JP4616405B2 - ベアリングレスモータ - Google Patents

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    • F16C2360/44Centrifugal pumps

Description

本発明はベアリングレスモータに係わり、特にスラストディスクを無くしワイドギャップ長でも安定な磁気浮上回転が可能なベアリングレスモータに関する。
電動機の高速・高出力化、メンテナンスフリー化を実現するために、ベアリングレスモータが提案され、国内外で盛んに研究・開発されている(非特許文献1〜5参照)。ベアリングレスモータは1つの固定子に電動機巻線と軸支持巻線の2種類の巻線を施すことで、モータと磁気軸受を一体化し、モータ自体に磁気軸受機能を持たせた回転電気機械である。回転子は非接触で磁気支持できるため、無摩擦・無発塵・無潤滑であり、定期的な保守を必要としない。
この様なベアリングレスモータをキャンドモータポンプに適用すると、ロータと一体化したインペラを完全非接触で浮上回転させることができるため、シール(軸封)・軸受・潤滑油などが不要となり、メンテナンスフリーで発塵の無いクリーンな液送が可能なポンプを実現できる(非特許文献4、5参照)。
しかし、この様な用途では、液体が固定子と回転子の間に流れ込むため、固定子・回転子表面を隔壁で覆う必要がある。加えて、高い化学耐性を持たせるには、テフロン(登録商標)樹脂などを用いた厚い隔壁にする必要があるため、固定子鉄心と回転子鉄心の間の磁気的なギャップ長は、通常の10倍近い4〜5mm以上のワイドギャップ長となる。ワイドギャップ長になると磁気抵抗が増すため、回転子を支持する軸支持力が発生しづらくなり、安定な磁気浮上回転を実現することは難しい。
そこで、発明者らは、ワイドギャップ長においても十分な軸支持力を発生でき、完全非接触で磁気浮上回転が可能な5軸能動制御型の構造を提案している。
図18にこのキャンドモータポンプ用途向けの従来の5軸能動制御型ベアリングレスモータの全体構造図を示す。
図18において、回転軸7の主軸方向ほぼ中央部周囲には環状の回転子9が固定されている。回転子9の中央外周部分には外方に向けて凹部11が環状に形成されている。そして、この凹部11の左側には左側環状凸部21が、また、右側には右側環状凸部23がそれぞれ突設されている。
左側センサターゲット25、右側センサターゲット27、ロータの一部である左側環状凸部21、右側環状凸部23は、円筒状に径方向の寸法を合わせるように配置されている。回転軸7の右端には、この円筒径よりも相当程度大きい磁性体からなる円板状のスラストディスク29が取付られている。
ケース37の内側には、左側環状凸部21及び右側環状凸部23に対しそれぞれ所定のギャップ長を隔てて対峙するように固定子41、43が配置されている。この固定子41、43には、電動機巻線47、51、ラジアル軸支持巻線49、53が捲回されている。回転子9、固定子41、及び電動機巻線47とラジアル軸支持巻線49とでベアリングレスモータ(ユニット1という)を構成し、回転子9、固定子43、及び電動機巻線51とラジアル軸支持巻線53とでベアリングレスモータ3(ユニット2という)が構成されている。
スラストディスク29の左面にはスラスト固定子鉄心30が配設されている。そして、このスラスト固定子鉄心30にはスラストディスク29に対し左方に電磁吸引力を発生する軸方向電磁石巻線58が備えられ、一方スラストディスク29を挟んだ反対側には右方に電磁吸引力を発生する軸方向電磁石巻線59とその周りに固定子鉄心が備えられている。このスラストディスク29及び軸方向電磁石巻線58と軸方向電磁石巻線59とそれらの周りに構成された鉄心でスラスト磁気軸受5が構成されている。
図19にスラスト磁気軸受の機能概念図を示す。図19に示すように、軸方向電磁石58及び軸方向電磁石59にはそれぞれ独立した単相インバータ40A、40Bが接続されている。スラストギャップセンサ60で検出された回転軸7の軸方向位置信号は図示しない補償器でPID補償等されるようになっている。
そして、この補償された信号を基に単相インバータ40A、40Bから軸方向電磁石58と軸方向電磁石59に対しそれぞれ電流が供給されるようになっている。その結果、スラストディスク29は軸方向電磁石58又は軸方向電磁石59により吸引され、回転軸7の軸方向位置が調整される。
即ち、この5軸能動制御型ベアリングレスモータ10はユニット1、2に配置されたベアリングレスモータ1、3と1台のスラスト磁気軸受5を備えている。
この結果、インペラ31と一体化した回転軸7の5軸軸支持能動制御を行うことにより、完全非接触な磁気浮上回転が可能であり、軸封(シール)・軸受・潤滑油などの消耗品が不要となるため、(1)発塵の無いクリーンな送液、(2)長寿命・高信頼性・メンテナンスフリー、(3)優れた化学耐性、(4)高速回転が可能(高揚程)などの優れた特長を有するポンプが実現できる。
但し、この様な用途では、ポンプに流れる液体が固定子と回転子の間に流れ込むため、固定子・回転子表面を隔壁で覆う必要がある。加えて、高い化学耐性を持たせるにはテフロン樹脂などで厚い隔壁を製作する必要があるため、固定子鉄心と回転子鉄心の間の磁気的なギャップ長は、通常の10倍近い4〜5mm以上のワイドギャップ長となる。
次に、固定子・回転子構造とラジアル軸支持力発生原理について説明する。
図20及び図21に、ユニット1のベアリングレスモータの固定子と回転子の断面図を示す。回転子9の各ユニットには4個の扇形ラジアル永久磁石52を配置している。4個全ての着磁方向を半径方向へ同一にし、ラジアル永久磁石間鉄心部はラジアル永久磁石52が発生する界磁磁束Ψ8mにより結果的に極を形成する、コンシクエントポール型の構造であり、8極の電動機として機能する。
