(57)【要約】【課題】１台のインバータで駆動可能であり、半径方向の剛性が高く、回転子の軸長が短くかつ半径が長い電動機及びこの電動機を備える電動機システムを実現する。【解決手段】電動機１は、径方向に着磁された回転子永久磁石１１と、回転子永久磁石１１に対して径方向内方に、軸方向に着地された回転子側磁気軸受用永久磁石３１とを有し、径方向の長さが軸方向の長さより長い回転子１０と、回転子１０に対して径方向にギャップを隔てて対向し、回転子１０側に突出したティース２１−１が周方向に周設された固定子鉄心２１と、各ティース２１−１の間に配置された巻線２２Ｕと、回転子側磁気軸受用永久磁石３１と同一軸方向に着磁された固定子側磁気軸受用永久磁石３２とを有する固定子２０とを備え、ティース２１−１の回転子１０側の面と回転子永久磁石１１が有する固定子２０側の面とのうち少なくとも一方が軸方向において対向しない面部分を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に対して径方向の内向きもしくは外向きに磁束が発生するよう着磁された回転子永久磁石と、前記回転子永久磁石に対して径方向内方に設けられた、軸方向に磁束が発生するよう着磁された回転子側磁気軸受用永久磁石と、を有し、径方向の長さが軸方向の長さより長い回転子と、
前記回転子に対して径方向にギャップを隔てて対向した固定子であって、前記回転子側に突出したティースが周方向に複数周設された固定子鉄心と、各前記ティースの間に配置された巻線と、前記回転子側磁気軸受用永久磁石が発生する磁束と同一の軸方向に磁束が発生するよう着磁された固定子側磁気軸受用永久磁石と、を有する固定子と、
を備え、
前記ティースの前記回転子側の面と、前記回転子永久磁石が有する前記固定子側の面と、のうちの少なくとも一方が、軸方向において対向しない面部分を有し、
前記巻線に界磁電流を流すことにより発生する磁束と前記回転子側磁気軸受用永久磁石および固定子側磁気軸受用永久磁石により発生する磁束とにより、前記回転子に対して軸方向の力が発生することを特徴とする電動機。
【請求項２】
前記回転子永久磁石の径方向外方に、前記ティースがギャップを隔てて対向する請求項１に記載の電動機。
【請求項３】
前記回転子側磁気軸受用永久磁石は、前記回転子永久磁石に対して軸方向にずれた位置に設けられ、
前記固定子側磁気軸受用永久磁石は、前記回転子側磁気軸受用永久磁石の径方向外方にギャップを隔てて対向する請求項２に記載の電動機。
【請求項４】
前記回転子側磁気軸受用永久磁石は、前記回転子の回転軸を中心として軸方向に貫く中空部を有し、
前記固定子側磁気軸受用永久磁石は、前記中空部内に、前記回転子側磁気軸受用永久磁石に対して径方向にギャップを隔てて対向するよう収容される請求項２に記載の電動機。
【請求項５】
前記回転子永久磁石の径方向内方に、前記ティースがギャップを隔てて対向する請求項１に記載の電動機。
【請求項６】
前記固定子側磁気軸受用永久磁石は、前記回転子の回転軸を中心として軸方向に貫く中空部を有し、
前記回転子側磁気軸受用永久磁石は、前記中空部内に、前記固定子側磁気軸受用永久磁石に対して径方向にギャップを隔てて対向するよう収容される請求項５に記載の電動機。
【請求項７】
前記回転子側磁気軸受用永久磁石は、前記固定子側磁気軸受用永久磁石に対して軸方向にギャップを隔てて対向する請求項５に記載の電動機。
【請求項８】
回転軸に対して径方向の内向きもしくは外向きに磁束が発生するよう着磁された回転子永久磁石と、前記回転子永久磁石に対して径方向内方に設けられた回転子側磁気軸受用鉄心と、を有し、径方向の長さが軸方向の長さより長い回転子と、
前記回転子に対して径方向にギャップを隔てて対向した固定子であって、前記回転子側に突出したティースが周方向に複数周設された固定子鉄心と、各前記ティースの間に配置された巻線と、径方向に磁束が発生するよう着磁された固定子側磁気軸受用永久磁石と、前記固定子側磁気軸受用永久磁石により発生する磁束が前記回転子側磁気軸受用鉄心を通過するように配置された固定子側磁気軸受用鉄心と、を有する固定子と、
を備え、
前記ティースの前記回転子側の面と、前記回転子永久磁石が有する前記固定子側の面と、のうちの少なくとも一方が、軸方向において対向しない面部分を有し、
前記巻線に界磁電流を流すことにより発生する磁束と固定子側磁気軸受用永久磁石により発生する磁束とにより、前記回転子に対して軸方向の力が発生することを特徴とする電動機。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の電動機と、
前記回転子の軸方向の位置を検出する変位センサと、
前記変位センサが検出する位置情報に基づいて前記回転子の軸方向の位置制御を行うための界磁電流指令を生成し、前記回転子を回転駆動するための電機子電流指令を生成する制御装置と、
前記界磁電流指令および前記電機子電流指令に基づいて直流電流を変換して前記巻線に供給するための交流電流を生成するインバータと、
を備えることを特徴とする電動機システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転子が磁気力を発生しながら回転する電動機およびこれを備える電動機システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電動機部と磁気軸受部を磁気的に一体化させたベアリングレスモータは、回転子が磁気力を発生して浮上しながら回転する電動機であり、回転子に機械的な接触部分がないので、無摩擦、無摩耗、メンテナンスフリーという利点がある。
【０００３】
ベアリングレスモータにおいて回転子を磁気浮上させるには、回転子の回転方向θｚ以外の、径方向ｘおよびｙ、軸方向ｚ、傾き方向θｘおよびθｙを、能動的もしくは受動的な磁気支持力により、安定させる必要がある。
【０００４】
例えば、１軸制御ベアリングレスモータの場合、軸方向ｚのみを能動的に制御し、径方向ｘおよびｙならびに傾き方向θｘおよびθｙについては永久磁石などを用いて受動的に安定させている（例えば、非特許文献１参照。）。したがって、変位センサは軸方向ｚを計測する１台のみですみ、またインバータの数も削減できるので、２軸制御ベアリングレスモータや５軸制御ベアリングレスモータに比べて低コストである。
【０００５】
１軸制御ベアリングレスモータの応用分野としては、冷却ファンや人工心臓用の遠心ポンプなどが考えられているが、これらの分野では、軸長を短くしなければならないという制約がある。しかしながら、１軸制御ベアリングレスモータは、一般的に、傾き方向θｘおよびθｙの受動安定化のために、軸長を長く設計する場合が多く、軸長の短縮は容易でない。
【０００６】
１軸制御ベアリングレスモータとして、モータの両端に反発受動型磁気軸受（ＲＰＭＢ）を配置し、さらにその片端にスラスト磁気軸受を配置する磁気軸受モータがある（例えば、非特許文献２参照。）。
【０００７】
