(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータとロータとが対向し、ロータが磁気力により回転自在に支持されてなる磁気浮上型電動機において、上記ロータは多極着磁されたロータマグネットを有し、上記ステータは、上記ロータマグネットに対向して上記ロータに回転トルクを発生させる回転用巻線を有するとともに上記ロータの回転軸線方向に対して直交する方向の軸受力を発生させる軸受用巻線を有し、上記回転用巻線と軸受用巻線とは周方向にずらして重ならないように配置されてなり、上記ロータの回転軸線方向に対して直交する平面に関する上記ロータの変位を検出する変位センサを有し、上記回転用巻線により上記ロータを回転させるとともに、上記変位センサの出力により上記軸受用巻線を通電制御して上記ロータの回転軸を所定の位置に保持するようにしたことを特徴とする磁気浮上型電動機。
【請求項２】
上記ステータとロータとを平面対向型に構成してなることを特徴とする請求項１記載の磁気浮上型電動機。
【請求項３】
上記ステータとロータとを円筒型に構成してなることを特徴とする請求項１記載の磁気浮上型電動機。
【請求項４】
回転用巻線と軸受用巻線はそれぞれ同一形状であることを特徴とする請求項１記載の磁気浮上型電動機。
【請求項５】
ステータとロータとを平面対向型に構成するとともに、ロータの回転軸線方向に二つの平面型ロータマグネットが設けられ、この二つの平面型ロータマグネットを間に挟んだ両側に上記ステータが配置され、両側のステータそれぞれに回転用巻線と軸受用巻線とがそれぞれ設けられてなることを特徴とする請求項１記載の磁気浮上型電動機。
【請求項６】
上記円筒型のステータとロータとを回転軸線方向に２組配置してなることを特徴とする請求項３記載の磁気浮上型電動機。
【請求項７】
回転用巻線及び軸受用巻線の巻線間隔の間に突極が設けられていることを特徴とする請求項１記載の磁気浮上型電動機。
【請求項８】
ロータマグネットの極数は８、ステータの上記軸受用巻線の極数は６であることを特徴とする請求項１記載の磁気浮上型電動機。
【請求項９】
ロータマグネットの極数は４、ステータの上記軸受用巻線の極数は６であることを特徴とする請求項１記載の磁気浮上型電動機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロータを磁気的に非接触で回転可能に支持する磁気浮上型電動機に関する。さらに詳述すると、本発明は、磁気浮上型電動機の内部における巻線構造の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転体を非接触で支持することを目的として磁気軸受が使用されている。また、磁気軸受としての機能とモータとしての機能とを一体化したラジアル型磁気浮上型電動機１０１が提案されている。従来、このような磁気浮上型電動機１０１としては、８極ロータ１０２に６個の集中巻線を持つステータ１０３を用いた構成のローレンツ力型磁気浮上型電動機１０１が開発されている。この磁気浮上型電動機１０１では、図１１〜図１３に示すように、回転トルクを与える回転用巻線１０４と浮上力を与える軸受用巻線１０５とが同じ位置に設置されているため、ロータ１０２とステータ１０３の空間内を折半していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のように回転用巻線１０４と軸受用巻線１０５とが径方向に二段重ねで配置されていると、マグネット１０６とバックヨーク１０７間のスペースが大きくなってしまい、無駄なスペースが生じ、十分な巻線スペースを確保することが難しくなる場合がある。そうすると、トルク、浮上力とも小さくなってしまうという問題がある。
【０００４】