図20に示すように、8極電動機巻線Nm8α,Nm8βと2極ラジアル軸支持巻線Ns2α1,Ns2β1は、実際に巻かれている三相集中巻の8極電動機巻線と2極ラジアル軸支持巻線に、それぞれ三相/二相変換を施した固定子座標上の等価二相巻線である。ラジアル軸支持巻線は各ユニットで個別に巻くため、ユニット毎にラジアル軸支持制御が可能である。
また、図21はユニット1でのラジアル軸支持力発生原理を示している。ワイドギャップ長によりギャップ部分の磁気抵抗が大きいため、通常のコンシクエントポール型の構造だけでは、十分なラジアル軸支持力を発生することは難しい。そこで、図18に示すように、2つのユニット間の固定子に環状スラスト永久磁石45を配置し、回転子を軸方向に貫くようにバイアス磁束Ψsを発生させる。
各ユニットのラジアル永久磁石間鉄心部54には、ラジアル永久磁石52から発生する界磁磁束Ψ8mに加えて、環状スラスト永久磁石45から発生するバイアス磁束Ψsが同じ向きに流れるため、ラジアル永久磁石間鉄心部54のギャップ磁束密度が高まる。ここで、ラジアル軸支持巻線Ns2β1に直流電流is2β1を流すことでラジアル軸支持磁束Ψs2β1が発生し、回転子上側のギャップでは磁束が互いに強め合い、下側では弱め合う。
その結果、回転子には磁束の疎から密の方向であるβ軸正方向にラジアル軸支持力Fβが発生する。バイアス磁束Ψsにより、ラジアル軸支持力発生のバイアスとなるラジアル永久磁石間鉄心部54のギャップ磁束密度を高めることで、ワイドギャップ長においても大きなラジアル軸支持力を発生できる。また、通常のコンシクエントポール型と同様に、回転角度に関係なく直流電流でラジアル軸支持が可能である。
なお、従来、4軸能動制御型ベアリングレスモータで、かつスラスト磁気軸受部分を受動的に構成したベアリングレスモータの例が開示されている(特許文献1)。
この例は、図22の概略断面構成図に示すように、モータ兼ラジアル磁気軸受で構成される駆動部201と、同様に構成された駆動部203の間に受動形スラスト磁気軸受205が配置されている。そして、回転軸には2つの閉ループ磁路が出来るように、駆動部201、203と受動形スラスト磁気軸受205の間に永久磁石207、209が設けられている。
図23に、この受動形スラスト磁気軸受による回転軸方向磁気せん断力の発生機構を示す。受動形スラスト磁気軸受205はテーパ状の磁極を有し、この磁極の先端で磁束の回り込み(漏れ)が生ずることで回転軸を引き戻すせん断力が発生するようになっている。
T. Suzuki, A. Chiba, M. A. Rahman, and T. Fukao, "An air-gap-flux-oriented vector controller for stable operation of bearingless induction motors," IEEE Trans. on Industry Applications, Vol. 36, No. 4, pp. 1069-1076, July/Aug. 2000. 大島、宮澤、千葉、中村、深尾 「突極型永久磁石ベアリングレスモータの半径方向力パラメータの同定法」 電学論D、Vol. 124-D、No. 8、pp. 784-791、2004 M. Takemoto, M. Uyama, A. Chiba, H. Akagi, and T. Fukao, "A Deeply-Buried Permanent Magnet Bearingless Motor with 2-pole Motor Windings and 4-pole Suspension Windings," in Conf. Rec. of the 2003 IEEE-IAS Annual Meeting, Salt Lake City, USA, Oct. 2003, pp. 1413-1420 T. Satoh, S. Mori, and M. Ohsawa, "Study of induction type bearingless canned motor pump", in Proc. IPEC-Tokyo 2000, Tokyo, Japan, 2000, pp.389-394. C. Redemann, P. Meuter, A. Ramella, and T. Gempp, "Development and prototype of a 30kW bearingless canned motor pump", in Proc. IPEC-Tokyo 2000, Tokyo, Japan, 2000, pp.377-382. 特開平5−272537号
ところで、従来のスラストディスクを用いた5軸能動制御型ベアリングレスモータ10では、γ軸方向の回転子位置を制御するため、スラスト磁気軸受5を別途設けている。回転子部分であるスラストディスク29を挟み込む形状でその両側にスラスト固定子30と巻線を配置し、直流電流を流すことにより、スラストディスク29の左右のギャップで磁束密度の不平衡を起こし、γ軸方向にスラスト軸支持力を発生させる。
スラスト軸支持巻線に流す電流量を制御することにより、能動的にスラスト軸支持力を操作できる。しかし、スラストディスク29の外径は他の回転子部に比べて大きく、スラストディスク29外周部の周速は他の回転子部に比べて速くなる。