同じく、モータの両端に反発受動型磁気軸受（ＲＰＭＢ）を配置した１軸制御ベアリングレスモータがある（例えば、非特許文献３参照。）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｔ．オウジ（Ｔ．Ｏｈｊｉ）、Ｔ．カツダ（Ｔ．Ｋａｔｓｕｄａ）、Ｋ．アメイ（Ｋ．Ａｍｅｉ）、Ｍ．サクイ（Ｍ．Ｓａｋｕｉ）著、「表面貼付型磁石１軸制御反発型磁気ベアリングシステムの構造、ならびにおよびその浮上および回転の試験（Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ  Ｏｎｅ−Ａｘｉｓ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｒｅｐｕｌｓｉｖｅ  Ｔｙｐｅ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｂｅａｒｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｗｉｔｈ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｓ  Ｉｎｓｔａｌｌｅｄ  ａｎｄ  Ｉｔｓ  Ｌｅｖｉｔａｔｉｏｎ ａｎｄ  Ｒｏｔａｔｉｏｎ  Ｔｅｓｔｓ）」、（米国）、米国電気電子学会トランザクション（ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ）、磁気学（Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ）、Ｖｏｌ．４７、Ｎｏ．１２、ｐｐ４７３４〜４７３９、２０１１年１２月
【非特許文献２】Ｓ. ヤン（Ｓ. Ｙａｎｇ）、Ｍ. ファング（Ｍ. Ｈｕａｎｇ）著、「磁気浮上１軸制御された軸方向血液ポンプの設計および実現（Ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  Ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ  Ｌｅｖｉｔａｔｅｄ  Ｓｉｎｇｌｅ−Ａｘｉｓ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ａｘｉａｌ  Ｂｌｏｏｄ  Ｐｕｍｐ）」、米国電気電子学会トランザクション（ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ）、産業電気（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）、Ｖｏｌ．５６、Ｎｏ．６、ｐｐ２２１３〜２２１９、２００９年６月
【非特許文献３】湯本淳史、進士忠彦著、「軸方向制御型磁気軸受モータを搭載した小型遠心血流ポンプ」、日本機械学会論文集Ｃ編、第７８巻、第７９２号、ｐｐ．３０６４〜３０７２、２０１２年８月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
一般的に、１軸制御ベアリングレスモータは、傾き方向の剛性が低いので、傾き方向の安定化のためには、非特許文献１に記載された技術のように回転子の直径を小さくし、軸長を長くする必要がある。また、非特許文献２に記載された技術のように傾き方向の安定化を図ることを目的として軸方向の両端に設けられる磁気軸受も、軸長の短縮を困難にする。また、非特許文献３に記載された技術によれば、径方向の端部に反発磁石を用いて傾き方向を安定化させることで軸長を短縮することができるが、回転子の回転駆動用とインバータとスラスト磁気軸受用の、少なくとも２台のインバータを設ける必要があり、高コストである。また、反発磁石は半径方向に対して負剛性であるため、半径方向の剛性が低下し、半径方向の振動が大きくなる問題がある。
【００１０】
従って本発明の目的は、上記問題に鑑み、１台のインバータで回転子のトルクおよび能動的な軸方向の力が発生可能であり、回転子の軸長が短くかつ半径が長い偏平構造でありながら、傾き方向に受動安定である電動機およびこの電動機を備える電動機システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を実現するために、本発明においては、電動機は、回転軸に対して径方向の内向きもしくは外向きに磁束が発生するよう着磁された回転子永久磁石と、回転子永久磁石に対して径方向内方に設けられた、軸方向に磁束が発生するよう着磁された回転子側磁気軸受用永久磁石と、を有し、径方向の長さが軸方向の長さより長い回転子と、回転子に対して径方向にギャップを隔てて対向した固定子であって、回転子側に突出したティースが周方向に複数周設された固定子鉄心と、各ティースの間に配置された巻線と、回転子側磁気軸受用永久磁石が発生する磁束と同一の軸方向に磁束が発生するよう着磁された固定子側磁気軸受用永久磁石と、を有する固定子と、を備え、ティースの回転子側の面と、回転子永久磁石が有する固定子側の面と、のうちの少なくとも一方が、軸方向において対向しない面部分を有し、巻線に界磁電流を流すことにより発生する磁束と回転子側磁気軸受用永久磁石および固定子側磁気軸受用永久磁石により発生する磁束とにより、回転子に対して軸方向の力が発生する。
【００１２】
本発明の第１の態様によれば、回転子永久磁石の径方向外方に、ティースがギャップを隔てて対向する。
【００１３】
上述の第１の態様において、回転子側磁気軸受用永久磁石は、回転子永久磁石に対して軸方向にずれた位置に設けられ、固定子側磁気軸受用永久磁石は、回転子側磁気軸受用永久磁石の径方向外方にギャップを隔てて対向するようにしてもよい。
【００１４】
また、上述の第１の態様において、回転子側磁気軸受用永久磁石は、回転子の回転軸を中心として軸方向に貫く中空部を有し、固定子側磁気軸受用永久磁石は、中空部内に、回転子側磁気軸受用永久磁石に対して径方向にギャップを隔てて対向するよう収容されるようにしてもよい。
【００１５】
また、本発明の第２の態様によれば、回転子永久磁石の径方向内方に、ティースがギャップを隔てて対向するようにしてもよい。
【００１６】
上述の第２の態様において、固定子側磁気軸受用永久磁石は、回転子の回転軸を中心として軸方向に貫く中空部を有し、回転子側磁気軸受用永久磁石は、中空部内に、固定子側磁気軸受用永久磁石に対して径方向にギャップを隔てて対向するよう収容されるようにしてもよい。
【００１７】
また、上述の第２の態様において、回転子側磁気軸受用永久磁石は、固定子側磁気軸受用永久磁石に対して軸方向にギャップを隔てて対向するようにしてもよい。
【００１８】
また、本発明の第３の態様によれば、電動機は、回転軸に対して径方向の内向きもしくは外向きに磁束が発生するよう着磁された回転子永久磁石と、回転子永久磁石に対して径方向内方に設けられた回転子側磁気軸受用鉄心と、を有し、径方向の長さが軸方向の長さより長い回転子と、回転子に対して径方向にギャップを隔てて対向した固定子であって、回転子側に突出したティースが周方向に複数周設された固定子鉄心と、各ティースの間に配置された巻線と、径方向に磁束が発生するよう着磁された固定子側磁気軸受用永久磁石と、固定子側磁気軸受用永久磁石により発生する磁束が回転子側磁気軸受用鉄心を通過するように配置された固定子側磁気軸受用鉄心と、を有する固定子と、を備え、ティースの回転子側の面と、回転子永久磁石が有する固定子側の面と、のうちの少なくとも一方が、軸方向において対向しない面部分を有し、巻線に界磁電流を流すことにより発生する磁束と固定子側磁気軸受用永久磁石により発生する磁束とにより、回転子に対して軸方向の力が発生する。
【００１９】
また、本発明によれば、電動機システムは、上述の第１〜第３の態様による電動機と、回転子の軸方向の位置を検出する変位センサと、変位センサが検出する位置情報に基づいて回転子の軸方向の位置制御を行うための界磁電流指令を生成し、回転子を回転駆動するための電機子電流指令を生成する制御装置と、界磁電流指令および電機子電流指令に基づいて直流電流を変換して巻線に供給するための交流電流を生成するインバータと、を備える。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、１台のインバータで回転子のトルクおよび能動的な軸方向の力が発生可能であり、回転子の軸長が短くかつ半径が長い偏平構造でありながら、傾き方向に受動安定である電動機およびこの電動機を備える電動機システムを実現することができる。
