JP3739347B2

JP3739347B2 - Bearingless motor

Info

Publication number: JP3739347B2
Application number: JP2002280264A
Authority: JP
Inventors: 真紹竹本; 明千葉; 正深尾
Original assignee: 財団法人理工学振興会
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2002-09-26
Publication date: 2006-01-25
Anticipated expiration: 2022-09-26
Also published as: JP2004120886A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転子を回転駆動する作用と、回転子の半径方向位置を制御する磁気軸受作用とを兼ね備えたベアリングレスモータに関する。より詳細には、回転子にその回転子の固定子対峙面から深く永久磁石を埋め込み、回転子を回転駆動する作用と、回転子の半径方向位置を制御する磁気軸受作用とを兼ね備えたベアリングレスモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
短時間に精密な加工を行うためには工作機械のスピンドルを高速回転させたり、また加速器や半導体製造装置で高真空を得るためには真空ポンプのタービンを毎分数万回転から数十万回転という超高速で回転させる必要がある。このような超高速回転モータを実現するには、モータ自体の構造や制御装置の改良はもとより、超高速回転に耐えられる軸受が不可欠である。
このような用途に適合するものとして、古くから磁気軸受がある。さらに、改良が加えられたものとして、モータと磁気軸受の磁気回路を一体化して、回転子を回転駆動する作用と、回転子の半径方向位置を制御する磁気軸受作用とを兼ね備えたベアリングレスモータがある。ベアリングレスモータでは、回転子を回転駆動する磁界を磁気軸受の励磁磁界として利用することで、モータの小型化を図ることができる。そして、このようなベアリングレスモータは、非接触、無潤滑、メンテナンスフリー、小型化という特徴があり、キャンドポンプや人工心臓への適用、ポンプやモータ一体型ポンプへの応用に開発研究が進んでいる。
【０００３】
一般的に、このようなベアリングレスモータは、互いに対峙する内側の回転子及び外側の固定子を備えている。回転子と固定子との間は、非接触を保つようにギャップが形成されている。
しかし、キャンドポンプや人工心臓のような小型のポンプに用いられるベアリングレスモータでは、回転子が回転しても、例えば、流体がギャップへ流れこめるように、２〜３ｍｍ以上のギャップが必要である。大容量のモータであれば、２〜３ｍｍのギャップ長があっても性能に影響が出ることは少ないが、１ｋｗ以下の小容量のモータでは、２〜３ｍｍのギャップ長は、非常に大きな値である。誘導機型やリラクタンス型のベアリングレスモータは、ギャップ長に反比例して磁束が減少することから、ギャップ長の二乗に反比例して半径方向力が減少する。このため、相対的に大きなギャップ長では、回転子主軸を磁気支持するのに必要な半径方向力を十分に発生させることは難しい。そのため、誘導機型やリラクタンス型ではなく、一般的には、永久磁石型のベアリングレスモータが採用されている（特許文献１及び特許文献２参照)。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−１５０７５５号公報
【特許文献２】
特開２００１−３３９９７９号公報
【０００５】
永久磁石型のベアリングレスモータは、例えば、特許文献２(特開２００１−３３９９７９号公報）に記載されている。図２５及び図２６を参照すると、ベアリングレスモータ４１０は、互いに対峙する内側の回転子４１２と外側の固定子４１４と、回転子４１２の軸方向に設けられたスラスト軸受４１６とを備えている。回転子４１２は、対峙面に沿って張り付けられた断面円弧状の分割された永久磁石４２２を備え、固定子４１４は、回転子４１２を回転駆動する電動機巻線と回転子４１２の半径方向位置を制御する位置制御巻線とを備えている。このようなベアリングレスモータ４１０はＳＰＭ型と称されている。
また、他の永久磁石型のベアリングレスモータとして、永久磁石の極間に突極を形成したＩｎｓｅｔ型、永久磁石を回転子表面に浅く埋め込んだ埋込永久磁石型（shallowly-Buried Permanent Magnet Type）がある。
また、いずれのタイプのベアリングレスモータにおいても、外側に回転子を備え、内側に固定子を備えたものもある。
【０００６】
図２６に示される従来のベアリングレスモータは、４極電動機・２極位置制御構造、すなわち、ｎ極電動機・ｎ−２極位置制御構造である。このように構成されているのは、電動機の効率を重視するためである。他に、６極電動機・４極位置制御構造のベアリングレスモータも一般的である。
図２６のベアリングレスモータにおいて無負荷時におけるｘ軸正方向に半径方向力を発生原理を説明すると、位置制御巻線Ｎｘに電流Ｉｘを流すと、２極の位置制御磁束Ψｘが発生する。この位置制御磁束Ψｘと４極の永久磁石が発生する界磁磁束Ψｍによりｘ軸正方向では互いに磁束は強め合い、ｘ軸負方向では互いに磁束は弱め合う。この磁束の強弱が生じることで、磁束が強め合うｘ軸正方向に半径方向力Ｆｘが発生する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のようなｎ極電動機・ｎ−２極位置制御構造のベアリングレスモータ４１０では、永久磁石４２２が回転子４１２の対峙面に沿って設けられているので、位置制御磁束は真空と同じ透磁率で磁気抵抗の大きな永久磁石４２２を貫通しなければならない。このため、位置制御巻線の起磁力に対して有効に位置制御磁束を発生させることができず、半径方向力を十分に発生させることができない。
１つの方法として、磁石の厚みを増加させることで界磁磁束を強くすることはできる。しかし、磁石厚の増加に伴い、永久磁石の磁気抵抗が大きくなるため、位置制御磁束が界磁磁束の増加以上に減少し、半径方向力は逆に小さくなるという問題がある。
【０００８】
本発明の目的は、回転子の位置制御磁束が永久磁石を通過しないように構成することで、半径方向力を大きく発生させることができるベアリングレスモータを提供することにある。
本発明の他の目的は、位置制御磁束が永久磁石の磁束を有効に利用して、一層大きな半径方向力を得ることができるベアリングレスモータを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は、回転子と固定子とがギャップを介して対峙するベアリングレスモータにおいて、回転子が固定子との対峙面から離間して埋設されたｎ極の永久磁石と、固定子がｎ極の電動機巻線とｎ＋２極の位置制御巻線と、を備え、位置制御巻線による位置制御磁束が永久磁石より対峙面側の部分を通るように、回転子の永久磁石が固定子との対峙面より深く没入していることを特徴とする、ベアリングレスモータにより前記課題を解決した。
【００１０】
また、本発明は、回転子が、隣合う異極の永久磁石の間に極間磁石を備えているベアリングレスモータを提供する。極間磁石は、永久磁石より回転子側に突出していることが好ましい。
【００１１】
電動機巻線の極数より位置制御巻線の極数を多くすること、すなわち、ｎ極の電動機巻線とｎ＋２極の位置制御巻線を備えることにより、位置制御磁束がｎ極電動機の磁束より小さな範囲で閉じる。ここで、「ｎ」は、２の倍数の正数である。すなわち、位置制御磁束は電動機の磁束より小さな範囲で閉じる。
さらに、回転子の永久磁石が、固定子との対峙面より深く没入するように埋設されているので、位置制御磁束は、永久磁石より対峙面側の部分を通ることができるようになる。すなわち、回転子の対峙面側部分の磁性体を位置制御磁束の通り道（ヨーク）として利用することができる。これにより、位置制御磁束が磁気抵抗の大きな永久磁石を通らないように構成され、大きな半径方向力が発生する。
