JP4491260B2 - Rotor for bearingless motor and bearingless motor - Google Patents
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Description
本発明は、ベアリングレスモータ用回転子およびベアリングレスモータに関する。 The present invention relates to a rotor for a bearingless motor and a bearingless motor.
近年、機械的軸受に起因する諸問題,またこれらを解決するために用いられている磁気軸受になお残されている問題を解決するためにベアリングレスモータが研究開発されている。ベアリングレスモータはギャップの磁束を意図的に不平衡にしてトルクと支持力を発生させ,電動機と磁気軸受を一体化した電磁機器であり、高速化、長寿命化、オイルレス化などの要望に応えるものである。 In recent years, bearingless motors have been researched and developed in order to solve various problems caused by mechanical bearings and problems still remaining in magnetic bearings used to solve these problems. A bearingless motor is an electromagnetic device that intentionally unbalances the magnetic flux in the gap to generate torque and support force, and integrates the motor and magnetic bearings. It is a response.
様々なモータ形式のベアリングレスモータが提案されている中で,永久磁石型は小型で強力な起磁力を持つ希土類磁石を用いることにより,・小型軽量,・高力率,高効率,・励磁電流なしで支持力を発生可能,などの特長を持っている。 Various types of bearing-less motors have been proposed. Permanent magnet type is small and light by using rare earth magnets with strong magnetomotive force. ・ Compact and lightweight ・ High power factor, high efficiency ・ Excitation current It has the feature that it can generate supporting force without using it.
既に表面貼付型や埋込型,Inset型,ディスク型,コンシクエントポール形などのベアリングレスモータが開発されており,ディスク型で小型の液体ポンプに実用化された例もある。 Bearingless motors such as surface-mounted, embedded, Inset, disc, and consequent pole types have already been developed, and there are some examples that have been put to practical use in disc-type and small liquid pumps.
上記ベアリングレスモータのうち、埋込型ベアリングレスモータは永久磁石を回転子鉄心内に埋め込み,突極性を持たせて磁束弱め制御を行うことにより広い速度範囲での可変速運転や,リラクタンストルクを発生して高効率運転が可能になる。また埋込型である故に、高速回転時に磁石の飛散を防ぐためのカバーが必要ないのでギャップ長(ステータ・ロータ間の間隙)を小さくすることができる。このため支持力対電流比を大きくできるなどの特徴がある(例えば、特許文献1参照)。図9に突極付埋込型回転子の例を示す。この回転子100はリラクタンストルクを得るための突極106を備え、無負荷時の支持力を増すために磁石102の厚みを薄くしている。また磁石102に不可逆減磁が起こるのを避けるため、磁石102を一個の磁石ではなく小分けにし、小さな磁石102の集合体としている。さらに、磁石102間にブリッジ104を設けたことで漏れ磁束を発生させ、減磁強度を増している。
Among the above bearingless motors, embedded bearingless motors can be used for variable speed operation over a wide speed range and reluctance torque by embedding a permanent magnet in the rotor core and providing magnetic flux weakening control with saliency. Occurring and high efficiency operation becomes possible. Further, since it is an embedded type, there is no need for a cover for preventing the magnets from scattering during high-speed rotation, so that the gap length (gap between the stator and the rotor) can be reduced. For this reason, there is a feature that the ratio of supporting force to current can be increased (for example, see Patent Document 1). FIG. 9 shows an example of a salient pole embedded rotor. The
しかし上記特許文献で発明者らが既に提案した埋込磁石構造ベアリングレスモータの回転子100は無負荷時や軽負荷時の支持力を増加するため薄い磁石102を使用しているために突極比が小さく,またブリッジ104からの漏れ磁束のため界磁磁束が弱くなり、トルクを増加することが難しいといった理由から埋込型ベアリングレスモータの特徴であるリラクタンストルクを有効に活用できず、トルク性能が伸びなかった。すなわち、上記の「広い速度範囲での可変速運転」,「リラクタンストルクを発生して高効率運転が可能」という埋込磁石構造同期モータの特長が生かされていない。
本発明は上記事実を考慮し、安価で広い速度範囲で効率のよい可変速運転が可能なベアリングレスモータ用回転子およびベアリングレスモータを提供することを課題とする。 In view of the above-described facts, an object of the present invention is to provide a bearingless motor rotor and a bearingless motor that are inexpensive and capable of efficient variable speed operation in a wide speed range.
