磁気軸受部を有する電動機
【課題】回転子が半径方向に移動しても、回転子を支持する磁気支持力が変化し難い磁気軸受部を備えた電動機を提供する。
【解決手段】固定子１８と回転子１と空隙に形成され磁気支持力を発生させる磁気回路に、固定子歯８と永久磁石Ｍｇ間の空隙の磁気抵抗Ｒｇより磁気抵抗が大きくなる部位を設けた。
【解決手段】固定子１８と回転子１と空隙に形成され磁気支持力を発生させる磁気回路に、固定子歯８と永久磁石Ｍｇ間の空隙の磁気抵抗Ｒｇより磁気抵抗が大きくなる部位を設けた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、スピンドルモータ、ポンプ駆動用モータ、その他の産業機器、情報機器、家電用品に用いられる回転子に機械的な接触力が作用しない磁気軸受部を有する電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電動機の長寿命やメンテナンスフリーを実現するために、回転子を磁気的な力により半径方向に浮上させ、回転子に機械的な接触力が作用しない構造の電動機が開発されている。とりわけ誘導型やリラクタンス型のベアリングレスモータの開発が行なわれている。最近ではモータ効率を向上させるため永久磁石型のベアリングレスモータが開発されている。例えば、直流磁界により半径方向力を制御することが可能となるコンシクエント型のベアリングレスモータの半径方向力とトルクを向上させコスト削減したモータ（特許文献１）や、電機子反作用による半径方向力を低減したモータ（特許文献２）などが提案されている。
【特許文献１】特開２００４−３５７４８９号公報
【特許文献２】特開２００２−２７２０２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
磁気軸受を備えた電動機は、回転子軸とタッチダウン軸受の間に隙間があるので、回転子は回転子軸に直交する面に対して並進運動することが可能となっている。永久磁石を備えた回転子が半径方向に移動すると、固定子コアと永久磁石との空隙が回転子軸中心に対して不均一となる。このように空隙に不均一が発生すると、回転子には不平衡吸引力が生じる。そこで回転子がタッチダウンした状態から半径方向に磁気的に浮上するためには、少なくともこの不平衡吸引力に打ち勝つ大きさの支持力で回転子を支持する必要がある。
【０００４】
上記不平衡吸引力に打ち勝つ大きな支持力を得るためには、磁気軸受部を大型化する必要が生じる。また、永久磁石と固定子との間に生ずる不平衡吸引力は、空隙の不均一が拡大するほど大きくなる。このため回転子軸とタッチダウン軸受の隙間を小さくして不平衡吸引力が大きくなりすぎないように空隙の不均一量を制限する方法もある。しかし、隙間を小さくするためには、回転子と固定子の同心度を高める必要があるため、加工や組立のコストが増大する。
また、実質的な支持力の大きさは、支持巻線への通電による支持力と先の吸引力との差分となるため、空隙の不均一による吸引力の変化が大きいと磁気軸受部で発生する支持力が同じでも回転子を支持する実質的な支持力が大きく変化し、回転子の位置制御が不安定となり易い。
空隙の不均一による不平衡吸引力の課題を解消する方法として、不平衡吸引力を制御部で補償することが考えられる。しかし、開発や製造コストを上昇させる。
【０００５】
近年、小型モータの設計においては、磁気装荷の割合を高くした設計が多く、回転子と固定子の空隙の不均一による不平衡吸引力が大きくなり易い。また、電動機の大きさに制約があるため磁気軸受部の巻線を増して支持力を増加させるのも困難である。
【０００６】
本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、回転子が半径方向に移動しても、回転子を支持する磁気支持力が変化し難い磁気軸受部を備えた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】
本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
複数の固定子歯に電動機巻線と磁気支持巻線が巻き付けられた固定子と、固定子歯に対向し、回転子軸に支持され、磁気支持巻線への通電により磁気支持力を発生し、電動機巻線への通電によりトルクを発生する永久磁石を有する回転子と、当該回転子の回転子軸と直交するＸ−Ｙ方向への回転子の変位を検出する変位検出手段と、回転子の回転位置を検出して電動機巻線への通電を切り換えることにより回転子を回転させるモータ制御部と、変位検出手段により検出された回転子の変位に応じて磁気支持巻線の電流の大きさと方向を制御して回転子のＸ−Ｙ方向への並進運動を制御する磁気軸受制御部を備えた電動機であって、固定子と回転子と空隙に形成され磁気支持力を発生させる磁気回路に、固定子歯と永久磁石間の空隙の磁気抵抗より磁気抵抗が大きくなる部位を設けたことを特徴とする。
また、複数の固定子歯に巻き付けられる電動機巻線と該電動機巻線と対になって複数の固定子歯に巻き付けられ径方向に対向する位置にある固定子歯に同相の巻線が巻き付けられる磁気支持巻線を有する固定子と、電動機巻線への通電によりトルクを発生する永久磁石を有する回転子を備えたことを特徴とする。
また、複数の固定子歯に巻き付けられる電動機巻線を有する第１の固定子と、複数の固定子歯に巻き付けられる磁気支持巻線を有する第２の固定子と、第１の固定子歯に対向し電動機巻線への通電によりトルクを発生する第１の回転子と、第２の固定子歯に対向し磁気支持巻線への通電により磁気支持力を発生する永久磁石を有する第２の回転子が各々同一回転子軸に支持されていることを特徴とする。
