(57)【要約】【課題】トルクと半径方向電磁力を1つの電磁機械にて発生するベアリングレスモータの回転機の巻線のコイルエンド長を短縮すると共に、スロットの巻線占有率が高く、起磁力分布及び電動機巻線と支持巻線間の絶縁を改善したベアリングレスモータを提供する。【解決手段】モータ巻線Ｍは歯３ごとに短節集中巻線が施されている。このコイルは４つあり、複数回巻回されている。さらに、４つのコイルはお互いに接続され、１相の巻線を構成する。支持巻線SI、SOをトロイダル巻線とし、モータ巻線Ｍのコイルエンドと支持巻線ＳI、SOのコイルエンドとが重ならないようにしたため、コイルエンド長を短く形成できる。支持巻線ＳI、SOは短節集中巻で巻線の一部が固定子外側を巻回するようになっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子に配設された複数極のモータ巻線と、該モータ巻線と独立し該モータ巻線と異なる極数に配設された磁気支持巻線を備えるベアリングレスモータであって、
前記磁気支持巻線は前記固定子のヨークにトロイダル巻きされたトロイダル支持巻線コイルを有することを特徴とするベアリングレスモータ。
【請求項２】
前記モータ巻線は、前記固定子の内側及び／又は外側に配設され、
前記トロイダル支持巻線コイルの内側導線はヨーク内側に形成されたヨーク内側スロットに通され、前記トロイダル支持巻線コイルの外側導線はヨークの外側若しくはヨーク外側に形成されたヨーク外側スロットに通されたことを特徴とする請求項１記載のベアリングレスモータ。
【請求項３】
前記磁気支持巻線は、前記固定子の内側及び／又は外側に向けた歯に短節集中巻きされた調整コイル、及び／又は前記ヨーク内側スロット同士の間若しくは前記ヨーク外側スロット同士の間に分布巻きされた分布巻きコイルが前記トロイダル支持巻線コイルと混在されたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のベアリングレスモータ。
【請求項４】
前記モータ巻線は固定子の内側及び／又は外側に配設された歯に短節集中巻が施されたことを特徴とする請求項１、２又は３記載のベアリングレスモータ。
【請求項５】
前記固定子の内側及び／又は外側にロータを備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のベアリングレスモータ。
【請求項６】
前記磁気支持巻線の極数が２極で構成され、コンシクエントポール型、ホモポーラ型、ハイブリッド型であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のベアリングレスモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はベアリングレスモータに係わり、特にトルクと半径方向電磁力を1つの電磁機械にて発生するベアリングレスモータの回転機の巻線のコイルエンド長を短縮すると共に、スロットの巻線占有率が高く、起磁力分布及び電動機巻線と支持巻線間の絶縁を改善したベアリングレスモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
ベアリングレスモータは磁気軸受機能とモータの機能を、1つの電磁機械で実現しようとするものである。たとえば、深尾正（２００３年電気学会会長、東工大名誉教授）、千葉明（東京理科大学教授）「ベアリングレスモータ」電気学会誌解説  vol.117、No.9、PP.612-615、1997に解説があり、また、単行本A.Chiba, T.Fukao, O.Ichikawa, M.Oshima, M.Takemoto and D.G.Dorrell, "Magnetic Bearings and Bearingless Drives", Elsevier Newnes Press, ISBN0-7506-5727-8, 2005などに記載がある。
【０００３】
すなわち、半径方向ｘ、ｙの2軸方向の電磁力と、回転するためのトルクを発生するものである。トルクを発生するために、一般の電動機と同様に３相巻線が施され、さらに、半径方向の電磁力を発生するために別の巻線群が必要であり、支持巻線と呼ばれる。一般に支持巻線は２極、４極などの極数になることが多く、コイルエンド長が長くなる傾向にある。とくに、薄型の構成ではコイルエンド長が問題になる。