【００２１】
本発明によれば、従来構造と比較して、軸長が短く、直径が大きい偏平構造が実現可能である。また、本発明によれば、回転子の回転軸の軸方向に設けられる磁気軸受は１個であり、例えば非特許文献１および非特許文献２に記載された技術のように軸方向の両端に磁気軸受を設ける場合に比べて、軸長が短縮でき、部品点数が少ないので低コストであり組み立て容易である。また、アウターロータ型の設計が容易な構造である。
【００２２】
また、本発明によれば、回転子と固定子とを軸方向にシフトさせる（ずらす）ことで、１台のインバータでベアリングレスモータの回転子の軸方向位置の能動制御と回転制御とを実現することができ、低コストである。
【００２３】
このように、本発明によれば、回転子の軸長が短く半径が長い薄型構造を有する１軸制御ベアリングレスモータを実現することができるので、ファンやポンプなど薄型化が要求される用途への適用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータを説明する断面図（その１）である。
【図２】本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータを説明する断面図（その２）である。
【図３】図２に示すベアリングレスモータの固定子側磁気軸受用永久磁石をＺ軸方向負の方向にシフトさせた場合を説明する断面図である。
【図４】本発明の第２の実施例によるベアリングレスモータを説明する断面図（その１）である。
【図５】本発明の第２の実施例によるベアリングレスモータを説明する断面図（その２）である。
【図６】本発明の第２の実施例によるベアリングレスモータを、回転子の軸方向（＋Ｚ軸方向）からみた断面図である。
【図７】図６において示される巻線電流の向き、力の向き、永久磁石により発生する磁束の向き、および巻線電流により発生する磁束の向きを示す図である。
【図８】本発明の第２の実施例のＺ軸方向の支持力発生原理を説明する断面図であって、固定子巻線に正のｄ軸電流を流した場合を示す。
【図９】本発明の第２の実施例のＺ軸方向の支持力発生原理を説明する断面図であって、固定子巻線に負のｄ軸電流を流した場合を示す。
【図１０】本発明の第２の実施例の傾き方向の復元トルク発生原理を説明する断面図であって、回転子が傾き方向に変位した場合を示す。
【図１１】本発明の第３の実施例によるベアリングレスモータを説明する断面図（その１）である。
【図１２】本発明の第３の実施例によるベアリングレスモータを説明する断面図（その２）である。
【図１３】本発明の第４の実施例によるベアリングレスモータを説明する断面図（その１）である。
【図１４】本発明の第４の実施例によるベアリングレスモータを説明する断面図（その２）である。
【図１５】本発明の第５の実施例によるベアリングレスモータを説明する断面図（その１）である。
【図１６】本発明の第５の実施例によるベアリングレスモータを説明する断面図（その２）である。
【図１７】本発明の第２の実施例の変形例によるベアリングレスモータを説明する断面図である。
【図１８】本発明の第２の実施例の変形例によるベアリングレスモータを説明する分解斜視図である。
【図１９】本発明によるベアリングレスモータの回転子直径と回転子・固定子間のギャップ表面積との関係を示す図である。
【図２０】本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータを冷却ファンに適用した場合を示す断面図である。
【図２１】本発明の第２の実施例によるベアリングレスモータを冷却ファンに適用した場合を示す断面図である。
【図２２】本発明の第３の実施例によるベアリングレスモータを冷却ファンに適用した場合を示す断面図である。
【図２３】本発明の第４の実施例によるベアリングレスモータを冷却ファンに適用した場合を示す断面図である。
【図２４】本発明の第１〜第５の実施例およびによるベアリングレスモータの制御装置を説明する制御ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、回転子の回転軸の方向については「軸方向」もしくは「Ｚ軸方向」と称し、回転子の半径方向については「径方向」と称する。また、異なる図面において同じ参照符号が付されたものは同じ機能を有する構成要素であることを意味するものとする。また、断面図については、回転子の回転軸に沿って切断した場合を示す。
【００２６】
本発明による電動機（以下、「ベアリングレスモータ」と称する。）における回転子は、回転軸に対して径方向の内向きもしくは外向きに磁束が発生するよう着磁された回転子永久磁石と、回転子永久磁石に対して径方向内方に設けられた、軸方向に磁束が発生するよう着磁された回転子側磁気軸受用永久磁石と、を有し、径方向の長さが軸方向の長さより長い。また、上記回転子に対して径方向にギャップを隔てて対向した固定子は、回転子側に突出したティースが周方向に複数周設された固定子鉄心と、各ティースの間に配置された巻線と、回転子側磁気軸受用永久磁石が発生する磁束と同一の軸方向に磁束が発生するよう着磁された固定子側磁気軸受用永久磁石と、を有する。そして、ティースの回転子側の面と、回転子永久磁石が有する固定子側の面と、のうちの少なくとも一方が、軸方向において対向しない面部分を有し、巻線に界磁電流を流すことにより発生する磁束と回転子永久磁石により発生する磁束とにより、回転子に対して軸方向の力が発生する。以下、具体的な構成について、インナーロータ型に係る第１および第２の実施例ならびにアウターロータ型に係る第３〜第５の実施例にて説明する。なお、各実施例では、巻線が三相の場合について説明するが、巻線の相数は本発明を限定するものではない。これに関連し、断面図については、図面を簡明なものとするために、三相巻線のうちＵ相巻線のみについて図示する。また、固定子における巻線の巻回方法は本発明を限定するものではなく、集中巻であっても分布巻であってもよいが、図示された例では、一例として、固定子鉄心の各ティースの周りに巻線が巻回された集中巻で構成した場合を示している。また、図示された極対数およびスロット数は一例であって、本発明を特に限定するものではなく、その他の極対数およびスロット数であってもよい。
【００２７】
図１および図２は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータを説明する断面図である。以降、異なる図面において同じ参照符号が付されたものは同じ機能を有する構成要素であることを意味するものとする。
【００２８】
第１の実施例によるベアリングレスモータ１はインナーロータ型である。第１の実施例によるベアリングレスモータ１において、回転子１０および固定子２０は次のように構成される。
【００２９】
回転子１０は、回転軸に対して径方向の内向きもしくは外向きに磁束が発生するよう着磁された回転子永久磁石１１と、回転子永久磁石１１に対して径方向内方に設けられ、軸方向に磁束が発生するよう着磁された回転子側磁気軸受用永久磁石３１と、を有する。回転子１０は、径方向の長さが軸方向の長さより長い偏平構造を有する。回転子側磁気軸受用永久磁石３１は、回転子永久磁石１１に対して軸方向にずれた位置に設けられる。回転子１０の極数は本発明を限定するものではない。図示の例では、偏平構造を有する非磁性体物質１２の径方向外側に、径方向外向きに磁束が発生するよう着磁されたリング状の回転子永久磁石１１が設けられる。回転子側磁気軸受用永久磁石３１は、回転子１０の回転軸となるシャフト１４の周面に設けられる。なお、回転子永久磁石１１について、複数の永久磁石個片を、各永久磁石個片の磁束が径方向に発生するように周方向に周設したものとして構成してもよい。