キャンドモータポンプ用途では、ギャップ部分に液体が流入するため、この様な径の大きなスラストディスク29を用いた凹凸のあるロータ形状の場合、スラストディスク29部分でキャビテーションが発生し、スラスト磁気軸受5が破損してしまう危険性があり、回転速度が制限されてしまうという問題がある。従って、キャビテーションの発生を抑制するため、スラストディスク29を無くし、凹凸の無い円筒形状のロータ構造にする必要がある。
また、従来のスラストディスクを用いた5軸能動制御型ベアリングレスモータ10では、ラジアル軸支持力の脈動と偏角について次のような問題がある。
図24にラジアル軸支持力の発生方向の定義を示し、図25にラジアル軸支持力特性の解析結果を示す。なお、解析は以下に示す電流条件で行った。
・ユニット1,2共にβ軸正方向にラジアル軸支持力発生の指令
・ラジアル軸支持電流is2β1,is2β2=5.54A(定格値一定、直流)
・ラジアル軸支持電流is2α1,is2α2=0A
・電動機トルク分電流im8q=13.9A(定格値一定、交流)
・回転子の回転角度θ=0〜90deg(7.5deg刻み)
β軸正方向にラジアル軸支持力が発生するようにラジアル軸支持電流を流して解析を行ったが、実際は、磁束の流れがβ軸に対して対称にならない回転角度に回転子がある場合や電動機電流により発生する電動機磁束とラジアル軸支持磁束との干渉により、α軸方向にも力が生じてしまう。
ここで、図24に示すように、本来発生させたいβ軸正方向からの角度のずれを偏角φとする。図25より、β軸方向のラジアル軸支持力Fβの平均値は3.23p.u.である。
しかし、回転角度が変化するとラジアル軸支持力の大きさが脈動しており、その脈動比は22.7%と大きい。また、偏角φは最大で10.1degとなっている。回転角度によってラジアル軸支持力に脈動や偏角が発生すると、ラジアル軸支持制御系の安定度を損なうため、ラジアル軸支持力の脈動や偏角を抑制する工夫をモータに施す必要がある。
また、特許文献1に記載されたベアリングレスモータでは、軸方向の位置調整力を永久磁石207、209の漏れ磁束を利用することで受動的に得ている。このように、受動的構成だと外乱への収束も固定であり、収束時間も相当程度時間を要するものになる恐れがある。従って、簡易的な設備に適用は可能であっても、大きな力で軸方向を制御したり、精度の高い制御を行わせる場合に適用は困難であると推測される。
更に、特許文献1ではスラスト力を発生させるのに永久磁石207、209の磁束の内の一部漏れ磁束(図23において○印210を付した部分)を利用しているが、インペラのように大きな力が外乱として作用したような場合を考えると、特許文献1では、受動的な力の発生で、かつ永久磁石による磁束の漏れのみを利用し調整力としているため、軸方向の外乱等に伴う変位を収束させるには相当程度大きな永久磁石を適用する必要がある。
しかも、特許文献1では永久磁石207、209により生じた磁束のすべてをスラスト力発生のために利用しているものではなく、一部の漏れ磁束をスラスト力発生のために利用しているに過ぎないので発生力としては小さいものになると推定される。
本発明はこの様な従来の課題に鑑みてなされたもので、スラストディスクを無くしワイドギャップ長でも安定な磁気浮上回転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。
このため本発明(請求項1)は、第1の電動機巻線と第1の支持巻線とを同一の鉄心に捲回した第1の固定子と、この第1の固定子に対し径方向へ第1のギャップを隔てて対峙した第1の回転子を有する第1のベアリングレスモータユニットと、第2の電動機巻線と第2の支持巻線とを同一の鉄心に捲回した第2の固定子と、この第2の固定子に対し径方向へ第2のギャップを隔てて対峙した第2の回転子を有する第2のベアリングレスモータユニットと、前記第1の固定子と前記第2の固定子の間に配置され、回転軸周りに捲回されたスラスト軸支持巻線を鉄心の軸方向に形成された2つの突極により挟まれた空間へ収納して成る第3の固定子と、この第3の固定子よりも軸方向厚みが薄く形成され、前記第3の固定子に対し径方向へ第3のギャップを隔てて対峙した第3の回転子とを有するスラスト磁気軸受ユニットと、前記第1の固定子、第3の固定子の突極の一方、第3のギャップ、第3の回転子、第1の回転子、及び第1のギャップ順次通る第1のバイアス磁束を生成する第1バイアス磁束生成手段と、前記第2の固定子、第3の固定子の突極の他方、第3のギャップ、第3の回転子、第2の回転子及び第2のギャップを順次通り、軸方向において前記第1のバイアス磁束と逆向きの第2のバイアス磁束を生成する第2バイアス磁束生成手段を備えて構成した。
また、本発明(請求項)は、前記第1の回転子と前記第2の回転子と前記第3の回転子を含むロータ全体が略円柱状に、前記第1の固定子と第2の固定子と第3の固定子を含むステータ全体が略円筒状に形成されていることを特徴とする。
更に、本発明(請求項)は、前記スラスト軸支持巻線に直流電流を流してスラスト軸支持磁束を発生させ、発生したスラスト軸支持磁束を前記第1のバイアス磁束および第2のバイアス磁束へ重畳又は相殺させることによりスラスト磁気軸受力を発生させることを特徴とする。
更に、本発明(請求項)は、前記第1バイアス磁束生成手段は、前記第1の固定子と第3の固定子との間に配設され、軸方向へ着磁された第1のスラスト永久磁石を有し、前記第2バイアス磁束生成手段は、前記第2の固定子と第3の固定子との間に配設され、前記第1のスラスト永久磁石と逆方向へ着磁された第2のスラスト永久磁石を有することを特徴とする。
更に、本発明(請求項)は、前記第1バイアス磁束生成手段は前記第1の回転子と第3の回転子との間に配設され、前記第1のスラスト永久磁石とは逆方向へ着磁された第3スラスト永久磁石を、前記第2バイアス磁束生成手段は、前記第2の回転子と第3の回転子との間に配設され、前記第2のスラスト永久磁石とは逆方向へ着磁された第4スラスト永久磁石を、更に有することを特徴とする。
