５軸制御磁気浮上スイッチトリラクタンスモータを用いた磁気浮上再生ポンプの研究開発

• 研究課題/領域番号: 23K03738
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分20010:機械力学およびメカトロニクス関連
• 研究機関: 茨城工業高等専門学校
• 研究代表者: 小沼 弘幸 茨城工業高等専門学校, 国際創造工学科, 准教授 (90520841)
• 研究期間 (年度): 2023-04-01 – 2026-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2025年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円); 2024年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円); 2023年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
• キーワード: 磁気軸受 / 磁気浮上モータ / スイッチトリラクタンスモータ / 磁気浮上ポンプ / ターボポンプ / 磁気浮上 / 再生ポンプ

研究開始時の研究の概要

ロータに永久磁石を用いていない磁気浮上ポンプとして、５軸制御磁気浮上スイッチトリラクタンスモータ（ＳＲモータ）を用いた磁気浮上再生ポンプを提案する。提案する５軸制御磁気浮上モータは、３軸制御アキシャル型磁気浮上ＳＲモータと２軸制御ラジアル型磁気軸受で構成する。ポンプ部は本磁気浮上ポンプに特化した特殊な再生ポンプ形状を採用する。この研究開発において、磁場解析や流体解析、実機実験を行い、磁気浮上モータの特性や特殊再生ポンプの特性、磁気浮上ポンプの特性などを明らかとし、５軸制御磁気浮上モータと流体力の発生を抑えられかつポンプ効率が良い再生ポンプ、これらを組み合わせた磁気浮上再生ポンプの実現を目指す。

研究実績の概要

本研究においてロータに永久磁石を使用しない５軸制御磁気浮上スイッチトリラクタンスモータを用いた磁気浮上再生ポンプを提案する。５軸制御磁気浮上モータは、３軸制御アキシャル型磁気浮上スイッチトリラクタンスモータと２軸制御ラジアル型磁気軸受で構成する。
本年度、３軸制御アキシャル型磁気浮上スイッチトリラクタンスモータの開発に着手するが、初めから３軸制御アキシャル型磁気浮上スイッチトリラクタンスモータを実現するのは難しいと予想されるので、径方向の変位を玉軸受で機械的に支え軸方向位置と回転のみに自由なロータの磁気浮上・回転を実現する１軸制御アキシャル型磁気浮上スイッチトリラクタンスモータの設計・試作を開始した。コンセプトの実現可能性を確認することを優先し容易に加工可能なステータ形状となるように簡易な突極形状として設計を行っている。簡易形状でも十分な磁気支持・回転が可能であることを磁場解析を用いて磁気支持力とモータトルクを確認しながら設計を行っている。スイッチトリラクタンスモータ部位の概略寸法は外径40 mm、内径20 mm程度とし、ロータ側のスロット数を4、上下ステータ側のスロット数をともに6として設計している。並行して、再生ポンプの設計を流体解析を用いて開始した。ロータインペラの外径52 mm、高さ（厚み）7 mm程度とし、ポンプケーシングとの隙間は上下左右に0.3 mm設けることとして設計を行っている。また、実機試作のための設計も開始している。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

本研究は、①５軸制御磁気浮上スイッチトリラクタンスモータの実現と②流体力の発生を抑えられかつポンプ効率が良い再生ポンプの実現、③これらを組合わせた磁気浮上再生ポンプの実現に分けられる。①は、まず３軸制御アキシャル型磁気浮上スイッチトリラクタンスモータの開発、次に径方向２軸制御磁気軸受の開発、そして５軸制御磁気浮上スイッチトリラクタンスモータの開発の順に計画している。②は、ジャーナル軸受形状の効果の確認、貫通溝形状の効果の確認、実機の圧力測定結果と比較した流体解析の妥当性の確認、これらを基にした開発を計画している。③で磁気浮上再生ポンプの性能評価を計画している。
２０２３年度は、①では３軸制御アキシャル型磁気浮上スイッチトリラクタンスモータの開発の前段階として１軸制御アキシャル型磁気浮上スイッチトリラクタンスモータの設計・試作を開始した。また、②では初めの試作形状を検討し流体解析を用いて再生ポンプの設計を開始した。当初計画では２０２３年度中に試作が終わっているところであったため、少し遅れているとした。

今後の研究の推進方策

２０２４年度において、①では、３軸制御アキシャル型磁気浮上スイッチトリラクタンスモータの開発と径方向２軸制御磁気軸受の開発を並行して行う。これらの形状寸法が②の再生ポンプの形状に制約をもたらし、逆に再生ポンプの形状が①の磁気浮上モータや磁気軸受の寸法に制約をもたらすこととなっていた。これら設計情報を精査しそれぞれの設計を行っていくこととする。