【０００４】
たとえば、レビトロニクス社のベアリングレスモータではテンプルモータ構成として、固定子歯を折り曲げる構成とし、コイルエンド長が長くなっても軸方向に伸びる構成としている。
【０００５】
コイルエンド長を短くする方法としては、一般の永久磁石電動機において、固定子歯ごとに短節集中巻線を施す方法がすでに盛んに適用されている状況にある。たとえば、１２スロットの固定子であれば、１２の歯に短節集中のコイルを施す。１２スロットに対応して回転子の極数は８、９，１０，１４などの極数になる。
【０００６】
図３は従来の巻線の構成例である。図３において、固定子１０を形成する固定子ヨーク１には歯３が内側に向けて１２歯突設されており、モータ巻線M（図中、記号Ｍで示す）が歯３ごとに短節集中巻で捲回されている。但し、図３中には簡単のため、モータ巻線MはＵ相のみを表示している。また、回転子５は等間隔に配設された鉄心極７の間に永久磁石９が埋設されており、８極に着磁され、コンシクエントポールPMモータの回転子である。一方、支持巻線S（図中、記号Ｓで示す）は図中、上下対称に４つのスロット１１に対して分布して配置され、それぞれの間はコイルエンドSE（図中、記号ＳＥで示す）を介して分布巻きにて接続される。但し、図３では、簡単のため支持巻線Sは１相分のみについて表示したが、実際には３相分捲回されている。このコイルエンドSEが長いため、スロットの巻線占積率が低く、さらにコイルエンドが３相間で重なるため軸方向の長さが大きい問題がある。
【０００７】
さらに薄型化に適した手法として、特許文献１においては、固定子ヨークにトロイダル巻きの巻線を巻回し、さらに、固定子歯に短節集中巻線を配置する構造が開示されている。また、固定子の内側と外側に回転子を配置することにより出力を向上できることが記載されている。
【０００８】
また、特許文献２においては、上記の特開と類似した電動機が公開されている。固定子の内側と外側に回転子を配置し、固定子ヨークに巻線を巻回している。
特許文献３では、固定子の歯に集中巻に施された巻線と、固定子ヨークに巻回された巻線を接続する電動機が公開されている。
そのほか特許文献４において固定子ヨークにトロイダル巻線を施し、ヨーク部に切り込みを配置する方法が公開されている。
特許文献５においてはトロイダル巻線方式の単相誘導モータが公開されている。
【特許文献１】特開２００１−３７１３３号公報
【特許文献２】特開平１０−２７１７８２号公報
【特許文献３】特開平８−１７２７５９号公報
【特許文献４】特開平９−９５３２号公報
【特許文献５】特開２００４−２２２３５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、これらの公開特許出願において対象としているのは、単相、あるいは３相のモータで電動機巻線の構造に工夫を施したものであり、ベアリングレスモータのように支持巻線を有し磁気力により浮上、あるいは制振などを行う構造のものについては開示がない。さらに、ベアリングレスモータにおいては、４相以上の巻線が必要であり、一般的には３相が２組の６相巻線が施される。  
【００１０】
また、上述したように、ベアリングレスモータは電動機として動作するための巻線と、磁気支持するための巻線がある。これらの巻線の駆動電圧は必ずしも等しくない。すなわち、電動機は高電圧で駆動されるが、支持巻線は必要な電圧電流が小さい。たとえば、モータ巻線は２００V、支持巻線は１５Vなどである。すると、これらの巻線は電気的に絶縁されている必要があり、絶縁劣化時においても、ドライバーの破壊を避けるため、高電圧側と低電圧側が短絡しないことが重要である。しかしながら、コイルエンドが３相間で重なる等のため高電圧側と低電圧側の短絡するおそれが高かった。
【００１１】
