されて、この回転数ωと予め設定された目標値ω0との差分が取得されて、PI制御器56に入力される。PI制御器56は、この差分値を基に、磁界ベクトルのq軸成分に対応するq軸電流指令値iqをPI制御により算出し、変換器54に出力する。   As shown in FIG. 9, the rotation angle ωt of the rotor 2 and the position Z1 in the Z-axis direction are input to the control circuit 50 by the Hall element 41 and the displacement sensor 52 attached to the bearingless motor 1. The difference from the preset target value Z0 based on the input position Z1 is acquired and input to the PID controller 53. Based on this difference value, the PID controller 53 calculates a d-axis current command value id corresponding to the d-axis component of the magnetic field vector generated in the stator 3 by PID control, and outputs it to the converter 54. Also, the rotational speed ω is acquired from the input rotational angle ωt by the differentiator 55, and the difference between the rotational speed ω and a preset target value ω 0 is acquired and input to the PI controller 56. Based on this difference value, the PI controller 56 calculates a q-axis current command value iq corresponding to the q-axis component of the magnetic field vector by PI control, and outputs it to the converter 54.

変換器54は、d軸電流指令値id及びq軸電流指令値iqを、回転角度ωtを参照した座標変換により磁界ベクトルのX軸成分に対応するX軸電流目標値ix及び磁界ベクトルのY軸成分に対応するY軸電流目標値iyに変換する(下記式(8)参照))。

Figure 2015220773

同時に、変換器57は、現在ベアリングレスモータ1に供給されている三相交流電流I,I,Iをモニタし、それらの値をX軸成分値及びY軸成分値に変換する(下記式(9)参照)。
Figure 2015220773

変換器54から出力されたX軸電流目標値ix及びY軸電流目標値iyをもとにして、変換器57から出力されたX軸成分値及びY軸成分値との差分が算出されて、それらの差分値はPI制御器58,59にそれぞれ入力される。 The converter 54 converts the d-axis current command value id and the q-axis current command value iq from the X-axis current target value ix corresponding to the X-axis component of the magnetic field vector and the Y-axis of the magnetic field vector by coordinate conversion with reference to the rotation angle ωt. It converts into the Y-axis electric current target value iy corresponding to a component (refer following formula (8)).
Figure 2015220773

At the same time, the converter 57 monitors the three-phase AC currents I u , I v and I w currently supplied to the bearingless motor 1 and converts these values into X-axis component values and Y-axis component values ( (See the following formula (9)).
Figure 2015220773

Based on the X-axis current target value ix and the Y-axis current target value iy output from the converter 54, a difference between the X-axis component value and the Y-axis component value output from the converter 57 is calculated, The difference values are input to the PI controllers 58 and 59, respectively.

PI制御器58,59は、入力された差分を基に、PI制御によりX軸電流の増減値vx及びY軸電流の増減値vyをそれぞれ決定し、それらの値を変換器60に出力する。変換器60は、入力されたX軸電流の増減値vx及びY軸電流の増減値vyを基に、三相交流電流I,I,Iの位相関係及び電流振幅を決定する(下記式(10)参照)。

Figure 2015220773

そして、インバータ61(一台の三相インバータ)が、変換器60から入力された設定値に応じて、三相交流電流I,I,Iを生成して、ベアリングレスモータ1のコイル33に供給する。 The PI controllers 58 and 59 determine the increase / decrease value vx of the X-axis current and the increase / decrease value vy of the X-axis current and the Y-axis current based on the input difference, respectively, and output these values to the converter 60. The converter 60 determines the phase relationship and current amplitude of the three-phase alternating currents I u , I v , I w based on the input increase / decrease value vx of the X-axis current and increase / decrease value vy of the Y-axis current (see below). (Refer Formula (10)).
Figure 2015220773

Then, the inverter 61 (one three-phase inverter) generates three-phase alternating currents I u , I v , I w according to the set values input from the converter 60, and the coil of the bearingless motor 1. 33.

