JP6594744B2 - Magnetic bearing - Google Patents

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Description

本発明は、磁気軸受に関する。特に回転子の鉄損を低減するように改良したものである。   The present invention relates to a magnetic bearing. In particular, the rotor is improved so as to reduce iron loss.

磁気軸受としては、特許文献1に提案されている。その目的は、位置の推定精度が高く、一層の小型化及び軽量化を図れる磁気軸受を提供することにある。
特に、特許文献1の第2形態の目的は、「主極の励磁コイルによる制御磁束」と「補極の永久磁石によるバイアス磁束」を独立した磁気回路とし、相互干渉を減少させ制御応答性を高めること、さらに、磁束センサでの変位検出に制御磁束の影響を排除し、位置推定精度を高めることである。
上記第2形態の効果としては、補極歯部を省くことができるため小型化でき、さらに励磁コイルから生成される制御磁束の通過断面積を第1形態に比べ広く取れることである。
Patent Document 1 proposes a magnetic bearing. An object of the present invention is to provide a magnetic bearing that has high position estimation accuracy and can be further reduced in size and weight.
In particular, the purpose of the second form of Patent Document 1 is to make “control magnetic flux by the exciting coil of the main pole” and “bias magnetic flux by the permanent magnet of the complementary pole” independent magnetic circuits, thereby reducing mutual interference and improving control responsiveness. Further, it is to eliminate the influence of the control magnetic flux on the displacement detection by the magnetic flux sensor and to improve the position estimation accuracy.
The effect of the second embodiment is that the auxiliary pole tooth portion can be omitted, so that the size can be reduced, and the cross-sectional area of the control magnetic flux generated from the exciting coil can be made wider than that of the first embodiment.

同様な構造は、図4に示すように、特許文献2の第5の実施形態にも記載されている。
特許文献2の段落0020には、「この実施形態では、主極と主極とを跨ぐように永久磁石を配置している。即ち、ステータ81を構成する4つの主極83の先端の互いに隣接する角部を連絡するように、円弧状の永久磁石86が配置され、この永久磁石86で補極84が形成されている。この実施形態のものは、図6のものに比べて励磁コイル85で生成される制御磁束Φcの通過断面積を広くとることができるという利点がある。」と記載されている。
A similar structure is also described in the fifth embodiment of Patent Document 2 as shown in FIG.
In paragraph 0020 of Patent Document 2, “in this embodiment, permanent magnets are arranged so as to straddle the main pole. That is, the tips of the four main poles 83 constituting the stator 81 are adjacent to each other. Arc-shaped permanent magnets 86 are arranged so as to communicate corners to be connected, and an auxiliary pole 84 is formed by the permanent magnets 86. In this embodiment, the exciting coil 85 is compared to that in FIG. It has the advantage that the cross-sectional area of the control magnetic flux Φc generated in the above can be widened.

特許第4220859号公報Japanese Patent No. 4220859 特開2005−61578号公報JP 2005-61578 A

磁気軸受にて発生するコア部の損失は無視できないものであり、駆動システムとしての高効率化には、磁気軸受で発生する鉄損の低減が必要である。磁気軸受の鉄損は、特に回転子鉄心が多くを占めるため、回転子鉄心の鉄損低減が求められる。
しかし、特許文献1は、歯部先端部から隙間を設けて永久磁石を配置しているため、永久磁石の磁束Φbは軸支持力に影響を与え易い構造となっていた。
The loss of the core portion that occurs in the magnetic bearing is not negligible. To increase the efficiency of the drive system, it is necessary to reduce the iron loss that occurs in the magnetic bearing. The iron loss of the magnetic bearing is particularly large because the rotor core occupies a large amount.
However, Patent Document 1 has a structure in which a permanent magnet is disposed with a gap from the tooth tip, so that the magnetic flux Φb of the permanent magnet easily affects the shaft support force.