位置制御磁束の通る領域が永久磁石の対峙面側に確保されているので、磁石厚を増加させても、位置制御磁束が減少することなく、したがって、大きな回転トルクを出力することができる。
【００１２】
隣合う異極の永久磁石の間に、永久磁石より対峙面に突出する極間磁石を設けることにより、半径方向力は一層大きくなる。すなわち、隣合う異極の永久磁石は、永久磁石同士で閉磁路を形成することがなくなり、永久磁石の磁束が回転子の対峙面側を通るので、その部分を通る位置制御磁束との間で大きな半径方向力が発生する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明による実施形態を説明する。図１は、コンプレッサ、ブロア、ファン、ポンプ、浄水用遠心ポンプとの組合せで用いられているベアリングレスモータ１０の一実施形態を概略的に示している。その他、ベアリングレスモータは、ディスクドライブユニット、粉化機、キャンドポンプ、人工心臓用ポンプ、ガス移送機、半導体製造装置、フライホイール、モニター装置用の回転ステージ、スピンドル、多段発電機、遠心分離機との組合せで用いられる。
【００１４】
また、図１のベアリングレスモータは、内側に回転子を配し、外側に固定子を配した構造であるが、内側に固定子を配し、外側に回転子を配した構造もあり、後者の構造については後述する。
【００１５】
図１に示されるように、ベアリングレスモータ１０は、ギャップを介して対峙する内側の回転子１２，１２及び外側の固定子１４，１４と、回転子１２及び固定子１４の軸方向に離間して設けられたスラスト軸受１６とを備えている。回転子１２，１２及びスラスト軸受１６は、１つの軸上に設けられており、その軸はポンプ１８のインペラー２０に接続されている。本実施形態の回転子及び固定子はユニット１及びユニット２を備えたタンデム構造であるが、ユニットが１つ又はユニットが３つ以上の組合せでもよい。
【００１６】
図２は、回転子１２と固定子１４の断面図を示している。本実施形態のベアリングレスモータ１０は、ｎ極電動機、ｎ＋２極位置制御構造の一形態として、２極電動機、４極位置制御構造である。ここで、「ｎ」は２の倍数の正数である。「ｎ」が他の偶数であるベアリングレスモータについては、後述する。
【００１７】
回転子１２は２極の永久磁石２２を備えており、固定子１４は２極の電動機巻線Ｎｄ，Ｎｑと４極の位置制御巻線Ｎｘ，Ｎｘ，Ｎｙ，Ｎｙを備えている。また、回転子１２は、永久磁石の極間部に極間磁石２４を備えている。
【００１８】
永久磁石２２は、回転子１２の対峙面から離間して回転子１２に深く埋設されている。永久磁石２２は、１８０°の位相で設けられ、図中左側の表面Ｓ極の円弧状永久磁石２２ａ，２２ａと、図中右側の表面Ｎ極の円弧状永久磁石２２ｂ，２２ｂよりなる。それぞれの永久磁石２２ａ，２２ａ，２２ｂ，２２ｂが同心円上に環状の永久磁石を形成する。回転子１２自体は磁性体からなり、極間磁石２４で区画された永久磁石２２の対峙面側は磁束が通るヨークとして機能する。極間磁石２４は、隣合う異極の永久磁石２２ａ，２２ｂの間で界磁磁束が閉磁路を形成することを防止する。これによって、界磁磁束は、回転子１２の永久磁石２２の対峙面側を通るようになる。
【００１９】
次に、図３乃至図６を参照して、上記ベアリングレスモータ１０の動作原理を説明する。
図３は、無負荷時におけるｘ軸方向の半径方向力の発生原理を示している。４極の位置制御巻線Ｎｘに図示の方向に位置制御電流を流すことによって位置制御磁束Ψｘが発生する。２極の永久磁石が発生する界磁磁束Ψｍによって、ｘ軸正方向では磁束は互い強め合い、ｘ軸負方向では磁束は互いに弱め合う。このように、磁束の強弱によってｘ軸正方向に半径方向力Ｆｘが発生する。ｘ軸負方向の半径方向力は、逆の方向に位置制御電流を流すことにより発生する。
【００２０】
図４は、無負荷時におけるｙ軸方向の半径方向力の発生原理を示している。４極の位置制御巻線Ｎｙに図示の方向に位置制御電流を流すことによって位置制御磁束Ψｙが発生する。２極の永久磁石が発生する界磁磁束Ψｍによって、ｙ軸正方向では磁束は互い強め合い、ｙ軸負方向では磁束は互いに弱め合う。このように、磁束の強弱によってｙ軸正方向に半径方向力Ｆｙが発生する。ｘ軸負方向の半径方向力は、逆の方向に位置制御電流を流すことにより発生する。
【００２１】
図５は、電動機巻線Ｎｑにトルク電流を流した際に、トルク磁束Ψｑと位置制御電流によるΨｘの干渉によって発生する半径方向力を示している。ｙ軸正方向ではそれぞれの磁束は弱め合い、ｙ軸負方向ではそれぞれの磁束は強め合う。その結果、ｙ軸負方向に半径方向力Ｆｙが発生する。
【００２２】
図６は、電動機巻線Ｎｑにトルク電流を流した際に、トルク磁束Ψｑと位置制御電流によるΨｙの干渉によって発生する半径方向力を示している。ｘ軸正方向ではそれぞれの磁束は強め合い、ｘ軸負方向ではそれぞれの磁束は弱め合う。その結果、ｘ軸正方向に半径方向力Ｆｘが発生する。
【００２３】
本発明のベアリングレスモータ１０では、電動機巻線の極数より位置制御構巻線の極数が多く、回転子１２の永久磁石２２が対峙面から没入するように深く埋設されている。回転子１２において、永久磁石２２より対峙面側の部分は、磁束が通るヨークとして機能する。図３乃至図６に示したように、それぞれの磁束が永久磁石より対峙面側を通る。これによって、少なくとも位置制御磁束Ψｘ，Ψｙは、磁気抵抗の大きい永久磁石を貫くことがなく、これらの磁束は大きな半径方向力を発生させる。
また、このようにして発生する半径方向力は、永久磁石の厚みに関係がないので、ベアリングレスモータに求められる半径方向力に応じて永久磁石を厚くすることにも本発明のベアリングレスモータは対応することができる。
【００２４】
また、本実施形態では、異極の永久磁石２２ａ，２２ｂの間に極間磁石２４が設けられている。この極間磁石２４は、永久磁石２２の表面よりも回転子１２と固定子１４の対峙面の近くまで法線方向に延びている。このように構成することにより、永久磁石の界磁磁束が隣合う異極の永久磁石と閉じることがなくなり、それに伴って、永久磁石２２の表面側を通る位置制御磁束Ψｘ，Ψｙやトルク磁束Ψｑと協働して半径方向力及び回転トルクも大きくなる。
特に、キャンドポンプや人工心臓用ポンプのように、ギャップ長が大きいベアリングレスモータの場合、異極の永久磁石の間に極間磁石を挿入することが好ましい。その理由は、上記のように、回転子から固定子へ流れる界磁磁束を増大させることができ、永久磁石の磁束を半径方向力や回転トルクの発生に有効に活用できるようになるからである。
【００２５】
図７は、２極電動機、４極位置制御構造のベアリングレスモータにおける回転子の他の形態を示している。同図に示された回転子３０は、２極の永久磁石３２を備えている。固定子(図示せず）は、図２に示された固定子と実質的に同じである。また、回転子３０は、永久磁石の極間部に極間磁石３４を備えている。
【００２６】
永久磁石３２は、回転子３０の固定子対峙面から離間して回転子３０に深く埋設されている。永久磁石３２は、１８０°の位相で設けられ、図中左側の表面Ｓ極の平板状永久磁石３２ａ，３２ａと、図中右側の表面Ｎ極の平板状永久磁石３２ｂ，３２ｂよりなる。
それぞれの永久磁石３２ａ，３２ａ，３２ｂ，３２ｂは、回転子３０を長手方向に貫通する溝に挿入されている。また、極間磁石３４も回転子３０を長手方向に貫通する溝に挿入されている。
それぞれの平板状永久磁石３２は、断面で見てシャフト又はシャフト挿入用の孔を取り囲むように多角形構造をなしており、その磁束は実質的に回転子３０の法線方向に生じる。極間磁石３４は、隣合う異極の永久磁石３２ａ，３２ｂの間で界磁磁束が閉磁路を形成することを防止する。これによって、界磁磁束は、回転子３０の永久磁石３２の対峙面側を通るようになる。
溝は、永久磁石３２より幅広であり、永久磁石と永久磁石の間、及び、永久磁石と極間磁石との間には、空隙が形成される。この空隙によって、回転子３０に残存する磁性体部分が狭くなり、それぞれの永久磁石自身で閉磁路を形成することを避けることができ、さらに、永久磁石３２を回転子３０に挿入することも容易となる。
【００２７】
