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高速回転機システムにおける磁気軸受の高付加価値化に関する研究
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| Title: | 高速回転機システムにおける磁気軸受の高付加価値化に関する研究 |
| Other Titles: | Study of Enhancing Added Value of Magnetic Bearings in High-Speed Rotation Machine System |
| Authors: | 孫, 浩 Browse this author |
| Keywords: | 高付加価値化磁気軸受 | | 低損失 | | 低コスト | | 省資源化 | | 3軸能動制御磁気軸受 | | 磁石レス | | high value-added magnetic bearing | | low loss | | low cost | | resource saving | | 3-axis active control magnetic bearing | | magnet-less |
| Issue Date: | 30-Jun-2021 |
| Publisher: | Hokkaido University |
| Abstract: | 機械軸受を用いる回転機システムは機械的な接触により摩擦や摩耗が生じるため，高速回転することが難しい状態になっている。そこで，機械軸受の代わりに，電磁力により回転子を完全非接触で浮上回転できる磁気軸受を用いた高速回転機システムが注目されている。近年，回転機システム全体の高速化と小型化を求めているに加え, 磁気軸受の低損失、低価格課題になっている。また、産業用のターボ分子ポンプなどの用途においては，永久磁石による吸引力が回転子の抜差しの作業性を悪化させるという問題が残っている。そのため、磁気軸受の磁石レス化やシステム全体の組み立て性の向上など現実問題があり，磁気軸受の高付加価値化が関心を集めている。一般的な磁気軸受にはヘテロポーラ型とホモポーラ型2種類がある。従来型のヘテロポーラ型磁気軸受は構造が簡単で磁石がないのため安価である。しかし,軸支持力の発生委原理によりギャップに交番磁束が生じるため回転子での鉄損が多い,冷却が難しいことが欠点である。一方、従来型のホモポーラ型磁気軸受は回転子での鉄損が少ないのため冷却が容易ですが,欠点は磁石を大量に使用し,構造が複雑である。また，一定のスロット面積を保つ必要があるため極間の幅が広い，ギャップの磁束密度分布は不均一であり，高速回転時回転子での鉄損が大きいと考えいてる。そこで，我々の研究チームは 4つの C形コアを用いて新たなホモポーラ型磁気軸受を提案した。しかし，提案された新構造の磁気軸受は極間の幅が狭くできるが，ギャップでの磁束を集中するため固定子はストレート歯の形状を採用した。そのため、固定子ティース部に対向する回転子コアでの磁束密度は高くなるのに対し，極間の開口部に磁束密度が低いため，高速回転時ギャップでの磁束密度変化が損失の原因になっている。損失を抑制するため極間の幅をさらに抑える結果,極間に漏れ磁束が発生する恐れがあり，軸支持力特性の大幅な低下と繋がっている。そこで，本研究では以上の問題点に注目し固定子の形状を一般には使用されない全閉スロット形状を採用することで，回転子で発生する鉄損の一層の低減を図る。また、提案する構造は軸支持力の低下が発生しないことと組み立て性が悪化しないことを示し，従来のホモポーラ型気軸受の高価、構造が複雑などの課題を解決し，更なる性能向上が可能であることを明らかにする。一方,5自由度を能動的に制御する一般的な軸支持システムでは軸支持部分にスラスト磁気軸受（TMB）に円板状の回転子を用い，半径方向の軸支持のために 2個のラジアル磁気軸受（RMB）を組み合わせた構造が用いられている。しかし電動機ユニットを含めシステム全体のユニット数が多いためにコストが高くだけではなく,サイズが大きいになることに従い軸長が長くになることで回転軸の共振周波数を低下させ,定格回転数まで危険速度を通過しなければならない恐れがある。また,TMBに円板所回転子が採用するため,システム全体のアセンブリ性が低下になり,回転軸のバランス取りも難しいになっている。そこで,ユニット数を減らすしながらシステム全体の組み立て性を向上させるために,我々の研究チームは円板状回転子の代わりに円筒型回転子を用いた,軸方向の変位と回転軸の傾きの 3自由度を能動的に制御できるT+RMB型磁気軸受を提案している。T+RMBを用いたシステムではRMBと電動機を融合したベアリングレスモータ（BelM）と組み合わせることで，5自由度を能動的に制御できながら小型化という優れた利点を持つ。また，ユニット数の減少により軸長の短縮が期待でき，定格回転まで危険速度の通過や回転子のバランス取りなどの課題の対策になっている。しかし，産業用のターボ分子ポンプなどの用途においては，定期的に分解して洗浄する必要があるため，T+RMBではバイアス磁束を提供している永久磁石による吸引力が回転子の抜差しの作業性を悪化させている。そこで、本論文では，産業用のターボ分子ポンプなどの組み立て性の向上を目的として，T+RMBの磁石レス化について検討する。バイアス機能を付加する方法の違いによるついて検討する。バイアス機能を付加する方法の違いによる2種類の構造を提案し，それぞれの構造の軸支持力特性と損失特性を3D-FEMを用いて比較・検討し，提案構造の妥当性・有効性を検証する。最後，本研究では磁気軸受の低損失・低価格・磁石レスの面から磁気軸受の高付加価値化の面から磁気軸受の高付加価値化を検討する。そして，磁気軸受の高付加価値・低コスト・省資源の面から今後の展望をまとまとめている。 | | Conventional bearings are in a difficult condition to be applied to high-speed rotation because of the mechanical friction and wear out occur during high-speed rotation. Therefore, instead of the conventional bearings, magnetic bearings that can generate shaft bearing capacity while being non-contact with the rotor are widely adopted. In recent years, in addition to demanding higher speed and smaller size of the entire rotating machine system, low loss and low price of magnetic bearings become issues. What’s more, in applications such as industrial turbo molecular pumps, there remains a problem that the attractive force of a permanent magnet deteriorates the workability of inserting and removing the rotor. Therefore, there are practical problems such as making magnetic bearings magnet-less and improving the assembleability of the entire system, and increasing the added value of magnetic bearings is attracting attention.