請求項1に記載のベアリングレスモータ用回転子は、回転子鉄心の周方向に所定間隔を隔てて形成された複数の突極と、前記回転子鉄心の前記突極間にそれぞれが前記回転子鉄心の略周方向を長手方向として形成された複数の挿入部と、それぞれが前記各挿入部へ挿入される複数の磁極を備えたベアリングレスモータ用回転子において、前記磁極の各々が、直方体状の永久磁石小片を着磁方向が前記挿入部の長手方向に交差する方向を向くように複数個積層して構成した一対の積層部と、前記一対の積層部を連結すると共に着磁方向が前記各積層部の着磁方向と同じ方向を向くように配列された複数の直方体状の永久磁石小片から成る連結部と、から構成され、前記磁極の永久磁石小片の配列は、回転子の平面視において少なくとも径方向外側面が径方向内側へ凹むように、前記連結部が前記積層部より径方向に薄く形成されていることを特徴とする。 The bearingless motor rotor according to claim 1, wherein a plurality of salient poles formed at a predetermined interval in a circumferential direction of the rotor core and each of the rotor cores between the salient poles are the rotor. In a rotor for a bearingless motor having a plurality of insertion portions formed with the substantially circumferential direction of the iron core as a longitudinal direction and a plurality of magnetic poles each inserted into each of the insertion portions, each of the magnetic poles has a rectangular parallelepiped shape. A pair of laminated parts configured by laminating a plurality of permanent magnet pieces in such a manner that the magnetization direction faces the direction intersecting the longitudinal direction of the insertion part, and the pair of laminated parts are connected and the magnetization direction is A plurality of rectangular parallelepiped permanent magnet pieces arranged in the same direction as the magnetization direction of each laminated portion, and the arrangement of the permanent magnet pieces of the magnetic poles is a plan view of the rotor At least radially outside As the surface is recessed radially inward, wherein the connecting portion is formed thinner in the radial direction from the laminate.
上記構成の発明では、磁極中央部の厚みを端部よりも薄くし、かつ端部を厚くすることでベアリングレスモータの軸を支持する支持力が確保されると共に、磁極端部において生ずる不可逆減磁を防ぐことができる。 In the invention with the above configuration, by making the thickness of the magnetic pole center portion thinner than the end portion and making the end portion thicker, a supporting force for supporting the shaft of the bearingless motor is secured, and an irreversible reduction occurring at the magnetic pole end portion Magnetism can be prevented.
また、各々の磁極を直方体状の永久磁石小片を着磁方向が同じ方向を向くように積層・配列して構成することで高価な特殊形状磁石を使用せずコストを抑えることができ、且つ周方向の両端部である積層部を略半径方向に厚みを持つように積層することで不可逆減磁を防ぐことができる。 In addition, each magnetic pole is configured by stacking and arranging rectangular parallelepiped small permanent magnet pieces so that the magnetization direction is the same direction, so that it is possible to reduce costs without using expensive special-shaped magnets. Irreversible demagnetization can be prevented by stacking the stacked portions that are both ends in the direction so as to have a thickness in a substantially radial direction.
請求項2に記載のベアリングレスモータ用回転子は、前記磁極の永久磁石小片の配列は、回転子の平面視において径方向外側面が径方向内側へ、径方向内側面が径方向外側へ凹むように前記連結部と前記積層部とが略H字形状を成すことを特徴とする。
The rotor for a bearingless motor according to
上記構成の発明では、ベアリングレスモータの軸を支持する支持力が確保されると共に、回転子の突極を拡大することが可能であるので、リラクタンストルクを増大することが出来る。 In the invention having the above-described configuration, the supporting force for supporting the shaft of the bearingless motor is ensured and the salient poles of the rotor can be enlarged, so that the reluctance torque can be increased.