図８は、２極電動機、４極位置制御構造のベアリングレスモータにおける回転子のさらに他の形態を示している。同図に示された回転子４０は、２極の永久磁石４２を備えている。固定子(図示せず）は、図２に示された固定子と実質的に同じである。また、回転子４０は、永久磁石の極間部に極間磁石４４を備えている。
【００２８】
図８に示された回転子４０は、図中左側における３つの表面Ｓ極の平板状永久磁石４２ａ，４２ａと、図中右側における３つの表面Ｎ極の平板状永久磁石４２ｂ，４２ｂを備えている。
それぞれの永久磁石４２は、回転子４０を長手方向に貫通する溝に挿入されている。極間磁石４４も回転子４０を長手方向に貫通する溝に挿入されている。それぞれの平板状永久磁石４２は、断面で見てシャフト又はシャフト挿入用の孔を取り囲むように多角形構造をなし、永久磁石と永久磁石の間、及び、永久磁石と極間磁石との間には、空隙が形成される。
図８に示される回転子４０も、図７に示される回転子３０と同様に、ヨークとして機能する回転子の残存部分を狭くすることで、界磁磁束が回転子４０から固定子に向って形成される。
【００２９】
図９及び図１０は、本発明によるベアリングレスモータの他の実施形態を示している。このベアリングレスモータ１１０は、例えば、ディスクドライブユニットに用いられ、内側に固定子１１４を配し、外側に回転子１１２を配した構造をしている。
【００３０】
図１０に詳細に示されるように、ベアリングレスモータ１１０は、ギャップを介して対峙する外側の回転子１１２，１１２と内側の固定子１１４，１１４とを備えている。図１０では、固定子１１４の巻線を省略しているが、本実施形態のベアリングレスモータ１１０も、２極電動機、４極位置制御構造である。
【００３１】
回転子１１２は、固定子１１４との対峙面から没入して埋設された２極の永久磁石１２２を備えている。また。回転子１１２は、永久磁石１２２の極間部に極間磁石１２４を備えている。回転子１１２自体は磁性体からなり、極間磁石１２４で区画された永久磁石１２２の対峙面側は磁束が通るヨークとして機能する。
極間磁石１２４は、隣合う異極の永久磁石の間で界磁磁束が閉磁路を形成することを防止する。そのため、極間磁石１２４は、永久磁石１２２よりも対峙面近くまで延びている。これによって、界磁磁束は、回転子１１２の永久磁石１２２の対峙面側を通るようになる。
【００３２】
図１１は、ｎ極電動機、ｎ＋２極位置制御構造において、ｎ＝４の場合の実施形態を示している。
本実施形態のベアリングレスモータ２１０は、ギャップを介して対峙する内側の回転子２１２と外側の固定子２１４とを備えている。回転子２１２は４極の永久磁石２２２を備えており、固定子２１４は４極の電動機巻線Ｎｄ，Ｎｑと６極の位置制御巻線Ｎｘ，Ｎｘ，Ｎｘ，Ｎｙ，Ｎｙ，Ｎｙを備えている。また、回転子２１２は、永久磁石の極間部に極間磁石２２４を備えている。
【００３３】
永久磁石２２２は、回転子２１２の対峙面から離間して回転子２１２に深く埋設されている。永久磁石２２２は、９０°の位相で設けられ、それぞれの永久磁石が環状に配されている。回転子２１２自体は磁性体からなり、極間磁石２２４で区画された永久磁石２２２の対峙面側は磁束が通るヨークとして機能する。極間磁石２２４は、隣合う異極の永久磁石２２２の間で界磁磁束が閉磁路を形成することを防止する。これによって、界磁磁束は、回転子２１２の永久磁石２２２の対峙面側を通るようになる。
【００３４】
図１２乃至図２０は、本発明によるベアリングレスモータの適用例、すなわち、用途を示す。
図１２は、ポンプ、埋込形人工心臓、ファン、コンプレッサ、危険ガス移送機等の用途へのベアリングレスモータ３０１の適用例を示している。ポンプ３００は、隔壁３０２内に羽根車３０３を備え、吸入口３０４から吐出口３０５に流体を圧送する。ベアリングレスモータ３００の回転子３０６は、羽根車３０２に取り付けられ、固定子３０７は隔壁３０２の外側に取り付けられている。隔壁３０２は、回転子３０６と固定子３０７の間のギャップを延びており、このようなベアリングレスモータ３０１は気密に保たれた環境で流体を圧送するのに好適である。
【００３５】
図１３は、粉化機の用途へのベアリングレスモータ３１１の適用例を示している。粉化機３１０は、ハウジング３１２内を回転自在な移送管３１３を備えている。移送管３１３の先端は、ハウジング３１２内で放射状に延びる複数の放出管に分岐している。タンデム型ベアリングレスモータ３１１のそれぞれの回転子３１６は移送管３１３に取り付けられ、それぞれの固定子３１７はハウジング３１２の内壁に取り付けられている。ベアリングレスモータ３１１を起動すると、回転子３１６とともに移送管３１３が回転し、放出管の開口から液体が噴出して粉化し、ハウジング３１２の下方開口から粉が放下する。
【００３６】
図１４は、半導体製造装置の用途へのベアリングレスモータ３２１の適用例を示している。半導体製造装置３２０は、ケース３２２内に半導体ウエハーを載置可能な又は取り付け可能なプレート３２３を備えている。ベアリングレスモータ３２１の回転子３２６は、プレート３２３に取り付けられ、固定子３２７はケース３２２の外側に取り付けられている。ケース３２２は、回転子３２６と固定子３２７の間のギャップを延びており、このようなベアリングレスモータ３２１は極めて高いクリーン度が要求される環境で被加工物を取り扱うのに好適である。
【００３７】
図１５は、フライホイール３３０の用途へのベアリングレスモータ３３１の適用例を示している。タンデム型ベアリングレスモータ３３１のそれぞれの固定子３３７に対峙して回転子３３６がフライホイール３１０のリム３３２の中空状円筒状内壁に取り付けられている。ベース３３３とリム３３２の間にはスラストベアリング３３４が配置され、フライホール３３０は浮動状態で支持されている。ベアリングレスモータ３３１を起動すると、回転子３３６とともにリム３３２が回転する。
【００３８】
図１６は、ギャップの対峙構成に他の形態を採用したフライホールへの適用例を示している。回転子３４６はフライホイール３４０に取り付けられ、固定子３３７はベース３４３に取り付けられている。タンデム型のベアリングレスモータ３４１は、それぞれの回転子３４６が軸方向外側に向って拡開するテーパ状であり、一対の固定子３４７が回転子３４６の形状に倣ったＶ字状をしている。
回転子及び固定子は逆の関係で構成されていてもよく、それぞれの回転子及び固定子は鏡像対称な階段状に構成されていてもよい。図１６に示された例では、スラストベアリングがなくても、フライホイールは浮動状態で回転する。
【００３９】
図１７は、モニター装置３５０の用途へのベアリングレスモータ３５１の適用例を示している。タンデム型ベアリングレスモータ３５１のそれぞれの固定子３５７に対峙して回転子３５６がモニター装置３５０を支持するキャップ状ハウジング３５２の円筒状内壁に取り付けられている。ベース３５３から突出する軸３５５の先端とハウジング３５２の間にはスラストベアリング３５４が配置され、ハウジング３５２は浮動状態で支持されている。ベアリングレスモータ３５１を起動すると、回転子３５６とともにハウジング３５２が回転し、モニター装置３５０の視野を制御する。
【００４０】
図１８は、スピンドルユニット３６０の用途へのベアリングレスモータ３６１の適用例を示している。タンデム型ベアリングレスモータ３６１のそれぞれの回転子３６６はスピンドル３６３に取り付けられ、それぞれの固定子３６７はハウジング３６２の内壁に取り付けられている。スピンドル３６３の一端にはチャック３６５が取り付けられ、リーマー等の切削具や研削具が着脱自在となっている。スピンドル３６２の他端にはスラストベアリング３６４が備えられている。なお、ユニット１又はユニット２の一方にのみ、本発明のベアリングレスモータを採用してもよい。
【００４１】
図１９は、遠心分離機３７０の用途へのベアリングレスモータ３７１の適用例を示している。タンデム型ベアリングレスモータ３７１のそれぞれの回転子３７６はスピンドル軸３７３に取り付けられ、それぞれの固定子３７７が回転子３７６を取り囲んでいる。スピンドル軸３７３の一端には遠心分離する対象物を収容するための受け具３７４が備えられている。必要に応じて、スラストベアリングが備えられる。
【００４２】
