(57)【要約】【課題】  回転軸の外周面と固定子の内周面間の空隙を高精度に形成でき、低損失な磁気軸受を提供する。【解決手段】  磁気軸受１は、フレーム１５の軸方向両端部に配され中央に回転軸３を収容可能とする開口部を有すると共に、回転軸３の径方向に相互に離間し配される複数の永久磁石１４を保持し、周方向に一体化された磁石保持部材１１と、回転軸３の周囲に配され固定子巻線１２を回転軸３と平行な軸心周りに巻装する巻装部１３を備える。また、フレーム１５の軸方向両端部に配される磁石保持部材１１の間に、周方向に相互に離間し複数の巻装部１３を配し、周方向に隣り合う巻装部１３の間に空隙が形成される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレームの軸方向両端部に配され、中央に回転軸を収容可能とする開口部を有すると共に、前記回転軸の径方向に相互に離間し配される複数の永久磁石を保持し、周方向に一体化された磁石保持部材と、
前記回転軸の周囲に配され、固定子巻線を前記回転軸と平行な軸心周りに巻装する巻装部と、を備え、
前記フレームの軸方向両端部に配される磁石保持部材間であって、周方向に相互に離間し前記複数の巻装部を配することを特徴とする磁気軸受。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気軸受において、
前記磁石保持部材は、
前記径方向に相互に離間し配される複数の永久磁石を保持する磁石保持固定部と、
複数の前記磁石保持固定部を周方向に結合すると共に、前記巻装部の軸方向端部を支持する結合部を有し、
前記磁石保持固定部と前記結合部は周方向に一体形成されてなることを特徴とする磁気軸受。
【請求項３】
請求項２に記載の磁気軸受において、
前記フレームは、
前記回転軸の軸方向両端部に配される円環状部と、
前記両端部に配される円環状部を軸方向に所定の間隔にて接続すると共に、周方向に相互に離間し配される複数の板状接続部と、を有し、
前記円環状部と前記板状接続部は、一体形成されることを特徴とする磁気軸受。
【請求項４】
請求項３に記載の磁気軸受において、
前記板状接続部は、径方向内側の面内であって、前記両端部の円環状部の対向面より軸方向内側へ向かい所定の位置に段差部を有し、
前記磁石保持固定部の径方向端部であって軸方向内側の面が、前記段差部と当接し、前記フレームの両端部に前記磁石保持部材が固定されることを特徴とする磁気軸受。
【請求項５】
請求項３に記載の磁気軸受において
前記磁石保持部材は、軸方向に積層される磁性体の鋼板にて構成されることを特徴とする磁気軸受。
【請求項６】
請求項５に記載の磁気軸受において、
前記回転軸は、円柱状のシャフトと、径方向に積層される磁性体の鋼板にて構成され前記シャフトの外周面に巻かれる巻鉄心と、前記巻鉄心の軸方向両端部に配され軸方向に積層される磁性体の鋼板にて構成される対向鉄心を有し、
前記対向鉄心は、径方向において空隙を介して前記磁石保持部材と対向することを特徴とする磁気軸受。
【請求項７】
請求項３に記載の磁気軸受において、
前記巻装部は前記周方向に隣接する板状接続部間に配され、前記巻装部の軸方向両端部における径方向内側の面が前記結合部の径方向外側の面と当接し、前記巻装部の軸方向両端部における周方向の側面が前記磁石保持固定部の側面と当接することにより、周方向に隣接する前記巻装部間に空隙が形成されることを特徴とする磁気軸受。
【請求項８】
フレームの軸方向両端部に配され、中央に回転子を収容可能とする開口部を有すると共に、前記回転子の径方向に相互に離間し配される複数の永久磁石を保持し、周方向に一体化された磁石保持部材と、
軸方向の両端面であって、周方向に相互に離間配置される永久磁石を有する回転子と、
前記回転子の周囲に配され、固定子巻線を前記回転子の軸方向と平行な軸心周りに巻装する巻装部と、を備え、
前記フレームの軸方向両端部に配される磁石保持部材間であって、周方向に相互に離間し前記複数の巻装部を配することを特徴とする回転電動機。
【請求項９】
請求項８に記載の回転電動機において、
前記磁石保持部材は、
前記径方向に相互に離間し配される複数の永久磁石を保持する磁石保持固定部と、
複数の前記磁石保持固定部を周方向に結合すると共に、前記巻装部の軸方向端部を支持する結合部を有し、
前記磁石保持固定部と前記結合部は周方向に一体形成されてなることを特徴とする回転電動機。
【請求項１０】
請求項９に記載の回転電動機において、
前記フレームは、
前記回転軸の軸方向両端部に配される円環状部と、
前記両端部に配される円環状部を軸方向に所定の間隔にて接続すると共に、周方向に相互に離間し配される複数の板状接続部と、を有し、
前記円環状部と前記板状接続部は、一体形成されることを特徴とする回転電動機。
【請求項１１】
請求項１０に記載の回転電動機において、
前記板状接続部は、径方向内側の面内であって、前記両端部の円環状部の対向面より軸方向内側へ向かい所定の位置に段差部を有し、
