JPWO2009095949A1 - 磁気浮上モータおよびポンプ - Google Patents

Abstract

簡単な構造であるが強い磁気軸受力を発生することができ、また渦電流の発生を抑制してロータの回転損失を低減することができ、さらにロータを薄型にし、磁気軸受の構造をコンパクトにする磁気浮上モータとその磁気浮上モータを用いたポンプを提供する。ドーナツ状の前記ロータは磁気軸受部とモータ部の間に配置され、モータのモータヨークは径方向に複数の突極を備え、該突極にはコイルを巻着し、ロータの内側面と突極を所定の間隔を設けて配置し、磁気軸受部の磁気軸受ヨークにはロータの外周側面の両端部近傍に対向する２つの突極を等間隔に円周状に複数備え、２つの突極の一方の突極には磁気軸受用コイルを巻着し、他方の突極には第１永久磁石を設け、ロータ端部の片側に所定の間隔を設けて磁気軸受部とモータ部を繋ぐブリッジ部を設け、磁気軸受ヨークに設けられた突極と前記ブリッジ部のブリッジヨークとの間に第２永久磁石と、モータヨークとブリッジヨークの間に第３永久磁石を設け、ロータの内側に複数のモータ用永久磁石をモータヨークに対向するように設け、磁気軸受部の前記ブリッジ部側に設ける突極の全てを、磁気軸受用コイルを巻着した突極にするか、あるいは第１永久磁石を設けた突極にする、磁気浮上モータである。

Description

本発明は、磁気浮上モータの構造と制御に係り、特にダブルバイアス永久磁石方式のハイブリッド型磁気浮上モータの技術に関する。

近年、磁気浮上モータとしてダブルバイアス永久磁石方式のハイブリッド型磁気浮上モータが提案されている。
特許文献１の５軸制御型ハイブリッド磁気軸受は、バイアス磁束発生用永久磁石を用いて、ポンプインペラなどを形成する長軸ロータを効率良く５軸制御で磁気浮上させて回転させるものである。バイアス磁束の磁路を工夫して、電磁石のみの磁気浮上系と比較して高い磁気支持力を発生することができる。

特許文献２によれば、ダブルバイアス型磁気軸受（支持制御）は、従来のハイブリッド型磁気軸受のバイアス磁石を複数用意することにより、さらなる磁気支持力の発生を可能としている。また、二次バイアス永久磁石の磁束の流れを一次バイアス永久磁石で誘導し、より強力なハイブリッド型磁気軸受を実現している。

しかしながら、特許文献１では、ロータ両端面に軸方向位置を制御するための突極を持つためポンプなどに用いる場合、ポンプのインレットとアウトレットの構造が複雑になり、組み立てが難しくなる。また、液体の流路が複雑になるため、吸込みと吐出の損失が大きくなってしまうという問題がある。また、特許文献１は磁気軸受をロータの上部と下部側に配設してロータを支持するために、ハイブリッド型磁気浮上モータを小型化することが困難である。

また、特許文献２では、磁気軸受の円周方向に配した突極の極性がＮＳＮＳと交互に変わる構造であったため、ロータが回転すると渦電流が発生し、ロータの回転の損失が大きくなるという問題がある。
特開２００６−１４５２８号公報 特開２００７−１２０６３５号公報

本発明は上記のような実情に鑑みてなされたものであり、簡単な構造であるが強い磁気軸受力を発生することができ、また渦電流の発生を抑制してロータの回転損失を低減することができ、さらにロータを薄型にし、磁気軸受の構造をコンパクトにする磁気浮上モータとその磁気浮上モータを用いたポンプを提供することを目的とする。

本発明のひとつの態様である磁気軸受部とモータ部とブリッジ部から構成されるステータと前記ステータに設けられるロータを備える磁気浮上モータであって、ドーナツ状の前記ロータは前記磁気軸受部と前記モータ部の間に配置され、前記モータのモータヨークは径方向に複数の突極を備え、該突極にはコイルを巻着し、前記ロータの内側面と前記突極を所定の間隔を設けて配置し、前記磁気軸受部の磁気軸受ヨークには前記ロータの外周側面の両端部近傍に対向する２つの突極を等間隔に円周状に複数備え、前記２つの突極の一方の突極には磁気軸受用コイルを巻着し、前記他方の突極には第１永久磁石を設け、前記ロータ端部の片側に所定の間隔を設けて前記磁気軸受部と前記モータ部を繋ぐ前記ブリッジ部を設け、前記磁気軸受ヨークに設けられた前記突極と前記ブリッジ部のブリッジヨークとの間に第２永久磁石と、前記モータヨークと前記ブリッジヨークの間に第３永久磁石を設け、前記ロータの内側に複数のモータ用永久磁石を前記モータヨークに対向するように設け、前記磁気軸受部の前記ブリッジ部側に設ける前記突極の全てを、前記磁気軸受用コイルを巻着した突極にするか、あるいは前記第１永久磁石を設けた突極にする、構成である。

