JP6542694B2 - Magnetic levitation motor and magnetic levitation pump equipped with the same - Google Patents
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Description
本発明は、回転部を磁気によって固定部の中心で浮上させた状態で回転させる電動機と、それを備えた磁気浮上式ポンプに関する。 The present invention relates to an electric motor that rotates a rotating unit in a floating state at the center of a fixed unit by magnetism, and a magnetic levitation pump including the motor.
従来、回転部を磁気によって固定部の中心で浮上させることで、機械的摺動部材であるすべり軸受を不要とした磁気浮上式電動機がある。この磁気浮上式電動機は、例えば、磁気浮上式ポンプなどに採用されている。磁気浮上式電動機を磁気浮上式ポンプなどに採用した場合、機械的摺動部材がないため、コンタミネーションの問題や消耗部品の問題によるメンテナンスが必要なくなる。このため、磁気浮上式ポンプは、半導体産業、医薬品関連の薬液等の分野、気体を含有する二相液を取扱う用途などにおいて採用されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, there is a magnetic levitation motor that eliminates the need for a slide bearing, which is a mechanical sliding member, by magnetically levitating a rotating portion at the center of a fixed portion. The magnetic levitation motor is employed, for example, in a magnetic levitation pump. When the magnetically levitated motor is adopted for a magnetically levitated pump or the like, there is no mechanical sliding member, so maintenance due to the problem of contamination and the problem of consumable parts is not necessary. For this reason, the magnetically levitated pump is employed in the semiconductor industry, in the field of medical fluid related to medicines, in applications that handle two-phase liquid containing gas, and the like.
この種の先行技術として、本出願人が先に出願した流体移送装置がある(例えば、特許文献1参照)。この流体移送装置では、固定側の第1永久磁石と回転部の第2永久磁石との間に生じさせるラジアル磁束によって回転軸心を中心に回転する回転部を磁気で浮上させる。また、ラジアル磁束によって、回転部の軸方向端部の作用部に作用する外力の方向と反対方向のスラスト軸支持力が回転部に生じるようにしている。 As a prior art of this kind, there is a fluid transfer device previously filed by the present applicant (see, for example, Patent Document 1). In this fluid transfer device, the rotating portion that rotates around the rotation axis is magnetically levitated by the radial magnetic flux generated between the first permanent magnet on the stationary side and the second permanent magnet of the rotating portion. In addition, the radial magnetic flux causes a thrust shaft supporting force in the direction opposite to the direction of the external force acting on the acting portion at the axial end of the rotating portion to be generated in the rotating portion.
しかし、上記先行技術の場合、モータ部から前後方向に離間してラジアル軸支持部を配置し、それぞれにおいてスラスト軸支持力が生じるように磁路を形成している。このため、装置の軸方向寸法が比較的長くなり、用途によっては採用が難しい場合がある。 However, in the case of the above-mentioned prior art, the radial shaft support portions are disposed apart from the motor portion in the front-rear direction, and magnetic paths are formed so that thrust shaft support force is generated in each. This results in relatively long axial dimensions of the device, which may be difficult to employ for some applications.
そこで、本発明は、軸方向寸法を小さくして更なる小型化を実現できる磁気浮上式電動機とそれを備えた磁気浮上式ポンプを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a magnetically levitated motor capable of realizing further miniaturization by reducing the axial dimension and a magnetically levitated pump provided with the motor.
上記目的を達成するために、本発明に係る磁気浮上式電動機は、固定部の内部に配置され、回転軸心を中心に回転させられる回転部と、前記固定部に設けられた固定子と該固定子から離間して前記回転部に設けられた回転子とを有するモータ部と、前記モータ部の軸心方向の前後に配置され、ラジアル方向支持磁石によって生じさせるラジアル磁束によって前記回転部を前記固定部の中心で前記回転軸心と直交する方向に非接触で支持するラジアル方向支持部と、前記回転部の軸心方向の一端部に近接し、前記固定部の固定磁性部と連なる固定磁性壁と、前記固定磁性壁に配置され、前記ラジアル磁束の前記回転部から隙間を介して該固定磁性壁に流れる漏出磁束に重畳させるスラスト磁束を生じさせるスラスト方向力調整コイルと、を有するスラスト方向支持部と、前記スラスト方向力調整コイルに付与される電流の大きさを制御して前記回転部に前記スラスト磁束でスラスト方向力を作用させる制御部と、を備えている。 In order to achieve the above object, a magnetic levitation motor according to the present invention comprises a rotating portion disposed inside a fixed portion and rotated about a rotation axis, a stator provided on the fixed portion, and The rotating portion is disposed by a radial magnetic flux generated by a radial direction support magnet, which is disposed before and after an axial direction of the motor portion and a motor portion having a rotor provided in the rotating portion at a distance from a stator. A fixed magnetic member adjacent to a radial direction support portion supported at a center of the fixed portion in a direction orthogonal to the rotation axis and one end portion in the axial direction of the rotary portion and connected to a fixed magnetic portion of the fixed portion It has a wall and a thrust direction force adjustment coil disposed on the fixed magnetic wall and generating thrust magnetic flux superimposed on leakage magnetic flux flowing from the rotating portion of the radial magnetic flux to the fixed magnetic wall via a gap. It includes a thrust direction supporting unit, and a control unit for applying a thrust direction force by the thrust flux in the rotating part by controlling the magnitude of the current applied to the thrust direction force adjustment coil.