【０００８】
具体的には、固定子と永久磁石と空隙に形成される磁気回路であって、アウターロータ型モータの場合、永久磁石の内周面が固定子歯と対向しかつ永久磁石が非磁性材料よりなる回転子カップの内周面に保持されるか、または非磁性材料よりなる回転子ヨークの内周面に永久磁石が保持され、該回転子ヨークが磁性材料よりなる回転子カップの内周面に保持されていることを特徴とする。インナーロータ型モータの場合、回転子軸に連結されている非磁性材料よりなる回転子ヨークの外周面に永久磁石が保持されていることを特徴とする。
また、永久磁石を保持する磁性材料よりなる回転子ヨークの一部に固定子歯と永久磁石間の空隙の磁気抵抗より磁気抵抗が大きくなる切欠き部を設けるか又は固定子の一部に固定子歯と永久磁石間の空隙の磁気抵抗より磁気抵抗が大きくなる空隙部を設けることを特徴とする。
また、固定子と回転子と空隙に形成される磁気回路において、磁性材料よりなる回転子ヨーク又は固定子コアの断面積が部分的に縮小されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
上述した磁気軸受部を備えた電動機を用いれば、固定子と回転子と空隙に形成され磁気支持力を発生させる磁気回路に、固定子歯と永久磁石間の空隙の磁気抵抗より磁気抵抗が大きくなる部位を設けたので、回転子が半径方向に移動し、固定子と永久磁石の空隙が変化しても不平衡吸引力が変化し難くなる。よって、回転子の位置が変化しても回転子の位置制御に必要な磁気的支持力の変動が小さくなるため、安定した制御動作が行なえる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明に係る磁気軸受部を備えた電動機の最良の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。本実施の形態ではアウターロータ型のＤＣブラシレスモータを例示して説明するが、インナーロータ型のモータについても適用可能である。
【００１１】
電動機Ｍの概略構成について図１及び図２を参照して説明する。先ず、図１は８極１２スロットの電動機Ｍを例示している。回転子１の構成について説明する。図２の左半図において、回転子１は、回転子軸２に支持された非磁性材料よりなるカップ状の回転子カップ３と、回転子カップ３の内周面に固定されたリング状の磁性材料よりなる回転子ヨーク４と、回転子ヨーク４の内周面に固定され、８極に着磁されたリング状の永久磁石Ｍｇから構成されている。尚、図２の右半図のように回転子ヨーク４を省略することもできる。この場合には、永久磁石Ｍｇを支持する回転子カップ３に磁性材料が用いられる。
【００１２】
図３は、回転子ヨーク４を省略した電動機Ｍを例示する。同図において、固定子１８の固定子コア５には例えば積層コアが用いられる。複数の固定子歯８は回転方向に３０°で突設された歯頭部（８ａ１、８ａ２、８ｂ１、８ｂ２、８ｃ１、８ｃ２）を有する。固定子コア５には１２個の固定子歯８が放射状に形成されている。固定子歯８にはＵ相（Ｕ１〜Ｕ４）、Ｖ相（Ｖ１〜Ｖ４）、Ｗ相（Ｗ１〜Ｗ４）に相当する三相の電動機巻線９と、該電動機巻線９と対になって磁気軸受部Ｕを構成する磁気支持巻線１０（１０ａ１、１０ａ２（ａ相）、１０ｂ１，１０ｂ２（ｂ相）、１０ｃ１、１０ｃ２（ｃ相））が巻き付けられ、電動機巻線９は磁気支持巻線１０より永久磁石Ｍｇ側に位置している。同相の磁気支持巻線１０は直列に接続され、径方向に対向する位置にある２個の固定子歯８に巻き付けられている。
【００１３】
次に、モータ制御部の構成について図４のブロック図を参照して説明する。制御部１１（ＣＰＵ，ＤＳＰ（Digital Signal Processor）など）には、モータ制御部１２と磁気軸受部Ｕを構成する支持制御部１３が設けられている。モータ制御部１２は、電動機電流駆動回路１４を通じて電動機巻線９のうちいずれか２相（例えばｉＶ及びｉＷ）へ励磁して回転子１にトルクを発生させて、電動機Ｍを回転駆動する。電動機巻線９への通電切り替えは回転角度センサ１５の回転子磁極の検出信号に基づいて行なわれる。
尚、モータ制御部１２、電動機電流駆動回路１４は電動機Ｍの外部に設けても良い。
【００１４】
磁気軸受部Ｕの動作について説明する。支持制御部１３は、変位検出手段１７の回転子１の変位検出信号を演算した結果と、回転角度センサ１５の回転子磁極の検出信号の演算結果に基づいて、磁気支持巻線１０へ通電するＸ軸方向及びＹ軸方向の電流指令値を演算する。そして、支持制御部１３は磁気支持巻線電流駆動回路１６へ電流指令値を送り、磁気支持巻線電流駆動回路１６はａ相、ｂ相、ｃ相のうち、所定の磁気支持力を発生させる磁気支持巻線１０へ通電して回転子１の並進運動を制御するようになっている。
尚、支持制御部１３、磁気支持巻線電流駆動回路１６は電動機Ｍの外部に設けても良い。
【００１５】
例えば、図５は、回転子１の回転角度φ（図３参照）が２２．５°の場合を示す。このときＵ相は励磁されず電動機巻線９に流れる電流値が零になる。この状態で、Ｕ相の電動機巻線９と対になっている磁気支持巻線１０ａ１に図示方向の電流ａ１を流すと、永久磁石２の磁束（太い矢印）に加えて支持磁束（細い矢印）が発生する。このとき、一方の歯頭部８ａ１と永久磁石２との空隙１８では磁束密度が減少し、他方の歯頭部８ａ１と永久磁石２との空隙１９では磁束密度が増加する。この結果、回転子１にはＸ軸方向に磁気支持力（並進力）Ｆｘが発生する。尚、Ｕ相の電動機巻線９は励磁されないので、永久磁石２と固定子歯８に発生する磁束に影響を及ぼさない。このように変位検出手段１７で検出される回転子１の変位に応じた磁気支持巻線１０への通電により回転子１の並進運動を制御して磁気浮上させながらモータの駆動を行うことができる。