更に、本発明(請求項)は、前記第1の回転子並びに第2の回転子はそれぞれが、半径方向に着磁された永久磁石が複数個鉄心内に埋め込まれた第1の鉄心部と、永久磁石が埋め込まれていない第2の鉄心部とが一体に形成された物から成ることを特徴とする。
更に、本発明(請求項)は、前記第1の回転子並びに第2の回転子はそれぞれが、半径方向に着磁された複数の永久磁石が鉄心の周上に交互に着磁方向を変えてリング状に配置されている第1の鉄心部と、永久磁石が配置されていない第2の鉄心部とが一体に形成された物から成ることを特徴とする。
更に、本発明(請求項)は、前記ベアリングレスモータは、インナーロータ型又はアウタロータ型のいずれかであることを特徴とする。
回転軸回りにスラスト軸支持巻線を捲回した。このスラスト軸支持巻線に直流電流を流すと、その流す方向により第1のベアリングレスモータユニットのギャップを通るバイアス磁束を強める一方で、第2のベアリングレスモータユニットのギャップを通るバイアス磁束を弱めたり、これとは逆に第2のベアリングレスモータユニットのギャップを通るバイアス磁束を強める一方で、第1のベアリングレスモータユニットのギャップを通るバイアス磁束を弱めたりできる。このことにより、回転子を軸方向に制御できるようになる。このため、スラストディスクを無くし、回転子を円筒型とすることができる。
スラストディスクを軸方向に制御する場合、従来は、主軸の正方向と負方向の両方向の制御を行うため、正方向用と負方向用の2つの軸方向電磁石を必要とし、かつ制御回路もこの各軸方向電磁石のそれぞれに対するものが必要であった。しかしながら、本発明では回転軸回りにスラスト軸支持巻線を1つだけ捲回し、制御回路はこの巻線に対し流す電流の方向を変化させることで主軸の正方向と負方向の両方向の制御が可能である。
また、ベアリングレスモータユニットが発生する固定バイアス磁束に対し、スラスト軸支持巻線で発生した磁束が重畳する形になるので、スラスト巻線の電流により磁束量を調整してスラスト力を発生することができる。更に、スラスト磁気軸受で必要なバイアス電流を省略することができ、スラスト軸支持巻線に流す電流は小さくてもスラスト軸支持力は十分な大きさにできる。
なお、本発明はインナーロータ型、アウターロータ型のいずれにも適用可能である。また、第1の回転子部及び第2の回転子部のラジアル永久磁石の配設された端部は、コンシクエント型とされてもよいし、あるいは、表面張り付け型とし回転子の全周に渡りラジアル永久磁石が配設されるようにしてもよい。
磁束を共有すると、スラスト巻線による磁束がベアリングレスモータユニットのラジアル方向電磁力を発生する回転子部分に流れ、スラスト力とラジアル力の干渉が起きる恐れがある。そこで、主軸部分にスラスト方向に着磁した第3のスラスト永久磁石及び第4のスラスト永久磁石を配置する。この結果、磁気抵抗が高くなり、スラスト磁束が漏れないようになる。
従って、スラスト電磁力とラジアル電磁力を非干渉化することができ、スラスト磁気軸受ユニットにおけるギャップを通る磁束を独立に効率よく強めたり弱めたりできる。このことにより、軸方向位置制御を精度よく行うことができる。ここで、非干渉化とは、干渉度合いを極力小さくして実用的に問題が無い程度に低減することである。
更に、本発明は、第1の電動機巻線と第1の支持巻線とを同一の鉄心に捲回した第1の固定子、及び、該第1の固定子の内側若しくは外側に配設され、該第1の固定子に対し所定のギャップを隔てて対峙し半径方向に着磁する第1のラジアル永久磁石が周状に配設された第1の回転子を有する第1のベアリングレスモータユニットと、第2の電動機巻線と第2の支持巻線とを同一の鉄心に捲回した第2の固定子、及び、該第2の固定子の内側若しくは外側に配設され、該第2の固定子に対し所定のギャップを隔てて対峙し半径方向に着磁する第2のラジアル永久磁石が周状に配設された第2の回転子を有する第2のベアリングレスモータユニットとを備え、前記第1の回転子及び前記第2の回転子はラジアル永久磁石の配設された第1の回転子部とラジアル永久磁石の配設されない鉄心のみの第2の回転子部とが軸方向に連接又は一体に形成され、前記第1のラジアル永久磁石及び第2のラジアル永久磁石は、磁極の数が2+4n極となるように前記第1の回転子及び前記第2の回転子に対し全周に渡り配設され、かつ前記第1の電動機巻線及び第2の電動機巻線が該極数にて捲回されるようにしてもよい。
磁極の数を2+4n極とすることで、ラジアル永久磁石の配設された第1の回転子部における周方向に180度隔てた箇所でのラジアル永久磁石により発生した磁束の方向が一致する。
このため、ラジアル永久磁石の配設された第1の回転子部を通るバイアス磁束との間でも磁束の方向が一致し、周方向に180度隔てたギャップにおけるラジアル永久磁石による磁束とバイアス磁束との合成磁束は互いに同じ大きさとなる。従って、回転子の回転に伴って生じる恐れがあったラジアル軸支持力の脈動は小さくなり、原理的には生じない。
一方、第1の回転子及び第2の回転子のラジアル永久磁石の配設されていない鉄心のみの第2の回転子部に対してはバイアス磁束が放射状に通っている。従って、周方向に180度隔てたギャップにおけるラジアル永久磁石による磁束とバイアス磁束との合成磁束は互いに同じ大きさとはならず増加若しくは減少する。このため、ラジアル軸支持力を効率よく発生できるとともに良好に制御できる。なお、本発明は、スラスト磁気軸受機能の有無に関わらず適用可能である。