次に、本発明によるベアリングレスモータの有効性を確認するために、有限要素法による静止磁場解析を行い、従来のベアリングレスモータと比較試験を行った。また、比較例を製作し、その比較例を比較試験の対象とした。
解析モデルとして、（１）図２６に示された従来品、（２）比較品、（３）図２に示された発明品を用いた。比較品は、図示されていないが、２極電動機・４極位置制御構造を持ち、永久磁石を対峙面から浅く埋設したベアリングレスモータである。条件を等しくするため、従来品についても、異極の永久磁石の間に極間磁石を挿入した。
【００４３】
図２０及び図２１は、従来品、比較品及び発明品のそれぞれの諸元を示している。図２０の下テーブルは、回転子のパラメータを示している。従来品、比較品及び発明品において、永久磁石の埋め込み深さｄと磁石厚ｔは無制限に大きくすることができないので、ｄ＋ｔ≦１１として試験を行った。
【００４４】
比較試験では、位置制御巻線Ｎｘ，Ｎｙにそれぞれ定格電流８Ａの半分、すなわち、位置制御巻線Ｎｘに４Ａの位置制御電流を流し、位置制御巻線Ｎｙに４Ａの位置制御電流を流した。
図２２は、そのときの磁石厚ｔと半径方向力の変化を示している。また、図２３は、トルク電流に定格値８Ａを流したときの磁石厚ｔとトルクの変化を示している。図２２及び図２３において、Ａ，Ａ’，Ａ”は、ｄ＋ｔ＝１１となる回転子構造上の限界である。
【００４５】
図２２に示すように、従来品の半径方向力はＢ点において最大となり、比較品の半径方向力はＣ点において最大となった。比較品では、磁石厚を増加させることによる半径方向力の減少が従来品に比べ小さい。その理由として、比較品では、一部の位置制御磁束が厚さｄ＝１ｍｍの回転子ヨークを通ることができるのに対し、従来品では、総ての位置制御磁束が極間部分の磁気飽和のため回転子ヨークを通ることができず、永久磁石を直接通らなければならないためと考えられる。したがって、従来品では、磁石厚ｔを増加させると位置制御磁束が減少し、急激に半径方向力が減少することになり、実用に耐えない。
【００４６】
発明品は、永久磁石が対峙面から深く埋設されているので、比較品と比較しても十分な回転子ヨーク幅が確保されている。これによって、ほぼ総ての位置制御磁束は回転子ヨークを通り、磁石厚ｔが増加すれば、それにともなって半径方向力が増加する。そして、永久磁石の厚みを埋め込み深さとほぼ同じ５ｍｍとした構造の限界であるＡ点で半径方向力は最大になる。
【００４７】
しかし、図２３では、半径方向力とは逆に同じ磁石厚の場合、従来品、比較品、発明品の順に徐々に回転トルクが減少することが認められる。図２３からは、いずれのベアリングレスモータがより有効に半径方向力を発生できるかを判断することはできない。
そこで、図２０の上テーブルに示すように磁場解析を行う際、電動機巻線と位置制御巻線は同じ断面積を持ち、それぞれの巻数をＮｍ＝２０ターン、Ｎｓ＝１０ターンとし、合せて１スロット当りＮｍ＋Ｎｓ＝３０ターンとし、その上で、従来品、比較品及び発明品のそれぞれのトルク解析結果がともに１ニュートンメータとなるように、電動機巻線の巻数Ｎｍを換算した。そして、位置制御巻線の巻数をＮｓ＝３０−Ｎｍとし、１スロット当りの合計が常に３０ターンとなるように変化させた。
【００４８】
図２４は、巻数を変化させ、トルクの大きさを１ニュートンメータで等しくしたときに発生する半径方向力を示している。磁石厚ｔ＝１．３ｍｍ以下ではＮｍ＝３０ターンとしても１ニュートンメータのトルクを発生させることができないので、半径方向力の換算を行うことはできない。
従来品、比較品及び発明品を比較すると、発明品は、Ａ点で半径方向力は５２．５Ｎと最大になる。従来品はＤ点で最大となり、比較品はＥ点で最大となる。発明品の半径方向力は、従来品に対して８７．６％増加し、比較品に対して２５．４％増加している。
以上の比較試験からもわかるように、ｎ極電動機・ｎ＋２位置制御構造を備え、永久磁石を深く埋設した構造のベアリングレスモータでは、位置制御磁束が永久磁石の対峙面を通ることによって、極めて有効に半径方向力を発生し、大きな回転トルクを得ることができるのである。
【００４９】
【発明の効果】
本発明のベアリングレスモータは、回転子の永久磁石が、固定子との対峙面より深く没入するように埋設されているので、位置制御磁束は、永久磁石より対峙面側の部分を通る。回転子の対峙面側部分の磁性体が位置制御磁束の通り道になるので、位置制御磁束が磁気抵抗の大きな永久磁石を通ることがなく、大きな半径方向力が発生する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるベアリングレスモータの利用例を示す概略図。
【図２】本発明によるベアリングレスモータの一実施形態の断面図。
【図３】本発明によるベアリングレスモータにおいて無負荷時にｘ方向の半径方向力が作用する原理を説明する断面図。
【図４】本発明によるベアリングレスモータにおいて無負荷時にｙ方向の半径方向力が作用する原理を説明する断面図。
【図５】本発明によるベアリングレスモータにおいてトルク電流と位置制御電流により半径方向力が作用する原理を説明する断面図。
【図６】本発明によるベアリングレスモータにおいてトルク電流と位置制御電流により半径方向力が作用する原理を説明する断面図。
【図７】図２のベアリングレスモータにおける回転子の他の形態の断面図。
【図８】図２のベアリングレスモータにおける回転子のさらに他の形態の断面図。
【図９】本発明によるベアリングレスモータの他の利用例を示す概略図。
【図１０】本発明によるベアリングレスモータの他の実施形態の断面図。
【図１１】本発明によるベアリングレスモータのさらに他の実施形態の断面図。
【図１２】本発明によるベアリングレスモータのポンプへの適用例を示す概略図。
【図１３】本発明によるベアリングレスモータの粉化機への適用例を示す概略図。
【図１４】本発明によるベアリングレスモータの半導体製造装置への適用例を示す概略図。
【図１５】本発明によるベアリングレスモータのフライホイ−ルへの適用例を示す概略図。
【図１６】本発明によるベアリングレスモータのフライホイールへの他の適用例を示す概略図。
【図１７】本発明によるベアリングレスモータのモニター装置への適用例を示す概略図。
【図１８】本発明によるベアリングレスモータのスピンドルユニットへの適用例を示す概略図。
【図１９】本発明によるベアリングレスモータの遠心分離機への適用例を示す概略図。
【図２０】比較試験の諸元テーブルを示す。
【図２１】比較試験の条件を示す断面図。
【図２２】比較試験の半径方向力を示すグラフ。
【図２３】比較試験のトルクを示すグラフ。
【図２４】トルクを１ニュートンメータに換算した際の半径方向力を示すグラフ。
【図２５】一般的なベアリングレスモータの全体を示す斜視図。
【図２６】従来のベアリングレスモータの永久磁石、電動機巻線及び位置制御巻線の配置及び作用を示す断面図。
【符号の説明】
１０，１１０，２１０ベアリングレスモータ
１２，１１２，２１２回転子
１４，１１４，２１４固定子
１６スラスト軸受１８ポンプ
２０インペラー
２２，２１２，２２２永久磁石
２４，１２４，２２４極間磁石[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a bearingless motor having both an effect of rotating a rotor and a magnetic bearing effect of controlling a radial position of the rotor. In more detail, a permanent magnet is embedded deeply from the stator facing surface of the rotor into the rotor, and the bearingless operation combines the operation of rotating the rotor and the magnetic bearing function of controlling the radial position of the rotor. It relates to the motor.