そこで、本発明は、従来無駄になっていた空間を有効に利用し、巻線スペースを大きくし、トルク、浮上力を大きくすることが可能な磁気浮上型電動機を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、請求項１記載の発明は、ステータとロータとが対向し、ロータが磁気力により回転自在に支持されてなる磁気浮上型電動機において、ロータは多極着磁されたロータマグネットを有し、ステータは、ロータマグネットに対向してロータに回転トルクを発生させる回転用巻線を有するとともにロータの回転軸線方向に対して直交する方向の軸受力を発生させる軸受用巻線を有し、回転用巻線と軸受用巻線とは周方向にずらして重ならないように配置されてなり、ロータの回転軸線方向に対して直交する平面に関するロータの変位を検出する変位センサを有し、回転用巻線によりロータを回転させるとともに、変位センサの出力により軸受用巻線を通電制御してロータの回転軸を所定の位置に保持するようにしたものである。
【０００６】
この磁気浮上型電動機では、２つの巻線を重ねずにずらして同一周に配置することにより、巻線の占有率を例えば２倍に増やして回転トルクと浮上力を大幅にアップすることを可能としている。この場合、２つの巻線を機械角（または電気角）で一定角度ずつずらして配置することにより、回転トルクと浮上力を独立に制御することが可能である。また、巻線の占有率を増やす代わりに、ロータとステータの空隙の長さを短くすることにより空隙での磁束密度を大きくして回転トルクと浮上力を増大させることも可能である。あるいは、巻線スペースを大きくする代わり、ターン数はそのままに、ロータ−ステータギャップを小さくし、ギャップ磁束密度を大きくすることにより、ターン数を増やすのと同様にトルク、浮上力を大きくすることが可能となる。
【０００７】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の磁気浮上型電動機において、ステータとロータとを平面対向型に構成してなるものである。
【０００８】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の磁気浮上型電動機において、ステータとロータとを円筒型に構成してなるものである。
【０００９】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の磁気浮上型電動機において、回転用巻線と軸受用巻線はそれぞれ同一形状である。
【００１１】
請求項５記載の発明は、請求項１記載の磁気浮上型電動機において、ステータとロータとを平面対向型に構成するとともに、ロータの回転軸線方向に二つの平面型ロータマグネットが設けられ、この二つの平面型ロータマグネットを間に挟んだ両側にステータが配置され、両側のステータそれぞれに回転用巻線と軸受用巻線とがそれぞれ設けられてなるものである。
【００１２】
請求項６記載の発明は、請求項３記載の磁気浮上型電動機において、円筒型のステータとロータとを回転軸線方向に２組配置してなるものである。
【００１３】
請求項７記載の発明は、請求項１記載の磁気浮上型電動機において、回転用巻線及び軸受用巻線の巻線間隔の間に突極が設けられているものである。
【００１４】
請求項８記載の発明は、請求項１記載の磁気浮上型電動機において、ロータマグネットの極数は８、ステータの軸受用巻線の極数は６としたものである。
【００１５】
請求項９記載の発明は、請求項１記載の磁気浮上型電動機において、ロータマグネットの極数は４、ステータの軸受用巻線の極数は６としたものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００１７】
図１等に本発明を適用した磁気浮上型電動機の一実施形態を示す。この磁気浮上型電動機１は、ステータ２０とロータ１０とが対向し、ロータ１０が磁気力により回転自在に支持されてなる電動機である。ロータ１０は多極着磁されたロータマグネット１２を有し、ステータ２０は、ロータマグネット１２に対向してロータ１０に回転トルクを発生させる回転用巻線２６を有するとともにロータ１０の回転軸線方向に対して直交する方向の軸受力を発生させる軸受用巻線２７を有し、回転用巻線２６と軸受用巻線２７とは周方向にずらして重ならないように配置されてなり、ロータ１０の回転軸線方向に対して直交する平面に関するロータ１０の変位を検出する変位センサを有し、回転用巻線２６によりロータ１０を回転させるとともに、変位センサの出力により軸受用巻線２７を通電制御してロータ１０の回転軸を所定の位置に保持するようにしている。
【００１８】