更に、本発明は、第1の電動機巻線と第1の支持巻線とを同一の鉄心に捲回した第1の固定子、及び、該第1の固定子の内側若しくは外側に配設され、該第1の固定子に対し所定のギャップを隔てて対峙し半径方向に着磁する第1のラジアル永久磁石が周状に配設された第1の回転子を有する第1のベアリングレスモータユニットと、第2の電動機巻線と第2の支持巻線とを同一の鉄心に捲回した第2の固定子、及び、該第2の固定子の内側若しくは外側に配設され、該第2の固定子に対し所定のギャップを隔てて対峙し半径方向に着磁する第2のラジアル永久磁石が周状に配設された第2の回転子を有する第2のベアリングレスモータユニットとを備え、前記第1の回転子及び前記第2の回転子はラジアル永久磁石の配設された第1の回転子部とラジアル永久磁石の配設されない鉄心のみの第2の回転子部とが軸方向に連接又は一体に形成され、前記第1のラジアル永久磁石及び第2のラジアル永久磁石は、磁極の数が2n極となるように前記第1の回転子及び前記第2の回転子に対しコンシクエントポール型に配設され、かつ前記第1の電動機巻線及び第2の電動機巻線が該極数にて捲回されてもよい。
コンシクエントポール型に構成されても前記と同様の効果を得ることができる。従って、ラジアル軸支持力の脈動は生じない。
以上説明したように本発明によれば、第1のベアリングレスモータユニットと第2のベアリングレスモータユニットとの間に回転軸回りにスラスト軸支持巻線が捲回された固定子とこの固定子に対し所定のギャップを隔てて対峙した回転子部を有するスラスト磁気軸受ユニットを備えたので、ベアリングレスモータユニットのギャップを通るバイアス磁束を強めたり、弱めたりでき、回転子を軸方向に制御できるようになる。このため、スラストディスクを無くし、回転子を円筒型とすることができる。
本発明の第1実施形態である5軸能動制御型ベアリングレスモータの構成図 本発明の第1実施形態の回転子・固定子部分の拡大斜視構造図 γ軸方向のスラスト軸支持力特性 β軸方向のラジアル軸支持力特性 β軸方向のラジアル軸支持力の脈動発生原理(回転角度θ=0deg) β軸方向のラジアル軸支持力の脈動発生原理(回転角度θ=45deg) 本発明の第2実施形態である5軸能動制御型ベアリングレスモータの回転子正面図 同上回転子全体斜視図 モータユニット部全体の拡大斜視構造図 本発明の第2実施形態である5軸能動制御型ベアリングレスモータのラジアル軸支持力発生原理(ラジアル永久磁石部分) 本発明の第2実施形態である5軸能動制御型ベアリングレスモータのラジアル軸支持力発生原理(円筒部分) ラジアル軸支持力脈動を抑制する構造の軸支持力特性 ラジアル軸支持力脈動を抑制する構造のγ軸方向支持力特性 トルク特性 電動機トルク分電流im6qとβ軸方向のラジアル軸支持力の平均値FβAVGの関係 5軸能動制御型ベアリングレスモータについてのスラスト軸支持の始動特性 5軸能動制御型ベアリングレスモータのスラスト軸支持の始動特性(能動型と受動型の比較実験) 従来の5軸能動制御型ベアリングレスモータの全体構造図 従来の能動制御型スラスト磁気軸受 ベアリングレスモータの固定子と回転子の断面図 ラジアル軸支持力発生原理 従来の5軸能動制御型ベアリングレスモータの全体構造図(特許文献1記載) 回転軸方向磁気せん断力の発生機構を示す図(特許文献1記載) ラジアル軸支持力の発生方向 ラジアル軸支持力特性の解析結果
符号の説明
7 回転軸
25 左側センサターゲット
27 右側センサターゲット
31 インペラ
33 ポンプ吸入口
35 ポンプ吐出口
37 ケース
41、42、43 固定子
47 電動機巻線
49、53 ラジアル軸支持巻線
51 電動機巻線
52、91、191 ラジアル永久磁石
54 ラジアル永久磁石間鉄心部
55 ラジアルギャップセンサ
57 ラジアルギャップセンサ
60 スラストギャップセンサ
61、62、63 鉄心
61a 軸方向左半部
61b 軸方向右半部
63a 軸方向右半部
63b 軸方向左半部
71 スラスト軸支持巻線
73、75 固定子側環状スラスト永久磁石
81、83 ロータ側環状スラスト永久磁石
100 5軸能動制御型ベアリングレスモータ
101、103 ベアリングレスモータユニット
102 スラスト磁気軸受ユニット
以下、本発明の実施形態について説明する。まず、本発明の第1実施形態は、従来構造の問題点の1つであるスラストディスクを無くして、ロータ全体を円筒形状にし、かつ5軸能動制御が可能な新たな構造を提案する。
本発明の第1実施形態の構成図を図1に示す。なお、図18と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
図1のスラストディスクを省略した5軸能動制御型ベアリングレスモータ100において、回転子鉄心は3つのブロックに分けられている。即ち、固定子41に対峙して鉄心61が配設され、この固定子41と鉄心61とで第1のベアリングレスモータのユニット101が構成され、一方、固定子43と鉄心63とで第2のベアリングレスモータのユニット103が構成されている。
そして、このユニット101とユニット103の間に鉄心62と固定子42からなるスラスト磁気軸受機能を持たせたスラスト磁気軸受ユニット102を新たに配置した構造である。ここに、鉄心62は鉄心61と鉄心63の間に配設され、固定子42は固定子41と固定子43の間に配設されている。
固定子42の内側にはスラスト軸支持巻線71が回転軸7回りに捲回されている。固定子41と固定子42の間で、かつケース37の内周面には軸方向に着磁され回転軸7回りに形成された固定子側環状スラスト永久磁石73が装着されている。
同様に、固定子42と固定子43の間で、かつケース37の内周面には軸方向に着磁され回転軸7回りに形成された固定子側環状スラスト永久磁石75が装着されている。固定子側環状スラスト永久磁石73と固定子側環状スラスト永久磁石75の向かい合った面は共にN極であって軸方向に着磁されている。
