JP5747385B2

JP5747385B2 - Ｉｐｍ型ベアリングレスモータ

Info

Publication number: JP5747385B2
Application number: JP2011232261A
Authority: JP
Inventors: 竹本　真紹; 真紹竹本; 松橋　大器; 大器松橋; 智太田
Original assignee: Meidensha Corp; Hokkaido University NUC
Current assignee: Meidensha Corp; Hokkaido University NUC
Priority date: 2011-10-21
Filing date: 2011-10-21
Publication date: 2015-07-15
Anticipated expiration: 2031-10-21
Also published as: JP2013090556A

Description

本発明は、ＩＰＭ型ベアリングレスモータに係り、特に、ＩＰＭ型ベアリングレスモータにおける軸支持力の脈動の抑制に関する。

電動機巻線と軸支持巻線を一つの固定子に巻くことで電動機と磁気軸受の機能を一体化したベアリングレスモータが研究開発されている。これまでに、小容量の高速モータ用として、２極電動機・４極軸支持構造のＳＰＭ型ベアリングレスモータ（表面磁石型同期電動機）が、非特許文献１において報告されている。

２極電動機・４極軸支持構造のＳＰＭ型ベアリングレスモータの場合、永久磁石によって発生する界磁磁束によるギャップ磁束密度分布が正弦波分布でないと、回転子が回転した場合、軸支持力に脈動が発生し、高速回転時において安定した軸支持運転が困難となる。そのため、非特許文献１では、パラレル着磁したリング磁石を採用し、軸支持力の脈動を抑制している。

特開２００４−１２０８８６号公報

Ｔ．Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ，Ａ．Ｂｉｎｄｅｒ"ＤｅｓｉｇｎａｎｄＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆａ６００００ｒｐｍＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＢｅａｒｉｎｇｌｅｓｓＨｉｇｈＳｐｅｅｄＭｏｔｏｒ"，ｉｎｐｒｏｃ．ｏｆ７ｔｈＩｎｔ．Ｃｏｎｆ．ｏｎＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｎｄＤｒｉｖｅＳｙｓｔｅｍｓ（ＰＥＤＳ２００７），８ｐａｇｅｓ（ＣＤ−ＲＯＭ），Ｎｏｖ．２００７．Ｍ．Ｔａｋｅｍｏｔｏ，Ｍ．Ｕｙａｍａ，Ａ．Ｃｈｉｂａ，Ｈ．Ａｋａｇｉ，ａｎｄＴ．Ｆｕｋａｏ，"ＡＤｅｅｐｌｙ−ＢｕｒｉｅｄＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＢｅａｒｉｎｇｌｅｓｓＭｏｔｏｒｗｉｔｈ２−ｐｏｌｅＭｏｔｏｒＷｉｎｄｉｎｇｓａｎｄ４−ｐｏｌｅＳｕｓｐｅｎｓｉｏｎＷｉｎｄｉｎｇｓ，"ｉｎＣｏｎｆ．Ｒｅｃ．ｏｆｔｈｅ２００３ＩＥＥＥ−ＩＡＳＡｎｎｕａｌＭｅｅｔｉｎｇ，ｐｐ．１４１３−１４２０，Ｏｃｔ．２００３．

しかしながら、上記のようなＳＰＭ型ベアリングレスモータでは、以下の理由により大容量の高速モータに適用することができなかった。

（１）大径のパラレル着磁されたリング磁石の製作が難しい。

（２）ＳＰＭ型ベアリングレスモータは大きな軸支持力を発生させることが難しい。

また、ＳＰＭ型ベアリングレスモータは回転子の鉄心の外周に永久磁石を配置した構造であるため、大きな軸支持力を得ることが困難である。すなわち、鉄心の透磁率は約μ＝１０００と高く、永久磁石の透磁率は約μ＝１．０５と低いため、軸支持磁束は真空とほぼ同じ透磁率の永久磁石を貫通しなければならない。このため、軸支持巻線の起磁力に対して有効に軸支持磁束を発生させることができず、大きな軸支持力を得ることができなかった。

一方、ＩＰＭ型ベアリングレスモータ（埋込磁石型同期電動機）は、透磁率の高い鉄心が永久磁石の外周側にあるため、わずかな電流で大きな軸支持力が得られる。

ＩＰＭ型ベアリングレスモータについては、永久磁石を回転子内の深い位置（軸側）に埋め込むことにより、軸支持磁束が永久磁石を通過しないようにし、大きな軸支持力を発生させる構成が特許文献１に開示されている。しかしながら、ＩＰＭ型ベアリングレスモータは、軸支持力の脈動が発生する。