【００１６】
ここで、互いに対向配置された固定子１８の固定子歯８と永久磁石Ｍｇとの間で形成される磁気回路Ｊにおける空隙の磁束密度の大きさについて図６及び図７を参照して考察する。
図６において、磁気回路Ｊにおいて固定子歯８と永久磁石Ｍｇとの間で形成される空隙の磁気抵抗をＲｇ、固定子コア５の磁気抵抗Ｒｓ、永久磁石Ｍｇの磁気抵抗をＲｍ、永久磁石ＭｇのＮ極とＳ極間の磁気抵抗をＲｏ（Ｒｇ、Ｒｓ、Ｒｍ以外の磁気抵抗をすべて含む）、起磁力をＵｍ、磁極面積Ｓとする。空隙の磁束密度ＢｇはＢｇ＝２・Ｕｍ／（２Ｒｇ＋Ｒｏ＋２Ｒｍ＋Ｒｓ）／Ｓで表される。ここで、固定子コア５の磁気抵抗Ｒｓは空隙の磁気抵抗Ｒｇに比べて極めて小さいので無視できる。よって、Ｂｇ≒２・Ｕｍ／（２Ｒｇ＋Ｒｏ＋２Ｒｍ）／Ｓと表される。
【００１７】
一般に磁極間に働く力（吸引力）はＦ＝（１／２）μ0×Ｓ×Ｂｇ2（μ0は真空の透磁率、Ｂｇは空隙の磁束密度）で表される。これより、磁極間に働く力を変化させないためには空隙の磁束密度Ｂｇを変化させないことが有効である。
回転子１が半径方向に移動した場合、Ｒｇのみが変化するので、空隙の磁束密度Ｂｇは２ＲｇとＲｏ＋２Ｒｍの比で決まることになる。ここに、２Ｒｍは一定値であるため、２Ｒｇに対して永久磁石Ｍｇの磁極間の磁気抵抗Ｒｏを大きく取ることで空隙の磁束密度Ｂｇは空隙の磁気抵抗Ｒｇの変化に対する変動率は小さくなる。逆に永久磁石Ｍｇを支持する磁性体の使用や磁極間の空間距離を短くすることでＲｏを小さくした場合には、空隙の磁束密度Ｂｇに対してＲｇが支配的になり、空隙の磁気抵抗Ｒｇの変化に対して空隙の磁束密度Ｂｇが大きく変化し吸引力も大きく変化することになる。
【００１８】
図７は、磁気支持巻線ａ１に２Ａの電流を流したときに回転子１の半径方向への芯ずれ量と回転子１に作用する力の大きさの関係を示すグラフ図である。永久磁石Ｍｇとして正弦波着磁と矩形波着磁したものの２種類を使用し、磁性体である回転子ヨーク４がある場合と無い場合について回転子１に作用する力を比較したものである。このグラフ図によれば、永久磁石Ｍｇの磁極間の磁気抵抗Ｒｏが大きくなるため、回転子ヨーク４を省略したほうが、力の変化を少なくすることができることが判明した。
【００１９】
図２の右半図において、永久磁石Ｍｇが非磁性材料よりなる回転子カップ３の内周面に設けられるのが好ましい。
また、図２の左半図の構成において、非磁性材料（アルミニウム、真鍮、ゴムなど）よりなる回転子ヨーク４の内周面に永久磁石Ｍｇが保持され、回転子ヨーク４の外周面が磁性材料よりなる回転子カップ３の内周面に保持されていてもよい。この場合には固定子歯８と永久磁石Ｍｇ間の空隙とは別の空隙を磁気回路中に設けた場合と同じ効果が得られる。
【００２０】
また、他例としては、図８において、永久磁石Ｍｇを保持する磁性材料からなる回転子ヨーク４の一部に固定子歯８と永久磁石Ｍｇ間の空隙による磁気抵抗Ｒｇより磁気抵抗が大きくなる切欠き部１９を設けるか又は固定子１の一部に固定子歯８と永久磁石Ｍｇ間の空隙による磁気抵抗Ｒｇより磁気抵抗が大きくなる空隙部２０を設けてもよい。
或いは、固定子歯８と永久磁石Ｍｇ間に形成される磁気回路Ｊにおいて、磁性材料よりなる回転子ヨーク４又は固定子コア５の断面積Ｓが部分的に縮小されていてもよい。これにより、断面積Ｓを減少させた部位で磁気飽和が発生し、空隙形成と同等の効果（磁気飽和した磁性体の透磁率は空気の透磁率に近くなる）が得られる。
【００２１】
また、上記実施例では、８極１２スロットのモータについて説明したが、これに限るものではない。例えば相数をｎ（自然数）とした時、４ｎ個のスロットを有するベアリングレスモータに適用出来る。さらに、２Ｐスロット（Ｐは自然数）、Ｐ極の２相モータについても適用することが可能である。また、回転子に永久磁石を有さない誘導型やリラクタンス型のベアリングレスモータについても適用可能である。
また、上記実施例では回転子ヨーク３の回転軸として回転子軸２を設けているが、回転子軸２がないモータについても適用可能である。
【００２２】
以上のような構成により回転子が半径方向に移動しても、不平衡吸引力に大きな変化が起こり難くなるので、磁気軸受部Ｕを大型化したり、機械的な中心と磁気的な中心を精密に一致させたりする必要もなくなるため、ベアリングレスモータを小型化でき、かつ製造コストも低く抑えることが可能となる。
【００２３】
尚、上述した実施例では、電動機巻線９と磁気支持巻線１０が同じ固定子歯８に巻き付けられる電動機と磁気軸受部Ｕが一体となったベアリングレスモータの例で説明をしたが、これに限定されるものではない。例えば、電動機巻線９と磁気支持巻線１０が別の固定子に巻かれ、電動機部分とは別に1個又は複数の磁気軸受部Ｕを備え、磁気支持部の固定子歯に対向して永久磁石が備えられている磁気軸受部Ｕを有する電動機にも適用しても同じような効果を得ることができる。
【００２４】
一例として、電動機Ｍの軸方向両側に磁気軸受部Ｕを設けたインナーロータ型の電動機について説明する。図９において、複数の固定子歯８に巻き付けられる電動機巻線９を有する第１の固定子２１と、複数の固定子歯２３に巻き付けられる磁気支持巻線１０を有する第２の固定子２２が各々設けられている。即ち、電動機部分の第１の固定子２１とその軸方向両側に磁気軸受部Ｕの第２の固定子２２が別個に設けられている。また回転子軸２には、固定子歯８に対向し、電動機巻線９への励磁によりトルクを発生する永久磁石Ｍｇを有する第１の回転子２４と、固定子歯２３に対向し、磁気支持巻線１０への励磁により磁気支持力を発生する第２の回転子２５が各々別個に設けられている。即ち、電動機Ｍの第１の回転子２４とその軸方向両側に磁気軸受部Ｕの第２の回転子２５が別個に設けられている。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】ベアリングレスモータの平面図である。