請求項3に記載のベアリングレスモータ用回転子は、前記積層部の磁束密度が高くなるように前記各積層部の外側面に着磁方向を前記積層方向と直交する方向として配置された直方体状の永久磁石小片を更に含むことを特徴とする。 The rotor for a bearingless motor according to claim 3 is a rectangular parallelepiped that is arranged on the outer surface of each of the stacked portions with a magnetization direction orthogonal to the stacked direction so that the magnetic flux density of the stacked portions is increased. The permanent magnet piece is further included.
上記構成の発明では、積層部の各外側面に永久磁石小片を追加することで起磁力を増大させ、積層部の磁束密度を高くすることができる。 In the present aspect, to increase the magnetomotive force by adding the permanent magnet pieces on each outer side of the laminate, it is possible to increase the magnetic flux density of the laminate.
請求項4に記載のベアリングレスモータは、トルク発生用の磁束を発生する巻線と回転子支持用の磁束を発生する巻線とを備えた固定子と、前記固定子内に回転可能に配置され請求項1または請求項2に記載のベアリングレスモータ用回転子と、を備えたことを特徴とする。
The bearingless motor according to
上記構成の発明では、安価で広い速度範囲で効率のよい可変速運転が可能なベアリングレスモータとすることができる。 In the invention with the above configuration, it is possible to provide a bearingless motor that is inexpensive and capable of efficient variable speed operation in a wide speed range.
以上説明したように、本発明によれば安価で広い速度範囲で効率のよい可変速運転が可能なベアリングレスモータ用回転子およびベアリングレスモータとできる。 As described above, according to the present invention, a rotor for a bearingless motor and a bearingless motor capable of efficient variable speed operation at a low cost and in a wide speed range can be obtained.
図1には本発明の第1実施形態に係るベアリングレスモータ用回転子が示されている。 FIG. 1 shows a bearingless motor rotor according to a first embodiment of the present invention.
回転子10は磁石12、突極14を備えた略円盤状の形状をしており、回転子10自体は図2に示すような形状の薄板10aをモータ軸方向(白矢印方向)に積層した構造となっている。また、複数の回転子10をモータ軸方向に積層して更にトルクを向上させる構造としてもよい。このとき、リップルを防ぐため回転子10と隣接する回転子10bとは図1のように回転方向に角度をオフセット(スキュー)させてもよい。
The
回転子10には磁石12が黒矢印の方向に挿入され、回転子10の磁極を形成している。磁石12は後述するように略Hの字型の断面をしており、半径方向に厚みをもった積層部が円周方向に1対設けられ、1対の積層部を薄い連結部が連結して磁石12を構成している。積層部の円周方向外側、連結部と接していない側には追加部分が設けられ、磁石全体の起磁力を増している。
A
図2には本発明の第1実施形態に係るベアリングレスモータ用回転子を構成する薄板の寸法例が示されている。(単位:mm)数値はあくまでも一例であって、本実施例がこの数値に限定されるわけではない。 FIG. 2 shows a dimension example of a thin plate constituting the bearingless motor rotor according to the first embodiment of the present invention. (Unit: mm) The numerical value is merely an example, and the present embodiment is not limited to this numerical value.
図3には本発明の第1実施形態に係るベアリングレスモータ用回転子の磁石の構造が示されている。 FIG. 3 shows the structure of the magnet of the bearingless motor rotor according to the first embodiment of the present invention.