非特許文献２には、駆動周波数に同期した周波数成分に加えて、駆動周波数の３倍の周波数成分を重畳した軸支持電流を通電すれば、この軸支持力の脈動を抑制できることが開示されている。

しかし、高速モータ（例えば、回転速度３００００ｒ／ｍｉｎ）において、駆動周波数の３倍の周波数は、高周波（例えば、１．５ｋＨｚ）になるため、軸支持電流の電流制御は困難となり、安定な軸支持運転を行うことができなかった。

また、特許文献１の構成では、永久磁石が回転子の深い位置（軸側）に埋め込まれているため、永久磁石よりも外周側に位置する鉄心の遠心力による応力が、永久磁石間の細い鉄心部に集中し、高速回転に耐えることができなかった。

以上示したようなことから、軸支持力の脈動を抑制したＩＰＭ型ベアリングレスモータの構造を提供することが課題となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、２極の電動機巻線と４極の軸支持巻線とが倦回された一つの固定子と、鉄心に永久磁石が埋め込まれた回転子と、を備えたＩＰＭ型ベアリングレスモータであって、前記回転子の鉄心に、軸支持力が最大となる回転角度時に、軸支持磁束が界磁磁束に干渉することにより磁束が強弱する場所に対応する永久磁石の周囲に空隙を形成したことを特徴とする。

また、他の態様として、前記永久磁石は複数に分割されて回転子の鉄心に埋め込まれたことを特徴とする。

また、他の態様として、前記永久磁石は界磁磁束が永久磁石間を短絡しない程度に、鉄心内の外周側に埋め込まれたことを特徴とする。

また、他の態様として、前記空隙は永久磁石の内周側に形成したことを特徴とする。

本発明によれば、ＩＰＭ型ベアリングレスモータにおいて、軸支持力の脈動を抑制することが可能となる。

実施形態におけるＩＰＭ型ベアリングレスモータの断面図である。実施形態における永久磁石と空隙の拡大図である。回転角度θ＝０°時における軸支持力の発生原理を示す図である。回転角度θ＝９０°時における軸支持力の発生原理を示す図である。従来の高速用ＩＰＭ型ベアリングレスモータにおける回転角度と軸支持力の関係を示すグラフである。本実施形態におけるＩＰＭベアリングレスモータの回転角度と軸支持力の関係を示すグラフである。本実施形態におけるＩＰＭベアリングレスモータの空隙長と軸支持力脈動比の関係を示すグラフである。

本実施形態は、高速ベアリングレスモータが大容量化に対応できるように、周方向に分割した永久磁石を回転子に埋め込んだ２極電動機・４極軸支持構造のＩＰＭ型ベアリングレスモータにおいて、回転子の適切な位置に空隙を形成することにより、軸支持力の脈動を抑制するものである。

以下、図１〜図７に基づいて、本願発明の実施形態を説明する。

［実施形態］
図１は、本実施形態におけるＩＰＭ型ベアリングレスモータの構造を示す簡略断面図である。図１に示すＩＰＭ型ベアリングレスモータは、高速運転（例えば、３００００ｒ／ｍｉｎ）を想定して設計されたものであり、２極電動機・４極軸支持構造で構成されている。

図１に示すように、本実施形態におけるＩＰＭ型ベアリングレスモータの回転子７は、積層ケイ素鋼板から成る鉄心１の中心に回転軸２が貫通しており、鉄心１には永久磁石３が埋め込まれている。なお、前記永久磁石３は、鉄心１の内周側（すなわち、回転軸２側）に埋め込むと、界磁磁束が永久磁石３間を短絡して閉磁路を形成し、トルクが得られない。そのため、本実施形態では、界磁磁束が永久磁石間を短絡しないように、永久磁石３を鉄心１の外周側表面近傍に埋め込むものとする。

また、図１において、左側の永久磁石３は、外周側がＳ極，右側の永久磁石３は外周側がＮ極となるように配置されている。

また、大容量化した際に鉄心１にかかる応力を低減するため、永久磁石３を周方向に１２個に分割し、６個の永久磁石３で１極を構成する回転子構造とする。

また、後述する永久磁石３ａ〜３ｄの周囲には、図２に示すような空隙長ｄを有する空隙（空気ギャップ）４が形成されている。

一方、固定子５はリング状に形成され、その内周側にスロット６が形成されており、該スロット６には電動機巻線（図示省略），軸支持巻線（図示省略）が倦回されている。本実施形態では、電動機の駆動周波数を抑制するため、２極電動機とする。また、軸支持巻線は４極とする。

