Study on magnetic levitated self-bearing motor and magnetic levitated pump using multiple single-axis magnetic bearings

采用多个单轴磁力轴承的磁悬浮自轴承电机和磁悬浮泵的研究

基本信息

批准号：
19K04266
负责人：
小沼弘幸
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Ibaraki National College of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本年度、１軸磁気軸受群による磁気浮上ポンプの実現に向け、ポンプ形状とセルフベアリングモータの検討を行った。本セルフベアリングモータのロータは、径方向位置検出用ターゲットリングをロータヨーク片端に設けているため軸方向に長い。そこで、ロータ内筒部を利用した斜流ポンプ形状を流体解析で検討を行った。しかし、検討した斜流ポンプ形状ではポンプ性能が低く、十分な吐出性能を得るにも高い回転数が必要であったことから、遠心ポンプ形状で検討を行った。その結果、回転数3000 rpmで開発目標の流量5 L/min、圧力13 kPaを達成しうる形状を見出すことができた。本セルフベアリングモータの回転制御と磁気支持制御の独立性について磁場解析を用いて確認した。ロータヨーク外筒面の両端には磁極が異なるように永久磁石が配置される。ロータ外周にはコの字型の電磁石が複数個設けられる。ロータ回転軸方向に垂直な断面でのロータ両端の磁極配置は正反対の磁極配置となる構造的特徴を持つ。ロータ片端２極磁界としたロータで電磁石６つを用いた形状で検討を行った。Ｐ±２極理論での磁気支持制御の検討の結果、回転制御と磁気支持制御の独立性は確認できたが、ロータ回転角度位置でｄ軸とｑ軸方向制御力に大きな差が生じた。そこで、ロータ片端２極磁界としたロータの構造を利用しロータ片端で電磁石による磁界を１極とする新制御方式を検討した。その結果、ｄ軸方向制御力はより強い制御力を発生し差が少なくなった。構造上、ｑ軸方向の制御には使用できない。また、電磁石６つの形状では永久磁石による径方向負ばね力が不均一で磁気支持制御が難しくなると考え、新制御方式は使用できないがロータ片端４極磁界としたロータで電磁石８つを用いた形状の検討を行った。磁気支持制御の検討の結果、ロータ片端で２極磁界よりはロータ回転角度位置で制御力に大きな差が生じなかった。

今年，我们研究了泵的形状和自轴承电机，以实现使用单轴磁力轴承组的磁悬浮泵。该自轴承电机的转子在轴向方向上较长，因为用于径向位置检测的目标环设置在转子磁轭的一端。因此，我们通过流体分析来研究利用转子内筒的混流泵的形状。然而，所研究的混流泵形状的泵性能较低，并且需要高转速才能获得足够的排出性能，因此研究了离心泵形状。结果，我们找到了一种形状，可以在 3000 rpm 的转速下实现 5 L/min 的开发目标流量和 13 kPa 的压力。使用磁场分析证实了该自轴承电机的旋转控制和磁支撑控制的独立性。永磁体布置在转子磁轭外圆柱面的两端，使得它们的磁极不同。转子的外周设有多个U形电磁铁。在垂直于转子旋转轴线方向的截面中，转子两端的磁极排列具有磁极排列沿直径相对的结构特征。一项研究使用一端具有两极磁场的转子和六个电磁体进行。使用 P±2 极理论检查磁力支撑控制的结果，确认了旋转控制和磁力支撑控制的独立性，但根据转子旋转，d 轴和 q 轴方向控制力之间出现很大差异角位置。因此，我们研究了一种新的控制方法，利用转子一端有两极磁场的转子结构，并使来自电磁铁的磁场在转子一端为一极。结果，d轴方向控制力产生更强的控制力，并且差异变小。由于其结构的原因，它不能用于q轴方向的控制。另外，我们认为采用六个电磁铁的形状，永磁体产生的径向负弹簧力会不均匀，从而使磁力支撑控制变得困难。虽然无法使用新的控制方法，但我们决定使用八个电磁铁的形状。我们检查了一端具有四极磁场的转子中的电磁铁。对磁支撑控制的研究结果发现，与在转子一端使用两极磁场时相比，取决于转子旋转角位置的控制力没有太大差异。