【図２】ベアリングレスモータの垂直断面図である。
【図３】ベアリングレスモータの水平断面図である。
【図４】モータの制御系を示すブロック構成図である。
【図５】磁気支持力の発生原理の一例を示す説明図である。
【図６】固定子歯と永久磁石間の空隙の磁束密度の大きさを考察する磁気回路の説明図である。
【図７】磁性体ヨークの有無に応じた磁気支持力の大きさの変化を示すグラフ図である。
【図８】他例に係るベアリングレスモータの平面図である。
【図９】他例に係るベアリングレスモータの垂直断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
Ｍ 電動機
Ｍｇ 永久磁石
Ｕ 磁気軸受部
１ 回転子
２ 回転子軸
３ 回転子カップ
４ 回転子ヨーク
５ 固定子コア
８ 固定子歯
９ 電動機巻線
１０ 磁気支持巻線
１１ 制御部
１２ モータ制御部
１３ 支持制御部
１４ 電動機電流駆動回路
１５ 回転角度センサ
１６ 磁気支持巻線電流駆動回路
１７ 変位検出手段
１８ 固定子
１９ 切欠き部
２０ 空隙部
２１ 第１の固定子
２２ 第２の固定子
２３ 磁極歯
２４ 第１の回転子
２５ 第２の回転子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、スピンドルモータ、ポンプ駆動用モータ、その他の産業機器、情報機器、家電用品に用いられる回転子に機械的な接触力が作用しない磁気軸受部を有する電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電動機の長寿命やメンテナンスフリーを実現するために、回転子を磁気的な力により半径方向に浮上させ、回転子に機械的な接触力が作用しない構造の電動機が開発されている。とりわけ誘導型やリラクタンス型のベアリングレスモータの開発が行なわれている。最近ではモータ効率を向上させるため永久磁石型のベアリングレスモータが開発されている。例えば、直流磁界により半径方向力を制御することが可能となるコンシクエント型のベアリングレスモータの半径方向力とトルクを向上させコスト削減したモータ（特許文献１）や、電機子反作用による半径方向力を低減したモータ（特許文献２）などが提案されている。
【特許文献１】特開２００４−３５７４８９号公報
【特許文献２】特開２００２−２７２０２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
磁気軸受を備えた電動機は、回転子軸とタッチダウン軸受の間に隙間があるので、回転子は回転子軸に直交する面に対して並進運動することが可能となっている。永久磁石を備えた回転子が半径方向に移動すると、固定子コアと永久磁石との空隙が回転子軸中心に対して不均一となる。このように空隙に不均一が発生すると、回転子には不平衡吸引力が生じる。そこで回転子がタッチダウンした状態から半径方向に磁気的に浮上するためには、少なくともこの不平衡吸引力に打ち勝つ大きさの支持力で回転子を支持する必要がある。
【０００４】
上記不平衡吸引力に打ち勝つ大きな支持力を得るためには、磁気軸受部を大型化する必要が生じる。また、永久磁石と固定子との間に生ずる不平衡吸引力は、空隙の不均一が拡大するほど大きくなる。このため回転子軸とタッチダウン軸受の隙間を小さくして不平衡吸引力が大きくなりすぎないように空隙の不均一量を制限する方法もある。しかし、隙間を小さくするためには、回転子と固定子の同心度を高める必要があるため、加工や組立のコストが増大する。
また、実質的な支持力の大きさは、支持巻線への通電による支持力と先の吸引力との差分となるため、空隙の不均一による吸引力の変化が大きいと磁気軸受部で発生する支持力が同じでも回転子を支持する実質的な支持力が大きく変化し、回転子の位置制御が不安定となり易い。
空隙の不均一による不平衡吸引力の課題を解消する方法として、不平衡吸引力を制御部で補償することが考えられる。しかし、開発や製造コストを上昇させる。
【０００５】
近年、小型モータの設計においては、磁気装荷の割合を高くした設計が多く、回転子と固定子の空隙の不均一による不平衡吸引力が大きくなり易い。また、電動機の大きさに制約があるため磁気軸受部の巻線を増して支持力を増加させるのも困難である。
【０００６】
本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、回転子が半径方向に移動しても、回転子を支持する磁気支持力が変化し難い磁気軸受部を備えた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】
本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