前記磁石保持固定部の径方向端部であって軸方向内側の面が、前記段差部と当接し、前記フレームの両端部に前記磁石保持部材が固定されることを特徴とする回転電動機。
【請求項１２】
請求項１０に記載の回転電動機において、
前記磁石保持部材は、軸方向に積層される磁性体の鋼板にて構成されることを特徴とする回転電動機。
【請求項１３】
請求項１０に記載の回転電動機において、
前記巻装部は前記周方向に隣接する板状接続部間に配され、前記巻装部の軸方向両端部における径方向内側の面が前記結合部の径方向外側の面と当接し、前記巻装部の軸方向両端部における周方向の側面が前記磁石保持固定部の側面と当接することにより、周方向に隣接する前記巻装部間に空隙が形成されることを特徴とする回転電動機。
【請求項１４】
請求項１０に記載の回転電動機において、
前記回転子は径方向に突き出る凸部を有し、前記凸部は前記磁石保持部材と対向する位置に配されることを特徴とする回転電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気軸受及び回転電動機に係り、特に、巻線を備えた固定子に永久磁石が備えられた、磁気軸受及び回転電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、巻線を備えた固定子に永久磁石が備えられた磁気軸受として、特許文献１が知られている。特許文献１では、特に、横置き時における回転軸の自重による回転軸の偏移を抑制するため、回転軸の周方向に、４箇所磁気軸受を配する構成を備える。各磁気軸受は、回転軸と直交する軸の周りに固定子巻線が巻装された固定子と、磁性鋼板積層体との間に平板状の永久磁石が介装されている。そして、静荷重支持側の磁気軸受内に配される永久磁石の厚さを、非静荷重支持側の磁気軸受内に配される永久磁石の厚さよりも厚くするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−７４０５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の構成では、対をなすラジアル磁気軸受を２組配し、これら、複数のラジアル磁気軸受間をハウジングにて固定し、その後、回転軸を挿通する構造である。そのため、ラジアル磁気軸受の回転軸に対向する固定子と、回転軸の外周面との空隙（エアギャップ）を高精度に形成することは困難である。すなわち、回転軸に発生する損失に密接な関係がある固定子と回転軸間の空隙の寸法を、高精度に形成し得る構造については、配慮されていない。
【０００５】
そこで本発明は、回転軸の外周面と固定子の内周面間の空隙を高精度に形成でき、低損失な磁気軸受を提供することにある。
【０００６】
また、本発明は、回転子の外周面と固定子の内周面間の空隙を高精度に形成でき、低損失な回転電動機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の磁気軸受は、フレームの軸方向両端部に配され、中央に回転軸を収容可能とする開口部を有すると共に、前記回転軸の径方向に相互に離間し配される複数の永久磁石を保持し、周方向に一体化された磁石保持部材と、前記回転軸の周囲に配され、固定子巻線を前記回転軸と平行な軸心周りに巻装する巻装部と、を備え、前記フレームの軸方向両端部に配される磁石保持部材間であって、周方向に相互に離間し前記複数の巻装部を配することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の回転電動機は、フレームの軸方向両端部に配され、中央に回転子を収容可能とする開口部を有すると共に、前記回転子の径方向に相互に離間し配される複数の永久磁石を保持し、周方向に一体化された磁石保持部材と、軸方向の両端面であって周方向に相互に離間配置される永久磁石を有する回転子と、前記回転子の周囲に配され、固定子巻線を前記回転子の軸方向と平行な軸心周りに巻装する巻装部と、を備え、前記フレームの軸方向両端部に配される磁石保持部材間であって、周方向に相互に離間し前記複数の巻装部を配することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、回転軸の外周面と固定子の内周面間の空隙を高精度に形成でき、低損失な磁気軸受を提供することが可能となる。
【００１０】
また、本発明によれば、回転子の外周面と固定子の内周面間の空隙を高精度に形成でき、低損失な回転電動機を提供することが可能となる。
【００１１】
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施例に係る実施例１による磁気軸受の外観斜視図である。
【図２】図１に示す磁気軸受の部分横断面図及び部分縦断面図であり、（Ａ）は、図１に示す磁気軸受を周方向から見た部分縦断面図であって（Ｂ）の横断面中のＡ断面図であり、（Ｂ）は、図１に示す磁気軸受のＡ−Ａ断面矢視図であり部分横断図であり、（Ｃ）は、（Ｂ）及び（Ｄ）の部分横断面図におけるＣ−Ｃ部分縦断面図であり、（Ｄ）は、（Ａ）及び（Ｃ）の部分縦断面図におけるＤ−Ｄ部分横断面図である。