上記構成により、簡単な構造であるが強い磁気軸受力を発生することができ、また渦電流の発生を抑制してロータの回転損失を低減することができる。
好ましくは、前記磁気軸受部の前記ロータに対向して配設される前記突極の前記第１永久磁石は、前記第１永久磁石の配設される全ての前記突極において前記ロータ側の磁極を同じにし、前記第２永久磁石の前記磁気軸受部側の磁極は前記第１永久磁石の前記ロータ側の磁極と反対の磁極にし、前記第３永久磁石の前記モータ部側の磁極は前記第２永久磁石の前記磁気軸受部側の磁極と反対の磁極にし、前記モータ用永久磁石の前記モータ部側の磁極は前記第１永久磁石の前記ロータ側の磁極と反対の磁極にしてもよい。

好ましくは、前記磁気軸受部に、前記ロータの位置を検出するセンサを備え、前記センサの計測値に基づいて前記磁気軸受用コイルに制御電流を供給してもよい。
好ましくは、前記モータの前記ロータをコンシークエント型ロータとしてもよい。

また、上記磁気浮上モータをポンプにもちいてもよい。

本発明によれば、簡単な構造であるが強い磁気軸受力を発生することができ、また渦電流の発生を抑制してロータの回転損失を低減することができ、さらにロータを薄型にすることでロータの軸方向および傾きを受動的に磁気支持し、磁気軸受の能動制御系の簡略ができ磁気軸受の構造をコンパクトにすることができる。

（原理説明）
本発明は磁気浮上モータに関する。
ドーナツ状（例えば円柱中抜きなど）のロータを磁気軸受部とモータ部の間に配置する。

また、モータのモータヨークは径方向に複数の突極を備え、該突極にはコイルを巻着し、ロータの内側面と突極を所定の間隔を設けて配置する。
磁気軸受部の磁気軸受ヨークにはロータの外周側面の両端部近傍に対向する２つの突極を等間隔に円周状に複数備える。２つの突極の一方の突極には磁気軸受用コイルを巻着し、他方の突極には第１永久磁石を設ける。

ロータ端部の片側に所定の間隔を設けて磁気軸受部とモータ部を繋ぐブリッジ部を設け、磁気軸受ヨークに設けられた突極とブリッジ部のブリッジヨークとの間に第２永久磁石と、モータヨークとブリッジヨークの間に第３永久磁石を設ける。

ロータの内側に複数のモータ用永久磁石をモータヨークに対向するように設け、磁気軸受部のブリッジ部側に設ける突極の全てを、磁気軸受用コイルを巻着した突極にするか、あるいは第１永久磁石を設けた突極にする。

以下図面に基づいて、本発明の実施形態について詳細を説明する。
（実施例１）
図１に本発明の実施例を示す。磁気浮上モータのステータ１は、ロータ２（ドーナツ状）の外側に配設した磁気軸受部とロータ２の内側に配設したモータ部から構成される。

磁気軸受部は、磁気軸受ヨーク３（３ａ〜３ｄ）、ブリッジヨーク１４、磁気軸受用コイル１１（１１ａ〜１１ｄ）、第１永久磁石８（８ａ〜８ｄ）、第２永久磁石９（９ａ〜９ｄ）から構成される。

磁気軸受ヨーク３（３ａ〜３ｄ）の第１突極６（６ａ〜６ｄ）には磁気軸受用コイル１１（１１ａ〜１１ｄ）が巻着されている。
磁気軸受ヨーク３（３ａ〜３ｄ）の第２突極７（７ａ〜７ｄ）は、第１突極６（６ａ〜６ｄ）と軸方向に略平行に対向して配設され、第１永久磁石８（８ａ〜８ｄ）を有している。そして、各第１突極６と各第２突局７から電磁石が構成される。第１永久磁石８（８ａ〜８ｄ）を有する第２突極７（７ａ〜７ｄ）は、それぞれの電磁石で同じ磁極をロータ２に向けて配設する。

各電磁石は、ロータ２の外側面に沿って径方向に等間隔に円周状に配設する。また、第１突極６（６ａ〜６ｄ）、第２突極７（７ａ〜７ｄ）はロータ２の外側面に向いて配設されている。