この構成により、回転部は、モータ部の軸心方向の前後に配置されたラジアル方向支持部のラジアル方向支持磁石によって生じさせるラジアル磁束によって非接触で支持される。そして、回転部の軸心方向の一端部から固定磁性壁に流れるラジアル磁束の漏出磁束に対し、この固定磁性壁に配置させたスラスト方向力調整コイルで生じさせるスラスト磁束を重畳させる。これにより、ラジアル磁束の漏出磁束とスラスト磁束とによって、回転部に作用させるスラスト方向力の大きさを調整できる。よって、回転部に対してスラスト方向力を作用させる磁路がモータ部の固定磁性壁側のみとなり、回転部の軸方向寸法を小さくして磁気浮上式電動機を小型化できる。 With this configuration, the rotary portion is supported in a noncontact manner by the radial magnetic flux generated by the radial direction support magnets of the radial direction support portions disposed in the front and back direction of the axial direction of the motor portion. Then, thrust magnetic flux generated by the thrust direction force adjustment coil disposed on the fixed magnetic wall is superimposed on leakage magnetic flux of radial magnetic flux flowing from the one end portion in the axial direction of the rotating portion to the fixed magnetic wall. Thereby, the magnitude of the thrust direction force to be applied to the rotating portion can be adjusted by the leakage flux of the radial magnetic flux and the thrust magnetic flux. Therefore, the magnetic path which applies a thrust direction force to the rotating portion is only on the fixed magnetic wall side of the motor portion, and the axial dimension of the rotating portion can be reduced to miniaturize the magnetic levitation motor.
また、前記スラスト方向力調整コイルは、前記固定磁性壁の径方向に面状で配置されていてもよい。このように構成すれば、スラスト方向力調整コイルに必要な巻線量を径方向に巻いて、スラスト方向力調整コイルの軸方向寸法を小さくできる。スラスト方向力調整コイルの軸方向寸法を小さくすることで、磁気浮上式電動機を更に小型化できる。 In addition, the thrust direction force adjustment coil may be disposed in a surface shape in the radial direction of the fixed magnetic wall. According to this structure, it is possible to reduce the axial dimension of the thrust direction force adjustment coil by radially winding the winding dose required for the thrust direction force adjustment coil. The magnetic levitation motor can be further miniaturized by reducing the axial size of the thrust direction force adjustment coil.
また、前記制御部は、前記固定部に対する前記回転部の位置を検出するスラスト位置検出手段の検出結果に基づいて、前記スラスト方向力調整コイルに付与される電流の大きさと方向を制御してスラスト方向力を調整するように構成されていてもよい。このように構成すれば、スラスト位置検出手段の検出結果に基づいて、スラスト方向力調整コイルに付与する電流の大きさと方向を適切に調整して、回転部の軸方向位置を適切に制御できる。 Further, the control unit controls the magnitude and direction of the current applied to the thrust direction force adjustment coil based on the detection result of the thrust position detection unit that detects the position of the rotating unit with respect to the fixed unit. It may be configured to adjust the directional force. According to this structure, the axial position of the rotating portion can be appropriately controlled by appropriately adjusting the magnitude and direction of the current applied to the thrust direction force adjustment coil based on the detection result of the thrust position detection means.
また、前記制御部は、前記スラスト位置検出手段の検出結果に基づいて、前記回転部から前記固定磁性壁に流れる漏出磁束の方向と同じ方向に前記スラスト磁束を生じさせる電流を前記スラスト方向力調整コイルに付与し、又は漏出磁束の方向と反対方向に前記スラスト磁束を生じさせる電流を前記スラスト方向力調整コイルに付与するように制御してスラスト方向力の方向を制御するように構成されていてもよい。このように構成すれば、回転部のスラスト方向位置の変化に応じて、回転部に対して軸方向の一端方向又は他端方向に向けてスラスト方向力が生じるように、スラスト方向力調整コイルに付与する電流でスラスト磁束の方向を適切に制御できる。 Further, the control unit adjusts the thrust direction force by adjusting a current that causes the thrust magnetic flux to be generated in the same direction as the direction of the leakage magnetic flux flowing from the rotating portion to the fixed magnetic wall based on the detection result of the thrust position detection unit. It is configured to control the direction of thrust direction force by controlling to apply to the thrust direction force adjustment coil a current that is applied to the coil or causes the thrust magnetic flux in the direction opposite to the direction of the leakage flux. It is also good. According to this structure, the thrust direction force adjustment coil is configured such that a thrust direction force is generated toward one end direction or the other direction of the axial direction with respect to the rotating portion according to a change in the thrust direction position of the rotating portion. The direction of the thrust magnetic flux can be appropriately controlled by the applied current.
また、前記ラジアル方向支持磁石は、前記固定部の周方向に配置された複数個のラジアル方向支持コイルを有し、前記ラジアル方向支持コイルの間に、前記回転部の前記固定部に対する位置を検出するラジアル位置検出手段を備えていてもよい。このように構成すれば、ラジアル位置検出手段の検出結果により、回転部の傾きなどの状態を算出できる。この算出結果に基づいて、回転部の周囲に配置された複数のラジアル方向支持コイルにそれぞれ付与する電流を適切に制御して、回転部の位置を適正な位置に補正できる。 The radial direction support magnet has a plurality of radial direction support coils disposed in the circumferential direction of the fixed portion, and detects the position of the rotating portion relative to the fixed portion between the radial direction support coils. It may have a radial position detecting means. By virtue of such construction, it is possible to calculate a state such as the inclination of the rotating portion based on the detection result of the radial position detection means. The position of the rotating portion can be corrected to an appropriate position by appropriately controlling the current applied to each of the plurality of radial direction support coils disposed around the rotating portion based on the calculation result.