【図３】図１に示す磁気軸受の部分横断面図及び部分縦断面図であり、（Ａ）は、図１に示す磁気軸受を周方向から見た部分縦断面図であって（Ｂ）の横断面中のＡ断面図であり、（Ｂ）は、図１に示す磁気軸受のＡ−Ａ断面矢視図であり部分横断図であり、（Ｃ）は、（Ｂ）及び（Ｄ）の部分横断面図におけるＣ−Ｃ部分縦断面図であり、（Ｄ）は、（Ａ）及び（Ｃ）の部分縦断面図におけるＤ−Ｄ部分横断面図である。
【図４】本発明の他の実施例に係る実施例２による磁気軸受の部分横断面図及び部分縦断面図であり、（Ａ）は、磁気軸受を周方向から見た部分縦断面図であって（Ｂ）の横断面中のＡ断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の縦断面図におけるＢ−Ｂ部分横断面図であり、（Ｃ）は、（Ｂ）及び（Ｄ）の部分横断面図におけるＣ−Ｃ部分縦断面図であり、（Ｄ）は、（Ａ）及び（Ｃ）の部分縦断面図におけるＤ−Ｄ部分横断面図である。
【図５】本発明の他の実施例に係る実施例３による磁気軸受の固定子を構成する磁石保持部材及びフレームの組立図である。
【図６】図５に示す組立後の固定子の外観斜視図である。
【図７】図６に示すフレームへ固定子を構成する巻装部を組み込む組立図である。
【図８】図７に示す組立後の固定子の外観斜視図である。
【図９（Ａ）】本発明の他の実施例に係る実施例４の永久磁石同期電動機の磁極の配置と励磁のタイミングを示す図である。
【図９（Ｂ）】本発明の他の実施例に係る実施例４の永久磁石同期電動機の磁極の配置と励磁のタイミングを示す図である。
【図９（Ｃ）】本発明の他の実施例に係る実施例４の永久磁石同期電動機の磁極の配置と励磁のタイミングを示す図である。
【図９（Ｄ）】本発明の他の実施例に係る実施例４の永久磁石同期電動機の磁極の配置と励磁のタイミングを示す図である。
【図１０】図９に示す永久磁石同期電動機の励磁コイルへの印加電圧パターンのタイミングチャートである。
【図１１（Ａ）】本発明の他の実施例に係る実施例５によるスイッチトリラクタンスモータの磁極の配置と励磁のタイミングを示す図である。
【図１１（Ｂ）】本発明の他の実施例に係る実施例５によるスイッチトリラクタンスモータの磁極の配置と励磁のタイミングを示す図である。
【図１１（Ｃ）】本発明の他の実施例に係る実施例５によるスイッチトリラクタンスモータの磁極の配置と励磁のタイミングを示す図である。
【図１１（Ｄ）】本発明の他の実施例に係る実施例５によるスイッチトリラクタンスモータの磁極の配置と励磁のタイミングを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本明細書において、「軸方向」とは、磁気軸受の場合には「回転軸」の軸方向を示し、回転電動機の場合には「回転子」の軸方向を示す。また、「径方向」とは、磁気軸受の場合には「回転軸」の径方向を示し、回転電機の場合には「回転子」の径方向を示す。また、「周方向」とは、磁気軸受の場合には「回転軸」を中心とする周方向を示し、回転電動機の場合には「回転子」を中心とする周方向を示す。
【００１４】
また、各図において、同一の構成要素に同一の符号を付し、重複する説明を省略する。  以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１に、本発明の一実施例に係る実施例１による磁気軸受の外観斜視図を示す。磁気軸受１は、固定子２と回転軸３を備える。固定子２は、フレーム１５、回転軸３と平行な軸心周りに固定子巻線１２が巻装される巻装部１３、フレーム１５の軸方向両端部に配され、径方向に相互に離間し配される複数の永久磁石１４を保持し周方向に一体化された磁石保持部材１１を有する。フレーム１５は、軸方向両端部に配される円環状部１５ａと、これら両端部の円環状部１５ａを軸方向に所定の間隔にて接続する複数の板状接続部１５ｂからなり、周方向に隣接する板状接続部１５ｂの間に、固定子巻線１２が巻装される巻装部１３を収容する。ここで、フレーム１５は、例えば、非磁性体のステンレス鋼材あるいは、繊維強化プラスチック（Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃ：ＦＲＰ）等で、円環状部１５ａ及び板状接続部１５ｂが一体成形される。なお、非磁性体のステンレス鋼材あるいはＦＲＰに限らず、所望の強度を有する非磁性材料であれば良く、非磁性且つ非導電性の材料であればなお良い。
【００１６】
また、磁石保持部材１１は、中央に回転軸３を収容可能とする円形状の開口部を有すると共に、径方向に相互に離間し配される複数の永久磁石１４を保持する磁石保持固定部１１ａと、複数の磁石保持固定部１１ａを周方向に結合すると共に巻装部１３を支持する結合部１１ｂを有する。複数の磁石保持固定部１１ａの径方向端部は円弧状端面を有し、詳細は後述する、フレーム１５を構成する板状接続部１５ｂの内面に固定される。図１に示すように、磁石保持部材１１は、４つの磁石保持固定部１１ａが周方向に結合部１１ｂにより一体形成されてなる。ここで、磁石保持部材１１は、例えば、ケイ素鋼板を軸方向に積層して一体で構成される。