次に、本実施形態に係るベアリングレスモータ1の作用・効果について説明する。   Next, the operation and effect of the bearingless motor 1 according to this embodiment will be described.

上述したベアリングレスモータ1では、固定子3によって回転子2の一端側(より詳細には下端側)のみが支持される。そのため、例えば回転子2の両端を固定子3が支持する構成と比較して、回転軸方向に小形とできる。また、回転軸方向をZ軸方向、Z軸に垂直な方向をX軸方向及びY軸方向とした場合に、X軸方向、Y軸方向、X軸を中心にしたθx方向、及びY軸を中心にしたθy方向の回転子の4自由度運動は、固定子3の軸部材32の内部に、回転子2の軸部材24が収容された(軸部材24が軸部材32に囲まれた)部分の軸部材24と軸部材32との磁気結合により、受動的に抑制される。   In the bearingless motor 1 described above, only one end side (more specifically, the lower end side) of the rotor 2 is supported by the stator 3. Therefore, for example, as compared with the configuration in which the stator 3 supports both ends of the rotor 2, the size can be reduced in the direction of the rotation axis. Further, when the rotation axis direction is the Z-axis direction and the directions perpendicular to the Z-axis are the X-axis direction and the Y-axis direction, the X-axis direction, the Y-axis direction, the θx direction centered on the X-axis, and the Y-axis are In the four-degree-of-freedom movement of the rotor in the θy direction centered, the shaft member 24 of the rotor 2 is accommodated inside the shaft member 32 of the stator 3 (the shaft member 24 is surrounded by the shaft member 32). Due to the magnetic coupling between the shaft member 24 and the shaft member 32 of the portion, it is passively suppressed.

例えば、回転子の一端側のみを固定子によって支持する構成において、回転軸方向で対向する回転子側の軸部と固定子側の軸部との磁気結合により回転子の運動を制御する場合には、回転子側及び固定子側の軸部の外径不一致等を理由として、回転子の変位(X軸方向及びY軸方向)及び傾き(θx方向及びθy方向)が相互に作用を及ぼし合い(連成運動が行われ)、変位量及び傾き量が大きくなることによって、回転子の4自由度運動の受動的な抑制が十分に図れないおそれがある。   For example, in a configuration in which only one end of the rotor is supported by the stator, the movement of the rotor is controlled by magnetic coupling between the rotor-side shaft portion and the stator-side shaft portion facing each other in the rotation axis direction. The rotor displacement (X axis direction and Y axis direction) and inclination (θx direction and θy direction) interact with each other because of a mismatch in the outer diameters of the shaft portions on the rotor side and the stator side. (Coupled motion is performed), and the displacement amount and the tilt amount are increased, and thus there is a possibility that passive suppression of the 4-degree-of-freedom motion of the rotor cannot be sufficiently achieved.