第２永久磁石９（９ａ〜９ｄ）は、磁気軸受ヨーク３（３ａ〜３ｄ）の第２突極７（７ａ〜７ｄ）とブリッジヨーク１４に挟まれて、配設される。第２永久磁石９（９ａ〜９ｄ）は、第２突極７（７ａ〜７ｄ）の第１永久磁石８（８ａ〜８ｄ）のロータ２側の磁極と同じ磁極をブリッジヨーク１４に向けて設置する。

ブリッジヨーク１４は、ロータ２の端部の片側に所定の間隔を設けて磁気軸受部とモータ部を繋ぐブリッジ部に設けられている。
また、ブリッジヨーク１４は磁気軸受部の第２永久磁石９（９ａ〜９ｄ）からモータ部方向へと伸びブリッジヨーク１４が交差する付近のモータ部とブリッジヨーク１４との間に第３永久磁石９ｅを配設する形状で構成される。

モータ部の第３永久磁石９ｅ（円柱状）は、磁気軸受部における第２突極７（７ａ〜７ｄ）の第１永久磁石８（８ａ〜８ｄ）のロータ２側の磁極と同一の磁極面をモータヨーク４に向けて設置する。

モータ部は、ロータ２の内側面に向けた複数のモータ突極１５を持つモータヨーク４と、モータ突極１５にモータ用コイル１２を巻き構成される。
ロータ２には、軸方向に薄くしたコンシークエント型ロータを構成する。コンシークエント型ロータは、モータヨーク４に面するロータ２の内側側面にモータヨーク４に第１永久磁石８（８ａ〜８ｄ）のロータ２に向けた磁極と同じ磁極を向けモータ用永久磁石１０ａ、１０ｂを配設した部位とモータ用永久磁石１０ａ、１０ｂではなくヨーク（軟磁性体）とした部位がある。

コンシークエント型のロータ２は、モータ用永久磁石１０とロータ２の内側側面のヨークとした部位の周方向長さ（間隔）を同じとした場合、モータヨーク４とロータ２の内側側面のヨークとした部位との間隙の磁束密度よりも、モータヨーク４とモータ用永久磁石１０との間隙の磁束密度のほうがわずかながら高くなり、ロータ２とモータ部との径方向の負バネ力が不均等になるという問題がある。第２永久磁石９（９ａ〜９ｄ）のモータヨーク４に向けている磁極と、コンシークエント型のロータ２のモータ用永久磁石１０ａ、１０ｂの磁極が、モータヨーク４に向けている磁極と同じとすると、モータ用永久磁石１０ａ、１０ｂを通る磁路よりもロータ２の内側側面のヨークとした部位を通る磁路のほうが磁気抵抗は低くなるため、第１永久磁石８からのバイアス磁束はモータヨーク４の突極１５からロータ２の内側側面のヨークとした部位を流れる磁路となる。

その結果、第２永久磁石９（９ａ〜９ｄ）と第３永久磁石９ｅを適切に設計することにより、モータ用永久磁石１０ａ、１０ｂの磁束と第２永久磁石９（９ａ〜９ｄ）と第３永久磁石９ｅの磁束により、モータヨーク４とロータ２の内側側面のヨークとした部位の間隙との磁束密度と、モータヨーク４とモータ用永久磁石１０との間隙の磁束密度を等しくすることができ、モータ部の径方向の負バネ力は均等になる。また、モータヨーク４とロータ２の内側側面のヨークとした部位との間隙の磁束密度が増えることで、モータトルクの向上も期待できる。また、ロータ２を薄型にすることでロータの軸方向および傾きを永久磁石の磁気吸引力のみで受動的に磁気支持（受動安定）し、磁気軸受の磁気支持制御簡略ができ、電磁石による径方向の位置制御のみでロータの磁気浮上が可能であり、磁気軸受の構造をコンパクトにすることができる。ロータ２の内側のモータ部での永久磁石による磁気吸引力とロータ２の外側の磁気軸受部での永久磁石による磁気吸引力でより優れた受動安定を実現することができる。

ここで、上記説明した第１永久磁石８、第２永久磁石９（９ａ〜９ｄ）、第３永久磁石９ｅ、モータ用永久磁石１０の材質は、例えば、ネオジウム−鉄−ボロン、サマリューム−コバルト、サマリューム−鉄−窒素などの強磁性材料を使用する。ステータ１の磁気軸受ヨーク３とモータヨーク４、ロータ２のロータヨーク５の材質は、例えば、磁性軟鉄、磁性ステンレス、圧粉磁心、珪素鋼鈑などの軟磁性材料を使用する。なお、上記説明した材料に限定されるものではない。