一方、本発明に係る磁気浮上式ポンプは、ケーシングの内部に前記いずれかの磁気浮上式電動機を備え、前記回転部は、前記固定磁性壁と反対の軸心方向の端部にインペラを備えている。 On the other hand, the magnetically levitated pump according to the present invention comprises any of the magnetically levitated motors inside a casing, and the rotating portion comprises an impeller at an axial center end opposite to the fixed magnetic wall. There is.
この構成により、磁気浮上式電動機が小型になって、磁気浮上式ポンプのケーシング寸法を軸方向に小さくできる。しかも、インペラ側が負圧になることで回転部に軸方向のスラスト方向力が作用しても、インペラと反対側の軸方向端部に備えさせたスラスト方向支持部の磁路によってインペラと反対方向にスラスト軸支持力を発生させることができる。その上、回転部の軸方向寸法を小さくすることで、回転部の流体と接する面積が小さくなって流体摩擦損失を小さくできる。 With this configuration, the magnetically levitated motor can be miniaturized, and the casing size of the magnetically levitated pump can be axially reduced. In addition, even if thrust in the axial direction acts on the rotating portion by the negative pressure on the impeller side, the magnetic path of the thrust direction supporting portion provided at the axial end on the opposite side to the impeller causes the opposite direction to the impeller The thrust shaft support force can be generated. Moreover, by reducing the axial dimension of the rotating portion, the area of the rotating portion in contact with the fluid can be reduced, and the fluid friction loss can be reduced.
本発明によれば、回転部にスラスト方向力を作用させる磁路をモータ部の一方のみにできるので、磁気浮上式電動機の更なる小型化を実現することが可能となる。 According to the present invention, since the magnetic path for applying a thrust direction force to the rotating portion can be made only to one of the motor portions, it is possible to realize further miniaturization of the magnetic levitation motor.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の実施形態では、磁気浮上式電動機10を備えた磁気浮上式ポンプ1を例に説明する。この明細書及び特許請求の範囲の書類中における前後方向の概念は、図1に示す磁気浮上式ポンプ1の左方向が前方向、右方向が後方向とする。また、回転部50の回転軸心Lの方向を「γ方向」、γ方向に対して直交する水平ラジアル方向を「α方向」、γ方向に対して直交する鉛直ラジアル方向を「β方向」とする。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on the drawings. In the following embodiments, a magnetic levitation pump 1 provided with a
(磁気浮上式ポンプの構成)
図1に示すように、この実施形態の磁気浮上式ポンプ1は、ケーシング2の内部に、磁気浮上式電動機10が備えられている。磁気浮上式電動機10は、固定部20の内部に配置され、回転軸心Lを中心に回転される回転部50が備えられている。この回転部50は、後述するように、ラジアル方向支持部23によって生じさせる磁束のラジアル軸支持力によって固定部20とは非接触で支持される。
(Configuration of magnetic levitation pump)
As shown in FIG. 1, the magnetic levitation pump 1 of this embodiment is provided with a
固定部20には、固定子21が設けられており、この固定子21から離間して回転部50に設けられた回転子52とでモータ部40が構成されている。モータ部40は、回転子52の周囲に備えられた複数の回転子永久磁石53と、固定子21に備えられた複数の固定子巻線22とを有する。モータ部40は、永久磁石式モータ部となっている。固定子21の固定子巻線22は、制御部70と電気的に接続されている。この実施形態の制御部70は、電源を含む。制御部70は、固定子巻線22に流す電流を制御し、回転磁界を発生させ、モータ部40の回転子52を回転させて回転部50を回転させる。制御部70に回転制御用のインバータを備えさせることで、回転部50の回転速度を任意に調整できる。
The fixed
回転部50には、軸心方向の前端部(左端部)にインペラ3が備えられている。回転部50は、周囲が円筒状のカバー4で覆われている。また、回転部50と面する固定部20の内部も円筒状のカバー5で覆われている。これらのカバー4,5の間の空間は、流体が移動できる空間となっている。インペラ3は、回転部50で回転させられて、ポンプ部6の入口7から出口8に向かって流体を送る。
The rotating
上記モータ部40の前方向と後方向に離れた位置には、ラジアル方向支持部23が備えられている。ラジアル方向支持部23は、回転部50を非接触で支持するラジアル方向支持磁石24を有している。ラジアル方向支持磁石24は、前部と後部の固定磁性部25に設けられたラジアル方向支持コイル26と、固定部20の外周位置に設けられた円筒状の第1永久磁石28と、回転部50の周囲に設けられた円筒状の第2永久磁石54と、を有している。
Radial
上記ラジアル方向支持コイル26は、固定部20から回転部50に向けて延びる固定磁性部25に設けられている。このラジアル方向支持コイル26は、制御部70と電気的に接続されている。ラジアル方向支持コイル26は、付与される電流の大きさと方向が制御部70で制御可能となっている。上記第1永久磁石28は、固定部20の外周部に設けられており、固定子21の外周位置に設けられた固定磁性部27の前位置と後位置とに離れて設けられている。上記第2永久磁石54は、回転部50の周囲に設けられており、回転子52の回転子永久磁石53が設けられた回転磁性部55の前位置と後位置とに離れて設けられている。
The radial