【００１７】
図２に、図１に示す磁気軸受１の部分横断面図及び部分縦断面図を示す。図２の（Ｂ）は、図１に示す磁気軸受１のＡ―Ａ断面矢視図であり、回転軸３の中心より上部のみを示す部分横断面図である。また、図２の（Ａ）は、図１に示す磁気軸受１を周方向より見た部分縦断面図であり図２の（Ｂ）及び（Ｄ）のＡ断面図である。また、図２の（Ｃ）は、図２の（Ｂ）及び（Ｄ）の部分横断面図におけるＣ―Ｃ部分縦断面図であり、図２の（Ｄ）は、図２の（Ａ）及び（Ｃ）の部分縦断面図におけるＤ―Ｄ部分横断面図である。
【００１８】
図２の（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、回転軸３の外周面と、磁石保持固定部１１ａ及び結合部１１ｂからなる磁石保持部材１１の中央に形成された円形状の開口部との間に、空隙（エアギャップ）５が形成される。図２の（Ａ）に示すように、固定子巻線１２が回転軸３と平行な軸心周りに巻装される巻装部１３の一部は、磁石保持部材１１を構成する結合部１１ｂにて、磁石保持部材１１よりも径方向外側に位置する。ここで、巻装部１３は、例えば、ケイ素鋼板を径方向に積層して構成される。巻装部１３は、図２の（Ａ）に示すように、軸方向両端部に径方向に突き出る凸部を有し、固定子巻線１２は、これら凸部間の回転軸３と平行な領域で、巻装部１３に巻装されている。また、巻装部１３の両端部は、径方向内側（回転軸３に相対する側）の面にて、磁石保持部材１１を構成する結合部１１ｂの径方向外側の面（回転軸３との対向面と反対側の面）に当接し支持される。
【００１９】
また、図２の（Ｄ）に示すように、周方向に隣り合う巻装部１３の間の磁石保持部材１１、すなわち、磁石保持固定部１１ａには、径方向に相互に離間し、３個の永久磁石１４が配されている。なお、図１では、径方向に４個の永久磁石１４が配される例を示したが、図２では、便宜上３個の永久磁石１４が配される場合を示している。これら相互に離間し、３個の永久磁石１４が径方向に配される磁石保持部材１１の開口部には、径方向に窪む凹部が形成されている。すなわち、径方向最内周側に配される永久磁石１４に向かい凹部が形成されている。これにより、図２の（Ｃ）に示す固定子２を構成する磁石保持部材１１の磁石保持固定部１１ａと回転軸３により形成される空隙５の径方向長さは、図２（Ａ）に示す固定子２を構成する磁石保持部材１１の結合部１１ｂと回転軸３により形成される空隙５の径方向長さより大となる。
【００２０】
また、図２の（Ｂ）に示されるように、周方向に隣り合う巻装部１３に巻装される固定子巻線１２の最外周部であって、周方向に相互に対向する固定子巻線１２間に、軸方向（図２の（Ｂ）において、紙面を貫く奥行方向）に連続する空隙が形成されている。換言すれば、回転軸３の周囲であって、その周方向に相互に隣接配置される複数の巻装部１３の相対する対向面間には、空隙が形成されている。従って、周方向に隣接する巻装部１３は、磁気抵抗の大きな空気により離間し配されるため、漏れ磁束を低減することが可能となる。
【００２１】
図２の（Ａ）に示すように、巻装部１３に、回転軸３と平行な軸心周りに巻装される固定子巻線１２に電圧を印加することで、巻装部１３、磁石保持部材１１の結合部１１ｂ、空隙５、回転軸３、空隙５、結合部１１ｂ及び巻装部１３へと、矢印にて示す方向に磁束が通る磁気回路が形成される。図２の（Ａ）に示す状態において、図２の（Ａ）の軸方向右側より見た場合の磁束の向きを、図２の（Ｂ）及び（Ｄ）に併せて示す。図２の（Ａ）に示すように、巻装部１３を通る磁束の向きは軸方向であり、磁石保持部材１１を通る磁束の向きは径方向となる。上述の通り、磁石保持部材１１は、ケイ素鋼板を軸方向に積層し一体形成されるものである。よって、磁石保持部材１１を構成するケイ素鋼板の面に対し垂直あるいは直交する方向に磁束が通ることは無く、磁石保持部材１１の鉄損を低減することが可能となる。また、巻装部１３は、ケイ素鋼板を径方向に積層し一体形成されるものであることから、巻装部１３を構成するケイ素鋼板の面に対し垂直あるいは直交する方向に磁束が通ることは無い。よって、巻装部１３の鉄損も同様に低減することが可能となる。なお、巻装部１３は、ケイ素鋼板を径方向に積層することに替えて、周方向にケイ素鋼板を積層し一体形成しても良い。
【００２２】
図２の（Ａ）及び（Ｄ）に示すように、磁石保持部材１１は、永久磁石１４が径方向に相互に離間し配される磁石保持固定部１１ａと、複数の磁石保持固定部１１ａを周方向に接続すると共に、巻装部１３の軸方向両端部を支持する結合部１１ｂとが、軸方向に積層されるケイ素鋼板にて周方向に一体形成されるものである。これにより、磁石保持部材１１の内面精度を向上できることから、磁石保持部材１１の開口部と回転軸３の外周面との間に形成される空隙５の寸法精度を向上でき、空隙５に磁気抵抗の脈動により発生する高調波鉄損を低減することが可能となる。なお、空隙５は、例えば１ｍｍ程度であり高い寸法精度が要求されるものである。