一方、鉄心61と鉄心62の間で、かつ回転軸7の周囲には軸方向に着磁されたロータ側環状スラスト永久磁石81が装着され、同様に、鉄心62と鉄心63の間で、かつ回転軸7の周囲には軸方向に着磁されたロータ側環状スラスト永久磁石83が装着されている。ロータ側環状スラスト永久磁石81とロータ側環状スラスト永久磁石83の向かい合った面は共にS極であって軸方向に着磁されている。
かかる構成において、ユニット101、102、103間の固定子・回転子部にそれぞれ配置した固定子側環状スラスト永久磁石73、75及びロータ側環状スラスト永久磁石81、83により、図1に示すようにバイアス磁束Ψsを発生させる。
ここで、スラスト軸支持巻線71に直流電流を流すことで、スラスト軸支持磁束Ψthを発生させ、バイアス磁束Ψsとスラスト軸支持磁束Ψthの重ね合せにより、スラスト磁気軸受ユニット102の左側のギャップでは磁束が互いに強め合い、右側では弱め合う。その結果、磁束密度の疎から密の方向であるγ軸正方向にスラスト軸支持力Fγが発生する。
ここに、スラスト軸支持磁束Ψthは、そのすべての磁束がバイアス磁束Ψsとの間で重ね合せされたり、相殺されたりされるというように有効利用される。これに対し、特許文献1の場合には、磁極を流れる主磁束部分はスラスト軸支持力には殆ど有効に寄与せず、回り込んだ漏れ磁束部分のみが回転軸の引き戻しのために作用する。従って、本実施形態では、バイアス磁束のすべてを有効に利用できる分効率のよい制御が行え、小型にもできる。
なお、本実施形態では、スラストディスクを用いずにワイドギャップ長で大きなスラスト軸支持力を発生させるには、スラスト磁気軸受ユニット102部分のギャップ磁束密度を高める必要があるため、回転子にもロータ側環状スラスト永久磁石81、83を配置している。また、本実施形態は、磁気抵抗の大きいロータ側環状スラスト永久磁石81、83をユニット間に配置したことで、スラスト軸支持磁束Ψthはベアリングレスモータユニット部101、103に流れづらくなるため、ラジアル軸支持磁束と干渉しにくい構造である。
そして、本実施形態は、従来の構造で用いていた径の大きなスラストディスク29を無くして、ロータ全体を円筒状にした構造であり、キャンドモータポンプとして動作した際に問題となるスラストディスク29によるキャビテーションの発生を抑制できるため、回転速度がスラストディスク29によって制限されてしまう問題を解決できる。
なお、図19で説明したように、電流ドライバーは従来単相インバータが2台必要であったが、本実施形態ではスラスト軸支持巻線71用に1台で済む。従って、低コスト化を実現できる。
図2に本発明の第1実施形態である5軸能動制御型ベアリングレスモータ100の回転子・固定子部分の拡大斜視構造図を示す。
図2において、回転子・固定子コアの形状・寸法は従来の5軸能動制御型ベアリングレスモータ10の構造と同様である。図2中、鉄心61の軸方向左半部61aは4個のラジアル永久磁石91が埋設され、8極のコンシクエントポール型の構造になっている。一方、鉄心61の軸方向右半部61bは円筒状に形成されているが、永久磁石は配置されていない。
同様に、鉄心63の軸方向右半部63aは4個のラジアル永久磁石91が埋設され、8極のコンシクエントポール型の構造になっている。一方、鉄心63の軸方向左半部63bは円筒状に形成されているが、永久磁石は配置されていない。固定子には8極電動機巻線と2極ラジアル軸支持巻線を配置している。
次に、本発明の第1実施形態である5軸能動制御型ベアリングレスモータのスラスト・ラジアル軸支持力特性の解析結果について説明する。
5軸能動制御型ベアリングレスモータ100の構造が軸方向・半径方向共に十分な軸支持力を発生できるか検証するため3D−FEM解析を行った。以下に電流条件を示す。
・ユニット1,2共にβ軸正方向にラジアル軸支持力発生の指令
・ラジアル軸支持電流is2β1,is2β2=5.54A(定格値一定、直流)
・ラジアル軸支持電流is2α1,is2α2=0A
・スラスト電流ith=3.39A(定格値一定、直流)
・電動機トルク分電流im8q=13.9A(定格値一定、交流)
・回転子の回転角度θ=0〜90deg(7.5deg刻み)
解析は、ラジアル軸支持巻線49、53、スラスト軸支持巻線71、電動機巻線47、51の3つに同時に定格電流を流して行った。ロータ全自重を磁気支持するのに必要な力を基準値1.0p.u.として、図3にγ軸方向のスラスト軸支持力特性、図4にβ軸方向のラジアル軸支持力特性を示す。
図3より、γ軸方向のスラスト軸支持力Fγは、目標値である従来のスラストディスク29を用いた場合である3.27p.u.の2倍以上という十分大きな力が得られている。また、ラジアル軸支持巻線49、53、電動機巻線47、51に同時に定格電流を流した状態で回転子を回転させても、Fγの脈動比は0.4%と非常に小さいため、安定したスラスト軸支持制御を行える。
また、図4より、β軸方向のラジアル軸支持力Fβは平均4.48p.u.であり、軸支持を行うために必要な力の4倍以上の十分大きな力が得られている。ベアリングレスモータユニット101、103間にもスラスト永久磁石73、75、81、83を配置したことにより、ラジアル永久磁石91間鉄心部に多くのバイアス磁束Ψsが流れるため、従来型よりラジアル軸支持力の値は大きくなっている。