また、特許文献2の第5の実施形態は、図4に示すように、主極83が位置するティース先端はN極であるのに対し、ティース先端の間に位置するスロット先端は永久磁石86で形成される補極84のためS極であり、N極S極が交互になっている。
そのため、励磁コイル85で生成される制御磁束Φcと永久磁石86から供給されるバイアス磁束Φbとが図中で示すように重なり合い、図中一点鎖線で囲む領域Aは磁束密度が密となる一方、図中一点鎖線で囲む領域Bは磁束密度が疎となっていた。つまり、磁束密度のムラができ、鉄損を発生していた。
Further, in the fifth embodiment of Patent Document 2, as shown in FIG. 4, the tip of the tooth where the main pole 83 is located is the N pole, whereas the tip of the slot located between the tips of the teeth is the permanent magnet 86. Because of the complementary pole 84 formed in step S, it is the south pole, and the north and south poles are alternated.
Therefore, the control magnetic flux Φc generated by the exciting coil 85 and the bias magnetic flux Φb supplied from the permanent magnet 86 overlap as shown in the drawing, and the region A surrounded by the alternate long and short dash line in the drawing has a high magnetic flux density, In the region B surrounded by the alternate long and short dash line, the magnetic flux density is sparse. That is, the magnetic flux density was uneven and iron loss was generated.

上記課題を解決する本発明の請求項1に係る磁気軸受は、固定子と、前記固定子に磁気力によって非接触状態で支持されて回転する回転子とを備えた磁気軸受において、前記固定子は、外周部に永久磁石が等間隔に配置されると共に内周側におけるティースにラジアル巻線が巻回されて磁極が構成されたラジアルステータコアを備える一方、前記ティースの先端間にはソリッドコアが掛け渡され、前記ソリッドコアの内径側には、前記永久磁石と同一方向に磁化方向を設定された永久磁石が備えられることを特徴とする。   The magnetic bearing according to claim 1 of the present invention for solving the above-mentioned problems is a magnetic bearing comprising a stator and a rotor that rotates while being supported by the stator in a non-contact state by a magnetic force. Comprises a radial stator core in which permanent magnets are arranged at equal intervals on the outer peripheral portion and a radial winding is wound around a tooth on the inner peripheral side to form a magnetic pole, while a solid core is provided between the tips of the teeth. A permanent magnet having a magnetization direction set in the same direction as the permanent magnet is provided on the inner diameter side of the solid core.

上記課題を解決する本発明の請求項2に係る磁気軸受は、請求項1において、前記固定子に外周部に配置された前記永久磁石の磁束は、前記ソリッドコアに備えられた前記永久磁石の磁束に比較して強く、前記ティースでは支配的になることを特徴とする。   A magnetic bearing according to a second aspect of the present invention for solving the above-mentioned problems is the magnetic bearing according to the first aspect, wherein the magnetic flux of the permanent magnet arranged on the outer periphery of the stator is the same as that of the permanent magnet provided in the solid core. It is stronger than magnetic flux and is dominant in the teeth.

上記課題を解決する本発明の請求項3に係る磁気軸受は、請求項1において、前記ソリッドコアの外周側には、前記磁極間の磁束漏れを防止するための切欠きが形成されることを特徴とする。   A magnetic bearing according to a third aspect of the present invention for solving the above-described problems is that, in the first aspect, a notch for preventing magnetic flux leakage between the magnetic poles is formed on the outer peripheral side of the solid core. Features.

上記課題を解決する本発明の請求項4に係る磁気軸受は、請求項1において、前記ソリッドコアに備えられた前記永久磁石は、前記磁極との間に周方向の隙間を有しないことを特徴とする。   A magnetic bearing according to a fourth aspect of the present invention for solving the above-mentioned problems is the magnetic bearing according to the first aspect, wherein the permanent magnet provided in the solid core does not have a circumferential gap between the magnetic pole and the magnetic pole. And

上記課題を解決する本発明の請求項5に係る磁気軸受は、請求項1において、前記固定子は、前記ラジアルステータコア、前記永久磁石及びラジアル巻線を収容するスラストステータコアを備えることを特徴とする。   A magnetic bearing according to a fifth aspect of the present invention for solving the above-described problems is the magnetic bearing according to the first aspect, wherein the stator includes a thrust stator core that accommodates the radial stator core, the permanent magnet, and a radial winding. .

本発明においては、ソリッドコアの内径側に備えられた永久磁石は、ラジアルステータコアの外周部に配置された永久磁石と同一方向に磁化方向が設定されるため、スロットとティースの間において、磁束密度の変化が小さく抑えられる結果、回転子鉄心の磁束密度の変化が小さくなり、回転子鉄心の鉄損が発生しにくいという効果を奏する。   In the present invention, the permanent magnet provided on the inner diameter side of the solid core has the magnetization direction set in the same direction as the permanent magnet disposed on the outer peripheral portion of the radial stator core. As a result, the change in the magnetic flux density of the rotor core is reduced, and the iron loss of the rotor core is less likely to occur.