【００３０】
上記回転子１０に対して径方向にギャップを隔てて対向した固定子２０は、回転子１０側に突出したティース２１−１が周方向に複数周設された固定子鉄心２１と、各ティース２１−１の間に配置された巻線（三相巻線２２Ｕ、２２Ｖおよび２２Ｗのうち、Ｕ相巻線２２Ｕのみ図示している）と、回転子側磁気軸受用永久磁石３１が発生する磁束と同一の軸方向に磁束が発生するよう着磁された固定子側磁気軸受用永久磁石３２と、を有する。各ティース２１−１はヨーク２１−２を介して結合される。固定子鉄心２１および固定子側磁気軸受用永久磁石３２は、例えば固定子２０が固定されたケース（図示せず）に固定される。
【００３１】
本発明の第１の実施例において、回転子側磁気軸受用永久磁石３１と固定子側磁気軸受用永久磁石３２とは同一の軸方向に磁束が発生するよう着磁されているので、回転子側永久磁石３１と固定子側永久磁石３２とは、ギャップを挟んで径方向に並ぶラジアルギャップの反発受動型の磁気軸受３０を構成する。固定子側磁気軸受用永久磁石３２は、回転子側磁気軸受用永久磁石３１の径方向外方にギャップを隔てて対向する。
【００３２】
また、回転子１０の回転子永久磁石１１と固定子２０の固定子鉄心２１とは、完全には対向しておらず、軸方向にずれるようにシフトさせて（ずらして）、互いに非対向となる面を有するようにする。すなわち、ティース２１−１の回転子１０側の面と、回転子永久磁石１１が有する固定子２０側の面と、のうちの少なくとも一方が、軸方向において対向しない面部分を有する。図１に示すように回転子１０を固定子２０に対して軸方向下方にずらしてもよく、図２に示すように回転子１０を固定子２０に対して軸方向上方にずらしてもよい。
【００３３】
また、電動機システム１００は、上述のベアリングレスモータ１と、回転子１０の軸方向の位置を検出する変位センサ５１と、変位センサ５１が検出する位置情報に基づいて回転子１０の軸方向の位置制御を行うための界磁電流指令を生成し、回転子１０を回転駆動するための電機子電流指令を生成する制御装置５２と、界磁電流指令および電機子電流指令に基づいて直流電流を変換して巻線２２Ｕ、２２Ｖおよび２２Ｗに供給するための交流電流を生成するインバータ５３とを備える。三相巻線の場合、三相インバータを用いて、界磁電流（ｄ軸電流）でＺ軸方向の磁気支持力を発生させ、電機子電流（ｑ軸電流）でトルクを発生させる。巻線２２Ｕ、２２Ｖおよび２２Ｗに界磁電流を流すことにより発生する磁束と回転子永久磁石１１より発生する磁束とにより、回転子１０に対して軸方向の力が発生する。これによる軸方向の力の発生原理については後述する。
【００３４】
図３は、図２に示すベアリングレスモータの固定子側磁気軸受用永久磁石をＺ軸方向負の方向にシフトさせた場合を説明する断面図である。回転子永久磁石１１と固定子鉄心２１との間には定常的にＺ軸方向負の方向に吸引力が発生しているが、磁気軸受３０の固定子側磁気軸受用永久磁石３２を軸方向下側にシフトさせると、Ｚ軸方向正の方向に反発力が発生し、上記吸引力を打ち消すことができる。つまり、定常時に電磁力が発生せず、その電磁力を打ち消すための電力消費を低減できる。
【００３５】
図４および図５は、本発明の第２の実施例によるベアリングレスモータを説明する断面図である。また、図６は、本発明の第２の実施例によるベアリングレスモータを、回転子の軸方向（＋Ｚ軸方向）からみた断面図である。なお、図６に示された極対数およびスロット数は一例であって、本発明を特に限定するものではなく、その他の極対数およびスロット数であってもよい。また、図７は、図６において示される巻線電流の向き、力の向き、永久磁石により発生する磁束の向き、および巻線電流により発生する磁束の向きを示す図である。巻線に流れる電流の向きについては、一般的な表記方法に従い、紙面の裏側から表側に貫く向きを丸印に黒点を付したもので示し、紙面の表側から裏側に貫く向きを丸印に×印を付したもので示す。永久磁石により発生する磁束の向き（永久磁石の着磁方向としてのＮ極からＳ極に向かう磁束の向き）については、実線の矢印で示し、巻線に電流が流れることにより発生する磁束の向きについては、破線の矢印で示す。力の向きについては、白抜きの矢印で示す。図６に示す例では、一例として、スロット数を１２としており、極数を８としている。また、各ティース２１の周りに巻線２２Ｕ、２２Ｖおよび２２Ｗが巻回された集中巻で構成している。この変形例として、分布巻で構成してもよい。
【００３６】
第２の実施例によるベアリングレスモータ２は、回転子１０直径をさらに増加させ薄型化することにより生じた回転子１０の内側に、第１の実施例において説明した回転子側磁気軸受用永久磁石３１および固定子側磁気軸受永久磁石３２からなる磁気軸受３０を収容し、より一層、軸長を短くしたものである。
【００３７】
すなわち、図４および図５に示すように、第２の実施例では、回転子側磁気軸受用永久磁石３１は、回転軸を中心として軸方向に貫く中空部６１を有し、この中空部６１内に、固定子側磁気軸受用永久磁石３２と回転子側磁気軸受用永久磁石３１とが互いに径方向にギャップを隔てて対向するようにした状態で収容される。このように、第２の実施例によれば、回転子側磁気軸受用永久磁石３１と、回転子永久磁石１１と、固定子側磁気軸受用永久磁石３２とは、径方向において同一層上に位置することになり、回転子側磁気軸受用永久磁石３１が回転子永久磁石１１に対して軸方向にずれた位置に設けられる第１の実施例に比べて、より一層、軸長を短くすることができる。なお、固定子鉄心２１および固定子側磁気軸受用永久磁石３２は固定子２０が固定されたケース（図示せず）に固定される点では第１の実施例と相違はない。
【００３８】
第２の実施例においても、回転子１０の回転子永久磁石１１と固定子２０の固定子鉄心２１とは、完全には対向しておらず、軸方向にずれるようにシフトさせて（ずらして）、互いに非対向となる面を有するようにする。すなわち、ティース２１−１の回転子１０側の面と、回転子永久磁石１１が有する固定子２０側の面と、のうちの少なくとも一方が、軸方向において対向しない面部分を有するが、第２の実施例では、特に回転子側磁気軸受用永久磁石３１、回転子永久磁石１１および固定子側磁気軸受用永久磁石３２とが、径方向において同一層上に位置するので、これら回転子側磁気軸受用永久磁石３１、回転子永久磁石１１および固定子側磁気軸受用永久磁石３２が全体として、固定子２０の固定子鉄心２１からは軸方向にずれるようにシフトした位置にある。図４は、回転子側磁気軸受用永久磁石３１、回転子永久磁石１１および固定子側磁気軸受用永久磁石３２を固定子２０に対して軸方向下方にずらした場合を示しており、図５は、回転子側磁気軸受用永久磁石３１、回転子永久磁石１１および固定子側磁気軸受用永久磁石３２を固定子２０に対して軸方向上方にずらした場合を示している。第２の実施例における上述の構成要素以外の構成要素については図１および図２を参照して説明した第１の実施例における構成要素と同様であるので、同一の構成要素には同一符号を付して当該構成要素についての詳細な説明は省略するが、第２の実施例もまた、第１の実施例同様、界磁電流（ｄ軸電流）によってＺ軸方向の磁気支持力を発生させることができ、傾き方向および半径方向の剛性は正であり、受動安定である。
【００３９】