これらの上記ラジアル方向支持コイル26の間には、上記固定部20に対する上記回転部50の位置を検出するラジアル位置検出手段たるラジアル位置センサ32が備えられている(図3参照)。ラジアル位置センサ32は、回転軸心Lの軸心方向の前後位置に配置されたいずれのラジアル方向支持部23にも備えられている。これにより、固定部20に対する回転部50の前部と後部において、回転軸心Lのγ方向に対する水平ラジアル方向αと鉛直ラジアル方向βとにおける位置変化を検出している。このラジアル位置センサ32は、例えば、固定部20から回転部50に備えられたセンサーターゲットの変位を検出する変位センサなどとして用いることができる。このラジアル位置センサ32も、上記制御部70に接続されている。
A
そして、この磁気浮上式電動機10の固定部20には、回転部50のインペラ3と反対方向の軸方向一端部(後部)に近接するように隙間Sを有する固定磁性壁31が備えられている。固定磁性壁31は、ラジアル方向支持23の固定磁性部25と連なっている固定磁性部30と連なるように設けられている。固定磁性壁31には、回転部50にスラスト方向力を作用させるスラスト方向力調整コイル61を有するスラスト方向支持部60が備えられている。スラスト方向力調整コイル61は、制御部70と電気的に接続されている。制御部70は、スラスト方向力調整コイル61に付与する電流の大きさと方向を制御できる。
The fixed
また、固定磁性壁31には、上記回転部50の後方端と固定部20とのスラスト方向位置を検出するスラスト位置検出手段たるスラスト位置センサ33が備えられている。このスラスト位置センサ33は、例えば、固定部20から回転部50に備えられたセンサーターゲットの変位を検出する変位センサなどとして用いることができる。このスラスト位置センサ33は、上記制御部70に接続されている。
Further, the fixed
制御部70としては、各種の制御回路を備えたコントローラとすることができる。また、制御部70は、パーソナルコンピュータ等によって各種パラメータを設定できる。さらに、制御部70は、パーソナルコンピュータ等と接続する端子、各センサ33(後述するセンサ32)と接続する端子、インバータと接続する端子、その他の外部機器と接続する端子などを備える。また、制御部70は、各センサ33,32(図3)からの信号に基づいて、アラームを発する機能を備えさせることができる。さらに、制御部70に、過電流・過負荷等を検出する機能を備えさせることができる。制御部70は、過電流・過負荷を検出することで、磁気浮上式ポンプ1を停止させることができる。
The
(磁気浮上式電動機の詳細構成)
図2は、上記磁気浮上式電動機10の構成を示す断面図であり、図3は、上記磁気浮上式電動機10の一部(斜め上部、90度分)を断面にした斜視図である。図では、固定部20の中心で回転部50が所定のギャップGで浮いた状態を示している。
(Detailed configuration of magnetic levitation motor)
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the
図示するように、上記したラジアル方向支持部23には、固定部20の周方向に複数個のラジアル方向支持コイル26が備えられている。ラジアル方向支持コイル26は、上記回転部50の回転軸心Lに対して円周方向に複数個が配置される。
As illustrated, the radial
さらに、この実施形態では、上記スラスト方向力調整コイル61が、上記固定磁性壁31の内面で径方向に広がる面状に形成されている。スラスト方向力調整コイル61は、必要な巻線量を径方向に面状に巻いて確保している。スラスト方向力調整コイル61は、面状に形成することで軸方向寸法を小さくしている。なお、図では、コイル部分をブロック状で示している。
Furthermore, in this embodiment, the thrust direction
(ラジアル軸支持力の発生原理)
図4は、図2に示す磁気浮上式電動機におけるラジアル軸支持力の発生原理を示す図面である。この図では、水平ラジアル方向αにラジアル方向支持コイル26αがあり、鉛直ラジアル方向βにラジアル方向支持コイル26βがあるものとした場合の例で説明する。
(Principle of radial bearing capacity)
FIG. 4 is a drawing showing the generation principle of the radial shaft support force in the magnetic levitation motor shown in FIG. In this figure, an example in which the radial direction support coil 26α is provided in the horizontal radial direction α and the radial direction support coil 26β is provided in the vertical radial direction β will be described.
鉛直ラジアル方向βについて説明すると、図2に示す第1永久磁石28と第2永久磁石54とは、固定部20と回転部50との間に放射状のバイアス磁束である第1ラジアル磁束Ψs1を生じさせるように配置されている。そして、鉛直ラジアル方向βのラジアル方向支持コイル26βに直流電流を付与して、2極のラジアル軸支持磁束Ψs2βを発生させる(右ねじの法則)。このラジアル軸支持磁束Ψs2βを発生させると、放射状のバイアス磁束である第1ラジアル磁束Ψs1に、図示する上部では、ラジアル軸支持磁束Ψs2βが重畳される。そして、放射状の第1ラジアル磁束Ψs1の回転軸心Lを挟んで図示する反対側の下部では、ラジアル軸支持磁束Ψs2βで相殺される。従って、鉛直ラジアル方向βにおいては、放射状の第1ラジアル磁束Ψs1は、上部の磁束Ψs1が密となり、下部の磁束Ψs1が疎となる。これにより、正の鉛直ラジアル方向β(上方向)のラジアル軸支持力Fβが回転部50に生じる。
When explaining the vertical radial direction β, the first
一方、水平ラジアル方向αにおいても、ラジアル方向支持コイル26αに直流電流を付与することで発生するラジアル軸支持磁束によって、上記鉛直ラジアル方向βと同様にラジアル軸支持力が回転部50に生じる。
On the other hand, also in the horizontal radial direction α, the radial shaft support magnetic flux generated by applying a direct current to the radial
そして、このようなラジアル軸支持力(Fβ)を、図3に示すように、回転部50の周囲に配置された複数個のラジアル方向支持コイル26で生じさせることによって、回転部50が固定部20の中心において非接触で支持される。
Then, by causing such a radial shaft support force (Fβ) to be generated by a plurality of radial direction support coils 26 disposed around the rotating
以下の説明では、全てのラジアル方向支持コイル26によって発生させるラジアル軸支持磁束を「第2ラジアル磁束Ψs2」という。 In the following description, the radial axis support magnetic flux generated by all the radial direction support coils 26 is referred to as "second radial magnetic flux Ψs2".