There are two types of general magnetic bearings, heteropolar type and homopolar type. Conventional heteropolar magnetic bearings are inexpensive because they have simple structures and do not have magnets. However, it has the disadvantages that it is difficult to cool down because there is a lot of iron loss in the rotor. The reason of the iron loss is there is an alternating magnetic flux generated in the gap. On the other hand, the conventional homopolar magnetic bearing is easy to cool down because it has less iron loss in the rotor, but the disadvantage is that it uses a large amount of magnets and its structure is complicated. In addition, since it is necessary to maintain a constant slot area, the width between the suspension poles is wide, the magnetic flux density distribution of the gap is uneven, and it is thought to be the reason of the iron loss in the rotor during high-speed rotation. Therefore, our research team proposed a new homopolar magnetic bearing using four C-shaped cores. However, although the magnetic bearing with the proposed new structure can narrow the width between the suspension poles, because of the stator adopts a straight tooth shape in order to concentrate the magnetic flux in the gap, the magnetic flux density of the rotor core facing the stator teeth is high, while the magnetic flux density is low between the suspension poles, the change of magnetic flux density in the gap causes loss during high-speed rotation. As a result of further suppressing the width between the suspension poles in order to suppress the iron loss, there is a possibility that cause the leakage flux between the poles, which leads to a significant decrease in the suspension force characteristics. Therefore, in this study, we pay attention to the above problems and adopt a fully closed slot shape, which is not generally used, to further reduce the iron loss generated in the rotor. In addition, the proposed structure shows that the suspension force does not decrease and the assembling property does not deteriorate, and it is possible to solve problems such as the high cost and complicated structure of the conventional homopolar magnetic bearing, and further improve the performance. On the other hand, in general, suspension system that can actively controls 5 degrees of freedom, a disk-shaped rotor is used for the thrust magnetic bearing (TMB) and two radial magnetic bearings(RMB) for the rotor support part. However, by this structure not only the cost is high due to the large number of units in the entire system, but also the critical speed of revolution is lowered by increasing the shaft length as the size increase. In addition, since the disk in rotor is used for TMB, the assembability of the entire system is reduced, and it is difficult to balance the rotating rotor. Therefore, in order to improve the assemblability of the entire system and reduce number of units, our research team used a cylindrical rotor instead of a disk-shaped rotor for axial displacement. We are proposing a T+RMB type magnetic bearing that can actively control 3 degrees of freedoms. The system using T+RMB has the excellent advantage of miniaturization of the system while being able to actively control 5 degrees of freedom by combining with a bearingless motor (BelM). In addition, the rotor length can be expected to be shortened by reducing the number of units of the system, which is a countermeasure for issues such as passing critical speeds and balancing of the rotor. However, in applications such as industrial turbo molecular pumps, it is necessary to disassemble and clean it regularly, but the attractive force of the permanent magnet in T+RMB that provides the bias magnetic flux make it hard to insert and remove the rotor. Therefore, in this study, we will examine the magnetless T+RMB for the purpose of improving the assembleability of industrial turbo molecular pumps. We propose two types of structures depending on the method of adding the bias function to the T+RMB, then compare and examine the suspension force characteristics and loss characteristics of each structure using 3D-FEM, and verify the validity and effectiveness of the proposed structure. Finally, we examined the value added of magnetic bearings from the viewpoint of low loss, low cost, and magnet-less, and then summarizes the future task in terms of high added value, low cost, and resource saving of the magnetic beaarings. |
| Conffering University: | 北海道大学 |
| Degree Report Number: | 甲第14628号 |
| Degree Level: | 博士 |
| Degree Discipline: | 工学 |
| Examination Committee Members: | (主査) 教授 小笠原 悟司, 教授 五十嵐 一, 教授 近野 敦, 教授 竹本 真紹(岡山大学 大学院 自然科学研究科) |
| Degree Affiliation: | 情報科学研究科(システム情報科学専攻) |
| Type: | theses (doctoral) |
| URI: | http://hdl.handle.net/2115/82503 |
| Appears in Collections: | 課程博士 (Doctorate by way of Advanced Course) > 情報科学院(Graduate School of Information Science and Technology)
学位論文 (Theses) > 博士 （工学）
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