[0002]
[Prior art]
To perform precise machining in a short time, the spindle of the machine tool is rotated at a high speed, and in order to obtain a high vacuum with an accelerator or a semiconductor manufacturing apparatus, the turbine of the vacuum pump is rotated from tens of thousands to hundreds of thousands of revolutions per minute. It is necessary to rotate at a very high speed. In order to realize such an ultra-high speed rotating motor, a bearing capable of withstanding ultra-high speed rotation is indispensable as well as improvement of the structure of the motor itself and the control device.
Magnetic bearings have long been suitable for such applications. Furthermore, as an improvement, a bearingless motor that combines a magnetic circuit of a motor and a magnetic bearing to integrate the motor and rotate the rotor and control the radial position of the rotor. There is. In a bearingless motor, the motor can be miniaturized by using a magnetic field for rotating the rotor as an exciting magnetic field of the magnetic bearing. Such bearingless motors are characterized by non-contact, non-lubricated, maintenance-free, and downsizing, and development research is progressing in applications to canned pumps and artificial hearts, and pumps and motor-integrated pumps. Yes.
[0003]
In general, such a bearingless motor includes an inner rotor and an outer stator facing each other. A gap is formed between the rotor and the stator so as to maintain non-contact.
However, in a bearingless motor used for a small pump such as a canned pump or an artificial heart, even if the rotor rotates, for example, a gap of 2 to 3 mm or more is necessary so that fluid can flow into the gap. . If the motor has a large capacity, there is little effect on the performance even if there is a gap length of 2 to 3 mm. However, if the motor has a small capacity of 1 kW or less, the gap length of 2 to 3 mm is a very large value. is there. Inductor-type and reluctance-type bearingless motors reduce the magnetic flux in inverse proportion to the gap length, so the radial force decreases in inverse proportion to the square of the gap length. For this reason, it is difficult to sufficiently generate the radial force necessary for magnetically supporting the rotor main shaft with a relatively large gap length. Therefore, a permanent magnet type bearingless motor is generally used instead of an induction machine type or a reluctance type (see Patent Document 1 and Patent Document 2).
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-10-150755
[Patent Document 2]
JP 2001-339799 A
[0005]
A permanent magnet type bearingless motor is described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-339979. Referring to FIGS. 25 and 26, the bearingless motor 410 includes an inner rotor 412 and an outer stator 414 facing each other, and a thrust bearing 416 provided in the axial direction of the rotor 412. The rotor 412 includes a permanent magnet 422 having an arc-shaped cross section that is attached along the opposite surface, and the stator 414 determines the radial position of the rotor 412 and the motor windings that rotate the rotor 412. And a position control winding to be controlled. Such a bearingless motor 410 is referred to as an SPM type.
Also, as other permanent magnet type bearingless motors, the Inset type with salient poles between the permanent magnet poles, the embedded permanent magnet type with permanent magnets shallowly embedded in the rotor surface (shallowly-Buried Permanent Magnet Type) There is.
Further, any type of bearingless motor includes a rotor on the outside and a stator on the inside.
[0006]
The conventional bearingless motor shown in FIG. 26 has a four-pole motor / two-pole position control structure, that is, an n-pole motor / n-2 pole position control structure. The reason for this is to place importance on the efficiency of the electric motor. In addition, a bearingless motor having a six-pole motor / four-pole position control structure is also common.
The principle of generating a radial force in the positive x-axis direction when no load is applied in the bearingless motor of FIG. 26 will be described. When a current Ix is passed through the position control winding Nx, a two-pole position control magnetic flux Ψx is generated. The position control magnetic flux Ψx and the field magnetic flux Ψm generated by the four-pole permanent magnet mutually strengthen the magnetic flux in the x-axis positive direction and weaken each other in the x-axis negative direction. Due to the strength of the magnetic flux, a radial force Fx is generated in the positive x-axis direction in which the magnetic flux strengthens.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the bearingless motor 410 having the n-pole motor / n-2 pole position control structure as described above, since the permanent magnet 422 is provided along the opposite surface of the rotor 412, the position control magnetic flux is the same as the vacuum. The permanent magnet 422 having high magnetic resistance and magnetic permeability must be penetrated. For this reason, the position control magnetic flux cannot be effectively generated with respect to the magnetomotive force of the position control winding, and the radial force cannot be sufficiently generated.
As one method, the field magnetic flux can be strengthened by increasing the thickness of the magnet. However, since the magnetic resistance of the permanent magnet increases as the magnet thickness increases, there is a problem that the position control magnetic flux decreases more than the increase of the field magnetic flux, and the radial force decreases.
[0008]
An object of the present invention is to provide a bearingless motor capable of generating a large radial force by configuring the rotor position control magnetic flux not to pass through a permanent magnet.
Another object of the present invention is to provide a bearingless motor in which a position control magnetic flux can effectively use a magnetic flux of a permanent magnet to obtain a larger radial force.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, the present invention provides an n-pole permanent magnet in which a rotor and a stator are opposed to each other via a gap, and the rotor is embedded away from the facing surface of the stator. When , Stator winding with n pole motor winding and n + 2 pole position control winding When, With The permanent magnet of the rotor is immersed deeper than the facing surface with the stator so that the position control magnetic flux by the position control winding passes through the portion facing the facing surface from the permanent magnet. The problem was solved by a bearingless motor.
[0010]
In addition, the present invention provides a bearingless motor in which a rotor is provided with an interpole magnet between adjacent permanent magnets of different polarities. It is preferable that the interpolar magnet protrudes to the rotor side from the permanent magnet.
[0011]
Increasing the number of poles of the position control winding from the number of poles of the motor winding, that is, by providing an n pole motor winding and an n + 2 pole position control winding, the position control magnetic flux is greater than the magnetic flux of the n pole motor. Close a small range. Here, “n” is a positive number that is a multiple of two. That is, the position control magnetic flux is closed in a range smaller than the magnetic flux of the electric motor.
Further, since the permanent magnet of the rotor is embedded so as to be deeper than the surface facing the stator, the position control magnetic flux can pass through the portion facing the surface facing the permanent magnet. That is, the magnetic body on the opposite side of the rotor can be used as a path (yoke) for the position control magnetic flux. Accordingly, the position control magnetic flux is configured not to pass through a permanent magnet having a large magnetic resistance, and a large radial force is generated.
Since the region through which the position control magnetic flux passes is secured on the opposite surface side of the permanent magnet, even if the magnet thickness is increased, the position control magnetic flux does not decrease, and therefore a large rotational torque can be output.
[0012]
The radial force is further increased by providing an inter-pole magnet that protrudes on the opposite surface from the permanent magnet between adjacent permanent magnets. In other words, adjacent permanent magnets with different polarities do not form a closed magnetic path between the permanent magnets, and the magnetic flux of the permanent magnet passes through the opposite side of the rotor. A large radial force is generated.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 schematically shows an embodiment of a bearingless motor 10 used in combination with a compressor, a blower, a fan, a pump, and a centrifugal pump for water purification. Other bearingless motors include disk drive units, pulverizers, canned pumps, artificial heart pumps, gas transfer machines, semiconductor manufacturing equipment, flywheels, rotating stages for monitoring equipment, spindles, multistage generators, and centrifuges. Used in combination.
[0014]
In addition, the bearingless motor of FIG. 1 has a structure in which a rotor is arranged on the inner side and a stator is arranged on the outer side. The structure of will be described later.