本発明の一実施例に係る磁気軸受を示す横断面図である。It is a cross-sectional view showing a magnetic bearing according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施例に係る磁気軸受を示す要部横断面図である。It is a principal part cross-sectional view which shows the magnetic bearing which concerns on one Example of this invention. 本発明の一実施例に係る磁気軸受を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the magnetic bearing which concerns on one Example of this invention. 従来技術に係る磁気軸受を示す横断面図である。It is a cross-sectional view which shows the magnetic bearing which concerns on a prior art. 本発明の一実施例に係る磁気軸受の磁束の流れを示す要部横断面図である。It is a principal part cross-sectional view which shows the flow of the magnetic flux of the magnetic bearing which concerns on one Example of this invention. 比較例に係る磁気軸受の磁束の流れを示す要部に係る横断面図である。It is a cross-sectional view concerning the principal part which shows the flow of the magnetic flux of the magnetic bearing which concerns on a comparative example. 比較例に係る磁気軸受を示す横断面図である。It is a cross-sectional view showing a magnetic bearing according to a comparative example. 図8(a)は実施例1に係る固定子及び回転子におけるスロット付近の磁束密度分布を示す説明図、図8(b)は比較例に係る固定子及び回転子におけるスロット付近の磁束密度分布を示す説明図、図8(c)は磁束密度[T]のスケールである。FIG. 8A is an explanatory diagram showing the magnetic flux density distribution in the vicinity of the slots in the stator and rotor according to the first embodiment, and FIG. 8B is the magnetic flux density distribution in the vicinity of the slots in the stator and rotor according to the comparative example. FIG. 8C is a scale of magnetic flux density [T]. ギャップ磁束密度を示すグラフである。It is a graph which shows gap magnetic flux density.

以下、本発明の磁気軸受について、図面に示す実施例を参照して詳細に説明する。     Hereinafter, the magnetic bearing of the present invention will be described in detail with reference to the embodiments shown in the drawings.

本発明の一実施例に係る磁気軸受を図1〜図3に示す。
本実施例の磁気軸受は、スラストステータコア(材質:磁性材 無垢材)1と、二つのスラスト巻線3,4と、ラジアルステータコア(材質:磁性材 積層鋼板)5と、複数のラジアル巻線6及び複数の永久磁石7とを備える固定子と、この固定子に磁気力によって非接触状態で支持されて回転する回転子であるロータコア8及びシャフト9とを備える。
A magnetic bearing according to an embodiment of the present invention is shown in FIGS.
The magnetic bearing of the present embodiment includes a thrust stator core (material: solid magnetic material) 1, two thrust windings 3, 4, a radial stator core (material: magnetic material laminated steel plate) 5, and a plurality of radial windings 6. And a stator including a plurality of permanent magnets 7, and a rotor core 8 and a shaft 9, which are rotors that are supported by the stator in a non-contact state by a magnetic force and rotate.

スラストステータコア1は、概略円筒状をなし、ロータコア8及びシャフト9を取り囲む円筒部分と、円筒部分の軸方向両端側の内向きに配置された二つの円環状部分とからなり、それら二つの円環状部分の中心をロータコア8及びシャフト9が貫通している。
スラストステータコア1に形成される空間内には、スラスト巻線3,4、ラジアルステータコア5、ラジアル巻線6及び永久磁石7は、収容される。
The thrust stator core 1 has a substantially cylindrical shape, and includes a cylindrical portion surrounding the rotor core 8 and the shaft 9 and two annular portions arranged inwardly on both axial sides of the cylindrical portion. The rotor core 8 and the shaft 9 pass through the center of the portion.
In the space formed in the thrust stator core 1, the thrust windings 3 and 4, the radial stator core 5, the radial winding 6 and the permanent magnet 7 are accommodated.

即ち、ラジアルステータコア5と、スラストステータコア1の円環状部分との間には、周方向に巻回されたスラスト巻線3,4が各々配置されている。
ラジアルステータコア5の外周部には、径方向に磁化された複数の永久磁石(以下、外側磁石という)7が挿入されると共にラジアルステータコア5の内周側においては、ティースにラジアル巻線6が巻回されて磁極が構成される。
That is, between the radial stator core 5 and the annular portion of the thrust stator core 1, thrust windings 3 and 4 wound in the circumferential direction are respectively disposed.
A plurality of permanent magnets (hereinafter referred to as outer magnets) 7 magnetized in the radial direction are inserted into the outer peripheral portion of the radial stator core 5, and the radial winding 6 is wound around the teeth on the inner peripheral side of the radial stator core 5. Turned to form the magnetic pole.