【００２３】
また、図２の（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、周方向に隣り合う巻装部１３は、磁石保持部材１１の結合部１１ｂにて支持され、径方向に相互に離間し永久磁石１４が配される磁石保持固定部１１ａは、周方向に隣り合う巻装部１３間の上述した空隙部に位置する。これにより磁石保持固定部１１ａが磁気飽和し磁気抵抗が大きくなり漏れ磁束が低減される。同体格の磁気軸受の場合、本実施例の磁気軸受１によれば、より大きな軸支持力を得ることが可能となる。
【００２４】
また、図２の（Ｂ）に示すように、固定子巻線１２は、回転軸３と平行に配される巻装部１３に巻装される、すなわち、回転軸３と平行な軸心周りに固定子巻線１２が巻装されることにより巻装部１３を構成するものであるため、巻長を低減することが可能となる。固定子巻線１２の巻長が低減されることにより、固定子巻線１２の電気抵抗が小さくなり銅損を低減できる。
【００２５】
図２の（Ａ）及び（Ｃ）に示すように、フレーム１５（図１）の軸方向両端部に配される磁石保持部材１１の磁石保持固定部１１ａのみに永久磁石１４が配され、軸方向においてこれら２つの磁石保持部材１１間の領域には、固定子巻線１２を巻装する巻装部１３が配される構成であることから、磁石保持部材１１を含む固定子２を小型化することが可能となる。換言すれば、固定子２の軸方向長さを短縮できることから、仮に同一の軸支持力を得る磁気軸受の場合、本実施例の磁気軸受１によれば、軸方向長さの短い磁気軸受を実現することができる。また、永久磁石１４は軸方向両端部のみの配置で済むことから材料費を低減できる。
【００２６】
なお、巻装部１３を積層ケイ素鋼板に替えて、例えば、機械構造用炭素鋼であるＳ４５Ｃ等の磁性材料で構成しても良い。Ｓ４５Ｃは、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｐ及びＳを含む合金であり、巻装部１３の構成材として用いる場合には、熱処理により強度を向上させた後に用いることが望ましい。
【００２７】
また、図１に示すように、固定子２を構成する巻装部１３は、回転軸３の周囲に４個配される。強磁性体である鉄等により形成される回転軸３の径方向の位置制御は、直行する２軸の位置センサ（図示せず）からの位置情報を基に行い、１軸当たり対をなす２個の巻装部１３が位置制御に必要となるため、巻装部１３は４以上の個数が必要となる。
【００２８】
図３に、図２に示した固定子２を構成する磁石保持部材の変形例を示す。図３の（Ａ）〜（Ｃ）は、図２と同様であり、図３の（Ｄ）に示す磁石保持部材１１を構成する磁石保持固定部１１ａの形状が異なる。図２の（Ｄ）に示す磁石保持固定部１１ａは、その径方向端部の円弧状端面より径方向内側（回転軸３側）へと向かい周方向の幅が狭くなる、略扇型の形状を有する。これに対し図３の（Ｄ）に示す磁石保持部材１１を構成する磁石保持固定部１１ａは、その径方向端部の円弧状端面より径方向内側（回転軸３側）へと向かい周方向の幅が同一となる形状を備える。これにより、フレーム１５を構成する板状接続部１５ｂの内面に固定される磁石保持固定部１１ａの径方向荷重に対する強度を向上することができる。換言すれば、図２の（Ｄ）に示されるような、周方向の幅が絞られた形状部を有さないことにより、磁石保持固定部１１ａの径方向荷重に対し、応力が集中する領域が生じない形状とすることが可能となる。なお、磁石保持部材１１の形状を、図３の（Ｄ）とする場合、これに対応して、磁石保持部材１１を構成する結合部１１ｂに支持される巻装部１３の軸方向両端部の形状も変更される。
【００２９】
本実施例によれば、回転軸の外周面と固定子の内周面間の空隙を高精度に形成でき、低損失な磁気軸受を実現することが可能となる。
【００３０】
また、本実施例によれば、同体格の磁気軸受の場合、軸支持力を向上することができ、また、同一の軸支持力を得る場合においては、小型化された磁気軸受を実現することが可能となる。
【００３１】
更に、また、本実施例によれば、永久磁石は軸方向両端部のみの配置で済むことから材料費を低減でき、低コストで大きな軸支持力を発生することが可能となる。
【実施例２】
【００３２】
図４に、本発明の他の実施例に係る実施例２による磁気軸受の部分横断面図及び部分縦断面図を示す。本実施例では、回転軸３が、シャフト２３、シャフト２３の軸方向の所定の領域であってシャフト２３の外周面に巻かれる巻鉄心２２、と巻鉄心２２の軸方向両端部に対向鉄心２１を有する構成とした点が、実施例１と異なる。その他は実施例１と同様の構成であるため、以下では実施例１と重複する説明を省略する。
【００３３】