磁石12は周方向両端の積層部12a、2つの12aを連結する連結部12b、12aの周方向外側に設けられた追加部分12cから構成されている。図中の黒矢印はS極からN極へ向かう着磁方向を表している。
The
図3に示すように磁石12は直方体形状の磁石片16が並べられ積層部12a、連結部12b、追加部分12cを形成しており、周方向の両端部である積層部12aは略半径方向に厚みを持つように積層されることで不可逆減磁を防いでいる。また、連結部12bは透磁率の低い磁石の厚みを略半径方向に薄くすることでベアリングレスモータの軸を支える支持力を増している。また、このように磁石12を小さな磁石片16に分割することで、モータの効率を低下させる渦電流の発生を抑えることができる。
As shown in FIG. 3, the
さらに連結部12bを回転子10の表面より深い部分に埋め込んだことで図3の距離dを大きくとり、発生するリラクタンストルクをより大きくすることができる。追加部分12cには積層部12aと直交する方向に着磁した磁石を配置することで起磁力を増加させることができる。
Further, by embedding the connecting
図4には参考例としてベアリングレスモータ用回転子が示されている。 FIG. 4 shows a rotor for a bearingless motor as a reference example .
回転子11は磁極13、突極15を備えた略円盤状の形状をしている。磁極13は回転子11の外周形状に沿うような略円弧状の磁石であり、円周方向両端部の厚みを大きくする形状となっている。
The
図4に示す回転子11は図9の突極付埋込型の回転子100と比較してブリッジ104が存在しない一体形成の磁石を使用しているので漏れ磁束は発生しないが、一体成型の磁石を使用する必要があり、さらに回転子11の外周面に沿って磁石13を埋め込んだ構造であるため、リラクタンストルクの向上は期待できない。
The
図5には本発明の第1実施形態に係るベアリングレスモータ用回転子の突極幅ごとのトルク/電流位相角の関係が示されている。 FIG. 5 shows the relationship of torque / current phase angle for each salient pole width of the bearingless motor rotor according to the first embodiment of the present invention.
有限要素法を用いて本発明の第一実施形態に係る回転子10の突極幅を変化させた際の電流位相角とトルクの関係を解析した結果、図5に示すように突極幅33°、電流位相角βは−20°〜−30°近傍で最大トルクが得られることが明らかになった。ここで電流位相角βはq軸方向を0とし、符号のマイナスはd軸電流が負、すなわち磁束弱めの意味である。
As a result of analyzing the relationship between the current phase angle and the torque when changing the salient pole width of the
図6には本発明の第1実施形態に係るベアリングレスモータ用回転子のトルク/電流位相角の関係が示されている。 FIG. 6 shows the torque / current phase angle relationship of the bearingless motor rotor according to the first embodiment of the present invention.
本発明の第一実施形態に係る回転子10の突極幅を33°とし、電流位相角βとトルクの関係を解析した結果、図6に示すように突極幅33°、電流位相角βは−25°近傍で最大トルクが得られることが明らかになった。ただし、本実施形態は4極モータであるため、極数が変われば当然、最適な突極幅も異なった数値となる。
The salient pole width of the
図7には本発明の第1実施形態に係るベアリングレスモータ用回転子と図9に示す従来例とのトルクの比較が示されている。 FIG. 7 shows a torque comparison between the bearingless motor rotor according to the first embodiment of the present invention and the conventional example shown in FIG.
図7は支持電流isd=8Aにおいてq軸電流imqを変化させた際のトルクの比較であり、従来型と比較して本実施形態の方が大きなトルクが得られていることが解る。これは回転子10に従来型のようなブリッジ104を設けないことで漏れ磁束がなくなり、界磁磁束が増加したためであると考えられる。
FIG. 7 shows a comparison of torque when the q-axis current imq is changed at the support current isd = 8 A. It can be seen that a larger torque is obtained in the present embodiment than in the conventional type. This is thought to be because the leakage flux is eliminated and the field flux is increased by not providing the
本実施形態の構成では突極比を増加したためマグネットトルクの他にリラクタンストルクを発生し、全体としては最大で従来の突極付埋込型回転子を使用したベアリングレスモータの約1.72倍のトルクが得られている。 In the configuration of this embodiment, since the salient pole ratio is increased, reluctance torque is generated in addition to the magnet torque, and as a whole, the maximum is approximately 1.72 times that of a bearingless motor using a conventional salient pole embedded rotor. Torque is obtained.