更に、ラジアルステータコア5の磁極の間であるスロット、即ち、ティースの先端間にはソリッドコア(材質:磁性材 無垢材)2が掛け渡されている。
このソリッドコア2の内径側には、外側磁石7と同一方向に磁化方向を設定された永久磁石(以下、スロット先端磁石という)10が備えられている。
Further, a solid core (material: solid magnetic material) 2 is spanned between the slots between the magnetic poles of the radial stator core 5, that is, between the tips of the teeth.
On the inner diameter side of the solid core 2, a permanent magnet (hereinafter referred to as a slot tip magnet) 10 having a magnetization direction set in the same direction as the outer magnet 7 is provided.

従って、図1中に示すように、外側磁石7の内径側がS極、外径側がN極であれば、スロット先端磁石10の内径側もS極、外径側もN極である。
また、スロット先端磁石10と磁極との間には、周方向の隙間が設けられていない。そのため、後述するように磁束密度が均一化する利点がある。
更に、ソリッドコア2の外周側には、磁極間の磁束漏れを防止するための切欠き21が形成されている。
Therefore, as shown in FIG. 1, if the inner diameter side of the outer magnet 7 is the S pole and the outer diameter side is the N pole, the inner diameter side and the outer diameter side of the slot tip magnet 10 are both the N pole.
Further, there is no circumferential gap between the slot tip magnet 10 and the magnetic pole. Therefore, there is an advantage that the magnetic flux density becomes uniform as will be described later.
Further, a notch 21 for preventing magnetic flux leakage between the magnetic poles is formed on the outer peripheral side of the solid core 2.

そのため、図1中では、永久磁石7によって発生する磁束φaは太い破線で示されるように、ラジアルステータコア5を放射状に外径方向に流れる。
そして、図3中では、磁束φaはスラストステータコア1の円筒部分で軸方向に二つに分かれ、一方の磁束φaは一方の円筒部分を図中右側に流れ、図中右端の円環状部分で内径側に流れ、ロータコア8において図中左側に方向を変え、ラジアルステータコア5に戻る一方、他方の磁束φaは円筒部分1aを図中左側に流れ、図中左端の円環状部分で内径側に流れ、ロータコア8において図中右側に方向を変え、ラジアルステータコア5に戻る。
Therefore, in FIG. 1, the magnetic flux φa generated by the permanent magnet 7 flows radially in the radial direction through the radial stator core 5 as indicated by a thick broken line.
In FIG. 3, the magnetic flux φa is divided into two in the axial direction at the cylindrical portion of the thrust stator core 1, and one magnetic flux φa flows through one cylindrical portion to the right side in the drawing, and the inner diameter at the annular portion at the right end in the drawing. The rotor core 8 changes direction to the left side in the figure and returns to the radial stator core 5, while the other magnetic flux φa flows through the cylindrical part 1a to the left side in the figure, and flows to the inner diameter side at the annular part at the left end in the figure, In the rotor core 8, the direction is changed to the right side in the drawing, and the rotor stator 8 returns to the radial stator core 5.

ここで、図2に示すように、ラジアルステータコア5に戻る磁束φaは、ソリッドコア2の外周側に形成された切欠き21が障害となってソリッドコア2を通過することなく、ラジアルステータコア5の外径側に流れることになる。
一方、図2において、スロット先端磁石10によって発生する磁束φeは細い二点鎖線で示される通り、スロット先端磁石10からソリッドコア2で周方向に2分岐し、それぞれティース先端からロータコア8を通り、スロット先端磁石10に戻る小さいループを描くことになる。
Here, as shown in FIG. 2, the magnetic flux φa returning to the radial stator core 5 causes the notch 21 formed on the outer peripheral side of the solid core 2 to interfere with the radial stator core 5 without passing through the solid core 2. It will flow to the outer diameter side.
On the other hand, in FIG. 2, the magnetic flux φe generated by the slot tip magnet 10 is bifurcated in the circumferential direction by the solid core 2 from the slot tip magnet 10 as indicated by a thin two-dot chain line, and passes through the rotor core 8 from the tooth tip, A small loop is drawn back to the slot tip magnet 10.