図４の（Ａ）は、磁気軸受を周方向から見た部分縦断面図であって図４の（Ｂ）の横断面図中のＡ断面図であり、図４の（Ｂ）は、図４の（Ａ）の縦断面図におけるＢ−Ｂ部分横断面図であり、図４の（Ｃ）は、図４の（Ｂ）及び（Ｄ）の部分横断面図におけるＣ−Ｃ部分縦断面図であり、図４の（Ｄ）は、図４の（Ａ）及び（Ｃ）の部分縦断面図におけるＤ−Ｄ部分横断面図である。
【００３４】
本実施例の磁気軸受１を構成する回転軸３は、図４の（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、シャフト２３、シャフト２３の軸方向の所定の領域にシャフト２３の外周面に巻かれる巻鉄心２２、と巻鉄心２２の軸方向両端部にケイ素鋼板を軸方向に積層し形成される対向鉄心２１を備える。シャフト２３は、強磁性体である円柱状の鉄で形成される。
【００３５】
図４の（Ａ）及び（Ｃ）に示すように、対向鉄心２１は、軸方向両端部に配される磁石保持部材１１（磁石保持固定部１１ａ及び結合部１１ｂ）と空隙５を介して対向する。また、対向鉄心２１は、軸方向にケイ素鋼板を積層し構成される。そして、シャフト２３の外周面であって、軸方向両側に位置する対向鉄心２１の間の領域に、径方向にケイ素鋼板が積層し構成される巻鉄心２２が巻かれている。
【００３６】
図４の（Ａ）において、磁束は、巻装部１３、磁石保持部材１１を構成する結合部１１ｂ、空隙５、対向鉄心２１、巻鉄心２２、対向鉄心２１、空隙５へと通る磁気回路が形成される。よって、磁束の向きは、巻装部１３では軸方向、磁石保持部材１１を構成する結合部１１ｂでは径方向、対向鉄心２１では径方向、巻鉄心２２では軸方向となる。対向鉄心２１は、ケイ素鋼板を軸方向に積層し形成されるものであることから、対向鉄心２１を構成するケイ素鋼板の面に対し垂直あるいは直交する方向に磁束が通ることは無く、対向鉄心２１の鉄損を低減することが可能となる。また、巻鉄心２２は、ケイ素鋼板を径方向に積層し形成されるものであることから、巻鉄心２２を構成するケイ素鋼板の面に対し垂直あるいは直交する方向に磁束が通ることは無い。よって、対向鉄心２１の鉄損も同様に低減することが可能となる。なお、巻鉄心２２は、ケイ素鋼板を径方向に積層することに替えて、周方向にケイ素鋼板を積層し形成しても良い。
【００３７】
本実施例によれば、実施例１の効果に加え、回転軸の鉄損も低減されることから、更なる低損失な磁気軸受を実現することができる。
【実施例３】
【００３８】
図５〜図８に、本発明の実施例３による磁気軸受の固定子の組み立て工程図を示す。図５〜図８では、図１及び図２に示した磁石保持部材１１を一例として示すが、これに限らず、図３に示した磁石保持部材１１を用いても良い。
【００３９】
図５は、磁石保持部材１１を、フレーム１５の軸方向両端部に嵌め込む途中の状態を示している。図５に示すように、固定子２を構成するフレーム１５は、軸方向両端部に配される円環状部１５aと、これら２つの円環状部１５aを軸方向に所定の間隔にて接続すると共に周方向に相互に離間し配される４本の板状接続部１５ｂが一体形成され構成される。フレーム１５の材質は、上述の通り、例えば、非磁性体のステンレス鋼材あるいは、ＦＲＰ等である。
【００４０】
各板状接続部１５ｂは、磁石保持部材１１の磁石保持固定部１１ａの位置に対応するよう相互に離間し配され、その内面には、軸方向に沿って段差１５ｃが形成されている。板状接続部１５ｂの両端部の径方向の厚さは、円環状部１５ａの径方向の幅と同一である。各板状接続部１５ｂの内面（径方向内側の面）は、接続される円環状部１５ａの内周面と連続するよう、その横断面が円弧状となっている。また、同様に、各板状接続部１５ｂの外面（径方向外側の面）は、接続される円環状部１５ａの外周面と連続するよう、その横断面が円弧状となっている。そして、板状接続部１５ｂの内面は、連続するよう接続される２つの円環状部１５ａの対向面より軸方向内側に所定の距離だけ進んだ位置に、径方向内側へと突出する凸部を有する。この凸部の軸方向両端部にて段差１５ｃが形成される。上記円環状部１５ａの対向面と板状接続部１５ｂの段差部１５ｃとの間隔（距離）は、磁石保持部材１１の厚さに対応している。
【００４１】
フレーム１５への磁石保持部材１１の嵌め込み工程は、先ず、フレーム１５の軸方向両端部外側より、それぞれ磁石保持部材１１を挿入する。各磁石保持部材１１を構成する磁石保持固定部１１ａの軸方向内側の面（２つの磁石保持部材１１の対向面）が、フレーム１５を構成する板状接続部１５ｂの内面に形成された段差部１５ｃに当接することで、フレーム１５に対し磁石保持部材１１が嵌め込まれる。その後、フレーム１５が非磁性体のステンレス鋼材等の金属材料にて形成されている場合では、磁石保持固定部１１ａと段差部１５ｃとの当接面及び／又は、磁石保持固定部１１ａの径方向端部の円弧状の端面と板状接続部１５ｂの内面との当接面を溶接し固定する。溶接により固定後、図６に示す状態となる。
【００４２】