複数の固定子歯に電動機巻線と磁気支持巻線が巻き付けられた固定子と、固定子歯に対向し、回転子軸に支持され、磁気支持巻線への通電により磁気支持力を発生し、電動機巻線への通電によりトルクを発生する永久磁石を有する回転子と、当該回転子の回転子軸と直交するＸ−Ｙ方向への回転子の変位を検出する変位検出手段と、回転子の回転位置を検出して電動機巻線への通電を切り換えることにより回転子を回転させるモータ制御部と、変位検出手段により検出された回転子の変位に応じて磁気支持巻線の電流の大きさと方向を制御して回転子のＸ−Ｙ方向への並進運動を制御する磁気軸受制御部を備えた電動機であって、固定子と回転子と空隙に形成され磁気支持力を発生させる磁気回路に、固定子歯と永久磁石間の空隙の磁気抵抗より磁気抵抗が大きくなる部位を設けたことを特徴とする。
また、複数の固定子歯に巻き付けられる電動機巻線と該電動機巻線と対になって複数の固定子歯に巻き付けられ径方向に対向する位置にある固定子歯に同相の巻線が巻き付けられる磁気支持巻線を有する固定子と、電動機巻線への通電によりトルクを発生する永久磁石を有する回転子を備えたことを特徴とする。
また、複数の固定子歯に巻き付けられる電動機巻線を有する第１の固定子と、複数の固定子歯に巻き付けられる磁気支持巻線を有する第２の固定子と、第１の固定子歯に対向し電動機巻線への通電によりトルクを発生する第１の回転子と、第２の固定子歯に対向し磁気支持巻線への通電により磁気支持力を発生する永久磁石を有する第２の回転子が各々同一回転子軸に支持されていることを特徴とする。
【０００８】
具体的には、固定子と永久磁石と空隙に形成される磁気回路であって、アウターロータ型モータの場合、永久磁石の内周面が固定子歯と対向しかつ永久磁石が非磁性材料よりなる回転子カップの内周面に保持されるか、または非磁性材料よりなる回転子ヨークの内周面に永久磁石が保持され、該回転子ヨークが磁性材料よりなる回転子カップの内周面に保持されていることを特徴とする。インナーロータ型モータの場合、回転子軸に連結されている非磁性材料よりなる回転子ヨークの外周面に永久磁石が保持されていることを特徴とする。
また、永久磁石を保持する磁性材料よりなる回転子ヨークの一部に固定子歯と永久磁石間の空隙の磁気抵抗より磁気抵抗が大きくなる切欠き部を設けるか又は固定子の一部に固定子歯と永久磁石間の空隙の磁気抵抗より磁気抵抗が大きくなる空隙部を設けることを特徴とする。
また、固定子と回転子と空隙に形成される磁気回路において、磁性材料よりなる回転子ヨーク又は固定子コアの断面積が部分的に縮小されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
上述した磁気軸受部を備えた電動機を用いれば、固定子と回転子と空隙に形成され磁気支持力を発生させる磁気回路に、固定子歯と永久磁石間の空隙の磁気抵抗より磁気抵抗が大きくなる部位を設けたので、回転子が半径方向に移動し、固定子と永久磁石の空隙が変化しても不平衡吸引力が変化し難くなる。よって、回転子の位置が変化しても回転子の位置制御に必要な磁気的支持力の変動が小さくなるため、安定した制御動作が行なえる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明に係る磁気軸受部を備えた電動機の最良の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。本実施の形態ではアウターロータ型のＤＣブラシレスモータを例示して説明するが、インナーロータ型のモータについても適用可能である。
【００１１】
電動機Ｍの概略構成について図１及び図２を参照して説明する。先ず、図１は８極１２スロットの電動機Ｍを例示している。回転子１の構成について説明する。図２の左半図において、回転子１は、回転子軸２に支持された非磁性材料よりなるカップ状の回転子カップ３と、回転子カップ３の内周面に固定されたリング状の磁性材料よりなる回転子ヨーク４と、回転子ヨーク４の内周面に固定され、８極に着磁されたリング状の永久磁石Ｍｇから構成されている。尚、図２の右半図のように回転子ヨーク４を省略することもできる。この場合には、永久磁石Ｍｇを支持する回転子カップ３に磁性材料が用いられる。
【００１２】
図３は、回転子ヨーク４を省略した電動機Ｍを例示する。同図において、固定子１８の固定子コア５には例えば積層コアが用いられる。複数の固定子歯８は回転方向に３０°で突設された歯頭部（８ａ１、８ａ２、８ｂ１、８ｂ２、８ｃ１、８ｃ２）を有する。固定子コア５には１２個の固定子歯８が放射状に形成されている。固定子歯８にはＵ相（Ｕ１〜Ｕ４）、Ｖ相（Ｖ１〜Ｖ４）、Ｗ相（Ｗ１〜Ｗ４）に相当する三相の電動機巻線９と、該電動機巻線９と対になって磁気軸受部Ｕを構成する磁気支持巻線１０（１０ａ１、１０ａ２（ａ相）、１０ｂ１，１０ｂ２（ｂ相）、１０ｃ１、１０ｃ２（ｃ相））が巻き付けられ、電動機巻線９は磁気支持巻線１０より永久磁石Ｍｇ側に位置している。同相の磁気支持巻線１０は直列に接続され、径方向に対向する位置にある２個の固定子歯８に巻き付けられている。
【００１３】
次に、モータ制御部の構成について図４のブロック図を参照して説明する。制御部１１（ＣＰＵ，ＤＳＰ（Digital Signal Processor）など）には、モータ制御部１２と磁気軸受部Ｕを構成する支持制御部１３が設けられている。モータ制御部１２は、電動機電流駆動回路１４を通じて電動機巻線９のうちいずれか２相（例えばｉＶ及びｉＷ）へ励磁して回転子１にトルクを発生させて、電動機Ｍを回転駆動する。電動機巻線９への通電切り替えは回転角度センサ１５の回転子磁極の検出信号に基づいて行なわれる。
尚、モータ制御部１２、電動機電流駆動回路１４は電動機Ｍの外部に設けても良い。
【００１４】