ここで、外側磁石7によって発生し、スラストステータコア1、ロータコア8を通ってきた磁束φa(太い破線)と、スロット先端磁石10によって発生し、小さいループを描く磁束φe(細い二点鎖線)とで、回転子磁束に疎密の関係ができる。
ここで、条件として、外側磁石7の磁束が、スロット先端磁石10の磁束よりも強いとする。
そうすると、図5に示すように、図中一点鎖線で囲む領域Cであるスロット中心部分は、スロット先端磁石10による磁束φe(細い二点鎖線)と外側磁石7の磁束φa(太い破線)によって、磁束が強め合うために、磁束密度が密になる。
Here, a magnetic flux φa (thick broken line) generated by the outer magnet 7 and passed through the thrust stator core 1 and the rotor core 8 and a magnetic flux φe (thin two-dot chain line) generated by the slot tip magnet 10 and drawing a small loop A sparse / dense relationship can be established with the rotor magnetic flux.
Here, it is assumed that the magnetic flux of the outer magnet 7 is stronger than the magnetic flux of the slot tip magnet 10 as a condition.
Then, as shown in FIG. 5, the center portion of the slot, which is the region C surrounded by the one-dot chain line in the figure, is caused by the magnetic flux φe (thin two-dot chain line) by the slot tip magnet 10 and the magnetic flux φa (thick broken line) of the outer magnet 7. Since the magnetic fluxes strengthen each other, the magnetic flux density becomes dense.

また、領域Cの周方向に隣り合う領域(ティース部分)では、スロット先端磁石10による磁束φe(細い二点鎖線)と外側磁石7の磁束φa(太い破線)によって、磁束が弱め合うこととなるが、外側磁石7の磁束φaが、スロット先端磁石10の磁束φeよりも強いため、つまり、外側磁石7の磁束φaが支配的であるため、外側磁石7の磁束φaが少し弱まるだけで、ティース先端部分の磁極はS極となる。
磁束の強弱は、磁石のグレードによる保持力の違いや磁石の厚みの違いなど、どのような方法でもよい。
Moreover, in the area | region (tooth part) adjacent to the circumferential direction of the area | region C, magnetic flux will mutually weaken by magnetic flux (phi) e (thin dashed-two dotted line) by the slot tip magnet 10, and magnetic flux (phi) a (thick broken line) of the outer magnet 7. FIG. However, since the magnetic flux φa of the outer magnet 7 is stronger than the magnetic flux φe of the slot tip magnet 10, that is, the magnetic flux φa of the outer magnet 7 is dominant, the magnetic flux φa of the outer magnet 7 is slightly weakened. The magnetic pole at the tip is the S pole.
The magnetic flux may be increased or decreased by any method such as a difference in holding force depending on a magnet grade and a difference in magnet thickness.

ここで、図5に示すように、スロット先端磁石10による磁束φeの影響の及ばない、図中一点鎖線で囲む領域D,Eであるティース先端部分は、外側磁石7の磁束φa(太い破線)とラジアル巻線6の磁束φd(細い破線)によって、磁束が強め合うことで磁束密度が密になる。
よって、本実施例では、スロット先端、ティース先端すべてS極になり、対向する回転子の磁束の変化が少なく鉄損が発生しにくい構造となる。
Here, as shown in FIG. 5, the teeth tip portions, which are the regions D and E surrounded by the alternate long and short dash line in the figure, which are not affected by the magnetic flux φe by the slot tip magnet 10, are the magnetic flux φa of the outer magnet 7 (thick broken line). The magnetic flux is strengthened by the magnetic flux φd (thin broken line) of the radial winding 6 and the magnetic flux density becomes dense.
Therefore, in this embodiment, the slot tip and the tooth tip are all S poles, and the structure is such that iron loss is less likely to occur with little change in the magnetic flux of the opposing rotor.

なお、図中で例示した場合とは逆に、外側磁石7の内径側がN極、外径側がS極であり、スロット先端磁石10の内径側がN極、外径側がS極であれば、スロット先端、ティース先端すべてN極になることなる。この場合も、対向する回転子の磁束の変化が少なく鉄損が発生しにくい構造となる点については変わらない。   Contrary to the case illustrated in the figure, if the outer magnet 7 has an N pole on the inner diameter side and an S pole on the outer diameter side, the inner diameter side of the slot tip magnet 10 has an N pole and the outer diameter side has an S pole. The tip and teeth tip are all N poles. Also in this case, there is no change in that the structure is such that the change in magnetic flux of the opposing rotor is small and iron loss is unlikely to occur.