(ラジアル軸支持力の説明)
図5は、図2に示す磁気浮上式電動機におけるラジアル軸支持力を示す図面である。図示するように、永久磁石28,54の間には、N極からS極に向けてバイアス磁束であるラジアル磁束Ψs1(太い矢印)が発生する。この図では回転軸心Lを挟んで対向する位置を示している。ラジアル磁束Ψs1は、例えば、固定部20の後部に備えられた第1永久磁石28のN極から固定磁性部27を介して前部に備えられた第1永久磁石28のS極へと流れる。そして、この第1永久磁石28のN極から固定磁性部29とラジアル方向支持部23の固定磁性部25と回転部50の回転磁性部56を介して回転部50の前部に備えられた第2永久磁石54のS極へと流れる。そして、この第2永久磁石54のN極から回転部50の回転磁性部55を介して後部に備えられた第2永久磁石54のS極へと流れる。そして、この第2永久磁石54のN極から回転磁性部57とラジアル方向支持部23の固定磁性部25と固定磁性部30を介して後部の第1永久磁石28のS極へと流れる。このように、ラジアル磁束Ψs1は、固定部20の外周部と、モータ部40の前後位置に設けられたラジアル方向支持部23の固定磁性部25と、回転部50とを通ってループ状に流れる。
(Description of radial shaft support force)
FIG. 5 is a drawing showing the radial shaft support force in the magnetic levitation motor shown in FIG. As shown, a radial magnetic flux Ψs1 (thick arrow), which is a bias magnetic flux, is generated between the
そして、この永久磁石28,54によって発生させるラジアル磁束Ψs1(太い矢印)に、上記ラジアル方向支持コイル26に付与する電流で発生させるラジアル磁束Ψs2(細い矢印)が加えられる。ラジアル磁束Ψs2は、ラジアル方向支持コイル26に付与する電流の方向により、ラジアル磁束Ψs2をラジアル磁束Ψs1に重畳する方向又は相殺する方向に発生させることができる。
Then, to the radial magnetic flux (s1 (thick arrow) generated by the
(回転部のラジアル方向位置制御)
制御部70(図1)は、上記回転部50の周囲に配置された複数のラジアル方向支持コイル26に付与する電流を制御することにより、固定部20に対する回転部50の位置を制御する。この位置制御は、回転部50の前部と後部とにおいて、ラジアル方向支持コイル26の間に備えられたラジアル位置センサ32の検出結果に基づいてそれぞれラジアル方向支持コイル26に対して個別に行われる。
(Radial direction position control of rotating part)
The control unit 70 (FIG. 1) controls the position of the rotating
具体的には、制御部70は、ラジアル方向支持コイル26の間に備えられた複数のラジアル位置センサ32によって、回転部50の変位をリアルタイムで検出している。そして、その検出結果に基づいて、回転部50の傾きなどの状態を算出する。制御部70は、この算出結果に基づいて回転部50の周囲に配置された複数のラジアル方向支持コイル26に流す電流を適切に制御する。これによって、回転部50に対して生じる第2ラジアル磁束Ψs2を制御する。この制御は、ラジアル方向支持コイル26に付与する電流の大きさと方向とが制御部70(図1)で制御され、ラジアル方向支持コイル26で発生させるラジアル磁束Ψs2の大きさと、このラジアル磁束Ψs2をラジアル磁束Ψs1に重畳又は相殺させるかの方向とが制御される。これにより、回転部50は回転軸心Lと直交する方向に固定部20から浮上させた非接触の状態で、固定部20に対して適切な位置に補正される。このように、回転部50は、モータ部40の軸方向前後位置に配置されたラジアル方向支持部23によって非接触の状態で適切に支持される。以下、第1ラジアル磁束Ψs1、第2ラジアル磁束Ψs2を含めたラジアル軸支持力を発生させる磁束を、「ラジアル磁束Ψs1、Ψs2」という。
Specifically, the
また、ラジアル磁束Ψs1、Ψs2は、回転部50の前部から後部に向けて流れるため、ラジアル磁束Ψs1、Ψs2の一部が回転部50の後端部から隙間Sを越えて固定磁性壁31に漏出磁束Ψs10として流れる。この漏出磁束Ψs10は、固定磁性壁31から固定磁性部30へと流れてラジアル磁束Ψs1、Ψs2に戻る。漏出磁束Ψs10は、回転部50から固定磁性壁31へと流れるため、この漏出磁束Ψs10によって、回転部50には固定磁性壁31に向けて引き寄せられる後向きのスラスト方向力Fγが生じる。
Further, since the radial magnetic fluxes s1 and s2 flow from the front to the rear of the rotating
図6は、図5に示すラジアル軸支持力の発生時における磁束ベクトルを示す磁場解析(有限要素法解析)結果のコンター図である。色の濃淡は磁束の強弱を示しており、図の濃い部分は強い部分を示し、薄い部分は弱い部分を示している。図示するように、上記したラジアル磁束Ψs1、Ψs2の主な流れは、上記したように、固定部20の第1永久磁石28から前部のラジアル方向支持部23の固定磁性部25を介して回転部50の第2永久磁石54に流れる。そして、回転部50の後部から、後部のラジアル方向支持部23の固定磁性部25を介して第1永久磁石28へと流れる。そして、ラジアル磁束Ψs1、Ψs2の一部の漏出磁束Ψs10が、回転部50の後部から固定磁性壁31に向けて流れる。
FIG. 6 is a contour diagram of a magnetic field analysis (finite element method analysis) result indicating a magnetic flux vector at the time of generation of the radial axis support force shown in FIG. The shades of color indicate the strength of the magnetic flux, the dark part of the figure indicates the strong part, and the light part indicates the weak part. As illustrated, the main flow of the radial magnetic flux Ψs1 and Ψs2 described above rotates from the first
このようなラジアル磁束Ψs1、Ψs2の流れにより、回転部50には、固定磁性壁31に向けて後ろ向きのスラスト方向力Fγが作用している(図5)。このため、例えば、この磁気浮上式電動機10を図1に示すような磁気浮上式ポンプ1に用いた場合、インペラ3の部分が負圧となることによって回転部50が前方向に引かれるのに対して、反対の後方向に作用するスラスト方向力Fγを生じさせることができる。