さらに、ベアリングレスモータのなかでも、コンシクエントポール型、ホモポーラ型、ハイブリッド型などでは支持巻線に２極の巻線が必要不可欠である。一般の電動機であれば極数を増加することによってコイルエンド長を短くすることができる。実際、これらのベアリングレスモータのモータ巻線のコイルエンド長は多極化することによってコンパクト化することができる。しかし、これらのベアリングレスモータの支持巻線は２極である必要があるため多極化することはできない。このためコイルエンドの巻回が長い問題点があった。
【００１２】
本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもので、トルクと半径方向電磁力を1つの電磁機械にて発生するベアリングレスモータの回転機の巻線のコイルエンド長を短縮すると共に、スロットの巻線占有率が高く、起磁力分布及び電動機巻線と支持巻線間の絶縁を改善したベアリングレスモータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
このため本発明（請求項１）は、固定子の内側及び／又は外側に配設された複数極のモータ巻線と、該モータ巻線と独立し該モータ巻線と異なる極数に配設された磁気支持巻線を備えるベアリングレスモータであって、前記磁気支持巻線は前記固定子のヨークにトロイダル巻きされたトロイダル支持巻線コイルを有し、該トロイダル支持巻線コイルの内側導線はヨーク内側に形成されたヨーク内側スロットに通され、該トロイダル支持巻線コイルの外側導線はヨークの外側若しくはヨーク外側に形成されたヨーク外側スロットに通されたことを特徴とする。
【００１４】
磁気支持巻線をトロイダル巻線とし、モータ巻線のコイルエンドと磁気支持巻線のコイルエンドとが重ならないようにした。コイルエンドは固定子ヨーク部分に厚みが生じることになり、モータ巻線のコイルエンドと分離することができ、コイルエンドの軸長を短くすることができる。コイルエンドが３相間で重なる等のおそれは無くなり、高電圧側の巻線と低電圧側の巻線とに十分な離隔間隔を保てる。このため、これらの巻線は電気的に絶縁され、絶縁劣化時においても、高電圧側と低電圧側が短絡し難くなる。
【００１５】
また、本発明（請求項２）は、前記モータ巻線は、前記固定子の内側及び／又は外側に配設され、前記トロイダル支持巻線コイルの内側導線はヨーク内側に形成されたヨーク内側スロットに通され、前記トロイダル支持巻線コイルの外側導線はヨークの外側若しくはヨーク外側に形成されたヨーク外側スロットに通されたことを特徴とする。
更に、本発明（請求項３）は、前記磁気支持巻線は、前記固定子の内側及び／又は外側に向けた歯に短節集中巻きされた調整コイル、及び／又は前記ヨーク内側スロット同士の間若しくは前記ヨーク外側スロット同士の間に分布巻きされた分布巻きコイルが前記トロイダル支持巻線コイルと混在されたことを特徴とする。
【００１６】
起磁力分布を向上させるためには、磁気支持巻線に加えて、調整コイルや分布巻きコイルを混在させてもよい。調整コイルは、歯に短節集中巻きされ、分布巻きコイルはヨークの内側や外側に形成されたスロット同士の間を渡るように捲回する。
【００１７】
更に、本発明（請求項４）は、前記モータ巻線は固定子の内側及び／又は外側に配設された歯に短節集中巻が施されたことを特徴とする。
モータ巻線はコイルピッチが長いよりも短節集中巻線の方がコイルエンドが短くなる。コイルエンドは固定子歯の部分に厚みが生じる。
【００１８】
更に、本発明（請求項５）は、前記固定子の内側及び／又は外側にロータを備えて構成した。
固定子の外周に巻線を配置するとともに、固定子外周に歯をもうけ、そこに巻線を配置し、さらに外周にアウターロータ回転子を配置することができる。この構成では固定子の外側に配置された導体の起磁力を半径方向力電磁力発生に有効に利用することができる。アウターロータ回転子と内側に構成された回転子の二つがあれば、いわゆるダブルロータ構造を構成することができる。内側の回転子を省略すれば、単なるアウターロータ構成になる。この場合であっても固定子コイルエンド長は短くなる。
【００１９】
更に、本発明（請求項６）は、前記磁気支持巻線の極数が２極で構成され、コンシクエントポール型、ホモポーラ型、ハイブリッド型であることを特徴とする。