本実施例の磁気軸受においては、軸支持力の発生原理は、比較例において後述する通り、ロータコア8及びシャフト9がラジアル力を受けて回転可能に支持される。
なお、スラスト力については、簡単に述べると、永久磁石7が発生する磁束とスラスト巻線3,4を流れる電流により形成される磁束の疎密により、回転子であるロータコア8及びシャフト9に対して軸方向のスラスト力が発生する。
In the magnetic bearing of the present embodiment, the principle of generating the shaft support force is such that the rotor core 8 and the shaft 9 are rotatably supported by receiving the radial force, as will be described later in the comparative example.
The thrust force will be briefly described. Due to the density of the magnetic flux generated by the permanent magnet 7 and the current flowing through the thrust windings 3, 4, the rotor core 8 and the shaft 9, which are rotors, are densely formed. Axial thrust force is generated.

[比較例]
比較例として、上記実施例1に係る磁気軸受からスロット先端磁石10及びソリッドコア2を取り除いたものを、図6及び図7に示す。
即ち、この比較例に係る磁気軸受は、図6及び図7に示す通り、ラジアルステータコア5の外周部には、径方向に磁化された複数の永久磁石(外側磁石)7が挿入されると共にラジアルステータコア5の内周側においては、ティースにラジアル巻線6が巻回されて磁極が構成される。
[Comparative example]
As a comparative example, FIG. 6 and FIG. 7 show the magnetic bearing according to Example 1 with the slot tip magnet 10 and the solid core 2 removed.
That is, in the magnetic bearing according to this comparative example, as shown in FIGS. 6 and 7, a plurality of radially magnetized permanent magnets (outer magnets) 7 are inserted into the outer periphery of the radial stator core 5, and the radial On the inner peripheral side of the stator core 5, a radial winding 6 is wound around a tooth to form a magnetic pole.

ラジアルステータコア5の磁極の間であるスロット先端には、永久磁石(スロット先端磁石)及びソリッドコアは存在しない。
これらラジアルステータコア5、外側磁石7及びラジアル巻線6は、スラストステータコア(図示省略)に収容されて固定子を構成し、この固定子に磁気力(ラジアル力)によって非接触状態で支持されて回転子であるロータコア8及びシャフト9が回転する。
即ち、図7ではラジアル力の発生原理を示しており、外側磁石7によって発生する磁束φaを太い破線、ラジアル巻線6に流れる電流によって発生する磁束φdを細い破線で示している。
There is no permanent magnet (slot tip magnet) or solid core at the tip of the slot between the magnetic poles of the radial stator core 5.
The radial stator core 5, the outer magnet 7 and the radial winding 6 are housed in a thrust stator core (not shown) to form a stator, which is supported and rotated in a non-contact state by a magnetic force (radial force). The rotor core 8 and the shaft 9 as the child rotate.
That is, FIG. 7 shows the principle of radial force generation, in which the magnetic flux φa generated by the outer magnet 7 is indicated by a thick broken line, and the magnetic flux φd generated by the current flowing in the radial winding 6 is indicated by a thin broken line.

図7に示すように、外側磁石7は、内周側がS極であり、外周側がN極である。そのため、外側磁石7によって発生する磁束φaは、ラジアルステータコア5を放射状に外径方向に流れる一方、ラジアル巻線6に流れる電流によって発生する磁束φdは、右ネジの法則に従い、ラジアルステータコア5及びロータコア8において、交互に図中時計回り又は反時計回りに流れる。   As shown in FIG. 7, the outer magnet 7 has an S-pole on the inner peripheral side and an N-pole on the outer peripheral side. Therefore, the magnetic flux φa generated by the outer magnet 7 flows radially in the radial direction through the radial stator core 5, while the magnetic flux φd generated by the current flowing through the radial winding 6 follows the right-handed screw law and the radial stator core 5 and the rotor core In FIG. 8, the current flows alternately clockwise or counterclockwise in the figure.