Due to the flow of such radial magnetic fluxes s1 and s2, a thrust direction force Fγ directed backward toward the fixed
(実施例)
図7は、図5に示す磁気浮上式電動機においてスラスト方向力を調整した状態を示す図面である。図8は、図5に示す磁気浮上式電動機においてスラスト方向力を調整した他の状態を示す図面である。図7は、上記ラジアル磁束Ψs1、Ψs2の漏出磁束Ψs10に対してスラスト方向力調整コイル61によって生じさせたスラスト磁束Ψs3を反発するように重畳させた場合を示している。図8は、漏出磁束Ψs10に対してスラスト方向力調整コイル61によって生じさせたスラスト磁束Ψs3を同一方向に重畳させた場合を示している。
(Example)
FIG. 7 is a drawing showing a state in which the thrust direction force is adjusted in the magnetic levitation motor shown in FIG. FIG. 8 is a drawing showing another state in which the thrust direction force is adjusted in the magnetic levitation motor shown in FIG. FIG. 7 shows a case where the thrust magnetic flux Ψs3 generated by the thrust direction
図7に示すように、図5に示す状態から、固定磁性壁31に備えさせたスラスト方向力調整コイル61にスラスト方向力調整コイル電流E1を付与する。これにより、固定磁性壁31から回転部50の後端に向けてスラスト磁束Ψs3が流れようとする(右ねじの法則)。そして、このスラスト方向力調整コイル61で生じさせるスラスト磁束Ψs3を、ラジアル方向支持磁石24によって生じさせるラジアル磁束Ψs1、Ψs2の漏出磁束Ψs10に重畳させる。しかし、スラスト磁束Ψs3は、回転部50から固定磁性壁31に向けて流れる漏出磁束Ψs10に対して反発する磁束である。このため、回転部50から固定磁性壁31に向けて流れようとする漏出磁束Ψs10と、固定磁性壁31から回転部50に流れようとするスラスト磁束Ψs3とは、隙間Sの部分で互いに反発する磁束となる。このため、漏出磁束Ψs10にスラスト磁束Ψs3を重畳させることで、回転部50には、前向きのスラスト方向力−Fγが作用する。このため、ラジアル磁束Ψs1、Ψs2によって生じるスラスト方向力Fγは、スラスト方向力調整コイル61のスラスト磁束Ψs3によって生じるスラスト方向力−Fγによって、前向きのスラスト方向力−Fγにすることができる。
As shown in FIG. 7, from the state shown in FIG. 5, the thrust direction force adjustment coil current E1 is applied to the thrust direction
一方、図8に示すように、スラスト方向力調整コイル61に逆方向のスラスト方向力調整コイル電流E2を付与する。これにより、ラジアル磁束Ψs1、Ψs2の漏出磁束Ψs10と同一方向にスラスト磁束Ψs3を重畳させることができる。このため、回転部50から固定磁性壁31に向けて流れようとする漏出磁束Ψs10に対して、同じ方向にスラスト磁束Ψs3を重畳させて、後向きの大きなスラスト方向力Fγを生じさせることができる。
On the other hand, as shown in FIG. 8, the thrust direction force adjustment coil current E2 in the reverse direction is applied to the thrust direction
従って、スラスト方向力調整コイル61に付与する電流の大きさのみ、又は方向も含めて調整することで、回転部50に作用させるスラスト方向力Fγの大きさと方向を調整することができる。
Therefore, the magnitude and direction of the thrust direction force Fγ applied to the rotating
図9は、図7に示すスラスト方向力の調整時における磁束ベクトルを示す磁場解析(有限要素法解析)結果のコンター図である。色の濃淡は磁束の強弱を示しており、図の濃い部分は強い部分を示し、薄い部分は弱い部分を示している。図示するように、上記したラジアル磁束Ψs1、Ψs2の主な流れは、上記したように、固定部20の第1永久磁石28から前部のラジアル方向支持部23の固定磁性部25を介して回転部50の第2永久磁石54に流れる。そして、回転部50の後部から後部のラジアル方向支持部23の固定磁性部25を介して第1永久磁石28へと流れる。そして、ラジアル磁束Ψs1、Ψs2の一部の漏出磁束Ψs10が、回転部50の後部から固定磁性壁31に向けて流れる。
FIG. 9 is a contour diagram of a magnetic field analysis (finite element analysis) result indicating a magnetic flux vector at the time of adjustment of the thrust direction force shown in FIG. The shades of color indicate the strength of the magnetic flux, the dark part of the figure indicates the strong part, and the light part indicates the weak part. As illustrated, the main flow of the radial magnetic flux Ψs1 and Ψs2 described above rotates from the first
このラジアル磁束Ψs1、Ψs2の一部が、漏出磁束Ψs10として回転部50の後部から固定磁性壁31に向けて流れようとする。これに対して、スラスト方向力調整コイル61によって生じさせるスラスト磁束Ψs3が固定磁性壁31から回転部50に向けて流れようとする。このため、漏出磁束Ψs10とスラスト磁束Ψs3とが隙間Sの部分で反発する。このように漏出磁束Ψs10をスラスト磁束Ψs3に対して反発させることにより、回転部50には固定磁性壁31に対して前向きのスラスト方向力−Fγを作用させることができる。
A portion of the radial magnetic flux Ψs1 and Ψs2 tends to flow toward the fixed