上述した第１の実施例によるインナーロータ型のベアリングレスモータ１および第２の実施例によるインナーロータ型のベアリングレスモータ２は、回転子永久磁石１１に対する磁気軸受３０の軸方向の位置こそ相違があるもの、Ｚ軸方向の支持力発生原理は同じである。以下、第２の実施例について、Ｚ軸方向の支持力発生原理を説明する。図８〜１０は、本発明の第２の実施例のＺ軸方向の支持力発生原理を説明する断面図であって、図８は固定子巻線に正のｄ軸電流を流した場合を示し、図９は、固定子巻線に負のｄ軸電流を流した場合を示し、図１０は、回転子が傾き方向に変位した場合を示す。図８〜図１０において、回転子永久磁石１１の磁束を図中の実線の矢印で示し、巻線２２Ｕによる磁束を破線の矢印で示す。
【００４０】
図８に示すように、固定子１０の巻線２２Ｕに正のｄ軸電流（すなわち強め界磁電流）を流した場合、回転子永久磁石１１の磁束に、正のｄ軸電流による磁束が重畳され、結果として、ギャップ中における回転子永久磁石１１による磁束が仮想的に強まったような状態になり、電流を流さない時に比べて，Ｚ軸正方向の力が増加する。
【００４１】
図９に示すように、固定子１０巻線２２Ｕに負のｄ軸電流（すなわち弱め界磁電流）を流した場合、負のｄ軸電流による磁束が、図８に示す向きとは反対向き（回転子永久磁石１１による磁束とは反対向き）に発生し、結果として、ギャップ中における回転子永久磁石１１による磁束が仮想的に弱まったような状態になり、電流を流さない時に比べてＺ軸正の力が減少する。したがって，変位センサ５１を用いて，回転子１０のＺ方向の位置を検出し，コントローラ５２にフィードバックし，d軸電流指令値を生成し，インバータ５３でd軸電流を流すことにより，Ｚ軸方向の力を調整し，回転子位置を制御することができる。
【００４２】
図１０に示すように、回転子１０が傾き方向に変位した場合、回転子永久磁石１１と固定子鉄心２１との間に発生するフリンジング磁束によって、復元トルクが発生する。このように本発明によれば、回転子１０は径方向の長さが軸方向の長さより長い偏平構造を有するので復元トルクが発生するが、従来技術のように回転子直径に対して軸長が長い場合このような復元トルクは発生しない。また、回転子側磁気軸受用永久磁石３１と固定子側磁気軸受用永久磁石３２とは同一の軸方向に磁束が発生するよう着磁されているので、回転子側磁気軸受用永久磁石３１と固定子側磁気軸受用永久磁石３２とは、反発受動型の磁気軸受３０を構成する。したがって、磁気軸受３０の回転子側磁気軸受用永久磁石３１と固定子側磁気軸受用永久磁石３２との間においても、復元トルクが発生する。つまり、回転子１０が傾き方向に変位すると上記復元トルクが発生し、傾き方向は受動安定となる。
【００４３】
なお、回転子１０が径方向に変位した場合は、回転子永久磁石１１と固定子鉄心２１の間で不平衡吸引力が発生するが、磁気軸受３０の半径方向の剛性を十分高く設計することにより、全体の半径方向の剛性は正となる。したがって、径方向についても受動安定となる。
【００４４】
図１１および図１２は、本発明の第３の実施例によるベアリングレスモータを説明する断面図である。図１１および図１２において、回転子永久磁石１１の磁束を図中の実線の矢印で示す。
【００４５】
第３の実施例によるベアリングレスモータ３は、反発受動型の磁気軸受３０を有するアウターロータ型のモータである。第３の実施例によるベアリングレスモータ３において、回転子１０および固定子２０は次のように構成される。
【００４６】
回転子１０は、回転軸に対して径方向の内向きもしくは外向きに磁束が発生するよう着磁された回転子永久磁石１１と、回転子永久磁石１１に対して径方向内方に設けられ、軸方向に磁束が発生するよう着磁された回転子側磁気軸受用永久磁石３１と、を有する。回転子１０は、径方向の長さが軸方向の長さより長い偏平構造を有する。回転子１０の極数は本発明を限定するものではない。回転子側磁気軸受用永久磁石３１は、回転子１０の回転軸となるシャフト１４の周面に設けられる。
【００４７】
上記回転子１０に対して径方向にギャップを隔てて対向した固定子２０は、回転子１０側に突出したティース２１−１が周方向に複数周設された固定子鉄心２１と、各ティース２１−１の間に配置された巻線（三相巻線２２Ｕ、２２Ｖおよび２２Ｗのうち、Ｕ相巻線２２Ｕのみ図示している）と、回転子側磁気軸受用永久磁石３１が発生する磁束と同一の軸方向に磁束が発生するよう着磁された固定子側磁気軸受用永久磁石３２と、を有する。各ティース２１−１はヨーク２１−２を介して結合される。固定子側磁気軸受用永久磁石３２は固定子鉄心２１の径方向内方に設けられ、これら固定子鉄心２１および固定子側磁気軸受用永久磁石３２は、例えば固定子２０が固定されたケース（図示せず）に固定される。
【００４８】
第３の実施例によるベアリングレスモータ３はアウターロータ型であるので、回転子１０の回転子永久磁石１１の径方向内方に、固定子２０のティース２１−１がギャップを隔てて対向する。つまり、図１１および図１２に示すように、ベアリングレスモータ３は回転子１０の径方向内方に、固定子２０の一部分もしくは全体が略収容されるアウターロータ構造となる。
【００４９】
また、図１１および図１２に示すように、第３の実施例では、固定子側磁気軸受用永久磁石３２は、回転子１０の回転軸を中心として軸方向に貫く中空部６２を有し、この中空部６２内に、回転子側磁気軸受用永久磁石３１は、固定子側磁気軸受用永久磁石３２に対して径方向にギャップを隔てて対向するよう収容される。すなわち、固定子側磁気軸受用永久磁石３２は、回転子側磁気軸受用永久磁石３１の径方向外方にギャップを隔てて対向する。第３の実施例によれば、回転子側磁気軸受用永久磁石３１と固定子側磁気軸受用永久磁石３２とは同一の軸方向に磁束が発生するよう着磁されているので、回転子側磁気軸受用永久磁石３１と固定子側磁気軸受用永久磁石３２とは、反発受動型の磁気軸受３０を構成する。このように、第３の実施例によれば、回転子側磁気軸受用永久磁石３１と、回転子永久磁石１１と、固定子側磁気軸受用永久磁石３２とは、径方向において同一層上に位置することになり、軸長を短くすることができる。
【００５０】
第３の実施例においても、回転子１０の回転子永久磁石１１と固定子２０の固定子鉄心２１とは、完全には対向しておらず、軸方向にずれるようにシフトさせて（ずらして）、互いに非対向となる面を有するようにする。すなわち、ティース２１−１の回転子１０側の面と、回転子永久磁石１１が有する固定子２０側の面と、のうちの少なくとも一方が、軸方向において対向しない面部分を有するが、第３の実施例では、特に回転子側磁気軸受用永久磁石３１、回転子永久磁石１１および固定子側磁気軸受用永久磁石３２とが、径方向において同一層上に位置するので、これら回転子側磁気軸受用永久磁石３１、回転子永久磁石１１および固定子側磁気軸受用永久磁石３２が全体として、固定子２０の固定子鉄心２１からは軸方向にずれるようにシフトした位置にある。図１１は、回転子側磁気軸受用永久磁石３１、回転子永久磁石１１および固定子側磁気軸受用永久磁石３２を固定子２０に対して軸方向下方にずらした場合を示しており、図１２は、回転子側磁気軸受用永久磁石３１、回転子永久磁石１１および固定子側磁気軸受用永久磁石３２を固定子２０に対して軸方向上方にずらした場合を示している。第３の実施例においても、回転子永久磁石１１による磁束と固定子１０の巻線２２Ｕに電流が流れることにより生じる磁束とによって、Ｚ軸方向の磁気支持力およびトルクを発生させる。また、第１および第２の実施例の場合と同様に、回転子１０は薄型構造であるので、回転子１０が傾いた時、復元トルクが発生する。また、第３の実施例でも、第１および第２の実施例の場合と同様に、反発受動型の磁気軸受３０では、傾き方向の復元トルクおよび半径方向の復元力を発生させることができ、傾き方向および半径方向の剛性は正であり、受動安定である。