磁気軸受部Ｕの動作について説明する。支持制御部１３は、変位検出手段１７の回転子１の変位検出信号を演算した結果と、回転角度センサ１５の回転子磁極の検出信号の演算結果に基づいて、磁気支持巻線１０へ通電するＸ軸方向及びＹ軸方向の電流指令値を演算する。そして、支持制御部１３は磁気支持巻線電流駆動回路１６へ電流指令値を送り、磁気支持巻線電流駆動回路１６はａ相、ｂ相、ｃ相のうち、所定の磁気支持力を発生させる磁気支持巻線１０へ通電して回転子１の並進運動を制御するようになっている。
尚、支持制御部１３、磁気支持巻線電流駆動回路１６は電動機Ｍの外部に設けても良い。
【００１５】
例えば、図５は、回転子１の回転角度φ（図３参照）が２２．５°の場合を示す。このときＵ相は励磁されず電動機巻線９に流れる電流値が零になる。この状態で、Ｕ相の電動機巻線９と対になっている磁気支持巻線１０ａ１に図示方向の電流ａ１を流すと、永久磁石２の磁束（太い矢印）に加えて支持磁束（細い矢印）が発生する。このとき、一方の歯頭部８ａ１と永久磁石２との空隙１８では磁束密度が減少し、他方の歯頭部８ａ１と永久磁石２との空隙１９では磁束密度が増加する。この結果、回転子１にはＸ軸方向に磁気支持力（並進力）Ｆｘが発生する。尚、Ｕ相の電動機巻線９は励磁されないので、永久磁石２と固定子歯８に発生する磁束に影響を及ぼさない。このように変位検出手段１７で検出される回転子１の変位に応じた磁気支持巻線１０への通電により回転子１の並進運動を制御して磁気浮上させながらモータの駆動を行うことができる。
【００１６】
ここで、互いに対向配置された固定子１８の固定子歯８と永久磁石Ｍｇとの間で形成される磁気回路Ｊにおける空隙の磁束密度の大きさについて図６及び図７を参照して考察する。
図６において、磁気回路Ｊにおいて固定子歯８と永久磁石Ｍｇとの間で形成される空隙の磁気抵抗をＲｇ、固定子コア５の磁気抵抗Ｒｓ、永久磁石Ｍｇの磁気抵抗をＲｍ、永久磁石ＭｇのＮ極とＳ極間の磁気抵抗をＲｏ（Ｒｇ、Ｒｓ、Ｒｍ以外の磁気抵抗をすべて含む）、起磁力をＵｍ、磁極面積Ｓとする。空隙の磁束密度ＢｇはＢｇ＝２・Ｕｍ／（２Ｒｇ＋Ｒｏ＋２Ｒｍ＋Ｒｓ）／Ｓで表される。ここで、固定子コア５の磁気抵抗Ｒｓは空隙の磁気抵抗Ｒｇに比べて極めて小さいので無視できる。よって、Ｂｇ≒２・Ｕｍ／（２Ｒｇ＋Ｒｏ＋２Ｒｍ）／Ｓと表される。
【００１７】
一般に磁極間に働く力（吸引力）はＦ＝（１／２）μ0×Ｓ×Ｂｇ2（μ0は真空の透磁率、Ｂｇは空隙の磁束密度）で表される。これより、磁極間に働く力を変化させないためには空隙の磁束密度Ｂｇを変化させないことが有効である。
回転子１が半径方向に移動した場合、Ｒｇのみが変化するので、空隙の磁束密度Ｂｇは２ＲｇとＲｏ＋２Ｒｍの比で決まることになる。ここに、２Ｒｍは一定値であるため、２Ｒｇに対して永久磁石Ｍｇの磁極間の磁気抵抗Ｒｏを大きく取ることで空隙の磁束密度Ｂｇは空隙の磁気抵抗Ｒｇの変化に対する変動率は小さくなる。逆に永久磁石Ｍｇを支持する磁性体の使用や磁極間の空間距離を短くすることでＲｏを小さくした場合には、空隙の磁束密度Ｂｇに対してＲｇが支配的になり、空隙の磁気抵抗Ｒｇの変化に対して空隙の磁束密度Ｂｇが大きく変化し吸引力も大きく変化することになる。
【００１８】
図７は、磁気支持巻線ａ１に２Ａの電流を流したときに回転子１の半径方向への芯ずれ量と回転子１に作用する力の大きさの関係を示すグラフ図である。永久磁石Ｍｇとして正弦波着磁と矩形波着磁したものの２種類を使用し、磁性体である回転子ヨーク４がある場合と無い場合について回転子１に作用する力を比較したものである。このグラフ図によれば、永久磁石Ｍｇの磁極間の磁気抵抗Ｒｏが大きくなるため、回転子ヨーク４を省略したほうが、力の変化を少なくすることができることが判明した。
【００１９】
図２の右半図において、永久磁石Ｍｇが非磁性材料よりなる回転子カップ３の内周面に設けられるのが好ましい。
また、図２の左半図の構成において、非磁性材料（アルミニウム、真鍮、ゴムなど）よりなる回転子ヨーク４の内周面に永久磁石Ｍｇが保持され、回転子ヨーク４の外周面が磁性材料よりなる回転子カップ３の内周面に保持されていてもよい。この場合には固定子歯８と永久磁石Ｍｇ間の空隙とは別の空隙を磁気回路中に設けた場合と同じ効果が得られる。
【００２０】
また、他例としては、図８において、永久磁石Ｍｇを保持する磁性材料からなる回転子ヨーク４の一部に固定子歯８と永久磁石Ｍｇ間の空隙による磁気抵抗Ｒｇより磁気抵抗が大きくなる切欠き部１９を設けるか又は固定子１の一部に固定子歯８と永久磁石Ｍｇ間の空隙による磁気抵抗Ｒｇより磁気抵抗が大きくなる空隙部２０を設けてもよい。
或いは、固定子歯８と永久磁石Ｍｇ間に形成される磁気回路Ｊにおいて、磁性材料よりなる回転子ヨーク４又は固定子コア５の断面積Ｓが部分的に縮小されていてもよい。これにより、断面積Ｓを減少させた部位で磁気飽和が発生し、空隙形成と同等の効果（磁気飽和した磁性体の透磁率は空気の透磁率に近くなる）が得られる。
【００２１】
また、上記実施例では、８極１２スロットのモータについて説明したが、これに限るものではない。例えば相数をｎ（自然数）とした時、４ｎ個のスロットを有するベアリングレスモータに適用出来る。さらに、２Ｐスロット（Ｐは自然数）、Ｐ極の２相モータについても適用することが可能である。また、回転子に永久磁石を有さない誘導型やリラクタンス型のベアリングレスモータについても適用可能である。
また、上記実施例では回転子ヨーク３の回転軸として回転子軸２を設けているが、回転子軸２がないモータについても適用可能である。
【００２２】
以上のような構成により回転子が半径方向に移動しても、不平衡吸引力に大きな変化が起こり難くなるので、磁気軸受部Ｕを大型化したり、機械的な中心と磁気的な中心を精密に一致させたりする必要もなくなるため、ベアリングレスモータを小型化でき、かつ製造コストも低く抑えることが可能となる。