この点、軸部材24が軸部材32に収容された(囲まれた)構成では、上述した回転子及び固定子の軸部の外径不一致等を理由とした変位量及び傾き量の増大が問題となり難い。このため、軸部材24と軸部材32との磁気結合により、回転子2の4自由度運動を適切に抑制できる。併せて、回転子2のZ軸方向の運動は、モータ磁石25と対向する複数のコイル33に流す励磁電流を調整することにより能動的に制御されると同時に、複数のコイル33の励磁電流を制御することにより回転子2が回転駆動される。これにより、能動的に制御する対象の運動方向を最小の1自由度に低減することができ、ベアリングレスモータ1に接続するインバータや内蔵する変位センサの数を削減することができる。以上より、本発明によれば、駆動回路を含めた装置の小型化を図ることを可能としながら、且つ、回転軸方向への小型化を実現することにより設置スペースが小さい場所にも適用することができるベアリングレスモータを提供することができる。なお、一般的なファンモータではトランジスタ6個の構成とされるが、本実施形態に係るベアリングレスモータ1をファンに応用させる場合にも同様にトランジスタ6個の構成とすることが可能である。   In this regard, in the configuration in which the shaft member 24 is accommodated (enclosed) in the shaft member 32, an increase in the amount of displacement and the amount of inclination is a problem due to a mismatch in the outer diameters of the shaft portions of the rotor and the stator described above. It ’s hard to be. For this reason, the four-degree-of-freedom motion of the rotor 2 can be appropriately suppressed by the magnetic coupling between the shaft member 24 and the shaft member 32. At the same time, the movement of the rotor 2 in the Z-axis direction is actively controlled by adjusting the excitation current flowing through the plurality of coils 33 facing the motor magnet 25, and at the same time, the excitation current of the plurality of coils 33 is adjusted. The rotor 2 is rotationally driven by the control. Thereby, the direction of movement of the object to be actively controlled can be reduced to a minimum of one degree of freedom, and the number of inverters connected to the bearingless motor 1 and the number of built-in displacement sensors can be reduced. As described above, according to the present invention, it is possible to reduce the size of the device including the drive circuit, and to apply to a place where the installation space is small by realizing the size reduction in the rotation axis direction. It is possible to provide a bearingless motor capable of achieving the above. Note that a general fan motor has a configuration with six transistors. However, when the bearingless motor 1 according to the present embodiment is applied to a fan, the configuration can be similarly configured with six transistors.

また、ベアリングレスモータ1では、固定子3が、回転子2のZ軸方向における下端を非接触で支持している。固定子3が下側から回転子2を支持することにより、モータ磁石25とコイル33との間で発生するローレンツ力に基づく支持力によって、回転子2のZ軸方向の支持を適切に行うことができる。   In the bearingless motor 1, the stator 3 supports the lower end of the rotor 2 in the Z-axis direction in a non-contact manner. When the stator 3 supports the rotor 2 from the lower side, the rotor 2 is appropriately supported in the Z-axis direction by the support force based on the Lorentz force generated between the motor magnet 25 and the coil 33. Can do.

また、ベアリングレスモータ1では、軸部材24は、棒状の磁石から構成されており、軸部材32は、円筒状の磁石から構成されている。このような構成により、軸部材24を軸部材32に確実且つ容易に収容することができる。   Moreover, in the bearingless motor 1, the shaft member 24 is comprised from the rod-shaped magnet, and the shaft member 32 is comprised from the cylindrical magnet. With such a configuration, the shaft member 24 can be reliably and easily accommodated in the shaft member 32.

また、ベアリングレスモータ1のモータ磁石25の極数は6極であり、コイル33のスロット数は9スロットである。これにより、回転子のZ軸方向の運動及び回転駆動をより確実に制御することができる。   Further, the number of poles of the motor magnet 25 of the bearingless motor 1 is 6, and the number of slots of the coil 33 is 9 slots. Thereby, the movement of the rotor in the Z-axis direction and the rotational drive can be controlled more reliably.

また、ベアリングレスモータ1では、コイル33内にホール素子41が配置されているところ、当該ホール素子41によって、モータ磁石25が発生する磁界を電圧として出力することが可能となり、回転子2のZ軸方向の運動及び回転駆動を確実且つ簡易に制御することができる。   In the bearingless motor 1, the Hall element 41 is disposed in the coil 33, and the Hall element 41 can output a magnetic field generated by the motor magnet 25 as a voltage. Axial motion and rotational drive can be reliably and easily controlled.

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。   The preferred embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above embodiment.