本実施形態の磁気浮上型電動機１においては、回転用巻線２６とロータマグネット１２との関係で回転トルクを発生させるようにしている。すなわち、回転用巻線２６の対角上の巻線に同相の電流を与えることにより、ローレンツ力ＬＦが逆方向に生じ、回転トルクが発生する。また、軸受用巻線２７とロータマグネット２１との関係で浮上力（軸受力）を発生させるようにしている。すなわち、軸受用巻線２７の対角上の巻線に逆相の電流を与えることにより、同一方向のローレンツ力ＬＦが発生し、ラジアル方向の力つまり浮上力となる。
【００１９】
ステータ２０は、回転トルクを発生させる回転用巻線２６と、ロータ１０の回転軸線方向の軸受力を発生させる軸受用巻線２７とを有してなる。本実施形態の磁気浮上型電動機１は、図１に示すようにロータマグネット１２の極数が８、ステータ２０の軸受用巻線２７の極数が６の電動機である。回転用巻線２６と軸受用巻線２７はともに６個の矩形状の巻線からなり、互いに重なり合うようにステータコア上に配置されている。
【００２０】
ロータ１０は、バックヨーク１１と、このバックヨーク１１の一面側に固着されたロータマグネット１２とを有してなる。ロータマグネット１２は、周方向に８極の着磁がされている。ロータ１０と図１に示すステータ２０は、互いに面対向した状態で配置され、ロータ１０は適宜のスラスト軸受手段によって支持され、円筒型の電動機を構成している。
【００２１】
この場合、ステータ２０において、回転用巻線２６、軸受用巻線２７のどちらか一方をずらして配置することにより巻線占有率を増やし、回転トルク、浮上力共に増加させることが可能となる。例えば軸受用巻線２７の極数を６とした本実施形態では、図１および図２に示すように、軸受用巻線２７を構成する浮上用巻線Ｕｂ，Ｖｂ，Ｗｂを、回転用巻線２６の位置から時計回りに３０度ずつ移動して配置している。
【００２２】
ここで、図３および図４に示すように、回転用巻線２６は回転軸線からの距離が一定の略矩形の巻線であるのに対し、軸受用巻線２７は回転軸線からの距離が途中で異なるように折り曲げられた２段高さの矩形巻線である。この場合、軸受用巻線２７は、バックヨーク１１と接する部分においては矩形回転用巻線２６の枠の内側を通過するのに対し、バックヨーク１１が接しない部分においては、径方向外側に退避して回転用巻線２６よりも外側を通過するように形成されている。このため、本実施形態の磁気浮上型電動機１では、回転用巻線２６および軸受用巻線２７を同方向にずらして重ならないように配置して、ロータ１０とステータ２０との間の巻線設置スペースは巻線１段分の厚さがあれば足りるようにしている。したがって、ロータ１０とステータ２０との間の間隔を狭めることが可能となり、ギャップ磁束密度を大きくしてトルク、浮上力を増加させることができる。また、ギャップ間隔を狭めない場合には、巻線数を多くしてトルク、浮上力を増加させることができる。
【００２３】
また、図２では、磁気浮上型電動機１をラジアル方向に展開し、巻線とロータマグネット１２の磁極の位置関係を１回転にわたって示している。ステータコアにはＵ，Ｖ，Ｗの回転用巻線２６および軸受用巻線２７がそれぞれ配置されている。ロータ１０にはロータマグネット１２により８極の磁極が作られ、ロータ１０とステータ２０との間のエアギャップには、次の数式１で示す正弦波状の磁束Ｂｇが生じる。
【数１】
Ｂｇ＝−Ｂｓｉｎ（ωｔ＋４θ）
本実施形態の回転トルク発生原理について説明する。Ｕｍ，Ｖｍ，Ｗｍの３相の集中巻線がステータ２０上にπ／３ずつの間隔で６個配置される。各相の行きと帰りの巻線は、最大トルクを発生させるためにπ／４の間隔で巻かれる。巻線の各相には数式２で示す３相電流を流す。
【数２】
0004750965.tif 000002
【００２４】
ここで、各変数の定義を以下に示す。
Ｂ          ：マグネットの磁束密度の波高値
ω          ：角周波数
ｔ          ：時間
θ          ：ステータ上に固定した回転座標
Ａ          ：電流の波高値
φ          ：電動機巻線による磁束とロータの位相差
ｌｍ        ：軸受用巻線の全有効長さ
【００２５】
円周上を流れる電動機電流の半周期分は、ディラック（Ｄｉｒａｃ）のデルタ関数を用いて数式３のように表すことができる。
【数３】
0004750965.tif 000003