従って、制御部70は、上記スラスト位置センサ33による上記回転部50の固定部20に対するスラスト位置の検出結果に基づいて、上記図7,8に示すように、上記回転部50からのラジアル磁束Ψs1、Ψs2の漏出磁束Ψs10の方向と同じ方向に上記スラスト磁束Ψs3を生じさせる電流をスラスト方向力調整コイル61に付与するか、漏出磁束Ψs10の方向と反対方向に上記スラスト磁束Ψs3を生じさせる電流をスラスト方向力調整コイル61に付与するか、を制御することで、上記回転部50の位置を調整するスラスト方向力Fγを、前方向又は後方向に発生させることができる。
Therefore, as shown in FIGS. 7 and 8, the
つまり、回転部50のスラスト方向位置に応じて、スラスト磁束Ψs3の大きさ、方向を調整して、回転部50に対し、軸方向の前後いずれの方向にも適切な大きさのスラスト方向力Fγを生じさせることができる。このように、回転部50からのラジアル磁束Ψs1、Ψs2の漏出磁束Ψs10に重畳させるスラスト磁束Ψs3を制御することで、回転部50に対して前方向又は後方向に向けてスラスト方向力Fγを生じさせるように制御できる。このスラスト方向力Fγにより、固定部20に対する回転部50のスラスト方向の位置が適切な位置となるように、回転部50を回転軸心Lの前方に移動させたり、回転部50を回転軸心Lの後方に移動させることが適切にできる。
That is, the magnitude and direction of the thrust magnetic flux Ψs3 are adjusted in accordance with the thrust direction position of the rotating
このため、例えば、この磁気浮上式電動機10を図1に示す磁気浮上式ポンプ1に用いた場合、インペラ3の部分が負圧又は正圧になるのに応じて、回転部50に対して生じるスラスト方向力Fγの方向と大きさを調整できる。
Therefore, for example, when this
(実施例における電流値とスラスト方向力の関係)
図10は、図7に示すスラスト方向力の調整時におけるスラスト方向力と電流との関係を示すグラフである。図示する縦軸は、固定磁性壁31から回転部50に向けて生じるスラスト方向力Fγを示している。後向きのスラスト方向力Fγが「+」、前向きのスラスト方向力−Fγが「−」となる。図示する横軸は、スラスト方向力調整コイル電流E1を示している。
(Relationship between current value and thrust direction force in the embodiment)
FIG. 10 is a graph showing the relationship between thrust direction force and current at the time of adjustment of thrust direction force shown in FIG. The vertical axis shown in the drawing represents the thrust direction force Fγ generated from the fixed
上記磁気浮上式電動機10は、スラスト方向力調整コイル61に電流を流さない状態で後向きとなる「+」のスラスト方向力Fγが最も大きくなる。そして、スラスト方向力調整コイル61にスラスト方向力調整コイル電流E1を付与すると、スラスト方向力Fγを「約0」にできる。この状態は、例えば、上記図7のように、回転部50から固定磁性壁31に向けて流れる漏出磁束Ψs10に対してスラスト磁束Ψs3を反発させた状態である。さらに、この状態から更にスラスト方向力調整コイル電流E1を大きくすると、スラスト方向力Fγが前向きとなる「−」の状態にできる。このことは、上記スラスト方向力調整コイル61によって生じさせるスラスト磁束Ψs3によって、回転部50に前向きのスラスト方向力−Fγを作用させることができる(図7)。
In the case of the
そして、この状態から、スラスト方向力調整コイル電流E1を更に大きくすると、前向きになっていたスラスト方向力−Fγが後向きのスラスト方向力Fγになることがわかる。このことは、上記スラスト磁束Ψs3がラジアル磁束Ψs1、Ψs2とともに後部のラジアル方向支持部23の固定磁性部25に侵入して、後向きのスラスト方向力Fγが大きくなるからといえる。
From this state, it can be seen that, if the thrust direction force adjustment coil current E1 is further increased, the forward direction thrust direction force -Fγ becomes the backward direction thrust direction force Fγ. This can be said to be because the thrust magnetic flux Ψs3 penetrates the fixed
このような磁気浮上式電動機10を図1の磁気浮上式ポンプ1に備えさせた場合、スラスト方向力Fγを回転部50のインペラ3と反対方向に作用させた状態から、インペラ3の方向に作用させることもできる。
When such a
(総括)
以上のように、上記磁気浮上式電動機10によれば、スラスト方向支持部60のスラスト方向力調整コイル61を制御することで、回転部50に対して回転軸心Lの軸方向に作用させるスラスト方向力Fγを調整することが可能となる。しかも、スラスト方向力Fγを作用させる磁路(スラスト磁束Ψs3が流れる部分)をモータ部40の一方のみにでき、回転部50の軸方向寸法を小さくして、磁気浮上式電動機10を小型化することが可能となる。
(Summary)
As described above, according to the
その上、スラスト方向力調整コイル61に付与する電流の大きさと方向を制御することで、回転部50に対して前方向又は後方向のいずれの方向にもスラスト方向力Fγを作用させることが可能となる。
Moreover, by controlling the magnitude and direction of the current applied to the thrust direction
また、磁気浮上式電動機10における回転部50の軸方向寸法を小さくすることができるので、磁気浮上式ポンプ1に用いた場合、回転部50の流体と接する面積が小さくなって流体摩擦損失を小さくすることが可能となる。
In addition, since the axial dimension of the
(他の実施形態)
上記した実施形態における磁気浮上式電動機10の回転部50、固定部20などの大きさは一例であり、用途に応じてそれぞれを適した大きさに形成すればよく、各構成の大きさは上記実施形態に限定されるものではない。
(Other embodiments)
The sizes of the rotating
また、上記した実施形態では磁気浮上式ポンプ1を例に説明したが、磁気浮上式電動機10は他の機器においても用いることができ、用途は磁気浮上式ポンプ1に限定されるものではない。
Further, although the magnetic levitation pump 1 is described as an example in the above embodiment, the