例えば、回転子2の軸部材24は棒状の磁石から構成され、固定子3の軸部材32は円筒状の磁石から構成されているとして説明したが、磁石の形状はこれに限定されるものではなく、回転子2の軸部材24が固定子3の軸部材32に収容される(囲まれる)構成とすることができれば、それぞれの形状はその他の形状であってもよい。また、軸部材24,32は、それぞれ、複数の磁石が組み合わされて構成されるものであってもよい。例えば、軸部材24が、棒状の磁石とリング状の磁石とが組み合わされて構成されるものであってもよい。   For example, it has been described that the shaft member 24 of the rotor 2 is composed of a rod-shaped magnet and the shaft member 32 of the stator 3 is composed of a cylindrical magnet. However, the shape of the magnet is not limited to this. As long as the shaft member 24 of the rotor 2 can be accommodated (enclosed) in the shaft member 32 of the stator 3, each shape may be other shapes. Further, the shaft members 24 and 32 may be configured by combining a plurality of magnets. For example, the shaft member 24 may be configured by combining a rod-shaped magnet and a ring-shaped magnet.

また、モータ磁石25の極数が6極であり、コイル33のスロット数が9スロットであるとして説明したがこれに限定されるものではなく、例えばモータ磁石の極数がNSに応じた2の倍数のいずれかであり、コイルのスロット数が三相インバータに応じた3の倍数のいずれかであってもよい。   In addition, the motor magnet 25 has 6 poles and the coil 33 has 9 slots. However, the present invention is not limited to this. For example, the motor magnet has 2 poles corresponding to NS. Any of multiples, and the number of slots in the coil may be any multiple of 3 corresponding to the three-phase inverter.

[実施例]
以下、実施例に基づいて、本発明の一形態に係るベアリングレスモータの振動性能について説明するが、ベアリングレスモータは下記の実施例に限定されるものではない。
[Example]
Hereinafter, although the vibration performance of the bearingless motor which concerns on one form of this invention is demonstrated based on an Example, a bearingless motor is not limited to the following Example.

振動性能が低い場合には、回転子の半径方向・傾き方向の振動が大きくなり、回転子と固定子とが接触する可能性がある。よって、本発明のように小型化が図られたベアリングレスモータを動作させる上で、振動性能は重要である。回転子の半径方向及び傾き方向は、PMBによって受動支持されるものであり、振動低減のためには、ラジアル剛性(N/m)及び傾き剛性(Nm/rad)を増加させる必要がある。ラジアル剛性及び傾き剛性を向上させるためには、強力な磁界を発生させる磁石を回転子の軸部材に用いるか、又は、回転子の軸部材の外径を大きくすることにより、磁石間(回転子の軸部材及び固定子の軸部材間)に作用させる反発力を増加させることが考えられる。   When the vibration performance is low, the vibration in the radial direction / inclination direction of the rotor increases, and the rotor and the stator may come into contact with each other. Therefore, vibration performance is important in operating a bearingless motor that is downsized as in the present invention. The rotor radial direction and the tilt direction are passively supported by the PMB, and it is necessary to increase the radial rigidity (N / m) and the tilt rigidity (Nm / rad) in order to reduce vibration. In order to improve the radial rigidity and the inclination rigidity, a magnet that generates a strong magnetic field is used for the shaft member of the rotor, or the outer diameter of the shaft member of the rotor is increased to increase the space between the magnets (rotor It is conceivable to increase the repulsive force acting between the shaft member and the shaft member of the stator.