【００５１】
このように、第３の実施例と第１および第２の実施例とはアウターロータ型とインナーロータ型との相違はあるものの、第３の実施例もまた、第２の実施例について説明したのと同様の原理にて、界磁電流（ｄ軸電流）によってＺ軸方向の磁気支持力を発生させることができ、傾き方向および半径方向の剛性は正であり、受動安定である。
【００５２】
図１３および図１４は、本発明の第４の実施例によるベアリングレスモータを説明する断面図である。図１３および図１４において、回転子永久磁石１１の磁束を図中の実線の矢印で示す。
【００５３】
第４の実施例によるベアリングレスモータ４は、吸引受動型の磁気軸受３０を有するアウターロータ型のモータである。すなわち、第４の実施例によるベアリングレスモータ４は吸引受動型の磁気軸受３０を有する点で、反発受動型の磁気軸受３０を有する第３の実施例によるベアリングレスモータ３とは相違する。第４の実施例によるベアリングレスモータ４において、回転子１０および固定子２０は次のように構成される。
【００５４】
第４の実施例における回転子１０は、第３の実施例と同様、回転軸に対して径方向の内向きもしくは外向きに磁束が発生するよう着磁された回転子永久磁石１１と、回転子永久磁石１１に対して径方向内方に設けられ、軸方向に磁束が発生するよう着磁された回転子側磁気軸受用永久磁石３１と、を有する。回転子１０は、径方向の長さが軸方向の長さより長い偏平構造を有する。回転子１０の極数は本発明を限定するものではない。図示の例では、回転子側磁気軸受用永久磁石３１は、回転子１０の回転軸となるシャフト１４の周面に設けられる。
【００５５】
また、上記回転子１０に対して径方向にギャップを隔てて対向した固定子２０は、第３の実施例と同様、回転子１０側に突出したティース２１−１が周方向に複数周設された固定子鉄心２１と、各ティース２１−１の間に配置された巻線（三相巻線２２Ｕ、２２Ｖおよび２２Ｗのうち、Ｕ相巻線２２Ｕのみ図示している）と、回転子側磁気軸受用永久磁石３１が発生する磁束と同一の軸方向に磁束が発生するよう着磁された固定子側磁気軸受用永久磁石３２と、を有する。各ティース２１−１はヨーク２１−２を介して結合される。固定子側磁気軸受用永久磁石３２は固定子鉄心２１の径方向内方に設けられ、これら固定子鉄心２１および固定子側磁気軸受用永久磁石３２は、例えば固定子２０が固定されたケース（図示せず）に固定される。
【００５６】
第４の実施例によるベアリングレスモータ４はアウターロータ型であるので、回転子１０の回転子永久磁石１１の径方向内方に、固定子２０のティース２１−１がギャップを隔てて対向する。つまり、図１３および図１４に示すように、ベアリングレスモータ４は回転子１０の径方向内方に、固定子２０の一部分もしくは全体が収容されるアウターロータ構造となる。
【００５７】
また、図１３および図１４に示すように、第４の実施例では、回転子側磁気軸受用永久磁石３１は、固定子側磁気軸受用永久磁石３２に対して軸方向にギャップを隔てて対向する。第４の実施例においても回転子側磁気軸受用永久磁石３１と固定子側磁気軸受用永久磁石３２とは同一の軸方向に磁束が発生するよう着磁されているが、第４の実施例では、回転子側磁気軸受用永久磁石３１は固定子側磁気軸受用永久磁石３２に対して軸方向にギャップを隔てて対向するので、回転子側磁気軸受用永久磁石３１と固定子側磁気軸受用永久磁石３２とは、吸引受動型の磁気軸受３０を構成する。このように、第４の実施例によれば、少なくとも回転子側磁気軸受用永久磁石３１および固定子側磁気軸受用永久磁石３２については、径方向において同一層上に位置しない。
【００５８】
第４の実施例においても、回転子１０の回転子永久磁石１１と固定子２０の固定子鉄心２１とは、完全には対向しておらず、軸方向にずれるようにシフトさせて（ずらして）、互いに非対向となる面を有するようにする。すなわち、ティース２１−１の回転子１０側の面と、回転子永久磁石１１が有する固定子２０側の面と、のうちの少なくとも一方が、軸方向において対向しない面部分を有するが、第４の実施例では、固定子鉄心２１と固定子側磁気軸受用永久磁石３２とが、径方向において同一層上に位置するので、これら固定子鉄心２１および固定子側磁気軸受用永久磁石３２が全体として、回転子１０の回転子永久磁石１１からは軸方向にずれるようにシフトした位置にある。図１３は、固定子鉄心２１および固定子側磁気軸受用永久磁石３２を回転子１０の回転子永久磁石１１に対して軸方向下方にずらした場合を示しており、図１４は、固定子鉄心２１および固定子側磁気軸受用永久磁石３２を回転子１０の回転子永久磁石１１に対して軸方向上方にずらした場合を示している。第４の実施例においても、回転子永久磁石１１による磁束と固定子１０の巻線２２Ｕに電流が流れることにより生じる磁束とによって、Ｚ軸方向の磁気支持力およびトルクを発生させる。また、第１〜第３の実施例の場合と同様に、回転子１０は薄型構造であるので、回転子１０が傾いた時、復元トルクが発生する。また、第４の実施例でも、第１〜第３の実施例の場合と同様に、傾き方向の復元トルクおよび半径方向の復元力を発生させることができ、傾き方向および半径方向の剛性は正であり、受動安定である。吸引受動型の磁気軸受３０を有する第４の実施例によるベアリングレスモータ４は、回転子側磁気軸受用永久磁石３１と固定子側磁気軸受用永久磁石３２との間で定常的にＺ軸方向負の方向に吸引力が発生し、回転子永久磁石１１と固定子鉄心２１との間には定常的にＺ軸方向正の方向に吸引力が発生するため、これらＺ軸方向負の方向に吸引力とＺ軸方向正の方向に吸引力とを打ち消すように回転子側磁気軸受用永久磁石３１、固定子側磁気軸受用永久磁石３２および回転子永久磁石１１を設計すれば、電流を流さないときのＺ軸方向の力をゼロにすることが可能であり、その結果、電力消費を低減できる。
【００５９】
このように、第４の実施例と第１および第２の実施例とはアウターロータ型とインナーロータ型との相違があり、第４の実施例と第３の実施例とは磁気軸受３０が吸引型であるか反発型であるかの相違はあるものの、第４の実施例もまた、第１〜第３の実施例について説明したのと同様の原理にて、界磁電流（ｄ軸電流）によってＺ軸方向の磁気支持力を発生させることができ、傾き方向および半径方向の剛性は正であり、受動安定である。
【００６０】
図１５および図１６は、本発明の第５の実施例によるベアリングレスモータを説明する断面図である。図１５および図１６において、回転子永久磁石１１の磁束を図中の実線の矢印で示す。
【００６１】
第５の実施例によるベアリングレスモータ５は、第４の実施例同様、吸引受動型の磁気軸受３０を有するアウターロータ型のモータであるが、磁気軸受３０を構成する永久磁石を固定子２０側にのみ設けた点で、反発受動型の磁気軸受３０を有する第４の実施例によるベアリングレスモータ４とは相違する。第５の実施例によるベアリングレスモータ５において、回転子１０および固定子２０は次のように構成される。
【００６２】
第５の実施例における回転子１０は、回転軸に対して径方向に磁束が発生するよう着磁された回転子永久磁石１１と、回転子永久磁石１１に対して径方向内方に設けられた回転子側磁気軸受用鉄心４１と、を有する。回転子１０は、径方向の長さが軸方向の長さより長い偏平構造を有する。回転子１０の極数は本発明を限定するものではない。図示の例では、径方向内向きに磁束が発生するよう着磁されたリング状の回転子永久磁石１１が設けられ、回転子側磁気軸受用鉄心４１は、回転子１０の回転軸の近傍に設けられる。