この電流によって生じる回転トルクは、フレミングの法則から数式４のようになる。残りの半周期にも同じ電流が流れるものとして、半周期分の２倍としてトルクを計算した。
【数４】
0004750965.tif 000004
これにより、本実施形態にかかる磁気浮上型電動機１によれば、ロータの位置、および時間に関係なく一定のトルクを発生させることができる。
【００２６】
さらに、通常の同期電動機と同様に、３相電流の位相φで次のような電動機制御を行うことができる。
φ＝０゜          ・波高値Ａによりサーボ電動機制御
φ＝９０゜        ・同期電動機の無負荷時
０゜＜φ＜９０゜  ・同期電動機の負荷時
【００２７】
上述の実施形態にかかる磁気浮上型電動機１では、ロータマグネット１２の極数が８極になっているが、ステータの巻線は４極相当である。それにもかかわらず、ＰＭ同期電動機と同じ制御が可能であり、コイルエンドの長さは最短で、銅損が少ないという特徴を持っている。また、電気周波数ωと機械周波数ωｍとの関係は、８極電動機と同じく、次の数式５の関係となる。
【数５】
ω＝（Ｐ／２）ωｍ  ，  Ｐ＝８
【００２８】
次に、本実施形態の浮上力制御について説明する。ラジアル方向の浮上力を発生する軸受用巻線２７の配置を図２に示す。軸受用巻線２７は回転用巻線２６から３０゜（π／６）ずれた位置に配置され、３相２極の巻線構成である。軸受用巻線２７には次の３相交流を流す。
【数６】
0004750965.tif 000005
【００２９】
ここで、各変数の定義を以下に示す。
Ｂ          ：マグネットの磁束密度の波高値
ω          ：角周波数
ｔ          ：時間
θ          ：ステータ上に固定した回転座標
Ｃ          ：ロータのラジアル方向制御電流の波高値
φ          ：浮上用巻線電流の位相差
ｌｂ        ：軸受用巻線の全有効長さ
電動機のベースに対して垂直上方向をｙ，水平横方向をｘとする。
【００３０】
円周上に配置された電流は、巻線位置に集中していると近似できるので以下の関数で表すことができる。ここで、比較のため従来における電流および浮上力から示すと、
【数７】
0004750965.tif 000006
これをフレミングの左手の法則（ＢＩＬ則）に代入して浮上力を計算すると、
【数８】
0004750965.tif 000007
【数９】
0004750965.tif 000008
数式８、数式９で表される浮上力は、３相交流の電圧Ｃと位相φで自由に制御できる。
【００３１】
これに対し、本実施形態における巻線分布の電流は数式１０に示す関数で表すことができる。
【数１０】
0004750965.tif 000009
これをフレミングの左手の法則（ＢＩＬ則）に代入して浮上力を計算すると、
【数１１】
0004750965.tif 000010
【数１２】
0004750965.tif 000011
この場合も、浮上３相交流の電圧Ｃと位相φで自由に制御することが可能である。
【００３２】
以上のことから、浮上力制御は、ロータ１０の回転角に関係なく行うことができ、トルク制御と干渉せず、また、位相差φにより、円周上全ての方向に制御力を発生させることが可能であることがわかる。
【００３３】
以上説明した磁気浮上型電動機１は、一例を図５に示すような制御システムによって回転制御および浮上力の制御が行われる。図５において、ロータ１０の回転軸線方向と垂直な方向へのロータ１０の変位を検出する二つの変位センサ３１、３２を有している。変位センサ３１はｘ方向の変位を検出し、変位センサ３２はこれに直交する方向であるｙ方向の変位を検出する。各変位センサ３１、３２の検出出力は適宜の変換器３４を経てアナログ・デジタル変換器３６に入力されてデジタル信号に変換され、中央制御ユニット（以下「ＣＰＵ」という）４０に入力される。ＣＰＵ４０は各変位センサ３１、３２の検出出力に基づいて各巻線２６、２７への通電を制御すべくデジタル・アナログ変換器３８を通じて制御信号を出力する。この制御信号はパワーアンプ４２に入力され、パワーアンプ４２は、回転用巻線２６と軸受用巻線２７に制御信号に応じた電流を流す。この制御システムで軸受用巻線２７への通電制御が行われることにより、ロータ１０の回転軸を所定の位置に保持することができる。