しかし、回転子の各ユニット101、103は従来型と同様の構造であるため、ラジアル軸支持力の脈動比は17.0%、偏角φは7.0degとなり、回転角度によりラジアル軸支持力に脈動や偏角が生じてしまう。図5及び図6にβ軸方向のラジアル軸支持力の脈動発生原理を示す。ラジアル軸支持磁束Ψs2β1は主に磁気抵抗の小さいラジアル永久磁石91間鉄心部に流れるため、図5に示すように、回転角度0degの場合はβ軸上下のギャップで磁束の強弱が発生し、β軸正方向にラジアル軸支持力Fβが発生する。
一方、回転子が45deg回転すると、ラジアル軸支持磁束Ψs2β1は図6に示すように流れるため、β軸から45degずれた2方向にそれぞれ力F’が発生し、β軸方向のラジアル軸支持力Fβは2つのF’の合力となる。よって、θ=0degの場合より大きなラジアル軸支持力が発生し、脈動が生じる。
そして、磁束の流れがβ軸に対して対称にならない回転角度に回転子がある場合や、電動機電流により発生する磁束とラジアル軸支持磁束との干渉により、α軸方向にも力が生じ、ラジアル軸支持力に脈動が生じてしまう。よって、この構造ではラジアル軸支持力の脈動や偏角を抑制することは難しいため、新たな構造を検討する必要がある。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。本発明の第2実施形態は、安定した磁気浮上回転を実現するため、従来構造における二つ目の問題点であるラジアル軸支持力の脈動や偏角を抑制できる5軸能動制御型ベアリングレスモータの構造を提案するものである。本発明の第2実施形態である5軸能動制御型ベアリングレスモータの回転子正面図を図7に、回転子全体斜視図を図8に示す。なお、図1及び図2と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
図7及び図8において、回転子にはユニット101の軸方向左半部61a、及びユニット103の軸方向右半部63aに半径方向に着磁した6個のラジアル永久磁石191を配置し、6極電動機構造とする。
そして、図8に示すように、回転子ユニット部分を軸方向に分割し、ユニット101の軸方向右半部61b及びユニット103の軸方向左半部63bの部分をラジアル永久磁石の無い円筒形状にする。図9にモータユニット部全体を示す。第1実施形態と同様にユニット101、103間の固定子・回転子に配置したスラスト永久磁石73、75、81、83によりバイアス磁束Ψsを発生させる。固定子には6極電動機巻線と2極のラジアル軸支持巻線を施す。
図10及び図11に本発明の第2実施形態である5軸能動制御型ベアリングレスモータのラジアル軸支持力発生原理を示す。図10に示すように、ラジアル永久磁石部分(ユニット101の軸方向左半部61a、及びユニット103の軸方向右半部63aの部分)のギャップでは、磁束の向きが上下の位置で常に同じ向きになっており、ラジアル軸支持磁束Ψs2βを発生させても上下のギャップで磁束密度の強弱は生じないため、ラジアル軸支持力は発生しない。
一方、図11に示すように、回転子の円筒部分(ユニット101の軸方向右半部61b及びユニット103の軸方向左半部63bの部分)においては、バイアス磁束が回転子中心から放射状に流れているため、ラジアル軸支持磁束を発生させることで、上下のギャップで磁束密度の強弱を生じ、ラジアル軸支持力Fβを発生させる。つまり、ラジアル永久磁石191はラジアル軸支持力の発生に寄与せず、軸方向右半部61b及び軸方向左半部63bの円筒部分のギャップでのみラジアル軸支持力を発生させるため、回転角度が変化してもラジアル軸支持力が脈動しない構造である。
次に、本発明の第2実施形態である5軸能動制御型ベアリングレスモータのラジアル・スラスト軸支持力とトルク特性の解析結果について説明する。
第2実施形態である5軸能動制御型ベアリングレスモータの構造がラジアル軸支持力の脈動と偏角を抑制できるか検証するため、3D−FEM解析を行った。
スラスト軸支持力は第1実施形態におけるスラスト・ラジアル軸支持力特性の解析で示したように、目標値を大きく超える十分な大きさであるため、第2実施形態ではスラスト磁気軸受ユニット102部分を第1実施形態のモデルから小さくし、その分ベアリングレスモータユニット101、103部分の軸長を長くした。
解析は第1実施形態で示した条件と同様の電流条件で、回転子の回転角度θ=0〜120deg(10deg刻み)まで行った。図12にラジアル軸支持力特性を示す。β軸方向ラジアル軸支持力Fβは平均3.74p.u.、脈動比は3.1%であり、従来構造の脈動比22.7%から大幅に脈動を抑制できた。
また、偏角φも2.3degに抑えられており、第2実施形態の構造がラジアル軸支持力の脈動と偏角の抑制に有効であることが確認できた。また、図13にスラスト軸支持力特性を示す。スラスト軸支持力Fγは平均3.86p.u.であり、目標値を超える十分な力が得られている。脈動比は0.8%であり、回転子を回転させても力の変動は非常に少ない。また、図14にトルク特性を示す。トルク平均値TAVGは2.32Nmである。
次に、電動機トルク分電流とラジアル軸支持力の関係について説明する。
電動機トルク分電流im6qを変化させた際の、電動機トルク分電流im6qとβ軸方向のラジアル軸支持力の平均値FβAVGの関係を図15に示す。
FβAVGはim8qを0A〜13.9A(定格値)まで増加させても約1.9%の減少に留まっている。そして、その変化の度合いは非常に緩やかであり、電動機トルク分電流im6q変化時のラジアル軸支持力の変動は非常に小さく、ラジアル軸支持制御の安定性が良い構造であるといえる。
次に、第1実施形態及び第2実施形態は共にスラスト軸支持を能動的に制御しているが、受動的に制御した場合との相違について実験データを基に比較説明する。