【００２３】
尚、上述した実施例では、電動機巻線９と磁気支持巻線１０が同じ固定子歯８に巻き付けられる電動機と磁気軸受部Ｕが一体となったベアリングレスモータの例で説明をしたが、これに限定されるものではない。例えば、電動機巻線９と磁気支持巻線１０が別の固定子に巻かれ、電動機部分とは別に1個又は複数の磁気軸受部Ｕを備え、磁気支持部の固定子歯に対向して永久磁石が備えられている磁気軸受部Ｕを有する電動機にも適用しても同じような効果を得ることができる。
【００２４】
一例として、電動機Ｍの軸方向両側に磁気軸受部Ｕを設けたインナーロータ型の電動機について説明する。図９において、複数の固定子歯８に巻き付けられる電動機巻線９を有する第１の固定子２１と、複数の固定子歯２３に巻き付けられる磁気支持巻線１０を有する第２の固定子２２が各々設けられている。即ち、電動機部分の第１の固定子２１とその軸方向両側に磁気軸受部Ｕの第２の固定子２２が別個に設けられている。また回転子軸２には、固定子歯８に対向し、電動機巻線９への励磁によりトルクを発生する永久磁石Ｍｇを有する第１の回転子２４と、固定子歯２３に対向し、磁気支持巻線１０への励磁により磁気支持力を発生する第２の回転子２５が各々別個に設けられている。即ち、電動機Ｍの第１の回転子２４とその軸方向両側に磁気軸受部Ｕの第２の回転子２５が別個に設けられている。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】ベアリングレスモータの平面図である。
【図２】ベアリングレスモータの垂直断面図である。
【図３】ベアリングレスモータの水平断面図である。
【図４】モータの制御系を示すブロック構成図である。
【図５】磁気支持力の発生原理の一例を示す説明図である。
【図６】固定子歯と永久磁石間の空隙の磁束密度の大きさを考察する磁気回路の説明図である。
【図７】磁性体ヨークの有無に応じた磁気支持力の大きさの変化を示すグラフ図である。
【図８】他例に係るベアリングレスモータの平面図である。
【図９】他例に係るベアリングレスモータの垂直断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
Ｍ 電動機
Ｍｇ 永久磁石
Ｕ 磁気軸受部
１ 回転子
２ 回転子軸
３ 回転子カップ
４ 回転子ヨーク
５ 固定子コア
８ 固定子歯
９ 電動機巻線
１０ 磁気支持巻線
１１ 制御部
１２ モータ制御部
１３ 支持制御部
１４ 電動機電流駆動回路
１５ 回転角度センサ
１６ 磁気支持巻線電流駆動回路
１７ 変位検出手段
１８ 固定子
１９ 切欠き部
２０ 空隙部
２１ 第１の固定子
２２ 第２の固定子
２３ 磁極歯
２４ 第１の回転子
２５ 第２の回転子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の固定子歯に電動機巻線と磁気支持巻線が巻き付けられた固定子と、
固定子歯に対向し、回転子軸に支持され、磁気支持巻線への通電により磁気支持力を発生し、電動機巻線への通電によりトルクを発生する永久磁石を有する回転子と、
当該回転子の回転子軸と直交するＸ−Ｙ方向への回転子の変位を検出する変位検出手段と、
回転子の回転位置を検出して電動機巻線への通電を切り換えることにより回転子を回転させるモータ制御部と、
変位検出手段により検出された回転子の変位に応じて磁気支持巻線の電流の大きさと方向を制御して回転子のＸ−Ｙ方向への並進運動を制御する磁気軸受制御部を備えた電動機であって、
固定子と回転子と空隙に形成され磁気支持力を発生させる磁気回路に、固定子歯と永久磁石間の空隙の磁気抵抗より磁気抵抗が大きくなる部位を設けたことを特徴とする磁気軸受部を備えた電動機。
【請求項２】
複数の固定子歯に巻き付けられる電動機巻線と該電動機巻線と対になって複数の固定子歯に巻き付けられ径方向に対向する位置にある固定子歯に同相の巻線が巻き付けられる磁気支持巻線を有する固定子と、電動機巻線への通電によりトルクを発生する永久磁石を有する回転子を備えたことを特徴とする請求項１記載の磁気軸受部を備えた電動機。
【請求項３】
複数の固定子歯に巻き付けられる電動機巻線を有する第１の固定子と、複数の固定子歯に巻き付けられる磁気支持巻線を有する第２の固定子と、
第１の固定子歯に対向し電動機巻線への通電によりトルクを発生する第１の回転子と、第２の固定子歯に対向し磁気支持巻線への通電により磁気支持力を発生する永久磁石を有する第２の回転子が各々同一回転子軸に支持されていることを特徴とする請求項１記載の磁気軸受部を備えた電動機。
【請求項４】
固定子と回転子と空隙に形成される磁気回路であって、永久磁石が非磁性材料よりなる回転子カップの内周面に保持されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の磁気軸受部を備えた電動機。
【請求項５】
非磁性材料よりなる回転子ヨークの内周面に永久磁石が保持され、該回転子ヨークが磁性材料よりなる回転子カップの内周面に保持されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の磁気軸受部を備えた電動機。
【請求項６】
回転子軸に支持され非磁性材料よりなる回転子ヨークの外周面に永久磁石が保持されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の磁気軸受部を備えた電動機。
【請求項７】