磁石種別及び外径の条件が異なる回転子の軸部材を2つ準備し、それぞれ、回転子(軸部材を除く回転子の構成)及び固定子の構成を同様にして、振動性能の評価を行った。実施例1に係る回転子の軸部材は、ネオジム磁石種別がN35、外径が6.0mmである。実施例2に係る回転子の軸部材は、ネオ軸磁石種別がN48、外径が6.5mmである。また、実施例1に係る回転子の軸部材は、ラジアル剛性が1.73×10N/m、傾き剛性が0.11Nm/radであり、実施例2に係る回転子の軸部材は、ラジアル剛性が2.76×10N/m、傾き剛性が0.18Nm/radである。振動性能は、回転子の回転速度を変化させた場合の半径方向及び傾き方向の振動振幅を測定することにより評価した。回転速度の測定範囲は0〜4000rpmであり、測定間隔は250rpmとした。また、振動振幅は標準偏差の3倍(3σ)で評価した。図10に回転軸(Z軸)方向の振動振幅測定結果を、図11に半径方向の振動振幅測定結果を、図12に傾き方向の振動振幅測定結果を、それぞれ示す。 Prepare two rotor shaft members with different magnet types and outer diameter conditions, and evaluate the vibration performance in the same way for the rotor (the rotor structure excluding the shaft member) and the stator structure. It was. The shaft member of the rotor according to Example 1 has a neodymium magnet type of N35 and an outer diameter of 6.0 mm. The shaft member of the rotor according to Example 2 has a neoaxial magnet type of N48 and an outer diameter of 6.5 mm. Moreover, the shaft member of the rotor according to Example 1 has a radial rigidity of 1.73 × 10 3 N / m and an inclination rigidity of 0.11 Nm / rad, and the shaft member of the rotor according to Example 2 is The radial rigidity is 2.76 × 10 3 N / m, and the inclination rigidity is 0.18 Nm / rad. The vibration performance was evaluated by measuring the vibration amplitude in the radial direction and the tilt direction when the rotation speed of the rotor was changed. The rotational speed measurement range was 0 to 4000 rpm, and the measurement interval was 250 rpm. The vibration amplitude was evaluated at 3 times the standard deviation (3σ). FIG. 10 shows the vibration amplitude measurement result in the rotation axis (Z-axis) direction, FIG. 11 shows the vibration amplitude measurement result in the radial direction, and FIG. 12 shows the vibration amplitude measurement result in the tilt direction.

図10に示されるように、0〜4000rpmの回転速度それぞれにおいて、実施例1及び実施例2の軸部材を用いた場合には、回転軸方向の振動振幅を40μm以下に抑えることができた。特に、1500rpmの回転速度において、実施例1及び実施例2の軸部材を用いた場合には、回転軸方向の振動振幅を15μm以下に抑えることができた。例えばコンピュータ用冷却ファンに応用されるベアリングレスモータの回転速度は1500rpm程度であるところ、実施例の軸部材を用いたベアリングレスモータは、コンピュータ用冷却ファンに応用された場合に優れた振動特性を示すことが示された。   As shown in FIG. 10, when the shaft member of Example 1 and Example 2 was used at each rotation speed of 0 to 4000 rpm, the vibration amplitude in the rotation axis direction could be suppressed to 40 μm or less. In particular, when the shaft member of Example 1 and Example 2 was used at a rotation speed of 1500 rpm, the vibration amplitude in the direction of the rotation axis could be suppressed to 15 μm or less. For example, the rotational speed of a bearingless motor applied to a cooling fan for a computer is about 1500 rpm. However, the bearingless motor using the shaft member of the embodiment has excellent vibration characteristics when applied to a cooling fan for a computer. It was shown to show.

図11に示されるように、0〜4000rpmの回転速度それぞれにおいて、実施例1及び実施例2の軸部材を用いた場合には、半径方向の振動振幅を0.7mm以下に抑えることができた。特に、実施例2の軸部材では、回転速度が1500rpmの場合に振動振幅を0.1mmに抑えることができた。例えばコンピュータ用冷却ファンに応用されるベアリングレスモータの回転速度は1500rpm程度であるところ、実施例2の軸部材を用いたベアリングレスモータは、コンピュータ用冷却ファンに応用された場合に優れた振動特性を示すことが示された。   As shown in FIG. 11, when the shaft member of Example 1 and Example 2 was used at each of the rotational speeds of 0 to 4000 rpm, the vibration amplitude in the radial direction could be suppressed to 0.7 mm or less. . In particular, in the shaft member of Example 2, the vibration amplitude could be suppressed to 0.1 mm when the rotation speed was 1500 rpm. For example, the rotational speed of a bearingless motor applied to a computer cooling fan is about 1500 rpm. The bearingless motor using the shaft member of Example 2 has excellent vibration characteristics when applied to a computer cooling fan. It was shown to show.