そのため、ラジアルステータコア5の右上および左上部(図中、一点鎖線で囲む領域H)では、太い破線で示す磁束φaと細い破線で示す磁束φdが同じ方向に発生するため磁束が強め合う一方、ラジアルステータコア5の右下および左下部(図中、一点鎖線で囲む領域I)では、太い破線で示す磁束φaと細い破線で示す磁束φdが反対の方向に発生す
るため磁束が弱め合う。これにより、ロータコア8には不平衡吸引力によって、図中矢印で示すように、上向きにラジアル力Gが発生する。
このようにラジアル力Gが発生する点に関しては、実施例1においても同様である。
Therefore, in the upper right and upper left part of the radial stator core 5 (region H surrounded by the alternate long and short dash line in the figure), the magnetic flux φa indicated by the thick broken line and the magnetic flux φd indicated by the thin broken line are generated in the same direction. In the lower right and lower left of the stator core 5 (region I surrounded by a one-dot chain line in the figure), the magnetic flux φa indicated by the thick broken line and the magnetic flux φd indicated by the thin broken line are generated in opposite directions, so that the magnetic flux weakens. As a result, a radial force G is generated upward in the rotor core 8 by an unbalanced suction force, as indicated by an arrow in the figure.
The point that the radial force G is generated in this way is the same in the first embodiment.

一方、図6に示すように、図中一点鎖線で囲む領域Jであるスロット中心部分は、ラジアル巻線6に流れる電流によって発生する磁束φd(細い破線)と外側磁石7の磁束φa(太い破線)によって、磁束が弱め合うために、磁束密度が疎になる。
しかし、図6に示すように、図中一点鎖線で囲む領域J,Kであるティース先端部分は、外側磁石7の磁束φa(太い破線)とラジアル巻線6の磁束φd(細い破線)によって、磁束が強め合うことで磁束密度が密になる。
On the other hand, as shown in FIG. 6, a slot central portion, which is a region J surrounded by a one-dot chain line in the figure, has a magnetic flux φd (thin broken line) generated by a current flowing in the radial winding 6 and a magnetic flux φa (thick broken line) of the outer magnet 7. ), The magnetic flux density weakens because the magnetic fluxes weaken each other.
However, as shown in FIG. 6, the teeth tip portions that are the regions J and K surrounded by the alternate long and short dash line in the figure are caused by the magnetic flux φa of the outer magnet 7 (thick broken line) and the magnetic flux φd of the radial winding 6 (thin broken line). The magnetic flux density becomes dense by strengthening the magnetic fluxes.

このように、比較例では、磁束の疎密が発生することにより、磁束密度にムラができ、鉄損を発生する。この点に関しては、特許文献2の第5の実施形態も同様と考えられる。
具体的な磁束密度について、比較例と実施例1とを対比して、シュミレーションした結果を図8に示す。
図8(b)に示すように、比較例の回転子における磁束密度分布は、固定子(歯部)近傍に比較して固定子(スロット部)近傍の磁束密度が低くなり、そのため、固定子(歯部)、固定子(スロット部)の磁束密度の変化が大きく、回転子鉄心の鉄損が大きい。
これに対し、図8(a)に示すように、実施例1の回転子における磁束密度分布は、スロット先端磁石10近傍と固定子(歯部)近傍の磁束密度の変化が小さく抑えられ、回転子鉄心の磁束密度の変化が小さくなり、回転子鉄心の鉄損が発生しにくい。
As described above, in the comparative example, the magnetic flux density is uneven and the magnetic flux density is uneven, and iron loss occurs. In this regard, the fifth embodiment of Patent Document 2 is considered to be the same.
FIG. 8 shows a simulation result of a specific magnetic flux density by comparing the comparative example and the first embodiment.
As shown in FIG. 8B, the magnetic flux density distribution in the rotor of the comparative example is lower in the magnetic flux density in the vicinity of the stator (slot portion) than in the vicinity of the stator (tooth portion). The change in magnetic flux density of the (tooth portion) and stator (slot portion) is large, and the iron loss of the rotor core is large.
On the other hand, as shown in FIG. 8A, in the magnetic flux density distribution in the rotor of Example 1, the change in the magnetic flux density in the vicinity of the slot tip magnet 10 and in the vicinity of the stator (tooth portion) is suppressed to be small. The change in the magnetic flux density of the core is small, and iron loss of the rotor core is difficult to occur.