[0015]
As shown in FIG. 1, the bearingless motor 10 is separated from the inner rotors 12 and 12 and the outer stators 14 and 14 facing each other through a gap in the axial direction of the rotor 12 and the stator 14. And a thrust bearing 16 provided. The rotors 12 and 12 and the thrust bearing 16 are provided on one shaft, and the shaft is connected to the impeller 20 of the pump 18. Although the rotor and stator of the present embodiment have a tandem structure including the unit 1 and the unit 2, a single unit or a combination of three or more units may be used.
[0016]
FIG. 2 shows a cross-sectional view of the rotor 12 and the stator 14. The bearingless motor 10 of this embodiment is a two-pole motor and a four-pole position control structure as one form of an n-pole motor and an n + 2-pole position control structure. Here, “n” is a positive number that is a multiple of two. A bearingless motor in which “n” is another even number will be described later.
[0017]
The rotor 12 includes a two-pole permanent magnet 22, and the stator 14 includes two-pole motor windings Nd, Nq and four-pole position control windings Nx, Nx, Ny, Ny. The rotor 12 includes an interpole magnet 24 at the interpole portion of the permanent magnet.
[0018]
The permanent magnet 22 is embedded in the rotor 12 so as to be separated from the facing surface of the rotor 12. The permanent magnets 22 are provided with a phase of 180 °, and are composed of arc-shaped permanent magnets 22a and 22a having the surface S pole on the left side in the drawing and arc-shaped permanent magnets 22b and 22b having the surface N pole on the right side in the drawing. Each permanent magnet 22a, 22a, 22b, 22b forms an annular permanent magnet on a concentric circle. The rotor 12 itself is made of a magnetic material, and the opposite surface side of the permanent magnet 22 partitioned by the interpole magnet 24 functions as a yoke through which magnetic flux passes. The interpole magnet 24 prevents the field magnetic flux from forming a closed magnetic path between the adjacent permanent magnets 22a and 22b having different polarities. As a result, the field magnetic flux passes through the opposite surface side of the permanent magnet 22 of the rotor 12.
[0019]
Next, the principle of operation of the bearingless motor 10 will be described with reference to FIGS.
FIG. 3 shows the generation principle of the radial force in the x-axis direction when there is no load. A position control magnetic flux Ψx is generated by passing a position control current through the four-pole position control winding Nx in the direction shown in the drawing. The magnetic fluxes Ψm generated by the two-pole permanent magnets strengthen the magnetic fluxes in the positive x-axis direction and weaken the magnetic fluxes in the negative x-axis direction. As described above, the radial force Fx is generated in the positive x-axis direction by the strength of the magnetic flux. The radial force in the negative x-axis direction is generated by passing a position control current in the opposite direction.
[0020]
FIG. 4 shows the generation principle of the radial force in the y-axis direction when there is no load. A position control magnetic flux Ψy is generated by passing a position control current through the four-pole position control winding Ny in the illustrated direction. The magnetic fluxes Ψm generated by the two-pole permanent magnets strengthen the magnetic fluxes in the positive y-axis direction and weaken the magnetic fluxes in the negative y-axis direction. Thus, the radial force Fy is generated in the positive y-axis direction by the strength of the magnetic flux. The radial force in the negative x-axis direction is generated by passing a position control current in the opposite direction.
[0021]
FIG. 5 shows the radial force generated by the interference between the torque magnetic flux Ψq and Ψx caused by the position control current when a torque current is passed through the motor winding Nq. In the positive y-axis direction, the magnetic fluxes weaken each other, and in the negative y-axis direction, the magnetic fluxes strengthen each other. As a result, a radial force Fy is generated in the negative y-axis direction.
[0022]
FIG. 6 shows the radial force generated by the interference between the torque magnetic flux Ψq and Ψy caused by the position control current when a torque current is passed through the motor winding Nq. In the positive x-axis direction, the magnetic fluxes strengthen each other, and in the negative x-axis direction, the magnetic fluxes weaken each other. As a result, a radial force Fx is generated in the positive x-axis direction.
[0023]
In the bearingless motor 10 of the present invention, the number of poles of the position control structure winding is larger than the number of poles of the motor winding, and the permanent magnet 22 of the rotor 12 is buried deeply so as to be immersed from the opposite surface. In the rotor 12, a portion on the side opposite to the permanent magnet 22 functions as a yoke through which magnetic flux passes. As shown in FIG. 3 to FIG. 6, each magnetic flux passes the opposite surface side from the permanent magnet. As a result, at least the position control magnetic fluxes Ψx and Ψy do not penetrate the permanent magnet having a large magnetic resistance, and these magnetic fluxes generate a large radial force.
Further, since the radial force generated in this way has no relation to the thickness of the permanent magnet, the bearingless motor of the present invention can also be used to increase the thickness of the permanent magnet according to the radial force required for the bearingless motor. Can respond.
[0024]
Moreover, in this embodiment, the interpolar magnet 24 is provided between the permanent magnets 22a and 22b of different polarities. The interpole magnet 24 extends in the normal direction from the surface of the permanent magnet 22 to the vicinity of the opposing surfaces of the rotor 12 and the stator 14. With this configuration, the field magnetic flux of the permanent magnet is not closed with the adjacent permanent magnet of the opposite polarity, and accordingly, the position control magnetic fluxes Ψx, Ψy and torque magnetic flux Ψq passing through the surface side of the permanent magnet 22. As a result, the radial force and the rotational torque also increase.
In particular, in the case of a bearingless motor having a large gap length, such as a canned pump or an artificial heart pump, it is preferable to insert an inter-pole magnet between permanent magnets having different polarities. The reason is that, as described above, the field magnetic flux flowing from the rotor to the stator can be increased, and the magnetic flux of the permanent magnet can be effectively used for generating radial force and rotational torque. .
[0025]
FIG. 7 shows another embodiment of a rotor in a bearingless motor having a two-pole motor and a four-pole position control structure. The rotor 30 shown in the figure includes a two-pole permanent magnet 32. The stator (not shown) is substantially the same as the stator shown in FIG. The rotor 30 includes an interpole magnet 34 at the interpole portion of the permanent magnet.
[0026]
The permanent magnet 32 is deeply embedded in the rotor 30 while being separated from the stator facing surface of the rotor 30. The permanent magnet 32 is provided with a phase of 180 °, and is composed of flat permanent magnets 32a and 32a having the surface S pole on the left side in the drawing and flat permanent magnets 32b and 32b having the surface N pole on the right side in the drawing.
Each permanent magnet 32a, 32a, 32b, 32b is inserted into a groove that penetrates the rotor 30 in the longitudinal direction. The interpole magnet 34 is also inserted in a groove that penetrates the rotor 30 in the longitudinal direction.
Each flat permanent magnet 32 has a polygonal structure so as to surround the shaft or the shaft insertion hole when viewed in cross section, and the magnetic flux is generated substantially in the normal direction of the rotor 30. The interpole magnet 34 prevents the field magnetic flux from forming a closed magnetic path between the adjacent permanent magnets 32a and 32b having different polarities. As a result, the field magnetic flux passes through the opposite surface side of the permanent magnet 32 of the rotor 30.
The groove is wider than the permanent magnet 32, and a gap is formed between the permanent magnet and the permanent magnet and between the permanent magnet and the interpole magnet. By this gap, the magnetic part remaining in the rotor 30 becomes narrow, and it is possible to avoid the formation of a closed magnetic path by each permanent magnet itself, and it is also easy to insert the permanent magnet 32 into the rotor 30. It becomes.
[0027]
FIG. 8 shows still another embodiment of a rotor in a bearingless motor having a two-pole motor and a four-pole position control structure. The rotor 40 shown in the figure includes a two-pole permanent magnet 42. The stator (not shown) is substantially the same as the stator shown in FIG. The rotor 40 includes an interpole magnet 44 at the interpole portion of the permanent magnet.
[0028]
The rotor 40 shown in FIG. 8 includes three surface S-pole flat permanent magnets 42a and 42a on the left side in the drawing, and three surface N-pole flat permanent magnets 42b and 42b on the right side in the drawing. Yes.