【００６３】
上記回転子１０に対して径方向にギャップを隔てて対向した固定子２０は、回転子１０側に突出したティース２１−１が周方向に複数周設された固定子鉄心２１と、各ティース２１−１の間に配置された巻線（三相巻線２２Ｕ、２２Ｖおよび２２Ｗのうち、Ｕ相巻線２２Ｕのみ図示している）と、径方向に磁束が発生するよう着磁された固定子側磁気軸受用永久磁石３２と、固定子側磁気軸受用永久磁石３２により発生する磁束が回転子側磁気軸受用鉄心４１を通過するように配置された固定子側磁気軸受用鉄心４２と、を有する。各ティース２１−１はヨーク２１−２を介して結合される。固定子側磁気軸受用永久磁石３２は固定子鉄心２１の径方向内方に設けられ、これら固定子鉄心２１および固定子側磁気軸受用永久磁石３２は、例えば固定子２０が固定されたケース（図示せず）に固定される。
【００６４】
第５の実施例によるベアリングレスモータ５はアウターロータ型であるので、回転子１０の回転子永久磁石１１の径方向内方に、固定子２０のティース２１−１がギャップを隔てて対向する。つまり、図１５および図１６に示すように、ベアリングレスモータ５は回転子１０の径方向内方に、固定子２０の一部分もしくは全体が収容されるアウターロータ構造となる。
【００６５】
第５の実施例では、磁気軸受３０を構成する永久磁石は回転子１０側には設けない。図１５および図１６の実線の矢印に示すように、径方向に着磁された固定子側磁気軸受用永久磁石３２が発生する磁束は、固定子側磁気軸受用鉄心４２、および回転子側磁気軸受用鉄心４１を通過し、再び固定子側磁気軸受用永久磁石３２へ戻る磁気回路を構成する。この結果、回転子側磁気軸受用鉄心４１と固定子側磁気軸受用鉄心４２との間で吸引力が発生し、傾き方向および半径方向の剛性は正であり、受動安定である。
【００６６】
第５の実施例においても、回転子１０の回転子永久磁石１１と固定子２０の固定子鉄心２１とは、完全には対向しておらず、軸方向にずれるようにシフトさせて（ずらして）、互いに非対向となる面を有するようにする。すなわち、ティース２１−１の回転子１０側の面と、回転子永久磁石１１が有する固定子２０側の面と、のうちの少なくとも一方が、軸方向において対向しない面部分を有するが、第５の実施例では、固定子鉄心２１と固定子側磁気軸受用永久磁石３２とが、径方向において同一層上に位置するので、これら固定子鉄心２１および固定子側磁気軸受用永久磁石３２が全体として、回転子１０の回転子永久磁石１１からは軸方向にずれるようにシフトした位置にある。図１５は、固定子鉄心２１および固定子側磁気軸受用永久磁石３２を回転子１０の回転子永久磁石１１に対して軸方向下方にずらした場合を示しており、図１６は、固定子鉄心２１および固定子側磁気軸受用永久磁石３２を回転子１０の回転子永久磁石１１に対して軸方向上方にずらした場合を示している。第５の実施例においても、回転子永久磁石１１による磁束と固定子１０の巻線２２Ｕに電流が流れることにより生じる磁束とによって、Ｚ軸方向の磁気支持力およびトルクを発生させる。また、第１〜第４の実施例の場合と同様に、回転子１０は薄型構造であるので、回転子１０が傾いた時、復元トルクが発生する。また、第５の実施例でも、第１〜第４の実施例の場合と同様に、傾き方向の復元トルクおよび半径方向の復元力を発生させることができ、傾き方向および半径方向の剛性は正であり、受動安定である。
【００６７】
このように、第５の実施例と第１および第２の実施例とはアウターロータ型とインナーロータ型との相違があり、第５の実施例と第４の実施例とは磁気軸受３０を構成する永久磁石が回転子１０に設けられないという相違はあるものの、第５の実施例もまた、第１〜第４の実施例について説明したのと同様の原理にて、界磁電流（ｄ軸電流）によってＺ軸方向の磁気支持力を発生させることができ、傾き方向および半径方向の剛性は正であり、受動安定である。
【００６８】
上述の第１および第２の実施例による反発受動型の磁気軸受３０を有するインナーロータ型のベアリングレスモータ１および２の変形例として、磁気軸受３０を構成する回転子側磁気軸受用永久磁石３１および固定子側磁気軸受用永久磁石３２を、軸方向に積層された複数の永久磁石層を有する多層構造で構成してもよい。一例として、第２の実施例における磁気軸受３０を軸方向に積層された複数の永久磁石層を有する多層構造で構成する場合について、図１７および図１８を参照して説明する。図１７は、本発明の第２の実施例の変形例によるベアリングレスモータを説明する断面図であり、図１８は、本発明の第２の実施例の変形例によるベアリングレスモータを説明する分解斜視図である。図１７は、磁気軸受３０を構成する回転子側磁気軸受用永久磁石３１および固定側磁気軸受用永久磁石３２を２層構造にした場合を示し、図１８は、磁気軸受３０を構成する回転子側磁気軸受用永久磁石３１および固定側磁気軸受用永久磁石３２を７層構造にした場合を示すが、積層数自体は本発明を限定するものではない。図１７および図１８に示すように、回転子側磁気軸受用永久磁石３１および固定側磁気軸受用永久磁石３２は、それぞれ軸方向に着磁された永久磁石の同一極が向き合うように構成される。これにより、半径方向の剛性を向上させることができる。なお、図１８では、一例として固定子スロット数を３６、回転子極数を２４とし、また、三相２４極の集中巻としたが、分布巻であってもよい。また、図１８では、各永久磁石個片の磁束が径方向の内向きもしくは外向きに発生するように周方向に周設することで回転子永久磁石１１を構成したが、リング状のものであってもよい。
【００６９】
図１９は、本発明によるベアリングレスモータの回転子直径と回転子・固定子間のギャップ表面積との関係を示す図である。一般的に１軸制御ベアリングレスモータを高トルク化すると、半径方向の不平衡吸引力が増加する。このため、従来は、不平衡吸引力に打ち勝ち半径方向の剛性を正とするため、受動型磁気軸受を大きくしていた。これに対し、本発明によれば、回転子の軸長を短く半径が長い薄型構造を採用することによって、トルクの増加に対して不平衡吸引力の増加の割合を低減することが可能である。図１９の横軸は、本発明によるベアリングレスモータの回転子の直径ｄr［ｍｍ］を示し、縦軸は固定子に対向する側の回転子の表面積Ｓ［ｍｍ2］を示している。例えば、トルクを０．０５［Ｎｍ］から０．５［Ｎｍ］へ１０倍に増加させる場合を考える。図１９中のａ点は回転子直径が０．０５［Ｎｍ］の時と同じ２７［ｍｍ］で、軸長を１０倍に増加させた場合を示している。ａ点の場合、ギャップ表面積は１０倍に増加するため、不平衡吸引力も１０倍に増加する。一方、ｂ点は、軸長を増加させずに、回転子直径を９０［ｍｍ］に増加させた場合を示している。ｂ点の場合、トルクは１０倍に増加するが、表面積の増加は３倍に抑えられる。したがって、本発明のように回転子直径を増加させて薄型化することで、不平衡吸引力の増加を抑えることができるため、受動型磁気軸受を小さくすることができる。
【００７０】
続いて、本発明によるベアリングレスモータを冷却ファンに適用した例を説明する。
【００７１】
図２０は、本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータを冷却ファンに適用した場合を示す断面図である。本発明の第１の実施例によるベアリングレスモータ１は、反発型磁気軸受３０を有するインナーロータ型である。この場合、回転子永久磁石１１と回転子側磁気軸受用永久磁石３１とを有する回転子１０の、回転軸となるシャフト１４が固定された支持台１６の径方向外方にブレード（羽根）１５を取り付けることで冷却ファン２０１を構成することができる。