永久磁石を保持する磁性材料よりなる回転子ヨークの一部に固定子歯と永久磁石間の空隙の磁気抵抗より磁気抵抗が大きくなる切欠き部を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の磁気軸受部を備えた電動機。
【請求項８】
固定子の一部に固定子歯と永久磁石間の空隙の磁気抵抗より磁気抵抗が大きくなる空隙部を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の磁気軸受部を備えた電動機。
【請求項９】
固定子と回転子と空隙に形成される磁気回路であって、磁性材料よりなる回転子ヨーク又は固定子コアの断面積が部分的に縮小されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の磁気軸受部を備えた電動機。
【請求項１】
複数の固定子歯に電動機巻線と磁気支持巻線が巻き付けられた固定子と、
固定子歯に対向し、回転子軸に支持され、磁気支持巻線への通電により磁気支持力を発生し、電動機巻線への通電によりトルクを発生する永久磁石を有する回転子と、
当該回転子の回転子軸と直交するＸ−Ｙ方向への回転子の変位を検出する変位検出手段と、
回転子の回転位置を検出して電動機巻線への通電を切り換えることにより回転子を回転させるモータ制御部と、
変位検出手段により検出された回転子の変位に応じて磁気支持巻線の電流の大きさと方向を制御して回転子のＸ−Ｙ方向への並進運動を制御する磁気軸受制御部を備えた電動機であって、
固定子と回転子と空隙に形成され磁気支持力を発生させる磁気回路に、固定子歯と永久磁石間の空隙の磁気抵抗より磁気抵抗が大きくなる部位を設けたことを特徴とする磁気軸受部を備えた電動機。
【請求項２】
複数の固定子歯に巻き付けられる電動機巻線と該電動機巻線と対になって複数の固定子歯に巻き付けられ径方向に対向する位置にある固定子歯に同相の巻線が巻き付けられる磁気支持巻線を有する固定子と、電動機巻線への通電によりトルクを発生する永久磁石を有する回転子を備えたことを特徴とする請求項１記載の磁気軸受部を備えた電動機。
【請求項３】
複数の固定子歯に巻き付けられる電動機巻線を有する第１の固定子と、複数の固定子歯に巻き付けられる磁気支持巻線を有する第２の固定子と、
第１の固定子歯に対向し電動機巻線への通電によりトルクを発生する第１の回転子と、第２の固定子歯に対向し磁気支持巻線への通電により磁気支持力を発生する永久磁石を有する第２の回転子が各々同一回転子軸に支持されていることを特徴とする請求項１記載の磁気軸受部を備えた電動機。
【請求項４】
固定子と回転子と空隙に形成される磁気回路であって、永久磁石が非磁性材料よりなる回転子カップの内周面に保持されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の磁気軸受部を備えた電動機。
【請求項５】
非磁性材料よりなる回転子ヨークの内周面に永久磁石が保持され、該回転子ヨークが磁性材料よりなる回転子カップの内周面に保持されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の磁気軸受部を備えた電動機。
【請求項６】
回転子軸に支持され非磁性材料よりなる回転子ヨークの外周面に永久磁石が保持されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の磁気軸受部を備えた電動機。
【請求項７】
永久磁石を保持する磁性材料よりなる回転子ヨークの一部に固定子歯と永久磁石間の空隙の磁気抵抗より磁気抵抗が大きくなる切欠き部を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の磁気軸受部を備えた電動機。
【請求項８】
固定子の一部に固定子歯と永久磁石間の空隙の磁気抵抗より磁気抵抗が大きくなる空隙部を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の磁気軸受部を備えた電動機。
【請求項９】
固定子と回転子と空隙に形成される磁気回路であって、磁性材料よりなる回転子ヨーク又は固定子コアの断面積が部分的に縮小されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の磁気軸受部を備えた電動機。
【図１】
【図２】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図３】
【図５】
【図２】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図３】
【図５】
【公開番号】特開２００８−２８９２８３（Ｐ２００８−２８９２８３Ａ）
【公開日】平成２０年１１月２７日（２００８．１１．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１３１９９６（Ｐ２００７−１３１９９６）
【出願日】平成１９年５月１７日（２００７．５．１７）
【出願人】（０００１０６９４４）シナノケンシ株式会社 (316)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月２７日（２００８．１１．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月１７日（２００７．５．１７）
【出願人】（０００１０６９４４）シナノケンシ株式会社 (316)
【Ｆターム（参考）】
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