図２に図１に示した磁気軸受モータのＺ−Ｘ平面断面の斜視図を示す。また、第１永久磁石８（８ａ〜８ｄ）のバイアス磁束を点線、第２永久磁石９（９ａ〜９ｄ）と第３永久磁石９ｅのバイアス磁束を一点鎖線、磁気軸受用コイル１１の制御磁束を実線、モータ用永久磁石１０ａのモータバイアス磁束を破線として磁路を示す。

図２に示すように第１永久磁石８（８ａ〜８ｄ）のバイアス磁束は「＊−第１永久磁石８−第２突極７−ロータヨーク５−第１突極６−＊」を通る磁路となる。第２永久磁石９（９ａ〜９ｄ）と第３永久磁石９ｅのバイアス磁束は「＊−モータ部の第３永久磁石９ｅ−モータヨーク４−ロータヨーク５（ロータ２の内側側面のヨークとした部位も通る）−第１突極６−磁気軸受部の第２永久磁石９（９ａ〜９ｄ）−ブリッジヨーク１４−＊」の磁路となる。磁気軸受用コイル１１による制御磁束は「＊−磁気軸受用コイル１１−第２突極７−ロータヨーク５−第１突極６−＊」の磁路となる。また、モータ用永久磁石１０（１０ａ、１０ｂ）のモータバイアス磁束は、「＊−モータ用永久磁石１０−モータヨーク４−ロータヨーク５（ロータ２の内側側面のヨークとした部位も通る）−＊」の磁路となる。

第１突極６（６ａ〜６ｄ）のロータ２との間隙には、第１永久磁石８（８ａ〜８ｄ）と第２永久磁石９（９ａ〜９ｄ）と第３永久磁石９ｅのバイアス磁束が同方向に重複して供給される。第２突極７（７ａ〜７ｄ）のロータ２との間隙にはバイアス磁束が第１永久磁石８により供給される。

モータ用永久磁石１０ａ、１０ｂから出た磁束はモータヨーク４からロータ２の内側側面のヨークとした部位を通り永久磁石に戻る磁路を通るため、結果としてロータ２の内側側面のヨークとした部位はモータ用永久磁石１０ａ，１０ｂのモータヨーク４に向いている磁極とは反対の磁極となる構成のものである。

磁気軸受用コイル１１による制御磁束は制御電流の向き（プラス電流・マイナス電流）により、第１突極６（６ａ〜６ｄ）のロータ２との間隙と第２突極７（７ａ〜７ｄ）のロータ２との間隙において、それぞれのバイアス磁束と同方向に制御磁束が流れると、それぞれの間隙の磁束密度が増加し、ロータ２に作用するそれらの突極方向の磁気吸引力は増加する。

逆に、第１突極６のロータ２との間隙と第２突極７のロータ２との間隙において、それぞれのバイアス磁束と逆方向に制御磁束が流れると、それぞれの間隙の磁束密度が減少し、ロータ２に作用するそれらの突極方向の磁気吸引力は減少する。

ロータ２の位置検出センサ１３（１３ａ〜１３ｄ）の計測値をもとに制御電流を調整することで磁気吸引力の増加減少を図り、ロータ２の位置制御を行う。例えば、図２の−Ｘ方向にロータが変位したときには−Ｘ方向側の電磁石では第１突極６ｄとロータ２の間隙の磁束密度と第２突極７ｄとロータ２の間隙の磁束密度を減少させる方向に制御電流を流す。また、＋Ｘ側の電磁石では第１突極６ｂとロータ２の間隙の磁束密度と第２突極７ｂとロータ２の間隙の磁束密度を増加させる方向に制御電流を流す。これにより、それぞれの突極による磁気吸引力の総和は＋Ｘ方向となりロータ２を＋Ｘ方向に移動させることができる。

ロータ２の位置検出センサ１３（１３ａ〜１３ｄ）の計測値をもとに、それぞれの電磁石の制御電流の向きと大きさを調整することで、ロータ２の径方向の位置を制御することができる。

（磁気軸受部の制御構成例）
図３に磁気軸受部の制御構成例を示す。ロータ２の径方向位置は径方向に所定の位置に配設した位置検出センサ１３により検出される。それぞれの磁気軸受部の電磁石間に等間隔に位置検出センサ１３（１３ａ〜１３ｄ）を４つ配設する。それぞれの位置検出センサ１３の対向する２つのセンサ出力の差を検出値とすることで、検出感度向上、直線性向上、検出範囲の拡大が図れる。