なお、フレーム１５の材質が、ＦＲＰ等の溶接できない材料である場合は、焼嵌めを施す。先ず、フレーム１５を加熱する。加熱により円環状部１５ａ及び板状接続部１５ｂは、径方向外側へと膨張する。このとき、円環状部１５ａの内周面は径方向外側へと拡大（内径が拡大）しており、この状態で、フレーム１５の軸方向両端部外側より、それぞれ磁石保持部材１１を、板状接続部１５ｂの内面に形成された段差部１５ｃまで挿入する。その後、時間の経過と共にフレーム１５は、自然冷却され収縮する。円環状部１５ａの内径が加熱前の状態まで収縮することにより、板状接続部１５ｂの内面と磁石保持固定部１１ａの径方向端部の円弧状の端面とが緊合し、フレーム１５に磁石保持部材１１が固定される。自然冷却に替えて、冷却器を用いて加熱後のフレーム１５を収縮させる構成としても良い。
【００４３】
このように、磁石保持部材１１を、軸方向よりフレーム１５に嵌め込むことで、容易に組み込むことができ、組立コストを低減できる。また、磁石保持部材１１は、軸方向に積層したケイ素鋼板で、周方向に一体で構成されているため、磁石保持部材１１の内面精度を向上できることから、磁石保持部材１１の開口部と回転軸３の外周面との間に形成される空隙５（図２）の寸法精度を向上でき、空隙５に磁気抵抗の脈動により発生する高調波鉄損を低減することが可能となる。
【００４４】
次に、図７に、図６に示すフレーム１５へ固定子２を構成する巻装部１３を組み込む組立図を示す。周方向に隣り合う板状接続部１５ｂ間には空洞部１５ｄが形成されており、この空洞部１５ｄは周方向に４箇所存在する。固定子巻線１２が巻装された４個の巻装部１３を、それぞれの空洞部１５ｄへ径方向外側より挿入し嵌め込む。巻装部１３の軸方向両端部における径方向内側（回転軸３に相対する側）の面は、磁石保持部材１１を構成する結合部１１ｂの径方向外側の面（回転軸３との対向面と反対側の面）と当接する。また、巻装部１３の両端部における周方向の側面は、磁石保持部材１１を構成する磁石保持固定部１１ａの側面と当接する。これら当接面での巻装部１３の固定は、例えば、耐熱性の接着剤を上記当接面に塗布した後、巻装部１３を嵌合することで固定される。なお、ここで、耐熱性の接着剤として、１５０℃〜２００℃の耐熱特性を有する接着剤を用いることが望ましい。このように、磁石保持部材１１を構成する磁石保持固定部１１ａ及び結合部１１ｂと巻装部１３の軸方向両端部が固定されることにより、周方向に隣り合う巻装部１３に巻装される固定子巻線１２の最外周部であって、周方向に相互に対向する固定子巻線１２間に、軸方向に連続する空隙が形成される。このように、フレーム１５に巻装部１３を嵌め込み固定することで、図８に示すように、磁気軸受１を構成する固定子２が得られる。この固定子２内の開口部に回転軸３を挿通することで、図１に示す磁気軸受１を形成できる。以上のとおり、巻装部１３を、フレーム１５に径方向から嵌め込むことで、容易に組み込むことができ、組立コストを低減できる。
【００４５】
本実施例によれば、上述の実施例１又は実施例２に示す磁気軸受を容易に組み立てることが可能となり、組み立てコストを低減できる。
【実施例４】
【００４６】
図９に、本発明の他の実施例に係る実施例４による永久磁石同期電動機の磁極の配置と励磁のタイミングを示し、図１０に、図９に示す永久磁石同期電動機の励磁コイルへの印加電圧パターンのタイミングチャートを示す。本実施例では、回転電動機として、永久磁石同期電動機を一例とし、永久磁石同期電動機を構成する固定子を、上述の実施例１又は実施例２の磁気軸受の固定子と同様の構成としている。また、図９では、便宜上、軸方向端部の片側のみで３極（両側合わせて６極）の回転子を示すが、４極、５極あるいは６極以上の場合においても同様に適用できる。
【００４７】
図９（Ａ）〜図９（Ｄ）では、固定子２の巻線による磁極数を、軸方向端部の片側のみで４（両側合わせて８）、回転子４の永久磁石２４による磁極数を、軸方向端部の片側のみで３（両側合わせて６）とした場合を示す。図９（Ａ）〜図９（Ｄ）は、軸方向端部の片側のみ示し、固定子２はＮ極、回転子４はＳ極としているため、軸方向逆側の端部は、固定子２はＳ極、回転子４はＮ極となる。
【００４８】
回転子４の軸方向端部に埋め込まれる又は貼付される永久磁石２４は、上述の固定子２を構成する磁石保持部材１１に対向する位置に配されている。固定子巻線１２をタイミング良く励磁することで、回転子４が回転する。具体的には、図９（Ａ）の回転位置では、固定子２のＮ４の位置にある固定子巻線１２を励磁することで、Ｓ３の位置にある回転子４の磁極との吸引力が発生し、回転子２が回転する。同様に、図９（Ｂ）〜図９（Ｄ）に示す励磁位置Ｎ３〜Ｎ１にある固定子巻線１２を励磁することで、回転子４は回転する。
【００４９】