さらに、上記した実施形態は一例を示しており、ラジアル方向支持コイル26の数などを変更してもよく、本発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本発明は上記した実施形態に限定されるものではない。 Furthermore, the embodiment described above shows an example, and the number of radial direction support coils 26 may be changed, and various changes can be made within the scope of the present invention without departing from the scope of the present invention. It is not limited to the above embodiment.
1 磁気浮上式ポンプ
2 ケーシング
3 インペラ
10 磁気浮上式電動機
20 固定部
23 ラジアル方向支持部
24 ラジアル方向支持磁石
26 ラジアル方向支持コイル
28 第1永久磁石
30 固定磁性部
31 固定磁性壁
32 ラジアル位置センサ(ラジアル位置検出手段)
33 スラスト位置センサ(スラスト位置検出手段)
40 モータ部
50 回転部
54 第2永久磁石
60 スラスト方向支持部
61 スラスト方向力調整コイル
70 制御部
S 隙間
Ψs1 第1ラジアル磁束
Ψs10 漏出磁束
Ψs2 第2ラジアル磁束
Ψs3 スラスト磁束
1 Maglev pump
2 casing
33 Thrust position sensor (Thrust position detection means)
DESCRIPTION OF
S Clearance Ψs1 First radial flux Ψs10 Leakage flux Ψs2 Second radial flux Ψs3 Thrust flux
Claims (6)
前記固定部の内部に配置され、回転軸心を中心に回転させられる回転部と、
前記固定部と前記回転部との間において、前記固定部に設けられた固定子と該固定子から離間して前記回転部に設けられた回転子とから構成されるモータ部と、
前記モータ部の軸心から半径方向に離れた位置において該軸心の前後方向に並んで配置され、ラジアル方向支持磁石によって生じさせるラジアル磁束によって前記回転部を前記固定部の中心で前記回転軸心と直交する方向に非接触で支持するラジアル方向支持部と、
前記回転部の軸心の一端部から軸心方向に離れて配置され、該回転部に近接して前記固定部の固定磁性部と連なる固定磁性壁と、前記固定磁性壁に配置され、前記ラジアル磁束の前記回転部から隙間を介して該固定磁性壁に流れる漏出磁束に重畳させるスラスト磁束を生じさせるスラスト方向力調整コイルと、を有するスラスト方向支持部と、
前記スラスト方向力調整コイルに付与される電流の大きさを制御して前記回転部に前記スラスト磁束でスラスト方向力を作用させる制御部と、を備えていることを特徴とする磁気浮上式電動機。 Fixed part,
A rotating unit disposed inside the fixed unit and rotated about a rotation axis;
Between the fixed part and the rotating part, a motor part comprising a stator provided on the fixed part and a rotor separated from the stator and provided on the rotating part;
Wherein at a position radially spaced from the axis of the motor unit are arranged side by side in the longitudinal direction of the shaft center, the rotation axis of the rotating portion at the center of the fixed portion by a radial magnetic flux generated by in radial direction supporting magnets A radial support that supports in a non-contacting direction in a direction orthogonal to the
Wherein is from one end of the axis of the rotating part is spaced apart in the axial direction, a fixed magnetic wall continuous with the fixed magnetic portion before Symbol fixing portion close to the rotating portion, disposed on said stationary magnetic wall, the A thrust direction support portion having a thrust direction force adjustment coil that generates a thrust magnetic flux to be superimposed on the leakage magnetic flux flowing from the rotating portion to the fixed magnetic wall through the gap;
A control unit configured to control a magnitude of a current applied to the thrust direction force adjustment coil to cause a thrust direction force to be applied to the rotating unit by the thrust magnetic flux, and a magnetic levitation electric motor.
前記回転部は、前記固定磁性壁と反対の軸心方向の端部にインペラを備えている、ことを特徴とする磁気浮上式ポンプ。 A magnetic levitation motor according to any one of claims 1 to 5 is provided inside a casing,
The magnetic levitation pump according to claim 1, wherein the rotating portion includes an impeller at an axial end opposite to the fixed magnetic wall.
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