【００３４】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本実施形態では磁気浮上型電動機１を周対向する円筒型モータとしたが、ステータ２０とロータ１０とを回転軸線方向に２組配置して磁気浮上型電動機１を構成することができる。
【００３５】
また、上述の実施形態では周対向する円筒型モータに適用したが、面対向型モータにもそのまま適用することができる。一例を挙げれば、上述の実施形態では一つのステータ２０と一つのロータ１０を対向させた形態になっていたが、図６に示すように、ステータ２０とロータ１０とを平面対向型に構成するとともに、ロータ１０を構成するバックヨーク１１の回転軸線方向両側に二つの平面型ロータマグネット１２１、１２２を設け、この二つの平面型ロータマグネット１２１、１２２を間に挟んだ両側にそれぞれステータ２０１、２０２を配置し、両側のステータ２０１、２０２それぞれに軸受用巻線２６１、２６３と回転用巻線２６２、２６４とをそれぞれ設けてもよい。こうすれば、プッシュ・プル方式によって回転トルクを増大させることができるし、ラジアル方向４自由度を能動的に制御することが可能である。
【００３６】
前述の実施の形態および図６、図７に示す実施の形態においては、軸受用巻線２７および回転用巻線２６への通電を制御することにより、各種の制御行うことができる。例えば、少なくとも、ロータ１０のｘ方向の変位制御、ロータ１０のｙ方向の変位制御、ロータ１０Ｘ平面およびＹ平面それぞれの傾き制御の４軸制御と、回転トルク制御を行うことができる。
【００３７】
ロータ１０は適宜のスラスト軸受によってスラスト荷重が支持される。例えば、図７に示す例のように、ロータ１０の上下中心から軸を突出させ、この軸をピボット４４、４６で回転自在に支持してもよい。あるいは、ロータ１０をスラスト磁気軸受で非接触で回転自在に支持してもよい。
【００３８】
また、本発明は、ロータマグネット１２の極数を４極とした場合にも適用可能である。例えば、図８に示すように回転方向において略９０度の等間隔をなして４極の磁極を備えるように着磁が施されている磁気浮上型電動機１においては、ロータマグネットを８極、巻線を６極としたものに比較して、駆動周波数が半分に低減されることとなる。その結果、駆動アンプの高速化が不要となるとともに、鉄損の増加に基づく発熱や効率の低下が効果的に防止されるようになっている。
【００３９】
また、本実施形態では軸受用巻線２７を途中で折り曲げる形状とし、回転用巻線２６の径方向外側に退避して径方向厚みを薄くしたが、これとは逆に回転用巻線２６を折り曲げる構造としても構わない。あるいは、回転用巻線２６と軸受用巻線２７を同一形状となるように折り曲げ、一部重なるように配置して径方向厚みを薄くすることも可能である。
【００４０】
さらに、図９は、ステータコイルによる磁束をより有効に利用するために、ステータ２０に突極５５、５６を設けた実施の形態を示す。突極５５は主極で、この主極５５にコイル２６、２７が巻回されている。突極５６は補極で、主極５５間に位置している。主極５５と補極５６の幅が円周上に図２で説明した巻線間隔、すなわち主極の幅がほぼπ／４、補極の幅がほぼπ／２で配置されている。従って、図２に示す磁気的関係を保ちながら、ロータとステータとの間のギャップを小さくすることができ、より強固な回転力と浮上力を得ることができる。
【００４１】
図１０は、円筒型の電動機をさらに変形した実施の形態を概念的に示したもので、円筒形磁気浮上型電動機を実質的に２個、軸方向に配置したものである。この実施の形態によれば、ロータ１０の回転軸に垂直なＸ方向の変位制御、ロータ１０の回転軸に垂直で上述のＸ方向に直交するＹ方向の変位制御、上述のＸ平面およびＹ平面それぞれの傾き制御の４軸制御と、回転トルク制御を行うことができる。ロータ１０は、適宜のスラスト軸受によってスラスト荷重が支持される。例えばピボットで回転自在に支持してもよい。あるいは、ロータ１０をスラスト磁気軸受で非接触で回転自在に支持してもよい。