ベアリングレスモータのなかでも、コンシクエントポール型、ホモポーラ型、ハイブリッド型などでは支持巻線に２極の巻線が必要不可欠である。このためコイルエンドの巻回が長い問題点があった。固定子ヨークにトロイダル巻きとすることによりコンパクト化することができる。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように本発明によれば、磁気支持巻線は前記固定子のヨークにトロイダル巻きされたトロイダル支持巻線コイルを有するように構成したので、モータ巻線のコイルエンドと磁気支持巻線のコイルエンドとが重ならない。コイルエンドは固定子ヨーク部分に厚みが生じることになり、モータ巻線のコイルエンドと分離することができ、コイルエンドの軸長を短くすることができる。コイルエンドが３相間で重なる等のおそれは無くなり、高電圧側の巻線と低電圧側の巻線とに十分な離隔間隔を保てる。このため、これらの巻線は電気的に絶縁され、絶縁劣化時においても、高電圧側と低電圧側が短絡し難くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の第１実施形態では、ベアリングレスモータの巻線構成を工夫することによりコイルエンド長を短くする。ベアリングレスモータのモータ巻線については一般の永久磁石電動機と同様に回転子極数を増加し、固定子歯ごとに短節集中巻線を施せばよい。しかし、支持巻線は以下の二通りが考えられる。誘導機、永久磁石などのｐ極にｐ±２極の巻線をほどこす方式とコンシクエントポール、ハイブリッド、ホモポーラなどの２極の巻線を施す方式がある。本発明は両者の方式に共通の巻線巻回技術であり、以下では特にコイルエンド長が大きくなる２極の場合について記載するが、４，６，８など偶数極数で実現可能である。特に、モータ巻線とコイルエンドが重ならないように工夫することによりコイルエンド長を短縮できる。
【００２２】
本発明の第１実施形態の構成図を図１に示す。なお、図３と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
図１は従来の手法である図３に対応する本発明の実施形態である。以下、12スロット固定子について実施例を示すが、任意の数のスロットについて実現できる。モータ巻線Ｍは従来技術と同様に歯３ごとに短節集中巻線が施されている。このコイルは４つあり、複数回巻回されている。さらに、４つのコイルはお互いに接続され、１相の巻線を構成する。記載していない他の２相の対称コイルが巻回され、３相巻線を構成する。もちろん、単相、２相、４相、５相、６相などのモータ巻線であってもよい。
【００２３】
一方、磁気支持巻線に相当する支持巻線Ｓは固定子１０の外側に導体SOが配置され、内側の導体SIと組になり、固定子ヨーク１を巻回するトロイダル巻線を構成している。図１では３相の一相分を示しており、上４つのスロットと下の４つのスロットで１相を構成している。SIとSOは複数回巻回されている。外側導体SORは、複数回巻回されている様子を一つのスロット１１について詳細に記載したものである。全部で８つのコイルが構成されているが、巻回数はすべて等しい必要はなく、巻数を調整して支持力特性が向上するように工夫されている。また、一相のあたりすべての１２スロットを利用すればさらに起磁力分布を向上できる。
【００２４】
かかる構成において、支持巻線SI、SOをトロイダル巻線とし、モータ巻線Ｍのコイルエンドと支持巻線ＳI、SOのコイルエンドとが重ならないようにしたため、コイルエンド長を短く形成できる。支持巻線ＳI、SOは短節集中巻で巻線の一部が固定子外側を巻回することになる。
このことにより、コイルエンドが３相間で重なる等のおそれは無くなり、高電圧側の巻線と低電圧側の巻線とに十分な離隔間隔を保てる。このため、これらの巻線は電気的に絶縁され、絶縁劣化時においても、高電圧側と低電圧側が短絡し難くなる。
【００２５】
また、コンシクエントポール型、ホモポーラ型、ハイブリッド型などで支持巻線に２極の巻線が必要不可欠で多極化できない場合であっても、支持巻線SI、SOをトロイダル巻線としたことで、コイルエンド長を短くコンパクトに形成できる。
【００２６】