図12に示されるように、0〜4000rpmの回転速度それぞれにおいて、実施例1及び実施例2の軸部材を用いた場合には、傾き方向の振動振幅を30rad以下に抑えることができた。特に、実施例2の軸部材では、回転速度が1500rpmの場合に振動振幅を4.3radに抑えることができた。例えばコンピュータ用冷却ファンに応用されるベアリングレスモータの回転速度は1500rpm程度であるところ、実施例2の軸部材を用いたベアリングレスモータは、コンピュータ用冷却ファンに応用された場合に優れた振動特性を示すことが示された。   As shown in FIG. 12, when the shaft member of Example 1 and Example 2 was used at each rotation speed of 0 to 4000 rpm, the vibration amplitude in the tilt direction could be suppressed to 30 rad or less. In particular, in the shaft member of Example 2, the vibration amplitude could be suppressed to 4.3 rad when the rotation speed was 1500 rpm. For example, the rotational speed of a bearingless motor applied to a computer cooling fan is about 1500 rpm. The bearingless motor using the shaft member of Example 2 has excellent vibration characteristics when applied to a computer cooling fan. It was shown to show.

1…ベアリングレスモータ、2…回転子、3…固定子、24,32…軸部材、25…モータ磁石、33…コイル、41…ホール素子。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Bearingless motor, 2 ... Rotor, 3 ... Stator, 24, 32 ... Shaft member, 25 ... Motor magnet, 33 ... Coil, 41 ... Hall element.

Claims (5)

回転軸周りに回転可能な回転子と、
前記回転子の前記回転軸方向における両端のうち、一端側のみを磁気力により支持する固定子と、を備え、
前記回転子は、
前記回転軸方向に磁化された第1の軸部材と、
前記第1の軸部材の外周に沿って複数配列された永久磁石と、を有し、
前記固定子は、
前記回転軸方向に磁化された中空形状の部材であって、内部に前記第1の軸部材の少なくとも一部を収容する第2の軸部材と、
前記永久磁石と前記回転軸方向において対向し、前記第2の軸部材の外周に沿って複数分割して設けられたコイルと、を有する
ことを特徴とするベアリングレスモータ。
A rotor that can rotate around a rotation axis;
A stator that supports only one end side by magnetic force among both ends of the rotor in the direction of the rotation axis;
The rotor is
A first shaft member magnetized in the rotation axis direction;
A plurality of permanent magnets arranged along the outer periphery of the first shaft member,
The stator is
A hollow member magnetized in the direction of the rotation axis, the second shaft member accommodating at least a part of the first shaft member therein;
A bearingless motor, comprising: a coil that is opposed to the permanent magnet in the direction of the rotation axis and is divided into a plurality of coils along an outer periphery of the second shaft member.
前記固定子は、前記回転子の前記回転軸方向における下端を非接触で支持する、請求項1記載のベアリングレスモータ。   The bearingless motor according to claim 1, wherein the stator supports a lower end of the rotor in the rotation axis direction in a non-contact manner. 前記第1の軸部材は、棒状の磁石から構成されており、
前記第2の軸部材は、円筒状の磁石から構成されている、請求項1又は2記載のベアリングレスモータ。
The first shaft member is composed of a rod-shaped magnet,
The bearingless motor according to claim 1, wherein the second shaft member is formed of a cylindrical magnet.
前記永久磁石の極数は6極であり、
前記コイルのスロット数は9スロットである、請求項1〜3のいずれか一項記載のベアリングレスモータ。
The number of poles of the permanent magnet is 6,
The bearingless motor according to any one of claims 1 to 3, wherein the coil has nine slots.
前記コイル内には、ホール素子が配置されている、請求項1〜4のいずれか一項記載のベアリングレスモータ。
The bearingless motor according to claim 1, wherein a hall element is disposed in the coil.
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