次に、２極電動機・４極軸支持構造のＩＰＭ型ベアリングレスモータの軸支持力の発生原理について説明する。図３，図４は、回転角度θ＝０°，９０°時におけるβ軸正方向の軸支持力Ｆ_βの発生原理を示す断面図である。なお、図３，図４において、α，β軸は固定子座標上に固定された直交座標であり、軸支持巻線Ｎ_s4d，Ｎ_s4qは、三相軸支持巻線に３相／２相変換とｄｑ変換を施した回転子座標上の等価巻線を示す。なお、図３，図４では永久磁石３は１２個に分割せずに、簡略して示す。

まず、回転子７の回転角度θ＝０°時における軸支持力Ｆ_βの発生原理について説明する。回転子７の鉄心１に埋め込んだ永久磁石３により界磁磁束ψ_mが発生している。そこに、軸支持巻線Ｎ_s4qに軸支持電流ｉ_s4qを流すと軸支持磁束ψ_s4qが発生する。この２つの界磁磁束ψ_mと軸支持磁束ψ_s4qが干渉することにより、図３に示すようにギャップ磁束密度分布に強弱が生じ、β軸正方向に軸支持力Ｆ_βが発生する。

次に、回転角度θ＝９０°時における軸支持力Ｆ_βの発生原理について説明する。回転角度θ＝０°の時と異なり、軸支持巻線Ｎ_s4dに軸支持電流ｉ_s4dを流すことで軸支持磁束ψ_s4dを発生させる。この２つの界磁磁束ψ_mと軸支持磁束ψ_s4dが干渉することにより、図４に示すように、ギャップ磁束密度分布に強弱が生じ、β軸正方向の軸支持力Ｆ_βが発生する。

従って、４極軸支持巻線Ｎ_s4q，Ｎ_s4dには、駆動周波数に同期した周波数成分の電流を流すことでβ軸正方向に一定の軸支持力Ｆ_βを発生させることができる。

次に、従来の高速用ＩＰＭ型ベアリングレスモータ（すなわち、図１に示すＩＰＭ型ベアリングレスモータに空隙４を形成していないもの）における軸支持力Ｆ_βについて説明する。

従来のＩＰＭ型ベアリングレスモータに対して、β軸正方向に一定の軸支持力Ｆ_βが発生するように、駆動周波数に同期した周波数成分の軸支持電流を入力して２Ｄ−ＦＥＭ解析を行った。この時、軸支持電流ｉ_s4qは、定格電流値１０．１Ａｒｍｓ一定とした。一方、電動機電流はゼロとし、無負荷状態とした。

図５に、回転角度θに対する軸支持力Ｆ_βの解析結果を示す。定格電流値における平均の軸支持力Ｆ_βは１９４Ｎであり、想定される回転子７の重量４．５ｋｇに対して十分な軸支持力である。しかし、回転角度θに対して、軸支持力Ｆ_βにはｐｅａｋ−ｔｏ−ｐｅａｋで２６．３Ｎの脈動が発生している。これは、平均軸支持力の１３．６％と大きい。

図５に示す解析結果より、回転子７の回転角度θ＝０°時に軸支持力Ｆ_βは最大となり、回転子７の回転角度θ＝９０°時に軸支持力Ｆ_βは最小となる。このような軸支持力Ｆ_βの脈動は、図３，図４で示した軸支持力Ｆ_βの発生原理からもわかるように、同じ方向の軸支持力Ｆ_βが発生する場合でも、回転角度θに応じて、軸支持磁束ψ_s4q，ψ_s4dが界磁磁束ψ_mに干渉することにより磁束が強弱する場所が異なることに起因して生じる。

そこで、ＩＰＭ型ベアリングレスモータは、十分に大きな平均軸支持力Ｆ_βを発生できることから、本実施形態においては、回転子７の回転角度θ＝９０°時の軸支持力Ｆ_βを維持して軸支持力Ｆ_βの脈動を抑制する。すなわち、軸支持力Ｆ_βが最大となる回転角度θ＝０°時の軸支持力Ｆ_βを僅かに小さくして、軸支持力Ｆ_βが最小となる回転角度θ＝９０°時の軸支持力Ｆ_βに合わせることにより、軸支持力Ｆ_βの脈動を抑制する。

具体的には、図１，図３に示すように、軸支持力Ｆ_βが最大となる回転角度θ＝０°時において、軸支持磁束ψ_s4qが界磁磁束ψ_mに干渉することによって磁束が強弱する場所に配置された永久磁石３ａ〜３ｄの周囲に、図２に示すような空隙（空気ギャップ）４を設ける。これにより、回転角度θ＝０°時の軸支持力Ｆ_βを僅かに小さくし、回転子７の回転角度θ＝９０°の時の軸支持力Ｆ_βと合わせる。