【００７２】
図２１は、本発明の第２の実施例によるベアリングレスモータを冷却ファンに適用した場合を示す断面図である。本発明の第２の実施例によるベアリングレスモータ２は、反発型磁気軸受３０を回転子１０と径方向に同一層上に有するインナーロータ型である。この場合、回転子１０の回転子永久磁石１１および回転子側磁気軸受用永久磁石３１が固定された支持台１６の径方向外方にブレード１５を取り付けることで冷却ファン２０２を構成することができる。
【００７３】
図２２は、本発明の第３の実施例によるベアリングレスモータを冷却ファンに適用した場合を示す断面図である。本発明の第３の実施例によるベアリングレスモータ３は、反発型磁気軸受３０を有するアウターロータ型である。この場合、回転子永久磁石１１と回転子側磁気軸受用永久磁石３１とを有する回転子１０の、回転軸となるシャフト１４が固定された支持台１６の径方向外方にブレード１５を取り付けることで冷却ファン２０３を構成することができる。
【００７４】
図２３は、本発明の第４の実施例によるベアリングレスモータを冷却ファンに適用した場合を示す断面図である。本発明の第４の実施例によるベアリングレスモータ４は、アキシャルギャップの吸引型磁気軸受３０を有するアウターロータ型である。この場合、回転子１０の回転子永久磁石１１および回転子側磁気軸受用永久磁石３１が固定された支持台１６の径方向外方にブレード１５を取り付けることで冷却ファン２０３を構成することができる。
【００７５】
図２４は、本発明の第１〜第５の実施例およびによるベアリングレスモータの制御装置を説明する制御ブロック図である。本制御ブロック図は第１〜第５の実施例によるベアリングレスモータ１〜５に同様に適用可能である。
【００７６】
図２４に示すように、電動機システム１００は、上述のベアリングレスモータ１〜５と、回転子の軸方向の位置を検出する変位センサ５１と、変位センサ５１が検出する位置情報に基づいて回転子の軸方向の位置制御を行うための界磁電流指令を生成し、回転子１０を回転駆動するための電機子電流指令を生成する制御装置と、界磁電流指令および電機子電流指令に基づいて直流電流を変換して巻線に供給するための交流電流を生成する三相インバータ５３とを備える。本発明では、上述のように、第１の実施例によるベアリングレスモータ１〜５は、電機子電流（ｑ軸電流）により回転子の回転トルクが発生し、界磁電流（ｄ軸電流）により回転子のＺ軸方向の支持力が発生する。１台の三相インバータ５３でベアリングレスモータ１〜５の回転子のＺ軸方向位置の能動制御と回転制御とを行う。
【００７７】
制御装置５２において、回転子のＺ軸方向の支持力発生制御として、Ｚ軸方向位置の指令値ｚ*と、ベアリングレスモータ１〜５の回転子の軸方向の検出変位ｚとから比較器Ｂ１で偏差を計算し、ＰＩＤ制御部Ｂ２でＰＩＤ制御を行い、界磁電流指令であるｄ軸電流指令値ｉd*を作成する。また、ベアリングレスモータ１〜５の回転子の回転駆動制御として、回転速度指令ω*を指令する。
【００７８】
比較器Ｂ３においてｄ軸電流指令値ｉd*とｄ軸電流検出値ｉdとの偏差が計算され、ＰＩ制御部Ｂ４でＰＩ制御が行われ、ｄ軸電圧指令値Ｖd*が作成される。
【００７９】
微分器Ｂ５では、角度センサ（図示せず）によって検出されたベアリングレスモータ１〜５の回転子の位相角θを微分して回転速度検出値ωを作成する。比較器Ｂ６において回転速度指令ω*と回転速度検出値ωとの偏差が計算され、ＰＩ制御部Ｂ７でＰＩ制御が行われ、電機子電流指令であるｑ軸電流指令値ｉq*が作成される。そして、比較器Ｂ８においてｑ軸電流指令値ｉq*とｑ軸電流検出値ｉqとの偏差が計算され、ＰＩ制御部Ｂ９でＰＩ制御が行われ、ｑ軸電圧指令値Ｖq*が作成される。
【００８０】
三相二相変換部回路Ｂ１０は、ベアリングレスモータ１〜５の回転子の位相角θを用いてｄ軸電圧指令値Ｖd*およびｑ軸電圧指令値Ｖq*を三相二相変換してｕｖｗ各相の電圧指令値Ｖu*、Ｖv*およびＶw*を出力する。ｄｑ座標系から三相座標系への変換式は式１で表される。
【００８１】
【数１】
2016163495.tif 000003
【００８２】
ｕｖｗ各相の電圧指令値Ｖu*、Ｖv*およびＶw*は三相インバータ５３に入力され、三相インバータ５３はこれに従って、直流電圧をベアリングレスモータ１〜５の駆動電圧である交流電圧に変換して出力する。出力された交流電圧はベアリングレスモータ１〜５の三相の各巻線に印加され、ベアリングレスモータ１〜５の各巻線に三相電流ｉu、ｉvおよびｉwが流れる。
【００８３】
三相インバータ５３からベアリングレスモータ１〜５の巻線１２に流れるｕ相電流ｉuおよびｗ相電流ｉwは電流センサ５４によって検出されてフィードバックされる。三相二相変換回路Ｂ１１は、検出されたｕ相電流ｉuおよびｗ相電流ｉwと、ｕ相電流ｉuおよびｗ相電流ｉwから算出されたｖ相電流ｉvと、を三相二相変換して、回転子のＺ軸方向の支持力に起因するｄ軸電流検出値ｉdと、回転子のトルクに起因するｑ軸電流検出値ｉqとを出力する。なお、三相座標系からｄｑ座標系への変換式は式１の逆変換で表され、ここでは記載を省略する。
【符号の説明】
【００８４】
１、２、３、４、５    ベアリングレスモータ
１０    回転子
１１    回転子永久磁石
１２    非磁性体物質
１３    回転子鉄心
１４    シャフト
１５    ブレード
１６    支持台
２０    固定子
２１    固定子鉄心
２１−１    ティース
２１−２    ヨーク
２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗ    巻線
３０    磁気軸受
３１    回転子側磁気軸受用永久磁石
３２    固定子側磁気軸受用永久磁石
４１    回転子側磁気軸受用鉄心
４２    固定子側磁気軸受用鉄心
６１、６２    中空部
５１    変位センサ
５２    制御装置
５３    インバータ
１００    電動機システム
２０１、２０２、２０３、２０４    冷却ファン
【図１】
2016163495.tif 000004
【図２】
2016163495.tif 000005
【図３】
2016163495.tif 000006
【図４】
2016163495.tif 000007
【図５】
2016163495.tif 000008
【図６】
2016163495.tif 000009
【図７】
2016163495.tif 000010
【図８】
2016163495.tif 000011
【図９】
2016163495.tif 000012
【図１０】
2016163495.tif 000013
【図１１】
2016163495.tif 000014
【図１２】
2016163495.tif 000015
【図１３】
2016163495.tif 000016
【図１４】
2016163495.tif 000017
【図１５】
2016163495.tif 000018
【図１６】
2016163495.tif 000019
【図１７】
2016163495.tif 000020
【図１８】
2016163495.tif 000021
【図１９】
2016163495.tif 000022
【図２０】
2016163495.tif 000023
【図２１】
2016163495.tif 000024
【図２２】
2016163495.tif 000025
【図２３】
2016163495.tif 000026
【図２４】
2016163495.tif 000027