特に、実施例1においては、スロット先端磁石10と磁極との間には、周方向の隙間が設けられていないため、磁束密度がより一層均一化する利点がある。
逆に、特許文献1は、歯部先端部から隙間を設けて永久磁石を配置しているため、磁束密度の変化が大きく、回転子鉄心の鉄損が大きいと考えられる。
図9に示すように、ギャップ磁束密度は、比較例では、1〜0.964[p.u.]の範囲であるのに対し、実施例1では、1〜0.271[p.u.]の範囲である。図9において、縦軸はギャップ磁束密度[p.u.]、横軸は円周角[deg]である。
表1に、ある固定子形状における、比較例と実施例1との回転子鉄心で発生する鉄損の割合を示す。
In particular, in the first embodiment, there is no circumferential gap between the slot tip magnet 10 and the magnetic pole, so that there is an advantage that the magnetic flux density is made more uniform.
On the other hand, Patent Document 1 is considered to have a large change in magnetic flux density and a large iron loss of the rotor core because a permanent magnet is arranged with a gap from the tooth tip.
As shown in FIG. 9, the gap magnetic flux density is 1 to 0.964 [p. u. ] In the range of 1 to 0.271 [p. u. ]. In FIG. 9, the vertical axis represents the gap magnetic flux density [p. u. ], The horizontal axis is the circumferential angle [deg].
Table 1 shows the ratio of iron loss occurring in the rotor cores of the comparative example and the example 1 in a certain stator shape.

表の数値は、各負荷時における比較例の回転子鉄損を100%とした時の、本実施例の回転子鉄損の割合を示している。
表1に示す通り、実施例1は、有負荷時においても比較例の20%以下に回転子鉄損を抑制できていることが分かる。
The numerical values in the table indicate the ratio of the rotor iron loss of this example when the rotor iron loss of the comparative example at each load is 100%.
As shown in Table 1, it can be seen that Example 1 can suppress the rotor iron loss to 20% or less of the comparative example even under load.

本発明の磁気軸受は、鉄損が少ないため、広く産業上利用可能なものである。   The magnetic bearing of the present invention has a low iron loss and can be widely used industrially.

1 スラストステータコア
2 ソリッドコア
3,4 スラスト巻線
5 ラジアルステータコア
6 ラジアル巻線
7 永久磁石(外側磁石)
8 ロータコア
9 シャフト
10 永久磁石(スロット先端磁石)
21 切欠き
1 Thrust stator core 2 Solid core 3, 4 Thrust winding 5 Radial stator core 6 Radial winding 7 Permanent magnet (outer magnet)
8 Rotor core 9 Shaft 10 Permanent magnet (slot end magnet)
21 Notch

Claims (5)

固定子と、前記固定子に磁気力によって非接触状態で支持されて回転する回転子とを備えた磁気軸受において、
前記固定子は、外周部に永久磁石が等間隔に配置されると共に内周側におけるティースにラジアル巻線が巻回されて磁極が構成されたラジアルステータコアを備える一方、
前記ティースの先端間にはソリッドコアが掛け渡され、
前記ソリッドコアの内径側には、前記永久磁石と同一方向に磁化方向を設定された永久磁石が備えられることを特徴とする磁気軸受。
In a magnetic bearing comprising a stator and a rotor that is supported and rotated in a non-contact state by magnetic force on the stator,
The stator includes a radial stator core in which permanent magnets are arranged at equal intervals on the outer periphery and a radial winding is wound around a tooth on the inner periphery to form a magnetic pole.
A solid core is spanned between the tips of the teeth,
The magnetic bearing according to claim 1, wherein a permanent magnet having a magnetization direction set in the same direction as the permanent magnet is provided on an inner diameter side of the solid core.
前記固定子に外周部に配置された前記永久磁石の磁束は、前記ソリッドコアに備えられた前記永久磁石の磁束に比較して強く、前記ティースでは支配的になることを特徴とする請求項1記載の磁気軸受。   The magnetic flux of the permanent magnet disposed on the outer periphery of the stator is stronger than the magnetic flux of the permanent magnet provided in the solid core, and is dominant in the teeth. The magnetic bearing described. 前記ソリッドコアの外周側には、前記磁極間の磁束漏れを防止するための切欠きが形成されることを特徴とする請求項1記載の磁気軸受。   The magnetic bearing according to claim 1, wherein a notch for preventing leakage of magnetic flux between the magnetic poles is formed on an outer peripheral side of the solid core. 前記ソリッドコアに備えられた前記永久磁石は、前記磁極との間に周方向の隙間を有しないことを特徴とする請求項1記載の磁気軸受。   The magnetic bearing according to claim 1, wherein the permanent magnet provided in the solid core does not have a circumferential gap between the permanent magnet and the magnetic pole. 前記固定子は、前記ラジアルステータコア、前記永久磁石及びラジアル巻線を収容するスラストステータコアを備えることを特徴とする請求項1記載の磁気軸受。   The magnetic bearing according to claim 1, wherein the stator includes a thrust stator core that accommodates the radial stator core, the permanent magnet, and a radial winding.
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