図６は，前記空隙長ｄを変化させた際の軸支持力Ｆ_βの推移を示すグラフである。この図６から、図１に示す永久磁石３ａ〜３ｄの周囲に形成した空隙４の空隙長ｄを大きくするほど、回転角度θ＝０°（および１８０°）時における軸支持力Ｆ_βが減少することが分かる。

図７は，空隙長ｄと軸支持力Ｆ_βの脈動比の関係を示す。空隙長ｄ＝１．３ｍｍの時に軸支持力脈動比は３．６３％で最小となり，軸支持力脈動比を７３．３％低減できる。この時の平均軸支持力は１８４Ｎであり，十分な軸支持力Ｆ_βが発生できている。

また、回転子７を回転した際、永久磁石３の重量による応力は、遠心力により永久磁石３の外周側に生じる。そのため、前記空隙４を永久磁石３の外周側に形成した場合、永久磁石３の重量による応力が永久磁石３の外周側に均一にかからず、空隙４が形成されていない箇所に偏ってかかってしまい、強度的に問題となる。さらに、高速モータの場合は、この問題が顕著となる。

そこで、本実施形態では、空隙４を永久磁石３の内周側に形成する。これにより、永久磁石３の重量による応力が永久磁石３の外周側に均一にかかるため、前記の問題は解消される。

以上示したように、本実施形態におけるＩＰＭ型ベアリングレスモータによれば、軸支持力Ｆ_βが最大となる回転角度θ＝０°時において、軸支持磁束ψ_s4qが界磁磁束ψ_mに干渉することによって磁束が強弱する場所に配置された永久磁石３ａ〜３ｄの周囲に空隙４を形成することにより、軸支持力Ｆ_βが最大となる回転角度θ＝０°時における軸支持力Ｆ_βが小さくなり、軸支持力Ｆ_βが最小となる回転角度θ＝９０°時における軸支持力Ｆ_βとほぼ同一の大きさとなるため、軸支持力Ｆ_βの脈動が抑制される。

また、ＩＰＭ型のベアリングレスモータは、透磁率の高い回転子の鉄心が永久磁石の外周側にあるため、ＳＰＭ型のベアリングレスモータと比較して、大きな軸支持力Ｆ_βを発生させることが容易であり、十分な軸支持力Ｆ_βを確保することができる。

さらに、ＳＰＭ型のベアリングレスモータは、大容量化させる場合、大径のパラレル着磁されたリング磁石の製作が困難であったが、ＩＰＭ型のベアリングレスモータはパラレル着磁されたリング磁石が不要であるため、製作が容易である。

また、モータを大容量化すると、遠心力による応力が増加し、永久磁石３間の細い鉄心部（以下、ブリッジと称する）に遠心力による応力が集中し、高速回転に耐えることができなかった。しかし、本実施形態では、永久磁石３を複数に分割して鉄心１に埋め込むことにより前記ブリッジの数が増加し、遠心力による応力を複数のブリッジに分散させることができるため、遠心力による応力に耐えることが可能となり、高速回転用のモータにも適した構造となる。

また、空隙４を永久磁石３の内周側に形成することにより、永久磁石３の重量による応力が永久磁石３の外周側に均一にかかるため、高速用のモータに適用しても強度上問題ない。

また、本実施形態では、永久磁石３は鉄心１の外周側表面近傍に埋め込まれているため、永久磁石３よりも外周に位置する鉄心１の重量が少なく、遠心力によって前記ブリッジにかかる応力も少ないため、強度上無理が無く、高速モータに適用することも可能である。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

１…鉄心
２…回転軸
３…永久磁石
４…空隙
５…固定子
６…スロット
７…回転子
Ｆ_β…軸支持力
ψ_m…界磁磁束
ψ_s4q，ψ_s4d…軸支持磁束
Ｎ_s4q，Ｎ_s4d…軸支持巻線

Claims

２極の電動機巻線と４極の軸支持巻線とが倦回された一つの固定子と、
鉄心に永久磁石が埋め込まれた回転子と、を備えたＩＰＭ型ベアリングレスモータであって、
前記回転子の鉄心に、
軸支持力が最大となる回転角度時に、軸支持磁束が界磁磁束に干渉することにより磁束が強弱する場所に対応する永久磁石の周囲に空隙を形成したことを特徴とするＩＰＭ型ベアリングレスモータ。
前記永久磁石は複数に分割されて回転子の鉄心に埋め込まれたことを特徴とする請求項１記載のＩＰＭ型ベアリングレスモータ。
前記永久磁石は界磁磁束が永久磁石間を短絡しない程度に、鉄心内の外周側に埋め込まれたことを特徴とする請求項１または２記載のＩＰＭ型ベアリングレスモータ。
前記空隙は永久磁石の内周側に形成したことを特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項に記載のＩＰＭ型ベアリングレスモータ。