図8には本発明の第1実施形態に係るベアリングレスモータ用回転子と図9に示す従来例との支持力の比較が示されている。 FIG. 8 shows a comparison in bearing force between the bearingless motor rotor according to the first embodiment of the present invention and the conventional example shown in FIG.
図8はq軸電流imqを変化させた際の支持力の比較であり、従来型と比較して本実施形態はq軸電流imq<7Aで従来型よりも大きな支持力が得られていることが解る。モータの定格電流は7.8Aである。 FIG. 8 shows a comparison of the supporting force when the q-axis current imq is changed. Compared with the conventional type, this embodiment has a q-axis current imq <7A and a larger supporting force than the conventional type. I understand. The rated current of the motor is 7.8A.
q軸電流imq>7Aの領域では磁極端12aの磁石厚を増したことでq軸磁束が固定子ヨーク部や一部の固定子の歯に集中し、磁気飽和が生じるため支持力が減少している。しかし定格電流は7.8Aであること、q軸電流imq=10Aにおいても支持力の減少はピーク時に比較して12%程度であることなどから本実施形態の有用性は明らかである。
In the region of q-axis current imq> 7A, increasing the magnet thickness of the
以上説明したように、本発明によれば安価で広い速度範囲で効率のよい可変速運転が可能なベアリングレスモータ用回転子およびベアリングレスモータとできる。なお上記実施例は4極モータであるが、本発明は上記実施例以外にも極数の異なるモータなどに応用できることは言うまでもない。 As described above, according to the present invention, a rotor for a bearingless motor and a bearingless motor capable of efficient variable speed operation at a low cost and in a wide speed range can be obtained. In addition, although the said Example is a 4-pole motor, it cannot be overemphasized that this invention is applicable to the motor etc. from which pole number differs besides the said Example.
10 回転子
12 磁石
14 突極
16 磁石片
10
Claims (4)
前記回転子鉄心の前記突極間にそれぞれが前記回転子鉄心の略周方向を長手方向として形成された複数の挿入部と、
それぞれが前記各挿入部へ挿入される複数の磁極を備えたベアリングレスモータ用回転子において、
前記磁極の各々が、直方体状の永久磁石小片を着磁方向が前記挿入部の長手方向に交差する方向を向くように複数個積層して構成した一対の積層部と、前記一対の積層部を連結すると共に着磁方向が前記各積層部の着磁方向と同じ方向を向くように配列された複数の直方体状の永久磁石小片から成る連結部と、から構成され、
前記磁極の永久磁石小片の配列は、回転子の平面視において少なくとも径方向外側面が径方向内側へ凹むように、前記連結部が前記積層部より径方向に薄く形成されていることを特徴とするベアリングレスモータ用回転子。 A plurality of salient poles formed at predetermined intervals in the circumferential direction of the rotor core;
A plurality of insertion portions formed between the salient poles of the rotor core, each having a substantially circumferential direction of the rotor core as a longitudinal direction;
In the bearingless motor rotor provided with a plurality of magnetic poles each inserted into each insertion portion,
Each of the magnetic poles includes a pair of stacked portions formed by stacking a plurality of rectangular parallelepiped permanent magnet pieces so that the magnetization direction is in a direction crossing the longitudinal direction of the insertion portion, and the pair of stacked portions. And a connecting portion composed of a plurality of rectangular parallelepiped permanent magnet pieces arranged so that the magnetization direction is the same as the magnetization direction of each of the laminated portions .
The arrangement of the permanent magnet pieces of the magnetic pole is characterized in that the connecting portion is formed to be thinner in the radial direction than the laminated portion so that at least the radially outer surface is recessed radially inward in a plan view of the rotor. Bearingless motor rotor.
前記固定子内に回転可能に配置された請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のベアリングレスモータ用回転子と、
を備えたことを特徴とするベアリングレスモータ。 A stator having a winding for generating a magnetic flux for generating torque and a winding for generating a magnetic flux for supporting the rotor;
The rotor for a bearingless motor according to any one of claims 1 to 3, which is rotatably disposed in the stator.
A bearingless motor characterized by comprising:
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