図16に第2実施形態で述べた5軸能動制御型ベアリングレスモータについてのスラスト軸支持の始動特性を示す。図16において、制御前、t=0のとき、ロータは4軸の径方向および傾斜方向に能動的に支持されている。t=t1のとき、外力が与えられると、回転軸はスラスト方向には受動的に支持されているので、ローターにスラスト振動が生じる。
t=t2のとき、スラスト能動制御のスイッチが入れられる。そして、振動は、電流によって生じる能動スラスト磁力によって抑制される。u−位相およびw−位相のバイアス電流の違いは、支持力定数の違いに因る。
t=t3のとき、外力を再び与える。このとき、ロータは、スラスト磁気支持電流によって、ほぼ一定の位置に保持される。
図16のスラスト変位を比較すると0<t<t1におけるスラスト軸の受動支持領域に比べ、t>t2におけるスラスト軸の能動支持領域の方が定常偏差の少ないことが分かる。また、t1とt3で加振したときのスラスト変位を比較するとt1<t<t2におけるスラスト軸の受動支持領域に比べ、t=t3以降におけるスラスト軸の能動支持領域の方がダンピングがよく、かつ応答が速いことが分かる。
上記相違を明確化するため、第2実施形態で述べた別の5軸能動制御型ベアリングレスモータを用いて上記と同様の比較実験を行った。図17に、制御を行った場合(能動型に相当)と制御を行わなかった場合(受動型に相当)とについて比較実験した結果を示す。
図17を見て分かるように、上述した図16の結果と同様に定常偏差、ダンピング、応答速度共に能動型の方が優れていることが分かる。

Claims (8)

  1. 第1の電動機巻線と第1の支持巻線とを同一の鉄心に捲回した第1の固定子と、この第1の固定子に対し径方向へ第1のギャップを隔てて対峙した第1の回転子を有する第1のベアリングレスモータユニットと、
    第2の電動機巻線と第2の支持巻線とを同一の鉄心に捲回した第2の固定子と、この第2の固定子に対し径方向へ第2のギャップを隔てて対峙した第2の回転子を有する第2のベアリングレスモータユニットと、
    前記第1の固定子と前記第2の固定子の間に配置され、回転軸周りに捲回されたスラスト軸支持巻線を鉄心の軸方向に形成された2つの突極により挟まれた空間へ収納して成る第3の固定子と、この第3の固定子よりも軸方向厚みが薄く形成され、前記第3の固定子に対し径方向へ第3のギャップを隔てて対峙した第3の回転子とを有するスラスト磁気軸受ユニットと、
    前記第1の固定子、第3の固定子の突極の一方、第3のギャップ、第3の回転子、第1の回転子、及び第1のギャップ順次通る第1のバイアス磁束を生成する第1バイアス磁束生成手段と、
    前記第2の固定子、第3の固定子の突極の他方、第3のギャップ、第3の回転子、第2の回転子及び第2のギャップを順次通り、軸方向において前記第1のバイアス磁束と逆向きの第2のバイアス磁束を生成する第2バイアス磁束生成手段を備えたことを特徴とするベアリングレスモータ。
  2. 前記第1の回転子と前記第2の回転子と前記第3の回転子を含むロータ全体が略円柱状に、前記第1の固定子と第2の固定子と第3の固定子を含むステータ全体が略円筒状に形成されていることを特徴とする請求項1に記載のベアリングレスモータ。
  3. 前記スラスト軸支持巻線に直流電流を流してスラスト軸支持磁束を発生させ、発生したスラスト軸支持磁束を前記第1のバイアス磁束および第2のバイアス磁束へ重畳又は相殺させることによりスラスト磁気軸受力を発生させることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のベアリングレスモータ。
  4. 前記第1バイアス磁束生成手段は、前記第1の固定子と第3の固定子との間に配設され、軸方向へ着磁された第1のスラスト永久磁石を有し、
    前記第2バイアス磁束生成手段は、前記第2の固定子と第3の固定子との間に配設され、前記第1のスラスト永久磁石と逆方向へ着磁された第2のスラスト永久磁石を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載のベアリングレスモータ。
  5. 前記第1バイアス磁束生成手段は前記第1の回転子と第3の回転子との間に配設され、前記第1のスラスト永久磁石とは逆方向へ着磁された第3スラスト永久磁石を、
    前記第2バイアス磁束生成手段は、前記第2の回転子と第3の回転子との間に配設され、前記第2のスラスト永久磁石とは逆方向へ着磁された第4スラスト永久磁石を、更に有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載のベアリングレスモータ。
  6. 前記第1の回転子並びに第2の回転子はそれぞれが、半径方向に着磁された永久磁石が複数個鉄心内に埋め込まれた第1の鉄心部と、永久磁石が埋め込まれていない第2の鉄心部とが一体に形成された物から成ることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載のベアリングレスモータ。
  7. 前記第1の回転子並びに第2の回転子はそれぞれが、半径方向に着磁された複数の永久磁石が鉄心の周上に交互に着磁方向を変えてリング状に配置されている第1の鉄心部と、永久磁石が配置されていない第2の鉄心部とが一体に形成された物から成ることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載のベアリングレスモータ。
  8. 前記ベアリングレスモータは、インナーロータ型又はアウタロータ型のいずれかであることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載のベアリングレスモータ。
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