好適には、対向させた２つのセンサによる差動検出としたほうがよいが、片側１つのセンサのみでも検出・制御可能である。
位置検出センサ１３の出力をもとに制御器３３において、位置検出センサ１３の配設による座標から磁気軸受の電磁石の配設による座標に変換し、電磁石に印加する電流値をＰＩＤ制御則などを用いて算出する。制御器３３から電磁石に印加する電流値の指令をパワーアンプ３４、３５に与え、パワーアンプ３４、３５より電磁石に電流が印加され、ロータ２の位置を制御する。
（応用例）
図４に磁気浮上モータを用いて遠心ポンプを構成した応用例を示す。応用例は、樹脂や非磁性の金属などでロータ２を覆い、ロータ２の上面に樹脂や非磁性の金属などでインレット１７、アウトレット１８などを形成する。また、ロータ・インペラ１９と、ロータ・インペラ１９と所定の間隙を持つように包み込む樹脂や非磁性の金属などのポンプケーシング１６と、そのポンプケーシング１６を覆うように配設したステータ（磁気軸受部とモータ部）で構成される。

また、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。

実施例１の構造を示す斜視図である。 第１永久磁石８（８ａ〜８ｄ）のロータ２側の磁極と、第１永久磁石８（８ｅ〜８ｈ）のロータ２側の磁極を反対にした場合に発生する磁束線の方向を示した斜視断面図である。 磁気軸受部の制御部を示すブロック図である。 本発明の磁気浮上モータを用いたポンプの断面図を示す図である。

符号の説明

１ ステータ、
２ ロータ、
３ 磁気軸受ヨーク、
４ モータヨーク、
５ ロータヨーク、
６ 第１突極、
７ 第２突極、
８ 第１永久磁石、
９ 第２永久磁石、
９ｅ 第３永久磁石、
１０ モータ用永久磁石、
１１ 磁気軸受用コイル、
１２ モータ用コイル、
１３ 位置検出センサ、
１４ ブリッジヨーク
１５ 突極、
１６ ポンプケーシング、
１７ インレット、
１８ アウトレット、
１９ インペラ、
３１、３２ 演算器、
３３ 制御器、
３４、３５ パワーアンプ、

Claims (5)

1. 磁気軸受部とモータ部とブリッジ部から構成されるステータと前記ステータに設けられるロータを備える磁気浮上モータであって、
   ドーナツ状の前記ロータは前記磁気軸受部と前記モータ部の間に配置され、
   前記モータのモータヨークは径方向に複数の突極を備え、該突極にはコイルを巻着し、前記ロータの内側面と前記突極を所定の間隔を設けて配置し、
   前記磁気軸受部の磁気軸受ヨークには前記ロータの外周側面の両端部近傍に対向する２つの突極を等間隔に円周状に複数備え、
   前記２つの突極の一方の突極には磁気軸受用コイルを巻着し、前記他方の突極には第１永久磁石を設け、
   前記ロータ端部の片側に所定の間隔を設けて前記磁気軸受部と前記モータ部を繋ぐ前記ブリッジ部を設け、前記磁気軸受ヨークに設けられた前記突極と前記ブリッジ部のブリッジヨークとの間に第２永久磁石と、前記モータヨークと前記ブリッジヨークの間に第３永久磁石を設け、
   前記ロータの内側に複数のモータ用永久磁石を前記モータヨークに対向するように設け、
   前記磁気軸受部の前記ブリッジ部側に設ける前記突極の全てを、前記磁気軸受用コイルを巻着した突極にするか、あるいは前記第１永久磁石を設けた突極にする、
   ことを特徴とする磁気浮上モータ。
2. 前記磁気軸受部の前記ロータに対向して配設される前記突極の前記第１永久磁石は、前記第１永久磁石の配設される全ての前記突極において前記ロータ側の磁極を同じにし、
   前記第２永久磁石の前記磁気軸受部側の磁極は前記第１永久磁石の前記ロータ側の磁極と反対の磁極にし、
   前記第３永久磁石の前記モータ部側の磁極は前記第２永久磁石の前記磁気軸受部側の磁極と反対の磁極にし、
   前記モータ用永久磁石の前記モータ部側の磁極は前記第１永久磁石の前記ロータ側の磁極と反対の磁極にする、
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気浮上モータ。
3. 前記磁気軸受部に、前記ロータの位置を検出するセンサを備え、前記センサの計測値に基づいて前記磁気軸受用コイルに制御電流を供給することを特徴とする請求項１または２に記載の磁気浮上モータ。
4. 前記モータの前記ロータをコンシークエント型ロータとすることを特徴とする請求項1または２に記載の磁気浮上モータ。
5. 請求項１〜４のいずれかひとつに記載の磁気浮上モータを用いたポンプ。

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