図９に示すように、回転子４が反時計周りに回転する場合における、励磁コイルである固定子巻線２への印加電圧パターンを図１０に示す。図１０に示すように固定子２の固定子巻線１２が配される位置Ｎ１〜Ｎ４の場合、各固定子巻線１２への電圧を印加するタイミングは、Ｎ１→Ｎ４→Ｎ３→Ｎ２→Ｎ１→Ｎ４→Ｎ３・・・の順に順次印加される。逆に、時計回りに回転子４を回転させる場合には、Ｎ１→Ｎ２→Ｎ３→Ｎ４→Ｎ１→Ｎ２→Ｎ３・・・の順となる。
【００５０】
なお、固定子２と回転子４の磁極数を、本実施例とは異なる組み合わせとしても良い。また、本実施例は発電機にも適用できる。
【００５１】
本実施例によれば、上述の実施例１又は実施例２に示した固定子２を適用しているため、回転子４の外周面と固定子２の内周面間の空隙を高精度に形成できる。
【００５２】
また、低コストでありながら大きな回転力を発生できる永久磁石同期電動機を実現できる。
【００５３】
更にまた、固定子２の組み立てについては、上述の実施例３と同様であることから、永久磁石同期電動機を容易に組み立てることが可能となる。
【実施例５】
【００５４】
図１１に、本発明の他の実施例に係る実施例５によるスイッチトリラクタンスモータの磁極の配置と励磁のタイミングを示す。本実施例では、回転電動機として、スイッチトリラクタンスモータを一例とし、スイッチトリラクタンスモータを構成する固定子を、上述の実施例１又は実施例２の固定子と同様の構成としている。また、図１１では、便宜上、軸方向端部の片側のみで３極（両側合わせて６極）の回転子を示すが、４極、５極あるいは６極以上の場合においても同様に適用できる。
【００５５】
図１１（Ａ）〜図１１（Ｄ）では、固定子２の巻線による磁極数が、軸方向端部の片側のみで４（両側合わせて８）、回転子４の凸部による磁極数が、軸方向端部の片側のみで３（両側合わせて６）とした場合を示す。図１１（Ａ）〜図１１（Ｄ）では、軸方向端部の片側のみ示し、固定子２はＮ極、回転子４はＳ極としているため、軸方向逆側の端部では、固定子２はＳ極、回転子４はＮ極となる。
【００５６】
回転子４の凸部は、上述の固定子２を構成する磁石保持部材１１に対向する位置に配されている。固定子巻線１２をタイミング良く励磁することで、回転子４が回転する。具体的には、図１１（Ａ）の回転位置では、固定子２のＮ４の位置にある固定子巻線１２を励磁することで、Ｓ３の位置にある回転子４の磁極との吸引力が発生し、回転子４が回転する。同様に、図１１（Ｂ）〜図１１（Ｄ）に示す励磁位置Ｎ３〜Ｎ１にある固定子巻線１２を励磁することで、回転子４は回転する。固定子２と回転子４の磁極数は、本実施例とは異なる組み合わせとしても良い。また、本実施例は発電機にも適用できる。なお、励磁コイルである固定子巻線１２への印加電圧パターンは、上述の実施例４における図１０と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００５７】
本実施例によれば、上述の実施例１又は実施例２に示した固定子２を適用しているため、回転子４の外周面と固定子２の内周面間の空隙を高精度に形成できる。
【００５８】
また、低コストでありながら大きな回転力を発生できるスイッチトリラクタンスモータを実現できる。
【００５９】
更にまた、固定子２の組み立てについては、上述の実施例３と同様であることから、スイッチトリラクタンスモータを容易に組み立てることが可能となる。
【００６０】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の実施例の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００６１】
１…磁気軸受
２…固定子
３…回転軸
４…回転子
５…空隙（エアギャップ）
１１…磁石保持部材
１１ａ…磁石保持固定部
１１ｂ…結合部
１２…固定子巻線
１３…巻装部
１４,２４…永久磁石
１５…フレーム
１５ａ…円環状部  
１５ｂ…板状接続部
１５ｃ…段差部
１５ｄ…空洞部
２１…対向鉄心
２２…巻鉄心
２３…シャフト
【図１】
2016104993.tif 000003
【図２】
2016104993.tif 000004
【図３】
2016104993.tif 000005
【図４】
2016104993.tif 000006
【図５】
2016104993.tif 000007
【図６】
2016104993.tif 000008
【図７】
2016104993.tif 000009
【図８】
2016104993.tif 000010
【図９（Ａ）】
2016104993.tif 000011
【図９（Ｂ）】
2016104993.tif 000012
【図９（Ｃ）】
2016104993.tif 000013
【図９（Ｄ）】
2016104993.tif 000014
【図１０】
2016104993.tif 000015
【図１１（Ａ）】
2016104993.tif 000016
【図１１（Ｂ）】
2016104993.tif 000017
【図１１（Ｃ）】
2016104993.tif 000018
【図１１（Ｄ）】
2016104993.tif 000019