Each permanent magnet 42 is inserted into a groove penetrating the rotor 40 in the longitudinal direction. The interpole magnet 44 is also inserted in a groove that penetrates the rotor 40 in the longitudinal direction. Each flat permanent magnet 42 has a polygonal structure so as to surround a shaft or a shaft insertion hole when viewed in cross section, and between the permanent magnet and the permanent magnet and between the permanent magnet and the interpole magnet. A void is formed.
As in the rotor 30 shown in FIG. 7, the rotor 40 shown in FIG. 8 narrows the remaining portion of the rotor that functions as a yoke, so that the field magnetic flux moves from the rotor 40 toward the stator. It is formed.
[0029]
9 and 10 show another embodiment of the bearingless motor according to the present invention. The bearingless motor 110 is used, for example, in a disk drive unit, and has a structure in which a stator 114 is arranged on the inner side and a rotor 112 is arranged on the outer side.
[0030]
As shown in detail in FIG. 10, the bearingless motor 110 includes outer rotors 112 and 112 and inner stators 114 and 114 facing each other through a gap. In FIG. 10, the winding of the stator 114 is omitted, but the bearingless motor 110 of this embodiment also has a two-pole motor and a four-pole position control structure.
[0031]
The rotor 112 includes a two-pole permanent magnet 122 that is embedded from the surface facing the stator 114. Also. The rotor 112 includes an interpole magnet 124 at the interpole portion of the permanent magnet 122. The rotor 112 itself is made of a magnetic material, and the opposite surface side of the permanent magnet 122 defined by the interpole magnet 124 functions as a yoke through which magnetic flux passes.
The interpole magnet 124 prevents the field magnetic flux from forming a closed magnetic path between adjacent permanent magnets of different polarities. Therefore, the interpolar magnet 124 extends closer to the facing surface than the permanent magnet 122. As a result, the field magnetic flux passes through the opposite surface side of the permanent magnet 122 of the rotor 112.
[0032]
FIG. 11 shows an embodiment where n = 4 in the n-pole motor and the n + 2-pole position control structure.
The bearingless motor 210 of this embodiment includes an inner rotor 212 and an outer stator 214 that face each other through a gap. The rotor 212 includes a four-pole permanent magnet 222, and the stator 214 includes four-pole motor windings Nd, Nq and a six-pole position control winding Nx, Nx, Nx, Ny, Ny, Ny. Yes. In addition, the rotor 212 includes an interpole magnet 224 in the interpole portion of the permanent magnet.
[0033]
The permanent magnet 222 is embedded in the rotor 212 deeply away from the facing surface of the rotor 212. The permanent magnets 222 are provided with a phase of 90 °, and each permanent magnet is arranged in an annular shape. The rotor 212 itself is made of a magnetic material, and the opposite surface side of the permanent magnet 222 partitioned by the interpole magnet 224 functions as a yoke through which magnetic flux passes. The interpole magnet 224 prevents the field magnetic flux from forming a closed magnetic path between the adjacent permanent magnets 222 having different polarities. As a result, the field magnetic flux passes through the opposite surface side of the permanent magnet 222 of the rotor 212.
[0034]
12 to 20 show application examples, that is, applications of the bearingless motor according to the present invention.
FIG. 12 shows an application example of the bearingless motor 301 for uses such as a pump, an implantable artificial heart, a fan, a compressor, and a dangerous gas transfer machine. The pump 300 includes an impeller 303 in the partition wall 302 and pumps fluid from the suction port 304 to the discharge port 305. The rotor 306 of the bearingless motor 300 is attached to the impeller 302, and the stator 307 is attached to the outside of the partition wall 302. The partition 302 extends through a gap between the rotor 306 and the stator 307, and such a bearingless motor 301 is suitable for pumping fluid in an airtight environment.
[0035]
FIG. 13 shows an application example of the bearingless motor 311 to the use of the pulverizer. The pulverizer 310 includes a transfer pipe 313 that is rotatable in the housing 312. The distal end of the transfer pipe 313 is branched into a plurality of discharge pipes extending radially within the housing 312. Each rotor 316 of the tandem type bearingless motor 311 is attached to the transfer pipe 313, and each stator 317 is attached to the inner wall of the housing 312. When the bearingless motor 311 is activated, the transfer pipe 313 rotates together with the rotor 316, liquid is ejected from the opening of the discharge pipe and pulverized, and the powder is released from the lower opening of the housing 312.
[0036]
FIG. 14 shows an application example of the bearingless motor 321 for use in a semiconductor manufacturing apparatus. The semiconductor manufacturing apparatus 320 includes a plate 323 on which a semiconductor wafer can be mounted or attached in a case 322. The rotor 326 of the bearingless motor 321 is attached to the plate 323, and the stator 327 is attached to the outside of the case 322. The case 322 extends through a gap between the rotor 326 and the stator 327, and such a bearingless motor 321 is suitable for handling a workpiece in an environment that requires a very high degree of cleanliness.
[0037]
FIG. 15 shows an application example of the bearingless motor 331 to the use of the flywheel 330. A rotor 336 is attached to the hollow cylindrical inner wall of the rim 332 of the flywheel 310 so as to face each stator 337 of the tandem type bearingless motor 331. A thrust bearing 334 is disposed between the base 333 and the rim 332, and the fly hole 330 is supported in a floating state. When the bearingless motor 331 is activated, the rim 332 rotates together with the rotor 336.
[0038]
FIG. 16 shows an application example to a flyhole in which another form is adopted for the opposing configuration of the gap. The rotor 346 is attached to the flywheel 340, and the stator 337 is attached to the base 343. The tandem type bearingless motor 341 has a tapered shape in which each rotor 346 expands outward in the axial direction, and a pair of stators 347 has a V-shape following the shape of the rotor 346. .
The rotor and the stator may be configured in the reverse relationship, and each rotor and the stator may be configured in a mirror image symmetrical step shape. In the example shown in FIG. 16, the flywheel rotates in a floating state without the thrust bearing.
[0039]
FIG. 17 shows an application example of the bearingless motor 351 to the usage of the monitor device 350. A rotor 356 is attached to a cylindrical inner wall of a cap-shaped housing 352 that supports the monitor device 350 so as to face each stator 357 of the tandem type bearingless motor 351. A thrust bearing 354 is disposed between the end of the shaft 355 protruding from the base 353 and the housing 352, and the housing 352 is supported in a floating state. When the bearingless motor 351 is activated, the housing 352 rotates with the rotor 356 to control the visual field of the monitor device 350.
[0040]
FIG. 18 shows an application example of the bearingless motor 361 to the application of the spindle unit 360. Each rotor 366 of the tandem type bearingless motor 361 is attached to the spindle 363, and each stator 367 is attached to the inner wall of the housing 362. A chuck 365 is attached to one end of the spindle 363, and a cutting tool such as a reamer and a grinding tool are detachable. A thrust bearing 364 is provided at the other end of the spindle 362. In addition, you may employ | adopt the bearingless motor of this invention only in one of the unit 1 or the unit 2. FIG.
[0041]
FIG. 19 shows an application example of the bearingless motor 371 to the use of the centrifuge 370. Each rotor 376 of the tandem type bearingless motor 371 is attached to the spindle shaft 373, and each stator 377 surrounds the rotor 376. One end of the spindle shaft 373 is provided with a receptacle 374 for accommodating an object to be centrifuged. If necessary, a thrust bearing is provided.
[0042]
Next, in order to confirm the effectiveness of the bearingless motor according to the present invention, a static magnetic field analysis was performed by a finite element method, and a comparison test with a conventional bearingless motor was performed. Moreover, the comparative example was manufactured and the comparative example was made into the object of the comparative test.
As the analysis model, (1) the conventional product shown in FIG. 26, (2) the comparative product, and (3) the invention product shown in FIG. 2 were used. Although not shown, the comparative product is a bearingless motor having a two-pole motor / four-pole position control structure and having a permanent magnet buried shallowly from the facing surface. In order to equalize the conditions, an inter-pole magnet was inserted between permanent magnets of different polarities in the conventional product.