なお、起磁力分布を向上し、正弦波状にするためには、支持巻線ＳI、SOに加えて、図１中に図示するように支持巻線ＳI、SOによる起磁力（図１では水平方向に生ずる）を調整する方向に作用するように巻線SCを歯３に対し同時に巻回することができる。巻線SCは調整コイルに相当する。
この場合、巻線SCは図１において、水平方向に対し上下対称となるように配設され、具体的には図中左側及び右側の歯３の３カ所ずつに捲回されている。
【００２７】
次に、本実施形態の別例について説明する。
図１では、支持巻線ＳI、SOと共に巻線SCを同時に巻回することで起磁力分布を向上させるとして説明したが、この支持巻線ＳI、SOの一部を既に図3に示した支持巻線Sとすることにより、あるいは、支持巻線ＳI、SO及び巻線SCに加えて分布巻きをほどこした支持巻線Ｓを配設することにより、起磁力分布を改善できる。
【００２８】
このように、支持巻線S、支持巻線ＳI、SO、巻線SCを適切に組みあわせて巻数を決定することにより、小さいコイルエンドで適切な起磁力分布を得ることができる。すなわち、支持巻線Sに示す分布巻き、支持巻線ＳI、SOに示すヨークのトロイダル巻き、巻線SCに示す歯の短節集中巻のすべてあるいは一部を組みあわせ、極力分布巻線を少なくしてコイルエンドを小さくし、所望の起磁力分布を得る。この際、各巻線が正弦波分布を実現する必要はなく、組み合わせにより、支持力の脈動が小さくなるように工夫する。
【００２９】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
本発明の第２実施形態は支持巻線ＳI、SOの内、外側に配置した支持巻線SO部分を有効に利用するため、アウターロータを構成し、ダブルロータを構成したものである。本発明の第２実施形態の構成図を図２に示す。なお、図１と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
【００３０】
図２において、固定子２０を形成する固定子ヨーク１には歯２３が内側の歯３と対称に外側に向けて１２歯突設されており、モータ巻線MＯ（図中、記号ＭＯで示す）が歯２３ごとに短節集中巻で捲回されている。但し、図２中には簡単のため、モータ巻線MＯはＵ相のみを表示している。また、アウターロータ２５の内側には等間隔に配設された鉄心極２７の間に図示しない永久磁石が歯２３に向けて埋設されている。さらに、各歯２３には図１と同様に図示しない巻線SCが短節集中巻にて捲回されている。
【００３１】
なお、このように必要に応じて外側のスロット２１にもモータ巻線ＭＯ、支持巻線SO、巻線SC、さらに、図３で示した支持巻線Ｓのすべてあるいは一部を組みあわせることにより支持力、トルクを改善、増加できる。
また、図２のようにダブルロータとしないでアウターロータのみとしても良い。この場合は内側の歯、巻線を省略してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明であるベアリングレスモータの活用例として、マイクロガスタービンなどの発電機、フライホイール電動発電機、ポンプ、ブロワ、コンプレッサの駆動、エアコン、家電製品、コンピュータ用機器の駆動、自動車のターボ発電電動機、バイオリアクタ、半導体製造機器、真空容器内の電動機、特殊ガス中、液体中の電動機に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１実施形態の構成図
【図２】本発明の第２実施形態の構成図
【図３】従来のベアリングレスモータの巻線の構成例
【符号の説明】
【００３４】
１  固定子ヨーク
３、２３  歯
５  回転子
７、２７  鉄心極
９  永久磁石
１０、２０  固定子
１１、２１  スロット
２５  アウターロータ
Ｍ、ＭＯ  モータ巻線
Ｓ  支持巻線
ＳＣ  巻線
ＳＥ  コイルエンド
ＳＩ  支持巻線（内側導線）
ＳＯ  支持巻線（外側導線）
ＳＯＲ  支持巻線（個別導線）
【図１】
2008178165.tif 000003
【図２】
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【図３】
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