【００４２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明にかかる磁気浮上型電動機によると、従来は２段に重ねて配置していた回転用巻線、軸受用巻線それぞれの巻線をずらして同一周に配置することにより、無駄になっていた空間を有効に利用し、巻線スペースを大きくし、浮上力を大きくすることが可能となる。しかも、巻線をずらして配置しても、回転トルクと浮上力は独立に制御することが可能であり、浮上用三相交流の電流値とその位相により、浮上力ベクトルを自由な方向に発生させることができる。また、巻線スペースをそのままにした場合には、ロータ−ステータ間隔を小さくすることが出来、ギャップ磁束密度を大きくすることが出来るため、同様にトルク、浮上力を大きくすることが出来る。
【００４３】
また、固定子の構造が簡単であり、磁気浮上力制御と回転トルク制御のうちの一方の制御が他方の制御に影響を及ぼすことがなく、また、軸長を短くすることができ、その分危険速度を高くすることができる。
【００４４】
また、本発明では、ステータとロータとを平面対向型に構成するとともに、ロータの回転軸線方向に二つの平面型ロータマグネットを設け、この二つの平面型ロータマグネットを間に挟んだ両側にステータを配置し、両側のステータそれぞれに回転用巻線と軸受用巻線とをそれぞれ設けたことから、より大きな浮上力と回転トルクを得ることができるとともに、回転軸方向の位置制御を除く空間４軸の制御が可能となる。
【００４５】
さらに、本発明によれば、円筒型の磁気浮上型電動機において、円筒型のステータとロータとを回転軸線方向に２組配置したものにおいても、より大きな浮上力と回転トルクを得ることができるとともに、回転軸方向の位置制御を除く空間４軸の制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる磁気浮上型電動機の構造例を示す概略平面図である。
【図２】本実施形態の回転トルク発生原理および浮上力発生原理を示す展開図である。
【図３】回転用巻線および軸受用巻線の一形状例を示す斜視図である。
【図４】回転用巻線および軸受用巻線の形状例を示す磁気浮上型電動機の概略縦断面図である。
【図５】本実施形態に適用可能な制御系統の例を示すブロック図である。
【図６】本発明にかかる磁気浮上型電動機のさらに別の実施の形態を概念的に示す正面図である。
【図７】本発明にかかる磁気浮上型電動機のさらに別の実施の形態を概念的に示す正面図である。
【図８】回転用巻線に対する電流設定の一例を表した平面模式図である。
【図９】本発明にかかる磁気浮上型電動機のさらに別の実施の形態を示す横断面図である。
【図１０】本発明にかかる磁気浮上型電動機のさらに別の実施の形態を概念的に示した正面説明図である。
【図１１】従来の磁気浮上型電動機の構造例を示す概略平面図である。
【図１２】従来の磁気浮上型電動機の回転トルク発生原理および浮上力発生原理を示す展開図である。
【図１３】従来の磁気浮上型電動機の回転用巻線および軸受用巻線の形状例を示すステータの概略縦断面図である。
【符号の説明】
１      磁気浮上型電動機
１０    ロータ
１２    ロータマグネット
２０    ステータ
２１    回転用巻線
２２    軸受用巻線
２６    回転用巻線
２７    軸受用巻線
３１    変位センサ
３２    変位センサ
１２１  ロータマグネット
１２２  ロータマグネット
２０１  ステータ
２０２  ステータ
２６１  軸受用巻線
２６２  回転用巻線
２６３  軸受用巻線
２６４  回転用巻線
【図１】
0004750965.tif 000012
【図２】
0004750965.tif 000013
【図３】
0004750965.tif 000014
【図４】
0004750965.tif 000015
【図５】
0004750965.tif 000016
【図６】
0004750965.tif 000017
【図７】
0004750965.tif 000018
【図８】
0004750965.tif 000019
【図９】
0004750965.tif 000020
【図１０】
0004750965.tif 000021
【図１１】
0004750965.tif 000022
【図１２】
0004750965.tif 000023
【図１３】
0004750965.tif 000024