[0043]
20 and 21 show specifications of a conventional product, a comparative product, and an invention product. The lower table of FIG. 20 shows the parameters of the rotor. In the conventional product, the comparative product, and the invention product, since the embedding depth d and the magnet thickness t of the permanent magnet cannot be increased without limitation, the test was performed with d + t ≦ 11.
[0044]
In the comparison test, half of the rated current 8A was passed through the position control windings Nx and Ny, that is, a position control current of 4A was passed through the position control winding Nx, and a position control current of 4A was passed through the position control winding Ny.
FIG. 22 shows changes in magnet thickness t and radial force at that time. FIG. 23 shows changes in magnet thickness t and torque when a rated value 8A is passed through the torque current. 22 and 23, A, A ′, and A ″ are limits on the rotor structure where d + t = 11.
[0045]
As shown in FIG. 22, the radial force of the conventional product is maximum at the point B, and the radial force of the comparative product is maximum at the point C. In the comparative product, the decrease in the radial force by increasing the magnet thickness is smaller than in the conventional product. The reason is that in the comparative product, a part of the position control magnetic flux can pass through the rotor yoke having a thickness of d = 1 mm, whereas in the conventional product, all the position control magnetic fluxes are magnetically saturated in the inter-pole portion. For this reason, it is considered that the rotor yoke cannot be passed and the permanent magnet must be passed directly. Therefore, in the conventional product, when the magnet thickness t is increased, the position control magnetic flux is decreased, and the radial force is rapidly decreased, which is not practical.
[0046]
In the invention, the permanent magnet is embedded deeply from the facing surface, so that a sufficient rotor yoke width is secured even when compared with the comparative product. As a result, almost all the position control magnetic flux passes through the rotor yoke, and as the magnet thickness t increases, the radial force increases accordingly. The radial force is maximized at point A, which is the limit of the structure in which the thickness of the permanent magnet is 5 mm, which is substantially the same as the embedding depth.
[0047]
However, in FIG. 23, it is recognized that the rotational torque gradually decreases in the order of the conventional product, the comparative product, and the invention product in the case of the same magnet thickness as opposed to the radial force. It cannot be determined from FIG. 23 which bearingless motor can generate radial force more effectively.
Therefore, when the magnetic field analysis is performed as shown in the upper table of FIG. 20, the motor winding and the position control winding have the same cross-sectional area, and the number of turns is Nm = 20 turns and Ns = 10 turns. Nm + Ns = 30 turns per slot, and then, the number of turns Nm of the motor winding was converted so that the torque analysis results of the conventional product, the comparative product, and the invention product were all 1 Newton meter. The number of position control windings was changed to Ns = 30−Nm so that the total per slot was always 30 turns.
[0048]
FIG. 24 shows the radial force generated when the number of turns is changed and the magnitude of the torque is made equal by 1 Newton meter. When the magnet thickness is t = 1.3 mm or less, the torque of 1 Newton meter cannot be generated even if Nm = 30 turns, so that the radial force cannot be converted.
Comparing the conventional product, the comparative product and the invention product, the invention product has a maximum radial force of 52.5 N at point A. The conventional product has the maximum at the D point, and the comparative product has the maximum at the E point. The radial force of the invention is 87.6% higher than the conventional product and 25.4% higher than the comparative product.
As can be seen from the above comparative tests, in a bearingless motor with an n-pole motor and n + 2 position control structure and a structure in which a permanent magnet is deeply embedded, the position control magnetic flux is extremely effective by passing through the opposite surface of the permanent magnet. Thus, a radial force can be generated and a large rotational torque can be obtained.
[0049]
【The invention's effect】
In the bearingless motor of the present invention, since the permanent magnet of the rotor is embedded so as to be deeper than the surface facing the stator, the position control magnetic flux passes through the portion on the surface facing the permanent magnet. Since the magnetic material on the opposite side of the rotor serves as a path for the position control magnetic flux, the position control magnetic flux does not pass through the permanent magnet having a large magnetic resistance, and a large radial force is generated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing an application example of a bearingless motor according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of an embodiment of a bearingless motor according to the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining the principle of radial force acting in the x direction when no load is applied in the bearingless motor according to the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating the principle that a radial force in the y direction acts when there is no load in a bearingless motor according to the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining the principle of radial force acting by torque current and position control current in a bearingless motor according to the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating the principle that a radial force is applied by a torque current and a position control current in a bearingless motor according to the present invention.
7 is a cross-sectional view of another embodiment of a rotor in the bearingless motor of FIG. 2;
FIG. 8 is a cross-sectional view of still another embodiment of a rotor in the bearingless motor of FIG. 2;
FIG. 9 is a schematic view showing another example of use of the bearingless motor according to the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view of another embodiment of a bearingless motor according to the present invention.
FIG. 11 is a cross-sectional view of still another embodiment of a bearingless motor according to the present invention.
FIG. 12 is a schematic view showing an application example of a bearingless motor according to the present invention to a pump.
FIG. 13 is a schematic view showing an application example of a bearingless motor according to the present invention to a pulverizer.
FIG. 14 is a schematic view showing an application example of a bearingless motor according to the present invention to a semiconductor manufacturing apparatus.
FIG. 15 is a schematic view showing an application example of a bearingless motor according to the present invention to a flywheel.
FIG. 16 is a schematic view showing another application example of a bearingless motor according to the present invention to a flywheel.
FIG. 17 is a schematic diagram showing an application example of a bearingless motor according to the present invention to a monitor device.
FIG. 18 is a schematic view showing an application example of a bearingless motor according to the present invention to a spindle unit.
FIG. 19 is a schematic view showing an application example of a bearingless motor according to the present invention to a centrifuge.
FIG. 20 shows a specification table for a comparative test.
FIG. 21 is a cross-sectional view showing conditions for a comparative test.
FIG. 22 is a graph showing a radial force in a comparative test.
FIG. 23 is a graph showing torque of a comparative test.
FIG. 24 is a graph showing the radial force when torque is converted to 1 Newton meter.
FIG. 25 is a perspective view showing the whole of a general bearingless motor.
FIG. 26 is a cross-sectional view showing the arrangement and operation of permanent magnets, motor windings and position control windings of a conventional bearingless motor.
[Explanation of symbols]
10,110,210 Bearingless motor
12, 112, 212 Rotor
14, 114, 214 Stator
16 Thrust bearing 18 Pump
20 Impeller
22, 212, 222 Permanent magnet
24,124,224 interpole magnet

Claims

回転子と固定子とがギャップを介して対峙するベアリングレスモータにおいて、
回転子が固定子との対峙面から離間して埋設されたｎ極の永久磁石と、
固定子がｎ極の電動機巻線とｎ＋２極の位置制御巻線と、を備え、
位置制御巻線による位置制御磁束が永久磁石より対峙面側の部分を通るように、回転子の永久磁石が固定子との対峙面より深く没入していることを特徴とする、ベアリングレスモータ。In a bearingless motor where the rotor and stator face each other through a gap,
An n-pole permanent magnet in which the rotor is embedded away from the facing surface of the stator;
Stator and a position control windings of the motor windings and n + 2 poles n poles,
A bearingless motor, characterized in that the permanent magnet of the rotor is immersed deeper than the surface facing the stator so that the position control magnetic flux by the position control winding passes through the portion facing the surface opposite to the permanent magnet .

請求項１に記載のベアリングレスモータにおいて、
前記回転子は、隣り合う異極の永久磁石の間に極間磁石を備えていることを特徴とする、ベアリングレスモータ。 The bearingless motor according to claim 1,
The rotor is characterized in that it comprises a machining gap magnet between the permanent magnets of adjacent Ri suit different pole, bearingless motor.

請求項２に記載のベアリングレスモータにおいて、
前記極間磁石は、永久磁石より固定子に向って突出していることを特徴とする、ベアリングレスモータ。 The bearingless motor according to claim 2,
The bearingless motor is characterized in that the interpolar magnet protrudes toward the stator from the permanent magnet.